JP2005208268A

JP2005208268A - 光ファイバ

Info

Publication number: JP2005208268A
Application number: JP2004013810A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shu; 健周; Katsusuke Tajima; 克介田嶋; Kenji Kurokawa; 賢二黒河; Kazuhide Nakajima; 和秀中島; Izumi Mikawa; 泉三川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】光ファイバ自身の光特性に影響せずに、高強度の光ファイバを提供する。
【解決手段】光を導波するコア部１と、コア部１を囲む第一クラッド部２と第一クラッド部２を囲む第２クラッド部３からなり、第２クラッド部３において光ファイバ軸方向に伸びる複数の空孔４を有するので、光ファイバの表面の傷や内部の欠陥によって、外力が作用した場合にその傷や欠陥に応力集中し破断する従来の課題を解決し、高強度の光ファイバを作成することが可能なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバに関する。詳しくは、光通信ネットワーク及び光信号処理に用いられる伝送媒体に関する。

光ファイバは、脆性材料固有の性質として、表面の傷や内部の欠陥によって、外力の付加される場合、その傷や欠陥の応力集中効果により割れ目は容易に成長し、完全な破壊に進展する。
現在、光ファイバ製造技術の向上により、その傷や欠陥の発生が非常に少なくなっているが、完全に取り除くことが困難である。

そこで、実用に向かって、光ファイバの信頼性を向上させるためには、ファイバ破断の確率を十分に小さくする必要がある。
この手段として、スクリーニング試験による光ファイバ強度保証法や、ハーメチックコーティングなどの保護被覆を用いて、光ファイバの信頼性を向上する方法が提案されている。
スクリーニング試験では、光ファイバ素線に一定の負荷、即ち歪みを与えることで、傷や欠陥のある部分をあらかじめ断線させて除去するものである。

この試験を通過（合格）したファイバについては、適切な強度を有するものとしてみなされる（例えば、非特許文献１）。
ハーメチックコーティングとは、カーボン、金属、ＴiＣ等の薄膜を石英ファイバ表面上に形成させる方法である。

主流となっているカーボンコート光ファイバの製造方法としては、原料ガスを化学的に反応させて、ファイバ表面に析出させるＣＶＤ法がある。
その形成される被覆膜構造の緻密さによる水素遮断性、化学的安定性、機械的強度を向上することができる（例えば、特許文献１）。
特開平４−１８４３０８号特開２０００−３５５２１ Mitsunaga, Y. et al. "Failure prediction for long length optical fiber based on proof testing". J. Apple. Phys., 53, 7, pp. 4847-4853 (July 1982).

上述した従来の光ファイバの強度向上法において、スクリーニング試験では、断線させて除去する方法を用いられるため、生産性に影響を与えることが避けられない欠点がある。
また、ファイバ自身の強度を強めるものではなく、製造されたファイバの選定を行なうものに過ぎない。

ハーメチックコーティングなどの特殊な被覆を実施するものでは、特殊な被覆装置を設ける必要があり、更にスクリーニング試験と同じように、ファイバ自身の強度を上げることができない。
本発明の課題は、光ファイバ自身の強度が上げることができ、高強度の光ファイバを提供することにある。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係る光ファイバは、光の導波されるコア部、前記コア部を囲む導波構造を形成するための第一クラッド部及び前記第一クラッド部を囲む第二クラッド部からなり、前記第二クラッド部にファイバ軸方向に伸びる複数の空孔が形成されることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項２に係る光ファイバは、請求項１において、前記コア部、前記クラッド部ともに主として石英ガラスによって構成されており、前記コア部にＧeＯ₂やＰ₂Ｏ₅、前記第一クラッド部にフッ素などの添加物を加えることで前記コア部の屈折率を前記第一クラッド部の屈折率より高くし、前記コア部と前記第一クラッド部の屈折率差によって前記コア部に光パワーを集中させて、導波する光ファイバであって、ファイバ中心から使用される波長におけるモードフィールド径の２倍以上離した前記第二クラッドとなる部分にファイバ軸方向に伸びる複数の空孔が形成されることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項３に係る光ファイバは、請求項１において、石英ガラスを用いた前記第一クラッド部にファイバ軸方向に伸びる複数の空孔が形成され、前記コア部の等価的な屈折率が前記第一クラッド部より高く、前記コア部と前記第一クラッド部の屈折率差によって導波することを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項４に係る光ファイバは、請求項１において、石英ガラスを用いた中空又は中実の前記コア部を持つ光ファイバであって、前記第一クラッド部にファイバ軸方向に伸びる複数の空孔が形成され、該空孔は周期構造で光を閉じこめるように格子間隔を設定されることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項５に係る光ファイバは、請求項１，２，３又は４において、前記第二クラッド部の前記空孔は円周方向に均等に配置され、前記第二クラッド部の前記空孔の総面積がファイバの断面積の３０％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、従来のファイバの光特性を維持しつつ、より高い強度を持つファイバを製造することができる。
即ち、本発明の光ファイバは、導波構造に関連しないクラッド部に空孔を設けることにより、光ファイバの光特性を影響せず、強度をあげることができ、高強度光ファイバを提供することができる。

