JP7476887B2 - 光ファイバ - Google Patents

Description

本開示は、光ファイバに関する。
本出願は、２０１９年４月１０日出願の日本出願第２０１９－０７４７８２号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

長距離光通信用の光ファイバはシリカガラスで構成され、線引き工程を経て作製される。線引き工程では、光ファイバの元となるガラス母材（プリフォーム）を加熱しながら、５０ｇｆ（０．４９Ｎ）以上の引張り張力がガラスに印加されるように引き延ばしてファイバ状にする。伝送損失の低減が求められる長距離光通信用の光ファイバとして、コア部にアルカリ金属元素が添加された光ファイバが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。

特開２０１５－１５７７２６号公報 特開２０１３－１０７７９２号公報

本開示の光ファイバは、長手方向に一様な構造を有する。この光ファイバは、アルカリ金属元素を含むシリカガラスを有するコアと、長手方向に垂直な断面においてコアを取り囲み、シリカガラスを有するクラッドと、を備える。クラッドの屈折率は、コアの屈折率よりも低い。クラッドは、断面において、クラッドの内周面を含む円環形状の内側クラッド層と、クラッドの外周面を含む円環形状の外側クラッド層と、を有する。内側クラッド層は、フッ素を含む。内側クラッド層及び外側クラッド層は、互いに異なる屈折率を有する。外側クラッド層は、残留応力が引張応力でその大きさが極大となる極大部を含む。極大部と外側クラッド層の内周面との間の径方向距離は、１０μｍ以下である。なお、本明細書では、特に断りのない限り、光ファイバは、長手方向に延びる中心軸の周りで軸対称であると仮定される。

図１は、実施形態に係る光ファイバの断面図を示す図である。 図２Ａは、コアがアルカリ金属元素を含まない場合の残留応力分布を示すグラフである。 図２Ｂは、コアがアルカリ金属元素を含む場合の残留応力分布を示すグラフである。 図３Ａは、アルカリ濃度、第１残留応力差、及び波長１５５０ｎｍにおける伝送損失の関係を示す表である。 図３Ｂは、第１残留応力差、及び波長１５５０ｎｍにおける伝送損失の関係を示すグラフである。 図４Ａは、線引き張力及び第１残留応力差の関係を示す表である。 図４Ｂは、線引き張力及び第１残留応力差の関係を示すグラフである。 図５Ａは、アルカリ濃度及び最大線引き張力の関係を示す表である。 図５Ｂは、アルカリ濃度及び最大線引き張力の関係を示すグラフである。 図６Ａは、アルカリ濃度が１ｐｐｍ及び３０ｐｐｍのときの線引き張力及び伝送損失の関係を示す表である。 図６Ｂは、アルカリ濃度が１ｐｐｍ及び３０ｐｐｍのときの線引き張力及び伝送損失の関係を示すグラフである。 図７Ａは、応力付与部の径方向位置及び波長１５５０ｎｍにおける伝送損失の関係を示す表である。 図７Ｂは、応力付与部の径方向位置及び波長１５５０ｎｍにおける伝送損失の関係を示すグラフである。 図８Ａは、外側クラッド層の残留応力のピーク値及び水素ロス増の関係を示す表である。 図８Ｂは、外側クラッド層の残留応力のピーク値及び水素ロス増の関係を示すグラフである。 図９Ａは、内側クラッド層及び外側クラッド層の界面のＯＨ濃度が１０ｐｐｍ以上である光ファイバの残留応力分布である。 図９Ｂは、内側クラッド層及び外側クラッド層の界面のＯＨ濃度が１ｐｐｍ未満である光ファイバの残留応力分布である。 図１０Ａは、第１領域のＯＨ濃度及び第２残留応力差の関係を示す表である。 図１０Ｂは、第１領域のＯＨ濃度及び第２残留応力差の関係を示すグラフである。 図１１Ａは、フッ素濃度の差、残留応力のピーク値、及び１５５０ｎｍにおける伝送損失の関係を示す表である。 図１１Ｂは、フッ素濃度の差及び残留応力のピーク値の関係を示すグラフである。 図１１Ｃは、フッ素濃度の差及び１５５０ｎｍにおける伝送損失の関係を示すグラフである。 図１２Ａは、残留応力の積分値及び伝送損失の関係を示す表である。 図１２Ｂは、残留応力の積分値及び伝送損失の関係を示すグラフである。

［本開示が解決しようとする課題］
線引き工程では、光ファイバの粘度が断面内の組成や温度の分布に起因する不均一性を有しているため、光ファイバの断面内で粘度の低い領域に比べて粘度の高い領域では引張り張力が発生しやすい。この引張り張力によってガラスの分子構造にひずみが発生し、ひずみ由来の散乱及びガラス欠陥損失が発生する場合がある。このような散乱及びガラス欠陥損失がコア又はコア近傍のクラッドで生じると、光ファイバの伝送性能が低下する。このような伝送性能の低下を抑制する一つの方法として、コア部に粘度を下げるアルカリ金属元素を添加することにより、ひずみの発生を抑制する方法が挙げられる。しかしながら、コア部にアルカリ金属元素が添加された光ファイバにおいても、ひずみによる散乱損失が発生する場合がある。例えば、屈折率を上げるＧｅＯ_２がコアに添加される代わりに、屈折率を下げるフッ素（Ｆ）がクラッドに添加されることによって、ＧｅＯ_２添加に起因する伝送損失が抑制された光ファイバでは、クラッドに添加されるＦも粘度を下げるため、コア又はコア近傍のクラッドに引張り張力及びひずみが生じる場合がある。

