JP6690296B2 - 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。
レーリー散乱損失が低く伝送損失が低い光ファイバとして、コア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シリカガラス系の光ファイバが知られている（例えば特許文献１，２を参照）。このような光ファイバは、コアにアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素が含まれる光ファイバ母材を線引きすることで製造される。光ファイバ母材のコア部にアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素が含まれていると、この光ファイバ母材を線引きするときにコア部の粘性を下げることができ、シリカガラスのネットワーク構造が均一化するので、構造の不均一に由来するレーリー散乱損失を低くすることができる。本明細書中では以降特に断りの無い限り、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素を総称してアルカリ金属元素等と呼ぶ。
アルカリ金属元素等をシリカガラス中に添加する方法としては拡散法が知られている。拡散法は、原料となるアルカリ金属元素等又はアルカリ金属等の塩などの原料蒸気をシリカガラス系のガラスパイプ内に導入しながら、ガラスパイプを外部熱源により加熱したり、ガラスパイプ内にプラズマを発生させたりすることで、アルカリ金属元素等をガラスパイプの内表面に拡散添加するものである。
このようにしてアルカリ金属元素等をガラスパイプの内表面近傍に添加した後、このガラスパイプを加熱して縮径させる。縮径後、アルカリ金属元素等の添加の際に不純物として同時に添加されてしまうＮｉやＦｅなどの遷移金属元素を除去する目的で、ガラスパイプの内表面を或る厚みでエッチングする。アルカリ金属元素等は遷移金属元素より拡散が速いので、ガラス表面を或る厚みでエッチングして遷移金属元素を除去しても、アルカリ金属元素等を残留させることが可能である。エッチング後、ガラスパイプを加熱して中実化することで、アルカリ金属元素等を中心部に含むコアロッドを製造する。このアルカリ金属元素等を含むコアロッドはその外側に第２のコアとなるガラスを付与し、全体を光ファイバ母材のコア部としても良い。
アルカリ金属元素等を含有するコアロッドを含むコア部より屈折率の低いクラッド部をコア部の外側に合成することで、光ファイバ母材を製造する。そして、この光ファイバ母材を公知の方法で高温の炉で溶融して線引きすることで光ファイバを製造することができる。
特表２００７−５１３８６２号公報 特表２００８−５３６１９０号公報
本発明者は、アルカリ金属元素等を含み伝送損失が低い光ファイバを製造するに当たり以下のような知見を得た。アルカリ金属元素等としてＮａやＫなど拡散速度が比較的に速い元素を用いた場合、これらのアルカリ金属元素が線引工程においてコア部の外まで拡散してしまい、コア部のガラス粘性を十分に下げることができず、レーリー散乱損失を十分に下げることができなかった。一方で、アルカリ金属元素等としてＣｓやＣａなど拡散速度が比較的に遅い元素を用いた場合、これらのアルカリ金属元素が線引工程においてコア中心部だけにとどまり、コア外周やクラッド部の粘性が下がらず、線引時の線引き張力と冷却過程での熱収縮による大きな歪がガラス内に発生し、レーリー散乱損失を十分に低減することができなかった。また、上記の問題を解決して元素の拡散状態を最適化するための手段としては、線引工程の際の温度や炉内の滞在時間などの条件を最適化することが考えられるが、線引工程の際の温度や炉内の滞在時間などの条件は、光ファイバ母材のサイズや線引速度により支配されるので、これらの条件を使って元素拡散状態をコントロールすることは母材のサイズや線引速度を制約することで、製造コストや生産性を制約することになるので好ましくない。