JP3689872B2 - ファイバオプティックカプラ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はファイバオプティックカプラ（fiber optic couplers）に関し、さらに詳細には低い値の非断熱テ−パ誘起過剰損失（nonadiabatic-taper-induced excess loss）を呈示するカプラに関する。本発明は機能または物理的構成に関係なくファイバオプティックカプラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明が適用される種々のカプラ機能としては、色消し（achromatic）、波長分割多重化、信号タッピング（signal tapping）、スイッチング等がある。種々のの構成の例としては、（ａ）複数の同一長の光ファイバを加熱しかつ延伸してそれらの不光ファイバを融着させかつそれらにテ−パを付けることによって作成された融着双円錐テ−パカプラ、（ｂ）複数の光ファイバをチュ−ブに挿入し、そのチュ−ブをファイバに対してコラプス（collapse）させ、その後でチュ−ブの中間領域を延伸することによって作成されたオ−バ−クラッドカプラ、（ｃ）複数の光ファイバの加熱しそして延伸してそれらの光ファイバにテ−パを付け、その後でファイバの延伸された領域を互いに隣接して配置して、必要に応じてクラッドの部分がエッチング、研磨等によって除去された結合領域を形成することによって作成された同一長のファイバカプラがある。これら種々のカプラでは、結合領域はカプラファイバクラッドの屈折率より低い屈折率n₃を有する媒体で包囲されている。この媒体は空気、ガラス、プラスチック等よりなるものでありうる。
【０００３】
ファイバオプティックカプラの光学的性能についての要求が厳しくなるにつれて、過剰損失源を除去する必要性がますます重要になる。このような損失源の１つが非断熱的テ−パ誘起過剰損失であり、これがある種のカプラでは主たる損失源となりうる。
【０００４】
ファイバオプティックカプラのテ−パ領域では、基本モ−ドは変化する局部的屈折率プロファイルに適合するように連続的に変化する形状である。幾何学形状の変化率が大きすぎると、基本モ−ドがカプラ屈折率構造のより高次のモ−ドに結合するおそれがある。この機構は非断熱モ−ド結合（nonadiabatic mode coupling）と呼ばれる。カプラが「シングルモ−ド」カプラと呼ばれる場合には、それは実際には入力および出力ファイバが基本LP₀₁モ−ドの低損失伝播を支持するにすぎないことを意味する。カプラは典型的には幾つかの束縛された伝播モ−ドを支持することができる。しかし、これらのモ−ドのうちの幾つがテ−パ時のある時点でカットオフして、潜在的なカプラ出力として失われる放射モ−ドにそれらの光パワ−を結合して、過剰損失を生ずることになりうる。カットオフしない他の高次モ−ドが出力ファイバの高次モ−ドにそれらのパワ−を出力するであろう。これらのモ−ドは大きい損失を受け、そしてこの場合にも、最終的な影響として、カプラ出力にパワ−が失われ、そして過剰損失が増大することになる。典型的には、これらの非断熱的モ−ド結合効果は波長に依存するものであり、そして過剰損失は波長の関数として変化する。
【０００５】
先行技術および／または本発明の特徴事項を特徴づけるために下記の記号が用いられる。Δ_１−２は（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）／２ｎ_１ ^２として定義される。ただし、ｎ_１およびｎ_２はそれおぞれファイバコアおよびクラッドの屈折率である。β_ＣＲはカプラの結合領域中のカプラファイバにおける基本モードの伝播定数を意味するものとして用いられれている。Δ_{ｐｅｄｅｓｔａｌ}は（ｎ _ｉ ^２ −ｎ _２ ^２ ）／２ｎ _ｉ ^２ に等しい。ただし、ｎ_ｉはファイバのコアのすぐ外側の部分の屈折率である（図２の屈折率ディップ１０および図８の屈折率ペデスタル２７を参照されたい）。
【０００６】
図に示された屈折率プロファイルでは、屈折率および半径を一定の比例に応じておよび／または正確な相対的大きさで表わすことはなされていない。
