JP2007011366A - 低損失光ファイバ、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低損失な光ファイバを安価に製造する光ファイバの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、光ファイバプリフォームを準備する工程と、プリフォームを軟化する温度まで加熱する工程と、プリフォームから光ファイバを線引きする工程とを有する光ファイバの製造方法であり、プリフォームは、デルタが０．００１より大きい内側コア領域と、デルタが−０．００１〜０．０００５である外側コア領域と、デルタが−０．００１より小さい第１クラッド領域とを少なくとも有し、さらに、内側コア領域と外側コア領域とがＶＡＤ法あるいはＯＶＤ法を用いて形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの設計、およびその改良された光伝送特性を持つ設計を採用した光ファイバを製造する方法に関わる。より詳しくは、ＶＡＤ法とＭＣＶＤ法の製造境界が屈折率プロファイル設計における導波路形成領域の内側にあるようにＭＣＶＤ法とＶＡＤ法の組合せを用いて光ファイバプリフォームが製造される複合製造方式に関わる。

光ファイバの製造のために非常に多くの方法が提案され、探求されている。光ファイバ技術の成熟に伴い、３つの主要な製造方法、ＭＣＶＤ法、ＶＡＤ法、およびＯＶＤ法が浮上している。それらはいずれも出発基材の上にガラス粒子（しばしば「スート」と呼ばれる）を堆積し、次いでその粒子を中空でない（ソリッドな）ガラス体にすることを含む。その技術は気相反応を用いて粒子を形成することを含む。気相反応はトーチを用いて行われ、トーチの炎が出発部材の方向に向けられる。ＭＣＶＤ法の場合、トーチはガラスの出発管の外側に向けられ、ガラス原料ガスがガラス管の内側に導入される。粒子は管の内側表面に堆積される。ＶＡＤ法、およびＯＶＤ法の場合、トーチとガラス原料ガスは出発棒の外側表面に向けられ、粒子はそれぞれ棒の端部、あるいは側面に堆積される。それぞれの技術は非常に効率的であり、広く行われている。それぞれは他のものにはないよく知られた利点がある。

非常に高品質の中心コア、および内側クラッドを作るために、ＭＣＶＤ法は理想的に見える。ＭＣＶＤ技術の場合、粒子層は半径方向に徐々に増加するように成長する。この半径方向へ増加することにより、ＭＣＶＤ法はＶＡＤ法に比較してより複雑な屈折率プロファイルを形成することが可能である。複雑な屈折率プロファイルはそれぞれのプロファイルの特徴に合わせて粒子層の半径方向の構成を変えることにより形成される。さらに、複雑な屈折率プロファイルはしばしば１つ以上のディプレスト（depressed:純石英に対して相対的にくぼんだ）屈折率を有する。ディプレスト屈折率の領域は通常粒子にフッ素をドープすることにより形成される。以下に詳細に述べるように、管の内側への堆積法（ＭＣＶＤ法）は棒の外側に堆積する方式（ＶＡＤ法、およびＯＶＤ法）のいずれよりもフッ素をドープするのに適している。

しかしながら、出発管を使うことが必要なことはＭＣＶＤ法において制限要因である。ひとつの制限はＭＣＶＤ法における出発管のガラスが、最先端の、大きなプリフォームにとって十分な品質と低損失でない場合である（光のパワーの一部が出発管材料によって伝送される）。もし、出発管を作るために超高純度の材料（通常、高価である）を使うことにより管の品質上の制限が排除されたとしても、加熱源としてＭＣＶＤ法に一般的に使われる酸水素トーチに管をさらし、水酸基イオンを管の十分深いところまで加えることにより有効な出発管品質を損なうことがある。最終的には、所望の屈折率プロファイルを得るために必要な、出発ガラス管内のドーパントレベルは、適切なＭＣＶＤ処理（粘度、管の安定性、および熱伝導に対する考慮）では得られないかもしれない。

ＶＡＤ法ではシリカのスートが堆積し、出発種棒から軸方向に成長する。ＶＡＤ技術の顕著な利点は連続処理として実行できることである。このことはインラインでの堆積、精製、乾燥、および焼結を可能にする。堆積の完了後、出発棒が堆積体から分離され、従来のＭＣＶＤ法と違ってプリフォーム全体がＣＶＤ堆積材から作られる。一般論として、ＶＡＤ法は効果的で広く行われているが、しかしながらそれらは屈折率を変化させる材料の半径方向の堆積、すなわち、半径方向の屈折率プロファイルを正確にコントロールする能力においては、ＭＣＶＤ法にはかなわない。このために、ＶＡＤ法、および外側気相堆積法（ＯＶＤ法）のような他のスート堆積／焼結法は複雑なファイバ設計を効果的に製造することには限界がある。さらにＶＡＤ法はフッ素ドーピングにはあまり適していない。これは特にインラインでのＶＡＤ処理について当てはまる。

シングルモードファイバにおいてはコアと内側クラッドは合わせて光のパワーの９５％以上を伝送するが、一般にコアと内側クラッドはファイバ質量の５％以下の構成であることが、従来から認識されており、この領域の製造プロセスが、特に着目されている。プリフォームのコアと内側クラッド領域は比較的高度でコストの高い方法で作られ、外側クラッド、つまりプリフォームの大部分は要求レベルが低く、安価な処理によって作られる方式が発達している。コアとクラッドの一体化はオーバークラッド製法により遂行される。オーバークラッド製法は米国特許第６，１０５，３９６号（Ｇｌｏｄｉｓ他）、および国際公開ＰＣＴ／ＥＰ００／０２６５１（２０００年３月２５日）に記述されていて、それは一般的な技術の詳細説明として参照のためここに引用される。

