WO2017145834A1 - 光ファイバ - Google Patents

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optical fiber
dopant group
dopant
silica glass
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洋宇 佐久間
欣章 田村
森田　圭省
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住友電気工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber.
  • a silica glass-based optical fiber whose core contains an alkali metal element or an alkaline earth metal element is known (for example, US 2005/0129376 A1, US 7,088, 900 See B1).
  • Such an optical fiber is manufactured by drawing an optical fiber preform whose core portion contains an alkali metal element or an alkaline earth metal element.
  • the viscosity of the core portion can be lowered when the optical fiber preform is drawn, and the silica glass network structure Therefore, the Rayleigh scattering loss due to the non-uniform structure can be reduced.
  • alkali metal elements or alkaline earth metal elements are collectively referred to as alkali metal elements and the like.
  • a diffusion method is known as a method for adding an alkali metal element or the like into silica glass.
  • a raw material vapor such as an alkali metal element or a salt as a raw material is introduced into a silica glass glass pipe, the glass pipe is heated by an external heat source, or plasma is generated in the glass pipe.
  • the alkali metal element or the like is diffused and added to the inner surface of the glass pipe.
  • the glass pipe is heated to reduce the diameter.
  • the inner surface of the glass pipe is etched to a certain thickness for the purpose of removing transition metal elements such as Ni and Fe which are simultaneously added as impurities when an alkali metal element or the like is added.
  • transition metal elements and the like diffuse faster than transition metal elements, so that even if the glass surface is etched to a certain thickness to remove the transition metal elements, the alkali metal elements and the like can remain.
  • the glass pipe is heated and solidified to produce a core rod containing an alkali metal element or the like at the center.
  • the core rod containing the alkali metal element or the like may be added to the outer periphery thereof with glass serving as a core outer peripheral portion, and the whole may be used as the core portion of the optical fiber preform.
  • An optical fiber preform is manufactured by synthesizing a cladding portion having a lower refractive index than the core portion including the core rod containing an alkali metal element or the like on the outside of the core portion.
  • An optical fiber can be manufactured by melting and drawing this optical fiber preform in a high-temperature furnace by a known method.
  • An object of the present invention is to provide an optical fiber that contains an alkali metal element or the like and can reduce Rayleigh scattering loss.
  • the optical fiber of the present invention has a diffusion coefficient in silica gas at a temperature of 2000 ° C. to 2300 ° C. of 1 ⁇ 10 ⁇ 12 cm 2 / s or more, and a first dopant comprising an alkali metal element or an alkaline earth metal element
  • Residual stress can be measured through the phase change of the light transmitted through the optical fiber, for example as described in PL Chu and T. Whitbread, “Measurement of stresses in optical fiber and preform”, Appl. Opt. 21, 4241 (1982). Yes. This document is incorporated herein.
  • the ratio C2 / C1 is preferably 5 or more, Further, the ratio C2 / C1 is preferably 30 or less.
  • the optical fiber of the present invention preferably has an average concentration C1 of 1 to 20 wtppm and an average concentration C2 of 20 to 300 wtppm.
  • “1 wtppm” means that 0.001 g of atoms are contained in 1000 g of SiO 2 .
  • the core includes any one of Na and K as the first dopant group, and includes any one of Rb, Cs, Mg, Ca, and Sr as the second dopant group.
  • the optical fiber of the present invention can reduce Rayleigh scattering loss.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an optical fiber according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing the radial distribution of K concentration in each of the optical fiber preform and the optical fiber.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing the radial distribution of Cs concentration in each of the optical fiber preform and the optical fiber.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the ratio C2 / C1 and the difference between the maximum and minimum values of residual stress.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the ratio C2 / C1 and the transmission loss.
  • FIG. 6 is a table summarizing the diffusion coefficients of Na, K, Cs, and Ca.
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining each step for manufacturing the optical fiber of the embodiment.
  • the present inventor has obtained the following knowledge in manufacturing an optical fiber containing an alkali metal element or the like and having a low transmission loss.
  • an element having a relatively high diffusion rate such as Na or K
  • these alkali metal elements diffuse out of the core in the drawing process.
  • the glass viscosity of the core portion could not be lowered sufficiently, and the Rayleigh scattering loss could not be lowered sufficiently.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an optical fiber 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical fiber 1 includes a core 11 and a clad 12 made of silica glass.
  • the clad 12 surrounds the core 11, has a refractive index lower than that of the core 11, and is made of pure silica glass or silica glass containing chlorine or fluorine.
