JP2016200830A - 光ファイバ - Google Patents

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Abstract

【課題】伝送損失が低く耐放射特性が優れた光ファイバを提供する。
【解決手段】本発明の光ファイバは、コア領域と該コア領域を取り囲むクラッド領域とを有する光ファイバであって、コア領域にアルカリ金属元素及び塩素元素が添加され、コア領域における塩素元素濃度の最低値が1000原子ppm以上であり、コア領域における塩素元素濃度の平均値が13000原子ppm以下であり、コア領域におけるアルカリ金属の濃度の平均値が0.2原子ppm以上50原子ppm以下であり、コア領域に濃度15000原子ppm以下のフッ素元素が添加されており、コア領域中のアルカリ金属元素、塩素元素及びフッ素元素以外のドーパントの平均濃度がコア領域における塩素元素濃度の平均値とフッ素元素濃度の平均値との和より小さく、0.1気圧の水素分圧下に温度40℃で3ヶ月に亘る水素処理により波長範囲1420〜1610nmにおいて損失ピークの発生が無い。
【選択図】図3

Description

本発明は、光ファイバに関するものである。
アルカリ金属元素をコア領域に添加した石英ガラスの光ファイバが知られている(特許文献1〜9を参照)。光ファイバ母材のコア部にアルカリ金属元素が添加されていると、光ファイバ母材を線引するときにコア部の粘性を下げることができ、石英ガラスのネットワーク構造の緩和が進行するため、光ファイバの伝送損失を低減することが可能であるといわれている。
アルカリ金属元素を石英ガラス中に添加する方法としては拡散法が知られている(例えば特許文献1,2を参照)。拡散法は、原料となるアルカリ金属元素またはアルカリ金属塩などの原料蒸気をガラスパイプ内に導入しながら、ガラスパイプを外部熱源により加熱したり、ガラスパイプ内にプラズマを発生させたりすることで、アルカリ金属元素をガラスパイプの内表面に拡散添加するものである。
このようにしてアルカリ金属元素をガラスパイプの内表面近傍に添加した後、このガラスパイプを加熱して縮径させる。縮径後、アルカリ金属元素の添加の際に同時に添加されてしまうNiやFeなどの遷移金属元素を除去する目的で、ガラスパイプの内表面のある厚みをエッチングする。アルカリ金属元素は遷移金属元素よりも拡散が速いためガラス表面をある厚みでエッチングして遷移金属元素を除去してもアルカリ金属元素を残留させることが可能である。エッチング後、ガラスパイプを加熱して中実化することで、アルカリ金属元素添加コアロッドを製造する。このアルカリ金属元素添加コアロッドの外側にクラッド部を合成することで光ファイバ母材を製造する。そして、この光ファイバ母材を線引することで光ファイバを製造することができる。
特表2005−537210号公報 米国特許出願公開第2006/0130530号明細書 特表2007−504080号公報 特表2008−536190号公報 特表2010−501894号公報 特表2009−541796号公報 特表2010−526749号公報 国際公開第98/002389号 米国特許第5146534号明細書
ところで、石英ガラス中のアルカリ金属元素は、ガンマ線などの高エネルギーの放射線が照射されると、ガラス中で移動し、ガラスネットワークの欠陥を発生させてしまう。したがって、石英ガラス中にアルカリ金属元素を高濃度に添加すると、その石英ガラスの耐環境特性が劣化する。実際に光ファイバを製造すると、耐環境特性に問題がない程度のアルカリ金属元素の濃度であると、伝送損失が高い場合があり、光ファイバの歩留まりが悪いという課題があった。
また、特許文献3〜5には、光ファイバのコア領域が実質的に純石英ガラスであると記載され、コア領域にアルカリ金属元素が添加された光ファイバにおいては塩素元素濃度を低くした方が良いと記載され、また、コア領域にゲルマニウムを含まない純石英コアファイバにおいては塩素元素を実質的に含まず塩素元素濃度が500重量ppm以下であることが望ましいと記載されている。
また、特許文献6に記載された光ファイバは、コア領域中のアルカリ金属元素の濃度が50〜500ppmであり、塩素元素濃度の平均が500重量ppmより大きいことを特徴としているが、同文献の段落[0029]の記載や図2から明らかなように、アルカリ金属元素が主に添加された第一のコア領域では塩素元素濃度は100重量ppm以下と低くなっている。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、コア領域にアルカリ金属元素が添加されて伝送損失が低く耐放射特性が優れた光ファイバを提供することを目的とする。
本発明の光ファイバは、コア領域と該コア領域を取り囲むクラッド領域とを有する光ファイバであって、前記コア領域にアルカリ金属元素及び塩素元素が添加され、前記コア領域における塩素元素濃度の最低値が1000原子ppm以上であり、前記コア領域における塩素元素濃度の平均値が13000原子ppm以下であり、前記コア領域におけるアルカリ金属の濃度の平均値が0.2原子ppm以上50原子ppm以下であり、前記コア領域にさらに濃度15000原子ppm以下のフッ素元素が添加されており、前記コア領域中のアルカリ金属元素、塩素元素及びフッ素元素以外のドーパントの平均濃度が、前記コア領域における塩素元素濃度の平均値とフッ素元素濃度の平均値との和より小さく、0.1気圧の水素分圧下に温度40℃で3ヶ月に亘る水素処理により波長範囲1420〜1610nmにおいて損失ピークの発生が無い。
