JP2007230862A - ディプレスト・インデックス光ファイバの製造 - Google Patents

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Abstract

【課題】光ファイバの内側クラッディング用のディプレスト・インデックス・クラッディングを作成する方法を提供する。
【解決手段】本発明は、ディプレスト・インデックス・クラッディングを2ステップで作成する方法である。内側クラッディングの最も内側の部分は、スート法を使用して作られ、これによって、ほとんどの光出力を運ぶクラッディングの領域についてスート法の有利性を引き出し、その後、ロッド・イン・チューブ・ステップを使用して内側クラッディング層の残りの部分を形成する。この方法は、両方の方法の有利性と不利益を効果的に密接に結合させる。
【選択図】図2

Description

本発明は、ディプレスト・インデックス(depressed index)光ファイバの製造に関する。
ディプレスト・クラッド光ファイバは、1980年代はじめに、ドーピングされたコアと、より軽くドーピングされたまたはドーピングされていない環状クラッディングとを有するファイバの代替品として開発された。たとえば、米国特許第4、439、007号を参照されたい。ディプレスト・クラッディングを使用することによって、比較的低いコア・ドーピングを有する光ファイバの製造が可能になる。これらのコアは、低い光損失を生じる。より一般的には、ディプレスト・クラッディングは、現在はよく認識されている「W」プロファイルを有する高デルタコア設計を作るために、普通のコア・ドーピング・レベルと組み合わせて使用される。ディプレスト(depressed)された内側クラッディング(inner cladding)は、ドーピングされていない外側クラッディング(outer cladding)の使用を可能にする。ディプレストされた内部クラッディングがなければ、同一の「W」プロファイルを実現するのに、ドーピングされた外側クラッディングを使用することが必要になるはずである。
応用例が、シングルモードとマルチモードの両方のディプレスト・クラッド・ファイバについて開発され、ディプレスト・クラッド・ファイバを製造するさまざまなプロセスも、開発された、たとえば、その開示が参照によって本明細書に組み込まれている米国特許第4、691、990号を参照されたい。
最近、非線形効果の制御が重要である光波システム用のディプレスト・クラッド・ファイバへの新たな関心があった。たとえば、DWDMネットワークが動作する1.5〜1.6μm波長領域の光周波数の4波ミキシングでは、低勾配低分散ファイバが必要である。この要件を満足するファイバ構造は、1つまたは複数のダウン・ドーピング(down−doped)されたシリカを含む複数のクラッディングを有するファイバ構造である。
ディプレスト・クラッド・ファイバを作る最も一般的な技法は、ファイバのクラッディングにフッ素またはホウ素をドーピングし、したがって、ゲルマニウムがドーピングされたコアまたは純シリカ・コアより低い屈折率を有するクラッディングを作ることである。たとえば、0.05〜0.7%の範囲内の負の正規化屈折率差Δnを有するファイバが、フッ素ドーピングを使用して得られてきた。この手法は、通常、「W」インデックス・プロファイルを作るのに使用され、分散制御に望ましいことがわかっている。これらのファイバの製造は、気相軸付け(Vapor Axial Deposition:VAD)プロセスを含む標準的な製造プロセスのいずれかを使用して達成することができるが、このプロセスは、シェル領域にフッ素を選択的にドーピングするステップによって複雑になっている。フッ素は、多孔性構造に容易に拡散し、ゲルマニウムがドーピングされたコア領域へのフッ素マイグレーションを防ぐことは難しく、したがって、フッ素でカウンタ・ドーピング(counter−doped)されたコアがもたらされる。これによって、クラッドをダウン・ドーピングすることの利益が無になる。コア・カウンタ・ドーピング(core counter−doping)の効果を克服する手法は、コア内のゲルマニウムのドーピング・レベルを高めることである。しかし、コア内の高いドーピング・レベルは、増えた散乱損失につながる。
