JP2006133496A - 光ファイバおよびそれに用いる光ファイバ母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、曲げ損失と分散特性を両立し、低密度波長多重（ＣＷＤＭ）伝送の線路用およびファイバー・トゥー・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）における宅内配線用として好適な光ファイバおよび、その光ファイバを高い歩留まりにて容易に製造できる光ファイバ母材の製造方法を提供することにある。
【解決手段】 本発明の光ファイバは、波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が８．２μｍ以上９．０μｍ以下であり、ケーブルカットオフ波長λccが１２６０ｎｍ以下であり、波長１２８５ｎｍにおける分散値の絶対値が３．５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、零分散波長が１３００ｎｍ〜１３２０ｎｍであり、零分散波長における分散スロープが０．０９０ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であり、直径３０ｍｍの円筒に光ファイバを１００回巻きつけたときの波長１６２５ｎｍにおける損失増加が２ｄＢ以下であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主に低密度波長多重（ＣＷＤＭ）伝送の線路用およびファイバー・トゥー・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）における宅内配線用として好適な光ファイバおよびにそれを製造するのに用いる光ファイバ母材の製造方法に関するものである。

近年のインターネットの急速な普及に伴い、通信の情報量が飛躍的に増大しており、光ファイバ線路網の拡充が進んでいる。その一例として地方公共団体による地域情報化ネットワークの構築も急ピッチで進められており、これらのネットワーク構築には将来の伝送容量増大に対応できるシステム設計が求められている。特に光ファイバに対してはＣＷＤＭ伝送への適応を考慮した長波長範囲での曲げ損失の低減や、ＦＴＴＨにおける宅内配線の作業効率化のために許容曲げ半径の小径化へのニーズが高まりを見せている。

しかしながら、従来のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の屈折率プロファイルである単純ステップ型を維持したまま曲げ損失を小さくしていくと、
１）モードフィールド径（ＭＦＤ）が小さくなり、従来のＳＭＦとの接続損失が大きくなる。
２）カットオフ波長が長波長側へシフトし、所望する波長におけるシングルモード伝送ができなくなる。
３）分散特性が悪化し信号波形の劣化が大きくなる。
などの問題が生じる。
これらの問題を解決する手段として、光ファイバの屈折率プロファイルを従来の単純ステップ型から若干変更し、コアの外周部にクラッドより屈折率の低い領域を設ける方法が知られている。

この手法を用いた光ファイバとして、コアの外周部にその屈折率がクラッド部の屈折率よりも1×10^-5〜3×10^-4だけ低い低屈折率部を有することを特徴とする光ファイバ用プリフォームの製造方法が特許文献１に示されている。特許文献１によれば、このような屈折率プロファイルとすることで、零分散波長、ＭＦＤ、カットオフ波長の全てを所望の数値範囲内にすることができ、極めて優れた分散特性を有する光ファイバが実現できるとされている。
特開２００２−０４７０２７号公報

しかしながら、ＣＷＤＭ伝送ならびにＦＴＴＨなどに用いる光ファイバには、一般の光ファイバと比較して２倍以上小さい許容曲げ半径が要求されており、特許文献１に規定された屈折率プロファイルではこれを満たすことができないという問題がある。より具体的には、特許文献１に規定された屈折率プロファイルを維持したまま曲げ損失の小さい光ファイバを製造しようとした場合、低屈折率部とクラッド部の屈折率差が1×10^-5〜3×10^-4と小さいため、零分散波長の長波長側へのシフトが顕在化する問題がある。さらに、外径ａを有するコアと外径ｂを有する低屈折率部の径比であるａ／ｂが小さ過ぎると零分散波長における分散スロープが大きくなってしまうという問題もある。これらにより、広い波長範囲でのＣＷＤＭ伝送を行う場合、特許文献１に規定された屈折率プロファイルでは所望する波長における分散値が大きくなって信号波形の劣化が大きくなってしまうため、曲げ損失と分散特性を両立させることができない。