オーバークラッド製法はＶＡＤ技術により製造されるプリフォームの複雑性によるいくつかの制約を克服する。オーバークラッドは所望の複雑なファイバ屈折率プロファイルを達成するためにそれぞれ異なるクラッド領域を形成する多重クラッド管を含んでもよい。

この形式の一般的に用いられる処理はいわゆるロッドインチューブ法であって、コアロッドは、非常に高品質の様々な添加処理によって作られ、クラッド管はより安価で低純度のガラスで作られる。低コスト化のために、単一組成のガラスが選択される場合が多い。ロッドインチューブオーバークラッド製法ではコアロッドがクラッド管に挿入され、管が縮径されて、コアロッドと一体化する。ふたたび多重オーバークラッド工程を用いることもでき、ひとつ以上の最終オーバークラッド工程がファイバ線引き工程と組み合わされることもある。
米国特許第６，１０５，３９６号 国際出願ＰＣＴ／ＥＰ００／０２６５１号（２０００年３月２５日） 米国特許出願第０９／７５５，９１４号（２００５年１月１日）

管のオーバークラッド製法を用いる場合は、適当なクラッド管は、スート堆積あるいは溶融石英の成形によって作られてもよい。スート合成法によりこのように非常に大きなクラッド体を作ることにより高品質ガラスを得られるが、膨大な処理を要し、かなり高価である。大きな溶融石英体はもっと安価であるが、一般的に十分な純度ではない。

まとめとして、ＶＡＤ法はロッドインチューブオーバークラッド法と組み合わせは、比較的単純な屈折率プロファイルの大きなガラスコアロッドを形成するための高速で経済的な方法を提供する。しかし、クラッドがディプレスト屈折率分布を有するとき、従来技術による一般的に入手可能なディプレスト屈折率のクラッド管ではプリフォーム体全体を所望の光学的品質とすることができない。

発明者は、ドーパントによる散乱損失の増加のレベルを低減する一連の光ファイバ屈折率プロファイルを設計し、伝送損失と高い生産性に関して従来の技術を顕著に進歩させるＭＣＶＤ法とＶＡＤ法の組合せを用いる光ファイバ製造の複合方式を開発した。複合方式はそれぞれの処理技術の望ましい特徴を組み合わせている。また、発明者はこれらの方法を用いて製造された光ファイバの損失特性についても言及している。発明者はこれらの方法を用いて製造された光ファイバの損失特性が異なるということに着目して、構造損失特性を最適化するためにＭＣＶＤとＶＡＤ技術を組み合わせている。プロファイル設計により、１３８５ｎｍのウォーターピーク損失をほぼゼロにし、良好なマクロベンド性能を維持しながらレーリー散乱を低減するように光のパワーを配分する最適化が可能である。本発明の好ましい実施例においてＶＡＤ法は添加物が高ドープされた内側コア、および添加物がより少なくドープされた、あるいはドープされない、外側コアを持つコアロッドを生成するために使われる。ＭＣＶＤ法はひとつ以上のディプレスト屈折率領域（depressed index regions）を有するクラッドを生成するために使われる。この基本的なプリフォーム製造方式を用いて、発明者は本質的にすべての光パワーがＶＡＤ材料およびＭＣＶＤ材料の中に含まれ、例えば一般にパワーの６０％が、標準のシングルモードファイバのコアに見られるドーピングレベルの６０％より少ないＧｅ添加レベルを有するＶＡＤ内側コアに含まれるように、パワー分布の大部分がＶＡＤ材料に含まれ、例えばパワーの２０−４０％がドープしない、あるいはわずかにドープされたＶＡＤの外側コアに含まれるように、プロファイルと光パワー分布を適合させている。

この方式の変形は超高純度ＯＶＤ管をＭＣＶＤクラッド管と置き換えて類似のプリフォームを製造することである。

本発明のよりよい理解のために、添付の図、および添付の請求の範囲とにより以下に説明する。なお、これらの図面中の構成要素は必ずしも寸法通りではない。
ウォーターピークがゼロあるいは低い低損失ファイバは、ＶＡＤ法、あるいはＯＶＤ法により大きく、経済的なプリフォームサイズ（外径９０ｍｍ以上）で効率よく作られる。最も低い１３８５ｎｍ損失（０．３１ｄＢ／ｋｍより低く、通常０．２７５ｄＢ／ｋｍ）はＶＡＤ法により作られる１５０ｍｍよりも大きいプリフォームサイズのコアロッドでほぼ確実に達成される。通常ＭＣＶＤ法はＶＡＤ法に比べてやや緩いウォーターピーク特性を持つより小さいプリフォーム（６０−９０ｍｍ）を作るために使われる。これはＶＡＤ法あるいはＯＶＤ法により堆積されたコア材料は焼結前のスートの脱水により通常乾燥状態（［ＯＨ］＜１ｐｐｂ）にあるということによっている。第２の理由はＶＡＤ法あるいはＯＶＤ法により大きなＤ／ｄ比をもつ大きなコア母材を作ることが可能であることによる。すなわち、大きなコア母材（９０ｍｍ以上）では第１のオーバークラッドとコアロッドとの境界面がコアから遠く離れていてよい、つまり、製造界面が低い光パワー部分となることによる。ＭＣＶＤ製法はプリフォームサイズが小さく（たとえば、＜７０ｍｍ）なければより小さいＤ／ｄ比になり、大きなプリフォームで経済的な、低い、あるいはゼロウォーターピークがゼロ、あるいは低い光ファイバを達成することがより困難となる。

