光纤母材的制造方法和光纤母材

技术领域

本申请主张基于2020年9月3日申请的日本申请第2020-148202号的优先权，引用所述日本申请记载的全部记载内容。

本公开涉及光纤母材的制造方法和光纤母材。

背景技术

若由二氧化硅系玻璃构成的芯部包含碱金属元素或碱土类金属元素，则当将光纤母材拉丝来制造光纤时，得以降低芯的粘性并且促进玻璃的重新排列。因而，得以降低由光纤的瑞利散射造成的传输损耗。其结果是，能够降低传输损耗。

在专利文献1、专利文献2以及专利文献3中，记载了通过扩散法对光纤母材的芯部添加碱金属元素或碱土类金属元素的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2004/020357号

专利文献2：国际公开第2005/021455号

专利文献3：国际公开第2013/111470号

发明内容

本公开的光纤母材的制造方法是由二氧化硅系玻璃构成的光纤母材的制造方法，包括如下步骤：形成芯部；以及形成具有比芯部的折射率低的折射率并包围芯部的包层部。形成芯部的步骤包括：在由二氧化硅系玻璃构成的玻璃管的内表面添加由碱金属元素和碱土类金属元素构成的碱元素群；以及在进行添加的步骤之后，将玻璃管与配置在玻璃管内的玻璃棒一体化并形成一体化棒。

本公开的光纤母材是由二氧化硅系玻璃构成的光纤母材，具备：芯部，包含由碱金属元素和碱土类金属元素构成的碱元素群；以及具有比芯部的折射率低的折射率并包围芯部的包层部。芯部包含具有比芯部的中心轴上的氯的质量分率低的氯的质量分率的区域。芯部中的碱元素群的质量分率在中心轴以外具有最大值。

附图说明

图1是示出实施方式所涉及的光纤的制造方法的流程图。

图2是实施方式所涉及的光纤母材的剖视图。

图3是示出芯部中的碱元素浓度分布和氯浓度分布的坐标图。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

在专利文献1、专利文献2以及专利文献3记载的方法中，在玻璃管的内表面添加碱金属元素或碱土类金属元素，在进行缩径和蚀刻等后进行实心化，从而制作了成为光纤母材的芯部的玻璃体。但是，由于玻璃管的内部是空洞，因此玻璃管的体积(玻璃量)比相同外径的玻璃圆柱体少。因而，生产性低。

本公开的目的在于提供在抑制传输损耗的同时能提高生产性的光纤母材的制造方法。

[本公开的效果]

根据本公开，能够提供在抑制传输损耗的同时能提高生产性的光纤母材的制造方法和光纤母材。

[本公开的实施方式的说明]

首先，列举说明本公开的实施方式。本公开的一实施方式所涉及的光纤母材的制造方法是由二氧化硅系玻璃构成的光纤母材的制造方法，包括如下步骤：形成芯部；以及形成具有比芯部的折射率低的折射率并包围芯部的包层部。形成芯部的步骤包括：在由二氧化硅系玻璃构成的玻璃管的内表面，添加由碱金属元素和碱土类金属元素构成的碱元素群；以及在进行添加的步骤之后，将玻璃管与配置在玻璃管内的玻璃棒一体化并形成一体化棒。

在该光纤母材的制造方法中，由于在玻璃管的内面添加碱元素群，因此能够降低传输损耗。另外，由于将玻璃管与配置在玻璃管内的玻璃棒一体化，因此与将玻璃管实心化来形成成为芯部的玻璃体的情况相比，能够提高生产性。

也可以是，形成芯部的步骤还包括在进行添加的步骤与进行一体化的步骤之间将玻璃管缩径的步骤。若所使用的玻璃棒的直径与玻璃管的孔径大不相同，则容易在一体化后的芯部产生非圆形。在这种情况下，通过缩径能够使玻璃管的孔径接近于玻璃棒的直径，因此得以抑制在芯部产生非圆形。

也可以是，形成芯部的步骤还包括在进行添加的步骤与进行一体化的步骤之间对玻璃管的内表面进行蚀刻的步骤。在这种情况下，能够将与碱元素群一起被添加到玻璃管的内面的杂质除去。

