JP6123453B2 - 光ファイバ母材の製造方法、光ファイバ母材および光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、ＯＶＤ法（外付け法）、ＶＡＤ法（気相軸付け法）、ＭＭＤ法（多バーナー多層付け法）などによりガラス微粒子を出発ロッドに堆積させて得られるガラス微粒子堆積体を焼結する光ファイバ母材の製造方法、光ファイバ母材および光ファイバに関する。

従来、コア部とクラッドの一部とを有するコアロッドを作成し、コアロッドの外周にガラス微粒子を堆積して追加クラッドを作成し、得られた多孔質母材を焼結することで透明ガラス化処理する光ファイバ用ガラス母材の製造方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２００４−３０７２８０号公報

特許文献１においては、追加クラッドは少なくともその内径の１５０％以内の部分において平均ＯＨ含有濃度が５０ｐｐｍ以下であると規定されている。追加クラッドの平均ＯＨ含有濃度は、追加クラッドの脱水条件に依存するが、平均ＯＨ濃度低減の要求が厳しくなるほど脱水処理のための処理時間が増えコストアップにつながってしまう。

そこで、本発明は、伝送損失を許容範囲内に維持しつつ、製造コストを削減することが可能な、光ファイバ母材の製造方法、光ファイバ母材及び光ファイバを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光ファイバ母材の製造方法は、
コア部と、前記コア部の外周に形成された第１クラッド部とからなるコアロッドを形成する工程と、前記コアロッドの外周に第２クラッド部となるガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体を形成する工程と、前記ガラス微粒子堆積体を真空脱水焼結または常圧脱水焼結させて光ファイバ母材を形成する工程とを有する光ファイバ母材の製造方法であって、
前記コア部の外径をｄ、前記第１クラッド部の外径をＤとしたとき、４．８≦Ｄ／ｄ≦６．０を満たすように前記コアロッドを形成し、前記第１クラッド部と前記第２クラッド部との界面から前記第１クラッド部の外径の１２０％までの範囲における平均ＯＨ濃度を、１００ｐｐｍ＜平均ＯＨ濃度≦５００ｐｐｍとすることを特徴とする。

本発明の光ファイバ母材の製造方法は、４．８≦Ｄ／ｄ＜５．０を満たすようにして、前記範囲における平均ＯＨ濃度を、１００ｐｐｍ＜前記平均ＯＨ濃度≦２００ｐｐｍとする構成としてもよい。

本発明の光ファイバ母材の製造方法は、５．０≦Ｄ／ｄ＜５．２を満たすようにして、前記範囲における平均ＯＨ濃度を、２００ｐｐｍ＜前記平均ＯＨ濃度≦５００ｐｐｍとする構成としてもよい。

本発明の光ファイバ母材の製造方法は、前記第２クラッド部を真空脱水焼結するときに、目標とする平均ＯＨ濃度に応じて１０００〜１３００℃で処理する時間を設定し、前記平均ＯＨ濃度を調整する構成としてもよい。

本発明の光ファイバ母材の製造方法は、前記第２クラッド部を真空脱水焼結するときに１０００〜１３００℃での処理を０．５時間以上５時間以下継続する構成としてもよい。

本発明の光ファイバ母材の製造方法は、前記第２クラッド部を常圧脱水焼結するときに１０００〜１３００℃での脱水工程の時間を変化させて、前記平均ＯＨ濃度を調整する構成としてもよい。

本発明の光ファイバ母材の製造方法は、前記第２クラッド部を常圧脱水焼結するときに、目標とする平均ＯＨ濃度に応じて脱水材の濃度を設定し、前記平均ＯＨ濃度を調整する構成としてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の光ファイバ母材は、
コア部と前記コア部の外周の第１クラッド部とからなるコアロッドと、前記コアロッドの外周にガラス微粒子を堆積させて形成される第２クラッド部とから構成されるガラス微粒子堆積体を焼結させて形成される光ファイバ母材であって、
前記コア部の外径をｄ、前記第１クラッド部の外径をＤとしたとき、４．８≦Ｄ／ｄ≦６．０を満たし、前記第１クラッド部と前記第２クラッド部との界面から前記第１クラッド部の外径の１２０％までの範囲における平均ＯＨ濃度が、１００ｐｐｍ＜平均ＯＨ濃度≦５００ｐｐｍであることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の光ファイバは、前記光ファイバ母材を線引きすることにより形成されることを特徴とする。

