WO2022131161A1 - 光ファイバ、光ファイバの設計方法および光ファイバの製造方法 - Google Patents

光ファイバ、光ファイバの設計方法および光ファイバの製造方法 Download PDF

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refractive index
core
core layer
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和則 武笠
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古河電気工業株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/036—Optical fibres with cladding with or without a coating core or cladding comprising multiple layers
    • G02B6/03616—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference
    • G02B6/03622—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 2 layers only
    • G02B6/03627—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 2 layers only arranged - +
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    • G02B6/02004—Optical fibres with cladding with or without a coating characterised by the core effective area or mode field radius
    • G02B6/02009—Large effective area or mode field radius, e.g. to reduce nonlinear effects in single mode fibres
    • G02B6/02014—Effective area greater than 60 square microns in the C band, i.e. 1530-1565 nm
    • G02B6/02019—Effective area greater than 90 square microns in the C band, i.e. 1530-1565 nm

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber, a method for designing an optical fiber, and a method for manufacturing an optical fiber.
  • Optical fibers that employ a W-type refractive index profile are being actively studied (Patent Documents 1 to 4).
  • the W-shaped index of refraction profile is adopted, for example, to increase the effective core cross-sectional area of an optical fiber.
  • An optical fiber having a large effective core cross-sectional area suppresses the generation of a nonlinear optical effect in the optical fiber, and thus can be suitably used as, for example, a long-distance optical transmission line.
  • the effective core cross-sectional area may be described as Aff.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an optical fiber having a low cutoff wavelength having an expanded effective core cross-sectional area, a method for designing an optical fiber, and a method for manufacturing an optical fiber. It is in.
  • one aspect of the present invention includes a core portion, a side core layer surrounding the outer periphery of the core portion, and a clad portion surrounding the outer periphery of the side core layer.
  • the difference in the average maximum specific refractive index of the core portion with respect to the average refractive index of the clad portion is ⁇ 1
  • the difference in the specific refractive index of the average refractive index of the side core layer is ⁇ 2
  • the average refraction of the clad portion with respect to pure quartz glass is
  • the effective core cross-sectional area at a diameter of 1550 nm is 100 ⁇ m 2 or more and 160 ⁇ m 2 or less, and ( ⁇ 1- ⁇ 2) is 0.36%.
  • ⁇ 2 is ⁇ 0.23% or more and ⁇ 0.08% or less
  • the core diameter of the core portion is 2a
  • the outer diameter of the side core layer is 2b
  • the ( ⁇ 1- ⁇ 2) is ⁇ 0.0946 (b / a) 3 + 0.9962 (b / a) 2-3.5477 (b / a) +4.6605 ⁇ ( ⁇ 1- ⁇ 2). It may satisfy ⁇ ⁇ 0.0840 (b / a) 3 +0.8739 (b / a) 2 ⁇ 3.0106 (b / a) +3.7956.
  • the optical fiber may have the above ( ⁇ 1- ⁇ 2) of 0.37% or more and 0.44% or less.
  • the optical fiber may have a b / a of 2.8 or more and 3.8 or less.
  • One aspect of the present invention includes a core portion, a side core layer surrounding the outer periphery of the core portion, and a clad portion surrounding the outer periphery of the side core layer, and the average of the core portion with respect to the average refractive index of the clad portion.
  • the maximum specific refractive index difference of is ⁇ 1
  • the specific refractive index difference of the average refractive index of the side core layer is ⁇ 2
  • the specific refractive index difference of the average refractive index of the clad portion with respect to the pure quartz glass is ⁇ Clad
  • ⁇ 1> ⁇ Clad> It is a method of designing an optical fiber in which ⁇ 2 and 0> ⁇ 2 hold, and when the core diameter of the core portion is 2a and the outer diameter of the side core layer is 2b, the cutoff wavelength depends on the value of b / a. ( ⁇ 1- ⁇ 2) is set so that It is a method of designing an optical fiber that sets ⁇ 1, the ⁇ 2, the ⁇ Clad, the core diameter of the core portion, and the outer diameter of the side core layer.
  • One aspect of the present invention is an optical fiber manufacturing method for manufacturing an optical fiber so as to satisfy the structural parameters set in the optical fiber design method.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical fiber according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the refractive index profile of the optical fiber according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between ( ⁇ 1- ⁇ 2) and ⁇ cc.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between ( ⁇ 1- ⁇ 2) and bending loss.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between ( ⁇ 1- ⁇ 2) and transmission loss.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of preferable conditions for ( ⁇ 1- ⁇ 2) and b / a.
  • the cutoff wavelength or the effective cutoff wavelength is referred to as ITU-T G.I.
  • the cable cutoff wavelength ( ⁇ cc) defined in 650.1.
  • G.I. 650.1 and G.M The definition and measurement method in 650.2 shall be followed.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical fiber according to an embodiment.
  • the optical fiber 10 is made of quartz glass and includes a core portion 11, a side core layer 12 surrounding the outer periphery of the core portion 11, and a clad portion 13 surrounding the outer periphery of the side core layer 12.
  • the optical fiber 10 may be provided with a coating layer that surrounds the outer periphery of the clad portion 13.
  • FIG. 2 is a diagram showing a refractive index profile of the optical fiber 10.
  • the profile P1 is a refractive index profile of the core portion 11 and has a so-called step type.
  • Profile P2 is a refractive index profile of the side core layer 12.
  • Profile P3 is a refractive index profile of the clad portion 13.
  • the refractive index profile of the core portion 11 is not only when it is a step type having a geometrically ideal shape, but also when the shape of the top is not flat and unevenness is formed due to manufacturing characteristics, or the hem is formed from the top. It may have a pulling shape.
  • the refractive index of the region that is substantially flat at the top of the refractive index profile within the range of the core diameter 2a of the core portion 11 in the manufacturing design is an index for determining ⁇ 1.
  • the core diameter of the core portion 11 is 2a.
