石英系光ファイバ技術発展の系統化調査
Historical Survey of the Development of Silica Optical Fiber Technology

河内 正夫 Masao Kawachi■ 要旨
長 距 離 伝 送 媒 体 と し て の ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 可 能 性 を 指 摘 し た の は 英 国 STL（Standard
Telecommunication Laboratories）に勤務していた C.K. Kao であり、1966 年のことであった。当初は半信半疑であった NTT（当時日本電信電話公社）が光ファイバの研究を開始したのは 1971 年のことで、米国のガラスメーカ Corning 社による 1970 年の光ファイバ（20dB/km ＠ 0.6328µm 波長）発表の直後であった。さらに 1974 年の Bell 研究所の MCVD（Modified Chemical Vapor Deposition）法による石英系光ファイバ（1.1dB/km ＠ 1.02µm）作製報告に接した NTT は 1975 年に電線 3 社（住友電工、古河電工、
藤倉電線）との共同研究体制を整え、まずは MCVD 法を改良して石英系光ファイバの長波長帯（1.3µm と1.55µm）開拓と極低損失化（0.2dB/km ＠ 1.55µm）に進め、さらに日本発の量産製法 VAD（Vapor-phase
Axial Deposition）法の確立に成功した。現在、世界の光ファイバの約 60％（日本では 90％以上）が VAD
法を基本として製造されている。
上記の光ファイバ作製技術の進歩と同期して通信用半導体レーザなどの開発が進み、光ファイバを実際の伝送路として使うために必要な技術群（光ファイバ接続、ケーブル構造、布設工法等）も整えられ、1981 年にはNTT 公衆通信網への多モード光ファイバ通信システム（32Mb/s と 100Mb/s）の導入が行われた。NTT 民
営化直前の 1985 年 2 月には本命の VAD 単一モード光ファイバによる日本縦貫光ファイバ幹線網（旭川から鹿児島まで 3,400km 長、400Mb/s）が開通し、世界初の本格的な単一モード光ファイバ通信網となった。
その後の半導体レーザの高性能化と単一モード光ファイバの波長分散制御を含む時分割多重（TDM: TimeDivision Multiplexing）方式の進歩、光ファイバ増幅器の開発と波長多重（WDM: Wavelength-Division
Multiplexing）方式の導入、さらに最近のデジタルコヒーレント方式の導入に支えられた光通信技術の進展は目覚しく、今日では光ファイバ 1 本当りの伝送容量が 10Tb/s（100Gb/s × 100 波長）級の幹線系システ
ムも商用化されている。1981 年（100Mb/s）に比べて５桁の容量向上である。
幹 線 系 に 比 べ て 経 済 化 要 求 が 厳 し い ア ク セ ス 系 に つ い て は 2001 年 か ら PON（Passive Optical
Network）方式による FTTH（Fiber-to-the-Home）サービスが本格スタートし、日本の FTTH 加入者数は2017 年度末までに 3,000 万件を突破見込みである。伸びが著しいスマートフォンを含む携帯電話網も、ユー
ザ直近の無線区間を除いて、アンテナ基地局までは光ファイバ回線が担っている。
今日の光ファイバ通信網を構成する技術の広がりは、ハードウェアからソフトウェアまで広範囲に及んでいるが、本調査では、人類が発明した究極の伝送媒体とも言える石英系光ファイバの開発に軸足を置き、日本が世界に誇れる光ファイバ通信技術の発展経緯を報告する。

2

■ Abstract
Charles K. Kao of the British research center, STL (Standard Telecommunication Laboratories) proposed
the potential of silica optical fiber as a long-distance transmission medium in 1966. At first, NTT (thenNippon Telegraph and Telephone Public Corporation) had doubts about Kao's proposal, but eventually
started optical fiber research in 1971, just after the 1970 achievement of 20 dB/km optical fiber loss (at awavelength of 0.6328 µm) by the U.S. glass manufacturer Corning. NTT was also largely encouraged by a1974 Bell Laboratories report on 1.1 dB/km loss (at 1.02 µm) attained by using the modified chemical vapor
deposition (MCVD) method, and in 1975 rapidly organized a joint R&D program with three Japanese cablemanufacturers, Sumitomo Electric, Furukawa Electric, and Fujikura Cable. They improved the MCVD method
to open the longer wavelength windows of 1.3 µm and 1.55 µm for silica optical fiber and attain the ultra-low
loss of 0.2 dB/km at 1.55 µm. They further succeeded in establishing the Japan-originated vapor-phase axial
deposition (VAD) method, highly suitable for the mass production of optical fiber. Today, approximately 60%
of optical fiber in the world, and over 90% in Japan, is produced using VAD.
In conjunction with the above-mentioned progress of optical fiber fabrication technology, semiconductor
lasers operating at 1.3 µm and 1.55 µm wavelengths were developed, together with other key technologies(such as optical fiber connection, cable fabrication and installation) required for constructing practical opticalfiber transmission systems. In 1981, multimode optical fiber transmission systems of 32 Mb/s and 100 Mb/
s were introduced into NTT's public communication network. In February 1985, just prior to the privatizationof NTT, the 400 Mb/s trunk line, running through Japan lengthwise—a distance of 3,400 km from Asahikawa
to Kagoshima—came into service using VAD single-mode optical fibers. This became the first full-fledged
single-mode optical fiber telecommunication network in the world.
Since then, a tremendous increase in transmission capacity has been achieved mainly by 1) the progressof time-division multiplexing (TDM) technology with higher-performance lasers and dispersion-controlled
single-mode fibers, 2) the invention of the optical fiber amplifier, 3) the adoption of wavelength-divisionmultiplexing (WDM) technology, and more recently by 4) the development of digital coherent technology.
Today, even trunk line systems with a 10 Tb/s (100 Gb/s x 100 wavelengths) capacity per fiber are incommercial service. This is five orders of magnitude larger than the capacity in 1981 (100 Mb/s).
As for access systems, which have more exacting economical requirements than trunk line systems, fiberto-the-home (FTTH) service using passive optical network (PON) architecture started in earnest in 2001, andthe number of FTTH subscribers in Japan is expected to exceed 30 million by the end of FY 2017. With
increasing numbers of smartphone users, even the mobile communication networks are supported by opticalfiber lines up to the antenna base station, with just the last mile being a wireless connection.
Though the technologies making up today's optical fiber communication networks cover a wide rangeof both hardware and software, this survey focuses on the development of silica optical fiber—the ultimatetransmission medium ever invented by humankind—and describes the history of Japan's world-class opticalfiber communication technologies.

■ Profile

河内 正夫

Masao Kawachi

国立科学博物館産業技術史資料情報センター主任調査員
昭和 48 年 3 月 東京工業大学大学院修士課程 ･ 電子物理工学
専攻修了
昭和 48 年 4 月 日本電信電話公社（現 NTT）入社、以来、
液晶表示、石英系光ファイバ、プレーナ光波回路の研究開発に従事
昭和 53 年 12 月 液晶の電気光学効果に関する研究で東京工業大学より工学博士号受領
昭和 57 年 2 月 カナダ通信研究所（CRC）交換研究員（1 年間）
平成  8 年 7 月より研究マネージメントに携わり、ＮＴＴ光エ
レクトロニクス研究所長、
NTT 未来ねっと研究所長、NTT 先端技術総合研究所長等を歴任
平成 17 年 7 月 NTT エレクトロニクス株式会社（NEL）入社、取締役（技術開発担当）
平成 21 年 7 月 同社 ･ 技術顧問＆ NEL フェロー
平成 26 年 3 月 同社を退職
平成 29 年 4 月 国立科学博物館 産業技術史資料情報セン
ター主任調査員
電子情報通信学会名誉員（フェロー）、IEEE フェロー

■ Contents
1．はじめに… ………………………………………    1122．光通信の夜明け前… ……………………………    1153．通信用石英系光ファイバの誕生… ……………    1234．MCVD 法の改良で日本が先導した
長波長帯の開拓………………………………    1365．日本が開発した量産製法「VAD 法」…………    1456．初期の光ファイバ通信システム実験と商用化努力……………………………………    1647．その後の発展概要… ……………………………    1868．おわりに… ………………………………………    196

1｜はじめに黎明期の模索や試行錯誤を経て 1970 年代に入ると、報告を進める上で基本となる石英系光ファイバの三米国の Corning 社と Bell 研究所、そして日本の NTT

種類の構造を図 1.3 に示したが、いずれも、光が伝搬と電線 3 社（住友電工、古河電工、藤倉電線）の努力にするコアと、その周囲を同心円状に覆うクラッドからよって低損失な光ファイバ（中心部は高純度な石英系ガ構成され、コアの屈折率をクラッドの屈折率より少しラスからなる）の開発が進み、NTT では 1981 年に光高く設定することにより、光の全反射現象を利用してファイバ通信システムの最初の商用導入が行われた。そ光信号をコアの中に閉じ込めて伝送させる。

して現在、光ファイバ通信網は、図 1.1 に示すように、
幹線系からアクセス系（加入者系）まで、高速情報通信を支える最重要インフラになっている。光ファイバとは縁が薄いように見える携帯電話網も、ユーザ直近のアンテナ基地局までは光ファイバ回線が担っている。

図 1.3

石英系光ファイバの基本構造

光ファイバ中の光の伝搬の仕方には幾通りかあり、それぞれをモードという。多数のモードを通すものを
多モード光ファイバといい、その中でもコア内の屈折
図 1.1

高速情報通信を支える光ファイバ通信網の構成率分布が一様である光ファイバをステップインデックス（SI：Step Index）型多モード光ファイバ（図 1.3a）

光ファイバ通信の基本は、図 1.2 に示すように、伝といい、コア内の屈折率分布がゆるやかに放物線状送媒体としての石英系光ファイバ、発光素子としてのに変化した光ファイバをグレーデッドインデックス

半導体レーザ、受光素子としてのフォトダイオードで（GI：Graded Index）型多モード光ファイバ（図 1.3b）あるが、長距離幹線系では途中に光中継器が配置されという。インデックスとは屈折率（refractive index）

1）

る 。発光素子（半導体レーザ）の駆動法としては、のことである。

直接変調法と外部変調法があるが、伝送容量向上に有光ファイバのコア径を小さくしていくと、伝搬で効な外部変調法の適用は 1990 年代以降であった。さき る モ ー ド の 数 が 減 っ て い き、 つ い に は 基 本 モ ー

らに光ファイバ増幅器の開発や波長多重方式の導入なド（HE11 モード）だけが残るが、このように一つのどを含めて、今日の光ファイバ通信網を構成する技術

モードのみを通す光ファイバを単一モード光ファイの広がりは多岐にわたっているが、本報告では、石英バ（SMF：Single-Mode Fiber、図 1.3c）という。標系光ファイバ技術の観点から、光ファイバ通信の発展

準的な石英単一モード光ファイバのコア直径 2a は 8

経緯を紹介する。

～10µm 程度、コア ･ クラッド間の比屈折率差Δは 0.2～0.3％に設定されている。多モード光ファイバである SI 型や GI 型の代表的なコア直径 2a は 50µm、比屈折率差Δは 1％である。
SI 型多モード光ファイバ中の光の伝搬は、コアとクラッドの界面で全反射を繰り返して行われるため、
コア中心軸に沿って伝わる光（最低次モード）と全反射を数多く繰り返しながら伝わる光（高次モード）では光路長が異なる。即ち、光ファイバ端面に入射され

図 1.2

112

光ファイバ通信システムの基本構成

た光パルスは他端に達するまでに、光路長に応じた（参考文献

時間で伝搬し、モード毎に異なる光路間の差によってをもとに筆者作成）

1）

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

光パルスの到達時間に差（モード分散）を生じ、出射パルス幅が広がることになる。これに対し、GI 型多モード光ファイバでは、コア周辺部の低い屈折率領域を通る高次モード光は伝搬速度が速められ、高い屈折率領域を伝搬する低次モード光は遅くなる。その結果、高次モードと低次モードの伝搬時間差は減少
し、伝送帯域は 1 桁ほど向上する。最低次の基本モード（HE11）のみが伝搬する単一モード光ファイバにはモード分散はなく、最も広帯域である。
光ファイバの多モード動作や単一モード動作は円柱座標系で Maxwell 方程式を解くことによって導かれるが、最も基本的な V パラメータを記すと以下のよ

図 1.4

樹脂で被覆されている石英系光ファイバ

ここで少し歴史を遡ると、図 1.3 に示した三種類の2）

光ファイバ構造自体は 1960 年代中頃には知られていV ＝（2 π / λ）a･n1

た 2）。例えば GI 型光ファイバについては、東北大学

うになる 。
コアの屈折率 n1の西澤潤一らによって 1964 年に特許出願され、光通クラッドの屈折率 n2

信応用についても言及されていた。しかし、窓ガラス

コア直径 2aと類似の多成分系ガラスからなる当時の光ファイバは

波長 λ

光伝搬損失が大きく（～1,000 dB/km）、1 メートル程

比屈折率差 Δ＝（n1 － n2）/n1

度の長さの光ファイバ束（胃カメラ用ファイバスコー

V ≦ 2.405 の時、光ファイバ内を伝搬するのは基本プ等）としての用途が主であり、長距離の光通信用とモード（HE11）のみになるが、ある波長で単一モーするには大きな壁があった。実際、1960 年のルビードであっても、波長が異なると必ずしも単一モード

レーザ発振（波長 0.6943µm）や 1961 年の HeNe レーに な ら な い。 例 え ば、n1 ＝ 1.462、n2 ＝ 1.458（ Δ ＝

ザ発振（波長 0.6328µm）を契機として、Bell 研究所

0.274％）で 2a ＝ 8µm の光ファイバは、λ≧ 1.18µm

や NTT 研究所の基礎研究者は光通信への関心を深め

で単一モード動作になるが、λ＜ 1.18µm では高次ていたが、光伝搬損失が大き過ぎる光ファイバ通信

モード光が励振され多モード（数次モード）動作となではなく、レーザビームを用いた空間光通信を有望視る。ここで、波長 1.18µm のことを遮断波長（カットしていた。さらに実用化志向が強い伝送技術者は、そオフ波長λc）と呼ぶ。

れまでの同軸ケーブル方式の後継として、得体が知

実際に石英系光ファイバを製造するには、所望の光れない光通信方式ではなく、ミリ波導波管方式（内径ファイバと断面構造が相似の大口径のガラス母材（プ50mm 程度の鋼管を利用）の実用化を目指していた。

リフォーム）を作製し、それを高温の電気炉で加熱しそんな当時の常識を破ろうとしたのが、英国 STLて、標準の 125µm（0.125mm）外径になるよう一挙（Standard Telecommunication Laboratories）に勤務に線引きし、表面を樹脂で被覆しながら、ドラムに巻していた C.K. Kao であった。Kao（1933 年、上海生

き取ることによって行われる。樹脂被覆された石英系まれ）は、1966 年の論文発表 3） を通じて、石英ガラ

光ファイバの引張強度は、同じ直径のピアノ線の約ス中の遷移金属などの不純物を徹底的に除去すれば低2.5 倍であり、意外に丈夫である。

損失（20dB/km 以下）な通信用光ファイバを実現可樹脂被覆の程度によって、図 1.4 に示すように光ファ能であることを、理論検討と予備実験に基づいて提イバの呼称が変わり、線引きと同時に外径 0.25mm 程

案したのである。「20dB/km（1km で 1/100 に減衰）」度に被覆（一次被覆）したものをファイバ素線と呼ぶ。

は、当時の通信用の同軸ケーブルの損失値に相当してさらに別工程で外径 0.9mm 程度にまで二次被覆したもいた。

のをファイバ心線と呼ぶ。4 心や 8 心の素線をテープ

Kao の提案は英国内を除いて真剣には取り上げら状に並べて被覆したものもあり、テープ心線と呼ばれれなかったが、Kao は米国の Bell 研究所をはじめとる。さらにラフな扱いにも耐えるよう緩衝材（アラミする有力な研究機関を訪れて、自分の考えを説明し、ド樹脂）で保護した光コードや、アクセス系用の 1,000

通信用光ファイバ開発の重要性を説いて回った。1967

心光ケーブルや海底用の光ケーブルなど、多種多様な

年には NTT（当時日本電信電話公社）の武蔵野研究

光ファイバケーブルが商用化されている。

所でも講演したが、残念ながら聴衆の反応は前向きで石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

113

はなかった。
「厚さが 1km ものガラスを通して、その試験を経て、まずは GI 型多モード光ファイバによ

先が少しでも見える」などとは、当時の研究者や技術る 32Mb/s と 100Mb/s 伝送システムの商用化（1981者にとっては夢物語のように思えたのであろう。

年）、その後は VAD 単一モード光ファイバによるところが 1970 年になって、それまで通信技術とは

400Mb/s システム商用化（1983 年）、さらに 1.6Gb/

無縁だった米国の老舗ガラスメーカ Corning 社が、

s 伝送システム商用化（1987 年）に至るまでの経緯を

Kao の提案に応えるような形で、当時としては驚く述べる。幹線系に比べると経済化要求が厳しく、順風ほど低損失（20dB/km@HeNe レーザ波長 0.6328µm）

満帆ではなかった加入者系（アクセス系）への光ファ

4）な石英系光ファイバの作製を発表した 。同じ 1970

イバ導入努力についても紹介する。

年には Bell 研究所等が半導体レーザ（GaAlAs 系で

NTT は、「加入者系にも単一モード光ファイバを適

波長 0.85µm）の室温連続動作に成功したこともあっ用する」との重要な決定を 1988 年 10 月に行ったが、て、小型な半導体レーザを光源とし、細径の光ファイ第 7 章「その後の発展概要」では、石英系単一モード

バを伝送路とする光ファイバ通信が次世代の大容量通光ファイバの潜在能力をフルに引き出そうとした今日信システムの有力候補として注目されるようになっまでの歩みを、1）光幹線系の伝送容量の飛躍的な進た。その先見性を後になって高く評価された Kao は展、2）PON（Passive Optical Network）技術による1996 年に日本国際賞、2009 年にノーベル物理学賞をFTTH 実現、3）光ファイバ通信網を支えている石英

受賞することになる。

系プレーナ光波回路技術の順に概説する。

上記のような歴史を踏まえて、本報告では、まず本報告を通じて、石英系光ファイバは人類が発明し第 2 章「光通信の夜明け前」で、光ファイバ通信がた究極の伝送媒体であり、その研究開発と実用化に日「非常識」であった 1960 年代以前の諸事情について本が大きな役割を果たしてきたことを伝えることがで紹介する。続いて第 3 章「通信用石英系光ファイバ

きれば幸いである 5）6）。

の誕生」では、Kao の提案（1966 年）に沿うように
Corning 社によって 1970 年に「20dB/km@0.6328µm」

参考文献

ファイバが発表され、1974 年の Bell 研究所の MCVD

1） 滑川敏彦，森永規彦：「光通信技術」，テレビジョ（Modified Chemical Vapor Deposition） 法 に よ る

ン学会誌，Vol. 38，No.5，pp.425-433，1984．

「1.1dB/km@1.02µm」ファイバ実現に至るまでの経緯

2） 末松安晴，伊賀健一：「光ファイバ通信入門（改を述べる。

定 5 版）」，オーム社，2017．

第 4 章「MCVD 法の改良で日本が先導した長波長

3） C.K. Kao and G.A. Hockham：“Dielectric-Fibre

帯の開拓」では、NTT と電線 3 社の共同研究によりSurface Waveguides for Optical Frequencies,”

MCVD 法の改良が行われ、1976 年に低損失な SI 型

Proc. IEE，Vol.113，No.7，pp.1151-1158，1966.

多モード光ファイバ（0.47dB/km@1.2µm）が開発さ

4） F.P. Kapron，D.B. Keck，and R.D. Maurer：

れ、 さ ら に 1979 年 の 極 低 損 失（0.2dB/km@1.55µm“Radiation losses in glass optical waveguides,”帯）単一モード光ファイバ実現に至るまでの経緯をAppl. Phys. Lett.，Vol.17，No.10，pp.423-425，

紹介する。第 5 章「日本が開発した量産製法「VAD

1970.

法」
」 で は、 日 本 オ リ ジ ナ ル の VAD（Vapor-phase5） 伊澤達夫：「光ファイバ開発の黎明期」，電子情報

Axial Deposition）法が多くの難題を克服して石英系

通信学会論文誌 C，Vol.J100–C，No.10，pp.417–

光ファイバ量産製法として定着するまでの経緯を述べ

423，2017．

る。

6） 河内正夫：「石英系光ファイバの低損失化と量産

第 6 章「初期の光ファイバ通信システム実験と商用 化 努 力 」 で は、1976 年 頃 か ら の 所 内 実 験 や 現 場

114

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

製法（VAD 法）の開発」，NTT 技術ジャーナル（2013.3）．

2｜光通信の夜明け前

本 章 で は、1970 年 に Corning 社 に よ っ て 当 時

日本においては、逓信省の電気試験所に所属していと し て は 驚 く ほ ど 低 損 失 な 光 フ ァ イ バ（20dB/た関壮夫と根岸博によって、1936 年に図 2.2 のような

km@0.6328µm）作製が発表される以前の光通信関連

構成の「光線通信方式の改良」特許が出願され、1938の諸事情について、1）光通信事始め、2）画像伝達用

年に成立していた 4）。この発明の名称が「・・・の改

光ファイバ束、3）レーザビームによる空間光通信、4）良」となっていて、明細書の中にも、空間伝播によ

集束型光ファイバ、5）Kao の先駆的な提案、そしてる光通信が従来技術として記述されていることから、

低損失光ファイバ誕生以前には実用化が近いと期待さ

Bell に起源する空間光通信が 1936 年当時の日本におれていた、6）ミリ波導波管の順に概説する。

いても公知であったと言える。明細書には、『水晶ノ棒ヲ光線ノ導管トシテ用フレバ水晶ト空気

2.1 光通信事始め

トノ接触面ハ水晶内ノ光線ニ対シ全反射ノ現象ヲ呈ス

遠く離れた人に可能であれば瞬時に情報を伝えたい

シ得ルモノナリ。（中略）通信能率大ナルノミナラズとの思いは古代からあり、例えば狼煙（のろし）は視

通信ガ外界ノ状況ニ依リ影響サルルコトナキ特長ヲ有

認による光通信であった。その後、腕木式通信や手旗シ一般通信用特ニ多重通信用或ハ「テレビジョン」伝信号などの工夫もあったが、近代的な通信としては、送用トシテ有利ナル通信方式ナリトス。』

Morse に よ る 有 線 電 信 の 発 明（1837 年 ）、Grahamと あ り、 文 中 の「 光 線 ノ 導 管 」 と し て の「 水 晶 ノBell による有線電話の発明（1876 年）、Marconi によ棒」が石英ガラス棒を指すと解釈できることから、後る無線電信の成功（1897 年）などに先を越された 1）2）。

に 1980 年代になって、石英系光ファイバに関する

近 代 的 な 光 通 信 の 始 ま り は、 電 話 を 発 明 し たCorning 社の材料特許の、日本での成立を阻止する役

Graham Bell 自身による 1880 年の Photophone（光線

ルガ故ニ水晶棒ノ如キハ光線ノ導管トシテ有効ニ利用

割を果たすことになった 5）。

電話）実験である 2）。Photophone は、図 2.1 に示すように太陽を光源とし、太陽光を受ける鏡を音声による空気の動きで振動させて、反射量の変化によって太陽光を変調し、レンズガイドによって空間を 200m ほど伝送した後に、セレン（Se）の光導電効果によって復調して音声を伝えるもので、光源、変調、伝送、受光（復調）の四つの機能を備えた世界初の光通信シ
ステムであった。雨などの天候や障害物の影響が避けられず、通信距離の限界もあって、実用化には至らなかった Photophone であるが、Bell は「私が成し遂げ

図 2.2

関 ･ 根岸の特許出願（1936 年）4）

た中で電話よりも偉大な最大の発明である」と自負していたと伝わっている 3）。

今回の系統化調査を通じて筆者は初めて知ったので
あ る が、CCD（Charge-Coupled Devices） を 発 明 した W.S. Boyle と G.E. Smith と共に、C.K. Kao が 2009
年ノーベル物理学賞を受賞した折のスウェーデン王立科学アカデミーの記念論文「Two Revolutionary
Optical Technologies」の中に光通信に関連する数少な い 先 行 発 明 と し て Bell の Photophone 特 許（1880年）と関 ･ 根岸特許（1936 年）のことが以下のように引用されている 6）。

図 2.1

Bell の Photophone 実験（1880 年）（参考文献 2）をもとに筆者作成）『In 1880, G. A. Bell patented an air-based opticaltelephone called “Photophone”, consisting infocusing sun light on the surface of a flat mirror

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

115

vibrating with sound. The light was then sent

棒と管が融着して垂れ下がってきたところを線引きすto a detector of selenium coupled to a telephone

る。（b）二重るつぼ法では、同心円状にノズルを配

receiver. A few later ideas were also patented,

置した二重の白金るつぼを 1,000～1,200℃の高温に加one of them in Japan even suggesting quartz as a

熱し、内側のるつぼに屈折率の高いコア用のガラス

transmission medium. In the 1950's, however, very

を、外側のるつぼに屈折率の低いクラッド用のガラス

few communication scientists considered opticalを投入して溶かすと、望みの二層構造の光ファイバを

communication as a viable concept.』（下線部分は線引きすることができる 12）。

筆者が強調）
この英文中の“quartz”とは関 ･ 根岸特許中の「水晶」のことであり、関と根岸が所属していた逓信省
電気試験所の後継機関に相当する NTT 研究所に所属していた筆者としても、少し誇らしい気持ちになる。
1909 年生まれの関壮夫は、1959 年に日立製作所に移り、技師長などの職歴を積み、1999 年に没した。関は「日本半導体歴史館」サイト中の「黎明期の人々」コー
ナに日本半導体のパイオニア（全 24 名）の一人として紹介されている。1908 年生まれの根岸博は、後に姓を清宮と改め、1955 年に富士通に移り、1974 年には富士通社長になった。社長就任後、間もなく病魔におかされた清宮は 1976 年に没したが、奇しくも 1976 年は、第 4 章で紹介するように、NTT と藤倉電線が石英系
光ファイバの長波長帯発見となった低損失光ファイバ

図 2.3

クラッド付光ファイバ（参考文献 11）をもとに筆者作成）（0.47dB/km@1.2µm）の実現を発表して 7）、日本勢の存在が世界から注目されるようになった年であった。

2.2 画像伝達用光ファイバ束
長距離伝送媒体として注目される以前の光ファイ
バには、近距離の画像伝達用の光ファイバ束としての研究開発と実用化の歴史があった 8）。古くは 1927
年に英国の J.L. Baird、および 1930 年に米国の C.W.
Hansell が光学像の伝達に透明なガラスファイバ束を利用することを考案し、ドイツの H. Lamm は同じ
1930 年にフレキシブルなファイバ束を胃部内視鏡に図 2.4

クラッド付光ファイバの製法（参考文献 12）をもとに筆者作成）

利用する可能性を論じている。初期の裸状態のガラス
ファイバは、表面の汚れに弱く、光の漏れも多かった

1 本の光ファイバは伝達できる光量が限られている9）ので、通常は数千本以上のファイバを束ね、両端部はによって図稠密に配列して使用する。光量を伝達するものをライ

2.3 に示すようなクラッド付光ファイバ（コアとクラッ

トガイドと呼び、図 2.5 のように画像を伝達するもの

ドの二層構造の光ファイバ）が考案されて、ファイバ

はイメージバンドルと呼んだ。胃カメラ用のイメージ

光学（Fiber Optics）概念の整備が進んだ 11）。

バンドル（光ファイバ束）は解像力が重要であるので、が、1950 年代になると、オランダの A.C.S. Van Heel
10）や英国の H.H. Hopkins と N.S. Kapany

116

当時の光ファイバの製法を図 2.4 に示したが、（a）

総延長が数 km にも及ぶ直径 10～20µm の光ファイバ

ロッドインチューブ（Rod-in-Tube）法では、直径がを 1m 前後の長さで束ね、両端部における個々のファ10～20mm の屈折率の高い光学ガラスの丸棒を、肉厚

イバの配置が完全に対応するよう配列している。1960

が 1mm 程度の屈折率が低いガラス管の中に入れて、年には、米国の ACMI 社からファイバスコープが売

600～800℃に保持した電気炉に送り込んで加熱し、丸り出され、1962 年になって日本への輸入が可能になっ国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. Marchた。間もなくファイバスコープの国産化が行われ、んになったが、当初は損失の大き過ぎる光ファイバで1964 年にはオリンパス社からファイバスコープ付きはなく、レーザビームによる空間光通信が有望視され

胃カメラ GTF（GasTrocamera with Fiberscope）がていた。NTT 武蔵野研究所でも、1966 年に基礎研究

発売された

13）

。

部が発足し、その中の第 3 研究室（基礎 3 研）で光通信研究を開始したが、光ファイバ通信方式のイメージはなく、空間光通信を想定した研究体制であった 15）。
1970 年 3 月までには、図 2.7 に示したように、東京の霞が関ビル 30 階の一室を借りて、最寄りの霞ヶ関電話局との間で 240Mbit/s（水平と垂直の偏波多重で、
電話 3,400 回線相当）のレーザビーム空間伝搬実験を行うレベルに達していたが、自由空間伝搬では、霧、雨、雪などによる光の減衰があるだけでなく、大気の

図 2.5

画像伝達用の光ファイバ束（イメージバンドル）

ここで光ファイバ束に関連して特筆したいのは、

屈折率の不安定性のために良く晴れた日でも伝搬ビー
ムがゆらぎ、安定した通信を行うことが難しいことが明らかになっていった 15）。

1963 年 5 月 26 日の東京工業大学全学祭において末松安晴が学生らと行った光ファイバ通信実験である 14）。
これは、図 2.6 に示すように、光源として HeNe レーザ（NEC 製）
、伝送路として多成分ガラス光ファイバ束（キャノン提供）、そして光電管（駆動電圧は約千
Ｖ、浜松 T Ｖ製）を用い、さらに ADP（Ammonium
dihydrogen phosphate、理化学研究所製）結晶を使って試作した光変調器により光に音を乗せて送る光通信装置であった。胃カメラ用の光ファイバ束を転用したものであるが、世界初の光ファイバ通信の公開実験であった。1961 年に Bell 研究所で発振に成功したばかりの HeNe レーザが 1963 年の日本の大学で早くもNEC 製として入手できたことと合わせて興味深い。

図 2.7 レーザ光空間通信実験（1970 年 3 月から 2 年間）
光ファイバ通信実用化研究の夜明け前（参考文献 15）等をもとに筆者作成）

気象条件などに左右される自由空間伝搬ではなく、
図 2.8 のように湿気を遮断した導波管内に光学レンズを100 メートル程度の間隔で並べる光ビーム伝送路（光レンズガイド）の研究も行われた。伝搬損失については
レンズに無反射コーティングを施すことにより 0.5dB/
km 以下も期待でき、従って中継間隔も 50km ないし

図 2.6

東工大の「光ファイバ通信」実験（1963 年）（参考文献 14）をもとに筆者作成）

2.3 レーザビームによる空間光通信
光源として HeNe レーザが手軽に利用できるようになったこともあり、1960 年代には光通信研究が盛

図 2.8

レンズ列を用いた光ビーム伝送路（参考文献 16）17）をもとに筆者作成）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

117100km と長距離になると想定された。レンズの焦点距配による収束効果で光を伝送させようとするものだっ離は、レンズ間隔の 1/2 に選ばれるのが普通で、日本たが、構造が複雑となり、結局、行き詰ってしまった。

における光学技術は進んでおり、NTT 研究所では、焦レンズ列の代わりに反射鏡列を用いる研究も東京工

点距離 52m の精度の良いレンズの試作にも成功してい業大学や大阪大学等で行われたが、1970 年代の中頃にた。レンズ試作の依頼先は日本光学工業株式会社（現なって石英系光ファイバの損失が 1dB/km 程度にまで株式会社ニコン）の機器設計課であり、出来上がった低下するに伴い、Bell 研究所でも NTT 研究所でも公6 個 の 平 凸 レ ン ズ は、 厚 さ 15mm、 有 効 径 65mm で、衆通信狙いの空間光通信研究は中止されていった。

BK7 材の光学ガラス製で、黒色メッキされた黄銅性フレームに入れられ、ずっしりした高級感があったという16）17）。

2.4 集束型光ファイバ

光レンズガイドには光ファイバのような可撓性はな

Bell 研究所のガスレンズ列からのアナロジーで東いが、図 2.8 に示したように、楔（くさび）形のレン

北大学の西澤潤一らによって発案され、1964 年 11 月

ズを用いて曲率半径 500m ないし 1,000m 程度のゆるに「光の伝送装置」として特許出願されたのが集束型

い曲り線路はつくることができるし、また伝送損失の光ファイバであり、前章の図 1.3b のグレーデッドイ

増加を許容すれば、レンズの間隔を短くして、曲率半

ンデックス（GI）型多モード光ファイバに相当する

径数十 m 程度の曲りにすることも可能とされていた。

ものである。集束型光ファイバでは、コア内の屈折率

1973 年当時の NTT 基礎 3 研には、基本クロックを周辺に向かって連続的に小さくなるよう、放物線状

1.6Gb/s の光強度変調をベースとして、時分割多重に変化させることにより、図 2.10 のように入射角の（× 8 倍）、波長分割多重（× 16 倍）、偏波分割多重異なる光の伝達時間を揃える効果がある 20）。西澤は、（× 2 倍）、空間分割多重（× 4 倍）を重ねて、光レ

自分と似たアイデアが、少し遅れて Bell 研究所の S.E.

ンズガイド 1 系統で総伝送容量 1,638Gbit/s（両方向）Miller によって米国で特許出願（1965 年 2 月）されの光空間通信を可能にする将来構想案があった。しかていたことを後で知り、驚いたと伝わっている。

し、レンズ列の動的制御は複雑であり、地震国である
日本では、光通信システムであると同時に高感度な地震計としての光センサを構築するような違和感があったことも事実であろう。
1961 年に HeNe レーザを発明した Bell 研究所において光レンズガイド（レンズ列）の研究が行われたことはもちろんであり、1966 年頃には Holmdel 地区の研究所構内地下に大規模な実験伝送路を実際に建設していた 18）。その一方で、Crawford Hill 地区の Bell 研
究所では、集束伝送路として「ガスレンズ」方式も検図 2.10集束型ファイバ中の光の進み方（参考文献 20）をもとに筆者作成）

討された 19）。ガスレンズは管路内の気体に例えば図西澤らの集束型光ファイバは、制御が難しいガスレ

2.9 のような加熱方法で屈折率勾配をもたせ、この勾ンズ列の「ソリッドステート光ファイバ化」に相当し、1962 年に NTT 電気通信研究所次長職を辞して東北大学教授になった喜安善市は、当時、西澤から集束型
光ファイバのアイデアを聞き、その時の感想を後に次のように書き残している 21）。
『西澤教授は光学繊維自体にガスレンズと同じよ
うに光の屈折率分布を持たせれば光ケーブルになり、ガスレンズの欠点は根本的に克服され、その長所がそのままうけつがれることを提案した。筆者はその着想の素晴らしさに驚き興奮して数日間

図 2.9Bell 研究所のガスレンズ構造例

（参考文献

118

をもとに筆者作成）

19）

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

も眠れなかった。これがわが国最初の光ケーブルの着想ではないかと思う』。

西澤らは、1964 年出願の特許明細書の中で、光通系 GI 型光ファイバが本格導入された。

信の可能性についても言及していたが、当時の特許審

多成分系ガラスの SELFOC ファイバ製造は縮小さ

査官の理解を得られず、未成立になってしまった。当れていくが、微小なレンズ（SELFOC レンズ）とし時、ガラスファイバではないが、アルミナにマグネシて、半導体レーザと石英系光ファイバとの結合部分やウムを添加した透明な棒が、棒の中心部から外周に向複写機やスキャナ市場に活路を拓いていった 12）。

かって屈折率が高くなって、レンズと同じ集光作用をもつことから、光学素子として既に米国で先行特許が取得されていたことも、西澤らの特許不成立の一因で2.5 Kao の先駆的な提案あったとされている 21）。その一方で、西澤らによる長距離伝送媒体としてのガラス光ファイバの可能性「Solid optical waveguide having a radially varying

を 1966 年に指摘した C.K. Kao は 1933 年に上海で生refractive index」 と 題 す る 米 国 特 許 が 1968 年 4 月

まれた。1957 年に英国のロンドン大学を卒業し STLに 出 願 さ れ、1971 年 10 月 に 成 立（United States（Standard Telecommunication Laboratories）に入所

Patent 3614197）し、屈折率分布に関する解析は、後した。1960 年頃からミリ波通信関連のプロジェクト

年の GI 型多モード光ファイバ開発における屈折率分に加わったが、周囲ではミリ波導波管の研究と共に、布制御の重要な指針になった。

ルビーレーザや HeNe レーザの発明に触発された光通

集 束 型 光 フ ァ イ バ（ ＝ GI 型 多 モ ー ド 光 フ ァ イ

信研究のプロジェクトも始まっていて、1963 年にはバ）は、日本板硝子と NEC によって、セルフォッ

Kao も光通信プロジェクトに参画することになった。

ク（SELFOC）ファイバとして具現化されて、1968

Kao の関心は光伝送路研究に移り、誘電体ファイバ

年 11 月に報道発表された。商標の SELFOC は「Selfの材料や構造上の問題点の解明を進めていった。Kao

Focusing（自己集束）」を略したものである。多成分

は、ガラス中に含まれる鉄などの遷移金属を除去でき系ガラスを使用した SELFOC ファイバは、図 2.11 にれば、誘電体光ファイバ導波路という形で、実用に耐+示すように、二重るつぼ内でのタリウムイオン（Tl ）える光伝送路が実現できると考えるようになった 11）。

とナトリウムイオン（Na+）とのイオン交換技術で作1965 年に入り、同僚の G.A. Hockham（1938 年生ま製され、1969 年当時の光伝搬損失は最良値で 80dB/れ）と共に光ファイバの設計理論の構築にとりかかり、km 程度であった

22）。石英系光ファイバの出現に刺激

光ファイバの曲がりによってもモードが乱れないク

されて、SELFOC ファイバの損失も 1970 年代中頃にラッド層の厚さの下限を求めたり、ファイバの曲がり

は 10dB/km 以下にまで低下し、住友電工は 1978 年の影響についても計算した。材料面からは、ガラス材に SELFOC ファイバを使って米国フロリダ州のディ料の中では石英ガラスが最適であることを提案した。

ズニーワールド内に電話回線用光ファイバ通信システ

Kao ら の 先 駆 的 な 論 文「Dielectric-fibre surface

ム（波長 0.85µm）を納入した

12）。

waveguides for optical frequencies」（ 全 8 頁 ） は、
英国電気学会（IEE）誌に 1965 年 11 月に受理され、1966 年 2 月に修正されて、1966 年 7 月号に掲載された 23）。Kao らの論文の結論部分を図 2.12 に示したが、本文の要点を記すと、

図 2.11SELFOC ファイバの製法（参考文献 22）をもとに筆者作成）

1970 年代後半になると、低損失化に有利な石英系ガラスで GI 型屈折率分布の形成が可能になり、NTT

図 2.12

Kao らの 1966 年 IEE 論文の結論部分 23）

を始めとする 1980 年代初頭の公衆通信網には、石英

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

1191）通信用光ファイバ素材として石英ガラスがベ

研究はこうした一連の光ファイバ伝送路開拓の先
駆的で、先導的な役割を果たしたものであり、そストな選択
2）バルク損失低減のために不純物（Fe 等）はの後の光通信技術の発展に大きな影響を与えたものとして国際的に極めて高く評価されている。

1ppm 以下に
3）コア ･ クラッド構造（クラッドは波長の 100以上に述べたように、カオ博士は、光ファイバが極めて低損失で広帯域な情報伝送の可能性があ倍程度必要）
4）高温からの線引きにより機械的な強度は高くなるることを予見するとともにその基礎的実証を行う

5）種々の損失原因を考慮しても 20dB/km 以下

ことにより、現在、広く使われることになった光
ファイバ通信開拓に大きなインパクトを与えた。

は可能
6）単一モード伝送で 1GHz 以上の伝送帯域を予測

よって、カオ博士の業績は、1996 年（第 12 回）
日本国際賞に誠にふさわしいものであります。』のようになる。
STL の Kao と東北大の西澤は 1960 年代中頃に交流（上記推薦文中の下線部分は筆者が強調）関係があったが、西澤の関心が GI 型多モード光ファ
イバにあったのに対し、Kao は単一モード光ファイバを重視していた。実際、Kao が 1996 年に「広帯域・低損失光ファイバ通信の先導的研究」で日本国際賞を受賞した際の「授賞理由」は、下記の通りであり、単一モード光ファイバを用いた大容量光通信の可能性を具体的に予測したことが強調されている

28）。

『今世紀末から次世紀初頭にかけて大きな社会

ラス光ファイバに関する常識は、・ガラス光ファイバは脆弱で折れ易く、ケーブルに出来ない・光の波長より微細な均一性の実現が困難
・そもそも光伝搬損失が自由空間よりも小さくなる
筈がない

的変革をもたらすであろうとして期待されている

・ミリ波導波管に比べて伝搬損失が大きい

情報通信ネットワーク構築は、最近の通信技術の・値段が銅線に比べて極めて高い進歩に負うところが大きい。そのなかでも、大容・接続が非常に困難

量の情報を低損失で送ることができる光ファイバ
通信技術の発展は、こうした進歩の流れを強く推などであり、次期の大容量通信媒体としての有望度は、・ミリ波導波管 ≫ 空間光通信 ＞ 光ファイバ

進してきた。その光通信システムは、光を伝えるであったが、Kao は上記の常識を破る先導的な役割を

光ファイバ、光源の半導体レーザー、光を受ける果たしたのである。

フォトダイオード、そして光の流れを制御する各1966 年 の IEE 論 文 発 表 後 に 数 件 の 関 連 論 文 を 発

種の光部品などで構成されている。特に、光ファ

表 し た Kao は、1969 年 に STL を 退 社 し、1996 年 のイバは単一モード伝送の状態で極めて低損失で、

日 本 国 際 賞 受 賞 時 に は 香 港 中 文 大 学（The Chinese

大容量の信号伝送に適し、その上に細くて強く、

University of Hong Kong）の学長職で米国籍であった。

そして曲げやすいなどの 優れた特徴を持ち、光その後、2009 年になって Kao はノーベル物理学賞を受

通信技術の発展を推進する原動力となった。

賞したが、イタリアの Guglielmo Marconi とドイツの光通信の研究は 1960 年のレーザーの発明により実質的に開始されたといってよく、光源、伝送路、そして光検出器などの研究が同時に行われ始めた。受賞者のカオ博士は、1966 年にホッカム氏と共に発表した論文で、単一モード光ファイ

120

敢て換言すると、1970 年頃までの通信技術者のガKarl Ferdinand Braun の無線通信での受賞（1909 年）以来、100 年ぶりの通信分野での受賞となった。

2.6 ミリ波導波管

バが大容量の伝送路に適し、予測される損失の大1960 年代からの電話需要の高まりを受けて、光ファ

きさや許容される光電力の大きさから伝送距離をイバ通信が商用化される 1980 年代初めまでの大容量測定するなどして、単一モード光ファイバを用い伝送を担っていたのは、有線の同軸ケーブルや無線のた大容量光通信の可能性を具体的に予測した。そマイクロ波（センチメートル波）であり、1972 年頃の後、1970 年にコーニング社で低損失光ファイには国内の市外伝送路の約 50％はマイクロ波方式がバが開発され、その後の低損失大容量光ファイバ

占めていた。そして次の超大容量伝送媒体候補として通信の実用化が大きく推進されてカオ博士の予見期待されていたのが、1954 年に Bell 研究所が提案しが現実のものとなった。このようにカオ博士らのたミリ波導波管伝送方式であった 24）。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. Marchミリ波帯（30～300GHz）は、それまでのマイクロの で あ る。1970 年 の Corning 社 の 20dB/km 光 フ ァ波帯（2GHz、4GHz、5GHz、6GHz）に比べて、降雨

イバ開発については、「まだ損失が大き過ぎる」としなどによる減衰が著しいので、ミリ波帯を長距離通信て、様子見の姿勢であったとしても、1974 年の Bellに用いるには、無線伝搬ではなく、図 2.13 に示した研究所による 1.1dB/km 光ファイバ開発については看ような円形導波管（内径 51mm）を用いるのが適切と過することはできなかった。細くて曲げるのが容易なされていた

25）26）

光ファイバに比べて、太くて重く曲げるのも困難なミ。

リ波導波管の不利は否めず、表 2.1 の各国の商用計画は中止に追い込まれていった。
NTT 研究所にとっても極めて大きなパラダイム変換となったが、それまでのミリ波導波管方式での技術
蓄積は、周波数が 3 桁以上も高い光ファイバ通信方式の立ち上げに向けて、「人技一体」で有効に活かされていくことになる 27）。
参考・引用文献
図 2.13（参考文献

ミリ波導波管をもとに筆者作成）

25）26）

1） 大越孝敬，岡本勝就，保立和夫：「光ファイバの基礎」，オーム社，1977.7.15．
2） 柳井久義，神谷武志：「光通信発達の歴史と現導波管内で使用する TE01 モードのミリ波の伝送損
失は、周波数の増加と共に 1～2dB/km 程度にまで小状及び将来」，精密機械，Vol.46，No.2，pp.147152，1980．

さくなるが、問題は導波管の曲がりや不完全性によっ

3） ナ オ ミ・ パ サ コ フ 著， 近 藤 隆 文 訳：「 グ ラ ハて TE01 モードから TM11 やその他の高次モードへ容ム・ベル 声をつなぐ世界を結ぶ」，大月書店，

易に変換することであった。そのために、導波管の内2011.4.20.

