JP6564074B2 - 極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ - Google Patents

極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ Download PDF

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Description

本発明は、光通信技術分野に関し、具体的に光通信システムに用いられる極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバに関する。該光ファイバは、極低損失性能を有し、優れたベンド不敏感特性を有し、モード・フィールド径がG657.A2標準との互換性がある。
光ファイバ通信は容量が高く、伝送距離が長く、コストも低いため、長距離ネットワーク、メトロポリタン・エリア・ネットワークとアクセスネットワークによく用いられる。光ファイバ通信技術の発展は、より速い伝送速度、より大きい容量とより長い伝送距離を目標とし、光ファイバ性能を上げ、光ファイバ通信技術を向上させつつある。近年IPネットワークデータサービスの著しい発展に伴い、通信ネットワークが持続可能な発展の次世代ネットワークに向け、次世代ネットワークの物理的構成である巨大な伝送容量と距離を有する光ファイバ基盤を作る。光ファイバ通信システムの発展に対する要求を満たすため、光ファイバ通信ネットワークの伝送媒体である光ファイバの関連性能向上が必要になっている。
光ファイバの減衰係数が一つの最も重要な性能パラメータであり、光通信の中継距離が決定的要因である。光ファイバの減衰係数が低いほど、光信号が伝送できる距離が長く、同じ伝送距離の場合、光信号の減衰幅は小さい。減衰係数を下げることで、光通信の光S/N比(OSNR)を有効に向上させ、システムの伝送品質と伝送距離を増加できる。長距離光通信において、光信号が中継器を介して伝送され、光ファイバの減衰係数が低いほど、無中継光信号の伝送距離が長く、中継器の間隔を延長でき、中継器の設置を減らし、運営費を軽減できる。よって、システム構造の最適化と運営費削減において、光ファイバ減衰係数を下げることが非常に重要である。一方、近年FTTX(Fiber to The x)の発展に伴い、G652光ファイバは、ユーザーの要求する性能を出しにくく、抗曲げ性能を有する光ファイバが要求されるため、G652光ファイバに基づいて、ベンド不敏感の単一モード光ファイバG657光ファイバが新たに開発された。G657光ファイバは、G652標準との互換性があるG657.A光ファイバおよびG652標準との互換性がないG657.B光ファイバを含む。G657.A光ファイバはG652.D光ファイバとの互換性がよく、G652.D光ファイバより優れた抗曲げ性能を有するため、G652光ファイバの代わりに用いられる可能性が高いと考えられる。よって、G652標準との互換性があり、極低減衰と比較的に大きいMFDを有する、ベンド不敏感の単一モード光ファイバが光通信分野における研究の中心になっている。
光ファイバ母材ロッドの製造において、光ファイバ減衰を下げる以下の方法が用いられる。外部不純物導入確率を低下させるため、より高純度の材料を利用して、製造環境を改善し、装置の密閉性を向上させる。特許文献1(中国特許出願番号:201110178833.3)において、外部不純物導入を低下させるため、光ファイバ母材ロッド堆積工程における不通気性を向上させる。また、大きいサイズの母材ロッドの希釈効果で光ファイバ減衰を低下させる、より大きい外径を有する母材ロッドを製造する方法も用いられている。光ファイバの製造工程において、裸ファイバ表面コーディング層のコーディング工程が光ファイバ減衰性能に影響する重要な要因である。しかしながら、理論または、実際に光ファイバの製造コストと工程制御を考慮すると、光ファイバ減衰を低下させる最も簡単かつ有効な方法は、光ファイバのドーピングを下げて、光ファイバの屈折率分布を最適化することである。一般的に、ドーピング濃度が低いほど、レイリー散乱がもたらす損失が小さい。従来の単一モード光ファイバにおいて、光ファイバの全反射のため、コア層と内部クラッド層との十分な屈折率差が必要で、コア層の相対屈折率が内部クラッド層より遥かに大きい。この設計を保証するため、コア層への大量なゲルマニウム添加またはゲルマニウムとフッ素の共添加が必要である。しかし、従来の光ファイバの屈折率分布設計は、光ファイバの屈折率分布においてレーザエネルギーがガウス分布をして、光ファイバのレーザエネルギーの70%ぐらいより多くドーピングされたコア層において伝送される。高エネルギー密度のレーザ伝送はレイリー係数が比較的に高い高濃度ドーピングコア層において行われる。合理的な光ファイバの屈折率分布設計で、エネルギーがガウス分布ではない分布をして、高濃度ドーピングコア層におけるエネルギー損失を低下させると、光ファイバの減衰性能を著しく減少できる。
