JP6551137B2 - 光ファイバ - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバに関するものである。
光ファイバの伝送損失は、レーリー散乱損失、構造不整損失、ＯＨ基損失およびＩＲ吸収損失を含む。これらのうちで、レーリー散乱損失は、波長１５５０ｎｍでの伝送損失の約８０％を占め、濃度揺らぎに起因する成分と密度揺らぎに起因する成分とを含む（非特許文献１参照）。
ＧｅＯ２などの屈折率を増加させる金属ドーパントを実質的に含まない純シリカガラスからなるコアを有する純シリカコア光ファイバは、クラッドにフッ素（Ｆ）を含むことでコアよりクラッドの屈折率を小さくして、光導波路構造を有する。このような純シリカコア光ファイバでは、コアは塩素（Ｃｌ）のみを含み、塩素以外のドーパントを実質的に含んでいないことから、濃度ゆらぎ起因の散乱損失が低減されたものとなる（特許文献１参照）。一方で、コアの屈折率分布をリング状とすることで接続損失を低減できることが知られており（特許文献２参照）、リング状の屈折率分布を満たすためにはコアにＧｅやＦといった屈折率を変えるドーパントを添加する必要がある。
M.E. Lines, J.Appl.Phys., 55,4052 (1984).
本発明は、伝送損失が低減された光ファイバを提供することを目的とする。
本発明の光ファイバは、(1) 第１コアと、この第１コアを取り囲む第２コアとを含み、前記第２コアの屈折率が前記第１コアの屈折率より大きく、前記第２コアのハロゲン濃度の平均値が５０００ｐｐｍ以上であり、屈折率を増加させる金属ドーパントを実質的に含まないシリカガラスからなるコアと、(2) 前記第２コアを取り囲み、前記第１コアの屈折率より小さい屈折率を有し、屈折率を増加させる金属ドーパントを実質的に含まないシリカガラスからなるクラッドと、を備える。
本発明によれば、伝送損失が低減された光ファイバを提供することができる。
本発明の光ファイバは、(1) 第１コアと、この第１コアを取り囲む第２コアとを含み、前記第２コアの屈折率が前記第１コアの屈折率より大きく、前記第２コアのハロゲン濃度の平均値が５０００ｐｐｍ以上であり、屈折率を増加させる金属ドーパントを実質的に含まないシリカガラスからなるコアと、(2) 前記第２コアを取り囲み、前記第１コアの屈折率より小さい屈折率を有し、屈折率を増加させる金属ドーパントを実質的に含まないシリカガラスからなるクラッドと、を備える。
本発明では、前記第２コアの比屈折率差が純シリカガラスの屈折率を基準として−０.０５％以上＋０.０５％以下であるのが好適である。前記第２コアのＦ濃度が５００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下であるのが好適である。前記第２コアのＣｌ濃度が４５００ｐｐｍ以上１５０００ｐｐｍ以下であるのが好適である。また、前記第２コアにおいてＣｌ濃度がＦ濃度より高いのが好適である。
本発明では、前記第１コアのＦ濃度が５０００ｐｐｍ以上１５０００ｐｐｍ以下であるのが好適である。前記第１コアのＣｌ濃度が１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下であるのが好適である。前記第１コアと前記第２コアとの比屈折率差が０.０５％以上０.１５％以下であるのが好適である。前記第２コアのハロゲン濃度Ｈ２と前記第１コアのハロゲン濃度Ｈ１との比Ｈ２／Ｈ１が１以上２以下であるのが好適である。また、前記コアがアルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の双方または何れか一方を含むのが好適である。
なお、「シリカベースガラス」とは、ＳｉＯ２を主成分とするガラスである。「原子ｐｐｍ」とは、１００万ユニットのＳｉＯ２中のドーパント原子の個数である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図１は、光ファイバ１の屈折率プロファイルを示す図である。光ファイバ１は、シリカベースガラスからなるコア１０と、このコア１０を取り囲むシリカベースガラスからなるクラッド２０とを有する。コア１０は、第１コア１１と、これを取り囲む第２コア１２からなる。第２コア１２の屈折率は、第１コア１１の屈折率より大きい。クラッド２０の屈折率は、第１コア１１の屈折率より小さい。コア１０およびクラッド２０は、屈折率を増加させる金属ドーパントを実質的に含まない。
