JP2005537210A - 低損失光ファイバおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

アルカリ金属をガラス製品の表面に拡散させることによりアルカリ金属酸化物をドープした光ファイバを形成する方法が開示されている。シリカガラス製品は、管または棒、もしくは管または棒のアセンブリの形態にあってもよい。アルカリ金属、およびガラス製品中に意図せずに拡散したかもしれない不純物を含有するシリカガラス製品が、不純物を除去するのに十分な深さまでエッチングされる。シリカガラス製品をさらに加工して、完成した光ファイバプリフォームを形成してもよい。プリフォームは、光ファイバに線引きされた時に、低減衰を示す。

Description

本発明は、広く、低損失光ファイバを製造する方法に関し、より詳しくは、アルカリ金属酸化物がドープされた光ファイバを製造する方法に関する。

減衰は、光ファイバの主な制限特性である。例えば、光ファイバ損失は、光ファイバ増幅器間の制限距離を設定する上で重要な役割を果たす。これは、例えば、そのような増幅器がシステムのコストのかなりを占める海底用途などの長距離および超長距離ネットワークにおいて特に重要であると同時に、システムの信頼性において重要な要因である。その結果、減衰をできるだけ最低のレベルに減少させることに商業的に多大な関心が寄せられている。

長距離通信伝送ネットワークに使用されるシリカベースの光ファイバについて、減衰損失は、残りの減衰のほとんどがガラス材料内の固有散乱のためである点まで減少されている。固有散乱は、密度に関連する損失とドーパント濃度のばらつきとの組合せであると一般に認識されている。密度のばらつきは、溶融物の粘度が１０¹³ポアズである温度として定義されるガラス転移温度Ｔｇに密接に比例しており、それにより、小角度と大角度の散乱損失が生じるかもしれない。

Ｔｇ、したがって、減衰を低下させる手段の一つは、コアガラスに改質剤を添加することである。そのような改質剤は、適切に選択すれば、ファイバのコア内の散乱損失を、したがって、ファイバの減衰を著しく減少させることができる。アルカリ金属酸化物は、効率的な改質剤として働く。約０．５モルパーセントの濃度のアルカリ金属酸化物で、シリカガラスの減衰を２５％ほど大きく減少させることができる。

最も一般的な市販の光ファイバはＳｉＯ₂ベースのものであり、そのようなファイバにおける減衰の理論的下限は約０．１５ｄＢ／ｋｍであると一般に認識されている。従来技術において、高アルカリアルミノケイ酸塩ガラスおよびフッ化物ガラスなどのいくつかの非ＳｉＯ₂ガラスが、ＳｉＯ₂ベースのファイバよりも低い損失を達成できることが知られているが、これらの手法は、長距離伝送ファイバにおいてはまだ商業的に実現されていない。

アルカリ金属酸化物のドーパントを単独で、または例えば、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃またはＦなどの他の化合物との組合せで含有するシリカベースのガラスが、純粋なガラス質ＳｉＯ₂のものよりも低い散乱損失を有する光ファイバのコア材料として提案されてきた。しかしながら、そのようなファイバを製造するための試行により、理論的な下限よりもかなり高い減衰レベルとなっていた。多数のドーパントを含むガラスの場合、増加したドーパント濃度のばらつきおよび結晶化は、克服するのが難しいことが実証されている。単独のドーパントを含むガラスおよび多数のドーパントを含むガラスの両方について、例えば、遷移金属およびＯＨなどの高レベルの汚染物のために、所望の低減衰を達成することが難しくなっている。これらの汚染物は、ドーピングプロセス中に意図せずに導入されることが多い。

外付け法（ＯＶＤ）および気相軸付け法（ＶＡＤ）などの、スートからガラスファイバを製造する従来のプロセスは、アルカリ金属酸化物のドーピングにうまく適していない。この不適性の理由の一つは、単純で実施するのが容易な高蒸気圧アルカリ金属源化合物が利用できないことである。さらに、これらのプロセスから得られたスートプリフォームは一般に、スート堆積プロセス中に生成された燃焼副生成物であるＨ₂Ｏを含有する。このＨ₂Ｏは、スートプリフォームのさらなる加工中に分解して、ＯＨ^-を形成し得る。ＯＨ^-は、特にファイバのコア中に存在する場合、ファイバの減衰に有害な影響をもたらし得る。一般に、このＯＨ^-は、高温でプリフォームに塩素を流動させることにより除去される。残念ながら、この乾燥工程は、アルカリ塩化物を形成することにより、ＯＶＤまたはＶＡＤプロセス中に堆積したアルカリ金属酸化物をどれも同様に除去してしまう。さらに、塩素乾燥工程後にプリフォーム内に残留する任意のアルカリ塩化物は、冷却の際にアルカリ塩化物結晶を形成する。そのような結晶は、ガラスを不透明にし、そのガラスを光の伝送に不適にしてしまう。さらに、アルカリ金属は、ＯＶＤまたはＶＡＤプロセス中に堆積されたアルカリ金属酸化物がドープされたシリカスートが、欠陥のない緻密なガラスに焼結できる前に結晶化する傾向にあるほどシリカ自体の結晶化速度を増加させてしまう。

