JP2014071152A - 光ファイバおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造が容易で安定して優れた光学特性を示す光ファイバ、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】ファイバ１は、コア領域２と、コア領域２の周囲に設けられ、コア領域２よりも低い屈折率を有するクラッド領域５とを有し、クラッド領域５は、コア領域２と隣接するディプレスト層３と、ディプレスト層３の外周に設けられたジャケット層４と、を備え、ディプレスト層３は、ジャケット層４よりも屈折率が低く、ディプレスト層３の最内周の比屈折率差Δｎ３ａ―ディプレスト層３の最外周の比屈折率差Δｎ３ｂで表されるディプレスト層３における比屈折率差の差分Ａ［％］が、−０．０２≦Ａ＜０を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバおよび光ファイバの製造方法に関する。

コア領域が純シリカガラスで構成され、クラッド領域に添加されるフッ素量を調節することによりコア領域とクラッド領域との間に所望の屈折率差を生じさせた光ファイバが知られている（特許文献１参照）。このような光ファイバにおいて、クラッド領域に、コア領域に隣接するディプレスト層と、ディプレスト層の外周にジャケット層を設けたものが知られている。ディプレスト層の屈折率をコア領域およびジャケット層の屈折率よりも低く設定することにより、所望の光学特性を得ることができる。

特許第４０８０１６４号公報

ところで、このような光ファイバにおいては、ジャケット層は、シリカの屈折率を低下させるフッ素などの添加物をシリカに添加することにより、ジャケット層の屈折率を低下させている。

ところが、この添加物の量が製造誤差によってばらついてしまうことがあり、ジャケット層の屈折率がばらついてしまうことがある。すると、ディプレスト層とジャケット層との屈折率がほとんど変わらず、ディプレスト層を設けても、所望の光学的特性を有する光ファイバが得られないことがある。

そこで本発明の目的は、製造が容易で、安定して優れた光学特性を示す光ファイバ、およびその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできる本発明の光ファイバは、
純シリカからなるコア領域と、
前記コア領域の周囲に設けられ、前記コア領域よりも低い屈折率を有するクラッド領域と、を有し、
前記クラッド領域は、前記コア領域と隣接するディプレスト層と、前記ディプレスト層の外周に設けられたジャケット層と、を備え、
前記ディプレスト層は、前記ジャケット層よりも屈折率が低く、
前記ディプレスト層の最内周部の比屈折率差をΔｎ３ａ、前記ディプレスト層の最外周部の比屈折率差をΔｎ３ｂとしたとき、
Ａ＝Δｎ３ａ−Δｎ３ｂ
で表される前記ディプレスト層における前記比屈折率差の差分Ａ［％］が、−０．０２≦Ａ＜０を満たすことを特徴とする。
なお、「純シリカ」とは、ゲルマニウムを含まない石英ガラス（その他の元素（Ｋ，Ｃｌ，Ｆなど）が微量含まれていても良い）を指す。

上記課題を解決することのできる本発明の光ファイバの製造方法は、
前記コア領域となるコア材を、前記ディプレスト層となるガラスパイプ内に挿入してコラプスし、その外側に前記ジャケット層をスス付けて焼結し、その後線引することによって請求項１に記載の光ファイバを製造する方法であって、
前記ガラスパイプとなるガラス体を焼結する工程において、フッ素を含む雰囲気下で、前記ガラス体の軸方向の一部分を加熱可能なヒータを、前記ガラス体の軸方向に相対移動させながら焼結させる際、前記ヒータの前記ガラス体に対する相対移動速度を３．０ｍｍ／ｍｉｎ以下とすることを特徴とする

本発明に係る光ファイバによれば、ディプレスト層の最内周部と最外周部との比屈折率差の差分Ａが−０．０２％以上０％未満となるようにディプレスト層の屈折率が外周側に向かって低くなるように傾斜されている。これにより、ジャケット層の屈折率が多少ばらついた場合でも、ディプレスト層の最外周の屈折率をジャケット層の屈折率よりも低くすることができ、優れた特性を有する光ファイバを安定して提供することができる。

