JPS632828A - 中空コア光ファイバ−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ー（あるいは先導波路）、さらに詳
しくは中空コア光ファイバーの製造方法に関する。

［従来の技術］ 従来の光ファイバーはガラスより成るクラッド層によっ
て囲まれたガラス・コアより成る。

コアの屈折率をＮ１、クラッド材料のそれをＮ２である
として、もしＮ　１　＞Ｎ　２なる関係が満足される場
合は、ファイバーに入る光線は、入射角が一定の臨界値
を越える時、完全に内面で反射される。光はコアに捕捉
され、ファイバーを通って遠方まで伝送され、この際伝
送損失は僅少である。

光線系月光ファイバーは現在のところ、Ｇｅｍ２（二酸
化ゲルマニウム）等のドープ剤を含むシリカガラスで造
られている。ドープ剤はガラスの屈折率をある程度変化
させる。ファイバー・コアにドープ剤を添加して、その
屈折率をこれをとり囲むクラッド材料の屈折率より大な
らしめることによって、多くの種類の材料が伝送損失を
増加させることなく光ファイバーの製造に利用できる。

光ファイバーの伝送損失を最小にするには多くの異った
技術が提案されている。伝送損失はガラスに固有の散乱
および吸収、不純物吸収、クラッド材料損失、コア／ク
ラッドの不備及び幾何学的損失に基づく。不純物吸収に
よる損失はガラス中における遷移金属イオンおよびＯＨ
群によって生じる。散乱損失はファイバー・コアにおけ
る気泡、微小割れおよび岩屑（デブリス）等の混在なら
びに組成および密度の変動に基づく。クラッド材料損失
はコアとクラッドとの界面が不完全なことによって生じ
る。幾何学的損失はファイバーに曲り目があることに基
づき、開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｐｅｒｔｕｒｅ
）の逆関数である。

クローン（Ｋｒｏｈｎ）等による米国特許第４１６３６
５４号には二重るつぼ法及び化学的蒸着法（ＣＶＤ）を
含む種々の光フアイバー製造法が記されている。これ等
の方法は一般的に光ファイバーの製造におけるガラス組
成の選択を著しく制限しているファイバー製造法に固有
な問題のいくつかを克服することを目的とする。マクラ
ッド（Ｍａｋｌａｄ）の米国特許第４３７２７６７号は
上記の伝送損失を克服するか、あるいは少なくとも最小
ならしめると共に、改良された屈折率分布（１ｎｄｅｘ
　ｐｒｏｆｉｌｅ）を有する低伝送損失の光ファイバー
の製造に好適な方法を開示している。

ＣＯｘガス・レーザーはスペクトルの赤外線帯域の光を
放射し、その高効率で且つ比較的低価格であることに基
いてレーザー加工に広く用いられている。日高等は米国
特許第４４５３８０３号においてクラッド組成物として
Ｇｅｍ、・Ｚｎ０４２０を用いる中空コア光ファイバー
は赤外線帯域における光を効果的に伝送することが可能
であり、従って最低の伝送損失で６０２レーザーに用い
得ることを開示している。空気コア（その屈折率はほぼ
１に等しい）が屈折率が１より小さいガラスによって囲
まれると、真の先導波路が形成される。伝送損失を最低
にすることが可能であリ、ファイバーはガラスに添加す
べき添加剤および安定化成分の量を適当に調整すること
によって使用すべき光の波長に特に適合させることがで
きる。

中空コア・ファイバーは多くの利点を有する。即ち、 ｌ）　光ファイバーは、そのコアが中空であるために、
高エネルギー光線の伝送に当ってすぐれた耐久性を持ち
、すぐれた機成的、熱的および化学的安定性を示す。

