CN103992029B - 多孔质玻璃母材制造用燃烧器及光纤用多孔质玻璃母材的制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多孔质玻璃母材制造用燃烧器及光纤用多孔质玻璃母材的制造装置，该燃烧器具有呈同心圆状配置成一列或多列的可燃气体喷出喷嘴，内围有小口径助燃气体喷出喷嘴，其中：在对多孔质玻璃母材制造用燃烧器的中心轴垂直切断后的截面中，由两条直线将截面分割成四等分区域时，在沿着初始部件并经过中心的直线所经过的两个区域中包含的小口径助燃气体喷出喷嘴的流路面积总和小于另外两个区域中包含的小口径助燃气体喷出喷嘴的流路面积总和。本发明能够对应于制造方法得到具有理想密度分布的多孔质玻璃母材，且在沉积中不会断裂，并在多孔质玻璃母材的烧结玻璃化时不会残留气泡，从而提高产量。

Description

多孔质玻璃母材制造用燃烧器及光纤用多孔质玻璃母材的制造装置

技术领域

本发明涉及一种多孔质玻璃母材制造用燃烧器及光纤用多孔质玻璃母材的制造装置，对应于光纤母材的制造方法得到具有理想密度分布的多孔质玻璃母材，并提高母材产量。

背景技术

目前，为制造光纤母材提出了各种方法。其中有众所周知的VAD（VaporPhaseAxialDeposition，气相轴向沉积）法，该方法是在一边旋转一边上升的竖轴上装设初始部件，垂下到反应室内，由设置在反应室内，相对于初始部件的轴方向以设定角度设置的纤芯沉积燃烧器及包层沉积燃烧器将生成的玻璃微粒子附着沉积到初始部件的前端，从而制成由纤芯层和包层层构成的多孔质玻璃母材。该方法很难有高生产率，但却是适于得到任意折射率分布的方法。

图1为表示采用VAD法的光纤用多孔质玻璃母材的制造装置的概要图。反应容器由具有供气口4及排气口5的沉积室2和容纳制品的容纳室3构成，由多根燃烧器来合成多孔质玻璃母材1。将初始部件插入于该沉积室2中，使其旋转的同时也使其上升，并向各燃烧器供应反应气体，在氢氧焰中进行加水分解，将合成出的玻璃微粒子沉积于初始部件上，从而制成多孔质玻璃母材1。作为所使用的燃烧器，一般使用石英玻璃制的燃烧器，朝向初始部件前端配置的纤芯沉积燃烧器6及朝向初始部件侧面配置的第一包层沉积燃烧器7和第二包层沉积燃烧器8等多根燃烧器分别相对于上拉轴以设定的角度进行配置。制造出的多孔质玻璃母材1在电炉内被脱水透明玻璃化，从而成为光纤用预制体。

多孔质玻璃母材也可以采用OVD（OutsideVaporDeposition，外部汽相沉积）法制造。图2为表示采用OVD法的光纤用多孔质玻璃母材的制造装置的概要图。初始部件是在纤芯棒14的两端部焊接有虚设（dummy）棒15，纤芯棒14借助于虚设棒15被装设于旋转夹17上，以能够绕轴自由旋转的方式被支承。朝向该初始部件配置有一列可左右自由移动的燃烧器16。此处，从燃烧器16吹入玻璃原料气体（SiCl4）以及可燃气体、助燃气体和非活性气体，在氢氧焰中进行加水分解从而合成玻璃微粒子，将其沉积到初始部件上从而得到多孔质玻璃母材18。另外，采用OVD法的光纤用多孔质玻璃母材的制造装置还具有排气罩19。如此，OVD法是使燃烧器或初始部件相对往复运动，使得在沿着水平设置的旋转的初始部件排成一列的多个燃烧器的火焰中生成的玻璃微粒子进行附着沉积，从而制成多孔质玻璃母材18的方法。该方法能够得到高生产率。使所得到的多孔质玻璃母材18通过由加热器和隔热材料构成的加热炉体进行脱水透明玻璃化，从而成为光纤母材。

