JPH02500545A - 非対称光ファイバー結合部およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 非対称光ファイバー結合部及びその製造分法本発明は一般的には光ファイバーの 結合部（ｃｏｕｐｌｅｒ）に関するものであり、特には非対称形の光フアイバー 結合部の製法に関するものである。

均等に分割されるような簡単な対称型光ファイバー結合部は、僅かな数のタップ （ｔａｐｓ）をとることによって光信号強度が実用に通さない程小さくなってし まうため直線的な光フアイバー基幹線（ｂｕｓ）及びネットワークへの実用的適 用の可能性は少なかった。

より大型の線形光フアイバーネットワークは、タップ−オフ結合（ｔａｐ−ｏｆ ｆ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ）は実質的に半分以下であるがタップオン結合（ｔａｐ− ｏｎ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ）はタップオフよりずっと大きいものであるような非対 称型結合部を必要とする。

本発明においては、「非対称型結合部」、及び「非対象型結合」という言葉はこ のような種類の非対称結合を意味している。

かかる必要性は例えば、基幹線（ｂｕｓ）に接続されている各部品が光学的送信 器及び送信器用のタップの前方において基幹線にタップされている受信器を含む ようなネットワークにおいて発生する。

例えば主たるパワー結合係数（ａ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｕ ｐｌｉｎｇｆａｃｔｏｒ）が例えば基幹線上で９５％であり又タップオフ結合係 数（ｔａｐ　ｏｆｆ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ）が１．５％を有するよ うな非対称型結合部が実質的に異なる直径を存する２つの光ファイバーを合体さ せるための従来の技術を採用するか或は単に２つの同じファイバー公称結合係数 （ｎｏｍｉｎａｌ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ）を減少させることによっ て構成されることが提案されて来た。

これにより得られた結合部は例えば基礎的な電気通信におけるような単一モード の適用に関しては満足しうるものであツブファイバーからの結合を完全にするた めのモードが限定された割合（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ）をとるという理由からマ ルチモード操作に対しては不適当なものであった。

従って本発明の１つの目的はこれまで作られているものよりもより良い結合特性 を示すマルチモードの非対称型光ファイバー結合部を提供するものである。

本発明はそれ故異なる芯とクラッド直径を有するがクラッドの屈折率（ｒｅｆｒ ａｃｔｉｖｅ　１ｎｄｉｃｅｓ）は実質的に等しい２個或はそれ以上のマルチモ ード光ファイバーから結合部を組立てることを含む非対称マルチモード光ファイ バー結合部を製造する方法を提供するものであり、そしてその方法においては、 少くとも構成された結合部において光ファイバーはそれ等の個りの最高次タララ ドモード（ｈｉｇｈｅｓｔ　ｏｒｄｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｍｏｄｅｓ）のた めに実質的に等しい実効屈折率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉ ｎｄｉｃｅｓ）をもつように選択される。

更に本発明は少くとも２つの異なる芯クラッド直径（ｃｏｒｅａｎｄ　ｃｌａｄ ｄｉｎｇ　ｄｉａＩＩｌｅｔｅｒ）を有するがクラッドの屈折率は実質的に等し い少くとも４個の光フアイバー分岐を存する非対称マルチモード光ファイバー結 合部であって、該結合部においては該光フアイバー分岐（ｆｉｂｅｒ　ｂｒａｎ ｃｈｅｓ）は更にそれ等の個々の最高次タララドモードのために実質的に等しい 実効屈折率を有するような光フアイバー結合部を提供するものである。

一つの例において、本発明は上述した方法により製造された結合部を提供する。

もし光ファイバーにおけるクラッドの屈折率が同じでない場合より低いクラッド 屈折率を有するファイバーの高次の芯モード（ｈｉｇｈ　ｏｒｄｅｒ　ｃｏｒｅ 　ｍｏｄｅ）は他のファイバーの対応する芯モードに結合させることは出来ず該 高次の芯モードは失われるであろう。

最高次タララドモード（ｈｉｇｈｅｓｔ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｍｏｄｅ）におけ るクランド屈折率と実効屈折率とを整合させることにより、各ファイバーにおけ 名各芯モードの実効屈折率はクラッドの屈折率より上になるが他のファイバーの 芯屈折率より低くなる。

両ファイバーにおけるｎｅ’　ｓのつり合い（ｅｑｕｉｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏ ｆｎｅ″Ｓ）は結合領域におけるファイバー間の結合過剰損失を最小化し又モー ド結合（ｍｏｄｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を最大にするよう要求される。

予め決められた或は予測しうるパワー結合係数（ｐｏｗｅｒｃｏｕｐｌｉｎｇ　 ｆａｃｔｏｒ）を有する非対称型マルチモードの光フアイバー結合部を製造する ために、本発明における方法は好ましくは更にそれ等の開口数（ｎｕｍｅｒｉｃ ａｌ　ａｐｅｒｔｕｒｅｓ）　ＮＡと応対クラッドの半径比（ｃｏｒｅ−ｔｏ　 ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｒａｄｉｉ　ｒａｔｉｏｓ）　ｔ）ｃｏ／ρ、ｌに関連して 光ファイバーを選択し、そしてそのファイバーを個々のテーパー比Ｔとなる処理 を行いそれによってファイバーを組立てて結合部を形成する際に、個々のファイ バーについての積 が少（とも一時的に等しくなるようにし、それによって組立が完成するという工 程を含むものである。

