專利名稱：光纖耦合器及光纖耦合器用光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過并列配置可在使用波長區(qū)進行單模光傳輸?shù)牡?和第2光纖并通過對上述光纖的熔融拉伸而制造的光纖耦合器和光纖耦合器用的光纖。
例如，光纖耦合器1在光纖放大器中用作光合波器。在該場合，光纖耦合器1對在包含于光纖放大器的光放大介質(zhì)(例如摻鉺光纖)中被進行光放大的信號光(例如1.55μm波長區(qū)的信號光)和供給到該光放大介質(zhì)的激勵光(例如波長0.98μm的激勵光)進行合波。具體地說，對于該光纖耦合器1，如應(yīng)進行光放大的信號光輸入到第1光纖10的第1端11，并且將從激勵光源輸出的激勵光輸入到第2光纖20的第1端21，則對這些信號光和激勵光進行合波，將該合波后的光從第1光纖10的第2端12朝光放大介質(zhì)輸出。
本發(fā)明者經(jīng)過研究上述現(xiàn)有技術(shù)后發(fā)現(xiàn)了以下那樣的問題。即，在這樣的光纖耦合器1中，要求過剩損耗小。在這里，對于光纖耦合器1，考慮將功率為P11的光輸入到第1光纖10的第1端11的場合。此時，將從第1光纖10的第2端12輸出的光的功率設(shè)為P12，將從第2光纖20的第2端子22輸出的光的功率設(shè)為P22，則要求由 表示的過剩損耗較小。
在理想的光纖耦合器的場合，如

圖18A所示，第1光纖10的第2端12輸出的光功率P12和從第2光纖20的第2端22輸出的光功率P22大體為上下對稱的波形。該光功率P12和功率P22的合計大體與輸入到第1光纖10的第1端11的光功率P11相等，基本上不產(chǎn)生過剩損耗。
然而，構(gòu)成光纖耦合器的光纖為了以單模方式傳輸2個波長的光，將截止波長設(shè)定成比短波長側(cè)的光的波長短。因此，長波長側(cè)的光封入到纖芯部的效果變?nèi)酰?dāng)以小曲率半徑使光纖彎曲時，長波長側(cè)的光損耗增加，易于產(chǎn)生過剩損耗。另外，當(dāng)光封入到纖芯部的效果較弱時，光功率易于朝外面擴展，光纖耦合器制造時的加熱源(加熱器、燃燒器)等的熱波動產(chǎn)生的微小外形變動可能使一部分光泄漏到光纖的外部，如圖18B所示那樣，可能使輸出功率相對波長變動。在該場合，第1光纖10的第2端12輸出的光功率P12和從第2光纖20的第2端22輸出的光功率P22的合計比輸入到第1光纖10的第1端11的光功率P11小，產(chǎn)生過剩損耗。
為了降低過剩損耗，例如在特開平7-301722號公報中公開了一種使用具有所謂雙重芯型的折射率分布的光纖制造的光纖耦合器。其中，雙重芯型折射率分布從光軸中心依次具有第1纖芯區(qū)域(折射率n1)、第2纖芯區(qū)域(折射率n2)、及包層區(qū)域(折射率n3)，各折射率的大小關(guān)系為n1＞n2＞n3。
然而，公開于上述公報中的光纖耦合器通過使用具有雙重芯型的折射率分布的光纖制造可降低過剩損耗，但過剩損耗的降低程度不充分。
本發(fā)明的光纖耦合器為通過并列配置可在使用波長區(qū)進行單模光傳輸?shù)牡?和第2光纖并對所述光纖進行熔融拉伸而制造的光纖耦合器，其特征在于對于第1和第2光纖，設(shè)于纖芯周圍的包層部的折射率朝著徑向外側(cè)逐漸下降。
在該光纖耦合器中，由于第1和第2光纖的包層部的折射率朝徑向外徑逐漸下降，所以，即使受到微小彎曲等干擾的影響，朝纖芯部的周邊擴展的光也可不朝外部輻射而返回到纖芯部，從而可充分地減小過剩損耗。
本發(fā)明的光纖耦合器為通過并列配置可在使用波長區(qū)進行單模光傳輸?shù)牡?和第2光纖并對所述光纖進行熔融拉伸而制造的光纖耦合器，其特征在于對于第1和第2光纖，如與光軸中心的徑向距離為r，以設(shè)于纖芯部周圍的包層部的折射率為基準的、纖芯部內(nèi)的位置r處的相對折射率差為Δn(r)，相對折射率差Δn(r)在位置rpeak處的值為峰值Δnpeak，纖芯半徑為a，則在范圍rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)，相對折射率差Δn(r)滿足Δn(r)≤Δnpeak[1-(r/a)3]的關(guān)系。
在該光纖耦合器中，由于第1和第2光纖的各纖芯部為這樣的分布，所以，彎曲損耗變小，可充分降低過剩損耗。
本發(fā)明的光纖耦合器為通過并列配置可在使用波長區(qū)進行單模光傳輸?shù)牡?和第2光纖并對所述光纖進行熔融拉伸而制造的光纖耦合器，其特征在于對于第1和第2光纖，如與光軸中心的徑向距離為r，以設(shè)于纖芯部周圍的包層部的折射率為基準的、纖芯部內(nèi)的位置r處的相對折射率差為Δn(r)，相對折射率差Δn(r)在位置rpeak處的值為峰值Δnpeak，纖芯半徑為a，則在范圍rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)，相對折射率差Δn(r)滿足Δn(r)≤Δnpeak[1-(r/a)3]的關(guān)系，而且對于第1和第2光纖，包層部的折射率朝徑向外側(cè)逐漸降低。
在該光纖耦合器中，由于第1和第2光纖的各包層部的折射率朝徑向外徑逐漸下降，所以，即使受到微小彎曲等干擾的影響，朝纖芯部的周邊擴展的光也可不朝外部輻射地返回到纖芯部，從而可充分地減小過剩損耗。而且，由于第1和第2光纖的各纖芯部為這樣的分布，所以，彎曲損耗變小，可充分降低過剩損耗。
本發(fā)明的光纖耦合器還可具有這樣的特征對于第1和第2光纖，包層部的折射率的下降比例在徑向的規(guī)定區(qū)域內(nèi)比其內(nèi)側(cè)和外側(cè)大。這樣，可以多段構(gòu)成包層部。
