JP3829665B2 - 光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用の光ファイバ - Google Patents

光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用の光ファイバ Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第１及び第２の光ファイバが並列配置され、溶融延伸されて製造される光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用の光ファイバに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバカプラは、第１及び第２の光ファイバが並列配置され、溶融延伸されて製造される。その構成を図１７に示す。図１７に示された光ファイバカプラ１では、第１の光ファイバ１０の第１端１１より入力された光は、その波長に応じた分岐比で溶融延伸部３０においてパワー分岐され、第１の光ファイバ１０の第２端１２および第２の光ファイバ２０の第２端２２それぞれより出力される。ただし、波長によっては分岐比が１：０または０：１である。この場合には、第１の光ファイバ１０の第１端１１より入力した光は、第１の光ファイバ１０の第２端１２および第２の光ファイバ２０の第２端２２の何れか一方より出力される。このような光ファイバカプラ１は、１つの端子に入力した光をパワー分岐して２つの端子より出力する光分岐器、異なる端子に入力した２つの波長域の光を合波して１つの端子より出力する光合波器、１つの端子に入力した２つの波長域の光を分波して異なる端子より出力する光分波器、等として用いられる。
【０００３】
例えば、光ファイバカプラ１は、光ファイバ増幅器において光合波器として用いられる。この場合、光ファイバカプラ１は、光ファイバ増幅器に含まれる光増幅媒体（例えば、Ｅｒ元素添加光ファイバ）において光増幅される信号光（例えば、波長１．５５μｍ帯のもの）と、この光増幅媒体に供給される励起光（例えば、波長０．９８μｍのもの）とを合波する。具体的には、この光ファイバカプラ１は、光増幅されるべき信号光が第１の光ファイバ１０の第１端１１に入力されるとともに、励起光源より出力された励起光が第２の光ファイバ２０の第１端２１に入力されると、これら信号光と励起光とを合波して、その合波したものを第１の光ファイバ１０の第２端１２より光増幅媒体へ向けて出力する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような光ファイバカプラ１では、過剰損失が小さいことが要求される。ここで、光ファイバカプラ１において、第１の光ファイバ１０の第１端１１にパワーＰ１１の光が入力される場合について考える。このとき、第１の光ファイバ１０の第２端１２より出力される光のパワーをＰ１２とし、第２の光ファイバ２０の第２端２２より出力される光のパワーをＰ２２とすると、
【数１】
Figure 0003829665
なる式で表される過剰損失が小さいことが要求される。
【０００５】
理想的な光ファイバカプラの場合、図１８（ａ）に示すように、第１の光ファイバ１０の第２端１２より出力される光のパワーＰ１２と、第２の光ファイバ２０の第２端２２より出力される光のパワーＰ２２とは、ほぼ上下対称的な波形となる。そして、かかる光のパワーＰ１２とパワーＰ２２との合計は、第１の光ファイバ１０の第１端１１に入力される光のパワーＰ１１とほぼ等しくなり、過剰損失はほとんど生じない。
【０００６】
しかしながら、光ファイバカプラを構成する光ファイバは、二つの波長の光をともに単一モードで伝搬させるため、カットオフ波長が短波長側の光の波長よりも短く設定されている。従って、長波長側の光のコア部への閉じ込めが弱くなり、光ファイバを小さい曲率半径で曲げると長波長側の光の損失が増加し、過剰損失が生じ易くなる。また、光のコア部への閉じ込めが弱いと光のパワーが外に広がり易く、光ファイバカプラ製造の際の加熱源（ヒータ、バーナ）等の熱のゆらぎによって生じる微小な外形変動により一部の光が光ファイバの外部へ漏れ、図１８（ｂ）に示すように、出力パワーが波長に対して変動することがある。この場合、第１の光ファイバ１０の第２端１２より出力する光のパワーＰ１２と、第２の光ファイバ２０の第２端２２より出力する光のパワーＰ２２との合計は、第１の光ファイバ１０の第１端１１に入力される光のパワーＰ１１よりも小さくなり、過剰損失が生じてしまう。
【０００７】
これに対し、過剰損失の低減を図るべく、例えば特開平７−３０１７２２号公報には、いわゆる二重コア型の屈折率プロファイルを有する光ファイバを用いて製造された光ファイバカプラが開示されている。ここで、二重コア型の屈折率プロファイルとは、光軸中心から順に第１コア領域（屈折率ｎ1）、第２コア領域（屈折率ｎ2）およびクラッド領域（屈折率ｎ3）を有しており、各屈折率の大小関係がｎ1＞ｎ2＞ｎ3であるものである。
【０００８】
しかしながら、上記公報に開示された光ファイバカプラは、二重コア型の屈折率プロファイルを有する光ファイバを用いて製造されることで過剰損失が低減されるとしているものの、過剰損失の低減の程度が充分でない。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、過剰損失が充分に低減された光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用の光ファイバを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバカプラは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第１及び第２の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラであって、第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする。
【００１１】
この光ファイバカプラでは、第１及び第２の光ファイバそれぞれのクラッド部の屈折率は径方向外側に向かって順次低下しているため、微小な曲がり等の外乱の影響を受けても、コア部の周辺に広がった光は外部に放射されることなくコア部に戻ることができ、過剰損失を充分に低減することができる。
【００１２】
