JP2012167003A - 光ファイバ母材製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】伝送損失が小さい光ファイバを製造する上で好適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。
【解決手段】本発明の光ファイバ母材製造方法は、 (1) 平均濃度５atm・ppm以上のアルカリ金属元素が添加された石英ガラスからなるガラスロッドを作製するロッド作製工程と、(2) ロッド作製工程において作製されたガラスロッドを熱処理する熱処理工程と、(3) 熱処理工程において熱処理されたガラスロッドの外周に、濃度６０００atm・ppm以上の塩素を含みアルカリ金属元素を含まない石英ガラス層を設けて、ガラスロッドおよび石英ガラス層をコア部とするコア部作製工程と、(4) コア部作製工程において作製されたコア部の外周に、そのコア部の屈折率より低い屈折率を有する石英ガラスのクラッド部を設けるクラッド部作製工程とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ母材製造方法に関するものである。
アルカリ金属がコア領域に添加された石英系ガラスからなる光ファイバが知られている（特許文献１参照）。アルカリ金属をコア部に添加することで、光ファイバ母材を線引する際におけるそのコア部の粘性を下げることができ、石英ガラスのネットワーク構造の緩和が進行するので、その線引により製造される光ファイバの伝送損失を低減することができるとされている。
アルカリ金属を石英系ガラス中に添加する方法としては拡散法が知られている。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の原料蒸気を石英系ガラスからなるガラスパイプ内に導入しながら、ガラスパイプを外部熱源により加熱したりガラス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をガラスパイプ中に添加した後、このガラスパイプを縮径する。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などの遷移金属を除去する目的で、ガラスパイプの内面をエッチングする。エッチング後、ガラスパイプを中実化することで、アルカリ金属添加コアロッドを製造する。このアルカリ金属添加コアロッドの外側にクラッド部を合成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線引することで光ファイバを製造することができる。カリウムを始めとするアルカリ金属元素を気相蒸着法で添加したガラス体において、ガラス中のカリウムの一部は、ガラスの形成元素である酸素または塩素と反応して酸化物または塩化物の状態で存在している。
特表２００７−５０４０８０号公報
引用文献１には、低散乱を達成するために、光ファイバ母材に対して温度１６００℃で３０時間に亘って熱処理を加えることが最も望ましいと記載されている。しかし、この条件では、アルカリ金属元素に起因する気泡または結晶が生じ易くなる。このような光ファイバ母材を線引することで製造される光ファイバは、伝送損失が大きいものとなる。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、伝送損失が小さい光ファイバを製造する上で好適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。
本発明の光ファイバ母材製造方法は、 (1) 平均濃度５atm・ppm以上のアルカリ金属元素が添加された石英系ガラスからなるガラスロッドを作製するロッド作製工程と、(2) ロッド作製工程において作製されたガラスロッドを熱処理する熱処理工程と、(3) 熱処理工程において熱処理されたガラスロッドの外周に、濃度６０００atm・ppm以上の塩素を含みアルカリ金属元素を含まない石英ガラス層を設けて、ガラスロッドおよび石英ガラス層をコア部とするコア部作製工程と、(4) コア部作製工程において作製されたコア部の外周に、そのコア部の屈折率より低い屈折率を有する石英系ガラスからなるクラッド部を設けるクラッド部作製工程とを備えることを特徴とする。
熱処理工程において、８００℃より高く１４００℃以下の温度でガラスロッドを熱処理するのが好ましく、また、８時間以上２０時間以下に亘ってガラスロッドを熱処理するのが好ましい。
ロッド作製工程において、塩素添加濃度が４００atm・ppm以下であるガラスロッドを作製するのが好ましく、また、カリウム、ナトリウム、ルビジウム、セシウムのいずれかがアルカリ金属元素として添加されたガラスロッドを作製するのが好ましい。
