JPH0431332A - ガラス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、ガラスファイバの製造方法に係り、特に、例
えば、ファラデー効果ファイバとして利用できる多層構
造をなしたガラスファイバを製造する場合等に好適なガ
ラスファイバの製造方法に関する。

［従来の技術］ シングルモード光ファイバ内を伝搬する直線偏光の偏光
面がファラデー効果によって磁界に比例して回転する現
象を利用して磁界や電流の計測を行ういわゆるファラデ
ー効果ファイバが知られている。

このファラデー効果ファイバの性能を良好なものとする
ためには、次のような条件を満たすことが必要である。

ファイバ　　　　　２、 ■ヴエルデ定数が大きいこと。

■光弾性定数が小さいこと。

■光吸収係数が小さいこと。

二二歪バΩ詩豆 ■伝送損失が小さいこと ■迷光等の光学的ノイズが少ないこと。

■ファイバ固有の内部歪が小さく、この歪に起因する複
屈折量が小さいこと。

■ファイバ実装時における振動圧や温度変化等の外乱に
よる外部応力に起因する誘起複屈折が生じがたいこと。

本願出願人は、先に、上述の各条件のうち、ファイバ素
材に関する条件（■、■、■）のほぼ全部を満し、かつ
、ファイバ特性に関する条件（■。

■、■、■）の一部を満たすファイバを提案した（特開
昭６２−２２１１号公報参照）。この提案にががるファ
イバは、所定の組成の高鉛ガラスを用いて、コア、クラ
ッド及びジャケットからなる三層構造のファイバとした
ものである。この組成の高鉛カラスは、ヴエルデ定数が
大きく、光弾性定数が小さいとともに光吸収係数が小さ
いので、上述の各条件のうち、ファイバ素材に関する条
件（■、■。

■）のほぼ全部を満す。また、光弾性定数が小さいので
、ファイバに歪が生じてもこれに起因する複屈折量が小
さくてすむ。それゆえ、ファイバ特性に関する条件のう
ち条件■及び■の一部を満たす。さらに、三層構造にじ
ていることがら、コアからクラッドに洩れた光はジャケ
ット内に進行して吸収あるいは放出され、コアに戻って
迷光になることが防止されるから、条件■もほぼ満す。

しかし、ファイバ特性に関する条件のうち、条件■、■
を満たすか否かは、ファイバ材料の組成やファイバの基
本構造（三層構造）を選定しただけでは決まらず、ファ
イバの製造過程における処理状態によって大きく左右さ
れる。

特に、伝送損失（■〉の大部分は、ファイバの構造不完
全性によるものである。すなわち、コア外径の変動、コ
アクラッド境界面の不整、コア軸の微少なうねり（マイ
クロベンディング）等によるものである。これらは、主
としてファイバ製造時に生ずるものである。また、製造
状態によっては、ファイバに大きな内部歪が生じてファ
イバ固有の複屈折が無視できない程度となるおそれもあ
る。しかも、このような大きな内部歪があると、温度変
化やファイバ実装時におけるファイバの曲げ、振動、捩
じれ、圧力等の変動によってトータルの歪量が大きく変
化し、複屈折量が変動して測定のノイズとなるおそれも
ある。

ところで、従来から知られているファイバの製造方法の
中で、このような構造的精密性が要求されるガラスファ
イバを製造可能な方法としては、いわゆるロッドインチ
ューブ法が知られている。

このロッドインチューブ法を用いて上述のような三層構
造のガラスファイバを製造するには、次のようにして行
う。

まず、コアとなるガラスロッドをクラッドなるガラスチ
ューブに挿入し、これを加熱・融着・−体止して第１段
階のプリフォーム（線引きする前のガラス母材）を作成
する。次に、この第１段階のプリフォームをジャケット
となるガラスチューブに挿入し、再度、加熱・融着・一
体止しながらファイバ線引きすることにより、コア、ク
ラッド、ジャケットからなる三層構造のガラスファイバ
を得るものである。

ｉＩ発明が解決しようとする課Ｍ］ ところが、上述の従来のロッドインチューブ法を用いて
上述の三層構造のガラスファイバを製造したところ、得
られたガラスファイバは、必すしも十分満足できるもの
ではなかった。

