JP2006518858A

JP2006518858A - ブラッグ格子光ファイバ

Info

Publication number: JP2006518858A
Application number: JP2004543625A
Authority: JP
Inventors: グスメローリ，ヴァレーリャ; バニャスコ，マーラ
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2006-08-17
Also published as: KR20050109450A; EP1408354A1; WO2004034109A1; CN1711490A; US6993241B2; US20040071432A1; AU2003299596A1

Abstract

本発明は、水素が添加されていないことによる高い感光性並びに低い開口数を与える光ファイバを提供する。本発明のある態様は、少なくとも約６モル％のゲルマニアおよび少なくとも約０．９重量％のフッ素がドープされたコアおよびこのコアを囲むクラッドを有する光ファイバに関する。本発明の光ファイバは、ファイバ・ブラッグ格子の製造に適している。

Description

本発明は、概して光通信に関し、より詳しくはファイバ・ブラッグ格子の製造に適した光ファイバに関する。

高性能の光通信システムは、長距離に亘って、電子的に再生する必要なく高いデータ転送速度でデータを送信する。例えば、３００から５００キロメートルの距離に亘って再生を必要とせずに１０Ｇｂ／ｓ以上の転送速度が達成された。高性能のシステムでは、高出力信号レーザ(signal laser)、光増幅器、分散補償デバイス、光スイッチングデバイスを用い、また波長分割多重化を用いるであろう。光通信システムは、より高速およびより長い径間長の方向に進み、システムの構成要素の要件がますます厳しくなっている。

そのようなシステムの構成要素の一つは、ファイバ・ブラッグ格子である。ファイバ・ブラッグ格子は、光ファイバのコアの屈折率を周期的に変調させることにより形成される。ファイバ・ブラッグ格子は、光ファイバ内を伝搬する波長のバンドから一つの波長を選択的に逆反射するように作用する。ファイバ・ブラッグ格子には、レーザの安定化、波長分割多重化、増幅器の利得の平坦化、および分散補償などの広い用途が見出されている。

ファイバ・ブラッグ格子は、感光性コアを有する光ファイバを、所望のように強度が変調されている紫外線パターンに露光することにより都合よく製造される。紫外線のパターンは一般に、放射線を位相マスクを通過させることによるなどの干渉技法を用いて形成される。効果的な格子を製造するために、光ファイバの感光性が高いことが望ましい。従来の感光性光ファイバは、そのコア中のゲルマニアの濃度が比較的高い。ゲルマニアの含有量を増加させると、コアの感光性が増加するように作用するが、コアの屈折率、したがって、光ファイバのΔおよび開口数も増加させるように作用する。高いΔと開口数を有する光ファイバは、標準的な単一モード光ファイバにうまく接続できない傾向にある。それゆえ、コア中のゲルマニア含有量が多い従来の光ファイバ内に書き込まれたファイバ・ブラッグ格子は、他の光ファイバへの接続損が高く、したがって、光通信システムに使用するには不利な状況にある。

ゲルマニア含有光ファイバの感光性を増加させる別の方法は、高圧条件下で水素分子を光ファイバに添加することである。水素添加はファイバ・ブラッグ格子の製造において有用な方法であるが、これには、水素添加の余計なプロセス工程と露光後の徐冷が加わり、高圧で高可燃性ガスを使用する必要がある。

従来の感光性光ファイバは、所望の性能を有する光ファイバ・ブラッグ格子を製造できず、その製造も単純ではない。感光性が高く、開口数が望ましく低い光ファイバが必要とされている。コストとプロセスの観点から、水素が添加されていない、ファイバ・ブラッグ格子の製造に使用できる感光性光ファイバが必要とされている。

定義
以下の定義は、当該技術分野における一般的な用法を踏まえている。

屈折率プロファイルは、屈折率と光ファイバの半径との関係である。

デルタ、Δは、相対屈折率パーセント、Δ＝（ｎ_i ²−ｎ_c ²）／２ｎ_c ²であり、ここで、ｎ_iは領域ｉの特定屈折率であり、ｎ_cはクラッド領域の平均屈折率である。デルタは従来パーセントで表される。

α−プロファイルという用語は、以下の方程式に従う、ｂが半径を示す、Δ（ｂ）で表される屈折率プロファイルを称する：
Δ（ｂ）＝Δ（ｂ₀）（１−［｜ｂ−ｂ₀｜／（ｂ₁−ｂ₀）］^α）
ここで、ｂ₀は、Δ（ｂ）が最大である地点であり、ｂ₁は、Δ（ｂ）％がゼロである地点であり、ｂは、ｂ_i≦ｂ≦ｂ_fの範囲にあり、デルタが先に定義されたものであり、ｂ_iはα−プロファイルの初期点であり、ｂ_fがα−プロファイルの最終点であり、αは実数の指数である。