【０００７】
信号（波長λ_Sの）とポンプパワ−（波長λ_Pの）をファイバ増幅器の利得ファイバに結合させるために用いられる特定のタイプの波長分割多重（ＷＤＭ）カプラ（この明細書ではタイプＡのカプラを呼ぶ）で顕著な非断熱モ−ド結合が観察された。このようなカプラの１つが米国特許第５１７９６０３号に開示されており、それはＷＤＭとモ−ドフィ−ルドの両方のコンバ−タとして機能する。第１のカプラファイバは標準の通信用ファイバ（Δ^esi＝0.36％、d_c ^esi＝8.3μm、モ−ドフィ−ルド直径＝10.5μm（1550nm）および5.7μm（1000nm））に整合したコアを有している。第２のカプラファイバは、大きいコア・クラッド△_1-2（約1％）、3.5μmのd_c ^esi、およびエルビウムをド−プした利得ファイバに実質的に整合するのに十分なだけ小さい（1550nmにおいて6.4μmそして1000nmにおいて3.7μm）モ−ドフィ−ルド直径を有する。Δ^esiはファイバの等価ステップインデックス・デルタであり、d_c ^esiは等価ステップインデックス・コア直径である。これら２本のカプラファイバは、第２のファイバのクラッドが第１のファイバのクラッドにおける塩素の量より多い量の塩素を与えられており、それによって第２のファイバのクラッドの屈折率が第１のファイバのクラッドの屈折率より大きいことを除き、実質的に異なる値のβ_CRを有していたであろう。カプラファイバクラッド間の屈折率の不等性のために、それらのβ_CR値は波長λ_sの光パワ−の95％以上が第１および第２のカプラファイバ間で結合するのに十分なだけ整合するようになされる。第２のファイバが作成される態様によって、それの塩素プロファイル（理想化された）は図１に示されているようになり、そしてそれの全体の屈折率プロファイル（理想化された）は図２に示されているようになる。これらのカプラファイバの屈折率プロファイルは塩素とゲルマニアの両方のド−ピングによって決定されるものであり、小さい半径（＜2μm）における大きいゲルマニアド−ピングレベルが図２に示されている内側の屈折率ピ−クを形成することがわかる。２つの塩素レベル間の遷移の半径がr_t、コア半径がr_cであり、そしてr_oはファイバの外側半径である。
【０００８】
標準の通信用ファイバの屈折率プロフィアル（理想化された）が図３に示されている。
【０００９】
この損失機構は、図１および２によって特徴づけられるタイプの２本の同一の小さいモ−ドフィ−ルド直径ファイバでもって作成されたＷＤＭカプラ（ここではタイプＢのカプラと呼ばれる）でより大きくなることが観察された。図４はタイプＡおよびＢのカプラの場合の過剰損失と波長の関係を示す。両方の場合において、波長に対する損失の変化は可能な非断熱損失機構を示している。
【００１０】
図５の曲線２０によって表わされた塩素ド−ピング・プロフィ−ルを有する小さいモ−ドフィ−ルド直径のファイバでもって作成されたタイプＡのカプラは、図５の曲線２１によって表わされているような塩素ド−ピング・プロファイルを有する小さいモ−ドフィ−ルド直径のファイバでもって作成されたものよりも0.3dBだけ大きい過剰損失を有することが認められた。クラッド塩素レベルを除き、これらの小モ−ドフィ−ルド直径ファイバは他のすべての点で実質的に同一である。このようにして、塩素プロファイルにおけるより大きいディップがより大きいカプラ過剰損失の原因となることが明らかとなった。
【００１１】
【本発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の１つの目的は低いレベルの過剰損失を呈示するファイバオプティックカプラを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
簡単に述べると、本発明は、それぞれが双円錐状テ−パ部分を有する複数のシングルモ−ド光ファイバよりなるファイバオプティックカプラに関する。これらのファイバのテ−パ部分は連続した関係で延長して結合領域を形成する。これらのファイバのそれぞれはコアと、このコアより低い屈折率を有していてコアを包囲したクラッドを有する。これらのファイバのうちの少なくとも１本がそれのコアとクラッドの間に屈折率n_iの屈折率ペデスタルを有しており、この場合、n₁>ni>n₂であり、かつn₁およびn₂はそれぞれ前記少なくとも１本のファイバのコアおよびクラッドの屈折率である。
