JP2004226540A - 高耐応力光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ特性に優れた高耐応力光ファイバを提供する。
【解決手段】中心軸に位置させたセンタコア１の周りを囲んでセンタコア１よりも屈折率が小さいサイドコア２を配し、このサイドコア２の周りを囲んで屈折率が前記センタコア１より小さく前記サイドコア２より大きいクラッド３を配してＷ型屈折分布構造を形成し、実効断面積を１１０μｍ^２ から１８０μｍ^２ までとし、前記中心軸の周りに等円周角毎に軸対称に位置する４つ以上の偶数個の空孔６を形成した。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実効断面積を大きくした光ファイバに係り、特に、曲げ特性に優れた高耐応力光ファイバに関するものである。
【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ュ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と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技術の発展により、光ファイバへ入射させる光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（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ；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、具体的には蜂の巣のようなハニカム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（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ；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気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ファイバの構造を有する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で、１．２μｍ帯でシングルモード動作があるファイバが開示されている。
【０００８】
フォトニック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】
「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｇａｐ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｉｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ」 Ｋｎｉｇｈｔら、Ｓｃｉｅｎｃｅ２８２，１４７６、１９９８年
【非特許文献２】
「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｇａｐｇｕｉｄａｎｃｅ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｉｎ Ａｉｒ」 Ｃｒｅｇａｎら、Ｓｃｉｅｎｃｅ２８５，１５３７、１９９９年
【非特許文献３】
「Ｎｏｖｅｌ ｈｏｌｅ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅ ｆｉｂｅｒ ｅｘｈｉｂｉｔｉｎｇ ｌａｒｇｅ ａｎｏｍａｌｏｕｓ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｗ ｌｏｓｓ ｂｅｌｏｗ １ｄＢ／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、実効断面積を大きくすると、光ファイバのモードフィールド径も大きくなる。そのため、実効コア断面積を大きくした光ファイバ（例えば、１７０μｍ^２ ）を直径２０ｍｍの円筒に１ｍ巻き付けた際に生じる信号波長光の損失の増加は、８０ｄＢ／ｍと非常に大きい。現在、光伝送システムで最も多く用いられている１．３μｍシングルモード光ファイバでは、２〜１０ｄＢ／ｍが一般であることからも、実効コア断面積を大きくした光ファイバは、曲げに対して非常に損失が大きいという問題があった。
【００１１】
