JPS63185839A - 光フアイバの線引き方法 - 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 本発胡は、石英系光ファイバの線引き方法に関するもの
であり、さらに詳細には、コアガラスの軟化点温度Ｔｌ
　％クラッドガラスの軟化点温度Ｔ２の間にＴＩ＞Ｔ２
なる関係を有した光ファイバ用母材を線引きして低損失
の光ファイバを製造する方法に関する。

従来の技術 従来、石英系光ファイバでは屈折率制御用ドーパントと
して主にＧｅＯ□を用い、コア組成がＧｅｍ。

−８１０□、クラッド組成がＳｉＯ□である光ファイバ
が実用化されている。特に上記組成の単一モード光ファ
イバにおいては損失がＱ、　２ｄｂ／ｋｍの極低損失化
が達成されている。

ＧｅＯ□をコアにドープした光ファイバで低損失化を実
現するには、Ｇｅ○２濃度分布制御技術、コアとクラッ
ド界面との不整合除去技術、母材段階でのコア、クラッ
ドの寸法制御技術など母材製造工程における諸技術を確
立しなければならない。

光ファイバ用母材の製造方法であるＶＡＤ法においては
、前記諸技術がすでに確立され、非常に高品質な光ファ
イバ用母材が製造されている。

最終的な光ファイバは、上記母材を高温炉で加熱して細
径化する線引き工程によって製造される。

ＧｅＯ□−３ｉ○２をコアとし、ＳｉＯ２をクラッドと
する母材の線引き条件を検討したところ、炉内最高温度
が５ｉＯｚのクラッドの軟化点温度以上であれば線引き
が可能であり、線引き張力が２〜２００ｇの広い範囲で
低損失光ファイバが得られることがわかっている。すな
わち、ＧｅＯ□−３ｉ　Ｏ２をコアとし、ＳｉＯ２をク
ラッドとする光ファイバでは、前記の母材製造工程にお
ける諸技術を確立し、最適化することにより低損失光フ
ァイバが得られている。

ところで、石英系光ファイバの耐放射線特性、耐水素特
性などの環境特性は、ＧｅＯ□　ドープコア光ファイバ
よりドーパントを含まないＳｉＯ２　コア光ファイバの
方が優れている。また８１０２コア光ファイバでは、コ
ア材料固有のレーリー散乱係数がＧｅＯ２ＳｉＯ２ガラ
スより小さくなるため、ＧｅＯ□ドープコア光ファイバ
よりいっそうの低損失化が期待できる。

ＳｉＯ２をコアとする場合には、Ｓ　ＩＯ２よりも屈折
率を低下させるドーパントをクラッドに添加しなければ
ならない。このように５ｉ０２の屈折率を低下させるド
ーパントとしてはＦ（フッ素）、Ｂ（ホウ素）が有効で
あるがこと７が知られている。しかしながら、Ｂをドー
プした光ファイバ°は、分子振動による赤外吸収の短波
長領域への裾引きのため使用波長領域（１，３〜１．６
μｍ）での損失増加をもたらすので長距離通信用として
実用的ではない。従って、Ｆをクラッドにドープした光
ファイバ、すなわち５ｉ０２をコアとし、Ｆ　−３ｉ　
Ｏ□をクラッドとする光ファイバがより実用的な可能性
を有するとされている。

このＳｉＯ２をコアとし、Ｆ−５ｉＯ□をクラッドとす
る光ファイバの製造を多孔質母材製造工程とガラス化工
程から成るＶＡＤ法によって試みると、Ｆが多孔質母材
中のコアとクラッドとなるべき部分に均一にドープされ
てしまい、結果として５ｉＣｈ単独のコアが形成されな
いという問題があった。