本発明に係る光ファイバカプラは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第１及び第２の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラであって、第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、光軸中心からの径方向の距離をｒとし、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率を基準とするコア部内の位置ｒにおける比屈折率差をΔｎ(ｒ)とし、比屈折率差Δｎ(ｒ)が位置ｒpeakでピーク値Δｎpeakであるとし、コア半径をａとしたときに、「ｒpeak≦ｒ≦ａ」の範囲において比屈折率差Δｎ(ｒ)が「Δｎ(ｒ) ≦Δｎpeak[１−(ｒ／ａ)3]」なる関係を満たすことを特徴とする。
【００１３】
この光ファイバカプラでは、第１および第２の光ファイバそれぞれのコア部が、かかるプロファイルであるため、曲げ損失が小さくなって過剰損失を充分に低減することができる。
【００１４】
本発明に係る光ファイバカプラは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第１及び第２の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラであって、第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、光軸中心からの径方向の距離をｒとし、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率を基準とするコア部内の位置ｒにおける比屈折率差をΔｎ(ｒ)とし、比屈折率差Δｎ(ｒ)が位置ｒpeakでピーク値Δｎpeakであるとし、コア半径をａとしたときに、「ｒpeak≦ｒ≦ａ」の範囲において比屈折率差Δｎ(ｒ)が「Δｎ(ｒ) ≦Δｎpeak[１−(ｒ／ａ)3]」なる関係を満たし、かつ、第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、クラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする。
【００１５】
この光ファイバカプラでは、第１および第２の光ファイバそれぞれのクラッド部の屈折率は径方向外側に向かって順次低下しているため、微小な曲がり等の外乱の影響を受けてもコア部の周辺に広がった光は外部に放射されることなくコア部に戻ることができ、過剰損失を充分に低減することができる。しかも、第１および第２の光ファイバそれぞれのコア部が、かかるプロファイルであるため、曲げ損失が小さくなり、過剰損失を充分に低減することができる。
【００１６】
本発明に係る光ファイバカプラでは、第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、クラッド部の屈折率の低下の割合は、径方向の所定領域において、その内側及び外側よりも大きいことを特徴としてもよい。このようにすれば、クラッド部を多段で構成することが可能となる。
【００１７】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、クラッド部の横断面における平均屈折率と最小屈折率との差が０．０２％以下であると好ましい。差が０．０２％を超えると、クラッド部ではその屈折率分布によってマルチモードになり、光ファイバカプラに加工したときに高次モードに変換されて過剰損失が発生し易くなる傾向にあるからである。
【００１８】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、クラッド部の屈折率分布は、ＳｉＯ2ガラス中における塩素原子、ＧｅＯ2、及びＯＨ基のうちの少なくともいずれかの濃度分布によって形成されていることを特徴としてもよい。あるいは、クラッド部の屈折率分布は、光ファイバの線引き時に与えられる内部歪みの分布によって形成されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、上記したクラッド部の屈折率分布を容易に実現することが可能となる。
【００１９】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、「ｒpeak≦ｒ≦ａ」の範囲において比屈折率差Δｎ(ｒ)が「Δｎpeak[１−(ｒ／ａ)]≦Δｎ(ｒ)≦Δｎpeak[１−(ｒ／ａ)2.5]」なる関係を満たすことを特徴としてもよい。このようにすれば、第１および第２の光ファイバそれぞれは、曲げ損失がより小さくなって過剰損失をより充分に低減することができる。
【００２０】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、比屈折率差Δｎ(ｒ)は、０≦ｒ≦ａ／２の範囲の距離ｒにおいてピーク値Δｎpeakをとることを特徴としてもよい。このようにすれば、ファイバのコア部中心の凹部の影響によるカプラ化時の損失を低減することができる。
【００２１】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、カットオフ波長λcが、使用最長波長より３００ｎｍ以上短波長側に存在することを特徴としてもよい。この範囲において、従来知られているステップ型屈折率分布のファイバに比較して、カプラにした際の過剰損失をより低減する効果が大きい。
【００２２】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、カットオフ波長λcが、９８０ｎｍより短い波長側に存在することを特徴としてもよい。このようにすれば、エルビウム添加ファイバ型増幅器のように、波長９８０ｎｍと１５００〜１６１０ｎｍ帯の合分波器において、過剰損失を低めたカプラを形成することが可能である。
【００２３】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、１．５μｍ〜１．６μｍ波長帯（１．５０μｍ〜１．６５μｍ）における曲げ損失が、曲げ半径１５ｍｍにおいて１ｄB／ｍ未満であることでより有効に働く。このようにすれば、第１及び第２の光ファイバそれぞれの曲げ損失が小さくなり、過剰損失を充分に低減することができる。また、カプラ収容の際、ピッグテイル部の曲率を小さくできる利点もある。
【００２４】
