JP6849603B2 - 偏波保持光ファイバ - Google Patents

Description

優先権

本出願は、米国特許法第１１９条の下で、２０１５年３月２０日出願の米国仮特許出願第６２／１３５９６２号の優先権の利益を主張するものであり、上記仮特許出願の内容は信頼できるものであり、また参照によりその全体が本出願に援用される。

本発明は一般に、光ファイバに関し、より詳細には偏波保持光ファイバに関する。

偏波保持（ＰＭ）光ファイバは、超高速送信システム及び多数の他の用途に有用である。従来の偏波保持ファイバの１つのタイプとしては、図１に示すような、クラッド１１に取り囲まれた中心コア１０が挙げられる。コア１０及びクラッド１１は、光導波路の形成に採用される従来の材料で形成される。コア材料の屈折率は、クラッド料の屈折率より大きい。単なる例として、コア１０はシリカからなってよく、シリカは、シリカの屈折率を上昇させる１つ又は複数のドーパント、例えばゲルマニアを含有する。クラッド１１は、純シリカ、コア１０より少量のドーパントを含有するシリカ、又は１つ若しくは複数のドーパントを含有するシリカを含んでよく、上記ドーパントのうちの少なくとも１つは、シリカの屈折率を低下させるホウ素若しくはフッ素等の元素の酸化物である。図１では、コア１０に関して全く反対の位置に、クラッド１１の熱膨張係数（ＣＴＥ）とは異なるＣＴＥを有する、（例えば２０〜２５重量％のＢを有する）ホウ素がドープされたガラスシリカで形成された、２つの領域１２（応力誘発ロッド）がある。このようなファイバをドロー加工する際、長手方向延在領域１２及びクラッド領域は、異なる量だけ収縮し、これにより領域１２は、クラッド１１のＣＴＥに対するそのＣＴＥに応じて、引張又は圧縮の状態に置かれることになる。領域１２と周囲の領域１１との間のＣＴＥのミスマッチから生じる異方性熱応力によってこのように誘発される、歪み誘発型複屈折は、（直交する偏波方向を有する）２つの偏波基本モード間の連結を低減する。

（クラッド１１と領域１２との間の）ＣＴＥミスマッチによってもたらされるこれらのＰＭの１つの主要な欠点は、これらのファイバが、熱応力が温度によって変化するという事実を理由として、温度感受性であることである。この熱感受性は、ＰＭの性能の安定性を損なうことが多い。ＰＭファイバの熱安定性は、上記ファイバが動作中に劇的な温度変化にさらされ得る、高出力増幅器／レーザ、高精度機上宇宙航行、及び深海（又は陸地）センサ用途等の多数の用途に関して極めて重要である。これらの変化は、多くの場合はコストがかかる追加の温度管理を採用しなければ、性能の低下、低いナビゲーション精度、及び場合によってはデバイス／システムの完全な故障を引き起こす、ＰＭの特性の劣化をもたらし得る。

本発明のいくつかの実施形態は：（ｉ）コア；（ｉｉ）上記コアを取り囲むクラッド；及び（ｉｉｉ）上記ファイバコアに隣接し、かつ上記クラッド内に配置された、少なくとも１つの応力部材を備える、光ファイバに関し、上記応力部材は、０〜１重量％のＢを含むＦドープシリカを含む。

好ましくは、少なくとも１つの応力部材は、０〜０．５重量％のＢを含む。いくつかの例示的実施形態によると、上記少なくとも１つの応力部材中のＢの量は、０．０５重量％未満である。いくつかの実施形態では、上記少なくとも１つの応力部材は、０．０１重量％未満のＢを含む。いくつかの実施形態では、上記少なくとも１つの応力部材は、Ｂを含まない。好ましくは、上記少なくとも１つの応力部材中のＦの量は、１重量％以上である。いくつかの実施形態によると、上記少なくとも１つの応力部材は、１．５重量％＜Ｆ＜３．５重量％を有する。好ましくは、上記光ファイバは、８００ｎｍ〜１６００ｎｍの動作波長範囲内（例えば８５０ｎｍ、１０６０ｎｍ、１３１０ｎｍ及び／又は１５５０ｎｍ）での偏波保持をサポートする。好ましくは、上記応力部材は、熱応力係数σ_ｔ及び機械的応力係数σ_ｍを有し、またσ_ｔ＜０．１σ_ｍである。好ましくは、上記光ファイバは５×１０^−５超（例えば１×１０^−４〜１×１０^−３）の複屈折を有する。

一実施形態では、上記中心コアは、この応力部材に取り囲まれ、上記応力部材は、フッ素ドープシリカの環状領域である。別の実施形態では、上記応力部材は、上記コアに関して反対側に配置された、少なくとも２つの応力印加部品（ｓｔｒｅｓｓ‐ａｐｐｌｙｉｎｇ ｐａｒｔ：ＳＡＰ）（例えば０〜１重量％のＢを有するＦドープ応力ロッド）を含む。

本発明のいくつかの実施形態によると、上記中心コアは好ましくは、約０．２％〜０．５％のデルタ、％Δ_１を有する。遠距離通信及びファイバセンサにおいて使用するための単一モードファイバでは、中心コアのデルタ、％Δ_１は好ましくは、約０．３％〜２．５％である。本明細書に開示されているいくつかのファイバ実施形態は、コア直径が約３〜１２マイクロメートルの単一モードファイバである。

