JPS5920613B2 - 単一モ−ド光ファイバ−プレフォ−ムの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光フアイバープレフオームおよび光フアイバ一
の製造方法に関し、特に自由空間波長が１．５乃至１．
７ミクロンの範囲で動作することのできる単一モード光
フアイバ一の製造方法に関する。

本発明によればシリカの屈折率より大きくない屈折率を
有するドープされたシリカのクラツドガラス層が気相反
応によつて直接シリカの管状基体の孔の内面上に、或は
該シリカ管状基体の孔の内面に気相反応によつて沈着さ
れたクラツドガラスの屈折率より小さくない屈折率を有
するドープされたシリカの拡散障壁層上に沈着され、こ
のクラツドガラス層上に気相反応によつてゲルマニアで
ドープされた屈折率のより高いシリカコアガラスが沈着
され、クラツドガラスは屈折率を低める弗素と屈折率を
高めるゲルマニアでドープされたシリカであり、硼素酸
化物は含まず燐酸化物は含まれていても０．５モル％を
越えず、ゲルマニアの量は０．５モル？以上含まれてお
りこのように被覆を形成された管状基体の孔は押し潰さ
れて中実断面の光フアイバープレフオームに形成される
１．５乃至１．７ミクロンの自由空間波長の範囲の選択
された波長において単一モード動作が可能である光フア
イバ一に線引きされる光フアイバープレフオームの製造
方法が提供される。以下本発明の製造方法について説明
するが、本発明の説明に先立つてまず本発明の背景につ
いて説明する。

光フアイバを製造する材料としてシリカを使用する特別
の利点の１つはシリカと共に材料中に他の材料を厳密に
制御された量で力ｉえることができるような気相反応法
によつて製造することができることである。

１つの製造方法においてはクラツドガラスおよびコアガ
ラスを形成すべき材料はシリカの管状基体の内面に気相
反応によつて沈着され、それから管状基体は押し潰され
て中実断面（孔のない断面）の光フアイバープレフオー
ムに形成され、それから光フアイバ一が線引きされる。

この方法によつて製造された光フアイバ一の光伝送に影
響する重要な因子の１つは水酸基群による汚染のレベル
である。そのような群はもしも水が沈着に使用された気
相反応の反応生成物の１つであるならば沈着材料中へ直
接合有されることになるであろう。この汚染源は水素と
その化合物が除外された気相反応を選択することによつ
て避けることができる。適当な反応の１例はハロゲソま
たは酸化ハロゲンの酸素による直接酸化である。この目
的のために反応材料は酸素中に混入して送られ、管状基
体中を流れるようにするとよい。反応は室温において進
ｈしないので例えば酸水素焔によつて与えられる短い高
温帯域の局部的な領域において促進される。この帯域は
ゆつくりと管に沿つて移動され、それによつてその全長
に沿つて均一な厚さの透明なガラス状沈着層が生成され
る。管状基体の材料は水酸基群により強く汚染され易い
。それ故コアガラスを沈着させる前にクラツドガラス層
を付着させることが一般に行なわれている。これは多重
モード光フアイバ一の場合でさえも光学コアを囲む外方
に消散するフイールドを伝播する光エネルギーはほとん
ど無視できるからである。水素およびその化合物が除外
された気相反応がクラツドガラスの沈着に使用される時
にも或る程度の水酸基群が沈着材料中に混入されること
が起り得る。これは基体材料中からの拡散によつて生じ
るものである。そのような拡散の量は透明な溶融沈着層
の生成を比較的低い温度で比較的迅速な沈着反応が行な
われるようにすることによつて減少させることができる
。ドープしないシリカはクラツドを形成するために沈着
すべき良好な材料と考えられるけれども、しかしシリコ
ンハロゲン化物の直接酸化は透明な溶融沈着層を生成す
るために比較的高い沈着温度を必要とし、かつ反応速度
が比較的遅い欠点がある。しかし硼素、燐、ゲルマニウ
ムの１またはそれ以上の酸化物とシリカとの同時沈着に
よると透明な溶融沈着層の生成に必要な沈着温度を低下
させ、かつ沈着速度を増加させることができる。このよ
うな方法を使用して第１図に示されたようなスペクトル
特性を有する多重モードの屈折率傾斜をもつ光フアイバ
一を製造することができる。

