光纤耦合器及光纤耦合器用光纤

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的实施形式。在附图的说明中，相同要素采用相同符号，省略重复说明。

首先，说明本发明的第1实施形式。图1为示出第1实施形式的光纤耦合器1的构成。如图1所示，光纤耦合器1通过并列配置可在使用波长区进行单模光传输的第1和第2光纤10、20并在熔接拉伸部30进行熔接拉伸从而进行制造。构成该光纤耦合器1的光纤10、20具有纤芯部10a、20a和设于纤芯部10a、20a周围的包层部10b、20b。

图2示出用于该光纤耦合器1的光纤10、20的折射率分布的一例。如图2所示，纤芯部10a、20a的折射率比包层部10b、20b的折射率高，以可进行单模光传输。纤芯部10a、20a的折射率n、半径a、使用波长λ、纤芯部10a、20a与包层部10b、20b内侧部分的相对折射率差Δn的关系通常满足以下(2)式。

π na(2Δn)^0.5/λ≤2.405…(2)

在图2中，纤芯部10a、20a的折射率为平坦的一定值，但纤芯部10a、20a的有效折射率如满足上述(2)式，则不限于平坦的场合。另外，纤芯部10a、20a的折射率分布也可为中央部变高的抛物线状的形状，也可为此外的折射率分布形状。

包层部10b、20b具有折射率朝横断面径向外侧逐渐降低的折射率分布。包层部10b、20b的最内侧的部分与包层部10b、20b的最外侧的部分的相对折射率差为0.005％～0.02％左右。包层部10b、20b的折射率的倾斜不一定非要为一定，但朝径向外侧没有折射率上升的部分。在折射率的倾斜大体为一定的场合，其斜率设定为-3×10^-4％/μm左右，从而可使包层部10b、20b的最内侧的部分与最外侧的部分的相对折射率差约为0.005％～0.02％。

图3示出用于第1实施形式的光纤耦合器1的光纤10、20的折射率分布的另一例。如图3所示，在纤芯部10a、20a的周围设置包层部10b、20b，该包层部10b、20b由内包层部10b′、20b′和外包层部10b″、20b″构成。在图3的场合，纤芯部10a、20a也与图2的场合同样地设计，使得可进行单模光传输。

内包层部10b′、20b′和外包层部10b″、20b″的折射率分别朝光纤10、20的横断面径向外侧逐渐降低。内包层部10b′、20b′和外包层部10b″、20b″的各折射率倾斜比例也不一定非要相同。另外，在内包层部10b′、20b′与外包层部10b″、20b″的边界，以比内包层部10b′、20b′内和外包层部10b″、20b″内的折射率下降比例大的折射率比例，急剧地下降。另外，内包层部10b′、20b′的最内侧的部分的折射率与外包层部10b″、20b″最外侧的部分的相对折射率差约为0.005％～0.02％。另外，内包层部10b′、20b′的外径最好在70μm以下，在约30μm～50μm左右则更理想。内包层部10b′、20b′与外包层部10b″、20b″的边界处的相对折射率差最好为0.007％～0.015％。

另外，图3示出了将包层部10b、20b分成内包层部10b′、20b′和外包层部10b″、20b″这样2段的例子，但也可形成3段，或更多的段数。在该场合，使包层部10b、20b最内侧的部分与最外侧的部分的相对折射率差为0.005％～0.02％左右。另外，必须使得没有折射率朝包层部10b、20b的径向外侧依次上升的部位。另外，内包层部10b′、20b′与外包层部10b″、20b″的边界的折射率分布不限于图3所示那样的折射率不连续地下降的情形，也可形成为以比内包层部10b′、20b′内和外包层部10b″、20b″内大的倾斜连续下降的分布。

另外，包括图2和图3的场合在内，当包层部10b、20b的横断面的平均折射率与最小折射率的相对折射率差超过0.02％时，在包层部10b、20b根据其折射率分布形成多模，当加工为光纤耦合器时，存在易于变换成高阶模而发生过剩损耗的倾向，所以，包层部10b、20b的横断面的平均折射率与最小折射率的相对折射率差最好在0.02％以下。

