JPH06137876A - カップラ一体型ファイバコイルとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバのコイルや、カップラを含む光学
系において、個々のファイバコイルや、カップラが独立
の部品として製造される。これらの部品を組み立てる場
合に、ファイバ間の接続箇所が多く、融着接続に多大の
時間がかかる。ファイバ間の接続の箇所を減少させるの
が目的である。 【構成】 光ファイバコイルの一端または両端の近傍の
一部分を、他のファイバの一部分にエネルギ−交換でき
るように結合させてカップリング部を形成する。こうす
ると、ファイバ同士の接続の箇所を１〜２箇所減らすこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバジャイロや光
ファイバハイドロフォンなどの光ファイバコイルを用い
た計測装置におけるファイバコイルの改良に関する。特
に、ファイバコイルとカップラの接続を一つ省略するこ
とにより生産性、品質向上を図るものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバジャイロは、ファイバコイル
の中を右廻り光左廻り光に伝搬する光の位相差から、フ
ァイバコイルの角速度を求めるものである。光ファイバ
ハイドロフォンは、ファイバコイルを水中に沈め水圧変
化による光弾性効果により、光の位相が変化することを
利用し、水中音波を検出するものである。

【０００３】これらの装置は、光ファイバを多数回コイ
ル状に巻き回したファイバコイルと２本のファイバを合
流させ分岐させる光分岐合流素子を必ず備える。光の干
渉により位相の差や位相の変化を検出するので光分岐合
流素子が必要である。またファイバを多数回巻き回すの
はファイバの物理量に対する感度を増強するためであ
る。これらの他に、光学装置には、偏光子、デポラライ
ザ、位相変調器等を必要とするものがある。これらの素
子を個別の結晶などを用いた素子で構成することができ
るが、そうするとファイバとの結合に問題が生ずる。

【０００４】光分岐合流素子はビ−ムスプリッタを用い
ることもできるがファイバで作られたファイバカップラ
が望ましい。これは方向性結合器ということもある。多
くのファイバ部品を用いると、ファイバ間の接合点が多
くなる。例えばファイバカップラは４つの端部を持ち、
ファイバコイルは２つの端部を持つ。従来はこれらの部
品を個別の部品として製造していたので、相互に接合を
する手数が多く製造コストを押し上げる傾向にあった。

【０００５】図２は大部分を光ファイバで構成した従来
例にかかる光ファイバジャイロの概略構成図である。光
源Ｓ、受光器Ｄ、ファイバコイルＦＣ、２つのファイバ
カップラＦＫ₁ 、ＦＫ₂ 、偏光子Ｐなどを含む光ファイ
バジャイロである。

【０００６】ファイバの接合点は、 第１ファイバカップラＦＫ₁ と偏光子Ｐの間 偏光子Ｐと第２ファイバカップラＦＫ₂ の間 第２ファイバカップラの一端とファイバコイルの一端 第２ファイバカップラの他端とファイバコイルの他端 の４点である。

【０００７】従来は、ファイバカップラやファイバコイ
ルを独立に製造し、これらを融着などの方法で接続して
いたのである。これは光ファイバジャイロの原理図であ
る。最も単純なものである。それでも４点で融着しなけ
ればならない。

【０００８】図３に光ファイバハイドロフォンの概略構
成を示す。光源Ｓ、受光器Ｄ、二つのファイバカップラ
ＦＫ₁ 、ＦＫ₂ 、二つのファイバコイルＦＣ₁ 、ＦＣ₂
などを含む。二つのファイバコイルは等価なものであ
る。この内一つは音波を検出するためのセンシング部と
なる。これは水中に漬ける。もう一つは参照用のファイ
バコイルである。これは大気中にある。両方に光を通し
位相差を干渉法により検出する。これが音波の変化に比
例するので、音波を検出することができるわけである。

【０００９】この場合も４点、、、でファイバ
を相互に接合しなければならない。図３のものは二つの
ファイバコイルを用いてマッハツエンダ型の干渉計を構
成しているから、音波の他に、温度、ガス圧など様々の
物理量の計測に用いられる可能性がある。もちろん、フ
ァイバの被覆や、光学計の収納機構には幾つかの工夫を
加えなければならない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように光ファイバ
を用いた測定装置において、ファイバカップラや、ファ
イバコイルは通常、素子を独立に製造し、これらのファ
イバ端を相互に融着接続するのが一般的であった。

