JP2971373B2 - 径方向で熱伝導率変化を有する光ファイバ母材の製法 - Google Patents

径方向で熱伝導率変化を有する光ファイバ母材の製法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバに関
し、特に単一モード光ファイバの母材製造工程及び線引
き工程における光伝送損失要因を減らして伝送効率の高
い単一モード光ファイバを得られるようにする技術に関
する。
【0002】
【従来の技術】この技術分野でよく知られているよう
に、光ファイバはコアの屈折率が均一な均一コア光ファ
イバである単一モード及び多重モードの光ファイバと、
コアの屈折率が任意の屈折率分布を有する不均一コア光
ファイバであるグレーデッドインデックスモード光ファ
イバに分けられる。このような光ファイバにおいて多重
モードの光ファイバは主に中・短距離通信用として使用
され、単一モードの光ファイバは主に長距離通信用とし
て使用される。
【0003】単一モード及び多重モード用の光ファイバ
母材の製造方法としては、外部化学蒸着(outside vapou
r deposition: OVD)法と気相軸付け(vapour phase
axial deposition: VAD)法、それにCVD法を改良
した内付けCVD(ModifiedCVD:MCVD)法があ
る。このうちMCVD法は、密閉された管内で反応させ
るので不純物の流入が少なく、またガラスの薄層を細密
に付着することができるので屈折率分布の精密な制御が
可能である。そのため、MCVD法は、最も広く用いら
れており、全体の約60%を占めている。
【0004】このようなMCVD法による光ファイバ母
材の製造方法の概略を図6を参照して説明する。先ず、
予め作製してある石英管(以下、“1次石英管”と呼
ぶ)2をガラス旋盤に取り付けた後、この1次石英管2
を軸回転系で矢示方向に回転させる。この1次石英管2
は光ファイバのクラッドになるもので、その材料として
は主に天然石英ガラス管が使用され、その管の直径は一
例として26mm程度である。
【0005】原料ガス供給系4は、蒸気運搬システム6
を通じて前記1次石英管2内に酸素ガスO2 、原料ガス
SiCl4 、及びPOCl3 、BCl3 、GeCl4
を流し、1次石英管2の外部にある酸素・水素バーナー
8が駆動系により左右に移動しつつ1次石英管2を均等
に加熱するように制御される。これにより、1次石英管
2内では化学ガスの粒子が発生し、管内壁に直ちに真空
蒸着されることで、1次石英管2内に図6に点線で示す
ような蒸着層10が形成される。この蒸着層10はクラ
ッド層とコア層とからなり、先ず一定の厚さのクラッド
層を蒸着してから屈折率の高いコア層を蒸着して形成さ
れる。このようにクラッド層の蒸着を行うのは、蒸着中
の高温により1次石英管2にある水酸基OH- がコア層
に拡散するのを防止するためである。つまり水酸基のコ
ア層への拡散により光ファイバに吸収損失が生じるのを
防止するためである。
【0006】蒸着層10の形成工程が終了すると1次石
英管2の内部を充実にする必要がある。そのためには、
蒸気運搬システム6による原料ガスの噴射を停止した状
態で、酸素・水素バーナー8により蒸着層10の付着し
た1次石英管2をさらに加熱する。すると、蒸着層10
の付着した1次石英管2が収縮し、その内部が接合する
ことにより、充実円柱形の光ファイバ母材が得られる。
以下、このようにMCVD法でつくられた光ファイバ母
材を本発明では“1次ファイバ母材”と称する。
【0007】こうして得られた光ファイバ母材は、太径
であればその分、線引き工程において光ファイバ母材単
位長当たりの光ファイバの線引き長さを長くすることが
できる。従って、光ファイバ母材の直径を大きくすれば
結果的に光ファイバの製造時間の短縮を図ることがで
き、生産性を向上させることができる。そのため通常
は、MCVD法で生成された1次ファイバ母材にオーバ
クラッディング(またはオーバジャケットとも言う)を
施す。1次ファイバ母材のオーバクラッド方法と装置に
ついては、本発明と同一の出願人により出願された特願
