JP2009015294A - ホーリーファイバおよびホーリーファイバの製造方法 - Google Patents

ホーリーファイバおよびホーリーファイバの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】伝送損失が低いホーリーファイバおよび伝送損失が低いホーリーファイバを容易に製造できるホーリーファイバの製造方法を提供すること。
【解決手段】中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、を備え、前記クラッド部は、内層と該内層の外周に位置する外層とを有し、前記コア部と前記クラッド部の内層との粘度は、前記クラッド部の外層の粘度よりも低い。好ましくは、前記空孔の少なくとも第2層までが、前記クラッド部の内層に形成されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ホーリーファイバおよびホーリーファイバの製造方法に関するものである。
ホーリーファイバ(Holy Fiber)は、中心に位置するコア部と、コア部の外周に位置し、コア部の周囲に周期的に配置した複数の空孔を有するクラッド部とを備え、空孔によってクラッド部の平均屈折率を下げ、光の全反射の原理を利用してコア部に光を伝送させる新しいタイプの光ファイバである。このホーリーファイバは、空孔を用いて屈折率を制御することによって、従来の光ファイバでは実現不可能なEndlessly Single Mode(ESM)や、短波長側での異常分散等の特異な特性を実現可能である。なお、ESMとは、カットオフ波長が存在せず、全ての波長の光がシングルモードで伝送することを意味し、広帯域にわたって伝送速度の速い光伝送を可能にする特性である。たとえば、ホーリーファイバと分散補償光ファイバ(Dispersion Compensating Optical Fiber)とを組み合わせて長さ100kmの光伝送路を構成し、伝送速度が10Gb/sの分散マネージメントソリトン伝送実験を行った結果が報告されている(非特許文献1参照)。
一方、長距離伝送を実現するため、ホーリーファイバの伝送損失の低減についても盛んに検討されている。たとえば、非特許文献2においては、0.28dB/kmという低い伝送損失を有するホーリーファイバが報告されている。
ここで、ホーリーファイバは、たとえばスタック&ドロー法、ドリル法、ゾルゲル法などによって、シリカガラスからなる穴構造を有する母材を形成し、この母材を線引きして製造される。そして、線引き工程において、たとえば、比較的低い温度で線引きをしたり、空孔の形状を維持するために加圧する不活性ガス等の圧力を緻密に制御したり(特許文献1参照)して、空孔形状の変形を防いでいる。
K. Kurokawa, et al., "Penalty-Free Dispersion-Managed Soliton Transmission over 100km Low Loss PCF", Proc. OFC PDP21 (2005). K. Tajima, et al.,"Low water peak photonic crystal fibers.", ECOC’03 PD Th4.16(2003) 特開2006−83003号公報
ところで、長距離伝送に用いられるホーリーファイバについては、低損失であることが要求されるとともに、より長い条長にわたって空孔形状の変形を防止する必要がある。
しかしながら、空孔形状の変形防止のために低い温度で線引きをすると、線引き時の過剰な張力によってコア部や空孔に応力がかかり、ガラス欠陥や空孔表面の歪みが発生し、その結果、伝送損失が増大するという問題があった。一方、ある程度の高温で線引きをすると、空孔形状の維持のために、より緻密なガス圧力制御をしなければならず、製造が煩雑になるという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、伝送損失が低いホーリーファイバおよび伝送損失が低いホーリーファイバを容易に製造できるホーリーファイバの製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るホーリーファイバは中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、を備え、前記クラッド部は、内層と該内層の外周に位置する外層とを有し、前記コア部と前記クラッド部の内層との粘度は、前記クラッド部の外層の粘度よりも低いことを特徴とする。