在本發(fā)明的光纖耦合器中，對于第1和第2光纖，最好包層部的橫斷面的平均折射率與最小折射率的差在0.02％以下。當(dāng)差超過0.02％時，在包層部，根據(jù)其折射率分布使得成為多模方式，當(dāng)加工成光纖耦合器時，存在易于變換成高階模、產(chǎn)生過剩損耗的傾向。
本發(fā)明的光纖耦合器還可具有這樣的特征對于第1和第2光纖，包層部的折射率分布根據(jù)SiO2玻璃中的氯原子、GeO2、及OH基中至少任一個的濃度分布而形成?；蛘哌€可具有這樣的特征包層部的折射率分布根據(jù)光纖拉絲時產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變的分布而形成。這樣，可容易地實現(xiàn)上述包層部的折射率分布。
另外，本發(fā)明的光纖耦合器還可具有這樣的特征在rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)，相對折射率差Δn(r)滿足Δnpeak[1-(r/a)]≤Δn(r)≤Δnpeak[1-(r/a)2.5]的關(guān)系。這樣，第1和第2光纖的彎曲損耗變得更小，可進一步充分地降低過剩損耗。
另外，本發(fā)明的光纖耦合器還可具有這樣的特征相對折射率差Δn(r)在0≤r≤a/2的范圍內(nèi)的距離r處取得峰值Δnpeak。這樣，可減小光纖芯部中心的凹部的影響導(dǎo)致的玻璃化時的損耗。
另外，本發(fā)明的光纖耦合器還可具有這樣的特征對于第1和第2光纖，截止波長λC存在于比使用最長波長短300nm以上的波長側(cè)。在該范圍內(nèi)，與現(xiàn)有技術(shù)的階躍型折射率分布的光纖相比，進一步降低形成耦合器時的過剩損耗的效果大。
另外，本發(fā)明的光纖耦合器還可具有這樣的特征對于第1和第2光纖，截止波長λC存在于比980nm短的波長側(cè)。這樣，如摻鉺光纖型放大器那樣，在980nm和1500～1610nm波長區(qū)的合分波器中，可形成降低了過剩損耗的耦合器。
另外，在本發(fā)明的光纖耦合器中，對于第1和第2光纖，1.5μm～1.6μm波長區(qū)(1.50μm～1.65μm)的彎曲損耗在彎曲半徑15mm的條件下不到1dB/m。這樣，第1和第2光纖的各彎曲損耗變小，可充分減小過剩損耗。另外，當(dāng)收容耦合器時，具有可減小引出線部的曲率的優(yōu)點。
本發(fā)明的光纖耦合器用光纖為適合用于上述本發(fā)明的光纖耦合器的光纖。
本發(fā)明可通過以下的詳細說明和附圖進一步充分地得到理解。它們僅是用于例示，不應(yīng)認為是對本發(fā)明的限定。
圖2為示出用于第1實施形式的光纖耦合器的光纖的折射率分布一例的圖。
圖3為示出用于第1實施形式的光纖耦合器的光纖的折射率分布另一例的圖。
圖4為示出用于第1比較例的光纖耦合器的光纖的折射率分布的圖。
圖5為示出用于第2比較例的光纖耦合器的光纖的折射率分布的圖。
圖6為示出實施例1的光纖耦合器的分路損耗和過剩損耗的例子的圖。
圖7為示出實施例2的光纖耦合器的分路損耗和過剩損耗的例子的圖。
圖8為示出比較例1的光纖耦合器的分路損耗和過剩損耗的例子的圖。
圖9為示出比較例2的光纖耦合器的分路損耗和過剩損耗的例子的圖。
圖10為示出光纖的模場直徑與彎曲損耗的關(guān)系的圖。
圖11為示出光纖的α值與彎曲損耗的關(guān)系的圖。
圖12為示出光纖的彎曲損耗與使用該光纖的光纖耦合器的過剩損耗的關(guān)系的圖。
圖13為示出光纖的α值與相對折射率差峰值的關(guān)系的圖。
圖14為說明第2實施形式的光纖耦合器中所用光纖的折射率分布的圖。
圖15為說明具有α＝2的折射率分布的光纖設(shè)計的圖。
圖16A、B為示出光纖母材的折射率分布曲線的圖。
圖17為用于說明過剩損耗的、示出光纖耦合器的構(gòu)成的圖。
圖18A、B為示出光纖耦合器的輸出波形的圖，圖18A示出沒有過剩損耗的例子，圖18B示出具有過剩損耗的例子。
首先，說明本發(fā)明的第1實施形式。圖1為示出第1實施形式的光纖耦合器1的構(gòu)成。如圖1所示，光纖耦合器1通過并列配置可在使用波長區(qū)進行單模光傳輸?shù)牡?和第2光纖10、20并在熔接拉伸部30進行熔接拉伸從而進行制造。構(gòu)成該光纖耦合器1的光纖10、20具有纖芯部10a、20a和設(shè)于纖芯部10a、20a周圍的包層部10b、20b。
圖2示出用于該光纖耦合器1的光纖10、20的折射率分布的一例。如圖2所示，纖芯部10a、20a的折射率比包層部10b、20b的折射率高，以可進行單模光傳輸。纖芯部10a、20a的折射率n、半徑a、使用波長λ、纖芯部10a、20a與包層部10b、20b內(nèi)側(cè)部分的相對折射率差Δn的關(guān)系通常滿足以下(2)式。
π na(2Δn)0.5/λ≤2.405…(2)在圖2中，纖芯部10a、20a的折射率為平坦的一定值，但纖芯部10a、20a的有效折射率如滿足上述(2)式，則不限于平坦的場合。另外，纖芯部10a、20a的折射率分布也可為中央部變高的拋物線狀的形狀，也可為此外的折射率分布形狀。
包層部10b、20b具有折射率朝橫斷面徑向外側(cè)逐漸降低的折射率分布。包層部10b、20b的最內(nèi)側(cè)的部分與包層部10b、20b的最外側(cè)的部分的相對折射率差為0.005％～0.02％左右。包層部10b、20b的折射率的傾斜不一定非要為一定，但朝徑向外側(cè)沒有折射率上升的部分。在折射率的傾斜大體為一定的場合，其斜率設(shè)定為-3×10-4％/μm左右，從而可使包層部10b、20b的最內(nèi)側(cè)的部分與最外側(cè)的部分的相對折射率差約為0.005％～0.02％。