以前，在这些制造方法中，作为合成玻璃微粒子沉积体的燃烧器可以使用同心多重管燃烧器，但这种构造的燃烧器不能将玻璃原料气体、可燃气体及助燃气体进行充分混合，从而无法充分地生成玻璃微粒子。其结果是导致产量无法提高，从而难以实现高速合成。为解决该问题，在日本专利授权公报第1,773,359号中提出了一种在可燃气体喷出喷嘴内，以包围中心的原料气体喷出喷嘴的方式配置有小口径助燃气体喷出喷嘴的多喷嘴燃烧器。

近年来，随着成本的下降，母材趋于大型化，从而产生了以下问题。在采用VAD法的图1所示方法中，配置于纤芯沉积燃烧器6上部的第一包层沉积燃烧器7朝斜上方配置。因此，在沉积区域中，如图3所示，火焰的下侧区域10的沉积密度容易升高，火焰的上侧区域11的沉积密度容易下降。燃烧器的中心轴线9是第一包层沉积燃烧器7的中心轴线。

此处，如果增加供应给第一包层沉积燃烧器7的可燃气体量以使火焰的上侧区域11达到适当的密度，则火焰的下侧区域10的密度会变得过高，从而会造成在玻璃化时残留气泡的问题。相反，如果减少可燃气体量以使火焰的下侧区域10得到适当的密度，则火焰的上侧区域11的密度会变得过低，从而会造成在沉积中发生断裂的问题。

另一方面，在采用OVD法的方法中，虽然使用如图2所示的装置在纤芯棒14上沉积玻璃微粒子，但如图4及图5所示，排成一列的燃烧器间区域20会由相邻的燃烧器的火焰从两侧进行强烈地加热而使该部分的沉积密度容易局部上升。因此，当增加供应给燃烧器的可燃气体量以使多孔质玻璃母材18得到适当的整体密度时，燃烧器间区域20的沉积密度会局部变得过高，从而会造成在玻璃化时残留气泡的问题。相反，如果减少可燃气体量以使燃烧器间区域20的部分得到适合的沉积密度，则多孔质玻璃母材18的整体密度会下降，从而造成在沉积中发生断裂的问题。

发明内容

发明要解决的问题

本发明的目的在于提供一种多孔质玻璃母材制造用的燃烧器，在OVD法中，能够得到具有理想密度分布的多孔质玻璃母材，且在沉积中不会断裂，并在多孔质玻璃母材的烧结玻璃化时不会残留气泡，从而提高产量。

解决问题的方案

本发明第一形态中的多孔质玻璃母材制造用燃烧器具有可燃气体喷出喷嘴，该可燃气体喷出喷嘴在中心的玻璃原料气体喷出喷嘴的外侧相对于所述玻璃原料气体喷出喷嘴呈同心圆状配置成一列或多列，并内围有小口径助燃气体喷出喷嘴，同一列的所述小口径助燃气体喷出喷嘴具有相同的焦点距离，从下方对沿水平方向设置的初始部件进行喷涂并沉积在火焰中制成的玻璃微粒子，其中：在将所述多孔质玻璃母材制造用燃烧器对所述多孔质玻璃母材制造用燃烧器的中心轴垂直切断后的截面中，由在所述截面的中心正交的两条直线将所述截面分割成四等分区域时，在沿着所述初始部件并经过所述中心的直线所经过的两个区域中包含的所述小口径助燃气体喷出喷嘴的流路面积总和小于另外两个区域中包含的所述小口径助燃气体喷出喷嘴的流路面积总和。

另外，上述发明内容并未列举出本发明的全部可能特征，所述特征组的子组合也能另外构成发明。

附图说明

图1为表示采用VAD法的光纤用多孔质玻璃母材的制造装置的一例的示意图。

图2为表示采用OVD法的光纤用多孔质玻璃母材的制造装置的一例的示意图。

图3为说明第一包层沉积燃烧器的沉积状态的示意图。

图4为从正面看到的采用OVD法的沉积的模式图。

图5为从侧面看到的采用OVD法的沉积的模式图。

图6为表示适于VAD法的小口径助燃气体喷出喷嘴的配置例的示意图。

图7为表示适于OVD法的小口径助燃气体喷出喷嘴的配置例的示意图。

图8为表示现有小口径助燃气体喷出喷嘴的配置的示意图。

符号说明

1多孔质玻璃母材、2沉积室、3容纳室、4供气口、5排气口、6纤芯沉积燃烧器、7第一包层沉积燃烧器、8第二包层沉积燃烧器、9燃烧器的中心轴线、10火焰的下侧区域、11火焰的上侧区域、12可燃气体喷出喷嘴、13小口径助燃气体喷出喷嘴、14纤芯棒、15虚设棒、16燃烧器、17旋转夹、18多孔质玻璃母材、19排气罩、20燃烧器间区域、21燃烧器间区域以外的密度不太高的区域、22玻璃原料气体喷出喷嘴

