JP2016210632A - 光ファイバ母材 - Google Patents

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Abstract

【課題】伝送損失が低い光ファイバを得ることができる光ファイバ母材を提供する。
【解決手段】本発明の光ファイバ母材は、シリカガラスからなるコア部と、前記コア部を取り囲み前記コア部の屈折率より低い屈折率を有しフッ素を含むシリカガラスからなるクラッド部とを備え、前記コア部の中心軸を含む領域に、Ｎａ，Ｋおよびこれらの化合物から選択される第１ドーパントを濃度１０atomic ppm以上２０００atomic ppm以下含み、前記コア部の前記中心軸を含まない領域に、シリカガラスの粘性を下げるドーパントであって、温度２０００℃〜２３００℃での拡散係数が１×１０−１２ｃｍ２／ｓ以上かつ前記第１ドーパントの拡散係数より小さい第２ドーパントを濃度１０atomic ppm以上含む。
【選択図】図１５

Description

本発明は、光ファイバ母材に関するものである。
レーリー散乱損失が低く伝送損失が低い光ファイバとして、コアがアルカリ金属元素を含む石英ガラス系の光ファイバが知られている（例えば特許文献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含まれていると、この光ファイバ母材を線引き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が均一化するので、構造の不均一に由来するレーリー散乱損失を低くすることができる。
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又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を或る厚みでエッチングする。アルカリ金属元素は遷移金属元素より拡散が速いので、ガラス表面を或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、アルカリ金属元素を含むコアロッドを製造する。このアルカリ金属元素を含むコアロッドはその外側に第２のコア部となるガラスを付与し、コアロッドおよび第２のコア部の全体を光ファイバのコアとしても良い。
アルカリ金属元素を含有するコアロッドを含むコア部より屈折率の低いクラッド部をコア部の外側に合成することで、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き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
本発明者は、アルカリ金属元素を含み伝送損失が低い光ファイバの研究開発に際して以下のような知見を得た。コアが含むアルカリ金属元素の平均濃度と伝送損失との間には相関があり、伝送損失の低減にはコア全体にアルカリ金属元素を添加する必要がある。しかし、上記拡散法でアルカリ金属元素を添加した場合、コア中心ではアルカリ金属元素濃度が高く、コア周辺に向かってアルカリ金属元素濃度が下がっていくような濃度分布形状になってしまう。そこで、アルカリ金属元素をコア中心軸から外れた位置に添加する方法を検討したが、ＮａやＫといった拡散速度の速い元素はほとんどがクラッドに拡散してコアから抜けてしまうことから、アルカリ金属元素による損失低減の効果が小さくなってしまった。また、クラッドへのアルカリ金属元素の浸みだしを考慮して予め高濃度にアルカリ金属元素を添加する方法では、結晶化が発生しファイバ化することが困難であった。
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、伝送損失が低い光ファイバを得ることができる光ファイバ母材を提供することを目的とする。
本発明の光ファイバ母材は、シリカガラスからなるコア部と、前記コア部を取り囲み前記コア部の屈折率より低い屈折率を有しフッ素を含むシリカガラスからなるクラッド部とを備え、前記コア部の中心軸を含む領域に、Ｎａ，Ｋおよびこれらの化合物から選択される第１ドーパントを濃度１０atomic ppm以上２０００atomic ppm以下含み、前記コア部の前記中心軸を含まない領域に、シリカガラスの粘性を下げるドーパントであって、温度２０００℃〜２３００℃での拡散係数が１×１０−１２ｃｍ２／ｓ以上かつ前記第１ドーパントの拡散係数より小さい第２ドーパントを濃度１０atomic ppm以上含む。ここでatomic ppmとは100万ユニットのＳｉＯ２中のドーパント原子の個数である。
