JPS6127721B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は光通信用フアイバとその製造方法に
関し、特にたとえば改良されたロツドインチユー
ブ法による広帯域の石英系ステツプ型光通信用フ
アイバとその製造方法に関する。

従来より、光通信に用いられるガラスフアイバ
としては、光が通過するコアの径方向屈折率分布
が平坦なステツプ型フアイバと中心の屈折率が最
大で径方向に小さくされてその屈折率分布が平坦
ではないグレーデツドインデツクス型とが知られ
ている。グレーデツドインデツクス型フアイバ
は、ステツプ型に比べてモード間の群速度が揃う
ため伝播されるパレスの幅広がりが少ない。した
がつて、ステツプ型のものに比べて広帯域のもの
〓〓〓
が得られる。

従来の広帯域石英系フアイバの製法としては、
代表的には次のようなものがある。

１ 内付CVD法によるグレーデツド型フアイバ
この内付CVD法は、石英管の内側に高純度
の酸素やアルゴンのようなキヤリアガスと一緒
に原料ガスである珪素および屈折率を制御する
添加剤のゲルマニウム，りんあるいはほう素な
どのハロゲン化合物を流し、そして、石英管の
外側からバーナによつて加熱して、この石英管
の内壁に屈折率が漸次大きくなるようにガラス
層（コア部）を付着させる。そして、要求され
るコア径のための所望の量のガラスが堆積する
とガスを止めてさらに高温で加熱して、管中空
部をつぶし、光フアイバの母材（プリフオー
ム）をつくる。次に、このようにしてつくられ
たプリフオームを高温に加熱して、紡糸し外径
が100ないし150μｍのフアイバとする。このよ
うな内付CVD法によるグレーデツド型フアイ
バでは、低損失（5dB／Km以下）かつ広帯域
（300ないし1500MHz・Km）で、しかもNA
（Numerical Angle、開口角）選択の自由度が
大きい（０ないし0.3）という特徴がある。そ
のために、一般に最も高級な広帯域フアイバと
されるが、その反面、量産性に乏しく構造寸法
の均一性（特にコア中心部の構造寸法）を得る
ための制御がむつかしい。したがつて、良品の
歩溜り率が悪く、高度の製造技術が要求され
る。

２ 外付CVD法によるグレーデツド型フアイバ
外付CVD法は気化した原料ガスを、酸水素
炎の火炎中を通す間に、高温で加水分解反応を
行なわせ、すす状のガラス形成酸化物（「スー
ト」）を生成する。そして、このスートを適当
な材質からなる芯材の周囲に付着させる。次
に、芯材を抜いて、スートを加熱焼結して中空
部をつぶしプリフオームとする。あるいは、た
とえば石英のようなコアとなる芯材の周囲に同
様にスートを形成し、この芯材を抜かないで加
熱焼結してプリフオームをつくる。このような
外付CVD法によるグレーデツド型フアイバ
は、損失および帯域の面で内付CVD法に劣る
が、量産性に優れている。

３ 気相ベルヌーイ法によるグレーデツド形フア
イバ CVD法は外付内付いずれも、バーナを
移動させて芯材の長さ方向にスートを形成する
ものであり、プリフオームの長さは限界があつ
た。そこで、気相ベルヌーイ法が提案され、実
現されている。気相ベルヌーイ法では、たとえ
ば２つのバーナ（酸水素炎あるいはプラズマ）
を用い、一方は中心部に、他方はその周囲に配
置する。そして、中心部のためのバーナでは、
たとえばSiCl₄の原料ガスとたとえばGeCl₄のよ
うに屈折率をあげる添加剤のガスとを与え、周
囲のためのバーナには、たとえばBCl₃のよう
な屈折率を下げるための添加剤のガスを与え
る。すると、中心部にはGeO₂をドーパントす
るガラスが形成され、その周囲にはB₂O₃をド
ーパントするガラスが生成される。そして、こ
の生成されたものを順次引き上げることによつ
て、原理的には、無限の長さのプリフオームを
作ることができる。この気相ベルヌーイ法によ
るフアイバも、外付CVD法によるものと同様
に低損失性および広帯域性において内付CVD
法に劣るが、量産性に優る。

