JP5639375B2 - 低曲げ損失光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は光ファイバに関するものであり、特に、低曲げ損失光ファイバに関するものである。

最近、１００Ｍｂｐｓ以上のＦＴＴＨ(Fiber To The Home)加入者伝送サービスネットワークが構築され、関連サービス産業の活性化に応じ、広帯域伝送用及び曲げ特性が強化された光ファイバの需要が急増している。

ＦＴＴＨ構築のため、一般的な受動光通信ネットワーク(Passive Optical Network：ＰＯＮ）は、中央局(Central Office：ＣＯ)側に位置する光回線終端(Optical Line Terminal：ＯＬＴ)と、ユーザー宅内装置又はその周辺に位置する光ネットワークユニット(Optical Network Unit：ＯＮＵ)又は光ネットワーク終端(Optical Network Termination：ＯＮＴ)と、これらをツリートポロジー(tree topology）で接続するためのスプリッタ(splitter)又は波長分割マルチプレクサ(Wavelength Division Multiplexer：ＷＤＭ)を備える地域基地局(Remote Node:ＲＮ）とを含む。ＣＯとＲＮ、及びＲＮと複数のＯＮＵは、通常、広帯域光ファイバである低水ピークファイバ(Low Water Peak Fiber：ＬＷＰＦ）で接続される。また、引き込み(lead-in)ケーブルを用いて電柱のようなき線点(feeder point)から、宅内引き込み口に接続される。ここで、引き込み光ケーブルとして、屋内/屋外設置に適するように曲げ特性が強化された光ファイバ(bending insensitive fiber)が主に使用される。実際に、損失、分散のような一般的な光特性に比べて、取り付け及びこの光ファイバを使用する現場で物理的な外力によって発生する曲げ損失が、宅内ネットワーク構築に大きな制限要素として作用する。このような曲げ損失が悪化される場合には、光損失及びデータ伝送に問題が発生する恐れがある。

上述したように、光ファイバを用いた通信ネットワークは、短時間に大量のデータを高速で伝送できる利点を有する。一方この通信ネットワークは、外部の物理的な力によって光ファイバが損傷され、それによって光損失及びデータ伝送の問題が発生する可能性があるという問題点がある。

当該技術分野では、コア(core)と、コア周囲に屈折率差が大きいクラッド(clad)を配置することによって、曲げのような物理的な力による光損失を最小化した光ファイバが提案されている。上述したタイプの光ファイバとして、ＮＴＴ、住友電気工業(株)などの日本企業によって製造されるホーリー(holey)光ファイバ、コーニング(Corning)社によって製造される微細バブルナノ(fine bubble nano)構造の光ファイバ、又はＯＦＳなどの企業によって製造されるリングトレンチクラッド屈折率のプロファイルを有する光ファイバが開示されている。

ホーリー光ファイバは曲げ損失の面では優れているが、製造過程が複雑なので製造コストが高いし、通常、Ｇ.６５２規格の光ファイバと接続が難しく、大きな光損失を有する。コーニング社によって製造される光ファイバも、微細バブル構造によって機械的強度、接続損失、接続方法などにおいて問題点があった。

その他、既存のリングトレンチクラッド構造の光ファイバは、上述した光ファイバに比べて安定した構造を有し、接続損失及び機械的強度のような特性が比較的に良好である。しなしながら、この光ファイバは、曲げによる損失において、比較的に光学的特性が落ちる問題点があった。

米国特許第５０３２００１号公報

したがって、本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、曲げのような外部の物理力による光損失を最小化するための光ファイバ及び光ファイバ製造方法を提供することを目的とする。

