JP2014010412A

JP2014010412A - シングルモード光ファイバ

Info

Publication number: JP2014010412A
Application number: JP2012149030A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Osono; 和正大薗; Bing Yao; 兵姚; Tomonori Watanabe; 智紀渡邊
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-20
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: JP5799903B2; CN103529511A

Abstract

【課題】曲げ損失特性に優れ、かつ低伝送損失な特性を備えたシングルモード光ファイバを提供する。
【解決手段】トレンチ型の屈折率プロファイルを有するシングルモード光ファイバであって、第１クラッド層の外径をｒ１、第２クラッド層の外径をｒ２としたときに、コア層の中心からの距離ｒに対する比屈折率差Δ（ｒ）の径方向に対する微分値ｄΔ(ｒ)／ｄｒが、−０．１０≦ｄΔ(ｒ)／ｄｒ＜０（ｒ１≦ｒ≦ｒ２）、ｄΔ(ｒ１)／ｄｒ＞ｄΔ(ｒ)／ｄｒ（ｒ１＜ｒ＜ｒ２）、及び、ｄΔ(ｒ２)／ｄｒ＞ｄΔ(ｒ)／ｄｒ（ｒ１＜ｒ＜ｒ２）となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、曲げ損失特性に優れ、かつ低伝送損失な特性を備えたシングルモード光ファイバに関するものである。

通信用光ファイバの中でもシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ−ＭｏｄｅｏｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒ）は、低損失・広帯域な伝送路として広く実用化されている。近年、ＦＴＴＨ（ＦｉｂｅｒＴｏＴｈｅＨｏｍｅ）システムの普及により光ファイバが室内まで配線されるケースが増えている。そのようなシステムにおいては、光ファイバは屋外のアクセス点よりドロップケーブルを介して、室内まで導かれるが、その際、建物の構造や室内の状況により、光ファイバは小さな曲げを伴った配線形態になるのが普通である。しかしながら、光ファイバを小さく曲げると、光ファイバの信号光を閉じ込める力が劣化し、大きな伝送損失が発生する。その対策として、クラッド層の屈折率分布を、図７に示すような３層構造にしたトレンチ型屈折率分布シングルモード光ファイバが用いられている。本ファイバはトレンチ構造を有しているため、通常のシングルモード光ファイバに比べ、優れた曲げ損失特性を有している。このトレンチ型屈折率分布を形成するためには、光ファイバのクラッド層を屈折率の異なる３層構造で構成する必要がある。

光ファイバは、光ファイバ母材を線引きして製造されるので、光ファイバのクラッド層を３層構造とするためには、クラッド層となる部分を屈折率の異なる３層構造とした光ファイバ母材を製造する必要がある。

このような光ファイバ母材を製造するためには、図８に示すように、気相軸付法（ＶＡＤ法：ＶａｐｏｒｐｈａｓｅＡｘｉａｌＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ）によってシリカガラス微粒子（スート）を堆積させ、次にＨｅとＣｌ₂ガスの混合ガス雰囲気中で脱水焼結処理し、さらに、延伸してコアおよび第１クラッド同時合成母材を製造する（（ａ）コア母材製造工程）。

また、別工程にて、ＶＡＤ法によってスートを堆積させ、次にＨｅとＳｉＦ₄ガスの混合ガス雰囲気中で焼結時にフッ素ドープし、得られたガラス母材に対してコア母材を挿入するための中空部をチュービング加工して、第２クラッド層となるフッ素ドープ第２クラッド層（フッ素ドープ管）を製造する（（ｂ）トレンチ部フッ素管製造工程）。

