JPH02239129A - 光ファイバ母材の製造方法 - Google Patents

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】 本発明は光ファイバ母材の製造方法，更に詳しく言えば
光ファイバの光伝送の要部をなすコアに複屈折を生ぜし
ぬる光ファイバを製造する工程で使用する光ファイバ母
材、即ちプレホームロッドの製造方法に係る。

光ファイバの一つの用途として，偏波面を乱れなく伝送
し，光集積回路との結合，　ｍｇ定装置，光スイッチ等
の利用が考えられる．このように光の偏波面を乱すこと
なく（偏波面を保存）伝播できる円形状光ファイバとし
ては光ファイバを形成するコアの直交主軸方向の伝播位
相定数の差が大きいことが必要となる。このような伝相
伝措定数差を得るため、コアに加わる熱応力歪の差を形
成する方法が考えられている。

しかし従来知られている方法は，ガラス管内壁に化学的
気相沈積（ＣＶＤ）法によって、コア，クラッドとなる
ガラス層を形成した後，ガラス管内を少なくとも減圧を
しないで，中実化してロンドを作り．これを１部研磨等
によって削り非円形の光ファイバ母材（プレホームロツ
ド）を形成した後，細い光ファイバとするため加熱線引
する６これによって、プレホームロットの非円、ならび
、ガラス管と内壁に形成されるガラス層の材質の熱膨張
係数の差等によってコアに複屈折を生せしめる方法であ
る。

しかし、この方法では中実化したロッドの一部を非円と
する研磨工程等を必要とし、更に十分大きな複屈折を生
せしめることができない。特にコアに複屈折を生ゼしぬ
るためには，クラッドあるいは外周のジャケットを楕円
形とすることが望ましいが、それらの形状を任意に制御
することが困難である。

したがって、本発明の目的は、円形の石英ガラス管の内
壁に少なくとも上記ガラス管の材質と異なるガラス薄膜
を形成し、これを加熱溶着し中実の光ファイバ用母材、
すなわちプレホームロットを作る方法において経済的，
Ｎ易な方法で、上記ガラス薄膜部の少なくとも一部が楕
円となる製造方法を実現することである。

本発明の他の目的は、研磨工程や最初のガラス管を変形
する工程を要することなく、円形の中心暦と上記中心層
外周に形成されその外周が楕円となる中間層と、上記中
間層外周に形成された最外周層からなり、上記中間層の
外周の楕円率が任意に設定できる光ファイバ用母材の製
造方法を実現することである。

本発明は上記目的を達成するため，基材となるガラス管
の内壁にガラス薄膜を形成し，これを加熱溶着し、中実
の光ファイバ用母材（プレホーム）を製造する方法にお
いて、上記ガラス薄膜が形成された管の一端を加熱して
潰し、上記−・端を潰されたガラス管の内部の圧力を外
記圧より低くして回転しながら上記潰された１端から加
熱部を漸時移動して中実化することを特徴とする。

特に、本発明では，本発明によって得られたプレホーム
ロットの断面構造が中心層が円形で，中間層はその外周
が楕円となり，最外周層が円形又は円形に近い形状の層
からなるように，上記方法において、上記中間層の一部
の材質は上記基材となるガラス管の軟化点より低い軟化
点を有する材質で形成され，上記コア部を形成する材質
は上記低い軟化点を有する材質より高い軟化点を有する
材質で形成される． なお、中心層，中間層は実施例において説明する如く単
一の層に限定される必要はなく複数の層で形成してもよ
い。又楕円とは本発明では楕円の長軸をＣい短軸をＣ２
としたとき、楕円率それ以下を円形とする。

本発明の方法によれば，ガラス管の半径，厚み，減圧度
，ガラス薄膜の材質，量を特定することによって中心層
、又は中間層の楕円率を任意に設定でき、かつ再現性よ
く光ファイバ母材を実現することができる。

特に，中心層を円形，中間層を楕円形とするときは，中
心層の直交する軸方向の屈折率を異なったものとするこ
とが容易に実現でき，偏波面を保存し易い光ファイバを
実現することができる。

