JP4730130B2 - 光ファイバ母材製造方法および光ファイバ製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくともコア部を有する光ファイバ母材を製造する方法等に関するものである。

一般に、光ファイバは、光ファイバ母材を線引することで製造される。また、光ファイバ母材は、ＯＶＤ（Outside VaporDeposition）法、ＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法、ＶＡＤ（Vapor phase Axial Deposition）法およびロッドインコラプス法などにより製造される。ところで、光ファイバには種々の特性のものがあり、その中でも、分散シフト光ファイバ、分散フラット光ファイバ、分散補償光ファイバおよび高非線形性分散シフト光ファイバ（高非線形性分散フラット光ファイバも含む）などは、構造パラメータの少しの変化によって光学特性が大きく変化してしまうので、長手方向の長距離に亘って光学特性を一定に保つのが困難である。また、所望の特性を実現する為の構造パラメータの許容範囲が狭く、長手方向の長距離に亘って構造パラメータが許容範囲に入るものを製造するのは困難である。

特許文献１〜３それぞれに開示された発明は、光ファイバ母材または中間母材（光ファイバ母材の製造途中段階のもの）に対して外周研削またはクラッド材付与をすることによって、上記問題を解決しようとしているが、これでも不十分な場合がある。何故なら、上記で例示したような構造パラメータの許容範囲が狭い光ファイバは、コア部の径が１０μｍ以下と小さい場合が多いからである。このことから、線引直前の光ファイバ母材の段階ではコア部となる領域の径が小さいので、正確な形状の測定が困難となる。加えて、クラッド部に対するコア部の比屈折率差Δが１％以上と高いことから、特に屈折率分布の正確な測定が困難となる場合が多い。すなわち、コア部の径・屈折率の測定値の誤差が大きくなってしまう恐れがあり、この測定結果に基づいて決定した母材外径の形状もまた真の目的外径からのズレが大きくなるので、線引して得られる光ファイバもまた特性の変動が大きくなる場合がある。

高非線形性分散シフト光ファイバを用いて、四光波混合（ＦＷＭ： Four Wave Mixing）、自己位相変調（ＳＰＭ： Self Phase Modulation）、相互位相変調（ＸＰＭ： Cross Phase Modulation）および変調不安定性（Modulation Instability）といった非線形光学現象の発現を利用して、波長変換、光増幅、パルス圧縮、光学スイッチ、白色光（ＳＣ光： Supercontinuum光）発生、多波長光源および光源のチャープ補償などの様々なアプリケーションが検討され開発されている。特に、波長変換やパラメトリック増幅（ＯＰＡ： Optical Parametric Amplification）を実施するような場合、波長分散の揺らぎやゼロ分散波長の変動は極めて大きな問題となる（例えば非特許文献１，２を参照）。

例えば特許文献４に開示された発明は、光ファイバを短尺化することで波長分散のゆらぎを押さえるとしているが、非線形性の発現は光ファイバが或る程度は長い方が効率が良い。また、特許文献５には、波長分散の変動幅が３ｐｓ/ｎｍ/ｋｍ以下であるとよいと記述されているが、その場合でも、分散スロープを＋０.０２ｐｓ/ｎｍ^２/ｋｍ程度と仮定すると、ゼロ分散波長の変動は１５０ｎｍにも達し、波長分散変動の抑制は十分ではない。例えば、非特許文献３には、ファイバ長１０００ｍに亘ってゼロ分散波長の変動が±０.５ｎｍ以内の偏波保持型高非線形性分散シフトファイバを使用して広帯域の波長変換を実現しているが、さらに変動を小さくすればより帯域が拡がると期待できる。
特開２００２-２９３５６３号公報 特開２００３-４０６３６号公報 特開２００３-２０２３９号公報 特開２０００-３４７２２８号公報 特開２００４-２９４４１号公報 A. Legrand, et. al., Technical Digest OAA2003, WD2, pp.261-263(2003) A. Mussot, et. al., ECOC2004 Proceedings Vol.2, Paper Tu3.3.7,pp.190-191 (2004) S. Watanabe, et. al., ECOC'98, PD-Paper pp.85-87 (1998)

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、所望の特性を有する光ファイバを容易に実現する光ファイバ母材を製造することができる方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光ファイバ母材製造方法は、少なくともコア部を有する光ファイバ母材を製造する方法であって、(1) 光ファイバ母材を製造する為の中間母材を準備する中間母材準備工程と、(2) 中間母材の長手方向に沿った複数の位置それぞれにおいて中間母材の径方向の屈折率分布を測定する屈折率分布測定工程と、(3) 目標とすべき特性を有する光ファイバを実現可能な光ファイバ母材が製造されるよう、屈折率分布測定工程の結果に基づいて中間母材の外径形状を画定する外径形状画定工程と、(4) 外径形状画定工程において画定された外径形状となるよう中間母材の外周を研削する研削工程と、(5) 研削工程において研削された中間母材を実質的に一定外径に延伸する延伸工程と、(6) 延伸工程において延伸された中間母材をガラスパイプ中に挿入しコラプスして中間母材とガラスパイプとを一体化するロッドインコラプス工程と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光ファイバ母材製造方法は、延伸工程が、所望とする径よりも大きな径に延伸する仮延伸工程を少なくとも１回含むのが好適である。

本発明に係る光ファイバ母材製造方法は、ロッドインコラプス工程において中間母材とガラスパイプとが一体化されてなるものの外周を研削する第２研削工程を更に備えるのが好適である。

本発明に係る光ファイバ母材製造方法は、屈折率分布測定工程において、中間母材の長手方向に沿った複数の位置それぞれにおいて屈折率分布測定を複数回実施し、外径形状画定工程において、これら複数回の屈折率分布測定測定結果について統計的処理をし、その統計的処理結果に基づいて中間母材の外径形状を画定するのが好適である。

