JP2005227786A - 低いベンディング損失を有する光ファイバー - Google Patents

低いベンディング損失を有する光ファイバー Download PDF

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Abstract

【課題】低いベンディング損失を有する光ファイバーを提供する。
【解決手段】光伝送媒質のコアと、コアを取り巻くクラッドと、を含む光ファイバーであって、コアの半径ａとコアの中心からの半径ｒとの比(ｒ/ａ)に対して、(ｒ/ａ)＝０.８〜１.１で軸応力の最小値と(ｒ/ａ)＝１.０〜１.２で軸応力の最大値との差の絶対値が示すコアとクラッドとの境界面の残留応力不連続性が２０.０MPa以下であることを特徴とする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、光ファイバーに関し、特に、低いベンディング損失を有する光ファイバーに関するものである。
一般に、光ファイバーの製造工程は、母材(Preform)製造工程と引き出し(Drawing)工程と大きくに分けられる。引き出し工程において、引き出し温度は、光ファイバーのコアとクラッドとの境界面で発生する残留応力(residual stress)に大きな影響を与える。このような残留応力の変化は、様々な光特性に影響を及ぼすため、引き出し温度により残留応力を制御し、或いは、残留応力が引き出し温度に影響されないように光ファイバの組成を構成することが、大変に重要である。
しかしながら、アクセス網(Access Network)、ＦＴＴＨ(Fiber-to-the-Home)、ＬＡＮ(Local Area Network)、又はＷＡＮ(Wide Area Network)の光伝送媒質として主に使用される光ファイバー(１０Mbps，１００Mbps，１Gbps，及び１０Gbpsのイーサネット（登録商標）用光ファイバーを含む)は、その設置及び運用において、導管、建物、又は複雑な事務室内に設けられる場合に、多くの湾曲部を通過することとなる。この湾曲部は、通信の一つの重要な要素である損失に影響を与えてはならない。
図１は、代表的なグレーデッドインデックス(graded index)分布を有する光ファイバー(以下、“屈折率分布光ファイバー”とする)を説明するための図である。屈折率分布光ファイバー１１０は、コア１２０と、このコア１２０を取り巻くクラッド１３０とを含む。このコア１２０の屈折率分布は、次の数式１に表される。屈折率分布光ファイバー１１０の重要な光特性の一つであるモード帯域幅(modal bandwidth)は、この数式１におけるα値の影響を大きく受ける。
Figure 2005227786
上記の数式１で、ｎは、屈折率分布光ファイバー１１０のコア１２０の屈折率を示し、ｎ１は、コア１２０の中心(ｒ＝０)での屈折率を示し、Δは、相対屈折率差(Relative index difference)を示し、ａは、コア１２０の半径を示し、ｒは、コア１２０の中心から測定された半径を示し、αは、コア形状係数(core form factor)を示す。αは、コア１２０とクラッド１３０との境界面(ｒ/ａ＝１)での残留応力の不連続性に敏感な影響を受ける。特に、コア１２０とクラッド１３０の組成の差、或いは、加熱温度、冷却速度、引き出し速度のような光ファイバーの引き出し条件は、残留応力の不連続性(discontinuity)に大きな影響を及ぼす。
光ファイバーのベンディング損失に関する従来の技術としては、主に、コアとクラッドの屈折率構造を変化させることによって、単一モード光ファイバーのベンディング損失を減少させる方法が開示されている。しかしながら、この従来の技術において、残留応力の不連続性を制御する方法は開示されていない。
