JP2007503028A - 粘度の非整合性が低減された光ファイバ - Google Patents

粘度の非整合性が低減された光ファイバ Download PDF

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Abstract

コア領域と隣接するクラッド領域との間の粘度の非整合性が低減されるように、光ファイバのコア領域にClおよびFが添加された光ファイバが開示されている。本発明のある実施例において、該光ファイバは、単一モードステップインデックス光ファイバであり、コア領域のガラス転移温度と隣接する該クラッド領域のガラス転移温度との間の温度差が略200℃未満となるのに有効な量のClおよびFが添加されたコア領域を有する。

Description

本発明は、概して光ファイバに関し、特にコア領域と隣接したクラッドセグメントとの間の粘度の非整合性が低減された光ファイバに関する。
従来の単一モード光ファイバは、コア領域の屈折率を上昇させるのに適しているドーパントが添加されていて、純シリカのクラッドガラスによって囲繞されているSiO2(シリカ)ガラスコア領域を概して有する。典型的なコア領域のドーパントはGeO2である。コアとクラッドとの間の屈折率の違いは、伝播光を概してコア領域に閉じ込める光導波路を形成するのに必要である。従来の単一モードの不純物が添加されたコア光ファイバにおけるGeO2の濃度は、7重量パーセント(wt.%)を上回っても良い。高濃度のドーパントが光ファイバのコア領域に存在する故、該光ファイバの光学損失または減衰は、純粋なシリカガラスにおいて予想される減衰よりも高い。1以上のドーパントを比較的高い濃度で含んでいるコア領域の光吸収特性を克服するために、純シリカコア光ファイバが、開発された。すなわち、該光ファイバは、純シリカからなるコア領域を有する。
純シリカコア光ファイバにおいてコア領域とクラッド領域との間の屈折率差を形成するために、1以上の屈折率変更ドーパントがクラッド領域に添加されて、クラッド領域の屈折率が純シリカコア領域の屈折率よりも下の値に低減させられる。たとえば、フッ素(F)は、シリカガラスクラッド領域の屈折率を低減させるために一般的に使用されているドーパントである。純シリカコア光ファイバのクラッド領域の屈折率がコア領域の屈折率よりも下に低減される程度は、ファイバ設計及び所望の光ファイバパラメータに依存するものの、該屈折率変更ドーパントをコア領域よりもむしろクラッドに添加することによって、コア領域にドーパントが存在することに起因する光学損失を除去することができる。クラッド領域へのドーピングは、クラッドガラスの粘度にも影響を与える。すなわち、Fのようなドーパントがシリカガラスクラッド領域に添加された場合、クラッド領域の粘度が低下し、その結果、純シリカコアガラスとドーパントが添加されたシリカクラッドガラスとの間の粘度の組み合わせが不適当となる。
線引き条件の所定の設定において、光ファイバのある領域における粘度が他の領域における粘度よりも低い場合、より高い粘度を有する光ファイバの領域には多くの線引き張力がかかる。純シリカコア光ファイバに対して、このことは、光導波コアが線引き工程の間に光ファイバに付与される線引き応力を保持すること、を意味している。結果として生じる応力は、残留応力として光ファイバの範囲内に保持される。残留応力、すなわち線引き温度から冷却されてファイバに固定された応力は、伝送損の増加の原因の1つである。その結果、残留応力を最小にするために、1メートル/秒のオーダーの非常に遅い線引き速度で、純シリカコア光ファイバが線引きされる。
残留応力が増加する可能性が低下するように、コアガラスの粘度をクラッドガラスの粘度に適合させる努力において、少量の塩素(Cl)が、純シリカ光ファイバのコア領域ドーパントとして使用された。しかしながら、略1wt.%以下で使用される塩素の概して低いレベルは、コア領域の粘度をクラッド領域の粘度に適切に整合させるには、単独では不十分であった。Clは単独で粘度の効果的な変更因子とはならない故、コアの粘度をクラッドの粘度に近づけて適合させるには、大量のClが必要とされる。しかし、Clの高い揮発性により、外付け法(OVD)もしくは気相軸付け法(VAD)などの幾つかの光ファイバ製造方法においてコア領域に添加できるClの量は制限される。コア領域へ適切な量のClを添加することが出来ないことから、当該アプローチによる効果が制限される。従って、線引き起因の欠陥(ガラス中の空隙)、過剰な残留応力およびシリカコア光ファイバの製造における光ファイバ減衰の増加を回避するために、非常に遅い線引き速度と非常に高い線引き炉温度が、未だに要求されている。主に純シリカコアを有する従来の光ファイバは、略50MPa乃至60MPaの間のオーダーの高い残留応力を有し続ける。
従って、光ファイバの異なる領域間における粘度の差をよりきっちりと合わせる手段が必要となっている。
本発明のある実施例において、屈折率n1と相対屈折率%Δ1とガラス転移温度Tg1とを有するコア領域と、該コア領域の周囲においてその外面と接して配置されていて屈折率n2と相対屈折率%Δ2とガラス転移温度Tg2とを有する第1クラッドセグメントと、を含み、該コア領域はTg1とTg2との差分が略200℃未満となるwt.%のClおよびFが添加されている、光ファイバが開示されている。
本発明による該コア領域は、Tg1とTg2との間の差分が好ましくは150℃未満となり、より好ましくは100℃未満となるwt.%のClおよびFが添加されている。
本発明による光ファイバは、該第1クラッドセグメントに対して、略0.3乃至0.54%の間にあることが好ましいコア相対屈折率を有する。
光ファイバの該コア領域は、0.1wt.%乃至3wt.%の間にあることが好ましく、略0.5wt.%乃至2wt.%の間にあることがより好ましいClが添加されている。該コア領域は、0.1wt.%乃至2wt.%の間にあることが好ましく、略0.5wt.%乃至1wt.%の間にあることがより好ましいFが添加されている。該コア領域におけるFの濃度対Clの濃度の比は略1:2乃至1:4の間にあることが好ましい。
