JP5945516B2

JP5945516B2 - 光ファイバ

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Publication number: JP5945516B2
Application number: JP2013083010A
Authority: JP
Inventors: 小山田　浩; 浩小山田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: EP2657733B1; US8837891B2; KR20130121008A; CN103376504A; US20130287352A1; EP2657733A1; JP2013242545A; KR101436723B1; CN103376504B

Description

本発明は、光通信用の光ファイバに係り、特に曲げを与えても伝搬光の伝送損失が小さい光ファイバに関する。

局と各ユーザー家庭との間の通信に光ファイバが使われるＦＴＴＨ等のアクセス系の通信においては、光ファイバが曲率数十ｍｍ〜数ｍｍの曲げを受ける可能性が指摘されている。このため、この様なＦＴＴＨや宅内配線で用いられる光ファイバには、曲げに対する伝送損失が小さいことが要求される。長距離幹線ケーブルは、地下ダクトなど外力の影響を受けにくい場所に敷設されるため、光ファイバ本体に加わる曲げは端末容器内の直径６０ｍｍの巻き（高々１００回）が想定されるにすぎないのに対して、宅内外の配線では、可撓性を持たせ軽量化するために、比較的細い（直径数ｍｍ）のコードの状態で配線されるため、外力の影響を受けやすく、光ファイバの受ける曲げ半径も数十ｍｍ以下となる可能性が高いためである。

そもそも光ファイバでは、信号光が光ファイバのコアに沿って伝搬するため、光ファイバを曲げた状態でも伝送可能な特徴があるものの、その曲げ半径が小さくなるにつれ伝搬しきれずにコアから漏洩する光の割合が指数関数的に増大し、伝送損失を生じる。これが曲げ損失である。曲げ損失を低減するためには、コアの屈折率を高めて光をよりコアに集約させるのが効果的であり、モードフィールド径（ＭＦＤ）を小さくすることによって改善可能である。このため、従来は約６〜８μｍのＭＦＤの光ファイバが用いられることが多く、こうすることによって、例えば、直径２０ｍｍのマンドレル（円筒）に光ファイバを巻きつけた際の曲げ損失が、波長１５５０ｎｍにおいて０．５ｄＢ／ｔｕｒｎ以下を実現している。

ところが、長距離系の光通信において一般的に用いられているＩＴＵ−ＴＧ.６５２規格の光ファイバのＭＦＤは、８〜１０μｍ程度であるため、両者を接続する場合にＭＦＤの違いによる接続損失が大きくなってしまうという問題が有る。このため、アクセス系の光ファイバのＭＦＤも８〜１０μｍ程度に大きくなるのが望ましい。特許文献１によれば、ＭＦＤを大きく設計しつつ曲げ損失を低減できるトレンチ型光ファイバが開示されている。これは古くから知られた公知技術であるが、近年、その優秀な曲げ損失特性が着目されている。
［特許文献１］米国特許４，８５２，９６８号

石英系ガラス光ファイバの場合、コアにはゲルマニウムをドープして屈折率を高くし、トレンチ部分にはフッ素をドープして屈折率が下げられている。その他の内側・外側クラッドには、純石英またはゲルマニウムやフッ素を少量ドープするのみにとどめ、屈折率を石英レベルに近づけている。

一般的な光ファイバ母材の製造方法であるＶＡＤ法で作製する場合、（１）コア（＝第１コア）および内側クラッド（＝第２コア）を作製し、コア／クラッドガラス中間体（＝中間体）とする。次に、（２）トレンチ部（＝第３コア）を形成する。このトレンチ部は、ガラススート微粒子を中間体の外側に注意深く吹きつけ、フッ素含有ガス雰囲気中で熱処理することによって形成される。最後に（３）外側屈折率体を形成する。

このとき、ガラススート微粒子を吹き付けた中間体を、雰囲気ガスとしてＳｉＦ_４、ＣＦ_４等のフッ素含有ガスをヘリウム等の不活性ガスに同伴して供給し、１３００℃前後に加熱してトレンチ部にフッ素をドープする。フッ素のドープ濃度は、雰囲気ガス中のフッ素含有ガス分圧の約０．２５乗に比例して増大することが知られており、ドープ濃度が高くなればなるほど、フッ素含有ガスの分圧を増さなければならない。例えば、トレンチ部の比屈折率差（Δ）を−０．６％にするには、概ね０．７気圧程度のＳｉＦ_４分圧が必要であり、フッ素含有ガスを大量に消費するという問題が有った。

