JP2017037120A

JP2017037120A - 光ファイバ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2017037120A
Application number: JP2015156876A
Authority: JP
Inventors: 愛川　和彦; Kazuhiko Aikawa; 和彦愛川; 遠藤　豊; Yutaka Endo; 豊遠藤; 克昭井添; Katsuaki Izoe
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2017-02-16

Abstract

【課題】放射線が照射される環境下で好適に使用でき、フッ素の発生が抑制される光ファイバ及びその製造方法を提供する。【解決手段】コア１と、コア１の外周を覆い、コア１より屈折率が低いクラッド２と、クラッド２の外周を覆う最外ガラス層３を有するシングルコアの光ファイバであって、コア１及びクラッド２が、フッ素がドープされた石英系ガラスから構成され、最外ガラス層３が、フッ素がドープされていない石英系ガラスから構成され、最外ガラス層３の厚さｔ３が、１０μｍ以上３５μｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、高温や放射線が照射される環境下で好適に使用される石英系の光ファイバに関し、特に、フッ素の発生が抑制される光ファイバ及びその製造方法に関する。

コア及びクラッドが石英系ガラスからなる石英系光ファイバは、放射線が照射される環境下で使用されると、放射線に起因する伝送損失の増加（透過光量の減少）が生じる。また、石英系ガラスの屈折率を制御する目的で一般的に使用されているゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントや、光ファイバの製造工程で光ファイバ中に残存した不純物により、紫外線及び可視光の波長領域で光学吸収が生じることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

非特許文献１のｐ．４２には、「フッ素樹脂は無色透明であるが、放射線に対して耐性が低く、特に放射線およびＸ線と温度サイクルの相互作用によって著しく機械特性が低下する。」との記載がある。
非特許文献２には、フッ素ドープコアをもつシリカファイバが放射線耐性に優れている旨の記載がある。

特開２００７−２８６２３８号公報

岩田稔、横田力男、「材料の耐宇宙環境性評価と宇宙用材料の開発」、放射線化学、日本放射線化学会、平成２０年９月、第８６号、ｐ．３６−４４ショーン・フォーリー、「シングルモードファイバの放射線耐性を高めるフッ素ドープコア」、ＬａｓｅｒＦｏｃｕｓＷｏｒｌｄＪａｐａｎ、２００９年８月号、ｐ．３７−３９

フッ素が添加された石英ガラスを用いた光ファイバは、放射線等の高エネルギー線の影響によりフッ素が拡散して、周囲を汚染することが懸念される。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、放射線が照射される環境下で好適に使用でき、フッ素の発生が抑制される光ファイバ及びその製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、コアと、前記コアの外周を覆い、前記コアより屈折率が低いクラッドと、前記クラッドの外周を覆う最外ガラス層とを有するシングルコアの光ファイバであって、前記コア及び前記クラッドが、フッ素がドープされた石英系ガラスから構成され、前記最外ガラス層が、フッ素がドープされていない石英系ガラスから構成され、前記最外ガラス層の厚さが、１０μｍ以上３５μｍ以下であることを特徴とする光ファイバを提供する。

前記最外ガラス層が、純粋石英ガラスから構成されていることが好ましい。
石英の屈折率を基準にしたときの前記コアの比屈折率差が−０．３０％以上、−０．２０％以下であり、前記クラッドの屈折率を基準にしたときの前記コアの比屈折率差が０．３％〜０．５％であり、前記光ファイバのカットオフ波長が１．２７μｍ以下であり、前記光ファイバの、波長１．３μｍ、曲げ半径１０ｍｍにおける曲げ損失が０．５ｄＢ／ｍ以下であり、前記コアの半径をｒ１、前記クラッドの半径をｒ２としたときの半径比ｒ２／ｒ１が１２〜１７であり、前記光ファイバの波長１．３μｍにおける伝送損失が１．０ｄＢ／ｋｍ以下であり、かつ前記光ファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）が８．０μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明は、前記光ファイバの製造方法であって、フッ素がドープされた石英系ガラスから構成されたコアと、前記コアの外周を覆い、前記コアより屈折率が低く、フッ素がドープされた石英系ガラスから構成されたクラッドと、前記クラッドの外周を覆い、フッ素がドープされていない石英系ガラスから構成された最外ガラス層とを有する光ファイバ母材を製造する工程と、前記光ファイバ母材を、線引き張力０．１０〜０．４０Ｎ、線引き速度１０〜１００ｍ／ｍｉｎで紡糸する工程と、を有することを特徴とする光ファイバの製造方法を提供する。