なお、最終的光ファイバは上記方法によって得られたプ
レホームロットを単に加熱しながら線引すれば上記断面
靖造と相似の断面靖造の光ファイバが容易に実現できる
。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明による光ファイバ母材の製造方法の工程
を示す図である。

まず、（１）光ファイバの基材となる石英ガラス管１が
用意される。このガラス管の径が大きく、厚みが薄いと
きは後の減圧工程（３）にいて所定の形状が得られ難い
ため必要によっては径を小さくする工程が含まれる。望
ましくは外径５ｆｆｌｆｆｉ〜５０ｍｍ，厚さ０．３ｍ
ｍ〜５ｍｍである。

上記ガラス管１の内壁に化学的堆積（ＣＶＤ）法によっ
て、光ファイバの中間層となるガラス薄膜２および中心
層となるガラス薄膜３が形成される。中間層は光ファイ
バのクラッド、あるいはジャケットとクラット機能を持
つ場合がある。又中心層は光ファイバのコアのみ、ある
いはコアとクラット（すなわち、光伝送部を形成する）
を形成する場合が有る。

これらの材質，厚みについてを後に詳細に説明する。上
記工程によって得られたガラス薄膜を有するガラス管は
両端をガラス旋盤台に取付け、一定の回転速度で回転す
る（３）。図は取付台に取付られた管の端部を加熱バー
ナ４で加熱して潰す。

そしてガラス管の他の開口部に排気タンク５を設け、排
気管６より排気調節弁７を調整しながら管内の気圧を減
圧して一定の圧力に保つ．減圧量は一方の端が石英管内
部８に挿入されたＵ字管９で液１０の液面の違いで測定
される。この状態で加熱ｇ（バーナ）４を漸時移動して
中実のプレホームロッドを形成する。この減圧の程度は
第３図で示すように１ｍｌｌｌＨ２Ｏ〜２０ｍｍＨ２０
程度に設定する。プレボームロンドは加熱バーナ４によ
って溶融し、一方から線引すれば，内層の一部が楕円形
となる光ファイバが実現される。

第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）は上記方法
によって作ったプレホームの断面の写真をトレースして
示したもので、各々の製造条件は次の通りである。

最初の石英管の外径は２０ｍｍ，厚さ１．５ｍｍで全て
同じである。

次に示すようなガラス薄膜を形成した後速度毎分５０＠
転で回転しながら，酸水素バーナ２を漸時０　．　１　
７　ｎ＋ｍ／　ｓｅｃの速さで移動した。

（ａ）はコアとしてゲルマをドープしたシリカガラスよ
りなり減圧量は水の高さで９ｍｍ（以下ＩＩＩＩＨ．０
と表わす）のものであり約５０％の楕円率の中心層が得
られる。（ｂ）図は管の減圧量を２７ｍｍＨ２Ｏと大き
くしたもので中空のプレホームのコアにドープされたゲ
ルマ層の厚めは約１５μｍと厚いものである６　（ｃ）
と（ｄ）は，コア（巾心Ｎ）にシリカガラスを．クラッ
ディング（中間層）に硼素（　Ｂ　２　０　−　）をド
ーブしたシリカガラスを形成したもので、コアを円形に
，クラッディングを楕円にした図（ｃ）と、逆にコアを
楕円にクラッディングを円形にした図（ｄ）を示したも
のである。これらの作製法は前記したように出発石英管
を楕円軸が回転しないようにある程度収縮させるが、こ
の収縮量とコア層，クラッディング層の厚みを最適に選
ぶ事で成しとげられる。

第３図は、石英管の厚さと、減圧度を変えたときの楕円
率の測定結果を示すもので，各曲線の実施条件は次の通
りである。曲線１１，１２．１３においてはコアにゲル
マをドープしたシリカガラスを用い第２図（ａ），（ｂ
）に示すように２層構％ 造である。ゲルマの濃度は約１５ｍｏｆｌである。