すなわち、この従来の方法で製造したガラスファイバに
は、コア外径の変動、コアクラッド境界面ノ不整、コア
軸の微少なうねり（マイクロベンディング）等が見られ
、伝送損失を予想した程には小さくできなかった。また
、内部歪も予想以上に大きく、これに起因する複屈折の
影響でノイズを予想した程には低減できなかった。

この原因を究明したところ、主なる原因は、線引きする
前の母材たるプリフォームの形成が不完全であるためで
あることが判明した。

すなわち、まず、第１段階のプリフォームの形成過程で
、コア用ロッドに変形が生じたり、コア用ロッドの軸に
曲がりが生じたり、あるいは、コア用ロッドとクラッド
用チューブとが一体化された第１段階のプリフォーム自
体の外径が不均一となったり、さらには、この第１段階
のプリフォームのコアとなるカラスに偏心が生ずること
が判明した。その上、このような欠陥のある第１段階の
プリフォームをジャケット用ガラス管に挿入した場合、
両者の間隙が不均一となり、それゆえ、これを加熱・融
着・一体止してファイバを作成する過程で気泡を巻き込
んでしまうことか判った。

このため、このプリフォームの形成条件を変えて欠陥の
ないものを作成するべく種々試みたが良好な結果は得ら
れなかった。これは、上述の組成の高鉛ガラスは、軟化
温度が低く、かつ、急激に軟化するとともに、軟化後の
粘性が小さいという性質を有するため、加熱・融着・一
体止の処理過程で、所定の形状の維持ができないためで
あることが判明した。

このような事情は、同様の性質を有する他の組成のガラ
スでも同じであった。

本発明は、上述の背景のもとで、本発明者等が種々の方
法による製造実験を試行した結果、みいだされた事実に
基づいてなされたものであり、軟化温度が低く、かつ、
急激に軟化するとともに、軟化後の粘性が小さい性質を
有するガラスを用いても、高い構造精度及びすぐれた特
性を有する多層構造のガラスファイバを得ることができ
るガラスファイバの製造方法を提供することを目的とし
たものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、以下の各構成とすることにより上述の課題を
解決している。

（１）少なくとも、ジャケットの母材なる第１のガラス
管と、この第１のガラス管の内径よりを小さい外径を有
するとともにこの第１のガラス管内に配置されたクラッ
ド用母材たる第２のガラス管と、この第２のガラス管の
内径よりも小さい外径を有するとともにこの第２のガラ
ス管内に配置されたコア用母材たるガラスロッドとを含
むガラスファイバ母材構成体を形成し、 次いで、このガラスファイバ母材構成体を加熱しつつ線
引きすることにより少なくともコア、クラッド及びジャ
ケットを有する多層構造のガラスファイバを得るように
した構成。

（２）構成１において、 前記第１のガラス管、第２のガラス管及びガラスロッド
がＰｂＯを５０〜８５ｗｔ％含む酸化物ガラスであるこ
とを特徴とした構成。

［作用］ 上述の構成（１）によれば、軟化温度が低く、かつ、急
激に軟化するとともに、軟化後の粘性が小さい性質を有
するガラスを用いても、高い構造精度及びすぐれた特性
を有する多層構造のガラスファイバを得ることができる
。これは、このような性質のガラスでは、従来の常識で
あった第１段階のプリフォーム形成段階を省いて、所定
の精度で所定の寸法に加工されたコア用ガラスロッド、
クラッド用ガラス管及びジャケット用ガラス管の三層構
造のガラスファイバ母材構成体を直接加熱しつつ線引き
するほうが、加熱・融着の際において形状異常を起こし
にくいためであると推定される。

また、構成（２）によれば、ファラデー効果ファイバと
して利用できる多層構造をなしたガラスファイバを得る
ことができる。この場合、ＰｂＯが５０ｗｔ％未溝では
ヴエルデ定数が小さくなり、したがって、ファラデー効
果が小さくなるので好ましくない。一方、Ｐｂｏが８５
ｗｔ％を越えると、ガラスが失透し易くなるので好まし
くない。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例にかかるガラスファイバの製造
方法を詳述する。なお、この実施例はコア、クラッド及
びジャゲトの三層構造をなしたシングルモードのファラ
デー効果ファイバを製造する場合の例である。