前記第２ドーパントの濃度ピーク位置ｒ１とコア半径ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）が３より大きく９.５より小さいのが好適である。前記コア部の前記中心軸を含まない領域に、前記第２ドーパントとして、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、ＣａおよびＳｒから選択される何れかを含むのが好適である。
本発明によれば、伝送損失が低い光ファイバを得ることができる光ファイバ母材が提供される。
コアにカリウムを含む光ファイバにおける残留応力の径方向分布の一例を示す図である。 コアにカリウムを含む光ファイバにおける仮想温度の径方向分布の一例を示す図である。 コアクラッド界面の応力差と伝送損失との間の関係の一例を示す図である。 コアにドーパントとして拡散速度の速いカリウムを含む場合の濃度分布を示す図である。 コアにドーパントとして拡散速度の遅いセシウムを含む場合の濃度分布を示す図である。 コアにカルシウムを含む光ファイバにおける残留応力の径方向分布の一例を示す図である。 コアにカルシウムを含む光ファイバにおける仮想温度の径方向分布の一例を示す図である。 コアにカリウムおよびカルシウムを含む光ファイバにおける残留応力の径方向分布の一例を示す図である。 コアにカリウムおよびカルシウムを含む光ファイバにおける仮想温度の径方向分布の一例を示す図である。 第２ドーパントの濃度と伝送損失との間の関係を示す図である。 第２ドーパントの濃度ピーク位置ｒ１とコア半径ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）と、光ファイバの伝送損失との関係を示す図である。 Ｎａ，Ｋ，ＣｓおよびＣａそれぞれの拡散係数を纏めた表である。 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工程を説明する図である。 各光ファイバの諸元を纏めた表である。 光ファイバにおける第１ドーパント濃度および第２ドーパント濃度それぞれの径方向分布を説明する図である。
本発明の光ファイバ母材は、シリカガラスからなるコア部と、前記コア部を取り囲み前記コア部の屈折率より低い屈折率を有しフッ素を含むシリカガラスからなるクラッド部とを備え、前記コア部の中心軸を含む領域に、Ｎａ，Ｋおよびこれらの化合物から選択される第１ドーパントを濃度１０atomic ppm以上２０００atomic ppm以下含み、前記コア部の前記中心軸を含まない領域に、シリカガラスの粘性を下げるドーパントであって、温度２０００℃〜２３００℃での拡散係数が１×１０−１２ｃｍ２／ｓ以上かつ前記第１ドーパントの拡散係数より小さい第２ドーパントを濃度１０atomic ppm以上含む。
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。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。
本実施形態の光ファイバ母材は、シリカガラスからなるコア部と、このコア部を取り囲みシリカガラスからなるクラッド部とを備える。コア部は、シリカガラスの粘性を下げるドーパントを含む。クラッド部は、コア部の屈折率より低い屈折率を有し、フッ素を含む。
ガラスの粘性を下げるドーパントを拡散法によりコア部に添加した光ファイバ母材を作製して、該光ファイバ母材を線引して光ファイバを製造する場合、線引時の加熱により、コア部に添加したドーパントはコア部の外のクラッド部まで拡散する。これにより、コア部だけでなくクラッド部も粘性が下がる。クラッド部はもともとＦを含んでいることから、上記ドーパントおよびＦの共添加効果によりクラッド部の粘性が大きく下がることになり、コア部とクラッド部との間で粘性に差が発生し、光ファイバに残留する歪に因る伝送損失が増加すると考えられる。
図１は、コアにカリウムを含む光ファイバにおける残留応力の径方向分布の一例を示す図である。図２は、コアにカリウムを含む光ファイバにおける仮想温度の径方向分布の一例を示す図である。両図は、コアがドーパントとして拡散速度の速いカリウムを含む場合を示す。横軸は、中心軸からの径方向位置を示す。図１の縦軸では、引っ張り応力を「正」としている。両図から、ドーパントがクラッドまで広がることで、残留応力の絶対値や仮想温度はクラッドで最低になっていることが分かる。
