JPH0471018B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】 この発明は、石英系ガラス光フアイバの製造方
法に関し、特にクラツド中にフツ素を添加した低
損失な光フアイバを製造する方法の改良に関す
る。

【従来の技術】

光フアイバでは、コアとクラツドとを形成する
ために両者の間に有効な屈折率の差を設ける必要
がある。ガラスを主成分とする光フアイバでは、
そのため、ドーパントと呼ばれる成分をコアもし
くはクラツドに添加してガラスの組成を変えて屈
折率を生じさせる。現在最も使用されている光フ
アイバは、石英系光フアイバであるが、通常、コ
ア部分にゲルマニウムやリン等の酸化物をドープ
して屈折率をクラツドより高めるようにしてい
る。また、他にホウ酸やフツ素をクラツド部分に
導入してクラツド部分の屈折率を純粋な石英ガラ
スよりも低くすることも行われている。コアの屈
折率を制御することとクラツドの屈折率を制御す
ることは、しばしば同時に行われる。 近年よく用いられる光フアイバの一つとしてこ
のクラツドにフツ素を含むガラスを有する光フア
イバが知られている。このフツ素ドープガラスの
製法としていくつかのものが知られているが、大
量にフツ素ドープガラスを作製できる方法として
は、ガラス微粒子を堆積させて作つたガラス微粒
子プリフオームを、高温のフツ素ガス含有雰囲気
内で処理してガラス中にフツ素をドープするとい
う方法が知られている。 この製造方法を少し詳しく説明すると、例えば
次のようにして行われる。まず、第１図に示すよ
うに、酸素／水素バーナ２中に四塩化珪素を送り
込み、火炎３中でガラス微粒子４を発生させる。
このガラス微粒子４は、予め用意した透明なガラ
ス棒（ここではたとえば予めゲルマニウムを含
み、その屈折率が純粋な石英ガラスと比べて約
0.1％高いガラスからなるものとする）１の上に
堆積し、ガラス微粒子堆積層５が形成される。こ
のガラス棒１及びその上のガラス微粒子堆積層５
よりなる複合プリフオームは、つぎに、第２図に
示すように熱源８を有する加熱炉７内に挿入され
る。このとき、まず第１段階として、炉内の最高
温度を約850℃程度に保つ。この例では、各部の
寸法は次のようなものであるとする。 中心の透明ガラス棒 直径12mm 長さ500mm 複合プリフオーム 直径120mm 有効長さ420mm 加熱炉の内径 150mm 加熱炉のヒートゾーン長 180mm この第１段階では、加熱炉７中に次のガスを導
入する。 ヘリウム 90％ 四フツ化炭素 10％ そして炉内への複合プリフオームの挿入速度は
約400mmとし、この複合プリフオームを炉内で２
回往復移動させる。 つぎに第２段階として、加熱炉７内の温度を約
1500℃に上昇させて複合プリフオームを下端部よ
り順次炉内の高温領域に送り込む。こうして、こ
の第２段階でガラス微粒子堆積層５の透明ガラス
化を行い、透明ガラス化した部分６が得られるよ
うにする。 このように複合プリフオームの熱処理を２段階
に分けているのは、光フアイバ母材としては、残
留したOH基の量を十分に低減させる必要がある
からである。すなわち、第１段階において、850
℃とすることによりガラス微粒子堆積層５が多孔
質を保つた状態にし、熱分解した四フツ化炭素よ
り発生したフツ素を、ガラス微粒子４の〓間を通
つて堆積層５の内部にまで入り込ませ、残留して
いたOH基をHF（フツ化水素）の形で堆積層５の
外部に排出させるようにしている。さらに、第２
段階の透明ガラス化時にも四フツ化炭素を流すの
は、このときに炉内に炉外より微量でも水分が侵
入するとそれによつて透明化したガラス内にOH
基が再び侵入することがあるので、これを防ぐた
めである。フツ素のドープは、これら第１段階の
熱処理による脱OH基（脱水）工程及び第２段階
の熱処理による透明ガラス化工程で行われる。

【発明が解決しようとする問題点】

ところが、このような従来の製造方法では、最
終的に得られる光フアイバの損失が十分に低下し
ないことが分かつた。 この発明は、上記の従来の製造方法の検討を基
礎として、十分に低い損失の光フアイバを容易に
製造できる、光フアイバの製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【問題点を解決するための手段】

