JP2010501894A - アルカリ金属酸化物を含有する光ファイバ - Google Patents

アルカリ金属酸化物を含有する光ファイバ Download PDF

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Abstract

光ファイバにおいて、アルカリ金属酸化物を含むシリカ系コアであって、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、ＬｉＯ2、ＲｂＯ2、ＣｓＯ2およびそれらの混合物からなる群より選択されるアルカリ金属酸化物を、約５０および１０００質量ｐｐｍの間の該コア中の平均濃度で含むコア、およびコアを取り囲み、直接隣接したシリカ系クラッドを含み、１４００ｎｍ未満のケーブルカットオフ波長、約１３および１９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間の１５５０ｎｍでの色分散、および約１３２４ｎｍ未満のゼロ分散波長を有する光ファイバが開示されている。コアおよびクラッド中のアルカリ金属酸化物の濃度を適切に選択することによって、低損失の光ファイバが得られる。
【選択図】図１

Description

関連出願の説明
本出願は、その内容に基づき、それらが全てここに包含される、２００６年８月２４日に出願された米国仮特許出願第６０／８３９７４３号、および２００６年１０月５日に出願された米国仮特許出願第６０／８４９７３２号の米国特許法第１１９項第（ｅ）項の下での優先権の恩恵を主張する。
本発明は、広く、アルカリ金属酸化物がドープされた光ファイバおよびそれを製造するための装置と方法に関する。
減衰は、光ファイバの主な制限特性である。光ファイバの損失は、例えば、光ファイバ増幅器間の制限距離を決定する上で重要な役割を果たす。このことは、そのような増幅器が、かなりのシステム費用に相当し、システムの信頼性における重要な要因となっている、例えば、海底用途などの長距離および超長距離ネットワークにおいて特に重要である。
その結果、減衰をできるだけ最低レベルに減少させることに、商業上のとても大きい関心が寄せられている。
本発明のある広い態様は、シリカ系コアおよびそのコアを取り囲み直接接触したシリカ系クラッドを備えた光ファイバであって、そのコアは、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、ＬｉＯ2、ＲｂＯ2、ＣｓＯ2およびそれらの混合物からなる群より選択されるアルカリ金属酸化物を約５０および１０００質量ｐｐｍの間のコア中の平均濃度で含有している光ファイバに関する。このファイバは、１４００ｎｍ未満、より好ましくは１３００ｎｍ未満、最も好ましくは１２６０ｎｍ未満のケーブルカットオフを有する。このファイバは、約１３および１９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間、より好ましくは１４および１８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間の、１５５０ｎｍでの色分散を有する。光ファイバは、約１４２０ｎｍ未満、好ましくは約１３２４ｎｍ未満のゼロ分散を示し、好ましくは１３１０ｎｍでの約０．０９２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満、より好ましくは１３１０ｎｍでの約０．０９０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の分散勾配を示す。この光ファイバはまた、約９．５μｍより大きいモードフィールド径および１５５０ｎｍでの約７０μｍ2より大きい有効面積を示すことが好ましく、約１０．０μｍより大きいモードフィールド径および１５５０ｎｍでの約７５μｍ2より大きい有効面積がより好ましい。
アルカリ金属酸化物は、好ましくは約５０および５００質量ｐｐｍの間、より好ましくは約１００および３００質量ｐｐｍの間の平均濃度でコア中に存在する。光ファイバのコアは、ゲルマニアドーパントを実質的に含まないことが好ましく、ゲルマニアドーパントを全く含まないことがより好ましい。コアはフッ素を含有してもよく、ある実施の形態において、そのコア中のフッ素の平均濃度は、コア中のアルカリ金属酸化物の平均濃度より大きいことが好ましい。光ファイバのコア並びにクラッドは、さらに塩素を含有してもよく、ある好ましい実施の形態において、コア中の塩素の平均濃度は、コア中のアルカリ金属酸化物の平均濃度よりも大きいことが好ましい。ここに用いた平均濃度は、コア全体に亘る平均濃度を意味する。それゆえ、例えば、コアの内側の５０パーセントが３００質量ｐｐｍのＫ2Ｏを示し、コアの外側の５０パーセントが４００質量ｐｐｍのＫ2Ｏを示す場合、コア中のＫ2Ｏの平均濃度は３５０ｐｐｍとなる。Ｋ2Ｏは、本発明によるドーピングのための最も好ましいアルカリ金属酸化物である。
前記ファイバのコアは、約７５０質量ｐｐｍより大きいコア中の平均濃度で塩素を含むことが好ましい。クラッドは、コアを取り囲み、好ましくは直接隣接するシリカ系クラッドである。クラッドは、１００００ｐｐｍより多い量で塩素を含有することが好ましい。コアはゲルマニウムを実質的に含まないことが好ましく、コアはゲルマニウムを全く含まないことがより好ましい。
ある好ましい実施の形態において、前記ファイバのコアは、１００ｐｐｍ未満の量で塩素を含有する、コアの中心線に沿って位置する第１の領域、および第１の領域を取り囲み、塩素含有量が１００ｐｐｍよりも多い第２のコア領域を含む。第１の領域は、第２の領域における最小フッ素含有量よりも多い最大フッ素含有量を有することも好ましい。
コア中の塩素の平均濃度は、好ましくは５００ｐｐｍより多く、より好ましくは７５０ｐｐｍより多く、さらにより好ましくは１０００ｐｐｍより多く、最も好ましくは約１５００ｐｐｍよりも多い。コア中のフッ素の平均濃度は、好ましくは５００ｐｐｍより多く、より好ましくは７５０ｐｐｍより多く、さらにより好ましくは１０００ｐｐｍより多く、最も好ましくは約１５００ｐｐｍよりも多い。