ここで「原子ppm」とは、100万個のSiO中に含まれる添加された原子の個数を表す。
本発明の光ファイバは、コア領域にアルカリ金属元素が添加されて伝送損失が低く耐放射特性が優れたものとなる。
ガンマ線照射を停止した後の経過時間(回復時間)と、波長1550nmにおける照射前と比較した際の伝送損失増化量と、の関係を示すグラフである。 コア領域中にGeOが添加されていない純石英コアファイバにおいて、コア領域中のカリウム添加濃度と、ガンマ線を照射した後の回復時間が700時間での伝送損失増加量と、の関係を示すグラフである。 光ファイバ母材のコア部付近のカリウム濃度および塩素元素濃度の径方向分布、ならびに、光ファイバのコア領域付近の塩素元素濃度の径方向分布を示す図である。 光ファイバにおけるコア領域中の塩素元素濃度の最低値と波長1550nmにおける伝送損失との関係を示すグラフである。 本実施形態の光ファイバ母材および光ファイバを製造する方法を説明するフローチャートである。 光ファイバ母材製造方法におけるアルカリ金属元素添加工程を説明する図である。 光ファイバ母材の屈折率プロファイルの例を示す図である。 光ファイバ母材の屈折率プロファイルを示す図である。 光ファイバの伝送損失増増加量と累積照射線量との関係を示すグラフである。 光ファイバ母材の屈折率プロファイルの例を示す図である。
本発明の光ファイバは、コア領域と該コア領域を取り囲むクラッド領域とを有する光ファイバであって、前記コア領域にアルカリ金属元素及び塩素元素が添加され、前記コア領域における塩素元素濃度の最低値が1000原子ppm以上であり、前記コア領域における塩素元素濃度の平均値が13000原子ppm以下であり、前記コア領域におけるアルカリ金属の濃度の平均値が0.2原子ppm以上50原子ppm以下であり、前記コア領域にさらに濃度15000原子ppm以下のフッ素元素が添加されており、前記コア領域中のアルカリ金属元素、塩素元素及びフッ素元素以外のドーパントの平均濃度が、前記コア領域における塩素元素濃度の平均値とフッ素元素濃度の平均値との和より小さく、0.1気圧の水素分圧下に温度40℃で3ヶ月に亘る水素処理により波長範囲1420〜1610nmにおいて損失ピークの発生が無い。
本発明の光ファイバは、1気圧の水素分圧下に温度80℃で20時間に亘り水素処理を実施した後の波長1.38μm帯のOH基吸収による損失増が0.15dB/km以下であるのが好適である。前記コア領域における塩素濃度が2000原子ppm以上であるのが好適である。また、前記コア領域中のアルカリ金属元素の平均濃度が2原子ppm以下であるのが好適である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
先ず、光ファイバのコア領域中のアルカリ元素の濃度の上限値について説明する。低損失光ファイバは、海底ケーブルなど超長距離伝送に用いられるが、コア領域中のアルカリ金属元素濃度の平均値が50原子ppmより高いと、重要な耐環境特性である耐放射特性が非常に劣化してしまう。これを確認するため、光ファイバに対して、コバルト60を線源とするガンマ線を総量2,000Gy照射し、その後、ガンマ線照射を停止して伝送損失増加量を測定した。図1は、ガンマ線照射を停止した後の経過時間(回復時間)と、波長1550nmにおける照射前と比較した際の伝送損失増化量と、の関係を示すグラフである。
光ファイバ中のアルカリ金属元素の濃度はSIMSで測定した。SIMSの測定下限界は1ppm程度であるので、白抜き丸型プロットの光ファイバは、不正確である可能性があるものの、2原子ppm程度のカリウムを含むと考えられる。このように、アルカリ金属元素としてカリウム(K)元素の濃度が高いほど、放射線照射による損失増が高いことが判る。現在の海底ケーブル用途の光ファイバとしては、負分散ファイバ(GeOの添加量が20重量ppm程度)が実用化されている。この負分散ファイバは、回復時間が700時間での伝送損失増加量が15dB/km程度である。これが一つの耐放射特性の基準であると考えられる。
図2は、コア領域中にGeOが添加されていない純石英コアファイバにおいて、コア領域中のカリウム添加濃度と、上記条件でガンマ線を照射した後の回復時間が700時間での伝送損失増加量と、の関係を示すグラフである。同図から判るように、ガンマ線照射後の回復時間が700時間以上経過した後の波長1550nmにおける伝送損失増加量(すなわち、ガンマ線照射による伝送損失の非緩和成分)を15dB/km以下とするには、光ファイバのコア領域中のアルカリ金属元素の平均濃度は50原子ppm以下であるのが望ましい。また、図1から、コア領域中にGeOを添加した標準的なシングルモード光ファイバと同等の耐放射線特性となるように、光ファイバのコア領域中のアルカリ金属元素の平均濃度は2原子ppm以下であると更に好適である。加えて、このような濃度であれば、耐水素特性や光ファイバの強度特性などの信頼性も問題がない。
