(57)【要約】【課題】低損失でナノスケール構造的に均一なコアを有する光ファイバを提供する。【解決手段】光ファイバは、約６００ｃｍ−１の周波数シフトを有するラマンスペクトルにてファイバが０．０２５未満の積分Ｄ２線欠陥強度のナノスケール構造体を有するように構成されたそれぞれの量で１つ以上の粘度降下ドーパントでドープされたコア領域を有する。あるいは、コア領域は、ファイバが２０ＭＰａ超の応力及びコア半径の２〜７倍の応力の径方向範囲の残留軸圧縮応力を有するように構成されたそれぞれの量で１つ以上の粘度降下ドーパントでドープされる。他の態様では、ファイバを通る光伝搬の大部分は、コア領域及び１以上の隣接クラッド領域を備えるファイバ領域の同定された群によって支えられる。ファイバ領域は、同定群のファイバ領域間で粘度マッチングを実現するように構成されたそれぞれの量及び径方向位置で１つ以上の粘度降下ドーパントでドープされる。【選択図】図１９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア領域及び周囲のクラッド領域を含む複数の同心のファイバ領域を備え、該複数の同心のファイバ領域は、選択された屈折率プロファイルを形成するように構成されたそれぞれの量及び径方向位置で、１つ以上の屈折率変更ドーパントでドープされており、
前記コア領域は、約６００ｃｍ−１の周波数シフトを有するラマンスペクトルにおいて前記ファイバが０．０２５未満の積分したＤ２線欠陥強度を有するナノスケール構造体を有するように構成されたそれぞれの量で、１つ以上の粘度降下ドーパントでドープされている、光ファイバ。
【請求項２】
前記コア領域が、ある量のＰドーパント、Ｃｌドーパント及びＦドーパントでドープされており、
前記Ｐドーパントの量が０．２％と２％の間であり、
前記Ｃｌドーパントの量が０ｐｐｍと１５０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｆドーパントの量が０ｐｐｍと１５００００ｐｐｍの間である、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記コア領域が、ある量のＫドーパント、Ｃｌドーパント及びＰドーパントでドープされており、
前記Ｋドーパントの量が５ｐｐｍと２０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｃｌドーパントの量が１００ｐｐｍと１５０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｐドーパントの量が０％と２％の間である、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記コア領域が、ある量のＲｂドーパント、Ｃｌドーパント及びＰドーパントでドープされており、
前記Ｒｂドーパントの量が５ｐｐｍと２０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｃｌドーパントの量が１００ｐｐｍと１５０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｐドーパントの量が０％と２％の間である、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記コア領域が、ある量のＮａドーパント、Ｆドーパント及びＰドーパントでドープされており、
前記Ｎａドーパントの量が５ｐｐｍと２０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｆドーパントの量が１００ｐｐｍと１５０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｐドーパントの量が０％と２％の間である、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項６】
選択された屈折率プロファイルを形成するように構成されたそれぞれの量及び径方向位置で１つ以上の屈折率変更ドーパントでドープされたコア領域及び周囲のクラッド領域を含む複数の同心のファイバ領域を備え、
前記コア領域は、前記ファイバが２０ＭＰａよりも大きい応力の大きさ及びコア半径の２倍と７倍の間の応力の径方向範囲を有する残留軸圧縮応力を有するように構成されたそれぞれの量で、１つ以上の粘度降下ドーパントでドープされている、光ファイバ。
【請求項７】
前記コア領域が、ある量のＫドーパント、Ｃｌドーパント及びＰドーパントでドープされており、
前記Ｋドーパントの量が５ｐｐｍと２０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｃｌドーパントの量が１００ｐｐｍと１５０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｐドーパントの量が０％と２％の間である、請求項６に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記コア領域が、ある量のＲｂドーパント、Ｃｌドーパント及びＰドーパントでドープされており、
前記Ｒｂドーパントの量が５ｐｐｍと２０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｃｌドーパントの量が１００ｐｐｍと１５０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｐドーパントの量が０％と２％の間である、請求項６に記載の光ファイバ。
【請求項９】
前記コア領域が、ある量のＮａドーパント、Ｆドーパント及びＰドーパントでドープされており、
前記Ｎａドーパントの量が５ｐｐｍと２０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｆドーパントの量が１００ｐｐｍと１５０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｐドーパントの量が０％と２％の間である、請求項６に記載の光ファイバ。
【請求項１０】
選択された屈折率プロファイルを形成するように構成されたそれぞれの量及び径方向位置で１つ以上の屈折率変更ドーパントでドープされたコア領域、ペデスタル領域、内側トレンチ領域、及び周囲のクラッド領域を含む複数の同心のファイバ領域を備え、
前記ファイバを通過する光の伝搬の大部分が、前記コア領域及び１つ以上の隣接クラッド領域を備えるファイバ領域の同定されたグループによって支えられており、