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、アルカリ金属元素等を含みレーリー散乱損失を低くすることができる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、コアと、前記コアを取り囲み、前記コアの屈折率より低い屈折率を有し、フッ素を含むシリカガラスからなるクラッドと、を備え、前記コアが、第１ドーパント群を含むとともに、この第１ドーパント群のシリカガラス内における拡散係数より小さい拡散係数を有する第２ドーパント群を含むシリカガラスからなり、前記光ファイバにおける残留応力の最大値と最小値の差が１５０ＭＰａ以下である。
本発明の光ファイバは、レーリー散乱損失を低くすることができる。
図１は、光ファイバ１の構成を示す図である。 図２は、光ファイバ母材および光ファイバそれぞれにおけるＫ濃度の径方向分布を示す図である。 図３は、光ファイバ母材および光ファイバそれぞれにおけるＣｓ濃度の径方向分布を示す図である。 図４は、比Ｃ２／Ｃ１と残留応力の最大値と最小値の差との関係を示すグラフである。 図５は、比Ｃ２／Ｃ１と伝送損失との関係を示すグラフである。 図６は、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｃａそれぞれの拡散係数を纏めた表である。 図７は、実施形態の光ファイバを製造するための各工程を説明するフローチャートである。
本発明の光ファイバは、コアと、前記コアを取り囲み、前記コアの屈折率より低い屈折率を有し、フッ素を含むシリカガラスからなるクラッドと、を備え、前記コアが、第１ドーパント群を含むとともに、この第１ドーパント群のシリカガラス内における拡散係数より小さい拡散係数を有する第２ドーパント群を含むシリカガラスからなり、前記光ファイバにおける残留応力の最大値と最小値の差が１５０ＭＰａ以下である。
本発明の光ファイバは、前記コアにおける前記第１ドーパント群の平均濃度をＣ１とし、前記コアにおける前記第２ドーパント群の平均濃度をＣ２としたとき、前記コアにおける比Ｃ２／Ｃ１が５以上であるのが好適であり、また、前記コアにおける比Ｃ２／Ｃ１が３０以下であるのが好適である。
本発明の光ファイバは、前記コアにおける前記第１ドーパント群の平均濃度Ｃ１が１〜２０ｐｐｍであり、前記コアにおける前記第２ドーパント群の平均濃度Ｃ２が２０〜３００ｐｐｍであるのが好適である。また、前記コアが、前記第１ドーパント群としてＮａ，Ｋのうちの何れかを含み、前記第２ドーパント群としてＲｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒのうちの何れかを含むのが好適である。
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。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。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。
本実施形態の光ファイバ１は、図１に示されるように、シリカガラスからなるコア１１およびクラッド１２を備える。クラッド１２は、コア１１を取り囲み、コア１１の屈折率より低い屈折率を有し、純粋なシリカグラスまたは塩素またはフッ素を含むシリカガラスからなる。コア１１は、温度２０００℃〜２３００℃でのシリカガラス中における拡散係数が１×１０−１２ｃｍ２／ｓ以上の第１ドーパントとしてＫ、１×１０−１２ｃｍ２／ｓ以下の第２ドーパントとしてＣｓを含む。なお第１ドーパントとしてはＫに限らずＮａ、第２ドーパントとしてＣｓに限らずＲｂ、Ｍｇ、ＣａおよびＳｒであってもよい。
図２は、光ファイバ母材および光ファイバそれぞれにおけるＫ濃度の径方向分布を示す図である。図３は、光ファイバ母材および光ファイバそれぞれにおけるＣｓ濃度の径方向分布を示す図である。これらの図は、横軸はファイバにおける半径を示す。ただし、母材状態の濃度分布は、本来は母材における半径の関数であるが、母材を光ファイバに線引した際のファイバにおける半径の関数に換算して示す。
