JP4235733B2 - 低偏光モード分散の光ファイバを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、低偏光モード分散光ファイバを製造する方法に関する。

均一な直径の完全に円筒状のコアを有するファイバの場合、シングルモード光ファイバを通じて伝送された光信号は、等速度にて伝搬する２つの直交偏光モードを備えている。しかし、実際の光ファイバにおいて、形状の不良又は不均一な応力のためコアの円筒状の対称性が損なわれる可能性がある。その結果、２つのモードの間に位相差が蓄積する可能性があり、ファイバは、「複屈折」を示すといわれている。特に、形状及び内部応力の非対称性により導入される複屈折は、「固有の線状複屈折」として知られている。

複屈折を生じさせる光ファイバの構造的及び幾何学的不規則性は、典型的に、プリフォーム自体から生じ、且つファイバを引き抜く過程の間、変化する。この引抜き過程は、通常、ガラスプリフォームから開始して、「引抜きタワー」として知られた装置によって行われる。実際には、プリフォームが垂直位置に配置され、且つ適宜な加熱炉内にて軟化点以上の温度まで加熱された後、溶融材料は、光ファイバ自体を形成する糸状要素を形成し得るような仕方にて制御された速度で下方に引き抜かれる。この過程中、ファイバ内に非対称の応力が典型的に導入される。

複屈折ファイバにおいて、最初に互いに同一位相にある基本モードの２つの構成要素は、一般に、「ビート長さ（ｂｅａｔ ｌｅｎｇｔｈ）」として知られた特定の長さの後にのみ、再度、同一位相となる。換言すれば、ビート長さは、特定の偏光状態が反復する期間である（ファイバがこの長さに亙って一定の複屈折を維持するものと仮定して）。

いわゆる「偏光保持ファイバ」において、複屈折を生じさせるため意図的に非対称がファイバ内に導入される。しかし、通常の（すなわち、非偏光保持型）ファイバにおいて、複屈折は有害である。実際上、パルス式信号が光ファイバ内に伝達されたとき、パルスにより励起された２つの偏光構成要素は、異なる群速度にて移動する（すなわち、分散される）から、複屈折は、パルスが拡がる潜在的な原因である。偏光モード分散（ＰＭＤ）として知られたこの現象は、定期的増幅型光誘導システムにおけるその重要性のため、近年、広く研究されている。

典型的に、ＰＭＤのこの現象の結果、信号伝送帯域の幅が制限され、その結果、上述した信号が伝送されるときに通る光ファイバの性能が劣化することになる。このため、この現象は、光ファイバに沿った信号伝送システムにて、特に、あらゆる形態の信号の減衰又は分散を最小にし、伝送及び受信における高性能を保証することが必要である、長距離に亙って作動するシステムにて望ましくない。

光ファイバ内での偏光モード分散を減少させるため、引抜き過程の間、ファイバをスピンさせ、ファイバがその長手方向軸線の周りにて捩れ、それに伴い、加熱炉内にてファイバ材料の粘性領域が捩れ変形するようにすることが提案されている。この変形は、ファイバが冷却によってその粘性状況を失うのに伴い、ファイバ内に恒久的に導入（ｆｒｏｚｅｎ ｉｎｔｏ）される。

スピニングのため、ファイバの偏光軸線の回転がファイバに加えられる（また、恒久的に導入される）。その結果、光パルスが光ファイバ内に伝送されたとき、これらの光信号は、交互に、遅速及び急速複屈折軸線にて伝搬し、これにより、相対的遅延を補償し、且つパルスの拡がりを減少させる。このことは、パルスに対する局部的な有効屈折率をファイバに沿ったパルス長さに亙って求められる
２つの軸線における平均屈折率と等しくすることと等価的である。

本明細書及び特許請求の範囲において、
「付与されたスピン」又は「付与された捩れ」とは、ファイバがその長手方向軸線の周りにて回転するように、引抜き過程中、スピニング装置によりファイバに加えられた捩れを意味する。

「実際に付与されたスピン」又は「実際に付与された捩れ」とは、例えば、ファイバとスピニング装置との間の境界面における滑りのような、可能な機械的効果に拘らず、引抜き過程中、ファイバに有効に付与された捩れを意味する。

「粘性領域」とは、加熱炉内にて、粘性状況となるのに十分に高い温度を有する光ファイバのガラス材料の長手方向部分を意味する。
「粘性領域の長さ」とは、その最高熱箇所とその出口箇所との間にある加熱炉の部分の長さに実質的に相応する、粘性状況にある上記長手方向部分の長さを意味する。例えば、上側マッフルと、高温領域を画成するコアマッフルと、下側マッフルとを備える加熱炉において、粘性領域の長さは、高温領域の中央部分と下側マッフルの下端との間にある加熱炉の部分の長さとほぼ等しくすることができる。

「恒久的に導入したスピン（ｆｒｏｚｅｎ−ｉｎ ｓｐｉｎ）」又は「恒久的に導入した捩れ（ｆｒｏｚｅｎ−ｉｎ ｔｏｒｓｉｏｎ）」とは、加熱炉内のファイバ材料の粘性領域に加わる捩れ変形の結果、スピニング過程中、冷却したとき、ファイバに恒久的に刻印される捩れを意味する。

「付与された最大スピン」又は「付与された最大捩れ」とは、付与された捩れの最大値を意味する。
「恒久的に導入した最大スピン」又は「恒久的に導入した最大捩れ」とは、恒久的に導入した捩れの最大値を意味する。

