JPH0243690B2

JPH0243690B2 -

Info

Publication number: JPH0243690B2
Application number: JP56112137A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Matsumura; Toshio Katsuyama; Yasuo Suganuma
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-07-20
Filing date: 1981-07-20
Publication date: 1990-10-01
Also published as: JPS5815041A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は光フアイバの製造方法、更に詳しく言
えば光フアイバの光伝送の要部をなすコアに複屈
折を生ぜしめる光フアイバを製造する工程で使用
する光フアイバ母材、即ちプレホームロツドの製
造方法に係る。

光フアイバの一つの用途として、偏波面を乱れ
なく伝送し、光集積回路との結合、測定装置、光
スイツチ等の利用が考えられる。このように光の
偏波面を乱すことなく（偏波面を保存）伝播でき
る円形状光フアイバとしては光フアイバを形成す
るコアの直交主軸方向の伝播位相定数の差が大き
いことが必要となる。このような伝相伝播定数差
を得るため、コアに加わる熱応力歪の差を形成す
る方法が考えられている。

しかし従来知られている方法は、ガラス管内壁
に化学的気相沈積（CVD）法によつて、コア、
クラツドとなるガラス層を形成した後、ガラス管
内を少なくとも減圧をしないで、中実化してロツ
ドを作り、これを１部研磨等によつて削り非円形
の光フアイバ母材（プレホームロツド）を形成し
た後、細い光フアイバとするため加熱線引する。
これによつて、プレホームロツトの非円、なら
び、ガラス管と内壁に形成されるガラス層の材質
の熱膨張係数の差等によつてコアに複屈折を生ぜ
しめる方法である。

しかし、この方法では中実化したロツドの一部
を非円とする研磨工程等を必要とし、更に十分大
きな複屈折を生ぜしめることができない。特にコ
アに複屈折を生ぜしめるためには、クラツドある
いは外周のジヤケツトを楕円形とすることが望ま
しいが、それらの形状を任意に制御することが困
難である。

したがつて、本発明の目的は、円形の石英ガラ
ス管の内壁に少なくとも上記ガラス管の材質と異
なるガラス薄膜を形成し、これを加熱溶着し中実
の光フアイバ用母材、すなわちプレホームロツド
を作る方法において経済的、簡易な方法で、上記
ガラス薄膜部の少なくとも一部が楕円となる製造
方法を実現することである。

本発明の他の目的は、研磨工程や最初のガラス
管を変形する工程を要することなく、円形の中心
層と上記中心層外周に形成されその外周が楕円と
なる中間層と、上記中間層外周に形成された最外
周層からなり、上記中間層の外周の楕円率が任意
に設定できる光フアイバ用母材の製造方法を実現
することである。

本発明は上記目的を達成するため、基材となる
ガラス管の内壁にガラス薄膜を形成し、これを加
熱溶着し、中実の光フアイバ用母材（プレホー
ム）を製造する方法において、上記ガラス薄膜が
形成された管の一端を加熱して潰し、上記一端を
潰されたガラス管の内部の圧力を外記圧より低く
して回転しながら上記潰された１端から加熱部を
漸時移動して中実化することを特徴とする。

特に、本発明では、本発明によつて得られたプ
レホームロツトの断面構造が中心層が円形で、中
間層はその外周が楕円となり、最外周層が円形又
は円形に近い形状の層からなるように、上記方法
において、上記中間層の一部の材質は上記基材と
なるガラス管の軟化点より低い軟化点を有する材
質で形成され、上記コア部を形成する材質は上記
低い軟化点を有する材質より高い軟化点を有する
材質で形成される。

なお、中心層、中間層は実施例において説明す
る如く単一の層に限定される必要はなく複数の層
で形成してもよい。又楕円とは本発明では楕円の
長軸をC₁、短軸をC₂としたとき、楕円率γ
（C₁−C₂／C₁＋C₂×100）が３％以上のものを言う。

それ以下を円形とする。

本発明の方法によれば、ガラス管の半径、厚
み、減圧度、ガラス薄膜の材質、量を特定するこ
とによつて中心層、又は中間層の楕円率を任意に
設定でき、かつ再現性よく光フアイバ母材を実現
することができる。

特に、中心層を円形、中間層を楕円形とすると
きは、中心層の直交する軸方向の屈折率を異なつ
たものとすることが容易に実現でき、偏波面を保
存し易い光フアイバを実現することができる。

なお、最終的光フアイバは上記方法によつて得
られたプレホームロツトを単に加熱しながら線引
すれば上記断面構造と相似の断面構造の光フアイ
バが容易に実現できる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明による光フアイバの製造方法の
工程を示す図である。