【００１３】
【実施例】
この明細書では、それぞれ２本の同一の高Δ_1-2低モ−ドフィ−ルド直径ファイバで作成されたタイプＢのカプラを含む実験の結果について論述する。カプラはそれらのクラッドの内部部分（10μm以下の半径における）に含まれる塩素の量が異なっていた。
【００１４】
カプラファイバは米国特許第５２９５２１１号に開示された方法で作成された。コア領域とクラッドガラスの薄い層よりなる多孔質のコアプリフォ−ムが円柱状のマンドレル上に形成された。そのマンドレルが除去され、そしてその結果得られた管状のプリフォ−ムがコンソリデ−ション炉マッフル内に徐々に挿入される。この場合、高シリカ含有ガラスでは、その炉マッフルの最高温度は1200℃と1700℃の間であり、好ましくは約1490℃である。乾燥を行うためのプリフォ−ム・コンソリデ−ション工程時に通常存在する塩素は、ヘリウムと塩素よりなる乾燥ガスをプリフォ−ムの孔に流入させることによってプリフォ−ムに供給されうる。プリフォ−ムの微細孔を通じてガスを流動させるためにプリフォ−ムの孔の一端部が栓をされた。マッフルには同時にヘリウム・フラッシング・ガスが流される。
【００１５】
このようにして得られた管状のガラス物品は、それの孔に真空を印加された状態で、標準的な延伸用炉内で加熱されて延伸され、その孔が閉塞された「コア・ロッド」となされた。このロッドの適当な長さの部分が旋盤に装着され、そのロッド上にシリカの粒子が沈積される。このようにして得られた最終的な多孔質プリフォ−ムがコンソリデ−ション炉に挿入され、そこで、ヘリウムと塩素の混合物が炉内を上方に流動されている状態で、そのプリフォ−ムがコンソリデ−ト（consolidate）される。このようにして得られたガラスプリフォ−ムが延伸されてシングルモ−ド光ファイバが形成される。最初に形成されたコア・プリフォ−ムに添着されたクラッドガラスの量が塩素ペデスタルまたはディップの半径を決定する。第１および第２の乾燥／コンソリデ−ション工程においてプリフォ−ムの多孔質の部分が受ける塩素の量がΔ_pedestalの値を決定する。このようにして得られたファイバでは、ゲルマニアをド−プされたコアの半径はほぼ2μmであり、かつコア・クラッドΔ_1-2は約1.0％であった。
【００１６】
米国特許第５０１１２５１号および第５２９５２１１号に従ってカプラが作成された。１本のファイバの中間部分からおよび他の１本のファイバの端部から保護被覆が除去された。これら２本のファイバがガラスチュ−ブの穴に挿入され、それらのファイバの裸にされた部分がチュ−ブの中間領域を通って延長するようになされる。チュ−ブの穴が脱気され、そしてチュ−ブの中間領域をファイバに対してコラプスさせるために加熱される。チュ−ブが再度加熱され、そしてコラプスされた中間領域の中央部分が延伸されてカプラが形成された。
【００１７】
このようにして得られたカプラが図６に概略的に示されているが、このカプラでは、光ファイバＦ₁およびＦ₂がガラスオ−バ−クラッドチュ−ブＯ内を延長している。そのチュ−ブから延長したファイバの部分は保護被覆材料を有していることが好ましい（この図示された実施例には示されていない）。少なくともチュ−ブの中間領域内のファイバの部分は被覆を有していない。チュ−ブの最初の直径はd₁である。延伸された中間領域の中央部分は直径d₂のネックダウン領域Ｎを構成して、このネックダウン領域では、ファイバコアはそれらの間に所望の結合を生じさせるのに十分なだけ長い距離ｚにわたって十分に近接して離間されている。領域Ｎは、そのには若干のテ−パが存在していて、その領域Ｎの長手方向の中心部の直径が最小となるようになされているのであるが、図では一定の直径を有するもののように図示されている。延伸比Ｒはd₁/d₂に等しい。テ−パした領域Ｔがネックダウン領域をチュ−ブＯの延伸されていない端部領域に連結する。
【００１８】
