JP2004054137A

JP2004054137A - Quartz-based single mode optical fiber

Info

Publication number: JP2004054137A
Application number: JP2002214458A
Authority: JP
Inventors: Hideya Morihira; 森平　英也; Shin Hayashi; 林　伸; Sadanori Ishida; 石田　禎則
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-02-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quartz-based single mode optical fiber which is further reduced in transmission loss. <P>SOLUTION: The quartz-based single mode optical fiber includes a glass portion consisting of quartz-based glass and having a core and clad, in which at least the light propagating mode field diameter portion of the glass portion does not substantially contain nitrogen atoms nor nitrogen molecules. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信用石英系シングルモード光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
石英系光ファイバにおいて、伝送損失の低減は、これまで最も重要な開発課題の一つであったが、近年のシングルモードファイバにおいては、伝送損失は理論限界に近いレベルにまで到達した感がある。伝送に用いられる波長帯と伝送損失の一般的値は、１．３μｍ零分散シングルモードファイバ（以下、ＳＭＦと略す）では、波長１．３１μｍにおいて０．３４ｄＢ／ｋｍ、波長１．５５μｍにおいて０．１９ｄＢ／ｋｍ程度であり、分散シフト光ファイバ（以下、ＤＳＦと略す）では、波長１．３１μｍにおいて０．３７ｄＢ／ｋｍ、波長１．５５μｍにおいて０．２１ｄＢ／ｋｍ程度である。
【０００３】
しかし、伝送損失を更に低減するという課題は、現時点においても依然として残されている。その理由の一つは、ＷＤＭ伝送を行うことによりファイバに入射するレーザー光のパワーが増大していることによって生じる非線形現象が伝送を阻害するという問題があるため、入射光のパワーを出来るだけ小さくした方が有利であるためである。伝送損失が小さければそれだけ小さな入射光パワーで伝送出来ることは明らかである。
【０００４】
もう一つの理由は、伝送に使用する波長帯の広がりである。従来のシステムは、１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯を主に使用していたが、ＷＤＭ伝送システムでは１．５５μｍ帯を分割して、１５３０〜１５６５ｎｍをＣ−Ｂａｎｄ帯、１５７０〜１６２５ｎｍをＬ−Ｂａｎｄ帯と呼んで、それぞれの波長で伝送を行うようになってきている。更に、１４５０ｎｍ付近をＳ−Ｂａｎｄ帯とし、ここでも伝送を行うシステムが、ラマンアンプシステムの実用化によって現実味を帯びてきている。
【０００５】
このように、ブロードバンド化やラマンシステム化を見据えた現在、ファイバの伝送損失を更に低減することは大いに意味のあることである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、理論限界値に近いところまで改善が進んでいる光ファイバの伝送損失を更に改善する方法は、未だ見出されていない。
本発明は、このような事情の下になされ、伝送損失を更に低減した石英系シングルモード光ファイバを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、光ファイバの伝送損失を悪化させる要因として、ファイバガラス、特に光が伝搬するＭＦＤ内のガラスが含有する窒素分子あるいは窒素原子に着目し、本発明をなすに至った。
【０００８】
即ち、本発明は、石英系ガラスよりなる、コアとクラッドを有するガラス部分を含むシングルモード光ファイバにおいて、前記ガラス部分の少なくとも光が伝搬するモードフィールド径部分が、実質的に窒素原子または窒素分子を含有しないことを特徴とする石英系シングルモード光ファイバを提供する。
【０００９】
本発明の石英系シングルモード光ファイバにおいて、モードフィールド径部分に相当する線引き前のガラス母材が含有する窒素原子または窒素分子の量は、二次イオン質量分析法により得た、ＳｉＯに対するＳｉＮの相対強度が０．００２以下となる量であることが望ましい。
【００１０】
また、モードフィールド径部分に相当する多孔質母材は、Ｎ_２濃度が１０％以下の雰囲気で透明ガラス化することにより得たものであることが望ましい。
【００１１】
本発明は、本発明者らによる以下のような知見に基づきなされた。
窒化珪素は、一般には結晶構造が安定であり、アモルファスにはなりにくい。しかし、熱合成膜の形で形成することや、イオン注入法などによって局所的に作り出すことは可能であり、これらの知見から推察して、非常に微量であればガラス中へＮを溶存させることは可能であると考えられる。最近ではガラス中に溶存するガス成分（例えば塩素、フッ素、酸素など）がガラスの構造や光の吸収、発光特性に影響を与えることが、様々な研究で報告されている。
