JPH10501633A - 光ウェーブガイド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも中央部で最大となる屈折率（ｎ₁）を呈するコア（１０）と、コア（１０）を含んでおり、直径方向延長部に沿って、コア（１０）の最大屈折率（ｎ₁）よりも低い一定の屈折率（ｎ₂）を呈する光学的クラッディング（２０）とを備える単一モード光ウェーブガイドであって、コア（１０）とクラッディング（２０）の間に配置された少なくとも一つの応力除去のための中間部分（３０）により規定される領域をさらに含んでおり、カットオフ波長を増加させるために、前記中間部分が直径方向延長部に沿って、最大でコア屈折率（ｎ₁）に等しく、最小でも光学的クラッディング（２０）の屈折率（ｎ₂）に等しい屈折率（ｎ₃）と、光ウェーブガイドの少なくともコア（１０）において内部応力レベルを、波長領域に対して許容可能な減衰および色分散とが得られるようにする値まで下げるのに適切な熱膨張率および粘性とを呈する光ウェーブガイド。

Description

【発明の詳細な説明】 光ウェーブガイド 発明の分野 本発明は光通信システムで使用されるタイプの、特に１５５０ナノメートルス ペクトル域で使用される単モード光ウェーブガイドに関する。発明の背景 光ウェーブガイド又は光ファイバは通信に広く使用されており、好ましい広帯 域通信媒体となっている。伝送容量を増大させるため、単一モード光ウェーブガ イドが特に注目されている。光ウェーブガイド、具体的にいえば、石英ガラス製 の光ウェーブガイドの製造段階において、さらに具体的にいえば、プリフォーム の変形時に、マトリックスガラスは２０００℃超の軟化温度にさらされ、張力が かけられ、急冷されて、半径方向の内部応力を発生し、この応力がウェーブガイ ドの光学的損失を増加させる構造欠陥を増大させる（Ainslie，B.他、25，vol． 12，no．2 British Telecom Technology，1984）。 光ウェーブガイドの内部応力のレベルは該ウェーブガイドの延伸時に印加され る応力に応じて増加し、もっとも内部応力が 高い領域はウェーブガイドのコアと隣接する光学的クラッディングの間の領域と なるが、これは、これらの領域における熱膨張係数と粘性が異なっていて、これ らの領域の間に応力を発生するからである。さらに、これらの応力のレベルは、 屈折率プロファイルの構成時に光ウェーブガイドのガラス組成に使用されるＰ₂ Ｏ₅、ＦおよびＧｅＯ₂などのドーパントの濃度によって左右される。 クラッディングガラスよりも粘性が低い光ウェーブガイドプリフォームのある 領域に延伸プロセスを施した場合、この領域が圧縮されることは周知である。光 ウェーブガイドを圧縮することの周知の効果は、屈折率が変動することであり、 圧縮のレベルが高ければ高いほど、屈折率の増加は大きくなる（光弾性効果）。 所与の屈折率プロファイルに対し、化学蒸着ステップ中に材料を適切に使用す ることによって、粘性および熱膨張率を制御することができ、したがって、コア およびクラッディング領域の各々の内部を制御することができる。材料のこの適 切な組合せは、たとえば、上記の半径方向の圧縮を補償する、あるいは簡単にい えば、最小限のものとする熱膨張率の制御を含んでい る。熱膨張のこの制御はＧｅＯ₂、ＦおよびＰ₂Ｏ₅などのドーパントとマトリッ クスガラスＳｉＯ₂を制御して混合することによって得られる。 公知の解決策においては、段階屈折率プロファイルを有しているウェーブガイ ドを利用して、光ウェーブガイドの製造後の残留応力をウェーブガイドの化学処 理中に減少させ、ＳｉＯ₂によりウェーブガイドのコアおよびクラッディングに おけるフッ素およびゲルマニウムの使用量を制御している。