特許文献１には、グレーデッドインデックス型のコアを有する単一モード光ファイバーの製造方法が開示されている。特許文献２には、クラッド領域の一部に低下領域(depressed region)又は孤立トレンチ(isolated trench)を有する構造が開示されている。特許文献３には、クラッド領域に上昇領域(increased region)及び低下領域を有する構造が開示されている。特許文献４には、内部コアの屈折率を高くして零分散波長は維持しつつ、ＭＦＤ(Mode Field Diameter)を減少し、或いはコア及びクラッド間の境界面で拡散テール(diffusion tail)効果を減少させることによって、不要な遮断波長とＭＦＤの増加を抑制し、又は外部領域にリング(ring)構造を適用して外部コア屈折率の増加による零分散波長の増加を抑制する方法が開示されている。特許文献５には、コアとクラッドの屈折率差は減少させ、零分散波長より大きな遮断波長を有するように仮想単一モード(virtual single mode)構造で二重モード(dual mode)又は多重モード(multi mode)を支援可能な構造が開示されている。
上述したように、従来の光ファイバーは、引き出し条件に従うコアとクラッドとの間の境界面で残留応力の変化が大きいという問題点があった。さらに、従来の光ファイバーは、最近のアクセス網、ＦＴＴＨ、ＬＡＮ、或いはＷＡＮで発生する小さいベンディング(約１０mmの直径)において、ベンディング損失が大きいという問題点があった。
米国特許第４４１２７２２号明細書 米国特許第４８３８６４３号明細書 米国特許第５０３２００１号明細書 米国特許第５２７８９３１号明細書 米国特許第５１７５７８５号明細書
本発明の目的は、低いベンディング損失を有する光ファイバーを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、加熱温度、引き出し速度、冷却速度のような引き出し条件に、敏感でない光ファイバーを提供することにある。
上記の目的を達成するために本発明による光ファイバーは、光伝送媒質のコアと、コアを取り巻くクラッドと、を含み、コアの半径ａとコアの中心からの半径ｒとの比を(ｒ/ａ)とした場合の、(ｒ/ａ)＝０.８〜１.１における軸応力の最小値と、(ｒ/ａ)＝１.０〜１.２における軸応力の最大値との差の絶対値によって表される、コアとクラッドとの境界面の残留応力の不連続性が２０.０MPa以下であることを特徴とする。
本発明による光ファイバーは、ベンディング損失が非常に低いため、アクセス網、ＦＴＴＨ、ＬＡＮ、又はＷＡＮのような複雑な垂直又は水平配線、狭い導管などに設置及び運用に適合するという利点を有する。なお、光ファイバーは、１Gbps以上の伝送速度を有する通信網に使用するのに適合した光特性を有する。
また、本発明による光ファイバーは、引き出し条件に敏感でないため、均一の品質の光ファイバーを連続的に製造することができるという効果がある。
以下、添付の図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。
以下の説明において、関連した公知の機能や構成に関する具体的な説明が、本発明の要旨を不明確にすると判断された場合には、その詳細な説明を省略する。
図２は、グレーデッドインデックス分布を有する光ファイバー(以下、“屈折率分布光ファイバー”とする)の残留応力の不一致を説明するための図である。屈折率分布光ファイバーは、コアとクラッドとを含む。図２において、ｚは、伝搬軸(propagation axis)、ｅ１は、コアモード(core mode)の固有ベクトル(eigenvector)、ｅ２は、クラッドモード(cladding mode)の固有ベクトル、ｂ１は、コアの複屈折ベクトル(birefringence vector)、ｂ２は、クラッドの複屈折ベクトル、をそれぞれ示す。
上記コアモードの固有ベクトルは、下記の数式２を満たす。
Figure 2005227786
ここで、ｉ≠ｊであり、ｉ及びｊは１又は２である。このとき、１は、コアモードを、２は、クラッドモードを、それぞれ示す。さらに、コアモードの固有ベクトルとクラッドモードの固有ベクトルは、下記の数式３の関係を有する。
Figure 2005227786
ここで、ｉ≠ｊであり、ｉ及びｊはそれぞれ１又は２である。