本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバは、上記した本発明に係る光ファイバカプラに用いるのに好適な光ファイバである。すなわち、本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第１及び第２の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラ用の光ファイバであって、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする。
【００２５】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第１及び第２の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラ用の光ファイバであって、光軸中心からの径方向の距離をｒとし、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率を基準とするコア部内の位置ｒにおける比屈折率差をΔｎ(ｒ)とし、比屈折率差Δｎ(ｒ)が位置ｒpeakでピーク値Δｎpeakであるとし、コア半径をａとしたときに、「ｒpeak≦ｒ≦ａ」の範囲において比屈折率差Δｎ(ｒ)が「Δｎ(ｒ) ≦Δｎpeak[１−(ｒ／ａ)3]」なる関係を満たすことを特徴とする。
【００２６】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第１及び第２の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラ用の光ファイバであって、光軸中心からの径方向の距離をｒとし、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率を基準とするコア部内の位置ｒにおける比屈折率差をΔｎ(ｒ)とし、比屈折率差Δｎ(ｒ)が位置ｒpeakでピーク値Δｎpeakであるとし、コア半径をａとしたときに、「ｒpeak≦ｒ≦ａ」の範囲において比屈折率差Δｎ(ｒ)が「Δｎ(ｒ) ≦Δｎpeak[１−(ｒ／ａ)3]」なる関係を満たし、かつ、クラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする。
【００２７】
本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、クラッド部の屈折率の低下の割合は、径方向の所定領域においてその内側及び外側よりも大きいことを特徴としてもよい。
【００２８】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、クラッド部の横断面における平均屈折率と最小屈折率との差が０．０２％以下であることを特徴としてもよい。
【００２９】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、クラッド部の屈折率分布は、ＳｉＯ2ガラス中における塩素原子、ＧｅＯ2、及びＯＨ基のうちの少なくともいずれかの濃度分布によって形成されていることを特徴としてもよい。
【００３０】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、クラッド部の屈折率分布は、光ファイバの線引き時に与えられる内部歪みの分布によって形成されていることを特徴としてもよい。
【００３１】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、「ｒpeak≦ｒ≦ａ」の範囲において比屈折率差Δｎ(ｒ)が「Δｎpeak[１−(ｒ／ａ)]≦Δｎ(ｒ)≦Δｎpeak[１−(ｒ／ａ)2.5]」なる関係を満たすことを特徴としてもよい。
【００３２】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、比屈折率差Δｎ(ｒ)は、０≦ｒ≦ａ／２の範囲の距離ｒにおいてピーク値Δｎpeakをとることを特徴としてもよい。
【００３３】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、カットオフ波長λcが、使用最長波長より３００ｎｍ以上短波長側に存在することを特徴としてもよい。
【００３４】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、カットオフ波長λcが、９８０ｎｍより短い波長側に存在することを特徴としてもよい。
【００３５】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、１．５μｍ〜１．６μｍ波長帯（１．５０μｍ〜１．６５μｍ）における曲げ損失が、曲げ半径１５ｍｍにおいて１ｄB／ｍ未満であることを特徴としてもよい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３７】
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光ファイバカプラ１の構成を示す図である。図１に示すように、光ファイバカプラ１は、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第１及び第２の光ファイバ１０，２０を並列配置し、融着延伸部３０において融着延伸して製造したものである。かかる光ファイバカプラ１を構成する光ファイバ１０，２０は、コア部１０ａ，２０ａとコア部１０ａ，２０ａの周りに設けられたクラッド部１０ｂ，２０ｂを有している。
【００３８】
図２は、かかる光ファイバカプラ１に用いる光ファイバ１０，２０の屈折率分布の一例を示している。図２に示すように、コア部１０ａ，２０ａの屈折率は、単一モードの光伝送が可能なように、クラッド部１０ｂ，２０ｂの屈折率よりも高くなっている。コア部１０ａ，２０ａの屈折率ｎ、半径ａ、使用波長λ、コア部１０ａ，２０ａとクラッド部１０ｂ，２０ｂの内側部分との比屈折率差Δｎの関係は、通常次の（２）式を満足する。
【００３９】
【数２】
Figure 0003829665
【００４０】
図２では、コア部１０ａ，２０ａの屈折率は平坦な一定値として図示しているが、コア部１０ａ，２０ａの実効屈折率が上記（２）式を満足するものであれば、平坦なものに限るものではない。また、コア部１０ａ，２０ａの屈折率分布は中央部が高くなった放物線状の形状でも構わないし、それ以外の屈折率分布形状とすることもできる。
【００４１】