本発明は、上述した目的を達成するためになされたもので、請求項１に係る光ファイバは、図１に示すように、コア部１、第一クラッド部２、第二クラッド部３から構成され、光の導波構造の形成に関連しない第二クラッド部３にファイバ軸方向に伸びる複数の空孔４が形成されている。

光ファイバは、脆性材料固有の性質として、表面の傷や内部の欠陥によって、外力の付加される場合、その傷や欠陥に応力集中する。
その集中応力は原子間の結合力に打勝つだけの大きさになるとガラスが破壊することになる。

そこで、光ファイバの断面に空孔がある、なしの場合について、ファイバ表面に同様な集中応力を有するファイバの断面の応力分布を有限要素法で計算を行なった。
図２は、応力の値は図中断面内の最大応力で規格化した応力（０〜１）を濃淡として示すものである。

図２に示すように、空孔があるファイバ（図中上側）の断面内の最大応力は空孔がないファイバ（図中下側）の断面内の最大応力と比べて、約２０％低減できることが分かる。
よって、第二クラッド部３に空孔４を設けることにより、傷や欠陥に集中する応力を緩和し、破断応力をあげることができ、これまでの光ファイバより高い強度を備える光ファイバを提供できることを見出した。

また、請求項２に係る光ファイバは、請求項１に係る光ファイバにおいて、図３に示すように、コア部５と第一クラッド６にゲルマニウム、フッ素、リンなどの添加物をドープすることでコア部５の屈折率は第一クラッド部６の屈折率より大きい構造を有し、この屈折率差によって光ファイバに入射した光をコア部５に閉じ込め、伝搬する構造となっている。
また、ファイバ中心からの距離が導波される光のモードフィールド径（ＭＦＤ：Mode Field Diameter）の２倍以上離した、第二クラッド７の部分にファイバ軸方向に伸びる複数の空孔８が形成されている。

また、請求項３に係る光ファイバは、請求項１に係る光ファイバにおいて、図４に示すように、コア部９を囲む第一クラッド部１０には等間隔に周期的に配列された複数の空孔１１を備え、その空孔１１が存在することによって、第一クラッド部１０の実効的な屈折率を下げ、コア部９の屈折率より小さい構造を有し、この屈折率差によって光ファイバに入射した光をコア部９に閉じ込め、伝搬する構造となっている。
また、第一クラッド部１０を囲む第二クラッド部１２にファイバ軸方向に伸びる複数の空孔１３が形成されている。

また、請求項４に係る光ファイバは、請求項１に係る光ファイにおいて、図５に示すように、中空又は中実なコア部１４を囲む第一クラッド部１５には光の波長の１／２に等しい格子間隔で周期的に配列された複数の空孔１６を備え、フォトニックバンドギャップ効果によって光ファイバに入射した光をコアに閉じ込め、伝搬する構造となっている（例えば、特許文献２）。
また、第一クラッド部１５を囲む第二クラッド部１７にファイバ軸方向に伸びる複数の空孔１８が形成されている。