光ファイバ母材のコア部に第１ドーパント群（ＮａまたはＫ）が含まれる場合、第１ドーパント群は拡散係数が大きいので、図２に示されるように、線引の際の温度２０００℃〜２３００℃での加熱により光ファイバのコア全体に（さらにクラッドまで）拡散して広がる。光ファイバのコア中の第１ドーパント群のコア平均濃度は光ファイバ母材状態での１／１０程度まで低下し、コアのレーリー散乱損失を十分に下げることができない。しかし、第１ドーパント群がクラッドまで拡散することにより、クラッドの粘性を下げ、コアとクラッドとの間の粘性差によって線引時に発生する歪を低減し、コア外周およびクラッドのレーリー散乱損失を低減する効果が期待される。この第１ドーパント群を含み、第２ドーパント群を含まないファイバでは、クラッドを含めてレーリー散乱損失が低減することで、例えばＫを含んだ場合の波長１５５０ｎｍでの伝送損失は０.１５４ｄＢ／ｋｍ以下となる。このとき、ファイバ内の残留応力の最大と最小の差は５０ＭＰａ以上１５０Ｍｐａ以下となる。
光ファイバ母材のコア部が第１ドーパント群を含まず第２ドーパント群を含む場合、第２ドーパント群の拡散係数は第１ドーパント群の拡散係数の１／２程度であるので、図３に示されるように、光ファイバにおいても第２ドーパント群の殆どはコア中に留まる。第１ドーパント群の濃度と同じ濃度の第２ドーパント群をコア部が含む場合、光ファイバのコアのレーリー散乱損失をより低減することができる。一方で、第２ドーパント群はクラッドまでは広がらないことから、クラッドの粘性が下がらず、コアとクラッドとの界面に粘性差が発生することで歪が発生し、この部分のレーリー散乱が高くなる。それ故、第１ドーパント群を含まず第２ドーパント群を含む場合、光ファイバの損失は全体として０.１５６ｄＢ／ｋｍとなる。このとき、ファイバ内の残留応力の最大と最小の差は１５０Ｍｐａ以上となる。前述の第一ドーパントのみをファイバに含む場合と比較すると、ファイバ内の残留応力の最大と最小の差は１５０Ｍｐａ以下であれば波長１５５０ｎｍのときの伝送損失が０．１５４ｄＢ／ｋｍ以下となる。
本実施形態の光ファイバは、拡散係数が大きい第１ドーパント群を含むとともに、拡散係数が小さい第２ドーパント群をも特定の割合以上で含むことにより、レーリー散乱損失を十分に低くすることができる。すなわち、コアにおける第１ドーパント群の平均濃度をＣ１とし、コアにおける第２ドーパント群の平均濃度をＣ２としたとき、コアにおける比Ｃ２／Ｃ１を特定範囲内として、コアとクラッドとの間の粘性差を低減し、光ファイバにおける残留応力の最大値と最小値の差を１５０ＭＰａ以下とすることで、レーリー散乱損失を十分に低くすることができる。
クラッドは、屈折率を下げるためのドーパントとしてＦを含んでいるので、Ｆによる粘性低減効果もある。それ故、第１ドーパント群のコア平均濃度が０.２ppm程度であればクラッドの粘性が十分に低減しレーリー散乱損失低減がみられる。
一方、クラッドでの第１ドーパント群の濃度を１０ppmより高くするには、母材状態でピーク濃度１００００ppm以上に高濃度にする必要があったが、このように高濃度に含む場合、ガラス欠陥によると推測される損失増加が新たに発生するので、損失を低減する事ができない。
Ｋを０.２ppm含むクラッドに対してコアの粘性を同程度に下げるためには、コアにおける第２ドーパント群の平均濃度Ｃ２とコアにおけるＫの平均濃度Ｃ１との比Ｃ２／Ｃ１が５以上であることが良い。この場合、コアへの引っ張り歪が解消され、損失が低減する。一方、比Ｃ２／Ｃ１が３０より大きいと、光ファイバにおける残留応力の最大値と最小値の差が増大するだけでなく、結晶が発生し易くなってロス増が生じるので、比Ｃ２／Ｃ１は３０以下であるのが好ましい。
