JPS62256737A - 光フアイバ母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光ファイバの製造に利用する。特に、線引きに
より光ファイバとなる光ファイバ母材を製造する方法に
関し、さらに詳しくは、光ファイバ母材に光学的特性を
制御する金属をドーピングする方法に関する。

本発明により製造される光ファイバ母材は、通信用の光
ファイバや、レーザまたは光増幅器の活性素子を製造す
るための母材として適している。

〔（概要〕

本発明は光ファイバのガラス母材を製造する方法におい
て、 ガラスにドーピングする金属を供給する供給源として、
金属化合物を含浸させたスポンジを利用することにより
、 多種類の金属について所望の濃度のドーピングが行われ
た光ファイバ母材を製造することができるようにしたも
のである。

〔従来の技術〕

波長が８００〜１６００ｎｎ＋の範囲の光について、遠
距離通信用光信号の伝送に適するガラスによる光ファイ
バの使用技術が確立されている。また別の応用として、
例えばレーザ、光増幅器などの活性要素にガラス光ファ
イバを利用することが提案されている。この場合には、
光ファイバを作るための母材に高精度にドーパントを混
入する必要がある。

例えばネオジウム（Ｎｄ）のような希土類元素の酸化物
を光ファイバに添加すると、その光ファイバでレーザ発
振を生じさせることができる。

ガラス光ファイバは太い棒の形状をした光ファイバ母材
を線引きすることにより得られる。光ファイバ母材は、
その断面方向の組成勾配が設計されたとおりに正しくな
っている必要がある。光ファイバ母材を製造する標準的
な方法としては、ＭＣＶ　Ｄ　（ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｃ
ｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｕｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
、。

内部は法）等の、反応気体を化学変化させてガラス組成
物を堆積させる方法が知られている。ＭＣＶＤ工程では
、シリカ製管状基板の内側に例えば３ｉＣ１４およびＯ
ｔのような適当な反応気体を導入し、反応に適する温度
に加熱する。加熱する区域を基板管の長手方向に移動さ
せながら、その内部壁面に新しいガラス層を堆積させて
ゆく。多くの層、例えば２Ｏ〜３０層を繰り返し堆、積
させる。

各層の組成を個々に制御し、この母材により製造される
光ファイバの断面方向の組成を制御することができる。

十分な層を堆積させた後に、管状基板を中実化（コラッ
プス）して固体ロンド、すなわち光ファイバ母材に形成
する。この光ファイバ母材を線引きすることにより光フ
ァイバを製造することができる。

ＭＣＶＤ工程は、通常、室温で気化する反応物質を用い
て実行される。例えば、光ファイバの主要な構成物とな
るＳｉｎ、を得るための５ｉＣｆｆｉ。

および屈折率の調節に用いるＧｅＯ□を得るためのＱ　
ｅ　Ｃｌ　ａが用いられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、希土類元素の適当な揮発性化合物が得られない
ことから、ＭＣＶＤ工程において希土類元素を利用する
ことは困難である。雑誌「エレクトロニクスレターズＪ
　１９８５年８月１５日号Ｖｏｌ　２１、階１７におい
て、サザンプトン大学のプール、ペインおよびファーマ
ンは、その論文中に、約１０００℃に加熱したＮｄＣｌ
３によりＭＶＣＤ工程でネオジム（Ｎｄ）を導入するこ
とを記述している。これによれば、管状基板の入口近く
に無水ＮｄＣ１゜が堆積したとしている。しかし、その
領域は望ましい堆積領域の外側である。ネオジム（Ｎｄ
）が必要なときには、この堆積物を第二のバーナで適当
な温度、例えば１０００℃に加熱する必要がある（第一
のバーナは、ガラスが堆積した領域を移動して加熱する
）。

この技術は、光ファイバにネオジム（Ｎｄ）を含有させ
ることに対し効果的である。しかし、工程がきわめて不
安定であり、十分に制御できない欠点がある。

本発明は、以上の問題点を解決し、希土類金属を正確に
ドープするための不純物発生源を提供することを目的と
し、さらに、不純物が安定かつ正確にドープされた光フ
ァイバ母材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〕