この組成により、粘 性がウェーブガイドの全横断面に沿って同じであり、応力の問題を大幅に減少さ せる構造を構築することが可能となる。しかしながら、この方法を適用できるの はいくつかの光ウェーブガイド製造技法だけである。 さらに、内部応力を制御する問題については、光ウェーブガイドの動作に関連 した低減衰率や色の分散などの他のパラメータを維持しなければならない。色の 分散はコアの屈折率プロファイルの形態に関連している。 単一モード光ウェーブガイドの帯域幅を広げる作業において、光源の動作領域 でのこれらの光ウェーブガイドの色の分散の低下はきわめて重要なものとなる。 １３３０ナノメートルの波長 は、低い色分散（chromatic dispersion）をほぼ自然にもたらすが、光ウェーブ ガイドの最小減衰点は１５５０ナノメートルのスペクトル領域にある。それ故、 この波長において低い色分散をもたらす光ウェーブガイドを得る解決策が考えら れてきた。この領域において色分散をゼロに近いものとするために、三角形タイ プのコア屈折率プロファイルを使用し、これによって光ウェーブガイドのコアの 中心と、光クラッディングの間の屈折率を徐々に変化させる。このプロファイル は光ウェーブガイドのコア材料にゲルマニウムを徐々にドープすることによって 得られる。 光ウェーブガイドが１５５０ナノメートル域において低い色分散をもたらすよ うにする他の解決策は、コアの直径を小さくすることである。しかしながら、こ れらの解決策はカットオフ波長、すなわち、ウェーブガイドが単一モード光案内 モードを呈し、単一モードウェーブガイドとなる波長を低下させるものである。 カットオフ波長のこの低下は、１５５０ナノメートル域での減衰の増加を引き起 こす。なぜなら、ウェーブガイド内での電界のきわめて広範囲の分散が生じ、光 ウェーブガイドコアが大幅に外部の影響を受けるようになり、一次および二次コ ーティングを塗布するプロセス、これらをリールに配置するプロセス、光ウェー ブガイドおよび／またはケーブルをダクトに設置するか、直接埋め込むか、ある いは架線として設けるプロセスなどの、ウェーブガイドに通常施される状況にお ける外部薬品によるミクロ変形またはマクロ変形などの、ウェーブガイド外面で 生じる効果に敏感なものとなるからである。 カットオフ波長の低下は、波長−減衰変化曲線の減衰がかなり増加する領域を １５５０ナノメートル波長域へシフトさせる。 ミクロ湾曲効果またはマクロ湾曲効果による減衰レベルの低下は、基本的な三 角形の屈折率プロファイルを変形し、カットオフ波長を増加させることによって 得られる。ある実験論文によれば、１５５０ナノメートルの三角形プロファイル の単一モードウェーブガイドにおいて、ウェーブガイドにもたらされる減衰がカ ットオフ波長の増加に応じて急速に減少する（Smolka，F．M.，X Outside Plant Seminar of the Telebras System，1993）。 他の特徴において損失を起こすことなくカットオフ波長を増加させる別の方法 が、当分野で公知である。これらの解決策の一つにおいて、三角形のプロファイ ルに、中央プロファイルから半径方向に分離した同心高屈折率領域を追加するこ とである （Bhagavatula，V．A．他、Proceedings of the Optical Fiber Conference，94 ，1985）。しかしながら、これらの光ウェーブガイドのカットオフ波長は決定す るのが困難である（Shah，V．他、Proceedings of the Optical Fiber Communic ation Conference，77，1988）。 他の公知の解決策においては、カットオフ波長の増加は、コアを構成し、かつ 放物プロファイルが矩形のプロファイルに重ねられる二重コア屈折率プロファイ ルをもたらす材料の化学的組成の半径方向の変化によって得られる（Ohashi，N ．