JP2013083982A - マルチモード光ファイバ - Google Patents

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Abstract

【課題】通信帯域が拡大されるとともに安定的に製造可能なマルチモード光ファイバを提供する。
【解決手段】マルチモード光ファイバに関し、直径2aを有するコア部には、GeOと塩素が添加されている。コア部における塩素濃度分布250は、コア部の中心において最小となり、コア部の中心からその半径方向に距離0.9aから1.0aだけ離れた範囲内において最大となる。コア部はGeOの添加濃度の変化が特に大きく、コア部の外周を含む周辺領域であってコア部の中心を取り囲む環状領域において特に変化が大きくなるように塩素濃度を意図的に制御している。
【選択図】図2

Description

本発明は、マルチモード光ファイバに関するものである。
マルチモード光ファイバは、構造上、長距離光通信用のシングルモード光ファイバと比較して、伝送損失が大きいことが知られている。一方、ファイバ間接続が容易であること、また、要求性能の低い機器を利用して容易にネットワークの構築が可能になることから、LAN(Local Area Network)などの近距離情報通信の用途に広く使用されている。例えば特許文献1、2には、曲げ耐性が改善されたマルチモード光ファイバが開示されている。
近年、上述の近距離情報通信の信号品質の改善を目的として、上述のマルチモード光ファイバの伝送損失の低減技術や通信帯域の拡大(広帯域化)も盛んに研究されるようになってきた。
米国特開2011−0058781号公報 米国特許第7787731号
発明者らは、広帯域マルチモード光ファイバを安定して製造するための技術について以下のように検討した。なお、本明細書において、特に言及することなく単に「光ファイバ」と表現する場合は、「マルチモード光ファイバ」を意味するものとする。
すなわち、広帯域マルチモード光ファイバを安定して製造するためには、その径方向の屈折率分布が所望の形状に正確に一致していることが必要になる。屈折率分布の形状は、第一にはGeOをコア部の径方向に正確な濃度で添加することが必要になるが、必ずしもそれだけでは充分ではない。例えば、母材線引き後に得られる光ファイバでは、当該光ファイバ内部の残留応力の影響によっても屈折率分布がわずかに変化してしまう。この場合、いかに屈折率変動に対する残留応力の影響を低減するか、又は、常に同じ分布に保つかが光ファイバ製造において重要になる。残留応力は、母材線引き時に加わる光ファイバへの張力、線引きされた光ファイバの固化条件などが影響している。望ましくは残留応力をゼロにすることができれば良いが、実際には難しい。例えば線引き後の光ファイバの冷却工程において、光ファイバの温度は該光ファイバの表面からその内部に向かって低下していき、ファイバ冷却が進むに従ってファイバ材料であるガラスが固化するが、この固化する様子により応力が光ファイバ内に残ることになる。また、特にコア部にはGeOが添加されており、膨張係数がクラッド部と比較して大きいため、ファイバ冷却時の当該コア部の収縮が大きく、それに起因した応力も、得られた光ファイバ内に残留する。
発明者らは、上述の状況を考慮し、製造されるマルチモード光ファイバ内における塩素濃度分布を有意に制御することで、ガラス固化のタイミングを径方向に沿った各部間で極力近づけることができることを見出し、本発明に至った。
そこで本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、従来よりも通信帯域が拡大された状態で、安定的に製造可能な構造を備えたマルチモード光ファイバを提供することを目的としている。なお、マルチモード光ファイバには、高屈折率のコア部と低屈折率のクラッド部から構成される一般的な構造のマルチモード光ファイバの他、コア部とクラッド部との間に設けられた低屈折率のトレンチ部を備えた、耐曲げマルチモード光ファイバも含まれる。
本発明は、GI(Graded Index)型のマルチモード光ファイバに関し、当該マルチモード光ファイバは、構造上、長距離伝送用のシングルモード光ファイバとは明確に区別される。
