WO2014119559A1 - 光ファイバ母材及び光ファイバ母材製造方法 - Google Patents

光ファイバ母材及び光ファイバ母材製造方法 Download PDF

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欣章 田村
春名　徹也
平野　正晃
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住友電気工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber preform and an optical fiber preform manufacturing method.
  • JP2005-37210A (patent document 1), US2006 / 0130530A (patent document 2), JP2007-504080A, JP2008-536190A, JP2010-501894A, JP2009-541796A, JP2010-526749A, WO98 / 002389, US5146534B are alkali metal elements
  • a silica-based optical fiber in which is added to the core is described.
  • the viscosity of the core portion can be lowered when the optical fiber preform is drawn, and the relaxation of the silica glass network structure proceeds. It is said that transmission loss of optical fibers can be reduced.
  • Patent Documents 1 and 2 describe a diffusion method as a method of adding an alkali metal element to silica glass.
  • the diffusion method heats the pipe with an external heat source or generates plasma in the pipe while introducing the raw material vapor obtained by heating the alkali metal or alkali metal salt as the raw material into the silica glass pipe.
  • the alkali metal element is diffused and added to the inner surface of the silica glass pipe.
  • the silica glass pipe is heated to reduce the diameter. After the diameter reduction, a certain thickness of the inner surface of the silica glass pipe is etched for the purpose of removing transition metal elements such as Ni and Fe which are added simultaneously with the addition of the alkali metal element. Since the alkali metal element diffuses faster than the transition metal element, the alkali metal element can remain even if the transition metal element is removed by etching the glass surface with a certain thickness.
  • the glass pipe After etching, the glass pipe is heated and solidified to produce a rod added with an alkali metal element (core portion of the optical fiber preform).
  • An optical fiber preform is manufactured by applying glass to be a cladding part having a refractive index lower than that of the core part to the outside of the core part. And an optical fiber can be manufactured by drawing this optical fiber preform by a known method.
  • An object of the present invention is to provide an optical fiber preform that can be a low-loss optical fiber by drawing and a method that can manufacture such an optical fiber preform.
  • An optical fiber preform including a core portion and a cladding portion, wherein the core portion includes an alkali metal element, and oxygen molecules contained in the glass in a part or all of a region having an alkali metal atom concentration of 100 atomic ppm or more.
  • An optical fiber preform is provided in which the concentration of oxygen is 30 mol ppb or more and 200 mol ppb or less and the concentration of oxygen molecules contained in the glass is 10 mol ⁇ ppb or less in a region where the alkali metal atom concentration is 50 atomic ppm or less.
  • the maximum concentration of alkali metal atoms is 500 atomic ppm or more, and the concentration of oxygen molecules contained in part or all of the glass in the region where the alkali metal atom concentration is 500 atomic ppm or more is 30 mol. It is preferable that it is ppb or more and 200 mol ⁇ ppb or less.
  • the core portion is preferably made of glass containing no Ge, and the relative refractive index difference based on pure silica glass is preferably in the range of ⁇ 0.1% to + 1.0%.
  • the alkali metal atom concentration is preferably 4,000 atomic ppm or less.
  • the Cl concentration in the core is preferably 500 atomic ppm or less.
  • the core part preferably includes a first core part to which an alkali metal element is added and a second core part having a Cl concentration of 10,000 ppm or more on the outer periphery of the first core part. Further, the average potassium (K) concentration of the entire core portion is preferably 5 to 100 atomic ppm, and most preferably 10 to 30 atomic ppm.
  • a method for producing an optical fiber preform of the present invention wherein the partial pressure of oxygen in a silica glass pipe containing alkali metal atoms having an average concentration of 5 atomic ppm or more is 1 kPa or more and 80 kPa or less.
  • the silica glass pipe is heated to an external heat source to a temperature of 1,600 ° C or higher and crushed to create a core part, and the cladding part has a smaller refractive index around the core part than the core part.
  • the solidification it is preferable to carry out the solidification in a state where the internal pressure of the silica glass pipe is kept at 10 kPa or more and 80 kPa or less. Further, it is preferable to carry out the solidification in a state where a gas obtained by mixing an inert gas having a flow rate of 0.25 times to 100 times the oxygen flow rate with oxygen is supplied into the silica glass pipe.
  • the optical fiber preform of the present invention can be a low-loss optical fiber by being drawn. Moreover, the optical fiber preform manufacturing method of the present invention can manufacture such an optical fiber preform.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical fiber preform 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical fiber preform 1 is made of silica glass, and includes a core portion 10 and a clad portion 20 that surrounds the core portion 10.
  • the refractive index of the core part 10 is higher than the refractive index of the cladding part 20.
  • the core unit 10 includes a first core unit 11 and a second core unit 12 surrounding the first core unit 11.
  • the clad part 20 includes a first clad part (optical clad part) 21 surrounding the second core part 12 and a second clad part (physical clad part) 22 surrounding the first clad part 21.
  • the first core part 11 contains an alkali metal element. This alkali metal element is preferably a potassium element.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining an optical fiber preform manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • the optical fiber preform manufacturing method of the present embodiment includes a preparation process (step S1), an addition process (step S2), a diameter reduction process (step S3), an etching process (step S4), a solidification process (step S5), The first stretch grinding process (step S6), the first rod in-collapse process (step S7), the second stretch grinding process (step S8), the second rod in-collapse process (step S9), and the OVD process (step S10) are sequentially performed. Then, the optical fiber preform 1 is manufactured.
  • a preparation process step S1
  • an addition process step S2
  • a diameter reduction process step S3
  • an etching process step S4
  • step S5 solidification process
  • a silica glass pipe for diffusing the alkali metal element is prepared.
