JP4205125B2 - 光ファイバおよびこれを用いた光伝送路 - Google Patents

Description

本発明は光ファイバおよびこれを用いた光伝送路に関し、特に、偏波モード分散（以下「ＰＭＤ」と略記する）を低減した光ファイバおよびこれを用いた光伝送路に関する。

インターネットを代表としたデータトラフィックは益々増える方向にあり、通信伝送容量の増大はこのデータトラフィックを支えるために必須となっている。
ＷＤＭ（波長多重）伝送は、そのニーズに応えた伝送方式であり、既に商用化が始まっている。さらにこのＷＤＭ伝送の容量を増大させるためには次のような方法がある。
第１の方法は、多重する波長（信号）数を増やすことによるものである。この方法は、信号波長間隔を狭めたり、利用する波長帯域を増やしたりすることで実現できるが、当然ながら使用する波長ごとに伝送機器が増えることになり、コストや設置スペースなどの問題がある。

第２の方法は、１波長（信号）あたりの伝送速度を上げることによるものである。これは、スペクトル利用効率の観点から最近では注目されてきており、現在は伝送速度２．５Ｇｂｉｔ／ｓから１０Ｇｂｉｔ／ｓ、さらには４０Ｇｂｉｔ／ｓの光伝送システムが研究され、一部商用化されている。
このような１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の伝送速度になると、光ファイバの波長分散とＰＭＤが問題となってくる。波長分散に関しては、ノン零分散シフトファイバ（以下「ＮＺ−ＤＳＦ」と略記する）や、分散スロープ補償型分散補償ファイバ（以下「ＳＣ−ＤＣＦ」と略記する）などの使用で解決しようとしており、一定の成果をあげている。

一方、ＰＭＤに関しても様々な方法が提案されているが、ここではまず、ＰＭＤについて以下に説明する。
ＰＭＤとは、光ファイバを伝搬するＨＥ^ｘ _１１モードとＨＥ^ｙ _１１モードとの群遅延時間に差があることによって生じるものである。
ＰＭＤは側圧等の外的要因も存在するものの、基本的には、光ファイバに誘起する複屈折が原因である。偏波保持ファイバのように特に意図的に複屈折を増加させようとしない限り、光ファイバに内在する複屈折は、コアの非円によって生じる。複屈折はそのコアの非円そのもの、すなわち屈折率分布の非円に起因するものと、非円から生じる応力の真円分布からのずれに起因するものとに分けられる。

光ファイバのコアには通常ＧｅＯ₂が添加されているため、コアの屈折率は、クラッドの屈折率より増加するとともに、熱膨張係数もクラッドより大きくなる。これにより、コアとクラッドとの境界付近に応力分布ができ、コア側は熱膨張係数が大きいために線引き後の冷却過程においてクラッドより強く収縮しようとするが、クラッド側が収縮しないために、クラッド側に引っ張られ張力が働く。
これに対し、クラッド側の周回方向の応力はコアの収縮によって圧縮応力となり、光弾性効果によって屈折率変化を生じる。
コアが真円の場合には、光弾性効果による屈折率変化は軸対称であるため、互いに打ち消しあってＨＥ^ｘ _１１モードとＨＥ^ｙ _１１モードとの間には伝搬定数の差が生じないが、コアが非円であると、両偏波モードの間に伝搬定数の差を生じる。この応力の非対称によって生じる伝搬定数の差は、非円の度合いと、コアとクラッドの熱膨張係数の差に依存する。

伝送を行う際には、複屈折によって信号の進み方に異方性を生じ、信号パルス形状の劣化がおこることになるため、当然このＰＭＤは小さい方が好ましい。特に、４０Gbit/sのような高速伝送では、ＰＭＤの影響は顕著である。
ＰＭＤの低減については、これまでに幾つかの提案がなされている。例えば、線引き工程でファイバに捻りを加える方法（例えば、非特許文献１参照）や、コアの非円をクラッド部分の外削りによって低減する方法（例えば、非特許文献２参照）などがある。
Ａｐｌｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，ｖｏｌ２０，Ｎｏ．１７，ｐ２９６２−，１９８１ 電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−３−７９，１９９９

しかし、線引き工程でファイバに捻りを加える方法では、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ、さらには４０Ｇｂｉｔ／ｓに対応可能なＰＭＤを持つ光ファイバの製造方法は開示されていない。例えば、伝送速度４０Ｇｂｉｔ／ｓ、伝送路長１００００ｋｍの光伝送路において、ＰＭＤの許容上限は０．０２５ｐｓ／√ｋｍ程度であると言われている。
また、コアの非円をクラッド部分の外削りによって低減する方法に関してもコスト面を考えると非現実的である。さらに、コア非円率の小さなものを選択して利用することも考えられるが、これも歩留まり、ひいてはコスト的に無理がある。

