いまさら聞けないガラス講座

通信用石英系光ファイバの製造方法
古河電気工業㈱情報通信カンパニー技術企画部

小 倉

邦 男

Fabrication method of silica fiber for optical transmission
Kunio Kokura
Furukawa Electric Co．
，Ltd．，
Technical Planning Dept．Telecomuicataions Company

１．はじめにの特長を活かした使い分けがなされている。これらの断面屈折率分布は様々なガラスやプラス

現在の情報化社会を構築できたのは，メタルチック材料で実現できる。しかし，公衆通信のケーブルに比べて桁違いに大量の情報をかつ遠５５０nm の使用
伝送媒体としては，８５０nm〜１，くまで送ることができる高性能な光ファイバが波長帯で伝送損失が低く（光透過率が高い），開発され，これを用いた通信網が全国に張り巡加工性に優れ，かつ２０年以上の使用に耐えららされたからである。最近では光ファイバが家れる化学耐久性も求められることから，コアと庭内まで引き込まれ，自宅でいつでも鮮明な動クラッドともに石英ガラスを用いた光ファイバ

画を見たり，知人と大量のデータを高速でやりが採用されている。高純度な SiO２ をホストガ取りするのが，ごく普通の風景となっている。

ラスとし，コアには屈折率を上げる GeO２ や P２

本稿では，この公衆通信に使われる光ファイバ

O３ を，クラッドには F などの屈折率を下げる

１），２）の製造方法について解説する。

２．光ファイバの構造
光ファイバは屈折率の高いコアとそれを取り囲むクラッドからなり，コアに入射された光の信号はクラッド界面での反射や屈折によってコ材料（ドーパント）を添加することで，屈折率分布を形成する。

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SIᆺ
GIᆺ
㹙࣐ࣝࢳ࣮ࣔࢻࣇ࢓࢖ࣂ㹛アに閉じ込められ伝搬する。図１に光ファイバの代表的な構造を示す。クラッド外径は１２５μmで髪の毛よりも細く，これを保護する樹脂被覆ᶞ⬡⿕そDSF
ỗ⏝SMF
㸦1300nm㞽ศᩓ㸧㸦1550nm㞽ศᩓ㸧

外径は２５０〜５００μm である。コア径や屈折率分布の違いよって光の伝播状態が異なり，伝送特性や接続性なども違ってくるため，それぞれ

㹙ࢩࣥࢢ࣮ࣝࣔࢻࣇ࢓࢖ࣂ㹛㸦㹟㸧⣲⥺ࡢᵓ㐀㸦㹠㸧ᒅᢡ⋡ศᕸ

図１．光ファイバの構造〒１００―８３２２ 東京都千代田区丸の内２丁目２番３号
TEL ０３―３２８６―３４４５
FAX ０３―３２８６―３７０８E―mail : kokura@ch．
furukawa．
co．
jp

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厚さ数十 μm のガラスを何十層も堆積させて行

３．プリフォームの製造方法

く。断面の屈折率分布は，原料の SiCl４ と GeCl４

通信用光ファイバの製造では，まず光ファイの比率を各層ごとに調整することで形成する。

バと同じ断面屈折率分布を持つ円柱状のガラス

０００℃ まで上ガラス堆積後に火炎温度を約２，母材（プリフォーム）を合成する。原料に高純げ，石英管の粘度を下げて表面張力により中空度 な SiCl４，GeCl４，POCl３，SiF４ な ど の ハ ロ ゲ部を潰す（コラップス）。更に，これを石英管ン化物を用い，化学気相反応でガラスを合成すに挿入して加熱一体化することにより，所定のることで，使用波長帯に大きな伝送損失を生ずコア・クラッド比を持つプリフォームが得られる遷移金属を ppb 以下まで低減することが可る。石英管によるサイズ制限はあるが（プリフ能となった。このことが光ファイバの実用化にォームの大型化が難しい），装置構成が簡単繋がった。以下に，代表的な製法を紹介する。

で，かつ屈折率分布の制御がし易いことから，世界の多くのファイバメーカーで採用された。

３―１．MCVD 法（内付化学気相堆積法）
３―２．PCVD 法（プラズマ化学気相堆積法）

MCVD 法は，AT&T ベル研究所が開発し，工業化に初めて成功した製法で，図２の（a）

PCVD 法は，近年ドラカ社が量産技術としに概要を示す。回転する石英管内に原料ガスとて完成させた製法である。図２に（b）として酸素を流し，酸水素バーナー火炎で石英管を外MCVD 法と並べて記載したが，石英管内壁に側から加熱し，原料の流れる方向にバーナーをガラスを堆積させ，その後にコラップスすると移動させる。原料ガスが火炎付近の高温域（約いう工程は同じである。ただ，ガラスを堆積す