コア１０はＦおよびＣｌを含む。クラッド２０はＦを含む。ガラスがＦを含むことにより、ガラスの粘性を小さくすることができ、また、ガラスの屈折率を小さくすることができる。ガラスがＣｌを含むことにより、ガラスの粘性を小さくすることができ、また、ガラスの屈折率を大きくすることができる。図１に示される屈折率プロファイルと同様の屈折率プロファイルを有する光ファイバ母材を作製し、この光ファイバ母材を線引することで、本実施形態の光ファイバ１を製造することができる。
図２は、第２コア１２の平均ハロゲン濃度と波長１５５０ｎｍでの伝送損失の増減量との関係を纏めた表である。図３は、第２コア１２の平均ハロゲン濃度と波長１５５０ｎｍでの伝送損失の増減量との関係を示すグラフである。ハロゲン濃度は、ガラス中のＦ濃度とＣｌ濃度との和である。光ファイバの伝送損失の増減量は、光ファイバ１の第１コア１１がＦを５０００ｐｐｍ含み第２コア１２が実質的にハロゲンを含まないときの伝送損失を基準とした。
これらの図から分るように、光ファイバ１の第２コア１２の平均ハロゲン濃度が５０００原子ｐｐｍ以上２００００原子ｐｐｍ以下であると、波長１５５０ｎｍでの光ファイバ１の伝送損失は基準に対して低減した。光ファイバ１の第２コア１２の平均ハロゲン濃度が２００００原子ｐｐｍ以上であると、ハロゲン濃度が大きくなるに従い、濃度揺らぎに起因する散乱損失が大きくなり、光ファイバ１の伝送損失が大きくなった。このことから、光ファイバ１の第２コア１２の平均ハロゲン濃度の好適範囲は５０００〜２００００原子ｐｐｍである。
光ファイバ１の中心軸からの径方向の距離をｒとし、光パワー分布をＰ(ｒ)としたとき、下記式の積分計算により光ファイバ１の各領域の光パワーを計算することができる。この計算をしたところ、第２コア１２の光パワーの積分値が第１コア１１の光パワーの積分値より大きくなり、第２コア１２のガラスの影響が光ファイバ１の伝送損失に強く影響すると考えられる。
それ故、第２コア１２における添加物由来の屈折率揺らぎによる散乱損失を低減する為、第２コア１２の屈折率は純シリカガラスに近い方が好ましく、第２コアの比屈折率差が純シリカガラスの屈折率を基準として−０.０５％以上＋０.０５％以下であるときに、屈折率揺らぎによる損失は見られなかった。また、実質的にハロゲンを含まない純シリカガラスに対して第２コア１２の比屈折率差の絶対値が０.０５％より大きい場合は、屈折率揺らぎ由来の散乱により、光ファイバ１の損失は、第２コアが純シリカガラスである光ファイバに対して０.００１ｄＢ／ｋｍ以上高くなった。
図４は、第２コア１２の平均Ｆ濃度と波長１５５０ｎｍでの伝送損失の増減量との関係を纏めた表である。図５は、第２コア１２の平均Ｆ濃度と波長１５５０ｎｍでの伝送損失の増減量との関係を示すグラフである。第２コア１２の平均Ｃｌ濃度を１１０００ｐｐｍとした。光ファイバ１の伝送損失の増減量は、光ファイバ１の第２コア１２の平均Ｆ濃度が０原子ｐｐｍであるときの伝送損失を基準とした。
これらの図から分るように、第２コア１２の平均Ｆ濃度が５００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下であるとき、波長１５５０ｎｍでの光ファイバ１の伝送損失は基準に対して０.００１ｄＢ／ｋｍ低減する。また、第２コア１２の平均Ｆ濃度が２０００ｐｐｍ以上５０００ｐｐｍ以下であるとき、波長１５５０ｎｍでの光ファイバ１の伝送損失は基準に対して０.００２ｄＢ／ｋｍ低減する。第２コア１２のＦ濃度を増加させた場合は、ガラスの粘性が低減することでガラス歪み由来の損失が低減していた。一方、第２コア１２のＦ濃度が５０００ｐｐｍ以上では、Ｆを添加したことによる屈折率揺らぎに損失が増加し、第２コア１２のＦ濃度が１００００ｐｐｍ以上では、粘性が低減することによる伝送損失の低減効果を越えてしまい、全体として伝送損失が悪化した。
図６は、第２コア１２の平均Ｃｌ濃度と波長１５５０ｎｍでの伝送損失の増減量との関係を纏めた表である。図７は、第２コア１２の平均Ｃｌ濃度と波長１５５０ｎｍでの伝送損失の増減量との関係を示すグラフである。光ファイバ１のコア１０の平均Ｆ濃度を２０００原子ｐｐｍとした。光ファイバ１の伝送損失の増減量は、光ファイバ１の第２コア１２の平均Ｃｌ濃度が２０００原子ｐｐｍであるときの伝送損失を基準とした。