また、本発明に係る光ファイバの製造方法によれば、ディプレスト層となるガラス体を焼結する工程において、ヒータのガラス体に対する相対移動速度が３．０ｍｍ／ｍｉｎ以下とされている。このため、ディプレスト層の比屈折率差の差分Ａが−０．０２％以上０％未満となるように、ガラス体を焼結することができる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る光ファイバの断面図であり、（ｂ）は光ファイバの屈折率分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光ファイバの製造方法を説明する図である。 ガラス微粒子堆積体とヒータとの相対移動速度と、ディプレスト層の最内周部と最外周部との比屈折率差の差分、との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る光ファイバの実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
図１の（ａ）は、本発明の一実施形態に係る光ファイバ１の断面図である。図１の（ａ）に示すように、光ファイバ１は、中心にコア領域２を有し、その外周にクラッド領域５を有する。クラッド領域５は、コア領域２の外周に位置するディプレスト層３と、ディプレスト層３の外周に位置するジャケット層４を有する。

コア領域２は、ゲルマニウムを含まない石英ガラスであり、実質的に純石英であるが、製造の過程で塩素やカリウム、フッ素等が微量に含まれていてもよい。クラッド領域５は、フッ素が添加された石英ガラスであり、コア領域２よりも低い屈折率を有している。

また、各部の具体的な大きさの一例として、コア領域２の直径ｄ１は９．６μｍ、ディプレスト層３の直径ｄ２は４８μｍ、ジャケット層４の直径ｄ３は１２５μｍとすることができる。

図１の（ｂ）は、光ファイバ１の断面における屈折率分布を示す模式図である。図１の（ｂ）に示したように、光ファイバ１において中心のコア領域２の屈折率ｎ２が最も高く、その周囲のクラッド領域５の屈折率は、コア領域２の屈折率ｎ２よりも低い。また、コア領域２の屈折率ｎ２は径方向によらず略一様である。

また、クラッド領域５におけるジャケット層４の屈折率ｎ４は、コア領域２の屈折率ｎ２よりも小さい。また、ジャケット層４の屈折率ｎ４は径方向によらず略一様である。

クラッド領域５におけるディプレスト層３の屈折率は、コア領域２に隣接するディプレスト層３の最内周における屈折率ｎ３ａから、ジャケット層４に隣接するディプレスト層３の最外周における屈折率ｎ３ｂにかけて、略一様に低下するように傾斜されている。

ディプレスト層３の最外周における屈折率ｎ３ｂは、ディプレスト層３の最内周における屈折率ｎ３ａよりも小さく、ジャケット層４の屈折率ｎ４よりも小さい。

ここで、ディプレスト層３における最内周の比屈折率差をΔｎ３ａ、最外周の比屈折率差をΔｎ３ｂとして、比屈折率差の差分Ａ［％］を、
Ａ＝Δｎ３ａ−Δｎ３ｂ
と表したとき、−０．０２≦Ａ＜０を満たすように、ディプレスト層の最内周の屈折率ｎ３ａとディプレスト層３の最外周の屈折率ｎ３ｂが設定されている。

各部の屈折率として、例えば、コア領域２の屈折率ｎ２に対して、ディプレスト層３の最内周における屈折率ｎ３ａの比屈折率差Δｎ３ａは０．２９５％、ディプレスト層３の最外周における屈折率ｎ３ｂの比屈折率差Δｎ３ｂは０．３１５％、ジャケット層４の屈折率ｎ４の比屈折率差Δｎ４は０．２９２％とすることができる。

一般に光ファイバの光学特性として、モードフィールド径ＭＦＤ（Mode Field Diameter）、カットオフ波長λｃ、ＭＡＣ値、ゼロ分散波長λ０のそれぞれを、所望の値の範囲内とすることが要求される。本実施形態に係る光ファイバ１は、屈折率分布の形状を精度良く調節することによりその要求を満たそうとするものである。

ジャケット層４の屈折率ｎ４とディプレスト層３の屈折率との差により、カットオフ波長λｃは変化する。このため、所望のカットオフ波長λｃを満たすように屈折率分布を設計するためには、ジャケット層４の屈折率ｎ４をディプレスト層３の最外層の屈折率ｎ３ｂに対して十分な差が取れるようにする必要がある。つまり、ジャケット層４の屈折率ｎ４をディプレスト層３の最外層の屈折率ｎ３ｂに対して十分な差が取れるようにすれば、カットオフ波長λｃの調整幅が広がることになる。