具体实施方式

以下通过发明实施方式对本发明进行说明，但以下实施方式并非对权利要求书所涉及的发明进行限定。并且，实施方式中说明的特征组合也并非全部为本发明的必要特征。

图6为表示适于VAD法的小口径助燃气体喷出喷嘴的配置例的示意图。如图6所示，多孔质玻璃母材制造用燃烧器的特征为，在可燃气体喷出喷嘴内，小口径助燃气体的喷出喷嘴相对于玻璃原料气体喷出喷嘴呈同心圆状配置成一列或多列，在圆周方向上非等间隔配置。更具体地说，在制造方法上，在沉积密度容易上升的区域中，以低密度即稀疏地配置小口径助燃气体喷出喷嘴，通过降低火力从而能够选择性地降低密度。相反，在密度难以上升的区域中，以高于前述低密度区域的高密度来配置小口径助燃气体喷出喷嘴，从而使火力上升，从而能够选择性地提高密度。

如此一来，对应于制造方法的沉积密度特性来配置小口径助燃气体喷出喷嘴，以对其进行补偿，从而能够得到以更加均匀的密度沉积而成的多孔质玻璃母材，并且不容易产生气泡和断裂等问题。尤其是，像VAD法的第一包层沉积燃烧器那样，当保持着相对于成长轴成某种角度进行配置时，如图3所示，火焰的下侧区域10的密度容易上升，相反，火焰的上侧区域11的密度容易下降。因此，如图6所示，呈同心圆状配置的小口径助燃气体喷出喷嘴在上侧的半圆区域即位置C（180度）侧紧密配置，在下侧的半圆区域即位置A（0度）侧稀疏地配置，从而能够有效地减少沉积密度的不均匀。另外，以从燃烧器中心往下方的位置作为0度（deg）的位置A，每顺时针转动90度，则成为90度的位置B、180度的位置C、270度的位置D。

图7为表示适于OVD法的小口径助燃气体喷出喷嘴的配置例的示意图。在采用OVD法时，如图4、图5所示，由于受到相邻燃烧器的火焰的影响，相邻燃烧器间区域20的密度容易上升。此处所用的多孔质玻璃母材制造用燃烧器如图7所示，在中心的玻璃原料气体喷出喷嘴22的外侧具有内围有小口径助燃气体喷出喷嘴13的可燃气体喷出喷嘴12，小口径助燃气体喷出喷嘴13相对于玻璃原料气体喷出喷嘴22呈同心圆状配置成一列。并且，配置在同一列的小口径助燃气体喷出喷嘴13具有相同的焦点距离。另外，小口径助燃气体喷出喷嘴13也可以相对于玻璃原料气体喷出喷嘴22呈同心圆状配置成多列。

多孔质玻璃母材制造用燃烧器在采用图2所示OVD法的光纤用多孔质玻璃母材的制造装置中被配置为，对沿水平方向配置的初始部件从下方开始喷涂并沉积在火焰中制成的玻璃微粒子。然后，多孔质玻璃母材制造用燃烧器被配置成，将对多孔质玻璃母材制造用燃烧器的中心轴垂直切开后的截面由在该截面的中心正交的两条直线分割成四等分区域，此时，沿着沿水平方向配置的初始部件的直线经过90度侧的B及270度侧的D这两个区域。