以上のことから、実効断面積を大きくしつつ、高耐応力を兼ね備えた高耐応力光ファイバが望まれる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、曲げ特性に優れた高耐応力光ファイバを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、中心軸に位置させたセンタコアの周りを囲んでセンタコアよりも屈折率が小さいサイドコアを配し、このサイドコアの周りを囲んで屈折率が前記センタコアより小さく前記サイドコアより大きいクラッドを配してＷ型屈折分布構造を形成し、実効断面積を１１０μｍ^２ から１８０μｍ^２ までとし、前記中心軸の周りに等円周角毎に軸対称に位置する４つ以上の偶数個の空孔を形成したものである。
【００１４】
前記空孔の内径を３μｍ以上、１６μｍ以下としてもよい。
【００１５】
前記空孔と中心軸との距離をモードフィールド径よりも小さくしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１７】
図１の屈折率分布に示されるように、本発明に係る高耐応力光ファイバは、Ｗ型の屈折率プロファイルを形成するものである。この屈折率プロファイル上で見ると、本発明に係る高耐応力光ファイバは、光ファイバの中心軸に位置するセンタコア１の周りを囲んでサイドコア２が配され、このサイドコア２の周りを囲んでクラッド３が配されている。
【００１８】
屈折率プロファイルに与えた各部名称及び符号を、そのまま光ファイバの内層構造を表す名称及び符号とする。
【００１９】
本発明に係る高耐応力光ファイバのクラッド３は、純シリカ（ＳｉＯ_２ ）によって形成され、センタコア１は、純シリカに屈折率を高めるゲルマニウム（Ｇｅ）をドープした層（ＧｅＯ_２ −ＳｉＯ_２ ）によって形成されている。また、サイドコア２は、純シリカに屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）をドープした層（Ｆ−ＳｉＯ_２ ）によって形成されている。上記のように各層のドープ組成を構成したので、センタコア１の屈折率よりもサイドコア２の屈折率が低く、クラッド３の屈折率は、センタコア１の屈折率よりも低く、かつサイドコア２の屈折率よりも高い。よって、図１に示したように、左から順に屈折率が高、低、最高、低、高と段階的に変化するＷ型の屈折率プロファイルが得られている。
【００２０】
図１の屈折率プロファイルを実現する光ファイバにおいて、例えば、実効断面積が１７０μｍ^２ となる光ファイバを得るには、センタコア１の比屈折率差ａ （クラッド３を基準）は０．１７５％、サイドコア２の比屈折率差ｂは−０．００３％とし、センタコア１の径ｃは１４．８μｍ、サイドコア２の径ｄは６１．４μｍとする。このときモードフィールド径は１４．９μｍである。
【００２１】
図２に、本発明に係る高耐応力光ファイバの中心軸（センタコア１の中心を言う）に直角な断面（横断面）を示す。図示されるように、この光ファイバは、光が最も通るコア領域４と、コア領域４に比べて光が通らないクラッド領域５とからなる。コア領域４は、図１に屈折率プロファイルを示したセンタコア１とサイドコア２とにほぼ重なる。コア領域４には、センタコア１よりも径方向外方かつサイドコア２の外周よりも径方向内方の位置に複数の空孔（気孔ともいう）６が設けられている。これらの気孔６は、図には示さないが光ファイバの長手方向に伸びている。本発明に係る高耐応力光ファイバは、フォトニックファイバの１分野に属するホーリーファイバの１種である。
【００２２】
気孔６の数は４つ以上の偶数個である。２個ずつの気孔６が中心軸を対称軸にして線対称な位置に配置され、かつ各気孔６が周方向に等間隔に配置されている。この配置により、各気孔６は、コア領域４の中心軸の周りに等円周角ごとに軸対称となっている。ここでは、気孔６は４個存在しているものとする。よって、図２の光ファイバ断面では、これら４つの気孔６の２つずつが中心軸を挟んで径方向等距離に位置しており、周方向には各気孔６が等間隔、即ち、円周角９０°ごとに位置している。
【００２３】
前述の実効断面積が１７０μｍ^２ となる光ファイバにおいて、例えば、気孔６の直径は７μｍとし、気孔６の中心は中心軸から半径１２μｍの円周上に位置させる。気孔６の中は、空気又は不活性ガスで満たされ、その屈折率は１である。４つ以上の偶数個の気孔６を中心軸の周りに等円周角ごとに軸対称に配置した理由を説明する。
【００２４】
