JP4644739B2

JP4644739B2 - ポリマークラッド光ファイバ

Info

Publication number: JP4644739B2
Application number: JP2008541532A
Authority: JP
Inventors: 健志岡田; 純一高橋
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: JPWO2008114742A1; EP2124077A4; US20090196560A1; US7680390B2; CN101558338B; CN101558338A; WO2008114742A1; EP2124077A1; EP2124077B1

Description

本発明は、２層コアステップインデックス型屈折率分布を持つポリマークラッド光ファイバ（以下、ＰＣＦと記す。）の光学特性の温度依存性向上に関するものである。ＰＣＦは、主に家庭内配線やオフィスＬＡＮ、機器内配線、車載通信などの短距離通信において利用される。

石英ガラスコアと、該石英ガラスコアの周りに設けられたポリマークラッドとから構成されたＰＣＦの中でも、特に、ステップインデックス型（以下、ＳＩ型と記す。）の屈折率分布を持つＰＣＦは、ゲルマニウムなどのドーパントを添加する必要がないために、安価に製造できる利点がある。また、大口径、高ＮＡであるため、光源との結合効率も高いという特徴がある。

従来、ＳＩ型マルチモードファイバの伝送帯域、曲げ損失などの特性向上を目的として、コアを２層以上の多層にすることが特許文献１に開示され、また、グレーデッドインデックス（ＧＩ）型屈折率分布にすることが特許文献２，３にそれぞれ開示されている。
特に、ＰＣＦのポリマークラッド材の屈折率の温度特性の改善のために、ガラスコアにフッ素添加ガラスクラッドを設け、その外周にポリマークラッドを形成する２層コア構造も、特許文献３に開示されている。
特開２００５−３２１６８６号公報特開平１１−６４６６５号公報特開平１１−１１９０３６号公報

一般に、ＳＩ型屈折率分布を持つ光ファイバにおいて、伝送帯域を広くするために、コアとクラッドの比屈折率差（一般に△で表される）を小さくする必要がある。
しかしながら、△を小さくすると、伝送路を曲げた場合の光の漏洩（曲げ損失）が大きくなる欠点がある。
同時に、コアからクラッド層への光のしみだし量が増加することで、透過率の低いポリマークラッド層において光パワーのロスが生じ、伝送損失もまた大きくなる欠点がある。
これらの特性改善のために、コアを多層構造、あるいは、グレーテッドインデックス（ＧＩ）型構造にすることが行われているが、製造工程が複雑になるため、コストアップを招く欠点がある。
さらに、ポリマー材の屈折率の温度依存性は、石英ガラスのそれと比較して大きいために、使用温度により△が変化し、光学特性もまた変化してしまう欠点がある。ポリマークラッド材の常温での屈折率と屈折率の温度依存性によっては、低温度領域で、コア−クラッド間の△がゼロとなり、光が導波しなくなる場合もある。これを回避するために、石英ガラスコアを２層設ける構造が提案されているが、適切なパラメータが記載されておらず、使用温度範囲全域における帯域や曲げ損失などの特性については言及されていない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、使用温度範囲全域における帯域の悪化や曲げ損失増加がなく、低コストで製造することが可能なＰＣＦの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、石英ガラスからなる内コアの外周に設けられた該内コアよりも屈折率が低いフッ素添加ガラスからなる外コアと、この外コアの外周に設けられたポリマーからなるポリマークラッドとを備える光ファイバであって、前記内コア直径をａ_１、外コア直径をａ_２、内コア断面積を（πａ_１ ^２）／４、外コア断面積を（πａ_２ ^２）／４とするとき、Ｘ＝ａ_２ ^２／ａ_１ ^２で定義されるパラメータＸが１．８≦Ｘ≦２．２の範囲内にあり、
かつ、前記内コアと外コアとの間の比屈折率差を△_１、前記外コアとポリマークラッドとの間の比屈折率差を△_２とし、さらに高温時における前記外コアとポリマークラッドとの間の比屈折率差を△_２ｍａｘ、低温時における前記外コアとポリマークラッドとの間の比屈折率差を△_２ｍｉｎとし、Ｙ＝△_２／△_１で定義されるパラメータＹについて、高温時をＹｍａｘ＝△_２ｍａｘ／△_１、低温時をＹｍｉｎ＝△_２ｍｉｎ／△_１としたとき、前記パラメータＸが１．８≦Ｘ≦２．０の範囲では、前記Ｙｍｉｎが０．２５≦Ｙｍｉｎ≦０．８４Ｘ−０．６８であり、前記Ｙｍａｘが０．２５≦Ｙｍａｘ≦０．８４Ｘ−０．６８であり、
前記Ｘが２．０≦Ｘ≦２．２の範囲では、前記Ｙｍｉｎが０．４８Ｘ−０．７１≦Ｙｍｉｎ≦−２／９Ｘ＋１３／９であり、前記Ｙｍａｘが０．４８Ｘ−０．７１≦Ｙｍａｘ≦−２／９Ｘ＋１３／９の関係を満たすことを特徴とするポリマークラッド光ファイバを提供する。