本発明によれば、コア部の外径と第１クラッド部の外径との比率を調整し、第１クラッド部の外径の１２０％までの範囲における第２クラッド部の平均ＯＨ濃度の許容値を伝送損失に影響が出ない程度に緩和させることで、光ファイバ母材を作製するための処理時間を減らし、光ファイバ母材の製造コストを節減することができる。

本発明に係る光ファイバの一形態を示す断面図である。 本発明に係る光ファイバのコア部と第１クラッド部との外径比と、伝送損失が許容範囲内となる第２クラッド部の所定範囲の平均ＯＨ濃度との関係を示すグラフである。 本発明に係る光ファイバの第２クラッド部の脱水処理時間と第２クラッド部の所定範囲の平均ＯＨ濃度との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る光ファイバの実施形態の例について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本実施形態の光ファイバを光軸に垂直な面で切断したときの断面図である。

図１に示すように、光ファイバ１は、中心にコア部２を有し、その外周にクラッド５を有する。クラッド５は、コア部２の外周に位置する第１クラッド部３と、第１クラッド部３の外周に位置する第２クラッド部４とを有する。

コア部２は、クラッド５より屈折率の高い物質からなり、例えばクラッド５を純石英とした場合、ゲルマニウムを含む石英ガラスである。コア部２を純石英とした場合は、クラッド５は、純石英より屈折率の低い物質からなる。

第１クラッド部３は、クラッド５のうち、コア部２に近い領域であり、光ファイバ１の光伝送特性に大きく影響する部分である。そのため、第１クラッド部３にＯＨ基などの不純物が一定以上含有されていると、光ファイバ１の伝送損失が増加し、光ファイバ１の光伝送特性が悪化してしまう。したがって、第１クラッド部３のＯＨ濃度はできるだけ低い値に抑える必要がある。

一方、第２クラッド部４は、クラッド５のうち、第１クラッド部を介してコア部２とは離間した領域であり、光ファイバ１の光伝送特性にはそれほど大きな影響を与えない部分である。そのため、第２クラッド部４のＯＨ濃度は第１クラッド部３のＯＨ濃度に比べて高い値であってもよい。

このような光ファイバ１において、例えば波長１３８０ｎｍにおける光ファイバ１のＯＨ基に基づく伝送損失はΔα１．３８≦０．０２０ｄＢ／ｋｍであることが要求される。これは、光ファイバ１の伝送損失の実質的な許容値であるα１．３８≦０．３４ｄＢ／ｋｍを外さないように安全率を考慮して設定した値である。

上記の要求値を満たしつつ、光ファイバ１の製造コストを削減するため、発明者は、コア部２の外径ｄと第１クラッド部３の外径Ｄとの比率Ｄ／ｄを調整し、第１クラッド部３と第２クラッド部４との界面から第１クラッド部３の外径Ｄの１２０％までの範囲における第２クラッド部４の平均ＯＨ濃度の許容値を光ファイバ１の伝送損失に影響が出ない程度に緩和させることで、光ファイバを製造する際の処理時間を削減できることを知見した。

具体的には、本実施形態の光ファイバ１は、コア部２の外径をｄ、第１クラッド部３の外径をＤとしたとき４．８≦Ｄ／ｄ≦６．０を満たすようにして、第１クラッド部３と第２クラッド部４との界面から第１クラッド部３の外径の１２０％までの範囲において、平均ＯＨ濃度が１００ｐｐｍより大きく５００ｐｐｍ以下となるように製造されたものである。

ここで、平均ＯＨ濃度については、第１クラッド部３と第２クラッド部４との界面から第１クラッド部３の外径Ｄの１２０％までの範囲の平均ＯＨ濃度と規定している。これは、第２クラッド部４のＯＨ濃度はこの範囲の間で最大となり、伝送損失へ影響することが判明しているためである。

