JPS5924095B2 - 単一モ−ド光ファイバ−プレフォ−ムの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光フアイバープレフオームおよび光ファイバ
ーの製造方法に関し、特に気相沈着されたドープされた
シリカの光学コアおよび光学クラッド層を有する自由空
間波長１．５乃至１．７ミクロンの波長範囲において動
作させることのできる単一モード光ファイバーを得るた
めの光フアイバープレフオームの製造方法に関する。

光ファイバーの製造材料としてシリカを使用することに
よる利点の１つは材料中にシリカと共に含ませる他の材
料の量を厳密に制御することができることである。

これは１００万分の１部以下の濃度であつても或る種の
不純物は光ファイバーの伝送損失に顕著な影響を与える
ことから特に重要なことである。好ましい製造方法の１
つにおいてはクラッドガラスおよびコアガラスを形成す
る材料は気相反応によつてシリカの管状基体の孔の内壁
に沈着され、続いてその孔は押し潰され、ファイバーに
線引きされる。単一モード光ファイバーの製造方法は例
えばエレクトロニクスレター第１５巻第４号（１９７９
年２月１５日）第１０６〜８頁およびエレクトロニクス
レター第１５巻第１４号（１９７９年７月５日）第４１
１〜３頁にＪ記載されている。

両文献において光学クラツドを形成するために使用され
た材料はクラツドガラスが沈着されるシリカの管状基体
の屈折率と一致した屈折率を有するように選ばれた組成
を持つている。このように屈折率を一致させると所望の
単一のコアモードの他にクラツドモード（クラツド層と
基体との境界面によつて導かれるモード）を助長するよ
うな構造が形成されることを回避することができる。管
状基体の孔の内壁面上にコアおよびクラツドガラスを沈
着させる気相反応を使用する場合、管状基体を構成する
材料としてドープされていないシリカを使用することが
望ましい。何故ならぱ融点が高いために沈着処理におい
て高温にされた時に生じることがあつてはならない歪を
阻止するため問題の解決が容易であるからである。これ
等の状況下において管状基体の屈折率とクラツド材料屈
折率を一致させるために必要なことはクラツド層の屈折
率が特定の値を持つように調整することである。クラツ
ド層の屈折率を調整するためにはドープ不純物が使用さ
れる。ドープ不純物としては通常硼素、燐、ゲルマニウ
ム等の酸化物が使用され、このうち硼素酸化物はシリカ
に添加するとその屈折率を低下させることができ、ゲル
マニウムおよび燐の酸化物は屈折率を増加させることが
できる。したがつてこれらのドープ不純物を組合せて使
用することによつて所望の屈折率のシリカ層を得ること
ができる。しかしながら波長１．５乃至１．７ミクロン
の領域では硼素酸化物による吸収が大きく、この領域に
おいて損失の少い光フアイバ一を得ることは困難である
。

ドープ不純物としてゲルマニウム或は燐の酸化物を使用
すると前述のように屈折率がシリカよりも大きくなるか
らクラツドモードが生成されて好ましくない。またドー
プされないシリカのクラツドを使用するとガラス層を形
成する処理温度が高くなるため管状基体に歪を生じたり
処理中にシリカ管状基体中に残存する水酸基が拡散して
光フアイバ一中に混入し、光吸収を増加させるので好ま
しくない。この発明はこのような問題を解決するために
為されたものであつて、クラツド層として硼素酸化物の
ドープされていないシリカよりも屈折率の大きいガラス
を使用し、クラツド層とシリカ管状基体との間に光吸収
ガラス層を設けることを特徴としている。

このような構成によつてシリカ管状基体より屈折率の大
きいクラツド層を使用することが可能になり、前述の波
長１．５乃至１．７ミタロンの領域における光吸収を著
しく小さくすることができる。さらにこのような構成に
よつて特定の開口数に関して設計の柔軟性を高め、導波
分散に対して全分散をＯにするような平衡材料分散の可
能性を与えるものである。本発明によれば、硼素酸化物
および燐酸化物の少なくとも一方を含みシリカの屈折率
より大きい屈折率を有するドープされたシリカより成る
光吸収ガラス層が気相反応によつてシリカ管状基体の孔
の内壁面上に沈着され、約１乃至２モル％のゲルマニア
を含み硼素酸化物を含まず燐酸化物は含まれていても１
モル％より少い含有量であり、屈折率が前記光吸収ガラ
ス層のガラスの屈折率と略略等しいか或はそれより低い
ドープされたシリカより成る透明な光学クラツド層が気
相反応によつて光吸収ガラス層上に沈着され、前記クラ
ツド層よりも高濃度のゲ゛ノレマニアを含み光学タラツ
ド層のガラスの屈折率よりも大きい屈折率を有するドー
プされたシリカより成る透明な光学ガラスコア層が気相
反応によつて光学クラツド層上に沈着され、このように
して被覆された管状体の孔は中実断面の光フアイバープ
レフオームを形成するように潰されることを特徴とする
１．５乃至１．７ミタロンの自由空間波長内の選択され
た波長において単一モード動作が可能な光フアイバ一を
線引きするための光フアイバープレフオームの製造方法
が提供される。

