JP2011164408A - 光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ特性に優れ、且つ、物理的な断線時に空孔への水の浸入を防ぐことができ、長距離伝送が可能な光ファイバを提供する。
【解決手段】コア領域２と、コア領域２の外周に形成されたクラッド層３とを備え、光海底伝送システムの光伝送路として用いられる光ファイバ１において、クラッド層３は、コア領域２の外周に形成された内部クラッド層４と、内部クラッド層４の外周に形成され複数の空孔部５を有する空孔領域６と、空孔領域６の外周に形成された外部クラッド層７とからなり、内部クラッド層４の厚さが３μｍ以上であるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光海底伝送システムの光伝送路として用いられる光ファイバに関するものである。

近年、インターネットなどの急速な普及に伴い情報容量が増大し、情報の伝送媒体に対する大容量化の要求が高まってきた。大容量化に対応する技術として、例えば、波長多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）伝送方式がある。

ＷＤＭ伝送方式は、１本の光ファイバで複数の光信号を伝送できるので、伝送容量を一気に増大させることが可能であり、大陸間を結ぶ光海底伝送システムのような長距離大容量伝送路に導入されている。

ＷＤＭ伝送の大容量化のためには波長多重数を増加させる必要があるが、光ファイバに入射する信号光パワーが大きくなるため、非線形効果現象が発生する可能性が高くなる。例えば、四光波混合によるノイズの増加や信号光の減少を引き起こすことがある。また、例えば、自己位相変調現象により光ファイバ中のパルス信号波形が歪み、伝送容量が制限されることもある。つまり、非線形効果現象が生じると、光ファイバ中を伝搬する信号光の伝送特性の劣化を招く。

このような非線形効果現象を抑制するため、光ファイバの実効断面積を大きくし、光ファイバ内の信号光パワー密度を低下させたコア拡大（Ｌａｒｇｅ ｍｏｄｅ ａｒｅａ：ＬＭＡ）ファイバが必要となる。

従来のＬＭＡファイバでは、非特許文献１に示されるようにコア領域の屈折率分布を制御して実効断面積を１８０μｍ²とすることができたが、実効断面積を大きくすると、光ファイバのモードフィールド径も大きくなる。そのため、実効断面積を大きくしたＬＭＡファイバは、曲げ損失が増大し曲げ特性が劣化するという問題がある。光ファイバは、その接続部分や余剰部分などがクロージャや成端箱などに巻かれた状態で収められるが、曲げ特性が劣化すると光ファイバをクロージャや成端箱に収めるのが困難となってしまう（伝送損失が増大してしまう）。

一方、コア領域の周辺部に長手方向に沿って複数の空孔が形成されたホーリーファイバは、コア領域の周辺部に形成された空孔によりコア領域とクラッド層との間に大きな屈折率差を作り出しているため、モードフィールド径が大きくても非常に優れた曲げ特性を実現することができる。

特開２００４−２０８３６号公報 特開２００９−６９２３８号公報

Ｋ．Ｏｈｓｏｎｏ． ｅｔ． ａｌ．、ＩＷＣＳ ２００１、２００１、ｐ．４８３

しかし、光海底伝送システムの光伝送路としてホーリーファイバを用いた場合、物理的な断線時にホーリーファイバの空孔と海水との気圧差により、ホーリーファイバの長手方向に亘って形成された空孔内に海水が浸入し、長距離間に亘って光伝送路の交換が必要となってしまう場合がある。

また、光海底伝送システムでは、光伝送路が１万ｋｍ級となるため、伝送損失が０．１８ｄＢ／ｋｍ以下、波長分散（分散）が２１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ以下であることが求められている。

