JP2014222269A - 光ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路構造を維持するために必要なコアとクラッドとの比屈折率差を持ちながら、レイリー散乱損失が小さく、しかも純粋石英コア光ファイバと比較して低コストな光ファイバ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ゲルマニウムと塩素とを含む石英ガラスからなるコア１１と、コア１１の周囲に形成されると共にフッ素と塩素とを含む石英ガラスからなるクラッド１２と、を備え、クラッド１２は、コア１１に内接する第１の領域１３と、第１の領域１３に内接する第２の領域１４と、を有し、第１の領域１３の屈折率は、径方向内方から径方向外方に向かって純粋石英ガラスの屈折率から第２の領域１４の屈折率まで連続して減少し、第２の領域１４の屈折率は、径方向内方から径方向外方に亘って一定である、光ファイバ１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、フッ素が添加された石英ガラスからなるクラッドを備える光ファイバ及びその製造方法に関する。

光ファイバは、コアの屈折率がクラッド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、コアとクラッドとの界面における全反射を利用してコアに光を閉じ込めて伝送する。

例えば、通常の光ファイバは、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高くなるように、屈折率を高くするためのゲルマニウム等の添加剤が添加された石英ガラスからなるコアと、コアの周囲に形成されると共に純粋石英ガラスからなるクラッドと、を備えている。

コアの屈折率は添加剤の濃度に依存し、添加剤の濃度が高くなるとコアの屈折率も高くなり、コアとクラッドとの比屈折率差が大きくなる。実用上の曲げ特性を満足し、光導波路構造を維持するためには、ある程度の比屈折率差が必要となるため、通常の光ファイバでは、添加剤の濃度を高くすることで、光導波路構造の維持に必要な比屈折率差を確保している。

ところが、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はコアの屈折率の揺らぎ、即ち添加剤の濃度の揺らぎに依存するため、添加剤の濃度が高くなるほどその揺らぎが生じ易くなり、レイリー散乱損失が増加することとなる。

光導波路構造を維持しながらレイリー散乱損失を低減するために、純粋石英ガラスからなるコアと、コアの周囲に形成されると共に屈折率を低くするためのフッ素等の添加剤が添加された石英ガラスからなるクラッドと、を備える純粋石英コア光ファイバが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この純粋石英コア光ファイバは、コアが添加剤の添加されていない純粋石英ガラスからなるため、添加剤の濃度の揺らぎに起因するレイリー散乱損失が原理的に発生せず、離島間を無中継で繋ぐ海底ケーブル等の長距離伝送用途に好適である。

特開２０１０−６４９１５号公報

大久保勝彦著、「ＩＳＤＮ時代の光ファイバ技術」、株式会社理工学社、1989年6月、p.2-9

しかしながら、純粋石英コア光ファイバは、通常の光ファイバのようにコアとクラッドとを同時にスート合成して製造することが困難であることから、通常の光ファイバと比較して製造工程が多く、線引き条件等の設定も煩雑で線引き速度も遅く、また光ファイバ母材の大型化が困難であり、高コストであるという問題を抱えている。

そこで、本発明の目的は、光導波路構造を維持するために必要なコアとクラッドとの比屈折率差を持ちながら、レイリー散乱損失が小さく、しかも純粋石英コア光ファイバと比較して低コストな光ファイバ及びその製造方法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、ゲルマニウムと塩素とを含む石英ガラスからなるコアと、前記コアの周囲に形成されると共にフッ素と塩素とを含む石英ガラスからなるクラッドと、を備え、前記クラッドは、前記コアに内接する第１の領域と、前記第１の領域に内接する第２の領域と、を有し、前記第１の領域の屈折率は、径方向内方から径方向外方に向かって純粋石英ガラスの屈折率から前記第２の領域の屈折率まで連続して減少し、前記第２の領域の屈折率は、径方向内方から径方向外方に亘って一定である光ファイバである。

前記コアと前記第２の領域との比屈折率差が０．３％以上０．４５％以下、前記コアと純粋石英ガラスとの比屈折率差が０．１％以上０．２５％以下、前記第２の領域と純粋石英ガラスとの比屈折率差が−０．２％以上−０．１％以下であると良い。

前記コアにおけるゲルマニウムの濃度が２質量％以上６．５質量％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。

