JPS5838370B2 - 高強度光学プレフォ−ムの製造方法 - Google Patents

高強度光学プレフォ−ムの製造方法

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JPS5838370B2
JPS5838370B2 JP54128794A JP12879479A JPS5838370B2 JP S5838370 B2 JPS5838370 B2 JP S5838370B2 JP 54128794 A JP54128794 A JP 54128794A JP 12879479 A JP12879479 A JP 12879479A JP S5838370 B2 JPS5838370 B2 JP S5838370B2
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Description

【発明の詳細な説明】 多層の線引きしたガラスファイバーは長距離の光ビーム
伝送用、特に光通信用としてその重要度が増加している
。
過度の光損失を避けるために、或る屈折率のガラス芯を
より低い屈折率のクラツドガラス層で取囲んだ複合線引
きファイバーを形或することが現在では一般的に実用さ
れている。
単一モードのファイバーは数ミク［］ンの直径の芯体と
その１０乃至１００倍の直径のクラツド部とを有してい
る。
一方多重モードファイバーは、ずっと大きな直径、例え
ば６０ミクロン以上ｌＯＯミクロンまでの直径の芯部を
有し、外側のクラツド部の直径は約１５０ミクロンまで
の大きさである。
一般にクラツド層は一層若しくは多層の適当なプラスチ
ックで包囲されてデリケートなファイバーを物理的に保
護している。
そのようにしてもファイバーの強度の低さ、不充分なフ
ァイバーの耐久性、短寿命等の問題が残っている。
引っ張り力又は曲げ応力がファイバーに与えられると、
ファイバー外表面の張力が実質上増加する。
製造中に直ちにプラスチック被覆を被着してガラスファ
イバー構造体の外表面を塵埃粒子や水蒸気に対して予防
していても、ファイバーは通常幾分摩耗され、表面に微
小なクラツクが形或される傾向がある。
光通信用ファイバーは使用中に引っ張り及び曲げ応力を
受け易いため、そのような微小なクラツクは周辺のガラ
ス表面部分からガラス芯部へ広がり易い。
それによりファイバー全体が弱くなり、通信用としては
不充分な短い寿命で破壊されることになる。
ガラス周辺の水分子の存在もまたクラツクの発達を助長
し、早期破壊の機会を増加させる。
光通信用ガラスファイバーの強度を増加させるための既
知の方法の一つはクラツド表面に表面匡縮力を与えるこ
とである。
そのような技術は例えばジャーナル・オブ・ヂ゛・アメ
リカン・セラミックス・ソサヤテイ、１９６９年１２月
号第６６１−６６４ページのケイス・ウエスタン・レザ
ーブ大学のデー・工一・クローン（Ｄ．Ａ．Ｋｒｏｈｎ
）及び工一・アール・クーパー（Ａ．Ｒ．Ｃｏｏｐｅ
ｒ）両氏の論文中に記載されている。
この論文は、クラツド部が芯ガラスより低い熱膨張係数
を有するように選定され、芯及びクラツド部のガラス転
位温暇に適当な注意が払われるならば、ファイバーの強
度を改善するように圧縮応力を発生させる可能性が高い
ということを理論的説明及び実験データによって示して
いる。
また、クラツド鞘部或いは芯部とクラツド鞘部の組合せ
体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の第２の鞘をクラツ
ド鞘の上に設けその複合光ファイバーの強度を増加させ
ることも提案されている。
例えば西ドイツ公開特許公報第２４１９７８６号、■９
７５年■１月６日公開参照。
なお、この英文対応特許は１９７６年１０月２１日公表
のオーストラリア特許第４９３５０５号である。
本出願人が１９７８年１０月６日に米国に出願したチャ
ールス・ケー・カオ（ＣｈａｒｌｅｓＫ−Ｋａｏ）及び
モクター・エス・マクラツド（Ｍｏｋｈｔａｒ Ｓ−Ｍ
ａｋｌａｄ）両氏の発明になる米国特許願第９４９３５
１号において新規な、改良された３層及び４層複合光学