コア部作製工程において、石英ガラス層の塩素濃度が６０００atm・ppm以上１４０００atm・ppm以下であるのが好ましく、また、石英ガラス層の塩素濃度が８０００atm・ppm以上１７０００atm・ppm以下であるであるのも好ましい。
本発明によれば、伝送損失が小さい光ファイバを製造する上で好適な光ファイバ母材を製造することができる。
本実施形態の光ファイバ母材製造方法の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の各工程を説明する図である。 本実施形態の光ファイバ母材製造方法のロッド作製工程（ステップＳ１）の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におけるアルカリ金属添加工程を説明する図である。 実施例および比較例それぞれの製造条件および評価結果を纏めた図表である。 実施例および比較例それぞれの製造条件および評価結果を纏めた図表である。 熱処理工程（ステップＳ２）の温度・時間と気泡・結晶の発生との関係を示す図である。 実施例７の光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。 実施例１５の光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。 屈折率プロファイルの諸例を示す図である。
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。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
カリウムは非常に塩素と結合し易い性質を有している。そのため、Ｋ添加ガラス体中の遊離したカリウムは、製造プロセスにおいて温度１５００℃以上に加熱されて拡散し、塩素を多く含むガラスに到達するとそこで塩化カリウムを生成すると推定される。そして、このようにして生成した塩化カリウムが、気泡や結晶の原因になっていると推定される。本発明は、このような考察に基づいている。
図１は、本実施形態の光ファイバ母材製造方法の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、ロッド作製工程（ステップＳ１）、熱処理工程（ステップＳ２）、コア部作製工程（ステップＳ３）およびクラッド部作製工程（ステップＳ４）の各処理を順に行うことで、光ファイバ母材を製造することができる。図２は、本実施形態の光ファイバ母材製造方法の各工程を説明する図である。
ロッド作製工程（ステップＳ１）では、平均濃度５atm・ppm以上のアルカリ金属元素が添加された石英系ガラスからなるガラスロッド１１を作製する。このガラスロッド１１は、塩素添加濃度が４００atm・ppm以下であるのが好ましい。また、添加するアルカリ金属元素は、カリウム、ナトリウム、ルビジウム、セシウムのいずれかであるのが好ましい。
熱処理工程（ステップＳ２）では、ロッド作製工程において作製されたガラスロッド１１を加熱源２０により熱処理する。ガラスロッド１１の熱処理は、８００℃より高く１４００℃以下の温度で行うのが好ましく、また、８時間以上２０時間以下に亘って行うのが好ましい。加熱源２０として、誘導炉、抵抗炉、酸水素バーナーおよびプラズマバーナの何れを用いてもよい。
コア部作製工程（ステップＳ３）では、熱処理工程において熱処理されたガラスロッド１１の外周に、濃度６０００atm・ppm以上の塩素を含みアルカリ金属元素を含まない石英ガラス層１２を設けて、ガラスロッド１１および石英ガラス層１２をコア部とする。石英ガラス層１２の塩素濃度は、６０００atm・ppm以上１４０００atm・ppm以下であるのが好ましく、或いは、８０００atm・ppm以上１７０００atm・ppm以下であるのが好ましい。
クラッド部作製工程（ステップＳ４）では、コア部作製工程において作製されたコア部（ガラスロッド１１、石英ガラス層１２）の外周に、そのコア部の屈折率より低い屈折率を有する石英系ガラスからなるクラッド部１３を設ける。これにより光ファイバ母材１０を製造することができる。そして、この光ファイバ母材１０を線引することで光ファイバを製造することができる。
上記のロッド作製工程（ステップＳ１）はステップＳ１１〜Ｓ１５の各処理を含む。以下ではステップＳ１１〜Ｓ１５の各処理について説明する。図３は、本実施形態の光ファイバ母材製造方法のロッド作製工程（ステップＳ１）のフローチャートである。ロッド作製工程（ステップＳ１）では、ステップＳ１１〜Ｓ１５の各処理を順に行うことで、アルカリ金属元素が添加されたガラスロッド１１を作製することができる。図４は、本実施形態の光ファイバ母材製造方法におけるアルカリ金属添加工程を説明する図である。