以上のようにして製造したコア第１クラッド同時合成母材とフッ素ドープ第２クラッド層とをロッドインチューブ法により一体化する（（ｃ）ロッドイン加工工程）。さらに、外付けＶＡＤ法により第２クラッド層の外周にスートを堆積させた後、ＨｅとＣｌ₂ガスの混合ガス雰囲気中で焼結し、第３クラッド層となる塩素ドープ石英クラッド層を形成すると、クラッド層が３層構造の光ファイバ母材が得られ（（ｄ）外側クラッド製造工程）、その後、本母材を線引きしてクラッド層が３層構造のトレンチ型シングルモード光ファイバが得られる。

このように、従来はトレンチ型シングルモード光ファイバの製造に際しては、第２クラッド層となるフッ素ドープ管をロッドインチューブ法により一体化して作製していたので、第１クラッド層と第２クラッド層の境界部は、図９に示すようなファイバ組成の不連続点を伴った急激な屈折率分布変化部（点線で囲った部分）となっていた。

特開２０１０−６４９１５号

しかしながら、トレンチ型シングルモード光ファイバの第１クラッド層となる部分と第２クラッド層となる部分の組成が大きく異なると、光ファイバ母材を線引して形成された光ファイバにおいて、第１クラッド層と第２クラッド層との境界部に残留応力が発生し、図１０に示すような伝送損失増加の要因となる。本伝送損失は波長依存性が小さいことから特定の不純物に起因する吸収損失ではなく、一般に構造不整損失と呼ばれる損失で、コア／クラッド界面の揺らぎが原因と考えられる。当該ファイバの場合、コアと第１クラッドまでは、図１０に比較のために示した通常シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）と同じなので、伝送損失増加の要因としては考えにくい。そのため、次に伝送損失増加を引き起こす可能性が高い要因は、第１クラッドと第２クラッド界面の組成差（揺らぎ）である。

当該ファイバにおいては、第１クラッドと第２クラッドの境界部に、急峻な屈折率変化（比屈折率差Δ（ｒ）をｒ（半径を表す。）で微分することにより算出される、ｄΔ(ｒ)／ｄｒが−０．１５となる箇所）が存在する。これは、前述した当該ファイバ母材の製造法に大きな原因がある。つまり、図８で示した工程（ｃ）において、コア／第１クラッド同時合成母材の第１クラッド部と屈折率が異なった第２クラッドとなるフッ素ドープ石英管を直接一体化しているため、その境界部には屈折率の不連続点が生じる。石英における屈折率は、石英を構成する組成によって決まり、組成が異なれば熱に対する膨張係数が異なるため、光ファイバの線引き工程のような加熱工程後に、残留応力が発生することになる。また、この残留応力は光ファイバ線引き時の張力にも依存し、張力が小さいと残留応力は小さくなる傾向を持つため、図１０に示すようにそれに伴って構造不整損失も小さくなるが、張力を実用的な作業条件の範囲内で最小（張力＝０．１Ｎ）としても、十分に構造不整損失を低減することができない。

本残留応力を緩和するためには、前記第１クラッド層となる部分と第２クラッド層となる部分の組成の性質の差（膨張係数の差）を小さくすること、つまり、第２クラッド層の屈折率を、第１クラッド層のそれに近づければよいが、その差が比屈折率差で−０．１％より大きくなると、今度は、トレンチ型光ファイバの特徴が緩和され、所望の曲げ損失特性（たとえばＩＴＵ−ＴＧ６５７Ａ２）が得られなくなり、ＦＴＴＨシステムへの本ファイバの適用が困難になる。また、逆に−０．４５％より小さくなると、ＩＴＵ−ＴＧ６５７−Ａ２規格におけるケーブルカットオフ波長とモードフィールド径の両方の特性を同時に満足させることが困難になるので、望ましくは、−０．４５％以上とするのがよい。

そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、曲げ損失特性に優れ、かつ低伝送損失な特性を備えたシングルモード光ファイバを提供することにある。

