JP4079204B2 - 光ファイバ母材用石英ガラス管及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光ファイバ母材用石英ガラス管、その製造方法及びこの母材用石英ガラス管を用いた光ファイバ用母材、詳しくは、高品質の光ファイバを低コストで生産性よく製造できる光ファイバ母材用石英ガラス管、その製造方法及びこの母材用石英ガラス管を用いた光ファイバ用母材、さらに詳しくは低損失で、高精度の光ファイバ用母材を低コストで製造できる光ファイバ母材用石英ガラス管、その製造方法及びこの母材用石英ガラス管を用いた光ファイバ用母材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバ、特にシングルモ−ド用光ファイバの実用化に伴い大量の光ファイバが利用されるようになってきたが、光ファイバが長距離幹線から一般加入者系へとその利用範囲を拡大するに従い更に大量の光ファイバが必要となることが予測される。かかる利用範囲の拡大には光ファイバの量産化、低コスト化が不可欠であり、そのため大型、長尺の光ファイバ用母材を作成し、それを線引きするのが最も簡便な方法である。しかしながら従来実用化されてきた軸付け法（ＶＡＤ法）や外付け法（ＯＶＤ法）による光ファイバ母材の製造方法では、コア部もクラッド部も全てＶＡＤ法やＯＶＤ法で作成されるところから、さらなる大型化、長尺化を図ろうとすると、原料や燃焼ガス、設備等の関係から製造コストの増大を招くという欠点があった。また、大型、長尺の光ファイバ用母材を作成するためには、光ファイバ母材の前駆体にあたるスート体（シリカ微粒子が堆積した多孔質体で、透明ガラス化される前のシリカ体のことであり、以下多孔質スート体という）を大型にすることが前提となるため、この多孔質スート体そのものを大きく形成しようとすると、クラック等が発生したり、多孔質スート体の落下等のトラブルが生じたりすることにより著しく生産性を低下させるおそれがある。これらの欠点を解消する光ファイバの製造方法として、断面積の８０％以上を占めるクラッド部用の管を高性能で低コスト化が可能な方法で作成し、このクラッド部用の管とＶＡＤ法やＯＶＤ法等で作成したコアガラスロッドとを加熱し溶着一体化する、いわゆるロッドインチューブ法による光ファイバ用母材の製造方法が特開平７−１０９１３６号公報等で提案されている。
【０００３】
一方、こうした光ファイバの量産化、低コスト化に加えて、今日、低損失のシングルモード光ファイバを得るために、コア部をゲルマニウムがドープした石英ガラスで形成し、かつクラッド部を塩素またはフッ素がドープされた石英ガラスで形成する光ファイバ用母材が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報記載のいわゆるロッドインチューブ法による光ファイバ用母材の製造方法は、光ファイバ用母材の大型化、長尺化が容易で、量産化、低コスト化に最適な製造方法であるが、さらなる低コスト化・高効率化を目指すには、クラッド用の管とコアガラスロッドとの溶着一体化をより良好に行うための一層の改善が求められる。例えばロッドインチューブ法においては、光ファイバ母材用コアガラスロッドを光ファイバ母材用石英ガラス管中に挿入した状態で加熱炉内で溶着一体化するため、加熱時の前記母材用石英ガラス管はその内側に比して外側がより高温に加熱されることになり、その温度分布に起因して問題が生じてくる。すなわち、加熱炉の熱源から遠い内側程低い温度分布となるため、前記母材用コアガラスロッドと溶着する内側を十分に溶融する程高い加熱温度に設定すると、外側は過度に温度が高くなるために溶融による変形が大きくなり、得られた光ファイバ用母材の外径寸法精度を悪化させてしまうおそれがあり、逆に、外側の溶融変形を抑えられる程度の低い加熱温度に設定すると、内側の溶融が不十分となるため、前記母材用コアガラスロッドとの溶着一体化が良好に行えないというおそれがある。したがって、ゲルマニウムがドープされた石英ガラスでコア部を形成し塩素がドープされた石英ガラスでクラッド部を形成する光ファイバ母材を前記ロッドインチューブ法によって製造しようとする場合、屈折率差の問題に加えて、