  • the outer diameter of the side core layer 12 is 2b.
  • the specific refractive index difference (maximum specific refractive index difference) of the average maximum refractive index of the core portion 11 with respect to the average refractive index of the clad portion 13 is ⁇ 1.
  • the difference in the specific refractive index of the average refractive index of the side core layer 12 with respect to the average refractive index of the clad portion 13 is ⁇ 2.
  • the average maximum refractive index of the core portion 11 is the average value in the radial direction of the refractive index of the region that is substantially flat at the top of the refractive index profile.
  • the average refractive index of the side core layer 12 and the clad portion 13 is an average value of the refractive indexes in the radial direction of the refractive index profile.
  • the difference in the specific refractive index of the average refractive index of the clad portion 13 with respect to the refractive index of pure quartz glass is ⁇ Clad.
  • the pure quartz glass is an extremely high-purity quartz glass that does not substantially contain a dopant that changes the refractive index and has a refractive index of about 1.444 at a wavelength of 1550 nm.
  • the difference in the specific refractive index of the pure quartz glass with respect to the average refractive index of the clad portion 13 is shown by the alternate long and short dash line.
  • the optical fiber 10 has a W-shaped refractive index profile.
  • FIG. 2 shows a case where ⁇ Clad is less than 0%, but ⁇ Clad may be 0% or more.
  • the core portion 11 is made of quartz-based glass containing a dopant for adjusting the refractive index to increase the refractive index.
  • the core portion 11 contains at least one, for example, two or more of germanium (Ge), chlorine (Cl), fluorine (F), potassium (K) and sodium (Na) as a dopant.
  • F is a dopant that lowers the refractive index of quartz glass
  • (Ge), Cl, K and Na are dopants that increase the refractive index of quartz glass.
  • the core portion 11 may be made of pure quartz glass.
  • the side core layer 12 and the clad portion 13 are made of quartz-based glass to which F and Cl only, F only, or Cl only are added.
  • ⁇ 1> ⁇ Clad> ⁇ 2 and 0> ⁇ 2 are established, and further, a suitable range of ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ Clad described later is realized.
  • the clad portion 13 may be made of pure quartz glass.
  • the spread of the field of light propagating in the optical fiber is the average that the light feels when it mainly stays in the core part and when it spreads in the side core layer. Since the refractive index is different, it is considered that the behavior of confinement of light, which is particularly related to the higher-order propagation mode, is also different. It was also considered that such a difference in the average refractive index also affects the behavior of ⁇ cc. Furthermore, as a parameter, I thought that there might be a value at which ⁇ cc takes the lowest value when ( ⁇ 1- ⁇ 2) is changed.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between ( ⁇ 1- ⁇ 2) and ⁇ cc.
  • b / a was set to 2, 2.5, 3, 3.5, or 4, and ( ⁇ 1- ⁇ 2) was varied from 0.3% to 0.55% or 0.56%. It shows the change of ⁇ cc in the case.
  • the horizontal axis indicates ( ⁇ 1- ⁇ 2) [%], and the vertical axis indicates the amount of increase from the lowest value of ⁇ cc.
  • b / a had different values, the lowest value of ⁇ cc was also different from each other.
  • b / a was 2, ⁇ cc continued to decrease even if ( ⁇ 1- ⁇ 2) was increased to 0.55%, and the existence of the lowest value was not confirmed. Therefore, when b / a is 2, the vertical axis shows not the amount of increase from the minimum value of ⁇ cc, but the amount of increase from the value of ⁇ cc when ( ⁇ 1- ⁇ 2) is 0.55%. Please note that.
  • the optical fiber 10 is an optical fiber having a value of ( ⁇ 1- ⁇ 2) such that ⁇ cc is within 10 nm from the minimum value.
  • the optical fiber 10 preferably has ( ⁇ 1- ⁇ 2) of 0.36% or more from the viewpoint of bending loss.
  • the bending loss means a bending loss at a wavelength of 1550 nm when bent at a diameter of 30 mm, unless otherwise specified. Further, such a bending loss may be described as a macro bend loss, and the condition of bending with a diameter of 30 mm may be described together with "30 mm ⁇ ".
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between ( ⁇ 1- ⁇ 2) and bending loss.
  • the solid line in FIG. 4 is a curve showing an example of the fitting function obtained by the least squares method for the data points.
  • ( ⁇ 1- ⁇ 2) is preferably 0.36% or more. Further, when ( ⁇ 1- ⁇ 2) is 0.37% or more, the bending loss can be reduced more reliably.
  • the optical fiber 10 preferably has ( ⁇ 1- ⁇ 2) of 0.54% or less, and more preferably 0.44% or less.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between ( ⁇ 1- ⁇ 2) and transmission loss.
  • the transmission loss is a value at a wavelength of 1550 nm.
  • “Ge” is a typical transmission loss when the core portion 11 contains germanium as a dopant
  • "Si” is a typical case where the core portion 11 is made of pure quartz glass. Transmission loss.
  • ( ⁇ 1- ⁇ 2) is 0.45% or more, the transmission loss increases as ( ⁇ 1- ⁇ 2) increases, and 0.55. When it exceeds%, it tends to increase sharply. Furthermore, if ( ⁇ 1- ⁇ 2) is too large, the amount of dopant to be added increases, which makes production difficult. Therefore, from the viewpoint of transmission loss, ( ⁇ 1- ⁇ 2) is preferably 0.54% or less, more preferably 0.44% or less.
  • b / a is preferably 3.9 or less. Further, considering that ( ⁇ 1- ⁇ 2) is more preferably 0.37% or more and 0.44% or less, b / a is preferably 2.8 or more, and preferably 3.8 or less.
  • ⁇ 2 if it is ⁇ 0.23% or more and ⁇ 0.08% or less, good characteristics can be realized from the viewpoint of expansion of Aeff and low cutoff wavelength, which is preferable.
  • ( ⁇ 1- ⁇ 2) is a value such that the cutoff wavelength is within 10 nm from the lowest value, and the bending loss does not increase sharply. Indicates a range of values.
