JP2002518988A - タンタルが添加されたクラッドを有する光ファイバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 改良光ファイバ導波路１は内側クラッド領域12に囲まれた中央コア10領域からなる。第２の環状領域14にはタンタルが添加されている。コア10にはゲルマニウムが添加されている。内側クラッドの第１の環状領域20には何も添加されていない。光ファイバ１は、屈折率の比較的大きい２つの隣接領域の間に位置する低下環状領域20を有している。両方の隣接領域10、20の屈折率は、中央領域20よりも大きい。

Description

【発明の詳細な説明】 背景 米国特許第4,715,679号には、広い波長範囲に亘り分散がほとんどまたは全く ない光ファイバが記載されている。この光ファイバは、外側クラッドに囲まれた 内側クラッドに囲まれた中央コアを有している。このコアおよびクラッドには、 隣接領域と比較して屈折率が低下した１つ以上の領域がある。このコアは最大屈 折率を有し、屈折率は中心から離れるにしたがって減少している。このコアには 、低下した屈折率を有する、内側クラッドの第１の環状領域が隣接している。こ の低下領域には、低下した第１の環状領域よりも屈折率の大きい第２の環状領域 が隣接している。屈折率の低下により、ファイバの光エネルギー伝搬特性が変更 されて、導波路分散と波長との間に所望の関係が得られる。そのため、分散は、 中央コアに隣接した内側クラッド領域の屈折率を低下させることにより制御され る。屈折率は、フッ素またはホウ素のような適切な抑制添加物を加えることによ り低下させられる。 しかしながら、フッ素およびホウ素添加物により作成された低下領域の限界は 望ましいものではない。フッ素により作成された低下領域は約0.5パーセントの デルタの屈折率低下の最大量を有しているが、0.3パーセントのデルタがより普 通の結果である。フッ素は腐食性であり、普通の外付け溶着（ＯＶＤ）工程のた めの乾燥フッ素の供給源は現在市販されていないので、フッ素は製造上の問題と なっている。ホウ素は、1200ｎｍより大きい波長を有する光の伝搬にかなりの悪 影響を与える。ホウ素は、それ自体では、一般的に約1500ｎｍで光を透過させる 単一モード光ファイバに使用できない。 ある領域の屈折率を低下させる代わりに、ゲルマニウムによりクラッドの屈折 率を上昇させる方法が提案された。しかしながら、ゲルマニウムは、クラッドの 屈折率を上昇させるのには適していない。ゲルマニウムは、乾燥および固結中に 塩素と反応して、一酸化ゲルマニウムを形成する。一酸化物は、比較的揮発性で あり、塩素の乾燥および固結の工程の最中にクラッドから外に移行してしまう。 そのため、ゲルマニウムをクラッド内に保持し、それによって、溶融シリカのよ うな屈折率が低下した隣接領域に関して、クラッドの屈折率を上昇させることは 困難である。 したがって、溶融シリカガラスと相溶性であり、初期位置から移行しない添加 物によりクラッド領域の屈折率を増加させ、光ファイバを透過する波長の光を吸 収しない光ファイバ構造体が求められており、これはまだ実現されていない。 概要 クラッドにタンタルを添加して、コアの隣接低下領域上のクラッドの屈折率を 上昇させたときに、予期せぬ、そして非常に望ましい結果が得られた。本発明に より、屈折率増加添加物のみを用いて、色分散を変更する光ファイバが得られる 。本発明により作成された光ファイバには、ホウ素およびフッ素のような屈折率 低下添加物を必要としないので、本発明により、そのような添加物の望ましくな い副作用がなくなる。 タンタルには、技術的な利点が数多くある。第１に、タンタルは初期位置から 移行しない。タンタルの揮発性は低いので、ファイバが、乾燥および固結中の高 温に曝されたときでさえも、移行に抵抗をする。移行に抵抗することにより、タ ンタルの添加された領域の添加分布は、はっきりと限定されたままである。第２ の利点は、透過に選ばれた波長での光の減衰が小さいことである。これらの波長 は、1300ｎｍから1550ｎｍ辺りである。