好ましくは、前記パラメータＹについて、Ｙｍｉｎ＜Ｙｍａｘである。
また、好ましくは、前記内コア屈折率をほぼ純粋石英ガラスレベルとし、外コア屈折率を１．４２以上、純粋石英ガラスレベル以下にする。

本発明のＰＣＦは、使用温度範囲全域における帯域の悪化や曲げ損失増加がなく、低コストで製造することができる。
本発明の上記及び他の目的、作用・効果等については、添付図面及び本発明の実施形態の記載から、当業者に明らかになろう。

ポリマークラッド材の温度変化によるＰＣＦの径方向の屈折率変化を模式的示す図である。

本発明のＰＣＦ（ポリマークラッド光ファイバ）は、石英ガラスや添加物ドープガラスからなる２層ガラスコア（内コア、外コア）と、その外周に設けられたポリマークラッドとからなる２層ガラスコアＰＣＦにおいて、次に示す構造を満たすことで、温度特性を向上させる。ここで、内コア、および、外コアは、石英ガラスを主成分とするガラスである必要があり、その屈折率の温度依存性が、ポリマークラッドと比較して十分に小さい必要がある。そのため、特に外コアにはポリマークラッド材料が使用できない。内コアの直径をａ_１、外コアの直径をａ_２として、内コアの断面積（πａ_１ ^２）／４と外コアの断面積（πａ_２ ^２）／４の比をＸ（＝ａ_２ ^２／ａ_１ ^２）とする。温度変化によって想定される屈折率分布の変化を図１に示す。

ＰＣＦが使用を想定されている最高温度をＴｍａｘとし、最低温度をＴｍｉｎとする。
ポリマークラッド材の常温（２０℃とする）での屈折率をｎ_０とし、屈折率の温度係数をｄｎ／ｄＴとすると、Ｘ℃でのポリマークラッド材の屈折率ｎｘは次式（１）で表すことができる。

この時、内コア、外コアとの屈折率差を△_１，外コアとポリマークラッド間の比屈折率差を△_２とすると、△_１と△_２は次式（２）及び（３）で表すことができる。

本発明のＰＣＦは、△_１と△_２の比をＹ（＝△_２／△_１）とおき、Ｔｍａｘの時のＸを△_２ｍａｘ、Ｔｍｉｎの時のＸを△_２ｍｉｎとした場合のＹをＹｍａｘ＝△_２ｍａｘ／△_１、Ｙｍｉｎ＝△_２ｍｉｎ／△_１とした場合、
前記Ｘが、１，８≦Ｘ≦２．２の範囲にあり、
前記Ｘが、１．８≦Ｘ≦２．０の範囲の時、前記Ｙｍｉｎは、０．２５≦Ｙｍｉｎ≦０．８４Ｘ−０．６８であり、
前記Ｘが２．０≦Ｘ≦２．２の範囲の時、前記Ｙｍｉｎは、０．４８Ｘ−０．７１≦Ｙｍｉｎ≦−２／９Ｘ＋１３／９、前記Ｙｍａｘは、０．４８Ｘ−０．７１≦Ｙｍａｘ≦−２／９Ｘ＋１３／９を満たすことを特徴とする。

