JP2001348241A - 光ウェーブガイドのためのプリフォームの製造方法 - Google Patents

光ウェーブガイドのためのプリフォームの製造方法

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JP2001348241A
JP2001348241A JP2001104824A JP2001104824A JP2001348241A JP 2001348241 A JP2001348241 A JP 2001348241A JP 2001104824 A JP2001104824 A JP 2001104824A JP 2001104824 A JP2001104824 A JP 2001104824A JP 2001348241 A JP2001348241 A JP 2001348241A
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mixture
substrate tube
sicl
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Evgeny Mikhailovich Dianov
ミハイロビチ ディアノフ，エフゲニー
Konstantin Mikhailovich Golant
ミハイロビチ ゴーラント，コンスタンティン
Vladimir Ivanovich Karpov
イワノビチ カーポフ，フラディミール
Vladimir Nikolaevich Protopopov
ニコラビチ プロトポポフ，フラディミール
Mikhail Vladimirovich Grekov
フラディミロビチ グレコフ，ミハイル
Rostislav Radievich Khrapko
ラディエビチ ハーラプコ，ロスティスラフ
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NAUCHNY TSENTR VOLOKONNOI OPTIKI PRI INST OBSCHEI FIZIKI ROSSIISKOI AKAD NAUK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光ウェーブガイドの製造を容易にする、光ウ
ェーブガイドのためのプリフォームの製造方法を実現す
る。 【解決手段】 基板管24の中に窒素、酸素およびケイ素
の原子を含む分子状気体作用物質の混合物25を補給する
ステップ、混合物内でマイクロ波放電27を励起するステ
ップ、および基板管24の内部表面26上に、混合物内で発
生する反応の生成物を被着させるステップ、を有する、
窒素ドーピングされた石英ガラスをベースとする光ウェ
ーブガイドのためのプリフォームの製造方法であって、
基板管24に補給される分子状気体作用物質は、各々全て
のケイ素原子上に５個未満の酸素原子が落ち、酸素原子
１０００個毎に１つより多い窒素原子が落ちるような形
で混合される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はファイバオプティッ
クスに関する。
【０００２】
【従来の技術】石英ガラスクラッディングおよびゲルマ
ニウムでドーピングした石英ガラスコアを含むある長さ
の光ウェーブガイド(waveguide）を備え、光ウェーブガ
イドに沿ってコア直径がその端部に向かって増大するよ
うに変動する従来のモードフィールド直径変換ファイバ
（mode field diameter conversion fiber）は、例え
ば、IEEE, Journal of Lightwave Technology, 1990, V
ol. 8, No. 8, p.1151-1161 内の「“Beam Expanding F
iber Using Thermal Diffusion of Dopant”」という題
の参考文献の中でK.Shiraishi, Y.Aizawa, S.Kawakami
により開示されている。上記参考文献のモードフィール
ド直径変換ファイバにおいては、長手方向でのコア直径
変動は、ゲルマニウムの熱拡散プロセスにおいて光ウェ
ーブガイドの屈折率構造を形成する半径方向のドーピン
グの断面の再分布のために生じる。
【０００３】モードフィールド直径変換ファイバに付随
する問題点は、石英ガラスに対するゲルマニウム拡散係
数が小さいため技術が複雑であり、モードフィールド直
径変換ファイバを製造するのに必要とされる光ウェーブ
ガイドの熱処理が長くなるということにある。これ以外
にも、拡散は、融点に近い温度である1600℃〜1800℃の
温度でのみ効率良く発生し、従って光ウェーブガイドの
変形の原因となる。
【０００４】請求されている発明にきわめて近いのは、
石英ガラスクラッディングおよびドーピングされた石英
ガラスコアを含む１定長の光ウェーブガイドを備え、コ
ア直径が光ウェーブガイドに沿って変動しその端部に向
かって増大しているモードフィールド直径変換ファイバ
である（例えば米国特許第 5381503号、国際特許分類G6
2B 6/10を参照のこと）。従来技術のファイバにおいて
は、コアは、最初ゲルマニウムおよびフッ素でドーピン
グされている。ゲルマニウムとは異なり、フッ素は、石
英ガラスの屈折率を低減させ、さらに1600℃〜1800℃の
温度ではより大きい熱拡散係数を示す。その結果、２重
ドープ型コアを伴う光ウェーブガイドが加熱された時点
で、フッ素はクラッディングの中により急速に浸透し、
ガラスコア屈折率の効率の良い増大ひいてはモードフィ
ールド直径の減少を提供する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術がもつ
欠点は、モードフィールド直径変換ファイバの製造が複
雑であること、およびゲルマニウムと共にコア内に導入
され得るフッ素の濃度に制限があることに起因してモー
ドフィールド直径の変動範囲が狭いことにある。その
上、フッ素拡散は、不可避的に、このような光ウェーブ
ガイドの中に、屈折率の低くなった領域を出現させるこ
とになり、このことが、従来の光ウェーブガイドに対す
る結合を妨げる。
【０００６】「“Photosensitivity in Optical Fiber
