JPWO2020121774A1 - 光ファイバ - Google Patents
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Abstract
本開示の一実施形態は、伝送損失が更に低い光ファイバに関する。当該光ファイバは、シリカ系ガラスからなる光ファイバであって、中心軸を含むコアと、クラッドと、を備える。クラッドは、コアを包囲するとともに該コアの屈折率より低い屈折率を有する。コアは、リン、塩素およびフッ素を含む。コアは、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素を更に含む。中心軸に直交する当該光ファイバの断面において、コアの半径Ｒａに対するリン含有領域の半径Ｒｐの比Ｒｐ／Ｒａは、０.３以上である。
Description
本開示は、光ファイバに関するものである。
本願は、２０１８年１２月１３日に出願された日本特許出願第２０１８−２３３５３６号による優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に、その全体を参照して本明細書に組み込む。
本願は、２０１８年１２月１３日に出願された日本特許出願第２０１８−２３３５３６号による優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に、その全体を参照して本明細書に組み込む。
シリカ系ガラスからなる光ファイバの低損失化を図るため、コアが塩素（Ｃｌ）またはフッ素（Ｆ）を含む構成、コアがカリウム（Ｋ）等のアルカリ金属元素を含む構成等が知られている。光ファイバ母材のコア部がこれらの元素を含んでいると、該光ファイバ母材の線引により得られる光ファイバのコアの粘性が小さくなる。コアの粘性が小さくなると該コアにおけるガラスの再配列が促進されるので、製造された光ファイバの、レイリ散乱に起因した伝送損失が低減される。
また、コアが更にリン（Ｐ）を含む構成によっても伝送損失の低い光ファイバが得られることが知られている（特許文献１参照）。特許文献１によれば、シリカガラスが適量のリンを含む場合、Ｄ２線強度で表されるガラス構造の欠陥が少なくなり、このガラス構造の欠陥減少が伝送損失を低減させることが記載されている。一方で、シリカガラスが多量のリンを含む場合、リン酸化物の赤外吸収に因り伝送損失が大きくなることが記載されている。これらの間のバランスを考慮すると、シリカガラスの適切なリン濃度は０.２％以上２％以下であると記載されている。更に、特許文献１には、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０.１６ｄＢ／ｋｍである光ファイバを実現できることが記載されている。
本開示の光ファイバは、シリカ系ガラスからなる光ファイバであって、中心軸を含むコアと、該コアを包囲するクラッドと、を備える。クラッドは、コアの屈折率より低い屈折率を有する。コアは、リン、塩素およびフッ素を含む。更に、コアは、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素を含む。また、リンを含むリン含有領域は、当該光ファイバ内に設定されるとともに、中心軸に直交する当該光ファイバの断面において、コアの半径Ｒａに対するリン含有領域の半径Ｒｐの比Ｒｐ／Ｒａが０.３以上になるように設定されている。
[本願発明の実施形態の説明]
本開示は、上述の従来技術と比較して伝送損失が更に低い光ファイバを提供する。具体的には本開示の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙し、以下に説明する。
本開示は、上述の従来技術と比較して伝送損失が更に低い光ファイバを提供する。具体的には本開示の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙し、以下に説明する。
（１） 本開示の光ファイバは、シリカ系ガラスからなる光ファイバであって、その一態様として、中心軸を含むコアと、該コアを包囲するクラッドと、を備える。クラッドは、コアの屈折率より低い屈折率を有する。コアは、リン、塩素およびフッ素を含む。更に、コアは、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素を含む。また、リンを含むリン含有領域は、当該光ファイバ内に設定されるとともに、中心軸に沿って当該光ファイバ内に設定される領域であって、中心軸に直交する当該光ファイバの断面において、コアの半径Ｒａに対するリン含有領域の半径Ｒｐの比Ｒｐ／Ｒａが０.３以上になるように設定されている。
（２） 本開示の一態様として、比Ｒｐ／Ｒａは、０.６以上であるのが好ましく、１.０以上であるのがより好ましい。また、本開示の一態様として、比Ｒｐ／Ｒａは、１.４以下であるのが好ましい。本開示の一態様として、コアに含まれるリンの質量分率（mass fraction）の平均値は、０．００５以上（重量濃度の平均値が０.５ｗｔ％以上）であるのが好ましい。本開示の一態様として、コアに含まれるリンの質量分率の平均値は、０．０６以下であるのが好ましい。
