WO2023054620A1 - 光ファイバおよびその製造方法 - Google Patents

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WO2023054620A1
WO2023054620A1 PCT/JP2022/036532 JP2022036532W WO2023054620A1 WO 2023054620 A1 WO2023054620 A1 WO 2023054620A1 JP 2022036532 W JP2022036532 W JP 2022036532W WO 2023054620 A1 WO2023054620 A1 WO 2023054620A1
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refractive index
optical fiber
core
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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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    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
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    • C03B37/012—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments
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    • C03B37/018—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments made entirely or partially by chemical means, e.g. vapour phase deposition of bulk porous glass either by outside vapour deposition [OVD], or by outside vapour phase oxidation [OVPO] or by vapour axial deposition [VAD] by glass deposition on a glass substrate, e.g. by inside-, modified-, plasma-, or plasma modified- chemical vapour deposition [ICVD, MCVD, PCVD, PMCVD], i.e. by thin layer coating on the inside or outside of a glass tube or on a glass rod
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber and its manufacturing method.
  • Patent Documents 1 to 5 A method of doping the core with an alkali metal element or alkaline earth metal element to reduce transmission loss at a wavelength of 1550 nm has been disclosed (Patent Documents 1 to 5).
  • Patent Document 2 proposes an optical fiber in which the core is co-doped with germanium (Ge) and an alkali metal element.
  • Germanium is the material that is most widely used as a dopant for the core of optical fibers and has a long track record of handling.
  • An optical fiber having a core portion doped with germanium has been reported at the product level to achieve a low transmission loss characteristic of 0.5 dB/km or less in a wide band including OH loss.
  • the OH loss is the transmission loss at the absorption peak wavelength of the OH group, which is about 1383 nm.
  • the present invention has been made in view of the above, and its object is to provide an optical fiber with low transmission loss in a wide band and a method for manufacturing the same.
  • one aspect of the present invention provides a core portion including a germanium-doped center core, and a refractive index lower than the maximum refractive index of the core portion, and a clad portion surrounding the outer periphery of the center core, wherein the clad portion has a positive relative refractive index difference of 0.1% or less with respect to pure silica glass, and the alkali metal element is distributed in the center core. and the peak of the concentration distribution in the radial direction of the alkali metal element is positioned at a distance of at least twice the radius of the center core from the center of the center core.
  • the peak of the concentration distribution in the radial direction of the alkali metal element may be located at a distance of 3 to 5 times the radius of the center core from the center of the center core.
  • the alkali metal element may be potassium.
  • the average concentration of the alkali metal element in the center core may be 100 ppm or less.
  • the relative refractive index difference ⁇ 1 of the average maximum refractive index of the center core with respect to the average refractive index of the clad portion may be 0.2% or more and 0.6% or less.
  • the transmission loss at a wavelength of 1550 nm may be 0.185 dB/km or less.
  • the transmission loss at the wavelength of the absorption peak of the OH group may be 0.5 dB/km or less.
  • the peak of the lowest value of residual stress may exist on the outer peripheral side of the center core.
  • the diameter 2a of the center core is 7.9 ⁇ m or more and 13.5 ⁇ m or less, and the average maximum relative refractive index difference ⁇ 1 of the center core with respect to the average refractive index of the clad portion is 0.21% or more and 0.60% or less. It's okay.
  • the core portion comprises the center core, the diameter 2a of the center core is 8.0 ⁇ m or more and 12.0 ⁇ m or less, and the average maximum relative refractive index difference ⁇ 1 of the center core with respect to the average refractive index of the clad portion is 0.30%. It may be 0.60% or less.
  • the peak of the concentration distribution of the alkali metal element in the radial direction is located at a distance of 2.0 to 2.8 times the radius of the center core from the center of the center core, and the average concentration of the alkali metal element in the center core may be 50 ppm or more and 100 ppm or less.
  • the core portion includes the center core and a depressed layer formed so as to surround the outer periphery of the center core and having a refractive index smaller than that of the clad portion, and the diameter 2a of the center core is 8.5 ⁇ m or more and 13.5 ⁇ m or less, the average maximum relative refractive index difference ⁇ 1 of the center core with respect to the average refractive index of the clad portion is 0.21% or more and 0.38% or less, and the average refractive index of the clad portion
  • the relative refractive index difference ⁇ 2 of the average refractive index of the depressed layer with respect to the index is ⁇ 0.40% or more and ⁇ 0.03% or less, and the ratio of the outer diameter 2b of the depressed layer to the above 2a (b/a) may be 3.0 or more and 3.6 or less.
  • the peak of the concentration distribution of the alkali metal element in the radial direction is located at a distance of 3.0 to 3.6 times the radius of the center core from the center of the center core, and the average concentration of the alkali metal element in the center core may be 25 ppm or more and 60 ppm or less.
  • the core portion includes the center core and a stepped layer formed so as to surround the outer periphery of the center core and having a refractive index lower than that of the center core and higher than that of the clad portion,
  • the diameter 2a of the center core is 8.4 ⁇ m
  • the average maximum relative refractive index difference ⁇ 1 of the center core with respect to the average refractive index of the clad portion is 0.38%
  • the stepped layer with respect to the average refractive index of the clad portion may be 0.02%
  • the ratio (b/a) of the outer diameter 2b of the stepped layer to the stepped layer 2a may be 3.6.
  • the core portion is formed to surround the center core and an outer periphery of the center core, and is formed to surround an intermediate layer having a refractive index smaller than the maximum refractive index of the center core and an outer periphery of the intermediate layer. and a trench layer having a smaller refractive index than the refractive index of the cladding portion, the diameter 2a of the center core being 7.9 ⁇ m or more and 11.8 ⁇ m or less, and the center core relative to the average refractive index of the cladding portion
  • the average maximum relative refractive index difference ⁇ 1 is 0.27% or more and 0.40% or less
  • the relative refractive index difference ⁇ 2 of the intermediate layer with respect to the average refractive index of the clad portion is ⁇ 0.05% or more and 0.05 % or less
  • the relative refractive index difference ⁇ 3 of the trench layer with respect to the average refractive index of the cladding portion is ⁇ 0.60% or more and ⁇ 0.12% or less
  • the peak of the concentration distribution of the alkali metal element in the radial direction is located at a distance of 3.0 to 5.0 times the radius of the center core from the center of the center core, and the average concentration of the alkali metal element in the center core may be 5 ppm or more and 55 ppm or less.
  • One aspect of the present invention is the method for manufacturing the optical fiber, wherein a portion corresponding to the center core and a position at least twice the radius of the portion corresponding to the center core from the center of the portion corresponding to the center core
  • a center core rod is produced by synthesizing the corresponding part and the corresponding part in a batch synthesis process, a glass pipe having an inner surface doped with an alkali metal element is arranged on the outer periphery of the center core rod, and the alkali metal element corresponds to the center core. Then, an optical fiber is drawn from an optical fiber preform including the center core rod and the glass pipe.
  • the collective synthesis process may be a VAD (Vapor-phase Axial Deposition) method.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a plane perpendicular to the longitudinal direction of an optical fiber according to an embodiment.
  • FIG. 2A is a schematic diagram of a refractive index profile of an optical fiber according to an embodiment
  • FIG. 2B is a schematic diagram of a refractive index profile of an optical fiber according to an embodiment
  • FIG. 2C is a schematic diagram of a refractive index profile of an optical fiber according to an embodiment
  • FIG. 2D is a schematic diagram of a refractive index profile of an optical fiber according to an embodiment
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between radial position, refractive index profile, and K concentration.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between the center core radius ratio of the alkali-doped peak position, OH loss and 1550 nm loss.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between radial position, K concentration, and residual stress.