アルカリ金属酸化物をシリカガラス中に含ませる技法の一つは、固結されたガラス中にアルカリ金属を直接拡散させることによるものである。しかしながら、アルカリ金属をシリカガラス中に拡散させることにより、遷移金属および水を含む不純物が同時に拡散して、損失を理論的最小値よりもかなり高くしてしまった。そこから線引きされたファイバが低い光学損失を有するようにシリカガラス光ファイバ前駆体にアルカリ金属をドープする方法を開発することが望ましい。

本発明により、低い光学損失が達成できるほど十分な純度の適切な材料をドープした光ファイバが製造される。低損失により、好ましくは１５５０ｎｍの波長で約０．１８ｄＢ／ｋｍ未満、より好ましくは１５５０ｎｍの波長で約０．１７ｄＢ／ｋｍ未満、最も好ましくは１５５０ｎｍの波長で約０．１６ｄＢ／ｋｍ未満の光学減衰を意味する。より具体的には、本発明は、以後、拡散表面と称する、シリカガラス製品の表面にアルカリ金属を拡散させ、拡散工程中にガラス中に意図せずに導入されたであろう不純物を除去するのに十分な深さまで拡散表面をエッチングする方法に関する。拡散表面により、アルカリ金属の拡散が生じるガラス製品の表面を意味する。シリカガラス製品は、管、棒、または管か棒のアセンブリ、もしくは光ファイバ前駆体として使用するのに適した他のガラス製品の形態にあってもよい。アルカリ金属は、例えば、アルカリ金属源化合物中またはシリカガラスを取り囲む環境中に微量存在するかもしれない遷移金属などの一般的な汚染物と比較した場合、シリカガラス中の拡散速度が速い。アルカリ金属は高い拡散率を示し、したがって、シリカガラス中に深く移動することができるのに対して、遷移金属の拡散率は著しく低く、その結果、遷移金属不純物は、ガラスの拡散表面に浅い深さまでしか拡散できない。所望のアルカリ金属ドーパントと望ましくない不純物との間の相対的拡散深さにおけるこの差のために、拡散プロセスに続く従来のエッチング技法によって、これらの不純物を除去することができ、それにより、ガラス中のアルカリ金属酸化物の濃度への影響を最小にしつつ、アルカリ金属ドーパントを効果的に精製できることを発見した。

シリカガラス製品が塩素と水を実質的に含まないことが好ましい。アルカリ金属は、シリカガラス内またはシリカガラスの外側いずれかの塩素と強力に結合して、アルカリ金属塩化物を形成する。そのようなアルカリ金属塩化物は、シリカガラスの外側に形成されると、ガラス製品中へのアルカリ金属の拡散を阻害するであろう。アルカリ金属塩化物がシリカガラス製品内に形成されると、アルカリ金属塩化物の結晶が、ガラスを不透明にし、したがって、光の透過にとって望ましくなくするであろう。

アルカリ金属は、Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，ＣｓおよびＲｂからなる群より選択される。アルカリ金属は、シリカガラスの網状構造中に拡散した場合、ガラス網状構造内の酸素と結合して、Ｘが前述した群の一員であるＸ₂Ｏの形態のアルカリ金属酸化物を形成する。現行の製造プロセスを用いた場合、ＫまたはＮａのドーピングにより、Ｌｉ，ＣｓまたはＲｂよりも優れた光学損失結果が得られ、それゆえ、好ましいアルカリ金属はＫおよびＮａであることが分かった。しかしながら、製造プロセスは発展し続けているので、これは将来変わるかもしれない。前述した理由のために、アルカリ金属源化合物が塩素を含有しないことが好ましいが、それ以外の任意のアルカリ金属含有源化合物が適している。

本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者にとって容易に明らかとなり、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含むここに記載した本発明を実施することによって認識されるであろう。

上述した一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、本発明の実施の形態を提示し、請求項に記載されている本発明の性質および特徴を理解するための概要または構成を提供することを意図しているのが理解されよう。添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれており、この明細書に包含され、その一部を構成する。図面は、本発明の様々な実施の形態を示しており、説明と一緒になって、本発明の原理および操作を説明するように働く。同様の特徴は、適切な場合、同じ符号が付けられている。

本発明は、低損失光ファイバを製造する方法に関する。本発明は、より詳しくは、アルカリ金属をシリカガラス製品中に拡散させ、拡散プロセスに続いて、シリカガラス製品をエッチングして、ガラス中に意図せずに拡散したであろう望ましくない汚染物を除去することにより、光ファイバ前駆体を調製することに関する。光ファイバ前駆体により、完成した光ファイバプリフォーム、または例えば、コア・ケインまたは堆積管などの、完成した光ファイバプリフォームの前駆体を意味するものとする。コア・ケインにより、完成した光ファイバプリフォームではないが、少なくともコアの一部を含む、光ファイバプリフォームに対する固結されたガラス前駆体を意味するものとする。完成した光ファイバプリフォームにより、光ファイバの線引きの準備ができている固結されたガラス製品を意味するものとする。