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記空孔の少なくとも第2層までが、前記クラッド部の内層に形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記コア部および前記クラッド部の内層は、塩素、ゲルマニウム、フッ素のうち少なくとも1つがドープされたシリカガラスからなり、前記クラッド部の外層は、純シリカガラスからなることを特徴とする。
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記コア部および前記クラッド部の内層は、ゲルマニウムがドープされており、ゲルマニウムドープによる前記クラッド部の外層に対する比屈折率差の上昇が0.05%以上であることを特徴とする。
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記コア部および前記クラッド部の内層は、塩素がドープされており、塩素ドープによる前記クラッド部の外層に対する比屈折率差の上昇が0.009%以上であることを特徴とする。
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記コア部および前記クラッド部の内層は、フッ素がドープされており、フッ素ドープによる前記クラッド部の外層に対する比屈折率差の下降が0.017%以上であることを特徴とする。
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記コア部および前記クラッド部の内層は、温度1200℃における粘度が13P(Poise)以下であることを特徴とする。
また、本発明に係るホーリーファイバの製造方法は、中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し該コア部の周囲に層状に形成した空孔を有するクラッド部とを備えるホーリーファイバの製造方法であって、ジャケット管内の中心にコアロッドを配置し、該コアロッドの周囲に内層キャピラリー管を配置して母材を形成する母材形成工程と、前記形成した母材を線引きする線引き工程と、を含み、前記コアロッドおよび前記内層キャピラリー管の粘度は、少なくとも前記ジャケット管の粘度よりも低いことを特徴とする。
また、本発明に係るホーリーファイバの製造方法は、上記発明において、前記母材形成工程は、前記内層キャピラリーの周囲に、前記コアロッドおよび前記内層キャピラリー管よりも粘度が高い外層キャピラリー管を配置することを特徴とする。
また、本発明に係るホーリーファイバの製造方法は、中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し該コア部の周囲に層状に形成した空孔を有するクラッド部とを備えるホーリーファイバの製造方法であって、内層と、前記内層の外周に位置し該内層よりも粘度が高い外層とを有するガラスロッドに、前記内層の中心部を除いて層状に空孔を形成して母材を形成する母材形成工程と、前記形成した母材を線引きする線引き工程と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、光が伝搬する部分におけるガラス欠陥や空孔表面の歪みの発生を低減できるので、伝送損失が低いホーリーファイバが実現できるという効果を奏する。
また、本発明によれば、光が伝搬する部分におけるガラス欠陥や空孔表面の歪みの発生を低減できるとともに、加圧するガスの圧力の制御精度を高めなくても、空孔形状の変形を容易に防止できるので、伝送損失が低いホーリーファイバを容易に製造できるという効果を奏する。
以下に、図面を参照して本発明に係るホーリーファイバおよびホーリーファイバの製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下ではホーリーファイバをHFと記載する。また、ドーパントを何もドープしていないシリカガラスについては、純シリカガラスと記載する。また、本明細書においては、曲げ損失とは、光ファイバを直径20mmで16周巻いた条件での曲げ損失を意味する。また、カットオフ波長λcとは、ITU−T(国際電気通信連合)G.650.1で定義するファイバカットオフ波長をいう。その他、本明細書で特に定義しない用語についてはITU−T G.650.1における定義、測定方法に従うものとする。