まず、コアを構成するガラス素材として、ヴエルデ定数
が大きく、光弾性定数を小さくできる材料を選定する。

この実施例では、ＰｂＯを７１ｗｔ％含むＳ　ｉ　０２
−Ｐ　ｂ　０−Ｒ２０系（Ｒニアルカリ金属）を用いた
。ここで、光弾性定数と屈折率とはリニアな相関関係に
ある。このガラス素材で光弾性例数をゼロにするには、
屈折率が１．８０４７とすれば良い。所望の屈折率は、
周知の手法にしたかって組成を微調整することによって
得られる。

コアの母材たるガラスは、光弾性定数ができるだけゼロ
に近くなるような屈折率を有する組成に調整する。こう
してコアの屈折率及び組成が決定されると、ファイバの
仕様特性に応じてクラッドやジャケットの屈折率及び基
本組成がほぼ一義的に決定されてしまう。

したがって、次に、このコアの母材たるガラスの屈折率
を基準にして、コアガラスと基本組成が同じようなガラ
ス素材を用い、ファイバの所望の仕様を満すようにクラ
ッドの母材なるガラス及びジャケットの母材たるガラス
の屈折率を決定し、前記と同様にしてそれぞれの組成を
調整する。この場合、周知のように、クラッドの屈折率
は、コアの屈折率よりも小さく、また、ジャケットの屈
折率はクラッドの屈折率よりも大きく設定される。

なお、ここにおけるジャケットは、オーバークラッド層
とも呼ばれ、クラッドモードによるノイズを取り除くた
めのモードストリッパーの作用をなすものである。

ファイバ仕様を、例えば、０．６３３μｍの波長の光に
対する規格定数を２．３と設定し、ジャケット外径１０
０〜１２５μｍのシングルモードファイバとする。そう
した場合には、コア径をＬＯ〜４．５μｍｍとし、比屈
折率差を０．１６〜０．２％とすれば良い 次に、以上の前提のもとに、ガラスファイバ母材構成体
を作成する。このガラスファイバ母材構成体は、ジャケ
ット用母材ガラス管と、このジャケット用母材ガラス管
内に配置されたクラッド用母材ガラス管と、このクラッ
ド用母材ガラス管内に配置されたコア用母材ガラスロッ
ドとからなる三層構造をなしたものである。

このガラス母材構成体の各構成部材は、コア、クラッド
及びジャケットを構成する素材ガラスをそれぞれ研摩研
削加工して形成する。研摩研削加工によれば、これら各
構成部材を精密な寸法精度に仕上げることができる。

ここで、研摩研削加工によれば、加工可能なロッド部材
の最小外径が２．０　ｍｍｍ内外であるから、コア用母
材ガラスロッドの外径を２．０　ｍｍｍとする。この外
径のコア用母材ガラスロッドを含むガラスファイバ構成
体を線引きしたとき、線引き後のコアの外径が４．０８
ｍｍとなるように設定した場合、線引き後のファイバ全
体の外径（ジャケットの外径）が１００μｍｍとなるた
めには、線引き前のガラス母材構成体の外径（ジャケッ
ト用母材ガラス管の外径）を５０ｍ　ｍｍとすれば良い
。また、線引き後のファイバ全体の外径を１１０μｍｍ
とするためには、線引き前のガラス母材構成体の外径を
５５ｍ　ｍｍとすれば良い。このようにして、ガラス母
材構成体の構成部材のうち、コア用母材ガラスロッドの
外径及びジャケット用母材ガラス管の外径が決定される
。

次に、ジャケット用母材ガラス管の内径並びにクラッド
用母材ガラス管の外径及び内径を決定する。その際には
、次の点に留意することが重要である。

まず、クラッド用母材ガラス管の内径は、コア用母材ガ
ラスロッドが挿入可能な限界までコア母材ガラスロッド
の外径に近い寸法とする。例えば、コア用母材ガラスロ
ッドの外径が２．００ｍｍｍであれば、クラッド用母材
ガラス管の内径を寸法表示上においては２．００ｍｍｍ
とする。無論、軸ずれやうねり等の形状異常のない加工
を行う。この加工は研摩研削加工の加工技術を駆使する
ことにより所望の精度が得られる。ちなみに、従来のプ
リフォームを形成する場合のような熟成形ではこのよう
な精度の高いプリフォームを得ることはできない。