  • the physical properties of the optical fiber 1 are uniform in the longitudinal direction.
  • the core 11 has a diffusion coefficient in silica glass at a temperature of 2000 ° C. to 2300 ° C. as a first dopant having a diffusion coefficient of 4 ⁇ 10 ⁇ 6 cm 2 / s or more, and a second dopant having K of 4 ⁇ 10 ⁇ 6 cm 2 / s or less.
  • the first dopant is not limited to K, but Na
  • the second dopant is not limited to Cs, but may be Rb, Mg, Ca, and Sr.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing the radial distribution of K concentration in each of the optical fiber preform and the optical fiber.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing the radial distribution of Cs concentration in each of the optical fiber preform and the optical fiber.
  • the horizontal axis indicates the distance from the core center in the fiber.
  • the concentration distribution in the base material state is originally a function of the distance from the center of the core in the base material, but is converted into the distance from the core center in the fiber when the base material is drawn to the optical fiber.
  • the first dopant group Na or K
  • the first dopant group has a large diffusion coefficient. Therefore, as shown in FIG. Heating at ⁇ 2300 ° C. diffuses and spreads over the entire core of the optical fiber (further to the cladding).
  • the core average concentration of the first dopant group in the core of the optical fiber is reduced to about 1/10 in the optical fiber preform state, and the Rayleigh scattering loss of the core cannot be sufficiently reduced.
  • the viscosity of the cladding is lowered, the strain generated during drawing due to the viscosity difference between the core and the cladding is reduced, and the Rayleigh scattering loss of the core outer periphery and the cladding is reduced.
  • the Rayleigh scattering loss including the cladding is reduced.
  • the transmission loss at a wavelength of 1550 nm is 0.154 dB / km or less. It becomes.
  • the region where the first dopant diffuses and becomes compressive stress is a region having a radius of 15 ⁇ m or more.
  • the difference between the maximum and minimum residual stress in the fiber is 50 MPa or more and 150 MPa or less.
  • the diffusion coefficient of the second dopant group is 1 of the diffusion coefficient of the first dopant group. Therefore, as shown in FIG. 3, most of the second dopant group remains in the core even in the optical fiber.
  • the core portion includes the second dopant group having the same concentration as that of the first dopant group, the Rayleigh scattering loss of the core of the optical fiber can be further reduced.
  • the viscosity of the cladding does not decrease, and a viscosity difference is generated at the interface between the core and the cladding, so that distortion occurs and the Rayleigh scattering in this portion increases. .
  • the loss of the optical fiber is 0.156 dB / km as a whole.
  • the region where the second dopant diffuses and becomes compressive stress is a region having a radius of 10 ⁇ m or less.
  • the difference between the maximum and minimum residual stress in the fiber is 150 Mpa or more. Compared with the case where only the first dopant is included in the fiber, if the difference between the maximum and minimum residual stress in the fiber is 150 Mpa or less, the transmission loss at a wavelength of 1550 nm is 0.154 dB / km or less.
  • the optical fiber according to the present embodiment includes the first dopant group having a large diffusion coefficient and also includes the second dopant group having a small diffusion coefficient at a specific ratio or more, so that the Rayleigh scattering loss can be sufficiently reduced.
  • the average concentration of the first dopant group in the core is C1
  • the average concentration of the second dopant group in the core is C2
  • the ratio C2 / C1 in the core is within a specific range
  • the viscosity between the core and the cladding is By reducing the difference and setting the difference between the maximum value and the minimum value of the residual stress in the optical fiber to 150 MPa or less, the Rayleigh scattering loss can be sufficiently reduced.
  • the clad contains F as a dopant for lowering the refractive index, there is also a viscosity reducing effect by F. Therefore, although the first dopant group diffuses at the time of drawing, when the average core concentration in the fiber is 0.2 wtppm or more, the viscosity of the cladding is sufficiently reduced, and the Rayleigh scattering loss is reduced.
  • the ratio C2 / C1 between the average concentration C2 of the second dopant group in the core and the average concentration C1 of K in the core is 5 or more. It is good to be. In this case, the tensile strain on the core is eliminated and the loss is reduced. On the other hand, if the ratio C2 / C1 is larger than 30, not only the difference between the maximum value and the minimum value of the residual stress in the optical fiber is increased, but also the crystal is easily generated and the loss is increased. It is preferably 30 or less.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the ratio C2 / C1 and the difference between the maximum value and the minimum value of the residual stress.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the ratio C2 / C1 and the transmission loss.
