JP2004020836A

JP2004020836A - 光ファイバ及びその製造方法

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Publication number: JP2004020836A
Application number: JP2002174605A
Authority: JP
Inventors: Masataka Nakazawa; 中沢　正隆; Shinji Kusaka; 日下　眞二; Kazumasa Osono; 大薗　和正
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: JP3802843B2

Abstract

【課題】融着残留応力によるコア領域への異方応力の集中がなく、優れたＰＭＤ特性を有する新規な光ファイバ及びその製造方法の提供。
【解決手段】コア領域２の周囲にクラッド層３を備えた光ファイバにおいて、上記クラッド層３内に気泡５の集合体領域を形成したものである。これによって、従来のフォトニッククリスタル光ファイバのように、融着残留応力によるコア領域２への異方応力の集中がなくなるため、優れたＰＭＤ特性を発揮し、内部クラッド層３の繊細な屈折率分布制御を容易に達成できる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野において用いられる光ファイバのうち、さらなる大容量な通信を可能とする光ファイバ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大容量，高速な通信を可能とする光ファイバは、光通信ネットワークを構築する上で欠くことができないものであるが、近年及び将来の光通信ネットワークにおける光信号の高速化、情報の増大化に伴ってさらなる大容量の光ファイバが要求されており、現在、この要求を満たす新たな光ファイバとして、いわゆるフォトニッククリスタル光ファイバと称される光ファイバが注目されている。
【０００３】
このフォトニッククリスタルファイバとは、コアを覆うクラッドとして、ファイバの長手方向に一様な二次元周期構造を持つフォトニック結晶（ＰＣ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ）を用いた光ファイバであり、クラッドに相当する領域にフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｂａｎｄ　Ｇａｐ）を設け、ブラッグ反射によって光波をコア内に閉じ込めるものである。
【０００４】
これまでに提案されているフォトニッククリスタル光ファイバは、例えば、ホーリーファイバ（ＨＦ：Ｈｏｌｅｙ　Ｆｉｂｅｒ）のように、クラッドにファイバの長手方向に途切れることなく連続する空孔を設けてその領域の実効屈折率を下げる方法で実現している。尚、このホーリーファイバはクラッド中の空孔のデザインよって超広帯域単一モード伝送領域、大きな実効コア断面積、高屈折率差（Ｈｉｇｈ−△）、大きな構造分散など通常の光ファイバでは達成できない特性を実現可能である。
【０００５】
このようなフォトニッククリスタル光ファイバは、例えば図３に示すように、外径約５００μｍの細径石英棒ａと、内径約３００μｍ程度の細径石英管ｂを長さそれぞれ３００ｍｍ前後に切断し、その細径石英棒ａの周囲を数百本の細径石英管ｂ，ｂ…で囲むように束ね、その束ｃを内径１０〜１５ｍｍ、外径２５ｍｍ程度の石英ジャケット管ｄ内に挿入して、プリフォームｅを形成した後、このプリフォームｅを通常の光ファイバ線引工程によってこれら細径石英棒ａ及び細径石英管ｂ，ｂ…の束ｃと石英ジャケット管ｄを融着一体化させながら、所定のファイバ径である１００〜１５０μｍに線引きして得られるようになっている。
【０００６】