また、ジャケット用母材ガラス管の内径の決定の際には
、次の点を考慮する。

第１に、このジャケット用母材ガラス管の肉厚部分の体
積と、このジャケット用母材ガラス管内に収納される部
材（クラッド用母材ガラス管及びコア用母材ガラスロッ
ド）の体積とが極端に違わないように設定する。これら
が極端に異なると、線引き時の加熱・融着の際に、いず
れか一方が先に熱変形を起こしてコアの軸ずれやうねり
が生じてしまう。それゆえ、例えば、ジャケット用母材
ガラス管の外径を５５ｍｍｍにした場合には、内径を３
５ｍｍｍ（体積比；１：０．９）ないし４０ｍ　ｍｍ（
体積比；１：１．５）程度とする。

第２に、ジャケット用母材ガラス管内面と、クラッド用
母材カラス管外面との間隙を可能な限り小さくできるよ
うに設定する。無論、この場合も、軸ずれやうねり等の
形状異常のない加工を行うようにする。この間隙が大き
すぎたり、軸ずれやうねり等の構造異常があると、線引
き時の加熱・融着の際に、コアの軸ずれやうねりを生ず
る原因となる。この場合も研摩研削加工の加工技術を駆
使すれば、所望の精度が得られる。いま、例えば、ジャ
ケット用母材ガラス管の内径を４０．１０ｍｍｍとした
場合には、クラッド用母材ガラス管の外径を４０．００
　ｍｍφ程度とする。

さて、以上のようにしてガラスファイバ母材構成体を作
成したら、次に、ファイバ線引き装置を用いて線引きを
行う。このファイバ線引き装置は、周知のように、ガラ
スファイバ母材構成体を加熱する加熱炉、線引き後のフ
ァイバ外径を測定する外径測定装置、線引き後のファイ
バにプラスチック被覆を施したりコーティング剤を塗布
する被覆装置、線引き速度を制御するキャプスタン、線
弓き加重を印加する加重印加装置及び巻取装置等からな
るものである。

この線引きは、ガラスファイバ母材構成体を加熱炉内の
加熱部に所定のロッド送り速度で送り、加熱・融着して
、所定のファイバ線引き速度で線引きする。この実施例
では、線引き温度を６４０℃内外、ロッド送り速度を数
百μｍ／ｍｉｎ内外、ファイバ線引き速度を数百ｍｍ／
１ｌｌｉｎ内外とし、ウレタンアクリレート等のコーテ
ィングを施した。

また、この場合、加熱炉の加熱部の温度を正確に制御し
、加熱した際のガラスの粘性が正確に所定の範囲に治ま
るようにすることが重要である。この実施例では、粘性
が１×１０４ポアズ〜１×１０５ポアズになるようにし
た。

この実施例の方法によって製造したガラスファイバには
、コア外径の変動、コアクラッド境界面の不整、コア軸
の微少なうねり（マイクロベンディング）等がほとんど
見られず、極めて形状精度の高いものであった。それゆ
え、光伝送損失が、３ｄＢ／ｍ程度と小さく、また、固
有複屈折も０．０３−０．２ｄ　ｅ　ｇ／　ｃ　ｍ程度
と極めて小さいとともに、ファイバに折り曲げ等による
外部歪を加えてもこれに起因する複屈折がほとんど生じ
ないものであった。例えば、このガラスファイバを直径
４０ｍｍφのサークル上に多数回巻いても誘起複屈折は
ほとんど生じない。しかも、ヴエルデ定数が、０．０７
２　ｘ　１０’分／　Ｏｅ−ａｍと大きく、光弾性定数
か１．ＯＸ　１０−９ｃＪ／ｋｇと小さいため、多数回
巻いて光電流センサーを構成すると、極めて高い電流検
出感度が得られる。