平6−244315号(特開平7−196332号)に
詳しく開示されている。光ファイバ母材をオーバクラッ
ディングする場合、設計者は予めMCVD法によるクラ
ッド層とオーバクラッディングによるクラッド層との両
層厚を考慮してコア径が適当な比率となるように蒸着し
なければならない。
【0008】光ファイバ母材のオーバクラッド方法の簡
略を説明すると、先ず1次ファイバ母材の直径よりも大
きい直径(例えば、内径21mm、外径41mm程度)
を有する予め作製の2次石英管に前記1次ファイバ母材
を挿入する。この2次石英管としては通常、1次石英管
と同一材質の天然石英ガラス管が使用される。次に、バ
ーナーを使用して2次石英管を約2000℃程度の温度
で加熱すると同時に真空ポンプにより2次石英管内を脱
気する。これにより、2次石英管が潰れて1次ファイバ
母材に密着的に接合し、ファイバ最終母材が得られる。
【0009】以上のようなオーバクラッド方法で形成さ
れたファイバ最終母材は、図7及び図8に示すような構
造を持ち、これは光ファイバ線引き工程で使用されるこ
とになる。なお、図7及び図8において、符号10はM
CVD法により形成されたコア層とクラッド層からなる
蒸着層で、符号2はMCVD法のために用いられた1次
石英管(図6に図示)であり、これはクラッドAとな
る。また符号20はオーバクラッディングで使用した2
次石英管であり、これはクラッドBとなる。符号22は
クラッドA(2)とクラッドB(20)の境界面で、オ
ーバジャケット面と呼ばれる。
【0010】このようなファイバ最終母材における1次
石英管、即ちクラッドA(2)と2次石英管、即ちクラ
ッドB(20)は、従来では何れも天然石英ガラス管が
用いられており、したがって同一の物性(例えば熱伝導
率または粘性係数)を有している。この天然石英ガラス
管は、一般に合成石英管と比べてその純度は低いが、安
価であるというメリットがある。
【0011】しかし、同一物性の1次石英管と2次石英
管を用いて形成されたファイバ最終母材は、光伝送損失
の要因を生じさせ易く、特に線引き工程においてレーリ
ー散乱損失の要因を生じさせ易くなる。周知のように、
レーリー散乱損失を招く原因としては、主に、コアとク
ラッドとの界面の不均一、コア内のGeO2 成分の不均
一、波長による屈折率の変化等がある。このような光伝
送損失の招来要因は、後述する光ファイバ線引き工程に
あって、ファイバ最終母材の材質に起因して生じ、また
線引き条件に起因して生じる。
【0012】次に、単一モードファイバの線引き・被覆
工程を実施する装置のブロック図を示す図9を参照し
て、一般的な線引き・被覆工程の概略を説明する。母材
位置制御器42の位置制御メカニズムにより光ファイバ
の最終母材28が線引き炉30に徐々に供給される。線
引き炉30では、数千℃の熱を、典型的には2250〜
2300℃程度の熱を加える。この加熱により、ファイ
バ最終母材28から未被覆の光ファイバがキャプスタン
38による牽引力によって繊維状に引き出される。線径
測定器32は、引き出された未被覆の光ファイバの径が
予め設定された太さ(例えば、125μm)になるかを
測定して、線径制御器44に制御信号を送り、それによ
ってファイバ径が一律125μmに維持されるようにキ
ャプスタン38による牽引力が制御される。つまりキャ
プスタン38は、線径制御器44の制御信号に応じて光
ファイバを延伸する牽引力の強弱程度を調節するように
回転する。キャプスタン38の回転速度は、典型例とし
て20m/sec程度の比較的早い光ファイバの線引き
速度である。そして、こうして得られた光ファイバを保
護するため、第1次コーティングユニット34と第2次
コーティングユニット36では、やや冷却された状態で
下降する光ファイバに対してポリマー被覆物(例えば、
アクリル)を被覆する。この被覆された光ファイバは、
キャプスタン38の牽引力により引き出され、巻取手段
40によって巻き取られる。
【0013】このような線引き工程における光ファイバ
のレーリー散乱損失等の招来要因の発生は、線引き温
度、線引き速度、及び線引き力(キャプスタンによる牽