コア部２と第１クラッド部３との外径比であるＤ／ｄについては、４．８≦Ｄ／ｄ≦６．０と規定している。これは、Ｄ／ｄが４．８よりも小さい場合は、第２クラッド部４がコア部２に近いため、Δα１．３８≦０．０２０ｄＢ／ｋｍを満たそうとすると第２クラッド部４の処理時間および処理コストが大幅に増加してしまい、また、Ｄ／ｄが６．０よりも大きい場合は、第２クラッド部４よりも製造コストが高い第１クラッド部３の占める割合が相対的に大きくなるため、製造コストが高くなってしまい、実用化に適さないからである。

また、本実施形態の光ファイバ１は、４．８≦Ｄ／ｄ＜５．０を満たすようにして、第１クラッド部３と第２クラッド部４との界面から第１クラッド部３の外径Ｄの１２０％までの範囲において、平均ＯＨ濃度が１００ｐｐｍより大きく２００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

さらに、本実施形態の光ファイバ１は、５．０≦Ｄ／ｄ＜５．２を満たすようにして、第１クラッド部３と第２クラッド部４との界面から第１クラッド部３の外径Ｄの１２０％までの範囲において、平均ＯＨ濃度が２００ｐｐｍより大きく５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

次に、このような光ファイバ１を製造する方法について説明する。
なお、下記では、ゲルマニウムなどの屈折率を上げる物質を含む石英ガラスを用いた光ファイバ１の製造方法を例に説明するが、この例に限定はされない。コア部２に純シリカを用いた構造であってもよい。
まず、光ファイバ１のコア部２および第１クラッド部３を含むコアロッドを用意する。コアロッドを作製するには、例えばＶＡＤ法によりＧｅを添加しながらシリカのガラス微粒子堆積体を作製し、このガラス微粒子堆積体を塩素雰囲気で脱水及び焼結して透明化させた後、所望の外径となるように延伸する。なお、コア部２と石英パイプとをコラプスすることでコアロッドを製造してもよく、コアロッドの製造方法は特に限定されない。

次に、このコアロッドの外周に、光ファイバ１の第２クラッド部４となる部分のガラスを形成する。例えば、ＯＶＤ法により純シリカのガラス微粒子をコアロッドの外周に堆積させ、径方向に堆積体を成長させる。真空脱水焼結する場合は、この堆積体を真空状態の図示しない加熱炉内で加熱することで脱水処理を行う。このとき、真空焼結による脱水処理中の温度は１０００〜１３００℃として０．５時間以上５時間以下処理を継続する。詳細は後述するが、脱水処理時間が０．５時間よりも少ないと第２クラッド部４の所定範囲での平均ＯＨ濃度が要求値を満たすことができず、５時間よりも多いと製造コストの低減効果が弱くなる。なお、目標となる平均ＯＨ濃度に応じて１０００〜１３００℃で処理する時間を設定することで、第２クラッド部４の所定範囲の平均ＯＨ濃度を調整することができる。

その後、堆積体をフッ素ガス（例えばＳｉＦ_４）雰囲気で加熱してフッ素を添加するとともに焼結して透明化する。これにより、光ファイバ１の第２クラッド部４となるガラスが形成され、光ファイバ１のコア部２となる部分、第１クラッド部３となる部分、第２クラッド部４となる部分を有する光ファイバ母材が得られる。

最後に、このようにして作製した光ファイバ母材を、線引き装置によって線引きすることにより光ファイバ１を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、コア部２の外径ｄと第１クラッド部３の外径Ｄとの比率Ｄ／ｄを調整し、第１クラッド部３の外径Ｄの１２０％までの範囲における第２クラッド部４の平均ＯＨ濃度の許容値を光ファイバ１の伝送損失に影響が出ない程度に緩和させることで、光ファイバ母材および光ファイバ１を作製するための処理時間を飛躍的に減らすことができ、製造コストを大幅に節減することができる。

Δα１．３８≦０．０２０ｄＢ／ｋｍとなる、光ファイバ１のコア部２と第１クラッド部３の外径比Ｄ／ｄと第２クラッド部４の所定範囲の平均ＯＨ濃度との関係を調べた。その結果を図２に示す。
図２に示されるように、Ｄ／ｄが大きくなるに従って、平均ＯＨ濃度の値が高くなる（高くても問題ない）ことが分かる。

次に、第２クラッド部４を真空脱水焼結する際の脱水時間と平均ＯＨ濃度との関係を調べた。その結果を図３に示す。
図３に示されるように、脱水時間が多くなるに従って、平均ＯＨ濃度が下がることが分かる。