  • the cutoff wavelength or the effective cutoff wavelength refers to the ITU-T G.I. Refers to the cable cutoff wavelength ( ⁇ cc) defined in R.650.1. For other terms not specifically defined in this specification, see G.I. 650.1 and G.I. 650.2 shall comply with the definition and measurement method.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a plane perpendicular to the longitudinal direction of an optical fiber according to an embodiment.
  • the optical fiber 1 includes a core portion 1a and a clad portion 1b surrounding the outer circumference of the core portion 1a.
  • a portion of the optical fiber 1 including the core portion 1a and the clad portion 1b is a portion made of glass in the optical fiber, and is sometimes referred to as a glass optical fiber.
  • the optical fiber 1 also includes a coating layer 1c surrounding the outer circumference of the clad portion 1b.
  • the coating layer 1c has a primary layer 1ca surrounding the outer circumference of the cladding portion 1b and a secondary layer 1cb surrounding the outer circumference of the primary layer 1ca.
  • the optical fiber 1 provided with the coating layer 1c may be described as an optical fiber cable.
  • the primary layer 1ca and the secondary layer 1cb are made of resin.
  • This resin is, for example, an ultraviolet curing resin.
  • the UV curable resin is a mixture of various resin materials and additives such as oligomers, diluent monomers, photopolymerization initiators, silane coupling agents, sensitizers and lubricants.
  • oligomer conventionally known materials such as polyether urethane acrylate, epoxy acrylate, polyester acrylate, and silicone acrylate can be used.
  • Conventionally known materials such as monofunctional monomers and polyfunctional monomers can be used as the diluent monomer.
  • the additives are not limited to those described above, and conventionally known additives and the like used for ultraviolet curable resins and the like can be widely used.
  • the optical fiber 1 has a refractive index profile as shown in FIGS. 2A, 2B, 2C and 2D, for example.
  • 2A, 2B, 2C, and 2D all show the refractive index profile in the radial direction from the central axis of the core portion 1a of the optical fiber 1.
  • FIG. Note that the refractive index profile is indicated by a relative refractive index difference with respect to pure silica glass.
  • pure silica glass is very high-purity silica glass that does not substantially contain dopants that change the refractive index and has a refractive index of about 1.444 at a wavelength of 1550 nm.
  • FIG. 2A shows a step-type refractive index profile.
  • profile P11 indicates the refractive index profile of core portion 1a
  • profile P12 indicates the refractive index profile of cladding portion 1b.
  • the diameter of the core portion 1a is 2a
  • the relative refractive index difference is ⁇ 1.
  • the relative refractive index difference of the average refractive index of the cladding portion 1b with respect to the refractive index of pure silica glass is ⁇ clad.
  • the center core which is the portion having the highest average refractive index in the core portion 1a, corresponds to the entire core portion 1a. That is, the case of FIG. 2A is an example in which the core portion is composed of the center core.
  • FIG. 2B shows a so-called W-shaped refractive index profile.
  • profile P21 indicates the refractive index profile of core portion 1a
  • profile P22 indicates the refractive index profile of cladding portion 1b.
  • the core portion 1a is formed so as to surround the center core having a diameter of 2a and the outer periphery of the center core, and has a smaller refractive index than the cladding portion and has an inner diameter of 2a and an outer diameter of 2b and the depressed layer.
  • the center core is a portion having the highest average refractive index in the core portion 1a.
  • the average maximum relative refractive index difference of the center core with respect to the average refractive index of the cladding portion 1b is ⁇ 1.
  • the relative refractive index difference of the average refractive index of the depressed layer with respect to the average refractive index of the cladding portion 1b is ⁇ 2.
  • the relative refractive index difference of the average refractive index of the cladding portion 1b with respect to the refractive index of pure silica glass is ⁇ clad.
  • FIG. 2B is an example in which the core portion includes the center core and the depressed layer.
  • FIG. 2C shows a so-called trench-type refractive index profile.
  • profile P31 indicates the refractive index profile of core portion 1a
  • profile P32 indicates the refractive index profile of cladding portion 1b.
  • the core portion 1a is formed so as to surround the center core having a diameter of 2a and the outer periphery of the center core, and has a refractive index smaller than the maximum refractive index of the center core, an inner diameter of 2a, and an outer diameter of 2a.
  • the center core is a portion having the highest average refractive index in the core portion 1a.
  • the average maximum relative refractive index difference of the center core with respect to the average refractive index of the cladding portion 1b is ⁇ 1.
  • the relative refractive index difference of the intermediate layer with respect to the average refractive index of the cladding portion 1b is ⁇ 2.
  • the relative refractive index difference of the trench layer with respect to the average refractive index of the cladding portion 1b is ⁇ 3.
  • the relative refractive index difference of the average refractive index of the cladding portion 1b with respect to the refractive index of pure silica glass is ⁇ clad.
  • ⁇ 2 is usually set to a value equal to or near 0%.
  • FIG. 2C is an example in which the core portion includes the center core, the intermediate layer, and the trench layer.
  • FIG. 2D shows a so-called stepped refractive index profile.
  • profile P41 indicates the refractive index profile of core portion 1a
  • profile P42 indicates the refractive index profile of cladding portion 1b.
  • the core portion 1a is formed so as to surround the center core having a diameter of 2a and the outer circumference of the center core, and the inner diameter is smaller in refractive index than the refractive index of the center core and larger than the refractive index of the cladding portion. is 2a and the outer diameter is 2b.
  • the center core is a portion having the highest average refractive index in the core portion 1a.
  • the average maximum relative refractive index difference of the center core with respect to the average refractive index of the cladding portion 1b is ⁇ 1.
  • the relative refractive index difference of the average refractive index of the stepped layer with respect to the average refractive index of the cladding portion 1b is ⁇ 2.
  • the relative refractive index difference of the average refractive index of the cladding portion 1b with respect to the refractive index of pure silica glass is ⁇ clad.
  • FIG. 2D is an example in which the core portion includes the center core and the staircase layer.
  • the refractive index profile of the center core of the core portion 1a is not limited to the geometrically ideal shape step type, but also the shape of the top is not flat and unevenness is formed due to manufacturing characteristics, or the top is uneven. It may have a shape that pulls the hem.
  • the refractive index of the substantially flat region at the top of the refractive index profile within the range of the core diameter 2a of the core portion 1a in manufacturing design serves as an index for determining ⁇ 1.
  • the substantially flat region seems to be divided into multiple places, or when it is difficult to define the substantially flat region due to a continuous change, At least any part of the core part other than the part where the rate changes is within the range of ⁇ 1 below, and the difference in ⁇ between the maximum value and the minimum value is within ⁇ 30% of a certain value, desired It has been confirmed that it is possible to produce characteristics close to , and there is no particular problem.
  • the average refractive index of the depressed layer, the intermediate layer, the trench layer, the stepped layer, and the clad portion 1b is the average value of the refractive indices in the radial direction of the refractive index profile.
  • the cladding portion 1b has a lower refractive index than the maximum refractive index of the core portion 1a.
  • the cladding portion 1b is made of silica-based glass whose relative refractive index difference is a positive value of 0.1% or less with chlorine (Cl), for example, compared to pure silica glass.
  • the cladding portion 1b may not contain dopants that change the refractive index other than Cl.
  • the center core of the core portion 1a is made of silica glass doped with Ge or an alkali metal element.
  • Alkali metal elements are potassium (K) and sodium (Na), for example.
  • An alkali metal element is a dopant that increases the refractive index of quartz glass and reduces the viscosity thereof.
  • the alkali metal element may be doped as a compound such as a potassium compound or a sodium compound.
  • the center core may be doped with Cl.