本発明による他の実施例において、純シリカに対する相対屈折率%Δ1を有するコア領域と、該コア領域の周囲においてこれに接して配置されていて純シリカに対する相対屈折率%Δ2を有する第1クラッドセグメントと、該第1クラッドセグメントの周囲においてこれに接して配置されていて純シリカに対する相対屈折率%Δ3を有する第2クラッドセグメントと、を含み、|%Δ3|<|%Δ1|<|%Δ2|であり、より好ましくは|%Δ1|<|%Δ3|<|%Δ2|であり、%Δ1,%Δ2および%Δ3は負である、屈折率プロファイルを有する光ファイバが開示されている。
更に別の実施例において、純シリカに対する相対屈折率%Δ1を有するコア領域と、該コア領域の周囲においてこれに接して配置されていて純シリカに対する相対屈折率%Δ2を有する第1クラッドセグメントと、該第1クラッドセグメントの周囲においてこれに接して配置されていて純シリカに対する相対屈折率%Δ3を有する第2クラッドセグメントと、を含み、|%Δ3|<|%Δ1|<|%Δ2|であり、%Δ1,%Δ2および%Δ3は負である、屈折率プロファイルを有する光ファイバが開示されている。
本発明による更に他の実施例において、純シリカに対する相対屈折率%Δ1を有するコア領域と、該コア領域の周囲においてこれに接して配置されていて純シリカに対する相対屈折率%Δ2を有する第1クラッドセグメントと、該第1クラッドセグメントの周囲においてこれに接して配置されていて純シリカに対する相対屈折率%Δ3を有する第2クラッドセグメントと、を含み、|%Δ3|<|%Δ2|であり、%Δ2および%Δ3は負であり、%Δ1は正である、屈折率プロファイルを有する光ファイバが開示されている。
本発明による光ファイバは、好ましくは略0.21dB/km未満の減衰を有する。
本発明による光ファイバは、好ましくは略2メートル/秒よりも大であり、より好ましくは略9メートル/秒よりも大なる線引き速度で線引きされる。
本発明の追加の特徴及び利点は、以下の詳細な説明に記載されており、部分的には、当該記載から当業者に直ちに明白になるか、若しくは添付図面と同様に特許請求の範囲および詳細な説明に記載されている発明を実施することによって理解される。
上述した一般的な説明および本発明の実施例の詳細な説明の双方は、特許請求の範囲に記載した本発明の本質及び特徴が理解されるように概要若しくは構成を提供している。添付図面は、本発明の更なる理解を提供するために含まれており、本明細書に加えられてその一部を構成している。図面は、本発明のさまざまな実施例を例示しており、詳細な説明と共に本発明の原理および動作を説明するのに役立つ。
以下、本発明による光ファイバの好適な実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。図面の説明において、互いに一致している構成要素は、それらの重なり合う部分の説明を繰り返さないで、それぞれ同一の数字若しくは文字が付されている。また、図面におけるサイズの比率は、これらの説明と必ずしも一致しない。
相対屈折率Δは、次の式によって定義されている。
Figure 2007503028
上記式において、niはインデックスプロファイルセグメントiの最大屈折率であり、nrは基準屈折率である。基準屈折率は、純シリカの屈折率としても良く、又はクラッド領域の屈折率としても良い。特に明記しない限り、以降用いられている相対屈折率は、純シリカに対して示されている。相対屈折率は、パーセントとして概して示され、%Δとして表示されている。
本明細書において開示された光ファイバに対して、「領域」という用語は、例えばコア領域またはクラッド領域といった光ファイバの一般的な構造上の特徴を記載している。幾つかの光ファイバ設計は、例えば、上昇屈折率部若しくは下降屈折率部などの追加の副機能を有するクラッド領域を含み得る。この実施例では、かかる副機能を有する各部分は、セグメントと称されている。このように、クラッド領域は、複数のクラッドセグメントを有することができる。クラッドセグメントは、該セグメントが形成される間に製造ステージによって区別されても良い。たとえば、幾つかの外付け法プロセスにおいて、単一処理ステップの間に、コアガラスおよびクラッドガラスの薄い部分が堆積される。追加のクラッドガラスは、後の処理ステップの間に設けられ、例えば、蒸着堆積処理によって若しくはガラスクラッドチューブを有するコアプリフォームにスリーブをつけることによって、付け加えることができる。かかる実施例において、クラッドガラスの2つの部分は、クラッド領域の別々のセグメントと見なされても良い。本明細書において開示された光ファイバに対して、%Δ1という表記は、純シリカに対する光ファイバコア領域の相対屈折率を記載するために用いられており、%Δ2という表記は、コア領域の隣にあってかつ接触している第1クラッドセグメントの相対屈折率を記載するために用いられており、その他に、%Δ3という表記は、第1クラッドセグメントの隣にあってかつ接触している第2クラッドセグメントの相対屈折率を記載するために用いられている。
光ファイバの半径を関数とした相対屈折率%Δのプロット線は、屈折率プロファイルと称される。
本発明の好適な実施例において、図1の屈折率プロファイルに示されている光ファイバは、半径r1と、最大屈折率n1(n1<n0(n0は純シリカの屈折率))と、純シリカに対する相対屈折率%Δ1と、隣接するクラッドセグメントに対する相対屈折率%Δ12と、ガラス転移温度Tg1と、を有するコア領域20を含んでいる。該光ファイバは、コア領域20の周囲において接触するように配置されていて、半径r2と、最小屈折率n2(n2<n1)と、相対屈折率%Δ2と、ガラス転移温度Tg2と、を有する単一クラッドセグメント22を更に含んでいる。該コア領域は、FおよびClが添加された純シリカガラスであり、|%Δ1|<|%Δ2|となっている。純シリカは、図1において%Δ=0の横軸によって表されている。