ステップＳ１１では、石英系ガラスからなるガラスパイプが準備される。このガラスパイプは、好ましくは純石英ガラスであるが、その製造過程で不可避的に添加されるハロゲンを含んでいてもよい。このガラスパイプは、光ファイバのコア領域（またはコア領域の一部）となるべきものである。
ステップＳ１２は、ガラスパイプにアルカリ金属を添加するアルカリ金属添加工程である。ステップＳ１２では、図４に示されるように、ガラスパイプ１の内部に、熱源（電気炉やバーナなど）２により加熱されたアルカリ金属原料３のガスをキャリアガス（Ｏ２ガスなど）と共に供給する。これとともに、ガラスパイプ１を外部熱源（熱プラズマや酸水素火炎など）４により加熱する。これにより、ガラスパイプ１の内面からガラスパイプ１にアルカリ金属を拡散添加する。
ステップＳ１３では、ガラスパイプを加熱して縮径する。ステップＳ１４では、ガラスパイプの内面をエッチングすることで、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などの遷移金属を除去する。ステップＳ１５は、ガラスパイプを加熱し中実化する中実化工程である。これにより、アルカリ金属添加コアガラスロッドを製造することができる。
次に、光ファイバ製造方法の具体例（実施例、比較例）の諸条件について説明するとともに、この方法により得られた光ファイバ母材および光ファイバの評価結果について説明する。図５および図６は、実施例および比較例それぞれの製造条件および評価結果を纏めた図表である。
ステップＳ１１で準備したガラスパイプは、５０atm・ppm〜７００atm・ppmのＣｌおよび５,０００atm・ppmのＦをドーパントとして含み、その他の不純物の濃度は１０atm・ppm以下であって、実質的に純石英ガラスであった。このガラスパイプの外径は直径３５ｍｍであり、内径は直径２０ｍｍ程度であった。
ステップＳ１２では、アルカリ金属原料として臭化カリウム（ＫＢｒ）を用い、これを外部熱源により温度７００℃〜８００℃に加熱してＫＢｒ蒸気を発生させた。そして、キャリアガスとして導入した流量１ＳＬＭ（標準状態に換算して１リットル／ｍｉｎ）の酸素と共にＫＢｒ蒸気をガラスパイプに導入しながら、外部熱源である熱プラズマ火炎によってガラスパイプの外表面が２０５０℃となるように加熱した。熱プラズマ火炎を３０ｍｍ／ｍｉｎの速さでトラバースさせ、合計３０ターン加熱し、カリウム金属元素をガラスパイプの内表面に拡散添加させた。
ステップＳ１３では、カリウム金属元素が添加されたガラスパイプ内に酸素（２ＳＬＭ）を流しながら、外部熱源である熱プラズマ火炎によってガラスパイプの外表面が２１００℃となるように加熱した。熱プラズマ火炎を４０ｍｍ／ｍｉｎの速さでトラバースさせ、合計５ターン加熱し、カリウム金属元素が添加されたガラスパイプの内表面に酸素分子を拡散添加させた。また、同時に、カリウム金属元素が添加されたガラスパイプを内直径３ｍｍまで縮径した。
ステップＳ１４では、カリウム金属元素及び酸素分子が添加されたガラスパイプにＳＦ６（０.０５ＳＬＭ）および酸素（１ＳＬＭ）を導入しながら、外部熱源で加熱し気相エッチングすることで、ガラスパイプの内直径を３.４ｍｍにした。
ステップＳ１５では、ガラスパイプ内に酸素（１ＳＬＭ）を導入しながら、ガラスパイプ内の絶対圧を１ｋＰａにまで減圧し、外部熱源によって表面温度を１４００℃として中実化し、外径が２８ｍｍのアルカリ金属添加コアガラスロッドとした。このコアガラスロッドの酸素分子濃度は最大値で１１５ｐｐｂであり、カリウム濃度はピーク値で３,５００ｐｐｍであった。
以上のステップＳ１１〜Ｓ１５を含むロッド作製工程（ステップＳ１）により、アルカリ金属元素が添加された石英系ガラスからなるガラスロッドを作製した。熱処理工程（ステップＳ２）では、ガラスロッドを熱処理する際の温度を８００〜１４００℃とし、時間を１.５〜６０時間とした。コア部作製工程（ステップＳ３）では、熱処理されたガラスロッドの外周に設ける石英ガラス層の塩素濃度を各値とした。クラッド部作製工程（ステップＳ４）では、コア部の外周に設けるクラッド部を、Ｆが添加された石英系ガラスとした。このような条件で光ファイバ母材を製造し、この光ファイバ母材を線引することで光ファイバを製造した。
図５には、各条件で製造された光ファイバ母材の外観評価結果が示され、また、この光ファイバ母材を線引して製造された光ファイバの波長１５５０ｎｍでの伝送損失が示されている。この図に示された実施例１〜１４および比較例１，２から以下のことが判る。
