JP2000512256A - 偏光保持型ファイバの作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガラス予備成型品（１０）が引き伸ばされてファイバにされる。孔（１３）は、予備成型品（１０）の長さ方向に通り、引き伸ばしの間に縮潰し、コア（１１）に楕円状形の断面をもたせる。

Description

【発明の詳細な説明】 偏光保持型ファイバの作成方法 発明の背景 本発明は偏光保持型単一モード（ＰＲＳＭ）光ファイバに作成に関し、さらに 詳しくは引き伸ばして楕円状のコアを有するファイバにすることができる予備成 型品の作成に関する。 単一モード光ファイバの多くの用途、例えばジャイロスコープ、センサー等に おいては、伝搬している光信号が偏光解消性外乱の存在の下で入力光の偏光特性 を保持することが重要である。このことから、前記導波路は非対称な屈折率方位 プロファイルを有していなければならない。 単一モードファイバの前記偏光性能を改善するためにとられた最も重要な技法 の１つは、コアの対称性をゆがめることであった。この種のＰＲＳＭファイバの 作成方法は米国特許第５，１４９，３４９号に開示され、これは参照として本明 細書に含まれる。ＰＲＳＭファイバは、ガラス・コアを有し、このコアに関して 直径方向に対向する孔を含むクラッド・ガラスによりコアが囲まれている、延伸 ブランクからファイバを引き伸ばすことにより形成される。このファイバは、前 記の孔が閉じ前記コアが楕円状になるような速度及び温度で引き伸ばされる。前 記延伸ブランクを作成する望ましい方法においては、円筒形の予備成形コアの直 径方向に対向する側面に長さ方向の溝が形成され、このガラス・コアがガラス・ クラッドで囲まれる。ガラス粒子がガラス管の外面に着けられ、前記予備成形コ アがこの管の中に挿入される。得られた組立品は前記粒子を焼結すなわち固結さ せるため加熱され、これにより前記ガラス管は縮潰し、前記溝付予備成形コアに 融着して、コアの対向する側面に長さ方向の孔を有する組立品を形成する。 前記ＰＲＳＭファイバを形成するために上記の孔付ブランクが引き伸ばされる とき、この孔は表面張力及び溶融ガラスの孔への流入により閉じる。この流入に より、前記ブランクの円形コアは孔の方向に細長くなる。この楕円状コアのコア ・アスペクト比は、主としてコアと前記孔との間隔により決定される。前記延伸 ブランクのコアと孔との間隔が小さくなるとともに、得られるファイバのコアは 断面がより細長くなるが、このコア断面は長く細い端をもつ傾向がある。前記間 隔が小さすぎると、コアがコアと孔の間のクラッド領域を突き抜け、好ましくな い張り出した端を有する、断面が扁平なコアの形成に至る。“端”とは、ファイ バの長さ方向の軸に垂直な面で見たときの、コアの長軸に沿った、細長いコアの 先端を意味する。 発明の要約 従って本発明の目的は、前記従来技術の欠点を克服するＰＲＳＭ光ファイバの 作成方法を提供することである。さらなる目的は、実施が比較的簡単なＰＲＳＭ ファイバ製造方法を提供することである。さらにもう１つの目的は、改善された コア断面形状を有する、楕円状コアＰＲＳＭファイバの作成方法を提供すること である。 本方法に従えば、屈折率がｎ₂のクラッド・ガラス領域で囲まれた屈折率がｎ₁ のガラス・コア領域を有する光ファイバ延伸ブランクをはじめに形成することに より、偏光保持型単一モード光ファイバが形成される。このクラッド領域は、コ ア領域に関して直径方向で対向し、コア領域と間をおいて配置された孔を含む。 