本発明は上記問題点を解決すべくなされたものであり、本発明の請求項１記載の光ファイバは、中心部に位置し、クラッドに対する比屈折率差がΔ１であり、直径がａである第１コアと、該第１コアの外周を覆い、クラッドに対する比屈折率差がΔ２であり、直径がｂである第２コアと、該第２コアの外周を覆い、純石英に対する比屈折率差がΔＣであるクラッドから成る光ファイバにおいて、それぞれの領域における比屈折率差ならびに直径比が、
０．４％≦Δ１≦０．５％
−０．０８％＜Δ２＜−０．０２％
０％＜ΔＣ≦０．０５％
４．７≦ｂ/ａ≦４．９
を満たし、
波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が８．２μｍ以上９．０μｍ以下であり、ケーブルカットオフ波長λccが１２６０ｎｍ以下であり、波長１２８５ｎｍにおける分散値の絶対値が３．５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、零分散波長が１３００ｎｍ〜１３２０ｎｍであり、零分散波長における分散スロープが０．０９０ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であり、直径３０ｍｍの円筒に光ファイバを１００回巻きつけたときの波長１６２５ｎｍにおける損失増加が２ｄＢ以下であることを特徴とする。

このようにしてなる本発明の請求項１記載の光ファイバによれば、ＭＦＤを８．２μｍ以上９．０μｍ以下とすることにより、従来のＳＭＦとの接続損失を小さくすることができる。
また、ケーブルカットオフ波長λccを１２６０ｎｍ以下とすることにより、１２６０ｎｍより長波長の波長領域においてシングルモード動作が保障される。すなわち、１２６０ｎｍより長波長の波長領域におけるＣＷＤＭに適用可能である。
また、波長１２８５ｎｍにおける分散値の絶対値を３．５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下、零分散波長を１３００ｎｍ〜１３２０ｎｍ、零分散波長における分散スロープを０．０９０ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下とすることにより、広い波長範囲の所望する波長における分散値を小さく抑えることができ、広い波長範囲において信号波形の劣化を抑制できる。

さらに、光ファイバの曲げ損失は長波長ほど大きくなることが知られているが、本発明の光ファイバはＣＷＤＭ伝送の最長波長として想定されている波長１６２５ｎｍにおいて、直径３０ｍｍの円筒に１００回巻きつけたときの損失増加を２ｄＢ以下とすることにより、ＣＷＤＭ伝送の全波長範囲において曲げ損失が小さいことが保障される。
また、このように曲げ損失を小さくすることにより、ＦＴＴＨの宅内配線用光ファイバとしても好適な光ファイバとすることができる。

本発明の請求項２記載の光ファイバ母材の製造方法は、請求項１の光ファイバを製造するために用いる光ファイバ母材の製造方法であって、ＶＡＤ法でコアスートを合成する工程において、中心部に位置する第１コアとなるスートを合成する第１コアバーナーに隣接して、酸素ならびに水素ガスを主体とする燃焼ガスを流す第１焼き締めバーナーを配し、該第１焼き締めバーナーに隣接して第２コアとなるスートを合成する第２コアバーナーを配し、該第２コアバーナーに隣接して酸素ならびに水素ガスを主体とする燃焼ガスを流す第２焼き締めバーナーを配し、コアスートを合成することを特徴とする。

このようにしてなる本発明の請求項２記載の光ファイバ母材の製造方法によれば、第１コアバーナーに隣接して焼き締めバーナーを設けることにより第１コアとなるスートの密度を高めることができ、その結果クラックの発生が防止され、スート形成率を向上させることができる。また、第２コアバーナーに隣接して焼き締めバーナーを設けることにより第２コアとなるスートの密度も大きくなり、クラックの発生が抑えられるばかりでなく、みだりにスート外径が大きくなることをも防止できるので、結果としてコアスートの形成率が向上する。