  • the ratio C2 / C1 in order to make the difference between the maximum value and the minimum value of the residual stress between the core and the clad 150 MPa or less, the ratio C2 / C1 should be 5 or more.
  • the ratio C2 / C1 should be 30 or less.
  • Rb, Cs, Mg, Ca, and Sr that can be suitably used as the second dopant group have a diffusion coefficient at a drawing temperature (2000 ° C. to 2300 ° C.) of 1/2 to 1/10 of the diffusion coefficient of K. Since the spread due to diffusion in the drawing process is smaller than the core diameter of about 6 ⁇ m in radius, it is advantageous for reducing the viscosity of the core and reducing the Rayleigh scattering loss.
  • the average concentration C1 of the first dopant group in the core is preferably 1 to 20 wtppm, and the average concentration C2 of the second dopant group in the core is preferably 20 to 300 wtppm. This dopant concentration is suitable for manufacturing a low-loss optical fiber.
  • the diffusion coefficient of impurities such as Fe and Ni that affect the transmission loss of an optical fiber is about 1 ⁇ 10 ⁇ 12 cm 2 / s, so that the diffusion coefficients of Cs and Ca are sufficiently large compared to this. .
  • a sufficient difference can be made in the diffusion distance between the second dopant group and the impurities, and even if the layer containing impurities is etched away, It is believed that the dopant group can be left in the glass.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating each process for manufacturing the optical fiber of the present embodiment. In the following description, an example of specific conditions is also described.
  • a silica glass-based glass pipe in which an alkali metal element or the like (dopant) is diffused is prepared.
  • This silica glass-based glass pipe contains 100 wtppm to 1000 wtppm chlorine (Cl) and 1000 wtppm to 6,000 wtppm fluorine, and the concentration of other dopants and impurities is 10 wtppm or less.
  • the silica glass-based glass pipe has an outer diameter of 30 mm to 40 mm and an inner diameter of about 10 mm to 20 mm.
  • step S2 K and Cs are added as dopants to the inner surface of the silica glass-based glass pipe.
  • raw materials 10 g of potassium bromide (KBr) and 15 g of cesium bromide (CsBr) are used.
  • steam is generated by heating a raw material from 750 degreeC to 850 degreeC with an external heat source. While introducing the raw material vapor into the silica glass glass pipe together with the carrier gas consisting of oxygen at a flow rate of 2 SLM (1 liter / min converted to the standard state), the outside of the silica glass glass pipe by the oxyhydrogen burner. The silica glass glass pipe is heated so that the surface has a temperature of 2150 ° C. At this time, the burner is traversed at a speed of 30 mm / min to 40 mm / min and heated for a total of 15 turns to diffusely add K element and Cs element to the inner surface of the silica glass-based glass pipe.
  • step S3 the diameter of the silica glass-based glass pipe to which K is added is reduced.
  • the silica glass-based glass pipe is heated by an external heat source so that the outer surface of the silica-glass-based glass pipe becomes 2250 ° C. while flowing 0.5 SLM of oxygen inside the silica-glass-based glass pipe.
  • the external heat source is traversed and heated for a total of 6 turns, and the silica glass pipe is reduced in diameter until the inner diameter becomes 5 mm or less.
  • step S4 the inner surface of the silica glass-based glass pipe is etched.
  • gas phase etching is performed by heating the silica glass pipe with an external heat source while introducing a mixed gas of SF 6 (0.2 SLM) and chlorine (0.5 SLM) into the silica glass pipe.
  • step S5 the silica glass glass pipe is solidified.
  • the surface temperature is reduced to 2150 while reducing the absolute pressure in the silica glass pipe to 97 kPa or less.
  • the silica glass pipe is actualized at °C.
  • a core portion (outer diameter of about 20 mm to 25 mm) is obtained.
  • a core layer not containing an alkali metal element or the like may be applied to the outside of the rod by a known method such as an OVD method or a collapse method.
  • step S6 the core portion is stretched to a diameter of 20 mm, and the outer peripheral portion is ground to a diameter of 17 mm.
  • the first clad portion is provided outside the core portion.
  • the first cladding portion contains 7,000 to 10,000 wtppm fluorine.
  • a rod-in collapse method is used in which a core portion is inserted into a silica glass-based glass pipe to which fluorine has been added, and both are heated and integrated by an external heat source.
  • the relative relative refractive index difference between the core portion and the first cladding portion is about 0.34% at maximum.