前記延伸ブランクは、そのコア領域と孔との間に低粘度ガラス領域を有し、この 低粘度ガラス領域は屈折率がｎ₃であり、クラッド・ガラス領域よりも低い粘度 を有する。光ファイバは、前記孔が閉じ、コアの断面が楕円状になるような速度 で前記延伸ブランクから引き伸ばされる。 本発明の別の面は、アスペクト比ρ₁の楕円状コアを有する光ファイバに直接 関係する。ここでρ₁はｂ₁／ａ₁に等しく、ｂ₁はコアの長軸半径であり、ａ₁は 短軸半径である。ｂ₂／ａ₂に等しいアスペクト比ρ₂を有する楕円状の断面形状 をもつ低粘度ガラス領域がこのコアを囲んでいる。ｂ₂はこの低粘度領域の長軸 半径であり、ａ₂は短軸半径である。この低粘度領域のアスペクト比ρ₂はρ₁よ り小さい。クラッド・ガラス領域が前記低粘度領域を囲む。低粘度領域の粘度は 、このクラッド・ガラス領域の粘度より低い。 図面の簡単な説明 図１は、引き伸ばされて楕円状コアＰＲＳＭファイバにされる予備成型品の断 面図である。 図２は、図１の予備成型品からのＰＲＳＭファイバの引き伸ばしを説明する概 略図である。 図３は、本方法により作成されたＰＲＳＭファイバの断面図である。 図４及び５は、それぞれ前記楕円状コア及びそれを囲む低粘度領域の長軸半径 及び短軸半径を示す図である。 図６は、マンドレルにガラス粒子の被膜を施しているところを示す図である。 図７は、前記コアの屈折率プロファイルを示すグラフである。 図８は、固結したコア・ガラス管からのロッドの引き伸ばしを説明する概略図 である。 図９は、溝付β−ブランクの種々の寸法を説明する概略図である。 図10は、溝付コア細棒がスート被覆クラッド・ガラス管内に配置された組立品 の断面図である。 望ましい実施の形態の説明 前記図面は本発明を説明するためのものであり表象的なものであって、そこに 示された要素の寸法あるいは相対比を示す意図は全くないことに注意すべきであ る。 引き伸ばされてＰＲＳＭファイバになる図１の延伸ブランク１０は、コア及び クラッド領域、それぞれ１１及び１２を有する。このコア及びクラッド領域は、 光導波路の作成に用いられる従来の材料から形成される。これらの材料の重要な 特性は、コア材料の屈折率ｎ₁がクラッド材料の屈折率ｎ₂より大きくなければな らないこと、及び両材料ともこの光導波路が用いられようとしている波長で低損 失でなければならないことである。ただの例として挙げれば、コア領域１１は純 シリカあるいはその屈折率を高める１つまたはそれ以上の添加物を含むシリカか ら成る。領域１２は純シリカ、コア領域１１よりも屈折率を高める添加物の含有 量が少ないシリカ、あるいは少なくとも１つはＢ₂Ｏ₃またはフッ素のような屈折 率を低める物質である、１つまたはそれ以上の添加物を含むシリカから成る。シ リカは有用な波長で低損失であるため望ましい母材ガラスであるが、シリカ以外 の母材ガラスを用いてもよい。 本発明に従えば、クラッド層１２に比較して低粘度の領域１４がコア１１と孔 １３との間に配置される。低粘度領域１４の粘度は、コア１１の粘度に近いかも しくはそれより若干低いことが望ましい。これは、例えば１つまたはそれ以上の Ｂ₂Ｏ₃、フッ素、Ｐ₂Ｏ₅、ＧｅＯ₂等のような粘度を低める添加物の適当量が添 加されたシリカで領域１４を形成することにより達成される。 領域１４の屈折率ｎ₃は、ｎ₂に等しいかそれより小さくなければならない。領 域１４の屈折率は、例えば１つまたはそれ以上のＢ₂Ｏ₃及びフッ素のような屈折 率を低める添加物、及び１つまたはそれ以上のＰ₂Ｏ₅及びＧｅＯ₂等のような屈 折率を高める添加物の適当量が添加されたシリカで領域１４を形成することによ り、クラッド１２の屈折率と等しくすることができる。 