JP4690956B2

JP4690956B2 - 光ファイバ母材の製造方法

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Publication number: JP4690956B2
Application number: JP2006187290A
Authority: JP
Inventors: 正高橋
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-07-07
Also published as: JP2008013410A

Description

本発明は、光ファイバ母材、特に、１３１０ｎｍ付近に零分散波長を有するシングルモード光ファイバを製造するために用いる光ファイバ母材の製造方法に関するものである。

近年のインターネットの急速な普及に伴い、光ファイバ線路網の拡充が急速に進んでいる。この光ファイバ線路網において、最も多く用いられている光ファイバは１３１０ｎｍ付近に零分散波長を有するシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）である。このシングルモード光ファイバは低価格、低損失で、しかも大容量化を実現できる、優れた特性を有している光ファイバである。
また、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）は、低ＯＨ化を図ることで低密度波長分割多重（ＣＷＤＭ）伝送用光ファイバとしての適用も可能である。そのため、さらなる特性の向上が求められている。

ところで、このシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の屈折率分布形状は、いわゆる単純ステップ型の屈折率分布であって、その理想はコアとクラッドの界面においてコアの屈折率が矩形状に高くなっているのがよい、と考えられている。このような屈折率分布になっていると、所望のモードフィールド径（ＭＦＤ）とカットオフ波長λｃを維持しながら、しかも分散特性が向上し、信号波形の劣化が小さい光ファイバが得られることが知られている。

しかしながら、ＶＡＤ法のような気相合成法を用いてコアとクラッドの一部を含む多孔質母材（以下、コアスート体と称する）を形成し、これを脱水、焼結（透明ガラス化）してコア用ガラスロッドを製造する場合、コアに含まれるゲルマニウムが脱水、焼結時にコア周辺のクラッドに拡散し、コアとクラッドの境界面に屈折率分布の裾が形成される。
この屈折率分布の裾（以下単に裾と称す）が大きくなると、光ファイバの分散特性が悪化する。すなわち、モードフィールド径（ＭＦＤ）とカットオフ波長λｃを所望の値に維持しようとすると、零分散波長を所望の範囲内に納められない、という問題がある。

この問題を解決する方法として、特許文献１に記載されているように、透明ガラス化後の光ファイバ母材のコア領域とクラッド領域の境界部における比屈折率差が０．８×△ｎ（△ｎはコア領域の比屈折率差）から０．３×△ｎまで変化する光ファイバの径方向の厚さをｄとして、０．５×△ｎのコア半径ｒで規格化した比屈折率変化率（０．５×△ｎ）／（ｄ／ｒ）が０．４％以上４．０％以下の範囲に入る光ファイバ母材だけを選別して、光ファイバにする方法が提案されている。
特許文献１によれば、この方法を採用すると、光ファイバ母材から光ファイバを線引きした後、光ファイバの良否を判断するのではなく、線引き前の段階で判断が可能になるので、無駄が少なく、所望する特性、具体的にはコアとクラッドの境界部における屈折率分布の裾の小さい光ファイバを確実に得ることができる、と謳っている。

特再２０００−０２６７０９号公報

しかしながら、この方法はあくまでも既に透明ガラス化されている光ファイバ母材の選別方法でしかなく、根本的な解決策ではない。
もちろん特許文献１にも、透明ガラス化後の光ファイバ母材を評価した結果を、光ファイバ母材合成条件に反映させる旨の開示もあるが、単に汎用の合成方法における合成条件を微調整する程度では、コアとクラッドの境界部における裾を小さくする根本的な解決には到底なり得ない。

上記問題に鑑み本発明の目的は、所望のモードフィールド径（ＭＦＤ）とカットオフ波長λｃを維持しながら、しかも分散特性にも優れ、信号波形の劣化が小さい光ファイバを容易、かつ確実に得ることができる光ファイバ母材の製造方法、すなわち、コアとクラッドの境界部における屈折率分布の裾の広がりの小さい光ファイバを確実に得ることができる光ファイバ母材の製造方法を提供することにある。