gは、材料が液体である温度から材料が結晶化する温度へと該材料が冷却される場合に、材料のアモルファス相が熱力学の特性(例えば、熱膨張および熱容量)における不連続性を示す温度であると一般的にみなされている。図2を参照すると、通常、ガラスを形成しない液体が冷却される場合、融点Tm(経路28)で若しくはそれよりも若干下回る温度で、結晶化が生じる。結晶核が不十分である場合、または、充分な結晶化率を許容するには粘度があまりにも高い場合、液体の過冷却が生じ得る。しかし、液体の粘度は温度の低下と共に急速に増加し、さらに、原子の再配置は典型的な過冷却液体に比べて低下する。従って、図2の経路28aおよび28bによって示される準安定平衡曲線から逸脱する。温度における傾斜の当該変化は、ガラスの特徴である。構造上の再配置は、実験的に検出されるにはあまりに遅く、さらに、追加の体積変化は、継続的な冷却により、実質的に線形であり、他のあらゆる単一相固体に対しても同様である。冷却率は、いつ逸脱が生じ始めるかを決定する。例えば、より遅い冷却(経路28b)は、外挿液体曲線からの逸脱をより小さくする。2本の傾斜線の交点が所定の冷却率に対する転移温度Tg(ガラス転移温度)を定義しており、このことが図2に示されている。冷却率における実際の制限は、冷却率が構造に敏感な特性(密度、屈折率および体積抵抗力など)に影響を及ぼすことができる温度範囲として、TgとTg’との間の転移範囲を定義する。ガラス転移の間に固定される構造は、Tgよりも下の全温度において維持される。すなわち、ガラスは、実際の温度とは異なる配置的なまたは仮想の温度を有している。該仮想温度は、ガラス構造が平衡構造となる温度である。ガラスの構造は、冷却率に関して記載される。急速に冷却されたガラスは、ゆっくり冷却されたガラスよりも高い仮想温度を有している。仮想温度は、ガラス内における原子の配置のランダム性を表しており、光ファイバのレイリー散乱の量に比例している。具体的には、ガラスの仮想温度Tfが低くなる(ランダム性が減少する)につれて、レイリー散乱強度は低下する。したがって、仮想温度が低下することによって、光ファイバの伝送損が減少することとなる。Tgにおけるシリカガラスの粘度は、概して1013ポイズ(poise)乃至1013.6ポイズの間にあるとみなされる。
図3は、FまたはClが添加されたシリカガラスに対して測定された粘度/温度曲線を表示している。シリカガラスに対してドーパントを追加することによって、一般的にガラスの粘度が低下する。図3によって証明されたように、ドーパントがシリカガラスに添加された場合に、シリカガラスに対する粘度/温度曲線のあらゆる測定点は、減少する(シフトする)。便宜のために、基準粘度点はガラス転移温度Tgにおけるガラスの粘度として選択することができるものの、他の基準粘度点を使用することができることは、当業者にとって明らかである。本明細書において、1013.6ポイズの粘度が、基準粘度Tgとして使用されている。
図3を再度参照すると、3重量パーセント(wt.%)のFを有するドーピングシリカガラスは、曲線24(純シリカに対する粘度対温度を示している)と曲線26(略3wt.%のFが添加されたシリカガラスに対する粘度対温度を示している)との間の温度差によって示されるように、略400℃だけTgを減少させる。別の実施例として、略0.2wt.%のFを有するドーピングシリカガラスは、曲線24と曲線30とを比較して示されるように、略100℃だけTgを減少させる。なお、曲線30は、略0.2wt.%のFが添加されたシリカガラスに対する粘度対温度を示している。従って、Fを添加することによって得られるシリカガラスに対するTgの変化は、一定ではないことに留意する必要がある。すなわち、3wt.%のFによって得られるTgの変化が略100℃であるのに対して、3wt.%のFによって得られるTgの変化(ΔTg)は略400℃に過ぎない。シリカガラスに対するFのwt.%とTgとの間の変化における関係は、図4の曲線31によって示されるように実験的に決定され、図4の曲線32によって適合されて更に示されている。曲線34は、次の式によって近似されている。
Figure 2007503028
上記式において、TgFは、Fが添加された場合におけるシリカガラスのガラス転移温度の変化を℃単位で示しており、[F]はFのwt.%を示している。
Fをコアに添加することによって生じる屈折率の変化を相殺するのと同時にコアの粘度をさらに低下させるために、Clがコア領域に添加される。シリカガラスのTgを略100℃低減させるために、略1wt.%のClが必要である。このことは、図3における曲線24と曲線34との間の温度差を比較することによって明白にされる。ここで、曲線34は、略1wt.%のClを含むシリカガラスに対する粘度対温度の曲線を示している。所定のwt.%Clに対するTgの変化は、一定であると想定されている。
FおよびClは両方ともシリカガラスのTgを減少させるものの、Fは所定のwt.%に対して非常により大きい効果を有している。Fは、Clとは異なり、ガラスの屈折率にも影響を与える。Fが添加されたシリカガラスは、該ガラスの屈折率を低減させる。Clが添加されたシリカガラスは、ガラスの屈折率を増加させる。1重量パーセントの塩素は、略0.08%だけシリカガラスの相対屈折率(%Δ)を上昇させ、一方、1wt.%のFが略0.27%だけシリカの相対屈折率を減少させる。このように、Fの追加に起因するコア領域の屈折率の変化は、コアにClをドープすることによっても一部相殺することができる。例えば、従来の純シリカコアファイバなどの、1300nmウインドウ(1300-1400nm)における動作が最適化されたクラッド光ファイバに適合した、単一モードステップインデックスにおける、隣接するクラッドセグメントに対するコアの相対屈折率%Δ12は、略0.35%である。かかる相対屈折率は、略1.3wt.%のFをクラッドセグメントに添加することによって達成される。クラッドセグメントに対するTgの変化は、純シリカコア領域に対して略−260℃である。適当な量のFおよびClを光ファイバのコア領域に添加することによって、コア領域のガラス転移温度Tg1をクラッドのガラス転移温度Tg2の所望の範囲内に調整することができる。コア領域には、Tg1とTg2との差が好ましくは略200℃未満となる有効量のFおよびClが添加されることが好ましく、より好ましくは略150℃未満であり、最も好ましくは略100℃未満である。以下の表1は、コアとクラッドとの間のTgの所望の差分を達成するために光ファイバのコア領域に添加される適切な量のFおよびClの例を示している。表1において、クラッドにはFが添加されると仮定され、ΔTg12は、コア領域と隣接するクラッドセグメントとの間のTgの予想絶対差分を示し、%Δ12は、隣接するクラッドセグメントに対する予想されたコア領域の相対屈折率を示している。また、[F]は、コア若しくはクラッド領域(表示あり)に添加されるFの量をwt.%の単位で示しており、[Cl]は、コア領域に添加されるClの量をwt.%の単位で示している。