Waveguides : Application to Reflection Filter Fabr
ication ”．」という題の参考文献、Appl. Phys. Let
t. 1978, Vol. 32, No. 10, p.647-649、の中でO.Hill,
Y.Fujii, D.C.JohnsonおよびB.S.Kawasakiによって記
述されているのは、光ウェーブガイドを外部露光(exter
nal exposure)させることを伴う、光ウェーブガイドの
屈折率を局所的に変化させるための方法である。屈折率
の変化は、光屈折効果によって発生し、光ウェーブガイ
ドコアの吸収スペクトル内に特定のバンドの出現をひき
起こす欠陥の存在に起因する。この場合、２光子相互作
用が起こる。光ウェーブガイドの中では、入射ビームと
端面から反射されたビームとが干渉し、屈折率の周期的
変化をひき起こす。
【０００７】前述の従来技術の方法がもつ欠点として
は、プロセスが複雑であること、屈折率の変化が小さい
こと（Δ〜10−６）、作り出される格子の周期を変動さ
せることが不可能であること、コストが高いことおよび
方法を実現させる装置の操作が複雑であること、が挙げ
られる。光ウェーブガイドを外部露光させることを伴う
光ウェーブガイドの屈折率を局所的に変化させるための
もう１つの方法は「“Formation of Bragg Gratings in
Optical Fibers by a Transverse Holographic Metho
d”」という題の参考文献、Opt. Lett., 1989, vol. 1
4, No. 15, p.823-825の中でG.Meltz, W.W.Morey,W.H.G
lenにより開示されている。この方法によると、光ウェ
ーブガイドは、240nm に近い波長でレーザ放射に露光さ
れる。２本のビームをθという角度で光ウェーブガイド
表面に導くことによって、干渉効果を用いて光ウェーブ
ガイドの中に格子が形成される。形成される格子の周期
は角度θを変えることによって変更できる。
【０００８】しかしながら前述の従来技術は、光ウェー
ブガイドの屈折率を局所的に変更させる精巧な技術に悩
まされている。K.O.Hill, F.Bilodean, B.Malo, D.C.Ma
lo, D.C.Johnson, I.S.Kinner 、の「“Efficient Mode
Conversion in Telecommunication Fiber Using Exter
nallyWriting Gratings”」Electron. Lett., 1990, vo
l. 26, p.1270-1272 は、光ウェーブガイドを外部露光
させることを伴う、光ウェーブガイドの屈折率を局所的
に変化させるための方法を開示している。この方法にお
いては、感光性光ウェーブガイドは、側面で、狭いスリ
ットを通過した紫外線レーザ放射に露光されている。露
光領域内では、格子の単一溝の書込みに対応する光誘発
された屈折率の局所的増加が起こる。この露光は次に中
断され、光ウェーブガイドは格子周期に等しい距離のと
ころでレーザビームに対して軸方向に移動させられ、そ
の後次の格子溝が書込まれる。光ウェーブガイドの露光
と軸方向移動の手順とを周期的にくり返すことにより、
異なる屈折率をもつコア領域の周期的な列が形成され、
これが１つの格子を表わす。
【０００９】しかしながら屈折率を局所的に変化させる
プロセスは、紫外線レーザ放射を利用すること、そして
感光タイプの光ウェーブガイドの数が制限されていると
いう事実により、むしろ複雑なものである。その上、利
用される紫外線レーザは比較的高価で、運転は複雑であ
り、信頼性が不充分であり、又その放射線は人間の眼に
有害である。
【００１０】本発明に極めて近いのは、クラッディング
とコアとを含み、その各々が石英ガラスをベースとしそ
のうちの少なくとも１つがドーピングされており、コア
内に含まれている元素のクラッディングへの局所的熱拡
散を提供し、および／またはクラッディング内に含まれ
ている元素のコアへの局所的熱拡散を提供する、ある長
さの光ウェーブガイドを加熱することを伴う、光ウェー
ブガイドの反射率を局所的に変化させるための方法であ
る。例えば米国特許第 5381503号国際特許分類G02B 6/1
0を参照のこと。この方法では、ある長さの光ウェーブ
ガイドが抵抗加熱炉の中で加熱される。
【００１１】ゲルマニウムおよびフッ素での２重ドーピ
ングは、モードフィールド直径変換ファイバの光ウェー
ブガイドの製造を著しく複雑にする。この方法のさらな
る欠点は、加熱機器内の温度分布により規定されプロセ
ス進行中は修正できない温度分布によって規定される、
光ファイバ軸に沿ってのコア屈折率の変化の法則を制御
することが不可能であるという点にある。さらなる問題
点は、光ウェーブガイドが、加熱された時点で、固定す
る際に現われる側方応力が緩和されるために変形を起こ
すことにある。
【００１２】酵素およびケイ素の原子を含む分子状気体
作用物質（molecular gaseous agents）の混合物を補給
し、基板管の内面上に混合物の中で発生する反応の生成
物を被着させることを有する、石英ガラスベースの光ウ
ェーブガイドのためのプリフォーム(preform）を製造す
る方法は、例えばS.V.SvechnikovおよびL.M.Andrushko
が編集したL.M.Andrushko, V.A.Voznesenskii, V.B.Kat
ok et al. 著のthe Reference Book of Fiber Optic Co
mmunication Links (Kiev, Tekhnika, 1988, p.69)の中
で説明している。
【００１３】しかしながら、窒素ドーピングされた石英
ガラスからのプリフォームの製造は、この方法に典型的
な熱力学平衡条件下では実施できない。請求されている
発明に最も近い窒素ドーピングされた石英ガラスに基づ
く光ウェーブガイドのためのプリフォームの製造方法に
は、基板管の中に窒素、酸素およびケイ素原子を含む分
子状気体作用物質の混合物を補給するステップ、混合物
内でマイクロ波放電を励起するステップおよび基板管の
内部表面上に混合物内で発生する反応の生成物を被着さ
せるステップが含まれている。例えば、E.M.Dianov, K.
