(57)【要約】【課題】ガラスファイバ外形に変形を生じさせない短時間の加熱で、所定のＭＦＤに拡大することができるモードフィールド変換に適した光ファイバを提供する。【解決手段】光を導波するコア部１をコア部より屈折率の低いクラッド部２で囲み、クラッド部２は内側の第１クラッド２ａと外側の第２クラッド２ｂからなる光ファイバであって、第１クラッド２ａに４価以外の価数をもつ金属酸化物が添加され、第１クラッド２ａの拡散係数をＤ１、第２クラッド２ｂの拡散係数をＤ２としたとき、Ｄ１＞Ｄ２であるようにしたものである。４価以外の価数を持つ金属酸化物の金属元素は、例えば、ホウ素（Ｂ）又はアルミニウム（Ａｌ）又はリン（Ｐ）であり、また、第１クラッド２ａには、さらにフッ素（Ｆ）を添加して屈折率の調整を行なう。【選択図】        図１
2004295010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を導波するコア部を前記コア部より屈折率の低いクラッド部で囲み、前記クラッド部は内側の第１クラッドと外側の第２クラッドからなる光ファイバであって、
前記第１クラッドに４価以外の価数をもつ金属酸化物が添加され、前記第１クラッドの拡散係数をＤ１、前記第２クラッドの拡散係数をＤ２としたとき、Ｄ１＞Ｄ２であることを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記金属酸化物の金属元素は、ホウ素（Ｂ）又はアルミニウム（Ａｌ）又はリン（Ｐ）であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記第１クラッドに、さらにフッ素（Ｆ）が添加されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記第１クラッドの屈折率をｎ１、前記第２クラッドの屈折率をｎ２としたとき、ｎ１≧ｎ２であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記第１クラッドの直径をｂとしたとき、ｂ＜１５μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光ファイバ。
【請求項６】
モードフィールド径が８μｍ未満であり、「モードフィールド径／カットオフ波長」が６未満であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を導波するコア部をコア部より屈折率の低いクラッド部で囲み、クラッド部は内側の第１クラッドと外側の第２クラッドからなる光ファイバに関し、特に、モードフィールド径を変換するのに用いるのに適した光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、シングルモード光ファイバは、そのモードフィールド径（以下、ＭＦＤという）が１０μｍ以下と非常に小さいため、光ファイバ同士あるいは光部品を光学的に接続する際に、コア部の微小なずれにより、光信号の接続損失を生じやすい。また、ＭＦＤが互いに異なる光ファイバを接続する場合には、ＭＦＤの差に起因する接続損失が生じる。
【０００３】
これらの接続損失の発生を低減するために、接続端のＭＦＤを拡大したり、接続部のＭＦＤが互いに整合するように変換することが行なわれている。ＭＦＤの変換には、ＭＦＤの小さい光ファイバを作製して部分的に拡大させる方法（例えば、特許文献１参照）と、ＭＦＤの大きい光ファイバを作製して部分的に縮小させる方法（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００４】
