JP2013218247A

JP2013218247A - 光ファイバ

Info

Publication number: JP2013218247A
Application number: JP2012091105A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Oyamada; 浩小山田; Masaru Inoue; 大井上
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-10-24
Also published as: CN103376499A; KR101495418B1; TWI585476B; US20130279867A1; KR20130116010A; EP2650708A1; TW201405183A

Abstract

【課題】曲げ損失を損なわずに光ファイバのレーリ一散乱に起因する伝送損失を低減する光ファイバを提供する。
【解決手段】中心部にコア、該コアに隣接してその外周を覆う低屈折率層、及び該低屈折率層に隣接してその外周を覆うクラッドからなる光ファイバにおいて、前記低屈折率層の屈折率が、内側から外側に向かつて低下していることを特徴とし、中心部に最大屈折率ｎ_１のコア、該コアに隣接してその外周を覆う最低屈折率ｎ_２の低屈折率層、及び該低屈折率層に隣接してその外周を覆う平均屈折率ｎ_３のクラッドからなる光ファイバにおいて、前記低屈折率層の最も内側のコアとの境界部における屈折率がｎ_３であり、前記低屈折率層の最も外側のクラッドとの境界部における屈折率をｎ_２としている。
【選択図】なし

Description

本発明は、光通信用の光ファイバに係り、特に数十kmの長さを伝送する長距離線路および光ファイバ・トゥ・ザ・ホーム（FTTH）やローカル・エリア・ネットワーク（LAN）における宅内外配線用として好適な光ファイバに関する。

光ファイバは、その広帯域特性により遠距離通信の分野に適用され、数十km以上の長距離の幹線線路での通信に広く用いられている。
一方、インターネットの急速な普及により、個々のパーソナルコンピュータが送受信する情報量も飛躍的に増大している。ここで広く用いられてきた通信線路は同軸ケーブルやアンシールド・ツイスト・ぺア(UTP) ケーブルなどの銅線電気ケーブルである。しかしながら、電気ケ一ブルは帯域が狭く、また電磁波ノイズの影響を受けやすいため、膨大な情報量を伝送するのは困難である。したがって、電話局間の長距離通信だけでなく、電話局と各ユーザーとの間の通信にも光ファイバが使われ、伝送容量を増大させる技術として、 FTTHが普及しつつある。

FTTHでは、光ファイバの広帯域特性を利用して、ユーザーグループの近傍までは、一本の光ファイバを複数のユーザーで共有することとし、その後は、光信号をユーザー毎に分岐して光ファイバの引き込み線を各ユーザーに分配する方式が行われている。
引き込み線や宅内配線において光ファイバに要求される重要な特性として、曲げ損失が挙げられる。長距離幹線ケーブルは地下ダクトなど外力の影響を受けにくい場所に敷設されるのに対して、宅内外の配線では可撓性を持たせ軽量化するために、比較的細い（直径数mm）のコードの状態で配線されるため、外力の影響を受けやすく、光ファイバの受ける曲げ半径も20mm以下となることが多い。
そもそも、光ファイバは、信号光が光ファイバのコアに沿って伝搬するため、光ファイバを曲げた状態でも伝送可能な特徴があるものの、その曲げ半径が小さくなるにつれ、伝搬しきれずにコアから漏洩する光の割合が指数関数的に増大し、伝送損失となる。これが曲げ損失である。

この様な用途に用いられるシングルモード光ファイバとして、非特許文献１は、コアの外側に低屈折率層を設けたディプレスト型光ファイバによって、MFDを大きく設計しつつ曲げ損失が低減できる旨開示している。この様な構造で不純物による吸収損失を低減し、零分散波長を最適化した光ファイバが特許文献１に開示されており、低屈折クラッドの比屈折率差Δを約−0.021 〜− 0. 0007 % 程度にして、MFDを9. 2μm程度に設計するものである。
さらに曲げ特性を改善した光ファイバが特許文献２に開示されているが、低屈折率クラッドの比屈折率差Δをさらに低い−0.08〜−0.02 % にしつつ、MFDをやや小さめの8.2〜−9.0μmに設計している。