包层部10b、20b的折射率分布可根据SiO₂玻璃中的氯原子、GeO₂(二氧化锗)、及OH基(羟基)中的至少一种的浓度分布而形成。其中，为了使折射率稍变化一些，最好通过在作为形成包层部10b、20b的主材料的二氧化硅中添加氯或氯化合物而实现。对于包层部10b、20b，可在多孔质玻璃不收缩的900℃～1300℃的温度区域，在氯气或氯化合物气体(四氯化碳、四氯化硅等)的气氛中处理由二氧化硅构成的多孔质玻璃构成的母材，将氯添加到多孔质玻璃，然后在不供给氯气或氯化合物气体的气氛中进行加热处理，从多孔质玻璃的表面脱去一部分氯，从而可降低母材表面的氯添加量。

另外，当形成由多孔质玻璃构成的母材时，如增大母材外周部分的假密度或减小多孔质玻璃的粒子的表面积相对质量的比例，则氯气氛处理过程中氯在玻璃粒子表面的吸附扩散量减少，可减少母材外周部分的氯添加量。另外，当添加1重量％的氯时，折射率约增大0.1％，所以，只要相应于所期望的折射率调整氯的添加量即可。

另外，包层部10b、20b的折射率分布为0.02％左右的小相对折射率差的变化量即足够，所以，通过调整光纤10、20拉丝时的冷却速度，可在包层部10b、20b的内部形成沿径向变化的应变，使用该应变的应力也可实现所期望的折射率分布。例如，拉丝时的冷却气氛如使用氦气，则拉丝时的气体导热系数大，所以，光纤10、20的表面被急冷，粘度下降，承受拉丝张力，拉伸应变易于作为内部应变残留下来。由于该内部应变产生的光弹性效果使折射率下降，所以，在母材的包层部形成降低了表面部分的折射率的折射率分布。在拉丝张力大的场合，易于产生该折射率分布形成的效果。

下面，说明第1实施形式的光纤耦合器的具体的实施例。

在实施例1中，使用具有图2所示折射率分布的光纤10、20形成光纤耦合器1。纤芯部10a、20a的外径为4.5μm，包层部10b、20b的外径为125μm，纤芯部10a、20a与包层部10b、20b最内侧的部分的相对折射率差为1.1％，包层部10b、20b的最内侧的部分与包层部10b、20b最外侧部分的相对折射率差为0.02％。另外，包层部10b、20b的折射率的斜率的平均值为-3.3×10^-4％/μm。

在实施例2中，使用具有图3所示折射率分布的光纤10、20形成光纤耦合器1。纤芯部10a、20a的外径为4.5μm，内包层部10b′、20b′的外径为40μm，外包层部10b″、20b″的外径为125μm，纤芯部10a、20a与包层部10b、20b最内侧部分的相对折射率差为1.1％，内包层部10b′、20b′最内侧部分与外包层部10b″、20b″最外侧的部分的相对折射率差为0.02％，内包层部10b′、20b′与外包层部10b″、20b″的边界部分的相对折射率差为0.008％。另外，内包层部10b′、20b′和外包层部10b″、20b″的折射率的斜率分别平均为-2×10^-4％/μm。

在比较例1中，使用图4所示折射率分布的光纤形成光纤耦合器。纤芯部30a的外径为4.5μm，包层部30b的外径为125μm，纤芯部30a与包层部30b的相对折射率差为1.1％。另外，包层部30b的折射率在径向上为一定。

在比较例2中，使用图5所示折射率分布的光纤形成光纤耦合器。纤芯部30a的外径为4.5μm，内包层部30b′的外径为30μm，外包层部30b″的外径为125μm，纤芯部30a与包层部30b的相对折射率差为1.1％。另外，外包层部30b″的折射率比内包层部30b′的折射率高，其相对折射率差为0.015％。

针对实施例1、2和比较例1、2，考察了加工成光纤耦合器时朝主线侧和支线侧的分路损耗和过剩损耗。图6～9为示出实施例1、2和比较例1、2中的朝主线侧的分路损耗(用L1表示)、朝支线侧的分路损耗(用L2表示)、及过剩损耗(用L3表示)的典型事例的图。左纵轴分别示出主线侧和支线侧的分路功率相对输入功率的分路损耗，右纵轴示出主线侧和支线侧的分路功率总量相对输入功率的过剩损耗。在实施例1、2中，过剩损耗大体在0.1dB以下，但比较例1、2的过剩损耗为0.1dB～0.3dB，较大。

另外，如在1.55μm波长区过剩损耗超过0.1dB时判定为不合格，则合格率在实施例1为80％，在实施例2为95％，在比较例1为50％，在比较例2为10％。根据这些结果对实施例和比较例进行比较后可以确认过剩损耗较少。