前記ファイバ領域は、選択された線引き温度でのファイバ線引き中に、ファイバ領域の前記同定されたグループの前記ファイバ領域間で粘度マッチングを実現するように構成されたそれぞれの量及び径方向位置で、１つ以上の粘度降下ドーパントでドープされている、光ファイバ。
【請求項１１】
前記ファイバが、ある量の粘度降下Ｋドーパント及びＣｌドーパントでドープされており、
前記Ｋドーパントの量が５ｐｐｍと２０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｃｌドーパントの量が１００ｐｐｍと１５０００ｐｐｍの間である、請求項１０に記載の光ファイバ。
【請求項１２】
前記ファイバが、ある量の粘度降下Ｒｂドーパント、Ｃｌドーパント及びＰドーパントでドープされており、
前記Ｒｂドーパントの量が５ｐｐｍと２０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｃｌドーパントの量が１００ｐｐｍと１５０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｐドーパントの量が０％と２％の間である、請求項１０に記載の光ファイバ。
【請求項１３】
前記ファイバが、ある量の粘度降下Ｎａドーパント及びＦドーパントでドープされており、
前記Ｎａドーパントの量が５ｐｐｍと２０００ｐｐｍの間であり、
前記Ｆドーパントの量が１００ｐｐｍと１５００００ｐｐｍの間である、請求項１０に記載の光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１５年７月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／１９６４６５号の優先権の利益を主張し、それは本願の出願人により所有されるものであり、その全体が参照によりここに組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概してファイバ光学の分野に関し、特に、低損失でナノスケール構造的に均一なコアを有する改良型光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００３】
インターネットサービスの急速な普及により、長距離にわたって大容量のデータを伝送可能な低損失光ファイバに対する需要が指数関数的に増加している。
【０００４】
コアの均一性は、光学的な伝送性能に多大な影響を与えている。現在の製造ファイバは、ゲルマニウム（Ｇｅ）がドープされたコアを有し、通常は０．１８ｄＢ／ｋｍを超える減衰を有する。このような高い減衰は、ナノスケールの結晶欠陥だけでなくゲルマニウムドーパントからの散乱によるものである。ゲルマニウムフリーなコアを有するファイバによって減衰の原因の１つを除くことができるが、減衰を０．１８ｄＢ／ｋｍ未満にまでさらに減少させるように、ファイバコアのナノスケールの結晶欠陥濃度を減少させることが重要である。
【０００５】
光ファイバを線引きする速度を低下させることにより、ナノスケールの結晶欠陥の濃度を減少させることが可能となる。しかしながら、より低い線引き速度の使用によって、ファイバを製造するのに要する時間が増加してしまい、製造コストが増加してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ａ．Ｅ．Ｇｅｉｓｓｂｅｒｇｅｒ及びＦ．Ｌ．Ｇａｌｅｅｎｅｒ著、「Ｒａｍａｎ  ｓｔｕｄｉｅｓ  ｏｆ  ｖｉｔｒｅｏｕｓ  ＳｉＯ２  ｖｅｒｓｕｓ  ｆｉｃｔｉｖｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、ｖｏｌ．２８、ｎｏ．６、ｐｐ．３２６６−３２７１（１９８３）
【非特許文献２】Ｖｕｋｅｌｉｃ他著、「Ｓｔｒｕｃｕｒａｌ  Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｆｕｓｅｄ  Ｓｉｌｉｃａ  Ｕｎｄｅｒ  Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ」、ＡＳＭＥ  ２００８  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｓｃｉｓｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．１、Ｅｖａｎｓｔｏｎ、ＩＬ、ＵＳＡ、Ｏｃｔｏｂｅｒ  ７−１０、２００８
【発明の概要】
【０００７】
これら及び他の論点は、本発明の態様、すなわち低損失でナノスケール構造的に均一なコアを有する光ファイバに関する態様によって対処される。
【０００８】
本発明の一態様に係る光ファイバは、コア領域及び周囲のクラッド領域を含む複数の同心のファイバ領域を備え、複数の同心のファイバ領域は、選択された屈折率プロファイルを形成するように構成されたそれぞれの量及び径方向位置で、１つ以上の屈折率変更ドーパントでドープされている。コア領域は、約６００ｃｍ−１の周波数シフトを有するラマンスペクトルにおいて、ファイバが０．０２５未満の積分したＤ２線欠陥強度を有するナノスケール構造を有するように構成されたそれぞれの量で１つ以上の粘度降下ドーパントでドープされている。
【０００９】
本発明の更なる態様によれば、コア領域は、ファイバが２０ＭＰａよりも大きな応力の大きさ及びコア半径の２倍と７倍の間の応力の径方向範囲を有する残留軸圧縮応力を有するように構成されたそれぞれの量で、１つ以上の粘度降下ドーパントでドープされている。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、ファイバを通過する光の伝搬の大部分は、コア領域及び１つ以上の隣接クラッド領域を備えるファイバ領域の同定されたグループによって支えられている。ファイバ領域は、同定されたグループのファイバ領域間で粘度マッチングを実現するように構成されたそれぞれの量及び径方向位置で、１つ以上の粘度降下ドーパントでドープされている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的なステップインデックス型光ファイバの等角図である。
【図２】図１に示したファイバの屈折率プロファイルを示す図である。
【図３】内付化学的気相堆積（ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術に従って一連の化学的スート（ｓｏｏｔ）層が堆積された内周を有するサブストレート管の等角図である。
【図４】図３に示したサブストレート管の焼結及び圧密から生じるプリフォームの等角図である。