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態に係るHFの断面概略図である。図1に示すように、このHF10は、中心に位置するコア部11と、コア部11の外周に位置する内層12と内層12の外周に位置する外層13とを有するクラッド部14とを備える。また、クラッド部14には、空孔15がコア部11の周囲に層状に形成されている。この空孔15は、内側から第1、2層までが内層12に形成され、第3〜5層は外層13に形成されている。
また、空孔15は、層状に形成されるとともに、三角格子Lを形成するように配置されている。空孔15の直径はdであり、三角格子Lの格子定数、すなわち空孔15の中心間距離はΛである。このHF10は、Λ、およびd/Λの値を適宜調整することで、所望の特性を実現している。
ここで、コア部11および内層12は、塩素をドープしたシリカガラスから構成されており、外層13は、純シリカガラスから構成されている。なお、シリカガラスの製造工程で塩素を用いる場合、微量の塩素が残留ドープされることがあるが、塩素がドープされている量が十分に小さい場合(塩素ドープによる塩素がドープされていないシリカガラスに対する屈折率上昇が0.050%以下の場合)は、純シリカガラスであるとする。ここでいう塩素をドープしたシリカガラスとは、外層13を構成する純シリカガラスよりもさらに多くの塩素がドープされていることを意味する。すなわち、コア部11と内層12との粘度が、外層13の粘度よりも低くなっている。したがって、このHF10においては、線引き時の過剰な張力による応力はおもに外層13にかかっており、光が伝搬するコア部11と内層12にかかる応力は低減されているため、光が伝搬する部分におけるガラス欠陥や空孔表面の歪みの発生が低減されている。その結果、このHF10は、伝送損失が低いものとなっている。
なお、HF10を伝搬する光のフィールドは、コア部11内だけでなく、空孔15の第2層目の位置まで広がっている。このHF10においては、空孔15の第2層までが内層12に形成されているので、伝搬する光がガラス欠陥等による伝送損失を受けることが十分に防止される。
コア部11および内層12にドープするドーパントは、塩素に限らず、ゲルマニウム(Ge)、フッ素(F)などでもよい。特に、塩素は、Ge、Fよりも粘性を低減する効果が高く、かつシリカガラスの屈折率をほとんど変化させないので好ましい。なお、ドーパントの濃度と、純シリカガラスに対する比屈折率差Δおよび粘性との関係については、たとえばGeの場合は、Ge濃度0.5mol%以上であれば、Δは0.05%以上となり、1200℃でのガラス粘度(log(η1200))は13P以下となる(たとえば、川副ら、非晶質シリカ材料応用ハンドブック、リアライズ社、1999参照)。一方、Fの場合は、Δの絶対値がGeのΔの0.33倍程度となる濃度であれば、Geと同程度の粘度を実現でき、塩素の場合は、ΔがGeのΔの0.17倍程度となる濃度でも、Geと同程度の粘度を実現できる。
また、コア部11および内層12にドープするドーパントは1種類に限らず、塩素、Ge、Fのいずれか2種類以上を共ドープしてもよい。たとえば、コア部11および内層12にGeとFとを共ドープすれば、GeとFとの両方の効果によって粘度をより効率的に低減することができる。さらに、共ドープするGeとFとのドープ量の比率を調整することによって、Δを所望の値、たとえば0%に制御できる。
なお、コア部11および内層12は、シリカガラスの製造工程を変化させて、粘性を変化させたもので構成してもよい。また、コア部11および内層12の粘度は同一でもよいが、光の大部分が伝搬するコア部11の粘度のほうが低い方が好ましい。
つぎに、HF10の製造方法の一例として、スタック&ドロー法を用いて製造する場合について、図2、3を用いて説明する。
はじめに、HF10を製造するための母材を形成する。図2は、HF10を製造するための母材20の断面概略図である。この母材20は以下のように形成する。はじめに、塩素をドープしたシリカガラスからなるコア部11形成用の中実のコアロッド201を準備する。そして、このコアロッド201の周囲に、塩素をドープしたシリカガラスからなる内層12および空孔15形成用の中空の内層キャピラリー管202を配置し、さらに内層キャピラリー管202の周囲に、純シリカガラスからなる外層13および空孔15形成用の外層キャピラリー管203を配置した束を形成する。そして、この束を、純シリカガラスからなる中空のジャケット管204内に収容し、母材20を形成する。なお、コアロッド201、内層キャピラリー管202、外層キャピラリー管203、ジャケット管204の直径または内径、および内層キャピラリー管202、外層キャピラリー管203の数は、空孔15の直径、および中心間距離、および層数に応じて決定する。