前者の特許文献１に開示の方法は、コアとクラッドからなる一般的な石英ガラス系の光ファイバを局所的に加熱し、コアに添加されているドーパントを熱拡散させることにより、コアとクラッドの屈折率差を変えて、ＭＦＤを拡大している。ドーパントとしてＧｅ又はＦを添加する例が記載されている。加熱に際しては、光ファイバに張力をかけて真っ直ぐに維持した状態で、対称配置された複数本のマイクロバーナで加熱している。また、マイクロバーナは、光ファイバに対して平行方向に走査可能にして所定の領域を加熱できるようにしている。
【０００５】
後者の特許文献２に開示の方法は、光ファイバのコア部に所定値以上の応力が残留するように線引し、製造時は、コア部の屈折率を小さくしてＭＦＤが大きくなるようにし、この後、光ファイバの所望部分を加熱処理する。この加熱処理された部分は、コア部の残留応力が解放されてコアとクラッドの比屈折率差は大きくなり、ＭＦＤが縮小される。なお、コア部とクラッド部にはフッ素、塩素、酸化ホウ素、５酸化リン、酸化ゲルマニウムの少なくとも１つを添加することが記載されている。
【０００６】
また、この他に、特許文献３に示すように、コア部にＧｅＯ２を添加し、クラッド部を内側クラッドと外側クラッドをもつ２重構造とし、内側クラッドにコア部の半分程度の濃度のＧｅＯ２と、ＧｅＯ２による屈折率の増加を相殺する量のフッ素を添加する光ファイバが開示されている。この光ファイバによれば、コア部から内側クラッド側に熱拡散するドーパントの拡散速度を速くすることができ、ＭＦＤの拡大に要する加熱時間を短縮し、光ファイバの外形を変形させることなく、安定してＭＦＤの拡大を実施することができるとされている。
【０００７】
【特許文献１】
特許２６９３６４９号公報
【特許文献２】
特許３０４９６９７号公報
【特許文献３】
特許３３５５５７５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
コア部に添加されているドーパントをクラッド部側に加熱により熱拡散させ、ＭＦＤを拡大させる場合、加熱手段にマイクロバーナ、電気炉、アーク放電等の種々の方法が用いられる。しかし、何れの加熱方法を用いるとしても、ＭＦＤを所定の値に制御することが難しい。また、ＭＦＤの拡大は、加熱温度を高くすることにより加熱時間を短縮することができるが、加熱温度が高いと光ファイバの外形が変形し、光コネクタへの装着ができなくなったりする。しかし、加熱温度を低くすると加熱時間が増大し、生産性が低下する。
【０００９】
特に、特許文献１に開示のように、コアにドーパントを添加し、クラッド部側に熱拡散させてＭＦＤを拡大する方法は、ＭＦＤを適正な値で停止させるのが困難であり、また、加熱温度が高いのでガラスファイバ外形が変形しやすい。一方、特許文献２に開示の応力歪を緩和しＭＦＤを縮小する方法では、ドーパントの拡散がほとんど生じないので、ＭＦＤの変化範囲は所定値に抑えることができる。しかし、光ファイバの比屈折率差が変化するため、ＭＦＤの形状がガウシアン形状からずれて、ＭＦＤ変換部で損失が生じるという問題がある。
【００１０】
また、特許文献３の２重構造のクラッドを有する光ファイバは、特許文献１の光ファイバと比べて内側クラッドの粘性を低くでき、ＭＦＤ拡大の際にガラスファイバ外形の変形を抑制でき、また、内側クラッドまではドーパントが拡散しやすい。しかし、同文献３で示しているような１１５０℃程度の加熱温度では、ＭＦＤの変化率が減少する領域があり、より短時間でＭＦＤを所定値まで拡大するには、さらに高い加熱温度とする必要がある。この場合、クラッド部のフッ素添加領域と無添加部分との粘性差が小さくなり、上記のような効果が小さくなってしまうという問題がある。
