JPH01201045A - 酸化ゲルマニウム系光ファイバおよびその作製方法 - Google Patents

酸化ゲルマニウム系光ファイバおよびその作製方法

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JPH01201045A
JPH01201045A JP63025239A JP2523988A JPH01201045A JP H01201045 A JPH01201045 A JP H01201045A JP 63025239 A JP63025239 A JP 63025239A JP 2523988 A JP2523988 A JP 2523988A JP H01201045 A JPH01201045 A JP H01201045A
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glass
cladding
core
optical fiber
geo
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JP63025239A
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English (en)
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Toshito Hosaka
保坂 敏人
Shoichi Sudo
昭一 須藤
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の産業上利用分野〕 本発明は、酸化ゲルマニウム系光ファイバおよびその作
製方法、さらに詳細にはコアおよびクラッドにGeO2
ガラスを主成分とする低損失高強度の、そして、2〜3
μmの波長領域における極低損失伝送媒体およびファイ
、パラマンレーザおよびカー(Kerr)効果等の非線
形効果応用部品の実現を可能にする光ファイバおよびそ
の作製方法に関する。
〔従来技術および問題点〕
従来、GeO2ガラスを主成分とした光ファイバを用い
て、波11i42.0μm以上で極低損失化を狙ったフ
ァイバとしては、高橋等の発表(11,Takahas
hi、 et、 al、、 European Con
ference on 0pticalCoa+a+u
nication+ Technical diges
t、 pp、61−64+1983、 EC0C83−
9th)に見られるように、コアにsb、o、を添加し
たGeO□ガラス、またクラッドに純GeO□ガラスを
使用した多モードファイバの例があり、第1図に示すよ
うに波長2.0μmで4dB/ktaの伝送損失が得ら
れている。
しかし、この値は第2図に示すように理論的に予測され
る(a(0,06d[l/ km  ?波長λ=2.5
 am)よりはるかに大きい(R,01shansky
 and G、W、5cherer。
EC0C’79+ Technical digest
、 p、12.5−il 1979.)。
これは光ファイバ中を伝搬する光の大部分が集中するコ
アの材料がsb、o、とGeO□の2成分であり、ガラ
スの密度ゆらぎ等が大きくなることによる。CeO,ガ
ラスのみの場合でも5iOzガラスに比較すると均一な
ガラスの作製が容易でないことを考慮すると、sb、o
、のコアへの添加は低損失化を困難にするという問題点
があった。
さらに、純G e Ozガラスは大気中の水分で変質し
、ファイバの強度が弱まるという欠点があった。
また、最近では中村等により、GeO2ガラスをコア、
SIO,添加GeO2ガラスをクラッドとする単一モー
ド光ファイバが作製されており、伝送損失12 d B
/km (λ=1.06μm)が達成されている(昭和
61年度秋季応用物理学関係総合全国大会講演予稿周、
P、183、講演番号27a−X−7)。しかし、Si
O□を添加材として使用しているため、第3図に示すよ
うに5iftの赤外吸収損失により波長1.7μm以上
での損失の低下は本質的に望めないという欠点あった。