例えば耐水素特性に関しては、1気圧(101kPa)の水素分圧下に温度80℃で20時間の処理を実施した後の波長1.38μm帯のOH基吸収による損失増は0.0〜0.15dB/kmであり、97%が0.10dB/km以下、50%が0.05dB/km以下であり、全数で波長1530〜1610nmにおいて顕著な損失増がなく良好であった。また、水素分圧が0.1気圧であって温度が40℃である条件で3ヶ月間の水素処理を実施した際、その水素処理の期間中に波長1420〜1610nmにおいて異常な損失ピークの発生はなかった。強度特性に関しては、光ファイバの破断確率を示すパラメータとして一般的に知られている静疲労係数(Ns)および動疲労係数(Nd)はともに18〜27と良好であった。
図9は、純石英コアファイバであってコア中のカリウム元素の平均濃度が2原子ppm程度である光ファイバにおいて、回復時間が700時間以上経過した後の波長1550nmにおける伝送損失増加量と累積放射線量との関係を示すグラフである。照射したガンマ線の累積放射線量が大きければ大きいほど、ガンマ線照射による伝送損失の非緩和成分が高くなる。実際に海底ケーブルとして敷設される光ファイバが20年程度の期間にわたって受ける累積放射線量は0.01Gy程度であるとされている。累積照射線量と伝送損失の非緩和成分との関係を外挿し、0.01Gyにおける波長1550nmにおける伝送損失増が0.005dB/km以下であることが好ましい。
しかしながら、このように光ファイバのコア領域中におけるアルカリ金属元素の濃度が、先行技術文献に記載されたものと比較して低い場合、光ファイバの伝送損失が低くならない場合がある。
次に、光ファイバにおける塩素元素添加の効果について説明する。先行技術文献では、石英ガラスにアルカリ金属元素および塩素元素が共添加されると、アルカリ塩化物となり結晶化してしまうため避けるべきとされている。本発明者は、光ファイバ母材中ではアルカリ塩化物は結晶化や気泡の要因となるために避けるべきであるものの、その一方で、光ファイバにおいてはコア領域中に塩素元素を1000原子ppm以上多く含む場合に伝送損失が低減することを見出した。すなわち、本発明者は、光ファイバ母材においては塩素元素濃度を低くする一方で、光ファイバにおいては塩素元素濃度を高くすればよいことを見出した。
そして、本発明者は、その為に、コア部が中心から順に第一コア部,第二コア部および第三コア部を有し、第一コア部ではアルカリ金属元素が高濃度で塩素元素が低濃度であり、第三コア部ではアルカリ金属元素が実質的に含まれておらず塩素元素が高濃度であり、第一コア部と第三コア部との中間に存在する第二コア部ではアルカリ金属元素および塩素元素が共に低濃度である光ファイバ母材から出発して適切な条件で線引きすればよいことを見出した。線引条件としては例えば、線引速度(線引時の光ファイバ化の加工速度)を1,000〜3,000m/minとし、線引張力(光ファイバのガラス部分に加わる張力)を30〜150gf(0.3〜1.5N)とし、200μm以下のガラス径であるファイバ状態での線引設備内の滞在時間を0.01〜0.3秒とすればよい。また、光ファイバ母材の外直径は70〜180mmであり、光ファイバのガラス部の外直径は100〜150μmであって良い。
図3(a)は、光ファイバ母材のコア部付近のカリウム濃度および塩素元素濃度の径方向分布を示す図である。同図(b)は、同図(a)の光ファイバ母材を線引して製造された光ファイバのコア領域付近の塩素元素濃度の径方向分布を示す図である。ここでは、光ファイバ母材のコア部に、アルカリ金属元素としてカリウム元素を最高濃度で800原子ppm程度、コア部の平均で10原子ppm程度となるように添加した。この光ファイバ母材を線引する際の条件として、線引速度を1,300mm/minとし、線引張力を70gfとし、200μm以下のガラス径であるファイバ状態での線引設備内の滞在時間を0.05秒程度とした。
また、この光ファイバ母材を線引して製造された光ファイバではカリウムは拡散し、光ファイバ断面の全ての箇所でSIMSによる測定ではカリウムは検出できず、カリウム濃度は10原子ppm以下に低減していた。この光ファイバは、波長1550nmでシングルモードであり、コア領域中の塩素元素の最小濃度が3,000原子ppmであって、コア領域全体の平均濃度が7,000原子ppmであり、波長1550nmでの伝送損失が0.163dB/kmであった。一方、比較例として、図3に示される光ファイバと同程度のカリウム金属元素濃度を有し、同様の条件で光ファイバ化したが、コア部全体の塩素元素の最小濃度を100原子ppmとし、平均濃度を300原子ppmとした場合には、伝送損失が0.215dB/kmと非常に高かった。