下面说明本发明的第2实施形式。

首先利用图10～图13说明第2实施形式的光纤耦合器的背景。图10为示出光纤的模场直径与弯曲损耗的关系的图。在该图中，假设光纤的折射率分布有3种类型。所有光纤的纤芯部的折射率分布都由下式表示的α次方分布进行表示。 $>>\Delta n>>(>r>)>>=>>\Delta n>peak>>\{>1>->>>(>>r>a>>)>>\alpha >>\}>·>·>·>·>·>·>>(>3>)>>>s>$

其中，a为光纤的纤芯半径，r为在径向上与光轴中心的距离，Δn(r)为位置r处的相对折射率差，Δn_peak为相对折射率差的峰值。相对折射率差以包层部的折射率为基准。在图10中，设截止波长为948nm，对α＝1、α＝2、及α＝102的各场合，示出波长1550nm时的模场直径与弯曲损耗(弯曲直径20mmφ)的关系。

图11为示出光纤的α值与弯曲损耗的关系的图。由图10和图11可知，光纤的模场直径越小，则光纤的弯曲损耗越小。另外，光纤的α值越小，则光纤的弯曲损耗越小。其原因可以认为是，如果截止波长为一定，α值越小，则芯径越大，光在纤芯部的封入率提高。

图12为示出光纤的弯曲损耗与使用该光纤的光纤耦合器的过剩损耗的关系的图。该图也示出波长1550nm时的弯曲损耗(弯曲直径20mmφ)与过剩损耗的关系。由该图可知，光纤的弯曲损耗越小，则光纤耦合器的过剩损耗越小。另外，由图10～图12可以看出，如截止波长为一定，则使用该光纤的光纤耦合器的过剩损耗随着α值减小而减小。

图13为示出光纤的α值与相对折射率差峰值的关系的图。其中，分别将模场直径和截止波长设为一定。由该图可以看出，α值越小，则相对折射率峰值Δn_peak越大。然而，相对折射率差峰值Δn_peak大的光纤不容易制造。

当从光纤制造光纤耦合器时，在考虑到使用该光纤耦合器的状况的前提下，适当设计光纤的模场直径和截止波长。为了减小过剩损耗，α值最好较小。即，在用于光纤耦合器的光纤的芯部的折射率分布中，α值在3以下的折射率分布比α值大的阶跃型折射率分布好，特别是α值为1～2.5的折射率分布较好。本发明就是根据以上见解作出的。

下面，说明第2实施形式的光纤耦合器。本实施形式的光纤耦合器1与图1所示场合同样，通过并列配置第1和第2光纤10、20并熔融拉伸加以制造。第1光纤10和第2光纤20分别以石英玻璃为基体，包含纤芯部10a、20a和将其围住的包层部10b、20b，在纤芯部10a、20a以规定的径向分布添加折射率上升剂(例如GeO₂)。

第1和第2光纤10、20分别以距光轴中心的径向距离为r，将以包层部10b、20b的折射率为基准的纤芯部10a、20a内的位置r处的相对折射率差设为Δn(r)，相对折射率差Δn(r)在位置r_peak处为峰值Δn_peak(＝Δn(r_peak))，纤芯半径为a，则在r_peak≤r≤a的范围中，相对折射率差Δn(r)满足以下关系。 $>>\Delta n>>(>r>)>>\le >\Delta >>n>peak>>\{>1>->>>(>>r>a>>)>>3>>\}>·>·>·>·>·>·>>(>4>)>>>s>另外，在r$_peak≤r≤a的范围中，相对折射率差Δn(r)满足以下关系时则更好。 $>>>\Delta n>peak>>\{>1>->>(>>r>a>>)>>\}>\le >\Delta n>>(>r>)>>\le >\Delta >>n>peak>>\{>1>->>>(>>r>a>>)>>2.5>>\}>·>·>·>·>·>·>>(>5>)>>>s>$

通过满足这样的条件，可减小光纤10、20的弯曲损耗和光纤耦合器1的过剩损耗。

在第2实施形式的光纤耦合器1中，对于第1和第2光纤10、20，1.5μm～1.6μm波长区(1.50μm～1.65μm)的弯曲损耗最好在弯曲半径15mm时不到1dB/m。这样，第1和第2光纤10、20的各弯曲损耗变小，可充分减小形成耦合器时的过剩损耗。

图14为说明本实施形式的光纤耦合器1中所用光纤10、20的折射率分布的图。在该图中，分别示出α＝1的场合的上述(3)式的直线A、α＝2.5的场合的上述(3)式的直线B、及α＝3的场合的上述(3)式的曲线C。第1光纤10和第2光纤20的相对折射率差Δn(r)在r_peak≤r≤a的范围内处于直线A与曲线C之间，在直线A与曲线B之间时更理想。