ディプレスト・インデックス・コアまたはディプレスト・インデックス・クラッディングを有するファイバは、通常の光ファイバ製造技法のいずれかを使用して作成されてきた。これには、ロッド・イン・チューブ(RIT)プロセス、インサイド・チューブ・デポジション(inside tube deposition)プロセス、すなわち、内付け化学気相成長法(Modified Chemical Vapor Deposition:MCVD)と化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition)とプラズマ化学気相成長法(Plasma Chemical Vapor Deposition:PCVD)、及びアウトサイド・チューブ・デポジション(outside tube deposition)プロセス、すなわち、気相軸付け(Vapor Axial Deposition:VAD)および外付け気相成長法(Outside Vapor Deposition:OVD)とが含まれる。シングル・モード・ディプレスト・クラッド・ファイバについては、必要な大量のクラッディング材料に起因して、ロッド・イン・チューブ手法が好ましい場合がある。これらの光ファイバのプレフォームは、高品質低損失クラッディング・チューブを必要とする。
上で述べた多孔性スート(soot)本体のカウンタ・ドーピングの効果は、ロッド・イン・チューブ(RIT)プロセスに有利であるようにも見えるはずである。RITプロセスでは、コアは、焼固されたロッドであり、クラッディングは、焼固されたチューブである。この場合に、フッ素イオンの移動は最小化される。というのは、すべての移動が、スート本体内で発生するはるかに高速の蒸気/固体浸透ではなく、固体/固体拡散を介するからである。しかし、ガラスのオーバークラッディング・チューブを使用するプレフォーム製造技法は汚染で損害を受ける。微量の汚染物質であっても、ガラスの透過特性に悪影響する。外側クラッディングのオーバークラッディング・チューブは効果的であり、しばしば使用されるが、内側クラッディングに関するオーバークラッディングの使用は、完全には成功していない。
米国特許第4、439、007号明細書 米国特許第4、691、990号明細書 米国特許第6、928、841号明細書 米国特許第6、923、024号明細書
したがって、内側クラッディングに関する従来技術の選択は、内側クラッディング全体が時間のかかるスート堆積を用いて作られるスート法と、内側クラッディングに関するオーバークラッド・チューブの使用が損失を生じるRIT法との間にある。
本願発明者は、上で述べた問題を少なくとも部分的に克服する方法を開発した。この方法には、フッ素ドーピングされた内側クラッディングを2ステップで作成ことが含まれる。内側クラッディングの最も内側の部分はスート法を使用して作成され、これによって、ほとんどの光出力を運ぶクラッディングの領域についてスート法の利益を引き出し、その後、ロッド・イン・チューブ・ステップを使用して内側クラッディング層の残りの部分を形成する。この方法は、両方の方法の利益と不利益を効果的に密接に結合させる。
本発明は、少なくとも1つのディプレスト・インデックス領域を有する屈折率プロファイルを有する光ファイバの製造を対象とする。好ましい実施形態では、ディプレスト・インデックス領域は、光ファイバの内側クラッディングを含む。ディプレスト領域は、2ステップの組合せを使用して形成される。第1ステップでは、スート形成を使用して、内側クラッディング層の最も内側の部分を作り、その後、第2ステップで、RITを使用して、内側クラッディング層を完成する。これを、概略的に図1に示す。
図1を参照すると、正規化屈折率差 対 距離として概略的にプロットされた屈折率プロファイルが、コア11、内側クラッディング12、および外側クラッディング13について示されている。内側クラッディングの、コアに隣接する部分15は、スート法を使用して形成される。内側クラッディングの部分16は、RIT法を使用して形成される。正規化屈折率差の縦座標の0点は純シリカの屈折率を表す。Δは、半径rでの屈折率と純シリカの屈折率との間の差として定義される。
Δ=(n(r)−nSiO2)/nSiO2
ただし、n(r)は半径方向位置の関数としての屈折率であり、nSiO2は純シリカの屈折率である。コアは正のΔを有し、内側クラッディングは負のΔを有し、外側クラッディング13は0のΔを有する。通常、外側クラッディング領域13はシリカ・チューブを使用して形成される。
