JP2008026903A - クリンプおよびクリーブコネクタ用の拡張帯域光ファイバ - Google Patents

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Abstract

【課題】低コストでかつクリンプおよびクリーブ接続方式により接合が可能な広い帯域−長さ積を有する大コア光ファイバを実現する。
【解決手段】光ファイバは100MHz−km以上のさらなる帯域−長さ積とするためにGeをドープしたシリカからなる大きなグレーデッド型屈折率のコアを含む。ドープしないシリカのクラッド層がプリフォーム工程の間にコアの上に形成され、それに引き続いてプリフォームの線引き中に紫外線硬化型ポリマーの第1の被覆がクラッド層の上にかぶせられる。第1の被覆はクリンプおよびクリープによる終端を容易にするためにシリカのコアおよびクラッド層の破断特性に適合するよう十分に硬化させられる。さらに第1の被覆はクラッド層よりも大きな屈折率を付与されてクラッド層からのモードあるいはエネルギーストリッピングを可能にする。保護、およびクリンプ後のコネクタの変形特性を保持するために光ファイバの強靭な外層を付与するために第2のポリマー層が任意に塗布されてもよい。
【選択図】図2

Description

本発明は基本的に広帯域でかつ減衰の少ない光ファイバに関する。より具体的には簡単なクリンプおよびクリーブによるコネクタ方式により容易に終端処理が可能な光ファイバに関する。
光ファイバはあらゆる形式および種類の情報に対して低コストの高帯域伝送媒体を提供することで通信工業に大変革を起こした。光ファイバ通信システムにおいて継続的に改良が行われている領域はそのようなファイバの接続である。これらのシステムの光ファイバは基本的にシリカガラスで作られ、ファイバの直径は小さいので2本のファイバを接続する、あるいはファイバを光送信機および受信機に差し込む目的でファイバの端部にコネクタを設けることが基本である。コネクタはファイバピッグテール(あらかじめ工場でコネクタ付けされたファイバの小片)にファイバを溶融接合する、あるいはコネクタにエポキシ樹脂でファイバを接着することによりファイバに取り付けられ、次いで端部を削り、研磨する。そのような方法は過去には効果的であったが、かなり複雑で処理時間を要し、費用がかかる方法である。ファイバツーザホームシステム(fiber to the home system)のような将来予定されている光配信システムでは現場で多数の終端処理をする要求が増加している。迅速かつ容易な接続処理がますます重要となる。
ポリマークラッドマルチモード光ファイバ用の簡単なクリンプ(crimp)およびクリーブ(cleave)方式による低価格コネクタが開発されている。光ファイバは破断線に沿ってガラスファイバに引っかき線をつけ、次いでそれを破断することによりクリーブするとファイバの長軸に直角な平坦な面が端部に形成される。そのようにクリーブされた2本のマルチモードファイバの端部は接着剤、あるいは屈折率整合材を必要に応じて使って突合せ接合される。それから接合部を支え、光ファイバ端部をいっしょに保持するコネクタの機械的部分が特別に適合させた(一般的には金属)スペーサリングを変形させる、あるいはその外側表面をつかむ機構により光ファイバの外側表面にクリンプされる。
クリンプ、およびクリーブ接続方式に特に使われるマルチモードファイバのひとつはドープしないシリカコアとクラッド層を形成する、より低屈折率の光ポリマー被覆を有するステップインデックス(SI)型光ファイバである。それからこの光ファイバは保護のため、およびコネクタのクリンプ機構の変形を受けとめるために光学的特性を持たないETFEのような丈夫なポリマーからなる他の緩衝層で被覆されてもよい。第一のポリマー被覆はSkutnic他による米国特許4,707,076号あるいは同4,511,209号の方法によって作られ、少なくともひとつのエチレン系不飽和モノマー、ポリエン、および硬化開始剤からなる。Skutnic他の開示は参照のためにここに引用されている。クリーブ処理中にガラスコアがきれいに折れ、しかし壊れることなくクリンプ処理に耐えるよう丈夫にするためにポリマー被覆にさらに処理が追加される。この光ファイバは大コア(一般に約200μm)、高開口数(一般に約0.37)およびクリンプならびにクリーブ方式による接続処理可能性を含む分配型通信システムで必要とされる数多くの望ましい光学的特性を示す。しかしながら、約10MHz−kmという低い帯域−長さ積(BLP)のために、そのような光ファイバをより高速あるいはより長いファイバリンク長を必要とする新規の用途に使用することは困難である。
