JPH06171970A - 光ファイバとその製造方法及び光通信システム - Google Patents

光ファイバとその製造方法及び光通信システム

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体基板の上に多層の第２／第１の半導体
層スタックを製造すること。 【構成】 本発明は、半導体基板３１と、この半導体基
板の上にエピタキシャル成長した半導体層のスタック３
２とからなる半導体素子において、前記スタック３２
は、エピタキシャル的に成長した複数の第１半導体層３
２１と第２半導体層３２２を交互に有し、前記第１半導
体層３２１と第２半導体層３２２は、それぞれ厚さが、
ｔ1とｔ2で、屈折率が、波長λに対し、ｎ1とｎ2で、波
長λで半導体基板（３１）の上のスタックは反射性を有
し、準安定限界厚さがＬCとすると、（ａ） （ｔ
1ｎ1）≠（ｔ2ｎ2）、（ｔ1ｎ1）＋（ｔ2ｎ2）＝ｐλ／
２、（ｐは奇数） （ｂ） 前記スタックの厚さは、前
記ＬC以下であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバに関し、特
に、比較的低い極性モード分散（ＰＭＤ）をもつ単一モ
ード光ファイバに関する。さらに本発明は、かかる光フ
ァイバを有する通信システムおよびかかる光ファイバの
製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】理想的な円筒対称の「単一モード」光フ
ァイバは、２つの独立の減衰する直交極性モードをサポ
ートすることができる。これらのモードはいずれも、基
本的なＨＥ11モードである。一般に、ファイバに沿って
伝播する光の電場はこれら２つの極性の固有モードの線
形な重ね合わせである。
【０００３】実際の単一モードファイバでは、非対称な
横方向応力や非円形コア等の種々の不完全性により、フ
ァイバの円筒対称性が崩れ、これら２つの極性モードが
減衰する。そしてこれら２つのモードは異なる位相速度
で伝播する。これら実効屈折率の相違は複屈折と呼ばれ
る。
【０００４】ファイバの複屈折は、幾何学的変形によ
り、または光弾性、光磁性もしくは光電性の係数の種々
の変化によって起こりうる。いわゆる極性保持ファイバ
においては、意図的に非対称性が導入される。しかし、
通常の（極性保持をしていない）ファイバでは、複屈折
は事実上予測不可能な形態で生ずる。したがって、ガイ
ドされた光の極性状態は、ファイバに沿ってほぼランダ
ムに変化するのが普通であり、ファイバの出口では予測
不能でありかつ不安定であることが多い。一つの与えら
れたファイバのある極性状態は、平均的には、一定長さ
Ｌp（与えられたファイバについての極性「ビート」長
さ）のあと再生される。
【０００５】従来の単一モードファイバ内の複屈折の存
在により、信号の分散（いわゆる極性モード分散、ＰＭ
Ｄ）を生じる。これは通常、特に、高ビットレートを含
む応用技術またはアナログ伝送（例えば光ファイバアナ
ログＣＡＴＶシステム等）にとって好ましくない。
【０００６】低ＰＭＤのファイバは、光ファイバのプリ
フォームからファイバを引くときに高速でプリフォーム
をスピンすることにより製造できることが知られてい
る。この場合、ファイバに沿って高速と低速の複屈折の
軸が周期的に入れ替わる。スピンピッチが「スピンな
し」ファイバのビート長さＬpよりはるかに小さい場
合、上述の軸の周期的入れ替わりによって、２つの極性
固有モード間の相対的位相遅れの断片的補償がなされ、
それにより正味複屈折がきわめて低くなることが知られ
ている。このことは、例えば、A.Ashkin et al.,「Appl
ied Optics」,Vol.20(13),p.2299; A.J.Barlow et al.,
「Applied Optics」, Vol.20(17),p.2962 およびS.C.Ra
sheleigh,「Laser Focus」, May 1983に記載されてい
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術では、
スピンのピッチが「スピンなし」ファイバのビート長さ
Ｌpよりもはるかに小さいことが要求され、それゆえ
に、現代の商業的ファイバ製造にはほとんど不向きなも
のとなっていた。例えば、スピンなしのＬpが約１ｍ
で、引張速度が１０ｍ／ｓｅｃであると仮定すると、ス
ピンなしのＬpの１／１０のスピンピッチとするために
は光ファイバプリフォームは６０００ｒｐｍでスピンし
なければならない。これは通常の商業的ファイバ製造に
は現実的でない。
【０００８】低複屈折率光ファイバの商業的に現実的な