コア11および最も内側のクラッディング領域15は、好ましくはVADを使用して準備される。図2を参照すると、VAD法を使用してスートブール(soot boule)を引っ張る概略配置が示されている。全体的に21に示されたスートブールは、支持ロッド22の周囲に形成される。ロッドは、矢印によって示されるように、引張り中に回転される。この回転は、プレフォーム組成内のx−y変動を最小にする。x軸、y軸、およびz軸は、プレフォームの左側に図示されている。スートブールは、クラッディング部分24およびコア部分25を含む。
コアは、通常、ゲルマニウムをドーピングしたシリカである。本発明を説明するのに使用される実施形態では、内側クラッディング層は、フッ素ドーピングされたシリカを使用して準備されたディプレスト・インデックス・クラッディングである。脱水ステップおよび焼結ステップの後に、これらが組み合わされて、コアと内側クラッディングとの間の屈折率差を有する完成したコア・ロッドが作られる。
周知の通り、コアおよびクラッディングは、多数のタイプのインデックス・プロファイルを作るために、非常にさまざまな組成を用いて作ることができる。複数のクラッディング層を作ることができる。基本的なVADプロセスに関する更なる詳細は、参照によって本明細書に組み込まれている2005年8月16日発行の米国特許第6、928、841号に見出すことができる。ここで図示する実施形態では、ディプレスト・インデックス・クラッディング層は内側クラッディング層であるが、本発明がディプレスト・インデックス層を作ること全般を対象とすることを理解されたい。しかし、本発明が、ディプレスト・インデックス層が光ファイバの中央コアに非常に近接し、好ましくは中央コアに隣接する場合のプロファイルを有する光ファイバの製造に特に適合されていることも、当業者によって理解されるであろう。
コアスートの堆積はトーチ33によって作られ、クラッディングスートの堆積はトーチ34によって作られる。トーチは、既知の形で反応域の温度を制御するために酸素および水素によって供給される炎を用いる酸水素トーチである。2つのトーチは、図示のように、一方が他方に続いて縦一列になって動作し、その結果、コアスートがまず堆積され、コアスートに堆積されるクラッディングスートがそれに続くようになっている。フロー・コントローラおよび2つのトーチ・アセンブリは、反応域へのガラス前駆体ガスの供給ももたらす。コアスートを作るのに使用されるガラス前駆体ガスは、通常、不活性キャリヤ・ガス内にSiClおよびGeClを含む。ディプレスト・クラッディングの内側部分15の前駆体ガスは、SiClおよびCFとすることができる。他のフッ素源、たとえばXeF、SiFを使用することもできる。
引張り速度は、先端位置で検出される変動に従って、37に示されたものに似たコア成長速度モニタによって調整されるが、コア成長速度モニタからの信号が、図2に示されたフィードバック・ループ23によって示されるように、引張り速度を調整するのに使用される。図2の支持ロッド22の引張りへの言及は、プレフォームの位置がトーチ33および34の位置に関して制御可能に移動されるすべての配置を含むことを意味する。支持ロッドまたはトーチのいずれかを移動することができる。これらは、必要な移動が相対的であるという点で等価であり、その結果、一方または他方の移動は、述べられた場合に、相対移動を意味する。
VADプロセスの改善された制御は、コアスートおよびクラッディングスートの成長速度を独立に監視することによって得ることができる。これは、それぞれクラッディング成長速度用およびコア成長速度用の独立のモニタ36および37を使用することによって実施することができる。いずれかのモニタでの変化のすべてが、コンピュータ38にフィード・バックされ、コンピュータ38は、フロー制御ユニット31に送られる制御アクションを計算する。すぐ上で説明したように、フロー制御ユニットは、コアスートとクラッディングスートの両方の反応域へのガラス前駆体ガスの流れを制御し、トーチ33および34への燃料ガスの流れを制御することによって両方の反応の温度を制御する。図示の配置では、コアスート反応およびクラッディングスート反応の制御は、独立であり、前駆体ガス、燃料ガス、またはこの両方の流量を制御することによって実施することができる。これは、参照によって本明細書に組み込まれている2005年8月2日発行の米国特許第6、923、024号で、より詳細に説明されている。