また、本発明の請求項３記載の光ファイバ用スートの合成方法は、請求項２記載の光ファイバ母材の製造方法において、前記第２コアバーナーにフッ素を含むガスを流すことを特徴とする。
このようにしてなる本発明の請求項３記載の光ファイバ母材の製造方法によれば、第２コアバーナーにフッ素を含むガスを流すことにより、第２コアにスートの段階でフッ素を添加することができ、微小な屈折率制御が可能となってプロファイルの制御性が向上する。
これにより、従来のＳＭＦの製造方法からそれほど大きな変更をすることなく、歩留まりよく光ファイバ母材を製造することができる。

以上に述べたように本発明によれば、曲げ損失と分散特性を両立し、ＣＷＤＭ伝送の線路用およびＦＴＴＨにおける宅内配線用として好適な光ファイバおよび、その光ファイバを高い歩留まりにて容易に製造できる光ファイバ母材の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の光ファイバにおける屈折率プロファイルの模式図である。
本発明の光ファイバは、中心部に位置し、クラッド３０に対する比屈折率差がΔ１であり、直径がａである第１コア１０と、この第１コア１０の外周を覆い、クラッド３０に対する比屈折率差がΔ２であり、直径がｂである第２コア２０とさらにその外周を覆い、純石英に対する比屈折率差がΔＣであるクラッド３０から成る。

また、それぞれの領域における比屈折率差ならびに直径比が、下記式を満たすことを特徴とする。
０．４％≦Δ１≦０．５％
−０．０８％＜Δ２＜−０．０２％
０％＜ΔＣ≦０．０５％
４．７≦ｂ/ａ≦４．９
ここで、本発明で使用する比屈折率差Δ１、Δ２、ΔＣは以下の式（１）〜（３）により定義される。
Δ１＝［（ｎ_C1−ｎ_C）／ｎ_C1］×１００ ％ （１）
Δ２＝［（ｎ_C2−ｎ_C）／ｎ_C2］×１００ ％ （２）
ΔＣ＝［（ｎ_C−ｎ_g）／ｎ_C］×１００ ％ （３）
ここでｎ_C1は第１コアの最大屈折率、ｎ_C2は第２コアの最小屈折率、ｎ_Cはクラッドの屈折率、そしてｎ_gは純粋なシリカガラスの屈折率である。

また、本発明では、光ファイバの各部の直径を以下のように定義する。図１において、第１コア１０の直径ａは、第１コア１０と第２コア２０の境界でΔ１の１／２の比屈折率差を有する位置における径とする。第２コアの直径ｂは、第２コアとクラッドの境界でΔ２の１／２の比屈折率差を有する位置における径とする。
さらに、本明細書において、ケーブルカットオフ波長λccとは、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１で定義するケーブルカットオフ波長λccをいう。その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。

本発明の光ファイバ母材は、例えば図２に示す装置を用いてＶＡＤ法でコアスートを製造する。すなわち、第１コア１０となるスートを合成する第１コアバーナー３に隣接して酸素ならびに水素ガスを主体とする燃焼ガスを流す第１焼き締めバーナー４を配し、第１焼き締めバーナー４に隣接して第２コア２０となるスートを合成する第２コアバーナー５を配して、さらに第２コアバーナー５に隣接して酸素ならびに水素ガスを主体とする燃焼ガスを流す第２焼き締めバーナー６を配する。そして各バーナーにより原料ガスおよび燃焼ガスを出発母材１に向かって吹き付けることにより、スートを堆積させ、コアスート２を形成する。

また、第１コアバーナー３には屈折率を大きくするための添加剤としてＧｅを含むガスを、第２コアバーナー５には屈折率を小さくするための添加剤としてフッ素を含むガスを流すことが好ましい。添加するフッ素を含むガスとしてはＳｉＦ_４、ＳＦ_６、ＣＦ_４などが用いられる。

