JP2004226541A

JP2004226541A - 高耐応力光ファイバ

Info

Publication number: JP2004226541A
Application number: JP2003012330A
Authority: JP
Inventors: Masataka Nakazawa; 正隆中沢; Taichi Oka; 太一岡; Kazumasa Osono; 和正大薗
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-21
Also published as: JP4015959B2

Abstract

【課題】曲げ特性に優れた高耐応力光ファイバを提供する。
【解決手段】中心コア部１と、この中心コア部１の外周に設けられた第一リング部２と、この第一リング部２の外周に設けられた第二リング部３と、この第二リング部３の外周に設けられた第三リング部４と、この第三リング部４の外周に設けられたクラッド５とを有し、前記中心コア部１の比屈折率差ｎ０と、前記第一リング部２の比屈折率差ｎ１と、前記第二リング部３の比屈折率差ｎ２と、前記第三リング部４の比屈折率差ｎ３と、前記クラッド５の比屈折率差ｎ４との関係がｎ０＞ｎ２かつｎ２＞ｎ１かつｎ３≦ｎ４かつｎ１＞ｎ４である屈折率プロファイルを有し、前記中心軸の周りに等円周角毎に軸対称に位置する４つ以上の偶数個の空孔８を有する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実効断面積を大きくした光ファイバに係り、特に、曲げ特性に優れた高耐応力光ファイバに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネット等の急速な普及に伴い情報容量が増大し、情報の伝送媒体に対する大容量化の要求が高まってきた。大容量化に対応する技術の中で最も有望視されているのが波長多重（以下、ＷＤＭという）伝送方式である。ＷＤＭ方式は、１本の光ファイバで複数の信号光を伝送できるので、伝送容量を一気に１００倍程度増大させることが可能である。そこで、大陸間を結ぶ光海底ケーブルシステムのような長距離大容量伝送路へ導入が進められており、実用化段階を迎えている。
【０００３】
ＷＤＭ技術が急速に立ち上がってきた技術的背景の一つに光増幅技術の向上が挙げられる。光増幅技術の一つであるエルビュウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、減衰した波長１．５５μｍ帯の光を１０００倍程度まで増幅することができるので、中継器などに組み込まれ、光ファイバ伝送路での損失を補償する働きをする。ＥＤＦＡを用いた太平洋横断光海底ケーブルシステム（ＴＰＣ−５ＣＮ，Ｃｈｉｎａ−ＵＳ等）は、既に実用化されており、ＷＤＭ技術を用いて１００Ｇｂｉｔ／ｓという大容量伝送を実現している。ＷＤＭ伝送の大容量化のためには波長多重数を増加させる必要があるが、光ファイバに入る信号パワーが大きくなるため、非線形現象が発生する可能性が高くなる。例えば、四光波混合によるノイズの増大と信号光の減少を引き起こすことが報告されている。そのため、光ファイバの実効断面積を大きくし、光ファイバ内の信号光パワー密度を低下させたファイバを長距離伝送路に用いることが有効である。
【０００４】
この光ファイバは、海底ケーブルに使用されるだけでなく、陸上においても使用が予定されており、現在、システムの構築が行われている。陸上においては、光ファイバはテープ化し使用するのが一般的である。
【０００５】
このように、近年、光増幅技術やＷＤＭ技術の発展により、光ファイバへ入射させる光のパワーが大きくなってきているために、種々の非線形効果現象が生じやすくなっており、例えば、非線形効果現象の一つである自己位相変調現象が生じると、光ファイバ中のパルス信号波形が歪み、伝送容量が制限される。また、同じく非線形効果現象の一つであるブリュリアン散乱現象も生じやすく、ブリュリアン散乱現象が起きると、光ファイバの入射パワーが飽和する。このように、非線形効果現象が生じると、光ファイバ中を伝搬する光の伝送特性の劣化を招く。
【０００６】
また、従来のシングルモードファイバのゼロ分散波長は１．３μｍよりも長波長側になってしまうので、１．３μｍで大きな異常分散（正分散）を持つ光ファイバは存在しなかった。