【００１２】
しかし、光ファイバの伝送損失に与える窒素の影響については、これまで殆ど研究されてこなかった。本発明者らは、光ファイバを構成するガラス中の窒素に着目し、それによる伝送損失への影響について検討を加えた。
【００１３】
その結果、本発明者らは、ファイバガラス、特に光が伝搬するＭＦＤ内の窒素が光ファイバの伝送損失を悪化させることを見出した。即ち、光ファイバのＭＦＤ部分が、実質的に窒素原子または窒素分子を含有しなければ、光ファイバの伝送損失の低減を図ることが出来ることを見出した。
【００１４】
なお、実質的に窒素原子または窒素分子を含有しないとは、必ずしも完全に含有しないことを意味するものではなく、十分に微量であれば、光ファイバの伝送損失の低減を図ることが出来る。
【００１５】
そのような微量の窒素原子または窒素分子の量は、例えば、線引き前のガラス母材が含有する窒素原子または窒素分子の量が、二次イオン質量分析法により得た、ＳｉＯに対するＳｉＮの相対強度が０．００２以下、好ましくは０．０００５以下となるような量である。また、このような線引き前のガラス母材が含有する窒素原子または窒素分子の量は、多孔質母材を透明ガラス化する際の雰囲気のＮ_２濃度が１０％以下、好ましくは１％以下である場合に得ることが出来る。
【００１６】
以上のように構成される本発明によると、伝送損失を更に低減した石英系シングルモード光ファイバを得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態に係る光ファイバの屈折率分布形状は、例えば図１に示すようなものである。
【００１８】
図１（ａ）は、単峰型シングルモード光ファイバの屈折率分布を示し、図１（ｂ）は、階段型シングルモード光ファイバの屈折率分布を示し、図１（ｃ）は、セグメント型シングルモード光ファイバの屈折率分布を示し、図１（ｄ）は、Ｗ型シングルモード光ファイバの屈折率分布を示し、図１（ｅ）は、Ｗセグメント型シングルモード光ファイバの屈折率分布を示し、図１（ｆ）は、セグメント＋トレンチ型シングルモード光ファイバの屈折率分布を示す。
【００１９】
本発明は、以上のいずれの屈折率分布形状の光ファイバに対しても適用可能である。
【００２０】
本発明の課題である光ファイバの伝送損失の低減に関して、本発明者らは、ＶＡＤ法を用いて合成したＭＦＤ部分に相当する多孔質体を、Ｎ_２を含有する雰囲気中で透明ガラス化してガラス中にＮを溶存させ、それをファイバ化して伝送損失を比較する実験を行った。ここでは、図１（ａ）に示す屈折率プロファイルを有する一般的なＳＭＦ（シングルモードファイバ）についての実験結果を示す。
【００２１】
ＶＡＤ法で製造した多孔質体を透明ガラス化する雰囲気中に含有されるＮ_２量を７つの水準に変化させて、多孔質体を透明ガラス化し、その後、さらにクラッド層を付与して光ファイバ母材とした。次いで、この光ファイバ母材を線引きし、評価用の７種の光ファイバを得た。
【００２２】
次に、これら７種の光ファイバの伝送損失を測定し、透明ガラス化時の雰囲気中に含有されるＮ_２濃度との関係を調べた。その結果を下記表１、および図２に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
上記表１および図２から、ＭＦＤ部分に相当する多孔質体を透明ガラス化する際の雰囲気中に含有されるＮ_２濃度が１０％以下であれば、波長１．３１μｍにおいて０．３４ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失を維持できることが判る。なお、ここで使用したＮ_２ガスは高純度に精製されたものであり、伝送損失変化が他の不純物などの影響によるものではないことは確認されている。
【００２５】
上記表１から明らかなように、Ｎ_２を含有しない条件下で、波長１．３１μｍにおける伝送損失は０．３３３ｄＢ／ｋｍまで到達しており、Ｎ_２を全く含有しない雰囲気下で透明ガラス化する方が最も望ましいことは明らかである。しかし、Ｎ_２濃度が１０％以下であれば、ある程度満足し得る伝送損失の低減効果を得ることが出来る。
【００２６】
従って、多孔質体を透明ガラス化する際には、先ず透明ガラス化炉内の雰囲気中のＮ_２濃度が十分に、例えば１０％以下に低減されたことを確認してから、多孔質体を炉内に挿入することが望ましい。
【００２７】
上記した線引き前のガラス母材について、ＭＦＤに相当する部分に溶存するＮを二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて定量した。ＳＩＭＳの測定方法は、以下の通りである。即ち、１次イオン種をＣｓ^＋　、２次イオン極性を負、測定モードをＭａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍとし、先ずＮ_２濃度が４１．７％のサンプルについて、質量数２９〜８０ａ．ｍ．ｎ．の範囲で定性分析を行った。その結果を図３に示す。
【００２８】
なお、［Ｎ］は２次イオン化率が低い元素であるため、２次イオン化率の高い元素との分子イオンである^２８Ｓｉ^１４Ｎ⁻イオン（質量数４２ａ．ｍ．ｕ．）を測定の対象とした。測定はＭａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍモードで、質量数３９〜４３．５ａ．ｍ．ｕ．までを０．０５ａ．ｍ．ｕ．ステップで行い、各データポイント毎に６００回積算した。更に、Ｓ／Ｎを良くするため、同一測定を１試料につきｎ＝１０回行い、全データを積算した。
【００２９】