また、本発明は、ゲルマニウムと塩素とを含む石英ガラスからなるコアと、前記コアの周囲に形成されると共にフッ素と塩素とを含む石英ガラスからなるクラッドと、を備え、前記クラッドは、前記コアに内接する第１の領域と、前記第１の領域に内接する第２の領域と、を有し、前記第１の領域の屈折率は、径方向内方から径方向外方に向かって純粋石英ガラスの屈折率から前記第２の領域の屈折率まで連続して減少し、前記第２の領域の屈折率は、径方向内方から径方向外方に亘って一定である光ファイバの製造方法であって、前記コアとなる多孔質コア部と前記第１の領域となる第１の多孔質クラッド部とを同時にスート合成して多孔質ガラス母材を製造する工程と、前記多孔質ガラス母材を塩素雰囲気中で脱水して脱水済多孔質ガラス母材を製造する工程と、前記脱水済多孔質ガラス母材をガラス化すると共に前記第１の多孔質クラッド部にフッ素を添加してガラス母材を製造する工程と、前記ガラス母材の周囲に前記第２の領域となる第２の多孔質クラッド部をスート合成する工程と、前記第２の多孔質クラッド部を脱水する工程と、前記第２の多孔質クラッド部をガラス化すると共に前記第２の多孔質クラッド部にフッ素を添加して光ファイバ母材を製造する工程と、前記光ファイバ母材を線引きして光ファイバを製造する工程と、を備える光ファイバの製造方法である。

前記多孔質コア部、前記第１の多孔質クラッド部、及び前記第２の多孔質クラッド部は、気相軸付け法によりスート合成すると良い。

本発明によれば、光導波路構造を維持するために必要なコアとクラッドとの比屈折率差を持ちながら、レイリー散乱損失が小さく、しかも純粋石英コア光ファイバと比較して低コストな光ファイバ及びその製造方法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。 吸収損失と構造不整損失を説明する図である。 実施例で製造した光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。

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。

先ず、本実施の形態に係る光ファイバについて説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る光ファイバ１０は、ゲルマニウムと塩素とを含む石英ガラスからなるコア１１と、コア１１の周囲に形成されると共にフッ素と塩素とを含む石英ガラスからなるクラッド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、国際標準規格であるITU-T G.652、ITU-T G.657に準拠しており、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り、クラッド１２を構成する石英ガラスにフッ素が含まれているのは、クラッド１２の屈折率を純粋石英ガラスの屈折率よりも低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、図２に示すように、多孔質ガラスには１３８０ｎｍ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。

ヒドロキシ基に起因する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。

クラッド１２は、コア１１に内接する第１の領域１３と、第１の領域１３に内接する第２の領域１４と、を有している。

第１の領域１３の屈折率は、径方向内方から径方向外方に向かって純粋石英ガラスの屈折率から第２の領域１４の屈折率まで連続して減少しており、第２の領域１４の屈折率は、径方向内方から径方向外方に亘って一定となっている。

ここで、屈折率が連続して減少するとは、屈折率の分布を部分的に見たときに屈折率が多少増加している部分や断続して減少している部分があったとしても、屈折率の分布を全体的に見たときに屈折率が実質的に連続して減少していれば良いことを意味する。

また、屈折率が一定であるとは、屈折率の分布を部分的に見たときに屈折率が多少増減している部分があったとしても、屈折率の分布を全体的に見たときに屈折率が実質的に一定であれば良いことを意味する。

これらは、現在の技術では理想的な屈折率の分布を正確に実現することは困難であることから、ある程度の誤差については許容するという趣旨を示している。

クラッド１２が第１の領域１３と第２の領域１４との二層構造であるのは、光ファイバ１０における構造不整損失を緩和するためである。

具体的には、光ファイバ１０では、光導波路構造を維持するために必要なコア１１とクラッド１２との比屈折率差を確保することができれば良いので、原理的にはクラッド１２が第１の領域１３と第２の領域１４との二層構造である必要は無い。

しかしながら、クラッド１２が第２の領域１４のみの一層構造であると、即ちコア１１とクラッド１２との間の屈折率の変化が急峻であると、コア１１とクラッド１２とをガラス化する際に、コア１１のガラス化温度とクラッド１２のガラス化温度との間に大きな差が生じることとなる。

これらのガラス化温度の差は、気泡やクラックが発生する原因となる他、線引きの際にコア１１とクラッド１２との界面に残留ひずみが生じる原因となり、図２に示したような構造不整損失を発生させてしまう。

この構造不整損失を緩和するためには、コア１１と第２の領域１４との間に、径方向内方から径方向外方に向かって純粋石英ガラスの屈折率から第２の領域１４の屈折率まで連続して減少し、即ち径方向内方から径方向外方に向かってフッ素の濃度がゼロから第２の領域におけるフッ素の濃度と同等となるまで連続して増加し、コア１１の屈折率と第２の領域１４の屈折率との間に連続性を持たせて粘度整合を図るための緩和領域としての第１の領域１３を設ける必要がある。

また、ITU-T G.652に準拠した光学特性を得るために、コア１１と第２の領域１４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と第２の領域１４との比屈折率差を０．３％以上とするのは、コア１１と第２の領域１４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と第２の領域１４との比屈折率差を０．４５％以下とするのは、コア１１と第２の領域１４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。

