JP4559458B2

JP4559458B2 - 光ファイバの製造方法

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Publication number: JP4559458B2
Application number: JP2007231171A
Authority: JP
Inventors: 千里深井; 泉三川; 和秀中島; 隆松井; 克介田嶋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: JP2009063801A

Description

本発明は、光信号伝搬に供する光ファイバの製造方法に関し、特に光通信における伝送媒体として用いられる光ファイバの製造方法に関する。

一般に、光ファイバを用いた光通信では、コア部とクラッド部の屈折率差による全反射により、光信号がコア部に閉じ込められた状態で光ファイバ中を伝搬する。近年、光ファイバの断面に複数個の空孔を設けることにより、空気とガラスの屈折率差を利用した全反射によって、光信号を伝搬する光ファイバの研究開発が進められている。当該光ファイバは、従来のドーパントを添加した光ファイバに比べ、大きな屈折率差を得ることができるため、従来の光ファイバでは実現不可能な特性を実現することが可能である。

例えば、特許文献１では、コア部にゲルマニウムを添加した従来の１．３μｍ帯零分散単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）のクラッド部に複数個の空孔を設けることにより、モードフィールド径を前記ＳＭＦと同等の７．９μｍから１０．２μｍに保持したまま、曲げ半径１０ｍｍにおける曲げ損失を１ｄＢ／ｍ以下に低減できることが開示されている。

これまで、上述した空孔付き単一モード光ファイバ同士を、屈折率整合材を用いてメカニカルスプライスにより接続を行った場合には、屈折率整合材が空孔内に、例えば軸心方向へ数ｍ浸入してしまい、光ファイバの伝搬特性が著しく低下していた。また、空孔付き単一モード光ファイバの軸心方向における空孔端部が開放されている場合には、水分が空孔内に浸入してマイクロクラック等の成長を促進し、光ファイバの機械的強度が劣化してしまう可能性があった。

このため、空孔付き光ファイバの端面を封止する方法が種々開発されている。例えば、特許文献２では、空孔端部にガラス粉末を挿入し、レーザー光を用いてガラス粉末を溶融させて空孔端部を封止する方法が記載されている。また、特許文献３では、クラッド部と同等である、またはクラッド部よりも小さい屈折率を有する石英微粒子と光学接着剤により空孔端部を封止する方法が記載されている。

国際公開ＷＯ２００４／０９２７９３号パンフレット特開２００５−２４８４２号公報特開２００５−３１２５２号公報

しかしながら、特許文献２および特許文献３に記載の光ファイバ端部の封止方法では、配線時の接続を行うたびに封止を行う必要があり、配線作業が煩雑になってしまうといった問題があった。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、光ファイバの軸心方向に複数個の空孔を設けた光ファイバにおいて、配線作業の煩雑化を低減する光ファイバの製造方法を提供することにある。

上述した課題を解決する第１の発明に係る光ファイバの製造方法は、
コア部と、前記コア部よりも小さい屈折率を有するクラッド部からなる光ファイバであって、前記クラッド部中に光ファイバ軸心方向に複数個の空気層と当該クラッド部と同等または当該クラッド部よりも小さい屈折率を有する複数個のガラス層が混在する領域が、光ファイバ軸心方向に連続し、かつ、前記コア部の周囲を取り囲むように当該クラッド部中に形成された３個以上の空孔のそれぞれの内部に形成された領域であり、前記ガラス層により前記空孔が閉塞される、光ファイバの製造方法であって、
コア部と前記コア部よりも屈折率の小さいクラッド部を有する光ファイバプリフォームを作製する第１プロセスと、
前記第１プロセスで作製された光ファイバプリフォームのクラッド部に光ファイバ軸心方向に連続し、かつ、前記コア部の周囲を取り囲むように当該クラッド部中に３個以上の空孔を設ける第２プロセスと、
前記第２プロセスで設けた空孔中に前記クラッド部と同等または前記クラッド部よりも小さい屈折率を有するガラス物質からなり空孔直径よりも小さい所定の立体形状を有する複数のガラス体を挿入する第３プロセスと、
前記第３プロセスで得られた光ファイバプリフォームを溶融延伸する第４プロセスとを備えた
ことを特徴とする。