公 各曲線共に出発石英管の外径は２０ｍｍ，内径１７ｍｍ
のもので共通であり、中空プレフォームのゲルム層の厚
みは約１０μｍである。加熱溶着（カラソプス）する前
に１　３．５ｍｍ，　１　２．８ｍｍ，９．７＋ｍ＋ｌ
＋の外径まで収縮させた後減圧を行って得られた中実の
プレフォームのコアの楕円率を示したもので、曲線１１
，１２，ｉａはそれぞれ１　３．５ｍｍ，　１　２．８
ｍｍ，　９．７ｍｍの実験例である．曲線１２はコアに
シリカを、クラッディングに硼素をドープしたシリカガ
ラスを用いてファイバで第２図（ｃ），（ｄ）のように
３Ｎ構造となっている。硼素は約１２ｍｏＱ％ドープさ
れており、中空プレフォームにおいては１８μｍの厚み
を有していた。コアとなるシリカ層は約８μｍ厚みをも
っているもので，出発石英管は前記と同じ外径２０ｍｍ
，内径１７＋ｗ＋ｍのものである。この管にクラッディ
ング層とコア層を作製した後約１３．１ｍｍに収縮させ
た。その後減圧量を変えてコラップスし，得られたクラ
ッディングの楕円率を減圧量の関数として示したのが１
２の曲線である６以上の例より，プレホームロツドの一
部に形成される楕円層の楕円形状は減圧度ならびドーパ
ントの材質、出発石英管の径および厚さ、中空部の半径
を制御することによって決定されることが分る。すなわ
ち、減圧度が高い程楕円率は増大し、中空の管の厚さが
厚い程楕円率が低くなる。上記例から分るように、石英
ガラス管の厚さは０．３ｌＩｍｌ〜５ｍＩ１，外径は５
ｍｍ〜５０ｍｍ，外気圧と管内の圧力との差は１　ｍｍ
Ｈ，　Ｏ　〜３　０　ｍｍＨ，　Ｏで，溶着温度１７ｏ
Ｏ℃〜２０００℃で本発明の方法は実現される。次に楕
円率γと減圧度Ｐ（ｍａ＋Ｈｚｏ）と各屡の厚みとの関
係を定量的に説明する． 第４図は本発明の方法によって得られたプレホームロン
ドの最外周層の内径（中心又は中間層の外周と同じ）の
楕円率と、中実化前の各層と中実化後の各層の厚さとの
関係を示すもので，縦軸はプレホームの楕円層の楕円率
を示し、横軸は（ｂ’　／ａ’　）Ｘ　（ｄ’　／ｃ’
　）を示し，これらは第５図及び第６図に示すように中
実化前の石英管の外径ｂ′，内径ａ′，プレホームの外
径ｄ楕円層の平均半径ｃ　’　（＝ＶＣｌ　ｔ　Ｃｚ）
を示すもので，製造条件を、溶着温度１８００℃，減圧
度８ａ＋ｗＨ２Ｏ加熱パーナの移動速度０．８ｍｍ／ｓ
ｅｃ、ガラス薄膜はＧａｐ２とＢ２０，をドーパントと
して含むシリカガラスである。図中、●ｌｏｔΔは最初
の石英管径を１４．１８および２０＋＋＋ｍとしたもの
をそれぞれ示す。

第４図より楕円率γは の関係があることが分る。

上記（１）式は溶着温度（１７００　〜２０００℃），
加熱源４の移動速度（０．０２〜０．２ｍｍ／ｓｅｃ）
　．堆積ガラスの組成を現実的に光ファイバの製造に実
施する範囲で変えても成立する。なお．上記（１）式中
Ａは減圧度によって定まる定数であって、第７図は上記
楕円率と減圧度Ｐとの関係を実験的に求めたもので、同
図より Ｐ が求まる， よって所定の楕円率γの楕円層を持つプレホームロッド
を作るためには、基材として、石英管を用い、溶着温度
を１７００〜２０００℃，加熱源の移動速度を０．０２
〜０．２ｍｍＨ２Ｏとすれば、減圧度Ｐ、各層の径、厚
さを に基いて設定すれば良い。なお，堆積ガラス層が一種類
でなく複数層になっても、中空時の堆積ガラス層の石英
ガラス管の厚さに比べ十分薄い場合は上記式が常に成立
する。

