JP5559164B2 - 曲げに強い光ファイバーを形成するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、曲げに強い光ファイバーであって、該光ファイバーが、屈折率ｎ_Kを有するコアゾーン、屈折率ｎ_Mを有しコアゾーンを被覆するクラッディングゾーン、並びに、フッ素でドーピングされた石英ガラスから成りかつ屈折率ｎ_Fを有していてクラッディングゾーンを取り囲むリングゾーンを備えており、ｎ_F＜ｎ_M＜ｎ_Kの式が成り立っている形式のものに関する。

更に、本発明は、曲げに強い光ファイバーの形成のための方法であって、光ファイバーは屈折率ｎ_Kを有するコアゾーン、屈折率ｎ_Mを有していて前記コアゾーンを被覆するクラッディングゾーン、並びに、フッ素でドーピングされた石英ガラスから成りかつ屈折率ｎ_Fを有していて前記クラッディングゾーンを取り囲むリングゾーンを備えており、この場合、ｎ _F ＜ｎ _M ＜ｎ _K の式が成り立っていて、石英ガラス製のプレフォーム若しくは、石英ガラス製の構成部分から成る同軸形の積層体の伸長加工により行う形式のものに関する。

光ファイバー内をガイドされる光信号の減衰は、ファイバーの曲がりに左右される。小さい曲げ半径は、光の高い減衰作用を発生させる。信号ロスは、曲げに強い光ファイバーを使用することにより減少される。この種のファイバーは、既に以前より知られていて、家屋までの光回線の敷設（fiber-to-the-home）のために注目されるようになっている。使用に際しては、スペース上の制約や美観的な要求に基づき、特に小さい曲げ半径が望まれている。

曲げに強いファイバーにおいて、曲げ特性の改良は、主として、コアと、より外側に位置する屈折率の小さいクラッディング層によるクラッディング（外装又は被覆）との間の屈折率の差異の増大につながる。より外側に位置するクラッディング層は、利点として、コア近傍のクラッディング層に比べて、ファイバー内を導かれる光のモード場に極めてわずかな影響しか及ぼさず、従って、標準の単一モード・ファイバーへの適合性を向上させるものである。

適合性向上のために、米国特許第４６４１９１７号明細書には、冒頭に述べた形式の曲げに強い光ファイバーが開示されており、該光ファイバーは、石英ガラスから成る屈折率分布を有する単一モード・ファイバーとして形成されており、該単一モード・ファイバーは、１つのコアと、該コアを中心として同軸的に延びる３つのクラッディングガラスゾーンとを有しており、これらのクラッディングガラスゾーンのうちの、コアに隣接の内側のクラッディングガラスゾーン及びリングゾーンとも称される外側のクラッディングガラスゾーンは、フッ素のドーピングにより屈折率が減少されている。該ファイバーの製造は、標準的なＭＣＶＤ法（Modified Chemical Vapor Deposition）を用いて行われている。該方法において、サブストレートチューブの内壁には、往復運動可能な外部の加熱バーナーの作用下で、所望の屈折率分布に対応してドーピングされた石英ガラス層が、順次にデポジットされる。ＭＣＶＤ法の改良形態であるＦＣＶＤ法（Furnace Chemical Vapor Deposition）においては、加熱区域は、加熱バーナーを用いてではなく、電気ヒーターを用いて形成される。内側被覆されたサブストレートチューブは、プレフォームにコラプス加工され、該プレフォームから光ファイバーが伸長成形される。

外側のリングゾーンをフッ素でドーピングすることにより曲げ特性を向上させる類似の構成が、欧州特許出願公開第１７８５７５４Ａ１号明細書に開示されており、該構成においては、ファイバー製造は、ＰＣＶＤ法（Plasma Chemical Vapor Deposition）を用いて行われており、サブストレートチューブの内壁への石英ガラス層のデポジットは、アークの作用下で行われるようになっている。

しかしながら、公知のファイバーによっては、曲がりに起因する損失を十分に減少させることができていない。更に、サブストレートチューブの内壁を被覆する内側被覆法は、コアとリングゾーンとの間の距離及びプレフォームの寸法を制限してしまうという要因になっている。

前記欠点を回避するために、いわゆる微細構造型の光ファイバーが提案されており、該光ファイバーにおいては、屈折率減少の目的でクラッディングの領域に設けられたゾーンが、長手方向に延びる通路によって貫通されていて、非周期的な空洞を備えている。この種のファイバーは、例えば、「Photonic Crystal Fibres」(PCF-Fasern)の名称、や「Hole assisted fibers」の名称で知られている（欧州特許出願公開第１６１７２４３Ａ１号明細書、欧州特許出願公開第１７８８４１５Ａ１号明細書、国際公開第２００７／０５５８８１Ａ１号明細書）。

上記種類のファイバーによって、曲がりに起因する損失は減少される。しかしながら、該ファイバーの製造は複雑で、手間がかかり、ファイバーの接続は通路や空洞のために困難である。従って、敷設された回線網への該ファイバーの適合性は極めて低いものである。

本発明の技術思想は、コアとクラッディングとの間の屈折率の差異を、より外側に位置するリングゾーンのフッ素ドーピングにより増大することにある。本発明の課題は、高い曲げ強度を有しかつ接続性及び適合性に優れた光ファイバーを提供し、更にこの種のファイバーのための経済的な製造のための方法を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明に係る方法によれば、リングゾーンの石英ガラスを、プラズマ式外側デポジションプロセスにより生成し、これによって、サブストレートボディー上に、フッ素でドーピングされた石英ガラスから成り少なくとも１ｍｍの層厚さを有しかつナトリウムランプのＤ線をベースとしてｎ_F≦1.4519の屈折率を有するリングゾーン層を形成するようになっている。