そこで、本開示は、伝送損失の低減を図ることが可能な光ファイバを提供することを目的とする。

［本開示の効果］
本開示によれば、伝送損失の低減を図ることが可能な光ファイバを提供することができる。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。実施形態に係る光ファイバは、長手方向に一様な構造を有する。この光ファイバは、アルカリ金属元素を含むシリカガラスを有するコアと、長手方向に垂直な断面においてコアを取り囲み、シリカガラスを有するクラッドと、を備える。クラッドの屈折率は、コアの屈折率よりも低い。クラッドは、断面において、クラッドの内周面を含む円環形状の内側クラッド層と、クラッドの外周面を含む円環形状の外側クラッド層と、を有する。内側クラッド層は、フッ素を含む。内側クラッド層及び外側クラッド層は、互いに異なる屈折率を有する。外側クラッド層は、残留応力が引張応力でその大きさが極大となる極大部を含む。極大部と外側クラッド層の内周面との間の径方向距離は、１０μｍ以下である。

上記実施態様に係る光ファイバでは、極大部において、積極的にガラス欠陥を生成させ、環境由来の水素とガラス欠陥とを反応させることができる。この結果、コアにおいて、環境由来の水素とガラス欠陥との反応により生じる水素起因の伝送損失劣化が抑制される。よって、伝送損失の低減を図ることができる。以下、水素起因の伝送損失劣化を「水素劣化」と略称する。

温度８０℃で分圧１ｋＰａの水素ガスを含む雰囲気に２４時間にわたって暴露することによる波長１３８０ｎｍにおける伝送損失の増加は、０．０００１ｄＢ／ｋｍ以上０．１ｄＢ／ｋｍ以下であってもよい。この場合、水素劣化が抑制されているので、伝送損失の低減を確実に図ることができる。また、より高い濃度の水素中でも損失の劣化を生じることなく光ファイバを使用できるので、水素発生量の観点でケーブル材料の選択肢が広がる。その結果、ケーブルの低コスト化が可能となる。

極大部の残留応力は、５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の引張応力であってもよい。この場合、伝送損失が更に低減される。

外側クラッド層は、外側クラッド層の内周面を含む第１領域を有してもよい。第１領域の径方向の厚みは、１０μｍであってもよい。第１領域のＯＨ濃度は、５ｐｐｍ以下であってもよい。この場合、第１領域に引張張力の極大部が確実に形成されるので、伝送損失の低減を確実に図ることができる。

外側クラッド層は、外側クラッド層の内周面を含む第２領域を有してもよい。第２領域の径方向の厚みは、０．１μｍ以上３μｍ未満であってもよい。第２領域におけるフッ素濃度は、外側クラッド層の第２領域以外の領域におけるフッ素濃度よりも１００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下低くてもよい。この場合も、第２領域または第２領域を含む領域に引張張力の極大部が確実に形成されるので、伝送損失の低減を確実に図ることができる。なお、外側クラッド層は、外側クラッド層の内周面を含む領域が、第１領域であり、かつ第２領域となっていてもよい。

光ファイバの中心軸からの径方向距離の関数で表された残留応力を、極大部を挟む上限位置及び下限位置であって、外側クラッド層の内周面からの距離が１０μｍである上限位置と、上限位置における残留応力と等しい残留応力を与える下限位置との間の区間で径方向距離で積分した値が、２０ＭＰａ・μｍ以上１２０ＭＰａ・μｍ未満であってもよい。この場合、伝送損失が更に低減される。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の光ファイバの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、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。

図１は、実施形態に係る光ファイバの断面図を示す図である。図１に示されるように、本実施形態の光ファイバ１は、コア１０及びクラッド２０を備える。図１の断面図は、光ファイバ１の中心軸（光軸）に対して垂直な断面を表している。光ファイバ１は、長手方向に一様な構造を有する。ここで、一様な構造には、製造誤差の範囲で異なる構造も含まれる。つまり、光ファイバ１は、長手方向に実質的に一様な構造を有する。

コア１０は、アルカリ金属元素を含むシリカガラスを主成分（基材）とする。アルカリ金属元素としては、例えば、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）が挙げられる。コア１０は、例えば、光ファイバ１の中心軸を含む領域に設けられている。コア１０は、外周面１０ａを有している。コア１０の中心軸は、例えば、光ファイバ１の中心軸と一致している。コア１０の外径（コア径）は、例えば、８μｍ以上１５μｍ以下である。

クラッド２０は、シリカガラスを主成分（基材）とする。クラッド２０は、光ファイバ１の中心軸方向（長手方向）に垂直な断面において、コア１０を取り囲み、コア１０の外周面１０ａを覆っている。クラッド２０は、外周面２０ａ及び内周面２０ｂを有している。外周面２０ａは、光ファイバ１の外周面を構成している。内周面２０ｂは、コア１０の外周面１０ａに接している。クラッド２０の外径（クラッド径）は、光ファイバ１の外径（ファイバ径）と等しく、例えば、１２４μｍ以上１２６μｍ以下である。クラッド２０の径方向の長さ（厚み）は、例えば、５５μｍ以上５９μｍ以下である。光ファイバ１の外周面は、紫外線硬化樹脂によって被覆されていてもよいが、本明細書および添付図では特に断らない限り、被覆が省略される。当業者には公知のように、被覆によれば、光ファイバ１の外周面における傷の発生を防止すると共に、光ファイバ１の剛性を最適化することができる。