クラッド部１０ｂ，２０ｂは、横断面半径方向の外側に向かって、屈折率が順次低下する屈折率分布を有する。クラッド部１０ｂ，２０ｂの最も内側の部分とクラッド部１０ｂ，２０ｂの最も外側の部分との比屈折率差は、０．００５％〜０．０２％程度とする。クラッド部１０ｂ，２０ｂの屈折率の傾斜は必ずしも一定でなくても良いが、半径方向の外側に向かって屈折率が上昇する部分のないようにする。屈折率の傾斜がほぼ一定である場合は、その傾斜率は約−３×１０-4％／μｍ程度とすることによって、クラッド部１０ｂ，２０ｂの最も内側の部分と最も外側の部分との比屈折率差を約０．００５％〜０．０２％とすることができる。
【００４２】
図３は、第１の実施形態に係る光ファイバカプラ１に用いる光ファイバ１０，２０の屈折率分布の他の例を示している。図３において、コア部１０ａ，２０ａの周りにはクラッド部１０ｂ，２０ｂが設けられおり、このクラッド部１０ｂ，２０ｂは内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’と外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’とから構成されている。図３の場合においても、コア部１０ａ，２０ａは単一モードの光伝送が可能なように、図２の場合と同様に設計されている。
【００４３】
内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’及び外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’の屈折率は、それぞれ光ファイバ１０，２０の横断面半径方向の外側に向かって、徐々に低下している。なお、内クラッド部１０ｂ’， ２０ｂ’と外クラッド部１０ｂ’’，２０ ｂ’’のそれぞれの屈折率傾斜割合は必ずしも同じにする必要はない。また、内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’と外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’との境界では、内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’内及び外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’内での屈折率低下割合よりも大きい屈折率割合で急激に低下している。また、内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’の最も内側の部分の屈折率と、外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’の最も外側の部分との比屈折率差は約０．００５％〜０．０２％とする。また内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’の外径は７０μｍ以下が望ましく、約３０μｍ〜５０μｍ程度が最も好ましい。なお、内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’と外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’との境界における比屈折率差は０．００７％〜０．０１５％が好ましい。
【００４４】
また、図３では、クラッド部１０ｂ，２０ｂを内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’と外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’との２段に分ける例を示したが、３段とすることもできるし、またそれ以上の段数とすることもできる。この場合は、クラッド部１０ｂ，２０ｂの最も内側の部分と最も外側の部分との比屈折率差を０．００５％〜０．０２％程度とする。また、クラッド部１０ｂ，２０ｂの半径方向外側に向かって屈折率が順次上昇する個所のないようにしなければならない。また、内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’と外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’との境界の屈折率分布は、図３に示すような屈折率が不連続に低下するものに限られず、内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’内及び外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’内よりも大きい傾斜で連続的に低下する分布とすることもできる。
【００４５】
また、図２及び図３の場合と共に、クラッド部１０ｂ，２０ｂの横断面における平均屈折率と最小屈折率との比屈折率差が０．０２％を超えると、クラッド部１０ｂ，２０ｂではその屈折率分布によってマルチモードになり、光ファイバカプラに加工したときに高次モードに変換されて過剰損失が発生し易くなる傾向にあるため、クラッド部１０ｂ，２０ｂの横断面における平均屈折率と最小屈折率との比屈折率差は０．０２％以下とすることが望ましい。
【００４６】
クラッド部１０ｂ，２０ｂの屈折率分布は、ＳｉＯ2ガラス中における塩素原子、ＧｅＯ2（二酸化ゲルマニウム）、及びＯＨ基（水酸基）のうちの少なくともいずれかの濃度分布によって形成することができる。この中でも、屈折率をわずかに変化させるためには、クラッド部１０ｂ，２０ｂを形成する主材料である二酸化珪素に塩素又は塩素化合物を添加して達成することが望ましい。クラッド部１０ｂ，２０ｂが二酸化珪素からなる多孔質ガラスからなる母材を、多孔質ガラスが収縮しない９００℃〜１３００℃の温度領域で、塩素ガス又は塩素化合物ガス（四塩化炭素、四塩化珪素等）の雰囲気中にて処理して多孔質ガラスに塩素を添加した後、塩素ガス又は塩素化合物ガスを供給しない雰囲気中で加熱処理を行うことによって、多孔質ガラスの表面から塩素の一部を離脱させることにより、母材の表面の方の塩素の添加量を低くすることができる。
【００４７】
また、多孔質ガラスからなる母材の形成時に、母材の外周部分の嵩密度を高くするか多孔質ガラスの粒子の質量に対する表面積の割合を小さくするかすれば、塩素雰囲気処理中でのガラス粒子表面への塩素の吸着拡散量は少なくなり、母材の外周部分の塩素添加量を小さくすることができる。また、塩素を１重量％添加すると屈折率は約０．１％大きくなるので、所望の屈折率に合わせて塩素の添加量を調整すればよい。
【００４８】