本発明に係る光ファイバ製造方法は、上記の本発明に係る光ファイバ母材製造方法により製造された光ファイバ母材を線引して光ファイバを製造することを特徴とする。

本発明に係る光ファイバは、上記の本発明に係る光ファイバ製造方法により製造された光ファイバであって、波長１５５０ｎｍにおいて、実効断面積が１２μｍ^２以下であり、ゼロ分散波長が１４７０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下であり、長さ１０００ｍに亘っての分散変動量が±０.０２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以内であることを特徴とする。この光ファイバにおいて、ゼロ分散波長における分散スロープの絶対値は、０.０６５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であるのが好適であり、また、０.０１７ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以上であれば更に好適である。

本発明に係る光ファイバは、上記の本発明に係る光ファイバ製造方法により製造された光ファイバであって、波長１５５０ｎｍにおいて、波長分散が−１５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、長さ１０,０００ｍに亘って長手方向の任意の位置の波長分散Ｄと全長での波長分散平均値Ｄ_meanとの比（Ｄ／Ｄ_mean）が０.８以上１.２以下であることを特徴とする。

本発明によれば、所望の特性を有する光ファイバを容易に実現する光ファイバ母材を製造することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良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。

図１は、本実施形態に係る光ファイバ母材製造方法を説明するフローチャートである。また、図２は、本実施形態に係る光ファイバ母材製造方法を説明する工程図である。この図２には、略円柱形状を有する中間母材１Ａ〜１Ｃの中心軸を含む断面が示されている。

先ず、中間母材準備工程（ステップＳ１）において、中間母材１Ａが準備される(図２（ａ）)。ここで用意される中間母材１Ａは、コア部１１とクラッド部１２とを有し、例えば、ＧｅＯ_２が添加された石英ガラスからなる真円度の高いガラスロッドを、フッ素が添加された石英ガラスからなるガラスパイプに挿入し、コラプス法により製造したものである。この他、中間母材１Ａは、ＯＶＤ法またはＭＣＶＤ法により作製されたものであってもよい。この中間母材１Ａの外周部は後述するように研削されるため、クラッド部１２には研削のための十分なマージンがある。

次に、屈折率分布測定工程（ステップＳ２）において、中間母材１Ａの長手方向に沿った複数の位置それぞれにおいて中間母材１Ａの径方向の屈折率分布が測定される（図２（ｂ））。ここで、測定が行われる位置とは、最終製造物である光ファイバの長さに換算して、隣合う２つの位置の間隔が１ｋｍ以上となる複数の位置である。また、この測定には、プリフォームアナライザ等の非破壊屈折率分布測定装置が使用される。これにより、中間母材１Ａの長手方向に沿った複数の位置それぞれにおける中間母材１Ａの径方向の屈折率分布が測定され、各位置での中間母材１Ａ断面内の屈折率分布形状が取得される。

続けて、屈折率分布測定工程の後の外径形状画定工程（ステップＳ３）において、目標とすべき特性を有する光ファイバを実現可能な光ファイバ母材が製造されるよう、上記屈折率分布測定工程の結果に基づいて中間母材１Ａの外径形状が画定される（図２（ｃ））。この図２（ｃ）には、画定された外径形状が破線で示されている。このとき、中間母材１Ａの長手方向に沿った複数の位置それぞれにおける屈折率分布測定結果に基づいて、例えば有限要素法が用いられて、線引後の光ファイバの特性（例えば波長分散や分散スロープなど）が予想される。この得られた予想特性が目標特性と異なる場合には、このずれを補償するように中間母材１Ａが各位置で有すべきコア部１１及びクラッド部１２の外径が画定される。この画定には、このような処理に適したソフトウェア等を搭載したコンピュータ等が好適に使用され得る。これにより、中間母材１Ａのクラッド部１２の形状が有すべき外径形状へと画定されるとともに、研削される部分及びその研削量が決定される。

この外径形状画定工程（ステップＳ３）について更に具体的に説明すると以下のとおりである。例えば、非ゼロ分散シフト光ファイバの場合には波長分散が所望値となるように、分散シフト光ファイバや高非線形性分散シフト光ファイバの場合にはゼロ分散波長が所望値となるように、分散補償光ファイバの場合には分散スロープと波長分散との比が所望値となるように、中間母材１Ａの長手方向の各位置に対応する線引後の光ファイバの長手方向の各位置でのコア部の径２ａが算出される。カットオフ波長、モードフィールド径および実効断面積などの他の特性が所望値となるように線引後の光ファイバのコア部の径２ａが算出されてもよい。

そして、この算出された光ファイバのコア部の径２ａと、中間母材１Ａの長手方向の各位置で測定されたコア部１１の径２Ａとから、下記(1)式に基づいて、中間母材１Ａの長手方向の各位置での外径２Ｂが画定（算出）される。ここで、Ｃは、係数であって、ある中間母材１Ａの長手方向において一定の値である。これにより、中間母材１Ａの外径部の形状は、光ファイバ母材または中間母材として有すべき外径形状へと画定されるとともに、研削される部分及び研削量が決定される。なお、屈折率分布測定工程で測定されたコア部の径と外径との比が長手方向で一定となるように、中間母材１Ａの外径を画定しても良い。

以上の手順の後、研削工程（ステップＳ４）において、上記の外径形状画定工程において画定された外径形状となるよう中間母材１Ａの外周が研削され、研削後の中間母材１Ｂが作成される（図２（ｄ））。より具体的には以下のとおりである。中間母材１Ａが数値制御型旋盤の所定の位置に取り付けられる。そして、上記の外径形状画定工程における計算の結果は、当該旋盤の入力装置のデータ形式に合せて加工された後、入力装置を通して当該旋盤の制御部に入力される。

このとき、入力されるデータの数は、上述の通り、光ファイバの長さに換算して１ｋｍ以上あたりに１点といった位置の数に等しい。また、このとき、当該旋盤には、複数の位置で画定されたクラッド部形状に基づいて、複数の位置の間の領域におけるクラッド部形状を直線補間又は所定の関数でフィッティングして求める機能を有していると更に好ましい。このような機能を用いれば、各測定位置の間において、クラッド部が有すべき形状が算出され、これに基づいて研削量がより好適に調整され得る。また、測定位置の数を減少させることが可能となり、その結果、製造に要する時間を短縮できるという効果もある。ただし、このような補間又はフィッティングによる複数の位置間でのクラッド部形状の画定は、上述のコンピュータにより行われてもよい。