２）　ファイバーは安定なガラス酸化物からつくられる
から、品質の劣化を示すことがなく、潮解および不純物
の侵入に基づく伝送損失も示さない。

３）　コアが中空であるから、ファイバーはその中空、
コアを通じて冷却用空気を通過させることによって強制
的に空気冷却することができる。

多くのガラス組成物は溶融シリカよりも機械的に弱く、
かつ湿気に侵されやすい。溶融シリカ以外のガラス組成
物は、ファイバーが弾力性であるという利点はあるが、
上記の欠点のだのに工業用および医療用中空コア・ファ
イバーの製造にあまり適当でない。日高（上述）は純Ｇ
ｅｍ２ガラスは、この材料からつくった中空コア光ファ
イバーが波数７６５　ｃｍ−’において最少の伝送損失
を示すことを明らかにした。Ｃ０２レーザーは波数９４
０　ｃａｂ−’の光を伝送する。この波数は純Ｇｅｍ、
にアルカリ金属酸化物（例えばに２０）を加えることに
よって調整できるが、に２０だけをある限度以上添加す
るとガラスは潮解を呈し、その使用性を阻害する。した
がってガラスの潮解を防ぐために、第三成分として同時
に他の酸化物（ＺｎＯ，Ｂａｄ、　　あるいはＺｒＯ□
）を添加する。その結果得られる中空コア光ファイバー
は今や波数の極大値が９７５　ｃｍ−’乃至９００　ｃ
ｍ−’の中間赤外線帯域の光線を伝送し、その伝送損失
は波数９４０ＣＩ１１−１において０．２ｄｂ／Ｍを超
えることはない。

［発明の目的］ 本発明の主な目的は中空コア光ファイバーの製造方法を
提供するにある。さらに詳しくは本発明は赤外線帯域の
光を伝送し得る低伝送損失の中空コア光ファイバーの製
造方法を提供するにある。

本発明の第二の目的は赤外線伝送に実際的に適合した改
良された屈折率分布を備えた低伝送損失の中空コア光フ
ァイバーの製造方法を提供するにある。

本発明のいま一つの目的は弾力性に冨み、工業および医
学の応用に適当な低伝送損失の中空コア光ファイバーの
製造方法を提供するにある。

本発明のこれ等の、あるいはその他の目的は当業者には
本発明明細書および添付図面によって明白であろう。

［問題点を解決するための手段］ 本発明に係る中空コア光ファイバーの製造は次の３つの
順次する工程から成る。

（１）所望の組成のクラッド用ガラス棒とガラス管とを
、該ガラス棒が該ガラス管の内表面に線接触する状態を
保って、連続的に高温炉内へ送入する工程。

なお、該ガラス棒のガラス転穆温度は該ガラス管のガラ
ス転穆温度より実質的に低温である。

（２）該ガラス棒および該ガラス管が炉の高温部に入る
と、ガラス棒組成物をガラス管内壁上に均一に分布せし
める工程。

なお、ガラス棒の直径とガラス管の内径との比および引
抜き温度は、ガラス管の内表面上のガラス・クラッドの
被覆厚さを決定する。

（３）上記の如く被覆されたガラス管について炉の高温
部最高温度点を通過せしめ、光ファイバーを引抜き加工
する工程。

なお、ガラス棒ならびにガラス管の炉への送入速度、ガ
ラス棒ならびにガラス管の引抜き温度および被覆された
ガラス管の引抜籾速度を調整することにより、所望の内
径および外径を有する中空コア光ファイバーを得ること
ができる。

［作　用］ 本発明に係る光ファイバーの製造方法は、光ファイバー
の引抜き工程中に、高シリカ・ファイバー管の内面を、
赤外線の誘導に必要なりラッド用ガラス組成物で被覆し
て、レーザー伝送用の低伝送損失中空コア光ファイバー
を得るものである。

そして、外側のガラス管はファイバーを機械的に補強し
、又化学的に安定ならしめる。ガラス棒とガラス管との
熱膨張の差違を減少させるために、組成変更化学的蒸着
法（Ｍ（：Ｖθ）を利用して組成漸変シール（ｇｒａｄ
ｅｄ　５ｅａｌ）を形成する。