図３は、コアクラッド界面の応力差と伝送損失との間の関係の一例を示す図である。コアクラッド界面の応力差は、コアとクラッドとの界面を含む径方向５μｍの範囲での最大応力と最小応力との差を表す。同図から、コアクラッド界面の応力差が小さいほど伝送損失が低くなる傾向が見られる。これは、コアクラッド界面に応力が発生することによりガラスに歪が発生することに由来すると推測される。
次に、拡散速度の遅いドーパントをコアが含む場合について検討する。図４は、コアにドーパントとして拡散速度の速いカリウムを含む場合の濃度分布を示す図である。図５は、コアにドーパントとして拡散速度の遅いセシウムを含む場合の濃度分布を示す図である。両図は、光ファイバとしたときの径方向位置にプロットした母材状態におけるドーパント濃度分布をファイバ状態におけるドーパント濃度分布と重ねて示す。
図４に示されるように拡散速度の速いカリウムはファイバ状態においてクラッドまで拡散しているのに対して、図５に示されるように拡散速度の遅いカルシウムはファイバ状態においてクラッドまで拡散しない。したがって、拡散速度の遅いドーパントをコア部に添加することで、クラッドの応力低下を抑制することができる。そして、コア部の応力を重点的に低下させることができて、コアクラッド界面の応力差を低減することができると期待される。
しかし、拡散速度の遅いドーパントを単独でコア部に添加する場合、クラッドまでドーパントが拡散することはないものの、ドーパント濃度はコア中心で高くコア外周領域で低い分布となる。このことから、コア外周領域の粘性が下がらず、コア外周領域の応力が高くなり、その結果、コアクラッド界面の応力差が大きくなる。
図６は、コアにカルシウムを含む光ファイバにおける残留応力の径方向分布の一例を示す図である。図７は、コアにカルシウムを含む光ファイバにおける仮想温度の径方向分布の一例を示す図である。両図は、コアがドーパントとして拡散速度の遅いカルシウムを含む場合を示す。コア外周領域が強い引張応力となったことで、コアクラッド界面の応力差は２５ＭＰａに広がった。また、光ファイバの伝送損失は０.２ｄＢ／ｋｍ以上に悪化した。図７に示されるように、仮想温度は、コアの中心部のみ低減しており、コア外周領域で急激な上昇がみられることから、コア外周領域で粘性の低下が起こっておらず、損失増加が発生していると推測される。
そこで、本実施形態の光ファイバ母材は、コア部の中心軸を含む領域に、Ｎａ，Ｋおよびこれらの化合物から選択される第１ドーパントを濃度１０atomic ppm以上２０００atomic ppm以下含む。また、本実施形態の光ファイバ母材は、コア部の中心軸を含まない領域に、シリカガラスの粘性を下げるドーパントであって、温度２０００℃〜２３００℃での拡散係数が１×１０−１２ｃｍ２／ｓ以上かつ第１ドーパントの拡散係数より小さい第２ドーパントを濃度１０atomic ppm以上含む。第１ドーパントを含む領域（コア部の中心軸を含む領域）と、第２ドーパントを含む領域（前記コア部の中心軸を含まない領域）とは、一部が互いに重なっていてもよいし、互いに重なっていなくてもよい。
図８は、コアにカリウムおよびカルシウムを含む光ファイバにおける残留応力の径方向分布の一例を示す図である。図９は、コアにカリウムおよびカルシウムを含む光ファイバにおける仮想温度の径方向分布の一例を示す図である。ここでは、ファイバ状態に換算して、コア中心から半径１μｍまでの範囲に第１ドーパントとしてカリウムを添加し、半径２.０μｍから２.５μｍまでの範囲に第２ドーパントとしてカルシウムを添加した。このような光ファイバ母材を線引して光ファイバを製造し、この光ファイバの残留応力分布および仮想温度分布を測定した。
このように、コア部の中心軸を含む領域に拡散速度の速い第１ドーパントを含むとともに、コア部の中心軸を含まない領域に拡散速度の遅い第２ドーパントを含むことにより、シリカガラスの粘性を下げるドーパントの濃度をコアの広い領域において高くすることができる。そして、第１ドーパントを単独で含む場合と比較すると、第１ドーパントおよび第２ドーパントの双方を含むことにより、コア全体の残留応力が均一化され、コアクラッド界面の応力差は半分以下の５ＭＰａとなり、光ファイバの伝送損失は０.１６５ｄＢ／ｋｍと低下した。また、コアからクラッドにかけての仮想温度差は５０℃以下となり、コア全域で均一にガラスの散乱損失が低下していると推測される。