硼素酸化物は前述のように１．５乃至１．７ミクロンの
波長領域において高い吸収特性を有するからクラツド層
に使用してはならない。

燐酸化物も光吸収性を増加させるが小量であればそれ程
大きな欠点とはならない。燐酸化物は透明なガラス状に
層を沈着させるための温度を低下させる効果があるため
、光減衰特性を若干犠牲にして用いることもできる。し
かしあまり多量に使用すれば光吸収量が増大するから１
モル％以下に制限することが必要である。またゲルマニ
アの量は屈折率およびガラス層の沈着温度に関係し、１
乃至２％が適当であり、それ以上になると屈折率が過大
になり、それ以下では沈着温度が高くなり過ぎて好まし
くない０以下本発明による単一モード光フアイバ一の製
造方法を図面を参照に実施例で説明する。

まず最初に本発明の背景について説明する。クラツドモ
ードが導かれることを阻止するためにクラツド層の屈折
率はそれを囲む光吸収層の屈折率に等しいか或は小さく
しなければならない。

もしもクラツド層の屈折率が吸収層の屈折率よりも大き
ければクラツドモードが導かれる。クラツド層の屈折率
を外側の光吸収層の屈折率よりも大きくないようにする
ことによつてタラツドモードの光エネルギーの相当の部
分は吸収層中まで延在している外方へ消散するフイール
ド中を伝播する。このような状況ではクラツドモードの
減衰は非常に大きいためクラツドモード導波構造の存在
を容認することができる。吸収層と基体との界面は同様
に導波構造を与えることになるがこの場合にもまた吸収
層の減衰が不所望なモードの実効的な伝播を阻止してい
る。管状基体の孔の内壁面上に気相沈着によつて形成し
た光伝送フアイバ一に影響を与える重要な因子の１つは
水酸基群による汚染のレベルである。

もし、沈着に使用された気相反応の反応生成物の１つが
水であれば水酸基群は直接沈着された材料中に含まれる
ことになる。この汚染源は本実施例においては水素およ
びその化合物力餘外されている気相反応を選択すること
によつて回避される。適当な反応の１例はハロゲンまた
は酸化ハロゲンの酸素による直接酸化を含むものである
。この目的のために反応材料は酸素ガスで搬送され管状
基体内を流される。反応は室温においては進行しないが
、例えば酸水素焔を使用して短い高温帯域を局部的に発
生させることによつて促進される。この帯域はゆつくり
と管状基体に沿つて何回も移動され、それにより管の全
長に亘つて透明なガラス状沈着物の均一な厚さの層が生
成される。管状基体の材料は水酸基群によつて非常に強
く汚染されていることが多い。

それ故吸収層は管状基体からクラツド層およびコアガラ
ス中へ水酸基群が拡散することを阻止するための拡散障
壁としての付加的な作用も有している。この目的のため
に比較的低い温度において高い沈着速度で沈着させるこ
とのできるガラス組成を吸収層として選ぶことが望まし
い。酸素による４塩化シリコンの直接酸化は比較的遅い
速度で行なわれ、透明な溶融沈着層を得るためには比較
的高い沈着温度が必要であることが判つた。しかし、硼
素、燐、およびゲルマニウムの１またはそれ以上の酸化
物をシリカと共に沈着させることによつて沈着速度が増
加され、必要な透明溶融沈着層を生成するために使用さ
れる沈着温度も低くすることができる。シリカの管状基
体の孔の内壁面上に水素を含まない沈着層を生じるよう
に方法によるドープされたシリカの製造方法によつて作
られた光フアイバ一は一般に０．７乃至１．３ミクロン
の範囲の長い方の波長において減衰において低下するス
ペクトル特性を持つている。この低下はレーレ一散乱の
影響によるものとされている。この一般的な低下特性に
重畳されて水酸基汚染の残留量のものである多数の吸収
ピークが存在している。そのような吸収ピークは０．９
５，１．２５および１．４ミクロンにおいて生じている
。１．４ミクロンのピークを超えた範囲においては、さ
らに約１．８ミクロンまで延在する窓（光吸収の少い領
域）がある。