観点から、商業上に妥当な、例えば現在普通に行われて
いる高速引きにおいても使用できる光ファイバの製造技
術が求められている。本発明の目的は、上述の課題を解
決することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するものであって、請求項１記載の発明は、a)光ファイ
バのプリフォームを供給する工程と、b)プリフォームの
少なくとも一部を加熱する工程と、c)光ファイバにスピ
ンがかかるように加熱されたプリフォームから光ファイ
バを引く工程と、を具備する光ファイバ製造方法におい
て、光ファイバを引く工程c)は、その光ファイバにトル
クをかける工程を有し、そのトルクは、光ファイバがあ
る引き方向に引かれるときにその光ファイバにスピンが
かかるべく光ファイバの軸まわりのねじりを与えるもの
で、少なくともその光ファイバの一部の空間的周波数が
１ｍ当たり４スピンより大きいスピンとなるようなトル
クであることを特徴とする光ファイバ製造方法である。
【００１０】また、請求項２に記載の発明は、トルク
は、光ファイバにかかるスピンの空間的周波数が一定で
ないことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ製造
方法である。
【００１１】また、請求項３に記載の発明は、トルク
は、光ファイバにかかるスピンが交番的に現れるように
時計方向・反時計方向に交互にかけられることを特徴と
する請求項１に記載の光ファイバ製造方法である。
【００１２】また、請求項４に記載の発明は、光ファイ
バを引く工程c)は、光ファイバをポリマコーテイングで
コーテイングする工程と、そのコーテイングした光ファ
イバをガイドローラに接触させてそのガイドローラによ
って交番するトルクをかける工程とを具備することを特
徴とする請求項３に記載の光ファイバ製造方法である。
【００１３】また、請求項５に記載の発明は、ガイドロ
ーラによってトルクをかける工程は、引き方向にほぼ平
行な軸まわりにガイドローラを揺動させる工程を含むこ
とを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ製造方法で
ある。
【００１４】また、請求項６に記載の発明は、コアとこ
のコアを覆うクラッデイングとを有する、スピンをかけ
た単一モード光ファイバにおいて、光ファイバの少なく
とも一部は空間的周波数が１ｍ当たり４スピンより大き
くしかもその光ファイバに沿ってスピンが一定でないこ
とを特徴とする光ファイバである。
【００１５】また、請求項７に記載の発明は、 極性モ
ード分散が０．５ｐｓ／ｋｍ1/2より小さいことを特徴
とする請求項６に記載の光ファイバである。
【００１６】また、請求項８に記載の発明は、スピンが
時計方向・反時計方向に交互にかけられていることを特
徴とする請求項６に記載の光ファイバである。
【００１７】また、請求項９に記載の発明は、光信号源
と、光信号受信手段と、これら光信号源および光信号受
信手段と信号伝達が可能なように接続された請求項６に
記載の光ファイバとを具備する光信号伝達装置である。
【００１８】また、請求項１０に記載の発明は、コアと
このコアを覆うクラッデイングとを有する、スピンをか
けた単一モード光ファイバにおいて、請求項１に記載の
製造方法により製造されたことを特徴とする光ファイバ
である。
【００１９】
【作用】本発明によれば、ファイバは長手方向の軸のま
わりにねじられるようにトルクがかけられ、その結果、
高温度域でファイバ物質のねじれ変形が生じる。
【００２０】ファイバ物質が高温度域でねじれ変形を起
こすと、スピンが「かけられ」、その変形はファイバ内
に凍結され、ファイバは永久「スピン」すなわち永久ね
じれ変形を生じる。かかる凍結されたスピンの存在は、
例えばファイバの顕微鏡観察によるコアの楕円性もしく
はコアの偏心の回転を測定することによって、またはM.
J.Marrone et al.,「Optics Letters」, Vol.12(1), p.
60において使用されたような移動式光磁気モジュレータ
によって、確かめられる。
【００２１】従来のファイバプリフォームのスピン方法
では、一定ピッチでスピンする結果になることは容易に
想像できる。引張プロセス中に、対称軸の小さなねじれ
が生じ、従来の単一モードファイバでも、ファイバに沿
って光極性の変動が生じることが知られている（例え
ば、前述のM.J.Marrone et alの論文参照）。
【００２２】しかし、本発明者らの知る限り、空間的周
波数が４スピン／ｍを越すような意図せぬスピンを持っ
たファイバは従来のケースにはない（例えば、前述のM.