本発明はこれらの事情を考慮してなされたもので、コアとクラッドの熱膨張係数を調整することで複屈折を減少させて、高速伝送に適したＰＭＤを持つ光ファイバを提供し、この光ファイバを用いた光伝送路を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る光ファイバは、１層のコアと２層のクラッドとを持ち、外側クラッドの屈折率が内側クラッドの屈折率よりも高く、石英ガラスを主たる構成材料とする光ファイバであって、前記コアの非円率は５％以下であり、前記クラッドの各部位のいずれかまたは全てがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、前記コアがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、前記クラッドの各部位のうち添加したゲルマニウムの最も少ない部位のゲルマニウムの濃度をＣ２とし、前記コアに添加したゲルマニウムの最も多い部位のゲルマニウムの濃度をＣ１としたときに、Ｃ２−Ｃ１≧−０．５ｗｔ％であり、前記コアを構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−２．５×１０^-7／℃≦α１−α２≦１．０×１０^-7／℃であり、その偏波モード分散が０．０３ｐｓ／√ｋｍ以下であり、前記コアと前記外側クラッドとの比屈折率差Δが０．２５％〜０．７％であることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る光ファイバは、本発明の請求項１に係る光ファイバにおいて、前記コアを構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−１．５×１０ ^-7 ／℃≦α１−α２≦０／℃であり、その偏波モード分散が０．０１５ｐｓ／√ｋｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る光ファイバは、本発明の請求項１または２に係る光ファイバにおいて、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．２２ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る光ファイバは、３層のコアと２層のクラッドとを持ち、外側クラッドの屈折率が内側クラッドの屈折率より高いかもしくは同じであり、センタコアの屈折率がリンググルーヴの屈折率よりも高く、リンググルーヴの屈折率がリングコアの屈折率よりも低く、リングコアの屈折率がクラッドもしくは内側クラッドおよび外側クラッドの屈折率よりも高く、石英ガラスを主たる構成材料とする光ファイバであって、前記コアの比円率が５％以下であり、前記クラッドの各部位のいずれかまたは全てがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、前記コアの各部位のいずれかまたは全てがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、前記クラッドの各部位のうち添加したゲルマニウムの最も少ない部位のゲルマニウムの濃度をＣ２とし、前記コアに添加したゲルマニウムの最も多い部位のゲルマニウムの濃度をＣ１としたときに、Ｃ２−Ｃ１≧−０．５ｗｔ％であり、前記コアの各部位のうち最も熱膨張係数が大きい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−２．５×１０^-7／℃≦α１−α２≦１．０×１０^-7／℃であり、その偏波モード分散が０．０３ｐｓ／√ｋｍ以下であり、前記センタコアと前記外側クラッドとの比屈折率差Δが０．２５％〜０．７％であることを特徴とする。

本発明の請求項５に係る光ファイバは、本発明の請求項４に係る光ファイバにおいて、前記コアの各部位のうち最も熱膨張係数が大きい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−１．５×１０ ^-7 ／℃≦α１−α２≦０／℃であり、その偏波モード分散が０．０１５ｐｓ／√ｋｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項６に係る光ファイバは、本発明の請求項４または５に係る光ファイバにおいて、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．２５ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項７に係る光ファイバは、４層のコアと２層のクラッドとを持ち、外側クラッドの屈折率が内側クラッドの屈折率より高いかもしくは同じであり、センタグルーヴの屈折率が内側リングコアの屈折率よりも低く、内側リングコアの屈折率がリンググルーヴの屈折率よりも高く、リンググルーヴの屈折率が外側リングコアの屈折率よりも低く、外側リングコアの屈折率がクラッドもしくは内側クラッドおよび外側クラッドの屈折率よりも高く、石英ガラスを主たる構成材料とする光ファイバであって、前記コアの比円率が５％以下であり、前記クラッドの各部位のいずれかまたは全てがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、前記コアの各部位のいずれかまたは全てがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、前記クラッドの各部位のうち添加したゲルマニウムの最も少ない部位のゲルマニウムの濃度をＣ２とし、前記コアに添加したゲルマニウムの最も多い部位のゲルマニウムの濃度をＣ１としたときに、Ｃ２−Ｃ１≧−０．５ｗｔ％であり、前記コアの各部位のうち最も熱膨張係数が大きい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−２．５×１０^-7／℃≦α１−α２≦１．０×１０^-7／℃であり、その偏波モード分散が０．０３ｐｓ／√ｋｍ以下であり、前記内側リングコアと前記外側クラッドとの比屈折率差が０．２５％〜０．７％であることを特徴とする。

本発明の請求項８に係る光ファイバは、本発明の請求項７に係る光ファイバにおいて、前記コアの各部位のうち最も熱膨張係数が大きい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−１．５×１０ ^-7 ／℃≦α１−α２≦０／℃であり、その偏波モード分散が０．０１５ｐｓ／√ｋｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項９に係る光ファイバは、本発明の請求項７または８に係る光ファイバにおいて、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．３０ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項１０に係る光ファイバは、本発明の請求項１から９までのいずれか１項に係る光ファイバにおいて、前記コアに添加したゲルマニウムの濃度を最も多い所でも１．５ｗｔ％以下とし、フッ素の濃度も同じく１．５ｗｔ％以下としたことを特徴とする。