以上の関係を踏まえ、コア部２の外径をｄとし第１クラッド部３の外径をＤとしたときのＤ／ｄ、第１クラッド部３と第２クラッド部４との界面から第１クラッド部３の外径Ｄの１２０％までの範囲における平均ＯＨ濃度（ｐｐｍ）、および真空焼結時の脱水時間（Ｈ）が異なる複数のサンプルを用意し、各サンプルで波長１３８０ｎｍにおける光ファイバ１の伝送損失（ｄＢ／ｋｍ）を調べた。その結果を表１に示す。

（比較例１）
Ｄ／ｄを４．７５とし、脱水時間を３時間として光ファイバを作製した。このとき、平均ＯＨ濃度は１２０ｐｐｍであり、Δα１３８０ｎｍでの伝送損失は０．０２５ｄＢ／ｋｍであった。

（実施例１）
Ｄ／ｄを４．８２とし、脱水時間を３時間として光ファイバを作製した。このとき、平均ＯＨ濃度は１２０ｐｐｍであり、Δα１３８０ｎｍでの伝送損失は０．０１９ｄＢ／ｋｍであった。

（実施例２）
Ｄ／ｄを４．９５とし、脱水時間を１．３時間として光ファイバを作製した。このとき、平均ＯＨ濃度は２２０ｐｐｍであり、Δα１３８０ｎｍでの伝送損失は０．０２０ｄＢ／ｋｍであった。

（実施例３）
Ｄ／ｄを４．９７とし、脱水時間を１．５時間として光ファイバを作製した。このとき、平均ＯＨ濃度は２００ｐｐｍであり、Δα１３８０ｎｍでの伝送損失は０．０１８ｄＢ／ｋｍであった。

（実施例４）
Ｄ／ｄを５．１８とし、脱水時間を０．５時間として光ファイバを作製した。このとき、平均ＯＨ濃度は５００ｐｐｍであり、Δα１３８０ｎｍでの伝送損失は０．０２０ｄＢ／ｋｍであった。

（比較例２）
Ｄ／ｄを５．１６とし、脱水時間を０．４時間として光ファイバを作製した。このとき、平均ＯＨ濃度は５５０ｐｐｍであり、Δα１３８０ｎｍでの伝送損失は０．０２６ｄＢ／ｋｍであった。

以上の結果から、光ファイバ１のＯＨ基に基づく伝送損失を許容値であるΔα１．３８≦０．０２０ｄＢ／ｋｍに抑えつつ、第１クラッド部３の外径Ｄの１２０％までの範囲における第２クラッド部４の平均ＯＨ濃度の許容レベルを緩和するためには、４．８≦Ｄ／ｄ≦６．０を満たすようにコアロッドを形成し、上記の範囲における平均ＯＨ濃度は１００ｐｐｍより大きく５００ｐｐｍ以下とすればよいことが分かる。

また、実施例１および実施例３の結果から、伝送損失を許容値であるΔα１．３８≦０．０２０ｄＢ／ｋｍに抑えつつ、４．８≦Ｄ／ｄ＜５．０を満たすようにした場合は、１００ｐｐｍ＜平均ＯＨ濃度≦２００ｐｐｍとすることが好ましいことが分かる。

また、図２および実施例４の結果から、５．０≦Ｄ／ｄ＜５．２を満たすようにした場合には、２００ｐｐｍ＜平均ＯＨ濃度≦５００ｐｐｍとすることが好ましいことが分かる。

さらに、図３および表１の結果から、脱水時間を０．５時間以上とすることで平均ＯＨ濃度が５００ｐｐｍ以下となることが分かる。また、脱水時間が５時間を超えると平均ＯＨ濃度が１００ｐｐｍを下回り、これ以降は平均ＯＨ濃度の低下は緩やかとなる。そのため、第２クラッド部を真空焼結するときの１０００〜１３００℃での処理は０．５時間以上５時間以下継続することが好ましい。

なお、本発明の光ファイバ母材、光ファイバ母材の製造方法、および光ファイバは、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。