  • the rod formed by integrating the core portion and the first cladding portion is drawn to a predetermined diameter, and then the second cladding portion containing fluorine outside the rod is synthesized by the OVD method.
  • an optical fiber preform is manufactured.
  • an optical fiber can be obtained by drawing the optical fiber preform manufactured by the above optical fiber preform manufacturing method.
  • the drawing speed is from 1,800 m / min to 2,300 m / min, and the drawing tension is 0.5N.
  • the K concentration was 10 wtppm on the average of the core.
  • Cs was 80 wtppm on the average of the core.
  • the transmission loss of the obtained optical fiber is only 0.150 dB / km at the wavelength of 1550 nm in the prior art, but is reduced to less than that in the present invention.

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Abstract

アルカリ金属元素等を含みレーリー散乱損失を低くすることができる光ファイバを提供する。光ファイバは、シリカガラスからなるコアと、コアを取り囲み、コアの屈折率より低い屈折率を有し、フッ素を含むシリカガラスからなるクラッドと、を備える。コアは、第１ドーパント群を含むとともに、第１ドーパント群の拡散係数より小さい拡散係数を有する第２ドーパント群を含む。光ファイバにおける残留応力の最大値と最小値の差は１５０ＭＰａ以下である。

Description

光ファイバ
　本発明は、光ファイバに関するものである。
　レーリー散乱損失が低く伝送損失が低い光ファイバとして、コアがアルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素を含むシリカガラス系の光ファイバが知られている（例えばＵＳ　２００５／０１２９３７６　Ａ１、ＵＳ　７，０８８,９００　Ｂ１を参照）。このような光ファイバは、コア部にアルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素が含まれる光ファイバ母材を線引することで製造される。光ファイバ母材のコア部にアルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素が含まれていると、この光ファイバ母材を線引するときにコア部の粘性を下げることができ、シリカガラスのネットワーク構造が均一化するので、構造の不均一に由来するレーリー散乱損失を低くすることができる。本明細書中では以降特に断りの無い限り、アルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素を総称してアルカリ金属元素等と呼ぶ。
　アルカリ金属元素等をシリカガラス中に添加する方法としては拡散法が知られている。拡散法は、原料となるアルカリ金属元素等又はアルカリ金属等の塩などの原料蒸気をシリカガラス系のガラスパイプ内に導入しながら、ガラスパイプを外部熱源により加熱したり、ガラスパイプ内にプラズマを発生させたりすることで、アルカリ金属元素等をガラスパイプの内表面に拡散添加するものである。
　このようにしてアルカリ金属元素等をガラスパイプの内表面近傍に添加した後、このガラスパイプを加熱して縮径させる。縮径後、アルカリ金属元素等の添加の際に不純物として同時に添加されてしまうＮｉやＦｅなどの遷移金属元素を除去する目的で、ガラスパイプの内表面を或る厚みでエッチングする。アルカリ金属元素等は遷移金属元素より拡散が速いので、ガラス表面を或る厚みでエッチングして遷移金属元素を除去しても、アルカリ金属元素等を残留させることが可能である。エッチング後、ガラスパイプを加熱して中実化することで、アルカリ金属元素等を中心部に含むコアロッドを製造する。このアルカリ金属元素等を含むコアロッドはその外側にコア外周部となるガラスを付加し、全体を光ファイバ母材のコア部としても良い。
