JPH0583494B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） 本発明は低損失、長尺でかつ機械強度の大きい
フツ化物ガラス光フアイバを紡糸するための母材
の製造方法に関し、例えば、２〜4μm帯光通信用
フツ化物ガラスフアイバ用母材の製造に適用可能
である。

（従来技術とその問題点） フツ化物ガラスは２〜4μm帯の光フアイバ用素
材として注目されており、理論的には0.001dB／
Km程度の超低損失が予想されている。しかしなが
ら、現状ではフアイバ損失は最も少ないものでも
6dB／Kmと大きく、また製造できるフアイバ長も
100ｍ程度で短く、フアイバ強度も10kpsi程度で
理論値より１桁以上も小さく、これらの原因の多
くは母材製造技術の不完全さに起因している。

従来の母材製造方法には、ビルドインキヤステ
イング法とローテーシヨナルキヤステイング法と
呼ばれる方法とがある。

第１図はビルドインキヤステイング法を説明す
るための図である。図中、２１はクラツドガラス
融液、２２は金属製鋳型、２３はクラツドガラス
管、２４はコアガラス融液を示す。

この方法では、まず、第１図イに示すようにる
つぼ中で加熱溶融したクラツドガラス融液２１を
ガラス転移点付近の温度に保持されている金属製
鋳型２２に注ぐ。次いでロに示すように、ガラス
全体が冷却しないうちに金属製鋳型２２を逆さに
し、内部のガラス融液２１を注ぎ出す。この結
果、金属製鋳型の壁面に冷却固化したクラツドガ
ラス管ができる。次いでハに示すように、クラツ
ドガラス管２３の中にコアガラス融液２４を流し
こみ冷却固化して、ニに示すようなコア−クラツ
ド構造をもつフアイバ用母材とする。

第２図は、ローテーシヨナルキヤステイング法
を説明するための図である。図中、２１〜２４は
第１図の同じ番号と同様な意味であり、２５は鋳
型の蓋である。この方法では、第２図イに示すよ
うに、まず、クラツドガラス融液２１をガラス転
移点付近の温度に保持されている金属製鋳型２２
に所望の量だけ流し込む。次いでロに示すよう
に、即座に金属製鋳型２２に蓋２５をして高速で
回転させる。クラツドガラス融液２１は金属製鋳
型２２の内壁に遠心力で拡がり回転しながら冷却
固化してクラツドガラス管２３ができる。クラツ
ドガラス管２３の肉厚は、注ぎ込むクラツドガラ
ス融液２１の量で制御する。次いでハに示すよう
にクラツドガラス管２３の中にコアガラス融液２
４を注ぎ込み冷却固化して、ニに示すようなコア
−クラツド構造をもつフアイバ用母材とする。

上記従来の方法で製造した母材から紡糸したフ
アイバの損失は理論値よりも２桁以上大きく、紡
糸可能なフアイバ長は100ｍ程度で短く、また、
フアイバの機械強度も弱いのが現状である。これ
らの原因としては、ガラスを製造する原料自体の
純度が十分でないことも一因であるが、母材の製
造方法にも多くの問題がある。

まず、フアイバ損失が大きい理由について説明
する。従来の製造法では、いずれも一旦クラツド
用ガラス管を製造し、その中にコア用のガラス融
液を注ぎ込んでいる。ガラス融液の温度はガラス
融点以上にする必要があり、通常、500〜600℃で
ある。フツ化物ガラスの結晶化温度は、融点より
低く通常350〜400℃である。そのため、コアガラ
ス融液の注入により、クラツドガラス管の内壁の
温度は結晶化温度以上に上昇し、結晶化が生じ
る。即ち、コア−クラツド界面の平滑さが結晶の
析出により乱され散乱損失が生じることになる。
また、従来の製法はかなり複雑な作業を必要とす
るため、人的作業に頼らざるを得なかつた。その
ため、一連の工程の作業雰囲気の制御としてはせ
いぜいグローブボツクス中に不活性ガスを流す程
度しかできなかつた。そのため雰囲気からガラス
中へ水分が混入するのを完全に防ぐことは難し
く、また、仮に雰囲気からの水分の混入を完全に
防いだとしても、金属製鋳型の表面に予め付着し
ている水分を取り除く手段は全くなかつた。ま
た、ハロゲン系のガスは金属製鋳型を腐蝕するた
め、このような活性ガスを使つて積極的に水分を
取り除くこともできなかつた。これらの理由によ
り、従来の製法では水分を完全に除去することが
できず吸収損失の原因となつていた。

