JP4490465B2

JP4490465B2 - 光ファイバ製造方法

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Publication number: JP4490465B2
Application number: JP2007234925A
Authority: JP
Inventors: 千里深井; 和秀中島; 隆松井; 克介田嶋; 泉三川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: JP2009069238A

Description

本発明は、光信号伝搬に供する光ファイバの製造方法に関し、特に光通信における伝送媒体として用いられる光ファイバの製造方法に関する。

一般に、光ファイバを用いた光通信では、コア部とクラッド部の屈折率差による全反射により、光信号がコア部に閉じ込められた状態で光ファイバ中を伝搬する。近年、光ファイバ軸心方向に沿って、光ファイバの断面に複数個の空孔を設けることにより、空気とガラスの屈折率差を利用した全反射によって、光信号を伝搬する光ファイバの研究開発が進められている。前記複数個の空孔を有する光ファイバは、従来の光ファイバに比べ、コア部と、空孔からなるクラッド部との比屈折率差を大きくすることが可能なため、従来の光ファイバでは実現不可能な特性を実現することが可能である（例えば特許文献１）。例えば、光ファイバの曲げが可能になる（光ファイバを曲げても通信可能になる）ことが挙げられる。

このような光ファイバの製造には、キャピラリを束ねて線引きする方法（特許文献２）、及び光ファイバプリフォームに孔を開けて線引きする方法が知られている。

再公表特許ＷＯ２００４／０９２７９３号公報特開２００２−９７０３４号公報

しかしながら、特許文献２に記載のキャピラリを束ねて線引きする方法では、線引きする際に穴の形状が崩れやすいという問題がある。更に、キャピラリの外表面でＯＨ基や不純物が付着し、低損失化が難しいという問題がある。一方、光ファイバプリフォームに孔を開けて線引きする方法では、石英ガラスが非常に硬いため、超音波振動研削などの特殊な方法を用いる必要がある。また、孔を深く研削するために研削工具の長さを長くすると、高速回転に伴う軸ずれが生じ、研削できなくなってしまうといった問題がある。従って光ファイバ軸心方向に沿って、光ファイバの断面に複数個の空孔を設ける構造を有する光ファイバは、低損失化、長尺化が困難であるといった問題がある。

従って、本発明は上記の事情に鑑み、従来の光ファイバでは実現が不可能であった範囲の、波長分散の制御、モードフィールド径（ＭＦＤ）の制御、光ファイバを曲げたときの伝送確保を実現する低損失化、長尺化などが可能な光ファイバの製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の光ファイバ製造方法は、コア部と、前記コア部よりも小さい屈折率を有する第１クラッド部、及び前記コア部よりも小さい屈折率を有する第３クラッド部と、前記第１クラッド部と第３クラッド部の間に、前記第１クラッド部と同等か又は前記第１クラッド部よりも小さい屈折率を有するガラス層に二酸化炭素の気泡が閉じ込められている構成の第２クラッド部とを有してなる光ファイバを製造する光ファイバ製造方法であって、
ＳｉＣｌ ₄ 及びＧｅＣｌ ₄ を含む原料ガスを用いてコア部を作成し、ＳｉＣｌ ₄ を含む原料ガスを用いて第１クラッド部及び第３クラッド部を作成し、ＳｉＣｌ ₄ 及びＣＣｌ ₄ を含む原料ガスを用いて二酸化炭素を含む第２クラッド部を作製することによって、光ファイバ母材を作製する第１プロセスと、前記第１プロセスで作製された光ファイバ母材を加熱透明化することにより光ファイバプリフォームを作製する第２プロセスと、前記第２プロセスで作製された前記光ファイバプリフォームを溶融延伸する第３プロセスとを備えたことを特徴とする。
なお、前記第１プロセスではＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄、並びにＣＣｌ₄を、例えば酸水素バーナーで火炎加水分解すること（ＶＡＤ等）や、プラズマを用いること（ＰＣＶＤ）などにより、光ファイバ母材を作製することができる。