「捩れ戻り」とは、それ以前の捩れ方向と反対方向を有する捩れを意味する。
「少なくとも５０％の捩れ戻り」とは、それ以前の捩れにより付与された変位角度の少なくとも２分の１に等しい変位角度を付与し得るようにされた捩れ戻りを意味する。

「回復」とは、比（Ｔ_付与−Ｔ_ｆｒ）／Ｔ_付与、を意味し、ここで、Ｔ_付与は実際に付与された最大捩れであり、Ｔ_ｆｒは最大の恒久的に導入された捩れである。
「実質的に正弦波状スピン」とは、米国特許明細書６，２４０，７４８号に開示されたように、その振動成分（基本的成分）の１つに対する係数の大きさがその他の全ての振動成分に対する係数及び任意の一定の成分に対する大きさに優越するスピン関数を意味する。量的な表現にて、基本的成分に対する係数の大きさが二次的成分の各々に対する係数及び一定の成分の係数の大きさの少なくとも約３倍であるとき、優越が生ずる。上記係数の大きさは、当該技術にて周知の従来の技術を使用してスピン関数の複雑なフーリエ複素解析（ｃｏｍｐｌｅｘ Ｆｏｕｒｉｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ）を行うことにより決定することができる。

米国特許明細書５，２９８，０４７号には、ファイバを引き抜く間、恒久的に導入されたスピン（すなわち、恒久的に導入された捩れ変形）がファイバに刻印されるように捩れがファイバに付与されるならば、ＰＭＤを実質的に減少させることが可能であることが開示されている。ファイバに刻印されたスピンが交互に時計方向に及び反時計方向のら旋性を有するように捩れが付与される。この特許明細書には、４スピン／ｍ以下のスピンが刻印されたファイバはＰＭＤの点にて商業的に顕著な減少を示すことがないと記述されている。このように、この特許明細書は、ファイバに刻印されたスピンは少なくともその一部分が４スピン／ｍ以上、好ましくは、１０又は更に２０スピン／ｍ以上となるようにファイバに捩れを付与すべきことを教示している。

米国特許明細書６，２４０，７４８号には、上述した米国特許明細書５，２９８，０４７号により開示されたように、従来の正弦波状スピン関数はファイバのビート長さが僅かな値である場合にのみ、ＰＭＤを減少させることができると記述されている。例えば、米国特許明細書６，２４０，７４８号には、３回／ｍのスピン振幅及び２ｍ^−１の空間的周波数ｆを有する従来の正弦波状スピン関数は、約４分の１ｍのビート長さにて低ＰＭＤの減少因子を有する一方、より長いビート長さの場合、このＰＭＤの減少効果を維持することはないことが示されている。このため、米国特許明細書６，２４０，７４８号は、商業的なファイバに対し低ＰＭＤレベルを実現するため十分な調和コンテントを有するスピン関数に従って引抜き過程の間、ファイバをスピンすることにより、シングルモード光ファイバにおけるＰＭＤを減少させることを教示しており、上記商業的ファイバの場合、ファイバの異なる部分のビート長さを含む、ファイバのビート長さは変更可能であり、このため、事前に容易に知ることはできない。多岐に亙るビート長さに対し低ＰＭＤレベルを実現することのできる適宜なスピン関数の例は、周波数変調し且つ、振幅変調した正弦波である。しかし、当該出願人は、この後者の特許明細書により開示されたスピン関数は複雑で且つ高価なスピン装置を使用することを必要とすることを認識している。

しかし、米国特許明細書６，２４０，７４８号には、ファイバを製造するときに採用されるスピン関数及び完成したファイバ中に存在する形成された（恒久的に導入した）スピン関数は全体として同一ではなく、それは、例えば、ファイバとスピン関数をファイバに付与するために使用した装置との境界面における滑りのような機械的作用のためであると記述されている。しかし、該特許明細書は、スピニング装置により付与されたスピン関数とファイバ中に形成されるスピン関数との間の相応性は全体として、本明細書に開示された本発明の有利な効果を実現するのに十分、良好であると述べている。

これと相違して、当該出願人は、上記機械的効果が存在しない場合でさえ、付与されたスピン関数と「恒久的に導入した」スピン関数との間に実質的な差が存在する低ＰＭＤファイバを製造する新たな技術を開発した。この技術に従い、ファイバ材料が加熱炉を通る間、捩れ及び少なくとも５０％の捩れ戻りがファイバ材料の粘性領域に付与される。

当該出願人は、捩れ及び少なくとも５０％の捩れ戻りの双方がファイバ材料の粘性領域に付与されたとき、恒久的に導入したスピン関数振幅が実際に付与されたスピン関数振幅よりも遥かに小さい場合でさえ、顕著なＰＭＤの減少が実現されることを知った。より具体的には、上述した米国特許明細書５，２９８，０４７号の教示と相違して、当該出願人は、これらの状態において、恒久的に導入した最大のスピンが４回転／ｍ以下であるときでさえ、ＰＭＤの顕著な減少が実現されることを知った。実際に、当該出願人は、実際に付与された最大のスピンは４回転／ｍ以上であれば十分であることを知った。