異なる塩素プロファイル・ディップを有する小モ−ドフィ−ルド直径ファイバを用いたＷＤＭカプラについて分析した結果、塩素プロファイル・ディップが大きいほど、過剰損失の大きいカプラが得られることが明らかとなった。このメカニズムをさらに確認するために、４本の異なる小モ−ドフィ−ルド直径ファイバでもってＢタイプのＷＤＭカプラが作成された。各カプラは、上述した方法で作成された２本の同一の小モ−ドフィ−ルド直径ファイバで作成された。これらのカプラのそれぞれは、異なる塩素濃度を有しており、約10μmまでの半径のファイバを使用した。約10μm以上の半径では、塩素濃度は実質的に同一であった。約10μmまでの半径では、各タイプのファイバは外側の塩素レベル（ディップ）より低い塩素レベルまたは外側の塩素レベルより高い塩素レベルを有していた。塩素レベルの大きいディップを有するファイバ（図５の曲線２０で示されているような）と、図５の曲線２２で示されているもののようなペデスタルを有するファイバとが含まれていた。図７には、1200〜1600nmの波長範囲における最大過剰損失が、小さい半径（約10μm）における塩素レベルのディップの大きさの関数として示されている。ディップの負の値はペデスタルに相当する。そのデ−タはディップが小さいと損失がそれだけ小さくなり、ペデスタルでは損失がそれよりさらに良くなる明らかな傾向を示している。したがって、本発明の１つの特徴は、コアとクラッドの間にペデスタルを有する光ファイバをファイバオプティックカプラに使用することである。図８に示されているように、ペデスタル２７はコア２６の最大屈折率n₁とクラッド２８の屈折率n₂の中間の値である最大屈折率n_iを有している。簡単のために、コア２６とペデスタル２７はファイバの一定屈折率領域であるとして示されている。あるいは、コア２６とペデスタル２７はグラジエントプロファイル、複数のステップよりなるプロファイル等のような変化する屈折率プロファイルを有していてもよい。
【００１９】
本発明の最適設計の幾つかの曲面を決定するために数値モデル化がなされた。使用されたモデル化ツ−ルが米国特許第４８７７３００号に記載されているようなものであり、その特許では、種々の幾何学形状（テ−パに沿った寸法の変化）についてLP₀₁およびLP₁₁伝播定数差が計算されている。
【００２０】
図９はΔ_pedestalの種々の値におけるδβの理論的変化を示している。δβは最低のLP₀₁モ−ドと次に高いLP₁₁モ−ドの伝播定数間の差を表わしており、（βL_P01 - β_LP11）に等しい。δβの最小値が大きければ、過剰損失性能がそれだけ良くなる。図９はΔ_pedestalの値が大きくなれば、それだけ大きな過剰損失改善が得られることを示している。図９の曲線は表１に示された屈折率プロファイル（ペデスタルまたはディップ）に対応している。
【００２１】

【００２２】
塩素濃度差間の概略的な関係およびそれらの差によって生ずる屈折率Δは
Δ＝Cl差（重量％）/10
である。さらに、曲線３１〜３３は図７に示されているように、実験的に測定された塩素差のスパンを概略的に表わしている。
【００２３】
図１０は0.03％のΔ_pedestal値の場合におけるペデスタル半径にともなうδβの変化を示している。図１０の曲線は表２に示されたペデスタル半径に対応する。20〜25μmの半径は最大効率のための最適値である。Δ_pedestalの他の値の場合にもペデスタル半径の同様の値が得られた。
【００２４】

【００２５】
上記のΔ_pedestalおよびペデスタル半径の最適値はモ−ドフィ−ルド直径やカットオフ波長のような要因を考慮しないで得られた。しかし、ファイバの屈折率プロファイルにペデスタルが存在することにより、ペデスタルが存在しない場合にファイバが呈示するものとは異なるモ−ドフィ−ルド直径およびカットオフ波長となる。
【００２６】
これらの他のファイバ特性は、例えば、第１のカプラファイバが標準の通信用ファイバと整合されたタイプＡのファイバ・エルビウム増幅器ＷＤＭカプラを設計する際に重要となるであろう。第２のカプラファイバの第１の端部がポンプ光源に接続されかつ980nmの波長の光を伝播させなければならないとし、そして第２のファイバの第２の端部が利得ファイバに接続されるとしよう。第２のカプラファイバは、それのカットオッフ波長がある特定の波長、例えば98nm以下とならないように設計されなければならない。さらに、該当するファイバのモ−ドフィ−ルド直径が実質的に利得ファイバのそれと整合しなければならない。
