KR20140086831A - 광섬유 및 광섬유용 실리카 유리 모재 - Google Patents

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Abstract

<과제>
거품이나 구조 부정이 적은 트렌치형 굴절률 분포 형상을 가지는 광섬유 모재를 제공한다.
<해결수단>
광섬유용 실리카 유리 모재로서, 실리카 유리에 굴절률을 상승시키는 정의 도펀트를 첨가한 코어와, 코어의 반경 방향 외측에 코어를 둘러싸도록 인접한 중간층과, 중간층의 반경 방향 외측에 상기 중간층을 둘러싸도록 인접하고, 실리카 유리에 굴절률을 감소시키는 부의 도펀트를 첨가한 트렌치층과, 트렌치층의 반경 방향 외측에 트렌치층을 둘러싸도록 인접하고, 실리카 유리로 형성된 클래드층을 구비하고, 중간층의 반경 방향의 두께는 트렌치층의 두께보다도 크고, 중간층의 코어에 가까운 영역에는 정의 도펀트가 많이 첨가되고/되거나 트렌치층에 가까운 영역에는 부의 도펀트가 많이 첨가된다.

Description

광섬유 및 광섬유용 실리카 유리 모재{OPTICAL FIBER AND SILICA GLASS PREFORM FOR OPTICAL FIBER}
본 발명은 광통신용의 광섬유에 관한 것으로, 종래의 싱글 모드 광섬유와 동등한 컷오프 파장, 모드 필드 직경, 영분산 파장 등의 전송 특성을 가지면서, 소직경의 휨을 주어도 전반광의 전송 손실이 작은 광섬유 및 그를 위한 광섬유용 실리카 유리 모재에 관한 것이다.
종래의 싱글 모드 광섬유에서는 신호광이 광섬유의 코어부를 전반하여, 광섬유가 다소 휜 상태에서도 신호 전송 가능하다고 하는 특징이 있다. 일반적으로 싱글 모드 광섬유에서는 그 휨반경이 작아짐에 따라, 전반하지 못하고 코어로부터 누설하는 광의 비율이 지수함수적으로 증대하여 전송 손실 증가로 되어 나타난다. 이것이 휨손실이다. 그러나, 이들 광섬유에서는 주로 장거리계의 간선 케이블에서의 사용에 주목적이 두어져 있으므로, 일반적으로 휨에 대한 곡률 반경은 30mm밖에 허용되어 있지 않기 때문에, 광섬유의 부설시에는 광섬유에 과잉의 휨이 가해지지 않게 배려되어 있다. 광섬유를 국(局)과 각 사용자 가정 사이에 사용하는 FTTH 등의 액세스계 통신이나 댁내 배선에 있어서는 광섬유가 곡률 반경 30mm 이하~2.5mm 정도의 휨을 받을 가능성이 지적되고 있어, 이와 같은 용도로 이용되는 섬유에는 휨에 대한 전송 손실 증가(휨손실)가 더 작은 것이 요구된다.
휨손실을 저감하는데는 코어의 굴절률을 높여 광을 보다 코어에 집속시키는 것이 효과적이고, 이것은 모드 필드 직경(MFD)을 작게 함으로써 개선된다. 이 때문에 종래는 약 6~8㎛의 MFD의 광섬유가 이용되는 경우가 많고, 이렇게 함으로써, 예를 들면, 직경 20mm의 맨드럴(mandrel)(원통)에 광섬유를 감았을 때의 휨손실로, 파장 1550nm에 있어서 0.5dB/turn 이하가 실현되어 있다.
그런데, 장거리계의 광통신에서 일반적으로 이용되고 있는 ITU－T G.652 규격의 광섬유의 MFD는 8~10㎛ 정도이기 때문에, 양자를 접속하는 경우에 MFD의 차이에 의한 접속 손실이 커진다고 하는 문제가 있다. 이 때문에 액세스계의 광섬유의 MFD에 대해서도 8~10㎛ 정도로 커지면 바람직하다.
미국 특허 4,852,968； William A. Reed, “OPTICAL FIBER COMPRISING A REFRACTIVE INDEX TRENCH”에 개시되는 트렌치형 광섬유를 이용함으로써, MFD를 크게 설계하면서 휨손실을 저감할 수 있다고 되어 있다. 이것은 예로부터 알려진 공지 기술이지만, 근년 그 우수한 휨손실 특성이 주목되고 있다. 또, 장거리계와 액세스계에 다른 광섬유를 이용하는 것이 아니라, 액세스계에 이용하는 광섬유를 그대로 장거리계에도 원용하고 싶다고 하는 시장 요구가 있다.
그런데, 트렌치형의 굴절률 분포를 가지는 광섬유의 경우, 트렌치의 내측 부분을 광의 고차 모드가 전반하기 쉽고, 컷오프 파장이 커지는 경향이 있다. 컷오프 파장을 신호 파장을 작게 설계한 경우, 영분산 파장이 장파장측으로 쉬프트한다고 하는 문제가 새롭게 생긴다. 영분산 파장이란 파장 분산이 0으로 되는 파장이고, 파장 분산의 절대치가 크면 광신호의 펄스가 넓어지는 등에 의해 장거리 전송시의 신호 품질이 저하하는 문제가 있다. 또, 트렌치형의 광섬유용 모재에는 트렌치층의 내외에 유리 조성이 변화하는 계면이 존재하고, 발포가 생기기 쉽고, 또 이것을 선뽑기한 광섬유의 구조 부정(不整)에 의한다고 보이는 전송 손실 증가가 생기기 쉽다고 하는 문제가 있다.
상기의 종래 기술를 감안하여, 본 발명은 발포나 구조 부정이 적은 트렌치형 굴절률 분포 형상을 가지는 광섬유 모재를 제공하는 것을 목적으로 하고, 그것을 선뽑기하여 얻어지는 광섬유는 전송 손실이 낮고, MFD를 8~10㎛ 전후로 확대하면서도 휨특성이 뛰어나고, 또한 영분산 파장이 일반적인 싱글 모드 광섬유와 동등한 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 제1의 태양에 있어서의 광섬유는, 중심부에 반경 r1인 코어, 당해 코어에 반경 위치 r1에서 인접하여 그 외주를 덮고 최외 반경 r2인 중간층, 당해 중간층에 반경 위치 r2에서 인접하여 그 외주를 덮고 최외 반경 r3인 저굴절률 트렌치층, 및 당해 저굴절률 트렌치층에 반경 위치 r3에서 인접하여 그 외주를 덮는 외측 클래드층으로 이루어지는 광섬유에 있어서, 상기 중간층의 굴절률이 내측으로부터 외측을 향해 연속적으로 완만하게 저하하여 반경 위치 r1에서 최대치를 취하고, 반경 위치 r2에서 최소치를 취하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2의 태양에 있어서의 광섬유용 실리카 유리 모재는, 실리카 유리에 굴절률을 상승시키는 정(正)의 도펀트(dopant)를 첨가한 코어와, 상기 코어의 반경 방향 외측에 상기 코어를 둘러싸도록 인접한 중간층과, 상기 중간층의 반경 방향 외측에 상기 중간층을 둘러싸도록 인접하고, 실리카 유리에 굴절률을 감소시키는 부(負)의 도펀트를 첨가한 트렌치층과, 상기 트렌치층의 반경 방향 외측에 상기 트렌치층을 둘러싸도록 인접하고, 실리카 유리로 형성된 클래드층을 구비하고, 상기 중간층의 반경 방향의 두께는 상기 트렌치층의 두께보다도 크고, 상기 중간층의 상기 코어에 가까운 영역에는 정의 도펀트가 많이 첨가되고/되거나 상기 트렌치층에 가까운 영역에는 부의 도펀트가 많이 첨가된다.
또한, 상기의 발명의 개요는 본 발명의 특징의 모두를 열거한 것은 아니다. 또, 이들 특징군의 서브콤비네이션도 또 발명으로 될 수 있다.
도 1은 광섬유의 구조를 설명하는 개략도이다.
도 2는 실시예 1－1에서 나타낸 광섬유의 굴절률 분포를 나타내는 개략 곡선도이다.
도 3은 실시예 1－2에서 나타낸 광섬유의 굴절률 분포 및 중간층의 굴절률 돌출부를 설명하는 개략 곡선도이다.
도 4는 종래예의 굴절률 분포 및 중간층의 굴절률이 평탄한 상태를 설명하는 개략 곡선도이다.
