JP2017173718A - 光ファイバ - Google Patents

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Abstract

【課題】拡散係数がＫより小さい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。【解決手段】光ファイバ１はシリカガラスからなり、コア１０と、前記コア１０よりも屈折率が低く前記コア１０を取り囲むクラッド１４と、を備える。前記コア１０は、中心軸を含む第一コア１１と、前記第一コア１１を取り囲む第二コア１２と、を有する。前記第一コア１１において、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０mol ppm以下であって、塩素の平均濃度が２０００ mol ppm以上である。前記第二コア１２において、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０mol ppm以上であって、塩素の平均濃度が１０〜６００ mol ppmである。【選択図】図１

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又はアルカリ金属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 特開２０１２−２２９１５０号公報
典型的なアルカリ金属元素としてＫが知られているが、Ｋは拡散係数が大きいため光ファイバにおけるコア平均濃度を高濃度化することが困難である。本発明者は、光ファイバにおけるアルカリ金属元素等をコアに高濃度に添加するために、拡散係数がＫより小さい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。前記のアルカリ金属元素等を中心部に含むコアロッドを用いた場合、そのコアロッドは、線引工程で温度２０００〜２３００℃に加熱されても、コア全域にアルカリ金属元素等が拡散せずに、コア外周やクラッドの粘性が下がらず、コア内部の残留応力の最大値と最小値との差が１５０ＭＰａ以上となる。その結果、レーリー散乱損失を十分に下げることができず、伝送損失が波長１５５０ｎｍで０.１６０ｄＢ／ｋｍ以上となる。
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。しかし、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光ファイバ母材のサイズや線引速度を制約することになり、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、拡散係数がＫより小さい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。
本発明の一態様の光ファイバはシリカガラスからなり、コアと、前記コアよりも屈折率が低く前記コアを取り囲むクラッドと、を備える。前記コアは、中心軸を含む第一コアと、前記第一コアを取り囲む第二コアと、を有する。前記第一コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０mol ppm 以下であって、塩素の平均濃度が２０００ mol ppm以上である。また、前記第二コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０mol ppm以上であって、塩素の平均濃度が１０〜６００ mol ppmである。ここで「mol ppm」とは、１００万molのＳｉＯ２に中に含まれるドーパント原子のmol数である。複数のアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素を添加した場合、上記の平均濃度は、各元素それぞれにおける値である。第一コアと第二コアの境界は、塩素濃度の半径に対する勾配の絶対値が局所的な最大値を取る位置である。
本発明の光ファイバは、拡散係数がＫより小さい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。
図１は、本実施形態の光ファイバ１の構成を示す斜視図である。 図２は、本実施形態の光ファイバ１の構成を示す断面図である。 図３は、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｃａそれぞれの拡散係数を纏めた表である。 図４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濃度の半径方向分布を示す図である。 図５は、光ファイバ１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。 図６は、他の実施形態の光ファイバ２の構成を示す断面図である。 図７は、光ファイバ２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。
本発明の一態様の光ファイバはシリカガラスからなり、コアと、前記コアよりも屈折率が低く前記コアを取り囲むクラッドと、を備える。前記コアは、中心軸を含む第一コアと、前記第一コアを取り囲む第二コアと、を有する。前記第一コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０mol ppm以下であって、塩素の平均濃度が２０００ mol ppm以上である。また、前記第二コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０mol ppm以上であって、塩素の平均濃度が１０〜６００ mol ppmである。
この構成において、前記コアにおけるアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が３００mol ppm以下であるのが好適である。前記コアにおける塩素の平均濃度が１５０００mol ppm以下であるのが好適である。前記アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素が、ルビジウム、セシウムおよびカルシウムのうちから選択される何れか一つ又は複数であるのが好適である。波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０.１８０ｄＢ／ｋｍ以下であるのが好適である。
本発明の他の態様の光ファイバはシリカガラスからなり、コアと、前記コアよりも屈折率が低く前記コアを取り囲むクラッドと、を備える。前記コアは、中心軸を含む第一コアと、前記第一コアに外接する中間コアと、前記中間コアに外接する第二コアと、を少なくとも有する。前記第一コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０mol ppm以下であって、塩素の平均濃度が２０００ mol ppm以上である。前記中間コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０mol ppm以下であって、塩素の平均濃度が１０〜６００ mol ppmである。また、前記第二コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０mol ppm以上であって、塩素の平均濃度が１０〜６００ mol ppmである。ここで、第一コアと中間コアの境界は、塩素濃度の半径に対する勾配の絶対値が局所的な最大値を取る位置である。中間コアと第二コアの境界は、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の濃度が極大値を取る位置である。
この構成において、前記コアにおけるアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が３００mol ppm以下であるのが好適である。また、前記コアにおける塩素の平均濃度が１５０００mol ppm以下であるのが好適である。
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。
図１および図２は、本実施形態の光ファイバ１の構成を示す図である。図１は斜視図であり、図２は断面図である、本実施形態の光ファイバ１は、シリカガラスからなるコア１０と、このコア１０を取り囲みシリカガラスからなるクラッド１４と、を備える。コア１０は、中心軸を含む第一コア１１と、この第一コア１１を取り囲む第二コア１２と、を有する。クラッド１４は、第二コア１２の屈折率より低い屈折率を有する。クラッド１４は、純粋なシリカガラスまたは塩素もしくはフッ素を含むシリカガラスである。
