JP2014219474A

JP2014219474A - 光ファイバ

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Publication number: JP2014219474A
Application number: JP2013096951A
Authority: JP
Inventors: 大薗　和正; Kazumasa Osono; 和正大薗; 智巳小野瀬; Tomomi Onose; 宏史福里; Hiroshi Fukusato
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2013-05-02
Publication date: 2014-11-20

Abstract

【課題】添加物としてヒドロキシ基を用いながらも、ＯＨ吸収損失の増加を抑制することが可能な光ファイバを提供する。
【解決手段】コア１１と、コア１１の周囲に形成されたクラッド１２と、を備え、クラッド１２は、コアの周囲に形成された第１のクラッド１３と、第１のクラッド１３の周囲に形成された第２のクラッド１４と、を有する光ファイバ１０において、コア１１のヒドロキシ基濃度が１．５ｐｐｂ以下、第１のクラッド１３のヒドロキシ基濃度が１０ｐｐｂ以上１０ｐｐｍ以下、第２のクラッド１４のヒドロキシ基濃度が１００ｐｐｍ以上であるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒドロキシ基に起因する吸収損失（以下、ＯＨ吸収損失という）とレイリー散乱損失とを低減した光ファイバに関する。

光ファイバを製造する際には、スート合成時に用いられる酸水素火炎等の影響によりヒドロキシ基の混入が避けられない。コアの内部に残留したヒドロキシ基は１３８３ｎｍの波長帯において吸収損失を発生させる。

そのため、ＯＨ吸収損失の低減を図るべく、線引工程を経て光ファイバとなる光ファイバ母材を脱水し、光ファイバ母材に混入したヒドロキシ基を除去することが行われている。

特開平０１−２７０５３４号公報

しかしながら、図３に示すように、ヒドロキシ基濃度が低くなるほどガラスの軟化温度が高くなることから、ヒドロキシ基濃度が低い通常の光ファイバ母材を線引工程に供した場合には、その作業温度が２０００℃を超えるため、ガラスの構造緩和が十分に促進されず、ガラスの仮想温度が高くなる。

図４に示すように、ガラスの構造緩和が十分に促進されず、ガラスの仮想温度が高くなると、ガラスの非晶質化が促進されてレイリー散乱係数が大きくなり、光ファイバで生じる伝送損失の要因のうち８割から９割程度を占めるレイリー散乱損失が増加してしまう。

ガラスの構造緩和を十分に促進させてその仮想温度を低下させる方法としては、ガラスに添加物を添加してその軟化温度を低下させる方法が知られているが、添加物の添加は屈折率の変化を伴うため、屈折率が変化した結果、導波路構造が維持できなくなる。

また、添加物の追加による原材料費の増加が生じるため、低コスト化の観点から好ましいとは言えない。原材料費の増加を伴わない添加物としてヒドロキシ基が挙げられるが、前述したように、ヒドロキシ基は吸収損失を発生させる原因となる。

そこで、本発明の目的は、添加物としてヒドロキシ基を用いながらも、ＯＨ吸収損失の増加を抑制することが可能な光ファイバを提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を備え、前記クラッドは、前記コアの周囲に形成された第１のクラッドと、前記第１のクラッドの周囲に形成された第２のクラッドと、を有する光ファイバにおいて、前記コアのヒドロキシ基濃度が１．５ｐｐｂ以下、前記第１のクラッドのヒドロキシ基濃度が１０ｐｐｂ以上１０ｐｐｍ以下、前記第２のクラッドのヒドロキシ基濃度が１００ｐｐｍ以上である光ファイバである。

前記第１のクラッドの内径が２５μｍ以上３０μｍ以下、前記第２のクラッドの内径が４０μｍ以上６０μｍ以下であると良い。

前記第２のクラッドの外径が１２５μｍであると良い。

前記コアと前記クラッドとの比屈折率差が０．３％以上０．４５％以下であると良い。

前記コアの外径が８μｍ以上９μｍ以下であると良い。

波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が８．２μｍ以上９．５μｍ以下であると良い。

ケーブルカットオフ波長が１２６０ｎｍ以下であると良い。

ＯＨ吸収損失が０．４ｄＢ／ｋｍ以下であると良い。

レイリー散乱係数が０．９ｄＢ／ｋｍ／μｍ⁴以下であると良い。

本発明によれば、添加物としてヒドロキシ基を用いながらも、ＯＨ吸収損失の増加を抑制することが可能な光ファイバを提供することができる。

本発明に係る光ファイバを示す断面模式図である。本発明に係る光ファイバと従来の光ファイバとのレイリー散乱損失を比較する図である。ヒドロキシ基濃度と軟化温度又は仮想温度との関係を示す図である。仮想温度とレイリー散乱係数との関係を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の周囲に形成されたクラッド１２と、を備えている。