クラッド２０は、内側クラッド層２１及び外側クラッド層２２を有している。光ファイバ１の中心軸方向（長手方向）に垂直な断面において、内側クラッド層２１及び外側クラッド層２２は、いずれも円環形状を呈している。内側クラッド層２１及び外側クラッド層２２は、互いに異なる屈折率を有している。なお、以下に説明するように、本実施形態では内側クラッド層２１と外側クラッド層２２とが接しているが、クラッド２０は、内側クラッド層２１及び外側クラッド層２２以外のクラッド層を内側クラッド層２１及び外側クラッド層２２の間に有していてもよい。

内側クラッド層２１は、光ファイバ１の中心軸方向（長手方向）に垂直な断面においてコア１０を取り囲み、外周面１０ａを覆っている。内側クラッド層２１は、外周面２１ａ及び内周面２１ｂを有している。外周面２１ａは、外側クラッド層２２に接している。内側クラッド層２１の内周面２１ｂは、クラッド２０の内周面２０ｂを構成している。すなわち、内側クラッド層２１は、内周面２０ｂを含んでいる。内側クラッド層２１は最内層のクラッド層である。内側クラッド層２１の外径は、例えば、２０μｍ以上７０μｍ以下である。内側クラッド層２１の径方向の厚みは、例えば、５μｍ以上３０μｍ以下である。一例では、内側クラッド層２１の外径が３５μｍ、その径方向の厚みは１２．５μｍである。

外側クラッド層２２は、光ファイバ１の中心軸方向（長手方向）に垂直な断面において内側クラッド層２１を取り囲み、内側クラッド層２１の外周面２１ａを覆っている。外側クラッド層２２は、外周面２２ａ及び内周面２２ｂを有している。外周面２２ａは、クラッド２０の外周面２０ａを構成している。すなわち、外側クラッド層２２は、外周面２０ａを含んでいる。外側クラッド層２２は最外層のクラッド層である。外側クラッド層２２の内周面２２ｂは、内側クラッド層２１の外周面２１ａに接している。外側クラッド層２２の外径は、クラッド２０の外径と等しい。外側クラッド層２２の径方向の厚みは、例えば、２７μｍ以上５３μｍ以下である。一例では、内側クラッド層２１の外径が３５μｍ、外側クラッド層２２の厚みは４５μｍである。

外側クラッド層２２は、内周面２２ｂを含む第１領域を有している。第１領域は、内側クラッド層２１を取り囲んでいる。第１領域の径方向の厚みは、１０μｍである。第１領域の残留応力は、引張応力である。本明細書において、特に記載のない場合、残留応力とは、線引き後のファイバが室温まで冷えた後に残留した応力のうち、中心軸方向（ファイバの線引き方向）に垂直な断面に作用する応力の中心軸方向の成分のことである。残留応力は、引張りの場合に正符号、圧縮の場合に負符号で表す。残留応力は径方向位置の関数であるが、特に断りのない限り、典型的な残留応力の測定分解能である直径１μｍの領域で平均化した値を残留応力の値と定義する。更に、特に断りの無い限り、残留応力の方向が引張りである場合にその絶対値を引張応力と呼ぶ。外側クラッド層２２の残留応力は、第１領域において極大となっている。すなわち、外側クラッド層２２は、残留応力が引張応力でその大きさが極大となる極大部３０を第１領域に含んでいる。極大部３０と内周面２２ｂとの間の径方向距離は、１０μｍ以下である。

極大部３０の残留応力は、例えば、５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の引張応力である。後述のように、極大部３０の残留応力を３０ＭＰａ以下とすることにより、光ファイバ１の伝送損失の悪化が抑制される。また、後述のように、極大部３０の残留応力を５ＭＰａ以上とすることにより、コア１０の水素劣化が抑制される。水素劣化が抑制される結果、光ファイバ１では、温度８０℃で分圧１ｋＰａの水素ガスを含む雰囲気に２４時間にわたって暴露することによる波長１３８０ｎｍにおける伝送損失の増加は、０．１ｄＢ／ｋｍ以下である。０．０００１ｄＢ／ｋｍ以上の伝送損失増加は生じ得るが、多くの用途においては障害とならない。

水素劣化は、光ファイバの伝送損失を悪化させる要因として知られている。水素劣化は、環境由来の水素分子とガラス欠陥との反応により生じる。環境由来の水素分子は、樹脂などのガラスの外側の環境に由来する水素である。ガラス欠陥は、ガラスが引張応力を受けた結果、ガラス分子の結合が切れることにより生成される。ガラス欠陥は、特に光ファイバの経時的な伝送損失の劣化の要因として知られている。ガラス欠陥で生成するＯＨ基の吸収に由来する波長１３８０ｎｍにおける伝送損失のピークは、時間とともに増加する。

コア１０では、引張応力をうけることにより、ガラス欠陥に由来して伝送損失が増加するおそれがある。そこで、光ファイバ１では、引張応力が付与された応力付与部として極大部３０を設け、極大部３０で積極的にガラス欠陥を生成させている。これにより、環境由来の水素とガラス欠陥との反応が極大部３０で増える。極大部３０が設けられた外側クラッド層２２は、コア１０の水素劣化に対するバリア層の役割を果たし、コア１０の水素劣化を抑制できると考えられる。極大部３０は、信号光の広がりを考慮しても信号光が影響を受けない程度に十分にコア１０から離れた位置、例えば、コア１０の中心からの径方向距離が３０μｍ以上の位置に設けられる。また、光ファイバ１の外径を必要以上に太くすることを避けるため、極大部３０は、コア１０の外周面１０ａからの径方向距離が６０μｍ以下の位置に設けられる。