本発明の請求項１１に係る光ファイバは、本発明の請求項１から１０までのいずれか１項に係る光ファイバにおいて、光ファイバプリフォームに対して捻りを加えて紡糸し、偏波モード分散が０．０１ｐｓ／√ｋｍ以下となるようにしたことを特徴とする。

本発明の請求項１２に係る光伝送路は、本発明の請求項１から１１までのいずれか１項に係る光ファイバと、この光ファイバの波長分散、分散スロープを補償する光ファイバを組み合わせて形成されていることを特徴とする。

本発明によると、クラッドの熱膨張係数とコアの熱膨張係数を調整して、コアを構成するガラスの熱膨張係数をα１、クラッドを構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−２．５×１０^−７／℃≦α１−α２≦１．０×１０^−７／℃となるようにして光ファイバを作製することにより、偏波モード分散を０．０３ｐｓ／√km以下とすることができ、複屈折による信号パルス形状の劣化を防止して、高速高品質伝送が可能な光ファイバを実現することができる。
また、−１．５×１０^−７／℃≦α１−α２≦０／℃となるようにして光ファイバを作製することにより、偏波モード分散を０．０１５ｐｓ／√km以下とすることができ、さらに高速高品質伝送が可能な光ファイバを実現することができる。

また、コアがほぼ純粋な石英ガラスからなり、クラッドがフッ素を添加した石英ガラスからなるようにして光ファイバを作製することにより、クラッドの熱膨張係数を相対的に上げることができ、好適なＰＭＤを持つ光ファイバを実現することができる。
また、コアがゲルマニウムおよび／またはフッ素を添加した石英ガラスからなり、クラッドがフッ素を添加した石英ガラスからなるようにして光ファイバを作製することにより、コア内部に屈折率分布を持つ場合や、耐水素特性の点からコアにドーパントが必要になる場合にもおいても、これらの光学特性や水素特性を十分に満足しつつ、ＰＭＤとその他の特性を同時に満足することができる光ファイバを実現することができる。

また、クラッドにフッ素に加えてゲルマニウムを添加することにより、耐水素特性を向上させることができるため、長期的な信頼性を高めた光ファイバを実現することができる。
また、クラッドに添加したゲルマニウムの濃度をＣ２とし、コアに添加したゲルマニウムの濃度をＣ１としたときに、Ｃ２−Ｃ１≧−０．５ｗｔ％となるようにすることにより、屈折率制御と熱膨張係数制御の両方の条件を満たしつつ、ＰＭＤを低減した光ファイバを実現することができる。
また、コアに添加したゲルマニウムの濃度を１．５ｗｔ％以下とし、フッ素の濃度を０．５ｗｔ％以下とすることにより、レイリー散乱損失を小さくして低損失の光ファイバを実現することができる。
また、光ファイバプリフォームに対して捻りを加えて紡糸することにより、偏波モード分散を０．０１ｐｓ／√ｋｍ以下にまで低減することができる。

以上の効果は、１層のコアと１層のクラッドとを持つ光ファイバに限らず、１層のコアと２層のクラッドとを持つ光ファイバ、３層のコアと１層または２層のクラッドとを持つ光ファイバ、４層のコアと１層または２層のクラッドとを持つ光ファイバについても、上述のパラメータを上記と同様に設定することで得ることができる。

また、本発明の光ファイバと、この光ファイバの波長分散、分散スロープを補償する光ファイバを組み合わせて光伝送路を形成することにより、分散補償光ファイバで許容されるＰＭＤの条件を大きく緩和することができ、分散補償光ファイバの設計に余裕を持たせることができる他、光伝送路全体のＰＭＤを下げて高速高品質伝送が可能な光伝送路を実現することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の光ファイバの一例を示すもので、（ａ）は、光ファイバの長手方向に対する断面の最も単純な一例を示すものであり、図１（ａ）中、符号１はコアであり、符号２はコア１の周囲に形成されたクラッドである。図１（ｂ）は、この光ファイバの屈折率分布を示すものであり、コア１はクラッド２に対して屈折率が大きくなるようにして形成されている。本発明の光ファイバの他の例の断面構造及び屈折率分布も同様に図２ないし図６に示す。
光ファイバの複屈折は、コア１が非円であることによる屈折率分布の非円に起因するものと、コア１の非円から生じる応力の真円分布からのずれに起因するものの２つからなることは前述した通りである。このうち、伝送用光ファイバで常用されるようなレベルのコア１とクラッド２との屈折率差、具体的には比屈折率差△で０．２５％〜０．７％程度の場合には、応力の真円分布からのずれによる寄与が大きい。応力の真円分布からのずれによる複屈折は、同じ非円を持つ場合を比べると、コアとクラッドの熱膨張係数の差が大きいほど大きくなる。

そのため、この例の光ファイバでは、ＰＭＤを低減するにあたり、従来のゲルマニウムが添加されたコアを有するシングルモードファイバにおいて、比屈折率差△が0.3%程度である場合でのコア１とクラッド２との熱膨張係数の差が約３×１０^−７／℃であるのに対して、熱膨張係数の差を十分に小さくしている。
また、コア１の非円から生じる屈折率分布の非円に起因する複屈折と、非円から生じる応力の真円分布からのずれに起因する複屈折の符号を反対にすることによっても、ＰＭＤを低減できることができる。すなわち、クラッド２の熱膨張係数をコア１の熱膨張係数よりも大きくすることによってＰＭＤの低減を図ることができる。