１５５０ｎｍに約１７〜２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散と１３１０ｎｍ付近にゼロ分散波長を持つ一般的な光ファイバは通常シリカクラッドとＧｅをドープしたコアから成る光ファイバとＦをドープしたクラッドとシリカコアから成る光ファイバの２つのタイプに分けられる。いずれの場合においても、導波路の全相対デルタは約０．３５％である。前者の光ファイバは一般にマッチドクラッドファイバ（matched clad fiber）、あるいは標準シングルモードファイバ（ＳＳＭＦ）として知られ、０．１８５−０．１９５ｄＢ／ｋｍのオーダーの光損失を有する。後者の光ファイバは通常純シリカコアファイバとして知られ、０．１６８ｄＢ／ｋｍ付近に非常に低い光損失値を有する。この違いは、添加物をドープしたシリカに対して純シリカのレーリー散乱が低いことに起因する

シリカコアファイバは優れた損失特性を持つことが実証されているが、不幸にも、このレベルの性能を達成するためにはマッチドクラッドファイバの５−１０倍遅い線引き速度を必要とする。この線引き速度の制約が製造の生産性、および処理能力に影響を与え、シリカコアファイバの製造をより高価なものにする。このことが事実上その広範な商業的採用を妨げ、海中、あるいは長距離の中継器のない単一スパン用途に向けた特殊製品としている。

以下に議論されるように、この発明の屈折率プロファイルは従来技術のこれら２種類の光ファイバの制約面に対処する。従来技術においては、１）ファイバ損失の下限は従来のＧｅドープしたＳＳＭＦのようにコアに大量にＧｅをドープしたことによるレーリー散乱レベルの増加量によって決められる、あるいは２）純シリカコアファイバのように非常に低い速度でファイバを線引きする必要性による割高なコストのためにファイバの現実的な適用場所が制限される。本発明による屈折率プロファイルは標準のシングルモードファイバの場合に一般的な速度でファイバを線引きする能力を維持しながら純シリカファイバに近い損失値を達成する。さらに、ここに開示されるＶＡＤ−ＭＣＶＤ複合製法はこの屈折率プロファイルを作るために好ましい方法である。

図１にドープした領域１２〜１６をもつ光ファイバプリフォーム１１の横断面が示される。各領域はファイバの中心から半径方向に広がる５つの異なる屈折率プロファイルを有する層を表す。このプロファイルは上記で議論した複雑な屈折率プロファイルの代表例である。領域１３と１６は純シリカの屈折率を表し、領域１４と１５は屈折率を下げる添加剤がドープされている。

光ファイバコア領域１２は一般にＧｅＯ_２が比較的大量にドープされる。第２のコア領域１３はコア領域１２と比較してドープ量が少ない領域であり、好ましい実施例では、純粋なシリカである。（この議論においては、ガラスはシリカベースのガラスであると仮定し、用語“純粋なシリカ”とは添加物をドープしていないシリカをいう。）クラッド領域１４はディプレスト（屈折率を下げる添加剤がドープされた）領域である。クラッド領域１５はクラッド領域１４と比較してドープ量が少ないディプレスト領域であり、領域１６はこの実施例では純粋なシリカ領域として示されるが、あるいは領域１５の延長であってもよい。

このプロファイルにディプレスト屈折率領域があることにより、光ファイバ用プリフォームを作るための選択法は一般にＭＣＶＤである。これはＭＣＶＤ法においてはフッ素をディプレスト領域にドープすることが比較的容易であることによる。フッ素のドーピングは一般にスート粒子をＳｉＦ_４にさらすことにより達成される（技術的によく知られているＳｉＦ_４、ＳＦ_６、Ｃ_２Ｆ_６などを用いることもできる）。これはフッ素が多孔性のガラス構造の中に拡散し、かつ粒子の表面内への拡散することによる。ＭＣＶＤのスートは多層に堆積し、焼結されるのでフッ素が拡散して消失することがない。こうして濃度プロファイルが全体にわたって正確にコントロールされるとともに比較的高いレベルのフッ素ドーピングが達成される。フッ素ドーピングに関するより詳しい情報は米国特許出願第０９／７５５，９１４号（２００１年１月５日出願）を参照のこと。

この形式の製法は、いくつかの好ましいＶＡＤ製法、特に精製および焼結工程がスート堆積後の完全なブール(boule)に対して行われる製法と両立しないかもしれない。このことによりＭＣＶＤ法はしばしばプロファイルにディプレスト屈折率特性を持つプリフォームを作るための好ましい選択である。他の最先端の光ファイバ製品と同様に、これらの屈折率プロファイルは低分散スロープ光ファイバのために重要である。

これらの要因はディプレスト屈折率領域を持つプリフォームを作るためのすべてのＭＣＶＤ法の利用についてあてはまるが、発明者はＶＡＤ法を用いて作られたプリフォームとＭＣＶＤ法を用いて作られたプリフォームのＯＨによる汚れの本来的レベルにおける重要な差がその結論を修正するかもしれないことを発見している。ＯＨの量は関連する伝送、あるいはラマンポンプ帯、特に１３８５ｎｍにおけるのと同様に１４６０と１５３０ｎｍの間のＳ波長帯における損失と関連している。ＧｅＯや他の損失を生成する欠陥のレベルもＭＣＶＤ材料に対してＶＡＤ材料の方がより低いかもしれない。両方の場合について発明者はＶＡＤで作られたプリフォームから線引きされた光ファイバについてよりよい損失結果を測定した。それによって発明者はＶＡＤを用いて光ファイバプリフォームのコア領域、つまり図１の領域１２および１３、を作り、ＭＣＶＤを用いてクラッド領域１４および１５を作ることの有効性を実証した。