도 5는 실시예 2－1에 관계되는 광섬유용 모재의 굴절률 분포를 나타낸다.
도 6은 도 5에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 방향의 각 위치의 게르마늄 농도 및 불소 농도를 나타낸다.
도 7은 도 5에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 방향의 각 위치의 OH기의 농도를 나타낸다.
도 8은 실시예 2－2에 관계되는 광섬유용 모재의 굴절률 분포를 나타낸다.
도 9는 도 8에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 방향의 각 위치의 게르마늄 농도 및 불소 농도를 나타낸다.
도 10은 도 8에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 위치 2.6mm~8.9mm의 중간층에 있어서의 굴절률 분포의 반경 방향의 1차 미분치 및 2차 미분치를 나타낸다.
도 11은 도 8에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 방향의 각 위치의 OH기의 농도를 나타낸다.
도 12는 비교예 2－1에 관계되는 광섬유용 실리카 유리 모재의 굴절률 분포를 나타낸다.
도 13은 도 12에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 방향의 각 위치의 게르마늄 농도 및 불소 농도를 나타낸다.
이하, 발명의 실시의 형태를 통해 본 발명을 설명하지만, 이하의 실시 형태는 특허 청구의 범위에 관계되는 발명을 한정하는 것은 아니다. 또, 실시 형태 중에서 설명되어 있는 특징의 조합의 모두가 발명의 해결 수단에 필수라고는 할 수 없다.
실시예 1－1
먼저, VAD법에 의해 코어 및 중간층으로 이루어지는 다공질 유리 모재를 일체 합성하였다. 코어에는 굴절률을 상승시키기 위한 게르마늄을 도프(dope)하였다. 이 다공질 유리 모재를 염소 분위기 가스 중에서 약 1200℃로 가열하여, 포함되는 수산기(－OH기)의 제거를 행하고, 계속해서 사불화실란 가스를 매분 0.5리터와 헬륨 가스를 매분 4리터의 혼합 가스류 분위기 중에서 약 1400℃로 가열하여, 중간층에 굴절률을 저하시키는 불소를 도프함과 동시에 중실(中實)의 투명 유리 코어 모재로 하였다. 또한, 사불화실란 가스를 대신하여 사불화메탄이나 육불화에탄 등을 사용해도 좋다.
이 투명 유리 코어 모재를 유리 선반(旋盤)에서 소정 직경으로 연신하여 길이 방향의 외경을 같게 하였다. 이때 유리 선반의 산수소 화염의 영향으로 표면에 OH기가 받아들여지지만, 이 투명 유리 코어 모재를 불화수소산 수용액에 침지하여 표면을 녹임으로써 이것을 제거하였다. 또한, 유리 선반에서 연신할 때 그 가열원에 아르곤 플라즈마 화염을 이용해도 좋다. 그 경우는 코어 모재의 표면에 OH기가 혼입하지 않기 때문에 불화수소산에 의한 처리를 생략할 수가 있다.
다음에, 이 투명 유리 코어 모재에 또한 VAD법에 따라 실리카 유리 미립자를 퇴적하여, 제3코어에 상당하는 다공질층을 형성하였다. 이것을 염소 분위기 가스 중에서 약 1200℃로 가열하여, 다공질 유리층에 포함되는 OH기의 제거를 행하고, 계속해서 매분 1리터의 사불화실란 가스 및 매분 2리터의 헬륨 가스를 함유하는 혼합 가스류 분위기 중에서 약 1400℃로 가열하여, 다공질 유리층에의 불소 첨가를 행하면서, 다공질 유리층을 중실화하여 굴절률이 낮은 투명 유리층으로 하고, 저굴절률 트렌치부를 형성하였다. 또한, 사불화실란 가스를 대신하여 사불화메탄이나 육불화에탄 등을 사용해도 좋다.
이리하여 제작한 코어, 중간층 및 저굴절률 트렌치부로 이루어지는 투명 코어 모재를, 중간 클래드용의 실리카 유리제 튜브에 삽입하고, 튜브의 내부를 진공 펌프로 감압하면서 약 2000℃로 가열하여, 중간 클래드와 코어부를 일체화시켜, 광섬유용의 투명 유리 모재를 제작하였다. 또한 그 외측에 VAD법에 따라 다공질 실리카 유리층을 퇴적하고, 그것을 헬륨 분위기 가스 중에서 약 1600℃ 정도로 가열하여, 투명 유리화함으로써 광섬유 모재를 제작하였다. 얻어진 모재를 약 2100℃로 가열 방사(紡絲)함으로써, 직경 125㎛의 광섬유를 얻었다. 제작한 광섬유의 굴절률 분포를 도 2에 나타냈다. 또한, 도 1은 광섬유의 구조를 설명하는 개략도이다.
도 2의 상단측에 제작한 광섬유의 굴절률 분포 형상이 나타나고, 중심부에 반경 r1인 코어, 당해 코어에 인접하여 그 외주를 덮는 최외 반경 r2인 중간층, 당해 중간층에 인접하여 그 외주를 덮는 최외 반경 r3인 저굴절률 트렌치층, 및 당해 저굴절률 트렌치층에 인접하여 그 외주를 덮는 클래드를 가지고 있고, 중간층의 굴절률은 코어측으로부터 클래드측을 향해 연속적으로 완만하게 저하하여, 반경 위치 r1에서 최대치를 나타내고, 반경 위치 r2에서 최소치를 나타내고 있다. 또한, 코어는 최대 굴절률 n0를 가지고, 중간층은 반경 위치 r1에 있어서 굴절률 n1 및 반경 위치 r2에 있어서 굴절률 n2를 가지고, 저굴절률 트렌치부는 최소 굴절률 n3를 가지고, 외측 클래드부는 최소 굴절률 n4를 가지고, n0＞n1＞n2＞n3, n3＜n4로 되어 있는 것이 인지된다.
실시예 1－2
VAD법으로 제작한 다공질 유리 모재를 실시예 1과 마찬가지로 염소 분위기 중에서 처리하여 OH기의 제거를 행한 후, 사불화메탄 매분 0.3리터와 헬륨 가스 매분 4리터의 분위기 중에서 약 1400℃로 가열 처리하여 중실의 투명 유리 모재로 하고, 그 후는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 광섬유를 제작하였다. 광섬유의 굴절률 분포 및 굴절률의 반경 위치에 대한 2회 미분치의 분포를 도 3에 나타냈다. 또한, 동 도의 하단측에 중간층 부근의 2회 미분치를 40배로 확대하여 파선으로 나타냈다. 이 2회 미분치가 「정」→「부」→「정」으로 변화하고 있기 때문에, 중간층의 굴절률 형상 분포가 「아래로 볼록」→「위로 볼록」→「아래로 볼록」으로 변화하고 있고, 중간층에 돌출부를 가지는 것이 인지된다. 또, r=r2 부근 약간 외측에 있어서, 2회 미분치가 「부」→「정」으로 변화하고 있기 때문에, 여기에 굴절률의 변곡점이 있는 것을 알 수 있다.
비교예 1－1, 1－2
VAD법으로 제작한 다공질 유리 모재를 실시예 1과 마찬가지로 염소 분위기 중에서 처리하여 OH기의 제거를 행한 후, 불소계 가스를 포함하지 않는 헬륨 가스 매분 4.5리터의 분위기에서 약 1500℃로 가열하여 중실의 투명 유리 모재로 하고, 그 후는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 광섬유를 제작하였다. 광섬유의 굴절률 분포는 도 4에 나타낸 바와 같고, 중간층의 굴절률이 거의 평탄하게 되어 있는 것이 인지된다. 상기 실시예 1－1 및 1－2, 비교예 1－1 및 1－2에서 제작한 광섬유의 광학 특성을 표 1에 정리하여 나타냈다.
