(57)【要約】【課題】ガラス欠陥由来の伝送ロス増を低減することができるとともに、製造コストの増加を抑制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、シリカ系ガラスからなる光ファイバであって、コア１０と、コア１０を取り囲みコア１０の屈折率より小さい屈折率を有するクラッド２０と、を含む。コア１０の半径の１／２の位置を境界としてコア１０を内側コア１１と外側コア１２とに区分したときに、内側コア１１の平均塩素濃度が外側コア１２の平均塩素濃度より大きい。コア１０がアルカリ金属元素群の何れかを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ系ガラスからなる光ファイバであって、
コアと、前記コアを取り囲み前記コアの屈折率より小さい屈折率を有するクラッドと、を含み、
前記コアの半径の１／２の位置を境界として前記コアを内側コアと外側コアとに区分したときに、前記内側コアの平均塩素濃度が前記外側コアの平均塩素濃度より大きく、
前記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、
光ファイバ。
【請求項２】
前記コアにおける塩素濃度の径方向変化率が−１０wtppm/μｍ以下である、
請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記内側コアの平均塩素濃度が１００wtppm〜２０００wtppmである、
請求項１または２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記外側コアの平均塩素濃度が１００wtppm〜２０００wtppmである、
請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記内側コアの平均塩素濃度Ａと前記外側コアの平均塩素濃度Ｂとの比Ａ／Ｂが１.５より大きい、
請求項１〜４の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記内側コアの平均塩素濃度Ａと前記外側コアの平均塩素濃度Ｂとの比Ａ／Ｂが２.０より大きい、
請求項１〜５の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記コアがフッ素を含む、
請求項１〜６の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記コアにおける平均フッ素濃度が５００〜５０００wtppmである、
請求項７に記載の光ファイバ。
【請求項９】
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０.２〜２００wtppmである、
請求項１〜８の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項１０】
前記コアがアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素としてナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、カルシウムの何れかを含む、
請求項１〜９の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項１１】
波長１５５０ｎｍにおいて伝搬するモードの数が１である、
請求項１〜１０の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項１２】
波長１５５０ｎｍにおいて伝搬するモードの数が２以上である、
請求項１〜１０の何れか１項に記載の光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、シリカ系ガラスの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んでいると、光ファイバ母材を線引して光ファイバを製造する際にコアの粘性が低減されるともにガラスの再配列が促進されるので、光ファイバのレイリ散乱起因の伝送ロスが低減される。以下では、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素の双方を「アルカリ金属元素群」という。
【０００３】
アルカリ金属元素群を含むコアにおいて塩素が含有されていない場合（または、塩素含有量が少ない場合）、光ファイバ母材の状態ではコアの中心部に添加されていたアルカリ金属元素群が線引時に拡散する際に、ガラス分子構造の結合が切断されてガラス欠陥が発生し、それ由来の伝送ロス増が発生する。コアが十分な量の塩素を含んでいる場合、その塩素によってアルカリ金属元素群がガラス欠陥に結合することで、ガラス欠陥の発生が抑制され、ガラス欠陥由来の伝送ロス増が低減される。
【０００４】