【図５】図４に示したプリフォームからのファイバの線引きを例示する図である。
【図６】例示的なシリカ分子ネットワークの三次元模式図である。
【図７】複数のファイバを２つのグループで測定したラマンスペクトルを示す図であり、第１のグループは、ハロゲンドーパントがドープされたコアを有し、第２のグループは、ハロゲン及びアルカリドーパントの双方がドープされたコアを有する。
【図８】複数のファイバを２つのグループで測定したラマンスペクトルを示す図であり、第１のグループは、ハロゲンドーパントがドープされたコアを有し、第２のグループは、ハロゲン及びアルカリドーパントの双方がドープされたコアを有する。
【図９】図７及び図８のファイバの２つのグループにおける、積分したＤ２線強度を示す表を示す図である。
【図１０】１５５０ｎｍでのファイバの減衰とＤ２欠陥線強度の間の概略相関を例示するグラフを示す図である。
【図１１】アルカリ及びハロゲンについてイオン半径及び電荷を列挙した表を示す図である。
【図１２】比較的低いＫドーパント濃度を含む２つの例示的なプリフォームについての径方向位置に対するカリウム及び塩素ドーパント濃度を示す図である。
【図１３】比較的低いＫドーパント濃度を含む２つの例示的なプリフォームについての径方向位置に対するカリウム及び塩素ドーパント濃度を示す図である。
【図１４】比較的高いＫドーパント濃度を含む２つの例示的なプリフォームについての径方向位置に対するカリウム及び塩素ドーパント濃度を示す図である。
【図１５】比較的高いＫドーパント濃度を含む２つの例示的なプリフォームについての径方向位置に対するカリウム及び塩素ドーパント濃度を示す図である。
【図１６】図１４にて塩素及びカリウムドーパント濃度がプロットされたプリフォームサンプルの顕微鏡写真である。
【図１７Ａ】アルカリフリーなファイバにおける径方向の位置の関数として屈折率を示す図である。
【図１７Ｂ】径方向の位置の関数としてファイバの軸応力プロファイルを示す図である。
【図１８Ａ】ファイバが線引きされたプリフォームの中心でＫドーパントが堆積されたファイバにおける径方向の位置の関数として屈折率を示す図である。
【図１８Ｂ】径方向の位置の関数としてファイバの軸応力プロファイルを示す図である。
【図１９】コア領域にカリウムをドープしてナノスケールの結晶欠陥の濃度が減少したファイバの損失スペクトルを示す図である。
【図２０】本発明の更なる態様による光ファイバの側面を示す図である。
【図２１】本発明の更なる態様による光ファイバの正面を示す図である。
【図２２】図２０及び図２１に示したファイバの屈折率プロファイルを示す図である。
【図２３】図２０及び図２１に示したファイバに対する、幾つかのパラメータ及びドーピング体系（ｄｏｐｉｎｇ  ｓｃｈｅｍｅ）を記述する表を示す図である。
【図２４】本発明の種々の態様における例示的なコアのドーピング体系を記述する表を示す図である。
【図２５】Ｄ２欠陥線強度を決定するための、ガウス型、ローレンツ型及び多項式のスペクトル成分へのラマンスペクトルのデコンボリューション（逆重畳積分、ｄｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）の例を示す図である。
【図２６】Ｄ２欠陥線強度を決定するための、ガウス型、ローレンツ型及び多項式のスペクトル成分へのラマンスペクトルのデコンボリューションの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、コアの均一性の度合いが高い低損失光ファイバ、及びこのようなファイバの製造対する技術に関する。以下に記載する本発明の例示的な実施形態によって、３ｍ／秒以上の速度で線引きをしても、１５５０ｎｍで０．１８ｄＢ／ｋｍ以下の減衰を実現できるファイバ設計が提供される。
【００１３】
本発明の一態様によれば、上述のファイバ特性は、１つ以上の粘度降下ドーパントを含むドーパント体系に応じてファイバプリフォームのコア領域をドープすることにより得られる。後述する本発明の多数の実施形態において、アルカリは、粘度降下ドーパントとして用いられる。後述のように、ファイバプリフォームのコア領域にのみ添加されたアルカリドーパントの粘度降下特性は、そのコア領域を越えたところまでに及び、それによってプリフォームを光ファイバに線引きする際のナノ結晶欠陥の形成が大幅に減少することになる。
【００１４】
図１は、例示的なステップインデックス型光ファイバ１００の図を示し、それにより本説明の背景が提供される。ここに記載された技術が他のファイバ設計に適用可能であることが理解されるであろう。
【００１５】
ファイバ１００は、複数の同心領域を作るように化学ドーパントが添加されたシリカ（ＳｉＯ２）から製造され、それら同心領域の各々は、それぞれの屈折率により特徴づけられている。ファイバ１００は、コア領域１０１、内側トレンチ領域１０２、ショルダー領域１０３及び外側クラッド領域１０４を備える。
【００１６】
図２は、ファイバ１００に対する例示的な屈折率プロファイル１１０を示し、高ドープコア１１１、低ドープトレンチ１１２、高ドープショルダー１１３及び低ドープ外側クラッド領域１１４を示す。なお、ステップインデックス型光ファイバの設計においては、分数の屈折率差Δｎｒｅｇｉｏｎを用いて屈折率を表現するのが一般的である。
【数１】
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なお、ｎｒｅｇｉｏｎは所与のファイバ領域の屈折率であり、ｎ０は参照屈折率（一般的にはアンドープシリカの屈折率）である。
【００１７】
説明の便宜上、内付化学的気相堆積（ＭＣＶＤ）技術を用いてファイバ１００を製造するものとする。ただし、ここに記載する本発明の態様は、他のファイバ製造技術に対して一般に適用可能であることは明らかである。
【００１８】
ＭＣＶＤ技術では、大直径のシリカベースサブストレート管がラス上に載置され、その長手方向軸を中心にして連続的に回転される。管が回転されるにつれて、管の内周には、化学的スートの層が堆積される。必要に応じて化学ドーパントを添加しながら、（それぞれのファイバ領域に対応する）プリフォーム領域の各々が一層ずつ形成される。
【００１９】
図３に、焼結及び圧密前のＭＣＶＤプリフォーム１２０の等角図を示す。それぞれがファイバ１００のコア１０１、内側トレンチ１０２及びショルダー１０３に対応するプリフォーム領域１２１、１２２及び１２３は、サブストレート管１２４の内周に一層ずつ形成されており、それはファイバ１００の外側クラッド１０４に対応する。なお、プリフォーム領域１２３がまず形成され、プリフォーム１２１のコア領域が最後に形成される。