−具体例において、ＮＡとρ。。／ρｃ１の値は個々のファイバーについて異る ものであり又１つのファイバーはファイバーが延伸される以前に予備テーパー化 の処理を受け、それによって共にテーパー化されそれ故、各ファイバーについて のＴの値は咳値の均等が確実となる方法において変化する。

他の具体例に従えば、光ファイバーは更に同じようなピーク芯屈折率（ｐｅａｋ 　ｃｏｒｅ　ｒｅｆｒａｃｔｔｖｅ　１ｎｄｉｃｅｓ）を更に有している。

同一の材料例えばシリカのような材料で形成された異る芯直径を有する２つのフ ァイバーは一般的には（ドープされたシリカ（ｄｏｐｅｄ　５ｉｌｉｃａ）に対 するものである）同様のクラッド屈折率を存するが、全く異るピーク芯屈折率を 有しており又この相異がファイバーから形成された結合部における全ての分岐に 入力される主要な芯モード（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｃｏｒｅ　ｍｏｄｅ）に ついての適切な結合を妨げ或は少くとも実質的に低下させる。

特に、主分岐（ｍａｉｎ　ｂｒａｎｃｈ）（例えば幅広いファイバー）に入力さ れた重要な低次のモード（ｌｏｗｅｒ　ｏｒｄｅｒ　ｍｏｄｅ）はタップ分岐に おける屈折率より高い実効屈折率をもつであろうし又タップ分岐の芯へ結合する ことが不可能となるであろう。

−船釣な原則として、商業的に使用されている光ファイバーにおけるピーク芯屈 折率は芯の直径に従って増加する。

このことは、ファイバーの芯が作られる析出技術（ｄｅｐｏｓ−５ｔｉｎｇ　ｔ ｅｃｈｎｉｑｕｅ）と芯の断面に沿って得られる放物状の屈折率分布形（ｐｒｏ ｆｉｌｅ）についての当然の帰結である。

異る芯直径を有する光ファイバーが例えばシリカのクラッドとゲルマニウムをド ープしたシリカを芯とするような材料から形成される場合、ピーククラッド屈折 率及びピーク芯屈折率を等しくする要求は代表的にはファイバーが等しい開口数 を有する時に適合するであろう。

光ファイバーの開口数は芯におけるドーピングの水準例えばシリカの芯にゲルマ ニウムをドーピングする時の水準に依存することは知られている。シリカからな る光ファイバーにとって、開口数（ＮＡ）は好ましくは０．２〜０．５の範囲に あることである。

この範囲における、より高いＮＡは、光ファイバーにおける屈曲部での損失が開 口数の増加に従って減少するという理由から一般的に好ましいものである。

結合部は例えば融着された双円錐形テーパー（ｂｉｃｏｎｉｃａｌｔａｐｅｒ） 結合部、研摩された結合部、外部被覆部にくびれ（ｄｒａｗｎ　ｄｏｗｎ）のあ る結合部、及びくびれのある二重芯結合部等いくつかの知られている型のもので あればいかなるものであってもよい。

然しなから結合部（ｃｏｕｐｌｅｒ）は好ましくは融着された双円錐形の結合部 である。

この場合においては、然しなから、同一の芯屈折率と同じクラッド屈折率とをも つ光ファイバーを用いたとしても、他のファイバーの芯に結合されるべきファイ バーの１つにおける重要なより高次の芯モードは失われるということが判ってい る。

本発明における第２の７！３様に従えば、この効果は結合部の製造工程における テーパー化段階から発生するものでありファイバーの適切な選択及び／又は準備 によりて対抗されなければならないことが認められて来ている。

結合部におけるモードの特性（ｂｅｈａｖｉｏｕｒ）に２いての推測にもとづい てパワー結合係数（ｐｏｗｅｒ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ）　ｔを決定 するに際し２つの制約がある。

もし・結合部の全てのモードが純断熱的（ｐｕｒｅｌｙ　ａｄｉａｂａｔｉ−ｃ ａｌｌｙ）にテーパーの長さを横切る（ｔｒａｖｅｒｓｅｓ）ならば、結合部モ ードの間には結合性は存在しない、もし結合部に入る１つのファイバーの開口数 が満されているならば共通の実効率を有する他のファイバーの全てのモードにつ いて均等な励起が生ずる。

例えば、ファイバーが同じ開口数をもっていて、主の或は基幹線のファイバーが Ｎ、のモードを支持しがっタップオフ或は分岐ファイバーがＮ２のモードを支持 しており、Ｎ、＜Ｎ！であるとする。

タップオフファイバー（ｔａｐ−ｏｆｆ　ｆｉｂｅｒ）のＮ２モードによりパワ ーを分担する基幹線ファイバー（ｂｕｓ　ｆｉｂｅｒ）のＮ２のモードが存在す る。

従って、タップオフ比は（ｔａｐ−ｏｆｆ　ｒａｔｉｏ）　１　／　２　・Ｎｚ 　／Ｎ１である。同様に、タップオンファイバー（ｔａｐ−ｏｎ　ｆｉｂｅｒ） のＮ２のモードはその出力を基幹ファイバー〇Ｎ２のモードで分担するであろう 、そのためタップオン比（ｔａｐ−ｏｎ　ｒａｔｉｏ）は１／２となる。