まず、(1)光フアイバの基材となる石英ガラス管
１が用意される。このガラス管の径が大きく、厚
みが薄いときは後の減圧工程(3)にいて所定の形状
が得られ難いため必要によつては径を小さくする
工程が含まれる。望ましくは外径５mm〜50mm、厚
さ0.3mm〜５mmである。

上記ガラス管１の内壁に化学的堆積（CVD）
法によつて、光フアイバの中間層となるガラス薄
膜２および中心層となるガラス薄膜３が形成され
る。中間層は光フアイバのクラツド、あるいはジ
ヤケツトとクラツト機能を持つ場合がある。又中
心層は光フアイバのコアのみ、あるいはコアとク
ラツト（すなわち、光伝送部を形成する）を形成
する場合が有る。

これらの材質、厚みについてを後に詳細に説明
する。上記工程によつて得られたガラス薄膜を有
するガラス管は両端をガラス旋盤台に取付け、一
定の回転速度で回転する(3)。図は取付台に取付ら
れた管の端部を加熱バーナ４で加熱して潰す。そ
してガラス管の他の開口部に排気タンク５を設
け、排気管６より排気調節弁７を調整しながら管
内の気圧を減圧して一定の圧力に保つ。減圧量は
一方の端が石英管内部８に挿入されたＵ字管９で
液１０の液面の違いで測定される。この状態で加
熱源（バーナ）４を漸時移動して中実のプレホー
ムロツドを形成する。この減圧の程度は第３図で
示すように１mmH₂O〜20mmH₂O程度に設定する。
プレホームロツドは加熱バーナ４によつて溶融
し、一方から線引すれば、内層の一部が楕円形と
なる光フアイバが実現される。

第２図ａ，ｂ，ｃおよびｄは上記方法によつて
作つたプレホームの断面の写真をトレースして示
したもので、各々の製造条件は次の通りである。

最初の石英管の外径は20mm、厚さ1.5mmで全て
同じである。

次に示すようなガラス薄膜を形成した後速度毎
分50回転で回転しながら、酸水素バーナ２を漸時
0.17mm／secの速さで移動した。

ａはコアとしてゲルマをドープしたシリカガラ
スよりなり減圧量は水の高さで９mm（以下mm
H₂Oと表わす）のものであり約50％の楕円率の
中心層が得られる。ｂ図は管の減圧量を27mm
H₂Oと大きくしたもので中空のプレホームのコ
アにドープされたゲルマ層の厚めは約15μｍと厚
いものである。ｃとｄは、コア（中心層）にシリ
カガラスを、クラツデイング（中間層）に硼素
（B₂O₃）をドープしたシリカガラスを形成したも
ので、コアを円形に、クラツデイングを楕円にし
た図ｃと、逆にコアを楕円にクラツデイングを円
形にした図ｄを示したものである。これらの作製
法は前記したように出発石英管を楕円軸が回転し
ないようにある程度収縮させるが、この収縮量と
コア層、クラツデイング層の厚みを最適に選ぶ事
で成しとげられる。

第３図は、石英管の厚さと、減圧度を変えたと
きの楕円率の測定結果を示すもので、各曲線の実
施条件は次の通りである。曲線１１，１２，１３
においてはコアにゲルマをドープしたシリカガラ
スを用い第２図ａ，ｂに示すように２層構造であ
る。ゲルマの濃度は約15mol％である。各曲線共
に出発石英管の外径は20mm、内径17mmのもので共
通であり、中空プレホームのゲルム層の厚みは約
10μｍである。加熱溶着（カラツプス）する前に
13.5mm、12.8mm、9.7mmの外径まで収縮させた後減
圧を行つて得られた中実のプレフオームのコアの
楕円率を示したもので、曲線１１，１２，１３は
それぞれ13.5mm、12.8mm、9.7mmの実験例である。
曲線１２はコアにシリカを、クラツデイングに硼
素をドープしたシリカガラスを用いてフアイバで
第２図ｃ，ｄのように３層構造となつている。硼
素は約12mol％ドープされており、中空プレフオ
ームにおいては18μｍの厚みを有していた。コア
となるシリカ層は約8μｍ厚みをもつているもの
で、出発石英管は前記と同じ外径20mm、内径17mm
のものである。この管にクラツデイング層とコア
層を作製した後約13.1mmに収縮させた。その後減
圧量を変えてコラツプスし、得られたクラツデイ
ングの楕円率を減圧量の関数として示したのが１
２の曲線である。