データの入力等の準備を終えた後、数値制御型旋盤により中間母材１Ａの外周部が研削されて、この研削後の中間部材１Ｂが得られる。この研削においては、数値制御型旋盤の制御部により、研削刃の動き及び中間母材の回転数等が入力されたデータに基づいて制御され、研削されるべき部分のみが研削される。

この研削工程においては、中間母材１Ａは、例えば円筒研削により長手方向に沿って外周径が均一に削られのではなく、測定された屈折率分布に基づいて、または、屈折率分布から予測される光ファイバの光学特性もしくは伝送特性に基づいて、長手方向に沿って外周径が変化するよう研削される。

また、屈折率分布測定工程において測定されて外径形状画定工程において外径が画定された位置が研削工程における位置と正確に一致しないと、予測特性のばらつきの小さな光ファイバ母材を得ることはできない。そこで、屈折率分布測定工程での基準位置に油性ペンで印をつけたり傷をつけたりして、研削工程での基準位置とするとよい。

プリフォームアナライザによるコア部の径の読み取り精度は、一般的には±０.０１ｍｍ程度であるため、中間母材１Ａのコア部の径（２ｒ）が大きい方がコア部の径の読み取り誤差が相対的に小さくなる。ここで、±０.０１ｍｍの読み取り誤差が存在した際には、「±０.０１／２ｒ ×１００ [％]」の誤差が、測定の結果として存在してしまう。

また、一般的な研削工程における加工精度は、数値制御型ガラス研削旋盤において、±０.０２ｍｍ程度である。つまり、研削工程における中間母材１Ａの外径（２Ｂ_２）は大きい方が、研削加工による誤差が相対的に小さくなる。±０.０２ｍｍの加工誤差が存在する際には、「±０.０２／２Ｂ_２ ×１００ [％]」の誤差が、加工の結果として存在してしまう。

測定と加工の誤差はそれぞれ独立したものであるため、２乗和の平方根が期待される誤差となる。すなわち、「「±{0.0001/（2r）² +0.0004/（2B₂）²}^1/2 × 100 ＝ ±0.01×{1/（2r）² + 4/（2B₂）²}^1/2 × 100 [％]」だけの相対誤差が存在することになる。この相対誤差は±０.５％以下であることが望ましく、更に好ましくは±０.３％以下、最も好ましくは±０.１％以下であると良い。従って、「{1/（2r）²+ 4/（2B₂）²}^1/2」は、好ましくは０.５ｍｍ^−１以下、更に好ましくは０.３ｍｍ^−１以下、最も好ましくは０.１ｍｍ^−１以下であると良い。

例えば、中間母材の外径が１０ｍｍである場合には、コア部の径は２.２ｍｍ以上が好ましく、更に好ましくは４.５ｍｍ以上の場合である。この場合には、「{1/（2r）² + 4/（2B₂）²}^1/2」は０.５ｍｍ^−１以上にはならない。中間母材の外径が２０ｍｍである場合には、コア部の径は２.１ｍｍ以上が好ましく、更に好ましくは３.６ｍｍ以上の場合である。この場合にも、{1/（2r）² + 4/（2B₂）²}^1/2」は０.５ｍｍ^−１以下にはならない。

中間母材の外径が３０ｍｍである場合には、コア部の径は２.１ｍｍ以上が好ましく、更に好ましくは３.５ｍｍ以上の場合であり、最も好ましくは１３.５ｍｍ以上の場合である。中間母材の外径が４０ｍｍである場合には、コア部の径は２.１ｍｍ以上が好ましく、更に好ましくは３.４ｍｍ以上の場合であり、最も好ましくは１１.６ｍｍ以上の場合である。

コア部の径、中間母材の径ともに大きい方が好ましい。特に、コア部の径は２.１ｍｍm以上であることが必要とされる。また、３.４ｍｍ以上であると良い。勿論、測定、研削の精度が向上し誤差が低減すれば、相対誤差はその分低減するので、極めて好ましい。

続いて、研削工程の後の延伸工程（ステップＳ５）において、上記の研削工程において研削されて得られた中間母材１Ｂが実質的に一定外径になるように延伸され、延伸後の中間母材１Ｃが得られる（図２（ｅ））。上記の研削工程において長手方向で径を変動させながら中間母材の外周を研削する場合には、この研削工程の後に延伸工程が行われて中間母材が均一径とされる。研削工程で「２Ｂ／２Ａ×２ａ」または「２Ｂ／２Ａ」が一定となるように外周が研削されているため、実質的に均一外径（最終的に光ファイバ化される範囲（有効部）の外径の変動誤差が±０.５％以内程度）となるように延伸されて中間母材１Ｃが作成されると、中間母材１Ｃの周囲に長手方向で屈折率分布が変動していないガラス材料を均一の厚みで設けるだけで、特性変動が小さいと予測される光ファイバ母材を容易に得ることができるためである。

延伸工程後の中間母材１Ｃの外径は、８ｍｍ以上であり、好ましくは１２ｍｍ以上であり、更に好ましくは１５ｍｍ以上である。一般的な技術を用いれば延伸後の中間母材１Ｃの外径の変動は±０.０４ｍｍ程度であるため、延伸後の中間母材１Ｃの外径が太いほど相対的な誤差が小さくなるからであり、外径が８ｍｍのときは相対的誤差が±０.５０％となり、外径が１２ｍｍのときは相対的誤差が±０.３３％となり、外径が１６ｍｍのときは相対的誤差が±０.２５％となる。その結果、中間母材または光ファイバ母材内の長手方向のコア部の径の変動が小さくなり、線引して光ファイバとした際の特性変動が小さい。延伸に用いる熱源には、たとえば、酸水素火炎が用いられる。電気炉（誘導炉や抵抗炉）、酸素を含む熱プラズマバーナ、ＣＯ_２レーザであるとより好ましい。これは、酸水素火炎を用いた場合には大量に発生する水素や水分によってガラス表面が削られ、研削工程で得た中間母材の所望の形状を変化させてしまう恐れがあるためである。