何らかの理論に拘束されることを意図することなく、当該出願人は、捩れ及び少なくとも５０％の捩れ戻りの組み合わせが付与されたとき、恒久的に導入したスピンが付与されたスピンよりも遥かに少ないにもかかわらず、ファイバ材料の各部分により加熱炉内で加えられる粘性捩れは光ファイバの幾何学的非対称性に顕著に影響し、このため、その局部的複屈折の強さ、（すなわち、局部的なビート長さ）に影響を与えるため、ＰＭＤの顕著な減少が実現されると考える。当該出願人は、粘性捩れは光ファイバに沿った複屈折の強さを拡げ、このため、スピンした光ファイバの異なる部分のビート長さの値が相違するようにすることを考える。スピンなしの光ファイバに対するスピンした光ファイバに沿ったかかるビート長さの相違は、２つの直交偏光モード間の混合を著しく増大させ（簡単な正弦波状スピン関数の場合でさえ）、ＰＭＤを減少させる。このように、当該出願人は、粘性捩れはファイバに沿ったビート長さに影響を与え、このため、簡単な正弦波状のスピン関数の場合でさえ、ビート長さが極めて長いファイバ（スピンなし）にてもＰＭＤの減少が実現されると考える。

従って、当該出願人は、捩れ及び少なくとも５０％の捩れ戻りがその粘性状況にあるファイバに付与されたとき、主として粘性捩れの上述した効果のため、及び部分的に、恒久的に導入したスピンの効果のため、ＰＭＤは減少する。

第一の面において、本発明は、
ａ）ガラス材料で出来た光ファイバのプリフォームを提供するステップと、
ｂ）光ファイバプリフォームの一端部分のガラス材料を加熱するステップと、
ｃ）光ファイバを形成し得るよう加熱されたガラス材料を引抜き速度Ｖにて引き抜き、引き抜いたガラス材料は粘性領域を有するようにするステップと、
ｄ）光ファイバに対し、粘性領域に伝達される実質的に正弦波状のスピンを付与するステップとを備える、低偏光モード分散光ファイバを製造する方法において、
スピン関数周波数ν、粘性領域の長さＬ及び引抜き速度Ｖは、捩れ及び少なくとも５０％の捩れ戻りが粘性領域に付与されるようなものであることを特徴とする、方法に関する。

本発明の目的のため、「捩れ及び少なくとも５０％の捩れ戻りが粘性領域に付与された」という状態は、１回の捩れ及び少なくとも５０％の１回の捩れ戻りが粘性領域に付与された状態、及び最後の捩れ戻りが少なくとも５０％であることを条件として、より多数回の捩れ及び捩れ戻りが粘性領域に付与される状態の双方を含む。

更に、上記状態は、少なくとも０．５の回復Ｒが実現され得るようにスピン関数周波数ν、粘性領域の長さＬ及び引抜き速度Ｖを選ぶ状態に相応する。
従属請求項は、本発明の特定の実施の形態に関する。

好ましくは、スピン関数周波数ν、粘性領域の長さＬ及び引抜き速度Ｖは、捩れ及び少なくとも６０％の捩れ戻りの双方が粘性領域に付与されるようなものである。この状態は、スピン関数周波数ν、粘性領域の長さＬ及び引抜き速度Ｖが少なくとも０．６の回復Ｒを実現し得るようなものである状態に相応する。

当該出願人は、少なくとも５０％（好ましくは、少なくとも６０％）の回復の場合、ＰＭＤの減少に対する粘性捩れの効果は、恒久的に導入した捩れの効果を覆すと考える。更に、当該出願人は、少なくとも５０％（好ましくは、少なくとも６０％）の回復は、恒久的に導入したスピンが付与されたスピンよりも遥かに少ない場合でさえ、ＰＭＤを著しく減少させることを許容すると考える。

望ましくは、スピン関数周波数ν、粘性領域の長さＬ及び引抜き速度Ｖは、１．２＊Ｌ≦Ｖ／ν≦６．７＊Ｌとなるようなものである。当該出願人は、このことは、少なくとも５０％の回復を実現することを許容することを知った。好ましくは、１．７＊Ｌ≦Ｖ／ν≦３．３＊Ｌとする。当該出願人は、このことは、少なくとも６０％の回復を実現することを許容することを知った。

望ましくは、スピン関数周波数ν、スピン関数振幅θ_０、及び引抜き速度Ｖは、付与された最大捩れが少なくとも４回転／ｍであるようなものとする。望ましくは、スピン関数周波数ν、スピン関数振幅θ_０、及び引き抜き速度Ｖは、恒久的に導入した最大捩れが４回転／ｍ以下であるようなものとする。

望ましくは、スピン関数振幅θ_０（回転数にて）は、（２Ｖ）／（νπ）≦θ_０≦（２Ｖ）／［νπ（１−Ｒ）］となるようにし、ここで、Ｒは回復、Ｖは引抜き速度（ｍ／秒にて）、及びνはスピン関数周波数（ヘルツにて）であるものとする。このことは、付与された最大捩れを少なくとも４回転／ｍとし、また、恒久的に導入した最大捩れを４回転／ｍ以下にする。

次に、本発明の特徴及び有利な点について、添付図面に非限定的な例として示した実施の形態に関して説明する。

図１を参照すると、引抜きタワー１は、垂直の引抜き軸線２内にて実質的に整合された（このため、「タワー」という語が使用される）複数の装置を備えている。
詳細には、タワー１は、プリフォーム３の下端部分（プリフォームのネックダウン部としても知られる）の制御された溶融を行う加熱炉６と、プリフォーム３を支持し且つ、該プリフォームを上方から加熱炉６内に供給する供給装置７と、ファイバ４をプリフォーム３から引き出す牽引装置８（タワーの下端にある）と、ファイバ４をリール（図示せず）に格納する巻き取り装置９とを備えている。

典型的に、ガラスプリフォーム３のファイバ材料は、ＳｉＯ_２及びＧｅＯ２を備えている。
加熱炉６は、プリフォームを制御された状態にて溶融させる設計とされた任意の従来型式のものとすることができる。加熱炉６は、例えば、（以下により良く説明するように）、上側マッフルと、加熱コイルが設けられ且つ、加熱炉６の高温領域を画成するコアマッフルと、下側マッフルとを備えることができる。