第１の発明に係る光ファイバの製造方法によれば、コア部と、前記コア部よりも小さい屈折率を有するクラッド部からなる光ファイバであって、前記クラッド部中に光ファイバ軸心方向に複数個の空気層と当該クラッド部と同等または当該クラッド部よりも小さい屈折率を有する複数個のガラス層が混在する領域が、光ファイバ軸心方向に連続し、かつ、前記コア部の周囲を取り囲むように当該クラッド部中に形成された３個以上の空孔のそれぞれの内部に形成された領域であり、前記ガラス層により前記空孔が閉塞される、光ファイバの製造方法であって、コア部と前記コア部よりも屈折率の小さいクラッド部を有する光ファイバプリフォームを作製する第１プロセスと、前記第１プロセスで作製された光ファイバプリフォームのクラッド部に光ファイバ軸心方向に連続し、かつ、前記コア部の周囲を取り囲むように当該クラッド部中に３個以上の空孔を設ける第２プロセスと、前記第２プロセスで設けた空孔中に前記クラッド部と同等または前記クラッド部よりも小さい屈折率を有するガラス物質からなり空孔直径よりも小さな所定の立体形状を有する複数のガラス体を挿入する第３プロセスと、前記第３プロセスで得られた光ファイバプリフォームを溶融延伸する第４プロセスとを備えたことにより、従来の空孔付き光ファイバの製造方法に上記第３プロセスを追加しただけであり、製造作業の煩雑化および製造コストの増加を抑制することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態に係る光ファイバおよびその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の最良の実施形態に係る光ファイバを模式的に示した図であり、図２は、その断面図である。図３は、本発明の最良の実施形態に係る光ファイバの製造に用いられるガラス物質を模式的に示す図である。

本発明の最良の実施形態に係る光ファイバ１０は、図１および図２に示すように、軸心に位置し、ドーパントを添加した任意の屈折率分布を有するコア部１１と、コア部１１の周囲に配置され、均一な屈折率を有するクラッド部１２と、クラッド部１２内でコア部１１を中心として同心円状に、且つ当該光ファイバ１０の長手方向に延在し、断面形状が円形に形成された複数個（図示例では６個）の空孔１５とを有する。空孔１５には、クラッド部１２と同等である、または当該クラッド部１２よりも小さい屈折率を有するガラス層１３、並びに空気層１４が設けられる。すなわち、空孔１５は、複数個の空気層１４とクラッド部１２と同等である、またはクラッド部１２よりも小さい屈折率を有するガラス層１３とが混在する領域となる。クラッド部１２はコア部１１よりも小さい屈折率を有しており、光ファイバ１０では、前記コア部１１及びクラッド部１２が主たる光の導波構造を形成している。

なお、空気層１４の配置は空孔１５内にてランダムであっても良いし、規則性があっても良い。例えば、空気層１４を空孔１５の長手方向で、等間隔に配置しても良いし、一方の端部側から他方の端部側に向け間隔を徐々に広げて配置しても良い。このように空孔１５の長手方向で空気層１４の間隔を徐々に広げて配置した場合には、モードフィールド直径を、光ファイバの一方の端部側では大きくし、その他方の端部側では小さくすることができる。

光ファイバ１０においては、空気層１４とガラス層１３が混在する領域（空孔）１５を上述したように６個とし同心円状に配置する他にも、当該領域１５を４個として四角形状に配置しても良いし、当該領域１５を３個として三角形状に配置しても良い。また、当該領域１５の形状（光ファイバ１０の長手方向に直交する断面での形状）は円形以外でも良い。

続いて、上述した光ファイバ１０の製造方法について以下に説明する。
最初に、コア部と前記コア部よりも屈折率の小さいクラッド部を有する光ファイバプリフォームを作製する（第１プロセス）。続いて、前記第１プロセスで作製された光ファイバプリフォームのクラッド部に光ファイバ軸心方向へ延在する複数個の空孔を例えばドリルなどを用いて設ける（第２プロセス）。