【００２０】
全てのプリフォーム領域が形成された後に、サブストレート管は加熱されてスート層が焼結され、管及びスート層は溶融及び圧密されて、図４に示す円柱状のプリフォーム１３０となる。図５に模式的に示すように、その後プリフォーム１３０は線引きタワーに載置され、プリフォーム領域１３１、１３２、１３３及び１３４（図４）に対応する（図３における、スート領域１２１、１２２及び１２３並びにサブストレート管１２４にも対応する）コア及び周辺領域を有する光ファイバ１４０に線引きされる。重量の印１４１及び矢印１４２で示すように、ファイバ１４０が線引きされるにつれてファイバ１４０には制御された張力が付加される。
【００２１】
後述するように、従来のドーピング体系と共に用いた場合の図５に例示したファイバ線引きプロセスにより、線引きされたファイバのナノ結晶欠陥が相対的に高い濃度となってしまい、それによって同様に相対的に高いレベルの減衰が引き起こされる。
【００２２】
本発明の態様は、次の特性を有する光ファイバをもたらすドーピング体系に関する。
（ａ）ナノスケールで構造的に均一なコア、
（ｂ）ファイバコア及び隣接領域における広範囲な圧縮軸応力、並びに
（ｃ）ファイバ中の光伝搬の大きな割合を支えるファイバの放射状領域の間をマッチングする粘度。
【００２３】
本発明の理論的な原理を以下に記述し、その後に本発明の幾つかの実施形態の説明が続く。
【００２４】
図６は、例示的なシリカ分子ネットワーク１５０の三次元模式図である。ナノ結晶欠陥は、他のアモルファスネットワーク内における四重及び三重リング構造１５１及び１５２の形成から生じる。これらリング構造の欠陥構造は、Ａ．Ｅ．Ｇｅｉｓｓｂｅｒｇｅｒ及びＦ．Ｌ．Ｇａｌｅｅｎｅｒ著、「Ｒａｍａｎ  ｓｔｕｄｉｅｓ  ｏｆ  ｖｉｔｒｅｏｕｓ  ＳｉＯ２  ｖｅｒｓｕｓ  ｆｉｃｔｉｖｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、ｖｏｌ．２８、ｎｏ．６、ｐｐ．３２６６−３２７１（１９８３）（非特許文献１）により報告され、Ｖｕｋｅｌｉｃ他著、「Ｓｔｒｕｃｕｒａｌ  Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｆｕｓｅｄ  Ｓｉｌｉｃａ  Ｕｎｄｅｒ  Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ」、ＡＳＭＥ  ２００８  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｓｃｉｓｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．１、Ｅｖａｎｓｔｏｎ、ＩＬ、ＵＳＡ、Ｏｃｔｏｂｅｒ  ７−１０、２００８（非特許文献２）の図１に例示された。
【００２５】
これらリング構造内では、Ｏ−Ｓｉ−Ｏ結合角は約１０２°であり、それは、ほぼ完全なＳｉＯ４の四面体における約１０９°の結合角よりも小さい。線引きプロセス中に導入され、かつファイバの冷却時に欠陥構造中に蓄積される歪エネルギーにより、より小さいＯ−Ｓｉ−Ｏ結合角を形成するようなＳｉＯ４四面体の歪が生じる。
【００２６】
光ファイバ中のナノスケールの結晶欠陥の存在を、ラマン分光学を用いることによって定量化することができる。光ファイバのコアで測定されたラマンスペクトルは、シリカネットワークのアモルファスの特質に起因して比較的広い。この広域ラマンスペクトルの中では、比較的鋭いピークが検知され、そのピークはアモルファスネットワーク中で高い歪エネルギーを有するナノスケールの結晶欠陥を表している。約５００ｃｍ−１及び６００ｃｍ−１のラマンシフトでの鋭いＤ１及びＤ２「欠陥」線は、バルクのガラス状のシリカのラマンスペクトルに現れる。このような欠陥線の強度は、ナノ結晶欠陥の濃度とともに増加する。
【００２７】
ナノスケールの結晶欠陥は、光ファイバ中の散乱の中核をなし、ファイバの減衰を増加させる。これら構造的な欠陥はまた、それらは色中心を一層形成する傾向にあるので、水素又は環境放射に晒されると追加の損失をもたらす。特に低い線引き温度での、高速のファイバの線引きによって、これらナノスケールの結晶欠陥数がさらに増加し、その結果、減衰がより高くなる。このような構造的な欠陥を減少させるためには低速でのファイバ線引きが必要であるが、これによってファイバ製造コストがより高くなってしまう。したがって、特にファイバコアにおける、ナノスケールの結晶欠陥の構造的な欠陥の濃度を減少させることが望ましい。
【００２８】
光ファイバにおけるラマンスペクトル測定によって（すなわち、光伝送パワーの８０％超を搬送するファイバの部分内で）ファイバコアでのナノスケールの結晶欠陥の直接の測定値が得られる。ナノスケールの結晶欠陥の種類及び濃度は、プリフォームの製造中（例えば、管崩壊を含む、高密度化及び圧密中の環境及び温度）及びファイバの線引き中（例えば、線引き張力、線引き速度及び線引き温度）のプロセス条件だけでなく、ファイバコアのガラス組成により影響を受ける。したがって、ナノスケールの結晶欠陥に対するラマンスペクトル測定によって、伝送ファイバの光学的な性能に関する最も妥当なデータが提供される。
【００２９】
図７及び図８は、１３個の異なる光ファイバで測定したラマンスペクトル１６０及び１７０を示す図であり、各々は２つのグループのうちの１つに属する。グループＡでは、ファイバコアはハロゲンドーパントでドープされ、グループＢでは、ファイバコアはハロゲンドーパント及びアルカリドーパントの双方でドープされた。図７は、Ｄ１欠陥線１６１及びＤ２欠陥線１６２の双方を示す。図８は、Ｄ２欠陥線１７２に着目している。
【００３０】
図７及び図８におけるラマンスペクトル測定によって、標準的なシリカコアファイバは比較的大きいＤ２強度を有することが示される。ラマンスペクトル中のＤ２線は、アモルファスネットワーク内に埋め込まれた、規則的なナノスケールの結晶平面三重リング欠陥を対照的に伸ばすことによってもたらされる。
【００３１】
図７において、さまざまなファイバのラマン散乱強度が、１．５５μｍの波長での励起中の周波数の下方シフトに対して測定された。さまざまなファイバからのラマンスペクトルは、およそ４４０ｃｍ−１におけるω１主線でのそれら各々のピークの高さに対して規格化された。
【００３２】
