JPS61201637A - 光フアイバ用母材の製造方法 - 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７アイパ用母材の製造方法に関し、特にクラ
ッド部にフッ素を含む、高品質の石英系光ファイバ用母
材Ｏ１１造方法に関する。

〔従来の技術〕

第２脂に代表的な単一モード光ファイバの屈折率分布構
造を示す。従来このような屈折率分布を形成するために
は、屈折率を高める物ｉｔコア部に添加する方法が多く
堆られていた。屈折率を高める添加剤としてはＧ・０□
、　Ｐ２Ｏ５，＊ｌ、Ｏｓなどの酸化物が用いられるこ
とが多いが、これらの酸化物を用いると、■レイリー散
乱の増加によシ先の伝送損失が増加する、■ガラス母材
中に該酸化物に起因する気泡発生や結晶相析出などが起
シ易い、■ガラスの熱膨張係数が大きくなシガラス母材
が割れ易くなる、等の問題を生じる。したがって、ガラ
ス母材中に添加されるドーパント量は少ない方が望まし
い。

このため、クラッド部に屈折率を低めるドーパント、た
とえばＢ２０．、フッ素などを添加し、コアとクラッド
間の屈折率差を大きくする方法が増られることがある。

しかしながら、Ｂ２Ｏ５はシリカガラスの熱膨張係数を
大きくし、また長波長領域に固有の吸収損失を持つ。そ
こで屈折率低下成分としてはフッ素を用いることが望ま
しい〇 一方光ファイバの製造法として、火炎加水分解反応によ
シ、多孔質ガラス体を形成するＷＡＤ法（気相軸付は法
〕或はｏｖｐｏ法（外付けｃｖｎ法〕等は、生産性に優
れた経済的な方法として知られている。しかしながら、
ＭＡＤ法或はｏｖｐｏ法のように火炎加水分解を利用し
た方法で石英ガラス中に十分な童のフッ素金象加するこ
とはきわめて困難である。たとえば、特開昭５５−１５
６８２号公報にはフッ素をガラス母材中に添加する方法
が記載されているが、この方法によればフッ素の添加に
よる屈折率の低下は、高々０．２〜０．３％程度にすぎ
ず添加されるフッ素の量に限界がある。

また−万では、特開昭５５−６７５３３号公報には、火
炎加水分解法で形成されたガラス微粒子の積層体ｔフッ
素化合物ガスの雰囲気中で加熱することによシ、効率的
にフッ素を添加する方法が提案されている。しかしなが
ら、上記公報に記載の方法では、ガラス微粒子積層体に
ほぼ均一にフッ素が添加されるので、フッ素のみを用い
て、第２図のような光導波路として十分な機能を有する
屈折率分布を形成することは―しい。

そこで、光導波路として十分な機能を有する屈折率分布
を形成し、かつ、生産性に優れた、火炎加水分解反応に
よる多孔質ガラス体全合成する方法を応用し九フッ素を
含む光ファイバ母材の製造方法として、第３因に模式的
に示した装置を用いた方法が考えられている。

回転、引上げ装置２に装着された、コア部に相当するガ
ラス棒１を徐々に上方に引上げつつ回転させると同時に
、該ガラス棒１の側面上にガラス微粒子合成用バーナー
３によシ生成させたガラス微粒子を堆積させてゆき、ク
ラッド部に相当する多孔質ガラス層４を形成する。ガラ
ス微粒子は、ガラス微粒子合成用バーナー３に、Ｂ２．
０２及び５１０１４などを同時に供給し、火炎加水分解
反応によシ形成する。５は反応容器、６は排気口である
。このようにして形成したガラス棒及び多孔質ガラス層
の複合体を、フッ素を含むガス雰囲気中で加熱すること
により、多孔質ガラス層にフッ素が取フ込まれるととも
に、該多孔質ガラス層は透明ガラス化し、第２図に示し
たような屈折率分布を有する光ファイバ用母材とするこ
とができる。