帯域の増加は、コアの屈折率プロファイルを一定(SI)からグレーデッド型屈折率(GI)に変える、つまり通常は、 べき関数Rα(αは一般的に1.5と3の間)に従う屈折率プロファイルを変化させることによりマルチモード光ファイバで実現できる。通常これはシリカコアを有する光ファイバについてよく行われるように、コア材料に屈折率を変化させる材料をドープすることにより達成できる。シリカの屈折率を増加させることはゲルマニウム(Ge)あるいは他の既知の屈折率増加要素をシリカに加えることにより達成されるが、そのような大きいコアのファイバの場合には高価である。しかしながら、クリンプおよびクリーブコネクタで使われるこれまでの光ファイバの大きいシリカコアについては、コア全体にGeを加えることはそのコストのためにするべきではなく、またファイバのBLPを十分に増加させることはない。
米国特許第4,707,076号明細書 米国特許第4,511,209号明細書
それ故に、大きな開口数を有し、かつ製造に費用がかからずクリンプおよびクリーブ接続方式により接合が可能な広い帯域−長さ積を有する大きいコアの光ファイバの必要性がある。
一実施例において、広帯域で容易に接続可能な光ファイバはコアおよびコアを取り囲むクラッド層からなる。好ましくは、コアは1.460から1.484の間の屈折率を持ち、それはクラッド層よりも大きい。広帯域用途では、コアはシリカにゲルマニウムのような屈折率増加ドーパントをドープすることにより増加するグレーデッド型屈折率プロファイルを利用する。それからクラッド層は、例えばドープしないシリカのように、より屈折率の低い材料であってよい。さらに光ファイバはクラッド層よりも大きい、もしクラッド層がシリカであれば屈折率が1.453より大きい、好ましくは約1.46である、クラッド層を取り囲む第1の被覆層を有する。このことが第1の被覆層にクラッド層からの光をモードストリップさせ、コアのグレーデッド型屈折率プロファイルと相まって光ファイバの帯域−長さ積を増加させる。
第1の被覆層はコアおよびクラッドのシリカガラスと類似の破断特性を持ち、シリカガラスへの良好な接着性を有する好ましくはUV硬化型のポリマーである。好ましくは第1の被覆層の破断時伸び(elongation at fracture)は20%以下、好ましくは10%以下であって、シリカのそれに極めてよく似ている。しかしながら、第1の被覆層がポリマーであるということはかなり強靭で耐久性があるということである。硬化した時の第1の被覆のヤング率は50以上必要であり、より好ましくは約68である。このことがファイバがコネクタ方式による接続のためにクリーブされるときに第1の被覆層がコアおよびクラッドとともにきれいに破断されるが、コネクタがクリンプされるときは切断により破断することなく十分しっかりした状態に保持されるという利点をもたらす。
本発明のこれら、およびその他の目的、観点、および特徴は添付の図面とともに以下の詳細な記述を読むことによってより明確に理解され、かつよりよく説明されよう。その図面全体にわたり同一要素は同一の参照番号が付与されている。
図1において、一般的に円筒状のコア12を有する光ファイバ10が示される。コアを取り囲むものはクラッド層14であり、従来の導波理論によれば一般的にコアよりも低い屈折率を有する。クラッド層14を取り囲むものは一般的にクラッド層よりも高い屈折率を有する第1の被覆層16である。オプション的に第1の被覆層を取り囲むものは第2の被覆層18である。
コア12およびクラッド層14は光ファイバプリフォームを作る多くの方法によって生成が可能である。例えば、化学気相堆積法(CVD)、修正化学気相堆積法(MCVD)あるいはプラズマ化学気相堆積法(PCVD)のような内付法や、外側気相堆積法(OVD)あるいはプラズマ外側気相堆積法(POVD)のような外付法が使える。例として、本質的に純粋なシリカのガラスコア管がMCVD旋盤に取り付けられ、ガラス構成要素成分が蒸気の形で管の中に供給される。それからガラス構成要素成分が互いに反応し、管の側面にガラスの薄い層を堆積するように移動するトーチによって加熱される。好ましくはコア12を形成する少なくとも一つのガス構成成分はクラッド層に対してコアの屈折率を増加させるドーパントであってもよい。反対にクラッド層はクラッド層14の屈折率を減少させるドーパントで処理されてもよい。