Figure pat00001
실시예 2－1
트렌치형 광 싱글 모드 광섬유는 반경 위치 중심으로부터 정의 도펀트를 첨가하여 굴절률을 높인 코어가 형성된다. 그리고, 코어에 인접하여 그 반경 방향 외측에 코어를 둘러싸도록 설치된 중간층(내측 클래드층)이 형성된다. 그리고, 내측 클래드층에 인접하여 그 반경 방향 외측에 중간층을 둘러싸도록 설치되고, 부의 도펀트를 첨가하여 굴절률을 저하시킨 트렌치층이 형성된다. 그리고, 또한 트렌치층에 인접하여 그 반경 방향 외측을 둘러싸도록 클래드층(외측 클래드층)이 형성된 구조로 되어 있다. 통신용 광섬유는 실리카 유리로 형성되어 있고, 예를 들면 ITU－T G.652 규격 등에서는 그 직경은 125㎛로 되어 있다. 이러한 광섬유의 제작은 직경이 수십mm 정도이고, 목적으로 하는 광섬유와 상사형의 굴절률 분포를 가지는 광섬유용 모재를 준비하여, 그것을 가열 연화시켜 선뽑기함으로써 제작한다. 완성된 광섬유는 선뽑기할 때의 장력이나 가열 냉각 속도 등에 의한 잔류응력에 의해, 그 굴절률 절대치가 미묘하게 다르지만, 코어나 클래드 등의 모재에 있어서의 반경 방향의 위치 관계는 보지(保持)된다.
이러한 광섬유용 모재에서는 코어에는 게르마늄 등의 굴절률을 높이기 위한 정의 도펀트를 첨가하고, 트렌치 부분에는 불소 등의 굴절률을 낮추기 위한 부의 도펀트를 첨가한다. 클래드층의 굴절률은 순실리카 유리의 굴절률 레벨로 한다.
VAD법을 이용하여 중심부 버너에 산소, 수소를 도입하여 산수소 화염으로 하고, 거기에 사염화규소(SiCl4) 및 사염화게르마늄(GeCl4)을 도입하여 가수분해 반응에 의해, 게르마늄(Ge)이 첨가된 실리카(SiO2) 유리 미립자를 생성시키고, 이 유리 미립자를 타깃에 퇴적시켜 다공질 유리 모재의 중심부를 형성하였다. 동시에, 외주부 버너에도 마찬가지로 산소, 수소를 도입하여 산수소 화염으로 하고, 거기에 사염화규소를 도입하여 가수분해 반응에 의해, 게르마늄을 포함하지 않는 순실리카 유리 미립자를 생성시켜, 다공질 유리 모재의 외주부를 형성하였다. 게르마늄은 실리카 유리의 굴절률을 높이는 정의 도펀트의 일례이다. 여기서, 중심부는 광섬유용 모재의 코어로 되는 영역이고, 외주부는 광섬유용 모재의 중간층으로 되는 부분이다.
이 다공질 유리 모재를 염소 가스(Cl2) 함유 분위기에서 약 1200℃로 가열하여 다공질 실리카 유리 중의 OH기를 제거하는 「탈수」를 행하고, 계속해서 사불화메탄(CF4) 등의 불소 함유 가스를 혼입시킨 헬륨(He) 가스 분위기에서 약 1400℃로 가열하여 투명 유리화를 한다. 이리하여, 중심에 굴절률이 순실리카 유리보다도 높은 코어, 그 주위에 불소가 첨가된 실리카 유리의 중간층을 가지는 제1중간 모재를 얻는다. 불소는 실리카 유리의 굴절률을 저하시키는 부의 도펀트의 일례이다.
여기서, 탈수시에 중심부의 다공질 유리 중에 포함되는 게르마늄에 염소 가스가 작용하여 염화게르마늄(GeClX)을 생성하여, 다공질 유리 모재의 외주 방향을 향해 조금 확산한다. 이에 의해 코어 내의 게르마늄 농도는 약간 저하하여, 중간층에는 게르마늄이 반경 방향으로 불균일하게 첨가된다.
중심부 버너에의 사염화게르마늄의 도입량, 다공질 유리 모재의 부피 밀도 및 탈수시의 염소 가스의 분압, 가열 온도, 처리 시간을 적의 조정함으로써, 코어 내의 게르마늄의 농도 및 중간층의 게르마늄의 농도 분포를 조정할 수가 있다. 코어 내의 게르마늄의 농도를 순실리카 유리에 대한 비굴절률차로 0.3~0.45%로 되도록 조정함으로써, 목표로 하는 광섬유의 광학 특성을 만족할 수 있는 중간 모재로 된다. 게르마늄의 농도가 작아지면, 코어의 비굴절률이 저하하므로 광섬유로 했을 때의 광의 가둠 효과가 약해져 휨손실이 상승하는 요인으로 된다. 또, 게르마늄의 농도가 커지면, 광섬유로 했을 때의 레일리 산란 손실이 증가하는 경향이 있다. 이 때문에 코어 내에는 필요 이상의 게르마늄을 첨가하지 않는 것이 바람직하고, 굴절률을 맞추기 위해서 여분의 게르마늄 첨가를 불필요하게 하는 것을 목적으로 하여, 코어 내에는 불소 등의 굴절률을 저하시키는 부의 도펀트를 첨가하지 않는 것이 바람직하다. 코어 내에 첨가되는 게르마늄의 농도는 보다 바람직하게는 순실리카 유리에 대한 비굴절률차로 0.33~0.40%, 더 바람직하게는 순실리카 유리에 대한 비굴절률차로 0.34~0.39%로 되도록 조정함으로써, 이 모재로 제작한 광섬유의 휨손실, 컷오프 파장, MFD 등의 특성을 목표치에 합치시키고 또한 저손실로 된다.
중간층 내의 게르마늄 첨가는 탈수시의 확산 현상에 의해, 용이하게 코어와 중간층의 계면에 있어서의 게르마늄의 농도 변화를 연속적으로 형성할 수가 있다. 이와 같이 코어와 중간층의 계면에서의 게르마늄 농도 변화를 연속적으로 형성하면, 선뽑기할 때의 코어와 중간층의 계면에 있어서의 점도 변화가 완만하게 되어, 구조 결함이 생기기 어려워지므로 바람직하다. 중간층 내의 게르마늄 농도는 내측일수록 고농도이고, 외측일수록 저농도로 되어, 중간층의 최외층에서는 게르마늄 농도는 실질적으로 0으로 되도록 하는 것이 바람직하다. 코어 반경의 대체로 2배 이상의 반경 위치에 있어서 게르마늄 농도가 0으로 되면 보다 바람직하다.
또, 투명 유리화시에 도입하는 불소 함유 가스의 분압, 가열 온도, 처리 시간을 적의 조정함으로써, 중간층에 불소(F)를 반경 방향으로 불균일하게 첨가할 수가 있다. 광섬유로 했을 때에 신호광은 중간층에도 스며나오는 상태로 전송되는 것이지만, 이들 스며나온 광에 대해 작용하는 레일리 산란 손실을 저감하기 위해서는 중간층에 첨가하는 도펀트는 적을수록 좋다. 한편, 중간층의 외측에 형성되는 트렌치층의 계면에 있어서 불소 농도를 고농도로 하면, 중간층과 트렌치층의 계면에 있어서의 불소 농도의 변화가 완만하게 되어, 선뽑기할 때의 이 부분에서의 점도 변화가 완만하게 되어, 구조 결함이 생기기 어려워진다. 따라서, 중간층 내의 불소의 농도 분포는 중간층의 외측일수록 고농도이고, 내측일수록 저농도로 되어, 중간층과 코어가 인접하는 계면 근방에서는 불소 농도는 실질적으로 0으로 되는 것이 바람직하다. 불소 농도는 중간층의 최외부에서 최대치를 취하는 것이 바람직하고, 순실리카 유리에 대한 비굴절률차로 －0.25~－0.10%로 되도록 첨가되어 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 －0.20~－0.15%이다.
다음에, 이 제1중간 모재의 외경 및 중간층의 두께를 소정의 값으로 되도록 가공을 행하고, 이 외측에 트렌치층을 형성하여 제2중간 모재를 제작한다. 구체적으로는 제1중간 모재의 코어 직경이 길이 방향으로 균일하게 되도록 로드 전체를 연신하고, 중간층의 두께가 소정 두께로 되도록 중간층의 표면을 기계 연삭이나 약액 용해 제거 등에 의해 깎은 후, 그 표면에 다공질 실리카 유리의 트렌치층을 퇴적시킨다. 즉, 산수소 화염 버너에 사염화규소를 도입하여 실리카 유리 미립자를 생성시키고, 이것을 회전하는 로드 상에 왕복 퇴적시키면 좋다. 다음에, 이 로드에 퇴적한 다공질 실리카 유리 트렌치층을 염소 가스 함유 분위기에서 약 1200℃로 가열하여 다공질 실리카 유리 중의 OH기를 제거하는 탈수를 행하고, 계속해서 사불화실란 (SiF4) 등의 불소 함유 가스를 혼입시킨 헬륨(He) 가스 분위기에서 약 1400℃로 가열하여 투명 유리화를 한다. 이리하여, 중심에 코어, 그 주위에 중간층, 그 주위에 불소가 첨가된 트렌치층을 가지는 제2중간 모재로 된다. 또한, 트렌치층에도 굴절률을 맞추기 위해서 여분의 불소 첨가를 불필요하게 하는 것을 목적으로 하여, 게르마늄 등의 굴절률을 높이는 정의 도펀트를 첨가하지 않는 것이 바람직하다.