好ましくは、例えば、冷却気体の流れが通る設計とされた冷却キャビティを有する型式の冷却装置を加熱炉６の下方に配置して、該加熱炉から出るファイバ４を冷却するようにする。該冷却装置１２は、軸線２に対し同軸状に配置されており、このため、加熱炉６から去るファイバ４は、該冷却装置を通ることができる。

タワー１には、また、張力監視装置１３（例えば、米国特許明細第５，３１６，５６２号に記載された型式のもの）と、また、ファイバ４の張力及び直径をそれぞれ測定するため、加熱炉６と冷却装置１２との間に配置されることが好ましい既知の型式の直径検出器１４とを設けることもできる。

好ましくは、引抜きタワー１は、垂直の引抜き方向に向けて冷却装置１２の下方に配置され且つ、ファイバ４が通るとき、該ファイバ上に第一保護被覆及び第二の保護被覆をそれぞれ堆積する設計とされた公知の型式の、第一及び第二の被覆装置１５、１６を更に備えている。被覆装置１５、１６の各々は、特に、ファイバ４上に所定の量の樹脂を施す設計とされたそれぞれの施工装置１５ａ、１６ａと、樹脂を硬化させ、これにより安定的な被覆を提供する紫外線ランプオーブンのような、それぞれの硬化装置１５ｂ、１６ｂとを備えている。

牽引装置８は、単一プーリー又は二重プーリー型とすることができる。図示した実施の形態において、牽引装置８は、既に被覆されたファイバ４を垂直の引抜き方向に向けて引き抜く設計とされた単一モータ駆動プーリー（又は「キャプスタン」）１８を備えている。牽引装置８には、その作動中、プーリー１８の角速度を表示する信号を発生させる設計とされた角速度センサ１９を設けることができる。例えば、検出器１４により検出された直径の変化に応答してプーリー１８の回転速度及び、このため、ファイバ４の引抜き速度Ｖを、過程中、変化させることができる。

ファイバ４を牽引装置８から巻き取り装置９まで案内するため１つ又はより多くのプーリー３１（又は、その他の型式の案内部材）が設けられることが都合良い。
更に、巻き取る間のファイバの張力を調節するため、「ダンサー」のような張力制御装置（図示せず）を設けることができる。

巻き取り装置９は、既知の型式のものである。
引抜きタワー１は、外部から制御すべきタワー１に沿って存在する装置、センサ及び検出器の全てと電気的に接続された制御装置（図示せず）を更に備えることができる。

最後に、引抜きタワー１は、引き抜く間、その長手方向軸線の周りにてファイバ４にスピンを付与し得るよう、被覆装置１５、１６と、牽引装置８との間に配置されたスピニング装置２０を更に備えている。

本発明の方法に従い、スピニング装置２０は、ファイバに対し実質的に正弦波状のスピンを付与し得るようにされている。本発明の方法にて使用できるスピニング装置の一例は、米国特許明細書６ ３２４ ８７２号に記載されている。

これと代替的に、スピニング装置は、米国特許明細書６ １８９ ３４３号に記載されているように、被覆装置１５、１６の１つ（好ましくは、第一の被覆装置１５）と一体化してもよい。

引抜きタワー１は、次のように作用する。
支持装置７は、プリフォーム３を加熱炉６に供給し、該加熱炉にて、プリフォームの下側部分（ネックダウン部）が溶融する。ネックダウン部から引き抜かれたファイバ４は、牽引装置８から下方に引き出され、且つ巻き取り装置９によってリールに巻かれる。

ファイバ４が引き抜かれるとき、センサ１３、１４は、その張力及び直径を監視する。かかる監視は、例えば、引抜き速度に作用することにより引抜き過程を制御するため利用することができる。加熱炉６から出るとき、ファイバ４は、冷却装置１２により冷却され且つ、被覆装置１５、１６により２つの保護層が被覆される。

引き抜く間、スピニング装置２０は、ファイバに対し実質的に正弦波状のスピンを付与する。この実質的に正弦波状のスピンは、以下のスピン関数により説明することができる。

θ＝θ_０Ｃｏｓ（２πνｔ） （１）
ここで、νは、ヘルツにて測定したスピン関数周波数、ｔは、秒にて測定した時間、θ_０は、一定の基準点に対して測定した光ファイバの回転角度を表わす回転数として測定したスピン関数振幅である。

スピニング装置２０における角速度は、等式（１）の時間導関数、すなわちｄθ／ｄｔにより表される。このため、スピニング装置２０におけるファイバの最大角速度は、次式となる。

Ω＝２πνθ_０ （２）
付与された最大スピンＴは、回転数／ｍにて測定され且つ、最大角速度と引抜き速度Ｖとの間の比により表される。

Ｔ＝Ω／Ｖ＝２πνθ_０／Ｖ （３）
本発明に従い、スピン関数周波数ν、ファイバの粘性長さＬ及び引抜き速度Ｖは、光ファイバ部分の各々が、加熱炉６内にて粘性状況にある間、最初に、捩れを、次に、少なくとも５０％の捩れ戻りが加えられる。