M.Golant, R.R.Kharpko, A.S.Kurkov, A.L.Tomashuk 、
の「Low-HydrogenSilicon Oxynitride Optical Fibers
Prepared by SPCVD」、IEEE Journal ofLightwave Tech
nology, 1995, vol. 13, No. 7, p.1471-1474 を参照さ
れたい。この方法の基礎は、SPCVD プロセスによる石英
ガラス基板管の内部壁上の窒素ドーピングされた石英ガ
ラス層のプラズマ増強形合成による光ウェーブガイドの
プリフォームの製造にある。
【００１４】しかしながら、この方法は、光ウェーブガ
イドのコアとクラッディングとの間の所望の屈折率差Δ
ｎを得るのに必要とされる石英ガラス内の窒素濃度の再
現可能な制御を可能にするようなプロセスパラメータを
プリフォームの合成において利用しないことから、技術
的に複雑なものである。本発明の目的は、光ウェーブガ
イドおよびそれに基づく機器の製造を容易にすることに
ある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、石英ガラ
スクラッディングおよびドーピングを受けた石英ガラス
コアを有するある長さの光ウェーブガイドを備え、コア
の直径が一方の端部に向かって増大するように光ウェー
ブガイドに沿って変動し、本発明に従うと、光ウェーブ
ガイドのコアが窒素といったドープ剤でドーピングさ
れ、ドープ剤濃度が0.01 at.％から５ at.％であるよう
な従来のモードフィールド直径変換ファイバによって達
成される。
【００１６】本発明の目的はまた、クラッディングとコ
アとを含み、各々が石英ガラスをベースとしコアがドー
ピングされているある長さの光ウェーブガイドを加熱す
る段階を含むような従来の方法によっても達成され、本
発明に従うと局所的熱拡散は、0.01 at.％から５ at.％
の濃度の窒素でドーピングされたコアをもつある長さの
光ウェーブガイドを加熱することによって提供されこの
加熱は、アーク電流または赤外線レーザの放射により行
なわれる。
【００１７】特に、その長さの光ウェーブガイドの加熱
は、周期的に中断され、この周期的中断の間、加熱領域
は、屈折率変動の空間的間隔により分割可能な距離にて
光ウェーブガイドの軸に沿って相対的に移動させられ
る。特に、リン、アルミニウム、ナトリウム、カリウ
ム、リチウム、セシウム、ゲルマニウム、フッ素、ホウ
素および／または少なくとも１つの希土類元素といった
ようなドープ剤の、局所的熱拡散が提供される。
【００１８】その長さの光ウェーブガイドは、0.1 秒か
ら600 分の時間、５mAから500mA のアーク電流により加
熱され、アークは、光ウェーブガイドの軸に沿って１mm
から15mmほどの大きい領域の中に設定され、鋭い端部を
もつ電極によって生成され、その加熱の後、その長さの
光ウェーブガイドは、所定のモードサイズに対応する領
域内でその軸に直角に切断される。
【００１９】アークを、可変的速度で光ウェーブガイド
の軸に沿って移動させることができ、および／またはア
ークの電流を変動させることが可能である。特に、光ウ
ェーブガイドが２ヵ所で固定されている場合に機械的応
力によりひき起こされる変形を避けるため、熱拡散の前
に光ウェーブガイドと補助光ウェーブガイドを継ぎ合せ
する。
【００２０】加熱はＣＯレーザ、ＣＯ2レーザ、エルビ
ウムレーザまたはホルミウムレーザの放射を用いて提供
できる。特に、オキシ窒化ケイ素（silicon oxynitrid
e）（Ｓｉ3Ｎ4 : ＳｉＯ2）ベースのコアを伴うある長
さの光ウェーブガイドと加熱することができる。フッ素
および／またはホウ素でドーピングされたクラッディン
グを伴うある長さの光ウェーブガイドを加熱することが
可能である。
【００２１】本発明の目的は同様に窒素ドーピングされ
た石英ガラスをベースとする光ウェーブガイドのための
プリフォームを製造し、基板管の中に窒素、酸素および
ケイ素の原子を含む分子状気体作用物質の混合物を補給
し、混合物内でマイクロ波放電を励起し、および基板管
の内部表面上に混合物内で発生する反応の生成物を被着
させるための従来の方法によっても達成され、本発明に
従うと、基板管に補給される分子状気体作用物質は、各
々全てのケイ素原子上に５個未満の酸素原子が落ち、酸
素原子1000個毎に１より多い窒素原子が落ちるような形
で混合される。
【００２２】特に、分子状気体作用物質の混合物は、Ｓ
ｉＣｌ4＋Ｏ2＋Ｎ2、ＳｉＣｌ4＋Ｏ 2＋ＮＯ2、ＳｉＣｌ
4＋Ｏ2＋Ｎ2Ｏ3、ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋Ｎ2Ｏ4、ＳｉＣｌ4
＋Ｏ2＋Ｎ2Ｏ、ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋ＮＯおよび／または
ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋ＮＨ3の混合物のうちの少なくとも１
つである。特に、基板管の温度は、900℃〜1300℃であ
る。
【００２３】特に、基板管内のマイクロ波放電を励起す
るのに必要とされる電力は、0.1kwから10kwである。特
に、基板管内の気体作用物質は、0.05mmHgから50mmHgの
圧力下にある。本発明によりモードフィールド直径変換
ファイバを生成するのに利用される、光ウェーブガイド
モードフィールド直径変換ファイバ、光ウェーブガイド
の屈折率を局所的に変化させるための方法および、光ウ