【０００７】
上記した非線形現象という問題点を解決する新規な光ファイバとして、フォトニッククリスタル光ファイバ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒ；ＰＣＦ、フォトニックファイバとも言う）が最近注目を集めている。ＰＣＦとは、フォトニック結晶構造がクラッド部に設けてある光ファイバである。フォトニック結晶構造とは屈折率の周期構造のことであり、具体的には蜂の巣のようなハニカム構造の空間をクラッドに設けることで、光の禁制帯であるフォトニックバンドギャップ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＢａｎｄＧａｐ；ＰＢＧ）が発生する。例えば、非特許文献１には、ＰＢＧを導波原理とするＰＣＦが開示されている。また、非特許文献２には、ＰＢＧ構造を導波原理とする中空コアのＰＣＦが開示されている。
【０００８】
また、最近、完全なＰＢＧ構造を有している光ファイバではないが、ガラス組成の違いにより比屈折率差を持たせた光ファイバのコア近傍のクラッドに気孔を存在させることにより、クラッドの実質的な屈折率を下げてコア／クラッド間の比屈折率差を拡大させることで、従来得られなかった特性を有するホーリーファイバ（ＨＦ）が報告されている。例えば、非特許文献３には、通常のシングルモードファイバの構造を有する光ファイバのコア近傍のクラッドに４つの空孔を設けた空孔付加型ホーリーファイバで、コア／クラッド間の比屈折率差を拡大させることで、１．２μｍ帯でシングルモード動作がある光ファイバが開示されている。
【０００９】
フォトニックファイバに関する特許文献として特許文献１がある。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−２９６４４０号公報
【非特許文献１】
「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐｇｕｉｄａｎｃｅｉｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ」Ｋｎｉｇｈｔら、Ｓｃｉｅｎｃｅ２８２，１４７６、１９９８年
【非特許文献２】
「Ｓｉｎｇｌｅ−ＭｏｄｅＰｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐｇｕｉｄａｎｃｅｏｆＬｉｇｈｔｉｎＡｉｒ」Ｃｒｅｇａｎら、Ｓｃｉｅｎｃｅ２８５，１５３７、１９９９年
【非特許文献３】
「Ｎｏｖｅｌｈｏｌｅ−ａｓｓｉｓｔｅｄｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅｆｉｂｅｒｅｘｈｉｂｉｔｉｎｇｌａｒｇｅａｎｏｍａｌｏｕｓｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎａｎｄｌｏｗｌｏｓｓｂｅｌｏｗ１ｄＢ／ｋｍ」長谷川ら、ＯＦＣ２００１ＰＤ５−１、２００１年
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実効断面積を大きくすると、ファイバのモードフィールド径も大きくなる。そのため、実効コア断面積を大きくした光ファイバ（例えば、７０μｍ^２）を直径２０ｍｍの円筒に１ｍ巻き付けた際に生じる信号波長光の損失の増加は、２０ｄＢ／ｍと大きい。現在、光伝送システムで最も多く用いられている１．３μｍシングルモード光ファイバでは、２〜１０ｄＢ／ｍが一般であることからも、実効コア断面積を大きくした光ファイバは、曲げに対して非常に損失が大きい。そのため、光ファイバをテープ化した際には損失が増加するという問題があった。
【００１２】