これらの図から分るように、光ファイバ１の第２コア１２の平均Ｃｌ濃度が４５００原子ｐｐｍ以上１５０００原子ｐｐｍ以下であると、波長１５５０ｎｍでの光ファイバ１の伝送損失は基準に対して０.００１〜０.０１５ｄＢ／ｋｍだけ低減した。これは、第２コア１２にＣｌを添加することにより、ガラス粘性が低減し、ガラス歪由来の伝送損失が低下したことに因る。また、第２コア１２のＣｌ濃度を増加させていった場合、Ｃｌを１５０００ｐｐｍ添加したときの伝送損失は、Ｃｌを添加しなかった場合より低い。さらに高濃度にＣｌを第２コア１２に添加した場合も低い損失が得られると推測されるが、更に濃く添加することはガラス製法上困難である。
光ファイバ１がリング状の屈折率分布を有する為には、第１コア１１はＦを含むのが好ましい。ただし、第１コア１１がＦを多く含む場合、Ｆ添加による屈折率揺らぎにより損失が悪化することが前述の通りわかっている。第１コア１１のＦ濃度は５０００ｐｐｍ以上１５０００ｐｐｍ以下であるのが好ましい。第２コア１２に対する第１コア１１の比屈折率差を−０.０５％より低くする為に、第１コア１１に５０００ｐｐｍより高濃度にＦを添加する必要がある。
図８は、第１コア１１のＦ濃度と波長１５５０ｎｍでの伝送損失の増減量との関係を纏めた表である。図９は、第１コア１１のＦ濃度と波長１５５０ｎｍでの伝送損失の増減量との関係を示すグラフである。これらの図から分るように、第１コア１１は光パワーの積分が小さいので、濃度揺らぎ由来の損失増加が第２コア１２より出にくく、第１コア１１の最高Ｆ濃度は１５０００ｐｐｍまで高くすることができる。
第２コア１２においてＣｌ濃度がＦ濃度より高いのが好ましい。ＣｌはＦより濃度に対する屈折率の変動が小さいことが知られている。一方で、濃度に対する粘性の低減量はＦとＣｌとで同等であることから、Ｃｌは、屈折率揺らぎ由来の損失を抑えながら、粘性を低減する添加物として適している。よって、第２コア１２においてＦよりＣｌを高くして、ガラスの粘性が下がるハロゲン濃度を達成した方が、伝送損失が小さくなることが期待できる。
第１コア１１のＣｌ濃度は１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。Ｃｌは屈折率を上げるドーパントであるので、リング状の屈折率分布を形成する為には、Ｃｌは低濃度であることが望ましい。このとき、第１コア１１のＣｌ濃度を１０００ｐｐｍ以下とすることで、屈折率に与える影響が０.０１％以下となり無視できる。一方、第１コア１１のＣｌ濃度を０とした場合、ガラス欠陥由来の損失の急増が発生したことから、１０ｐｐｍ以上のＣｌ添加が必要であった。
本実施形態の光ファイバ１を線引により製造する為の光ファイバ母材のコア部の少なくとも一部は、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の双方または何れか一方を含むのが好適である。そのアルカリ金属元素は、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）およびストロンチウム（Ｓｒ）の何れかであるのが好適である。このようにすることで、光ファイバ母材のコア部の粘性を更に低減することができて、光ファイバ１の伝送損失を更に低減することができる。光ファイバ母材のコア部は、中心軸を含む第１コア部と、この第１コア部を取り囲む第２コア部を有する構成とし、第１コアおよび第２コア部のうち第１コア部がアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素を含むのが好適である。
図１０は、光ファイバ母材のコア部の平均Ｋ濃度、光ファイバ１の第１コア１１の平均Ｆ濃度および平均Ｃｌ濃度、光ファイバ１の第２コア１２の平均Ｆ濃度および平均Ｃｌ濃度、ならびに、波長１５５０ｎｍでの光ファイバ１の伝送損失を纏めた表である。光ファイバ母材のコア部の平均Ｋ濃度とは、第１コア部に添加したＫの濃度を第１コア部から第２コア部まで含めた面積で平均化した濃度である。ファイバ製造工程においてアルカリ金属元素は熱拡散によりコア全体に広がるので、初期の添加濃度よりコア全体に拡散した後の濃度を指標とする方が伝送損失との傾向に良い一致を示した。光ファイバ１の第１コア１１、第２コア１２は、光ファイバ母材の第１コア部、第２コア部に対応している。なお、光ファイバ１のクラッド２０はＦを含み、クラッド２０の平均Ｆ濃度が２００００原子ｐｐｍ以上であるのが好適である。図１１は、光ファイバ母材のコア部の平均Ｋ濃度と波長１５５０ｎｍでの光ファイバの伝送損失との関係を示すグラフである。
