JP2005162512A - ガラス母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コアインゴットの加熱加工が容易で、伝送損失を増大させるＯＨ成分が少なく、光学特性に優れたガラス母材の製造方法を提供する。
【解決手段】 ガラス微粒子を軸方向に堆積させて、ドーパントが添加されたコア部と該コア部の外周にあってコア部より屈折率が低いクラッド層（内側クラッド層）を有する多孔質ガラス母材を形成し、透明ガラス化してコアインゴットとし、さらに該コアインゴットを電気炉中で軸方向に加熱延伸してコアロッドを作製し、該コアロッドの外周に外側クラッド層を設けることを特徴としている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、優れた光学特性を有する光ファイバ用プリフォームを高効率・低コストで製造するガラス母材の製造方法に関する。

光ファイバの前駆体である光ファイバ用プリフォームの製造方法の概略を説明すると次のようになる。
第１工程では、ＶＡＤ(気相軸付け法)によりスート（ガラス微粒子）を堆積させて、軸方向にガラス微粒子堆積体を成長させて多孔質ガラス母材を形成し、これを透明ガラス化してコアインゴットとする。コアインゴットは、図１(ｂ)に示すように、周囲より屈折率の高いコア部１と、コア部１より屈折率の低い内側クラッド層２から構成されている。

第２工程では、ガラス旋盤を用いて、酸水素を燃料とするバーナ火炎でコアインゴットを加熱し軟化させて、より細径のコアロッド６に延伸される。
第３工程においては、コアロッド６の外側に、さらにスートを堆積させて内側クラッド層２と屈折率の等しい外側クラッド層３を形成し、脱水後、透明ガラス化して大型ガラス母材が製造される（例えば、特許文献１参照）。製造された大型ガラス母材の断面を図１(ａ)に示した。
第４工程では、大型ガラス母材を細径に延伸して、光ファイバ用プリフォームが製造される。この第４工程は、場合によっては省略されることもある。

上記第１工程では、コア部１と内側クラッド層２が同時に形成される。この外周に第３工程で、内側クラッド層２と屈折率の等しい外側クラッド層３が形成される。なお、第１工程での内側クラッド層２の生成速度と、第３工程での外側クラッド層３の生成速度を比較すると、第３工程での外側クラッド層３の生成速度の方が遥かに大きい。
従って、生産性を上げるためには内側クラッド層２は薄く、外側クラッド層３を厚くするように、製造することが望ましい。

光ファイバに光を入射すると、クラッド層にも入射光の一部が染み出すため、光ファイバの伝送損失は、コア部だけでなくクラッド層(内側クラッド層及び外側クラッド層を含む)の純度にも大きく依存し、クラッド層が高純度であるほど伝送損失は小さくなる。このため、光ファイバの前駆体であるプリフォームにおいても、外側クラッド層に比べて、コア部に近い内側クラッド層の純度をより高くしなければならない。

光ファイバの伝送損失を低減するには、純度の高い内側クラッド層を厚くするのが有利である。しかしながらこの場合、生成速度の大きい外側クラッド層の割合が小さくなるため、プリフォームの生産工程全体としては生産性が悪化する。
従って、コアロッドの内側クラッド層の厚さを決定するには、上記伝送損失と生産性との関係を考慮しなければならない。
特開昭６０−１４１６３４号公報

これまでコアインゴットの外径はφ６５ｍｍ程度であったが、さらに生産性の向上が求められ、これまで以上に太径化への傾向が強まっている。
また、線引きして得られる光ファイバーの伝送損失を低減させるためには、純度の高い内側クラッド層を厚くする必要があるが、これもコアインゴットを太径化させる一要因として挙げられる。

上記理由により、近年ではコアインゴットの直径はφ９０ｍｍにまで太径化されており、このような太径のコアインゴットを、ガラス旋盤での酸水素火炎による延伸等の加熱加工は、非常に困難が伴う。
例えば、バーナ火炎による加熱延伸加工は熱効率が悪いため、コアインゴットを軟化させるのに要するガス量が非常に多くなる。また、多量のガスを使用するため周囲環境に対する熱負荷が大きくなり、装置及び作業者への熱対策に多大の費用と負担がかかる。さらに、コアインゴットの表面を高温で長時間加熱するため、コアインゴットの一部が昇華し、コアインゴットの延伸前後で特性が大きく変動する。