여기서, 트렌치층의 다공질 실리카 유리층을 퇴적하기에 앞서 로드 표면에 유리구조 완화 도펀트를 도입하는 것이 바람직하다. 유리구조 완화 도펀트는 예를 들면 OH기이고, 로드 표면을 유리 원료를 포함하지 않는 산수소 화염으로 구음으로써 용이하게 도입 가능하다. 이에 의해 중간층과 트렌치층의 계면 부근의 유리구조 완화가 촉진되기 때문에, 계면에서의 발포가 억제되고, 또한 광섬유의 구조 부정 손실이 저감되는 효과가 있다. OH기의 경우, 로드 표면 근방에 0.5~5중량ppm의 농도로 도입하면 좋다. 농도가 너무 높으면, 선뽑기 후의 광섬유의 전송 손실이 악화되는 요인으로 될 수 있다.
또한, 제1중간 모재의 가공에 앞서 제1중간 모재의 굴절률 분포 형상을 계측하고, 이 굴절률 분포 형상에 기초하여 광섬유의 크기로 선뽑기했을 때의 반경 방향 크기로 한 경우의 추정 모드 필드 직경을 산출하면 좋다. 추정 모드 필드 직경은 코어의 비굴절률과 코어 직경으로부터 광파 이론에 의해 해석 근사적으로 산출해도 좋지만, 굴절률 분포 형상으로부터 특성 행렬 방정식을 유한 요소법 등의 수치 계산으로 풀어 전반광의 전계 분포를 산출하면 정밀도가 높아진다. 또, 선뽑기 조건에 따라 다른 광섬유 내의 잔류응력의 영향을 저감하기 위해서, 유사한 광섬유 모재를 실제로 선뽑기한 섬유의 모드 필드 직경의 실측치와의 추정치를 비교하여 비례 계수 등에 의해 적의 보정을 가함으로써 더 추정치의 정밀도를 높일 수가 있다. 이리하여 산출한 추정 모드 필드 직경을 광섬유용 모재의 크기로 환산한 MP(mm)를 산출하여, 가공 후의 중간층의 외측 반경 r2(mm)에 대해서, 2r2/MP≥2.6으로 되도록 r2를 설정하면 바람직하고, 더 바람직하게는 2r2/MP≥2.7, 더 바람직하게는 2r2/MP≥2.75로 하면 좋다. 이렇게 함으로써 유리구조 완화 도펀트에 의한 전송 손실의 증가를 억제할 수가 있다.
다음에, 이 제2중간 모재의 트렌치층의 두께가 소정량으로 되도록 가공을 행하고, 이 외측에 클래드층을 형성하여 최종 모재를 제작한다. 구체적으로는 제2중간 모재의 트렌치층의 두께가 소정 두께로 되도록 트렌치층의 표면을 기계 연삭이나 약액 용해 제거 등에 의해 깎은 후, 그 표면에 다공질 실리카 유리의 클래드층을 퇴적시킨다. 즉, 산수소 화염 버너에 사염화규소를 도입하여 실리카 유리 미립자를 생성시키고, 이것을 회전하는 로드 상에 왕복 퇴적시키면 좋다. 이 로드에 퇴적한 다공질 실리카 유리 트렌치층을 염소 가스 함유 분위기에서 약 1200℃로 가열하여 다공질 실리카 유리 중의 OH기를 제거하는 탈수를 행하고, 헬륨(He) 가스 분위기에서 약 1500℃로 가열하여 투명 유리화를 한다. 이리하여, 중심에 코어, 그 주위에 중간층, 그 주위에 불소가 첨가된 트렌치층, 그 외측에 순실리카 유리로 이루어지는 클래드층을 가지는 최종 모재로 된다.
여기서, 클래드층의 다공질 실리카 유리층을 퇴적하기에 앞서 로드 표면에 유리구조 완화 도펀트를 도입하는 것이 바람직하다. 이에 의해 트렌치층과 클래드층의 계면 부근의 유리구조 완화가 촉진되기 때문에, 계면에서의 발포가 억제되는 효과가 있다. OH기의 경우, 로드 표면 근방에 0.5~50중량ppm의 농도로 도입하면 좋다. 농도가 너무 높으면, 선뽑기 후의 광섬유의 전송 손실이 악화되는 요인으로 될 수 있다. 또한, 이와 같이 하여 제작한 광섬유용 실리카 유리 모재에는 탈수시의 염소가 0.1~0.3중량% 정도 혼입한 상태에 있지만, 굴절률 분포나 광섬유의 광학 특성에의 영향을 무시할 수 있는 정도인 것을 부언한다.
도 5는 실시예 2－1에 관계되는 광섬유용 모재의 굴절률 분포를 나타낸다. 여기서, 코어와 중간층의 계면의 반경 위치 r1은 11mm, 중간층과 트렌치층의 계면의 반경 위치 r2는 38mm, 트렌치층과 클래드층의 계면위치 r3는 49mm이다. 이와 같이 중간층의 반경 방향의 두께는 트렌치층의 두께보다도 크게 하고 있다. 코어는 거의 스텝 형상의 굴절률 분포로 되어 있고, 클래드의 순실리카 유리를 기준으로 한 비굴절률차는 중심부에서 0.34%, 최대로 0.38%이다. 또, 중간층의 비굴절률차는 반경 위치 r1에서 최대치 0.19%이고, 외주 방향을 향해 완만하게 저하하여 반경 위치 r2에서 최소치 －0.20%이다. 트렌치층은 거의 스텝 형상의 굴절률 분포로 되어 있고 최소치 －0.585%이다.
도 6은 도 5에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 방향의 각 위치의 게르마늄 농도 및 불소 농도를 나타낸다. 게르마늄 농도 및 불소 농도는 광섬유용 실리카 유리 모재를 잘라 표면을 경면연마하고, EPMA 분석기를 이용하여 게르마늄 농도 및 불소 농도를 계측하였다. 또한, 도 3에 나타내는 게르마늄 농도 및 불소 농도는 중량%이고, 게르마늄 농도는 이산화게르마늄(GeO2) 중량% 환산치이다.
여기서, 반경 위치 11mm~38mm의 중간층에 있어서, 게르마늄 및 불소가 각각 반경 방향으로 불균일하게 도프되어 있다. 중간층의 게르마늄 농도는 반경 위치 r1=11mm에 있어서 최대이고, 반경 방향 외측을 향해 연속적으로 서서히 감소하여, 반경 위치 31mm에서 0으로 되고, 거기로부터 외측을 향해 클래드층까지 0이다. 즉, 중간층의 코어에 가까운 영역에는 정의 도펀트인 게르마늄이 많이 첨가되어 있고, 반경 위치 r2에 있어서 불소 농도는 0이다. 또, 불소 농도는 반경 위치 r2=38mm에 있어서 최대이고, 반경 방향 내측을 향해 서서히 감소하여 반경 위치 13mm에서 0으로 되고, 거기로부터 내측을 향해 코어까지 0이다. 즉, 중간층의 트렌치층에 가까운 영역에는 부의 도펀트가 많이 첨가되어 있고, 반경 위치 r1에 있어서 불소 농도는 0이다. 따라서, 중간층은 반경 방향으로 3층으로 구성되어 있고, 반경 방향 내측으로부터, 게르마늄을 함유하고 불소를 함유하지 않는 영역, 게르마늄과 불소의 어느 쪽도 함유하는 영역, 불소를 함유하고 게르마늄을 함유하지 않는 영역을 가진다. 또, 코어와 중간층의 경계부 r1=11mm에 있어서 게르마늄은 코어로부터 중간층을 향해 연속적으로 농도 변화하고 있다. 한편, 중간층과 클래드층의 경계부 r2=38mm에 있어서 불소는 불연속적으로 농도 변화하고 있다.