（３） 本開示の一態様として、コアに含まれるアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の質量分率の平均値は、０．０００２以下（重量濃度の平均が２００ｗｔ・ｐｐｍ以下）であるのが好ましい。また、本開示の一態様として、コアに含まれるアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素は、ナトリウム、カリウム、ルビジウムおよびセシウムのグループから選択されたいずれか１つ、または、該グループから選択された２以上の組み合わせであるのが好ましい。
（４） 本開示の一態様として、当該光ファイバの断面において、リン含有領域内におけるリンのピーク質量分率に対する、中心軸から半径Ｒａだけ離れたコア／クラッド界面を挟み両側に０．５μｍの範囲におけるリンの質量分率の平均値の比は、０．９以下であるのが好ましく、０．８以下であるのがより好ましい。
以上、この[本開示の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。
［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の実施形態に係る光ファイバの具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
以下、本開示の実施形態に係る光ファイバの具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
本発明者らは、光ファイバの低損失化について鋭意研究した結果、以下のような知見を得た。シリカ系ガラスからなる光ファイバのコアがリンを含む場合、リンの質量分率の平均値（リン平均濃度）だけでなく、リンを含む領域の半径Ｒｐも、光ファイバの伝送損失に与える影響が大きい。すなわち、光ファイバの低損失化のためには、リン含有領域の半径Ｒｐを適切な範囲とすることも重要である。
リン含有領域の半径Ｒｐがコアの半径Ｒａより小さい場合、コア全域でガラス構造の不均一さを十分に低減することができない。そのため、伝送損失を十分に低減することができず、例えば、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を０.１４８ｄＢ／ｋｍより小さくすることは困難である。
一方、リン含有領域の半径Ｒｐがコアの半径Ｒａより大きい場合、ガラス構造の不均一さ、赤外吸収による減衰の増加、および、リン含有領域とリン非含有領域との境界付近での粘性差により生じる歪みに起因する散乱損失の増加の間のバランスにより、伝送損失が決定される。
また、リン含有領域の半径Ｒｐがコアの半径Ｒａより大きい場合、クラッドの粘性が下がるため、クラッド内に圧縮応力が残留することになる。このような状況では、同じ製造条件で光ファイバを製造すると、コアの圧縮応力が低減される。このことから、コアでのガラス構造の不均一さの低減が不十分となり、伝送損失を十分に低減することができない場合がある。
したがって、光ファイバの更なる低損失化のためには、リン含有領域の半径Ｒｐを適切な範囲に設定することが重要であり、特に、リン含有領域の半径Ｒｐとコアの半径Ｒａとの比Ｒｐ／Ｒａを適切な範囲とすることが重要である。本開示の実施形態は、以上のような本発明者らの知見に基づいてなさされたものである。
図１は、本開示の一実施形態に係る光ファイバ１００のファイバ構造の一例を示す図である。図１において、上段は、光ファイバ１００の断面図を示し、中断は、当該光ファイバ１００の屈折率プロファイルを示し、下段は、当該光ファイバ１００におけるリンの質量分率分布を示す。光ファイバ１００は、シリカ系ガラスからなり、中心軸を含むコア１１０と、該コア１１０を包囲する外径２Ｒｃのクラッド１２０と、を備える。コア１１０は、外径２Ｒａを有し、その屈折率は、クラッド１２０の屈折率より大きい。コア１１０は、リン、塩素およびフッ素を含み、当該光ファイバ１００内には外径２Ｒｐのリン含有領域１３０が設定されている。更に、コア１１０は、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素を含む。以下、本明細書では、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の双方を「アルカリ金属元素群」と記す。
コア１１０に含まれるアルカリ金属元素群の質量分率の平均値は、０．０００２以下である。コア１１０に含まれるアルカリ金属元素群は、ナトリウム、カリウム、ルビジウムおよびセシウムのグループから選択されたいずれか１つ、または、該グループから選択された２以上の組み合わせである。
コア１１０の半径Ｒａに対するリン含有領域１３０の半径Ｒｐの比Ｒｐ／Ｒａは、０.３以上である。比Ｒｐ／Ｒａは、より好ましくは０.６以上であり、更に好ましくは１.０以上である。比Ｒｐ／Ｒａの上限値は、１．４である。コア１１０に含まれるリンの質量分率の平均値は、０．００５以上であるのが好ましく、また、０．０６以下であるのが好ましい。なお、図１にはＲｐ＜Ｒａの例が示されているが、ＲｐとＲａの大小関係は、Ｒｐ＜Ｒａには限定されず、Ｒｐ＝ＲａであってもＲｐ＞Ｒａであってもよい。