以上の例より、プレホームロツドの一部に形成
される楕円層の楕円形状は減圧度ならびにドーパ
ントの材質、出発石英管の径および厚さ、中空部
の半径を制御することによつて決定されることが
分る。すなわち、減圧度が高い程楕円率は増大
し、中空の管の厚さが厚い程楕円率が低くなる。
上記例から分るように、石英ガラス管の厚さは
0.3mm〜５mm、外径は５mm〜50mm、、外気圧と管内
の圧力との差は１mmH₂O〜30mmH₂Oで、溶着温
度1700℃〜2000℃で本発明の方法は実現される。
次に楕円率γと減圧度Ｐ（mmH₂O）と各層の厚み
との関係を定量的に説明する。

第４図は本発明の方法によつて得られたプレホ
ームロツドの最外周層の内径（中心又は中間層の
外周と同じ）の楕円率を、中実化前の各層と中実
化後の各層の厚さとの関係を示すもので、縦軸は
プレホームの楕円層の楕円率を示し、横軸は
（b′／a′）×（d′／c′）を示し、これらは第５図及
び
第６図に示すように中実化前の石英管の外径b′内
径a′、プレホームの外径d′、楕円層の平均半径
c′（＝√₁、₂）を示すもので、製造条件を、溶
着温度1800℃、減圧度８mmH₂O加熱バーナの移
動速度0.8mm／sec、ガラス薄膜はGeO₂とB₂O₃を
ドーパントとして含むシリカガラスである。図
中、●，〇，△は最初の石英管径を14、18および
20mmとしたものをそれぞれ表す。

第４図より楕円率γは γ＝100e^-A(X-1)2〔％〕ｘ＝（b′／a′）×（d′／c′） …(1) の関係があることが分る。

上記(1)式は溶着温度（1700〜2000℃）、加熱源
４の移動速度（0.02〜0.2mm／sec）、堆積ガラスの
組成を現実的に光フアイバの製造に実施する範囲
で変えても成立する。なお、上記(1)式中Ａは減圧
度によつて定まる定数であつて、第７図は上記楕
率と減圧度Ｐとの関係を実験的に求めたもので、
同図よりＡ＝0.344／Ｐ …(2) が求まる。

よつて所定の楕円率γの楕円層を持プレホーム
ロツドを作るためには、基材として、石英管を用
い、溶着温度を1700〜2000℃、加熱源の移動速度
を0.02〜0.2mmH₂Oとすれば、減圧度Ｐ、各層の
径、厚さを γ＝100e^-0.344／Ｐ（ｘ−１）² …(3) ｘ＝（b′／a′）×（d′／c′） …(4) に基いて設定すれば良い。なお、堆積ガラス層が
一種類でなく複数層になつても、中空時の堆積ガ
ラス層の石英ガラス管の厚さに比べ十分薄い場合
は上記式が常に成立する。

本発明の方法の大きな利点の一つは、第２図ｃ
および第８図、第９図に示すように、プレホーム
断面の層構造が最外層が円形に近く、中間最外周
が楕円、中心層が円形に近い形状の光フアイバ母
材が容易に実現できることである。

第８図は中心層３がコア、中間層２がクラツ
ド、最外層１がジヤケツトとなり、コア３とクラ
ツド２で光伝送部を形成し、ジヤケツト３とクラ
ツド２でコアに複屈折を生ぜしめている。第９図
のものは中心層はコア３とクラツト２−２で構成
され、中間層２−１はジヤケツトで、最外層３は
サポート部を形成し外周は円形であるコア３とク
ラツド２−２で光伝送部を形成し、ジヤケツト２
−１と最外層はコア３複屈折を生ぜしめる機能を
持つ。

このように、中間層の楕円率を中心層のそれよ
り高くするためには中間層の材質としてコアの材
質の軟化点より低い材質とする、これは中間層の
材質にB₂O₃を加えることによつて実現される。
B₂O₃の量を増大すると共に軟化点は低くなるが、
熱膨脹係数の差を大きくとるためにはドーパント
B₂O₃の量は３モル％〜30モル％がが望ましい。
更に、中心層を円形とするためには、プレホーム
母材の中間層の楕円率をγ、上記中間層楕円の短
軸の長さをc₂、中心層の円形の径をａとしたとき c₂／ａ≧200／100−γ−１ …(5) となるように、ガラス管の内壁に形成されるガラ
ス薄膜の厚さを前もつて設定すれば良い。