本発明は、非反応性で固体の多孔性スポンジを用い、こ
のスポンジに一以上の金属化合物を含浸させたものを金
属化合物源として用いる。金属化合物としては、１００
℃以下の温度で揮発性を示すものが望ましく、例えばネ
オジム、エルビウム等の希土類金属の塩を用いる。使用
時には、上記スポンジをガラス堆積領域の上流に配置し
、このスポンジを加熱することにより反応物質の気流中
に含浸物を揮発させる。

このようなスポンジを製造するには、ＭＣＶＤ工程によ
り、シリカの軟化温度以下の温度で、管状基板の内側表
面に多孔質のシリカ層を成長させる。このスポンジを上
記金属化合物の溶液に浸し、その後にこのスポンジを乾
燥させる。

これにより得られた金属化合物を用いて光ファイバ母材
を製造するには、ガラス堆積領域の上流に異なる金属化
合物を含浸させた一以上のスポンジを配置し、これらの
スポンジを選択的に加熱する。

〔作　用〕

本発明により、反応物質の気流中に望ましい濃度でドー
パントを混入することができる。本発明は特にＭＣＶＤ
工程において利用するに適し、管状基板内のドーパント
濃度を適当に調節でき、例えば０．０１モル％程度の低
濃度にドーパントを混入できる。このスポンジ状の金属
化合物源は、シリカの軟化点以下の温度であれば１００
０℃あるいはそれ以上に加熱できる。したがって、多く
の金属化合物の供給源として利用できる。例えば、多く
の金属塩およびその他の金属化合物を用いて、１０００
℃で０．１　Ｔｏｒｒ以上の分圧を与えることができる
。

含浸させる物質としては塩化物が特に望ましい。

これは、塩化物が最も揮発性の高い塩であり、系内には
Ｓ　ｉ　Ｃｌ　ａ　、Ｇ　ｅ　Ｃｌ　４等の他の塩化物
が存在するからである。

スポンジの形状としては管状であることが最も望ましく
、さらには、揮発性の物質が管の内側に放出されるよう
に、外側が不浸透性であり、内側は多孔實であることが
望ましい。管状の形状にすることにより、反応気体を管
内にｉ！１遇させ、含浸物質をその通過気体中に蒸発さ
せることができる。

この構成により、ガラスの堆積に使用する反応気体に対
する影響を最小にすることができる。

スポンジを使用する前に、このスポンジに金属化合物を
含浸させる必要がある。含浸方法としては従来からの方
法を用いることができ、含浸させようとする物質の低表
面張力溶液に、溶液がすべての孔に浸透するまでスポン
ジを浸潤する。スポンジが飽和状態になった後に、この
スポンジを溶液から取り出して加熱により乾燥させる。

そのときの温度は例えば１２Ｏ℃から５００℃であり、
ヘリウム（１（ｅ）等の不活性気体で希釈した塩素の雰
囲気下で行うことが望ましい。塩素は乾燥を助ける作用
があり、含浸物が塩化物のときにはその含部分の分解を
防止する作用がある。

このようなスポンジを作るには、ＭＣＶＤ工程を用い、
適当な管状基板に多孔質の純粋なＳｉｎｇを堆積させる
。この方法により長い管状のスポンジを作製し、これに
金属化合物を含浸させた後に、例えば３０から６０に分
割する。これにより、一度だけ利用できる金属化合物源
が得られる。

本発明により光ファイバ母材を製造する場合には、複数
の希土類元素を添加できる。これは、複数のスポンジを
用い、それぞれに一種の希土類元素の塩を含浸させる。

一つのスポンジに複数種の塩の混合物を含浸させること
も可能であるが、その場合には、種々の物質の速度の制
御が制限される。

スポンジに含浸している金属化合物の量は、光ファイバ
母材のドーピング濃度を制御する主要な要因ではない。

その量はＭＣＶＤ工程で使用している間に次第に変化す
る。光ファイバのドープ量を制御する方法は、スポンジ
をかなり高温で加熱し、かなり高速に揮発させ、その揮
発の速度により制御される。すなわち、そのスポンジを
加熱する温度により濃度を制御することができ、加熱す
るタイミングにより、生成される光ファイバ母材の径方
向の濃度を制御できる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例について添付図面を用いて説明する
。図は、本発明実施例のＭＣＶＤ工程の要部を図式化し
て示したものである。

ＭＣＶＤ工程は、管状基板１０を図外のガラス旋盤によ
りゆっくり回転させながら実行する。この管状基板１０
の内部に反応気体、例えば、Ｓ　１Ｃｊ２ａ　＋Ｇｅ（
１！４＋Ｏ。