さらに、低損失化のためにはコアとクラッドの屈折率差
は約0.3%と比較的小さい時が適当であるが、GeO
2ガラスへの微頃なシリカガラスの添加は制御が困難で
あり、コアとクラッドとの屈折率差の再現性が悪いとい
う欠点があった。
他方、純GeO2ガラスをコア、フッ素添加GcO,ガ
ラスをクラッドとする単一モードファイバが作製されて
いるが(採板、他:電子情報通信学会創立70周年記念
総合全国大会、昭和62年度、P、4−206L外気に
接するファイバ表面となるクラッド材料がフッ素を添加
されたGe0tガラスよりなることにより、純Gem。
ガラスよりさらにもろく(強度が弱く)なるという欠点
があった。
本発明は、これらの欠点を解決し、波長2〜3μmで極
低損失かつ高強度な酸化ゲルマニウム系光ファイバを提
供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕 上記問題点を解決するため、本発明による酸化ゲルマニ
ウム系光ファイバは、コアおよびクラッドよりなる同心
円状の光ファイバにおいて、コアが純GeO2ガラスあ
るいはフッ素添加GeO□ガラス、コアに続く第1クラ
ッドがフッ素を添加したGeO2ガラス、第1クラッド
に続く最外層の第2クラッドがSi0gガラスを添加し
たG e Ozガラスよりなることを特徴としている。
また、本発明による酸化ゲルマニウム系光ファイバは、
コアおよびクラッドよりなる同心円状の光ファイバにお
いて、コアが純GeO□ガラスあるいはフッ素添加Ge
O□ガラス、コアに続く第1クラッドがフッ素を添加し
たG c Ozガラス、第1クラッドに続く最外層の第
2クラッドがパイレックス系ガラスよりなることを特徴
とする。
さらに、本発明は上述の酸化ゲルマニウム光ファイバを
作製する方法を提供するものであり、前記酸化ゲルマニ
ウム光ファイバの作製方法は、燃焼ガスおよび助燃ガス
により1本のコア用および1本あるいは複数本の第1ク
ラッド用および第2クラッド用火炎を形成し、該コア用
火炎中にガラス形成用原料としてG e Cl aのみ
、あるいはGeCl4とG c F 4を、また第1ク
ラッド用火炎中にGeC/!、とG e F 4あるい
はG e F 4のみをさらに第2クラッド用火炎にG
eC11,および5iC1!、を供給し、火炎内反窓に
より生成するガラス微粒子を円柱状に堆積させて、多孔
質光ファイバ母材とし、これを加熱して透明ガラス母材
とし、その後線引きして光ファイバとすることを特徴と
する。
本発明による第二の酸化ゲルマニウムの作製方法は、パ
イレックスガラス管を保持し、回転させて、該ガラス管
内に光ファイバ用ガラス原料ガスおよび酸素を導入し、
該ガラス管を外側あるいは内側から加熱することによっ
て酸化反応を生ゼしめ、該ガラス管内壁にまず第1クラ
ッドとしてフッ素を添加したGeO2ガラスを堆積し、
次にコアとしてGeO□ガラスのみあるいはフッ素が添
加されたGe0zガラスを堆積することを特徴とするし
ている。
本発明は、波長2〜3μmにおいて、現在の石英系光フ
ァイバが達成している最低損失値(0,154dB/k
m)以下が期待されるGeChおよびフッ素添加GeO
2ガラスを、光が伝搬するコアおよびタララドガラス材
料とし、かつファイバの強度を決定する最外層である第
2クラッドをS i Oz添加GeO2ガラスあるいは
パイレックスガラスとして、ファイバの強度を強くする
ことを最も主要な特徴とする。従来の技術とは2〜3μ
mの波長域における極低損失化と、ファイバ強度の向上
を同時に満足する酸化ゲルマニウム系光ファイバおよび
その作製方法を提供する点が異なる。この点は、実用的
にファイバを使用する上で非常に重要である。
[実施例1〕 第4図は本発明の第1の実施例を説明する概略図であっ
て、1はコア用多孔質ガラス合成用トーチ、2は第1ク
ラッド用多孔質ガラス合成用トーチ、3は第2クラッド
用多孔質ガラス合成用トーチ、4は多孔質ガラスを支持
し、回転、引き上げる支持棒、5は支持棒を回転、引き
上げるだめの駆動装置、6は反応用の余剰ガス、ガラス
微粒子を除去、処理する排ガス処理装置、7は反応容器