　アルカリ金属元素等を含有するコアロッドを含むコア部より屈折率の低いクラッド部をコア部の外側に合成することで、光ファイバ母材を製造する。そして、この光ファイバ母材を公知の方法で高温の炉で溶融して線引することで光ファイバを製造することができる。
　本発明は、アルカリ金属元素等を含みレーリー散乱損失を低くすることができる光ファイバを提供することを目的とする。
　本発明の光ファイバは、温度２０００℃～２３００℃でのシリカガス中での拡散係数が１×１０－１２ｃｍ２／ｓ以上であって、アルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素からなる第１ドーパント群を含むとともに、第１ドーパント群のシリカガラス内における拡散係数より小さい拡散係数を有するアルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素である第２ドーパント群を含むシリカガラスからなるコアと、コアを取り囲み、コアの屈折率より低い屈折率を有し、フッ素を含むシリカガラスからなるクラッドと、を備え、光ファイバにおける残留応力の最大値と最小値の差が１５０ＭＰａ以下である。残留応力は、光ファイバを透過した光の位相変化を通して測定でき、例えばP. L. Chu and T. Whitbread, “Measurement of stresses in optical fiber and preform”, Appl. Opt. 21, 4241 (1982) に記載されている。この文献は本明細書に組み込まれる。
　本発明の光ファイバは、コアにおける第１ドーパント群の平均濃度をＣ１とし、コアにおける第２ドーパント群の平均濃度をＣ２としたとき、比Ｃ２／Ｃ１が５以上であるのが好適であり、また、比Ｃ２／Ｃ１が３０以下であるのが好適である。
　本発明の光ファイバは、平均濃度Ｃ１が１～２０ｗｔｐｐｍであり、平均濃度Ｃ２が２０～３００ｗｔｐｐｍであるのが好適である。ここで「１ｗｔｐｐｍ」とは、１０００ｇのＳｉＯ２中に０．００１ｇの原子が含まれることを表す。また、コアが、第１ドーパント群としてＮａ，Ｋのうちの何れかを含み、第２ドーパント群としてＲｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒのうちの何れかを含むのが好適である。
　本発明の光ファイバは、レーリー散乱損失を低くすることができる。
図１は、本発明の実施形態の光ファイバを示す斜視図である。
図２は、光ファイバ母材及び光ファイバそれぞれにおけるＫ濃度の径方向分布を示す概念図である。
図３は、光ファイバ母材及び光ファイバそれぞれにおけるＣｓ濃度の径方向分布を示す概念図である。
図４は、比Ｃ２／Ｃ１と残留応力の最大値と最小値の差との関係を示すグラフである。
図５は、比Ｃ２／Ｃ１と伝送損失との関係を示すグラフである。
図６は、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｃａそれぞれの拡散係数を纏めた表である。
図７は、実施形態の光ファイバを製造するための各工程を説明するフローチャートである。
　以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　本発明者は、アルカリ金属元素等を含み伝送損失が低い光ファイバを製造するに当たり以下のような知見を得た。アルカリ金属元素等としてＮａやＫなど拡散速度が比較的に速い元素を光ファイバ母材のコア部中心近傍に添加した場合、これらのアルカリ金属元素等が線引工程においてコア部の外まで拡散してしまい、コア部のガラス粘性を十分に下げることができず、レーリー散乱損失を十分に下げることができなかった。一方で、アルカリ金属元素等としてＣｓやＣａなど拡散速度が比較的に遅い元素を光ファイバ母材のコア部中心近傍に添加した場合、これらのアルカリ金属元素等が線引工程においてコア部中心近傍だけにとどまり、コア部の外へは拡散しない。その結果、コア外周やクラッド部の粘性が下がらず、線引時の線引張力と冷却過程での熱収縮による大きな歪がガラス内に発生し、レーリー散乱損失を十分に低減することができなかった。