これらの方針に基づき、ＰＤＭを低減することを目的として検討を行った。現在の非円に関する歩留まりを悪化させないために、非円率の上限を従来の光ファイバと同程度である５%程度とすることを条件とすると、コア１を構成するガラスの熱膨張係数をα１、クラッド２を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、ＰＤＭを０．０３ｐｓ／√ｋｍ以下にするためには、−２．５×１０^−７／℃≦α１−α２≦１．０×１０^−７／℃の範囲に制御し、ＰＤＭを０．０１５ｐｓ／√ｋｍ以下にするためには、−１．５×１０^−７／℃≦α１−α２≦０／℃の範囲に制御すればよいことが分かった。
ここで、熱膨張係数は軟化温度近傍から室温までの数値を用いている。この軟化温度とは、ガラスの状態を示す指標として用いられるものである。軟化温度は材料、添加物の種類および濃度、製造方法によって変化する。石英系ガラスにおいては、添加物が増えると軟化温度が下がっていく。なお、一例としてあげると、発明者らが作製した、フッ素を１重量％程度添加した石英ガラスであれば、軟化温度はおよそ８００℃程度である。

次に、コア１とクラッド２の熱膨張係数を上記の範囲とするための具体的な方法について説明する。
熱膨張係数は、その構成材料の組成によって大きく影響される。例えば、ゲルマニウムを１重量％ドープした石英ガラスでは、石英ガラスに対して約１×１０^−７／℃程度熱膨張係数が大きくなることが知られている。そのため、熱膨張係数を調整するためには、コア１とクラッド２を構成する材料およびその組成比についての精査が必要になる。さらには、そのときに、一般的な伝送用ファイバとしての基本的な条件、例えば、光学特性、伝送損失、対環境特性、機械特性、製造コストなどの条件を満たしていることにも注意を払って材料およびその組成比を検討する必要がある。
種々の検討の結果、コア１とクラッド２の熱膨張係数差および一般的な伝送用ファイバとしての基本的な必要条件を満たしたコア１とクラッド２の材料およびその組成比の組み合わせは次の通りとなった。

まず、第１の組み合わせは、コア１にはほぼ純粋な石英ガラス、すなわち意図的に不純物を含まない通常使用される石英ガラスを用い、クラッド２にフッ素を添加した石英ガラスを用いるものである。フッ素は屈折率を下げる作用があり、また、フッ素を添加すると仮想温度近傍では熱膨張係数が大きくなる。従って、コア１の屈折率を相対的に高くすることができるため、導波構造として問題なく、また、クラッドの熱膨張係数を相対的に上げることによって好適なＰＭＤを持つ光ファイバを作製することができる。

第２の組み合わせは、製造性、耐水素特性、光学特性などを考慮して、コア１にゲルマニウムとフッ素の一方または両方を添加し、クラッド２にフッ素を添加した石英ガラスを用いるものである。光学特性からの要求によって、コア１内部に屈折率分布を持つ場合や、耐水素特性の点からコア１にドーパントが必要になる場合にも、これらの光学特性や水素特性を十分に満足しつつ、ＰＭＤとその他の特性を同時に満足することができる。
以上のような組合せにより、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を０．２０ｄＢ／ｋｍ以下とすることができる。
耐水素特性向上のためのドーパント添加の場合、コア１に一律にドーパントを添加しても問題ないが、光学特性からの要求でコア１内部に屈折率分布を持たせる場合、添加物が熱膨張係数のほかにも屈折率にも影響を及ぼすので、光学特性の要求を満たす屈折率分布を作る必要がある。そのため、熱膨張係数および屈折率分布の両方を満足するようなドーパントの分布を実現する必要があるが、屈折率分布は、要求される光学特性によって変わってくるので、そのたびに熱膨張係数も含めたドーパント分布の設計が必要になる。

また、耐水素特性を考慮してクラッド２にゲルマニウムを共添加することも、より長期信頼性の重要度が高い海底用ファイバ等の場合にはより好ましい。
さらに、ゲルマニウムに関しては、石英ガラスに添加した場合、熱膨張係数の変化（上昇）が大きいので、ドーパントとして使用するときには特に注意が必要である。すなわち、ゲルマニウムを屈折率制御のために使用する場合は、コア１のゲルマニウムの添加量がクラッド２のゲルマニウムの添加量に比べて大きくかけ離れて大きいと、コア１の熱膨張係数が大きくなってしまい、問題となる。
低ＰＭＤを実現するために、コア１のゲルマニウムの添加量とクラッド２のゲルマニウムの添加量との差の上限を見積もったところ、クラッド２に添加したゲルマニウムの濃度をＣ２、コア１に添加したゲルマニウムの濃度をＣ１としたとき、Ｃ２−Ｃ１≧−０．５ｗｔ％であれば、ＰＭＤが０．０３ｐｓ／√ｋｍ以下となり、良好なＰＭＤの値をとることが分かった。なお、コア１のゲルマニウム濃度が０．５ｗｔ％以下の場合には、クラッド２に対するゲルマニウムの添加は不要である。

