JP2012189804A

JP2012189804A - 光ファイバ

Info

Publication number: JP2012189804A
Application number: JP2011053251A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Taru; 稔樹樽; Takushi Nagashima; 拓志永島; Kazuya Kuwabara; 一也桑原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-10-04
Also published as: US20120230639A1

Abstract

【課題】所望の特性を有するものとして容易に製造され得る光ファイバを提供する。
【解決手段】光ファイバ１は、コア領域１１と、このコア領域１１を取り囲むクラッド領域１２と、このクラッド領域１２を取り囲むジャケット領域１３と、ファイバ軸に垂直な面において円周上に配置されファイバ軸に沿って延在する複数の空孔１４と、を備える。コア領域，クラッド領域およびジャケット領域はガラスからなる。線引温度においてクラッド領域のガラスの粘性よりジャケット領域のガラスの粘性が小さい。複数の空孔それぞれがクラッド領域のガラスとジャケット領域のガラスとにより囲まれていて、複数の空孔それぞれを囲むガラスの５０％以上がクラッド領域のガラスである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバに関するものである。

特許文献１に記載された光ファイバは、コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域と、このクラッド領域を取り囲むジャケット領域と、ファイバ軸に垂直な面において円周上に配置された複数の空孔と、を備えている。これら複数の空孔はファイバ軸に沿って延在している。このような光ファイバは空孔アシスト光ファイバと呼ばれる。

空孔アシスト光ファイバの特性（例えばカットオフ波長や曲げ損失）は、空孔の個数・配置・サイズ・形状などに大きく依存する。例えば、空孔サイズが大きくなるとカットオフ波長が長くなり、空孔サイズが小さくなると曲げ損失が大きくなる。つまり、カットオフと曲げ損失とは空孔サイズに対してトレードオフの関係にあり、空孔サイズの良好範囲は限定される。

したがって、空孔アシスト光ファイバの空孔のサイズや形状などは設計どおりに形成されることが重要である。空孔サイズの制御は、線引時に空孔内部の圧力などを調整することで行われる。このとき空孔径は圧力に対してほぼ比例する。

また、特許文献２，３には、空孔の変形を抑制することを意図した発明が開示されている。特許文献２に記載された光ファイバは、線引温度においてジャケット領域のガラスの粘性よりクラッド領域のガラスの粘性が大きく、粘性が大きいクラッド領域内に空孔が設けられている。また、特許文献３に記載された光ファイバは、線引温度においてクラッド領域のガラスの粘性よりコア領域のガラスの粘性が大きく、粘性が大きいコア領域内に空孔が設けられている。特許文献２，３に開示された発明は、粘性が大きい領域内に空孔を配置することで、線引後の光ファイバの空孔の変形を抑制することを意図している。

特許第３８５４６２７号公報特表２００５−５３８０２９号公報特開２００２−２７７６６７号公報

しかしながら、線引時に空孔内部の圧力などを調整することで空孔サイズを制御する技術は容易ではなく、必要とされる０.１μｍオーダーの空孔サイズの制御は困難である。また、特許文献２，３に開示された発明のように粘性が大きい領域内に空孔を配置することとしても、母材の段階で隣り合う２つの空孔の間の距離が短い場合や、空孔サイズがばらついている場合には、空孔の変形が生じ易い。何れにしても、所望の特性を有する光ファイバの製造は容易ではない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、所望の特性を有するものとして容易に製造され得る光ファイバを提供することを目的とする。

本発明の光ファイバは、コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域と、このクラッド領域を取り囲むジャケット領域と、ファイバ軸に垂直な面において円周上に配置されファイバ軸に沿って延在する複数の空孔と、を備え、コア領域，クラッド領域およびジャケット領域それぞれがガラスからなり、線引温度においてクラッド領域のガラスの粘性よりジャケット領域のガラスの粘性が小さく、複数の空孔それぞれがクラッド領域のガラスとジャケット領域のガラスとにより囲まれ、複数の空孔それぞれを囲むガラスの５０％以上がクラッド領域のガラスであることを特徴とする。また、クラッド領域のガラスにおける塩素濃度が０.０５wt％より大きいのが好適である。

