JP4137414B2 - シングルモード光ファイバの損失評価方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用シングルモード光ファイバとその損失評価方法に関し、特に、１３８０ｎｍ帯の波長帯域における伝送損失の評価方法と、１３８０ｎｍ帯の波長帯域において伝送損失が小さく、かつ水素耐性に優れたシングルモード光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信容量の需要増大に伴って、１本の光ファイバに多数の波長の光を伝送する波長多重伝送技術が重要となっている。そのため、従来用いられてきたＯ―Ｂａｎｄ（波長帯域１２６０ｎｍ〜１３６０ｎｍ）、Ｃ―Ｂａｎｄ（波長帯域１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）以外の波長帯域でも利用可能な光ファイバの開発が進められている。
通常の光ファイバは、その構造中に微量に存在するＯＨ基のため、１３８０ｎｍ帯で伝送損失が大きくなる。従って、この光ファイバ中のＯＨ基を低減することができれば、より広い波長帯域での光伝送が可能となる。
特開平１１−１７１５７５号公報には、コアロッドのコア／堆積クラッドの比を所定の範囲内に制御することで、ＯＨ基の存在によってもたらされる１３８５ｎｍ帯での損失を低減できることが報告されている。
光ファイバの材料である石英ガラスの構造は、ＳｉＯ₄が３次元的にランダムに結合した網目構造となっているが、不純物や欠陥などが構造中に存在する場合には、新たな結合の生成、消滅が起こり、これが光吸収の原因となる。この光吸収のうち、１３８０ｎｍ帯での損失は、石英ガラス中に存在するＯＨ基によるものとされる。従って、含有するＯＨ基量が多いほど、１３８０ｎｍ帯での伝送損失は大きくなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１１−１７１５７５号公報に開示されている方法を利用すれば、１３８５ｎｍ帯での損失が０.３３ｄＢ／ｋｍより小さい光ファイバを製造することができる。
しかし、この方法を用いても、光ファイバの外部環境から水素が拡散してきた際に、１３８０ｎｍ帯での損失増加を必ずしも小さく抑えられる訳ではなかった。この損失のメカニズムは以下のように説明できる。
光ファイバの線引き工程においては、石英ガラス構造中のＳｉ−Ｏ−Ｓｉが、（１）式に示す反応により切断される。
【化１】

この際発生するＳｉ−Ｏ・として表されるシリコンと酸素との結合欠陥（以下「欠陥」という）は、６３０ｎｍ帯で光吸収を引き起こすが、線引き条件によっては、Ｓｉ−Ｏ・が、外部から拡散してきた水素と反応し、新たに（２）式に示す結合を生じる。
【化２】

しかし、線引き速度が速い場合、つまり、この（２）式による反応が起こるより早く光ファイバが冷却された場合には、Ｓｉ−Ｏ・は水素と反応することなく、光ファイバ中に残存してしまう。この残存したＳｉ−Ｏ・は、再び外部から水素が拡散してきたときに、（２）式に示した反応によってＳｉ−ＯＨが生成される。
すなわち、光ファイバ製造時に１３８０ｎｍ帯での損失が小さくても、線引き条件によっては、その後外部より水素が拡散してきたときに、１３８０ｎｍ帯での損失が増加してしまうことがある。
【０００４】
このような水素の拡散によって、１３８０ｎｍ帯での損失増加が０.１ｄＢ／ｋｍ以上となった場合、１３８０ｎｍ帯の前後の波長帯域における損失の増加、すなわち損失のすその広がりが顕著となる。このため、長期間にわたって光ファイバを使用した場合、経時的に伝送損失が悪化してしまい、広い波長帯域での光伝送が不可能となる。