さらに、ゲルマニウムおよびフッ素は伝送損失の主要因であるレイリー散乱損失を増大させることから、伝送損失を低減するためには、ゲルマニウムの濃度を最も多い所でも１．５ｗｔ％以下とし、フッ素の濃度も同じく１．５ｗｔ％以下とすることが好ましい。
さらに、これらの光ファイバを線引きする際に、光ファイバに捻りを加えて線引きを行うと、更にＰＭＤを低減することができ、具体的にはＰＭＤを０．０１ｐｓ／√ｋｍ以下にすることが可能となる。

この例の光ファイバによると、クラッド２の熱膨張係数とコア１の熱膨張係数を調整して、コア１を構成するガラスの熱膨張係数をα１、クラッド２を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−２．５×１０^−７／℃≦α１−α２≦１．０×１０^−７／℃となるようにして光ファイバを作製することにより、偏波モード分散を０．０３ｐｓ／√km以下とすることができ、複屈折による信号パルス形状の劣化を防止して、高速高品質伝送が可能な光ファイバを実現することができる。
また、−１．５×１０^−７／℃≦α１−α２≦０／℃となるようにして光ファイバを作製することにより、偏波モード分散を０．０１５ｐｓ／√km以下とすることができ、さらに高速高品質伝送が可能な光ファイバを実現することができる。

また、コア１がほぼ純粋な石英ガラスからなり、クラッド２がフッ素を添加した石英ガラスからなるようにして光ファイバを作製することにより、クラッド２の熱膨張係数を相対的に上げることができ、好適なＰＭＤを持つ光ファイバを実現することができる。
また、コア１がゲルマニウムおよび／またはフッ素を添加した石英ガラスからなり、クラッド２がフッ素を添加した石英ガラスからなるようにして光ファイバを作製することにより、コア１内部に屈折率分布を持つ場合や、耐水素特性の点からコア１にドーパントが必要になる場合にもおいても、これらの光学特性や水素特性を十分に満足しつつ、ＰＭＤとその他の特性を同時に満足することができる光ファイバを実現することができる。

また、クラッド２にフッ素に加えてゲルマニウムを添加することにより、耐水素特性を向上させることができるため、長期的な信頼性を高めた光ファイバを実現することができる。
また、クラッド２に添加したゲルマニウムの濃度をＣ２とし、コア１に添加したゲルマニウムの濃度をＣ１としたときに、Ｃ２−Ｃ１≧−０．５ｗｔ％となるようにすることにより、屈折率制御と熱膨張係数制御の両方の条件を満たしつつ、ＰＭＤを低減した光ファイバを実現することができる。
また、コア１に添加したゲルマニウムの濃度を最も多い所でも１．５ｗｔ％以下とし、フッ素の濃度も同じく１．５ｗｔ％以下とすることにより、レイリー散乱損失を小さくして低損失の光ファイバを実現することができる。
また、光ファイバプリフォームに対して捻りを加えて紡糸することにより、偏波モード分散を０．０１ｐｓ／√ｋｍ以下にまで低減することができる。

本発明の光ファイバの屈折率分布は、図１に示す１層のコアと１層のクラッドによる屈折率分布に限定されるものではない。
図２は、１層のコアと２層のクラッドとを持ち、外側クラッド２ｂの屈折率が内側クラッド２ａの屈折率より高い、石英ガラスを主たる構成材料とする光ファイバであって、この場合には、コアを構成するガラスの熱膨張係数をα１、クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２として、α１とα２とが上述の関係を満たすようにする。
この光ファイバでは、クラッドが少なくともフッ素を添加した石英ガラスからなり、コアがほぼ純粋な石英ガラス、またはコアがゲルマニウムおよび／またはフッ素を添加した石英ガラスからなることによって、その波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を０．２２ｄＢ／ｋｍ以下とすることができる。

図３、図４は、３層のコアと１層または２層のクラッドとを持ち、外側クラッド２ｂの屈折率が内側クラッド２ａの屈折率より高いかもしくは同じであり、センタコア１ａの屈折率がリンググルーヴ１ｂの屈折率よりも高く、リンググルーヴ１ｂの屈折率がリングコア１ｃの屈折率よりも低く、リングコア１ｃの屈折率がクラッド２もしくは内側クラッド２ａおよび外側クラッド２ｂの屈折率よりも高い、石英ガラスを主たる構成材料とする光ファイバであって、この場合には、コアの各部位のうち最も熱膨張係数が大きい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα１、クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２として、α１とα２とが上述の関係を満たすようにする。
この光ファイバでは、クラッドが少なくともフッ素を添加した石英ガラスからなり、コアがほぼ純粋な石英ガラス、またはコアがゲルマニウムおよび／またはフッ素を添加した石英ガラスからなることによって、その波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を０．２５ｄＢ／ｋｍ以下とすることができる。