プレフォーム及びファイバーが明らかにされている。
この出願に示された技術を使用することにより上記参考
分献に記載されたような従来技術によるものと比較して
はるかに大きな表面圧縮力を有する高品質の光通信用フ
ァイバーを得ることができる。
簡単に説明すると、ガラス組或、厚さ、熱膨張係数、ガ
ラス転位温度を前記カオ氏等の出願に詳細｛こ示された
如く注意深く選択した各種のガラス材料から多層プレフ
ォーム及びその最終製品であるファイバーを製造するも
のである。
これ等の技術により毎平方インチ５ ０，０ ０ ０ポ
ンド（５０Ｋｐｓｉ）以上の完或されたファイバーの外
表面の匡縮力を得ることが可能である。
上記カオ氏等の出願はまた、ファイバーの芯部分及びそ
れを囲む各層を形或する選択されたガラス材料を化学蒸
気沈着（ＣＶＤ）法によりシリカの中空支持体管の内面
に付着させて複合ガラスファイバー用プレフォームを製
造する方法をも開示一している。
前記支持体及びその内面に芯部が最後になるように逆の
順序で付着された環状断面の各層は、加熱温蜜高めて押
しつぶすことによって固体状プレフォーム構造とされる
。
このような方法及び技術は既知であり、米国特許第３９
８２９１６１号、同第４００９０ １４号及び１９７６
年７月１２日出願の米国特許頓第７０４１４６号等に各
種の方法が記載されている。
しかし、既知の技術によりこのプレフォームを再加熱し
て光学ファイバーに引き伸ばす前に、カオ氏等は押しつ
ぶした支持体管で形或された比較的厚い外層の表面に発
生させることのできるよりも更に大きな外表面モ縮力を
得るための処理を行っている。
それは支持体層の全物又は実質上全部を除去するもので
、その方法として次の二つが示されている。
その一つは正確に研磨して除去し、みがき上げる方法で
あり、他の一つは強力なＣＯ２レザービームによりこの
層を研削する方法である。
これは上記出願に示されている如く支持体管に最外層と
して最初に付着した第１の、比較的薄い層を残した状態
で完了する。
上記出願は又この層を非常に高い圧縮力の層に形戒する
ための方法についても記載している。
この完或したプレフォームから次ぎに長い光学ファイバ
ーが線引きされ、それは従来考えられたものと比較して
大きな耐久性、強度及びファイバーの寿命を有している
。
しかしながら、上述の研磨或いはレーザー研削を使用し
て支持体層を均一に除去する場合に、もし押しつぶされ
たプレフォームが完全に直線でなかったり、芯及び各層
が正確にに同心でないならば困難な問題が発生する。
更に、完或されたファイバーの外層は所望の高正縮力を
得るためにはわずか数ミクロンの厚さでなけれけならな
い。
例えばカオ氏等は完或した構造体の外側の高圧縮力層の
半径方向の厚さは１０ミクロン以下でなければならず、
好ましいのはｌ乃至５ミクロンの範囲であるとしている
。
本発明者は押しつぶしたプレフォーム中の非直線はや同
心からのずれと無関係に、かつ従来よりはるかに正確に
、不所望の支持体材料を除去する方法を開発した。
それは以下述べる如く材料と処理技術の特別の組合せに
より行われるものである。
簡単に説明すると、カオ氏等の出願に記載された内面Ｃ
ＶＤ及び加熱技微により処理された押しつぶされたプレ
フォームの外表面の不所望の支持体材料は、本発明によ
り次の（１）及び（２）の手段により除去される。
（１）完戊したプレフォーム及びファイバーの外側圧縮
層を形或している第１の薄い付着層のガラスと多少異な
ったガラスで最初の中空支持体管を製作する。
（２）選択エッチングを使用して隣接する高圧縮力層（
こ損傷を与えずに支持体層を除去する。
本発明のその他の特徴及び目的は以下に述べる本発明の
詳細な説明により明瞭になるであろう。
第１図に示す半完或プレフォーム構造（以下図面の如き
支持体層を除去する前の状態のプレフォームを半完或プ
レフォームと呼ぶ）は、前記カオ氏等の出願に詳細に説
明された如く内面ＣＶＤ法により処理された後に図示の
如き固体円筒構造に押しつぶすことによって形戊するこ
とができる。
第１図に示す如く光伝送構体は押しつぶされた円筒状芯
部１０、及びそれを取り囲むクラツド層１１より構或さ