圖3示出用于第1實施形式的光纖耦合器1的光纖10、20的折射率分布的另一例。如圖3所示，在纖芯部10a、20a的周圍設(shè)置包層部10b、20b，該包層部10b、20b由內(nèi)包層部10b′、20b′和外包層部10b″、20b″構(gòu)成。在圖3的場合，纖芯部10a、20a也與圖2的場合同樣地設(shè)計，使得可進行單模光傳輸。
內(nèi)包層部10b′、20b′和外包層部10b″、20b″的折射率分別朝光纖10、20的橫斷面徑向外側(cè)逐漸降低。內(nèi)包層部10b′、20b′和外包層部10b″、20b″的各折射率傾斜比例也不一定非要相同。另外，在內(nèi)包層部10b′、20b′與外包層部10b″、20b″的邊界，以比內(nèi)包層部10b′、20b′內(nèi)和外包層部10b″、20b″內(nèi)的折射率下降比例大的折射率比例，急劇地下降。另外，內(nèi)包層部10b′、20b′的最內(nèi)側(cè)的部分的折射率與外包層部10b″、20b″最外側(cè)的部分的相對折射率差約為0.005％～0.02％。另外，內(nèi)包層部10b′、20b′的外徑最好在70μm以下，在約30μm～50μm左右則更理想。內(nèi)包層部10b′、20b′與外包層部10b″、20b″的邊界處的相對折射率差最好為0.007％～0.015％。
另外，圖3示出了將包層部10b、20b分成內(nèi)包層部10b′、20b′和外包層部10b″、20b″這樣2段的例子，但也可形成3段，或更多的段數(shù)。在該場合，使包層部10b、20b最內(nèi)側(cè)的部分與最外側(cè)的部分的相對折射率差為0.005％～0.02％左右。另外，必須使得沒有折射率朝包層部10b、20b的徑向外側(cè)依次上升的部位。另外，內(nèi)包層部10b′、20b′與外包層部10b″、20b″的邊界的折射率分布不限于圖3所示那樣的折射率不連續(xù)地下降的情形，也可形成為以比內(nèi)包層部10b′、20b′內(nèi)和外包層部10b″、20b″內(nèi)大的傾斜連續(xù)下降的分布。
另外，包括圖2和圖3的場合在內(nèi)，當(dāng)包層部10b、20b的橫斷面的平均折射率與最小折射率的相對折射率差超過0.02％時，在包層部10b、20b根據(jù)其折射率分布形成多模，當(dāng)加工為光纖耦合器時，存在易于變換成高階模而發(fā)生過剩損耗的傾向，所以，包層部10b、20b的橫斷面的平均折射率與最小折射率的相對折射率差最好在0.02％以下。
包層部10b、20b的折射率分布可根據(jù)SiO2玻璃中的氯原子、GeO2(二氧化鍺)、及OH基(羥基)中的至少一種的濃度分布而形成。其中，為了使折射率稍變化一些，最好通過在作為形成包層部10b、20b的主材料的二氧化硅中添加氯或氯化合物而實現(xiàn)。對于包層部10b、20b，可在多孔質(zhì)玻璃不收縮的900℃～1300℃的溫度區(qū)域，在氯氣或氯化合物氣體(四氯化碳、四氯化硅等)的氣氛中處理由二氧化硅構(gòu)成的多孔質(zhì)玻璃構(gòu)成的母材，將氯添加到多孔質(zhì)玻璃，然后在不供給氯氣或氯化合物氣體的氣氛中進行加熱處理，從多孔質(zhì)玻璃的表面脫去一部分氯，從而可降低母材表面的氯添加量。
另外，當(dāng)形成由多孔質(zhì)玻璃構(gòu)成的母材時，如增大母材外周部分的假密度或減小多孔質(zhì)玻璃的粒子的表面積相對質(zhì)量的比例，則氯氣氛處理過程中氯在玻璃粒子表面的吸附擴散量減少，可減少母材外周部分的氯添加量。另外，當(dāng)添加1重量％的氯時，折射率約增大0.1％，所以，只要相應(yīng)于所期望的折射率調(diào)整氯的添加量即可。
另外，包層部10b、20b的折射率分布為0.02％左右的小相對折射率差的變化量即足夠，所以，通過調(diào)整光纖10、20拉絲時的冷卻速度，可在包層部10b、20b的內(nèi)部形成沿徑向變化的應(yīng)變，使用該應(yīng)變的應(yīng)力也可實現(xiàn)所期望的折射率分布。例如，拉絲時的冷卻氣氛如使用氦氣，則拉絲時的氣體導(dǎo)熱系數(shù)大，所以，光纖10、20的表面被急冷，粘度下降，承受拉絲張力，拉伸應(yīng)變易于作為內(nèi)部應(yīng)變殘留下來。由于該內(nèi)部應(yīng)變產(chǎn)生的光彈性效果使折射率下降，所以，在母材的包層部形成降低了表面部分的折射率的折射率分布。在拉絲張力大的場合，易于產(chǎn)生該折射率分布形成的效果。
下面，說明第1實施形式的光纖耦合器的具體的實施例。
在實施例1中，使用具有圖2所示折射率分布的光纖10、20形成光纖耦合器1。纖芯部10a、20a的外徑為4.5μm，包層部10b、20b的外徑為125μm，纖芯部10a、20a與包層部10b、20b最內(nèi)側(cè)的部分的相對折射率差為1.1％，包層部10b、20b的最內(nèi)側(cè)的部分與包層部10b、20b最外側(cè)部分的相對折射率差為0.02％。另外，包層部10b、20b的折射率的斜率的平均值為-3.3×10-4％/μm。
在實施例2中，使用具有圖3所示折射率分布的光纖10、20形成光纖耦合器1。纖芯部10a、20a的外徑為4.5μm，內(nèi)包層部10b′、20b′的外徑為40μm，外包層部10b″、20b″的外徑為125μm，纖芯部10a、20a與包層部10b、20b最內(nèi)側(cè)部分的相對折射率差為1.1％，內(nèi)包層部10b′、20b′最內(nèi)側(cè)部分與外包層部10b″、20b″最外側(cè)的部分的相對折射率差為0.02％，內(nèi)包層部10b′、20b′與外包層部10b″、20b″的邊界部分的相對折射率差為0.008％。另外，內(nèi)包層部10b′、20b′和外包層部10b″、20b″的折射率的斜率分別平均為-2×10-4％/μm。