前記目的を達成すべく本発明の請求項１記載の光ファイバの製造方法は、気相合成法によりコア部と該コア部の外側にクラッド部の一部を有するコアスート体を合成する工程と、前記コアスート体を脱水雰囲気で脱水した後、不活性ガス雰囲気中で透明ガラス化する工程と、を有する光ファイバ母材の製造方法において、得られる光ファイバのコアとクラッドの境界部における屈折率分布の裾を小さくするために、前記クラッド部の一部を合成するクラッド用バーナにはフッ素含有ガスが供給され、前記コア部との境界部にフッ素を含むコアスート体を形成し、前記フッ素含有ガスに含まれるフッ素の濃度分布を、前記コア部に近いほど濃度が高い裾形状の傾斜分布とすることを特徴とするものである。

また、前記クラッド用バーナへのフッ素含有ガスの単位時間当りの供給量を、前記コア部を合成するコア用バーナに近い側ほど、合成されるスートのフッ素濃度が高くなるように傾斜分布供給することも特徴とする。
さらにまた、前記クラッド用バーナは複数本からなり、各クラッド用バーナへのフッ素含有ガスの単位時間当りの供給量を、前記コア部を合成するコア用バーナに近いクラッド用バーナほど合成されるスートのフッ素濃度が高くなるように傾斜分布供給している点も特徴である。

このようにしてなる本発明によれば、所望のモードフィールド径（ＭＦＤ）とカットオフ波長λｃを維持しながら、しかも分散特性にも優れ、信号波形の劣化が小さい光ファイバを容易、かつ確実に得ることができる光ファイバ母材、すなわち、コアとクラッドの境界部における屈折率分布の裾の広がりの小さい光ファイバを確実に得ることができる光ファイバ母材の製造方法が提供される。

以下、図面を用いて本発明の光ファイバ母材の製造方法を詳細に説明する。
本発明の光ファイバ母材の製造方法の特徴は、例えば、図１に示す装置を用いて、気相合成法、具体的にはＶＡＤ法でコアとクラッドの一部を含むコアスート体１を製造する方法を改良する点にある。
より具体的には、回転しながら一定速度で上昇する出発母材２の先端部に、この出発母材２の先端に開口部を向けるようにして筒状の多重導入孔を有する、いわゆる多重管タイプのコア用バーナ３を配置する。
また、このコア用バーナ３に隣接して第１クラッド用バーナ４を配置し、さらに第1クラッド用バーナ４に隣接して第２クラッド用バーナ５を、このクラッド用バーナ５に隣接して第３クラッド用バーナ６をそれぞれ配置する。尚、クラッド用バーナ４、５及び６も基本的にはコア用バーナ３と同様に多重管型のバーナである。

これら各クラッド用バーナ４、５及び６に、Ａｒ等の不活性ガスを含み、酸素ガス、水素ガス等からなる燃焼ガス、四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）といったガラス原料ガスからなる原料ガス、さらには本発明の方法の特徴であるフッ素含有ガスをそれぞれの多重管の所定層に供給する。これらのガスをすべてガス状態で各バーナに供給し、火炎加水分解反応によりガラス微粒子を形成し、これを出発母材２に向かって吹き付けることにより、コアスート体１を製造する。

ここで例えば、コア用バーナ３としては、図２に示すような多重管バーナを使用する。
具体的には図２に示すコア用バーナ３の中心層３１に四塩化珪素ガスを、２層目３２には四塩化ゲルマニウムガスと水素ガスを、３層目３３にはアルゴンガスを、そして４層目３４には酸素ガスを各々所定量供給した。
また、クラッド用バーナ４、５及び６としては、図３に示すような多重管バーナを使用した。
具体的には、第１クラッド用バーナ４の中心層４１に四塩化珪素ガスとＳｉＦ_４ガスを、２層目４２には水素ガスを、３層目４３にはアルゴンガスを、４層目４４には酸素ガスを、５層目４５にはアルゴンガスを、６層目４６には水素ガスを、７層目４７にはアルゴンガスを、そして８層目４８には酸素ガスを各々所定量供給した。