更に、スピン関数周波数ν、スピン関数振幅θ_０及び引抜き速度Ｖは、付与された最大捩れ（等式（３）参照）が少なくとも４回転／ｍであるようなものであることが好ましい。更に、スピン関数周波数ν、スピン関数振幅θ_０及び引抜き速度Ｖは、恒久的に導入した最大捩れが４回転／ｍ以下であるようなものであることが都合良い。すなわち、次の関係が成立することが都合良い、（２Ｖ）／（νπ）≦θ_０≦（２Ｖ）／［νπ（１−Ｒ）］、ここでＲは回復である（本明細書にて上記に規定）。

典型的に、引抜き速度Ｖは少なくとも５ｍ／秒である。典型的に、引抜き速度Ｖは２０ｍ／秒以下である。典型的に、引抜き張力は少なくとも４０グラムである。典型的に、引抜き張力は４００グラム以下である。典型的に、粘性領域の長さＬは少なくとも０．３ｍである。典型的に、粘性領域の長さＬは２ｍ以下である。典型的に、周波数νは少なくとも１である。典型的に、周波数数νは１０ヘルツ以下である。典型的に、スピン関数振幅θ_０は少なくとも２回転である。典型的に、スピン関数振幅θ_０は１０回転以下である。

スピンしたとき、ファイバ４は、相応する捩れを上流及び下流に伝達する。上流にて、捩れはプリフォームのネックダウン部に伝達され、このため、加熱炉６内にて粘性状態にあるファイバガラス材料には粘性捩れ変形が生ずる。上述したように、本発明の方法に従い、ファイバガラス材料の各部分には、加熱炉６内にて粘性状態にある間、捩れと、少なくとも５０％の捩れ戻りとの双方が加わる。捩れ及び少なくとも５０％の捩れ戻りに起因する捩れ変形は、次に、ファイバが冷却するとき、光ファイバ４の相応する各部分内に恒久的に導入される。他方、下流にて、捩れは巻き付けたファイバ４に弾性的に伝達される。しかし、ファイバに対して時計回り方向及び反時計回り方向捩れを交互に付与する実質的に正弦波状のスピン関数のため、巻き付けたファイバ４には、捩れ弾性歪みは実質的に存在しない。

当該出願人は、引抜きタワー１内にて粘性状態にある間、捩れ及び少なくとも５０％の捩れ戻りの双方が光ファイバ４の各々に付与されたとき、恒久的に導入したスピンは実際に付与されたスピンよりも遥かに少なく、また、これにもかかわらず、顕著なＰＭＤの減少が実現されることを知った。

図２には、概略図にて、便宜のため、水平方向方位にて、加熱炉６と、参照番号３ａで示したプリフォームネックダウン部から引き抜かれるときの光ファイバ４と、加熱炉６内及びファイバ４の温度プロフィール（軸線２に沿った）とが示されている。矢印は、ファイバ４の前進方向（左方向から右方向）を示す。

開示された実施の形態において、加熱炉６は、上側マッフル６ａと、加熱コイル６ｃにより取り囲まれた中央マッフル６ｂと、下側マッフル６ｄとを備えている。温度線図は、Ｔ_加熱炉で示した、加熱炉の内壁の温度プロフィールを示す。加熱コイル６ｃにより取り囲まれた中央マッフル６ｂの領域は、その長さをｗで示した、加熱炉６の高温領域を画成する。高温領域内にて、温度Ｔ_加熱炉は、ピーク値を有し、ネックダウン部３ａの材料は溶融し、これにより、該材料を引き抜くことを許容する。

ファイバ４は、加熱炉６内にて形成されるとき、粘性領域４ａ（灰色で図示）、すなわち極めて高温度であり、このため、ガラス材料が粘性状況にある長手方向部分を有している。特に、粘性領域４ａにおいて、Ｔ_ファイバで示したファイバ４の温度は、粘性閾値温度Ｔ_粘性（温度線図に水平線で図示）よりも高温である。ファイバ４の温度プロフィールは、加熱炉６の高温領域内にピーク値を有し、下側マッフル６ｄ内で次第に低下することを理解することができる。ファイバ４の粘性領域４ａは、溶融する材料が変形せずに、典型的なスピニング力に抵抗するのに不十分な直径（明確化のため図２に図示しないこの直径は、最終ファイバの直径の約２倍である）を有する、ネックダウン部３ａの下端における箇所から温度Ｔ_ファイバが粘性閾値温度Ｔ_粘性より低くなる箇所まで実質的に伸びている。この最後の箇所を越えると、ファイバ４の温度は、粘性閾値温度Ｔ_粘性以下となり、ファイバ４の粘度は、極めて高くなり、粘性捩れは最早、許容されない。

当該出願人は、図２に符号Ｌで示した粘性領域４ａの長さは、典型的に、加熱炉６の高温領域の中心と、この場合、下側マッフル６ｄの下端に相応する加熱炉６の出口箇所との間の距離よりも僅かに短いことを確認した。簡略化のため、粘性領域長さＬは、該距離と十分に近似した値にすることができる。

従来の二酸化ケイ素ガラスファイバ材料の場合、加熱炉６の高温帯域内の温度Ｔ_加熱炉は、典型的に、少なくとも約１８００℃である。典型的に、上記温度Ｔ_加熱炉は、２２００℃以下である。更に、粘性閾値温度Ｔ_粘性は、典型的に、少なくとも１６００℃である。

実施例
第一の実験において、当該出願人は、図１に示したものと同様の引抜きタワーを使用することにより、ガラスプリフォームを引き抜いた。

ゲルマニウムを添加したコア部分を有する二酸化ケイ素プリフォームを使用した。
ネックダウンプリフォームを加熱するため使用した温度は１８００℃であり、引抜き張力は約３００ｇｒ、スピン関数振幅θ_０は約５回転、引抜き速度Ｖは２ｍ／秒とし、スピン関数周波数νは０．２５ないし１．７５ヘルツの範囲内の色々な値に設定した。ファイバの粘性領域の長さＬは、加熱炉６の高温領域の中心と下側マッフル６ｄの下端との間の距離と近似させ、この場合、１ｍとした。