の混合物を通過させる。管状基板１０のうちの約２αの
長さの短い区域を火焔１１で加熱し、この部分を通過す
る反応気体を約１６００℃に加熱する。これにより、こ
の区域で塩素化合物が酸化物に並化し、火焔１１の下流
で堆積する。火焔１１の位置を移動させると、堆積物が
軟化して管状基板１０の内側表面に薄い層を形成する。

堆積ゾーン１４の上流には、基質管１０に供給源チャン
バ１５が形成されている。この供給源チャンバ１５には
、各種の希土類元素金属の塩化物を含浸させた３つの管
状のガラス製スポンジ１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃが設
けられている。これらのスポンジ１２Ａ、１２Ｂおよび
１２Ｃを加熱するために、それぞれ独立のバーナ１３Ａ
、１３Ｂ、１３Ｃが配置されている。

バーナ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃのひとつまたは複数を点
火することにより、それに対応する塩化物を反応気体中
に揮発させることができる。この揮発した塩化物が、そ
の後の工程で堆積するガラス層の中にドーパントとして
残留する。バーナ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが高温になる
ほど、希土類元素がより多く揮発する。

スポンジ１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃに加えて、供給源
チャンバ１５にはスペーサ・リング１６を含む。スポン
ジ１３とスペーサ・リング１５の外側径は、供給源チャ
ンバ１５に摺接嵌め込みできるように形成されている。

凸部１７はスポンジ１２が移動しないようにその動きを
制御する。凸部１７はスポンジ１２およびスペーサ・リ
ング１６が実装されてから後に形成される。

上述の技術を使用したひとつの実施例について説明する
。光ファイバ母材を製造する工程は、（Ｉ）ＭＣＶＤ工
程を用いて硬質管の内表面にスポンジ状のＳｉＯ□を堆
積させる工程、（ＩＴ）堆積したスポンジに金属化合物
を含浸させる工程、 （１）さらにＭＣＶＤ工程を用い、上記スポンジを用い
て単一モード光ファイバ母材を製造する工程 の三つの部分に大別される。これらの各工程について以
下に詳細に説明する。

（１）スポンジを作る工程 スポンジ層を堆積させる基板として、その外径が１８１
箇、内径が１５　＋ｕのシリカ管を用いた。実際にシリ
カを堆積させた試料は１０００ｍｍ長のものであり、ガ
ラス旋盤に接続するための延長部分が設けられている。

流量が６０ｍｊ２／分のＳ　ｉ　Ｃ１４と流量が１．５
Ｚ／分の酸素とを含む気流を使用して、この試料の内側
表面に１０層のＳｉＯ□を堆積させた。

温度は、 Ｓ　ｔｃｌａ　＋Ｑ２＝Ｓ　ｔｏ２＋２Ｃ１！２の反応
が生じるに十分な程度に高温であるが、堆積物が軟化す
る温度より低く設定する。最終的に得られたスポンジ層
は、その密度が約０．５　ｇ　／ｃｃであった。この試
料を延長部分から切り離した。

同様にして多数の試料を用意した。

（ＩＩ）スポンジに金属化合物を含浸させる工程含浸さ
せようとする金属化合物の０．１モル無水アルコール溶
液に、（Ｉ）で得られた試料を約２時間浸漬した。残液
を排水後に、この標本をオーブン内で約１時間９０℃で
乾燥させた。その後に２５ｍ１長に切断し、４０個のス
ポンジを得た。これらのスポンジの性質は均一であった
。これらのスポンジは一緒に作製されているので同等の
性質を示す傾向があり、必要ならば一つまたは二つを用
いて較正することもできる。この試料を次の工程で管状
基板に装着する。スポンジの外側は不浸透性であり、内
側は多孔質である。この実施例では、含浸させる化合物
として、Ｎ　ｄ　Ｃｌ　：Ｉ　　・６Ｈ２ＯとＥｒＣｊ
！、　　・６Ｈ２Ｏとの双方を別々に用いた。

（ＩＩＩ）光ファイバ母材を製造する工程ここでは、ス
ポンジを一個だけ用いる場合を例に説明する。−個のス
ポンジと一個のスペーサ・リングとを管状基板に取り付
けた。この管状基板はガラス旋盤に取り付けられている
。スポンジが一個なので、バーナも一個である。