本発明に係る方法において、光ファイバーのリングゾーンのために意図されてフッ素ドーピングされた石英ガラスは、プラズマ式外側デポジションプロセスを用いて、リングゾーン層の形でサブストレートボディー上に生成される。サブストレートボディーは、チューブ又は管、或いは、非ドーピングの石英ガラス若しくは少なくとも部分的にドーピングされた石英ガラスから成るロッドである。

プラズマ式外側デポジションプロセスにおいて、誘導接続式のプラズマバーナーが用いられ、プラズマバーナー内に素材を供給して、プラズマバーナー内でフッ素含有のＳｉＯ₂粒子を生成し、該ＳｉＯ₂粒子が、長手方向軸線を中心として回転するサブストレートボディー上にデポジットされ、かつ同工程で直接に焼結される。光ファイバー用の石英ガラスを製造するこの方法は、ＰＯＤ法（Plasma Outside Deposition）の名称で一般的に知られている。曲げに強い光ファイバーの製造にＰＯＤ法を用いることにより、複数の利点が得られる。

１． ＰＯＤ法は、他のデポジット法、例えばＯＶＤ法やＭＣＶＤ法と比較して、石英ガラスにおける重量比８％までの高いフッ素含有率の設定を可能にするものである。このことは、リングゾーンの屈折率の相応に大きな減少、コアゾーンに対する十分に大きな屈折率差、及びファイバーの相応に高い曲げ強度の達成を意味するものである。非ドーピングの石英ガラス（ナトリウムランプのＤ線の波長において屈折率ｎ_D＝1.4589）に対する、上記含有率でのフッ素ドーピングにより達成される屈折率減少は、少なくとも0.007（ｎ_F≦1.4519）、有利には少なくとも0.009（ｎ_F≦1.4499）、或いは特に有利には少なくとも0.016（ｎ_F≦1.4429）である。

２． 更に、ＰＯＤ法（プラズマ式外側デポジションプロセス）においては、デポジットすべきリングゾーン層の厚さやサブストレートボディーの直径に対する物理的な制限だけではなく、製造装置上の制限も発生していない。これにより、一面において、リングゾーンとコアゾーンとの間の距離を問題なく大きく形成して、ファイバー内における光の案内の妨げを避けることができる。他面において、リングゾーン層の厚さを１ｍｍの最少厚さで形成することができ、つまり、プレフォームからファイバーへの大きな伸び率を可能にし、ひいては、生産性を向上させ、かつ製造コストを減少させることができる。

非ドーピングの石英ガラスの屈折率において、技術文献には、589.3nm（ナトリウムランプのＤ線）の測定波長に対して、ｎ_D＝1.4585〜1.4589の値が上げられている。本発明は、ｎ_D＝1.4589から出発している。

有利には、リングゾーン層は、少なくとも１．５ｍｍ、有利には少なくとも５ｍｍ、特に有利には少なくとも１０ｍｍの層厚さで形成される。このような構成により、特に、前記２．で述べた生産性及び製造コストの利点が得られる。つまり、大きな伸び率でも、リングゾーン層の十分に大きな厚さに基づき、欠陥のない光ファイバーを成形することができる。

更に有利には、リングゾーン層は、該リングゾーン層の石英ガラスの粘度よりも大きな粘度の石英ガラスから成る外周層によって被覆されるようになっている。

フッ素によるドーピングは、石英ガラスの粘性を低下させることになり、このことは、リングゾーン層を露出表面で位置決めした状態で行われる後続の熱間処理過程において不利に作用する。このことを避けるために、有利な形態によれば、リングゾーン層に、粘度の高い外周層又は外側層が施され、最も簡単な形態によれば、非ドーピングの石英ガラスから成る外周層、若しくはフッ素をわずかな濃度でドーピングされた石英ガラスから成る外周層が施される。別の形態によれば、石英ガラスの粘度を高めるドーピング剤、例えば窒素やアルミニウムが用いられる。このように石英ガラスの粘度を高めるドーピング剤を用いる構成は、外周層の熱安定性に寄与するものである。特に窒素は、ＰＯＤ法において、プラズマバーナーに窒素含有のガス、例えばＮ₂Ｏを供給することにより、石英ガラス組織内に容易に取り込まれる。

特に有利には、外周層は、プラズマ式外側デポジションプロセスを用いてリングゾーン層上に形成される。

前記形態において、リングゾーン層も外周層も１つのＰＯＤ法により形成される。これによって同一の設備が活用され、付加的な装置の準備並びに取り換え若しくは装備替えが不要になっている。このことは、製造を簡単にし、かつ廃品の発生率を減少させ、ひいては、曲げに強い光ファイバーの製造コストを節減することになる。該形態は、リングゾーン層と外周層との間の境界面の品質を向上させるものである。

本発明に係る方法の特に有利な形態によれば、リングゾーン層は、ロッド状のマザーコアプレフォームとしてのサブストレートボディーに形成され、マザーコアプレフォームは、１つのコア領域、及び、コア領域を包囲する少なくとも１つのクラッディングを有しており、コア領域は外周円半径ｒ_Kを有し、かつリングゾーン層は内周円半径ｒ_Fを有しており、ｒ_F／ｒ_K比は、２．２よりも大きく、有利には２．５よりも大きく、特に有利には２．８よりも大きくなっている。