第一コア１１は、アルカリ金属元素等の平均濃度が１０mol ppm以下であって、塩素の平均濃度が２０００mol ppm以上である。第二コア１２は、アルカリ金属元素等の平均濃度が１０molppm以上であって、塩素の平均濃度が１０〜６００ mol ppmである。第二コア１２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以上かつＫより拡散係数が小さいアルカリ金属元素等を含む。コア１０におけるアルカリ金属元素等の平均濃度が３００mol ppm以下である。コア１０における塩素の平均濃度が１５０００ mol ppm以下である。
第一コア１１の塩素の平均濃度が１０００mol ppm以上であることにより、光ファイバのガラス欠陥によるロス増を避けることができる。アルカリ金属元素等を含む領域では塩素濃度を低くしないと結晶が発生し易くなり良好な光ファイバが得られないことから、第二コア１２の塩素の平均濃度が６００mol ppm以下であることにより、ロスが低く断線などの不良部が発生し難い光ファイバが得られる。また、アルカリ金属元素等の濃度が高いほど一定値まではロスが下がる傾向があるものの、その濃度が３００mol ppmを超えると結晶化し易くなってロスが増加するので、コア１０におけるアルカリ金属元素等の平均濃度が３００mol ppm以下であるのが好ましい。
図３は、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｃａそれぞれの拡散係数を纏めた表である。Ｋより拡散係数が小さいアルカリ金属元素等として、Ｒｂ、ＣｓおよびＣａが挙げられる。図４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濃度の半径方向分布を示す図である。
光ファイバ１は、アルカリ金属元素等をコアに高濃度に添加するためにＫより拡散係数が小さいアルカリ金属元素等を含むことにより、Ｋよりコアの粘性を低減することができる。光ファイバ１は、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。
先行技術では、アルカリ金属元素を含む第一コア部のまわりに平均塩素濃度が１,０００ mol ppmの第二コア部を付与することで、線引時に生じるガラス欠陥を塩素が修復し、波長１５５０ｎｍでの伝送損失０.１５４ｄＢ／ｋｍ以下を達成していた。Ｋより拡散係数が小さいアルカリ金属元素をコア中心にドープする製法では、線引工程で２０００〜２３００℃に加熱されてもコア全域にアルカリ金属元素等が拡散せずにコア外周やクラッド部の粘性が下がらず、コア内部における残留応力の最大値と最小値との差が１５０ＭＰａ以上となり、レーリー散乱損失を十分に下げることができず、伝送損失が波長１５５０ｎｍで０.１６０ｄＢ／ｋｍ以上となる。
図５は、光ファイバ１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（ドーパント）等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 mol ppmの塩素および６,０００mol 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 mol ppm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。原料として臭化セシウム（ＣｓＢｒ）１０ｇ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、Ｃｓ元素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、Ｃｓ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、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。酸水素バーナ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６ｍｍ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。
ロッド作製工程（ステップＳ１１）で、平均濃度４０００ mol ppmの塩素を含むシリカガラスからなる透明ガラスロッドを径Φ５.０ｍｍとなるように外周研削し、ロッドを作製する。
ロッドインコラプス工程１（ステップＳ５）では、ステップＳ１１で作製したロッドを、ステップＳ４で得たガラスパイプ内に挿入する。酸素（０.１ＳＬＭ）およびＨｅ（１ＳＬＭ）の混合ガスを大気圧下のシリカガラスパイプ３０の内部に導入し、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℃としてロッドとパイプを一体化し中実のロッドとする。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２（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。
ＯＶＤ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ジャケット部を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１,８００〜２,３００ｍ／minであり、線引張力は０.５Ｎである。線引後の光ファイバ中のドーパント濃度を測定したところ、コアにおけるＣｓの平均濃度は２１０mol ppm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０.１５８ｄＢ／ｋｍに留まるが、本実施形態では０.１４８ｄＢ／ｋｍまで下げられる。
図６は、他の実施形態の光ファイバ２の構成を示す断面図である。光ファイバ２は、シリカガラスからなるコア２０と、このコア２０を取り囲みシリカガラスからなるクラッド２４と、を備える。コア２０は、中心軸を含む第一コア２１と、この第一コア２１に外接する中間コア２２と、この中間コア２２に外接する第二コア２３と、を少なくとも有する。クラッド２４は、第二コア２３の屈折率より低い屈折率を有する。クラッド２４は、純粋なシリカガラスまたは塩素もしくはフッ素を含むシリカガラスである。
第一コア２１は、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０molppm以下であって、塩素の平均濃度が２０００ mol ppm以上である。中間コア２２は、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０mol ppm以下であって、塩素の平均濃度が１０〜６００ mol ppmである。第二コア２３は、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０mol ppm以上であって、塩素の平均濃度が１０〜６００ mol ppmである。第二コア２３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以上かつＫより拡散係数が小さいアルカリ金属元素等（例えば、Ｒｂ、ＣｓおよびＣａ）を含む。コア２０におけるアルカリ金属元素等の平均濃度が３００mol ppm以下である。コア２０における塩素の平均濃度が１５０００ mol ppm以下である。
光ファイバ１と比べて、光ファイバ２は、第一コア２１と第二コア２３との間に塩素濃度が低くアルカリ金属元素等の濃度も低い緩衝領域として中間コア２２を有することにより、安定的にロスが低くなる。
図７は、光ファイバ２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。図５に示されたフローチャートと比べると、図７に示されるフローチャートは、ロッドインコラプス工程３（ステップＳ１２）および外周研削工程（ステップＳ１３）を更に有する点で相違する。
ロッドインコラプス工程３（ステップＳ１２）で、ステップＳ１１で作製したロッドを、平均塩素濃度３００ mol ppmを含むシリカガラスでできた外径Φ２５ｍｍ、内径６ｍｍの透明ガラスパイプに挿入し、両者を一体化して新たなロッドとする。
外周研削工程（ステップＳ１３）で、この新たなロッドを延伸して直径１６ｍｍとし、更に外周部を研削して直径６ｍｍとする。
ロッドインコラプス工程１（ステップＳ５）では、ステップＳ１３で作製したロッドを、ステップＳ４で得たガラスパイプ内に挿入し，両者を一体化して中実のロッドとする。
１，２…光ファイバ、１０…コア、１１…第一コア、１２…第二コア、１４…クラッド、２０…コア、２１…第一コア、２２…中間コア、２３…第二コア、２４…クラッド。