このようなガラス欠陥由来の伝送ロス増を低減するため、特許文献１，２に開示された発明の光ファイバのコアは、アルカリ金属元素群に加えて、塩素をも含んでいる。特許文献１に開示された発明では、コアを内側コアと外側コアとに区分したときに、内側コアの塩素濃度は０〜１００ mol ppmであり、外側コアの塩素濃度は５００ mol ppm以上である。特許文献２に開示された発明では、内側コアの塩素濃度は０〜１０００ mol ppmであり、外側コアの塩素濃度は４０００ mol ppm以上である。
【０００５】
特許文献１，２の何れにおいても、内側コアの塩素濃度が外側コアの塩素濃度より小さい。これにより、アルカリ金属元素群を添加する内側コアの部分の塩素濃度を低くして結晶化を抑制しつつ、外側コアの塩素濃度を高くして線引時に生じるガラス欠陥を修復しガラス欠陥起因のロス増を抑制することができると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５４１７９６号公報
【特許文献２】特開２０１７−７６０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１，２に開示された発明のように外側コアの塩素濃度を内側コアの塩素濃度より大きくすると、光ファイバ製造コストが高くなる。
【０００８】
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、ガラス欠陥由来の伝送ロス増を低減することができるとともに、製造コストの増加を抑制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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光ファイバは、シリカ系ガラスからなる光ファイバであって、コアと、前記コアを取り囲み前記コアの屈折率より小さい屈折率を有するクラッドと、を含む。前記コアの半径の１／２の位置を境界として前記コアを内側コアと外側コアとに区分したときに、前記内側コアの平均塩素濃度が前記外側コアの平均塩素濃度より大きい。また、前記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。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の光ファイバは、ガラス欠陥由来の伝送ロス増を低減することができるとともに、製造コストの増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、光ファイバ１の断面図である。
【図２】図２は、光ファイバ製造方法を説明するフローチャートである。
【図３】図３は、製造し評価した１１種の光ファイバＡ〜Ｋそれぞれの諸元を纏めた表である。
【図４】図４は、光ファイバＡ〜Ｋそれぞれについて波長１５５０ｎｍにおける伝送損失とコア全体の平均塩素濃度とをプロットしたグラフである。
【図５】図５は、光ファイバＢにおける塩素濃度の径方向分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
図１は、光ファイバ１の断面図である。光ファイバ１は、シリカ系ガラスからなる光ファイバであって、コア１０と、コア１０を取り囲みコア１０の屈折率より小さい屈折率を有するクラッド２０と、を含む。コア１０の半径の１／２の位置を境界としてコア１０を内側コア１１と外側コア１２とに区分したときに、内側コア１１の平均塩素濃度が外側コア１２の平均塩素濃度より大きい。また、コア１０がアルカリ金属元素群の何れかを含む。
【００１４】
内側コア１１の平均塩素濃度が外側コア１２の平均塩素濃度より大きいことは、アルカリ金属元素群の濃度が大きい領域で塩素濃度も大きいことを意味する。したがって、アルカリ金属元素群の拡散に起因するガラス欠陥による伝送損失のロス増を抑制することができ、さらには水素ロス増を抑制できる。
【００１５】
光ファイバ１において、コア１０における塩素濃度の径方向変化率が−１０wtppm/μｍ以下であるのが好適である。なお、塩素濃度の径方向変化率は、塩素濃度を、径方向位置を変数として係数を最小二乗法で決定した一次関数式で近似した場合の一次関数式の傾きとする。内側コア１１の平均塩素濃度が１００wtppm〜２０００wtppmであるのが好適である。外側コア１２の平均塩素濃度が１００wtppm〜２０００wtppmであるのが好適である。
【００１６】
光ファイバ１において、内側コア１１の平均塩素濃度Ａと外側コア１２の平均塩素濃度Ｂとの比Ａ／Ｂが１.５より大きいのが好適である。また、比Ａ／Ｂが２.０より大きいのが更に好適である。
【００１７】
光ファイバ１において、コア１０がフッ素を含むのが好適である。コアにフッ素を添加することで、粘性を下げることができ、伝送ロスを下げることができる。また、コア１０における平均フッ素濃度が５００〜５０００wtppmであるのが好適である。フッ素を５００wtppm以上添加しないと、粘性が十分に下がらずにロスを低減することができない。一方で、フッ素を５０００wtppm以上添加すると、濃度揺らぎのロス増分が粘性低下によるロス低減分を上回り、低ロス化できない場合がある。
【００１８】
