JP2015174796A - Method for manufacturing optical fiber and optical fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ゲルマニウムが添加された石英ガラスからなるコアを備える光ファイバの製造方法及び光ファイバに関する。 The present invention relates to an optical fiber manufacturing method and an optical fiber including a core made of quartz glass to which germanium is added.
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。 The optical fiber has an optical waveguide structure in which the refractive index of the core is relatively higher than the refractive index of the cladding, and the light is confined and transmitted using the total reflection at the interface between the core and the cladding.
最も普及している一般的な光ファイバは、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。 The most popular general optical fiber has a core made of quartz glass doped with germanium for increasing the refractive index so that the refractive index of the core is higher than that of the cladding, and the periphery of the core. And a clad made of pure quartz glass.
コアの屈折率はゲルマニウムの濃度に依存し、ゲルマニウム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、一般的な光ファイバでは、ゲルマニウム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。 The refractive index of the core depends on the germanium concentration. When the germanium concentration increases, the refractive index of the core also increases, and the relative refractive index difference between the core and the cladding increases. In order to satisfy practical bending characteristics and maintain the optical waveguide structure, a certain degree of relative refractive index difference is required. In general optical fibers, the optical waveguide structure can be increased by increasing the germanium concentration. The relative refractive index difference necessary for maintaining the above is ensured.
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ガラス組成の揺らぎに依存しているため、ゲルマニウム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。 However, the Rayleigh scattering loss, which accounts for about 80% to 90% of the transmission loss caused by the optical fiber, depends on the fluctuation of the glass composition. Therefore, the higher the concentration of germanium, the easier the fluctuation occurs. Loss will increase.
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)。 In order to reduce Rayleigh scattering loss while maintaining the optical waveguide structure, a core made of pure quartz glass and a clad made of quartz glass formed around the core and added with fluorine for lowering the refractive index Have been proposed (for example, see Patent Document 1).
この純粋石英コア光ファイバは、コアが純粋石英ガラスからなるため、ガラス組成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。 This pure silica core optical fiber is made of pure silica glass, so there is no principle of Rayleigh scattering loss due to fluctuations in the glass composition, and long-distance transmission applications such as submarine cables that connect remote islands without relaying. It is suitable for.
しかしながら、純粋石英コア光ファイバを製造する際には、一般的な光ファイバを製造するときと同様に、光ファイバ母材のコア部とクラッド部とを同時にスート合成することが困難であるため、コア部とクラッド部とを別工程で作製し、これらをロッドインチューブ方式で一体化させる必要があり、また線引条件等の設定が煩雑で線引速度が遅く、光ファイバ母材の大型化も困難であることから、高コストとなるという課題がある。更に、クラッドの屈折率のみを調整して光導波路構造を維持するために大量のフッ素を必要とすることも高コストの原因となっている。 However, when producing a pure silica core optical fiber, it is difficult to soot combine the core portion and the clad portion of the optical fiber preform at the same time as when producing a general optical fiber, It is necessary to manufacture the core part and the clad part in separate processes and integrate them by the rod-in-tube method. Also, the drawing conditions are complicated and the drawing speed is slow, and the size of the optical fiber preform is increased. However, there is a problem that the cost is high. Furthermore, the need for a large amount of fluorine in order to maintain the optical waveguide structure by adjusting only the refractive index of the cladding is also a cause of high cost.
また、前述したように、純粋石英コア光ファイバが純粋石英ガラスからなるコアを備えているのに対して、一般的な光ファイバはゲルマニウムが添加された石英ガラスからなるコアを備えているため、純粋石英コア光ファイバと一般的な光ファイバとを光学的に接続する際に、両者におけるコアの屈折率が異なることにより接続界面でフレネル反射が発生し、接続損失が増加してしまうという課題もある。 As described above, a pure silica core optical fiber has a core made of pure silica glass, whereas a general optical fiber has a core made of quartz glass to which germanium is added. When optically connecting a pure silica core optical fiber and a general optical fiber, there is a problem that Fresnel reflection occurs at the connection interface due to the difference in the refractive index of the core in the two, resulting in an increase in connection loss. is there.
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、レイリー散乱損失や一般的な光ファイバとの接続損失が小さく、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の製造方法及び光ファイバを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to reduce the Rayleigh scattering loss and the connection loss with a general optical fiber while having a relative refractive index difference between the core and the clad necessary for maintaining the optical waveguide structure, and to obtain pure quartz. An object of the present invention is to provide an optical fiber manufacturing method and an optical fiber which are low in cost compared to a core optical fiber.
この目的を達成するために創案された本発明は、ゲルマニウムが添加された石英ガラスからなるコア部と前記コア部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部との比屈折率差が0.30%以上0.32%以下の光ファイバ母材を3.5N以上の線引張力で線引きして光ファイバを製造する光ファイバの製造方法である。 Invented to achieve this object, the present invention has a relative refractive index difference between a core portion made of quartz glass to which germanium is added and a clad portion made of pure quartz glass and formed around the core portion. This is an optical fiber manufacturing method in which an optical fiber is manufactured by drawing an optical fiber preform of 0.30% or more and 0.32% or less with a drawing tension of 3.5N or more.
