高温でのシリカガラスのRayleigh散乱特性

石英玻璃高温瑞利散射特性

基本信息

批准号：
14750561
负责人：
垣内田洋
金额：
$ 2.11万
依托单位：
Toyota Technological Institute
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

シリカ系光ファイバーの伝送損失の主要因は、Rayleigh散乱である。本研究の目的は、この散乱を低減するための最適な物性制御条件を見出すことである。Rayleigh散乱は密度ゆらぎと濃度ゆらぎが原因で生じ、これらのゆらぎはそれぞれ凍結温度(仮想温度)と添加物に関っている(14年度報告)。本年度は、構造緩和が仮想温度、添加物と密接に関わっているということ、ファイバーの伝送条件などを決めている屈折率と仮想温度、添加物との関係を明らかにした。また伝送損失を下げるために、ファイバー線引き炉の直後に再加熱炉を設けるという方法を検討し、この炉でのアニーリング温度、時間と散乱低減の限界値との関係を、これまで得られた結果から見積もった。例えば速度20m/sの線引き装置において、線引き方向に1m長の加熱炉を設けることで0.5秒のアニーリングが可能となる。そしてこの炉の温度を1320℃とすることで、0.144dB/km@1.55μmの超低損失を実現できる可能性がある。さらにこのような最適条件を実現するために、光ファイバーメーカーと共同でファイバー線引き装置に取り付け可能な特殊再加熱炉を開発中である。一方このような研究において、ガラスの物性に関する知見を得ている。その一つは非晶質固有の性質である構造緩和過程に関わるものである。構造緩和はガラスの構造が熱平衡に向かって変化する過程で、本研究でこの緩和過程が温度と添加物だけでなく仮想温度に深く関わっていることを明らかにした。もう一つは添加物が仮想温度と物性との関係に及ぼす影響に関する知見である。ガラスの物性は仮想温度と密接に関わり、この仮想温度は冷却速度や熱処理によって変わってしまうため、ガラスの物性を正確に制御することは難しい。しかし本研究で、シリカガラスにハロゲン元素を適切な濃度で添加すると屈折率や密度が仮想温度に依存しなくなることを見出した。

石英基光纤传输损耗的主要原因是瑞利散射。本研究的目的是找到减少这种散射的最佳物理性质控制条件。瑞利散射是由密度波动和浓度波动引起的，这些波动分别与冷冻温度（虚拟温度）和添加剂有关（2014年报道）。今年，我们明确了结构弛豫与假想温度和添加剂密切相关，以及决定光纤传输条件等的折射率与假想温度和添加剂之间的关系。此外，为了减少传输损耗，我们考虑了在光纤拉丝炉之后立即安装再加热炉的方法，并利用该结果研究了该炉中的退火温度和时间与散射减少极限值之间的关系。到目前为止得到的估计。例如，在速度为20m/s的拉丝机中，通过设置拉丝方向长度为1m的加热炉，能够进行0.5秒的退火。通过将该炉的温度设置为1320℃，可以实现0.144dB/km@1.55μm的超低损耗。此外，为了实现这些最佳条件，我们目前正在与光纤制造商合作开发一种可以连接到光纤拉丝设备的特殊加热炉。另一方面，在这种研究中，我们获得了有关玻璃物理性质的知识。其中之一与结构弛豫过程有关，这是非晶材料独有的特性。结构弛豫是玻璃结构向热平衡方向变化的过程，这项研究表明，这种弛豫过程不仅与温度和添加剂密切相关，还与假想温度密切相关。另一个是关于添加剂对假想温度和物理性能之间关系的影响的知识。玻璃的物理性能与其假想温度密切相关，而假想温度随冷却速度和热处理而变化，因此很难精确控制玻璃的物理性能。然而，在这项研究中，我们发现，当在石英玻璃中添加适当浓度的卤素元素时，折射率和密度变得与假想温度无关。