シリカガラス系の光ファイバの場合、一般にゲルマニウムをドープして屈折率を高くし、フッ素をドープして屈折率を低くしている。従来は、この場合、コアにはゲルマニウムとフッ素の両方がドープされる。その理由の一つは、製造上の制約に依るものであり、多孔質体をフッ素合有ガス雰囲気中で加熱処理する際に、ゲルマニウムを含むコア部分にもフッ素が拡散しドープされることによる。別の理由は、屈折率分布を形成する際に、屈折率分布の微調整を行なうことを目的として、両方の元素を同時にドープするものであり、これにより、所望のガラス屈折率を有する光ファイバの設計がしやすくなる。

一方、十分に不純物の取り除かれた光ファイバの伝送損失の多くはレーリー散乱損失である。レーリー散乱損失は、光ファイバのコアを中心とする光伝搬部分のガラス成分の揺らぎに起因する。このため、コアに含まれるドーパントの量が増えれば増えるほどレーリー散乱損失が増大し、その結果、伝送損失が増大するという問題がある。
従って、従来型の光ファイバの場合、コアにドープされるゲルマニウムおよびフッ素のドーパントの総量が結果的に増大し、本質的に低損失の光ファイバが得られにくいという問題があった。

特開2002-47027号特開2006-133496号

ShojiroKawakami and Shigeo Nishida、" Characteristics of a Doubly Clad Optical Fiber with A Low-Index InnerCladding、" IEEE Journal of Quantum Electronics、v o l QE-10、n o.12、pp. 879-887、December 1974

本発明は、上記の従来技術に鑑み、曲げ損失を損なわずに光ファイバのレーリ一散乱に起因する伝送損失を低減する光ファイバを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究の末、請求項１〜３の構造をとることにより、曲げ損失を損なわずに、レーリー散乱が抑制可能であることを見出した。即ち、光ファイバを伝搬する光パワーは、コア部分だけでなく、外側の低屈折率層にも一部しみ出して分布しつつ光を伝搬しているが、光ファイバの構造を、請求項１〜３の構造として光パワーが多く分布する低屈折率層の内側近傍ほどドーパント量を少なくしているため、レーリー散乱を抑制することができる。
具体的には、本発明の光ファイバは、中心部にコア、該コアに隣接してその外周を覆う低屈折率層、及び該低屈折率層に隣接してその外周を覆うクラッドからなる光ファイバにおいて、前記低屈折率層の屈折率が、内側から外側に向かつて低下していることを特徴とし、中心部に最大屈折率ｎ_１のコア、該コアに隣接してその外周を覆う最低屈折率ｎ_２の低屈折率層、及び該低屈折率層に隣接してその外周を覆う平均屈折率ｎ_３のクラッドからなる光ファイバにおいて、前記低屈折率層の最も内側のコアとの境界部における屈折率がｎ_３であり、前記低屈折率層の最も外側のクラッドとの境界部における屈折率をｎ_２としている。（請求項１〜３）

また、従来型の光ファイバの場合、コアにドープされるゲルマニウムおよびフッ素のドーパント総量が結果的に増大し、本質的に低損失の光ファイバが得られ難かったが、本発明の請求項４〜６の構造とすることにより、屈折率分布形状を変えずにコア、低屈折率層、クラッドに含まれるドーパントの総量を抑制することができ，レーリ一散乱を抑制することができた。
即ち、具体的な構造としては、前記光ファイバにおいて、コアには、高屈折率用の元素がドープされ、前記低屈折率層には、低屈折率用の元素がドープされている。なお、コアは、低屈折率用の元素を実質的に含まず、低屈折率層は、高屈折率用の元素を実質的に含まないものとされる。さらに、クラッドは、高屈折率用の元素及び低屈折率用の元素を実質的に含まないものとされる（請求項４〜６）。このような構造をとることで、ドーパントの総量を抑制することができ，レーリー散乱の抑制が可能となる。