在0≤r＜r_peak的范围内，相对折射率差Δn(r)可处于直线A与曲线C之间，也可于处于直线A与曲线C之间。例如，相对折射率差Δn(r)成为峰值Δn_peak时的位置也可不为光轴中心，光轴中心(r＝0)处的相对折射率差Δn(0)也可比峰值Δn_peak小。相对折射率差Δn(r)最好在0≤r≤a/2的范围内的距离r处为峰值Δn_peak。这样，可减小光纤芯部中心的凹部的影响导致的制成耦合器时的损耗。

另外，光纤10、20的截止波长λ_C需要比使用的最短波长短。如果可降低使用的最长波长下的弯曲损耗，则在形成为耦合器时的过剩损耗小。例如，对于激励光波长为980nm的、用于对1.55μm波长区的信号光进行光放大的光放大器，当使用光纤耦合器1作为光合波器时，光纤10、20的截止波长λ_C在980nm以下，使用最长波长延伸到1570nm，所以，其波长差为590nm。对于弯曲损耗的特征，使用波长与截止波长λ_C的差越大则越显著出现。特别是当具有300nm以上的波长差时，上述3次方以下的抛物线型的折射率分布的效果大。

图15为说明具有α＝2的折射率分布曲线的光纤设计的图。如该图所示，在将芯径作为横轴、将相对折射率差峰值作为纵轴的2维平面上，示出截止波长λ_C为各值(900nm、940nm、980nm)的线、波长980nm的模场直径MFD为各值(3.8μm、4.0μm、4.2μm)的线、及波长1550nm的弯曲直径15mmφ的弯曲损耗α_B为各值(10^-3dB/m、10^-2dB/m、10^-1dB/m、1dB/m)的线。弯曲直径15mmφ的弯曲损耗α_B可看成为实际的弯曲直径20mmφ的弯曲损耗的10倍左右，另外，实际制造的光纤的弯曲损耗为设计上的光纤弯曲损数的10倍左右，因此设计上的弯曲直径15mmφ时的弯曲损耗α_B可看成与实际的弯曲直径20mmφ时的弯曲直径为相同程度。

在使用掺铒光纤用作光放大介质的激励光波长为980nm的光放大器中，当作为光合波器使用光纤耦合器1的场合，用于该光纤耦合器1的光纤10、20的截止波长λ_C需要在980nm以下。另外，波长980nm的光纤10、20的弯曲损耗α_B(弯曲半径15mmφ)最好为0.1dB/m以下。另外，波长980nm的光纤10、20的模场直径MFD最好在3.8μm以上4.6μm以下。图15中的阴影区域示出完全满足这些诸条件的较好范围。

由该图15中的阴影区域可知，当相对折射率差在1.26％以下的范围时，光纤10、20的芯径的上限由截止波长λ_C规定，下限由弯曲损耗α_B规定。当相对折射率差在1.26％以上的范围时，光纤10、20的芯径的上限由截止波长λ_C规定，下限由模场直径MFD规定。另外，当相对折射率差在1.20％以上1.26％以下的范围时，芯径的变动允许为±4％左右。该光纤耦合器用的光纤10、20的芯径的容许范围(±4％左右)比通常的色散位移光纤和色散补偿光纤的芯径的容许范围(±0.5％左右)宽，所以，这样的光纤的制造容易进行。

在α值大的阶跃型折射率分布曲线的场合，不存在满足上述截止波长、模场直径、及弯曲损耗诸条件的较好范围。如以上那样，通过适当地设计光纤耦合器1的光纤10、20的纤芯部10a、20a的折射率分布，可减小光纤10、20的弯曲损耗，另外，还可减小光纤耦合器1的过剩损耗。另外，光纤10、20的制造容易进行，从而光纤耦合器1的制造容易进行，合格率良好，制造成本低廉。

下面，说明用于本实施形式的光纤耦合器1的光纤10、20的制造方法(管内杆(ロッドィンチュ-ブ)法)的一例。首先，准备芯杆、第1包层管、及第2包层管。芯杆通过在石英玻璃中添加GeO₂而具有上述折射率分布，α＝2，相对折射率差的最大值为1.20％以上1.25％以下。第1包层管和第2包层管分别为进行了氯脱水处理的石英玻璃的管，越接近内壁氯浓度越高。第1包层管的处于内壁近旁的氯浓度例如为2500ppm左右。另一方面，第2包层管的在内壁近旁的氯浓度例如为1200ppm左右。