つぎに、母材20の下端を溶融してコラプスし、内層キャピラリー管202、外層キャピラリー管203等の孔を封鎖したものを、図3に示す線引き炉22に設置する。そして、母材20の溶融していない上端にガス加圧装置21を接続する。
つぎに、母材20の下端をヒータ22aで加熱溶融し、HF10を線引きする。線引きの際には、ガス加圧装置21によって、空孔形状を維持するために内層キャピラリー管202、外層キャピラリー管203の孔内を加圧する。ここで、この母材20においては、外層キャピラリー管203およびジャケット管204の粘度が、コアロッド201および内層キャピラリー管202より高い。その結果、線引きの際に発生する応力は主に外層キャピラリー管203およびジャケット管204にかかるので、コアロッド201および内層キャピラリー管202にかかる応力は低減されるため、比較的低温で線引きしても、光が伝搬する部分におけるガラス欠陥や空孔表面の歪みの発生が低減される。さらに、比較的低温で線引きできるので、加圧するガスの圧力の制御精度を高めなくても、空孔形状の変形を容易に防止できる。その結果、伝送損失が低いHF10を容易に製造できる。
上記では空孔形状を制御するために、キャピラリー管の孔内を加圧する方法を用いたが、逆にキャピラリー管の孔内を真空にすることでも空孔形状を制御できる。また、ヒータ温度や線引き速度を制御することで空孔形状を制御してもよい。
その後、外径測定器24aで線引きしたHF10の外径を測定し、樹脂塗布装置25aでHF10の外周に内側被覆層となる紫外線硬化樹脂26aを塗布し、紫外線照射装置27aで紫外線硬化樹脂26aを硬化し、外径測定器24bで内側被覆層の外径を測定する。同様に、樹脂塗布装置25bでHF10の内側被覆層の外周に外側被覆層となる紫外線硬化樹脂26bを塗布し、紫外線照射装置27bで紫外線硬化樹脂26bを硬化し、外径測定器24cで外側被覆層の外径を測定する。こうして被覆層が形成されたHF10は、ガイドローラ28a〜28cにガイドされ、巻取り装置29によって巻き取られる。
(実施例1、比較例1)
本発明の実施例1として、実施の形態1と同様の構造を有するHFをスタック&ドロー法によって製造した。なお、ガラスロッドおよび空孔の第2層目までを形成するためのキャピラリー管として、塩素をドープしたシリカガラスからなるものを使用した。なお、塩素のドープ量は、これらのガラスロッドおよびキャピラリー管の純シリカガラスを基準とした比屈折率差Δが0.05%となるようにした。一方、その他のキャピラリー管およびジャケット管については、純シリカガラスからなるものを使用した。一方、比較例1として、実施例1と同様の構造を有するHFを、純シリカガラスからなるガラスロッド、キャピラリー管、ジャケット管を用いてスタック&ドロー法によって製造した。実施例1、比較例1ともに、1870℃程度の低温領域で線引きを行った。
なお、実施例1、比較例1のHFの空孔の直径d、中心間距離Λについては、d/Λを0.50、Λを10μmに設定した。図4は、図1に示す構造を有し、d/Λが0.50、Λが10μmのHFの波長1550nmにおける特性を、Finite Element Method(FEM)シミュレーションを用いて算出した結果を示す図である。図4中の各特性は、波長1550nmにおける特性である。また、Aeffとは、有効コア断面積を意味する。図4に示すように、このHFは、28ps/nm/km程度の比較的抑制された波長分散値と、115μm程度の大きい有効コア断面積とを有し、かつ曲げ損失も十分に小さいので、伝送路を構成する光ファイバとして十分に用いることができる。また、図5は、図4で示したものと同じHFの波長分散特性を示す図であるが、標準のシングルモード光ファイバと類似の波長分散特性となっている。また、図6は、図4で示したものと同じHFの断面内での光のフィールド分布(Ex分布)を示す図であるが、コア部を中心としたガウシアン形状のフィールド分布となっている。