　上記の問題を解決するための手段としては、線引工程の際の温度や炉内の滞在時間などの条件を最適化することが考えられるが、線引工程の際の温度や炉内の滞在時間などの条件は、光ファイバ母材のサイズや線引速度により支配されるので、これらの条件を使って元素拡散状態をコントロールすることは母材のサイズや線引速度を制約することで、製造コストや生産性を制約することになるので好ましくない。
　図１は、本発明の実施形態の光ファイバ１を示す斜視図である。光ファイバ１は、シリカガラスからなるコア１１及びクラッド１２を備える。クラッド１２は、コア１１を取り囲み、コア１１の屈折率より低い屈折率を有し、純粋なシリカグラス又は塩素又はフッ素を含むシリカガラスからなる。光ファイバ１の物性はその長手方向には一様である。コア１１は、温度２０００℃～２３００℃でのシリカガラス中における拡散係数が４×１０－６ｃｍ２／ｓ以上の第１ドーパントとしてＫ、４×１０－６ｃｍ２／ｓ以下の第２ドーパントとしてＣｓを含む。なお第１ドーパントとしてはＫに限らずＮａ、第２ドーパントとしてＣｓに限らずＲｂ、Ｍｇ、Ｃａ及びＳｒであってもよい。
　図２は、光ファイバ母材及び光ファイバそれぞれにおけるＫ濃度の径方向分布を示す概念図である。図３は、光ファイバ母材及び光ファイバそれぞれにおけるＣｓ濃度の径方向分布を示す概念図である。これらの図は、横軸はファイバにおけるコア中心からの距離を示す。母材状態の濃度分布は、本来は母材におけるコア部中心からの距離の関数であるが、母材を光ファイバに線引した際のファイバにおけるコア中心からの距離に換算して示す。
　光ファイバ母材のコア部中心に第１ドーパント群（ＮａまたはＫ）を添加した場合、第１ドーパント群は拡散係数が大きいので、図２に示されるように、線引の際の温度２０００℃～２３００℃での加熱により光ファイバのコア全体に（更にクラッドまで）拡散して広がる。光ファイバのコア中の第１ドーパント群のコア平均濃度は光ファイバ母材状態での１／１０程度まで低下し、コアのレーリー散乱損失を十分に下げることができない。しかし、第１ドーパント群がクラッドまで拡散することにより、クラッドの粘性を下げ、コアとクラッドとの間の粘性差によって線引時に発生する歪を低減し、コア外周及びクラッドのレーリー散乱損失を低減する効果が期待される。第１ドーパント群を含み、第２ドーパント群を含まないファイバでは、クラッドを含めてレーリー散乱損失が低減することで、例えばＫを含んだ場合の波長１５５０ｎｍでの伝送損失は０．１５４ｄＢ／ｋｍ以下となる。このとき第１ドーパントが拡散して圧縮応力となる領域は半径で１５μｍ以上の領域である。また、ファイバ内の残留応力の最大と最小の差は５０ＭＰａ以上１５０Ｍｐａ以下となる。
　光ファイバ母材のコア部が第１ドーパント群を含まず第２ドーパント群を光ファイバ母材のコア部中心に添加した場合、第２ドーパント群の拡散係数は第１ドーパント群の拡散係数の１／２程度であるので、図３に示されるように、光ファイバにおいても第２ドーパント群の殆どはコア中にとどまる。第１ドーパント群の濃度と同じ濃度の第２ドーパント群をコア部が含む場合、光ファイバのコアのレーリー散乱損失をより小さくすることができる。一方で、第２ドーパント群はクラッドまでは広がらないことから、クラッドの粘性が下がらず、コアとクラッドとの界面に粘性差が発生することで歪が発生し、この部分のレーリー散乱が高くなる。
　それ故、第１ドーパント群を含まず第２ドーパント群を含む場合、光ファイバの損失は全体として０．１５６ｄＢ／ｋｍとなる。このとき第２ドーパントが拡散して圧縮応力となる領域は半径で１０μm以下の領域である。また、ファイバ内の残留応力の最大と最小の差は１５０Ｍｐａ以上となる。前述の第一ドーパントのみをファイバに含む場合と比較すると、ファイバ内の残留応力の最大と最小の差は１５０Ｍｐａ以下であれば波長１５５０ｎｍのときの伝送損失が０．１５４ｄＢ／ｋｍ以下となる。
　本実施形態の光ファイバは、拡散係数が大きい第１ドーパント群を含むとともに、拡散係数が小さい第２ドーパント群をも特定の割合以上で含むことにより、レーリー散乱損失を十分に低くすることができる。すなわち、コアにおける第１ドーパント群の平均濃度をＣ１とし、コアにおける第２ドーパント群の平均濃度をＣ２としたとき、コアにおける比Ｃ２／Ｃ１を特定範囲内として、コアとクラッドとの間の粘性差を低減し、光ファイバにおける残留応力の最大値と最小値の差を１５０ＭＰａ以下とすることで、レーリー散乱損失を十分に低くすることができる。
　クラッドは、屈折率を下げるためのドーパントとしてＦを含んでいるので、Ｆによる粘性低減効果もある。それ故、第１ドーパント群は線引時に拡散するが、ファイバでのコア平均濃度が０．２ｗｔｐｐｍ以上であればクラッドの粘性が十分に低減しレーリー散乱損失低減がみられる。