一般に、光をコアに閉じ込めて伝搬するには、クラッドの屈折率をコアの屈折率よりも低くする必要がある。そのためには、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）のような屈折率を上げるドーパントがコアに含まれる構成と、例えば、フッ素（Ｆ）のような屈折率を下げるドーパントがクラッドに含まれる構成と、が考えられる。後者の構成は、例えば、ドーパントをコアに含まない純シリカコア光ファイバにも適用することができる。純シリカコアの屈折率をｎ_ｏ、クラッドの屈折率をｎ_ｉとすると、比屈折率差は式（１）で表される。

本実施形態の光ファイバ１は、上述の後者の構成を有し、Ｆがクラッド２０の全体に１０００ｐｐｍ以上１０００００ｐｐｍ以下含まれている。これにより、クラッド２０の屈折率は、コア１０の屈折率よりも低くなっている。クラッド２０では、少なくとも内側クラッド層２１がＦを含んでいる。クラッド２０のＦ濃度は、内側クラッド層２１において最も高くなっている。なお、本開示において、Ｆ濃度は、Ｆの質量分率、すなわちＦの質量の全体の質量に対する比で表記されている。コア１０と内側クラッド層２１との比屈折率差は０．２％以上である。なお、コア１０の屈折率は、純シリカコアの屈折率と同等である。

第１領域のＯＨ濃度は、５ｐｐｍ以下である。なお、本開示において、ＯＨ濃度は、ＯＨの質量分率、すなわちＯＨの質量の全体の質量に対する比で表記されている。これにより、後述のように、第１領域に極大部３０を形成することができる。第１領域のＯＨ濃度は、例えば、第１領域の平均ＯＨ濃度である。

外側クラッド層２２は、内周面２２ｂを含む第２領域を有している。第２領域の径方向の厚みは、０．１μｍ以上３μｍ未満である。第２領域におけるＦ濃度は、外側クラッド層２２の第２領域以外の領域におけるＦ濃度よりも１００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下低い。これにより、後述のように、光ファイバ１の伝送損失を抑制可能な極大部３０を形成することができる。なお、第２領域におけるＦ濃度は、例えば、第２領域におけるＦ濃度の最小値（最低値）である。外側クラッド層２２の第２領域以外の領域におけるＦ濃度は、例えば、外側クラッド層２２の第２領域以外の領域におけるＦ濃度の最小値（最低値）である。

光ファイバ１の中心軸からの径方向距離の関数で表された残留応力を極大部３０を挟む上限位置と下限位置との間の区間で径方向距離で積分した値は、２０ＭＰａ・μｍ以上１２０ＭＰａ・μｍ未満である。光ファイバ１の中心軸からの径方向距離をｒ、残留応力をＰ（ｒ）、積分区間を径方向距離ｒ１からｒ２までとすると、積分値は以下の式（２）で示される。ｒ１は径方向距離の下限値、ｒ２は径方向距離の上限値である。

ここで、積分区間の上限位置は、第１領域の外縁と一致しており、積分区間の上限位置と内周面２２ｂとの間の径方向距離は１０μｍである。また、積分区間の下限位置及び上限位置における残留応力は互いに等しい。すなわち、Ｐ（ｒ１）＝Ｐ（ｒ２）である。このような範囲に設定された積分区間における積分値が２０ＭＰａ・μｍ以上１２０ＭＰａ・μｍ未満となるようにすることにより、後述のように、光ファイバ１の伝送損失を抑制可能な極大部３０を形成することができる。

図２Ａは、コアがアルカリ金属元素を含まない場合の残留応力分布を示すグラフである。図２Ｂは、コアがアルカリ金属元素を含む場合の残留応力分布を示すグラフである。図２Ａ及び図２Ｂでは、残留応力について、引張応力が＋で示され、圧縮応力が－で示されている。図２Ａ及び図２Ｂでは、コアに対応する部分を「Ａ」、内側クラッド層に対応する部分を「Ｂ」、外側クラッド層に対応する部分を「Ｃ」、第１領域に対応する部分を「Ｃ１」及び「Ｃ２」、第１残留応力差を「Δσ」で示す。第１残留応力差とは、コアの残留応力と内側クラッド層の残留応力との差（コアの残留応力から内側クラッド層の残留応力を引いた値）である。

図２Ａ及び図２Ｂに示されるグラフからは、コアがアルカリ金属元素を含むことでコア部の粘性が低下し、コアの応力が圧縮応力となる結果、コアに引張応力によるひずみが発生し難いことが予想される。第１残留応力差は、コアがアルカリ金属元素を含むことにより減少する。ところが、図２Ｂに示されるように、コア部の粘性を低減した場合でも、残留応力が最も低くなるのはコアではなく、コアの外側の内側クラッド層である。そのため、コアの残留応力は、引張応力にならない範囲ではあるものの、内側クラッド層の残留応力と比較すると、引張応力側に飛び出す場合があることがわかる。