  • ( ⁇ 1- ⁇ 2) is set according to the value of b / a, and the optical characteristics are desired under the set conditions ( ⁇ 1- ⁇ 2). It is preferable to set ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ Clad, 2a, and 2b as structural parameters so as to have the characteristics of.
  • 2a may be appropriately changed in order to adjust to a desired ⁇ cc according to the wavelength band used for optical transmission.
  • Aeff also changes with the change of 2a, and specifically, Aeff also increases with the increase of 2a.
  • the tendency in Table 1 has been confirmed with good reproducibility within the range where the confinement of light in the core is not too strong and not too weak.
  • the Aeff of the optical fiber 10 at a wavelength of 1550 nm is 100 ⁇ m 2 or more and 160 ⁇ m 2 or less. It was confirmed with good reproducibility. Therefore, the Aeff of the optical fiber 10 at a wavelength of 1550 nm is preferably, for example, 100 ⁇ m 2 or more and 160 ⁇ m 2 or less.
  • the optical fiber 10 is an optical fiber base material by a known method using a VAD (Vapor Axial Deposition) method, an OVD (Outside Vapor Deposition) method, a MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) method, a plasma CVD method, or the like.
  • VAD Vehicle Axial Deposition
  • OVD Outside Vapor Deposition
  • MCVD Modified Chemical Vapor Deposition
  • plasma CVD method or the like.
  • the optical fiber 10 can be easily manufactured by drawing the optical fiber 10 from the optical fiber base material in a drawing furnace.
  • dopants such as Ge, F, K, and Na can be added to the optical fiber base material by using a gas containing the dopant during the synthesis of the suit.
  • Cl can be added to the optical fiber base material by leaving chlorine gas used in the dehydration step.
  • F can be added to the optical fiber base material by flowing fluorine gas in the vitrified sintered structure.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of preferable conditions for ( ⁇ 1- ⁇ 2) and b / a. Specifically, FIG. 6 shows the maximum value of ( ⁇ 1- ⁇ 2) in each b / a shown in Table 1 by the data points of black circles, and the minimum value of ( ⁇ 1- ⁇ 2) in each b / a is black. It is shown by a square data point. Further, in FIG. 6, the curve in which the data points of the black squares are fitted by the least squares method is shown by the line L1, and the curve in which the data points of the black circles are fitted by the least squares method is shown by the line L2.
  • the refractive index of the side core layer 12 is made too low ( ⁇ 2 is made too small), not only the amount of dopant to be added increases and the production becomes difficult, but also ( ⁇ 1- ⁇ 2) becomes large and FIG. As shown in, the transmission loss may increase. Therefore, it is preferable to set ( ⁇ 1- ⁇ 2) to 0.54% or less, more preferably 0.44% or less so that the refractive index of the side core layer 12 is not too low.
  • Example 2 As an example, a sample No. 1 having a W-shaped refractive index profile is drawn by drawing an optical fiber base material manufactured by the VAD method. 1 to 13 optical fibers were manufactured and their optical characteristics were measured. The structural parameters and optical characteristics of each sample are shown in Table 2.
  • “MFD” means a mode field diameter
  • “Slope” means a dispersion slope. The MFD, Aeff, bending loss, wavelength dispersion, and Slope are values at a wavelength of 1550 nm.
  • Ge was added to the core portion to increase the refractive index compared to pure quartz glass, and the clad portion was made of pure quartz glass.
  • sample No. in all of the optical fibers 1 to 13, ( ⁇ 1- ⁇ 2) is 0.36% or more and 0.54% or less, ⁇ 2 is -0.23% or more and -0.08% or less, and b / a is It is 2.5 or more and 4 or less.
  • sample No. in each of the optical fibers 1 to 13, 2a is set so that the Aeff is 100 ⁇ m 2 or more and 160 ⁇ m 2 or less, and ⁇ cc is within 10 nm from the minimum value (see also Table 1).
  • Table 2a is set so that the Aeff is 100 ⁇ m 2 or more and 160 ⁇ m 2 or less, and ⁇ cc is within 10 nm from the minimum value (see also Table 1).
  • optical fibers 1 to 13 can realize good characteristics in which ⁇ cc is 1530 nm or less and relatively small, and the bending loss is 1 dB / m or less, or even 0.5 dB / m or less.
  • sample No. The optical fiber of 3 has ( ⁇ 1- ⁇ 2) of 0.36%, ⁇ 2 of ⁇ 0.11%, b / a of 3, 2a of 13.3 ⁇ m, and Aeff of 123 ⁇ m 2 . Yes, ⁇ cc is 1430 nm and the bending loss is 0.36 dB / m.
  • sample No. The optical fiber of 9 has ( ⁇ 1- ⁇ 2) of 0.43%, ⁇ 2 of ⁇ 0.16%, b / a of 3, 2a of 13.3 ⁇ m, and Aeff of 116 ⁇ m 2 . Yes, ⁇ cc is 1497 nm and the bending loss is 0.04 dB / m.
  • the 12 optical fibers have ( ⁇ 1- ⁇ 2) of 0.39%, ⁇ 2 of ⁇ 0.14%, b / a of 3.0, 2a of 14.1 ⁇ m, and Aeff of 130 ⁇ m. 2 , ⁇ cc is 1518 nm, and bending loss is 0.06 dB / m.
  • sample No. in the optical fiber of 13 ( ⁇ 1- ⁇ 2) is 0.39%, ⁇ 2 is ⁇ 0.15%, b / a is 3.2, 2a is 13.6 ⁇ m, and Aeff is 124 ⁇ m. 2 , ⁇ cc is 1468 nm, and bending loss is 0.10 dB / m.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the present invention also includes a configuration in which the above-mentioned components are appropriately combined. Further, further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
  • the present invention is suitable for use in an optical fiber.