複屈折によるコアモードとクラッドモードとのカップリング(coupling)は、下記の数式４で与えられる。
Figure 2005227786
ここで、ｉ≠ｊであり、ｉ及びｊはそれぞれ１又は２である。そして、Ｈｂは、複屈折に対するモードカップリングハミルトニアン(Hamiltonian)演算子である。
したがって、ベンディング損失αｂは、下記の数式５で与えられる。
Figure 2005227786
ここで、ｉ≠ｊで、ｉ及びｊは、それぞれ１又は２である。そして、ｒはベンディング半径(bending radius)を、ｒｂは臨界ベンディング半径(critical bending radius)を、それぞれ示す。
上記の数式５で、コアとクラッドとの複屈折差｜ｂ２−ｂ１｜が大きいほど、ベンディング損失αｂが大きいことがわかる。また、同一のベンディング損失αｂに対しては、コアとクラッドとの複屈折差｜ｂ２−ｂ１｜が大きいほど、臨界ベンディング半径ｒｂが大きいことがわかる。臨界ベンディング半径ｒｂが大きいほど、ラインの設置及び運用の際に、ベンディング損失αｂが増加する可能性がかなり高く、設置条件が制限される可能性もある。したがってベンディング損失αｂを減少させるために、コアとクラッドとの複屈折差｜ｂ２−ｂ１｜を低くするべきである。
一般的に、コアとクラッドとの境界付近で｜ｅ１｜２・｜ｅ２｜２が最大になるため、コアとクラッドとの境界面での複屈折差｜ｂ２−ｂ１｜が、ベンディング損失αｂを支配する要素であることがわかる。したがって、ベンディング損失αｂの減少のためには、コアとクラッドとの境界面で、複屈折差｜ｂ２−ｂ１｜を減少させる必要がある。
光ファイバー内の複屈折の分布は、コアとクラッドの組成と残留応力により異なる。例えば、複屈折係数が大きな物質を添加した場合や、光ファイバーの引き出し中にコアとクラッドとの粘度(viscosity)に差がある場合には、コアとクラッドとの間に複屈折差が生じる。コアとクラッドとの複屈折差は、下記の数式６で与えられる。
Figure 2005227786
ここで、ｂｍは、添加物質による複屈折寄与度であり、ｂｓは、残留応力による複屈折寄与度である。Ｐ、Ｇｅのように分極度(polarizability)の高い物質は、ｂｍの寄与度が大きい。一方、加熱温度や、引き出し速度や、冷却速度などの光ファイバー引き出し条件は、ｂｓの寄与度が大きい。
光ファイバー母材を溶融して引き出す工程で、コアとクラッドとの冷却速度の差が発生すると、コアとクラッドに印加される引き出し張力に差が生じ、この引き出し張力は、光ファイバーが冷却して硬化する場合に、残留応力として残存することとなる。Ｇｅ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ等の添加物質は、ガラス転移温度を低めて硬化を遅延させ、熱収縮(thermal contraction)の程度を大きくする。コアとクラッドの添加物質の密度が相異なる場合には、硬化速度と熱収縮の程度が異なることとなるため、境界面に残留応力の不連続性が発生する。したがって、コアとクラッドの間の組成の差による熱収縮や冷却速度やガラス転移速度の差と同様に、加熱速度や引き出し速度や冷却速度を含む引き出し条件は、ｂｓの値へ寄与することとなる。
下記の表１は、多様な屈折率分布を有する光ファイバーのコアとクラッドとの境界面での残留応力の不連続性の程度を示す。表１上の多重モード屈折率分布型の光ファイバーは、コアとクラッドの直径が同一であって、コアとクラッドの組成は相異なる。例えば、コアは、８.５±１.５μm、１２.５±１.５μm、１５.０±１.５μm、２５.０±１.５μm、３１.２５±１.５μmの半径を有し、クラッドは６２.５±２.５μmの半径を有する。
Figure 2005227786
 上記の表１で、“蒸着クラッド”とは、クラッドとコアとの間に蒸着されるクラッドを意味する。このときのコアとクラッドとの境界面は、コアと蒸着クラッドとの境界面である。例１−１乃至例１−３では、コアは８０〜１００wt％のＳｉＯ２と０〜２０wt％のＧｅＯ２とから構成される。