上述の３つの方法の他に、石英系フアイバの製
造方法としては、最も早くから知られたロツドイ
ンチユーブ法がある。このロツドインチユーブ法
では、クラツド層となる比較的屈折率の小さいガ
ラス管の中空部にコアとなる純石英ガラスをその
中心に挿入し、コラツプシングしてプリフオーム
をつくる。このようなロツドインチユーブ法で
は、従来、低損失のフアイバを得ることが困難
で、5dB／Km以下が要求される光通信用フアイバ
としては実用的ではなかつた。

そこで本発明者らは、先に、ロツドインチユー
ブ法を改良することによつて、損失を通信用とし
て要求された5dB／Km以下になしうる製造方法を
提案した。この提案された改良ロツドインチユー
ブ法によるフアイバが第１図に示される。すなわ
ち、この改良ロツドインチユーブ法は、サポート
層３として作用する屈折率ｎ３を有する石英管の
内壁に、先に説明した内付CVD法と同様にし
て、クラツド層２を形成する。そして、このクラ
ツド層２の形成は、屈折率を低くする添加剤をド
ープして、その屈折率をｎ２とする。その後、サ
ポート層３にクラツド層２が形成された状態で、
そのクラツド層２の内側に純石英からなるかつコ
〓〓〓
ア部１として作用するロツドを挿入する。そし
て、このコア部１は、比較的大きい屈折率ｎ１を
有する。ここで、第１図に示した屈折率プロフア
イルからもわかるように、コア部１の屈折率ｎ１
とサポート層３の屈折率ｎ３とは等しく、クラツ
ド層２の屈折率ｎ２はそれよりもさらに小さく所
定の屈折率差Δｎをもつようにされている。

上述のような本発明者らが先に開発した改良ロ
ツドインチユーブ法によれば、通信用フアイバと
して十分利用できる程度の低損失化が可能となつ
た。しかしながら、この改良ロツドインチユーブ
法は、その径方向に屈折率分布の均一平坦なコア
ロツドを挿入する方法のため、原理的には、ステ
ツプ型のフアイバである。そのため、それによつ
て得られるフアイバは低損失が実現されたとして
も、光通信用フアイバとしてさらに要求される広
帯域性に劣るという欠点をもつている。

第２図はステツプ型フアイバの損失と帯域の関
係をコアの屈折率とクラツドの屈折率との屈折率
差Δｎをパラメータとして表わしたグラフであ
る。曲線ＡはΔｎ＝0.012のものを示し、曲線Ｂ
はΔｎ＝0.010のものを示し、曲線ＣはΔｎ＝
0.008のものを示す。この第２図のグラフからも
わかるように、従来のロツドインチユーブ法によ
るフアイバでは、損失が7dB／Km以上であつたか
ら、60MHzの帯域が得られるけれども、損失が大
きいことによつて長距離伝送ができないので、そ
の伝送帯域が問題となることはなかつた。しかし
ながら、本発明者らが先に提案した改良ロツドイ
ンチユーブ法によれば、このようなステツプ型フ
アイバにおいてもきわめて低損失（たとえば
3dB／Km程度）のフアイバが得られるようになつ
た。このように、3dB／Km程度の低損失フアイバ
になれば、長距離伝送が十分可能になる。しかし
ながら、このようなステツプ型フアイバにおい
て、標準的な屈折率差Δｎ＝0.01のものでは伝送
帯域が30MHz／Km程度となり、帯域が狭いことが
問題となるのである。上述したように、実用的な
光通信用フアイバとしては、伝送特性の安定性を
考慮して屈折率差Δｎが0.008以上のもので、損
失は5dB／Km以下、またある基準の通信方法では
伝送帯域は60MHz・Km以上が要求される。しかし
ながら、従来のステツプ型フアイバでは、このよ
うな条件を満たし得なかつた。