次に、従来の製法では、長尺フアイバを紡糸す
るための大型の母材の製造が困難であるという理
由について説明する。従来の製法で作られる母材
の大きさは、通常、直径10mmφ、長さ100mm程度
であるが、気泡等の混入があるため実質的に使用
できる長さはさらに短く、紡糸できるフアイバ長
はせいぜい100ｍ程度である。大型母材を製造し
にくい最大の理由は、クラツド用ガラス管にコア
ガラス融液を注ぐ時に気泡が混入するためであ
る。即ち、第１図、第２図のハに示したように、
クラツドガラス管２３にコアガラス融液２４を注
入する際、クラツド管内のガスの抜け口がないた
めガラス中に気泡として残留してしまう。このよ
うな気泡の残留はクラツドガラス管が長い程、ま
た、コア径が小さい程、注入したコアガラス自体
がガスの抜け道を塞ぐため発生し易くなる。その
ため長尺の母材が作りにくく、また、コア径の小
さい母材程その傾向は顕著になる。

次に、従来の方法で製造した母材から紡糸した
フアイバの強度が小さい理由を説明する。フアイ
バの強度は表面に存在する傷の大きさと数に依存
することは良く知られているが、これらの傷の大
半は母材の表面に既に存在していた傷が原因とな
つている。鋳型を使う従来の製法では母材表面に
凹凸ができるのを防げないため、通常は表面研磨
を行わなければならない。そのため母材表面に多
数の研磨傷が発生し、紡糸したフアイバの強度も
必然的に小さくなる。

次に、従来の製法ではコア−クラツド径の制御
が難しい理由を説明する。第１図に示したような
ビルドインキヤステイング法ではガラス転移点近
傍の温度に保持した金属製鋳型にクラツドガラス
融液２１を流し込み、全体が冷却固化しないうち
に中心部の融液を注ぎ出してクラツドガラス管２
３を作る。従つて、クラツドガラス管の肉厚はガ
ラス融液を注入してから注ぎ出すまでの時間、ガ
ラス融液の注入時の温度、金型の保持温度に依存
し、これらをすべて一定に制御することは極めて
難しい。従つて、このような方法ではクラツドガ
ラス管の肉厚、内径を制御することが難しく、ま
た、シングルモードフアイバ用の内径の小さいク
ラツドガラス管を製造することも困難である。こ
のようにクラツドガラス管の内径の制御が十分行
えないため、当然、母材のコア−クラツド径の制
御も困難である。

第２図に示したようなローテーシヨナルキヤス
テイング法では、クラツドガラス管の肉厚は鋳型
に注入するガラス融液の量のみで制御できるた
め、コア−クラツド径の制御は前述のビルドイン
キヤステイング法程難しくはない。しかしなが
ら、ガラス融液の注入を人的作業に頼つている現
状では、正確な融液量を注入することは実際上か
なり難しい問題である。また、この方法によつて
も、シングルモードフアイバ用の内径が小さく肉
厚の大きいクラツドガラス管を製造することは難
しい。即ち、このようなクラツドガラス管を製造
するためには鋳型を非常な高速で回転させる必要
があるが、そのような高速回転装置を実用的に使
うのは困難である。

以上説明したように、従来の母材製造法ではフ
アイバ損失の原因となるコア−クラツド界面の結
晶化、母材中への水の混入を防ぐことができず、
大型母材の製造、コア−クラツド径の制御、シン
グルモードフアイバ用母材の製造が困難であり、
かつ、フアイバ強度を低下させる母材表面の傷の
発生を避けることが難しく、さらに、母材の製造
工程を人的作業に頼らざる得ないため歩留まりが
悪く、工業的生産性にも乏しかつた。