１，６００℃）を通過する際に，式!
１ の高温酸化反る工程で，石英管内に高周波誘導熱プラズマを１μm）応によってガラス微粒子（粒径：約０．

発生させ，ガラス微粒子を経ずに直接透明なガが生成し，熱泳動によって火炎前方の石英管内ラスを堆積させる点が異なる。この製法の利点

壁に付着する。

は，ドーパントも含めて投入した原料の収率がSiCl４＋O２→SiO２＋２Cl２………………!
１

１００％ 近いことと，MCVD 法よりも薄い層を付着したガラス微粒子は，火炎が通過する時に高速で堆積するため，屈折率分布の制御がより高温に再加熱されて透明なガラスとなる，この精度よくできることにある。ただ，装置が複雑工程を繰り返しながら，石英管の中心に向けてで高価なため，現在は GI 型マルチモードファ㏱᫂࢞ࣛࢫᒙ

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SiCl4 ,GeCl4POCl㸱,O2᤼Ẽ▼ⱥ⟶ྜᡂࢡࣛࢵࢻᒙ
㓟Ỉ⣲ࣂ࣮ࢼ࣮㸦㹟㸧MCVDἲࣉࣛࢬ࣐
SiCl4 , 㻌
GeCl4 ,O2㏱᫂࢞ࣛࢫᒙ

㸦㹠㸧PCVDἲMCVDἲἲ㧗࿘Ἴ࢟ࣕࣅࢸ࢕࣮

᤼Ẽ▼ⱥ⟶㹙࢞ࣛࢫሁ✚ᕤ⛬㹛

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図２．光ファイバプリフォームの製造方法（Ⅰ）

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１０５ ２０１２イバのほか，複雑な屈折率分布が必要な特殊フ

炉内にはスート中を容易に拡散する He ガスをァイバの製法として主に用いられている。

流す。同時に，火炎加水分解で合成したスートは多量の OH 基を含有するため，還元性の強い

３―３．VAD 法（気相軸付堆積法）

Cl２ を He に添加することで数十 ppb 以下まで

VAD 法は，NTT と国内電線メー カ ー３社
３）が共同開発した製法 で，図３の（c）に概要をOH 基を除去する。これにより，通信で使用す５５０nm 帯において０．
１８dB/km（１km のる１，示した。酸水素バーナー火炎中に原料を投入透過率で９６％）と材料固有の理論限界に近い

２ の火炎加水分解反応によりガラス微粒し，式!

低損失な光ファイバが工業レベルで得られるよ３μm）を生成させ，回転するガ子（粒径：０．

うになった。屈折率制御が難しいものの，大型ラス種棒の先端に吹き付けて，軸方向に連続的化も容易なため，汎用 SMF や DSF の製法とに堆積する方法である。

して国内メーカーの殆で採用されている。

SiCl４＋２H２O→SiO２＋４HCl

…………!
２

バーナーと堆積面の位置関係が一定に保たれる

３―４．OVD 法（外付化学気相堆積法）

ように，ガラス微粒子の堆積に合わせてスートOVD 法は，コー ニ ン グ 社 が 開 発 し た 製 法を引き上げ，軸方向に均一な屈折率分布を形成で，図３の（d）として VAD 法と並べて示しする。VAD 法における屈折率分布の制御は，た。VAD 法と同じ火炎加水分解反応を用いる

火炎内の GeO２ 濃度分布や堆積面の温度分布が，ガラス微粒子は回転する芯棒に何層にも繰（GeO２ 付着効率が温度に依存することを利用すり返して堆積する。MCVD 法と同様に，バーる）を調整することで行なう。また，クラッド

ナ ー の 往 復 移 動 に 合 わ せ て 原 料 の SiCl４ とをコアと同時に合成する場合は，SiCl４ のみをGeCl４ の流量比を層ごとに調整することで，所流すクラッド用バーナーをコア用バーナーの上望の屈折率分布を形成する。その後スートから方に配置する。合成されたスート（多孔質母材）芯棒を抜き取り，VAD 法と同様に焼結・透明５００℃ のヒートゾーンを持つ高温炉へは，約１，ガラス化してプリフォームを得る。中空のプリ挿入して焼結・透明ガラス化する。焼結時に空フォームは必要に応じてコラップスする。芯棒