母材用石英ガラス管の高温粘度が問題となる。というのは、管全体に塩素のみをドープした光ファイバ母材用石英ガラス管をクラッド用（またはオーバークラッド用）の管に用いる場合、管自体に脱水作用は得られるものの、塩素によって該石英ガラス管の屈折率は高くなるためにコア側との比屈折率差をが小さくなってしまい、所望の比屈折率差を得るにはコア側の屈折率をさらに高くするために大量のゲルマニウムをドープしなければならず、光ファイバ用母材の低コスト化や効率化を妨げるという欠点がある。また、塩素のみがドープされた母材用石英ガラス管は、フッ素のみがドープされた石英ガラスに比べて粘度が高いので、母材用コアガラスロッドとの十分な溶着一体化を行うためには加熱炉の温度を２０００〜２５００℃といった高温に設定する必要があり、使用する加熱炉の作成コストを高くする上に、作業環境を悪化させるといった問題が生じることになる。さらに、上記のような高温で加熱して石英ガラス管とコアガラスロッドとを溶着一体化しようとする場合、コアにドープされたゲルマニウムが熱によって拡散してコア部の屈折率分布を変えてしまったり、クラッド部に拡散したゲルマニウムのためにクラッド部自体の屈折率分布をも変えてしまったりすることにより、好適な屈折率分布をもつ光ファイバ母材が得られなくなるおそれがある。また、母材用石英ガラス管とコアガラスロッドとを溶着一体化する際に十分に溶融するほど高い加熱温度に設定すると、前述のとおり該石英ガラス管の外側は過度に温度が高くなるために溶融により変形が大きくなり、得られた光ファイバ用母材の外径寸法精度を悪化させてしまうという問題が残る。同様に、管の外側の溶融変形を抑えられる程度の低い加熱温度に設定すると、内側の溶融が不十分になるためコアガラスロッドとの溶着一体化が良好に行えないという欠点も解消することは難しい。その一方、フッ素のみをドープした母材用石英ガラス管を使用しようとする場合、塩素のみをドープしたときと同様に脱水作用が得られるとともに、該石英ガラス管の屈折率が低下するのでコアークラッド間の比屈折率差を大きくでき、
かつ塩素ドープに比べて高温粘度を大きく低下させることができる。しかしながらこの場合、該石英ガラス全体にフッ素をドープすると、該石英ガラス管はその肉厚方向の内側も外側も同様に粘度が低下することになるため、前述の塩素のみを石英ガラス管にドープしたときと同様に、内側と外側の温度分布の問題は解決されずに残ってしまう。
【０００５】
こうした現状に鑑み、本発明者等は鋭意研究した結果、光ファイバ母材用石英ガラス管の高温粘度を肉厚方向で異ならせ、内層側の高温粘度を外層側の高温粘度より低くすることで、上記欠点のない光ファイバ母材用石英ガラス管が得られることを見出して、本発明を完成したものである。すなわち、
【０００６】
本発明は、高温粘度が肉厚方向で異なり、内層側の高温粘度が外層側の高温粘度より低い光ファイバ母材用石英ガラス管を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、上記光ファイバ母材用石英ガラス管の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、光ファイバ用母材の製造に用いられる石英ガラス管であって、その１２８０℃における粘度が肉厚方向で異なり、１２８０℃における粘度において、内層側の粘度が外層側の粘度より低く、内層側の粘度が１×１０^１０〜１×１０^１２ポイズ、外層側の粘度が１×１０^１１〜１×１０^１３ポイズの範囲にあることを特徴とする光ファイバ母材用石英ガラス管及びその製造方法に係る。