すなわち、本発明に係るマルチモード光ファイバは、所定軸に沿って伸びるとともに、GeO(二酸化ゲルマニウム)が添加されたコア部と、コア部の外周に設けられ、該コア部よりも低い屈折率を有するクラッド部を備える。また、当該マルチモード光ファイバの径方向の屈折率分布のうちコア部に相当する部分のα値は1.9〜2.2、クラッド部の基準領域に対するコア部中心の比屈折率差Δ(コア部の最大比屈折率差)は0.8〜1.2%、コア部の直径2aは47.5〜52.5μmである。なお、マルチモード光ファイバの屈折率n(r)は、コア中心屈折率をn、コア中心からの距離をrとしたとき、一般的に下記式
n(r)=n(1−2Δ(r/a)α1/2
で表される。
上述のような構造を備えた当該マルチモード光ファイバにおいて、コア部には塩素が添加されており、当該マルチモード光ファイバの径方向に沿った、該コア部における塩素濃度分布は、コア部の中心からその半径方向に距離a/2だけ離れた第1測定位置の塩素濃度よりも、コア部の中心からその半径方向に距離0.9aから1.0aだけ離れた範囲内の第2測定位置で塩素濃度が高くなる形状を有する。
すなわち、当該マルチモード光ファイバのコア部は、GeOの添加濃度の変化が特に大きい、該コア部の外周を含む領域であって該コア部の中心(比屈折率差が最大となる位置)を取り囲む環状領域において塩素濃度が意図的に制御されている。具体的には、よりコア部の中心に近い環状領域の内側部分の塩素濃度よりもコア部の外周面により近い外側部分の塩素濃度を高くすることで、コア部の中心部分と周辺部分とでのガラス粘度差を低減することができる。その結果、母材の線引き後に得られるマルチモード光ファイバ内の残留応力が低減され、残留応力による光弾性効果を介した屈折率変動が小さくなり、所望の屈折率分布の実現がより容易になることにより、通信帯域の拡大を実現することができる。
また、本発明に係るマルチモード光ファイバにおいて、コア部における塩素濃度分布は、第1測定位置と第2測定位置に挟まれた範囲において、該コア部の半径方向に沿って塩素濃度が単調増加する形状を有するのが好ましい。
上述のように、本発明に係るマルチモード光ファイバは、母材の線引き前後において屈折率分布の変化が小さく抑えられているため、特に広帯域マルチモード光ファイバへの適用が可能である。具体的には、国際規格ISO/IEC11801で規定されるOM3、OM4と呼ばれる広帯域マルチモード光ファイバへの適用が可能である。ここで、例えばOM3マルチモード光ファイバは、最小実効帯域と呼ばれる帯域が2000MHz・km以上、全モード励振での帯域(国際規格IEC60793−1−41で規定されるOFL帯域)が850nmで1500MHz・km以上、1300nmで500MHz・km以上のファイバを指す。
なお、この発明に係る各実施形態は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施形態は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。
また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施形態を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。
本発明によれば、母材の線引き前後で屈折率分布の変化を小さく抑えることが可能となるため、特に広帯域のマルチモード光ファイバに適用可能である。具体的には、国際規格ISO/IEC11801で規定されるOM3、OM4と呼ばれる広帯域マルチモード光ファイバに適用可能になる。