このような波長では、タンタルは、光の 減衰が比較的小さい。また、タンタルによるレイリー散乱は、そのような波長で は比較的小さい。第３の利点は、タンタルを添加したガラスは、ゲルマニウムを 添加したガラスよりも熱膨張が小さいことである。第４の利点は、タンタルは、 ゲルマニウムよりも、重量で、屈折率への影響が大きいことである。そのため、 ゲルマニウムにより調製されたものと同一の屈折率を調製するためには、より少 量のタンタルしか必要としない。減衰は量にも関連している。したがって、タン タルを用いた光ファイバ内の光の減衰は、使用するタンタルが少量であるために 小さい。第５の利点は、タンタルが化学的に安定であることである。タンタルは 、水並びにほとんどの酸およびアルカリに不溶性である。タンタルは、熱いフッ 化 水素酸によってのみゆっくりと攻撃される。本発明は、限定されるものではない が、単一モードファイバ、多モードファイバ、分散シフトファイバ、有効面積の 大きいファイバ、線形分散が制御された高性能な超長距離ファイバを含む全ての 光ファイバに適用できる。 光ファイバの製造において、光ファイバのコアおよびクラッド（内側および外 側）領域の材料は、光減衰特性が最小であるガラスから作られている。光学品質 のガラスを用いてもよいけれども、溶融シリカが特に適したガラスである。コア ガラスおよびクラッドガラス用のガラスは、構造および他の実際的な要件に関し て同等の物理的特性を有するべきである。コアガラスはクラッドガラスよりも高 い屈折率を有さなければならないので、コアガラスは、クラッドに使用されてい るものと同一のガラスから形成し、少量の物質を添加して、コアの屈折率をわず かに増加させている。このコアにはゲルマニアが添加されている。第１の環状低 下領域は、内側クラッドの初期部分内に、コアおよび内側クラッドの隣接部分内 に、または完全にコアの外側環内に形成されていてもよい。好ましい実施の形態 において、コアの中央領域にはゲルマニウムが添加されている。コアの外側環は 、無添加状態のままである。無添加コア環に隣接し、コアを囲んだクラッド領域 にはタンタルを添加して、屈折率を増加させている。タンタル添加クラッド領域 は、無添加コア環からファイバの外側までに亘っている。 図面の簡単な説明 図１は、本発明により作成された光ファイバの断面図である。 図２は、本発明によるある光ファイバの添加分布である。 図３および４は、本発明により作成された他の光ファイバの添加分布を示して いる。 図５は、タンタル添加シリカオーバークラッドファイバの分散結果を示すグラ フである。 図６は、タンタルおよび溶融シリカに関する波長の関数としての屈折率を示す グラフである。 詳細な説明 図１は、本発明により作成した単一モード光ファイバ１の断面図を示している 。 この光ファイバは、外面11により限定された中央コア10を有している。内側クラ ッド領域12は、コア10の外面11上に形成された内面を有している。内側クラッド 領域12は、外面13を有している。内側クラッド12は、外面15を有している外側ク ラッド14により囲まれている。 コア10の材料は、ゲルマニウムが添加された溶融シリカである。内側クラッド 層12は、実質的に純粋な溶融シリカの少なくとも１つの環状領域20を有している 。第２の環状領域22は、タンタルが添加された溶融シリカからなる。点線21は、 領域20および22の間の境界を示している。タンタルの添加は、点線21から外面15 までに亘っている。本発明は、無添加領域20およびタンタル添加領域22を有する 内側クラッドについて検討しているが、本発明はまた、内側クラッド12の全体が 無添加状態であり、外側クラッド14にタンタルが添加されているファイバも包含 する。 図２は、本発明により作成した光ファイバの典型的な添加分布を示している。 コア領域10には、ゲルマニウムまたはゲルマニウムとタンタルとの組合せが添加 され、中央での最大値からコア10の外面11でのゼロまでの勾配屈折率が提供され ている。コア10には、実質的に純粋な溶融シリカの第１の環状領域20が隣接して いる。