この工程は、以下の段階を含む。

（ａ）　　乾燥 上述の（ＩＩ）の工程では、スポンジに結晶水を含む金
属化合物を含浸させているが、これをＨｅおよびＣ１ｔ
の気流中で半時間約４００　”Ｃに加熱することにより
除去する。Ｈｅの流速は１．５ｍβ／分、ＣＺ２の流速
は３００ｍβ／分とした。

ｆｂｌ　　エツチング 表面を洗浄するため、管状基板をフッ素でエツチングし
た。フッ素源としてＣＣＩＺ　Ｆ２を用い、１５０ｍ１
／分の流速の０２内に１６　ｍ２７分の速度で供給した
。この方法については、ＣＢ　２Ｏ８４９８８　Ａに記
述されている。

（Ｃ）　　タラフディング層の堆積（光ファイバのクラ
ッド層となる部分の堆積） ＰおよびＦがドープされた３４０層を１５Ｎにわたって
通常の方法で堆積させた。タラッディング層を堆積させ
た後、管状基板を塩素を含む雰囲気中で約５分加熱した
。Ｃ１２およびＨｅの流速は、４００℃においてそれぞ
れ３００ｍｊ！／分、１．５１／分とした。

ｄ）コア層の堆積（光ファイバのコアとなる部分の堆積
） ＧｅＯ□、Ｐおよび希土類金属がドープされたＳｉＣ２
の層によりコアを形成した。液体原料を次のような速度
で供給した。

ｍ１７分 ＳｉＣβ４５５ ＧｅＣｊ！４．　　　　　　　　　１２Ｐ　ＯＣＩ！：
ＩＯ，６ 酸素の供給速度は１．５１７分であり、スポンジを約９
００℃で加熱し、これにより希土類金属をドープした。

ｔｅｌ　　軟化および中実化 最後にコアを軟化させ、通常の方法により中実化（コラ
ップス）して光ファイバ母材を形成した。

この母材には目視できる散乱中心は存在しなかった。光
学的な検査の後に、この母材を公知の方法により光ファ
イバに線引きした。

以上の方法により、種々のガラス組成のコアにネオジム
（Ｎｄ）をドープした。コアの組成としては、ＧｅＯ２
が３〜４０モル％、Ｆ２Ｏ．が０〜２モル％のものを作
製した。

分析試験によりネオジム（Ｎｄ）がコア層にドープされ
ていることが確認された。吸収スペクトルおよび螢光ス
ペクトルは、リンの含有率に対してわずかに依存してい
た。

同様の方法により光ファイバ母材にエルビウム（Ｅｒ）
をドープし、 クラッドの型　　　　ＳｉＯ□／Ｐｚ０４／Ｆコアの型
　　　　　　ＳｉＣ２／　Ｇ　ｅ　Ｏ２コア径　　　　
　　　２．９　ｎｌ 屈折率差　　　　　　０．０３５ エルヒウム濃度１００　ｐ　ｐ　ｍないし１モル％の光
ファイバを製造した。

なお、高い放射密度を達成するためには、コア径が小さ
いほど都合がよい。屈折率差はクラッド層の屈折率とコ
ア層の屈折率との差であり、コア径が小さいときには屈
折率差を大きくとって１．５ないし１．６ｐｍの光を誘
導できるようにする必要がある。屈折率差を大きくする
には、Ｇｅｍ、の濃度を例えば３０〜４０％とする。

次に、上記方法により製造された光ファイバについての
応用試験の結果を説明する。

約１ｍの光ファイバの両端に反射率が９８％のミラーを
形成し、この光ファイバを波長８０４ｎｍの光で励起し
、約３ｍ−のパワーを吸収させた。これにより、１．５
４ｍの波長でレーザ活性が観測された。

約２ｍの光ファイバを用いて光増幅器としての試験を行
った。この光ファイバを波長６５６ｎｍ　、ＩＷの光で
励起したところ、１．５３５μｍの信号光に対して２２
ｄＢの利得が得られた。