光ファイバプリフォームとして適当な屈折率プロファイルが得られたら、管および内側の層は縮径され、プリフォームとして処理する、あるいは一つ以上のオーバークラッド管でオーバークラッドされた後に引き続いて線引きするために線引き塔に移される。
次に、コア12とクラッド層14を形成するプリフォームは線引き塔に取り付けられ一端を炉中で加熱される。プリフォームの溶融端はそれから張力をかけられ長く細い糸状の光ファイバに線引きされる。まだ半溶融の間にガラスファイバは引っ張られ、連続する金型あるいは他の従来型の方法により第1の被覆層16および状況に応じて第2のあるいはそれ以上の被覆層18の均一で薄い液体で被覆される。次に、第1および第2の被覆層は線引きにつれて光ファイバの一部分をカバーする一連のUVランプの紫外放射によって硬化される。
このプロセスによって作られる光ファイバ10の屈折率プロファイルの例が図2に示される。屈折率(n)が光ファイバ10の中心軸からの半径方向の距離(r)の関数として縦軸に沿って示される。コア12はクラッド層14の屈折率n2よりも大きい屈折率n1を有する。第1の被覆層16はクラッド層の屈折率n2よりも大きい屈折率n3を有する。
図示する実施例において、コア12の屈折率n1は、例えばシリカコア材料の屈折率を増加させるゲルマニウム(Ge)によるコアのドーピング処理の間に決定されるグレーデッド型屈折率(GI)を有する。コア12のGIプロファイルは光ファイバ10が一般的なステップインデックス型シリカコア光ファイバよりもより大きい帯域−長さ積(>100MHz−km)を示すことが可能である。コア12の直径(2×rl)は、減衰、使われる光源の種類、光部品の公差、使用するコネクタの挿入損失、コストなどを含む光ファイバ10に対する要求に合わせてそれを最適化するために変更してもよい。コア12の直径の一般的な値は20μmから180μmの範囲にあってよい。クラッド14の直径の一般的な値は100μmから225μmの範囲にあってよい。
第1の被覆層はSkutnic他による米国特許第4,707,076号あるいは同4,511,209号の方法によって作られ、少なくともひとつのエチレン系不飽和モノマー、ポリエン、および硬化開始剤からなる。Skutnic他の開示は参照のためにここに引用されている。クリーブ処理中にガラスコアがきれいに折れ、しかし壊れることなくクリンプ処理に耐えるよう丈夫にするためにポリマー被覆にさらに処理が追加される。
図4の表Bにおいて、クラッド層12を取り囲む第1の被覆層14はクラッド層よりも大きい、つまりもしコアがシリカであれば1.43より大きい、好ましくは約1.46である屈折率を有する。このことが第1の被覆層にクラッド層からの光をモードストリップさせ、コアのグレーデッド型屈折率プロファイルと相まって光ファイバの帯域−長さ積を増加させる。第1の被覆層はコアおよびクラッドのシリカガラスと類似の破断特性を持ち、シリカガラスへの良好な接着性を有する好ましくはポリマーである。好ましくは第1の被覆層の破断時伸びは20%以下、好ましくは10%以下であって、シリカのそれに極めてよく似ている。しかしながら、第1の被覆層がポリマーであるということはかなり強靭で耐久性があるということである。硬化した時の第1の被覆のヤング率は50以上であるべきであり、より好ましくは約68である。このことがファイバがコネクタ方式による接続のためにクリーブされるときに第1の被覆層がコアおよびクラッドとともにきれいに破断されるが、しかしコネクタがクリンプされるときに切断により破壊することなく十分しっかりした状態に保持されるという利点をもたらす。
第2の被覆層16あるいは緩衝は光ファイバで緩衝層として使われる任意の既知のポリマーでよく、好ましくはETFEがよい。この追加の層は光ファイバの保護を強化する。
図3の表Aは本発明により作られた数例の光ファイバの動作、および物理特性を列挙して、ポリマー被覆したSIシリカコア光ファイバで得られるそれらの特性と比較している。