  • This silica glass pipe contains 100 atomic ppm of chlorine (Cl) and 6,000 atomic ppm of fluorine, and the concentration of other dopants and impurities is 10 mol% or less.
  • the silica glass pipe has an outer diameter of 35 mm and an inner diameter of about 20 mm.
  • step S2 potassium is added as an alkali metal element to the inner surface of the silica glass pipe.
  • Potassium bromide (KBr) is used as a raw material.
  • KBr is heated to 840 ° C. by an external heat source to generate KBr vapor.
  • a carrier gas consisting of 1 SLM (1 liter / min converted to the standard state) of oxygen While introducing KBr vapor into the silica glass pipe with a carrier gas consisting of 1 SLM (1 liter / min converted to the standard state) of oxygen, the outer surface of the silica glass pipe is brought to a temperature of 2150 ° C. by an oxyhydrogen burner from the outside. Heat the silica glass pipe.
  • the burner is traversed at a speed of 40 mm / min and heated for a total of 15 turns to diffusely add potassium metal element to the inner surface of the silica glass pipe.
  • the maximum value of the potassium concentration of this alkali metal added pipe is 1000 atomic ppm.
  • step S3 the diameter of the silica glass pipe to which potassium is added is reduced.
  • the silica glass pipe is heated by an external heat source so that the outer surface of the silica glass pipe becomes 2250 ° C. while oxygen is allowed to flow through the silica glass pipe at 0.5 SLM.
  • the external heat source is traversed and heated for a total of 6 turns, and the silica glass pipe added with potassium is reduced in diameter until the inner diameter becomes 5 mm.
  • step S4 the inner surface of the silica glass pipe is etched.
  • gas phase etching is performed by heating the silica glass pipe with an external heat source while introducing a mixed gas of SF 6 (0.2 SLM) and chlorine (0.5 SLM) into the silica glass pipe.
  • step S5 the silica glass pipe is solidified.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the solidification step (step S5) in the optical fiber preform manufacturing method of the present embodiment.
  • the oxygen partial pressure is reduced by reducing the absolute pressure in the silica glass pipe to 97 kPa or less while introducing a mixed gas of oxygen (0.1 SLM) and He (1 SLM) into the silica glass pipe 30. Is 8 kPa.
  • the silica glass pipe 30 is solidified by being heated by the external heat source 40 so that the surface temperature of the silica glass pipe is 2150 ° C.
  • a first rod (outer diameter 25 mm) containing an alkali metal element is obtained.
  • the first rod has a maximum potassium atom concentration of 600 atomic ppm and a central axis of 550 atomic ppm.
  • the diameter of the region where potassium is added to 50 atomic ppm or more is 8 mm.
  • the dissolved oxygen molecule concentration in the first rod can be measured by the intensity of fluorescence at a wavelength of 1272 nm when irradiated with light of a wavelength of 765 nm (for example, K. Kajihara, et al., J. Ceramic Soc. Japan, 112 [10], pp. 559-562 (2004)).
  • the dissolved oxygen molecule concentration becomes maximum near the central axis of the first rod, and its value is, for example, 52 mol ppb.
  • step S6 the first core obtained by solidification is stretched to a diameter of 20 mm, and the outer peripheral portion is ground to a diameter of 13 mm to obtain the first core portion 11.
  • the second core part 12 is provided outside the first core part 11 to obtain the second rod.
  • the first core part 11 is inserted into a silica glass pipe (second core part 12) having an outer diameter of 65 mm to which Cl atoms are added at 5,000 atomic ppm, and both are heated and integrated by an external heat source.
  • a 2nd rod is created by the rod in collapse method.
  • step S8 the second rod is stretched to a diameter of 24 mm, and the outer peripheral portion is ground to a diameter of 20 mm.
  • the ratio D2 / D1 between the diameter D1 of the first core portion and the diameter D2 of the second core portion is 3.
  • a combination of the first core portion 11 and the second core portion 12 is the core portion 10.
  • the first cladding part 21 is provided outside the core part 10.
  • a rod-in collapse method is used in which the core portion 10 is inserted into the silica glass pipe (first clad portion 21) to which fluorine is added, and both are heated and integrated by an external heat source.
  • the relative refractive index difference between the second core portion 12 and the first cladding portion 21 is about 0.34% at maximum.
  • the rod formed by integrating the core portion 10 and the first cladding portion 21 is stretched to have a predetermined diameter, and then the second cladding portion 22 containing fluorine outside the rod is subjected to the OVD method. And the optical fiber preform 1 is manufactured.
  • the outer diameter of the first cladding portion 21 is 36 mm
  • the outer diameter of the second cladding portion 22 is 140 mm.
  • the relative refractive index difference between the second core portion 12 and the second cladding portion 22 is about 0.32% at maximum.
  • the concentration of OH groups outside the first cladding portion 21 can be measured using infrared absorption spectroscopy, and is about 400 mol400ppm.
  • an optical fiber can be obtained by drawing the optical fiber preform 1 manufactured by the above optical fiber preform manufacturing method.
  • the drawing speed is 2,300 m / min and the drawing tension is 0.5N.
  • optical fiber preform 1 When the optical fiber preform 1 was manufactured under the various conditions described above and an optical fiber was further manufactured, various characteristics of the obtained optical fiber were obtained as shown in Table 1 below. .
  • the addition step (step S2) was performed at a KBr temperature of 800 ° C. with a reduced concentration of KBr vapor, and the core portion containing an alkali metal element was manufactured under the same conditions.
  • the concentration of potassium atoms in the core portion was 200 atomic ppm at maximum and 150 atomic ppm on the central axis.