酸水素火炎によるコアインゴットの加熱加工は、多量の水分(Ｈ₂Ｏ)の発生が伴うため、コアインゴットの周囲には常に高温のＨ₂Ｏが存在し、これが加工中にＯＨ成分となって、コアインゴット中に拡散する。コアインゴット中に拡散するＯＨ成分は、加熱時間が長いほど、使用するガス量が多いほど多くなり、拡散する深さも深くなる。
コアインゴット中に拡散したＯＨ成分は、線引き後の光ファイバにおいて、特定の波長帯で伝送損失を増大させる。この伝送損失は、コアインゴット中に拡散したＯＨ成分が多いほど、そして拡散する深さが深いほど大きい。

本発明は、コアインゴットの加熱加工が容易で、伝送損失を増大させるＯＨ成分が少なく、光学特性に優れたガラス母材の製造方法を提供することを目的としている。

本発明のガラス母材の製造方法は、ガラス微粒子を軸方向に堆積させて、ドーパントが添加されたコア部と該コア部の外周にあってコア部より屈折率が低いクラッド層（内側クラッド層）を有する多孔質ガラス母材を形成し、透明ガラス化してコアインゴットとし、さらに該コアインゴットを電気炉中で軸方向に加熱延伸してコアロッドを作製し、該コアロッドの外周に外側クラッド層を設けることを特徴としており、この方法は、コアインゴットの外径が７０ｍｍ以上の場合に特に好適である。

該コアインゴット又はコアロッドにおいて、コア部の外径ｄと内側クラッド層の外径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）をｄ／Ｄ＜０.２５、好ましくはｄ／Ｄ＜０.２１とし、コアロッドの内側クラッド層の厚さを１ｍｍ以上するのが好ましい。
コアインゴットを電気炉で延伸して作製したコアロッドの外周部に、ガラス微粒子を堆積して外側クラッド層となるスート層を形成した後、あるいはガラスチューブを溶着した後、透明ガラス化してガラス母材とされる。なお、電気炉の断熱材には、灰分８１０ｐｐｍ以下のカーボン材を使用するのが好ましい。
また、コアロッドの外周部にガラス微粒子を堆積したり、あるいはガラスチューブを溶着する直前に、該コアロッドの外周部をフッ酸エッチングして、クラッド層との界面となる表面の状態を整えてもよい。

本発明によれば、加熱加工が容易で、伝送損失を増大させるＯＨ成分の少ないコアインゴットが得られ、これを電気炉で延伸してコアロッドとし、その外周部に外側クラッド層を設けることで、光学特性に優れたガラス母材が容易に得られる。

光ファイバに投入された光パワーは、図２，３に示すように、コア部だけでなく、その一部は内側クラッド層２にまで染み出す。そのため、内側クラッド層２の純度が低いと、伝送損失が高くなり、結果として光ファイバの伝送損失が高くなる。なお、図２は、光ファイバの屈折率分布を示す模式図であり、図３は、図２の屈折率分布を有する光ファイバ内部の光パワーの強度分布を示すグラフである。

コア部１の直径に対して、内側クラッド層２の厚さが薄い場合、染み出した光パワーの一部は外側クラッド層３にまで達する。
通常、外側クラッド層３の純度は、内側クラッド層２よりも低いため、外側クラッド層３にまで光パワーが染み出すことは、伝送損失の大幅な増大を意味する。
コア部１から内側クラッド層２内への光パワー染み出し距離４は、コア部直径との比率で決まるため、コアインゴットのｄ／Ｄを設計するには、許容される伝送損失の大きさと生産性との両方を勘案して決定する必要がある。

このため、コア部の外径ｄと内側クラッド層の外径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）は、ｄ／Ｄ＜０.２５、好ましくはｄ／Ｄ＜０.２１とする。ｄ／Ｄ≧０.２５では、相対的に内側クラッド層の厚さが薄くなり、光パワーの染み出しが大きくなるため好ましくない。
また、使用する電気炉の断熱材には、灰分８１０ｐｐｍ以下のカーボン材を使用する。断熱材の灰分が８１０ｐｐｍを超えるとガラス母材に悪影響を与えるため好ましくない。