れている。
これ等は最適の光伝送特性を有する如く選択され、前述
の如くクラツドガラスは芯ガラスより低い屈折率を有す
るものが選ばれている。
更にカオ氏等の出願に示されている如く、第１図のクラ
ツド層１１はずっと薄い層１２により取り囲まれており
、その層１２は、現在の図示の状態では層１３となって
いる外側の中空支持体管内に付着された最初のガラス質
材料である。
製造上及びコスト上の理由から支持体層１２のガラス材
料よりも低品質のガラスで作られている。
それ故層１２はまた製造中に層１３からクラツド層１１
中へ不純物が拡散するのを減少させるためのイオン阻止
層としても作用している。
しかしながら、層１２の第１の作用は、本発明により層
１３が除去された後、完或したプレフォーム及びその最
終製品のファイバーの薄い高玉縮力外側層を形或するこ
とである。
最終的な最外層１２に高度の圧縮力を発生させるために
、カオ氏等は層ｉｏ，ｉｉ及び１２に使用するガラス材
料について最適の熱膨張係数とガラス転位温度の特別の
関係を示している。
当業者に一般に知られている転位温度（又は設定温度）
Ｔｇは溶融ガラスが粘性状態から冷却されて弾性状態へ
変化する温度であり、しばしば更に正確には冷却された
溶融ガラスの粘度１０１３ポアズに到達した温度として
定義される。
例、えば、カオ氏等は芯１０にゲルマニウムをドープし
たガラス、クラツド層１１に硼素ドープシリケートガラ
ス、層１２として実質上純粋な溶融シリカを使している
。
芯及びクラツドガラスは比較的高い熱膨張係数と比較的
低いガラス転位温度を有し、それに比較して薄いシリカ
層１２は比較的低い熱膨張係数と比較的高いガラス転位
温度を有しており、それによって完或したプレフォーム
の外表面に所望の高いモ縮応力を発生させる。
しかしながら、もし比較的厚い支持体層１３が最初に除
去されないとするならば、第１図に示された構造から直
接引き伸ばされた光学ファイバーは不所望な低い表面圧
縮力と低い張力を有するものとなるであろう。
完或したプレフォーム又はファイバーの外側層１２に最
犬の圧縮応力を得るために支持体層１３は可能な限り殆
ど完全に除去する必要があり、層１２は最終のファイバ
ーにおいて１乃至１０ミクロン、、望ましいのは５ミク
ロン以下で特に２乃至３ミクロン程度がより望ましい均
一の半径方向の厚さでなければならない。
支持体層１３が研磨又はレーザー研削によって物理的に
除去される場合に、カオ氏等はもし押しつぶしたプレフ
ォームに多少の非直線性が存在したり、芯とそれを囲む
層とが同心からずれが生じた場合にはそのような最適の
厚さを得ることが困難であることを認めている。
もし完全に直線及び同心でないならば、支持体層１３の
或る部分が残り、或いは薄い層１２の一部が切り取られ
て、その結果外表面の所望の圧縮応力の大きさと均一性
に不利な影響を与えることが起り得る。
いずれにせよ、最終のファイバーの外側層１２を２乃至
３ミクロンの最適の均・一の半径方向の厚みを有するよ
うにすることは非常に困難なことである。
以下詳細に説明するように本発明のプレフオーム完或工
程は第１図構造における非直線性の影響を全く受けるこ
とがなく、また、芯とそれを取り囲む層の同心性がずれ
ても影響を受けることがない。
それ故完或したファイバーの層１２は半径方向の厚さが
例えば２乃至３ミクロンのこれまでの可能と考えられて
いた厚さよりも更に薄いものとすることが可能である。
前記カオ氏等の出願においては、層１２は支持体層と同
一組戊のガラス例えばドープしないシリカでなければな
らず、しかもできるだけ純粋のものが望ましいと説明さ
れている。
それ故これ等２層が相互に融着するとそれ等は本質的に
は物理的研磨或いは研削を行なわなければならないよう
な単一層として作用する。
本発明においては、第１図に示す構造体を弗酸等の通常
のガラスエッチング液に浸漬した場合に異なるエッチン
グ速度を有する如く層１２及び１３のガラス組戊を若干
相違させることにより支持体除去過程を精密にコントロ
ールするものである。
特に、付着させた高玉縮力層１２としては実質上純粋な