(a)は、本発明に係るマルチモード光ファイバの代表的な断面構造を示し、(b)は、その屈折率分布である。 本発明に係るマルチモード光ファイバに適用される、コア部における塩素濃度分布である。 図2に示された塩素濃度分布の許容可能な形状変化を説明するための図である。 (a)は、OVD法及び装置構成を説明するための図、(b)は、脱水工程(塩素添加工程)及び装置工程を説明するための図、(c)は、焼結(透明化)工程及び装置構成を説明するための図である。 (a)は、本実施形態に係るマルチモード光ファイバを得るための焼結(図4(c))後の透明ガラス体(線引き後にコア部となる部分)の塩素濃度分布であり、(b)は、本実施形態と比較するために発明者らが新たに製造した、比較例に係るマルチモード光ファイバを得るための焼結(図4(c))後の母材中心部(線引き後にコア部となる部分)の塩素濃度分布である。 延伸後のコア母材の構造を示す図である。 VAD法及び装置構成を説明するための図である。 光ファイバ母材の線引き工程及び装置構成を説明するための図である。
以下、本発明に係るマルチモード光ファイバの各実施形態を、図1〜図8を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
図1(a)は、本発明に係るマルチモード光ファイバの代表的な断面構造を示す図であり、図1(b)は、その屈折率分布である。特に、本実施形態に係るマルチモード光ファイバ100(図1(a))は、石英ガラスを主材料とするGI型のマルチモード光ファイバであり、所定軸(光軸AXに一致)に沿って延びたコア部110と、コア部110の外周に設けられたクラッド部120と、を少なくとも備える。また、図1(a)に示されたマルチモード光ファイバ100において、コア部110は、屈折率分布の形状を調整するために、主たる成分としてGeOが添加されており、直径2aと最大屈折率n2を有する。クラッド部120は、コア部110よりも低い屈折率n1を有する。コア部110には、上記GeOの他、所望の濃度分布形状が形成されるようコア部110内の各部において濃度調整された塩素も添加されている。
さらに、本実施形態に係るマルチモード光ファイバ100は、図1(b)に示された屈折率分布150を有する。なお、図1(b)に示された屈折率分布150は、図1(a)中において、光軸AXと直交する線L(当該マルチモード光ファイバ100の径方向に一致)上の各部の屈折率を示しており、より具体的には、領域151は線Lに沿ったコア部110の各部の屈折率、領域152は線Lに沿ったクラッド部120の各部の屈折率をそれぞれ示す。
特に、図1(b)の屈折率分布150における領域151は、光軸AXに一致するコア部110の中心において屈折率が最大となるようドーム形状を有する。したがって、屈折率調整用に添加されるGeOの濃度も、コア部110の中心からクラッド部120に向かって急激に低下している。このドーム形状を規定するためのα値は1.9〜2.2である。クラッド部(図1(a)の例では単一層であり、比屈折率差を規定する基準領域となる)120に対するコア部110の中心の比屈折率差Δは(クラッド部120に対するコア部110の最大比屈折率差)は、0.8〜1.2%であり、コア部110の直径2aは47.5〜52.5μmである。
コア部110に、GeOとともに添加される塩素の濃度分布は、図2に示されたような形状を有する。なお、図2において、横軸は、直径2aのコア部110の線L上の各部に対応しており、光軸との交点を原点とした座標を表している。
図2に示された塩素濃度分布250は、当該マルチモード光ファイバ100の径方向(光軸AXに直交する方向)に沿った分布であり、その形状は、コア部110の中心において最小となり、コア部110の中心から半径方向に距離0.9aから1.0a(コア部110のほぼ半径となる距離)だけ離れた範囲内において最大となる。なお、図2では、便宜上1.0aの位置で塩素濃度が最大となる図としている。すなわち、コア部110は、GeOの添加濃度の変化が特に大きい、該コア部110の外周を含む周辺領域であって該コア部110の中心を取り囲む環状領域において特に変化が大きくなるように、塩素濃度が意図的に制御されている。
具体的には、光軸AXに一致するコア部110の中心からその半径方向に距離a/2だけ離れた第1測定位置の塩素濃度(単位:ppm)がPC2に設定されているのに対し、塩素濃度(単位:ppm)PC1(>PC2)となる部分が、光軸AXに一致するコア部110の中心から半径方向に距離0.9aから1.0aだけ離れた範囲内の第2測定位置にあるように設定されている。このように、コア部110の中心からの距離a/2〜aの範囲において、よりコア部110の中心に近い部分の塩素濃度に対し、よりクラッド部120に近い周辺部分の塩素濃度を高くすることで、コア部110の中心領域と周辺領域でガラス粘度差を低減することができる。その結果、母材の線引き後に得られるマルチモード光ファイバ内の残留応力が低減され、通信帯域の拡大を実現することができる。