第２の環状領域22にはタンタルが添加されている。タンタル添加領域22は 、領域20よりは大きいが、コア10の最大値末満の屈折率を有している。領域20お よび22の間には、それ自体、屈折率の大きな変化がある。したがって、領域20は 、各々が低下領域20よりも大きい屈折率を有する、２つの隣接領域10、22の間に 位置する低下環状領域を形成する。無添加領域とタンタル添加領域との間の境界 21は、内側クラッド12の外面13と一致していてもよい。 光ファイバ１において、コアは最大屈折率Ｉ₀を有している。このコアには、 屈折率Ｉ₁を有する第１の環状領域20が隣接している。第２の環状領域22は、第 １の環状領域20を囲み、屈折率Ｉ₂を有している。低下屈折率Ｉ₁を有する第１の 環状領域20は、完全にコア10の外側環内に、コアおよび内側クラッドの隣接する 環状領域内に、または完全に内側クラッド内に形成されていてもよい。そのよう に、Ｉ₀＞Ｉ₂＞Ｉ₁。 本発明の特徴は、一番外側の環の外縁Ａから光ファイバの外縁Ｂまでに亘るク ラッド領域にある。このクラッド領域は、ＳｉＯ₂およびクラッドの屈折率を少 なくとも１つの内側環（典型的に純粋なシリカである）よりも増加させるタンタ ルを含んでいる。クラッドはまた、強度を与えるためのチタンのような他の添加 物を含有していてもよい。他の有用な分布が図３および４に示されている。 図３のファイバは、ファイバの環状部分にゲルマニウムを添加することにより 作成したステップ型屈折率領域30を有している。タンタル添加領域32は、ステッ プ型屈折率領域30からファイバの外面までに亘る。図４のファイバは、各々がフ ァイバの環状部分にゲルマニウムを添加することにより形成された、２つのステ ップ型屈折率領域30、31を有している。タンタル添加領域32は、領域31よりも大 きいが領域30未満の屈折率を有している。この領域32は、ファイバの外側までに 亘っている。 図５は、タンタル添加シリカオーバークラッドファイバの分散結果を示してい る。これらの結果は、タンタル添加シリカの材料分散は、ゲルマニウム添加シリ カの材料分散に極めて似ていることを示している。 このような予測を以下の実験により確認した。7.26重量％のタンタル添加シリ カの実験結果を、5.9重量％のＧｅＯ₂および9.26重量％のＧｅＯ₂を添加した溶 融シリカおよびシリカの実験結果と比較した。図６に示されたデータは、タンタ ル添加シリカが7.5重量％のゲルマニウム添加シリカの予測した屈折率にしたが うことを示している。 本発明はまた、一定または変動した屈折率のいずれかを有するコアを備えた光 導波路を検討している。コア10並びにクラッド５，12および14の分布を、ここに 引用する米国特許第4,715,679号の教示にしたがってさらに変更してもよい。例 えば、コア10は、ステップ型屈折率分布、アルファ屈折率分布、一定の割合で変 化する分布、または１つ以上の割合の組合せで変化する分布を有していてもよい 。低下領域はまた、コアが完成する前にゲルマニウムの添加を終了することによ り、コア内に形成してもよい。コアの釣合いは、無添加溶融シリカにある。 本発明を、クラッドの屈折率を上昇させることが望ましいいかなる適切な光フ ァイバに使用してもよい。本発明は、単一モードファイバだけでなく、多モード ファイバ、分散シフトファイバ、有効面積の大きいファイバ、および線形分散の 制御された高性能の超長距離ファイバにも適用できる。本発明により、いかなる ファイバの分散を変更しても差し支えない。本発明により作成された光ファイバ には、ホウ素およびフッ素のような屈折率添加添加物が必要ないので、本発明に より、そのような添加物の望ましくない副作用がなくなる。 上述したように、タンタルを用いることには、数多くの技術的な利点がある。 タンタルの揮発性は低いので、乾燥および固結中にファイバが高温に曝されたと きでさえも、タンタルは移行しない。タンタル添加領域の添加分布は、それ自体 、比較的はっきりしたままである。タンタルは、透過に選ばれた波長において、 光の減衰が小さく、レイリー散乱が小さい。