本発明によれば、コアが、フッ素がドープされた石英系ガラスから構成されているので、放射線が照射される環境下で好適に使用できる。また、クラッドの最外層である第２クラッドが、フッ素がドープされていない石英系ガラスから構成されているので、光ファイバ外へのフッ素の発生、拡散を抑制することができる。

本発明の光ファイバの一例を示す屈折率分布のグラフである。

以下、好適な実施形態に基づいて、本発明を説明する。図１に、本実施形態の光ファイバの屈折率分布の一例を示す。本実施形態の光ファイバは、半径方向の中心に設けられるコア１と、コア１の外周を覆うクラッド２と、クラッド２の外周を覆う最外ガラス層３とを有する。コア１に対して、クラッド２及び最外ガラス層３は、略同心円状に設けられる。クラッド２は、コア１より低い屈折率を有する。最外ガラス層３は、石英系ガラスから構成される光ファイバ（ガラスファイバ）の最外層である。光ファイバは、断面に１つのコア１を有するシングルコアの光ファイバである。

コア１は、フッ素がドープされた石英系ガラスから構成されている。石英の屈折率を基準にしたときのコア１の比屈折率差は、−０．３０％〜−０．１０％が好ましく、−０．３０％〜−０．２０％がより好ましい。コア１のフッ素濃度は、０．４〜１．２ｗｔ％が好ましく、０．８〜１．２ｗｔ％がより好ましい。コア１にフッ素がドープされることにより、コア１の耐放射線特性に優れ、光ファイバが耐放射線光ファイバとなる。

コアのフッ素濃度が０．４ｗｔ％未満で、石英の屈折率を基準にしたときのコアの比屈折率差が−０．１０％より大きいときは、放射線が照射される雰囲気中での光ファイバの伝送損失の抑制効果が充分ではない。また、コアのフッ素濃度が１．２ｗｔ％を超えて、石英の屈折率を基準にしたときのコアの比屈折率差が−０．３０％より小さいと、クラッドの屈折率をより低く、クラッドへフッ素添加量をより多くする必要が生じることから、生産性が悪い。

本実施形態の光ファイバにおいて、コア１の塩素濃度は０．０１ｐｐｍ以上であることが好ましい。コア１を構成する石英系ガラスに対して、塩素を含む脱水剤（Ｃｌ_２、ＳＯＣｌ_２等）による脱水処理を行うことにより、波長１．３８μｍにおける吸収損失を抑制し、波長１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯等で、高品質の通信に光ファイバを使用することが可能となる。

クラッド２は、フッ素がドープされた石英系ガラスから構成されている。クラッド２の屈折率を基準にしたときのコア１の比屈折率差（コアクラッド間の比屈折率差）は、０．３％〜０．５％が好ましい。石英の屈折率を基準にしたときのクラッド２の比屈折率差は、−０．８０％〜−０．４０％が好ましい。クラッド２のフッ素濃度は、１．６〜３．２ｗｔ％が好ましい。

コアクラッド間の比屈折率差が０．３％未満では、約１．３〜１．６μｍ帯の通信波長帯で使用するためのカットオフ波長を満たしながら曲げ損失も小さくすることが困難となる。コアクラッド間の比屈折率差が０．５％を超えると、クラッド２へのフッ素添加の影響によって放射線が照射されない状態での伝送損失の劣化が生じ、放射線量が比較的少ない条件での光ファイバの伝送損失の特性も悪い。