Ｓｉ−Ｏ・が生成されることによる６３０ｎｍ帯での損失増加と、水素の拡散による１３８０ｎｍ帯での損失増加との関係については、従来、欠陥生成のメカニズムについて定性的な議論がなされてきたにすぎず、水素の拡散による１３８０ｎｍ帯での損失増加を低く抑えるための定量的な基準については、明らかにされていなかった。さらに、６３０ｎｍでの損失については、レーリー散乱などの石英ガラス固有の損失を差し引いた欠陥そのものによる損失分として議論していないため、製造条件による違いを区別できなかった。
また、水素の拡散による１３８０ｎｍ帯での損失増加量を評価する方法として、ある一定の長さの光ファイバを長時間水素に暴露する水素試験という方法がとられていたが、この方法によると、長時間を要し、コスト面において問題があった。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、１３８０ｎｍ帯の波長領域でのシングルモード光ファイバの損失評価方法を提供し、この損失評価方法を用いて、水素の拡散による損失増加を低減することができるシングルモード光ファイバを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、石英ガラスからなるシングルモード光ファイバの損失評価方法において、レーリー散乱による損失、光ファイバ材料の構造不整による損失、紫外吸収による損失、構造中の欠陥による損失からなる光ファイバの短波長領域における全損失値から、前記レーリー散乱による損失、前記光ファイバ材料の構造不整による損失、および、前記紫外吸収による損失を除いて求めた前記石英ガラス固有の損失分を差し引いた、石英ガラス中のシリコンと酸素との結合欠陥によって生じる波長６３０ｎｍ帯での損失増加分に基づいて、石英ガラス中への水素拡散によって生じる波長１３８０ｎｍ帯での損失増加分を評価することを特徴とするシングルモード光ファイバの損失評価方法である。
これにより、結合欠陥によって生じる波長６３０ｎｍ帯における石英ガラス固有の損失分を差し引いた損失増加分と、石英ガラス中への水素拡散によって生じる波長１３８０ｎｍ帯での損失増加分との相関によって、波長１３８０ｎｍ帯での損失増加分を正確に評価することができる。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のシングルモード光ファイバの損失評価方法において、コアと第１クラッドとからなる石英ロッドに対して第２クラッドを外付けしてガラスプリフォームを形成し、このガラスプリフォームを紡糸して形成されたシングルモード光ファイバの、レーリー散乱による損失、光ファイバ材料の構造不整による損失、紫外吸収による損失、構造中の欠陥による損失からなる光ファイバの短波長領域における全損失値から、前記レーリー散乱による損失、前記光ファイバ材料の構造不整による損失、および、前記紫外吸収による損失を除いて求めた前記石英ガラス固有の損失分を差し引いた波長６３０ｎｍ帯での損失を測定した後、シングルモード光ファイバを水素中に暴露して波長１３８０ｎｍ帯での損失を測定することによりシングルモード光ファイバの損失評価を行うことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明のシングルモード光ファイバを作製するためのガラスプリフォームの長手方向に垂直な方向の断面を示す。
図１中、符号１は高屈折率部であるコア、符号２はコア１より低屈折率の第１クラッドである。符号３は第１クラッド２と同じ屈折率を持つ第２クラッドである。
このコア１と第１クラッド２からなる石英ロッドは、例えば、一般的な気相軸堆積（ＶＡＤ）装置を用いて、ＧｅＯ₂とＳｉＯ₂の微粒子からなる多孔質体とした後、脱水、焼結して形成される。この際コア１（直径：ｄ）と第１クラッド２（直径：Ｄ）の直径比（Ｄ／ｄ）は、約４以上とすることが好ましい。この比が４未満であると、１３８０ｎｍの初期損失が高くなりやすいため、当初の目的を達することができなくなる。脱水工程は、約１２００℃の温度において塩素系ガス中で行われる。また焼結工程は、約１４５０℃、ヘリウム雰囲気で行われ、ガラス化される。