Figure 2007503028
本発明による光ファイバのコア領域はほとんどGeを含んでいない故、Geの高濃度(例えば、略7wt.%よりも高い濃度)に伴う高い散乱損失を生じることなく、より高い%Δ12を達成することができる。
本発明による光ファイバのコア領域は、略0.1wt.%乃至2wt.%の間の量のFが添加されることが好ましく、略0.4wt.%乃至1.5wt.%の間であることがより好ましく、略0.5wt.%乃至1wt.%の間であることが最も好ましい。コア領域は、略0.1wt.%乃至3wt.%の間の量のClが添加されていることが好ましく、略0.5wt.%乃至2.5wt.%の間であることがより好ましく、略0.5wt.%乃至2wt.%であることが最も好ましい。幾つかの光ファイバ設計に対して、純シリカからの%Δ1における変化を最小とすること(すなわち、可能な限り%Δ1を小さくすること)が必要とされていることから、クラッドにおけるFの量を最小にすることが望まれている。従って、Fの添加に起因する%Δ1における変化とClの添加に起因する%Δ1における変化とのバランスが必要とされる。Fの量とClの量との比を好ましくは略1:2乃至1:4の間に(より好ましくは略1:3に)設定することによって達成することができる。本発明の%Δ12は、略0.30%乃至0.54%の間にあることが好ましい。
1310nmの操作ウインドウにおいてゼロ分散波長を有している他の単一モード光ファイバを有する場合、本発明の光ファイバは、1550nmの波長において略0.25dB/km未満の減衰を有すると思われ、より好ましくは略0.21dB/km未満であり、最も好ましくは略0.18dB/km未満である。光ファイバは、1550nmの波長において8μm乃至12μmの間のモードフィールド径と、略70μm2乃至100μm2の間の有効面積と、を有する。加えて、該光ファイバは、1550nmの波長において、略16ps/nm/km乃至20ps/nm/km間の全分散を、さらに1550nmの波長において0.05ps/nm2/km乃至0.07ps/nm2/kmの分散傾斜で有していなければならない。
本発明の光ファイバへのドーピングは、当業者にとって公知のあらゆる方法で実行することができる。たとえば、多孔質コーティング若しくは構造体を固体ガラスコーティング若しくは構造体に変換する固化工程が完了する前に、多孔質コーティング若しくは構造体の部分をFおよびClを含む高温の雰囲気に配置して形成することによって、光ファイバプリフォームのあらゆる部分に、FおよびClの添加を行うことができる。かかる方法の例が、図5乃至9および図11−12に示されている。
円対称形の多孔質プリフォームは、図5に例示された方法に従って形成することができる。図5に示された実施例において、光ファイバコアプリフォームは、米国特許第4,486,212号(Berkey)において開示されている方法と同様の方法によって形成される。図5を参照すると、先細りにされた心棒36の大なる直径の端部は、環状の突出40を有するガラスチューブ38(以下、ハンドル38と称する)に嵌入される。米国特許第4,289,517号にて開示されたように、ハンドル38を心棒36に固定するために、シム(図示せず)が使用されても良い。心棒は、スートプリフォームの除去を容易にするために、カーボンスート層を備えていても良い。心棒36は、回転させられ、さらに米国特許第4,165,223号に開示されたタイプのバーナー42に対して移動させられる。燃料ガスおよび酸素若しくは空気がソース(図示せず)からバーナー42に供給される。当該混合ガスは、バーナー42から発される炎を生産するために燃やされる。ガス‐蒸気混合物は、心棒36に向かって方向付けられたスート流44が形成されるように、炎の内部で酸化される。ガス‐蒸気混合物をバーナー42に搬送するための適切な手段は公知であり、かかる手段の例として、米国特許第3,826,560号、第4,148,621号および第4,173,305号が参照される。堆積の間に破損することを防止するために、多孔質スートプリフォームの一方または両方の端部に向かって炎が向かうように、1以上の補助バーナー(図示せず)が使用されても良く、補助バーナーの使用は、米国特許第4,810,276号(Gilliland)において教示されている。
バーナー42は、その表面上にスートが堆積することを最小にすると共に、受け入れ可能な高いレイダウン率および効率を提供する条件の下で、概して作動される。かかる条件の下で、バーナー開口部からのガス及び反応生成物の流量並びにかかる開口部の軸方向と同様にその大きさ及び位置によって、うまく集中されたスート流がバーナー42から心棒36に向けて流れる。加えて、バーナー表面から短い距離の間隔を置いて配置される円筒形シールド(図示せず)は、周囲の空気流からスート流を保護しかつ層流を改良する。多孔質スートコアプリフォーム46は、多層シリカスートの堆積が生じるように、バーナー42に対して長時間にわたって心棒36を横切らせることによって、形成される。移動運動は、回転している心棒36に沿ってバーナー42を前後方向に動かすことによって若しくはバーナー42及び心棒36の双方を一体的な並進運動によって、成し遂げられてもよい。コアプリフォームはコアガラスだけを含むことができる、または変形例として、コアプリフォームは少なくともクラッドガラスの一部を含むことができる。スートコアプリフォーム46が堆積された後、心棒36はそこから引き抜かれ、該心棒はハンドル38を介して取り外され、それによって、図6に示す如く、多孔質プリフォームには、乾燥及び/又はドーピングガス50が通過し得る縦方向の孔48が残される。突出40はプリフォーム46にハンドル38に付着させ、ハンドル38は次の処理の間プリフォーム46を支持する。一般的に、乾燥ガスはCl2である。しかしながら、SiCl4も充分な乾燥ガスであり、また、都合が良いことに、SiCl4を使用することによって、ドーパントとしてプリフォーム内に保持されているClの量が増加する。したがって、Cl2が乾燥ガスとして好ましいものの、より好ましい選択としてSiCl4がある。