引力)等の線引き条件により大きく影響される。例えば
線引き温度が高温で線引き力が小さい場合には、レーリ
ー散乱損失やUV吸収損失が増大することになる。
【0014】キャプスタン38の牽引力と線引き炉30
による加熱は、ファイバ最終母材28に、その縮径部分
から未被覆の光ファイバが引き出される位置であるネッ
クダウンゾーン48(図10)を形成させる。このネッ
クダウンゾーン48は、ガラスの軟化点で生じる。つま
りガラスは一定の軟化点(天然石英管では約1750℃
以下、合成石英管では約1600℃以下)を有し、この
軟化点以上になると、ガラスは固体状態から液体状態に
変化し、その粘性度が低下する。すると自重や牽引力に
よりガラスは下方に延伸してネックダウンゾーン48を
形成する。このネックダウンゾーン48では光ファイバ
の外径はほぼ125μmとなり、コアが最高の温度にな
る。
【0015】ところで、従来のファイバ最終母材は1次
石英管と2次石英管が同一の物性(熱伝導率及び粘性係
数)を有することから、上記ネックダウンゾーンにおけ
る変化が非常に大きい。即ちネックダウンゾーンにおけ
る変化が最も大きくなるのは、クラッド外部に加えられ
る温度とコア内部に加えられる温度が同一の場合である
が、線引き工程にあって従来のファイバ最終母材では、
図7及び図8のような構造におけるコア中心軸に近いク
ラッドA(2)に加わる温度がその外側のクラッドB
(20)に加わる温度よりも低温となるものの、クラッ
ドA(2)を形成する1次石英管とクラッドB(20)
を形成する2次石英管が同一の物性を有するために、そ
の温度差が僅かであることから、ネックダウンゾーンに
は大きな変化が発生してしまう。このネックダウンゾー
ンにおける大きな変化は、光ファイバのコア及びクラッ
ドの屈折率を変化させてしまい、このことが光伝送損失
のうちで最大の問題となるレーリー散乱損失に影響を与
える。また、線引き炉30の炉内温度が高温の場合に
は、ファイバ最終母材のうちコアの主要成分であるGe
2 がイオン化(約2150℃でイオン化される)して
しまい、これによりGeO2 の分布が不均一になること
でレーリー散乱損失の増加要因をもたらす。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、光伝送効率に優れた単一モードの光ファイバを得
ることのできる光ファイバ母材の製造方法を提供するこ
とにある。本発明の他の目的は、特にレーリー散乱損失
が少ない単一モードの光ファイバを得ることのできる
ファイバ母材の製造方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記のような目的のため
に本発明では、1次母材用の石英管を用いて内付け化学
蒸着法で形成した1次ファイバ母材にオーバクラッド用
の石英管を用いてオーバクラッディングを施すことでフ
ァイバ最終母材を形成する方法について、1次母材用の
石英管の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する石英管を
オーバクラッド用の石英管として用いるようにしてい
る。
【0018】また本発明では、上記のような光ファイバ
母材の製造方法について、オーバクラッディング用の石
英管を複数の石英管で形成し、且つ外周に向けて各石英
管の熱伝導率を順次小さくするようにしている。
【0019】また本発明では、上記のような光ファイバ
母材の製造方法について、複数のオーバクラッディング
用の石英管を順次オーバクラッディングするようにし、
且つ外周に向けて各石英管の熱伝導率を順次小さくする
ようにしている。
【0020】さらに本発明では、上記のような光ファイ
バ母材の製造方法について、1次母材用の石英管として
合成石英管を用いるようにし、またオーバクラッディン
グ用の石英管として天然石英管を用いるようにし、さら
に合成石英管についてはその水酸基濃度を5ppm以下
とするようにしている。
【0021】上記のような本発明では、コアとこれを囲
むクラッドからなる光ファイバ母材について、クラッド