本発明の光ファイバは、所望の特性を有するものとして容易に製造され得る。

第１実施形態の光ファイバ１の断面図である。第１実施形態の光ファイバ１の屈折率プロファイルを示す図である。第２実施形態の光ファイバ２の断面図である。第２実施形態の光ファイバ２の屈折率プロファイルを示す図である。母材線引時のネックダウンの位置による規格化空孔径の変化の様子を模式的に示す図である。母材および光ファイバそれぞれの断面図である。本実施形態の光ファイバにおける空孔の変形の非等方性を説明する図である。線引時に加圧力調整を行うときの空孔サイズ変化に対する光ファイバの特性変化を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

先ず、第１実施形態の光ファイバ１の構造について説明する。図１は、第１実施形態の光ファイバ１の断面図である。この図は、光ファイバ１のファイバ軸に垂直な断面を示している。図２は、第１実施形態の光ファイバ１の屈折率プロファイルを示す図である。図２に示される屈折率プロファイルは図１中の破線に沿ったものである。光ファイバ１は、コア領域１１と、このコア領域１１を取り囲むクラッド領域１２と、このクラッド領域１２を取り囲むジャケット領域１３と、ファイバ軸に垂直な面において円周上に配置されファイバ軸に沿って延在する複数（同図では１０個）の空孔１４と、を備える。コア領域１１，クラッド領域１２およびジャケット領域１３それぞれはガラスからなる。

光ファイバ１の製造方法は以下のとおりである。初めに、ＧｅＯ_２が添加された石英ガラスのコアと、ＧｅＯ_２が添加されていないクラッドと、からなるガラスロッドが作製される。このガラスロッドの作製に際しては、ＶＡＤ法などによりガラス微粒子堆積体が作製され、このガラス微粒子堆積体が焼結され透明化されることでガラスロッドが作製される。このガラスロッドが適切な形状になるまで延伸され、延伸後のガラスロッドの周囲にジャケット領域となるガラスが付与される。ジャケット領域の付与は、ＶＡＤ法やＯＶＤ法によるスス付けおよび焼結で行われ、或いは、別途準備した石英ガラスパイプを用いたジャケットコラプスなどの方法で行われる。ジャケット領域が付与されたガラスロッドに対してドリルによる穿孔によって所定の位置に空孔が設けられることで母材が製造される。

そして、この母材が線引されて光ファイバ１が製造される。このとき、光ファイバ１における空孔１４が所定のサイズになるよう、母材空孔の圧力が調整されながら母材が線引される。例えば、線引時の開始端において空孔１４のサイズが確認され、確認された空孔１４のサイズが所望のサイズより小さい場合は圧力が増加され、確認された空孔１４のサイズが所望のサイズより大きい場合は圧力が減少されて、目標の空孔径が得られるように制御される。

次に、第２実施形態の光ファイバ２の構造について説明する。図３は、第２実施形態の光ファイバ２の断面図である。この図は、光ファイバ２のファイバ軸に垂直な断面を示している。図４は、第２実施形態の光ファイバ２の屈折率プロファイルを示す図である。図４に示される屈折率プロファイルは図３中の破線に沿ったものである。光ファイバ２は、コア領域２１と、このコア領域２１を取り囲むクラッド領域２２と、このクラッド領域２２を取り囲むジャケット領域２３と、ファイバ軸に垂直な面において円周上に配置されファイバ軸に沿って延在する複数（同図では１０個）の空孔２４と、を備える。コア領域２１，クラッド領域２２およびジャケット領域２３それぞれはガラスからなる。

光ファイバ２の製造方法は以下のとおりである。初めに、ＧｅＯ_２が添加された石英ガラスのコアと、ＧｅＯ_２が添加されていないクラッドと、からなるガラスロッドが作製される。このガラスロッドの外周に軸方法に延在する複数の溝が形成される。このガラスロッドに対してジャケットコラプスまたはロッドイン線引が行われて母材が製造される。このとき、ガラスロッドの溝部分が光ファイバ２の空孔２４として残るように、ジャケットコラプスまたはロッドイン線引が行われる。そして、この母材が線引されて光ファイバ２が製造される。