在比較例1中，使用圖4所示折射率分布的光纖形成光纖耦合器。纖芯部30a的外徑為4.5μm，包層部30b的外徑為125μm，纖芯部30a與包層部30b的相對折射率差為1.1％。另外，包層部30b的折射率在徑向上為一定。
在比較例2中，使用圖5所示折射率分布的光纖形成光纖耦合器。纖芯部30a的外徑為4.5μm，內(nèi)包層部30b′的外徑為30μm，外包層部30b″的外徑為125μm，纖芯部30a與包層部30b的相對折射率差為1.1％。另外，外包層部30b″的折射率比內(nèi)包層部30b′的折射率高，其相對折射率差為0.015％。
針對實施例1、2和比較例1、2，考察了加工成光纖耦合器時朝主線側(cè)和支線側(cè)的分路損耗和過剩損耗。圖6～9為示出實施例1、2和比較例1、2中的朝主線側(cè)的分路損耗(用L1表示)、朝支線側(cè)的分路損耗(用L2表示)、及過剩損耗(用L3表示)的典型事例的圖。左縱軸分別示出主線側(cè)和支線側(cè)的分路功率相對輸入功率的分路損耗，右縱軸示出主線側(cè)和支線側(cè)的分路功率總量相對輸入功率的過剩損耗。在實施例1、2中，過剩損耗大體在0.1dB以下，但比較例1、2的過剩損耗為0.1dB～0.3dB，較大。
另外，如在1.55μm波長區(qū)過剩損耗超過0.1dB時判定為不合格，則合格率在實施例1為80％，在實施例2為95％，在比較例1為50％，在比較例2為10％。根據(jù)這些結(jié)果對實施例和比較例進行比較后可以確認過剩損耗較少。
下面說明本發(fā)明的第2實施形式。
首先利用圖10～圖13說明第2實施形式的光纖耦合器的背景。圖10為示出光纖的模場直徑與彎曲損耗的關(guān)系的圖。在該圖中，假設(shè)光纖的折射率分布有3種類型。所有光纖的纖芯部的折射率分布都由下式表示的α次方分布進行表示。Δn(r)=Δnpeak{1-(ra)α}······(3)]]>其中，a為光纖的纖芯半徑，r為在徑向上與光軸中心的距離，Δn(r)為位置r處的相對折射率差，Δnpeak為相對折射率差的峰值。相對折射率差以包層部的折射率為基準。在圖10中，設(shè)截止波長為948nm，對α＝1、α＝2、及α＝102的各場合，示出波長1550nm時的模場直徑與彎曲損耗(彎曲直徑20mmφ)的關(guān)系。
圖11為示出光纖的α值與彎曲損耗的關(guān)系的圖。由圖10和圖11可知，光纖的模場直徑越小，則光纖的彎曲損耗越小。另外，光纖的α值越小，則光纖的彎曲損耗越小。其原因可以認為是，如果截止波長為一定，α值越小，則芯徑越大，光在纖芯部的封入率提高。
圖12為示出光纖的彎曲損耗與使用該光纖的光纖耦合器的過剩損耗的關(guān)系的圖。該圖也示出波長1550nm時的彎曲損耗(彎曲直徑20mmφ)與過剩損耗的關(guān)系。由該圖可知，光纖的彎曲損耗越小，則光纖耦合器的過剩損耗越小。另外，由圖10～圖12可以看出，如截止波長為一定，則使用該光纖的光纖耦合器的過剩損耗隨著α值減小而減小。
圖13為示出光纖的α值與相對折射率差峰值的關(guān)系的圖。其中，分別將模場直徑和截止波長設(shè)為一定。由該圖可以看出，α值越小，則相對折射率峰值Δnpeak越大。然而，相對折射率差峰值Δnpeak大的光纖不容易制造。
當(dāng)從光纖制造光纖耦合器時，在考慮到使用該光纖耦合器的狀況的前提下，適當(dāng)設(shè)計光纖的模場直徑和截止波長。為了減小過剩損耗，α值最好較小。即，在用于光纖耦合器的光纖的芯部的折射率分布中，α值在3以下的折射率分布比α值大的階躍型折射率分布好，特別是α值為1～2.5的折射率分布較好。本發(fā)明就是根據(jù)以上見解作出的。
下面，說明第2實施形式的光纖耦合器。本實施形式的光纖耦合器1與圖1所示場合同樣，通過并列配置第1和第2光纖10、20并熔融拉伸加以制造。第1光纖10和第2光纖20分別以石英玻璃為基體，包含纖芯部10a、20a和將其圍住的包層部10b、20b，在纖芯部10a、20a以規(guī)定的徑向分布添加折射率上升劑(例如GeO2)。
第1和第2光纖10、20分別以距光軸中心的徑向距離為r，將以包層部10b、20b的折射率為基準的纖芯部10a、20a內(nèi)的位置r處的相對折射率差設(shè)為Δn(r)，相對折射率差Δn(r)在位置rpeak處為峰值Δnpeak(＝Δn(rpeak))，纖芯半徑為a，則在rpeak≤r≤a的范圍中，相對折射率差Δn(r)滿足以下關(guān)系。Δn(r)≤Δnpeak{1-(ra)3}······(4)]]>另外，在rpeak≤r≤a的范圍中，相對折射率差Δn(r)滿足以下關(guān)系時則更好。Δnpeak{1-(ra)}≤Δn(r)≤Δnpeak{1-(ra)2.5}······(5)]]>通過滿足這樣的條件，可減小光纖10、20的彎曲損耗和光纖耦合器1的過剩損耗。
在第2實施形式的光纖耦合器1中，對于第1和第2光纖10、20，1.5μm～1.6μm波長區(qū)(1.50μm～1.65μm)的彎曲損耗最好在彎曲半徑15mm時不到1dB/m。這樣，第1和第2光纖10、20的各彎曲損耗變小，可充分減小形成耦合器時的過剩損耗。
圖14為說明本實施形式的光纖耦合器1中所用光纖10、20的折射率分布的圖。在該圖中，分別示出α＝1的場合的上述(3)式的直線A、α＝2.5的場合的上述(3)式的直線B、及α＝3的場合的上述(3)式的曲線C。第1光纖10和第2光纖20的相對折射率差Δn(r)在rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)處于直線A與曲線C之間，在直線A與曲線B之間時更理想。