プリフォームには、ガラスの角回転のための視覚的基準点を有し且つ、引き抜いたファイバ内に恒久的に導入したスピンを顕微鏡にて容易に検出することを許容し得るよう長手方向溝を刻印した。

恒久的に導入した最大捩れ対スピン周波数νに対して実現された実験結果は、黒四角として図３に示されている一方、付与された最大の捩れ対スピン周波数ν（等式３により与えられる）は、図３に連続的な直線として示されている。

同一の実験において、国際出願明細書０１３３１８４号（又は第４９回ＩＷＣＳ会議録（２０００）におけるＦコッチーニ（Ｆ．Ｃｏｃｃｈｉｎｉ）その他の者による「低ＰＭＤ光ファイバに対するオンラインファイバスピニングの監視（Ｏｎ−ｌｉｎｅ ｆｉｂｅｒ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ｌｏｗ ＰＭＤ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ）の教示に従って、直径検出器１４の信号を適宜に処理し、その信号のパワースペクトル及び付与された捩れを表わす値の双方を得た。パワースペクトルは、スピニングの間、安定的であることが判明し、実際にファイバに付与された捩れは付与された捩れと一致することが判明した。このように、光ファイバとスピニング装置との境界面には、例えば、滑りのような機械的作用は何ら存在しないと演繹した。このため、付与された捩れは、ファイバに完全に伝達された（すなわち、付与された捩れは、実際に付与された捩れと実質的に等しかった）。

上記の機械的作用が存在しないにも拘らず、付与された捩れと恒久的に導入した捩れとの間の顕著な差は図３から明白である。より具体的に、付与された捩れと恒久的に導入した捩れとの間の差は、低周波数νの値のとき、極めて小さい一方、周波数νの値が増大するに伴い増大し、約１ヘルツのとき最大の差となる。

図４には、図３の結果から補間された回復（本明細書にて上記に定義したように）対比Ｖ／（νＬ）が示されている。
図４から明らかであるように、回復は、約１．２≦Ｖ／（νＬ）≦６．７の場合、５０％に等しく又はより高い。更に、回復は、１．７≦Ｖ／（νＬ）≦３．３の場合、６０％に等しく又はより高い。

ν、Ｖ及びＬの間のかかる関係が適合するとき、前進するファイバは（加熱炉６に沿って粘性状態にある間）は、捩れ及び少なくとも５０％（又は６０％）の捩れ戻りを経験し、これにより付与された捩れは、捩れ戻りにより部分的に除去され、形成される恒久的に導入したスピンは、付与されたスピンよりも遥かに小さくなる。

第二の実験において、当該出願人は、図１に示したものと同様の引抜きタワー使用してガラスプリフォームを引き抜いた。過程パラメータは、第一の実験のものと同一のものとした。

スピンなしにて（比較例として）又は０．５、１、１．５ヘルツにてスピンした何れかにて数ｋｍのファイバを引き抜いた。零張力にて巻いた１Ｋｍの長さのファイバにて波長走査技術によりＰＭＤを測定した。結果は表１に掲げてある。

状態 ＰＭＤ ｐｓ／Ｋｍ^１／２
スピンなし ０．１３３
スピンなし ０．２２６
ν＝０．５Ｈｚ−Ｖ／（νＬ）＝４ ０．０５０
ν＝１．５Ｈｚ−Ｖ／（νＬ）＝２ ０．０５９
ν＝１．５Ｈｚ−Ｖ／（νＬ）＝１．３３ ０．０５４
付与された捩れと恒久的に導入した捩れとの間にて顕著な差が得られたにも拘らず、スピンなしの基準サンプルに関して、スピンした３つのサンプルの全てに対し顕著なＰＭＤの減少が実現できた（図３、図４参照）。

第三の実験において、当該出願人は、図１に示したものと同様の引抜きタワーを使用することによりガラスプリフォームを引き抜いた。過程パラメータは、スピン関数の周期νを３ないし８ヘルツの範囲の値に設定し、引抜き速度Ｖは１２ｍ／秒に設定した（すなわち、比Ｖ／（νＬ）は１．５ないし４の範囲にした）点を除いて、第一の実験のものと同一とした。スピン関数周波数、粘性領域の長さ及び引抜き速度は、光ファイバの各長さ（加熱炉６に沿って粘性状態にある間）が捩れ及び少なくとも５０％捩れ戻りの双方を経験するようにした。

比較例としてスピンなしにて又はスピンした何れかにて数ｋｍのファイバを引き抜いた。零張力にて巻いた１Ｋｍのファイバ長さにて波長走査技術によりＰＭＤを測定した。
この実験において、恒久的に導入したスピンは、常に４回転／ｍ以下となった。更に、３及び４ヘルツにてスピンしたファイバに対するＰＭＤ値は、常に０．１ｐｓ／Ｋｍ^２／１である一方、スピンなしのファイバに対する平均ＰＭＤ値は、０．１５ｐｓ／Ｋｍ^２／１以上であることが分かった。

このため、本発明の方法により、恒久的に導入したスピンの値が４回転／ｍ以下の場合でさえ、ＰＭＤは顕著に減少した。
当該出願人は、付与された正弦波状スピン関数の場合、恒久的に導入したスピンを計算するため数値シミュレーションを実施した。当該出願人が使用したモデルに従い、ファイバに付与された一定のトルク、Ｍは次式に従い、ｚの関数として角速度ωを生じさせる。