スート堆積に続いて、多孔性スート本体が、シリカ粒子を固体の密なガラス・ロッドに焼結するのに十分な温度まで加熱することによって焼固される。焼固は、通常、スート本体を1400℃から1600℃までの温度まで加熱することによって実行される。冷却の後に、固体のロッドは、RITプロセスの準備ができている。
ディプレスト・クラッディング層12の第2部分16は、RIT法を使用して形成される。このチューブは、前に説明したように、フッ素がドーピングされたシリカ・チューブである。フッ素チューブ内のドーピングのレベルは、少なくとも、最も内側のクラッディング領域15の屈折率と同程度に負である、ガラス・チューブの屈折率をもたらすように選択される。このチューブ内のドーピング・レベルは、傾斜付きとすることができるが、通常は均一である。
通常のロッド・イン・チューブ手法を図3および図4に示す。これらの図は原寸通りではない。クラッディング・チューブを図3の56に示す。通常の長さ対直径比は10〜15である。コア・ロッド57は、クラッディング・チューブに挿入されつつあるものとして図示されている。この時点でのこのロッドは通常は既に焼固されている。ロッド57とチューブ56の組立の後にこの組合せを溶融して、図4に示された最終的なプレフォーム68を作り、コア69は、クラッディングと一体であるが小さい屈折率差を有する。
図1によって表される実施形態では、2つのオーバークラッド・チューブが使用される。第1のオーバークラッド・チューブは、フッ素がドーピングされたシリカを含み、プロファイル内の領域16を形成する。第2の、ドーピングされていないシリカのオーバークラッド・チューブは、外側クラッディング13を形成する。これらのチューブに適切な寸法、およびRIT技法は、当技術分野で既知であり、詳細は、図示のプロファイルを実施するために、当業者に必要ではない。
次に、完成したプレフォームは、通常の方法で光ファイバの線引きに使用される。図5に、光ファイバ線引き装置を示すが、プレフォーム71およびサセプタ(susceptor)72は、ガラス・プレフォームを柔らかくし、ファイバ線引きを開始するのに使用される窯(図示せず)を表す。線引きされたファイバが73に示されている。次に、出来たてのファイバ表面が、全体的に74に示されたコーティング・カップ(coating cup)に通され、このコーティング・カップは、コーティング・プレポリマ76を含むチャンバ75を有する。コーティング・チャンバからの液体コーティングされたファイバは、ダイ81を通って出る。ダイ81とプレポリマの流体力学との組合せが、コーティング厚さを制御する。次に、プレポリマがコーティングされたファイバ84が、プレポリマを硬化するためにUVランプ85に露光され、コーティング・プロセスが完了する。適当な場合に、他の硬化放射を使用することができる。次に、コーティングを硬化されたファイバは、巻取リール87によって巻き取られる。この巻取リールは、ファイバの線引き速度を制御する。通常は1〜20m/secの範囲の線引き速度を使用することができる。ファイバおよびコーティングの同心性を維持するために、コーティング・カップ内、特に出口ダイ81内でファイバをセンタリング(centering)することが重要である。市販装置は、通常、ファイバのアライメントを制御するプーリーを有する。ダイ自体の中の動水力学的圧力が、ファイバのセンタリングを助ける。マイクロ・ステップ・インデクサ(図示せず)によって制御されるステッパ・モータが巻取リールを制御する。
光ファイバのコーティング材料は、通常、UV光重合開始剤を添加された、ウレタン、アクリレート、またはウレタン−アクリレートである。図5の装置は、単一のコーティング・カップと共に図示されているが、二重コーティング・カップを有する二重コーティング装置が一般に使用される。二重コーティングされたファイバでは、通常、主コーティング材料または内側コーティング材料が、シリコン、ホット・メルト・ワックス(hot melt wax)、または比較的低い弾性を有する複数のポリマ材料、のうちのいずれかなど、柔らかい低弾性材料である。第2コーティングまたは外側コーティングの通常の材料は、高弾性ポリマであり、通常はウレタンまたはアクリル樹脂である。商業的応用では、両方の材料を低弾性アクリレートおよび高弾性アクリレートとすることができる。コーティング厚さは、通常、直径150〜300μmの範囲にわたり、約240μmが標準的である。