ここで、第１コア１０のクラッド３０に対する比屈折率差Δ１は第１コアバーナー３に添加するＧｅを含むガスの量を増減させることで調整することができ、第２コア２０のクラッド３０に対する比屈折率差Δ２は第２コアバーナー５に添加するフッ素を含むガスの量を増減させることで調整することができる。また、Δ１、Δ２とも、Ｇｅとフッ素の両方を添加し、屈折率を適正な値に調整してもよい。
また、第２コア２０の直径ｂと第１コア１０の直径ａの比ｂ／ａは各バーナーの位置や、ガス流量を調整することで増減させることができる。また、ｂ／ａはＯＨ基に起因する損失増加および耐水素性の観点から４．６以上であることが好ましい。

次に得られたコアスート２を脱水ガス、例えば塩素を含むガスを用いて電気炉などで脱水した後、透明化し、コア用ガラスロッド（以降、コアロッドという）とする。
さらに得られたコアロッドを所定の径に加熱延伸し、延伸したコアロッドの外周にＯＶＤ法によってクラッド３０となるスートを合成する。これを脱水ガスを用いて脱水した後に透明化することにより、光ファイバ母材が得られる。
このとき、ＯＶＤ法により合成したスートを脱水、透明化する際、電気炉内のガス雰囲気中における塩素ガスの割合を３％〜４％とすることにより、クラッド３０の純粋なシリカガラスに対する比屈折率差を０％＜ΔＣ≦０．０５％とすることができる。
さらに得られた光ファイバ母材を線引することにより、本発明の光ファイバを得ることができる。

表１に、本発明の特性を満たす光ファイバの屈折率プロファイルを伝送特性シミュレーションにより検討した結果を示す。

表１において、波長分散は波長１２８５ｎｍにおける分散値、ＭＦＤは波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径、λccはケーブルカットオフ波長、λ₀は零分散波長、Ｓ₀は零分散波長における分散スロープ、曲げ損失は光ファイバを直径３０ｍｍφの円筒に１００回巻き付けた状態での波長１６２５ｎｍにおける損失増加量をそれぞれ表している。

試料Ａは従来のＳＭＦである。これによると、従来のＳＭＦは曲げ損失が大きく、ＣＷＤＭ伝送用光ファイバ、あるいはＦＴＴＨの宅内配線用ファイバとしては利用できないことがわかる。
そこで、従来のＳＭＦを出発点として、最初に曲げ損失の低減のため試料Ｂに示す通りΔ１を大きくした。その結果、従来と同等のＭＦＤではケーブルカットオフ波長λccが大きくなり過ぎて所望する波長領域でのシングルモード伝送ができないことがわかった。これを受けて、ＭＦＤの中心値を従来のシングルモード光ファイバとの接続を問題なく行うことができる８．６μｍとした試料Ｃを検討した。結果、曲げ損失と分散（分散値と零分散波長）を両立させることができないことが判明した。

ここまでの結果を受けて、従来の単純なステップ型を維持したまま、各屈折率プロファイルのパラメータを調整するだけでは曲げ損失の低減が困難であると判断し、中心部に位置するコアの周囲にクラッドと比較して屈折率の低いコア、すなわち第２コアを設けた図１に示す屈折率プロファイルとすることを検討した。
図１に示す屈折率プロファイルを有する試料Ｄを検討した結果、零分散スロープを除き、ほぼ所望する伝送特性が得られることがわかった。そこで、第２コア２０の屈折率ならびに第２コア２０と第１コア１０の直径比ｂ／ａを最適化することにより全ての特性を所望の値とする光ファイバを得ることができた（試料Ｅ）。なお、ｂ／ａを小さくしていくと曲げ損失が大きくなる（許容曲げ半径が大きくなる）ことがわかった（試料Ｆ）。また、ｂ／ａが小さすぎる資料Ｆは、前述の通りＯＨ基に起因する損失増加および耐水素性の観点からも望ましくない。シミュレーションにより得られた、第２コア２０のクラッド３０に対する比屈折率差Δ２と零分散波長λ₀、零分散波長における分散スロープＳ₀の関係を図３に、第２コアと第１コアの直径比ｂ／ａと零分散波長λ₀、零分散波長における分散スロープＳ₀の関係を図４に示す。