図４は、比Ｃ２／Ｃ１と残留応力の最大値と最小値の差との関係を示すグラフである。図５は、比Ｃ２／Ｃ１と伝送損失との関係を示すグラフである。これらの図に示されるように、コアとクラッドとの間の残留応力の最大値と最小値の差を１５０ＭＰａ以下とするには、比Ｃ２／Ｃ１が５以上であればよい。加えて、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を０.１５４ｄＢ／ｋｍ以下とするには、比Ｃ２／Ｃ１が３０以下であればよい。
第２ドーパント群として好適に用いられる得るＲｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒは、線引温度（２０００℃〜２３００℃）での拡散係数がＫの拡散係数に対して１／２から１／１０であり、線引工程での拡散による広がりがコア径より小さいので、コアの粘性を低減し、レーリー散乱損失を低減するのに有利である。
コアにおける第１ドーパント群の平均濃度Ｃ１が１〜２０ｐｐｍであるのが好適であり、コアにおける第２ドーパント群の平均濃度Ｃ２が２０〜３００ｐｐｍであるのが好適である。この程度のドーパント濃度とすることで、低ロスの光ファイバを製造する上で好適である。
分子動力学計算により線引温度（２３００℃）における濃度１００ppmでの各元素の拡散係数を計算したところ、Ｎａ、Ｋ，Ｃｓ、Ｃａそれぞれの拡散係数は図６のようになった。この結果により、Ｃｓ、Ｃａの拡散係数はＫの拡散係数の１／２以下であり、線引後のＫ濃度分布はコア径の倍まで広がることから推測すると、これらＣｓ、Ｃａはコアの径の内におさまると予想される。
一方で、ＦｅやＮｉといった光ファイバの伝送損失に影響を与える不純物の拡散係数は１×１０−１２ｃｍ２／ｓ程度であることから、これと比較してＣｓ、Ｃａの拡散係数は十分大きい。拡散添加後に不純物を除去する目的で行うエッチング工程において、第２ドーパント群と不純物との間で拡散距離に十分な差をつけることができ、エッチングにより不純物を含む層を削り取ったとしても、第２ドーパント群をガラス中に残すことができると考えられる。
図７は、本実施形態の光ファイバを製造するための各工程を説明するフローチャートである。以下の説明では、具体的な条件の一例についても記載している。
準備工程（ステップＳ１）では、アルカリ金属元素等（ドーパント）を拡散させるべきシリカガラス系のガラスパイプを準備する。このシリカガラス系のガラスパイプは、１００ atomic ppmの塩素（Ｃｌ）および６,０００ atomic ppmのフッ素を含み、その他のドーパント及び不純物の濃度が１０ molppm以下である。このシリカガラス系のガラスパイプの外径は直径３５ｍｍであり、内径は直径２０ｍｍ程度である。
添加工程（ステップＳ２）では、ドーパントとしてＫおよびＣｓをシリカガラス系のガラスパイプの内表面に添加する。原料として臭化カリウム（ＫＢｒ）１０ｇおよび臭化セシウム（ＣｓＢｒ）１５ｇを用いる。外部熱源で原料を温度８００℃に加熱して原料蒸気を発生させる。１ＳＬＭ（標準状態に換算して１リットル／min）の流量の酸素からなるキャリアガスと共に原料蒸気をシリカガラス系のガラスパイプに導入しながら、外部から酸水素バーナによってシリカガラス系のガラスパイプの外表面が温度２１５０℃となるようにシリカガラス系のガラスパイプを加熱する。このとき、４０ｍｍ／minの速さでバーナをトラバースさせて合計１５ターン加熱し、Ｋ元素とＣｓ元素とをシリカガラス系のガラスパイプの内表面に拡散添加させる。
縮径工程（ステップＳ３）では、Ｋが添加されたシリカガラス系のガラスパイプを縮径する。このとき、シリカガラス系のガラスパイプの内部に酸素を０.５ＳＬＭ流しながら、外部熱源によってシリカガラス系のガラスパイプの外表面が２２５０℃となるようにシリカガラス系のガラスパイプを加熱する。外部熱源をトラバースさせて合計６ターン加熱し、シリカガラスパイプを内直径が５ｍｍになるまで縮径する。
