JPH0330121B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は単一モードフアイバの製造方法、特に
コアの屈折率分布が一定でなく任意の屈折率分布
を持ち、クラツドの屈折率が一定である単一モー
ド光フアイバの製造方法に係る。

現在、光フアイバーの製造技術の向上によつて
光フアイバが通信線路として実用される段階に入
つて来た。通信用としての光フアイバとしては大
きく分けて多モードフアイバと単一モードフアイ
バに分けられるが、製造上の問題から、従来実用
化されているものの多くは多モード伝送フアイバ
である。しかし、単一モードフアイバは多モード
フアイバに比べ広帯域伝送特性を持つ他に、種々
の機能を持たせることができ、多くの用途を持つ
ため、今後の開発発展が期待されている。

一定の屈折率n₁からなるコア（芯）と、上記屈
折率n₁より低い一定の屈折率n₂の材質からなるク
ラツド（被覆）を同心状に構成し、伝送光の波長
をλ、コアの半径をａとしたとき規格化周波数Ｖ
＝2π／λａ√2² ₁−² ₂が、 2.405＞2π／λａ√2² ₁−² ₂ …(1) の関係が成立するとき、単一モード伝送フアイバ
を実現できることは理論的に良く知られている。

又、このような光フアイバを実現する光フアイ
バの製造方法としては、石英管などの基材の内壁
に、コア、あるいはクラツドとコア材となるガラ
ス状の薄膜を形成し、これを直接、あるいは一担
中実のプレホームロツドにした後加熱線引して細
い光フアイバを作る方法、あるいはロツド・イ
ン・チユーブ法として、基材ガラス管にコア材と
なるロツドを挿入し、やはり加熱線引する方法な
どが有効なものとして知られている。

特に、石英管等の内壁に化学的沈積法（CVD
法）を用いて、所定の屈折率を得るためドーパン
トを入れガラス薄膜を作り、中実のプレホームロ
ツドを形成後、加熱線引する方法は伝送損失の少
ない光フアイバを製造する方法としては優れたも
のである。

しかしながら、製造工程において、加熱、溶融
する工程であるため、ガラスの屈折率を制御する
目的で導入したドーパントの部分的揮発によつて
光フアイバーのコアの中心部にデイツプができた
り、コアとクラツドの間でドーパントの拡散等に
よる屈折率のだれが生じ、最終的光フアイバーの
屈折率はコア部において一定である理想的なステ
ツプ型の屈折率分布とはならない。したがつて、
上記(1)式で決定される単一モードフアイバーを作
ることは困難となる。

特に、単一モードフアイバーでは半径ａ、屈折
率の２乗差n² ₁−n² ₂は極めて微小であるためその
制御は困難が伴ない、従来は、ドーパントの材質
の選択、分布の複雑な制御によつて上記デイツプ
を除いて、コアの屈折率を一定とすることに努力
がなされているが、いずれも、所定の希望する特
性を有する単一モード光フアイバを得ることは困
難であり、そのため、最も有効な使用波長では、
光の伝送を行なわなかつたり、多モード動作を行
なうこととなつたりして、伝送損失が大きくな
り、製造部留りが悪いという問題があつた。

したがつて、本発明の目的は、確実に単一モー
ド伝送を行なう光フアイバを実現することであ
り、又部留りの良い単一モードフアイバの製造方
法を実現することである。

本発明は、上記目的を達成するため、光フアイ
バのコアの屈折率が複雑に変化した場合の屈折率
分布と波長のコア径の関係を見い出し、これによ
つて単一モードフアイバを実現したもので、特
に、光フアイバーで光を伝送する場合に伝送損失
がない最も有効な波長として知られている1.55μ
ｍで単一モード伝送できる光フアイバを容易に実
現できる効果を有する。