実施例1
Geがドープされたコアおよびドープしないシリカクラッドを提供するためにMCVDプロセスにより作られるプリフォームである。プリフォームの光学的プロファイルは以下のようなものであって、線引きにより生成される光ファイバはコア径が62.5μm、クラッド径が200μmである。コアの屈折率はグレーデッド型プロファイルであって、それはファイバの中心からの半径距離のべき関数Rα(α=約2(α=〜2))によって変化する。クラッドの屈折率はおおよそシリカの屈折率に等しい。それからプリフォームはその一端を炉中に入れた状態で線引き搭に取り付けられた。プリフォームの引き端あるいは滴端が溶融状態になると張力がかかり、光ファイバがそれから線引きされた。線引き中に光ファイバは被覆用金型を通して均一で薄い液状ポリマーの層を塗布することにより図4の表Bに説明される特性を有するようにSkutnik他によって体系化されたUV硬化型ポリマーで第1の被覆がなされる。第1の被覆は約12μm(〜12μm)の厚さに塗布され、屈折率は約1.46である。次いで光ファイバは巻き取りリールに巻かれる前にUV硬化型緩衝層あるいは押し出しポリマー(つまりETFE)で被覆される。
図3および表Aにおいて、実施例1は本発明により作られた光ファイバは850nmおよび1310nmにおける低い減衰およびクリンプおよびクリーブ接続工程に使うことが可能であるというSIポリマークラッドシリカコアファイバの望ましい品質を保持していることを説明している。さらに実施例1における本発明により作られた光ファイバは0.275という十分大きな開口数を明示している。より重要なこととして、新しい設計はBLPを10から100以上に向上させたので、より高速、より長距離の通信システムにますます多く使われるようになったことである。このファイバのコアは従来の62.5μmGIファイバと寸法および光学的なパラメータ(ドーパントの水準およびNA)が同じであるのでこのファイバの既存の製品との互換性を非常に高くしている。さらに200μmガラスクラッドは125μmクラッドファイバよりも極めて高い引っ張り強度を与えている。
実施例2
Geがドープされたコアおよびドープしないシリカクラッドを提供するためにMCVDプロセスにより作られるプリフォームである。プリフォームの光学的プロファイルは以下のようなものであって、線引きにより生成される光ファイバはコア径が100μm、クラッド径が200μmである。コアの屈折率はグレーデッド型プロファイルであって、それはファイバの中心からの半径距離のべき関数Rα(α=約2(α=〜2))によって変化する。クラッドの屈折率はおおよそシリカの屈折率に等しい。それからプリフォームはその一端を炉中に入れた状態で線引き搭に取り付けられた。プリフォームの引き端あるいは滴端が溶融状態になると張力がかかり、光ファイバがそれから線引きされた。線引き中に光ファイバは被覆用金型を通して均一で薄い液状ポリマーの層を塗布することにより図4の表Bに説明される特性を有するようにSkutnik他によって体系化されたUV硬化型ポリマーで第1の被覆がなされる。第1の被覆は約12μm(〜12μm)の厚さに塗布され、屈折率は約1.46である。次いで光ファイバは巻き取りリールに巻かれる前にUV硬化型緩衝層あるいは押し出しポリマー(つまりETFE)で被覆される。
図3および表Aにおいて、実施例2は本発明により作られた光ファイバは850nmおよび1310nmにおける低い減衰およびクリンプおよびクリーブ接続工程に使うことが可能であるというSIポリマークラッドシリカコアファイバの望ましい品質を保持していることを説明している。さらに実施例2における本発明により作られた光ファイバは0.275という十分大きな開口数を明示している。より重要なこととして、新しい設計はBLPを10から100以上に向上させたので、より高速、より長距離の通信システムにますます多く使われるようになったことである。さらにこの例は、光ファイバの所望の品質をそれほど変えることなく本発明の範囲内で使われる一連のコア径があることを実施例1で説明している。さらに200μmガラスクラッドは125μmクラッドファイバよりも極めて高い引っ張り強度を与えている。
実施例3