以上のことから、実効断面積を大きくしつつ、高耐応力を兼ね備えた高耐応力光ファイバが望まれる。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、曲げ特性に優れた高耐応力光ファイバを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、中心軸に位置する中心コア部と、この中心コア部の外周に設けられた第一リング部と、この第一リング部の外周に設けられた第二リング部と、この第二リング部の外周に設けられた第三リング部と、この第三リング部の外周に設けられたクラッドとを有し、前記中心コア部の比屈折率差ｎ０と、前記第一リング部の比屈折率差ｎ１と、前記第二リング部の比屈折率差ｎ２と、前記第三リング部の比屈折率差ｎ３と、前記クラッドの比屈折率差ｎ４との関係がｎ０＞ｎ２かつｎ２＞ｎ１かつｎ３≦ｎ４かつｎ１＞ｎ４である屈折率プロファイルを有し、前記中心軸の周りに等円周角毎に軸対称に位置する４つ以上の偶数個の空孔を有するものである。
【００１５】
前記空孔の内径が３μｍ以上であってもよい。
【００１６】
前記空孔が前記第三リング部に存在してもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１に本発明に係る高耐応力光ファイバの屈折率分布を示す。この光ファイバは、４重クラッド型の屈折率プロファイルを形成している。図１の屈折率プロファイル上で見ると、本発明に係る高耐応力光ファイバは、光ファイバの中心軸に位置する中心コア部１と、この中心コア部１の外周に設けられた第一リング部２と、この第一リング部２の外周に設けられた第二リング部３と、この第二リング部３の外周に設けられた第三リング部４と、この第三リング部４の外周に設けられたクラッド５とを有する。この屈折率プロファイルは、クラッドの屈折率を基準に中心コア部の比屈折率差をｎ０とし、第一リング部の比屈折率差をｎ１とし、第二リング部の比屈折率差をｎ２とし、第三リング部の比屈折率差をｎ３とし、クラッドの比屈折率差をｎ４としたとき、ｎ０＞ｎ２かつｎ２＞ｎ１であって、かつｎ３≦ｎ４であって、かつｎ１＞ｎ４である。
【００１９】
屈折率プロファイルに与えた各部名称及び符号を、そのまま光ファイバの内層構造を表す名称及び符号とする。
【００２０】
本発明に係る高耐応力光ファイバの中心コア部１、第一リング部２、第二リング部３は、純シリカに屈折率を高めるゲルマニウム（Ｇｅ）をドープした層（ＧｅＯ_２ −ＳｉＯ_２）によって形成されている。また、本発明に係る光ファイバの第三リング部４は、純シリカに屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）をドープした層（Ｆ−ＳｉＯ_２）によって形成されている。
【００２１】
図１の屈折率プロファイルを実現する光ファイバにおいて、例えば、実効断面積が７０μｍ^２となる光ファイバを得るには、中心コア部１の比屈折率差ｎ０は０．５４％、第一リング部２の比屈折率差ｎ１は０．０１８％、第二リング部３の比屈折率差ｎ２は０．１１８％、第三リング部４の比屈折率差ｎ３は−０．０４６％とし、中心コア部１の直径ａは７．２μｍ、第一リング部２の直径ｂは１３．６μｍ、第二リング部３の直径ｃは３３．６μｍ、第三リング部４の直径ｄは５５．８μｍとする。
【００２２】
図２に、本発明に係る高耐応力光ファイバの中心軸に直角な断面（横断面）を示す。図示されるように、光ファイバは、光が最も通るコア領域６と、コア領域６に比べて光が通らないクラッド領域７とからなる。図１に屈折率プロファイルを示した中心コア部１、第一リング部２、第二リング部３、第三リング部４は、光がよく通るので、ほぼコア領域６に重なると考えて良い。コア領域６には、第三リング部４に光ファイバの中心軸（中心コア部１の中心を言う）を囲むように複数個の空孔（気孔ともいう）８を有する。これらの気孔８は、図には示さないが光ファイバの長手方向に伸びている。本発明に係る高耐応力光ファイバは、フォトニックファイバの１分野に属するホーリーファイバの１種である。
【００２３】
気孔８の数は４つ以上の偶数個である。２個ずつの気孔８が中心軸を対称軸にして線対称な位置に配置され、かつ各気孔８が周方向に等間隔に配置されている。この配置により、各気孔８は、コア領域６の中心軸の周りに等円周角ごとに軸対称となっている。ここでは、気孔８は６つ存在しているものとする。よって、図２の光ファイバ断面では、これら６つの気孔８の２つずつが中心軸を挟んで径方向等距離に位置しており、周方向には各気孔８が等間隔に位置している。
【００２４】
前述の実効断面積が７０μｍ^２となる光ファイバにおいて、例えば、気孔８の直径は５μｍとし、気孔８の中心は中心軸から半径２３μｍの円周上に位置させる。気孔８の中は、空気又は不活性ガスで満たされ、その屈折率は１である。
