JP7019617B2 - 光ファイバおよび光ファイバの製造方法 - Google Patents

光ファイバおよび光ファイバの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光ファイバおよび光ファイバの製造方法に関する。
従来、たとえばＩＴＵ－Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５７．Ａ２などで定義される、低曲げ損失特性を有するシングルモード光ファイバを実現するために、トレンチ構造を備える３層構造の光ファイバが開示されている（特許文献１～６）。３層構造の光ファイバは、たとえば、中心コア部と、中心コア部の外周に形成された中間層と、中間層の外周に形成されたトレンチ層と、トレンチ層の外周に形成されたクラッド部と、を備えている。
特許第４８３３０７１号公報 特開２００８－１３９８８７号公報 特開２０１０－１８１６４１号公報 特開２０１２－２１２１１５号公報 特開２０１３－２４２５４５号公報 特開２０１３－２３５２６１号公報
３層構造の光ファイバの光学特性は、中心コア部の比屈折率差Δ１、中間層の比屈折率差Δ２、トレンチ層の比屈折率差Δ３、中心コア部のコア径２ａ、トレンチ層の内径（すなわち中間層の外径）２ｂ、外径２ｃなどの構造パラメータの設定によって設計される。なお、通常、Δ３は負値であり、Δ２はΔ１よりも小さい値である。特許文献１～６においても、これらの構造パラメータの値について様々な組み合わせが開示されている。
しかしながら、開示されている光ファイバにおいても、製造性の観点から改善の余地がある。たとえば、Δ１が高い設計であると、製造の際に屈折率を高めるドーパントの使用量が多くなる。同様に、Δ３の絶対値が高い設計や、中間層の幅（外径と内径との差）が高い設計であると、製造の際に屈折率を低めるドーパントの使用量が多くなる。一方、特にΔ１については、低すぎる設計であると、ドーパントの使用量の緻密な制御が必要となり、また外乱の影響を受けやすくなるので、製造誤差が大きくなるおそれがある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、低曲げ損失特性を有し、かつ製造性が高い光ファイバおよび光ファイバの製造方法を提供することにある。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光ファイバは、中心コア部と、前記中心コア部の外周に形成された中間層と、前記中間層の外周に形成されたトレンチ層と、前記トレンチ層の外周に形成されたクラッド部と、を備え、前記クラッド部に対する、前記中心コア部の比屈折率差をΔ１、前記中間層の比屈折率差をΔ２、前記トレンチ層の比屈折率差をΔ３とすると、Δ１＞Δ２＞Δ３かつ０＞Δ３が成り立ち、Δ１が０．３６％以上０．４０％以下であり、Δ２が－０．０５％以上０．０５％以下であり、｜Δ３｜が０．２５％以下であり、Δ１×｜Δ３｜が０．０８％２以下であり、前記トレンチ層の内径を２ｂ、外径を２ｃとしたときに、（ｃ－ｂ）が４．５μｍ未満であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光ファイバは、前記中心コア部のコア径を２ａ、前記トレンチ層の内径を２ｂとしたときに、ｂ／ａが１．８以上３．６以下であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光ファイバは、前記中心コア部のコア径を２ａとしたときに、２ａが７．５μｍ以上９．０μｍ以下であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光ファイバは、実効カットオフ波長が１２６０ｎｍ以下であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光ファイバは、波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が８．６μｍ以上９．５μｍ以下であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光ファイバは、直径２０ｍｍで曲げた場合の波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が１．