この光フアイバ一は主としてゲルマニアでドープされ、
約１モル％の燐酸化物をも含有するシリカコアを有して
いる。クラツド層は硼素酸化物でドープされたシリカで
ある。第１図は波長が短くなるに従つて減衰が増加する
特性を示しており、これはν−ν一散乱によるものであ
る。この曲線に重畳されて水酸基の強いピークが０．９
５，１．２５および１．４ミタロンの範囲に存在してい
る。約１．７ミクロン以上の波長においてはシリカおよ
びドープ不純物の吸収効果によつて減衰は再び増加し始
める。Ｂ−０，Ｐ−０，Ｓ１−０およびＧｅ−０の基本
振動吸収はそれぞれ７．３，８．０，９．０および１１
．０ミクロンであり、その吸収帯は約１４０乃至２．０
ミクロンの範囲まで延びる尾を有している。第２図には
単一モード光フアイバ一のスペクトル特性が示されてい
る。この光フアイバ一はゲルマニアをドープ化たシリカ
コアを有し、硼素と燐の酸化物でドープしたシリカによ
るシリカに適合した屈折率のクラツド層を有するもので
あつて、エレクトロニクスレター第１５巻第１４号第４
１１〜３頁（１９７９年７月５日）に記載された単一モ
ード光フアイバ一と同様のものである。管状基体の屈折
率より高い屈折率のクラツドガラスは望ましくない。そ
れはそのような構造は所望の単一のコアモードに加えて
クラツドモード（クラツド層と基体との界面によつて導
かれるモード）を導くからである。それ故燐の酸化物は
クラツド層に対する単独のドープ剤として使用してはな
らない。しかしクラツド層に燐の酸化物を含ませること
によつて少量の硼素酸化物を使用することが可能になり
、その場合にも比較的速い沈着速度と低い反応温度を保
持することができる。第１図と第２図のスペクトル特性
を比較すると単一モード光フアイバ一はそれ程良好な特
性でないことが判る。すなわち減衰率が一般に高く、水
酸基群の吸収ピークも高い。１．４ミクロンのピークを
越えた窓中で動作させるための単一モード光フアイバ一
の設計において特に重要である別の特徴はこの窓（すな
わち吸収損失の少い範囲）が長い波長におけるＢ−０お
よびＰ−０吸収ピークの尾のより明瞭な効果によつて著
しく狭められていることである。

これ等の尾の効果は傾斜屈折率多重モード光フアイバ一
の場合よりも一層顕著である。何故ならば単一モード光
フアイバ一においてはより多くの光エネルギーがクラツ
ド層中を伝播するからである。それ故表面的には、ドー
プ不純物の屈折率減少成分として硼素酸化物の代りに弗
素が使用され、屈折率増加成分として燐酸化物の代りに
ゲルマニアが使用されているクラツドガラス組成を選択
することが長波長における動作上望ましいように思われ
る。しかしながら硼素酸化物は沈着速度を増加させる傾
向にあり、一方弗素はそれを減少させる傾向にあること
が問題を複雑なものとしている。それ故弗素の比率を比
較的小さく保つことが望まれる。ゲルマニアはシリカの
屈折率を越えないようにその使用量が制限される。それ
故充分な溶融透明ガラスの沈着を生じるためにはやや高
い沈着温度が必要となる。これは管状基体の材料から沈
着したクラツドガラス中へ水酸基群の拡散量を増加させ
るため水酸基による吸収効果を増加させることになる。
したがつて、或る状況においては組成中の燐酸化物の残
留量を保持しそれによつて燐によつて生じた吸収の増加
が水酸基群の拡散を減少させるための低い沈着反応温度
を使用できることによる吸収の減少によつて充分に相殺
されるようにすると好結果が得られる。微小量の燐酸化
物を含ませることは最低沈着温度を低下させる助けとな
る。何故ならば一つにはそれは１モル？当りの減少率が
大きくまた一つには１モル？当りで生じる屈折率の増加
が小さいからであり、もしも同じ屈折率となるように燐
酸化物でゲルマニアを置換するとすれば約２倍のモル％
が必要となる。多くの因子に依存するために光学クラツ
ド層に含まれるべき燐酸化物の最適量は適用の都度変化
する。これ等因子の中でも無視できないものは特に光フ
アイバ一が使用される動作波長および管状基体材料中に
存在する水酸基群汚染の程度である。もしも光フアイバ
一が窓の長波長端の近くで動作させるものであり、基体
材料の汚染が軽微なものであるならば最適の組成におい
ては燐酸化物の含有量は極めて少なく或は全く含有させ
ない。一方逆の場合であれば含有量は増加される。考慮
されなければならない別の因子は水酸基群汚染によつて
生じる光吸収効果はゲルマニアの存在におけるよりも燐
酸化物の存在においてより著しいように思われることで
ある。