光ファイバ１，２の何れも、線引温度においてクラッド領域のガラスの粘性よりジャケット領域のガラスの粘性が小さい。また、コアの屈折率よりクラッド領域の屈折率が低く、クラッド領域の屈折率よりジャケット領域の屈折率が高い。このような各領域の粘性および屈折率の関係は、母材段階において添加剤の種類や量が調整されることで実現され得る。例えば、塩素またはフッ素の添加により石英ガラスの粘性が低下され得る。一例として、ジャケット領域のガラスにおける塩素添加量よりクラッド領域のガラスにおける塩素添加量が少なくされることで、上記の関係が実現される。

また、光ファイバ１，２の何れも、複数の空孔それぞれがクラッド領域のガラスとジャケット領域のガラスとにより囲まれていて、複数の空孔それぞれを囲むガラスの５０％以上がクラッド領域のガラスである。光ファイバ１の場合には、母材における穿孔位置が調整されことで、複数の空孔１４それぞれを囲むガラスの５０％以上がクラッド領域１２のガラスとされる。また、光ファイバ２の場合には、上述した母材製造方法から必然的に、複数の空孔２４それぞれを囲むガラスの５０％以上がクラッド領域２２のガラスとされる。

本実施形態の光ファイバの具体例は以下のとおりである。コア領域はＧｅＯ_２添加の石英ガラスであり、クラッド領域は塩素添加（０.２wt％未満）の石英ガラスであり、ジャケット領域は塩素添加（０.２wt％超）の石英ガラスである。コア領域の比屈折率差は０.３０〜０.４０％であり、クラッド領域の比屈折率差は０〜０.０２％であり、ジャケット領域の比屈折率差は０.０２％超である。比屈折率差Δｎは、Δｎ＝（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）／（２ｎ₁ ²）で定義される。この式において、ｎ₁は純石英ガラスの屈折率であり、ｎ₂は上記のコア領域，クラッド領域またはジャケット領域の屈折率である。コア領域の直径は７.０〜８.０μｍであり、クラッド領域の直径はコア領域の直径の３〜５倍であり、ジャケット領域の直径は１２５μｍである。また、空孔の数は１０個である。

クラッド領域のガラスにおける塩素濃度が０.０５wt％より大きいことが好ましい。クラッド領域は、一定量の光が導波する光学クラッドであるので、光学的な吸収損失が低いことが望ましく、塩素脱水されたガラスであることが望ましい。このようなガラスは結果的に一定量の塩素濃度を含む。

次に、空孔を有する母材を線引して光ファイバを製造する際における空孔径の変化について説明する。母材が光ファイバに線引されるプロセスにおいて、空孔は母材外径とともに小さくなっていく。このとき、表面張力、加圧力、線引張力などの影響により、外径に対する空孔の相対的サイズ（以下「規格化空孔径」という。）は、ネックダウンの位置により異なる。例えば、母材段階および光ファイバ段階それぞれでの規格化空孔径が互いに等しい場合（すなわち、母材断面と光ファイバ断面とが相似形である場合）、図５に示されるとおり、規格化空孔径は、ネックダウンの途中で一旦大きくなってから、その後に小さくなり、最終的には目的のサイズとなる。図５は、母材線引時のネックダウンの位置による規格化空孔径の変化の様子を模式的に示す図である。

複数の空孔を備える母材の線引プロセスにおいて、隣り合う２つの空孔の間の相互作用により、空孔の形状やサイズが変形して、所望の構造が得られない場合がある。隣り合う２つの空孔の間のサイズが異なる場合や、隣り合う２つの空孔の間の距離が近い場合に、この相互作用による変形が顕著となる。図６（ａ）は母材の断面図であり、同図（ｂ）は光ファイバの断面図である。同図は、隣り合う２つの空孔１４ａ，１４ｂの間のサイズが異なる母材を線引した場合の光ファイバでの空孔サイズの変化状況を模式的に示す。この図に示されるように、母材段階で規格化空孔径が大きい空孔１４ａは光ファイバ段階では規格化空孔径が更に大きくなり、この空孔１４ａの隣に位置する空孔１４ｂは光ファイバ段階では規格化空孔径が小さくなる。このような観点から母材での空孔サイズはできるだけ均一にすることが望ましいが、製造ばらつきなどにより完全な均一化は困難である。