更に、コア１１と純粋石英ガラスとの比屈折率差が０．１％以上０．２５％以下であることが好ましい。

コア１１と純粋石英ガラスとの比屈折率差を０．１％以上とするのは、コア１１と純粋石英ガラスとの比屈折率差が０．１％未満であると、光ファイバ１０が高コストになってしまうからである。

具体的には、コア１１と純粋石英ガラスとの比屈折率差を０．１％未満とすると、コア１１と第２の領域１４との間で光導波路構造を維持するために必要な０．３％以上の比屈折率差を確保するために、第２の領域１４と純粋石英ガラスとの比屈折率差を−０．２％未満とする必要がある。

ところが、第２の領域１４と純粋石英ガラスとの比屈折率差を−０．２％未満とするためには、第１の領域１３や第２の領域１４におけるフッ素の濃度を高くする必要があり、高価なフッ素含有ガスの使用量が多くなるので、光ファイバ１０が高コストになってしまう。

また、コア１１と純粋石英ガラスとの比屈折率差を０．２５％以下とするのは、通常の光ファイバに対するレイリー散乱損失の低減の効果を明確にするためには、コアにおけるゲルマニウムの濃度が比屈折率差にして０．０５％以上相違している必要があるからである。

コア１１と純粋石英ガラスとの比屈折率差を０．１％以上０．２５％以下とするためには、非特許文献１に記載されたゲルマニウムの濃度と比屈折率差との関係から、コア１１におけるゲルマニウムの濃度が２質量％以上６．５質量％以下であれば良い。

更に、第２の領域１４と純粋石英ガラスとの比屈折率差が−０．２％以上−０．１％以下であることが好ましい。

これは、コア１１と第２の領域１４との比屈折率差が０．３％以上０．４５％以下、コア１１と純粋石英ガラスとの比屈折率差が０．１％以上０．２５％以下であるとの条件を満たすために必然的に定まるものである。

次に、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法について説明する。

本実施の形態に係る光ファイバの製造方法は、コア１１となる多孔質コア部と第１の領域１３となる第１の多孔質クラッド部とを同時にスート合成して多孔質ガラス母材を製造する工程と、多孔質ガラス母材を塩素雰囲気中で脱水して脱水済多孔質ガラス母材を製造する工程と、脱水済多孔質ガラス母材をガラス化すると共に第１の多孔質クラッド部にフッ素を添加してガラス母材を製造する工程と、ガラス母材の周囲に第２の領域１４となる第２の多孔質クラッド部をスート合成する工程と、第２の多孔質クラッド部を脱水する工程と、第２の多孔質クラッド部をガラス化すると共に第２の多孔質クラッド部にフッ素を添加して光ファイバ母材を製造する工程と、光ファイバ母材を線引きして光ファイバを製造する工程と、を備えることを特徴とする。

この際、多孔質コア部、第１の多孔質クラッド部、及び第２の多孔質クラッド部は、気相軸付け法によりスート合成することが好ましい。

コア１１となる多孔質コア部と第１の領域１３となる第１の多孔質クラッド部とを同時にスート合成して多孔質ガラス母材を製造するのは、コア１１とクラッド１２とを別工程で製造し、後工程で何等かの手段を持って一体化させると、コア１１とクラッド１２との界面に不純物の残留が生じ、伝送損失（特に吸収損失や構造不整損失）を発生させる要因となるからである。

多孔質ガラス母材を塩素雰囲気中で脱水して脱水済多孔質ガラス母材を製造し、また第２の多孔質クラッド部を脱水するのは、気相軸付け法によりスート合成された多孔質コア部、第１の多孔質クラッド部、又は第２の多孔質クラッド部に含まれるヒドロキシ基を除去して、ヒドロキシ基に起因する吸収損失を低減するためである。

なお、第１の領域１３や第２の領域１４におけるフッ素の濃度の分布は、第１の多孔質クラッド部や第２の多孔質クラッド部のスート嵩密度やガラス化のための焼結処理時間を変更することにより調整することができる。

また、第２の多孔質クラッド部にフッ素を添加するときには、既に多孔質コア部と第１の多孔質クラッド部はガラス化しているので、第２の多孔質クラッド部に添加されるフッ素がコア１１や第１の領域１３に侵入することはなく、コア１１の屈折率や第１の領域１３の屈折率が変動することは無い。

以上の工程により得られた光ファイバ１０では、コア１１におけるゲルマニウムの濃度を低くすると共に、クラッド１２におけるフッ素の濃度を高くしてコア１１と第２の領域１４との間で光導波路構造の維持に必要な比屈折率差を確保しているので、通常の光ファイバと比較してコアにおけるゲルマニウムの濃度を低くすることができ、その濃度の揺らぎに起因するレイリー散乱損失を低減することが可能となる。