第２クラッド３は、例えば、コア１と第１クラッド２からなる石英ロッドに、ＳｉＯ₂微粒子を外付けすることによって形成される。この第２クラッド３の厚さは、上記石英ロッドをどの程度の直径まで作製するかで異なってくるが、例えば、直径１２５μｍの光ファイバとした際に、第２クラッド３の厚さが４３μｍ以下になるようにＳｉＯ₂微粒子を外付けすることが好ましい。第２クラッド３の厚さが４３μｍより厚い場合、１３８０ｎｍの初期損失が高くなりやすいため好ましくない。このように、第２クラッド３が外付けされた石英ロッドに対し、必要に応じて塩素系ガスを用いて脱水し、ヘリウム雰囲気で焼結してガラスプリフォームを作製する。
このガラスプリフォームを、紡糸装置を用いて紡糸して光ファイバを作製する。得られた光ファイバに対して、波長６３０ｎｍ帯の光を入射して、６３０ｎｍ帯での損失を測定する。
【０００９】
光ファイバの短波長領域における損失は、レーリー散乱による損失、光ファイバ材料の構造不整による損失、紫外吸収による損失、構造中の欠陥による損失からなり、（３）式のように表すことができる。
【数１】

（３）式において、第１項がレーリー散乱による損失、第２項が構造不整による損失、第３項が紫外吸収による損失、第４項が欠陥による損失である。
なお、（３）式において、λは波長、ｗはＧｅＯ₂濃度〔ｗｔ％〕、Ｋ_UV、Ｃ_UVは定数である。
図２は、光ファイバの損失を図示したものであり、図２中、直線１は、レーリー散乱による損失と構造不整による損失の和であり、曲線１は、レーリー散乱による損失と構造不整による損失と紫外吸収による損失との和である。曲線２は、全損失であり、従って、曲線１と曲線２とに囲まれた領域が、欠陥の存在による損失増加分を表す。
【００１０】
このようにして、測定された全損失値から、レーリー散乱による損失と構造不整による損失と紫外吸収による損失とを除き、６３０ｎｍ帯での欠陥の存在による損失増加分を求める。
その後、この光ファイバを水素雰囲気中に暴露して、１３８０ｎｍ帯での損失増加分を測定する。図３に、室温、０.０１ａｔｍの水素雰囲気中に１０日間暴露して測定した結果を示す。
図３からわかるように、１３８０ｎｍ帯での水素拡散による損失増加分が０.１ｄＢ／ｋｍ以下となるためには、６３０ｎｍ帯での欠陥による損失増加分が４ｄＢ／ｋｍ以下であることが必要となる。さらに、１３８０ｎｍ帯での水素拡散による損失増加分がより好ましい値である０.０５ｄＢ／ｋｍ以下となるためには、６３０ｎｍ帯での欠陥による損失増加分が２ｄＢ／ｋｍ以下であることが必要となる。１３８０ｎｍ帯での水素拡散による損失増加分が０.１ｄＢ／ｋｍ以下であれば、通常の光ファイバケーブルの設置環境においては、外部環境による水素の拡散によって損失が増大しても、十分に使用することができる。
一方、６３０ｎｍ帯での欠陥による損失増加分が４ｄＢ／ｋｍ以上であると、１３８０ｎｍ帯での水素拡散による損失増加分が０.１ｄＢ／ｋｍを超えるため、使用上好ましくない。
【００１１】
この例のシングルモード光ファイバの損失評価方法によると、石英ガラス中のシリコンと酸素との結合欠陥によって生じる波長６３０ｎｍ帯での損失増加分に基づいて、石英ガラス中への水素拡散によって生じる波長１３８０ｎｍ帯での損失増加分を評価することにより、測定試料として用いる光ファイバの条長を短くして損失評価を行うことができ、短時間かつ低コストでのシングルモード光ファイバの損失評価が可能となる。
また、この例のシングルモード光ファイバによると、石英ガラス中のシリコンと酸素との結合欠陥によって生じる波長６３０ｎｍ帯での損失増加分を４ｄＢ／ｋｍ以下とすることにより、石英ガラス中への水素拡散によって生じる波長１３８０ｎｍ帯での損失増加分を０．１ｄＢ／ｋｍ以下とすることができ、品質の保証されたシングルモード光ファイバを簡単な損失評価方法で提供することができる。