また、トレンチ型の屈折率分布の場合、トレンチの内側の部分を光の高次モードが伝搬し易く、カットオフ波長が大きくなる傾向がある。このため、コア直径を小さめにする等の設計上の工夫が必要であった。ところが、このようにしてコア径を小さく設計した場合、零分散波長が長波長側にシフトするという問題が生じる。零分散波長とは、波長分散がゼロとなる波長であり、波長分散の絶対値が大きいと、光信号のパルスが広がるなどにより長距離伝送品質が低下する。

長距離系とアクセス系とに別々の光ファイバを用いるのではなく、アクセス系に用いる光ファイバをそのまま長距離系にも援用したいという市場要求がある。この場合、零分散波長が一般的なシングルモード光ファイバの伝送光波長である１．３１μｍ前後になっているのが好ましく、１．３００〜１．３２４μｍの範囲になっているとより好ましい。

上記事情に鑑み、本発明は、ＭＦＤを８〜１０μｍ前後に拡大しつつも曲げ特性に優れるトレンチ型屈折率分布形状を有する光ファイバを提供すること、トレンチ部にフッ素をドープする際に使用するフッ素含有ガス消費量を少なくしても曲げ特性に優れる光ファイバを提供すること、さらに、零分散波長を一般的なシングルモード光ファイバと同等の１３００〜１３２４ｎｍの範囲に設計した光ファイバを提供することを目的とする。

本発明の光ファイバは、中心部に第１コア、第１コアに隣接してその外周を覆う第２コア、第２コアに隣接してその外周を覆う第３コア、及び第３コアに隣接してその外周を覆うクラッドからなり、該クラッドの屈折率を基準にしたときの、第１コアの比屈折率差の最大値がΔ１であり、第２コアの平坦部の比屈折率差がΔ２であり、第３コアの比屈折率差の最小値がΔ３であり、前記第２コアの比屈折率差の最大値Δ２ｍａｘが、Δ２ｍａｘ＝（Δ１）／２であり、前記第２コアの比屈折率差の最小値Δ２ｍｉｎが、Δ２ｍｉｎ＝（Δ３）／２であり、第１コアのΔ１に対する半値半径幅がａであり、第３コアの前記Δ３の半値半径幅に対する、第２コアと第３コアとの境界の半径がｂであり、第３コアとクラッドとの境界の半径がｃであり、０．３０％≦Δ１≦０．４５％、−０．０５％≦Δ２≦０．０５％、−０．３５％≦Δ３≦−０．１５％、２．５≦ｂ／ａ、３．５μｍ≦ａ≦４．２μｍ、９μｍ≦ｂ≦１３μｍ、４．５μｍ≦ｃ−ｂ≦７．０μｍを満たし、零分散波長が１３００ｎｍ以上１３２４ｎｍ位下であり、直径１０ｍｍのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの波長１５５０ｎｍにおける損失増加が１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であることを特徴としている。

本発明の光ファイバは、波長１３１０ｎｍにおけるＬＰ０１モードのモードフィールド直径が８．２μｍ以上１０．０μｍ以下である。また、ＩＴＵ−ＴＧ.６５０規格に定められた２２ｍの光ファイバで測定するケーブル・カットオフ波長は１２６０ｎｍ以下である。さらに、前記ｂが１３１０ｎｍにおけるモードフィールド直径の１．２１倍以上である。また、波長１３８３ｎｍにおける伝送損失が０．３５ｄＢ／ｋｍ以下とされる。

実施例１〜４及び比較例１〜３として作成した１２５μｍの光ファイバの構造パラメータ、ならびに光学特性を表形式で示した図である。本発明の光ファイバの屈折率分布の構造パラメータを示す模式図である。実施例１で作製した光ファイバの屈折率分布を示す概略図である。実施例５ａ〜５ｆ、６ａ〜６ｇとして作成した１２５μｍの光ファイバの構造パラメータ、ならびに光学特性を表形式で示した図である。零分散波長とΔ１との関係を示すグラフである。ＭＦＤとΔ１との関係を示すグラフである。ｂとΔ１との関係を示すグラフである。ｃ−ｂとΔ１との関係を示すグラフである。曲げ損失（直径１０ｍｍ波長１５５０ｎｍ）とΔ１との関係を示すグラフである。曲げ損失（直径１０ｍｍ波長１５５０ｎｍ）とΔ３との関係を示すグラフである。