壁に誘電体皮膜を施したり、導波管内壁に絶縁した銅

4） 新関暢一：「電気通信研究所における光学結晶

線を螺旋状に巻いたりして、電磁モードの搖動を抑えと光ファイバの研究開発」，通研実報，Vol.32，

る方法が考案された。

No.7，pp.1429-1476，1983．

1975 年当時の各国のミリ波導波管伝送方式を表 2.1に示したが、いずれも現場試験を経て 1980 年前後の本格商用化を目指していた。NTT では、1972 年に茨城研

5） 枡野邦夫：「光ファイバ物語」，サイバー出版センター，2014.12.
6）“Two Revolutionary Optical Technologies,”the究所と水戸電話局の間に約 23km 長の実験用導波管がRoyal Swedish Academy of Sciences, 6 October

敷設され、W-40G 方式（上り下り双方向で電話各 30 万2009.

回線相当）が、実用化の一歩手前の段階にあった 27）。

7） M. Horiguchi and H. Osanai：“Spectral losses of
low-OH content optical fibres，”Electron. Lett.，

表 2.1

各国のミリ波導波管伝送方式（1975 年当時）
（参考文献 27）をもとに筆者作成）

Vol.12，No.12，pp.310-312，1976.
8） 大 頭 仁：「 繊 維 光 学 と そ の 応 用 」， 応 用 物 理，
Vol.30，No.10，pp.717-727，1961.
9） A . C . S . V a n H e e l ： " A N e w M e t h o d o ftransporting Optical Images without
Aberrations," Nature 173, 39, 1954.
10）H.H. Hopkins & N.S. Kapany：“A Flexible
Fibrescope, using Static Scanning,”Nature 173,
39-41, 1954.
11）Jeff Hecht：“City of Light： The Story of Fiber
Optics”，Oxford University Press, 2004.

しかし、まさにこのときに、Kao の予見が現実のも12）村田浩，小泉健，新関暢一：「光ファイバの歴史のとなり、光ファイバ通信技術が急速に台頭してきた開拓者たちのメモアール」，工業通信，2001.1.20.

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

12113）丹羽寛文：「ファイバースコープの開発とその後の発展」，日本消化器内視鏡学会雑誌，Vol.51，

2003.10.16.

No.9，pp.2392-2412，2009.
14）末松安晴：「光通信と半導体レーザの研究を振り返って」， 電 子 情 報 通 信 学 会 誌，Vol.98，No.6，
15）光通信基礎研究調査会：「光ファイバ通信実用化－ NTT 基礎 3 研の足跡－」，

サイバー出版センター，2016.10.
16）大川原忠義：「光伝送とその問題点」，テレビジョ
ン，第 27 巻，第 9 号，pp.665-671，1973.
17）野田健一，大川原忠義：「光伝送方式」，計測と制御，Vol.13，No.1，1974.
18）D. Gloge：“Experiments with an undergroundlens waveguide,”Bell Syst. Tech. J., Vol.46, 721-

Vol.2，No.2，pp.91-100，1974．

19）P. Kaiser：“An Improved Thermal Gas Lens
for Optical Beam Waveguides,”Bell Syst. Tech.

Proc. IEE, Vol.113, No.7, July 1966.
24）池上文夫：「最近の大容量伝送方式」，電気学会
雑誌，Vol.92，No.12，pp.1214-1222，1972.
25）高木

渡部

島田

福田

岡本：「ミリ波低損失

伝送導波管」，日立製作所中央研究所創立二十周年記念論文集，pp.141-146，1962．
26）喜安善市： NHK 情報科学講座 5「情報と通信」，
日本放送出版協会，1968.
信学会誌，Vol.78，No.11，pp.1098-1106，1995.
28）http://www.japanprize.jp/prize_past_1996_
prize01.html

J., Vol.49, pp.137-153, 1970.
20）西 沢 潤 一：
「光伝送」
， テ レ ビ ジ ョ ン，Vol.24，

国立科学博物館技術の系統化調査報告

surface waveguides for optical frequencies,”27）島田禎晉：「ミリ波から光技術へ」，電子情報通735, 1967.

12222）小泉健：「光伝送体セルフォック」，レーザー研究，
23）K.C. Kao and G.A. Hockham：“Dielectric-fibre

pp.445-453，2015.
研究の夜明け前

No.10，pp.793-798，1970．
21）渋 谷 寿：「 光 通 信 物 語 」，オプトロニクス社 ,Vol.25 2018. March

3｜通信用石英系光ファイバの誕生
1970 年になると、Kao の提案（1966 年）に沿うよ

さめのビルは、地下鉄のエンバンクメント駅の近うな形で、Corning 社によって当時としては極めて低

く、テームス河に臨んだビクトリア・エンバンク

損失な 20dB/km 光ファイバが発表され、世界におけメント・ガーデンズに沿っている。この公園はそる低損失光ファイバ開発競争が始まった。さまざまなれ程広くないが、よく整備されていて、いつも花

光ファイバが試作されて低損失値を競ったが、1974

が美しく咲いている。このコンファレンスの主要年になると、Bell 研究所から、その後の模範となるなテーマはミリ波導波管であった。ヨーロッパでMCVD（Modified Chemical Vapor Deposition）法にはこの種のコンファレンスは始めてであり、コンよる 1.1dB/km 光ファイバが発表された。本章では、ファレンスの目玉として英国として初めてのミリ

そ の 間 の 経 緯 に つ い て、1）Corning 社 の 20dB/km

波導波管の現場敷設と伝送実験が技術見学として

光ファイバ発表、2）なぜ Corning 社は一番乗りでき公開されることになっていた。敷設場所はロンド

たのか、3）日本の動き、4）英国と米国の動き、5）ンの北約 100km にあるイプスウィッチの飛行場

Bell 研究所の MCVD 法発表、の順に報告する。

跡であった。この飛行場跡には、その後 1973 年

3.1 Corning 社の 20dB/km 光ファイバ発表に英国郵政省通信研究所が建設された。この英国で初めてのミリ波導波管のコンファレンスには世界中から関係する主要な研究者が集合し、参加人

1970 年 の 9 月 29 日 か ら 4 日 間、 英 国 London で IEE

数は約 400 名であった。しかし、このコンファ学会が主催した「Trunk Telecommunications by Guided

レンスでのミリ波導波管に関する発表とイプス

Waves（導波方式による基幹通信）」と題する国際会

ウィッチでの公開実験の結果はいずれも平凡な内議 が 開 催 さ れ、3 日 目 の 10 月 1 日 に Corning 社 の F.P.

容であった。このコンファレンスで行われた低損

Kapron、D.B. Keck お よ び R.D. Maurer は「Radiation

失光ファイバ試作成功の発表によって、このコン

losses in glass optical waveguides（ガラス光導波路の放ファレンスがミリ波導波管開発の幕引きをしたこ

射損失）」と題して発表を行った。演台に立った Maurerとは、何とも皮肉な結果であった。

は HeNe レ ー ザ 波 長 0.6328µm で 損 失 20dB/km の 単 一

このコンファレンスの 3 日目の 10 月 1 日にモード光ファイバの試作成功を報告した。当日の発表

セッション 5 の「光導波路」が行われた。日本と 同 じ 内 容 は、11 月 に な っ て APL（Applied Physics

からの出席者の殆どがミリ波導波管関係の研究開

Letters）誌に掲載され、世界に広く知られることになっ発者であったためであろうか、日本からの参加者にはこのセッションは殆ど注目されず、参加者

1）

た 。この APL 論文の冒頭部分を図 3.1 に示す。

は少なかった。セッションの 2 番目の発表はコ
一二ングのマウラー博士による「ガラス導波路の放射損失」であった。この発表の中で、伝送損
失 20dB/km（波長 632.8nm）のシングルモード
光ファイバ試作成功が報告された。当時の光ファ
イバの伝送損失は数百～数千 dB/km であったから、この損失値は当時としては画期的な値だった。散乱損失は、全てのガラスの中で溶融石英が図 3.1

Corning 社の「20dB/km」論文の冒頭部分 1）

最小だが、通常のガラスでも溶融石英に近い値に到達できるとして、いくつかのガラスの例を述べ

上記の Conference に参加していた古河電工の村田浩

た。このことは材料としての石英ガラスの良さを2）

強く主張していない感じであったが、カムフラー

は、発表会場の雰囲気を後に次のように回想している 。
『1970 年の 9 月 29 日～10 月 2 日、IEE が主ジュだったかも知れない。

催した Trunk Communications by Guided Waves

20dB/km の伝送損失を実現した光ファイバののコンファレンスがロンドンのサボイプレイス

材料と製法には一切触れず、それらについての具の IEE ビルで行われた。このやや古めかしい小体的な報告は全く行われなかった。発表後、材

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

123

料、製法等についての質問が集中し、さらにはサついて沈黙を守っていた Corning 社であったが、Kao

ンプルが欲しいとの要請も出た。会場は一時騒然がノーベル物理学賞を受賞した翌年の欧州光通信会議となったが、マウラー博士の回答は、何れも今後（ECOC2010）において、元 Corning 社の P.C. Schultz

詳細に発表するとの一点張りであった。コ一二ン

が「Making the First Low Loss Optical Fibers for

グは材料メーカであるためか、その後の発表も光Communications」と題して招待講演を行った 3）。40

ファイバの材料と製法には触れないものが大部分年ぶりに提示された 1970 年当時の光ファイバ母材作であり、電気メーカや通信メーカとは発表のポリ製装置の写真を図 3.3 に示したが、図 3.2 左の推定図

シーが異なって今日に至っている。言わばカタロと（左右が反転しているが）符合している。

グレポートと呼ばれる範疇の発表であった。伝
送媒体において伝送損失が 20dB/km より小さくなった場合、そして伝送用素子の寿命が 1500 時
間以上になった場合、実用化の検討を開始する価値があることを伝送技術者は経験則として良く知っている。コ一二ングが発表した光ファイバはまさしく実用化の検討が開始できる特性を持っていた。そして、この発表は世界における低損失光ファイバとそのケーブルの開発に火をつけた。』（下線部分は筆者が強調）
村田が回想しているように、Corning 社は、1970年の講演や論文の中で 20dB/km 光ファイバの材料や製法について一切公表しなかったが、1～2 年後に公

図 3.3

40 年後に公表された 1970 年当時の Corning 社の装置写真（参考文献 3）をもとに筆者が作成）開された特許明細書などから、図 3.2 のように石英ガ

なお、図 3.1 の APL 論文の筆頭著者であった F.P.

ラス管の内壁に CVD（Chemical Vapor Deposition）

Kapron は、1971 年から 1972 年にかけて単一モード

法で SiO2-TiO2 ガラス膜を堆積させ、それを高温電気光ファイバ関連の数編の論文を発表した後に、カナ

炉中で線引きしたものと推察された。Ti イオンは価ダ Ottawa 郊外の Bell-Northern Research 社に転職し

4+3+電子状態が不安定であり、還元（Ti → Ti ）されるた。その後、Kapron の代わりに Schultz を加えた 3と着色してしまうので、20dB/km を実現するために人 組（Maurer、Keck、Schultz） が Corning 社 の 名

は、線引き後の光ファイバを酸素含有雰囲気中で熱処声を担っていくことになる。

3+

4+

理（Ti → Ti ）する必要があり、熱処理後の光ファイバは脆弱であったと考えられる。それでも 20dB/
km が、当時としては極めて低損失値であったことは間違いなく、長距離伝送媒体としての低損失光ファイ
2）

バ開発競争の幕開けとなった 。

3.2 なぜ Corning 社は一番乗りできたのか
STL の Kao が石英系光ファイバの可能性を予見した 1966 年当時、Kao 論文を事前に査読した研究者がい た 英 国 郵 便 公 社（BPO：British Post Office） と、ガラスの新用途を探していた Corning 社との間に交流関係が生れていた。BPO の研究者は 20dB/km の単一モード光ファイバ（外径 100µm、コア径 0.75µm）の開発を Corning 社に打診した。その一方で、BPOから「Corning 社が光ファイバに興味を持っている」と聞いた Kao 自身は 1968 年に Corning 社を訪問し、D.B. Keck と面会した。Kao は Corning 社ばかりでな
く、American Optical 社 や Bausch & Lomb 社 な ど

図 3.2

124

Corning 社の 20dB/km ファイバの製法（想像図）

幾つかのガラス関連メーカも訪問したが、Corning 社（参考文献 2）をもとに筆者が作成）

以外は、石英ガラスの単一モード光ファイバを開発す1970 年発表の 20dB/km 光ファイバの材料や製法にガラス材料での二重るつぼ法などの方法を優先した。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

ることが極めて難しいとして、軟化温度の低い多成分

石英ガラスを重視した Corning 社の R.D. Maurer

さ ら に 図 3.5 に 示 し た よ う に、Corning 社 の M.E.

（ 物 理 屋 ） は、1967 年 に ロ ッ ド ･ イ ン ･ チ ュ ー ブ

Nordberg は、Hyde と 同 様 の CVD 法 に よ り、 四 塩（Rod-in-Tube）法を併用しての石英系光ファイバ作製

化シリコン（SiCl4）と四塩化チタン（TiCl4）を原料を試みたが、コア ･ クラッド間の泡や不純物を除去でとして、熱膨張係数が小さい石英系ガラスを製造す

きず低損失化が困難であった。1968 年になって、D.B.

る趣旨の特許出願（USP2,326,059）を 1939 年に行い、Keck（電気屋）と P.C. Schultz（化学屋）が参画し、1943 年に成立させていた 5）。適量の TiO2 を添加した

若手の Schultz の提案で石英ガラス管の内側に堆積し石英系ガラスは熱膨張係数が純石英ガラスよりも小さ

た TiO2 添加 CVD 膜そのものをコアとすることにしく、ほぼ零になる性質があり、1960 年代の同社にはた。Keck は光ファイバ損失の精密測定を担当し、や天体望遠鏡の反射鏡用の超低膨張係数（ULE：Ultra

2）がて 1970 年の 20dB/km 実現に漕ぎ着けた 。

Low Expansion）ガラスとしての製造実績もあった

Corning 社の Maurer らが CVD 法を選択した背景（米国ハワイ島マウナ ･ ケア山頂に設置されて 1999 年には、図 3.4 に示したように同社の J.F. Hyde が 1934に観測を開始した日本の国立天文台「すばる望遠鏡」

年に四塩化シリコン（SiCl4）を原料として石英（SiO2）の直径 8.2m の主鏡も Corning 社の ULE ガラスで作

ガラスを製造する基本特許出願（USP2,272,342）を行られている）。

4）

い、1942 年に成立したことがあった 。この方法はスートプロセス（Soot Process）とも呼ばれ、気化させた原料（SiCl4）ガスを酸水素バーナ中に送り込み、火炎加水分解反応により、まずは石英ガラスの微粒子（粒径は 0.01～0.1µm 程度）を合成し、これを焼結して透明なガラス体とする石英ガラスの製造方法である。スート（Soot）とは、英語で煤（スス）という意
味であるが、ここでは白色であるが煤のような感触のガラス微粒子を指している。ガラス微粒子（スート）を生成する際の燃焼ガスとしては、水素（H2）の代

図 3.5

1939 年に Nordberg によって考案された CVD 法による TiO2 添加石英ガラスの製造方法（参考文献 5）をもとに筆者が作成）

わりに手軽なメタン（CH4）ガスも使われていた。
しかし当時の多くのガラスメーカにとって、窯業というよりは新興の半導体産業に近い CVD 法は身近とはいえず、この時期に TiO2 添加の 20dB/km 石英系
光ファイバを実現できたのは、CVD スートプロセスによる石英系ガラス合成技術を 1940 年前後から蓄積してきた Corning 社なればこそであった。

3.3 日本の動き
図 3.4

1934 年に Hyde によって考案された CVD 法による石英ガラスの製造方法（参考文献 4）をもとに筆者が作成）

Corning 社 の 20dB/km 光 フ ァ イ バ 発 表 に 先 立 って、1969 年には 80dB/km 程度の多成分系 SELFOC
ファイバを実現していた日本板硝子の西澤紘一は多成分ガラスに比べて物理的 ･ 化学的に安定な石英
ガラスは、軟化温度が 1700℃と高く、天然の水晶なCorning 社の「20dB/km」発表の衝撃を次のように回顧している 6）。

どを原料とすると、溶融するには 2000℃もの高温を『1970 年、米国のコーニング社が、CVD 法で必要とするが、Hyde の方法では、比表面積の大きい

20dB/km なる石英系光ファイバを実現させ、世スート体の“粘性流動焼結”によって、比較的低温（～界をあっと驚かせた。当時セルフォックファイ

1,400℃）で、るつぼを用いることなく、高純度で透バも 40～50dB/km のレベルまで達していたが、明な石英系ガラス体を作製できた。液体原料（SiCl4）

20dB/km という値はまさに夢のまた夢であった。

を気化させる過程は“蒸留”に相当し、蒸気圧の低い

CVD 法で光ファイバを製作することは決して遷移金属などの不純物の混入も避けることができる。

偶然に出来たものではない。当時、光ファイバの石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

125

製法はロッドインチューブ法としてコアロッドを

内 の 電 話 回 線 開 通 に 成 功 し て 注 目 さ れ た 7）。 し か

クラッドに当たるパイプの中に挿入して熱延伸す

し、石英系光ファイバの低損失化の勢いには追い付る方法が普及していた。ただし、この方法は、コ

けず、1979 年に SELFOC ファイバの開発中止を決め

アとクラッドの間の泡や不純物が除去できず損て、その後のビジネス活路は GRIN レンズ（GRIN は失を低減することが極めて困難であった。一方、

Graded-Index の略）とも呼ばれる SELFOC レンズ応

コーニング社は CVD 法による Ti ドープの石英用で拓いていった。

ガラス基板を天体望遠鏡の反射鏡用として製造しもう一人、NTT 電気通信研究所（武蔵野）の次長ており、十分 CVD 技術の蓄積があったようだ。

職を辞して 1962 年に東北大学電気通信研究所教授にマウラーらは、コアとクラッドの境界をスムース任用されて、西澤潤一教授と親しい関係にあった喜にすべくこの CVD 技術を応用しようとした。こ

安善市は、自伝「情報通信の源流を求めて」の中で、こで、アイデアの転換が起こる。若いシュルツ

Corning 社の 20dB/km ファイバ発表について次のよがコアとクラッドの境界に CVD 薄膜をつけるのうに回顧している 8）。

なら、CVD 膜そのものをコアとすれば、どうせ『私の東北大学教授時代、Kao さんが英国から後で熱延伸するのであるから同じことになるとの私を大学に訪ねてきたことがある。Kao さんは提案をした。当時、屈折率を高くする材料として香港出身の中国系イギリス人、ロンドンのスタン

Ti が選ばれた。熱延伸で出来た CVD 法による光ダード電話研究所（STL）の研究員であった。こファイバを最初に測定したのは、ケックであっの頃、光通信の研究をしていて、私と連絡があった。彼は、やっとできた 200m くらいのサンプたのである。来日する前に送ってくれた光ファイ

ルを慎重に測定した。出てきた結果は、20dB/

バケーブルに関する論文を読んで、私には閃くもkm という値であった。彼は、そのときの実験日のがあった。当時の光通信の研究には不満であっ誌に、やった !!（Whoopee!!）と書き記している。

たからである。そこで、国内ガラスメーカやその結果としては、単純なアイデアではあるが、すばほかの専門家を集めて、電電公社電気通信研究所

らしいブレークスルーをもたらした。

で彼の講演会を行った。Kao さんは光ファイバ

1970 年 10 月、イギリスロンドンで開催されについて原理から可能性まで事細かに説明し、共た“導波管による幹線系長距離通信会議”の光通

同研究やスポンサーを募ったのだが、会場に集信セッションで、20dB/km の成果がマウラーによまった誰もその重要性がピンとこなかったため、り発表された。ミリ波管の専門家が多かったため

この講演会は徒労に終わった。その後、彼はアメか、この数字の意味を知っていたのは、ごく小数

リカに渡り、コーニングガラス社の理解を得て実であったと聞く。中でも、古河電工から来ていた用化に成功したのである。』

村田さんは、通信、電機業界では余り知られていなかったコーニング社が、画期的なアイデアを出喜安は、当初の Kao の期待に NTT 電気通信研究したことに衝撃を受けたという。これがきっかけ

所を含めて日本の業界が応えられなかったことを嘆いとなり、各国の研究機関で追試が行われ CVD 法にて、その罪滅ぼしのために、Kao が 1996 年の日本国よる石英系光ファイバの低損失が確認された』際賞を受賞できるよう、幅広い人脈を活かして縁の下（下線部分は筆者が強調）で尽力した。
上 記 の 喜 安 の 回 顧 文 に も 表 れ て い る よ う に、

126

Corning 社の 20dB/km 光ファイバ発表に刺激を受Corning 社の 1970 年 10 月の発表は NTT の研究者達

けた日本板硝子は二重るつぼ製法での SELFOC ファにも大きな衝撃を与えた。当時の電気通信研究所（武イバの低損失化を、

蔵野）は、次期通信技術としてミリ波導管方式の開発

・1968 年

200dB/kmに注力しつつ、光通信担当の基礎第 3 研究室を 1966

・1969 年

80dB/km

年に発足させ、レーザビームを用いる空間光通信につ・1970 年40～50dB/km

いてデバイスからシステムまでの研究を推進してい・1973 年

20dB/kmた。しかし光伝搬損失が大きいと見なされていた光・1975 年

9.4dB/km

ファイバ通信方式は本格検討の対象外であった。

と 進 め て、1978 年 に は NEC や 住 友 電 工 と 組 ん でCorning 社の低損失光ファイバ発表を知った NTT

SELFOC ファイバによるフロリダ「Disney World」

電気通信研究所の茨城支所の中川喜策支所長と豊田博

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

夫総括担当調査役は「我々もすぐに始めなければ手遅枡野らのチームは 1973 年 9 月に NTT として最初のれになる」と判断し、すぐに Corning 社の光ファイ

石英系光ファイバ論文「Eccentric-core glass optical

バの情報収集を始めるとともに、研究メンバの選定を

waveguide」 を J. Appl. Phys. 誌 に 投 稿 し、 図 3.6 に9）行った 。しかし研究所では、ガラスを扱ったことが示した光ファイバ断面写真と損失波長特性図をもって殆どなく、かつて電子管の封止の研究をやっていたガ

1974 年 2 月号に掲載された 11）。偏心したコア構造をもラス関係の数少ない研究者も半導体時代になって退職

ち、ECOF（Eccentric-Core Optical Fiber）と命名さしていた。そこでリスクの高い研究ゆえにキャリアのれたファイバのコアには小松電子金属が試作した合成あるベテランにやらせるべきか、それとも既成概念に

溶融石英ガラス（外径 3mm）を用い、クラッドにはとらわれず、柔軟な発想のできる若手でメンバを構成

特殊な硼珪酸ガラス（組成は 6SiO2：1B2O3 に近く、屈するかということが問題となった。中川と豊田の決断

折率は石英ガラスより 0.3％低い）を内面に塗布した石は、「ガラスには全員素人の我々だ。ここは既成概念

英ガラス管（内径 8mm、外径 10mm）を使用した。コにとらわれず、無鉄砲でもいい、とにかく突っ走るこ

ア材とクラッド材を合わせてロッド ･ イン・チューブとのできる研究者を選ぶほかに方法がない。研究所で法で線引きすると、コアが石英管内面の一部に偏心し一番若い連中を探し出して、彼らに走らせてみることて位置する光ファイバが得られ、波長 0.80µm におけにしよう」というものであった。そこで、武蔵野の基る損失は 10dB/km であった。図 3.6 の損失波長特性に礎第 3 研究室ではなく、東海村の茨城支所 ･ 誘電材料

おいて、0.95µm 波長等の損失ピークは光ファイバ中の研究室の枡野邦夫（1957 年 NTT 入社、化学出身）を水酸（OH）イオンによる吸収損である。ECOF は変リーダとし、その下に若い研究者をつけたのである。

則的な構造であったが、これを一つの成果として、光

当時の茨城支所（1971 年 3 月には茨城電気通信研究

ファイバ研究の進捗状況を見に来る見学者への説明に所に昇格）でも、ガラス材料を扱っていたのは、海使用し、しばらくはその場をしのいでいた。

底中継器用のグレーズドアルミナ基板（表面を多成分ガラス膜でコーティングしたアルミナ基板）の研究をやっていた枡野だけだった。
枡野の下に集められた人材は、1968 年入社の宮下忠、枝広隆夫、1969 年入社の中原基博、高橋志郎、
塙文明、安光保、そして 1971 年入社となる堀口正治
を含めて 7 名であった。こうして光ファイバ研究チームが発足し、動きだしたのは Corning 社の発表から4ヶ月後の 1971 年 2 月であった 10）。
枡 野 は、 研 究 所 幹 部 と 相 談 し て、1971 年 1 月 頃 から「光学ガラス繊維の研究」と題した研究企画書の策定に取りかかり、連続生産ができそうな多成分ガラス

図 3.6

NTT 茨城研究所の“偏った”石英系光ファイバ試
作（1973 年）（参考文献 11）をもとに筆者が作成）ファイバを中心テーマに設定した。各段階の審議を経て1971 年 10 月に研究企画書が正式策定された。5 年計画

1974 年春には NTT 研究所の光ファイバ研究体制

で、最終目標を 5dB/km、当面の目標を 20dB/km としの整理統合が行われ、武蔵野の基礎第 3 研究室からた。実際には Corning 社の光ファイバは石英系ガラス

1970 年博士入社の伊澤達夫、そして 1971 年入社のであったが、この時点では材料や製法について未発表で小林壮一と川名明夫が茨城研究所に異動した。伊澤

あったし、そもそも当時の電気通信研究所には 2,000℃

は、米国 UCLA での 1 年間の海外研修の先約があっを越えるような高温を出せるような装置がなく、融点がたので、実際には 1 年遅れて 1975 年 5 月の茨城研究

低い多成分ガラスの方が取り組み易かったのである。

所赴任となったが、伊澤の異動は、やがて石英系光やがて枡野らは、小松電子金属（半導体用シリコン
ウェハメーカ）との共同研究で得た高純度シリカ粉末

ファイバの量産製法となる VAD（Vapor-phase Axial
Deposition）法の発明に結びつくことになる。

を使い、二重るつぼ法で波長 0.6328µm で 48dB/km

話は少し前後するが、日本で最初に 20dB/km を実の多成分ガラス系光ファイバ作製に成功したが、この現したのは、通商産業省傘下にあった電子技術総合研

程度の光ファイバでは通信に使えないことから、石英究 所（ETL：Electrotechnical Laboratory） が 1972

系光ファイバの研究に重点を移していった

10）。

年に開発した石英系光ファイバ ETLOF であった 12）。

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

127

ETLOF は、クラッド材として屈折率が石英ガラス

1）STL の C.K. Kao のグループ、より小さい硼珪酸系 Vycor ガラス管（ガラス組成が2）英国郵便公社（BPO）の F.F. Roberts のグループ、

96％ SiO2-4％ B2O3 であり、Vycor は Corning 社の登3）Southampton 大学の W.A. Gambling のグループ。

録商標）を選び、その中にコア材としての合成溶融石

Southampton 大 学 グ ル ー プ は 国 防 省 の サ ポ ー ト

英ガラス棒を挿入したものを線引きしてステップイ

を得て多モード光ファイバの研究を開始し、ロッド

ンデックス（SI）型多モード光ファイバとしたもので･ イン ･ チューブ法による光ファイバの線引きの研あった。ETLOF は、市販の石英系ガラス材料であっ究を行った。母材ガラスは市販の多成分系のガラスても 20dB/km 程度の損失値は比較的容易に得られる棒（Schott 製 F7 ガラス）とガラス管（Pilkington 製ことを実証し、石英系ガラスの素性の良さを示した。

ME1 ガラス）を使って、ステップインデックス型多3.1 節で紹介した古河電工の村田浩の回想文に象徴

モード光ファイバの試作を行い、140dB/km に始まされるように、ケーブルメーカである日本の電線 3 社

り、やがて 40dB/km の損失値を得たが、損失目標値（住友電工、古河電工、藤倉電線）は、Corning 社のの 20dB/km を達成することはできなかった。

20dB/km 光ファイバ発表を知って強い衝撃を受けた

当初は Kao 提案に興味を示さなかった米国の Bellが、1969 年頃から光ファイバの探索研究を始めてい

研 究 所 が、 光 フ ァ イ バ に 関 心 を 寄 せ 始 め た の は、た藤倉電線、そして SELFOC ファイバに関連して日STL の Kao らが石英ガラスの固有損失は約 5dB/km

本板硝子や NEC と協力関係にあった住友電工も含め（0.85µm）であることを実験的に予測 16）17） した 1968て、1970 年以降、光ファイバとそのケーブル化の研年以降であった。1970 年になると、Corning 社から究開発を本格化していくことになる。

20dB/km 光ファイバ発表があり、同年に半導体レーザの連続室温発振に成功した Bell 研究所は光ファイ

3.4 英国と米国の動き

バ通信方式の研究に注力することになった。そして1972 年末には、それまでのガスレンズやレンズ列に

1966 年の Kao の発表と 1970 年の Corning 社の発表に関わる英国と米国の動きを表 3.1 にまとめたが、英Corning 社の 20dB/km 測定値が正しいことを 1970

国電気学会 IEE 誌（Proc. IEE）7 月号への論文掲載

年 11 月 に は BPO と STL が 確 認 し た が、20dB/kmに先だって、Kao が London 所在の IEE で 1 月に講演を 再 現 で き な い Southampton 大 学 と Bell 研 究 所 はしたこともあって、英国では 1966 年末までに下記の1971～72 年頃に液体コア光ファイバの研究を行っ

三つの光ファイバ研究グループが発足した
表 3 .1128

よる空間光通信方式の研究を中止した。

国立科学博物館技術の系統化調査報告13）14）15）。

た。実際、英国で最も早く低損失を実現した光ファ

英国と米国の動き（1965～1974 年）

Vol.25 2018. Marchイ バ は Southampton 大 学 が 試 作 し た 液 体 コ ア フ ァ

石英ガラス中の OH 吸収損の大きさを定量的に解明イバであった。ガラス管を延伸して毛細管状の中空し た 論 文「Spectral losses of unclad vitreous silica

ファイバを製作し、その内部に高屈折率の液体を充填

and soda-lime-silicate fibers」を 1973 年に発表し、そして光を伝搬させるものであり、英国のガラスメーの後の石英系光ファイバ低損失化（≒低 OH 化）に向カ Pilkington 製の ME1 ガラス管を引き伸ばした内

けての良き指針となった 23）。

径 120µm の中空ガラスファイバにヘキサクロロブタ
ジェン（HCBD）を注入したものは、1972 年に 7dB/
km（1.08µm） の 低 損 失 値 を 実 現 し た 18）。Bell 研 究所でも石英ガラス製の中空ファイバにテトラクロロ
エチレン（あるいはテトラクロロエチレンとカーボ
ンテトラクロライドの等量混合液）を注入して、0.84～0.86µm と 1.04～1.1µm 波 長 域 で 20dB/km な い し
それ以下の損失値を実現した 19）。同時期には、オーストラリアの産官連携チームでもテトラクロロエチ
レンの液体コアの研究が行われて、1.09µm, 1.205µm,
1.28µm の各波長で 8dB/km 以下の損失値が報告され
ている

20）

。こうした液体コアファイバは液体の注入に長時間が必要で、実用性には問題があったが、伝送特性の基礎研究に役立った。

図 3.8

石 英 ガ ラ ス 中 の OH イ オ ン に よ る 吸 収 波 長 と1ppm 当りの吸収損（参考文献 23）をもとに筆者が作成）

その一方で Corning 社であるが、1970 年の 20dB/
km 発表以降も、光ファイバの材料や製法に関する1972 年末の Bell 研究所では、ガスレンズの研究か

成果は発表せず、特許出願に力を入れていた。1973

ら転向した P. Kaiser らが、石英ガラスのみからなる

年 4 月 号 の APL（Appl. Phys. Lett.） 誌 に は 同 社 の単一素材（SM：Single Material）光ファイバの研究3 人 組 に よ る 論 文「On the ultimate lower limit of

を行った

21）

。当初は、28dB/km（@1.06µm）であっ

attenuation in glass optical waveguides」（論文受理

た多モード光ファイバの損失値は、より高品質の合は 1972 年 12 月 1 日）が掲載され、波長 0.80～0.85µm

成石英ガラス材料を採用することにより、1974 年にと 1.05µm で 4dB/km の低損失値が実現できたとあっ入ると、図 3.7 に断面写真を含めて示したように、約たが、ここでも材料や製法への言及はなかった 24）。

3dB/km（@1.1µm）にまで低減した 22）。波長 0.95µm

やがて公開となった一連の米国特許付近の損失増は石英ガラス中の OH イオン（水酸基）①「Method of Forming Optical Waveguideの光吸収損に相当するが、吸収ピークが 3dB 程度とFibers」, USP 3,737,292（Filed Jan. 3, 1972）25）、

比較的小さいことは、Kaiser らが OH 含有濃度の低②「Method of Forming Light Focusing Fiberい“dry”な合成石英ガラス（a Spectrosil WF core

Waveguide」, USP 3,823,995（Filed Mar. 30,

on a Suprasil W1 slab）を用いたことを反映している。

1972）26）、③「Germania Containing Optical Waveguides」,
USP 3,884,550（Filed Jan. 4, 1973）27）、
から、他機関の光ファイバ関係者達は、Corning 社が新たに外付（OVD：Outside Vapor Deposition）法を開発し、石英ガラスへの屈折率制御用ドーパント（添加物）を TiO2 から GeO2 に変更したことを理解した。
Corning 社の外付（OVD）法の最初の米国特許①の 明 細 書 図 面（Fig.1～Fig.4） を 図 3.9 に 示 し た が、
まずは火炎加水分解反応によって出発棒 12 の外周に

図 3.7Bell 研究所の初期の石英系光ファイバ試作例（参考文献 22）をもとに筆者が作成）

コア用多孔質ガラス 10 を堆積し、続いてクラッド用
多孔質ガラス層を堆積（Fig.2）させる。その後、出
発棒 12 を削り出す（あるいは引き抜く）などの手段

Kaiser ら の 単 一 素 材 光 フ ァ イ バ は 過 渡 的 な 研 究

で除去（Fig.3）し、中空になったコアクラッド複合

テーマであったが、副産物として図 3.8 に示すように多孔質ガラス体を電気炉 28 中で高温に加熱して中実

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

129

図 3.9Corning 社本命の「外付（OVD）法」特許明細書
書より（参考文献 25）をもとに筆者が作成）

図 3.10透明ガラス化すると同時に線引き（Fig.4）して光ファ

Corning 社の外付（OVD）法プロセス（参考文献 28）をもとに筆者が作成）イバを得るのである。この特許図面のみでは解り難
いので、Corning 社の Keck が 2010 年に寄稿した招待論文 28）に載っていた立体的なプロセス説明図を図3.10 に示し、さらに同社の Schultz が 2010 年に公開 3）した初期の OVD 装置写真を図 3.11 に示した。三つの図を合わせると外付（OVD）法のプロセス手順が理解し易い。
OVD 法では、上述の特許②で請求されているように、ガラス微粒子合成バーナに供給する原料ガス中のドーパントガス濃度を時間的に変化させることによって（日本板硝子の SELFOC ファイバのようなイオン交換技術に頼ることなく）、集束形すなわちグレー
デッドインデックス（GI）型の屈折率分布も形成可能であり、必要に応じて多彩な屈折率分布を実現できるようになった。
その一方で、この時期の英国での最も重要な成果はSouthampton 大学と STL がそれぞれ独立に行った熱酸

図 3.11

Corning 社の初期の外付（OVD）装置（参考文献 3）をもとに筆者が作成）

化反応での CVD 法による石英系光ファイバ作製法の研究である。すなわち、Corning 社の火炎加水分解反応

こ こ で は、2.7dB/km を 記 録 し た Southampton 大の SiO2-P2O5 系光ファイバの損失波長特性を光ファイ

SiCl4 + 2H2O → SiO2 + 4HCl
では、生成された石英系ガラス中に H2O に起因するバの断面写真付で図 3.12 に示した 30）。この多モード

OH イオンが多量に含まれてしまうが、熱酸化反応

光ファイバを作製するための熱酸化反応 CVD は電気

SiCl4 + O2 → SiO2 + 2Cl2炉（＝光ファイバ線引炉）中に設置されて回転する石であれば、OH イオンの混入を抑制することができる

英ガラス（Suprasil1）管中で行われ、約 1 時間でコアと、英国勢は考えたのである。

に適する層厚が得られた。SiO2-P2O5 ガラスが堆積しSTL と Southampton 大学は、屈折率制御用のドーた石英ガラス管は中実化とファイバ線引きを同時、あパ ン ト 原 料 と して、それぞれ四塩化ゲルマ ニ ウ ム

るいは 2 段階に分けて行われた。1.2km の長さに線引（GeCl4）と三塩化燐（PCl3）を使用し、熱酸化 CVD

きされた光ファイバのコア径は 50µm、外径は 150µm法により、石英ガラス管の内側に、それぞれ SiO2-であった。図 3.12 では波長 0.95µm に 35dB/km 程度

GeO2 系 と SiO2-P2O5 系 の ガ ラ ス 層 を 堆 積（ 内 付 け ）の OH イオン吸収損失ピークが現れているが、これはさせ、それを線引きして、0.83µm 波長域でそれぞれクラッドとして OH イオン濃度が高い合成石英ガラス

4 dB/km と 2.7dB/km の光ファイバを実現した

130

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

29）30）。

（Suprasil1）管の高 OH イオン濃度によるとされた。

図面は省略するが、遷移金属不純物は多いが OH イオ

整のために必要に応じて別の石英ガラス管（ジャケッ

ン濃度が低い溶融石英ガラス（Heralux）管を用いてト管）に収められ一体として線引きされ所望の光ファ

試作した光ファイバでは、0.83µm 波長域での損失はイバとなる。屈折率分布の制御は、原料ガス中のドー増加してしまったが、OH イオン吸収損失ピーク自体

パント（GeCl4 や BCl3 等）濃度を時間的に変化させは 35dB/km から 6dB/km へと減少した

30）。

ることによって行われ、SI 型、GI 型、単一モード型などの各種構造の光ファイバを作製できる。MCVD法では、室内に不純物があっても石英ガラス管内は清浄状態に保たれる。そして反応容器としての石英ガラ
ス管をガラス旋盤上で回転させつつ酸水素バーナで局所的に加熱（ゾーン加熱）することで、石英ガラス管の変形（垂れ下がり）を防止できる巧みさがある。

図 3.12

英 国 Southampton 大 学 の 2.7dB/km 石 英 系 光
ファイバ試作（参考文献 30）をもとに筆者が作成）

3.5 Bell 研究所の MCVD 法発表
英国の STL や Southampton 大とほぼ同時期に、米図 3.13

Bell 研究所の特許明細書より（参考文献 31）をもとに筆者が作成）

国の Bell 研究所においても熱酸化反応 CVD 法による石英系光ファイバの研究が開始され、三つの機関は競争関係にあった。Bell 研究所の J.B. MacChesney らが先んじたことは、熱酸化反応 CVD の舞台として電気炉ではなくガラス旋盤（Glass Lathe）を活用した点にある。図 3.13 には出願日が 1974 年 2 月 22 日に遡及する Bell 研究所特許「Optical Fiber Fabrication
and Resulting Product」（USP 4,217,027） の 図 面 例を示した 31）。この MacChesney らの石英系光ファイ
バ 製 法 は、 後 に MCVD（Modified Chemical Vapor
Deposition）法と名付けられたが、やはり特許図面の図 3.14MCVD 法による光ファイバ母材作製工程

みでは解り難いので、筆者が描いた MCVD 法による光ファイバ母材の作製工程を図 3.14 に示した。すな

図 3.15 は、MCVD 法 で 作 製 さ れ た 石 英 系 光 フ ァ

わち MCVD 法では、SiCl4 等のガラス形成原料ガス

イバの損失波長特性例であり、BSTJ（Bell System

を酸素（O2）ガスと混合して、ガラス旋盤上にセッTechnical Journal） 誌 の 1974 年 5-6 月 号 に 掲 載 さトされ回転している石英ガラス管に導く。石英ガラス

れ た 論 文「Optical Waveguides with Very Low

管を外部から酸水素バーナで局所的に加熱（1,400～

Losses」から引用したものである 32）。図 3.15a は SiO2

1,700℃）することにより、SiCl4 等は管内部で酸化さクラッド層に続いて SiO2-GeO2 コア層を堆積させた

れ、生成したガラス微粒子は下流側の管内壁に付着

光ファイバの特性、図 3.15b は SiO2-B2O3 クラッド層する。加熱部の移動に伴ってガラス微粒子は焼結されに続いて SiO2 コア層を堆積させた光ファイバの特性

薄いガラス層となる。この工程を数十回以上繰り返しである。特に図 3.15b では当時としては世界最小のた後、原料ガスの供給を止め、バーナ加熱温度を上昇

1.1dB/km（@1.02µm）を記録していて、それまでは（～1,900℃）させると、ガラス管は表面張力で収縮し、Corning 社の後塵を拝していた Bell 研究所の存在感

中空部を完全につぶすこと（中実化： collapse）がでを一気に高めることになった。1.1dB/km は光ファイ

きる。こうして作製した母材は、コア径 / 外径比の調バに入射した光の 78％が 1km 先まで届くことを意味

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

131

し、ミリ波導波管の直線部での損失値や空間光通信でもっていて、AT&T 傘下の Bell 研究所とも交流し易期待される最良損失値に匹敵していた。

い状況にあった。実際、MacChesney は京都でのガラス会議の後に国内の各社を訪問して MCVD 法について説明をしたので、各社は一斉に MCVD 法の追試を始めた。日本での本格的な石英系光ファイバの開発
は、MacChesney の発表を聴いてのガラス旋盤の手配から始まったといっても過言ではない。
第 10 回国際ガラス会議での Bell 研究所の発表姿勢であるが、当時の AT&T は世界的に独占的な実力と図 3.15MCVD 法による石英系光ファイバの損失特性例（参考文献 32）をもとに筆者作成）

競争力を持っていて、革新的な技術を発表すれば、その技術を導入したいという企業が必ず現れた。独占禁止法に触れないためにも Bell 研究所は積極的な発表

同 じ 1974 年 の 7 月 に は 第 10 回 国 際 ガ ラ ス 会 議を行い、合理的な価格でライセンシングを行うことを（International Congress on Glass）がアジアで初めて善としていた。逆に Corning 社の場合は、当時の新京都で開催され、最終日の 7 月 12 日には光ファイバ関

しい技術としては石英系光ファイバしかなく、自社で連のセッションがあった。このセッションには、Bell

光ファイバの製造と販売ができなければ、何も得られ

研 究 所、Corning 社、NTT 茨 城 研 究 所、 日 本 板 硝 子

なくなる恐れがあった。そのために、学会発表内容は等から計 15 件の論文が発表された。NTT 茨城研究所

必要最小限に留めて、ノウハウ流出防止に徹していたの枡野チームからは宮下による ECOF を含む石英系光のである 2）。

ファイバ関連の発表と高橋による多成分系光ファイバ
関連の発表、そして日本板硝子からは西澤や池田による SELFOC ファイバ関連の発表があったが、何と言っ3.6 改めて石英系ガラスとはても一番注目されたのは Bell 研究所の MacChesney がCorning 社の OVD 法と Bell 研究所の MCVD 法の発表した MCVD 法に関する論文「Preparation of low

開発により、通信用光ファイバ材料として石英系ガラ

loss optical fibers using simultaneous vapor phase

スの優位性が確実になったが、以下、改めて石英系ガ

deposition and fusion」 で あ っ た

33）。MacChesney はラスの性質について概説する。

BSTJ 誌（1974 年 5-6 月 号 ） に は 載 せ て い な か っ た

表 3.2 に製造法による石英ガラスの分類を示した

MCVD 装置写真のスライド（図 3.16）を提示しながらが、「溶融法」と「合成法」に大別できる 34）。石英ガ

作製プロセスを詳細に報告したのである。

ラスの製造が始まったのは 1800 年代前半からであり、それ以前には石英を溶融する熱源がなく、溶融は困難であったが、酸水素炎の研究開発により 2,000℃ 以上の高温が得られるようになり、石英ガラスの製造が可能になった。その後、1800 年代後半から 1900 年代初
頭にかけ、熱源としてアーク放電や抵抗加熱などの電気的熱源を利用した製法も開発された。当初は原料として水晶（Quartz）が用いられたので、石英ガラ
スは溶融水晶（Fused Quartz）とも呼ばれた。天然の水晶には僅かながら遷移金属不純物が含まれるが、1900 年代に入って化学的に合成した四塩化シリコン（SiCl4）などを原料とする合成法が開発された。1970
年代に入って開発された通信用石英系光ファイバの三図 3.16

Bell 研究所の MCVD 装置（参考文献 33）をもとに筆者作成）

132

大製法（OVD、MCVD、そして VAD 法）は、合成法の中のスート（Soot）法に属している。
図 3.17 は、石英ガラスの SiO2 網目構造と、多成分

当時の日本では、NTT をはじめとして、主な電線

系ガラス例としての SiO2-Na2O 系ガラス構造の二次元メーカは AT&T と何らかの形で特許に関する契約を模式図である。石英ガラス（図 3.17a）では、ガラス

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March表 3 .2

製造法による石英ガラスの分類（参考文献 34）をもとに筆者作成）

全体が Si と O から成る一つの巨大な網目構造を形成
し、強く共有結合しているため、高温でも変形しにく表 3 .3

石英ガラスの物理定数（参考文献 35）36）をもとに筆者作成）

い。一方、多成分系ガラス（図 3.17b、ここでは SiO2Na2O 系）では、Na が Na+ イオンとして入り込んで、Si と O の網目構造が切断されて結合力が弱まる結果、溶融温度が低くなり、硬度も低下することになる。
網目構造を切断する働きをする網目修飾化合物には
Na2O の他に、Li2O、CaO、MgO などのアルカリやア
ルカリ土類金属の酸化物が属している。

石英ガラスに添加して共に網目を形成可能なドーパントとしては、GeO2、P2O5、B2O3、TiO2 などが一般的であり、酸素の一部を置き換える陰イオンとして F（フッ素）もドーパントになる。こうした石英系
図 3.17

石英ガラスと多成分系ガラスの構造模式図

ガラスを構成する網目形成化合物となる元素のほぼ共通的性質として、それらの元素が常温で液状の塩化

しっかりと網目を形成している 100％石英ガラスの物（SiCl4、GeCl4、PCl3、TiCl4 な ど ） を も っ て い る

軟化温度は 1650℃前後で、成形温度は 1,800～2,100℃点がある。液状の塩化物は容易に気化させることが可と高いために、2,000℃くらいの高温にしないと成型能であり、気相反応を用いて遷移金属不純物の少ない加工ができないが、石英ガラスは優れた耐熱性や透光石英系ガラスを合成することができる。主原料ガス性、機械的強度をもつことから、るつぼ材料や理化学（SiCl4）に添加するドーパントガス（GeCl4 など）の機器などの分野に応用されてきた。表 3.3 に石英ガラ比率によって石英系ガラスの屈折率値を精密に調節す

スの主な物理定数を示した

35）36）。

ることが可能であり、光ファイバの導波構造（コア部とクラッド部）形成の基本になっている。

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

133

図 3.18 に は 石 英 系 ガ ラ ス の 屈 折 率 値（@λD ＝

参考・引用文献

0.589µm）のドーパント濃度依存性を示した。TiO2、1） F.P. Kapron, D.B. Keck, and R.D. Maurer：

GeO2、P2O5、Al2O3 は 屈 折 率 値 を 増 加 さ せ、 逆 に“Radiation losses in glass optical waveguides,”37）。屈折率値は波長依存性をAppl. Phys. Lett., Vol.17, No.10, pp.423-425, 1970.