これは第３図および第４図に示された２個の光フアイバ
一のスベクトル特性の比較によつて認めることができる
。第３図はゲルマニアをドープしたシリカコアを有する
多重モード階段状屈折率の光フアイバ一の特性であり、
第４図はゲルマニアと燐酸化物の両者でドープしたシリ
カコアを有する光フアイバ一の特性である。波長１．５
５ミクロンにおいて第４図の光フアイバ一の損失は１．
５ｄＢ／Ｉｃｌｎであり、方第３図の光フアイバ一の損
失は０．８ｄＢ／―に過ぎない。それぞれの曲線の０．
９５ミクロンおよび１．２５ミクロンにおける水酸基吸
収ピークの相対的な高さから明らかなように水酸基濃度
は第４図のものの方が低いにも拘らず上述のような結果
が示されている。このような結果を考慮してこの発明に
おいてはクラツド層にドープするドープ剤として弗素と
ゲルマニアを使用し、硼素酸化物は全く使用せず、燐酸
化物は０．５モル％以下に制限することを特徴とする。

また弗素、ゲルマニアの量はクラツドガラスの屈折率が
シリカのそれと等しいかそれより小さくなるようにする
ように選定されるが、ゲルマニアの量は反応速度を高め
るために０．５モル？以上必要である。以下実施例につ
いて説明する。

長さ約１ｍ１１４×１２中の直径のシリカ管５０（第５
図）が充分に清浄にされ、乾燥され、同期駆動されるヘ
ツドおよびテール支持体を有する特別の旋盤（レース）
に取付けられた管をその軸を中心に回転しながら管内に
酸素ガスを流し、酸水素焔が管の全長に沿つて移動され
、クラツドガラス層５１を設けるための清浄な乾燥した
焔により磨かれた孔が準備された。クラツド労ラスは３
００ＣＣ／分、２０ＣＣ／分および２０ＣＣ／分の酸素
キヤリアガスをそれぞれ４塩化シリコン、４塩化ゲルマ
ニウム、および燐酸化塩素を通過させたものおよび２０
ＣＣ／分のジクロロヂフロロメタンおよび２０００ＣＣ
／分の付加的な酸素より成るガス流に切換えることによ
つて沈着された。酸水素焔の往復のくり返しによつてこ
のクラツド層を比較的厚く沈着した後、ガスの組成は再
び変更されコアガラス層５２が沈着された。この場合に
は４塩化シリコン中を流れる酸素キヤリアガスの流れは
５０ＣＣ／分に減少され、一方４塩化ゲルマニウム中を
流れる酸素ガスは６５ＣＣ／分に増加された。燐酸化塩
素を流れるキヤリアガスは停止され、ジクロロヂフロロ
メタンの流れも遮断された。しかし追加の酸素流は前と
同じ速度に保たれた。これ等クラツドガラス沈着のため
の流量率は、約１モル？のゲルマニアと、約０．２モル
％の燐酸化物と約０．３モル％の弗素でドープされたシ
リカから成るシリカの屈折率と一致する屈折率を有する
ガラスを与えることが認められた。コアガラス沈着のた
めの流量は約６モル％のゲルマニアでドープされたシリ
カから成る組成を生じた。次に被着された管の孔が押し
つぶされ中実断面の光フアイバープレフオームが形成さ
れた。押し潰しにはさらに温度を高めた焔を使用し、管
壁が軟化して表面張力の影響によつて押し潰されるよう
にして行なわれた。孔が完全に潰されるように焔は数回
繰返して移動され、米国特許第４１６５２２４号明細書
中に示されているように押し潰しの初期の段階中孔の内
壁表面からのゲルマニアの蒸発による損失を補償するた
めに４塩化ゲルマニウム中を通るガス流は２．５ＣＣ／
分に保たれた。押し潰したものが円形になるように押し
潰す時孔内は少し圧力を高く保たれた。次にプレフオー
ムは線引き装置に取付けられ、コアの直径が６．５ミク
ロン、クラツド層の外径が４５ミクロン、全体の直径が
１２５ミクロンの単一モード光フアイバ一（第６図）が
線引きによつて製造された。そのスペクトル特性は第７
図に示され、波長１．５７ミクロンにおいて０．５７ｄ
Ｂ／ｂの損失であることが認められる。上述の処理の変
形として、クラツドガラスの沈着の前に管状基体からク
ラツドガラス層中へ不純物、特に水酸基が拡散すること
を阻止するための拡散障壁を形成するようにガラス層を
沈着される処理法も行なわれた。