また、光ファイバ１の伝送特性の一つである曲げ損失は、光ファイバのモードフィールド径ＭＦＤを光ファイバのカットオフ波長λｃで除した値であるＭＡＣ値を指標として管理できる。このＭＡＣ値が小さいほど曲げ損失が小さくなりやすい。ＭＦＤはコアの構造である程度決まってしまうため、ＭＡＣ値を所望の値以下にするためには、カットオフ波長λｃを精度良く調整する必要がある。

上記したように、カットオフ波長λｃは、ディプレスト層３の最外周における屈折率ｎ３ｂとジャケット層４の屈折率ｎ４との屈折率差によって変化する。ディプレスト層３の効果を得るためには、ジャケット層４よりディプレスト層３の屈折率を下げる必要があるため、所望のカットオフ波長λｃを満たすためにジャケット層４の屈折率ｎ４を大幅に低くしようとしても、低くできない場合が出てくる。

そこで本実施形態では、ディプレスト層３の屈折率分布を内周側から外周側へ下がるように傾斜させることにより、ディプレスト層３とジャケット層４との屈折率差をつけやすくし、カットオフ波長λｃを精度良く調整しやすくしている。

これにより、ジャケット層４の屈折率ｎ４が多少ばらついたとしても、上記傾斜がない場合と比較して、ディプレスト層３の最外周の屈折率ｎ３ｂをジャケット層４の屈折率ｎ４よりも低くすることができ、モードフィールド径ＭＦＤ、カットオフ波長λｃ、ＭＡＣ値、ゼロ分散波長λ０のそれぞれを所望の値の範囲内で製造することが容易となる。

このように本実施形態に係る光ファイバ１によれば、ディプレスト層３の比屈折率差の差分Ａが−０．０２％以上０％未満となるようにディプレスト層３の屈折率が外周側に向かって低くなるように傾斜されている。これにより、ジャケット層４の屈折率ｎ４を、ディプレスト層３の最外周の屈折率ｎ３ｂと大きく異なる値に設定することができる。このため、製造誤差などによってジャケット層４の屈折率ｎ４がばらついた場合でも、ディプレスト層３の最外周の屈折率ｎ３ｂがジャケット層４の屈折率ｎ４よりも低くなりやすく、優れた特性を有する光ファイバを安定して提供することができる。

次に、このような光ファイバの製造方法を説明する。
まず、光ファイバ１のコア領域２となるコア材を用意する。コア材を作製するには、例えばＶＡＤ法により純シリカのガラス微粒子堆積体を作製し、これを塩素雰囲気下で脱水および焼結し、透明化した後、所望の外径となるように延伸する。なお、コア材は、純シリカからなるが、ごく微量の塩素などの不純物を含んでいてもよい。

また、光ファイバ１のディプレスト層３となる中心に軸方向に貫通する孔を有する円筒状のディプレストパイプ材を用意する。ディプレストパイプ材の作製方法については後述する。

さらに、このディプレストパイプ材の中心の孔にコア材を挿入する。この状態で、ディプレストパイプ材を加熱してコラプスすることによりコア材とディプレストパイプ材を一体化する。これにより、光ファイバのコア領域２となる部分とディプレスト層３となる部分を有する一次中間体が形成される。

そして、この一次中間体の外周に、光ファイバ１のジャケット層４となる部分のガラスを形成して二次中間体とする。例えば、ＯＶＤ法により純シリカのガラス微粒子を一次中間体の外周に堆積させ、径方向に堆積体を成長させる。

さらに、この二次中間体を加熱炉内で脱水処理を施す。脱水処理は、塩素を含むガスと不活性ガスの雰囲気とされた加熱炉で、二次中間体を加熱することにより行う。これにより、二次中間体に付着しているＯＨ基を脱離させる。

次に、加熱炉内をフッ化珪素（ＳｉＦ）と不活性ガスの雰囲気とされた加熱炉で、二次中間体を焼結する。このとき、フッ素が二次中間体の外周に浸透し、ジャケット層となる部分のガラスにフッ素が混入しながらジャケット層４となる部分のガラスが焼結される。これにより、ジャケット層４となる部分のガラスの屈折率が低下する。