上述のようなファイバ構造を有する光ファイバは、例えば上記特許文献２に記載された拡散法により製造された光ファイバ母材を線引することで製造することができる。一例として、光ファイバ母材のコア部は、ＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法またはＰＣＶＤ（Plasma Activated Chemical Vapor Deposition）法により作製される。具体的には、ガラスパイプの内壁面へのドーパント添加の際に、リン、塩素、フッ素およびアルカリ金属元素群を含む蒸気がガラスパイプの内部に供給される。このガラスパイプを中実化（collapse）することによりコアロッドが作製される。その後、ＯＶＤ（Outside Vapor Deposition Method）法などによりコアロッドの周囲にクラッド部が付与され、光ファイバ母材が作製される。この光ファイバ母材を線引することにより光ファイバが得られる。
図２は、試作された１３本のサンプル（ファイバ１からファイバ１３）の諸元を纏めた表である。なお、いずれのサンプルにおいても、コアに含まれるアルカリ金属元素群の質量分率の平均値は、０．０００２以下である。図２には、各サンプルの光ファイバについて、コアの半径Ｒａ（図中、「コア半径Ｒａ」と記す）、リン含有領域の半径Ｒｐ（図中、「Ｐ含有領域半径Ｒｐ」と記す）、コアの半径Ｒａに対するリン含有領域の半径Ｒｐの比（図中、「Ｒｐ／Ｒａ」と記す）、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失α（図中、「α１．５５［ｄＢ／ｋｍ］）と記す）、カットオフ波長（図中、「カットオフ波長［ｎｍ］と記す」、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａｅｆｆ（図中、Ａｅｆｆ［μｍ２］と記す）、コアに含まれるカリウムの質量分率の平均値（図中、「コア内Ｋの質量分率（平均値）」と記す）、コアに含まれるリンの質量分率の平均値（図中、「コア内Ｐの質量分率（平均値）」と記す）、波長１５５０ｎｍかつ曲げ直径２０ｍｍでの曲げロス（図中、「曲げロス［ｄＢ／ｍ］」）、リンのファイバ全域（リン含有領域）におけるピーク濃度とコア／クラッド界面（半径Ｒａ）を挟み両側に０．５μｍの範囲における質量分率の平均値の比（図中、「Ｐの比（半径Ｒａの位置での質量分率／ピーク質量分率）」と記す）、および、コアに含まれるフッ素の質量分率の平均値（図中、「コア内Ｆの質量分率（平均値）」と記す）が、順に示されている。
半径方向に沿ってファイバ中心軸（図１中に示された中心軸ＡＸに一致）から距離ｒだけ離れた位置での屈折率をｎ（ｒ）とすると、コアとクラッドとの境界は、直径２０μｍ以下であって比屈折率差が−０.２％以上である範囲において、屈折率ｎ(r)の微分値が最小（最急の下り勾配）となる位置で定義される。
半径方向に沿ってファイバ中心軸から距離ｒだけ離れた位置におけるリンの質量分率をＰ(r)とするとともにコアの半径をｃとすると、コアにおけるリンの質量分率の平均値は、以下の式（１）：
で表される。他の元素の質量分率の平均値についても同様である。元素の質量分率の測定に際しては、光ファイバの研磨した断面に対して、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）を用いて、光ファイバの中心軸から半径方向に沿って測定を行う。測定条件は、例えば、加速電圧を２０ｋＶとし、プローブビーム径を１μｍ以下とし、測定間隔を１００ｎｍ以下とし、測定値とあらかじめ求めておいた検量線とを利用して質量分率を求める。
図３は、試作された８本のサンプル（ファイバ１からファイバ８）について、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失α［ｄＢ／ｋｍ］と比Ｒｐ／Ｒａとの間の関係がプロットされたグラフである。このグラフから分かるように、比Ｒｐ／Ｒａが０.７以上０.９以下の範囲で、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は、０.１４４ｄＢ／ｋｍ以下の最も小さい値となった。比Ｒｐ／Ｒａが０.４以上１.２以下のる範囲で、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は、０.１４８ｄＢ／ｋｍ以下となり十分に小さかった。比Ｒｐ／Ｒａが０.３以上の範囲でも、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は、上記特許文献１に記載された伝送損失より小さかった。
これ以外の比Ｒｐ／Ｒａの範囲では、伝送損失が十分には小さくならなかった。その原因は次のとおりであると考えられる。リン含有領域の半径Ｒｐが小さい場合（比Ｒｐ／Ｒａが０．３未満）には、コアの全域でガラス構造の不均一さを低減することができない。そのため、伝送損失を低減することができない。リン含有領域の半径Ｒｐが大きい場合（比Ｒｐ／Ｒａが１．４よりも大）には、クラッドの粘性が下がることにより該クラッド内に圧縮応力が残留することになる。この場合、同じ製造条件で光ファイバを製造すると、コアの圧縮応力が低減するからであると考えられる。このことから、コアでのガラス構造の不均一さの低減が不十分となり、伝送損失を十分に低減することができない場合がある。したがって、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を０.１４８ｄＢ／ｋｍ以下に抑制するためには、比Ｒｐ／Ｒａは０．３以上１．４以下であるのが好ましい。