更に詳しく言えば外径Ｄの光フアイバの中心か
ら径方向の距離ｒにおける屈折率ｎ（ｒ）が n²（ｒ）＝2² ₁｛１−2Δ₀f（ｒ） ０≦ｒ≦ａのとき０≦ｆ（ｒ）≦１ ａ＜ｒ≦Ｄのときｆ（ｒ）＝１，n²（ｒ）＝n² ₂ で表わされ、コアの屈折率が一定でない任意の屈
折率分布を持つとき、コアの半径ａを ａ＜2.405λ／2πYn₂√2Δ となるように構成したことを特徴とするものであ
る。ここで、λは伝送光の波長、n₂はクラツドの
屈折率、Δは比屈折率差すなわちn₁ ²−n² ₂／2n² ₁、n₁ はコアの屈折率の最大値、そして、Ｙは次のよう
にして決定される値である。

J₀＝∫^∞ ₀１／X²G²（YV）exp｛−（ｒ／ａ）²／X²G²
（YV）｝ 〔１−ｆ（ｒ）−（Ｙ／Ｘ²｛１−ｇ（ｒ）｝〕²
rdr ｇ（ｒ）＝０ １０≦ｒ≦Xa Xa≦ｒ Ｇ（YV）＝１／√２（0.65＋1.62（YV）^-1.5＋2.88 （YV）^-6） Ｖ＝2π／λan₂√2 なる関数の∂J₀／∂X＝０，∂J₀／∂Y＝０のＸ，Ｙの連
立方 程式を解いて得られるＹの値である。

又上記の特徴を有する光フアイバの製造はジヤ
ケツト又はクラツドに相当する石英管等の内壁に
クラツドおよびコア、もしくはコアに相当する材
質の薄膜をCVD法によつて作り、これを潰して
中実のガラスロツドを作るか、あるいはいわゆる
ロツド・インチユーブ法によつて光フアイバガラ
スロツド（以下プレホームと呼ぶ）を作り、この
プレホームの段階で、上記屈折率分布を測定して
上記Ｘ，Ｙの値を求め、上記プレホームのコアの
大きさをｄ、最終的に得ようとする光フアイバの
コア径の大きさをａとすれば、線引比を（ｄ／ａ）² となるように、上記プレホームを一端から加熱線
引すればよい。プレホームと、これを加熱線引し
た後のフアイバとでは、屈折率分布にほとんど変
化はないため、上述した各式はJ₀，ｇ（ｒ）及び
Ｖを表す等式中のフアイバのコア径ａをプレホー
ムのコア径ｄに置き換えても成立する。

本発明によれば任意の屈折率分布を持つコアの
フアイバに適用できるものであり、かつ、プレホ
ームを作つたときの屈折率分布を測定することに
よつて、最終的フアイバを得る線引比が決定され
るため、従来プレホームの屈折率として所定のも
のを得ることに時間と費用を要したものが、本発
明では不要となり、単一モード光フアイバの製造
を著しく容易にし、製品の価格低減に極めて有効
な手段を提供するものである。

以下、本発明の原理及び実施例を図面を用いて
詳細に説明する。

第１図は本発明の原理を説明するためのコアの
屈折率分布が一定でない光フアイバの径方向の屈
折率分布のモデルを示すものである。

半径方向ｒの屈折率分布ｎ（ｒ）は n²（ｒ）＝n² ₁｛１−2Δ₀f（ｒ）｝ …(2) 但し ０≦ｒ≦ａのとき ０≦ｆ（ｒ）≦１ ａ＜ｒ≦Ｄのとき ｆ（ｒ）＝１ で表わすことができ、ここでｆ（ｒ）はフアイバ
の屈折率分布に応じて定まる関数である。ここ
で、Δは比屈折率差と呼ばれΔ＝n₁ ²−n₂ ²／2n₂ ²＝n₁ ²
／n₂ ² Δ₀で表わされる。

このような屈折率をもつ光フアイバを伝搬する
基本モードの電界Ｅ（ｒ）は近似的にスカラー波
動方程式 １／ｒｄ／dr（ｒdE（ｒ）／dr）＋｛k²n²（ｒ）−β
²｝Ｅ（ｒ） ＝０ …(3) を満足する。ここでｋ＝2π／λは波数、βは電界進 行方向の伝搬定数である。