実施例１〜３から以下のことが判る。コア部作製工程（ステップＳ３）においてコア部の一部として合成する石英ガラス層の塩素濃度が高濃度であるほど、光ファイバの低損失化を図ることができる。光ファイバの波長１５５０ｎｍでの伝送損失を０.１７５ｄＢ／ｋｍ以下とするためには、石英ガラス層の塩素濃度は６０００atm・ppm以上であることが望ましい。
実施例７、７´から以下のことが判る。ロッド作製工程（ステップＳ１）でカリウムを添加する石英ガラスのＣｌ濃度が低いほど、ガラス中の気泡や結晶の発生の抑制を図ることができる。望ましくはＣｌ濃度は４００atm・ppm以下である。
実施例４〜６，１０，１１から以下のことが判る。熱処理工程（ステップＳ２）においてガラスロッドを熱処理する際の温度を１２００℃以下（望ましくは１０００℃）とすることで熱処理工程（ステップＳ２）における気泡・結晶化の抑制を図ることができる。逆に温度８００℃まで下げるとコア部作製工程（ステップＳ３）より後の工程での気泡・結晶化が発生するので、温度１０００℃が望ましい。
実施例８〜１０から以下のことが判る。コア部の平均カリウム濃度が２５atm・ppmと比較的高濃度である場合、ロッド作製工程（ステップＳ１）においてカリウムを添加したガラスロッドを作製する際、Ｃｌ濃度が少なくとも７００atm・ppmまで高濃度化すると、コア部の一部が気泡化または結晶化する。この気泡及び結晶化は、線引工程でのガラス径の径変動または線引工程後後の局所的な損失増を招いてしまう。よって、コア中の平均カリウム濃度が２５atm・ppm以上であるときは、カリウム添加ガラス中のＣｌ濃度は１００atm・ppm以下であるのが好ましい。
実施例１０〜１７から以下のことが判る。熱処理工程（ステップＳ２）においてコア部の熱処理時間は、温度１０００℃〜１，２００℃時で８〜２０ｈであることが望ましい。３０ｈでは結晶化・気泡が発生することがある。
実施例１〜１７および比較例１、２から以下のことが判る。熱処理工程（ステップＳ２）を全く実施しないと、コア部製造後のクラッド部製造工程で、コア中に一部気泡化または結晶化が多発する。熱処理を実施することで、ロッド作製工程（ステップＳ１）の際にガラス中に添加されたカリウムの中でガラス中のＳｉＯ２と反応していないカリウム（遊離カリウム）が、熱処理工程（ステップＳ２）でガラスから抜けるか或いははガラス中でＳｉやＯと結合する。これに対して、熱処理工程（ステップＳ２）を実施しない場合には、ガラス中のＳｉＯ２と反応していないカリウム（遊離カリウム）は、遊離した状態で留まり、次工程以降で熱をかけたときに塩化カリウムとなって気泡が発生したり本塩化カリウムを核としてガラスの結晶化が発生したりする。よってカリウムを添加したガラスに熱処理を実施することは必要不可欠である。
図７は、熱処理工程（ステップＳ２）の温度・時間と気泡・結晶の発生との関係を示す図である。同図に示されるとおり、熱処理工程（ステップＳ２）は、ロッド作製工程（ステップＳ１）でアルカリ金属元素を添加したガラスロッドを製造した後、所定の温度、時間でガラスロッドを加熱処理する工程である。なお、実施例１３からわかるように熱処理工程（ステップＳ２）の前に所定の温度以下、所定の時間以下で行うガラス加工工程（例えば延伸）を追加しても良い。また、熱処理工程（ステップＳ２）の後に延伸等のガラス加工工程を追加しても良い。
以上のとおり、気泡・結晶の発生を抑制するためには、熱処理工程（ステップＳ２）を実施することが重要である。また、アルカリ金属元素を添加する石英ガラスのＣｌ濃度をできる限り低く（１００ppm以下）にすることが望ましい。熱処理の温度は約１０００℃で時間は８〜２０ｈ程度にすることが望ましい。
図８は、実施例７の光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。実施例７の光ファイバは、コアに平均１５原子ｐｐｍのＫを含み、以下のような諸特性を有していた。波長１３００ｎｍでの伝送損失は０.２８０ｄＢ／ｋｍであり、波長１３８０ｎｍでの伝送損失は０.３２０ｄＢ／ｋｍであり、波長１５５０ｎｍでの伝送損失は０.１６２ｄＢ／ｋｍであり、何れの波長においても低伝送損失であった。波長１５５０ｎｍにおいて、波長分散は＋１６.３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープは＋０.０５７ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍであり、実効断面積は８４μｍ２であり、モードフィールド径は１０.５μｍであった。光ファイバカットオフ波長（２ｍ）は１３１０ｎｍであり、ケーブルカットオフ波長（２ｍ）は１２１０ｎｍであった。偏波モード分散（Ｃ、Ｌバンド）は０.０１ｐｓ／√ｋｍであった。また、非線形係数（波長１５５０ｎｍ、ランダム偏波状態）は０.６(Ｗ・ｋｍ)−１であった。