Claims (8)

  1. コアと、前記コアを取り囲み前記コアよりも屈折率の低いクラッドと、を備え、
    前記コアが、中心軸を含む第一コアと、前記第一コアを取り囲む第二コアと、を有し、
    前記第一コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０molppm以下であって、塩素の平均濃度が２０００ mol ppm以上であり、
    前記第二コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０molppm以上であって、塩素の平均濃度が１０〜６００ mol ppmである、
    シリカガラスからなる光ファイバ。
  2. 前記コアにおけるアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が３００molppm以下である、
    請求項１に記載の光ファイバ。
  3. 前記コアにおける塩素の平均濃度が１５０００ mol ppm以下である、
    請求項１または２に記載の光ファイバ。
  4. 前記アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素が、ルビジウム、セシウムおよびカルシウムのうちから選択される何れか一つ又は複数である、
    請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ。
  5. 波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０.１８０ｄＢ／ｋｍ以下である、
    請求項１〜４の何れか１項に記載の光ファイバ。
  6. コアと、前記コアを取り囲み前記コアよりも屈折率の低いクラッドと、を備え、
    前記コアが、中心軸を含む第一コアと、前記第一コアに外接する中間コアと、前記中間コアに外接する第二コアと、を少なくとも有し、
    前記第一コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０molppm以下であって、塩素の平均濃度が２０００ mol ppm以上であり、
    前記中間コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０molppm以下であって、塩素の平均濃度が１０〜６００ mol ppmであり、
    前記第二コアにおいて、アルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が１０molppm以上であって、塩素の平均濃度が１０〜６００ mol ppmである、
    シリカガラスからなる光ファイバ。
  7. 前記コアにおけるアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素の平均濃度が３００molppm以下である、
    請求項６に記載の光ファイバ。
  8. 前記コアにおける塩素の平均濃度が１５０００ mol ppm以下である、
    請求項６または７に記載の光ファイバ。
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