本発明の実施形態による偏波保持ファイバの１つの利点は、温度感受性を全く又はほとんど有しない、略安定した偏波性能である。

本発明の更なる特徴及び利点は、以下の「発明を実施するための形態」に記載され、またその一部は、この「発明を実施するための形態」から当業者には容易に明らかになり、また本発明を、以下の「発明を実施するための形態」、特許請求の範囲及び添付の図面を含む本明細書に記載されているように実施することによって、認識されるであろう。

従来技術の光導波路の概略断面図 本発明による偏波保持光ファイバの第１の実施形態の概略断面図 本発明による偏波保持（ＰＭ）光ファイバの第２の実施形態の概略断面図 本発明による偏波保持光ファイバの第３の実施形態の概略断面図 本発明による偏波保持光ファイバの第４の実施形態の概略断面図 図２Ａの光ファイバの、スペクトル（送信された出力（単位ｄＢｍ））：波長を示す、ＯＳＡ（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｚｅｒ：光スペクトルアナライザ）によって測定されたプロット 本発明による単一偏波光ファイバの１つの実施形態の、測定された２次元屈折率分布の断面図である。 本発明による単一偏波光ファイバの別の実施形態の、測定された２次元屈折率分布の断面図である。

本明細書の記載の目的のために、本発明は、そうでないことが明記されている場合を除いて、様々な代替的構成及びステップ順序を想定してよいことを理解されたい。また、添付の図面に図示され、かつ以下の明細書中に記載された、具体的なファイバ及びプロセスステップは、添付の請求項において定義される発明概念の例示的実施形態であることを理解されたい。従って、本明細書に開示されている実施形態に関連する具体的寸法及び他の物理的特性は、限定として見做してはならない。

定義：以下の定義及び用語法は、当該技術分野において一般に使用されている。

屈折率プロファイル‐屈折率プロファイルは、ファイバの選択されたセグメントに亘る、屈折率（Δ％）と（光ファイバの中心線から測定される光ファイバ半径との間の関係である。

相対屈折率パーセントΔ％‐項Δ％は、以下の式によって定義される屈折率の相対的尺度を表す：

ここでｎ_ｉは、ｉとして示される屈折率プロファイルセグメントの最大屈折率であり、ｎ_ｃは基準屈折率である。上記セグメント内の全ての点は、基準屈折率に対して測定された関連する相対屈折率を有する。

本発明の実施形態による光導波ファイバ２０は、Ｆ及び１重量％未満のＢでドープした（本明細書では応力部材と呼ばれる）１つ又は複数の応力印加部品を利用する、熱安定性ＰＭファイバである。いくつかの実施形態によると、上記応力部材は、０．５重量％未満のＢ（ホウ素）を含む。いくつかの実施形態によると、上記応力部材は、０．１重量％未満のＢ（ホウ素）を含む。いくつかの実施形態によると、１つ又は複数の上記応力部材は、Ｂを基本的に含まない。出願人らは、ホウ素（Ｂ）を含まない、又は最小量のＢしか含まないＰＭファイバが、有意量（例えば≧２重量％）のＢを含むＰＭファイバを上回る利点を有することを発見した。これらの１つ又は複数の応力部材は、円形又は非円形断面を有してよく、また、例えばアクティブ（例えば希土類ドープコア）及びパッシブファイバ、並びに異なる材料の１つ又は複数のクラッドを有するファイバ（例えばダブルクラッドファイバ）といった、多数の異なるタイプのファイバにおいて利用してよい。このような光ファイバ２０は、ＳＡＰ（１つ又は複数の熱応力印加部品）としてＢのみでドープされたシリカを有する従来の偏波保持ＰＭファイバにおいて観察される熱応力ではなく、機械的応力によって、偏波保持特性を提供する。偏波保持（ＰＭ）光ファイバ２０の実施形態において達成される機械的応力は、Ｆドープシリカ（１つ又は複数の応力部材に使用される材料）の歪み点まで、温度非感受性である。従って光ファイバ２０は有利なことに、極めて熱安定性のＰＭファイバである。本明細書に記載の実施形態によると、温度非感受性ＰＭファイバ２０は、−６０℃〜＋１２０℃の温度範囲に亘って：
１）１０％未満、好ましくは５％未満、若しくはより好ましくは３％未満（ただし＞０％）の、ファイバの複屈折の変化Δｎ（波長λにおける２つの偏波モードの間の屈折率の差異）；及び／又は
２）１０％未満、好ましくは５％未満、より好ましくは３％未満（ただし＞０％）の、ビート長さＬ_ｂ（ここでＬ_ｂ＝１／（２π）Δｎ）の変化
を有し（又は呈し）、ここでλは、動作波長（例えば８５０ｎｍ、１０６０ｎｍ、１３１０ｎｍ及び／又は１５５０ｎｍ）である。Ｌｂは、波長走査法によって測定でき、測定されるビート長Ｌ_ｂ＝（Δλ／λ）Ｌ（Δλはピーク間波長であり、λは平均波長であり、Ｌは測定されるファイバの長さである）となることに留意されたい。