第２図は理論的に解析が容易な理想的なコアの
屈折率が一定である、いわゆるステツプ分布型光
フアイバの半径方向の屈折率分布n₂（ｒ）を示す。
この屈折率分布は n² _S（ｒ）＝n² _S0｛１−2Δ_S0ｇ（ｒ）｝ …(4) 但し ０≦ｒ≦a_Sのときｇ（ｒ）＝０ a_S＜ｒ≦Ｄのときｇ（ｒ）＝１ ここでn_S0はコアの屈折率で一定である。

Δ_S＝n² _S0−n² ₂／2n₂＝n² ₁／n² ₂Δ_S0は比屈折率差、a_S
はコア の半径であり、他の記号は(2)式と同じとする。

このステツプ型光フアイバ内を伝搬する基本モ
ードの電界E_S（ｒ）は(3)式と同様に １／ｒｄ／dr（ｒdE_S（ｒ）／dr）＋｛k²n² _S（ｒ） −β² _S｝E_S（ｒ）＝０ …(5) で表わされる。ここで、β_Sはステツプ型光フアイ
バの伝搬定数である。

これら第１図および第２図に示す光フアイバが
等価な伝搬特性を持つためには(3)，(5)式より Ｅ（ｒ）＝E_S（ｒ） β＝β_S …(6) でなければならない。よつて、(3)，(5)および(6)式
より E_S（ｒ）｛n²（ｒ）−n² _S｝≡０ …(7) なる式が得られる。

(7)式における電界E_S（ｒ）は厳密にはベツセル
関数で表現できるがステツプ型光フアイバの電界
分布が非常にガウス分布に似ているため E_S（ｒ）＝１／ω_Sexp（−r²／2ω² _S） …(8) と近似できる。ここでω_Sはモードスポツトサイ
ズで近似的に ω_S＝a_SＧ（Vs） …(9) Ｇ（Vs）＝１／√２（0.65＋1.65Vs^-1.5＋2.88Vs^-6） Vs＝2π／λa_Sn₂√2 と表わすことができる。

したがつて、第１図に示すような任意の屈折率
分布の光フアイバを等価なステツプの分布型光フ
アイバに変換することができる。ここで、任意な
屈折率を持つコアの半径をａ，Ｖ＝2π／λan₂√2 とすると、等価なコア径をa_SE，その規格化周波
数V_SEは定数Ｘ，Ｙを用いて a_S＝a_SE＝Xa V_S＝V_SE＝YV …(10) と表わせる。したがつて、等価なステツプ分布を
求めることは定数ＸとＹを求めることに帰する。
このＸ，Ｙを求めるには(8)〜(10)式に(7)式を代入
し、得られた式を整理し、Ｘ，Ｙの最適化法によ
り、最終的に次式を最小にするＸ，Ｙを求めれば
よい。

J₀＝∫^∞ ₀１／X²G²（YV）exp｛−（ｒ／ａ）²／X²G²
（YV）｝ 〔１−ｆ（ｒ）−（Ｙ／Ｘ²｛１−ｇ（ｒ）｝〕²
rdr …(11) Ｘ，Ｙの最小値は ∂J₀／∂X＝０，∂J₀／∂Y＝０ …(12) なる連立方程式を解けば一義的に決定される。し
たがつて、(10)式のV_SE＝YVの規格化周波数を持
つ光フアイバが単一モード伝送を行なうためには 2.405＞YV＝Ｙ2π／λan₂√2 すなわち ａ＜2.405λ／2πYn₂√2Δ の関係を満せば良い。

次に、上記原理に基いて製造した本発明による
単一モードフアイバの実施例についてのべる。

クラツドとなるSiO₂からなる石英管の内壁に
コアとなる4.2mol％のGeO₂と95.8mol％SiO₂か
らなる薄膜をCVD法によつて形成し、これを加
熱して潰し、中実のプレホームを作る。これらの
製造行程は従来よく知られているので詳細な説明
は省略する。

上記プレホームの外径（2D）は13mmφであり
このプレホームを軸方向に約80μｍの厚さでスラ
イスして小さな円板を作り、これを干渉顕微鏡で
観測し、コアの半径方向の屈折率分布を測定し
た。