の熱伝導率を径方向で外周に向けて小さくなるように変
化させるようにし、あるいはクラッドの粘性度を径方向
で外周に向けて大きくなるように変化させるようにして
いる。このような光ファイバ母材は、単一モード光ファ
イバ用として適している。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
添付の図面を参照して説明する。先ずこれに先立って論
文集「OFC ′94 Technical Digest」に掲載された“Fl
uorine’s effect on fiber optical losses induced b
y drawing ”に言及する。この論文は、フッ素をコアに
ドーピングすることで、レーリー散乱損失を低減する内
容を開示している。それによると、コアにドーピングさ
れるフッ素は、コアに加わる線引き温度に若干依存しつ
つ、コアにおけるGeO2 のイオン化を防止する働きが
ある。
【0023】本発明では、ネックダウンゾーンにおける
変化を小さくし、またコアにおけるGeO2 のイオン化
を防止するため、クラッド層のうち中心軸に近いクラッ
ド層が最も熱伝導率が高くなるようにする。つまり中心
軸から遠くなるクラッド層ほど熱伝導率を低くなるよう
な構成とする。このようにすると、線引き工程時にコア
に加わる温度を低くすることができ(図2参照)コアに
おけるGeO2 の電離を防止することができる。
【0024】このような本発明によるクラッド層におけ
る熱伝導率等の物性値の分布は、コアに加わる温度を相
対的に低くすることができるので、光伝送損失の増加原
因を減らすことができる。本発明の一実施形態では、本
発明の精神に基づき、互いに物性値が異なる2つの石英
管を用いて光ファイバの最終母材を製造する。即ち、本
発明では、図7及び図8の構造における2次石英管即ち
クラッドB(20)の材質を1次石英管即ちクラッドA
(2)よりも小さい熱伝導率を有する材質とする。一般
的に熱伝導率は粘性係数と反比例の関係にあることか
ら、本発明においてクラッドB(20)の粘性係数は、
クラッドA(2)よりも高い粘性係数を有することにな
る。これを整理すると、次のような関係となる。
【0025】
【表1】 熱伝導率(K);クラッドA(2)>クラッドB(20) 粘性係数(μ);クラッドA(2)<クラッドB(20) (但し、K;熱伝導率の単位 μ;粘性係数の単位)
【0026】本発明により製造される光ファイバの最終
母材28の物性値は、結果として図1と図2に示す曲線
F(実線)を満足するものとなる。ここで図1及び図2
は、最終母材28の物性値(例えば、熱伝導率または粘
性係数)に応じてコアに加わる温度の状態を表し、また
図3は最終母材28の構造と屈折率分布を示し、これら
の図において、横軸(r)は半径を、r0 は中心軸を、
1 は蒸着コアまでの半径を、r2 は蒸着クラッドまで
の半径を、r3 はクラッドA(2)の外半径を、r4
クラッドB(20)の外半径をそれぞれ示す。
【0027】先ず、図3における最終母材28の1次石
英管2及び2次石英管20が従来と同様に同一の物性を
有する場合について本発明と比較のために検討する。こ
の場合、最終母材28の径方向における熱伝導率と温度
分布は、図1及び図2に示した曲線E(点線)のように
なる。
【0028】次に、1次石英管2及び2次石英管20が
本発明のような物性値、すなわち熱伝導率(K);クラ
ッドA(2)>クラッドB(20)、粘性係数(μ);
クラッドA(2)<クラッドB(20)となる場合につ
いて説明する。この場合には、ファイバ最終母材28の
断面における熱伝導率と温度分布は、図1及び図2に示
した曲線Fのようになる。円柱における温度と熱伝導の
関係については、J.P.Holmanによる「Heat Transfe
r 」の第7版を参照すれば、そこに示されているグラフ
は図2と類似する曲線であることを理解できる。
【0029】つまり、図3の蒸着層10のコアでは、図
2に示す如くT2−T1の温度差が生じるが、この温度
差だけコアにおけるGeO2 のイオン化を防止すること
ができる。ここで、T1は本発明に係る所定の物性値に