この発明による光フアイバの製造方法は、透明
なガラス棒の上にガラス微粒子を堆積する工程
と、該工程で得られたガラス棒とガラス微粒子体
積層との複合プリフオームを1000℃以上で且つ透
明ガラス化が生じない温度を有するフツ素含有雰
囲気中で熱処理する第１の熱処理工程と、つぎに
1600℃以上の温度のフツ素含有雰囲気中で熱処理
して透明なガラスプリフオームを得る第２の熱処
理工程とを備えることを特徴とする。

【作用】

第１段階の熱処理工程を1000℃以上で且つ透明
ガラス化が生じない温度を有するフツ素含有雰囲
気中で行うことにより、残留OH基を十分に排出
することができるとともに、第２段階の熱処理工
程を1600℃以上の温度のフツ素含有雰囲気中で行
い、ガラスプリフオームを透明化しているので、
光フアイバの損失を極限まで低下できる。 これにつき、まず、従来の製造方法では何故光
フアイバの損失を十分に低下できないか、その理
由について検討し、そ検討結果から上記のような
製造方法によれば光フアイバの損失をきわめて低
下できることを明らかにすることとする。発明者
ら数多くの検討によれば、従来の製造方法で損失
を十分に低下できない理由は次の２点に要約でき
る。 第１に、従来では、脱水のために行う熱処理工
程の温度（以下、単に脱水及び脱水温度という）
が不適切である。上で述べた従来例では、脱水温
度の設定は、それ以前の光フアイバの製造条件を
単に踏襲したものであつた。すなわち、従来よ
り、ガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子の焼
結体（いわゆるすすプリフオーム）を作り、これ
を透明ガラス化して光フアイバ用のガラス母材を
作製する方法が知られているが、そのとき、必要
に応じて完全な透明ガラス化が行われないような
温度ですすプリフオームの脱水処理をすることが
行われていた。そこで使用される脱水剤として
は、塩素ガスや塩化チオニールのような塩素含有
ガスであるが、これらのガスは一般に常温でも反
応性が高く、たとえば室温でも非常に強い刺激臭
を生じる程である。そのため、これらの脱水剤は
850℃という温度では十分に活性化されているの
で、ガラス微粒子中に残留したOH基を除去する
ときに考慮すべき要素は、ガラス微粒子中のOH
基の拡散が十分な温度の設定であり、脱水剤の分
解や反応にはそれほどの気遣いが要らないことが
分かつていた。ところが、ガラス微粒子中にフツ
素を添加するため現在よく使用されているフツ素
含有ガス材料は、CF₄，C₂F₆，SF₆等であり、こ
れらの材料は常温では非常に安定で人畜無害であ
る。そこで、このような材料を使う場合に問題と
なるのは、これらの材料がいわゆる脱水、透明ガ
ラス化温度でどの程度分解して活性化されている
かということになる。我々の測定では、約５秒程
度の加熱時間内にCF₄がほぼ100％分解するため
には約1000℃以上の温度が必要なことが分かつ
た。もちろん、CF₄の分解は700℃程度から開始
するので、比較的低い温度でも脱水は可能である
が、その場合には分解したフツ素がすすプリフオ
ーム全体に十分に行き渡らないので、最終的に得
られる透明ガラスプリフオームの屈折率分布が平
坦にならないことが多い。一方、余りに高い温度
では、脱水により発生したHFガスが多孔質状態
のすすプリフオームの空〓をぬつてすすプリフオ
ーム外に排出されるのに必要な時間前に透明ガラ
ス化が終了してしまい、その結果、十分な脱水が
行われないことになる。我々の検討結果では、そ
の上限としては、ガラス微粒子の平均的な粒径に
もよるが、堆積させたガラス微粒子の嵩密度0.12
〜0.28程度の条件下で、1100℃であつた。通常、
光フアイバの光が主として伝播するコア領域に
1ppmのOH基が残留すると、約60dB／Kmの吸収
損失が波長1.38μｍにおいて生じることが知られ
ている。その結果、こうして作製したガラスプリ
フオームを線引きして光フアイバとする場合、も
し、光通信を1.3μｍ、ないし1.55μｍの波長で行
おうとすると、多くとも残留OH基濃度を数
10ppb以下、望ましくは数ppb以下にすることが
必要となる。また、このようなCF₄等の飽和フツ
化珪素系の材料を用いる場合に、ガラス微粒子内