そこで、本発明者らはＶＡＤ法による５ｉｎ２をコアと
し、Ｆ　−３ｉ　Ｏ□をクラッドとする光ファイバの製
造方法について検討を進め、Ｆの拡散制御技術、さらに
はＶＡＤ法による５ｉＯ７をコア、Ｆ−３ｉ　０２をク
ラッドとする光ファイバの製造方法を開発し、これらを
特願昭５９−１０６２１７号および特願昭６１−２５２
７２号に提案したものである。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、これらの特許出願で提案の方法に基づい
て、ステップ型のＳｉＯ□をコアとし、Ｆ−３１０２を
クラッドとする単一モード光ファイバ用母材を製造し、
低損失化の検討を進めたところ、ＳｉＯ□をコアとし、
Ｆ−３ｉＯ，をクラッドとする単一モード光ファイバで
は線引き条件によって得られた光ファイバのコアとクラ
ッドとの間の比屈折率差Δは、母材階段でのコアとクラ
ッドとの比屈折率差Δから大幅に変化する欠点を有して
いることが明らになった。

例えば、母材製造において５ｉ０２のコアとＦ−３ｉ○
２のクラッドとの比屈折率差Δが０．４５％の場合、線
引き条件によっては光ファイバでの比屈折率差Δは０，
２２％まで変化してしまう事実を見い出した。このため
単一モード光ファイバにとって重要な仕様であるカット
オフ波長λ。が初期設計値である１、２μｍから０．８
μｍまで変化してしまい、単一モード光ファイバの設計
が困難となるばかりでなく、最低損失となる波長１．５
μｍ帯で曲げ等による散乱損失により非常に大きな損失
増加が生じてしまう欠点がある。

本発明は、こうしたＳｉＯ□をコアとし、Ｆ　　５１０
２をクラッドとする光ファイバの如き、コアガラスの軟
化点温度Ｔ＋　とクラッドガラスの軟化点温度Ｔ２との
間にＴＩ＞Ｔ２なる関係を有した光ファイバ用母材から
線引きした光ファイバの欠点を解消し、該光ファイバ用
母材の初期設定値（比屈折率差、カットオフ波長）を光
ファイバ化した後まで保持する方法、ひいては低損失光
ファイバの実現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 本発明者らは、上記した従来技術の問題点を解決するた
め、光ファイバ母材の製造工程および線引き工程を詳細
に検討した結果、線引き工程において上記した従来技術
の問題が誘発されていること、より詳細には上記従来技
術の諸問題は線引き張力が主原因であることを見出した
。すなわち線引き時に加えた張力が光ファイバのコアに
残留することにより、比屈折率差が母材と光ファイバと
で変化し、これが光ファイバのカットオフ波長を変化さ
せることを解明し、本発明を完成するに至ったものであ
る。

すなわち、本発明に従うと、コアガラスの軟化点温度Ｔ
７、クラッドガラスの軟化点温度Ｔ２の間にＴＩ＞＋２
なる関係を有する石英系光ファイバ用母材を高温炉で加
熱すると同時に該母材を線引きして光ファイバを得る方
法であって、線引き時の張力を該母材の比屈折率差に応
じて調整して線引き後の光ファイバのコアの残留応力を
一定値以下とすることを特徴とする光ファイバの線引き
方法が提供される。

この線引き張力は、２乃至３０ｇの範囲で調整するのが
好ましい。

作用 まず本発明の方法の前提となる光ファイバのコアとクラ
ッドの線引きにおける挙動を説胡する。

光ファイバは線引き工程において母材を軟化点温度以上
もし、くはその近傍の温度まで加熱して線引きして得ら
れる。この際、線引きによりファイバに加えられる線引
き張力はコアとクラッドのうちの軟化点温度の高い方の
部分、すなわち母材線引き温度において高い粘性をもつ
部分で支えられる。

従来技術において実用化されているＧｅＯ２−８１０２
をコアとし、ＳｉＯ□をクラッドとする単一モード光フ
ァイバにおいて、コアの軟化点温度をＴ１、クラッドの
軟化点温度を＋２とすると、第２図ら）に示すように＋
２＞ＴＩの関係にある。第２図（ｂ）において、１はコ
ア、２はクラッドをそれぞれ示す。