ωの感知可能な粘性の変化を見ることができるファイバの粘性領域は、一定の半径Ｒの円筒としてモデル化し、該円筒は一定の速度（引抜き速度Ｖ）にてｚに沿って移動するものとする。円筒は、０＜ｚ＜Ｌのとき（粘度μ及び密度ρを有する）、完全に粘性な振舞いと、ｚ＞Ｌの場合、弾性的（剛性）な振舞いとを有する。弾性部分が角速度Ωにて回転する間、軸方向への回転を防止するため、円筒はｚ＝０に規制する。

角速度ω（ｚ）の依存性を支配する等式は、ｚに沿ったトルクの変化率を時間に伴う動的モーメントの変化率と等しくすることにより、得られる。トルクは、等式（４）により与えられる。ｚに沿った全体的な動作を考慮するため、時間に伴う率の変化は、また、伝達項Ｖδ／δｚを含む。このため、粘性部分（０＜ｚ＜Ｌ）の場合、次式が得られる。

境界条件として、ｚ＝０のとき、ω＝０、ｚ＝Ｌのとき、ω＝Ωとし、次元パラメータｋを比ρＶＬ／μと等しくし、ここで、ρはファイバ材料の密度、μは粘性領域内のファイバ材料の粘度である。粘度μは、加熱炉内で使用した加熱温度に依存する。

一定のΩ（ｋ＝∞）に相応する場合、時間導関数は消滅し、ｚに沿った次の角速度回転及びｚに沿った角度φが与えられる。

恒久的に導入した捩れＴ（回転数／ｍ）は、ｚ＝Ｌにおける角度φのｚ導関数である。等式７の左側におけるかかる導関数は、常に１／Ｌとなる。このため、一定のΩの場合、Ｔ＝Ω／Ｖとなる。

交互的なスピンの場合、（すなわち、等式（１）から与えられたΩ（ｔ）＝２πνθ（ｔ）及びθ（ｔ）の場合）、例えば、ウォルフラムリサーチ（Ｗｏｌｆｒａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）インク（イリノイ州、キャンペーン）からマスマティカ（ＭＡＴＨＥＭＡＴＩＣＡ）という商標名で販売されているソフトウェアパッケージを使用することにより、恒久的に導入した捩れＴに対する分析的解法を得ることができる。

図５には、色々なｋの値における周波数ν（Ｖ／Ｌに正規化した）の関数として恒久的に導入した最大スピンＴ（２πθ_０／Ｌに正規化した）に対して実現された結果が示されている。一定のスピン関数振幅θ_０であると推定した。

図５において、粘度μが零に等しい場合に相応するｋ＝∞の場合、恒久的に導入した最大スピンは、付与された最大スピン（上述した等式３により与えられる直線）に等しい。ｋ≦∞の場合の線は、図２の実験結果を確証することになる。実際上、これらの線は、付与された捩れと恒久的に導入された捩れとの間の差は、νＬ／Ｖ値の増大に伴ない増大しつつ、小さいνＬ／Ｖ値に対し実質的に零であり、特定のνＬ／Ｖ値のとき、最大の差となることを示す。例えば、ｋ＝１の場合、νＬ／Ｖが約０．７に等しいとき、最大の差となる。ｋ＝０．１の場合、スピン空間周期Ｖ／νがＬに等しいとき、すなわち、光ファイバの部分の各々が粘性状況にある間、完全な時計回り方向及び完全な反時回り方向捩れ（捩れ及び１００％の捩れ戻り）を経験するとき、１００％の回復が実現される。ｋ＝１の場合の線は、図２の実験結果を一層良く示す線である。

同一のモデルにより、当該出願人は、加熱炉内にて移動する少量のガラスが経験し且つ、次式により規定される０＜Ｚ＜Ｌの場合の粘性振舞いを有する、粘性なスピンの全体量を誘導するため、数値シミュレーションを行った。

ここでωは、角速度、ｔ_０は、少量のガラスがＺ＝０にて粘性領域に入るときの時間であり、また、時計回り方向又は反時計回り方向であるかに関係なく、粘性な回転がファイバの幾何学的非対称性に作用するため、絶対値を使用した。粘性スピン（ｔ_０の特定の値のとき、すなわち、粘性領域内を移動する時間とスピニング関数との間の位相が特定値のときに生じる）最大及び最小の全体量の値対比νＬ／Ｖは、ｋ＝２の場合について、図６に示されている。

当該出願人は、本発明のスピニング技術によってクラッディングの楕円率は減少することも確認した。このクラッディングの楕円率の変化は、ファイバの局部的複屈折に影響を与えるコアの楕円率にも生ずる変化も反映する。クラッディングの楕円の長軸線は、必ずしもコアの楕円の長軸線と一致しないため、これらの変化は、常に一致する訳ではない。

更に、当該出願人は、図６に示すように、光ファイバの部分の各々は、最大値から最小値の範囲に亙る全体的な粘性スピンを経験することを知った。このため、光ファイバの色々な部分が経験するクラッディングの楕円率の減少は相違する。

この後者の事実は、クラッディングとコアの楕円率と間の無作為的な関係が生じることと共に、光ファイバの全体に沿って複屈折の強さの拡がりを生じさせる。すなわち、光ファイバの異なる部分は、ビート長さの値が異なることになろう。当該出願人によれば、スピンなしの光ファイバに対する、スピンした光ファイバに沿ったかかるビート長さの相違は、同様に、簡単な正弦波状のスピン関数の場合でさえ、より多いビート長さを有するファイバ（スピンなし）にても２つの直交偏光モード間の混合を著しく増大させることを許容する。