更に巻きつけ比（ｗｒａｐ　ａｒｏｕｎｄ　ｒａｔｉｏ）　も又１／２となる。

一方全く非断熱的な結合部においては、全てのモードは他のモードと結合する。

このことは結合部に入ってくるパワー分布がどのようなものであっても、それは 結合部を離れる全てのモードの間で等しく分担されるであろう、このように、上 述した２つのファイバーについてはもし基幹線ファイバーが励起されると、Ｎ１ モードの中にある出力は結合部のＮ。

十Ｎ２゛モードの間で分担される。この場合、タップ−オフ比は Ｎｚ　／　（Ｎｒ　＋Ｎｚ） でなければならない。

同様にタップ−オン比は Ｎｒ　／　（Ｎｌ　＋Ｎｔ） により与えられ、又巻き付は比はタップ−オフ比と等しい。

実際的な結合部は純粋に断熱的なものではなく又非断熱的でもない、いづれも全 てのモードの間で完全な結合は存在しえない、何故ならば結合部は芯とクラッド のモードの間の結合を最小にするためエツチングされそれが最高次芯モードの間 における結合を又最小にしなければならないからである。

更に、テーパーを増加するにつれて、全ての芯モードの間の結合は減少する。

従って、実際的な結合部における達成可能なタップ−オフ及びタップオン比はあ る意味で純粋な断熱的及び非断熱的な結合部についての値により拘束されるであ ろう。

然しなから、真の特性は非断熱的制限により近いものであることが判っている。

従って、予め定められた或は予測可能な出力結合係数を持って非対称なマルチモ ード光ファイバー結合部を形成するために、本発明の方法は更に該パワー結合係 数及びファイバー芯の屈折率分布形にもとづく第１の不等式により決定される第 １の領域から芯の直径の比率を選択すること及び芯の直径及び屈折率分布形とは 独立である、パワー結合係数にもとづく第２゛の不等式により決定される第２の 領域からクラッドの直径の比率を選択することを含んでいる。

好ましくは、この結合部はファイバーの該要素が密接してサイドバイサイド状に 接触している間にそれ等のファイバー要素が互に融着するに十分な温度にまで加 熱することにより形成された融着され又かく加熱されたファイバーを融着された ファイバー要素のそれぞれが円錐状テーパーを形成しそして結合部を形成するよ うに長手方向に延き伸ばされることにより形成された双円錐状テーパーの光フア イバー結合部である。

光フアイバー要素は個々の光ファイバーの要素であっても良或はこの方法は更に ２つの光ファイバーの１つ又はその両方を要求される比率を達成するためクラッ ドの直径を減少させるためにエツチングする工程を含んでいてもよい。

芯直径の比率とクラッド直径の比率の双方とも比例定数（２）””をもったパワ ー結合係数の平方根に比例するもの形の複合係数（ｃｏｍｐｌｅｘ　ｆａｃｔｏ ｒ）に比例するものである。

更に特別には、屈折率分布形に関する最も共通的分類であるα−分布形（α−ｐ ｒｏｆ　ｉ　１ｅｓ）は次式により定められる。

ｎ”（ｒ）ｓ＝ｎと。〔１−２Δ（ｒ／ρ）“〕ここでｎ　（ｒ）は芯の中心軸 から半径方向の距離ｒにおける屈折率であり、ｎｃｏはピーク芯屈折率であり、 ρは芯の半径であり又Δは以下の式により与えられる相対的屈折率差（ｒｅｌａ ｔｉｖｅ　１ｎｄｅｘ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）である。

２Δ−１−（ｎ　ｃ７　／　ｎ　ｃｏ）　”ここでｎｃ／はクラッドの屈折率で あり、出力結合係数は主或は基幹線ファイバーからタップ或は分岐ファイバーへ の出力タップオフ結合係数ｔであり又該第１の不等式は以下の式或はそれに近位 の式で示される 主或は基幹線ファイバーは添着数字１により示され又タップ或は分岐ファイバー は添着数字２により示されている。又λは指定された光源の自由空間波長である 。

ファイバーの開口数が実質的に等しい場合、第１と第２の芯に対するタフブーオ ン比率ｔ、、、が次式により与えられることも又示されうる。

上記の不等式において、左側の制限は断熱的場合（ａｄｉａｂａｔｉｃ　ｃａｓ ｅ）に対応し、又右側の制限は非断熱的な場合（ｎｏｎ−ａｄｉａｂａｔｉｃ　 ｃａｓｅ）に対応している。（３）の式の左側と右側はもしρ。。２−ρ。。８ 即ち芯の直径が等しい場合にのみ等しくなる。

２つのファイバーが同一の芯層折率分布形を有する場合Ｓ＋＝Ｓｚであり式（３ ）と（４）が等しくなり又必要なことは芯の直径に対する比がクランドの直径の 比に等しくすることであることが認識されるであろう。

又式（３）と（４）は１つの自由度即ち芯の直径のクラッドの直径に対する比に ついての自由度をもうている。このことは典形的には最少屈曲損失、ファイバー 硬度等の如き他の検討により決定されてもよい。