図１０は、第２ドーパントの濃度と伝送損失との間の関係を示す図である。ここで、第２ドーパントの濃度は、ファイバ状態に換算して半径２.０μｍから２.５μｍまでの範囲での値である。同図から、上記範囲の第２ドーパントの濃度が１０atomic ppm以上である場合、伝送損失が０.１６０ｄＢ／ｋｍ以下と低い値となることが分かった。一方、上記範囲の第２ドーパントの濃度が５,０００atomic ppmより高い場合、添加工程で結晶化してしまい損失を評価することができなかった。
図１１は、第２ドーパントの濃度ピーク位置ｒ１とコア半径ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）と、光ファイバの伝送損失との関係を示す図である。ｒ１は、中心軸からの径方向位置である。ここでは、コア部となるガラスロッドのファイバ状態に換算して半径１μｍとなる位置に第１ドーパントを添加し、比（ｒ２／ｒ１）が２.４〜１２.５となるように第２ドーパントを添加し、これにクラッド部を付与して光ファイバ母材とした。この光ファイバ母材を線引し光ファイバを製造し、この光ファイバの伝送損失を測定した。
同図に示されるように、比（ｒ２／ｒ１）が３より大きく９.５より小さい範囲で、光ファイバの伝送損失は０.１６５ｄＢ／ｋｍより小さい。比（ｒ２／ｒ１）が３より小さい場合、ファイバ状態での第２ドーパントの濃度分布がクラッドまで広がってしまい、クラッドの残留応力が低下することでコアクラッド界面の応力差が広がり、伝送損失が悪化する。一方、比（ｒ２／ｒ１）が９より大きい場合、ファイバ状態での第２ドーパントの濃度分布がコア径より小さく、コア外周領域に引張り応力が発生し、コアクラッド界面の応力差が増加することで、伝送損失が悪化する。
第２ドーパントとして、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、ＣａおよびＳｒから選択される何れかが用いられ得る。線引温度（２０００℃〜２３００℃）において、これら第２ドーパントの拡散係数は、Ｋの拡散係数に対して１／２から１／１０である。これら第２ドーパントの何れかを添加することにより、線引工程での拡散による添加物の広がりをコアの内側に留めることができる。図１２は、Ｎａ，Ｋ，ＣｓおよびＣａそれぞれの拡散係数を纏めた表である。この表は、分子動力学シミュレーションで計算した温度２２００℃での拡散係数を示す。ＮａおよびＫは第１ドーパントとして用いられる。
図１３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工程を説明する図である。以下では、各工程での条件の一例をも示す。
準備工程（ステップＳ１）では、第２ドーパントを拡散させるべき石英系ガラスパイプを準備する。この石英系ガラスパイプは、１００atomic ppmの塩素（Ｃｌ）および６,０００atomic ppmのフッ素を含み、その他のドーパント及び不純物の濃度が１０molppm以下である。この石英系ガラスパイプの外径は直径３５ｍｍであり、内径は直径２０ｍｍ程度である。
添加工程（ステップＳ２）では、第２ドーパントとしてカルシウムを石英系ガラスパイプの内表面に添加する。原料として臭化カルシウム（ＣａＢｒ）を用いる。外部熱源で原料を温度１０００℃に加熱して原料蒸気を発生させる。酸素を１ＳＬＭ（標準状態に換算して１リットル／min）の流量で導入したキャリアガスと共に原料蒸気を石英系ガラスパイプの内部に導入しながら、外部から酸水素バーナによって石英系ガラスパイプの外表面が温度２１５０℃となるように石英系ガラスパイプを加熱する。このとき、４０ｍｍ／minの速さでバーナをトラバースさせて合計１５ターン加熱し、カルシウムを石英系ガラスパイプの内表面に拡散添加させる。
縮径工程（ステップＳ３）では、カルシウムが添加された石英系ガラスパイプを縮径する。このとき、石英系ガラスパイプの内部に酸素を０.５ＳＬＭ流しながら、外部熱源によって石英系ガラスパイプの外表面が２２５０℃となるように石英系ガラスパイプを加熱する。外部熱源をトラバースさせて合計６ターン加熱し、石英ガラスパイプを内直径が５ｍｍになるまで縮径する。
エッチング工程（ステップＳ４）では、石英系ガラスパイプの内面をエッチングする。このとき、ＳＦ６（０.２ＳＬＭ）および塩素（０.５ＳＬＭ）の混合ガスを石英ガラスパイプの内部に導入しながら、外部熱源で石英ガラスパイプを加熱して気相エッチングを行う。このようにすることで、目的のドーパントと共に添加された不純物を高濃度に含むパイプ内面を削ることができ、この不純物を除去することができる。