５９ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光ファイバは、零分散波長が１３００ｎｍ以上１３２４ｎｍ以下あり、前記零分散波長での分散スロープが０．０９２ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ以下であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、前記光ファイバの製造方法であって、光ファイバ母材を製造する工程と、前記光ファイバ母材を加熱溶融して線引きして前記光ファイバを製造する工程と、を含み、前記光ファイバ母材を製造する工程において、気相軸付法を用いて、少なくとも前記中心コア部、前記中間層、前記トレンチ層、および前記クラッド部の一部となる部分を形成することを特徴とする。
本発明によれは、低曲げ損失特性を有し、かつ製造性が高い光ファイバを実現できるという効果を奏する。
図１は、実施形態１に係る光ファイバの模式的な断面図である。 図２は、図１に示す光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。 図３は、トレンチ幅（ｃ－ｂ）とマクロベンド損失との関係を示す図である。 図４は、Δ１とΔ２とマクロベンド損失との関係を示す図である。 図５は、Δ３とトレンチ幅とマクロベンド損失との関係を示す図である。
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付し、適宜説明を省略している。また、本明細書においては、カットオフ（Ｃｕｔｏｆｆ）波長とは、実効カットオフ波長であり、ＩＴＵ－Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１で定義するケーブルカットオフ波長を意味する。また、その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＧ．６５０．１およびＧ．６５０．２における定義、測定方法に従うものとする。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光ファイバの模式的な断面図である。光ファイバ１０は、石英系ガラスからなり、中心コア部１１と、中心コア部１１の外周に形成された中間層１２と、中間層１２の外周に形成されたトレンチ層１３と、トレンチ層１３の外周に形成されたクラッド部１４と、を備える。
図２は、光ファイバ１０の屈折率プロファイルを示す図である。プロファイルＰ１１は中心コア部１１の屈折率プロファイルであり、いわゆるステップインデックス型を有する。プロファイルＰ１２は中間層１２の屈折率プロファイルである。プロファイルＰ１３はトレンチ層１３の屈折率プロファイルである。プロファイルＰ１４はクラッド部１４の屈折率プロファイルである。
光ファイバ１０の構造パラメータについて説明する。まず、中心コア部１１のコア径は２ａである。また、中間層１２の外径すなわちトレンチ層１３の内径は２ｂであり、トレンチ層１３の外径は２ｃである。したがって、トレンチ層１３の幅（トレンチ幅）は（ｃ－ｂ）である。また、クラッド部１４の屈折率に対する中心コア部１１の最大屈折率の比屈折率差はΔ１である。クラッド部１４の屈折率に対する中間層１２の屈折率の比屈折率差はΔ２である。クラッド部１４の屈折率に対するトレンチ層１３の屈折率の比屈折率差はΔ３である。Δ１、Δ２、Δ３については、Δ１＞Δ２＞Δ３かつ０＞Δ３が成り立つ。すなわち、Δ３は負値であり、これによりトレンチ層１３は光ファイバ１０の低曲げ損失特性を向上させる。
光ファイバ１０の構成材料を例示すると、中心コア部１１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの屈折率を高める屈折率調整用のドーパントを添加した石英ガラスからなる。トレンチ層１３は、フッ素（Ｆ）などの屈折率を低めるドーパントが添加された石英ガラスからなる。クラッド部１４は、ＧｅやＦなどの屈折率調整用のドーパントを含まない純石英ガラスからなる。中間層１２は、純石英ガラスからなってもよいし、屈折率調整用のドーパントがある程度添加されていてもよい。ただし、構成材料やドーパントは、上述したΔ１、Δ２、Δ３に関する不等式が成立すれば、特に限定はされない。