ここに開示されたアルカリ金属酸化物ドーピング技法を用いて、１３１０ｎｍで約０．３０ｄＢ／ｋｍ未満の減衰を示し、１５５０ｎｍで約０／１７５ｄＢ／ｋｍ未満、好ましくは１５５０ｎｍで約０．１７０ｄＢ／ｋｍ未満、より好ましくは１５５０ｎｍで約０．１６ｄＢ／ｋｍ未満の減衰を示す光ファイバを製造できる。
光ファイバのコアとクラッドの両方がアルカリ金属酸化物ドーパントを含有することが好ましい。光ファイバは、少なくとも１つのコアセグメントを有するが、これは重要ではなく、光ファイバは、代わりに、多数のコアセグメントを含んでいてもよい。
光ファイバのコアは、２０ｐｐｂ未満のＯＨを含有することが好ましい。
本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部には、その説明から当業者には容易に明らかであり、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、および添付の図面を含む、ここに記載された本発明を実施することによって認識されるであろう。
先の一般的な説明および以下の詳細な説明は、本発明の実施の形態を表し、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特徴を理解するための概要または鋼製を提供することが意図されているのが理解されよう。添付の図面は、本発明をさらに理解するように含まれており、本明細書に包含され、その一部を構成する。これらの図面は、本発明の様々な実施の形態を表しており、先の説明と共に、本発明の原理および動作を説明する機能を果たす。適切な場合には、同一の特徴には、同じ番号が振られている。
本発明によるステップインデックス型光ファイバの屈折率プロファイルを示すグラフ 本発明によるステップインデックス型光ファイバの屈折率プロファイルを示すグラフ 本発明によるアルカリ金属酸化物がドープされた光ファイバを製造する方法を示すブロック図 ガラススートを堆積させる方法を示す概略図 ガラス管にアルカリ金属酸化物をドープする方法を示す概略図 ガラスロッドを線引きするプロセスを示す概略図
本発明は、低損失の光ファイバおよびその製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、アルカリ金属酸化物ドーパントがドープされた光ファイバ、並びにその光ファイバおよび関連するプリフォームを製造する方法に関する。ここに用いた以下の用語は、以下の意味を有する：
− モードフィールド径は、シングルモード光ファイバの端面に亘る光出力の尺度であり、
Figure 2010501894
として表され、ここで、２ω0はモードフィールド径（したがって、ω0はモードフィールド半径）であり、λは光の平均波長であり、Φは放射パターンの中心に対する角度であり、積分は、０°から９０°までで行われることが好ましい。モードフィールド径は、例えば、テスト手法ＡＮＳＩ／ＴＩＡ／ＥＩＡ−４５５−１９１−Ａ−２００１にしたがって測定してもよい。
− 有効面積は
Figure 2010501894
であり、ここで、積分範囲は０から∞までであり、Ｅは伝搬光に関連する電場である。
ケーブルカットオフ波長、すなわち「ケーブルカットオフ」は、ケーブル環境において曲げおよび機械圧力のレベルが高いために、測定されたファイバのカットオフよりもさらに低い。実際のケーブル条件は、ＥＩＡ−ＴＩＡ光ファイバ基準、すなわち、ＦＯＴＰ’ｓとしてより一般に知られている、the Electronics Industry Alliance - Telecommunications Industry Association Fiber Optics Standardsの一部である、ＥＩＡ−４４５光ファイバテスト手法に記載されているケーブルカットオフによって近似できる。ケーブルカットオフは、EIA-455-170 Cable Cutoff Wavelength of Single-mode Fiber by Transmitted Power、すなわち「ＦＯＴＰ−１ ７０」に記載されている。ここに用いたように、ケーブルカットオフは、EIA-445 Fiber Optic Test Proceduresに記載されたテストを用いて得られる値を意味する。
ピンアレイ曲げテストが、導波路ファイバの曲げに対する相対的な耐性を比較するために用いられる。このテストを実施するために、曲げ損失が実質的に全く誘起されていない導波路ファイバについて、減衰損失を測定する。次いで、導波路ファイバをピンアレイの周りに編み込んで、減衰を再度測定する。曲げにより誘起された損失は、２つの測定した減衰の間の差である。ピンアレイは、一列に配置された１０本の円柱形ピンの組であり、平らな表面上の固定された垂直位置に保持されている。ピンの間隔は、中心間で５ｍｍである。ピンの直径は０．６７ｍｍである。導波路ファイバは、隣接するピンの反対側を通される。テスト中、導波路ファイバは、導波路をピンの周囲の一部に従わせるのに丁度十分な張力下に置かれる。
ここに引用する別の曲げテストは、横向き荷重ワイヤメッシュ曲げテスト（ＬＬＷＭ）である。このテストにおいて、所定の長さの導波路ファイバが２枚の平らなプレート間にに配置される。＃７０ワイヤメッシュを一方のプレートに取り付ける。（市販コード＃７０のメッシュは、０．１７８ｍｍの直径を有するワイヤから製造されたスクリーンを示す。スクリーンの開口は、一辺の長さが０．１８５ｍｍの正方形である。）公知の長さの導波路ファイバをプレートの間に挟み、これらのプレートを３０ニュートンの力で互いに加圧すると同時に、参照減衰を測定する。次いで、７０ニュートンの力をプレートに印加し、ｄＢ／ｍで表された減衰の増加を測定する。この減衰の増加は、導波路の横向き荷重減衰である。
− 相対屈折率Δは、等式Δi＝（ｎi 2−ｎc 2）／２ｎi 2により定義され、ここで、ｎiは屈折率プロファイルセグメントｉの最大屈折率であり、ｎcは外側のクラッド層の屈折率である。相対屈折率は、一般にパーセントで表され、ここでは記号％Δにより示される。別記しない限り、％Δは、外側のクラッドの屈折率に対する屈折率プロファイルの特定のセグメントの最大相対屈折率を表す。
− 屈折率プロファイルという用語は、光ファイバの選択された部分、典型的にコアに亘る％Δと半径の関係である。
− アルファプロファイルという用語は、等式
Figure 2010501894