【００２７】
したがって、損失に対する最適パラメ−タを検討することに加えて、カットオフ波長およびモ−ドフィ−ルド直径による制限も考慮された。
【００２８】
第２のカプラファイバの場合のモードフィールド直径限界（ライン５０）およびカットオフ波長限界（ライン５１）に関して得られた限界の要約が図１１に示されており、この図にはこれらの限界の両方が示されている。ファイバのペデスタル特性は斜線の領域内に入らなければならない。塩素ドーピングを行った場合に得られるペデスタル値は約０．０２％までであり（ライン５２）、約１０μｍのペデスタル半径に相当する。しかし、塩素ドーピングでもって０．０１％より小さいΔｐｅｄｅｓｔａｌの値を正確に発生することは困難である。δβ値についての結果がここでの対向する傾向を与える。大きいΔｐｅｄｅｓｔａｌの値の方がより効果的であり、最適結果を斜線領域の左上方部分に押しやるが、先に得られた最適半径はその領域の右側端部の方への値を示すであろう。事実、図１２に示されているように、Δｐｅｄｅｓｔａｌが大きく、半径が小さい端部の方が損失の観点から性能的に良好である。上記の説明および図１１から分かるように、前記ファイバの少なくとも１本は０．１４％より小さいΔｐｅｄｅｓｔａｌを有している。なお、この場合、Δｐｅｄｅｓｔａｌは（ｎ_ｉ ^２−ｎ_２ ^２）／２ｎ_ｉ ^２に等しく、かつ前記ペデスタルの半径は３ミクロンより大きい。
【００２９】
ここで見られた変化からの過剰損失の相対的な改善は正確には定量化することはできないが、上述したＢタイプのカプラについての実験（図７）で見られた過剰損失の改善は、δβの約0.0004μm^-1の増加の結果であり、図１２に示された変化に類似している。
【００３０】
0.02％以下のΔ_ped値では塩素が好ましいド−パントである。なぜなら、塩素は多孔質のコアプリフォ−ムを乾燥するためのコンソリデ−ション時に存在しない。それの濃度はペデスタルを形成するために外側クラッドのコンソリデ−ション時に用いられるものよりも大きいレベルまで増加されるにすぎない。しかし、約0.02％より大きいΔ_ped値を得るためには、他のド−ピング技術を用いなければならない。
【００３１】
屈折率プロファイルにペデスタル２７（図８）を有するファイバを作成するためには塩素以外のド−パントを用いることができる。コア２６を形成するために用いられるド−パントはペデスタルを形成するためにも用いられ得る。光ファイバのコアのためのド−パントとして一般に用いられるゲルマニアは、コア２６およびペデスタル２７の両方を形成するために用いられ得る。さらに、コアおよび／またはペデスタル２７を形成するために用いられ得る他の多くの屈折率増加ド−パントが存在する。ペデスタル２７はシリカで形成されてもよく、クラッド２８はフッ素またはホウ素のような屈折率増加ド−パントをド−プしたシリカで形成される。
【００３２】
本明細書では、すべてのファイバが屈折率ペデスタルを有するカプラおよびファイバが同一の屈折率ペデスタルを有するカプラについて述べた。本発明は１本以上のカプラファイバが屈折率ペデスタルを有し、すべてのペデスタルが同一であるわけではないカプラに対しても適用できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、ファイバオプティックカプラの過剰損失を低いレベルに抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知のＷＤＭカプラファイバの塩素プロファイルのグラフである。
【図２】公知のＷＤＭカプラファイバの屈折率プロファイルである。
【図３】標準の通信用ファイバの屈折率プロファイルである。
【図４】２つの異なるカプラのスペクトル過剰損失曲線を示している。
【図５】３本の異なるカプラファイバの塩素プロファイルを示している。