ｒ_F／ｒ_K比は、マザーコアプレフォームのコア領域とリングゾーン層との間の距離のための尺度として用いられるものであり、有利にはコア領域半径の２．２倍以上である。これによって、コア領域は、マザーコアプレフォームの後続の加工に際して、汚れに対して、特にリングゾーン層からのヒドロキシル基に対して保護されており、生産性が、サブストレートチューブの内側の孔内にリングゾーン層を形成するＭＣＶＤ法若しくはＰＣＶＤ法と比較して向上される。光ファイバーのコアゾーンにおける光案内への影響は距離の増大に伴って減少するので、距離は、コア領域半径の５．５倍を超える距離は不要である。マザーコアプレフォーム自体は、更に大きな寸法のプレフォームから伸長加工によって成形されてよい。

リングゾーン層を備えるマザーコアプレフォームは、追加的な被覆を備えてよく、続いて、直接に光ファイバーに伸長加工されることができる。有利には、リングゾーン層を備えるマザーコアプレフォームは、少なくとも７０ｍｍ、有利には少なくとも９０ｍｍの比較的大きな外径を有していて、従ってまず、コアプレフォームに伸長加工される。

伸長加工により成形されたコアプレフォームの全長は、該コアプレフォームの素材であるマザーコアプレフォームの長さの複数倍になっている。得られたコアプレフォームは、次いで追加的なクラッディング材料を用いて被覆されて、曲げに強い光ファイバーに更に加工される。追加的なクラッディング材料による被覆は、コアプレフォームに石英ガラス製の円筒を被せ嵌めることによって、若しくは、ＳｉＯ₂物質を用いた外周被覆によって、或いは、公知のロッド・イン・チューブ・プロセス（rod-in-tube process）によって行われ、コアプレフォームは、１つ若しくは複数の石英ガラスチューブから成る石英ガラス・構成部分によって取り囲まれ、つまり、石英ガラス・構成部分とコアプレフォームとは同軸に配置され、石英ガラス・構成部分とコアプレフォームとから成る同軸の複合体は、プレフォームに伸長加工され、或いは直接に光ファイバーに伸長加工される。

上記方法は、マザーコアプレフォームの７０ｍｍの比較的大きな直径、これによって得られる大きな伸び率に基づき、光ファイバーの極めて経済的な製造を可能にするものである。ＳｉＯ₂物質を用いてＳｉＯ₂粒子のデポジション及び直接的なガラス化によりコアプレフォームを外周被覆する通常の方法の他に、溶射による被覆、特にプラズマ溶射による被覆、或いはＳｉＯ₂スート物質のデポジションも考えられる。

本発明に係る方法の別の形態では、リングゾーン層はサブストレートボディーに形成され、サブストレートボディーは、石英ガラスから成るマザーチューブの形で提供され、該マザーチューブは、少なくとも７０ｍｍ、有利には少なくとも９０ｍｍの外径を有しており、リングゾーン層を形成されたマザーチューブは、ゾーンチューブに伸長加工される。

マザーチューブは、ドーピングされた石英ガラス若しくはドーピングされない石英ガラスから成っている。更に大きな円筒体から伸長加工により成形されてよい。リングゾーン層上には、前に述べてある理由から、粘度の高い石英ガラスから成る別の層が形成されてよい。このようなリングゾーン層を備えるマザーチューブは、例えばチューブ・内側被覆法におけるサブストレートチューブとして、或いはロッド・イン・チューブ・プロセスにおけるクラッディングチューブとして更に加工されてよい。しかしながら有利には、リングゾーン層を備えるマザーチューブは、少なくとも７０ｍｍ、有利には少なくとも９０ｍｍの比較的大きな外径を有していて、まず、ゾーンチューブに伸長加工される。

マザーチューブの７０ｍｍの比較的大きな直径、これによって得られる大きな伸び率は、光ファイバーの経済的な製造に寄与するものである。伸長加工の際の大きな伸び率は、有利には３〜１００の範囲に規定される。伸び率（伸長加工の前と後でのチューブ長さの比）が大きくなればなるほど、長さ当たりの伸長加工費は減少される。前記下限値を下回る伸び率では、有意な作用効果が得られない。前記上限を上回る伸び率では、複合チューブ、つまりマザーチューブの体積が著しく大きく、取り扱いにくくなる。

ゾーンチューブの特に経済的な製造を可能にするために、本方法の有利な形態によれば、マザーチューブの石英ガラスの少なくとも一部分は、ＳｉＯ₂スートデポジションプロセスにより生成され、ＳｉＯ₂スートデポジションプロセスは、ＳｉＯ₂スートボディーの形成を伴うＳｉＯ₂粒子のデポジション、フッ素によるＳｉＯ₂スートボディーのドーピング、及びＳｉＯ₂スートボディーのガラス化を含んでおり、これにより、非ドーピングの石英ガラスに対して0.007よりも小さくなる屈折率減少を達成するフッ素ドーピングを有する石英ガラスが得られる。

スートデポジションプロセスは、例えば「ＯＶＤ」や「ＶＡＤ」の名称で一般的に知られている。フッ素によるスートボディーのドーピングは、スートボディーのデポジションプロセス及び／又はスートボディーの別のドーピング工程及び／又はスートボディーのガラス化で行われ、非ドーピングの石英ガラスに対して屈折率をある程度減少させるものの、その減少量は、ＰＯＤデポジションにより成形されるリングゾーンにおける屈折率の減少量よりも小さい。ゾーンチューブのためのフッ素ドーピングされた石英ガラスは、曲げ強度のために付加的に寄与するものである。スートボディーのガラス化により、マザーチューブ若しくは半製品が得られ、半製品からマザーチューブが伸長成形される。