もっているが、代表例として 100％石英ガラスの屈折

2） 村田浩，小泉健，新関暢一：「光ファイバの歴史

B2O3、F は減少させる

率値の波長依存性を図 3.19 に示した

35）。

開拓者たちのメモアール」，工業通信，2001.1.20.
3） P.C. Schultz：“Making the First Low-Loss
Optical Fibers,”OPN Optics and Photonics, Vol.
21, No. 10, pp.30-35, Oct, 2010.
4） J.F. Hyde：“Method of Making a Transparent
Article of Silica,”USP 2.272.342（Filed Aug 27,
1934. Patented Aug Feb.10, 1942）.
5） M.E. Nordberg：“Glass Having an Expansion
Lower than that of Silica,”USP 2.326.059（FiledApr 22, 1939. Patented Aug 3, 1943）.
6） 西澤紘一：“ブレークスルーを成功させるために”，

図 3.18

ドーパント濃度と屈折率の関係 35）

NEW GLASS，Vol.22，No.3，pp.1-4，2007.
7） 小泉健：“光ファイバー”，テレビジョン，Vol.31，
No.8，pp.635-642，1977.
8） 喜安善市：「情報通信の源流を求めて」，三田出版会，1997.7.25 発行 .
9） 藤芳誠一，薗出碩也，山田雄一，根本孝：「製品開発における競争と協力 －目本企業の光ファイバー開発の分析－」, 明治大学 社会科学研究所紀要，第 26 巻第 1 号，pp.107-160，1987 年 10 月 .
10）枡野邦夫：「光ファイバ物語」, サイバー出版セン
ター, 2014.12.
11）T. Miyashita, T. Edahiro, S. Takahashi, M.
Horiguchi, and K. Masuno,“Eccentric-core glass
optical waveguide,”J. Appl. Phys., Vol.45, No.2,

図 3.19

石英ガラス屈折率の波長依存性（参考文献 35）をもとに筆者作成）

通信用光ファイバ材料としての石英系ガラスの見落

12）Daisuke Kato：“Fused ‐ silica ‐ core glass
fiber as a low ‐ loss optical waveguide,”Appl.
Phys. Lett. Vol.22, No.3, p.34, 1973.

としてはならない特長は、内部にアルカリやアルカリ

13）W.A. Gambling：“The Rise and Rise of Optical

土類金属イオンを含まない網目構造ゆえに熱的に極め

Fibers,”IEEE J. Selected Topics in Quantumて安定で、簡単には結晶状態（SiO2 の結晶相の一つクElectronics, Vo.6, No.6, pp.1084-1093, 2000.

リストバライト）に転移しないことである。光ファイ14）C.K. Kao：“Sand from Centuries Past：Send

バ製造工程では何回もの温度サイクルを経るが、温度Future Voices Fast,”Nobel Prize Lecture, Dec.

の上下によっても光散乱損失の原因になるような結晶

134

pp.808-809（1974）.

8, 2009.

化は発生しない。こうした石英系ガラスの例外的な素15）JEFF HECHT：“City of Light：The Story of

性の良さが、窯業から離れた CVD 製法と相伴って、Fiber Optics,”OXFORD UNIVERSITY PRESS,

次章以降で述べるように、ガラス製造については素2004（付属の年表：A Fiber-Optic Chronology）.

人集団であった NTT 研究所と電線 3 社による急速な

16）K. C. Kao and T. W. Davies,“Spectrophotometric

キャッチアップ（MCVD 法の改良）と新たな光ファイ

studies of ultra low loss optical glasses I,”J. Sci.

バ量産製法（VAD 法）の開発を可能にしたのである。

Instrum.（J. Phys. E）, Vol. 1, pp. 1063–8, 1968.

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

17）M. W. Jones and K. C. Kao,“SpectrophotometricContaining Optical Waveguides,”USP 3,884,550

studies of ultra low loss optical glasses II,”J.

（Filed Jan. 4, 1973. Patented May 20, 1975）

Sci. Instrum.（J. Phys. E）, Vol. 2, pp. 331–335,

28）D. Keck：“A Future Full of light,”IEEE J.

1969.
18）W.A. Gambling, D.N. Payne and H. Matsumura,

Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.6,
No.6, PP.1254-1258, 2000.

“Gigahertz bandwidth in multimode, liquid-

29）P.W. Black, J. Irven, K. Byron, I.S. Few, R.

core optical fibre waveguide,” Optical

Worthington："Measurements on waveguide

Communications, Vo.6, No.4, pp.317-322, 1972.

properties of GeO 2-SiO 2-cored optical fibres,"19）J. Stone,“Optical Transmission in Liquid-Core

Electron. Lett., Vol,10, No.12, pp.239 - 240, 1974.

Quartz Fibers,”Appl. Phys. Lett., Vol.20, pp.29240, 1972.
20）G.J. Ogilvie, R.J. Esdaile and G.P. Kidd,30）D.N. Payne and W.A. Gambling：“New silicabased low-loss optical fibre,”Electron. Lett.,
Vol.10, No.15, pp. 289-290, 1974.

“Transmission loss of tetrachloroethylene-filled31）J.B. MacChesney and P.B. O'Conner：“Opticalliquid-core-fibre light guide,”Electron. Lett.,

Fiber Fabrication and Resulting Product,”USP

Vo.8, No.22, pp.533-534, 1972.

4,217,027（Filed Aug. 29, 1977. Filed Aug. 12,21）P. Kaiser, E.A.J. Marcatili, and S.E. Miller,“A1980） 特許出願日は 1974 年 2 月 22 日に遡及．

New Optical Fiber,”Bell Syst. Tech. J., Vol. 52,32）W.G. French, J.B. MacChesney, P.B. O'CnonnerNo. 2, pp.265-269, February, 1973.
22）P. Kaiser and H.W. Astle,  “Low-Loss SingleMaterial Fibers Made From Pure Fused Silica,”
Bell Syst. Tech. J., Vol.53, No. 6, pp.1021-1039,
July-August 1974.

and G.W. Tasker,“Optical Waveguides with
Very Low Losses,” Bell System Technical
Journal, Vol.53, No.5, pp.951-954, 1974.
33）J . B . M a c C h e s n e y , P . B . O ’ C o n n e r , E . V .
DiMarcello, J.R. Simpson and P.D. Lazay,23）P. Kaiser, A.R. Tynes, H.W. Astle, A.D. Pearson,“Preparation of low loss optical fibers using

W.G. French, R.E. Jaeger and A.H. Cherin：“simultaneous vapor phase deposition andSpectral losses of unclad vitreous silica andfusion,”10th Int. Congr. on Glass，Vol.6, pp.40-

soda-lime-silicate fibers,” J. Opt. Soc. Am.,45, Kyoto, Japan, July 1974.

Vol.63, No.9, pp.1141-1148, 1973.
24）D.B. Keck, R.D. Maurer, and P.C. Schultz：“On34）小野田元：「石英ガラス概論（第 3 回）」, Journalof Advanced Science, Vol.11, No.3, 1999.

the ultimate lower limit of attenuation in glass35）信越石英株式会社：「石英ガラスの技術ガイド -2

optical waveguides,”Appl. Phys. Lett., Vol.22,-- 石英ガラスの光学的特性」，PC-TG-OPC-007，

No.7, pp.307-309, 1973.

http：//www.sqp.co.jp/seihin/catalog/pdf/

25）D.B. Keck, B. Flats, P.C. Schultz：“Method

g2.pdfof Forming Optical Waveguide Fibers,”USP

36）信越石英株式会社：「石英ガラスの技術ガイド

3,737,292（Filed Jan. 3, 1972, Patented June 5,-1 -- 石英ガラスの化学的，物理的特性」，PC-TG-1973）

CFC-006，http：//www.sqp.co.jp/seihin/catalog/

26）L.L. Carpenter：“Method of Forming Light
Focusing Fiber Waveguide,” USP 3,823,995（Filed Mar. 30, 1972. Filed July 16, 1974）
27）R.D. Maurer and P.C. Schultz：“Germania

pdf/g1.pdf37）S.E. Miller and A.G. Chynoweth：“Optical Fiber
Telecommunication,”Academic Press, London& New York, 1979, p.188.

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

135

4｜MCVD 法の改良で日本が先導した長波長帯の開拓
Bell 研 究 所 に よ る 1974 年 7 月 の MCVD 法 の 発 表を契機として本気になった日本勢が石英系光ファイバ

は 1983 年 9 月まで続くことになる 2）。

の研究開発に取り組み、まずは MCVD 法を改良して

電線 3 社との共同研究での NTT の基本方針は、①の低損失長波長帯の開拓を通じて、世界的な存在感

MCVD 法を改良して、さらなる低損失化（極限追及）

を 高 め て い く。 本 章 で は、 そ の 過 程 を、1）NTT とを進めること、②量産に適した国産製法（後の VAD

電 線 3 社 の 共 同 研 究 体 制 の 構 築、2）NTT 茨 城 研 究法）を新たに開発すること、の 2 つであり、その推進

所 で の MCVD 装 置 の 立 ち 上 げ、3） 低 損 失（0.47dB/のために茨城研究所には 2 つの研究グループが編成さ

km@1.2µm）SI 型 多 モ ー ド 光 フ ァ イ バ の 開 発、4）れた。そして早期実用化が期待されていた多モード光

MCVD 母材中の OH イオン分布測定と単一モード光ファイバを電線 3 社が主に担当し、NTT 研究所は将ファイバの低損失化努力、5）内圧制御 MCVD 法の開

来寄りと考えられていた単一モード光ファイバを主に発、6）極低損失（0.2dB/km@1.55µm）単一モード光担当することになった。

ファイバの開発、7）MCVD 法によるグレーデッドイ

1976 年春には茨城研究所の大幅な組織再編が行わ

ンデックス（GI）型多モード光ファイバの開発、の順

れ、部品材料研究部の光部品研究室（高田久夫室長）に報告する。

が光ファイバ担当になった。1973 年入社の筆者は、4.1 NTT と電線 3 社の共同研究体制の構築

このタイミングで液晶表示研究チームから光ファイバ
研究チームに異動した。茨城研究所の線路研究部には
光線路研究室が新設され、茨城での光ファイバ研究前 章 で 述 べ た よ う に、20dB/km フ ァ イ バ 発 表 後

草分けの枡野邦夫が初代室長になった。1977 年にはの Corning 社 は、1972 年 に は 新 た に「 外 付（OVD）

NTT 横須賀研究所の伝送研究部に光伝送研究室が新法」の特許出願を行い、屈折率制御のドーパントも設され、初代室長をミリ波伝送研究室長の島田禎晉がTiO2 から GeO2 に変更していた。新規事業としての兼任した。長年に渡ってミリ波導波管伝送方式の開発

光ファイバの開発資金が必要な Corning 社は、1972を進めてきたミリ波伝送研究室は、その 1 年後に廃止

年に NTT（当時の電電公社）にも 7～8 億円相当のとなった。

出資を求めてきた。しかし、当時の前田光治技術局長

そして、光ファイバに関する NTT と電線 3 社とのは出資を断り、茨城研究所での光ファイバ研究チーム

共同研究は、下記のように 1983 年 9 月まで続くこと発足（1971 年 2 月）を踏まえて、日本自体で改良とになる。

開発が十分にできる体制作りの道を選ぶことにした。

第 1 期（1975 年 5 月～1978 年 3 月）

Corning 社は古河電工 ･ 富士通グループと技術契約を・MCVD 法の改良

結ぶことを決意し、契約は 1973 年 10 月に締結され、・純国産 VAD 法の誕生
第 2 期（1978 年 4 月～1981 年 3 月）

1）

有効期間は 5 年間であった 。
Corning 社への出資を断り、1974 春には武蔵野研究所から茨城研究所への研究者の異動を含めて光ファ
イバ研究体制の整理統合を行った NTT は、1974 年 7
月の Bell 研究所発表の MCVD 法による 1.1dB/km 報・光ファイバ通信の大規模現場試験（FR-1と FR-2）・VAD 単一モード光ファイバの開発スタート
第 3 期（1981 年 4 月～1983 年 9 月）

告に接すると、電線 3 社との交渉を進め、1975 年 5・単一モード光ファイバの現場布設伝送実験

月 1 日開始で住友電工と藤倉電線（現フジクラ）と光（FR-L）

ファイバと光ファイバケーブルに関する共同研究契約

・VAD 単一モード光ファイバの商用化を結んだ。古河電工との契約は少し遅れて 6 月 25 日開始となった。古河電工は Corning 社と契約を結んでいたので、混乱を避けるために、共同研究の第 1 委

136

れぞれ設置した。この NTT と電線 3 社との共同研究

茨城研究所での MCVD 装置の立4.2 NTT
ち上げ

員会を「NTT 研究所と住友電工と藤倉電線」で、第話を少し戻すが、1974 年 7 月の国際ガラス会議で2 委員会を「NTT 研究所と古河電工」で構成し、各の Bell 研 究 所 の MCVD 発 表 に 驚 い た NTT 茨 城 研

委員会の下に、ファイバ分科会とケーブル分科会をそ究所の枡野らは MCVD 法のベースとなるガラス旋盤

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

（Glass Lathe）の確保を図った。入手した 2 台のガラ

殊なコネクタ（Connector）が必要であり、気密を保つ

ス旋盤（米国 Litton 社製 HSJ と理研製鋼製 RGL-4）

ために耐塩素性のフッ素ゴム（パーフロン）製 O リンの写真を図 4.1 に示した。Litton 社製は武蔵野研究所

グを内蔵したテフロン製コネクタを採用した 3）。

（電子管研究室）で不要になったものを茨城に移管し1976 年春に MCVD グループに加わった筆者は単一たものであった。写真は省略するが、もう 1 台、近く

モード光ファイバ開発担当の“旋盤工”として理研製の機械メーカにもガラス旋盤を試作してもらい、初期

鋼製のガラス旋盤を預かることになった。酸水素バーの MCVD 実験に用いたが、使い勝手は悪かった。

ナ炎で加熱された石英ガラス管の温度を測定するための赤外線温度計と、石英ガラス管の外径変化を観察するための外径測定器を備えた MCVD 装置としての写真を図 4.3 に示した。

図 4.1

NTT 茨城研究所のガラス旋盤

元来はガラス細工のための装置であるガラス旋盤
は、ガラス棒またはガラス管を保持し回転する部分、軟化したガラス棒やガラス管を引き伸ばす（あるいは縮める）ための可動部分、およびバーナ部よりなっている。バーナ部は元来手動であるが、MCVD 法に用

図 4.3

NTT 茨城研究所の MCVD 装置

いる場合には、自動送り装置を組み込む必要があり、石英系光ファイバ母材をファイバ化するための線引き

さらに反応部の正確な温度制御のために、バーナに供装置も整えられ、その基本構成と各部の仕様を図 4.4 に給する酸水素ガスの流量制御も、より重要となる。

示した。特に線径測定部は光ファイバの線引き用に特別

図 4.2 には、ガラス旋盤をベースとする MCVD 装置に開発したものであり、HeNe レーザ光線を光ファイバ

全体の模式図を示したが、石英ガラス管への原料ガスの長さ方向と垂直に偏向させて、光ファイバによって遮供給系は、キャリアガスとしての酸素ガス精製部（図断される時間幅から外径を読み取るものであった。本測示省略）、流量制御器（Mass Flow Controller）、SiCl4

定器は、その性能、信頼性、そして使い易さの点で、ア等を収容し気化させるためのサチュレータ（Saturator）

ンリツ製品として広く実用に供されるようになった 3）。

等からなっている。MCVD 法では、閉管系中で熱酸化反応や透明ガラス化等が行われるために、外部からの不純物の混入は少ないが、原料ガスを石英ガラス管に損 失（0.47dB/km@1.2µm）SI 型 多
4.3 低モード光ファイバの開発供給する導入部分では、石英ガラス管が回転し、一方NTT と電線メーカとの最初の具体的な共同研究成の原料ガス供給側の配管系は固定しているために、特果は、MCVD 法を改良して OH イオン含有量の少な

図 4.4
図 4.2

MCVD 装置の模式図

光ファイバ線引き装置構成と各部仕様（参考文献 3）をもとに筆者作成）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

137

い SI 型多モード光ファイバを作製した藤倉電線の小チューブはテフロン製にした。また MCVD 装置

山内裕と、1.1µm 以上の長波長域をもカバーする光の回転擦り合わせ部（シーベル）からの漏洩をファイバ損失測定装置を世界に先駆けて構築していた防ぐために、そこは 3 重にカバーした。しかし、NTT 茨城研究所の堀口正治との連名論文「Spectral

光ファイバ中の OH は減らず、損失は下がらな

losses of low-OH content optical fibres」（Electronics

かった。

4）

Letters 1976 年 6 月 10 日号掲載）として発表された 。

ある時、気が付いたのはキャリアガスの酸素

その光ファイバの損失波長特性と光ファイバ断面の干だった。酸素ガスは空気を圧縮して作る。その時

渉顕微鏡写真を図 4.5 に、そして液体窒素温度に冷却

炭化水素が残ってしまう筈だ。調べたら、通常した InSb 光検出器を採用した光ファイバ損失測定装の酸素ガスには、炭化水素が 0.5ppm も入ってい置の構成を図 4.6 に示した。

た。この炭化水素を除くために、酸素ガスの精製装置を作った。この特許出願をしなかったのは失敗だった。容器内に白金線を張り、1600℃に加熱して酸素を流すと、白金の触媒作用で炭化水素が水と炭酸ガスに分離する。この方法で炭化水素の除去に成功した。
精製した酸素ガスを使って試作した光ファイバの損失は 0.95µm 帯での OH による損失増加が全く生じなかった。当時、波長 1.1µm まではシ
リコンの光検出器が使えたが、1.2～2.5µm の波
長帯で使用できる光検出器は無かった。その頃、

図 4.5

MCVD 法による低損失多モード光ファイバ（参考文献 4）をもとに筆者作成）

茨城通研の堀口正治さんが光ファイバの損失測定法の研究を行っていて、新しい光検出器を試験していることを知った。この検出器は、富士通が開発した 0.7～2.5µm 帯の光が検出できる InSbの光検出器だった。検出器の窓は食塩（NaCl）
で、液体窒素中で作動させるものだった。1975
年の 11 月末に測定を始めた。ファイバの長さは1.2km、入射 NA は 0.05 の小さい値だった。測定した損失値は、1.2µm で 0.47dB/km、0.95～
1.37µm で 1dB/km 以下の小さな値だった。
堀口さんは、このデータが本当なら、大変なことになると言った。彼は 3 ケ月間、慎重に測定

図 4.6

NTT 茨城研究所の光ファイバ損失測定装置

を繰り返した。測定値は変わらなかった。堀口さんは確信が持てるまで上司に報告しなかった。そ以下、小山内裕の回想文を引用するが、MCVD 法

し て 遂 に、 英 国 IEE の Electronics Letters 誌 にの改良努力を重ねていた当時の光ファイバ開発現場の投稿した。投稿が受理されたのは 1976 年 5 月
12 日だった。IEE には論文の評価委員が 5 人い1）

雰囲気が伝わってくる 。

138『日本では半導体工業が進展して、高純度原料

たが、委員全員が最高点を付けた。これは IEEの入手が容易になっていた。これらの原料が、通では始めてのことであった。この論文が基となっ

常は液体なことも幸運だった。CVD 法では普通て PREMIUM AWARD 制度が設けられ、最初のの不純物は容易に除去できる。残る不純物は水素

最優秀論文賞（PREMIUM AWARD）を受賞するだけだった。私は水素の除去に集中した。私の専ことができた。』

攻は化学で、専門は材料の精製だった。精製の実際、1970 年代前半までの光ファイバの損失測定

時、先ず使用する容器を清浄にすることが重要

用光検出器には Si-PD（0.4～1.1µm 波長域）が使わである。使用する容器は、OH の含有量のできるれていて、OH イオンを含んでいる光ファイバの損失だけ少ない石英ガラスのものを選び、配管に使うも大きかったために、波長 1.1µm 以上の長波長域の国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

損失評価は、ほとんど行われなかったのである。そして、小山内の回想文にあるように、0.47dB/km（入射光の約 90％が 1km 先まで届く）は、当時としては信じられないような低損失値であり、堀口の上司の高田久夫光部品研究室長も、しばらくは発表を抑えていたくらいであった。高田室長は新関暢一部品材
料研究部長を始めとする NTT 研究所幹部と発表時期と発表方法を相談し、堀口と小山内の連名で英国のElectronics Letters 誌へのレター投稿に踏み切ったのである。こうして、1.1µm を越える最初の低損失長波長帯の発見になった最優秀論文の発表により、石英系
光ファイバ分野での日本勢の存在が世界的に知られることになった。

図 4.8

石英系光ファイバの損失機構（堀口正治氏ノートより筆者作成）

上記 3）の OH イオン吸収ピーク群は基本吸収波
長 2.73µm の 各 種 高 調 波 成 分 に 相 当 し、OH イ オ ン

上述の光ファイバは、SiO2-P2O5 系コアと SiO2-B2O3

濃 度 1ppm（1,000ppb） 当 た り、1dB/km（@ λ ＝系クラッドの SI 型多モード光ファイバであったが、0.95µm）、2.8dB/km（@ λ＝ 1.24µm）、65dB/km（@

小山内と堀口らは、同様に SiO2-GeO2 系コアと SiO2-

λ＝ 1.39µm）、･･･、10,000dB/km（基本吸収 @ λ＝

GeO2-B2O3 系コアの光ファイバも作製して、損失波

2.73µm）の顕著な損失ピークとして現れる 7）。MCVD

長特性を比較した 5）。その測定結果を図 4.7 に示した法のみならず、次章で報告する VAD 法の場合も含めが、GeO2 添加は損失波長特性を長波長側に伸ばす効て、石英系光ファイバの低損失化努力の半分は低 OH果があるのに対し、B2O3 添加では逆効果になること

化の歴史といっても過言ではない。

が明らかになった。

母材中の OH イオン分布測定と4.4 MCVD
単一モード光ファイバの低損失化努力
少し遅れて光ファイバ研究グループに加わった筆者
は、多モード光ファイバはともかくとして、将来の光通信の本命と考えられる単一モード光ファイバについては、作製法を含めて NTT 研究所の手で低損失化をリードしたいと考えた。光部品研究室長の高田に連れられて藤倉電線を訪ねて、小山内氏から「MCVD 法
改良の秘訣は、OH イオンの元になる水素含有不純物（SiHCl3 等）を除去した高純度ガラス原料塩化物の使用と配管の気密化に加えて、酸素ガス中の炭化水素

図 4.7

ドーパントの光ファイバ損失に及ぼす効果（CH4 等）を除去する精製装置の活用です。
」と聞いた（参考文献 5）をもとに筆者作成）

筆者は、早速、茨城研究所での MCVD 法による単一図 4.5 の測定結果に基づいて堀口らが解明した石英よる吸収ピーク（@0.95µm、1.24µm、1.39µm）は思系光ファイバの損失機構を図 4.8 に示したが、図 4.7

モード光ファイバの作製に適用したが、OH イオンにうようには下がらなかった。
そこで筆者が思い付いたのが，MCVD 法で作製しの測定結果も加味すると、
1）短波長側は紫外吸収損失と波長の 4 乗に逆比例
4た母材（直径 7mm）断面の OH イオン分布を測定すするレーリ散乱損（∝ 1/ λ ）が支配的である。

ることであった。1mm 厚程度にスライスした母材断

2）長波長側は「Si-O」結合の赤外吸収損が支配的面に OH イオンの基本吸収波長 2.73µm に相当する赤であるが、B2O3 を添加すると、「B-O」結合によ外光を照射して透過光強度分布を測定すれば、OH イ

る赤外吸収損が 1.2µm 波長付近から急増する。

オン分布を知ることができるだろうと考えたのであ3）MCVD 法での唯一の不純物吸収損は OH イオ

る。測定技術が得意な堀口に相談したところ、図 4.5

ン吸収ピーク（@ λ＝ 1.39µm 等）である。

に示した藤倉電線製の低 OH 化が進んだ SI 型ファ6）

ことが明確になった 。

イバを少し切り取り、それを赤外光検出用プローブ

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

139（30cm 長）とした即席の顕微分光光度計（空間分解能 60µm）を組み立ててくれた 8）。

③中実化時に水分を含む大気が排気口側から混入すると、母材中心部が OH イオンで汚染される。

こ の 分 光 光 度 計 に よ る MCVD 母 材 中 の OH イ オ

そこで、まずは③を参考にして中実化工程を改良し

9）10）

。

た。多モード光ファイバ用母材においては、コア径が出 発 石 英 ガ ラ ス 管 は、 外 径 14mm で 内 径 12mm の大きく、中実化時に OH イオンが混入する領域は相Heralux 石英管（ドイツ Heraeus 社製）であり、図対的にコア中心の小面積を占めるにすぎないが、コア

4.9 は、中実化後の母材のコア径 2a を 0.5mm 相当と径の小さい単一モード光ファイバ用母材作製に際してして、堆積クラッド径 2b を 1.0mm から 2.5mm まで

は、中実化時にも細心の注意が必要なのである。

ン 分 布 測 定 結 果 例 を 図 4.9 と 図 4.10 に 示 し た

0.5mm 刻みで変えて作製した 4 種類の母材中の OH

さらに②に基づいての計算機シミュレーション（光イオン分布であり、図 4.10 は中実化の際に石英管のファイバ中の電磁界分布方程式と OH イオンの拡散

排気口からの大気の侵入を許してしまった母材（2b方程式の重なり積分）により、多モード光ファイバ＝ 2.0mm）中の OH イオン分布である。いずれの場に比べてクラッド部への電磁界広がりが大きい単一

合も、コア部分のレンズ作用を避けるために屈折率

モード光ファイバの場合には、OH イオン拡散の抑制制御用のドーパントを添加しない母材（non-dopedのためには「堆積クラッド径 2b とコア径 2a の比（b/silica rod preform）での測定とした。

a）を 5 倍以上に設定する必要がある」という指針を得ることができた。この指針を基本として、さらに
光ファイバの赤外吸収損の増加を招く可能性のある
酸化ホウ素（B2O3）や五酸化リン（P2O5）の添加も避けて SiO2-GeO2 系ファイバを作り込み、1977 年の春に、図 4.11 に示すように石英ガラスのゼロ分散波
長（1.27µm）付近で 0.5dB/km の低損失単一モード
光ファイバの作製に世界で初めて成功した 11）。

図 4.9

MCVD 母材断面の OH イオン分布測定例

図 4.11
図 4.10

中実化工程で大気の混入がある場合の MCVD 母
材断面の OH イオン分布測定例

低損失 MCVD 単一モード光ファイバの損失波長特性作製した MCVD 単一モード光ファイバ端面の顕微鏡
写真を図 4.12a に示したが、SiO2-GeO2 コアの周囲を約こうした一連の測定により、以下の事実が明らかに
なった

140

5 倍の直径の堆積 SiO2 クラッド層が取り囲んでいることが分かる。さらに図 4.12b は屈折率分布を示す干渉顕①使用した出発石英管（水晶を原料とする溶融石

微鏡写真であるが、コア径が小さい単一モード光ファイ

英ガラスの Heralux 管）には 170 ppm 程度のバでは干渉縞の観察が困難であるので、線引き前の母材OH イオンが含まれている。

段階で観察したものである。コア中心部に屈折率分布の②ガラス堆積時や中実化時の高温により、出発石

凹み（dip）があるが、これは MCVD 法では中実化の英管部の OH イオンが堆積ガラス部に拡散侵際の高温で GeO2 が少し蒸発してしまうためであり、光入する。

ファイバが MCVD 法で作製された証跡でもある。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March図 4.12

図 4.13MCVD 単一モード光ファイバの観察

内圧制御機構付 MCVD 装置

筆者らが茨城研究所で作製した単一モード光ファイ
バは武蔵野研究所（基礎研究部）に送られて、世界初（1978 年）の 1.3µm 帯のゼロ分散伝送実験に用いられた 12）13）。光源は 1976 年に室温連続発振に成功したダブルヘテロ（DH）構造ファブリーペロー（FP）
型 GaInAsP 系の半導体レーザであり、光検出器は Ge
系 APD（アバランシェ･ フォトダイオード）であった。当時の MCVD 母材 1 本から得られる単一モード
光ファイバ長は 1～2km 程度であり、武蔵野の基礎第3 研究室では、10 本の光ファイバを巧みに融着接続し

図 4.14内圧制御 MCVD 法の効用実験例（SiO2 ガラス
膜堆積回数依存性）て全長 11 km の伝送路としていた。

4.5 内圧制御 MCVD 法の開発

MCVD 法の発案元である Bell 研究所、そしてイタリ
アの CSELT 研究所などでも内圧制御の追試実験が行
われて、有効性が確認された 15）16）。

ガラス微粒子の溶融温度を下げる効果のある B2O3

上述の内圧制御に関連して、筆者らは 1977 年 11 月

や P2O5 を添加しない MCVD 工程では、ガラス膜堆

1 日付で初歩的な特許出願を行っていた。ところが、積の際に高い温度を必要とし、出発石英管の収縮や変1978 年初頭に伊澤達夫（1977 年に VAD 法を発明）

形が問題になったが、筆者らは石英ガラス管にわずかが研究開発本部の要職として武蔵野研究所に戻ることな内圧を加えて収縮や変形を防止する内圧制御機構をになり、その穴を一部埋める狙いもあって、筆者はそ考案して解決した

14）。

れまで 2 年間所属していた MCVD 研究グループから

内 圧 制 御 MCVD 装 置 の 構 成 を 図 4.13 に 示 す が、VAD 研究グループへと異動することになった。そしHeNe レーザを用いて、MCVD 工程中の石英ガラスて言い訳になってしまうが、筆者は VAD 法の完成度

管の外径を± 0.1mm の精度で連続的に測定し、石英向上に専念するあまり、内圧制御 MCVD 関連特許の管の排気口に取り付けた調節弁にフィードバックしてアフターケア（補正や審査請求）を疎かにしてしまっ

排気口の面積を変え、石英管内の圧力を適切に保った。後になって、MCVD 光ファイバの工場生産に内て管の変形を防止する工夫であった。その効用例を圧制御法が広く実施されていることを知ったが、時す

図 4.14 に示したが、出発石英管（外径 14mm、内径でに遅く、権利化できないまま、筆者の苦い思い出に

12mm）の内壁に MCVD 法で石英ガラス層を 30 層堆なってしまった。

積させた結果、内圧制御を行うと、外径はほぼ一定の14mm、楕円率は 0.5％が保たれた。内圧制御しないと、外径は 10mm に縮小し、楕円率は 3％に増大した。

低 損 失（0.2dB/km@1.55µm） 単 一
4.6 極
モード光ファイバの開発

石英管の変形を防止する内圧制御 MCVD 法を用

VAD 研究グループへの異動に伴い、それまでのいると、ガラスの合成条件が一定になり、コア径とMCVD 研究グループでの筆者の業務は宮哲雄が継承

屈折率の高精度な制御が可能になり、4.7 節で紹介すし、1979 年 の 極 低 損 失（0.2 dB/km@1.55µm） 単 一

るように GI 型多モード光ファイバ作製に適用した

モード光ファイバ実現へと発展させた 17）。その損失場合には、損失特性のみならず帯域特性も安定した。

波長特性を図 4.15 に示したが、SiO2-GeO2 系光ファイ

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

141

バの損失が 1.55µm 帯で最小（0.2dB/km）になるこ

示した多モード光ファイバの場合と比較してみると、とを明らかにした画期的な研究成果となった。図 4.16

単一モード光ファイバでの OH イオン吸収損の方が大4には、この光ファイバの損失値の「1/ λ 」表示を示

きいことが分かる。この辺りの事情については、茨城

したが、「λ→∞」に相当する切片部分が 0 dB であ研究所の保坂敏人らが解析しているので付記する 18）。

り、この光ファイバでは、波長λの 4 乗に逆比例する
ガラスのレーリ散乱損以外の光散乱損が零になっていることを示している。

法によるグレーデッドインデッ
4.7 MCVD
クス（GI）型多モード光ファイバの開発
4.4 節で述べたように、NTT 研究所では 1978 年に10 本の石英系単一モード光ファイバを融着接続して1.3µm 帯での室内伝送実験（11km 長）に成功していたものの、コア径が小さくて接続が難しいと考えられていた単一モード光ファイバ伝送方式は基礎研究段階と見なされていて、1976～1978 年当時の電線 3 社
にとっての最大課題は、コア径が比較的大きいグレー
デッドインデックス（GI）型多モード光ファイバの開発であった。

図 4.15

極低損失 MCVD 単一モード光ファイバの損失波
長特性

GI 光ファイバの実用化研究を促進するために NTT
茨城研究所でも千田和憲らによって CPU 制御機能を備えた MCVD 装置による GI 型光ファイバの作製
条件の検討が行われ、1978 年頃までには図 4.17 に示すように望ましい放物線状の屈折率分布をもつ GI 光
ファイバが得られるようになった 19）。

図 4.16 「0.2dB/km」ファイバ損失の 1/λ 4 特性

なお、1977 年に筆者らが発表した図 4.11 に比べて、
図 4.15 の光ファイバの損失が 1.55µm 帯で減少して極低損失になった要因の一つとして、光ファイバ線引き時の樹脂コーティング技術の進歩により、光ファイバをドラ

図 4.18 は、コア部（SiO2-GeO2-P2O5 系ガラス）を取

ムに巻き取った際のマイクロベンディング損失の発生をり囲む堆積クラッド層（SiO2-B2O3-GeO2-P2O5 系ガラ防止できるようになったことも挙げることができる。

ス）の厚さを変えて作製した 4 本の GI 光ファイバの宮 ら が 図 4.15 を ベ ー ス と し て 英 国 Electronics

損失波長特性を比較したものである。出発石英管からLetters 誌 に 投 稿 し た 論 文「Ultimate low-loss single-の OH イオンの拡散侵入による吸収ピークが 1.39µm，mode fibre at 1.55µm」（1979 年 2 月 15 日 掲 載 ） は、

1.24µm，0.95µm などの波長に現れているが、7µm 程

堀口と小山内の 0.47dB/km 多モード光ファイバ発表

度のクラッド層を形成することで，0.95µm での吸収（1976 年）の場合と同じく、同誌の年間最優秀論文賞を損失は無視できることが分かる。さらに 1.24µm と受賞した。MCVD 法の改良であったが、石英系光ファ1.39µm の OH 吸収ピークの間の“1.3µm 帯の窓”をイバの損失が最小となる 1.55µm 波長帯の開拓もリード開くためには、単一モード光ファイバの場合に比べるした日本勢の存在感は、ますます高まっていった。

と薄いが、それでも 11µm 程度の堆積クラッド層（合ここで改めて図 4.15 に示した単一モード光ファイバの波長 1.39µm における OH イオン吸収損を、図 4.5 に142

図 4.17 MCVD 法で作製した GI 型多モード光ファイバの屈折率分布例

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

成クラッド層）厚が必要であることが分かる。

表 4.1MCVD 法で作製した GI 型光ファイバの特性（第一次現場試験 FR-1 用）（参考文献 19）をもとに筆者作成）

図 4.18

GI 型多モード光ファイバの損失特性の堆積ク
ラッド層厚依存性

表 4.2

MCVD 法の改良技術例（参考文献 22）をもとに筆者作成）

多モード光ファイバの伝送帯域の測定にはパルス法と周波数掃引法がある。1970 年代前半には、パルス光を用いて被測定光ファイバの入射端と出射端での受信波形のフーリエ変換から求めるパルス法が主流であった。1970 年代半ばには、正弦波で強度変調された光信号を用いて、その周波数応答特性から直接的に帯域を求める周波数掃引法が、NTT 横須賀研究所の小林郁太郎らによって提案されて広まっていった 20）。

MCVD 法については当初からオープンな発表姿勢

周波数掃引法での光ファイバの伝送帯域は、直流でのであった Bell 研究所だったが、日本でも全 11 頁の明

受信レベルを基準として、減衰量が電圧振幅で 6dB

細書からなる基本特許（特公昭 55-022423、優先権主

ダウン（光強度振幅では 3dB ダウン）する周波数と張 1974 年 2 月 22 日）を、しっかり成立させた。1980

して定義される。

年代に入ると国産 VAD 法の比重を次第に強めていっ

多モード光ファイバの周波数特性は入射光の励振条た日本メーカであったが、小回りが利く MCVD 法の件に大きく依存するために、再現性の良い励振方法が魅力も捨て難く、多額の特許料を支払うことになっ必要であるが、1～2m 長の SI 型光ファイバと GI 型

た。Corning 社とは流儀が異なるが、結局は Bell 研

光ファイバを「SI ＋ GI ＋ SI」の順に接続した「SGS究所の思惑通りだったのかも知れない 1）。

励振器」を用いることが推奨された

21）。

参 考 ま で に、 表 4.1 は 1978 年 の 東 京 都（ 唐 ヶ 崎

NTT と電線 3 社との共同研究体制の真価は、次章の VAD 法の開発で問われることになる。

局 - 蔵 前 局 間 20.8km） で の 第 1 次 NTT 現 場 試 験（FR-1）用に電線 3 社で MCVD 法で製造された全部

参考・引用文献で 1,000km 相当の GI 型光ファイバの光損失と 6dB 帯

1） 村田浩，小泉健，新関暢一：「光ファイバの歴史域であるが、波長 0.85µm での伝送試験（伝送容量開拓者たちのメモアール」，工業通信，2001.

32Mb/s と 100Mb/s、中継間隔約 5km）に必要な仕2） 枡野邦夫：「光ファイバ物語～汗と涙でたどり様（ 光 損 失 4.5dB/km 以 下、6dB 伝 送 帯 域 250MHz-

ついた光ケーブル現場試験」，サイバー出版セン

km 以上）を十分に満たしていた

19）。

本章の最後に、管径制御（内圧制御）法を始めとし

ター，2014 年 12 月発行．
3） 宮下忠： 博士論文「単一モード光ファイバの低て 1970 年代後半に日本勢が考案した MCVD 法の改損失化に関する研究」，東京工業大学，1979 年．

良技術例を表 4.2 に示したが、MCVD 法の追試から

4） M. Horiguchi and H. Osanai：“Spectral losses of

改良へと進み、Bell 研究所に先んじて石英系光ファイ

low-OH content optical fibres，”Electron. Lett.，

バの低損失長波長帯（1.3µm 帯と 1.55µm 帯）の開拓

Vol.12，No.12，pp.310-312，1976.

に成功した日本勢の動きは、当時、どのように米国側に映っていたのだろうか？

5） H. Osanai, T. Shioda, T. Moriyama, S. Araki, M.
Horiguchi, T. Izawa, and H. Takata：“Effect of
dopants on transmission loss of low-OH-content

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

143optical fiber,” Electron. Lett., Vo.12, No.21,“Pulse broadening in long-span single-mode

pp.549-550, 1976.

fibers,”Opt. Lett., Vol.2, No.4, pp.106-108, 1978.

6） 堀口正治，小山内裕：「低 OH 光ファイバの製造

14）M. Okada， M. Kawachi， and A. Kawana：と特性」，電子通信学会 光・電波部門全国大会講“Improved chemical vapour deposition method

演予稿集 , S3-7, pp.491-492, 1976.

for long-length optical fibre，”Electron. Lett.，

7） P. Kaiser, A.R. Tynes, H.W. Astle, A.D. Pearson,
W.G. French, R.E. Jaeger and A.H. Cherin：“

15）P.D. Lazay and W.G. French：“Control ofSpectral losses of unclad vitreous silica andsubstrate tube diameter during MCVD preformsoda-lime-silicate fibers,” J. Opt. Soc. Am.,

preparation,”OFC1979 Technical Digest WC3,

Vol.63, No.9, pp.1141-1148, 1973.

pp.50-51, 1979.

8） M. Horiguchi and M. Kawachi：“Measurement16）E. Modone, G. Parisi and G. Roba：“Low-loss

technique of OH-ion distribution profile infibres by pressurised MCVD method,”Electon.

rod preform of silica-based optical fiber

Lett., Vol.18, No.17, pp.721-722, 1982.

waveguides，”Appl. Opt.，Vol.17，No.16，

17）T Miya, Y Terunuma, T Hosaka, T Miyashita：“Ultimate low-loss single-mode fibre at 1.55

pp.2570-2574，1978.
9） M. Kawachi, M Horiguchi, A Kawana and T
Miyashita：“OH-ion distribution profiles inrod preforms of high-silica optical waveguide,”Electron. Lett., Vol.13, No.9, pp.247-248, 1977.
10）M. Kawachi，M. Horiguchi，A. Kawana，andµm,”Electronics Letters, Vol.15, No.4, pp.106108, 1979.
18）保坂敏人，大森保治，宮哲雄，照沼幸雄：「単一
モード光ファイバ中の拡散 OH 基の解析」，電子
情報通信学会論文誌 C，Vol.J64-C，No.2，1981.