本発明の光ファイバ製造方法によれば、コア部と、前記コア部よりも小さい屈折率を有する第１クラッド部、及び前記コア部よりも小さい屈折率を有する第３クラッド部と、前記第１クラッド部と第３クラッド部の間に、前記第１クラッド部と同等か又は前記第１クラッド部よりも小さい屈折率を有するガラス層に二酸化炭素の気泡が閉じ込められている構成の第２クラッド部とを有してなる光ファイバを製造する光ファイバ製造方法であって、ＳｉＣｌ ₄ 及びＧｅＣｌ ₄ を含む原料ガスを用いてコア部を作成し、ＳｉＣｌ ₄ を含む原料ガスを用いて第１クラッド部及び第３クラッド部を作成し、ＳｉＣｌ ₄ 及びＣＣｌ ₄ を含む原料ガスを用いて二酸化炭素を含む第２クラッド部を作製することによって、光ファイバ母材を作製する第１プロセスと、前記第１プロセスで作製された光ファイバ母材を加熱透明化することにより光ファイバプリフォームを作製する第２プロセスと、前記第２プロセスで作製された前記光ファイバプリフォームを溶融延伸する第３プロセスとを備えることとしたため、製造過程でＯＨ基や不純物の混入を抑制し、且つ超音波振動研削などの特殊な孔開け作業等が不要となるため、当該光ファイバの低損失化、並びに長尺化が可能になり、大量生産が可能となるといった効果も奏する。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１（ａ）は本発明の実施の形態例に係る光ファイバの構造の一例を示す概念図、図１（ｂ）は前記光ファイバの断面図である。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本実施の形態例の光ファイバ１０は、ドーパントを添加した任意の屈折率分布を有するコア部１１と、均一な屈折率を有する第１クラッド部１２と、二酸化炭素の気泡１３を含む第２クラッド部１４と、均一な屈折率を有する第３クラッド部１５とを有してなり、コア部１１及びクラッド部１２により主たる光の導波構造が形成されている。

第１クラッド部１２はコア部１１の周囲を取り囲み、第２クラッド部１４は第２クラッド部１２の周囲を取り囲み、更に第３クラッド部１５は第２クラッド部１４の周囲を取り囲んでいる。即ち、第２クラッド部１４は第１クラッド部１２と第３クラッド部１５の間に設けられている。第１クラッド部１２及び第３クラッド部１５は、コア部１１よりも小さい屈折率を有している。そして、第２クラッド部１４は、第１クラッド部１２と同等か又は第１クラッド部１２よりも小さい屈折率を有するガラス層に気泡が閉じ込められている構成となっている。

図２は本発明の実施の形態例に係る光ファイバ製造方法の工程の一部を示した概念図である。本実施の形態例ではＶＡＤ（Vapor phase Axial Deposition）法を用いて図１の光ファイバ１０を作製するための光ファイバ母材の作製方法について説明する。

第１プロセスでは、原料ガスを同軸円筒状の酸水素バーナー２５に導入し、火炎加水分解反応により生成したガラス微粒子２４を回転している種棒２１の先端に吹きつけることにより、光ファイバ母材２３を作製する。次に、第２プロセスでは、種棒２１を徐々に引き上げ、ヒーター２２で光ファイバ母材２３を加熱透明化することにより、光ファイバプリフォームを作製する。第３プロセスでは、第２プロセスで作製された光ファイバプリフォームを溶融延伸（線引）する。かくして、光ファイバ１０を作製することができる。

ここで、第１プロセスでは、ＳｉＣｌ₄、及びＧｅＣｌ₄にそれぞれＯ₂、Ｈ₂、並びにＡｒを混合した原料ガスを用いることにより、下記の化学式１に示されるようにＳｉＯ₂とＧｅＯ₂が混在したガラス微粒子が形成され、それぞれの原料ガスの流量調整により、所望の屈折率を有するコア部（図１のコア部１１になる部分）を作製することが可能である。
（化学式１）
ＳｉＣｌ₄＋２Ｈ₂Ｏ → ＳｉＯ₂＋４ＨＣｌ
ＧｅＣｌ₄＋２Ｈ₂Ｏ → ＧｅＯ₂＋４ＨＣｌ

また、第２クラッド部（図１の第２クラッド部１４になる部分）は、ＳｉＣｌ₄、及びＣＣｌ₄にそれぞれＯ₂、Ｈ₂、並びにＡｒを混合した原料ガスを用いることにより、下記の化学式２に示されるようにＳｉＯ₂のガラス微粒子とＣＯ₂が生成され、それぞれの原料ガスの流量調整により、二酸化炭素を含む第２クラッド部を作製することが可能となる。
（化学式２）
ＳｉＣｌ₄＋２Ｈ₂Ｏ → ＳｉＯ₂＋４ＨＣｌ
ＣＣｌ₄＋２Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋４ＨＣｌ

また、第１クラッド部に純石英ガラスを用いる場合、第１クラッド部（図１の第１クラッド部１２になる部分）は、ＳｉＣｌ₄にＯ₂、Ｈ₂、並びにＡｒを混合した原料ガスを用いることにより作製することが可能である。同様に、第３クラッド部（図１の第３クラッド部１５になる部分）も、ＳｉＣｌ₄にＯ₂、Ｈ₂、並びにＡｒを混合した原料ガスを用いることにより作製することが可能である。