【００１１】以下の説明の便宜のため、ファイバコイル
を二つの部分に分けて定義する。コイル状に巻いてある
部分を巻線部といい、両端の自由な部分を余長部という
ことにする。

【００１２】光ファイバの融着接続技術は近年向上して
きている。時間短縮、自動化、多芯一括化などの方向で
更に改良が進められている。しかし電線の接続に比べる
と、光ファイバの融着接続はまだまだ作業性、信頼性に
問題が多い。ために少しでも接続点数を減らすことがで
きるような光学機器の設計思想が望まれている。

【００１３】接続すべき光ファイバが、シングルモ−ド
ファイバなら、外径調芯や、コア調芯によって、芯を合
わせて接続が可能である。これはコアの中心に関して回
転対称であるからである。

【００１４】しかし、偏波面保存光ファイバの場合は問
題が深刻である。これは回転対称ではなく、軸周りに異
方性を持っているからである。偏波面保存光ファイバ
は、コアまたはクラッドに非軸対称性を持たせることに
より、直交する二つの偏波間の伝搬定数の差を大きく
し、偏波結合を抑制している。

【００１５】これはコアを囲んで楕円形のジャケットを
設けるか、クラッドの中に、直径方向に２本の応力部材
を入れたものである。楕円の長短円の方向、応力部材の
方向に異方性を持つから、この方向に偏波面を持つ光
と、これに直交する方向に偏波面を持つ光とが、独立の
位相定数を持つ。これらが異なるから、光ファイバを伝
搬する固有値の異なる２つの解になる。

【００１６】シングルモ−ドファイバであると、通常は
偏波面に関して２つの波が縮退しているのであるが、前
記の異方性のために縮退が解ける。偏波面保存光ファイ
バの接続の場合は、異方性の方向を保存するようにしな
ければならない。そのため２つの光ファイバの角度調整
をしてから融着接続する必要がある。これが難しい。

【００１７】角度調整を行うために、融着接続器上で、
少なくとも一方の光ファイバを回転させる必要がある。
コア径が数μｍという細いファイバを偏心させずに回転
させるためには、高精度の回転機構を持つ専用の融着接
続器が必要である。これが一つの重大な問題である。

【００１８】しかしそれだけではない。もっと大きな問
題がある。それは接続される光ファイバのコア周りの角
度をモニタする手段である。図９に従来の偏波面保存光
ファイバの接続特性測定系の概略構成を示す。光源、レ
ンズ、偏光子、１／２波長板、レンズ、第１の偏波面保
存光ファイバ、第２の偏波面保存光ファイバ、レンズ、
検光子、受光素子などが一直線上に並んでいる。

【００１９】光源の光を偏光子により、直線偏光にす
る。これを１／２波長板（λ／２板と略す）により、λ
／２板の回転に応じた方向の直線偏光を得る。まずλ／
２板を回すことにより、この直線偏光の方向と偏波面保
存光ファイバＳＰ₁ の主軸方向を一致させる。光源から
出射された光は、偏波面保存光ファイバＳＰ₁ の主軸方
向に偏波面を持つ直線偏光としてこれに入射する。偏波
面保存光ファイバは偏波面を保存するので、ＳＰ₁ の他
端からはやはり主軸方向に偏波面を持つ直線偏光が出射
される。２つの偏波面保存光ファイバＳＰ₁ 、ＳＰ₂ は
主軸方向が合致するように接続されなければならない。

【００２０】このため偏波面保存光ファイバＳＰ₁ とＳ
Ｐ₂ を端面において突き合わせ、光を両者に通しＳＰ₂
ファイバからの出射光が直線偏光になるように、ファイ
バを相対回転させる。このように軸周りにファイバを相
対回転させて、主軸を合致させる操作を偏波面の調整と
いう。