実際的な結合部において、最高次モードは限界的に断熱的（ｍａｒｇｉｎａｌｌ ｙ　ａｄｉａｂａｔｉｃ）であり、より低次のモードは明らかに非断熱的である 。このことは、上記の不等式において多くの比率に対する実際的に達成しうる数 値が主として非断熱的特性により規制されるということを示唆している。

次に実際的活用において、特定のパワー結合係数が要求される場合、上述の不等 式は相対的に非断熱的限界に近いファイバーパラメーターを選択するのに使用さ れ、又かくして得られた結合部は必要とされる調整のためにテストされる。

将来的な態様における本発明は又異なる芯とクラッドの直径を有する２又はそれ 以上のマルチモードの光ファイバーから形成される予め定められたパワー結合係 数を持った非対称マルチモード光ファイバー結合部であるが実質的に等しいクラ ンド屈折率を有する結合部を提供するものであり、その結合部においては、光フ ァイバーは個々の最高次のタララドモードに対して実質的に等しい実効的屈折率 を更に有しており分布形とにもとづいて選択されるものであり又クラッドの直径 の比はパワー結合係数にもとづいて選択されるが芯の直径と屈折率分布形とは独 立である。

同じような芯の屈折率分布形についてのケースにおける光フアイバー要素の例示 的な組合せは、個々のファイバーの直径が２００ミクロン（ｍｉｃｒｏｎ）と２ ５０ミクロンであり、又個々のは０．８である。

前者は商業的に利用出来るものであり、後者は芯の直径が５０ミクロン、クラッ ドの直径が１２５ミクロンである商業的光ファイバーのある長さをエツチングす ることにより製造しても良い。

この選択は結合部が主或は基幹線の間で９５％の基幹線上結合（ｏｎ−ｂｕｓ　 ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を表わすことになる。即ち直径の大きい分岐の間で約１．５ ％の基幹線からタップ分岐への結合と約８０％のタップ分岐から基幹線への結合 を示すことになる。

本発明の原理に従って構成された非対称形結合部を用いて、５０もしくはそれ以 上のタップを有する基幹線（ｂｕｓｅｓ）或はネットワークが、従来の非対称結 合部との比較において達成されるより低いレベルの芯モードと出力損失の見地か ら、極めて実現性があるものである。

代表的な、光ファイバーにおいて現在直接的に使用されている電子的な基幹線は ＩＥＥＥ　８０２．３とＩＥＥＥ　８０２．４を含んでいるということが考慮さ れる。

外側のクラッドの半径に対する芯の半径の比率は好ましくは、ファイバーのテー パー領域及び結合部に続く芯のくびれ領域（ｃｏｒｅ　ｗａｉｓｔ　ｒｅｇｉｏ ｎｓ）における予め定められた最少の出力損失を達成するために選択される。

結合部の芯部くびれ領域はそのテーパ一部間の芯の直径が減少した部分である。

この目的のために、比率は好ましくは０．６から０．８の範囲にあり、より好ま しくは０．６７と０．７７との間にある。

かかるエツチングは例えばフッ化水素酸（ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃバー要素を 浸漬することにより実行されてもよい。

光フアイバー要素は好ましくは上記したような互に撚り合されることによってサ イド−バイ−サイドの密接な接触状態におかれているものである。

該要素は有利には加熱される時には初期的に張力下におかれている。

該加熱と延伸工程は国際特許出＠　ＰＣＴ／ＡＵ８？１００３７４に従ヮて又そ の中に開示°されているｉｔを用いることにより実行される。

その方法も又国際出＠　Ｐｃｔ／Ａｔ＋８７１００３Ｈに開示された原理を組合 せることも出来る。

ここで式（３）と（４）の数学的導き出しくａ＋ａｔｈｅａ＋ａｔｉｃａｌｄｅ ｒｉｖａｔｉｏｎ）についての詳細を説明する。

便宜上、芯の特性は上記（１）式により示されるα−分布形（α−ｐｒｏｆｉｌ ｅｓ）の部類に属するものとする。

即ちｎ２（に）−ｎｌｏ　［１２Δ（ｒ　／　ρｅｏ）α）　−（１）芯がＱ＜ ４＜ρ。。・に関し、α〉０の場合ｒはファイバー軸からの半径距離であり、ρ 。。は芯の半径であり又Δは上記式（２）で与えられる相対的屈折率差である２ Δ−１−（ｎｃｌ／ｎｃｏ）　”　−（２）それ等の特性の１つを有するマルチ モードファイバーにより支持される束縛モード（ｂｏｕｎｄ　ｍｏｄｅｓ）の数 は（７）式により与えられる ここで■は次式で定義される正規化された周波数（ｎｏｒｏ＋ａｌｉｓｅｄｆｒ ｅｑｕｅｎｃｙ）である。

又λは光源の自由空間波長である。

もし、式（６）に“モード数”パラメーターＳを導入するならば そして即ち、段階的分布形（ｓｔｅｐ　ｐｒｏｆｉｌｅ）　（α−ω）の時はＳ −１／２又放物線的分布形（ｐａｒａｂｏｌｉｃ　ｐｒｏｆｉｌｅ）の時（α− ２）にはＳ−１／４となる。

ｔを基幹線ファイバー（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｆｉｂｅｒ）からタップ−オフ されたファイバーに結合される出力の部分とする。基幹線ファイバーとタップオ フファイバーの集合モードの数をそれぞれＮｌとＮｔとする。