【図６】オ−バ−クラッドファイバオプティックカプラの断面図である。
【図７】異なる値の塩素ディップまたはペデスタルを有するカプラの最大過剰損失（1200nmから1600nmまでの）のグラフである。
【図８】本発明に従って設計されたカプラファイバの屈折率プロファイルである。
【図９】δβの理論的変化が延伸比の関数としてプロットされたグラフであり、パラメ−タはΔ_pedestalである。
【図１０】δβの理論的変化が延伸比の関数としてプロットされたグラフであり、パラメ−タはペデスタル半径である。
【図１１】Δ_pedestalの理論的変化がペデスタル半径の関数としてプロットされたグラフであり、モ−ドフィ−ルド直径およびカットオフリミットが示されている。
【図１２】最小Δβの理論的変化が、カットオフ限界によって決定される所定の値のa_pede_stalに対するΔ_pedestalの最大値であるΔ_pedestal＝(0.115μm)/a_pedestal)²によって決定されるΔ_pedestal値に対するペデスタル半径a_pedestalの関数としてプロットされたグラフである。
【符号の説明】
２６ コア
２７ ペデスタル
２８ クラッド

Claims (10)

1. それぞれ双円錐状テーパ部分を有する複数のシングルモード光ファイバよりなり、前記光ファイバのテーパ部分が連続した関係で延長して結合領域を形成し、前記光ファイバのそれぞれのコアと、このコアの屈折率より低い屈折率を有していてコアを包囲したクラッドを具備しており、前記光ファイバのうちの少なくとも１本の光ファイバが前記コアとクラッドの間に最大屈折率ｎ_ｉを有する屈折率ペデスタルを有しており、ｎ_１が前記少なくとも１本の光ファイバのコアの屈折率であり、そしてｎ_２が前記少なくとも１本の光ファイバのクラッドの屈折率であるとして、ｎ_１＞ｎ_ｉ＞ｎ_２であるようになされており、前記少なくとも１本の光ファイバが０．１４％より小さいΔ_{ｐｅｄｅｓｔａｌ}を有しており、Δ_{ｐｅｄｅｓｔａｌ}が（ｎ_ｉ ^２−ｎ_２ ^２）／２ｎ_ｉ ^２に等しく、かつ前記ペデスタルの半径が３ミクロンより大きい、ファイバオプティックカプラ。
2. 前記少なくとも１本の光ファイバが塩素を含んでおり、前記少なくとも１本の光ファイバのペデスタル中の塩素の量がその光ファイバのクラッド中の塩素の量より多い、請求項１に記載のファイバオプティックカプラ。
3. 前記少なくとも１本の光ファイバのコアがシリカと屈折率増加ドーパントを含んでおり、かつ前記ペデスタルがシリカと屈折率増加ドーパントを含んでいる、請求項１または２に記載のファイバオプティックカプラ。
4. 前記コアと前記ペデスタルが同じ屈折率増加ドーパントを含んでいる、請求項３に記載のファイバオプティックカプラ。
5. 前記コアと前記ペデスタルが異なる屈折率増加ドーパントを含んでいる、請求項３に記載のファイバオプティックカプラ。
6. 前記少なくとも１本の光ファイバのクラッドがそれの屈折率をｎ_ｉより低い値まで低下させるのに十分な量の屈折率増加ドーパントを含んでいる、請求項１に記載のファイバオプティックカプラ。
7. 前記複数の光ファイバが同一である、請求項１に記載のファイバオプティックカプラ。
8. 少なくとも１本の光ファイバが前記複数の光ファイバの残りとは異なるものである、請求項１に記載のファイバオプティックカプラ。
9. 前記複数の光ファイバのそれぞれが前記コアとクラッドの間に屈折率ペデスタルを有しており、そのペデスタルの屈折率はファイバのクラッドの屈折率より大きくかつファイバのコアの屈折率より小さい、請求項１に記載のファイバオプティックカプラ。
10. 前記カプラの結合領域が２つの端部領域と中間領域を有する細長いマトリクスガラス体によって包囲されており、前記光ファイバが前記マトリクスガラス体を長手方向に延長しかつ前記マトリクスガラス体の中間領域と一緒に互いに融着され、前記中間領域の中央部分の直径が前記端部領域の直径より小さく、前記中間領域の前記中央部分が前記結合領域を形成している、請求項１に記載のファイバオプティックカプラ。

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