なお、この延伸工程は、所望とする径よりも大きな径に延伸する仮延伸工程を少なくとも１回含むのが好適である。このような仮延伸工程を少なくとも１回含むことによって高精度の延伸が可能となり、中間母材の外径の変動を小さくすることができる。仮延伸工程は、一度だけでなく、複数回実施してもよい。仮延伸後の中間母材の外径２Ｆは、延伸工程前の中間母材の外径を２Ｄとし、延伸工程において目標とする中間母材の外径を２Ｅとすると、下記(2)式の関係を満たす径であるとよい。

ここで、中間母材の研削工程後の外径が約４０ｍｍであって長手方向に外径が±１ｍｍ変動しているようなものを延伸工程で外径１５ｍｍに延伸する場合に、仮延伸工程を実施しなかった場合には、延伸工程後の中間母材の外径は、１５.１±０.２ｍｍであって、変動率が１.３％であった。これに対して、外径２５ｍｍまで仮延伸工程を実施した後に外径１５ｍｍを目標にして延伸した場合には、延伸工程後の中間母材の外径は、１５.０５±０.０２ｍｍであって、変動率が０.１３％であった。このように、仮延伸工程を加えることにより、延伸後の中間母材の長手方向の形状が安定なものとなる。

次に、延伸工程の後のロッドインコラプス工程（ステップＳ６）において、上記の延伸工程において延伸されて得られた中間母材１Ｃがガラスパイプ１３中に挿入されてコラプスされ、中間母材１Ｃとガラスパイプ１３とが一体化されて、これにより光ファイバ母材２またはさらなる中間母材が作成される（図２（ｆ））。光ファイバ母材２の場合、このガラスパイプ１３は、線引後の光ファイバにおいて物理クラッド領域となるべきものである。

この物理クラッド領域となるべき部分は、一般にＶＡＤ法やＯＶＤ法といったスートプロセスで中間母材１Ｃの周囲にガラス材が堆積・透明化されることでも製造され得るが、この場合には、焼結時のスートの収縮によって製造される光ファイバ母材２の外径およびコア部を含む中間母材１Ｃの径が長手方向に変動してしまうので、均一径に延伸した効果が小さくなってしまう。また、長手方向でのスート堆積量の変動を要因として、製造される光ファイバ母材２の外径が変動してしまう。そこで、ロッドインコラプス工程で、中間母材１Ｃの周囲にガラス材を設けると、コア部を含む中間母材１Ｃの形状はほとんど変化しないため、コア部の径もガラス材の付与の前後での変化が極めて小さく、得られた光ファイバ母材２の外径とコア部の径２Ａとの比も一定に保たれる。

次に、本実施形態に係る光ファイバ母材製造方法の実施例を比較例とともに説明する。実施例では、研削工程および延伸工程により外径を２４ｍｍとしたガラスロッドを円筒研削盤により外径２０ｍｍφの均一径に外周研削を実施して光ファイバ中間母材を得た。外径１２０ｍｍφ、内径２０ｍｍφ、長さ６５０ｍｍの石英ガラスパイプを準備し、先に得た光ファイバ中間母材をロッドとしてロッドインコラプスを実施して、光ファイバ母材を得た。この光ファイバ母材を検査した結果、図３に示される表のようになった。この光ファイバ母材は、中間母材であった領域の径２Ｂの変動が±０.０４ｍｍと極めて小さく、また、２Ｄ_１／２Ｂ_１の変動も±０.３％と小さい。

これに対して比較例では、研削工程および延伸工程により外径を４３ｍｍφとした光ファイバ中間母材を得た。この光ファイバ中間母材の外部に公知のＶＡＤ法を用いてスス体を堆積し、公知の方法により透明ガラス化し、光ファイバ母材を得た。この光ファイバ母材を検査した結果、図４に示される表のようになった。この光ファイバ母材は、中間母材であった領域の径２Ｂ_２の変動が±１.２ｍｍと大きく、また、２Ｄ_１／２Ｂ_１の変動も±３％程度と大きい。

図５は、実施例および比較例それぞれの２Ｄ／２Ｂの変動を示すグラフである。このグラフに示されるように、得られた光ファイバ母材を線引する場合、比較例の方がコア径の変動が小さく、所望とする特性の変動が小さい。

以上のようにして得られた光ファイバ母材２が線引きされることにより、所望の特性を有する光ファイバが容易に製造され得る。なお、ロッドインコラプス工程でさらなる中間母材を得て、これに対して第２研削工程（ステップＳ７）が行われもよい。この第２研削工程において研削された後の光ファイバ母材が線引されることで、長手方向に沿ってより均一な所望特性を有する光ファイバを得ることができる。

延伸工程後の中間母材１Ｃにおいて、ガラス表面からのガラス体の吹き飛び量や形状が長手方向で極めて均一である場合や、ガラスパイプの屈折率分布が長手方向で極めて均一である場合には、第２研削工程において例えば円筒研削によって均一径に研削しても良い。

一方、延伸時のガラス表面からのシリカ吹き飛び量は長手方向でほぼ一定であるが、延伸工程後の中間母材１Ｃにおいて、径が長手方向で均一ではなく、ガラスパイプの屈折率分布が長手方向でほぼ均一であったりする場合には、ロッドインコラプス工程で得られた中間母材の外周部を例えば数値制御型旋盤や火炎研磨（酸水素火炎、酸素/アセチレン火炎、熱プラズマ火炎など）によって、研削後の外径が「中間母材が延伸された外径×任意の定数」となるように、第２研削工程において研削してよい。

また、延伸工程後の中間母材１Ｃにおいて、ガラス表面からのシリカ吹き飛び量が長手方向で均一ではなかったり、ガラスパイプの屈折率分布が長手方向で一定でなかったりするときは、ロッドインコラプス工程で得られた中間母材に対して、屈折率分布測定工程，外径形状画定工程および研削工程（第２研削工程）を再度実施しても良い。当然、第２研削工程で得られた中間母材を延伸し、ガラスパイプを準備してロッドインコラプス工程を実施し、外周を研削し、と複数回繰り返してもよい。