上記課題を解決するために創案された本発明は、コア層と、前記コア層の外周に隣接した第１クラッド層と、前記第１クラッド層の外周に隣接した第２クラッド層と、前記第２クラッド層の外周に隣接した第３クラッド層を備えたシングルモード光ファイバであって、前記コア層の中心における屈折率ｎ０、前記第１クラッド層の平均屈折率ｎ１、第２クラッド層の最小屈折率ｎ２、および第３クラッド層の平均屈折率ｎ３は、ｎ０＞ｎ３＞ｎ１＞ｎ２の関係であり、前記第３クラッド層の平均屈折率ｎ３と前記コア層の中心屈折率ｎ０とから算出される前記コア層の比屈折率差は０．３％以上、０．４５％以下であり、前記第３クラッド層の平均屈折率ｎ３と前記第２クラッド層の最小屈折率ｎ２とから算出される前記第２クラッド層の比屈折率差は、−０．１％以下、−０．４５％以上で、前記第１クラッド層の外径をｒ１、前記第２クラッド層の外径をｒ２としたときに、前記コア層の中心からの距離ｒに対する比屈折率差Δ（ｒ）の径方向に対する微分値ｄΔ(ｒ)／ｄｒが、−０．１０≦ｄΔ(ｒ)／ｄｒ＜０（ｒ１≦ｒ≦ｒ２）、ｄΔ(ｒ１)／ｄｒ＞ｄΔ(ｒ)／ｄｒ（ｒ１＜ｒ＜ｒ２）、及び、ｄΔ(ｒ２)／ｄｒ＞ｄΔ(ｒ)／ｄｒ（ｒ１＜ｒ＜ｒ２）となることを特徴とするシングルモード光ファイバである。

前記シングルモード光ファイバのコア層はゲルマニウムとフッ素および塩素が添加された石英ガラスからなり、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層はフッ素と塩素が添加された石英ガラスからなり、前記第３クラッド層は塩素が添加された石英ガラスからなる。

前記シングルモード光ファイバは、波長１３１０ｎｍのモードフィールド径が８．２〜９．４μｍである。

前記シングルモード光ファイバは、曲げ直径１５ｍｍで曲げた時の波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．５ｄＢ／ターン以下である。

前記シングルモード光ファイバは、曲げ直径１５ｍｍで曲げた時の波長１６２５ｎｍにおける曲げ損失が１．０ｄＢ／ターン以下である。

本発明によれば、曲げ損失特性に優れ、かつ、低伝送損失の特性を備えたシングルモード光ファイバを提供できる。

本実施の形態に係るシングルモード光ファイバの屈折率分布構造を説明する図である。本発明の光ファイバにおける比屈折率差のファイバ径方向の変化率の様子を示したものである。第１クラッド層と第２クラッド層の界面の屈折率の変化率を変えた場合に伝送損失がどのように変化するかを示した図である。コアスート母材製造の様子を示したものである。コア母材焼結工程の様子を示したものである。コア母材透明ガラス化後の屈折率分布を示したものである。従来のトレンチ型光ファイバの屈折率分布の一例を示す図である。従来のトレンチ型シングルモード光ファイバの製造に用いる光ファイバ母材の製造方法を説明する図である。従来のトレンチ型光ファイバの屈折率分布を示したものである。従来のトレンチ型光ファイバの伝送損失とＳＭＦの伝送損失との比較結果を示したものである。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施の形態に係るシングルモード光ファイバは、従来のシングルモード光ファイバと同等の低損失な伝送特性を備えつつ、曲げ損失特性については、従来型のシングルモード光ファイバに比べ、優れた特性を備えたもので、その屈折率分布構造の実施例を図１により説明する。

まず、図１に示すように、本発明のシングルモード光ファイバは、３層クラッド構造を有するトレンチ型の屈折率分布構造を有している。その特徴は、第１クラッド層と第２クラッド層の境界部に急激な組成変化領域がなく、その結果、その屈折率分布構造が第２クラッド層内で外径方向に対して、負の傾斜を持った構造になっている。