第２クラッド用バーナ５及び第３クラッド用バーナ６にも前述した第１クラッド用バーナ４と同様に、各層毎に第１クラッド用バーナ４と同種のガスを供給した。
但し、ここでもっとも重要なことは、各クラッド用バーナへのフッ素含有ガスの単位時間当りの供給量は、コア部を合成するコア用バーナ３に近いクラッド用バーナほど合成されるスートのフッ素濃度が高くなるように傾斜分布供給する点である。

コア用バーナ３に近いクラッド用バーナほど、合成されるスートのフッ素濃度が高くなるようにするためには、例えば、第２クラッド用バーナ５の中心層に供給するＳｉＦ_４ガスの単位時間当りの供給量を、第１クラッド用バーナ４の中心層４１に供給するものより少ない量にし、第３クラッド用バーナ６の中心層に供給するＳｉＦ_４ガスの量を、第２クラッド用バーナ５の中心層に供給したＳｉＦ_４ガスの量よりも少量にする。もしくは、第２クラッド用バーナ５の中心層に供給する単位時間当りのＳｉＦ_４ガスの供給量とＳｉＣｌ_４ガスの供給量の比を、第１クラッド用バーナ４の中心層４１に供給するものより小さくし、第３クラッド用バーナ６の中心層に供給する単位時間当りのＳｉＦ_４ガスの供給量とＳｉＣｌ_４ガスの供給量の比を、第２クラッド用バーナ５の中心層に供給するものより小さくすればよい。
すなわち、第１クラッド用バーナ４により合成されるスートのＳｉＦ_４濃度＞第２クラッド用バーナ５により合成されるスートのＳｉＦ_４濃度＞第３クラッド用バーナ６により合成されるスートのＳｉＦ_４濃度、となるようにする。
このように本発明の特徴は、コア用バーナ３に近いクラッド用バーナで合成されるスートほど、ＳｉＦ_４の濃度を高くする、いわゆる傾斜分布供給する点にある。

上記のようにしてコアスート体１を形成したら、これを公知の技術、すなわち脱水雰囲気中で脱水した後、不活性ガスを含む雰囲気で透明ガラス化した。しかる後、必要ならこれを延伸して外径を細くした後、例えばＯＶＤ法で残りのクラッド部を合成する。所定量のクラッド部を合成したら、これを公知の技術で脱水、透明ガラス化した後、最終的に線引きし、光ファイバを得た。
得られた光ファイバはコアとクラッドの境界部に形成される裾が従来法で得られたものより確実に小さくなっていた。これは前述したクラッド用バーナ４、５及び６に供給したフッ素含有ガスにより、コアとクラッドの境界部の屈折率がフッ素により低められ、その結果として裾の部分が小さくなったものである。換言すると、裾の部分に酸化ゲルマニウムの他にフッ素が添加され、両者がコドープされた状態になっている。その結果、この部分の屈折率が従来のものに比して低くなっている。

このようにコアとクラッドの境界部における屈折率分布の裾を小さくしたことにより、得られた光ファイバは、所望のモードフィールド径（ＭＦＤ）とカットオフ波長λｃを維持しながら、しかも分散特性にも優れ、信号波形の劣化も小さいものになっていた。

ところでフッ素含有ガスとしては、前述したＳｉＦ_４に限らず、例えばＳＦ_６、ＣＦ_４などのガスも用いることができる。
以下に本発明の実施例および比較例を示す。

コア用バーナ３及びクラッド用バーナ４、５及び６を図１のように配置してコアスート体１を製造した。
因みに、コア用バーナ３において中心層３１に四塩化珪素を３６０ｃｃ／ｍｉｎ供給し、２層目３２には四塩化ゲルマニウム８６ｃｃ／ｍｉｎと共に水素ガスを加えて供給した。３層目３３にはアルゴンガスを、４層目３４には酸素ガスをそれぞれ所定量供給した。
また第１クラッド用バーナ４と第２クラッド用バーナ５の各中心層には四塩化珪素を０．４ｌ／ｍｉｎ供給し、第１クラッド用バーナ４の中心層にはこれに加えてＳｉＦ_４を３００ｃｃ／ｍｉｎ、第２クラッド用バーナ５の中心層には、ＳｉＦ_４を７５ｃｃ／ｍｉｎ供給した。また、第３クラッド用バーナ６の中心層には四塩化珪素を０．５ｌ／ｍｉｎのみ供給し、ＳｉＦ_４は供給しなかった。
各クラッド用バーナ４、５及び６の中心層以外の供給口からは前述した各ガス、すなわち酸素ガス、水素ガス及び不活性ガスであるアルゴンガスを所定量供給した。