残留応力の連続とは、(ｒ/ａ)＝０.８〜１.１での軸応力(axial stress)の最小値と、(ｒ/ａ)＝１.０〜１.２での軸応力の最大値との差の絶対値によって表されるコアとクラッドとの境界面における残留応力の不連続性が、２０.０MPa以下の場合を意味する。
また、残留応力の不連続とは、(ｒ/ａ)＝０.８〜１.１での軸応力(axial stress)の最小値と、(ｒ/ａ)＝１.０〜１.２での軸応力の最大値との差の絶対値によって表されるコアとクラッドとの境界面における残留応力の不連続性が、２０.０MPaより大きい場合を意味する。
このとき、“ａ”は、屈折率分布光ファイバーのコアの半径であり、“ｒ”は、コアの中心からの半径である。
米国特許公開公報第２００２/１２６９４４号には、上記のような残留応力による複屈折値を測定する方法が開示されている。但し、この方法で測定した複屈折値は、上記の数式６において、Ｇｅ、Ｐなどのコアの組成による寄与(ｂｍ)と残留応力の寄与(ｂｓ)との合計に比例することとなる。したがって、本実施形態においては、数式６の複屈折値の合計を、上記の方法によって測定した軸応力値に代替する。
図３は、ベンディング損失の測定装置２００を示す図である。測定装置２００は、白色光源２１０と、屈折率マッチングオイル２２０と、測定対象の光ファイバー２３０と、ＯＳＡ(Optical Spectrum Analyzer)２４０とを含む。ベンディング損失の測定は、測定対象の光ファイバー２３０を、５mmの半径を有する円筒に１５回程巻き、前後の損失値を測定することにより行なわれる。なお、光ファイバー２３０の巻き回数は、１５回に限られるものではなく、測定方法に伴い適宜変更されうるものである。白色光源２１０からの出力光は、屈折率マッチングオイル２２０を経て、クラッドに進むモードが除去された後に、ＯＳＡ２４０に入力する。このとき、測定対象の光ファイバー２３０の測定長さは、３ｍである。なお、測定長さは、３ｍに限られるものではなく、測定方法に伴い適宜変更されうるものである。
以下、図４〜図１０を参照して、上記の表１に示した例の特性を比較して説明する。
図４は、例３−３による低い残留応力の不連続性を有する光ファイバーのベンディング損失曲線３１０と、例３−１による高い残留応力の不連続性を有する光ファイバーのベンディング損失曲線３２０とを示す図である。８５０±１０nmの波長帯域で、低い残留応力の不連続性を有する光ファイバー３１０は、高い不連続性を有する光ファイバー３２０より、約１.６dB程度低いベンディング損失を有する。
図５は、例３−３による低い残留応力の不連続性を有する光ファイバーのベンディング損失曲線４１０と、例３−１による高い残留応力の不連続性を有する光ファイバーのベンディング損失曲線４２０とを示す図である。１３００±１０nmの波長帯域で、低い不連続性を有する光ファイバー４１０は、高い不連続性を有する光ファイバー４２０より、約１.５dB程度低いベンディング損失を有する。
図６は、上記の表１における例１−１の残留応力分布を示す図である。コアとクラッドとの境界面(ｒ/ａ＝１.０)で残留応力の不連続性は、約２〜３MPa程度である。
図７は、上記の表１における例３−３の残留応力分布を示す図である。コアとクラッドとの境界面で残留応力の不連続性は、約２５〜３０MPaである。
図８は、上記の表１における例４の残留応力分布を示す図である。コアとクラッドとの境界面で残留応力の不連続性は、約２５〜３０MPaである。
図９は、例３−１乃至例３−３による高い残留応力の不連続性を有する光ファイバーの引き出し温度による残留応力分布曲線を示す図である。 例３−１による第１の曲線５３０は、引き出し温度が２１００℃であり、 例３−２による第２の曲線５２０は、引き出し温度が２１５０℃であり、 例３−３による第３の曲線５１０は、引き出し温度が２２００℃である。引き出し温度が減少する場合には、コアとクラッドとの境界面(ｒ/ａ＝１.０)で残留応力の不連続性は、約２５MPaから約８０MPaに増加した。