図２は図１に示すプリフォームから線引きされた光ファイバの屈折率プロファイル２１を示す。図１はプリフォームの設計プロファイル（プリフォーム外径は一般に６３ｍｍ）を示し、図２の具体的なプロファイルは光ファイバの屈折率プロファイルである。一般にプリフォームから作られる光ファイバは基本的にプリフォームのプロファイルを複製したものであるが、寸法はより小さい。

図１のプリフォームの領域１２−１６に対応する図２の光ファイバの領域１２−１６が図２の上部に表示されている。内側のコア領域１２はコア中心部の屈折率がデルタ≒＋０．００２でとなるようにＧｅがドープされる。デルタは純粋なシリカの屈折率からの屈折率の偏差である。図２の縦軸は屈折率の絶対差として示されているが、しばしば表示の値に１００を掛けてパーセントで表現される。内側コア領域１２の屈折率のレベルは従来のシングルモードファイバに比較してかなり低いことが当業者には認められ、２ｗｔ％未満のＧｅで達成可能である。一般的なシングルモード光ファイバのコアの場合、コア中心部は３．５ｗｔ％あるいはそれ以上のドーピングレベルである。本発明の光ファイバのコアの比較的低いドーピングレベルはファイバ中の光損失を低減する。この例における内側コアの幅は約４μｍである。この例における外側のコア領域１３は純粋なシリカである。あるいは、外側のコアは若干ドープされてもよい。例えば＋０．００１未満のレベルでＧｅがドープされてもよい。また、他の実施例においてフッ素をわずかにドープし、屈折率を下げる方向にしてもよい。ひとつの目的は比較的少ないドーピングによって外側コア層を作ることであって、これにより非常に低損失のコア材料を得る。−０．００１〜＋０．０００５のデルタ範囲が適切である。外側のコア領域の幅が内側のコア領域の幅と同様の幅、つまり約４μｍで示される。次の領域は屈折率のデルタが約−０．００２で幅が約８μｍのディプレスト屈折率領域１４である。この領域はＭＣＶＤを用いて作られる。この領域の屈折率は一般に半径の関数としてほぼ一定であるが、平坦である必要はない。一般にディプレスト屈折率領域はＳｉＯ_２からなり、所望の屈折率を達成するために適量のフッ素がドープされる。この例の領域１５はＭＣＶＤ出発管で形成される。出発管は屈折率が約０．００８下がるようにわずかに屈折率を下げる添加剤がドープされる。この領域の幅、約１６μｍ、は出発管の厚さによって決められる。図２に示される最後の層は純粋なシリカから成る領域１６である。純粋なシリカから成るオーバークラッド管によりこれを形成することが好都合である。しかしながら、曲げ損失に対するファイバの感受性を減ずるために領域１５と同様のわずかに屈折率を下げる添加剤がドープされた材料として、本発明の低損失、高い線引き生産性の特徴を維持してもよい。基本的に光のパワーはこの領域を通過しないのでこの領域の光伝送特性は相対的にあまり重要ではない。

図２の光ファイバの例における光パワーの分布を表す光パワー分布が２２で示される。縦軸は任意である。光パワーは内側コア１２の中央部領域で強く導波し、内側コアの外側部分、および外側コアを通って基本的にガウス分布形をとって急激に減衰する。コアとディプレストクラッド領域１４の境界面でパワーは低い値に減衰する。本発明のひとつの目的は基本的に全パワー分布を低損失のＶＡＤおよびＭＣＶＤ領域に閉じ込めることである。ＭＣＶＤ出発管が始まる境界、つまり領域１４と１５の間の境界には基本的に光のパワーは存在しない。したがって領域１５の光損失および他の光特性は基本的に全パワー分布が含まれる内側の層ほど重要ではない。例えばファイバが曲げられるなどある環境のもとでは外側の領域が機能し、損失を防止する助けを果たす。結果として、ＭＣＶＤ法で製造された領域１４の外側領域の設計は示されているものと異なる構成と特性であってよい。例えば、領域１６は曲げ損失を制御するために屈折率を下げる添加剤がドープされてもよい。あるいは出発管は領域１４のレベルと同程度のレベルにドープされてもよい。他の領域、例えば１つあるいは複数の屈折率を上げる添加剤がドープされたリング状の領域が含まれてもよい。

図２のパワー分布２２を参照して、この光ファイバの特性の測定値が以下の表に与えられている。これらのデータのパワー分布は１５５０ｎｍで測定された。

１３８５ｎｍでのパワー分布の測定により９７．８％のコアのパワー分布、および約２．２％のＭＣＶＤ層パワー分布が得られた。よく知られているように光のパワーは構造体を通ることにより急激に減少するのでＶＡＤ／ＭＣＶＤの結合した領域に含まれるパワーの分布は１００％ではないが、本発明の設計により少なくとも９９％になるであろう。

発明の目的は一般に以下の表の設定値を持つ光ファイバによって満足させられる。

好ましい実施例において、内側コアと外側コアを結合した半径は５〜１２μｍに等しい。

これらの一般的な設計によるプロファイルの特徴は基本的に全パワー分布をＶＡＤ／ＭＣＶＤ領域に閉じ込めることに加えて、大部分、＞９０％、好ましくは＞９６％がＶＡＤ領域内に含まれ、ＯＨ含有量、およびＯＨ界面の汚れの可能性が小さいことである。光パワーの大部分を伝送するコアの大部分に理論的に最適な低損失る純粋なシリカを使うことは設計の全体的な実効性に顕著に寄与する。