本明細書における各層の半径の算出方法について下記する。まず、第３クラッド層の目標屈折率値（設計値）を用いて比屈折率差の径分布Δ（ｒ）を求め、次に、図２に示すように、比屈折率差の径分布Δ（ｒ）の微分値であるｄΔ（ｒ）／ｄｒ（ｒは半径を表す。）を求める。なお、図２においては、直径１２５μｍの光ファイバを用意し、１．０μｍピッチで比屈折率差Δ（ｒ）を求めている。

コア層の半径ｒ０は、コア層の中心から外径方向に向かってｄΔ（ｒ）／ｄｒが最初に負の極値となる位置までの距離とする。第１クラッド層の外縁の半径ｒ１は、コア層の外縁よりも外側で、かつ、ｄΔ（ｒ）／ｄｒが最初に正から負へ変わる位置またはｄΔ（ｒ）／ｄｒが負の領域において極値となる最初の位置までの距離とする（ｄΔ（ｒ）／ｄｒの値が、増加（または横ばい）から減少に転じる位置までの距離である）。第２クラッド層の外縁の半径ｒ２は、第１クラッド層の外側で、かつ、ｄΔ（ｒ）／ｄｒが正の値となる位置までの距離とする。第３クラッド層の外縁の半径ｒ３は、光ファイバの外径に等しい。

また、各層の比屈折率差は、以下のようにして算出される。コア層の比屈折率差Δｎ０は、第３クラッド層の平均屈折率ｎ３とコア層の中心屈折率ｎ０とから算出（Δｎ０＝１００×（ｎ０−ｎ３）／ｎ０。以下同様である。）され、第１クラッド層の比屈折率差Δｎ１は、第３クラッド層の平均屈折率ｎ３と第１クラッド層の平均屈折率ｎ１とから算出され、第２クラッド層の比屈折率差Δｎ２は、第３クラッド層の平均屈折率ｎ３と第２クラッド層の最小屈折率ｎ２とから算出される。

第１クラッド層の外縁部から第２クラッド層の外縁部に向かって、ファイバ径（ｒ）方向に対する比屈折率差Δ（ｒ）の分布の微分値ｄΔ(ｒ)／ｄｒは、ｒ１≦ｒ≦ｒ２を満たす領域で負（ｄΔ(ｒ)／ｄｒ＜０）となり、つまり、外径方向に対して比屈折率Δ（ｒ）は常に減少している。また、ｒ１＜ｒ＜ｒ２を満たす領域において、ｄΔ(ｒ１)／ｄｒ及びｄΔ(ｒ２)／ｄｒよりも小さくなるｄΔ(ｒ)／ｄｒが存在する。

本実施例に先立ち、コア層の半径ｒ０を７．０μｍ、第１クラッド層の半径ｒ１を２０μｍ、第２クラッド層の半径ｒ２を３８μｍ、第３クラッド層の半径ｒ３を１２５μｍ、コア層の比屈折率差Δｎ０を０．３５％、第１クラッド層の比屈折率差Δｎ１を−０．０４％、第２クラッド層の比屈折率差Δｎ３を−０．１２％の条件で固定し、第１クラッドの外縁部から第２クラッドの外縁部に向かってのｄΔ(ｒ)／ｄｒ（ｒ１＜ｒ＜ｒ２）の最小値が、−０．０２５、−０．１０、−０．１１、−０．１２、−０．１５の光ファイバ（光ファイバ線引時の張力は１．５Ｎ）を試作し、それぞれの伝送損失を調べた。その結果を図３に示す。ｄΔ(ｒ)／ｄｒの値が大きくなるにつれ構造不整損失の発生は抑制され、−０．１０及び−０．０２５で通常のＳＭＦと同等の伝送損失となることを見出した。そのため、本発明においては、−０．１０≦ｄΔ(ｒ)／ｄｒ＜０となることを必要条件と定めた。