他、Chronicals of the First Optoelectronic Conference，p．22，1986）。 しかしながら、この解決策は製造過程の内部応力の問題を解決するものではない 。 それ故、本発明の主な目的は、製造過程の、また光学的コアとクラッディング の間の屈折率の変動による内部応力が最小であり、制御可能である単一モード光 ウェーブガイドを提供することである。 本発明の特定の目的は、光ウェーブガイドを作成する材料の粘性と熱膨張係数 を変更し、光ウェーブガイドの延伸中に誘起された応力を除去する単一モード光 ウェーブガイドを提供する ことである。 本発明の他の目的は、上記の利点とは別に、１５５０ナノメートルスペクトル 域において、色分散が無視できる程度であり、またこの領域における信号の減衰 を及ぼすことなく、カットオフ波長を増加させることのできる単一モード光ウェ ーブガイドを提供することである。 本発明の他の目的は、上記の特徴を備えており、さらに取扱いおよび使用中に 光ウェーブガイドが受けるミクロ屈曲およびマクロ屈曲効果に対する感度が低い 単一モード光ウェーブガイドを提供することである。発明の開示 これらの目的およびその他の目的は、少なくとも中央部で最大値となる屈折率 ｎ₁を呈するコアと、コアを含んでおり、直径方向延長部に沿って、コアの最大 屈折率ｎ₁よりも低い一定の屈折率ｎ₂を呈する光学的クラッディングとを備えて いる単一モード光ウェーブガイドであって、カットオフ波長を増加させるために 、コアとクラッディングの間に配置されており、直径方向延長部に沿って、最大 でコア屈折率ｎ₁と等しくなり最小でクラッディングの屈折率ｎ₂に等しくなる屈 折率ｎ₃と、光 ウェーブガイドの少なくともコアにおいて内部応力レベルを波長領域に対して許 容可能な減衰と色分散とが得られるようにする値まで下げるのに適切な熱膨張率 および粘性とを呈する、少なくとも中間応力除去部分によって規定される中間領 域をさらに含んでいるタイプの光ウェーブガイドによって達成される。 これにより、残留応力が最小限であり、主としてガイド延伸ステップにおける 製造工程の影響に対する光ウェーブガイドの感度を低下させる領域が光学的コア とクラッディングの間に得られる。図面の簡単な説明 添付図面に基づいて、本発明を説明する。 第１図は本発明による光ウェーブガイドの断面の略図である。 第２図は本発明による光ウェーブガイドの屈折率の変化の略図である。発明を実施する最良の形態 図面によると、透明なガラスのコア１０からなっており、最大屈折率ｎ₁を呈 し、外部が光学的クラッディング２０によって覆われており、このクラッディン グの屈折率ｎ₂がコアの屈折率ｎ₁よりも低く、直径方向全延長部に沿って一定で ある光 ウェーブガイドが示されている。このアセンブリは外部クラッドＣで覆われてい る。 コア１０と光学的クラッディング２０の間で、本発明の光ウェーブガイドはコ ア１０およびクラッディング２０と接し、ガラスなどの透明材料の管状カバーを 形成している。光ウェーブガイドを得る公知の方法で典型的なガラスのプリフォ ーム段階中にコア１０とクラッディング２０のアセンブリに組み込まれる中間部 分領域３０を含んでいるのが好ましい。 この界面３０はコア１０と光学的クラッディング２０の遷移領域を物理的に規 定し、この遷移領域は光ウェーブガイドの延伸中に、少なくともそのコアにおい て光ウェーブガイドの内部応力を最小限とし、しかもカットオフ波長を増加させ て、好ましくは１５５０ナノメートル域において、光ウェーブガイド通信用途で 許容でき、約０．２２ｄｂ／ｋｍにおいて最大となる減衰を可能とする粘性およ び熱膨張係数特性を備えている。 