なお、コア部110の中心からの距離a/2〜aの範囲における塩素濃度分布の形状は、図2に示された形状には限定されない。コア部110における塩素濃度分布は、上記の距離a/2〜aの範囲において、該コア部110の半径方向に沿って塩素濃度が単調増加する形状を有していれば、図3に示されたような種々の形状であってもよい。
例えば、図3に示された濃度分布251は図2の濃度分布250に一致した形状を有する。濃度分布252は、コア部110の中心からクラッド部120に近づくほど塩素濃度(Cl濃度)の増加率が減少する形状を有する。濃度分布253は、コア部110の中心からクラッド部120に向かって塩素濃度(Cl濃度)の増加率が増加、減少、増加の順に変化する形状を有する。濃度分布254は、コア部110の中心からクラッド部120に向かって塩素濃度(Cl濃度)の増加率が減少、増加、減少の順に変化する形状を有する。コア部110における塩素濃度分布として、いずれの濃度分布251〜254が採用されてもよい。なお、図3は、図2と同様に、便宜上1.0aの位置で塩素濃度が最大となる図としている。
次に、本実施形態に係るマルチモード光ファイバ100の製造方法について説明する。なお、以下ではOVD(Outside Vapor phase Deposition)法によりコア部材を製造し、VAD(Vapor phase Axial Deposition)法により周辺部分を製造することを例に説明するが、ガラス微粒子を堆積する方法としてはこれらの方法に限定されず、コア部材をVAD法、MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)法、PCVD(Plasma Chemical Vapor phase Deposition)法などを用いて製造しても良いし、周辺部分をOVD法、PCVD法などで製造しても良い。
マルチモード光ファイバ100を得るため、まず、光ファイバ母材600(図8参照)が製造される。この光ファイバ母材600は、まず、OVD法によりGeO(二酸化ゲルマニウム)が添加されたコア母材を製造し、脱水、焼結、延伸などの工程を経た後、さらに、得られたコア母材の外周にVAD法により周辺部分を製造することで得られる。なお、OVD法により製造されるコア母材は、線引き後にα値が1.9〜2.2の屈折率分布を持つコア部110となるべき部分である。また、VAD法により製造される周辺部分は、線引き後にクラッド部120となるべき部分である。
OVD法による最初の製造工程では、図4(a)に示されたスス付け装置により多孔質母材510が製造される。このスス付け装置は、中心棒310(又は中空のガラス管でもよい)を矢印S1で示された方向に回転可能な状態で保持する構造を有する。また、スス付け装置は、多孔質母材510を中心棒310に沿って成長させるためのバーナー320と、原料ガスを供給するためのガス供給システム330を備える。また、バーナー320は、所定の移動機構により、図4(a)中の矢印S2a及びS2bで示された各方向に移動可能である。
多孔質母材510の製造中、バーナー320の火炎中では、ガス供給システム330から供給された原料ガスの加水分解反応によりガラス微粒子が生成され、これらガラス微粒子が中心棒310の側面に堆積していく。この間、中心棒310は矢印S1で示された方向に回転する一方、バーナー320は矢印S2a、S2bで示された方向に沿って移動する。この動作により、多孔質ガラス体が中心棒310に沿って成長していき、コア部110となるべき多孔質母材510(スート・プリフォーム)が得られる。