及び微粒子間〓内に十分にフツ素を浸透させるこ
とにより、その後の透明ガラス化工程でクラツド
部分のガラスに均一なフツ素の添加が保証され、
最終的な光フアイバの伝送特性の再現性が高くな
る。 第２に、透明ガラス化温度が従来では不適切で
ある。すなわち、光フアイバの損失は透明ガラス
化温度に依存する。上記では主として残留する
OH基の吸収が光フアイバの伝送に悪影響を与え
ることを述べたが、透明ガラス化温度に依存する
損失の原因は、散乱損失であると推定される。こ
の損失は、コア・クラツド境界面のゆらぎに起因
するものと考えられるが、伝送理論上もそのゆら
ぎの振幅はμｍより小さいものであり、光フアイ
バの全長に分布しているものであるので完全には
確認できていないことを念のため申し添えてお
く。すなわち、非常に細かいゆらぎであつても全
長にわたつて分布していれば0.1dB／Km程度の損
失原因となる。従来の製造方法によつて中心部に
透明ガラス棒を有し、その周囲にガラス微粒子を
堆積させた複合プリフオームを、上記のようにし
て行う十分な脱水工程を経た後、高温の加熱炉内
で透明ガラス処理したときの、その透明ガラス化
温度に対する伝送損失を測定してみたところ、第
３図のような結果が得られた。ここでは、加熱炉
内にはヘリウムガスとCF₄ガスとが導入されてお
り、最終的に得られる光フアイバのコア・クラツ
ド間の相対的な比屈折率差がほぼ0.3％になるよ
うに設定されている。この第３図から分かるよう
に石英系ガラスを主成分とする光フアイバの最低
損失波長帯である1.55μｍにおける損失は、明ら
かな透明ガラス化温度依存性を有しており、150
℃程度の温度では0.25dB／Km程度の損失であつ
たものが、1600℃以上の透明ガラス化温度ではほ
ぼ極限損失に近い0.18dB／Kmまで低下している。 この第２の理由を積極的に説明する仮説として
は次のようなものが考えられる。ガラスにフツ素
が侵入する場合、通常の条件ではその拡散距離は
0.1〜0.2μｍのオーダーであると思われる。一方、
通常のガラス微粒子の粒径は平均的に0.1μｍ程度
であるといわれているので、このような粒径であ
ればフツ素含有雰囲気中で複合プリフオームを加
熱することにより光フアイバのクラツドとなるべ
きガラス内にほぼ均一にフツ素を添加できると考
えられる。しかし、実際には、第４図Ａに示すよ
うに、火炎加水分解または熱酸化反応により四塩
化珪素、三塩化シラン等から生成されるガラス微
粒子４の粒径は均一なものではなくばらつきがあ
り、その粒径には分布がある。そのため、確率的
に言つて、ガラス微粒子堆積層５において、かな
り大きな粒径のガラス微粒子４が透明ガラス棒１
上にある割合で堆積することになる。そしてこの
ガラス微粒子４の粒径が高温でのフツ素の拡散距
離よりも大きいと、そのおおきな粒子４の内部ま
でフツ素が十分に侵入しないことになるので、透
明ガラス化後には第４図Ｂに示すようにコア部９
の周囲のクラツド部１０においてフツ素の添加濃
度の低い部分が不均一に生じることになる（第４
図Ｂで、斜線部がフツ素の十分に添加された部分
を示す）。以上の議論はコア・クラツド境界付近
の屈折率のゆらぎの影響を最も受け易い単一モー
ド光フアイバについてのものであるが、伝播モー
ドの数の多い多モード光フアイバでも論理的には
同じである。このような微視的な散乱損失原因
は、いわゆる一般の伝送特性の測定では同定が困
難で、巨視的に光フアイバの長さ方向に一様に伝
送損失係数の増加をもたらす。このような損失原
因もフツ素添加濃度に依存するはずである。すな
わち、従来の条件よりも高い透明ガラス化温度を
採用すれば、フツ素のガラス微粒子内での拡散を
促すことが可能となる。また、このように透明ガ
ラス化温度を高めることにより、コアガラスであ
る中心の透明ガラス棒に対してもフツ素が十分に
拡散していくので、実質的なコア・クラツド境界
が光フアイバの内側に移動することになり、一旦
発生したコア・クラツド境界の屈折率のゆらぎを
有する領域がその分だけコア・クラツド境界より
離れた部分に位置することになつて、仮に十分に
フツ素の侵入を受けていないガラス微粒子が存在
していたとしても、散乱損失の程度が小さくなる
と考えられる。