本発明は赤外線ＣＯ２および種々のレーザーを用いる低
伝送損失中空コア光学ファイバーの製造に好適である。

［実施例］ 次に添付図面に従って本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図及び第２図において１０は望ましい耐熱ガラス材
料（即ち高温に耐え、かっ潮解に抵抗性がある材料）か
ら成るガラス管である。商業的に求め得る高純度の溶融
シリカあるいは高シリカ・ホウケイ酸ナトリウム材料（
例えばバイコール（Ｖｙｃｏｒ）　）が用い得る。

ガラス管１０の内壁に接してクラッド用ガラス棒１２を
挿入する。以下クラッドとはシリカ材料より成る管を基
板（５ｕｂｓｔｒａｔｅ）とし、その内壁への被覆を意
味する。次いでガラス棒とガラス管から成る複合体を高
温炉１３に入れて中空コア・ファイバー管化物きを行な
う。炉の高温帯の温度プロファイル（温度分布状態）は
第２図の左方に示すとおりで、その最高温度点は発熱体
の中央中心付近にある。なお温度プロファイルは上方に
向ってゆるやかである。炉の発熱には例えばグラファイ
ト抵抗体加熱、誘導加熱および／またはレーザー加熱が
用い得る。

ガラス棒は加熱帯に入ると軟化し、管の内壁に付着する
と共に次第に管壁上を拡がって行く、その状態は第２図
のａ〜ｄに断面で示したとおりである。温度が上昇する
に従ってガラスの粘度は低下してガラス管の内壁上を拡
がり、結局第２図のｄに示すとおり該内壁を完全に覆う
ことになり、この被膜の厚さは、はぼ−定である。被覆
管は炉内を通過するに従って次第に細くなり、ついに第
１図の１４あるいは第２図のｄに示すように所望の直径
となる。

引ぎ延ばされたファイバーは作業系航中弾力性のあるプ
ラスチックで被覆してシリカより成る外部表面の強度を
保護することができる。

ガラス被覆過程はガラス管上におけるガラスの棒の粘度
とぬれ角なる二つの因子によって制御される。粘度に基
づく力は表面張力の力に打ちがち、薄膜となりてガラス
管の内部表面の全領域を木質的にぬらすことができる。

−方ガラス棒が溶融すると、薄膜の形で母材であるガラ
ス管をその長さの方向に沿って完全にぬらし、この様に
して容易に高純度の透明ガラスが形成される。

温度もまたガラス被覆過程に影響がある。温度が上昇す
るとガラスの粘度および表面張力が低下し、これがガラ
ス管内部表面における被覆の均一な拡がりを助長する。

ガラス棒とガラス管表面の間の接触角の小さいことが両
者間における組成の調和性および表面張力の低下を示す
。

被膜の厚さはガラス棒の直径、ガラス管の内径、耐熱性
ガラス管の種類および引抜き温度によって調整される。

被膜の厚さは管および棒の断面積から幾何学的に計算で
きる。最終製品における被膜と管との断面積の比は出発
材料における棒と管との断面積の比に等しい。温度を上
げると管の内径と外径との比が小となり、終局的には管
がつまって融解物のプールをつくるが本発明の目的に対
してはこのことは望ましくない。融解物の滞留プールの
生成および管の崩壊を避けるにはファイバーの引き抜き
温度を出来るだけ低く保つべきである。この温度は１０
６乃至１０６ボアズ（ポアズは粘度の単位であり、１ポ
アズ＝　１　ｘ　１０−’　Ｎ−５ｅｃ／ｍ２＝　１　
ｘ　１０−’Ｐａ−５である。）の粘度に対応し、シリ
カの場合は約１８００℃乃至２０００℃、望ましくは１
９００℃に相当し、ホウケイ酸ガラス（バイコール）の
場合は１６００℃乃至１９００℃、望ましくは１８５０
−ｒｃである。被膜の厚さの一定を確保するためにはガ
ラス棒の粘度を１０２乃至１０３ポアズとすべぎであり
、これはクラッド材料組成物については９００℃に相当
する。ガラス棒とガラス管のガラス転移温度における粘
度の差はこの方法の臨界的なパラメーターであり、この
差は少なくとも１０１乃至１０２ポアズあるいは望まし
くは１０４ポアズ以上とすべきである０本発明において
はシリカガラス管の転移温度（Ｔｇ）は１０５０℃であ
り、ホウケイ酸ガラスのそれは９５０℃である。、８０
％Ｇｅｍ２．１０％に２０゜１０％ＺｎＯ（下記参照）
より成るガラス棒のＴｇは４８９℃である。即ちこの場
合における双方のガラスのＴｇの差は４６１℃である。