続いて、前記第２プロセスで設けた空孔中に、前記クラッド部と同等であるまたは前記クラッド部よりも小さい屈折率を有するガラス物質を軸心方向に並べて挿入する（第３プロセス）。ただし、光ファイバプリフォームにおける長手方向の一方の端部は、前記コア部またはクラッド部と同様な材質の部材にて閉塞する。これにより、空孔内に挿入されたガラス物質の当該空孔内からその外部への排出を防止する。

続いて、前記第３プロセスで得られた光ファイバプリフォームを例えば線引きなど溶融延伸して、上述した光ファイバ１０を製造する（第４プロセス）。光ファイバプリフォームを高温に加熱して、当該光ファイバプリフォームと同様に光ファイバプリフォームの空孔内に挿入されたガラス物質も溶融する（柔らかくなる）。よって、光ファイバプリフォームを引き延ばすと、前記ガラス物質も光ファイバプリフォームと同様に引き延ばされる。よって、空孔内でガラス層および空気層が混在した光ファイバが作製される。

ただし、上述した第３プロセスで用いるガラス物質は、図３（ａ）に示すように立方体状のガラス物質２１や、図３（ｂ）に示すように球体状のガラス物質２２や、図３（ｃ）に示すように円錐体状のガラス物質２３が挙げられる。このガラス物質の大きさは、空孔直径よりも小さく、且つ空孔内に挿入する際に、空孔内に適当な量の空気を混入できる程度であることが望ましい。

したがって、本発明の最良の実施形態に係る光ファイバの製造方法によれば、従来の空孔付き光ファイバの製造方法に上記第３プロセスを追加しただけであり、具体的には、光ファイバプリフォームに空孔を設ける第２プロセスと、所定の加工を行った光ファイバプリフォームを溶融延伸して光ファイバを作製する第４プロセスとの間に、光ファイバプリフォームの空孔内にガラス物質を挿入する第３プロセスを設けただけであり、製造作業の煩雑化および製造コストの増加を抑制することができる。

以下に、本発明に係る光ファイバの最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。

本実施例では、光ファイバにおいて、空気層と、クラッド部と同等であるまたはクラッド部よりも小さい屈折率を有するガラス層とが混在する領域を、６個の円形としコア部の中心から同心円状に配置し、空孔中に挿入するガラス物質の形状を球体とした。

図４に、本発明の第１の実施例に係る光ファイバの構造パラメータを示す。図４に示すように、コア部３１の直径を２ａ₁と定義し、コア部の中心３１ａから空孔３５までの距離をａ₂と定義し、空孔３５の半径をＲと定義する。本実施例では、コア部３１がクラッド部に対し０．３５％の比屈折率差を有するステップ型の屈折率分布を有するものとした。また、クラッド部、および空孔３５中に挿入されるガラス物質の屈折率は純石英ガラスの屈折率と同一にした。

ここで、空孔の単位体積あたりのガラス物質の割合Ｐについて、図５を用いて説明する。図５は、本発明の第１の実施例に係る光ファイバの空孔およびその内部へ挿入されるガラス物質を模式的に示した図であり、図５（ａ）にガラス物質の半径ｒ₁に対する空孔半径Ｒの比Ｒ／ｒ₁が１の場合を示し、図５（ｂ）に、ガラス物質の半径ｒ₂に対する空孔半径Ｒの比Ｒ／ｒ₂が２の場合を示す。ガラス物質の半径ｒ₁，ｒ₂に対する空孔半径Ｒの比Ｒ／ｒ₁，Ｒ／ｒ₂が１，２となる場合には、空孔の単位体積当りのガラス物質の割合Ｐは、それぞれ５０％，２５％となる。