本発明の光ファイバ母材の製造方法は、Ｍ　ＣＶＤ工程
を用いて製造される光ファイバ母材のどの層にドーピン
グする場合でも利用できる。例えば、クラッドの最も外
側の層にエネルギ吸収剤をドーピングする場合などにも
応用できる。また、ＭＣＶＤ工程以外の方法により光フ
ァイバ母材を製造する場合でも、金属化合物を含浸させ
たスポンジを金属化合物源として用いることにより、ガ
ラスを堆積させるための反応気体にその金属化合物を混
入することができ、これにより製造される光ファイバ母
材にその金属をドープできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、従来ドーピング
がきわめて困難とされていたガラス材料への希土類金属
のドーピングが可能になった。また、ドーパントの混入
量はスポンジを加熱する温度の調節により行うことがで
き、しかもこの温度を時間の経過にしたがって制御する
ことにより、生成される母材の径方向のドーパント混入
量を制御できる。したがってドーパント濃度の制御がい
ちしるしく容易かつ正確になる。本発明の方法によれば
光ファイバ母材、特に光ファイバの各層のドーパントの
濃度を正確に制御して所望の特性の母材および光ファイ
バを得ることができる。

本発明の方法により製造される光ファイバは、高い濃度
で、あるいは希土類金属のドーピングが行えるから、光
通信用に限らず広範囲の用途に利用できる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明実施例方法を説明する断面構造図で、図の左
から管状基板１０に加熱された混合気体が導入され、ス
ポンジ１２の部分を通過するときに、バーナ１３により
加熱されたスポンジ１２から揮発するドーピング用の金
属化合物がその気流の中に混入される様子を示す。 特許出願人代理人　　　　　　　。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応気体を化学変化させてガラス組成物を堆積さ
   せる工程により光ファイバ母材を製造する方法において
   、 一以上の金属化合物を上記工程に供給する供給源として
   、上記金属化合物が含浸され、不活性であり、固体であ
   り、多孔質であるスポンジを利用し、このスポンジを加
   熱することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
2. （２）スポンジがシリカにより形成された特許請求の範
   囲第（１）項に記載の方法。
3. （３）スポンジに含浸させた金属化合物は金属塩である
   特許請求の範囲第（１）項に記載の方法。
4. （４）金属塩はハロゲン化物である特許請求の範囲第（
   ３）項に記載の方法。
5. （５）ハロゲン化物は塩化物である、特許請求の範囲第
   （４）項に記載の方法。
6. （６）スポンジに含浸させた金属化合物は１００℃で不
   揮発性である特許請求の範囲第（１）項に記載の方法。
7. （７）スポンジに含浸させた金属化合物の金属は希土類
   である特許請求の範囲第（１）項に記載の方法。
8. （８）希土類金属はネオジム（Ｎｄ）またはエルビウム
   （Ｅｒ）である特許請求の範囲第（７）項に記載の方法
   。
9. （９）スポンジが管状である特許請求の範囲第（１）項
   に記載の方法。
10. （１０）スポンジの外側は不浸透性であり、内側は多孔
    質である特許請求の範囲第（９）項に記載の方法。
11. （１１）特許請求の範囲第（１０）項に記載の方法にお
    いて、そのスポンジを製造する方法は、ＭＣＶＤ工程に
    より、堆積するシリカの軟化温度以下の温度で管状基板
    の内側表面に多孔質のシリカ層を形成する方法であるこ
    とを特徴とする方法。
12. （１２）特許請求の範囲第（１１）項に記載の方法にお
    いて、ＭＣＶＤ工程による生成物のスポンジ状部分に上
    記含浸物の溶液を浸し、その後に乾燥させることを特徴
    とする方法。
13. （１３）溶液の溶剤がアルコールである特許請求の範囲
    第１項に記載の方法。
14. （１４）アルコールがエタノールである特許請求の範囲
    第１項に記載の方法。
15. （１５）溶液の溶質が ＮｄＣｌ＿３・６Ｈ＿２Ｏまたは ＥｒＣｌ＿３・ＣＨ＿２Ｏ の少なくとも一方である特許請求の範囲第（１２）項に
    記載の方法。
16. （１６）特許請求の範囲第（１）項に記載の方法におい
    て、管状基板の内側表面に堆積させた複数のガラス層を
    光ファイバ母材とする方法であり、異なる金属化合物を
    含浸させたスポンジが上記管状基板の上流側に複数個配
    置され、このスポンジが選択的に加熱されることを特徴
    とする方法。
17. （１７）選択的に加熱されるスポンジは、光ファイバの
    コア用またはクラッド用のドーパントに対応する金属化
    合物を含浸している特許請求の範囲第（１６）項に記載
    の方法。