本発明の方法の大きな利点の一つは、第２図（Ｑ）およ
び第８図，第９図に示すように，プレホーム断面の層構
造が最外層が円形に近く、中間層外周が楕円，中心層が
円形に近い形状の光ファイバ母材が容易に実現できるこ
とである。

第８図は中心暦３がコア，中間層２がクラッド，最外暦
１がジャケットとなり、コア３とクラッド２で光伝送部
を形成し、ジャケット３とクラッド２でコアに複屈折を
生ぜしめている。第９図のものは中心漕はコ７３とクラ
ッド２−２で構成され、中間層２−１はジャケットで、
最外層３はサポート部を形成し外周は円形であるコア３
とクラッド２−２で光伝送部を形成し、ジャケット２−
１と最外屡はコ７３複屈折を生ぜしぬる機能を持つ。

このように、中間屡の楕円率の中心層のそれより高くす
るためには中間層の材質としてコアの材質の軟化点より
低い材質とする、これは中間層の材質に８２０，を加え
ることによって実現される。

Ｂ，○，の量を増大すると共に軟化点は低くなるが、熱
膨張係数の差を大きくとるためにはドーパントＢ２Ｏ，
の量は３モル％〜３０モル％が望ましい。

更に，中心層を円形とするためには，プレホーム母材の
中間層の楕円率をＹ，上記中間層楕円の短軸の長さをｃ
２、中心層の円形の径をａとしたとき となるように、ガラス管の内壁に形成されるガラス薄膜
の厚さを前もって設定すれば良い。

これら要件は次の理由による。ガラス薄膜が形成された
ガラス管を減圧しながら加熱溶着すると温度勾配は始め
は外側が高い、又管の厚みがあるため，外側は減圧の影
響が少なく，主として表面張力によって円形を維持しよ
うとする。内側は減圧度によって主として支配され偏平
になろうとする．更に加熱が続くと内側の温度も高くな
り変形しやすくなる。したがって減圧によって管が平面
となりながら収縮し中空部は少なくなる。この間，軟化
温度が低い中間層は粘性が漸時低下される。

したがって，中空部がなくなったときは粘性の低下した
中間層の中に中心層が浮いた形となる。このときは中心
部が減圧されないようになるため中心層の形状は主とし
て表面張力によって円形になろうとする力が働く。そし
て、冷却の過程においては上記初期の石英管の内側に形
成される楕円と中心の円形コアの中間に中間層が充てん
された形となって固化されるからである。

したがって、これらの形状を決定する要因としては、中
心層が円形となり易いかどうかは加熱溶着時の中間層の
軟化点，粘性、および中間層と中心暦の相対的厚さの関
係および最外層内周（したがって中間層外周）の楕円率
の関係が考えられる。

まず、中間層の外周を楕円とするための条件は．前述の
（１）式の条件によって決定される。

次に、中心層の楕円率γが中間層の外周の楕円率より小
さくなる、すなわち円に近づくためには前述の理由によ
って溶着時に中実化され固化される過程において、軟化
された中間層の中で中心層が表面張力等によって自由に
安定な円形に変化しやすくする必要があり、このために
は中心層，中間層，最外層の軟化点温度をそれぞれα１
，α２およびα，とすると ａ，＞　ａ，，　　ｃｔＪ＞　ａ−　　　　　　　　−
−　　（６）であればよい。通常この条件を満すには最
外層は石英ガラスで作られ，又中心部は高い屈折率を持
つ必要があるため、Ｓｉｎ，又はＳｉｎ２にＧｅｍ，あ
るいはＰ２０，をドーバントとして含むガラスで構成し
、中間層としてはＢ２Ｏ，をドーパントとして３ｍｏＱ
％から３０ｍｏＲ％含むＳｉｏ，が望ましい。