これらの波長は、1300ｎｍおよび15 50ｎｍの辺りである。タンタルが添加されたガラスは、ゲルマニウムが添加され たガラスよりも熱膨張が小さい。タンタルは、ゲルマニウムよりも、重量で、光 に対する影響が大きい。そのため、ゲルマニウムにより調製されるものと同等の 屈折率を調製するのに、より少量のタンタルしか必要としない。減衰はまた量に 比例しているので、タンタルを用いた光ファイバの減衰は、使用されるタンタル の量が少ないので、小さい。タンタルは化学的に安定である。タンタルは、水並 びにほとんどの酸およびアルカリに不溶性であり、熱いフッ化水素酸によっての みゆっくりと攻撃される。 低下屈折率領域を有する本発明のファイバ１は、従来のファイバ製造工程によ り製造される。 本発明によれば、クラッド14を最終的に形成する煤の第２コーティングの残り を適用する工程は、適切な濃度のＴａＣｌ₅のようなタンタル前駆体を導入する ことにより、従来の教示から変更されている。当業者には、他の材料により屈折 率を上昇させてもよいことが認識されよう。そのような他の材料の例としては、 ジルコニウム、ランタン、イットリウム、セリウム、並びにゲルマニウムが挙げ られる。さらに、フロリド、ジルコニウム、テトラクロライド、およびヘキサフ ロリン、ヘキサフルオロアセチラクトネート、並びにランタン、イットリウム、 およびセリウムの類似化合物もＯＶＤ工程に適合する。適切な濃度の上述したい ずれにより、領域14内の屈折率増加添加物を生成してもよい。好ましい実施の形 態において、ＳｉＯ₂煤内のＴａ₂Ｏ₅前駆体の濃度は、約10重量パーセントまで に亘 り、最も好ましくは約３重量パーセントから約５重量パーセントまでである。上 述した記載は本発明の工程を説明するものであるが、内側クラッド領域12へのタ ンタルの添加は別にして、他の工程は完全に従来のものである。したがって、当 業者に知られている従来の工程を変更しても差し支えない。例えば、以下に限定 するものではないが、外付け溶着、内付け溶着、軸付け溶着、改良化学的気相溶 着、およびプラズマ外付け内付け溶着を含む様々な設置工程を用いても差し支え ない。 本発明を実施する際に、当業者により、以下の非限定的な実施例を含む従来の 光導波路ファイバ技術が容易に用いられる。これらの全てをここに引用する。 煤前駆体として有用な原料に関しては、ドビンの米国特許第5,043,002号、お よびブラックウェルの米国特許第5,152,819号を参照のこと。 煤前駆体を気化または噴霧化する工程に関しては、アントスの米国特許第5,07 8,092号、ケインの米国特許第5,356,451号、ブランケンシップの米国特許第4,23 0,744号、ブランケンシップの米国特許第4,314,837号、およびブランケンシップ の米国特許第4,173,305号を参照のこと。 煤前駆体の燃焼並びにコアおよびクラッドの堆積に関しては、アボットの米国 特許第5,116,400号、アボットの米国特許第5,211,732号、バーキーの米国特許第 4,486,212号、パワーズの米国特許第4,568,370号、パワーズの米国特許第4,639, 079号、バーキーの米国特許第4,684,384号、パワーズの米国特許第4,714,488号 、パワーズの米国特許第4,726,827号、シュルツの米国特許第4,230,472号、およ びサーカーの米国特許第4,233,045号を参照のこと。 コアプレフォームの固結、コア茎の延伸、およびオーバークラッドの固結に関 しては、レインの米国特許第4,906,267号、レインの米国特許第4,906,268号、レ インの米国特許第4,950,319号、ブランケンシップの米国特許第4,251,251号、シ ュルツの米国特許第4,263,031号、ベイリーの米国特許第4,286,978号、パワーズ の米国特許第4,125,388号、パワーズの米国特許第4,165,223号、およびアボット の米国特許第5,396,323号を参照のこと。 