現在、一般的なG.657光ファイバの屈折率分布設計と製造方法において、最優マクロベンド性能を得るため、コア層へのゲルマニウムとフッ素の共添加が行われた。コア層の相対屈折率が0.35%以上で、コア層へのゲルマニウム添加が比較的多く、レイリー散乱をもたらして、光ファイバの減衰が増加した。
超低減衰光ファイバの設計が提案された特許文献2(中国特許出願番号:201310394404)において、純シリコンコアの設計が採用され、代表的なステップ・インデックス型光ファイバが利用される。ベンド性能向上のための埋め込みクラッド層を利用せず、コア層へのゲルマニウム(GE素)の添加が行われないから、母材ロッドを製造する時に粘度の不一致が発生し、光ファイバの減衰とベンド性能が比較的に低い。
600nm〜1600nmにおける石英光ファイバの減衰は主にレイリー散乱がもたらし、レイリー散乱による減衰αは、以下の方程式により定義される。
Figure 0006564074
λは波長(μm)で,Rはレイリー散乱係数(dB/km/μm)で、Pは光強度で、Bは対応する定数である。レイリー散乱係数Rが確定されると、レイリー散乱による減衰α(dB/km)が得られる。レイリ散乱は、密度変動と濃度変動によって生じるので、レイリー散乱係数Rは、R=Rd+Rcにより定義される。
Rdは密度変動によるレイリー散乱係数変動で、Rcは濃度変動によるレイリー散乱係数変動である。Rcは濃度変動因子で、光ファイバのガラス部分のドーピング濃度に影響され、ゲルマニウム(Ge素)とフッ素、または他のドーピングが少ないほど、Rcは低い。これが、国外メーカーが純石英コア層設計で極低減衰性能を実現する理由である。
しかし、レイリー散乱係数のもう一つパラメータRdに注目すべきである。Rdはガラスの仮想温度Tに関連し、ガラスの構造変化と温度変化により変化する。ガラスの仮想温度Tは、ガラス構造を表す物理パラメータであり、温度T'から室温までガラスを急速に冷却させてもガラスの構造が変化せず、ある均衡状態になる温度である。T'>T(ガラスの軟化温度)の場合、ガラス粘性が比較的低いため、ガラス構造を調整しやすく、ガラスがいつも均衡状態にあるので、T=T'となる。T'<T(ガラスの変換温度)の場合、ガラス粘性が比較的高いため、ガラス構造を調整しにくく、ガラス構造調整が温度変化に遅れるので、T>T'となる。T<T'<Tの場合、ガラスの均衡状態になるまでにかかる時間が比較的短く、ガラスの成分と冷却速度に関連するから、T>T'またはT<T'となる。
純シリコンコア層設計の場合、光ファイバの全反射を保証するには、比較的低い屈折率のフッ素ドーピング内部クラッド層を利用して、コア層と内部クラッド層との十分な屈折率差を確保する。純シリコンコア層部分の粘性が比較的高く、大量のフッ素ドーピングをした内部クラッド層部分の粘性が比較的低いため、光ファイバの構造粘性のマッチングが不均衡になり、純シリコンコア層の光ファイバの仮想温度が急速に上がり、Rdを増加させる。よって、Rcの低下によるメリットを相殺して、光ファイバの減衰を逆に増加させる。
特許文献3は粘度変化で性能を向上させる純シリコンコアファイバを提供する。コア層へフッ素と塩素の添加を行って、コア層の粘度に対してコア層へのフッ素と塩素の添加による寄与量を用いて、光ファイバのレイリー散乱係数を低下させる。特許文献3には、屈折率断面構造分布とゲルマニウム添加は言及されていない。
光ファイバが提案された特許文献4では、より低いレイリー係数を取得するために、純シリコンコアの設計が採用され、コア層へのゲルマニウムとフッ素の共添加が行われず、しかもフッ素を添加したシリカを外部クラッド層とする設計になっている。このような純シリコンコアの設計の場合、光ファイバ内部での複雑な粘度マッチングが必須であり、引っ張り工程での速度を極めて低くし、高速な引っ張りによる光ファイバ内部の不備に起因する損失増加を回避することが要求され、製造工程が極めて複雑である。
従来の極低減衰単一モード光ファイバは、全フッ素ドーピングの外部クラッド層設計を利用している。光ファイバの光学角度から見ると、このような設計は比較的簡単で、外部クラッド層と内部クラッド層との屈折率差を保証する限り、光ファイバの全反射要求を満たすことができる。しかし、極低減衰光ファイバの製造コストを制限する要素は主に三点ある。第一に、主流になっているアルカリ金属工程の製造コストが高く、効率が悪い。第二に、全フッ素ドーピング設計の母材ロッドは、サイズが比較的小さく、線引き工程が複雑である。第三に、全フッ素ドーピング設計の光ファイバは、全フッ素ドーピング工程の製造コストが非常に高い。商品の市場価格で計算すれば、全フッ素ドーピングスリーブの価格は、純シリカスリーブの5〜8倍である。フッ素ドーピング材料コストと純シリカ材料コストとの比率を6倍とする場合、合理的な工程設計で全フッ素ドーピング層の厚さを薄くすれば、光ファイバの製造コストが著しく低下する。光ファイバの径が30μm〜80μmの範囲においてはフッ素ドーピング材料を使用して、径が80μm〜125μmの範囲においては汎用シリカを使用する設計は、従来の全フッ素ドーピング材料を使用する極低減衰光ファイバに比べて、コストが40%低下する。径が30μm〜60μmの範囲においてはフッ素ドーピング材料を使用して、径が60μm〜125μmの範囲においては汎用シリカを使用する設計は、コストが65%低下する。