〔発−が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述の第３因装置？ｌ−用いるこの方法
では、コア部に相当するガラス棒を予め所定の径に延伸
加工する際、しばしば水蒸気を含む雰囲気中で加熱され
る場合が多く、ガラス棒表面がＯＨ基によって汚染され
易い。中でも水素原子を含む燃焼ガスにより形成される
火炎を用いて該ガラス棒を延伸加工する際に、ガラス棒
表面のＯＨ基による汚染は著しい。さらに、クラッド部
に相当する多孔質ガラス層を形成する際にも、ガラス微
粒子合成用バーナーの火炎から生じる水蒸気により、ガ
ラス棒表面がＯＨ基で汚染されることがある。

このように、コアに相当するガラス棒表面がＯＨ基で汚
染された母材を紡糸し、光ファイバとした場合、該光フ
ァイバ中を伝搬する光がＯＨ基の存在により吸収損失上
受け、伝送損失特性が劣化する。特に該光ファイバを単
一モードファイバとして用いる場合には、゛単一モード
光ファイバ中を伝搬する光のパワー分布は、クラッド部
まで広く拡がっているので、コアとクラッドの境界近傍
のＯＨ基汚染層の影響が殊に著しく、伝送損失特性の劣
化が著しい。

ところで本発明者らは、鋭意研究の結果多孔質ガラス体
をフッ素を含む雰囲気中で加熱することにより多孔質ガ
ラス体内にフッ素を含有せしめる方法において、フッ素
の添加量は雰囲気中のフッ素或いはフッ素化合物濃度、
加熱温度及び多孔質ガラス体のカブ密度に大きく依存す
ることを見い出している。

たとえはフッ素を添加した石英ガラスの屈折率減少率を
百分率で表わしたものをΔｎ（ＦＪ　　とすると、 ｙ４　　　　　２５Ｘ１０’ Ｉ　ａｎ（Ｆ）　ｌ　　ｏｃ　Ｐ　　　Ｘ　ｅｘｐ　（
−−）Ｔ となる。ここでＰは雰囲気ガスとして用いるフッ素化合
物ガスの分圧、Ｒはボルツマン定数（１，９８７Ｃａｊ
／ｌｌｅｇ−ｎｏｒ　）、丁は雰囲気の絶対温度を表わ
す。また、第４図にカサ密度対比屈折率差の関係を示す
。第４図の場合、１２００’ＣＳＦ６め分圧０．０２　
（他はＨｅ）の炉の中にカナ密度の異なる多孔質ガラス
体を３時間保持したのち１６５０℃で透明ガラス化した
あと、石′へ英に対する屈折率の変化を求めたものであ
る。

第４図より判るように同じ温度、時間、フッ素化合物ガ
ス分圧の雰囲気に多孔質ガラス母材をさらしても、多孔
質ガラス母材のカサ密度によって添加されるフッ素量に
大きな差が生じる。

そこで多孔質ガラス母材中に故意に半径方向にカサ密度
分布をつけることにより添加されるフッ素の霊に半径方
向、濃度分布、即ち屈折率分布を与えることが可能であ
る。

一万、多孔質ガラス母材の脱水性、即ち一定の脱水剤を
含むある温度雰囲気に多孔質母材ｔさらしそれ金さらに
高温で透明ガラス化した場合の残留ＯＨ量は多孔質ガラ
ス母材の力を密度に大きく依存しカサ密度が高いほど残
留ＯＨ量が多くなることはよく知られている。特に、上
記のごとくカサ密度分布を与えて多孔質ガラス母材に含
有されるフッ素量の濃度分布を形成する場合、カサ密度
の高い部分の脱水の方法ＶＣに充分考慮する必要がめる
。

本発明の目的は、以上の諸点を考慮し残留ＯＨ量が極め
て少なくコアが実質的に石英ガラス、クラッド部がフッ
素を含有した石英ガラスからなる伝送損失の極めて低い
光ファイバの製造方法を提供するところにある。