次に、屈折率分布測定工程（ステップＳ２）および外径形状画定工程（ステップＳ３）について更に詳細に説明する。

通常、一般的な光ファイバを得るための光ファイバ母材を製造する場合には、屈折率分布測定工程において同一点の屈折率分布を繰り返して測定する必要はない。しかし、構造が複雑であるか又はコア部の比屈折率差が１〜５％程度と高い中間母材または母材（例えば分散補償光ファイバや高非線形性分散シフト光ファイバなどの為の中間母材または母材）については、構造が複雑であることによる界面での反射の影響や、コア部の比屈折率差が高いことによる比較的大きな屈折率分布の周期的な変調（脈理）の影響で、屈折率分布測定を正確には実施できない場合がある。加えて、光ファイバとしたときのコア部の外径が１〜８μｍと細いため、母材や中間母材でもコア部が細くなってしまうことから、径方向の測定位置の誤差（例えばコア部の径の読み取り誤差）が相対的に大きくなってしまう。図６は、このような測定を正確に実施できない場合がある光ファイバの屈折率分布の例を示す図である。他にも測定のショットノイズ（Shot Noise、電子などの不規則な揺らぎによる雑音）、測定環境温度、振動、ダストの付着などの原因によって、屈折率分布測定結果に誤差が発生する。通常のシングルモード光ファイバ用の光ファイバ母材の屈折率分布を測定する際には、このような測定誤差はあまり影響を与えない。しかし、分散シフト光ファイバ，分散補償光ファイバや高非線形性光ファイバなどの場合には、これらの光ファイバ用の光ファイバ母材を正確に製造する必要があり、屈折率分布の測定誤差の管理は非常に重要である。

図７は、コア径の変化率と零分散波長の変化量との関係を示すグラフである。この図には、分散シフト光ファイバＤＳＦ１（中心コアの比屈折率差が３.０％、ゼロ分散波長が１.５μｍ、非線形定数γが２０／Ｗ／ｋｍ）、分散シフト光ファイバＤＳＦ２（中心コアの比屈折率差が１.０％、ゼロ分散波長が１.５μｍ、非線形定数γが４.８／Ｗ／ｋｍ）、および、シングルモード光ファイバＳＭＦ（中心コアの比屈折率差が０.４％、ゼロ分散波長が１.３μｍ、非線形定数γが１.５／Ｗ／ｋｍ）、それぞれについて、コア径の変化率と零分散波長の変化量との関係が示されている。なお、各光ファイバの非線形定数γの値は、ＸＰＭ法で測定した値であり、ＣＷ-ＳＰＭ法で測定する場合には７割程度に小さくなる。

図７に示されるように、通常のシングルモード光ファイバ（例えばＩＴＵ−Ｔ勧告Ｇ-６５２，Ｇ-６５４など）では、コア径が１％変動したときのゼロ分散波長の変化は０.００２μｍと、殆ど変化しない。これに対して、分散シフト光ファイバの場合、中心コアの比屈折率差が１％のときにはコア径１％の変化でゼロ分散波長が０.０１μｍ変化し、中心コアの比屈折率差が３％のときにはコア径１％の変化でゼロ分散波長が０.０２μｍ変化しており、通常のシングルモード光ファイバと比較すると、コア径の変動に対するゼロ分散波長の変動が１桁程度大きくなってしまう。

このような分散シフト光ファイバを製造する場合においても、従来は通常のシングルモード光ファイバと同様の方法を用いて中間母材の屈折率分布を測定していたため、測定精度が悪かった。この結果を用いて有限要素法などによりファイバ化した際の目標伝送特性を計算していたので、光ファイバになった際の伝送特性も誤差が大きかった。これは、分散補償光ファイバや分散フラット光ファイバなど、その他の高機能光ファイバでも同様である。

そこで、これを解決するために、屈折率分布測定工程（ステップＳ２）において、中間母材の長手方向に沿った複数の位置それぞれにおいて屈折率分布測定を複数回実施し、続く外径形状画定工程（ステップＳ３）において、これら複数回の屈折率分布測定測定結果について統計的処理をし各位置での屈折率分布を求め、それに基づいて中間母材の外径形状を画定するのが好適である。あるいは、複数回の屈折率分布測定測定結果から複数個の中間母材の外径形状を算出し、これらの外径形状を統計処理して中間母材の外径形状を画定するのも好適である。このように統計的な処理を施すことによって、屈折率分布測定時のランダムな誤差が減少し、より真の測定結果に近づくことができる。なお、統計的な処理とは、長手方向に沿った複数の測定位置それぞれにおける複数回の測定結果や画定した外径の平均値や中心値の算出、長手方向での区間での画定外径の平均化やある所定の関数へのフィッティング、長手方向における測定結果に基づく画定外径の測定位置以外への補間、などを含む。屈折率分布の測定は、中間母材の中心軸に直交する径方向の軸線に沿って行われる。この軸線は複数回の測定で、一定でもよいが、図８に示されるように回転させてもよい。複数回の測定は、好ましくは２回以上、更に好ましくは４回以上であるとよい。４回以上測定すれば、異常値が含まれていても、それ以外の測定結果を利用して統計的な処理が可能である。

図９は、屈折率分布測定工程および外径形状画定工程により得られた画定外径の長手方向分布を示すグラフである。図１０は、光ファイバ母材を線引して得られた光ファイバのゼロ分散波長λ_０の長手方向分布を示すグラフである。また、図１１は、光ファイバ母材を線引して得られた光ファイバの各位置での波長分散Ｄと全長での波長分散平均値Ｄ_meanとの比（Ｄ／Ｄ_mean）の長手方向分布を示すグラフである。

ここでは、中心コア部（クラッド部に対する比屈折率差が２.９％），ディプレスト部（クラッド部に対する比屈折率差が−０.３％）およびクラッド部を有する高非線形性光ファイバ用の中間母材を用いた。そして、この中間母材の長手方向に沿った複数の位置それぞれにおいて屈折率分布測定を４回実施し、有限要素法を用いてゼロ分散波長が１５５０ｎｍになるように中間母材の外径を画定し研削して、これを線引して光ファイバを製造した。