  • the diameter of the region where potassium was added to 10 atomic ppm or more was 6 mm.
  • the concentration of dissolved oxygen molecules in the core was the maximum near the central axis of the first rod, and the value was 180 mol ppb.
  • an optical fiber preform was manufactured with different conditions for the solidification step (step S5).
  • the absolute pressure in the silica glass pipe is reduced to 97 kPa or less and 80 kPa or more, and the surface temperature is set to 2150 ° C. by an external heat source.
  • the surface temperature is set to 2150 ° C. by an external heat source.
  • a core portion (outer diameter 25 mm) containing an alkali metal element was obtained.
  • the maximum potassium atom concentration in the core portion was 500 atomic ppm.
  • the diameter of the region where potassium was added to 10 atomic ppm or more was 6 mm.
  • the concentration of dissolved oxygen molecules in the core was the maximum near the central axis of the first rod, and the value was 234 mol ppb.
  • the transmission loss at the wavelength of 1550 nm of the optical fiber was 0.185 dB / km.
  • the magnitude of the transmission loss of the optical fiber differs depending on the conditions of the solidification step (step S5) in the optical fiber preform manufacturing method (and the composition distribution of the optical fiber preform based on this condition).
  • the present inventor conducted intensive studies on the conditions of the solidification process, the composition distribution of the optical fiber preform, and the transmission loss of the optical fiber, and the conditions of the solidification process for obtaining an optical fiber with a low transmission loss. The composition distribution of the optical fiber preform was determined.
  • the first core portion 11 has a concentration of oxygen molecules contained in glass in a part or all of the region where the alkali metal atom concentration is 100 atomic ppm or more.
  • the concentration of oxygen molecules contained in the glass is 10 mol ppb or less in the region where the alkali metal atom concentration is 50 atomic ppm or less.
  • the core 10 is preferably made of glass containing no Ge, and the relative refractive index difference based on pure silica glass is preferably in the range of ⁇ 0.1% to + 1.0%. By doing so, the scattering loss due to Ge or the like can be reduced, and the transmission loss at a wavelength of 1550 nm can be lowered to 0.158 dB / km.
  • the alkali metal atom concentration is not more than 4,000 atomic ppm.
  • the alkali metal atom concentration is as high as 4,000 atomic ppm or more, the oxygen atom in the glass is consumed by the alkali metal atom, so that the glass becomes oxygen-deficient and oxygen-deficient glass defects are generated. Since the transmission loss increases due to the absorption loss due to the glass defect, a low transmission loss cannot be achieved. Therefore, the alkali metal atom concentration is preferably 4,000 atomic ppm or less.
  • the Cl concentration of the core 10 is 500 atomic ppm or less.
  • the Cl concentration is 500 atomic ppm, there are more oxidizing components such as oxygen and chlorine in the glass, and oxygen-rich glass defects are likely to occur. Since the transmission loss increases due to the absorption loss due to the glass defect, a low transmission loss cannot be achieved. Therefore, it is preferable that the Cl concentration of the core portion 10 is 500 atomic ppm or less.
  • the core portion 10 includes a first core portion 11 to which an alkali metal element is added, and a second core portion in which the Cl concentration on the outer periphery of the first core portion 11 is 10,000 ppm or more. 12 is preferable. Since the alkali metal element has a high diffusion rate, it diffuses out of the fiber core in the drawing process. At this time, it is presumed that the outer peripheral portion to which oxygen is not added tends to be in an oxygen-deficient state due to the diffused alkali metal element, resulting in an increase in loss. Therefore, it is preferable to suppress the generation of oxygen-deficient defects due to diffusion of alkali metal elements by adding Cl in advance to the glass to be diffused in a high concentration.
  • the average K concentration of the entire core portion 10 is preferably 5 to 100 atomic ppm, and most preferably 10 to 30 atomic ppm.
  • the alkali metal atom of the core part 10 couple
  • This alkali chloride is presumed to cause scattering loss due to aggregation in the glass.
  • the optical fiber manufacturing method of the present embodiment is a method for manufacturing the optical fiber preform of the present invention, wherein the oxygen partial pressure in the silica glass pipe containing alkali metal atoms having an average concentration of 5 atomic ppm or more is 1 kPa or more and 80 kPa.
  • the core part 10 including the first core part 11 is made by heating and crushing the silica glass pipe to a temperature of 1,600 ° C. or higher with an external heat source in the state kept below, and the periphery of the core part 10
  • the optical fiber preform 1 including the core part 10 and the clad part 20 is manufactured by adding the clad part 20.
  • the solidification it is preferable to carry out the solidification in a state where the internal pressure of the silica glass pipe is maintained at 10 kPa or more and 80 kPa or less. Further, it is preferable to carry out the solidification in a state where a gas obtained by mixing an inert gas having a flow rate of 0.25 times to 100 times the oxygen flow rate with oxygen is supplied into the silica glass pipe.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the maximum oxygen molecule concentration at the center of the core of the optical fiber preform and the transmission loss at the wavelength of 1550 nm of the optical fiber.
  • the alkali metal atom concentration at the center of the core of the optical fiber preform was a maximum of 500 atomic ppm.
  • the oxygen molecular concentration is less than 30 mol ppb, the loss increases rapidly. This is considered to be because the glass is in an oxygen-deficient state and oxygen-deficient glass defects are generated. Further, even if the oxygen molecular concentration is 200 mol ⁇ ppb or more, the loss increases, but this is considered to be due to the generation of glass defects due to excess oxygen.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the oxygen molecule concentration at a position 4 mm away from the center of the optical fiber preform and the transmission loss at a wavelength of 1550 nm of the optical fiber.