【０００９】
上記光ファイバ母材用石英ガラス管は、上述のとおり光ファイバ用母材の製造に用いられる高純度の光ファイバ母材用石英ガラス管であって、その１２８０℃における粘度が肉厚方向で異なり、内層側の１２８０℃における粘度が外層側の１２８０℃における粘度より低い石英ガラス管である。そして石英ガラス管の内層側の１２８０℃における粘度が１×１０^１０〜１×１０^１２ポイズ、外層側の１２８０℃における粘度が１×１０^１１〜１×１０^１３ポイズの範囲にあるのがよい。この石英ガラス管は従来実用化されてきたＶＡＤ法、ＯＶＤ法またはＭＣＶＤ法等により作成することができ、珪素化合物（四塩化珪素またはシロキサン化合物等）を加水分解して得られた多孔質シリカ体を透明ガラス化した石英ガラスインゴットや、天然水晶を粉砕し純化して得た水晶粉をベルヌーイ法等により透明ガラス化した石英ガラスインゴット、あるいはゾルゲル法により得られた合成石英ガラスインゴット等から製造できるが、その際、石英ガラス管の１２８０℃における粘度が肉厚方向で異なり、内層側が外層側より１２８０℃における粘度を低くすることを必須とする。前記内層側、外層側に形成するには好ましくは内層側または両側にドープ剤をドープするのがよい。ドープ剤としては塩素、ゲルマニウム、リン、フッ素が挙げられ、それらの単独または組み合わせが用いられる。石英ガラス管の内層側に、フッ素をドープするのがよく、好ましくは、塩素、ゲルマニウム、リンから選ばれる少なくとも１種とフッ素とをドープするのがよい。さらに好ましくは石英ガラス管の内層側に塩素、ゲルマニウム、リンから選ばれる少なくとも１種とフッ素とをドープし、外層側に塩素をドープするのがよい。この光ファイバ母材用石英ガラス管を用いて光ファイバ用母材を製造することで、溶着一体化時の設定温度を低くでき、母材用石英ガラス管の外径寸法精度を高く保ったまま溶着一体化ができ、かつ高温下での作業環境の悪化も抑えることができる。さらに、溶着一体化のための加熱炉の作成コストを低くできる上に、ドープ剤の拡散による屈折率分布の悪化がなく所望の比屈折率差を有する光ファイバ母材が製造できる。
【００１０】
上記光ファイバ母材用石英ガラス管の具体的な製造方法としては、（１）ＯＶＤ法による一例として、高純度の四塩化珪素等を酸水素火炎中で火炎加水分解して得られたシリカ微粒子を耐熱性基体の周囲に堆積してスート体を形成して第１の多孔質スート層とし、その周囲にシリカ微粒子を積層して第２の多孔質スート層として、得られたスート体を脱水処理し、透明ガラス化して耐熱性基体を抜き取り円筒状石英ガラスインゴットを作成し、次いで機械的研削等をする方法、（２）ＶＡＤ法の一例として、高純度の四塩化珪素等を酸水素火炎中で火炎加水分解して得られたシリカ微粒子を耐熱性基体に堆積してスート体を形成する際に、複数のバーナーから異なる組成の原料ガスを別々に供給することにより、異なるドープ剤を含む複数の多孔質スート層を同時に形成し、そのスート体を脱水処理し透明ガラス化して得られた石英ガラスインゴットに機械的研削等を施すことにより石英ガラス管を製造する方法、等が挙げられる。いずれの方法においても、高温粘度が石英ガラス管の肉厚方向で異なり、内層側が外層側より高温粘度を低くする必要があり、そのためには上述のとおりドープ剤をドープするのがよいが、このドープ剤のドープとしては、多孔質スート体の形成時に原料ガスと共に酸水素火炎中に供給する方法、多孔質スート体の脱水処理の前後から透明ガラス化工程までの何れかの段階でープ剤をドープする方法等が挙げられる。特に塩素やフッ素のドープの場合には、ドープと同時に脱水処理が行われるので多孔質スート体を塩素ガスまたはフッ素ガスの雰囲気中で熱処理する方法が有効である。また、合成石英を製造する際に多孔質スート体を経ない方法として、いわゆる直接法（ＤＱ法）あるいはゾルゲル法等があり、一方、合成または天然シリカ粉を溶融ガラス化する方法もあるが、これらの製造方法においても上記のＯＶＤ法やＶＡＤ法においても、あらかじめ高温粘度の異なる２種類の石英ガラス管を作成しておき双方の管を溶着一体化する方法により、内層側が外層側より高温粘度の低い石英ガラス管を製造することができる。