上記のような目的を達成するために、本発明の一態様による、低曲げ損失光ファイバは、コアと、このコアの外側に配置され、コアの屈折率より低い屈折率を有し、コアから遠くなるほど屈折率が徐々に減少する内部層と、内部層の外側に配置され、最低屈折率を有するトレンチ層と、トレンチ層の外側に配置され、トレンチ層の最低屈折率より高いとともにコアの屈折率より低く、かつ一定である屈折率を有する外部層とを含み、トレンチ層は、コアから遠くなるほど屈折率が徐々に減少する第１のトレンチサブ層と、コアから遠くなるほど屈折率が徐々に増加する第２のトレンチサブ層と、を含み、内部層は、コアから遠くなるほど屈折率が徐々に減少する第１の内部サブ層と、第２のトレンチサブ層に接し、屈折率が外部層の屈折率と同一かつ一定である第２の内部サブ層と、を含むことを特徴とする。

本発明による光ファイバは、ＧＩ(Graded Index)型の屈折率分布とトレンチ層を備えるクラッドとを含むことによって、屈折率変化及び曲げによる光損失を最小化できる効果を有する。

また、本発明によるトレンチ構造は、単一モード光ファイバの屈折率変化を最小化することで、クラッドへのモード伝送を最小化すると同時に、トレンチ層の屈折率を徐々に増加、あるいは減少する形態で光ファイバを構成することによって、広帯域曲げ損失を最小化することができる効果を有する。

また、ＧＩ型の屈折率分布のトレンチ構造は、大口径トレンチ層を実現することができ、このような大口径化で発生する応力を最小化して、全体的なトレンチ層のボリュームを一般の円状リング構造より小さく形成させることができる効果も有する。

さらに、本発明による光ファイバは、曲げによって引き起こされるリークモード分散さえも最小化でき、短い遮断波長領域を有することによって、Ｃバンド及びＬバンドの広い波長区間で、曲げ損失差が大きくない広帯域低曲げ損失の光ファイバを提供する利点を有する。

(a)は本発明の好適な第１の実施形態による光ファイバを示す図であり、(b)は(a)による光ファイバの屈折率プロファイルを示すグラフである。 (a)は本発明の好適な第２の実施形態による光ファイバを示す図であり、(b)は(a)による光ファイバの屈折率プロファイルを示すグラフである。 (a)は本発明の好適な第３の実施形態による光ファイバを示す図であり、(b)は(a)による光ファイバの屈折率プロファイルを示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。

下記の説明で、本発明に関連した公知の機能又は構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断された場合、その詳細な説明は省略する。

図１(a)は本発明の好適な第１の実施形態による光ファイバの断面図であり、図１(b)は図１(a)に示す光ファイバの断面による、屈折率プロファイルを説明するためのグラフである。図１を参照すると、光ファイバ１００は、コア１１０とクラッド１２０とを含む。コア１１０は、光ファイバの中心に位置し、相対的に高い屈折率を有し、内部全反射(total internal reflection)による光信号の伝送のために提供される。クラッド１２０は、コア１１０の外側に配置され、相対的に低い屈折率を有する。すなわち、クラッド１２０は、コア１１０の外周に沿って、このコア１１０を全て取り囲むように配置される。コア１１０は円形の棒形状を有し、クラッド１２０は円形のチューブ形状を有する。これらコア１１０及びクラッド１２０は、同心円状の構造で配置される。

コア１１０の屈折率差(Δｎ)は、０.００４０〜０.００６５の範囲であるが、０.００４５〜０.００６０の範囲がより好ましい。また、コア１１０の直径２ａは６.０〜９.５μｍの範囲であるが、８.０〜９.０μｍの範囲がより好ましい。例えば、コア１１０に対する屈折率差は、コア１１０の屈折率と外部層１２３の屈折率との差で定義される。

クラッド１２０は、コア１１０に接する部分から遠くなるほど屈折率が徐々に減少する内部層１２１と、この内部層１２１の最も低い屈折率と同一の屈折率を有する外部層１２３と、内部層１２１と外部層１２３との間で位置し、光ファイバ１００を構成する層の中で、最低の屈折率を有するトレンチ層１２２とを含む。すなわち、内部層１２１、トレンチ層１２２、及び外部層１２３は、コア１１０の外周面上に順次に直接積層され、各々円形のチューブ形状を有し、コア１１０と共に同心円状の構造で配置される。