T. Miyashita：“OH-ion distribution in preforms

19）千 田 和 憲： 博 士 論 文「Studies on Fabricationof high-silica optical fiber,”Jpn. J. Appl. Phys.，

System for High Quality Optical Fibers（ 高 品

Vol.17，No.11，pp.1975-1981，1978.

質光ファイバ製造システムに関する研究）」，東北

11）M. Kawachi，A. Kawana，and T. Miyashita：

大学，1984．

“Low-loss single-mode fibre at the material20）小林郁太郎，小山正樹，青山耕一：「光ファイバ

dispersion-free wavelength of 1.27µm,”Electron.

の伝送特性と周波数掃引法による測定」，信学会

Lett.，Vol.13，No.15，pp.442-443，1977.

論文誌 C，Vol.J60-C，No.4，pp.243-250，1977.

12）J. Yamada，M. Saruwatari，K. Asatani，H.

21）徳田正満，堀口常雄，谷藤忠敏：「グレーデッ

Tsuchiya，A. Kawana，K. Sugiyama，and T.

ド 形 フ ァ イ バ 伝 送 帯 域 測 定 用 SGS 励 振 器 の 設

Kimura：“High-speed optical pulse transmission

計と特性」，信学会論文誌 B，Vol.J65-B，No.5，

at 1.29-µm wavelength using low-loss single-

pp.585-592，1982.

mode fibers,”IEEE J. Quant. Electron.，Vol.14，13）A. Kawana, M. Kawachi, and T. Miyashita：

国立科学博物館技術の系統化調査報告

22）田中豪太郎，松井和則：「光ファイバの製造方法」，
金属表面技術，Vol.35，No.12，1984.

No.11，pp.791-800，1978.

144

Vol.14，No.4，pp.89-90，1978.

Vol.25 2018. March

5｜日本が開発した量産製法「VAD 法」
1974 年に Bell 研究所が発表した MCVD 法は、比とと、多孔質母材の中心部に支持棒がないことである。

較的容易に低損失な石英系光ファイバを作製できるエMCVD 法と異なり、出発石英ガラス管の制約を受ける

レガントな製法であった。実際、1975 年からの NTT

こともなく、量産に適していると考えられた。

と 電 線 3 社 の 共 同 研 究 は、MCVD 法 の 追 試 と 改 良から始まり、元祖の Bell 研究所に先駆けて石英系光ファイバの低損失長波長帯の開拓に成功した。しかし、MCVD 法では中実化が可能な出発石英ガラス管の大きさに制限があり、用いる良質な石英ガラス管
はドイツ Heraeus 社製（信越石英株式会社が輸入代理店）であった。そして MCVD 法自体が Bell 研究所からの“借り物”であるとの思いから、NTT は、
MCVD 法の改良努力に並行して、日本発の新たな量産製法（後の VAD 法）の開発を進めていた 1）。

図 5.1

VAD 法（気相軸付け法）の概念図

本章では、その成功裡の技術開発経緯を、1）VAD

VAD 法は 1977 年 7 月に東京で開催された国際会

法の発明、2）VAD 多孔質母材の透明ガラス化、3）

議 IOOC’77（International Conference on Integrated

火炎加水分解反応に起因する OH イオンの除去、4）Optics and Optical Fiber Communication, 1977） でガラス微粒子堆積機構と GI 型屈折率分布の形成、5）「Continuous fabrication of high silica fiber preform」

VAD 法による長尺低損失単一モード光ファイバの開と題して発表されたが、当初の呼称は VAD 法ではな

発、6）偏波保持（PANDA）光ファイバの開発、7）

く、「気相ベルヌーイ法」であった 4）。その理由である

VAD 全合成化と線引き速度の向上、8）純石英コア

が、1902 年にフランスの化学者ベルヌーイ（Verneuil）

ファイバ（PSCF）の開発、9）単一モード光ファイによって開発された酸化物結晶の育成法（ベルヌーイ

バの波長分散特性と分散シフトファイバの開発、10）法）から伊澤らがヒントを得ていたからであった。ベ

石英系ガラスの素性の良さと VAD 法の利点、の順にルヌーイ法の炉構成を図 5.2a に示したが、例えば人工報告する。

ルビーを合成する場合には、微細に粉砕された精製ア

5.1 VAD 法の発明

ルミナと酸化クロムを 2,000℃以上の酸水素炎で溶融させ、炎の下部に置かれた支持棒上の小さな結晶を種として大きな結晶を成長させるものである。ベルヌー

1975 年 5 月にスタートした電線 3 社との共同研究

イ法は、さらに図 5.2b に示したように、水晶粉を原料体制を契機として、NTT 茨城研究所には MCVD 法とする溶融石英ガラス（Type II）の製造にも商用化を改良するグループと、独自の新技術を開発するグされていたが、光ファイバ用母材とするには、原料のループができたが、後者のリーダとして武蔵野研究所

純度や作製された石英ガラスの品質に問題があった。

（基礎研究部 ･ 第 3 研究室）から 1975 年 5 月に転勤し伊澤らは、出発原料を、粉末ではなく、高純度化がてきたのが伊澤達夫であり、伊澤らが狙いを定めたのが、 後 に VAD（Vapor-phase Axial Deposition、 気相軸付け）法と命名された技術であった 2）3）。
図 5.1 は VAD 法の概念図であるが、ガラス原料ガス
を酸水素バーナに送り込み、火炎加水分解反応で生成したガラス微粒子（スート）を回転する出発棒の先端に堆積させ、ガラス微粒子の集合体（多孔質母材）を軸方向に成長させる。この多孔質母材を上部に設置した電気炉で高温に加熱して透明ガラス化して光ファイバ母材を得る製法である。Corning 社の外付法（OVD法）との違いは、多孔質母材を軸方向に成長させるこ

図 5.2

ベルヌーイ（Verneuil）法

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

145

容易な気相の SiCl4 や GeCl4 に変えたので「気相ベル② は NTT の 伊 澤 達 夫 ら の 出 願 USP 4062665

ヌーイ法」と名付けたのであった。

「Continuous optical fiber perform fabrication

気相ベルヌーイ法の初期の実験では、原料粉末をmethod」（Filed：Apr. 5, 1977）、落下させる元来のベルヌーイ法（図 5.2a）のように、③は住友電工の藤原国生らの出願 USP 4135901

バーナを上部に設置して出発棒を引き下げる成長法も「Method of manufacturing glass for optical

試みられたが、やがて引き上げる成長法（図 5.1）にwaveguide」（Filed：Jun. 13, 1977）、統一されていった。引き上げる成長法が優先されたのである。

は、IOOC’77 での発表題目でも強調されているように、多孔質母材の成長と透明ガラス化を連続的に行う「連続生産（Continuous Fabrication）」を行い易くする意図もあったと思われる。しかし、連続生産を行うと、制御が複雑になってしまうので、実際上は、図 5.3に示すように多孔質母材形成工程と透明ガラス化工程を分離する形で技術開発が進展した。図 5.3 では、図5.1 と異なり、コア合成用バーナが多孔質母材の成長軸に対して傾いて配置され、さらに排気管が設けられているが、これは上方に拡散しようとする余剰のガラ

図 5.4

ス微粒子と熱流を速やかに排出して多孔質母材の軸方

VAD 関連の米国特許向への安定成長を可能にする重要ノウハウであった。

特許名称から想像すると、①が VAD 法に一番近い

IOOC’77 での論文発表後に呼称を「気相ベルヌー

ように見えるが、実際にはアイデア特許に留まっていイ法」から「VAD 法」へと変えた理由であるが、当た。その一方で、上記②の元になった日本特許「光時の NTT 本社の技術局長（前田光治）から、将来、

ファイバ用母材の製造方法及びその製造装置」（1976

新製法が国際的に通用する技術になったとき、「気相年 4 月 6 日出願、1979 年 11 月 1 日公告）の 3 名の発

ベルヌーイ法」ではフランスの発明と思われてしまう

明者（伊澤達夫、宮下忠、塙文明）は、社団法人発明可能性がある、と指摘されたからであった。やがて、協会が主催する全国発明表彰の最高賞である「恩賜発VAD 法の呼称は世界中に広まり、“外国産”に間違明賞」を昭和 57（1982）年に受賞するまでに至った。

われることなく発展した。

また、上記③の元になった日本特許「光伝送用ガラスの製造方法」（1974 年 12 月 18 日出願）は、当初の出願人は住友電工であったが、1981 年 8 月 3 日に公告になった際の出願人は、共同研究体制を配慮したため
か、NTT、古河電工、藤倉電線を加えた 4 社になっていた。
技術開発に話を戻すが、図 5.5 は NTT 茨城研究所の初期の VAD 実験装置であり、多孔質母材成長と同期する連続生産実験を想定して透明ガラス用の電気炉（カーボン抵抗炉）も備え付けられていた。図 5.5 に

図 5.3

実際の VAD 工程（多孔質母材形成と透明ガラス化を分離）

写真も示したが、筆者が加わることになった 1978 年
初めの VAD 研究グループは、伊澤から直接指導を受

特許の世界では「似たような時期に似たような発明

けた塙文明や須藤昭一によって、多孔質母材の透明ガをする人が複数いる」と言われるが、VAD 法の場合

ラス化に目途が立った段階であった。それも含めて、も、図 5.4 に示すように、複数の機関から 1970 年代

1977～78 年当時に VAD 法で予想された課題（問題

中頃に特許出願が行われていた。

点）としては、① は Bell 研 究 所 の S.E. Miller の 出 願 USP

1）多孔質母材の透明ガラス化（脱泡）は可能か？

3966446「Axial fabrication of optical fibers」

2）酸水素バーナから直接混入する OH イオンを（Filed：Oct. 23, 1975）、

146

は、ガラス製の反応容器内における多孔質母材の成長

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

除去（脱水）しての低損失化は可能か？

図 5.7

多孔質母材の透明ガラス化の際に気泡が残ってしまった初期の VAD 母材例

や、コアとクラッドの境界部の泡が除去できなかったのである。1 年近い苦闘が続いたが、初期の透明ガラ
ス化工程での雰囲気ガスはアルゴン（Ar）ガスであった。ある時、ヘリウム（He）ガスに変えたところ、泡はきれいに無くなり、問題は一気に解決した。もっと早く試せば良かったが、He ガスは当時も貴重品であ図 5.5

初期の VAD 実験装置

り、そう簡単に試用できなかったのである。
He ガス雰囲気で脱泡ができた理由は、高温のガラ

3）多モード光ファイバの広帯域化に必要な GI 型の屈折率分布形成は可能か？
4）単一モード光ファイバ母材（細径コア）の作
製は可能か？
上記の課題をどう解決していったか、以下、順に説明する。

ス中での He ガスの拡散速度が大きいためであることが、須藤昭一らによって定量的に明らかにされた 5）6）。
図 5.8 は、そのモデル図であるが、（a）は、多孔質母材を構成するガラス微粒子が軽く焼結している状態を表す。透明ガラス化用電気炉にガスを流して温度を徐々に上げていくと、ガラス微粒子の焼結の程度が進5.2 VAD 多孔質母材の透明ガラス化

み、（b）のように不連続なガラス体が集合した空間になる。この空間はまだ開いていて、つながって、母材の外まで達している。さらに昇温していくと、（c）の図 5.6 は VAD 法で生成されるガラス微粒子の電子ように空間（ポア）が閉じ、次には、表面張力により、顕微鏡写真と OH イオンを含む SiO2 ガラス微粒子構（d）のように閉じた空間が球状のポアになる。ガラ造の概念図である。個々のガラス微粒子は 0.1µm 前後

ス中のガスの溶解度や、ガスがガラス中を拡散する拡の球形であり、一部連結しているものもある。これら

散係数等を使って計算すると、そのガスの臨界空間径のガラス微粒子の集合体である多孔質母材を電気炉でdc が求まる。
（d）の状態で、ポアの直径が dc より小高温に加熱して透明にすることは、当初、困難を伴っさい場合には、ガスは外に出て、ポアが潰れる。しかた。例えば、図 5.7 に示すように、母材の特に中心部し、臨界空間径 dc より大きいポアがあると、それは

図 5.8
図 5.6

VAD ガラス微粒子の構造

VAD 多孔質母材の透明ガラス化モデル（参考文献 6）をもとに筆者作成）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

147

気泡としてガラス体中に残留してしまう。
ガラス中のガスの透過率に基づく計算による臨界
空間径は、He ガスの場合には 500µm、Ar ガスの場
合は 0.6µm である。すなわち、He ガス雰囲気中では500µm 以下のポアは潰れて消えてくれるが、Ar ガス
雰囲気中では 0.6µm 以下でないと残ってしまうのである。同じ不活性ガスでも、He と Ar では、透明ガラス化の難しさが 103 倍ほども違うことになる。ちな
みに臨界空間径の大きさの順は He ＞ H2 ＞ Ne ＞ O2
＞ Ar であり、後で考えると、当初の Ar 使用は最悪に近い選択であった。
VAD 法が本格普及するに伴い、希少資源である

図 5.9

VAD 多モード光ファイバの低 OH 化の経緯

He ガスの使用量を減らす試みがなされたが、多孔質

果、1.2µm 以上の波長においても損失は急激に低下し母材の透明ガラス化工程での He ガス利用を完全にゼた 7）。1978 年での脱水処理は、いわば透明ガラス化

ロにすることは難しいと見られている。

の前工程として 800℃の温度で SOCl2 ガスを含む雰囲

5.3

火炎加水分解反応に起因する OH イオ
ンの除去

気中で熱処理を行った後に、別の透明化用炉に移して透明化を行う 2 段工程であったため、脱水処理された
多孔質母材は再び空気中の湿気に汚染されたもので1977 年当時の He ガス主体の乾燥雰囲気中で透明あった。1979 年には、同一電気炉内で脱水処理と透化した VAD 母材から作製した多モード光ファイバ

明化を連続して行うことにより、OH イオン濃度はさの OH イオン含有量は 30ppm 程度であった。MCVD

らに一桁以上の低減となり、定常的に 0.1ppm 以下の多モード光ファイバでは 1976 年発表の藤倉電線製の低 OH 光ファイバが実現できた。1980 年には、取り扱

低 OH 含有光ファイバを模範例とするように、既にいが厄介ではあるものの、さらに強力な脱水作用のあ1ppm 以下になっていたので、VAD 光ファイバの低る塩素ガスの活用と、気密性の高い電気炉の設計、ク

OH 化が急務となった。

ラッド層の最適合成などにより、OH イオン含有量は塩素を含む雰囲気で石英ガラス粉体を処理すれば、0.001ppm（1ppb）以下となった 8）9）。この「完全無水」

OH イオンを除去できるらしいことは知られていたとも言える VAD 多モード光ファイバの損失波長特性が、塩素（Cl2）ガスボンベを実験室に持ち込むこと

例を図 5.10 に示したが、波長 0.95µm と 1.24µm はもを躊躇した筆者は、室温で液体である塩化チオニル

ちろん、波長 1.39µm でも OH イオンによる吸収増も、（SOCl2）を気化させたガスを透明ガラス化用の電気

ほぼ零となった。

炉に導入した。NTT 茨城研究所での筆者の最初の研究テーマが「液晶表示の研究」であり、液晶セルを構成するガラスの表面化学の専門書を通じて、SOCl2 に
下記のような脱水作用（H2O の除去と OH イオンを
Cl イオンで置き換える作用）があることを知っていたのは幸運であった。
1）H2O ＋SOCl2 →2）Si-OH ＋SOCl2→

SO2 ↑＋2HCl ↑Si-Cl ＋SO2 ↑＋ HCl ↑図 5.9 に は VAD 多 モ ー ド 光 フ ァ イ バ の 低 OH 化の経緯を示したが、1977 年段階は SOCl2 未使用であり、OH イオンによる吸収ピークが 30dB/km（波長148

図 5.10 完全無水 VAD 多モード光ファイバの損失波長特性

0.95µm）ほど重畳されていて、光ファイバは 1.2µm

当初は心配された VAD 光ファイバの低 OH 化で以上の長波長領域において極めて高い損失をもってあったが、ガラス膜の堆積時や中実化時に OH イオ

いた。1978 年、初めて多孔質母材に SOCl2 ガスによンの混入を防止しなければならない MCVD 法と異る脱水処理を施した結果、0.95µm 波長における OH

なり、VAD 法では多孔質母材の段階で塩素含有ガ

イオン吸収増は約 1dB/km にまで低下した。その結スによる「脱水」を存分に実行できたのである。こ国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

の 1980 年の VAD 法による完全無水ファイバ実現をることが多い実験事実であった。その一方で、試しに祝って、図 5.11 のような記念品（ネクタイピン）を

TiCl4 をドーパントとして SiO2-TiO2 系母材を合成する作成した。図 5.10 の損失波長特性を模した図とともと、中心部と周辺部の屈折率値は常に同じであった。

に、“ こ れ ぞ VAD フ ァ イ バ ” と い う 思 い を 込 め て「THE VAD FIBER」と刻まれた。

図 5.13

1 本バーナによる多孔質母材作製模様

未知の点が多そうな VAD 法によるガラス微粒子の堆積機構を調べるために筆者らが用意した実験系
図 5.11

5.4

完全無水ファイバ実現の記念品

ガラス微粒子堆積機構と GI 型屈折率分布の形成を図 5.14 に示した。酸水素バーナ火炎内に、基板としての石英ガラスパイプ（外径 10mm、肉厚 0.5mm）を設置し、その表面温度をパイプ内に冷却ガス（Arガス）を流すことにより調節した。バーナに原料ガスを 30 秒間供給することにより微粒子をパイプ上

VAD 法の発案当初には、グレーデッドインデックに堆積させ、堆積中の基板表面温度は二次元光温度

ス（GI）型光ファイバを作製するには、図 5.12（案 A）

計（ 日 本 電 子 製 Thermo Viewer） に よ り 測 定 し たのようにコア合成バーナで生成されるガラス微粒子と（200～800℃）。バーナに供給した燃焼ガス供給量は、

クラッド合成バーナで生成されるガラス微粒子を空間O2 ＝ 4ℓ/min、H2 ＝ 2ℓ/min であり、原料ガスとし軸上で適度に拡散混合させればよいと考えられていて は、SiCl4-GeCl4（10mol％）、SiCl4-BBr3（8mol％）、

た。さらに必要に応じて図 5.12（案 B）のようにバー

SiCl4-TiCl4（4mol％）の 3 種類を用いた（供給量：約ナを多数配置して、各バーナに供給する原料ガス中の160cc/min）。火炎は立体構造を持っているため微粒

ドーパント濃度を少しずつ変えれば、それによって半子堆積部には 30℃程度の温度分布があったが、便宜

径方向の屈折率が変化して、所望の屈折率分布を持つ

上、中心部の最高温度をもって代表させた。一回 30

母材が得られると考えられていた。

秒間の微粒子堆積量は 30mg 程度、付着効率は 15％程度であり、堆積量の顕著な基板温度依存性は見られなかった。採取した微粒子中のドーパントの含有量および結晶形は、微粒子を均一に撹拌した後、赤外吸収スペクトル測定（KBr 法）およびⅩ線回折測定（粉末法）により判定した 10）11）。

図 5.12

VAD 法による GI ファイバ母材作製（当初のイメージ案）

ところが 1979 年当時の筆者が不思議に思ったことは、 図 5.13 の よ う に バ ー ナ が 1 本 の み で あ っ て も、
GeCl4 をドーパントとして SiO2-GeO2 系多孔質母材を合成すると、透明ガラス化後に GI 型に似た屈折率分布（中心部で屈折率が高く、周辺部で低い）が得られ

図 5.14

ガラス微粒子堆積実験系

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

149

解 析 の 詳 細 は 省 く が、 図 5.15 は、 堆 積 微 粒 子 中

レータの温度は各原料の蒸気圧が 100mHg になるよの（a）GeO2 濃 度 と（b）TiO2 濃 度 の 基 板 温 度 依 存

う制御した。トーチへの原料ガス供給量を変化させ、性を示したものである。図 5.15a によると、基板温度

光散乱強度との関係を調べた。

が 400℃より低い場合には、GeO2 は六方晶状態で堆

図 5.17A に、SiC14 についての光散乱測定結果を示積する。この結晶性 GeO2 量は基板温度の上昇とともした。光散乱強度は原料供給量にほぼ比例し、また、に減少し、基板温度が 500℃以上の場合には、GeO2

H2 ＝ 1～3（ℓ /min）の範囲では、H2 ガス供給量がは、結晶性ではなく、SiO2 と固溶した非晶質（ガラ少ないほど光散乱強度が大きいことが分かる。なお、ス）状態で堆積する。この固溶性 GeO2 濃度は基板温

TiCl4 も SiCl4 と類似の挙動を示した。

度の上昇とともに増加する。これに対して、図 5.15b

図 5.17B は GeCl4 についての実験結果である。このの TiO2 の場合は、基板温度に関係なく、SiO2 と固溶

場合には、光散乱が生ずるための臨界的な原料ガス供した非晶質（ガラス）状態で堆積している。図面は省給量が存在する。図 5.17B において、H2 供給量が少略するが、B2O3 の場合は、GeO2 と類似の基板温度依ないほど、従って、火炎温度が低いほど臨界原料ガ

存性を示した。

ス供給量が小さいことは注目に値する。なお、BBr3、
SnCl4 も GeCl4 と類似の挙動を示した。PCl3 の場合には、原料ガス供給量を 140cc/min まで増加しても光散乱は検出されなかった。火炎は P 原子特有の赤色の発光を呈していたことから、PCl3 の加水分解反応が営まれていることは確かであり、生成酸化物 P2O5が粒子化しにくいものと推定された。

図 5.15

ドーパント濃度の基板温度依存性

上記の堆積実験結果は、筆者が不思議と感じていた図 5.13 に示した 1 本バーナによる SiO2-GeO2 系母
材と SiO2-TiO2 系母材の屈折率分布の違いを裏付けるものであったが、さらに火炎内での微粒子生成特性 を 調 べ る た め に 組 み 立 て た 実 験 系 を 図 5.16 に 示した 12）。バーナ火炎を横切るように HeNe レーザ光
（0.6328µm）を照射し、火炎内で生成した微粒子によるレーザ光の散乱強度をシリコン太陽電池により検出した。レーザ光をあらかじめ光チョッパで断続させロックインアンプで同期増幅することにより、酸水素炎や室内光による影響を除去した。使用したガラス原図 5.17

酸水素炎中の微粒子による光散乱強度

粒子生成に必要な臨界原料ガス供給量を小さいもの
から大きいものへと原料を並べると、
TiCl4、SiCl4 ＜ GeCl4、BBr3、SnCl4 ＜ PCl3の順になり、右側ほど粒子化が困難である。
図 5.18 は、酸化物の高温での飽和蒸気圧の文献値 13）

料は、SiCl4、GeCl4、BBr3、PCl3、SnCl4 であり、サチュ
レータを用い Ar ガスにより気相輸送した。サチュ

図 5.16150

微粒子生成実験系

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

図 5.18

酸化物の飽和蒸気圧

であるが、飽和蒸気圧の大きい酸化物が、上記の順に沿って、大きい臨界原料ガス供給量に対応していることが理解できる。
例えば図 5.17B において、GeCl4 の臨界原料ガス供
給量は 20～80cc/min であり、GeCl4 が全て反応してGeO2 になったと仮定すると、燃焼ガスやキャリアガ
ス供給量を考慮して火炎中で 2～10mmHg 程度の蒸気圧を与え、これは図 5.18 における GeO2 の 1,200～

図 5.19

SiO2-GeO2 微粒子の構造モデル

1,400℃での飽和蒸気圧（～1mmHg）にほぼ一致し、火炎加水分解反応における粒子化特性を支配してい明が試みられ、藤倉電線の真田和夫らは、VAD 多孔るのが生成酸化物の飽和蒸気圧であることを支持し

質母材の外周付近に含まれる結晶性 GeO2 が、塩素系ている。図 5.17B において、H2 供給量が少ないほど、

ガス雰囲気中での脱水工程で塩素化されて、除去されGeCl4 の臨界原料ガス供給量が小さくなっているが、易いことを明らかにした。さらに、ごく最近（2017

これは火炎温度が低いほど生成酸化物の蒸気圧が低下

年 7 月 31 日）になって、住友電工の久保優吾らによっすることを考えれば自然である。

て、電子顕微鏡等による SiO2-GeO2 系微粒子の直接観

以 上 の 二 種 類 の 実 験 か ら、SiO2-TiO2 系 と SiO2GeO2 系の微粒子生成堆積特性を次のように説明する

察結果が報告され、図 5.19 の微粒子構造モデルを裏付ける内容になっている（註１）。

ことができる。

図 5.20a に二次元光温度計で測定した VAD 多孔質【SiO2-TiO2 系】

母材成長面の温度分布例を示したが、多孔質母材の成この系では、主成分 SiCl4、ドーパント TiCl4 とも

長面は、中心部の温度が高く、中心部から外辺部に向に粒子化が容易であるため、火炎内で生成した SiO2、かうにつれて温度が低下する放物線状の温度分布を

TiO2 蒸 気 は 直 ち に 粒 子 を 形 成 す る。 そ の 際、TiO2持っている。従って、SiO2-GeO2 系の場合は、図 5.15aの結晶化は、ガラス微粒子として生成する傾向の強から理解されるように、GeO2 濃度は表面温度分布にい SiO2 に引き込まれて阻害され、SiO2 と TiO2 とが沿った形で分布することになり、概ね 800～400℃の固溶したガラス微粒子が形成されるものと考えられ範囲で多孔質母材を成長させれば、図 5.20b のようなる。このように、SiO2-TiO2 系では、火炎内で粒子のグレーデッド型に近い屈折率分布が自ずと形成される形成が完了してしまうので、堆積微粒子中の TiO2 濃ことになる 20）。

度は基板温度にほとんど左右されないことになる（図5.15b）。
【SiO2-GeO2 系】
この系では、火炎内で粒子が形成されるのは主成分
SiO2 のみであり、ドーパント GeO2 は火炎内では気相状態に留まっていると考えられる。SiO2 粒子およびGeO2 蒸気を含んだ高温ガスは、やがて基板表面（多孔質母材表面）に達すると冷却されることになる。この際、基板温度が低い場合には、高温ガスの冷却が有効に進み、GeO2 蒸気は SiO2 粒子と固溶していない結図 5.20

VAD 多孔質母材成長面の温度分布を利用してのグレーデッド型屈折率分布の形成

晶粒として基板上に堆積すると推測される。基板温度

ここで、筆者が MCVD 研究から移った 1978 年当が高くなるにつれて、結晶性 GeO2 は堆積し得なくな

時の VAD 研究グループの状況を振り返ると、主力部る。図 5.15a は、基板温度が高い場合には、火炎内の隊は、茨城研究所内に「小さな VAD 工場」（ミニプ

GeO2 が基板表面近傍で SiO2 と固溶する形でとり込まラント）を建設し、1978 年 4 月から 1979 年 3 月までれることを示している。

の 1 年間は共同研究相手の電線 3 社からもフルタイム

図 5.19 は、1979 年当時に筆者らが想い描いた SiO2GeO2 系微粒子のラフな構造モデルである。その後、
藤倉電線 14）15）16） や、VAD 法の追試を始めた Bell 研
究所など 17）18）19） でも、SiO2-GeO2 系微粒子の挙動解（註１）Y. Kubo and K. Yonezawa：“Nanoscale Phase-Separated
Structure in Core-Shell Nanoparticles of SiO2-Si1-xGexO2 Glass
Revealed by Electron Microscopy,”Anal. Chem., Vol.89, No.17,
pp.8772–8781, 2017

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

151

で作業者と監督者を派遣してもらい、先行している

年当時の筆者らは VAD 法による長尺低損失単一モー

MCVD 法に代わる国産 VAD 法によるグレーデッド

ド光ファイバ作製法の偵察実験を「奥ノ院」で進め

インデックス（GI）型ファイバ製造の再現性向上にて い た。 図 5.22 と し て、1979 年 7 月 27 日 作 成 の 所取り組んでいた。ミニプラント内には高速線引き装置

内資料「VAD 法による単一モード光ファイバの作製も配備され、VAD 量産工程の確立を目的に、毎日作（Ⅰ）」の表紙と「あらまし」を示したが、正直なとこ

業を繰り返していた。この間に製造した光ファイバのろ、当時の筆者は「ほどほどの性能の多モード光ファ

総延長は約 14 万 km（電線 3 社での試作長も含める

イバの量産は VAD 法が適しているが、細いコア構造

1）2）

。

を持つ単一モード光ファイバの製造には Bell 研究所

こうした VAD 法による GI 型光ファイバの伝送帯域

オリジナルの MCVD 法を改良しつつ当分は使わざると 30 万 km）に達したの進展経緯を図 5.21 に示したが、ミニプラント運用かを得ないだろう」と考えていた。

ら少し距離を置いた筆者らが通常の実験室（俗称「奥ノ院」）で解明を進めた SiO2-GeO2 系微粒子の生成堆積機構（特に図 5.15a）は、上記のミニプラントや電線 3 社
での VAD 法による屈折率分布制御の有力な指針となった 6）。実際、図 5.21 に表れているように、微粒子の生成
堆積機構（＝ Ge 固溶反応機構）が見えてきた 1980 年頃から、伝送帯域の改善が加速され、トップデータ（例
えば 1980 年の 6.7GHz･km）では、MCVD 法による GI型光ファイバの帯域を上回るまでになった 20）21）。
図 5.22 VAD 法による単一モード光ファイバ作製の予備検討

ところが、1980 年春、筆者は上司の高田久夫総括
担当調査役に呼ばれて、「VAD 法で 100 km 長の単一モード光ファイバをつくり、11 月の茨城研究所の 20
周年記念の施設案内日の目玉として展示せよ」との特命を受けてしまった。早速、筆者を含めて 3 人の専任
担当チームを編成し、厚いクラッド層の中心に細いコ
ア部を形成するガラス微粒子合成バーナの工夫から始図 5.21

VAD 法による GI 型ファイバの帯域向上（参考文献をもとに筆者作成）

6）

まり、苦心して到達したのが、図 5.23 に示すような
バーナ配置であった 22）。通常の円形バーナでコア部を形成すると直径 30～50mm 前後の多孔質体になっしかし、時間軸上でドーパント濃度を自在に調節可てしまうが、特別に開発した長方形偏心バーナを用い能な MCVD 法に比べて、分解能が劣る空間軸上でのて、直径 10mm 程度のコア部を安定に成長できるよ制御に依存する VAD 法では、“隔靴掻痒”の感があうになった。コア用バーナの上部に円形バーナを二段ることは否めず、帯域特性の再現性は十分ではなかっに配置して、念願の 5 倍以上の堆積クラッド ･ コア径

た。実際、電線 3 社での VAD 法による GI 型ファイバの工場生産は、MCVD 法に比べて、あまりにもデリケートで、十分に成功したとはいえなかった。その一方で、VAD 法が真価を発揮するのは、次節で述べるように、コア径は小さいが、屈折率分布については
GI ファイバほど神経質に制御する必要がない VAD
単一モード光ファイバの開発を通じてであった。

法による長尺低損失単一モード光
5.5 VAD
ファイバの開発
前節の屈折率分布形成機構の検討と並行して、1979

152

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

図 5.23 単一モード光ファイバ母材作製用のバーナ構造と配置

比（b/a）を得ることに成功した。筆者らが用いた探筆者らが用いた光ファイバ線引き装置を図 5.27 に索実験用 VAD 装置と単一モード光ファイバ母材の成示したが、当時の線引き速度は毎分 60 メートル程度

長模様を図 5.24 に示した。

であり、100km 長ファイバの線引きは茨城研究所のある東海村から上野まで常磐線に沿って歩いていくよ
うなもので、光ファイバ被覆用のプラスチック材料を何度も調合し継ぎ足しながらの徹夜作業となった。

図 5.24 VAD 法による単一モード光ファイバ母材の作製模様

図 5.25 は、多孔質母材のクラッド層のひび割れ等の困難を乗り越えての上首尾の単一モード光ファイ
バ用 VAD 合成母材例である。堆積直後の多孔質母材

図 5.27

1980 年当時の光ファイバ線引き装置

は、脱水処理を兼ねた透明ガラス化工程を経て、縦も11 月 6 日､ 7 日の茨城研究所の施設案内の当日、線横も寸法が約 1/2 に収縮した透明母材になる。透明母

引き前の VAD 母材サンプルと一緒に展示された図

材は､ さらに延伸されて、肉厚の石英ガラス管でジャ5.28 の 100km 長単一モード光ファイバは壮観であっ

ケット（被覆）され、図 5.26 に示したように、線引たが、直径 30 cm のドラムの下層のファイバがその（註２）

き用の複合母材となる。こうして 100 km 長ファイ上に何重にも巻かれたファイバ自身の重みで曲がり、バ相当の母材を作製し、周囲の研究者から最優先のサ

光信号パルスを通すのに苦労した。5km 長に切り出

ポートを受けつつ、光ファイバの線引きに漕ぎ着けた

した光ファイバで実測した損失特性を図 5.29 に示しのが 1980 年の 10 月末のことであった。

た が、1.3µm で 0.35dB/km、1.55µm で 0.2 dB/km で（註２）現在は、ジャケット用の石英ガラス管を使わない「全合成母材」が主流になっている（⇒ 5.7 節参照）。

あり、宮らが 1979 年に作製した MCVD 単一モード

図 5.28 線引き後の 100km 長 VAD 単一モード光ファイバ
図 5.25単一モード光ファイバ用 VAD 母材例

図 5.26ファイバ線引き用複合母材

図 5.29VAD 単一モード光ファイバ特性

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

153

光ファイバ（図中の破線の特性）に比べて、1.39µm

一致した直線偏波光を入射した場合、ファイバ中を伝の OH イオン吸収損も微小であり、0.5 dB/km 以下の搬する光は他の偏波モードに変わることなく、長距離

低損失波長域が 1.20～1.70µm に及んでいた

23）24）25）。

に渡って直線偏波を保持したまま伝搬することが可能

こうして茨城研究所の施設案内が成功裡に終了し、になる 26）。偏波保持ファイバは、光の偏波状態を利急ぎ仕事のために弱点だらけの技術項目をじっくり再用した光ファイバセンサ用、そして偏波依存性のある検討しようと思っていたある日のこと、また高田統

光部品間を連結する光配線用などに、大量ではないが

括担当調査役から呼び出された。
「君は、明日から光重要な需要がある。

ファイバの研究はやらなくてもよい。100 km ファイ

偏波保持ファイバに大きな複屈折率を発生させる方バもできたし、もういいだろう。新しいことを始めて法としては、①コアの形状に異方性を持たせることで欲しい」と言われ、執着心の少なかった当時の私は構造複屈折性を大きくする、あるいは②コアに加わる「そういわれると、そんな気もします。違うことをや

応力に異方性を持たせて応力複屈折を大きくするこります」と答えてしまった。実際には、生まれたてのとが考えられる。ここでは代表例として、方法②にVAD 単一モード光ファイバ作製技術が電線 3 社での沿って 1980 年代前半に NTT 茨城研究所の佐々木豊

量産レベルに達するまでには、多くの研究者や技術者らによって提案された応力複屈折利用の偏波保持ファの継続的な努力を必要としたことはいうまでもない。

イバである PANDA（Polarization-maintaining AND

図 5.23 の製法をベースとして電線 3 社で製造されAbsorption-reducing）ファイバの断面構造と断面写

た VAD 単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ は、NTT の 光 フ ァ

真例を図 5.30 に示した 27）。PANDA ファイバは、コ

イバケーブル伝送方式の現場試験 FR-L（1980.10～

ア、クラッド、応力付与部から構成され、コア両脇の1982.6）に採用され、その光ケーブルが NTT 武蔵野

応力付与部は B2O3 等を多量に添加した石英ガラスか研究所 - 厚木研究所間の約 76km に布設された。屈折らなり、純石英ガラスのクラッド部分よりも熱膨張係

率分布を制御した広帯域の VAD グレーデッドイン

数が大きくなっている。このため、光ファイバ線引き

デックス（GI）ファイバの工場生産は成功したとは時に高温になったファイバが常温まで冷却されると、いえなかったが、その技術ノウハウは VAD 単一モー

応力付与部が収縮しようとして、コア部に対して引っド光ファイバの工場生産に立派に活かされていった。

張り応力が加わる。その結果、応力複屈折が発生す

筆者自身は、交換研究員としてのカナダ通信研究る。複屈折率の大きさは応力付与部への B2O3 添加濃所（CRC：Communications Research Centre） へ の度、応力付与部の直径、応力付与部の間隔等に依存す

長期出張（1982.2～1983.1 の 1 年間、名目は“光集積るが、概ね 10-4 のオーダであり、通常の単一モード光

回路用材料の研究”）予定があり、次第に VAD 技術

ファイバよりも 2 桁以上大きな値になっている。

開発現場から離れることになったが、筆者らが 1981年に行った VAD 全合成化の試みを含めて、その後のVAD 単一モード光ファイバ関連技術の発展を次節以降で概説する。

5.6 偏波保持（PANDA）光ファイバの開発
単一モード光ファイバの変形として 1980 年代前半に開発されたのが、偏波保持型単一モード光ファイ
バ（偏波保持ファイバ）である。通常の単一モード光

偏波保持（PANDA）ファイバの構造ファイバでは、互いに直交する 2 つの偏波モードが伝PANDA フ ァ イ バ の 製 法 を 図 5.31 に 示 し た が、搬可能である。しかし、伝搬する光の偏波状態は保持

VAD 法で作製した単一モード光ファイバ母材（透明

されず、外乱（振動や温度変化等）によって、ランダ

母材）のコアの両脇にドリルや超音波加工で孔を開ムに変動する。一方、偏波保持ファイバにおいては、け、孔の内壁を研磨洗浄する。同じく VAD 法で合成

意図的に複屈折率を大きくして、偏波モード間の伝搬

して寸法を合わせた 2 本の B2O3 添加石英ガラス棒を

定数差を大きくすることにより、偏波モード間のパ応力付与部として孔に挿入し、最後に全体を線引きす

ワー結合を抑制する。このため、偏波保持ファイバのると、PANDA ファイバを得ることができる。

複屈折の主軸方向（偏波主軸：X 軸および Y 軸）に

154

図 5.30

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

図 5.32 は、PANDA ファイバを含めて 1980 年代に提

バカプラの研究が行われていた。そこで筆者は、NTT
茨城研究所から取り寄せた PANDA ファイバの主軸方向を揃えて、世界初の偏波保持性単一モード光ファイ
バカプラ（PANDA ファイバカプラ）を実現した 29）。
その後、PANDA 型以外の偏波保持光ファイバを用いたカプラも他機関で試作されるようになり、偏波保持光ファイバカプラは、ファイバ型ジャイロスコープなどの構築に必要な光回路デバイスとしての応用を見
図 5.31

出していった。現在市販されている PANDA ファイ

PANDA ファイバの製法

バカプラの偏波消光比は、概ね 20dB 以上、過剰損は0.5dB 以下である。

5.7 VAD 全合成化と線引き速度の向上
話を通常の単一モード光ファイバに戻すが、1980
年 11 月の NTT 茨城研究所の施設案内日での展示に間に合うように開発した 100km 長単一モード光ファ
イバは、コアとその 5 倍以上の直径のクラッド部を
図 5.32

VAD 法で合成し、脱水 ･ 透明ガラス化後に市販の石各種の偏波保持ファイバの断面構造
（参考文献

28）

英管に挿入し、外径 125µm の光ファイバになるようをもとに筆者作成）

線引きしたものであった。しかしながら、天然水晶を28）。

原料とする市販石英管には僅かではあるが異物が含まMCVD 法での製造に適した構造もあるが、VAD 法によれていて、光ファイバの強度劣化の原因になる。そしる PANDA 型は偏波クロストーク特性（100m 長ファイて将来的には石英管の価格が光ファイバ経済化のネッ

バで、≦−30dB）に優れていることに加え、比較的低クになることが予想された。そこで筆者らは、VAD損失であるため、親しみ易い PANDA の呼称（ファイ法開発の当初の狙いである「市販石英管からの完全バ断面が動物のパンダの顔に似ている）とともに、偏波脱却」を目指して、クラッド最外層部までも VAD 法

保持ファイバの代表格になっている。

で合成する「VAD 全合成化」の基礎検討を行った。

案された各種の偏波保持ファイバの断面構造である

ここで PANDA ファイバに関連して紹介したいの

図 5.34 に示すように、クラッド用バーナを 2 本からが、 図 5.33 の PANDA フ ァ イ バ カ プ ラ で あ る。1982

3 本に増やして多孔質母材を成長させ、合成クラッド

年に筆者が交換研究員として滞在したカナダ通信研･ コア径比 b/a を 10 にまで増大させ、1981 年の末に究所（CRC）の光通信研究グループ（K.O. Hill 室長）

は図 5.35 に示したようにコア径 10µm でクラッド径

は、隣接させた 2 本の光ファイバの一部を小型バーナ

100µm の全合成単一モード光ファイバ（比屈折率差（mini-torch）で融着して延伸した光ファイバカプラ発

Δ＝ 0.20％、合成クラッド ･ コア径比 b/a ＝ 10）の祥の地であって、光分岐合流素子や方向性結合器としての多モード光ファイバカプラや単一モード光ファイ

図 5.34
図 5.33PANDA ファイバカプラの構造

3 段クラッドバーナによる単一モード光ファイ
バ母材「全合成化」の試み

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

155

図 5.35

最初の VAD 全合成単一モード光ファイバ実現に成功した 30）。しかし、それ以上にクラッド用

図 5.37

高速合成用二重火炎バーナを用いた VAD 全合
成単一モード光ファイバ母材作製（参考文献 31）をもとに筆者作成）

バーナの本数を増やすと、火炎の相互干渉が生じ易くなり、標準の 125µm のファイバ外径に相当する b/a

能なベーキングシステムを採用した。その結果、多値（～12.5）には届かなかった。

孔質母材の直径は 21cm に達し、クラッド ･ コア径比

上記の筆者らの試みは、1982 年以降、須田裕之らに
31）

b/a は 12.3 相当になった。

。須田らは、GI ファイバ母材の図 5.37 の作製系で採用されたベーキングシステム

高速合成用に開発した図 5.36 の二重火炎バーナ（外径は、温度変化の影響を受けやすいサチュレータによる60mm で大型）の適用を進めた。図 5.36 にはガラス微

バブリングシステムに比べて、原料の大量かつ安定な粒子の走査型電子顕微鏡（SEM）写真も載せてある供給が可能であり、その後、通常の四塩化シリコン

が、内側火炎のみにより合成したガラス微粒子は大き（SiCl4）の供給にも使われるようになった 33）。

継承されていった

くても 0.1µm 程度であるが、二重火炎の場合には、微1980 年代中頃になると、図 5.38 に示すような「2粒子が堆積面に到達するまでの距離を拡大して、火炎ステップ VAD 法」が開発され、現在に至っている。

中の微粒子形成反応を促進させるので、大きなものでこの方法では、初めに①一次多孔質母材を VAD で作

0.5µm 程度にまで成長していることが分かる。

製する（クラッド合成には二重火炎バーナを利用）が、そ の 際 の b/a 比 は 5〜6 程 度（ あ る い は 3〜5 程 度 ）でも十分である。②脱水 ･ 透明ガラス化の後に、③透明母材を 10～20mm Φ程度にまで延伸する。④ 2 回
目の VAD（二重火炎バーナを利用）で外側クラッドを堆積すると、b/a 比を 15～18 程度にまで高めることができる。⑤全体を再び脱水 ･ 透明ガラス化し、最後の⑥線引きして、光ファイバを得る 34）。

図 5.36

高速合成用二重火炎バーナ（参考文献 31）をもとに筆者作成）

須田らが採用した単一モード光ファイバ用母材作製
系と堆積終了後の多孔質母材先端部の写真例を図 5.37に示した 31）32）。2 段構成のクラッド用二重火炎バーナにより大口径の多孔質クラッド層を堆積できるように156なったので、コア用バーナとしては、筆者らが用いた

図 5.38 「2 ステップ VAD 法」による全合成単一モード
光ファイバ作製工程

特殊な角形バーナの代わりに、標準的な円形バーナのVAD 全合成化は、不純物や欠陥を含む市販石英管適用が可能になった。須田らは、主原料として四塩化を使用しないので、高強度の光ファイバが得られ、かシリコン（SiCl4）よりも蒸気圧の高いトリクロロシ

つ大型母材の作製が可能となる利点ある。肉厚変動をラン（SiHCl3）も活用し、特に大量の原料ガスを送り往々にして伴う市販石英管を用いない VAD 全合成化込む必要があるクラッド用の二重火炎バーナ用には、の効果は、光ファイバの低い偏心率としても顕れる。

