JP2006293258A - 光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストでSBSの閾値を高めることができ、高エネルギーの信号光の投入を可能とする光ファイバを提供する。
【解決手段】 本発明の光ファイバは、1.3〜1.6μmに動作波長帯を持つシングルモード光ファイバであって、該光ファイバのコア部における比屈折率差の径方向の分布がコア部全体の平均値に対して±10%以上変動している変動値を有し、かつ前記比屈折率差の径方向の分布形状が長手方向で変化していることを特徴としており、VAD法により、バーナにガラス原料及びドーパント原料を供給し、火炎中で生成するガラス微粒子を堆積させて光ファイバプリフォームのコアロッドを製造する際において、コアの屈折率を上昇させるドーパント原料の流量を数十秒から数分の間隔で変化させることにより得られる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、比較的高い光エネルギーの信号光を投入する光通信アプリケーションに利用される光ファイバに関する。

PONシステムなどのアプリケーションでは、１本の光ファイバで加入者の近くまで信号を送り、そこで加入者数に応じて分岐されている。これには分岐点が局から遠いほど、また分岐数が多いほど、送信局側で高い光エネルギーを投入する必要がある。

近年、EDFAなどの増幅器の開発に伴い、このような高い光エネルギーの投入が可能になってきているが、一般に、光ファイバにこのような高エネルギーの信号光を投入すると、誘導ブリルアン散乱（SBS）という現象が起こるため、実際に伝送される光エネルギーが制限される。SBSが起こる閾値［mW］は、例えば、非特許文献１に記載されているように、光ファイバの有効断面積(A_eff)に比例し、ブリルアン利得係数（gB）及び実効的相互作用長（L_eff）に反比例する。

SBSは、音響フォノンにより光ファイバ中に周期的な密度分布が形成され、それがグレーティングとして作用し、信号光を散乱させることにより生じる。音響フォノンも移動しているため、散乱光は、ドップラー効果を受けて信号光よりもやや低い周波数を持つ。散乱光と信号光の干渉によりさらに音響フォノンが励起され、散乱の強度が強くなる。

SBSには閾値が存在し、信号光の強度がこの閾値以下では殆ど散乱の影響を受けないが、閾値を超えると急激に散乱強度が増し、ある程度以上では、投入する信号光の強度を上げても散乱される光が増すだけで、伝送される信号強度は増加しなくなる。そればかりかノイズが増えて、信号が劣化するという悪影響がある。

そこで、SBSの閾値を高めるために様々な方法が提案されている。
散乱光のスペクトル形状は、光ファイバの材料組成や歪によって変わり、このスペクトルがよりブロードであるほどSBSの閾値が増大することが知られている。
例えば、特許文献１では、光ファイバの長手方向でコア径、屈折率、歪を変えることでSBSの閾値を高める方法を開示している。
特許文献２は、２ステップ法で光ファイバ用プリフォームを製造する際に、コア部及びクラッド部の一部を製造するステップにおいて、長手方向で、例えば、フッ素などのドーパント濃度を変化させることによりSBSの閾値を高める方法を開示している。
特許文献３も同じく長手方向でドーパント濃度を変化させる方法を開示している。さらに、特許文献４は、長手方向でコア径と比屈折率差を同時に変化させる方法を開示している。
以上は、すべて光ファイバの長手方向に変化を与えて、SBSの閾値を高める方法である。

その他に、特許文献５は、コア部とクラッド部の境界付近に、屈折率分布で決定される伝送特性に影響を与えないように調整された、ドーパントがドープされた熱膨張率及び粘度の異なる長手方向に均一な薄い環状領域を複数設けることにより、光ファイバの径方向に歪の分布を形成し、それによりSBSを抑制する方法を開示している。
また、特許文献６は、コア部の特に中心部の屈折率を高くすることにより、音響モードの分布を通常とは異なるものとし、SBSを抑制する方法を開示している。

一方、光ファイバ用プリフォームの製造方法の中にVAD法がある。これは広く使われている技術の一つで、回転しつつ引き上げられる出発部材の先端にスート堆積体を形成し、製造されたスート堆積体を電気炉で脱水・ガラス化することにより光ファイバ母材を得る方法である。
一般的に、光ファイバ母材の製造は、先ずコア部とクラッド部の一部が形成され、更に追加のクラッド部が別の手段で付与することにより行われる。コア部には、例えば、GeO₂といった屈折率を上昇させるドーパントが添加されており、ドーパントの分布により、屈折率分布が形成されている。