ロッドインコラプス工程（ステップＳ５）では、カルシウムを添加した石英系ガラスパイプの中に、予め既知の方法、（例えば特開２０１２-１６２４０９号公報および特表２００７−５１３８６２号公報を参照）で作製した直径５ｍｍのカリウム添加ロッドを挿入する。そして、酸素（０.１ＳＬＭ）およびＨｅ（１ＳＬＭ）の混合ガスを石英ガラスパイプの内部に導入し、石英ガラスパイプ内の絶対圧を９７ｋＰａ以下に減圧しながら表面温度を２１５０℃として、石英ガラスパイプ中実化する。この中実化により、カリウム（第１ドーパント）を含む第１コア部と、カルシウム（第２ドーパント）を含む第２コア部と、からなるコア部（外径２５ｍｍ）を得る。この第２コア部の外側にＯＶＤ法やコラプス法といった方法でドーパントを含まない第３コア部を付与しても良い。
延伸研削工程（ステップＳ６）では、コア部を延伸して直径２４ｍｍとし、更に外周部を研削してコア部の直径を１７ｍｍとする。
ロッドインコラプス工程（ステップＳ７）では、コア部の外側に第１クラッド部を設ける。このとき、フッ素が添加された石英系ガラスパイプの内部にコア部を挿入して、外部熱源によって両者を加熱し一体化するロッドインコラプス法を用いる。コア部と第１クラッド部との相対比屈折率差は最大で０.３４％程度である。このロッドインコラプス法による合成の結果、コア部及びその近傍の第１クラッド部の水分量は十分に低く抑制することが可能である。
ＯＶＤ工程（ステップＳ８）では、コア部および第１クラッド部が一体化されてなるロッドを延伸して所定径とした後、そのロッドの外側にフッ素を含む第２クラッド部をＯＶＤ法により合成して、光ファイバ母材を製造する。
線引工程（ステップＳ９）では、以上の光ファイバ母材製造方法により製造された光ファイバ母材を線引することで光ファイバを得ることができる。線引速度は２,３００ｍ／minであり、線引張力は０.５Ｎである。
以上のような条件で光ファイバを製造して、この光ファイバの残留応力分布を測定したところ、コア中心からクラッドにわたって応力の差は５ＭＰａ以下と平坦であった。また、得られた光ファイバの伝送損失は波長１５５０ｎｍで０.１５５ｄＢ／ｋｍであった。
ロッドインコラプス工程（ステップＳ５）において挿入するコアについて、第１ドーパントを添加した第１コア部の径を調整することで、比（ｒ２／ｒ１）を２.４から１２.５までの範囲で各値に設定し、それぞれの光ファイバの伝送損失を評価した。図１４は、各光ファイバの諸元を纏めた表である。図１５は、光ファイバにおける第１ドーパント濃度および第２ドーパント濃度それぞれの径方向分布を説明する図である。図１４には、各光ファイバについて、第１コア部の径、第２ドーパントの濃度ピーク径（２ｒ１）、コア部の径（２ｒ２）、比（ｒ２／ｒ１）および伝送損失が示されている。各々の径は、延伸研削工程（ステップＳ６）後でコア部となるガラスロッドが完成した状態での値である。

Claims (3)

  1. シリカガラスからなるコア部と、前記コア部を取り囲み前記コア部の屈折率より低い屈折率を有しフッ素を含むシリカガラスからなるクラッド部とを備え、
    前記コア部の中心軸を含む領域に、Ｎａ，Ｋおよびこれらの化合物から選択される第１ドーパントを濃度１０atomic ppm以上２０００atomic ppm以下含み、
    前記コア部の前記中心軸を含まない領域に、シリカガラスの粘性を下げるドーパントであって、温度２０００℃〜２３００℃での拡散係数が１×１０−１２ｃｍ２／ｓ以上かつ前記第１ドーパントの拡散係数より小さい第２ドーパントを濃度１０atomic ppm以上含む、
    光ファイバ母材。
  2. 前記第２ドーパントの濃度ピーク位置ｒ１とコア半径ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）が３より大きく９.５より小さい、請求項１に記載の光ファイバ母材。
  3. 前記コア部の前記中心軸を含まない領域に、前記第２ドーパントとして、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、ＣａおよびＳｒから選択される何れかを含む、請求項１または２に記載の光ファイバ母材。
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