ＶＡＤコアロッドとＭＣＶＤクラッド管で作られたプリフォームはロッドインチューブ法により組み立てられてもよい。一般的なロッドインチューブ法が図３および４に記載されている。参照されている図は必ずしも寸法どおりに描かれていないことが理解されるべきである。実際に一般的に使われる代表的な寸法のクラッド管は通常長さ対直径の比が１０−１５である。コアロッド３２がクラッド管３１の内部に挿入されて示されている。管３１は単管あるいはいくつかの同軸の管でもよい。一般にこの時点でコアロッドはすでに焼結されている。管はすでに焼結されていてもよく、あるいはまだ多孔質であってもよい。通常、コアロッドの製造にはいくつかの共通的な選択肢がある。それはセンターコアのみであってもよく、あるいはひとつ以上の追加された層を含んでもよい。コアロッドがＶＡＤを用いて作られる本発明の主要な実施例においてコアは層１２および１３からなる。非常に高品質のガラス成形技術によって作られるクラッド管が層１４に使われてもよい。しかし、一般的に利用可能な超高純度の管の入手が限られるという観点から層１４は好ましくはＭＣＶＤを用いて作られる。屈折率を下げる添加剤がドープされた層１４は基材管１５の内面上の屈折率を下げる添加剤がドープされたＭＣＶＤ層によって形成される。

図４において、コアロッド３２と管３１の組み立て後、組合せ体は最終のプリフォームを形成するために縮径され、棒の外側表面と管の内側表面の間の境界面３４は基本的に区別できない。この工程は線引き処理の前あるいは線引き中にあってもよい。

クラッドを追加する処理、例えば層１６を形成するためにオーバークラッド管を加える処理は、いま述べたロッドインチューブ法と同様の手順に従ってもよい。あるいはプリフォームはオーバークラッド管、ＭＣＶＤ管、およびコアロッドをひとつの操作で縮径することにより組み立ててもよい。

次いで上に述べたように光ファイバプリフォームは光ファイバを線引きするために使われる。図５はプリフォーム５１、およびガラスプリフォームを軟化しファイバ線引きを開始するために使われる炉（図示しない）を表すサセプタ（susceptor）５２とともに光ファイバ線引き装置を示す。線引きされたファイバが５３で示される。それから初期のファイバ表面は一般にコーティングプレポリマ５６を含む槽５５を有する５４で表示されるコーティングカップを通される。液体をコートされたファイバはダイ（die）５７を通ってコーティング槽から出る。ダイ５７とプレポリマの流体力学の組合せがコーティング厚さを制御する。それからプレポリマをコートされたファイバ５８はプレポリマを架橋硬化し、コーティング処理を完了するためにＵＶランプ５９に照射される。他の架橋硬化のための放射が適当なところで使われてもよい。次いでコーティングが架橋硬化されたファイバは巻取りリール６０に巻き取られる。巻取りリールはファイバの線引き速度を制御する。一般に１〜３０ｍ／秒の範囲の線引き速度が使われる。ファイバとコーティングの同心性を維持するためにファイバがコーティングカップの中、特にダイス６１の出口で中心に置かれることが重要である。一般に商用の装置はファイバの位置合わせを制御するプーリーを持っている。金型の中の流体力学的圧力そのものがファイバを中心に置くことを助けている。マイクロステップインデクサ（図示しない）によって制御されるステッピングモータが巻取りリールを制御する。

光ファイバのコーティング材料は一般にＵＶ光架橋材が加えられたウレタン、アクリレート、あるいはウレタン−アクリレートである。図５の装置は１つのコーティングカップ付で示されているが、２重のコーティングカップをもつ２重のコーティング装置が通常使われる。２重にコートされたファイバの場合、一般に１次のあるいは内側のコーティング材はシリコン、ホットメルトワックス、あるいは比較的低い弾性率をもつ数多くのポリマー材料のうちのいずれかなど軟らかい低弾性率の材料である。２次の、あるいは外側のコーティング用の通常の材料は高弾性のポリマー、一般にはウレタンあるいはアクリル系である。商業ベースでの実務においては両方の材料は低および高弾性率のアクリレートであってもよい。コーティングの厚さは一般に直径１５０〜３００μｍの範囲であり、標準は約２４５μｍである。

本発明の優れた効果が既知の光ファイバ損失のメカニズムの背景の中で実証された。シリカベースのファイバを設計し、作製する現状の技術が進歩してきた点は、１５５０ｎｍ領域におけるＯＨによる汚れやわずかに残る金属などの吸収効果、あるいはガラス構造中の電子欠陥、あるいは曲げ損失などの波長効果に起因する過度の損失が基本的に除去されたということである。したがって、現在の光ファイバの損失の下限は純粋なシリカのレーリー散乱損失によって決められる。導波路構造を形成するために使われている屈折率を変化させるためのドーパント、つまり一般的にはＧｅあるいはＦ、の存在が純粋なシリカと比較してドープされたガラスのレーリー散乱損失を増加させる有害な影響を与えている。Ｏｈａｓｈｉの「シリカベースシングルモードファイバの光損失特性」（ＪＬＴ Ｖｏｌ１０、Ｎｏ．５、１９９２年５月）はレーリー散乱係数を以下のように決定した。Ｇｅをドープしたシリカファイバに対して：

Ｆをドープしたシリカファイバに対して：

ここでＡ_０は純粋なシリカのレーリー散乱係数、Δ_ＧｅおよびΔ_ＦはそれぞれＧｅおよびＦドーピングにともなう正規化された屈折率差である。これらの公式はゲルマニウムおよびフッ素をドープしたシリカは純粋なシリカに比較してレーリー散乱係数が高く、その結果過度の散乱損失をもたらすことを明らかに示している。ここに開示される一群のプロファイル設計はマッチドクラッドファイバ設計と比較して光パワーの大部分を伝播するファイバの領域におけるゲルマニウムおよびフッ素のドーピングレベルを低減し、その結果レーリー散乱係数を低減することによりファイバ損失を低減するように設計される。