このようにして得たデータより、質量数４２ａ．ｍ．ｕ．におけるピークの積分強度（質量数４１．５〜４２．５ａ．ｍ．ｕ．まで）を算出し、更に試料毎の誤差（ばらつき）を少なくするため、マトリクス（^２８Ｓｉ^１６Ｏ⁻イオン質量数４４ａ．ｍ．ｕ．）との相対強度を算出し、雰囲気中のＮ_２濃度との関係を比較した。その結果を図４示す。
【００３０】
図４に示す結果から、伝送損失を低く維持したファイバを製造するための条件は、線引きされる前のＭＦＤ部分に相当するガラス中に含まれるＳｉＮのＳｉＯに対する相対強度が０．００２以下であればよいことがわかる。
【００３１】
なお、線引きされたファイバそのものを対象にＮ含有量を定量することは、現在では技術的に不可能であるが、以上説明した製造条件と伝送損失との相関関係から、Ｎ_２濃度が１０％以下の雰囲気で多孔質母材が透明ガラス化され、それによって、線引き前のガラス母材の二次イオン質量分析法によるＳｉＯに対するＳｉＮの相対強度が０．００２以下であるような、ＭＦＤ部分が実質的にＮを含まない光ファイバが、より低減した伝送損失を有することは明らかである。
【００３２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によると、ＭＦＤ部分の窒素原子または窒素分子を実質的に含有しないため、伝送損失の少ない石英系シングルモード光ファイバを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るシングルモード光ファイバの種々の屈折率分布を模式的に示す図。
【図２】表１に示すデータをグラフ化した特性図。
【図３】ＳＩＭＳの測定結果を示す特性図。
【図４】多孔質体を透明ガラス化する際の雰囲気中のＮ_２濃度と、その線引き前のガラス母材をＳＩＭＳで測定した際のＳｉＯに対するＳｉＮの相対強度との関係を示す特性図。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a quartz single-mode optical fiber for communication.
[0002]
[Prior art]
Reduction of transmission loss has been one of the most important development issues in silica-based optical fibers, but transmission loss in recent single-mode fibers has reached a level close to the theoretical limit. . In a 1.3 μm zero-dispersion single mode fiber (hereinafter abbreviated as SMF), a wavelength band used for transmission and a general value of transmission loss are 0.34 dB / km at a wavelength of 1.31 μm and 0.3 mm at a wavelength of 1.55 μm. In a dispersion-shifted optical fiber (hereinafter abbreviated as DSF), it is about 0.37 dB / km at a wavelength of 1.31 μm and about 0.21 dB / km at a wavelength of 1.55 μm.
[0003]
However, the problem of further reducing transmission loss still remains at present. One of the reasons is that there is a problem that nonlinear phenomena caused by increasing the power of laser light incident on the fiber by performing WDM transmission hinder transmission. This is because it is more advantageous to do so. Obviously, the smaller the transmission loss, the smaller the incident light power.
[0004]
Another reason is the spread of the wavelength band used for transmission. While the conventional system mainly uses the 1.3 μm band and the 1.55 μm band, the WDM transmission system divides the 1.55 μm band so that 1530 to 1565 nm is the C-Band band and 1570 to 1625 nm is the L band. The transmission is performed at each wavelength, which is called a “Band band”. Further, a system that performs transmission in the vicinity of 1450 nm in the S-Band band is also becoming more and more realistic with the practical use of the Raman amplifier system.