ガラス棒とガラス管におけるＴｇの差は少なくとも２０
０℃以上であるべきである。

適当なガラス棒の組成の一例は８０％Ｇｅｍ、。

１０％に２０．１０％ＺｎＯである。比率はすべてモル
％である。このガラスの熱膨張係数は８９ｘ　１０−’
　ｃｍ／ｃｍ℃であり、その軟化点は５９８℃である。

シリカ・ガラス管材料の熱膨張係数は５　ｘ　１０−’
　ｃｍ／ｃｗｔであり、その軟化点は１５８０℃である
。バイコールもまたガラス管母材として用い得る。その
熱膨張係数はＢ　Ｘ　１０−’ｃｍ／ｃｍ　’Ｃで、ま
たその軟化点は１５００℃である。

上記の被膜とガラス管（シリカあるいは硼珪酸塩）との
間に存在する熱膨脹の差違を減少させるために、引抜き
過程に先立って組成変更化学的蒸着法（ＭＣＶＤ）を利
用して組成漸変シール（ｇｒａｄｅｄ　５ｅａｌ）を行
なう、被覆層をガラス管の内壁に層状に堆積させること
により成る組成漸変シールによって本発明の場合のよう
にガラス棒とガラス管との間に大きい熱膨脹の差違があ
るときに生じる困難を除去することができる。

組成漸変シールを行なわないと、できたファイバーは不
安定でひずみが著しく、ひび割れを起しやすい。

即ち本発明においてはマクラッド（Ｍａｋｌａｄ）によ
って米国特許第４３７２７６７号に開示されたＭＣＶＤ
法を適用して、ガラス管（シリカガラスより成る）を回
転ガラス旋盤にとりつけ、加熱往復台によってこれを高
温に加熱する。加熱往復台はガラス管の長さの方向に移
動し、これに従って管の内壁上に組成漸変シール層が堆
積される。成分ハロゲン化物はマスフロー調整器（流量
調整器）を用いて調節される。即ち熱と酸素の存在によ
フて成分に含まれるハロゲン化物は酸化されて、それぞ
れその酸化物となり、この酸化物は融解してガラス管上
にガラス被膜を形成する。ガラス管上に多くの層として
堆積させることより成る組成漸変シールは硼珪酸塩より
成り、生成層におけるホウ素含量は５乃至２０％と変化
する。

その結果得られる中空コア・ファイバーの内径および外
径は引抜ぎの速度および温度によって調整できる。引抜
き速度が一定であると、内径と外径との比は温度の上昇
とともに減少して終にはゼロに達するが、この場合は中
空コアは生成しなくなる。したがって引抜き温度は上記
の範囲内に保たなければならない。

−方、中空コア・ファイバーの寸法を一定にするために
、引抜き過程中ガラス管の内圧を正に保つことができる
。これは中空コアを通じて空気を通過させることによっ
て達成できる。空気流が多い程、管内の圧力は増加する
。

引抜き過程における中空コア・ファイバーの寸法は次の
三つの因子によって決定される。即ちガラス棒とガラス
管の炉への送入速度、ファイバーの引抜き速度および引
抜ぎ温度である。

中空コア・ファイバーの引抜き速度は棒および管の送入
速度の増加ならびに温度の上昇によって増加できる。

この実施例ではＭＣＶＤ法を用いてシリカガラス管１０
の内面にホウケイ酸塩より成る組成漸変シールを堆積さ
せたが、組成漸変シールにはゲルマノケイ酸塩等も用い
得る。