第２図（ｂ）に示すような関係の軟化点温度をそれぞれ
有するコアおよびクラッドの光ファイバ母材では、線引
き後、まずクラッド２の粘度が高くなり、硬化するが、
コア１は依然低粘度を保持している。このとき、線引き
張力の大部分は軟化点温度が高いクラッド２で支えられ
た状態で冷却される。従って、ファイバ全体が硬化した
後もクラッド２には線引き張力に応じた大きな応力が残
留するが、ファイバ断面の中心部に配置されるコア１に
は引張り応力が加わらず、残留応力が生じない。

しかしながら、ＳｉＯ□をコアとし、Ｆ−３ｉＣｈをク
ラッドとする光ファイバでは、コア１の軟化点温度をＴ
１、クラッド２の軟化点温度を＋２とすると、第２図（
ａ）に示すようにＴＩ　＞７２の関係を有する。この場
合、線引き後、コア１が先に高粘度となり、硬化して、
大部分の割合で線引き張力はコア１に負担されることと
なる。従って、コア１に引張り応力が残留する。この残
留応力の大きさは線引き張力に対応し、線引き張力が大
きくなれば残留応力も大きくなる。

このようにコアに引張り応力が加わると、光弾性効果に
よってコアの屈折率が変化する。単一モード光ファイバ
のような細径のコアの場合、光弾性効果によるコアの屈
折率変化は次式で近似することができる。

Δｎ四Ｃδ２（１） ここで、Δｎはコアの屈折率の変化量、Ｃはコアの光弾
性定数、 δ２はコアに加わる引張り応力を示す。

５ｉ０２：＋７の場合、Ｃの値は−４，２Ｘ　１０−　
”　Ｐａ−’であり、（１）式からコアに引張り応力が
加わると、Δｎは負の値になることがわかる。すなわち
、線引き張力が大きくなると残留応力も大きくなり、さ
らに残留応力に応じて比屈折率差Δ（％）が減少し、こ
れにより初期設計のカットオフ波長λ。も変化してしま
うことになる。

コア直径あるいはコア形状が光ファイバ内で局部的にわ
ずかに変化している場合、コア、クラッドの軟化点温度
が第２図ｂ）に示したＴ２＞’ｒ、なる関係にあるＧｅ
０ｚ　　５ｉ０２：］コア５１０２クラツド光ファイバ
ではコアに対して引張り応力が加わらないため前記コア
部の非常に微少な変化による損失増加は生じないが、軟
化点温度が第２図（ａ）に示したＴ２＞Ｔ、の関係にあ
るＳｉＯ□コア、Ｆ　−３ｉ　０２クラツド光ファイバ
ではコア部に大きな引張り応力が加わるためコア部の微
少な変化が損失増加となって現われてくる。コアに加わ
る引張り応力は、例えば線引き張力を８５ｇとした場合
、前者では１ｋｇ／＋ｒ＋＋ｙ＋２以下（熱応力）であ
るのに対して、後者では７０〜８０ｋｇ／ｍｍ２の非常
に大きな値である。

以上のように′５Ｓｉｎ２をコアとし、Ｆ　　５１０２
をクラッドとする単一モード光ファイバでは、コア寸法
の微小変化やΔおよびλ。の変化などの原因によって使
用波長域である。１．３〜１．６μｍ帯の損失が増加し
、またこれらの現象はコアに加わる残留応力の大きさ、
具体的には線引き張力に依存していることを本発明者等
は見出し、本発明を完成したものである。

すなわち、本発明はコアとクラッドの軟化点温度が、第
２図（ａ）のようにＴ＋　＞Ｔ２の関係にある光ファイ
バ用母材の線引き工程において、コアとクラッド間の比
屈折率差Δ（換言すると、コアとクラッド間に屈折率差
を生じせしめるドーパントの添加量）に応じた最適線引
き張力値によって線引きを行い、これによって母材段階
での比屈折率および設計カットオフ波長が線引き後のフ
ァイバまで保持され、低損失化を実現したものである。