以上の工程により、光ファイバ１のジャケット層４となる部分、ディプレスト層３となる部分、コア領域２となる部分を有する光ファイバ用ガラス母材が得られる。この光ファイバ用ガラス母材を、線引き装置によって線引きすることにより、光ファイバ１が得られる。

次に、ディプレスト層３となるディプレストパイプ材の作製方法について、図２を用いて詳述する。図２は、ディプレストパイプ材を焼結するための焼結炉を示している。

まず、ディプレストパイプ材の出発材料として、例えばＶＡＤ法により純シリカのガラス微粒子堆積体２０を作製する。ＶＡＤ法では、反応容器内に吊り下げた出発棒に対してガラス微粒子生成用バーナによりガラス微粒子を堆積させる。例えば、ガラス微粒子の堆積面を検出しながら、堆積面の位置が一定になるように出発棒を引き上げていくことにより、出発棒の軸方向にガラス微粒子堆積体２０を成長させることができる。

このようにして作製したガラス微粒子堆積体２０に、図２に示すような加熱炉１０内で脱水処理および焼結処理を施す。加熱炉１０は、ガラス微粒子堆積体２０の軸方向Ａｘの一部分を加熱可能な固定式のヒータ１１と、加熱炉１０内にフッ化珪素を供給するガス供給管１２とを備えている。

脱水処理は、加熱炉１０の内部を、塩素ガスと不活性ガスとを含む雰囲気とし、ヒータ１１でガラス微粒子堆積体２０を加熱することにより行う。ヒータ１１で加熱することにより、ガラス微粒子堆積体２０を構成するガラス微粒子に付着しているＯＨ基が脱離される。

続いて、ガラス微粒子堆積体２０に焼結処理を施す。この焼結処理は、加熱炉１０の内部の雰囲気を、フッ化珪素（ＳｉＦ）のガスと不活性ガス（ヘリウム等）の雰囲気に置換してから実行する。

焼結処理は、出発棒２１を上下に移動させてガラス微粒子堆積体２０を軸方向に移動させながら、ヒータ１１でガラス微粒子堆積体２０の軸方向の一部分を加熱する。すると、加熱された部分において、多数のガラス微粒子が緻密化して透明なガラス体となる。また、加熱された部分のガラス微粒子間に雰囲気中のフッ素がガラス微粒子堆積体２０に混入する。

焼結処理によってガラス微粒子堆積体２０が透明なガラス体となり、この透明なガラス体の中心軸の部分を穿孔して、ディプレストパイプ材とする。

ディプレストパイプ材を焼結する工程において、ガラス微粒子堆積体２０とヒータ１１の相対移動速度を調整することにより、ディプレスト層３となる部分の屈折率分布を調節することができる。ディプレスト層３となる部分の屈折率分布として、上述した比屈折率差の差分Ａを、焼結時の相対移動速度により調節することができる。図３は、ガラス微粒子堆積体２０とヒータ１１との相対移動速度と光ファイバ１のディプレスト層３の比屈折率差の差分Ａの関係を示すグラフである。

図３に示したように、ガラス微粒子堆積体２０とヒータ１１との相対移動速度を低速に設定すると、ディプレスト層３の比屈折率差の差分Ａが小さくなる。これは、相対移動速度が小さくなると、ヒータ１１によって軸方向の同一位置近傍を加熱する時間が長くなり、ディプレスト層３となる部分の内周端までフッ素が十分に浸透して焼結され、内周側と外周側とのフッ素濃度の差が小さくなるからであると考えられる。

一方、相対移動速度を高速に設定すると、ディプレスト層３の比屈折率差の差分Ａが大きくなる。これは、相対移動速度が大きくなると、ヒータ１１によって軸方向の同一位置近傍を加熱する時間が短くなり、ディプレスト層３となる部分の内周端までフッ素が十分に浸透せずに焼結され、内周側と外周側とのフッ素濃度の差が大きくなるからであると考えられる。