【００１１】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、ガラスファイバ外形に変形を生じさせない短時間の加熱で、所定のＭＦＤに拡大することができるモードフィールド変換に適した光ファイバの提供を課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による光ファイバは、光を導波するコア部をコア部より屈折率の低いクラッド部で囲み、クラッド部は内側の第１クラッドと外側の第２クラッドからなる光ファイバであって、第１クラッドに４価以外の価数をもつ金属酸化物が添加され、第１クラッドの拡散係数をＤ１、第２クラッドの拡散係数をＤ２としたとき、Ｄ１＞Ｄ２であるようにしたものである。４価以外の価数を持つ金属酸化物の金属元素は、例えば、ホウ素（Ｂ）又はアルミニウム（Ａｌ）又はリン（Ｐ）である。第１クラッドには、さらにフッ素（Ｆ）を添加して屈折率の調整を行なう場合もある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図により本発明の実施の形態を説明する、図１（Ａ）は本発明の対象とする光ファイバの断面図、図１（Ｂ）はその屈折率分布を示す図、図２（Ａ）は光ファイバの加熱時間とＭＦＤ拡大の関係を示す図、図２（Ｂ）は実施例１〜３の屈折率分布を示す図、図２（Ｃ）は比較例１の屈折率分布を示す図、図２（Ｄ）は比較例２の屈折率分布を示す図である。
【００１４】
本発明によるモードフィールド径の変換に用いるのに適した光ファイバとしては、特許文献３に示されている構造の光ファイバを対象とする。すなわち、図１（Ａ）に示すように、光を導波するコア部１をコア部１より屈折率の低いクラッド部２で囲み、クラッド部２は内側の第１クラッド２ａと外側の第２クラッド２ｂからなる構造の光ファイバＦである。この構造の光ファイバＦは、Ｇｅを添加したコア部を単一のクラッド部で囲んだ通常の光ファイバを用いてＭＦＤを拡大する場合に比べて、第１クラッド２ａの直径や添加剤を調整することで、ドーパントの拡散速度やＭＦＤの拡大量を制御しやすいと言える。
【００１５】
通常、石英ガラスからなる光ファイバは、コア部等の屈折率を上げる場合に、ドーパントとしてＧｅＯ２やＴｉＯ２のような４価の金属酸化物を添加し、また、クラッド部等で屈折率を下げる場合には、フッ素元素等を添加している。これらの金属酸化物や元素は、ガラスの４面体構造を大幅に変えることなく、熱拡散係数を変えることは困難である。
【００１６】
しかし、本発明者は、４価以外の金属酸化物を、単一又は４価の金属酸化物と共に石英ガラスに添加することで、拡散係数を大幅に変えることができることを見出した。このことから、光ファイバのコア部１に接する第１クラッド２ａの領域に４価以外の金属酸化物を添加することにより、この領域の拡散係数を変え、コア部１のドーパントがクラッド部２側に熱拡散させる拡散速度を速くすることが可能となる。本発明は、上記の事実からコア部１に接する内側の第１クラッド２ａに３価或いは５価の金属酸化物を添加し、第１クラッド２ａの領域における拡散係数Ｄ１を、外側の第２クラッド２ｂの拡散係数Ｄ２より大きくすることにある。
【００１７】
第１クラッド２ａの拡散係数Ｄ１は、第２クラッド２ｂの拡散係数Ｄ２より大幅に大きくする（例えば、一桁以上）ことにより、第１クラッド２ａの領域までは、比較的短時間でコア部１のドーパントを熱拡散させて、所定のＭＦＤに拡大させることができる。しかし、さらにＭＦＤを拡大する場合は、第２クラッド２ｂの領域までドーパントの拡散が必要となるが、第２クラッド２ｂの拡散係数は小さくされているので、急に拡散時間が増加する。すなわち、所定のＭＦＤに拡大するまでの拡散速度は速いが、それ以上のＭＦＤとするには拡散速度を遅くすることができる。
【００１８】
第１クラッド２ａの拡散係数Ｄ１を第２クラッド２ｂの拡散係数Ｄ２より大幅に大きくするには、第１クラッドの領域に、例えば、石英ガラスにＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、等の金属酸化物またはフッ素等を２種以上組合せて添加することにより実現することができる。第２クラッド２ｂの拡散係数Ｄ２を第１クラッド２ａの拡散係数Ｄ１より大幅に小さくするには、第２クラッドには、３価或いは５価の金属酸化物を添加せず、従来と同様に石英ガラスに４価の金属酸化物、フッ素元素等を添加するか、純石英ガラスのままとすればよい。