  • the stepped layer of the core portion 1a is made of silica glass doped with Ge or an alkali metal element.
  • the staircase layer may be doped with Cl.
  • the depressed layer and the trench layer of the core portion 1a are made of quartz glass doped with fluorine or boron, which is a refractive index lowering dopant that lowers the refractive index.
  • the intermediate layer is made of silica glass having a refractive index equal to or close to that of the cladding portion 1b.
  • fluorine is more preferable from the viewpoint of manufacturability. Fluorine may be doped as a fluorine compound.
  • the depressed layer, the trench layer, and the intermediate layer may be doped with Cl.
  • layers other than the center core and the stepped layer in the core portion 1a or the clad portion 1b may be doped with an alkali metal element.
  • the optical fiber 1 is doped with an alkali metal element so as to be distributed in the center core of the core portion 1a. in a distant position.
  • the alkali metal element is potassium (K).
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between radial position, refractive index profile, and K concentration.
  • the zero radial position is the central axis of the core portion 1a and the central axis of the center core.
  • the region with a large relative refractive index in the refractive index profile is the center core.
  • K is doped so as to be distributed in the center core, and the K concentration peak is located at a distance of more than twice the radius of the center core from the center of the center core.
  • a portion corresponding to the center core and a portion corresponding to a position at least twice the radius of the portion corresponding to the center core from the center of the portion corresponding to the center core. are synthesized in a batch synthesis process to fabricate a center core rod made of quartz-based glass.
  • the collective synthesis process is a VAD (Vapor-phase Axial Deposition) method or an MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) method.
  • K which is an alkali metal element
  • K diffuses to a portion corresponding to the center core.
  • the optical fiber 1 is drawn from the optical fiber preform including the center core rod and the glass pipe.
  • OH groups may be introduced to the surface of the center core rod. in a distant position. Therefore, in the manufactured optical fiber 1 as well, the position where the OH group exists is a position at least twice the radius of the center core from the center of the center core. Therefore, OH loss is suppressed because the OH group is away from the region where the light intensity is high in the optical fiber 1 . Furthermore, since the center core is doped with K, the transmission loss of the optical fiber 1 at a wavelength of 1550 nm is also suppressed.
  • the optical fiber 1 according to Embodiment 1 is an optical fiber with reduced transmission loss and OH loss at a wavelength of 1550 nm and low transmission loss in a wide band.
  • the transmission loss at a wavelength of 1550 nm is, for example, 0.185 dB/km or less.
  • the OH loss is, for example, 0.5 dB/km or less.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between the center core radius ratio of the alkali-doped peak position, OH loss and 1550 nm loss.
  • the center core radius ratio of the alkali dope peak position (hereinafter sometimes abbreviated as the center core radius ratio) is a value obtained by normalizing the distance from the center of the center core to the position of the K concentration peak in the radial direction by the radius of the center core. is.
  • 1550 nm loss means transmission loss at a wavelength of 1550 nm.
  • the average concentration of K means the average concentration of K in the radial direction.
  • the refractive index profiles of the optical fiber samples used for the investigation are step type, W type, step type, and trench type.
  • the core diameter was adjusted so that (1) the cable cutoff wavelength was 1200 nm, or (2) the cable cutoff wavelength was 1500 nm.
  • the average transmission loss mentioned above is the average transmission loss of samples manufactured on trial under these various conditions.
  • Table 1 shows the average transmission loss at a wavelength of 1550 nm when ⁇ 1 and average K concentration are changed.
  • Table 1 shows the average transmission loss at a wavelength of 1550 nm when ⁇ 1 and average K concentration are changed.
  • ⁇ 1 is 0.2% or more and 0.6% or less and when the average K concentration is 100 ppm or less
  • the transmission loss at a wavelength of 1550 nm is 0.185 dB / km or less. preferable.
  • the reason for this is that if ⁇ 1 is 0.2% or more, an increase in transmission loss due to bending loss is unlikely to occur, and if ⁇ 1 is 0.6% or less, the influence of Rayleigh scattering loss due to dopants in the center core is small. Conceivable.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between the radial position, the K concentration, and the residual stress in an optical fiber prototyped as an example of the optical fiber 1.
  • the center core radius of the prototype optical fiber is about 4 ⁇ m.
  • the residual stress the tensile stress is shown as a positive value, and the compressive stress is shown as a negative value.
  • the position of the K concentration peak corresponds to the position doped with K (position on the surface of the center core rod). That is, from FIG. 5, it can be seen that the optical fiber has a residual compressive stress in a wide region with a peak at the K-doped position. This means that structural relaxation is progressing in this region during drawing, and appears as an effect of reducing transmission loss at a wavelength of 1550 nm.
  • a state in which the peak of the lowest value of residual stress exists on the outer peripheral side of the center core in the radial direction is an example of a preferable state.
  • an optical fiber similar to the optical fiber according to the embodiment was manufactured by either method (1) or method (2) below.
  • a core rod (an example of a center core rod) having a portion corresponding to the core portion of an optical fiber and a portion corresponding to a portion of the clad portion is produced by batch synthesis. bottom.
  • a tube corresponding to the remainder of the clad portion was prepared by a tube manufacturing method.
  • the potassium chloride (KCl) raw material is heated to the melting point or higher in an electric furnace and melted and evaporated, aerosol particles are generated by cooling gas, transported to the inside of the tube by Ar carrier gas, and potassium is deposited on the inner surface. was deposited.
  • KCl potassium chloride
  • Method (2) As in method (1), using a known VAD apparatus, a core rod having a portion corresponding to the core portion of the optical fiber and a portion corresponding to a portion of the clad portion is manufactured by batch synthesis. bottom. Subsequently, the aerosol particles generated by the same method as method (1) were combined with oxyhydrogen gas and flowed by a VAD burner to deposit potassium as uniformly as possible on the entire surface of the core rod. Thereafter, a portion corresponding to the remainder of the clad was formed using the VAD method or the jacket method to obtain an optical fiber preform. Subsequently, an optical fiber was drawn from this optical fiber preform.
  • the design parameters and optical properties of optical fibers 1-16 are shown in Table 2.
  • the "alkali concentration peak position” is a value obtained by normalizing the distance from the center of the center core to the position of the K concentration peak in the radial direction by the radius of the center core.
  • the “center core alkali concentration average value” is the average concentration of the alkali metal element in the center core.
  • “Aeff” is the effective core area.
  • No. 1 to 5 are step type; 6 to 10 are W type, No. 11 is a staircase type; 12 to 16 are trench type.
  • optical fibers 1-16 had low transmission loss and OH loss at a wavelength of 1550 nm. Various values of ⁇ cc and Aeff were realized.
  • the No. 7 optical fiber has a ⁇ 1 of 0.38%, a ⁇ 2 of ⁇ 0.05%, an alkali concentration peak position of 3.2, b/a of 3.2, 2a of 8.6 ⁇ m, and a center core alkali concentration of The average value is 40 ppm.
  • a transmission loss of 0.173 dB/km, an OH loss of 0.34 dB/km, a ⁇ cc of 1192 nm, and an Aeff of 72 ⁇ m 2 are obtained. is desirable.
  • ⁇ 1 is 0.27%
  • ⁇ 2 is 0%
  • ⁇ 3 is -0.17%
  • alkali concentration peak position is 4.0
  • b/a is 2.5
  • c/a is 4.0
  • 2a is 11.8 ⁇ m
  • the center core alkali concentration average value is 5 ppm.
  • 2a is 7.9 ⁇ m or more and 13.5 ⁇ m or less, and ⁇ 1 is 0.21% or more and 0.60% or less.