〔問題点全解決するための手段〕

本発明は出発材を増９囲む高カブ密度の多孔質ガラス層
と、該高カサ密度、多孔質ガラス層ヲ増り囲む低カサ密
度の多孔質ガラス層に、［出発材上にガラス微粒子を堆
積することにより形成したのち、上記出発材を取り除き
中空の多孔質ガラス体とし、該多孔質ガラス体に脱水、
フッ素添加、透明ガラス化の為の加熱処理金施すことに
より、半径方向にフッ素含有量の分布を有する中空透明
ガラス母材を形成し、その後該中空透明ガラス母材の内
部にガラス・エッチング剤を含むガスを流しつつ加熱処
ａｔ行うことによ５１中空透明ガラス母材の内壁の平滑
化全行い、さらに加熱中実化することを特命とする光フ
ァイバ用母材の製造方法である。

本発明の特に好ましい実施態様としては、該ガラスエツ
チング剤がフッ素或いはフッ素を含んだ化合物ガスであ
る上記方法が挙げられる。

以下にその詳細全説明する。なお、以下に述べる方法お
よび実施例は、本発明の例示にすぎず、また図面におけ
る各部の位置、相対的配置関係、大きさ、形状等は本発
明を何ら限定するものではない。

第１図は本発明に係る多孔質母材形成め方法の１実施態
様七示すもので、図中７は円筒状、または円柱状の耐火
性出発材であり、８０回転引上装置に取り付けられてい
る。９は高カナ密度多孔質ガラス層１１を形成するため
のバーナー、１０は低かさ密度の多孔質ガラス層１２’
１形成する為のバーナーであり、１３は多孔質ガラス体
保持用石英パイプ、１４は反応容器、１５は排気口であ
る。１６は、保持用石英パイプ管藺易的に出発材１に取
付る為のピンである。バーナー９及びバーナー１０には
Ｈ２、炭化水素などの可燃性ガス、Ｏ及び５ｉＧｊ４な
どの石英ガラス原料等が供給される。なおバーナー９で
は高カサ密度多孔質ガラス層を形成する為、ガラス微粒
子堆積表面温度が高くなるよう、その配置及び供給する
ガス原料の流量が調整される。各バーナーの火炎中では
ガラス原料の火炎加水分解反応によシ、ガラス微粒子が
形成され、このガラス微粒子が保持用石英パイプ１３０
部分から堆積され始め、出発材７を回転させつつ徐々に
上方に引上げていくことにより軸方向に出発材７の外周
部に堆積されていく。このようにして出発材７の外周部
にガラス微粒子を所定長堆積させることによシ出発材７
とこれを取り囲む多孔質ガラス母材が形成される。その
後該多孔質ガラス母材から出発材７を引抜くことにょシ
、保持用石英パイプ１５に保持された円筒状（中空）の
多孔質ガラス母材會得ることができる。該中空多孔質ガ
ラス母材は内層部の上記バーナー９によって形成された
高カサｆｉ度部１１と、これを取り囲むバーナー１０に
よって形成された低カサ密度部１２からなっている。

なお、本発明の方法において用いられる出発材７の材質
としては、カーボン、シリコンカーバイド、石英ガラス
、アルミナ、ジルコニアなどガラス微粒子合成の際にバ
ーナー９．１０の炎によシ腐食や変形の起シにくい材料
であることが必要である。特に、ジルコニアは、多孔質
ガラス体から出発材７を引き抜くことが容易であるため
、望ましい材料である。

また、第１園においてガラス微粒子合成用バーナーとし
て２本のみを用いた例を示しているが、必要に応じてバ
ーナ一本数を増す或いは、カサ密度調整用加熱バーナー
を設けることにより、よシ安定に多孔質母材形成が可能
となることもある。

次に以上のようにして作成した円筒状の多孔質ガラス母
材に脱水、フッ素添加透明化処理を施す。ここで多孔質
ガラス母材を円筒状に作成した理由は、前述したごとく
高カサ密度部の脱水が中実の多孔質ガラス母材では母材
外局部から多孔質ガラス層全通って拡散して（る脱水剤
によってのみ行われる為困難或いは長時間を要するため
である。すなわち円筒状にすることにより、内層の高カ
サ密度部が中空部を流れる脱水剤に直接接触することが
可能となり、脱水が効率的に行われる。