上記のようにして第１プロセスで作製された光ファイバ母材を、第２プロセスで加熱透明化することにより光ファイバプリフォームを作製し、この光ファイバプリフォームを第３プロセスで溶融延伸（線引）することにより、光ファイバ１０が製造される。

なお、本発明の光ファイバ製造方法では、上述で説明したＶＡＤ法による光ファイバ母材の作製方法以外にも、ＯＶＤ（Outside Vapor Deposition）、ＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）、並びにＰＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）等、を光ファイバ母材の作製方法に用いることが可能である。

（実施例）
図３は、本発明の実施例の光ファイバの等価屈折率分布を表す概念図である。本実施例は図１の光ファイバ１０の実施例（具体例）であり、図３において図１と同様の部分には同一の符号を付している。

本実施例では、第１クラッド部１２及び第３クラッド部１５が純石英（ＳｉＯ₂）からなり、コア部１１は純石英にゲルマニウムを添加することによって、第１クラッド部１２及び第３クラッド部１５よりも大きい屈折率を実現している。なお、図３中のａ₁及びａ₂は、それぞれコア部１１及び第１クラッド部１２の半径である。また、ａ₃は第２クラッド部１４の幅、即ち第２クラッド部１４の半径と第１クラッド部の半径の差を表す。更に、Δ₁及びΔ₂は第１クラッド部１２、即ち純石英に対するコア部１１及び第２クラッド部１４の比屈折率差である。本実施例ではΔ₁及びａ₁を、それぞれ０．３５％及び４．５μｍとした。図示の如く、第２クラッド部１４はガラス層（純石英）に二酸化炭素の気泡１３（図１参照）が閉じ込められた構成であるため、その実効的な屈折率が第１クラッド部１２の屈折率よりも小さい。

図４は、第２クラッド部１４における気泡１３の割合Ｐに対する、第２クラッド部１４の実効的な屈折率、及び第１クラッド部１２、即ち純石英に対する第２クラッド部１４の実効的な比屈折率差の関係を示す図である。ここで、第２クラッド部１４を構成するガラス成分は純石英とし、第２クラッド部１４に含まれる気泡１３の大きさが非常に小さく、且つランダムに配置されるものと仮定し、波長λが５８９．３ｎｍであるときの純石英、及び気泡１３の屈折率は、それぞれ１．４５８、及び１．０００を用いた。図４より、第２クラッド部１４における気泡１３の割合Ｐを３０％以上とすることにより、純石英に対する第２クラッド部１４の実効的な比屈折率差は、従来のフッ素を添加した光ファイバで得られる−２から−３％程度までと比べて、３倍以上に相当する−９％以下となることがわかる。

図５は、コア部１１の半径ａ₁に対する第１クラッド部１２の半径ａ₂の比ａ₂／ａ₁に対する波長λ１５５０ｎｍにおけるモードフィールド直径の関係を示す図である。ここで、第２クラッド部１４における気泡１３の割合Ｐ、及び第２クラッド部１４の幅ａ₃は、それぞれ３０％、及び４．５μｍとした。なお、第２クラッド部１４が存在しない場合のモードフィールド直径は、約１０．７μｍであった。図５より、モードフィールド直径は、コア部１１の半径ａ₁に対する第１クラッド部１２の半径ａ₂の比ａ₂／ａ₁に依存して変化しており、コア部１１の半径ａ₁に対する第１クラッド部１２の半径ａ₂の比ａ₂／ａ₁が２以上の場合、コア部１１と第１クラッド部１２で決定されるモードフィールド特性を保持することが可能となる。一方、コア部１１の半径ａ₁に対する第１クラッド部１２の半径ａ₂の比ａ₂／ａ₁を小さくすることにより、コア部１１へのゲルマニウム添加量を過剰とすることなく、コア部１１への光の閉じ込め効果を向上することが可能となることがわかる。

図６は、コア部１１の半径ａ₁に対する第１クラッド部１２の半径ａ₂の比ａ₂／ａ₁に対する波長λ１５５０ｎｍにおける波長分散の関係を示す図である。ここで、第２クラッド部１４における気泡１３の割合Ｐ、及び第２クラッド部１４の幅ａ₃は、それぞれ３０％、及び４．５μｍとした。なお、第２クラッド部１４が存在しない場合の波長分散は、約１７ｐｓ／ｎｍ・ｋｍであった。図６より、波長分散はコア部１１の半径ａ₁に対する第１クラッド部１２の半径ａ₂の比ａ₂／ａ₁に依存して変化しており、コア部１１の半径ａ₁に対する第１クラッド部１２の半径ａ₂の比ａ₂／ａ₁が約２以上の場合、コア部１１と第１クラッド部１２で決定される波長分散特性を保持することがわかる。一方、コア部１１の半径ａ₁に対する第１クラッド部１２の半径ａ₂の比ａ₂／ａ₁を１．３以下とすることにより、従来の光ファイバでは実現が困難である３０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以上の波長分散特性を実現することも可能となることがわかる。