アルカリ金属酸化物をドープしたシリカガラスは、純粋なシリカガラスの理論的低減よりも低い損失を生じることができるのが示されている。「ドープした」または「ドーピング」もしくはその同等物により、ガラスに所望の特徴（ここに示したような）を達成するためのガラスへの一種類以上の材料の意図的な添加を意味するものとする。低損失光ファイバを製造する手段の一つは、光ファイバの前駆体である適切なシリカガラス製品中にアルカリ金属を拡散させることによるものである。従来の拡散技法によって、例えば、遷移金属イオンなどの望ましくない汚染物が拡散するかもしれない。しかしながら、時間や温度などの所定の組の加工条件について、例えば、アルカリ金属ドーパントの拡散深さは、そのような汚染物とは著しく異なり、アルカリ金属は、シリカガラス中の拡散深さが、例えば、遷移金属汚染物よりもずっと大きい。これが図１のグラフに示されている。この実施例において、カリウムと遷移金属イオンの両方が、本発明の方法において、シリカガラス管の内面に拡散した。次いで、この管をエッチングせずにコラプス(collapsing)した。ガラス内で、アルカリ金属および遷移金属は、利用できる酸素と結合して、シリカガラス網状構造内にＫ₂ＯおよびＦｅＯを形成する。アルカリ金属および遷移金属両方の拡散深さは、電子マイクロプローブを用いて半径位置の関数としてのＫ₂ＯおよびＦｅＯの濃度を測定することにより決定した。シリカガラス管をコラプスした後、アルカリ金属と遷移金属を中に拡散させたガラス層であって、シリカガラス管の内面から外側に延在する層が、コラプスしたことにより生じたシリカガラスの中央領域になる。図１は、Ｋ₂Ｏに関するコラプスしたシリカガラス管の中心線と同心の半径で約３０００マイクロメートルの領域と比べて、コラプスしたシリカガラス管の中心線と同心の半径で約５００マイクロメートルの領域により示されたＦｅＯの比較的浅い拡散深さを示している。図１のＦｅＯの直径の小さな領域により示されたガラス管内のＦｅＯ汚染物の浅い層は、低損失光ファイバを得るために、シリカガラス管のコラプスの前に除去することが好ましい。本発明による、低損失光ファイバを製造する方法は、固結されたガラス光ファイバ前駆体にアルカリ金属をドープし、次いで、拡散表面を適切なエッチング液でエッチングして、望ましくない拡散した汚染物を除去する各工程を有してなる。

図２に示されている本発明のある実施の形態において、光ファイバの製造に適したシリカガラス管１０がガラス作業旋盤内に取り付けられている。適切な装置の一例は、従来の改良式化学的気相成長（ＭＣＶＤ）ガラス形成旋盤である。ＫＢｒを受容するためのリザーバ１６を、二つの首状変形部６および８を互いから約２ｃｍ離れるように管１０の壁に作り出すことにより管１０の一方の端部近くに形成する。管１０の正確な組成は所望の光ファイバの設計によるが、一般に、そのような管は、約８０モルパーセント以上のＳｉＯ₂を含有する。多くの光ファイバの製造について、管１０が少なくとも９０モルパーセントのＳｉＯ₂を含有することが好ましい。そのような管は、単独、または組合せのいずれかでドーパントを含有してもよい。そのようなドーパントの例としては、Ｆ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＧｅＯ₂またはＰが挙げられるであろう。アルカリ金属の管１０中への拡散の前に、化学的気相成長手段により、追加のシリカガラスをガラス管１０の内面に加えてもよい。そのような追加のガラスは、例えば、Ｆ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＧｅＯ₂またはＰを含むドーパントを含有してもよい。しかしながら、前述した理由のために、管１０、および管１０の内側に堆積される任意の追加のガラスは、実質的に塩素を含まないことが望ましい。実質的に塩素を含まないとは、アルカリ塩化物の結晶化による光学損失が避けられるほど十分に低い塩素含有量を示すものとする。この目的には、好ましくは約５００ｐｐｍ未満の塩素含有量が望ましいことが分かった。塩素含有量は、より好ましくは約１００ｐｐｍ未満、最も好ましくは約５０ｐｐｍ未満である。さらに、シリカガラス管１０、およびその内部に堆積される任意の追加のガラスは、実質的に「水」を含まないべきである。「水」によりヒドロキシル基ＯＨ^-を意味するものとする。水は、約１３８３ｎｍの、またはその辺りの吸収ピークの原因であり、その吸収ピークは、光ファイバの動作波長領域に拡張し得る。このピークはファイバの減衰に悪影響を及ぼす。したがって、水ピークとも称されるこの吸収ピークを、ガラスのＯＨ^-含有量をできるだけ減少させることによって減少させることが望ましい。これには、出発材料が実質的に水を含まないことが必要である。実質的に水を含まないとは、好ましくは１００ｐｐｂ未満、より好ましくは約２０ｐｐｂ未満しかＯＨ^-含有量を有さないものとする。例として、図３は、Ｋ₂ＯとＯＨ^-の濃度間の相対的深さにより示された、カリウムの拡散率とＯＨ^-の拡散率との比較を示している。図示したように、Ｋ₂Ｏの濃度を測定することにより決定したカリウムの拡散深さは、ＯＨ^-の拡散深さと同様であり、ＯＨ^-は、アルカリ金属酸化物の濃度に実質的に影響を与えずに、拡散表面をエッチングすることによってガラスから除去できないことを示唆している。このことはさらに、本発明による低損失光ファイバを得るためのほとんどの実施可能な手段は、出発ガラス製品が、アルカリ金属ドーパントを拡散させる前に実質的に水を含まないことを確実にすることであるのを示唆している。このことは、例えば、シリカガラス管の製造中に従来の塩素乾燥技法を用い、その製造後にこの管の再湿潤を防ぐための適切な予防策を用いることにより達成することができる。しかしながら、塩化物の使用は、ガラス中の塩素濃度を減少させるために最小であるべきである。多孔質スートガラス製品の場合には、塩素乾燥の後またはその代わりのいずれかに、例えば、ＣＦ₄またはＳｉＦ₄もしくはそれらの組合せなどのフッ素含有雰囲気に製品を曝露することにより、乾燥を行うことが好ましい。フッ素含有雰囲気への曝露は、高レベルのフッ素でガラスがドープされるのを防ぐために、約１１００℃未満の温度で行うことが好ましい。ガラスの含水量は、好ましくは約１００ｐｐｂ未満、より好ましくは約２０ｐｐｂ未満である。