【００２１】この手順は次に述べるように複雑である。
まず最初に第１の偏波面保存光ファイバＳＰ₁ と、第２
の偏波面保存光ファイバＳＰ₂ を端面で突き合わせ、コ
アとコアを対応させ光結合を得た状態とする。検光子を
３６０°の範囲で回転し、受光素子で透過光量を測定す
る。そして最大値Ｍと最小値ｍを求める。ファイバＳＰ
₂ の角度を一つ決めると、これに対して一組みの最大
値、最小値が得られる。ファイバＳＰ₂ の回転角を変え
て、この測定を繰り返す。ファイバＳＰ₂ の回転角につ
いてひとつずつ最大値、最小値が得られる。

【００２２】これらの内、最大値／最小値（Ｍ／ｍ）が
最大になるファイバＳＰ₂ の回転角を求める。この時Ｓ
Ｐ₂ ファイバの出力光が直線偏光になったということで
ある。これが２本の偏波面保存光ファイバＳＰ₁ 、ＳＰ
₂ の主軸が合致した状態である。

【００２３】偏波面保存光ファイバは直交する２方向の
偏波面に関する主軸がある。直線偏光がこのファイバに
入射すると、これは各主軸に分配される。分配された光
の振幅は、入射光の偏波面と主軸のなす角の余弦ともと
の光の振幅の積である。２つの偏波面の光は相互作用せ
ず振幅が保存されるから、ファイバの他端に出た時も２
主軸方向に同じ振幅を持つ。

【００２４】しかし、二つの光は既に位相が異なってい
るから自由空間に出ても、合成されて一つの直線偏光と
等価になるということはない。したがって、入射直線偏
光と、偏波面保存光ファイバの主軸が合致して居ないと
きは、出射光は、全ての方向の偏波面の光を持つことに
なる。これは検光子を回転させて出射光の偏波を規定し
てその光量を測定する時、最小値を押し上げ、最大値を
下げることになる。入射直線偏光と、偏波面保存光ファ
イバ主軸が合致している時のみ、これと直角方向に偏波
面を持つ光が出射されないから、最小値が最小になり、
最大値が最大になる。

【００２５】従って、第２ファイバを回転させながら、
Ｍ／ｍが最大になる場合を捜せば、これが第２ファイバ
の主軸に直線偏光の偏波面が合致している状態である筈
である。初めから入射直線偏光の偏波面が第１の偏波面
保存光ファイバＳＰ₁ に合致しているので、この場合、
ＳＰ₁ とＳＰ₂ の主軸が合致するということになるわけ
である。

【００２６】このように従来の方法では、検光子とファ
イバＳＰ₂ を２重に回転して光出力を測定していくとい
う時間のかかる操作を必要とした。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ファイバの接
続点を減らすために、ファイバコイルの一端または両端
の余長部に他のファイバを結合し、直接にファイバカッ
プラを形成する。これによってファイバの融着接続の箇
所を減らすことができる。ここで余長部というのは、フ
ァイバコイルを構成するファイバの内、コイルでない部
分を意味する言葉である。

【００２８】図１によって本発明のカップラ一体型ファ
イバコイルの構成を説明する。ファイバコイルＢは、シ
ングルモ−ドファイバ、偏波面保存光ファイバ、多モ−
ドファイバ等を多数回巻き回したものである。これは端
部ｂ₁ とｂ₂ を持つ。端部ｂ₁ の近くのコイルに巻いて
いない部分ｂ₀ において、他のファイバＡの一部ａ₀と
光結合するようにカップリング部を形成する。他のファ
イバＡは両端部ａ₁ 、ａ₂ を持つ。

【００２９】これは短いものを書いているが、ファイバ
Ａもコイルになっていても良いのである。カップリング
の形成方法としては、公知の手段を用いることができ
る。例えば、側面研磨法、化学エッチング法、融着延伸
法などを利用できる。

【００３０】カップラの形成時には、所望の結合状態
（分岐比）が得られるように、一方のファイバの一端
（例えばａ₂ ）から光を通し、二つのファイバの他方の
端（ａ₁とｂ₁ ）での光の強度を測定し、強度比が所望
の値になるように、結合状態を調整する。多くの場合は
結合比が１：１になるようにするが、それ以外の結合比
にすることもできる。図１の例では、ａ₁ から光を入射
し、ａ₂ とｂ₂ の出射光を見るようにしても良い。ｂ₁
から光を入れても良いが、ａ₁ からの方が量産に適して
いる。