にしたがうコアの屈折率プロファイルを称し、ここで、ｒはコアの半径であり、ａはプロファイルの最後の点であり、ｒは、プロファイルの最初の点でゼロであるように選択され、ｎ0は、関心のあるコア領域の最大屈折率であり、αは、コアプロファイルの形状を規定する指数である。他の一般的なコア屈折率プロファイルの形状としては、ステップインデックス、台形インデックス、および丸み付けが、屈折率変化の急激な領域におけるドーパントの拡散によるものである、丸められたステップインデックスが挙げられる。
− コアは、一般にクラッドに対して屈折率が高められた光ファイバの部分を称し、よって、伝送される光出力は主にコアを通って伝搬する。コアは、１つ以上のセグメントからなっていてもよい。個々のコアセグメントは、純粋なシリカより大きい、純粋なシリカと等しい、または純粋なシリカより小さい屈折率を有してもよい。
− 「ｐｐｍ」は、具体的に別記しない限り、質量で百万当たりの部、または「質量ｐｐｍ」を称し、質量パーセント（質量％）で表された測定値は、１０，０００を乗じることによって、ｐｐｍに変換できる。
図１および２に示されるように、好ましい実施の形態において、ここに開示された光ファイバは、コアおよびコアを取り囲むクラッドを備えることが好ましい。クラッドが、コアを取り囲み、直接隣接していることが好ましい。コアは、ゲルマニアを実質的に含まないことが好ましく、コアがゲルマニアを全く含有しないことがより好ましい。ある好ましい実施の形態において、ファイバは、図１および、中心コアセグメントがクラッドに対して正の屈折率Δ1（ｒ）を有している、ステップ形、丸形、アルファ形または三角形を有するプロファイルなどの図１の例証のプロファイルの変種により示されるような、１つのコアセグメント、すなわち、中心コアセグメント１４、および中心コアセグメントを取り囲み、直接隣接したクラッド１６からなる。他の好ましい実施の形態において、ファイバは、中心コアセグメントおよび中心コアセグメントを取り囲み、直接隣接した第１の環状コアセグメントなどの多数のコアセグメントを含み、クラッドが、第１の環状コアセグメントを取り囲み、直接隣接しており、中心コアセグメントは、クラッドに対して、負ではない、好ましくは正の相対的屈折率Δ1％（ｒ）を有し、第１の環状コアセグメントの純粋なシリカは、クラッドに対して、負ではない、好ましくは正の相対屈折率Δ2％（ｒ）を有する。
− 図１および２に示された実施の形態において、コアセグメント１４は、光ファイバの中心から、好ましくは約２から８、より好ましくは３から６、最も好ましくは３．５から４．５マイクロメートル延在し、クラッド部分１６は、コアの外側の半径から光ファイバの最も外側の半径まで延在する。図１および２に示したように、好ましい実施の形態は、屈折率Δ1を有する少なくとも第１のコア領域１４ＡおよびΔ1より小さい屈折率Δ2を有するクラッド部分１６を用いている。コアセグメント１４の全体に亘る平均屈折率は、好ましくは約０．２５および０．４５の間、より好ましくは０．３および０．４の間である。領域１４Ａに関するΔ1の好ましい値は、約０．２５および０．４５の間にあり、約０．３０および０．３５の間がより好ましい。領域１４Ａは、ファイバの中心線まで傾斜を継続してもよく、または代わりに、コア領域１４Ａは、必要に応じて、領域１４Ｂが用いられる場合には、Δ1より大きいことが好ましいΔ0を含む領域１４Ｂを含んでもよい。コア領域１４Ｂが光ファイバの中心線に沿って用いられる場合、領域１４Ｂのピーク屈折率Δ0の好ましい値は、約０．２５および０．６０の間、より好ましくは約０．３６および０．４６の間であり、領域１４Ｂは、用いられる場合、コア領域１４Ａのピーク屈折率よりも大きいピーク屈折率を有することが好ましい。それゆえ、好ましい実施の形態において、コアセグメント１４は、コアセグメント１４の最も外側部分の近傍よりも、光ファイバの中心線に沿って高い屈折率を含む。外側のクラッド領域１６Ａの屈折率とは異なる屈折率を有する、クラッド１６の内側のクラッド領域１６Ｂも、または代わりに、用いてもよい。図２に示したように、内側クラッド領域１６Ｂの屈折率Δ3は、外側クラッド領域１６Ａより大きくても、等しくても、または小さくても差し支えない。いくつかの好ましい実施の形態において、内側クラッド領域１６Ｂの屈折率Δ3は、外側クラッド領域１６Ａの屈折率よりも小さい。内側クラッド領域１６Ｂを用いる場合、この領域の屈折率Δ3の好ましい値は、約−０．１および０．１の間であり、約−０．０３および０．０３の間がより好ましい。
コア領域は、約５０および１０００質量ｐｐｍの間のコア中の平均濃度で、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、ＬｉＯ2、ＲｂＯ2、ＣｓＯ2およびそれらの混合物からなる群より選択されるアルカリ金属酸化物（この場合はＫ2Ｏ）を含む。コアは、塩素およびフッ素をさらに含む。コア中のフッ素の平均濃度は、コア中のアルカリ金属酸化物の平均濃度よりも大きく、コア中の塩素の平均濃度は、コア中のアルカリ金属酸化物の平均濃度よりも大きいことが好ましい。ファイバはまた、コアを取り囲み、ある好ましい実施の形態において、直接隣接しているフッ素がドープされたシリカ系クラッドも含む。
ある好ましい実施の形態において、コア領域は、コアの外側領域（すなわち、約１から約４マイクロメートルまで延在する）に含まれる塩素をより低い平均濃度で含有することが好ましい、コアの中心線に沿って位置する第１の中心コア領域（約１マイクロメートルまで延在する）を含む。特に、中心コア領域中に存在する塩素の平均濃度は、１００ｐｐｍ未満、より好ましくは５０ｐｐｍ未満であってよく、第１のコア領域を取り囲む第２のまたは外側のコア領域中の塩素の平均濃度は、５００ｐｐｍより多い、より好ましくは７５０ｐｐｍより多い、さらにより好ましくは１０００ｐｐｍより多い、最も好ましくは１５００ｐｐｍより多い。コア領域中の塩素のピーク濃度は、好ましくは５００ｐｐｍより多い、より好ましくは１０００ｐｐｍより多い、最も好ましくは１５００ｐｐｍより多い。
中心コア領域中に存在するフッ素の平均濃度は、５００ｐｐｍより多い、より好ましくは７５０ｐｐｍより多い、最も好ましくは１０００ｐｐｍより多い。第１の領域を取り囲む第２のまたは外側のコア領域中のフッ素の平均濃度は同様に、好ましくは５００ｐｐｍより多い、より好ましくは７５０ｐｐｍより多い、最も好ましくは１０００ｐｐｍより多い。