この中間部分領域３０は粘性および熱膨張係数の制御を可能とするとともに、 １５３０ナノメートルと１５７０ナノメートルの間で、好ましくは１５５０ナノ メートルにおいて、ほぼ無視できる色分散をもたらすような屈折率の変化を得る ことを可 能とする物理化学的特性を備えている。この制御はＧｅＣｌ₄をＳｉＣｌ₄、ＰＯ Ｃｌ₃などの他の材料、および、たとえば、ＣＣｌ₂Ｆ₂、ＳｉＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆などの フッ素含有材料とともに使用することによって、化学蒸着ステップ中に化学的に 得られる。 好ましい、図示の実施の形態において、コアおよびクラッディングの遷移領域 は最大屈折率ｎ₃から半径方向下方へ徐々に変化し、最大コア屈折率ｎ₁よりも小 さい屈折率を呈する中間部分３０を含んでいる。 好ましくは三角形の、コアの屈折率プロファイルにおいて、中間部分領域の屈 折率の変化は、コア１０の屈折率プロファイルの半径方向単位長さの屈折率より も小さい、半径方向単位長さあたりの屈折率の変化率を示す三角形の屈折率プロ ファイルを示す。 当該分野の現状における光ウェーブガイドは、コア１０の中心からコアおよび クラッディング２０の遷移領域までの第２図で点線で示すような三角形の屈折率 プロファイルを示す屈折率の変化を呈する。この図示の三角形のプロファイルは １５５０ナノメートルにおける適切な色分散、および二つの光ウェーブ ガイドを接合したときの高い損失を回避するが、カットオフ波長は低い。 好ましい、図示の実施の形態において、屈折率は中間部分の半径方向に沿って 漸進的で連続した線形の変化をもたらす。 好ましい、図示の中間部分領域３０の実施の形態において、光ウェーブガイド の屈折率プロファイルは、三角形のプロファイルを重ねたため、当該分野の現状 の通常の単純な三角形のプロファイルとは異なる複合三角形のものとなる。この 重なったプロファイルの場合、屈折率の半径方向の変化は、図示のように、ウェ ーブガイドの中心から光学的クラッディング２０の内部境界まで二つの異なる形 態を示す。 中間部分における屈折率の漸進的な変化はカットオフ波長の増加に寄与し、案 内される光の閉じ込めを改善し、したがって、ミクロ屈曲およびマクロ屈曲に対 するウェーブガイドの感度を低下させる。コアークラッディング遷移帯域の化学 的変化によってこれらを得ることができるが、この解決策は上述した内部応力の 問題、したがって、所与の波長における減衰の問題を解決するものではない。 この解決策において、界面３０を化学的に変更して、その他 の上述の変数を改善することができる。 界面３０の構成において、光学的クラッディングに用いられたものと同じ材料 （ＳｉＣｌ₄、ＰＯＣｌ₃、およびＳｉＦ₄、ＣＣｌ₂Ｆ₂、またはＣ₂Ｆ₆などのフ ッ素含有材料）を使用することができるが、光学的コア２０に使用されているも のと同じ量であることは必ずしも必要ではない。 本発明によれば、界面３０の得るプロセスの所定のステップにおいて、該界面 ３０の組成にＧｅＯ₂を組み込むことによって、屈折率プロファイル、ならびに ガラスの粘性および熱膨張係数を調節して、コア１０および光学的クラッディン グ２０と同時に両立できる材料を構成できることがわかった。 コアと光学的クラッディングの間の中間部分領域について、解決策が一つしか 示されていないが、本発明の目的を、コアと光学的クラッディングの間の領域に 、応力の除去を可能とするとともに、カットオフ波長を増加させ、所望の波長領 域での減衰の減少させることを可能とする、屈折率、粘性および熱膨張係数の個 別の変化を各々がもたらす複数の互いに隣接した中間部分を設けることによって 達成できることを理解すべきである。