进一步地，多孔质玻璃母材制造用燃烧器中的90度侧的B及270度侧的D这两个区域中包含的小口径助燃气体喷出喷嘴13的流路面积总和小于0度侧的A及180度侧的C这两个区域中包含的小口径助燃气体喷出喷嘴13的流路面积总和。另外，在本实施方式中，由于多个小口径助燃气体喷出喷嘴13的流路面积相等，因此使沿着初始部件的直线所经过的B和D这两个区域中包含的小口径助燃气体喷出喷嘴13的数量少于另外的A和C这两个区域中包含的小口径助燃气体喷出喷嘴13的数量。这样一来，呈同心圆状配置的小口径助燃气体喷出喷嘴在上下方向即0度侧的A及180度侧的C的区域中紧密配置，而在左右方向即90度侧的B及270度侧的D的区域中稀疏配置，由此能够有效地减轻沉积密度的不均匀。

另外，在具有多孔质玻璃母材制造用燃烧器的光纤用多孔质玻璃母材的制造装置中，如上所述，多孔质玻璃母材制造用燃烧器配置有三根，并使位于初始部件下方并沿着初始部件的直线包含在B（90度）和D（270度）这两个区域中。然后，沿水平方向设置的初始部件在沿水平方向移动的同时使玻璃微粒子沉积到初始部件上。如图7所示，在多孔质玻璃母材制造用燃烧器中，沿着初始部件的直线所经过的B和D这两个区域中所包含的流路面积相等的小口径助燃气体喷出喷嘴13的数量小于另外的A和C这两个区域所包含的小口径助燃气体喷出喷嘴13的数量。从而使多孔质玻璃母材制造用燃烧器相比于沿图4所示初始部件的中心轴的燃烧器间区域20的位置，向位于图5所示的作为初始部件的中心轴的两外侧的，燃烧器间区域以外的密度不太高的区域21的位置喷出强火焰。

〔现有例1〕

采用VAD法，使用图1所示的反应装置制造了多孔质玻璃母材。在纤芯沉积燃烧器6中，使用同心四重管燃烧器适量地供应了原料气体（SiCl4、GeCl4)以及可燃气体、助燃气体和非活性气体。在第一包层沉积燃烧器7及第二包层沉积燃烧器8中使用多喷嘴燃烧器，该多喷嘴燃烧器在图8所示可燃气体喷出喷嘴12内等间隔地呈同心圆状配置有8根小口径助燃气体喷出喷嘴13，喷嘴的焦点距离为100mm。此处，从第一包层沉积燃烧器7供应有玻璃原料气体(SiCl4)以及可燃气体、助燃气体和非活性气体，其中如表1所示，仅改变了可燃气体H2的供应量；从第二包层沉积燃烧器8分别适量供应有玻璃原料气体(SiCl4)以及可燃气体、助燃气体和非活性气体。沉积是在改变了可燃气体H2的供应量后的A～D这四个条件下进行的。沉积时间为24小时。接下来进行烧结玻璃化，各分别制成10根光纤母材。沉积条件及沉积结果汇总显示在表1中。其中，将多个小口径助燃气体喷出喷嘴13的流路延长线在一点处交叉的点称为该喷嘴的焦点，将从燃烧器喷嘴的开口端到该焦点的距离称为喷嘴的焦点距离。

【表1】

		现有A	现有B	现有C	现有D
						SiCl4	L／min	1.0	1.0	1.0	1.0
Ar	L／min	1.0	1.0	1.0	1.0
						H2	L／min	15	20	25	30
N2	L／min	4	4	4	4
						O2	L／min	20	20	20	20
小口径O2	L／min	5	5	5	5
						制造根数	根	10	10	10	10
断裂	根	3	2	0	0
						气泡	根	0	0	2	6

如表1所示，其结果为，在现有A和现有B中，由于可燃气体供应量较少，所以燃烧器的火焰上侧的区域的密度下降过多，在沉积中发生了断裂。另一方面，在现有C和现有D中，由于可燃气体供应量较多，燃烧器的火焰上侧的区域的密度适当，在沉积中未发生断裂，但将其在电炉中进行脱水透明玻璃化后发现，由于位于火焰下侧的区域的密度变得过高，使得玻璃化时脱气不充分，从而残留了气泡。