【００１９】
次に、実施例１〜３及び比較例１〜２により、本発明の作用効果等を説明する。なお、以下において、Δｎ１＝コア部と第２クラッドとの比屈折率差（％）、Δｎ２＝第１クラッドと第２クラッドの屈折率差（％）、ａ＝コア径（μｍ）、ｂ＝第１クラッド直径（μｍ）、λｃ＝カットオフ波長（μｍ）、ＭＦＤｓ＝加熱処理前のＭＦＤ（μｍ）とする。なお、コア部及びクラッド部のガラス基材は、いずれの例も無水の純石英ガラス（ＳｉＯ２）とし、ＭＦＤ拡大のための加熱温度は１７００℃とした。
【００２０】
2004295010.tif 000003
【００２１】
2004295010.tif 000004
【００２２】
2004295010.tif 000005
【００２３】
2004295010.tif 000006
【００２４】
2004295010.tif 000007
【００２５】
以上の結果をまとめると、図２（Ａ）のようになる。本発明の実施例１は、第１クラッドに添加する金属酸化物を「ＧｅＯ２＋Ｂ２Ｏ３」としたもので、４価の金属酸化物ＧｅＯ２は屈折率を上げ、３価の金属酸化物Ｂ２Ｏ３は屈折率を下げるように働き、全体としては第１クラッドと第２クラッドとの比屈折率差Δｎ２が０．０１％、また、第１クラッド径ｂを１０μｍとしたものである。この結果、加熱処理前のＭＦＤ６．６μｍを、１０μｍに拡大するのに要した加熱時間は約３分であった。
【００２６】
実施例２では、第１クラッドに添加する金属酸化物を「Ｐ２Ｏ５＋Ｂ２Ｏ３」としたもので、５価の金属酸化物Ｐ２Ｏ５は屈折率を上げ、３価の金属酸化物Ｂ２Ｏ３は屈折率を下げるように働き、全体としては第１クラッドと第２クラッドとの比屈折率差Δｎ２が０．０１％、また、第１クラッド径ｂを１５μｍとしたものである。この結果、加熱処理前のＭＦＤ６．３μｍを、１０μｍに拡大するのに要した加熱時間は約２．５分であった。
【００２７】
実施例３では、第１クラッドに添加する金属酸化物をＡｌ２Ｏ３とし、これにフッ素を加えたもので、３価の金属酸化物Ａｌ２Ｏ３は屈折率を上げ、フッ素元素は屈折率を下げるように働き、全体としては第１クラッドと第２クラッドとの比屈折率差Δｎ２が０．０１％、また、第１クラッド径ｂを１０μｍとしたものである。この結果、加熱処理前のＭＦＤ６．４μｍを、１０μｍに拡大するのに要した加熱時間は約２．０分であった。
【００２８】
上記の実施例１〜３に対して、比較例１は、コア部に隣接して第１クラッドを設けず、コア部を直接純石英ガラスで囲んで屈折率差をつけた一般的なシングルモードの光ファイバである。このため、加熱処理前のＭＦＤ６．５μｍを、１０μｍに拡大するのに要した加熱時間は約１４分であった。
【００２９】
この比較例１と実施例１〜３におけるＭＦＤの拡大と加熱時間の関係を見ると、比較例１においては、加熱時間とＭＦＤの拡大がほぼ直線的で比例している。これに対し、実施例１〜３においては、ＭＦＤが１０μｍ近くまで拡大するのに３分以下の比較的短時間で行なうことができる。しかし、それ以上のＭＦＤに拡大しようとする場合、例えば１５μｍ以上とするには１５分以上を要し、比較例１の場合とトータル時間では大きな差はなくなる。
【００３０】
光通信において、最も多用されているシングルモード光ファイバのＭＦＤが、９μｍ〜１１μｍであるので、１０μｍ近くまでのＭＦＤ拡大の需要が最も多いと想定される。したがって、この１０μｍ付近までのＭＦＤ拡大を、ファイバ外形を変形させることなく短時間で行なうことができれば、実用的である。このＭＦＤを短時間で拡大する範囲の設定は、第１クラッドのコア径、拡散係数等を変えることにより可能である。
【００３１】