基幹線ファイバーはタップオフファイバーより大きいのでＮ、＞Ｎｔである。

純粋に断熱的状態の下では、Ｎ２モードの結合のみであり従って２つのファイバ ー間で結合している出力の部分はＮ２／　Ｎ　＋である。

大きい数のモードが係り合うので結合された出力は出力部分において均等に分割 されるであろう。

従っ−でタップオフ出力の部分（ｆｒａｃｔｉｏｎ）はもし、式（７）と（５） を式（８）に入れ又基幹線ファイバーとタップオフファイバーのモード数パラメ ーターと正規化された周波数をそれぞれｓ、、ｖ、、ｓｔ　、ｖ、とすればとな る、これは不等式（３）の左辺となる。

２つのファイバーが同じ開口数を持っている特別な場合において、式（５）から 正規化された周波数の比率は対応する芯の半径或は直径の比率によりて与えられ るここで２ρｅｅｌ　と２ρ。。：は基幹線ファイバーとタップオフファイバー の芯直径をそれぞれ示す。

これは上記不等式（３ａ）の左辺である非断熱的特性に対しては、モード間にお ける混合（＋ｍｉｘｉｎｇ）が完成すると、出力はＮ、＋Ｎｔモードの間で分割 される。

このように、タフブーオフ比は 式（７）と（５）を（８）に代入するととなる。

これは不等式（３）の右辺である。

各ファイバーのモード数は芯の大きさとモード数パラメーターＳの平方根に比例 する。

次で再び両ファイバーが同一の開口数を持つ場合を考える。

これを箔略化して これは不等式Ｃ３ｃＬ）の右辺に担当する。

オフ結合係数が不等式（３）或は（３ａ）により与えられるように定義する。

テーパー化の間、最高次のモードの実効屈折率は−それはテーパー化する前はク ラッドの屈折率に最も近接した実効屈折率をもつものであるが−２つのファイバ ーの中で同一に維持されねばならない。

テーパー化は高次のモードを芯部からクラッドの中へ“押し込む″（ｓｑｕｅｅ ｚｅｓ）ものであるが、テーパー化されたファイバー間バ バー化される以前の芯のモード数に等しくなければならない。

Ｔをテーパー化率とすると次のように定義される。

テーパー化における質量保存はＴが、基幹線ファイバーとタップ−オフファイバ ーの両方についての芯とクラッドの直径に対し同じ値を持つということを要求す る。

ける芯の中に残っているモード数を表わすならば、Ｎ　（Ｔ）〉１の条件で Ｎ　（Ｔ）−Ｎ／Ｔ”である。

Ｎｅ１　（Ｔ）をテーパー化Ｔにおいてクラフトに押込まれるモードの数とする 。

もしρＣ１がテーパー化されていないファイバーのクラッドの半径であればテー パー化されたファイバーの半径はρｃｌ／Ｔである。

従っ・て、クラッドにおけるモードの数は直径が２ρ。！／Ｔであり又開口数が （ｎ：、−ｎ：）ｌ／！である段階的分布形をもつファイバーに関するモード数 と等しい。

ここでｎｅは最高次のタララドモードに対する実効屈折率である。

段階的分布形のファイバーの芯におけるモード数即ちＮ−ｖ２／２から類推する ことにより モードの総数が変化しないことから Ｎ　＝　Ｎ　（Ｔ　）　＋　Ｎ　ｅ　ｔ　（Ｔ　）が要求される。

式（５）と式（１２）から もしＶについて式（８）及びＮｃｌ　（Ｔ）について式１３を用いて簡略化する と となる。これを書き換えると ここでＮＡ（開口数）　−（ｎ若。、−ｎｊ　、　）　Ｉ／！である。

かかる式（１７）から判るように、２つのファイバーについてのｎｅｊ値が実質 的に等しく又屈折率分布形がα類（αｃｌａｓｓ）のもの（この場合Ｓ、−Ｓ、 である）である場合、Ｈ、Ｓｗ等しくなる。Ｔの値が等しい簡単で代表的な場合 において、テーパー化における最高次モードについての実効屈折率の値は比率Ｎ Ａ／　（ρＣＺ　／ρｃｏ）が両ファイバーについて同一であるということを要 求している。

二つのファイバーについてのｎ、が全てのテーパー比率について同一であるべき とする要求は、式（５）より基幹線ファイバーについてＳ−Ｓ、、ρｅｏ−ρｅ ｅｌ’　＋　ｐｃｌ−ρｅ７１及びＮＡ＝ＮＡ１　、タフツブオフファイバーに ついて５−３ｔ。

ρＣＯ１ρＣｌ５１’　＋　ρｃｊ−ρｃｊ　を及びＮＡ−ＮＡ！に設定し一他 の全ての要素は共通の値とすることによって得られる。

これにより次式が得られる 式（１０）を変形して、断熱ケースの場合、タップ−オフファイバーの芯の直径 は基幹線ファイバー（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｆｉｂｅｒ）の芯の直径に次式に よって関係づけられる。

もし、式（８）から芯直径の比を消去して変形するととなりこれは上述した不等 式（４ａ）の左辺と等しい、２つのファイバーのクランド直径の比は芯の直径と 屈折率分布形とは独立であることが判る。