領域１４の屈折率は、例えば、シリカ・クラッド１２を用い、Ｂ₂Ｏ₃あるいは フッ素が添加されたシリカで領域１４を形成するか、またはＰ₂Ｏ₅及びＧｅＯ₂ 等のような屈折率を高める添加物とこの複合材料の屈折率をシリカの屈折率より 低い値まで下げるために十分な量のＢ₂Ｏ₃及び／またはフッ素を一緒にシリカに 添加することにより、クラッド１２の屈折率より低くすることができる。この種 の屈折率プロファイルを有する楕円状コアファイバの例が、米国特許第５，４８ ２，５２５号に開示されている。 孔１３はコア領域１１に平行にブランク１０を通って長さ方向に伸びている。 孔１３は断面がＤ字状であるように描かれているが、断面形状は三日月形、ある いは円形等でありうる。ファイバ引き伸ばしの間に所望のコア断面の伸びが得ら れる形状であればどれも適していると考えられる。 図２を参照すると、延伸ブランク１０が、加熱素子１６により引き伸ばし温度 まで加熱されるブランク１０の底部から牽引器１７がファイバ１５を引っ張る、 通常の引き伸ばし炉内に置かれる。孔１３が閉じる傾向は、引き伸ばし速度とガ ラスの粘度との関数である。前記ファイバが引き伸ばされる延伸ブランクの根も との粘度は、炉温及びガラス組成に依存する。このブランクの加熱部の粘度が十 分に低く、前記引き伸ばし速度が十分に小さければ、孔１３はこの引き伸ばし工 程の間に自然に閉じるであろう。この孔は排気されていればさらに容易に閉じる ので、ブランクの上端に真空アタッチメント１８を取り付けることにより、引き 伸ばし速度を上げることができる。 孔１３が閉じるとき、孔は周囲のガラスで置き換えられる。この孔より半径の 小さいガラスが半径方向で外側に向かって孔に流入すると、コア領域１１の断面 は細長くなる。得られるＰＲＳＭファイバ１５と、クラッド２２、楕円状のコア ２１及び低粘度領域２３を含むその断面が図３に示される。この楕円状コアの扁 平率すなわちアスペクト比は、このファイバの軸に垂直な面における長軸寸法と 短軸寸法の比である（図４参照）。特に、孔１３の大きさ及びこれらの孔とコア との間隔次第で、種々の扁平率のコアを作ることができる。 本発明の方法に従えば、楕円状コア２１の形状は領域２３の粘度の関数でもあ る。延伸ブランク１０のガラスが流動しはじめるとき、コア領域１１と孔１３と の間に介在するガラスによる孔に向かうコア・ガラスの流れの束縛は、介在する ガラスがシリカである場合よりも弱いであろう。よってコア領域１１は、孔１３ が閉じるまでに、孔に向かってより遠くまで流れることができる。外囲クラッド １２は比較的高い粘度、すなわち純シリカの粘度を有するので、クラッド・ガラ スの孔への流入は非常に少なく、よってコア・ガラス及び低粘度領域１４はより 多く流れることができる。 従ってコア２１の断面形状は、比較的尖った端と膨らんだ中央部を有する通常 の形状とは対照的に、より棒状になる（図４）。本方法で得られるファイバにお いては、低粘度領域１４はコア２１より尖った端とコア中央部より膨らんだ中央 部を有する断面形状（図３）を呈する。コア２１及び領域２３の断面を比較的正 確に表している図４及び５の比較により、楕円状コアのアスペクト比ｂ₁／ａ₁が 低粘度領域２３のアスペクト比ｂ₂／ａ₂より大きいことが示される。 ファイバ１５がその全長にわたって一様な特性をもたなければならないのであ れば、孔１３はコアに平行であり、その断面積が延伸ブランク１０の長さ方向の 軸にわたって一様でなければならない。この要請を満たす従来技術はどれもこの 孔の形成に用いることができる。