また、本発明の光ファイバは、前記低屈折率層にドープされた低屈折率用元素の含有量が、該低屈折率層の内側から外側に向かって増加し、該低屈折率層の最も内側のコアとの境界部において実質的にゼロとなり、該低屈折率層の最も外側のクラッドとの境界部において最大となる。また、前記コアにドープされた高屈折率用の元素の含有量は、該コアの最も外側の低屈折率層との境界部において実質的にゼロとされる（請求項７〜10）。
なお、前記高屈折率用の元素はゲルマニウムであり、低屈折率用の元素はフッ素である（請求項11〜12）。さらに、波長1550nmにおいて、伝送損失は0.19dB/km以下であり、直径20mmのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの損失増加は0.5dB/km以下である。また、波長1383nmにおける伝送損失は0.35dB/km以下とされる（請求項13〜15）。

本発明の光ファイバは、請求項１〜３の構造とすることで、光ファイバを伝搬する光パワーはコアだけでなく、外側の低屈折率層にも一部しみ出して分布しているが、光パワーが多く分布する低屈折率層の内側近傍ほどドーパント量を少なくしているため、曲げ損失を損なうことなく、レーリー散乱を抑制することができる。
また、請求項４〜６の構造とすることによって、屈折率分布形状を変えずにコア、低屈折率層、クラッドに含まれるドーパントの総量を抑制することができ、曲げ損失を損なうことなく、レーリ一散乱を抑制することができる。

（ａ）は、実施例１で得られた光ファイバプリフォームのプロファイルであり、（ｂ）は、プロファイルの半径方向位置でのＧｅ濃度分布を示し、（ｃ）は、プロファイルの半径方向位置でのフッ素濃度分布を示す。（ａ）は、比較例１で得られた光ファイバプリフォームのプロファイルであり、（ｂ）は、プロファイルの半径方向位置でのＧｅ濃度分布を示し、（ｃ）は、プロファイルの半径方向位置でのフッ素濃度分布を示す。（ａ）は、実施例２で得られた光ファイバプリフォームのプロファイルであり、（ｂ）は、プロファイルの半径方向位置でのＧｅ濃度分布を示し、（ｃ）は、プロファイルの半径方向位置でのフッ素濃度分布を示す。

（実施例１）
図１（ａ）に示したプロファイルとなるように、従来の方法により、光ファイバプリフォームを製造した。従来の方法とは、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ＰＣＶＤ法、ジャケット法であり、これらの堆積方法のいくつかを組み合わせて行なえばよい。
ドーパント濃度の調整例として、コア中心からの半径位置でのゲルマニウムの濃度分布を図１の（ｂ）に示し、フッ素の濃度分布を、半径位置が対応するようにして図１の（ｃ）に示した。
図１（ａ）のプロファイルを有する光ファイバプリフォームを線引きして得た光ファイバの損失は、使用波長である1310nmにおいて0.334dB/kmであり、別の使用波長である1550nmにおいては、0.191 dB/kmと低損失であった。さらに、この光ファイバのレーリー散乱係数を測定すると、0.860 dB/km・μm⁴となっており、レーリー散乱係数としては抑制されていると云える。

（比較例１）
比較のため、実施例１と同様に従来の方法により、ドーパント濃度として、ゲルマニウムが図２（ｂ）に示した濃度分布となるように、フッ素が図２（ｃ）に示した濃度分布となるようにして、光ファイバプリフォームを製造し、そのプロファイルを図２（ａ）に示した。このプリフォームを線引きして得た光ファイバの損失は、使用波長である1310nmにおいて、0.337 dB/kmであり、別の使用波長である1550nmにおいては、0.190 dB/kmと低損失であった。しかし、この光ファイバのレーリー散乱係数を測定すると、0.884 dB/km・μm⁴となっており、レーリー散乱係数としては、実施例１のものより高く、抑制されているとは云えなかった。

（実施例２）
他の実施例として、実施例１と同様に従来の方法により、ドーパント濃度として、ゲルマニウムが図３（ｂ）に示した濃度分布となるように、フッ素が図３（ｃ）に示した濃度分布となるようにして、光ファイバプリフォームを製造し、そのプロファイルを図３（ａ）に示した。このプリフォームを線引きして得た光ファイバの損失は、使用波長である1310nmにおいて、0.329 dB/kmであり、別の使用波長である1550nmにおいては0.187 dB/kmと低損失であった。この光ファイバのレーリー散乱係数を測定すると、0.854 dB/km・μm⁴となっており、レーリー散乱係数としては実施例１のものよりさらに低く、抑制効果の高いファイバであると云える。