〔实施例1〕

因此，如图6所示，准备有多喷嘴燃烧器，其中的小口径助燃气体喷出喷嘴在图6中以C为中心的上侧的B～D的区域(90～270度)中紧密配置，而在相对的以A为中心的下侧的D～B的区域(270～90度)中稀疏配置，将其作为第一包层沉积燃烧器，使C(180度)侧位于上方进行了设置并进行了沉积。将密度容易上升的火焰下侧区域配置成朝向助燃气体喷出喷嘴少的A(0度)侧，使密度下降，相反，将密度容易下降的火焰上侧区域配置成朝向助燃气体喷出喷嘴多的C(180度)侧，从而提高了密度。结果是配置成使沉积区域内的密度分布差异变小。如此一来，在与现有例1相同的条件下进行了制造。沉积条件及沉积结果汇总表示在表2中。如表2所示，无论哪种条件下，制造中的断裂和玻璃化后在母材中残留气泡的问题均未发生。

【表2】

		实施A	实施B	实施C	实施D
						SiCl4	L／min	1.0	1.0	1.0	1.0
Ar	L／min	1.0	1.0	1.0	1.0
						H2	L／min	15	20	25	30
N2	L／min	4	4	4	4
						O2	L／min	20	20	20	20
小口径O2	L／min	5	5	5	5
						制造根数	根	10	10	10	10
断裂	根	0	0	0	0
						气泡	根	0	0	0	0

〔现有例2〕

采用OVD法，使用图2所示反应装置制成了多孔质玻璃母材。准备了三根多喷嘴燃烧器并将其沿初始部件以150mm的间隔排成一列，如图8所示，这些多喷嘴燃烧器中的可燃气体喷出喷嘴12内等间隔地呈同心圆状配置有8根小口径助燃气体喷出喷嘴13，喷嘴的焦点距离为100mm。在该燃烧器中，如表3所示，仅改变了可燃气体H2的量来进行气体供应，在外径为50mm、长度为2000mm的纤芯棒的两端部焊接有外径为50mm的虚设棒的初始部件上沉积100kg烟灰(soot)粒子。然后进行烧结玻璃化从而各分别制成10根光纤母材。沉积条件及沉积结果汇总显示在表3中。

【表3】

		现有E	现有F	现有G	现有H
						SiCl4	L／min	30	30	30	30
O2	L／min	3	3	3	3
						Air	L／min	12	12	12	12
H2	L／min	330	390	450	510
						N2	L／min	12	12	12	12
O2	L／min	120	120	120	120
						小口径O2	L／min	75	75	75	75
制造根数	根	10	10	10	10
						断裂	根	4	1	0	0
气泡	根	0	0	1	3

如表3所示，其结果是，现有E和现有F由于可燃气体的供应量较少，使得多孔质玻璃母材的整体密度变得过低，造成了在沉积中从多孔质玻璃母材端部发生断裂的问题。另一方面，现有G和现有H由于可燃气体供应量较多，使得多孔质玻璃母材的整体密度适当，但在位于图4所示燃烧器间区域20的部分的燃烧器间的区域密度变得过高，从而在玻璃化时使气体无法释放，作为气泡残留下来。

〔实施例2〕

因此，如图7所示，准备了三根多喷嘴燃烧器，其中的小口径助燃气体喷出喷嘴13在上下方向即180度侧的C和0度侧的A的区域紧密配置，在左右方向即90度侧的B及270度侧的D的区域中稀疏配置，将B和D的区域配置为朝向相邻的燃烧器侧。将助燃气体喷出喷嘴13较少的B和D的区域配置为朝向密度容易上升的燃烧器间区域20从而使密度下降，相反，将助燃气体喷出喷嘴13较多的A和C的区域配置为朝向密度容易下降的除燃烧器间区域以外的密度不太高的区域21从而使密度上升，通过这样的配置使沉积区域的密度分布差异变小。如此一来，在与现有例2相同的条件下进行了制造。将其结果显示在表4中。无论在哪种条件下，制造中断裂和玻璃化后在母材上残留气泡的问题均未发生。

【表4】

		实施E	实施F	实施G	实施H
						SiCl4	L／min	30	30	30	30
O2	L／min	3	3	3	3
						Air	L／min	12	12	12	12
H2	L／min	330	390	450	510
						N2	L／min	12	12	12	12
02	L／min	120	120	120	120
						小口径O2	L／min	75	75	75	75
制造根数	根	10	10	10	10
						断裂	根	0	0	0	0
气泡	根	0	0	0	0