도 7은 도 5에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 방향의 각 위치의 OH기의 농도를 나타낸다. OH기의 농도는 광섬유용 실리카 유리 모재를 길이 방향으로 100mm의 길이로 잘라 양단면을 경면연마하고, FTIR 분석기를 이용하여 측정하였다. 또한, 측정은 적외광의 입사측과 출사측에 1.5mm×1.5mm의 정방 애퍼처(aperture)를 설치하여 측정하고, 각 측정점이 적산 횟수는 60,000회로 하였다. 도 7에 나타내듯이, OH기의 농도는 중간층과 트렌치층의 경계부에 있어서 국소적으로 1.2중량ppm으로 되어 있고, 트렌치층과 클래드층의 경계부에 있어서 국소적으로 6.2중량ppm으로 되어 있다.
이 모재를 선뽑기하여 코어 반경이 3.42㎛인 광섬유를 제작하는 경우를 상정하여, 도 5에 나타낸 굴절률 분포에 기초하여 광섬유의 파장 1310nm에 있어서의 추정 모드 필드 직경을 산출한 바 8.73㎛였다. 이 추정 모드 필드 직경을 선뽑기 전의 모재 크기로 환산하면 MP는 28.1mm이고, 중간층과 트렌치층의 계면 위치 직경의 비 2r2/MP는 2.70으로 되어 있다. 이와 같이 2r2/MP를 2.6 이상, 바람직하게는 2.7 이상으로 함으로써, 중간층과 트렌치층의 계면에 0.5~5중량ppm의 OH기가 존재하고 있어도 광섬유의 전송 손실에의 영향을 억제할 수가 있어, 양호한 전송 손실의 광섬유를 선뽑기 가능한 모재로 할 수 있다.
여기서, 모드 필드 직경의 모재 크기 환산치 MP의 산출 방법에 대해서 설명한다. 모재로부터 광섬유를 제작할 때는 일반적으로 모재의 일단으로부터 가열하여 연화한 모재를 소정의 광섬유 직경으로 되도록 연신한다. 예를 들면, IEC 60793－2－50 국제규격(부제 Optical Fibres－Part2－50： Product specifications－Sectional specification for class B single mode fibres)에 기재된 class B 싱글 모드 섬유의 경우는 그 직경은 125㎛이다. 이때 모재의 코어, 클래드 등의 굴절률 분포 구조의 반경 방향의 상대적인 위치 관계가 광섬유로 된 후에도 보지되도록 연신되는 것이 긴요하고, 모재의 반경 방향의 굴절률 분포와 광섬유의 그것은 상사형으로 되어 있다.
한편, 광섬유에 특정 파장의 광을 입사했을 때의 광의 전계 분포 패턴은 원리적으로 광섬유의 굴절률 분포에 의해 결정된다. 그리고, 그 전계 분포 패턴으로부터 계측되는 모드 필드 직경도 또 광섬유의 굴절률 분포를 반영한 것으로 된다. 따라서, 모재의 굴절률 분포에 기초하여, 그것을 소정 외경의(즉, 소정 코어 반경의) 광섬유로 연신했을 때의 모드 필드 직경을 추정하는 것이 가능하다는 것으로 된다. 모재의 굴절률 분포 형상으로부터 광섬유의 모드 필드 직경을 산출하려면, 다음과 같은 수법에 따른다. 먼저, 목표로 하는 광섬유의 외경과 그것에 대응하는 코어 반경을 설정한다. 예를 들면, 코어의 비굴절률차가 0.3~0.45%인 경우, 이 코어 반경은 대체로 3~4.5㎛로 설정하면, 전술의 IEC class B에 규정된 광섬유의 광학 특성에 합치한다.
다음에, 모재의 반경 방향의 굴절률 분포 형상에 설정한 코어 반경을 적용하고, 전반하는 광파의 맥스웰 방정식을 적용시켜 전계 분포를 계산한다. 유한 요소법 등에 의한 수치계산을 행하면 정밀도 좋게 계산할 수 있고, 예를 들면, Katsunari Okamoto, “Comparison of calculated and measured impulse responses of optical fibers, ”Applied Optics, ｖol.18, No.13 (1979), pp.2199－2206에 기재된 계산 수법을 적용할 수가 있다.
이리하여 구한 전계 분포 계산치로부터 모드 필드 직경을 산출한다. 이 산출 방법은 K. Petermann, “CONSTRAINTS FOR FUNDAMENTAL－MODE SPOT SIZE FOR BROADBAND DISPERSION－COMPENSATED SINGLE MODE FIBERS”Electronics Letters, ｖol.19, No.18(1983), pp.712－714에 표시된 스폿 크기(=모드 필드 반경)의 정의식에 따라 계산하면 좋다. 이와 같이 하여 모재의 굴절률 분포, 소정의 코어 반경 및 소정의 광의 파장으로부터 광섬유에 있어서의 모드 필드 직경의 추정치가 일의적으로 결정된다. 이리하여 구한 모드 필드 직경은 모재의 크기로 환산할 수가 있다. 즉, 상기 계산시에 설정한 광섬유의 코어 반경과 모재의 코어 반경 실측치의 비율로 되돌려 주면 좋다. 예를 들면, 실시예 2－1의 경우, 모재 코어 반경 r1=11mm를 광섬유 코어 반경 3.42㎛로 했을 때의 모드 필드 직경을 추정 계산하면 8.73㎛였다. 이것을 모재 크기로 환산하여 8.73㎛×(11mm/3.42㎛)=28.1mm라고 하는 것과 같이 MP를 계산할 수 있다.
실제로 이 모재를 약 2100℃로 가열 연화시켜 선뽑기를 행하여 코어 반경이 3.42㎛인 광섬유를 제작하였다. 연화한 모재는 그 굴절률 분포의 위치 관계를 유지한 채 변형하여 광섬유로 연신되기 때문에, 완성된 광섬유의 굴절률 분포는 모재의 굴절률 분포와 거의 상사형으로 된다. 이 광섬유의 파장 1310nm에 있어서의 모드 필드 직경의 실측치는 8.71㎛로 거의 추정대로였다. 이 섬유의 전송 손실은 파장 1310nm에 있어서 0.324dB/km, 1383nm에 있어서 0.302dB/km, 1550nm에 있어서 0.182dB/km로 양호하였다.
광섬유 중에 OH기가 존재하고 있으면, 파장 1383nm에 흡수 피크가 출현하기 때문에 전송 손실에 영향을 미치는 것이 알려져 있지만, 2r2/MP를 2.70으로 한 효과로 OH기의 영향은 작았다. 또, 이 섬유의 22m에서의 컷오프 파장은 1208nm, 파장 1550nm에 있어서의 반경 5mm의 휨손실은 0.126dB/turn이었다. 영분산 파장은 1322nm였다.
이와 같이 영분산 파장이 일반의 장거리계의 용도에 이용되는 싱글 모드 광섬유와 동등한 1300~1324nm의 범위에 있으면 바람직하다. 이것은 장거리계와 액세스계에 다른 광섬유를 이용하는 것이 아니라, 액세스계에 이용하는 광섬유를 그대로 장거리계에도 원용하고 싶다고 하는 시장 요구가 있기 때문이다.
이 광섬유에 대해 실온(약 25℃)에서 수소(H2) 1기압의 분위기하에 40시간 노출시키는 수소 에이징 시험을 행하였다. 에이징의 전후에 광섬유의 전송 손실 스펙트럼을 측정했지만 이상은 인지되지 않았다. 이것으로부터 당해 광섬유에는 퍼옥시 라디칼(peroxy radical) 등의 구조 결함이 존재하지 않는 것이 판명되었다.
실시예 2－1과 마찬가지의 모재를, 코어 반경이 3.53㎛인 광섬유를 상정하여, 파장 1310nm의 추정 모드 필드 직경을 산출한 바 8.85㎛였다. 이 추정 모드 필드 직경을 선뽑기 전의 모재 크기로 환산하면 MP는 27.5mm이고, 중간층과 트렌치층의 계면 위치 직경의 비 2r2/MP는 2.76으로 된다. 이와 같이 2r2/MP를 2.75 이상으로 함으로써, 중간층과 트렌치층의 계면에 존재하는 OH기의 광섬유의 전송 손실에의 영향을 더 억제할 수가 있고, 더 양호한 전송 손실의 광섬유를 선뽑기 가능한 모재로 할 수 있다.