在0≤r＜rpeak的范圍內(nèi)，相對折射率差Δn(r)可處于直線A與曲線C之間，也可于處于直線A與曲線C之間。例如，相對折射率差Δn(r)成為峰值Δnpeak時的位置也可不為光軸中心，光軸中心(r＝0)處的相對折射率差Δn(0)也可比峰值Δnpeak小。相對折射率差Δn(r)最好在0≤r≤a/2的范圍內(nèi)的距離r處為峰值Δnpeak。這樣，可減小光纖芯部中心的凹部的影響導(dǎo)致的制成耦合器時的損耗。
另外，光纖10、20的截止波長λC需要比使用的最短波長短。如果可降低使用的最長波長下的彎曲損耗，則在形成為耦合器時的過剩損耗小。例如，對于激勵光波長為980nm的、用于對1.55μm波長區(qū)的信號光進行光放大的光放大器，當(dāng)使用光纖耦合器1作為光合波器時，光纖10、20的截止波長λC在980nm以下，使用最長波長延伸到1570nm，所以，其波長差為590nm。對于彎曲損耗的特征，使用波長與截止波長λC的差越大則越顯著出現(xiàn)。特別是當(dāng)具有300nm以上的波長差時，上述3次方以下的拋物線型的折射率分布的效果大。
圖15為說明具有α＝2的折射率分布曲線的光纖設(shè)計的圖。如該圖所示，在將芯徑作為橫軸、將相對折射率差峰值作為縱軸的2維平面上，示出截止波長λC為各值(900nm、940nm、980nm)的線、波長980nm的模場直徑MFD為各值(3.8μm、4.0μm、4.2μm)的線、及波長1550nm的彎曲直徑15mmφ的彎曲損耗αB為各值(10-3dB/m、10-2dB/m、10-1dB/m、1dB/m)的線。彎曲直徑15mmφ的彎曲損耗αB可看成為實際的彎曲直徑20mmφ的彎曲損耗的10倍左右，另外，實際制造的光纖的彎曲損耗為設(shè)計上的光纖彎曲損數(shù)的10倍左右，因此設(shè)計上的彎曲直徑15mmφ時的彎曲損耗αB可看成與實際的彎曲直徑20mmφ時的彎曲直徑為相同程度。
在使用摻鉺光纖用作光放大介質(zhì)的激勵光波長為980nm的光放大器中，當(dāng)作為光合波器使用光纖耦合器1的場合，用于該光纖耦合器1的光纖10、20的截止波長λC需要在980nm以下。另外，波長980nm的光纖10、20的彎曲損耗αB(彎曲半徑15mmφ)最好為0.1dB/m以下。另外，波長980nm的光纖10、20的模場直徑MFD最好在3.8μm以上4.6μm以下。圖15中的陰影區(qū)域示出完全滿足這些諸條件的較好范圍。
由該圖15中的陰影區(qū)域可知，當(dāng)相對折射率差在1.26％以下的范圍時，光纖10、20的芯徑的上限由截止波長λC規(guī)定，下限由彎曲損耗αB規(guī)定。當(dāng)相對折射率差在1.26％以上的范圍時，光纖10、20的芯徑的上限由截止波長λC規(guī)定，下限由模場直徑MFD規(guī)定。另外，當(dāng)相對折射率差在1.20％以上1.26％以下的范圍時，芯徑的變動允許為±4％左右。該光纖耦合器用的光纖10、20的芯徑的容許范圍(±4％左右)比通常的色散位移光纖和色散補償光纖的芯徑的容許范圍(±0.5％左右)寬，所以，這樣的光纖的制造容易進行。
在α值大的階躍型折射率分布曲線的場合，不存在滿足上述截止波長、模場直徑、及彎曲損耗諸條件的較好范圍。如以上那樣，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計光纖耦合器1的光纖10、20的纖芯部10a、20a的折射率分布，可減小光纖10、20的彎曲損耗，另外，還可減小光纖耦合器1的過剩損耗。另外，光纖10、20的制造容易進行，從而光纖耦合器1的制造容易進行，合格率良好，制造成本低廉。
下面，說明用于本實施形式的光纖耦合器1的光纖10、20的制造方法(管內(nèi)桿(ロッドィンチュ-ブ)法)的一例。首先，準備芯桿、第1包層管、及第2包層管。芯桿通過在石英玻璃中添加GeO2而具有上述折射率分布，α＝2，相對折射率差的最大值為1.20％以上1.25％以下。第1包層管和第2包層管分別為進行了氯脫水處理的石英玻璃的管，越接近內(nèi)壁氯濃度越高。第1包層管的處于內(nèi)壁近旁的氯濃度例如為2500ppm左右。另一方面，第2包層管的在內(nèi)壁近旁的氯濃度例如為1200ppm左右。
芯桿被拉伸成外徑5.5mmφ左右，之后，由HF溶液腐蝕外周面。該芯桿插入到第1包層管，兩者被壓合形成為外徑24mmφ，并拉伸成外徑9.5mmφ，之后，由HF溶液腐蝕外周面，形成為外徑7.0mmφ。HF溶液處理后的芯桿和第1包層管插入到第2包層管，壓合形成為外徑24mmφ，然后經(jīng)過拉伸、裝套、燒結(jié)(但沒有氯脫水)、拉伸各工序，形成光纖母材。光纖母材也可由例如VAD法等其它制造方法制造。
然后，對該光纖母材進行拉絲，制造光纖。該光纖為用于上述實施形式的光纖耦合器1的光纖10、20。這些第1光纖10和第2光纖20并列配置并被進行熔融拉伸，制造了本實施形式的光纖耦合器1。
圖16A、B為示出以上那樣制造的光纖母材的折射率分布的圖。該圖B朝縱軸方向放大該圖A。該光纖母材從光軸中心依次具有第1包層部、第2包層部、及第3包層部。光纖母材的芯部相當(dāng)于當(dāng)初的芯桿，與拉絲后的光纖的芯部相當(dāng)。光纖母材的第1包層部與當(dāng)初的第1包層管相當(dāng)，并與拉絲后的光纖的第1包層部相當(dāng)。光纖母材的第2包層部與當(dāng)初的第2包層管相當(dāng)，并與拉絲后的光纖的第2包層部相當(dāng)。另外，光纖母材的第3包層部與當(dāng)初的套相當(dāng)，并與拉絲后的光纖的第3包層部相當(dāng)。