Geがドープされたコアおよびドープしないシリカクラッドを提供するためにMCVDプロセスにより作られるプリフォームである。プリフォームの光学的プロファイルは以下のようなものであって、線引きにより生成される光ファイバはコア径が62.5μm、クラッド径が125μmである。コアの屈折率はグレーデッド型プロファイルであって、それはファイバの中心からの半径距離のべき関数Rα(α=約2(α=〜2))によって変化する。クラッドの屈折率はおおよそシリカの屈折率に等しい。それからプリフォームはその一端を炉中に入れた状態で線引き搭に取り付けられた。プリフォームの引き端あるいは滴端が溶融状態になると張力がかかり、光ファイバがそれから線引きされた。線引き中に光ファイバは被覆用金型を通して均一で薄い液状ポリマーの層を塗布することにより図4の表Bに説明される特性を有するようにSkutnik他によって体系化されたUV硬化型ポリマーで第1の被覆がなされる。第1の被覆は約12μm(〜12μm)の厚さに塗布され、屈折率は約1.46である。次いで光ファイバは巻き取りリールに巻かれる前にUV硬化型緩衝層あるいは押し出しポリマー(つまりETFE)で被覆される。
図3および表Aにおいて、実施例3は本発明により作られた光ファイバは850nmおよび1310nmにおける低い減衰およびクリンプおよびクリーブ接続工程に使うことが可能であるというSIポリマークラッドシリカコアファイバの望ましい品質を保持していることを説明している。さらに実施例3における本発明により作られた光ファイバは0.275という十分大きな開口数を明示している。より重要なこととして、新しい設計はBLPを10から100以上に向上させたので、より高速、より長距離の通信システムにますます多く使われるようになったことである。さらにこの実施例は光ファイバの所望の品質をそれほど変えることなく本発明の範囲内で使われる一連のコア径があることを実施例1で説明している。このファイバのコアは従来の62.5μmGIファイバと寸法および光学的なパラメータ(ドーパントの水準およびNA)が同じであるのでこのファイバの既存の製品との互換性を非常に高くしている。
本発明は典型的な実施例に関連して述べられているが、この詳細な記述は本発明の範囲をここに説明された特定の形態、あるいは方法に限定することを意図するものではなく、逆に付属する請求項により規定される本発明の精神及び範囲内に含まれるいかなる変更、修正、および同等のものをも包含するものとして意図している。
本発明により構成される光ファイバの一例の端部断面図である。 図1に示される光ファイバの例示的な屈折率プロファイルを図示したものである。 図1に示される数例の光ファイバの動作、および物理特性を表で示したものである。 図1に示されるポリマー被覆層の動作、および物理特性を表で表したものである。
符号の説明
10 光ファイバ
12 コア
14 クラッド層
16 第1の被覆層
18 第2の被覆層

Claims (20)

  1. コアと前記コアを取り囲むクラッド層とを有する光ファイバであって、
    前記コアはコア屈折率を有し、そして、
    前記クラッドはクラッド屈折率を有し、さらに、
    第1の被覆層屈折率を有する、前記クラッド層を取り囲む第1の被覆層を含み、
    前記コア屈折率は前記クラッド屈折率より大きく、そして前記第1の被覆層屈折率は前記クラッド屈折率よりも大きく、そして、
    前記第1の被覆層は、前記コアおよび前記クラッドの破断時伸びとほぼ同じ破断時伸びを有することを特徴とする光ファイバ。
  2. 前記コアの少なくとも一部はシリカガラスであることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ。
  3. 前記クラッドの少なくと一部はシリカガラスであることを特徴とする請求項2に記載の光ファイバ。
  4. 前記第1の被覆層の少なくとも一部はポリマーであることを特徴とする請求項2に記載の光ファイバ。
  5. 前記コアはグレーデッド型屈折率プロファイルを有することを特徴とする請求項2に記載の光ファイバ。
  6. 前記コアの少なくとも一部は、ゲルマニウムをドープしたシリカガラスであることを特徴とする請求項5に記載の光ファイバ。
  7. 前記第1の被覆層を取り囲む第2の被覆層をさらに含み、前記第2の被覆層の少なくとも一部はポリマーであることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ。