本明細書に記載及び開示される、本発明による偏波保持光導波ファイバ２０の２つの実施形態は、図２Ａ及び２Ｂに最もよく示されているような断面構造を有する。図示されている実施形態では、光導波ファイバ２０は、上記ファイバの長手方向軸に沿って延在する中心コア３０を含む。このコア３０は、（ｉ）典型的には直径３〜１２マイクロメートルである、（図２Ｂに示すような）円形であっても、又は（ｉｉ）最大寸法Ａ及び最小寸法Ｂで伸長していても（例えば図２Ａ及びに示すような楕円形であっても）よい。コア３０が伸長している場合、ファイバ２０のコア３０は、１．５超、好ましくは約１．５〜８、より好ましくは２〜５である、Ａ／Ｂとして定義される第１のアスペクト比ＡＲ１を呈することが好ましい。コア３０は、少なくとも１つの応力部材４２を含む及び／又は取り囲むファイバクラッド４０によって取り囲まれている。

中心コア３０は例えば、ゲルマニアドープシリカから製造され、ここでゲルマニアは、上記コアが、約０．２％〜２．５％（約３．６重量％〜４４重量％のＧｅＯ_２ドープレベル）；例えば好ましくは約０．３％〜１％（約５．４重量％〜１８重量％のＧｅＯ_２ドープレベル）；例えば０．３％〜０．５％（約５．４重量％〜９重量％のＧｅＯ_２ドープレベル）、及び一実施形態では約０．３４％（約６．２重量％のＧｅＯ_２ドープレベル）のコアデルタ％、Δ_１を呈するように、十分な量で提供される。上記コアが伸長している場合、コア３０の平均直径ｄ ａｖｇ＝｛Ａ＋Ｂ｝／２は好ましくは約３〜１２マイクロメートル、より好ましくは４〜１０マイクロメートルである。

上記少なくとも１つの応力部材は、コア３０に隣接して、又は上記コアと接触して形成される（図２Ａ〜２Ｄ）。例えば図２Ｃは、上記コアを取り囲むフッ素ドープシリカの環状領域である、応力部材４２を示す。環状の応力部材４２が上記コアを取り囲む場合、環状応力領域は、円形（図２Ｃ）、又は楕円形（図示せず）であってよい。上記コアを取り囲むボウタイ様の応力部材４２（図示せず）も利用してよい。好ましくは、応力部材４２中のＦの量は、少なくとも１重量％、例えば１〜４重量％（例えば１．５重量％＜Ｆ＜３．５重量％）であり、上記応力部材中のＢの量は、０〜１重量％（例えば＜０．５重量％、又は＜０．２重量％、又は＜０．１重量％、又は更に＜０．０５重量％）である。

１つ又は複数の応力部材４２は、複数のＦドープ応力ロッド４４、４６（例えば図２Ａ、２Ｂ、２Ｄ、４Ａ及び４Ｂを参照）であってよい。好ましくは、上記応力ロッド中のＦの量は、少なくとも１重量％、例えば１〜４重量％（例えば１．５重量％＜Ｆ＜３．５重量％）である。これらのフッ素ドープ応力ロッドは、１重量％未満のホウ素を含む。いくつかの実施形態によると、応力ロッド４４、４６は、０．５重量未満のホウ素、例えば＜０．２重量％、又は更に＜０．１重量％、又は＜０．０５重量％のホウ素を含む。いくつかの実施形態によると、応力ロッド４４、４６は、０．０１重量％未満のホウ素（即ち０〜０．１重量％のＢ）を含む。いくつかの実施形態によると、上記応力ロッドはＢを基本的に含まない。いくつかの実施形態では、応力ロッド４４、４６はホウ素を含まない。より具体的には、図２Ａ、２Ｂ及び２Ｄは、コア３０の対向する両側に配置された少なくとも２つの応力ロッド４４、４６を含む応力部材を示す。ファイバ２０が環状領域３２を含む場合、応力ロッド４４、４６は、少なくとも部分的に、ファイバ２０の環状領域３２内に形成してよい。応力ロッド４４、４６は好ましくは、ファイバ２０の長手方向全長に沿って延在し、また好ましくは、ファイバ長さに沿って寸法が略一定である。応力ロッド４４、４６は好ましくは、中心コア３０に関して全く反対側に位置決めされ、また図２Ａ、２Ｂ又は２Ｄに示すように、クラッド４０内に配置されてよい。応力ロッド４４、４６は、最小コア寸法Ｂに隣接して位置決めしてよく、また最小コア寸法Ｂと整列してよい。上記コアと上記応力ロッドとの間の壁間距離は、ゼロとすることができる（応力ロッドがコアに接触する）。好ましくは、応力ロッド４４、４６等の応力部材は、コア３０に隣接して、かつコア３０に極めて近接して配置される（例えば、応力ロッドの縁部を、コア３０の縁部から１０マイクロメートル以内、好ましくは２〜５又は３〜５マイクロメートル以内に位置させる）。上記応力ロッドの断面は円形であってよい（図２Ａ）が、任意に他の形状（例えば図２Ｄ並びに図４Ａ及び４Ｂを参照）であってよく、また同一のサイズであっても異なるサイズであってもよい。標準的な単一モード用途のために設計された光ファイバ２０（例えば外径（ＯＤ）１２５μｍのファイバ）では、上記１つ又は複数の応力部材は好ましくは、約５〜４０マイクロメートル；より好ましくは約１０〜３０マイクロメートル、例えば１０〜２５マイクロメートル又は１０〜２０マイクロメートルの直径ｄ又は幅ｗ等といった最大寸法を有する。いくつかの実施形態によると、上記応力ロッドは、平均直径ｄ_ａｖの断面を有し、ここで１０μｍ≦ｄ_ａｖ≦４０μｍである（ｄ_ａｖ＝１／２（Ｄ_ｍａｘ＋Ｄ_ｍｉｎ））。これらの図では、コア３０の各側に１つの応力ロッドのみが示されているが、各側に沿った複数のロッドもまた、動作波長帯域内のＰＭを提供できる。Ｆドープシリカを含む例示的な応力部材は、１．５重量％＜Ｆ＜３．５重量％、及び０〜０．１重量％のＢを含んでよい。例えばいくつかの実施形態では、上記応力部材は、２．４重量％＜Ｆ＜３重量％、及び０〜０．０５重量％のＢを含んでよい。いくつかの例示的実施形態では、応力ロッド４２、４６中のホウ素の量は、０〜０．０１重量％である。１つ又は複数の上記応力部材は好ましくは、純シリカ（又はそれを取り囲むドープシリカ材料）のＣＴＥと同等のＣＴＥを有し、これにより、−１００℃〜６００℃の温度範囲内での、温度非感受性のＰＭ性能が確実なものとなる。例えば１つ又は複数の上記応力部材は、好ましくは１×１０^−７／℃〜１０×１０^−７／℃、より好ましくは２×１０^−７／℃〜５×１０^−７／℃のＣＴＥを有する。いくつかの実施形態では、上記応力部材（例えば応力ロッド）は、−１００℃〜６００℃の温度範囲内において、３×１０^−７／℃〜５×１０^−７／℃のＣＴＥを有する。