図８は、Ｄ２欠陥線を中心とした強度レベルをより明らかに示すために、５１５ｃｍ−１と８１５ｃｍ−１の間の周波数シフト間のラマンスペクトルを示す。図８において、Ｄ２欠陥線では、グループＡのファイバのそれぞれの強度（すなわち、トレースの上部グループ１７１Ａ）とグループＢのファイバの強度（すなわち、トレースの下部グループ１７１Ｂ）の間で、容易に同定可能なほどの差がある。２つのファイバのグループ間の差がこれらファイバのナノスケールの結晶欠陥の濃度の差を示していることが分かる。したがって、本説明の便宜上、所与のファイバにおけるナノスケールの結晶欠陥の濃度は、そのファイバのラマンスペクトルのＤ２欠陥線での強度レベルを用いて定量化される。
【００３３】
図９は、グループＡ及びグループＢにおける積分したＤ２線強度を示す表１８０である。（積分したＤ２線強度及びそれゆえナノスケールの結晶コア欠陥のそれぞれの濃度を定量化するのに用いられる技術は、以下の「方法論」と題する章にて説明される。）
【００３４】
ハロゲンコアドーパントを含むグループＡのファイバは、０．０４の積分したＤ２線強度を有する。アルカリコアドーパント及びハロゲンコアドーパントの双方を含むグループＢのファイバは、０．０２２−０．０２６の積分したＤ２線強度を有する。このように、グループＢのファイバの積分したＤ２線強度は、グループＡのファイバの積分したＤ２線強度の約６０％（±５％）である。
【００３５】
図１０はグラフ１９０を示し、プロット１９１は、１５５０ｎｍでのファイバ減衰とＤ２欠陥線強度の間の概略相関を例示している。構造的に均一なコアを有するファイバ（例えば、グループＢのファイバ）ではファイバの減衰がより低くなる傾向にあることが観察される。
【００３６】
グループＢのファイバにおけるナノスケールで構造的に均一なコアは、ファイバコア中にアルカリ及びハロゲン共ドーパントを添加することによって実現されるが、そこでは７０％よりも大きい光パワーが伝搬する。それらコアの均一性が増加するので、図８に示すように、グループＢのファイバは、十分に減少されたＤ２線強度を示す。
【００３７】
ファイバコア中のアルカリ及びハロゲンドーパントは、＋１及び−１のイオン電荷の原子価をそれぞれ有する。このように帯電したアルカリ及びハロゲンドーパントは、歪エネルギーを緩和し、かつＯ−Ｓｉ−Ｏ結合角を復元して、アモルファスシリカ中の安定した四面体ネットワークにおけるそれらに非常に類似したより高い結合角にすることにより平面三重リング構造を崩す。結合角の緩和によって平面欠陥内の歪エネルギーが緩和され、これにより、ファイバコア中を伝搬する光信号のより低い散乱及びそれゆえより低い減衰がもたらされる。
【００３８】
それらイオン電荷に加えて、アルカリ及びハロゲンドーパントのイオンサイズもまた、ナノスケールの結晶欠陥を除去する役割を担っている。
【００３９】
図１１は、アルカリ及びハロゲンについてイオン半径及び電荷を列挙した表２００を示す。表２００は「結晶」のイオン半径を列挙し、それは固体中のイオンの物理的サイズに一層密接に対応する。
【００４０】
ほとんどのアルカリについて、少量（例えば、＜４０００ｐｐｍ）であれば、失透（すなわち、結晶化）を起こすことなくシリカ中に導入することができる。ハロゲンのうち、フッ素及び塩素のみが、有意な濃度でシリカ中に容易にドープされ得る。
【００４１】
アルカリ共ドーピング及びハロゲン共ドーピングのイオン半径をマッチングすることに基づいて、シリカコアにおける以下のアルカリ−ハロゲンの組み合わせを共ドープしてナノスケールの結晶欠陥を除去することが好ましい。
（１）カリウム（Ｋ）＋塩素（Ｃｌ）
（２）ルビジウム（Ｒｂ）＋塩素（Ｃｌ）
（３）ナトリウム（Ｎａ）＋フッ素（Ｆ）
【００４２】
これは、アルカリドーパント及びハロゲンドーパントのモル濃度が略等しいことが電荷バランスには好ましいことを示唆する一方で、ハロゲンドーパント濃度が余剰であることは、ガラス粘度を減少させるとともにガラス緩和速度を増加させてより少ない原子変動でより低いエネルギー状態及びそれゆえより低い散乱損失を実現するのに有益である。
【００４３】
本発明の一態様によれば、ファイバコアは、有意な塩素濃度及び適切なアルカリ共ドーパントによって共ドープされる。（上述のように、塩素に対する適切なアルカリ共ドーパントは、カリウム及びルビジウムを含む。）より高い塩素共ドーパントの（５００ｐｐｍよりも大きく、より好ましくは１０００ｐｐｍよりも大きい）レベルが、ファイバの減衰を減少させる際に、アルカリドーパントとともに有益に利用され得る。
【００４４】
フッ素ドーパントを用いることに対してファイバ設計の柔軟性を増強するのに、塩素ドーパントを用いることができる。これは、フッ素ドーピングはコアの屈折率を減少させる一方で、シリカファイバのコアでの塩素ドーピングは屈折率を増加させることによる。特に、１０５００ｐｐｍの塩素はシリカの屈折率を０．００１Δｎだけ増加させ、３４５０ｐｐｍのフッ素ドーパントはシリカの屈折率を０．００１Δｎだけ減少させる。所与のクラッドの屈折率に対しては、塩素ドーピングは、コア領域内の光パワーを増加させ、それゆえ、例えば、塩素ドーピングを用いてマクロベンディング損失を減少させることができる。ドーパントによってガラスの屈折率を増加させることが望ましいこのような多数の例がファイバ設計者にはよく知られている。同様に、幾つかの例では、ガラス、例えば屈折率が減少した領域の構造的な均一性を向上するのにフッ素を用いることが望ましい。
【００４５】
さらに、特に酸素フリーなＳｉＣ４による塩素ドーピングは、脱水及び精製で更なる効果を奏する。まず、ＳｉＣｌ４がＳｉＯ２の表面分子と積極的に反応することにより、シリカマトリクス内へと塩素濃度を高レベルで混合させることが可能となる。これもまた、ＯＨ、遷移金属及び他の不純物の精製において効果をもたらす。酸化生成物ＳｉＯ２を強調する以下の形式にて、標準的な反応を記載することができる。
４（Ｏ１．５Ｓｉ−Ｏ０．５（表面））＋ＳｉＣｌ４→４（１．５ＯＳｉＣｌ）＋ＳｉＯ２
【００４６】
さらに、塩素をより高く混合させることによる効果は、ＯＨ、不純物メタロイド及び金属酸化物を反応させて塩化物を形成することによって精製をさらに促進することになる。これら塩化物は、かなりの揮発性を有する。それゆえに、酸素フリーなＳｉＣｌ４ドーピングを用いることによって、シリカの塩素精製の好適に開発された精製方法、及び屈折率プロファイルを有利に変更するのに使用され得るシリカ内により高いレベルの塩素を混合させることが強化される。
【００４７】
不純金属酸化物及びメタロイド酸化物（酸化によって形成されたシリカマトリクスでの不純物の最も一般的な形態）とＳｉＣｌ４との反応は、酸化物に関して置換性である。非常に安定したＳｉＯ２を形成することによって、ほとんど全ての場合において熱力学的な効果がもたらされる。これらの例は、