伸長加工により得られるゾーンチューブは、更に加工される。更なる加工のために、ゾーンチューブは、フッ素ドーピングされた中間層を含みかつ少なくとも２５ｍｍ、有利には少なくとも３０ｍｍの外径を有している。

マザーチューブの、ＰＯＤデポジションにより成形されるリングゾーン層は、ゾーンチューブに中間層の形で設けられ、中間層は、粘度の高い２つの外側層間に装着されている。このような構成は、続く後続の加工工程におけるゾーンチューブの取り扱いを簡単にするものである。

ゾーンチューブを高温にさらす高温処理工程においては、高いフッ素含有量は、気泡を発生させることがある。ゾーンチューブとこれに装着された中間層とから成るサンドイッチ構造は、ゾーンチューブの熱安定化に役立つだけではなく、リングゾーン層からのフッ素の外方拡散に対する遮蔽層として作用することに基づき、気泡発生も阻止するものである。更に、フッ素ドーピングされていない若しくはわずかにしかフッ素ドーピングされていない外側層は、隣接する石英ガラス層に対する改良された境界面を成すものである。

マザーチューブの伸長加工に際して、得られるゾーンチューブの内側孔は、工具を用いることなしに成形され、つまり、熱間成形により平滑な極めて高い品質の内周面が得られる。ゾーンチューブは、例えば、ＰＣＦファイバーの製造のためのクラッディングチューブ（cladding tube）又は外皮チューブ若しくはスリーブ管として用いられ、或いは、プレフォームや光ファイバーの別の製造方法のための半製品として用いられるものである。

有利には、ゾーンチューブは、ＭＣＶＤ、ＰＣＶＤ法若しくはＦＣＶＤ法においてサブストレートチューブとして用いられる。該プロセスにおいて、ゾーンチューブは内周面被覆を施される。内周面被覆されたゾーンチューブは、次いでいわゆるコアロッドに伸長加工される。これにより、ゾーンチューブは、フッ素ドーピングされた石英ガラスから成るリングゾーン層を有することになる。リングゾーン層は、製造技術により比較的遠く離されて、特に含有率の高いフッ素ドーピングを有し、ひいては小さい屈折率を有することができ、これにより、コアロッドの、光ファイバーの製造に使用するための適性を向上させるものである。

別の有利な形態では、ゾーンチューブは、ロッド・イン・チューブ・プロセスにおいて、コアロッドの被覆のためのクラッディングチューブとして使用されて、プレフォーム若しくは光ファイバーに伸長加工され、コアロッドは、１つのコア領域、及び、コア領域を包囲する少なくとも１つのクラッディングを含んでおり、コア領域は外周円半径ｒ_Kを有し、リングゾーン層は内周円半径ｒ_Fを有しており、ｒ_F／ｒ_K比は、２．２よりも大きく、有利には２．５よりも大きく、特に有利には２．８よりも大きくなっている。

ｒ_F／ｒ_K比は、コアロッドのコア領域とゾーンチューブのリングゾーン層との間の距離のための尺度として用いられるものであり、コアロッドとゾーンチューブとの間の環状間隙は、１ｍｍ程度であり、無視されるものである。前記距離は、有利にはコア領域半径の２．２倍以上であり、これは、コア領域を、プレフォーム若しくは光ファイバーへの伸長加工に際して、汚れに対して、特にリングゾーン層からのヒドロキシル基に対して保護するものであり、これにより、サブストレートチューブの内側の孔内にリングゾーン層を形成するＭＣＶＤ法若しくはＰＣＶＤ法と比較して、生産性を向上させることができる。光ファイバーのコアゾーンにおける光案内への影響は距離の増大に伴って減少するので、距離は、コア領域半径の５．５倍を超えなくてよい。

曲げに強い光ファイバーのための半製品としての石英ガラスチューブにおいて、前記課題を解決するために、本発明の構成によれば、石英ガラスチューブは、石英ガラスから成る内周層、フッ素でドーピングされた石英ガラスから成っていて内周層を取り囲むリングゾーン層、及び、リングゾーン層を取り囲む外周層を有しており、リングゾーンの石英ガラスは、非ドーピングの石英ガラスに対して、ナトリウムランプのＤ線をベースとしてｎ_F≦1.4519の屈折率を有し、かつ重量比5 ppmよりも小さい平均的なヒドロキシル基含有率を有している。

石英ガラスチューブは、本発明に係る前述の方法を用いて成形可能であり、「ゾーンチューブ」に対応するものである。石英ガラスチューブは、一面において比較的高い平均的なフッ素含有量を有し、かつ他面において比較的低い平均的なヒドロキシル基含有率を有する石英ガラスから成るリングゾーン層を有している。

非ドーピングの石英ガラスに対する、フッ素ドーピングにより得られる屈折率減少は、非ドーピングの石英ガラスの屈折率ｎ_D＝1.4589（ナトリウムランプのＤ線の波長の場合）に対して、少なくとも0.007、有利には少なくとも0.009、或いは特に有利には少なくとも0.016である。