コア領域全体に亘るフッ素の平均濃度は、好ましくは５００ｐｐｍより大きく、より好ましくは７５０ｐｐｍより大きく、最も好ましくは１０００ｐｐｍより大きく、好ましくは５０００ｐｐｍ未満、より好ましくは４０００ｐｐｍ未満である。例示した実施の形態において、第２のコア領域中の塩素のピーク濃度は、第２の領域中のフッ素のピーク濃度より高いが、この関係は重要ではない。コア領域中の塩素とフッ素両方の平均濃度は、好ましくは約５００ｐｐｍより大きく、より好ましくは約７５０ｐｐｍより大きく、最も好ましくは約１０００ｐｐｍより大きい。
ある好ましい実施の形態において、ここに開示された光ファイバは、１つのコアセグメント、すなわち中心コアセグメント、およびこの中心コアセグメントを取り囲み、直接隣接したクラッドを備え、ここで、クラッドは純粋なシリカに対して負の屈折率を有し、コアは、フッ素と、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、ＬｉＯ2、ＲｂＯ2、ＣｓＯ2およびそれらの混合物からなる群より選択されるアルカリ金属酸化物とを含み、アルカリ金属酸化物のピーク濃度は、２０および７００ｐｐｍの間、好ましくは５０および５００ｐｐｍ、さらにより好ましくは１００および４００ｐｐｍの間である。
ファイバのコア領域１４Ａは、０．２および０．５％の間、好ましくは０．３および０．４％の間のピーク相対屈折率デルタ（クラッドに対する）ΔMAXを含む。この光ファイバは、９０質量％より多いＳｉＯ2、好ましくは９５質量％以上のＳｉＯ2を含む。
本発明によるそのようなファイバの例が表１に列記されている。この表には、本発明による様々な実施例に関する、内側コアセグメント１４Ｂの屈折率Δ0、コアセグメント１４の平均屈折率（デルタの平均）、外側コアセグメント１４Ｂの平均屈折率Δ1、コアセグメント１４の外側半径（半径１）、および内側クラッド領域１６Ｂの屈折率Δ2および半径（半径２）が示されている。実施例の全てにおいて、コアにゲルマニウムは用いられておらず、クラッドは、フッ素ドープトシリカからなる。それゆえ、個々のセグメントの屈折率デルタは、外側のフッ素ドープクラッド領域に対してとられている。また、表１には、各実施例について、１３１０ｎｍでの分散、１３１０ｎｍでの分散勾配、ゼロ分散波長、１５５０ｎｍでの分散、１５５０ｎｍでの分散勾配、ケーブルカットオフ波長、１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍでのモードフィールド径、１５５０ｎｍでの有効面積、１５５０ｎｍでのピンアレイ曲げ損失、１５５０ｎｍでの横向き荷重曲げ損失（ＬＬＷＭ）が示されている。表１の実施例１は、図１に示された実施の形態に対応する。図１に示された１３５０ｋｍのファイバを線引きし、テストした。このファイバは、１５５０ｎｍで０．１６９ｄＢ／ｋｍの平均減衰、０．１６２ｄＢ／ｋｍの最小減衰値、および１３１０ｎｍでの０．２８５ｄＢ／ｋｍの平均減衰、０．２７５ｄＢ／ｋｍの１３１０ｎｍでの最小減衰値を示す。実施例３および７は、図２の線１８および２０に対応する。
Figure 2010501894
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光ファイバのコアとクラッド両方が、アルカリ金属酸化物ドーパントを含有することが好ましい。アルカリ金属酸化物は、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｃｓ、またはＲｂの酸化物、もしくはそれらの混合物であることが好ましく、アルカリ金属酸化物が、Ｋ2Ｏ、ＲｂＯ2、ＣｓＯ2またはそれらの混合物であることがより好ましく、アルカリ金属酸化物がＫ2Ｏであることが最も好ましい。アルカリ金属酸化物が光ファイバのコア中にピーク濃度を有することが好ましい。アルカリ金属酸化物の濃度は、光ファイバの半径に亘り半径方向で変化してもよく、ある場合には、光ファイバの半径の少なくとも一部に沿って光ファイバの中心線から増加する半径の関数として減少してもよい。
図１および２に示した実施の形態において、屈折率プロファイル１０は、クラッドセグメント１６により取り囲まれた１つのコアセグメントを有する。アルカリ金属酸化物の濃度が半径の関数として変化することが好ましい。アルカリ金属酸化物の濃度は、一般に、光ファイバの半径の少なくとも一部に沿って、光ファイバの中心線から増加する半径の関数として減少することが好ましい。光ファイバのコアセグメント１４は、図１および２に示されるようなステップ形状を有していても、または丸まった、アルファまたは三角の形状を有していてもよい。
本発明のファイバは、そのコア中にゲルマニウムを実質的に含まないことが好ましい。代わりに、この光ファイバのクラッドは、図１に示されるような屈折率プロファイルを形成するために、クラッド中に屈折率を減少させるドーパントを十分に含有する。そのような実施の形態において、クラッドセグメント１６の屈折率は、純粋なシリカより低く、もちろん、コアセグメント１４よりも低い。ここに開示された光ファイバのクラッドに使用するのに好ましい屈折率減少ドーパントはフッ素である。