図７は、第２クラッド部１４における気泡１３の割合Ｐに対する波長λ１５５０ｎｍにおける曲げ損失の関係を示す図である。ここで、コア部１１の半径ａ₁に対する第１クラッド部１２の半径ａ₂の比ａ₂／ａ₁は２とした。また、曲げ半径Ｒ、及び巻き回数は、それぞれ５ｍｍ、及び１０回巻きとした。第２クラッド部１４における気泡１３の割合Ｐが０％となる条件は、第２クラッド部１４が純石英のみで構成される従来の光ファイバである場合に相当する。図７より、第２クラッド部１４における気泡１３の割合Ｐが増加するに従って、曲げ損失が低減し、第２クラッド部１４における気泡の割合Ｐが約１５％のとき、従来の光ファイバに比べて曲げ損失が１０分の１となることがわかる。

以上説明したように、本発明によれば、光ファイバ１０の構造が、コア部１１と、コア部１１よりも小さい屈折率を有する第１クラッド部１２、及び第３クラッド部１５と、第１クラッド部１２と第３クラッド部１５の間に、第１クラッド部１２と同等か又は第１クラッド部１２よりも小さい屈折率を有するガラス層に二酸化炭素の気泡１３が閉じ込められている構成の第２クラッド部１４とからなるため、従来の光ファイバでは実現不可能な特性を実現することが可能となるといった効果を奏する。

また、本発明の光ファイバ製造方法によれば、ＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄、並びにＣＣｌ₄により（例えば、これらを酸水素バーナー２５で火炎加水分解することにより）、光ファイバ母材を作製する第１プロセスと、第１プロセスで作製された光ファイバ母材を加熱透明化することにより光ファイバプリフォームを作製する第２プロセスと、第２プロセスで作製された光ファイバプリフォームを溶融延伸する第３プロセスとを備えることとしたため、製造過程でＯＨ基や不純物の混入を抑制し、且つ超音波振動研削などの特殊な孔開け作業等が不要となるため、当該光ファイバの低損失化、並びに大量生産が可能となるといった効果も奏する。

（ａ）は本発明の実施の形態例に係る光ファイバの構造の一例を示す概念図、（ｂ）は前記光ファイバの断面図である。本発明の実施の形態例に係る光ファイバ製造方法の工程の一部を示した概念図である。本発明の実施例の光ファイバの等価屈折率分布を表す概念図である。第２クラッド部における気泡の割合Ｐに対する、第２クラッド部の実効的な屈折率、及び第１クラッド部、即ち純石英に対する第２クラッド部の実効的な比屈折率差の関係を示す図である。コア部の半径に対する第１クラッド部の半径の比ａ₂／ａ₁に対する波長λ１５５０ｎｍにおけるモードフィールド直径の関係を示す図である。コア部の半径に対する第１クラッド部の半径の比ａ₂／ａ₁に対する波長λ１５５０ｎｍにおける波長分散の関係を示す図である。第２クラッド部における気泡の割合Ｐに対する波長λ１５５０ｎｍにおける曲げ損失の関係を示す図である。

符号の説明

１０光ファイバ
１１コア部
１２第１クラッド部
１３気泡
１４第２クラッド部
１５第３クラッド部
２１種棒
２２ヒーター
２３光ファイバ母材
２４ガラス微粒子
２５酸水素バーナー

Claims

コア部と、前記コア部よりも小さい屈折率を有する第１クラッド部、及び前記コア部よりも小さい屈折率を有する第３クラッド部と、前記第１クラッド部と第３クラッド部の間に、前記第１クラッド部と同等か又は前記第１クラッド部よりも小さい屈折率を有するガラス層に二酸化炭素の気泡が閉じ込められている構成の第２クラッド部とを有してなる光ファイバを製造する光ファイバ製造方法であって、
ＳｉＣｌ ₄ 及びＧｅＣｌ ₄ を含む原料ガスを用いてコア部を作成し、ＳｉＣｌ ₄ を含む原料ガスを用いて第１クラッド部及び第３クラッド部を作成し、ＳｉＣｌ ₄ 及びＣＣｌ ₄ を含む原料ガスを用いて二酸化炭素を含む第２クラッド部を作製することによって、光ファイバ母材を作製する第１プロセスと、前記第１プロセスで作製された光ファイバ母材を加熱透明化することにより光ファイバプリフォームを作製する第２プロセスと、前記第２プロセスで作製された前記光ファイバプリフォームを溶融延伸する第３プロセスとを備えたことを特徴とする光ファイバ製造方法。