  • the oxygen molecule concentration at the center of the core of the optical fiber preform was 200 mol ⁇ ppm, and the alkali metal atom concentration at a position 4 mm away from the center was 50 atomic50ppm. In the region where the alkali metal atom concentration is 50 atomic ppm or less, if the oxygen molecule concentration is 10 mol ⁇ ppb or more, the transmission loss increases rapidly.
  • oxygen molecules are consumed as a result of oxygen molecules reacting with alkali metal atoms in regions where alkali metal atoms are present, whereas oxygen is not consumed in regions where the concentration of alkali metal atoms is low. This is considered to be because oxygen-excess glass defects are likely to occur.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the partial pressure of oxygen during the solidification step and the concentration of oxygen molecules at the center of the core rod after solidification.
  • the concentration of oxygen molecules at which the above-described low transmission loss is obtained.
  • the oxygen partial pressure in the silica glass pipe can be set to a desired value by setting the internal pressure of the silica glass pipe to 10 kPa or more and 80 kPa or less.
  • the internal pressure of the silica glass pipe is 10 kPa or less, the pressure difference between the inside and outside of the silica glass pipe becomes large and the silica glass pipe is deformed and crushed, or the inside of the silica glass pipe is crushed at a low temperature. Crystallization occurs and causes a decrease in yield.
  • oxygen gas in the silica glass pipe is supplied by supplying a gas obtained by mixing an inert gas having a flow rate of 0.25 to 100 times the oxygen flow rate into the silica glass pipe.
  • the pressure can be brought to a desired value.
  • N 2 , Ar, He or the like is used as the inert gas, and it is particularly preferable to use He. If a gas other than He (especially an active gas) is used, the gas remains in the glass after solidification, creating bubbles and phase separation, causing a variation in outer diameter and disconnection of the optical fiber in the subsequent process. Cause.
  • a low-loss optical fiber suitable for digital coherent communication can be manufactured.

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Abstract

　線引きされることで低損失の光ファイバとなることができる光ファイバ母材を提供する。　光ファイバ母材１は、コア部１０と、コア部１０を取り囲むクラッド部２０とを備える。コア部１０は、第１コア部１１と、第１コア部１１を取り囲む第２コア部１２とを含む。クラッド部２０は、第２コア部１２を取り囲む第１クラッド部２１と、第１クラッド部２１を取り囲む第２クラッド部２２とを含む。第１コア部１１は、アルカリ金属元素を含み、アルカリ金属原子濃度が１００atomic ppm以上である領域の一部または全部でガラス中に含まれる酸素分子の濃度が３０mol ppb以上２００mol ppb以下であり、アルカリ金属原子濃度が５０atomic ppm以下である領域でガラス中に含まれる酸素分子の濃度が１０mol ppb以下である。