キャリアガス（Ar）なしでも原料の直接ガス化が可

実際、VAD 全合成化により、コアの偏心量が 1µm を国立科学博物館技術の系統化調査報告

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十分に下回るレベルに抑えられ、光ファイバの融着接続やコネクタ接続においても、クラッド外周を基準にするだけで単一モード光ファイバの低損失接続が可能になった。その後の光ファイバ通信の本格普及に際して必要となった多心一括融着接続技術や多心コネクタ、現地組立て型コネクタ（FA コネクタ）は、光ファイバの低偏心化なくして実現は不可能であったものであり、VAD 全合成化は、FTTH（Fiber-to-the-Home）工事の効率化や経済化にも大きく寄与することになった。
さらに、光ファイバ母材寸法の制限要因であり価格低減のネックになっていた市販石英管を使用せずに済むことから、母材の大寸法化が一気に進み、生産性が

図 5.40

向上し、VAD 全合成化は情報通信インフラとしての加圧ダイを用いた高速線引き装置構成（参考文献 38）をもとに筆者作成）

光ファイバ網の構築を進めるキー技術になった。ちなみに 1980 年代初めの VAD 法でのガラス微粒子堆脂の採用により、線引き速度は 1,200m/min 程度に積速度は 1g/min 程度であったが、須田らの二重火炎まで向上した 38）。そして、今日の光ファイバ製造工

バーナの採用により 10g/min 近くにまで向上し、そ場では、1980 年 11 月当時の NTT 茨城研究所に比べの後、電線メーカによって改良を加えられ、1980 年て、VAD 母材の大きさは 20 倍の 2,000 km 長ファイ代後半には 20g/min に達した

35）。

VAD 母材の高速合成に沿うように進められたのが、光ファイバ線引き速度の高速化であった。初期の
光ファイバ線引き工程では、図 5.39（a）に示すように、樹脂が満たされた「オープンダイ」と呼ばれる開バ相当になり、線引き速度は 30 倍の 1,800 m/min（≒
108km/hr）に達している。

5.8 純石英コアファイバ（PSCF）の開発

放型のコーティングダイに光ファイバを走行させてコアに GeO2 を添加した石英系単一モード光ファイ

樹脂を被覆していた。線引き速度は 60～120 m/min

バの 1.55µm 波長帯での最小損失値は、NTT が 1979程度であった。実際、1980 年 11 月の茨城研究所での年に MCVD 法で、さらに 1980 年に VAD 法で達成し100km 長 VAD 単一モード光ファイバ開発は、このた 0.2dB/km であった。その後、図 5.41 に示すように、

オープンダイ方式により、60m/min の線引き速度で1984 年に Bell 研究所がクラッドに屈折率を下げる効

樹脂被覆を行っていた。

果のあるフッ素（F）を添加した純石英コアファイバ（PSCF：Pure Silica Core Fiber）を MCVD 法で作製し 0.157dB/km の低損失値を報告した。コア部に添加物 GeO2 を含まない純石英コア構造を採用すると、僅かではあるがレーリ散乱損失が減少するのである。続いて 1986 年には、住友電工が VAD 法により 0.154dB/
km の純石英コア（F 添加石英クラッド）単一モード
光ファイバの開発に成功した 39）。VAD 法では多孔質母材をフッ素含有雰囲気中で加熱することによって

図 5.39 光ファイバ線引き用の樹脂コーティング技術の進歩（参考文献 36）37）をもとに筆者作成）

その後、図 5.39（b）のように密閉型のコーティ
ングダイに樹脂を加圧供給して被覆する「加圧ダイ（Pressurized Die）
」方式への移行が行われた 36）37）。
図 5.40 は 1980 年代中頃の NTT 茨城研究所の線引き装置の構成図であるが、加圧ダイと紫外線硬化型樹

図 5.41

単一モード光ファイバの究極の低損失化

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査157

フッ素（F）添加が可能である。住友電工は 2000 年代

は極めて一般的で、ガラスでできた光ファイバのほに入って 0.148dB/km へと世界記録を更新した 40）。コ

ぼすべてが該当してしまう。そもそも、1960 年代後

ア部に GeO2 を添加した標準的な単一モード光ファイ

半の C.K. Kao や西澤潤一らの論文の存在を考えれば、

バに比べて、純石英コアファイバ（PSCF）の製造コ

上記の Corning 社の光ファイバ構造特許が米国で成ストは高くなるが、極低損失性を活かして、長距離海立したこと自体が不自然とも言えるのだが、Corning

底ケーブル用などの高性能用途に使われている。

社との特許係争を経験した住友電工 ･ 元技師長（京藤ここで純石英コアファイバに関連して触れておきた倫久）は 2007 年の NEW GLASS 誌に寄せた巻頭言

いことは、1984 年から 1989 年にかけての Corning 社「光ファイバ開発競争の現場で学んだこと」を次の言と住友電工の間の特許係争である

41）。論点になったのは、2.1 節で紹介した「関 ･ 根岸特許」（1936 年出願、『特許係争の当時、筆者自身、“特許は法律、裁判1938 年成立）の存在もあって日本では拒絶された特は白か黒”との意識で取り組んでいたが、国際特許に対応する米国特許 USP3,659,915（“Fused Silica

許の専門家や法律家の友人達から、“特許は法律Optical Waveguide”、1970.5.11 出 願、1972.5.2 登 録 ）でなく政策である”、“アメリカの裁判は、白か黒であった。日本とは異なり、Corning 特許は米国ではでなく、取引の手段”とアドバイスされたことが成立していたのである。

今でも脳裏に焼きついている。』

Corning 特許のクレーム（特許請求の範囲）は「純粋な酸化ケイ素からなるクラッドと、15wt％以下の京藤が学んだように、正に米国の国策に沿った判決であった。

不純物を添加した酸化ケイ素からなるコアとによってその一方で、外付（OVD）法に関する Corning 社形成される光ファイバ」であり、明細書の文言通りにの製法特許については日本でも無理なく成立していた

解釈すれば、「クラッドにフッ素を添加した住友電工

が、日本は独自の VAD 法を開発したので、日本で光の純石英コアファイバ製品」はコーニング社特許に抵

ファイバを製造することに関しては、OVD 特許から触しないはずだった。それでも Corning 社は、住友の制約を受けることは回避できた。

電工がアメリカに輸出した光ファイバが自社の特許を侵害しているとして、1984 年に輸入差し止めと損害賠償を求めて訴訟を起こしてきた。訴えられた住友

5.9 単一モード光ファイバの波長分散特性と分散シフトファイバの開発

電工が Corning 特許の無効を訴えて逆提訴するなど、単一モード光ファイバ（SMF：Single-Mode Fiber）

裁判は二転三転したが、最終的（1989 年）に住友電の伝送距離を制限する特性として、伝送損失とともに工側の敗訴となり、住友電工は Corning 社に和解金

波長分散特性がある 43）。標準的な単一モード光ファ

2,500 万ドル（約 33 億円）を支払った。

イバの波長分散は 1.3µm 帯で極小となり、伝送損失

米国での判決内容は「住友電工のファイバは、コアが最低となる 1.55µm 帯では波長分散の影響で高速伝に添加したゲルマニウムを、クラッドに添加したフッ送が制限される。単一波長で発振する分布帰還型半導素に置き換え、屈折率の差を得ている。したがって、

体レーザ（DFB-LD）を用いれば、波長分散の影響は実質的に同一の方法で、同一の作用を持ち、同一の結緩和されるが、情報を乗せるために高速変調を行う

果を得ている。基本特許は広く解釈すべきであり、広と、必然的に側帯波が発生するので、伝搬光は波長分い均等の範囲がある。この均等の原理（Doctrine of散の影響を受けてしまうのである。

Equivalence）は、発明時にたとえ石英ガラスにフッそもそも波長分散とは、波長が 1nm 異なる二つの素を添加して屈折率を下げることが知られていなかっ入射光パルスが光ファイバ中を 1km 伝搬した際の出たにせよ、適用される。
」というものであった。ここ

射時刻差で定義され、単位は「ps/nm/km」である。

で均等の原理（均等論）とは、特許法において一定の単一モード光ファイバの波長分散は、1）材料分散と要件のもとで特許発明の技術的範囲（特許権の効力が2）構造分散（導波路分散）の和で表される。

及ぶ範囲）を拡張することを認める理論であり、米

1）材料分散は、光ファイバの屈折率自身が波長に国は 1980 年代のレーガン政権下でプロパテント政策

依存して変化することによって生じる分散であり、次（特許権をはじめとする知的財産権の保護強化政策）

式で与えられる。

に傾斜していた。
コーニング社の構造特許は、屈折率の差をコアに添加剤を加えることによって与えるものだが、その内容158

葉で結んでいる 42）。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

λ d2n （λ）
材料分散＝− ・ 1 2cdλ
ここで、n1（λ）はコアの屈折率、λは光波長であり、石英ガラスでは、λ＝ 1.27µm 近傍で材料分散が零となる。
2）構造分散（導波路分散）は、光を導波路内に閉じ込めることによって生じる分散であり、導波路構造の調節によって制御可能である。
図 5.42 は標準的な単一モード光ファイバの波長分散特性であり、材料分散と構造分散の和により、零分
散波長は 1.3µm 帯（正確には 1.31µm）となる。
次章で報告するが、NTT 幹線系の光ファイバ通信
システムの場合、1983 年に商用化され 1985 年に日本
縦 貫 を 達 成 し た F-400M 方 式（400Mb/s、 中 継 間 隔40km）は、1.3µm 波長の Fabry-Perot 型半導体レー

図 5.43

分散シフトファイバ（DSF）の分散特性

ザ（FP-LD）を用いた世界初の本格的な単一モード光

単純な方法では、光ファイバ接続損失が大きくなるな

ファイバ通信システムであった。その後、1987 年にどの問題があり、商用化された F-1.6G 方式（1.6Gb/s）は、スペクトル①伝送損失が小さいこと、

線幅の狭い 1.3µm 波長 DFB-LD を用いてギガビット②光ファイバ間の接続損失を小さくできること、

光伝送を達成していた。F-1.6G の中継間隔は F-400M③曲げ損失に強いこと、と 同 じ 40km で あ る た め、F-400M か ら の ア ッ プ グに留意して 1980 年代の中頃にコア部の屈折率分布構

レードが容易であり、電話需要の拡大に合わせて全国造の工夫が行われた。

規模で大量に導入された。

図 5.44 に分散シフトファイバの屈折率分布構造例を示したが、1985 年になって、コアの外側にリングを配置し、コアとリングとのモード結合特性を利用した「セグメントコア型（Segment Core）」が Corning社より提案された 47）。この光ファイバは、単一モード光ファイバの実質的なコア径に相当するモード
フィールド径（MFD：Mode-Field Diameter）が大きく、しかも曲げ損失を小さくできる構造であった。しかし、この構造は日本の VAD 法で作り易い構造ではなかったので、NTT 茨城研究所の線路研究部の大橋正 治 ら は「 階 段 型（DSC：Dual-Shape Core）」 構造

図 5.42を提案した 48）。この“墓石”のような屈折率分布を単一モード光ファイバ（SMF）の波長分散特性有する光ファイバは、上記①②③に優れ、分散の制御

しかし、1.3µm 帯よりさらに低損失な 1.55µm 帯を性も良好であり、1988 年に NTT が大分～松山間の約活用するには、前述したように、単一モード光ファ

120km を無中継で結んだ 1.55µm 帯の 400Mb/s 光海

イバの零分散波長を 1.3µm 帯から 1.55µm 帯にシフ

底ケーブル伝送方式に初めて使われた。今も実用に供トさせる必要がある。こうした動機に基づいて、零されている分散シフトファイバ（DSF）は、Corning

分散波長を光ファイバ損失が最小になる 1.55µm 付近に移した光ファイバが分散シフトファイバ（DSF：
Dispersion Shifted Fiber）であり、分散シフトファイバ（＝ 1.55µm 零分散ファイバ）は、1.55µm 帯での長距離伝送に適している。
図 5.43 に分散シフトファイバ（DSF）の波長分散特性を示したが、初期の DSF は、構造分散の効き目を高めるために、コア径を小さくし、比屈折率差Δを大きく設定した「高Δステップインデックス（HighΔ Step-Index）型」であった 44）45）46）。しかし、この

図 5.44

分散シフトファイバの屈折率分布構造

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

159

社が 1985 年に提案した「Segment core 型」（OVD 製）ほとんど OH イオンのみであり、ガラス微粒子と、NTT が 1986 年 に 提 案 し た「Dual-Shape Coreの焼結の際に塩素系脱水ガスを加えることによ（DSC）型」（VAD 製）の 2 種類である

49）

り、OH イオンも徹底的に除去できる。

。

☆

なお、波長分散の測定は、当初、光ファイバに波長の異なる 2 つのパルスを入射し、受信端でオシロスに OH イオンが混入しないように、細心のコープにより、その到達時間差を測定する方法（ツイ注意が必要である。

ンパルス法）が使われていたが、単一モード光ファイ●

バの波長分散制御の重要性が高まるにつれて、より高精度な測定法が考案されていった

5.10

組成の管理がし易い。

。

石英系ガラスの素性の良さと VAD 法の利点

製法（OVD 法、MCVD 法、VAD 法）の概要と特徴
を示した

51）

。ここで、通信用光ファイバ材料としての石英系ガラスの素性の良さを改めて列挙すると、以下のようになる

屈折率制御用ドーパント（主に GeO2）を含めてガラス組成が 2 成分、多くて 3 成分であり、

50）

●

52）

石英系ガラス中で Ge や F は拡散し難く、プリフォーム（母材）と光ファイバの屈折率分布の相似が保たれ、プリフォームの屈折率分布からファイバの伝送特性を推定可能である。

図 5.45 と表 5.1 には、石英系光ファイバ母材の三大●2,000℃もの高温でも、適度な粘性があり、プリフォームが落下（melt down）することなく、線引き可能である。

なお、図 5.45 や表 5.1 に示した三大製法に比べる。

●

物理的、化学的に安定である。

と、マイナーな製法になるが、1975 年に Philips 社に●

化学気相堆積 CVD（Chemical Vapor Deposition）

より開発され、その後、Draka 社が完成させた PCVDに適した液体や気相の原料が存在している。

（Plasma CVD）法がある 53）。MCVD 法に似ているが、SiCl4 などの原料は、シリコン半導体産業の副

石英管を外側から加熱する酸水素バーナの代わりに、生成物として、比較的安価に入手できる。

石英管の内側に発生させた高周波プラズマで SiCl4 等

但し、屈折率制御用の Ge に加えて、透明ガラを酸化させて、ガラス微粒子を経ずにガラス管内壁にス化用の He については油断できない。

透明なガラス膜を直接堆積するものである。プラズマ●●● ルツボに接することなく、ガラスを作製できる。

を用いることで多量のフッ素を添加することが可能で●CVD で生成したガラス微粒子（俗称は Soot ＝あり、また毎秒 3m 程度で高速で往復移動するプラズ煤）を経る「スートプロセス」により、比較的

マキャビティ（plasma cavity）によって MCVD 法よ

低温（1,400～1,500℃）で透明な石英系ガラス

りも薄いガラス層を高速で堆積するため、屈折率分布を作製できる。

制御精度がよい利点がある。PCVD 法は、装置が複CVD 工程で不純物として考慮すべきものは、雑で高価であるが、複雑な屈折率分布が必要な特殊●

図 5.45

石英系光ファイバ母材の三大製法（参考文献 51）をもとに筆者作成）

160

但し、MCVD 法では、ガラス膜の堆積時

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March表 5.1

光ファイバの三大製法の特徴比較

ファイバの製法として主に用いられている。
ここで、我田引水の感もあるが、日本が開発した
VAD 法の特徴を並べると、以下のようになる。
①石英管を使わないので母材の大型化への制約が小さい。

VAD 法は、光ファイバ用途以外にも、フォトマス
ク基板用石英ガラス等の製造に適用されているが、興味深いのは、VAD 法で作製された無水（OH 含有量＜ 1ppm）の石英ガラス管が、MCVD 法での出発石
英管や、VAD 法でのジャケット石英管としても使わ②脱水工程により、OH イオンを含めて不純物をれていることである。例えば信越石英株式会社からは除去できるので、低損失化を達成し易い。

「SUPRASIL-F300」という名称で販売されている無水③ガラスの全合成化によって、異物や欠陥がな

合成石英管を用いると、単一モード光ファイバの低損

く、高い破断強度を実現できる（海底ケーブル失化に必要な堆積クラッド ･ コア径比 b/a を 3 以下

用には特に重要）。

に減少できるとされている 54）。

④回転対称であり、母材の楕円化を招き易い中実化が不要な製法なので、高い真円度を実現で以上、前章と本章で石英系光ファイバの低損失化とき、コア偏心はほとんどなく、光ファイバ接続

量産製法（VAD 法）の開発経緯について報告したが、損失を小さくできる。

次章では、1970 年代に戻って、初期の光ファイバ通⑤ドーパントとして P（リン）を使わずにガラス信システム実験と商用化努力について紹介する。

合成ができるので、水素に対し安定である。
⑥但し、複雑な屈折率分布の形成は難しい。

参考・引用文献

上記⑤については、1982 年に MCVD 製 GI ファイバ

1） 村田浩，小泉健，新関暢一：「光ファイバの歴史を布設しての NTT 現場試験で発生した「水素による開拓者たちのメモアール」，工業通信，2001.

光ファイバ損失増」問題に関連して、次章（6.4.4）で2） 枡野邦夫：「光ファイバ物語～汗と涙でたどり説明する。
上記⑥は VAD 法の弱点であるが、現在、世界で使ついた光ケーブル現場試験」，サイバー出版セン
ター，2014 年 12 月発行．

われている通信用光ファイバの 90% 以上が、複雑な

3） 伊澤達夫：「光ファイバ開発の黎明期」，電子情報

屈折率分布を必要としない標準の単一モード光ファイ通信学会論文誌 C，Vol.J100–C，No.10，pp.417–

バであり、実際、世界の通信用光ファイバの約 60％

423，2017．

（日本では 90％以上）が VAD 法を基本として製造されている。

4） T. Izawa, S. Kobayashi, S. Sudo, and F. Hanawa：“Continuous fabrication of high silica fiber

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

161

preform,”IOOC'77, C1-1, pp.375-378, July, 1977.

GeO 2 porous preform in dehydration process5） S. Sudo, T. Edahiro and M. Kawachi：“Sintering

by VAD method and spontaneous formation ofprocess of porous preforms made by a VAD

SiO2 cladding layer during the dehydration bymethod for optical fiber fabriation,” Trans.

selective vaporization of GeO2,”J. Non-Crystalline

IECE Japan, Vol.E63, No.10, pp.731-737, 1980.

Solids, Vol.194, No.1-2, pp.163-172, 1996.

6） 新関：「電気通信研究所における光学結晶と光17）E. Potkay, H.R. Clark, I. P. Smyth, T.Y. Kometani,

ファイバの研究開発」，通研実報，Vol.32，No.7，

and D.L. Wood：“Characterization of Soot

pp.1429-1476，1983.

from Multimode Vapor-Phase Axial Deposition

7） T. Edahiro, M. Kawachi, S. Sudo and H. Takata,“OH-ion reduction in VAD optical fibres,”
Electron. Lett., Vol.15, No.16, pp.482-483, 1979.

Technol., Vol.6, No.8, pp.1338- 1347 1988.
18）D.L. Wood, E. Potkay, H.R. Clark, and T.Y.

8） F. Hanawa, S. Sudo, M. Kawachi and M.

K o m e t a n i ：“ C h a r a c t e r i z a t i o n o f T o r c h -Nakahara,“Fabrication of completely OH-free

Deposited Silica for Light-Guide Preform,”

VAD fibre,”Electron. Lett., Vol.16, No.18, pp.699-

Applied Spectroscopy, Vol.42, No.2, pp.299-304,

700, 1980.

1988.

9） T. Moriyama, O. Fukuda, K. Sanada, K. Inada,19）Juliana Santiago dos Santos, Eduardo Ono,

T. Edahiro, and K. Chida,“Ultimately low OH

Edmilton Gusken, and Carlos Kenichi Suzuki：

content VAD optical fibres,”Electron. Lett.,“Correlation Study between VAD Preform

Vol.16, No.18, pp.698-699, 1980.

Deposition Surface and Germanium Doping

10）M. Kawachi, S. Sudo, N. Shibata and T.
Edahiro：“Deposition Properties of SiO2-GeO2

Profiles,”J. Lightwave Technol., Vol.24, No.2,
pp.831-837, 2006.

Particles in the Flame Hydrolysis Reaction for20）S. Sudo, M. Kawachi, T. Edahiro, and K. Chida：

Optical Fiber Fabrication,”Jpn. J. Appl. Phys.,“21.2km graded-index V.A.D. fibre with low loss

Vol.19, No.2 pp.L69-L71, 1980.

and wide bandwidth,”Electron. Lett., Vol.16,

11）T. Edahiro, M. Kawachi, S. Sudo and S.

No.4, pp.152-154, 1980.

Tomaru：“Deposition Properties of High-Silica21）K.Chida, M. Nakahara, S. Sudo, and N. Inagaki：

Particles in the Flame Hydrolysis Reaction for"On-Line Monitoring Technique of the Refractive-

Optical Fiber Fabrication,”Jpn. J. Appl. Phys.,

Index Profile in the VAD Process," J. Lightwave

Vol.19, No.11, pp.2047-2054, 1980.

Technol., Vol.LT-1, No.1, pp.56-60, 1983.

12）河内正夫，須藤昭一，枝広隆夫：「VAD 法によ22）M. Kawachi, S. Tomaru, S. Sudo and T.

る光ファイバの屈折率分布形成機構」，信学会論

Edahiro：“Fabrication Method of Single-Mode

文誌，Vol.J65-C，No.4，pp.292-299，1982.

Optical Fiber Preforms,”US Patent 4,345,928

13）G.V. Samsonov：“The Oxide Handbook（English
Translation）,” IFI/Plenum, New York
-Washington-London, pp.178-206, 1973.
14）K. Sanada, R. Yamauchi, O. Fukuda, and K.
Inada：“Behavlor of GeO2 in dehydration and（Filed：Sep.19, 1980）.
23）M. Kawachi, S. Tomaru, M. Yasu, M. Horiguchi,
S. Sakaguchi, and T. Kimura：“100 km single
mode VAD fibres,”Electron. Lett., Vol.17, No.2,
p.57-58, 1981.

consolidation processes of the VAD method,”24）S. Tomaru, M. Yasu, M. Kawachi, and T.

Technical Digest of OFC 1984, Paper MI2,

Edahiro：“VAD single mode fibre with 0.2 dB/
km loss,”Electron. Lett., Vol.17, No.2, Vol.17,

pp.26-28.
15）K. Sanada, T. Shiota, K. Inada：“Studies of theNo.2, p.92-93, 1981.

chemical kinetics on the vapor phase axial

25）S. Tomaru, K. Kawachi, and T. Edahiro：

deposition method,”J. Non-Crystalline. Solids,“Fabrication of the VAD Single-Mode Fibres,”Vol.188, No.3, pp.275-284, 1995.

Trans. IEICE Japan, Vol.E65, No.12, pp.717-722,

16）K. Sanada, T. Moriyama, K. Inada：“Chlorinationand vaporization of GeO 2 component in SiO2：

162（VAD）Optical Fiber Preforms,”J. Lightwave

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

1982.
26）三木哲也，須藤昭一編：「光通信技術ハンドブッ

ク」（ オ プ ト ロ ニ ク ス 社，2002 年 ） の pp.220-

and Y. Chigusa：“Ultra-low-loss （0.1484dB/

222，笹岡英資著：「偏波保持光ファイバ」.

km）pure silica core fiber and extension of27）Y. Sasaki, T. Hosaka, M. Horiguchi, and J. Noda,

transmission distance,”Electron. Lett., vol.38,“Design and Fabrication of Low-Loss and LowCrosstalk Polarization-Maintaining OpticalFibers,”IEEE J. Lightwave Technol., Vol.LT-4,
No.8, pp.1097-1102, 1986.
28）菊地佳夫，稲田浩一：「偏波保持光ファイバの現状」， レ ー ザ ー 研 究，Vol.16，No.9，pp.545-553，
1988.
29）M. Kawachi, B.S. Kawasaki, K.O. Hill, and T.

no.20, pp.1168-1169, 2002.
41）上山明博：「プロパテント・ウォーズ―国際特許戦争の舞台裏」，文春新書，2000.5.
42）京藤倫久：「光ファイバ開発競争の現場で学んだ こ と 」，NEW GLASS，Vol22，No.4，pp.1-3，
2007.
43）末松安晴，伊賀健一：「光ファイバ通信入門（改訂 5 版）」，オーム社，2017．

Edahiro：“Fabrication of single-polarisation

44）H. Tsuchiya and N. Imoto：“Dispersion-freesingle-mode-fibre couplers,” Electron. Lett.,

single-mode fibre in 1.5 µm wavelength region,”Vol.18, No.22, pp.962-964, 1982.

Electron. Lett., Vol.15, No.15, pp.476-478, 1979.

30）M. Kawachi, M. Yasu, S. Tomaru, T. Edahiro,45）T. Miya, A. Kawana, Y. Terunuma and T.

and S. Sakaguchi,“Wholly synthesised VAD

Hosaka：“Fabrication of Single-Mode Fibers for

single-mode fibre,”Electron. Lett., Vol.18, No.8,

1.5 µm Wavelength Region,”Trans. IECE, Vol.

pp.328-330, 1982.

E63, No.7, pp.514-519, 1980.

31）須田裕之：「通信用光ファイバ母材の高速合成に

46）T. Tomaru, M. Kawachi, M. Yasu, T. Miya and T.

関する研究」，博士論文，慶応義塾大学，1991．

Edahiro,“VAD single-mode fibres with high Δ n32）H. Suda, S. Shibata and M. Nakahara,“High-ratevalues,”Electron. Lett., Vol.17, pp.731-732, 1981.

fabrication of wholly synthesised fibre preform47）T. Croft, J. Ritter, V. Bhagavatula, “Low-by the multiflame VAD method using SiHC13

loss dispersion-shifted single-mode fiber

raw materials,”Electron. Lett., Vol.21, No.24,

manufactured by the OVD process,”IEEE J.

pp.1123-1124,  1985.

Lightwave Technol., Vol.3, No.5, pp.931-934, 1985.

33）今澤正博，福島洋治，岡野広明：「全合成シン48）M. Ohashi, N. Kuwaki, C. Tanaka, N. Uesugi and

グルモード形光ファイバ」，日立評論，Vol.69，

Y. Negishi,“Bend-optimised dispersion-shifted

No.11，pp.93-96，1987_11_15．

step-shaped-index（SSI）fibres,”Electron Lett.,34）山内良三，稲田浩一：「製造側から見た光ファ
イバの将来」， 光 学，Vol.19，No.9，pp.626-633，
1990．
35）鈴木修三，山内良三，小倉邦男：「光ファイバの高品質化・経済化への取り組み」，電気通信，
Vol.71，No.733，pp.27-35，2008．

Vo.22, pp.1285-1286, 1986.
49）大橋正治，「光ファイバ：光ファイバの研究開
発 の 歴 史 と 今 後 の 展 開 」，OPTRONICS（2011）
No.1 pp.173-180, 2011.
50）青山耕一：「光測定技術： 研究開発の歴史を振り返る」, OPTRONICS（2012）No.2, pp.105 -113.

36）千田和憲，木村隆男，我妻 誠：「光ファイバの51）加賀田俊，中芝幸司：『高品質光ファイバの量産

高速線引き」，NTT 研究実用化報告，第 32 巻 12

製造技術「VAD 法」の功績による「IEEE マイ号，pp.2675-2685，1983．

ルストーン」認定記念式典開催報告』，NTT 技術

37）常石克之：「光ファイバの被覆材料と構造」，SEI
テクニカルレビュー，第 182 号，pp.56-64，2013．
38）S. Sakaguchi and T. Kimura：“High-speed
drawing of optical fibers with pressurized
coating,” IEEE. Journal of Lightwave
Technology, Vol.3, No.3, pp.669-673, 1985.
39）渡辺稔：「光ファイバの最近の動向」，レーザー研究，Vol.17，No.2，pp.92-101，1989．
40）K. Nagayama, M. Kakui, M. Matsui, T. Saitoh,

ジャーナル（2015.9），pp.94-99．
52）柴田修一：「20 世紀に名を残すガラス技術

光ファイバー」，NEW GLASS, Vol.15, No.2, pp.7375, 2000.
53）小倉邦男：「通信用石英系光ファイバの製造方法」，
NEW GLASS, Vol.27, No.105, pp.37-39, 2012.
54）信越石英株式会社：「光ファイバ用合成石英ガラ
ス SUPRASIL-F300」，PC-FBR-SYN-008．http：//www.sqp.co.jp/seihin/catalog/pdf/4-1.pdf

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

163

6｜初期の光ファイバ通信システム実験と商用化努力
NTT では、当初は武蔵野研究所（基礎研究部・基も見られず、実用化開発を担う 1972 年当時の NTT

礎第 3 研究室）で光ファイバ通信システムの研究が行

伝送研究部の優先順位からすると、まだ海の物とも山われたが、実用化段階に入ると横須賀研究所（1972の物とも分からない光ファイバ通信方式は時期尚早で

年 11 月開所）を中心に開発が進められ、各種の現場あったことが理解できる。

試験を経て、1981 年には多モード光ファイバ（GI 型）

1970 年 の Corning 社 の 20dB/km フ ァ イ バ 発 表 をによる 32Mb/s や 100 Mb/s 伝送システムの商用化、受けて、1971 年早々には茨城研究所（東海村）に光1983 年には単一モード光ファイバによる 400 Mb/s

ファイバ研究担当の枡野チームが発足していたが、上システムの商用化が開始された。そして 1985 年には、記の伝送研究部を含めて NTT 研究所全体の雰囲気がVAD 単一モード光ファイバを本格導入した日本縦貫

変 わ る の は、1974 年 7 月 に Bell 研 究 所 の MCVD 法

光ファイバ幹線網（400 Mb/s）が開通したが、そのによる 1.1dB/km ファイバ発表が行われた後であっ後も、伝送容量の向上努力が続いた。

た。翌年の 1975 年 4 月 17 日には、武蔵野研究所講堂

以下、本章では、こうした 1970 年代中頃から 1980に所内外から約 240 名の参加者を集めて、「光ファイ

年代後半までの技術発展の経緯を、1）ミリ波導波管

バ伝送」をテーマにした研究討論会が開催されるまでから光ファイバ通信システム開発への転換、2）発光になった。当日の野田健一基礎研究部長の基調講演記

素子と受光素子の歩み、3）石英系光ファイバケーブ

録が、NTT 研究所内向けの「通研新聞」（1975 年 4ル布設実験の始まり、4）多モード光ファイバ通信シ

月 25 日号）に載っていて、印象的であるので、以下ステムの NTT 現場試験と商用化、5）単一モード光に引用する。

ファイバ通信システムの現場試験と商用化、6）単一『●光伝送技術発展のために私たちがなしたこと：

モード光ファイバ化を促進した光結合技術、7）加入

従来の有線伝送媒体は全て良伝導性金属を主材

者系への光ファイバ導入努力、の順に報告する。

料とするものであった。ところが 1970 年に光6.1

ミリ波導波管から光ファイバ通信シス
テム開発への転換

図 6.1 は、電気学会雑誌（1972 年 12 月号）に当時の NTT 伝送研究部長（池上文夫）が寄せた解説論文

して半導体レーザの常温連続発振も報じられた。
当所は、それまで光のビームガイドおよび空間伝送の研究を進めていたが、この状況を見て光ファ
イバ伝送の研究を始めた。

「最近の大容量伝送方式」の第 1 図「総合通信網を支

私たちは今日までの方式検討によって既存方式

える技術」であり、電子交換機間をつなぐ長距離伝送を凌駕する光伝送方式の見通しを得、その未来像

路として、同軸ケーブル方式、マイクロ波方式、準ミを明らかにしつつある。高性能かつ高寿命の 5 層

1）

リ波方式、ミリ波（導波管）方式などが載っている 。

構造の高輝度発光ダイオードの発案と実験による

この技術展望図の中央付近には、レンズ列らしき光通

見通しを得た。また半導体レーザについても独得信方式も載っているが、光ファイバへの言及は本文にの方法で劣化機構を明らかにし、素子化を発展さ

図 6.1

164

ファイバの飛躍的な低損失化が報じられ、相前後

国立科学博物館技術の系統化調査報告

総合通信網を支える技術（1972 年当時）1）

Vol.25 2018. Marchせた。つぎに 100Mb/s において、ほぼ 1 中継スパ

うに）確認済であった。そして、研究討論会の翌月

ンの PCM 伝送の確認実験を行った。さらに低損失（1975 年 5 月）には、根回し済みの NTT と電線 3 社

ファイバを実現し、独得な接続法の発案を得た。

との光ファイバ共同研究が正式スタートした。

●盛り沢山の特長

中継間隔長く、多対も可能、

それまで基礎研究部（武蔵野）で行われていた「光管路引込可：＜記載省略＞のビームガイドおよび空間伝送の研究」が基礎研究段●小束から大束まで、どの伝送路に入れても有階であったのに対して、横須賀の伝送研究部と茨城の効：＜記載省略＞

線路研究部で行われていたミリ波導波管方式の開発は●光源の長寿命化、ファイバの広帯域化など多く

電線 3 社との関係を含めて実用化寸前であったので、の課題：＜記載省略＞

光ファイバ通信方式開発への全面切り替えまでには●どんな方式の実現を目指すか：＜記載省略＞

過渡期間が必要であった。当時の NTT は茨城研究所●新しい伝送時代の幕開け：これまでの伝送の歴（東海村）と水戸電話局の間に埋設したミリ波導波管史において、新しい伝送媒体が何回か新しい時代（23km 長）での現場試験を 1973～1974 年に済ませての幕を開いてきた。光ファイバも新しい時代の幕

いて、1977 年の商用化を目指していたからである。

を開くものである。しかも 4 半世紀に 1 度の大参考までに、表 6.1 は「通研新聞」（1975 年 4 月か

傑作といえる。この大傑作を使って意義ある方式

ら 1977 年 9 月までの期間）に掲載されたミリ波導波を生み出すために努力を傾注したい。
』

管関連記事（●印）と光ファイバ関連記事（〇印）の（下線部は筆者が強調）

表題をリストアップしたものである。1977 年 3 月 17
日付で、ミリ波導波管関連の最後の記事『既設管路内

上記の野田部長の基調講演に続いて行われた技術講

導波管線路を開発 -- 長管路でも布設が容易』があり、演は、①光ファイバの作製、②多モードファイバの伝送

積年のミリ波導波管関連の研究終結までに、1975 年 4

特性、③光伝送用高輝度発光ダイオード、④半導体レー

月 25 日付の記事『1975.4.17 に「光ファイバ伝送」を

ザの熱解析、⑤光中継系の基礎実験と検討、⑥光伝送方

テーマに研究討論会おこなわれる』掲載から数えて、式の検討及び方式設計上の問題点、の 6 項目であった。

2 年近くを要したことが分かる。

この研究討論会の開催に先立って、2 月上旬の基礎

基礎第 3 研究室（武蔵野）は、早期実用化が期待さ

第 3 研究室では、古河電工製の 880m 長の 4 心多モー

れる多モード光ファイバ通信システム研究について

ド光ファイバケーブル（Corning 社製の OVD 法で作は 1976 年に横須賀研究所に技術移管を行い、以後は製された SI 型多モード光ファイバを内蔵）を武蔵野

将来寄りの単一モード光ファイバ通信システムの研究研究所内の実験用管路中に布設し、実際の光ファイに専念することになったが、技術移管を受けた横須

バケーブルの伝送特性等を（後の 6.3 節で紹介するよ賀研究所では、表 6.1 にも表れているように、当初は

表 6.1

NTT 研究所での「ミリ波導波管」から「光ファイバ」への移行過程（「通研新聞」記事表題より）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

165

ミリ波伝送研究室が光ファイバ通信方式の研究も担

ほぼ同時期に 0.85µm 帯の GaAlAs 系半導体レーザの当した。1977 年初めになって光伝送研究室が新設さ

室温連続発振に成功した年でもあった 3）4）。

れ、その 1 年後の 1978 年に、光技術にバトンを渡し終わったミリ波伝送研究室が廃止された。
1978 年 12 月には、1975 年 4 月の「光ファイバ伝送」

表 6.2 から、1970 年代後半の石英系光ファイバの長波長帯開拓（0.85µm 帯 ⇒ 1.3µm 帯 ⇒ 1.55µm 帯）に沿うように通信用の半導体レーザとフォトダイオー

研究討論会で基調講演を行った野田基礎研究部長が編ドの長波長化が進んだ経緯、すなわち、著者となって、図 6.2 の専門書「光ファイバ伝送」が半導体レーザの材料系としては、

2）

電子通信学会から発行された 。その目次と著書一覧

GaAlAs（0.85µm 帯）／GaAs 基板 ⇒ InGaAsP

を見ると、武蔵野、茨城、横須賀の研究所を横断して、（1.3/1.55µm 帯）／InP 基板、

部品サイドから方式サイドまで、光ファイバ通信シス

フォトダイオードの材料系としては、

テムの本格的な研究開発体制が 1978 年までには整え

Si（0.85µm 帯 ） ⇒ Ge（1.3µm 帯 ） ⇒ InGaAs

られたことが分かる（註３）。

（1.3/1.55µm 帯）／InP 基板、の歩みが理解できる 5）6）。
表 6.2 において、長波長帯で安定に単一縦モード発振する半導体レーザの研究開発に東京工業大学の末松安晴研究室の果たした指導的な役割は大きく、例えばNTT 研究所における分布帰還型（DFB：Distributed
Feedback）レーザ実現（1981 年）には、同年に末松研究室を卒業した板屋義夫博士が参画していた。

図 6.2

単行本「光ファイバ伝送」（1978 年 12 月発行）

6.2 発光素子と受光素子の歩み
6.2.1

初期の研究開発の歩み

半導体レーザの概要

図 6.3 には、代表的な 2 種類の半導体レーザの発振特性と構造を示した 7）。半導体レーザは、レーザダイ
オード（LD：Laser Diode）とも呼ばれるが、図 6.3aの Fabry-Perot（FP）型半導体レーザ（FP-LD）は、初期の発光素子と受光素子の研究開発の歩みを、光化合物半導体結晶（GaAs 基板や InP 基板）の劈開面フ ァ イ バ と 並 べ て 表 6.2 に 示 し た が、Corning 社 がを利用した反射鏡中に活性層を配置したものである。

20dB/km を発表した 1970 年は、Bell 研究所（林巌雄

同構造は各種半導体レーザの中でも最もシンプルであら）とソ連のヨッフェ研究所（Z.I. Alferov ら）とで、り、複雑なプロセス無しに、安価に製造できる利点が（註３）大規模なクリーンルームを擁して、LSI 試作を筆頭に光部品開発や基礎研究を担当することになる第四通研としての NTT
厚木研究所の開設は、さらに５年後の 1983 年 3 月であった。

表 6.2

166

6.2.2

ある。発振スペクトルの縦モード間隔Δλは、
Δλ＝λ 2/（2neff･L）により与えられ、長波長帯での半導体レーザのΔλ1970 年代の光ファイバの長波長帯開拓に伴う発光素子と受光素子の歩み

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March図 6.3

代表的な半導体レーザの構造と発振特性（参考文献 7）をもとに筆者作成）

は、 素 子 長 L が 300µm と す る と 1nm 程 度 に な り、

ペクトル特性を図 6.5 に示した 10）。図 6.4 に例示した

波長選択性の無い反射鏡を用いた FP 構造では、半導FP-LD の発振スペクトル特性との違いは明白である。

体レーザの発振可能波長域（利得スペクトル幅）の中で多数の縦モードによる多モード発振となる。一例
として、図 6.4 には 1976 年に NTT 武蔵野研究所で連続室温発振に成功した 1.3µm 帯 FP-LD の断面構造と発振スペクトル特性を示した 8）。なお、茨城研究所で作製した MCVD 単一モード光ファイバを用いて 1978
年に武蔵野研究所（基礎研究部）で行われた 1.3µm
波 長 帯 で の 伝 送 実 験 に は、 図 6.4 の GaInAsP（ ＝InGaAsP）系 FP-LD が、受光素子としての Ge-APD（Avalanche Photodiode）と共に用いられた 9）。
FP-LD は、比較的低速で短距離の光ファイバ通信システムで今日でも広く使われているが、長距離で大容量な光ファイバ通信システムには、単一波長で発振

図 6.51.55µm 帯 DFB-LD の 室 温 連 続 発 振 に 成 功（1981 年 NTT）
（参考文献 10）をもとに筆者作成）

する半導体レーザが要求される。代表的な構造は、図補足になるが、比較的短距離の多モード光ファイバ

6.3b のように、波長選択性の強い回折格子（グレー

通信用の経済的な発光素子として、光共振器構造を持ティング）を形成した分布帰還（DFB：Distributed

たない図 6.6 のような発光ダイオード（LED：Light

FeedBack）型半導体レーザ（DFB-LD）である。こEmitting Diode） も 併 用 さ れ た 11）。 初 期 段 階 で は、

こでは、一例として、1981 年に NTT 研究所で室温連

LED は LD より長期信頼性に優れ、光出力は小さい

続発振に成功した 1.55µm 帯 DFB-LD の構造と発振ス

が、駆動電流対光出力の直線性が比較的よく、画像情報のアナログ伝送方式に適していたのである。
基板と垂直方向に光が出力されることは発光ダイ
オードに似ているが、東京工業大学の伊賀健一によって 1977 年に発明され、1988 年に室温連続発振に成功
した面発光レーザ（VCSEL：Vertical Cavity Surface
Emitting LASER）の発展は目覚ましい 3）12）。VCSEL
は、図 6.7 のような共振器構造を備えていて、主に GI型光ファイバと組み合わせて、今日のデータセンタ内の

図 6.4

1.3µm 帯 FP-LD の 室 温 連 続 発 振 に 成 功（1976年 NTT）（参考文献

をもとに筆者作成）

8）

光配線（光インターコネクション）用光源として大量に使われている。レーザプリンタ用アレイ光源や、身近なレーザマウス用光源としても活躍している。

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

167

層、p- は低い層を表している。p- 層は光を吸収して電子とホールを生成する役割、p 層は生成した電子を高電界で加速して電子雪崩を起こさせる役割を担っている。APD は PIN-PD よりも高い電圧をかけて使うが、薄くしている p 層で大きな電界勾配ができ、光
図 6.6

通信用 LED の断面構造例（参考文献 11）をもとに筆者作成）

照射により p- 層で生成した電子は、この電界勾配で加速されて半導体の原子に衝突して電子やホールを生成し、生成した電子がまた別の原子に衝突して次々に電子やホールを発生させていく。こうしたアバランシェ（雪崩）効果を利用して、光電流を増倍できるため、高感度な受光素子を実現できる。
図 6.9 には、通信用の 3 種類の材料系のフォトダ
イオードの受光感度の波長特性を示したが、当初は、
GaAlAs 系 FP-LD の 発 振 波 長 に 感 度 が あ る Si-APD

図 6.7

面発光レーザ（VCSEL）の概念図（参考文献 12）をもとに筆者作成）

6.2.3

フォトダイオードの概要が使われた 3）4）。やがて 1.3µm 帯での光ファイバの低損失化が進み、InGaAsP 系半導体レーザでの 1.3µm
帯の連続発振が可能となると、フォトダイオードも、
この波長帯で感度のある Ge-APD が用いられるよう

光ファイバ通信用の受光素子として、図 6.8 に代表になったが、1980 年代後半になると、暗電流が低く、的な 2 種類のフォトダイオードの構造と動作の概念図

より低雑音な InGaAs-APD に代わっていった。さらを示した 13）。どちらも半導体レーザの場合と同様にに、光ファイバの損失が最も低い 1.55µm 帯に長距離

pn 接合ダイオードと類似の 2 端子素子であるが、半系の通信波長が移ったが、InGaAs-APD は、この波導体レーザと異なり、逆方向の電圧（逆バイアス）を

長帯でも感度があり、引き続き使用されていた 6）。

かける。図 6.8a の PIN-PD は、p 型半導体と n 型半導1980 年代末になると、APD より雑音の小さい光体の間に絶縁性の i 型半導体を挟んだ構造であり、絶ファイバ増幅器が開発され、光信号の増幅を必要と縁性の i 層に電圧をかけて使用する。i 層への光入射するような長距離の光ファイバ通信システムでは、で生成した電子とホールは、この電圧により移動が加APD は、より低雑音で受信可能な光ファイバ増幅器