ェーブガイドのためのプリフォームを製造するための方
法は、単一の独想的な概念により統一され、一体となっ
て前述の技術的結果を達成する。
【００２４】
【発明の実施の形態】ここで図１を参照すると、モード
フィールド直径変換ファイバは、クラッディング２とコ
ア３とを有するある長さの光ウェーブガイド１を備え、
コア３の直径ｄはある長さの光ウェーブガイドの端部４
に向かって増加し、一方でその有効屈折率ｎは減少す
る。
【００２５】アークを用いてモードフィールド直径変換
ファイバを製造するための機器（図２）の中には、鋭い
端部を有する電極５が、ある長さの光ウェーブガイド１
の軸に対し直角に配置されている。光ウェーブガイド１
は、クランプ６によって固定されている。補助光ウェー
ブガイド７が、クランプ９によって、３座標マイクロメ
ータ位置決め装置（positioner）８の中にしっかりと固
定されている。
【００２６】ステップモータ12を有する並進機構（tran
slator) 11により光ウェーブガイドの軸に沿ってアーク
10が移動させられる。電極は、アーク電流を設定する電
源13に接続されている。アークの移動および電流はコン
ピュータによって制御される。COレーザ15を用いてモー
ドフィールド直径変換ファイバを製造するための機器
（図３）の中では、放射ビーム16は、レンズ17により光
ウェーブガイド１に集束される。出力調整器18がレーザ
放射16の強度を変更する。ステップモータ12を有する並
進機構19は、光ウェーブガイド１を放射ビーム16に対し
てその軸に沿って移動させる。出力調整器18および並進
機構19の動作は、コンピュータ14によって制御される。
【００２７】モードサイズを決定するため、モードフィ
ールド直径変換ファイバの出力端で放射パターンが測定
される（図４および５）。本発明による方法を実現する
ための機器（図２）は、以下のように動作する。マイク
ロメータ位置決め装置８により予め調整された補助光ウ
ェーブガイド７と光ウェーブガイド１とをアーク10によ
り継ぎ合せする。このとき、アーク10は、熱拡散が行な
われるある長さの光ウェーブガイド１に設置され、すな
わち、光ウェーブガイドに沿って移動させられる。静止
電極５の場合、加熱領域のサイズは、各電極５間の距離
とアーク10電流とに応じて 0.1mmから５mmの大きさであ
る。アーク10に対する光ウェーブガイド１の局所的領域
の露光時間は、光ウェーブガイド１に沿った電極５の移
動速度に依存する。アーク10の移動速度を調整すること
により、光ウェーブガイド１に沿ってその端部４が近づ
くにつれてコア３の直径を変化させる法則を調整するこ
とができる。ひとたび熱拡散が終わると、光ウェーブガ
イド１は、それが補助光ウェーブガイド７と継ぎ合され
ている部域の近くで、所要モードサイズに対応する領域
内で直角に切断される。
【００２８】本発明による方法を実施するための代替的
な機器（図３）は、以下のように動作する。光ウェーブ
ガイド１が、マイクロメータ位置決め装置８により予め
調整された補助光ウェーブガイド７に対しレーザ放射ビ
ーム16によって継ぎ合される。光ウェーブガイド１およ
び補助光ウェーブガイド７はこのとき、レーザ放射ビー
ム16に対するその軸に沿って並進機構19により一緒に移
動させられる。COレーザ放射に対する光ウェーブガイド
１の局所的領域の露光時間は、レーザビーム16に対する
光ウェーブガイド１の移動速度によって異なる。光ウェ
ーブガイド１の移動速度を調整することにより、光ウェ
ーブガイド１に沿ってその端部４が近づくにつれてコア
３の直径を変化させる法則を調整することができる。光
ウェーブガイド１の軸に沿ってコア３の直径を変化させ
る法則は同様に、レーザビーム16に対する光ウェーブガ
イド１の均等な移動にて出力調整器18を用いてレーザ放
射の強度を制御することによっても設定できる。静止し
た光ウェーブガイドでは、加熱領域のサイズは、レンズ
17の焦点距離とその位置に応じて0.01mmから15mmの大き
さであり得る。熱拡散がひとたび終了すると、光ウェー
ブガイド１は、補助光ウェーブガイド７との継ぎ合した
領域近くで、所要モードサイズに対応する領域内で軸に
対し直角に切断される。
【００２９】コア対クラッディングのモード変換を避け
るためには、モード直径が変動させられている光ウェー
ブガイドの長さＬおよびコア直径ｄは、Ｌ≫ｄとして関
係づけされなくてはならない。実際には、これは、Ｌ＞
１mmである場合に提供される。このようなコア直径のス
ムーズな変化は、電極の鋭い端部の間の距離とアーク10
電流とが両方共変動させられ、静止アークが光ウェーブ
ガイド軸に沿って１mmから５mmという大きい区域内にあ
るとき、又は１mmから15mmの長さの光ウェーブガイドを
加熱するべくアークが光ウェーブガイドの軸に沿って移
動させられるときに達成される。光ウェーブガイド１の
長さを加熱できる最高温度もまた、各電極間の距離とア
ーク電流とに依存する。我々の経験上、ドープ剤のタイ
プに応じて、アーク電流は５mAから 500mAまでであるべ
きであるということが提案されている。
【００３０】必要とされる熱拡散を得るためには、アー
ク10に対する光ウェーブガイド１の露光時間は、 0.1秒
から 600分であるべきであり、光ウェーブガイド軸に沿
ったアークの移動速度は１μｍ／秒から１cm／秒の間で
変動させることができる。モードフィールド直径変換フ
ァイバをその他のファイバ要素に結合することは、モー
ドフィールド直径変換ファイバの屈折率の断面が、ドー
プ剤の１つがフッ素である場合に不可避的である屈折率
の低下を伴う領域を有していないという事実によって、