まず、気孔６の個数が２個で等間隔としたのでは、光ファイバ断面上において、中心軸を通る一直線上のみに気孔６が存在することになる。その直線と９０°の位置関係にある直線との間で、気孔６による実効的なクラッド領域５の屈折率の低下効果に差が生じる。このため光ファイバの特性が疑似的な偏波面保存ファイバの特性になり、偏波分散特性が劣化してしまい、高速伝送時に問題となる。また、気孔６の個数が奇数個になると、気孔６をどのように配置しても、光ファイバ断面上において、中心軸を通って直交する２直線に対して気孔６による実効的なクラッド領域５の屈折率分布が非対称となり、やはり偏波分散特性が劣化してしまう。また、気孔６を不等間隔に配置すると、入射した光のパワー分布が偏心してしまうと共に、コア領域４に異方応力が加わり、ＰＭＤ特性を悪化させる。
【００２５】
これに対し、４つ以上の偶数個の気孔６を中心軸の周りに等円周角ごとに軸対称に配置すると、光ファイバ断面上において、中心軸を通って直交する２直線に対して気孔６による実効的なクラッド領域５の屈折率分布が対称にできるので、偏波分散特性を良好にすることができる。また、異方性がなくなるので、気孔６の個数は６個でもよいことになる。
【００２６】
本発明に係る高耐応力光ファイバでは、気孔６の直径は、３μｍ以上、１６μｍ以下とするのがよい。その理由を説明する。気孔６の数を４個とし、気孔６の直径を異ならせた本発明の光ファイバの複数の試料を作製し、各試料にφ２０ｍｍの曲げを与えて波長１．５５μｍの光に生じる損失を計測し、各計測値を図３にプロットして近似線を得た。図３に示されるように、気孔６の数が４個の場合、気孔６の直径（空孔の内径）が３μｍ以上の図示領域において曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以下となる。この１ｄＢ／ｍという値は、従来の光ファイバでは達成し得ない値である。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以下の曲げ損失特性を達成すると実用上の利点が出てくる。よって、気孔６の直径は、３μｍ以上とするのがよい。
【００２７】
実効断面積が１８０μｍ^２ 以下となるとき、モードフィールド径は１６μｍ以下である。このとき気孔６の直径が１６μｍ以上であると、気孔６のセンタコア１側の内面を周方向に包絡した包絡面がセンタコア１の径より小さくなる。すると、光の閉じ込め効果が弱くなり、曲げ特性の改善が顕著でなくなる。よって、気孔６の直径は１６μｍ以下とするのがよい。
【００２８】
また、本発明に係る高耐応力光ファイバでは、気孔６の最内面部（気孔６の内面の中で最も中心軸に近いところ）と中心軸との距離は、光ファイバのモードフィールド径以下であるのがよい。その理由は、気孔６の存在によるクラッド領域５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働くためには、気孔６の存在位置ができるだけセンタコア１に近いほうがよく、実用的に曲げ特性を改善するための気孔６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。従って、中心軸を中心に各気孔６における最内面部を周方向に包絡して包絡面を描いたときに、この包絡面の径がセンタコア１の径より大きくモードフィールド径より小さくなるよう気孔６の位置を定める。包絡面の径がモードフィールド径より小さいという条件は、包絡面がサイドコア２の外周よりも径方向内方にあれば満足される。
【００２９】
また、本発明に係る高耐応力光ファイバでは、実効断面積を１１０μｍ^２ 以上、１８０μｍ^２ 以下とするのがよい。実効断面積を１１０μｍ^２ 以下であれば、従来技術でも十分な曲げ特性を持たせることができる。実効断面積が１１０μｍ^２ 以上になると、従来技術では不十分となり、本発明を適用する必要がある。また、Ｓ．Ｃ．Ｌバンドでの伝送をする場合、カットオフ波長を１４５０ｎｍ以下にする必要がある。これに対して実効断面積を１８０μｍ^２ 以上にするとカットオフ波長を１４５０ｎｍ以下にすることができない。よって、実効断面積は１８０μｍ^２ 以下とするのがよい。
【００３０】
次に、本発明の高耐応力光ファイバの製造方法について説明する。
【００３１】
本発明の高耐応力光ファイバを製造するにあたり、まず、ファイバ母材となる石英プリフォームをＶＡＤ法により作製した。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、直径１１０ｍｍ、長さ１ｍのスートプリフォーム（図示せず）を作製した。ここでは、通常のシングルモード光ファイバと同様に、センタコアとなるスート領域に石英の屈折率を上げるためのゲルマニウム添加物を入れている。また、サイドコアとなるスート領域に石英の屈折率を下げるためのフッ素添加物を入れている。
【００３２】
前記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、外径６０ｍｍ、長さ４０ｃｍの高純度透明ガラス化母材（図示せず）を得た。次に、その高純度透明ガラス化母材のコア中心軸を対称軸として線対称かつ等間隔に気孔部となる直径２．５ｍｍの孔を研削法により加工した。研削加工後の母材を図４に示す。