また、光ファイバ１０では、コア１１となる多孔質コア部と第１の領域１３となる第１の多孔質クラッド部とを同時にスート合成しているので、純粋石英コア光ファイバと比較して製造工程を削減することができ、低コスト化を図ることが可能となる。

よって、本発明によれば、光導波路構造を維持するために必要なコア１１とクラッド１２との比屈折率差を持ちながら、レイリー散乱損失が小さく、しかも純粋石英コア光ファイバと比較して低コストな光ファイバ１０及びその製造方法を提供することができる。

本発明に従って、図３に示す屈折率プロファイルと表１の上段に示す構造パラメータとを有する光ファイバ１０を製造し、この光ファイバ１０について特性を評価すると表１の下段に示す結果となった。

ここで、Δｎ１は比屈折率差の最大値、Δｎ２は比屈折率差の最小値、２×ａ１は光ファイバ１０のコア１１とクラッド１２との比屈折率差（Δｎ１＋Δｎ２）の半値となる比屈折率差と屈折率プロファイルとの２つの交点の間の距離、２×ｒ１はｄ（Δｎ２）／ｄ（ｒ１）＞｜０．００５｜を満たすｒ１を半径とする直径、２×ｒ２は光ファイバ１０の直径を示す。

図３及び表１から分かるように、本発明に係る光ファイバ１０によれば、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以下であり、しかも一般的な光ファイバのレイリー散乱係数（０．９０ｄＢ／ｋｍ／μｍ⁴）及びレイリー散乱損失（０．３ｄＢ）を下回る非常に優れた特性を得ることができる。

１０ 光ファイバ
１１ コア
１２ クラッド
１３ 第１の領域
１４ 第２の領域

Claims (7)

1. ゲルマニウムと塩素とを含む石英ガラスからなるコアと、
   前記コアの周囲に形成されると共にフッ素と塩素とを含む石英ガラスからなるクラッドと、
   を備え、
   前記クラッドは、前記コアに内接する第１の領域と、前記第１の領域に内接する第２の領域と、を有し、
   前記第１の領域の屈折率は、径方向内方から径方向外方に向かって純粋石英ガラスの屈折率から前記第２の領域の屈折率まで連続して減少し、
   前記第２の領域の屈折率は、径方向内方から径方向外方に亘って一定であることを特徴とする光ファイバ。
2. 前記コアと前記第２の領域との比屈折率差が０．３％以上０．４５％以下、前記コアと純粋石英ガラスとの比屈折率差が０．１％以上０．２５％以下、前記第２の領域と純粋石英ガラスとの比屈折率差が−０．２％以上−０．１％以下である請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記コアにおけるゲルマニウムの濃度が２質量％以上６．５質量％以下である請求項１又は２に記載の光ファイバ。
4. 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３の何れか一項に記載の光ファイバ。
5. ケーブルカットオフ波長が１２６０ｎｍ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。
6. ゲルマニウムと塩素とを含む石英ガラスからなるコアと、
   前記コアの周囲に形成されると共にフッ素と塩素とを含む石英ガラスからなるクラッドと、
   を備え、
   前記クラッドは、前記コアに内接する第１の領域と、前記第１の領域に内接する第２の領域と、を有し、
   前記第１の領域の屈折率は、径方向内方から径方向外方に向かって純粋石英ガラスの屈折率から前記第２の領域の屈折率まで連続して減少し、
   前記第２の領域の屈折率は、径方向内方から径方向外方に亘って一定である光ファイバの製造方法であって、
   前記コアとなる多孔質コア部と前記第１の領域となる第１の多孔質クラッド部とを同時にスート合成して多孔質ガラス母材を製造する工程と、
   前記多孔質ガラス母材を塩素雰囲気中で脱水して脱水済多孔質ガラス母材を製造する工程と、
   前記脱水済多孔質ガラス母材をガラス化すると共に前記第１の多孔質クラッド部にフッ素を添加してガラス母材を製造する工程と、
   前記ガラス母材の周囲に前記第２の領域となる第２の多孔質クラッド部をスート合成する工程と、
   前記第２の多孔質クラッド部を脱水する工程と、
   前記第２の多孔質クラッド部をガラス化すると共に前記第２の多孔質クラッド部にフッ素を添加して光ファイバ母材を製造する工程と、
   前記光ファイバ母材を線引きして光ファイバを製造する工程と、
   を備えることを特徴とする光ファイバの製造方法。
7. 前記多孔質コア部、前記第１の多孔質クラッド部、及び前記第２の多孔質クラッド部は、気相軸付け法によりスート合成する請求項６に記載の光ファイバの製造方法。

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