更に、請求項５に係る光ファイバは、請求項１〜４に記載の光ファイバにおいて、円周方向の応力のバランス、更に、ファイバ断面積の低下による応力の増加を考慮に入れ、付与した第二クラッド部３，７，１２，１７の空孔４，８，１３，１８は円周方向に均等に配置し、第二クラッド部３，７，１２，１７の空孔４，８，１３，１８の総面積がファイバの断面積（中空部分の面積も含むファイバ断面積）の３０％以下としたものである。

本発明に係る光ファイバの実施例を図６に示す。
図６に示すように、線引したファイバは従来のファイバと同じようにコア部１９とクラッド部２０から構成される。
図６において、コア部１９は０．３ｍｏｌ％のＧeＯ₂をドープした石英ガラスから作られ、直径は８μｍであり、クラッド部２０は純粋石英ガラスから作られ、ファイバの外径は１２５μｍである。

また、そのモードフィールド径の測定結果は９．１μｍ（波長１．３１μｍ）であった。
そこで、同じプリフォームを用いて、クラッド部２０に、ファイバ中心から２０μｍの円周上に六個の空孔２１を均等に配置する構造にした。
空孔２１間の距離Λ＝２０μｍ、空孔直径ｄ＝３．４μｍであった。

本実施例に係るファイバの引張り強度試験を行なった結果を図７に示す。
また比較するため、空孔がないファイバの引張り試験の結果も併せて同図に示す。
ここでは、各種ファイバ試料の数は５０で、その長さ、引張歪み速度はそれぞれ２００ｍｍと１２．５％／ｍｉｎであった。

図7より、空孔を付与することによって、最大破断応力は５８Ｎから７１Ｎに上がり、また同じ破断確率において、光ファイバの引張り強度は約２０％上がったことが分かる。

本発明は、光ファイバに関し、光通信ネットワーク及び光信号処理に用いられる伝送媒体に利用可能なものである。

本発明の請求項１に係るファイバを示す断面図である。光ファイバの断面における応力分布を示す説明図である。本発明の請求項２に係るファイバを示す断面図である。本発明の請求項３に係るファイバを示す断面図である。本発明の請求項４に係るファイバを示す断面図である。本発明の一実施例に係る光ファイバを示す断面図である。本発明の一実施例に係る光ファイバの引張試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１，５，９，１４，１９コア部
２，６，１０，１５第一クラッド部
３，７，１２，１７第二クラッド部
４，８，１１，１３，１６，１８，２１空孔
２０クラッド部

Claims

光の導波されるコア部、前記コア部を囲む導波構造を形成するための第一クラッド部及び前記第一クラッド部を囲む第二クラッド部からなり、前記第二クラッド部にファイバ軸方向に伸びる複数の空孔が形成されることを特徴とする光ファイバ。
請求項１において、前記コア部、前記クラッドはともに主として石英ガラスによって構成され、前記コア部にＧeＯ₂又はＰ₂Ｏ₅、前記第一クラッドにフッ素などの添加物を加えることで前記コア部の屈折率を前記第一クラッド部の屈折率より高くし、前記コア部と前記第一クラッド部の屈折率差によって前記コア部に光パワーを集中させて、導波する光ファイバであって、前記空孔はファイバ中心から使用される波長におけるモードフィールド径（ＭＦＤ：Mode Field Diameter）の２倍以上離した前記第二クラッドに形成されることを特徴とする光ファイバ。
請求項１において、石英ガラスを用いた前記第一クラッド部にファイバ軸方向に伸びる複数の空孔が形成され、前記コア部の等価的な屈折率が前記第一クラッド部より高く、前記コア部と前記第一クラッド部の屈折率差によって導波することを特徴とする光ファイバ。
請求項１において、石英ガラスを用いた中空又は中実の前記コア部を持つ光ファイバであって、前記第一クラッド部にファイバ軸方向に伸びる複数の空孔が形成され、該空孔は周期構造で光を閉じこめるように格子間隔が設定されることを特徴とする光ファイバ。
請求項１，２，３又は４において、前記第二クラッド部の前記空孔は円周方向に均等に配置され、前記第二クラッド部の前記空孔の総面積が前記ファイバの断面積の３０％以下であることを特徴とする光ファイバ。