伝送損失が低減した要因は以下のように推測される。すなわち、アルカリ金属元素が存在しない場合には、光ファイバ母材と光ファイバとを比較して、塩素元素の分布に大きな差は見られない。しかし、光ファイバ母材中のアルカリ金属元素の濃度がコア部平均で10原子ppmである場合には、図3に示されるように光ファイバのコア中心付近での塩素元素が数1000原子ppmに上昇しており、アルカリ金属元素の100倍以上の塩素元素が移動していることになる。したがって、少量のアルカリ金属元素が線引時の拡散によってガラス欠陥を形成し、これが伝送損失の劣化の原因となるものの、塩素元素を拡散させることによって、そのガラス欠陥を修復し、伝送損失の劣化を抑制した、と考えられる。加えて、光ファイバは径が細く、線引工程での加熱後の冷却速度が非常に大きいので、アルカリ金属塩が存在しても結晶化しづらいことも低損失化の要因の一つと推測される。
次に、塩素元素添加の濃度条件について説明する。図4は、光ファイバにおけるコア領域中の塩素元素濃度の最低値と波長1550nmにおける伝送損失との関係を示すグラフである。光ファイバにおけるコア領域中の塩素元素濃度はEPMAで測定された。ここでは、光ファイバ母材のコア部に、アルカリ金属元素としてカリウム元素を最高濃度で1,000原子ppm程度、コア部の平均で20原子ppm程度となるように添加した。この光ファイバを線引する際の条件として、線引速度を1,700mm/minとし、線引張力を50gfとし、200μm以下のガラス径であるファイバ状態での線引設備内の滞在時間を0.04秒程度とした。
また、この光ファイバ母材を線引して製造された光ファイバでは、コア領域中のカリウム濃度は平均で1原子ppm程度であると推測されたが、拡散によって光ファイバ断面の全ての箇所でSIMSによる測定ではカリウム元素は検出できなかった。光ファイバは波長1550nmでシングルモードであった。
同図から判るように、塩素元素濃度が1,000原子ppm以下となると光ファイバの伝送損失が急激に上昇する傾向があるので、光ファイバにおけるコア領域中の塩素元素の最低濃度は1,000原子ppm以上であることが好ましい。また、塩素元素濃度が2,000原子ppm以上であれば低い伝送損失を安定して実現することが可能であるので、光ファイバにおけるコア領域中の塩素元素の最低濃度は2,000原子ppm以上であることが更に望ましい。
図3に示されるように、塩素元素濃度は、光ファイバ母材ではコア部の中心部付近で非常に低く、光ファイバではコア領域の中心部付近で最も低くなり、コア領域の外周部で高くなる。コア領域全体での塩素元素の平均濃度は最低濃度の2倍以上になるので、光ファイバにおけるコア領域中の塩素元素の平均濃度は2,000原子ppm以上、好ましくは4,000原子ppm以上であると良い。
次に、カリウム元素の添加濃度の下限について説明する。光ファイバ母材ではアルカリ金属元素が添加されたコア部が数mm程度の直径を有するが、この光ファイバ母材を温度1800℃以上に加熱して線引して、コア領域が数μm程度の光ファイバを製造する工程(線引工程)では、アルカリ金属元素が拡散する。線引工程でのアルカリ金属元素の拡散距離は、光ファイバ母材の加熱温度、線引工程での線引速度および、炉の長さ等の線引工程の設備や加工条件によって決定される。
しかしながら、本実施形態の線引条件(線引速度1,000〜3,000m/min、線引張力50〜150gf、200μm以下のガラス径であるファイバ状態での線引設備内の滞在時間0.01〜0.3秒)では、光ファイバ母材ではコア部にのみ添加していたアルカリ金属元素が、コア径8μmの光ファイバでは直径30μm程度とクラッド部にまで大きく拡散し、光ファイバのコア領域中の平均濃度は光ファイバ母材での平均濃度の1/20程度に低減していることが判った。
また、アルカリ金属元素の平均濃度がSIMS、EPMAおよびICP-MSなど1ppm程度の検出下限界を有する現時点での通常の測定方法では測定できない程度であっても、光ファイバの伝送損失が低減することが判った。光ファイバにおける塩素元素濃度の最低値が1,500原子ppm以上であれば、光ファイバ母材におけるコア部のアルカリ金属元素の平均濃度が5原子ppm程度であっても、波長1.55μmにおける伝送損失を0.175dB/km以下と有意に伝送損失を低減可能であることが判った。
上述の通り拡散によって1/20程度のアルカリ金属元素濃度になるとすれば、光ファイバのコア領域中のアルカリ金属元素濃度は0.2原子ppm以上であると良い。また、光ファイバ母材のコア部でアルカリ金属元素濃度が10原子ppm程度、光ファイバのコア領域でアルカリ金属元素濃度が0.5原子ppm以上であると、波長1550nmにおける光ファイバの伝送損失を0.165dB/km以下にできるので、更に好適である。
一方、前述の通り、光ファイバ状態でのコア領域におけるアルカリ金属元素の濃度は50原子ppm以下であることが望ましいので、光ファイバ母材のコア部でアルカリ金属元素の濃度は1,000原子ppm程度以下であることが望ましく、また光ファイバのコア領域ではアルカリ金属元素の濃度は2原子ppm以下であることが更に望ましいので、光ファイバ母材のコア部でアルカリ金属元素の濃度は40原子ppm程度以下であることが更に望ましい。