好ましくは、光ファイバ２０は、８００ｎｍ〜１６００ｎｍ（例えば８５０ｎｍ、１０６０ｎｍ、１３１０ｎｍ及び／又は１５５０ｎｍ）に位置する動作波長範囲内での偏波保持をサポートする。本発明のいくつかの実施形態による光ファイバ２０は、４５０ｎｍ〜１６００ｎｍの帯域内に位置する波長において、０．４×１０^−４〜１×１０^−３（例えば５×１０^−４〜１×１０^−３）の（Δｎとして測定される）複屈折を呈する。いくつかの実施形態では、上記偏波保持ファイバは、４５０ｎｍ〜１６００ｎｍの（例えば１３１０ｎｍ又は１５５０ｎｍの）波長において０．４×１０^−４〜１０×１０^−４の複屈折を呈する、単一モードファイバである。例えば上記複屈折Δｎは、波長１５５０ｎｍにおいて、１×１０^−４〜３×１０^−４であってよい。

図３は、図２Ａのファイバが交差偏波器のペアの間に位置決めされている場合の、測定されたＯＳＡスペクトル：波長を示す。この例示的なＰＭファイバ（図２Ａのファイバ）の複屈折（Δｎ）及びビート長さは共に、図３において提供される情報によって算出できる。このファイバは、１５５０ｎｍにおいて約１．６６ｍｍの、測定されたビート長さＬ_ｂ＝（Δλ／λ）Ｌを有し、ここでΔλは、図３のピーク波長間の間隔であり、λは平均波長であり、Ｌは、測定されたファイバの長さ（この実施形態ではＬ＝０．５２ｍ）である。上記ファイバは、λ＝１５５０ｎｍにおいて約９．３×１０^−４の複屈折Δｎを有し、これは、Ｂのみでドープされたシリカを応力部材として有する従来のＰＭファイバにおいて達成されるものと同等であるものの、Ｆシリカガラスに関する歪み点（約６５０℃）まで熱安定性であるという追加の便益を有する。

図２Ａに示すものと同様の断面を有する１つの例示的なファイバ２０は、０．３４％の相対屈折率デルタを有する単一モードコア（この実施形態では上記コアは円形である）と、純シリカクラッドとを有する。よって、上記クラッドに対する上記コアの有効コアデルタ０．３４％は、このＰＭファイバ設計では約０．１２のコアＮＡに対応する。上記応力ロッドは、−０．４５％のデルタを有する（これもまた純シリカに対するものである）。このファイバの実施形態は、約４．５μｍのコア直径、及び約２０〜２５μｍの応力ロッド直径を有する。応力ロッド４４、４６は、コア３０に隣接して、クラッド４０内に位置し、コア３０と応力ロッド４４、４６との間の（壁間又は縁部間）距離は約５μｍである。このファイバ２０は、λ＝１．５５μｍにおいて９．３×１０^−４の複屈折を有する。この例示的なファイバのファイバコア３０は、７重量％未満のＧｅＯ_２を含む。この例示的なファイバの実施形態のクラッド４０は、本質的に純シリカからなる。この例示的なファイバの応力ロッド４４、４６は、２．５重量％のＦ及び０．１重量％未満のホウ素（例えば基本的にホウ素なし）でドープされたシリカを含む。