また、クラッド部１０ｂ，２０ｂの屈折率分布は０．０２％程度のわずかな比屈折率差の変化量で十分なので、光ファイバ１０，２０の線引き時の冷却速度を調整することによって、クラッド部１０ｂ，２０ｂの内部に半径方向に変化した歪みを形成して、その歪みの応力を使って所望の屈折率分布を達成することも可能である。例えば、線引き時の冷却雰囲気としてヘリウムガスを使用すれば、線引き時のガスの熱伝導度が大きいので、光ファイバ１０，２０の表面が急冷され粘度が下がり、線引き張力を受けて引っ張り歪みが内部歪みとして残り易くなる。この内部歪みによる光弾性効果によって屈折率が低下するため、母材のクラッド部に表面部分の屈折率を低くした屈折率分布を形成することができる。なお、線引き張力が大きい場合の方が、この屈折率分布形成の効果を生じ易い。
【００４９】
次に、第１の実施形態に係る光ファイバカプラの具体的な実施例について説明する。
【００５０】
実施例１では、図２に示す屈折率分布を有する光ファイバ１０，２０ を用いて光ファイバカプラ１を形成した。なお、コア部１０ａ，２０ａの外径は４．５μｍ、クラッド部１０ｂ，２０ｂの外径は１２５μｍ、コア部１０ａ，２０ａとクラッド部１０ｂ，２０ｂの最も内側の部分との比屈折率差は１．１％、クラッド部１０ｂ，２０ｂの最も内側の部分とクラッド部１０ｂ，２０ｂの最も外側の部分との比屈折率差は０．０２％とした。また、クラッド部１０ｂ，２０ｂの屈折率の傾斜率は平均で−３．３×１０-4 ％／μｍとした。
【００５１】
実施例２では、図３に示す屈折率分布を有する光ファイバ１０，２０を用いて光ファイバカプラ１を形成した。なお、コア部１０ａ，２０ａの外径は４．５μｍ、内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’の外径は４０μｍ、外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’の外径は１２５μｍ、コア部１０ａ，２０ａと内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’の最も内側の部分との比屈折率差は１．１％、内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’の最も内側の部分と外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’の最も外側の部分との比屈折率差は０．０２％、内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’と外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’との境界部分の比屈折率差は０．００８％とした。また、内クラッド部１０ｂ’，２０ｂ’及び外クラッド部１０ｂ’’，２０ｂ’’の屈折率の傾斜率はそれぞれ平均で−２×１０-4 ％／μｍとした。
【００５２】
比較例１では、図４に示す屈折率分布の光ファイバを用いて光ファイバカプラを形成した。なお、コア部３０ａの外径は４．５μｍ、クラッド部３０ｂの外径は１２５μｍ、コア部３０ａとクラッド部３０ｂとの比屈折率差は１．１％とした。また、クラッド部３０ｂの屈折率は半径方向で一定とした。
【００５３】
比較例２では、図５に示す屈折率分布の光ファイバを用いて光ファイバカプラを形成した。なお、コア部３０ａの外径は４．５μｍ、内クラッド部３０ｂ’の外径は３０μｍ、外クラッド部３０ｂ’’の外径は１２５μｍ、コア部３０ａとクラッド部３０ｂとの比屈折率差は１．１％とした。また、内クラッド部３０ｂ’の屈折率よりも外クラッド部３０ｂ’’の屈折率を高くし、その比屈折率差は０．０１５％とした。
【００５４】
実施例１，２及び比較例１，２について、光ファイバカプラに加工したときの、本線側及び支線側への分岐損失及び過剰損失を調べた。図６〜９は、実施例１，２及び比較例１，２それぞれの、本線側への分岐損失（Ｌ１で示す）、支線側への分岐損失（Ｌ２で示す）及び過剰損失（Ｌ３で示す）の典型的な事例を示すグラフである。左縦軸は本線側及び支線側へのそれぞれの分岐パワーの入力パワーに対する分岐損失を、右縦軸は本線側及び支線側の分岐パワー合計の入力パワーに対する過剰損失を示す。実施例１，２では、過剰損失がほぼ０．１ｄＢ以下であるが、比較例１，２のものは過剰損失が０．１ｄＢ〜０．３ｄＢと大きい。
【００５５】
また、波長１．５５μｍ帯で０．１ｄＢを超える過剰損失のものを不良とした結果、それぞれの歩留まり率は、実施例１が８０％、実施例２が９５％、比較例１が５０％、比較例２が１０％であった。これらの結果から、実施例のものは比較例のものと比較して、過剰損失が少ないことを確認することができた。
【００５６】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５７】
まず、第２の実施形態に係る光ファイバカプラの背景について、図１０〜図１３を用いて説明する。図１０は、光ファイバのモードフィールド径と曲げ損失との関係を示す図である。この図では、光ファイバの屈折率プロファイルとして３種類のものを想定した。何れの光ファイバもコア部の屈折率プロファイルが
【数３】
Figure 0003829665
なる式で表されるα乗分布で表されるものである。
【００５８】
ここで、ａは光ファイバのコア半径であり、ｒは光軸中心からの径方向の距離であり、Δｎ(ｒ)は位置ｒにおける比屈折率差であり、Δｎpeakは比屈折率差のピーク値である。なお、比屈折率差はクラッド部の屈折率を基準とする。図１０には、カットオフ波長を９４８ｎｍとして、α＝１，α＝２およびα＝１０２それぞれの場合について、波長１５５０ｎｍにおけるモードフィールド径と曲げ損失（曲げ径２０ｍｍφ）との関係が示されている。
【００５９】
また、図１１は、光ファイバのα値と曲げ損失との関係を示す図である。これら図１０および図１１から判るように、光ファイバのモードフィールド径が小さいほど、光ファイバの曲げ損失は小さい。また、光ファイバのα値が小さいほど、光ファイバの曲げ損失は小さい。これは、カットオフ波長が一定であれば、α値が小さいほど、コア径が大きくなり、コア部への光の閉じ込め率が高くなるからであると考えられる。
【００６０】
図１２は、光ファイバの曲げ損失とこの光ファイバを用いた光ファイバカプラの過剰損失との関係を示す図である。この図でも、波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失（曲げ径２０ｍｍφ）と過剰損失との関係が示されている。この図から判るように、光ファイバの曲げ損失が小さいほど、光ファイバカプラの過剰損失が小さい。また、図１０〜図１２から、カットオフ波長が一定であれば、α値が小さいほど、この光ファイバを用いた光ファイバカプラの過剰損失が小さいことが判る。
