JP2004226539A

JP2004226539A - 光ファイバ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004226539A
Application number: JP2003012328A
Authority: JP
Inventors: Masataka Nakazawa; 正隆中沢; Kazumasa Osono; 和正大薗; Hei Yo; 兵姚; Kazushi Osuga; 一志大須賀
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】曲げ特性を改善した光ファイバ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ホーリーファイバ構造を有する光ファイバ１０−１を形成する際に空孔１０ｈの内径が３μｍ以上１０μｍ以下の範囲内になるようにプリフォーム１００を線引きすることで、コア１０ｃｒの光の閉じ込め効果が向上し、光ファイバ１０−１の曲げ特性が改善される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネット等の急速な普及に伴い情報容量が増大し、情報の伝送媒体に対する大容量化の要求が高まってきた。大容量化に対応する技術の中で最も有望視されているのが波長多重（以下、ＷＤＭという）伝送方式である。ＷＤＭ伝送方式は、１本の光ファイバで複数の信号光を伝送できるので、伝送容量を一気に１００倍程度増大させることが可能である。そこで、大陸間を結ぶ光海底ケーブルシステムのような長距離大容量伝送路へ導入が進められており、実用化段階を迎えている。
【０００３】
ＷＤＭ伝送技術が急速に立ち上がってきた技術的背景の一つに光増幅技術の向上が挙げられる。光増幅技術の一つであるエルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、減衰した波長１．５５μｍ帯の光を１０００倍程度まで増幅することができるので、中継器などに組み込まれ、光ファイバ伝送路での損失を補償する働きをする。ＥＤＦＡを用いた太平洋横断光海底ケーブルシステム（ＴＰＣ−５ＣＮ，Ｃｈｉｎａ−ＵＳ等）は、既に実用化されており、ＷＤＭ技術を用いて１００Ｇｂｉｔ／ｓという大容量伝送を実現している。ＷＤＭ伝送の大容量化のためには波長多重数を増加させる必要があるが、光ファイバに入る信号光パワーが大きくなるため、非線形現象が発生する可能性が高くなる。例えば、四光波混合によるノイズの増大や信号光の減少を引き起こすことが報告されている。そのため、光ファイバの実効断面積を大きくし、光ファイバ内の信号光パワー密度を低下させた光ファイバを長距離伝送路に用いることが有効である。
【０００４】
このように、近年、光増幅技術やＷＤＭ伝送技術の発展により、光ファイバへ入射させる光信号のパワーが大きくなってきているために、種々の非線形効果現象が生じやすくなっており、例えば、非線形効果現象の一つである自己位相変調現象が生じると、光ファイバ中のパルス信号波形が歪み、伝送容量が制限される。また、同じく非線形効果現象の一つであるブリュリアン散乱現象も生じやすく、ブリュリアン散乱現象が起きると、光ファイバの入射パワーが飽和する。このように、非線形効果現象が生じると、光ファイバ中を伝搬する信号光の伝送特性の劣化を招く。
【０００５】
また、従来のシングルモード光ファイバのゼロ分散波長は１．３μｍよりも長波長側になってしまうので、１．３μｍで大きな異常分散（正分散）を持つ光ファイバは存在しなかった。
【０００６】
上記した非線形現象という問題点を解決する新規な光ファイバとして、フォトニッククリスタル光ファイバ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒ；ＰＣＦ、フォトニックファイバとも言う）が最近注目を集めている。ＰＣＦとは、フォトニック結晶構造がクラッド部に設けてある光ファイバである。フォトニック結晶構造とは屈折率の周期構造のことであり、具体的にはハニカム（蜂の巣）構造の空間をクラッドに設けることで、光の禁制帯であるフォトニックバンドギャップ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＢａｎｄＧａｐ：ＰＢＧ）が発生する。例えば、非特許文献１には、ＰＢＧを導波原理とするＰＣＦが開示されている。また、非特許文献２には、ＰＢＧ構造を導波原理とする中空コアのＰＣＦが開示されている。