  • a preferable example of a step-type refractive index profile is 2a of 8.0 ⁇ m or more and 12.0 ⁇ m or less and ⁇ 1 of 0.30% or more and 0.60% or less.
  • the alkali concentration peak position is 2.0 or more and 2.8 or less
  • the center core alkali concentration average value is 50 ppm or more and 100 ppm or less.
  • 2a is 8.5 ⁇ m or more and 13.5 ⁇ m or less, ⁇ 1 is 0.21% or more and 0.38% or less, and ⁇ 2 is ⁇ 0.40. % or more and -0.03% or less, and b/a is 3.0 or more and 3.6 or less.
  • the alkali concentration peak position is 3.0 or more and 3.6 or less, and the center core alkali concentration average value is 25 ppm or more and 60 ppm or less.
  • a preferred example of a stepped refractive index profile has 2a of 8.4 ⁇ m, ⁇ 1 of 0.38%, ⁇ 2 of 0.02%, and b/a of 3.6. be.
  • the alkali concentration peak position is 3.6
  • the center core alkali concentration average value is 20 ppm.
  • 2a is 7.9 ⁇ m or more and 11.8 ⁇ m or less
  • ⁇ 1 is 0.27% or more and 0.40% or less
  • ⁇ 2 is ⁇ 0.05.
  • ⁇ 3 is ⁇ 0.60% or more and ⁇ 0.12% or less
  • b/a is 2.0 or more and 3.0 or less
  • c/a is 3.0 or more 5.0 or less.
  • the alkali concentration peak position is 3.0 or more and 5.0 or less
  • the center core alkali concentration average value is 5 ppm or more and 55 ppm or less.
  • the doping method of potassium is not limited to the method of the above example.
  • silica soot may be first manufactured, then pre-sintered in a temperature range where densification does not occur, and the pre-sintered body may be doped with potassium by a liquid immersion method.
  • Potassium nitrates, iodides, bromides, etc. may be used instead of potassium chloride.
  • doping sodium instead of potassium, various sodium compounds can be used.
  • the present invention is not limited by the above embodiments.
  • the present invention also includes those configured by appropriately combining the respective constituent elements described above. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, broader aspects of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible.
  • optical fiber 1a core portion 1b: clad portion 1c: coating layer 1ca: primary layer 1cb: secondary layer

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Abstract

本発明の目的は、広帯域において低伝送損失の光ファイバおよびその製造方法を提供することにある。　本発明の光ファイバは、ゲルマニウムがドープされたセンタコアを含むコア部（１ａ）と、前記コア部の最大屈折率よりも屈折率が低く、前記コア部の外周を取り囲むクラッド部（１ｂ）と、を備え、前記クラッド部は、純石英ガラスに対して、比屈折率差が０．１％以下の正値であり、アルカリ金属元素が、前記センタコアに分布するようにドープされており、前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の２倍以上離れた位置にある。

Description

光ファイバおよびその製造方法
　本発明は、光ファイバおよびその製造方法に関する。
　コア部にアルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素をドープして、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を低減する手法が開示されている（特許文献１～５）。たとえば、特許文献２では、コアにゲルマニウム（Ｇｅ）とアルカリ金属元素とを共ドープした光ファイバが提案されている。
特開昭６３－４０７４４号公報 特表２００７－５０４０８０号公報 特許第５４８９７１３号公報 特許第５９７４４８８号公報 特開２０１５－１０５１９９号公報
　ゲルマニウムは、光ファイバのコア部へのドーパントとしては最も広く利用され、かつ取り扱いの実績も長い物質である。ゲルマニウムをコア部へドープした光ファイバにおいて、ＯＨ損失も含めて、広帯域で０．５ｄＢ／ｋｍ以下の低伝送損失特性を実現したものが製品レベルで報告されている。ＯＨ損失とは、ＯＨ基の吸収ピークの波長における伝送損失のことであり、その波長は約１３８３ｎｍである。
　しかしながら、ゲルマニウムをコア部へドープした光ファイバの優位性である、ＯＨ損失も含めた広帯域での低伝送損失特性を維持しながら、さらにアルカリ金属元素をドープしてさらに伝送損失を低減する方法については、提案がされてこなかった。
　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、広帯域において低伝送損失の光ファイバおよびそ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、ゲルマニウムがドープされたセンタコアを含むコア部と、前記コア部の最大屈折率よりも屈折率が低く、前記コア部の外周を取り囲むクラッド部と、を備え、前記クラッド部は、純石英ガラスに対して、比屈折率差が０．１％以下の正値であり、アルカリ金属元素が、前記センタコアに分布するようにドープされており、前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の２倍以上離れた位置にある光ファイバである。
　前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の３倍以上５倍以下離れた位置にあるものでもよい。
　前記アルカリ金属元素はカリウムであるものでもよい。
　前記センタコアにおける前記アルカリ金属元素の平均濃度が１００ｐｐｍ以下であるものでもよい。
　前記センタコアの平均の最大屈折率の、前記クラッド部の平均屈折率に対する比屈折率差Δ１が０．２％以上０．６％以下であるものでもよい。
　波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．１８５ｄＢ／ｋｍ以下であるものでもよい。
　ＯＨ基の吸収ピークの波長における伝送損失が０．５ｄＢ／ｋｍ以下であるものでもよい。
　半径方向において、前記センタコアよりも外周側に残留応力の最低値のピークが存在するものでもよい。