【００６１】
図１３は、光ファイバのα値と比屈折率差ピーク値との関係を示す図である。ここでは、モードフィールド径およびカットオフ波長それぞれを一定とした。この図から判るように、α値が小さいほど、比屈折率差ピーク値Δｎpeakが大きくなる。しかし、比屈折率差ピーク値Δｎpeakが大きい光ファイバは製造が容易ではない。
【００６２】
ところで、光ファイバから光ファイバカプラが製造される際には、その光ファイバカプラが使用される状況が考慮された上で、光ファイバのモードフィールド径やカットオフ波長が適切に設計される。そして、過剰損失の低減の為には、α値は小さい方が好ましい。すなわち、光ファイバカプラに用いられる光ファイバのコア部の屈折率プロファイルは、α値が大きいステップ型の屈折率プロファイルより、α値が３以下である屈折率プロファイルが好ましく、特にα値が１〜２．５である屈折率プロファイルが好ましい。本願発明は以上のような知見に基づいてなされたものである。
【００６３】
次に、第２の実施形態に係る光ファイバカプラについて説明する。本実施形態に係る光ファイバカプラ１は、図１に示したものと同様に、第１及び第２の光ファイバ１０，２０が並列配置され、溶融延伸されて製造されたものである。第１の光ファイバ１０および第２の光ファイバ２０それぞれは、石英ガラスをベースとするものであって、コア部１０ａ，２０ａとこれを取り囲むクラッド部１０ｂ，２０ｂとを含み、コア部１０ａ，２０ａに屈折率上昇剤（例えばＧｅＯ2）が所定の径方向分布で添加されている。
【００６４】
そして、第１及び第２の光ファイバ１０，２０それぞれは、光軸中心からの径方向の距離をｒとし、クラッド部１０ｂ，２０ｂの屈折率を基準とするコア部１０ａ，２０ａ内の位置ｒにおける比屈折率差をΔｎ(ｒ)とし、比屈折率差Δｎ(ｒ)が位置ｒpeakでピーク値Δｎpeak（＝Δｎ(ｒpeak)）であるとし、コア半径をａとしたときに、「ｒpeak≦ｒ≦ａ」の範囲において比屈折率差Δｎ(ｒ)が
【数４】
Figure 0003829665
関係を満たす。また、好適には、「ｒpeak≦ｒ≦ａ」の範囲において比屈折率差Δｎ(ｒ)が
【数５】
Figure 0003829665
なる関係を満たす。このような条件が満たされることにより、光ファイバ１０，２０の曲げ損失は小さく、光ファイバカプラ１の過剰損失も小さい。
【００６５】
なお、第２の実施形態にかかる光ファイバカプラ１では、第１及び第２の光ファイバ１０，２０それぞれについて、１．５μｍ〜１．６μｍ波長帯（１．５０μｍ〜１．６５μｍ）における曲げ損失が、曲げ半径１５ｍｍにおいて１ｄB／ｍ未満であると好ましい。このようにすれば、第１及び第２の光ファイバ１０，２０それぞれの曲げ損失が小さくなり、カプラを形成したときの過剰損失を充分に低減することができる。
【００６６】
図１４は、本実施形態に係る光ファイバカプラ１に用いられる光ファイバ１０，２０の屈折率プロファイルを説明する図である。この図には、α＝１の場合の上記（３）式の直線Ａ、α＝２．５の場合の上記（３）式の曲線Ｂ、および、α＝３の場合の上記（３）式の曲線Ｃそれぞれが示されている。第１の光ファイバ１０および第２の光ファイバ２０それぞれの比屈折率差Δｎ(ｒ)は、「ｒpeak≦ｒ≦ａ」の範囲において、直線Ａと曲線Ｃとの間にあり、より好適には直線Ａと曲線Ｂとの間にある。
【００６７】
なお、「０≦ｒ＜ｒpeak」の範囲においては、比屈折率差Δｎ(ｒ)は、直線Ａと曲線Ｃとの間にあってもよいが、直線Ａと曲線Ｃとの間になくてもよい。例えば、比屈折率差Δｎ(ｒ)がピーク値Δｎpeakとなる位置は光軸中心でなくてもよく、光軸中心（ｒ＝０）における比屈折率差Δｎ(０)はピーク値Δｎpeakより小さくてもよい。ただし、比屈折率差Δｎ(ｒ)は、０≦ｒ≦ａ／２の範囲の距離ｒにおいてピーク値Δｎpeakをとると好ましい。このようにすれば、ファイバのコア部中心の凹部の影響によるカプラ化時の損失を低減することができる。
【００６８】
また、光ファイバ１０，２０のカットオフ波長λCは、使用する最短波長より短い必要がある。この際、使用する最長波長での曲げ損失が低減できると、カプラにした際の過剰損失が小さい。例えば、励起光波長９８０ｎｍであって、波長１．５５μｍ帯の信号光を光増幅する光増幅器において、光合波器として光ファイバカプラ１が用いられる場合、光ファイバ１０，２０のカットオフ波長λCは９８０ｎｍ以下で、使用最長波長は１５７０ｎｍにまで伸びるので、その波長差は５９０ｎｍにもなる。曲げ損失に対する特徴は、使用波長とカットオフ波長λCとの差が大きいほど顕著に現れる。特に、３００ｎｍ以上の波長差がある場合に、上記３乗以下の放物線型屈折率分布の効果が大きい。
【００６９】
図１５は、α＝２の屈折率プロファイルを有する光ファイバの設計を説明する図である。この図では、コア径を横軸とし比屈折率差ピーク値を縦軸とする２次元平面上に、カットオフ波長λCが各値（９００ｎｍ，９４０ｎｍ，９８０ｎｍ）となるライン、波長９８０ｎｍにおけるモードフィールド径ＭＦＤが各値（３．８μｍ，４．０μｍ，４．２μｍ）となるライン、および、波長１５５０ｎｍにおける曲げ径１５ｍｍφでの曲げ損失αBが各値（１０-3ｄＢ／ｍ，１０-2ｄＢ／ｍ，１０-1ｄＢ／ｍ，１ｄＢ／ｍ）となるラインが示されている。なお、曲げ径１５ｍｍφでの曲げ損失αBは曲げ径２０ｍｍφでの曲げ損失の１０倍程度であり、また、実際に製造された光ファイバの曲げ損失は設計上の光ファイバの曲げ損失の１０倍程度であるから、設計上の曲げ径１５ｍｍφでの曲げ損失αBは実際の曲げ径２０ｍｍφでの曲げ径と同程度とみなすことができる。
【００７０】
Ｅｒ元素添加光ファイバを光増幅媒体として用いた励起光波長９８０ｎｍの光増幅器において光合波器として光ファイバカプラ１が用いられる場合、この光ファイバカプラ１に用いられる光ファイバ１０，２０のカットオフ波長λCは、９８０ｎｍ以下であることが必要である。また、波長９８０ｎｍにおける光ファイバ１０，２０の曲げ損失αB（曲げ径１５ｍｍφ）は、０．１ｄＢ／ｍ以下であることが望ましい。また、波長９８０ｎｍにおける光ファイバ１０，２０のモードフィールド径ＭＦＤは、３．８μｍ以上４．６μｍ以下であるのが好ましい。図１５中のハッチング領域は、これらの諸条件が全て満たされる好適範囲を示している。
【００７１】