本発明のある態様は、少なくとも約６モル％のゲルマニアおよび少なくとも約０．９重量％のフッ素がドープされたシリカを含むコア、およびこのコアを囲むクラッドを有してなる光ファイバに関する。

本発明の別の態様は、少なくとも約６モル％のゲルマニアおよびフッ素がドープされたシリカを含むコア、およびこのコアを囲むクラッドを有してなり、１５５０ｎｍで約０．２２未満の開口数を有する光ファイバに関する。

本発明のさらに別の態様は、ファイバ・ブラッグ格子を製造する方法であって、少なくとも約６モル％のゲルマニアおよび少なくとも約０．９重量％のフッ素がドープされたシリカを含むコア、およびこのコアを囲むクラッドを有してなる光ファイバを提供し、この光ファイバのあるセクションをパターンのある紫外線に露光し、それによって、ファイバのコアに格子を書き込む各工程を有してなる方法に関する。

本発明の光ファイバにより、従来技術の光ファイバよりも優れた数多くの利点が得られる。例えば、本発明の光ファイバは、望ましく低い開口数を維持しながら、高い感光性を有する。当業者であれば、ドーパントのレベルを慎重に選択することにより、感光性および開口数を実質的に独立して調節できる。本発明の光ファイバは、高いガラス均質性および均一性を有し、それゆえ、散乱による光学損失が低い。本発明の光ファイバを用いたファイバ・ブラッグ格子は、水素添加プロセスを使用せずに製造できる。本発明の追加の特徴と利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、当業者にとってはその説明から容易に明らかである、または記載された説明またはその特許請求の範囲に記載された、並びに添付の図面に示された本発明を実施することにより認識されるであろう。

先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、本発明の単なる例示であり、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特性を理解する上での概要や構成を提供することを意図したものである。

添付の図面は、本発明をさらに理解するための含まれたものであり、本発明に包含され、その一部を構成するものである。これらの図面は必ずしも一定の縮尺で示されていない。これらの図面は、本発明の一つ以上の実施の形態を示し、説明と一緒にして、本発明の原理と動作を説明するように働く。

ここに開示された説明された本発明は、ファイバ・ブラッグ格子の製造に適した光ファイバに関する。本発明のある態様によれば、光ファイバは、少なくとも約６モル％のゲルマニアおよび少なくとも約０．９重量％のフッ素がドープされたシリカを含むコアを備えている。本発明の光ファイバのある実施の形態が図１に断面図で示されている。光ファイバ２０は、コア２２およびクラッド２４を有してなる。このコアは、ファイバの中心線の周りに実質的に配置され、例えば、ステップ型プロファイル、丸まったステップ型プロファイル、台形型プロファイル、丸まった台形型プロファイル、またはα−プロファイルを含むどのような所望の屈折率プロファイル形状を有していてもよい。ここに列挙されたドーパントレベルは、プロファイルの最大屈折率でとられたものであることに留意されたい。屈折率プロファイルは、中心線に沿って屈折率が低下するかもしれないことが当業者には認識されるであろう。クラッドは、屈折率が実質的に均一であり、未ドープシリカまたはリン−フッ素が共にドープされたシリカなどの単独の材料から形成されるものであってよい。あるいは、クラッドは、当業者に馴染みのあるように、異なってドープされた複数の層を備えていてもよい。例えば、クラッドは、ゲルマニア−フッ素が共にドープされた内側クラッドおよびリン−フッ素が共にドープされた外側クラッドを備えていてもよい。ファイバを、一つ以上のポリマーコーティング２６により被覆してもよいことが慣例である。

本発明のある実施の形態によれば、光ファイバは、ファイバのコアに少なくとも約６モル％のゲルマニアおよび少なくとも約０．９重量％のフッ素がドープされている。光ファイバのコアに少なくとも約７モル％のゲルマニアを適切にドープしてもよい。ファイバのコアの感光性はゲルマニアの量に強く依存する。光ファイバのコアに少なくとも約１．２重量％のフッ素を適切にドープしてもよい。ファイバのΔおよび開口数は、コアとクラッド中のゲルマニア、フッ素、および他のドーパントの相対量に依存する。コア中のゲルマニアの量を増加させると、コアの屈折率が上昇し、したがって、ファイバのΔおよび開口数が増加する。コア中のフッ素の量を増加させると、コアの屈折率が減少し、したがって、Δおよび開口数が減少する。それゆえ、多い量のゲルマニアにより生じたΔと開口数の増加は、フッ素を多い量で使用することにより、相殺することができる。当業者であれば、ファイバのコア中のゲルマニアおよびフッ素の量を調節して、所望のレベルの感光性および所望の開口数が得られるであろう。本発明の望ましい実施の形態において、光ファイバのコアには、約０．９重量％から約６重量％のフッ素、および約６モル％から約３０モル％のゲルマニアがドープされている。