再度図２を参照する。追加のガラスの任意の堆積を含むシリカガラス管１０が一旦調製されたら、アルカリ金属源化合物１２をリザーバ１６で管１０中に導入し、管１０を回転させながら、熱源１８により加熱して蒸気を発生させる。アルカリ金属源化合物１２は、液体または固体としてリザーバ１６に導入してもよい。酸素を入口２に流動させ、回転シール４を通して管１０中に流し、アルカリ金属源化合物１２の下流の管１０の部分を加熱して、アルカリ金属の管１０の内面への拡散を促進させる。アルカリ金属源化合物１２の下流の管１０の部分を、アルカリ金属の急激な拡散を促進し、失透を防ぐのに十分な温度まで加熱すべきである。アルカリ金属源化合物１２の下流の管１０の部分は、好ましくは少なくとも約１５００℃、より好ましくは少なくとも約１７００℃、最も好ましくは少なくとも約２０００℃まで熱源２０により加熱する。アルカリ金属源化合物１２は、Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｃｓ，およびＲｂからなる群より選択される元素を成分として有する非塩素含有化合物である。アルカリ金属源化合物１２は臭化物またはヨウ化物であることが好ましい。アルカリ金属源化合物１２はＫまたはＮａの臭化物またはヨウ化物であることがより好ましい。管、またはその上に堆積した任意の追加のガラス中に拡散したアルカリのピークモルパーセントは、約０．０３５％より大きいべきである。しかしながら、約６モルパーセントを超えるアルカリ濃度は、一般に有益ではなく、加工を著しく難しくしてしまうかもしれない。アルカリ金属は、管のコラプスの前に、管の拡散表面から少なくとも約１００マイクロメートル、より好ましくは少なくとも約３００マイクロメートル、最も好ましくは少なくとも約５００マイクロメートルの深さまで全体に渡り拡散されている。