図３、図４の結果から、零分散波長を１３００ｎｍ〜１３２０ｎｍ、零分散波長における分散スロープを０．０９０ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下、直径３０ｍｍの円筒に光ファイバを１００回巻きつけたときの波長１６２５ｎｍにおける損失増加が２ｄＢ以下の全てを満たすためには、Δ２を−０．０８％＜Δ２＜−０．０２％、かつ、ｂ／ａを４．７≦ｂ／ａ≦４．９とする必要があることがわかった。

さらにΔ１の許容範囲を検討するために、Δ２を−０．０８％＜Δ２＜−０．０２％、かつ、ｂ／ａを４．７≦ｂ／ａ≦４．９の範囲とした上でΔ１を変更し、シミュレーションを行った。表２にその結果を示す。

表２より得られたΔ１とケーブルカットオフ波長λcc、および曲げ損失の関係を図５に示す。前述した通り、ケーブルカットオフ波長λccと曲げ損失の間にはトレードオフの関係があり、Δ１の許容範囲は主にこの関係によって支配される。すなわち、図５に示すようにΔ１が小さい場合はケーブルカットオフ波長λccは小さいが曲げ損失が大きくなってしまう。表２ならびに図５から、Δ１の範囲として０．４％≦Δ１≦０．５％が許容されることが明らかとなった。

本シミュレーションの結果を元に、実際に試料Ｅ、試料Ｉに相当する光ファイバの製造を行った。
まず図２に示すＶＡＤ装置を用いて、コアスートを製造した。このとき４本のバーナーを用いて合成を行い、第１コアバーナー３に原料ガスである四塩化ケイ素を０．３７リットル／分、屈折率を高める添加剤として四塩化ゲルマニウムを０．０２リットル／分、第２コアバーナー５に四塩化ケイ素を１．７５リットル／分、屈折率を下げる添加剤として四フッ化ケイ素を０．１０リットル／分供給し、火炎加水分解反応で生成したガラス微粒子（スート）を出発母材に堆積させた。なお、堆積したスートの密度調整および取り扱い性向上のために第１コアバーナー３に隣接する第１焼き締めバーナー４に水素ガスを９リットル／分、酸素ガスを４リットル／分、第２コアバーナー５に隣接する第２焼き締めバーナー６に水素ガスを３リットル／分、酸素ガスを４リットル／分供給した。

得られたコアスートを電気炉で脱水・透明化し、コアロッドを作製した。このとき、電気炉内のガス雰囲気中における塩素ガスの割合を１．２％とし、電気炉内の最高温度を１２１５℃として５時間脱水し、続いてヘリウム雰囲気中で電気炉内の最高温度を１５４０℃として５時間熱処理して透明化し、その後電気炉にて加熱延伸して外径４０ｍｍ、長さ１４００ｍｍのコアロッドを得た。

この後、延伸したコアロッドの外周にＯＶＤ法によってクラッドとなるスートを合成した。
さらにこれを脱水・透明化することにより、光ファイバ母材を得た。
ＯＶＤ法により合成したスートを脱水・透明化する際、電気炉内のガス雰囲気中における塩素ガスの割合を３％〜４％とした。これにより、クラッド３０の屈折率を純粋なシリカガラスよりも０％〜０．０５％大きくすることができた。

得られた光ファイバ母材を線引することにより、本発明の光ファイバを得た。得られた光ファイバの特性を表３に示す。なお、試料Ｅに相当する光ファイバをファイバＥ、試料Ｉに相当する光ファイバをファイバＩと呼ぶ。