也可以是，玻璃棒中的氯的质量分率的平均值为20ppm以上且2000ppm以下。

也可以是，玻璃管中的氯的质量分率的平均值为20ppm以上且2000ppm以下。

也可以是，玻璃棒中的氟的质量分率的平均值为200ppm以上且5000ppm以下。在这种情况下，能够抑制光纤母材的异常部数量。在此异常部例如是指由于异物、或者碱元素群与氯或氟的化合物而产生的玻璃的结晶，之后做成光纤时成为不良部的部分。

也可以是，玻璃管中的氟的质量分率的平均值为200ppm以上且5000ppm以下。在这种情况下，能够抑制光纤母材的异常部数量。

也可以是，玻璃棒具有外周部，所述外周部包含玻璃棒的外周面且厚度为0.5mm，外周部中的氯的质量分率的平均值比整个玻璃棒的氯的质量分率的平均值低。在这种情况下，能够抑制光纤母材的异常部数量。

也可以是，外周部中的氯的质量分率的平均值为20ppm以上且2000ppm以下。在这种情况下，能够抑制光纤母材的异常部数量。

也可以是，形成芯部的步骤还包括在一体化棒周围赋予具有比包层部高的折射率的玻璃层。在这种情况下，能够增加对有效截面积(Aeff)或截止波长等光学特性进行设计时的自由度。

也可以是，玻璃棒中的氯的质量分率的平均值为100ppm以上且2000ppm以下。在这种情况下，由于是100ppm以上，因此能够抑制由玻璃缺陷导致的损耗增加，能够抑制传输损耗。在高于2000ppm的情况下，母材异常的发生频度上升，成品率下降。

也可以是，一体化棒所包含的碱元素群的平均质量分率为0.2ppm以上且300ppm以下。在这种情况下，能够抑制传输损耗。

也可以是，一体化棒中的碱元素群的质量分率在一体化棒的中心轴以外具有最大值。这是因为在刚刚一体化后，在玻璃棒的外周部配置有碱元素群。通过在中心轴以外具有最大值，与以相同总量在中心轴处成为质量分率最大的方式进行了添加的情况相比，能够将最大值抑制得较低，能够抑制结晶化等不良。

也可以是，芯部包含钠、钾、铷、铯以及钙中的任意种作为碱元素群。在这种情况下，能够抑制传输损耗。

本公开的一实施方式所涉及的光纤母材是由二氧化硅系玻璃构成的光纤母材，具备：芯部，包含由碱金属元素和碱土类金属元素构成的碱元素群；以及包层部，具有比芯部的折射率低的折射率，且包围芯部。芯部包含具有比芯部的中心轴上的氯的质量分率低的氯的质量分率的区域。芯部中的碱元素群的质量分率在中心轴以外具有最大值。也可以是，芯部中的碱元素群的质量分率在芯部的半径的50％以内的区域中的中心轴以外具有最大值。也可以是，芯部中的碱元素群的质量分率在芯部的半径的30％以内的区域中的中心轴以外具有最大值。

在该光纤母材中，能够兼顾异常部少以及由提高芯部的平均氯浓度带来的玻璃缺陷损耗的降低。

[本公开的实施方式的详细内容]

以下，参照附图来说明本公开的光纤母材的制造方法和光纤母材的具体例。此外，本公开不限于这些例示，旨在包含由权利要求书示出、与权利要求书均等的含义和范围内的全部变更。在附图的说明中，针对相同的要素标注相同的附图标记，省略重复的说明。

图1是说明本实施方式所涉及的光纤的制造方法的流程图。在以下的说明中，关于具体条件的一个例子也进行了记载。本实施方式所涉及的光纤是按顺序经过准备工序S1、添加工序S2、缩径工序S3、蚀刻工序S4、一体化工序S5、延伸磨削工序S6、塌缩工序S7、OVD(Outside Vapor Deposition：外部气相沉积)工序S8以及拉丝工序S9制造的。

本实施方式所涉及的光纤母材1(参照图2)是按顺序经过形成由二氧化硅(石英)系玻璃构成的芯部10(参照图2)的芯部形成工序S10、以及形成包围芯部10的包层部20的包层部形成工序S20制造的。也就是说，光纤母材1的制造方法包括芯部形成工序S10和包层部形成工序S20。芯部形成工序S10包括准备工序S1、添加工序S2、缩径工序S3、蚀刻工序S4、一体化工序S5以及延伸磨削工序S6。包层部形成工序S20包括塌缩工序S7和OVD工序S8。