拡散プロセスの後に、アルカリ金属がそこを通って失われるかもしれない内部表面積を減少させ、かつアルカリ金属が中に拡散したガラス層を厚くするために、管１０をさらに加熱して、管１０の部分的なコラプスを促進させる工程を行ってもよい。拡散ドーピング工程、または管の任意の部分的コラプスが一旦完了したら、管の拡散表面を、シリカガラスを除去するのに適したエッチング液で、管の拡散表面を通って拡散したであろう望ましくない不純物を除去するのに十分な深さまでエッチングする。ＨＦ水溶液をエッチング液として使用してもよい。しかしながら、これにより管１０が再湿潤され、管をその後乾燥させる必要が生じるであろう。例えば、ＣＦ₄，ＳＦ₆，ＮＦ₃，Ｃ₂Ｆ₆またはそれらの混合物などのフッ化物ガスを使用することが好ましい。除去される材料の量は、拡散および任意の部分的な管のコラプスの最中の加工条件によるが、エッチング条件は、アルカリ金属の拡散深さの少なくとも約５パーセントの深さまでガラスを除去するのに十分であることが好ましい。エッチングが一旦完了したら、シリカガラス管１０をさらに熱源２０で加熱して、アルカリ金属源化合物１２の下流の管をコラプスし、固体のガラス棒を形成する。次いで、固体のガラス簿を切断して、リザーバ１６を含むガラス部分を除去する。残りの固体のガラス棒は、完全な光ファイバプリフォームを構成しても、またはコア・ケイン、すなわち、コアの少なくとも一部を含むものであり、完全な光ファイバプリフォームを形成するために、ガラス管のスリーブ付け、化学的気相成長、または他の手段のいずれかによる追加のガラス材料によりさらに加工してもよい光ファイバプリフォームの一部を構成してもよい。この追加のガラス材料は、コア材料、クラッド材料、またはその両方を構成してもよい。完成したプリフォームは、低光学損失を示すことのできる光ファイバに線引きしてもよい。本発明により製造した光ファイバのコアは、少なくとも約０．０３５モルパーセントのピークアルカリ金属酸化物濃度、約１００ｐｐｂ未満、好ましくは約２０ｐｐｂ未満の含水量を有し、約５００ｐｐｍ未満、好ましくは約１００ｐｐｍ未満、最も好ましくは約５０ｐｐｍ未満の塩素含有量を有する。

図４に示す本発明の別の実施の形態において、熱源４０を、回転しているシリカガラス棒４６に亘って行き来させている間に、アルカリ金属源化合物を、入口４４に通して熱源４０中に導入する。アルカリ金属源化合物は、火炎４２内で気化され、アルカリ金属がガラス棒４６の外面に拡散するように、火炎４２によってガラス棒４６に移送される。アルカリ金属は、棒をさらに加工する前に、棒の拡散表面から好ましくは少なくとも約１００マイクロメートル、より好ましくは少なくとも約３００マイクロメートル、最も好ましくは少なくとも約６００マイクロメートルの深さまで全体に渡り拡散される。アルカリ金属源化合物は、液体として、蒸気として、または固体として、熱源４０中に導入してもよい。アルカリ金属源化合物を液体として導入することが好ましい。シリカガラス棒４６は実質的に塩素と水を含まない。シリカガラス棒４６が少なくとも約８０モルパーセントのＳｉＯ₂を含有することが好ましく、あるファイバの設計では、約９０モルパーセント以上のＳｉＯ₂含有量を必要とする。ガラス棒４６の拡散表面は熱源４０に直接曝露されるので、熱源４０は乾燥していることが好ましい。ここで、乾燥とは、熱源が、Ｈ₂、ＯＨ^-、またはＨ₂Ｏを含有しない、もしくはＨ₂、ＯＨ^-、またはＨ₂Ｏを副生成物として生成しないことを意味するものとする。例えば、一酸化炭素を燃料して使用し、バーナの火炎中で酸素を組み合わせる場合、唯一の副生成物は二酸化炭素である。この二酸化炭素副生成物は、容易に処分でき、燃焼プロセスからは水がまったく形成されないことが都合よい。それゆえ、実質的に水を含まないシリカスート、プリフォームおよびガラスを製造することができる。その結果、熱源４０は、例えば、ＣＯ／Ｏ₂バーナまたはプラズマトーチであってよい。しかしながら、これは、適切な熱源に関する制限と考えるべきではない。説明目的のために、プラズマトーチを図４の火炎４２の源として示す。

棒４６の拡散ドーピングが完了したときに、棒４６の拡散表面を、シリカガラスを除去するのに適したエッチング液で、棒４６の拡散表面を通って拡散したであろう望ましくない不純物を除去するのに十分な深さまでエッチングする。エッチング工程により、アルカリ金属の拡散深さの少なくとも約５パーセントの深さまでガラスを除去することが好ましい。例えば、ＨＦ水溶液をエッチング溶液として使用してよい。しかしながら、これにより、ガラス棒４６が再湿潤し、棒をその後乾燥させる必要があるかもしれない。例えば、ＣＦ₄，ＳＦ₆，ＮＦ₃，Ｃ₂Ｆ₆またはそれらの混合物などのフッ化物ガスを使用することが好ましい。次いで、完成した光ファイバプリフォームを形成するために、ガラス管のスリーブ付け、化学的気相成長、または他の手段のいずれかにより、ガラス材料を加えることにより、さらに棒を加工してもよい。この追加のガラス材料は、コア材料、クラッド材料、またはその両方を構成してもよい。完成したプリフォームを、低損失を示すことのできる光ファイバに線引きしてもよい。光ファイバのコアは、少なくとも約０．０３５モルパーセントのピークアルカリ金属酸化物濃度、好ましくは約１００ｐｐｂ未満、より好ましくは約２０ｐｐｂ未満の含水量を有し、好ましくは約５００ｐｐｍ未満、より好ましくは約１００ｐｐｍ未満、最も好ましくは約５０ｐｐｍ未満の塩素含有量を有する。