これら要件は次の理由による。ガラス薄膜が形
成されたガラス管を減圧しながら加熱溶着すると
温度勾配は始めは外側が高い、又管の厚みがある
ため、外側は減圧の影響が少なく、主として表面
張力によつて円形を維持しようとする。内側は減
圧度によつて主として支配され偏平になろうとす
る。更に加熱が続くと内側の温度も高くなり変形
しやすくなる。したがつて減圧によつて管が平面
となりながら収縮し中空部は少なくなる。この
間、軟化温度が低い中間層は粘性が漸次低下され
る。したがつて、中空部がなくなつたときは粘性
の低下した中間層の中に中心層が浮いた形とな
る。このときは中心部が減圧されないようになる
ため中心層の形状は主として表面張力によつて円
形になろうとする力が働く。そして、冷却の過程
においては上記初期の石英管の内側に形成される
楕円と中心の円形コアの中間に中間層が充てんさ
れた形となつて固化されるからである。

したがつて、これらの形状を決定する要因とし
ては、中心層が円形となり易いかどうかは加熱溶
着時の中間層の軟化点、粘性、および中間層と中
心層の相対的厚さの関係および最外層内周（した
がつて中間層外周）の楕円率の関係が考えられ
る。

まず、中間層の外周を楕円とするための条件
は、前述の(1)式の条件によつて決定される。

次に、中心層の楕円率γが中間層の外周の楕円
率より小さくなる、すなわち円に近ずくためには
前述の理由によつて溶着時に中実化され固化され
る過程において、軟化された中間層の中で中心層
が表面張力等によつて自由に安定な円形に変化し
やすくする必要があり、このためには中心層、中
間層、最外層の軟化点温度をそれぞれα₁、α₂およ
びα₃とすると α₁＞α₂、α₃＞α₂ …(6) であればよい。通常この条件を満すには最外層は
石英ガラスで作られ、又中心部は高い屈折率を持
つ必要があるため、SiO₂又はSiO₂にGeO₂あるい
はP₂O₅をドーパントとして含むガラスで構成し、
中間層としてはB₂O₃をドーパントとして3mol％
から30mol％含むSiO₂が望ましい。そして、中心
層の真円度を向上するためには上記軟化点の他
に、中間層の楕円率、および中間層と中心層の材
質の量の割合が影響し、これらの間に一定の関係
があることが実験的に求められる。

第１０図は石英管（内径6.7mm、外径12mm）の
内壁にCVD法によつてクラツド（中間層）とな
る17モル％B₂O₃と83モル％SiO₂のガラス薄膜を
150μｍ形成したのち、コア（中心層）となる100
モル％SiO₂のガラス薄膜を厚みｘ〔μｍ〕を変え
て形成し、減圧度10mmH₂Oで溶着中実化した場
合の中間層の楕円率と中心層（コア）の楕円率を
示す。この場合中間層（クラツド）の楕円率は45
％である。なお、図におけるコア径はプレホーム
ロツトとなつた場合の半径を示している。すなわ
ち、楕円率を一定とした場合、中心層（コア）の
楕円率は中間層の厚さと中心層の厚さの相対比に
よつて決定されることが分る。

第１１図は、第１０図のように中間層の楕円率
が変つたとき中心層の楕円率が５％以下となると
きの中間層（クラツド）の短軸径と中心層（コ
ア）の径の比を実験的に求めたものである。同図
において横軸はクラツドの外周の楕円率γを、縦
軸にはクラツドの短軸径c₂とコアの径ａの比c₂／ａを示す。この測定結果より、コアが円形となる境
界では c₂／ａ＝200／（100−γ）−１の関係があることが分る。よつてc₂／ａが200／100−γ −１より大きいときは当然コアが表面張力によつ
て円形になりやすいので、中間層の楕円率がγと
設定して、石英管の厚さ、径、減圧度を設定する
とき、中心層を円形とするためにはプレホーム状
態でc₂／ａ200／100−γ−１となるようにCVD法によるガラス薄膜の層の厚さを設定すればよい。

上記説明は第８図の断面構造の場合について説
明したが、第９図の断面構造の光フアイバ母材を
製造する場合についても同様の関係が成立する。

次に、本発明による製造方法による具体的実施
例を例示する。

実施例１石英管（外径18mmφ、中径15mmφ）の内壁面に
SiO₂−B₂O₃−GeO₂のガラス薄膜を50μｍ堆積
（この堆積量は加熱溶着後外径（2d′）７mmφ、堆
積ガラス層の平均径（2c′）3.1mmφに相当する。
なお溶着時加熱によつて石英外壁面から石英微粉
が飛散するため、プレホームの外径はやや小さく
なつている）する。ここで堆積ガラス層の楕円率
γを50％とするため、(1)式を用いて、減圧度を８
mmH₂O、ｘ＝5.0を得た。したがつて、b′／a′＝
5.0×3.1／７＝2.21とすれば楕円率γ＝50％が得られる。このため2a′（溶着前の管内径）を5.1mmφ、
2b′（溶着前の管外径）を11.2mmφとして、溶着し
た結果によると中間層の楕円率51％のプレホーム
が得られた。