  8. コアと前記コアを取り囲むクラッド層とを有する光ファイバであって、
    前記コアはコア屈折率を有し、前記コアの少なくとも一部は、ゲルマニウムをドープしたグレーデッド型屈折率を有するシリカガラスであり、
    前記クラッドはクラッド屈折率を有し、そして前記クラッドの少なくとも一部はシリカであり、さらに、
    第1の被覆層屈折率を有する、前記クラッドを取り囲む第1の被覆層を含み、前記クラッドの少なくとも一部はポリマであり、そして
    前記コア屈折率は前記クラッド屈折率より大きく、そして前記第1の被覆層屈折率は前記クラッド屈折率より大きいことを特徴とする光ファイバ。
  9. 前記第1の被覆層を取り囲む第2の被覆層をさらに含み、前記第2の被覆層の少なくとも一部はポリマーであることを特徴とする請求項8に記載の光ファイバ。
  10. 前記第1の被覆層は1.43から1.7までの間の屈折率を有することを特徴とする請求項8に記載の光ファイバ。
  11. 前記第1の被覆層の屈折率は約1.46であることを特徴とする請求項8に記載の光ファイバ。
  12. コアと前記コアを取り囲むクラッド層とを有する、プリフォームから線引きされた光ファイバであって、
    前記コアは、累乗のプロファイルRα(αは1.5から3の間)に従うグレーデット型コア屈折率を有し、
    前記クラッド層は、ドープしないシリカとおおよそ同じクラッド屈折率を有し、さらに
    第1の被覆層屈折率が約1.46である、前記クラッド層を取り囲むポリマーの第1の被覆層を含み、前記第1の被覆層は、前記光ファイバの線引き工程の間にUV硬化法により塗布されるものであり、
    前記コア屈折率は前記クラッド屈折率より大きく、そして前記第1の被覆層屈折率は前記クラッド屈折率よりも大きく、そして、
    前記第1の被覆層は、前記コアおよび前記クラッドの破断時伸びとほぼ同じ破断時伸びを有することを特徴とする光ファイバ。
  13. 前記光ファイバのコアの直径は20μmから180μmの間であることを特徴とする請求項12に記載の光ファイバ。
  14. 前記光ファイバのクラッドの直径は100μmから225μmの間であることを特徴とする請求項12に記載の光ファイバ。
  15. 前記光ファイバのコアの直径は62.5μm、前記光ファイバのクラッドの直径は200μm、そして前記光ファイバの第1の被覆層の直径は225μmであることを特徴とする請求項12に記載の光ファイバ。
  16. 前記光ファイバのコアの直径は100μm、前記光ファイバのクラッドの直径は200μm、そして前記光ファイバの第1の被覆層の直径は225μmであることを特徴とする請求項12に記載の光ファイバ。
  17. 前記光ファイバのコアの直径は62.5μm、前記光ファイバのクラッドの直径は125μm、そして前記光ファイバの第1の被覆層の直径は145μmであることを特徴とする請求項12に記載の光ファイバ。
  18. Geでドープされたシリカコアと、前記コアを取り囲むドープしないシリカクラッド層とを有する、プリフォームから線引きされた光ファイバであって、
    前記コアは、累乗のプロファイルRα(αは1.5から3との間)に従うグレーデッド型コア屈折率と、20μmから180μmの間の直径とを有し、
    前記クラッド層は、ドープしないシリカとおおよそ同じクラッド屈折率と、100μmから225μmの間の直径をと有し、そして、
    第1の被覆層屈折率が約1.46である、前記クラッド層を取り囲むポリマーの第1の被覆層を含み、前記第1の被覆層は、前記光ファイバの線引き工程の間にUV硬化法により塗布されるものであり、
    前記コア屈折率は前記クラッド屈折率より大きく、前記第1の被覆層屈折率は前記クラッド屈折率よりも大きく、そして、
    前記第1の被覆層は、約20%より小さい破断時伸びと50より大きいヤング率とを有することを特徴とする光ファイバ。
  19. 前記第1の被覆層は、約9%の破断時伸びと68のヤング率とを有することを特徴とする請求項18に記載の光ファイバ。
  20. 帯域−長さ積は100MHz−kmよりも大きいことを特徴とする請求項18に記載の光ファイバ。
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