本発明のさらに別の実施の形態において、図２に示したシリカガラス管１０が従来のＭＣＶＤガラス形成旋盤に取り付けられている。前述した両方の実施の形態のように、シリカガラス管１０は少なくとも８０モルパーセントのＳｉＯ₂を含有することが好ましく、ＳｉＯ₂が約９０モルパーセント以上のこともある。シリカガラス管１０をドーピングしてもよい。そのようなドーパントの例としては、Ｆ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＧｅＯ₂またはＰが挙げられる。シリカガラス管１０は、好ましくは約５００ｐｐｍ未満、より好ましくは約１００ｐｐｍ未満、最も好ましくは約５０ｐｐｍ未満しか塩素を含有しない。シリカガラス管１０の含水量は、好ましくは約１００ｐｐｂ未満、より好ましくは約２０ｐｐｂ未満である。アルカリ金属源化合物１２をリザーバ１６で管１０中に導入し、熱源１８により加熱して、蒸気を形成する。酸素を入口に流入させ、回転シール４を通して管１０中に流し、アルカリ金属源化合物１２の下流の管１０の部分を熱源２０により加熱して、アルカリ金属の管１０の内面への拡散を促進させる。アルカリ金属は、管のコラプスの前に、管の拡散表面から好ましくは少なくとも約１００マイクロメートル、より好ましくは少なくとも約３００マイクロメートル、最も好ましくは少なくとも約５００マイクロメートルの深さまで全体に渡り拡散される。拡散ドーピング工程が一旦完了したら、管の拡散表面を、シリカガラスを除去するのに適したエッチング液で、管１０の拡散表面中に拡散したかもしれない望ましくない不純物を除去するのに十分な深さまでエッチングする。エッチング工程により、アルカリ金属の拡散深さの少なくとも約５パーセントの深さまでガラスを除去することが好ましい。ＨＦ水溶液をエッチング液として使用してよい。しかしながら、これにより、管１０が再湿潤し、管をその後乾燥させる必要が生じるかもしれない。例えば、ＣＦ₄，ＳＦ₆，ＮＦ₃，Ｃ₂Ｆ₆またはそれらの混合物などのフッ化物ガスを使用することが好ましい。エッチングが完了した後、シリカガラス棒を管１０内に挿入する。シリカガラス棒は、好ましくは約１００ｐｐｂ未満、より好ましくは約２０ｐｐｂ未満しか水を含有しない。さらに、この棒の塩素含有量は、好ましくは約５００ｐｐｍ未満、より好ましくは約１００ｐｐｍ未満、最も好ましくは約５０ｐｐｍ未満である。シリカガラス棒は少なくとも約８０モルパーセントのＳｉＯ₂を含有することが好ましく、ある光ファイバ設計については、この棒は９０モルパーセント以上のＳｉＯ₂から構成されるべきである。シリカガラス棒をドーピングしてもよい。そのようなドーパントの例としては、Ｆ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＧｅＯ₂またはＰが挙げられるであろう。シリカガラス棒を管１０内に挿入したら、次いで、管１０とシリカガラス棒とのアセンブリを、シリカガラス棒上で管１０をコラプスするのに適した熱源により加熱して、光ファイバ前駆体を形成する。このように得られた光ファイバ前駆体は、完全な光ファイバ前駆体を構成しても、完全な光ファイバ前駆体を形成するために、ガラス管のスリーブ付け、化学的気相成長、または他の手段のいずれかにより、ガラス材料を加えることによりさらに加工してもよい。この追加のガラス材料は、コア材料、クラッド材料、またはそれらの両方を構成してもよい。完成したプリフォームを、低損失を示すことのできる光ファイバに線引きしてもよい。現行の実施の形態の代わりにおいて、前述し、図４に示したように、シリカガラス棒４６の外面にアルカリ金属を拡散させることにより、シリカガラス棒４６をドーピングしてもよい。アルカリ金属は、棒をさらに加工する前に、棒の拡散表面から好ましくは少なくとも約１００マイクロメートル、より好ましくは少なくとも約３００マイクロメートル、最も好ましくは少なくとも約６００マイクロメートルの深さまでずっと拡散される。前述したように、シリカガラス棒４６は実質的に水と塩素を含まず、含水量は、好ましくは約１００ｐｐｂ未満、より好ましくは約２０ｐｐｂ未満である。シリカガラス棒４６の塩素含有量は、好ましくは約５００ｐｐｍ未満、より好ましくは約１００ｐｐｍ未満、最も好ましくは約５０ｐｐｍ未満である。前述したように、棒４６は、少なくとも約８０モルパーセントのＳｉＯ₂を含有し、ある場合には、光ファイバの設計に応じて、約９０モルパーセント以上のＳｉＯ₂を含有する。シリカガラス棒４６をドーピングしてもよい。そのようなドーパントは、例えば、Ｆ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＧｅＯ₂またはＰが挙げられるであろう。アルカリ金属を棒４６中に前述したような様式で拡散させた後、棒４６の拡散表面を、拡散した不純物を除去するのに十分な深さまでエッチングし、次いで、棒４６をシリカガラス管中に挿入する。エッチング工程により、アルカリ金属の核酸深さの少なくとも約５パーセントの深さまでガラスが除去されることが好ましい。シリカガラス管が少なくとも８０モルパーセントのＳｉＯ₂を含有することが好ましく、ＳｉＯ₂が約９０モルパーセント以上のこともある。シリカガラス管をドーピングしてもよい。そのようなドーパントは、例えば、Ｆ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＧｅＯ₂またはＰが挙げられるであろう。シリカガラス管は、好ましくは約５００ｐｐｍ未満、より好ましくは約１００ｐｐｍ未満、最も好ましくは約５０ｐｐｍ未満の塩素を含有する。シリカガラス管の含水量は、好ましくは約１００ｐｐｂ未満、より好ましくは約２０ｐｐｂ未満である。シリカガラス管と棒４６のアセンブリは、管を棒４６上でコラプスするのに適した熱源により加熱する。この実施の形態のいずれの管と棒とのアセンブリは、完全な光ファイバプリフォームを構成しても、完全な光ファイバプリフォームを形成するために、ガラス管のスリーブ付け、化学的気相成長、または他の手段のいずれかによって、ガラス材料を加えることによりさらに加工してもよい。この追加のガラスは、コア材料、クラッド材料、またはそれらの両方を構成してもよい。完成したプリフォームを、低光学損失を有することのできるファイバに線引きしてもよい。光ファイバのコアは、少なくとも約０．０３５モルパーセントのピーク金属酸化物濃度、約１００ｐｐｂ未満、好ましくは約２０ｐｐｂ未満の含水量を有し、好ましくは約５００ｐｐｍ未満、より好ましくは約１００ｐｐｍ未満、最も好ましくは約５０ｐｐｍ未満の塩素含有量を有する。