このような条件で得られたコアスート体１に、前述したように残りのクラッド部分を外付けした後、脱水、透明ガラス化して光ファイバ母材とし、これを線引きして光ファイバを得た。得られた光ファイバの屈折率分布を図４に示す。
図４でコア１０とクラッド２０の境界部分にある点線で示す部分が、従来の方法で得られていた光ファイバの裾１１を示している。実線は前述した実施例１で示す方法で得られたコアスート体１を用いて得た光ファイバの屈折率分布を示している。
図４が示すように本発明の方法で得られた光ファイバでは、明らかに裾１１が小さくなっていることがわかる。
その理由は、コア１０とクラッド２０の境界部においては、コア１０とクラッド２０の界面近傍において形成される屈折率分布の裾１１の部分、すなわちＧｅＯ_２が添加されている部分に、第１クラッドバーナー４、第２クラッド用バーナ５により屈折率を低下させるフッ素が添加されたため、このフッ素の影響で、点線で示す従来の光ファイバ（ＳＭＦ）と比較して、裾１１が小さくなっている。

この光ファイバの特性を測定したところ、カットオフ波長λｃは１２５０ｎｍ、モードフィールド径（ＭＦＤ）は９．２μｍ、零分散波長は１３１２ｎｍであった。尚、コア１０のクラッド２０に対する最大屈折率差△１は０．４％、コア径は７．９μｍであった。
因みに、従来方法で得た光ファイバにおいては、カットオフ波長λｃは１２５０ｎｍ、モードフィールド径（ＭＦＤ）は９．３μｍ、零分散波長は１３１７ｎｍである。
このように、実施例１で得られた光ファイバでは、カットオフ波長λｃ及びモードフィールド径（ＭＦＤ）の値を劣化させることなく、すなわち従来のものとほとんど変えることなく、零分散波長を大きく改善することができた。このようにモードフィールド径（ＭＦＤ）とカットオフ波長λｃを所望の範囲に維持しながら、しかも分散特性にも優れ、信号波形の劣化が小さい光ファイバを得ることができた。

図１においてコア用バーナ３に隣接して、図５に示すような多重管構造の第１クラッド用バーナ４を１本のみ配置せしめた。このバーナ４の特徴は、中心層４１が図５に示すように上下に４段に分割されている点にある。
因みに、コア用バーナ３に関しては実施例１と全く同じ条件にした。また第１クラッド用バーナ４については中心層４１ａに四塩化珪素のみを０．６５ｌ／ｍｉｎ供給し、中心層４１ｂには四塩化珪素０．１５ｌ／ｍｉｎにＳｉＦ_４を２３ｃｃ／ｍｉｎを加えて供給した。さらに中心層４１ｃには、四塩化珪素０．２５ｌ／ｍｉｎにＳｉＦ_４を７６ｃｃ／ｍｉｎを加えて供給し、最下段の中心層４１ｄに四塩化珪素０．３ｌ／ｍｉｎにＳｉＦ_４を２３０ｃｃ／ｍｉｎを加えて供給した。このように上段から下段、すなわちコア用バーナ３に近いほど、合成されるスートのＳｉＦ_４濃度が高くなるように、つまり傾斜分布になるようにガスを供給した。
尚、図５で上と記載されている方がコア用バーナ３から距離的に遠くなる方で、下と書かれている側が図１においてコア用バーナ３に近い側になるように位置決めされる。