本発明によるある実施の形態において、図１および２に開示されたものなどの光ファイバの屈折率プロファイルは、好ましくは１４２０ｎｍ未満の、より好ましくは１３２４ｎｍ未満の、最も好ましくは約１２８０ｎｍおよび１３２４ｎｍの間のゼロ分散波長λ0、約０．０９ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍ未満のゼロ分散勾配Ｓ0、好ましくは約０．０７ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍ未満の、より好ましくは約０．０６５ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍ未満の、最も好ましくは約０．０６ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍ未満の１５５０ｎｍでの分散勾配、および好ましくは約１３および１９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間の、より好ましくは約１４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍおよび１８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間の、１５５０ｎｍでの全分散を有するシングルモード光ファイバが得られるように調整される。しかしながら、他の屈折率プロファイルを用いて、これらと同じ性質を達成してもよい。光ファイバは、好ましくは約１３００ｎｍ未満、より好ましくは約１２６０ｎｍ未満のケーブルカットオフ波長を有する。光ファイバは、１５５０ｎｍでの約７０μｍ2より大きい有効面積を有することが好ましく、１５５０ｎｍでの約７５μｍ2より大きいことがより好ましい。光ファイバは、好ましくは約３μｍより大きい、より好ましくは約３μｍおよび５μｍの間のコアの直径、および好ましくは約９．５μｍより大きい、より好ましくは約１０μｍおよび１１μｍの間の１５５０ｎｍでのモードフィールド径を有する。本発明にしたがってアルカリ金属酸化物を含ませることにより、１３１０ｎｍで約０．３０ｄＢ／ｋｍ未満、１５５０ｎｍで約０．１８ｄＢ／ｋｍ未満、より好ましくは１５５０ｎｍで約０．１７ｄＢ／ｋｍ未満、最も好ましくは１５５０ｎｍで約０．１６ｄＢ／ｋｍ未満の減衰を有する光ファイバが製造されるであろう。例えば、実施例９〜１２により例証された、本発明のある好ましい実施の形態において、本発明のファイバは、０．１８ｄＢ／ｋｍ未満、より好ましくは０．１７ｄＢ／ｋｍ未満の１５５０ｎｍでの減衰を示し、１５５０ｎｍでの分散／減衰は、８０より大きく、より好ましくは９０より大きい。いくつかの好ましい実施の形態において、１５５０ｎｍでの分散／減衰は、約８０および１１０の間、さらにより好ましくは８０および１００の間である。これらの実施の形態におけるファイバの分散は、好ましくは１８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満、より好ましくは１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満、最も好ましくは１６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満である。
アルカリ金属酸化物の拡散は、線引きプロセス中に都合よく制御されるであろう。所定の様式で線引き条件を変えることにより、アルカリ金属酸化物ドーパントが、プリフォーム全体に亘り所望の濃度プロファイルで分布されることが分かった。アルカリ金属酸化物ドーパントは、半径に対して比較的線形の関係で拡散されることが好ましい。アルカリ金属酸化物ドーパントの拡散は、一部には、ドープされているガラスの温度、およびガラスがその温度である時間に依存するので、これらと同じ要因が、線引きプロセス中のアルカリ金属酸化物の拡散の制御に重要な役割を果たす。線引きプロセス中に光ファイバプリフォーム（およびこのプリフォームから線引きされた光ファイバ）が曝露される時間と温度は、線引き速度、線引き（炉）温度および光ファイバの張力を変えることにより制御される。例えば、線引き速度を増加させると、光ファイバプリフォームの特定の部分が線引き炉内に滞在する時間が減少し、それゆえ、アルカリ金属酸化物ドーパントが、光ファイバプリフォーム、およびそれゆえ、線引きされた光ファイバを横切り拡散する距離が減少する。これによって、クラッド中に拡散するアルカリ金属酸化物が少なくなり、したがって、光ファイバのコア中のアルカリ金属酸化物濃度が高くなるであろう。これとは反対に、線引き速度を減少させると、滞在時間が増加し、したがって、アルカリ金属酸化物は光ファイバのクラッド中にさらに拡散するので、光ファイバのコア中のアルカリ金属酸化物の濃度は減少するであろう。同様にして、炉の温度を上昇させると、アルカリ金属酸化物の拡散速度が増加し、アルカリ金属酸化物の濃度が減少するであろう。その結果、線引き速度および炉の温度は、拡散、それゆえ、得られる光ファイバ内のアルカリ金属酸化物の分布を制御するために、効果的に用いられるであろう。
図３には、光ファイバの前駆体である適切なシリカガラス物品中にアルカリ金属酸化物を拡散させることによりアルカリドープト光ファイバを製造するための、本発明の実施の形態による第１の方法４０２が示されている。方法４０２の第１の工程４０１が、示されており、図４および５を参照して説明される。従来の外付け法の図解である図４を参照すると、マンドレル１４４上に多数の層のシリカスート１６２を堆積させて、スートプリフォーム１６０を形成するために、スートバーナ１５６が用いられる。次いで、得られたスートプリフォームは、標準的な塩素乾燥技法を用いて乾燥される（工程４０３）。次いで、スートは、スートをフッ素含有化合物（例えば、ＳｉＦ4）の雰囲気に、乾燥工程から残留した塩素の多くまたは全てを除去するのに十分な温度で十分な時間に亘り曝露することによって、フッ素がドープされる（工程４０５）。フッ素含有雰囲気への曝露（フッ素掃引(fluorine sweep)）は、高レベルのフッ素がガラスにドープされるのを避けるために、好ましくは約１１００℃未満の温度で行われる。低レベルのフッ素ドーピング、例えば、０．１から０．４質量％のフッ素が望ましい。次いで、得られたフッ素（および潜在的に塩素）ドープトスート管を固結させる（工程４０７）。