VAD法で堆積されるスートは、酸素と水素を反応させて火炎を形成するバーナに、SiCl₄をガラス原料として投入することで生成するSiO₂の微粒子である。原料のSiCl₄にGeCl₄を添加すると、その濃度に応じてSiO₂微粒子内にGeO₂が添加される。
現在、広く使われているシングルモード光ファイバの屈折率分布は、径方向に略矩形であり、クラッド部とコア部の屈折率差は0.3〜0.4%程度である。また、光ファイバ径は125μmであり、コア径は8μm強である。このような光ファイバは様々なシステムに用いられ、その動作波長は1.3〜1.6μmと広範囲に渡る。

‘Optical Fiber Telecommunications IIIA’, Academic Press, p.200 特許第2584151号 特許第2753426号 特開平9−301738号公報 特開平10−96828号公報 米国特許第6,542,683号 米国公開特許US2004/0218882A1号 特許第3580640号

光ファイバの特性パラメータをその長手方向で変化させる場合、１km程度以下の短いスパンでの変化で顕著な効果を得られる。しかし、光ファイバの線引き速度が毎分１kmかそれ以上の高速であることと、大型のプリフォームでは１kmの光ファイバを線引きするのに光ファイバ用プリフォームの長さで1.5〜5mm程度で済むことから、光ファイバの製造に大型プリフォームを使用する低コストの製造方法では、このような短いスパンで変化を与えることは困難である。
そのため、例えば、特許文献７は、敢えて小型のプリフォームを製造することで特性の向上を図っている。

また、特許文献５のように、光ファイバの径方向に複数のドーパントで薄い環状領域を作る方法は、製造中に径方向へのドーパントの拡散が起こるため製造が極めて困難である。さらに、このような光ファイバは、損失が通常の光ファイバと比べて大きく、ひいては実効的相互作用長L_effが小さくなるため、所望の効果を上げることが難しい。加えて投入する光エネルギーをさらに上げなくてはならないという問題点がある。

本発明は、低コストでSBSの閾値を高めることができ、高エネルギーの信号光の投入を可能とする光ファイバの提供を目的としている。

本発明の光ファイバは、1.3〜1.6μmに動作波長帯を持つシングルモード光ファイバであって、該光ファイバのコア部における比屈折率差の径方向の分布がコア部全体の平均値に対して±10%以上変動している変動値を有し、かつ前記比屈折率差の径方向の分布形状が長手方向で変化していることを特徴としている。なお、比屈折率差の径方向の分布形状は、長手方向に周期的に変化しているのが好ましい。

本発明の光ファイバは、VAD法により、バーナにガラス原料及びドーパント原料を供給し、火炎中で生成するガラス微粒子を堆積させて光ファイバプリフォームのコアロッドを製造する際において、コアの屈折率を上昇させるドーパント原料の流量を数十秒から数分の間隔で変化させることにより得られる。ドーパント原料にはGeCl₄を用い、その流量を周期的に変化させればよく、その変化量は平均値の30%以上、好ましくは50%以上とするのがよい。

本発明の光ファイバは、1.3〜1.6μmに動作波長帯を持つ、SBS閾値の高いシングルモード光ファイバであり、高エネルギーの信号光の投入を可能とし、かつ低コストで製造することができる。

本発明者等は、VAD法によりバーナの火炎加水分解反応で生成するガラス微粒子が堆積されるコアの先端は、図１に示すように、曲面をなしていることに着目したものであり、コア部１の成長に合わせてドーパント濃度を変化させることにより、コア部の比屈折率差の分布を径方向及び長手方向の両方で変化させることができる。バーナ２の上方には、図示を省略したクラッド堆積用バーナが配設され、クラッド部３が形成される。その結果、双方の変化が相乗的に働き、SBS閾値が効果的に上昇することが分かり、本発明を達成した。