ＶＡＤ法により、スート（ガラス微粒子）を軸方向に堆積させてコア部及び内側クラッド層を有する多孔質コア母材を形成し、透明ガラス化して、外径（Ｄ）７２ｍｍ、コア部径（ｄ）１７.１ｍｍのコアインゴットを作製した。このコアインゴットのｄ／Ｄは０.２３８である。次いで、このコアインゴットを電気炉中で軸方向に加熱延伸して、外径４３.９ｍｍのコアロッドを得た。
このコアロッドに外側クラッド層を設けてガラス母材とし、線引きして得た光ファイバの伝送損失を測定したところ、波長１３００ｎｍでは０.３４ｄＢ/ｋｍであり、１３８５ｎｍでは０.３５５ｄＢ/ｋｍであった。

次に、比較例として、実施例１と同様にして、外径（Ｄ）６５ｍｍ、コア部径（ｄ）１７.１ｍｍのコアインゴットを作製した。このコアインゴットのｄ／Ｄは０．２６３である。次いで、このコアインゴットを電気炉中で軸方向に加熱延伸して、外径３９.７ｍｍのコアロッドを得た。
このコアロッドに外側クラッド層を設けてガラス母材とし、線引きして得た光ファイバの伝送損失を測定したところ、波長１３００ｎｍでは０.３７ｄＢ/ｋｍであり、１３８５ｎｍでは０.３８ｄＢ/ｋｍであった。
表１に、実施例１と比較例の結果をまとめて示した。なお、これらのデータは、全て同一の電気炉および断熱材を使用して得たものである。

コアインゴットの加工は、１６００℃以上の高温で行なわれるため、コアインゴット内部へ不純物が侵入・拡散しやすい。従って、実施例１と比較例を比較すると、コアロッドのコア部径は同一であるが、実施例１の方が内側クラッド層が厚いため、コアインゴットの加工時に、不純物が光パワーの分布領域へ到達しにくい。そのため、伝送損失は、実施例１の方が比較例１よりも小さくなる。

上述したように、光パワー染み出し距離４は、コア部直径との比率で決まる。すなわち、コア部１の直径が小さければ、光パワー染み出し距離４も小さくなる。従って、内側クラッド層２の厚さをコア部１の直径に対応させて薄くすることができると考えられる。
しかしながら、コアインゴットの加熱加工時には、コアインゴット外部より不純物が侵入・拡散するため、内側クラッド層２と光パワー染み出し距離４との間に、いくらかの余裕が必要である。すなわち、図３に示す光パワー染み出し余裕距離５を、不純物の侵入・拡散距離よりも大きくする必要がある。そこで、内側クラッド層の厚さは１ｍｍ以上するのが好ましく、１ｍｍ未満では、コアインゴットの加熱加工時に侵入する不純物が、光パワー分布領域７に達する。その結果、伝送損失が大きくなるため好ましくない。

実施例１と同様にしてコアインゴットを作製し、さらにコアロッドへ加工した。この実施例では、実施例１よりもさらに内側クラッド層を厚くした。詳細は、表１に示した通りである。
光ファイバ用ガラス母材とするには、さらに外側クラッド層を設ける必要がある。この代表的な方法としてＯＶＤ法がある。この方法は、コアロッドの外周にスート（ガラス微粒子）を堆積させ、脱水後、透明ガラス化する方法である。

このＯＶＤ工程では、酸水素火炎を使用するため、堆積初期にコアロッドは水分(Ｈ₂Ｏ)を多量に含む燃焼ガスで加熱される。従って、水分(Ｈ₂Ｏ)が分解され、コアロッド内部にＯＨ成分が侵入する。
コアロッドの光パワー分布領域７にＯＨ成分が存在すると、特定の波長帯(特に１３８５ｎｍ付近)で伝送損失が増大する。

従来は、波長１３８５ｎｍ付近での伝送損失はあまり問題とされなかったが、近年は、この部分の伝送損失も問題視されるようになった。
従って、この部分の伝送損失を低減するため、光パワー分布領域７にＯＨ成分が到達しない程度にまで内側クラッド層を厚くしなければならない。このこともコアインゴットを太径化させる要因の一つになっている。
この実施例２で得たガラス母材を線引きして光ファイバとし、実施例１及び比較例で得た光ファイバと、伝送損失を比較した（図４参照）。
これより１３８５ｎｍ付近の伝送損失が大きく低減されていることが確認できる。