本発明の光ファイバは、屈折率分布をトレンチ型とすることによってＭＦＤを大きくしつつ曲げによる伝送損失を低減している。特に、−０．３５％≦Δ３≦−０．１５％に設定しつつ、４．５μｍ≦ｃ−ｂ≦７．０μｍとすることにより、フッ素のドープ量を抑制し、フッ素含有ガスの使用量を低減している。同時に、トレンチよりも内側の高次モードの伝搬を抑制し、カットオフ波長の増大を抑制することによって、零分散波長を１３００ｎｍ以上１．３２４μｍ以下にすることが可能となる。また、３．５μｍ≦ａ≦４．２μｍ及び９μｍ≦ｂ≦１３μｍとし、かつｂ／ａ≧２．５とすることにより、トレンチの界面位置ｂをコア中心から適度に遠ざけることができ、界面付近に混入しがちなＯＨ基の影響を低減でき、１３８３ｎｍ付近の伝送損失を０．３５ｄＢ／ｋｍ以下に低減することができ、さらに、直径１０ｍｍのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの波長１５５０ｎｍにおける損失増加を１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下とすることができる。

ＶＡＤ法により、第１コアおよび第２コアからなる多孔質ガラス母材を一体合成した。第１コアには、屈折率を上昇させるためのゲルマニウムをドープした。この多孔質ガラス母材を塩素雰囲気ガス中にて約１２００℃に加熱し、含まれる水酸基(−ＯＨ基)の除去を行ない、引続きヘリウム雰囲気ガス中にて約１６００℃に加熱し、中実な透明ガラスコア母材とした。この透明ガラスコア母材をガラス旋盤にて所定径に加熱延伸して長手方向の外径を揃えた。このとき、ガラス旋盤の酸水素火炎の影響で表面にOH基が取り込まれるが、延伸後の透明ガラスコア母材を更にフッ化水素酸水溶液に浸漬して表面を溶かすことによってこれを除去した。なお、ガラス旋盤の加熱源にアルゴンプラズマ火炎を用いても良い。その場合は、コア母材の表面にＯＨ基が混入しないため、フッ化水素酸による処理を省略することができる。

次に、この透明ガラスコア母材上に、ＯＶＤ法によってシリカガラス微粒子を堆積し、第３コアに相当する多孔質層を形成した。これを塩素雰囲気ガス中にて約１２００℃に加熱し、多孔質ガラス層に含まれるＯＨ基の除去を行ない、引続き四フッ化シランガス（流量；毎分１リットル）とヘリウムガス（流量；毎分２リットル）の混合ガス流雰囲気中にて約１４００℃に加熱し、多孔質ガラス層にフッ素を添加をしつつ多孔質ガラス層を中実化して屈折率の低い透明ガラス層とした。なお、四フッ化シランに代えて、四フッ化メタンや六フッ化エタンなどのフッ素含有ガスを用いて処理してもよい。

こうして作製した、第１コア、第２コアおよび第３コアからなる透明ガラスコア母材を、クラッド用のシリカガラスチューブに挿入し、チューブの内部を真空ポンプで減圧しながら約２０００℃に加熱し、クラッドとコア部とを一体化させて、光ファイバ用の透明ガラス母材を作製した。なお、透明コア母材をチューブに挿入するのではなく、透明コア母材の外側にＯＶＤ法によって多孔質シリカガラス層を堆積し、それをヘリウム雰囲気ガス中で約１６００℃程度に加熱することによって透明ガラス化する工程にしても良い。このようにして作製した光ファイバ母材を約２１００℃に加熱し紡糸することによって、直径１２５μｍの光ファイバを得た。

なお、上記において、製作する光ファイバの設計値に基づき、各コアの半値径ａ、ｂ、ｃに合わせてシリカガラス微粒子の堆積量を調整し、さらに、第１コアへのゲルマニウムのドープ量、第３コアへのフッ素のドープ量を調整し、それぞれ実施例１〜４、比較例１〜３とした。これらの光学特性をまとめて図１に示した。なお、λｃは零分散波長であり、λｃｃはカットオフ波長である。曲げ損失は、直径１０ｍｍのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの波長１５５０ｎｍにおける数値である。本発明の光ファイバの構造パラメータを図２に、実施例１で作製した光ファイバの屈折率分布を図３に示した。

図４は、実施例５ａ〜５ｆ、６ａ〜６ｇとして作成した１２５μｍの光ファイバの構造パラメータ、ならびに光学特性を表形式で示した図である。実施例５ａ〜５ｆに示した光ファイバは、Δ１を変えて母材を作成し、λｃｃが１２５０ｎｍ程度になる様に調整した。ここで、零分散波長を一般的なシングルモードファイバの光学特性値１３００〜１３２４ｎｍに合せようとすると、図５に示すように、Δ１は、おおよそ０．４５％以下の範囲に収まっている必要が生じる。また、ＭＦＤを一般的なシングルモードファイバの光学特性値８．０〜１０．０μｍに合せようとすると、図６に示すように、Δ１は、おおよそ０．３％〜０．５％の範囲に収まっている必要が生じる。したがって、Δ１は、おおよそ０．３％以上０．４５％以下の範囲に収まる必要がある。このとき、λｃｃを調整するために、コア径ａ、ｂ、ｃを拡大縮小して検討したところ、図７、図８に示すように、ｂは、おおよそ９〜１３μｍとなり、同様にｃ−ｂは、４．５〜７μｍとなる。