図４は、試作された４本のサンプル（ファイバ１０からファイバ１３）について、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失α［ｄＢ／ｋｍ］とコアに含まれるリンの質量分率の平均値との間の関係をプロットしたグラフである。このグラフから分かるように、コアに含まれるリンの質量分率の平均値を大きくしていくと波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は次第に小さくなっていき、コアに含まれるリンの質量分率の平均値が０．０４を超えると伝送損失は増え始める。これは、ガラス構造の不均一さより赤外吸収増が大きくなるからであると考えられる。
また、ファイバ全域（中心軸ＡＸに直交するファイバ断面）におけるリンのピーク質量分率に対する半径Ｒａの位置（コア／クラッド界面）を挟み両側に０．５μｍの範囲における質量分率の平均値の比が小さいほど、曲げロスを低減できることが分かる。リンが添加されたガラス領域では屈折率が上昇するため、コアの屈折率プロファイルが、曲げロスを低減できることが知られているα値の大きな屈折率プロファイルになっているからと推測される。そのため、曲げロスを低減するには上述の質量分率の比が０．９以下であるのが好ましく、０．８以下であるのがより好ましい。
伝送損失は、コアに含まれるアルカリ金属元素群の質量分率にも依存する。しかし、図２に示された１３本のサンプル（ファイバ１からファイバ１３）では、コアに含まれるアルカリ金属元素群の質量分率の平均値が約０．００００３に統一されていることから、その影響は小さいと考えられる。ＭＣＶＤやＰＣＶＤで作製されたコア部に含まれる塩素、フッ素など各種元素には脈理（striae）と呼ばれる屈折率が異なる不均質な部分を含む場合がある。しかしながら、本実施形態の光ファイバにおいても脈理を含んでおり、低伝送損失には脈理を含んでいても問題はない。
１００…光ファイバ、１１０…コア、１２０…クラッド、１３０…リン含有領域。
Claims (10)
- シリカ系ガラスからなる光ファイバであって、
中心軸を含むコアと、前記コアを包囲するとともに前記コアの屈折率より低い屈折率を有するクラッドと、を備え、
前記コアが、リン、塩素およびフッ素を含むとともに、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素を含み、
前記リンを含むリン含有領域は、前記中心軸に直交する当該光ファイバの断面において、前記コアの半径Ｒａに対する前記リン含有領域の半径Ｒｐの比Ｒｐ／Ｒａが０.３以上になるように設定されている、
光ファイバ。 - 前記比Ｒｐ／Ｒａは、０.６以上である、
請求項１に記載の光ファイバ。 - 前記比Ｒｐ／Ｒａは、１.０以上である、
請求項１に記載の光ファイバ。 - 前記比Ｒｐ／Ｒａは、１.４以下である、
請求項１に記載の光ファイバ。 - 前記コアに含まれる前記リンの質量分率の平均値は、０．００５以上である、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光ファイバ。 - 前記コアに含まれる前記リンの質量分率の平均値は、０．０６以下である、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ファイバ。 - 前記コアに含まれる前記アルカリ金属元素または前記アルカリ土類金属元素の質量分率の平均値は、０．０００２以下である、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光ファイバ。 - 前記コアに含まれる前記アルカリ金属元素または前記アルカリ土類金属元素は、ナトリウム、カリウム、ルビジウムおよびセシウムのグループから選択されたいずれか１つ、または、前記グループから選択された２以上の組み合わせである、
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光ファイバ。 - 前記断面において、前記リン含有領域内における前記リンのピーク質量分率に対する、前記中心軸から前記半径Ｒａだけ離れたコア／クラッド界面を挟み両側に０．５μｍの範囲における前記リンの質量分率の平均値の比は、０．９以下である、
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光ファイバ。 - 前記断面において、前記リン含有領域内における前記リンのピーク質量分率に対する、前記中心軸から前記半径Ｒａだけ離れたコア／クラッド界面を挟み両側に０．５μｍの範囲における前記リンの質量分率の平均値の比は、０．８以下である、
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光ファイバ。
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