  • Optical fiber 11 Core part 12: Side core layer 13: Clad part L1, L2, L3, L4, L5, L6: Line P1, P2, P3: Profile

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Abstract

光ファイバは、コア部の外周を取り囲むサイドコア層、サイドコア層の外周を取り囲むクラッド部、を備え、クラッド部の平均屈折率に対する、コア部の平均の最大比屈折率差をΔ１とし、サイドコア層の平均屈折率の比屈折率差をΔ２とし、純石英ガラスに対するクラッド部の平均屈折率の比屈折率差をΔＣｌａｄとすると、Δ１＞ΔＣｌａｄ＞Δ２かつ０＞Δ２が成り立ち、波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１００μｍ２以上１６０μｍ２以下であり、（Δ１－Δ２）が０．３６％～０．５４％であり、Δ２が－０．２３％～－０．０８％であり、コア径を２ａ、サイドコア層の外径を２ｂとしたときに、ｂ／ａが２．５～３．９であり、（Δ１－Δ２）が、カットオフ波長が最低値から１０ｎｍ以内となるような値である。

Description

光ファイバ、光ファイバの設計方法および光ファイバの製造方法
　本発明は、光ファイバ、光ファイバの設計方法および光ファイバの製造方法に関する。
　Ｗ型の屈折率プロファイルを採用した光ファイバが盛んに検討されている（特許文献１～４）。Ｗ型の屈折率プロファイルは、たとえば、光ファイバの有効コア断面積を拡大するために採用されている。有効コア断面積が大きい光ファイバでは、光ファイバ内での非線形光学効果の発生が抑制されるので、たとえば長距離光伝送路として好適に利用できる。なお、有効コア断面積はＡｅｆｆと記載される場合がある。
特許第６５００４５１号公報 特許第６５２７９７３号公報 特開２００３－６６２５９号公報 特開２００９－１２２２７７号公報
　一般的に、有効コア断面積とカットオフ波長とはトレードオフの関係があり、有効コア断面積を拡大しようとするとカットオフ波長が高くなる傾向がある。しかしながら、光伝送の使用波長帯域においてシングルモード伝送を実現するために、光ファイバのカットオフ波長を低くすることが求められる場合がある。そこで、有効コア断面積の拡大とカットオフ波長の低下との両立については検討の余地があった。
　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、有効コア断面積が拡大された低カットオフ波長の光ファイバ、光ファイバの設計方法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、本発明の一態様は、コア部と、前記コア部の外周を取り囲むサイドコア層と、前記サイドコア層の外周を取り囲むクラッド部と、を備え、前記クラッド部の平均屈折率に対する、前記コア部の平均の最大比屈折率差をΔ１とし、前記サイドコア層の平均屈折率の比屈折率差をΔ２とし、純石英ガラスに対する前記クラッド部の平均屈折率の比屈折率差をΔＣｌａｄとすると、Δ１＞ΔＣｌａｄ＞Δ２かつ０＞Δ２が成り立ち、波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１００μｍ２以上１６０μｍ２以下であり、（Δ１－Δ２）が０．３６％以上０．５４％以下であり、Δ２が－０．２３％以上－０．０８％以下であり、前記コア部のコア径を２ａ、前記サイドコア層の外径を２ｂとしたときに、ｂ／ａが２．５以上３．９以下であり、前記（Δ１－Δ２）が、カットオフ波長が最低値から１０ｎｍ以内となるような値である、光ファイバである。
　前記光ファイバは、前記（Δ１－Δ２）が、－０．０９４６（ｂ／ａ）３＋０．９９６２（ｂ／ａ）２－３．５４７７（ｂ／ａ）＋４．６６０５≧（Δ１－Δ２）≧－０．０８４０（ｂ／ａ）３＋０．８７３９（ｂ／ａ）２－３．０１０６（ｂ／ａ）＋３．７９５６を満たすものでもよい。
　前記光ファイバは、前記（Δ１－Δ２）が、０．３７％以上０．４４％以下であるものでもよい。
　前記光ファイバは、前記ｂ／ａが２．８以上３．８以下であるものでもよい。
　本発明の一態様は、コア部と、前記コア部の外周を取り囲むサイドコア層と、前記サイドコア層の外周を取り囲むクラッド部と、を備え、前記クラッド部の平均屈折率に対する、前記コア部の平均の最大比屈折率差をΔ１、前記サイドコア層の平均屈折率の比屈折率差をΔ２とし、純石英ガラスに対する前記クラッド部の平均屈折率の比屈折率差をΔＣｌａｄとすると、Δ１＞ΔＣｌａｄ＞Δ２かつ０＞Δ２が成り立つ光ファイバの設計方法であって、前記コア部のコア径を２ａ、前記サイドコア層の外径を２ｂとしたときに、ｂ／ａの値に応じて、カットオフ波長が最低値から１０ｎｍ以内となるような値に（Δ１－Δ２）を設定し、前記設定した（Δ１－Δ２）の条件下で、光学特性が所望の特性になるように、構造パラメータとして、前記Δ１、前記Δ２、前記ΔＣｌａｄ、前記コア部のコア径、および前記サイドコア層の外径を設定する、光ファイバの設計方法である。
　本発明の一態様は、前記光ファイバの設計方法において設定した前記構造パラメータを満たすように光ファイバを製造する、光ファイバの製造方法である。
　本発明によれは、有効コア断面積が拡大された低カットオフ波長の光ファイバを実現できるという効果を奏する。