本発明の原理を上で説明したように実例説明したが、本発明による光ファイバ屈折率プロファイルの特定の設計を図6に示す。コアは、約0.0035のΔを有する、Geがドーピングされたシリカである。ディプレスト・クラッディングの最も内側の部分は、SiClおよびCFを使用して作成され、図示の深いディプレスト領域をもたらす。ディプレスト・クラッディングのうちでスート堆積によって作られた部分は、光ファイバの中心から約13μまで延びる。スート堆積された内側クラッディング領域のΔは、約−0.0003から約−0.0008まで変化する。ディプレスト・クラッディングの残りの部分は、約13ミクロンから約23ミクロンまで延びるが、フッ素ドーピングされたオーバークラッド・チューブを用いて作られる。コア(11)の直径に対する内側クラッディング(12)の直径の比は、約5であり、通常は3〜8までの範囲にわたる。
本発明の2ステップ・クラッディング形成プロセスの使用は、非常に幅広く非常に深いディプレスト・インデックス領域の製造を可能にする。図6のディプレスト・インデックス領域は、約19ミクロン幅であり、大部分が−0.0008より負のディプレスト・インデックスを有する。ディプレスト・インデックス領域の幅Wは、
=(D−D)/2
として表すことができ、ここで、Dは、Fドーピングされた領域の直径(図6では約46ミクロン)であり、Dは、コアの直径(図6では約8ミクロン)である。
最も内側のクラッディングにスートから得られるガラスを使用することの重要な利益は、高い品質、即ち、伝搬する波の光出力エンベロープの外側領域での低損失ガラスをもたらすことであるから、ディプレスト・クラッディングのスートから得られる部分の幅は、かなりのもの、すなわち、少なくとも0.25W、好ましくは少なくとも約0.5Wであることが好ましい。また、好ましい事例で、スートから得られるガラス・ディプレスト・インデックス・内側クラッディング・ガラスの幅の少なくとも50%が、−0.0005より負のΔを有する。チューブから得られるガラスの本質的にすべてが、−0.0005より負のΔを有することも好ましい。これらの特性を組み合わせると、ディプレスト層の幅Wの少なくとも75%が、−0.0005より負のΔを有するようになる。
ディプレスト・インデックス領域の一部がVADスートから得られ、ディプレスト・インデックス領域の一部がRITオーバークラッド・チューブから得られる、本発明の好ましい実施形態では、プロファイルは、次の特性を有する。
[(D−D)/2]>10ミクロン、好ましくは14ミクロンを超える。
ディプレスト・内側クラッディング(12)Δの75%超が、−0.0005より負。
外側クラッディング13は、好ましくはドーピングされないシリカであり、ファイバの外側表面まで延びることができる。代替案では、マイクロベンド損失を制御するためのドーピングされないリングなど、他のプロファイル特徴を組み込むことができる。
完成したプレフォームでは、ディプレスト領域が、スートから得られたガラスとチューブから得られたガラスとの間の物理的界面または不連続性を示すと期待される。したがって、プレフォームは、構造的には、VADまたはOVDによってスートから得られたガラスの部分とオーバークラッド・チューブから得られたガラスの部分とを含むディプレスト領域によって特徴を表すことができる。これらの特徴は、本明細書の文脈で特定の意味を獲得しており、したがって、当業者に明瞭かつ明確であるはずの用語である。プレフォームから線引きされた光ファイバは、プレフォームの材料特性のすべてを複製することがわかっているので、この光ファイバを、同一の特性によって定義することができる。
本明細書で使用される用語「アップ・ドーピングされた(up−doped)」および「ダウン・ドーピングされた(down−doped)」は、当業者に周知の用語でもある。アップ・ドーピングされたガラスまたはガラス領域とは、純シリカより高い屈折率を有するようにドーピングされたガラスまたはガラス領域である。ダウン・ドーピングされたガラスまたはガラス領域とは、純シリカより低い屈折率を有するようにドーピングされたガラスまたはガラス領域である。
詳細な説明の終わりに、本発明の原理から実質的に逸脱せずに、好ましい実施形態に対して多数の変更および修正を行えることが当業者に明白であることに留意されたい。そのような変形形態、修正形態、および同等物のすべてが、添付の特許請求の範囲に示される本発明の範囲に含まれるものとして本明細書に含まれることが意図されている。