本発明のある実施の形態において、光ファイバのコアは、上述したように、シリカ、ゲルマニア、およびフッ素を有してなり、他のどのドーパントも実質的な量ではコア中に存在しない。例えば、本発明のある実施の形態において、光ファイバのコアは、ゲルマニアまたはフッ素以外のドーパントを約０．１重量％未満しか含有していない。本発明のこの実施の形態による光ファイバは、低損失および単純な製造のために都合よいであろう。

本発明の別の実施の形態によれば、光ファイバは、フッ素および少なくとも約６モル％のゲルマニアがドープされたコアを備え、約０．２２未満の開口数を有している。特に望ましい光ファイバは、約０．１６未満の開口数を有する。本発明のこの実施の形態による光ファイバを設計する上で、当業者は、所望の感光性を得るためのゲルマニアの濃度を選択でき、所望の開口数を得るためのフッ素の量を選択できる。

本発明のある実施の形態によれば、光ファイバのコアにはホウ素が実質的に含まれていない。例えば、本発明のある実施の形態において、光ファイバのコアは、約０．１重量％未満しか酸化ホウ素を含有しない。ゲルマニアドープト材料中にホウ素を含ませると、均質性と均一性が不十分になることがある。コア中にホウ素を含むゲルマニアドープトファイバに製造される格子には、露光後に強力な徐冷工程が必要であり、格子製造プロセスがいくぶんより複雑になり、時間がかかってしまう。

本発明のある実施の形態による三種類のステップ型屈折率光ファイバおよび二種類の従来のファイバのゲルマニア濃度、フッ素濃度、および開口数が表１に示されている。コアは、表１に示されているように、ゲルマニアとフッ素がドープされたシリカから形成されている。ファイバ１、２および３は、それぞれ、３μｍ、２．５μｍ、および２μｍのコア半径を有する。当業者には、本発明の光ファイバが、望ましい光学的性質に応じて、表１の光ファイバのものとは実質的に異なるコア半径を有していてもよいことが理解されるであろう。表１のファイバにおいて、クラッドは、リン−フッ素が共にドープされたシリカであり、未ドープシリカに屈折率が合致されている。従来のゲルマニアドープトファイバＡおよびＢは、コアに実質的にフッ素を含んでいない。これらのファイバは標準的なＭＣＶＤ法を用いて製造した。

ゲルマニア濃度は、走査電子顕微鏡を用いて測定した。フッ素濃度は、測定したゲルマニア濃度と測定したファイバの開口数とから計算した。表１のファイバ１、２および３は、コア内のゲルマニア濃度が高く、それでも開口数の値が望ましく低い。従来の光ファイバに効率的に接続できるようにするために、本発明のファイバの開口数が１５５０ｎｍで約０．２２未満であることが望ましい。例えば、ファイバ１は１５５０ｎｍで０．１２の開口数を有し、ニューヨーク州コーニング所在のコーニング社から得られるＳＭＦ−２８（登録商標）単一モードファイバに接続するのに適したものとなっている。ファイバ２は１５５０ｎｍで０．１４の開口数を有し、ニューヨーク州コーニング所在のコーニング社から得られるＰＵＲＥＭＯＤＥ（商標）ＨＩ１０６０ファイバに接続するのに適している。ファイバ３は１５５０ｎｍで０．１９５の開口数を有し、ニューヨーク州コーニング所在のコーニング社から得られるＰＵＲＥＭＯＤＥ（商標）ＨＩ９８０ファイバに接続するのに適している。ファイバ２および３は、それぞれ、従来のファイバＡおよびＢと同じ開口数の値を有しているが、ゲルマニア濃度がずっと高い。