エッチング工程（ステップＳ４）では、シリカガラス系のガラスパイプの内面をエッチングする。このとき、ＳＦ６（０.２ＳＬＭ）および塩素（０.５ＳＬＭ）の混合ガスをシリカガラスパイプの内部に導入しながら、外部熱源でシリカガラスパイプを加熱して気相エッチングを行う。このようにすることで、目的のドーパントと共に添加された不純物を高濃度に含むパイプ内面を削ることができ、この不純物を除去することができる。
中実化工程（ステップＳ５）では、シリカガラス系のガラスパイプを中実化する。中実化工程では、酸素（０.１ＳＬＭ）およびＨｅ（１ＳＬＭ）の混合ガスをシリカガラスパイプ３０の内部に導入しながら、シリカガラスパイプ内の絶対圧を９７ｋＰａ以下に減圧しながら表面温度を２１５０℃としてシリカガラスパイプ中実化する。この中実化により、コア部（外径２５ｍｍ）を得る。このロッドの外側にＯＶＤ法やコラプス法といった公知の方法でアルカリ金属元素等を含まないコア層を付与しても良い。
延伸研削工程（ステップＳ６）では、コア部を延伸して直径２４ｍｍとし、更に外周部を研削して直径１７ｍｍとする。
ロッドインコラプス工程（ステップＳ７）では、コア部の外側に第１クラッド部を設ける。このとき、フッ素が添加されたシリカガラス系のガラスパイプの内部にコア部を挿入して、外部熱源によって両者を加熱し一体化するロッドインコラプス法を用いる。コア部と第１クラッド部との相対比屈折率差は最大で０.３４％程度である。このロッドインコラプス法による合成の結果、コア部及びその近傍の第１クラッド部の水分量は十分に低く抑制することが可能である。
ジャケット合成工程（ステップＳ８）では、コア部および第１クラッド部が一体化されてなるロッドを延伸して所定径とした後、そのロッドの外側にフッ素を含む第２クラッド部をＯＶＤ法により合成して、光ファイバ母材を製造する。
線引工程（ステップＳ９）では、以上の光ファイバ母材製造方法により製造された光ファイバ母材を線引することで光ファイバを得ることができる。線引速度は１，８００ｍ／ｍｉｎから２，３００ｍ／ｍｉｎであり、線引張力は０．５Ｎである。線引後のファイバ中のドーパント濃度を測定したところ、Ｋ濃度はコアの平均で１０ppmであった。またＣｓはコアの平均で８０ppmであった。得られた光ファイバの伝送損失は先行技術では波長１５５０ｎｍで０．１５０ｄB/kmに留まるが、本発明では０.１４８ｄＢ／ｋｍまで下げられる。
１…光ファイバ、１１…コア、１２…クラッド。

Claims (4)

  1. コアと、
    前記コアを取り囲み、前記コアの屈折率より低い屈折率を有し、フッ素を含むシリカガラスからなるクラッドと、
    を備える光ファイバであって、
    前記コアが、第１ドーパント群を含むとともに、この第１ドーパント群のシリカガラス内における拡散係数より小さい拡散係数を有する第２ドーパント群を含むシリカガラスからなり、
    前記コアが、前記第１ドーパント群としてＮａ，Ｋのうちの何れかを含み、前記第２ドーパント群としてＲｂ、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒのうちの何れかを含み、
    前記光ファイバにおける残留応力の最大値と最小値の差が１５０ＭＰａ以下である、
    光ファイバ。
  2. 前記コアにおける前記第１ドーパント群の平均濃度をＣ１とし、前記コアにおける前記第２ドーパント群の平均濃度をＣ２としたとき、前記コアにおける比Ｃ２／Ｃ１が５以上である、
    請求項１に記載の光ファイバ。
  3. 前記コアにおける比Ｃ２／Ｃ１が３０以下である、
    請求項２に記載の光ファイバ。
  4. 前記コアにおける前記第１ドーパント群の平均濃度Ｃ１が１〜２０ｐｐｍであり、
    前記コアにおける前記第２ドーパント群の平均濃度Ｃ２が２０〜３００ｐｐｍである、
    請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ。
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