この光ファイバ１０は、コア１１の屈折率がクラッド１２の屈折率よりも相対的に高い光導波路構造となっており、コア１１とクラッド１２との界面における全反射を利用してコア１１に光を閉じ込めて伝送する。

なお、光ファイバ１０は、他の光ファイバとの互換性を確保するため、ＯＨ吸収損失を低減したシングルモード光ファイバの国際標準規格であるITU-T G.652.Dに準拠しており、且つ波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が８．２μｍ以上９．５μｍ以下、ケーブルカットオフ波長が１２６０ｎｍ以下となっている。

コア１１はゲルマニウムと塩素とを含む石英ガラスからなり、クラッド１２は塩素を含む石英ガラスからなる。コア１１を構成する石英ガラスにゲルマニウムが含まれているのは、コア１１の屈折率を純粋石英ガラスの屈折率よりも高くするために添加されているからである。

また、コア１１を構成する石英ガラス、及びクラッド１２を構成する石英ガラスに塩素が含まれているのは、脱水の際に雰囲気中の塩素が不可避的に取り込まれるからである。

具体的には、気相軸付け（Vapor-phase Axial Deposition；ＶＡＤ）法によりコア１１やクラッド１２となる多孔質ガラスをスート合成する際には酸水素火炎が用いられることから、多孔質ガラスには１３８３ｎｍの波長帯における吸収損失を増加させる原因となるヒドロキシ基が残存することとなる。

ＯＨ吸収損失を低減するためには、スート合成後に塩素雰囲気で多孔質ガラスを脱水して、多孔質ガラスに含まれるヒドロキシ基を除去する必要があるが、この脱水の際に雰囲気中の塩素が不可避的に取り込まれる。

また、ITU-T G.652.Dに準拠した光学特性を得るために、コア１１とクラッド１２との比屈折率差が０．３％以上０．４５％以下であることが好ましい。

コア１１とクラッド１２との比屈折率差を０．３％以上とするのは、コア１１とクラッド１２との比屈折率差が０．３％未満であると、モードフィールド径を９．５μｍ以下としたときに実用上の曲げ特性を満足することができず、光導波路構造を維持することができないからである。例えば、波長が１．５５μｍ、曲げ半径が１０ｍｍのとき、曲げ損失が１ターン当たり１０ｄＢを超えてしまう。

また、コア１１とクラッド１２との比屈折率差を０．４５％以下とするのは、コア１１とクラッド１２との比屈折率差が０．４５％を超えると、モードフィールド径を８．２μｍ以上としたときにケーブルカットオフ波長が１２６０ｎｍ以下とならないからである。

これらの光学特性を満足するためには、コア１１の外径が８μｍ以上９μｍ以下である必要がある。

クラッド１２は、コア１１の周囲に形成された第１のクラッド１３と、第１のクラッド１３の周囲に形成された第２のクラッド１４と、を有している。

なお、光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の合成時に同時に合成される同時合成クラッド１５と、からなるコアロッド母材１６の周囲に、第１のクラッド１３と第２のクラッド１４とを形成して製造されることから、コア１１と第１のクラッド１３との間には同時合成クラッド１５が存在している。この同時合成クラッド１５は、ヒドロキシ濃度がコア１１と同一となっており、屈折率が第１のクラッド１３と同一となっている。

第１のクラッド１３は塩素を含む石英ガラスからなることから、第１のクラッド１３と純粋石英ガラスとの比屈折率差は０％よりも大きくなっており、同様に、第２のクラッド１４と純粋石英ガラスとの比屈折率差も０％よりも大きくなっている。

第１のクラッド１３の内径が２５μｍ以上３０μｍ以下、第２のクラッド１４の内径が４０μｍ以上６０μｍ以下であることが好ましい。ここで、第１のクラッド１３の内径がコア１１の外径と一致していない理由は、前述したように、コア１１と第１のクラッド１３との間に同時合成クラッド１５が存在するからである。

また、一般的な光ファイバの外径と同様の外径とするために、第２のクラッド１４の外径が１２５μｍであることが好ましい。

さて、本実施の形態に係る光ファイバ１０は、コア１１のヒドロキシ基濃度が１．５ｐｐｂ以下、第１のクラッド１３のヒドロキシ基濃度が１０ｐｐｂ以上１０ｐｐｍ以下、第２のクラッド１４のヒドロキシ基濃度が１００ｐｐｍ以上であることを特徴とする。

コア１１のヒドロキシ基濃度を１．５ｐｐｂ以下とするのは、コア１１のヒドロキシ基濃度が１．５ｐｐｂを超えると、ＯＨ吸収損失がITU-T G.652.Dに規定された波長１３８３ｎｍにおける損失の限界値である０．４ｄＢ／ｋｍを超えてしまうからである。