そして、このようなフォトニッククリスタル光ファイバにあっては、図３に示すように、上記細径石英棒ａからなる軸心部分が光を伝播させるコア領域となると共に、その周囲の細径石英管ｂ，ｂ…からなる部分が多数の空孔を有する内部クラッド層となり、さらにその周囲の石英ジャケット管５からなる中実の部分が外部クラッド層となり、コア領域を伝播する光波の殆どを内部クラッド層で反射させてコア領域内に閉じ込めることで効率的に光波を伝播させるようにしたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようにして得られる従来のフォトニッククリスタル光ファイバにあっては、細径石英棒ａと細径石英管ｂ，ｂ…とを融着一体化させるときに石英管ｂ径の差による融着残留応力がガラス内に残り、コア領域に異方応力を与え、ＰＭＤ（偏波モード分散）特性等を悪化させ、内部クラッド層の繊細な屈折率分布制御が困難であるといった問題点がある。
【０００８】
そこで、本発明はこのような課題を有効に解決するために案出されたものであり、その目的は、融着残留応力によるコア領域への異方応力の集中がなく、優れたＰＭＤ特性を有する新規な光ファイバ及びその製造方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、請求項１に示すように、コア領域の周囲にクラッド層を備えた光ファイバにおいて、上記クラッド層内に気泡の集合体領域を形成したものである。具体的には、請求項２に示すように、上記気泡の集合体領域を、コア領域と同心円の層状に形成し、請求項３に示すように、上記クラッド層を、内部クラッドと、内部クラッドの周囲に設けられた外部クラッドとで構成し、その内部クラッドに上記気泡の集合体領域を形成している。
【００１０】
これによって従来のファイバのように、融着残留応力によるコア領域への異方応力の集中がなくなるため、優れたＰＭＤ特性を発揮し、内部クラッド層の繊細な屈折率分布制御を容易に達成できる。
【００１１】
また、請求項４に示すように、上記気泡を、直径４μｍ以下に形成にすれば、上記の作用効果を顕著に発揮することができる。
【００１２】
さらに、請求項５に示すように、上記気泡の分布密度を径方向に変化させて、上記気泡の集合体領域の等価屈折率に径方向の分布を持たせたり、請求項６に示すように、上記気泡の直径を径方向に変化させて、上記気泡の集合体領域の等価屈折率に径方向の分布を持たせれば、構造分散を制御し、大きな正分散ファイバ、及び負分散・負分散スロープを持つファイバーが得られる。
【００１３】
一方、本発明は、請求項７に示すように、コア領域の周囲にクラッド層を形成する光ファイバの製造方法において、コア領域となるコアガラス母材の周囲にガラススート層を形成し、ガラス中での拡散係数がヘリウムよりも小さい不活性ガスを含むガス雰囲気中で上記ガラススート層を加熱してガラス化し、不活性ガスの気泡を有するガラス層を形成するものである。
【００１４】
これによって、上述した本発明の光ファイバを得ることができる。
【００１５】
具体的には、請求項８に示すように、上記ガス雰囲気を、ガラス中での拡散係数がヘリウムよりも小さい不活性ガスのみで形成したり、請求項９に示すように、上記ガス雰囲気を、ヘリウムガスとガラス中での拡散係数がヘリウムよりも小さい不活性ガスとの混合ガスで形成すれば、上記作用効果を顕著に発揮することができる。また、請求項１０に示すように、上記ガラス中での拡散係数がヘリウムよりも小さい不活性ガスとしては、窒素ガス又はアルゴンガスが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を実施する好適一形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る光ファイバ１の実施の一形態を示したものである。
【００１８】
図示するように、この光ファイバ１は、軸心部に位置するコア領域２の周囲に、内部クラッド層３を有すると共に、その内部クラッド層３の周囲に外径が１２５μｍ程度の外部クラッド層４を一体的に備えたものである。
【００１９】
内部クラッド層３には、直径が４μｍ以下の独立した気泡５が多数密に集合した領域が形成されており、上記コア領域２の周囲を囲繞するように層状に存在している。
【００２０】