なお、本実施形態の光ファイバで使用される通信波長帯として、Ｏバンド（１２６０〜１３６０ｎｍ）、Ｅバンド（１３６０〜１４６０ｎｍ）、Ｓバンド（１４６０〜１５３０ｎｍ）、Ｃバンド（１５３０〜１５６５ｎｍ）、Ｌバンド（１５６５〜１６２５ｎｍ）、Ｕバンド（１６２５〜１６７５ｎｍ）から選択される１または２以上が挙げられる。通信波長帯として、波長１．３μｍ以上が好ましく、１．３μｍ帯または１．５５μｍ帯がより好ましい。これらの波長帯でシングルモード通信を可能にするため、光ファイバのカットオフ波長は、１．２７μｍ以下であることが好ましい。

最外ガラス層３は、フッ素がドープされていない石英系ガラスから構成されている。クラッド２のフッ素濃度が高いと、高温や放射線雰囲気等の厳しい環境下で光ファイバを使用したときに、微量ではあってもクラッドからフッ素又はフッ素化合物等のガス（Ｆ_２，ＨＦ等のフッ素含有ガス）が拡散するおそれがある。フッ素がドープされた石英系ガラス（コア１及びクラッド２）の周囲を囲むように最外ガラス層３を設けることにより、フッ素含有ガスの拡散を抑制することができる。

最外ガラス層３は、実質的にドーパントを含まない純粋石英ガラス、または実質的に塩素のみをドーパントとして含む石英系ガラスから構成されていることが好ましい。フッ素含有ガスの拡散を抑制するため、最外ガラス層３の厚さｔ３が１０μｍ以上であることが好ましい。

最外ガラス層３の屈折率は、クラッド２の屈折率より高く、またコア１の屈折率よりも高い。このため、クラッド２が薄すぎると、コア１及びその周辺（略ＭＦＤの範囲内）での光の閉じ込めが不十分となり、曲げ損失の増大など、光ファイバの光学特性の劣化を招く。このため、最外ガラス層３の厚さｔ３は３５μｍ以下であることが好ましい。かかる最外ガラス層３は、紡糸時に応力負担層として機能することにより、コア１に紡糸時の高い引っ張り応力が残留し、伝送損失が増加することを防止することができる。

本実施形態の光ファイバにおいて、コア１の半径をｒ１、クラッド２の半径をｒ２としたときの半径比（コアクラッド半径比）ｒ２／ｒ１が１２〜１７であることが好ましい。コアクラッド半径比ｒ２／ｒ１が小さすぎると、光ファイバの曲げ損失が大きくなりやすい。また、コアクラッド半径比ｒ２／ｒ１が大きすぎると、コア１の半径ｒ１が小さくなりすぎ、光ファイバのカットオフ波長が長くなり、上記通信波長帯での光ファイバの曲げ損失が大きくなりやすい。

光ファイバの波長１．３μｍにおける伝送損失は、１．０ｄＢ／ｋｍ以下であることが好ましい。波長１．３μｍにおける伝送損失が１．０ｄＢ／ｋｍを超えると、光ファイバが配線される環境の放射線量が低いときや、放射線の無いときの損失レベルが高く、特性劣化を引き起こす。波長１．３μｍにおける伝送損失が０．５ｄＢ／ｋｍ以下であることがより好ましい。また、光ファイバの、波長１．３μｍ、曲げ半径１０ｍｍにおける曲げ損失が０．５ｄＢ／ｍ以下であることが好ましい。ここで、曲げ半径１０ｍｍは、曲げ直径２０ｍｍとしてもよい。

本実施形態の光ファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）は、８μｍ以上であることが望ましい。ＭＦＤが８μｍ未満だと、本実施形態の光ファイバを一般的な通信用ファイバと接続するとき、接続損失が大きく、特性劣化が生じる。そのため、本実施形態の光ファイバのＭＦＤの上限は、１０μｍ程度が望ましい。