式（１０’　）を変形し非断熱ケースにおいては、となり、式（１８）からの置 き換と変形によりが得られ、これは上述の不等式（４ａ）の右辺と等しい。

同様に、２つのファイバーのクラッドの直径比は芯の直径と屈折率分布形とは独 立であることが判る。

幾つかの特別な場合について例示する。

１、芯の特性が同一の場合、 もし芯の特性が同一の形状を持っている場合例えば、両方とも段階的であるか、 放物線的であるかの場合には、５．ｓ＋ｍＳ２で、式（１９）（１９’　）（２ ０）　、（２０’　”）においてρｃｌ　ｔ　ρＣｏｔ クラッドと芯の直径は同じブロポーシッン（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ）の状態にあ る。

この場合、α、は非常に大きく又α２−２である等式（１５）はＳ、−１／４と ５ｚ＝１／２を与えそれ飲代（１９）と（２０）は となり従って、タフブーオフファイバーの芯はクラッドより相対的に小さくなり 、段階的特性の大きなモード数と一敗する。

３、段階的芯（基幹ｗＡ）と放物線的芯（タップ−オフ）の場合、 Ｓ、−１／２とミｚ＝１／４であるので式（１９）と式（２０）となり、それ故 クツブーオフファイバーの芯は相対的にクランドより大きくなり、放物線分布形 上のより小さなモード数に一致する。

式（３ａ）と（４ａ）を用いることによりタップ−オフ比率が与えられ、次で２ つのファイバーの芯とクラッドの直径の全てが、後で他のファイバーに対する比 率とは独立に（ｕｎｉｑｕｅｌｙ）に決定される１つのファイバーについてのク ラッド対応直径（ｃｌａｄｄｉｎｇ−ｔｏ−ｃｏｒｅ　ｄｉａ＋ｏｅｔｅｒ）の 比を除いて規定される。

換言すれば、屈曲損失、ファイバー硬度等のような他の配慮によって決定される １つの自由度が残されている。

不等式（４ａ）の制限は等しいＴとＮＡの値について上記のように決定される。

より一般的なケースにおいては、式（１７）はファイバーに関するＮＡ値とρ。

。／ρｃ！値が全く異っている予め決められた或は予測しろるパワー結合係数を 決定するのに使用されてもよい。

その場合にはｎ、、ｍ　ｎ、、が依然として要求され又等式（１７）がｎｅ７値 が等しいと推定すると、等しくなるべきであることを示唆している。

もし１つのファイバーが予めテーパー化され、ＮＡとρ。。

／ρ、ｌ比における不一致は少くとも延伸／亭−パー化工程での１時点において Ｔ値の間における不一致を作り出すことによってバランスさせうる。

実施例としての、非対称形結合部はρ。。／ρ、ｌ比がそれぞれ２０８／２５０ と１００／１４０であるファイバーから作られる。

前者は２０８／２１０にエツチングされ、後者は１００／１０５にエツチングさ れより小さなファイバーは次で予備的にテーパー化され６７／７０となる。

２つのファイバーは撚合され、公知の方法で融着され延伸使用する。ここで２０ ８／２１０にエツチングされたファイバーのＸはＸ−０，１５７であり、・テー パー化の完成時においてＴｔ−１−１５である。

このように、積（Ｔ”−１）Ｘは （Ｔ”　−１）　Ｘ−２，３６となる。

１００／１０５にエツチングされたファイバーのＸはＸ　−０，０７６３であり 、予め６７／Ｔｏに予備テーパー化されたものはテーパーの完成時に Ｔ８−１雪３０．４である 従ッ”Ｃ・積Ｘ・　（Ｔ”、−１）はＸ　（Ｔ”　−１）　−２，３２となる。

このようにして、要求された結合が達成され又基幹線ファイバーの元のテーパー 比率が本発明の技術を用いない゛従来の結合部分におけるものと同じであるよう な、ファイバーのテーパー化の完成時において、ＸとＴ３−１との積は本質的に 同一となりそれによって両ファイバーのｎｅの値（ｎ　ｅ’　ｓ）は等しくなる 。

但し、ｎｅＯ値はテーパー化工程の全工程を通して等しくはないことを注記して お（。

それ等はある一時期においてのみ等しく又それはこの時期を式（１７）により与 えられる要求される光学的性能が生ずる時として予測するための性能である。

式（１７）は結合部において組合されている２つのファイバーの一般的光学的性 能を予測するか或は任意的なディメンジツンと光学的パラメーターからなる２つ のファイバーからのこのように、上述の数学的説明により明らかにされた概念は ここで議論したような特別なケース即ち、同一のピーク芯及びクラッドの屈折率 、特別な類似の屈折率分布形及び双円錐形のテーパー状結合部というようなケー スに限定されるものではない、ということを考慮することは重要なことである。

特に、等式（８）、　（９）、　（１６）及び（１７）は一般的な適用性を有し ており又最も一般的なＭ様における発明はこれ等の式に従った光フアイバー結合 部及びその前駆体（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）又はその派生物を設計し及び／又は形 成する方法を提供する。