このような条件で得られた光ファイバ母材、すなわちコアスート体１に脱水、透明ガラス化等公知の処理を施した後、前述したように残りのクラッド部分を外付けし、これをさらに脱水、透明ガラス化して得られた光ファイバ母材を線引きして光ファイバを得た。得られた光ファイバの屈折率分布を図６に示す。
図６でコア１０とクラッド２０の境界部分にある点線で示す部分が、図４同様に従来の方法で得られていた光ファイバの裾１１を示している。実線は実施例２で示す条件で得られたコアスート体１を用いて得た光ファイバの屈折率分布を示している。
図６が示すように実施例２の条件で得られた光ファイバでも、明らかに裾１１が小さくなっていることがわかる。

またこの光ファイバの特性を測定したが、ほぼ実施例１と同様なものが得られた。
具体的には、カットオフ波長λｃは１２５０ｎｍ、モードフィールド径（ＭＦＤ）は９．１μｍ、零分散波長は１３１１ｎｍであった。尚、コア１０のクラッド２０に対する最大屈折率差△１は０．４％、コア径は７．８μｍであった。
因みに、従来方法で得た光ファイバにおいては、前述したように、カットオフ波長λｃは１２５０ｎｍ、モードフィールド径（ＭＦＤ）は９．３μｍ、零分散波長は１３１７ｎｍである。
このように、実施例２で得られた光ファイバでも、カットオフ波長λｃ及びモードフィールド径（ＭＦＤ）の値を劣化させることなく、すなわち従来のものとほとんど変えることなく、零分散波長だけを大きく改善することができた。
このようにモードフィールド径（ＭＦＤ）、カットオフ波長λｃも全く問題なく、しかも分散特性にも優れ、信号波形の劣化が小さい光ファイバを得ることができた。

（比較例１）
図１において図２に示すコア用バーナ３に隣接して、図３に示すような第１クラッド用バーナ４を１本のみ配置した。
コア用バーナ３の各層に供給するガスの条件は実施例１及び実施例２と同一にした。但し、第１クラッド用バーナ４の中心層４１には四塩化珪素を１．３５ｌ／ｍｉｎと共にＳｉＦ_４を３５０ｃｃ／ｍｉｎ加えて供給した。それ以外の層からは実施例１と同様なガスを供給した。但し、その供給量は上記原料ガスの供給量に合わせて多少調節した上で同様なガス、すなわち、酸素ガス、水素ガスそしてアルゴンガスを供給した。

このような条件で得られた光ファイバ母材、すなわちコアスート体１に脱水、透明ガラス化等公知の処理を施した後、前述したように残りのクラッド部分を外付けし、これをさらに脱水、透明ガラス化して得られた光ファイバ母材を線引きして光ファイバを得た。得られた光ファイバの屈折率分布を図７に示す。

図７でコア１０とクラッド２０の境界部分にある点線で示す部分が、従来の方法で得られていた光ファイバの裾１１を示している。実線は比較例１で示す条件で得られたコアスート体１を用いて得た光ファイバの屈折率分布を示している。
図７が示すように、比較例１の条件で得られた光ファイバは、コア１０とクラッド２０の境界部だけでなく、クラッド２０そのものの屈折率が下がっており、クラッド２０を基準とした場合、裾１１は小さくなっていない。
またその特性を測定したところ、カットオフ波長λｃは１２５０ｎｍ、モードフィールド径（ＭＦＤ）は９．１μｍ、零分散波長は１３１５ｎｍであった。尚、コア１０のクラッド２０に対する最大屈折率差△１は０．４％、コア径は７．９μｍであった。
因みに、従来方法で得た光ファイバにおいては、前述したように、カットオフ波長λｃは１２５０ｎｍ、モードフィールド径（ＭＦＤ）は９．３μｍ、零分散波長は１３１７ｎｍであり、零分散波長の改善幅は小さかった。

実施例１及び実施例２と比較例１の条件の大きな相違点は、前者ではクラッド用バーナから供給するフッ素含有ガスの供給量はコア用バーナに近い程、合成されるスートのフッ素濃度が高くなる、いわゆる傾斜分布供給していたが、比較例１においてはフッ素含有ガスの供給層が中心層４１、１箇所であるため、傾斜分布供給ができなかった点にある。
これに対して実施例１では、クラッド用バーナを複数設けることで、フッ素含有ガスの供給量をコア用バーナ３に近いほど、合成されるスートのフッ素濃度を高くすることができるようになっており、実施例２では、第１クラッド用バーナ４の中心層４１を上下に仕切り、コア用バーナ３側に近い下段側ほど合成されるスートのフッ素濃度を高くできるようにしている。