よって製造された光ファイバにおいてコアに加わる温度
を、T2はクラッドA、Bが同一の物性値によってつく
られた光ファイバにおいてコアに加わる温度をそれぞれ
示す。
【0030】光ファイバは線引きの際の温度(特にコア
の温度)が低ければ低いほど、その伝送損失レベルを低
減できることは当業者に周知であり、また本発明で先に
引用した論文を参照しても容易に理解することができ
る。したがって、図1及び図2に示すような熱伝導率と
温度特性を有する本発明は、光ファイバの散乱損失を減
少することのできるという効果を奏する。
【0031】また、本発明の好適な一実施形態では、1
次石英管2として合成石英管を使用し、2次石英管20
として天然石英管を使用する。この合成石英管と天然石
英管を使用する光ファイバの最終母材28は、図3〜図
2の温度特性をほぼ満足させている。天然石英管と合成
石英管の特性は下記の表1に示す通りである。また図4
に天然石英管と合成石英管についての線引き温度と粘性
係数との関係をグラフで示す。このグラフからも分かる
ように、天然石英管は、すべての温度領域(1000〜
2000℃)で合成石英管よりも高い粘性係数を有する
という特性をもつ。
【0032】
【表2】
【0033】このように一実施形態で1次石英管2とし
て合成石英管を使用する理由は、図3に示す蒸着層10
のクラッド厚を減らすことができるということにもあ
る。このことを以下に説明する。蒸着クラッドは、1次
石英管での水酸基(OH- )が温度差によりコアに染み
込むのを防止するための保護層として機能するものであ
る。したがって従来のように、1次石英管2として水酸
基濃度が200ppm以上である天然石英管を使用した
場合は、吸収損失を減少させるために図3に示すD/d
比(Dは中心軸から蒸着クラッドまでの半径、dは中心
軸から蒸着コアまでの半径)は、7以上とするのが望ま
しい。すなわち保護層の厚さを厚くする必要がある。こ
れに対し、本発明のように1次石英管2として合成石英
管(水酸基濃度が5ppm程度)を使用する場合は、水
酸基の濃度が低いので、保護層である蒸着クラッドの厚
さを薄くすることができる。そしてこの蒸着クラッドの
厚さの減少は、MCVD法による光ファイバ母材の製造
についてコスト節減効果をもたらす。
【0034】光ファイバを生産するに際し、太径の光フ
ァイバ母材を製造し、その品質を向上させるためには、
必然的に多層タイプのオーバクラッド法を用いることに
なるが、その場合でも光ファイバの伝送損失を低減させ
る必要がある。そのためには、図5における各層の物性
値(例えば、熱伝導率または粘性係数)が、次のような
関係をもたなければならない。
【0035】
【表3】 熱伝導率(K);K0 >K1 >K2 …>Kn 粘性係数(μ);μ0 <μ1 <μ2 …<μn ここで、1〜nはオーバクラッドを行う回数を、K0
びμ0 はMCVD法で使用する1次石英管の熱伝導率及
び粘性係数を意味する。
【0036】合成石英管を1次石英管として使用す場合
には、各オーバクラッドに用いる天然石英管は外側に行
くにしたがってその熱伝導率が1次石英管として用いた
合成石英管の熱伝導率より順次低くなるようにする。石
英管の熱伝導率は石英管内の金属イオン(例えば、L
i、Na、K、Al、Fe、Cu等)成分の濃度及び水
酸基(OH- )の濃度により決定され、一般的にはこれ
らの濃度が低ければ低いほど熱伝導率は増加する。した
がって、石英管の製造時に金属イオン成分及び水酸基濃
度を調節すれば、K0 、K1 、K2 、…、Kn のように
互いに異なる熱伝導率を有する石英管をつくることがで
きる。こうしてつくられたそれぞれ異なる熱伝導率の多
数の石英管を前記K0 >K1 >K2 …>Kn のような熱
伝導率分布が形成されるようにオーバクラッディングす
ることで、光ファイバの伝送損失を減少させることがで
きる。この場合、オーバクラッディングに使用する各石
英管(各石英管の物性値は異なる)は、その厚さを任意
に調節でき、予め設定したコアとクラッドの体積比率を
充足させることも可能である。なお、本発明の最終母材
をつくる工程は従来の母材製造工程と同一の過程となる