【００１１】
上記母材用石英ガラス管を用いた光ファイバ用母材の製造にあっては、この母材用石英ガラス管中に光ファイバ母材用コアガラスロッドを注意深く挿入し、それらの円中心を合わせて固定し、好ましくは両端を石英ガラス製のダミー管に繋いだ上で、全体の曲がりや捻じれ等を矯正し、下端部より縦型電気炉の上方から挿入し、温度１７００〜２０００℃で順次帯状に加熱して溶着一体化する方法などが採用される。前記順次帯状に加熱するとは、いわゆるゾーンメルトと呼ばれるものであり、加熱域が次第に移動する加熱のことをいう。
【００１２】
上記光ファイバ用母材の製造方法で用いる光ファイバ母材用コアガラスロッドとしては、光の伝送部であって、石英ガラスロッドまたはその周囲に光学的クラッド部が形成された石英ガラスロッドが挙げられる。すなわち、本発明にあっては「コアガラスロッド」とは、コアロッドとクラッド付きコアロッドとを総称する。クラッド部を有さないコアロッドは、公知のＶＡＤ法やＯＶＤ法等により形成することができ、また、クラッド付きコアロッドを作成する手段としては、コアロッドに石英ガラス管をジャケットする方法や、コアロッドの周囲にＯＶＤ法等によりクラッド部を形成する方法、それらの組合せによる方法等が挙げられる。
【００１３】
このように製造された光ファイバ母材は外表面が高精度に維持されているところから、さらなるクラッド用石英ガラス管をその外側に重ねて溶着する、いわゆる第２次ジャケッティング、第３次ジャケッティングの正確にでき、より大型の光ファイバ用母材を効率よく製造できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例について述べるがこれによって本発明はなんら限定されるものではない。
【００１５】
なお、実施例及び比較例の母材用石英ガラス管のフッ素濃度及び塩素濃度は硝酸銀比濁法で測定され、また、ＯＨ基濃度はＤ．Ｍ．ＤＯＤＤ ａｎｄ Ｄ．Ｂ． ＦＲＡＳＥＲ Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ＯＨ ｉｎ ｆｕｓｅｄ ｓｉｌｉｃａ， Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．３７（１９６６）に記載の測定方法で測定される。
【００１６】
【実施例】
実施例１
ＯＶＤ法を用い、高純度の四塩化珪素を気化し、酸水素炎中で火炎加水分解し、５０ｒｐｍで回転する外径５０ｍｍの基体の周囲に堆積させて多孔質スート体を作成した。前記火炎加水分解するバーナーには、それぞれ原料の四塩化珪素を１５００ｇ／ｈ、水素ガスを１．８ｍ^３／ｈ、酸素ガスを０．９ｍ^３／ｈを供給した。得られた多孔質スート体の外径は約２３０ｍｍ、長さは約３５００ｍｍであった。この多孔質スート体を電気炉に入れ、四フッ化けい素ガスと窒素ガスとの混合ガス雰囲気中で１１００℃で加熱し、引き続き同じ温度で塩素ガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気中で処理した。
【００１７】
次いで、上記多孔質スート体の周囲に、ＯＶＤ法により多孔質スートを堆積させ、それを電気炉内に入れ、減圧装置により炉内を真空に保ちながら１２５０℃で加熱した。得られた多孔質スート体の外径は約４００ｍｍであった。この多孔質スート体を、真空下で１６００℃の温度で透明ガラス化し、耐熱性基体を抜いて円筒状石英ガラスインゴットを作成した。作成された円筒状石英ガラスインゴットは、外径約２００ｍｍ、内径約５０ｍｍであった。この石英ガラスインゴットの両端を切断し、内外周を機械的研削加工及び研磨加工して、外径１９５ｍｍ、内径５５ｍｍの石英ガラス管を製造した。