次に、本実施形態の光ファイバ母材の構成および製造方法について説明する。光ファイバ母材では、アルカリ金属塩が生成されると、ガラスの結晶(クリストバライト)や気泡が発生しやすくなるため、高濃度のアルカリ金属元素が添加された部位では塩素元素濃度が低い第一コア部を有することが望ましい。コア部全体で塩素元素濃度を上昇させるために、アルカリ金属元素が実質的に添加されておらず高濃度の塩素元素が添加された第三コア部を第一コア部の外周部に有すると良い。また、第一コア部と第三コア部との間で、母材製造工程でのアルカリ金属元素と塩素元素との相互拡散によるアルカリ金属塩の発生を抑制するため、アルカリ金属元素および塩素元素の濃度が低い第二コア部を有すると良い。
具体的には、光ファイバ母材のコア部が中心から順に第一コア部,第二コア部および第三コア部を有し、第一コア部ではアルカリ金属元素濃度が10原子ppm以上であって塩素元素濃度が10〜600原子ppmであり、第二コア部ではアルカリ金属元素濃度が10原子ppm以下であって塩素元素濃度が10〜600原子ppmであり、第三コア部ではアルカリ金属元素濃度が10原子ppm以下であって塩素元素濃度が2000原子ppm以上であると良い。
第一コア部および第二コア部それぞれの塩素元素濃度は10〜200原子ppmであると更に好ましい。第一コア部および第二コア部それぞれに3,000〜15,000原子ppmのフッ素元素が添加されていても良い。第三コア部は、コア部の屈折率を高く保つために、フッ素元素濃度が200原子ppm以下であって実質的にフッ素元素を含まないことが望ましい。コア部は、アルカリ金属元素、ハロゲン元素および酸素分子を含んでいても良い。
コア部は、例えばFe、Ni、Cuなどの遷移金属元素を実質的に含まないことが望ましく、遷移金属元素の濃度がコア部全体の平均で10ppb以下であると良い。同様にコア部のOH基の濃度は100ppb以下に低いことが望ましい。コア部は、Ge、Pなどを含まないことが好ましく、アルカリ金属元素およびハロゲン元素以外のドーパントの濃度がコア部におけるハロゲン元素の濃度の平均値より低いと良い。クラッド部は、第三コア部より屈折率が低く、フッ素元素を添加した石英ガラスからなると良い。
このような第一コア部、第二コア部、第三コア部、クラッド部を有する光ファイバ母材を実現するには、例えば下のようなプロセスフローを用いると良い。図5は、本実施形態の光ファイバ母材および光ファイバを製造する方法を説明するフローチャートである。図6は、光ファイバ母材製造方法におけるアルカリ金属元素添加工程を説明する図である。以下のようなステップS1〜S9の各処理を順に行うことで、本実施形態の光ファイバ母材および光ファイバを製造することができる。
ステップS1では、石英系ガラスパイプを準備する。このガラスパイプは、アルカリ金属塩を光ファイバ母材で発生させないようにするため、塩素元素濃度が600原子ppm以下、好ましくは100原子ppm以下が望ましい。
ステップS2では、ガラスパイプ内にアルカリ金属元素を拡散添加する。図6に示されるように、ガラスパイプ1の内部に、熱源(電気炉やバーナなど)2により加熱されたアルカリ金属原料3のガスを図示されていない供給源より供給されるキャリアガス(Oガス、Arガス、Heガスなど)と共に供給する。これと共に、ガラスパイプ1を外部熱源(熱プラズマや酸水素火炎など)4により加熱する。これにより、ガラスパイプ1の内表面からガラスパイプ1にアルカリ金属元素を拡散添加する。
ステップS3では、ガラスパイプを加熱して縮径する。ステップS4では、ガラスパイプの内面をエッチングして、アルカリ金属元素の添加の際に同時に添加されてしまうNiやFeなどの遷移金属元素やOH基を除去する。ステップS5では、ガラスパイプを中実化して、ガラスロッドを作製する。このガラスロッドのうち、中心部が第一コア部となる。ステップS6では、ガラスロッドの外周面を一定量だけ研削して、外周面の遷移金属元素やOH基を除去する。これにより、ガラスロッドの周縁部は、アルカリ金属元素および塩素元素の双方が低濃度である第二コア部となる。
ステップS7では、ガラスロッドの外周に第三コア部を形成して、コアガラスロッドを作製する。第三コア部は、2,000原子ppm以上の高濃度の塩素元素が添加された石英系ガラスを合成することで形成される。ステップS8では、コアガラスロッドの第三コア部の外周にクラッド部を形成して、光ファイバ母材を製造する。このクラッド部は、第三コア部の屈折率より低い屈折率を有する石英ガラスからなる。ステップS9では、光ファイバ母材を線引することで光ファイバを製造する。
次に、光ファイバ母材の構成について更に説明するとともに、光ファイバの特性について説明する。光ファイバ母材において、第一コア部の外直径をD1とし、第二コア部の外直径をD2とし、第三コア部の外直径をD3とすると、D3/D1は2〜10の範囲であって、D2/D1は1.1〜6の範囲であると良い。クラッド部の最小の屈折率に対する第三コア部における比屈折率差の最大値は、0.15〜1.0%の範囲であると良い。
このような塩素元素およびフッ素元素それぞれの濃度の径方向における分布を有する光ファイバ母材は、コア部の中心軸近傍で屈折率が低く、その外周で屈折率が高くなる。すなわち、径方向の位置rをコア部の中心軸からの半径距離とした際に、コア部の最大屈折率N2を与える径方向の位置r2よりも小さい径方向の位置r1で屈折率が極小値N1となる。また、アルカリ金属元素の拡散添加の際に、アルカリ金属とフッ素とが反応してアルカリフッ素塩が発生する。