第３図は上記測定結果を示すもので、横軸は径
方向の距離、縦軸は屈折率を表わす。同図におい
て、曲線１は実測値を比屈折率差で示し、曲線２
は上記曲線１と等価は伝搬特性を有する前述の原
理によつて求めた等価なステツプ型屈折率分布を
示す。

実測値１の屈折率はコアとクラツドの周辺でダ
レを生じ、中心部で深いデイツプが生じて、複雑
な屈折率となることが分る。

このプレホームは加熱線引して最終的に光フア
イバとなるが、プレホームと光フアイバの屈折率
分布はほとんど変らず、ただ、半径方向が圧縮さ
れたものとなる。これは屈折率分布は、プレホー
ムまでの工程でほとんど決定され安定なものとな
るからであり、加熱線引工程においては屈折率分
布は実質的にほとんど変化しない。

しかし、任意の屈折率分布を有するコアであつ
ても、既述の線引き比の条件を満足すれば、フア
イバ径が変化することによつて全て単一モード光
を伝送するステツプ型フアイバと等価なものとな
るため、単一モード伝送が可能となる。上述の値
ＸおよびＹはプレホームの終了した時点で、求め
ることができる。

プレホームのコア径（ｄ）は約300μｍであり、
最大の比屈折率差Δは約0.4％であることが直ち
に分る。又得られた屈折率分布は式(2)および式(11)
における関数ｆ（ｒ）を示しており、(11)と(12)式に
より求められた結果を代入して計算するとＸ＝
0.95，Ｙ＝0.79が得られる。これより、等価なス
テツプ分布のプレホームにおける等価なコア径
（d_S）はd_S＝Xd＝0.95×300よりd_S＝285μｍとな
り、また比屈折率差Δ_SはΔ_S＝（Ｙ／Ｘ）²Δより求め
ら れΔ_S＝0.277％となる。

このプレホームから、光伝送において、最も有
効な波長とされる半導体レーザ波長λ＝0.83μｍ
で、かつマイクロベンデイング損失を小さくする
ため、規格化周波数Vs＝2.08となるような単一
モードフアイバを作る。このためには光フアイバ
の等価ステツプ型のコア径（a_S＝Xa）は、 a_S＝Vsλ／2πn₂√2Δ_S に前述の値を代入して a_S＝2.53μｍが求められる。

したがつてプレホームから、所望の光フアイバ
を得るためには 線引比＝（d_S／a_S）²＝（ｄ／ａ）² にすればよい。これは線引比を
（2πn₂YXd√2Δ／2.405λ）²とすることになる。数値
を代 入すれば約12705倍となる。このとき、光フアイ
バの外径（クラツドの直径）は115μｍであつた。

第４図は上記実施例による光フアイバによる使
用光波長λ（μｍ）と出力光（μW）との関係を
測定した結果を示すものである。

測定方法は、上記実施例によつて得た光フアイ
バを約40cmを直線状に配置し、入力端に約20倍の
対物レンズを用いてインコヒーレント光を入射
し、レンズと光源との間に通過波長が可変できる
光学フイルタを置き、光フアイバの他の端からの
出射光をホトマルチプライヤーで計測したもので
ある。

次に、上記計測結果から、本実施例のフアイバ
が、複雑な屈折率分布を持つにも係らず、設計の
予定通りの特性、すなわち、波長λ＝0.83μｍに
おいて、規格化周波数Ｖが2.08に近い値となるこ
とを示す。

同実験結果から明らかなように得られた出力光
は波長λ＝0.7μｍあたりで急激な変化を示してい
る。これは光波長が0.7μｍ以下においては基本モ
ードと共に２次モードLP₁₁モードが励起される
ために現われるものである。これはLP₁₁モード
が励起されるためにみかけの開口数が増加し光フ
アイバに入る光量が増えるためである。以上より
これは２次モードLP₁₁のカツトオフ波長（λ_C）
を示している。なお、波形が複雑な形状となつて
いるのは、モード伝送特性と、光源として使用し
たインコーヒレント光源のスペクトル分の積とし
て表われるためであり、光源としてコーヒレント
なもので、波長が可変なものを使用できればカツ
トオフ波長λ_Cを境にステツプ状に変化することは
容易に推測できる。