図９には、４回の屈折率分布測定結果の平均値に基づいて得られた画定外径の長手方向分布（太い実線）に加えて、各回の屈折率分布測定結果に基づいて得られた画定外径の長手方向分布（その他の４本の線）も示されている。また、図１０および図１１それぞれには、４回の屈折率分布測定結果の平均値に基づいて得られた画定外径の長手方向分布に従って研削した場合に加えて、１回の屈折率分布測定結果に基づいて得られた画定外径の長手方向分布に従って研削した場合、および、外周研削をしなかった場合も、示されている。

このように、各回の屈折率分布測定結果から得られる画定外径は最大約０.３ｍｍ（外径に対して１.３％）も変動しているが、これと比較して、４回の屈折率分布測定結果の統計的処理結果から得られる画定外径の変動は小さい。実際に、４回の屈折率分布測定結果を統計処理した結果を用いて中間母材の外径を画定し、その中間母材を外周研削し均一径に延伸して、ロッドインコラプス法でクラッド部を設けて母材化した。そして、この光ファイバ母材を線引して得られた光ファイバのゼロ分散波長の長手方向の変動は、ファイバ長１０ｋｍあたり±２ｎｍであり、波長１.５５μｍにおける分散値の変動が±０.０６ｐｓ/ｎｍ/ｋｍと小さいものであった。特に良好な範囲においては、ファイバ長１ｋｍの範囲でゼロ分散波長の変動が±０.２５ｎｍ以下であった。

一方、１回の屈折率分布測定結果を用いて外径を画定し外周研削を実施した中間母材を母材化した場合には、線引後の光ファイバのゼロ分散波長の長手方向の変動は、ファイバ長１０ｋｍあたり±１０ｎｍであり、波長１.５５μｍにおける分散値の変動が±０.３ｐｓ/ｎｍ/ｋｍであった。これは、従来の方法よりは安定であり改善はされているが、きわめて高い精度が求められる場合には歩留まりが下がってしまう。さらに、外周研削を実施しない中間母材を母材化した場合には、線引後の光ファイバのゼロ分散波長の長手方向の変動は、ファイバ長１０ｋｍあたり±４０ｎｍであり、波長１.５５μｍにおける分散値の変動が±１.２ｐｓ/ｎｍ/ｋｍと極めて大きかった。なお、波長分散の長手方向の測定は、例えば文献「L. F. Mollenauer, et. al., Optics Letters, Vol.21, pp.1724-1726(1996)」に記載されている。

また、その他の特性については、波長１.５５μｍにおいて、分散スロープは＋０.０１５〜＋０.０３５ｐｓ/ｎｍ^２/ｋｍ程度であり、実効断面積は９.０〜１２μｍ^２程度であり、モードフィールド径は３.４〜３.９μｍ程度であり、偏波モード分散は０.０１〜１.０ｐｓ／ｍ^１／２程度であり、伝送損失は０.４５〜１.５ｄＢ／ｋｍ程度であり、カットオフ波長は１.３〜１.６μｍ程度であった。

次に、本実施形態に係る光ファイバ製造方法および光ファイバについて説明する。本実施形態に係る光ファイバ製造方法は、上記の本実施形態に係る光ファイバ母材製造方法により製造された光ファイバ母材を線引して光ファイバを製造するものである。これにより、長手方向における特性変動の小さな光ファイバを得ることができる。特に、ファイバ外径のファイバ長さ１０ｍ毎における移動平均の変動は、ファイバ長手方向において±０.５％以下、好ましくは±０.１％以下であるとよい。

また、本実施形態に係る光ファイバは、上記の本実施形態に係る光ファイバ製造方法により製造されたものであって、波長１５５０ｎｍにおいて、実効断面積が１２μｍ^２以下であり、ゼロ分散波長が１４７０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下であり、長さ１０００ｍに亘っての分散変動量が±０.０２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以内である。この光ファイバにおいて、波長１５５０ｎｍにおいて分散スロープの絶対値が０.０４ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であり、モードフィールド径が３.９μｍ以下であっても良い。

光ファイバにおける非線形現象を利用する場合、実効断面積が小さいほど、非線形係数が大きくなるので望ましいが、同時にコア径が小さくなるので製造ばらつきが大きくなる恐れがある。特に、実効断面積が１２μｍ^２以下だとコア径は４μｍ程度以下になるため、本発明の製造方法によらない従来の製造方法では高精度に光ファイバ母材、あるいは光ファイバを製造することは困難であった。

光ファイバで発生する四光波混合を用いて波長変換を実施する際、変換光の出力強度Ｐ_Ｉは、一般的に下記の（３）式および（４）式のように表される（例えば文献「K. Inoue, J. LightwaveTechnol., Vol.10, pp.1553-1561 (1992)」を参照）。ここで、γは光ファイバの非線形係数である。Ｌは光ファイバの長さである。Ｐ_ｐはポンプ光の入射強度である。Ｐ_ｓはプローブ光の入射強度である。αは光ファイバの伝送損失である。Ｌ_effは、光ファイバの実効長であり、下記（５）式で表される。Δβは、位相不整合パラメータであり、簡単には下記（６）式で表される。ｃは真空中の光速である。λ_ｐはポンプ光波長である。λ_ｓはプローブ光波長である。また、Dispはポンプ光波長における光ファイバの波長分散である。

これらの式から判るように、位相不整合パラメータΔβが小さいほど、変換光の出力強度Ｐ_Ｉは大きくなるので好ましい。理想的には、位相不整合パラメータΔβの値が０であれば、ηが最大値１となる。位相不整合パラメータΔβの値が０となるのは、ポンプ光波長における光ファイバの波長分散の値が０となるとき、すなわち、ポンプ光波長λ_ｐと光ファイバのゼロ分散波長とが完全に一致するときである。実際には、光ファイバ中の長さ方向におけるゼロ分散波長の変動によって、ポンプ光波長λ_ｐと光ファイバのゼロ分散波長とを完全に一致させるのは困難となる。