添付の図面を参照して本発明の方法の原理をさらに詳細
に説明する。第１図は、本発明の詳細な説明図である。

さらに詳細には第１図は、５ｉＯ７をコアとし、種々の
濃度のＦを含有するＦ−３ｉ○２をクラッドとする単一
モード光ファイバ用母材を線引きして光ファイバとする
に際し、線引き後の光ファイバの損失値が０．３ｄＢ／
に＋ｎとなる線引き張力値と光ファイバ母材の比屈折率
差との関係を示した図である。

第１図に示すグラフを用いて、所定の比屈折率差を有す
る母材を第１図で示す比屈折率差に対応する線引き張力
で線引きすると、損失が０．３ｄＢ／ｋｍの光ファイバ
が得られる。本発明の方法に従うと、母材の比屈折率差
より第１図から対応する線引き張力を読取り、この読取
った値以下の線引き張力値で線引きを行うと、光ファイ
バの損失を０．３ｄＢ／ｋｍ以下にできる。

上述したようにクラッドに添加されるＦの濃度が高いほ
ど、クラッドの屈折率が低下する。従って、クラッドに
添加されるＦの濃度が高いほど、光ファイバ母材の比屈
折率差が大きくなり、第１図から容易に理解できるよう
に、線引き張力の上限値は小さくなる。これに対して、
クラッドに添加されるＦの濃度が少ないほど、光ファイ
バ母材の比屈折率差が小さくなり、線引き張力の上限値
は大きくなる。

Ｆ　−３ｉ　Ｏ２ガラスは５Ｉ０２ガラスに比べて軟化
温度が低いことを前記したが、第１図を作成するのに用
いた各光ファイバのコアとクラッドの線引き時の挙動を
ガラス転移点（Ｔｇ）で比較して検討してみる。すなわ
ち、Ｆ　　５１０２およびＳｉＯ□のガラス転移点は軟
化点と相関性を有するので、ガラス転移点での検討結果
から軟化点に関連した特性の傾向を知ることができる。

５ｉＯｚ　コアのガラス転移点は１２００℃であり、比
屈折率差Δがそれぞれ０．１５％、０．２７％および０
．４５％であるファイバのＦ　　５１０２　クラッドは
ガラス転移点がそれぞれ約１０００℃、約８００℃およ
び約７００℃である。第１図から、このようにコアーク
ラッド間のガラス転移点の差が大きい光ファイバはど、
線引き後の光ファイバの損失増加を抑えるための線引き
張力の上限値が小さくなっているのがわかる。

すなわち、線引き時に加えられる張力がコアおよびクラ
ッドに与える応力の割合を考えると、クラッドの軟化点
温度（ガラス転移点の値に相対的に対応している）が高
い（コアの軟化点との差が小さい）ファイバはど、線引
き工程での硬化が早く、クラッドの応力分担率が大きく
なり、コアが負担する応力は小さくなる。従って、比屈
折率差Δが小さいファイバはどコアが負担する応力を一
定とした状態での線引き張力を大きくできる。第１図は
このようにコアに残留する応力が一定となるときの線引
き張力値を示したものである。

以下、実施例により本発明の詳細な説胡する。

しかしながらこれらの実施例は本発明の単なる例示であ
って、本発明の技術的範囲を何ら制限するものではない
。

実施例 それぞれ比屈折率差Δが０．４５％、０．２７％および
０．１５％の３種類のＳｉＯ□をコアとし、Ｆ　　５１
０２をクラッドとする単一モード光ファイバ用母材を製
造した。なお、これらの母材外径はいずれも２５ｍｍφ
であった。

これらの母材を高温炉を有した線引き装置によって線引
きした。線引きの際、炉の温度を調整してファイバの線
引き張力を変化させた。また、線引き速度は毎分６０ｍ
の一定速度とし、コアイノく化後直ちにシリコーン樹脂
を被覆した。このようにして種々の線引き張力で外径１
２５μｍφの単一モード光ファイバを各々５ｋｍ製造し
、損失−波長特性を測定した。