　一方、クラッドでの第１ドーパント群の濃度を１０ｗｔｐｐｍより高くするには、母材状態でピーク濃度１００００ｗｔｐｐｍ以上に高濃度にする必要があったが、このようにピーク濃度が高い場合、ガラス欠陥によると推測される損失増加が新たに発生するので、損失を低減することができない。
　Ｋを０．２ｗｔｐｐｍ含むクラッドに対してコアの粘性を同程度に下げるためには、コアにおける第２ドーパント群の平均濃度Ｃ２とコアにおけるＫの平均濃度Ｃ１との比Ｃ２／Ｃ１が５以上であることが良い。この場合、コアへの引っ張り歪が解消され、損失が低減する。一方、比Ｃ２／Ｃ１が３０より大きいと、光ファイバにおける残留応力の最大値と最小値の差が増大するだけでなく、結晶が発生し易くなってロス増が生じるので、比Ｃ２／Ｃ１は３０以下であるのが好ましい。
　図４は、比Ｃ２／Ｃ１と残留応力の最大値と最小値の差との関係を示すグラフである。図５は、比Ｃ２／Ｃ１と伝送損失との関係を示すグラフである。これらの図に示されるように、コアとクラッドとの間の残留応力の最大値と最小値の差を１５０ＭＰａ以下とするには、比Ｃ２／Ｃ１が５以上であればよい。加えて、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を０．１５４ｄＢ／ｋｍ以下とするには、比Ｃ２／Ｃ１が３０以下であればよい。
　第２ドーパント群として好適に用いられ得るＲｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒは、線引温度（２０００℃～２３００℃）での拡散係数がＫの拡散係数に対して１／２から１／１０であり、線引工程での拡散による広がりが半径で約６μｍのコア径より小さいので、コアの粘性を低減し、レーリー散乱損失を低減するのに有利である。
　コアにおける第１ドーパント群の平均濃度Ｃ１が１～２０ｗｔｐｐｍであるのが好適であり、コアにおける第２ドーパント群の平均濃度Ｃ２が２０～３００ｗｔｐｐｍであるのが好適である。この程度のドーパント濃度とすることで、低ロスの光ファイバを製造する上で好適である。
　分子動力学計算により線引温度（２３００℃）における濃度１００ｗｔｐｐｍでの各元素の拡散係数を計算したところ、Ｎａ、Ｋ，Ｃｓ、Ｃａそれぞれの拡散係数は図６のようになった。この結果により、Ｃｓ、Ｃａの拡散係数はＫの拡散係数の１／２以下であり、線引後のＫ濃度分布はコア径の倍まで広がることから推測すると、これらＣｓ、Ｃａはコアの径の内におさまると予想される。
　一方で、ＦｅやＮｉといった光ファイバの伝送損失に影響を与える不純物の拡散係数は１×１０－１２ｃｍ２／ｓ程度であることから、これと比較してＣｓ、Ｃａの拡散係数は十分大きい。拡散添加後に不純物を除去する目的で行うエッチング工程において、第２ドーパント群と不純物との間で拡散距離に十分な差をつけることができ、エッチングにより不純物を含む層を削り取ったとしても、第２ドーパント群をガラス中に残すことができると考えられる。
　図７は、本実施形態の光ファイバを製造するための各工程を説明するフローチャートである。以下の説明では、具体的な条件の一例についても記載している。
　準備工程（ステップＳ１）では、アルカリ金属元素等（ドーパント）を拡散させるべきシリカガラス系のガラスパイプを準備する。このシリカガラス系のガラスパイプは、１００ｗｔｐｐｍから１０００ｗｔｐｐｍの塩素（Ｃｌ）及び１０００ｗｔｐｐｍから６，０００ｗｔｐｐｍのフッ素を含み、その他のドーパント及び不純物の濃度が１０ｗｔｐｐｍ以下である。このシリカガラス系のガラスパイプの外径は直径３０ｍｍから４０ｍｍであり、内径は直径１０ｍｍから２０ｍｍ程度である。
　添加工程（ステップＳ２）では、ドーパントとしてＫ及びＣｓをシリカガラス系のガラスパイプの内表面に添加する。原料として臭化カリウム（ＫＢｒ）１０ｇ及び臭化セシウム（ＣｓＢｒ）１５ｇを用いる。外部熱源で原料を温度７５０℃から８５０℃に加熱して原料蒸気を発生させる。２ＳＬＭ（標準状態に換算して１リットル／ｍｉｎ）の流量の酸素からなるキャリアガスと共に原料蒸気をシリカガラス系のガラスパイプに導入しながら、外部から酸水素バーナによってシリカガラス系のガラスパイプの外表面が温度２１５０℃となるようにシリカガラス系のガラスパイプを加熱する。このとき、３０ｍｍ／ｍｉｎから４０ｍｍ／ｍｉｎの速さでバーナをトラバースさせて合計１５ターン加熱し、Ｋ元素とＣｓ元素とをシリカガラス系のガラスパイプの内表面に拡散添加させる。