J.Marrone et alの論文の第１表参照）。そのような低
スピンでは、通常、商業的に有意義なほどのＰＭＤの低
下はみられない。従って、本発明によるファイバは、４
スピン／ｍを越す、好ましくは１０または２０スピン／
ｍを越す空間的周波数の単数または複数の部分を有す
る。
【００２３】
【実施例】本発明の好ましい実施例では、ファイバにト
ルクが間欠的にかけられ、ファイバにかかるスピンはフ
ァイバの十分な長さ、例えばビート長さＬpにおいて一
定でない。発明者らの信ずるところでは、ピッチが一定
でないことは、一定であることよりも有利である。これ
は、ピッチがファイバの複屈折の空間的周波数に正確に
一致した場合、低ピッチも、２つの極性モードと結合し
うるからである。
【００２４】例えば、S.C.Raashleigh,「J.of Lightwav
e Technology」, Vol.LT-1(2), pp.312-331、特に第320
頁には、「複屈折のゆらぎの実際の分布ｆ（ｚ）に関係
なく、周波数の唯一のスペクトル成分βiが、２つの極
性固有モードと結合しうる。」と記載されている。パラ
メータβiはファイバの実複屈折率であり、Ｆ（βi）は
ｆ（ｚ）のフーリエ変換である。
【００２５】ゆらぎｆ（ｚ）は本質的にランダムである
から、スピンのピッチが一定の場合、有効なモード結合
が得られないことは明かである。一方、ピッチスピンが
一定でない場合、特にスピンの螺旋が正逆に交番する場
合は、効率的結合を成す空間的成分を包含する可能性が
高い。発明者らが信ずるところでは、スピンの空間的周
波数の非均一性により、すなわち空間的周波数が比較的
高い領域と比較的低い領域とがある場合に強い結合が得
られる。
【００２６】本発明に係る光ファイバは、上記方法で製
造され、例えば、これを覆うクラッデイングを有するＳ
iＯ2ベースのファイバであって、コアの屈折率の方がク
ラッデイングの屈折率よりも大きいものである。また、
本発明の他の実施例は、光ファイバ通信システムであっ
て、光信号源と、光信号受信手段と、それら光信号源お
よび光信号受信手段と信号伝達が可能なように接続され
た上述の光ファイバとを有するものである。ファイバに
は、そのファイバに沿って一定でないスピンがかけら
れ、そのスピンの空間的周波数は、少なくとも部分的に
４スピン／ｍを越えるものである。
【００２７】図１は、従来の線引き装置を模式的に示
す。ファイバプリフォーム１１は、フィード機構（図示
せず）により炉１２の中にゆっくりと送られる。炉１２
では、プリフォーム１１の絞り部からファイバ１３が引
かれる。裸のファイバ１３は直径モニタ１４を経てコー
テイング処理装置１５を通過する。コーテイング処理装
置１５では、すでにかなり冷却された裸のファイバに、
高分子（ポリマ）コーテイング（内側コーテイングと外
側コーテイングとからなることが多い。）が施される。
その後、ファイバはコーテイング同心性モニタ１６、回
復ステーション１７を順次通過する。回復ステーション
１７は、例えばＵＶランプを有する。回復ステーション
１７の後、コーテイング直径モニタ１８を通り、領域２
１へはいる。
【００２８】領域２１には、ガイド手段（例えばガイド
ローラ１９１、１９２、１９３）と駆動手段（例えば引
張りキャプスタン２０）を有する。ガイドローラ１９１
はファイバが初めて固体に接触する点となる。この点
で、ファイバは回復された高分子コーテイングによりす
でに保護されている。また、キャプスタン２０により引
張り力が与えられ、引張りキャプスタン２０の回転速度
により引張速度が決まる。引張速度は例えば２０ｍ／ｓ
ｅｃである。
【００２９】ファイバは、キャプスタン２０から、独立
に駆動される巻上げ手段（例えば巻上げスプール）へと
導かれる。
【００３０】図１において、直径モニタ１４、コーテイ
ング同心性モニタ１６、コーテイング直径モニタ１８等
は適宜省略可能であり、また、例えば、炉１２とコーテ
イング処理装置１５の間に密封コーテイング室を設ける
ことも可能である。
【００３１】図１に示す従来の装置では、ファイバは、
少なくとも炉１２の出口点からキャプスタン２０までほ
ぼ一つの面内を動き、ファイバに意図的にねじりを加え
ることはない。図２は、図１の装置の領域２１の部分を
上から見た図である。
【００３２】本発明によれば、ファイバにスピンがかか
るように、ファイバにトルクがかけられる。原理的に
は、ファイバが接触してもいい程度に十分に冷却されて
いる巻上げスプールよりも上流側ならばどこでトルクを
かけてもよいが、一般には、裸のファイバが接触するの
は好ましくない。したがって、回復ステーション１７の