いくつかの実施形態によると、上記応力ロッドの半径は、コア３０と応力ロッド４４又は４６との間の（縁部間）距離より大きい（例えば、ｃ＞（ｂ−ａ／２）である図２Ｂを参照）。好ましくは、コア３０と応力ロッド４４又は４６との間の縁部間距離は、上記コアの直径より小さい。例えば図２Ｂに示されているように、上記コアの直径はａであり、上記コアと上記応力ロッドとの間の距離はｂ−ａ／２である。この図は、（ｂ−ａ／２）がａより小さいことを示している。いくつかの実施形態では、上記コアの縁部と１つ又は複数の上記応力ロッドの縁部との間の距離は３μｍ未満であり、いくつかの実施形態では、２μｍ未満である。また例えば図４Ａ及び４Ｂを参照されたい。

一実施形態によると、出願人らは、以下のようにして、ホウ素を基本的に有しないフッ素ドープ応力ロッドを有する偏波保持（ＰＭ）ファイバ２０を製造した：
まず、５０００ｇのシリカスートを含むシリカスートブランクを、外部蒸着（ｏｕｔｓｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＯＶＤ）プロセスによって調製した。敷設後のスート密度は０．５４１ｇ／ｃｍ^３であった。スートブランクの直径は１２２ｍｍであった。上記スートブランクの長さ３０ｃｍのセクションを切り出した。以下のステップにおいて孔を穿孔するために十分な機械的強度を提供するために、（この実施形態では長さ３０ｃｍの）上記スートブランクを、ヘリウム環境下において１２７０℃で３時間予備焼結して、密度を約１．０ｇ／ｃｍ^３超にまで増大させた。予備焼結後、この予備焼結したスートブランクを穿孔して、合計３個の孔（直径９ｍｍの中心孔、及び上記中心孔の２つの側部にある直径１８ｍｍの２つの孔）を設けた。直径８．５ｍｍのガラスコアケーンを上記中心孔に挿入し、直径１８ｍｍの２つのフッ素ドープガラスケーンを側部孔に挿入した。上記コアケーンは、（純シリカに対して）デルタが０．３４％のＧｅドープガラスと、コア領域を取り囲む薄型純シリカクラッドとで作製された。コア／クラッド比（ケーン直径に対するコア直径）は、０．９７５であった。フッ素ドープロッドは、純シリカに対して−０．４５％のデルタを有し（これは１．６２重量％のフッ素濃度に対応する）、またホウ素を基本的に含有しなかった。次に、上記コアケーン及びフッ素ドープロッドを備えた上記スートブランクを、炉内で焼結して、焼結済みガラスプリフォームを形成した。上記焼結済みガラスプリフォームを、ドロー張力２００ｇのドロータワーを用いて、直径１２５μｍ〜１００μｍのファイバへとドロー加工した。

図４Ａ及び４Ｂは、上述の例示的な方法によって製造された２つの例示的なファイバに関する、測定された２Ｄ屈折率分布を示す（これらの例示的実施形態は円対称ではないため）。より具体的には、これらの図は、これらのファイバの断面積を示し、右側のグレースケールのバーは、屈折率レベルを示す。上記コアの最大屈折率は約５×１０^−３であり、これは０．３４％の（シリカに対する）相対屈折率デルタに対応し、また上記フッ素ドープ応力ロッドの最小屈折率は約６．５×１０^−３であり、これは０．４５％の（シリカに対する）相対屈折率デルタに対応する。両方のファイバの実施形態に関して、応力ロッド４４、４６は、ファイバのドロー中の非対称応力によって変形し、これにより断面が非円形となる。コア３０は、フッ素ドープ応力ロッドからの非対称機械的応力によって、楕円形となる。この伸長したコアは、光ファイバ２０の複屈折を更に増大させた。表１は、これらのファイバのパラメータをまとめたものである。外側クラッドの直径が１２５μｍのファイバの実施形態のビート長さＬ_ｂは、１．６６ｍｍであり、これは、（図１に示す）純ホウ素の応力ロッドを有するＰＭファイバと同等である。外側クラッドの直径が１００μｍのファイバの実施形態は、１２５μｍの上記ファイバよりも大きなビート長さを有する。

光ファイバの偏波特性を制御するための１つ若しくは複数のＦドープ応力部材４２又はロッド４４、４６を有するＰＭ光ファイバ２０の、機械的応力誘発型複屈折の利用の発見は、動作中の熱感受性の欠如といった、独特の利点を提供する。理論によって束縛されることを望むものではないが、出願人らは、１つ又は複数のＦドープシリカ応力部材によって提供される、機械的に誘発される高い複屈折の機序は、以下のように説明できる：
応力部材４２（応力ロッド４４、４６）を使用するＰＭファイバによって達成される一般的な複屈折（Ｂｉ）は：