Description

光ファイバ母材及び光ファイバ母材製造方法
　本発明は、光ファイバ母材及び光ファイバ母材製造方法に関するものである。
　ＪＰ２００５－３７２１０Ａ（特許文献１）、ＵＳ２００６／０１３０５３０Ａ（特許文献２）、ＪＰ２００７－５０４０８０Ａ、ＪＰ２００８－５３６１９０Ａ、ＪＰ２０１０－５０１８９４Ａ、ＪＰ２００９－５４１７９６Ａ、ＪＰ２０１０－５２６７４９号Ａ、ＷＯ９８／００２３８９、ＵＳ５１４６５３４Ｂは、アルカリ金属元素をコアに添加した石英系の光ファイバを記載している。光ファイバ母材のコア部にアルカリ金属元素が添加されていると、光ファイバ母材を線引きするときに、コア部の粘性を下げることができ、シリカガラスのネットワーク構造の緩和が進行するため、光ファイバの伝送損失を低減することが可能であると言われている。
　特許文献１，特許文献２は、アルカリ金属元素をシリカガラス中に添加する方法として拡散法を記載している。拡散法は、原料となるアルカリ金属またはアルカリ金属塩などを加熱して得られる原料蒸気をシリカガラスパイプ内に導入しながら、パイプを外部熱源により加熱したり、パイプ内にプラズマを発生させたりすることで、アルカリ金属元素をシリカガラスパイプの内表面に拡散添加するものである。
　このようにしてアルカリ金属元素をシリカガラスパイプの内表面近傍に添加した後、このシリカガラスパイプを加熱して縮径させる。縮径後、アルカリ金属元素の添加の際に同時に添加されてしまうＮｉやＦｅなどの遷移金属元素を除去する目的で、シリカガラスパイプの内表面の或る厚みをエッチングする。アルカリ金属元素は遷移金属元素よりも拡散が速いため、ガラス表面を或る厚みでエッチングして遷移金属元素を除去してもアルカリ金属元素を残留させることが可能である。
　エッチング後、ガラスパイプを加熱して中実化することで、アルカリ金属元素を添加したロッド（光ファイバ母材のコア部）を製造する。このコア部の外側にコア部よりも屈折率の低いクラッド部となるガラスを付与することで光ファイバ母材を製造する。そして、この光ファイバ母材を公知の方法で線引きすることで光ファイバを製造することができる。
　本発明は、線引きされることで低損失の光ファイバとなることができる光ファイバ母材、及び、このような光ファイバ母材を製造することができる方法を提供することを目的とする。
　コア部とクラッド部とを含む光ファイバ母材であって、コア部は、アルカリ金属元素を含み、アルカリ金属原子濃度が１００atomic ppm以上である領域の一部または全部でガラス中に含まれる酸素分子の濃度が３０mol ppb以上２００mol ppb以下であり、アルカリ金属原子濃度が５０atomic ppm以下である領域でガラス中に含まれる酸素分子の濃度が１０mol ppb以下である光ファイバ母材が提供される。
　本発明の光ファイバ母材において、アルカリ金属原子濃度の最大値が５００atomic ppm以上で、アルカリ金属原子濃度が５００atomic ppm以上である領域の一部または全部のガラス中に含まれる酸素分子の濃度が３０mol ppb以上２００mol ppb以下であるのが好適である。コア部は、Ｇｅを含まないガラスからなり、純シリカガラスを基準とする相対屈折率差が－０.１％以上＋１.０％以下の範囲であるのが好適である。
　本発明の光ファイバ母材において、アルカリ金属原子濃度が４,０００atomic ppm以下であるのが好適である。コア部のＣｌ濃度が５００atomic ppm以下であるのが好適である。コア部は、アルカリ金属元素を添加した第１コア部と、第１コア部の外周にあるＣｌ濃度が１０,０００ppm以上の第２コア部と、を含むのが好適である。また、コア部全体の平均カリウム（Ｋ）濃度が、５から１００atomic ppmであるのが好適であり、最も好ましくは１０から３０atomic ppmである。
　発明の他の実施態様として、本発明の光ファイバ母材を製造する方法であって、平均濃度５atomic ppm以上のアルカリ金属原子を含むシリカガラスパイプの内部における酸素の分圧を１ｋＰａ以上８０ｋＰａ以下に保った状態でシリカガラスパイプを外部熱源で温度１,６００℃以上に加熱し潰すことで中実化を行ってコア部を作成し、コア部の周囲に屈折率がコア部よりも小さいクラッド部を付加して、コア部とクラッド部とを含む光ファイバ母材を製造する方法が提供される。
　シリカガラスパイプの内圧を１０ｋＰａ以上８０ｋＰａ以下に保った状態で中実化を行うのが好適である。また、酸素流量の０.２５倍以上１００倍以下の流量である不活性ガスを酸素に混合したガスをシリカガラスパイプ内に供給した状態で中実化を行うのが好適である。
　本発明の光ファイバ母材は、線引きされることで低損失の光ファイバとなることができる。また、本発明の光ファイバ母材製造方法は、このような光ファイバ母材を製造することができる。
本発明の実施形態である光ファイバ母材の断面図である。
本発明の実施形態である光ファイバ母材製造方法を説明するフローチャートである。
図２の光ファイバ母材製造方法における中実化工程を説明する概念図である。
光ファイバ母材のコア部の中心部での酸素分子濃度と光ファイバの波長１５５０ｎｍでの伝送損失との関係を示すグラフである。
光ファイバ母材の中心から４ｍｍ離れた位置での酸素分子濃度と光ファイバの波長１５５０ｎｍでの伝送損失との関係を示すグラフである。
中実化工程の際の酸素分圧と中実化後のコアロッドの中心部における酸素分子濃度との関係を示すグラフである。
　以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。本発明者は、拡散法を使用した光ファイバ製造方法について研究を行う過程で、その方法により製造された光ファイバの伝送損失が必ずしも低くならない場合があることを見出した。そして、本発明者は、光ファイバの伝送損失が低くならない原因を究明して、本発明を完成した。