【００２５】
４つ以上の偶数個の気孔８を中心軸の周りに等円周角ごとに軸対称に配置した理由を説明する。
【００２６】
まず、気孔８の個数が２個で等間隔としたのでは、光ファイバ断面上において、中心を通る一直線上のみに気孔８が存在することになる。その直線と９０°の位置関係にある直線との間で、気孔８による実効的なクラッド５の屈折率の低下効果に差が生じる。このため光ファイバの特性が疑似的な偏波面保存ファイバの特性になり、偏波分散特性が劣化してしまい、高速伝送時に問題となる。また、気孔８の個数が奇数個になると、気孔８をどのように配置しても、光ファイバ断面上において、中心軸を通って直交する２直線に対して気孔８による実効的なクラッド５の屈折率分布が非対称となり、やはり偏波分散特性が劣化してしまう。また、気孔８を不等間隔に配置すると、入射した光のパワー分布が偏心してしまうと共に、コア領域６に異方応力が加わり、ＰＭＤ特性を悪化させる。
【００２７】
これに対し、４つ以上の偶数個の気孔８を中心軸の周りに等円周角ごとに軸対称に配置すると、光ファイバ断面上において、中心軸を通って直交する２直線に対して気孔８による実効的なクラッド５の屈折率分布が対称にできるので、偏波分散特性を良好にすることができる。また、異方性がなくなるので、気孔８の個数は６個でもよいことになる。
【００２８】
気孔８の直径は３μｍ以上とし、気孔８の位置は第三リング部４内とするのがよい。その理由を説明する。気孔８の数を４個（円周角９０°ごとに配置）とし、気孔８の直径を異ならせた本発明の光ファイバの複数の試料を作製し、各試料にφ２０ｍｍの曲げを与えて波長１．５５μｍの光に生じる損失を計測し、各計測値を図３にプロットして近似線を得た。図３に示されるように、気孔８の数が４個の場合、気孔８の直径（空孔の内径）が３μｍ以上の図示領域において曲げ損失が４ｄＢ／ｍ以下となる。この４ｄＢ／ｍという値は、従来の光ファイバでは達成し得ない値である。また、ケーブル化や光ファイバの敷設を考慮したときに、４ｄＢ／ｍ以下の曲げ損失特性を達成すると実用上の利点が出てくる。よって、気孔８の直径を３μｍ以上とし、気孔８の位置を第三リング部４内とするのがよい。
【００２９】
気孔８は、第三リング部４に設けるとよい。その第一の理由は、気孔８が中心コア部１から第二リング部３までにあると、実効的な屈折率が大きく下がるため、低分散値を達成することができないからである。気孔８を第三リング部４に設けることにより、低分散値を達成することができる。第二の理由は、実用的に曲げ特性を改善するための気孔８の存在限界がモードフィールド径（図示せず）と同等な距離にあるからである。また、気孔８の一部が第二リング部３又はクラッド領域７にかかるとカットオフ波長が長波長にシフトするなどの悪影響が考えられる。
【００３０】
次に、本発明の高耐応力光ファイバの製造方法について説明する。
【００３１】
本発明の高耐応力光ファイバを製造するにあたり、まず、ファイバ母材となる石英プリフォームをＶＡＤ法により作製した。具体的には、通常のシングルモード用光ファイバプリフォームを製造する要領で、直径１１０ｍｍ、長さ１ｍのスートプリフォーム（図示せず）を作製した。ここでは、通常のシングルモード光ファイバと同様に、中心コア部、第一リング部、第二リング部となるスート領域に石英の屈折率を上げるためのゲルマニウム添加物を入れている。また、第三リング部となるスート領域に石英の屈折率を下げるためのフッ素添加物を入れている。
【００３２】
前記スートプリフォームを塩素等の脱水効果のある雰囲気中で焼結し、外径６０ｍｍ、長さ４０ｃｍの高純度透明ガラス化母材（図示せず）を得た。次に、その高純度透明ガラス化母材のコア中心軸を対称軸として線対称かつ等間隔に気孔部となる直径２．５ｍｍの孔を研削法により加工した。研削加工後の母材を図４に示す。
【００３３】
図４に示されるように、ガラス化母材は、線引き後に中心コア部１となる母材中心コア部９、第一リング部２となる母材第一リング部１０、第二リング部３となる母材第二リング部１１、第三リング部４となる母材第三リング部１２、クラッド５となる母材クラッド部１３の各ガラス領域と、気孔８となる気孔部１４（図４（ａ）では省略）とを有する。
【００３４】