コアの残留応力が引張応力側に飛び出す原因については、以下のように考えられる。すなわち、アルカリ金属元素の添加濃度及び線引き速度等の製造条件によっては、アルカリ金属元素がクラッド部にまで拡散する。これにより、内側クラッド層がアルカリ金属元素及び最大濃度のＦの両方を含む。粘性は、このような内側クラッド層において最も低くなる。コア部は相対的に硬いので、線引き工程において、ファイバが冷える過程で引張応力を受ける場合があると考えられる。

次に、アルカリ濃度を変えることにより第１残留応力差を変えて、第１残留応力差及び伝送損失の関係を調べた。アルカリ濃度とは、コアの平均アルカリ金属元素濃度である。なお、本開示において、アルカリ金属元素濃度は、アルカリ金属元素の質量分率、すなわちアルカリ金属元素の質量の全体の質量に対する比で表記されている。図３Ａは、アルカリ濃度、第１残留応力差、及び波長１５５０ｎｍにおける伝送損失の関係を示す表である。図３Ｂは、第１残留応力差、及び波長１５５０ｎｍにおける伝送損失の関係を示すグラフである。ここでは、線引き前の母材段階におけるコア部のうち、アルカリ金属元素が存在する領域の径（添加径）をコア径の２０％とした。

アルカリ金属元素を添加したコア部の合成は、例えば、特許文献１の方法を参考として、拡散法により行われる。拡散法は、予め準備したガラスパイプにアルカリ蒸気を供給しながら外側から加熱することで、ガラス内にアルカリ金属元素を拡散添加する方法である。添加径の調整は、例えば、コア部の外側に第２コア部となるアルカリ金属元素を含まないガラスをコプラス法により付与することで実施できる。添加径の調整は、アルカリ金属元素を添加したコア部を削ることでも実施できる。

ここでは、アルカリ金属元素としてＫを添加した。Ｋ以外のアルカリ金属元素を添加する場合は、アルカリ金属元素の拡散速度に対応させて添加径を変えることによって、第１残留応力差をＫを添加した場合と同程度にすることができる。例えばＲｂをアルカリ金属元素として添加径８０％で添加し、光ファイバを製造した場合、第１残留応力差は１５ＭＰａとなり、伝送損失もＫを添加した場合と同じになった。このことから、添加元素によらず第１残留応力差及び伝送損失の間に相関があると考えられる。

図３Ａ及び図３Ｂに示される表及びグラフからは、第１残留応力差が１５ＭＰａよりも大きい場合、伝送損失が悪化することがわかる。測定精度が不十分なため、５ＭＰａ未満の第１残留応力差の測定は困難である。しかしながら、第１残留応力差が小さくなるほど、コア部の粘性と内側クラッド層の粘性との差が小さくなるので、伝送損失を小さくすることができると考えられる。

上述のようにコアに引張応力が加わることを防ぐ方法として、例えば、線引き張力を低く抑える方法が考えられる。図４Ａは、線引き張力及び第１残留応力差の関係を示す表である。線引き張力は、線引時にガラス部分に印加される張力である。図４Ｂは、その関係を示すグラフである。ここでは、アルカリ濃度を１ｐｐｍとした母材を用いた。

図４Ａ及び図４Ｂに示される表及びグラフから、線引き張力を１００ｇ以下とすることで、第１残留応力差を１５ＭＰａ以下にできることがわかる。アルカリ濃度が高い場合は、より広い線引き張力の範囲で第１残留応力差１５ＭＰａ以下を達成できると考えられる。例えば、３０ｐｐｍでは線引き張力が１５０ｇでも第１残留応力差を１５ＭＰａ以下とすることができ、１５ｐｐｍでは線引き張力が１３０ｇでも第１残留応力差を１５ＭＰａ以下とすることができる。このように、アルカリ濃度と、第１残留応力差が１５ＭＰａ以下となる線引き張力の最大値（最大線引き張力）との間には、正の相関がある。

図５Ａは、アルカリ濃度及び最大線引き張力の関係（すなわち、最大線引き張力のアルカリ濃度依存性）を示す表である。図５Ｂは、その関係を示すグラフである。図５Ａ及び図５Ｂに示される表及びグラフから、線引き張力が１００ｇ以下であれば、アルカリ濃度によらず、第１残留応力差１５ＭＰａ以下を達成できると推測される。

図６Ａは、アルカリ濃度が１ｐｐｍ及び３０ｐｐｍのときの線引き張力及び伝送損失の関係を示す表である。図６Ｂは、その関係を示すグラフである。図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、線引き張力が２０ｇ未満以下ではアルカリ濃度によらず伝送損失が急増している。線引き張力が低すぎると、線引き工程においてファイバが振動するので、ファイバ径が安定しない。その結果、伝送損失が悪化したと推測される。したがって、アルカリ濃度が１ｐｐｍ以上の光ファイバの線引き張力は、アルカリ濃度によらず２０ｇ以上１００ｇ以下に設定され得る。

しかしながら、このように低い線引き張力で線引き工程を実施するには、母材の加熱温度を高くするか、線引き速度を遅くする必要がある。したがって、生産効率が低下するおそれがある。そこで、本実施形態に係る光ファイバ１では、クラッド２０を複数のクラッド層により構成し、最外層のクラッド層である外側クラッド層２２を引張応力が付与された応力付与層として機能させている。例えば、外側クラッド層２２のＦ濃度を低くすることで、外側クラッド層２２の粘性を上げて応力付与層とすることができる。加えて、外側クラッド層２２が粘性の異なる界面を有することにより、アルカリ金属元素の拡散を抑制することができる（特許文献２を参照）。