次いで、固結されたガラス管にアルカリドープする（工程４０４）。例えば、図５を参照すると、得られたガラス管１０６は、旋盤１０１（ガラス作業旋盤または従来の改良化学的気相堆積（ＭＣＶＤ）ガラス形成旋盤などの）の把持具間に最初に取り付けられることが好ましい。アルカリ金属酸化物源化合物１１０を受け取るための好ましくは環状の貯留部１０８が、火炎作業または他の様式で貯留部を管に溶接することにより管１０６の壁に２つの環状首様変形部１１２を形作ることによって、管１０６の一方の端部の近くに形成される。他のタイプの貯留部を用いてもよい。環状首様変形部１１２は、互いから約２ｃｍ離れていることが好ましい。アルカリ金属の結晶化を防ぐために、管１０６、および管１０６の内部に堆積した任意の追加のガラスは、塩素を実質的に含まないことが好ましい。塩素を実質的に含まないとは、塩素含有量が、アルカリ塩化物による光損失が避けられるほど十分に少ないことを意味する。この目的には、好ましくは約５００質量ｐｐｍ未満、より好ましくは約１００質量ｐｐｍ未満、最も好ましくは約５０質量ｐｐｍ未満が望ましい。その上、シリカガラス管１０６、およびその中に堆積した任意の追加のガラスは、「水」を実質的に含まないべきである。「水」は、ヒドロキシル基ＯＨを意味する。水は、約１３８３ｎｍでのまたはその辺りでの吸収ピークの原因であり、その吸収ピークは、光ファイバの動作波長領域まで延在するかもしれない。このピークは、ファイバ減衰に有害な影響を有するであろう。したがって、ガラスのＯＨ含有量をできるだけ多く減少させることによって、水ピークとも称される吸収ピークを減少させることが望ましい。ガラス管１０６は、好ましくは約１００質量ｐｐｂ未満しか、より好ましくは約２０質量ｐｐｂ未満しかＯＨを含有しない。出発ガラス物品が、アルカリ金属酸化物ドーパントを拡散させる前に、水を実質的に含まないことを確実にするために、シリカガラス管の製造中に、従来の塩素乾燥技法を用いてよい。
再度、図５を参照する。管１０６を回転させながら、アルカリ金属酸化物源化合物１１０を貯留部１０８で管１０６中に導入し、熱源１１４により加熱して、蒸気を生成する。酸素または搬送ガスを回転シール１１８に通して管１０６の入口１１６に流入させ、アルカリ金属酸化物源化合物１１０の下流にある管１０６の部分１２０を加熱して、管１０６の内面１２２中へのアルカリ金属酸化物の拡散を促進させる。管１０６には、別のガラスロッドなどのどのようなプリフォーム部材もその中に挿入されていないことが好ましい。アルカリ金属酸化物源化合物１１０の下流にある管１０６の部分１２０は、アルカリ金属酸化物の表面１２２中への急激な拡散を促進し、ガラスの失透を防ぐのに十分な温度に加熱すべきである。アルカリ金属酸化物源化合物１１０の下流にある管１０６の部分１２０は、熱源１２４によって、好ましくは１５００℃より高い温度、より好ましくは約１５００℃および２０００℃の間の温度に加熱される。熱源１２４は、管１０６の部分１２０の長手方向に沿って行き来させることが好ましい。アルカリ金属酸化物源化合物１１０は、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｃｓ、およびＲｂからなる群より選択される元素を含むことが好ましい。アルカリ金属酸化物源化合物１１０が、臭化物、ヨウ化物またはフッ化物であることが好ましい。アルカリ金属酸化物源化合物１１０が、ＫＢｒ、ＫＩまたはＫＮＯ3であることが最も好ましい。アルカリ金属酸化物（例えば、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、ＬｉＯ2、ＲｂＯ2、ＣｓＯ2およびそれらの混合物）が、管１０６のコラプス前に、管１０６の内側の拡散表面１２２から約１００マイクロメートルおよび５００マイクロメートルの間の深さ中に拡散され、それによって、アルカリ金属酸化物ドープトガラス管が形成されることが好ましい。特に、管中に拡散されたアルカリ金属酸化物ドーパントの濃度（質量％）が、半径方向に変化することが好ましい。ガラス物品（例えば、管１０６）は、図６の拡大図に示されているように、濃度が、内側半分の部分１０７で最高であり、外側半分の部分１０９が低くなるようにドープされることが好ましい。内側と外側半分の部分の間の境界点は、管１０６の半径方向の厚さの半分（点線１１１により示される）により定義され、そこに位置する。例えば、拡散は、外側半分の部分１０９内のアルカリドーパントのピーク濃度が、内側半分の部分１０７のピーク濃度（質量％）の５０％未満であるようなものであることが好ましい。
拡散プロセスの後に、アルカリ金属酸化物がそこを通って失われるかもしれない内側の表面積を減少させ、かつアルカリ金属酸化物がその中に拡散されるガラスの層を厚くするために、管１０６をさらに加熱して、当該技術分野に公知の従来の方法（またはここに記載された乾燥法）により、管１０６の部分的なコラプスを促進させる工程を行ってもよい。拡散ドーピング工程、または管１０６の任意の部分的なコラプスが一度完了したら、管１２２の拡散表面を、シリカガラスを除去するのに適したエッチング液で、管の拡散表面１２２を通って拡散したかもしれない望ましくない不純物を除去するのに十分な深さまで、必要に応じてエッチングしてもよい。エッチング液として、例えば、ＨＦ水溶液を用いてもよい。例えば、ＣＦ4、ＳＦ6、ＮＦ3、Ｃ2Ｆ6またはそれらの混合物などのフッ化物ガスを用いることがより好ましい。内面１２２から除去される材料の量は、拡散および任意の部分的な管のコラプス中の処理条件によるが、エッチング条件は、アルカリ金属酸化物の全拡散深さの少なくとも約５パーセントの深さまで表面１２２からガラスが除去されるのに十分であることが好ましい。エッチングが一度完了したら、シリカガラス管１０６を熱源１２４でさらに加熱して、アルカリ金属酸化物源化合物１１０の下流にある管１０６をコラプスし、アルカリ金属酸化物ドープト中実ガラスロッド１３２を形成する。管のコラプスは、適切な熱源（例えば、吹管）による加熱などの、当該技術分野において公知の従来の方法にしたがって行われる。次いで、中実のアルカリドープトガラスロッド１３２を、アルカリ金属酸化物源化合物の貯留部１０８を含むガラスの部分から切断する。中実のアルカリ金属酸化物がドープされたガラスロッド１３２を、管１０６のコラプス中に吹管によって形成されたかもしれない水和ガラスのある程度または全てを除去するために、適切なエッチング液でエッチングすることが好ましい。コラプスのために乾燥熱源、例えば、誘導または抵抗加熱器、プラズマトーチ、もしくはＣＯなどの非水素含有燃料を使用する乾燥熱源が用いられる場合、エッチングは必要ないであろう。ドーピングおよび／またはコラプス工程に乾燥熱源を利用すると、管の外側の再湿潤、すなわち、外側から管内へのＯＨ（水）の拡散が最小になると考えられており、したがって、ファイバの減衰が減少するであろう。乾燥熱源は、感知できるほどのＯＨ（水）を管中に生じさせないものである。