このアルカリフッ素塩がガラスパイプの内表面から脱離することによって、ガラスパイプの内表面での屈折率が高くなる場合がある。したがって、このガラスパイプを中実化して得られるアルカリ金属元素が添加されたガラスロッドは、その中心部近傍での屈折率が最小値より高くなる場合がある。すなわち、光ファイバ母材は、コア部の中心軸(r=0)における屈折率をN3とする場合、N1<N3<N2 であっても良い(図10)。
線引工程などの加熱工程における塩素元素およびフッ素元素の拡散や光ファイバに残留する応力分布によって、光ファイバにおける径方向の屈折率分布は光ファイバ母材の屈折率分布からは変化してしまう。しかしながら、光ファイバの屈折率分布は、光ファイバ母材と同様に、径方向の位置rをコア部の中心軸からの半径距離とした際に、コア部の最小屈折率N1を与える径方向の位置r1が、最大屈折率N2を有する径方向の位置r2より小さい。また、コア部の中心軸(r=0)における屈折率をN3とする場合、N1<N3<N2 であっても良い。
本実施形態の光ファイバ母材とは、光ファイバ母材の中間体であっても良く、その外周にさらに石英系ガラスを合成しても良い。光ファイバ母材のコア部およびクラッド部それぞれは、屈折率構造を有しても良く、例えば図7に示されるような各種の屈折率プロファイルを有していてもよいが、これに制限されることはない。なお、図8に示される光ファイバ母材の屈折率プロファイルにおいて、光ファイバ母材の中心軸から径方向の距離rの位置での屈折率をN(r)と表す。径方向位置Lにおいて屈折率N(L)が最大値Nmaxになるとする。また、|L|<|R|である径方向位置Rにおいて (Nmax−N(R))/Nmaxが0.15%であるとする。このときの半径R内の領域をコア部とする。
光ファイバの波長1550nmにおける伝送損失は、0.180dB/km以下に低い方が望ましく、更に望ましくは0.170dB/km以下、更には0.160dB/km以下であると良い。実効断面積は、波長1550nmで70〜160μm程度であって良い。波長1550nmにおける波長分散は、+15〜+22ps/nm/kmであって良い。波長1380nmにおける伝送損失は、0.8dB/km以下に低い方が好ましく、0.4dB/km以下であると更に良く、また0.3dB/km以下であると最も好ましい。波長1550nmにおける偏波モード分散は、0.2ps/√km以下であって良い。ケーブルカットオフ波長は、1520nm以下であると良く、ラマン増幅に用いるポンプ波長となる1450nm以下であると更に良い。コア部の直径は5〜15μm程度であり、コア部とクラッド部の相対屈折率差((コア部屈折率―クラッド部屈折率)/コア部屈折率)は0.1〜0.7%程度である。
実施例1では、図5中のステップS1〜S9の各処理を順に行うことで光ファイバ母材および光ファイバを製造して、この光ファイバの伝送特性を評価した。
ステップS1で準備した石英系ガラスからなるガラスパイプは、100原子ppmの塩素元素及び6,000原子ppmのフッ素元素をドーパントとして含み、その他の不純物の濃度は10ppm以下であって、実質的に純石英ガラスであった。このガラスパイプの外径は直径35mmであり、内径は直径20mm程度であった。
ステップS2では、アルカリ金属原料として臭化カリウム(KBr)を用い、これを熱源により温度840℃に加熱してKBr蒸気を発生させた。そして、キャリアガスとして導入した流量1SLM(標準状態に換算して1リットル/min)の酸素と共にKBr蒸気をガラスパイプに導入しながら、外部熱源である熱プラズマ火炎によってガラスパイプの外表面が2050℃となるように加熱した。熱プラズマ火炎を30mm/minの速さでトラバースさせ、合計20ターン加熱し、カリウム金属元素をガラスパイプの内表面に拡散添加させた。
ステップS3では、カリウム金属元素が添加されたガラスパイプ内に酸素(2SLM)を流しながら、外部熱源である熱プラズマ火炎によってガラスパイプの外表面が2100℃となるように加熱した。熱プラズマ火炎を40mm/minの速さでトラバースさせ、合計6ターン加熱し、カリウム金属元素が添加されたガラスパイプを内直径3mmまで縮径した。
ステップS4では、カリウム金属元素が添加されたガラスパイプ内にSF(0.05SLM)及び酸素(1SLM)を導入しながら、外部熱源で加熱し気相エッチングすることで、ガラスパイプの内直径を3.4mmにした。
ステップS5では、ガラスパイプ内に酸素(1SLM)を導入しながら、ガラスパイプ内の絶対圧を1kPaにまで減圧し、外部熱源によって表面温度を1400℃として中実化し、直径が28mmのアルカリ金属添加コアガラスロッドとした。このアルカリ金属添加コアガラスロッドのカリウム濃度は最大値で1,800原子ppmであり、カリウムが10原子ppm以上に添加されている領域(第一コア部)の直径は12mmであった。