、8はコア用多孔質母材、9は第1クラッド用多孔質母
材、10は第2クラッド用多孔質母材である。
これを動作させるには、駆動装置5により回転数2Or
pmで回転させた支持棒4の下端に、トーチ1を用いて
、酸素7j2/min、水素1.6 ffi/min、
アルゴン3 ji!/win、ヘリウム3.41/mi
nで形成される火炎中にアルゴンガスで輸送される10
0cc/win (50°C)のGeCl4および30
cc/lll1nのG e F4  (25°C)ガス
を原料として流し、酸水素火炎内で加水分解反応を生じ
させて、フッ素が添加されたGeO2ガラス微粒子を形
成し、コア用多孔質母材7を作製する。
この時のコアの外径は約10ml1であり、フッ素の添
加醗は約0.35重酸%である。支持棒4はコア用多孔
質ガラス8の成長速度に合わせて上方に引き上げられ、
コア用多孔質母材8の成長に従い、該側面に第1クラッ
ド用多孔質ガラス合成用トー千2より81/minの酸
素、2jl!/+inのアルゴンおよび3.5 ffi
/ll1nのヘリウムガスを流し、火炎を形成する。該
火炎中にアルゴンガスで輸送される500cc/min
 (50°C)のGeCl4および300cc/win
のCeF4 (2’5°C)ガスを原料として流し、酸
水素火炎内で加水分解反応を生じさせてフッ素が添加さ
れたGe0zガラス微粒子を形成し、第1クラッド用多
孔質母材9を作製する。作製された第1クラッド用多孔
質母材9の外径は約50鴫、フッ素の添加酸は約0.7
重慴%である。
次に、第1クラッド用多孔rX母材の側面にトーチ3よ
りさらに8 f/minの酸素、3f/winの水素、
21/minのアルゴンおよび3.51 /winのヘ
リウムガスを流して火炎を形成し、該火炎中にアルゴン
ガスで輸送される5 00cc/nin (50’C)
のGeC1mおよび40cc/min (50°C)の
5iC1゜を原料として流し、酸水素火炎内で加水分解
反応を生じさせて、SiO□が約8mof%添加された
GeO2ガラス微粒子を形成し、第2クラッド用多孔質
母材lOを作製する。作製された第2クラッド用多孔質
母材の外径は約70舗である。このSin、は好ましく
は5〜12moffi%の範囲で添加するのがよい。5
mof!、%未満であると十分な強度を得られない恐れ
があり、また、12moffi%を越えると、第2クラ
ッドの屈折率が第1クラッドのそれよりも小さくなって
しまう恐れがあるからである。
このようにして、作製された長さ約250mmの多孔質
母材は、カーボン抵抗炉を用いて約1000°Cに加熱
され、酸素ガス1 f/+in、ヘリウムガス4R/m
in、塩素ガス1 f/minの雰囲気中で脱水透明化
される。作製されたガラス母材の寸法はコア径5mIn
、第1クラッド径25mn、第2クラッド径35m、長
さ125mm、コアとクラッドの屈折率差Δ’、0.2
5%、第1クラッドと第2クラッドの屈折率差約0.0
5%(第2クラッドの屈折率〉第1クラッドの屈折率)
であった。
上述のように、この実施例においてはコアの屈折率が最
も大きく、第2クラッドの屈折率が次に大きく、第1の
クラッドの屈折率が最も小さい。
また、第1クラッドと第2クラ・ンドの屈折率差Δ2は
0.1%以下であるのが好ましい。0.1%を越えると
、伝送損失が大きくなる恐れがあるからである。
透明化されたガラス母材は線引き炉によって約1200
”Cの温度で線引きされ、光ファイバとなる。作製され
たファイバの諸元はコア径14.3μm、第1クラッド
径71.4μm、ファイバ外径(第2クラッド径)10
0μm1カットオフ波長れ=2.1 μmであった。第
5図に本発明による光ファイバの強度と破断t1率の関
係を示す。強度が大幅に改善されていることがわかる。
なお、本実施例では、フッ素が微にに添加されたコアを
用いたが、ガラス微粒子堆積時にG e Cl aのみ
を流すことにより、純GeO2ガラスのコアを作製する
こともできる。また、本実施例では第1および第2クラ
ッド合成用のトーチを各1木用いたが、複数本用いるこ
とにより、母材の大きさを大きくすることも可能である
〔実施例2] 第6図は本発明の第2の実施例を説明する図であって、