上記の説明によって、純シリコンコア層と一部のフッ素ドーピングクラッド層で極低減衰光ファイバの設計が可能であるが、上記二つの問題に制限されるため、このような設計における光ファイバパラメータの制御が挑戦である。
フッ素をドープしない純シリコンをクラッド層とする場合、三つの問題がある。
第一に、基本モードのカットオフを抑える。外部クラッド層とコア層材料との屈折率差がとても小さいため、光ファイバの基本モードが外に漏れることがあり、光ファイバの減衰に影響を与える。フッ素をドープしないクラッド層の光ファイバは、外部クラッド層とコア層の中間位置での合理的な屈折率分布設計で、基本モード漏れを抑えることが必要である。
第二に、粘性マッチを考慮する。外部クラッド層に粘性マッチ設計をしないと、内部クラッド層およびコア層との粘性傾斜がマッチしない。
第三に、光学屈折率分布マッチを考慮する。純シリカグラスを外部クラッド層とすると、粘性マッチ設計において、各部分のドーピング濃度が限定される。光ファイバの光学パラメータがG.652とG.654光ファイバの要求を満たす。すなわち光ファイバのモードフィールド径(MFD)、色分散およびベンド性能が標準の要求を満たし、光学屈折率分布設計をも考慮すべきである。よって、粘性設計の時、光ファイバの総合設計を考慮すべきであるため、工程を実現するのはさらに困難である。
中国特許出願公開第102276144号明細書 中国特許出願公開第103454719号明細書 米国特許第6917740号明細書 米国特許出願公開第2010/022533号明細書
以下は、本発明に言及される一部の用語の定義と説明である。
ppm:百万分率を表す重量単位である。
光ファイバのコア軸線から数え、屈折率の変化に応じて、軸線に最も近い層をコア層、光ファイバの最も外の層、即ち純シリカ層を光ファイバの外部クラッド層と定義する。
光ファイバの各層の相対屈折率Δnは、以下の方程式により定義される。
Figure 0006564074
ここで、nは、コアの屈折率であり、nは、クラッド層の屈折率、即ち純シリカの屈折率である。
光ファイバコア層のゲルマニウムドーピングによる屈折率寄与度ΔGeは、以下の方程式により定義される。
Figure 0006564074
ここで、nGeは、ゲルマニウム(Ge)が純石英にドープすることで、コア層の石英ガラスの屈折率の変化量であり、nは、外部クラッド層の屈折率で、即ち純石英の屈折率である。
ケーブルの遮断波長λcc
IEC(国際電気標準会議)標準60793−1−44の定義によると、ケーブルの遮断波長λccは、光信号が光ファイバの22メートルを超える伝搬後にもはや単一モードではない波長である。テストの際に、光ファイバに対し半径14cmの1巻き、半径4cmの2巻きをしてデータを取得する。
本発明の解決しようとする技術問題は、光ファイバ製造コストが低く、極低減衰係数と優れたベンド性能を有する極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバを提供することである。
本発明は、以上の問題を解決するために、以下の技術手段を採用する。
コア層とクラッド層を含む光ファイバにおいて、前記コア層は、半径rが3.0〜3.9μmであり、相対屈折率差Δnが−0.04%〜0.12%であり、コア層の外部には、内側から外側へ順に、半径rが8〜14μm、相対屈折率差Δnが−0.35%〜−0.10%である内部クラッド層、半径rが14〜20μm、相対屈折率差Δnが−0.6%〜−0.2%である陥没内部クラッド層、半径rが35〜50μm、相対屈折率差Δnが−0.4%〜−0.15%である補助的外部クラッド層、及び純シリカガラス層である外部クラッド層が被覆される。
上記技術手段において、光ファイバのコア層は、ゲルマニウム、フッ素とアルカリ金属を共添加したシリカガラス層であるか、ゲルマニウムとアルカリ金属を共添加したシリカガラス層であり、ゲルマニウムの添加寄与量が0.02%〜0.10%であり、0.04%〜0.08%がより好ましく、アルカリ金属の添加量が5〜3000ppmである。
上記技術手段において、アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウムアルカリ金属イオンのいずれか一種又は複数種を含む。
上記技術手段において、前記光ファイバは、波長1310nmにおけるモード・フィールド径が8.9〜9.1μmであり、8.5〜8.8μmがより好ましい。
上記技術手段において、前記光ファイバは、ケーブリングにおける遮断波長が1260nm以下である。
上記技術手段において、前記光ファイバは、ゼロ分散点が1300〜1324nmで、ゼロ分散スロープが0.092以下である。
上記技術手段において、前記光ファイバは、波長1310nmにおける色分散が18ps/nm*km以下である。