【００３１】図４は本発明の他の場合を示す。これはフ
ァイバコイルの余長部を互いに結合し、ファイバカップ
ラとしたものである。このファイバコイルＢは、両端部
ｂ₁とｂ₂ を有する。これの途中のｂ₀ とｂ₀ ′を結合
し、カップリング部を形成している。このファイバも、
シングルモ−ドファイバ、偏波面保存光ファイバ或は多
モ−ドファイバの何れでも良い。本発明は、偏波面保存
光ファイバ、シングルモ−ドファイバ、多モ−ドファイ
バの何れのファイバにも適用できる。

【００３２】これも、前記の側面研磨法、化学エッチン
グ法、融着延伸法などによって形成できる。カップラの
分岐比をモニタするために、例えば一端ｂ₁ からモニタ
光を入射し、同じｂ₁ に戻ってくる光の強度を測定す
る。

【００３３】このために、図５に示すように、ｂ₁ の前
にハ−フミラ−Ｈ．Ｍを置き、これに関して面対称の位
置に光源と受光器を設置し、入射、出射光が同一光軸上
に来るようにする。ハ−フミラ−の代わりにファイバカ
ップラを用いることもできる。ｂ₀ とｂ₀ ′の結合部で
の分岐比をｐ：（１−ｐ）とすると、受光器の出力は、
ｐ（１−ｐ）に比例する。ファイバコイルを右廻り光、
左廻り光に回るいずれの光もｂに戻りうるが、これは結
合部を２回通過し、経路を変更するからである。もし
も、０．５：０．５の分岐比のファイバカップラが必要
であれば、受光器の出力が最大になるようにすれば良い
のである。

【００３４】或いは、ｂ₁ から光を入れて、ｂ₁ とｂ₂
の出射光強度を測定しても良い。図１は、ファイバコイ
ルＢとは別異のファイバＡを、余長部の側面に結合して
いるが、図４は同じファイバコイルの余長部の側面を結
合している。前者は融着接続の箇所を１箇所省くことが
できる。後者は融着接続の箇所を２つ省くことができ
る。

【００３５】図７は本発明の他の例を示す。これはファ
イバコイルの両方の余長部に、他のファイバＡとＣとを
結合したものである。これもｃ₂ から光を入射し、ｂ₂
とｃ₁ での出射光強度をモニタしながら、カップラを作
製すれば良い。

【００３６】

【作用】本発明はファイバコイルの余長部に、他のファ
イバを結合するか、あるいは、同じファイバカップラの
余長部同士を結合している。結合の方法は公知の方法を
用いれば良い。側面研磨法、化学エッチング法、融着延
伸法等がある。

【００３７】側面研磨法：図８に示すように石英基板
に円弧状の溝を切りこれに光ファイバを接着し、基板と
ともに側面からファイバをコアの近傍までの研磨する。
このような二つのファイバ付きの基板を接着する。これ
により、両方のファイバ間でエネルギ−の交換ができる
ようなカップリング部を形成することができる。図８に
おいて、（ａ）はファイバを含む面での断面図、（ｂ）
はファイバと直交する面での断面図である。結合度測定
は、二つの基板を屈折率整合液を介して押しつけてお
き、一方のファイバ端から光を導入して他方の２端に出
射される光の強度をモニタすることによってなされる。
研磨とモニタを交互に繰り返して、最適の結合度に達し
た時に研磨を中止し、両基板を永久接着する。あるいは
両ファイバの軸線のずれを調整して結合度を変えること
ができる。

【００３８】化学エッチング法：フッ酸系のエッチン
グ液により光ファイバのクラッド部を、コア部に達する
までエッチング除去する。このような２本の光ファイバ
を側面で接着する。

【００３９】融着延伸法：マイクロト−チにより光フ
ァイバを局所的に加熱しファイバ束の融着とテ−パ−状
の延伸を行う。延伸の長さにより両ファイバの結合の度
合いが変わる。一方の端から光を通し、他端での出射光
の強度を測定し結合状態をモニタしながらファイバ束を
延伸する。