本実施形態では、ガラス微粒子堆積体２０とヒータ１１との相対移動速度を３．０ｍｍ／ｍｉｎ以下に設定する。これにより、光ファイバ１のディプレスト層３の内外周部の比屈折率差の差分Ａを−０．０２以上０未満として、ディプレスト層３の屈折率が内周側から外周側へ向かって低くなるように傾斜させることができる。

相対移動速度を３．０ｍｍ／ｍｉｎより大きく設定すると、ディプレスト層３の内外周部の比屈折率差の差分Ａをさらに大きくすることができるが、焼結時のフッ素のディプレスト層３への混入に大きなばらつきが生じてしまう。このため、ディプレスト層３の屈折率を外周側に向かって略一様に低下するように形成することが難しい。

また、好ましくは、この相対移動速度を１．５ｍｍ／ｍｉｎ以上に設定する。相対移動速度が１．５ｍｍ／ｍｉｎよりも小さいと、フッ素がディプレスト層３となる部分の内周端まで浸透し過ぎてしまう。このため、ディプレスト層３の屈折率が内周側から外周側にかけて一様となってしまい、屈折率分布を傾斜させることができない。

このような本実施形態に係る光ファイバ１の製造方法によれば、１５５０ｎｍのモードフィールド径ＭＦＤが１０．０〜１１．０μｍ、カットオフ波長λｃが１２５０ｎｍ以下、ＭＡＣ値が９．２以下、零分散波長λ０が１３００〜１３２４ｎｍの、特性に優れた光ファイバ１を提供することができる。

なお、ディプレストパイプ材の焼結時の相対移動速度を考慮せず、ディプレスト層３における内外周部の比屈折率差の差分Ａが０又は正の値になった場合の検査歩留まり（上記特性を満たすファイバが得られる割合）は、０％であった。一方、ディプレストパイプ材の焼結時の相対移動速度を３．０ｍｍ／ｍｉｎ以下とし、ディプレスト層３における内外周部の比屈折率差の差分Ａを−０．２以上０未満としたときの検査歩留まりは、７１．６％であった。ディプレストパイプ材の焼結時の相対移動速度を３．０ｍｍ／ｍｉｎより大きくし、ディプレスト層３における内外周部の比屈折率差の差分Ａを−０．２より小さくしたときは、ディプレスト層３の屈折率変化を略一様にすることが難しく、最外層の屈折率ｎ３ｂがばらついてしまうため、検査歩留まりは６２．３％であった。

なお、本発明の光ファイバ１およびその製造方法は、前述した実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形，改良等が可能である。

１：光ファイバ、２：コア領域、３：ディプレスト層、４：ジャケット層、５：クラッド領域、１０：焼結炉、１１：ヒータ、２０：ガラス微粒子堆積体、ｎ２，ｎ３ａ，ｎ３ｂ，ｎ４：屈折率、Ａ：比屈折率差の差分

Claims (2)

1. 純シリカからなるコア領域と、
   前記コア領域の周囲に設けられ、前記コア領域よりも低い屈折率を有するクラッド領域と、を有し、
   前記クラッド領域は、前記コア領域と隣接するディプレスト層と、前記ディプレスト層の外周に設けられたジャケット層と、を備え、
   前記ディプレスト層は、前記ジャケット層よりも屈折率が低く、
   前記ディプレスト層の最内周部の比屈折率差をΔｎ３ａ、前記ディプレスト層の最外周部の比屈折率差をΔｎ３ｂとしたとき、
   Ａ＝Δｎ３ａ−Δｎ３ｂで表される前記ディプレスト層における前記比屈折率差の差分Ａ［％］が、−０．０２≦Ａ＜０を満たすことを特徴とする光ファイバ。
2. 前記コア領域となるコア材を、前記ディプレスト層となるガラスパイプ内に挿入してコラプスし、その外側に前記ジャケット層をスス付けて焼結し、その後線引することによって請求項１に記載の光ファイバを製造する方法であって、
   前記ガラスパイプとなるガラス体を焼結する工程において、フッ素を含む雰囲気下で、前記ガラス体の軸方向の一部分を加熱可能なヒータを、前記ガラス体の軸方向に相対移動させながら焼結させる際、前記ヒータの前記ガラス体に対する相対移動速度を３．０ｍｍ／ｍｉｎ以下とすることを特徴とする光ファイバの製造方法。
   

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