外側クラッド層の残留応力が外側クラッド層の全体にわたって均一（フラット）である場合（例えば、外側クラッド層内の残留応力の最大値と最小値との差が５ＭＰａ以下である場合）、コアにひずみが発生することは抑制できる。しかしながら、後述のガラス欠陥損失に対するバリア層を形成することはできない。このため、ガラス欠陥に由来して伝送損失が増加する。

例えば、Ｆを含まない純シリカにより外側クラッド層を形成した場合、外側クラッド層の全体で残留応力が引張応力となる。このため、引張力が外側クラッド層の全体に分散され、断面積あたりの引張応力が小さくなる。よって、外側クラッド層では、残留応力が低い引張応力となり、残留応力のピーク（極大）が形成されず、バリア層の効果がない。そのため、外側クラッド層にも何らかの添加物を添加し、層内に粘性差をつけることで、応力のピークを設ける必要があると考えられる。

添加物としては、塩素（Ｃｌ）又はＦが挙げられる。Ｃｌはクラッドの屈折率を上げるので、クラッドの屈折率がコアの屈折率よりも高くなり、光がクラッドに漏洩する可能性がある。Ｃｌの添加量（つまり、クラッドのＣｌ濃度）が５０００ｐｐｍを超える場合、外側クラッド層の粘性が低くなり、コアに引張応力がかかる。よって、Ｃｌの添加量は５０００ｐｐｍ以下に設定され得る。なお、本開示において、Ｃｌ濃度は、Ｃｌの質量分率、すなわちＣｌの質量の全体の質量に対する比で表記されている。Ｃｌの添加量は３０００ｐｐｍ以下であってもよい。この場合、より高い引張応力が付与された応力付与部を外側クラッド層に形成できる。ただし、後述のとおり、外側クラッド層内で１００ｐｐｍ以上の濃度差を設けることによって、伝送損失を低減可能な応力付与部を形成できる。

伝送損失を低減するために、線引き工程において線引炉から出た後のファイバを加熱炉で再加熱する加熱工程が実施される場合がある（特開２０１４－１１４１９５号公報参照）。このような加熱工程によれば、特に、応力付与部が外側クラッド層の径方向の中央よりも外側にのみ形成されている場合、応力付与部が再度溶解してコアに引張応力が加わる懸念がある。したがって、応力付与部は、外側クラッド層の径方向の中央よりも内側に形成され得る。

図７Ａは、応力付与部の径方向位置及び波長１５５０ｎｍにおける伝送損失との関係を示す表である。図７Ｂは、その関係を示すグラフである。径方向位置は、応力付与部と外側クラッド層の内周面との間の径方向距離で特定している。応力付与部の位置は、例えば、残留応力が引張応力でその大きさが極大となる位置である。ここでは、外側クラッド層の径方向の厚み（外側クラッド層の厚み）は５０μｍである。

図７Ａ及び図７Ｂに示されるように、応力付与部と外側クラッド層の内周面との間の径方向距離が１０μｍを超えると、径方向距離が増えるにつれて伝送損失が悪化する。特に、外側クラッド層の外周面から径方向に１０μｍ以内の範囲（応力付与部と外側クラッド層の内周面との間の径方向距離が４０μｍ以上５０μｍ以下の範囲）に応力付与部が存在する場合、急激に伝送損失が悪化する。これは上記加熱工程において応力付与部が再溶解して、応力付与部の残留応力が解放されることで、コアに引張りひずみが発生するためと考えられる。

外側クラッド層の厚みは、内側クラッド層の厚み及び屈折率によって最適化される値であり、５０μｍに限られない。ただし、外側クラッド層の厚みが厚いほど、添加物であるＦ濃度の低い領域が広くなるため、低コストでファイバを生産することができる。一方で、外側クラッド層の厚みが６０μｍを超えると、クラッド外径を１２５μｍに固定した場合は応力付与部がコアに近づくため、コアを伝搬する信号光の広がりの一部が応力付与部に到達する。したがって、応力付与部に発生したガラス欠陥損失の影響を受けて伝送損失が悪化する可能性がある。外側クラッド層の厚みが１０μｍ未満の場合は、上記加熱工程により応力付与部が再度溶融する。よって、外側クラッド層の厚みは１０μｍ以上とされる必要がある。

外側クラッド層の厚みを６０μｍとして同様の検討を行った場合、応力付与部と外側クラッド層の内周面との間の径方向距離が１５μｍまで伝送損失が悪化しなかった。このことから、径方向距離が１０μｍ未満の場合、外側クラッド層の厚みによらず伝送損失の悪化を抑制できると推測される。

図８Ａは、外側クラッド層の残留応力のピーク値及び水素ロス増の関係を示す表である。図８Ｂは、その関係を示すグラフである。外側クラッド層の残留応力のピーク値（極大値）は、応力付与部の残留応力である。水素ロス増は、水素劣化試験の前後での波長１３８０ｎｍにおける伝送損失（吸収損失）の変化である。水素劣化試験では、温度８０℃で分圧１ｋＰａの水素ガスを含む雰囲気に２４時間にわたって光ファイバが暴露される。ここでは、外側クラッド層は、コアからの径方向距離が３０μｍの位置から始まる。応力付与部は、外側クラッド層の内周面からの径方向距離が１０μｍ以下の位置に設けられている。