本発明を、以下の実施例によりさらに明白にする。

実施例１
図５を参照する。１９ｍｍの内径、２５ｍｍの外径および約０．５ｍの長さを有し、２０ｐｐｍ未満のＣｌ、０．０５重量パーセント未満のＦ、１０ｐｐｂ未満のＯＨ^-を含有し、実質的に遷移金属不純物を含んでいない合成シリカ管１０を、それぞれ端部１４および２４でチャック３６およびチャック３４により従来のＭＣＶＤガラス形成旋盤３８に取り付けた。管１０を約２１００℃で同時に火造りしながら、酸素を入口２から流入させ、回転シール４を通して管１０中に２ｌ／分および０．７５トルの背圧で流し入れた。ＫＢｒを受容するためのリザーバ１６を、互いから約２ｃｍ離れるように管１０の壁に二つの首状変形部６および８を作り出すことにより、管１０の端部２４近くに形成した。変形部６および８は、管１０を回転させながら端部２４近くで手持ち式トーチにより軟化点まで管１０を加熱し、ガラスのブロー成形の従来技術に一般に用いられる挟みで軟化したガラスを挟むことにより形成した。端部２４をガラス製造旋盤３８内のそれぞれのチャック３４から取り外し、多量のＫＢｒをリザーバ１６内に配置した。次いで、管１０の端部２４をチャック３４に再度取り付け、乾燥窒素を入口に流入させ、かつ管１０を回転させながら、リザーバ１６を、管１０の外部にある、リザーバ１６のところに配置された熱源１８により約１０００℃まで加熱した。ＫＢｒ１２が溶融し、脱水された。次いで、管１０を冷却し、端部２４をチャック３４から取り外した。サイズ、含水量および塩素含有量に関して管１０と同じ特徴を有し、管１０と同様の様式で火造りされた第二のシリカガラス管２２を端部３２でチャック３４内に配置し、管２２の自由端部２６を界面２で管１０の自由端部２４に接触させた。乾燥窒素を入口２に流入させ、回転シール４に通して管１０内に流し入れ、その間に、管１０の端部２４を界面２８で管２２の端部２６に溶着して、手持ち式トーチを用いて複合管３０を形成した。次いで、複合管３０を連続的に回転させ、熱源１８によりリザーバ１６を加熱して、ＫＢｒ蒸気を生成した。酸素を入口２に流入させ、液体ＫＢｒ１２のリザーバの上で回転している接合部４を通して複合管３０中に流し入れ、複合管３０を通してＫＢｒ蒸気を移送する。これと同時に、熱源２０をリザーバの下流の複合管３０を行き来させ、リザーバ１６の下流の複合管３０の部分を約２１００℃まで加熱した。この段階中、ＫＢｒ蒸気は複合管３０の内面と接触し、アルカリ金属が、複合管３０の内壁を通ってガラス中に拡散する。熱源２０を何度も行き来させて、複合管３０の内部領域において、約３００マイクロメートルのアルカリ金属酸化物深さおよび少なくとも０．０３５モルパーセントのピークアルカリ金属酸化物濃度を達成した。