ここで、従来の材料添加に基づくコア部およびクラッド部のみを有する光ファイバ、すなわち、本発明の第１の実施例に係る光ファイバにて空孔が存在しない場合の規格化電界強度とコア部の半径に対する規格化半径の関係について、図６を用いて説明する。ただし、図６の特性は、波長１５５０ｎｍにおける電界分布を示す。図６より、例えば、規格化半径が１．５の地点では、規格化電界強度は２０％以下に減衰することがわかる。すなわち、コア部の中心から空孔までの距離ａ₂をコア部の半径ａ₁の１．５倍とした場合、約２０％の規格化電界強度が存在することとなる。

コア部の半径に対するコア部の中心から空孔までの距離の比ａ₂／ａ₁に対する波長１５５０ｎｍにおけるモードフィールド直径の関係について、図７を用いて説明する。図７より、コア部の半径に対するコア部の中心から空孔までの距離の比ａ₂／ａ₁が２以下の領域では、モードフィールド直径が急激に減少することが分かる。これは、空孔により電界分布のコア部の中心から空孔までのクラッド部への閉じ込めが向上されることによるものである。また、図６よりコア部の半径に対するコア部の中心から空孔までの距離の比ａ₂／ａ₁が２の領域における従来の光ファイバにおける規格化電界強度は約８％となる。

したがって、本実施例に係る光ファイバにおいて、コア部の中心から空孔までの距離ａ₂を、コア部の中心から空孔までの領域で形成される電界分布の強度が８％以下となる領域に設定することにより、従来の光ファイバと同等のモードフィールド直径特性を保持することが可能となる。また、逆にコア部の中心から空孔までの距離ａ₂を、コア部の中心から空孔までの領域で形成される電界分布の強度が８％以上となる領域に設定することにより、電界分布のコア部近傍への閉じ込めを向上し、モードフィールド直径を低減することも可能となる。

ここで、コア部の半径に対するコア部の中心から空孔までの距離の比ａ₂／ａ₁に対する波長１５５０ｎｍにおける波長分散の関係について、図８を用いて説明する。図８より、コア部の半径に対するコア部の中心から空孔までの距離の比ａ₂／ａ₁が２．５以下の領域では波長分散が急激に増加することが分かる。これは、空孔により電界分布のコア部の中心から空孔までのクラッド部への閉じ込めが発生し、導波路分散特性が影響を受けることによるものである。また、図６よりコア部の半径に対するコア部の中心から空孔までの距離の比ａ₂／ａ₁が２．５の領域における従来の光ファイバにおける規格化電界強度は約３％となる。

したがって、本実施例に係る光ファイバにおいて、コア部の中心から空孔までの距離ａ₂を、コア部の中心から空孔までの領域で形成される電界分布の強度が３％以下となる領域に設定することにより、従来の光ファイバと同等の波長分散特性を保持することが可能となる。また逆に、コア部の中心から空孔までの距離ａ₂を、コア部の中心から空孔までの領域で形成される電界分布の強度が３％以下となる領域に設定することにより、波長分散特性を可変とすることも可能となる。特に、波長１５５０ｎｍにおける３０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以上の波長分散特性は、従来の光ファイバでは屈折率変化の可変量に対する制約により実現不可能な特性であり、本実施例に係る光ファイバにおける作用効果の一つとして考えられる。

ここで、コア部の半径に対する空孔の半径の比Ｒ／ａ₁に対する波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失の関係について、図９を用いて説明する。図９において、縦軸は半径５ｍｍの曲げを１０ターン加えた場合の損失増加量を示す。図中の太線および実線は、空孔の単位体積あたりのガラス物質の割合Ｐが、それぞれ２５％および５０％における曲げ損失特性を表す。図９において、いずれの空孔の単位体積あたりのガラス物質の割合Ｐにおいても、曲げ損失はコア部の半径に対する空孔の半径の比Ｒ／ａ₁、すなわち、空孔の半径の増加に伴い低減されることが分かる。また、空孔の単位体積あたりのガラス物質の割合Ｐが減少するほど、良好な曲げ損失特性を得られることが分かる。