【００１８】
上記石英ガラス管の屈折率分布は、肉厚中央部に若干の段差が認められたものの、肉厚全体においては外層側と内層側とで差異はなかった。この石英ガラス管端部より測定用サンプルを切り出し、このサンプルについてフッ素及び塩素の濃度を測定したところ、内表面から肉厚３５ｍｍまでの内層側のフッ素濃度は５００ｐｐｍ、塩素濃度は２０００ｐｐｍであった。また、肉厚３５ｍｍから外表面までの外層側の塩素濃度は検出限界値である３０ｐｐｍ以下であった。前記石英ガラス管の粘度を測定したところ、内層側の１２８０℃における粘度は１×１０^１１ポイズ、外層側の１２８０℃における粘度は１×１０^１２ポイズであった。
前記粘度は、サンプルの内層側及び外層側をそれぞれ３×３×５０ｍｍに切り出し、それぞれについて１２８０℃中で２点支持保持し、その自重の変形量を測定するビームベンディング法で測定した値である。また、石英ガラス管中の残留ＯＨ基濃度は０．１ｐｐｍであった。
【００１９】
一方、ＶＡＤ法により光ファイバ母材用のクラッド付きコアロッドを作成し、縦型電気炉中で外径５０ｍｍに加熱延伸した。このコアガラスロッドを上記石英ガラス管中に管内周面と接触することがないよう注意深く挿入し、コアガラスロッド及び石英ガラス管の各円中心を合わせて固定し、両端をダミー石英材料に繋いだ上で、下端部より縦型電気炉に入れ、下端部を溶着させたのち、石英ガラス管内を減圧して順次帯状に加熱し溶着一体化した。溶着一体化温度は１８００℃であった、得られた光ファイバ用母材を５０ｍｍ間隔でプリフォームアナライザーで屈折率分布を測定したところ、変動率は外径に対して±０．２ｍｍ以下と高精度であった。また暗室で端面から白色光を当てたが、目視できる最小単位の０．１ｍｍ以上の気泡は確認できなかった。
【００２０】
実施例２
ＯＶＤ法を用い、高純度の四塩化珪素を気化し、酸水素炎中で火炎加水分解し、５０ｒｐｍで回転する外径５０ｍｍの耐熱性基体の周囲に堆積させて多孔質スート体を作成した。前記火炎加水分解するバーナーには、それぞれ原料の四塩化珪素を１５００ｇ／ｈ、水素ガスを１．８ｍ^３／ｈ、酸素ガスを０．９ｍ^３／ｈを供給した。得られた多孔質スート体の外径は約２３０ｍｍ、長さは約３５００ｍｍであった。この多孔質スート体を電気炉に入れ、四フッ化けい素ガスと窒素ガスとの混合ガス雰囲気中で１１００℃で加熱し、引き続き同じ温度で塩素ガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気中で処理した。
【００２１】
上記処理済多孔質スート体の周囲に、ＯＶＤ法により多孔質スートを堆積させ、それを電気炉内に入れ、塩素ガスと窒素ガスの混合ガス雰囲気中で１１００℃で加熱した。得られた多孔質スート体の外径は約４００ｍｍであった。 この多孔質スート体を、窒素ガス雰囲気中、１６００℃の温度で透明ガラス化し、耐熱性基体を抜いて円筒状石英ガラスインゴットを作成した。作成円筒状石英ガラスインゴットは、外径約２００ｍｍ、内径約５０ｍｍであった。この石英ガラスインゴットの両端を切断し、内外周を機械的研削加工及び研磨加工して、外径１９５ｍｍ、内径５５ｍｍの石英ガラス管を製造した。
【００２２】
上記石英ガラス管の屈折率分布は、肉厚中央部に若干の段差が認められたものの、肉厚全体においては外層側と内層側とで差異はなかった。この石英ガラス管端部より測定用サンプルを切り出し、このサンプルについて石英ガラス管中のフッ素及び塩素の濃度を測定したところ、内表面から肉厚３５ｍｍまでの内層側のフッ素濃度は５００ｐｐｍ、塩素濃度は３０００ｐｐｍであった。また、肉厚３５ｍｍから外表面までの外層側の塩素濃度は１０００ｐｐｍであった。前記石英ガラス管の粘度を実施例１と同様な方法で測定したところ、内層側の１２８０℃における粘度は１×１０^１０．５ポイズ、外層側の１２８０℃における粘度は１×１０^１１．５ポイズであった。また、石英ガラス管中の残留ＯＨ基濃度は０．１ｐｐｍであった。