図５は、４層のコアと１層または２層のクラッドとを持ち、外側クラッド２ｂの屈折率が内側クラッド２ａの屈折率より高いかもしくは同じであり、センタグルーヴ１ａの屈折率が内側リングコア１ｂの屈折率よりも低く、内側リングコア１ｂの屈折率がリンググルーヴ１ｃの屈折率よりも高く、リンググルーヴ１ｃの屈折率が外側リングコア１ｄの屈折率よりも低く、外側リングコア１ｄの屈折率がクラッド２もしくは内側クラッド２ａおよび外側クラッド２ｂの屈折率よりも高い、石英ガラスを主たる構成材料とする光ファイバであって、この場合には、コアの各部位のうち最も熱膨張係数が大きい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα１、クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２として、α１とα２とが上述の関係を満たすようにする。
この光ファイバでは、クラッドが少なくともフッ素を添加した石英ガラスからなり、コアがほぼ純粋な石英ガラス、またはコアがゲルマニウムおよび／またはフッ素を添加した石英ガラスからなることによって、その波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を０．３０ｄＢ／ｋｍ以下とすることができる。

次に、本発明の光伝送路の例について説明する。
本発明の光伝送路は、上述した光ファイバと、この光ファイバの波長分散、分散スロープを補償する光ファイバを組み合わせて形成されたものである。
長距離伝送のために、伝送用光ファイバの波長分散や分散スロープを補償するための分散補償光ファイバを用いることによって、信号歪みを低減した複合光伝送路を実現することができるが、このような光伝送路に本発明の光ファイバを使用すると、本発明の光ファイバのＰＭＤが小さいために、分散補償光ファイバで許容されるＰＭＤの条件が大きく緩和され、分散補償光ファイバの設計に余裕を持たせることができる。また、分散補償光ファイバのＰＭＤを従来どおりの大きさにして、光伝送路全体のＰＭＤを下げることもできる。

以下、具体例を示す。
（実施例１）
図１に示されたような屈折率分布を持つ光ファイバであって、コアにゲルマニウムを添加した光ファイバ（試作１）と、コアはほぼ純粋石英のままで、クラッドにフッ素を添加した光ファイバ（試作２）を作製し、そのＰＭＤを比較した。
試作１はコアに約２．７ｗｔ％のゲルマニウムを含み、クラッドには脱水のためのごく微量の塩素以外、意図的な不純物を含まないシリカである。また、試作２はクラッドに約１．１ｗｔ％のフッ素を含み、コアには脱水のためのごく微量の塩素以外、意図的な不純物を含まないシリカである。どちらの光ファイバもコアとクラッドの比屈折率差は約０．３３％である。
試作１ではＰＭＤは約０．０６５ｐｓ／√ｋｍであったが、試作２ではＰＭＤは約０．０１２ｐｓ／√ｋｍであり、さらに試作２についてスパン紡糸で光ファイバを作製すると、さらにＰＭＤは約０．００４ｐｓ／√ｋｍにまで低減される。この時、熱膨張係数の差α１−α２は−０．８×１０^−７／℃（試作１では３．３×１０^−７／℃）と見積もられた。また、ＰＭＤ以外の光学特性は試作１と同等のものが得られた。

（実施例２）
図１に示されたような屈折率分布を持つ光ファイバであって、クラッドに約２．２ｗｔ％のフッ素を含み、コアには脱水のためのごく微量の塩素以外、意図的な不純物を含まないシリカである光ファイバを試作した（試作３）。
コアとクラッドの比屈折率差は約０．６９％である。ＰＭＤは約０．０２６ｐｓ／√ｋｍであり、スパン紡糸で光ファイバを作製すると、ＰＭＤは約０．０１０ｐｓ／√ｋｍであった。
この時、熱膨張係数の差α１−α２は−1.7×10^-7/℃と見積もられた。

（実施例３）
図１に示されたような屈折率分布を持つ光ファイバであって、クラッドに約０．９ｗｔ％のフッ素を添加し、コアに約０．４ｗｔ％のゲルマニウムを添加した光ファイバを試作した（試作４）。
コアとクラッドの比屈折率差は約０．３３％である。ＰＭＤは約０．００９ｐｓ／√ｋｍであり、スパン紡糸で光ファイバを作製すると、ＰＭＤは約０．００６ｐｓ／√ｋｍであった。
また、光学特性及び水素特性にも問題はなかった。

（実施例４）
図１に示されたような屈折率分布を持つ光ファイバであって、クラッドに約１．１ｗｔ％のフッ素を添加し、コアに約０．４ｗｔ％のゲルマニウムと約０．１４ｗｔ％のフッ素を添加した光ファイバを試作した（試作５）。
コアとクラッドの比屈折率差は約０．３４％である。ＰＭＤは約０．０１５ｐｓ／√ｋｍであり、スパン紡糸で光ファイバを作製すると、ＰＭＤは約０．００６ｐｓ／√ｋｍであった。

（実施例５）
図１に示されたような屈折率分布を持つ光ファイバであって、クラッドに約１．３ｗｔ％のフッ素と約０．４ｗｔ％のゲルマニウムを添加し、コアに約０．４ｗｔ％のゲルマニウムとを約０．２ｗｔ％のフッ素を添加した光ファイバを試作した（試作６）。
コアとクラッドの比屈折率差は約０．３３％である。ＰＭＤは約０．０２１ｐｓ／√ｋｍであり、スパン紡糸で光ファイバを作製すると、ＰＭＤは約０．００８ｐｓ／√ｋｍであった。