図１は、実施形態に係る光ファイバの模式的な断面図である。 図２は、実施形態に係る光ファイバの屈折率プロファイルの模式図である。 図３は、（Δ１－Δ２）と、λｃｃとの関係の一例を示す図である。 図４は、（Δ１－Δ２）と、曲げ損失との関係の一例を示す図である。 図５は、（Δ１－Δ２）と、伝送損失との関係の一例を示す図である。 図６は、（Δ１－Δ２）と、ｂ／ａとについて、好ましい条件の一例を示す図である。
　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ている。また、本明細書においては、カットオフ波長または実効カットオフ波長とは、国際通信連合（ＩＴＵ）のＩＴＵ－Ｔ　Ｇ．６５０．１で定義するケーブルカットオフ波長（λｃｃ）をいう。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）
　図１は、実施形態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、コア部１１と、コア部１１の外周を取り囲むサイドコア層１２と、サイドコア層１２の外周を取り囲むクラッド部１３と、を備える。なお、光ファイバ１０は、クラッド部１３の外周を取り囲む被覆層を備えていてもよい。
　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Ｐ１はコア部１１の屈折率プロファイルであり、いわゆるステップ型を有する。プロファイルＰ２はサイドコア層１２の屈折率プロファイルである。プロファイルＰ３はクラッド部１３の屈折率プロファイルである。
　ここで、コア部１１の屈折率プロファイルは、幾何学的に理想的な形状のステップ型である場合だけでなく、頂部の形状が平坦ではなく製造特性により凹凸が形成されたり、頂部から裾を引くような形状となっていたりする場合がある。この場合、製造設計上のコア部１１のコア径２ａの範囲内における、屈折率プロファイルの頂部で略平坦である領域の屈折率が、Δ１を決定する指標となる。
　光ファイバ１０の構造パラメータについて説明する。上述したように、コア部１１のコア径は２ａである。また、サイドコア層１２の外径は２ｂである。
　また、クラッド部１３の平均屈折率に対する、コア部１１の平均の最大屈折率の比屈折率差（最大比屈折率差）はΔ１である。クラッド部１３の平均屈折率に対するサイドコア層１２の平均屈折率の比屈折率差はΔ２である。なお、コア部１１の平均の最大屈折率とは、屈折率プロファイルの頂部で略平坦である領域の屈折率の、径方向における平均値である。サイドコア層１２やクラッド部１３の平均屈折率とは、屈折率プロファイルの径方向における屈折率の平均値である。
　また、純石英ガラスの屈折率に対するクラッド部１３の平均屈折率の比屈折率差はΔＣｌａｄである。ここで、純石英ガラスとは、屈折率を変化させるドーパントを実質的に含まず、波長１５５０ｎｍにおける屈折率が約１．４４４である、きわめて高純度の石英ガラスである。図２では、一点鎖線によって、クラッド部１３の平均屈折率に対する純石英ガラスの比屈折率差を示している。
　Δ１、Δ２、ΔＣｌａｄについては、Δ１＞ΔＣｌａｄ＞Δ２かつ０＞Δ２が成り立つ。すなわち、光ファイバ１０はＷ型の屈折率プロファイルを有する。また、図２は、ΔＣｌａｄが０％未満である場合を示しているが、ΔＣｌａｄは０％以上でもよい。
　光ファイバ１０の構成材料について説明する。コア部１１は、屈折率を高める屈折率調整用のドーパントを含む石英系ガラスからなる。たとえば、コア部１１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）、塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、カリウム（Ｋ）およびナトリウム（Ｎａ）の少なくとも一つ、たとえば２以上をドーパントとして含む。Ｆは石英ガラスの屈折率を低下させ、（Ｇｅ）、Ｃｌ、ＫおよびＮａは石英ガラスの屈折率を上昇させるドーパントである。なお、コア部１１は、純石英ガラスからなるものでもよい。
　一方、サイドコア層１２およびクラッド部１３は、ＦおよびＣｌのみ、Ｆのみ、またはＣｌのみ、が添加された石英系ガラスからなる。これらのドーパントにより屈折率が調整されることによって、Δ１＞ΔＣｌａｄ＞Δ２かつ０＞Δ２が成り立ち、さらには後述するΔ１、Δ２、ΔＣｌａｄの好適な範囲が実現される。なお、クラッド部１３は、純石英ガラスからなるものでもよい。
（好適な構造パラメータ）
　本実施形態に係る光ファイバ１０の構造パラメータのうち、Δ１、Δ２、ΔＣｌａｄ、２ａ、２ｂについて説明する。
　本発明者が、有効コア断面積が拡大された低カットオフ波長の光ファイバ１０を実現するために、Ｗ型の屈折率プロファイルの構造パラメータとそれによって得られる光学特性について鋭意検討した結果、以下のことを見出した。
　すなわち、Ｗ型の屈折率プロファイルの場合、光ファイバを伝搬する光のフィールドの広がりが、コア部に主に留まっている場合と、サイドコア層に広がっている場合とで、光が感じる平均的な屈折率が異なるため、特に高次伝搬モードに関わる光の閉じ込めの挙動も異なると考えた。また、このような平均的な屈折率の違いはλｃｃの挙動にも影響すると考えた。さらには、パラメータとして、（Δ１－Δ２）を変化させるとλｃｃが最低値を取る値があるのではないかと考えた。特に、有効コア断面積（Ａｅｆｆ）が比較的大きい光ファイバでは、サイドコア層への光のフィールドの広がりも大きくなりやすいため、（Δ１－Δ２）を変化させたときにλｃｃが最低値を取るような状況が生じやすいのではないかと考えた。
　そこで、光ファイバ１０について、幾つかの値のｂ／ａの条件下で、（Δ１－Δ２）を変化させたときのλｃｃの変化を、シミュレーション計算などを用いて調査した。なお、いずれのｂ／ａにおいても、Δ１は０．２１～０．２９％、Δ２は－０．２３～－０．０８％の範囲で調査を行った。その結果、以下の結果を得た。