アルカリドープトロッド１３２は、コラプスされたときに、半径方向に変化し、かつ内側半分の部分１０７に対応する部分が、最高ピーク濃度（質量％）のアルカリドーパントを有し、外側半分の部分１０９に対応する部分がそれより低いピーク濃度を有するようなアルカリ金属酸化物の濃度を含む（管１０６と同様に）ことが好ましいのが理解されるであろう。アルカリドーパントのピーク濃度がロッドの中心にあり、半径の半分での濃度が、ピーク濃度の５０％未満、より好ましくは２５％未満であることが最も好ましい。
ドープされたガラスロッド１３２は、再線引き炉１３６内で加熱し、より小さな直径のガラスロッド１４４に線引きしてもよい。この再線引きプロセスが図６に示されている。ガラスハンドル１３０を、先に記載したコラプス段階から得られたアルカリドープトガラスロッド１３２に取り付け、アルカリドープトガラスロッド１３２を、従来の再線引き炉１３６の上にある移動式下方供給支持部１３４内に取り付ける。アルカリドープトガラスロッド１３２の底部に取り付けられる犠牲ガラスロッド１３８をモータ駆動式トラクタ１４０により引っ張り、それによって、アルカリドープトガラスロッド１３２を適切な速度で線引きする。１５から２３ｃｍ／分の速度が適切であると分かった。その速度は、主に、センサ１４２により測定される直径に応じて制御される。線引きプロセスから得られた小さな直径のガラスロッド１４４の外径寸法（ｄ１）は、３ｍｍから１０ｍｍの範囲にあることが好ましく、６ｍｍ未満の直径寸法がより好ましい。コラプス工程４２６から得られたロッド１３２の直径寸法が所望の範囲内にある場合、コラプス工程１２６から得られるロッド１３２を、ガラスロッド１４４として用いてもよい。小さな直径のガラスロッド１４４は、ファイバの線引き中のアルカリドーパントの著しい移行を相殺するために、光ファイバが線引きされているときに光ファイバのコア中に望ましいピークＫ2Ｏ濃度の約５倍および１０倍の間のＫ2Ｏのピーク濃度を有するべきである。例えば、光ファイバのコア中のピークＫ2Ｏ濃度が０．４質量％であるのが望ましい場合、小さな直径のガラスロッド１４４は、約２質量％および４質量％の間のピークＫ2Ｏ濃度を有することが好ましい。特に、非常に小さいな直径のアルカリドープトロッドを有することが都合よい。何故ならば、これにより、ファイバの中心線に非常に近いロッド内に存在する遷移金属不純物が濃縮されるからであり、この場所では、悪影響が最小である。ドープされたクラッドに加えられる多量の材料について、ファイバ中のピーク濃度は、小さな直径のガラスロッド中のピーク濃度の１／１００未満であって差し支えないことが認識されよう。方法４０２の工程４２９により示されるように、この方法による小さな直径のガラスロッド１４４は、一度形成されたら、オーバークラッドされる。
例えば、図４に示したように、当該技術分野において公知のＯＶＤ法を用いて、追加の多孔質ガラススート１６２がその上にオーバークラッドとして堆積される出発ロッドとして、小さな直径のアルカリドープトガラスロッド１４４を用いて、アセンブリ１６０を形成してもよい。典型的な外付け法が図４に示されている。図４に示されたように、ガラスハンドル１５４が、これまでに説明されたように製造された小さな直径のアルカリドープトガラスロッド１４４に取り付けられ、得られるプリフォームの一体部分となる。ハンドル１５４は、後の加工工程中の堆積プロセスから得られるシリカガラスプリフォームを支持する方法を提供する。ハンドル１５４が取り付けられたガラスロッド１４４は旋盤に取り付けられ、ここで、ロッドは回転せしめられ、例えば、米国特許第４１６５２２３号明細書に開示されたタイプのものであってよいバーナ１５６に対して平行移動せしめられる。燃料ガスおよび酸素、または空気が供給源（図示せず）からバーナ１５６に供給される。この混合物が燃焼されて、バーナ１５６から発せられる火炎が生成される。シリカ前駆体ガスと蒸気の混合物が火炎内で酸化されて、シリカ含有スート流１５８が形成され、これがガラスロッド１４４に向けられる。ガスと蒸気の混合物をバーナ１５６に供給するための適切な手段は、当該技術分野においてよく知られており、そのような手段の例示について、米国特許第３８２６５６０号、同第４１４８６２１号および同第４１７３３０５号の各明細書を参照のこと。複合スートプリフォーム１６０は、ガラスロッド１４４をバーナ１５６に対して何回も平行移動させて、多くのシリカスート含有層を堆積させ、スートコーティング１６２を形成することによって形成される。この平行移動動作は、バーナ１５６を、回転しているガラスロッド１４４に沿って前後に移動させることよって、またはバーナ１５６およびガラスロッド１４４の両方の組み合わされた平行移動動作によって行っても差し支えない。スートコーティング１６２は、複合プリフォーム１６０のコアガラスの少なくとも一部を形成し、これは、実質的に純粋なシリカからなることが好ましい。スートコーティングは、好ましくは０．３５ｇ／ｃｃより大きい、より好ましくは約０．３５ｇ／ｃｃおよび０．５ｇ／ｃｃの間の密度を有する。次いで、複合プリフォーム１６０を、約１０００℃の温度まで炉内で加熱しながら、塩素含有ガスに曝露することによって、乾燥させる。次いで、プリフォーム１６０をフッ素ドープする。フッ素ドープ工程中、プリフォーム１６０は、スートがフッ素でドープされるのに適した温度でそのプリフォームをフッ素含有ガスに曝露することによって、フッ素ドープすることが好ましい。このようにして、光ファイバの外側のコア領域が形成される。しかしながら、フッ素ドープ工程は、比較的少量のフッ素（例えば、０．１から０．４質量％）がドープされるのに十分な長さしか行われない。次いで、プリフォーム１６０は、プリフォームを固結するのに適切な温度までこのプリフォームを加熱することによって、固結される。次いで、得られた透明なガラスコアプリフォームを再線引きして、第２のコアロッド、すなわち、そこから線引きされる光ファイバのコアの少なくとも一部を含有するガラスロッドを形成してもよい。次いで、第２のコアロッドは、ガラス管（ガラス管またはスート管のいずれか）のスリーブに通すことにより、化学的気相成長法によってガラススートを堆積させることにより、例えば、スリーブ通しと化学的成長法の両方により、もしくは当該技術分野において公知の他の方法によりさらに処理して、光ファイバに線引きされる準備のできている完全な光ファイバプリフォームを形成してもよい。