この光ファイバ１０では、Δ１、Δ２、Δ３、トレンチ幅（ｃ－ｂ）について、Δ１が０．３６％以上０．４０％以下であり、Δ３の絶対値である｜Δ３｜が０．２５％以下であり、Δ１×｜Δ３｜が０．０８％２以下であり、トレンチ幅（ｃ－ｂ）が４．５μｍ未満である。また、Δ２は、－０．０５％以上０．０５％以下である。このように、Δ１が０．３６％以上０．４０％以下であることによって、製造の際に屈折率を高めるドーパントの使用量を抑制でき、かつドーパントの使用量の制御が容易であり、外乱に対しても比較的強くなるので製造誤差を抑制できる。また、｜Δ３｜が０．２５％以下かつトレンチ幅（ｃ－ｂ）が４．５μｍ未満であることによって、屈折率を低めるドーパントの使用量を抑制できる。また、トレンチ幅（ｃ－ｂ）が４．５μｍ未満であることによって、トレンチ幅（ｃ－ｂ）と中心コア部１１のコア半径を同程度とできるので、中心コア部の製造条件を参考にした製造条件を用いやすくなり、製造が容易になる。さらには、Δ１×｜Δ３｜が０．０８％２以下であることによって、ドーパントの使用量の抑制の効果と制御の容易性の効果と製造誤差の抑制の効果とを効果的に高めることができるので、光ファイバ１０は製造性が高いものとなる。
｜Δ３｜については、０．２５％未満、さらには０．２０％以下であれば、ドーパントの使用量を一層抑制できる。また、０．１０％以上であれば、ドーパントの使用量の制御が容易であり、製造誤差を抑制できる。その結果、光ファイバ１０は一層製造性が高いものとなる。なお、｜Δ３｜が０．１０％以上の場合、Δ１×｜Δ３｜は０．０３４％２以上である。したがって、Δ１×｜Δ３｜は０．０３４％２以上であることがより好ましい。
後に詳述するが、その他の構造パラメータに関して、好ましい範囲を例示すると、ｂ／ａは、たとえば１．８以上３．６以下である。また、２ａは７．５μｍ以上９．０μｍ以下である。
これらの構造パラメータの値を適宜組み合わせることによって、後に詳述するように、光ファイバ１０の波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径（ＭＦＤ）を８．６μｍ以上９．５μｍ以下とできる。また、光ファイバ１０の実効カットオフ波長を１２６０ｎｍ以下とできる。また、光ファイバ１０を直径２０ｍｍで曲げた場合の波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失（以下、直径２０ｍｍで曲げた場合の波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失を、単にマクロベンド損失と記載する場合がある）を１．５９ｄＢ／ｍ以下とできる。さらには、光ファイバ１０の零分散波長を１３００ｎｍ以上１３２４ｎｍ以下、かつ零分散波長での分散スロープを０．０９２ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ以下とできる。その結果、光ファイバ１０を、たとえばＩＴＵ－Ｔ Ｇ．６５２に規定される規格（以下、Ｇ．６５２規格と記載する場合がある）を満たすものとできる。さらに、ＭＦＤを９．２μｍ以下とすれば、光ファイバ１０を、Ｇ．６５７Ａ規格、特にＧ．６５７Ａ２規格を満たすものとできる。なお、マクロベンド損失の１．５９ｄＢ／ｍという値は、Ｇ．６５７Ａ２規格における０．１ｄＢ／ｔｕｒｎの値を、単位を変換して表したものである。また、構造パラメータの値を適宜組み合わせて、実効カットオフ波長が１５３０ｎｍ以下になるようにし、Ｇ．６５４規格を満たすものにしてもよい。
以下、シミュレーション計算結果を用いて具体的に説明する。図４は、シミュレーション計算に基づく、トレンチ幅（ｃ－ｂ）とマクロベンド損失との関係を示す図である。菱形はデータ点を示し、実線はデータ点を指数関数で近似した曲線を示す。データ点は、構造パラメータであるΔ１、Δ２、Δ３、ａ、ｂ、ｃを、｜Δ３｜が０．２５％以下となるように様々に設定して計算した結果を示す。｜Δ３｜を０．２５％以下としながらマクロベンド損失を低減するためには、トレンチ幅（ｃ－ｂ）は大きい方が好ましい。したがって、トレンチ幅（ｃ－ｂ）を４．５μｍ未満とするためには、構造パラメータを適切に設定することが必要である。