ヒドロキシル基含有率の低い場合には、石英ガラスは、光ファイバーのコア近傍の領域のためにも、光ファイバーの作動波長にヒドロキシル基の存在により影響を与えることに基づき、使用可能である。この種の石英ガラスは、プラズマデポジションプロセスにより、水素の含まれない若しくは水素の乏しいプラズマを用いて生成可能である。内周層及び外周層のための石英ガラスも、つまりフッ素を含有しない、若しくはリングゾーン層の石英ガラスのフッ素含有率よりも低い含有率のフッ素しか含有しない石英ガラスも、プラズマデポジションプロセスを用いて生成可能である。

本発明に係る石英ガラスチューブの中心孔は、溶融流れ時に工具を用いることなしに形成された内周壁を有している。内周壁の平滑な高品質の表面は、石英ガラスチューブを厚肉の素材チューブ（マザーチューブ）の伸長加工により成形することに基づき得られる。

光ファイバーにおいてヒドロキシル基・吸収の領域での光減衰をできるだけ小さくするために、内周層の石英ガラスは、重量比0.5 ppmよりも小さい平均的なヒドロキシル基含有率を有している。このような低いヒドロキシル基含有率の設定は、面倒な作業を必要とする。外周層には一般的に高いヒドロキシル基含有率が許される。従って、コストの理由から有利な形態では、外側の層の石英ガラスは、重量比1〜50 ppmの平均的なヒドロキシル基含有率を有している。

有利には、外周層の石英ガラスは、石英ガラスの粘度を高めるための物質を用いてドーピングされている。

リングゾーン層のフッ素・ドーピングは、石英ガラスの粘性を低下させることになり、このことは、リングゾーン層を露出表面で位置決めした状態で行われる後続の熱間処理過程において不利に作用する。このことを避けるために、外周層は、有利な形態によれば、外周層のための石英ガラスに、石英ガラスの粘度を高めるドーピング剤、例えば窒素やアルミニウムがドーピングされることにより、高い濃度を備えている。

有利には、リングゾーン層は、３ｍｍよりも小さい層厚さを有している。

リングゾーン層の、フッ素でドーピングされた比較的高価な石英ガラスは、専ら３ｍｍよりも小さい層厚さで生成されるので、形成される石英ガラスチューブは、比較的安価に製造できるものである。２００μｍよりも小さい層厚さしか有さないリングゾーン層も、光ファイバーへの伸長加工の後に光ファイバーの曲げ強度をわずかしか減少させないものである。

本発明に係る光ファイバーは、光ファイバーのプレフォームの形成のためにＭＣＶＤ法若しくはＰＣＶＤ法で用いられるサブストレートチューブとして、かつチューブ内にロッドを収容するロッド・イン・チューブ・プロセスを用いて、コアロッドを被覆するためのクラッディングチューブとして適している。

屈折率ｎ_K及び外周円半径ｒ_Kを有するコアゾーン、屈折率ｎ_Mを有していてコアゾーンを被覆するクラッディングゾーン、並びに、フッ素ドーピングされた石英ガラスから成りかつ屈折率ｎ_F及び内周円半径ｒ_Fを有していてクラッディングゾーンを取り囲むリングゾーンを備え、ｎ_F＜ｎ_M＜ｎ_Kの式が成り立っている形式の光ファイバーにおいて、本発明に係る形態によれば、リングゾーンの石英ガラスは、非ドーピングの石英ガラスに対して、ナトリウムランプのＤ線をベースとしてｎ_F≦1.4519の屈折率を有し、かつ２．２よりも大きなｒ_F／ｒ_K比を有している。

本発明に係る曲げに強い光ファイバーは、前に詳細に説明してある方法により製造可能であり、このために、リングゾーンの石英ガラスは、プラズマ式外側デポジションプロセスを用いて生成される。これにより、ファイバーは、従来達成されなかった複数の特性を有している。

１． 重量比８％までの特に高いフッ素含有率。これは、非ドーピングの石英ガラスに対する、リングゾーンの屈折率の少なくとも0.007の相応に著しい屈折率減少、特に、非ドーピングの石英ガラスの屈折率ｎ_D＝1.4589（ナトリウムランプのＤ線の波長の場合）に対して有利には少なくとも0.009、或いは特に有利には少なくとも0.016の屈折率減少を意味し、コアゾーンに対して屈折率の差を十分に大きく規定でき、かつファイバーの相応に高い曲げ強度を達成できることを意味している。

２． リングゾーンとコアゾーンとの間の、ｒ_F／ｒ_K比によって表される大きな距離。この比は、本発明に係る光ファイバーにおいて、２．２よりも大きく、有利には２．５よりも大きく、特に有利には２．８よりも大きくなっている。このように大きな距離により、汚れに起因するコアゾーンの欠陥、特にファイバーの製造中のリングゾーン層からのヒドロキシル基に起因するコアゾーンの欠陥を避けることができ、ひいては、サブストレートチューブの内側の孔内にリングゾーン層を形成するＭＣＶＤ法若しくはＰＣＶＤ法と比較して、生産性を向上させることができる。コアゾーンへの影響はコアゾーンに対する距離の増大に伴って減少するので、コアゾーン半径の５．５倍を超える距離は不要である。

次に、本発明を図示の実施の形態に基づき詳細に説明する。

フッ素ドーピングされた石英ガラスのデポジット用のＰＯＤ法の実施のための装置を示す図である。 本発明に係る実施の形態の石英ガラスチューブの製造の方法及び中間製品を示す図である。

例１：
図１には、キャリアチューブ３上にフッ素ドーピングされた石英ガラスをデポジットする方法のための装置が示されている。キャリアチューブ３は、非ドーピングの石英ガラスから成っていて、８０ｍｍの内径及び９０ｍｍの外径を有している。