本実施形態の光ファイバの構造では、各空孔を囲むガラスのうち５０％以上のガラスは粘性の大きいクラッド領域のガラスであるので、クラッド領域側に向かって空孔は変形し難い。一方、各空孔を囲むガラスのうち残りガラスは粘性の小さいジャケット領域のガラスであるので、ジャケット領域側に向かって空孔は変形し易い。したがって、特許文献２，３に記載された光ファイバを含め従来の光ファイバにおいては空孔の変形（膨張、収縮）が等方的に生じるのに対し、本実施形態の光ファイバでは図７に示されるように空孔の変形が主に径方向の外側領域に向かって発生する。図７は、本実施形態の光ファイバにおける空孔の変形の非等方性を説明する図である。同図（ｂ）は同図（ａ）の一部を拡大して示すものであり、同図（ｂ）中の両矢印の長さは変形の大きさを示している。本実施形態の光ファイバでは、周方向に空孔が拡大し難いので、隣り合う２つの空孔の間の相互作用による空孔の変形を防ぐことが可能である。なお、ジャケット領域側に向かう変形を許容するためには、複数の空孔それぞれを囲むガラスの１０％以上をジャケット領域とすることが好ましい。

次に、本実施形態の光ファイバの他の効果について説明する。空孔を有する母材を線引して製造される光ファイバにおいて所望の光学特性を得るには、光ファイバでの空孔サイズが重要である。実際の製造では、母材ロット間の規格化空孔径ばらつきなどを排除するため、母材ロット毎に空孔サイズが所望値になるよう線引時の加圧力などが調整される。すなわち、前述のとおり、母材における規格化空孔径が大きい場合は、線引時の加圧力を小さくして光ファイバの空孔を縮小させる。一方、母材における規格化空孔径が小さい場合は、線引時の加圧力を大きくして光ファイバの空孔を拡大させる。このとき、母材と光ファイバとで規格化空孔径が互いに異なる場合がある。

図８は、線引時に加圧力調整を行うときの空孔サイズ変化に対する光ファイバの特性変化を示す図である。同図において、横軸は耐曲げ損失特性を示し、縦軸はケーブルカットオフ条件での高次モードの曲げ損失特性を示す。例えば、目標とする光ファイバ特性としては、横軸の曲げ特性（Ｒ５＠１６２５ｎｍ）が０.１ｄＢ／ターン以下であり、縦軸の高次モード曲げ特性が１９.４ｄＢ以上である。

比較例と実施例とで最終的な空孔の断面積が互いに等しくなるような変形を考慮すると、空孔が径方向および周方向に均等に膨らむ比較例に比べ、空孔が径方向に相対的に大きく膨らむ実施例では、空孔サイズ変化が特性変化に与える影響が小さい。これは、本構造を有する光ファイバのカットオフ波長や曲げ損失特性などが隣接空孔間の距離に強く依存するパラメータであることに起因する。したがって、本実施形態の光ファイバは、空孔サイズのばらつきが特性に与える影響を軽減することができるので、光学特性が安定し製造歩留まりが向上する。

さらに、図８から判るように、実施例では、空孔サイズ変化に対する特性変化が小さいので、空孔サイズから光学特性を予測する場合、空孔サイズ測定誤差の影響を受けにくくなる利点もある。

１…光ファイバ、１１…コア領域、１２…クラッド領域、１３…ジャケット領域、１４…空孔、２…光ファイバ、２１…コア領域、２２…クラッド領域、２３…ジャケット領域、２４…空孔。

Claims

コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域と、このクラッド領域を取り囲むジャケット領域と、ファイバ軸に垂直な面において円周上に配置されファイバ軸に沿って延在する複数の空孔と、を備え、
前記コア領域，前記クラッド領域および前記ジャケット領域それぞれがガラスからなり、線引温度において前記クラッド領域のガラスの粘性より前記ジャケット領域のガラスの粘性が小さく、
前記複数の空孔それぞれが前記クラッド領域のガラスと前記ジャケット領域のガラスとにより囲まれ、前記複数の空孔それぞれを囲むガラスの５０％以上が前記クラッド領域のガラスである、
ことを特徴とする光ファイバ。
前記クラッド領域のガラスにおける塩素濃度が０.０５wt％より大きいことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。