（発明の目的と特徴） 本発明は、上記従来の製造法の欠点を除去し、
フアイバ損失の原因となるコア−クラツド界面の
結晶化、母材中への水の混入がなく、大型母材、
シングルモードフアイバ用母材の製造が可能でコ
ア−クラツド径の制御性も良く、更に、脱水、脱
化合物イオン、遷移金属による吸収損失の低減等
のガラスの精製工程と母材製造工程が一連の工程
となつており、しかも、人的作業に頼らず機械化
及び自動化が可能なため製造の歩留まりが良く、
工業的生産性も良好なフツ化物ガラス母材の製造
法及び装置を提供するものである。

この目的を達成するための本発明の特徴はコア
−クラツド用ガラスを各々装填した同心円状に配
置された２個のノズル付るつぼを、フツ素系ガス
の導入・排出手段とノズル付るつぼの加熱手段と
ノズルからのガラス融液の流出防止とガラスの引
き出しができるように上端が工夫された上下移動
棒とを備えた密閉容器内に配置し、密閉容器内を
フツ素系ガス雰囲気にした後、ガラス成分の蒸発
が著しくない範囲の高温でガラスを溶融すること
によりフツ素系ガスとガラスに含有されている酸
化物、化合物イオン等を反応せしめてこれらの不
純物を分解除去し、次いで、ガラスが結晶化しな
い程度の温度まで融液を冷却、保持することによ
りガラス中に含有されている遷移金属の価数を高
次に変えて遷移金属による吸収損失を低減せし
め、次いで、ガラスの粘性が引き出し可能な粘度
になる温度まで融液を更に冷却し、しかる後に、
ノズルの先端に接触してガラス融液の流出防止の
役目を果たしていた上下移動棒を下方に移動させ
ることによりノズルからコア−クラツド用ガラス
を引き出し冷却固化してフツ化物ガラスフアイバ
用母材を製造することにある。

（発明の構成） 本発明の方法とこれを実施するための装置を第
３図に基づいて説明する。図中、１はノズル付外
るつぼ、２はクラツド用ガラス、３はノズル付内
るつぼ、４はコア用ガラス、５は上下移動棒、６
はガラス融液流出防止兼ガラス引き出し用治具、
７はガス導入口、８は密閉容器、９は高周波コイ
ル、１０は熱電対、１１は制御系、１２は高周波
電源、１３は上下移動棒駆動装置、１４はガス排
出口である。

これを動作させるには、まず、ノズル付外るつ
ぼ１にクラツド用ガラス２をノズル付内るつぼ３
にコア用ガラス４を、それぞれ、装填する。ノズ
ルの先端は、上下移動棒５の上端に取り付けられ
たガラス融液流出防止兼ガラス引き出し用治具６
を接触させて塞いでおく。次いで、ガス導入口７
からフツ素系ガスを導入して密閉容器８の内部を
フツ素系ガスの雰囲気とし、高周波コイル９によ
つてるつぼを加熱し、ガラスを一定時間溶融す
る。この時の溶融温度はガラス成分が著しく蒸発
しない範囲でできるだけ高温とする。次いで、ガ
ラス融液からの結晶相の析出がない範囲で、でき
るだけ低温までガラス２，４の融液の温度を下
げ、一定時間保持した後ガラス２，４の粘性が引
き出し可能な粘度になる温度までガラス２，４の
融液を冷却し、しかる後に上下移動棒５を下方に
移動させてノズルの先端からコアガラス４とクラ
ツドガラス２を同時に引き出し冷却固化させてフ
ツ化物ガラスフアイバ用母材料を得る。なお、こ
の工程における温度制御はガラス温度を熱電対１
０によつて直接検出し、制御系１１によつて高周
波電源１２の出力を調節することにより行い、ガ
ラス２，４の引き出し速度の制御は制御系１１に
より上下移動棒駆動装置１３を電気的に制御して
行う。

密閉容器８内を満たすフツ素系ガスは、ガラス
中に不純物として含有されるZrO₂，BaOなどの
酸化物のフツ化、あるいはOH，NH₄，NO₃，
CO₃，SO₄などの化合物イオンの分解除去を行う
ために導入するもので、例えばNF₃ガスを有効に
使用できる。