図１０は、光ファイバーの引き出し工程中において、加熱温度(又は引き出し温度)に応じた残留応力の不連続性へのコア組成の影響を示す図である。加熱温度が２１００〜２２００℃に増加するとき、例３−１乃至例３−３の残留応力の不連続性の値６２０は、約８０MPaから約２５MPaに変化する。一方、例１−１乃至例１−３の残留応力の不連続性の値６１０は、加熱温度の増加が変化した場合その変化量は約１０MPa未満である。したがって、例１−１乃至例１−３による光ファイバーは、引き出し工程中の母材の形状変化や、使用時間増による加熱炉の劣化などより、加熱温度が変動する場合においても、残留応力の不連続性の変動を最小化することができる。また、上記の作用によって、グレーデッドインデックス分布の均一、且つ精密な制御が可能となり、それによって、１Gbps級以上の伝送が可能な光ファイバーの製造が可能となる。
代表的なグレーデッドインデックス分布の光ファイバーを示す図である。 グレーデッドインデックス分布を有する光ファイバーの残留応力の不一致を説明するための図である。 ベンディング損失の測定装置を示す図である。 本発明の実施形態による特性値を示す図である。 本発明の実施形態によるベンディング損失曲線を示す図である。 本発明の実施形態による残留応力分布を示す図である。 本発明の実施形態による残留応力分布を示す図である。 本発明の実施形態による残留応力分布を示す図である。 本発明の実施形態による光ファイバーの引き出し温度による残留応力分布曲線を示す図である。 本発明の実施形態によるコア組成の影響を示す図である。

Claims (12)

  1. 光伝送媒質のコアと、
    前記コアを取り巻くクラッドと、を含む光ファイバーであって、
    前記コアの半径ａと、前記コアの中心からの半径ｒとの比を、(ｒ/ａ)とした場合の、
    (ｒ/ａ)＝０.８〜１.１における軸応力の最小値と、
    (ｒ/ａ)＝１.０〜１.２における軸応力の最大値と、の差の絶対値によって表される前記コアと前記クラッドとの境界面の残留応力の不連続性が、２０.０MPa以下であることを特徴とする光ファイバー。
  2. 前記コアは、グレーデッドインデックス分布を有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバー。
  3. 前記光ファイバーは、多重モード光ファイバーを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバー。
  4. 前記コアは、８０〜１００wt％のＳｉＯ2と、０〜２０wt％のＧｅＯ2とを含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の光ファイバー。
  5. 前記クラッドは、ＳｉＯ2で構成されることを特徴とする請求項１記載の光ファイバー。
  6. 前記光ファイバーは、１Gbps以上の伝送速度に適用されることを特徴とする請求項１記載の光ファイバー。
  7. 前記光ファイバーは、半径５mmの円筒に１５回巻くことにより測定された場合に、２.０dB以下のベンディング損失を有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバー。
  8. 光伝送媒質であって、ＳｉＯ2とＧｅＯとから構成されるコアと、
    前記コアを取り巻き、ＳｉＯ2で構成されるクラッドと、
    を含むことを特徴とする光ファイバー。
  9. 前記コアは、グレーデッドインデックス分布を有することを特徴とする請求項８記載の光ファイバー。
  10. 前記光ファイバーは、多重モード光ファイバーを含むことを特徴とする請求項８又は９記載の光ファイバー。
  11. 前記コアは、８０〜１００wt％のＳｉＯ2と、０〜２０wt％のＧｅＯ2とを含んで構成されることを特徴とする請求項８記載の光ファイバー。
  12. 前記クラッドは、ＳｉＯ2で構成されることを特徴とする請求項８記載の光ファイバー。
JP2005035742A 2004-02-13 2005-02-14 低いベンディング損失を有する光ファイバー Abandoned JP2005227786A (ja)

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