由該圖可知，纖芯部的折射率分布為2次方分布。在第1包層部的折射率分布中，越接近光軸中心折射率越大，同樣，在第2包層部的折射率分布中，越接近光軸中心折射率越大。如果第1包層管和第2包層管的氯濃度為大體相同的程度，則在第1包層部和第2包層部的界面的近旁區(qū)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包層管的氯濃度比第1包層管的氯濃度足夠小，所以，在第1包層部與第2包層部的界面的近旁區(qū)域未形成下陷部。在上述制造方法中，由于未在裝套后進行氯脫水處理，所以，第3包層部的折射率在徑向上為大體一定的較小的值。另外，由于芯桿的外徑較大，所以，在將芯桿插入到第1包層管后進行壓合時，可抑制芯桿的變形，可抑制在纖芯部與第1包層部的界面產(chǎn)生氣泡(由芯桿表面的GeO2引起)。
對這樣制造的光纖母材進行拉絲后獲得的光纖的截止波長在980nm以下，波長為980nm的模場直徑為3.9μm～4.1μm，波長1550nm的彎曲直徑20mmφ的彎曲損耗為0.8dB/m以下。另外，使用這樣的光纖制造的光纖耦合器在波長1550nm的過剩損耗為0.01dB左右，處于測定誤差范圍。
下面說明本發(fā)明的第3實施形式。
在上述第1實施形式中，通過調(diào)整構(gòu)成光纖耦合器1的光纖10、20的包層部10b、20b的折射率分布，可降低過剩損耗。另外，在第2實施形式中，通過調(diào)整構(gòu)成光纖耦合器1的光纖10、20的纖芯部10a、20a的折射率分布，可降低過剩損耗。
第3實施形式的光纖耦合器1包含上述第1及第2實施形式的光纖耦合器雙方的特征，與在第1和第2實施形式中的說明同樣地調(diào)整構(gòu)成光纖耦合器1的光纖10、20的纖芯部10a、20a和包層部10b、20b雙方的折射率分布。
在這里，第3實施形式的光纖耦合器1中，包層部10b、20b的折射率分布并不是平坦的，而是朝徑向外側(cè)按順序下降，因此相對于包層部10b、20b的位置r處的折射率差Δn(r)是根據(jù)包層部10b、20b的平均折射率算出的。
這樣，通過調(diào)整包層部10b、20b的折射率分布，可獲得與第1實施形式的光纖耦合器同樣的作用效果，另外，通過調(diào)整纖芯部10a、20a的折射率分布，可獲得與第2實施形式的光纖耦合器同樣的作用效果，從而可進一步減小過剩損耗。
如上述詳細說明的那樣，按照本發(fā)明，提供一種充分降低了過剩損耗的光纖耦合器和光纖耦合器用的光纖。
由以上的本發(fā)明的說明可知，可對本發(fā)明進行各種變形。這樣的變形不能認為脫離了本發(fā)明的思想和范圍，所有對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的改良都包含于權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種光纖耦合器，是通過并列配置可在使用波長區(qū)進行單模光傳輸?shù)牡?和第2光纖并對所述光纖進行熔融拉伸而制造，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，設(shè)于纖芯周圍的包層部的折射率朝著徑向外側(cè)逐漸下降。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，上述包層部的折射率的下降比例在徑向的規(guī)定區(qū)域內(nèi)比其內(nèi)側(cè)和外側(cè)大。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，上述包層部的橫斷面的平均折射率與最小折射率的差在0.02％以下。
4.如權(quán)利要求1所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，上述包層部的折射率分布根據(jù)二氧化硅玻璃中的氯原子、二氧化鍺、及羥基中至少任一個的濃度分布而形成。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，上述包層部的折射率分布根據(jù)光纖拉絲時產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變的分布而形成。
6.一種光纖耦合器，是通過并列配置可在使用波長區(qū)進行單模光傳輸?shù)牡?和第2光纖并對所述光纖進行熔融拉伸而制造，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，如果設(shè)與光軸中心的徑向距離為r，以設(shè)于纖芯部周圍的包層部的折射率為基準的、該纖芯部內(nèi)的位置r處的相對折射率差為Δn(r)，該相對折射率差Δn(r)在位置rpeak處的值為峰值Δnpeak，纖芯半徑為a，則在范圍rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)，上述相對折射率差Δn(r)滿足Δn(r)≤Δnpeak[1-(r/a)3]的關(guān)系。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖耦合器，其特征在于在rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)，上述相對折射率差Δn(r)滿足Δnpeak[1-(r/a)]≤Δn(r)≤Δnpeak[1-(r/a)2.5]的關(guān)系。
8.如權(quán)利要求6所述的光纖耦合器，其特征在于上述相對折射率差Δn(r)在0≤r≤a/2的范圍內(nèi)的距離r處取得峰值Δnpeak。
9.如權(quán)利要求6所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，截止波長λC存在于比使用最長波長短300nm以上的波長側(cè)。