如以上说明的那样，通过使用本实施方式所示多孔质玻璃母材制造用燃烧器及多孔质玻璃母材制造装置，能够得到密度分布差异较小的多孔质玻璃母材。从而使多孔质玻璃母材在制造中不会断裂，在透明玻璃化后也不会在母材上残留气泡，因此达到了提高产量等优良的效果。

以上，使用本发明的实施方式进行了说明，但本发明的技术范围不限于上述实施方式所记载的范围。另外，本领域技术人员应当清楚，在上述实施方式的基础上可加以增加各种变更或改进。此外，由权利要求的记载可知，这种加以变更或改进的实施方式也包含在本发明的技术范围内。

应当注意的是，权利要求书、说明书及附图中所示的装置、系统、程序以及方法中的动作、顺序、步骤及阶段等各个处理的执行顺序，只要没有特别明示“更早”、“早于”等，或者只要前面处理的输出并不用在后面的处理中，则可以以任意顺序实现。关于权利要求书、说明书及附图中的动作流程，为方便起见而使用“首先”、“然后”等进行了说明，但并不意味着必须按照这样的顺序实施。

Claims (4)

1.一种多孔质玻璃母材制造用燃烧器，具有可燃气体喷出喷嘴，该可燃气体喷出喷嘴在中心的玻璃原料气体喷出喷嘴的外侧相对于所述玻璃原料气体喷出喷嘴呈同心圆状配置成一列或多列，并内围有小口径助燃气体喷出喷嘴，同一列的所述小口径助燃气体喷出喷嘴具有相同的焦点距离，从下方对沿水平方向设置的初始部件进行喷涂并沉积在火焰中制成的玻璃微粒子，其中：

在将所述多孔质玻璃母材制造用燃烧器对所述多孔质玻璃母材制造用燃烧器的中心轴垂直切断后的截面中，由在所述截面的中心正交的两条直线将所述截面分割成四等分区域时，在沿着所述初始部件并经过所述中心的直线所经过的两个区域中包含的所述小口径助燃气体喷出喷嘴的流路面积总和小于另外两个区域中包含的所述小口径助燃气体喷出喷嘴的流路面积总和。

2.根据权利要求1所述的多孔质玻璃母材制造用燃烧器，其中：

当多个所述小口径助燃气体喷出喷嘴的流路面积相等时，沿着所述初始部件的直线所经过的两个区域中包含的所述小口径助燃气体喷出喷嘴的数量少于所述另外两个区域中包含的所述小口径助燃气体喷出喷嘴的数量。

3.一种光纤用多孔质玻璃母材的制造装置，使用具有可燃气体喷出喷嘴的多孔质玻璃母材制造用燃烧器，该可燃气体喷出喷嘴在中心的玻璃原料气体喷出喷嘴的外侧相对于所述玻璃原料气体喷出喷嘴呈同心圆状配置成一列或多列，并内围有小口径助燃气体喷出喷嘴，同一列的所述小口径助燃气体喷出喷嘴具有相同的焦点距离，在使沿水平方向设置的初始部件沿水平方向移动的同时沉积玻璃微粒子，其中：

在将所述多孔质玻璃母材制造用燃烧器对中心轴垂直切断后的截面中，当由在燃烧器中心正交的两条直线将所述截面分割成四等分区域时，经过所述燃烧器中心的直线所经过的两个区域中包含的所述小口径助燃气体喷出喷嘴的流路面积总和小于另外两个区域中包含的所述小口径助燃气体喷出喷嘴的流路面积总和，

所述多孔质玻璃母材制造用燃烧器在所述初始部件的下方沿所述初始部件设置有多个，相比于沿所述初始部件的中心轴的位置，向所述初始部件的中心轴的两外侧的位置喷出强火焰。

4.根据权利要求3所述的光纤用多孔质玻璃母材的制造装置，其中：

当多个所述小口径助燃气体喷出喷嘴的流路面积相等时，沿着所述初始部件的直线所经过的两个区域中包含的所述小口径助燃气体喷出喷嘴的数量少于所述另外两个区域中包含的所述小口径助燃气体喷出喷嘴的数量。