はるかに容易なものとなっている。我々の経験から、窒
素濃度は0.01 at.％から５ at.％であるべきであるとの
結論が下された。
【００３１】アークを用いた屈折率の周期的変調のため
の機器においては（図６）、電極５が、クラッディング
２およびコア３を有する光ウェーブガイド１の軸に対し
直角に配置されている。光ウェーブガイドはクランプ６
および９によって固定される。電極は、アーク10の電流
を設定する電源13に接続されている。光ウェーブガイド
の軸に沿って電極５を移動させるように適合されたステ
ップモータ12を有する並進機構11は、光ウェーブガイド
の軸に沿った座標ｚの関数としてコアの屈折率ｎを示す
図６のプロット内に示されている通り、熱拡散に起因し
てこの熱拡散を受けなかった区域におけるものに比べコ
ア屈折率が異なっている周期的局所区域20を形成する。
屈折率変調を監視するために、機器（図６）には、白色
光源21と光学スペクトル分析器22とを備える。コンピュ
ータ14が並進機構11のステップモータ12を制御し、電源
13を制御することによりアーク10の条件を規定する。
【００３２】レーザ15を用いて屈折率を変調するための
機器（図７）の中では、レーザ放射16は、光ウェーブガ
イド１のコア３においてレンズ17によって集束させられ
る。露光時間はシャッタ23によって設定され、レーザビ
ーム16に対する光ウェーブガイドの移動は、コンピュー
タ14の制御下でステップモータ12を有する並進機構19に
よってもたらされる。
【００３３】本発明の基礎となっているのは、光ウェー
ブガイド１のコア３の屈折率を変調させる新しい機構で
ある。最も近い従来技術では、紫外線放射に対する露呈
下での光屈折効果により屈折率が変化するのに対して、
本発明によると、これは、光ウェーブガイド１の局所的
領域がアーク放電10（図６）又は赤外線レーザ15の放射
16により加熱された時点でのコア３および／またはクラ
ッディング２内に含まれた元素の熱拡散によって達成さ
れる。拡散の結果、コア３の屈折率の局所的変化すなわ
ち格子の１つの溝の書込みがもたらされる。格子全体
は、格子の周期により分割可能な距離で光ウェーブガイ
ド１の軸に沿って加熱領域が移動させられるにつれて個
々の溝を連続的に書込むことによって形成される。格子
の溝は、例えば格子の１周期にて、又は光ウェーブガイ
ド１の同じ領域を２重に通過させることによって２周期
にて、加熱源10（図６）又は16（図７）に対して光ウェ
ーブガイド１を連続的に移動させることによって書込む
ことができる。
【００３４】格子溝の書込みの温度および時間は、光ウ
ェーブガイド１のコア３およびクラッディング２の化学
的組成によって左右され、従来の実験を通して容易に決
定できる。ＧｅＯ2でドーピングしたコア３を有する石
英ウェーブガイド１においては、Ｇｅの拡散は、約1400
℃の温度で効率良く発生する。緩慢な拡散では書込み時
間が長くなり、ＳｉＯ2の融点に近い高温は、光ウェー
ブガイド１内の変形をひき起こす可能性がある。
【００３５】この欠点をこうむっていないのが、特に、
オキシ窒化ケイ素Ｓｉ3Ｎ4： ＳｉＯ2をベースとするコ
ア３を有する石英光ウェーブガイド１、または石英のコ
ア３とフッ素でドーピングしたクラッディング２を有す
る光ウェーブガイド１であるが、これは、ＳｉＯ2に対
するＮおよびＦの拡散係数がＧｅのものよりも実質的に
高いからである。その結果、その拡散は著しく低い温度
で効率良く発生し、１本の溝が著しく短かい時間で書込
まれる。
【００３６】光ウェーブガイド１は、光ウェーブガイド
を継ぎ合せするための機器の中で利用されるものと類似
のものであるアーク放電10により局所的に加熱される。
加熱区域の長さおよび温度は、電極５間の距離とアーク
10の電流とを選択することによって変動させることがで
きる。特に、電極５間の距離は、光ウェーブガイド１の
外径をＤとしてＤから １００Ｄおよびそれより大きい
までの範囲内であってよく、電流は、５mAから50mAおよ
びそれを超える範囲内であってよい。
【００３７】局所的加熱は、約 ０．１ｃｍ-1から1０ｃ
ｍ-1というオーダーの著しい吸収を光ウェーブガイド１
の材料が示すような放射波長16を有するレーザ15によっ
てもまた実現可能である。この目的で、約５μｍの波長
を有するＣＯレーザ、2.76μｍの波長を有するエルビウ
ムレーザおよび2.94μｍの波長を有するホルミウムレー
ザといったような赤外線レーザを利用することができ
る。エルビウムレーザ放射波長での純粋石英ガラスの吸
収は５×10-2ｃｍ-1未満であるものの、水を含む石英ウ
ェーブガイド内のOH結合振動吸収線（波長2.75μｍ）に
よって数ケタ分これを高めることが可能である。
【００３８】アーク10の場合、達成できる最小の被加熱
領域は、一般に12.5μｍといった光ウェーブガイド１の
外径にほぼ等しい。赤外線レーザ放射に対する露光によ
り10μｍ未満の最小被加熱領域を提供することが可能で
ある。長い周期の格子においては、コア３とクラッディ
ング２とのモード間の共振結合のため、エネルギはコア
３のモードからクラッディング２のモードへ選択的に結
合され、クラッディング２上に塗布された外部重合体コ
ーティング（externalpolymer coating) 内で急速に散
逸する。これらの共振波長は、一般に 200μｍから 400
μｍまでで、格子の周期と範囲により規定される。光ウ
ェーブガイド１の屈折率の変調の存在を証明するのは、
まさにこの効果である。
【００３９】最も近い従来技術と比べて、本発明は、以