　図１は、本発明の実施形態である光ファイバ母材１の断面図である。光ファイバ母材１は、シリカガラスからなり、コア部１０と、コア部１０を取り囲むクラッド部２０とを備える。コア部１０の屈折率は、クラッド部２０の屈折率より高い。コア部１０は、第１コア部１１と、第１コア部１１を取り囲む第２コア部１２とを含む。クラッド部２０は、第２コア部１２を取り囲む第１クラッド部（光学クラッド部）２１と、第１クラッド部２１を取り囲む第２クラッド部（物理クラッド部）２２とを含む。第１コア部１１はアルカリ金属元素を含む。このアルカリ金属元素は好適にはカリウム元素である。
　図２は、本発明の実施形態である光ファイバ母材製造方法を説明するフローチャートである。本実施形態の光ファイバ母材製造方法は、準備工程（ステップＳ１），添加工程（ステップＳ２），縮径工程（ステップＳ３），エッチング工程（ステップＳ４），中実化工程（ステップＳ５），第１延伸研削工程（ステップＳ６），第１ロッドインコラプス工程（ステップＳ７），第２延伸研削工程（ステップＳ８），第２ロッドインコラプス工程（ステップＳ９）及びＯＶＤ工程（ステップＳ１０）を順に行って、光ファイバ母材１を製造する。なお、以下では製造条件の一例についても説明する。
　準備工程（ステップＳ１）では、アルカリ金属元素を拡散させるべきシリカガラスパイプを準備する。このシリカガラスパイプは、１００atomic ppmの塩素（Ｃｌ）及び６,０００atomic ppmのフッ素を含み、その他のドーパント及び不純物の濃度が１０mol ppm以下である。このシリカガラスパイプの外径は直径３５ｍｍであり、内径は直径２０ｍｍ程度である。
　添加工程（ステップＳ２）では、アルカリ金属元素としてカリウムをシリカガラスパイプの内表面に添加する。原料として臭化カリウム（ＫＢｒ）を用いる。外部熱源でＫＢｒを温度８４０℃に加熱してＫＢｒ蒸気を発生させる。酸素を１ＳＬＭ（標準状態に換算して１リットル／min）からなるキャリアガスでＫＢｒ蒸気をシリカガラスパイプに導入しながら、外部から酸水素バーナによってシリカガラスパイプの外表面が温度２１５０℃となるようにシリカガラスパイプを加熱する。このとき、４０ｍｍ／minの速さでバーナをトラバースさせて合計１５ターン加熱し、カリウム金属元素をシリカガラスパイプの内表面に拡散添加させる。このアルカリ金属添加パイプのカリウム濃度の最大値は１０００atomic ppmである。
　縮径工程（ステップＳ３）では、カリウムが添加されたシリカガラスパイプを縮径する。このとき、シリカガラスパイプの内部に酸素を０.５ＳＬＭ流しながら、外部熱源によってシリカガラスパイプの外表面が２２５０℃となるようにシリカガラスパイプを加熱する。外部熱源をトラバースさせて合計６ターン加熱し、カリウムが添加されたシリカガラスパイプを内直径が５ｍｍになるまで縮径する。
　エッチング工程（ステップＳ４）では、シリカガラスパイプの内面をエッチングする。このとき、ＳＦ６（０.２ＳＬＭ）及び塩素（０.５ＳＬＭ）の混合ガスをシリカガラスパイプの内部に導入しながら、外部熱源でシリカガラスパイプを加熱して気相エッチングを行う。このようにすることで、アルカリ金属元素と共に添加された不純物を高濃度に含むパイプ内面を削ることができ、この不純物を除去することができる。
　中実化工程（ステップＳ５）では、シリカガラスパイプを中実化する。図３は、本実施形態の光ファイバ母材製造方法における中実化工程（ステップＳ５）を説明する概念図である。中実化工程では、酸素（０.１ＳＬＭ）及びＨｅ（１ＳＬＭ）の混合ガスをシリカガラスパイプ３０の内部に導入しながら、シリカガラスパイプ内の絶対圧を９７ｋＰａ以下に減圧することで酸素分圧を８ｋＰａとする。この状態で、外部熱源４０によってシリカガラスパイプの表面温度が２１５０℃となるように加熱してシリカガラスパイプ３０を中実化する。
　この中実化により、アルカリ金属元素を含む第１ロッド（外径２５ｍｍ）を得る。第１ロッドのカリウム原子濃度は最大値で６００atomic ppm、中心軸上で５５０atomic ppmである。カリウムが５０atomic ppm以上に添加されている領域の直径は８ｍｍである。第１ロッド中の溶存酸素分子濃度は、波長７６５ｎｍの光を照射した際の波長１２７２ｎｍにおける蛍光の強度によって測定することができる（例えば、K. Kajihara, et al., J. Ceramic Soc. Japan, 112[10], pp.559-562 (2004).を参照）。溶存酸素分子濃度は第1ロッドの中心部軸付近で最大となり、その値は例えば５２mol ppbである。
　第１延伸研削工程（ステップＳ６）では、中実化により得られた第１ロッドを延伸して直径２０ｍｍとし、更に外周部を研削して直径１３ｍｍとして、第１コア部１１を得る。
　第１ロッドインコラプス工程（ステップＳ７）では、第１コア部１１の外側に第２コア部１２を設けて第２ロッドを得る。このとき、Ｃｌ原子が５,０００atomic ppm添加された外径６５ｍｍのシリカガラスパイプ（第２コア部１２）の内部に第１コア部１１を挿入して、外部熱源によって両者を加熱し一体化するロッドインコラプス法により第２ロッドを作成する。
　第２延伸研削工程（ステップＳ８）では、第２ロッドを延伸して直径２４ｍｍとし、更に外周部を研削して直径２０ｍｍとする。この結果、第１コア部の径Ｄ１と第２コア部の径Ｄ２との比Ｄ２／Ｄ１は３となる。第１コア部１１と第２コア部１２とをあわせたものがコア部１０となる。
　第２ロッドインコラプス工程（ステップＳ９）では、コア部１０の外側に第１クラッド部２１を設ける。このとき、フッ素が添加されたシリカガラスパイプ（第１クラッド部２１）の内部にコア部１０を挿入して、外部熱源によって両者を加熱し一体化するロッドインコラプス法を用いる。第２コア部１２と第１クラッド部２１との相対屈折率差は最大で０.３４％程度である。このロッドインコラプス法による合成の結果、コア部１０及びその近傍の第１クラッド部２１の水分量は十分に低く抑制することが可能である。