以上のような設計とすることで、温度依存性により△が変化するが、この変化分を△の変化しないガラス内コア、外コア間伝送特性と同等に維持でき、温度に屈折率の変化を考慮しなくて良いという効果が得られる。この範囲を外れた場合は、△_１の調整が現実的でなかったり、伝送特性が悪化したり、外コアとクラッドの屈折率が逆転したりするため、２層コアにした利点がない。

△_１の調整のため、内コア屈折率は、純粋石英ガラス程度であり、外コア屈折率は、１．４２以上が望ましい。
パラメータＹについて、Ｙｍｉｎ＜Ｙｍａｘであることが望ましい。
このようにポリマークラッドの屈折率の温度依存性として、高温ほど屈折率が低くなり、低温ほど屈折率が高くなるような材料に対して適用することが好ましい。このようにすることで、石英ガラスの屈折率の温度依存性と逆方向依存性（石英ガラスは高温ほど屈折率が高くなる）となり、特に本発明を適用する効果が大きくなる。

図１は、高温にて屈折率が低くなるようなポリマークラッド材の温度変化によるＰＣＦの径方向の屈折率変化を模式的示す図である。石英ガラスからなる内コアと外コアの屈折率は、常温時、低温時及び高温時においてほとんど変化しないが、ポリマークラッドの屈折率は、常温時に対して低温時及び高温時にそれぞれ変化し、外コアとポリマークラッドのΔは変動する。

パターン（１）では、常温時、中央の内コアの屈折率が最も高く、その外側の外コアの屈折率が最も低く、さらにその外側のポリマークラッドの屈折率が両者の間になっている。ポリマークラッドの屈折率が温度により変動するため、低温時にはポリマークラッドの屈折率が最も高くなり、また高温時には外コアとポリマークラッドの屈折率が等しくなる。
パターン（２）では、常温時、外コアと等しい屈折率のポリマークラッドを用いた場合である。この場合、低温時にはポリマークラッドの屈折率が内コアと外コアの各屈折率の中間の値となる。高温時には、ポリマークラッドの屈折率が、外コアの屈折率よりも低くなる。
パターン（３）では、常温時、外コアよりも低い屈折率のポリマークラッドを用いた場合である。この場合、低温時にはポリマークラッドの屈折率が外コアの屈折率と等しくなる。高温時には、ポリマークラッドの屈折率が、外コアの屈折率よりも低くなる。
パターン（４）では、常温時、外コアよりも低い屈折率のポリマークラッドを用い、（３）よりも屈折率変化が大きい場合である。この場合、低温時にはポリマークラッドの屈折率が外コアよりも低くなる。高温時には、ポリマークラッドの屈折率が、外コアの屈折率よりも低くなる。

表１に示すように、直径ａ_１の石英ガラス（屈折率ｎ_１）をガラス内コアとし、その外周に直径ａ_２の石英ガラス（屈折率ｎ_２）を設けて外コアを形成し、さらにその外周にポリマークラッド（屈折率ｎ_３）を形成してＰＣＦを製造した。内コアの屈折率は、塩素やフッ素、Ｇｅ、リンなどの添加物で屈折率を調整している。外コアの屈折率は、フッ素やボロンなどの添加物で屈折率を調整している。また、ポリマークラッド材は、常温での屈折率や屈折率の温度変化を考慮した材料を適宜使用して、評価を行った。
試作した光ファイバは、実施例１〜５、および、比較例１〜６に記載する合計１１種類である。

（実施例１）
ポリマークラッド材Ａを使用し、使用温度範囲として−４０〜＋８５℃を想定した評価を行った。表１より、コア断面積比Ｘ、および、比屈折率差比Ｙが適切な範囲に入っているため、帯域の温度変化が少なく、さらに、低温度環境下での曲げ損失に強い良好なファイバが得られた。また、比較例１に示す１層コア構造の光ファイバと比較して、帯域も常温時以上を維持している。