純粋なシリカに対する導波路にドープした領域を有する場合のレーリー散乱損失の増加によるファイバ損失の影響を定量化するために、ファイバ横断面全体にわたる光パワー密度で重み付けしたＧｅおよびＦドーピング濃度の積分として散乱損失基準の増加を定義する。

ここでＧｅ（ｒ）およびＦ（ｒ）は、半径方向の位置ｒの関数で重量パーセントを単位とするＧｅおよびＦドーピング濃度であり、Ｅ（ｒ）は基本モードのｒの関数としての電場である。

図６は種々の大きな有効断面積の非分散シフトファイバについて観測された損失対散乱損失基準の増加のプロットを示す。点６１および６２はそれぞれ一般的に入手できる純粋シリカおよびＧｅをドープしたコアのファイバに対する結果を表す。ファイバ損失がレーリー散乱に支配されると仮定するとこれら２つの例のファイバの値の間にある散乱損失基準の増加を持つファイバはこれら２つの点を結ぶ線６５にほぼ添うファイバ損失を持つであろう。６３および６４の点は２つの本発明のファイバの例に対する結果を表す。これらのファイバ例に対する散乱損失基準の増加値は２．０よりもわずかに少なく測定損失値は約０．１８０ｄＢ／ｋｍである。本発明の好ましい実施例は図２に示される屈折率プロファイルを持ち、その値は散乱損失基準の増加が約１．０、ファイバ損失の期待値が０．１７４ｄＢ／ｋｍである。本発明のパワーで重み付けしたドーピング濃度の積分の範囲は一般に約１〜２の範囲内に入る。

図７は図６の点６３で示される線引き速度１８ｍ／ｓで線引きされたファイバの伝送損失スペクトルを示す。このファイバの１５５０ｎｍおよび１３８５ｎｍにおける伝送損失は０．１８０および０．２８４ｄＢ／ｋｍであり、優れた低損失性能を実証している。

ファイバの屈折率プロファイル設計およびファイバ製造方法に関連する他のファイバ損失性能の課題はファイバがゼロウォーターピーク（ＺＷＰ）特性を満たせる能力である。ＺＷＰ特性は１３８５ｎｍ近傍の波長領域でのＯＨ吸収ピークにおける初期損失が非常に低いことと、ファイバが全運用期間中に水素分子にさらされたときの安定した長期経時損失を要求する。

ＺＷＰ特性を付与するために重要な観点はＶＡＤ堆積処理によって形成された内側および外側のコア領域の極めて“乾燥”した性状である（一般に＜０．５ｐｐｂ［ＯＨ］）。本発明の好ましい実施例において、通常＞９５％の光パワーがＶＡＤにより形成されたファイバ領域内を伝播する。また、外側のコア領域に隣接するディプレスト屈折率領域の非常に乾燥した性状がＺＷＰ特性を付与するために重要である。標準のＭＣＶＤ処理では、一般に［ＯＨ］濃度は＜３．０ｐｐｂであるが、標準のＭＣＶＤ処理によって達成できる乾燥性は一般に数パーセントのパワーがこの領域内を伝播するだけなのでこの領域に十分な性能を与える。ＺＷＰであるこのようなファイバ設計の実現は、ＭＣＶＤ処理により形成された材料による管と同程度の［ＯＨ］汚れレベルである超高純度のフッ素ドープした管により、コアロッドに隣接するディプレスト屈折率の溝領域全体を形成することによって可能となるであろうことが予見できる。しかし、商業的に入手可能な合成シリカ管の現状は約２００ｐｐｂの［ＯＨ］汚れレベルであるので、これらの管は目下のところ一般的には適用できない。ＺＷＰ性能に関して本発明の他の特質はパワーの９９％以上がＶＡＤ、ＭＣＶＤあるいは超高純度管で形成される領域内を伝播することである。これに関して本発明の４番目の特質はＶＡＤコアロッドと第１のオーバークラッド管の間の境界面をほぼ中心とする１μｍ厚さの領域内に含まれる光のパワーのパーセンテージは約２％より少ない、好ましくは０．５％よりも少ないことである。オーバークラッド前のコアロッドの処理およびオーバークラッド工程が境界面をほぼ中心とする１μｍ領域にわたる［ＯＨ］汚れを２０ｐｐｂあるいはそれ以下に維持していることが好ましい。これは乾燥した雰囲気中で延伸炉を乾燥した雰囲気中とする、オーバークラッド前のコアロッドおよび管の表面をプラズマおよび／あるいは化学エッチングする、およびオーバークラッド処理の間に境界面の空隙の乾燥した雰囲気を維持するために塩素のような乾燥剤を使うなどの処理技術を必要とするかもしれない。
図８は境界面を中心とする１μｍ厚さの環帯の中に伝播するパワーのパーセンテージの関数として境界領域でのＯＨ汚れに起因する１３８５ｎｍにおける損失の増加の計算結果を示す。２つの曲線は上に述べた乾燥したオーバークラッド処理がされるときと、もっと一般的なオーバークラッド処理がされるときに観察される典型的なレベルのＯＨ汚れに対する損失の増加を示す。良好なＺＷＰ処理のためには乾燥させた処理技術が好ましく、適切に実行されるとその結果“境界”面でのパワーは約２％に満たなくなる。