ので、本発明には特別の設備を必要としない。ただMC
VD法によるクラッド蒸着の層厚を従来よりは薄くする
調整が必要となる。なお本発明による単一モードの最終
母材は単位長毎の特性が均一となる点でも特徴付けられ
る。
【0037】
【発明の効果】以上述べてきたように本発明によると、
光ファイバ母材が径方向で熱伝導率または粘性係数の勾
配を持つため、光ファイバの線引き時における光伝送損
失招来要因の発生を減少させることができる。また、本
発明によると、光ファイバ母材の単位長毎の特性を均一
にすることができるので、歩留り向上による製造原価を
節減することができる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるファイバ最終母材の熱伝導率分布
状態図。
【図2】図1に対応するファイバ最終母材における線引
き時の温度分布状態図。
【図3】図1に対応するファイバ最終母材の屈折率分布
状態図。
【図4】天然石英管と合成石英管における温度と粘性係
数の関係を示すグラフ図。
【図5】本発明の一実施形態によるファイバ最終母材の
径方向断面の構造図。
【図6】MCVD法による1次ファイバ母材の製造工程
の概略図。
【図7】オーバクラッディングで得られるファイバ最終
母材の径方向断面の構造図。
【図8】オーバクラッディングで得られるファイバ最終
母材の線引き時における状態を示す斜視図。
【図9】光ファイバの線引き工程のブロック図。
【図10】オーバクラッディングで得られるファイバ最
終母材の線引き時におけるネックダウンゾーンを示す斜
視図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−103924(JP,A) 特開 平3−78707(JP,A) 特開 昭62−191432(JP,A) 特開 平7−33460(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C03B 37/00 - 37/16

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1次母材用の石英管を用いて内付け化学
    蒸着法で形成した1次光ファイバ母材にオーバクラッド
    用の石英管を用いてオーバクラッディングを施すことで
    ファイバ最終母材を形成する光ファイバ母材の製造方法
    において、 1次母材用の石英管の熱伝導率より小さな熱伝導率を有
    する石英管をオーバクラッド用の石英管として用いるよ
    うにし、そのオーバクラッド用の石英管を複数の石英管
    で形成し且つ外周に向けて各石英管の熱伝導率を順次小
    さくするようにしたことを特徴とする光ファイバ母材の
    製造方法。
  2. 【請求項2】 1次母材用の石英管を用いて内付け化学
    蒸着法で形成した1次光ファイバ母材にオーバクラッド
    用の石英管を用いてオーバクラッディングを施すことで
    ファイバ最終母材を形成する光ファイバ母材の製造方法
    において、 1次母材用の石英管の熱伝導率より小さな熱伝導率を有
    する複数の石英管をオーバクラッド用の石英管として順
    次オーバクラッディングするようにし、且つ外周に向け
    て各石英管の熱伝導率を順次小さくするようにしたこと
    を特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
  3. 【請求項3】 1次母材用の石英管として合成石英管を
    用いるようにした請求項1又は請求項2記載の光ファイ
    バ母材の製造方法。
  4. 【請求項4】 オーバクラッド用の石英管として天然石
    英管を用いるようにした請求項3記載の光ファイバ母材
    の製造方法。
  5. 【請求項5】 水酸基濃度が5ppm以下である合成石
    英管を用いるようにした請求項3又は請求項4記載の光
    ファイバ母材の製造方法。
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