キャリアチューブ３上には、通常のＰＯＤ法を用いて、フッ素ドーピングされた石英ガラスから成るリングゾーン層４が形成される（ＰＯＤデポジションプロセス[POD-Aufbauprozess]）。このために、ＳｉＣｌ₄、酸素及びＳＦ₆がプラズマバーナー１に供給されて、プラズマバーナー１に配設されたプラズマ域２でＳｉＯ₂粒子に変換される。プラズマ域２は、石英ガラスから成る反応スリーブ８内に形成されており、反応スリーブ８は高周波コイル７によって取り囲まれている。

プラズマバーナー１が、自己の縦軸線６を中心として回転するキャリアチューブ３に沿って一方の端部から他方の端部へ、次いでその逆の方向に移動させられるので、ＳｉＯ₂粒子は、キャリアチューブの外周面上に各層を成してデポジットされる。キャリアチューブ３の回転速度とプラズマバーナー１の並進速度とは、各石英ガラス層が約１２μｍの平均厚さを有するように規定されている。このような構成により、フッ素ドーピングされた石英ガラスから成る５ｍｍの厚さのリングゾーン層４が形成され、該リングゾーン層は、フッ素で均一にドーピングされており、その結果、非ドーピングの石英ガラスに対して、0.017の屈折率減少が達成されている（ｎ_F＝1.4428）。

直接続いて、フッ素ドーピングされた石英ガラス層上に、別のＰＯＤデポジションプロセスで、非ドーピングの石英ガラスから成る５ｍｍの厚さの外周層が形成される。この場合に、ＳＦ₆ガス流は遮断されている。

非ドーピングの石英ガラスの内周層、フッ素ドーピングされたリングゾーン層、及び非ドーピングの石英ガラスの外周層から成る得られたサンドイッチ管（「マザーチューブ(mather tube)」とも称される）は、１１０ｍｍの外径を有していて、工具を用いることなしに、１１．１の伸ばし率での伸びにより、３３ｍｍの外径及び４．５ｍｍの肉厚を有する薄肉のゾーンチューブに伸長加工される。ゾーンチューブの周壁は、非ドーピングの石英ガラスから成りかつ１．５ｍｍの厚さを有する外周層、フッ素で均一にドーピングされた石英ガラスから成りかつ１．５ｍｍの厚さを有するリングゾーン層、及び、非ドーピングの石英ガラスから成りかつ１．５ｍｍの厚さを有する内周層によって構成されていて、熱間成形による平滑な内周壁における極めて高い表面品質を有している。

内周層の平均的なヒドロキシル基含有率は、重量比0.4 ppmであり、リングゾーン層の平均的なヒドロキシル基含有率は、重量比4 ppmであり、かつ外周層の平均的なヒドロキシル基含有率は、重量比約5 ppmである。

得られたゾーンチューブは、チューブ内にロッドを収容するロッド・イン・チューブ・プロセスを用いて、コアロッドを被覆するためのクラッディングチューブとして用いられる。このために、ゾーンチューブから、所望の長さのチューブ片が切り取られる。コアロッドは、４．２５ｍｍの半径ｒ_Kを有するＧｅＯ₂ドーピングのコア領域を有しており、更に、非ドーピングの石英ガラスから成りかつ６．２５ｍｍの層厚さを有する内側のクラッディングを含んでいる。

コアロッドは、ゾーンチューブの中心孔内に挿入され、ゾーンチューブ自体は、非ドーピングの石英ガラスから成るジャケットチューブを用いて外被されるようになっている。このように複数の構成部分を同軸に配置して形成された構成部材は、次いで、垂直に向けられた状態で、伸長炉内に移されて、下方の端部から区域毎に軟化され、軟化された領域から、ファイバーは伸長成形される。ゾーンチューブの外周層及び内周層は、リングゾーン層からのフッ素の外方拡散、ひいては気泡発生を阻止するための不活性化層として役立つものである。これらの層は、更に、コアロッドの内側のクラッディング若しくはジャケットチューブに対する支障の少ない接触面及び境界面の形成に寄与するものである。

上記構成により、１２５μｍの外径を有する曲げに強い単一モード・光ファイバーが伸長成形され、該光ファイバーは、フッ素濃度の高いリングゾーンにより特徴づけられ、該リングゾーンは、コアゾーンの外側領域に対して、ｒ_F／ｒ_K比２．８６により表される優れた距離を有しており、ｒ_Fはファイバーのリングゾーンの内周円半径であり、ｒ_Kはファイバーのコアゾーンの外周円半径である。

例２：
図２は、Heraeus Quarzglas GmbH & Co.KG社によりF320-08の名称で市販されているフッ素ドーピングされた石英ガラスから成る内周チューブ２０を概略的に示している。石英ガラスは、ＳｉＯ₂スートデポジションプロセス（[SiO₂ soot deposition process]ＯＶＤ法）を用いて生成され、重量比0.1 ppmのヒドロキシル基含有率、及び、非ドーピングの石英ガラスに対して0.001の屈折率減少を発生させるフッ素含有率を有している（ｎ＝1.4579）。

内周チューブ２０は、２０ｍｍの内径及び７ｍｍの肉厚を有している。内周チューブ２０上には、ＰＯＤデポジションプロセスを用いて１０ｍｍの層厚さのリングゾーン層２１が形成され、該リングゾーン層は、フッ素を均一にドーピングされ、これによって、非ドーピングの石英ガラスに対して0.010の屈折率減少が得られている（ｎ_F＝1.4489）。