【００４０】図１のカップラ付きファイバコイルを、図
２の光ファイバジャイロに適用すると、コイル部とカッ
プラが初めからつながっているので、の接続が初めか
ら不要になる。の部分の接続のみが必要である。図１
の端部ａ₂ と、ｂ₂ とを融着接続すれば良い。勿論偏光
子Ｐと、二つのファイバカップラとの融着接続、は
必要である。

【００４１】図４のカップラ付きファイバコイルを図２
の光ファイバジャイロに適用すると、図２の、の接
続が共に不要になる。これによって著しく製造の工程を
簡略化できる。接続点を二つ減らすことができる。

【００４２】図３のマッハツエンダ型の干渉光学系を、
本発明のカップラ付きファイバカップラで形成すること
もできる。図１のもので、図３の干渉計を作るには、図
１のようなものを２つ作り、これらの端部のａ₂ 、ｂ₂
に該当する端部を融着接続することにより、図３の光学
系が得られる。

【００４３】図７の両端にカップラを持つカップラ付き
ファイバコイルを用いるときは、カップラを持たないフ
ァイバコイルの端部を図７の端部ａ₂ とｃ₂ に融着接続
すれば良い。

【００４４】あるいは、ふたつのファイバコイルの両端
の余長部を本発明と同様の方法で結合させても良い。

【００４５】

【実施例】図１に示したカップラ付きファイバコイルを
製造する方法を図６によって説明する。ファイバＢはコ
イル状に巻いたファイバである。これの端部をｂ₁ 、ｂ
₂とする。ファイバＡは単なる線状の短いものでも良い
のであるが、ここでは長いコイル状に巻いたものを用い
ている。ただしこれは簡単に巻きもどしができる。長大
なファイバを用いるのは繰り返し使用できるためであ
る。ファイバＡの端部をａ₂ とＱとする。

【００４６】ファイバＢのｂ₁ に近い余長部ｂ₀ と、フ
ァイバＡのａ₂ に近い余長部ａ₀ との間にカップリング
部を形成する。この形成方法は、既に説明した側面研磨
法、化学エッチング法、融着延伸法のいずれでも良い。

【００４７】分岐比率をモニタするための光は、ファイ
バＡのＱから入射する。カップラの両端点であるａ₂ と
ｂ₂ の出射光を検出する。０．５：０．５のカップラを
形成するのが目的の時は、ａ₂ 、ｂ₂ の出射光量が同一
になるよう時に結合部の関係を固定する。

【００４８】もしもコイル部が長大でコイル部での光の
減衰が問題になる場合、減衰分を補正して、所望のａ
₂ ：ｂ₂ の光量光を決めておき、実際の出射光の比がこ
れに一致するようなカップラ条件を捜しこれに固定す
る。こうしてカップラができる。必要であれば、カップ
ラの上に保護ケ−スなどを被せる。

【００４９】次に、ファイバＡの結合部ａ₀ よりコイル
側の一点ＰでファイバＡを切断する。すると、ファイバ
Ｂは図１に示したカップラ付きファイバコイルになる。

【００５０】残ったファイバＡは以下同様に使用する。
切断点Ｑが図６の端点ａ₂ と見做される。次のコイル状
ファイバＢに対して、ａ₂ 点に近い部分ａ₀ と、ｂ₀ と
の間で結合を形成する。この場合もモニタ光を端点Ｑか
ら入射する。そしてａ₂ 、ｂ₂ での出射光を監視する。
光源とファイバＡの端点Ｑの関係が不変であるから、最
初１回だけ位置合わせをして置けば良いので便利であ
る。同様にコイルを持つファイバＢにカップラ部分を形
成して行くことができる。ファイバＡは、１回の操作で
長さＰａ₂ 分だけ短くなる。少しずつファイバＡが短く
なっていくが、かなりの回数同じファイバＡを使うこと
ができる。

【００５１】つまり本発明は、ファイバコイルの製造
と、カップラの製造の２つの工程を組み合わせ、他に付
加的な工程を全く要せずにカップラ付きファイバコイル
を製作するものである。そしてカップラ付きファイバコ
イルは、１〜２箇所のファイバの融着接続を節減でき
る。接続操作を軽減できるのが大きいが、接続損失がな
いという利益もある。