そして、中心層の真円度を向上するためには上記軟化点
の他に，中間潜の楕円率、および中間層と中心層の材質
の量の割合が影響し、これらの間に一定の関係があるこ
とが実験的に求めら九る。

第１０図は石英管（内径６．７ｍｍ，外径１２ｍｍ）の
内壁にＣＶＤ法によってクラッド（中間Ｎ）となる１７
モル％Ｂ．０，と８３モル％Ｓｉｎ２のガラス：ｓｉ膜
を１５０μｍ形成したのち，コア（中心層冫となる１０
０モル％Ｓｉｎ２のガラス薄膜を厚みｘ　［μｍ］を変
えて形成し、減圧度１０ｍ＋＋＋Ｈ２０で溶着中実化し
た場合の中間層の楕円率と中心層（コア）の楕円率を示
す。この場合中間層（クラッド）の楕円率は４５％であ
る。なお，図におけるコア径はプレホームロットとなっ
た場合の半径を示している。すなわち、楕円率を一定と
した場合，中心層（コア）の楕円率は中間層の厚さと中
心層の厚さの相対比によって決定されることが分る。

第１１図は、第１０図のように中間層の楕円率が変った
とき中心層の楕円率が５％以下となるときの中間層（ク
ラッド）の短軸径と中心Ｎ（コア）の径の比を実験的に
求めたものである。同図において横軸はクラッドの外周
の楕円率γを、縦軸にはクラッドの短軸径ｃ２とコアの
径ａの比−をａ 示す。この測定結果より、コアが円形となる境界では の関係があることが分る。よって一が ａ 面張力によって円形になりやすいので、中間層の楕円率
をγと設定して、石英管の厚さ，径，減圧度を設定する
とき、中心層を円形とするためにはるようにＣＶＤ法に
よるガラス薄膜の層の厚さを設定すればよい。

上記説明は第８図の断面構造の場合について説明したが
、第９図の断面構造の光ファイバ母材を製造する場合に
ついても同様の関係が成立する。

次に、本発明による製造方法による具体的実施例を例示
する。

実施例１ 石英管（外径１８＋ａ＋ｗφ，中径１５ｍｎ＋φ）の内
壁面にＳｉ○２−Ｂ２０，−Ｇｅｍ．のガラス薄膜を５
０μｍ堆積（この堆積量は加熱溶着後外径（２ｄ’）７
ｍｍφ，堆積ガラス層の平均径（２ｃ’）３　．　１　
ｍｍφに相当する。なお溶着時加熱によって石英外壁面
から石英微粉が飛散するため、プレホームの外径はやや
小さくなっている）する。ここで堆積ガラス層の楕円率
γを５０％とするため、（１）式を用いて、減圧度を８
ｍｍＨ２０．ｘ＝５、０を得た。したがってｂ　’　／
　ａ　’　＝　５　，　Ｏ　Ｘ３゜１　＝２．２１とす
れば楕円率γ＝５０％が得られる。このため２ａ′　（
溶着前の管内径）を５．１ｍｍφ、２ｂ′　（溶着前の
管外径）を１１．２ｍｍφとして、溶着した結果による
と中間層の楕円率５１％のプレホームが得られた。

実施例２ 石英管（内径１８ｍｍφ，内径１５ｍｍφ）の内壁面に
順に，１５モル％Ｂ２０，＋８５モル％Ｓｉｏ．ガラス
１８０μｍ，１００モル％Ｓ　ｉｏ．ガラスを３．５ｐ
ｍＣＶＤ法によって堆積し、加熱して、内径５ｍ＋ｍ，
外径１１１１１５１の石英管にする。次に管内部を大気
圧に比べ水の高さで８ｍｍＨ２０に減圧しながら溶着し
プレホームロッドを形成した。得られたプレホームロッ
ドの外径は９　．　９　ＩＩｌｍφ、コアは１０．３ｍ
ｍφの円形で、クラッドは楕円率４０％の楕円形で、短
軸の径は１．５ｍｍφであった。