上記技術手段において、前記光ファイバは、波長1310nmにおける減衰が0.314dB/km以下であり、0.300dB/km以下がより好ましい。
上記技術手段において、前記光ファイバは、波長1550nmにおける減衰が0.174dB/km以下であり、0.164dB/km以下がより好ましい。
上記技術手段において、前記光ファイバは、波長1550nmにおいて、15mmのベンド半径で10周巻き取ることによるベンド付加損失が0.03dB以下であり、10mmのベンド半径で1周巻き取ることによるベンド付加損失が0.1dB以下である。
上記技術手段において、コーティングされた前記光ファイバは、直径が250μmまたは200μmである。
本発明の利点は、以下である。1)光ファイバのコア層とクラッド層屈折率分布構造設計により、光ファイバ内部の粘度マッチングが合理的に設計され、光ファイバ製造過程の不備を減少させ、光ファイバの減衰パラメータを低下させる。2)アルカリ金属を添加したコア層設計により、光ファイバ内部の粘度マッチングが合理的に設計され、光ファイバ製造過程の不備を減少させる。コア層とクラッド層の異なるフッ素ドーピング濃度でコア層外部のガラス粘度を最適化することで、境界面においての欠如を低減させ、仮想温度を低下させる。3)フッ素を添加した陥没構造と合理的な光ファイバ各コア層とクラッド層設計により、光ファイバはモードフィールド径(MFD)が8.4以上である。4)本発明の遮断波長、ベンド損失、色分散などの総合的性能パラメータは、応用波長域で優れ、十分に小さいケーブリング遮断波長により、当該種類の光ファイバのC波長域伝送応用で光信号の単一モード状態を保証する。光ファイバの屈折率分布にマルチステップ・インデックス型陥没クラッド構造を有し、広幅の陥没クラッド構造を有して光ファイバのベンド損失に優れた改良作用を有し、G657.A2標準との互換性がある。5)最も外部の層の外部クラッド層構造に純シリカの設計が採用され、フッ素添加ガラスの光ファイバでの割合を低下させることで、光ファイバの生産コストを低減させる。
本発明の1つの実施例における屈折率分布構造分布図である。
以下、実施例を参照して詳細に記載する。
ゲルマニウム、フッ素とアルカリ金属を共添加したシリカガラス層であるか、ゲルマニウムとアルカリ金属を共添加したシリカガラス層であるコア層とクラッド層を含み、コア層の外部には、内側から外側へ順に、内部クラッド層、陥没内部クラッド層、補助的外部クラッド層、及び外部クラッド層が被覆される。外部クラッド層が純シリカガラス層であり、直径が125μmである。アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウムアルカリ金属イオンのいずれか一種又は複数種を含む。
表1は、本発明の好適な実施例における屈折率分布パラメータであり、ΔGeは、コア層におけるGeの添加量であり、Kはコア層におけるカリウムの含量である。表2は、表1に記載する光ファイバに対応する光伝送特性を示す。
表1:本発明の実施例における光ファイバの屈折率分布パラメータ
Figure 0006564074
表2:本発明の実施例の光ファイバのパラメータ
Figure 0006564074
[付記]
[付記1]
コア層とクラッド層を含む極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバにおいて、
前記コア層は、半径rが3.0〜3.9μmであり、相対屈折率差Δnが−0.04%〜0.12%であり、
コア層の外部には、内側から外側へ順に、
半径rが8〜14μm、相対屈折率差Δnが−0.35%〜−0.10%である内部クラッド層、
半径rが14〜20μm、相対屈折率差Δnが−0.6%〜−0.2%である陥没内部クラッド層、
半径rが35〜50μm、相対屈折率差Δnが−0.4%〜−0.15%である補助的外部クラッド層、及び
純シリカガラス層である外部クラッド層、が被覆された、
ことを特徴とする極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
[付記2]
前記光ファイバのコア層は、ゲルマニウム、フッ素とアルカリ金属を共添加したシリカガラス層であるか、ゲルマニウムとアルカリ金属を共添加したシリカガラス層であり、相対屈折率差に対してゲルマニウムの添加寄与量が0.02%〜0.10%であり、アルカリ金属の添加量が5〜3000ppmである、
ことを特徴とする付記1に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
[付記3]
前記アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウムアルカリ金属イオンのいずれか一種又は複数種を含む、
ことを特徴とする付記2に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
[付記4]
前記光ファイバは、波長1310nmにおけるモード・フィールド径が8.4〜9.1μmである、