실제로 모재를 선뽑기하여 코어 반경이 3.53㎛인 광섬유를 제작하였다. 파장 1310nm에 있어서의 모드 필드 직경의 실측치는 8.85㎛로 추정대로였다. 이 섬유의 전송 손실은 파장 1310nm에 있어서 0.321dB/km, 1383nm에 있어서 0.295dB/km, 1550nm에 있어서 0.180dB/km로 되어, 2r2/MP를 2.76으로 한 효과로 OH기의 영향은 거의 볼 수 없었다. 또, 이 섬유의 22m에서의 컷오프 파장은 1231nm, 영분산 파장은 1319nm, 파장 1550nm에 있어서의 반경 5mm의 휨손실은 0.086dB/turn이었다.
실시예 2－2
실시예 2－1과 마찬가지로 VAD법을 이용하여 중심부에는 정의 도펀트로서 게르마늄을 첨가하고, 외주부에는 정의 도펀트를 포함하지 않는 순실리카 유리로 이루어지는, 중심부·외주부 구조의 다공질 유리 모재를 형성하였다. 여기서, 중심부는 광섬유용 모재의 코어로 되는 영역이고, 외주부는 광섬유용 모재의 중간층으로 되는 부분이다.
이 다공질 유리 모재를 염소 가스(Cl2) 함유 분위기에서 약 1150℃로 가열하여 다공질 실리카 유리 중의 OH기를 제거하는 「탈수」를 행하고, 계속해서 사불화실란(SiF4)을 혼입시킨 헬륨(He) 가스 분위기에서 약 1420℃로 가열하여 투명 유리화를 한다. 이리하여, 중심에 굴절률이 순실리카 유리보다 높은 코어, 그 주위에 불소가 첨가된 실리카 유리의 중간층을 가지는 제1중간 모재를 얻었다.
여기서, 탈수시에, 중심부의 다공질 유리 중에 포함되는 게르마늄에 염소 가스가 작용하여 염화게르마늄(GeClX)을 생성하고, 다공질 유리 모재의 외주 방향을 향해 조금 확산한다. 이에 의해 코어 내의 게르마늄 농도는 약간 저하하고, 중간층에는 게르마늄이 반경 방향으로 불균일하게 첨가되었다. 또, 투명 유리화시에 도입하는 사불화실란에 의해, 중간층에 불소(F)를 반경 방향으로 불균일하게 첨가하였다.
다음에, 실시예 2－1과 마찬가지로, 이 제1중간 모재의 외경 및 중간층의 두께를 소정의 값으로 되도록 가공을 행하고, 이 외측에 트렌치층을 형성하여 제2중간 모재를 제작하였다. 구체적으로는 제1중간 모재의 코어 직경이 길이 방향으로 균일하게 되도록 로드 전체를 연신하고, 중간층의 두께가 소정 두께로 되도록 중간층의 표면을 불화수소산(HF) 수용액에 의해 깎은 후, 그 표면에 다공질 실리카 유리의 트렌치층을 퇴적시켰다. 트렌치층의 다공질 유리를 퇴적하기에 앞서, 로드 표면을 유리 원료를 포함하지 않는 산수소 화염으로 구어 OH기를 도입하였다. 그리고, 이 로드에 퇴적한 다공질 실리카 유리 트렌치층을 염소 가스 함유 분위기에서 약 1200℃로 가열하여 다공질 실리카 유리 중의 OH기를 제거하는 탈수를 행하고, 계속해서 사불화실란(SiF4) 등의 불소 함유 가스를 혼입시킨 헬륨(He) 가스 분위기에서 약 1400℃로 가열하여 투명 유리화를 하였다. 이리하여, 중심에 코어, 그 주위에 중간층, 그 주위에 불소가 첨가된 트렌치층을 가지는 제2중간 모재로 하였다. 중간층과 트렌치층의 계면에 유리구조 완화 도펀트를 도입한 효과로, 계면 부근의 유리구조 완화가 촉진되어 계면에서의 발포가 억제되었다.
다음에, 이 제2중간 모재의 트렌치층의 두께가 소정량으로 되도록 불화수소산으로 표면을 깎는 가공을 행하고, 그 외주에 클래드층을 형성하였다. 제2중간 모재를 클래드용의 실리카 유리제 튜브에 삽입하고, 튜브의 내부를 진공 펌프로 감압하면서 약 2000℃로 가열하여, 중간 클래드와 코어부를 일체화시켜, 광섬유용의 투명 유리 모재를 제작하였다. 이에 의해 트렌치층과 클래드층의 계면에는 OH기가 거의 함유되지 않는다. 이리하여, 중심에 코어, 그 주위에 중간층, 그 주위에 불소가 첨가된 트렌치층, 그 외측에 순실리카 유리로 이루어지는 클래드층을 가지는 최종 모재로 하였다. 모재의 트렌치층과 클래드층의 계면 부근에 부분적으로 0.5~1mm 정도의 크기의 발포가 산견(散見)되었다.
도 8은 실시예 2－2에 관계되는 광섬유용 모재의 굴절률 분포를 나타낸다. 여기서, 코어와 중간층의 계면의 반경 위치 r1은 2.6mm, 중간층과 트렌치층의 계면의 반경 위치 r2는 8.9mm, 트렌치층과 클래드층의 계면 위치 r3는 11.8mm이다. 코어는 거의 스텝 형상의 굴절률 분포로 되어 있고, 클래드의 순실리카 유리를 기준으로 한 비굴절률차는 중심부에서 0.36%, 최대로 0.42%이다. 또, 중간층의 비굴절률차는 반경 위치 r1에서 최대치 0.16%이고, 외주 방향을 향해 완만하게 저하하여 반경 위치 r2에서 최소치 －0.16%이다. 트렌치층은 거의 스텝 형상의 굴절률 분포로 되어 있고, 최소치 －0.595%이다.
도 9는 도 8에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 방향의 각 위치의 게르마늄 농도 및 불소 농도를 나타낸다. 게르마늄 농도 및 불소 농도는 광섬유용 실리카 유리 모재를 잘라 표면을 경면연마하고, EPMA 분석 장치를 이용하여 게르마늄 농도 및 불소 농도를 계측하였다. 또한, 도 6에 나타내는 게르마늄 농도 및 불소 농도는 중량%이고, 게르마늄 농도는 이산화게르마늄(GeO2) 중량% 환산치이다.
여기서, 반경 위치 2.6mm~8.9mm의 중간층에 있어서, 게르마늄 및 불소가 각각 반경 방향으로 불균일하게 도프되어 있다. 중간층의 게르마늄 농도는 반경 위치 r1=2.6mm에 있어서 최대이고, 반경 방향 외측을 향해 연속적으로 서서히 감소하여 반경 위치 5.5mm에서 0으로 되고, 거기로부터 외측을 향해 클래드층까지 0이다. 또, 불소 농도는 반경 위치 r2=8.9mm에 있어서 최대이고, 반경 방향 내측을 향해 서서히 감소하여 반경 위치 5.5mm에서 0으로 되고, 거기로부터 내측을 향해 코어까지 0이다. 따라서, 중간층은 반경 방향으로 3층으로 구성되어 있고, 반경 방향 내측으로부터, 게르마늄을 함유하고 불소를 함유하지 않는 영역, 게르마늄과 불소의 어느 쪽도 함유하지 않는 영역, 불소를 함유하고 게르마늄을 함유하지 않는 영역을 가진다. 또, 코어와 중간층의 경계부 r1=2.6mm에 있어서 게르마늄은 코어로부터 중간층을 향해 연속적으로 농도 변화하고 있다. 한편, 중간층과 클래드층의 경계부 r2=8.9mm에 있어서 불소는 불연속적으로 농도 변화하고 있다.
도 10은 도 8에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 위치 2.6mm~8.9mm의 중간층에 있어서의 굴절률 분포의 반경 방향의 1차 미분치 및 2차 미분치를 나타낸다. 1차 미분치는 중간층에 있어서 부의 값을 취하고 있고, 이것은 굴절률이 반경 방향으로 연속적으로 감소하고 있는 것을 나타내고 있다. 한편, 2차 미분치는 반경 위치 3.7mm 부근과 7.8mm 부근에 있어서 그 부호가 정으로부터 부로 변화하는 변곡점이 존재한다. 이들 2개소는 각각 코어로부터 중간층으로, 중간층으로부터 트렌치층으로의 굴절률 천이에 의하는 것이다. 한편, 반경 위치 6mm 부근에 있어서, 거기를 경계로 그 부호가 부로부터 정으로 변화하고 있고, 여기에도 굴절률의 변곡점이 존재하고 있다. 중간층의 이 반경 위치 6mm에 있어서의 변곡점보다도 내측에서는 정의 도펀트인 게르마늄의 농도가 점차 감소하여 변곡점 부근으로부터 외측에서는 농도가 0으로 되는 것에 대응하고 있고, 동시에 변곡점의 외측에서는 외측으로부터 내측을 향해 부의 도펀트인 불소의 농도가 점차 감소하여 변곡점 부근으로부터 내측에서는 농도가 0으로 되는 것에 대응하고 있다.