【００３３】
図４に示されるように、ガラス化母材は、線引き後にセンタコア１となる母材センタコア部７、サイドコア２となる母材サイドコア部８、クラッド３となる母材クラッド部９の各ガラス領域と、気孔６となる気孔部１０とを有する。
【００３４】
次に、図４の母材の片端を封止加工し、更にもう一方端に外径６０ｍｍ、内径５０ｍｍの石英ダミー管を接続し、線引き用プリフォーム（図示せず）とした。さらに、この線引き用プリフォームの端面には、塩素を含むガスをこの線引き用プリフォームの前記研削加工孔に充填させるためのガス投入部を接続した。
【００３５】
続いて、線引き用プリフォームの線引き工程について説明する。線引きの際、線引き用プリフォーム内の内圧が低すぎると気孔部１０が潰れ、ファイバ化後に気孔６がないファイバになってしまう。また、内圧が高すぎると、ファイバ化後にファイバ内の気孔６が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越えると、線引き中に気孔部１０が破裂してファイバ形成が不可能となる。そこで、本発明者は、実験により、気孔部１０の径と線引き内圧との関係からファイバに所望の径の気孔６を形成しようとする場合の最適な内圧が１．５ｋＰａ程度であることを導いた。この最適な内圧に設定して線引きを行った。その結果、製作された図２の光ファイバにはφ７μｍの気孔６が形成された。
【００３６】
以上により、本発明の高耐応力光ファイバ１０ｋｍを作製した。この光ファイバの損失は、波長１．３１μｍで０．４１ｄＢ／ｋｍ、波長１．５５μｍで０．２５ｄＢ／ｋｍであった。損失要因を分析したところ、構造不整損失が０．０５ｄＢ有り、他の損失を含む全体を押し上ていた。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、加工法の改良により改善可能である。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φ２０ｍｍにおける曲げ損失増加量は０．６ｄＢ／ｍであり、従来の実効コア断面積が１７０μｍ^２ の光ファイバに比べ、１／１００以下と非常に小さい値であった。また、カットオフ波長及び波長１．５５μｍでのモードフィールド径を測定したが、それぞれ１．４４μｍ、１４．９μｍであり、これらの値は実用領域内にあり、何ら問題のない値であった。波長１．３９μｍでのＯＨ吸収損失は１．５ｄＢ／ｋｍと通常のシングルモード光ファイバのレベルであった。また、ワイブル強度は６０〜７０Ｎであり、環境常数ｎ＝２１であり、通常の光ファイバと同等レベルの結果を得た。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３８】
（１）実効断面積を大きくしつつ、高耐応力を兼ね備えた高耐応力光ファイバが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す高耐応力光ファイバのコア領域における径方向の屈折率分布図である。横軸は距離、縦軸はクラッド５を基準とした比屈折率差である。
【図２】本発明の一実施形態を示す高耐応力光ファイバの断面図である。
【図３】本発明の高耐応力光ファイバの空孔内径に対する曲げ損失特性図である。
【図４】本発明の高耐応力光ファイバの母材となるプリフォームの構造図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は横断面図である。
【符号の説明】
１ センタコア
２ サイドコア
３ クラッド
４ コア領域
５ クラッド領域
６ 気孔

Claims (3)

1. 中心軸に位置させたセンタコアの周りを囲んでセンタコアよりも屈折率が小さいサイドコアを配し、このサイドコアの周りを囲んで屈折率が前記センタコアより小さく前記サイドコアより大きいクラッドを配してＷ型屈折分布構造を形成し、実効断面積を１１０μｍ^２ から１８０μｍ^２ までとし、前記中心軸の周りに等円周角毎に軸対称に位置する４つ以上の偶数個の空孔を形成したことを特徴とする高耐応力光ファイバ。
2. 前記空孔の内径を３μｍ以上、１６μｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載の高耐応力光ファイバ。
3. 前記空孔と中心軸との距離をモードフィールド径よりも小さくしたことを特徴とする請求項１又は２記載の高耐応力光ファイバ。

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