芯杆被拉伸成外径5.5mmφ左右，之后，由HF溶液腐蚀外周面。该芯杆插入到第1包层管，两者被压合形成为外径24mmφ，并拉伸成外径9.5mmφ，之后，由HF溶液腐蚀外周面，形成为外径7.0mmφ。HF溶液处理后的芯杆和第1包层管插入到第2包层管，压合形成为外径24mmφ，然后经过拉伸、装套、烧结(但没有氯脱水)、拉伸各工序，形成光纤母材。光纤母材也可由例如VAD法等其它制造方法制造。

然后，对该光纤母材进行拉丝，制造光纤。该光纤为用于上述实施形式的光纤耦合器1的光纤10、20。这些第1光纤10和第2光纤20并列配置并被进行熔融拉伸，制造了本实施形式的光纤耦合器1。

图16A、B为示出以上那样制造的光纤母材的折射率分布的图。该图B朝纵轴方向放大该图A。该光纤母材从光轴中心依次具有第1包层部、第2包层部、及第3包层部。光纤母材的芯部相当于当初的芯杆，与拉丝后的光纤的芯部相当。光纤母材的第1包层部与当初的第1包层管相当，并与拉丝后的光纤的第1包层部相当。光纤母材的第2包层部与当初的第2包层管相当，并与拉丝后的光纤的第2包层部相当。另外，光纤母材的第3包层部与当初的套相当，并与拉丝后的光纤的第3包层部相当。

由该图可知，纤芯部的折射率分布为2次方分布。在第1包层部的折射率分布中，越接近光轴中心折射率越大，同样，在第2包层部的折射率分布中，越接近光轴中心折射率越大。如果第1包层管和第2包层管的氯浓度为大体相同的程度，则在第1包层部和第2包层部的界面的近旁区域形成低折射率的下陷(ディプレスト)部。然而，在上述制造方法中，由于第2包层管的氯浓度比第1包层管的氯浓度足够小，所以，在第1包层部与第2包层部的界面的近旁区域未形成下陷部。在上述制造方法中，由于未在装套后进行氯脱水处理，所以，第3包层部的折射率在径向上为大体一定的较小的值。另外，由于芯杆的外径较大，所以，在将芯杆插入到第1包层管后进行压合时，可抑制芯杆的变形，可抑制在纤芯部与第1包层部的界面产生气泡(由芯杆表面的GeO₂引起)。

对这样制造的光纤母材进行拉丝后获得的光纤的截止波长在980nm以下，波长为980nm的模场直径为3.9μm～4.1μm，波长1550nm的弯曲直径20mmφ的弯曲损耗为0.8dB/m以下。另外，使用这样的光纤制造的光纤耦合器在波长1550nm的过剩损耗为0.01dB左右，处于测定误差范围。

下面说明本发明的第3实施形式。

在上述第1实施形式中，通过调整构成光纤耦合器1的光纤10、20的包层部10b、20b的折射率分布，可降低过剩损耗。另外，在第2实施形式中，通过调整构成光纤耦合器1的光纤10、20的纤芯部10a、20a的折射率分布，可降低过剩损耗。

第3实施形式的光纤耦合器1包含上述第1及第2实施形式的光纤耦合器双方的特征，与在第1和第2实施形式中的说明同样地调整构成光纤耦合器1的光纤10、20的纤芯部10a、20a和包层部10b、20b双方的折射率分布。

在这里，第3实施形式的光纤耦合器1中，包层部10b、20b的折射率分布并不是平坦的，而是朝径向外侧按顺序下降，因此相对于包层部10b、20b的位置r处的折射率差Δn(r)是根据包层部10b、20b的平均折射率算出的。

这样，通过调整包层部10b、20b的折射率分布，可获得与第1实施形式的光纤耦合器同样的作用效果，另外，通过调整纤芯部10a、20a的折射率分布，可获得与第2实施形式的光纤耦合器同样的作用效果，从而可进一步减小过剩损耗。

如上述详细说明的那样，按照本发明，提供一种充分降低了过剩损耗的光纤耦合器和光纤耦合器用的光纤。

由以上的本发明的说明可知，可对本发明进行各种变形。这样的变形不能认为脱离了本发明的思想和范围，所有对于本领域技术人员显而易见的改良都包含于权利要求的范围。