メタロイド：ＧｅＯ２＋ＳｉＣｌ４→ＧｅＣｌ４＋ＳｉＯ２
金属：Ｆｅ２Ｏ３＋１．５ＳｉＣｌ４→２ＦｅＣｌ３＋１．５ＳｉＯ２
である。
【００４８】
分子Ｃｌ２は＞８００℃となるまで有効ではないが、同様の効果は、ＳｉＣｌ４を用いた室温で観察可能な脱水により得られる。したがって、酸素フリーなＳｉＣｌ４環境にて高ドープシリカスートを焼結することにより作製されたＳｉＣｌ４ドープシリカコアによって、得られるファイバにおけるＯＨ含有量を大幅に低減させることができ、このようなファイバのＯＨピークを波長１３８５ｎｍで０．３３ｄＢ／ｋｍ未満とすることができる。
【００４９】
ＳｉＣｌ４を用いた全体の脱水反応は、以下で与えられる。
４（Ｏ１．５Ｓｉ−ＯＨ（表面））＋ＳｉＣｌ４→５ＳｉＯ２＋４ＨＣｌ
【００５０】
「方法論」の章にて後述するように、アルカリドーパント濃度を、ファイバコアの中央におけるピーク濃度、又はコア半径内で放射状に平均化した濃度により特徴づけることができ、ファイバにおいて報告されたこのような濃度の量を、実験的に決定されたスケールファクタ１／βｉを用いてプリフォームにて行われた測定から推定することができる。
【００５１】
さらに後述するように、ハロゲン濃度は、プリフォーム及びファイバコアの中心にて最大値を有しないこともあるので、ファイバコア半径内で放射状に平均化した濃度によりハロゲンドーパント濃度を特徴づけることがより適切である。さらに、ファイバにおいて報告された平均ドーパント濃度を、実験的に決定されたスケールファクタ１／βｉを用いてプリフォームにおいて報告された測定値から推定することができる。
【００５２】
図１２及び図１３は、比較的低いＫドーパント濃度（すなわち、２００ｐｐｍよりも小さいピーク濃度）を含む例示的な２つのプリフォームについての、プリフォームの径方向の位置に対するカリウム及び塩素ドーパント濃度を示す一対のグラフ２１０及び２２０である。各々のグラフ２１０及び２２０では、カリウム濃度は右側の縦軸に対してプロットされ、塩素濃度は左側の縦軸に対してプロットされる。
【００５３】
図１４及び図１５は、比較的高いＫドーパント濃度（すなわち、３０００ｐｐｍよりも高いピーク濃度）を含む例示的な２つのプリフォームについての、プリフォームの径方向の位置に対するカリウム及び塩素ドーパント濃度を示す一対のグラフ２３０及び２４０である。各々のグラフでは、カリウム濃度は右側の縦軸に対してプロットされ、塩素濃度は左側の縦軸に対してプロットされる。
【００５４】
本発明に係るファイバでは、アルカリ及びハロゲンドーパント濃度の望ましい上限は、散乱損失を増加させるシリカの失透により決定される。
【００５５】
シリカの失透におけるカリウム及び塩素濃度の影響に留意することは興味深い。図１６は、プリフォームサンプルの顕微鏡写真２５０を示し、塩素及びカリウムドーパント濃度は図１４にプロットされている。このサンプルはコアの中心で約３４００ｐｐｍのＫ２Ｏピーク濃度を有する一方で、中心領域２５１はカリウムドーピングプロセスにより同領域での塩素が使い果たされて＜１００ｐｐｍになってしまったため、主に失透することなく透明のままである。しかしながら、透明な中心領域２５１は、失透した領域２５２によって囲まれており、それは光散乱のため暗いリングのように見える。失透した領域において、カリウム濃度は約２０００ｐｐｍであり、一方で塩素濃度は約８００ｐｐｍである。シリカの失透におけるこの観測から、カリウムドーピング濃度の上限は約２０００ｐｐｍに確立される。この上限は、塩素濃度を減少させることにより増加する。
【００５６】
実験データは、プリフォームがファイバに線引きされるときのファイバコア及び隣接領域における残留軸応力にアルカリドーパントが重要な変化をもたらすことを示している。
【００５７】
図１７Ａは、トレース２６１がアルカリフリーなファイバ中の径方向の位置の関数として屈折率を示すグラフ２６０である。図１７Ｂは、トレース２７１が径方向の位置の関数としてファイバの軸応力プロファイルを示すグラフ２７０である。
【００５８】
図１８Ａは、トレース２８１及び２８２が、ファイバが線引きされたプリフォームの中心にＫドーパントが堆積された一対のファイバにおける径方向の位置の関数として屈折率を示すグラフ２８０である。トレース２８１及び２８２はそれぞれ、印加張力が３４ｇｍで線引きされた第１のファイバ、及び印加張力が１２２ｇｍで線引きされた第２のファイバの屈折率プロファイルを示す。図１８Ｂは、トレース２９１及び２９２が第１及び第２のファイバについて、径方向の位置の関数として軸応力プロファイルを示すグラフ２９０である。
【００５９】
図１７Ｂに示すように、引張（すなわち、正の）応力は、アルカリフリーなファイバのコア領域において見出される。図１８Ｂに示すように、圧縮（すなわち、負の）応力は、アルカリドープファイバにおいて見出される。より重要なことに、アルカリドープファイバにおける圧縮応力プロファイルの径方向の幅は、プリフォームの大きさからスケーリングする時に初めにドープされた領域よりもはるかに大きく拡大している。
【００６０】
図１８Ｂに示すように、Ｋドープファイバにおいて、軸圧縮応力は、半径が約２５μｍまで拡大しており、３４ｇｍで線引きされたファイバ及び１２２ｇｍで線引きされた同一のファイバの双方において、コア半径の約５倍に拡大している。圧縮応力ファイバの径方向の拡大は、主にファイバの線引き中のドーパントの拡散の結果として生じる。
【００６１】
プリフォームからファイバへの変形プロセス中に、アルカリドーパント分布の相対的な径方向の範囲は約５倍に増加している。したがって、線引きされたファイバ中のアルカリ濃度は、プリフォーム中のそれよりも約２５倍未満低いと予想される。
【００６２】
「方法論」の章にて後述するように、カリウムについては、βは近似的に２５に等しい。結果として、図１２−１５に示したプリフォームから線引きされたファイバにおけるカリウム濃度は、プリフォームにて測定されたそれらよりも２５倍未満低くすることができる。ファイバにおけるＫドーパントの濃度及び径方向の拡大は、いずれかのドーパントと同じように、ガラスでの拡散の程度に依存し、それゆえに熱履歴、プリフォームにおける初期のドーピングの空間的プロファイル、及びガラス組成により影響される。
【００６３】