具体的には、ヒドロキシ基濃度とＯＨ吸収損失との間には、ヒドロキシ基濃度が１ｐｐｍ増加するとＯＨ吸収損失が６５ｄＢ／ｋｍ増加する関係があることが知られている。波長１３８３ｎｍのバックグランドの損失は、レイリー散乱損失：０．２７５ｄＢ／ｋｍ（レイリー散乱係数が１の場合）、その他の不可避的な構造不整損失：０．０２５ｄＢ／ｋｍの合計０．３ｄＢ／ｋｍと見積もられる。そのため、１３８３ｎｍの損失を０．４ｄＢ／ｋｍ以下とするためのＯＨ吸収損失は０．１ｄＢ／ｋｍ以下と求めることができる。ＯＨ吸収損失を０．１ｄＢ／ｋｍ以下とするために必要なコア１１のヒドロキシ基濃度の上限値は下式（１）から１．５ｐｐｂであることが分かる。

なお、コア１１のヒドロキシ基濃度は、その他の要因に起因する吸収損失の増加を考慮し、０．５ｐｐｂの余裕を見て１ｐｐｂ以下とすることがより好ましい。

ここで、クラッド１２の製造方法について説明する。

第１のクラッド１３は、コア１１を含むコアロッド母材１６の外周部に外付（Outside Vapor Phase Deposition；ＯＶＤ）法によりガラス微粒子の集合体であるスートを堆積させた後、電気炉からなる焼結炉により焼結（加熱）して透明ガラス化して製造する。

この際、雰囲気ガス（Ｈｅ等）にハロゲンガスの一種である塩素を混合し、スートを堆積させる時に発生、残留するヒドロキシ基と反応させ、ＨＣｌとＯ₂の形にして焼結炉の外部に排出することで、第１のクラッド１３に含まれるヒドロキシ基を除去（脱ヒドロキシ基化）している。

脱ヒドロキシ基化の効果は、諸条件に依存して決まる。諸条件としては、塩素ガス濃度、処理温度、処理時間、スート堆積時の嵩密度といった要素がある。また、脱ヒドロキシ基化の効果は、これらの要素の組み合わせにより決せられるが、定性的には、塩素ガス濃度が高いほど、処理時間が長いほど、嵩密度が小さいほど効果は大きくなる。なお、処理温度については、スートが収縮しない範囲で出来る限り高い温度、具体的には８００℃以上１２００℃以下程度が最適とされている。

第１のクラッド１３は、前述した通り、外付法によりコアロッド母材１６の外周部にスートを堆積させて製造するが、このときの嵩密度は０．３ｇ／ｃｍ³以上とすることが好ましい。嵩密度が０．３ｇ／ｃｍ³未満となると、焼結時にコアロッド母材１６の外周部に堆積したスートが透明ガラス化する際の軸方向の収縮度が大きくなり、その結果、コアロッド母材１６と外付けしたスート母材の界面に気泡が発生する割合が高くなり、歩留低下の要因となるからである。

嵩密度を０．３ｇ／ｃｍ³以上にしようとすると、生産性を考慮した実用的な条件下（Ｈｅ：２０Ｌ／分、Ｃｌ₂：０．５Ｌ／分、焼結時の母材送り速度：３ｍｍ／分、処理温度：１５００℃（脱ヒドロキシ基化と透明ガラス化を同時に実施））において、脱ヒドロキシ基化が可能なヒドロキシ基濃度の限界は１０ｐｐｂ程度となり、Ｃｌ₂濃度や焼結時間等を調整することにより、１０ｐｐｍまで制御することが可能となる。なお、コア１１を含むコアスート母材の嵩密度は０．３ｇ／ｃｍ³未満の０．２ｇ／ｃｍ³程度であるので、ヒドロキシ基濃度を１ｐｐｂ未満とすることが十分に可能である。

つまり、第１のクラッド１３のヒドロキシ基濃度の最小値は１０ｐｐｂと言える。そのため、１０ｐｐｂのヒドロキシ基が残存していても、光ファイバとしたときの波長１３８３ｎｍの損失が０．４ｄＢ／ｋｍ以下となるクラッド１２の内径の最小値は実験による検討の結果、２５μｍであることを確認したので、この値を採用した。

第２のクラッド１４は、第１のクラッド１３の透明ガラス化後に、第１のクラッド１３の外周部にＯＶＤ法によりスートを堆積させた後、焼結（加熱）して透明ガラス化して製造する。この第２のクラッド１４となるスートの嵩密度は、前述の理由により、０．３ｇ／ｃｍ³以上が好ましい。