すなわち、実施例１〜３のように第１クラッドの石英ガラス（ＳｉＯ２）に、３価又は５価の金属酸化物の少なくとも１種類を添加することにより、第１クラッド領域の拡散係数を変えることができる。３価又は５価の金属酸化物の金属元素として、ホウ素（Ｂ）又はアルミニウム（Ａｌ）又はリン（Ｐ）の例を示したが、他の金属酸化物を用いても、同様な作用効果を期待することができる。また、４価の金属酸化物と共に添加することで屈折率を調整することもできる。さらに、第１クラッドにフッ素を添加することによっても、第１クラッドの屈折率を下げ、コア部との比屈折率差を調整するようにしてもよい。
【００３２】
また、比較例２は、第１クラッドに屈折率を下げる３価の金属酸化物Ｂ２Ｏ３を単一で添加し、第１クラッドと第２クラッドとの比屈折率差Δｎ２がマイナスになるデプレストクラッド形の光ファイバとしたものである。このデプレストクラッド形の光ファイバでは、ＭＦＤ拡大の加熱処理を行なうと損失も増加してしまう。図２によれば、単一の３価金属酸化物の添加によっても、ＭＦＤを拡大するのに要する加熱時間を短縮することを示しているが、単一で添加する場合屈折率分布の調整が困難となることがある。したがって、第１クラッドの比屈折率をｎ１とし、第２クラッドの屈折率をｎ２としたとき、ｎ１≧ｎ２となるように添加する金属酸化物を選定し、デプレストが生じないようにするのが望ましい。
【００３３】
また、上述したようにＭＦＤを拡大する際に、加熱開始からＭＦＤ拡大の速度が速い領域Ｔ１の後、ＭＦＤの拡大速度が遅くなる領域Ｔ２となる。このＭＦＤ拡大が遅くなる領域Ｔ２では、加熱条件（時間、温度など）の許容誤差（許容範囲）を大きく取ることができ、ＭＦＤの制御がしやすくなる。したがって、この領域Ｔ２でＭＦＤを制御して、ＭＦＤを所定の範囲に精度よく拡大させることが可能となる。
【００３４】
また、光ファイバのＭＦＤがあまり大きくなると、接続端における角度ずれに起因する損失が問題となってくる。しかし、ＭＦＤが１５μｍ未満であれば、光コネクタ接続等の許容範囲である０．２度までの角度ずれによる損失は、無視できる程度である。したがって、上記のＭＦＤの拡大を１５μｍ未満に押えるようにするには、第１クラッドの直径ｂを１５μｍ未満で形成しておくことにより、これに近いＭＦＤに制御しやすくなる。そして、領域Ｔ２の範囲を利用して、ＭＦＤを１５μｍ未満に正確に制御して、接続時の角度ずれによる損失増加が生じないようにすることができる。
【００３５】
また、近年において、光ファイバの曲げに対する損失を改良することが要望されている。光ファイバを小さい曲げ径で曲げることにより、光ファイバの収納性、作業性等を高めることができるが、このためには、ＭＦＤは８μｍ以下とするのが望ましい。しかし、光ファイバのＭＦＤを単に小さくするだけでは不充分であり、光ファイバのカットオフ波長λｃの調整も必要で、曲げ半径１０ｍｍで０．１ｄＢを実現するには、ＭＡＣ値が６以下となるような光ファイバが望ましい。なお、ＭＡＣとは、モードフィールド径をカットオフ波長で割った値、すなわち「ＭＦＤ／λｃ」である。
【００３６】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、光ファイバのモードフィールド径の拡大に際して、ガラスファイバ外形を変形させることなく、短時間の加熱で所定のモードフィールド径に拡大することができ、また、その拡大量を所定値に制御することが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施対象となる光ファイバの概略図である。
【図２】本発明の実施例と比較例を説明するための図である。
【符号の説明】
１…コア部、２…クラッド部、２ａ…第１クラッド、２ｂ…第２クラッド。
【図１】
2004295010.tif 000008
【図２】
2004295010.tif 000009