　縮径工程（ステップＳ３）では、Ｋが添加されたシリカガラス系のガラスパイプを縮径する。このとき、シリカガラス系のガラスパイプの内部に酸素を０．５ＳＬＭ流しながら、外部熱源によってシリカガラス系のガラスパイプの外表面が２２５０℃となるようにシリカガラス系のガラスパイプを加熱する。外部熱源をトラバースさせて合計６ターン加熱し、シリカガラスパイプを内直径が５ｍｍ以下になるまで縮径する。
　エッチング工程（ステップＳ４）では、シリカガラス系のガラスパイプの内面をエッチングする。このとき、ＳＦ６（０．２ＳＬＭ）及び塩素（０.５ＳＬＭ）の混合ガスをシリカガラスパイプの内部に導入しながら、外部熱源でシリカガラスパイプを加熱して気相エッチングを行う。このようにすることで、目的のドーパントと共に添加された不純物を高濃度に含むパイプ内面を削ることができ、この不純物を除去することができる。
　中実化工程（ステップＳ５）では、シリカガラス系のガラスパイプを中実化する。中実化工程では、酸素（０.１ＳＬＭ）及びＨｅ（１ＳＬＭ）の混合ガスをシリカガラスパイプ３０の内部に導入しながら、シリカガラスパイプ内の絶対圧を９７ｋＰａ以下に減圧しながら表面温度を２１５０℃としてシリカガラスパイプ中実化する。この中実化により、コア部（外径２０ｍｍから２５ｍｍ程度）を得る。このロッドの外側にＯＶＤ法やコラプス法といった公知の方法でアルカリ金属元素等を含まないコア層を付与しても良い。
　延伸研削工程（ステップＳ６）では、コア部を延伸して直径２０ｍｍとし、更に外周部を研削して直径１７ｍｍとする。
　ロッドインコラプス工程（ステップＳ７）では、コア部の外側に第１クラッド部を設ける。この第一クラッド部は７，０００～１０，０００ｗｔｐｐｍのフッ素を含む。このとき、フッ素が添加されたシリカガラス系のガラスパイプの内部にコア部を挿入して、外部熱源によって両者を加熱し一体化するロッドインコラプス法を用いる。コア部と第１クラッド部との相対比屈折率差は最大で０.３４％程度である。このロッドインコラプス法による合成の結果、コア部及びその近傍の第１クラッド部の水分量は十分に低く抑制することが可能である。
　ジャケット合成工程（ステップＳ８）では、コア部及び第１クラッド部が一体化されてなるロッドを延伸して所定径とした後、そのロッドの外側にフッ素を含む第２クラッド部をＯＶＤ法により合成して、光ファイバ母材を製造する。
　線引工程（ステップＳ９）では、以上の光ファイバ母材製造方法により製造された光ファイバ母材を線引することで光ファイバを得ることができる。線引速度は１，８００ｍ／ｍｉｎから２，３００ｍ／ｍｉｎであり、線引張力は０．５Ｎである。線引後のファイバ中のドーパント濃度を測定したところ、Ｋ濃度はコアの平均で１０ｗｔｐｐｍであった。またＣｓはコアの平均で８０ｗｔｐｐｍであった。得られた光ファイバの伝送損失は先行技術では波長１５５０ｎｍで０．１５０ｄB／ｋｍにとどまるが、本発明ではそれ以下まで下げられる。

Claims (5)

  1. 　温度２０００℃～２３００℃でのシリカガス中での拡散係数が１×１０－１２ｃｍ２／ｓ以上であって、アルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素からなる第１ドーパント群を含むとともに、該第１ドーパント群のシリカガラス内における拡散係数より小さい拡散係数を有するアルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素である第２ドーパント群を含むシリカガラスからなるコアと、
    　前記コアを取り囲み、前記コアの屈折率より低い屈折率を有し、フッ素を含むシリカガラスからなるクラッドと、
    　を備え、
    　光ファイバにおける残留応力の最大値と最小値の差が１５０ＭＰａ以下である、
    　光ファイバ。
  2. 　前記コアにおける前記第１ドーパント群の平均濃度をＣ１とし、前記コアにおける前記第２ドーパント群の平均濃度をＣ２としたとき、比Ｃ２／Ｃ１が５以上である、
    　請求項１に記載の光ファイバ。
  3. 　前記比Ｃ２／Ｃ１が３０以下である、
    　請求項２に記載の光ファイバ。
  4. 　前記Ｃ１が１～２０ｗｔｐｐｍであり、
    　前記Ｃ２が２０～３００ｗｔｐｐｍである、
    　請求項１～３の何れか１項に記載の光ファイバ。
  5. 　前記コアが、前記第１ドーパント群としてＮａ，Ｋのうちの何れかを含み、前記第２ドーパント群としてＲｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒのうちの何れかを含む、
    　請求項１～４の何れか１項に記載の光ファイバ。
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