当該出願人は、従来の技術により開示されたスピニング技術において、スピン関数周波数、粘性領域の長さ及び引抜き速度は、実際に付与されたスピンと恒久的に導入したスピンとの間に実質的に１対１の相応性が存在するようなものとされる。従って、従来技術の技術において、ＰＭＤの減少は、主として、恒久的に導入したスピン、すなわち、ファイバに恒久的に刻印された複屈折軸の回転に起因する。

これに相違して、本発明に従い、スピン関数周波数、粘性領域の長さ及び引抜き速度は、光ファイバ部分の各々が粘性軸に沿って捩れ及び少なくとも５０％の捩れ戻りの双方を経験するようなものとされる。このようにして、付与された捩れは、付与された捩れ戻りにより部分的に除去され、形成される恒久的に導入してたスピンは、付与されたスピンよりも遥かに少なくなる。このように、本発明に従って、主として、加熱炉を通って進む間に、光ファイバ部分の各々が経験する粘性スピン効果のため、ＰＭＤの顕著な減少が実現される。実際上、上述したように、当該出願人は、粘性スピンは、ファイバコアの非対称性を減少させ且つ、複屈折の強さを光ファイバ全体に沿って拡げるものと信じる。

本発明の製造方法により製造することのできる光ファイバは、光通信システムにて使用し得るようにケーブル化することができる。このため、本発明に従った少なくとも１つの光ファイバを備える光ケーブルを製造することができる。

本発明の方法にて使用することのできる引抜きタワーを示す図である。 図１の引抜きタワーの一部である、加熱炉内にて光プリフォームから光ファイバを形成する過程を示す概略図（正確な縮尺ではない）である。 ５回転の振幅及び２ｍ／秒の引抜き速度を有する正弦波状スピン関数にて得られた、恒久的に導入した最大捩れ（黒四角）対スピン周波数νに対する、付与された最大捩れ（連続線として示す）及び実験結果を示す図である。 図３の結果対比Ｖ／（νＬ）に相応する回復を示す図である。 数値シミュレーションにより得られた、色々なｋ値（ここで、ｋは本明細書の後半にて定義する）における恒久的に導入したスピンＴ（２πθ_０／Ｌに正規化）対スピン関数周波数ν（Ｖ／Ｌに正規化）を示す図である。 数値シミュレーションによりえられた、ｋ＝２の場合に、加熱炉内を移動する少量のガラスが経験する色々なスピンの最大及び最小の全体量の値を示す図である。

Claims (7)

1. ａ）ガラス材料で出来た光ファイバのプリフォームを提供するステップと、
   ｂ）最高熱箇所と出口箇所とを有する加熱炉において光ファイバプリフォームの一端部分のガラス材料を加熱するステップと、
   ｃ）光ファイバを形成し得るよう加熱されたガラス材料を引抜き速度Ｖにて引き抜き、前記加熱炉を通過する際に、引き抜いたガラス材料の各部分が、前記加熱炉の前記最高熱箇所と前記出口箇所との間に延びる長さＬを持つ粘性領域を有するようにするステップと、
   ｄ）光ファイバに対し、粘性領域に伝達される実質的に正弦波状のスピンを付与するステップとを備える、低偏光モード分散の光ファイバを製造する方法において、
   スピン関数周波数ν、粘性領域の長さＬ及び引抜き速度Ｖは、捩れ及び少なくとも５０％の捩れ戻りの双方が、前記引き抜いたガラス材料の各部分に前記粘性領域において付与されるようなものであることを特徴とする、低偏光モード分散光ファイバを製造する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   スピン関数周波数ν、粘性領域の長さＬ及び引抜き速度Ｖは、１．２＊Ｌ≦Ｖ／ν≦６．７＊Ｌとなるようなものである、方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、
   スピン関数周波数ν、粘性領域の長さＬ及び引抜き速度Ｖは、捩れ及び少なくとも６０％の捩れ戻りの双方が前記引き抜いたガラス材料の各部分に前記粘性領域において付与されるようなものである、方法。
4. 請求項３に記載の方法において、
   スピン関数周波数ν、粘性領域の長さＬ及び引抜き速度Ｖは、１．７＊Ｌ≦Ｖ／ν≦３．３＊Ｌとなるようなものである、方法。
5. 請求項１ないし４の何れかに記載の方法において、
   スピン関数周波数ν、スピン関数振幅θ０、及び引抜き速度Ｖは、付与された最大捩れが少なくとも４回転／ｍとなるようなものである、方法。
6. 請求項１ないし５の何れかに記載の方法において、
   スピン関数周波数ν、スピン関数振幅θ０、及び引き抜き速度Ｖは、恒久的に導入した（ｆｒｏｚｅｎ−ｉｎ）最大捩れが４回転／ｍ以下となるようなものである、方法。
7. 請求項５に従属する請求項６に記載の方法において、
   スピン関数振幅θ０（回転数にて）は、（２Ｖ）／（νπ）≦θ０≦（２Ｖ）／［νπ（１−Ｒ）］となるようなものであり、ここで、Ｖは引抜き速度（ｍ／秒にて）、及びνはスピン関数周波数（ヘルツにて）であり、Ｒは、比（Ｔ_付与−Ｔ_ｆｒ）／Ｔ_付与、を意味し、ここで、Ｔ_付与は実際に付与された最大捩れであり、Ｔ_ｆｒは最大の恒久的に導入された捩れである、方法。

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