下のような利点を提供する。熱拡散により、弱い光屈折
効果を示す光ウェーブガイド１においてさえ、屈折率を
変調させることができる。本発明は、製造および動作の
両面で単純であり従って比較的費用効果性の高い加熱源
として、アーク放電10又は赤外線レーザ15を利用する。
【００４０】赤外線レーザ15およびアーク10の放射16
は、紫外線レーザの放射よりも人体にとって安全であ
る。アーク10（図６）の場合、本発明による方法は、以
下のように実現される。保護重合体コーティングを剥が
した光ウェーブガイド１を静止クランプ６および９の中
に固定させ、次に、屈折率を変更する第１の領域に対応
する位置にて光ウェーブガイド１の軸ｚに沿ってマイク
ロメータ位置決め装置８およびステップモータ12により
電極５をセットし、この時点で、アーク10の電源13をオ
ンに切換え、光ウェーブガイド１を予め定められた時間
加熱し、その後、アーク10の電源13をオフに切換える。
次に、光ウェーブガイド１の軸ｚに沿ってステップモー
タ12を有する並進機構11により、屈折率変調周期で第１
の領域から離隔させられた、屈折率を変更する次の領域
まで、電極５を移動させ、その後、アーク10の電源13を
再びオン切換えし、光ウェーブガイド１を予め定められ
た時間加熱し、この時点でアーク10の電源13をオフに切
換える。上述の作業を、反復回数が光ウェーブガイド１
のコア３内の屈折率変調周期所要数に一致するような形
で、周期的にくり返す。並進機構11のステップモータ12
およびアーク10の電源13は、適切なルーチンに従ったと
き所望の作業順序および周期性を提供するべくコンピュ
ータ14によって制御されている。屈折率格子を形成する
プロセスを監視するため、加熱中の光ウェーブガイド１
の透過スペクトル（transmission spectrum)が、光学ス
ペクトル分析器22および白色光源21により測定される。
コア３とクラッディング２とのモードの間の共振相互作
用に対応する吸収ピークの所要深さにひとたび達した時
点で、プロセスを終結させることができる。
【００４１】図６の機器とは異なり、赤外線レーザ15を
用いた屈折率の周期的変調のための機器においては（図
７）、光ウェーブガイド１は、その局所的加熱を行なう
赤外線レーザ15の放射ビーム16に対する光ウェーブガイ
ド１の移動を提供する並進機構19の可動部分上にしっか
りと固定されたクランプ６および９内に固定される。こ
のビームは、レンズ17により集束され、シャッタ15によ
り周期的に中断される。図７の機器は、図６の機器につ
いて上述されコンピュータ14により実施されるものと類
似したルーチンに従って動作する。
【００４２】本発明による光ウェーブガイドのためのプ
リフォームを製造するための方法を実現するための機器
を例示するために、図９は、基板石英管24、分子状気体
作用物質の混合物25、被着区域26、ウェーブガイド28を
通して環状空隙29に印加されるマイクロ波出力27、表面
プラズマ波30、ピストン32を有する整合ユニット(match
ing unit) 31およびプラズマカラム(plasma column) 33
を示している。
【００４３】組成 ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋Ｎ2の分子状気体作
用物質25の混合物は、数mmHgの圧力下で石英ガラス基板
管24に供給される。反対側から、マイクロ波出力27が管
24に印加され、これが混合物内の静止放電を維持し、プ
ラズマカラム33を生成する。作用物質25は、四塩化ケイ
素(silicon tetrachloride) を伴う乾燥酸素と窒素であ
る。プラズマカラム33の領域に入ると、作用物質25は、
プラズマ「ホットエレクトロン（hot electrons)」と相
互作用した時に未励起分子から混合物中で「生成される
(generated) 」活性ラジカル(active radicals) が混合
物中に出現するために、化学的変換を受ける。その結
果、四塩化ケイ素は、酸化ケイ素に変換され、この酸化
ケイ素は、石英管24の壁により吸着され、最終的に、窒
素含有ラジカル（nitrogen-containing radicals) を伴
う不均質反応のため二酸化ケイ素まで酸化され、かくし
てドーピングされた石英ガラス被着区域26が形成される
ことになる。印加されたマイクロ波出力27を変化させる
ことでプラズマカラム33の長さを変動させることによ
り、基板石英管24に沿って被着区域26を走査することが
でき、そのようにしながら、ガラスをその内部表面上に
層毎に被着させることが可能である。
【００４４】石英ガラスに対する窒素の熱拡散係数は、
ゲルマニウムのものよりもはるかに大きい。かくして、
最も近い従来技術とは異なり、拡大するコア３（図１）
を生成するのに高い熱拡散係数をもつ付加的なドープ剤
を添加する必要が全くなくその上熱拡散の時間が低減す
ることから、モードフィールド直径変換ファイバの製造
が容易になる。
【００４５】被着プロセスがひとたび終了したならば、
内部表面上に被着された窒素ドーピングを受けたガラス
の層を有する基板石英管24は、バーナの炎の中での加熱
を通してロッド(rod) の形に圧壊させられる。このよう
に生成されたプリフォームは次に、単一モード光ウェー
ブガイド１へと引抜き加工される。窒素ドーピングを受
けたコア３を有する石英光ウェーブガイド１を用いて、
モード直径をおよそ１ケタ分増大させるモードフィール
ド直径変換ファイバを製造するのに使われた。コア３内
の窒素濃度は１％であった。初期光ウェーブガイド１の
コア３の直径は 4.5μｍであり、コア３とクラッディン