英国特許出願ＧＢ２，１９２，２８９号は、予 備成型品のコアの対向する側面に長さ方向の孔を形成する２つの方法： （１）ダイアモンド・ドリルで穴を開ける （２）対向する平坦化された側面を有する予備成形コアをガラス管の中央におき 、 ２本のガラス棒をこの予備成形コアの対向する側面において、予備成形コアとガ ラス管との間に２つの対向する空隙領域を残す。得られる組立品を引き伸ばして その直径を小さくし、これらの構成ガラス材を互いに融着させて、前記空隙領域 に対応する２本の対向する斧頭形の孔を除き、中身のつまった断面を有する物品 を形成する。 楕円状コアＰＲＳＭファイバを、図６から１０に示される方法に従って作った 。円筒形マンドレル２５（図６）を、ガラス粒子すなわちスートの流れ２７がこ のマンドレル上に多孔質の被膜２８を形成するように、炎加水分解バーナー２６ に関して回転させ、移動させた。前記スートの流れ２７の組成は、初めは３７重 量％のＧｅＯ₂を添加したＳｉＯ₂であり、このＧｅＯ₂の濃度は図７に示すよう に半径の増加とともに減少させた。被膜を施したマンドレルを旋盤から外し、次 いでマンドレル自体を前記多孔質予備成型品から抜き取って、多孔質予備成型品 に長さ方向の孔を残した。次いでこの多孔質予備成型品を、米国特許第４，１２ ５，３８８号の記述に従って乾燥し、固結した。得られた固結予備成型品すなわ ちコア・ブランク３０を図８の引き伸ばし機に入れ、その先端を加熱手段３２に より引き伸ばし温度まで加熱し、またその上端に真空接続部３４を取り付けた。 前記予備成型品の孔３５が非常に細くなるかあるいは完全に閉じるようにその端 を引き伸ばした後に、この孔を取付具３４を通して排気した。予備成型晶の下部 を下方に引張り、その直径が縮むと、排気された孔３５は縮潰した。得られたα −細棒３１の半径ｒは６ｍｍであった。その酸化ゲルマニウム濃度プロファイル を図７に示す。 前記α−細棒から９０ｃｍの定長材を複数本切り取り、この定長材の内１本を 旋盤に取り付けて、図６に関連して述べたようにしてＳｉＯ₂スートで被覆した 。得られた複合予備成型品を、９４．３体積％のヘリウム、１．０体積％の塩素 及び４．７体積％のＳｉＦ₄からなる混合ガスがマッフルを通って上方に流れる 中で、１４５０℃で固結した。得られた固結予備成型品において、フッ素添加シ リカ層の直径は１３．４ｍｍであり、コアの直径は約６．２ｍｍであった。 前記固結予備成型品を旋盤に取り付けＳｉＯ₂スートで被覆し、塩素及びヘリ ウムの雰囲気中で固結して、前記フッ素添加シリカ層の上に純シリカ層を形成し た。 前記コアの対向する側面に、長さ方向に伸びる溝を、その溝が前記フッ素添加 低粘度領域内まで届くようにして、前記外囲シリカクラッド層を通して切った。 溝切り作業後、この溝付β−細棒（図９）を洗浄しリンスした。 次いでこの溝付β−細棒を図８に描かれた種類の従来の引き伸ばし炉に入れ、 引き伸ばしてその直径を約７．３ｍｍまで縮めた。得られたβ−細棒４０（図１ ０）は、コア領域４１，シリカ・クラッド層４２及び低粘度領域４３を含む。溝 孔４４は、コア領域４１の対向する側面をβ−細棒４０に沿って長さ方向に伸び ている。 シリカ・クラッド管４７の内径及び外径は、それぞれ７．５ｍｍ及び９．５ｍ ｍであった。管４７の端に内向きにテーパをつけ、固結炉内での組立品５２の支 持に適した柄に融着した。溝付β−細棒４０を、管４７の前記テーパの付いた端 に当たるまで、テーパ付の端とは反対の端から挿入した。管４７の子備成型品４ ０を挿入した側の端に内向きにテーパをつけ、ガラス棒に融着した。次いで管４ ７を旋盤に取り付けスート被着バーナーに関して回転させ、移動させて、シリカ ・スート粒子をその上に被着し、多孔質被膜４８を積み上げて、組立品５２を形 成した。 