【０００７】
また、最近、完全なＰＢＧ構造を有している光ファイバではないが、ガラス組成の違いにより比屈折率差を持たせた光ファイバのコア近傍のクラッドに空孔を存在させることにより、クラッドの実質的な屈折率を下げてコア／クラッド間の比屈折率差を拡大させることで、従来得られなかった特性を有するホーリーファイバ（ＨＦ）が報告されている。例えば、非特許文献３には、通常のシングルモード光ファイバの構造を有する光ファイバのコア近傍のクラッドに４つの空孔を設けた空孔付加型ホーリーファイバで、コア／クラッド間の比屈折率差を拡大させることにより、１．２μｍ帯でシングルモード動作がある光ファイバが開示されている。
【０００８】
フォトニック光ファイバに関する特許文献として特許文献１がある。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−２９６４４０号公報
【非特許文献１】
「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐｇｕｉｄａｎｃｅｉｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ」Ｋｎｉｇｈｔら、Ｓｃｉｅｎｃｅ２８２，１４７６、１９９８年
【非特許文献２】
「Ｓｉｎｇｌｅ−ＭｏｄｅＰｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐｇｕｉｄａｎｃｅｏｆＬｉｇｈｔｉｎＡｉｒ」Ｃｒｅｇａｎら、Ｓｃｉｅｎｃｅ２８５，１５３７、１９９９年
【非特許文献３】
「Ｎｏｖｅｌｈｏｌｅ−ａｓｓｉｓｔｅｄｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅｆｉｂｅｒｅｘｈｉｂｉｔｉｎｇｌａｒｇｅａｎｏｍａｌｏｕｓｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎａｎｄｌｏｗｌｏｓｓｂｅｌｏｗ１ｄＢ／ｋｍ」長谷川ら、ＯＦＣ２００１ＰＤ５−１、２００１年
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の光ファイバにおいて、例えばより小さい径で成端箱内に収納したり、より小さい径で配線したりする場合、従来の光ファイバの曲げ損失特性、波長１．５５μｍで２〜１０ｄＢ／ｍでは、損失の増加が無視できないレベルになり、システム設計ができなくなるという問題があった。
【００１１】
また、曲げ特性を改善するためには、一般に光ファイバの構造を改良すれば可能であるが、そのために、例えばコアの屈折率を高くすると、レーリー散乱損失や構造不整損失（構造不完全による損失）が増加しやすくなり、モードフィールド径が小さくなり低損失接続が困難になるという問題があった。
【００１２】
さらに、コア径を太くしてカットオフ波長が長波長側になるように光ファイバを設計することも可能であるが、カットオフ波長を長波長側に設計すると、信号光のシングルモード動作が維持できなくなり、伝送容量の劣化を招くという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、曲げ特性を改善した光ファイバ及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、コアと、コアより屈折率が低くコアを覆うクラッドと、クラッドのコアの近傍にコアの中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔となるように形成された４つ以上の偶数本の空孔とを備えた光ファイバにおいて、空孔の内径が３μｍ以上１０μｍ以下の範囲内になるようにしたものである。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、空孔が形成する包絡面のコア側の面とコアの中心との距離が光ファイバ自体のモードフィールド径より小さいのが好ましい。
【００１６】
請求項３の発明は、光ファイバ用母材のクラッドとなる部分のうちのコアとなる部分の近傍にコアとなる部分の中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔となるように４つ以上の偶数本の空孔を形成した後、その光ファイバ用母材を各空孔の内径が３μｍ以上１０μｍ以下の範囲内になるように線引きファイバ化する光ファイバの製造方法である。