のように表すことができ、ここでＣは応力光係数であり、σ_ｔは熱応力寄与率であり、σ_ｍは機械的応力寄与率であり、

であり、また

であり、ここでＥはヤング率であり、Δαは、１つ又は複数の上記応力部材と上記クラッドとの間の差分ＣＴＥであり、ΔＴは、ファイバ歪み温度と室温との間の温度差であり、ｖはポワソン比であり、Ｆはファイバドロー力であり、Ａは１つ又は複数の上記応力部材の面積である。負の符号は、上記応力ロッドが圧縮状態であること及び上記ファイバの上記クラッドが引張状態であることを表し、これは純シリカクラッドのケースである。シリカガラスを他の材料でドープした場合、屈折率及び熱膨張係数の両方が変化する。フッ素ドーパントに関して、デルタは、以下の式によって重量パーセント（Ｗ_Ｆ）に関連する：

フッ素ドープガラスに関する屈折率の変化は負であり、これは応力ロッド用途に好適である。というのは、これは導波路を形成しないためである。１／℃の単位のＣＴＥ αは、フッ素ドープシリカに関して、以下の式によってモルパーセントに関連する：

フッ素ドープガラスのＣＴＥはわずかに低下し、これは応力ロッド領域内に小さな圧縮応力を生成する。熱応力が小さいため、フッ素ドープロッド及び１重量％未満のホウ素を含むプリフォームは、プリフォーム製造プロセス中に加熱又は冷却する際の取り扱いが容易である。１重量％未満のホウ素（好ましくは０．５重量％未満のホウ素、より好ましくは０．１重量％未満のホウ素、更に好ましくは０．０２重量％未満のホウ素、また更に好ましくは０重量％〜０．０１重量％のホウ素）を含むフッ素ドープ応力ロッドは、上記シリカクラッドよりも低い粘度を有する。上記プリフォームをファイバへとドロー加工する際、ドロー張力の大半が上記シリカクラッドによって消費され、その結果、上記ファイバクラッドは引張状態となり、上記応力ロッドは圧縮状態となる。ドローによって誘発される圧縮は、熱膨張による圧縮に追加される。式（３）は、上記応力ロッド内においてドローによって誘発される応力は、ドロー張力に左右されることを示している。上記応力ロッド内において高い応力レベルを得るためには、高いドロー張力が必要となる。好ましくは、上記ドロー張力は１００ｇ超、より好ましくは２００ｇ超、更に好ましくは３００ｇ超である。ドローによって誘発される機械的応力は、上記応力ロッドの面積に反比例する。しかしながら、上記コア内に誘発される複屈折は、上記コア内部の応力場に左右され、従って上記応力ロッドに関して、最適な直径範囲が存在する。最小のファイバ減衰を達成しながら、フッ素ドープ応力ロッド４４、４６内の応力を増大させるためには、上記ロッドのガラスの粘度を低下させるために、高いフッ素ドープレベル及びホウ素の量が極めて少ないこと（好ましくはホウ素がないこと）が必要となる。好ましくは、フッ素の量は１重量％超、より好ましくは２重量％超である。好ましくは、ホウ素（Ｂ）の量は１重量％未満、より好ましくは０．５重量％未満、更に好ましくは０．１重量％以下（例えば０．０１重量％以下）である。

図１に示すもののような、１つ又は複数の応力部材として高Ｂドープシリカを有する従来のＰＭファイバでは、熱に関する項σ_ｔが、複屈折Ｂｉに寄与する支配的因子である。熱応力に関する項σ_ｔは、高い差分ＣＴＥ、Δαによって大きく左右される。本明細書中の例示的実施形態によるファイバでは、機械的応力に関する項σ_ｍは、比較的小さく、一般に無視できる。即ち、従来のＰＭファイバでは、σ_ｔ＞＞σ_ｍである（例えばσ_ｔは、σ_ｍより少なくとも１０倍大きい）。対照的に、少量（１重量％未満、好ましくは＜０．１重量％）のＢを含む、又はより好ましくはＢを基本的に含まないＦドープシリカを、光ファイバ２０の１つ又は複数の応力部材４２、４４、４６として使用する場合、差分ＣＴＥ、Δαは小さく（略ゼロに）なり、従ってＰＭファイバ２０はσ_ｔ＜＜σ_ｍを満たす（例えばσ_ｔは、σ_ｍより少なくとも１０倍小さい）。いくつかの実施形態では、光ファイバ２０のこのような１つ又は複数のＦドープシリカ応力部材は、式５から算出される約２×１０^−７／℃〜５×１０^−７／℃のＣＴＥを有し、これは、純シリカガラスのＣＴＥに極めて類似している（シリカのＣＴＥは約５．５×１０^−７／℃である）。よって、式（１）に示されているように、本明細書で開示される光ファイバ２０の例示的実施形態における、複屈折Ｂｉに関する支配的な力は、略完全に機械的応力に関する項σ_ｍである。式（３）に示されているように、温度に対するσ_ｍの非感受性は、結果として、１つ又は複数のＦドープシリカ応力部材の使用によって作製されるＰＭファイバの熱安定性の原因となる。いくつかの実施形態によると、σ_ｔ＜＜σ_ｍ（例えばσ_ｔ＜０．１０σ_ｍ、又は更にσ_ｔ＜０．０５σ_ｍ）は、光ファイバ２０の熱非感受性動作をもたらす。いくつかの実施形態では、０≦σ_ｔ＜０．０５σ_ｍである。出願人らは、上記ファイバコア近傍に位置する上記応力ロッド中にホウ素が存在する場合に、このホウ素が上記ファイバの減衰を増大させる（即ちホウ素は、ガラス中に存在するＢによる光の吸収により、光損失を増大させる）こと、従って、応力ロッド中のＢの量を１重量％未満に低減する、又は好ましくはＢを完全に排除することによって、出願人らは低減衰ファイバを作製できることを、理解した。このＢの濃度の低減により、出願人らは、減衰を増大させることなく、上記応力ロッドを上記ファイバコアに隣接して、又は上記ファイバコアに近接させて配置でき、これにより複屈折を増大させ、より良好な偏波保持を提供できる。更に、ホウ素がガラス中に存在する場合、このホウ素は、ガラスの熱膨張係数（ＣＴＥ）を増大させ、これは上記ファイバの、温度変化に対する感受性を増大させる。出願人らは、Ｂの量を１％未満、好ましくは０．１％未満に維持することによって、又は上記応力部材若しくは応力ロッド中にＢを含まないことによって、本明細書に記載のＰＭファイバ２０の熱安定性が、広い温度範囲（例えば１００℃〜６００℃）に亘って改善されることを発見した。