実施例２と同様にしてコアインゴットを作製し、さらにコアロッドへ加工した。詳細は、表１に示した通りである。これは、ｄ／Ｄを実施例２と同じにしたままで、コアインゴットの外径とコア部の外径を大きくした例である。さらに、実施例２と同様にして加工し、ガラス母材とした。
この実施例３で得たガラス母材を線引きして光ファイバとし、実施例２で得た光ファイバと、伝送損失を比較した。
図５に示すように、実施例２と実施例３の光ファイバを比較すると、広範な波長域にわたって伝送損失は殆ど同じであった。
実施例３の方が、コアインゴットの外径が大き<、実施例２よりも生産性が高いことが容易に想像される。

次に、コアインゴットを電気炉で延伸した場合の電気炉断熱材の灰分含有率と、延伸されたコアインゴットから得られる光ファイバの伝送損失について説明する。
対象とするコアインゴットは、実施例３で製造したものを使用し、これを線引きして光ファイバとし、伝送損失を測定してその結果を、電気炉に使用した断熱材中の灰分含有率との関係で図６に示した。光ファイバの伝送損失を波長１３００ｎｍで評価した場合、通常使用される光ファイバの伝送損失は、約０．３５ｄＢ／ｋｍ以下であることが必要である。この条件を満たす断熱材中の灰分含有率は、図６から８１０ＰＰＭ以下の範囲となる。

光ファイバの前駆体である光ファイバ用プリフォームの製造コスト及び伝送損失の低減に寄与する。

(ａ)，(ｂ)は、それぞれ順に大型ガラス母材およびコアインゴットの断面を示す概略図である。 光ファイバの屈折率分布を示す模式図である。 図２の屈折率分布を有する光ファイバ内部の光パワーの強度分布を示す模式図である。 実施例１，２と比較例で得られた光ファイバの伝送損失を比較するグラフである。 実施例２，３で得られた光ファイバの伝送損失を比較するグラフである。 断熱材の灰分含有率と波長１３００ｎｍにおける伝送損失との関係を示すグラフである。

符号の説明

１……コア部、
２……内側クラッド層、
３……外側クラッド層、
４……光パワー染み出し距離、
５……光パワー染み出し余裕距離、
６……コアロッド６、
７……光パワー分布領域。

Claims (10)

1. ガラス微粒子を軸方向に堆積させて、ドーパントが添加されたコア部と該コア部の外周にあってコア部より屈折率が低いクラッド層（内側クラッド層）を有する多孔質ガラス母材を形成し、透明ガラス化してコアインゴットとし、さらに該コアインゴットを電気炉中で軸方向に加熱延伸してコアロッドを作製し、該コアロッドの外周に外側クラッド層を設けることを特徴とするガラス母材の製造方法。
2. 透明ガラス化したコアインゴットの外径が７０ｍｍ以上である請求項１に記載のガラス母材の製造方法。
3. コアインゴット及びコアロッドにおいて、コア部の外径ｄと内側クラッド層の外径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）がｄ／Ｄ＜０.２５である請求項１又は２に記載のガラス母材の製造方法。
4. コア部の外径ｄと内側クラッド層の外径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）がｄ／Ｄ＜０.２１である請求項１又は２に記載のガラス母材の製造方法。
5. コアロッドの内側クラッド層の厚さが１ｍｍ以上である請求項１乃至４のいずれかに記載のガラス母材の製造方法。
6. 電気炉の断熱材が、灰分８１０ｐｐｍ以下のカーボン材で構成されている請求項１乃至５のいずれかに記載のガラス母材の製造方法。
7. 電気炉で延伸したコアロッドの外周部に、ガラスチューブを溶着する請求項１乃至６のいずれかに記載のガラス母材の製造方法。
8. 電気炉で延伸したコアロッドの外周部に、ガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス体を形成した後、透明ガラス化する請求項１乃至７のいずれかに記載のガラス母材の製造方法。
9. 電気炉で延伸したコアロッドの外周部をフッ酸エッチングした後に、ガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス体を形成した後、透明ガラス化する請求項１乃至８のいずれかに記載のガラス母材の製造方法。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のガラス母材の製造方法を用いて製造されたものであることを特徴とするガラス母材。
    
    

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