図１２は、励起光波長における光ファイバの波長分散Dispと波長変換帯域との関係を示すグラフである。ここで、波長変換帯域とは、プローブ光入射強度Ｐ_ｓおよびポンプ光入射強度Ｐ_ｐそれぞれが一定であるとして、プローブ光波長λ_ｓがポンプ光波長λ_ｐの非常に近傍にある場合における変換光のパワーの最大値に対して半分になるプローブ光波長の波長をλ_ｓ１およびλ_ｓ２（ただし、λ_ｓ１＜λ_ｐ＜λ_ｓ２）としたときに、これら２波長の差「λ_ｓ２−λ_ｓ１」で示される値である。また、光ファイバの長さＬを５００ｍとし、光ファイバの伝送損失αを１.５ｄＢ／ｋｍとした。波長変換帯域は、ＣバンドまたはＬバンドをカバーすることができる４０ｎｍ以上であると好ましい。このときには、図１２に示されるように、励起光波長における分散値Dispの絶対値は０.０２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることが必要となる。

波長分散Dispの波長微分である分散スロープSlopeは、波長によって一定であると仮定すると、下記（７）式で表される。ここで、λ_ｚは光ファイバのゼロ分散波長である。差「λ_ｐ−λ_ｚ」が一定である場合には、分散スロープSlopeが小さい方が、波長分散Dispの絶対値（Δβの絶対値）が小さくなり、ηが大きくなるので、望ましい。また、分散スロープSlopeが一定である場合には、差「λ_ｐ−λ_ｚ」が小さい方が、波長分散Dispの絶対値（Δβの絶対値）が小さくなり、ηが大きくなるので、望ましい。

図１３は、光ファイバの分散スロープと零分散波長の長手方向の変動量との関係を示すグラフである。ここで、光ファイバは、実効断面積Ａ_effが８〜１２μｍ^２であり、非線形係数γがＸＰＭ法での測定で１７〜３５／Ｗ／ｋｍであり、コア径が長手方向で±０.０１％変動する場合を想定した。この図に示されるように、分散スロープが小さいほどゼロ分散波長の変動が大きくなるという、トレードオフの関係にある。

図１４は、光ファイバの分散スロープと波長分散の長手方向の変動量との関係を示すグラフである。ここで、コア径が長手方向で±０.０１％変動する場合を想定した。コア径変動を±０.０１％とすることにより、分散スロープの絶対値が０.０１７ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以上であれば、分散の長手方向の変化量は±０.０２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下となるので、ファイバ長Ｌが５００ｍである場合であっても、波長変換帯域は４０ｎｍ以上となり得るので好ましい。

このように、分散スロープが大きいほど、長さ方向における分散変動が小さく、波長変換帯域が広くなる場合がある。続いて、波長スロープをどの程度まで大きくできるのか調査した。ここで想定した光ファイバの屈折率プロファイルは、図１５に示されるようなＷ型のものであり、コア部は１.５乗分布または２乗分布で近似できる構造であり、ディプレスト部の比屈折率差は−０.３％であり、コア部の径（２ａ）とディプレスト部の径（２ｂ）との比Ｒａ（＝２ａ／２ｂ）は０.４である。

図１６は、光ファイバの諸元を纏めた図表である。この図表には順に、コア部の最大比屈折率差Δｐ、コア部の構造パラメータα、コア径、実効断面積Ａ_eff、非線形屈折率ｎ２、非線形係数γ、分散スロープSlope、および、コア径が±０.５％変動したときのゼロ分散波長の変動量、が示されている。ゼロ分散波長は１５５０ｎｍであり、非線形係数γおよび分散スロープは波長１５５０ｎｍにおける値である。このように、比較的単純なＷ型構造であっても、分散スロープは０.０６２ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ程度まで大きくすることが可能である。また、α乗が小さい方が、非線形係数γは小さいが、分散スロープSlopeは大きくなる。

或いは、本実施形態に係る光ファイバは、上記の本実施形態に係る光ファイバ製造方法により製造されたものであって、波長１５５０ｎｍにおいて、波長分散が−１５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、長さ１０,０００ｍに亘って長手方向の任意の位置の波長分散Ｄと全長での波長分散平均値Ｄ_meanとの比（Ｄ／Ｄ_mean）が０.８以上１.２以下である。

分散補償光ファイバは、所望の分散補償量になるように、長尺のロットから光ファイバを分割して使用する。このとき、従来の製法では、波長分散の長手方向変動が大きく、光ファイバを余分に廃却したり作業が面倒だったりした。例えば、分割後の光ファイバの平均分散が分割前よりも大きければ、分散補償量が足りなくなってしまい、分割前よりも小さければ、分散補償量が多すぎて光ファイバを再度分割しなくてはならない。このような波長分散の変動が全長での分散平均値Ｄ_meanの２０％以下であれば無駄をかなり削減でき、また、波長分散の変動が全長での分散平均値Ｄ_meanの５％以下であれば１度の分割で十分となる。

例えば、波長１.５５ミクロンにおける分散が−１５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度、分散／分散スロープの比が０.００３ｎｍ^-１程度の分散補償ファイバを製造する際、４回の屈折率分布の繰り返し測定を統計処理した結果を用いて外径を画定し、外周研削を実施した中間母材を均一径に延伸し、ロッドインコラプス法でクラッド部を設けて母材化したものを、線引した後の（長手方向の各位置での分散値）／（全長での分散の平均値）の変動は１.０±０.０８程度であり、良好な範囲１０ｋｍ以上に亘っては１.０±０.０２程度であった。

一方、１回の屈折率分布の測定結果を用いて外径を画定し、外周研削を実施した中間母材を同様に母材化したものでは、線引後の（長手方向の各位置での分散値）／（全長での分散の平均値）の変動は１.０±０.１５程度であり、４回測定したものと比較すると大きかったが、十分改善されていた。

さらに、外周研削を実施しない中間母材を母材化したものは、線引後の（長手方向の各位置での分散値）／（全長での分散の平均値）の変動は１.０±０.３５程度と、極めて大きかった。