図９は、実施例１５の光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。実施例１５の光ファイバは、外径１４５ｍｍφの光ファイバ母材を線速２３００ｍ／ｍｉｎで線引張力５０ｇの条件で線引することで製造された。実施例１５の光ファイバは、コアに平均２５原子ｐｐｍのＫを含み、以下のような諸特性を有していた。波長１３００ｎｍでの伝送損失は０.２８０ｄＢ／ｋｍであり、波長１３８０ｎｍでの伝送損失は０.３２０ｄＢ／ｋｍであり、波長１５５０ｎｍでの伝送損失は０.１５６ｄＢ／ｋｍであり、何れの波長においても低伝送損失であった。波長１５５０ｎｍにおいて、波長分散は＋２１.１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープは＋０.０６１ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍであり、実効断面積は１４１μｍ２であり、モードフィールド径（波長１５５０ｎｍ）は１２.８μｍであった。光ファイバカットオフ波長（２ｍ）は１５８０ｎｍであり、ケーブルカットオフ波長（２ｍ）は１４８０ｎｍであった。偏波モード分散（Ｃ、Ｌバンド）は０.０１ｐｓ／√ｋｍであった。また、非線形係数（波長１５５０ｎｍ、ランダム偏波状態）は０.６(Ｗ・ｋｍ)−１であった。
本実施形態において、コア部の直径は６〜２０μｍであってよい。コア部とクラッド部との比屈折率差は０.２〜０.５％であって良い。また、クラッド部にはフッ素を含み、コア部よりもクラッド部の平均の屈折率が低く、コア部にはＣｌとＦのハロゲン及びアルカリ金属元素が添加されており、各添加元素濃度はハロゲン濃度が最も高いような石英系ガラスであると、光ファイバの伝送損失が低減する。更に光ファイバ母材、光ファイバのコア部、クラッド部はそれぞれ屈折率構造を有しても良く、例えば図１０に示されるようなプロファイルであってよいが、これらに制限されることはない。
１…ガラスパイプ、２…熱源、３…アルカリ金属原料、４…外部熱源、１０…光ファイバ母材、１１…ガラスロッド、１２…石英ガラス層、１３…クラッド部。

Claims (7)

  1. 平均濃度５atm・ppm以上のアルカリ金属元素が添加された石英ガラスからなるガラスロッドを作製するロッド作製工程と、
    前記ロッド作製工程において作製されたガラスロッドを熱処理する熱処理工程と、
    前記熱処理工程において熱処理されたガラスロッドの外周に、濃度６０００atm・ppm以上の塩素を含みアルカリ金属元素を含まない石英ガラス層を設けて、前記ガラスロッドおよび前記石英ガラス層をコア部とするコア部作製工程と、
    前記コア部作製工程において作製されたコア部の外周に、そのコア部の屈折率より低い屈折率を有する石英ガラスのクラッド部を設けるクラッド部作製工程と
    を備えることを特徴とする光ファイバ母材製造方法。
  2. 前記熱処理工程において、８００℃より高く１４００℃以下の温度で前記ガラスロッドを熱処理する、ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材製造方法。
  3. 前記熱処理工程において、８時間以上２０時間以下に亘って前記ガラスロッドを熱処理する、ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材製造方法。
  4. 前記ロッド作製工程において、塩素添加濃度が４００atm・ppm以下である前記ガラスロッドを作製する、ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材製造方法。
  5. 前記ロッド作製工程において、カリウム、ナトリウム、ルビジウム、セシウムのいずれかがアルカリ金属元素として添加されたガラスロッドを作製する、ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材製造方法。
  6. 前記コア部作製工程において、前記石英ガラス層の塩素濃度が６０００atm・ppm以上１４０００atm・ppm以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材製造方法。
  7. 前記コア部作製工程において、前記石英ガラス層の塩素濃度が８０００atm・ppm以上１７０００atm・ppm以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材製造方法。
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