本実施形態によれば、照射線量率１．０×１０^６Ｒ／ｈ（レントゲン毎時）で６０分間照射したときの伝送損失の増加量が１０．０ｄＢ／ｋｍ以下である耐放射線光ファイバを提供することができる。より好ましくは、同条件の伝送損失の増加量が、８．０ｄＢ／ｋｍ以下である。

放射線照射による光ファイバの損失劣化（伝送損失の増加）の要因の一つとして、光ファイバ製造工程で生じる欠陥がある。石英系ガラス中の欠陥が前駆体となり、放射線照射時には大きな損失劣化をもたらすおそれがある。光ファイバの線引き（紡糸）の条件により、この欠陥生成の出来やすさが異なる。できるだけ線引き張力と線引き速度を低くする方が欠陥生成は少なくなるが、逆に製造性は悪くなる。線引き張力が低すぎると線引き（紡糸）時の制御が不安定になり、線引き速度が遅いと、単位時間あたりの生産量が落ち、経済上好ましくない。そこで、光ファイバの製造方法においては、線引き張力０．１０〜０．４０Ｎ、線引き速度１０〜１００ｍ／ｍｉｎの範囲内で紡糸することが好ましい。

本実施形態の光ファイバの製造方法は、光ファイバと同様に、コアとクラッドと最外ガラス層とを有する光ファイバ母材を製造する工程と、光ファイバ母材を溶融延伸して、光ファイバを紡糸する工程とを有する。紡糸した光ファイバの外周（最外ガラス層の上）に、樹脂等の被覆を１層または２層以上設けることができる。得られた光ファイバの外径は、樹脂等の被覆を除いたガラスファイバの直径として、例えば８０〜２００ｎｍが好ましく、一般的には、約１２５μｍが好ましい。

コア１及びクラッド２を構成する、フッ素を含有する石英ガラスは、フッ素含有ガスを用いてシリカ（ＳｉＯ_２）にフッ素を添加することにより生成することができる。フッ素添加方法としては、多孔質のシリカスート中にフッ素含有ガスを拡散した状態で焼結する方法や、シリカスートを合成する際にシリカの原料ガス（ＳｉＣｌ_４）中にフッ素含有ガスを混合する方法などが挙げられる。フッ素含有ガスとしては、ＳｉＦ_４、ＳＦ_６、ＣＦ_４、ＣＦ_２Ｃｌ_２、Ｃ_２Ｆ_６等のフッ素（Ｆ）化合物が挙げられる。

本実施形態の光ファイバは、耐放射線に優れるので、原子炉、加速器、人工衛星、人工惑星、宇宙ステーション、有人又は無人のスペースクラフト、宇宙用機器などにおいて、光通信等に好適に使用することができる。本実施形態の光ファイバは、光ファイバケーブル、光ファイバコード、光ファイバピグテイル、光ファイバグレーティング、光ファイバコネクタ、光ファイバモジュール等の各種製品に利用することもできる。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
コア１とクラッド２が接する界面、あるいはクラッド２と最外ガラス層３が接する界面では、界面の両側に位置する各層の中間的な組成を有する層が介在することができる。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、実施例に限定されるものではない。

（実施例）
ＶＡＤ法によりシリカスートを作製し、塩素ガスを含むヘリウムガス雰囲気で加熱してシリカスートを脱水した後、ＳｉＦ_４ガスを含むヘリウムガス雰囲気で焼結して、コアとなるガラス材（コアロッド）を得る。
このコアロッドを延伸し、その外周にシリカスートを外付けし、塩素ガスを含むヘリウムガス雰囲気で加熱してシリカスートを脱水し、さらにＳｉＦ_４ガスを含むヘリウムガス雰囲気で焼結して、コアロッドの周囲にクラッド層を有する中間母材を形成する。コアロッドの外周にクラッド層を形成する外付け工程は、所定のコアクラッド半径比（ｒ２／ｒ１が１２〜１７程度）に達するまで、２回以上繰り返して行うことができる。
コア及びクラッドに添加されるフッ素の濃度は、所望の耐放射線特性及び光学特性が得られるよう、調整することができる。