　ＯＶＤ工程（ステップＳ１０）では、コア部１０及び第１クラッド部２１が一体化されてなるロッドを延伸して所定径とした後、そのロッドの外側にフッ素を含む第２クラッド部２２をＯＶＤ法により合成して、光ファイバ母材１を製造する。得られた光ファイバ母材１において、第１クラッド部２１の外直径は３６ｍｍであり、第２クラッド部２２の外直径は１４０ｍｍである。第２コア部１２と第２クラッド部２２との相対屈折率差は最大で０.３２％程度である。また、第１クラッド部２１の外部におけるＯＨ基の濃度は、赤外吸収分光を用いて測定することができ、４００mol ppm程度である。
　続く線引き工程では、以上の光ファイバ母材製造方法により製造された光ファイバ母材１を線引きすることで光ファイバを得ることができる。線引き速度は２,３００ｍ／minであり、線引き張力は０.５Ｎである。
　以上までの説明で述べた諸条件で光ファイバ母材１を製造し更に光ファイバを製造したところ、得られた光ファイバの諸特性は以下の表１とおり低伝送損失の光ファイバが得られた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　変形例として、添加工程（ステップＳ２）でＫＢｒの温度を８００℃としてＫＢｒ蒸気の濃度を小さくして添加工程を行い、他の条件は同じとしてアルカリ金属元素を含むコア部を作製した。このコア部のカリウム原子濃度は最大値で２００atomic ppm、中心軸上で１５０atomic ppmであった。カリウムが１０atomic ppm以上に添加されている領域の直径は６ｍｍであった。コア部中の溶存酸素分子濃度は第１ロッドの中心部軸付近で最大となり、その値は１８０mol ppbであった。この光ファイバ母材を線引きして光ファイバを製造したところ、その光ファイバの波長１５５０ｎｍでの伝送損失は０．１６５ｄＢ／ｋｍであった。
　比較例として、中実化工程（ステップＳ５）の条件を異なるものとして、光ファイバ母材を製造した。中実化工程において、酸素（１ＳＬＭ）をシリカガラスパイプの内部に導入しながら、シリカガラスパイプ内の絶対圧を９７ｋＰａ以下80 kPa以上に減圧し、外部熱源によって表面温度を２１５０℃としてシリカガラスパイプを中実化した。この中実化により、アルカリ金属元素を含むコア部（外径２５ｍｍ）を得た。このコア部のカリウム原子濃度は最大値で５００atomic ppmであった。カリウムが１０atomic ppm以上に添加されている領域の直径は６ｍｍであった。コア部中の溶存酸素分子濃度は第１ロッドの中心軸付近で最大となり、その値は２３４mol ppbであった。比較例の光ファイバ母材を線引きして光ファイバを製造したところ、その光ファイバの波長１５５０ｎｍでの伝送損失は０.１８５ｄＢ／ｋｍであった。
　以上のことから、光ファイバ母材製造方法における中実化工程（ステップＳ５）の条件（及び、この条件に基づく光ファイバ母材の組成分布）によって、光ファイバの伝送損失の大きさが異なることが判る。本発明者は、中実化工程の条件、光ファイバ母材の組成分布及び光ファイバの伝送損失の関係について鋭意研究を行って、低伝送損失の光ファイバを得るための中実化工程の条件及び光ファイバ母材の組成分布を求めた。
　本実施形態の光ファイバ母材１において、第１コア部１１は、アルカリ金属原子濃度が１００atomic ppm以上である領域の一部または全部でガラス中に含まれる酸素分子の濃度が３０mol ppb以上２００mol ppb以下であり、アルカリ金属原子濃度が５０atomic ppm以下である領域でガラス中に含まれる酸素分子の濃度が１０mol ppb以下である。ここで、コア部１０は、Ｇｅを含まないガラスからなり、純シリカガラスを基準とする相対屈折率差が－０.１％以上＋１.０％以下の範囲であるのが好適である。このようにすることで、Ｇｅ等による散乱損失を低減することができて、波長１５５０ｎｍでの伝送損失を０.１５８ｄＢ／ｋｍと低くすることができる。
　本実施形態の光ファイバ母材１において、アルカリ金属原子濃度が４,０００atomic ppm以下であるのが好適である。アルカリ金属原子濃度が４,０００atomic ppm以上と高濃度となる場合、ガラス中の酸素原子をアルカリ金属原子が消費することにより、ガラスが酸素欠乏状態となり、酸素欠乏型のガラス欠陥が発生する。このガラス欠陥由来の吸収損失により伝送損失が増加するため、低い伝送損失を達成することができない。それ故、アルカリ金属原子濃度が４,０００atomic ppm以下であるのが好適である。
　本実施形態の光ファイバ母材１において、コア部１０のＣｌ濃度が５００atomic ppm以下であるのが好適である。Ｃｌ濃度が５００atomic ppmとなる場合、ガラス中に酸素や塩素のような酸化性成分が多くなり、酸素過剰型のガラス欠陥が発生しやすくなる。このガラス欠陥由来の吸収損失により伝送損失が増加するため、低い伝送損失を達成することができない。それ故、コア部１０のＣｌ濃度が５００atomic ppm以下であるのが好適である。
　本実施形態の光ファイバ母材１において、コア部１０は、アルカリ金属元素を添加した第１コア部１１と、第１コア部１１の外周にあるＣｌ濃度が１０,０００ppm以上の第２コア部１２と、を含むのが好適である。アルカリ金属元素は、拡散速度が速いため、線引き工程においてファイバコア外へと拡散する。このとき、酸素が添加されていない外周部は拡散してきたアルカリ金属元素により酸素欠乏状態となりやすく、それによる損失増加が発生することが推測される。そこで、拡散する先のガラスにあらかじめＣｌを高濃度に添加しておくことで、アルカリ金属元素の拡散による酸素欠乏型の欠陥生成を抑制するのが好ましい。
　本実施形態の光ファイバ母材１において、コア部１０全体の平均Ｋ濃度が、５から１００atomic ppmであるのが好適であり、最も好ましくは１０から３０atomic ppmである。コア部１０のアルカリ金属原子は塩素と結合しアルカリ塩化物を生成する。このアルカリ塩化物はガラス中で凝集することで散乱損失原因となると推測される。実際にコア部１０全体のアルカリ金属元素の平均濃度が３０atomic ppmを超えるコアを作製した場合に損失増加が発生し、この損失増加は１００atominc ppmを越えた場合に顕著であった。それ故、コア部１０全体の平均Ｋ濃度が、５から１００atomic ppmであるのが好適であり、最も好ましくは１０から３０atomic ppmである。