さて、本発明者等は、上述の一実施例の方法によって実
際にファラデー効果ファイバを製造したので、以下にそ
の製造例を説明する。

（製造例１） 九ニス衆封 コア用母材ガラスロッドの組成 Ｓ　１０２　：　２７．１０　ｗｔ％ ＰｂＯ：　　７１．１０　ｗｔ％ Ｎ　ａ２０　：　　０．２０　ｗｔ％ に２０　：　　　１．３０　ｗｔ％ クラッド用母材ガラス管の組成 Ｓ　１０２　：　２７．２５　ｗｔ％ ＰｂＯ：　　７０．９５　ｗｔ％ Ｎ　ａ２０　：　　０．２０　ｗｔ％ Ｋ　○：　　　１．３０ｗｔ％ ジャケット用母材ガラス管の組成 Ｓ　１０２　：　２７．０９　ｗｔ％ ＰｂＯ：　　７０．０５　ｗｔ％ Ｎａ２０　：　　１．３０　ｗｔ％ ｃｏ　２０３　：　０．０１　Ｗｉ：％Ｃｒ　２０３　
＋　０．０５　ｗｔ％ ゛°−スファイバ。

コア用母材ガラスロッド 外径・・・２．ＯＯｍｍ クラッド用母材ガラス管 外径−４０，００ｍｍ 内径・・・２．００ｍｍ ジャケット用母材ガラス管 外径・−・５５．００　ｍｍ 内径・−・４０．１０　ｍｍ 挟丑１乗丘 線引き温度・・・６４０℃ ロッド送り速度・・・０．３　ｍｍ／引ｎファイバ線引
き速度・・・１００　ｍ／＋ｎｉｎコーティング剤・・
・ウレタンアクリレートれｔ−−スファイバの・ コア径　　　　　　　　４．０μｍ クラツド径　　　　　８０．０μｍ ファイバ径（ジャケット径〉 １１０．０μｍ コーティング層厚　　８０．０μｍ 比屈折率差　　　　　　０．１７％ 開ロ数　　　　　　　０．１１ 規格化定数　　　　　　２．３　　（０，６３３μｍ＞
１、ＯＸ　１０−９ｃｄ／ｋｇ ０．０：３−０．２　　ｄ　ｅ　ｇ　／　ｃ　ｍ３ｄＢ
／ｍ 光弾性定数 固有複屈折 光伝送損失 （製造例２） 〃二困工封 製造例１と同じ。

一スファイバ、 コア用母材ガラスロッド 外径・・・２．４０ｍ　ｍ クラッド用母材ガラス管 外径・−５５，００ｍｍ 内径・・・２．４０ｍｍ ジャケット用母材ガラス管 外径−８６，００ｍｍ 内径−＝−５５，１０ｍｍ 豫史ｌゑ丘 製造例１と同じ。

られｔ・　−スファイバの・ コア径 クラツド径 ４．０μｍ ９２．０　μｍ ファイバ径（ジャケット径） １１０．０μｍ ８０．０μｍ ０．１７％ ０．１１ ２．３　　（０，６３３μｍ＞ １．０　Ｘ　Ｉ　Ｑ−９ａｆＴ／ｋｇ ０．０３〜０．２　ｄ　ｅ　ｇ／　ｃ　ｍ３ｄＢ／ｒｎ コーティング層厚 比屈折率差 開口数 規格化定数 光弾性定数 固有複屈折 光伝送損失 （製造例３） 立ユスエ■ 製造例１と同じ。

ラスファイバ。

コア用母材ガラスロッド 外径・・・２．００ｍｍ クラッド用母材ガラス管 外径−５０，００ｍｍ 内径・・・２．００ｍｒｒｎ ジャケット用母材ガラス管 外径・−５５，００ｍｍ 内径・−・５０．１０　ｍｍ 振史工ゑ丘 製造例１と同じ。