　前記センタコアの直径２ａが７．９μｍ以上１３．５μｍ以下であり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記センタコアの平均の最大比屈折率差Δ１が０．２１％以上０．６０％以下であるものでもよい。
　前記コア部は前記センタコアからなり、前記センタコアの直径２ａが８．０μｍ以上１２．０μｍ以下であり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記センタコアの平均の最大比屈折率差Δ１が０．３０％以上０．６０％以下であるものでもよい。
　前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の２．０倍以上２．８倍以下離れた位置にあり、前記センタコアにおける前記アルカリ金属元素の平均濃度が５０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下であるものでもよい。
　前記コア部は、前記センタコアと、前記センタコアの外周を取り囲むように形成されており、屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも小さいディプレスト層とで構成されており、前記センタコアの直径２ａが８．５μｍ以上１３．５μｍ以下であり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記センタコアの平均の最大比屈折率差Δ１が０．２１％以上０．３８％以下であり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記ディプレスト層の平均屈折率の比屈折率差Δ２が－０．４０％以上－０．０３％以下であり、前記２ａに対する前記ディプレスト層の外径２ｂの比（ｂ／ａ）が３．０以上３．６以下であるものでもよい。
　前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の３．０倍以上３．６倍以下離れた位置にあり、前記センタコアにおける前記アルカリ金属元素の平均濃度が２５ｐｐｍ以上６０ｐｐｍ以下であるものでもよい。
　前記コア部は、前記センタコアと、前記センタコアの外周を取り囲むように形成されており、屈折率が前記センタコアの屈折率より小さく前記クラッド部の屈折率よりも大きい階段層とで構成されており、前記センタコアの直径２ａが８．４μｍであり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記センタコアの平均の最大比屈折率差Δ１が０．３８％であり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記階段層の平均屈折率の比屈折率差Δ２が０．０２％であり、前記２ａに対する前記階段層の外径２ｂの比（ｂ／ａ）が３．６であるものでもよい。
　前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の３．６倍離れた位置にあり、前記センタコアにおける前記アルカリ金属元素の平均濃度が２０ｐｐｍであるものでもよい。
　前記コア部は、前記センタコアと、前記センタコアの外周を取り囲むように形成されており、屈折率が前記センタコアの最大屈折率よりも小さい中間層と、前記中間層の外周を取り囲むように形成されており、屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも小さいトレンチ層とで構成されており、前記センタコアの直径２ａが７．９μｍ以上１１．８μｍ以下であり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記センタコアの平均の最大比屈折率差Δ１が０．２７％以上０．４０％以下であり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記中間層の比屈折率差Δ２が－０．０５％以上０．０５％以下であり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記トレンチ層の比屈折率差Δ３が－０．６０％以上－０．１２％以下であり、前記２ａに対する前記中間層の外径２ｂの比（ｂ／ａ）が２．０以上３．０以下であり、前記２ａに対する前記トレンチ層の外径２ｃの比（ｃ／ａ）が３．０以上５．０以下であるものでもよい。
　前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の３．０倍以上５．０倍以下離れた位置にあり、前記センタコアにおける前記アルカリ金属元素の平均濃度が５ｐｐｍ以上５５ｐｐｍ以下であるものでもよい。
　本発明の一態様は、前記光ファイバの製造方法であって、センタコアに対応する部分と、前記センタコアに対応する部分の中心から前記センタコアに対応する部分の半径の２倍以上離れた位置までに対応する部分とを一括合成プロセスで合成してセンタコアロッドを作製し、前記センタコアロッドの外周に、内表面にアルカリ金属元素がドープされたガラスパイプを配置し、前記アルカリ金属元素を前記センタコアに対応する部位まで拡散させ、前記センタコアロッドと前記ガラスパイプとを含む光ファイバ母材から光ファイバを線引きする。
　前記一括合成プロセスはＶＡＤ（Vapor-phase　Axial　Deposition）法であるものでもよい。
　本発明によれは、広帯域において低伝送損失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長手方向に垂直な面における模式的な断面図である。 図２Ａ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２Ｂ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２Ｃ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２Ｄ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、半径方向位置と、屈折率プロファイルおよびＫ濃度との関係の一例を示す図である。 図４は、アルカリドープピーク位置のセンタコア半径比と、ＯＨ損失および１５５０ｎｍ損失との関係の一例を示す図である。 図５は、半径方向位置と、Ｋ濃度および残留応力との関係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長手方向に垂直な面における模式的な断面図である。光ファイバ１は、コア部１ａと、コア部１ａの外周を取り囲むクラッド部１ｂとを備える。なお、光ファイバ１におけるコア部１ａとクラッド部１ｂとを備える部分は、光ファイバにおいてガラスからなる部分であり、ガラス光ファイバと記載する場合がある。また、光ファイバ１は、クラッド部１ｂの外周を取り囲む被覆層１ｃを備える。被覆層１ｃは、クラッド部１ｂの外周を取り囲むプライマリ層１ｃａと、プライマリ層１ｃａの外周を取り囲むセカンダリ層１ｃｂとを有する。被覆層１ｃを備える光ファイバ１は、光ファイバ心線と記載する場合がある。
　プライマリ層１ｃａおよびセカンダリ層１ｃｂは、樹脂からなる。この樹脂は、たとえば、紫外線硬化樹脂である。紫外線硬化樹脂は、たとえば、オリゴマー、希釈モノマー、光重合開始剤、シランカップリング剤、増感剤、滑剤等、各種の樹脂材料と添加剤とを配合したものである。オリゴマーとしては、ポリエーテル系ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート、シリコーンアクリレート等、従来公知の材料を用いることができる。希釈モノマーとしては、単官能モノマー、多官能モノマー等、従来公知の材料を用いることができる。また、添加剤は、上記したものに限定されず、紫外線硬化樹脂等に対して使用される従来公知の添加剤等を広く用いることができる。
　光ファイバ１は、たとえば図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄに示すような屈折率プロファイルを有する。図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄは、いずれも、光ファイバ１のコア部１ａの中心軸から半径方向における屈折率プロファイルを示している。なお、屈折率プロファイルは、純石英ガラスに対する比屈折率差で示している。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２Ａは、ステップ（Ｓｔｅｐ）型の屈折率プロファイルを示している。図２Ａにおいて、プロファイルＰ１１がコア部１ａの屈折率プロファイルを示し、プロファイルＰ１２がクラッド部１ｂの屈折率プロファイルを示す。ステップ型の屈折率プロファイルでは、コア部１ａの直径(コア直径)は２ａであり、クラッド部１ｂの平均屈折率に対する、コア部１ａ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。また、純石英ガラスの屈折率に対するクラッド部１ｂの平均屈折率の比屈折率差はΔｃｌａｄである。図２（ａ）の場合、コア部１ａのなかで平均の屈折率が最大である部分であるセンタコアは、コア部１ａ全体に対応する。すなわち、図２Ａの場合は、コア部がセンタコアからなる場合の一例である。