このようにフッ素含有ガスの供給量を、コア用バーナ３に近い程、合成されるスートのフッ素濃度が高くなるように供給する傾斜分布供給することで、コアとクラッドの境界部における屈折率分布の裾の広がりを小さくでき、しかもクラッド側の屈折率分布への影響を少なくすることもできる。

尚、実施例１では第３クラッド用バーナ６においてはＳｉＦ_４を全く供給していないが、第１クラッド用バーナ４や第２クラッド用バーナ５の各中心層に供給するＳｉＦ_４の供給量を実施例と異なる値、例えばより少なくして、第３クラッド用バーナ６の中心層からもＳｉＦ_４を供給してもよい。これらの条件は形成される裾の大きさを考慮して決定すればよく、裾がより小さくなるようにフッ素の供給量及び供給位置を決定すればよい。
すなわち、供給するＳｉＦ_４の量は、第１クラッド用バーナ４により合成されるスートのＳｉＦ_４濃度＞第２クラッド用バーナ５により合成されるスートのＳｉＦ_４濃度＞第３クラッド用バーナ６により合成されるスートのＳｉＦ_４濃度、の条件となる。

以上述べたように、本発明によれば、所望のモードフィールド径（ＭＦＤ）とカットオフ波長λｃを維持しながら、しかも分散特性にも優れ、信号波形の劣化が小さい光ファイバを容易、かつ確実に得ることができる光ファイバ母材の製造方法、すなわち、コアとクラッドの境界部における屈折率分布の裾の小さい光ファイバを、確実に得ることができる光ファイバ母材の製造方法を提供することができる。

本発明の光ファイバ母材の製造方法の一実施例であるコア用バーナ及びクラッド用バーナの各配置を示す模式図である。本発明の光ファイバ母材の製造方法に用いるコア用バーナの一例を示す平面図である。本発明の光ファイバ母材の製造方法に用いるクラッド用バーナの一例を示す平面図である。本発明の実施例１で得られた光ファイバ母材を用いて得られた光ファイバの屈折率分布を示すグラフである。本発明の光ファイバ母材の製造方法に用いるクラッド用バーナの別の例を示す平面図である。本発明の実施例２で得られた光ファイバ母材を用いて得られた光ファイバの屈折率分布を示すグラフである。比較例１で得られた光ファイバ母材を用いて得られた光ファイバの屈折率分布を示すグラフである。

符号の説明

１コアスート体
２出発母材
３コア用バーナ
４第１クラッド用バーナ
５第２クラッド用バーナ
６第３クラッド用バーナ
１０コア
１１裾
２０クラッド

Claims

気相合成法によりコア部と該コア部の外側にクラッド部の一部を有するコアスート体を合成する工程と、前記コアスート体を脱水雰囲気で脱水した後、不活性ガス雰囲気中で透明ガラス化する工程と、を有する光ファイバ母材の製造方法において、
得られる光ファイバのコアとクラッドの境界部における屈折率分布の裾を小さくするために、前記クラッド部の一部を合成するクラッド用バーナにはフッ素含有ガスが供給され、前記コア部との境界部にフッ素を含むコアスート体を形成し、
前記フッ素含有ガスに含まれるフッ素の濃度分布を、前記コア部に近いほど濃度が高い裾形状の傾斜分布とすることを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
前記クラッド用バーナへのフッ素含有ガスの単位時間当りの供給量は、前記コア部を合成するコア用バーナに近い側ほど、合成されるスートのフッ素濃度が高くなるように傾斜分布供給されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ母材の製造方法。
前記クラッド用バーナは複数本からなり、各クラッド用バーナへのフッ素含有ガスの単位時間当りの供給量は、前記コア部を合成するコア用バーナに近いクラッド用バーナほど、合成されるスートのフッ素濃度が高くなるように傾斜分布供給されていることを特徴とする請求項１または請求項２いずれかに記載の光ファイバ母材の製造方法。