【実施例】

まず、第１図に示すようにして透明ガラス棒１
の周囲にガラス微粒子堆積層５を形成した。この
ガラス棒１は、平坦な表面を有する、直径10mmの
透明ガラス棒とした。その組成としては光学特性
上有害な不純物を含まず、僅かにゲルマニウムを
添加した石英ガラスとした。バーナ２の酸素／水
素火炎３中に四塩化珪素を導入して石英ガラスの
微粒子４を発生させた。各ガスの流量は、 水 素 10リツトル／分 酸 素 12リツトル／分 アルゴン 0.5リツトル／分 四塩化珪素0.25リツトル／分 とした。なお、アルゴンは四塩化珪素のキヤリア
ガスである。こうして生成したガラス微粒子４を
透明ガラス棒１の上に吹き付けて堆積させなが
ら、バーナ２をガラス棒１の長さ方向に約20回ト
ラバースさせた。その結果、ガラス微粒子堆積層
５の厚みは約60mmとなり、このガラス棒１及びそ
の上のガラス微粒子堆積層５よりなる複合プリフ
オームの直径は約130mmとなつた。なお堆積層５
の長さは約500mmである。 つぎに、第２図に示すようにこの複合プリフオ
ームを約1020℃に温度を保つた加熱炉７内に挿入
して脱水を行うとともに、堆積層５の空〓内への
フツ素の浸透を行つた。こうして第１段階の熱処
理を行つた。これにより複合プリフオームの直径
は幾らかの縮みを生じ、約120mmとなつた。しか
しこの段階ではまだ堆積層５内の空〓は閉じてい
ない。この加熱炉７内へは、ヘリウム90部、四フ
ツ化炭素10部のガスを導入した。 こうして第１段階の熱処理の終了した複合プリ
フオームを、同一の加熱炉７内で透明ガラス化し
た。この第２段階の熱処理工程においては、加熱
炉７内の温度は約1630℃とした。また、炉７内へ
のガス流量は、ヘリウム86部、四フツ化炭素14部
とした。 そして単一モード光フアイバとしての十分なク
ラツド厚さとするために以上の工程を繰り返して
最終的な透明ガラスプリフオームを得た。この透
明ガラスプリフオームの屈折率分布は第５図に示
すようなものとなつた。この第５図から分かるよ
うに屈折率分布はクラツド部においてほぼ平坦な
ものとなつており、本発明の製造方法の効果の一
つが表れている。 この透明ガラスプリフオームを線引き紡糸し単
一モード光フアイバを作製したところ、その伝送
損失の波長特性は第６図のようになつた。この第
６図から、従来のコア・クラツド境界面付近にお
ける屈折率のゆらぎに起因する損失（点線で示
す）が改善されていることが分かる。また、この
単一モード光フアイバは、 コア径 約12μｍ クラツド径 約125μｍ コア・クラツド間の比屈折率差 0.3％ LP₁₁モードカツトオフ波長 1.28μｍ となつており、その他の伝送特性も満足すべきも
のであることが分かつた。

【発明の効果】

この発明の光フアイバの製造方法によれば、非
常に低損失なフツ素添加光フアイバを容易に製造
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例及び従来例のガラ
ス微粒子堆積工程を示す斜視図、第２図は同じく
一実施例及び従来例の熱処理工程を示す模式図、
第３図は伝送損失の透明ガラス化温度依存性を示
すグラフ、第４図Ａ，Ｂはガラス微粒子堆積層の
拡大断面図で、同図Ａは透明ガラス化前を、同図
Ｂは透明ガラス化後をそれぞれ示し、第５図は一
実施例で得た透明ガラスプリフオームの屈折率分
布を示すグラフ、第６図は同例により作製した光
フアイバの伝送損失の波長特性を示すグラフであ
る。 １……透明ガラス棒、２……バーナ、３……酸
素／水素火炎、４……微粒子、５……ガラス微粒
子堆積層、６……透明ガラス化した部分、７……
加熱炉、８……熱源、９……コア部、１０……ク
ラツド部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 透明なガラス棒の上にガラス微粒子を堆積す
   る工程と、該工程で得られたガラス棒とガラス微
   粒子体積層との複合プリフオームを1000℃以上で
   且つ透明ガラス化が生じない温度を有するフツ素
   含有雰囲気中で熱処理する第１の熱処理工程と、
   つぎに1600℃以上の温度のフツ素含有雰囲気中で
   熱処理して透明なガラスプリフオームを得る第２
   の熱処理工程とを備えることを特徴とする光フア
   イバの製造方法。 ２ 透明なガラス棒は、純粋な石英ガラスに対し
   て0.1％の屈折率差を与える添加物濃度以下の濃
   度で添加物を含む石英系ガラスまたは純粋石英ガ
   ラスであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の光フアイバの製造方法。 ３ 第１の熱処理工程において、フツ素含有雰囲
   気の主成分をヘリウムとし、残りの成分を飽和フ
   ツ化炭素としたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項又は第２項記載の光フアイバの製造方法。