この拡散障壁層はフアイバ一の単一伝播モードの外方に
消散するフイールド内で顕著なエネルギーが存在する領
域の外に設けられているため光学的に吸収性を有するガ
ラスで形成することができる。これは或程度の量の燐酸
化物を使用することによつて拡散障壁層が拡散作用を制
限するような比較的低い沈着温度を使用して充分迅速に
沈着させることができることを意味する。したがつて相
当程度の光エネルギーが侵入する領域に達した時に燐酸
化物をゲルマニアと全て置換させることもできる。これ
はより高い沈着温度を必要とするが、水酸基群拡散の影
響は介在する障壁層の存在によつて減少される。障壁層
の屈折率はクラツド層の屈折率より小さくしてはならな
い。それはこれ等２層間の界面によつて導かれるクラツ
ドモードを助長するような構造は避けるべきであるから
である。第８図は別の複合構造を示している。

この図において管状基体の材料は８０で、また拡散障壁
層の材料８１で示されている。８２はタラツドガラス預
域８３の材料へ組成が変化する傾斜領域てある。

最後にコア領域は８４で示されている。拡散障壁層領域
８１は基体８０のシリカと一致した屈折率を与えるよう
な比率で燐酸化物および弗素をドープしたシリカによつ
て作られている。クラツドガラス層においてはＰ−０結
合に伴う吸収損失を避けるために燐酸化物は全部ゲルマ
ニアで置換されている。しかし沈着温度を低くするため
に残留量を保有させることができる。クラツドガラス層
中に存在するゲルマニアの量はシリカの屈折率に一致し
た屈折率が得られるように選ばれている。最後に屈折率
がより大きいコアガラス層８４が沈着される。この実施
例ではゲルマニアだけでドープされたシリカが使用され
ており、ゲルマニアの含有量はクラツドガラス層中の含
有量よりも大きい。拡散障壁層材料とクラツドガラス材
料の間の組成が傾斜的に変化している部分は外方に消散
するモードの光エネルギー密度は或る点で急激に消滅す
るのではなくコアから離れるに従つて次第に消滅すると
いう事実から有利である。それ故エネルギー密度のプロ
フイルの終りの部分の範囲の傾斜を一致させることが可
能である。領域８１，８２，８３の弗素のドープレベル
を同じにしてあるのは単なる便宜的なものである。

しかしながら領域８１，８２，８３の屈折率を実質上一
定に保つことはコアとクラツド層の間以外の他の界面に
よつて光学モードが導かれることを阻止するために必要
である。領域８１において硼素酸化物によるドープが弗
素のドープの一部或は全部と置換されることができる。
上述の実施例においてコアガラスの組成中に弗素は使用
されていなかつた。