　図２Ｂは、いわゆるＷ型の屈折率プロファイルを示している。図２Ｂにおいて、プロファイルＰ２１がコア部１ａの屈折率プロファイルを示し、プロファイルＰ２２がクラッド部１ｂの屈折率プロファイルを示す。Ｗ型の屈折率プロファイルでは、コア部１ａは、直径が２ａのセンタコアと、センタコアの外周を取り囲むように形成されており、屈折率がクラッド部の屈折率よりも小さく内径が２ａで外径が２ｂのディプレスト層とで構成されている。センタコアは、コア部１ａのなかで平均の屈折率が最大である部分である。クラッド部１ｂの平均屈折率に対するセンタコアの平均の最大比屈折率差はΔ１である。クラッド部１ｂの平均屈折率に対するディプレスト層の平均屈折率の比屈折率差はΔ２である。また、純石英ガラスの屈折率に対するクラッド部１ｂの平均屈折率の比屈折率差はΔｃｌａｄである。
　図２Ｂの場合は、コア部がセンタコアとディプレスト層とを含む場合の一例である。
　図２Ｃは、いわゆるトレンチ型の屈折率プロファイルを示している。図２Ｃにおいて、プロファイルＰ３１がコア部１ａの屈折率プロファイルを示し、プロファイルＰ３２がクラッド部１ｂの屈折率プロファイルを示す。トレンチ型の屈折率プロファイルでは、コア部１ａは、直径が２ａのセンタコアと、センタコアの外周を取り囲むように形成されており、屈折率がセンタコアの最大屈折率よりも小さく内径が２ａで外径が２ｂの中間層と、中間層の外周を取り囲むように形成されており、屈折率がクラッド部の屈折率よりも小さく内径が２ｂで外径が２ｃのトレンチ層とで構成されている。センタコアは、コア部１ａのなかで平均の屈折率が最大である部分である。クラッド部１ｂの平均屈折率に対するセンタコアの平均の最大比屈折率差はΔ１である。クラッド部１ｂの平均屈折率に対する中間層の比屈折率差はΔ２である。クラッド部１ｂの平均屈折率に対するトレンチ層の比屈折率差はΔ３である。また、純石英ガラスの屈折率に対するクラッド部１ｂの平均屈折率の比屈折率差はΔｃｌａｄである。なお、Δ２は、通常は０％と同値またはその近傍に設定される。０％と同値またはその近傍とは、たとえば－０．０５％～０．０５％の範囲である。Δ２＝－０．０５％～０．０５％の範囲であれば、光ファイバの光学特性に大きな影響を及ぼさないことが分かっている。
　図２Ｃの場合は、コア部がセンタコアと中間層とトレンチ層とを含む場合の一例である。
　図２Ｄは、いわゆる階段型の屈折率プロファイルを示している。図２Ｄにおいて、プロファイルＰ４１がコア部１ａの屈折率プロファイルを示し、プロファイルＰ４２がクラッド部１ｂの屈折率プロファイルを示す。階段型の屈折率プロファイルでは、コア部１ａは、直径が２ａのセンタコアと、センタコアの外周を取り囲むように形成されており、屈折率がセンタコアの屈折率より小さくクラッド部の屈折率よりも大きい内径が２ａで外径が２ｂの階段層とで構成されている。センタコアは、コア部１ａのなかで平均の屈折率が最大である部分である。クラッド部１ｂの平均屈折率に対するセンタコアの平均の最大比屈折率差はΔ１である。クラッド部１ｂの平均屈折率に対する階段層の平均屈折率の比屈折率差はΔ２である。また、純石英ガラスの屈折率に対するクラッド部１ｂの平均屈折率の比屈折率差はΔｃｌａｄである。
　図２Ｄの場合は、コア部がセンタコアと階段層とを含む場合の一例である。
　ここで、コア部１ａのセンタコア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１ａのコア直径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。なお、略平坦である領域が複数個所に分かれていると思われる場合や、あるいは連続的な変化が起こっていて略平坦である領域の定義が難しい場合も、隣の層に向かって急激に屈折率が変化する部分以外のコア部の少なくともいずれかの部分が下記のΔ１の範囲に入っていて、最大値と最小値とのΔの差が、或る値±３０％以内であれば、所望に近い特性を出すことが可能であることを確認しており、特に問題はない。
　また、ディプレスト層、中間層、トレンチ層、階段層、およびクラッド部１ｂ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。クラッド部１ｂは、コア部１ａの最大屈折率よりも屈折率が低い。
　つぎに、光ファイバ１のコア部１ａおよびクラッド部１ｂの構成材料について説明する。まず、クラッド部１ｂは、純石英ガラスに対して、たとえば塩素（Ｃｌ）によって、比屈折率差が０．１％以下の正値になっている石英系ガラスからなる。クラッド部１ｂは、Ｃｌ以外には屈折率を変化させるドーパントを含まなくてもよい。
　つぎに、コア部１ａのセンタコアは、Ｇｅやアルカリ金属元素がドープされた石英ガラスからなる。アルカリ金属元素は、たとえばカリウム（Ｋ）やナトリウム（Ｎａ）である。アルカリ金属元素は、石英ガラスの屈折率を上昇させるとともに、粘性を低下させるドーパントである。なお、アルカリ金属元素は化合物、たとえばカリウム化合物やナトリウム化合物としてドープされていてもよい。センタコアには、Ｃｌがドープされていてもよい。
　コア部１ａの階段層は、Ｇｅやアルカリ金属元素がドープされた石英ガラスからなる。階段層には、Ｃｌがドープされていてもよい。
　コア部１ａのディプレスト層およびトレンチ層は、屈折率を低下させる屈折率低下ドーパントであるフッ素またはホウ素がドープされた石英ガラスからなる。中間層は、クラッド部１ｂと同じまたはそれに近い屈折率となる成分の石英ガラスからなる。ここで、屈折率を下げるドーパントとしては、フッ素にする方が製造性の観点でより好ましい。なお、フッ素は、フッ素化合物としてドープされていてもよい。また、ディプレスト層、トレンチ層、および中間層には、Ｃｌがドープされていてもよい。
　なお、所望の屈折率プロファイルが実現されているならば、コア部１ａにおけるセンタコアと階段層以外の層、またはクラッド部１ｂに、アルカリ金属元素がドープされていてもよい。
　つぎに、光ファイバ１におけるアルカリ金属元素の濃度分布について具体的に説明する。光ファイバ１には、アルカリ金属元素が、コア部１ａのセンタコアに分布するようにドープされており、アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、センタコアの中心からセンタコアの半径の２倍以上離れた位置にある。以下では、アルカリ金属元素がカリウム（Ｋ）であるとして説明する。
　図３は、半径方向位置と、屈折率プロファイルおよびＫ濃度との関係の一例を示す図である。半径方向位置がゼロの位置は、コア部１ａの中心軸であり、センタコアの中心軸である。また、屈折率プロファイルにおける比屈折率が大きい領域はセンタコアである。図３に示すように、Ｋは、センタコアに分布するようにドープされており、Ｋ濃度のピークが、センタコアの中心からセンタコアの半径の２倍以上離れた位置にある。
　このような光ファイバ１を製造する場合、たとえば、まず、センタコアに対応する部分と、センタコアに対応する部分の中心からセンタコアに対応する部分の半径の２倍以上離れた位置までに対応する部分とを一括合成プロセスで合成して、石英系ガラスからなるセンタコアロッドを作製する。ここで、一括合成プロセスとは、ＶＡＤ（Vapor-phase　Axial　Deposition）法やＭＣＶＤ（Modifired　Chemical　Vapor　Deposition）法である。
　つづいて、センタコアロッドの外周に、内表面にアルカリ金属元素であるＫがドープされたガラスパイプを配置し、熱処理によってセンタコアロッドとガラスパイプとを一体化する。この一体化のための熱処理、または一体化のための熱処理および追加の処理によって、Ｋはセンタコアに対応する部位まで拡散する。その後、センタコアロッドとガラスパイプとを含む光ファイバ母材から光ファイバ１を線引きする。
　以上の製造工程によれば、ＯＨ基がセンタコアロッドの表面に導入される可能性があるが、センタコアロッドの表面は、センタコアに対応する部分の中心からセンタコアに対応する部分の半径の２倍以上離れた位置にある。そのため、製造される光ファイバ１においても、ＯＨ基が存在する位置は、センタコアの中心からセンタコアの半径の２倍以上離れた位置である。そのため、光ファイバ１において光の強度が強い領域からＯＨ基が離れているので、ＯＨ損失は抑制される。さらには、センタコアにはＫがドープされることとなるため、光ファイバ１の波長１５５０ｎｍにおける伝送損失も抑制される。
　以上説明したように、実施形態１に係る光ファイバ１は、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失およびＯＨ損失が抑制されており、広帯域において低伝送損失の光ファイバである。
　なお、光ファイバ１において、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は、たとえば０．１８５ｄＢ／ｋｍ以下である。また、ＯＨ損失は、たとえば０．５ｄＢ／ｋｍ以下である。