ことを特徴とする付記1又は2に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
[付記5]
前記光ファイバは、ケーブリングにおける遮断波長が1260nm以下である、
ことを特徴とする付記1又は2に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
[付記6]
前記光ファイバは、ゼロ分散点が1300〜1324nmで、ゼロ分散スロープが0.092以下である、
ことを特徴とする付記1又は2に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
[付記7]
前記光ファイバは、波長1310nmにおける色分散が18ps/nm*km以下である、
ことを特徴とする付記1又は2に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
[付記8]
前記光ファイバは、波長1310nmにおける減衰が0.314dB/km以下である、
ことを特徴とする付記1又は2に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
[付記9]
前記光ファイバは、波長1550nmにおける減衰が0.174dB/km以下である、
ことを特徴とする付記1又は2に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
[付記10]
前記光ファイバは、波長1550nmにおいて、15mmのベンド半径で10周巻き取ることによるベンド付加損失が0.03dB以下であり、10mmのベンド半径で1周巻き取ることによるベンド付加損失が0.1dB以下である、
ことを特徴とする付記1又は2に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。

Claims (7)

  1. コア層とクラッド層を含む極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバにおいて、
    前記コア層は、半径rが3.0〜3.9μmであり、相対屈折率差Δnが−0.04%〜0.12%であり、
    コア層の外部には、内側から外側へ順に、
    半径rが8〜14μm、相対屈折率差Δnが−0.35%〜−0.10%である内部クラッド層、
    半径rが14〜20μm、相対屈折率差Δnが−0.6%〜−0.2%である陥没内部クラッド層、
    半径rが35〜50μm、相対屈折率差Δnが−0.4%〜−0.15%である補助的外部クラッド層、及び
    純シリカガラス層である外部クラッド層、が被覆され、
    前記光ファイバのコア層は、ゲルマニウム、フッ素とアルカリ金属を共添加したシリカガラス層であるか、ゲルマニウムとアルカリ金属を共添加したシリカガラス層であり、相対屈折率差に対してゲルマニウムの添加寄与量が0.02%〜0.10%であり、アルカリ金属の添加量が5〜3000ppmであり、
    前記光ファイバは、波長1550nmにおける減衰が0.161dB/km以下である、
    ことを特徴とする極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
  2. 前記アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウムアルカリ金属イオンのいずれか一種又は複数種を含む、
    ことを特徴とする請求項に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
  3. 前記光ファイバは、波長1310nmにおけるモード・フィールド径が8.4〜9.1μmである、
    ことを特徴とする請求項1に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
  4. 前記光ファイバは、ケーブリングにおける遮断波長が1260nm以下である、
    ことを特徴とする請求項1に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
  5. 前記光ファイバは、ゼロ分散点が1300〜1324nmで、ゼロ分散スロープが0.092以下である、
    ことを特徴とする請求項1に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
  6. 前記光ファイバは、波長1310nmにおける色分散が18ps/nm*km以下である、
    ことを特徴とする請求項1に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
  7. 前記光ファイバは、波長1310nmにおける減衰が0.314dB/km以下である、
    ことを特徴とする請求項1に記載の極低損失でベンド不敏感の単一モード光ファイバ。
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