JP6615905B2 - ドーピング最適化による極低減衰の単一モード光ファイバ - Google Patents
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Description
1)減衰を低下させる方法
現在の主な方法では、製造工程においてガラスの成分と熱力学の変化を制御することで、光ファイバのレイリー散乱係数を低下させる。
2)光ファイバ製造工程の容易化と制御可能化及び製造コストの低減
現在は極低減衰工程の制御が複雑で、特に一般的な極低減衰の純石英設計では、光ファイバ全反射を得るために、クラッド層にはフッ素ドーピング外部クラッド層を利用し、製造工程が複雑で、光ファイバの製造コストに大きな影響を及ぼす。
3)極低減衰係数を得ると同時に、光ファイバの各光学パラメータがITU−T標準の規制を満たすべき点。MFD、色分散、カットオフ波長、ベンド性能などは標準規制範囲内に制限され、即ち、光ファイバの極低減衰性能を保証すると同時に、他の光学パラメータが相応範囲内に制限される。
λは波長(μm)で,Rはレイリー散乱係数(dB/km/μm4)で、Pは光強度で、Bは対応する定数である。レイリー散乱係数Rが確定されると、レイリー散乱による減衰aR(dB/km)が得られる。レイリー散乱は、密度変動と濃度変動によって生じるので、レイリー散乱係数Rは、R=Rd+Rcにより定義される。
Rdは密度変動によるレイリー散乱係数変動で、Rcは濃度変動によるレイリー散乱係数変動である。Rcは濃度変動因子で、光ファイバのガラス部分のドーピング濃度に影響され、ゲルマニウム(Ge素)とフッ素、または他のドーピングが少ないほど、Rcは低い。これが、国外メーカーが純石英コア層設計で極低減衰性能を実現する理由である。
第一:基本モードのカットオフを抑える。外部クラッド層とコア層材料との屈折率差がとても小さいため、光ファイバの基本モードが外に漏れることがあり、光ファイバの減衰に影響を与える。フッ素をドープしないクラッド層の光ファイバは、外部クラッド層とコア層の中間位置での合理的な屈折率分布設計で、基本モード漏れを抑えることが必要である。
第二:粘性マッチを考慮する。外部クラッド層に粘性マッチ設計をしないと、内部クラッド層およびコア層との粘性傾斜がマッチせず、界面における欠如と仮想温度上昇などの問題が起きるため、光ファイバの減衰を増加させる。
第三:光学屈折率分布マッチを考慮する。純シリカグラスを外部クラッド層とすると、粘性マッチ設計において、各部分のドーピング濃度が限定される。光ファイバの光学パラメータがG.652とG.654光ファイバの要求を満たす。すなわち光ファイバのモードフィールド径(MFD)、色分散およびベンド性能が標準の要求を満たし、光学屈折率分布設計をも考慮すべきである。よって、粘性設計の時、光ファイバの総合設計を考慮すべきであるため、工程を実現するのはさらに困難である。
光ファイバのコア軸線から数え、屈折率の変化に応じて、軸線に最も近い層をコア層、光ファイバの最も外の層、即ち純シリカ層を光ファイバの外部クラッド層と定義する。
光ファイバの各層の相対屈折率Δniは、以下の方程式により定義される。
Δni=((ni−nc)/nc)×100%
ここで、niは、光ファイバの特定位置での屈折率であり、ncは、クラッド層の屈折率、即ちゲルマニウム(Ge)またはフッ素をドープしていない純シリカの屈折率である。
光ファイバコア層のゲルマニウムドーピングによる屈折率寄与度ΔGeは、以下の方程式により定義される。
ΔGe=((nGe−nc)/nc)×100%
ここで、nGeは、ゲルマニウム(Ge)が純石英にドープすることで、コア層の石英ガラスの屈折率の変化量であり、ncは、外部クラッド層の屈折率で、即ちゲルマニウムまたはフッ素をドープしていない純石英の屈折率である。
コア層とクラッド層を含む光ファイバにおいて、前記コア層は、フッ素含量が0.5wt%以下であり、ゲルマニウムドーピングによる相対屈折率寄与度が0.12%以下であり、相対屈折率差Δn1が0.12%以下であり、コア層の外部には、内側から外側へ順に、フッ素含量が0.5〜1.5wt%であり、相対屈折率差Δn2が−0.14%以下である内部クラッド層、フッ素含量が1〜3wt%であり、相対屈折率差Δn3が−0.25%以下である陥没内部クラッド層、フッ素含量が0.5〜2wt%であり、相対屈折率差Δn4が−0.14%以下である補助的外部クラッド層、及び純シリカガラス層又は金属ドーピングシリカガラス層である外部クラッド層が被覆される。
1)独自の粘性マッチングと導波管構造の最適化設計である。コア層にゲルマニウムとフッ素を共添加し、コア層粘性を低下させ、コア層を内部クラッド層と陥没内部クラッド層とにマッチングさせ、金属をドープした粘性マッチ外部クラッド層と結合することで、光ファイバの仮想温度を低下させ、極低減衰性能を実現する。
2)陥没内部クラッド層設計で、基本モード漏れを抑制する。
3)外部クラッド層に純シリカの設計が採用され、光ファイバの生産コストを低減させる。
4)コア層にアルカリ金属材料を使用せず、工程制御の困難程度を低下させる。
(付記1)
コア層とクラッド層を含むドーピング最適化による極低損失の単一モード光ファイバにおいて、
前記コア層は、フッ素含量が0.5wt%以下であり、ゲルマニウムドーピングによる相対屈折率寄与度が0.12%以下であり、相対屈折率差Δn1が0.12%以下であり、