図４は、Δ１とΔ２とマクロベンド損失との関係を示す図である。図４においては、Δ３と（ｃ－ｂ）とｂ／ａについて、それぞれ｜Δ３｜が０．２５％以下、Δ１×｜Δ３｜が０．０８％２以下、（ｃ－ｂ）が４．５μｍ未満、ｂ／ａが１．８以上３．６以下を満たすように変化させた条件において、マクロベンド損失の平均値を示している。図４から解るように、Δ１が０．３６％以上０．４０％以下かつΔ２が－０．０５％以上０．０５％以下の条件において、マクロベンド損失が１．５９ｄＢ／ｍ以下となる場合がある。なお、製造ばらつきなども考慮すると、マクロベンド損失が１．５ｄＢ／ｍ以下となる構造パラメータの組み合わせを選択することが好ましい。
なお、上述したように、図４はマクロベンド損失の平均値を示しているので、図４においてマクロベンド損失が１．５ｄＢ／ｍ以下となっていないΔ１とΔ２との組み合わせであっても、他の構造パラメータの最適化によってマクロベンド損失が１．５ｄＢ／ｍ以下となる場合がある。
たとえば、図５は、Δ３とトレンチ幅とマクロベンド損失との関係を示す図である。図５においては、Δ１を０．３６％に設定し、Δ２を０．０２％に設定している。図４では、Δ１が０．３６％、Δ２が０．０２％の場合は、マクロベンド損失が１．５～２ｄＢ／ｍである。しかし、図５から解るように、Δ１が０．３６％、Δ２が０．０２％であっても、Δ３と（ｃ－ｂ）との組み合わせを適宜設定することで、マクロベンド損失を１．５ｄＢ／ｍ以下にできる。
また、本発明者の鋭意検討によれば、実効カットオフ波長、ＭＦＤ、零分散波長、分散スロープについても、Δ１が０．３６％以上０．４０％以下であり、Δ２が－０．０５％以上０．０５％以下であり、｜Δ３｜が０．２５％以下であり、Δ１×｜Δ３｜が０．０８％２以下であり、（ｃ－ｂ）が４．５μｍ未満である条件のもとで、実効カットオフ波長は１２６０ｎｍ以下、ＭＦＤは波長１３１０ｎｍにおいて８．６μｍ以上９．５μｍ以下、零分散波長は１３００ｎｍ以上１３２４ｎｍ以下、分散スロープは零分散波長において０．０９２ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ以下であるという、Ｇ．６５７Ａ２規格の特性またはそれに近い特性を実現できることを確認した。なお、上記の特性を実現するには、ｂ／ａが１．８以上３．６以下であることが好ましく、２ａが７．５μｍ以上９．０μｍ以下であることが好ましいが、ｂ／ａ、２ａについてはこれらの範囲には限定されない。
つづいて、幾つかの構造パラメータを変化させたときの光ファイバ１０の光学特性の変化について、シミュレーション計算結果を用いて具体的に説明する。まず、表１に示すＮｏ．１～Ｎｏ．８までの構造パラメータの組み合わせについて、その光学特性の変化を計算した。Ｎｏ．１からＮｏ．８では、Δ１は０．３６％～０．４０％で変化させている。Δ２は－０．０５％～０．０５％で変化させている。｜Δ３｜は０．２％～０．２２％、Δ１×｜Δ３｜は０．０８％２～０．０７４％２で変化させている。ｂ／ａは１．８～３．６で変化させている。２ａは７．９μｍ～８．８μｍで変化させている。（ｃ－ｂ）は２．８７μｍ～４．４６μｍで変化させている。
Figure 0007019617000001
表２は、Ｎｏ．１～Ｎｏ．８についてシミュレーション計算した結果としての光学特性のうち、零分散波長、分散スロープ、ＭＦＤ、Ｃｕｔｏｆｆ波長、マクロベンド損失の値を示す。なお、表２では、規格として、Ｇ．６５７Ａ２規格の規格値も合わせて示してある。表１、２から解るように、Ｎｏ．１～Ｎｏ．８のいずれも、シミュレーション計算結果がＧ．６５７Ａ２規格を満たすことが確認された。
Figure 0007019617000002
なお、本実施形態に係る光ファイバ１０は、光ファイバ母材を製造する工程と、光ファイバ母材を加熱溶融して線引きして光ファイバを製造する工程とを含む公知の製造方法にて製造できる。このとき、光ファイバ母材は、光ファイバ１０の中心コア部１１、中間層１２、トレンチ層１３、およびクラッド部１４となる部分を含むものである。光ファイバ母材は、気相軸付（ＶＡＤ）法、内付気相堆積（ＭＣＶＤ）法、プラズマ気相堆積（ＰＣＶＤ）法、ゾルゲル法などを用いて製造できる。たとえば、ＶＡＤ法を用いて、光ファイバ１０の中心コア部１１、中間層１２、トレンチ層１３、およびクラッド部１４の一部となる部分を形成し、これにクラッド部１４の残りの部分となるガラス層をたとえば外側気相堆積（ＯＶＤ）法を用いて形成することで、光ファイバ母材を製造できる。