准备工序S1是准备用于形成芯部10的玻璃管和玻璃棒的工序。在本实施方式中，准备工序S1是在添加工序S2之前实施的，但玻璃棒只要在一体化工序S5之前准备即可。即，准备工序S1也可以包括在添加工序S2之前实施的玻璃管准备工序、以及在一体化工序S5之前实施的玻璃棒准备工序。

玻璃管由二氧化硅系玻璃构成。玻璃管是应使碱元素群作为掺杂剂扩散的玻璃管。在此，碱元素群是碱金属元素和碱土类金属元素的统称。也就是说，碱元素群由碱金属元素和碱土类金属元素构成。玻璃管的外直径(2d)为30mm以上且50mm以下。玻璃管的内直径(2i)为10mm以上且30mm以下。

玻璃棒由二氧化硅系玻璃构成。玻璃棒例如是通过VAD(Vapor Phase AxialDeposition：气相轴向沉积)法合成的。为了将玻璃棒的直径设为所希望的值，也可以进行延伸、磨削等加工。玻璃棒是为了在一体化工序S5中与玻璃管一体化并形成一体化棒而使用的。玻璃棒的直径为3mm以上且15mm以下。

玻璃管和玻璃棒分别包含某质量分率的氯和氟。玻璃管和玻璃棒分别包含的其它掺杂剂和杂质的质量分率是10ppm以下。“质量分率”是所关注的元素的质量相对于整个对象物的质量的比例，用(所关注的元素的质量)/(整体的质量)示出。以下，将质量分率也称为“浓度”。

玻璃管的平均氯浓度为20ppm以上且2000ppm以下。由此，能够使芯部10的折射率高于包层部20的折射率。其结果是，能够抑制传输损耗。玻璃管的平均氟浓度为200ppm以上且5000ppm以下。由此，能够抑制光纤母材1的异常部数量。

玻璃棒的平均氯浓度为20ppm以上且2000ppm以下。由此，能够使芯部10的折射率高于包层部20的折射率。其结果是，能够抑制传输损耗。玻璃棒的平均氟浓度为200ppm以上且5000ppm以下。由此，能够抑制光纤母材1的异常部数量。

玻璃棒具有外周部，所述外周部包含玻璃棒的外周面且厚度为0.5mm。外周部例如是玻璃棒的半径的70％以上且100％以下、或90％以上且100％以下的部分。外周部的平均氯浓度低于整个玻璃棒的平均氯浓度。外周部的平均氯浓度为20ppm以上且2000ppm以下。

在此，所谓平均浓度，例如如果是平均氯浓度，则是指用下式表示的浓度。

[数学式1]

在上述式中，Cl(r)表示半径为r的位置处的局部的氯浓度。i表示玻璃管的内半径。d表示玻璃管的外半径。关于氟也用同样的想法计算。在玻璃棒的情况下，通过将i设为0、将d设为玻璃棒的半径，而利用上述式计算平均的氯浓度和氟浓度。局部的浓度作为在玻璃管和玻璃棒的某个端面中沿着穿过中心位置的直线的各位置处的浓度是由电子束微分析仪(EPMA：Electron Probe Micro Analyzer)测定的。由EPMA进行测定的条件例如是加速电压为20kV，探测光束直径为0.5μm以上且1μm以下，测定间隔为100nm以下。

添加工序S2是在由二氧化硅系玻璃构成的玻璃管的内表面添加碱元素群的工序。在作为碱元素群的掺杂剂而添加钾(K)元素的情况下，作为原料，例如使用6g以上且20g以下的溴化钾(KBr)。根据想要添加的碱元素群的种类，也可以从KBr、碘化钾(KI)、溴化铷(RbBr)以及碘化铷(RbI)等中将1个或多个用作原料。

在添加工序S2中，通过第一外部热源对原料在温度700℃以上且850℃以下进行加热而产生原料蒸汽。第一外部热源例如是电炉，是为了加热原料而设置的。在将产生的原料蒸汽与包括氧的载气一起导入玻璃管的内部的同时，通过第二外部热源从外部加热玻璃管。第二外部热源例如是氢氧燃烧器、感应炉或电阻炉，为了加热玻璃管而设置。载气的流量为1SLM(换算为标准状态(0℃、1.01×10