内部層１２１は、コア１１０に接する内周から外周に行くほど、屈折率が徐々に減少するＧＩ型の屈折率プロファイル構造で形成される。例示のように、内部層１２１は、その内径からその外径へ行くほど屈折率が線形的に減少する屈折率分布を有する。内部層１２１の屈折率差は、−０.００１〜０.００３の範囲である。曲げによる光損失を最小化するための内部層１２１の屈折率差は、０.００００〜０.００１５の範囲がより好ましい。

内部層１２１の、コアに接する地点からの厚さｂは１６μｍ、８.４μｍ又は１.７８×ａ(aはコアの半径）以下であるが、５.８μｍ又は１.２×ａ以下に設定されるのがより好ましい。

トレンチ層１２２は、内部層１２１を取り囲み、光ファイバ１００を構成する層のうち最も低い屈折率を有する。すなわち、トレンチ層１２２の屈折率差は-０.００３以下の範囲が好ましい。また、トレンチ層１２２の厚さｃは、１４μｍ、９.６μｍ、又は２×a以下であるが、７.２μｍ又は１.５×ａ以下がより好ましい。

一般的に、マルチモード(multi-mode)光ファイバは、モード分散(mode dispersion）の量を減少させるために、屈折率プロファイルは放物線形態を有する。また、屈折率の分布は、その中心から外周側へ徐々に減少する形態に変化され、それによって長いモードの光が短いモードの光より速くなることによって、モード分散を最小化することができる。一方、単一モード光ファイバは、光ファイバのコア直径及び屈折率制御を通じて、モード数を一つに減少させることによって、モード分散を除去できるので、理論的にモード分散は０の値を有することができ、道波路分散のみが存在する。

光ファイバ１００に曲げが発生すると、クラッド領域の屈折率変化によって、リークモード(leaky mode)が現れ、それによって光損失が増大し、長距離伝送が不可能になる。上述した単一モードの光ファイバの長距離伝送のための、曲げ損失を最小化するために、曲げによるクラッド領域の屈折率変化を最小化する必要がある。

光ファイバ１００は、コア１１０に接する内周から外周に行くほど、屈折率が徐々に減少するＧＩ型の屈折率プロファイルを有する内部層１２１と、最低屈折率を有するトレンチ層１２２とを含むクラッド１２０を備えることで、曲げによる光損失及びリークモードの分散を最小化できる。

外部層１２３は、トレンチ層１２２を取り囲み、トレンチ層１２２より高く、かつコア１１０より低い屈折率を有する。

図２(a)は本発明の好適な第２の実施形態による光ファイバ２００を示す断面図であり、図２(b)は図２(a)に示す光ファイバの断面による、屈折率プロファイルを説明するためのグラフである。第２の実施形態における光ファイバ２００は、内部層２２０及びトレンチ層２３０の構成を除き、第１の実施形態の光ファイバに類似した構造を有するので、重複される説明は省略する。

図２を参照すると、光ファイバ２００は、コア２１０とクラッド２１５とを含む。コア２１０は、光ファイバの中心に位置し、相対的に高い屈折率を有し、内部全反射による、光信号の伝送のために提供される。クラッド２１５は、コア２１０の外側に配置され、相対的に低い屈折率を有する。すなわち、クラッド２１５は、コア２１０の外周に沿って、このコア２１０を全て取り囲むように配置される。コア２１０は円形の棒形状を有し、クラッド２１５は円形のチューブ形状を有する。これらコア２１０及びクラッド２１５は、同心円状の構造で配置される。

クラッド２１５は、コア２１０に接する部分から遠くなるほど屈折率が徐々に減少する内部層２２０と、この内部層２２０の最も低い屈折率と同一の屈折率を有する外部層２４０と、内部層２２０と外部層２４０との間で位置し、光ファイバ２００に含まれている層の中で、最低の屈折率を有するトレンチ層２３０とを含む。すなわち、内部層２２０、トレンチ層２３０、及び外部層２４０は、コア２１０の外周面上に順次に直接積層され、各々円形のチューブ形状を有し、コア２１０と共に同心円状の構造で配置される。