次に、図４の母材の片端を封止加工し、更にもう一方端に外径６０ｍｍ、内径５０ｍｍの石英ダミー管を接続し、線引き用プリフォーム（図示せず）とした。さらに、この線引き用プリフォームの端面には、塩素を含むガスをこの線引き用プリフォームの前記研削加工孔に充填させるためのガス投入部を接続した。
【００３５】
続いて、線引き用プリフォームの線引き工程について説明する。線引きの際、線引き用プリフォーム内の内圧が低すぎると気孔部１４が潰れ、ファイバ化後に気孔８がないファイバになってしまう。また、内圧が高すぎると、ファイバ化後にファイバ内の気孔８が占める割合が大きくなり、線引き張力及び線引き速度から決まる内圧の限界点を越えると、線引き中に気孔部１４が破裂してファイバ形成が不可能となる。そこで、本発明者は、実験により、気孔部１４の径と線引き内圧との関係からファイバに所望の径の気孔８を形成しようとする場合の最適な内圧が１．５ｋＰａ程度であることを導いた。この最適な内圧に設定して線引きを行った。その結果、製作された図２の光ファイバにはφ５μｍの気孔８が形成された。
【００３６】
以上により、本発明の高耐応力光ファイバ１０ｋｍを作製した。この光ファイバの損失は、波長１．３１μｍで０．４１ｄＢ／ｋｍ、波長１．５５μｍで０．２２ｄＢ／ｋｍであった。損失要因を分析したところ、構造不整損失が０．０５ｄＢ有り、他の損失を含む全体を押し上げていた。この構造不整損失は、プリフォームの加工精度によるもので、加工法の改良により改善可能である。本光ファイバの曲げ損失特性を測定したところ、波長１．５５μｍでφ２０ｍｍにおける曲げ損失増加量は２．０ｄＢ／ｍであり、従来の実効コア断面積が７０μｍ^２の光ファイバに比べ、１／１０以下と非常に小さい値であった。また、カットオフ波長及び波長１．５５μｍでのモードフィールド径を測定したが、それぞれ１．４４μｍ、９．６５ｍであり、これらの値は実用領域内にあり、何ら問題のない値であった。波長１．５５μｍでの分散値は８ＰＳ／ｎｍ／ｋｍであった。波長１．３９μｍでのＯＨ吸収損失は１／５ｄＢ／ｋｍと通常のシングルモード光ファイバのレベルであった。また、ワイブル強度は６０〜７０Ｎであり、環境常数ｎ＝２１であり、通常の光ファイバと同等レベルの結果を得た。
【００３７】
この試作光ファイバをテープ化したところ、損失増加は見られなかった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３９】
（１）実効断面積を大きくしつつ、高耐応力を兼ね備えた高耐応力光ファイバが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す高耐応力光ファイバのコア領域における径方向の屈折率分布図である。横軸は距離、縦軸はクラッド５を基準とした比屈折率差である。
【図２】本発明の一実施形態を示す高耐応力光ファイバの断面図である。
【図３】本発明の高耐応力光ファイバの空孔内径に対する曲げ損失特性図である。
【図４】本発明の高耐応力光ファイバの母材となるプリフォームの構造図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は横断面図である。
【符号の説明】
１中心コア部
２第一リング部
３第二リング部
４第三リング部
５クラッド
６コア領域
７クラッド領域
８気孔（空孔）

Claims

中心軸に位置する中心コア部と、この中心コア部の外周に設けられた第一リング部と、この第一リング部の外周に設けられた第二リング部と、この第二リング部の外周に設けられた第三リング部と、この第三リング部の外周に設けられたクラッドとを有し、前記中心コア部の比屈折率差ｎ０と、前記第一リング部の比屈折率差ｎ１と、前記第二リング部の比屈折率差ｎ２と、前記第三リング部の比屈折率差ｎ３と、前記クラッドの比屈折率差ｎ４との関係がｎ０＞ｎ２かつｎ２＞ｎ１かつｎ３≦ｎ４かつｎ１＞ｎ４である屈折率プロファイルを有し、前記中心軸の周りに等円周角毎に軸対称に位置する４つ以上の偶数個の空孔を有することを特徴とする高耐応力光ファイバ。
前記空孔の内径が３μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の高耐応力光ファイバ。
前記空孔が前記第三リング部に存在することを特徴とする請求項１又は２記載の高耐応力光ファイバ。