前記光ファイバ母材を線引きした後にアニール処理を施すと良い。 Annealing treatment may be performed after drawing the optical fiber preform.
線引速度を100m/min以上とすると良い。 The drawing speed is preferably 100 m / min or more.
また、本発明は、これらの光ファイバの製造方法を経て得られると共に波長が1550nmの光を伝送させたときの伝送損失が0.18dB/km以下である光ファイバである。 In addition, the present invention is an optical fiber obtained through these optical fiber manufacturing methods and having a transmission loss of 0.18 dB / km or less when light having a wavelength of 1550 nm is transmitted.
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、レイリー散乱損失や一般的な光ファイバとの接続損失が小さく、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の製造方法及び光ファイバを提供することができる。 According to the present invention, while having the relative refractive index difference between the core and the clad necessary for maintaining the optical waveguide structure, the Rayleigh scattering loss and the connection loss with a general optical fiber are small, and the pure silica core light It is possible to provide an optical fiber manufacturing method and an optical fiber that are low in cost compared to a fiber.
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。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1に示すように、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法は、ゲルマニウムが添加された石英ガラスからなるコア部101とコア部101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部102との比屈折率差が0.30%以上0.32%以下の光ファイバ母材103を線引炉104に導入し、線引炉104における加熱温度を調整することにより、3.5N以上の線引張力で線引きして光ファイバ105を製造することを特徴とする。
As shown in FIG. 1, the optical fiber manufacturing method according to the present embodiment includes a
コア部101は光ファイバ105のコアとなる部分であり、クラッド部102は光ファイバ105のクラッドとなる部分である。コア部101とクラッド部102は、光ファイバ母材103を作製する際に同時にスート合成されることにより単一の工程で作製される。
The
ここで、各数値限定の理由を説明する。 Here, the reason for limiting each numerical value will be described.
比屈折率差が0.30%以上0.32%以下の光ファイバ母材103を線引きして光ファイバ105を製造する理由は、図2に示すように、比屈折率差が0.30%未満の光ファイバ母材103を線引きして光ファイバ105を製造した場合には、光ファイバの製造方法を経て得られる光ファイバ105の曲げ損失が国際標準規格であるITU-T G.652に規定された上限値を超えてしまい、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つ光ファイバ105を得ることができなくなってしまうからである。
The reason for manufacturing the
なお、国際標準規格であるITU-T G.652に規定された上限値を満足するとは、曲げ半径が37.5mmとなるようにループ形状に屈曲させた光ファイバで波長が16XXnm(図2では、1650nm)の光を伝送させたときに、100ターン当たりの曲げ損失が0.5dB以下であることを意味している。 Satisfying the upper limit defined in the international standard ITU-T G.652 means that an optical fiber bent in a loop shape with a bending radius of 37.5 mm has a wavelength of 16XX nm (in FIG. 2). , 1650 nm), the bending loss per 100 turns is 0.5 dB or less.
また、比屈折率差が0.32%超の光ファイバ母材103を線引きして光ファイバ105を製造した場合には、ガラス組成の揺らぎに起因するレイリー散乱損失が増加してしまうからである。これは、比屈折率差を大きくするためには、ゲルマニウムの濃度を高くする必要があることから、石英ガラス中におけるゲルマニウムの分散が不均一となり、ガラス組成の揺らぎが生じ易くなることを原因としている。
Further, when the
光ファイバ母材103を3.5N以上の線引張力で線引きして光ファイバ105を製造する理由は、図3に示すように、光ファイバ母材103を3.5N未満の線引張力で線引きして光ファイバ105を製造した場合には、光ファイバ母材103を線引きして光ファイバ105を製造する際に、コア部101に添加されたゲルマニウムがクラッド部102に拡散し易くなり、その結果として、屈折率分布の変化、即ち比屈折率差の低下が著しくなり、光ファイバの製造方法を経て得られる光ファイバ105の曲げ損失が大幅に低下してしまうからである。
The reason for manufacturing the
これまで説明してきた本実施の形態に係る光ファイバの製造方法を経て得られる光ファイバ105は、その曲げ損失が国際標準規格であるITU-T G.652に規定された上限値を満足することから、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つと言える。
The
また、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法によれば、光ファイバ母材103を線引きして光ファイバ105を製造する際に、比屈折率差の低下を抑制することができることから、ガラス組成の揺らぎに起因するレイリー散乱損失を低減するために、ゲルマニウムの濃度を低くしたとしても、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つ光ファイバ105を得ることができる。
Further, according to the method of manufacturing an optical fiber according to the present embodiment, when the
これらの結果として、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法を経て得られる光ファイバ105で波長が1550nmの光を伝送させたときの伝送損失を0.18dB/km以下と非常に小さくすることが可能となる。
As a result of these, the transmission loss when transmitting light having a wavelength of 1550 nm through the
また、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法を経て得られる光ファイバ105は、ゲルマニウムが添加された石英ガラスからなるコアを備え、一般的な光ファイバとコアのガラス組成が同一又は類似しているため、一般的な光ファイバと光学的に接続する際に、接続界面でフレネル反射が発生し難く、接続損失を最小限に抑えることができる。
The
更に、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法によれば、コア部101とクラッド部102とを同時にスート合成して作製された光ファイバ母材103を使用することができ、また線引条件等の設定が簡単で線引速度が速く、光ファイバ母材103の大型化も容易であることから、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105を製造することが可能となる。
Furthermore, according to the method for manufacturing an optical fiber according to the present embodiment, it is possible to use the
ここまでは、主にガラス組成の揺らぎに起因するレイリー散乱損失を考慮してきたが、レイリー散乱損失は、ガラス組成の揺らぎのみならず、ガラス密度の揺らぎにも起因することが知られている。 Up to this point, the Rayleigh scattering loss mainly caused by the fluctuation of the glass composition has been considered, but it is known that the Rayleigh scattering loss is caused not only by the fluctuation of the glass composition but also by the fluctuation of the glass density.