内部層２２０は、第１及び第２の内部サブ層２２１，２２２を含んでおり、第１及び第２の内部サブ層２２１，２２２は、コア２１０の外周面上に順に直接積層され、各々円形のチューブ形状を有し、コア２１０と共に同心円状の構造で配置される。

第１の内部サブ層２２１は、コア２１０の外周面に接する内周から外周に行くほど、屈折率が徐々に減少するＧＩ型の屈折率プロファイルを有する。第１の内部サブ層２２１の内周屈折率は、コア２１０の屈折率より小さくて、同時に外部層２４０の屈折率より大きい、また、第１の内部サブ層２２１の外周屈折率は外部層２４０の屈折率と同一である。例示したように、第１の内部サブ層２２１は、その内周からその外周へ行くほど、屈折率が線形的に減少する屈折率分布を有する。また、第２の内部サブ層２２２は、第１の内部サブ層２２１の外周屈折率と同一であると同時に、一定の屈折率を有する。

トレンチ層２３０は、第１及び第２のトレンチサブ層２３１，２３２を含み、第１及び第２のトレンチサブ層２３１，２３２は、内部層２２０の外周面上に順次に直接積層され、各々円形のチューブの形状を有し、コア２１０及び内部層２２０と共に同心円状の構造で配置される。トレンチ層２３０は、内周から外周へ行くほど減少した後に増加するＧＩ型の屈折率分布を有する。

第１のトレンチサブ層２３１は、第２の内部サブ層２２２の外周面に接する内周から外周に行くほど屈折率が徐々に減少するＧＩ型の屈折率分布を有する。第１のトレンチサブ層２３１の内周屈折率は、第２の内部サブ層２２２の屈折率と同一であり、第１のトレンチサブ層２３１の外周屈折率は外部層２４０の屈折率より小さい。例示したように、第１のトレンチサブ層２３１は、その内周から外周へ行くほど屈折率が線形的に減少する屈折率分布を有する。

第２のトレンチサブ層２３２は、第１のトレンチサブ層２３１の外周面に接する内周から外周へ行くほど屈折率が徐々に増加するＧＩ型の屈折率分布を有する。第２トレンチサブ層２３２の内周屈折率は第１のトレンチサブ層２３１の屈折率と同一であり、第２のトレンチサブ層２３２の外周屈折率は外部層２４０の屈折率と同一である。例示のように、第２のトレンチサブ層２３２は、その内周から外周に行くほど屈折率が線形的に増加する屈折率分布を有する。このとき、第２のトレンチサブ層２３２に対する屈折率曲線の傾斜は、第１のトレンチサブ層２３１に対する屈折率曲線の傾斜より小さい。すなわち、第１のトレンチサブ層２３１では、屈折率が相対的に急激に変化し、第２のトレンチサブ層２３２では、屈折率が相対的になだらかに変化する。

外部層２４０は、トレンチ層２３０を取り囲み、通常のシリカガラスが有する屈折率と同一の屈折率(例えば、１.４５６）を有する。

第２の実施形態における光ファイバ２００は、トレンチ層２３０内に、徐々に増加する屈折率分布を有する第２のトレンチサブ層２３２を配置することによって、屈折率変化及び曲げによる光損失を最小化できる。

第１の実施形態において、トレンチ層１２２の厚さが増加するほど、光ファイバ１００の屈折率差は大きくなり、曲げ特性が強化される。しかしながら、大口径のトレンチ構造は、ＬＰ１１モード以上の高次モードを発生させ、それによって光ファイバ１００の遮断波長を増加させる。ここで、遮断波長は、単一モードとマルチモードの境界となる波長を意味する。また、トレンチ層１２２の厚さが予め定められた値を超えると、遮断波長は、Ｇ.６５２標準による１２６０ｎｍの範囲を外れる。