図８Ａ及び図８Ｂに示されるように、ピーク値（極大値）が０ＭＰａ以上になると、水素劣化が大幅に抑制される。更に、ピーク値が５ＭＰａ以上になると、水素劣化が測定不能なレベルまで低下する。一方で、ピーク値が３０ＭＰａを超えると、伝送損失が悪化する。これは、引張応力が強すぎることにより、ガラス欠陥の生成量が多くなりすぎるためと推測される。すなわち、外側クラッド層のコアからの径方向距離が３０μｍである場合においても、わずかに広がった信号光が欠陥損失の影響を受けて伝送損失を悪化させるためと推測される。

複数の異なる屈折率からなるクラッド層を形成する方法として、コアを含む内側クラッド層のガラスロッドにガラス微粒子を吹き付けたスス体を形成した後、焼結する方法がある。しかしながら、この方法では、母材を合成した後、ガラスロッド表面にスス体の形成時に利用したバーナー火炎由来の水分が添加される。この水分は、線引き工程で外側クラッド層の方向にも拡散するため、内側クラッド層及び外側クラッド層の界面付近のＯＨ濃度が高くなる場合がる。このようなガラス母材を線引きした場合、界面付近の粘性が局所的に低下する。このため、外側クラッド層では、内周面側の残留応力が低下する。

図９Ａは、内側クラッド層及び外側クラッド層の界面のＯＨ濃度が１０ｐｐｍ以上である光ファイバの残留応力分布である。図９Ｂは、内側クラッド層及び外側クラッド層の界面のＯＨ濃度が１ｐｐｍ以下である光ファイバの残留応力分布である。図９Ａ及び図９Ｂでは、残留応力について、引張応力を＋で示し、圧縮応力を－で示し、界面の位置を破線で示す。

図９Ｂの光ファイバは、クラッド層をスス付け法で行わず、予めＦが添加された外側クラッド層をコラプス法により付与してファイバ母材を合成し、ファイバ母材を線引きして得られた。コラプス法によるファイバ母材の合成では、まず、予めＦが添加されたガラスパイプを用意し、コア部を含む内側クラッド層のガラスロッドをガラスパイプに挿入した。続いて、真空排気しながらコラプスすることでガラスパイプとガラスロッドとを一体化し、Ｋをコア部に含むファイバ母材を合成した。コラプス法によりファイバ母材を合成することなく、コア部を含む内側クラッド層のガラスロッドをガラスパイプに挿入し、一体化と同時に線引きしてもよい。

図９Ａの光ファイバでは、残留応力は界面付近で低下し、外側クラッド層の残留応力は内側クラッド層に向かって単調に減少する。一方で、図９Ｂの光ファイバでは、外側クラッド層には内側クラッド層からの径方向距離が１０μｍ以内の位置に応力付与部が形成される。

図１０Ａは、第１領域のＯＨ濃度及び第２残留応力差の関係を示す表である。図１０Ｂは、その関係を示すグラフである。第２残留応力差とは、第１領域の残留応力と外側クラッド層の厚み方向の中心部の残留応力との差（第１領域の残留応力から外側クラッド層の厚み方向の中心部の残留応力を引いた値）である。ここでは、外側クラッド層の厚みは６０μｍである。ＯＨ濃度は顕微赤外分光法により、直径が１０μｍ程度のスポットの平均値とした。

図１０Ａ及び図１０Ｂに示されるように、第１領域のＯＨ濃度が１０ｐｐｍよりも高い場合、第２残留応力差が負の値となる。つまり、第１領域の残留応力が外側クラッド層の厚み方向の中心部の残留応力よりも小さくなり、第１領域に応力付与部を形成することができない。一方、第１領域のＯＨ濃度が１ｐｐｍ以下の場合、第２残留応力差は、ＯＨ濃度による影響を受けず、５ＭＰａで一定となった。つまり、第１領域の残留応力は、外側クラッド層の厚み方向の中心部の残留応力よりも５ＭＰａ大きくなった。また、第１領域のＯＨ濃度が５ｐｐｍ以下の場合、第２残留応力差は２ＭＰａ以上となった。つまり、第１領域の残留応力は、外側クラッド層の厚み方向の中心部の残留応力よりも２ＭＰａ以上大きくなった。

図１１Ａは、Ｆ濃度の差、残留応力のピーク値、及び１５５０ｎｍにおける伝送損失の関係を示す表である。図１１Ｂは、Ｆ濃度の差及び残留応力のピーク値の関係を示すグラフである。図１１Ｃは、Ｆ濃度の差及び１５５０ｎｍにおける伝送損失の関係を示すグラフである。Ｆ濃度の差とは、外側クラッド層の内周面から径方向に３μｍ未満の領域におけるＦ濃度の最小値と、外側クラッド層の内周面から径方向に３μｍの位置におけるＦ濃度との差（外側クラッド層の内周面から径方向に３μｍの位置におけるＦ濃度から、外側クラッド層の内周面から径方向に３μｍ未満の領域におけるＦ濃度の最小値を引いた値）である。残留応力のピーク値とは、第１領域における残留応力のピーク値である。内側クラッド層及び外側クラッド層の界面のＯＨ濃度は１ｐｐｍ以下であった。

図１１Ａ～図１１Ｃに示されるように、Ｆ濃度の差が１００ｐｐｍ以上である場合に残留応力のピーク値が５ＭＰａ以上となり、伝送損失も低い値を示した。一方で、Ｆ濃度の差が３０００ｐｐｍ以上である場合に残留応力のピーク値が３０ＭＰａ以上となり、伝送損失が急激に悪化した。