　図３は、（Δ１－Δ２）と、λｃｃとの関係の一例を示す図である。図３では、ｂ／ａを２、２．５、３、３．５、または４に設定し、（Δ１－Δ２）を０．３％から０．５５％または０．５６％まで変化させた場合のλｃｃの変化を示している。なお、横軸は（Δ１－Δ２）［％］を示し、縦軸は、λｃｃの最低値からの増加量を示している。なお、ｂ／ａが互いに異なる値の場合は、λｃｃの最低値も互いに異なる値であった。また、ｂ／ａが２の場合は、（Δ１－Δ２）を０．５５％まで増加させてもλｃｃは減少し続け、最低値の存在が確認されなかった。そこで、ｂ／ａが２の場合は、縦軸は、λｃｃの最低値からの増加量ではなく、（Δ１－Δ２）が０．５５％の場合のλｃｃの値からの増加量を示していることに留意されたい。
　図３からわかるように、（Δ１－Δ２）とλｃｃとには密接な関係があり、（Δ１－Δ２）を変化させた場合にはλｃｃが下に凸の曲線を描くように変化し、λｃｃが最低値になる（Δ１－Δ２）の値が存在する場合があることが確認された。そして、λｃｃが最低値になる（Δ１－Δ２）の値に対して、（Δ１－Δ２）が大きすぎても小さすぎてもλｃｃが大きいことが確認された。
　（Δ１－Δ２）を適正に設定して光ファイバのλｃｃを小さくできるということは、シングルモード伝送できる波長帯域をそれだけ広くできることを意味し、光伝送における使用波長帯域の広帯域化の観点から好ましい。また、（Δ１－Δ２）を適正に設定して光ファイバのλｃｃを所望値よりも小さくできる場合は、λｃｃが所望値に達するまではコア径を大きく設定することができるので、Ａｅｆｆの拡大やマクロベンド特性の改善を実現することができる。
　また、図３に示すように、λｃｃが最低値を取る（Δ１－Δ２）の近傍では、（Δ１－Δ２）の変化に対するλｃｃの変化が比較的緩やかである。したがって、（Δ１－Δ２）を、λｃｃが最低値を取る値またはその近傍の値に設定すれば、製造誤差などの誤差によって（Δ１－Δ２）の値が設定値からずれた場合も、λｃｃの設定値からのずれを比較的小さくすることができる。この観点からは、λｃｃが最低値から１０ｎｍ以内となるような値に（Δ１－Δ２）を設定すると、製造誤差などがλｃｃに影響しにくくなり、安定した製造性を実現できる。
　以上の説明から、本実施形態に係る光ファイバ１０は、（Δ１－Δ２）が、λｃｃが最低値から１０ｎｍ以内となるような値の光ファイバである。
　また、光ファイバ１０は、曲げ損失の観点から、（Δ１－Δ２）が０．３６％以上であることが好ましい。ここで、曲げ損失とは、特に言及しない限りは、直径３０ｍｍで曲げたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失を意味する。また、このような曲げ損失はマクロベンド損失と記載される場合があり、直径３０ｍｍで曲げた条件は、「３０ｍｍφ」と併記される場合がある。
　曲げ損失について図４を参照して説明する。図４は、（Δ１－Δ２）と、曲げ損失との関係の一例を示す図である。なお、Δ１、Δ２、２ａ、ｂ／ａについては、様々な組み合わせを網羅するように設定した。図４から解るように、（Δ１－Δ２）が０．３６％より小さくなるにつれて曲げ損失が急激に大きくなった。なお、図４における実線は、データ点に対して、最小二乗法によって求めたフィッティング関数の一例を示す曲線である。フィッティング関数は（Δ１－Δ２）の４次関数であり、具体的にはｙ＝２１２６．５ｘ4－３６３８．２ｘ3＋２３２８．４ｘ2－６６０．８３ｘ＋７０．２４５であったが、（Δ１－Δ２）が０．３６％より小さくなるにつれて曲げ損失が急激に大きくなっていることがわかる。したがって、曲げ損失の低減の観点からは、（Δ１－Δ２）は０．３６％以上が望ましい。また、（Δ１－Δ２）が０．３７％以上であれば、曲げ損失をより確実に低減できる。
　また、光ファイバ１０は、伝送損失の観点から、（Δ１－Δ２）が０．５４％以下であることが好ましく、０．４４％以下であることがさらに好ましい。
　伝送損失について図５を参照して説明する。図５は、（Δ１－Δ２）と、伝送損失との関係の一例を示す図である。なお、伝送損失は波長１５５０ｎｍでの値である。また、凡例において「Ｇｅ」とは、コア部１１にゲルマニウムをドーパントして含む場合の典型的な伝送損失であり、「Ｓｉ」とは、コア部１１が純石英ガラスからなる場合の典型的な伝送損失である。
　図５から解るように、「Ｇｅ」、「Ｓｉ」のいずれの場合も、（Δ１－Δ２）が０．４５％以上では（Δ１－Δ２）が大きくなるにつれて伝送損失が増加し、０．５５％を超えると急激に増加する傾向がある。さらには、（Δ１－Δ２）があまり大きいと、添加すべきドーパントの量が多くなるため製造が困難である。そこで、伝送損失の観点から、（Δ１－Δ２）は０．５４％以下が好ましく、０．４４％以下がより好ましい。
　つぎに、ｂ／ａの好ましい範囲について図３を参照して説明する。図３から解るように、ｂ／ａが２の場合は（Δ１－Δ２）を０．５５％まで増加させてもλｃｃの最低値の存在が確認されず、ｂ／ａが２．５の場合は（Δ１－Δ２）が０．５６％まで変化させたところ０．５４％までに最低値の存在が確認された。そこで、上述したように０．５４％以下が（Δ１－Δ２）の好ましい値であることを考慮すると、ｂ／ａは２．５以上が好ましい。また、ｂ／ａが３．９であれば、λｃｃが最低値から１０ｎｍ以内となる（Δ１－Δ２）の値は０．３６％である。そこで、上述したように０．３６％以上が（Δ１－Δ２）の好ましい値であることを考慮すると、ｂ／ａは３．９以下が好ましい。また、（Δ１－Δ２）が０．３７％以上０．４４％以下であることがさらに好ましいことを考慮すると、ｂ／ａは２．８以上が好ましく、３．８以下が好ましい。