10.如權(quán)利要求6所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，截止波長λC存在于比980nm短的波長側(cè)。
11.如權(quán)利要求6所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，在1.5μm～1.6μm波長區(qū)(1.50μm～1.65μm)的彎曲損耗在彎曲半徑15mm的條件下不到1dB/m。
12.一種光纖耦合器，是通過并列配置可在使用波長區(qū)進行單模光傳輸?shù)牡?和第2光纖并對所述光纖進行熔融拉伸而制造，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，如果設(shè)與光軸中心的徑向距離為r，以設(shè)于纖芯部周圍的包層部的折射率為基準的纖芯部內(nèi)的位置r處的相對折射率差為Δn(r)，該相對折射率差Δn(r)在位置rpeak處的值為峰值Δnpeak，纖芯半徑為a，則在范圍rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)，該相對折射率差Δn(r)滿足Δn(r)≤Δnpeak[1-(r/a)3]的關(guān)系，而且對于上述第1和第2光纖的各光纖，上述包層部的上述折射率朝徑向外側(cè)逐漸降低。
13.如權(quán)利要求12所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，上述包層部的折射率的下降比例在徑向的規(guī)定區(qū)域內(nèi)比其內(nèi)側(cè)和外側(cè)大。
14.如權(quán)利要求12所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，上述包層部的橫斷面的平均折射率與最小折射率的差在0.02％以下。
15.如權(quán)利要求12所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，上述包層部的折射率分布根據(jù)二氧化硅玻璃中的氯原子、二氧化鍺、及羥基中至少任一個的濃度分布而形成。
16.如權(quán)利要求12所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，上述包層部的折射率分布根據(jù)光纖拉絲時產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變的分布而形成。
17.如權(quán)利要求12所述的光纖耦合器，其特征在于在rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)，上述相對折射率差Δn(r)滿足Δnpeak[1-(r/a)]≤Δn(r)≤Δnpeak[1-(r/a)2.5]的關(guān)系。
18.如權(quán)利要求12所述的光纖耦合器，其特征在于上述相對折射率差Δn(r)在0≤r≤a/2的范圍內(nèi)的距離r處取得上述峰值Δnpeak。
19.如權(quán)利要求12所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，截止波長λC存在于比使用最長波長短300nm以上的波長側(cè)。
20.如權(quán)利要求12所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，截止波長λC存在于比980nm短的波長側(cè)。
21.如權(quán)利要求12所述的光纖耦合器，其特征在于對于上述第1和第2光纖的各光纖，在1.5μm～1.6μm波長區(qū)(1.50μm～1.65μm)的彎曲損耗在彎曲半徑15mm的條件下不到1dB/m。
22.一種光纖耦合器用光纖，該光纖耦合器通過并列配置可在使用波長區(qū)進行單模光傳輸?shù)牡?和第2光纖并對所述光纖進行熔融拉伸而制造；其特征在于設(shè)于纖芯周圍的包層部的折射率朝著徑向外側(cè)逐漸下降。
23.如權(quán)利要求22所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于上述包層部的折射率的上述下降比例在徑向的規(guī)定區(qū)域內(nèi)比其內(nèi)側(cè)和外側(cè)大。
24.如權(quán)利要求22所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于上述包層部的橫斷面的平均折射率與最小折射率的差在0.02％以下。
25.如權(quán)利要求22所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于上述包層部的折射率分布根據(jù)二氧化硅玻璃中的氯原子、二氧化鍺、及羥基中至少任一個的濃度分布而形成。
26.如權(quán)利要求22所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于上述包層部的折射率分布根據(jù)光纖拉絲時產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變的分布而形成。
27.一種光纖耦合器用光纖，該光纖耦合器通過并列配置可在使用波長區(qū)進行單模光傳輸?shù)牡?和第2光纖并對所述光纖進行熔融拉伸而制造；其特征在于如果設(shè)與光軸中心的徑向距離為r，以設(shè)于纖芯部周圍的包層部的折射率為基準的纖芯部內(nèi)的位置r處的相對折射率差為Δn(r)，該相對折射率差Δn(r)在位置rpeak處的值為峰值Δnpeak，纖芯半徑為a，則在范圍rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)，該相對折射率差Δn(r)滿足Δn(r)≤Δnpeak[1-(r/a)3]的關(guān)系。