ClおよびFを有するコアプリフォームの乾燥およびドーピングは、ハンドル38の反対側の多孔質プリフォーム開口の端部54内に毛管52の短い部分を嵌入することによって行うことができる。乾燥ガス50は、ハンドル38を介して開口48内に流されて、毛管52を介して外に流れ出る。毛管52は、プリフォームの中心領域から水分が流れ出るように、最初は幾らかの乾燥ガスの通過を許容する。多孔質プリフォームが固化炉に挿入されると、毛管の開口は閉じられる。これによって全ての乾燥及び/又はドーピングガスは、その後に、プリフォームの割れ目の中を流れる。端部54の詳細が、図7に示されている。
コアプリフォームの乾燥及び/又はCl‐ドーピングが一旦完了されると、F含有ガスがハンドル38を介して開口48内に導入され、その結果、乾燥及び/又はClドーピングガスとF含有ガスの双方のガスが同時に流れる。C26,C22Cl2,CF4,SiF4及びSF6などのあらゆる適切な化合物が、Fを提供するために使用されても良い。公知の適切な予防措置をとることによって、フッ素ガス(F2)を使用することができる。Cl‐及びF‐含有ガスが固化炉内にも導入されて良く、その結果、当該ガス群はプリフォームの外部表面を介してコアプリフォームへ浸透し得る。Cl‐及びF‐含有ガスを流す場合、固化炉の加熱ゾーンに当該プリフォームを移動させることによって、コアプリフォームの固化が開始される。適切な固化炉の例が、米国特許第4,165,223号および第4,741,748号に開示されている。米国特許第4,741,748号に開示されている走査式固化炉は、プリフォームの1つの熱源がプリフォームに沿って走査するコイルによって生成されるという点において、有利である。プリフォームに沿って該コイルをゆっくりと横切らせることによって、鋭い加熱ゾーンを発生させることができる。あるいは、該コイルを素早く往復運動させることによって、該プリフォームを等温で加熱することができる。さらに、走査式固化炉の温度は、容易に調節可能である。Cl‐およびF‐含有ガスを連続的に流して行われるコアプリフォームの固化または焼結は、コアプリフォームにおけるClおよびFドーパントの保持を補助する。
固化された後、固化されたコアプリフォーム開口48は、毛管プラグ52が存在することによって図8に示す如く、端部54において閉じられる。プラグが使用されない場合、全ての開口は開いたままとなる。当該実施例において、端部54は、加熱および圧縮等の同様の技術によって、固化後に閉じられる。
純シリカを含む所定のスート組成物に対して、従来のスート堆積技術は、固化工程の間に得られたガラスプリフォームの開口形成表面の上に不透明層を形成する。かかる不透明層がプリフォームに存在する場合、最終的なファイバにシードが形成されることを防止するために、エッチングによって除去されなければならない。毛管開口が固化の間に閉じられる場合、酸性洗浄が開口48を介して自由に流れることができて、該不透明層が効果的に除去されるように、端部54は切断されなければならない。その後、該開口はすすがれて乾燥され、さらに、端部54は加熱されて封止される。
シリカスートプリフォームを形成する好適な方法は、米国特許第4,453,961号に開示されており、固化の間に開口形成表面の不透明化を防止する。当該方法は、堆積されたスートの螺旋が見えないほどの非常に低い堆積レートで心棒上に第1の複数ガラススート層を堆積させる工程を含む。心棒36上の緻密で螺旋のないコーティングの堆積は、非常に低い反応生成物の流れを用いたバーナー42の供給によって、達成することができる。バーナーから発せられている高速度の反応蒸気流が無いことによって、螺旋によって生じる充分な密度変化を有するスートのコーティングを堆積することができない、デフォーカスされたスート流44が生成される傾向がある。多数の層が堆積された後、緻密なスート流が連続するようになる。
焦点が合ってないスート流が連続層を堆積させるのに充分な時間に亘って使用された後、該バーナーに対する反応物の流れは、従来のレートに上昇され、プリフォーム46の残りは、通常の高い堆積レートで堆積される。
図8に示されていて最終的なファイバのコア領域を形成する固化されたコアプリフォーム46は、薄い表面層を除去するためにエッチングされる。その後、該コアプリフォームは中間の、大なる直径のファイバ若しくはコアケーネに引き伸ばされる。その後に、フッ素がドープされたクラッドが設けられる。
該コアケーネは従来の線引き炉において形成することができて、その中で、該コアケーネが線引きされる固化プリフォームの先端は、プリフォームがファイバに線引きされる温度よりも僅かに低い温度に加熱される。シリカプリフォームに対して、略1900℃の温度が適している。コアケーネを形成する適切な方法は、図9において例示されている。プリフォーム46は、ハンドル38が設置されるヨーク56によって、従来の線引き炉に取り付けられ、さらに、該先端は抵抗ヒーター58によって加熱される。真空接続部60がハンドル38に取り付けられ、さらに、プリフォーム開口48は排気される。プリフォーム46の底に取り付けられるガラスロッド62は、モーター駆動のトラクタ64によって引っ張られ、これによって、適切な速度で線引きされたコアケーネ66が得られる。15乃至23cm/minの速度が、適切であることがわかった。コアケーネが線引きされる場合、内部の圧力が周囲の圧力に対して低い故、開口48は直ちに閉じる。クラッドスートが堆積される心棒として使用されるコアケーネの直径は、4乃至10mmの範囲にあることが好ましい。
コアケーネ66は、図10に示す如くバーナー42に対して移動しかつ回転する旋盤に取り付けられる。シリカスートからなる多孔質コーティング68は、複合プリフォーム70を形成するためにコアケーネ66の表層に堆積される。コーティング68は、光ファイバのクラッドの少なくとも一部を形成する。本発明の方法において、コーティングの固化の間に、フッ素が多孔質シリカコーティングに加えられる。