組立品５２を固結炉内に降ろして、塩素及びヘリウムの混合乾燥ガスにさらし 、次いで焼結して図１の光ファイバ延伸ブランク１０を形成した。被膜４８を固 結すると、管４７に半径方向で内向きの力がかかり、管を予備成型品４０に対し て内向きに押しつけた。もとのクラッド領域４２と管４７は互いに完全に融着し 、多孔質被膜４８は完全に焼結し管４７に融着して、これらクラッド領域４２、 管４７及び多孔質被膜４８がクラッド１２となった。 得られた延伸ブランクを引き伸ばし炉に入れ、次いでこの予備成型品から光フ ァイバを引き伸ばした。 上述の方法で作った溝付β−ブランクは、図９の寸法Ｃ，Ｄ，Ｅ及びＲで特徴 づけられる。５種類の溝付β−ブランクを上述の方法で作って延伸ブランクの作 成に用い、これらのブランクを引き伸ばして光ファイバ１から５を得た。これら のファイバの識別数値を表１に示す。それぞれの溝付β−ブランクのコア領域の 半径は約３．５ｍｍであった。 表１ スート 重量％ 寸法 寸法 ファイバ番号 重量 フッ素 E(mm) C(mm) アスペクト比 C1 N/A 無 1.73 N/A 5.3 C2 N/A 無 1.80 N/A 5.1 C3 N/A 無 1.98 N/A 5.8 1 160g 1.6 1.53 11.99 6.2 2 160g 1.6 1.53 11.99 6.3 3 126g 1.0 1.25 10.42 7.6 4 66g 1.0 0.70 6.14 8.3 5 62g 1.0 1.40 6.40 6.0 図９の寸法Ｄは測定していないが、表１に挙げられている“スート重量”と関 係している。このスート重量は、低粘度領域４３の形成のため被着したシリカ・ ガラス粒子の重量である。これらの粒子から作られた被膜は、次いでフッ素が添 加され、固結されている。スート重量が大きいほど、厚さＤは大きくなる。 ファイバ３及び４の比較的大きいアスペクト比は、寸法Ｅは比較的小さい方が 望ましいことを示している。 表１の３種の対照ファイバＣ１，Ｃ２及びＣ３は、ファイバ１から５を作成し た方法と同様の方法により作成したが、低粘度のフッ素添加領域４３は用いなか った。すなわち、これらのファイバのコアから外囲表面までの全クラッド層を、 ＳｉＯ₂で形成した。ファイバＣ１，Ｃ２及びＣ３のアスペクト比は、ファイバ １から５のアスペクト比より低い。 図１の実施の形態において、前記低粘度領域１４は前記コア１１から前記孔１ ３まで達している。領域１４が孔１３までまったく達していなければアスペクト 比になんらかの改善が達成されると考えたが、アスペクト比の改善効果は図１の 実施の形態で達成された改善効果ほど大きくはなかった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジリランド，ジョン ダブリュ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14845 ホースヘッズ パイン サークル エク ステンション 486