そこで、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法では、光ファイバ母材103を線引きした後に光ファイバ105をアニール炉106に導入してアニール処理を施すことがより好ましく、更に線引速度を100m/min以上とすることが望ましい。
Therefore, in the method of manufacturing an optical fiber according to the present embodiment, it is more preferable that the optical
アニール処理を施すことにより、ガラスの仮想温度を低下させてガラス密度の揺らぎを低減することができ、ガラス密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。 By performing the annealing treatment, the fictive temperature of the glass can be lowered to reduce the glass density fluctuation, and the Rayleigh scattering loss due to the glass density fluctuation can be reduced.
ところが、アニール処理では、処理時間を長くすることにより、ガラスの仮想温度をより低下させることができることから、ガラス密度の揺らぎを十分に低減するためには、処理時間を長くする必要がある。 However, in the annealing treatment, since the fictive temperature of the glass can be further lowered by lengthening the treatment time, it is necessary to lengthen the treatment time in order to sufficiently reduce the fluctuation of the glass density.
そのため、一般的な光ファイバの製造方法を経て得られた光ファイバにアニール処理を施す場合には、線引速度の向上に限界があることから、到底、線引速度を100m/min以上とすることはできず、生産効率の向上が困難であり、更なる低コスト化を図ることができない。 Therefore, when annealing treatment is applied to an optical fiber obtained through a general optical fiber manufacturing method, there is a limit to the improvement of the drawing speed, so that the drawing speed is 100 m / min or more. It is difficult to improve production efficiency, and further cost reduction cannot be achieved.
これに対して、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法によれば、図4に示すように、アニール処理を施さなくても、波長が1550nmの光を伝送させたときの伝送損失が0.179dB/km以下の光ファイバ105を製造することができるため、処理時間を長くしなくても、十分に伝送損失を低減した光ファイバ105を得ることができる。
On the other hand, according to the method of manufacturing an optical fiber according to the present embodiment, as shown in FIG. 4, the transmission loss when transmitting light having a wavelength of 1550 nm is zero even without annealing. Since the
つまり、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法では、アニール処理は、付加的な工程であり、波長が1550nmの光を伝送させたときの伝送損失を0.18dB/km以下の光ファイバ105を得るために必須の工程ではない。
That is, in the optical fiber manufacturing method according to the present embodiment, the annealing process is an additional step, and the
そのため、本実施の形態に係る光ファイバの製造方法を経て得られた光ファイバ105にアニール処理を施す場合には、線引速度を100m/min以上としても、十分に伝送損失を低減することが可能となる。
Therefore, when the
なお、生産効率は落ちるものの、線引速度を100m/min以下とすることにより、伝送損失を更に改善することもできる。 Although the production efficiency is reduced, the transmission loss can be further improved by setting the drawing speed to 100 m / min or less.
本実施の形態に係る光ファイバの製造方法を経て得られる光ファイバ105は、図1に示したように、アニール処理を施された後で被覆機107に導入され、その周囲に被覆層が形成された後、図示しない巻取機で巻き取られて光ファイバケーブル108となる。
As shown in FIG. 1, the
これまで説明してきたように、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、レイリー散乱損失や一般的な光ファイバとの接続損失が小さく、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の製造方法及び光ファイバを提供することができる。 As described above, according to the present invention, while having a relative refractive index difference between a core and a clad necessary for maintaining an optical waveguide structure, a Rayleigh scattering loss and a connection loss with a general optical fiber are provided. Therefore, it is possible to provide an optical fiber manufacturing method and an optical fiber that are small in size and low in cost as compared with a pure silica core optical fiber.
101 コア部
102 クラッド部
103 光ファイバ母材
104 線引炉
105 光ファイバ
106 アニール炉
107 被覆機
108 光ファイバケーブル
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