次に、本発明のシングルモード光ファイバの製造方法について以下、詳細を述べる。図４にコアスート母材製造の様子を示す。スート母材中心部（コア層）２形成用のバーナー３とスート母材第１クラッド部４形成用のバーナー５及びスート母材第２クラッド部６形成用のバーナー７に、酸素、水素、原料ガス（例えばＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄、ＳｉＦ₄）を供給し、酸素と水素の混合気体の火炎中で、原料ガスを燃焼（加水分解）させて不純物の少ないシリカガラス微粒子（スート）を生成し、それを回転するロッド（種棒）１の下端に堆積させながらロッド１を引き上げていき、多孔質体のスート母材１０を形成する。

なお、この時スート堆積温度を制御することにより、ガラス微粒子（スート）の嵩密度を調節可能であり、嵩密度が高くなるほど後工程であるフッ素雰囲気中での焼結工程においてフッ素ドープ量を抑制することができる。この方法を用いて第１クラッドの外縁部から第２クラッドの外縁部に向かってのｄΔ(ｒ)／ｄｒ（ｒ１＜ｒ＜ｒ２）の最小値の制御を行うことができる。

このとき、バーナー３には原料ガスとしてＳｉＣｌ₄＝３ｇ／ｍｉｎ、ＧｅＣｌ₄＝０．２ｇ／ｍｉｎを可燃ガスとしてＨ₂＝６．５Ｌ／ｍｉｎ、助燃ガスとしてＯ₂＝１６Ｌ／ｍｉｎを供給した。また、バーナー５には原料ガスとしてＳｉＣｌ₄＝２０ｇ／ｍｉｎ、可燃ガスとしてＨ₂＝５５Ｌ／ｍｉｎ、助燃ガスとしてＯ₂＝５０Ｌ／ｍｉｎを、さらに、バーナー７には原料ガスとしてＳｉＣｌ₄＝１８ｇ／ｍｉｎ、可燃ガスとしてＨ₂＝６０Ｌ／ｍｉｎ、助燃ガスとしてＯ₂＝５０Ｌ／ｍｉｎを供給し、φ５０ｍｍのスート母材中心部２を、φ１２０のスート母材第１クラッド部を、φ２２０ｍｍのスート母材第２クラッド部を持った全長１５００ｍｍの多孔質体のスート母材１０を形成した。

次に、当該スート母材１０の焼結を行った。焼結には図５に示す電気焼結炉２０を使用した。焼結方法は、まず、スート母材１０の脱ＯＨ処理として、炉内ガスＨｅ＝２０Ｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ₂＝３００ｃｃ／ｍｉｎの混合ガス雰囲気で、焼結温度１２００℃、送り速度５ｍｍ／ｍｉｎで、スート母材全長の加熱処理を行った。次に、母材へのフッ素ドープ及び透明ガラス化処理として、炉内ガスＨｅ＝２０Ｌ／ｍｉｎ、ＳｉＦ₄＝１５０ｃｃ／ｍｉｎの混合ガス雰囲気で、焼結温度１５００℃、送り速度５ｍｍ／ｍｉｎで、スート母材全長の加熱処理を行った。その結果、直径φ１００ｍｍ、全長８５０ｍｍの透明ガラス化母材（図示無し）を得た。

以上の方法で得られた透明ガラス化母材の屈折率分布測定結果の一例を図６に示す。本実施例では、石英基準の比屈折率差が、センターコアΔｎ１１は０．３８％、第１クラッドΔｎ２１は−０．０５％、第２クラッド最小値Δｎ３１は−０．１６％であった。本屈折率分布結果を基にファイバ化後のケーブルカットオフ波長＝１２４０ｎｍとなるような設計を行ったところ、第２クラッド層の半径ｒ２を３８μｍとすればよいことが分かった。

そこで、本透明ガラス化母材３０を所定の径に延伸し、その外周部に外付け法により第３クラッド層となるスート母材を堆積させ、外径φ２５０ｍｍ、長さ１６００ｍｍの母材４０（図示無し）とした。本外付けスート母材を温度１５００℃の電気焼結炉にて透明ガラス化を行い、φ１１０ｍｍ、長さ１５００ｍｍの透明ガラス化全合成母材（図示無し）を得た。