クラッドコーティングの固化の間、多孔質クラッド68は、少なくともFがドープされかつ固化炉において焼結される。一般的な固化炉が、図11に示されている。シリカ含有量が高いマッフル72は、シリカ含有量が高い管状のライナー76によって、発熱体74から分離される。本明細書において用いられる「シリカ含有量が高い」という用語は、純粋な石英ガラス若しくはホウケイ酸ガラス等のシリカの含有量が高いガラスを意味する。多孔質シリカコーティング68は、従来、1470℃で固化されている。しかしながら、固化過程の間におけるシリカ内へのFの拡散によって、固化をより低い温度で実施することができる。たとえば、クラッド領域に略1wt.%のFをドーピングすることによって、略1400℃での固化が可能となる。多孔質クラッドガラスにおけるFのより高い濃度によって、更に低い温度での固化が可能となる。この相対的に低い固化温度によって、シリカ含有量が高いマッフル72を使用することができる。ライナー76は、発熱体74の近傍でマッフル72を囲繞しており、発熱体を囲繞している炉レンガ(図示せず)から発せられる耐火性分子からマッフル72を保護している。
1以上のドーピングガスを含んでいる炉ガス80は、マッフル72の底部に対してこれに固定された円錐部78を介して供給される。シリカマッフル72は、固化温度で垂下する傾向にある中間部分に対して追加の支持が提供されるように、その上端部においてリング82によって支持される。円錐部78は、リングスタンド84によって支持されている。
炉ガス80は、ヘリウムと、酸素と、多孔質プリフォームから水酸化物イオンを除去するのに十分な量のClと、を含むことができる。本発明の方法において、Fもマッフル72の底に供給される。C26、C22Cl2、CF4、SiF4およびSF6のようなあらゆる適切な合成物が、使用されても良い。公知の適切な予防措置をとることによって、フッ素ガス(F2)が使用できる。
本発明による固化された光ファイバプリフォームは、略2メートル/秒よりも速い速度で光ファイバに線引きされることが好ましく、略5メートル/秒よりも速い速度であることがより好ましく、略9メートル/秒よりも速い速度であることが最も好ましい。
本発明の他の実施例において、図12に示す如く、光ファイバは、半径r1と、最大屈折率n1(n1<n0)と、相対屈折率%Δ1と、隣接するクラッドセグメントに対して負の相対屈折率%Δ12と、ガラス転移温度Tg1と、を有するコア領域20を含んでいる。光ファイバは、インナークラッドセグメント86とアウタークラッドセグメント88とを有するクラッド領域を更に含んでいる。ここで、インナークラッドセグメント86には、当該セグメントの屈折率を低減させるためのドーパントが添加される。インナークラッドセグメント86は、コア領域20の周囲において接触して配置されていて、半径r2と、最小屈折率n2(n2<n1)と、純シリカに対して負の相対屈折率%Δ2と、ガラス転移温度Tg2と、を有する。インナークラッドセグメント86はFが添加されていることが好ましい。アウタークラッドセグメント88は、インナークラッドセグメント86の周囲において接触して配置されていて、半径r3と、最大屈折率n3(n0≧n3>n2)と、純シリカに対して負の相対屈折率%Δ3と、ガラス転移温度Tg3と、を有する。アウタークラッドセグメント88は、%Δ3が%Δ2に比べて負とならないように、すなわち破線88によって示す如く|%Δ3|<|%Δ1|<|%Δ2|となるように、ドーパントが添加されていることが好ましく、実線88によって示す如く|%Δ1|<|%Δ3|<|%Δ2|となっていることがより好ましい。
本実施例の光ファイバのコア領域は、Tg1とTg2との間の差が好ましくは略200℃未満となり、より好ましくは略150℃未満となり、最も好ましくは略100℃未満となる量のFおよびClが添加された純シリカガラスである。光ファイバのコア領域は略0.1wt.%乃至1.3wt.%の間であることが好ましく、略0.2wt.%乃至1wt.%の間であることがより好ましく、略0.5wt.%乃至1wt.%の間であることが最も好ましい量のFが添加されている。コア領域は、略0.1wt.%乃至3wt.%の間であることが好ましく、略0.5wt.%乃至3wt.%の間であることがより好ましく、略0.5wt.%乃至2.5wt.%の間であることがより好ましい量のClが添加されている。フッ素の濃度に対する塩素の濃度の比は、略1:2から1:4の間にあることが好ましく、略1:2.5から1:3.5の間にあることがより好ましい。実施例による%Δ12は、略0.30%乃至0.54%の間にあることが好ましく、略0.32%乃至0.38%の間であることがより好ましく、略0.34%乃至0.36%の間であることが最も好ましい。
他の実施例において、図13に示す如く、光ファイバは、半径r1と、最大屈折率n1(n1<n0)と、正の相対屈折率%Δ1と、最も内側のクラッドセグメントに対する相対屈折率%Δ12と、ガラス転移温度Tg1と、を有するコア領域を含んでいる。該光ファイバは、該コア領域に隣接しているインナークラッドセグメントとアウタークラッドセグメントとを更に含み、該インナークラッドセグメントは当該セグメントの屈折率を低減させるドーパントが添加されている。該インナークラッドセグメントは、該コア領域の周囲において接して配置されており、半径r2と、最小屈折率n2(n2<n1)と、負の相対屈折率%Δ2と、ガラス転移温度Tg2と、を有する。該インナークラッドセグメントは、Fが添加されていることが好ましい。該アウタークラッドセグメントは、該インナークラッドセグメントの周囲において接して配置されており、半径r3と、最大屈折率n3(n0≧n3>n2)と、負の相対屈折率%Δ3と、ガラス転移温度Tg3と、を有する。本実施例の光ファイバは、正の%Δ1と、負の%Δ2と、負の%Δ3と、|%Δ3|<|%Δ2|と、を有している。コア領域に対するドーピング・レベルは、前述した実施例のドーピング・レベルと整合している。