続いて、上述のようにOVD法で製造された多孔質体母材510に対し、図4(b)に示された脱水工程(塩素添加工程)が実施される。なお、脱水工程の実施前には、得られた多孔質母材510から中心棒310が抜き取られるが、中心棒310が中空ガラス管の場合は、脱水、焼結工程後に該中空ガラス管内にエッチングガスを流すことにより除去することとしてもよい。このように前処理が施された多孔質母材510は、図4(b)に示された、ヒータ360を備えた加熱容器350内に設置され、塩素を含む雰囲気中で脱水処理が施される。なお、この加熱容器350には塩素を含むガスを供給するための導入口350aと排気口350bが設けられている。また、この脱水工程中、支持機構340は、多孔質母材510を該多孔質母材510の中心軸を中心に矢印S4で示された方向に回転させながら、さらに、該多孔質母材510全体を矢印S3a、S3bで示された方向に移動させることにより、ヒータ360に対する多孔質母材510の相対位置を変えている。この工程を経て、所定量の塩素が添加された多孔質母材520が得られる。
なお、脱水工程は、効果的に塩素を母材内に添加するため、二段階で行われる。すなわち、第1段階では、容器350内の温度は1150℃(ヒータ温度)に設定され、導入口350aから濃度4%の塩素ガス(Cl)とHeガスの混合ガスが容器350内に供給され、多孔質母材510の脱水が行われる。第2段階では、容器350内の温度は1350℃(ヒータ温度)に再設定され、導入口350aから濃度7%の塩素ガス(Cl)とHeガスの混合ガスが容器350内に供給され、所定量の塩素が添加された多孔質母材520が得られる。
上述の脱水工程(塩素添加工程)を経て得られた多孔質母材520は、引続き上述された加熱容器350内で焼結される(透明化)。すなわち、図4(c)に示されたように、支持機構340によって支持された状態で多孔質母材520が容器350内に収納される。このとき、容器350内の温度(ヒータ温度)は1500℃に設定され、導入口350aを介して容器350の内部にはHeガス、若しくはHeと塩素の混合ガスが供給されている。
この焼結工程中、支持機構340は、多孔質母材520を該多孔質母材520の中心軸を中心に矢印S4で示された方向に回転させながら、さらに、該多孔質母材520全体を矢印S3aで示された方向に移動させることにより、ヒータ360に対する多孔質母材520の相対位置を変えている。この工程の後、中心穴の内部を減圧して加熱することで該中心穴をつぶす工程を経て、中実化された直径D1の透明ガラス体530が得られる。
図5(a)は、上述の各工程を経て得られた透明ガラス体530の塩素濃度分布260(透明ガラス体530の中心軸に直交する当該透明ガラス体530の径方向に沿った分布)である。この図5(a)において、横軸は、透明ガラス体530の中心軸(AX)に直交する線D上の、該透明ガラス体530の各部の位置を示す。得られた透明ガラス体530における平均塩素濃度は1500ppmであり、図5(a)からも分かるように、透明ガラス体530の中心(便宜上、図ではAXで示す)から半径方向にD1/4(透明ガラス体530の半径D1/2の中間値)だけ離れた位置の塩素濃度PC2に対し、該中心(便宜上、図ではAXで示す)から半径方向にD1/2(透明ガラス体530の表面)だけ離れた位置の塩素濃度PC1が高くなっている。
なお、発明者らは、上述のような塩素濃度分布260を有する透明ガラス体を利用して最終的に製造される本実施形態に係るマルチモード光ファイバの光学特性と比較する、比較例に係るマルチモード光ファイバを製造するため、図5(b)に示されたように、中心軸AXに一致した中心で最大濃度PC3となり、周辺領域で塩素濃度が急激に低下する塩素濃度分布を有する透明ガラス体も製造した。このような透明ガラス体は、脱水工程において、上述の第1段階のみ行うことで製造される。
以上のように製造された透明ガラス体530をその長手方向に直径D2(本実施形態では20mm)となるまで延伸することにより、コア母材540が得られる。
なお、上述の多孔質母材の製造工程、脱水工程、及び焼結工程は同一の容器内で行うことも可能である。
さらに、上述の各工程を経て得られたコア母材540の表面に、VAD法によりさらにガラス領域を形成することで、最終的にマルチモード光ファイバ用の母材が製造される。