速され、高速応答性が得られる。光が入射しない時のと PIN-PD を組み合わせた光受信器に取って代わられ

暗電流も小さく、広く使われている。

た。しかし、アクセス系など光増幅が不要な中短距離の光通信システムにおいては、現在も APD が広く使用されている。

図 6.8

代表的なフォトダイオードの構造と動作（参考文献 13）をもとに筆者作成）

図 6.9

Si, Ge, InGaAs 系フォトダイオード（PD）の相対感度例 3）4）

6.2.4

パッケージ構造

図 6.8b の APD（Avalanche Photodiode） は、 増幅機能を持つ高感度の PD で、微弱な光信号の検出に適している。構造は、p 型半導体が p+ 層、p- 層、p層の 3 層に分かれている。p+ はキャリア濃度の高い

168

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

半導体レーザやフォトダイオードは、デバイス性能

や寿命が外界の影響を受けやすいため、通常、気密パッケージに収められた状態で実用に供される 14）15）。
図 6.10 には、半導体レーザ（LD）の代表的なパッケー
ジ構造を示した。図 6.10a の TO-CAN 型は、半導体レーザ（LD）とモニタ用 PD が、筒状の金属で覆われ、気密封止されている。レーザ光はガラス窓を介して取り出されるが、レンズ付も可能である。汎用タイプであり、低中速から高速（～10Gb/s）まで動作するものが開発されている。
図 6.11

初期の古河電工製光ファイバケーブル（参考文献 16）17）をもとに筆者作成）

1975 年 2 月上旬には、同じ古河電工製の光ファイ
バケーブルを用いて、NTT 武蔵野研究所の基礎研究
部第三研究室の池田正宏らによって、同研究所内で布設、接続、伝送実験が行われた。全長 452m の実験用管路にケーブル長 880m の 4 心光ファイバケーブル 1
図 6.10条を折り返して布設した。光ファイバケーブルの片端

半導体レーザのパッケージ構造例

を実験室に引き込んで接続し、全長 3.52km（880m ×（参考文献 15）をもとに筆者作成）

4）とした。当時は融着接続技術がなく、ガラススリー

図 6.10b のバタフライ型では、長方形の金属の容ブを用いて接続した。布設前の光ファイバ心線 4 本の器の中に、半導体レーザ、モニタ用 PD、冷却用ペル

平均損失は約 7.5dB/km（波長 0.82µm）であった 17）。

チェ素子が内包されている。回路との接続用ピンが左

布設後の光ファイバケーブルの全損失特性を測定する

右対称に配置されていることからバタフライ型と呼ばために、池田らは、キセノンランプと分光器による波長れる。外部からの高周波信号を入力する端子が付いた

依存性の測定と、クリプトンレーザ波長 0.647µm での測ものもある。TO-CAN 型に比べて高価になるが、高定を行った。図 6.12a に示した損失波長依存性は、3 か周波配線が容易であり、LD への反射戻り光を防止す

所の接続損失を含んでいるが、布設前後で約 1dB/km のる光アイソレータなどの光学部品を内蔵し易いことか損失の減少が観測された。布設前のケーブルはドラム

ら、高性能、高機能な半導体レーザーモジュールが実（直径約 1m）に巻かれていたが、布設によって、ほとん

現できる。

ど直線状態になり、損失が減少したと推定された。

以上、最小限の記述に留めたが、発光素子や受光素さらに図 6.12b は、布設した光ファイバケーブルの子に関しては、多くの優れた専門書があるので、奥が伝送帯域を表すベースバンド周波数特性の測定結果

深い構造設計や作製プロセスを含めての詳細は、そち（1.76km 長と 3.52km 長）であるが、光レベルで 3dB ダらを参照されたい

6.3
6.3.1

3）4）

ウンの帯域幅として SI 型ファイバ相応の 27.5MHz･km。

石英系光ファイバケーブル布設実験の始
まり最初の光ファイバケーブル布設実験の値が観測された。しかし、光ファイバ素線が Corning
製ということもあって、当時、実験データは公表されなかった。その後の基礎第 3 研究室の関心は単一モード光ファイバ通信システムに移っていった。

1974 年夏、古河電工は、技術契約先の Corning 社

1976 年になると、表 6.3 に示すように日米欧で競うから入手できたステップインデックス（SI）型多モー

ように光ファイバケーブルの布設実験が行われるよう

ド光ファイバを用いて、図 6.11 に示した 4 心の光ファになった 18）。ドイツの Siemens 社が早めの 1975 年か

イバケーブルを試作し、現場布設、接続試験を実施しら現場試験を行うことが出来たのは、Corning 社とのた。架空 200m、地下 200m の布設で、地下マンホー

間に、合弁の光ファイバケーブル製造会社 Siecor 設ル内での現場接続であった。実験結果を 1975 年の第立に至る交流があったためと考えられる。さらに、米1 回 ECOC（欧州光通信会議）で発表し、この現場布

国 Bell 研の 144 心光ファイバケーブルは、「12 心× 12

設と接続が世界初の実験であることが分かった

16）。

枚」の積層構造を採用した先進的な試みであった 16）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

169

図 6.12布設した光ファイバケーブルの特性（1975 年 NTT 武蔵野研究所）（参考文献 17）をもとに筆者作成）

表 6.3

光ファイバ伝送方式の実験状況（計画を含めて1976 年当時）

イ バ を 用 い た。 発 光 素 子 は 0.85µm 帯 の GaAlAs 系（参考文献 18）をもとに筆者作成）

FP-LD、受光素子は Si-APD であった。グループ③のW 型ファイバは、伝送帯域の改善のために東北大学の川上彰二郎が提唱した構造であり、SI 型ファイバのコア部の周囲に低屈折率層（SiO2-B2O3 系ガラス層）を設けた多モード光ファイバであった。
表 6.4

東京電力が用いた光ファイバケーブル（1976 年開始の実証実験用）（参考文献 19）をもとに筆者作成）

6.3.2

電力会社の実証実験

日本では、誘導障害が発生しない光ファイバ伝送に着目した東京電力と関西電力が、送電網制御のための光ファイバケーブルの実証実験を行った。両社は、1974 年頃から互いに協力しつつ、電力系統の保護用、発電所構内の監視制御用回線などに光ファイバ通信方式を導入することを目的として予備検討を進めていたが、それぞれ 3 つのメーカグループ（①日本電気 -表 6.5

東京電力の光端局と光中継器（1976 年開始の実
証実験用）（参考文献 19）をもとに筆者作成）

住友電工 - 日本板硝子、②富士通 - 古河電工、③日立- 日立電線）の協力を得て、1976 年初めに実証実験を開始したのである 19）20）。試験場所は、東京電力が「①
新宿変電所、②関内変電所、③田端通信所」、関西電力が「①本店～中之島センタビル間（この区間は光中継器なし）、②大阪北支店～新曽根崎制御所間、③意岐部制御所～意岐部変電所間」であった。
東京電力と関西電力の実験内容は類似しているが、ここでは代表として東京電力が用いた光ファイバケー

170

ブルの概要を表 6.4 に、光端局と中継器の概要を表 6.5

こうした実証実験を踏まえて、東京電力は 1978 年にに示した。グループ①は石英系 SI 型ファイバと日本

埼玉県の京北変電所～鳩ヶ谷変電所間 6.3km に初めての板ガラス製 SELFOC ファイバ、グループ②は石英系

光ファイバ通信の実用回線を導入するに至った。石英系

SI 型ファイバ、そしてグループ③は石英系 W 型ファ

SI 型ファイバからなるノンメタリック 2 心ファイバケー

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. Marchブル（損失 5dB/km@0.83µm）を用いて、FP-LD（光出長 0.85µm）を図 6.14 に示した 23）。帯域幅は、SI 型に

力：-5dBm 以上）と Si-APD（感度：-55dBm）による伝相応する値（平均 39.2MHz）であった。

送速度は 1.544Mb/s（6.3Mb/s に拡張可能）であった。
1980 年代に入ると、電力会社は、送電線の避雷のため、最上部に架線しているアース線内部に光ファイバを組込んだ光ファイバ複合架空地線（OPGW：
Optical fiber composite overhead ground wire） を開発し、堅固な光ファイバ通信ルートを構築していった。このような取組みにより、1985 年には、光ファ
イバ通信を主な伝送路として、社内全事業所間を 32～100Mb/s の伝送速度で結ぶデジタルネットワーク

NTT 横須賀研究所に布設した光ファイバケーブ
ルの伝送損失と帯域幅の分布を構築・運用開始し、設備の自動化、業務の機械化、（参考文献 23）をもとに筆者作成）

映像監視、テレビ会議等の急速な進展に応えていった。当時の通信自由化の動きに伴い、東京電力では1986 年から通信事業へ、2002 年からは FTTH 事業へ

図 6.14NTT
6.4 多モード光ファイバ通信システムの現場試験と商用化
6.4.1の参入を果たしていくことになる 21）。

NTT 現場試験 FR-1

前節で述べた武蔵野研究所内（1975 年）と横須賀
6.3.3

NTT 横須賀研究所での総合実験研究所内（1976 年）での光ファイバケーブル布設実

表 6.3 に記載されているように、NTT 研究所（通研）

験を経て、NTT は公衆通信用に電話局間を結ぶ本格

では、光ファイバ伝送方式の総合実験を 1976 年末に横的な現場試験 FR-1 を 1978 年に東京都心で実施した。

須賀研究所で実施した。この実用化を目指しての総合図 6.15 に試験ルートを示したが、①唐ヶ崎局 - 蔵前局

実験は 1976 年 10 月に始まり、電線 3 社に加えて NEC間（20.8km）と、②蔵前局 - 浜町局間（1.9km）であっと富士通の協力を得て、研究所内の 300m 洞道内に、

た 16）22）。それまでの SI 型ファイバに代わり、より広8km 長の 8 心光ケーブル（光ファイバ全長：8km × 8

帯域のグレーデッドインデックス（GI）型光ファイバ

心＝ 64km）が布設され、伝送速度 32Mb/s と 6.3Mb/s

ケーブルが採用され、ケーブル布設は 1978 年 3 月末の近距離用伝送システム実験が行われた。光ファイバ～8 月に行われた。区間①には、中継間隔約 5km で、心線は、MCVD 法による日本製のステップインデック

中間中継所は 3 か所、MCVD 法で作製した GI ファイ

ス（SI）型多モード光ファイバ（コア径 60µm、外径

バ 48 心のケーブルを布設し、区間②には後発の VAD

150µm、比屈折率差 0.7%）であった。布設した光ファ法で作製した GI ファイバ 8 心のケーブルを初めて採

イバケーブルの断面構造を図 6.13 に示した

22）

。日本で

用した。9 月には近距離光伝送方式（波長 0.85µm での MCVD 法の検討開始直後であったので、損失規格

32Mb/s と 100Mb/s）の初期試験をほぼ終了し、翌年は目標 5dB/km（波長 0.85µm）に設定したが、実際にの 1979 年 9 月まで安定度試験が続いた。

は電線 3 社が競い合うような状況になり、4dB/km 以
下（平均 2.95dB/km）の低損失光ファイバが納入された。ファイバ 1km 当りの伝送損失と帯域幅の分布（波図 6.13

NTT 横須賀研究所に布設した光ファイバケーブ
ルの構造
（参考文献

図 6.15

NTT 現場試験（FR-1）ルート（1978 年 3 月～）（参考文献 16）22）をもとに筆者作成）

をもとに筆者作成）

22）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

171FR-1 で使用された GI 型ファイバの仕様は、コア径に実用化可能と思われる技術のレベル、光伝送方式

60µm、 ク ラ ッ ド 外 径 150µm、 屈 折 率 差 0.015、 波 長

適用の効果を考慮して、局間中継線・近距離市外な0.85µm（発光素子は、当時研究が進んでいた GaAlAs

どへの適用を考えた近距離伝送方式が最初の実用化

系半導体レーザを主体として、一部は発光ダイオード

目標としてふさわしいと判断し、これを目指した光を使用）で、規格光損失 4.5dB/km（目標光損失 3.5dB/

伝送および光ケーブルの技術開発が行われた。このkm 以下）、伝送帯域 250MHz･km（目標 600MHz･km）

領域における当面の伝送路需要を考慮して 32Mb/以上という厳しいものであった。使用された 48 心光

s と 100Mb/s のディジタル伝送方式およびアナロ。図グ CTV 信号とディジタル信号の伝送が可能な汎用

6.17 は現場試験模様の一端であるが、当初は、光ファ伝送方式を開発した。光ケーブルについても、こイバの断線を心配して、人海戦術の手引きで洞道に光の領域での適用性を十分考慮して芯数については、ケーブルの断面構造と外観を図 6.16 に示したケーブルを引き込んだと伝わっている

24）

25）

。

8 芯と 48 芯光ケーブルを開発した。光ファイバ
は MCVD 法のグレーデッド形ファイバを中心に、MCVD 法のステップ形および VAD 法のグレーデッド形ファイバも一部使用した。装置、部品、ケーブ
ルの設計および工法については考え得るかぎり実用的条件を盛込み、オルタネートを数多く採用した。
測定器についても建設・保守上必要と考えられる一連の種類について開発を行った。
現場試験は 1978 年 3 月末から工事に着工し、9 月には伝送方式としての初期試験をほぼ終了
し、現在は、来年 9 月までの予定で安定度試験

図 6.16

現場試験（FR-1）用 48 心光ファイバケーブル（参考文献をもとに筆者作成）

24）

中である。
伝送装置、光ケーブル、測定器とも、ほとんどの項目において所期の特性を満足し、技術的には実用化に対してほとんど問題のないことが明確になった。残る大きな課題である光部品の経済化と高信頼度化および標準化についても見通しが得られつつあるので、近い将来に商用化し得るものと考える。』
参考までに、上述の島田らの技術講演予稿から、「現図 6.17

NTT 現場試験（FR-1）模様 25）

場試験系の概要」を表 6.6 に、「線路および中継器の代表的特性」を表 6.7 に、「現場試験システムの設計

FR-1 の初期試験を終えた 1978 年 12 月 5～7 日には、

目標と実現値」を表 6.8 に示した。1978 年当時の光NTT 研究所で図 6.18 の講演プログラムに沿って「光伝ファイバ通信の技術水準が伝われば幸いである。な

送シンポジウム」が開催され、「技術講演 -1 近距離光お、図 6.18 の講演プログラムの最後には「単一モー伝送方式現場試験」セッションを中心に現場試験（FR1）の模様が報告された。このセッションの最初の講演「現場試験の概要と伝送機器の特性 ････ 島田禎晉 ･ 三
木哲也 ･ 米田悦吾」の要旨は下記の通りであった。
『1976 年 か ら 1977 年 に か け て 横 須 賀 研 究 所 で行った 32Mb/s の所内伝送実験において、光ケー
ブル伝送技術は近い将来に十分実用になリ得る技術であると判断したため、次のステップとして現場環境において実用的観点に立った総合評価を下し
問題点を洗い出すとともに今後の実用化計画を明確にするために現場試験が計画された。近い将来

172

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

図 6.18

NTT 研究所「光伝送シンポジウム」（1978 年
12 月 5～7 日）ド伝送技術」関連の 3 件の講演題目が載っていて、将験 FR-2 が行われた。FR-1 と異なる点は、通信波長が来を見据えた布石が打たれていたことが分かる。

長波長 1.3µm になり、ファイバ寸法が「60/150µm」

都心での NTT 現場試験（FR-1）の総経費は 20 億円で、

か ら「50/125µm」 へ と 細 く な っ た こ と で あ る 16）。

内訳は光ファイバケーブル費用が 16 億円、端局装置代

ケーブル布設は 1980 年 1～6 月に行ない、布設ルーは 4 億円だった。光ファイバ価格は 1 心 ･1m 当り 1,390

トは、神奈川県の川崎中継所 - 下母田分室の 11.1km円に設定されていた。ちなみに東京電力が 1978 年に京と下母田分室 - ループ状ルート - 下母田分室 6.5km で北変電所～鳩ヶ谷変電所間に導入したノンメタル構造の計 17.6km であった。FR-1 で用いた 6 心ユニットを

光ファイバケーブル（光ファイバ心線は、コア径 60µm、

基本として、24 心と 48 心のファイバケーブルを製作

クラッド径 150µm の SI 型ファイバ）では、1 心 ･1m 当した。光ファイバは主として MCVD 法で製造した比り 2,000 円以上であった。当時の大容量通信の主力媒体

屈折率差Δ＝ 1% の GI 型であった。中継間隔 18kmであった 18 心の同軸ケーブルの 1 心 ･1m 当りの価格がで 100Mb/s 伝送実験を成功裡に実施し、波長 1.3µm

400 円であったので、いずれにしても初期の光ファイバ

で の 伝 送 損 失 は 0.6dB/km、 帯 域 は 1,300MHz･km

ケーブルは同軸ケーブルの 3 倍以上の価格であった

22）。

であった。参考までに、波長 0.85µm では伝送損失
2.5dB/km、 帯 域 1,100MHz/km で あ り、FR-1 で の

6.4.2

NTT 現場試験 FR-2

3.4dB/km と 800MHz/km に比べて改善された。

現場試験 FR-1 の成功を受けて、NTT では現場試
表 6.6

近距離光伝送方式現場試験（FR-1）系の概要（図 6.18 の予稿集をもとに筆者が作成）

6.4.3

NTT 公衆通信網への商用導入

FR-1 と FR-2 の成功を受けて、NTT は 1981 年に中小 容 量（32Mb/s と 100Mb/s） 中 継 伝 送 用 と し て GI
型光ファイバケーブルを用いた F-32M 方式と F-100M
方式の商用導入を決定した。方式諸元を表 6.9 に、端局 中 継 装 置 の 外 観 を 図 6.19 に 示 し た。F-32M 方 式（32Mb/s）は電話換算で 480ch、F-100M 方式（100Mb/s）は 1,440ch の伝送容量に相当していた 26）。
表 6.9

F-32M と F-100M 方式の諸元（NTT 技術史料館資料をもとに筆者作成）

表 6.7 現場試験（FR-1）用線路および中継器の代表的特性（図 6.18 の予稿集をもとに筆者が作成）

表 6.8

現場試験システムの設計目標と実現値（図 6.18 の予稿集をもとに筆者が作成）

図 6.19

F-32M と F-100M 端局中継装置（中小容量光伝送方式用に 1981 年に商用化）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

173

NTT 公衆通信網への商用導入は、Corning 社によ束していった。光ファイバの一次被覆に使っていたシる 20dB/km ファイバ発表（1970 年）からわずか 11

リコーン樹脂は水素を発生するので、紫外線硬化型樹年という早さであり、曲げることも困難で布設も大変

脂に切り替えられた 28）30）。

だったミリ波導波管に比べて、石英系光ファイバの素

結果論になるが、筆者らが MCVD 法による長波長性の良さを示していた。

帯用の単一モード光ファイバ開発と、さらに VAD 法

6.4.4

光ファイバケーブルの損失増問題の解決

による 100km 長単一モード光ファイバ開発に際して、ところが、光ファイバ通信方式の本格商用化の矢先

ガラスの軟化温度を下げる効果がある P2O5 をコアにの 1982 年 6 月に、FR-2 で布設した光ファイバケーブ

もクラッドにも添加しない SiO2-GeO2 系ガラス組成とルの伝送損失が徐々に増加していく図 6.20 のような現したことは正解であった。

象が発見された

27）28）。当時、カナダ通信研究所（CRC）に滞在中の筆者のところにも日本から国際電話があり、「原因として何か心当たりはないか？」と問われたが、思い当たることはなかった。類似の損失増現象
は、前後して KDD 研究所と英国 BTRL（英国郵政省
電気通信研究所）によっても見出されていた

29）。

6.5 単一モード光ファイバ通信システムの現場試験と商用化
6.5.1

NTT 現場試験 FR-L

NTT では、グレーデッドインデックス（GI）型光
ファイバケーブルを用いた現場試験（FR-1 と FR-2）の成功から、次の段階として単一モード（SM）光ファ
イバケーブルによる大容量伝送方式の現場実験 FR-Lが計画された 16）。当初は難しいと考えられていた単一モード光ファイバの接続も、後の 6.6 節で紹介する
ように、武蔵野研究所の基礎第 3 研究室が 1975 年頃に先鞭を付けた放電融着接続法が茨城研究所の線路研
究部や電線メーカによって改良されて、1980 年頃には単一モード光ファイバの接続も 0.1dB 以下の低接続損で実現できるようになりつつあった 17）。その頃には、基礎第 3 研究室の関心は、さらに将来寄りのコ

図 6.20

現場に布設した光ファイバケーブルで観測された光損失増（参考文献 28）をもとに筆者作成）

NTT 研究所と電線 3 社とで緊急の原因究明が行わ究に移っていて、大容量光伝送方式の実用化を目指して 1980 年からの単一モード光ファイバケーブルによる NTT 現場試験（FR-L）を担ったのは、FR-1 や
FR-2 の場合と同じく、横須賀研究所の伝送関連研究部と茨城研究所の線路研究部であった。

れ、以下の事実が判明した。
1）損失増は、光ファイバ被覆樹脂等から発生し現場試験（FR-L）ルートは、図 6.21 に示したようた微量な水素ガスが、ガラスファイバ中の Geに武蔵野研究所と厚木研究所（建設中）間の 76km 長成分の構造欠陥と結合して OH イオンを形成であり、両研究所を結ぶ総合実験網（テレビ会議等）したことによる。

の一環として、1980 年 10 月から 1982 年 6 月まで、単2）ガラス中の欠陥は、製造工程でリン（P）を一モード光ファイバを布設して波長 1.3µm で 400Mb/

使用すると著しく増加し、MCVD 法での出発

s の伝送実験（中継間隔 20km）を実施した 31）。ケー

材などに用いる天然石英ガラス管中の不純物もブル布設は八王子 - 相模原区間（18km）から始まり、損失増に影響する。

順次拡張された。

解決策が見つかるまで公表を控えていた NTT 研究

最初に布設が行われた八王子−相模原区間（図 6.21 の所であったが、線路研究部の内田直也らは 1983 年 10

C 区間）には MCVD 単一モード光ファイバが用いられた

月の国際会議 ECOC’83 の Post-Deadline セッション

が、その後の 4 区間（A、B、D、E）については完成度で発表し、世界に衝撃を与えた

174

ヒーレント光通信や半導体レーザ応用の光増幅器の研27）。しかし、リン（P）を高めてきた VAD 単一モード光ファイバが適用された。

を使わない VAD ファイバでは問題なく、水素発生量

単一モード光ファイバの仕様は、コア径 10µm、クの少ない被覆材料の開発やリン（P）を含まないガラ

ラッド外径 125µm、比屈折率差 0.26％、カットオフ

ス組成の選択などの損失増防止対策を示し、問題は収

波長 1.1～1.28µm、光損失 0.8dB/km 以下であった。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March光ケーブルは 6 心と 12 心を布設し、布設後のファイ

6.5.2

子は InGaAsP 半導体レーザ（FP-LD）、受光素子はGe-APD が用いられた。

大容量中継光伝送用 F-400M 方式の商用化と日本縦貫ルートの開通

バ損失は 0.5dB/km（1.3µm 波長）であった。発光素現 場 試 験（FR-L） の 成 功 を 受 け て、1983 年 に世界初の本格的な単一モード光ファイバ伝送方式「F-400M」が商用化された 32）33）。旭川－鹿児島間を結ぶ大容量伝送単一モード光ファイバケーブルの布設が始まり、VAD 単一モード光ファイバを用いて図 6.23に示すように総延長 3,400km の日本縦貫ルートが開通したのは 1985 年 2 月（4 月 1 日の NTT 民営化の寸前）であった。日本縦貫に使用した光ファイバは延べ
約 5 万 km で、平均損失は 0.45dB/km（波長 1.3µm）、ケーブルの心数は需要予測により区間によって変えてあった。総経費は 650 億円であったと伝わっている。

図 6.23
図 6.21

現場試験（FR-L）ルート（参考文献（通信白書昭和 60 年版をもとに筆者作成）

をもとに筆者作成）

31）

図 6.22 に 12 心の単一モード光ファイバケーブル構
造を示す

日本縦貫光ファイバ幹線網（1985 年 2 月開通）と F-400M 中継装置の外観

16）。当時の NTT の中継系ケーブルは防水の2

ために圧力 0.65kg/cm のガス保守が行われていた。

40km に 拡 張 さ れ た F-400M 方 式 の 中 継 間 隔 仕 様は、それまでの同軸ケーブルを用いた DC-400M 方式の中継間隔（1.5km）の 20 倍以上に相当した。

しかし、それまでの通信ケーブルに比べて、光ファ
イバケーブルは太さが細いので、20km の中継間隔で

6.5.3

1980 年代の大容量光伝送方式の諸元

はガス抵抗が大きくなり過ぎる問題があった。ガス抵

単一モード光ファイバケーブルを用いて 1980 年代

抗を下げるために、長手方向にスリットがあるプラスに商用化された NTT の主な光伝送方式の諸元を表

チックパイプ 2 本をケーブルに挿入して、20km 長の6.10 と し て 示 し た 26）。F-400M 方 式（1983 年 ） か ら

ガス保守を可能にした（現在の光ファイバケーブルは

F-1.6G 方式（1987 年）への進歩は、1.3µm 波長帯の防水材料を使用し、ガス保守を行っていない）。

InGaAsP 系半導体レーザを FP 型から DFB 型に変えたことに主によっている。従来の同軸ケーブル方式では 400Mb/s が限界であったが、F-1.6G 方式によって初めてギガビット通信が実現した。分散シフトファイ
バ（DSF）の新規開発に合わせて、通信波長を 1.55µmに移した「1.55µm F-400M」方式（1988 年）では、中継間隔は 80km（海底区間では 120km）に伸びている。

図 6.22

現場試験 FR-L 用単一モード光ファイバケーブ
ル構造（参考文献 16）をもとに筆者作成）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

175

表 6.101980 年代の主な NTT 大容量光伝送方式の諸元（参考文献をもとに筆者作成）

26）

模で大量に導入された。その後、分散シフトファイ
バ（DSF）と 1.55µm 波長 DFB-LD を組み合わせて、
F-400M や F-1.6G の中継間隔を 40km から 80km に拡張した方式も商用化されていった。

表 6.11 は、1987 年時点の各国の海底光ファイバ中継伝送方式の開発状況である 26）。表中の NTT の FS400M 方 式 は、F-400M 方 式 の 海 底（Submarine） 版
であり、伊豆半島近くの相模湾での布設実験（1982年から 1984 年）を経て、日本初の海底光中継伝送方

図 6.24式として、1986 年から 1987 年にかけて八戸～苫小牧、
宮崎～名護間に導入された

1990 年 3 月時点の日本縦貫光ファイバ幹線網と F-1.6G 中継装置の外観（参考文献 37）をもとに筆者作成）

34）。この FS-400M（1.3µm

波長 FP-LD を用いて 400Mb/s、中継間隔 40km）方1970 年代に入ってからのミリ波導波管から光ファ式の後継として、1.55µm 波長 DFB-LD と分散シフト

イバ通信システムへの実用化テーマの変更についてファイバ（DSF）を活用した FS-1.8G 方式（1.8Gb/s、は、少し時間を要した NTT であったが、本流になる

中継間隔 100km）が 1990 年に商用化されたことも付

単一モード光ファイバ通信システムについては、研究

記したい

35）

から実用化まで、世界の先導役を果たすことができた

表 6.11

各国の海底光ファイバ中継伝送方式（1987 年
時点の開発状況）と言える 32）33）。

。

（参考文献 26）をもとに筆者作成）

6.6 単一モード光ファイバ化を促進した光結合技術
1980 年以降、特に日本において、当初の予想よりも早く単一モード光ファイバ伝送方式の商用導入が進んだ要因の一つとして、単一モード光ファイバ同士の接続や半導体レーザとのカップリングなど、日本勢が率先して光結合技術の開発に取り組んだことを挙げる
ことができる。
6.6.1

NTT と KDD（国際電電）は、1983 年 7 月に海底1975 年当時の各種の光ファイバ接続固定法を図

光ファイバケーブル伝送方式についての技術協力協定

6.25 に示したが、1975 年 2 月の NTT 基礎第 3 研究室を締結したが、表 6.11 で KDD が担った TPC-3 方式

での古河電工製の 4 心 SI 型光ファイバケーブルの布（280Mb/s）は 1989 年に開通し、初めての太平洋横断

設実験には、（b）3 ロッド方式や（c）スリーブ方式

光ファイバケーブル方式となった

36）。

図 6.24 は F-1.6G 方 式 を 中 心 と す る 1990 年 3 月 時
点での日本縦貫光幹線網ルート図と F-1.6G 中継装置の外観である37）。F-1.6G は F-400M の 4 倍 の 伝 送 容量（電話換算 23,040 回線）を持つが、中継間隔が同一の 40km であるため、F-400M からのアップグレー
ドが容易であり、電話需要の拡大に合わせて、全国規176

光ファイバ融着接続技術

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. Marchが使われた 38）。しかし、接着剤での固定では長期信
頼性で不安が残ることから、光ファイバ先端を溶かして接続する方式の模索が行われた。

コア直視法を採用した融着接続機 FSM-20 を 1985 年に開発・製品化した。コア直視法とは、光ファイバに側方から平行光線を投射し、屈折率分布に応じて透過した前方散乱光を TV カメラで捕らえ、画像処理でコア軸を高精度にキャッチする技術であり、光ファイバ接続技術の発展に重要な役割を果たした 43）44）。近頃のコア直視型融着接続機では、標準的な単一モードファイバ（SMF）で 0.02dB、分散シフトファイバ（DSF）で 0.04dB の平均接続損の実現が可能であり、
図 6.25

現在、日本の電線 3 社が融着接続機の世界市場の約1975 年当時の光ファイバ接続法

90％を占めている。

（参考文献 38）をもとに筆者作成）

Bell 研究所は、Corning 社の 20dB/km ファイバ発表（1970 年）の翌年（1971 年）に、ニクロム線の抵
抗加熱による融着接続について報告 39） していたが、基礎第 3 研究室の土屋治彦らは、その後の主流になる
電気放電で光ファイバを加熱し融着接続する方法を発案し、1975 年に図 6.26 に示したような融着接続装置の試作を行った 38）40）。基本は、光ファイバの軸合わせを行うための V 溝と放電のための電極対であり、

図 6.26

光ファイバは V 溝に設置して微動機構で軸合わせを光ファイバの放電融着接続装置（参考文献 38）40）をもとに筆者作成）行う。土屋らは、放電電流、放電時間、電極間隔、ファイバ同士の加圧力などのパラメータを振り、1975 年
12 月の電子情報学会光量子エレクトロニクス研究会の発表時には SI 型ファイバの平均接続損が 0.28dB であると報告した。土屋らの融着接続技術は、1976 年
8 月に電線 3 社に技術移転が行われ、現場試験 FR-1
（1978 年）等を通して洗練され、実用化されていった。
土屋らの放電融着接続技術は単一モード光ファイバの接続にも適用され、1977 年 2 月に開催された第 2 回光図 6.27

ファイバ通信国際会議（OFC’77）に投稿された Post-

光ファイバ融着接続機の進化

Deadline 論文「H. Tuchiya and I. Hatakeyama,“Fusion
Splices of Single-Mode Optical Fiber”」は、第 1 位で採択され、世界中に大きなインパクトを与えた

41）42）。

6.6.2

光ファイバコネクタ技術

光ファイバ通信装置を構成するには、融着接続のよ第 4 章以来、何回も引用することになるが、1978 年

うな永久接続（スプライシング）技術に加えて、自在に基礎第 3 研究室が実施した単一モード光ファイバをに着脱可能な光ファイバコネクタが必要である。基礎

用いての 1.3µm 帯での零分散伝送実験では、茨城研究

第 3 研究室の土屋らは、まだ光ファイバコアの偏心所で筆者らが作製した MCVD 単一モード光ファイバ率が大きかった 1975 年に、図 6.28a のような断面構

10 本（カットオフ波長調整を優先したために外径が造をもつ調心型の 2 重偏心光コネクタを試作した 17）。

個々に異なっていた 10 本）を 9 カ所で巧みに放電融

内側偏心管と中間偏心管を回転させると、光ファイバ

着接続して 11km 長の伝送路としていたのである。

コアの中心は、図の点群の領域内の任意の位置に移動

基 礎 第 3 研 究 室 の 土 屋 ら の 1975 年 の 試 作 機（ 図でき、コアの中心を外側偏心管の外径の中心に軸合わ

6.26）を起点とする融着接続機の進化の一端を図 6.27

せできる。接続損失はフレネル反射を含めて 0.5dB でに示した。単一モード光ファイバの低損失接続には、あった 45）。2 重偏心機構は 1978 年には単一モード光

特に高精度のコア軸合せが必要になるが、藤倉電線

ファイバ用にも拡張された（図 6.28b）46）。

（現フジクラ）は、NTT との共同研究により世界初の石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

177

初期の FC 形光コネクタは、フェルール端面が平面研磨でファイバ端面間に空隙が存在したため、反射戻り光を抑制するためにはフェルール端面に屈折率整合剤を塗布する必要があったが、伝送容量の増大に伴い、より反射が少なく損失ばらつきの小さい光コ
ネクタが求められるようになり、図 6.30 のような PC
図 6.28

二重偏心光ファイバコネクタ（参考文献 45）46）をもとに筆者作成）（Physical Contact）接続と呼ばれる新たな接続方法が開発された 48）49）。

上記の 2 重偏心光コネクタは、出射光をモニタしながらの調心が必要であったが、1979 年になると、横須賀研究所の鈴木信雄らによって、調心を必要としない図 6.29 の画期的な単一モード光ファイバコネク
タが開発され、「FC 形光コネクタ」と命名された。
“Fiber Connector”の頭文字をとった FC 形光コネク
タは、①光ファイバを固定する微細孔が正確に中心に開けられた精密フェルール、

図 6.30Physical Contact（PC）技術② 2 本のフェルールを割りスリーブを用いて整列する手法、

FC 形光コネクタは脱着に際して回転が必要であっ③プラグおよびアダプタハウジング内でフェルー

たが、1980 年代の後半には、回転が不要な SC 形コネ

ルとスリーブがフロートしており、フェルール

クタが NTT 研究所の杉田悦治らによって開発されてどうしの接続部が外力の影響を受けない構造

世界標準に発展していった 50）。SC 形コネクタの構造【2 重嵌合（かんごう）構造】、

を図 6.31 に示したが、プッシュプル方式を採用し、カの 3 点が大きな特徴であった

47）48）。

チッとプラグを差し込むだけで着脱可能である。SC
の名称は“Single fiber Coupling”からとっている。

図 6.29F-400M 用に開発された FC 形光コネクタ（参考文献

図 6.31をもとに筆者作成）

47）48）

世界標準になった SC 形光コネクタ（参考文献 50）をもとに筆者作成）

単一モードファイバは光信号が通るコアの直径がFC 形 や SC 形 の フ ェ ル ー ル 外 径 は 2.5mm で あ る

10µm 程度と小さいため、接続する双方の光ファイバ

が、1990 年 代 に 入 る と、 フ ェ ル ー ル 外 径 を 半 分 のを 1µm 以下の精度で位置決めする必要があるが、FC

1.25mm とした小型の MU 形光コネクタが開発され、形光コネクタは上記の基本構造によって、繰り返し着高密度実装が必要な光通信装置類のバックプレーン光脱を行っても接続損失のばらつきが少なく、運用中にコネクタとして普及していった 48）49）。MU の名称は

光ケーブルに外力が作用しても安定な性能を維持する“Miniature Universal coupling”に由来する。

ことができた。FC 形光コネクタは、「F-400M 方式」に採用され、上述①②③の基本構造は、現在標準的に使用されている単一モードファイバ用単心系光コネク
タのすべてに引き継がれている。

178

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

6.6.3

半導体レーザ（LD）モジュール技術

多モード光ファイバに比べてコア径が小さい単一モード光ファイバ通信システムの実用化に際しては、

半導体レーザ（LD）との光結合が重要であり、結方式用 DFB-LD モジュール（光アイソレータ内蔵）

合レンズ等を組み込んだ LD モジュールの開発が、の外観写真例を示した 51）。

NTT 横須賀研究所の猿渡正俊らによって行われた。
表 6.12 は、猿渡が区分した単一モード光ファイバ用
LD モジュール構造の変遷である 51）。
表 6.12 単一モード光ファイバ用 LD モジュール構造の変遷（参考文献 51）をもとに筆者作成）

図 6.32

単一モード光ファイバ用 LD モジュール例 51）

本節で概説したような光ファイバ接続技術や LD モ
ジュール構成技術の考案と改良により、日本では世界に先駆けての幹線系への単一モード光ファイバ通信シ
ステムの導入が行われ、その勢いは加入者系への単一モード光ファイバ導入にまで及ぶことになる。

6.7 加入者系への光ファイバ導入努力
6.7.1

加入者系への多モード光ファイバ導入の試み

家庭を巻き込んでの早期の光ファイバ利用実験として、通商産業省のリードで 1978 年から 1986 年まで実施された Hi-OVIS（Highly-interactive Optical Visual
Information System）プロジェクトを挙げることができる。Hi-OVIS は、奈良県東生駒を実験フィールド
1978 年以前には、多モード光ファイバ用の LD モ

として、家庭（約 300 加入）や公共施設と実験センタ

ジュールは試作されていたが、単一モード光ファイバの間に光ファイバケーブルを布設し、双方向の映像利用については、光学定盤上で精密な微動台を用いて用実験を行うというプロジェクトであった 52）。使用

LD チップとの結合実験が行われていた（表 3 の第 0された光ファイバケーブルは、低損失石英ガラスコア世代）。その後、第Ⅰ世代、第Ⅱ世代と改善が進めら（直径 150µm）と光学的低損失プラスチッククラッド

れ、猿渡正俊らが本命となる第Ⅲ世代用の共焦点複合（直径 350µm）からなるステップインデックス（SI）

レンズ系を考案したのは 1980 年であった。LD チッ型光ファイバ心線を最多 36 心まで束ねたもので、実プを内蔵している TO-CAN パッケージの窓材を含め験に使用した光ファイバは単心換算にして約 350km

た結合光学系に反射防止膜加工を施して反射光が実効であった。発光素子は、0.83µm 波長の LED、受光素

的に LD チップに戻らないようにした。この第Ⅲ世代

子は Si-PIN-PD であり、映像信号、音声信号、データの光結合方式は装置メーカに技術開示され、1.3µm 波

信号を周波数分割多重して伝送した。

長 FP-LD モジュールとして F-400M 方式（商用化開Hi-OVIS は、世界で初めて大規模な光ファイバ通信

始 1983 年）に採用された。LD チップと単一モード

技術を取り入れた完全双方向機能を持った映像情報シス

光ファイバとの光結合効率は−3～−5dB で、その温テムであり、昭和天皇のご来訪を含めて、国内外から度変化は 5～50℃の範囲で 0.5dB 以下であった。

の 3 万 5 千人もの見学者が訪れた。そこで実現されたコ

さ ら な る 伝 送 速 度 の 向 上 を 目 指 し て、FP-LD のミュニティは、未来学者アルビン・トフラーの有名な著

代わりに単一波長で発振してコヒーレンス性の良い書「第三の波、The Third Wave（1980）」で未来社会

DFB-LD が使われるようになると、遠方からの微弱の一例として紹介されるなど、高い関心を集めた。

な反射戻り光でも特性が劣化するため、光アイソレー

一方、NTT 研究所では、1979 年頃から加入者系（現タを内蔵した第Ⅳ世代 LD モジュールが開発され、在のアクセス系）における光伝送方式の本格開発がス

F-1.6G 方式（商用化開始 1987 年）に採用された。図

タートした。加入者系においては、多重化による経済効6.32 に、F-400M 方 式 用 FP-LD モ ジ ュ ー ル と F-1.6G

果の発揮が難しく、①施工法を含めて光ファイバ通信方

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

179

式の徹底的な低コスト化と、②光ファイバならではの高速広帯域サービス提供が必要とされた。しかし、加入者系への光ファイバ導入を検討し始めた 1980 年当時は、

表 6.13

GI 型多モード光ファイバを用いた 1980 年代のNTT 光加入者方式の現場実験例（参考文献 54）等をもとに筆者作成）

上記①②のいずれも満足できる状況になく、以下で概説するように、模索と試行実験の時期が続いた 53）。
伝送距離が長くない加入者系（通常は 7km 以内）
では、「接続が容易であることが最優先」との観点か
ら、まずはコア径が大きいグレーデッドインデックス（GI）型多心光ファイバケーブルが開発された。この
光ケーブルは、直径 0.9mm の単心光ファイバ心線を集合し、最大 100 心まで収容したものであった。
さらに多心の加入者用光ケーブルの開発が、大都市での需要の増大を想定して行われ、1986 年には 5 心の光ファイバテープ心線をプラスチックのロッドに設けた溝（スロット）に積層して収容したスロットロッ
ド型光ファイバケーブルが実用化された。このテープ
心線は、単心光ファイバ心線を横一列に並べ、それらをプラスチックによって一括して被覆して形成したもので、光ファイバを高密度にケーブル化できるとともに、複数の光ファイバを一括で接続できる特徴を持っていた。この構造により、図 6.33 に示したように、
1986 年には 200 心ケーブルが、翌 1987 年には 600 心の高密度ケーブルが開発された。

図 6.34

三鷹 ･ 吉祥寺地区ルート図 55）

上記 2）の INS モデルシステム実験（1984 年開始）
での加入者光ケーブル網構成の概要を図 6.35 に示したが、光ファイバ総長 3,400km、300 加入者の規模であった 56）。光源には FP-LD を用いての 4 波多重（下り 0.89µm と 1.2µm、上り 0.81µm と 1.3µm）により、映像双方向伝達、付随音声、映像分配、高速デジタル
双方向サービスが提供可能であった。図 6.36 は、4 波
長多重用合分波器の構成図と内部写真である 57）。
図 6.33送方式」実験（1986 年開始）は、徹底的な経済化を苦心が続いたのは、光ファイバでなければ提供での 3 波長多重）を採用し、図 6.37 に示したように、おきないような高速広帯域サービスの開拓であり、表客様にアナログ映像 2 チャンネルと ISDN 回線を合わ

6.13 には、1980 年から 1988 年にかけて実施された GI

せて提供する試みであった 58）。図 6.38 は、従来の個ファイバケーブルを用いての NTT 現場実験例

別光部品モジュールに代えて、新たに開発された受発

狙って LED 光源（下り 0.88µm と 0.78µm、上り 1.3µm1）横須賀・吉祥寺実験「特定加入者光伝送方式」、

光素子と 3 波多重用合分波器を単一アルミナ基板上に2）INS モデルシステム実験（三鷹 ･ 吉祥寺）
「汎

配置した一体化モジュールの構成図である 59）。

用加入者光伝送方式」、

複合光加入者伝送方式は、経済性に優れた方式選

3）丸の内実験「複合光加入者伝送システム」の概要を示した54）

定、デバイスの小型 ･ 経済化、高密度多心光ファイバ。図 6.34 は、上記の 1）と 2）を通ケーブルの開発など、実用化を強く意識した最初の加じて実験場になった三鷹 ･ 吉祥寺地区の布設ルート図

入者系向けシステム開発であったが、当時の郵政省と

である

180

上記 3）の東京 ･ 丸の内地区での「複合光加入者伝

高密度加入者光ファイバケーブル（GI 型 200 心と 600 心）55）の間で微妙な問題となっていた通信と放送の境界問題。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March一般家庭への光ファイバ導入（FTTH）が直ぐに進むことはなかったが、NTT は 1988 年 10 月に、それまでのグレーデッドインデックス（GI）型多モード光ファイバに代わって、加入者系にも単一モード（SM）
光ファイバを導入するとの重要な決定を行った 16）53）。
この決定の背景には、●偏心の極めて小さい SM ファイバが、VAD 全
合成法により量産可能になり、単一モード光ファイバの接続損失が GI ファイバ並みになったこと、● SM ファイバの製造コストが、ゲルマニウム（Ge）
図 6.35INS モデルシステムにおける加入者光ケーブル
網構成の概要 56）

添加量の多い GI ファイバより安くなったこと、● SM ファイバであれば、将来にわたって光ファ
イバケーブルを引き直すことなく、光送受信装置を更新するだけで、より広帯域なサービスを提供できること、●中継系との光ファイバ統一による量産効果も期待できること、

図 6.36 INS モデルシステム実験用 4 波長多重用合分波器（参考文献 57）をもとに筆者作成）に触れるものだとの判断から、実用化を見合わせることになった。しかし、「複合光加入者伝送方式」の実用化の見送りは、伝送容量に制約のある多モード光
ファイバケーブルを加入者系に大量に導入せずに済んだことになり、長い目で見ると、むしろ賢明な見送りだったと言えよう。
6.7.2

加入者系にも単一モード光ファイバを導入す

図 6.38

ることを決定複合光加入者系用一体化モジュール例（参考文献 59）をもとに筆者作成）

図 6.37

複合光加入者システム構成例（東京 ･ 丸の内実験）（参考文献 58）をもとに筆者作成）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

181

があった。この判断により、光ファイバケーブルを引き直すことなく、将来にわたって、より広帯域なサービスを提供できる基盤が整えられていった。
上記の決定に沿って、1989 年に、単一モード（SM）
光ファイバを適用した 4 心／8 心光ファイバテープ
により構成された最大 1,000 心の加入者系光ファイバ
ケーブルが開発され、その後の加入者系の光化のための中心的なケーブルになった。単一モード光ファイバへの移行に際して、それまでの 5 心テープから 4 心
テープへの変更が行われたが、テープ状の伝送線で

図 6.40は、往復のとれる偶数の方が扱い易かったのである。

テープファイバの一括融着接続技術（参考文献 43）をもとに筆者作成）

図 6.39 は加入者系用に開発された 100 心と 1,000 心の単一モード光ファイバケーブル構造例である 16）。
光加入者系（光アクセス系）の経済化のために必要な単一モード光ファイバの多心一括接続技術として、
図 6.40 のようなテープファイバの一括融着接続技術 43）と、図 6.41 のような高精度プラスチック成形技術による一括コネクタ接続技術（MT コネクタ）48）49）が 1987
年に開発された。どちらも VAD 全合成化による単一モード光ファイバのコアの低偏心化なくしては実現困
難な接続技術であった。ここで MT コネクタは着脱回数の少ない場所での使用を前提として開発されたもので、出来る限り簡易で小型な構造を採用し、接続端面

図 6.41（参考文献 48）49）をもとに筆者作成）で生じる反射戻り光は、屈折率整合剤を用いることで経済的に抑制している（註４）。

テープファイバ用多心コネクタ（MT コネクタ）

1990 年 代 に 入 る と、 表 6.14 に 示 し た よ う に 単
一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ を 用 い た 1）
「VI&P 総 合 実
験 」（1991.4 ～ 1994）、2）「 京 阪 名 実 験 」（1994.3 ～
1995）
、3）
「マルチメディア共同利用実験」（1995.9～
1998）などが実施された 60）。1 本の光ファイバを途中に光スプリッタを介して複数のユーザで共有する
PDS（Passive Double Star）網、別名 PON（Passive
Optical Network）システムの実験も行われた。しか表 6.14

図 6.39

加入者系単一モード光ファイバケーブル構造（100 心および 1000 心）（参考文献 16）をもとに筆者作成）（註４）その後、屈折率整合剤を不要とするために、MT フェルールの端面を 8 度の斜め研磨面として、反射戻り光を抑制するとともに、その面から光ファイバ端面をわずかに突き出した状態に研磨することによって、光ファイバ端面同志の密着接続を容易にした MPO（（Multi-fiber Push On）コネクタが開発された。SC コネクタのようなプッシュプル構造を採用した MPO
コネクタは着脱が容易であり、今日ではデータセンタ内の装置
間の光ファイバ配線にも多用されている 48）。

182

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

単一モード光ファイバを用いた光アクセス方式
現場実験例（参考文献 60）等をもとに筆者作成）

し、ビジネスユーザ向けの光ファイバによる専用線

10）T. Matsuoka, T. Nagai, Y. Itaya , H. Noguchi, Y.