この点を超えるとシリカおよびそれに特に導入されたド
ープ不純物に伴う別々の吸収現象により減衰は再び上昇
し始める。Ｓｉ−０結合の基本振動吸収のピークは９．
０ミタロンにおいて生じるが、その吸収特性の尾は１．
０乃至２．０ミクロンの範囲まで延在している。Ｂ−０
，Ｐ−０およびｅ−０結合はそれぞれ７．３，８．０お
よび１１．０ミクロンにおいて類似の吸収ピークを示し
ている。この結果、結合に伴うこれ等別々の吸収ピーク
、および１．４ミクロンの水酸基群吸収ピークを超えた
すぐの領域中の窓の広さ並びに深さは光エネルギーが伝
播する材料の組成に強く依存していることが認められる
。第１図はゲルマニアを主ドープ剤とし、しかもまた約
１モル％燐酸化物を含むシリカのコアを有する多重モー
ド傾斜屈折率（屈折率が半径方向で徐々変化しているも
の）光フアイバ一のスペクトル特性を示している。クラ
ツド層は硼素酸化物でドープしたシリカから成つている
。第２図はドープされないシリカの屈折率と一致する屈
折率となるように硼素および燐の酸化物でドープされた
シリカのクラツド層とゲルマニアでドープされたシリカ
のコアとを有する単一モード光フアイバ一のスペクトル
特性を示している。これ等２つの特性曲線を比較すると
第１図の光フアイバ一の１．４ミクロンを超えた窓は比
較的広く深い。それは光工ネルギ一は殆どコア材料中だ
けを伝播するからである。一方第２図の光フアイバ一の
対応する窓は浅く狭い。それは光エネルギーの相当の部
分がクラツド層中を伝播し、そこでＢ−０およびＰ−０
結合の吸収ピークの尾の部分によつて影響を受け ３る
からである。それ故この発明においてはこのような影響
の最も大きい硼素酸化物をクラツド層にドープしないよ
うにし、さらに燐酸化物も最小限のものとしたものであ
る。このようにするとドープ不純物はゲルマニウムおよ
び燐の酸化物となり １屈折率が増大するが、前述のよ
うに光吸収層によつてクラツドモードの影響が除去され
るのでそれによる性能の低下を避けることができる。実
施例を説明すると、約１ｍの長さの１４×１２ｍｍの直
径のシリカ管３０（第３図）は注意深 １く清浄にされ
乾燥され特別の旋盤の同期して１駆動されるヘツドおよ
びテール支持体に設置される。

管は回転されその中を酸素ガスが流される。一方酸水素
焔がその全長に亘つてゆつくりとそれに沿つて移動され
る。これによつて完成した光フアイ ２バ一における光
吸収層を形成するガラス層３１を受けるための清浄で乾
燥さへ焔で研磨された孔の内壁面が確保される。この層
３１は燐および硼素酸化物を共に沈着することによつて
ドープされたシリカで形成されて ５いる。

硼素酸化物は約１０モル％の濃度で含まれている。何故
ならばその吸収の尾は燐酸化物のそれよりも関係するス
ペクトル範囲中へ長く延びているからである。燐酸化物
は必要な吸収に対してさらに寄与し、ドープしないシリ
カよりも沈着層 ５の屈折率が大きくなるようにするた
め典型的には１０乃至１５モル％の範囲の濃度で含有さ
れている。使用すべきドープ不純物の比率の決定におい
てそれ等の沈着特性に対する影響を考慮に入れて置くこ
とが必要である。これ等両ドープ不純物は沈着物の粘度
を減少させ、膨張係数を増加させる。もしも過度に顕著
であれば前者の影響は円対称を保持するように後で被覆
された管の孔を押し潰す時に問題を生じることになる。
一方後者の影響は応力によるクラツクの問題を生じる。
層３１を生成するための反応材料は酸素ガスと４塩化シ
リコンと３臭化硼素と燐酸化塩素の蒸気である。これ等
の蒸気は酸素をキヤリアガスとして３つの液体を通して
別々の酸素流を泡立てることによつて搬送される。これ
等はその後稀釈剤として作用する別の酸素流と共に混合
される。室温においては蒸気と酸素との間の反応は自然
には生じない。しかし管に沿つて連続的に移動される酸
水素焔の加熱作用によつて反応が行なわれる。このよう
にして何回かの焔の移動により適当な厚さの層が形成さ
れた。焔の温度および移動の割合は注意深く制御され沈
着層が透明なコヒーレントなガラス層として形成される
ことが確保されるような充分な熱が与えられるようにさ
れた。次に反応材料の組成および割合は完成した光フア
イバ一の光学クラツド層の材料を形成するためのもので
ある層３２を沈着するために変更される。