表２は、表１の光ファイバの感光性を示している。ブラッグ格子は、２４４ｎｍの波長で動作するエキシマ紫外線源を用いて、水素を添加せずにファイバに書き込んだ。この紫外線源は、２００ｍＪ／パルスのエネルギーを有し、７０Ｈｚでパルスを発生させた。この書込みエネルギーは、１７％の透過率に設定された可変減衰器を通過し、次いで、位相マスクを通過した。干渉縞の視認性［（最大強度−最小強度）／最大強度］は約８０％であった。計算した屈折率変化が、３分間の露光と飽和露光の両方について与えられている。ここに用いられているように、飽和露光は、光ファイバが最大の紫外線誘発屈折率変化（すなわち、最大のブラッグ格子強度）に到達するのに十分な露光である。

本発明のファイバは、コア中にフッ素を含まない類似のゲルマニアドープトファイバよりも感光性が高い。例えば、ファイバ２と従来のファイバＡは同様の開口数を有するが、ファイバ２の感光性は、従来のファイバＡの感光性の１６５％を超える。同様に、ファイバ３と従来のファイバＢは同様の開口数を有するが、ファイバ３の感光性は、従来のファイバＢの感光性の１８０％を超える。本発明の望ましいファイバは、約８０％の視認性を持つ干渉パターンを生じる位相マスクを通した２４４ｎｍの波長および４２８Ｊのエネルギーを持つ放射線照射量への露光の際に、水素を添加していないコア内で少なくとも約５．５×１０^-4の１５５０ｎｍでの屈折率変化を示す。本発明の特に望ましいファイバは、約８０％の視認性を持つ干渉パターンを生じる位相マスクを通した２４４ｎｍの波長および４２８Ｊのエネルギーを持つ放射線照射量への露光の際に、水素を添加していないコア内で少なくとも約６．０×１０^-4の１５５０ｎｍでの屈折率変化を示す。

本発明の光ファイバの感光性を定量化するための有用なパラメータは、コア内の１５５０ｎｍでの屈折率変化対ファイバの開口数の比であり、この屈折率変化は、水素を添加していない状態で、約８０％の視認性を持つ干渉パターンを生じる位相マスクを通した２４４ｎｍの波長および４２８Ｊのエネルギーを持つ放射線照射量への露光の際に生じる。本発明の望ましい光ファイバは、コア内の１５５０ｎｍでの屈折率変化対ファイバの開口数の比が少なくとも約３．０×１０^-3であり、この屈折率変化は、水素を添加していない状態で、約８０％の視認性を持つ干渉パターンを生じる位相マスクを通した２４４ｎｍの波長および４２８Ｊのエネルギーを持つ放射線照射量への露光の際に生じる。本発明の特に望ましい光ファイバは、コア内の１５５０ｎｍでの屈折率変化対ファイバの開口数の比が少なくとも約４．０×１０^-3であり、この屈折率変化は、水素を添加していない状態で、約８０％の視認性を持つ干渉パターンを生じる位相マスクを通した２４４ｎｍの波長および４２８Ｊのエネルギーを持つ放射線照射量への露光の際に生じる。

本発明の光ファイバの感光性を定量化するための別の有用なパラメータは、飽和露光の際の水素を添加していないコア内の１５５０ｎｍでの屈折率変化対ファイバの開口数の比である。本発明の望ましい光ファイバは、飽和露光の際の水素を添加していないコア内の１５５０ｎｍでの屈折率変化対ファイバの開口数の比が少なくとも約９．０×１である。本発明の特に望ましい光ファイバは、飽和露光の際の水素を添加していないコア内の１５５０ｎｍでの屈折率変化対ファイバの開口数の比が少なくとも約１．０５×１０^-2である。

本発明の光ファイバは、標準的な光ファイバに光学損失が低い状態で接続するのに適した開口数を有するように設計されている。表１のファイバ２は、ＰＵＲＥＭＯＤＥ（商標）ＨＩ１０６０光ファイバの開口数と同様の開口数を有するように設計された。図２は、表１のファイバ２をＰＵＲＥＭＯＤＥ（商標）ＨＩ１０６０光ファイバに接続した結果を、ＰＵＲＥＭＯＤＥ（商標）ＨＩ１０６０光ファイバ同士を接続した結果と比較したプロットである。各組合せの接続をそれぞれ１１作製した。使用した接続パラメータは、ＰＵＲＥＭＯＤＥ（商標）ＨＩ１０６０光ファイバ−ＰＵＲＥＭＯＤＥ（商標）ＨＩ１０６０光ファイバの接続のためのＦＵＪＩＫＵＲＡ４０Ｓフュージョン・スプライサの項目に見つかったものであった。ＰＵＲＥＭＯＤＥ（商標）ＨＩ１０６０光ファイバとの表１のファイバ２に関する平均接続損は、１ｄＢ未満であり、ＰＵＲＥＭＯＤＥ（商標）ＨＩ１０６０光ファイバ同士の接続損と統計的に類似していた。