さらに、中間母材の外周にシリカスートを外付けし、塩素ガスを含むヘリウムガス雰囲気で加熱してシリカスートを脱水して、クラッド層の外周に純粋石英からなる最外ガラス層を形成する。クラッド層の外周に最外ガラス層を形成する外付け工程は、所定の最外ガラス層の厚さ（光ファイバ換算で１０〜３５μｍ程度）に達するまで、２回以上繰り返して行うことができる。

以上のようにして、光ファイバと同じ組成及び半径比で、コアとクラッドと最外ガラス層を有する光ファイバ母材を製造し、この光ファイバ母材を、線引き張力０．１０〜０．４０Ｎ（より好ましくは０．２０〜０．４０Ｎ）、線引き速度１０〜１００ｍ／ｍｉｎ（より好ましくは６０〜１００ｍ／ｍｉｎ）の条件で線引き（紡糸）して、光ファイバを製造する。紡糸後の光ファイバをボビンに巻き取る前に、ＵＶ硬化型樹脂を用いて光ファイバの外周に被覆を形成する。

得られた光ファイバでは、ガラス径（最外ガラス層の外径＝ｒ２＋２×ｔ３）が１２５μｍ、被覆の外径が２５０μｍである。これにより、照射線量率１．０×１０^６Ｒ／ｈ（レントゲン毎時）で６０分間照射したときの伝送損失の増加量が１０．０ｄＢ／ｋｍ以下、より好ましくは８．０ｄＢ／ｋｍ以下である耐放射線光ファイバを製造することができる。

ｒ１…コアの半径、ｒ２…クラッドの半径、ｔ３…最外ガラス層の厚さ、１…コア、２…クラッド、３…最外ガラス層。

Claims

コアと、前記コアの外周を覆い、前記コアより屈折率が低いクラッドと、前記クラッドの外周を覆う最外ガラス層とを有するシングルコアの光ファイバであって、
前記コア及び前記クラッドが、フッ素がドープされた石英系ガラスから構成され、
前記最外ガラス層が、フッ素がドープされていない石英系ガラスから構成され、
前記最外ガラス層の厚さが、１０μｍ以上３５μｍ以下であることを特徴とする光ファイバ。
前記最外ガラス層が、純粋石英ガラスから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
石英の屈折率を基準にしたときの前記コアの比屈折率差が−０．３０％以上、−０．２０％以下であり、
前記クラッドの屈折率を基準にしたときの前記コアの比屈折率差が０．３％〜０．５％であり、
前記光ファイバのカットオフ波長が１．２７μｍ以下であり、
前記光ファイバの、波長１．３μｍ、曲げ半径１０ｍｍにおける曲げ損失が０．５ｄＢ／ｍ以下であり、
前記コアの半径をｒ１、前記クラッドの半径をｒ２としたときの半径比ｒ２／ｒ１が１２〜１７であり、
前記光ファイバの波長１．３μｍにおける伝送損失が１．０ｄＢ／ｋｍ以下であり、
かつ前記光ファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）が８．０μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバの製造方法であって、
フッ素がドープされた石英系ガラスから構成されたコアと、前記コアの外周を覆い、前記コアより屈折率が低く、フッ素がドープされた石英系ガラスから構成されたクラッドと、前記クラッドの外周を覆い、フッ素がドープされていない石英系ガラスから構成された最外ガラス層とを有する光ファイバ母材を製造する工程と、
前記光ファイバ母材を、線引き張力０．１０〜０．４０Ｎ、線引き速度１０〜１００ｍ／ｍｉｎで紡糸する工程と、
を有することを特徴とする光ファイバの製造方法。