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光ファイバの作成方法で、前記方法が、 屈折率がｎ₂のクラッド・ガラス領域に囲まれる屈折率がｎ₁のガラス・コア領 域を有し、前記クラッド・ガラス領域は前記コア領域に関して直径方向に対向 し前記コア領域から離しておかれた孔を有し、前記コア領域と前記孔との間に 屈折率がｎ₃であり粘度が前記クラッド・ガラス領域の粘度より低い低粘度ガ ラス領域を有する、光ファイバ延伸ブランクを形成し、 前記孔が閉じ、前記コアの断面が楕円状になるような速度で、光ファイバを 前記延伸ブランクから引き伸ばす、 ことを含むことを特徴とする方法。 ２．前記形成工程が、 前記ガラス・コアが、第２のクラッド・ガラス層に囲まれる、粘度が前記第 ２の層の粘度より低い第１のクラッド・ガラス層に囲まれ、直径方向に対向す る側面に沿って長さ方向に１対の溝が伸びている円筒形のガラス予備成形品を 作成し、 前記ガラス予備成型品をガラス管に挿入して前記コアの直径方向に対向する 長さ方向の孔を有する組立品を形成し、 前記予備成型コアの上まで前記管を収縮させる、 ことを含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。 ３．前記溝がクラッド・ガラスの前記第２の層を貫通して伸びていることを特徴 とする請求の範囲第２項記載の方法。 ４．さらに、前記予備成形コアと前記管との間の接触面を融着して固結組立品を 形成することを含むことを特徴とする請求の範囲第３項記載の方法。 ５．前記低粘度ガラス領域が前記コア領域を完全に囲むことを特徴とする請求の 範囲第１項記載の方法。 ６．ｎ₃≦ｎ₂であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。 ７．前記低粘度領域が、添加物Ｂ₂Ｏ₃，フッ素，Ｐ₂Ｏ₅及びＧｅＯ₂の内１つま たはそれ以上を含むＳｉＯ₂で形成されることを特徴とする請求の範囲第１項 記載 の方法。 ８．前記クラッドガラス領域がＳｉＯ₂からなることを特徴とする請求の範囲第 １項記載の方法。 ９．光ファイバの作成方法で、前記方法が、 中央コア領域、 前記コア領域を囲む第１のクラッド・ガラス層、 前記第１の層を囲み、粘度が前記第１の層の粘度より大きい第２のクラッド ・ガラス層 前記第２の層の直径方向に対向する側面に沿って長さ方向に伸びる１対の溝 、 前記第２の層を囲むガラス管、及び 前記管を囲むガラス粒子の層、 を含む円筒形組立晶を形成し、 前記組立品を加熱して前記粒子を固結させることにより、 前記管に半径方向で内向きの力をかけて前記加熱された管を前記第２の層の 上まで収縮させ融着させて、前記コアに平行な長さ方向の孔を有する延伸ブラ ンクを形成し、 前記得られた延伸ブランクを引き伸ばして、断面に孔のない光ファイバを形 成する、 工程を含むことを特徴とする方法。 10．ｎ₃≦ｎ₂であることを特徴とする請求の範囲第９項記載の方法。 11．断面形状が楕円状で屈折率ｎ₁、アスペクト比ρ₁を有するコア、ここでρ₁ はｂ₁／ａ₁に等しく、ｂ₁は前記コアの長軸半径でありａ₁は前記コアの短軸半 径である。 前記コアを囲む断面形状が楕円状で、アスペクト比ρ₂を有する低粘度ガラ ス領域、ここでρ₂はｂ₂／ａ₂に等しく、ｂ₂は前記低粘度領域の長軸半径であ りａ₂は前記低粘度領域の短軸半径であって、前記アスペクト比ρ₁は前記アス ペクト比ρ₂より大きい。 前記低粘度領域を囲む、屈折率がｎ₂のクラッド・ガラス層で、前記クラッ ド・ガラス層の粘度より前記低粘度領域の粘度が低いクラッド・ガラス層、 を含むことを特徴とする光ファイバ。 12．ｎ₃≦ｎ₂であることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の光ファイバ。 13．前記低粘度領域が、添加物Ｂ₂Ｏ₃，フッ素，Ｐ₂Ｏ₅及びＧｅＯ₂の内１つま たはそれ以上を含むＳｉＯ₂で形成されることを特徴とする請求の範囲第１１ 項記載の光ファイバ。 14．前記クラッドガラス領域が純ＳｉＯ₂からなることを特徴とする請求の範囲 第１１項記載の光ファイバ。