分散補償ファイバとしては、波長１.５５ミクロンにおける分散が−３５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度で分散／分散スロープの比が０.００３ｎｍ^-１程度、分散が−３００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度で分散／分散スロープの比が０.０１ｎｍ^-１程度、分散が−２５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度で分散／分散スロープの比が０.０２ｎｍ^-１程度の特性のスロープの補償できる分散補償光ファイバ、分散が−３５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下でスロープが正であるような分散だけを補償する光ファイバでも同様の効果が得られる。

次に実施例について説明する。ケースＡでは外周研削を行わなかった。ケースＢでは１回の屈折率分布測定をした後に外周研削を行った。ケースＣでは４回の屈折率分布測定をした後に外周研削を行った。また、ケースＡ〜Ｃそれぞれで、長さ数百ｋｍの光ファイバを製造し、そのときの波長１.５５μｍにおける波長分散値の分布を調査した。図１７は、ケースＡ〜Ｃそれぞれの光ファイバの波長分散の分布を示す図表である。その結果、ケースＣでは波長分散の分布は大きいことがわかり、ケースＢでは波長分散の分布が改善され、ケースＣでは更に波長分散の分布が改善されていることがわかる。ケースＣ，Ｂでは波長分散分布が低減しているために、波長分散の絶対値の製造中心値を大きくすることが可能となる。

分散補償ファイバの重要な特性として性能指数（Figure Of Merit: FOM）がある。このＦＯＭは「波長分散／伝送損失の絶対値」で定義される。このＦＯＭが大きい方がモジュール全体の損失を小さくすることができるが、同じプロファイルの母材を線引する際には伝送損失は同じなので、分散の絶対値が大きい方がＦＯＭは大きくなる。また、モジュール全体の補償分散量が同じなら、光ファイバの波長分散の絶対値が大きい方が光ファイバが短くてすむ。その結果、非線形性が低減したり、低コストになったりする。このように、ケースＢ，Ｃでは、分散補償ファイバとしての性能が高いファイバを多く得ることが可能である。

本実施形態に係る光ファイバ母材製造方法を説明するフローチャートである。 本実施形態に係る光ファイバ母材製造方法を説明する工程図である。 実施例の光ファイバ母材製造方法による製造結果を示す図表である。 比較例の光ファイバ母材製造方法による製造結果を示す図表である。 実施例および比較例それぞれの２Ｄ／２Ｂの変動を示すグラフである。 測定を正確に実施できない場合がある光ファイバの屈折率分布の例を示す図である。 コア径の変化率と零分散波長の変化量との関係を示すグラフである。 屈折率分布測定工程の説明図である。 屈折率分布測定工程および外径形状画定工程により得られた画定外径の長手方向分布を示すグラフである。 光ファイバ母材を線引して得られた光ファイバのゼロ分散波長λ_０の長手方向分布を示すグラフである。 光ファイバ母材を線引して得られた光ファイバの各位置での波長分散Ｄと全長での波長分散平均値Ｄ_meanとの比（Ｄ／Ｄ_mean）の長手方向分布を示すグラフである。 励起光波長における光ファイバの波長分散Dispと波長変換帯域との関係を示すグラフである。 光ファイバの分散スロープと零分散波長の長手方向の変動量との関係を示すグラフである。 光ファイバの分散スロープと波長分散の長手方向の変動量との関係を示すグラフである。 光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。 光ファイバの諸元を纏めた図表である。 ケースＡ〜Ｃそれぞれの光ファイバの波長分散の分布を示す図表である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｃ…中間母材、２…光ファイバ母材、１１…コア部、１２…クラッド部、１３…ガラスパイプ（物理クラッド部）。

Claims (8)

1. 少なくともコア部を有する光ファイバ母材を製造する方法であって、
   前記光ファイバ母材を製造する為の中間母材を準備する中間母材準備工程と、
   前記中間母材の長手方向に沿った複数の位置それぞれにおいて前記中間母材の径方向の屈折率分布を測定する屈折率分布測定工程と、
   目標とすべき特性を有する光ファイバを実現可能な光ファイバ母材が製造されるよう、前記屈折率分布測定工程の結果に基づいて前記中間母材の外径形状を画定する外径形状画定工程と、
   前記外径形状画定工程において画定された外径形状となるよう前記中間母材の外周を研削する研削工程と、
   前記研削工程において研削された前記中間母材を実質的に一定外径に延伸する延伸工程と、
   前記延伸工程において延伸された前記中間母材をガラスパイプ中に挿入しコラプスして前記中間母材と前記ガラスパイプとを一体化するロッドインコラプス工程と、
   を備えることを特徴とする光ファイバ母材製造方法。
2. 前記延伸工程が、所望とする径よりも大きな径に延伸する仮延伸工程を少なくとも１回含む、ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ母材製造方法。
3. 前記ロッドインコラプス工程において前記中間母材と前記ガラスパイプとが一体化されてなるものの外周を研削する第２研削工程を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ母材製造方法。
4. 前記屈折率分布測定工程において、前記中間母材の長手方向に沿った複数の位置それぞれにおいて屈折率分布測定を複数回実施し、
   前記外径形状画定工程において、これら複数回の屈折率分布測定測定結果について統計的処理をし、その統計的処理結果に基づいて前記中間母材の外径形状を画定する、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ母材製造方法。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の光ファイバ母材製造方法により製造された光ファイバ母材を線引して光ファイバを製造することを特徴とする光ファイバ製造方法。
6. 請求項５記載の光ファイバ製造方法により製造された光ファイバであって、
   波長１５５０ｎｍにおいて、実効断面積が１２μｍ^２以下であり、ゼロ分散波長が１４７０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下であり、長さ１０００ｍに亘っての分散変動量が±０.０２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以内である
   ことを特徴とする光ファイバ。
7. ゼロ分散波長における分散スロープの絶対値が０.０６５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項６記載の光ファイバ。
8. 請求項５記載の光ファイバ製造方法により製造された光ファイバであって、
   波長１５５０ｎｍにおいて、波長分散が−１５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、長さ１０,０００ｍに亘って長手方向の任意の位置の波長分散Ｄと全長での波長分散平均値Ｄ_meanとの比（Ｄ／Ｄ_mean）が０.８以上１.２以下である、
   ことを特徴とする光ファイバ。
   

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