本発明の2ステップ・プロセスによって形成されるディプレスト・インデックスを有する光ファイバ・プロファイルを示す概略図である。 内側クラッディングを作る2ステップ手法のステップ1に有用なVADプロセスを示す図である。 内側クラッディング形成の第2ステップに適切なRIT法を示す図である。 内側クラッディング形成の第2ステップに適切なRIT法を示す図である。 光ファイバ線引き装置を示す概略図である。 本発明に従って作られる光ファイバの屈折率プロファイルを示す、デルタ対距離のプロットである。

Claims (11)

  1. (a)第1VADトーチ内で、
    (i)1つまたは複数のガラス前駆体ガス流および燃料ガス流を一緒に流して、第1スートガス混合物を形成する工程と、
    (ii)前記第1スートガス混合物を点火して第1スート炎を形成し、第1ガラススートを作成する工程とを含み、さらに、
    (b)第2VADトーチ内で、
    (i)1つまたは複数のガラス前駆体ガス流および燃料ガス流を一緒に流して、フッ素化合物を含む第2スートガス混合物を形成する工程と、
    (ii)前記第2スートガス混合物を点火して第2スート炎を形成し、第2ガラススートを作成する工程と、
    (c)支持ロッドを縦一列の前記第1および第2VADトーチに向ける工程とを含み、前記第1VADトーチが前記第2VADトーチに先行し、その結果、前記第1VADトーチは前記第1ガラススートを堆積して第1スートを形成し、前記第2VADトーチは前記第1ガラススート上に前記第2ガラススートを堆積するものであり、さらに、
    (d)前記トーチに対して開始点から終了点まで前記支持ロッドを移動して、スートの2層を作成する工程と、
    (e)スートの前記2層を加熱して前記スートをガラス・ロッドに焼固する工程と、
    (f)フッ素ドーピングされたガラスを含む前記ガラス・ロッドをガラス・チューブに挿入する工程と、
    (g)前記ガラス・チューブを加熱して前記ガラス・チューブを前記ガラス・ロッドの回りでつぶす工程とを含むことを特徴とする方法。
  2. 前記第1ガラススートがゲルマニウムを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 軟化温度までプレフォームを加熱する工程と、
    プレフォームからガラス・ファイバを線引きする工程とをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. ダウン・ドーピングされた内側クラッディング層によって囲まれたアップ・ドーピングされたコアを含む光ファイバであって、前記ダウン・ドーピングされた内側クラッディング層は、
    VADまたはOVDによってスートから得られたガラスを含む、前記コアに隣接する第1のダウン・ドーピングされたクラッディング領域と、
    オーバークラッド・チューブから得られたガラスを含む、前記第1クラッディング領域を囲む第2のダウン・ドーピングされたクラッディング領域とを含むことを特徴とする光ファイバ。
  5. 前記ダウン・ドーピングされたクラッディング領域にはフッ素がドーピングされていることを特徴とする請求項4に記載の光ファイバ。
  6. 前記内側クラッディング層は、
    =(D−D)/2
    (Dは前記ダウン・ドーピングされた領域の直径、Dは前記コアの直径、そしてWは12ミクロンより大きい)によって定義される幅Wを有することを特徴とする請求項4に記載の光ファイバ。
  7. 前記第1ダウン・ドーピングされたクラッディング領域の幅は少なくとも0.25Wであることを特徴とする請求項4に記載の光ファイバ。
  8. 前記第1ダウン・ドーピングされたクラッディング領域の少なくとも50%は−0.0005より負のデルタを有することを特徴とする請求項4に記載の光ファイバ。
  9. 前記第2ダウン・ドーピングされたクラッディング領域は−0.0008より負のデルタを有することを特徴とする請求項4に記載の光ファイバ。
  10. 前記ディプレスト・クラッディング領域の幅Wの少なくとも75%は−0.0005より負のデルタを有することを特徴とする請求項4に記載の光ファイバ。
  11. 1383nmで0.31dB/km未満の水ピークを有することを特徴とする請求項4に記載の光ファイバ。
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