そこで、本発明の目的は、曲げ特性に優れ、且つ、物理的な断線時に空孔への水の浸入を防ぐことができ、長距離伝送が可能な光ファイバを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、コア領域と、該コア領域の外周に形成されたクラッド層とを備え、光海底伝送システムの光伝送路として用いられる光ファイバにおいて、前記クラッド層は、前記コア領域の外周に形成された内部クラッド層と、該内部クラッド層の外周に形成され複数の空孔部を有する空孔領域と、該空孔領域の外周に形成された外部クラッド層とからなり、前記内部クラッド層の厚さが３μｍ以上である光ファイバである。

請求項２の発明は、前記空孔領域の前記空孔部が、直径１μｍ以下の独立した気泡からなる請求項１に記載の光ファイバである。

請求項３の発明は、波長分散が、２１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ以下である請求項１又は２に記載の光ファイバである。

請求項４の発明は、伝送損失が、０．１８ｄＢ／ｋｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバである。

請求項５の発明は、前記コア領域の外径が、１１μｍ以上２０μｍ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバである。

請求項６の発明は、前記コア領域と前記クラッド層の屈折率差が、０．１％以上０．２％以下である請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバである。

本発明によれば、曲げ特性に優れ、且つ、物理的な断線時に空孔への水の浸入を防ぐことができ、長距離伝送が可能な光ファイバを提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る光ファイバを示す断面図である。 本発明の根拠を説明する図である。 図１に示した光ファイバの製造方法を説明する図である。 図１に示した光ファイバの製造方法を説明する図である。 図３、図４に示した製造方法により製造された光ファイバを示す斜視図である。 図３、図４に示した製造方法により製造された光ファイバを示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る光ファイバを示す断面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る光ファイバ１は、信号光を伝搬させるコア領域２と、コア領域２の外周に形成されコア領域２より屈折率が低いクラッド層３とを備え、光海底伝送システムの光伝送路として用いられるものである。

コア領域２の外径は、１１μｍ以上２０μｍ以下であるとよい。これは、光ファイバ１の実効断面積を大きくすることで、光ファイバ１内の信号光パワー密度を低下させ、非線形効果現象を抑制するためである。

クラッド層３は、コア領域２の外周に形成された内部クラッド層４と、内部クラッド層４の外周に形成され複数の独立した空孔部５を有する空孔領域（気泡領域）６と、空孔領域６の外周に形成された外部クラッド層７とからなる。また、複数の空孔部５は、分布の均一性の観点からそれぞれ直径１μｍ以下の気泡からなるとよい。詳細は後述するが空孔領域６は、スート母材の内部クラッド層４となる層の外周にＮ₂ガスを残留させた層を堆積させ、その外周に外部クラッド層７となる層を堆積させ、線引き時にＮ₂ガスを残留させた層中でＮ₂ガスを発泡させて形成されるため、内部クラッド層４内、及び外部クラッド層７内に空孔部５が形成されることはない。つまり、本発明において空孔領域６とは、空孔部５が存在しうる範囲の層のことである。

コア領域２とクラッド層３の屈折率差は、０．１％以上０．２％以下であるとよい。これは、屈折率差が０．１％未満だと信号光の閉じこめが十分行えず、０．２％を超えると光ファイバがマルチモード動作しやすくなりシングルモード動作に支障を来す虞があるためである。光ファイバ１では、コア領域２とクラッド層３の屈折率差が小さいことによる曲げ特性の劣化を防ぐために、空孔領域６を設けて屈折率差を大きくしている。

この光ファイバ１は、コア領域２と空孔領域６との距離、即ち内部クラッド層４の厚さが３μｍ以上である点に特徴がある。この特徴について以下に述べる。

本実施の形態に係る光ファイバ１のように、コア領域の周囲に独立した気泡が形成された光ファイバ（微小構造ファイバ）は、空孔部がそれぞれ独立した気泡からなるため、物理的な断線時に空孔部への水の浸入を防ぐことができ、光海底伝送システムの光伝送路としては有効である。

しかし、製造上、微小構造である空孔部の分布が不均一となるため、この不均一さが光の散乱要因となり、伝送損失が０．２ｄＢ／ｋｍより大きくなってしまうという問題がある。また、波長分散（分散）が大きいと、隣接パルス間の重なりにより、信号判別ができなくなるという問題が生じる。