それゆえに、この発明の主たる目的は、上述の
条件を満たしうる実用的な光通信用フアイバを提
供することである。

この発明の他の目的は、改良ロツドインチユー
ブ法をさらに改善して得られる構造寸法の均一性
および量産性にすぐれた実用的な光通信用フアイ
バを得ることである。

この発明のさらに他の目的は、このような光通
信用フアイバを製造する最適の製造方法を提供す
ることである。

この発明を要約すれば、純石英のコア主部を中
心として、該コア主部の周囲に同軸状に、Ge，
Ｐの少なくとも一種と、Ｂ，Ｆの少なくとも一種
がドープされた石英ガラスからなるコアの一部層
と、ＢおよびＦがドープされた石英ガラスからな
るクラツド層と、石英ガラスのサポート層とを順
次有し、コアの一部層は該コアの一部層の最内層
における屈折率の最大値が前記コア主部の屈折率
より小さくかつ外方から前記コア主部に向つて、
その屈折率が前記最大値まで漸増する屈折率勾配
を有する光通信用フアイバであり、 純石英管の中空部にけい素化合物のガスおよび
屈折率低下用添加剤のガスをキヤリアガスを介し
て送り、気相反応によつてクラツド層となるべき
第１のドープド石英層を形成し、前記第１のドー
プド石英層の形成された管の中空部にけい素化合
物のガスと屈折率制御用添加剤のガスとの混合ガ
スをキヤリアガスを介して送り、気相反応によつ
てコアの一部層となるべき第２のドープド石英層
を、当該層の屈折率の最大値が純石英の屈折率よ
り小さく、かつ外方から内方に向かうにつれて当
該層の屈折率が前記最大値まで漸増するように前
記混合ガスの割合を変えて形成し、前記第１およ
び第２のドープド石英層が形成された純石英管の
中空部にコア主部となる純石英のロツドを挿入
し、加熱して管とロツドの間に空隙を残さないよ
うに、両者を融合密着させて母材を得ることを特
徴とする光通信用フアイバの製造方法である。

この発明の上述の目的およびその他の目的と特
徴は図面を参照しておこなう以下の詳細な説明か
ら一層明らかとなろう。

第３図はこの発明の一実施例を示す径方向断面
図解図およびその屈折率プロフアイルを示す。こ
の第３図を参照して、まず、このようなフアイバ
〓〓〓
の製造方法について説明する。

最初に、屈折率n3＝1.4585の純石英から成り、
サポート層３として用いられる石英管（反応管）
を準備する。続いて、先に説明した内付CVD法
と同様にして、クラツド層２およびコアの一部層
１１となるべき層を、このサポート層３の内側に
形成する。クラツド層２の形成は、たとえばキヤ
リアガスとしてO₂を用い、原料ガスとしてSiCl₄
を用い、屈折率低下用添加剤ガスとしてBF₃を用
いる。そして、反応管の外方からたとえば酸水素
炎のようなバーナによつて加熱する。これに応じ
て、このサポート層３の内壁にはSiO₂＋B₂O₃＋
Ｆ（またはふつ素化合物）のガラス膜組成が形成
される。このようにして屈折率n2＝1.4485を有す
るクラツド層２が形成される。

なお、このクラツド層２の形成に際して、屈折
率を下げる添加剤としてBF₃を用いたが、これ
は、次のような理由による。従来の屈折率を下げ
る添加剤としては、BBr₃あるいはBCl₃等を用い
ていた。このような添加剤であれば屈折率を下げ
るドーパントとして作用するのはB₂O₃だけであ
る。したがつて、所定の屈折率差Δｎ＝0.008以
上とろうとすれば、ドーパントとしてのB₂O₃を
相当量（モル％でたとえば12ないし13％）必要と
する。したがつて、ガラスの物性が石英ガラスと
は大きく違つてくる。そのため、たとえばサポー
ト層３あるいはコア主部１のような純石英のガラ
スに対して膨張係数あるいは溶融粘度などが違つ
たものとなる。したがつて、フアイバとして構成
したときに割れやすいものとなり、加熱によりコ
ラプスする際断面形状が長円形になつたりする。
したがつて、このような機械的な強度および構造
寸法の均一性を考慮した上で従来のドーパント
B₂O₃だけを用いれば、現実には、屈折率差Δｎ
＝0.007までしか得られないものである。そこ
で、この発明では、屈折率低下用添加剤として
BF₃を用いる。ここでＦは屈折率を下げる効果が
大であると同時に、石英の膨張係数および溶融粘
度には殆んど関与しない。たとえば２重量％程度
でも十分な屈折率差Δｎ＝0.01程度をもつように
屈折率を下げることができる。換言すれば、屈折
率を下げるドーパントとして、従来のB₂O₃と新
らたなＦまたはふつ素化合物とによつて、屈折率
を下げる役目を分担することができる。また、大
きな屈折率の低下が得られるので光フアイバとし
て要求されるΔｎが大きくとれ、コア主部として
ドープされない純石英のロツドが使え、したがつ
て、その組成比を、このクラツド層の物性を純石
英のガラスにほぼ近似させて、しかも十分小さい
屈折率を得ることができ、コアにドープされない
純石英のロツドを使用しても光フアイバとして要
求される大きなΔｎが得られる。また、従来の
B₂O₃をドーパントしたものに比べて、この物性
の違いによる機械的強度および構造寸法の均一性
はより改善されたものとなる。実験的には、この
BF₃を用いれば、従来のΔｎ＝0.007のフアイバ
と同程度の強度とすれば、最大Δｎ＝0.014程度
とすることができる。