これは、本実施例に係る光ファイバにおいて、空孔が拡大、および空気の割合が増加することにより、クラッド部の実効的な屈折率が低減し、電界分布のコア部の中心から空孔までのクラッド部への閉じ込めが向上されることによるもので、その作用効果は空孔、および空孔中の空気形状や個数に依存しない。また、当該作用効果は光ファイバ長手方向、もしくは断面内における局所的な空気層、および空孔の不均一性にも依存しない。図９より空孔の単位体積あたりのガラス物質の割合Ｐが５０％の場合、コア部の半径に対する空孔の半径の比Ｒ／ａ₁を１．３以上とすることにより、従来の光ファイバに比べて曲げ損失を１０分の１に改善することが可能となる。

したがって、本発明の第１の実施例に係る光ファイバによれば、クラッド部中に光ファイバ軸心方向に複数個の空気層と当該クラッド部と同等またはクラッド部よりも小さい屈折率を有するガラス層が混在する領域が存在することにより、光ファイバのクラッド部の軸心方向に空気層とクラッド部と同等またはクラッド部よりも小さい屈折率を有するガラス層とが混在することとなり、従来の光ファイバよりも良好な曲げ損失特性を保持し、メカニカルスプライスによる接続時の屈折率整合材の浸入や、水分の浸入を防ぎ、光学特性、および機械的強度の劣化を抑制する効果があり、なおかつ、接続を行うたびに封止する必要が無いため配線作業を効率良く行うことができる。

本発明の最良の実施形態に係る光ファイバを模式的に示した図である。本発明の最良の実施形態に係る光ファイバの断面図である。本発明の最良の実施形態に係る光ファイバの製造に用いられるガラス物質を模式的に示す図である。本発明の第１の実施例に係る光ファイバの構造パラメータを示す図である。本発明の第１の実施例に係る光ファイバの空孔およびその内部へ挿入されるガラス物質を模式的に示した図である。規格化電界強度とコア部の半径に対する規格化半径の関係を示す図である。コア部の半径に対するコア部の中心から空孔までの距離の比ａ₂／ａ₁に対する波長１５５０ｎｍにおけるモードフィールド直径の関係を示す図である。コア部の半径に対するコア部の中心から空孔までの距離の比ａ₂／ａ₁に対する波長１５５０ｎｍにおける波長分散の関係を示す図である。コア部の半径に対する空孔の半径の比Ｒ／ａ₁に対する波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失の関係を示す図である。

符号の説明

１０光ファイバ
１１コア部
１２クラッド部
１３ガラス層
１４空気層
１５空孔
２１，２２，２３ガラス物質
３４，４４ガラス物質
ａ₁ コア部の半径
ａ₂ コア部の中心から空孔までの距離
Ｒ空孔の半径
ｒ₁，ｒ₂ ガラス物質の半径

Claims

コア部と、前記コア部よりも小さい屈折率を有するクラッド部からなる光ファイバであって、前記クラッド部中に光ファイバ軸心方向に複数個の空気層と当該クラッド部と同等または当該クラッド部よりも小さい屈折率を有する複数個のガラス層が混在する領域が、光ファイバ軸心方向に連続し、かつ、前記コア部の周囲を取り囲むように当該クラッド部中に形成された３個以上の空孔のそれぞれの内部に形成された領域であり、前記ガラス層により前記空孔が閉塞される、光ファイバの製造方法であって、
コア部と前記コア部よりも屈折率の小さいクラッド部を有する光ファイバプリフォームを作製する第１プロセスと、
前記第１プロセスで作製された光ファイバプリフォームのクラッド部に光ファイバ軸心方向に連続し、かつ、前記コア部の周囲を取り囲むように当該クラッド部中に３個以上の空孔を設ける第２プロセスと、
前記第２プロセスで設けた空孔中に前記クラッド部と同等または前記クラッド部よりも小さい屈折率を有するガラス物質からなり空孔直径よりも小さい所定の立体形状を有する複数のガラス体を挿入する第３プロセスと、
前記第３プロセスで得られた光ファイバプリフォームを溶融延伸する第４プロセスとを備えた
ことを特徴とする光ファイバの製造方法。