下流側、典型的には領域２１内の適当な位置でトルクを
かけるとよい。
【００３３】発明者らは、間欠的にファイバにトルクを
かけることにより、一定でないピッチのねじりをファイ
バに与えることができることを見出した。これは、例え
ば、図３のガイドローラ１９１１の向きを変化させるこ
とにより、例えば引張りタワー軸に平行な方向のまわり
に角度Θだけ傾けることにより実現できる。ローラ１９
１１を上述のように傾けることによって自動的に生ずる
横方向の力に応じて、ファイバはローラ上を前後に揺動
する。
【００３４】さらに詳述すると、横方向の力はファイバ
にトルクを生じさせ、ファイバをローラ１９１１上で横
方向にねじる。これにより、ファイバを、傾きのない従
来装置におけるファイバで定義される面の外に動かす。
横方向のねじれは従来の引張り動作に重ね合わされる。
ファイバが横方向に動くことによりファイバの横方向変
位が増大し、これにともなって復元力が増大する。これ
によりファイバはもとの面（必ずしも完全にではない
が）に突然に戻り、直ちにまた横方向のロールが始ま
る。この非対称の往復運動は、図３のローラ１９１１に
付けた両頭矢印に示されている。
【００３５】横方向ロール中のファイバの角回転速度
は、特に角度Θの関数である。したがって、ファイバに
かかるスピンのピッチもΘの関数である。例えば、発明
者らが使用した装置では、Θが７度のときに平均ピッチ
１４ｃｍ、Θが１５度のときに平均ピッチ７ｃｍ、であ
った。ピッチは、Θのほか、構造、引張りタワーの高
さ、引張り強さ、コーテイングの粘性などにも依存す
る。
【００３６】上述の方法によれば、ファイバにスピンが
かかるだけでなく、巻き上げられたファイバに、ほぼ等
価の反対向きの（一般には弾性的な）ねじりを生じさせ
る。そのようなファイバは一部の目的（例えば、比較的
短いファイバが要求されるセンサ等の用途）には許容さ
れるが、一般には、上述の弾性ねじれが、取り除かれる
か、そもそも生じないことが望ましい。弾性ねじれは、
例えば、適当な巻直しにより取り除かれるが、初めから
生じないようにする方が好ましい。これは、例えば以下
に述べるように、ファイバに時計方向・反時計方向のト
ルクを交番的にかけることにより実現される。
【００３７】図４のガイドローラ１９１２をファイバの
引張り方向（通常は引張りタワーの軸と同じ）と平行な
一つの軸のまわりに揺動させることにより、正逆に交番
するスピンがファイバにかけられる。さらに、結果とし
て、ファイバの正逆の弾性ねじりはほとんどキャンセル
され、巻上げスプール上のファイバにはほとんどねじり
弾性歪が生じない。図４のガイドローラ１９１２は適当
な手段、例えば偏心駆動手段（図示せず。）により揺動
される。
【００３８】他の実施例を図５に示す。ここでは、ガイ
ドローラ１９１３は、適当な従来方法（図示せず。）に
より軸方向に揺動され、時計方向・反時計方向の交番的
トルクがファイバにかけられる。
【００３９】図１ないし図３ではガイドローラや駆動プ
ーリとして溝車が示されているが、これらは溝なしのロ
ーラでもよく、また、図４、図５に示すように溝付きと
溝無しの組合わせでもよい。
【００４０】図６は、実験データの例を空間的周期（ス
ピン／ｍ）をファイバに沿った距離の関数として表した
ものである。曲線６０は単一モードファイバを１．５ｍ
／ｓｅｃの速さで引きながら図４のガイドローラ１９１
２を６０サイクル／分で揺動させた場合を示し、曲線６
１は単一モードファイバを３ｍ／ｓｅｃの速さで引きな
がら図４のガイドローラ１９１２を１０６サイクル／分
で揺動させた場合を示す。
【００４１】図６からわかるように、各ファイバとも、
スピンの空間的周波数が４スピン／ｍをはるかに越える
（２０スピン／ｍをも越える）部分を持ち、スピンが一
定でなく、時計方向・反時計方向のねじれを持ち、その
結果スピンが２つの極性モードの結合に有効な成分を持
つ点で本質的に類似している。
【００４２】図４の装置で引っ張られたファイバにかけ
られるスピンのピッチは、特に揺動の振幅Θ’および周
波数に依存する。例えば、本発明によるあるファイバ引
張り装置ではΘ’は１５度で、周波数は１０６サイクル
／分であった。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、商業的に現実的な光フ
ァイバの高速引きにおいても、低複屈折率を実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光ファイバ線引き装置の模式図。
【図２】図１のガイド部分の典型的な上面図。
【図３】本発明に係る光ファイバ線引き装置のガイド部