気が気泡となって残留するのを防ぐため，高温の抜き取りや，焼結・透明ガラス化時のコア中࢞ࣛࢫ✀Წࢫ࣮ࢺ(ከᏍ㉁ẕᮦ)᤼Ẽ

SiCl4, O2, H2
SiCl4, GeCl4㸪
O2, H2

㸦㹡㸧VADἲ

ࣂ࣮ࢼ࣮

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ࢫ࣮ࢺ(ከᏍ㉁ẕᮦ)

⅔ᚰ⟶SiCl4, GeCl4 , O2, CH4

㸦㹢㸧OVDἲ㹙ࢫ࣮ࢺྜᡂᕤ⛬㹛

He, Cl2,㸦 SiF4 㸧㹙࢞ࣛࢫ໬ᕤ⛬㹛

図３．光ファイバプリフォームの製造方法（Ⅱ）

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心部からの GeO２ 揮散防止など，特殊なノウハ

バ化後に一定荷重をかけて低強度部を除く（スウが必要となるが，量産性に優れることから代クリーニング）ことで長手に渡って高強度な光表的な製法のひとつとなった。また，所定のコファイバを得ている。

ア・クラッド比を得るため，石英管ジャケットࣉࣜࣇ࢛࣮࣒に替えて，クラッドを追加合成する方法としても広く活用されている。更に，焼結・透明ガラ㧗

ス化の際に He に SiF４ ガスを添加することで，低屈折率のクラッドが容易に合成できるので，

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複雑な屈折率分布が求められる特殊ファイバのᐃჾࢥ࣮ࢸ࢕ࣥࢢࢲ࢖ࢫ

製造においても有利な方法である。

４．ファイバ化工程⣸እ⥺◳໬⅔

石英系ファイバのファイバ化工程（線引）をእᚄᐃჾ

図４に示す。前述した製法で合成したプリフ
ォームを，高温炉に先端部から徐々に挿入する。高温炉としては，２０００℃ 以上で狭いヒー࢟ࣕࣉࢫࢱ࣮ࣥ

トゾーンが実現できるカーボン抵抗炉，もしくᕳྲྀ࣎ࣅࣥ

はジルコニア炉が用いられ，炉内は清浄なガス雰囲気に保たれる。プリフォームの先端が軟化Ⲵ㔜㸦ࢫࢡ࣮ࣜࢽࣥࢢ㸧

して自重で落下すると，炉の下でファイバを巻き取り始める。高温炉の直下に設置したレー０５μm）でクラッザー外径測定器（測定精度０．

図４．光ファイバの線引方法

５．まとめ

ド外径を測定し，ファイバの巻き取り速度とプ

本稿では，通信用石英系光ファイバの代表的リフォームの挿入速度を調整する。プリフォーな製法を解説した。近年，クラッドに空孔を設ムは２００mmφ を超える太いものもあるが，張けることで屈折率分布を形成する光ファイバ

５力などを調整することにより，外径１２５±０．

や，全く異なる導波路原理を用いたフォトニッ

μm と高精度に寸法が制御でき，かつ１，０００m／クバンドギャップファイバなどの研究が注目を分以上の高速での線引が可能となっている。

集めている。情報化社会の到来にともない通信

石英系光ファイバは表面にキズがつくと強度量は増大し続けており，これに対応できる新しが大幅に低下するため，線引直後に樹脂を被覆

い光ファイバの実現と製造技術の確立に期待しすることで表面を保護する。液状の樹脂をダイたい。

スから押し出し，直下で紫外線照射もしくは加熱により硬化させる。通常，樹脂被覆は２層に分けて施され，内層にはクッション層として柔らかい樹脂が，外層は外傷を受けにくい硬い樹脂が用いられる。線引速度は樹脂の硬化速度によっても制限を受けるため，現在は硬化速度の参考文献
１）大久保“ISDN 時代の光ファイバ技術 理工学社
２）三木，
須藤 光通信技術ハンドブック オプトロニクス社
３）鈴木，
山内，
小倉 光ファイバの高品質化・経済化への取り組み 電気通信２００８年１月号，pp．
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速いアクリル系の紫外線硬化樹脂が主流となっている。光ファイバの引張強度はクラッド径が１２５μｍのもので約７〜８kgf あり，またファイ
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