（実施例６）
図２に示されたような屈折率分布を持つ光ファイバであって、外側クラッド２ｂに約１．０ｗｔ％のフッ素と約０．４ｗｔ％のゲルマニウムを添加し、内側クラッド２ａに約１．２ｗｔ％のフッ素と約０．４ｗｔ％のゲルマニウムを添加し、コアに約０．４ｗｔ％のゲルマニウムとを約０．２ｗｔ％のフッ素を添加した光ファイバを試作した（試作７）。
コアとクラッドの比屈折率差は約０．２５％である。ＰＭＤは約０．０１１ｐｓ／√ｋｍであり、スパン紡糸で光ファイバを作製すると、ＰＭＤは約０．００５ｐｓ／√ｋｍであった。

（実施例７）
図４に示されたような屈折率分布を持つ光ファイバであって、外側クラッド２ｂに約１．４ｗｔ％のフッ素と約０．８ｗｔ％のゲルマニウムを添加し、内側クラッド２ａに約２．０ｗｔ％のフッ素と約０．８ｗｔ％のゲルマニウムを添加し、リングコア１ｃに約０．８ｗｔ％のゲルマニウムと約０．７ｗｔ％のフッ素を添加し、リンググルーヴ１ｂに約１．４ｗｔ％のフッ素を添加し、センタコア１ａに約１．２ｗｔ％のゲルマニウムを添加した光ファイバを試作した（試作８）。
中心コアと外側クラッドの比屈折率差は約０．５０％である。ＰＭＤは約０．０２７ｐｓ／√ｋｍであり、スパン紡糸で光ファイバを作製すると、ＰＭＤは約０．００９ｐｓ／√ｋｍであった。

（実施例８）
図５に示されたような屈折率分布を持つ光ファイバであって、外側クラッド２ｂに約１．６ｗｔ％のフッ素と約０．８ｗｔ％のゲルマニウムを添加し、内側クラッド２ａに約１．８ｗｔ％のフッ素と約０．８ｗｔ％のゲルマニウムを添加し、外側リングコア１ｄに約０．８ｗｔ％のゲルマニウムと約０．７ｗｔ％のフッ素を添加し、リンググルーヴ１ｃに約１．４ｗｔ％のフッ素を添加し、内側リングコア１ｂに約１．３ｗｔ％のゲルマニウムを添加し、センタグルーヴ１ａに約１．２ｗｔ％のフッ素を添加した光ファイバを試作した（試作９）。
中心コアと外側クラッドの比屈折率差は約０．５３％である。ＰＭＤは約０．０２６ｐｓ／√ｋｍであり、スパン紡糸で光ファイバを作製すると、ＰＭＤは約０．００９ｐｓ／√ｋｍであった。

（比較例１）
図４に示されたような屈折率分布を持つ光ファイバであって、外側クラッド２ｂに約１．２ｗｔ％のフッ素と約０．７ｗｔ％のゲルマニウムを添加し、内側クラッド２ａに約１．７ｗｔ％のフッ素と約０．７ｗｔ％のゲルマニウムを添加し、リングコア１ｃに約０．７ｗｔ％のゲルマニウムと約０．６ｗｔ％のフッ素を添加し、リンググルーヴ１ｂに約１．４ｗｔ％のフッ素を添加し、センタコア１ａに約１．８ｗｔ％のゲルマニウムを添加した光ファイバを試作した（試作１０）。
中心コアと外側クラッドの比屈折率差は約０．５０％である。ＰＭＤは約０．０５４ｐｓ／√ｋｍであった。

（比較例２）
図３に示されたような屈折率分布を持つ光ファイバであって、クラッド２に約１．１ｗｔ％のフッ素を添加し、リングコア１ｃに約０．４ｗｔ％のゲルマニウムと約０．３ｗｔ％のフッ素を添加し、リンググルーヴ１ｂに約０．４ｗｔ％のゲルマニウムと約１．５ｗｔ％フッ素を添加し、センタコア１ａに約２．４ｗｔ％のゲルマニウムと約０．２ｗｔ％のフッ素を添加した光ファイバを試作した（試作１１）。
中心コアとクラッドの比屈折率差は約０．６０％である。ＰＭＤは約０．０９０ｐｓ／√ｋｍであり、スパン紡糸で光ファイバを作製すると、ＰＭＤは約０．０６０ｐｓ／√ｋｍであった。

光ファイバの長手方向に対する断面と、屈折率分布の一例を示す図である。 光ファイバの長手方向に対する断面と、屈折率分布の一例を示す図である。 光ファイバの長手方向に対する断面と、屈折率分布の一例を示す図である。 光ファイバの長手方向に対する断面と、屈折率分布の一例を示す図である。 光ファイバの長手方向に対する断面と、屈折率分布の一例を示す図である。

符号の説明

１…コア、２…クラッド。

Claims (12)