（実施例２）
ポリマークラッド材Ｂを使用し、使用温度範囲として−１０〜＋６０℃を想定した評価を行った。表１より、コア断面積比Ｘ、および、比屈折率差比Ｙが適切な範囲に入っているため、帯域の温度変化が少なく、さらに、低温度環境下での曲げ損失に強い良好なファイバが得られた。また、比較例２に示す１層コア構造の光ファイバと比較して、帯域も常温時以上を維持している。

（実施例３）
ポリマークラッド材Ｃを使用し、使用温度範囲として０〜＋５０℃を想定した評価を行った。表１より、コア断面積比Ｘ、および、比屈折率差比Ｙが適切な範囲に入っているため、帯域の温度変化が少なく、さらに、低温度環境下での曲げ損失に強い良好なファイバが得られた。また、比較例３に示す１層コア構造の光ファイバと比較して、帯域も常温時以上を維持している。

（実施例４）
ポリマークラッド材Ｊを使用し、使用温度範囲として−４０〜０℃を想定した評価を行った。表２より、コア断面積比Ｘ、および、比屈折率差比Ｙが適切な範囲に入っている（常温は想定温度範囲外のため、帯域が狭くなっている）ため、帯域の温度変化が少なく、さらに、低温度環境下での曲げ損失に強い良好なファイバが得られた。また、１層コア構造の光ファイバ（クラッド屈折率１．４４＠常温）は、帯域が２７．５ＭＨｚｋｍであったため、帯域も常温以上を維持している。
（実施例５）
ポリマークラッド材Ｋを使用し、使用温度範囲として６０〜１００℃を想定した評価を行った。表２より、コア断面積比Ｘ、および、比屈折率差比Ｙが適切な範囲に入っている（常温は想定温度範囲外のため、帯域が狭くなっている）ため、帯域の温度変化が少なく、さらに、低温度環境下での曲げ損失に強い良好なファイバが得られた。また、１層コア構造の光ファイバ（クラッド屈折率１．４３＠常温）は、帯域が１３．１ＭＨｚｋｍであったため、帯域も常温以上を維持している。

（比較例１）
実施例１に対する比較例として、ポリマークラッド材Ｄを使用し、使用温度範囲として−４０〜＋８５℃を想定した評価を行った。比較のため、内コアとポリマークラッドの１層コア構造の光ファイバとなっている。表１より、１層コア構造となっているため、帯域の温度変化が大きく、特に高温時の帯域が著しく低下している。さらに、低温度環境下での曲げ損失に弱いファイバが得られた。

（比較例２）
実施例２に対する比較例として、ポリマークラッド材Ｅを使用し、使用温度範囲として−１０〜＋６０℃を想定した評価を行った。比較のため、内コアとポリマークラッドの１層コア構造の光ファイバとなっている。表１より、１層コア構造となっているため、帯域の温度変化が大きく、特に高温時の帯域が著しく低下している。さらに、低温度環境下での曲げ損失に弱いファイバが得られた。

（比較例３）実施例３に対する比較例として、ポリマークラッド材Ｆを使用し、使用温度範囲として０〜＋５０℃を想定した評価を行った。比較のため、内コアとポリマークラッドの１層コア構造の光ファイバとなっている。表１より、１層コア構造となっているため、帯域の温度変化が大きく、特に高温時の帯域が著しく低下している。さらに、低温度環境下での曲げ損失に弱いファイバが得られた。

（比較例４）ポリマークラッド材Ｇを使用し、使用温度範囲として−４０〜＋８５℃を想定した評価を行った。表１より、コア断面積比Ｘ、および、比屈折率差比Ｙが適切な範囲に入っていないため、低温時、および、高温時において、帯域が、１層コアファイバ常温時（（）内に記載）と比較して帯域が狭くなっていることがわかる。しかしながら、２層コア構造になっているため、低温度環境下での曲げ損失に強いファイバであった。