グ２との間の屈折率の差はΔｎ＝0.012 であった。静止
アークにより加熱された領域は 0.3mmほどの広さであ
り、アーク電流は14mA、光ウェーブガイドの被加熱区域
の長さは５mmであった。アーク移動速度は、光ウェーブ
ガイド１と補助ファイバ７との間の継ぎ合せ点に近づく
につれて 500μｍ／秒から10μｍ／秒まで次第に変動さ
せられた。露光時間は１分であった。熱拡散中、光ウェ
ーブガイド１は１ヵ所のみでクランプ６により固定され
もう１方の側ではマイクロメータ位置決め位置８（図
２）により予備的に調整された補助ファイバ７と継ぎ合
されていたため、光ウェーブガイド内の変形は全く明ら
かにされなかった。
【００４６】反対側の端面でレーザダイオードから照明
を受けた光ウェーブガイドを離れる放射のパターンか
ら、モード直径が計算された。図４は、熱拡散の前の光
ウェーブガイド１の放射パターンを示す。２分の１強度
レベルを横断しての放射パターンの幅は 7.1°であり、
これは 4.9μｍのファイバモード直径に対応することが
わかる。図５は、熱拡散の後の光ウェーブガイドの放射
パターンを例示している。２分の１強度レベルを横断し
ての放射パターンの幅は、43μｍのモード直径に対応す
る0.80まで減少していることがわかる。
【００４７】従って、本発明を使用すると、モード直径
を 4.9μｍから43μｍまで増大させることができた。最
も近い従来技術とは対照的に、モードフィールド直径変
換ファイバは、必要とされるプロセス段階数が減少する
ことから、より容易に製造することができる。熱拡散を
受ける光ウェーブガイド１と継ぎ合された補助光ウェー
ブガイド７のおかけで、応力緩和により最も近い従来技
術において発生していた光ウェーブガイドの変形は、熱
拡散において完全に回避される。最も近い従来技術とは
異なり、本発明により製造されたモードフィールド直径
変換ファイバの屈折率の断面は、屈折率が減少した領域
を含んでおらず、このため従来のものと完全に互換性の
あるものとなっている。
【００４８】同様に、直径 4.5μｍのＳｉ3Ｎ4のコア
３、および直径 120μｍのＳｉＯ2のクラッディング２
を伴い、コアとクラッディングとの間の屈折率の差がΔ
ｎ＝0.012 で、窒素濃度が１％である石英光ウェーブガ
イド１の中で、長周期格子が書込まれた。第１の実施例
においては、加熱源は、アーク放電10（図６）であっ
た。アーク10は、10μｍの精度で制御された 250μｍの
距離で、並進機構１１により光ウェーブガイド１に沿っ
て軸方向に移動させられた。電極５間距離およびアーク
10の電流はそれぞれ 150μｍと５mAであり、かくして屈
折率が変化した領域20のサイズはほぼ光ウェーブガイド
１の直径と同じになっていた。約 120μｍのコア３の発
光領域の特徴的な寸法によりこのサイズを監視するため
に、顕微鏡が用いられた。各々全ての溝が書込まれるの
に必要となった時間は１秒であった。格子周期は 250μ
ｍで、溝の合計数は80であった。
【００４９】光学スペクトル分析器22により透過スペク
トル（図８）が監視された。スペクトルは、異なる側方
屈折率を有するクラッディング２の軸対称モードに対す
るコア３のモードの共振結合に対応する７つの吸収ピー
クを示している。これは、光ウェーブガイド１のコア３
の屈折率の周期的変調およびコア３の屈折率の長周期格
子の生成を明確に表わすものである。
【００５０】ドーピングを受けていない石英ガラスクラ
ッディング２、窒素ドーピングを受けたガラス製コア３
およびΔｎ＝0.02を有する光ウェーブガイド１のプリフ
ォームを製造するには、直径20mmで壁厚２mmの基板石英
管24を1300℃の温度まで加熱する。組成 ＳｉＣｌ4＋Ｏ
2＋Ｎ2の混合物25を１mmHgの合計圧力下で基板管24に供
給する。マイクロ波出力27は１kwと５kwとの間の範囲内
で変動させる。必要とされるガラスの窒素ドーピングレ
ベルは、質量流量比〔ＳｉＣｌ4〕：〔Ｏ2〕＝0.92およ
び〔Ｏ2〕：〔Ｎ2〕＝0.5 で得られる。単位時間内に反
応装置に入る酸素およびケイ素原子の量は、2.2 の比で
あり、一方窒素対酸素原子の比は２である。
【００５１】ドーピングを受けていない石英ガラスのク
ラッディング２、窒素ドーピングを受けたガラス製コア
３およびΔｎ＝0.01を有する光ウェーブガイド１のため
のプリフォームを製造するためには、直径20mm、壁厚２
mmの基板管24を1300℃の温度まで加熱する。１mmHgの合
計圧力の下で基板管24に対し、組成 ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋
Ｎ2の混合物25を供給する。マイクロ波出力27は１kwと
５kwとの範囲内で変動させる、必要とされるガラスの窒
素ドーピングレベルは、質量流量比〔ＳｉＣｌ 4〕：
〔Ｏ2〕＝0.92および〔Ｏ2〕：〔Ｎ2〕＝0.5 で得られ
る。単位時間で反応装置に入る酸素およびケイ素原子の
量は 2.6の比であり、一方窒素対酸素原子の比は２であ
る。
【００５２】
【発明の効果】本発明は、ファイバオプティクスに関す
るものであり、ファイバ放射コリメータ(collimators)
、光ウェーブガイドカプラー、スペクトルフィルタ、
光学絶縁装置、長周期格子、分散補償器、シミュレーシ
ョンされたラマン効果に基づくカスケードモードフィー
ルド直径交換ファイバ、物理値センサ（屈折率、温度、
応力など）、例えばエルビウムファイバ増幅器内で1.53
μｍの波長での強化された自然輝度ピーク（spontaneou