ステツプ型フアイバでは規格化周波数V_S値が
2.405以上より二次モードLP₁₁が表われるが、上
記の実施例の光フアイバはこのV_S値を与える波
長λ_Cは約0.7となりほぼ一致していることが分る。
したがつて、 2.405＝2π／0.7a_S√² ₁−² ₂ より、2πa_S√² ₁−² ₂＝2.405×0.7＝1.6835となる
から、上記光波長λ＝0.83μｍの光を使用したと
きの規格化周波数Ｖ値は約2.05となり、前述した
設計の目的値2.08に近い値となることが分る。

上述の実施例において述べた如く、本発明では
所定の希望する単一モード伝送特性を持つ、光フ
アイバーがコアの屈折率分布が複雑に変化しても
容易に実現でき、従来必要とされていたプレホー
ム製造工程における屈折率の制御のための複雑な
工程を必要とせず、ひいては光フアイバとしての
生産コストを低くして低減するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の原理説明のため
の、それぞれ任意の屈折率分布のコアを持つ光フ
アイバおよび一定の屈折率分布のコアを持つ光フ
アイバの屈折率分布図、第３図は本発明の光フア
イバの製造工程におけるプレホームの比屈折率分
布の測定図、第４図は、本発明による光フアイバ
の一実施例の波長と出力との関係の計測結果を示
す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ クラツド部と、半径方向の屈折率が一定でな
   いコア部とを有するプレホームを加熱線引して光
   フアイバを形成する単一モード伝送光フアイバの
   製造方法において、上記プレホームを作成後、上
   記プレホームの屈折率分布を測定し、その半径方
   向ｒの屈折率分布が n²（ｒ）＝n₁ ²｛１−2Δ₀f（ｒ）｝， n₂ ²，０≦ｒ≦ｄ ｄ＜ｒ≦Ｄ （但し、ｄは上記コア部の半径、Ｄは上記プレ
   ホームの外形、n₁は上記コア部の最大屈折率、n₂
   は上記クラツド部の屈折率、ｆ（ｒ）は屈折率分
   布に応じて定まり、０≦ｒ≦ｄの範囲において０
   ≦ｆ（ｒ）≦１を満足する関数であり、Δ₀は比屈
   折率差Δと Δ＝n₁ ²−n₂ ²／2n₂ ²＝n₁ ²／n₂ ²Δ₀ の関係を満足する。） で与えられ、 J₀＝∫^∞ ₀１／X²G²（YV）exp｛−（ｒ／ｄ）²／X²G
   ²（YV）｝ ［１−ｆ（ｒ）−（Ｙ／Ｘ）²｛１−ｇ（ｒ）｝
   ］²rdr （但し、 ｇ（ｒ）＝０， １，０≦ｒ≦Xd Xd≦ｒ Ｇ（YV）＝１／√２｛0.65＋1.62（YV）^-1.5 ＋2.88（YV）^-6｝ Ｖ＝2π／λdn₂√2 で与えられる。なお、Ｖは上記プレホームの規格
   化周波数であり、理想的なコアの屈折率が一定の
   プレホームのコア径d_SE、その規格化周波数V_SEは
   定数Ｘ及びＹを用いて d_SE＝Xd V_SE＝YV と表される。） なる関数の ∂J₀＝∂X＝０，∂J₀＝∂Y＝０ の連立方程式の解であるＸ及びＹに対して上記加
   熱線引における光フアイバ線引き比を （2πn₂Yd√2Δ／2.405λ）² より大きくして線引することを特徴とする単一モ
   ード伝送光フアイバの製造方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の単一モード伝
   送光フアイバの製造方法において、前記プレホー
   ムを作成する工程は、石英管の内壁にコア材とな
   る材質をCVD法によつて形成し、加熱した後中
   実のガラスロツドとする単一モード伝送光フアイ
   バの製造方法。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の単一モード伝
   送光フアイバの製造方法において、前記プレホー
   ムを作成する工程は、石英管の内壁にクラツド材
   及びコア材となる材質を順にCVD法によつて形
   成し加熱し中実のガラスロツドとする単一モード
   伝送光フアイバの製造方法。