第３図に光ファイバの線引き張力と得られた光ファイバ
の損失値（波長１．５５μｍ）の関係を示す。

第３図より、損失値が０．３ｄＢ／ｋｍとなる張力は、
△＝０．４５％の母材の場合、８ｇ以下である。Δ＝０
．２７％の母材の場合１５ｇ以下、Δ＝０．１５％の母
材の場合３０ｇ以下であることがわかる。なお、Δ＝０
．１５％以下の比屈折率差では、ファイバの曲げによる
放射損失が生じて実用的なファイバ構造となしえない。

先に示した第１図はこの結果を示したものである。

従って第３図に示す結果から、５ｉ０２をコアとし、Ｆ
−３ｉ○２をクラッドとする単一モード光ファイバは３
０ｇ以下の張力で線引きを行うことにより低損失化が図
れることがわかる。なお、張力が２ｇ以下では線引きの
際ファイバ外径の変動が生じ始め、これによって損失が
増加することを確認した。

第３図には、比較のためすでに実用化されているＧｅＯ
２Ｓｈｏ□をコアとし、ＳｉＣ２をクラッドとする単一
モードファイバについての結果も併せて示した。この場
合には、張力が２００ｇ以下であれば低損失化を図るこ
とができ、カットオフ波長の張力依存性は無く、本発明
の方法を適用する必要がないことがわかる。

第４図（ａ）には上記の母材のうちのΔ＝０．４５％の
母材を代表してその屈折率分布を示し、第４図（ｂ）に
、この母材を張力８５ｇで線引きして得た光ファイバの
屈折率分布の変化を示した。このように本発明の範囲外
−の線引き張力で線引きを行うと、比屈折率差Δが０．
４５％から０．２２％に変化し所望の設計値を線引き後
に保持できないことがわかる。

第５図は、上記の母材のうちのΔ＝０．４５％の母材を
線引き張力を変えて線引きしたときに得られた光ファイ
バの比屈折率差の変化の実測値を示し、同時に本発明の
方法の適用対象外である、Ｇｅ０ｚ−３ｉＯ□をコア、
ＳｉＯ□をクラッドとする単一モード光ファイバついて
の結果も併記した。

さらに、第６図は、第５図に示した実験において得られ
たファイバのカットオフ波長の関係の実測値を示した図
である。

これらの第５図および第６図からΔ＝０．４５％のＳｉ
Ｏ□をコアとし、Ｆ　−３ｉ　Ｏ□をクラッドとする単
一モード光ファイバの線引きにおいて、張力が約１０ｇ
以上で比屈折率差およびカットオフ波長が変化し始めて
いるのがわかる。すなわち、線引き張力値に応じて残留
応力値が変化し、これにより比屈折率差Δさらにはカッ
トオフ波長λＣが変化する。これは第３図に示した損失
増加が始まる張力値と一致している。

一方、第５図、第６図には比較のだ必、Δ＝０．３５％
のＧｅＯ２−３ｉＯ２をコアとし、ＳｉＯ□をクラッド
とする単一モード光ファイバの結果も示しているが、こ
の場合には測定張力範囲では、比屈折率差及びカットオ
フ波長のいずれも張力依存性を示さず一定であり、これ
らの結果からも本発明の方法を適用する必要がないこと
がわかる。

なお、実施例の他に、コアにＡ１、Ｔｉ、　２ｒのうち
１種類をドープした、Ｆ　−３ｉ　Ｏ□クラッド光ファ
イバでも軟化点温度はＴｌ　　＞Ｔ２の関係にあり、こ
れらの場合でも線引き張力３０ｇ以下で低損失が図れる
。