光ファイバ１において、コア１０におけるアルカリ金属元素群の平均濃度が０.２〜２００wtppmであるのが好適である。波長１５５０ｎｍにおける伝送損失を０.１６０ｄＢ／ｋｍ以下にするには、アルカリ金属元素群の平均濃度は０.２wtppm以上であることが望ましい。結晶化の発生を抑制するには、アルカリ金属元素群の平均濃度は２００wtppm以下であることが望ましい。コア１０がアルカリ金属元素群としてナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、カルシウムの何れかの元素を一つ又は複数含むのが好適である。
【００１９】
光ファイバ１において、波長１５５０ｎｍにおいて伝搬するモードの数が１であるのが好適であり、この場合には、光ファイバは波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード動作をすることができる。また、波長１５５０ｎｍにおいて伝搬するモードの数が２以上であってもよく、この場合、光ファイバは波長１５５０ｎｍ近傍の帯域で光通信に使用することができる。
【００２０】
図２は、光ファイバ製造方法を説明するフローチャートである。なお、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。光ファイバは、準備工程（ステップＳ１）、添加工程（ステップＳ２）、縮径工程（ステップＳ３）、エッチング工程（ステップＳ４）、中実化工程（ステップＳ５）、延伸研削工程（ステップＳ６）、ロッドインコラプス工程（ステップＳ７）、ＯＶＤ工程（ステップＳ８）および線引工程（ステップＳ９）を順に経て製造される。
【００２１】
準備工程（ステップＳ１）では、アルカリ金属元素等（ドーパント）を拡散させるべきシリカ系ガラスのガラスパイプを準備する。このガラスパイプの元になるシリカ系ガラス円柱体は、ある濃度の塩素及び５００〜５０００ wt 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 wtppm以下である。このシリカ系ガラスのガラスパイプの外直径は３０〜４０ｍｍであり、内直径は１５〜２５ｍｍである。製造した複数の光ファイバそれぞれにおいて塩素濃度が異なるので、光ファイバ状態でのコア平均塩素濃度を後述の表に別途まとめた。また、ここでいう濃度とは、例えばフッ素濃度であれば、下記（１）式で表される濃度とする。Ｆ(ｒ)は、半径ｒの位置でのフッ素濃度を表す。ｃはガラスパイプの元になるシリカ系ガラス円柱体の半径を表す。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
また、このガラスパイプの元になるシリカ系ガラス円柱体は、例えばＶＡＤ（Vapor  phase  axial  deposition）法に拠るスス付け、脱水および焼結の各工程を順に経て作製され得る。この場合、脱水時の供給ガスとしてＣｌ２およびＳｉＣｌ４が用いられるが、焼結時にはススあるいはガラスの表面から脱水工程に添加された塩素が気化し抜けてしまい、外側の塩素濃度が低減する。その脱離を抑制するには、或いは更に高濃度に添加するには、焼結時にも塩素系のガスを供給し続ける必要がある。しかし、これはガス使用量が増えコスト増につながる。
【００２４】
添加工程（ステップＳ２）では、アルカリ金属元素群のドーパントとしてカリウム（Ｋ）元素をシリカ系ガラスのガラスパイプの内表面に添加する。原料として臭化カリウム（ＫＢｒ）６〜１０ｇを用いる。この原料を外部熱源で温度７５０〜８５０℃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系ガラスのガラスパイプの内部に導入しながら、外部から酸水素バーナによってシリカ系ガラスのガラスパイプの外表面が温度１６００〜１８００℃となるようにシリカ系ガラスのガラスパイプを加熱する。このとき、３０〜６０ｍｍ／ｍｉｎの速さでバーナをトラバースさせて合計１０〜１５ターン加熱し、Ｋ元素をシリカ系ガラスのガラスパイプの内表面に拡散添加させる。
【００２５】
縮径工程（ステップＳ３）では、Ｋが添加されたシリカ系ガラスのガラスパイプを縮径する。このとき、シリカ系ガラスのガラスパイプの内部に酸素を０.５〜１.０ＳＬＭ流しながら、外部熱源によってシリカ系ガラスのガラスパイプの外表面が２０００〜２３００℃となるようにシリカ系ガラスのガラスパイプを加熱する。外部熱源をトラバースさせて合計６〜１０ターン加熱し、シリカガラスパイプを内直径が３〜６ｍｍになるまで縮径する。
【００２６】
エッチング工程（ステップＳ４）では、シリカ系ガラスのガラスパイプの内面をエッチングする。このとき、ＳＦ６（０.２〜０.４ＳＬＭ）及び塩素（０.５〜１.０ＳＬＭ）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。
【００２７】
中実化工程（ステップＳ５）では、シリカ系ガラスのガラスパイプを中実化する。中実化工程では、酸素（０.１〜０.５ＳＬＭ）及びＨｅ（０.５〜１.０ＳＬＭ）の混合ガスを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２０００〜２３００℃として、シリカガラスパイプ中実化する。この中実化により、コア部（外径２０〜３０ｍｍ）を得る。このロッドの外側にＯＶＤ（Outside  vapor  deposition）法または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。