[0005]
As described above, in view of broadband and Raman systems, it is very significant to further reduce the transmission loss of the fiber.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, a method for further improving the transmission loss of an optical fiber that has been improved to a point near the theoretical limit has not been found yet.
An object of the present invention is to provide a silica-based single mode optical fiber which has been made under such circumstances and further reduces transmission loss.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present inventors have focused on fiber molecules, particularly nitrogen molecules or nitrogen atoms contained in glass in an MFD through which light propagates, as a factor that worsens the transmission loss of an optical fiber. It came to do.
[0008]
That is, the present invention provides a single mode optical fiber comprising a glass portion having a core and a clad, which is made of silica-based glass, wherein at least a mode field diameter portion of the glass portion through which light propagates is substantially a nitrogen atom or a nitrogen molecule. Provided is a quartz-based single mode optical fiber characterized by not containing.
[0009]
In the quartz single-mode optical fiber of the present invention, the amount of nitrogen atoms or nitrogen molecules contained in the glass base material before drawing corresponding to the mode field diameter portion was determined by the secondary ion mass spectrometry. It is desirable that the amount is such that the relative strength becomes 0.002 or less.
[0010]
Further, it is preferable that the porous base material corresponding to the mode field diameter portion is obtained by vitrification in an atmosphere having an N ₂ concentration of 10% or less.
[0011]
The present invention has been made based on the following findings by the present inventors.
Silicon nitride generally has a stable crystal structure and is unlikely to become amorphous. However, it is possible to form it in the form of a thermosynthetic film, or to create it locally by ion implantation or the like. Is considered possible. Recently, various studies have reported that gas components (eg, chlorine, fluorine, oxygen, etc.) dissolved in glass affect the structure, light absorption, and emission characteristics of glass.
[0012]
However, the effect of nitrogen on the transmission loss of an optical fiber has hardly been studied so far. The present inventors have paid attention to nitrogen in glass constituting an optical fiber, and have studied the effect on transmission loss.
[0013]
As a result, the present inventors have found that nitrogen in the fiber glass, especially in the MFD through which light propagates, worsens the transmission loss of the optical fiber. That is, it has been found that the transmission loss of the optical fiber can be reduced if the MFD portion of the optical fiber does not substantially contain nitrogen atoms or nitrogen molecules.
[0014]
It should be noted that substantially not containing a nitrogen atom or a nitrogen molecule does not necessarily mean that it is not completely contained. If the content is sufficiently small, the transmission loss of the optical fiber can be reduced.
[0015]
The amount of such a trace amount of nitrogen atoms or nitrogen molecules can be determined, for example, by determining the amount of nitrogen atoms or nitrogen molecules contained in the glass base material before drawing, based on the relative intensity of SiN with respect to SiO, obtained by secondary ion mass spectrometry. Is 0.002 or less, preferably 0.0005 or less. Further, the amount of nitrogen atoms or nitrogen molecules contained in the glass base material before the drawing is such that the N ₂ concentration in the atmosphere when the porous base material is made vitrified is 10% or less, preferably 1% or less. Can be obtained in some cases.
[0016]
According to the present invention configured as described above, a silica-based single mode optical fiber with further reduced transmission loss can be obtained.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The refractive index distribution shape of the optical fiber according to the embodiment of the present invention is, for example, as shown in FIG.
[0018]
FIG. 1A shows the refractive index distribution of a single-peak single-mode optical fiber, FIG. 1B shows the refractive index distribution of a step-type single-mode optical fiber, and FIG. FIG. 1D shows the refractive index distribution of a W-mode single-mode optical fiber, and FIG. 1E shows the refractive index distribution of a W-segment single-mode optical fiber. FIG. 1F shows a refractive index distribution of a segment + trench single mode optical fiber.
[0019]
The present invention is applicable to optical fibers having any of the refractive index distribution shapes described above.
[0020]
Respect reduction in transmission loss of the optical fiber is an object of the present invention, the present inventors have a porous body corresponding to MFD moiety synthesized using VAD method, and transparent glass in an atmosphere containing N ₂ An experiment was conducted in which N was dissolved in glass and made into a fiber to compare the transmission loss. Here, an experimental result of a general SMF (single mode fiber) having the refractive index profile shown in FIG.
[0021]
By changing the amount of N ₂ contained in the atmosphere for vitrifying the porous body produced by the VAD method to seven levels, the porous body is vitrified, and then further providing a clad layer to provide an optical fiber. The base material. Next, this optical fiber preform was drawn to obtain seven types of optical fibers for evaluation.