フッ素ドーピングされた石英ガラスから成るリングゾーン層２１及び内周チューブ２０によって形成された複合体２２には、続いて、別のＰＯＤデポジションプロセスにより、前述の実施の形態と同様に、非ドーピングの石英ガラスから成る層厚さ１５ｍｍの外周層２３が施される。このようにして形成されたゾーンチューブ２４の全肉厚は、３２ｍｍである。

ゾーンチューブ２４は、伸長加工プロセス（Elongierprozess）により、工具を用いることなしに、２５．２１の伸長率でもって、外径２５ｍｍ及び肉厚３ｍｍである薄肉のゾーンチューブ２５に伸長成形されている。ゾーンチューブ２５の周壁は、非ドーピングの石英ガラスから成る厚さ１．７７ｍｍの外周層２３′、並びに、互いに異なってフッ素ドーピングされた石英ガラスから成り厚さ０．８５ｍｍのリングゾーン層２１′と、厚さ０．３８ｍｍの内周層２０′によって全厚さ３ｍｍで構成されていて、熱間成形により平滑に成形された内壁２６における特に高い表面品質を有している。

内周層の平均的なヒドロキシル基含有率は、重量比0.05 ppmであり、リングゾーン層の平均的なヒドロキシル基含有率は、重量比4 ppmであり、かつ外周層の平均的なヒドロキシル基含有率は、重量比約5 ppmである。

得られたゾーンチューブは、オプチカルファイバー若しくは光ファイバーのプレフォームの製造のためのサブストレートチューブとして使用される。該使用に際して、ゾーンチューブの外周層及び内周層は、フッ素を含有するリングゾーン層の機械的な補強のための安定化層２０；２１として用いられる。外側の層は、更に、隣接する層に対する欠陥の少ない接触面及び境界面の形成に寄与するものである。

ＭＣＶＤ法においては、ゾーンチューブの切り取られたチューブ片の内壁に、一般的な方法により、まず、非ドーピングの石英ガラスから成るクラッディングガラス層をデポジットするために、ゾーンチューブの中心孔内に酸素とＳｉＣｌ₄とが導入され、これによって反応域内にＳｉＯ₂粒子が発生し、ＳｉＯ₂粒子は、直接内壁上でガラス化してクラッディングガラス層を形成する。クラッディングガラス層の内側にコアガラス層を形成するために、中心孔内に追加的にＧｅＣｌ₄が供給され、その結果、屈折率が、クラッディングガラス層の非ドーピングの石英ガラスに対して５×１０⁻³倍だけ高められている。

次いで、内周被覆されたサブストレートチューブは、コラプス加工され、これによって外径２０ｍｍのコアロッドが形成され、コアロッドのコア領域は、２．５ｍｍの外周円半径ｒ_Kを有していて、非ドーピングの石英ガラスから成る２つの層によって包囲されており、両方の層は、合計で４ｍｍの層厚さを有している。これに続くリングゾーン層は、６．５ｍｍの内周円半径ｒ_Fを有している。従って、ｒ_F／ｒ_K比は２．６である。

コアロッドは、非ドーピングの石英ガラスから成るジャケットチューブを用いて被覆され、次いで、このようにして成形されたプレフォームから、外径１２５μｍの曲げに強い単一モードの光ファイバーが伸長成形され、該光ファイバーは、リングゾーンにおける高いフッ素濃度及びコア領域に対する大きな距離を有しており、該距離は、ｒ_F／ｒ_K比で表され、ｒ_F／ｒ_K比２．６であり、ファイバーにおいて、ｒ_Fはリングゾーンの内周円半径であり、ｒ_Kはコアゾーンの外周円半径である。

例３：
ＧｅＯ₂ドーピングされた石英ガラスから成るコア領域、及び、非ドーピングの石英ガラスから成るクラッディング領域を有するコアロッドが形成され、該コアロッドのクラッディング領域は、９０ｍｍの外径及び４．５のｄ／ａ比（ｄ＝クラッディング領域の外径、ａ＝コア領域直径）を有している。

コアロッドの外周面上には、通常のＰＯＤ法を用いて、フッ素ドーピングされた石英ガラスから成る５ｍｍの厚さリングゾーン層が形成され、このことは、前に例１で詳細に説明してある。リングゾーン層は、フッ素で均一にドーピングされており、その結果、クラッディング領域の非ドーピングの石英ガラスに対して、0.017の屈折率減少が達成されている（ｎ_F＝1.4428）。

直接続いて、フッ素ドーピングされた石英ガラス層上に、別のＰＯＤデポジションププロセスで、非ドーピングの石英ガラスから成る５ｍｍの厚さの外周層が形成される。この場合に、ＳＦ₆ガス流は遮断されている。

コアロッド、フッ素含有のリングゾーン層及び非ドーピングの石英ガラス・外周層から成る得られたマザープレフォームは、１１０ｍｍの外径を有していて、工具を用いることなしに、３．３６の伸ばし率での伸びにより、６０ｍｍの外径のコアプレフォームに伸長成形される。コアプレフォームの周壁は、１１ｍｍの外径のコア、１９ｍｍの肉厚の内側のクラッディング、フッ素ドーピングされた石英ガラスから成る２．７５ｍｍの肉厚のリングゾーン、及び、非ドーピングの石英ガラスから成る２．７５ｍｍの肉厚の外周層によって構成されている。