第５図及びｗ４６図は脱水、フッ素添加透明ガラス化の
方法の実施態様會示す図である。１７は多孔質ガラス母
材を加熱するための円筒状に配置された炉１Ｂは炉心管
、１９．２０はガス導入口、２１は排気口、２２．２２
’は多孔質ガラス母材を保持用石英パイプ１３ｉ介して
保持するための保持パイプ及び保持相棒であり、保持用
石英パイプ會ピンなどｔ用いて簡便に取り付けられるＬ
うになっている。保持相棒２２・にはガスの通路２３が
設けである。

まず、炉内を１１００℃程度に保ちガス導入口１９．２
０から脱水剤と希釈用ガス、たとえばＣｌ２をＨｅ　を
流入せしめ、多孔質ガラス母材中に残留しているＯＨ基
を十分増成く。この際高カサ密度部の内層部１１が十分
Ｃ／２にさらされるように、第５因の方法ではガス導入
口２０から流入されるガス流速を、下部のガス導入口１
９から導入されるガス流速よりも早くする。

ま九第６図の方法では、下部のガス導入口１９から流入
されたガスが多孔質ガラス母材中空部に流れ易くする目
的で、保持相棒２２’の一部に母材中空部を流れてきた
ガスの通路２３を設ける等の工夫によりより効率的に脱
水処理を施すことができる。

その後、炉温を上昇させつつ、ガス導入口１９からフッ
素化合物ガス例えば、ＳＦ６．　ＯＦ４゜０２Ｆ６．　
ＳｉＦ４など及びＨ６等の希釈用ガスを流入せしめ、フ
ッ素添加及び透明化処理を行う。炉温は１６５０℃程度
に上昇させれば完全に透明ガラス化せしめることができ
る。尚、フッ８１５加処理を透明ガラス化温度より低温
域で行いその後炉温を１６５０℃程度に上昇させ透明ガ
ラス化するというようにフッ素添加処理と透明ガラス化
処理を分離することも可能である。

このようにして得られた母材の模式的な径方同君折率分
布を第７図に示す。母材内層部は、多孔質ガラスの段階
で、カサ密度が高く、フッ素の添加量がきわめて少なく
なり、屈折率がほぼ純粋石英ガラスのものに等しい。

なお、上記脱水フッ素添加透明ガラス化工程の説明に於
いては炉長がほぼ多孔質ガラス体の長さと同等以上であ
る均熱温度分布を持つ炉（均熱炉）の例を示したが、炉
長が短かい、リング状の炉（ゾーン炉）中を多孔質ガラ
ス母材を通過させていく方法においても何ら本発明の意
図するところを逸脱するものではない。

次に、以上で得られた中空透明ガラス母材を中実化する
方法について述べる。通常、管状石英パイプを中実化す
る際には、外周部から火炎或いは電気炉等で加熱し、場
合によっては中空部上減圧しつつ行われる。しかしなが
ら本発明の方法に於いては、中空の多孔質ガラス体を作
製する際、出発材全引抜く必要がある為、出発材を引抜
く際の傷などにより多少多孔質ガラス体内面の平滑度が
劣り、中実化の際の気泡発生の原因となり易い。さらに
透明化後から中実化に至るまで母材内層表面に水分等の
不純物の付着の可能性があり、伝送損失劣化の要因とな
シうる。

そこで本発明に於いては、中実化に先立って母材中空部
に、Ｆを含む化合物ガスなどのガラスエツチング剤必要
に応じて０２などを流しつつ母材外部から母材全加熱す
ることにより母材内層表面の平滑化及び水分の除去上行
うことが有効である。また０２は、ガラス内表面の０２
欠陥を減少せしめることにより０２欠陥に由来する伝送
特性の劣化を少なくする為に効果的である。