遮断波長に対応する正規化周波数Ｖの式は、下記である。

上記数式（１）において、λは使用波長、ａはコアの直径、ｎ１はコアの屈折率、Δはコアとクラッドとの屈折率差を示す。

例えば、フッ素(fluorine)含有の光ファイバ構成領域の有効屈折率が、使用波長と関係なく、不変の定数値を有することを考慮すると、数式（１）から短波長で高いＶ値を有することがわかる。

しかしながら、上述した第２の実施形態のように、曲げ特性の強化のために、内部層２２０とトレンチ層２３０との間の境界領域(すなわち、第１のトレンチサブ層２３１)に急激な屈折率変化を与え、最低屈折率の地点から外部層２４０の境界までの領域(第２のトレンチサブ層２３２)に、なだらかな屈折率変化を与えることで、トレンチ層２３０の全体的な厚さ又はボリュームを、一般的な円形リング構造より小さくさせながら、屈折率差は大きくすることができる。

このようなＧＩ型の屈折率分布を有するトレンチ層２３０は、第１の実施形態のトレンチ層１２２より短い遮断波長を提供し、Ｃバンド及びＬバンドの広い波長範囲で曲げ損失差が大きくない広帯域低曲げ損失光ファイバ２００を得ることができる。

図示のように、光ファイバ２００の屈折率分布は、広帯域曲げ損失特性を最適化しながら、光ファイバ２００に加えられる応力を最小化することができる。

図３(a)は本発明の好適な第３の実施形態による光ファイバ２００’を示す断面図であり、図３(b)は図３(a)に示す光ファイバの断面による屈折率プロファイルを説明するためのグラフである。第３の実施形態の光ファイバ２００’は、トレンチ層２３０’の構成を除き、第２の実施形態の光ファイバ２００に類似した構造を有するので、重複される説明は省略する。したがって、トレンチ層２３０’のみについて説明する。

トレンチ層２３０’は、内部層２２０の外周面上に直接積層され、円形チューブの形態を有し、コア２１０及び内部層２２０と共に同心円状の構造で配置される。トレンチ層２３０’は、内周から外周へ行くほど非線形的に増加するＧＩ型の屈折率分布を有する。ここで、内周から外周へ行くほど屈折率曲線の傾斜角度は０度から９０度まで変化する。トレンチ層２３０’の内周屈折率は、外部層２４０の屈折率より低く、外周屈折率は外部層２４０の屈折率と同一である。

以下の表１乃至表３は、本発明による光ファイバの製造に使用されるコア母材の製造工程の実施形態を示す。

次の表１は、ＣＦ_４を用いて、コア母材を製造するための工程の一実施形態を示す。

次の表２は、ＣＦ_４とＧｅＣｌ_４を用いて、コア母材を製造するための工程の一実施形態を示す。

次の表３は、ＢＣｌ_３を用いて、コア母材を製造するための工程の一実施形態を示す。

上記の表１乃至表３は、本発明による、光ファイバに使用されるコア母材を製造するための工程条件を示す。上記に例示したコア母材の製造工程は、Φ３１×Φ３６×ｌ１２００(ｍｍ)のサイズを有するサブストレートチューブ(substrate tube)に基づいている。

これら表１乃至表３に示した製造工程によって製造されたコア母材の外周には、原料物質と燃焼ガスが供給される蒸着用トーチを用いて、スート(soot)が堆積される。 スートがコア母材の外周に一定の外径と重さで堆積されると、堆積を終了する。その後、コア母材を、徐々に冷却(slow cooling)した後に、焼結(sintering)及びガラス化(vitrifying)工程を進める。