第１図はα、−２，０に対してα、の値が異っている場合における多くのパラメ ーターの関係について例示的に図説したものである。

以下に示す２つの実施例はどのようにこのグラフ或は他の条件についての類似の グラフが使用されるかを示している。

Ａ、与えられたα、／α２とファイバー関における芯の比は以下のように処理す る。

１、Ｉ（ｆｌ：軸上に芯比率をめる。

Ｚ　そこから水平線を引き適当なα、／α２曲線と交叉させる。

３、　この交叉点から垂線を水平な分割比率軸（ｓｐｌｉｔ　ｒａｔｉ。

ａｘｉｓ）に引く。

４、　この点がその結合部における最大の分割比率である。

５、　その垂線とαＩ／α２−１の曲線との交点に注目する。

６、　そこから水平線を継軸まで引く。

７、　この点が２つのファイバーについてのクラツド比率を与えるものである。

ここで大きなファイバーは常に主ファイバーであり、小さなファイバーはタップ ファイバーである。

Ｂ、逆に、任意の分割比率とαｌ／α２が与えられた場合；１、任意の分割比率 の処から縦線を引きα、／α１−１．０の曲線との交点をめる。

Ｚ　この交点はクラツド比率を与える。

３、該縦線を更に延長して任意のα１／α２曲線との交点をめ・る。

４、　この点が芯の比率を与える。

本発明は、−たんファイバーが本発明に従って選択された後該ファイバーを実際 的に成型するだめの好ましい方法に関する基本的な物理的工程を説明しかつ各工 程で得られる光ファイバーの形状を示している添付されたダイアグラムを参照し ながら単に例示的な具体例の形において以下に詳しく述べる。

この具体例においては、簡略的にするため、断熱的制限は満足されるように選択 されている。

２つのある長さをもつ光ファイバー１０．１１、例えばゲルマニウム芯２６を有 するマルチモードシリカファイバー、がその個々の位置１２．１３において第１ にその外側保護コーテイング膜１４がはぎとられる。（ステップＡ）ファイバー １０は以後の結合部において基幹線（ｂｕｓ）ファイバーとなるものであり芯半 径ｒ、が１００ミクロンで外側クラッド半径ｒ２が１２５ミクロン、その比が０ ．８である。

望まれるパワー結合比は１％でありそこでタップファイバーを形成するファイバ ー１１は芯の半径ｒ１が３６ミクロン（不等式（３）の左辺により要求されるも のである）、又外側クラッド半径ｒ２が３８ミクロンを有している。

各ファイバーの開口数はＮＡ、＝０．４でＮＡｚ　＝０．２７である。

放射状芯屈折率分布形はα、＝３．１でα２は２．０であり又Ｓ、−０，６１で Ｓ　ｚ　＝　０．２５と特徴づけられている。

ファイバーの部分１３は例えば雰囲気温度のフン化水素酸のような処理液に浸漬 せしめ、シリカクラッド２５を要素１７にエツチングして、それにより外側クラ ッド半径に対する芯半径の比を等式（３）と（４）により要求されているような 比率に等しい値にまで増加させる。（ステップＢ）処理液中の滞在時間は使用さ れる酸そのものの性質により一般的に決められるが、しかし酸の加熱又は／およ び酸の流動を採用することにより相当短くすることが出来る。

２つのファイバーは次で一対の把持具１８．２０の中に支持されることにより約 ０．６から１．０鵬の間隔をおいて並行に配置され、それによって要素１７とそ れに整合されるファイバ一部分１２の要素１６とは張力下にサイド−バイ−サイ ドの形で延展される。（ステップＣ） 一方の把持具１８はファイバー要素を互に密接したサイド−バイ−サイド接合に なるよう撚り合せるため回転せしめられる。（ステップＤ） 次で結合部３０を形成するためにファイバーを互に軟化させ融着させるのに十分 な程度に加熱される。（ステップＥ）芯２６が個々の双円錐形のテーパ一部２３ を形成するようにするため、ファイバーは長手方向に等しくかつ逆方向に引き延 ばされそして結合部が完成される。（ステップＦ）該結合部は公知の方法で実装 され（ｐａｃｋａｇｅｄ）及び／又はカプセル化（ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ） され悪環境に対する抵抗性のみでなく強い力や衝撃に対する抵抗性を与えるもの である。

延伸工程中、芯とクラッドの半径は共に著しく減少するがその比率は実質的に一 定に維持される。

上記の例示的具体例に近似した実際的な実施例においては、芯とクラッドの半径 ｒ、とｒ２の最終的な値は基幹線分岐（ｂｕｓ　ｂｒａｎｃｈ）については個々 に１６ミクロンと２２ミクロンでありタップ分岐（ｔａｐ　ｂｒａｎｃｈ）につ いては個々に８ミクロンと１２ミクロンであることが判った。