도 11은 도 8에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 방향의 각 위치의 OH기의 농도를 나타낸다. OH기의 농도는 광섬유용 실리카 유리 모재를 100mm의 길이로 둥글게 잘라 양단면을 경면연마하고, FTIR 분석기를 이용하여 측정하였다. 또한, 측정은 적외광의 입사측과 출사측에 1.5mm×1.5mm의 정방 애퍼처를 설치하여 측정하고, 각 측정점의 적산 횟수는 60,000회로 하였다. 도 8에 나타내듯이, OH기의 농도는 중간층과 트렌치층의 경계부에 있어서 국소적으로 0.9중량ppm으로 되어 있고, 트렌치층과 클래드층의 경계부에 있어서 국소적으로 0.2중량ppm으로 되어 있었다.
이 모재로부터 코어 반경이 3.58㎛인 광섬유를 제작하는 경우를 상정하여, 도 8에 나타낸 굴절률 분포에 기초하여 광섬유의 파장 1310nm에 있어서의 추정 모드 필드 직경을 산출한 바 8.38㎛였다. 이 추정 모드 필드 직경을 선뽑기 전의 모재 크기로 환산하면 MP는 6.1mm이고, 중간층과 트렌치층의 계면 위치 직경의 비 2r2/MP가 2.92로 되도록 중간층의 두께가 조정되어 있다. 중간층과 트렌치층의 계면에 0.9중량ppm의 OH기가 존재하고 있지만 광섬유의 전송 손실에의 영향을 억제할 수가 있다.
실제로 이 모재를 약 2100℃로 가열 연화시켜 선뽑기를 행하여 코어 반경이 3.58㎛인 광섬유를 제작하였다. 파장 1310nm에 있어서의 모드 필드 직경의 실측치는 8.43㎛로 거의 추정대로였다. 이 섬유의 전송 손실은 파장 1310nm에 있어서 0.331dB/km, 1383nm에 있어서 0.296dB/km, 1550nm에 있어서 0.184dB/km로 양호하였다. 또, 이 섬유의 22m에서의 컷오프 파장은 1250nm, 영분산 파장은 1320nm, 파장 1550nm에 있어서의 반경 5mm의 휨손실은 0.040dB/turn이었다.
비교예 2－1
제1중간 모재를 제작할 때에, VAD 공정의 외측 버너에 공급하는 산소, 수소의 유량을 증량하여 다공질 실리카 유리의 부피 밀도를 좀 높은 듯하게 하고, 탈수는 염소 함유 분위기에서 1050℃로 실시하고, 투명 유리화는 불소 함유 가스를 포함하지 않는 헬륨 가스만의 분위기에서 약 1500℃로 가열하여 행하였다. 그 후에는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 트렌치층을 형성하여 제2중간체로 하고, 또한 실시예 2－1과 마찬가지의 방법으로 클래드층을 형성하여 광섬유용 실리카 유리 모재로 하였다.
도 12는 비교예 2－1에 관계되는 광섬유용 실리카 유리 모재의 굴절률 분포를 나타낸다. 여기서, 코어와 중간층의 계면의 반경 위치 r1=2.9mm, 중간층과 트렌치층의 계면의 반경 위치 r2=9.0mm, 트렌치층과 클래드층의 계면 위치 r3=12.1mm이다. 코어는 거의 스텝 형상의 굴절률 분포로 되어 있고, 클래드의 순실리카 유리를 기준으로 한 비굴절률차는 중심부에서 0.32%, 최대로 0.39%이다. 또, 중간층의 굴절률은 거의 평탄하고 그 비굴절률차는 코어 근방에서 최대치 0.03%로 되어 있는 외에는 전역에 걸쳐 거의 0.0%이다. 트렌치층은 거의 스텝 형상의 굴절률 분포로 되어 있고 －0.58%이다.
도 13은 도 12에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재의 반경 방향의 각 위치의 게르마늄 농도 및 불소 농도를 나타낸다. 게르마늄 농도 및 불소 농도는 광섬유용 실리카 유리 모재를 잘라 표면을 경면연마하고, EPMA 분석 장치를 이용하여 게르마늄 농도 및 불소 농도를 계측하였다. 또한, 도 13에 나타내는 게르마늄 농도 및 불소 농도는 중량%이고, 게르마늄 농도는 이산화게르마늄(GeO2) 중량% 환산치이다.
여기서, 반경 위치 2.9mm~9.0mm의 중간층에 게르마늄은 적극적으로 첨가되어 있지 않다. 코어에 포함되어 있던 게르마늄이 조금 확산하고 있을 뿐이다. 중간층의 게르마늄 농도는 반경 위치 r1=2.6mm에 있어서 최대이고, 반경 방향 외측을 향해 급격하게 감소하여 반경 위치 4.5mm에서 거의 0으로 된다. 또, 코어 및 중간층에의 적극적인 부의 도펀트의 첨가는 되어 있지 않다. 불소 농도는 코어와 중간층의 전역에 걸쳐 0이다.
이 모재로부터 코어 반경이 3.63㎛인 광섬유를 제작하는 경우를 상정하여, 도 9에 나타낸 굴절률 분포에 기초하여 광섬유의 파장 1310nm에 있어서의 추정 모드 필드 직경을 산출한 바 8.86㎛였다. 이 추정 모드 필드 직경을 선뽑기 전의 모재 크기로 환산하면 MP는 7.05mm이고, 중간층과 트렌치층의 계면 위치 직경의 비 2r2/MP가 2.55로 되도록 중간층의 두께가 조정되어 있다.
실제로 이 모재를 약 2100℃로 가열 연화시켜 선뽑기를 행하여 코어 반경이 3.63㎛인 광섬유를 제작하였다. 파장 1310nm에 있어서의 모드 필드 직경의 실측치는 8.87㎛로 거의 추정대로였다. 이 섬유의 전송 손실은 파장 1310nm에 있어서 0.341dB/km, 1383nm에 있어서 0.364dB/km, 1550nm에 있어서 0.201dB/km였다. 1383nm의 값이 큰 것은 OH기에 의한 흡수 손실이다. 또, 1550nm의 값이 큰 것은 구조 부정 손실의 영향으로 추측된다.
이 섬유의 22m의 컷오프 파장은 1230nm, 영분산 파장은 1315nm, 파장 1550nm에 있어서의 반경 5mm의 휨손실은 0.179dB/turn이었다. 또, 이 광섬유에 대해 실온(약 25℃)에서 수소(H2) 1기압의 분위기하에 40시간 노출시키는 수소 에이징 시험을 행하였다. 에이징의 전후에 광섬유의 전송 손실 스펙트럼을 측정 비교한 바, 1520nm 부근의 손실 증가가 인지된 것으로부터 퍼옥시 라디칼 등의 구조 결함이 존재하는 것이 판명되었다.
퍼옥시 라디칼 등의 구조 결함의 원인은 중간층에의 게르마늄의 첨가가 대부분 없는 것이 1요인으로 생각된다. 비교예 2－3에서는 코어부에 첨가한 게르마늄이 조금 중간부로 확산하고 있지만, 실질적인 첨가량은 거의 0으로 되어 있다. 퍼옥시 라디칼 결함은 모재가 가열 연화되어 광섬유로 연신되고 고화할 때에, 코어부와 중간부의 계면, 중간부와 트렌치부의 계면, 트렌치부와 클래드부의 계면 등의 유리 조성이 급격하게 변화하는 계면에 있어서 유리구조 완화가 진행되기 어렵기 때문에 생긴다. 따라서, 중간층에 게르마늄이나 불소를 첨가하여, 코어부와 중간층의 계면 및 중간부와 트렌치부의 계면의 유리 조성의 변화를 완화함으로써, 유리구조 완화를 진행시킬 수가 있어, 퍼옥시 라디칼 등의 구조 결함을 억제할 수 있다.