熱膨張係数と粘性の値は、少なくともコア に隣接した界面領域 において、コアのものに近い値を示し、これまでよりも低いレベルの内部応力を 与えるものでなければならない。 さらに、構成上の変形において、各中間部分は一定の屈折率を示し、これがコ アと光学的クラッディングの中間領域に沿って、徐々に下方に変化し、場合によ っては、連続的に変化するようにし、また該領域の各中間部分がその延長部に沿 って、連続的な態様で、すなわち隣接領域に対応せずに徐々に変化するようにす る。屈折率の変化は、図示されているような非線形挙動を示し、必ずしも線形で ある必要のない重なった屈折率プロファイルをもたらす。これらの構成において 、少なくとも光学的クラッディングに隣接した中間部分で、屈折率ｎ₃は光ウェ ーブガイドのコアに関して半径方向距離が増加するにしたがって減少する変化率 を示さなければならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダ・シルバ・ブラガ，ロビンソン・ルイス ブラジル国、エシ・ペー、カンピナス、ル ア・ギゼツペ・マシモ・スコルフアロ、 550

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも中央部で最大となる屈折率（ｎ₁）を呈するコア（１０）と、コ ア（１０）を含んでおり、直径方向延長部に沿って、コアの最大屈折率（ｎ₁） よりも低い一定の屈折率（ｎ₂）を呈する光学的クラッディング（２０）とを備 えている単一モード光ウェーブガイドであって、コア（１０）とクラッディング （２０）の間に配置された少なくとも一つの応力除去のための中間部分（３０） により規定される領域をさらに含んでおり、カットオフ波長を増加させるために 前記中間部分（３０）が直径方向延長部に沿って、最大でコア屈折率（ｎ₁）で あり且つ最小で光学的クラッディング（２０）の屈折率（ｎ₂）に等しい屈折率 （ｎ₃）と、光ウェーブガイドの少なくともコア（１０）において内部応力レベ ルを、波長領域に対して許容可能な減衰と色分散とが得られるようにする値まで 下げるのに適切な熱膨張率および粘性とを呈することを特徴とする光ウェーブガ イド。 ２．中間部分領域（３０）における屈折率（ｎ₃）が半径方向下方に徐々に変化 することを特徴とする請求項１に記載の光ウ ェーブガイド。 ３．各中間部分（３０）の屈折率（ｎ₃）が連続的に変化することを特徴とする 請求項２に記載の光ウェーブガイド。 ４．中間部分（３０）の屈折率（ｎ₃）が、少なくとも光学的クラッディング（ ２０）に隣接した中間部分（３０）において、半径方向単位距離あたりのコアの 屈折率（ｎ₁）の変化よりも低い半径方向単位距離あたりの屈折率の変化率で変 化し、半径方向距離が光ウェーブガイドのコア（１０）に関して増加するにした がい前記変化率が減少することを特徴とする請求項３に記載の光ウェーブガイド 。 ５．中間部分（３０）の屈折率（ｎ₃）の変化がプロファイルを重ねたことによ ってもたらされ、コアの屈折率（ｎ₁）の最大値よりも小さい最大値を示す屈折 率プロファイルを生じることを特徴とする請求項４に記載の光ウェーブガイド。 ６．光ウェーブガイドが中間部分（３０）の屈折率（ｎ₃）の変化に対応した三 角形のプロファイルとコア（１０）の屈折率（ｎ₁）の三角形のプロファイルと を重ねることによって得られる二重屈折率プロファイルを示すことを特徴とする 請求項５に記載の光ウェーブガイド。 ７．光ウェーブガイドが１５３０ナノメートルと１５７０ナノメートルの間の領 域において無視できる色分散を示すことを特徴とする請求項１に記載の光ウェー ブガイド。 ８．中間部分（３０）における粘性および熱膨張係数がコア（１０）の対応する 粘性および熱膨張係数と十分に近く、コア（１０）に対して内部応力の低下した レベルを与えることを特徴とする請求項１に記載の光ウェーブガイド。