上記の実施例は波長１０．６μｍの光を伝送するＣＯ２
レーザー用の中空光ファイバーの製造に関するものであ
る。本発明においては他のガラス組成物を用いて他の波
長の光を伝送するレーザー用の中空光ファイバーを製造
することもできる。その例は次の第１表のとおりである
。

第１表 二酸化炭素　　１０．６　　８０零Ｇｅｏ２．１０零に
ｚＯ，１峙Ｚｎ。

二酸化炭素　　１０．６　　　　　Ｇｅ０ｚ　（１００
！ｋ）−酸化炭素　　５〜７　　　５ｉＯｚ　（１００
％）フッ化ベリリウム　　　　３．６〜４　　　　　　
　　ＢｅＦ２（１００４ｋ）上記の実施例は本発明の実
施態様を示すものである。本明細書の記載に基づいて、
特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の追加、省
略及び変更を行い得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図は本発明における中空光ファイバーの製造に用い
る高温炉および材料の縦断面を示す概略図、第２図は該
材料が炉を通過して目的とする中空コア光ファイバーに
引き延ばされる場合における温度分布及びファイバーの
横断面の変化を示す図である。ここで、第２ａ、２ｂ。 ２ｃ、２ａ図はそれぞれ、第２図中の２ａ。 ２ｂ、２ｃ、２ｄにおけるファイバーの横断面図である
。 １０・・・ガラス棒 １２・・・クラッド用ガラス棒 １３・・・高温炉

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所望の組成のクラッド用ガラス棒と、該ガラス棒の
   ガラス転移温度より実質的にガラス転移温度が高く、か
   つクラッド被覆の基板となるガラス管とを、該ガラス棒
   が該ガラス管の内表面に線接触する状態を保って、連続
   的に高温炉内へ送入し、 該ガラス棒を軟化せしめ、該ガラス管の内壁にわたって
   広がらしめ、該ガラス管の内壁を完全に被覆せしめる温
   度に該ガラス管および該ガラス棒を加熱し、 上記の如く被覆されたガラス管について炉の高温部最高
   温度点を通過させ、続いて、 該被覆されたガラス管を引抜く工程から成り、 該ガラス棒および該ガラス管の炉への送入速度、該ガラ
   ス棒および該ガラス管の引抜き温度ならびに該ガラス棒
   および該ガラス管の引抜き速度は、所望の内径および外
   径を持った中空光ファイバーを得るように設定される中
   空コア光ファイバーの製造方法。 ２、被覆工程および引抜き工程に先立ち、ガラス管はそ
   の内壁に組成漸変シールが堆積されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の中空コア光ファイバ
   ーの製造方法。 ３、組成漸変シールはホウケイ酸塩より成る特許請求の
   範囲第２項に記載の中空コア光ファイバーの製造方法。 ４、組成漸変シールはゲルマノケイ酸塩より成る特許請
   求の範囲第２項に記載の中空コア光ファイバーの製造方
   法。 ５、組成漸変シールは多成分多層ガラスより成る特許請
   求の範囲第２項に記載の中空コア光ファイバーの製造方
   法。 ６、ガラス管のガラス転移温度がガラス棒のガラス転移
   温度より少なくとも２００℃高いことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の中空コア光ファイバーの製造
   方法。 ７、クラッド用ガラス棒が８０モル％二酸化ゲルマニウ
   ム、１０モル％酸化カリウム及び １０モル％酸化亜鉛より成る特許請求の範囲第１項に記
   載の中空コア光ファイバーの製造方法。 ８、クラッド用ガラス棒が二酸化ゲルマニウムより成る
   特許請求の範囲第１項に記載の中空コア光ファイバーの
   製造方法。 ９、クラッド用ガラス棒が二酸化ケイ素より成る特許請
   求の範囲第１項に記載の中空コア光ファイバーの製造方
   法。 １０、クラッド用ガラス棒がフッ化ベリリウムより成る
   特許請求の範囲第１項に記載の中空コア光ファイバーの
   製造方法。