上述したように、コアとクラッドとの間の非整合性を適切にすることが、ファイバ設計の機能および目的である。幾つかのファイバ設計は、コア領域とクラッド領域との間のTgの違いに、多少影響を受ける。上述した説明は、主にシリカコアを有する光ファイバを中心にしているものの、コア領域にClおよびFを添加することは、マルチセグメントコア領域を有する光ファイバを含む、より複雑な光ファイバ設計に対しても有効である。
実施例
以下の特定の実施例は、ClおよびFが添加されたシリカコアとフッ素が添加されたシリカクラッドとを有する単一モード光導波ファイバを製造するために使用される本実施例の方法の態様を示している。米国特許第4,289,522号に開示されたタイプの一体的なハンドル38が使用される。アルミナ心棒36がハンドル38に嵌入され、スート粒子が最終的に堆積される中心領域が略5.5mmから6.5mmの直径に先細りにされる。
液体SiCl4は容器の中で37℃に維持された。バーナー42は、心棒36の49cmの部分を25秒で横切った。バーナー42で支持されたアセチレントーチは、1回のバーナー通過の間に、カーボン粒子を心棒36に堆積させるために最初に使用された。次の30分の間に、酸素がSiCl4容器を介して0.05slpmの流速で流され、結果として生じた混合物がバーナーへ流された。結果として生じる細かいスート流は、略1mmの厚みを有するシリカスート層を形成した。次の6.5時間の間に、SiCl4容器に対する酸素の流速は、1.4slpmに高められ、その間に、シリカスートはスートプリフォームを形成するように堆積され、外径は70mmとなった。
スートコアプリフォーム46は旋盤から取り外されて、心棒36はそこから除去され、一体的なハンドル38は、その一端において残される。毛管52の短い部分が、ハンドル38とは反対側のプリフォーム開口48の端部に嵌入された。その後、コアプリフォーム46は、米国特許第4,125,388号の教示に従って、乾燥と固化とが同時に行われた。5体積パーセントのCl2を含み、ヘリウムと釣り合っている乾燥ガスは、ハンドル38を介してコアプリフォーム開口48内に流された。当該乾燥ガスの一部はまず毛管52の開口を介して流されて、乾燥反応からの反応生成物と共に水分が搬送される。コアプリフォーム46は、ヘリウムフラッシングガスが流されていた固化炉内で下げられて、毛管52の開口53が封止されて、さらにコアプリフォームは勾配固化された。
プリフォーム46は、略1450℃のピークの温度で固化された。固化プロセスの間に、50vol.%のCl2および4vol.%のCF4を含む混合物が固化炉内に流された。コアプリフォーム46は、固化炉内で6mm/minで下方に駆動させられた。
コアプリフォーム46が一旦固化された後、シリカロッド62のうち、線引き炉に嵌入された固化プリフォームの先端が溶かされた。プリフォーム開口48は、真空接続部60をハンドル38の端部に固定して排気された。該プリフォームは、略1900℃まで加熱されて、略15cm/mmの速度で下方に引っ張られた。得られたコアケーネ66の直径は、略5mmであった。コアケーネが略91cmの長さに線引きされた後、プリフォームから折り取られた。
コアケーネ66は、旋盤に支持されて、ここでクラッドスート堆積用の心棒とされた。酸素は、1.6slpmの流速でSiCl4容器に流されて、SiO2スートを生成するためにバーナー42において燃焼された。バーナー42は、略2cm/secの速度で、コアケーネを横切った。かかる工程は、SiO2の層が堆積されて、略60mmの外径を有する多孔質スートクラッドプリフォーム68が形成されるまで続けられた。
多孔質スートクラッドプリフォームは、図11の固化炉に配置されて乾燥され、Fが添加されて、固化された。炉マッフル72は、14.6cmの内径と15.2cmの外径とを有する152cmの長さのシリカシリンダからなっていた。18.1cmの内径と18.7cmの外径とを有する61cmの長さのシリカライナー76は、発熱体74からマッフル72を分離した。多孔質スートクラッドプリフォームは、最初に乾燥された。乾燥工程の間、2vol.%のCl2を含む混合ガスは、固化炉に流された。該シリカライナーの外側において測定された場合に、炉のピーク温度は1450℃であった。次に、炉内に該プリフォームを略12mm/minの速度で移動させると同時に、5標準リッター/分(standard liters per minute)(slpm)のSiF4と12.25slpmのHeとをマッフル72の底部内に流して、該プリフォームのドーピングおよび固化を行った。
作製された固化光ファイバプリフォームは、略35mmの直径を有しており、その先端が略2100℃の温度にされた線引き炉内に挿入された。該プリフォームは、略8μmのコア直径を有するステップインデックス型の単一モード光ファイバを形成するために3メートル/秒の線引き速度で線引きされた。
該光ファイバの屈折ニアフィールド(RNF)が測定されて、図14に示されるプロット図が得られた。光ファイバのクラッド領域は、略1.8wt.%のFが添加された単一セグメントと、%Δ2=−0.48%の相対屈折率と、純シリカに対して略282℃だけ低くなるように計算されたガラス転移温度Tg2と、を有する。光ファイバプリフォームのコア領域は、略0.2wt.%のClおよび略0.6wt.%のFが添加されていた。純シリカに対するコア領域のガラス転移温度Tg1は、略175℃だけ低くなるように計算された。Tg1とTg2との間の期待される差分は107℃となると算出された。
実施例2
第2の実施例において、光ファイバは上述した実施例に記載されている方法を使用して作製された。図15に示すファイバのマイクロプローブ分析によって、ファイバ半径の関数として、wt.%F(曲線86)およびwt.%Cl(曲線88)が示された。該曲線は、光ファイバのコア領域20における平均wt.%のFが略0.6wt.%であり、コア領域20における平均wt.%のClが略0.2wt.%であったことを示している。クラッド領域22におけるFの平均wt.%は、略1.6wt.%である。図15によって表される光ファイバは、略−0.146%のコア相対屈折率%Δ1と、略176.9℃のTg1とを有すると思われる。クラッド領域は、−0.432%の%Δ2と、略261.3℃のTg2とを有すると思われる。Tg1とTg2との間の期待される差分は、84.4℃となると算出される。