図９は、実施例５ａ〜５ｆの光ファイバにおける曲げ損失（直径１０ｍｍ波長１５５０ｎｍ）とΔ１との関係を示すグラフである。図９に示すように、実施例５ａ〜５ｆの光ファイバの曲げ損失特性は０．５ｄＢ／ｔｕｒｎ未満となり、どれも良好であった。

実施例６ａ〜６ｇに示した光ファイバは、Δ３を変えて母材を作成し、λｃｃが１２５０ｎｍ程度になるように調整した。図１０に示すように、Δ３は、小さければ小さいほど曲げ損失は、小さくなる傾向がある。Δ３≦−０．１５％とすることによって、曲げ損失を１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下の領域に収めることができ、Δ３＜０．２５％とすることで、曲げ損失が０．５ｄＢ／ｔｕｒｎよりも小さくなる。

第３コアの比屈折率差の最小値Δ３は、フッ素含有ガスの濃度分圧を変えることにより調整できる。フッ素含有ガスの分圧比の約０．２５乗に比例してΔ３が低下するので、例えば、Δ３を−０．４％にしたい場合には、フッ素含有ガスの分圧をΔ３が−０．３５％の時の１．７倍にする必要が生じ、フッ素含有ガスの使用量が極端に多くなる。フッ素含有ガスの使用量が多くなると、原料ガス量、廃ガスの処理量が増大してコストが嵩むので、可能な限りフッ素ドープ量を抑制したいという経済上の要求がある。このため、Δ３の値は、−０．４０％以上が好ましく、−０．３５％以上とすることは、さらに好ましい。

このように、本発明の光ファイバによれば、トレンチ部分のフッ素ドープ量を抑制しつつ、その幅を調整することにより、高次モードの伝搬を抑制し、かつカットオフ波長の増大を抑制することによって、零分散波長を１．３２４μｍ以下にすることが可能となる。また、トレンチの界面位置をコア中心から適度に遠ざけることにより、ＯＨ不純物が少なく、曲げ特性にも優れた光ファイバが得られる、等の優れた効果を奏する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

Claims

中心部に第１コア、第１コアに隣接してその外周を覆う第２コア、第２コアに隣接してその外周を覆う第３コア、及び第３コアに隣接してその外周を覆うクラッドからなり、
該クラッドの屈折率を基準にしたときの、第１コアの比屈折率差の最大値がΔ１であり、第２コアの平坦部の比屈折率差がΔ２であり、第３コアの比屈折率差の最小値がΔ３であり、前記第２コアの比屈折率差の最大値Δ２ｍａｘが、Δ２ｍａｘ＝（Δ１）／２であり、前記第２コアの比屈折率差の最小値Δ２ｍｉｎが、Δ２ｍｉｎ＝（Δ３）／２であり、第１コアのΔ１に対する半値半径幅がａであり、第３コアの前記Δ３の半値半径幅に対する、第２コアと第３コアとの境界の半径がｂであり、第３コアとクラッドとの境界の半径がｃであり、０．３０％≦Δ１≦０．４５％、−０．０５％≦Δ２≦０．０５％、−０．３５％≦Δ３≦−０．１５％、２．５≦ｂ／ａ、３．５μｍ≦ａ≦４．２μｍ、９μｍ≦ｂ≦１３μｍ、４．５μｍ≦ｃ−ｂ≦７．０μｍを満たし、零分散波長が１３００ｎｍ以上１３２４ｎｍ以下であり、直径１０ｍｍのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの波長１５５０ｎｍにおける損失増加が１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であり、波長１３１０ｎｍにおけるＬＰ０１モードのモードフィールド直径が８．２μｍ以上１０．０μｍ以下であり、前記ｂが１３１０ｎｍにおけるモードフィールド直径の１．２１倍以上であることを特徴とする光ファイバ。
請求項１に記載の光ファイバにおいて、ＩＴＵ−ＴＧ.６５０規格に定められた２２ｍの光ファイバで測定するケーブル・カットオフ波長が１２６０ｎｍ以下であることを特徴とする光ファイバ。
請求項1または２に記載の光ファイバにおいて、波長１３８３ｎｍにおける伝送損失が０．３５ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする光ファイバ。