例えば、上記の実施形態において、光ファイバ母材を製造する際には、ガラス微粒子をコアロッドの外周に堆積させ、第２クラッド部４となる部分の堆積体を形成し、この堆積体を真空の加熱炉内で加熱する真空脱水焼結により脱水処理を行っているが、この例に限られない。例えば、第２クラッド部４の脱水処理の際に、加熱炉内を、塩素を含むガス（塩素ガス、四塩化珪素ガス等）と不活性ガスの雰囲気としてガラス微粒子堆積体を加熱してもよい（常圧脱水焼結）。このとき、目標となる平均ＯＨ濃度に応じて１０００〜１３００℃での脱水工程の処理時間を設定することで、第２クラッド部４の所定範囲の平均ＯＨ濃度を調整することができる。また、この脱水工程において、目標となる平均ＯＨ濃度に応じて脱水材である雰囲気ガスの濃度を変化させることでも第２クラッド部４の所定範囲の平均ＯＨ濃度を調整することができる。さらに、処理時間と濃度の両者を組み合わせる構成とすることで、処理時間の削減とともに常圧脱水焼結時に使用される脱水材の量を減らすことができ、光ファイバ母材を作製するためのコストを大幅に節減させることができる。

１：光ファイバ、２：コア、３：第１クラッド部、４：第２クラッド部、５：クラッド

Claims (8)

1. コア部と、前記コア部の外周に形成された第１クラッド部とからなるコアロッドを形成する工程と、前記コアロッドの外周に第２クラッド部となるガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体を形成する工程と、前記ガラス微粒子堆積体を真空脱水焼結または常圧脱水焼結させて光ファイバ母材を形成する工程とを有する光ファイバ母材の製造方法であって、
   前記コア部の外径をｄ、前記第１クラッド部の外径をＤとしたとき、４．８≦Ｄ／ｄ≦６．０を満たすように前記コアロッドを形成し、前記第１クラッド部と前記第２クラッド部との界面から前記第１クラッド部の外径の１２０％までの範囲における平均ＯＨ濃度を、１００ｐｐｍ＜平均ＯＨ濃度≦５００ｐｐｍとし、前記第２クラッド部のＯＨ濃度は前記範囲の間で最大となることを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
2. ４．８≦Ｄ／ｄ＜５．０を満たすようにして、前記範囲における平均ＯＨ濃度を、１００ｐｐｍ＜前記平均ＯＨ濃度≦２００ｐｐｍとすることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
3. ５．０≦Ｄ／ｄ＜５．２を満たすようにして、前記範囲における平均ＯＨ濃度を、２００ｐｐｍ＜前記平均ＯＨ濃度≦５００ｐｐｍとすることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
4. 前記第２クラッド部を真空脱水焼結するときに、目標とする平均ＯＨ濃度に応じて１０００〜１３００℃で処理する時間を設定し、前記平均ＯＨ濃度を調整することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光ファイバ母材の製造方法。
5. 前記第２クラッド部を真空脱水焼結するときに１０００〜１３００℃での処理を０．５時間以上５時間以下継続することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光ファイバ母材の製造方法。
6. 前記第２クラッド部を常圧脱水焼結するときに、目標とする平均ＯＨ濃度に応じて１０００〜１３００℃で処理する時間を設定し、前記平均ＯＨ濃度を調整することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光ファイバ母材の製造方法。
7. 前記第２クラッド部を常圧脱水焼結するときに、目標とする平均ＯＨ濃度に応じて脱水材の濃度を設定し、前記平均ＯＨ濃度を調整することを特徴とする請求項１から３および６のいずれか一項に記載の光ファイバ母材の製造方法。
8. コア部と前記コア部の外周の第１クラッド部とからなるコアロッドと、前記コアロッドの外周にガラス微粒子を堆積させて形成される第２クラッド部とから構成されるガラス微粒子堆積体を焼結させて形成される光ファイバ母材であって、
   前記コア部の外径をｄ、前記第１クラッド部の外径をＤとしたとき、４．８≦Ｄ／ｄ≦６．０を満たし、前記第１クラッド部と前記第２クラッド部との界面から前記第１クラッド部の外径の１２０％までの範囲における平均ＯＨ濃度が、１００ｐｐｍ＜平均ＯＨ濃度≦５００ｐｐｍであり、前記第２クラッド部のＯＨ濃度は前記範囲の間で最大となることを特徴とする光ファイバ母材。

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