そのクラスで最高の標準マッチドクラッドファイバに対する０．１８５からここに開示される発明に対する〜０．１７５まで損失を低減することは１００ｋｍ地上波システムに対するスパン損失の１ｄＢ低減、および５０〜７０ｋｍ海底システムに対する〜０．５から０．７ｄＢ低減を意味する。地上波システムにおけるこの１ｄＢは全システム長を延長する、あるいは他の構成要素のコストあるいは仕様を低減するために使えるマージンとなる。ゼロ（または無視できる）ウォーターピーク損失は１３８５ｎｍ近傍にラマンポンプを置くための能力を拡大し、低レーリー散乱損失と低ウォーターピーク損失の組合せはラマンポンプを１３５０から１４５０ｎｍまでの全領域にわたってより効率的にする。海底の場合、追加される０．５−０．７ｄＢはきわめて高価な深海用リピータ間の距離を広げることに使え、所与のシステム長とするために必要とされるリピータの総数を低減する。これは顕著なコストセービングを意味する。

本発明によるファイバは負の分散ファイバあるいはより高次モードのファイバに基づく分散補償モジュールとともに利用されてもよい。それらは正の分散（本発明のような）を持つケーブル化されたファイバと負の分散と負の分散スロープを持つケーブル化されたファイバとが組み合わされた分散マネージ線路の一部として配置されてもよい。。通常、分散マネージ線路の設計では出射パワーが最大の場合の非線形性を最小にするために大きな有効断面積を持つ正の分散ファイバの切片部分をトランスミッタの直後に配置する。非線形性を最小にするために光パワーが正の分散ファイバでのファイバ損失によって減衰させられた後、有効断面積のより小さい負の分散ファイバがスパンに接続される。ラマン増幅システムでは配列順が修正されてもよい：正の分散ファイバである大きな有効断面積の区間；続いて、負の分散ファイバであるより小さい有効断面積の区間；続いて、有効断面積が大きい正の分散ファイバである第２の区間が続く。

辺境地帯あるいは島の間のように離れた場所ではしばしばリピータを使わない（つまり、増幅されない）システムが望ましい。このようなシステムでは高出射パワーと分布型ラマン増幅器の組合せがインラインの光増幅器を使わずに２００−３００ｋｍにわたる伝送を可能にすることに役立つ。そのようなシステムはファイバの最小損失、通常およそ１５７０〜１５８０ｎｍ、の近傍にその伝送波長を用いる。ここに開示される形式の光ファイバは信号帯域の伝送損失を低減し純粋なシリカコアファイバよりも経済的に作られた。無視できる程度のウォーターピーク損失は、ウォーターピークがある位置にきわめて接近した〜１３７５ｎｍに有効な２次ラマンポンプの設置を可能にする。また、１００μｍ^２より大きな有効断面積を持つことで、高射出パワーに関わる非線形性を軽減することが出来る。

ここに開示される新しい種類の光ファイバは分散による符号間干渉を軽減するための何らかの方式の信号処理に用いる１０Ｇｂｐｓ（およびより高速の）伝送システムという新たなカテゴリーにも理想的であろう。これらのシステムでは電気の分野で行われるすべての信号処理について光学的な分散補償はトランスミッタでの前置強調および／あるいは受信機での等化によって補完されるか、あるいは完全に置き換えられよう。これらの電子的な分散軽減方式はリニアで決定的な機能的障害にもっともよく効果を示す。この事例において伝送システムの性能とコストは分散障害の軽減にはほんの僅かしか左右されず、多くが減衰損失と非線形性の低減により決まる。ここに開示されるカテゴリの１１０μｍ^２の有効断面積と０．１７５ｄＢ／ｋｍの信号帯域損失を持つようなファイバは、そのようなシステムで使われるとき標準マッチドクラッドファイバに対して２ｄＢの性能改善を生ずることが計算できる。

さまざまな追加的な修正が当業者には生じるであろう。本発明の原理やそれらと同等のものに基本的に依拠し、技術進歩に伴って生じた本明細書の具体的な教示からの全ての派生は、記載され請求された本発明の範囲内であると適切に考慮されるべきである。

本発明の方法によって製造される屈折率プロファイルの例を示す光ファイバの断面を模式した図である。 図１のプロファイルのプロットを示す図である。 ロッドインチューブ製法を示す図である。 ロッドインチューブ製法を示す図である。 光ファイバ線引き装置を示す図である。 種々の実施例に対して伝送損失対ＧｅおよびＦの重量濃度のプロットを示す図である。 図６の６３で示される光ファイバの伝送損失スペクトルとして参照される伝送損失対波長のプロットを示す図である。 ロッドインチューブ境界面の特性の違いの効果を示す伝送損失対パワー分布のプロットを示す図である。

符号の説明

１１ プリフォーム
１２ 内側コア領域
１３ 外側コア領域
１４、１５ クラッド領域
１６ 純シリカ領域
２１ 屈折率プロファイル
２２ 光パワーの分布
３１ 管
３２ コアロッド
３４ 境界面
５１ プリフォーム
５２ サセプタ
５３ 線引きされたファイバ
５４ コーティングカップ
５５ コーティング槽
５６ コーティングプレポリマー
５７ ダイス
５８ ポリマーコートされたファイバ
５９ ＵＶランプ
６０ 巻取りリール

Claims (32)