【００１７】
本発明はホーリーファイバ構造を通常の１．３μｍ帯シングルモード光ファイバに適用したものであるが、前述したＰＣＦや従来のＨＦではいずれも曲げ特性が不十分であった。
【００１８】
そこで、本発明者らは、ホーリーファイバ構造を有する光ファイバを形成する際に空孔の内径が３μｍ以上１０μｍ以下の範囲内になるようにプリフォームを線引きすることで、コアの光の閉じ込め効果が向上し、光ファイバの曲げ特性が改善されることを見出した。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述する。
【００２０】
図１は本発明の光ファイバの一実施の形態を示す断面図である。
【００２１】
この光ファイバ（裸ファイバ）１０−１のコア１０ｃｒには屈折率を高くするためにゲルマニウムが添加されている。ゲルマニウムの添加量は３〜６モル％程度である。クラッド１０ｃｄのコア１０ｃｒの近傍には、コア１０ｃｒの中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔となるように４本の空孔１０ｈが形成されている。
【００２２】
空孔１０ｈの内径は例えば７μｍである（３μｍ以上１０μｍ以下の範囲内が好ましい。）。各空孔１０ｈの中心は、例えばコア１０ｃｒの中心から半径１２μｍの円周上に位置している（空孔１０ｈの包絡線（破線）が形成する包絡面のコア１０ｃｒ側の面とコア１０ｃｒの中心との距離が光ファイバ１０−１自体のモードフィールド径より小さいのが好ましい。）。空孔１０ｈの中には空気または不活性ガスが充填されており、その空孔１０ｈ内の屈折率は「１」となっている。
【００２３】
ここで、空孔１０ｈの内径の上限を１０μｍとする理由について述べる。
【００２４】
想定する光ファイバ１０−１のＭＦＤ（モードフィールド径）は、波長１．５５μｍにおいて１０μｍ程度であり、今、コア１０ｃｒの周りに６本の空孔１０ｈを配置すると、６本の空孔１０ｈの包絡面のコア側の面とコア中心との距離が光ファイバのＭＦＤより小さくなる条件を満たすためには、１０μｍ以下でなければならないためである。
【００２５】
次に本発明の光ファイバの製造方法について説明する。
【００２６】
図２（ａ）は本発明の光ファイバの材料としての光ファイバ用プリフォームの側面透視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の２ｂ−２ｂ線断面図である。
【００２７】
図１に示した光ファイバ１０−１を製造するにあたり、まず、石英製の光ファイバ用プリフォームを例えばＶＡＤ法（Ｖａｐｏｒ−ｐｈａｓｅＡｘｉａｌＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：気相軸付法）により作製する。具体的には、通常のシングルモード用光ファイバプリフォームを製造する要領で、例えば直径φ１２０ｍｍ、長さ１ｍのスートプリフォーム（図示せず。）を作製する。ここでは、通常のシングルモード光ファイバと同様にコア１０ｃｒとなるスート領域に石英の屈折率を高めるためのゲルマニウムを添加する。
【００２８】
ゲルマニウムが添加されたスートプリフォームを塩素等の脱水効果のある雰囲気中で焼結し、例えば外径φａが６０ｍｍで、長さＬが４０ｃｍの高純度透明ガラス化母材（図示せず。）を作製する。
【００２９】
次に、研削法により、この外径φａが６０ｍｍの高純度透明ガラス化母材１００のクラッド１０ｃｄとなる部分１００ｃｄのコア１０ｃｒとなる部分１００ｃｒの近傍に、コア１０ｃｒとなる部分１００ｃｒの中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔になるように４本の内径φｂが２．５ｍｍの貫通孔（研削加工孔）１００ｈを形成する（図２（ａ）、（ｂ））。
【００３０】
次に、研削後の母材１００の一端を封止加工し、他端に外径φ６０ｍｍ、内径φ５０ｍｍの石英製のダミー管を接続し、線引き用プリフォームとした。この線引用プリフォームの端面に塩素を含むガスを研削加工孔内に充填させるためのガス投入部を接続する。
【００３１】
続いて本プリフォームの線引工程について説明する。