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明に対して様々な変形および変更を加えることができることは、当業者にとって明白である。従って、特許請求の範囲およびその均等物の範囲において提供された本発明の変形および変更は本発明の範囲に含まれることが企図されている。
本発明のある実施例による屈折率プロファイルの図である。 ガラス転移温度Tgの定義を示しているガラスに対する体積対温度の図である。 実施例に示された量のFまたはClドーパントを含んでいるシリカガラスに対する粘度対温度の図である。 シリカガラスに対するwt.%Fの関数としてのTgの変化のプロット線である。 心棒にガラススートのコーティングを設ける装置を示す図である。 多孔質ガラスプリフォームを乾燥しかつドーピングしている概略的な図である。 多孔質ガラスプリフォームの一端の詳細図である。 固化されたガラスプリフォームの断面図である。 固化されたガラスプリフォームからのコアケーネの線引きを示している概略図である。 コアケーネにガラスクラッドスートのコーティングを設ける装置を示す図である。 固化炉および固化雰囲気系の概略図である。 本発明の他の実施例による屈折率プロファイルを示す図である。 本発明の他の実施例による光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。 本発明による光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。 本発明による光ファイバにおける光ファイバ中のFおよびClのwt.%を示すマイクロプローブ分析のグラフである。

Claims (18)

  1. 純シリカに対する相対屈折率%Δ1とガラス転移温度Tg1とを有するコア領域と、
    前記コア領域の周囲においてその外面と接して配置されていて純シリカに対する相対屈折率%Δ2とガラス転移温度Tg2とを有する第1クラッドセグメントと、を含み、
    前記コア領域はTg1とTg2との差分が略200℃未満となるwt.%のClおよびFが添加されている、ことを特徴とする光ファイバ。
  2. 前記コア領域におけるClの含有量が略0.1wt.%乃至3wt.%の間にあることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
  3. 前記コア領域におけるClの含有量は略0.5wt.%乃至2wt.%の間にあることを特徴とする請求項2記載の光ファイバ。
  4. 前記コア領域におけるFの含有量が略0.1wt.%乃至2wt.%の間にあることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
  5. 前記コア領域におけるFの含有量は0.5wt.%乃至1wt.%の間にあることを特徴とする請求項4記載の光ファイバ。
  6. 前記コア領域におけるFの含有量対Clの含有量の比が略1:2乃至1:4の間にあることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
  7. g1とTg2との間の差分は150℃未満であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
  8. g1とTg2との間の差分が100℃未満であることを特徴とする請求項7記載の光ファイバ。
  9. 前記隣接クラッドセグメントに対する前記コア領域の相対屈折率%Δ12が略0.3%乃至0.54%の間にあることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
  10. 前記第1クラッドセグメントの周囲においてこれに接して配置されていて純シリカに対する相対屈折率%Δ3を有する第2クラッドセグメントを更に含み、|%Δ1|<|%Δ3|<|%Δ2|であり、%Δ2,%Δ3および%Δ1は負である、ことを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
  11. 前記第1クラッドセグメントの周囲においてこれに接して配置されていて純シリカに対する相対屈折率%Δ3を有する第2クラッドセグメントを更に含み、|%Δ3|<|%Δ1|<|%Δ2|であり、%Δ3および%Δ1は負である、ことを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
  12. 請求項1記載の光ファイバの製造方法であって、
    前記光ファイバを略2メートル/秒よりも大なる線引き速度で線引きする工程を更に含むことを特徴とする光ファイバの製造方法。
  13. 前記光ファイバは略9メートル/秒よりも大なる線引き速度で線引きされることを特徴とする請求項12記載の光ファイバの製造方法。
  14. 前記光ファイバは1550nmにおいて略0.21dB/km未満の減衰を有することを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
  15. 純シリカに対する相対屈折率%Δ1を有するコア領域と、
    前記コア領域の周囲においてこれに接して配置されていて純シリカに対する相対屈折率%Δ2を有する第1クラッドセグメントと、
    前記第1クラッドセグメントの周囲においてこれに接して配置されていて純シリカに対する相対屈折率%Δ3を有する第2クラッドセグメントと、を含み、
    |%Δ1|<|%Δ3|<|%Δ2|であり、%Δ1,%Δ2および%Δ3は負である、屈折率プロファイルを有する、ことを特徴とする光ファイバ。
  16. 前記コア領域にF及びClが更に含まれていることを特徴とする請求項15記載の光ファイバ。
  17. 前記Clの含有量が0.1乃至3wt.%の間にあることを特徴とする請求項16記載の光ファイバ。
  18. 前記Fの含有量が0.1乃至2wt.%の間にあることを特徴とする請求項16記載の光ファイバ。
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