サービスや、遠隔に集中している加入者に対して複数

Suzuki, and T. Ikegami,“CW operation of DFB-のメタル回線を（加入者には見えない形で）光ファ

BH GaInAsP/InP lasers in 1.5 mm wavelength

イバで集約する CT/RT（Central Terminal/Remoteregion,”Electron. Lett. Vol. 18, pp. 27-28, 1982.

Terminal）方式の導入などは別として、一般家庭へ

11）浜松ホトニクス：「光半導体素子ハンドブックの光ファイバ導入（FTTH：Fiber-to-the-Home）は、

第 8 章 LED」，https://www.hamamatsu.com/

1990 年代でも依然として時期尚早であった。

resources/pdf/ssd/08_handbook.pdf

一般家庭向けの FTTH サービスが本格化するには、
上記 1）2）3）等の実験を通じて、経済的な PDS（別12）小山二三夫：「面発光レーザーの進展」，応用物理，
Vol.84，No.12，pp.1078-1085，2015．

名 PON）技術の開発と標準化を進めつつ、インター

13）ファイバーラボ株式会社：「フォトディテクタ

ネットの登場による光ブロードバンドアクセス需要（光検出器）とは」，https://www.fiberlabs.co.jp/

が実際に立ち上がる 2000 年代に入るまで待つ必要が

about-pd/

あった

61）

。

その間にも光ファイバの経済化努力が続けられ、1990 年代後半には、標準的な VAD 単一モード光ファ
イバの素線価格として、NTT 念願の「1 心・1m 当り
10 円」目標が実現されたことを特記したい。

14）竹村浩二：「光モジュール―パッケージ技術」，エ
レクトロニクス実装学会誌，Vol.1，No.4，pp.317320，1998.
15）株式会社光響：「Optipedia，ファイバーカップ
ル LD の 構 成 」，http://optipedia.info/lsourceindex/fiberlaser-index/fiberlaser-basic/fl-

参考・引用文献

components/pump-ld/

1） 池上文夫：「最近の大容量伝送方式」，電気学会雑16）村田浩，小泉健，新関暢一：「光ファイバの歴史

誌，Vol.92，No.12，pp.1214-1222，1972．

開拓者たちのメモアール」，工業通信，2001．

2） 野田健一（編著）：「光ファイバ伝送」，電子通信

17）光通信基礎研究調査会 ,“光ファイバ通信実用化

学会，1978.12.15 発行．
3） 末松安晴，伊賀健一（共著）：「光ファイバ通信入門（改訂 5 版）」，オーム社，2017．
4） 米津宏雄：「光通信素子工学 －発光・受光素子－」，工学図書株式会社，1984.

研究の夜明け前－ NTT 基 礎 3 研 の 足 跡 － ,”サイバー出版センター, 2016.10.
18）島田禎晉，山縣淳：「光ファイバ ･ ケーブル通信とは」，月刊ビジネスコミュニケーション，1977
年 1 月号（同誌 2016 年 2 月号に復刻版を掲載）．

5） 大橋弘美：「半導体レーザ： 研究開発経緯と今

19）青木文雄，安藤洪哉，深津啓典：「III. 電力用光

後の展開」
，OPTRONICS（2011）No.2，pp.137

ファイバ通信方式（東電・関電における電力用-144.

光ファイバ通信試験）」，電氣學會雜誌，Vol.96，

6） 児玉聡，石橋忠夫：「フォトダイオード： 研究開
発の歴史と今後の展開」，OPTRONICS（2011）
No.3，pp.131 -135.
7） 山 田 博 仁： 東 北 大 学 で の 講 義 資 料「 コ ミ ュ ニ

No.12，pp.1079-1083，1976.
20）深津啓典，内藤正一：「電力会社における光ファ
イ バ ー の 応 用 」， テ レ ビ ジ ョ ン，Vol.31，No.9，
pp.706-711，1977.

ケ ー シ ョ ン 工 学 B」
，http://www5a.biglobe.

21）加藤高昭：「夢の電力用通信の実現」，映像情報

ne.jp/~babe/8） K. Oe, S. Ando, and K. Sugiyama,“1.3 µm cw

メ デ ィ ア 学 会 誌，Vol.59，No.11，pp.1638-1641，
  

operation of GaInAsP/InP DH diode lasers at22）枡野邦夫：「光ファイバ物語～汗と涙でたどりつ

room temperature,”Jpn. J. Appl. Phys., vol.16,

いた光ケーブル現場試験」，サイバー出版セン

pp.1273-1274, 1977.

ター，2014 年 12 月発行．

9） J. Yamada，M. Saruwatari，K. Asatani，H.
Tsuchiya，A. Kawana，K. Sugiyama，and T.

2005.

23）加藤嘉則：「第 3 章 公衆通信」，電氣學會雜誌，
Vol.97，No.11，pp.1005-1009，1977.

Kimura：“High-speed optical pulse transmission24）新関：「電気通信研究所における光学結晶と光at 1.29-µm wavelength using low-loss single-

ファイバの研究開発」，通研実報，Vol.32，No.7，

mode fibers,”IEEE J. Quant. Electron.，Vol.14，

pp.1429-1476，1983.

No.11，pp.791-800，1978.

25）平井正孝：「電気通信物語－光ファイバケーブ

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

183

ル編（その 5）－」
，電気通信，第 59 巻 1 月号，
26）中川清司：「光ファイバ通信の公衆通信への応用」，

39）D.L. Bisbee：“Optical fiber joining technique,”テ レ ビ ジ ョ ン 学 会 誌，Vol. 42，No.3，pp.263-

Bell Syst. Tech. J., Vol.50, No.10, pp.3153-3158,

270，1988．

1971.

27）N . U c h i d a , N . U e s u g i , Y . M u r a k a m i , M .

40）N. Kashima and H Tsuchiya, “Early days

Nakahara, T. Tanifuji, and N. Inagaki：“Infraredof fusion splice developments,” IEICE

loss increase in silica optical fiber due toCommunications Society - GLOBAL

chemical reaction of hydrogen,” Proc. 9th

NEWSLETTERS, Vol.35, No.3, pp.2-5, 2011.
41）H. Tuchiya and I. Hatakeyama,“Fusion Splices

ECOC, pp.525-528, 1983.
28）内田直也：「水素による光ファイバ損失増の発見と防止策の確立－最悪のシナリオを際どく回避－」，電子情報通信学会，通信ソサイエティマガ
ジン，Vol.7，No.1，pp.72-79，2013.
29）K. Mochizuki, Y. Namihira, and H. Yamamoto：for Single-Mode Optical Fiber,”OFC Technical
Digest -II, PD-1, Feb. 1977.
42）I. Hatakeyama and H. Tsuchiya,“Fusion Splices
for Single-Mode Optical Fibers,”IEEE JQE-14,
No.8, pp.614-619, 1978.

“Transmission loss increase in optical fibres

43）川西紀行：「融着技術：技術開発の歴史と今後のdue to hydrogen permwation,”Electron. Lett.,

動向」，OPTRONICS（2011），No.5，pp.12-117．

Vol.19, No.18, pp.743-745, 1983.
30）真田和夫：「光ファイバの水素劣化とそのメカ
ニ ズ ム 」
，New Glass，Vol.4，No.1，pp.57-61，

44）小沼朋浩：「光ファイバ融着接続の基礎と最新技術」，電子情報通信学会 OCS 研究会 30 周年記念講演会，2017.7.28．
45）H.Tsuchiya, H.Nakagome, N.Shimizu, and1989.
31）福富秀雄：「電気通信開発物語 －光ファイバケー

S.Ohara：“Double eccentric connectors for

ブル編（その 1）－」
，電気通信，58 巻 9 月号，

optical fibers,”Appl. Opt., Vol.16, No.5, pp.1323-

pp.33-48，1995．

1331, 1977.

32）島田禎晉：「シングルモードファイバを使った日46）発見と発明のデジタル博物館：「単一モード光本縦貫光伝送システムの完成（前編）」, 映像情ファイバコネクタ（専門向け）」，登録番号 861，

報メディア学会誌 , Vol. 59, No.12, pp.1792-1794,

https：//dbnst.nii.ac.jp/pro/detail/861．
47）N. Suzuki, M. Saruwatari, and E. Sugie：“Ceramic

2005.
33）島田禎晉：「シングルモードファイバを使った日

capillary connector for 1.3µm single-mode

本縦貫光伝送システムの完成（後編）」, 映像情fibres,”Electron. Lett., Vol.15, No.25, pp.809-811,

報メディア学会誌 , Vol. 59, No.12, pp.1795-1799,

1979.
48）長瀬亮，保苅和男「世界に誇れる研究開発成果

2005.
34）H. Fukinuki, T. Ito, M. Aiki, Y. Hayashi：“The FS-400M submarine system,”Journal ofLightwave Technology, Vol.2, No.6, pp.754-760,

光コネクタ」，NTT 技術ジャーナル（2007.12），
pp.74-78.
49）長瀬亮：「光コネクタ：光通信技術の発展を支え た 研 究 開 発 の 歴 史 」，OPTRONICS（2011），

1984．
35）雨宮正樹，四十木守，河西宏之：「ギガビットNo.4，pp.196-203．

海底光中継伝送方式（FS-1.8G）の設計と特性」，

50）杉田悦治：「日本発の光コネクタ技術（SC コネク

電 子 情 報 通 信 学 会 論 文 誌，Vol.J77-B-I，No.5，

タ）が世界標準に」，電子情報通信学会通信ソサイ

pp.366-376，1994．

18438）土屋治彦：「光ファイバの接続」，テレビジョン学
会誌，Vol.32，No.4，pp.296-300，1978.

pp.45-60，1996．

エティマガジン，Vol. 9，No. 2，pp.116-122，2015．

36） 秋葉重幸：「長波長レーザの開発と大容量光海底ケー51）猿渡正俊：「LD モジュール：大容量光伝送方式

ブルの実用化」，電子情報通信学会，通信ソサイエの進展を支えた研究開発の歴史」，OPTRONICS

ティマガジン，No.23〔冬号〕，pp.210-217，2012．

（2011）No.7，pp.141-148.

37）特集「電話事業 100 年を迎えて -- 大容量化，長52）川畑 正大，厚主 健一：「映像情報システムへのスパン化を完成した光伝送方式の第 1 期」，NTT

光 通 信 の 応 用 」， レ ー ザ ー 研 究，Vol.5，No.3，

技術ジャーナル（1990.10），pp.14-15．

pp.20-26，1977.

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March53）上野谷拓也，冨田茂，佐藤公紀：「光ファイバを

No.3，pp.487-501，1984．

アクセス網に導入するために―光ケーブル多心58）太田紘一，宮守良夫，吉屋勉，瓜田一幾，前田稔：化の歩み―」，電気通信，Vol.71，No.733，pp.36-「光加入者線伝送システム」，日立評論，Vol.69，

41，2008．

No.11，pp.1025-1030，1987．

54）佐野浩一：「光加入者システムの開発動向」，テ59）NTT 中央電気通信学園：「エレクトロニクス技術

レビジョン学会技術報告，Vo.14，No.34，pp.1-6，

光ファイバコース（D041）」テキスト，1989 年 7

1990．

月．

55）小山正樹，石尾秀樹，二瓶文博，坂本光：「広帯60）川 瀬 正 明：「 光 フ ァ イ バ を ア ク セ ス 網 へ～

域専用および閉域加入者光伝送方式現場試験の

FTTH 1000 万 加 入 の 道 の り ～」，映像情報メ

概要」，研究実用化報告，Vol.33，No.3，pp.415-

ディア学会技術報告，Vol.32，No.52，pp.99-104，

425，1984．

2008．

56）島田禎晉：「加入者系光通信方式の概要」，研究実
用化報告，Vol.34，No.7，pp.1049-1056，1985．
57）佐野浩一，藤井洋二，箕輪純一郎：「加入者光伝61）三木哲也：「光アクセスのこれまでとこれから」，
電子情報通信学会誌，Vol.99，No.7，pp.638-643，
2016．

送方式用光合分波器」，研究実用化報告，Vol.33，

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

185

7｜その後の発展概要

前章では、初期の光ファイバ通信システム実験と商用化努力について報告したが、光幹線系について図を示したエルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA：
Erbium-Doped Fiber Amplifier）の開発である 1）。

は、その後の技術革新による伝送容量の向上が続き、難関のアクセス系の光化（FTTH）についても 2000
年代に入って本格化することになる。しかし、前章に続いて今日まで約 30 年間の技術発展の全容を網羅することは、紙面の制約と筆者の能力範囲を超えてしまいそうである。そこで本章では、1）光幹線系の伝送容量の飛躍的な進展、2）PON（Passive Optical
Network）技術による FTTH 実現、3）光ファイバ通信網を支えている石英系プレーナ光波回路技術の三点に絞って、概要のみを報告する。

7.1 光幹線系の伝送容量の飛躍的な進展

図 7.2

エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）

ネ オ ジ ウ ム（Nd） や エ ル ビ ウ ム（Er） な ど の 希
土類イオンをガラスに添加すると増幅や発振機能が今日までの幹線系の商用光ファイバ通信システムのあ る こ と は 1960 年 代 前 半 に E. Snitzer（American

進展模様を図 7.1 に示した。1980 年代までの進展は、

Optical 社）によって報告されていたが、低損失な石

主に多モード光ファイバから単一モード光ファイバへ

英系光ファイバ誕生前であり、大きな話題になることの移行と、DFB-LD や分散シフトファイバ（DSF）のはなかった。1987 年になって、英国 Southampton 大

採 用 を 含 め て の 時 分 割 多 重（TDM：Time-Division

学の D.N. Payne らが、Er イオンを添加した石英系単Multiplexing） 技 術 の 向 上 に よ る も の で あ っ た。 そ一モード光ファイバを Ar イオン励起 DCM 色素レーの後の進展も目覚ましく、1990 年代には①光ファイ

ザで励起し、光ファイバ損失の最小になる 1.55µm 帯

バ増幅器と②高密度波長多重（WDM：Wavelength-での増幅結果を発表した 2）。1989 年には、NTT 研究

Division Multiplexing）技術の開発、2000 年代には③所の中沢正隆らによって小型の半導体レーザ（LD）

位相変調方式の導入、さらに 2010 年代に入っての④デ励起の EDFA が開発され、さらに萩本和男らによっ

ジタルコヒーレント光送受信技術の適用により、今日て図 7.3 のシステム構成での 212km 無中継伝送実験

では単一モード光ファイバ 1 本当たり、10Tb/s 級の伝が報告され、EDFA の有用性が実証された 3）4）5）。

送方式が商用化されている。1987 年の 1.6Gb/s と比較すると、30 年間で約 4 桁の容量アップに相当する。

図 7.3 LD 励起光ファイバ増幅器を用いての世界初の長距離伝送実験（1989 年 NTT）
（参考文献 4）をもとに筆者作成）

EDFA を用いて NTT 幹線系に商用導入された代表
図 7.1

商用光ファイバ通信システムの進展的な光ファイバ通信システムは、1996 年に商用化された FA-2.4G 方式（2.4Gb/s）と FA-10G 方式（10Gb/

7.1.1

光ファイバ増幅器の登場

1990 年代からの光ファイバ通信システムの飛躍的な発展をもたらした最大の技術革新は、図 7.2 に概念

186

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. Marchs）であり、・ 光 源 は 1.55µm 帯 DFB-LD と 外 部 変 調 器（LiNbO3 変調器）の組み合わせ、

・光ファイバは分散シフトファイバ（DSF）、・80km 間隔で配置した「線形中継器」としての
EDFA で光増幅、・電気信号に戻して波形を整える「再生中継器」の間隔は、FA-2.4G 方式で 640km、FA-10G 方式では 320km であった 6）。
7.1.2

高密度波長多重（Dense WDM）通信

エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）が、さらに真価を発揮したのは、図 7.4 に示すように 1.55µm
波長帯で高密度に波長多重（WDM）された複数の信号光の一括増幅であった 7）。高密度 WDM での波
長 間 隔 は、ITU（International Telecommunication

図 7.5

各種単一モード光ファイバの分散特性Union） 標 準 に な った光周波数グリッドに沿っ て、
100Hz 間隔（波長間隔～0.8nm）や 50GHz 間隔（波長間隔～0.4nm）に設定するのが通例であった。

さらに太洋を横断するような長距離系では、波長分散の符号が異なる 2 種類のファイバを交互に接続して、局所的な波長分散は非零（Non-Zero）として四光波混合を抑制しながら、伝送路全体としての波長分
散累積値を零に近づける分散マネージメントファイバ（DMF：Dispersion Management Fiber）手法が開発され、KDDI 等による太平洋横断光ファイバ通信シス
テム TGN-P（2003 年開通、10Gb/s × 64 波）や Unity（2010 年開通、10Gb/s × 96 波）に適用された 8）。
そ の 一 方 で、 事 業 現 場 へ の DSF 導 入 で 先 行 して い た NTT で は、 布 設 済 み の DSF を 活 用 す る た

図 7.4

高密度波長多重（WDM）通信の概念図

め に、 こ れ も 図 7.5 に 記 載 し た よ う に、 通 常 の C（Conventional）帯（1.53～1.56µm）に比べて長波長

高密度 WDM 通信方式の実用化に際しては、FA-側に寄った L（Longer）帯（1.57～1.60µm）で動作す

2.4G（2.4Gb/s）や FA-10G（10Gb/s）方式のような単る GS-EDFA（Gain-Shifted EDFA）を開発し、2000

一波長での高速 TDM 伝送では問題にならなかった非年 商 用 化 の 2.4Gb/s × 48 波（ ＝ 115.2Gb/s） 方 式、

線形光学現象（四光波混合）を抑制するために、波長2003 年商用化の 10Gb/s × 80 波（＝ 800Gb/s）方式、

分散制御技術の見直しが行われた。ここで四光波混合2007 年 商 用 化 の 40Gb/s × 40 波（ ＝ 1.6Tb/s） 方 式とは、2 つ以上の異なった波長の光をファイバ中に入に適用した 9）。

射した際に生じ、新たな波長の光が発生する現象であ

日本に比べて分散シフトファイバ（DSF）導入がり、1.55µm 帯に零分散波長をシフトした分散シフト

遅れていた北米では、TDM 技術による 2.5G/s からファイバ（DSF）で特に顕著となり、問題点として浮10Gb/s への伝送容量アップが困難であったが、逆に上した。零分散波長近傍では、高密度 WDM 信号パル

四光波混合に煩わされることがない標準的な単一モース群が長距離にわたって揃ったままの状態で一緒に伝ド光ファイバを用いた高密度 WDM 通信（2.5Gb/s ×

搬するので、四光波混合が生じ易い事情があった。

N 波）方式の導入が、日本より早い 1995 年頃から始波長分散制御の見直し策の一つとして、図 7.5 にまり、波長数 N は、図 7.6 に示すように急速に増えて示すように、1.55µm 波長帯で零ではない適度な分散いった。1 本の光ファイバ伝送路の伝送容量を一挙にを有する非零分散シフトファイバ（NZ-DSF：Non-

N 倍（N ＝ 4、8、16、32、･･･）にしてしまう高密度

Zero Dispersion-Shifted Dispersion Shifted Fiber）

WDM 技術の威力は“魔法”のようであり、インターが開発された。DSF に比べて、プラス側に非零化しネット登場によるブロードバンド需要増への期待感のた「Positive NZ-DSF」と、マイナス側に非零化した高まりとともに、投機の対象にもなった。やがて過剰「Negative NZ-DSF」が用意された。

投資状態に陥った北米ネットバブルは 2001 年に崩壊

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

187

し、米国に販路を広げていた日本の光通信機器製造業

費電力を低減できる特長がある。NTT では、2004 年

界も深刻な影響を被ることになった。

の L 帯 16 波の 10G-ROADM システムの商用化に始まり、2005 年に 32 波、2007 年に最大 80 波（最大 12ノード、最長 550km リング）に拡張された 9）11）。
7.1.3

位相変調方式の導入

単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ 通 信 シ ス テ ム の 代 表的 な
外部変調方式と光送受信器構成例を表 7.1 に示したが、1995 年商用化の FA-10G 方式までは、最も光送受信構成がシンプルなオンオフ変調（OOK：On-Off
Keying）方式が使われた 12）。その後、高密度 WDM
図 7.6

北米 ･ 光幹線系の伝送容量推移通信が主流になり、1 波長当りの伝送容量を 10Gb/s
を超えて増やそうとすると、それまでの OOK 変調で

北米ネットバブル崩壊から数年して回復の兆しが見は、2 値しか送れないことや、変調に伴う占有帯域幅

えると、高密度 WDM 通信の利点を“Point-to-Point”

が広過ぎるなどの問題点が顕著になった。そこで適の長距離幹線系のみならず、地域幹線系やメトロ（都用されたのが無線通信技術に範をとった位相変調方式市域）系で活用する動きが高まり、図 7.7 のようなリであり、例えば 2007 年 NTT 商用化の 40Gb/s × 40

ング型の ROADM システムとして商用導入が進めら波（＝ 1.6Tb/s）伝送方式には、表 7.1 中の DQPSK

れた

10）

。ROADM は“Reconfigurable Optical Add/

Drop Multiplexer”の略称であり、あえて和訳すると（Differential Quadrature PSK、差動四位相偏移変調）方式が採用された。

「再構成可能な光挿入･分岐多重装置」となる。
表 7.1

変調方式と光送受信器構成例（参考文献 12）をもとに筆者作成）

図 7.7

ROADM システム

（参考文献 10）をもとに筆者作成）

ROADM シ ス テ ム は、 遠 隔 の OSS（Operation

信号光を検出するには、一つ前の信号光パルスとのSupport System） か ら 各 ROADM ノ ー ド で の 波 長

位相差の有無を検出する必要があり、Dual-PD（＝バパ ス（ 波 長 経 路 ） の Add（ 挿 入 ） や Drop（ 分 岐 ）ランス型 PD）の前に、復調器としての光遅延干渉計を設定可能なフォトニックネットワーク（Photonicが配置される。光遅延干渉計を構成する 2 本の導波

Network）である。ここでフォトニックネットワーク

路の長さの差は、40Gb/s 伝送の場合、QPSK では約とは、それまでは電気領域で行われていたスイッチ

5mm、DQPSK では約 10mm である。DQPSK は 4 値

ングや転送機能の少なくとも一部を光領域で処理する変調であるため、シンボルレートは 1/2 に低減され、ネットワークである。実際、ROADM ノードの光挿光送受信器の構成は複雑になるが、占有帯域幅が縮小

入分岐機能部は、波長合分波器と光スイッチで構成さされることに加えて、送受信用の電子回路の動作速度れていて、通過（Through）波長については、電気信が緩和される利点があり、その後のデジタルコヒーレ号に戻ることなく、光信号のままで ROADM ノード

ント送受信技術への橋渡しになった 12）。

を通過するので、システム運用の効率化とともに、消188

QPSK 方式や DQPSK 変調方式で、位相変調された

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

7.1.4

デジタルコヒーレント技術

2010 年代に入ると、長距離伝送に伴う波長分散による光信号の波形劣化などを、光領域での分散制御や仕事”を引き受けている DSP の大きな消費電力には改善の余地があるが、いずれはアクセス系にまで適用
領域が広がると期待されている。

分散補償ではなく、電気領域でのデジタル信号処理

図 7.9 は、NTT 未来ねっと研究所の宮本裕と KDDIで補償するデジタルコヒーレント送受信技術が開発

総合研究所の森田逸郎によって整理された光中継伝された。これは、1980 年代に東京大学の大越研究室

送システム（陸上系と海底系）の発展模様であるが、や NTT 研究所（基礎第 3 研究室）を初めとして各国

1987 年商用化の F-1.6G 方式から数えて 30 年の間に 4で研究が行われたにもかかわらず、光ファイバ増幅器

桁もの伝送容量拡大が達成されたことが改めて理解で（EDFA）の登場によって出番を失ってしまった「コきる 18）。2016 年商用化の海底光方式 FASTER（ファヒーレント光通信方式」が、20 年以上の歳月を経てイバ当り 10Tb/s 容量）は、仮に電話回線（64kb/s）

進歩した高速デジタル信号処理技術と融合しての復活に換算すると、日本の総人口を上回る約 1.5 億人ものであった 13）。

通話を 1 本の石英系単一モード光ファイバで伝送でき

表 7.1 右端の DP-QPSK（Dual-Polarization Quadrature

る勘定である。

PSK）方式に相当するが、図 7.8 は 1 波長当り 100Gb/s
伝送用の DP-QPSK デジタルコヒーレント光送信器と光受信器の構成例である 14）。無線通信でのホモダイン検波やヘテロダイン検波と同様に、受信側には局発光源（LD）が備えられている。受信光と局発光がミキシングされ 4対のバランス型 PD で検出される。A/D 変換の後に、信号光と参照光の周波数や位相のずれ、伝送路で発生する
偏光状態の変化、波長分散による信号歪み等をデジタル信号処理回路によって補正する。超高速で動作する大規模集積回路である DSP（Digital Signal Processor）の開

図 7.9

光中継伝送システムの発展 18）（Copyright©2017 IEICE、許諾番号：17KB0109）

発には多額の開発費が必要であるが、日本では、NTT、
NEC、富士通、三菱電機、情報通信研究機構が公的資金

ちなみに、現在日本の国際通信の約 99％は海底光を活用しての共同開発体制を 2010 年前後に整えて、DSP

ファイバケーブルを経由しているが、それらのファイ開発に成功した

14）15）。

バのコアの面積は、全ケーブル分を足しても 1 平方ミ
リメートルに遥かに及ばない。インターネットで世界中と繋がっている日常の感覚では、意識することはな
いが、この面積が世界に向けた日本の“ガラス窓”ということになる 19）。
その一方で、かつては無限に近いと思われていた石英系単一モード光ファイバの伝送容量も限界（1 心で100Tb/s 程度）が見えてきている。それ以上に伝送容量を増やそうとすると、高密度 WDM を含めて大きくな

図 7.8

デジタルコヒーレント光送受信器構成

り過ぎた入射光のエネルギー（＞ 1 ワット）によりファ（参考文献 14）をもとに筆者作成）

イバコア部が破壊される「ファイバヒューズ現象」が発図 7.8 の 構 成 を 基 本 と し て、NTT の 陸 上 系 で はの物理限界を突破するために、1 本のファイバ中に複数生し、コア部が破壊されてしまうからである 20）21）。こ2013 年 に 100Gb/s-DP-QPSK × 80 波（ ＝ 8Tb/s） ののコアを持つマルチコアファイバ（MCF：Multi-Core「100G-PTS」16） が、そして KDDI の海底系では 2016

Fiber）の研究が 2010 年代に入って盛んになっている。

年 に 100Gb/s-DP-QPSK × 100 波（ ＝ 10Tb/s） で 太

現行の MCF の製法例 22） を図 7.10 に示したが、これま平洋を横断する「FASTER」17） が商用化された。デでに、MCF1 本で毎秒 1 ペタビット（Pb/s）を超える空ジタルコヒーレント技術の登場により、それまでの長間分割多重（SDM：Space-Division Multiplexing）伝送

距離大容量単一モード光ファイバ伝送路における高度実験例が NTT や KDDI 等から報告されている 18）23）。長な分散マネージメントの必要性から解放された。“力尺での本格商用化に至るには、MCF 素線の製造コスト

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

189

問題を含めて、解決すべき課題が山積しているが、新た発と国際標準化を先導し、2001 年 8 月から PON によなマルチコア光ファイバ通信方式が、現在の原理確認やる FTTH ブロードバンドサービスの提供を開始した。

極限追求の段階を経て、10～20 年後にどこまで普及する
か、楽しみでもある

PON システムは、図 7.12 に示すように、・局舎に設置される OLT（Optical Line Terminal）、・ユーザ宅に設置される ONU（Optical Network
Unit）、・局舎からユーザ宅まで布設された単一モード光ファイバ、・光ファイバを分岐する光スプリッタ、から構成され、一つの OLT に複数の ONU が接続される。光スプリッタが動作に電力を必要としない受動

図 7.10

マルチコアファイバ（MCF）の製法（Passive）デバイスであることから、PON と PDS のいずれも“Passive”を強調しての命名であった。

（参考文献 22）をもとに筆者作成）

7.2 PON 技術による FTTH 実現

前章（6.7 節）で報告したように、NTT は、加入者
系（アクセス網）の光化を目指して、1980 年代には多モード光ファイバによる現場実験、さらに 1990 年
代には単一モード光ファイバによる現場実験を行ってきたが、2000 年代に入ると、図 7.11 に示すように
FTTH 契約数が本格的に立ち上がった 24）。その背景にはインターネットの普及に伴うブロードバンド接続
需要の高まりがあったが、技術的な要因として PON（Passive Optical Network）技術の開発と標準化を挙げることができる 25）。
図 7.12

PON システムの構成（参考文献 25）をもとに筆者作成）

OLT と複数の ONU が通信するためには多重化技術が必要であり、TDM 技術や WDM 技術が用いられている。現在広く用いられている PON システムでは、複数 ONU 向け信号の多重には TDM 技術が使われ て お り、TDM-PON と 呼 ば れ る。OLT か ら ONU
図 7.11

日本のブロードバンド（BB）契約数の推移（参考文献 24）をもとに筆者作成）に WDM 技術（上り 1.3µm 帯／下り 1.5µm 帯）が使われている。上り信号の多重では、複数の ONU から

PON 技 術 は、1990 年 頃 に NTT 横 須 賀 研 究 所 のの信号が伝送路上で衝突することのないよう制御する三木哲也らによって、別名の PDS（Passive Double

TDMA（Time-Division Multiplex Access） 技 術 がStar）方式として提案された。英国の BTRL（British

併用されている 27）。図 7.13 は NTT 東西の B フレッ

Telecom Research Laboratories） に よ っ て も 独 立ツ網で採用している PON システム構成であり、NTTに研究されていて PON と名付けられていて、用語所内で 4 分岐、さらに所外で 8 分岐、合わせて 4 × 8

が PON に 統 一 さ れ た 経 緯 が あ る

26）。NTT は BT（British Telecom）を含む通信会社間の会合（Telco
Meeting）のキーメンバとして PON（PDS）技術の開190への下り信号と ONU から OLT への上り信号の多重

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March＝ 32 分 岐 で あ り、1 台 の OLT が 32 台 の ONU と やりとり可能である 28）。

FTTH が普及する中、一般家庭への光ファイバの引き込みに伴って、宅内配線に柔軟に対応する光ファ
イバが、2000 年代に開発された。標準的な単一モード光ファイバ（SMF）では、半径 20mm 以下の強い曲げを与えると光損失が増えてしまうが、図 7.15 に例示したように、（a）コア部の周囲に低屈折率なトレンチを配したトレンチ型光ファイバ 30） や、（b）のように空孔を配置した空孔アシスト型光ファイバ（HAF：
Hole-Assisted Fiber）31） では、直角に近い半径 5mm
図 7.13

NTT 東西の PON システム構成の 曲 げ も 許 容 す る。 こ う し た 光 フ ァ イ バ は「 低 曲（参考文献 28）をもとに筆者作成）

げ 損 失 光 フ ァ イ バ（BIF：Bending-loss Insensitive

図 7.11 に示したように、FTTH サービス開始当初

Fiber）」と総称され、両端に光コネクタを付けた光は メ タ ル 電 話 回 線 に よ る DSL（Digital Subscriber

コードとして販売されていて、通常の電気配線と同様

Line）方式や CATV による高速モデムが先行していの感覚で光配線が行えるようになっている。

たが、2008 年には PON を用いた FTTH の契約数がDSL 契約数を越え、2017 年度中には 3,000 万に達する見込みである。
PON システムは、ITU-T（International Telecommunication
Union Telecommunication Standardization Sector）と IEEE
（Institute of Electrical and Electronics Engineers）の 2 系
統で標準化されており、現在、日本では IEEE 系の 1Gb/s
級 PON（GE-PON）が主流であるが、10Gb/s 級 PON が出
番待ちである。ITU-T では、さらに 40Gb/s 級の標準化が完了し、IEEE では 100Gb/s 級の標準化が開始されている 27）。
参考までに図 7.14 に ONU 用光送受信モジュール（BOSA：Bi-directional Optical SubAssembly）の断面構造と外観例を示したが、CD（コンパクトディス

図 7.15低曲げ損失光ファイバの構造例（参考文献 30）31）をもとに筆者作成）

ク）の光ピックアップモジュール用として広く普及し

ここで改めて図 7.11 を眺めると、スマートフォンている直径 5.6mm の TO-CAN を活用することによっを中心とするモバイルブロードバンド（BB）サービ

29）。実は、1990 年代後半か

ス で あ る LTE（3.9−4 世 代 ） 契 約 数 が 2012 年 頃 から 2000 年代初めにかけて、平面基板上に小型集積化ら急増していていることが分かる。図 7.11 の縦軸枠された光送受信モジュールを開発する試みが、NTTから出てしまうが、2017 年 3 月時点での日本の LTE研究所を含めての日本勢や北米ベンチャー企業などで契約数は 1 億件に達している。LTE を含めての現在行われたが、小型化に伴う LD/PD 間の光電気クロスの携帯電話通信網は、アンテナ基地局までは既に光トーク問題もあって、結局は CD プレーヤーの量産でファイバ回線が担っているが、さらに高速な第 5 世

低コスト化が進んだ TO-CAN を図 7.14 のように活用

代（5G）モバイル通信網の構築や IoT（Internet ofする手法が主流になった経緯がある。

Things）時代の到来に向けて、光･無線融合技術や次て経済化を達成している世代 PON 技術の適用を見据えたモバイル対応光アクセスシステム議論が進行中である 27）。

7.3 光ファイバ通信網を支えている石英系
プレーナ光波回路技術
石英系光ファイバの潜在能力を有効に引き出すため
図 7.14

ONU 用光送受信モジュール構造例（参考文献 29）をもとに筆者作成）には、受発光素子に加えて、光信号の分岐、高密度WDM 用の合分波器、光路を切り替える光スイッチ
等の機能をもつ多彩な光回路部品が必要となったが、石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

191

光ファイバに続く研究ターゲットとして、1980 年代作製した SiO2-GeO2 系光導波路の特性例を表 7.2 に前半に筆者らが狙いを定めたのが、VAD 法で開発し示した。高温での線引き工程を伴わない石英系光導波たガラス微粒子堆積技術と LSI 微細加工技術とを組路の伝搬損失は、石英系光ファイバのようには小さく

み合わせて、図 7.16 のようにシリコン基板上に石英ならないが、それでも 0.01dB/cm（1dB/m）オーダ

系光導波路を形成して、石英系光ファイバとの整合の損失値は、平面基板上の光導波路としては、最も低32）33）。

損失である。表 7.2 から分かるように、コア ･ クラッ1978 年に茨城研究所から武蔵野研究所に戻り、石英

ド間の比屈折率差Δが高いほど、伝搬損失は増加傾向

系光導波路研究をいち早くスタートしていた伊澤達夫にあるが、光波の閉じ込め効果が強く、小さな曲率半らの先駆的な成果は、筆者らの茨城チームに継承さ径でも放射損失なく伝搬可能で、複雑な光回路をコン性に優れた光集積回路を構成する試みであった

34）35）。筆者にとっての石英系光導波路は、

パクトにレイアウトするのに適している。高Δ化する

光ファイバの場合よりも長期間になる 10 年以上にわと、標準的な単一モード光ファイバとの接続損失が大たって関与した技術分野であり、語りだすときりがな

きくなるので、必要に応じてスポットサイズ変換器をいが、以下、ここでは概略のみを紹介したい。

入出力端に形成するなどの工夫が行われている。

れていった

表 7.2

図 7.16

SiO2-GeO2 系光導波路の特性例

シリコン基板上の石英系光導波路

茨城研究所での石英系光導波路研究を探索研究段階

石英系光導波路技術は、「平面基板上の低損失石から本格研究へと格上げさせたのが、1983 年に光部

英系光導波路を伝搬する光信号の位相や干渉を制御

品研究室長に就任した宮下忠であった。シリコン基して有用な光回路機能を引き出すプレーナ光波回

板上の石英系光導波路技術の将来性を確信した宮下路（PLC：Planar Lightwave Circuit） 技 術 」 と しは、研究所の上層部と交渉して大型の研究費を引き出て、図 7.18 のように体系化が進み、1990 年代初めにし、1987 年には NTT、三菱商事、米国 Battelle 研究は高密度 WDM 通信用のアレイ導波路格子（AWG：所の合弁ベンチャー会社 PIRI（Photonic Integration

Arrayed Waveguide Grating）型合分波器の実現にResearch, Inc.） を 米 国 Ohio 州 Columbus 市 に 設 立成功した 37）38）（註５）。

し、自ら社長として渡米した

36）。

上記の大型研究費を活用して筆者らが開発した石英系光導波路の作製工程を図 7.17 に示した。屈折率制
御用ドーパントとして、当初は TiO2 を添加していたが、着色現象（coloration）が生じ易いので GeO2 に変更した経緯がある。

図 7.18

石英系プレーナ光波回路の機能例

AWG 合分波器は、図 7.19 に示したように、入出力
導波路、2 つのスラブ導波路、Δ L ずつ長さが異なる
数百本のアレイ導波路から構成されている。実際のAWG モジュールでは、光入出力用の光ファイバアレ

図 7.17192

石英系光導波路の作製工程

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March（註５）プレーナ光波回路は、全て漢字表記にして「平面光波回路」と呼ばれることも多い。

イが紫外線硬化接着剤で固定されている。入力導波路

倍以上のキャピタルゲインに相当）に達した。

から入射された光は、まず入力スラブ導波路で多数の

AWG 以外にも色々なヒット商品が生まれたが、一アレイ導波路に分岐される。各々のアレイ導波路を伝番身近なところにある PLC 製品は、Y 分岐素子を多搬した光は出力スラブ導波路で多光束干渉を起こし、段に集積した図 7.21 の PLC スプリッタである 39）。日

出力スラブ導波路の出力端に焦点を結ぶが、アレイ導本では 2002 年頃からの FTTH 本格化に伴い、PON

波路の長さがΔ L ずつ異なるため、出力スラブ導波システム用の光スプリッタとしての大量需要が発生

路の入射端における波面は入射光の波長に依存する。

し、実際、FTTH ユーザ宅近くの電信柱上の光クロー

すなわち、出力スラブ導波路の出力端における焦点位

ジャ（接続箱）の中には複数個の 1 × 8 型 PLC スプ

置も入射光の波長に依存することになる。その結果、リッタが収容されている。

異なる波長の光は異なる出力導波路に結合して別々の出力ポートから出力されることになり、AWG が光波
長合分波器として機能する。AWG で合分波可能な光
周波数間隔は、ITU 標準のグリッド間隔に合わせて200GHz、100GHz、50GHz 等であり、40 波長チャンネル以上の信号光を一括で合分波可能である。一例として、L 帯用の 100GHz（0.8nm）間隔 40 チャンネル
AWG の透過スペクトル特性例を図 7.20 に示した。

図 7.21

PLC スプリッタの構造

安定である反面、動的な機能性には乏しい石英系光導波路であるが、石英ガラスの屈折率のわずかな温度依存性、すなわち熱光学効果（Thermo-Optic effect：
dn/dT～10-5/℃）を利用して光スイッチングやチュー
ニング機能を実現可能である 40）。PLC 技術による熱図 7.19アレイ導波路格子（AWG）型合分波器

光学スイッチは、図 7.22 に示すように、導波路アー
ム上に熱光学位相シフタとしての薄膜ヒータを備えた対称型マッハツェンダ干渉計（MZI：Mach-ZehnderInterferometer）構成を基本としている。薄膜ヒータ
への供給電力が零の場合、光信号は MZI をクロス状態
で通過するが、薄膜ヒータにπ（半波長分）の位相シ
フトに相当する電力を供給すると、光路はバー状態に切り替わる。クロスバーの中間状態で保持すると、可変光減衰器（VOA：Variable Optical Attenuator）と

図 7.20AWG 合分波器の透過スペクトル例

1990 年 代 後 半 の 北 米 の 高 密 度 WDM 通 信 網 建 設
ブ ー ム（ 図 7.6 参 照 ） に 乗 っ て AWG 型 合 分 波 器 を製造販売した PIRI 社（当時の資本金は約 10 億円で、NTT と三菱商事と Battelle の出資比率は 49：41：10）の企業価値は急上昇し、北米ネットバブル崩壊（2001年）直前の PIRI 社売却（2000 年）によって NTT（出資比率 49％）が獲得した特別利益は 1,487 億円（200

図 7.22

PLC 光スイッチの基本構造（参考文献 40）をもとに筆者作成）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

193

しても有用である。石英系光導波路とヒートシンク作

using LD Pumped Er3+-Doped Fiber Amplifiers

用のある Si 基板との組み合わせは、熱光学位相シフタ

in an IM/Direct-Detection Repeater System,”の安定動作に好適である。PLC 光スイッチの応答時間

Optical Fiber Communication Conferenceは数 ms で、スイッチングに必要な電力は 0.5W 程度でTechnical Digest, paper PD15, 1989.

あるが、薄膜ヒータ近傍に断熱溝を形成し水平方向へ

5） 萩本和男，青山耕一：「光ファイバ増幅器を用いの熱の流出を防止することで、消費電力を 0.1～0.2W

た中継光伝送システム」，電子情報通信学会論文

レベルに低減している。必要に応じて MZI を 2 段構

誌 B，Vol.J75-B-I，No.5，pp.246-262，1992．

成とすると 50dB 以上の高い消光比を実現可能である。

6） 島田禎晉：「シングルモードファイバを使った日

PLC 光スイッチは、例えば図 7.7 に示した ROADM シ

本縦貫光伝送システムの完成（後編）」, 映像情

ステムの構成要素として商用化された

9）10）40）

報メディア学会誌 , Vol. 59, No.12, pp.1795-1799,。

上 述 の 応 用 例 以 外 に も、PLC 技 術 は、DPSK や2005.