ファイバクラッド４０は好ましくは、約１２５マイクロメートル以上の従来の外径を有し、また好ましくは略純粋なシリカである組成を有する。任意に、クラッド４０は、他の好適なドーパントを含んでよく、上記外径は、サイズの制約によって必要となる場合には削減してよい。光ファイバ２０は好ましくは、動作波長において（例えば１５５０ｎｍにおいて、又は１３１０ｎｍにおいて）、２ｄＢ／ｋｍ未満の減衰を呈する。

いくつかの実施形態では、光ファイバ２０は、動作波長において（例えば１５５０ｎｍにおいて、又は１３１０ｎｍにおいて）、０．５ｄＢ／ｋｍ未満の減衰を呈する。いくつかの実施形態によると、光ファイバ２０は、４５０ｎｍ〜１６００ｎｍの波長において、０．４×１０^−４〜１０×１０^−４の複屈折を呈する。いくつかの実施形態によると、上記応力ロッドは、１．５重量％＜Ｆ＜３．５重量％を含む。いくつかの実施形態によると、応力部材４２又は１つ若しくは複数の応力ロッド４４、４６は、平均直径ｄ_ａｖを有する断面を有し、ここで１０μｍ≦ｄ_ａｖ≦４０μｍである。いくつかの実施形態によると、上記応力ロッドは、−１００℃〜６００℃の温度範囲内において、２×１０^−７／℃〜５×１０^−７／℃のＣＴＥを有する。好ましくは、上記応力部材又は応力ロッドは、０．０１重量％未満のＢを有する。これらの実施形態では、０≦σ_ｔ＜０．１σ_ｍである。いくつかの実施形態では、０≦σ_ｔ＜０．０５σ_ｍである。

本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に対して変形及び修正を行うことができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の修正及び変形が添付の請求項及びその均等物の範囲内にある限りにおいて、本発明は上記修正及び変形を包含することが意図されている。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
（ｉ）コア；
（ｉｉ）上記コアを取り囲むクラッド；及び
（ｉｉｉ）上記コアに隣接し、かつ上記クラッド内に配置された、少なくとも１つの応力部材
を備える、偏波保持光ファイバであって、
上記少なくとも１つの応力部材は、０〜１重量％のホウ素（Ｂ）を含むフッ素（Ｆ）ドープシリカを含む、偏波保持光ファイバ。

実施形態２
上記コアはシリカベースであり、上記少なくとも１つの応力部材に取り囲まれ、
上記少なくとも１つの応力部材は、Ｆドープシリカの環状領域である、実施形態１に記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態３
上記少なくとも１つの応力部材は、上記コアに関して反対側に配置された少なくとも２つの応力ロッドを含む、実施形態１に記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態４
８００ｎｍ〜１６００ｎｍの動作波長において、２ｄＢ／ｋｍ未満の減衰を有する、実施形態１〜３のいずれか１つに記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態５
８００ｎｍ〜１６００ｎｍの動作波長において、０．５ｄＢ／ｋｍ未満の減衰を有する、実施形態１〜３のいずれか１つに記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態６
上記ファイバは、単一モード偏波保持ファイバであり、４５０ｎｍ〜１６００ｎｍの波長λにおいて、０．４×１０^−４〜１０×１０^−４の複屈折を有する、実施形態１〜５のいずれか１つに記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態７
上記少なくとも１つの応力部材は、１．５重量％＜Ｆ＜３．５重量％を有する、実施形態１〜６のいずれか１つに記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態８
上記少なくとも２つの応力ロッドは、平均直径ｄ_ａｖの断面を有し、
１０μｍ≦ｄ_ａｖ≦４０μｍである、実施形態３又は７に記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態９
上記ファイバは、単一モード偏波保持ファイバであり、
上記少なくとも１つの応力部材は、１．５重量％＜Ｆ＜３．５重量％及び０重量％〜０．５重量％のＢを含む２つのＦドープシリカロッドを備える、実施形態１に記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態１０
上記ファイバは、単一モード偏波保持ファイバであり、
上記少なくとも１つの応力部材は、Ｂを基本的に含まない２つのＦドープシリカロッドを備える、実施形態１に記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態１１
上記少なくとも１つの応力部材は、−１００℃〜６００℃の温度範囲内において、２×１０^−７／℃〜５×１０^−７／℃のＣＴＥを有する、実施形態１〜１０のいずれか１つに記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態１２
上記２つのＦドープ応力ロッドは、−１００℃〜６００℃の温度範囲内において、２×１０^−７／℃〜５×１０^−７／℃のＣＴＥを有する、実施形態１０に記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態１３
上記少なくとも１つの応力部材は、熱応力係数σ_ｔ及び機械的応力係数σ_ｍを有し、
σ_ｔ＜０．１σ_ｍである、実施形態１〜１２のいずれか１つに記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態１４
（ｉ）コア；
（ｉｉ）上記コアを取り囲むクラッド；及び
（ｉｉｉ）上記コアに隣接し、かつ上記クラッド内に配置された、少なくとも１つの応力部材
を備える、偏波保持光ファイバであって、
上記少なくとも１つの応力部材は、フッ素（Ｆ）及び０〜１重量％のホウ素（Ｂ）でドープされたシリカを含み、
上記少なくとも１つの応力部材は、熱応力係数σ_ｔ及び機械的応力係数σ_ｍを有し、
σ_ｔ＜０．１σ_ｍである、偏波保持光ファイバ。