【００３２】
図３は本発明の光ファイバの製造方法を適用した製造装置の概念図である。
【００３３】
この製造装置は、主にプリフォーム１００を溶融する電気炉２３と、線引き後の光ファイバ（裸ファイバ）１０−１に樹脂を被覆して光ファイバ（一次被覆された光ファイバ）とするファイバ被覆部２４と、光ファイバを引取る引取部２５とで構成されている。
【００３４】
プリフォーム１００の一端（図では上端）１００ａに石英ダミー管１１の一端（図では下端）１１ａが固定されている。ダミー管１１の他端（図では上端）１１ｂには、線引き時に内圧調整用のガスを投入するためのガス投入器１２が取り付けられている。調整用ガスとしては線引時にＯＨ基の拡散が生じないようにするため、不活性ガス、例えば窒素ガス（アルゴンガス、ヘリウムガスでもよい。）が用いられる。プリフォーム１００及び石英ダミー管（若しくはガス投入器１２）１１は図示しないチャックにより鉛直に保持されると共に矢印１３方向に降下若しくは矢印１４方向に上昇できるようになっている。
【００３５】
ガス投入器１２にはフレキシブルな配管１５の一端（図では左端）が接続されている。配管１５は３方向に分岐されており、分岐された配管１６−１〜１６−３は開閉バルブ１７、１８、１９を介して排ガス処理装置２０、ガス流量制御器２１及び真空ポンプ２２にそれぞれ接続されている。ガス流量制御器２１によりプリフォーム１００へ投入するガス流量を制御するようになっている。
【００３６】
プリフォーム１００の下端１００ｂには略筒状の電気炉２３が配置され、プリフォーム１００が通過できるようになっている。
【００３７】
電気炉２３の下側には樹脂被覆部２４が配置され、樹脂被覆部２４の出口側にはファイバ引き取り機２５が配置されている。
【００３８】
ガス供給系は、バルブ１７を介して真空ポンプ２２にも接続され、プリフォーム１００の線引きに先立ち、まず、バルブ１７を開き、バルブ１８、１９を閉じてプリフォーム１００の空孔１００ｈ内に残留している空気を真空ポンプ２２で真空引きして除去する。残留空気の除去後、バルブ１７を閉じ、バルブ１８、１９を開いて窒素ガスをガス流量制御器２１により流量を制御してプリフォーム１００の空孔１００ｈ内を塩素ガス雰囲気とする。
【００３９】
プリフォーム１００の線引きの際、プリフォーム１００内の内圧が低すぎると、線引き時に空孔１００ｈが潰れ、ファイバ化後に空孔１０ｈが無い光ファイバになってしまう。また、プリフォーム１００内の内圧が高すぎると、光ファイバ１０−１内の空孔１０ｈの占める割合が大きくなり、線引き張力及び線引き速度から決まる内圧の限界点を超えると、線引中にプリフォーム１００の空孔１００ｈが破裂し、光ファイバ１０−１の形成が不可能となる。
【００４０】
本発明者らの実験による空孔１０ｈの内径と線引き時内圧との関係から、光ファイバ１０−１に所望の内径の空孔１０ｈを形成しようとする場合、最適な内圧は１．５ｋＰａ程度であるので、その圧力に設定して線引を行った。その結果、ファイバ化時に内径φ７μｍの空孔１０ｈが得られた。
【００４１】
以上の作業により、長さ１０ｋｍの高耐応力光ファイバが得られた。作製した高耐応力光ファイバの損失は波長１．３１μｍで０．５１ｄＢ／ｋｍであり、波長１．５５μｍで０．３５ｄＢ／ｋｍであった。損失要因を分析したところ、構造不整損失が０．０１５ｄＢ／ｋｍであり、その他の損失を押し上げた結果であった。
【００４２】
この構造不整損失は、プリフォームの加工精度によるものであり、加工法の改良により改善が可能である。本光ファイバの曲げ損失特性を測定したところ、波長１．５５μｍで直径φ２０ｍｍの曲げ損失増加量は０．１ｄＢ／ｍと通常の１．３μｍシングルモード光ファイバに比べて１／２０以下と非常に小さい値であった。さらに、カットオフ波長及び波長１．３１μｍでのモードフィールド径を測定したが、それぞれ１．２５μｍ、８．７μｍと実用領域内にあり、何ら問題の無い値であった。１．３９μｍのＯＨ基の吸収損失は１．５ｄＢ／ｋｍと通常のシングルモード光ファイバレベルであった。また、ワイブル強度（引っ張り試験強度）は６０〜７０Ｎであり、環境常数ｎ＝２１と、通常の光ファイバと同等のレベルの結果が得られた。
【００４３】
図４は本発明の光ファイバの他の実施の形態を示す断面図である。
【００４４】
図１に示した光ファイバ１０−１との相違点は、空孔１０ｈの本数が６本である点である。