光海底伝送システムのような長距離伝送では、光伝送路の長さが１万ｋｍにも及ぶため、非常に大きな伝送損失、波長分散となってしまう。そのため、微小構造ファイバの光海底伝送システムへの応用が困難であった。

本発明者らは検討を重ね、コア領域２と空孔領域６との距離、即ち内部クラッド層４の厚さを調整することで、伝送損失や波長分散を低減できることを見出した。コア領域２の直径が１４μｍである場合の内部クラッド層４の厚さと伝送損失及び分散の関係を図２に示す。

図２に示すように、内部クラッド層４の外径を大きくするほど、即ち内部クラッド層４の厚さを厚くするほど、伝送損失と分散が減少していることが分かる。このグラフから伝送損失が０．１８ｄＢ／ｋｍ以下、分散が２１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ以下となる内部クラッド層４の外径は２０μｍ以上であることが確認できる。つまり、内部クラッド層４の厚さが３μｍ以上の場合に伝送損失と分散を十分に低減することができる。

この結果から、本実施の形態に係る光ファイバ１では、内部クラッド層４の厚さを３μｍ以上にした。

本実施の形態に係る光ファイバ１の製造方法の一例を説明する。

先ず、図３に示すように、コア領域２と内部クラッド層４に相当する部分を備えたスート母材（母材）１０をＶＡＤ（Ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ａｘｉａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ：気相軸受け）法により製造する。具体的には、水素と酸素の混合気体の火炎中で、高純度のＳｉＣｌ₄や屈折率に変化を持たせるＧｅＣｌ₄などを燃焼させることにより、不純物の少ないガラスを精製し、種となるロッド（出発材）１１上に積もらせ、ロッド１１を移動させることにより長くしていく。このとき、内周部（コア領域２に相当）と外周部（内部クラッド層４に相当）で添加物の種類や濃度を変えることにより、コア領域２とクラッド層４に相当する部分を同時形成できる。ＶＡＤ法では、大型の母材１０を精製することができるため、低コストで光ファイバ芯線を製造することができる。また、ＶＡＤ法は、ＭＣＶＤ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）法に比べ製造スピードが速く（約１００倍速い）、この点でもコストの低減を実現することができる。

次いで、図４に示すように、得られた母材１０を電気炉２０を用いて１６００℃で加熱処理する。電気炉２０は、外気と遮断された石英マッフル２１を備える。石英マッフル２１は、Ｈｅガス、Ｃｌ₂ガス、Ｎ₂ガスが供給できる仕組みになっている。母材１０を加熱処理する際は、石英マッフル２１内に、Ｈｅガス（供給量：２０Ｌ／ｍｉｎ）、Ｃｌ₂ガス（供給量：０．５Ｌ／ｍｉｎ）を供給しながら行う。Ｈｅガスは拡散係数の大きい性質を持ったガスで、母材１０を透明なガラスにしやすくするために用いるものである。また、同時に供給するＣｌ₂ガスは、母材１０中に含有するＯＨ基を除去し、母材１０から得られる光ファイバを低損失にするために用いるものである。

以上のようにして得られた透明なガラス母材（外径：φ４０ｍｍ、コア領域２の外径：φ２０ｍｍ、長さ：５００ｍｍ）を延伸（外径：φ３０ｍｍ、長さ：７００ｍｍ）する。透明なガラス母材の外周にＯＶＤ（Ｏｕｔｓｉｄｅ Ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）法にて空孔領域６となる層を堆積させて外付けスート母材（外径：φ５０ｍｍ）を得る。ここで得られた外付けスート母材を、電気炉２０を用いて加熱処理（処理温度：１６００℃、Ｈｅガスの供給量：１０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ₂ガスの供給量：１０Ｌ／ｍｉｎ）し、ガラス化母材（外径：φ４０ｍｍ、長さ：７００ｍｍ）を得る。加熱処理の雰囲気をＨｅガス、Ｎ₂ガス混合雰囲気で行う理由は、Ｎ₂ガスは拡散係数がＨｅに比べて小さいため、外付けスート母材にＮ₂ガスが残留しやすく、残留したＮ₂ガスが線引き時に発泡し、直径１μｍ以下の独立した空孔部（気泡）５を形成するためであるが、Ｎ₂ガスのみの雰囲気では発泡が過剰となり、後述するファイバ化工程において、直径１μｍを超える気泡の発生頻度が高くなってしまうからである。