実施形態１５
上記コアはシリカベースであり、
上記少なくとも１つの応力部材は、１重量％〜４重量％のＦを含む、実施形態１４に記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態１６
上記コアはシリカベースであり、
上記少なくとも１つの応力部材は：
（ｉ）上記コアに関して反対側に配置された少なくとも２つの応力ロッドを含む；又は
（ｉｉ）上記コアを取り囲む、実施形態１４に記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態１７
上記少なくとも１つの応力部材は、０．０１重量％のＢを含む、実施形態１〜１６のいずれか１つに記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態１８
上記コアはシリカベースであり、
上記応力部材は、上記コアに関して反対側に配置された少なくとも２つの応力ロッドを含み、
上記応力ロッドは、１重量％＜Ｆ＜４重量％を含む、実施形態１４に記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態１９
上記応力ロッドは、０．０５重量％未満のＢを含む、実施形態１８に記載の偏波保持光ファイバ。

実施形態２０
上記応力ロッドは、０．０１重量％未満のＢを含む、実施形態１８に記載の偏波保持光ファイバ。

１０ 中心コア
１１ クラッド
１２ 領域
２０ 光導波ファイバ、光ファイバ、偏波保持ＰＭファイバ
３０ 中心コア
４０ ファイバクラッド
４２ 応力部材
４４ Ｆドープ応力ロッド
４６ Ｆドープ応力ロッド

Claims (6)

1. （ｉ）コア；
   （ｉｉ）前記コアを取り囲むクラッド；及び
   （ｉｉｉ）前記コアに隣接し、かつ前記クラッド内に配置された、少なくとも１つの応力部材
   を備える、偏波保持光ファイバであって、
   すべての前記少なくとも１つの応力部材が、−１００℃〜６００℃の温度範囲内において、２×１０ ^−７ ／℃〜５×１０ ^−７ ／℃のＣＴＥを有するように、前記少なくとも１つの応力部材は、ホウ素（Ｂ）を含まないフッ素（Ｆ）ドープシリカを含む、偏波保持光ファイバ。
2. （ｉ）前記コアはシリカベースであり、前記少なくとも１つの応力部材に取り囲まれ、前記少なくとも１つの応力部材は、Ｆドープシリカの環状領域であること；
   （ｉｉ）前記少なくとも１つの応力部材は、前記コアに関して反対側に配置された少なくとも２つの応力ロッドを含むこと
   のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の偏波保持光ファイバ。
3. ８００ｎｍ〜１６００ｎｍの動作波長において、０．５ｄＢ／ｋｍ未満の減衰を有し、
   前記ファイバは、単一モード偏波保持ファイバであり、４５０ｎｍ〜１６００ｎｍの波長λにおいて、０．４×１０^−４〜１０×１０^−４の複屈折を有する、請求項１又は２に記載の偏波保持光ファイバ。
4. 前記少なくとも１つの応力部材は、１．５重量％＜Ｆ＜３．５重量％を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏波保持光ファイバ。
5. 前記ファイバは、単一モード偏波保持ファイバであり、
   前記少なくとも１つの応力部材は、１．５重量％＜Ｆ＜３．５重量％及び０重量％のＢを含む２つのＦドープシリカロッドを備え、
   前記少なくとも２つの応力ロッドは、平均直径ｄ_ａｖの断面を有し、
   １０μｍ≦ｄ_ａｖ≦４０μｍである、請求項１に記載の偏波保持光ファイバ。
6. 前記少なくとも１つの応力部材は、熱応力係数σ_ｔ及び機械的応力係数σ_ｍを有し、
   σ_ｔ＜０．１σ_ｍである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の偏波保持光ファイバ。

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