追加のガラスは、コアガラス、クラッドガラスまたはコアガラスとクラッドガラスの両方を含んでもよい。さらに、追加のガラスに、所望の厚さを達成するために追加の堆積工程を何回か施してもよく、ここで、各工程後、スートを乾燥させ、フッ素をドープし、固結し、小さな直径のロッドに再線引きする。コアに隣接するクラッドであることが好ましい最も外側のクラッドは、光ファイバのクラッド領域を形成するためのフラッド(flood)・ドーピング（米国特許第４６２９４８５号明細書を参照）によりフッ素で十分にダウンドープされたシリカであることが好ましい。ドーピングは、例えば、０．２％より大きい、コアとクラッドの間の相対屈折率デルタ％を達成するのに十分であることが好ましく、０．３０％および０．４０％の間がより好ましい。特に、モート(moat)・シリカ（追加のガラスはファイバのクラッドに対応する）が第２のロッドへの堆積により加えられる各追加の工程について、そのようなモート・シリカにはフッ素をドープする。モート・シリカは、最初に、塩素含有ガスに曝露し、次いで、１２２５℃で６０〜１２０分間に亘りフッ素含有ガス（例えば、ＳｉＦ4またはＣＦ4）に曝露することによって乾燥させ、次いで、好ましくはフッ素含有ガスの存在下で、７〜１０ｍｍ／分の速度で高温区域（１４５０〜１５００℃）に通して下方に駆動することにより固結する。このプリフォームを再線引きして、第３のロッドを形成し、適切な直径の最終的なプリフォームが形成されるまで、これらの工程、すなわち、堆積、乾燥、フッ素ドーピング、および固結を再度繰り返してよい。クラッドにおける追加のガラスの各連続層内のフッ素質量％は、応力作用を最小にするために、最も外側のクラッド中で、好ましくはほぼ同じまたはより好ましくはわずかに小さい（約０．１から０．５質量％小さい）。工程４６７の完全な光ファイバプリフォームが製造された後、完成した光ファイバ線引きプリフォームは、アルカリ金属酸化物がドープされた光ファイバに線引きされる。
ファイバを製造するための他の方法が、それに基づき、ここにその全てが引用される、米国特許出願公開第２００５／００６３６６３号明細書に開示されている。
ここに開示された実施の形態の全てにおいて、光ファイバは、クラッドの最も外側の直径を取り囲み、直接接触した第１コーティング、および第１コーティングを取り囲み、直接接触した第２コーティングを含むことが好ましい。
本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明の様々な改変および変更を行ってもよいことが当業者には明らかである。それゆえ、本発明は、本発明の改変および変更を、それらが添付の特許請求の範囲およびその同等脱に含まれるという条件で、包含することが意図されている。
１０６ ガラス管
１０８ 環状貯留部
１１０ アルカリ金属酸化物源化合物
１１２ 環状首様変形部
１１４、１２４ 熱源
１３０ ガラスハンドル
１３２ アルカリ金属酸化物がドープされたガラスロッド
１４２ センサ
１４４ 小さな直径のガラスロッド
１５６ バーナ
１６０ 複合プリフォーム
１６２ 多孔質ガラススート

Claims (10)

  1. 光ファイバにおいて、
    シリカ系コアであって、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、ＬｉＯ2、ＲｂＯ2、ＣｓＯ2およびそれらの混合物からなる群より選択されるアルカリ金属酸化物を、約５０および１０００質量ｐｐｍの間の該コア中の平均濃度で含むコア、および
    前記コアを取り囲み、直接隣接したシリカ系クラッド、
    を含み、１４００ｎｍ未満のケーブルカットオフ波長、約１３および１９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間の１５５０ｎｍでの色分散、および約１４２０ｎｍ未満のゼロ分散波長を有する光ファイバ。
  2. 約１３００ｎｍ未満のケーブルカットオフ波長を示すことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  3. １５５０ｎｍで約７０μｍ2より大きい有効面積を有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  4. 約０．０６５ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍ未満の、１５５０ｎｍでの分散勾配を示すことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  5. 前記コアが、約５００質量ｐｐｍより多い平均濃度でフッ素を含むことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  6. 前記コアが、約５００質量ｐｐｍより多い該コア中の平均濃度で塩素をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  7. 前記コアが、前記クラッドに対して０．３％より大きいピーク相対屈折率ΔMAXを持つ屈折率プロファイルを有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  8. 前記コアが塩素およびフッ素をさらに含み、該コア中のフッ素の平均濃度が、該コア中のアルカリ金属酸化物の平均濃度より大きく、該コア中の塩素の平均濃度が、該コア中のアルカリ金属酸化物の平均濃度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  9. 前記コアがゲルマニウムを実質的に含まないことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  10. 前記コア中の塩素の平均濃度が約５００質量ｐｐｍより大きく、該コア中のフッ素の平均濃度が約５００質量ｐｐｍより大きいことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
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