さらに、コアの半径の好ましくは１．２倍、より好ましくは２倍の応力の径方向の範囲で、２０ＭＰａよりも大きい十分な大きさの残留軸圧縮応力によって、光学的な伝送性能に対して重要なコア及び隣接領域での良好な構造的均一性が得られる。それはこの半径範囲内を有意な光パワーが伝搬するからである。圧縮応力の径方向の範囲における下限は、構造的に均一であり、それゆえに低減衰領域における光パワー伝搬の大部分を確保するような要求によって規定される。種々のファイバ設計は異なる空間的なパワー分布を有するので、圧縮応力プロファイルは、９９％よりも大きく、より好ましくは９９．９％よりも大きい総光パワーを伝搬させる径方向の下限を有すべきである。
【００６４】
圧縮応力の径方向の範囲における上限は、幾つかのファクタによって決定される。第一に、圧縮応力領域を光パワーがほとんど伝搬しない径方向の領域へと拡大させることにより光学減衰を低減することには有意な効果はない。第二に、ファイバ処理中に、大きな半径へのアルカリの拡散に起因する過多なアルカリ希釈の兆候がある軸圧縮応力領域は、あまり広く拡大させるべきではない。第三に、線引き張力が解放された後に、コアの中央領域における軸圧縮応力が外側クラッド領域における軸伸長応力と釣り合わなければならないように、ファイバ断面の全体で軸応力σｚの平衡が確立されることが知られている。すなわち、
【数２】
2017027050.tif 000004
であり、圧縮応力はｒ＝０とｒ＝Ｒ１の間にあり、引張応力はｒ＝Ｒ１とｒ＝Ｒ＝クラッド半径の間にある。
【００６５】
Ｒ１を増加させて所与の圧縮応力をｒ＜Ｒ１以内とすることによって、外側クラッドでの伸長応力が高くなるほど、光ファイバの機械的強度が低くなるということが予想される。この考察によりまた、軸圧縮応力領域の径方向の範囲で上限が課される。
【００６６】
図１９は、コア領域中にカリウムがドープされたことによって、ナノスケールの結晶欠陥の濃度が減少したファイバの損失スペクトルを示すグラフ３００である。そのファイバは、１５５０ｎｍでは０．１６ｄＢ／ｋｍの減衰、及び１５６０ｎｍと１５８０ｎｍの間では０．１５９ｄＢ／ｋｍの減衰を有する。
【００６７】
シリコン（Ｓｉ４＋）に対してリン（Ｐ３＋又はＰ４＋）は異原子価であり、かつそのイオン半径（Ｐ３＋については５８ｐｍ、及びＰ５＋については５２ｐｍ）がＳｉ４＋のイオン半径５４ｐｍに非常に近いため、ファイバコアにリンドーパントを添加すると、より低いＤ２線強度によって示したように、ナノスケールの結晶欠陥の濃度も減少する。一方で、リン酸化物はシリカよりも短い波長にて赤外吸収端を有するので、リンドーパント濃度を高くすると、特に１．３μｍと１．５５μｍの間の伝送波長にて損失の付加が起こってしまう。したがって、０．２％と２％の間のリンドーパント濃度は、Ｄ２欠陥の減少と赤外損失端からの減衰の増加の間の最適なバランスとなる。
【００６８】
本発明の態様に係る粘度マッチング技術は、アルカリドーパントが初期のドーピング位置から広い径方向の範囲でシリカの粘度を減少させるということを利用していることが理解される。例えば、図１８Ａ−Ｂは、カリウムがプリフォームのコア領域内にのみ堆積されたとしても、圧縮軸応力はファイバのコア半径の約５倍まで拡大することを示している。
【００６９】
図２０−２３は、本発明の更なる態様に係る光ファイバ３１０の一連の図である。図２０及び２１はそれぞれファイバ３１０の側面及び正面を示し、図２２はそのファイバの例示的な屈折率プロファイル３２０を示し、図２３は各々のファイバ領域について以下のパラメータを記述する表３３０を示す。それらパラメータは、外側半径、屈折率差、アルカリドーピング前の粘度ランク付け、第１の例示的なアルカリドーピング体系及び第２の例示的なアルカリドーピング体系である。
【００７０】
ファイバ３１０は、互いの最上部に積層された５つの同心領域を備える。これら５つの同心領域は、（屈折率プロファイル３２０の以下の領域：高ドープコア３２１Ａ、アンドープ又は微ドープペデスタル（ｐｅｄｅｓｔａｌ）３２１Ｂ、低ドープ内側トレンチ３２１Ｃ、低ドープ外側トレンチ３２１Ｄ及びクラッド３２１Ｅに対応する）コア領域３１１Ａ、ペデスタル領域３１１Ｂ、内側トレンチ３１１Ｃ、外側トレンチ３１１Ｄ及び外側クラッド３１１Ｅである。本発明の一態様によれば、ファイバ線引き中に、ファイバの径方向の領域３１１Ａ−３１１Ｅの間でアルカリドーピングを用いて粘度マッチングを生じさせることにより、低減衰が実現される。
【００７１】
アルカリドーピング前に：
領域３１１Ａはアルカリなしのドーパント（例えば、ハロゲン）を含み、それは、その粘度を減少させ（ランク３に）、かつそのコアの屈折率を増加させる。
【００７２】
例示的な設計では、領域３１１Ｂは、ドーパントを多くは含んでおらず、隣接領域３１１Ａ及び３１１Ｃよりも高い粘度（ランク５）を有する。別の設計では、領域３１１Ｂは、屈折率及びアルカリドーピング前のシリカの粘度を減少させるハロゲン（例えば、フッ素）でドープされる。
【００７３】
領域３１１Ｃ（粘度ランク１）、３１１Ｄ（粘度ランク２）及び３１１Ｅ（粘度ランク３）は、異なるＦドーパントの濃度を含む。シリカ粘度は、Ｆ濃度が高いほど単調に減少する。
【００７４】
第１のアルカリドーピング体系において：
領域３１１Ｂは、有意なアルカリの濃度でドープされることによって粘度が低くなり、領域３１１Ａの粘度と領域３１１Ｃの粘度とが合うようになる。（アルカリドーピングの粘度降下の効果は、ドーピング前に高い粘度を有する領域３１１Ｂにて最も顕著である。一方、アルカリドーピングは、領域３１１Ｃ及び３１１Ａの粘度をさらに減少させるのにはあまり効果がなく、それはすでに他のドーパントの存在で軽減されているからである。）
【００７５】
領域３１１Ｂがアルカリドーピングの前にハロゲンドーパント（例えば、フッ素）をすでに含んでいる、このような発明の実施例では、粘度マッチングを実現するにはアルカリドーピング濃度を低くすることが必要となる。
【００７６】
領域３１１Ａは、意図的なドーピングによって、並びにプリフォーム処理及び線引き中にアルカリを拡散させることによって、少量のアルカリを含む。
【００７７】
領域３１１Ｃは、主にファイバの線引き中にアルカリ拡散によって微量なアルカリを含む。
【００７８】
領域３１１Ｄ及び３１１Ｅは、アルカリドーパントを多くは有していない。（線引き中の領域３１１Ｄと３１１Ｃの間の粘度マッチングは減衰及び他の光学特性にはほとんど影響を与えず、それは光パワーがこれら領域間の界面でほとんど伝搬しないからである。）
【００７９】
第２の例示的なアルカリドーピング体系において：
領域３１１Ａ及び３１１Ｂは、有意な量のアルカリでドープされており、領域３１１Ｃの粘度に合うように低い粘度となる。
【００８０】