続いて、先にクラツド層２を構成したと同じよ
うなCVD法によつて、BF₃を屈折率制御用添加剤
として用いコアの一部層１１を形成する。このコ
アの一部層１１の形成においては、前のステツプ
でクラツド層２で屈折率ｎ２まで下げたと同じ量
の添加剤比からスタートする。そして、順次この
添加剤BF₃を少なくして、第３図に示す屈折率プ
ロフアイルのように、このコアの一部層１１の屈
折率を外方から中心に向うにつれて連続的に漸増
させ、コアの一部層１１の最内層において、コア
主部１の屈折率より小さい時点でその形成を停止
する。このとき、屈折率を大きくするために、単
に添加剤BF₃を少なくしていくとともに、逆に屈
折率を上げる添加剤たとえばPOCl₃あるいは
GeCl₃または両者を屈折率制御用添加剤ガスとし
て混ぜることにより、屈折率の変化を屈折率を下
げる添加剤だけを用いた場合に比べて微妙に調整
でき、ゆらぎのない連続的に変化するものとする
ことができる。この場合には、この一部層１１に
屈折率を上げるドーパントP₂O₅あるいはGeO₂等
が入る。さらに、クラツド層２を形成するために
は、添加剤としてBF₃を用いるようにしたが、こ
のコアの一部層１１を形成するためには、屈折率
を下げる添加剤として従来より用いられている
BCl₃あるいはBBr₃等を加えて用いてもよい。こ
のようにして、第３図に示すような屈折率のプロ
フアイルのクラツド層２およびコアの一部層１１
がサポート層３の内壁に順次形成される。

次に、コア主部１となるべきかつ屈折率n1＝
1.4585（＝n3）の純石英のロツドを挿入する。そ
〓〓〓
して、従来のロツドインチユーブ法においてなさ
れているように、コラツプシングし、加熱焼結し
てフアイバのプリフオームをつくる。

上述のような各ステツプによつて形成したプリ
フオームを線引によつて縮径した同一構成の光通
信用フアイバを得る。

この実施例からわかるように、この発明では、
コア主部１はその径方向に平坦な屈折率分布を有
し、かつその外周に形成されるコアの一部層１１
は、外方から内方に向うにつれて順次大きくなる
ような連続的屈折率勾配を有する。そのために、
従来のステツプ型フアイバでは得られなかつた広
帯域化が可能になる。さらに、原理的にはロツド
インチユーブ法法であるために、寸法精度が従来
のCVD法によるフアイバよりもきわめて良く、
かつその再現性が高い。また製造方法が簡単で設
備も廉価であるため、量産性に優れ、得られるフ
アイバのコストが安い。また、石英系のフアイバ
であるためにCVD法によるものと同程度の低損
失フアイバが得られる。ロツドインチユーブ法の
改良であるために、フアイバの外径とコア径との
比が小さいものから大きいものまでつくられ、シ
ングルモードあるいはマルチモードのいずれも適
用できるフアイバが得られる。

この発明では、第３図に示した基本的な実施例
以外にも、いろいろな変形例が考えられるが、以
下には第４図ないし第７図を参照してその変形実
施例について説明する。

第４図はこの発明の他の実施例の径方向断面図
解図とその屈折率プロフアイルを示す。この実施
例はコアの一部層１１の屈折率勾配が、第３図の
ものに比べて、クラツド層２の屈折率ｎ２からあ
る程度上がつたところから立ち上がつている点で
異なる。したがつて、このコアの一部層１１を形
成するためには、クラツド層２のために屈折率を
ｎ２まで下げたところから、屈折率を下げる添加
剤を急激に減らすか、あるいは屈折率を上げる添
加剤を急激に台きくしてから形成し始めればよ
い。