つぎに、実際に製造した実施例1、比較例1のHFの特性について説明する。図7は、実施例1、比較例1のHFの特性を示す図である。なお、図7において、カットオフ波長λc以外は波長1550nmでの特性を示す。図7に示すように、実施例1、比較例1のHFのいずれも、波長分散、分散スロープ、Aeff、曲げ損失、については、計算によって得られた図4に示す値と同等の値を実現している。伝送損失については、比較例1のHFが40.23dB/kmであるのに対して、実施例1のHFは11.46dB/kmと、大幅に低減されていた。
さらに、図8は、実施例1、比較例1のHFの伝送損失スペクトルを示す図である。図8に示すように、実施例1のHFは、広い波長帯域にわたって、比較例1のHFよりも大幅に低い伝送損失を有することが確認された。
(実施例2〜4、比較例2)
本発明の実施例2として、実施の形態1と同様の構造を有するHFをスタック&ドロー法によって製造した。なお、ガラスロッドおよび空孔の第1層目までを形成するためのキャピラリー管として、Geをドープしたシリカガラスからなるものを使用し、その他のキャピラリー管およびジャケット管については、純シリカガラスからなるものを使用した。なお、ガラスロッドおよびキャピラリー管のGeのドープ量が異なるHFを10本製造した。同様に、実施例3、4として、ガラスロッドおよび空孔の第2層目または第3層目までを形成するためのキャピラリー管として、Geをドープしたシリカガラスからなるものを使用したHFを、それぞれ10本製造した。また、比較例2として、比較例1と同様に、純シリカガラスからなるガラスロッド、キャピラリー管、ジャケット管を使用したHFを製造した。
図9は、実施例2〜4、比較例2のHFについて、ガラスロッドおよびキャピラリー管のGe濃度と波長1550nmにおけるHFの伝送損失との関係を示す図である。なお、Ge濃度については、Geをドープしたシリカガラスの比屈折率差Δに換算して表している。図9に示すように、実施例2〜4のいずれにおいても、比較例2に対して、Δが大きく、すなわちGe濃度が高くなるにつれて、伝送損失が低減することが確認された。また、実施例2よりも、実施例3、4のほうが、伝送損失がより低減されることが確認された。さらに、ガラスロッドおよびキャピラリー管のΔが0.05%以上となるような濃度にGeをドープした場合に、伝送損失の低減の効果が顕著であることが確認された。なお、単一ドーパントを仮定すると、Geの場合は0.05%以上であるが、Fの場合は約−0.017%以下、塩素の場合は約0.009%以上であれば、同様の顕著な効果が得られると考えられる。
(実施例5)
本発明の実施例5として、上記各実施例と同様の構造を有するHFをスタック&ドロー法によって製造した。ただし、ガラスロッドおよび空孔の第1層目までを形成するためのキャピラリー管として、GeとFとを共ドープしたシリカガラスからなるものを使用し、その他のキャピラリー管およびジャケット管については、純シリカガラスからなるものを使用した。なお、ドープするGe濃度は、純シリカガラスを基準としたΔが0.02%だけ上昇する濃度とし、F濃度は、Δが0.02%だけ下降する濃度とした。
その結果、製造したHFは、コア部からクラッド部にわたって均一の屈折率となり、そのΔは0%となった。また、波長1550nmにおけるHFの伝送損失を測定したところ、約25dB/kmに低減されていた。
なお、上記実施の形態では、空孔15の第2層までが内層12に形成されていたが、光の伝搬への影響がより小さい第3層以上の層までが内層12に形成されてもよい。
また、上記実施の形態では、スタック&ドロー法を用いて母材を形成するHF10の製造方法について説明したが、ドリル法やゾルゲル法などを用いて母材を形成してもよい。たとえば、ドリル法を用いる場合、内層と該内層よりも粘度が高い外層とを有するガラスロッドを準備し、このガラスロッドの内層の中心部、すなわちコア部となる部分を除いて、ドリルを用いて層状に空孔を形成して、母材を形成すればよい。
また、本発明によれば、線引き時に加圧するガスの制御精度を高めなくてもよいので、伝送損失が低いHFを容易に製造できるが、ガスの制御精度を高めれば、伝送損失がさらに低いHFを従来よりも容易に製造できることが期待される。