この図１５中のハッチング領域から判るように、比屈折率差が１．２６％以下である範囲では、光ファイバ１０，２０のコア径は、上限がカットオフ波長λCで規定され、下限が曲げ損失αBで規定される。比屈折率差が１．２６％以上である範囲では、光ファイバ１０，２０のコア径は、上限がカットオフ波長λCで規定され、下限がモードフィールド径ＭＦＤで規定される。また、比屈折率差が１．２０％以上１．２６％以下である範囲で、コア径の変動は±４％程度まで許容される。この光ファイバカプラ用の光ファイバ１０，２０のコア径の許容範囲（±４％程度）は、通常の分散シフト光ファイバや分散補償光ファイバにおけるコア径の許容範囲（±０．５％程度）と比べて広いので、このような光ファイバの製造が容易となる。
【００７２】
なお、α値が大きいステップ型の屈折率プロファイルの場合には、上記のカットオフ波長、モードフィールド径および曲げ損失の諸条件が満たされる好適範囲は存在しない。以上のように、光ファイバカプラ１用の光ファイバ１０，２０のコア部１０ａ，２０ａの屈折率プロファイルが適切に設計されることにより、光ファイバ１０，２０の曲げ損失が低減され、また、光ファイバカプラ１の過剰損失も低減される。さらに、光ファイバ１０，２０の製造が容易であり、ひいては、光ファイバカプラ１の製造が容易であり、歩留まりが優れ、製造コストが安価となる。
【００７３】
次に、本実施形態に係る光ファイバカプラ１に用いられる光ファイバ１０，２０の製造方法（ロッドインチューブ法）の一例を説明する。初めに、コアロッド、第１クラッドパイプおよび第２クラッドパイプを用意する。コアロッドは、石英ガラスにＧｅＯ2が添加されていて上述した屈折率プロファイルを有するものであって、α＝２であり、比屈折率差の最大値が１．２０％以上１．２５％以下である。第１クラッドパイプおよび第２クラッドパイプそれぞれは、塩素脱水処理した石英ガラスのパイプであって、内壁に近いほど塩素濃度が高い。第１クラッドパイプは、内壁近傍における塩素濃度が例えば２５００ｐｐｍ程度のものである。一方、第２クラッドパイプは、内壁近傍における塩素濃度が例えば１２００ｐｐｍ程度のものである。
【００７４】
コアロッドは、延伸されて外径５．５ｍｍφ程度とされ、その後、ＨＦ溶液で外周面がエッチングされる。このコアロッドは第１クラッドパイプに挿入され、両者は、コラプスされて外径２４ｍｍφとされ、延伸されて外径９．５ｍｍφとされ、その後、ＨＦ溶液で外周面がエッチングされて外径７．０ｍｍφとされる。さらに、ＨＦ溶液処理後のコアロッドおよび第１クラッドパイプは第２クラッドパイプに挿入され、これらは、コラプスされて外径２４ｍｍφとされ、さらに、延伸、ジャケット付け、焼結（但し、塩素脱水無し）、延伸の各工程を経て、光ファイバ母材とされる。なお、光ファイバ母材は、例えばＶＡＤ法等の他の製造方法により製造してもよい。
【００７５】
そして、この光ファイバ母材が線引されて、光ファイバが製造される。この光ファイバは、上述した本実施形態に係る光ファイバカプラ１に用いられる光ファイバ１０，２０である。さらに、これら第１の光ファイバ１０と第２の光ファイバ２０とが並列配置され溶融延伸されて、本実施形態に係る光ファイバカプラ１が製造される。
【００７６】
図１６は、以上のようにして製造された光ファイバ母材の屈折率プロファイルを示す図である。同図（ｂ）は、同図（ａ）を縦軸方向に拡大したものである。この光ファイバ母材は、光軸中心から順にコア部、第１クラッド部、第２クラッド部および第３クラッド部を有している。光ファイバ母材のコア部は、当初のコアロッドに相当し、線引後の光ファイバのコア部に相当する。光ファイバ母材の第１クラッド部は、当初の第１クラッドパイプに相当し、線引後の光ファイバの第１クラッド部に相当する。光ファイバ母材の第２クラッド部は、当初の第２クラッドパイプに相当し、線引後の光ファイバの第２クラッド部に相当する。また、光ファイバ母材の第３クラッド部は、当初のジャケットに相当し、線引後の光ファイバの第３クラッド部に相当する。
【００７７】
この図から判るように、コア部における屈折率分布は２乗分布である。第１クラッド部における屈折率分布は光軸中心に近いほど屈折率が大きく、同様に、第２クラッド部における屈折率分布は光軸中心に近いほど屈折率が大きい。もし、第１クラッドパイプおよび第２クラッドパイプそれぞれの塩素濃度が互いに同程度であれば、第１クラッド部と第２クラッド部との界面の近傍領域に低屈折率のディプレスト部が形成されるところである。しかし、上述した製造方法では第１クラッドパイプの塩素濃度より第２クラッドパイプの塩素濃度が充分に小さいことから、第１クラッド部と第２クラッド部との界面の近傍領域にディプレスト部が形成されていない。上述した製造方法ではジャケット付け後に塩素脱水処理を行わないことから、第３クラッド部における屈折率は径方向に略一定の小さい値となっている。また、コアロッドの外径が比較的大きいので、コアロッドを第１クラッドパイプに挿入した後のコラプスの際にコアロッドの変形が抑制され、コア部と第１クラッド部との界面における気泡（コアロッド表面のＧｅＯ2に起因）の発生が抑制される。
【００７８】
以上のようにして製造された光ファイバ母材が線引されて得られた光ファイバは、カットオフ波長が９８０ｎｍ以下であり、波長９８０ｎｍにおけるモードフィールド径が３．９μｍ〜４．１μｍであり、波長１５５０ｎｍにおける曲げ径２０ｍｍφでの曲げ損失が０．８ｄＢ／ｍ以下であった。また、このような光ファイバを用いて製造された光ファイバカプラは、波長１５５０ｎｍにおける過剰損失が０．０１ｄＢ程度であって測定誤差範囲にとどまった。
【００７９】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００８０】
上記した第１の実施形態では、光ファイバカプラ１を構成する光ファイバ１０，２０のクラッド部１０ｂ、２０ｂの屈折率分布を調整することで、過剰損失の低減を図っていた。また第２の実施形態では、光ファイバカプラ１を構成する光ファイバ１０，２０のコア部１０ａ，２０ａの屈折率分布を調整することで、過剰損失の低減を図っていた。
【００８１】
これに対し、第３の実施形態に係る光ファイバカプラ１は、上記した第１及び第２の実施形態に係る光ファイバカプラ双方の特徴を含み、光ファイバカプラ１を構成する光ファイバ１０，２０のコア部１０ａ、２０ａ及びクラッド部１０ｂ，２０ｂの双方の屈折率分布を、第１及び第２の実施形態で説明したのと同様に調整している。このようにすれば、クラッド部１０ｂ，２０ｂの屈折率分布を調整することで第１の実施形態に係る光ファイバカプラと同様の作用効果を奏し得ることができ、またコア部１０ａ，２０ａの屈折率分布を調整することで第２の実施形態に係る光ファイバカプラと同様の作用効果を奏し得ることができ、もって過剰損失のより一層の低減を図ることが可能となる。