　つづいて、Ｋ濃度のピーク位置と波長１５５０ｎｍにおける伝送損失およびＯＨ損失との関係について説明する。図４は、アルカリドープピーク位置のセンタコア半径比と、ＯＨ損失および１５５０ｎｍ損失との関係の一例を示す図である。アルカリドープピーク位置のセンタコア半径比（以下、センタコア半径比と略記する場合がある）とは、半径方向においてセンタコアの中心からＫ濃度のピークの位置までの距離を、センタコアの半径で規格化した値である。また、１５５０ｎｍ損失とは、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を意味する。
　図４に示すように、センタコア半径比を１から増加させるとＯＨ損失（ＯＨピーク損失）が小さくなる。しかしながら、センタコア半径比を１から増加させると、１５５０ｎｍ損失がいったん減少するがその後増加する。これは、センタコア半径比を１から増加させすぎると、光ファイバ１において光の強度が強い領域における、アルカリ金属元素による線引き時の構造緩和促進効果が小さくなるためであると考えられる。そこで、センタコア半径比が３以上５以下、すなわちアルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、センタコアの中心からセンタコアの半径の３倍以上５倍以下離れた位置にあれば、ＯＨ基の低減の効果と、１５５０ｎｍ損失の低減の効果とのバランスの点から好ましい。
　つぎに、本発明者は、センタコアのΔ１とセンタコアにおけるＫの平均濃度（平均Ｋ濃度）とを変化させた場合の波長１５５０ｎｍにおける平均伝送損失の変化を調査した。ここで、Ｋの平均濃度とは、半径方向におけるＫの濃度の平均を意味する。なお、調査に使用した光ファイバのサンプルの屈折率プロファイルは、ステップ型、Ｗ型、階段型、トレンチ型である。また、コア径は、（１）ケーブルカットオフ波長が１２００ｎｍになるように調整した、または（２）ケーブルカットオフ波長が１５００ｎｍになるように調整した。上記平均伝送損失とは、これらの様々な条件で試作したサンプルの平均の伝送損失である。
　調査の結果、Δ１および平均Ｋ濃度と、平均伝送損失とには深い相関が見られたが、屈折率プロファイルやケーブルカットオフと、平均伝送損失とには深い相関は見られなかった。
　表１は、Δ１と平均Ｋ濃度とを変化させた場合の波長１５５０ｎｍにおける平均伝送損失を示している。表１から分かるように、Δ１が０．２％以上０．６％以下である場合や平均Ｋ濃度が１００ｐｐｍ以下である場合が、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を０．１８５ｄＢ／ｋｍ以下とする上では好ましい。この理由は、Δ１が０．２％以上であれば曲げ損失の影響による伝送損失の増加が起こりにくく、Δ１が０．６％以下であればセンタコアのドーパントによるレイリー散乱損失の影響が小さいためと考えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　つぎに、実施形態に係る光ファイバ１における残留応力について説明する。光ファイバ１の製造工程において、Ｋはドープされた位置から熱拡散し、センタコアを含む幅広い領域にて残留圧縮応力を発生させる。図５は、光ファイバ１の実施例として試作した光ファイバにおける、半径方向位置と、Ｋ濃度および残留応力との関係の一例を示す図である。試作した光ファイバのセンタコア半径は約４μｍである。なお、残留応力については引張応力を正値とし、圧縮応力を負値として示している。
　図５において、Ｋ濃度のピークの位置はＫがドープされた位置（センタコアロッドの表面の位置）に相当する。すなわち、図５から、光ファイバには、Ｋがドープされた位置をピークとして、幅広い領域において残留圧縮応力が存在していることがわかる。このことは、線引き中にこの領域での構造緩和が進んでいることを意味しており、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失の低減の効果として現れている。
　図５のように、半径方向において、センタコアよりも外周側に残留応力の最低値のピークが存在する状態は、好ましい状態の一例である。
（実施例）
　本発明の実施例として、実施形態に係る光ファイバと同様の光ファイバを、以下の方法（１）、方法（２）のいずれかにて製造した。
　方法（１）：まず、公知のＶＡＤ装置を用いて、光ファイバのコア部に相当する部分とクラッド部の一部に相当する部分とを有するコアロッド（センタコアロッドの一例）を一括合成にて製造した。つづいて、製管法にて、クラッド部の残部に相当するチューブを準備した。そして、塩化カリウム（ＫＣｌ）原料を電気炉で融点以上に昇温して溶融・蒸発させた後、冷却ガスによってエアロゾル粒子を生成し、Ａｒキャリアガスでチューブの内部に輸送し、内表面にカリウムを堆積させた。その後、チューブの中にコアロッドを挿入し、内部を真空にし、酸水素火炎をチューブの外部に当ててコラップス処理を行うことで、光ファイバ母材を得た。つづいて、この光ファイバ母材から光ファイバを線引きした。なお、カリウムは、堆積後に行われた各熱処理工程（特にはコラップス処理の際の熱処理）により、中心方向（センタコア方向）および径方向外側（クラッド部側）の両方に拡散し、センタコアなどの所望の領域にドープされる。また、線引きの際には、伝送損失が小さくなるように、線引き速度や線引き張力などの線引き条件を最適化した。
　方法（２）：方法（１）と同様に、公知のＶＡＤ装置を用いて、光ファイバのコア部に相当する部分とクラッド部の一部に相当する部分とを有するコアロッドを一括合成にて製造した。つづいて、方法（１）と同様の方法で生成したエアロゾル粒子を酸水素ガスと合わせてＶＡＤバーナで流し、コアロッドの全表面になるべく均一にカリウムを堆積させた。その後、ＶＡＤ法やジャケット法を用いてクラッドの残部に相当する部分を形成し、光ファイバ母材を得た。つづいて、この光ファイバ母材から光ファイバを線引きした。
　製造したサンプルＮｏ．１～１６の光ファイバの設計パラメータと光学特性とを表２に示す。なお、表２中、「アルカリ濃度ピーク位置」とは、半径方向においてセンタコアの中心からＫ濃度のピークの位置までの距離を、センタコアの半径で規格化した値である。また、「センタコアアルカリ濃度平均値」とは、センタコアにおけるアルカリ金属元素の平均濃度である。また、「Ａｅｆｆ」とは、有効コア断面積である。また、屈折率プロファイルについては、Ｎｏ．１～５はステップ型、Ｎｏ．６～１０はＷ型、Ｎｏ．１１は階段型、Ｎｏ．１２～１６はトレンチ型である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　Ｎｏ．１～１６の光ファイバのいずれもが、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失およびＯＨ損失が低かった。また、λｃｃやＡｅｆｆについては、様々な値を実現できた。
　特に、Ｎｏ７の光ファイバは、Δ１が０．３８％、Δ２が－０．０５％、アルカリ濃度ピーク位置が３．２、ｂ／ａが３．２、２ａが８．６μｍ、センタコアアルカリ濃度平均値が４０ｐｐｍである。これにより、伝送損失が０．１７３ｄＢ／ｋｍ、ＯＨ損失が０．３４ｄＢ／ｋｍ、λｃｃが１１９２ｎｍ、Ａｅｆｆが７２μｍ２という特性が得られており、絶対値が小さなΔ２で良好な特性が実現されていて望ましい。
　また、Ｎｏ．１４は、Δ１が０．２７％、Δ２が０％、Δ３が－０．１７％、アルカリ濃度ピーク位置が４．０、ｂ／ａが２．５、ｃ／ａが４．０、２ａが１１．８μｍ、センタコアアルカリ濃度平均値が５ｐｐｍである。これにより、伝送損失が０．１７８ｄＢ／ｋｍ、ＯＨ損失が０．３２ｄＢ／ｋｍ、λｃｃが１５０３ｎｍ、Ａｅｆｆが１２３μｍ２という特性が得られており、大Ａｅｆｆを維持しながら良好な特性が実現されていて望ましい。
　また、これらの光ファイバは、ケーブル化や接続等の関連技術の実験に使用しても、特に問題は生じなかった。
　また、好適な例としては、２ａが７．９μｍ以上１３．５μｍ以下であり、Δ１が０．２１％以上０．６０％以下である。
　特に、屈折率プロファイルがステップ型の場合の好適な例は、２ａが８．０μｍ以上１２．０μｍ以下であり、Δ１が０．３０％以上０．６０％以下である。ステップ型の場合、たとえば、アルカリ濃度ピーク位置が２．０以上２．８以下であり、センタコアアルカリ濃度平均値が５０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下である。
　また、屈折率プロファイルがＷ型の場合の好適な例は、２ａが８．５μｍ以上１３．５μｍ以下であり、Δ１が０．２１％以上０．３８％以下であり、Δ２が－０．４０％以上－０．０３％以下であり、ｂ／ａが３．０以上３．６以下である。Ｗ型の場合、たとえば、アルカリ濃度ピーク位置が３．０以上３．６以下であり、センタコアアルカリ濃度平均値が２５ｐｐｍ以上６０ｐｐｍ以下である。