しかし所定の屈折率を得るために使用されるゲルマニア
の割合を高めることを可能にするように弗素を含有させ
ることができる。これは光フアイバ一の物質の分散を変
更する作用を有しており、この手段によつて導波分散に
よつて補償されるべき物質の分散のための配置が可能で
ある。上記の説明においてゲルマニアは屈折率増加のた
めの主ドープ物質として説明された。

これは酸素とゲルマニウムとの間の結合の基本振動吸収
が酸素とシリコンとの間の結合それよりも長い波長の位
置にあるためである。それ故同様に酸素との間の結合の
基本振動吸収が酸素とシリコンとの間の基本振動吸収よ
りも長波長にあるような物質の酸化物であるドープ不純
物はゲルマニアと置換されて満足すべき結果を示すこと
は明白であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は多重モード傾斜屈折率光フアイバ一のスペクト
ル特性であり、第２図は単一モード光フアイバ一のスペ
クトル特性である。 第３図はゲルマニアをドープしたシリカのコアを有する
多重モード階段状屈折率光フアイバ一のスペクトル特性
であり、第４図は燐とゲルマニウムの酸化物でドープし
たコアを有する光フアイバ一のスペクトル特性である。
第５図は光フアイバープレフオームに押し潰す前の、内
面に被覆された管状基体の断面図であり、第６図は第５
図のプレフオームから線引された光フアイバ一の断面図
である。第７図は第６図の光フアイバ一のスペクトル特
性であり、第８図は別の光フアイバ一の複合構造を示す
図である。５０・・・・・・管状基体、５１・・・・・
・クラツドガラス、５２・・・・・・コアガラス、８０
・・・・・・管状基体、８１・・・・・・拡散障壁、８
３・・・・・・クラツドガラス層、８４・・・・・・コ
アガラス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリカの屈折率より大きくない屈折率を有するドー
   プされたシリカのクラッドガラス層が気相反応によつて
   直接シリカの管状基体の孔の内面上に、或は該シリカ管
   状基体の孔の内面に気相反応によつて沈着されたクラッ
   ドガラスの屈折率より小さくない屈折率を有するドープ
   されたシリカの拡散障壁層上に沈着され、このクラッド
   ガラス層上に気相反応によつてゲルマニアでドープされ
   た屈折率のより高いシリカコアガラスが沈着され、クラ
   ッドガラスは屈折率を低める弗素と、屈折率を高めるゲ
   ルマニアでドープされたシリカであり、硼素酸化物は含
   まず燐酸化物は含まれていても０．５モル％を越えず、
   これらドープ物質はクラッドガラスの屈折率がシリカの
   屈折率より大きくならないようにそのドープ量を選定さ
   れ、かつゲルマニアのドープ量は０．５モル％以上であ
   り、このように被覆を形成された管状基体の孔は潰され
   て中実断面の光フアイバープレフオームに形成されるこ
   とを特徴とする１．５乃至１．７ミクロンの自由空間波
   長の範囲の選択された波長において単一モード動作が可
   能である光ファイバーに線引きされる光フアイバープレ
   フオームの製造方法。 ２ クラッドガラスの屈折率がシリカの屈折率と一致し
   ている特許請求の範囲第１項記載の製造方法。 ３ クラッドガラスの沈着層中に存在するよりも高いモ
   ル％の燐酸化物を有する拡散障壁層が沈着されている特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の製造方法。 ４ 拡散障壁層の屈折率がクラッドガラスの屈折率と一
   致している特許請求の範囲第３項記載の製造方法。 ５ ゲルマニアでドープされたコアガラスが付加的なド
   ープ不純物として弗素を含んでいる特許請求の範囲第３
   項または第４項記載の製造方法。 ６ 拡散障壁層は転移区域を含み、該区域において組成
   がクラッドガラス層の材料に向つて連続的に変化してい
   る特許請求の範囲第３項記載の製造方法。 ７ 酸素との間の結合の基本振動吸収が酸素とシリコン
   との間の結合の基本振動吸収より長波長域にある物質の
   酸化物がゲルマニアに置換されている特許請求の範囲第
   ３項記載の製造方法。