られなガラスファイバのパ　・　性 コア径　　　　　　　　４．ＯＡＬｍ クラッド径　　　　　９２．０μｍ ファイバ径（ジャケット径） １１０．０μｍ コーティング層厚　　８０．０μｍ 比屈折率差　　　　　　０．１７％ 開ロ数　　　　　　　０．１１ 規格化定数　　　　　　２．３　　（０，６３３μｍ）
光弾性定数　　　　　　１．ＯＸ　１０−９Ｎ／ｋｇ固
有複屈折　　　　０．０３〜０．２　ｄ　ｅ　ｇ／　ｃ
　ｍ光伝送損失　　　　　　３ｄＢ／ｍ （比較例〉 次に、比較のなめに、第１段階のプリフォームを形成し
てから線引きする従来の製造方法によって同様のファラ
デー効果ファイバを製造した例を説明する。

用いるガラス素材は上述の各製造例と同じとした。

まず、コアとクラッドのプリフォームを形成するための
母材を加工準備する。この母材の寸法は以下の通りであ
る。

コア用母材ガラスロッド 外径・・・３．　ＯＯｍ　ｍ クラッド用母材ガラス管 外径−１６，５０ｍｍ 内径・・・３．００ｍｍ 次に、クラッド用母材ガラス管内にコア用母材ガラスロ
ッドを挿入し、４８０℃で熱成形して一体化してプリフ
ォームを形成する。一体止後のプリフォームの外径は３
．００ｍｍである。

次いで、外径が１３．００で内径が３．００ｍｍジャケ
ット用母材ガラス管を作成する。

しかる後、このジャケット用母材ガラス管内に前記作成
したプリフォームを挿入して線引きし、ファイバ化する
。

これによって得られたファイバは次のような寸法・特性
を有するものであった。

コア径　　　　　　　　４．３μｍ クラツド径　　　　　２３．０μｍ ファイバ径（ジャケット径〉 １００．０．ｔＬｍ 光弾性定数　　　　　　１．０　Ｘ　１０−９ｃＪ／ｋ
ｇ固有複屈折　　　　０．４〜０．５　ｄ　ｅ　ｇ／　
ｃ　ｍ光伝送損失　　　　　２０ｄＢ／ｍ 以上の結果から明らかなように、従来の製造方法によっ
て製造したガラスファイバは、上述の一実施例の方法に
よって製造したガラスファイバに比較して、固有複屈折
率及び光伝送損失が著しく劣る。換言すると、本発明の
一実施例の製造方法が著しく優れていることがわかる。

なお、上述の一実施例では、本発明の方法をファラデー
効果ファイバを製造する場合に適用した例について述べ
たが、本発明の方法は、これに限られることなく、軟化
温度が低く、かつ、急激に軟化するとともに、軟化後の
粘性が小さい性質を有するガラスを用いて、高い構造精
度及びすぐれた特性を有する多層構造のガラスファイバ
を得る他の場合にも適用できることは勿論である。

［発明の効果］ 以上、詳述したように、本発明は、要するに、少なくと
もコア用ガラスロッド、クラッド用ガラス管及びジャケ
ット用ガラス管を有する多層構造のガラスファイバ母材
構成体を直接加熱しつつ線引きするようにしたことによ
り、製造過程で形状異常が生ずるおそれをなくし、これ
により、軟化温度か低く、かつ、急激に軟化するととも
に、軟化後の粘性が小さい性質を有するガラスを用いて
も、高い構造精度及びすぐれた特性を有する多層構造の
ガラスファイバを得ることを可能にしたものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも、ジャケット用母材たる第１のガラス
   管と、この第１のガラス管の内径より小さい外径を有す
   るとともにこの第１のガラス管内に配置されたクラッド
   用母材たる第２のガラス管と、この第２のガラス管の内
   径よりも小さい外径を有するとともにこの第２のガラス
   管内に配置されたコア用母材たるガラスロッドとを含む
   ガラスファイバ母材構成体を形成し、 次いで、このガラスファイバ母材構成体を加熱しつつ線
   引きすることにより少なくともコア、クラッド及びジャ
   ケットを有する多層構造のガラスファイバを得るように
   したガラスファイバの製造方法。
2. （２）請求項１に記載のガラスファイバの製造方法にお
   いて、 前記第１のガラス管、第２のガラス管及びガラスロッド
   がＰｂＯを５０〜８５ｗｔ％含む酸化物ガラスであるこ
   とを特徴としたガラスファイバの製造方法。