得られたガラス化母材を伸線加工（外径：φ３０ｍｍ、長さ：１０００ｍｍ）し、その外周にＯＶＤ法にて外部クラッド層７に相当する層を堆積させ、外付けスート母材（外径：φ２００ｍｍ）を得る。その後、得られた外付けスート母材を大型の電気炉で加熱処理（処理温度：１６００℃、炉内投入ガス条件：Ｈｅガス（２０Ｌ／ｍｉｎ）、Ｃｌ₂ガス（０．５Ｌ／ｍｉｎ））し、透明ガラス化を行う。得られた透明なガラス化母材（外径：φ１２０ｍｍ、長さ：９００ｍｍ）を線引きし、光ファイバ１（クラッド外径：１２５μｍ、長さ１０００ｋｍ）を得る。

以上の工程により、得られた光ファイバ１の断面を観察した写真を図５、図６に示す。図５、図６に示すように、得られた光ファイバ１のコア領域２の周辺部には、直径１μｍ以下の空孔部５を含む厚さ１０μｍの空孔領域６が存在している。この光ファイバ１の諸特性を表１に示す。

表１より本実施の形態に係る光ファイバ１によれば、伝送損失が０．１８ｄＢ／ｋｍ以下、分散が２１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ以下に抑えられていることが分かる。また、曲げ損失も曲げ半径ｄ＝２０ｍｍにおいて０．５〜０．７ｄＢ／ｍであり、優れていることが分かる。

以上要するに本実施の形態に係る光ファイバ１によれば、独立した気泡からなる空孔部５を有する空孔領域６を備えるため、物理的な断線時に空孔部５への水の浸入を防ぐことができると共に曲げ特性の劣化を防止できる。

また、光ファイバ１によれば、コア領域２と空孔領域６との距離、即ち内部クラッド層４の厚さが３μｍ以上であるため、空孔部５の不均一さに起因する伝送損失や分散を抑制することができ、長距離伝送が可能となる。

また、光ファイバ１によれば、空孔部５が、直径１μｍ以下の独立した気泡からなるため、その分布がある程度均一となり、空孔部５の分布の不均一さに起因する伝送特性や分散の劣化を抑制することができる。

１ 光ファイバ
２ コア領域
３ クラッド層
４ 内部クラッド層
５ 空孔部
６ 空孔領域
７ 外部クラッド層

Claims (6)

1. コア領域と、該コア領域の外周に形成されたクラッド層とを備え、光海底伝送システムの光伝送路として用いられる光ファイバにおいて、
   前記クラッド層は、前記コア領域の外周に形成された内部クラッド層と、該内部クラッド層の外周に形成され複数の空孔部を有する空孔領域と、該空孔領域の外周に形成された外部クラッド層とからなり、前記内部クラッド層の厚さが３μｍ以上であることを特徴とする光ファイバ。
2. 前記空孔領域の前記空孔部が、直径１μｍ以下の独立した気泡からなる請求項１に記載の光ファイバ。
3. 波長分散が、２１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ以下である請求項１又は２に記載の光ファイバ。
4. 伝送損失が、０．１８ｄＢ／ｋｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバ。
5. 前記コア領域の外径が、１１μｍ以上２０μｍ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバ。
6. 前記コア領域と前記クラッド層の屈折率差が、０．１％以上０．２％以下である請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバ。

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