Ｆはガラスの粘性を低下するドーパントである。したがって、クラッドのＦ濃度が光ファイバの中心軸に向かって単調増加の分布を持っている場合、外側クラッド層の第１領域に応力付与部を形成することができない。第１領域に応力付与部を形成するには、Ｆ濃度は、第１領域において外側クラッド層の他の領域よりも低いことが必要である。Ｆ濃度が低い領域の径が３μｍを超える場合は、残留応力だけではなく、比屈折率差自体のピークがコアのように信号を閉じ込める作用を示し、カットオフ波長の長波長化及び曲げロスの悪化のような信号の伝送特性に影響を与えることが考えられる。そのため、Ｆ濃度が低い領域の径は３μｍ以下とすることが必要である。また、Ｆ濃度が低い領域のＦ濃度の最小値は、その外側の領域のＦ濃度の最小値に対して１００ｐｐｍ以上低いことが必要である。

図１２Ａは、残留応力の積分値及び伝送損失の関係を示す表である。図１２Ｂは、その関係を示すグラフである。図１２Ａ及び図１２Ｂに示されるように、残留応力の積分値が２０ＭＰａ・μｍ以上の場合に十分な応力付与部が形成され、伝送損失を低く保つことができる。一方で、残留応力の積分値が１２０ＭＰａ・μｍ以上の場合には、伝送損失が再び悪化することがわかる。これは、応力付与部のひずみが大きくなり過ぎて、欠陥損失由来の伝送損失の悪化が引き起こされると推測される。

上述の積分区間（ｒ１≦ｒ≦ｒ２）における残留応力Ｐ（ｒ）のグラフを、Ｐ（ｒ１）、Ｐ（ｒ）のピーク値Ｐ、及び、Ｐ（ｒ２）を直線で結んだ三角形状とし、ピーク値を３０ＭＰａとして計算した積分値は、１５０ＭＰａ・μｍであり１２０ＭＰａ・μｍ以上である。なお、ｒ２は外側クラッド層の内表面から１０μｍの位置を表し、ｒ１はＰ（ｒ１）＝Ｐ（ｒ２）となる位置である。

このように積分値が１２０ＭＰａ・μｍ以上となるのは、残留応力の極大値Ｐ_ｍａｘを与える半径ｒ_ｍａｘの周辺の残留応力分布を以下の式（３）で近似した場合において、指数αが１以上となり、三角形の面積より積分値が大きくなるような分布のときには、応力の急激な変化がなく、十分な応力付与部とならないことが原因と推測される。そのため、応力付与部の分布形状としては、αを１未満とすることができる。このように応力付与部は、ピーク値のような値だけではなく、面積値（つまり積分値）及び指数αの分布を規定することも必要である。なお、式（３）において、ａは積分区間の上限位置と内周面２２ｂとの間の径方向距離１０（μｍ）であり、ｂは以下の式（４）で示される。

１…光ファイバ
１０…コア
１０ａ…外周面
２０…クラッド
２０ａ…外周面
２０ｂ…内周面
２１…内側クラッド層
２１ａ…外周面
２１ｂ…内周面
２２…外側クラッド層
２２ａ…外周面
２２ｂ…内周面
３０…極大部

Claims (5)

1. 長手方向に一様な構造を有する光ファイバであって、
   アルカリ金属元素を含むシリカガラスを有するコアと、前記長手方向に垂直な断面において前記コアを取り囲み、シリカガラスを有するクラッドと、を備え、
   前記クラッドの屈折率は、前記コアの屈折率よりも低く、
   前記クラッドは、前記断面において、前記クラッドの内周面を含む円環形状の内側クラッド層と、前記クラッドの外周面を含む円環形状の外側クラッド層と、を有し、
   前記内側クラッド層は、フッ素を含み、
   前記内側クラッド層及び外側クラッド層は、互いに異なる屈折率を有し、
   前記外側クラッド層は、残留応力が引張応力でその大きさが極大となる極大部を含み、
   前記極大部と前記外側クラッド層の内周面との間の径方向距離は、１０μｍ以下であり、
   前記外側クラッド層は、前記外側クラッド層の内周面を含む第２領域を有し、
   前記第２領域の径方向の厚みは、０．１μｍ以上３μｍ未満であり、
   前記第２領域におけるフッ素濃度は、前記外側クラッド層の前記第２領域以外の領域におけるフッ素濃度よりも１００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下低い、光ファイバ。
2. 温度８０℃で分圧１ｋＰａの水素ガスを含む雰囲気に２４時間にわたって暴露することによる波長１３８０ｎｍにおける伝送損失の増加は、０．０００１ｄＢ／ｋｍ以上０．１ｄＢ／ｋｍ以下である、請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記極大部の残留応力は、５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の引張応力である、請求項１又は請求項２に記載の光ファイバ。
4. 前記外側クラッド層は、前記外側クラッド層の内周面を含む第１領域を有し、
   前記第１領域の径方向の厚みは、１０μｍであり、
   前記第１領域のＯＨ濃度は、５ｐｐｍ以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
5. 前記光ファイバの中心軸からの径方向距離の関数で表された残留応力を、前記極大部を挟む上限位置及び下限位置であって、前記外側クラッド層の内周面からの距離が１０μｍである前記上限位置と、前記上限位置における残留応力と等しい残留応力を与える前記下限位置との間の区間で径方向距離で積分した値が、２０ＭＰａ・μｍ以上１２０ＭＰａ・μｍ未満である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光ファイバ。

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