　また、Δ２については、－０．２３％以上－０．０８％以下であれば、Ａｅｆｆの拡大かつ低カットオフ波長の観点で良好な特性を実現できるので好ましい。
　表１に、２．５から４．０までのｂ／ａにおいて、（Δ１－Δ２）が、カットオフ波長が最低値から１０ｎｍ以内となるような値であり、かつ曲げ損失が急激に増大しない値である範囲を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　したがって、光ファイバ１０の設計方法としては、たとえば表１のようにｂ／ａの値に応じて（Δ１－Δ２）を設定し、設定した（Δ１－Δ２）の条件下で、光学特性が所望の特性になるように、構造パラメータとして、Δ１、Δ２、ΔＣｌａｄ、２ａ、２ｂを設定するのが好ましい。なお、２ａについては、光伝送の使用波長帯域に応じた所望のλｃｃに調整するために適宜変更してもよい。２ａの変更に伴ってＡｅｆｆも変化し、具体的には２ａの増大に伴ってＡｅｆｆも増大する。なお、表１の傾向は、光のコア部への閉じ込めが強すぎず弱すぎない範囲で再現性よく確認されており、具体的には波長１５５０ｎｍにおけるＡｅｆｆが１００μｍ２以上１６０μｍ２以下であれば再現性良く確認された。したがって、光ファイバ１０の波長１５５０ｎｍにおけるＡｅｆｆは、好適にはたとえば１００μｍ２以上１６０μｍ２以下である。
　また、光ファイバ１０の製造方法としては、公知の製造方法を用いて、上記の設計方法において設定した構造パラメータを満たすように光ファイバを製造するのが好ましい。具体的には、光ファイバ１０は、ＶＡＤ（Vapor　Axial　Deposition）法、ＯＶＤ（Outside　Vapor　Deposition）法、ＭＣＶＤ（Modified　Chemical　Vapor　Deposition）法、プラズマＣＶＤ法などを用いた公知の方法で光ファイバ母材を製造し、この光ファイバ母材から、線引炉にて光ファイバ１０を線引きすることによって容易に製造できる。
　たとえば、Ｇｅ、Ｆ、Ｋ、Ｎａなどのドーパントについては、スートの合成時にドーパントを含むガスを用いることで光ファイバ母材に添加することができる。また、Ｃｌについては、脱水工程において用いる塩素ガスを残留させることによって光ファイバ母材に添加することができる。また、Ｆについては、ガラス化焼結構成においてフッ素ガスを流すことによって光ファイバ母材に添加することができる。
　さらに、図６は、（Δ１－Δ２）と、ｂ／ａとについて、好ましい条件の一例を示す図である。具体的には、図６は、表１に示す、各ｂ／ａにおける（Δ１－Δ２）の最大値を黒丸のデータ点で示し、各ｂ／ａにおける（Δ１－Δ２）の最小値を黒四角のデータ点で示したものである。さらに、図６では、黒四角のデータ点を最小二乗法にてフィッティングした曲線を線Ｌ１で示し、黒丸のデータ点を最小二乗法にてフィッティングした曲線を線Ｌ２で示している。
　線Ｌ１は（Δ１－Δ２）＝－０．０８４０（ｂ／ａ）３＋０．８７３９（ｂ／ａ）２－３．０１０６（ｂ／ａ）＋３．７９５６と表すことができる。線Ｌ２は（Δ１－Δ２）＝－０．０９４６（ｂ／ａ）３＋０．９９６２（ｂ／ａ）２－３．５４７７（ｂ／ａ）＋４．６６０５と表すことができる。したがって、光ファイバ１０において、ｂ／ａが２．５以上であり、かつ、（Δ１－Δ２）が、
　　－０．０９４６（ｂ／ａ）３＋０．９９６２（ｂ／ａ）２－３．５４７７（ｂ／ａ）＋４．６６０５≧（Δ１－Δ２）≧－０．０８４０（ｂ／ａ）３＋０．８７３９（ｂ／ａ）２－３．０１０６（ｂ／ａ）＋３．７９５６
　を満たすことが、有効コア断面積の拡大と低カットオフ波長とを実現する観点からはより好ましい。すなわち、ｂ／ａと（Δ１－Δ２）との組み合わせについては、線Ｌ１と線Ｌ２とで囲まれた範囲であることが、有効コア断面積の拡大と低カットオフ波長とを実現する観点からはより好ましい。
　さらに、線Ｌ３は、ｂ／ａ＝２．８を表している。また、線Ｌ４は、ｂ／ａ＝３．８を表している。また、線Ｌ５は、（Δ１－Δ２）＝０．３７％を表している。また、線Ｌ６は、（Δ１－Δ２）＝０．４４％を表している。したがって、ｂ／ａと（Δ１－Δ２）との組み合わせについては、線Ｌ１と線Ｌ２とで囲まれた範囲であり、かつ線Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６に囲まれた範囲であることが、有効コア断面積の拡大と低カットオフ波長とに加え、低曲げ損失と低伝送損失とを実現する観点からは好ましい。
　なお、サイドコア層１２の屈折率を低くし過ぎる（Δ２を小さくし過ぎる）と、添加すべきドーパントの量が多くなり製造が困難となるだけでなく、（Δ１－Δ２）が大きくなって図４に示すように伝送損失が増大する可能性がある。そこで、（Δ１－Δ２）を０．５４％以下、さらには０．４４％以下とすることは、サイドコア層１２の屈折率を低くし過ぎないためにも好ましい。
（実施例）
　実施例として、ＶＡＤ法を用いて製造した光ファイバ母材を線引きし、Ｗ型の屈折率プロファイルを有するサンプルＮｏ．１～１３の光ファイバを製造し、その光学特性を測定した。各サンプルの構造パラメータおよび光学特性を表２に示した。なお、「ＭＦＤ」はモードフィールド径を意味し、「Ｓｌｏｐｅ」は分散スロープを意味する。なお、ＭＦＤ、Ａｅｆｆ、曲げ損失、波長分散、Ｓｌｏｐｅは、波長１５５０ｎｍでの値である。
　なお、Ｗ型の屈折率プロファイルの実現方法としては、コア部はＧｅを添加して純石英ガラスよりも屈折率を高め、クラッド部は純石英ガラスとした。