そして、このような構造をした本発明の光ファイバ１にあっては、従来のフォトニッククリスタル光ファイバのように細径石英棒ａと細径石英管ｂ，ｂ…とを融着一体化させてなるものとは異なり、細径石英管ｂの融着残留応力によるコア領域への異方応力の集中がなくなるため、優れたＰＭＤ特性が発揮され、内部クラッド層３の繊細な屈折率分布制御を容易に達成できる。
【００２１】
すなわち、この光ファイバ１は、プリフォームの製造工程中の内部クラッド層３の焼結工程において、焼結ガス（雰囲気ガス）に拡散係数の小さい不活性ガス、例えば窒素ガスやアルゴンガスを使用して焼結させたガラス層内に焼結ガスを残留させ、コア領域の周囲に気泡質層を形成した後、このプリフォームを外径１２５μｍ程度まで線引きすることで得られるようになっている。このため、従来のような融着残留応力が発生することはなく、コア領域への異方応力の集中といった事態を招くことがない。尚、この気泡５は、プリフォームの製造工程中においては略球形状であるが、その後の線引きにより、その長手方向に延びた長孔状になる。また、コア領域２と内部クラッド層３との等価比屈折率差を１％とすることにより、分散値の絶対値が大きいファイバを得ることができる。
【００２２】
ここで、コア領域２の直径は特に限定しないが、シングルモード伝送を行うには２〜１０μｍの大きさに設定される。また、内部クラッド層３の層厚は、得ようとする光ファイバの屈折率プロファイル、分散特性などに応じて、その最適厚さが変化するが、概ね５〜３０μｍの範囲で設定される。さらに、気泡５の直径は、内部クラッド層３の層厚以下であることが絶対条件であるが、内部クラッド層３内に気泡密度の分布を形成することも考慮すると、４μｍ以下、好ましくは１〜３μｍとすることが望ましい。尚、本発明に係る光ファイバ１は、これらの寸法条件に何ら限定されるものではない。
【００２３】
図３は、本発明の他の実施の形態を示したものであり、内部クラッド層３を構成する気泡５の密度をその径方向に変化させて屈折率差分布を制御したものである。すなわち、内部クラッド層３をコア領域２を中心として同心円上に３層の領域に分け、内部クラッド層３側の領域に気泡５を高密度に存在させ（高密度領域）、その外側の領域を低密度にし（低密度領域）、さらにその外側の領域をそれよりも高密度（中密度領域）にしたものである。これによって、図示するように内部クラッド層３内に多段階の、等価比屈折率差Δｎを生じさせることができ、構造分散を制御し、大きな正分散ファイバ、及び負分散・負分散スロープを持つファイバーが得られる。また、上記内部クラッド層内の気泡の分布密度を径方向に変化させたり、内部クラッド層３を構成する気泡５の外径を径方向に変化させても、同様に等価屈折率に分布をもたせることが可能となる。
【００２４】
ここで、気泡の外径は、次の二つの方法で制御することができる。
一つは、コア母材の周囲に堆積する石英ガラススート層の嵩密度を変化させる方法である。加熱（焼結）によりスートをガラス化する際、スートの嵩密度が高いほどガスが逃げる隙間が小さいため、大きな気泡が残存する割合が高くなり、スートの嵩密度が低いほど小さな気泡が残存する割合が高くなる。
【００２５】
他方は、焼結する際の炉内ガス雰囲気中のヘリウムガスと不活性ガスの割合を変える方法である。ヘリウムガスの割合が高いほど気泡は小さくなり易く、ヘリウムガスの割合が低いほど気泡は大きくなり易い。
【００２６】
なお、気泡が大きいほど気泡の密度は高くなり、気泡が小さいほど気泡の密度は低くなる傾向にある。よって、石英ガラススート層の嵩密度と、焼結する際の炉内ガス雰囲気中のヘリウムガスと不活性ガスとの割合を調整することにより、気泡の直径及び気泡の密度の双方を制御することができる。
【００２７】
また、気泡の大きさ及び形成位置を制御して、気泡の間隔を、伝搬させる信号光の波長の二分の一に調整すれば、本発明の光ファイバにおいても、フオトニックバンドギャップ構造を実現できる。
【００２８】
なお、上述した実施の形態においては、コア領域を石英ガラスで構成した場合ついて説明を行ったが、これに限定するものではなく、純粋石英ガラス、屈折率を高めるための周知の不純物（例えばＧｅ、Ｔｉなど）を添加した石英ガラス、又はＥｒ等の希土類元素を添加した石英ガラスのいずれも適用可能である。
【００２９】