シリカを使用してよいが、支持体管としては実質上エッ
チング速度のより高いドープしたシリカ材料を使用する
。
特に商標名バイコール（ＶＩＣＯＲ）として業界に知ら
れているシリケートガラスがこの目的に適していること
が認められた。
ガラス工業において広く使用されており、ニューヨーク
のコーニング・グラス・ワークスから入手可能なこのガ
ラスの組処は、９６乃至９７％のシリカと３乃至４％の
酸化硼素酸化ナトリウム混合物例えばｌ乃至２％の酸化
硼薬とそれとバランスした酸化ナトリウムとより或るソ
ジウム・ポロシリケートガラスである。
このソジウム・ポロシリケートガラスは純粋のシリカガ
ラスよりも柔かく、弗酸に対して純粋シリカの約３倍の
エッチング速度を有していることはよく知られている。
もちろんエッチング速度はエッチング液の濃度と温度を
変化させることによって或程度増威可能である。
また、バイコールと類似する他のガラスもシリカガラス
に関して望ましいエッチング速度を有する如く適当な添
加物を導入することによって調整することができる。
それ故、本発明の重要な特徴は、薄い高玉縮力層に適し
た、純粋なシリカガラスその池のガラスよりも高いエッ
チング速度を有するバイコール又はそれと等価のガラス
を支持体材料として選択することにある。
それは第１図の半完或プレフォームにおける支持体層１
３及び高匡縮力層１２の関係である。
第２図は別の半完成プレフォームを示しており、このプ
レフォームもまた内面ＣＶＤプロセスによって処理され
、次いで図示の固体円筒状構造体に押しつぶされる。
第１図の構造と異なって、前記カオ氏等の出願に示され
る如くクラツド層１１と高匣縮力層１２の間に付加高熱
膨張ガラス層１４が設けられている。
層１４のガラスは、芯及びクラツド層と同様に層１２と
比較して高い熱膨張係数と低いガラス転位温度を有して
いる。
層１４は、第２図では必要がないので正確なスケールで
示してはいないがクラツド層１１と比較してはるかに厚
いことが望ましい。
その結果、完成した４層ファイバーの高匡縮力層１２に
より閉じ込められた単位長当りの表面面積は第１図のプ
レフォームから作られた３層ファイバーの層１２により
閉じ込められた単位長当りの表面面積と比較してはるか
に大きなものとすることができる。
それ故４層ファイバーはより大きな表面圧縮力を有する
ことができて、ファイバーの抗張力、耐久性、寿命を改
善することができる。
例えばゲルマニア・シリケートガラスのような高熱膨張
層１４として適当なガラス質材料の付着を除けば、第２
図のプレフォームの製造方法は第１図のプレフォームの
製造方法と同様である。
バイコール又は等価の支持体層１３も同様でよく、層１
３の選択的エッチング法も同様でよい。
又本発明の原理は最初の支持体が除去されるその他の類
似形態の多層構造体に同様に適用可能である。
エッチング時間を短縮するために第１図又は第２図のプ
レフォームを完成させる時に、余分な支持体材料の大部
分をまず機械的研磨やレーザー研削｛こよって除去して
もよいが、この過程は本発明の実施例についての本質的
なものではない。
最終的エッチング工程はエッチング液の濃度、温宜及び
浸漬時間を調節することによって容易に正確な制却を行
うことができる。
均一なエッチングを行うために公知の技術によりエッチ
ング液を磁気的に攪伴することが望ましい。
エッチング時間は支持体層の厚さに関連して調節され、
それ故支持体層は全部除去され、高圧縮力層１２だけが
完成したプレフォームの外層として残る。
エッチングプロセスの詳細は当業者によく知られている
から、ここで改めて説明する必要はない。
柔かい支持体は下側の層よりもずっと迅速にエッチング
で除去されるから、エッチングプロセスは薄い層１２が
損傷を受ける前に充分な時間的余裕をもって停止させる
ことが容易に可能である。
実施例として、表１は本発明の選択的エッチンクフロセ
スで実際に使用するのに適当なガラス組成を、各ガラス
の所望の物理的性質についての短いコメントと共に集戊
したものである。
前述の如くファイバーの使用形式に対応した設計によっ
て、および単一モードの信号伝送か多重モードの信号伝