11は原料ガス供給部、12は接続用パイプ、13はパ
イレックス管(17Φ×20Φ×1500mmL)、1
4はガラス管支持部すなわちチャック、15は加熱源、
16は管径測定部、17は回転コネクタ、18はトラッ
プ、19は電磁弁、20はノズル、21は排気耐制御部
である。
原料ガス供給部11にはGeCムの液体が容器に入れら
れており、Arガスを液体中に供給することにより、蒸
発させて輸送する。また、他に02ガスおよびCF、ガ
スが保管されており、温度制御および流量制御が可能と
なっている。
原料ガス供給部11は、接続用パイプ12を介してパイ
レックス管13内に気体を供給するようになっており、
一方このパイレックス管13内を通過した気体はトラッ
プ18を介し、電磁弁19、ノズル20から排気される
ようになっている。パイレックス管13はチャック14
によって支持され、回転コネクタ17の作用により回転
可能になっている。加熱源15および管径測定部16は
相互に隣接して設けられ、共にパイレックス管13の長
さ方向に対し、移動可能となっている。さらに、排気計
制御1部21は管径測定部16の信号を受け、電磁弁1
9の開閉を制御する。
これを動作させるには、まずチャック14で支持された
パイレックス管13を6Orpm程度の回転数で回転さ
せ、原料ガス供給部11からは接続用パイプ12を介し
て02ガス500cc/分のみを流す。この状態で酸水
素バーナ等の加熱源工5によってパイレックス管13を
約800°Cの温度で数回(約15回)走査(約5〜l
Qcm/分)加熱し、空焼きを行う。これは管内壁を非
常に滑らかにするためである。パイレックス管13を軟
化点以上に加熱すると、パイレックスガラス管13は同
心円状に収縮し、管径はより細くなる。この時の管径を
管径測定部16で測定する。排気に制御部21には予め
下限管径が設定してあり、管径測定部16で測定された
パイレツクス管13の管径がこの設定値より大きい場合
には電磁弁19は開放され、管内を流れる気体は抵抗な
く排気される。
一方、管径が設定値と比較して小さい場合には、排気用
制御部21から電磁弁19に電源を供給することにより
、電磁弁19が閉じ、管内の気体の出口はノズル20の
わずかの間隙のみとなる。原料ガス供給部11からは常
時o7ガスが供給されているため、管内の圧力は高まり
、パイレックス管13の加熱部分は収縮しようとする表
面張力に打ち勝ち膨張する。この膨張した管径が設定値
と一致するか、あるいは大きくなると排気¥制御部21
の指示によって電磁弁19が開放され、管内の圧力は大
気圧まで下がる。この動作を加熱源15の移動と共にパ
イレックス管13の長手方向に行うことにより、設定値
に合うように整形することができる。
次いで、原料ガス供給部11から500cc/分のOz
と共にArガスでバブリングされた12°C1200c
c/分のG e C124および25°C120cc/
分のCF、ガスを原料として流し、加熱源15によって
原料ガスを約1000°Cに加熱し、酸化反応を起こさ
せ、第1クラシトとなるフッ素添加(約0.7重環%)
GcO□ガラスをパイレックスガラス(第2クラッドと
なる)の内壁の長さ方向に堆積させる。加熱a15の送
り速度は約100M/分、往復回数(タララドガラスの
堆積回数)は約30回である。次に同様にして、コアと
なるガラスをタララドガラスの内側に堆積させる。コア
の堆積条件はGeC1!*  (12°C125cc/
分)、CF、(25°C13cc/分)、加熱源15の
温度1000°C1送り速度100鵬/分、往復回数5
回である。
最後に加熱源15をゆっくり移動(約30m/分)させ
ることによって、中実化を行い中実な円柱母材(約12
mmΦX500mmL)を作製する。
作製されたガラス母材の寸法はコア径0.5 ml+1
、第1クラッド径3mm、外径12+umである。屈折
率はコア、第1クラッド、および第2クラッド(パイレ
ックスガラス)の順に大きく、コアとクラッドの屈折率
差は約0.25%、第1クラッドと第2クラッドの屈折
率差は約8.5%である。コアおよび第1クラッドの熱