ここに開示した光ファイバは、当業者には明白であるように、標準的な光ファイバ製造プロセスにより製造してもよい。例えば、ファイバプリフォームは、改良化学的気相成長法（ＭＣＶＤ）、外付け法（ＯＶＤ）、気相軸付け法（ＶＡＤ）、またはロッド・イン・チューブ・プロセスを用いて構成してもよい。このプリフォームからの光ファイバの製造に、標準的な固結および線引きプロセスを使用できる。それゆえ、ここに開示された光ファイバの屈折率および組成プロファイルは、以下に限られないが、ＯＶＤ、ＶＡＤおよびＭＣＶＤプロセスを含む当業者に公知の製造技法を用いて達成される。

本発明の別の態様は、上述した光ファイバの内の一つにファイバ・ブラッグ格子を製造する方法に関する。本発明のある実施の形態において、この方法は、少なくとも約６モル％のゲルマニアおよび少なくとも約０．９重量％のフッ素がドープされたシリカを含むコア、およびこのコアを囲むクラッドを有してなる光ファイバを提供し、この光ファイバのあるセクションをパターンのある紫外線に露光し、それによって、ファイバのコアに格子を書き込む各工程を有してなる。この露光は、ファイバの水素を添加せずに適切に行われる。この方法を本発明の光ファイバに使用して、水素添加プロセスを使用せずに、効率的にファイバ・ブラッグ格子を製造できる。

本発明の別の態様は、上述した光ファイバの内の一つに製造されたファイバ・ブラッグ格子を含む。例えば、本発明のある実施の形態は、少なくとも約６モル％のゲルマニアおよび少なくとも約０．９重量％のフッ素がドープされたシリカを含むコア、およびこのコアを囲むクラッドを有してなる光ファイバを含み、ファイバ・ブラッグ格子は光ファイバのコア内に存在する。本発明のファイバ・ブラッグ格子は、光通信システムにおいて他の光ファイバに低損失で接続できる。

本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明の様々な改変および変更を行えることが当業者には明白であろう。それゆえ、本発明は、本発明の改変および変更を、それらが添付の特許請求の範囲およびそれらの同等物に含まれるという条件で包含することが意図されている。

本発明のある実施の形態による光ファイバの断面図本発明の光ファイバを従来の光ファイバに接続した結果を示すプロット

符号の説明

２０光ファイバ
２２コア
２４クラッド
２６ポリマーコーティング

Claims

シリカから構成されたコアおよび該コアを囲んだクラッドを有してなる光ファイバであって、前記コアに少なくとも約６モル％のゲルマニアおよび少なくとも約０．９重量％フッ素がドープされていることを特徴とする光ファイバ。
前記コアに少なくとも約７モル％のゲルマニアおよび少なくとも約１．２重量％フッ素がドープされていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
前記コアにホウ素が実質的に含まれていないことを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバ。
前記光ファイバが１５５０ｎｍで約０．２２未満の開口数を有することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光ファイバ。
前記コアが、約８０％の視認性を持つ干渉パターンを生じる位相マスクを通した２４４ｎｍの波長および４２８Ｊのエネルギーを持つ放射線照射量への露光した時に、１５５０ｎｍの波長で少なくとも約５．５×１０^-4の屈折率変化を示し、前記露光が、前記光ファイバに水素を添加せずに行われたことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の光ファイバ。
前記コアが、少なくとも約３．０×１０^-3の１５５０ｎｍでの屈折率変化対開口数の比を示し、前記屈折率変化が、水素を添加しない状態で、約８０％の視認性を持つ干渉パターンを生じる位相マスクを通した２４４ｎｍの波長および４２８Ｊのエネルギーを持つ放射線照射量への露光により生じたものであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の光ファイバ。
前記光ファイバのコアにブラッグ格子が存在することを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の光ファイバ。
ファイバ・ブラッグ格子を製造する方法であって、
少なくとも約６モル％のゲルマニアおよび少なくとも約０．９重量％のフッ素がドープされたシリカを含むコアと、
前記コアを囲むクラッドと、
を有してなる光ファイバを提供し、
前記光ファイバのあるセクションをパターンのある紫外線に露光し、それによって、該光ファイバのコアに格子を書き込む、
各工程を有してなる方法。
前記露光を、前記ファイバに水素を添加せずに行うことを特徴とする請求項８記載の方法。
前記コアが、少なくとも約９×１０^-2の、水素を添加しない状態での１５５０ｎｍでの飽和屈折率変化対開口数の比を示すことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。