在添加工序S2中，通过使第二外部热源沿着玻璃管的长边方向移动，玻璃管被加热。玻璃管的加热是在使第二外部热源以30mm/min以上且60mm/min以下的速度横动并以总计8圈以上且15圈以下进行的，使得玻璃管的外表面的温度成为1400℃以上且2000℃以下。由此，使K元素等碱元素群扩散添加到玻璃管的内表面。

缩径工序S3是将通过添加工序S2添加了碱元素群的玻璃管缩径的工序。缩径工序S3是在添加工序S2与一体化工序S5之间进行的。此时，在玻璃管的内部流过0.5SLM以上且1.0SLM以下的氧的同时，通过第二外部热源从外部加热玻璃管。在缩径工序S3中，通过使第二外部热源沿着玻璃管的长边方向移动来加热玻璃管。玻璃管的加热是使第二外部热源横动并以总计6圈以上且10圈以下进行的，以使得玻璃管的外表面成为1300℃以上且2000℃以下。玻璃管被缩径到内径(内直径)比在一体化工序S5中被一体化的玻璃棒的直径大1mm以上且3mm以下程度。

蚀刻工序S4是在缩径工序S3后对玻璃管的内表面进行蚀刻的工序。蚀刻工序S4是在添加工序S2与一体化工序S5之间进行的。在蚀刻工序S4中，在将SF

一体化工序S5是在蚀刻工序S4后将玻璃管与配置在玻璃管内的玻璃棒一体化的工序。在一体化工序S5中，首先，将玻璃棒插入玻璃管内，固定到玻璃管的中心。接着，在将氧(0.1SLM以上且0.5SLM以下)与He(0.5SLM以上且1.0SLM以下)的混合气体导入玻璃管的内部，将玻璃管内的绝对压力减压到97kPa以下的同时，将表面温度设为2000以上且2300℃以下，将玻璃管与玻璃棒一体化。由此，形成玻璃管与玻璃棒一体化而成的一体化棒。一体化棒的直径是20mm以上且40mm以下。一体化棒所包含的碱元素群的平均质量分率为0.2ppm以上且300ppm以下。由此，能够抑制传输损耗。

在延伸磨削工序S6中，将一体化棒延伸而成为直径20mm以上且25mm以下，进而将一体化棒的外周部磨削而成为直径15mm以上且20mm以下。由此，能得到构成光纤母材1的芯部10(参照图2)的芯棒。

作为变形例，芯部形成工序S10也可以还包括在延伸磨削工序S6后的一体化棒的周围赋予玻璃层的玻璃层赋予工序。在这种情况下，作为构成光纤母材1的芯部10(参照图2)的芯棒，集中使用玻璃层和一体化棒。玻璃层例如由OVD法或塌缩法等公知的方法赋予。

玻璃层具有比包层部20(第一包层部21和第二包层部22；参照图2)高的折射率。玻璃层不包含碱元素群。玻璃层包含氯。玻璃层的平均氯浓度为100ppm以上且2000ppm以下。

在套管塌缩工序S7中，在芯部10的外侧设置第一包层部21(参照图2)。此时，使用将芯部10插入添加有氟的二氧化硅系玻璃的玻璃管的内部并通过外部热源加热两者并将其一体化的套管塌缩法。芯部10与第一包层部21的用纯二氧化硅玻璃的折射率进行了标准化的折射率之差最大为0.34％程度。通过该套管塌缩法附加第一包层部21的结果是，能将芯部10及其附近的第一包层部21的水分量抑制得足够低。

在OVD工序S8中，在将芯部10与第一包层部21一体化而成的棒延伸并成为规定直径后，在该棒的外侧将包含氟的第二包层部22(参照图2)通过OVD法合成来制造光纤母材1。