膨張係数は約7.3 x 10− ’ /”cであるた
め、作製された母材の両端は高温から室温に冷える時熱
膨張係数差に依存する応力から母材に割れが発生する部
分である。従って、これを防ぐため、第7図に示すよう
に母材の両端を延伸して応力を緩和させる必要がある。
次に作製された母材の外周研磨を行い外径6鴫とする。
本母材を約1100°Cの温度で線引きしてファイバ化
する。ファイバ外径は172μm1第1クラッド径は8
6μm、コア径は14.3μmであり、カットオフ波長
は2.1 μmであった。本ファイバの最外層はパイレ
ックスガラスであるため、空気中の水分により変質する
こともなく、強度も十分実用に耐えられる。
本ファイバの屈折率分布は第8図に示すように第2クラ
ッドの屈折率(パイレックスガラス)が最も低いため、
第1クラッドと第2クラッドの間に導波構造が生じ、光
が伝搬する。この伝搬光は、第2クラッド層の損失を受
け、第2クラッドであるパイレックスガラスは光ファイ
バ用材料に比較して損失が大きい(本来光学ガラスでは
ない)ため、損失を低下させることができない。
従って、第9図に示すように本ファイバの入射端から2
0〜30craの部分をフッ酸等のエツチング液により
第2クラッドを除去し、除去表面を金属被覆あるいは第
1クラッドより屈折率の高い高分子等で補強することに
より、コアと第1タラッド間のみを導波構造とし、コア
のみに光を閉じ込めて低損失化をはかることができる。
なお、本実施例ではコアの作製時にCF、を流し、フッ
素が微量に添加されたGeO2ガラスとしたが、GcC
1!、のみを流すことにより、コアを純Ge0zガラス
とすることも可能である。
さらに、本実施例第6図の加熱atSは酸水素バーナを
現しているが、PCVD (plasma CVD)を
用いることもできる。すなわち、パイレックス管内を1
0− ’ Torrに減圧し、マイクロ波キャビティを
用い、2.45G Hzのマイクロ波発生器を用いて、
200〜500ワツトの出力でパイレックス管を加熱し
、発生するプラズマにより、管内面を重点的に加熱しな
がら、上記コアおよびクラッドFi膜を堆積することが
できる。
この方法はパイレックス管の外側の温度が高くならない
ため、管の収縮が抑えられる( FredyWelin
g J、Appl、 Phys、 vol、57+ N
o、飢PP、4441−4446、1985.)。
上記の本発明による酸化ゲルマニウム系光ファイバにお
いて(実施例1および実施例2に詳しく説明した)、コ
アと第1クラッドとの屈折率差Δ。
が約0.3%、第1クラッドと第2クラッドの屈折率差
Δ2が約0.1%であるとき、第1クラッドの径はコア
径より4倍以上であるのが好ましい。4倍未満であると
、伝送損失が大きくなる恐れがあるからである。もちろ
ん、たとえば第1クラッドと第2クラッドの屈折率差Δ
2が0.1%より小さいときには、4倍未満であっても
よいことは明らかである。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明による酸化ゲルマニウム系
光ファイバは、純Ge0zガラスあるいはフッ素が微量
に添加されたG e Ozガラスをコア、また、第1ク
ラッドをフッ素が添加されたG e Otとしているた
め、伝搬する光が閉じ込められる領域の材料が2〜3μ
mにおいて極低損失であり、現在の石英系で達成されて
いる0、154dB /に+aを凌駕する可能性がある
という利点がある。同時に、ファイバの強度に大きな影
響を及ぼす最外層である第2クラッドがSingを添加
したG e Ozガラスあるいはパイレックスガラスで
あるため、純Ge0zガラスに比較して強度が大幅に高
くなると言う利点を有する。
さらに、本ファイバはGeO□ガラスを主成分としてい
るため、SiO□ガラスに比較してラマン散乱係数は約
9倍と大きく、ファイバラマンレーザ等の非線形効果を
高効率で発生できるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来法による酸化ゲルマニウム系光ファイバの
損失波長特性を示す図、第2図および第3図はそれぞれ