　表２に示すように、サンプルＮｏ．１～１３の光ファイバのいずれも、（Δ１－Δ２）が０．３６％以上０．５４％以下であり、Δ２が－０．２３％以上－０．０８％以下であり、ｂ／ａが２．５以上４以下である。また、サンプルＮｏ．１～１３の光ファイバのいずれも、Ａｅｆｆが１００μｍ２以上１６０μｍ２以下であるように２ａを設定し、かつ、λｃｃは最低値から１０ｎｍ以内としている（表１も参照）。その結果、表２に示すように、サンプルＮｏ．１～１３の光ファイバのいずれも、λｃｃが１５３０ｎｍ以下でありかつ比較的小さく、曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以下またはさらには０．５ｄＢ／ｍ以下の良好な特性を実現できることが確認された。
　たとえば、サンプルＮｏ．３の光ファイバは、（Δ１－Δ２）が０．３６％であり、Δ２が－０．１１％であり、ｂ／ａが３であり、２ａが１３．３μｍであり、Ａｅｆｆが１２３μｍ２であり、λｃｃが１４３０ｎｍであり、曲げ損失が０．３６ｄＢ／ｍである。また、サンプルＮｏ．９の光ファイバは、（Δ１－Δ２）が０．４３％であり、Δ２が－０．１６％であり、ｂ／ａが３であり、２ａが１３．３μｍであり、Ａｅｆｆが１１６μｍ２であり、λｃｃが１４９７ｎｍであり、曲げ損失が０．０４ｄＢ／ｍである。また、サンプルＮｏ．１２の光ファイバは、（Δ１－Δ２）が０．３９％であり、Δ２が－０．１４％であり、ｂ／ａが３．０であり、２ａが１４．１μｍであり、Ａｅｆｆが１３０μｍ２であり、λｃｃが１５１８ｎｍであり、曲げ損失が０．０６ｄＢ／ｍである。また、サンプルＮｏ．１３の光ファイバは、（Δ１－Δ２）が０．３９％であり、Δ２が－０．１５％であり、ｂ／ａが３．２であり、２ａが１３．６μｍであり、Ａｅｆｆが１２４μｍ２であり、λｃｃが１４６８ｎｍであり、曲げ損失が０．１０ｄＢ／ｍである。
　さらに、サンプルＮｏ．１～１３の光ファイバについて、他の光ファイバとの接続特性やケーブル特性(ケーブル化後損失等)を確認しているが、特に問題のない特性であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
　以上のように、本発明は、光ファイバに利用して好適なものである。
１０　：光ファイバ
１１　：コア部
１２　：サイドコア層
１３　：クラッド部
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６　：線
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３　：プロファイル

Claims (6)

  1. 　コア部と、
    　前記コア部の外周を取り囲むサイドコア層と、
    　前記サイドコア層の外周を取り囲むクラッド部と、
    　を備え、
    　前記クラッド部の平均屈折率に対する、前記コア部の平均の最大比屈折率差をΔ１とし、前記サイドコア層の平均屈折率の比屈折率差をΔ２とし、純石英ガラスに対する前記クラッド部の平均屈折率の比屈折率差をΔＣｌａｄとすると、Δ１＞ΔＣｌａｄ＞Δ２かつ０＞Δ２が成り立ち、
    　波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１００μｍ２以上１６０μｍ２以下であり、
    　（Δ１－Δ２）が０．３６％以上０．５４％以下であり、
    　Δ２が－０．２３％以上－０．０８％以下であり、
    　前記コア部のコア径を２ａ、前記サイドコア層の外径を２ｂとしたときに、ｂ／ａが２．５以上３．９以下であり、
    　前記（Δ１－Δ２）が、カットオフ波長が最低値から１０ｎｍ以内となるような値である
    　光ファイバ。
  2. 　前記（Δ１－Δ２）が、
    　　－０．０９４６（ｂ／ａ）３＋０．９９６２（ｂ／ａ）２－３．５４７７（ｂ／ａ）＋４．６６０５≧（Δ１－Δ２）≧－０．０８４０（ｂ／ａ）３＋０．８７３９（ｂ／ａ）２－３．０１０６（ｂ／ａ）＋３．７９５６
    　を満たす
    　請求項１に記載の光ファイバ。
  3. 　前記（Δ１－Δ２）が、０．３７％以上０．４４％以下である
    　請求項１または２に記載の光ファイバ。
  4. 　前記ｂ／ａが２．８以上３．８以下である
    　請求項１～３のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  5. 　コア部と、前記コア部の外周を取り囲むサイドコア層と、前記サイドコア層の外周を取り囲むクラッド部と、を備え、前記クラッド部の平均屈折率に対する、前記コア部の平均の最大比屈折率差をΔ１、前記サイドコア層の平均屈折率の比屈折率差をΔ２とし、純石英ガラスに対する前記クラッド部の平均屈折率の比屈折率差をΔＣｌａｄとすると、Δ１＞ΔＣｌａｄ＞Δ２かつ０＞Δ２が成り立つ光ファイバの設計方法であって、
    　前記コア部のコア径を２ａ、前記サイドコア層の外径を２ｂとしたときに、ｂ／ａの値に応じて、カットオフ波長が最低値から１０ｎｍ以内となるような値に（Δ１－Δ２）を設定し、
    　前記設定した（Δ１－Δ２）の条件下で、光学特性が所望の特性になるように、構造パラメータとして、前記Δ１、前記Δ２、前記ΔＣｌａｄ、前記コア部のコア径、および前記サイドコア層の外径を設定する
    　光ファイバの設計方法。
  6. 　請求項５に記載の光ファイバの設計方法において設定した前記構造パラメータを満たすように光ファイバを製造する
    　光ファイバの製造方法。
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