【００４５】
図４に示した光ファイバ１０−２は、コア１０ｃｒの屈折率を高くするため、ゲルマニウムが添加されている。そのゲルマニウムの添加量は３〜６モル％程度である。クラッド１０ｃｄのコア１０ｃｒの近傍に、コア１０ｃｒの中心軸を対称軸として６本の空孔１０ｈが線対称、かつ等間隔となるように形成されている。空孔１０ｈの内径は７μｍであり、空孔１０ｈの中心はコア１０ｃｒの中心から半径１２μｍの円周上に位置している。
【００４６】
ここで、空孔１０ｈの本数を４本以上の偶数とし、かつコア１０ｃｒの中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔になるように位置させている理由は、まず空孔１０ｈの数が２本では光ファイバ１０−１、１０−２の断面上において中心軸を通る１本の軸上にのみ空孔１０ｈが存在するため、その軸と９０°の位置関係にある軸との間で、空孔１０ｈによる実効的なクラッド１０ｃｄの屈折率の低下効果に差が生じるため、擬似的な偏波面保存光ファイバの特性になってしまい、高速伝送時に問題となる偏波分散特性が劣化してしまうためである。
【００４７】
同様に空孔１０ｈの本数が奇数本になると、空孔１０ｈをどのように配置しても光ファイバ１０−１、１０−２断面上の中心軸を通る２本の直交する軸に対して、空孔１０ｈによる実効的なクラッド１０ｃｄの屈折率分布が非対称となり、偏波分散特性が劣化してしまうためである。
【００４８】
次に、空孔１０ｈの内径が３μｍ以上必要な理由を述べる。
【００４９】
図５は空孔の本数が４本の場合の空孔の内径φｂと曲げ損失との関係を示す特性図であり、横軸（普通目盛）が空孔の内径φｂを示し、縦軸（対数目盛）が曲げ損失を示している。
【００５０】
同図より、空孔の内径φｂが３μｍ以上の領域において、曲げ損失特性が１ｄＢ／ｍ以下となる。この１ｄＢ／ｍは従来の光ファイバでは達成し得ない特性であり、また、ケーブル化や光ファイバの敷設を考慮したときに、１ｄＢ／ｍ以下の曲げ特性を達成すると実用上の利点が出てくる数値である。
【００５１】
さらに、空孔が形成する包絡面のコア側の面とコアの中心との距離を光ファイバ自体のモードフィールド径より小さくするのは、空孔の存在によるクラッドの実効的な屈折率の低減効果が有効に曲げ特性の改善に機能するためには、その存在位置は、できるだけコアに近い方がよく、実用的に曲げ特性を改善するために空孔の存在限界がモードフィールド径と同等な距離であるからである。
【００５２】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、曲げ特性を改善した光ファイバ及びその製造方法の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の光ファイバの材料としての光ファイバ用プリフォームの側面透視図であり、（ｂ）は（ａ）の２ｂ−２ｂ線断面図である。
【図３】本発明の光ファイバの製造方法を適用した製造装置の概念図である。
【図４】本発明の光ファイバの他の実施の形態を示す断面図である。
【図５】空孔の本数が４本の場合の空孔の内径ｄと曲げ損失との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０−１、１０−２光ファイバ
１０ｃｄクラッド
１０ｃｒコア
１０ｈ空孔

Claims

コアと、該コアより屈折率が低く該コアを覆うクラッドと、上記クラッドの上記コアの近傍に上記コアの中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔となるように形成された４つ以上の偶数本の空孔とを備えた光ファイバにおいて、上記空孔の内径が３μｍ以上１０μｍ以下の範囲内になるようにしたことを特徴とする光ファイバ。
上記空孔が形成する包絡面の上記コア側の面と上記コアの中心との距離が光ファイバ自体のモードフィールド径より小さい請求項１に記載の光ファイバ。
光ファイバ用母材のクラッドとなる部分のうちのコアとなる部分の近傍に上記コアとなる部分の中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔となるように４つ以上の偶数本の空孔を形成した後、その光ファイバ用母材を各空孔の内径が３μｍ以上１０μｍ以下の範囲内になるように線引きファイバ化することを特徴とする光ファイバの製造方法。