さらに、石英ガラス中のシリコンと酸素との結合欠陥によって生じる波長６３０ｎｍ帯での損失増加分を２ｄＢ／ｋｍ以下とすることにより、石英ガラス中への水素拡散によって生じる波長１３８０ｎｍ帯での損失増加分を０．０５ｄＢ／ｋｍ以下とすることができ、より好ましい品質を有するシングルモード光ファイバを簡単な損失評価方法で提供することができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、石英ガラス中のシリコンと酸素との結合欠陥によって生じる波長６３０ｎｍ帯での損失増加分に基づいて、石英ガラス中への水素拡散によって生じる波長１３８０ｎｍ帯での損失増加分を評価することにより、測定試料として用いる光ファイバの条長を短くして損失評価を行うことができ、短時間かつ低コストでのシングルモード光ファイバの損失評価が可能となる。
また、本発明によると、石英ガラス中のシリコンと酸素との結合欠陥によって生じる波長６３０ｎｍ帯での損失増加分を４ｄＢ／ｋｍ以下とすることにより、石英ガラス中への水素拡散によって生じる波長１３８０ｎｍ帯での損失増加分を０．１ｄＢ／ｋｍ以下とすることができ、品質の保証されたシングルモード光ファイバを簡単な損失評価方法で提供することができる。
さらに、石英ガラス中のシリコンと酸素との結合欠陥によって生じる波長６３０ｎｍ帯での損失増加分を２ｄＢ／ｋｍ以下とすることにより、石英ガラス中への水素拡散によって生じる波長１３８０ｎｍ帯での損失増加分を０．０５ｄＢ／ｋｍ以下とすることができ、より好ましい品質を有するシングルモード光ファイバを簡単な損失評価方法で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシングルモード光ファイバを製造するためのガラスプリフォームの長手方向に垂直な方向についての断面を示す図である。
【図２】シリコンと酸素との結合欠陥によって生じる損失増加分を示す図である。
【図３】シリコンと酸素との結合欠陥によって生じる波長６３０ｎｍ帯での損失増加分と、水素拡散によって生じる波長１３８０ｎｍ帯での損失増加分との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…コア、２…第１クラッド、３…第２クラッド

Claims (2)

1. 石英ガラスからなるシングルモード光ファイバの損失評価方法において、
   レーリー散乱による損失、光ファイバ材料の構造不整による損失、紫外吸収による損失、構造中の欠陥による損失からなる光ファイバの短波長領域における全損失値から、前記レーリー散乱による損失、前記光ファイバ材料の構造不整による損失、および、前記紫外吸収による損失を除いて求めた前記石英ガラス固有の損失分を差し引いた、該石英ガラス中のシリコンと酸素との結合欠陥によって生じる波長６３０ｎｍ帯での損失増加分に基づいて、該石英ガラス中への水素拡散によって生じる波長１３８０ｎｍ帯での損失増加分を評価することを特徴とするシングルモード光ファイバの損失評価方法。
2. 前記シングルモード光ファイバの損失評価は、コアと第１クラッドとからなる石英ロッドに対して第２クラッドを外付けしてガラスプリフォームを形成し、このガラスプリフォームを紡糸して形成されたシングルモード光ファイバの、レーリー散乱による損失、光ファイバ材料の構造不整による損失、紫外吸収による損失、構造中の欠陥による損失からなる光ファイバの短波長領域における全損失値から、前記レーリー散乱による損失、前記光ファイバ材料の構造不整による損失、および、前記紫外吸収による損失を除いて求めた前記石英ガラス固有の損失分を差し引いた波長６３０ｎｍ帯での損失を測定した後、該シングルモード光ファイバを水素中に暴露して波長１３８０ｎｍ帯での損失を測定することにより行うことを特徴とする請求項１記載のシングルモード光ファイバの損失評価方法。

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