実施例３ 実施例２記載と同じ石英管の内壁面に順に１５モル％Ｂ
２０３＋８５モル％Ｓｉｏ，ガラスを１８０μｍ，１０
０モル％Ｓｉｏ，ガラスを３．２ｐｍ，４モル％ＧｅＯ
，＋９６モル％Ｓｉｎ２ガラスを０．３ＰｍＣＶＤ法に
よって堆積した後加熱して、内径５ｍｍφ，外径１１ｍ
ｍφの石英管とする。次に管内部を大気圧に比べて８０
１１１Ｈ２０減圧しながら加熱溶着し中実化したプレホ
ームロッドを得た。

得られたプレホームロッドは外径９．９ｍｍψ，中心部
ＳｉＯ２ＮとＳｉＯ，＋Ｇｓ０２層は同心状の円形でそ
れぞれ０．３　２＋ａｍ．　０．０　９　５ｍｍの半径
を持ち、ＳｉＯ，＋Ｂ２０３層の外周は楕円率２７％で
あった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法のステップを示す図、第２図
は本発明の製造方法によって得られた光ファイバ母材の
断面構成図、本発明の工程における材を構成する層の厚
さと楕円層の楕円率の関係を示す図，第５図及び第６図
は，第４図の説明のためのガラス管断面図及びプレホー
ムの断面図、第７図はガラス管内の減圧度と楕円層の楕
円率の関係を示す図、第８図および第９図は本発明によ
って得られるプレホームの断面図，第１０図は本発明に
よる製造方法によるプレホームのコア径とコア楕円率の
関係を示す図、第１１図は本発明によるプレホームのク
ラッド短軸径とコア径の比とクラッド楕円率の関係を示
す図である。 １・・・石英ガラス管（最外層），２・・・クラッド（
中間層），３・・・コア（中心層）、４・・・加熱源、
５・・・排気タンク，６・・・排気口、７・・・排気調
節弁５８・・・石英管内部、９・・・Ｕ字管、１ｏ・・
・水。 第１ 図 ↑ ｌ 第 図 ｌノ 冫Ｋｔで［ （　水７κ筑人） 茅 図 （ｃＬ） （ｂ） （ｄ．） 第４図 第Ｓ図 ｈ 第６図 第ｇ図 第 図 ＄７ 図 戸（水ｔＰＬＨ２θ〕 第 図 ７１７ズームのコア打そ（懐広）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基材となる石英ガラス管の内壁にガラス薄膜層を形
   成し、その後、上記石英ガラス管を加熱溶着によって中
   実化された光ファイバ母材を製造する方法において、上
   記加熱溶着時に石英ガラス管内の圧力を外気圧より低く
   することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。 ２、第１項記載の製造方法において、加熱溶着開始時の
   石英管の厚さを０．３１ｍｍ〜５ｍｍとし、管の外径を
   ５ｍｍ〜５０ｍｍとし外気圧と管内の圧力差を１ｍｍＨ
   ＿２Ｏ〜３０ｍｍＨ＿２Ｏとしたことを特徴とする光フ
   ァイバ母材の製造方法。 ３、第１項記載の方法において、ガラス薄膜層を形成す
   るとき、上記石英ガラス管の内壁に最初に上記石英ガラ
   スの軟化点より低い第一のガラス薄膜層を形成し、次に
   上記第一のガラス薄膜層の軟化点より高い軟化点の第二
   のガラス薄膜層を形成することを特徴とする光ファイバ
   母材の製造方法。 ４、第３項記載の方法において、第一のガラス薄膜とし
   てＢ＿２Ｏ＿３を含むシリカガラスで形成することを特
   徴とする光ファイバ母材の製造方法。 ５、第３項又は第４項記載の方法において、第一及び第
   二のガラス薄膜層の厚さが、光ファイバ母材の上記第一
   のガラス薄膜層で形成される層の外周が楕円率γ、楕円
   形短軸径Ｃ＿２、第二のガラス薄層で形成されるコアの
   径をａとしたとき、 （Ｃ＿２／ａ）≧（２００／１００−γ）−１となるよ
   うに形成することを特徴とする光ファイバ母材の製造方
   法。