平均Ｃｌ濃度が５００原子ｐｐｍより高いガラスにアルカリ金属元素を添加すると、そのガラスにおいて結晶化が発生し易くなり、光ファイバの生産歩留が低下する。したがって、光ファイバ母材において、２００原子ｐｐｍ以下のＣｌ濃度の低い第１コア部にアルカリ金属元素を添加することで結晶化を抑制するとともに、線引工程の際に発生するガラス欠陥を抑制するために第２コア部にＣｌを高濃度に添加するのが好ましい。
光ファイバ母材において第１コア部のみにＫを添加した場合、第２コア部は第１コア部と比較して粘性が高くなる。それ故、第２コア部は第１コア部よりハロゲン濃度を高くすることが好ましい。図１２は、第２コア１２のハロゲン濃度Ｈ２を第１コア１１のハロゲン濃度Ｈ１で割った比Ｈ２／Ｈ１と波長１５５０ｎｍでの伝送損失との関係を纏めた表である。図１３は、第２コア１２のハロゲン濃度Ｈ２を第１コア１１のハロゲン濃度Ｈ１で割った比Ｈ２／Ｈ１と波長１５５０ｎｍでの伝送損失との関係を示すグラフである。光ファイバ母材のコア部の平均Ｋ濃度を１２ｐｐｍとした。これらの図から分るように、Ｈ２／Ｈ１は１以上２以下であることが好ましい。Ｈ２／Ｈ１が１より小さい場合、第２コアが第１コアに比べて固くなることで、第１コアと第２コアとの間に歪が発生し、伝送損失が悪化する。一方、Ｈ２／Ｈ１が２より大きい場合、逆に第１コアが第２コアより固くなり、歪由来の伝送損失が急激に増加する。
また、光ファイバ母材のコア部は、平均Ｋ濃度の上昇に伴い、更に低粘性化し、線引工程時の仮想温度が低減し、光ファイバの伝送損失が低減することを確認した。一方で、光ファイバ母材のコア部は、平均Ｋ濃度が５０原子ｐｐｍを超えると、結晶化が発生する。したがって、光ファイバ母材のコア部の平均Ｋ濃度は５〜５０原子ｐｐｍであるのが望ましい。また、コア部の径と第１コア部の径との比は５〜７であるのが望ましい。
１…光ファイバ、１０…コア、１１…第１コア、１２…第２コア、２０…クラッド。
Claims (10)
- 第１コアと、この第１コアを取り囲む第２コアとを含み、前記第２コアの屈折率が前記第１コアの屈折率より大きく、前記第１コアのＦ濃度が６００ｐｐｍ以上１５０００ｐｐｍ以下であり、前記第２コアのハロゲン濃度の平均値が５０００ｐｐｍ以上２００００ｐｐｍ以下であり、屈折率を増加させる金属ドーパントを実質的に含まないシリカガラスからなるコアと、
前記第２コアを取り囲み、前記第１コアの屈折率より小さい屈折率を有し、屈折率を増加させる金属ドーパントを実質的に含まないシリカガラスからなるクラッドと、
を備え、
前記第２コアの比屈折率差が純シリカガラスの屈折率を基準として−０.０５％以上＋０.０５％以下である、
光ファイバ。 - 前記第２コアのＦ濃度が５００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下である、
請求項１に記載の光ファイバ。 - 前記第２コアのＣｌ濃度が４５００ｐｐｍ以上１５０００ｐｐｍ以下である、
請求項１または２に記載の光ファイバ。 - 前記第２コアにおいてＣｌ濃度がＦ濃度より高い、
請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ。 - 前記第１コアのＦ濃度が５０００ｐｐｍ以上である、
請求項１〜４の何れか１項に記載の光ファイバ。 - 前記第１コアのＦ濃度が１００００ｐｐｍ以下である、
請求項５に記載の光ファイバ。 - 前記第１コアのＣｌ濃度が１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下である、
請求項１〜６の何れか１項に記載の光ファイバ。 - 前記第１コアと前記第２コアとの比屈折率差が０.０５％以上０.１５％以下である、
請求項１〜７の何れか１項に記載の光ファイバ。 - 前記第２コアのハロゲン濃度Ｈ２と前記第１コアのハロゲン濃度Ｈ１との比Ｈ２／Ｈ１が１以上２以下である、
請求項１〜８の何れか１項に記載の光ファイバ。 - 前記コアがアルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の双方または何れか一方を含む、
請求項１〜９の何れか１項に記載の光ファイバ。
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