【００８２】
以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、上記した特許請求の範囲に含まれるものである。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、過剰損失が充分に低減された光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用の光ファイバが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１〜３の実施形態に係る光ファイバカプラの構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る光ファイバカプラに用いる光ファイバの屈折率分布の一例を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光ファイバカプラに用いる光ファイバの屈折率分布の他の例を示す図である。
【図４】比較例１の光ファイバカプラに用いる光ファイバの屈折率分布を示す図である。
【図５】比較例２の光ファイバカプラに用いる光ファイバの屈折率分布を示す図である。
【図６】実施例１の光ファイバカプラの分岐損失及び過剰損失の例を示すグラフである。
【図７】実施例２の光ファイバカプラの分岐損失及び過剰損失の例を示すグラフである。
【図８】比較例１の光ファイバカプラの分岐損失及び過剰損失の例を示すグラフである。
【図９】比較例２の光ファイバカプラの分岐損失及び過剰損失の例を示すグラフである。
【図１０】光ファイバのモードフィールド径と曲げ損失との関係を示す図である。
【図１１】光ファイバのα値と曲げ損失との関係を示す図である。
【図１２】光ファイバの曲げ損失とこの光ファイバを用いた光ファイバカプラの過剰損失との関係を示す図である。
【図１３】光ファイバのα値と比屈折率差ピーク値との関係を示す図である。
【図１４】第２の実施形態に係る光ファイバカプラに用いられる光ファイバの屈折率プロファイルを説明する図である。
【図１５】α＝２の屈折率プロファイルを有する光ファイバの設計を説明する図である。
【図１６】光ファイバ母材の屈折率プロファイルを示す図である。
【図１７】過剰損失を説明するための光ファイバカプラの構成を示す図である。
【図１８】光ファイバカプラの出力波形を示す図であって、図１８（ａ）は過剰損失が無い例を、図１８（ｂ）は過剰損失がある例を示す。
【符号の説明】
１…光ファイバカプラ、１０…第１の光ファイバ、２０…第２の光ファイバ、１０ａ，２０ａ…コア部、１０ｂ，２０ｂ…クラッド部。

Claims (10)

  1. 使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第１及び第２の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラであって、
    前記第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする光ファイバカプラ。
  2. 前記第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、前記クラッド部の前記屈折率の低下の割合は、径方向の所定領域においてその内側及び外側よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバカプラ。
  3. 前記第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、前記クラッド部の横断面における平均屈折率と最小屈折率との差が０．０２％以下であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバカプラ。
  4. 前記第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、前記クラッド部の屈折率分布は、ＳｉＯ２ガラス中における塩素原子、ＧｅＯ２、及びＯＨ基のうちの少なくともいずれかの濃度分布によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバカプラ。
  5. 前記第１及び第２の光ファイバそれぞれについて、前記クラッド部の屈折率分布は、光ファイバの線引き時に与えられる内部歪みの分布によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバカプラ。
  6. 使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第１及び第２の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラ用の光ファイバであって、
    コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする光ファイバカプラ用の光ファイバ。
  7. 前記クラッド部の前記屈折率の低下の割合は、径方向の所定領域においてその内側及び外側よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の光ファイバカプラ用の光ファイバ。
  8. 前記クラッド部の横断面における平均屈折率と最小屈折率との差が０．０２％以下であることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバカプラ用の光ファイバ。
  9. 前記クラッド部の屈折率分布は、ＳｉＯ２ガラス中における塩素原子、ＧｅＯ２、及びＯＨ基のうちの少なくともいずれかの濃度分布によって形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバカプラ用の光ファイバ。
  10. 前記クラッド部の屈折率分布は、光ファイバの線引き時に与えられる内部歪みの分布によって形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバカプラ用の光ファイバ。
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