タップオフ出力結合係数が測定され好ましい係数０．１に極めて近い値の０．０ ８であることが観察された。

タップ−オン出力結合係数は０．０７であった。

夕）ミ ステップＢ ステップＣ Ｆ／ｃ、２Ａ　−２０゜ ステップＥ Ｆ／ｃ、２Ｅ−２Ｆ 国際調査報告 λ堂偏ズτ〇−ΣコζΣ只傅き：）社幻ジＪζ只只コに３τＣＮ’：）ｓＴ！Ｒ Ｎλ＝＝ＯＮ入ＬＡＰＰＬ：Ｏ入Ｔ：ＯＮ　Ｎつ、　Ｐご＝／入Ｕ　８８００１ ７４ＵＳ４４３３８９６　ＪＰ　５８Ｌ２７２７２　ＬＩＳ　４４２３９２３Ｔ ＪＳ　４４０２５６８　ＤＥ　３０１０９７１　ＥＰ　３７００７　＋Ｐ５６１ ４４４０６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２もしくはそれ以上のマルチモードの、異なる芯及びクラッド直径からなる が実質的にクラッドの屈折率が等しい、光ファイバーから結合部を組立ることを 含み更に、少くとも構成された結合部においては個々の最高次数のクラッドモー ドについて実質的に等しい実効屈折率をもつようにそれ等のファイバーが選択さ れることを特徴とする非対称光ファイバー結合部の形成方法。 ２．予め定められるか或は予測しうるパワー結合係数をもった非対称マルチモー ド光ファイバー結合を構成するために、該光ファイバーはそれ等の開口数ＮＡと 芯対クラッド半径比ｐｃｏ／ｐｃ■との関連で選択され又個々のテーパー化比率 Ｔにさらされ、それによって結合部を形成するために該ファイバーを集合させる 際に個々のファイバーについての積▲数式、化学式、表等があります▼ が少くとも一時的に等しくなることを特徴とする請求範囲第１項記載の方法。 ３．該光ファイバーは更に同じようなピーク芯屈折率を有していることを特徴と する請求範囲第１項は第２項記載の方法。 ４．該光ファイバーは同じような材料で又同じような開口数をもつように作られ ておりそれによって、同じようなクラッドとピーク芯屈折率をもっていることを 特徴とする請求範囲３記載の方法。 ５．該光ファイバーはシリカの光ファイバーであり又実質的に同一の０．２から ０．５の範囲にある開口数をもっていることを特徴とする請求範囲４記載の方法 。 ６．芯直径の比は該パワー結合係数とファイバー芯の屈折率特性とに依存してい る第１の不等式によって決定される第１の範囲から選択され、クラッド直径の比 はパワー結合係数に依存してはいるが芯の直径と屈折率特性には依存していない 第２の不等式により決定される第２の範囲から選択されることを特徴とする予め 定められた或は予測しうるパワー結合係数を持った非対称マルチモード光ファイ バー結合部を形成するための前記したいづれか１つの請求範囲に記載された方法 。 ７．該不等式の制限は個別に厳密な断熱的及び非断熱的特性によって決定され又 該選択は相対的に非断熱的制限に近い状態で行われることを特徴とする請求範囲 ６記載の方法。 ８．融着した双円錐形のテーパー状光ファイバーを形成するために芯の直径に対 する比率とクラッドの直径に対する比率の双方が比例定数（２）１／２を有する パワー結合係数の平方根に比例しているが、芯の直径比率は典型的には更に屈折 率分布形の複合係数に比例していることを特徴とする請求範囲６又は７記載の方 法。 ９．光ファイバーが次式で定義されるα形屈折率分布形を示し、 ｎ２（ｒ）＝ｎ２ｃｏ［１−２Δ（Ｉ／ｐ）ｃ］ここでｎ（ｒ）は芯の軸から半 径方向距離ｒにおける屈折率、ｎｃｏはピーク芯屈折率、ｐは芯の半径そしてΔ は次式により与えられる相対的屈折率差である ２Δ＝１−（ｎｃｌ／ｎｃｏ）２ ここでｎｃｌはクラッド屈折率である。 又パワー結合係数は主或は基幹線ファイバーからタップ或は分岐ファイバーへの バワータップーオフ結合係数であり、更に該第１の不等式は以下に示されるか或 はそれに均等なものであり、 ▲数式、化学式、表等があります▼ここてＳ▲数式、化学式、表等があります▼ 又Ｖ▲数式、化学式、表等があります▼であり主或は基幹線ファイバーは添付数 字１により示され又タップ或は分岐ファイバーは添付数字２により示されており 更にλは予め決められた光源の自由空間波長である、ことを特徴とする請求の範 囲８記載の方法。 １０．ファイバーの開口数は実質的に等しく、又該第１と第２の不等式は次下に 示されるか或はそれに均等なものである▲数式、化学式、表等があります▼及び ▲数式、化学式、表等があります▼であることを特徴とする請求範囲９記載の方 法。 １１．ファイバーの要素をそれ等が密接にサイドバイサイドの接触をしている間 に該ファイバー要素が互に融着するに十分な温度に加熱する工程と、該加熱され たファイバーを延伸してそれぞれの融着されたファイバー要素を双円錐形のテー パーに形成せしめて結合部を形成する工程とを含んでいることを特徴とする請求 範囲２乃至１０のいづれか１つに記載された方法。 １２．ＮＡとｐｃｏ／ｐｃｃは個々のファイバーについて異っており又１つのフ ァイバーは該ファイバーが延伸されそれにより互にテーパー化される以前に予備 テーパー化処理を受けそれによってＴの値がファイバーについて該積の均等性を 確実とするような方法で変化することを特徴とする請求範囲２記載の方法。 １３．請求範囲１乃至１２のいづれか１つの方性により形成された非対称形マル チモード光ファイバー結合部。 １４．少くとも２つの異った芯とクラッド直径を有するが実質的に等しいクラッ ド屈折率をもつ少くとも４つの光ファイバー分岐を有し、更に該ファイバー分岐 は更にそれ等個々の最高次クラッドモードに対して実質的に等しい実効屈折率を 有していることを特徴とする非対称マルチモード光ファイバー結合部。