実施例２石英管（外径18mmφ、内径15mmφ）の内壁面に
順に、15モル％B₂O₃＋85モル％SiO₂ガラスを
180μｍ、100ル％SiO₂ガラスを3.5μｍCVD法によ
つて堆積し、加熱して、内径５mm、外径11mmの石
英管にする。次に管内部を大気圧に比べ水の高さ
で８mmH₂Oに減圧しながら溶着しプレホームロ
ツドを形成した。得られたプレホームロツドの外
径は9.9mmφ、コアは10.3mmφの円形で、クラツ
ドは楕円率40％の楕円形で、短軸の径は1.5mmφ
であつた。

実施例３実施例２記載と同じ石英管の内壁面に順に15モ
ル％B₂O₃＋85モル％SiO₂ガラスを180μｍ、100モ
ル％SiO₂ガラスを3.2μｍ、４モル％GeO₂＋96モ
ル％SiO₂ガラスを0.3μｍCVD法によつて堆積し
た後加熱して、内径５mmφ、外径11mmφの石英管
とする。次に管内部を大気圧に比べて８mmH₂O
減圧しながら加熱溶着し中実化したプレホームロ
ツドを得た。得られたプレホームロツドは外径
9.9mmφ、中心層SiO₂層とSiO₂＋GeO₂層は同心状
の円形でそれぞれ0.32mm、0.095mmの半径を持ち、
SiO₂＋B₂O₃層の外周は楕円率27％であつた。

以上の各実施例で得られたプレホームロツドを
用いて周知の加熱線引を行なうことにより、上記
断面構造と相似の断面構造を有する光フアイバを
得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法のステツプを示す
図、第２図は本発明の製造方法によつて得られた
光フアイバ母材の断面構成図、第３図は本発明の
工程におけるガラス管内の減圧度と光フアイバ母
材の楕円層の楕円率との関係を示す図、第４図は
光フアイバ母材を構成する層の厚さと楕円層の楕
円率の関係を示す図、第５図及び第６図は、第４
図の説明のためのガラス管断面図及びプレホーム
の断面図、第７図はガラス管内の減圧度と楕円層
の楕円率の関係を示す図、第８図および第９図は
本発明によつて得られるプレホームの断面図、第
１０図は本発明による製造方法によるプレホーム
のコア径とコア楕円率の関係を示す図、第１１図
は本発明によるプレホームのクラツド短軸径とコ
ア径の比とクラツド楕円率の関係を示す図であ
る。１……石英ガラス管（最外層）、２……クラツ
ド（中間層）、３……コア（中心層）、４……加熱
源、５……排気タンク、６……排気口、７……排
気調節弁、８……石英管内部、９……Ｕ字管、１
０……水。

Claims

【特許請求の範囲】１その内壁に形成された第１の薄膜層と、更に
形成された第２の薄膜層とを有する基材管内の圧
力を外気圧より低くして加熱溶着によつて中実化
して母材を形成する工程を有し、上記第１の薄膜
層を上記第２の薄膜層及び上記基材管を構成する
材料より低い軟化点温度を有する材料で構成し、
かつ上記第１の薄膜層の外周の楕円率をｒ、長軸
径及び短軸径をそれぞれc₁及びc₂、上記第２の薄
膜層の径をａとしたとき、 c₂／ａ≧200／（100−ｒ）−１但し、ｒ≡（c₁−c₂）／（c₁＋c₂）×100 の関係を満足するように上記母材を形成して線引
きすることを特徴とする光フアイバの製造方法。２特許請求の範囲第１項に記載の光フアイバの
製造方法において、前記第１の薄膜層の形成は
B₂O₃を含むシリカガラスを堆積することによる
光フアイバの製造方法。３特許請求の範囲第１項に記載の光フアイバの
製造方法において、前記基材管として石英ガラス
管を選択する光フアイバの製造方法。４特許請求の範囲第１項に記載の光フアイバの
製造方法において、前記第２の薄膜層の形成は
GeO₂を含むシリカガラスを堆積することによる
光フアイバの製造方法。５特許請求の範囲第１項に記載の光フアイバの
製造方法において、前記第２の薄膜層の形成は異
なる組成を有する複数の薄膜層を堆積することに
よる光フアイバの製造方法。