すなわち、本発明の光ファイバは、VAD法でコアロッドを製造する際に、コアの屈折率を上昇させるドーパント原料の流量を数十秒から数分の間隔で変化させることにより得られる。
ドーパント原料には好ましくはGeCl₄を使用し、その流量を平均流量の30%以上、好ましくは50%以上、例えば周期的に変化させて堆積させる。なお、ドーパント原料の流量の変化量が30%未満では、SBS閾値の上昇が小さく効果的でない。この方法によれば、過去の方法では困難であった大型プリフォームの製造にも容易に対応できる。

これにより、光ファイバのコア部における比屈折率差の径方向の分布がコア部全体の平均値に対して±10%以上変動している変動値を有し、かつ比屈折率差の径方向の分布形状が長手方向で変化し、1.3〜1.6μmに動作波長帯を持つシングルモード光ファイバが得られる。

VAD法により、通常の、略矩形状の比屈折率差の分布を有するコアロッド製造用装置を用いて、添加するドーパントGeCl₄の流量を周期的に変化させた。変化させる前のコア部堆積バーナへの原料供給条件（定常条件）は、SiCl₄300sccm、GeCl₄ 16sccmであった。流量変化はこれに対し、GeCl₄の流量のみを変化させて行い、1分間8sccmを流した後、1分間24sccm流し、再び1分間8sccm流す、というように周期的にGeCl₄流量を変化させた。

1分間に堆積されるコアの厚さは、これを線引きして最終的に得られる光ファイバの長さに換算すると約２kmであった。
図１において模式的に示したように、VAD法ではコア堆積部の先端は曲面である。従って、細かくドーパント濃度を変化させた場合、得られる光ファイバの各横断面において、コア部の比屈折率差の分布形状は、図２に示した従来のプロファイルのように略矩形とはならず、図３，４のように、コア内に屈折率の高い部分と低い部分が共に現れ、かつ長手方向でプロファイルが変化している。なお、図３，４は、同一ファイバの長手方向の異なる位置で測定した、コア部の比屈折率差のプロファイルである。

図３，４におけるコア部の比屈折率差のプロファイルにおいて、比屈折率差の変動値（高低差）は、コア部全体の平均値に対して±15%程度であった。ドーパント原料を定常条件時の±50%で変化させたにもかかわらず、比屈折率差の変動値が±15%程度の変化に留まったのは、電気炉による脱水・ガラス化工程での熱処理により、ドーパントが拡散したためと考えられる。

このようにして得られたコアロッドに、さらに必要な量のクラッドを付与してプリフォームとした後、線引き炉で線引きし、直径125μmの光ファイバとした。この光ファイバ30kmのSBS特性を調べたところ、波長1510nmでの閾値は、通常品の6.5dBmと比較して2dB高い8.5dBmであった。

このような効果は、上記GeCl₄の流量の変化を±30%以上として、±10%以上の比屈折率差の変化が見られた際に顕著に見られ、ドーパント流量の変化の時間間隔を数十秒から数分程度とした際に効果が大きかった。この時間間隔が10秒より短すぎると、ドーパントの拡散により大きな比屈折率差の変化が見られなくなる。逆に、この時間間隔が10分を超え長くなりすぎると、ファイバ化したときの屈折率分布の変化の周期が長すぎるため、十分な効果が得られなくなる。

SBS閾値の高いシングルモード光ファイバを低コストで供給することができる。

VAD法によるコア部の堆積状態とドーパント濃度の分布を模式的に示す概略図である。 コア部の比屈折率差の分布形状を示す、従来の光ファイバのプロファイルである。 コア部の比屈折率差の分布形状を示す、本発明の光ファイバのプロファイルである。 本発明の光ファイバのコア部のプロファイルを示す他の例である。

符号の説明

１ ……コア部、
２ ……バーナ、
３ ……クラッド部。

Claims (2)

1.3〜1.6μmに動作波長帯を持つシングルモード光ファイバであって、該光ファイバのコア部における比屈折率差の径方向の分布がコア部全体の平均値に対して±10%以上変動している変動値を有し、かつ前記比屈折率差の径方向の分布形状が長手方向で変化していることを特徴とする光ファイバ。

前記比屈折率差の径方向の分布形状が、長手方向に周期的に変化している請求項１に記載の光ファイバ。

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