リングゾーン層の平均的なヒドロキシル基含有率は、重量比4 ppmであり、かつ外周層の平均的なヒドロキシル基含有率は、重量比約5 ppmである。

コアプレフォームは、ロッド・イン・チューブ・プロセスにより、非ドーピングの石英ガラスである別の材料で被覆され、同時に、既に前に述べてあるように、光ファイバーに伸長加工される。このような方法により、外径１２５μｍの曲げに強い単一モードの光ファイバーが得られ、該光ファイバーは、リングゾーンにおける高いフッ素濃度及びコアゾーンの外側領域に対する大きな距離を有しており、該距離は、ｒ_F／ｒ_K比で表され、ｒ_F／ｒ_K比４．５であり、ｒ_Fはファイバー内のリングゾーンの内周円半径であり、ｒ_Kはファイバーのコアゾーンの外周円半径である。

１ プラズマバーナー、 ２ プラズマ域、 ３ キャリアチューブ、 ４ リングゾーン層、 ６ 縦軸線、 ７ 高周波コイル、 ８ 反応スリーブ、 ２０ 内周チューブ、 ２０′ 内周層、 ２１，２１′ リングゾーン層、 ２２ 複合体、 ２３，２３′ 外周層、 ２４ ゾーンチューブ、 ２５ ゾーンチューブ、 ２６ 内壁

Claims (11)

1. 曲げに強い光ファイバーを形成するための方法であって、前記光ファイバーは屈折率ｎ_Kを有するコアゾーン、屈折率ｎ_Mを有していて前記コアゾーンを被覆するクラッディングゾーン、並びに、フッ素でドーピングされた石英ガラスから成りかつ屈折率ｎ_Fを有していて前記クラッディングゾーンを取り囲むリングゾーンを備えており、この場合、ｎ _F ＜ｎ _M ＜ｎ _K の式が成り立っていて、石英ガラス製のプレフォーム若しくは、石英ガラス製の構成部分から成る同軸形の積層体の伸長加工により行う形式のものにおいて、前記リングゾーン（２１′）の石英ガラスは、プラズマ式外側デポジションプロセスにより生成され、これによって、サブストレートボディー（３）上に、フッ素でドーピングされた石英ガラスから成り少なくとも１ｍｍの層厚さを有しかつナトリウムランプのＤ線をベースとしてｎ_F≦1.4519の屈折率を有するリングゾーン層（２１）が形成され、前記リングゾーン層（２１）はサブストレートボディー（３）に形成され、該サブストレートボディーは、石英ガラスから成るマザーチューブ（２４）の形で供給され、該マザーチューブは、少なくとも７０ｍｍの外径を有しており、前記リングゾーン層（２１）を備えた前記マザーチューブ（２４）は、ゾーンチューブ（２５）に伸長加工されることを特徴とする、光ファイバーの形成のための方法。
2. 少なくとも１０ｍｍの層厚さを有する前記リングゾーン層（２１）が形成される請求項１に記載の方法。
3. 前記リングゾーン層（２１）は、該リングゾーン層（２１）の石英ガラスの粘度よりも大きな粘度の石英ガラスから成る外周層（２３）によって被覆される請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記外周層（２３）は、プラズマ式外側デポジションプロセスを用いて前記リングゾーン層（２１）上に形成される請求項３に記載の方法。
5. 前記リングゾーン層（２１）はサブストレートボディー（３）に形成され、該サブストレートボディーは、石英ガラスから成るマザーチューブ（２４）の形で供給され、該マザーチューブは、少なくとも９０ｍｍの外径を有している請求項１に記載の方法。
6. 前記マザーチューブ（２４）の石英ガラスの少なくとも一部分は、ＳｉＯ₂スートデポジションプロセスにより生成され、該ＳｉＯ₂スートデポジションプロセスは、ＳｉＯ₂スートボディーの形成を伴うＳｉＯ₂粒子のデポジション、フッ素による前記ＳｉＯ₂スートボディーのドーピング、及び前記ＳｉＯ₂スートボディーのガラス化を含んでおり、これにより、石英ガラスは、非ドーピングの石英ガラスに対して0.007よりも小さくなる屈折率減少を達成するフッ素ドーピングを有するようになっている請求項１に記載の方法。
7. 前記ゾーンチューブ（２５）は、フッ素でドーピングされた中間層を含み、かつ少なくとも２５ｍｍの外径を有している請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記ゾーンチューブ（２５）は、フッ素でドーピングされた中間層を含み、かつ少なくとも３０ｍｍの外径を有している請求項７記載の方法。
9. 前記ゾーンチューブ（２５）は、ＭＣＶＤ法、ＰＣＶＤ法若しくはＦＣＶＤ法においてサブストレートチューブとして使用されて、内周被覆を備える請求項１に記載の方法。
10. 前記ゾーンチューブ（２５）は、ロッド・イン・チューブ・プロセスにおいて、コアロッドの被覆のためのクラッディングチューブとして使用されて、プレフォーム若しくは光ファイバーに伸長加工され、前記コアロッドは、１つのコア領域、及び、該コア領域を包囲する少なくとも１つのクラッディング領域を含んでおり、前記コア領域は外周円半径ｒ_Kを有し、かつ前記リングゾーン層は内周円半径ｒ_Fを有しており、ｒ_F／ｒ_K比は、２．５よりも大きくなっている請求項１に記載の方法。
11. 前記ｒ _F ／ｒ _K 比は、２．８よりも大きくなっている、請求項１０記載の方法。

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