　また、屈折率プロファイルが階段型の場合の好適な例は、２ａが８．４μｍであり、Δ１が０．３８％であり、Δ２が０．０２％であり、ｂ／ａが３．６である。階段型の場合、たとえば、アルカリ濃度ピーク位置が３．６であり、センタコアアルカリ濃度平均値が２０ｐｐｍである。
　また、屈折率プロファイルがトレンチ型の場合の好適な例は、２ａが７．９μｍ以上１１．８μｍ以下であり、Δ１が０．２７％以上０．４０％以下であり、Δ２が－０．０５％以上０．０５％以下であり、Δ３が－０．６０％以上－０．１２％以下であり、ｂ／ａが２．０以上３．０以下であり、ｃ／ａが３．０以上５．０以下である。トレンチ型の場合、たとえば、アルカリ濃度ピーク位置が３．０以上５．０以下であり、センタコアアルカリ濃度平均値が５ｐｐｍ以上５５ｐｐｍ以下である。
　なお、カリウムのドープ方法は上記実施例の方法に限られない。たとえば、コアロッドの作製の際に、まずシリカスートを作製した後、緻密化が起こらない温度範囲で仮焼結を行い、仮焼結体に液浸法にてカリウムをドープしてもよい。また塩化カリウムの代わりにカリウムの硝酸化物、ヨウ化物、臭化物等を用いてもよい。さらに、カリウムの代わりにナトリウムをドープする場合には、各種のナトリウム化合物を用いることができる。
　また、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。
１　　　：光ファイバ
１ａ　　：コア部
１ｂ　　：クラッド部
１ｃ　　：被覆層
１ｃａ　：プライマリ層
１ｃｂ　：セカンダリ層

Claims (19)

  1. 　ゲルマニウムがドープされたセンタコアを含むコア部と、
    　前記コア部の最大屈折率よりも屈折率が低く、前記コア部の外周を取り囲むクラッド部と、
    　を備え、
    　前記クラッド部は、純石英ガラスに対して、比屈折率差が０．１％以下の正値であり、
    　アルカリ金属元素が、前記センタコアに分布するようにドープされており、
    　前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の２倍以上離れた位置にある
    　光ファイバ。
  2. 　前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の３倍以上５倍以下離れた位置にある
    　請求項１に記載の光ファイバ。
  3. 　前記アルカリ金属元素はカリウムである
    　請求項１に記載の光ファイバ。
  4. 　前記センタコアにおける前記アルカリ金属元素の平均濃度が１００ｐｐｍ以下である
    　請求項１に記載の光ファイバ。
  5. 　前記センタコアの平均の最大屈折率の、前記クラッド部の平均屈折率に対する比屈折率差Δ１が０．２％以上０．６％以下である
    　請求項１に記載の光ファイバ。
  6. 　波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．１８５ｄＢ／ｋｍ以下である
    　請求項１に記載の光ファイバ。
  7. 　ＯＨ基の吸収ピークの波長における伝送損失が０．５ｄＢ／ｋｍ以下である
    　請求項１に記載の光ファイバ。
  8. 　半径方向において、前記センタコアよりも外周側に残留応力の最低値のピークが存在する
    　請求項１に記載の光ファイバ。
  9. 　前記センタコアの直径２ａが７．９μｍ以上１３．５μｍ以下であり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記センタコアの平均の最大比屈折率差Δ１が０．２１％以上０．６０％以下である
    　請求項１に記載の光ファイバ。
  10. 　前記コア部は前記センタコアからなり、
    　前記センタコアの直径２ａが８．０μｍ以上１２．０μｍ以下であり、
    　前記クラッド部の平均屈折率に対する前記センタコアの平均の最大比屈折率差Δ１が０．３０％以上０．６０％以下である
    　請求項９に記載の光ファイバ。
  11. 　前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の２．０倍以上２．８倍以下離れた位置にあり、
    　前記センタコアにおける前記アルカリ金属元素の平均濃度が５０ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下である
    　請求項１０に記載の光ファイバ。
  12. 　前記コア部は、前記センタコアと、前記センタコアの外周を取り囲むように形成されており、屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも小さいディプレスト層とで構成されており、
    　前記センタコアの直径２ａが８．５μｍ以上１３．５μｍ以下であり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記センタコアの平均の最大比屈折率差Δ１が０．２１％以上０．３８％以下であり、
    　前記クラッド部の平均屈折率に対する前記ディプレスト層の平均屈折率の比屈折率差Δ２が－０．４０％以上－０．０３％以下であり、
    　前記２ａに対する前記ディプレスト層の外径２ｂの比（ｂ／ａ）が３．０以上３．６以下である
    　請求項９に記載の光ファイバ。
  13. 　前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の３．０倍以上３．６倍以下離れた位置にあり、
    　前記センタコアにおける前記アルカリ金属元素の平均濃度が２５ｐｐｍ以上６０ｐｐｍ以下である
    　請求項１２に記載の光ファイバ。
  14. 　前記コア部は、前記センタコアと、前記センタコアの外周を取り囲むように形成されており、屈折率が前記センタコアの屈折率より小さく前記クラッド部の屈折率よりも大きい階段層とで構成されており、
    　前記センタコアの直径２ａが８．４μｍであり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記センタコアの平均の最大比屈折率差Δ１が０．３８％であり、
    　前記クラッド部の平均屈折率に対する前記階段層の平均屈折率の比屈折率差Δ２が０．０２％であり、
    　前記２ａに対する前記階段層の外径２ｂの比（ｂ／ａ）が３．６である
    　請求項９に記載の光ファイバ。
  15. 　前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の３．６倍離れた位置にあり、
    　前記センタコアにおける前記アルカリ金属元素の平均濃度が２０ｐｐｍである
    　請求項１４に記載の光ファイバ。
  16. 　前記コア部は、前記センタコアと、前記センタコアの外周を取り囲むように形成されており、屈折率が前記センタコアの最大屈折率よりも小さい中間層と、前記中間層の外周を取り囲むように形成されており、屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも小さいトレンチ層とで構成されており、
    　前記センタコアの直径２ａが７．９μｍ以上１１．８μｍ以下であり、前記クラッド部の平均屈折率に対する前記センタコアの平均の最大比屈折率差Δ１が０．２７％以上０．４０％以下であり、
    　前記クラッド部の平均屈折率に対する前記中間層の比屈折率差Δ２が－０．０５％以上０．０５％以下であり、
    　前記クラッド部の平均屈折率に対する前記トレンチ層の比屈折率差Δ３が－０．６０％以上－０．１２％以下であり、
    　前記２ａに対する前記中間層の外径２ｂの比（ｂ／ａ）が２．０以上３．０以下であり、
    　前記２ａに対する前記トレンチ層の外径２ｃの比（ｃ／ａ）が３．０以上５．０以下である
    　請求項９に記載の光ファイバ。
  17. 　前記アルカリ金属元素の半径方向における濃度分布のピークが、前記センタコアの中心から前記センタコアの半径の３．０倍以上５．０倍以下離れた位置にあり、
    　前記センタコアにおける前記アルカリ金属元素の平均濃度が５ｐｐｍ以上５５ｐｐｍ以下である
    　請求項１６に記載の光ファイバ。
  18. 　請求項１に記載の光ファイバの製造方法であって、
    　センタコアに対応する部分と、前記センタコアに対応する部分の中心から前記センタコアに対応する部分の半径の２倍以上離れた位置までに対応する部分とを一括合成プロセスで合成してセンタコアロッドを作製し、
    　前記センタコアロッドの外周に、内表面にアルカリ金属元素がドープされたガラスパイプを配置し、
    　前記アルカリ金属元素を前記センタコアに対応する部位まで拡散させ、
    　前記センタコアロッドと前記ガラスパイプとを含む光ファイバ母材から光ファイバを線引きする
    　光ファイバの製造方法。
  19. 　前記一括合成プロセスはＶＡＤ（Vapor-phase　Axial　Deposition）法である
    　請求項１８に記載の光ファイバの製造方法。
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