送であるかによって完或したファイバーの芯部及び各層
の寸法はかなり変化する。
単なる例示として、表■に第１図及び第２図の構造体か
ら作られたプレフォームから線ラ１された完戊した多重
モードファイバーの典型的な寸法を示す。
それぞれの場合に高匡縮力外層は本発明の実施において
最も実行可能であり殆ど最適の浮さてある２乃至３ミク
ロンの厚さを有する如く示されている。
以上の説明から本発明による層１２及び１３の材料の適
当な選択と選択的エッチングによって前述の従来の技術
と比較して多くの効果を生じることは明らかであるが、
特に以下の如き顕著な効果を奏することができる。
（１）最初の中空支持体管が正確な孔や非常に厳密な壁
の厚さを要求されない。
（２）余分の支持体材料を予備的に研磨その他の物理的
手段によって除去する場合にも、残すべき薄い高匡縮力
層まで達するように除去する必要がないため臨界的では
ない。
（３）選択的エッチングによりエッチング液が浸入して
薄い高匡縮力層を損傷する危険がない。
（４）半完或プレフォームが多少円杉から外れても、例
えば不均一に押しつぶされても、本発明の選択的エッチ
ングによりそのようなプレフォームを使用して外側の圧
縮力層が均一の厚さを持′つた高い強度のプレフォーム
及び最終製品の光学ファイバーを得ることが可能である
。
以上、高い抗張力を有するプレフォーム及びファイバー
を得るための典型的な材料と特定のプロセスについて説
明したが他の等価的な及び代替的な技術が特許請求の範
囲に示された技術的範囲を逸脱することなく使用可能で
あることは当業者には明白であろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、半完戊光学プレフォームの断面図であって、
本発明により周囲の支持体層が除去されると完戊された
３層プレフォームとなるものである。 第２図は、他の半完戊プレフォームの同様の断面図であ
って、周囲の支持体層が除去されると完或された４層の
プレフォームとなるものである。 １０・・・・・・芯部、１１・・・・・・クラツド層、
１２・・・・・・高圧縮力層、１３・・・・・支持体層
、１４・・・・・高熱膨張層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融シリカより戊る比較的薄い外側のモ縮力層を有
    する多層光学プレフォームの製造方法において、前記圧
    縮力層の溶融シリカよりも高いエッチング速度を有する
    ガラス材料より戊る中空ガラス支持体管の内面に、前記
    溶融シリカより或る比較的薄い外側モ縮力層、該匡縮力
    層の溶融シリカに比較して高い熱膨張係数および低いガ
    ラス転位温度を有するガラス材料より或る少なくとも１
    つの比較的厚いクラツド層、および隣接するクラツド層
    の屈折率より高い屈折率を有するガラス材料より或るコ
    ア層を順次化学蒸気沈着法によって沈着し、それを加熱
    して押しつぶして固体の複合棒状体プレフォームを形或
    し、該棒状プレフォームを溶融シリカの溶解速度よりも
    はるかに大きな溶解速度で前記ガラス支持体管のガラス
    を溶解するエッチング液中に浸漬し、前記溶融シリカの
    Ｅｌ力層を実質上溶解することなく前記ガラス支持体管
    で形或されたガラス層を溶解するのに充分の時間棒状体
    プレフォームを前記エッチング液中に保持することを特
    徴とする多層光学プレフォームの製造方法。 ２ 前記エッチング液が弗酸である特許請求の範囲第１
    項記載の製造方法。 ３ 前記ガラス支持体管が９６乃至９７％のシリカと３
    乃至４％の酸化硼素、酸化ナトリウム混合物から戊るソ
    ジウムボロシリケートガラスである特許請求の範囲第２
    項記載の製造方法。
JP54128794A 1978-10-06 1979-10-05 高強度光学プレフォ−ムの製造方法 Expired JPS5838370B2 (ja)

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