28.如權(quán)利要求27所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于在rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)，上述相對折射率差Δn(r)滿足Δnpeak[1-(r/a)]≤Δn(r)≤Δnpeak[1-(r/a)2.5]的關(guān)系。
29.如權(quán)利要求27所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于上述相對折射率差Δn(r)在0≤r≤a/2的范圍內(nèi)的距離r處取得上述峰值Δnpeak。
30.如權(quán)利要求27所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于截止波長λC存在于比使用最長波長短300nm以上的波長側(cè)。
31.如權(quán)利要求27所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于截止波長λC存在于比980nm短的波長側(cè)。
32.如權(quán)利要求27所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于在1.5μm～1.6μm波長區(qū)(1.50μm～1.65μm)的彎曲損耗在彎曲半徑15mm的條件下不到1dB/m。
33.一種光纖耦合器用光纖，該光纖耦合器通過并列配置可在使用波長區(qū)進行單模光傳輸?shù)牡?和第2光纖并對所述光纖進行熔融拉伸而制造；其特征在于如果設(shè)與光軸中心的徑向距離為r，以設(shè)于纖芯部周圍的包層部的折射率為基準的纖芯部內(nèi)的位置r處的相對折射率差為Δn(r)，該相對折射率差Δn(r)在位置rpeak處的值為峰值Δnpeak，纖芯半徑為a，則在范圍rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)，該相對折射率差Δn(r)滿足Δn(r)≤Δnpeak[1-(r/a)3]的關(guān)系，而且上述包層部的上述折射率朝徑向外側(cè)逐漸降低。
34.如權(quán)利要求33所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于上述包層部的折射率的上述下降比例在徑向的規(guī)定區(qū)域內(nèi)比其內(nèi)側(cè)和外側(cè)大。
35.如權(quán)利要求33所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于上述包層部的橫斷面的平均折射率與最小折射率的差在0.02％以下。
36.如權(quán)利要求33所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于上述包層部的折射率分布根據(jù)二氧化硅玻璃中的氯原子、二氧化鍺、及羥基中至少任一個的濃度分布而形成。
37.如權(quán)利要求33所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于上述包層部的折射率分布根據(jù)光纖拉絲時產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變的分布而形成。
38.如權(quán)利要求33所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于在rpeak≤r≤a的范圍內(nèi)，上述相對折射率差Δn(r)滿足Δnpeak[1-(r/a)]≤Δn(r)≤Δnpeak[1-(r/a)2.5]的關(guān)系。
39.如權(quán)利要求33所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于上述相對折射率差Δn(r)在0≤r≤a/2的范圍內(nèi)的距離r處取得上述峰值Δnpeak。
40.如權(quán)利要求33所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于截止波長λC存在于比使用最長波長短300nm以上的波長側(cè)。
41.如權(quán)利要求33所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于截止波長λC存在于比980nm短的波長側(cè)。
42.如權(quán)利要求33所述的光纖耦合器用光纖，其特征在于在1.5μm～1.6μm波長區(qū)(1.50μm～1.65μm)的彎曲損耗在彎曲半徑15mm的條件下不到1dB/m。
全文摘要
一種光纖耦合器用光纖,如果設(shè)與光軸中心的徑向距離為r,以設(shè)于纖芯部周圍的包層部的折射率為基準的纖芯部內(nèi)的位置r處的相對折射率差為Δn(r),相對折射率差Δn(r)在位置r
文檔編號G02B6/28GK1346992SQ0113532
公開日2002年5月1日 申請日期2001年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者石川真二, 浦野章, 木谷昌幸 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社