次に、リザーバ１６の下流の複合管３０の部分を加熱し、約２ｍｍの内孔径まで部分的にコラプスし、その後、Ｃ₂Ｆ₆と酸素の混合物を、約２１００℃の温度および０．５７トルの背圧で、入口２に流し入れ、複合管３０に通して流し込むことにより、中心線をエッチングして、カリウムの拡散深さの約５％の深さまでガラスを除去した。

エッチング工程後、従来の技法を用いて、複合管３０を中実のガラス棒にさらにコラプスした。次いで、中実のガラス棒を界面２８の下流で切断して、切断部の下流にある中実のガラス棒の部分からコア・ケインを形成した。このように形成したコア・ケインは、結晶化の兆候を全く示さず、少なくとも約０．０３５モルパーセントのピークＫ₂Ｏ濃度を示す。このコア・ケインを、その外面をエッチングして、熱源２０と外部の環境から拾い上げた不純物を除去することによりさらに加工してもよい。次いで、コア・ケインを、外付け法により製造し、２０ｐｐｍ未満のＣｌ、１０ｐｐｂ未満のＯＨ^-、および約１．２重量％のＦを含有する合成シリカ管内に配置した。コア・ケインと管のアセンブリを精製し、乾燥炉内で管をコア・ケイン上にコラプスし、次いで、このアセンブリを、Ｆドープシリカ管内に挿入し、実質的にアルカリを含まないこと以外は同一のファイバよりも低い光学損失を有するファイバに線引きした。

本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明の様々な改変および変更を行えることが当業者には明らかであろう。それゆえ、本発明は、本発明の改変および変更を、それらが添付の特許請求の範囲およびその同等物に含まれるという条件で、包含することが意図されている。

Ｋ₂ＯおよびＦｅＯの濃度を測定することにより決定したＫおよびＦｅの拡散深さを表示し、ＦｅよりもＫが著しく多大に拡散していることを示すグラフ バーナとアルカリ金属源化合物の位置との間の関係を示す、シリカガラス管中にアルカリを拡散させるための構成を示す概略図 ＯＨ^-およびＫの同様の拡散深さを示す、ＯＨ^-およびＫの拡散深さを比較したグラフ。Ｋの拡散深さは、Ｋ₂Ｏの濃度を測定することにより決定した。 プラズマ・バーナを用いた、シリカガラス中にアルカリを拡散させるための構成を示す概略図 アルカリをシリカガラス管中に拡散させるための好ましい構成を示す概略図

符号の説明

２ 入口
４ 回転シール
１０ シリカガラス管
１２ アルカリ金属源化合物
１６ リザーバ
１８、２０、４０ 熱源
４２ 火炎
４６ シリカガラス棒

Claims (10)

1. 光ファイバプリフォームを形成する方法であって、
   少なくとも８０モルパーセントのＳｉＯ₂を有してなるガラス製品の表面にアルカリ金属を拡散させ、
   前記ガラス製品の拡散表面を、拡散した不純物を除去するのに十分な深さまでエッチングして、光ファイバプリフォームを形成する、
   各工程を有してなる方法。
2. 前記拡散工程において、前記ガラス製品が約１００ｐｐｍ未満しか塩素を含まないことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記拡散工程において、前記ガラス製品が約１００ｐｐｂ未満しかＯＨ^-を含まないことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記拡散工程における前記アルカリ金属がＫ，Ｎａ，Ｌｉ，ＣｓまたはＲｂであることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記拡散工程における前記ガラス製品がガラス管であり、前記アルカリ金属が、前記ガラス管の内面に拡散されることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記拡散工程が、前記アルカリ金属を、前記ガラス管の内面から少なくとも約１００マイクロメートルの深さまで拡散させる工程を含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記拡散工程における前記ガラス製品がガラス棒であり、前記アルカリ金属が前記ガラス棒の外面に拡散されることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記ガラス管をコラプスして、中間ガラス製品を形成し、
   前記中間ガラス製品に追加のガラスを加えて、完成した光ファイバプリフォームを形成し、
   前記光ファイバプリフォームを光ファイバに線引きする、
   各工程をさらに含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
9. 前記ガラス棒に追加のガラスを加えて、光ファイバプリフォームを形成し、
   前記光ファイバプリフォームを光ファイバに線引きする、
   各工程をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
10. 光ファイバであって、
    コアが、ＳｉＯ₂およびＸ₂Ｏの形態にあるアルカリ金属酸化物を有してなり、ＸはＫ，Ｎａ，Ｌｉ，ＣｓおよびＲｂからなる群より選択され、０．０３５≦Ｘ₂Ｏ≦６モルパーセントであり、前記コアが約１００ｐｐｍ未満しか塩素を含まないことを特徴とする光ファイバ。

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