（比較例５）ポリマークラッド材Ｈを使用し、使用温度範囲として−１０〜＋６０℃を想定した評価を行った。表１より、コア断面積比Ｘ、および、比屈折率差比Ｙが適切な範囲に入っていないため、低温時、および、高温時において、帯域が、１層コアファイバ常温時（（）内に記載）と比較して帯域が狭くなっていることがわかる。しかしながら、２層コア構造になっているため、低温度環境下での曲げ損失に強いファイバであった。

（比較例６）ポリマークラッド材Ｉを使用し、使用温度範囲として０〜＋５０℃を想定した評価を行った。表１より、コア断面積比Ｘ、および、比屈折率差比Ｙが適切な範囲に入っていないため、低温時、および、高温時において、帯域が、１層コアファイバ常温時（（）内に記載）と比較して帯域が狭くなっていることがわかる。しかしながら、２層コア構造になっているため、低温度環境下での曲げ損失に強いファイバであった。

以上の結果から、適切なＸ、Ｙの範囲内となっていることで、１層コアの△１ファイバと比較して、帯域が使用温度範囲全体において、帯域が良く、さらに、曲げ損失も向上したファイバが得られることがわかる。

以上、特定の実施例等を参照して本発明を詳細に記載及び図示したが、其の記載は限定的な意味で解釈されることを意味しておらず、本発明の他の実施例等は、本願明細書を参照することにより、当業者にとって明らかになろう。すなわち、開示した内容の様々な変更が可能であり、従って、本願の請求の範囲に記載した発明の範囲から逸脱せずに、其のような変更を行うことができる。

使用温度範囲全域における帯域の悪化や曲げ損失増加がなく、低コストで製造できるポリマークラッド光ファイバが提供可能である。

Claims

石英ガラスからなる内コアの外周に設けられた該内コアよりも屈折率が低いフッ素添加ガラスからなる外コアと、この外コアの外周に設けられたポリマーからなるポリマークラッドとを備える光ファイバであって、
前記内コア直径をａ_１、外コア直径をａ_２、内コア断面積を（πａ_１ ^２）／４、外コア断面積を（πａ_２ ^２）／４とするとき、Ｘ＝ａ_２ ^２／ａ_１ ^２で定義されるパラメータＸが１．８≦Ｘ≦２．２の範囲内にあり、
かつ、前記内コアと外コアとの間の比屈折率差を△_１、
前記外コアとポリマークラッドとの間の比屈折率差を△_２とし、
さらに高温時における前記外コアとポリマークラッドとの間の比屈折率差を△_２ｍａｘ、
低温時における前記外コアとポリマークラッドとの間の比屈折率差を△_２ｍｉｎとし、
Ｙ＝△_２／△_１で定義されるパラメータＹについて、
高温時をＹｍａｘ＝△_２ｍａｘ／△_１、
低温時をＹｍｉｎ＝△_２ｍｉｎ／△_１としたとき、
前記パラメータＸが１．８≦Ｘ≦２．０の範囲では、前記Ｙｍｉｎが０．２５≦Ｙｍｉｎ≦０．８４Ｘ−０．６８であり、前記Ｙｍａｘが０．２５≦Ｙｍａｘ≦０．８４Ｘ−０．６８であり、
前記Ｘが２．０≦Ｘ≦２．２の範囲では、前記Ｙｍｉｎが０．４８Ｘ−０．７１≦Ｙｍｉｎ≦−２／９Ｘ＋１３／９であり、前記Ｙｍａｘが０．４８Ｘ−０．７１≦Ｙｍａｘ≦−２／９Ｘ＋１３／９の関係を満たすことを特徴とするポリマークラッド光ファイバ。
前記パラメータＹについて、Ｙｍｉｎ＜Ｙｍａｘであることを特徴とする請求項１記載のポリマークラッド光ファイバ。
前記内コア屈折率をほぼ純粋石英ガラスレベルとし、外コア屈折率を１．４２以上、純粋石英ガラスレベル以下にすることを特徴とする請求項１または請求項２記載のポリマークラッド光ファイバ。