【００２３】
一方、ＶＡＤ法により光ファイバ母材用のクラッド付きコアロッドを作成し、縦型電気炉中で外径５０ｍｍに加熱延伸した。このコアガラスロッドを上記石英ガラス管中に管内周面と接触することがないよう注意深く挿入し、コアガラスロッド及び石英ガラス管の各円中心を合わせて固定し、両端をダミー石英材料に繋いだ上で、下端部より縦型電気炉に入れ、下端部を溶着させたのち、石英ガラス管内を減圧して順次帯状に加熱し溶着一体化した。溶着一体化温度は１８００℃であった、得られた光ファイバ用母材を５０ｍｍ間隔でプリフォームアナライザーで屈折率分布を測定したところ、変動率は外径に対して±０．２ｍｍ以下と高精度であった。また暗室で端面から白色光を当てたが、目視できる最小単位の０．１ｍｍ以上の気泡は確認できなかった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の光ファイバ母材用石英ガラス管は、高温粘度が肉厚方向で異なり、内層側の高温粘度が外層側の高温粘度より低いところから、それを用いた光ファイバ用母材の製造において光ファイバ母材用コアガラスロッドとの溶着一体化温度が低くでき、高精度の光ファイバ用母材を製造できる上に、加熱炉の作成コストが低くでき、さらに作業環境の悪化が起こることがない。その上、コア部のドープ剤の拡散がなく屈折率分布の良好な光ファイバ用母材が製造できる。

Claims (6)

1. 光ファイバ用母材の製造に用いられる石英ガラス管であって、その石英ガラス管の内層側にフッ素がドープされ、１２８０℃における内層側の粘度が外層側の粘度より低い上に、内層側の粘度が１×１０^１０〜１×１０^１２ポイズ、外層側の粘度が１×１０^１１〜１×１０^１３ポイズの範囲にあることを特徴とする光ファイバ母材用石英ガラス管。
2. 石英ガラス管の内層側にフッ素に加えてさらに塩素、ゲルマニウム、リンから選ばれる少なくとも１種がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材用石英ガラス管。
3. 石英ガラス管の外層側に塩素がドープされていることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ母材用石英ガラス管。
4. 高純度の四塩化珪素等を火炎加水分解して得たシリカ微粒子からなる多孔質スート層を複数層形成し、それを脱水処理、透明ガラス化したのち、機械的研削する石英ガラス管の製造方法において、前記多孔質スート層の形成時又は複数多孔質スート層の脱水処理から透明ガラス化までのいずれかの工程でフッ素を内層側の１２８０℃における粘度が外層側の１２８０℃における粘度より低くドープ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用石英ガラス管の製造方法。
5. 高純度の四塩化珪素等を火炎加水分解して得たシリカ微粒子からなる多孔質スート層を複数層形成し、それを脱水処理、透明ガラス化したのち、機械的研削する石英ガラス管の製造方法において、前記多孔質スート層の形成時又は複数多孔質スート層の脱水処理から透明ガラス化までのいずれかの工程でフッ素に加えてさらに塩素、ゲルマニウム、リンから選ばれる少なくとも１種を内層側の１２８０℃における粘度が外層側の１２８０℃における粘度より低くドープすることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ母材用石英ガラス管の製造方法。
6. 外層側にさらに塩素をドープすることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ母材用石英ガラス管の製造方法。