具体的に、VAD法による製造工程では、図7に示されたスス付け装置により多孔質ガラス体550がコア母材540の表面に形成される。このスス付け装置は、少なくとも排気口450bを備えた容器450と、コア母材540を支持するための支持機構440を備えている。すなわち、支持機構440には矢印S6で示された方向に回転可能な支持棒が設けられており、この支持棒の先端には多孔質ガラス体550(スス体)をその表面に成長させるためのコア母材540が取り付けられている。
図7のスス付け装置には、コア母材540の表面に多孔質ガラス体550(スス体)を堆積させるためのバーナー460が設けられており、ガス供給システム470からはバーナー460に対して所望の原料ガス(例えばSiCl等)、燃焼ガス(H及びO)、及びArやHe等のキャリアガスが供給される。
多孔質ガラス体550の製造中、バーナー460の火炎中では、ガス供給システム490から供給された原料ガスの加水分解反応によりガラス微粒子が生成され、これらガラス微粒子がコア母材540の表面に堆積していく。この間、支持機構440は、一旦、その先端に設けられたコア母材540を矢印S5aで示された方向に移動させた後、矢印S6で示された方向に回転させながら矢印S5bで示された方向(コア母材540の長手方向)に沿ってコア母材540を引き上げる動作を行っている。この動作により、多孔質ガラス体550がコア母材540の表面に、該コア母材540の下方に向かって成長していき、最終的に、該コア母材540の表面においてクラッド部120となるべき多孔質母材(スート・プリフォーム)が得られる。
以上の工程を経て得られた多孔質母材に対し、再度、脱水工程(図4(b))及び焼結工程(図4(c))が実行され、マルチモード光ファイバ用の母材600が得られる。
この光ファイバ母材600は、図8に示されたように、線引き後にコア部110となるべき領域と、クラッド部120となるべき周辺領域を備える。そして、図8に示された線引き工程において、光ファイバ母材600の一端が、ヒータ630により加熱されながら矢印S7で示された方向に線引きされることにより、図1Aに示された断面構造を有するマルチモード光ファイバ100が得られる。
なお、図5(a)に示された塩素濃度分布260を有する透明ガラス体530から最終的に得られた、本実施形態に係るマルチモード光ファイバは、最小実効帯域が5600MHz・km、850nmにおけるOFL帯域が4720MHz・kmである広帯域のマルチモード光ファイバ(OM3のマルチモード光ファイバ)であることが確認できた。
一方、図5(b)に示された塩素濃度分布を有する透明ガラス体から最終的に得られた、比較例に係るマルチモード光ファイバは、最小実効帯域が1520MHz・km、850nmにおけるOFL帯域は1250MHz・kmとなり、結果的に、OM3のマルチモード光ファイバは得られなかった。
以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。
100…マルチモード光ファイバ、110…コア部、120…クラッド部。

Claims (2)

  1. 所定軸に沿って伸びるとともに、GeOが添加されたコア部と、前記コア部の外周に設けられ、前記コア部よりも低い屈折率を有するクラッド部を備えたマルチモード光ファイバであって、
    当該マルチモード光ファイバの径方向の屈折率分布のうち前記コア部に相当する部分のα値が1.9〜2.2、前記クラッド部の基準領域に対する前記コア部の最大比屈折率差Δが0.8〜1.2%、前記コア部の直径2aが47.5〜52.5μmであり、
    前記コア部には塩素が添加されており、当該マルチモード光ファイバの径方向に沿った、前記コア部における塩素濃度分布が、前記コア部の中心からその半径方向に距離a/2だけ離れた第1測定位置の塩素濃度よりも、前記コア部の中心からその半径方向に距離0.9aから1.0aだけ離れた範囲内の第2測定位置で塩素濃度が高くなる形状を有するマルチモード光ファイバ。
  2. 前記コア部における塩素濃度分布は、前記第1測定位置と前記第2測定位置に挟まれた範囲において、前記コア部の半径方向に沿って塩素濃度が単調増加する形状を有することを特徴とする請求項1に記載のマルチモード光ファイバ。
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