[0022]
Then, by measuring the transmission loss of these seven optical fibers was investigated the relationship between the N ₂ concentration contained in the atmosphere during vitrification. The results are shown in Table 1 below and FIG.
[0023]
[Table 1]

[0024]
From the above Table 1 and FIG. 2, if the concentration of N ₂ contained in the atmosphere when the porous body corresponding to the MFD portion is vitrified to be transparent is 10% or less, 0.34 dB / km at a wavelength of 1.31 μm. It can be seen that the following transmission loss can be maintained. The N ₂ gas used here was purified to high purity, and it was confirmed that the change in transmission loss was not due to the influence of other impurities.
[0025]
As is clear from the above Table 1, the transmission loss at a wavelength of 1.31 μm reaches 0.333 dB / km under the condition that no N ₂ is contained, and the glass is transparently vitrified in an atmosphere containing no N ₂ at all. Obviously, this is the most desirable. However, if the N ₂ concentration is 10% or less, a satisfactory transmission loss reduction effect can be obtained.
[0026]
Therefore, when the porous body is made vitrified, it is first confirmed that the N ₂ concentration in the atmosphere in the vitrification furnace has been sufficiently reduced to, for example, 10% or less. It is desirable to insert it into the furnace.
[0027]
With respect to the glass base material before the above-described drawing, N dissolved in a portion corresponding to the MFD was quantified by using secondary ion mass spectrometry (SIMS). The SIMS measurement method is as follows. That is, the primary ion species ^Cs +, negative secondary ion polarity, the measurement mode and Mass Spectrum, the first _{N 2} concentration of 41.7% samples, mass number 29～80A. m. n. Qualitative analysis was performed in the range. The result is shown in FIG.
[0028]
Since [N] is an element having a low secondary ionization rate, ²⁸ Si ¹⁴ N ⁻ ion (mass number 42 amu), which is a molecular ion with an element having a high secondary ionization rate, is the object of measurement. And The measurement was performed in the Mass Spectrum mode, with a mass number of 39 to 43.5a. m. u. Up to 0.05a. m. u. This was done in steps and integrated 600 times for each data point. Further, in order to improve S / N, the same measurement was performed n = 10 times for one sample, and all data were integrated.
[0029]
From the data thus obtained, the mass number 42a. m. u. Peak integrated intensity of the (. Mass number 41.5~42.5a.m.u up) is calculated, to further reduce the error (variation) of each sample, the matrix ⁽²⁸ ^{Si 16} O ^- ion mass number 44a .M.U.) the relative intensities of the calculated and compared the relationship between the N ₂ concentration in the atmosphere. The result is shown in FIG.
[0030]
From the results shown in FIG. 4, the conditions for manufacturing a fiber with low transmission loss are such that the relative strength of SiN contained in glass corresponding to the MFD portion before drawing to SiO is 0.002 or less. It turns out that it is good.
[0031]
Incidentally, quantifying the N content targeting the drawn fiber itself, but now it is technically impossible, the correlation between the transmission loss production conditions described above, N ₂ concentration of 10% In the following atmosphere, the porous preform is vitrified so that the MFD portion where the relative strength of SiN to SiO by the secondary ion mass spectrometry of the glass preform before drawing is 0.002 or less is obtained. It is clear that an optical fiber substantially free of N has a lower transmission loss.
[0032]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, since a nitrogen atom or a nitrogen molecule in the MFD portion is not substantially contained, a silica-based single mode optical fiber with small transmission loss can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view schematically showing various refractive index distributions of a single mode optical fiber according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram in which data shown in Table 1 is graphed.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing measurement results of SIMS.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between an N ₂ concentration in an atmosphere when a porous body is made into a transparent glass and a relative strength of SiN with respect to SiO when a glass base material before drawing is measured by SIMS.

Claims

In a single-mode optical fiber including a glass part having a core and a clad, which is made of silica-based glass, at least a mode field diameter portion of the glass part through which light propagates does not substantially contain nitrogen atoms or nitrogen molecules. And a silica-based single mode optical fiber.

The amount of nitrogen atoms or nitrogen molecules contained in the glass base material before drawing corresponding to the mode field diameter portion is such that the relative strength of SiN to SiO becomes 0.002 or less, obtained by secondary ion mass spectrometry. The quartz single mode optical fiber according to claim 1, wherein:

_2. The quartz single mode optical fiber according to claim 1, wherein the mode field diameter portion is obtained by subjecting a porous preform to transparent vitrification in an atmosphere having an N2 concentration of 10% or less. .