DQPSK 変調方式での光受信器構成に必要な光遅延干7） 佐藤健一，鳥羽弘：「高密度波長多重通信に向け

渉計（表 7.1 参照）やデジタルコヒーレント光受信器て」，光学，Vol.29，No.3，pp.120-130，2000．

の構成に必要な光 90 度ハイブリッド回路（表 7.1 と8） 鈴木正敏：「光通信システムの革新的進化と将来」，

図 7.8 参照）などの作製にも活用されていて、今日の電子情報通信学会 OCS30 周年記念シンポジウム

商用光ファイバ通信網を要所要所で支えている

41）42）。

本章を閉じるにあたり、PLC 技術開発に際しての方式研究者と部品研究者との協力関係について記し

講演，2017.7.27．
9） 織 田 一 弘：
「 波 長 分 割 多 重（WDM） 技 術 」，
OPTRONICS（2012）No.1，pp.138-145．

たい。その代表例が 1980 年代後半から 1990 年代初

10）高橋哲夫：「光スイッチ適用による光ネットワー

めにかけて NTT 横須賀研究所で推進された光周波

ク の 革 新 」， 光 学，Vol.42，No.5，pp.220-228，

数間隔 10GHz（波長間隔～0.08nm）の 100 波多重伝

2013．

43）

であった。今思えば、高密度 WDM 通信技11）日比野善典，坪川信，神野正彦，高田篤，宮本術〔当時は光周波数多重（FDM: Frequency-Division

裕：「最新フォトニックネットワーク技術の概要」，

Multiplexing）と呼んでいた〕を先取りしすぎた感もNTT 技術ジャーナル，2007.10，pp.8-13．

あるが、こうしたチャレンジングな方式実験に必要な

12）村田浩一，才田隆志：「ネットワークの進化を

集積型光周波数選択フィルタ等の試作と提供努力を通支える光部品」，NTT 技術ジャーナル，2011.3，

じて、NTT 茨城研究所での PLC 光スイッチや AWG

pp.48-52．

送実験の創製が進んだことは事実である。方式研究が部品開発を先導し、逆に部品研究が方式開発を先導した好例

13）菊池和朗：「デジタル信号処理を駆使したコヒー
レント光通信技術」，レーザー研究2009 年 3月，pp.164-170．

と言えよう。

14）鈴木扇太，他：「光通信ネットワークの大容量
参考・引用文献化に向けたディジタルコヒーレント信号処理技

1） 須藤昭一，横浜至，山田誠：「光ファイバと光ファ術の研究開発」，電子情報通信学会誌，Vol.95，

イバ増幅器」，共立出版，2006 年発行．
2） R.J. Mears, L. Reekie, I.M. Jauncey and D.N.

15）金子明正：「次世代ディジタルコヒーレント伝送

Payne：“Low-noise erbium-doped fibre amplifier

用光デバイスの技術動向」，電子情報通信学会誌，

operating at 1.54µm,”Electron. Lett., Vol.23,

Vol.99，No.11，pp.1072-1076，2016.
16）堀口真，島崎大作，笹倉芳明，井波正朗，山本No.19, pp.1026-1028, 1987.
3） M. Nakazawa, Y. Kimura, and K. Suzuki：

秀人：「100G パケットトランスポートシステム“Efficient Er ‐ doped optical fiber amplifier（100G-PTS）の実用化」，NTT 技術ジャーナル，pumped by a 1.48µm InGaAsP laser diode,”

2014.10，pp.54-57．

3+

Appl. Phys. Lett., Vol.54, No.4, p.295, 1989.
4） K. Hagimoto, K. Iwatsuki, A. Takada, M.
Nakazawa, M. Saruwatari, K. Aida, K.

194

No.12，pp.1100-1116，2012．

17）KDDI 株式会社ニュースリリース『日米間を結ぶ
光海底ケーブル「FASTER」を運用開始』，2016
年 6 月 29 日．

Nakagawa, and M. Horiguchi：“A 212 km Non-

18）宮本裕 , 森田逸郎：「大容量光中継伝送技術」,

Repeated Transmission Experiment at 1.8 Gb/s

電 子 情 報 通 信 学 会 誌 , Vol.100, No.8, pp.783-788,

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March2017.
19）西 成 人， 那 賀 明：
「海底用光ケーブル技術」，
OPTRONICS（2012）No.10，p.118-131.
20）首藤義人 , 柳秀一 , 浅川修一郎 , 長瀬亮：「単一

321，1998．
33）河内正夫：「プレーナ光波回路技術の歩みと見果てぬ光集積回路の夢」，電子情報通信学会論文誌
C，Vol.J92-C，No.8，pp.360-370，2009．

モード光ファイバにおけるファイバヒューズ発

34）T. Izawa，H. Mori，Y. Murakami，and N.

生機構の検討」，電子情報通信学会論文誌，Vol.

Shimizu：“Deposited silica waveguide for

J86-C，No.3，pp.252-261, 2003.

integrated optical circuits，”Appl. Phys. Lett.，21）轟眞市：「ファイバヒューズ --- その危うさと怪しさ」，NEW GLASS, Vol.21, No.2, pp.45-52, 2006.

Vol. 38，No. 7，pp. 483-485，1981.
35）M. Kawachi：“Silica waveguides on silicon22）松尾昌一郎：「光通信の超大容量化を目指す空間

and their application to integrated-optic

多重伝送用マルチコアファイバー」，PST-net 招components,”Optical and Quantum Electronics,

待講演会，2012 年 2 月 24 日．

Vol.22, No.5, pp.391-416, 1990.

23）宮本裕，川村龍太郎：「大容量光ネットワークの

36）宮下忠：「ある米国 Start-Up のてんまつ記」，電進化を支える空間多重光通信技術」，NTT 技術子 情 報 通 信 学 会 誌，Vol.85，No.3，pp.197-199，

ジャーナル， 2017.3，pp.8-12．

2002．

24）前田洋一：「光アクセス PON 標準化の過去と将37）H . T a k a h a s h i , S . S u z u k i , a n d K . K a t o ：来」，光通信技術展，講演 FOE-8，東京ビッグサ“Arrayed-waveguide grating for wavelength

イト，2017.4.6．

division multi/demultiplexer with nanometer

25）「技術基礎講座【GE-PON 技術】第 1 回 PON とは」，NTT 技術ジャーナル，2005.8，pp.71-74．

resolution,”Electronics Letters, Vol.26, No.2,
pp.87-88, 1990.

26）三木哲也：「光アクセスのこれまでとこれから」，

38）鈴木扇太，杉田彰夫：「石英系プレーナ光波回路

電子情報通信学会誌，Vol.99，No.7，pp.638-643，

技術の研究開発動向」，NTT 技術ジャーナル，2016．

2005.8，pp.8-11．

27）寺田純：「アクセス系伝送技術」，電子情報通信学
会誌，Vol.100，No.8，pp.777-782，2017．

39）井 上 靖 之：
「石英系プレーナ光波回路技術」，
NTT 技術ジャーナル，2008.3，pp.58-62．

28）NTT アクセスサービスシステム研究所： ANSL

40）高橋浩，渡辺俊夫，郷隆司，相馬俊一，高橋哲夫：

R&D Times，第 33 号（2003_06），所外用光スプ「光ネットワークの高機能化を実現する PLC 光ス

リッタの設置箇所，http://www.ansl.ntt.co.jp/j/

イッチ」，NTT 技術ジャーナル，2005.5，pp.12-

times/033/01/03.html

15．

29）赤津祐史：「光ネットワーク用光モジュール技41）高橋浩：「石英ガラス平面光波回路：研究開発の術の研究開発動向」，NTT 技 術 ジ ャ ー ナ ル，

歴史と最新の研究状況」，OPTRONICS（2012），2006.7，pp.42-45.

No.12，pp.89-95．

30）楠修一，八若正義，橋本守，木下貴陽，田中正俊，

42）高橋浩：「導波路型パッシブ光部品の基礎と応用」，

樋口降幸，金正高，大泉晴郎：「5mmR 耐曲げ型

2016 年 電子情報通信学会 通信ソサイエティ大光ファイバの開発」，三菱電線工業時報，第 105

会，講演 BT-2-6．

号，pp.33-37，2008．

43）H. Toba, K. Nakanishi, N. Shibata, K. Nosu, N.

31）清水正利：「FTTH の更なる発展に向けた光アク

Takato, and M. Fukuda,“A 100-channel optical

セスネットワーク技術（光媒体技術）の展開」，

FDM transmission/distribution at 622 Mb/s

NTT 技術ジャーナル（2008.10），pp.42-47．
32）河内正夫：「プレーナ光波回路デバイス」，電子情

over 50 km,”IEEE. J. Lightwave Tech., Vol.8,
No.9, pp.1396-1401, 1990.

報通信学会論文誌 C，Vol.J81-C1，No.6，pp.311-

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

195

8｜おわりに

本報告では、NTT 茨城研究所での筆者の身近な経網構築に貢献したとして、2015 年 5 月には世界的に験（MCVD 法で 2 年、VAD 法で 3 年余り）を含めて、権威ある「IEEE マイルストーン」に認定され、その石英系光ファイバの初期の開発努力と公衆通信網への証として図 8.2 の銘板が NTT、古河電工、住友電工、

導入経緯を紹介した。多くの研究者や技術者が参画しフジクラの 4 社に贈呈された 2）3）。

たビッグプロジェクトであったので、さまざまな視点からの“開発物語”が可能であろうが、MCVD 法を改良して光ファイバの低損失化を進めるとともに、量産に適した国産製法（VAD 法）を開発する NTT の方針が大成功であったことに異論はないであろう。
第 6 章（6.1 節）で紹介したように、NTT と電線 3社との共同研究が正式スタートする 1 か月前（1975
年 4 月）に NTT 武蔵野研究所講堂で開催された「光ファイバ伝送」研究討論会では、当時の野田健一基礎研究部長が、『これまでの伝送の歴史において、新しい伝送媒体が何回か新しい時代の幕を開いてきた。光
ファイバも新しい時代の幕を開くものである。しかも 4 半世紀に 1 度の大傑作といえる。この大傑作を

図 8.1

光ファイバ世界需要の年度推移（参考文献 1）をもとに筆者加筆）

使って意義ある方式を生み出すために努力を傾注したい。
』との趣旨の基調講演を行った。実際には、野田部長の予想を大きく超えて、百年に一度あるかな
いかの大傑作になったが、それを可能にした一番の立役者は 1980 年代後半に登場した光ファイバ増幅器（EDFA） で あ っ た。EDFA は、1990 年 代 後 半 に は
高密度 WDM 技術と組み合わされ、その威力の大きさから北米ネットバブル崩壊（2001 年）を招いたが、通信利用者にとってはインターネット常時接続を可能にする長距離通信コストの劇的低下をもたらすことになった。

VAD 法の IEEE マイルストーン銘板（参考文献 2）3）をもとに筆者加筆）

VAD 法の次の研究テーマ候補として 1980 年代初
めに筆者らが狙いを定めた石英系プレーナ光波回路

インターネットの申し子とも言える Amazon の創（PLC）技術は、光ファイバとの接続性に優れた実用業 は 1994 年、 楽 天 は 1997 年、Google は 1998 年、的なパッシブ光集積回路の提供手段として発展し、Facebook は 2004 年であり、過剰投資状態にあった

AWG や PLC スプリッタの呼称の普及とともに通信

北米を含めての光ファイバ世界需要が回復したのは、用光部品産業の重要な一角を占めている。そして本報

図 8.1 に示すように 2005 年前後であった 。現在、世告ではカバーできなかったが、石英系 PLC の開発を

界の光ファイバ生産量（2014 年度で約 3 億 km、地球

通じて蓄積された光波回路現象へのより深い洞察は、と太陽間の 1 往復に相当）のうち約 60％は VAD 法

InP 光集積回路やシリコンフォトニクスの技術開発にを基本として製造されている。世界最高レベルまで光も活かされている 4）。

1）

196

図 8.2

ファイバ導入が進んでいる日本国内の需要は縮小傾向

初期の光ファイバや石英系 PLC 開発の舞台となっにあるが、日本の電線メーカは、中国の現地メーカとた東海村の NTT 茨城研究所は 2002 年に閉所になっ提携を進めるなどして、海外展開を推し進め、今や世たが、関連の研究者の多くは NTT 厚木研究所に移っ

界の光ファイバ消費の半分近くを占める中国市場におて光半導体やシリコンフォトニクス分野の研究者とのいても、VAD 光ファイバが主役を務めている。この連携を強化している。今後、ガラス、シリコン、光半

ように、VAD 法が光ファイバ量産技術として広く用導体などの材料枠、光や電子などの専門枠、そして方いられ、今日の世界規模での急速な光ファイバ通信

式や部品などのレイヤ枠を越えた人の交流と技術の組

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. Marchみ合わせにより、さらなるイノベーションが日本を核

ル崩壊を招いた光ファイバ通信技術の発展は、産業構として生まれることを期待したい。

造の変革とインターネット社会の光と影を伴いつつ、

ここで、1970 年代からの光ファイバ通信技術の広今も進行中なのである。

がりに関連して表 8.1 を追加しておきたい。この表

残念ながら、島田氏は 2017 年 8 月に急逝（享年 79

は、NTT 横須賀研究所の初代の光伝送研究室長や伝歳）されてしまい、筆者の原稿についての批評を頂く送システム研究所長として、光ファイバ通信システ

機会も失われてしまったが、生前の島田氏が望まれた

ムの研究実用化をリードされた島田禎晉氏の監修によように「光通信技術の原点を見直し、将来を考える」

り、月刊オプトロニクス誌に「光通信技術の基礎－ためにも、筆者とは異なる視点や軸足からの系統化調

原点を見直し、将来を考える－」として連載（2011.1

査が、今後さらに実施されることを願いつつ、本報告～2012.12）された計 25 件の記事リストである。光

を終える。

ファイバについては第 1 回記事、そして石英系 PLCについても第 12 回記事になっているが、監修者の島参考・引用文献

田氏は、連載から漏れてしまった項目として、第 241） 宮島義昭：「光ファイバ・ケーブル技術」, 電子情

回の最終記事「連載の終りにあたって」中で、光加報通信学会誌 , Vol.99, No.7, pp.659-664, 2016.

入者系システム、光 LAN、光インターコネクション、

2） 鈴木扇太，大越春喜，金森弘雄，西出研二：「IEEE

光アイソレータ・サーキュレータ、光多層膜フィル

マ イ ル ス ト ー ン 受 賞（VAD 法 ）」， 電 気 通 信，

タ、光変調器、光スイッチ、光クロスコネクトなど

Vol.78，No.824，pp.7-12，2015.9．

を挙げている。今こうして表 8.1 全体を見渡すと、光3） 加賀田俊，中芝幸司：『高品質光ファイバの量産

ファイバ通信技術の基礎が広範囲に及んでいること、製造技術「VAD 法」の功績による「IEEE マイ

そして事前に覚悟していたことであるが、今回の筆者

ルストーン」認定記念式典開催報告』，NTT 技術の調査報告範囲が「氷山の一角」であることを改めて

ジャーナル（2015.9），pp.94-99．

痛感させられる。

4） 石川浩：「光エレクトロニクス，光通信を支える技術」，電子情報通信学会誌，Vol.100，No.9，

表 8.1

pp.907-912，2017.

島田禎晉監修「光通信技術の基礎 －原点を見直し、将来を考える－」謝辞
今回の調査に際して、多数の文献を参照させていただいた。インターネット上で公開されている下記のデータベースにアクセスして入手した文献や資料も多く、著者の皆様とデータベースを運用管理されている関係者各位に感謝したい。
・J-STAGE（科学技術振興機構の学術論文プラットフォーム）
・I-Scover（電子情報通信学会論文の検索サイト）
・NDL-Search（国立国会図書館サーチ）
・J-PlatPat（工業所有権情報・研修館の日本特許表 8.1 の連載期間以降に顕著になった傾向としては、 デ ー タ セ ンタ向けの光ファイバ通信市場 の 急
速 な 立 ち 上 が り を 挙 げ る こ と が で き る。Amazon、Google、Facebook などのインターネット由来の事業者は、自ら保有するデータセンタ内での短距離の光
ファイバ配線システムのみならず、複数のデータセン
タ間を接続して連携させる中長距離（メトロ系や幹線

情報プラットフォーム）
・発見と発明のデジタル博物館：卓越研究データ
ベース（日本学術振興会）
・産業技術史資料データベース（国立科学博物館・産業技術史資料情報センター）・Google Scholar（Google 社 提 供 の 学 術 文 献 検
索サイト）系に相当）の光ファイバ通信システムも自前で構築

・IEEE Xplore（IEEE の論文検索サイト）

し、光送受信モジュールのようなハードウェアの業界・Free Patent Online（米国と欧州特許の検索サ標準化もリードしている。2001 年に北米ネットバブ

イト）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

197

・The Bell System Technical Journal（1922-

究所で初期の光ファイバ開発を指揮された。随所に1983）Search（かつての Bell 研ジャーナル論

載っている開拓者たちの十数件の回想録（筆頭は C.K.

文を公開）

Kao 氏）は貴重である。上記②著者の枡野邦夫氏は、さらに、学術文献には載り難い逸話や試行錯誤の経NTT 茨 城 研 究 所 に 1971 年 に 結 成 さ れ た 最 初 の 光緯については、下記の三つ単行本から特に多くを学ば

ファイバ研究チームのリーダを務めた後に、光ケーブ

せていただいた。

ル開発から東京都心の洞道での現場試験まで一貫して①村田浩、小泉健、新関暢一：「光ファイバの歴経験された研究者である。上記③はかつての NTT 武史 －開拓者たちのメモアール－」、工業通信、

蔵野研究所の基礎第 3 研究室に所属していた十数名の2001.

研究者による回想記であり、1960 年代に始まった光②枡野邦夫：「光ファイバ物語 －汗と涙でたどり

通信の基礎研究が、その後の光ファイバ通信実用化研ついた光ケーブル現場試験－」、サイバー出版

究にどのように貢献したのか、各研究者が思い思いのセンター、2014.

形で章ごとに執筆している。②と③は比較的最近の著③光通信基礎研究調査会：「光ファイバ通信実
用化研究の夜明け前 － NTT 基礎 3 研の足跡－」、サイバー出版センター、2016．
上記①共著者の村田浩、小泉健、新関暢一の各氏
は、それぞれ、古河電工、日本板硝子、NTT 茨城研

198

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

作であるが、①とともに後進のために実践記録を残されたことに深く敬意を表したい。
最後に本調査の機会を与えていただいた方々や本調査に協力いただいた多くの方々、調査の過程で貴重なご意見をいただいた方々に厚くお礼申し上げる。

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

199

200

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

・20dB/km 以下のガラスファイバ伝送路の可能性を指摘（C.K. Kao/英 STL）

（NTT 武蔵野研究所で C.K. Kao が講演）
・セルフォック（SELFOC）ファイバ発表～80dB/km（日本板硝子＆日本電気）（日本の電線メーカが光ファイバ研究に着手）
・20dB/km＠0.6328μm 光ファイバ発表（米国 Corning）、翌年に材料は石英系と発表

1966

1967
1969

1970

・自己集束性グレーデッドインデックス（GI）型ファイバの特許出願（西澤/東北大）

・医療用ファイバスコープ試作（米 B.I. Hirschowitz）
・医療用ファイバスコープ発売開始（米 ACMI 社）
・導波モード解析から単一モード光ファイバ動作を認識（米 E. Snitzer）

・SiCl4 と TiCl4 を原料とする低膨張係数ガラス特許出願（米 Corning 社）
・クラッド付ファイバの提案（蘭 A.van Heel）
・医療用ファイバス束 Nature 論文（①蘭 A. van Heel、②英 H.H. Hopkins＆N..S. Kapany）

・SiCl4 を原料とする石英ガラス製法の基本特許出願（米 Corning 社）
・水晶（石英）棒による光通信方式特許（関･根岸/逓信省電気試験所）

・光ファイバ（＆光導波路）、★光ファイバ接続

1963
1964

1957
1960
1961
1962

1837
1876
1880
1901
1909
1934
1936
1937
1939
1953
1954

年

石英系光ファイバ関連技術の歩み▲PIN-PD と APD の特許出願（西澤/東北大）〇日本初の東京-大阪間マイクロ波回線（電話 360 回線）○ミリ波導波管伝送方式の提案（米 Bell 研）●半導体レーザ（半導体メーザ）の特許出願（西澤/東北大）●ルビーレーザの発振＠0.6943µm（Maiman/米 Hughes 社）●HeNe レーザの発振＠0.6328µm（米 Bell 研）●GaAs レーザの低温パルス発振＠0.85µm（GE･IBM･MIT 共同）◎レンズ列やガスレンズによる空間光通信の研究開始（Bell 研）、1964 年に詳細を発表◎光ファイバ束を用いた光通信デモ実験（東工大）▲Si-APD 論文（Bell 研）▲光通信用光検波器研究開始（NTT）○太平洋横断の初の海底同軸ケーブル（TPC-1）方式の開通（KDD 他）、電話 128 回線◎ファイバスコープ付胃カメラを発表（オリンパス）▲Ge-APD 論文（Bell 研）○NTT 武蔵野研究所･基礎研究部が空間光通信方式の研究開始●半導体レーザの電流直接変調理論発表（東工大）◎霞が関ビルと霞ヶ関電話局との間で空間光通信実験開始（NTT）、約２年間継続○インターネットの起源となる米国 ARPAnet 構築●GaAlAs レーザ連続発振＠0.85µm（Bell 研、ソビエト、MIT）○パルス符号変調 PCM 方式の発明（仏 A.H. Reeves）○電信の発明（米 Morse）、モールス符号〇電話の発明（米 Graham Bell）◎太陽光を利用した光線電話（Photophone）実験（米 Graham Bell）〇大西洋横断の無線通信に成功（伊 Marconi）○無線通信発展への貢献でノーベル物理学賞を受賞（伊 Marconi と独 Braun）●発光素子、▲受光素子、○方式（◎は光通信方式）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

201

1978

★現場試験 FR-1 用多モードファイバ融着接続機開発（NTT＆藤倉）・内圧制御 MCVD 法の開発（NTT）

・光ファイバ量産製法（VAD 法）の発明（NTT）
・MCVD 法による 0.5dB/km 単一モードファイバ開発＠1.3µm（NTT）★放電加熱による単一モード光ファイバ融着接続に成功（NTT）

1977

1976

1975

1973
1974

（NTT が茨城研究所での光ファイバの組織的研究を開始）
・液体コアファイバ研究（米 Bell 研、英 Southampton 大学、･･･）・石英系光ファイバ ETLOF（20dB/km）試作（電総研）
・単一素材石英ファイバ（3dB/km）実現（Bell 研）
・外付（OVD）法に関する一連の特許出願（Corning 社）
・石英系偏心コア光ファイバ ECOF（10dB/km）試作（NTT）（NTT 光ファイバ研究体制の整理 ⇒光ファイバ製法は茨城の部品材料研究部が担当）
・石英管内への熱酸化 CVD 法による石英系ファイバ（4dB/km と 2.7dB/km）実現（英国勢）
・低損失石英系光ファイバ製法（MCVD 法）の発明～1.1 dB/km＠1.02µm（Bell 研）（NTT と電線３社の光ファイバ共同研究開始､1983 年まで続く）★放電加熱による光ファイバ融着接続装置を試作（NTT）★二重偏心光コネクタの開発（NTT）（NTT 茨城研究所に光線路研究室新設、光ファイバ製法は光部品研究室が担当）
・MCVD 法による 0.47dB/km ファイバ開発＠1.2µm（NTT＆藤倉電線）⇒石英系ファイバの 1.3µm 波長帯の発見

1971
1972

◎古河電工製 SI 型 4 心光ケーブル 880m による所内実験（NTT）、武蔵野研究所洞道にて○ミリ波導波管方式 W-40Ｇ方式実用化（NTT）、但し本格商用化は中断○米 Bell 研と英 STL がミリ波導波管方式の本格商用化を中止●InGaAsP レーザ連続発振＠1.3µm（MIT、KDD、東工大、NTT）▲長波長帯用 Ge-APD 作製（NTT＆富士通）◎アトランタ実験（AT&T）、Bell 研洞道、0.66km 長 GI 型 12 心×12 層光ケーブル、44.7Mb/s◎電力網制御用光ファイバ通信方式の現場試験（東電と関電）、SI 型ファイバ、0.83µm◎光ファイバ伝送方式総合実験（NTT）、横須賀研究所内、8km 長、SI 型 8 心ケーブル（NTT 横須賀研究所に光伝送研究室新設）●GaAlAs レーザ寿命推定～100 万時間（Bell 研、NTT）●面発光レーザの提案（東工大）▲InGaAs-APD 試作（仏 Thomson/CSF）◎シカゴ現場実験（AT&T）、2.6km、GI 型 12 心×2 層光ケーブル、44.7Mb/s○同軸ケーブル DC-400M 方式の開通（NTT）、東京-神戸-姫路、400Mb/s◎近距離光伝送方式現場試験 FR-1 実施（NTT）、唐ヶ崎－蔵前－浜町、23km、32Mb/s および 100Mb/s、0.85µm、GI 型 48 心光ケーブル◎電力網監視制御用光ファイバ通信回線構築（東電、関電）、
京北変電所-鳩ヶ谷変電所（6.3km）等、0.83µm◎映像情報システム Hi-OVIS 実験開始（通産省）、1986 年まで続く◎SELFOC ファイバによる米国ディズニーワールド内電話回線開通（NEC）、0.85µm◎MCVD 単一モード光ファイバ（総長 11km）による 1.3µｍ帯ゼロ分散伝送実験（NTT）（NTT ミリ波伝送研究室の廃止）◎Corning 製ファイバによる４心光ケーブル試作と布設実験（古河電工）(NTT が ISDN 構想発表)▲光通信用 Ge-APD 試作（NTT）○ミリ波導波管実験線（東海村-水戸、4.2km＋18.5km）現場試験（NTT）◎Bell 研がガスレンズ光通信研究を中止

202

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March・VAD 母材高速合成および高速線引き技術開発（NTT）
・FR-2 で布設した光ファイバケーブルの損失増を発見（NTT）
・水素による光ファイバケーブル損失増と防止策を発表（NTT、KDD、英 BTRL）
・Si 基板上への厚膜石英系光導波路作製に成功（NTT）、後に PLC 技術へと発展
・Corning と住友電工間の米国での特許係争開始 →1989 年に住友電工が和解金支払い
・VAD 全合成単一モードファイバ母材高速製造技術の開発（NTT）★コア直視型単一モード光ファイバ融着接続機の開発（NTT と藤倉）・GI 型テープファイバケーブル実用化（NTT）
・セグメントコア（Segment Core）型分散シフトファイバ（DSF）の提案（Corning）★光コネクタ PC（Physical Contact）機構の開発（NTT）★SC 形光コネクタ（多モードファイバ用）の開発（NTT）
・純シリカコアファイバ（PSCF）で最小損失 0.154dB/km ファイバ開発（住友電工）
・階段型（DSC: Dual Core Shape）分散シフトファイバ（DSF）の提案（NTT）
・単一モード光ファイバのテープ心線化を実現（NTT）
・ファイバヒューズ現象についての最初の報告（BTRL/英）・米国に PLC ベンチャー会社 PIRI 設立（NTT･三菱商事･Battelle 研究所の合弁）★SC 形光コネクタ（単一モードファイバ用）の開発（NTT）（NTT が加入者系にも単一モードファイバを用いることを決定）★単一モードファイバ用 4 心テープ融着接続器の開発（NTT＆藤倉）、1991 年に 8 心・吸水材を用いた防水光ファイバケーブルを開発（NTT）

1982

1988

1987

1986

1984
1985

1983

・PANDA 型偏波保持ファイバ開発（NTT）、0.62dB/km＠1.52µm
・高Δ型の分散シフトファイバ（DSF）開発（NTT）

・MCVD 法による 0.2dB/km 単一モードファイバ開発＠1.55µm（NTT）⇒石英系ファイバの 1.55µm 波長帯の発見★FC 形光コネクタの開発（NTT）
・GI 型ファイバ標準寸法の変更（60µm コア/150µm 外径 ⇒ 50µm コア/125µm 外径）・VAD 法によるガラス微粒子生成･堆積機構の解明（NTT）
・VAD 法による完全無水（OH イオン濃度＜１ppb）ファイバ作製（NTT、藤倉電線）
・VAD 法による長尺（100km）低損失（0.2dB/km）単一モードファイバ開発（NTT）
・石英ガラス基板上への厚膜石英系光導波路作製に成功（NTT）

1981

1980

1979

●面発光レーザの室温動作に成功（東工大）◎1.55µm 帯 F-400M 方式の商用化（NTT）、分散シフトファイバ（DSF）使用○ISDN サービス開始（NTT）、64kb/s×２回線◎光アクセス網も単一モード光ファイバに統一することを決定（NTT）●エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）発表（英 Southampton 大学）◎F-1.6G 方式の商用化（NTT）、DFB-LD 使用◎中継海底光伝送方式（FS-400M）商用化（NTT）八戸-苫小牧、（宮崎-名護は 1987）◎複合光加入者伝送システム実験（NTT）～1988、丸の内地区●InGaAsP レーザﾞ連続発振＠1.55μm（KDD、東工大、NTT）○日本で第１世代モバイル通信（自動車電話）開始（NTT が INS 構想発表）●共焦点複合レンズ系を用いた半導体レーザモジュール構造の開発（NTT）▲InGaAs-APD 試作と特性測定（NTT）◎中小容量光伝送方式現場試験 FR-2 実施（NTT）、川崎－下母田、GI 型、1.3µm 波長◎単一モード光ファイバによる大容量光伝送方式現場試験 FR-L 開始（NTT）、
400Mb/s、1.3µm 波長、布設は八王子－相模原区間（17.9km）から始めて順次拡張◎特定加入者光伝送方式実験（NTT）～1984 年、横須賀と吉祥寺地区●DFB レーザ実現（KDD、NTT）、DBR レーザ実現（東工大）◎中小容量光方式商用化開始（NTT）、F-32M（32Mb/s）と F-100M（100Mb/s）方式◎無中継海底光伝送方式現場試験（NTT）◎大容量光伝送方式現場試験 FR-L 完遂（NTT）、武蔵野－厚木研究所間（76km）◎中継海底光伝送方式現場試験開始（NTT）、伊豆半島八幡野沖 45km で中継間隔 30km
◎単一モード光ファイバ伝送方式（F-400M）商用化開始（NTT）、400Mb/s、1.3µm 波長○ARPAnet がインターネットの中核プロトコルになる TCP/IP ベースに移行◎汎用加入者光伝送方式モデルシステム実験（NTT）～1987、武蔵野･三鷹地区◎F-400M 方式による日本縦貫単一モード光ファイバ通信網（総長 3,400km）開通（NTT）◎コヒーレント光伝送実験（NTT）、400Mb/s、250km 無中継（NTT 民営化）

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

203

2004

2003

2002

2000
2001

1997
1998
1999

1996

1995

1994

1991
1992
1993

1990

1989

・0.148dB/km の純シリカファイバ（PSCF）実現（住友電工）
・FTTH 用 PLC スプリッタ需要の増加
・宅内光配線用の空孔アシスト型ファイバ（HAF）コードを開発（NTT）
・ファイバヒューズ現象解明の本格化（NTT 他）

・AWG 製造販売で企業価値が高まった PIRI 社を売却（NTT･三菱商事･Battelle 研究所）

・北米での高密度 WDM 方式導入に伴う AWG 合分波器需要の増加（PIRI）
・広帯域･低損失光ファイバ通信の先導的研究で日本国際賞を受賞（C.K. Kao）

★MU 形光コネクタの開発
・WDM システム用ノン零分散シフトファイバ（NZ-DSF）の提案（Bell 研）・NTT エレクトロニクス社（NEL）に PLC 事業部門開設★テープファイバ用 MT コネクタの開発（NTT）
・テープファイバによる 1,000 心単一モードファイバケーブル開発（NTT）
・アレイ導波路格子（AWG）型合分波器提案（NTT）◎10G-WDM システムの商用化（NTT）、L 帯 80 波、最大 800Gb/s、分布ラマン増幅◎海底光方式（TGN-P）開通（KDD 他）、640Gb/s（10Gb/s×64 波）、分散ﾏﾈｰｼﾞﾒﾝﾄﾌｧｲﾊﾞ◎10G-ROADM システムの商用化（NTT）、当初 16 波、2005 年 32 波、2007 年 80 波

●半導体レーザ励起 EDFA による 212km 無中継伝送実験報告（NTT）◎太平洋横断の初の海底光方式（TPC-3）開通（KDD 他）、VAD 全合成ﾌｧｲﾊﾞ、280Mb/s◎中継海底光伝送方式（FS-1.8G）商用化（NTT）○WWW（World Wide Web）の発明（欧州 CERN）○インターネットの商用サービス解禁（NTT が VI&P 構想発表）◎光加入者系 VI&P 総合実験（NTT）～1994◎海底光方式（TPC-4）開通、560Mb/s、純シリカコア構造の分散シフトファイバ（DSF）採用○WWW ブラウザ（Mosaic）登場（米国立スーパーコンピュータ応用研究所 NCSA）○日本でのインターネット商用サービス開始○日本で第２世代モバイル通信開始◎光加入者系京阪奈実験（NTT）～1995 年（NTT がマルチメディア基本構想発表）○Windows95（Internet Explorer 付）発売（米 Microsoft 社）◎光加入者系マルチメディア共同利用実験（NTT）～1998◎北米幹線系での高密度 WDM 方式導入本格化◎EDFA を用いた大容量伝送方式（FA-2.4G と FA-10G）商用化（NTT）、外部変調器採用◎海底光方式（TPC-5CN）開通（KDD 他）、5Gb/s、DSF、EDFA 採用●利得帯域を長波長側にシフトしたエルビウム添加光増幅器(GS-EDFA)の開発（NTT）（NTT が情報流通構想発表）◎海底光方式（China-US）開通（KDD 他）、20Gb/s（2.5Gb/s×8 波）、NZ-DSF 採用○日本の ADSL 常時接続サービス開始◎2.4G-WDM システムの商用化（NTT）、C 帯不等間隔 12 波＋L 帯 36 波、最大 115.2Gb/s◎海底光方式（Japan-US）開通（KDDI 他）、160Gb/s（10Gb/s×16 波）○北米ネットバブル崩壊（⇒日本の光通信機器製造業界も深刻な痛手）◎PON による FTTH サービス開始（NTT）○日本で第３世代モバイル通信（FOMA）開始、384kb/s（NTT“光”新世代ビジョン発表）

204

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.25 2018. March

2012
2013
2015
2016

2009
2010

2007
2008

・光ファイバ通信発展への貢献でノーベル物理学賞を受賞（C.K. Kao）
・マルチコアファイバ（MCF）研究の活発化◎海底光方式（Unity）開通（KDD 他）、960Gb/s（10Gb/s×96 波）、分散ﾏﾈｰｼﾞﾒﾝﾄﾌｧｲﾊﾞ●デジタルコヒーレント通信用 DSP 共同開発（NTT,NEC、富士通、三菱電機、NICT）○日本で第 3.9 世代モバイル通信（LTE）開始、受信最大 300Mb/s◎MCF による１Pb/s 級伝送実験（NTT）、456Gb/s×222 波×12 コア、52.4km 長◎デジタルコヒーレント 100G-PTS 方式商用化（NTT）、100G×80 波で 8Tb/s◎MCF による２Pb/s 級伝送実験（KDDI）、50Gb/s×360 波×6 モード×19 コア、9.8km 長◎デジタルコヒーレント海底光方式（FASTER）開通（KDDI 他）、100Gb/s×100 波で 10Tb/s◎40G-WDM システムの商用化（NTT）、L 帯 40 波、最大 1,600Gb/s（＝1,6Tb/s）○日本の FTTH 契約数が DSL 契約数を上回る◎デジタルコヒーレント光通信方式研究の活発化

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査

205

8 心光ファイバケーブルサンプル

48 心光ファイバケーブルサンプル

4

5

6

F-400M 方式 端局中継装置

4 心光ファイバケーブル

3

8100km 長 VAD 単一モード光ファイバ

2

F-32M 方式 端局中継装置

VAD 光ファイバ母材製造装置

1

7

名称

光ファイバ通信実験装置

番号

NTT 技術史料館

NTT 技術史料館

NTT 技術史料館

NTT 技術史料館

古河電工
千葉事業所

NTT 技術史料館

NTT 技術史料館

東京工業大学
博物館

所在地

製品

製品

特注品

特注品

試作品

試作品

保管

展示

保管

保管

布設

展示

展示

展示

復元品

試作品

資料現状

資料種類

石英系光ファイバ技術 産業技術史資料 所在確認
製作者

富士通

日本電気

古河電工
住友電工
藤倉電線

古河電工
住友電工
藤倉電線

古河電工

NTT 研究所

早川鉄工所(かつての茨城
県勝田市で営
業、今は廃業)

東京工業大学末松研究室

製作年

1985 年

1981 年

1978 年

1976 年

1974 年

1980 年

1976 年

1963 年(2008 年に復元)

選定理由

・F-400M 方式（伝送容量 400Mb/s、中継間隔 40km）は、1980 年からの NTT 武蔵野研究所-厚木研究所間での現場試験を経て、1983 年に商用化が開始された世界初の大容量単一モード光ファイバ通信方式であり、VAD 単一モード光ファイバケーブルが本格採用された。
・NTT 仕様に沿って富士通と日本電気が量産し、NTT 民営化寸前の 1985 年 2 月には、旭川-鹿児島間を結ぶ総延長 3,400ｋｍの日本縦貫光幹線ルートが開通した。

・GI 型多モード光ファイバケーブルを用いた F-32M 方式（波長 1.3µm、伝送容量 32Mb/s、中継間隔 20km）は、1981 年に公衆通信網への導入が開始された世界初の本格的な光ファイバ通信方式である。NTT 仕様に沿って日本電気と富士通の２社体制で製作され、主に市内中継伝送用に用いられた。同時期に F-100M 方式（伝送容量 100Mb/s、中継間隔 10km、主に県内中継伝送用）も商用化され、本格的な光ファイバ通信時代の幕開けとなった。

・1978 年に東京都心で行われた NTT 現場試験用の GI 型多モード光ファイバケーブル（波長0.85µm）であり、光ファイバ心線は主に MCVD 法で作製された。それまで数心であった光ファイバ
ケーブルと異なり、光ファイバ６心をユニット化し、このユニットを撚り合わせることで多心化を可能にした。続いて 1980 年から川崎市内で実施された第２次現場試験用の光ファイバケーブル（波長 1.3µm）開発と合わせて、1981 年からの光ファイバ通信商用化に大きく貢献した。

・NTT 第１号の光ファイバケーブルとして、MCVD 法による国産 SI 型多モード光ファイバ心線を用
いて電線３社によって作製され、NTT 横須賀研究所内での総合伝送実験に供された。
・伝送実験は 1976 年 10 月に始まり、電線３社に加えて日本電気と富士通の協力を得て、研究所内の 300m 洞道内に、8km 長の 8 心光ケーブル（光ファイバ全長: 8km×8 心＝64km）が布設され、伝送容量 32Mb/s と 6.3Mb/s のシステム実験（波長 0.85µm）が行われた。

・1974 年夏、SI 型多モード光ファイバ心線（米国 Corning 社製）を用いて、4 心光ファイバケーブ
ルの試作、現場布設、接続試験が行なわれた。架空 200m、地下 200m の布設で、地下マンホール内での現場接続にも世界で初めて成功した。試験結果は 1975 年の第 1 回欧州光通信
国際会議（ECOC’75）で報告され、実用的な光ファイバケーブル開発の出発点になった。
・架空部分については、今も布設当時のまま保存されている。

・VAD 法による長尺低損失単一モード光ファイバ製造が可能であることを初めて実証した記念
碑的な光ファイバである。1980 年 11 月の NTT 茨城研究所の 20 周年記念の施設案内日に間に合うように開発され展示された。
・その後の全合成単一モード光ファイバの実現を含む VAD 法の発展と普及の先駆けになった。

・石英系光ファイバの量産製法（VAD 法）の開発に用いられた実験装置であり、得られた実験データが 1977 年 7 月に東京で開催された光 IC/ファイバ国際会議 (IOOC'77)での VAD 法発表のベースになった。今日では、世界の通信用光ファイバの約 60％（日本では 90％以上）が VAD
法を基本として製造されていて、VAD 法は 2015 年 5 月に「IEEE マイルストーン」に認定された。

・1963 年 5 月の東京工業大学全学祭で公開された世界初の光ファイバ通信実験装置。HeNeレーザからの光が、ADP 電気光学結晶を用いた光変調器で音声に変調され、光ファイバ束で光電管に導かれ、再び音声に復調された。当時、通信用光ファイバは未開発であり、数万本のガラスファイバからなるイメージスコープ用の光ファイバ束（長さ数 10cm、直径数 mm）を転用した。
・2008 年 7 月の同大学百年記念館イベントで再現デモを実施。

石英系光ファイバ技術発展の系統化調査 正誤表
ページ

段落

技術の系統化調査報告 第25集
2018年3月
（誤）

行

要旨

下から6

（Fiber-the-the-Home）

113

図1.4

多種多用な光ケーブル製品

全文PDF版
2018年8月（正）（Fiber-to-the-Home）
多種多様な光ケーブル製品

7)13（0.47dB/km@1.2mm）の実現 を通じて、曲率半径500mないし1,000程度（0.47dB/km@1.2mm）実現を発表して7)、
曲率半径500mないし1,000m程度

左17

受賞した際の「受賞理由」は、受賞した際の「授賞理由」は、

左19強調されている。

強調されている28)。
28) http://www.japanprize.jp/
prize_past_1996_prize01.html

116

左

23

118

左

120
120
122

右

124

右

8

符号している。

符合している。

126

右

31

日本の業界が答えられなかった

日本の業界が応えられなかった【参考・引用文献 追加】

133

左

4

135

左

3

135

右

8

－

NaがNa イオンとしてpp.331-5

NaがNa＋イオンとしてpp.331-335
GeO2-SiO2-cored
OHｲｵﾝ吸収＠λ＝1.39μm（0.05ppm相当）
損失（dB/km）

138

図4.5

142

図4.15

GeO2-SiO2-cored
OHｲｵﾝ吸収＠λ＝1.39μm（0.08ppm相当）
損失（ｄB/cm）

143

図4.18

損失（dB/cm）

損失（dB/km）

148

図5.9

損失

損失（dB/km）

149

右

150

左

= 4ℓ/min)= 4ℓ/min

バーナ火炎を横切り

バーナ火炎を横切るように

153

下から8
図5.25

a）の多孔質母材a）堆積後の多孔質母材

153

図5.29

損失（dB）

損失（dB/km）値（～12.5）は届かなかった。

値（～12.5）には届かなかった。

156

14

左

4

159

図5.42

点線カーブを右方にシフト

159

図5.43

点線カーブを右方にシフト

163

左

27

日立評, VOL.69,

日立評論, Vol.69,

165

右

20

研究集結までに

研究終結までに

168

図6.8
APDの構造

電子加速層

雪崩増倍層

172

図6.16
素線

←125μm→←150μm→

174

図6.20

損失（dB）

損失（dB/km）

174

右

下から７

付設が行われた布設が行われた

177

右

3

側法から

側方から

186

右

11

光ファイバの最小になる

光ファイバ損失の最小になる

186

右1995年前後に商用化

1996年に商用化

Wavelength-Division Multiplexing

WDM: Wavelength-Division Multiplexing

2004年

2003年

シンボルレート（= ビットレート）

シンボルレート（EDFA）に登場によって（EDFA）の登場によって単モード光ファイバの物理限界

単一モードファイバの物理限界に渡って関与した技術分野であり、にわたって関与した技術分野であり、今日の光ファイバ通信網に構築に

今日の光ファイバ通信網の構築に

187

下から5
図7.4

187

右

17

188

右

下から6

189

左

9
図7.9

189
192

左

196

図8.2
右側の和訳文章

12

203

年表

1995年

203

年表

2004年

◎EDFAを用いた大容量伝送方式（FA2.4GとFA-10G）商用化、外部変調器採用◎海底光方式（TPC-5CN）開通（KDD他）、
5Gb/s、DSF、EDFA採用◎10G-WDMシステムの商用化（ＮＴＴ）、Ｌ
帯80波、最大800Gb/s【左記の２項目を1996年の枠に移動】【左記の１項目を2003年の枠に移動】