また、コア領域は中空であってもよく、この場合、上記したコア母材である細径石英捧ａに代えて、中空の石英管を用いて製造を行えばよい。なお、この石英管にも、純粋石英ガラス、屈折率を高めるための周知の不純物（例えばＧｅ、Ｔｉなど）を添加した石英ガラス、又はＥｒ等の希土類元素を添加した石英ガラスのいずれも適用可能である。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。なお、試験１は内部クラッド層に高密度気泡領域１層からなる気泡集合体領域を設けたもの、試験２は内部クラッド層に高密度気泡領域、低密度気泡領域、及び中密度気泡領域の３層からなる気泡集合体領域を設けたものである。
【００３１】
＜試験１＞
まず、コア領域となる透明ガラス母材をＶＡＤ法により作製し、外径２５ｍｍに延伸した。
【００３２】
そのコアガラス母材の外周に、ＣＶＤ法により高密度気泡領域となるスート層を堆積し、外径６０ｍｍの外付母材を得た。この母材を、炉内が１００％窒素ガス雰囲気中の電気炉にて、温度１６００℃で加熱処理した。得られたガラス母材は、外径が４５ｍｍで、外周部の独立気泡集合体領域には窒素ガスの気泡が多数残留しているため、半透明状態であった。なお、高密度気泡領域の気泡密度は約０．５であった。
【００３３】
ここで、窒素ガスは透明ガラス化のための加熱処理工程で通常用いるヘリウムガスに比べて拡散係数が格段に小さく、スートがガラス化する際にそのガラス中に残留し易いことから、炉内を１００％窒素ガス雰囲気とすることにより、高密度に窒素ガスの気泡を含んだガラス母材を得ることができる。
【００３４】
次に、得られた高密度気泡領域を有する内部クラッド層付ガラス母材を外径２５ｍｍに延伸し、ＣＶＤ法により外部クラッド層となるスート層を堆積し、外径１２０ｍｍの外付母材を得た。この母材を、炉内が１００％ヘリウムガス雰囲気中の電気炉にて、温度１６００℃で加熱処理し、外径が６０ｍｍで、外周部の外部クラッド層が透明なガラス母材を得た。
【００３５】
次に、そのガラス母材を通常の線引き方法により外径１２５μｍの光ファイバに線引きした。得られた光フアイバは、コア径が７μｍ、内部クラッド層の層厚が１０μｍであり、気泡の外径は１〜３μｍであった。
【００３６】
＜試験２＞
まず、コア領域となる透明ガラス母材をＶＡＤ法により作製し、外径２５ｍｍに延伸した。
【００３７】
そのコアガラス母材の外周に、ＣＶＤ法により高密度気泡領域となるスート層を堆積し、外径６０ｍｍの外付母材を得た。この母材を、炉内が１００％窒素ガス雰囲気中の電気炉にて、温度１６００℃で加熱処理した。ここで、窒素１００％雰囲気ガスを用いる理由は、試験１で述べた通りである。このようにして得られたガラス母材は、外径が４５ｍｍで、外周部の高密度気泡領域には窒素の気泡が多数残留しているため、半透明状態であった。なお、この高密度気泡領域の気泡密度は約０．５であった。
【００３８】
次に、ガラス母材を外径２５ｍｍに延伸し、ＣＶＤ法により低密度気泡領域となるスート層を堆積し、外径６０ｍｍの外付母材を得た。この母材を、炉内が窒素ガス２０％、ヘリウムガス８０％の雰囲気中の電気炉にて、温度１６００℃で加熱処理した。ここで、窒素ガスとヘリウムガスとの混合ガスを雰囲気ガスに用いる理由は、ヘリウムガスを混合することで、１００％窒素ガス雰囲気に比べ、加熱処理後のガラスの透明度が高くなるから、換言すれば気泡密度が小さいガラス母材が得られるからである。このようにして得られたガラス母材は、外径が４５ｍｍで、その外周部の低密度気泡領域には窒素の気泡が僅かに残留しているため、高密度気泡領域に比べれば透明ではあるが、完全に透明ではない状態であった。なお、低密度気泡領域の気泡密度は約０．３であった。
【００３９】
次に、得られたガラス母材を外径２５ｍｍに延伸し、ＣＶＤ法により中密度気泡領域となるスート層を堆積し、外径６０ｍｍの外付母材を得た。この母材を、炉内が窒素ガス５０％、ヘリウムガス５０％の雰囲気中の電気炉にて、温度１６００℃で加熱処理した。このようにして得られたガラス母材は、外径が４５ｍｍで、外周部の中密度気泡領域の透明度は、高密度気泡領域と低密度気泡領域の中間の透明度を持った状態であった。なお、低密度気泡領域の気泡密度は約０．４であった。