【００２８】
延伸研削工程（ステップＳ６）では、コア部を延伸して直径２０〜２５ｍｍとし、更にコア部の外周部を研削して直径１５〜２０ｍｍとする。この部分が光ファイバのコアとなる。コア部は、コア部の半径の半分の位置を境界として中心軸を含む内側コア部と、中心軸を含まない外側コア部とに区分される。コア部の塩素濃度分布は、内側コア部の平均塩素濃度および外側コア部の平均塩素濃度で定義して、後の表に示す複数のコア部を作製した。ここで、内側コア部の平均塩素濃度は下記（２）式で表される。また、外側コア部の平均塩素濃度は下記（３）式で表される。Ｃｌ(ｒ)は半径ｒの位置での塩素濃度を意味する。ｒ０はコア部の半径であり、ｒi＝ｒ０／２ である。例えばコア部が半径７μｍであれば境界位置は半径３.５μｍの位置である。コア部は、光ファイバ全体の最低屈折率のよりも０.１%以上高く且つ中心軸を含む部分とする。
【００２９】
【数２】
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【００３０】
【数３】
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【００３１】
ロッドインコラプス工程（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系ガラス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。
【００３２】
ＯＶＤ工程（ステップＳ８）では、コア部及び第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第２クラッド部をＯＶＤ法により合成して、光ファイバ母材を製造する。
【００３３】
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。線引き速度は１,８００ｍ／ｍｉｎ〜２,３００ｍ／ｍｉｎであり、線引き張力は０.５Ｎである。
【００３４】
図３は、製造し評価した１１種の光ファイバＡ〜Ｋそれぞれの諸元を纏めた表である。この表には、光ファイバＡ〜Ｋそれぞれについて、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失（ｄＢ／ｋｍ）、内側コアの平均塩素濃度Ａ（wtppm）、外側コアの平均塩素濃度Ｂ（wtppm）、コア全体の平均塩素濃度（wtppm）、比Ａ／Ｂ、コア全体の平均Ｋ濃度（wtppm）、コア径（μｍ）、カットオフ波長（ｎｍ）、および、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積（μｍ２）、が示されている。
【００３５】
図４は、光ファイバＡ〜Ｋそれぞれについて波長１５５０ｎｍにおける伝送損失とコア全体の平均塩素濃度とをプロットしたグラフである。この図では、Ａ＞Ｂの場合と、Ａ＜Ｂの場合とで、異なる記号でプロットしている。図５は、光ファイバＢにおける塩素濃度の径方向分布を示す図である。光ファイバＢでは、内側コアの平均塩素濃度は約１０００wtppmであり、外側コアの平均塩素濃度は約５００wtppmである。光ファイバＡ〜Ｋそれぞれについての評価の結果から次のことが言える。
【００３６】
内側コアまたは外側コアの平均塩素濃度が２０００wtppmを超える場合、結晶化が生じる場合があり、歩留りが低下した。外側コアの平均塩素濃度を約５００wtppmとし、内側コアの平均塩素濃度を１００〜１６００ｗｔｐｐｍまで変化させた場合（光ファイバＡ〜Ｅを参照）に、塩素濃度が高い方が伝送損失は低い傾向がある。内側コアの平均塩素濃度Ａが外側コアの平均塩素濃度Ｂより低い場合（光ファイバＦ〜Ｉ）、コア全体の平均塩素濃度（面積平均）と伝送ロスとの関係は、ほぼ同程度の結果である。したがって、内側コアの塩素濃度が高い方が、ガラス体を量産製に優れたＶＡＤ法で作る時のコストが低いという意味で有利である。
【００３７】
伝送損失はコアに含まれるアルカリ金属元素群の濃度にも依存するが、光ファイバＡ〜Ｋでは、アルカリ金属元素群の濃度を約２０wtppmに統一しているため、その影響は小さいと考えられる。
【００３８】
内側コアまたは外側コアの平均塩素濃度が１００wtppm未満である場合（光ファイバＥ，Ｊ）、ロスが大きくなる。したがって、ロス増を抑制するには、コア全体で塩素濃度は１００wtppm以上であることが望ましい。一方、塩素濃度が２０００wtppmを超えると、結晶化してファイバ化できなくなる場合がある。
【符号の説明】
【００３９】
１…光ファイバ、１０…コア、１１…内側コア、１２…外側コア、２０…クラッド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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