また、ガラスを一旦ガラス成分の蒸発が著しく
ない範囲のできるだけ高温で溶融するのは、ガ
ラス原料の溶融を完全にするためと、ガラス原
料に含有されている上記酸化物及び化合物イオン
とフツ素系ガスの反応を速やかに行わせるためで
あり、例えば、NF₃ガスを使用した場合の通常の
溶融温度は750〜950℃、溶融時間は１時間程度で
ある。

次いで、ガラス融液から結晶相が析出しない範
囲内で、できるだけ低温までガラス融液の温度を
低下させる理由は、ガラス中に不純物として含有
されるFe，Cr等の遷移金属の価数を高次の価数
に変え、遷移金属による吸収損失を低減させるた
めである。例えば、フツ化物ガラスフアイバで最
も問題となる遷移金属イオンはFe²⁺イオンであ
るが、Fe²⁺イオンをFe³⁺イオンに変えれば吸収
損失は激減する。この変化はFeF₂＋Ｆ〓FeF₃の
反応により、フツ素分圧が高い程、また、温度が
低い程反応は右側に進む。従つて、ガラス融液の
温度を低くする程Fe²⁺はFe³⁺に変わり易くなる。
例えば、10％NF₃／Arガスの雰囲気下で、ガラ
ス融液の温度を480〜500℃に１時間程度保てばガ
ラス中に含有されるFeは殆どFe³⁺となりその吸
収損失は無視できる程度となる。

上記のような２段階の温度工程によりガラスに
含有される不純物による吸収損失は著しく低減さ
れる。

次いで、ガラスをるつぼから引き出すのに必要
な粘度にするため融液を出来るだけ速やかに冷却
する。ガラスの引き出しに適した粘度は通常10⁴
〜10⁶ポイズ程度であり、この粘度を示すガラス
温度は310〜350℃程度である。元来、フツ化物ガ
ラスは結晶化を生じ易く、結晶化を起こさせない
ためには60℃／分以上の速い冷却速度が必要とさ
れていた。前述したビルドインキヤステイング
法、ローテーシヨナルキヤステイング法などの従
来の母材製法はこの冷却速度を達成するために金
属製鋳型の使用を余儀無くされていた。しかしな
がら、本発明の製法のようにガラス中に含有され
る酸化物、化合物イオン等を除去し、しかも、水
分等の混入の恐れが全くないフツ素系ガス雰囲気
中で冷却した場合には、比較的安定性の高い組成
のガラスさえ使用すれば10℃／分程度の遅い冷却
速度でも結晶化は全く起こらないことが確認でき
た。また、この程度の冷却速度は第３図に示した
ような装置で容易に達成できることも確認でき
た。ガラス粘度が引き出しに適した値に達した
後、上下移動棒５を下方に移動させてガラスの引
き出しを行う。この時点までノズルの先端はガラ
ス融液流出防止兼ガラス引き出し用治具６によつ
てガラス融液２，４が流出しないよう塞がれてい
る。