이상, 설명한 것처럼 본 실시예에 나타낸 광섬유용 실리카 유리 모재로부터 제작된 광섬유는 코어와 저굴절률 클래드부 사이의 중간층의 굴절률을 완만하게 저하시킴으로써, 급격한 굴절률 변동에 의한 모재 중의 거품 또는 퍼옥시 라디칼 등의 구조 결함의 발생을 억제한다. 이에 의해 전반광의 휨손실을 저감하여 영분산 파장을 1300~1324nm로 조정할 수 있다. 또한, 중간층의 도중에 굴절률의 돌출부를 설치함으로써, 모드 필드 직경을 넓히는 효과가 얻어져, 통상의 싱글 모드 광섬유의 접속 손실을 저감할 수 있다.
이상, 본 발명을 실시의 형태를 이용하여 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시의 형태에 기재된 범위에는 한정되지 않는다. 상기 실시의 형태에 다양한 변경 또는 개량을 가하는 것이 가능하다는 것이 당업자에게 분명하다. 그러한 변경 또는 개량을 가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함될 수 있다는 것이 특허 청구의 범위의 기재로부터 분명하다.

Claims (33)

  1. 중심부에 반경 r1인 코어, 당해 코어에 반경 위치 r1에서 인접하여 그 외주를 덮고 최외 반경 r2인 중간층, 당해 중간층에 반경 위치 r2에서 인접하여 그 외주를 덮고 최외 반경 r3인 저굴절률 트렌치층, 및 당해 저굴절률 트렌치층에 반경 위치 r3에서 인접하여 그 외주를 덮는 외측 클래드층으로 이루어지는 광섬유에 있어서, 상기 중간층의 굴절률이 내측으로부터 외측을 향해 연속적으로 완만하게 저하하여 반경 위치 r1에서 최대치를 취하고, 반경 위치 r2에서 최소치를 취하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어는 최대 굴절률 n0를 가지고, 상기 중간층은 반경 위치 r1에 있어서 굴절률 n1 및 반경 위치 r2에 있어서 굴절률 n2를 가지고, 상기 저굴절률 트렌치층은 최소 굴절률 n3를 가지고, 상기 외측 클래드층은 최소 굴절률 n4를 가지고, n0＞n1＞n2＞n3, n3＜n4인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중간층과 상기 저굴절률 트렌치층이 접하는 반경 위치 r2 부근에 있어서, 굴절률 분포 형상 곡선이 변곡점을 가지는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내측으로부터 외측을 향해 굴절률이 연속적으로 완만하게 저하하는 중간층의 형상이 코어측으로부터 트렌치부를 향해, 아래로 볼록상→위로 볼록상→아래로 볼록상으로 변화하는 굴절률의 돌출부를 가지는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    반경 5mm의 휨을 주었을 때의 1550nm에 있어서의 휨손실이 0.15dB/km 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    영분산 파장이 1300~1324nm인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    1310nm에 있어서의 모드 필드 직경이 8.2~9.9㎛인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    22m의 섬유 길이로 측정한 컷오프 파장이 1260nm 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  9. 실리카 유리에 굴절률을 상승시키는 정의 도펀트를 첨가한 코어와,
    상기 코어의 반경 방향 외측에 상기 코어를 둘러싸도록 인접한 중간층과,
    상기 중간층의 반경 방향 외측에 상기 중간층을 둘러싸도록 인접하고, 실리카 유리에 굴절률을 감소시키는 부의 도펀트를 첨가한 트렌치층과,
    상기 트렌치층의 반경 방향 외측에 상기 트렌치층을 둘러싸도록 인접하고, 실리카 유리로 형성된 클래드층를 구비하고,
    상기 중간층의 반경 방향의 두께는 상기 트렌치층의 두께보다도 크고,
    상기 중간층의 상기 코어에 가까운 영역에는 정의 도펀트가 많이 첨가되고/되거나, 상기 트렌치층에 가까운 영역에는 부의 도펀트가 많이 첨가되는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 트렌치층에는 상기 부의 도펀트가 균일하게 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 코어에 첨가한 상기 정의 도펀트는 반경 방향으로 농도 분포를 가지고, 그 최대치는 순실리카 유리를 기준으로 한 비굴절률차가 0.30~0.45%로 되도록 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트렌치에 첨가한 상기 부의 도펀트의 농도는 순실리카 유리를 기준으로 한 비굴절률차가 －0.7~－0.4%로 되도록 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어에는 상기 부의 도펀트를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트렌치층에는 상기 정의 도펀트를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층의 반경 위치 r1에 있어서 부의 도펀트를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층의 반경 위치 r2에 있어서 정의 도펀트를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  17. 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접하는 상기 코어 및 상기 중간층에 첨가된 정의 도펀트의 농도가 반경 위치 r1에 있어서 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  18. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접하는 상기 중간층 및 상기 트렌치층에 첨가된 부의 도펀트의 농도가 반경 위치 r2에 있어서 불연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  19. 제9항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층에 첨가한 상기 부의 도펀트의 농도는 반경 위치 r2에 있어서 순실리카 유리를 기준으로 한 비굴절률차가 －0.25~－0.10%로 되도록 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  20. 제9항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층이 반경 방향으로 3층으로 구성되어 있고, 반경 방향 내측으로부터,
    정의 도펀트를 함유하고 부의 도펀트를 함유하지 않는 영역과,
    정의 도펀트와 부의 도펀트의 어느 쪽도 함유하지 않는 영역과,
    부의 도펀트를 함유하고 정의 도펀트를 함유하지 않는 영역으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  21. 제9항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층이 반경 방향으로 3층으로 구성되어 있고, 반경 방향 내측으로부터,
    정의 도펀트를 함유하고 부의 도펀트를 함유하지 않는 영역과,
    정의 도펀트와 부의 도펀트의 어느 쪽도 함유하는 영역과,
    부의 도펀트를 함유하고 정의 도펀트를 함유하지 않는 영역으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  22. 제9항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층의 굴절률은 상기 코어로부터 트렌치층을 향해 완만하게 감소하고 있는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 중간층에는 반경 방향 내측으로부터 외측을 향해 굴절률이 연속적으로 감소하는 영역이 존재하고, 이 영역에는 변곡점이 존재하는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  24. 제9항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모재는 중심축 대칭의 굴절률 분포를 가지고, 이 모재를 선뽑기한 광섬유의 파장 1310nm에 있어서의 추정 모드 필드 직경이 이 굴절률 분포에 기초하여 산출되고, 이 추정 모드 필드 직경의 모재 크기 환산치 MP가
    2r2/MP≥2.6
    인 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  25. 제9항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층과 상기 트렌치층이 인접하는 계면 근방에 있어서, 유리구조 완화 도펀트를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  26. 제9항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트렌치층과 상기 클래드층이 인접하는 계면 근방에 있어서, 유리구조 완화 도펀트를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  27. 제9항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정의 도펀트가 게르마늄이고 상기 부의 도펀트가 불소인 것을 특징으로 하는 광섬유용 실리카 유리 모재.
  28. 제9항 내지 제27항 중 어느 한 항에 기재된 광섬유용 실리카 유리 모재를 상기 코어, 상기 중간층, 상기 트렌치층, 상기 클래드의 반경 위치 관계를 보지하면서 선뽑기하여 이루어지는 광섬유.
  29. 제28항에 있어서,
    22m의 섬유 길이로 측정한 컷오프 파장이 1260nm 이하로 되도록 섬유 직경을 조정하여 선뽑기한 것을 특징으로 하는 광섬유.
  30. 제28항 또는 제29항에 있어서,
    영분산 파장이 1300~1324nm로 되도록 섬유 직경을 조정하여 선뽑기한 것을 특징으로 하는 광섬유.
  31. 제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    파장 1310nm에서 측정한 모드 필드 직경이 8.2~9.9㎛로 되도록 섬유 직경을 조정하여 선뽑기한 것을 특징으로 하는 광섬유.
  32. 제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층과 상기 트렌치층의 인접하는 선뽑기 후의 광섬유에 있어서의 반경 위치를 r2F㎛로 하고, 파장 1310nm에서 측정한 모드 필드 직경을 MF㎛로 하여,
    2r2F/MF≥2.6
    인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  33. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    반경 5mm의 휨을 주었을 때의 1550nm에 있어서의 휨손실이 0.15dB/turn 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유.
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