、Gem2およびSi0gガラスを主成分とする光ファ
イバの理論的な損失波長特性を示す図であり、第4図は
本発明による実施例〔1〕を用いた酸化ゲルマニウム系
光ファイバの作製方法を示す図、第5図は従来法と本方
法による光ファイバの強度を示す図、第6図は本発明に
よる実施例〔2]を用いた酸化ゲルマニウム系光ファイ
バの作製方法を示す図である。また、第7図は実施例〔
2〕により作製された母材を示す図、第8図および第9
図はそれぞれファイバにした時の屈折率分布および長さ
方向の概略回を示した図である。 1・・・コア用多孔質ガラス合成用トーチ、2・・・第
1クラッド用多孔質ガラス合成用トーチ、装置、6・・
・排ガス処理装置、7・・・反応容器、8・・・コア用
多孔質母材、9・・・第1クラッド用多孔質母材、10
・・・第2クラッド用多孔質母材、11・・・原料ガス
供給部、12・・・接続用パイプ、13・・・パイレッ
クス管、14・・・チャック、15・・・加熱源、16
・・・管径測定部、17・・・回転コネクタ、18・・
・トラップ、19・・・電磁弁、20・・・ノズル、2
1・・・排気晴制御部、22・・・コア、23・・・第
1クラッド、24・・・第2クラッド、25・・・被覆
。 出願人代理人  雨  宮  正  季第1図 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8波長入(、u
m) 第2図 波長 λ(、um) 第3図 波長入(、um) 第4図 第5図 光ファイバー強度(Kg/mm ) 第7図 第9図

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)コアおよびクラッドよりなる同心円状の光ファイ
    バにおいて、コアが純GeO_2ガラスあるいはフッ素
    添加GeO_2ガラス、コアに続く第1クラッドがフッ
    素を添加したGeO_2ガラス、第1クラッドに続く最
    外層の第2クラッドがSiO_2ガラスを添加したGe
    O_2ガラスよりなることを特徴とする酸化ゲルマニウ
    ム系光ファイバ。
  2. (2)コアおよびクラッドよりなる同心円状の光ファイ
    バにおいて、コアが純GeO_2ガラスあるいはフッ素
    添加GeO_2ガラス、コアに続く第1クラッドがフッ
    素を添加したGeO_2ガラス、第1クラッドに続く最
    外周の第2クラッドがパイレックス系ガラスよりなるこ
    とを特徴とする酸化ゲルマニウム系光ファイバ。
  3. (3)燃焼ガスおよび助燃ガスにより1本のコア用およ
    び1本あるいは複数本の第1クラッド用および第2クラ
    ッド用火炎を形成し、該コア用火炎中にガラス形成用原
    料としてGeCl_4のみ、あるいはGeCl_4とG
    eF_4を、また第1クラッド用火炎中にGeCl_4
    とGeF_4あるいはGeF_4のみを、さらに第2ク
    ラッド用火炎にGeCl_4およびSiCl_4を供給
    し、火炎内反応により生成するガラス微粒子を円柱状に
    堆積させて、多孔質光ファイバ母材とし、これを加熱し
    て透明ガラス母材とし、その後線引きして光ファイバと
    することを特徴とする酸化ゲルマニウム系光ファイバの
    作製方法。
  4. (4)パイレックスガラス管を保持し、回転させて、該
    ガラス管内に光ファイバ用ガラス原料ガスおよび酸素を
    導入し、該ガラス管を外側あるいは内側から加熱するこ
    とによって酸化反応を生ぜしめてガラスを該ガラス管内
    壁に堆積させ、中実化した後、線引きする酸化ゲルマニ
    ウム系光ファイバの作製方法であって、該ガラス管内壁
    にまず第1クラッドとしてフッ素を添加したGeO_2
    ガラスを堆積し、次にコアとしてGeO_2ガラスのみ
    あるいはフッ素が添加されたGeO_2ガラスを堆積す
    ることを特徴とする酸化ゲルマニウム系光ファイバの作
    製方法。
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