在拉丝工序S9中，通过将光纤母材1拉丝，能够得到光纤。拉丝速度为800m/min以上且2300m/min以下，拉丝张力例如是0.5N。

图2是本实施方式所涉及的光纤母材的剖视图。如图2所示，光纤母材1具备包含中心轴C的芯部10和包层部20。芯部10包含有碱元素群、氯以及氟。由此，拉丝时得以降低芯的粘性，并且得以促进玻璃的重新排列。因而，得以降低由光纤的瑞利散射造成的传输损耗，结果是，能够降低传输损耗。芯部10包含钠、钾、铷、铯以及钙中的任意种作为碱元素群。芯部10中的碱元素群的平均浓度是3ppm以上且200ppm以下。芯部10中的氯的平均浓度是30ppm以上且2000ppm以下。芯部10中的氟的平均浓度是500ppm以上且5000ppm以下。

包层部20设置于芯部10的外侧，且包围着芯部10。包层部20具有比芯部19的折射率低的折射率。包层部20具有第一包层部21和第二包层部22。第一包层部21设置于芯部10的外侧，且包围着芯部10。第一包层部21由二氧化硅系玻璃构成。第一包层部21包含有氟。芯部10与第一包层部21的用纯二氧化硅玻璃的折射率进行了标准化的折射率之差最大为0.34％程度。

第二包层部22设置于第一包层部21的外侧，且包围着第一包层部21。第二包层部22由二氧化硅系玻璃构成。第二包层部22包含有氟。第一包层部21与第二包层部22的用纯二氧化硅玻璃的折射率进行了标准化的折射率之差是0.05％到0.2％程度。

图3是示出芯部中的碱元素浓度分布和氯浓度分布的一个例子的坐标图。横轴示出离芯部10的中心轴C的距离(径向位置)。纵轴示出碱元素浓度或氯浓度。氯浓度分布最低的部分是玻璃棒与玻璃管的边界。在该边界的管侧存在添加有碱元素群的区域。另外，为了兼顾结晶化的抑制和玻璃缺陷的抑制，未添加有碱元素群的棒中心部的氯浓度变高，包含管部在内的其它氯浓度成为比棒中心部低的浓度。

芯部10中的碱元素群的浓度在中心轴C以外具有最大值。芯部10中的碱元素群是在添加工序S2中被添加到玻璃管的内面的。因而，最大值的位置是与一体化工序S5中使用的玻璃管的内周部对应的位置。芯部10中的碱元素群的浓度在芯部10的半径的50％以内的区域中的中心轴C以外的位置具有最大值。芯部10中的碱元素群的浓度也可以在芯部10的半径的30％以内的区域中的中心轴C以外的位置具有最大值。

表1是关于通过上述制造方法制造的一体化棒(在紧接着一体化工序S5后并在延伸磨削工序S6前的一体化棒)的试制例1至8总结了在一体化工序S5中使用的玻璃棒中的厚度为0.5mm的外周部的平均氯浓度和一体化后的状态(异常部数量)的表。在一体化工序S5中，玻璃棒与在玻璃管的内周面添加的碱元素群接触。因此，若玻璃棒的外周部的氯浓度高，则不良(异常部)的发生率上升。若氯的质量分率成为2500ppm，则不良的发生率的上升变得显著，异常部数量增加。

[表1]

在试制例1至8中，在添加工序S2中，使用钾(K)元素作为碱元素群的掺杂剂，将在玻璃管的内周面添加的局部的K浓度统一为100ppm以上且200ppm以下的范围。因此，可以认为异常部数量的增加不是由K浓度的影响造成的，而是由玻璃棒的外周部的氯浓度造成的。

表2是关于通过上述制造方法制造的一体化棒的试制例9至13总结了各特性的表。在试制例9至13中，将一体化棒以外的大小和组成设为相互同等。可知若提高一体化棒的平均氯浓度，则传输损耗会降低。可以认为其原因是，一体化棒所包含的氯会修复拉丝时产生的玻璃的结构缺陷，能够降低由缺陷造成的传输损耗。另外，在试制例9至13中，通过将玻璃棒的厚度为0.5mm的外周部的平均氯浓度统一为约1000ppm，得以将一体化后的异常部数量也抑制为少量的个数。

[表2]

表3是关于通过上述制造方法制造的一体化棒的试制例14至19总结了各特性的表。可知若使玻璃棒的平均氟浓度增加，则母材异常(异常部数量)增加。因而，玻璃棒的平均氟浓度优选为7000ppm以下，更优选为5500ppm以下。

[表3]

附图标记说明

1…光纤母材；10…芯部；20…包层部；21…第一包层部；22…第二包层部；C…中心轴。