ステップS6では、アルカリ金属添加コアガラスロッドを直径20mmとなるように公知の方法を用いて延伸し、その後直径が12mmとなるようにアルカリ金属添加コアガラスロッドの外周部を研削した。この結果、アルカリ金属元素が添加された第一コア部の径(D1)とアルカリ金属元素および塩素元素の双方が低濃度である第二コア部の径(D2)との比D2/D1は1.4であった。
ステップS7では、アルカリ金属添加コアガラスロッドの外側に、濃度10,000原子ppmの塩素元素が添加された石英系ガラス(第三コア部ガラス)を設けて、外径60mmのコアガラスロッドを作製した。アルカリ金属添加コアガラスと外部コアガラスとをあわせて、光ファイバ母材のコア部となる。このコア部のアルカリ金属元素濃度は、平均で30原子ppmであった。この第三コア部の合成に際しては、濃度10,000原子ppmの塩素元素が添加された石英系ガラスパイプを準備し、これにアルカリ金属添加コアガラスロッドを挿入、外部熱源によって加熱・一体化する公知のロッドインコラプス法を用いた。この結果、アルカリ金属元素が添加された第一コア部の径(D1)と塩素元素が高濃度に添加された第三コア部の径(D3)との比D3/D1は7.0であった。
ステップS8では、コアガラスロッドの外側に、フッ素元素が添加された石英系ガラス(光学クラッドガラス部)を合成した。第三コア部と光学クラッド部との相対比屈折率差は最大で0.35%程度であった。この光学クラッドガラス部の合成に際しては、濃度27,000原子ppmのフッ素元素が添加された石英系ガラスパイプを準備し、これにコアガラスロッドを挿入、外部熱源によって加熱・一体化する公知のロッドインコラプス法を用いた。
さらに、光学クラッド付きガラスロッドを所定径に延伸などの加工をした後、そのガラスロッドの外側に、フッ素元素が添加された石英系ガラス(物理クラッドガラス部)を合成し、直径140mmの光ファイバ母材とした。第三コア部と物理クラッド部との相対比屈折率差は最大で0.33%程度であった。この光学クラッドガラス部の合成に際しては、公知のスート法(ここではVAD法)を用いた。
ステップS9では、光ファイバ母材を線引して光ファイバを製造した。このとき、線引速度は2,300m/minであり、線引張力は50gfであり、200μm以下のガラス径であるファイバ状態での線引設備内の滞在時間は0.02秒であった。
以上のようにして製造された光ファイバの諸特性は以下のとおりであった。塩素元素濃度の最低値は2800原子ppmであり、カリウム添加濃度(コア中の平均値)は2原子ppm程度であった。伝送損失(波長1300nm)は0.285dB/kmであり、伝送損失(波長1380nm)は0.283dB/kmであり、伝送損失(波長1550nm)は0.160dB/kmであった。波長分散(波長1550nm)は+15.9ps/nm/kmであり、分散スロープ(波長1550nm)は+0.054ps/nm/kmであった。零分散波長は1310nmであり、零分散波長における分散スロープは+0.083ps/nm/kmであった。実効断面積(波長1550nm)は82μmであり、モードフィールド径(波長1550nm)は10.3μmであり、モードフィールド径(波長1310nm)は9.1μmであった。ファイバカットオフ波長(2m)は1310nmであり、ケーブルカットオフ波長(22m)は1230nmであった。偏波モード分散(C、Lバンド帯)は0.11ps/√kmであり、非線形係数(波長1550nm、ランダム偏波状態)は1.1(W・km)−1であった。このように低伝送損失の光ファイバが得られた。
実施例2でも、図5中のステップS1〜S9の各処理を順に行うことで光ファイバ母材および光ファイバを製造して、この光ファイバの伝送特性を評価した。
ステップS1で準備した石英系ガラスからなるガラスパイプは、50原子ppmの塩素元素及び7,000原子ppmのフッ素元素をドーパントとして含み、その他の不純物の濃度は10ppm以下であって、実質的に純石英ガラスであった。このガラスパイプの外径は直径25mmであり、内径は直径10mm程度であった。
ステップS2では、アルカリ金属原料として臭化カリウム(KBr)を用い、これを熱源により温度800℃に加熱してKBr蒸気を発生させた。そして、キャリアガスとして導入した流量1SLM(標準状態に換算して1リットル/min)の酸素と共にKBr蒸気をガラスパイプに導入しながら、外部熱源である酸水素火炎によってガラスパイプの外表面が2050℃となるように加熱した。酸水素火炎を30mm/minの速さでトラバースさせ、合計15ターン加熱し、カリウム金属元素をガラスパイプの内表面に拡散添加させた。
ステップS3では、カリウム金属元素が添加されたガラスパイプ内に酸素(2SLM)を流しながら、外部熱源である酸水素火炎によってガラスパイプの外表面が2100℃となるように加熱した。酸水素火炎を40mm/minの速さでトラバースさせ、合計8ターン加熱し、カリウム金属元素が添加されたガラスパイプを内直径3mmまで縮径した。
ステップS4では、カリウム金属元素が添加されたガラスパイプ内にSF(0.05SLM)及び酸素(1SLM)を導入しながら、外部熱源で加熱し気相エッチングすることで、ガラスパイプの内直径を3.3mmにした。