そして、第２のクラッド１４となるスートを、例えば、Ｈｅ：２０Ｌ／分、焼結時の母材送り速度：３ｍｍ／分、処理温度１５００℃の条件で焼結することにより、透明ガラス化されて第２のクラッド１４となる。このように、塩素を含まない雰囲気で焼結することにより、第２のクラッド１４のヒドロキシ濃度が１００ｐｐｍ以上となる。

また、第１のクラッド１３のヒドロキシ基濃度を１０ｐｐｍ以下とするのは、第１のクラッド１３の内径が３０μｍのときに、ＯＨ吸収損失を０．４ｄＢ／ｋｍ以下とするためである。

第２のクラッド１４のヒドロキシ基濃度を１００ｐｐｍ以上とするのは、第２のクラッド１４の内径が４０μｍのときに、ＯＨ吸収損失を０．４ｄＢ／ｋｍ以下とし、且つガラスの軟化温度を低下させてレイリー散乱係数の低減効果が顕著に現れるために必要な最小のヒドロキシ基濃度が１００ｐｐｍであるためである。

また、第２のクラッド１４の内径を６０μｍ以下とするのは、これよりも大きくなると、第２のクラッド１４が光ファイバ１０中に占める割合（体積占有率）が小さくなりすぎてしまうため、ヒドロキシ基の添加によるガラスの仮想温度の低下効果が不十分となり、レイリー散乱係数を０．９ｄＢ／ｋｍ／μｍ⁴以下にすることができないからである。

この光ファイバ１０は、コア１１となる部分のヒドロキシ基濃度が１．５ｐｐｂ以下、第１のクラッド１３となる部分のヒドロキシ基濃度が１０ｐｐｂ以上１０ｐｐｍ以下、第２のクラッド１４となる部分のヒドロキシ基濃度が１００ｐｐｍ以上である光ファイバ母材を線引工程に供することによって製造することができる。光ファイバ母材におけるヒドロキシ基濃度は、例えば、スート合成時の嵩密度、脱水温度、又は脱水時間を変化させることで調整することが可能である。

これまで説明してきた光ファイバ１０によれば、第１のクラッド１３がバリア層として機能し、コア１１へのヒドロキシ基の拡散が抑制されるため、ＯＨ吸収損失を０．４ｄＢ／ｋｍ以下とすることができる。

また、光ファイバ１０によれば、第２のクラッド１４にヒドロキシ基が高濃度に添加されているため、ガラスの仮想温度を低下させることができ、レイリー散乱係数を０．９ｄＢ／ｋｍ／μｍ⁴以下とすることができる。実際に、光ファイバ１０を作製したところ、図２に示すように、レイリー散乱係数を０．８８ｄＢ／ｋｍ／μｍ⁴とすることができ、レイリー散乱係数が０．９４ｄＢ／ｋｍ／μｍ⁴である従来の光ファイバに比べてレイリー散乱損失を低減することが可能であった。

以上の通り、本発明によれば、添加物としてヒドロキシ基を用いながらも、ＯＨ吸収損失の増加を抑制することが可能な光ファイバ１０を提供することができる。

１０光ファイバ
１１コア
１２クラッド
１３第１のクラッド
１４第２のクラッド
１５同時合成クラッド
１６コアロッド母材

Claims

コアと、
前記コアの周囲に形成されたクラッドと、
を備え、
前記クラッドは、
前記コアの周囲に形成された第１のクラッドと、
前記第１のクラッドの周囲に形成された第２のクラッドと、
を有する光ファイバにおいて、
前記コアのヒドロキシ基濃度が１．５ｐｐｂ以下、前記第１のクラッドのヒドロキシ基濃度が１０ｐｐｂ以上１０ｐｐｍ以下、前記第２のクラッドのヒドロキシ基濃度が１００ｐｐｍ以上であることを特徴とする光ファイバ。
前記第１のクラッドの内径が２５μｍ以上３０μｍ以下、前記第２のクラッドの内径が４０μｍ以上６０μｍ以下である請求項１に記載の光ファイバ。
前記第２のクラッドの外径が１２５μｍである請求項１又は２に記載の光ファイバ。
前記コアと前記クラッドとの比屈折率差が０．３％以上０．４５％以下である請求項１から３の何れか一項に記載の光ファイバ。
前記コアの外径が８μｍ以上９μｍ以下である請求項１から４の何れか一項に記載の光ファイバ。
波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が８．２μｍ以上９．５μｍ以下である請求項１から５の何れか一項に記載の光ファイバ。
ケーブルカットオフ波長が１２６０ｎｍ以下である請求項１から６の何れか一項に記載の光ファイバ。
ヒドロキシ基に起因する吸収損失が０．４ｄＢ／ｋｍ以下である請求項１から７の何れか一項に記載の光ファイバ。
レイリー散乱係数が０．９ｄＢ／ｋｍ／μｍ⁴以下である請求項１から８の何れか一項に記載の光ファイバ。