固結されたオーバークラッドプレフォームのファイバ延伸に関しては、ハーベ イの米国特許第5,284,499号、ケニングの米国特許第5,314,517号、アモスの米国 特許第5,366,527号、ブラウンの米国特許第4,500,043号、ダーカンジェロの米国 特許第4,514,205号、カールの米国特許第4,531,959号、レインの米国特許第4,74 1,748号、デンカの米国特許第4,792,347号、オールスの米国特許第4,246,299号 、クレイプールの米国特許第4,264,649号、およびブランデイジの米国特許第5,4 10,567号を参照のこと。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．コアおよび内側クラッドを備えた光ファイバ導波路であって、 最大屈折率Ｉ₀を有する中央領域と、 該中央領域に隣接し、Ｉ₀未満である屈折率Ｉ₁を有する第１の環状領域と、 該第１の環状領域を囲み、屈折率Ｉ₂を有する第２の環状領域とからなり、 該第２の環状領域が、前記第１の環状領域の屈折率Ｉよりも大きく該第２の環状 領域の屈折率を上昇させるのに十分な屈折率増加添加物を有する該領域の屈折率 を増加させるタンタルを含むことを特徴とする光ファイバ導波路。 ２．前記中央領域が前記コアからなり、前記第２の環状領域が多数のサブ領域を 含み、そのうちの少なくとも１つがＩ₂未満の屈折率Ｉ₁を有することを特徴とす る請求の範囲１記載の光ファイバ。 ３．Ｉ₀＞Ｉ₂＞Ｉ₁であることを特徴とする請求の範囲１記載の光ファイバ。 ４．前記第２の環状領域の添加物がタンタルからなることを特徴とする請求の範 囲１記載の光ファイバ。 ５．前記光ファイバが、単一モードファイバ、多モードファイバ、分散シフトフ ァイバ、有効面積の大きいファイバ、および色分散が制御された高性能な超長距 離ファイバからなる群より選択されるファイバであることを特徴とする請求の範 囲１記載の光ファイバ。 ６．最大屈折率Ｉ₀を有するコアと、 該コアを囲む第１の環状領域を有し、Ｉ₀未満の屈折率Ｉ₁を有する該コア上 の内側クラッド層と、 前記第１の環状領域を囲み、屈折率Ｉ₂を有する第２の環状領域であって、 該第１の環状領域の屈折率Ｉ₁よりも大きいがＩ₀未満に第２の環状領域の屈折率 Ｉ₂を上昇させるのに十分なタンタルが添加された第２の環状領域とからなるこ とを特徴とする光ファイバ。 ７．前記第１の環状領域が溶融シリカからなり、前記第２の環状領域がタンタル の添加された溶融シリカからなることを特徴とする請求の範囲６記載の光ファイ バ。 ８．前記コアがゲルマニウムの添加された溶融シリカからなることを特徴とする 請求の範囲６記載の光ファイバ。 ９．前記光ファイバが、単一モードファイバ、多モードファイバ、分散シフトフ ァイバ、有効面積の大きいファイバ、および色分散が制御された高性能な超長距 離ファイバからなる群より選択されるファイバであることを特徴とする請求の範 囲６記載の光ファイバ。 10．コア領域およびそれぞれ該コア領域を囲む第１と第２の環状領域からなる光 ファイバであって、前記第１の環状領域の屈折率が隣接するコア領域および第２ の環状領域に関して低下しており、該第２の環状領域がタンタルを含むことを特 徴とする光ファイバ。 11．前記コア領域が溶融シリカおよびタンタルからなることを特徴とする請求の 範囲11記載の光ファイバ。 12．前記コア領域が、溶融シリカ、ゲルマニウム、およびタンタルからなること を特徴とする請求の範囲11記載の光ファイバ。 13．前記第２の環状領域が溶融シリカおよびタンタルからなることを特徴とする 請求の範囲10記載の光ファイバ。 14．前記第２の環状領域内のタンタルの量が、約10重量パーセントまでの範囲に 亘ることを特徴とする請求の範囲10記載の光ファイバ。 15．前記第２の環状領域内のタンタルの量が、約３重量パーセントから約５重量 パーセントまでの範囲に亘ることを特徴とする請求の範囲14記載の光ファイバ。 16．前記光ファイバが、単一モードファイバ、多モードファイバ、分散シフトフ ァイバ、有効面積の大きいファイバ、および色分散が制御された高性能な超長距 離ファイバからなる群より選択されるファイバであることを特徴とする請求の範 囲10記載の光ファイバ。