s luminescence peak)、ネオジム増幅器における1.06μ
ｍの領域全体にわたる自然輝度といった予め定められた
波長についての放射抑制ユニット、およびその他のスペ
クトル範囲内で動作するレーザの中、そして特に波長分
割多元化を有するシステム内で利用されるエルビウムフ
ァイバ増幅器内で利得スペクトルを平滑化するため、に
利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】モードフィールド直径変換ファイバの構造、コ
ア直径を横切る電界分布Ｅ（ｒ）、光ウェーブガイド軸
に沿った距離ｚの関数としてのコア直径ｄおよび屈折率
ｎを例示する図である。
【図２】アークを使用して、モードフィールド直径変換
ファイバを製造するための機器のブロック図である。
【図３】ＣＯレーザを用いた、モードフィールド直径変
換ファイバを製造するための機器のブロック図である。
【図４】熱拡散の前の光ウェーブガイド放射の方向の図
である。
【図５】熱拡散の後の光ウェーブガイド放射の方向の図
である。
【図６】アークを用いて屈折率を変調させるための機器
のブロック図である。
【図７】レーザを用いて屈折率を変調させるための機器
のブロック図である。
【図８】熱拡散を用いて生成された長さ20mmの長周期格
子の特徴的な透過スペクトルを例示する図である。
【図９】本発明によるプリフォームを製造するための方
法を実現する機器のブロック図ある。
【符号の説明】
２４…基板石英管 ２５…混合物 ２６…被着区域 ２７…マイクロ波出力 ２８…ウェーブガイド ２９…環状空隙 ３０…表面プラズマ波 ３１…整合ユニット ３２…ピストン ３３…プラズマカラム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゴーラント，コンスタンティン ミハイロ ビチ ロシア連邦，119634，モスコー，ウリツァ ルキンスカヤ，デー．７，クバルチーラ 177 (72)発明者 カーポフ，フラディミール イワノビチ ロシア連邦，123182，モスコー，ウリツァ アカデミカ ボチバラ，デー．15，クバ ルチーラ 17 (72)発明者 プロトポポフ，フラディミール ニコラビ チ ロシア連邦，113452，モスコー，シンフェ ロポルスキー ブルバー，デー．29，コル プス ６，クバルチーラ 462 (72)発明者 グレコフ，ミハイル フラディミロビチ ロシア連邦，117463，モスコー，ウリツァ ヤスノゴールスカヤ，デー．21，コルプ ス １，クバルチーラ 173 (72)発明者 ハーラプコ，ロスティスラフ ラディエビ チ ロシア連邦，121615，モスコー，ルブレフ スコエ ショスセ，デー．89，コルプス ３，クバルチーラ 66 Ｆターム(参考） 2H050 AB03Z AB18X AC82 AC83 AC84 4G021 EA02 EB04 EB16

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板管（２４）の中に窒素、酸素および
    ケイ素の原子を含む分子状気体作用物質の混合物（２
    ５）を補給するステップ、 混合物内でマイクロ波放電（２７）を励起するステッ
    プ、および前記基板管（２４）の内部表面（２６）上
    に、混合物内で発生する反応の生成物を被着させるステ
    ップ、を有する、窒素ドーピングされた石英ガラスをベ
    ースとする光ウェーブガイドのためのプリフォームの製
    造方法において、 前記基板管（２４）に補給される前記分子状気体作用物
    質は、各々全てのケイ素原子上に５個未満の酸素原子が
    落ち、酸素原子１０００個毎に１つより多い窒素原子が
    落ちるような形で混合されることを特徴とする製造方
    法。
  2. 【請求項２】 分子状気体作用物質の前記混合物（２
    ５）は、ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋Ｎ2、ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋Ｎ
    Ｏ2、ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋Ｎ2Ｏ3、ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋Ｎ2Ｏ
    4、ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋Ｎ2Ｏ、ＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋ＮＯおよ
    び／またはＳｉＣｌ4＋Ｏ2＋ＮＨ3の混合物のうちの少
    なくとも１つである請求項１に記載の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記基板管（２４）の温度が９００度か
    ら１３００度である請求項１に記載の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記基板管（２４）内の前記マイクロ波
    放電（２７）を励起するのに必要とされる電力が０．１
    キロワットから１０キロワットである請求項１に記載の
    製造方法。
  5. 【請求項５】 前記基板管（２４）内の分子状気体作用
    物質が０．０５ｍｍＨｇから５０ｍｍＨｇの圧力下にあ
    る請求項１に記載の製造方法。
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