1. １層のコアと２層のクラッドとを持ち、外側クラッドの屈折率が内側クラッドの屈折率よりも高く、石英ガラスを主たる構成材料とする光ファイバであって、
   前記コアの比円率は５％以下であり、
   前記クラッドの各部位のいずれかまたは全てがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、前記コアがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、
   前記クラッドの各部位のうち添加したゲルマニウムの最も少ない部位のゲルマニウムの濃度をＣ２とし、前記コアに添加したゲルマニウムの最も多い部位のゲルマニウムの濃度をＣ１としたときに、Ｃ２−Ｃ１≧−０．５ｗｔ％であり、
   前記コアを構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−２．５×１０^-7／℃≦α１−α２≦１．０×１０^-7／℃であり、その偏波モード分散が０．０３ｐｓ／√ｋｍ以下であり、
   前記コアと前記外側クラッドとの比屈折率差Δが０．２５％〜０．７％であることを特徴とする光ファイバ。
2. 前記コアを構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−１．５×１０^-7／℃≦α１−α２≦０／℃であり、その偏波モード分散が０．０１５ｐｓ／√ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
3. 波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．２２ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
4. ３層のコアと２層のクラッドとを持ち、外側クラッドの屈折率が内側クラッドの屈折率より高いかもしくは同じであり、センタコアの屈折率がリンググルーヴの屈折率よりも高く、リンググルーヴの屈折率がリングコアの屈折率よりも低く、リングコアの屈折率がクラッドもしくは内側クラッドおよび外側クラッドの屈折率よりも高く、石英ガラスを主たる構成材料とする光ファイバであって、
   前記コアの比円率が５％以下であり、
   前記クラッドの各部位のいずれかまたは全てがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、前記コアの各部位のいずれかまたは全てがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、
   前記クラッドの各部位のうち添加したゲルマニウムの最も少ない部位のゲルマニウムの濃度をＣ２とし、前記コアに添加したゲルマニウムの最も多い部位のゲルマニウムの濃度をＣ１としたときに、Ｃ２−Ｃ１≧−０．５ｗｔ％であり、
   前記コアの各部位のうち最も熱膨張係数が大きい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−２．５×１０^-7／℃≦α１−α２≦１．０×１０^-7／℃であり、その偏波モード分散が０．０３ｐｓ／√ｋｍ以下であり、
   前記センタコアと前記外側クラッドとの比屈折率差Δが０．２５％〜０．７％であることを特徴とする光ファイバ。
5. 前記コアの各部位のうち最も熱膨張係数が大きい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−１．５×１０^-7／℃≦α１−α２≦０／℃であり、その偏波モード分散が０．０１５ｐｓ／√ｋｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ。
6. 波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．２５ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の光ファイバ。
7. ４層のコアと２層のクラッドとを持ち、外側クラッドの屈折率が内側クラッドの屈折率より高いかもしくは同じであり、センタグルーヴの屈折率が内側リングコアの屈折率よりも低く、内側リングコアの屈折率がリンググルーヴの屈折率よりも高く、リンググルーヴの屈折率が外側リングコアの屈折率よりも低く、外側リングコアの屈折率がクラッドもしくは内側クラッドおよび外側クラッドの屈折率よりも高く、石英ガラスを主たる構成材料とする光ファイバであって、
   前記コアの比円率が５％以下であり、
   前記クラッドの各部位のいずれかまたは全てがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、前記コアの各部位のいずれかまたは全てがゲルマニウムおよびフッ素を添加した石英ガラスからなり、
   前記クラッドの各部位のうち添加したゲルマニウムの最も少ない部位のゲルマニウムの濃度をＣ２とし、前記コアに添加したゲルマニウムの最も多い部位のゲルマニウムの濃度をＣ１としたときに、Ｃ２−Ｃ１≧−０．５ｗｔ％であり、
   前記コアの各部位のうち最も熱膨張係数が大きい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−２．５×１０^-7／℃≦α１−α２≦１．０×１０^-7／℃であり、その偏波モード分散が０．０３ｐｓ／√ｋｍ以下であり、
   前記内側リングコアと前記外側クラッドとの比屈折率差Δが０．２５％〜０．７％であることを特徴とする光ファイバ。
8. 前記コアの各部位のうち最も熱膨張係数が大きい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα１、前記クラッドの各部位のうち最も熱膨張係数が小さい部位を構成するガラスの熱膨張係数をα２としたときに、−１．５×１０^-7／℃≦α１−α２≦０／℃であり、その偏波モード分散が０．０１５ｐｓ／√ｋｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ。
9. 波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．３０ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項７または８に記載の光ファイバ。
10. 前記コアに添加したゲルマニウムの濃度を最も多い所でも１．５ｗｔ％以下とし、フッ素の濃度も同じく１．５ｗｔ％以下としたことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の光ファイバ。
11. 光ファイバプリフォームに対して捻りを加えて紡糸し、偏波モード分散が０．０１ｐｓ／√ｋｍ以下となるようにしたことを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の光ファイバ。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項に記載の光ファイバと、この光ファイバの波長分散、分散スロープを補償する光ファイバを組み合わせて形成されていることを特徴とする光伝送路。

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