表３は、ＶＡＤ法とＯＶＤ法とを用いて光ファイバ母材を製造し、さらに光ファイバ母材を線引きして製造した試作光ファイバの光学特性の測定結果を示す。なお、試作光ファイバＮｏ．１、Ｎｏ．２は、それぞれ、表１のＮｏ．１、Ｎｏ．２の構造パラメータの組み合わせとなるように設計したものである。その結果、試作光ファイバＮｏ．１、Ｎｏ．２のいずれも、零分散波長、分散スロープ、ＭＦＤ、Ｃｕｔｏｆｆ波長、マクロベンド損失について、Ｇ．６５７Ａ２規格を満たし、かつ伝送損失も０．２ｄＢ／ｋｍ以下と良好であることが確認された。また、零分散波長、分散スロープ、ＭＦＤ、Ｃｕｔｏｆｆ波長、マクロベンド損失については、表２に示すＮｏ．１、Ｎｏ．２のシミュレーション計算による光学特性と、試作光ファイバＮｏ．１、Ｎｏ．２の光学特性とが殆ど一致していることも確認した。
Figure 0007019617000003
なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
１０ 光ファイバ
１１ 中心コア部
１２ 中間層
１３ トレンチ層
１４ クラッド部
Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４ プロファイル

Claims (9)

  1. 中心コア部と、
    前記中心コア部の外周に形成された中間層と、
    前記中間層の外周に形成されたトレンチ層と、
    前記トレンチ層の外周に形成されたクラッド部と、
    を備え、前記クラッド部に対する、前記中心コア部の比屈折率差をΔ１、前記中間層の比屈折率差をΔ２、前記トレンチ層の比屈折率差をΔ３とすると、Δ１＞Δ２＞Δ３かつ０＞Δ３が成り立ち、Δ１が０．３７％以上０．４０％以下であり、Δ２が－０．０５％以上０．０５％以下であり、｜Δ３｜が０．２５％以下であり、Δ１×｜Δ３｜が０．０７８％２以下であり、前記トレンチ層の内径を２ｂ、外径を２ｃとしたときに、（ｃ－ｂ）が４．５μｍ未満である
    ことを特徴とする光ファイバ。
  2. 前記Δ１×｜Δ３｜が０．０３４％２以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
  3. 前記（ｃ－ｂ）が４．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
  4. 前記中心コア部のコア径を２ａ、前記トレンチ層の内径を２ｂとしたときに、ｂ／ａが１．８以上３．６以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  5. 実効カットオフ波長が１２６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  6. 波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が８．６μｍ以上９．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  7. 直径２０ｍｍで曲げた場合の波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が１．５９ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  8. 零分散波長が１３００ｎｍ以上１３２４ｎｍ以下であり、前記零分散波長での分散スロープが０．０９２ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１～７のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  9. 請求項１～８のいずれか一つに記載の光ファイバの製造方法であって、
    光ファイバ母材を製造する工程と、
    前記光ファイバ母材を加熱溶融して線引きして前記光ファイバを製造する工程と、
    を含み、前記光ファイバ母材を製造する工程において、気相軸付法を用いて、少なくとも前記中心コア部、前記中間層、前記トレンチ層、および前記クラッド部の一部となる部分を形成する
    ことを特徴とする光ファイバの製造方法。
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