ガラスエツチング剤としてはフッ素（Ｆ２）　　或いは
ＣｔＦ４．８Ｆ６．　ＱＣ／２Ｆ２．０２Ｆ６．　ＢＦ
、、　ＮＦ、フッ素（Ｆ）を含む化合物ガスなどを用い
ることができる。

このときの温度は９ＧＯ５１３００℃程度が一般的であ
る。また中実化は１８００〜２０００℃程度で行うこと
ができる。良だしこれらの温度は母材の大きさ等により
変ってくるものであυ何ら本発明を限定するものではな
い。

〔実施例〕

実施例１ 直径１５■のジルコニア管を出発材とし、第１図に示す
構成により、多孔質ガラス母材を作製した。内層（高カ
サ密度］多孔質ガラス層形成用のバーナー９には５ＬＯ
１ａ　５０　ＣＣ７分、６２８１３７分、０□　１０ぶ
７分を供給し、外層（低カテ密度ン多孔質ガラス層形成
用バーナ１０にはＳｉＣ／４Ｂ　００００７分、Ｈ２２
０Ｊ　７分、０２５０に７分を供給した。出発材ｆ　５
０　ｒｐｗａで回転させつつ６０鵬／時の速度で除々に
引上げることにより外径１００１１１φ、内層部の淳さ
約５鵬のシ孔質ガラス母材を形成した。この際、外層部
低カサ密度部の平均カサ密度は０．２５ｊ１１０１’で
あシ、内層の高カサ密度部の平均力を密度は１．０１／
ｒｌｙｒ’であった。該多孔質母材より出発材を引き抜
いたのち、第５図に示す構成により、脱水及びフッ素添
加透明化処理を行った。脱水は１１００℃の温度で下部
ガス導入口１９からはＣ１２１００Ｃ１；７分、Ｈｅ　
　７．５１ｉＪ１分に流し上部ガス導入口１２０からは
Ｏ／２２Ｊ／分を流し３時間保持し脱水した。

しかるのち、温度を１１０Ｑ℃から１６００℃まで５℃
／分の上昇速度で上げていくとともに、下部ガス導入口
１９からはＳＦ　４　２０　Ｇ　ＤＣ７分、Ｈａ８Ａ／
分上部ガス導入口２０からａＨ・０．２１／分を流すこ
とにより、フッ素管多孔質母材に含有せしめつつ透明ガ
ラス化を行った。

得られた円筒状透明ガラス母材の屈折率分布を第８図に
示す図中ａは［ＱＩＩＩ、ｌ）は１４■、０は４ａｓｓ
であった。又図中の％表示は純石英ガラスの屈折率との
差を示す。

該透明ガラス母材の両端に石英ダミーパイプ　。

を融着したのち１５００℃の電気炉に挿入し石英ダず一
パイプの片端からｓｙ６を３００α／分ｏ２．を５　Ｇ
　Ｇ　００７分、２０分間保持し該母材内層部ｙ　ｏ、
ｓ　ａｍ厚だけエツチングするとともに平滑化し、その
後炉温１１９００℃に上昇させ中実化した。その結果、
外径４５■φコア径３■φコア一クラツド間の比屈折率
差０．２９％（コア部に若干のフッ素が添加されコア部
の石英ガラスに対する比屈折率が０．０３％であシ、ク
ラッド部の石英ガラスに対する比屈折率差は−０，３２
％であった）の単一モード光ファイバ用プリフォーム會
得た。

該プリフォームを外径１２５μｍφになるよう紡糸しそ
の伝送損失を測定した結果波長１．３μｍで０．４５　
ｄＢ／Ａｘ、１．５５ａｍで０．２８　（１８／　１ｍ
１３８５７１１１での０１（吸収損失増は４６Ｂ／ｌａ
１であり伝送損失にすぐれたものであった。