第５図はこの発明のさらに他の実施例の径方向
断面図解図とその屈折率プロフアイルを示す。こ
の実施例は、クラツド層２のサポート層３側に向
うにつれて順次大きくなるような屈折率勾配がつ
けられている点で異なる。このように、コア主部
１１に勾配をつけるとともにクラツド層２にも勾
配をつければ、さらに伝送帯域の改善が行なわれ
るとともに、このクラツド層２の物性を純石英ガ
ラスにより近づけることとなり、プリフオームが
割れにくいという利点がある。このように、クラ
ツド層２に屈折率勾配をつけるためには、この層
２を形成する際に、屈折率を下げる添加剤を順次
多くしてやればよい。

第６図はこの発明のその他の実施例の径方向断
面図解図とその屈折率プロフアイルを示す。この
実施例は、クラツド層２の屈折率がコアの一部層
１１の屈折率の最も低い値とし致しており、実質
的にはコアの一部層１１の屈折率勾配によつてク
ラツド層の性質を持たせるようにしたものであ
る。

以上のように、この発明によれば、改良された
ロツドインチユーブ法によつて、コアの一部層に
連続的な屈折率勾配を形成するようにしたため、
低損失でかつ広帯域な実用的な光通信用フアイバ
が得られる。

また、コアの一部層の屈折率の最大値がコアの
主部の屈折率よりも小さくされているので、コア
の一部層の屈折率の最大値をコアの主部の屈折率
と等しくしたものより製造が容易であり、かつ、
コアの一部層の屈折率勾配はクラツド層２を形成
するときに用いた添加剤BF₃を単に漸減させるだ
けでも得られ、屈折率を上げるための添加剤は用
いなくてもよい。

さらに、コアの一部層はコア主部に対してはク
ラツド、クラツド部に対してはコアの働きをし、
ステツプ型フアイバの特徴とグレイデツド型フア
イバの特徴を兼ねそなえた光通信用フアイバが得
られる。

本質的にはロツドインチユーブ法の改良である
ため比較的簡単な装置ないし制御で、このような
光通信用フアイバが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の背景となる改良ロツドイン
チユーブ法によるフアイバの径方向断面図解図と
その屈折率プロフアイルを示す。第２図は一般的
なステツプ型フアイバの損失と帯域の関係を屈折
率差Δｎをパラメータとして示したグラフであ
る。第３図ないし第６図は、それぞれ、この発明
の異なる実施例の径方向断面図解図とその屈折率
〓〓〓
プロフアイルを示すものである。 図において、１はコア主部、２はクラツド層、
３はサポート層、１１はコアの一部層である。 〓〓〓

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 純石英のコア主部と、 前記コア主部を中心として該コア主部上に形成
   されるGe，Ｐの少なくとも一種と、Ｂ，Ｆの少
   なくとも一種がドープされた石英ガラスからなる
   コアの一部層と、 前記コアの一部層上に形成されるＢおよびＦが
   ドープされた石英ガラスからなるクラツド層と、 前記クラツド層上に形成された石英ガラスから
   なるサポート層とを順次同軸上に有し、 前記コアの一部層は、該コアの一部層の最内層
   における屈折率の最大値が該コア主部の屈折率よ
   り小さくかつ外方から該コア主部に向かつてその
   屈折率が前記最大値まで漸増する屈折率勾配を有
   する光通信用フアイバ。 ２ 純石英管の中空部に、硅素化合物のガスおよ
   び屈折率低下用添加剤のガスをキヤリアガスを介
   して送り、気相反応によつてクラツド層となるべ
   き第１のドープド石英層を形成し、 前記第１のドープド石英層の形成された管の中
   空部に硅素化合物のガスと屈折率制御用添加剤の
   ガスとの混合ガスをキヤリアガスを介して送り、
   気相反応によつてコアの一部層となるべき第２の
   ドープド石英層を、当該層の屈折率の最大値が純
   石英の屈折率より小さく、かつ外方から内方に向
   かうにつれて、当該層の屈折率が前記最大値まで
   漸増するように順次混合ガスの割合を変えて形成
   し、 前記第１および第２のドープド石英層が形成さ
   れた純石英管の中空部にコア主部となる純石英の
   ロツドを挿入し、加熱して管とロツドの間に空隙
   を残さないように両者を融合密着させて母材を得
   ることを特徴とする、光通信用フアイバの製造方
   法。