ステップS5では、ガラスパイプ内に酸素(1SLM)を導入しながら、ガラスパイプ内の絶対圧を1kPaにまで減圧し、外部熱源によって表面温度を1400℃として中実化し、直径が22mmのアルカリ金属添加コアガラスロッドとした。このアルカリ金属添加コアガラスロッドのカリウム濃度は最大値で1,300原子ppmであり、カリウムが10原子ppm以上に添加されている領域(第一コア部)の直径は7mmであった。
ステップS6では、アルカリ金属添加コアガラスロッドを直径16mmとなるように公知の方法を用いて延伸し、その後直径が10mmとなるようにアルカリ金属添加コアガラスロッドの外周部を研削した。この結果、アルカリ金属元素が添加された第一コア部の径(D1)とアルカリ金属元素および塩素元素の双方が低濃度である第二コア部の径(D2)との比D2/D1は2.0であった。
ステップS7では、アルカリ金属添加コアガラスロッドの外側に、濃度13,000原子ppmの塩素元素が添加された石英系ガラス(第三コア部ガラス)を設けて、外径30mmのコアガラスロッドを作製した。アルカリ金属添加コアガラスと外部コアガラスとをあわせて、光ファイバ母材のコア部となる。このコア部のアルカリ金属元素濃度は、平均で10原子ppmであった。この第三コア部の合成に際しては、濃度13,000原子ppmの塩素元素が添加された石英系ガラスパイプを準備し、これにアルカリ金属添加コアガラスロッドを挿入、外部熱源によって加熱・一体化する公知のロッドインコラプス法を用いた。この結果、アルカリ金属元素が添加された第一コア部の径(D1)と塩素元素が高濃度に添加された第三コア部の径(D3)との比D3/D1は5.9であった。
ステップS8では、コアガラスロッドの外側に、フッ素元素が添加された石英系ガラス(光学クラッドガラス部)を合成した。第三コア部と光学クラッド部との相対比屈折率差は最大で0.29%程度であった。さらに、光学クラッド付きガラスロッドを所定径に延伸などの加工をした後、そのガラスロッドの外側に、フッ素元素が添加された石英系ガラス(物理クラッドガラス部)を合成し、直径90mmの光ファイバ母材とした。第三コア部と物理クラッド部との相対比屈折率差は最大で0.23%程度であった。
ステップS9では、光ファイバ母材を線引して光ファイバを製造した。このとき、線引速度は1,000m/minであり、線引張力は50gfであり、200μm以下のガラス径であるファイバ状態での線引設備内の滞在時間は0.05秒であった。
以上のようにして製造された光ファイバの諸特性は以下のとおりであった。塩素元素濃度の最低値は3300原子ppmであり、カリウム添加濃度(コア中の平均値)は1原子ppm以下であった。伝送損失(波長1300nm)は0.290dB/kmであり、伝送損失(波長1380nm)は0.320dB/kmであり、伝送損失(波長1550nm)は0.161dB/kmであった。波長分散(波長1550nm)は+20.9ps/nm/kmであり、分散スロープ(波長1550nm)は+0.060ps/nm/kmであった。実効断面積(波長1550nm)は140μmであり、モードフィールド径(波長1550nm)は12.7μmであった。ファイバカットオフ波長(2m)は1590nmであり、ケーブルカットオフ波長(22m)は1490nmであった。偏波モード分散(C、Lバンド帯)は0.01ps/√kmであり、非線形係数(波長1550nm、ランダム偏波状態)は0.6(W・km)−1であった。このように低伝送損失の光ファイバが得られた。
1…ガラスパイプ、2…熱源、3…アルカリ金属原料、4…外部熱源。

Claims (4)

  1. コア領域と該コア領域を取り囲むクラッド領域とを有する光ファイバであって、
    前記コア領域にアルカリ金属元素及び塩素元素が添加され、
    前記コア領域における塩素元素濃度の最低値が1000原子ppm以上であり、
    前記コア領域における塩素元素濃度の平均値が13000原子ppm以下であり、
    前記コア領域におけるアルカリ金属の濃度の平均値が0.2原子ppm以上50原子ppm以下であり、
    前記コア領域にさらに濃度15000原子ppm以下のフッ素元素が添加されており、
    前記コア領域中のアルカリ金属元素、塩素元素及びフッ素元素以外のドーパントの平均濃度が、前記コア領域における塩素元素濃度の平均値とフッ素元素濃度の平均値との和より小さく、
    0.1気圧の水素分圧下に温度40℃で3ヶ月に亘る水素処理により波長範囲1420〜1610nmにおいて損失ピークの発生が無い光ファイバ。
  2. 1気圧の水素分圧下に温度80℃で20時間に亘り水素処理を実施した後の波長1.38μm帯のOH基吸収による損失増が0.15dB/km以下である、
    請求項1に記載の光ファイバ。
  3. 前記コア領域における塩素濃度が2000原子ppm以上である、
    請求項1または2に記載の光ファイバ。
  4. 前記コア領域中のアルカリ金属元素の平均濃度が2原子ppm以下である、
    請求項3に記載の光ファイバ。
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