比較例１ 中央部にカサ密度〜１．Ｑ　＆／傷３外径５■φの高カ
ナ密度部を有し咳高カサ密度部を＊ｐ囲むカサ密度〜０
．２５１／ａｍ３外径１４０８φの低カサ密度部を有す
る中実の多孔質ガラス体を形成したのちび多孔質ガラス
体を雰囲気ガスとしてＣ／２２Ｊ／分、Ｈ・　１０ぶ７
分全供給している１１００℃の電気炉中に６時間保持し
、加熱脱水処理したのちさらに温度を１１０Ｇ℃から１
６００℃まで５℃／分の上昇速度で上げいくとともに、
雰囲気ガスとしてＳＦ６２００　（Ｘ：　／分Ｈｅ８ｔ
３／分に切替え、フッ素を多孔質母材に官有させつつ透
明ガラス化を行った。その結果フッ素は高カサ密度部に
は殆んど含有されず、低カサ密度部にのみ屈折率低下度
で０．３％の量だけ含有された母材を得ることができた
が叔母材の含有水分量を赤外分光度計で測定したところ
、高カサ密度部に〜２００　ｐｐｍの水分が残留し、脱
水が全く行えなかった。

比較例２ 実施例１と同様にして、中空透明ガラス体を形成したの
ち平滑化処理をしないで中実化したところ、母材中央部
に多数の気泡が残り、紡糸することができなかった。

比較例３ 実施例１と同様にして中空透明ガラス体を形成したのち
平滑化処理する際０２全流さなかったところ、紡糸後の
伝送損失時性測定においてすべての波長で約０．′Ｓｄ
Ｂ／Ａ２Ｉ実施例のものよりロスが高かった。

〔発明の効果〕

以上の説明及び実施例の結果から明らかなように、本発
明の方法は多孔質ガラス母材の内層部と外層部のカサ密
度分布を調整することにより、母材中に含有されるフッ
素分布を制御し、加えて脱水、フッ素添加、透明化工程
及び中実化工程でのＯＨ基付着残存を極力防止できるの
で、コアが石英、クラッドがフッ素を含む石英ガラスか
らなシＯＨ基含有量の少ない高品質の石英系光ファイバ
用母材を得ることができる。

４因面の簡単な説明 第１図　本発明に係る多孔質ガラス体の形成方法の実施
態様を示す模式図、 第２図　シングルモード光ファイバの屈折率分布の例を
示すグラフ、　、 第３図　フッ素ｔクラッド部に含有せしめた光ファイバ
用母材の従来法によるクラッ ド層の製法の１例を示す図、 第４図　多孔質ガラス体のカサ密度と弗素添加量の関係
を示す図、 Ｗ４５図及び第６図　本発明に係る多孔質ガラス母材の
脱水、弗素添加、透 羽化の各処理を行う方法の 実施態様を示す図、 第７図　本発明によって得られる中空透明ガラス母材の
屈折率分布のグラフ、 第８図　実施例によって得られた中空透明ガラス母材の
屈折率分布のグラフ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、出発材を取り囲む高カサ密度の多孔質ガラス層と、
   該高カサ密度多孔質ガラス層を取り囲む低カサ密度の多
   孔質ガラス層を、該出発材上にガラス微粒子を堆積する
   ことにより形成したのち、上記出発材を取り除き、中空
   の多孔質ガラス体とし、該多孔質ガラス体に脱水、フッ
   素添加、透明ガラス化の為の加熱処理を施すことにより
   、半径方向にフッ素含有量の分布を有する中空透明ガラ
   ス母材を形成し、その後該中空透明ガラス母材の内部に
   ガラス・エッチング剤を含むガスを流しつつ加熱処理を
   行うことにより該中空透明ガラス母材の内壁の平滑化を
   行い、さらに加熱中実化することを特徴とする光ファイ
   バ用母材の製造方法。 ２、ガラスエッチング剤がフッ素或いはフッ素を含む化
   合物ガスである特許請求範囲第１項に記載の光ファイバ
   用母材の製造方法。 ３、該中空透明ガラス母材の内壁の平滑化に際し該中空
   透明ガラス母材内部に流すガスがＯ＿２を含有している
   特許請求範囲第１項又は第２項に記載の光ファイバ用母
   材の製造方法。