第４図はガラス融液流出防止兼ガラス引き出し
用治具６の構造例を示している。図中１〜６は第
３図における同じ番号に対応する部分を表し、６
ａはガラス融液４の流出防止用凸部、１５はクラ
ツドガラス２の下端を狭小間隔部１５ａを介して
収容する底広がりのガラス引き出し用止め溝であ
る。フツ化物ガラス融液の粘性は高温では水のよ
うに小さいためわずかの空隙からでも流出し易い
が、ノズルとガラス融液流出防止兼ガラス引き出
し用治具６の材料をともにグラフアイトとした場
合には、ガラス融液とグラフアイトの濡れ性が負
であるため、第４図に示したように単に平面接触
させておくだけでもガラス融液が洩れることは全
くない。そして、ガラスを引き出す時には止め溝
１５の内部に入つているガラスが狭小間隔部１５
ａで引つかかるためガラス２，４とガラス融液流
出防止兼ガラス引き出し用治具６は離れることな
く引き出せる。上下移動棒５を下方に移動させて
いくと、ガラス２，４は自重によりノズルから押
し出されてくる。従つて、ガラスが押し出される
量に従つて上下移動棒５を移動させてゆけば一定
の径の母材を得ることができる。ガラスが押し出
される量はガラスの粘度、ノズル端からガラス面
までの高さに反比例する。従つて、ガラス温度を
一定に保つことによりガラスの粘度を一定とし、
予め計算しておいたガラス面の高さの時間変化に
従い上下移動棒５の移動速度を制御すれば母材の
径の制御は容易である。また、外るつぼ１と内る
つぼ３のノズル径の比を変えることによりコア−
クラツド径の制御を容易に行うことができ、シン
グルモードフアイバ用母材のようにコア径の小さ
い母材の製造も問題がない。大型母材を製造する
場合は単に大型のるつぼを用いてガラス量を増や
せば良い。また、本発明の方法では、コアガラス
とクラツドガラスは常に同じ温度に保たれている
ため、これらの界面で特に結晶化を生じる恐れは
ない。また、本発明の方法では鋳型を使つてガラ
スを冷却するのではなく、ノズル端からガラスを
引き出し自由空間で冷却固化する。そのため、フ
アイバ強度を低下させる母材の表面の傷が少な
く、高強度のフアイバを紡糸することができる。
更に、本発明の方法は基本的にるつぼの温度制御
と上下棒移動の移動速度の制御の２つにより母材
を製造するもので、複雑な人的作業を必要とせ
ず、また、上記２つの制御は容易に自動化が行え
る種類のものである。

従つて、工業的生産性が良好であり、製造の歩
留まりも良い。

（実施例） コアガラスとして53ZrF₄−20BaF₂−20NaF−
4LaF₃−3AlF₃、クラツドガラスとして33ZrF₄−
20HfF₄−17BaF₂−23NaF−4LaF₃−3AlF₃の組
成のガラスを用い、第３図に示した装置を用いて
母材の製造を行つた。グラフアイト製のノズル付
２重るつぼに上記組成のコア及びクラツドガラス
用原料を約250ｇ装填し、10％NF₃／Arガスを約
５／分の流量で流しながら、まず、800℃で１
時間ガラスを溶融した。次いで、融液温度を500
℃に冷却し１時間保持した後約25℃／分の冷却速
度で315℃まで冷却し、約10mm分の速度でノズル
から引き出した。その結果、クラツド径15mmφ、
コア径３mmφ、長さ150mmのステツプ型のフアイ
バ母材を製造できた。母材中には気泡などの混入
が全くなく、また、顕微鏡観察においても結晶相
の析出、母材表面の傷はみられなかつた。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明のフツ化物ガラス
フアイバ用母材の製造方法及び装置はフアイバ損
失の原因となるコア−クラツド界面の結晶化、母
材中への水の混入がなく、コア−クラツド径の制
御性が良く、シングルモードフアイバ用母材、大
型母材の製造が可能で、フアイバ強度を低下させ
る母材表面の傷が少なく、また、脱水、脱化合物
イオン、遷移金属による吸収損失の低減等のガラ
スの精製工程と母材製造工程が一連の工程となつ
ており、さらに、人的作業に頼らず機械化及び自
動化が容易なため製造の歩留まり、工業生産性が
良い。