各光ファイバの伝送特性はシミュレーションにより得られた結果とほぼ一致している。
また、得られた光ファイバに対し、波長１２６０ｎｍから１６２５ｎｍにおけるロススペクトルを測定したところ全波長範囲において伝送損失が０．３９ｄＢ／ｋｍ以下であった。また、１３８３ｎｍにおける伝送損失は０．２９ｄＢ／ｋｍ以下であった。代表として資料Ｉのロススペクトルを図６に示す。
さらに得られた光ファイバを２０％重水素雰囲気で４時間処理したのち、水素試験を行った。水素試験条件はＩＥＣ６０７９３−２−５０ Ｃ．３．１に従うものとし、下記に示す条件とする。
光ファイバを、室温下において水素濃度が０．０１気圧の雰囲気中にて水素に曝露し、波長１２４０ｎｍにおける伝送損失が水素曝露前の伝送損失（初期値）に比べて０.０３ｄＢ／ｋｍ以上増加するまでその状態を維持する。その後、大気中に取出して１４日間以上放置し、伝送損失の測定を行う。

水素試験後、波長１３８３ｎｍでの伝送損失を測定したところ、全て０．２９ｄＢ／ｋｍ以下であった。すなわち、水素の拡散により伝送損失がほとんど増加しなかった。したがって、本発明の光ファイバは１３８０ｎｍ付近を含む１２６０ｎｍ〜１６２５ｎｍの広い波長帯域において長期間安定した低伝送損失を保つことができ、ＣＷＤＭ伝送の線路用およびＦＴＴＨにおける宅内配線用として好適な光ファイバとして用いることができる。

本発明の光ファイバの屈折率プロファイルの一例を示す模式図である。 本発明の光ファイバ母材の製造装置（ＶＡＤ法）の概略図である。 第２コアのクラッドに対する比屈折率差Δ２と零分散波長λ₀、および零分散波長における分散スロープＳ₀の関係を示したグラフである。 第２コアの第１コアに対する直径比ｂ／ａと曲げ損失、および零分散波長における分散スロープＳ₀の関係を示したグラフである。 第１コアのクラッドに対する比屈折率差Δ１とケーブルカットオフ波長λcc、および曲げ損失の関係を示したグラフである。 本発明の光ファイバのモノクロロスのスペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１ 出発母材
２ コアスート
３ 第１コアバーナー
４ 第１焼き締めバーナー
５ 第２コアバーナー
６ 第２焼き締めバーナー
１０ 第１コア
２０ 第２コア
３０ クラッド

Claims (3)

1. 中心部に位置し、クラッドに対する比屈折率差がΔ1であり、直径がａである第１コアと、該第１コアの外周を覆い、クラッドに対する比屈折率差がΔ２であり、直径がｂである第２コアと、該第２コアの外周を覆い、純石英に対する比屈折率差がΔＣであるクラッドから成る光ファイバにおいて、それぞれの領域における比屈折率差ならびに直径比が、
   ０．４％≦Δ１≦０．５％
   −０．０８％＜Δ２＜−０．０２％
   ０％＜ΔＣ≦０．０５％
   ４．７≦ｂ／ａ≦４．９
   を満たし、
   波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が８．２μｍ以上９．０μｍ以下であり、
   ケーブルカットオフ波長λccが１２６０ｎｍ以下であり、
   波長１２８５ｎｍにおける分散値の絶対値が３．５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、
   零分散波長が１３００ｎｍ〜１３２０ｎｍであり、
   零分散波長における分散スロープが０．０９０ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であり、
   直径３０ｍｍの円筒に光ファイバを１００回巻きつけたときの波長１６２５ｎｍにおける損失増加が２ｄＢ以下であることを特徴とする光ファイバ。
2. 請求項１の光ファイバを製造するために用いる光ファイバ母材の製造方法であって、
   ＶＡＤ法でコアスートを合成する工程において、中心部に位置する第１コアとなるスートを合成する第１コアバーナーに隣接して、酸素ならびに水素ガスを主体とする燃焼ガスを流す第１焼き締めバーナーを配し、該第１焼き締めバーナーに隣接して第２コアとなるスートを合成する第２コアバーナーを配し、該第２コアバーナーに隣接して酸素ならびに水素ガスを主体とする燃焼ガスを流す第２焼き締めバーナーを配し、コアスートを合成することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
3. 前記第２コアバーナーにフッ素を含むガスを流すことを特徴とする請求項２記載の光ファイバ母材の製造方法。
   

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