領域３１１Ｂがアルカリドーピングの前にハロゲンドーパント（例えば、フッ素）をすでに含んでいる、このような本発明の実施例では、粘度マッチングを実現するにはアルカリドーピング濃度を低くすることが必要となる。
【００８１】
領域３１１Ｃは、主に、ファイバの線引き中にアルカリ拡散から生じる微量のアルカリを含んでいる。
【００８２】
領域３１１Ｄ及び３１１Ｅは、アルカリドーピングをほとんど有していない。
【００８３】
図２４は、上述にて本発明の態様によるコアドーピング体系の幾つかの例を記述する表を示す。
【００８４】
ドーピング体系１の例では、ファイバコアは、フッ素（０ｐｐｍから１５００００ｐｐｍ）、塩素（０ｐｐｍから１５０００ｐｐｍ）及びリン（０．２％から２％）でドープされる。
【００８５】
ドーピング体系２の例では、ファイバコアは、カリウム（５ｐｐｍから２０００ｐｐｍ）、塩素（１００ｐｐｍから１５０００ｐｐｍ）及びリン（０％から２％）でドープされる。
【００８６】
ドーピング体系３の例では、ファイバコアは、ルビジウム（５ｐｐｍから２０００ｐｐｍ）、塩素（１００ｐｐｍから１５０００ｐｐｍ）及びリン（０％から２％）でドープされる。
【００８７】
ドーピング体系４の例では、ファイバコアは、ナトリウム（５ｐｐｍから２０００ｐｐｍ）、フッ素（１００ｐｐｍから１５０００ｐｐｍ）及びリン（０％から２％）でドープされる。
【００８８】
＜方法論＞
＜Ｄ２欠陥線強度の定量化＞
ここで、Ｄ２欠陥線強度を定量化するのに用いられる方法論を記載する。
【００８９】
Ｄ２周波数シフト周りで測定されたラマンスペクトルを個々のガウス型、ローレンツ型及び多項式のスペクトル成分にデコンボリューションすることによって、Ｄ２欠陥線の強度を定量化することができる。
【００９０】
図２５及び図２６は、Ｄ２欠陥線強度を決定するための、個々のガウス型、ローレンツ型及び多項式のスペクトル成分へのラマンスペクトルデコンボリューションの例を示す一対のグラフ３５０及び３６０である。Ｄ２線強度は、Ｄ２周波数シフトを最も良くマッチングする線形状の積分した強度によって与えられる。
【００９１】
また、Ｄ２欠陥の強度は、次の式によって定量化される。
【数３】
2017027050.tif 000005
なお、Ｉ（ｆ）は周波数シフトｆでのラマン散乱の強度であり、Ｉ（ｆ）はバックグランドのラマン散乱強度を与えるように隣接周波数領域から推定された散乱強度である。積分区間ｆ２−ｆ１は、上述の方程式の被積分関数において、Ｉ（ｆ）＞Ｉ０（ｆ）である周波数シフトの範囲である。
【００９２】
Ｄ２線欠陥強度の一貫した尺度を与えるために、上述のδＩ値は、同一のファイバの広範なラマンスペクトルに関して規格化される。
【００９３】
＜ドーパント濃度の定量化＞
プリフォームは、そのプリフォームから線引きされたファイバの外径よりもはるかに大きな外径を有しているので、プリフォームでのドーパント濃度測定は、線引きされたファイバにおける測定よりも正確なデータを示すのが一般的である。ドーパントがプリフォーム中心付近に堆積されており、かつ考えられる全ての熱履歴にて、堆積したドーパントはプリフォーム又はファイバから蒸発しないので、所与のドーパントの平均ドーパント濃度は一定に保たれる。
【００９４】
特に、プリフォーム中の所与のドーパントの平均濃度は、ファイバのそれと同じである。すなわち、
【数４】
2017027050.tif 000006
であり、Ｃｉはドーパントタイプｉの濃度であり、ｒ１及びｒ２はそれぞれプリフォーム及びファイバの径方向の位置を示し、Ｒ１及びＲ２はそれぞれプリフォームのクラッド半径及びファイバのクラッド半径である。
【００９５】
ファイバの全体での平均ドーパント濃度はプリフォームの全体でのそれと同じである一方、それらドーパントの分布はドーパント拡散に起因して大きく異なり得る。光ファイバアプリケーションについて、我々の第一の関心は、ほとんどの光パワーが伝搬するファイバコア領域の質にある。ファイバのコア半径ａ内の平均ドーパント濃度は、ファイバ伝送の質に最も関係している。次の式は、ファイバコア内のドーパント濃度はファクタ１／βｉを掛けたプリフォームコア半径Ｒ内の濃度と関係していることを示す。
【数５】
2017027050.tif 000007
【００９６】
ドーパント拡散が小さい拡散率にてごく短時間で起こる場合は、βｉは近似的に１に等しいと予想される。一方、ドーパント拡散が速い拡散率にて長時間で起こった後は、βｉは非常に大きな値に達する。
【００９７】
図１２−１５に示すように、ピークアルカリドーパント濃度はプリフォームコアの中心ｒ２＝０にて生じ、我々は、ファイバコアの中心ｒ１＝０も最大アルカリドーパント濃度を有することを予想する。我々は、ピーク光パワー及びピークアルカリドーパント濃度の双方がファイバコアの中心で生じていることに留意する。第１の近似値に至るまで、ファイバコアの中心でのアルカリドーパント濃度は、以下の関係式によってプリフォームコアの中心でのそれと関係している。
【数６】
2017027050.tif 000008
【００９８】
したがって、アルカリドーパント濃度を、ファイバコア内の平均アルカリ濃度又はファイバコアの中心でのピークアルカリ濃度のいずれか一方によって特徴づけることができる。
【００９９】
所与のドーパント及びファイバの線引き条件について、プリフォームコア内で測定されたドーパント濃度に対してファイバコア内のドーパント濃度を相関させるようにスケールファクタ１／βｉを実験的に決定することができる。
【０１００】
図１２−１５は、おそらくは、主に例えば酸素のような環境ガスの圧密によってハロゲンドーパントが枯渇するために、ピークハロゲンドーパント濃度は必ずしもプリフォームコアの中心ｒ２＝０で生じるとは限らないということを示している。我々はファイバコアでの最大ハロゲンドーパント濃度を予想できないので、ハロゲンドーパント濃度をファイバコア内の平均ハロゲン濃度によって特徴づけることがより適切である。
【０１０１】
＜結論＞
上述の記載は当業者が本発明を実施できる程度に詳細な説明を含むが、上記記載は性質上例示的なものであり、それらの多くの変更及び変形はこれらの教示の利益を有する当業者には明らかであることが理解されるべきである。したがって、ここでの発明は専ら添付の特許請求の範囲によって規定され、かつ特許請求の範囲は先行技術によって許容されるのと同程度に広く解釈されることが意図される。
【図１】
2017027050.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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