従つて、光通信等に使用される伝送損失が少な
く、長尺、高強度、低コストのフツ化物ガラス光
フアイバの製造ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のフツ化物ガラスフアイバ用母材
の製造法の１つであるビルトインキヤステイング
法を説明するための断面略図、第２図は従来の製
造法の他の１例であるローテーシヨナルキヤステ
イング法を説明するための断面略図、第３図は本
発明の製造法と装置を説明するための断面を含む
系統図、第４図は本発明の製造法と装置において
るつぼからのガラス融液の流出防止とガラスの引
き出しを行うための治具の構造を説明するための
断面図である。 １……ノズル付外るつぼ、２……クラツド用ガ
ラス、３……ノズル付内るつぼ、４……コア用ガ
ラス、５……上下移動棒、６……ガラス融液流出
防止兼ガラス引き出し用治具、６ａ……流出防止
用凸部、７……ガス導入口、８……密閉容器、９
……高周波コイル、１０……熱電対、１１……制
御系、１２……高周波電源、１３……上下移動棒
駆動装置、１４……ガス排出口、１５……ガラス
引き出し用止め溝、１５ａ……狭小間隔部、２１
……クラツドガラス融液、２２……金属製鋳型、
２３……クラツドガラス管、２４……コアガラス
融液、２５……鋳型の蓋。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コア用ガラスとクラツド用ガラスが各々装填
   されている同心円状に配置された２個のノズル付
   るつぼをフツ素系ガスの導入・排出手段と該２個
   のノズル付るつぼの加熱手段とノズルからのガラ
   ス融液の流出防止及びガラスの引き出しが可能な
   ように上端が前記ノズルの先端に密着しかつ狭小
   間隔部付で底広がりのガラス引出溝を上端に有す
   るように工夫された上下移動棒を備えた密閉容器
   内に配置する第１の工程と、該密閉容器内で前記
   フツ素系ガスの導入・排出手段を用いて得られる
   フツ素系ガス雰囲気中で前記ガラスの成分の蒸発
   が著しくない範囲の高温で前記ガラスを溶融する
   ことによりガラス融液を得て前記フツ素系ガスと
   前記ガラスに含有される酸化物、化合物イオン等
   の不純物を反応させてこれらの不純物を除去する
   第２の工程と、前記ガラスが結晶化を生じない程
   度の低温で前記ガラス融液を保持することにより
   前記ガラスに含有されるFe，Cr等の遷移金属イ
   オンの価数を高次の価数に変えて遷移金属による
   吸収損失を低減せしめる第３の工程と、引き出し
   可能な粘度になる温度まで前記ガラス融液を冷却
   ししかる後にノズルの先端に接触してガラス融液
   の流出防止の役目を果たしていた上下移動棒を下
   方に移動させることによりノズルから前記コア用
   ガラスと前記クラツド用ガラスを冷却固化しなが
   ら引き出す第４の工程を含むフツ化物ガラスフア
   イバ用母材の製造方法。 ２ コア・クラツド用ガラスを装填するための同
   心円状に配置された２個のノズル付るつぼと、該
   ２個のノズル付るつぼを加熱する手段と、ノズル
   からのガラス融液の流出防止用凸出部及びノズル
   からのガラスの引き出しを行うように上端が前記
   ノズルの先端に密着しかつ狭小間隔部付で底広が
   りのガラス引出溝を上端に備えるように工夫され
   該２個のノズル付るつぼの真下に配置された上下
   移動棒と、該２個のノズル付るつぼ、該加熱手段
   及び該上下移動棒を収容するとともにフツ素系ガ
   スの導入・排出手段が備わつた密閉容器と、該密
   閉容器内で前記フツ素系ガスの導入・排出手段を
   用いて得られるフツ素系ガス雰囲気中で前記ガラ
   スの成分の蒸発が著しくない範囲の高温で前記ガ
   ラスを溶融することによりガラス融液を得て前記
   フツ素系ガスと前記ガラスに含有される酸化物、
   化合物イオン等の不純物を反応させてこれらの不
   純物を除去する制御をする第１の制御と前記ガラ
   スが結晶化を生じない程度の低温で前記ガラス融
   液を保持することにより前記ガラスに含有される
   Fe，Cr等の遷移金属イオンの価数を高次の価数
   に変えて遷移金属による吸収損失を低減せしめる
   第２の制御と引き出し可能な粘度になる温度まで
   前記ガラス融液を冷却する第３の制御とを順次実
   行するように前記加熱手段を制御する温度検知制
   御手段と、該温度検知制御手段による前記第３の
   制御の後にノズルの先端に接触してガラス融液の
   流出防止の役目を果たしていた前記上下移動棒を
   下方に移動させてノズルから前記コア用ガラスと
   前記クラツド用ガラスを冷却固化しながら引き出
   すように前記上下移動棒を駆動する駆動手段とを
   備えたフツ化物ガラスフアイバ用母材の製造装
   置。