分の一実施例の上面を示す模式図。
【図４】本発明に係る光ファイバ線引き装置のガイド部
分の他の実施例の上面を示す模式図。
【図５】本発明に係る光ファイバ線引き装置のガイド部
分の他の実施例の上面を示す模式図。
【図６】本発明による光ファイバの長手方向に沿った単
位長さ当りスピン
【符号の説明】
１０ 線引き装置 １１ ファイバプリフォーム １２ 炉 １３ ファイバ １４ 直径モニタ １５ コーテイング処理装置 １６ コーテイング同心性モニタ １７ 回復ステーション １８ コーテイング直径モニタ １９１、１９２、１９３、１９１１、１９１２、１９１
３ ガイドローラ ２０ 引張りキャプスタン ２１ 領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アーサー クリフォード ハート，ジュニ ア アメリカ合衆国 07930 ニュージャージ ー チェスター、ノース ロード 396 (72)発明者 リチャード ガーナー ハフ アメリカ合衆国 07920 ニュージャージ ー バスキングリッジ、ハイランド アヴ ェニュー 83 (72)発明者 ケニス リー ウォーカー アメリカ合衆国 07974 ニュージャージ ー ニュープロヴィデンス、セントラル アヴェニュー 1003

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 a) 光ファイバのプリフォームを供給す
    る工程と、 b) 前記プリフォームの少なくとも一部を加熱する工程
    と、 c) 光ファイバにスピンがかかるように前記加熱された
    プリフォームから光ファイバを引く工程と、 を具備する光ファイバ製造方法において、 前記光ファイバを引く工程c)は、その光ファイバにトル
    クをかける工程を有し、そのトルクは、光ファイバがあ
    る引き方向に引かれるときにその光ファイバにスピンが
    かかるべく光ファイバの長手方向軸まわりのねじりを与
    えるもので、少なくともその光ファイバの一部の空間的
    周波数が１ｍ当たり４スピンより大きいスピンとなるよ
    うなトルクであることを特徴とする光ファイバ製造方
    法。
  2. 【請求項２】 前記トルクは、前記光ファイバにかかる
    スピンの空間的周波数が一定でないことを特徴とする請
    求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記トルクは、前記光ファイバにかかる
    スピンが交番的に現れるように時計方向・反時計方向に
    交互にかけられることを特徴とする請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 前記光ファイバを引く工程c)は、 前記光ファイバをポ高分子コーテイングでコーテイング
    する工程と、 そのコーテイングした光ファイバをガイドローラに接触
    させてそのガイドローラによって交番するトルクをかけ
    る工程とを具備することを特徴とする請求項３の方法。
  5. 【請求項５】 前記ガイドローラによってトルクをかけ
    る工程は、前記引き方向にほぼ平行な軸まわりに前記ガ
    イドローラを揺動させる工程を含むことを特徴とする請
    求項４の方法。
  6. 【請求項６】 コアとこのコアを覆うクラッデイングと
    を有する、スピンをかけた単一モード光ファイバを有す
    る光通信システムにおいて、 光ファイバの少なくとも一部は空間的周波数が１ｍ当た
    り４スピンより大きくしかもその光ファイバに沿ってス
    ピンが一定でないことを特徴とする光通信システム。
  7. 【請求項７】 極性モード分散が０．５ｐｓ／ｋｍ1/2
    より小さいことを特徴とする請求項６に記載の光通信シ
    ステム。
  8. 【請求項８】 スピンが時計方向・反時計方向に交互に
    かけられていることを特徴とする請求項６に記載の光通
    信システム。
  9. 【請求項９】 光信号源と、光信号受信手段と、 これら光信号源および光信号受信手段と信号伝達が可能
    なように接続された請求項６に記載の光ファイバとを具
    備することを特徴とする光通信システム。
  10. 【請求項１０】 コアとこのコアを覆うクラッデイング
    とを有する、スピンをかけた単一モード光ファイバにお
    いて、 請求項１に記載の製造方法により製造されたことを特徴
    とする光ファイバ。
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