本発明の実施の形態に係るHFの断面概略図である。 図1に示すHFを製造するための母材の断面概略図である。 図1に示すHFの製造方法を説明する説明図である。 図1に示す構造を有し、d/Λが0.50、Λが10μmのHFの波長1550nmにおける特性を、FEMシミュレーションを用いて算出した結果を示す図である。 図4で示したものと同じHFの波長分散特性を示す図である。 図4で示したものと同じHFの断面内での光のフィールド分布を示す図である。 実施例1、比較例1のHFの特性を示す図である。 実施例1、比較例1のHFの伝送損失スペクトルを示す図である。 実施例2〜4、比較例2のHFについて、ガラスロッドおよびキャピラリー管のGe濃度と波長1550nmにおけるHFの伝送損失との関係を示す図である。
符号の説明
10 HF
11 コア部
12 内層
13 外層
14 クラッド部
15 空孔
20 母材
21 ガス加圧装置
22 線引き炉
22a ヒータ
24a〜24c 外径測定器
25a、25b 樹脂塗布装置
26a、26b 紫外線硬化樹脂
27a、27b 紫外線照射装置
28a〜28c ガイドローラ
29 巻取り装置
201 コアロッド
202 内層キャピラリー管
203 外層キャピラリー管
204 ジャケット管

Claims (10)

  1. 中心に位置するコア部と、
    前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、
    を備え、前記クラッド部は、内層と該内層の外周に位置する外層とを有し、前記コア部と前記クラッド部の内層との粘度は、前記クラッド部の外層の粘度よりも低いことを特徴とするホーリーファイバ。
  2. 前記空孔の少なくとも第2層までが、前記クラッド部の内層に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のホーリーファイバ。
  3. 前記コア部および前記クラッド部の内層は、塩素、ゲルマニウム、フッ素のうち少なくとも1つがドープされたシリカガラスからなり、前記クラッド部の外層は、純シリカガラスからなることを特徴とする請求項1または2に記載のホーリーファイバ。
  4. 前記コア部および前記クラッド部の内層は、ゲルマニウムがドープされており、ゲルマニウムドープによる前記クラッド部の外層に対する比屈折率差の上昇が0.05%以上であることを特徴とする請求項3に記載のホーリーファイバ。
  5. 前記コア部および前記クラッド部の内層は、塩素がドープされており、塩素ドープによる前記クラッド部の外層に対する比屈折率差の上昇が0.009%以上であることを特徴とする請求項3に記載のホーリーファイバ。
  6. 前記コア部および前記クラッド部の内層は、フッ素がドープされており、フッ素ドープによる前記クラッド部の外層に対する比屈折率差の下降が0.017%以上であることを特徴とする請求項3に記載のホーリーファイバ。
  7. 前記コア部および前記クラッド部の内層は、温度1200℃における粘度が13P(Poise)以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載のホーリーファイバ。
  8. 中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し該コア部の周囲に層状に形成した空孔を有するクラッド部とを備えるホーリーファイバの製造方法であって、
    ジャケット管内の中心にコアロッドを配置し、該コアロッドの周囲に内層キャピラリー管を配置して母材を形成する母材形成工程と、
    前記形成した母材を線引きする線引き工程と、
    を含み、前記コアロッドおよび前記内層キャピラリー管の粘度は、少なくとも前記ジャケット管の粘度よりも低いことを特徴とするホーリーファイバの製造方法。
  9. 前記母材形成工程は、前記内層キャピラリーの周囲に、前記コアロッドおよび前記内層キャピラリー管よりも粘度が高い外層キャピラリー管を配置することを特徴とする請求項8に記載のホーリーファイバの製造方法。
  10. 中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し該コア部の周囲に層状に形成した空孔を有するクラッド部とを備えるホーリーファイバの製造方法であって、
    内層と、前記内層の外周に位置し該内層よりも粘度が高い外層とを有するガラスロッドに、前記内層の中心部を除いて層状に空孔を形成して母材を形成する母材形成工程と、
    前記形成した母材を線引きする線引き工程と、
    を含むことを特徴とするホーリーファイバの製造方法。
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