コア層の外部には、内側から外側へ順に、フッ素含量が0.5〜1.5wt%であり、相対屈折率差Δn2が−0.14%以下である内部クラッド層、
フッ素含量が1〜3wt%であり、相対屈折率差Δn3が−0.25%以下である陥没内部クラッド層、
フッ素含量が0.5〜2wt%であり、相対屈折率差Δn4が−0.14%以下である補助的外部クラッド層、及び、
純シリカガラス層又は金属ドーピングシリカガラス層である外部クラッド層が被覆される、
ドーピング最適化による極低減衰の単一モード光ファイバ。
前記外部クラッド層にドープした金属不純物は、アルミニウムとアルカリ金属を含み、金属不純物含量が25ppm以下であり、そのうち、アルミニウム含量が1〜18ppmであり、アルカリ金属含量が2ppm以下である、
ことを特徴とする付記1に記載のドーピング最適化による極低損失の単一モード光ファイバ。
前記アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウムのいずれか一種又は複数種を含む、
ことを特徴とする付記2に記載のドーピング最適化による極低損失の単一モード光ファイバ。
前記金属不純物はさらに、鉄、カルシウム、マグネシウム、チタニウムのいずれか一種又は複数種を含む、
ことを特徴とする付記2に記載のドーピング最適化による極低損失の単一モード光ファイバ。
前記コア層は、半径r1が4.0〜6.0μmである、
ことを特徴とする付記1又は2に記載のドーピング最適化による極低損失の単一モード光ファイバ。
前記内部クラッド層は、半径r2が10〜14μmであり、前記陥没内部クラッド層は、半径r3が12.5〜17μmであり、前記補助的外部クラッド層は、半径r4が40〜50μmである、
ことを特徴とする付記5に記載のドーピング最適化による極低損失の単一モード光ファイバ。
前記外部クラッド層は、直径が125μmである、
ことを特徴とする付記1又は2に記載のドーピング最適化による極低損失の単一モード光ファイバ。
前記コア層は、相対屈折率差Δn1が−0.08%〜0.12%であり、前記内部クラッド層は、相対屈折率差Δn2が−0.35%〜−0.14%であり、前記陥没内部クラッド層は、相対屈折率差Δn3が−0.75%〜−0.25%であり、前記補助的外部クラッド層は、相対屈折率差Δn4が−0.56%〜−0.14%である、
ことを特徴とする付記1又は2に記載のドーピング最適化による極低損失の単一モード光ファイバ。
前記光ファイバは、波長1550nmにおける減衰係数が0.175dB/km以下である、
ことを特徴とする付記1又は2に記載のドーピング最適化による極低損失の単一モード光ファイバ。
Claims (4)
- コア層とクラッド層を含むドーピング最適化による極低減衰の単一モード光ファイバにおいて、
前記コア層は、フッ素含量が0.5wt%以下であり、ゲルマニウムドーピングによる相対屈折率寄与度が0.02〜0.12%であり、相対屈折率差Δn1が0.12%以下であり、
コア層の外部には、内側から外側へ順に、フッ素含量が0.74〜1.5wt%であり、相対屈折率差Δn2が−0.14%以下である内部クラッド層、
フッ素含量が1.35〜2.7wt%であり、相対屈折率差Δn3が−0.25%以下である陥没内部クラッド層、
フッ素含量が0.9〜2wt%であり、相対屈折率差Δn4が−0.14%以下である補助的外部クラッド層、及び、
金属ドーピングシリカガラス層である外部クラッド層が被覆され、
前記内部クラッド層は、半径r2が10〜14μmであり、
前記陥没内部クラッド層は、半径r3が12.5〜17μmであり、
前記補助的外部クラッド層は、半径r4が40〜50μmであり、
前記外部クラッド層は、直径が125μmであり、
前記外部クラッド層にドープされた不純物の含量について、
アルミニウム含量が7.3〜17.8ppmであり、
鉄含量が0〜0.2ppmであり、
カルシウム含量が0.4〜0.7ppmであり、
マグネシウム含量、マンガン含量及び銅含量が実質的に0であり、
チタニウム含量が1.1〜1.3ppmであり、
リチウム含量が0.2〜0.7ppmであり、
ナトリウム含量が0.1〜0.4ppmであり、
カリウム含量が0.1〜0.3ppmであり、
ホウ素含量が0.1ppm未満であり、
ゲルマニウム含量が0.9〜1.3ppmである、
ドーピング最適化による極低減衰の単一モード光ファイバ。 - 前記コア層は、半径r1が4.0〜6.0μmである、
ことを特徴とする請求項1に記載のドーピング最適化による極低減衰の単一モード光ファイバ。 - 前記コア層は、相対屈折率差Δn1が−0.08%〜0.12%であり、前記内部クラッド層は、相対屈折率差Δn2が−0.35%〜−0.14%であり、前記陥没内部クラッド層は、相対屈折率差Δn3が−0.75%〜−0.25%であり、前記補助的外部クラッド層は、相対屈折率差Δn4が−0.56%〜−0.14%である、
ことを特徴とする請求項1に記載のドーピング最適化による極低減衰の単一モード光ファイバ。 - 前記光ファイバは、波長1550nmにおける減衰係数が0.175dB/km以下である、
ことを特徴とする請求項1に記載のドーピング最適化による極低減衰の単一モード光ファイバ。
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