1. 光ファイバの製造方法であって、
   （ａ）光ファイバプリフォームを準備する工程と、
   （ｂ）該プリフォームを軟化する温度まで加熱する工程と、
   （ｃ）該プリフォームから光ファイバを線引きする工程と、
   を有し、前記プリフォームが、
   デルタが０．００１より大きい内側コア領域と、
   デルタが−０．００１〜０．０００５である外側コア領域と、
   デルタが−０．００１より小さい第１クラッド領域と、
   を少なくとも有し、さらに、前記内側コア領域および前記外側コア領域がＶＡＤ法あるいはＯＶＤ法を用いて形成されることを特徴とする光ファイバの製造方法。
2. 前記第１クラッド領域がＭＣＶＤ法を用いて形成されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
3. 前記第１クラッド領域が５０ｐｐｂよりも低い水酸基濃度の高純度管で形成されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
4. 前記プリフォームが、
   i 前記内側コア領域および前記外側コア領域からなるコアロッドを形成する工程と、
   ii 第１クラッド領域を含む管の中に前記コアロッドを挿入する工程と、
   iii 前記管を縮径し、前記コアロッドと一体化する工程と、
   から作られることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
5. コア母材を炉の中で加熱し、延伸することによって前記コアロッドが作られることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバの製造方法。
6. 前記延伸されたコアロッドの外側表面をプラズマエッチング法を用いて少なくとも０．１５ｍｍの深さまで除去することによって前記コアロッドが作られることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバの製造方法。
7. 前記延伸され、プラズマエッチングされたコアロッドの外側表面を酸によるエッチング法を用いて少なくとも３０μｍの深さまで除去することによって前記コアロッドが作られることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバの製造方法。
8. 前記コアロッドを前記管に挿入後、前記管を縮径する前に乾燥剤およびフッ素供給源の存在下で前記コアロッドと前記管の組立体を加熱することにより前記コアロッドが乾燥され、エッチングされることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバの製造方法。
9. 前記乾燥剤が塩素ガスあるいはＣＣｌ_４からなるグループから選択され、前記フッ素がＳｉＦ_４，ＳＦ_６、およびＣ_２Ｆ_６からなるグループから選択されることを特徴とする請求項８に記載の光ファイバの製造方法。
10. １３８３ｎｍにおける前記光ファイバの伝送損失が０．４ｄＢ／ｋｍよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
11. １３８３ｎｍにおける前記光ファイバの伝送損失が０．３５ｄＢ／ｋｍよりも小さいことを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバの製造方法。
12. １３８３ｎｍにおける前記光ファイバの伝送損失が０．３１ｄＢ／ｋｍよりも小さいことを特徴とする請求項１１に記載の光ファイバの製造方法。
13. 前記コアロッドと前記管の中間領域の半径方向のほぼ中心の１μｍ厚さの環状領域内の平均水酸基濃度が２５ｐｐｂよりも低いことを特徴とする請求項４の光ファイバの製造方法。
14. 光ファイバを通して光信号を送信する方法であって、光信号がおおよそガウス形状のパワー分布を有し、光ファイバが、
    デルタが０．００１より大きい内側コア領域と、
    デルタが−０．００１〜０．０００５である外側コア領域と、
    デルタが−０．００１より小さい第１クラッド領域と、
    を少なくとも有し、前記パワー分布が、
    前記内側コア ５０−８０％
    前記外側コア ２０−４０％
    前記第１クラッド ＜５％
    にしたがって分布していることを特徴とする光信号送信方法。
15. ＶＡＤ法あるいはＯＶＤ法によるスート製造において必然的に生じるゲルマニウムが拡散したすその部分を除いて前記外側コア領域が純粋なシリカの屈折率と本質的に等しい屈折率を有することを特徴とする請求項１４の光信号送信方法。
16. デルタが０．００１より大きい内側コア領域と、
    デルタが−０．００１〜０．０００５である外側コア領域と、
    デルタが−０．００１より小さい第１クラッド領域と、
    を少なくとも有することを特徴とする光ファイバ。
17. １５５０ｎｍにおける伝送損失が０．１８０ｄＢ／ｋｍよりも小さいことを特徴とする請求項１６に記載の光ファイバ。
18. １５５０ｎｍにおける伝送損失が０．１７５ｄＢ／ｋｍよりも小さいことを特徴とする請求項１７に記載の光ファイバ。
19. １３８３ｎｍにおける伝送損失が０．３１ｄＢ／ｋｍよりも小さいことを特徴とする請求項１６に記載の光ファイバ。
20. １５５０ｎｍにおけるＡ_ｅｆｆが約８０μｍ^２であることを特徴とする請求項１６に記載の光ファイバ。
21. ケーブルカットオフ波長が１２６０ｎｍよりも短いことを特徴とする請求項２０に記載の光ファイバ。
22. １５５０ｎｍにおけるＡ_ｅｆｆが１００μｍ^２より大きいことを特徴とする請求項１６に記載の光ファイバ。
23. ケーブルカットオフ波長が１５３０ｎｍよりも短いことを特徴とする請求項２２に記載の光ファイバ。
24. 直径２０ｍｍのマクロベンド損失が２ｄＢ／ｍよりも小さいことを特徴とする請求項２３に記載の光ファイバ。
25. 前記外側クラッドがフッ素ドープされていることを特徴とする請求項２０に記載の光ファイバ。
26. 前記内側コア領域の半径が２〜８μｍであることを特徴とする請求項１６に記載の光ファイバ。
27. 前記外側コア領域の半径が３〜１０μｍであることを特徴とする請求項２６に記載の光ファイバ。
28. 前記第１クラッドの半径が５〜２５μｍであることを特徴とする請求項１６に記載の光ファイバ。
29. 前記内側コア領域と前記外側コア領域とを合わせた半径が５〜１２μｍであることを特徴とする請求項１６に記載の光ファイバ。
30. ＶＡＤ法により製造されたコアとＭＣＶＤ法により製造されたクラッドを有する光ファイバプリフォームであって、前記ＭＣＶＤ法により製造されたクラッドが少なくとも１つのディプレスト屈折率領域を有することを特徴とする光ファイバプリフォーム。
31. 前記光ファイバが約１５ｍ／ｓあるいはそれ以上の速度で線引きされることを特徴とする請求項１７に記載の光ファイバ。
32. ＧｅおよびＦの重量濃度の合計が約１．０から２．０ｗｔ％の範囲であることを特徴とする請求項１６に記載の光ファイバ。
    

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