発胡の効果 以上説明したように、本発明は、コアの軟化点温度Ｔ、
とクラッドの軟化点温度Ｔ２がＴｌ＞Ｔ−２なる関係を
有する光ファイバ用母材を線引きする際、に、母材の比
屈折率差に応じて線引き張力を決定することを特徴とす
る。この線引き張力は３０ｇ以下、好ましくは３０ｇ〜
２ｇの範囲とするのが好ましい。このようにして決定さ
れた線引き張力で線引きを行うことにより、母材段階で
の比屈折率差および設計カットオフ波長をファイバ化後
まで保持することができ、ひいては低損失光ファイバを
得ることができる。

特に本発明は、ＳｉＯ２をコアとし、Ｆ　−３ｉ　Ｏ，
をクラッドとする単一モード光ファイバの低損失化に絶
大な効果を発揮する。

なお、コア材料組成が径方向に分布し、かつ少な（とも
コア中心軸にそった領域のガラス組成の軟化点温度がク
ラッド部のガラス軟化点温度よりも高い場合についても
、本発明の方法の適用範囲内であることは議論をまたな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ＳｉＯ□をコアとし、Ｆ−３１０２をクラッ
ドとする光ファイバに所定の比屈折率差△を与える線引
き張力値を示すグラフであり、本発明の詳細な説明する
図でもあり、 第２図（ａ）は、本発明の方法の適用対象である、Ｓｉ
Ｏ□をコアとし、Ｆ　−Ｓｉ　０２をクラッドとする単
一モード光ファイバの軟化点温度を示した図であり、 第２図ら）は、本発明の方法の適用対象外である、Ｇｅ
０２−”５ｉ０２をコアとし、５ｉ０２をクラッドとす
る単一モード光ファイバの軟化点温度を示した図であり
、 第３図は、本発明の実施例で行った種々の比屈折率差の
光ファイバ母材を種々の線引き張力で線引きして得られ
た光ファイバの線引き張力と損失値の関係を示した図で
あり、本発明の方法の対象外のＧｅＯ２５ＩＯ７をコア
とし、５ｉｎ２をクラッドとする単一モード光ファイバ
母材の結果も併せて示し、 第４図（ａ）は、本発明の方法の適用対象である、Ｓｉ
Ｏ２をコアとし、Ｆ　−３ｉ　０２をクラッドとする単
一モード光ファイバの１例の母材段階での屈折率分布を
示し、第４図（５）は、第４図（ａ）の母材を本発明の
方法の範囲外である８５ｇの張力で線引きした後のファ
イバの比屈折率差を示した図であり、第５図は、本発明
の方法の適用対象である５ｉｎ２をコア、Ｆ−３ｉＯ２
をクラッドとする単一モード光ファイバと本発明の方法
の適用対象外である、ＧｅＯ２ＳｉＯ２をコア、ＳｉＯ
２をクラッドとする単一モード光ファイバのそれぞれつ
いて同一・の母材を用い、線引き張力を変えて線引きを
行ったときに得られた光ファイバの比屈折率差の実測値
を示した図であり、 第６図は、第５図において得られたファイバについて線
引き張力とカットオフ波長の関係の実測値を示した図で
ある。゛ （主な参照番号）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）コアガラスの軟化点温度Ｔ＿１、クラッドガラス
   の軟化点濃度Ｔ＿２の間にＴ＿１＞Ｔ＿２なる関係を有
   する石英系光ファイバ用母材を高温炉で加熱すると同時
   に該母材を線引きして光ファイバを得る方法であって、
   線引き時の張力を該母材の比屈折率差に応じて調整して
   線引き後の光ファイバのコアの残留応力を一定値以下と
   することを特徴とする光ファイバの線引き方法。
2. （２）線引き張力を２乃至３０ｇの範囲内で調整するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光ファイ
   バの線引き方法。
3. （３）上記石英系光ファイバ用母材のコアがＳｉＯ＿２
   で、クラッドがＦ−ＳｉＯ＿２であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項または第２項のいずれか１項に記
   載の光ファイバの線引き方法。