【００５２】

【発明の効果】光ファイバジャイロ、光ファイバハイド
ロフォン等の光ファイバを用いた干渉光学系において、
ファイバ間の接続点数を減らすことが可能となる。コア
径小さいシングルモ−ドファイバの接続は時間を要す
る。とくに偏波面保存光ファイバの場合は、長い調整時
間が要るのであるが、本発明ではこのような接続を１〜
２箇所減らすことができる。光ファイバ光学装置の生産
性、品質を向上する上で効果的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のカップラ付きファイバコイルの第１の
例を示す図。

【図２】コイルを伝搬する二つの光の干渉を用いて角速
度測定を行う光ファイバジャイロの原理図。

【図３】ファイバコイルを二つ用いて物理量を測定する
マッハツエンダ型干渉系の図。

【図４】本発明のカップラ付きファイバコイルの第２の
例を示す図。

【図５】図４の光学系に分岐比監視用の光を導入し、コ
イルを伝搬した後カップラで分配された光の強度を検出
するための光学系の概略図。

【図６】本発明のカップラ付きファイバコイルを製造す
る方法を説明するための図。

【図７】本発明のカップラ付きファイバコイルの第３の
例を示す図。

【図８】側面研磨法によるカップリング部の形成を説明
するための図。（ａ）は２本のファイバを含む面で切っ
た断面図で、（ｂ）はファイバに直交する面での断面図
である。

【図９】偏波面保存光ファイバを接続するとき主軸方向
を合わせるために用いれられる装置を示す図。

【符号の説明】

Ａ 光ファイバ Ｂ ファイバコイル ａ₁ 光ファイバの一端 ａ₂ 光ファイバの他端 ａ₀ 光ファイバのカップリング部 ｂ₁ ファイバコイルの一端 ｂ₂ ファイバコイルの他端 ｂ₀ ファイバコイルのカップリング部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバを多数回巻き回したファイバ
   コイルの一端付近の光ファイバの一部に、エネルギ−の
   交換を行うように他の光ファイバを結合し、該ファイバ
   コイルの一部と該他のファイバの一部との間に、カップ
   リング部を設けたことを特徴とするカップラ一体型ファ
   イバコイル。
2. 【請求項２】 光ファイバを多数回巻き回したファイバ
   コイルの両端付近の光ファイバ余長部同士を、エネルギ
   −の交換を行うように互いに結合し、両端近傍にカップ
   リング部を設けたことを特徴とするカップラ一体型ファ
   イバコイル。
3. 【請求項３】 光ファイバを多数回巻き回したファイバ
   コイルの両端付近の光ファイバの一部に、エネルギ−の
   交換を行う様に他の光ファイバを２本結合し該ファイバ
   コイルの一部と該他の２本のファイバとのカップリング
   部を両端近傍に２つ設けたことを特徴とするカップラ一
   体型ファイバコイル。
4. 【請求項４】 光ファイバを多数回巻き回し端部ｂ₁ 、
   ｂ₂ を有するファイバコイルＢの一端付近の光ファイバ
   の一部ｂ₀ に、エネルギ−の交換を行うように両端ａ
   ₁ 、ａ₂ を有する他の光ファイバＡを結合し、該ファイ
   バコイルの一部ｂ₀ と該他のファイバの一部ａ₀ とのカ
   ップリング部を形成する際に、光ファイバＡの一端ａ₁
   からモニタ用の光を入射し、光ファイバＡの他端ａ₂ と
   ファイバコイルＢのモニタ用光の向かう方向の一端ｂ₂
   とでの出射光を測定してカップリングの状態をモニタし
   ながらカップリング部を形成することを特徴とするカッ
   プラ一体型ファイバコイルの製造方法。
5. 【請求項５】 光ファイバを多数回巻き回したファイバ
   コイルＢの両端ｂ₁、ｂ₂ 付近の光ファイバ余長部ｂ
   ₀ 、ｂ₀ ′同士を、エネルギ−の交換を行うように互い
   に結合し、両端近傍にカップリング部を設ける際に、フ
   ァイバの一端ｂ₁ から光を入射し、ｂ₁ に戻ってくる光
   量を測定し、ｂカップリング状態をモニタしながらカッ
   プリング部を形成することを特徴とするカップラ一体型
   ファイバコイルの製造方法。