次に得られた透明ガラス化母材を、線引き工程にてφ１２５μｍの光ファイバ（図１）とした。光ファイバの構造を表１に、光学的諸特性を表２に示す。

通常のシングルモード光ファイバと同等の諸特性を備えつつ、特に、曲げ損失特性については、優れた特性を有しており、ＩＴＵ−ＴＧ.６５７Ａ２で規定されている特性を満足する特性となっている。なお、第２クラッド層におけるｄΔ（ｒ）／ｄｒ（ｒ１≦ｒ≦ｒ２）が、表１に示した−０．０１９よりも大きくなっても、−０．０１０以下であれば、構造不正損失の発生を抑制したまま耐曲げ性が良くなり、本発明の目的である曲げ損失特性に優れ、かつ低伝送損失な特性を備えたシングルモード光ファイバを提供することができることは言うまでもない。

１ロッド
２スート母材中心部
３スート母材中心部形成用バーナー
４母材第1クラッド部
５第1クラッド部形成バーナー
６母材第２クラッド部
７第２クラッド部形成バーナー
１０スート母材
２０電気焼結炉

Claims

コア層と、
前記コア層の外周に隣接した第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の外周に隣接した第２クラッド層と、
前記第２クラッド層の外周に隣接した第３クラッド層を備えたシングルモード光ファイバであって、
前記コア層の中心における屈折率ｎ０、前記第１クラッド層の平均屈折率ｎ１、第２クラッド層の最小屈折率ｎ２、および第３クラッド層の平均屈折率ｎ３は、ｎ０＞ｎ３＞ｎ１＞ｎ２の関係であり、
前記第３クラッド層の平均屈折率ｎ３と前記コア層の中心屈折率ｎ０とから算出される前記コア層の比屈折率差は０．３％以上、０．４５％以下であり、
前記第３クラッド層の平均屈折率ｎ３と前記第２クラッド層の最小屈折率ｎ２とから算出される前記第２クラッド層の比屈折率差は、−０．１％以下、−０．４５％以上で、
前記第１クラッド層の外径をｒ１、前記第２クラッド層の外径をｒ２としたときに、前記コア層の中心からの距離ｒに対する比屈折率差Δ（ｒ）の径方向に対する微分値ｄΔ(ｒ)／ｄｒが、−０．１０≦ｄΔ(ｒ)／ｄｒ＜０（ｒ１≦ｒ≦ｒ２）、ｄΔ(ｒ１)／ｄｒ＞ｄΔ(ｒ)／ｄｒ（ｒ１＜ｒ＜ｒ２）、及び、ｄΔ(ｒ２)／ｄｒ＞ｄΔ(ｒ)／ｄｒ（ｒ１＜ｒ＜ｒ２）となることを特徴とするシングルモード光ファイバ。
請求項１記載のシングルモード光ファイバであって、
前記コア層はゲルマニウムとフッ素および塩素が添加された石英ガラスからなり、
前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層はフッ素と塩素が添加された石英ガラスからなり、
前記第３クラッド層は塩素が添加された石英ガラスからなることを特徴とするシングルモード光ファイバ。
請求項１記載のシングルモード光ファイバであって、波長１３１０ｎｍのモードフィールド径が８．２〜９．４μｍであることを特徴とするシングルモード光ファイバ。
請求項１記載のシングルモード光ファイバであって、曲げ直径１５ｍｍで曲げた時の波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．５ｄＢ／ターン以下であることを特徴とするシングルモード光ファイバ。
請求項１記載のシングルモード光ファイバであって、曲げ直径１５ｍｍで曲げた時の波長１６２５ｎｍにおける曲げ損失が１．０ｄＢ／ターン以下であることを特徴とするシングルモード光ファイバ。