Claims

中心部にコア、該コアに隣接してその外周を覆う低屈折率層、及び該低屈折率層に隣接してその外周を覆うクラッドからなる光ファイバにおいて、前記低屈折率層の屈折率が、内側から外側に向かつて低下していることを特徴とする光ファイバ。
中心部に最大屈折率ｎ_１のコア、該コアに隣接してその外周を覆う最低屈折率ｎ_２の低屈折率層、及び該低屈折率層に隣接してその外周を覆う平均屈折率ｎ_３のクラッドからなる光ファイバにおいて、前記低屈折率層の最も内側のコアとの境界部における屈折率がｎ_３である請求項１に記載の光ファイバ。
中心部に最大屈折率ｎ_１のコア、該コアに隣接してその外周を覆う最低屈折率ｎ_２の低屈折率層、及び該低屈折率層に隣接してその外周を覆う平均屈折率ｎ_３のクラッドからなる光ファイバにおいて、前記低屈折率層の最も外側のクラッドとの境界部における屈折率がｎ_２である請求項１又は２に記載の光ファイバ。
中心部にコア、該コアに隣接してその外周を覆う低屈折率層、該低屈折率層に隣接してその外周を覆うクラッドとからなるシリカを主成分とする光ファイバにおいて、コアには、高屈折率用の元素がドープされ、かつ低屈折率用の元素を実質的に含まず、前記低屈折率層には、低屈折率用の元素がドープされている請求項１乃至３のいずれかに記載の光ファイバ。
中心部にコア、該コアに隣接してその外周を覆う低崩折率層、該低屈折率層に隣接してその外周を覆うクラッドとからなるシリカを主成分とする光ファイバにおいて、コアには高屈折率用の元素がドープされ、前記低屈折率層には、低屈折率用の元素がドープされ、かつ高屈折率用の元素を実質的に合まない請求項１乃至４のいずれかに記載の光ファイバ。
中心部にコア、該コアに隣接してその外周を覆う低屈折率層、該低屈折率層に隣接してその外周を覆うクラッドとからなるシリカを主成分とする光ファイバにおいて、コアには高屈折率用の元素がドープされ、前記低屈折率層には低屈折率用の元素がドープされており、クラッドは、高屈折率用の元素及び低屈折率用の元素を実質的に含まない請求項１乃至５のいずれかに記載の光ファイバ。
前記低屈折率層にドープされた低屈折率用元素の含有量が、該低屈折率層の内側から外側に向かって増加させてなる請求項１乃至６のいずれかに記載の光ファイバ。
前記低屈折率層にドープされた低屈折率用の元素の含有量が、該低屈折率層の最も内側のコアとの境界部において実質的にゼロとなる請求項１乃至７のいずれかに記載の光ファイバ。
前記低屈折率層にドープされた低屈折率用の元素の含有量が、該低屈折率層の最も外側のクラッドとの境界部において最大となる請求項１乃至８のいずれかに記載の光ファイバ。
前記コアにドープされた高屈折率用の元素の含有量が、該コアの最も外側の低屈折率層との境界部において実質的にゼロとなる請求項１乃至９のいずれかに記載の光ファイバ。
前記高屈折率用の元素がゲルマニウムである請求項１〜１０のいずれかに記載の光ファイバ。
前記低屈折率用の元素がフッ素である請求項１〜１１のいずれかに記載の光ファイバ。
波長1550ｎmにおける伝送損失が0.19dB/km以下である請求項１〜１２のいずれかに記載の光ファイバ。
直径20mmのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの波長1550ｎmにおける損失増加が0.5dB/ｋrn以下である請求項１〜１３のいずれかに記載の光ファイバ。
波長1383ｎmにおける伝送損失が0.35dB/km以下である請求項１〜１４のいずれかに記載の光ファイバ。