外部クラッドの多孔質層であるスートは、焼結及びガラス化工程によってガラス化される。ガラス化を遂行するためには、Ｃ１_２の０.３７５ｓｌｐｍ、Ｈｅの１５ｓｌｐｍ環境下に、１５００℃で３００分程度の時間を必要とする。焼結工程は、１５５０〜１６５０℃の温度と、１×１０^-２torrの真空状態で進めることができ、その際に、０〜１５ｓｌｐｍのＨｅが投入されることが望ましい。完成された光ファイバ母材は、８０ｍｍの外径と１２００ｍｍの長さを有することができる。

上述したコア母材の外部に堆積、焼結、及びガラス化される外部クラッド層は、オーバージャケッティング(over jacketing)によって代替できる。

上述したガラス化工程によって完成された光ファイバ母材は、線引きタワー(draw tower)から光ファイバとして線引きされ、この手順で製造された光ファイバは、８.９μｍのＭＦＤ(ａｔ １３１０ｎｍ)と１３２０ｎｍの零分散波長を有する。

直径１０ｍｍのマンドレルにおける光ファイバに曲げが加えられた場合、１３１０ｎｍの波長での光損失は０.０１ｄＢ、１３２０ｎｍの波長での光損失は０.０２ｄＢ、１５５０ｎｍの波長での光損失は０.０５ｄＢ、１６２５ｎｍの波長での光損失は０.１４ｄＢである。

以上、本発明の具体的な実施形態に関して図示及び説明したが、添付した特許請求の範囲により規定されるような本発明の趣旨及び範囲を外れることなく、形式や細部の様々な変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。

１００ 光ファイバ
１１０ コア
１２０ クラッド
１２１ 内部層
１２２ トレンチ層
１２３ 外部層
２００ 光ファイバ
２００’ 光ファイバ
２１０ コア
２１５ クラッド
２２０ 内部層
２２１ 第１の内部サブ層
２２２ 第２の内部サブ層
２３０ トレンチ層
２３０’ トレンチ層
２３１ 第１のトレンチサブ層
２３２ 第２のトレンチサブ層
２４０ 外部層

Claims (9)

1. コアと、
   前記コアの外側に配置され、前記コアの屈折率より低い屈折率を有し、前記コアから遠くなるほど屈折率が徐々に減少する内部層と、
   前記内部層の外側に配置され、最低屈折率を有するトレンチ層と、
   前記トレンチ層の外側に配置され、前記トレンチ層の最低屈折率より高いとともに前記コアの屈折率より低く、かつ一定である屈折率を有する外部層とを含み、
   前記トレンチ層は、
   前記コアから遠くなるほど屈折率が徐々に減少する第１のトレンチサブ層と、
   前記コアから遠くなるほど屈折率が徐々に増加する第２のトレンチサブ層と、を含み、
   前記内部層は、
   前記コアから遠くなるほど屈折率が徐々に減少する第１の内部サブ層と、
   前記第１のトレンチサブ層に接し、屈折率が前記外部層の屈折率と同一かつ一定である第２の内部サブ層と、を含むことを特徴とする低曲げ損失光ファイバ。
2. 前記コアの屈折率差は０.００４０〜０.００６５の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の低曲げ損失光ファイバ。
3. 前記コアの直径は６.０μｍ〜９.５μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の低曲げ損失光ファイバ。
4. 前記内部層の屈折率差は-０.００１〜０.００３の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の低曲げ損失光ファイバ。
5. 前記内部層の厚さは１６μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の低曲げ損失光ファイバ。
6. 前記トレンチ層の屈折率差は-０.００３以下であることを特徴とする請求項１に記載の低曲げ損失光ファイバ。
7. 前記トレンチ層の厚さは１４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の低曲げ損失光ファイバ。
8. 半径５ｍｍの曲げが加えられた場合、１５５０ｎｍと１６２５ｎｍの波長で曲げ損失値が１.０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載の低曲げ損失光ファイバ。
9. 前記第２のトレンチサブ層に対する屈折率曲線の傾斜は、前記第１のトレンチサブ層に対する屈折率曲線の傾斜より小さいことを特徴とする請求項１に記載の低曲げ損失光ファイバ。

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