【００４０】
次に、得られた高密度気泡領域、低密度気泡領域、及び中密度気泡領域からなる内部クラッド層付ガラス母材を外径２５ｍｍに延伸し、ＣＶＤ法により外部クラッド層となるスート層を堆積し、外径１２０ｍｍの外付母材を得た。この母材を、炉内が１００％ヘリウムガス雰囲気中の電気炉にて、温度１６００℃で加熱処理を行い、外径が６０ｍｍで、外周部の外部クラッド層が透明なガラス母材を得た。
【００４１】
次に、そのガラス母材を通常の線引き方法により外径１２５μｍの光ファイバに線引きした。得られた光ファイバは、コア径が４μｍ、内部クラッド層の層厚が１２μｍ（高密度気泡領域４μｍ、低密度気泡領域５μｍ、中密度気泡領域３μｍ）であり、各領域の気泡の外径は１〜２μｍであった。
【００４２】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、コア領域の周囲に気泡の集合体を有するクラッド層を設けたため、従来のフォトニッククリスタル光ファイバのように、融着残留応力によるコア領域への異方応力の集中がなくなり、優れたＰＭＤ特性を発揮することができる。この結果、低ＰＭＤ特性を有し、大きな実効コア断面積，高屈折率差，大きな異常分散（正分散），負分散・負分散スロープファイバ等、通常の光ファイバでは達成できない特性を発揮することが可能となる等といった優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバの実施の一形態を示す拡大断面図である。
【図２】本発明に係る光ファイバの他の実施の形態を示す拡大断面図である。
【図３】従来のフォトニッククリスタル光ファイバを得るためのプリフォームの構造を示した拡大斜視図である。
【符号の説明】
１　光ファイバ
２　コア領域
３　内部クラッド層
４　外部クラッド層
５　気泡

Claims

コア領域の周囲にクラッド層を備えた光ファイバにおいて、上記クラッド層内に気泡の集合体領域を形成したことを特徴とする光ファイバ。
上記気泡の集合体領域を、コア領域と同心円の層状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
上記クラッド層が、内部クラッドと、内部クラッドの周囲に設けられた外部クラッドとからなり、その内部クラッドに上記気泡の集合体領域を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ。
上記気泡を、直径４μｍ以下に形成したことを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の光ファイバ。
上記気泡の分布密度を径方向に変化させて、上記気泡の集合体領域の等価屈折率に径方向の分布を持たせたことを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光ファイバ。
上記気泡の直径を径方向に変化させて、上記気泡の集合体領域の等価屈折率に径方向の分布を持たせたことを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の光ファイバ。
コア領域の周囲にクラッド層を形成する光ファイバの製造方法において、コア領域となるコアガラス母材の周囲にガラススート層を形成し、ガラス中での拡散係数がヘリウムよりも小さい不活性ガスを含むガス雰囲気中で上記ガラススート層を加熱してガラス化し、不活性ガスの気泡を有するガラス層を形成することを特徴とする光ファイバの製造方法。
上記ガス雰囲気を、ガラス中での拡散係数がヘリウムよりも小さい不活性ガスのみで形成したことを特徴とする請求項７に記載の光ファイバの製造方法。
上記ガス雰囲気を、ヘリウムガスとガラス中での拡散係数がヘリウムよりも小さい不活性ガスとの混合ガスで形成したことを特徴とする請求項７に記載の光ファイバの製造方法。
上記ガラス中での拡散係数がヘリウムよりも小さい不活性ガスが、窒素ガス又はアルゴンガスであることを特徴とする請求項７から９いずれかに記載の光ファイバの製造方法。