　本実施形態の光ファイバ製造方法は、本発明の光ファイバ母材を製造する方法であって、平均濃度５atomic ppm以上のアルカリ金属原子を含むシリカガラスパイプの内部における酸素の分圧を１ｋＰａ以上８０ｋＰａ以下に保った状態でシリカガラスパイプを外部熱源で温度１,６００℃以上に加熱し潰すことで中実化を行って第１コア部１１を含むコア部１０を作成し、コア部１０の周囲にクラッド部２０を付加して、コア部１０とクラッド部２０とを含む光ファイバ母材１を製造する。シリカガラスパイプの内圧を１０ｋＰａ以上８０ｋＰａ以下に保った状態で中実化を行うのが好適である。また、酸素流量の０.２５倍以上１００倍以下の流量である不活性ガスを酸素に混合したガスをシリカガラスパイプ内に供給した状態で中実化を行うのが好適である。
　図４は、光ファイバ母材のコア部の中心部における最大酸素分子濃度と光ファイバの波長１５５０ｎｍでの伝送損失との関係を示すグラフである。光ファイバ母材のコア部の中心部におけるアルカリ金属原子濃度は最高で５００atomic ppmであった。酸素分子濃度が３０mol ppbより小さいと急激な損失増加となるが、これは、ガラスが酸素欠乏状態となって、酸素欠乏型のガラス欠陥が生成したことに因ると考えられる。また、酸素分子濃度が２００mol ppb以上であっても損失増加となるが、これは、酸素過剰によるガラス欠陥が生成したことに因ると考えられる。
　図５は、光ファイバ母材の中心から４ｍｍ離れた位置での酸素分子濃度と光ファイバの波長１５５０ｎｍでの伝送損失との関係を示すグラフである。光ファイバ母材のコア部の中心部における酸素分子濃度は２００mol ppmであり、中心から４ｍｍ離れた位置でのアルカリ金属原子濃度は５０atomic ppmであった。アルカリ金属原子濃度が５０atomic ppm以下である領域で酸素分子濃度が１０mol ppb以上であると、伝送損失は急激に上昇する。これは、アルカリ金属原子が存在する領域では酸素分子がアルカリ金属原子と反応することで酸素分子が消費されるのに対して、アルカリ金属原子濃度が低い領域では酸素が消費されずに過剰となることで酸素過剰ガラス欠陥が発生しやすいことに因ると考えられる。
　図６は、中実化工程の際の酸素分圧と中実化後のコアロッドの中心部における酸素分子濃度との関係を示すグラフである。酸素分圧が１ｋＰａ以上８０ｋＰａ以下の条件で中実化工程を行って得られたコアロッドでは、上述した低い伝送損失が得られる酸素分子濃度となった。
　中実化工程の際に、シリカガラスパイプの内圧を１０ｋＰａ以上８０ｋＰａ以下とすることで、シリカガラスパイプ内の酸素分圧を所望値にすることができる。なお、シリカガラスパイプの内圧を１０ｋＰａ以下とした場合、シリカガラスパイプの内外の圧力差が大きくなってシリカガラスパイプが変形して潰れてしまうことや、潰れが低温で起こることによりシリカガラスパイプ内面で結晶化が起こり歩留まりを低下させることの原因となる。
　中実化工程の際に、酸素流量の０.２５倍以上１００倍以下の流量である不活性ガスを酸素に混合したガスをシリカガラスパイプ内に供給することで、シリカガラスパイプ内の酸素分圧を所望値にすることができる。このとき不活性ガスとしてＮ２、Ａｒ、Ｈｅ等が用いられ、特にＨｅが用いられるのが好ましい。なお、Ｈｅ以外のガス（特に活性ガス）を用いると、そのガスが中実化後のガラスに残留し気泡や分相を作り、後工程で外径変動や光ファイバの断線を起こし不良発生の原因となる。
　デジタルコヒーレント通信に好適な、低損失な光ファイバを製造できる。

Claims (9)

  1. 　コア部とクラッド部とを含む光ファイバ母材であって、
    　前記コア部は、アルカリ金属元素を含み、アルカリ金属原子濃度が１００atomic ppm以上である領域の一部または全部でガラス中に含まれる酸素分子の濃度が３０mol ppb以上２００mol ppb以下であり、アルカリ金属原子濃度が５０atomic ppm以下である領域でガラス中に含まれる酸素分子の濃度が１０mol ppb以下である光ファイバ母材。
  2. 　前記コア部は、Ｇｅを含まないガラスからなり、純シリカガラスを基準とする相対屈折率差が－０.１％以上＋１.０％以下の範囲である請求項１に記載の光ファイバ母材。
  3. 　アルカリ金属原子濃度が４,０００atomic ppm以下である
    請求項１または２に記載の光ファイバ母材。
  4. 　前記コア部のＣｌ濃度が５００atomic ppm以下である
    請求項１～３の何れか１項に記載の光ファイバ母材。
  5. 　前記コア部は、アルカリ金属元素を添加した第１コア部と、前記第１コア部の外周にあるＣｌ濃度が１０,０００ppm以上の第２コア部とを含む
    請求項１～４の何れか１項に記載の光ファイバ母材。
  6. 　前記コア部全体の平均Ｋ濃度が５から１００atomic ppmである
    請求項１～５の何れか１項に記載の光ファイバ母材。
  7. 　請求項１～６の何れか１項に記載の光ファイバ母材を製造する方法であって、
    　平均濃度５atomic ppm以上のアルカリ金属原子を含むシリカガラスパイプの内部における酸素の分圧を１ｋＰａ以上８０ｋＰａ以下に保った状態で前記シリカガラスパイプを外部熱源で温度１,６００℃以上に加熱し潰すことで中実化を行ってコア部を作成し、
    　前記コア部の周囲にクラッド部を付加して、
    　前記コア部と屈折率が前記コア部より小さい前記クラッド部とを含む光ファイバ母材を製造する
    光ファイバ母材製造方法。
  8. 　前記シリカガラスパイプの内圧を１０ｋＰａ以上８０ｋＰａ以下に保った状態で前記中実化を行う請求項７に記載の光ファイバ母材製造方法。
  9. 　酸素流量の０.２５倍以上１００倍以下の流量である不活性ガスを酸素に混合したガスを前記シリカガラスパイプ内に供給した状態で前記中実化を行う
    請求項７に記載の光ファイバ母材製造方法。
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