この層３２は主としてゲルマニアでドープされたシリカ
層である。典型的にはそれは約１乃至２モル％のゲルマ
ニアを含み、一般に約１モル％以上の燐酸化物を含まず
、また硼素酸化物は含まれていない。少量の燐酸化物、
典型的には約０．２モル％の燐酸化物が保持された。そ
れはこの程度の濃度では吸収は重大な欠点とはならず、
一方その存在は透明なガラス状に層が沈着される温度を
低くするために有用であるからである。沈着温度が高過
ぎることは沈着処理中における管状基体の歪の問題が生
じるようになるため賛成できない。層３１の沈着と同様
の方法で行なわれる層３２の沈着の後、反応材料の組成
は再び層３３の沈着のために変更される。これは完成さ
れた光フアイバ一の光学コアを形成する材料の層であり
、層３２よりも高い所望の屈折率にするためにゲルマニ
アのドープ比率が高められている。コア層３３の典型的
な組成ではクラツド層３２中よりもゲルマニアが約４モ
ル％多く、しかも燐酸化物は同じ濃度を有している。次
に被覆された管の孔は押し潰されて固体断面の光フアイ
バープレフオームに形成される。

これはより高温の焔で管壁を軟化させ、表面張力の作用
によつて押し潰されるようにして行なわれる。孔を完全
に潰すために焔は数回管に沿つて動かされた。この押し
潰しの初期段階において蒸発によつて失われるドープ不
純物を部分的に補償するために４塩化ゲルマニウムと酸
素の気流を維持し、円対称を確保するために孔内に多少
の過剰圧力を押し潰し処理中保持することが望ましい。
この押し潰しの好ましい方法は米国特許第４１６５２２
４号明細書（Ｊ．Ｉｒｖｅｎ−Ａ．Ｐ．ＨａｒｒｉｓＯ
ｎｌ２−２）中に詳細に記載されている。処理の結果生
成されたプレフオームは光フアイバ一が必要となる時ま
で適当に貯蔵される。

それから線引き塔に垂直に設置され、制御された速度で
炉を通つて降下されながらその加熱によつて軟化された
下端から光フアイバ一が線引きされる。線引きされた光
フアイバ一は直接被覆浴中を通されてプラスチツクの保
護被覆が形成され、それによつて光フアイバ一の新しい
線引きされた表面が大気による侵蝕から保護され、また
表面を損傷するおそれのある他の全てのものと直接接触
が生じないように保護される。典型的な実施例において
は管３０に沈着された層の厚さは光学コアの直径が６．
５ミクロン、光学クラツドの直径が４５ミクロン、吸収
層の直径が６５ミクロン、保護被覆を除いた全体の直径
が１２５ミクロンになるように選ばれている。

【図面の簡単な説明】

第１図は多重モード傾斜屈折率光フアイバ一のスペクト
ル特性であり、第２図は単一モード光フアイバ一のスペ
クトル特性である。 第３図は光フアイバ一を線引するプレフオームを形成す
るために孔を押し潰す前の内面に被覆された管状基体の
断面の略図である。３０・・・・・・管状基体、３１・
・・・・・吸収層、３２・・・・・・クラツドガラス、
３３・・・・・・コアガラス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 硼素酸化物および燐酸化物の少なくとも一方を含み
   シリカの屈折率より大きい屈折率を有するドープされた
   シリカより成る光吸収ガラス層が気相反応によつてシリ
   カ管状基体の孔の内壁面上に沈着され、約１乃至２モル
   ％のゲルマニアを含み硼素酸化物を含まず、燐酸化物は
   含まれていても１モル％より少い含有量であり屈折率が
   前記光吸収ガラス層のガラスの屈折率と略々等しいか或
   はそれより小さいドープされたシリカより成る透明な光
   学クラッド層が気相反応によつて光吸収ガラス層上に沈
   着され、前記クラッド層よりも高濃度のゲルマニアを含
   み光学クラッド層のガラスの屈折率よりも大きい屈折率
   を有するドープされたシリカより成る透明な光学ガラス
   コア層が気相反応によつて光学クラッド層上に沈着され
   、このようにして被覆された管状体の孔は中実断面の光
   フアイバープレフオームを形成するように潰されること
   を特徴とする１．５乃至１．７ミクロンの自由空間波長
   内の選択された波長において単一モード動作が可能な光
   ファイバーを線引きするための光フアイバープレフオー
   ムの製造方法。 ２ 光吸収層が本質的に硼素および燐の酸化物だけでド
   ープされたシリカによつて構成されている特許請求の範
   囲第１項記載の製造方法。