JP2005029448A - 光ファイバ母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 気相軸付け法により生じたガラス微粒子を高速度で効率良く堆積させ、多孔質母材を安定して成長させることのできる光ファイバ母材の製造方法を提供する。
【解決手段】 気相軸付け法による光ファイバ母材の製造方法において、中心に原料ガスを供給する原料供給管と、この外側に同心円状に配置された助燃ガス流路及び燃焼ガス流路とを有し、複数の同心円状の火炎流を形成する多重火炎バーナーを用い、最も内側の火炎流の線速をＶ_i、原料ガスの線速をＶ_mとするとき、Ｖ_i＜Ｖ_m≦２Ｖ_i、より好ましくは１.３Ｖ_i≦Ｖ_m≦１.８Ｖ_iとなる条件を満たすようにして、ガラス微粒子を生成し、堆積させることを特徴としている。該多重火炎バーナーは、ガラス原料及び内側火炎の燃焼ガス、助燃ガスの流路端が、これより外側の火炎の燃焼ガス、助燃ガスの流路端よりも後退して設けられた構造とするのが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明は、気相軸付け法により、ガラス原料の火炎加水分解反応で生成したガラス微粒子を、高速度で効率良く堆積させる、光ファイバ母材の製造方法に関する。

光ファイバ母材の製造方法には、例えば、気相軸付け法が挙げられるが、この方法は、回転しつつ引き上げられる出発部材に、原料ガスの火炎加水分解反応により生成したガラス微粒子を堆積させて多孔質母材を形成し、これを焼結し透明ガラス化して、母材インゴットを得る方法である。この母材インゴットは、さらに光ファイバ化に適した形状・サイズに延伸加工され、光ファイバ母材（プリフォーム）とされる。

気相軸付け法は、図１に示すように、チャンバ１内に垂下されたターゲット棒２に、ガラス原料の火炎加水分解反応で生成したガラス微粒子を堆積させて、多孔質母材３を形成する方法である。ターゲット棒２は、回転しつつ上昇するように、図示されていない駆動装置に取り付けられている。ターゲット棒２または順次合成された多孔質母材３の先端に向けて、コア形成用バーナー４が設置され、その垂直上方にはクラッド形成用バーナー５が設置されている。

各バーナーは、図示されていないガラス原料（ＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄等）供給装置、燃焼ガス（Ｈ₂等）供給装置及び助燃ガス（Ｏ₂等）供給装置に接続されている。また、ターゲット棒２を挟んで、バーナー４、５の反対側には排気装置６が設置されている。

チャンバ１内において、ターゲット棒２に向けてバーナー４，５からガラス原料、燃焼ガス及び助燃ガスを噴出させ、火炎７，８中で、ガラス原料を火炎加水分解反応させてガラス微粒子を生じさせ、ターゲット棒２に付着堆積させて多孔質母材３が形成される。付着堆積しなかった残余のガラス微粒子は、排気装置６により系外に排出される。

光ファイバ母材は、現在、製造コストの低減化が求められている。そのためには光学特性を損なわずに、効率良く大量生産の可能な製造方法の開発が急務とされる。特に、光ファイバの低価格化のニーズに対して、大型の光ファイバ母材を高速度で製造できれば、その効果は極めて大きい。

気相軸付け法において、大型の光ファイバ母材を高速合成するためには、堆積させるガラス微粒子の生成量を増加させる必要があり、これには、ガラス原料の反応効率等を改善し、反応させる火炎を多重化する方法が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
すなわち、多重火炎バーナーを用いて、火炎を同心円状に多重に発生させ、内側よりの火炎を外側の火炎より後退させることにより、内側の火炎を保護し、有効な火炎長を増大させることで、生成するガラス微粒子の粒径を増大させる方法である。

図２は、このような多重火炎バーナーの一例として、二重火炎バーナーの構造を概略縦断面図で示している。
このバーナーは、中心にガラス原料供給管が配設され、ガラス原料供給口１１からガラス原料が供給される。このガラス原料供給管を取り巻くように燃焼ガス供給管、助燃ガス供給管が多重に配設され、燃焼ガスが内側火炎用燃焼ガス供給口１２から、助燃ガスが内側火炎用助燃ガス供給口１３から供給される。さらに、燃焼ガス及び助燃ガスが外側火炎用燃焼ガス供給口１４、外側火炎用助燃ガス供給口１５からそれぞれ供給され、これにより二重火炎が形成される。
その他に、不活性ガスが供給される流路があるが、ここでは省略している。

図２に示すように、内側火炎１６のガス流路端を外側火炎１７のガス流路端より距離Ｌだけ後退させた二重火炎バーナーを用いることにより、外側火炎によって内側火炎が保護され、かつその拡散が防止され、有効な火炎長を増大させることができる。

内側火炎の火炎長が増大すると、ガラス微粒子の堆積量が増加する。これは、火炎が長くなることによって、ガラス原料の加水分解反応が促進されるためと、火炎中でのガラス微粒子の滞留時間が長くなり、生成したガラス微粒子の成長が進み、粒径が大きくなることで、堆積効率が増すためである。
従って、内側バーナーを後退させた多重火炎バーナーを用いることにより、堆積速度の向上を図り、光ファイバ母材合成速度の高速化を達成することができると考えられている。

多重火炎バーナーを用いる周知の技術として、特許文献３が挙げられる。これは、堆積効率に関してガラス原料の線速と火炎流の線速との関係を示しており、堆積効率を上げるには、多重火炎の火炎線速を内側から順にＶ₁，Ｖ₂・・・とし、第k番目の火炎の線速をＶ_kとし、その外側の第k＋1番目の火炎の線速をＶ_k+1とするとき、下記の条件を満たすように燃焼させることを示している。なお、Ｖ_mは原料ガスの線速である。

０.１Ｖ_k+1≦Ｖ_k≦２.５Ｖ_k+1
Ｖ_m≦Ｖ_k+1
Ｖ_m≦Ｖ_k

実開昭５７−６５９３０号公報 特開昭５７−２７９３５号公報 特開昭６１−１８６２３９号公報

本発明は、気相軸付け法により生じたガラス微粒子を高速度で効率良く堆積させ、多孔質母材を安定して成長させることのできる光ファイバ母材の製造方法を提供することを目的としている。

本発明の光ファイバ母材の製造方法は、気相軸付け法による光ファイバ母材の製造方法において、中心に原料ガスを供給する原料供給管と、この外側に同心円状に配置された助燃ガス流路及び燃焼ガス流路とを有し、複数の同心円状の火炎流を形成する多重火炎バーナーを用い、最も内側の火炎流の線速をV_i、原料ガスの線速をV_mとするとき、Ｖ_i＜Ｖ_m≦２Ｖ_i、より好ましくは１.３Ｖ_i≦Ｖ_m≦１.８Ｖ_iとなる条件を満たすようにして、ガラス微粒子を生成し、堆積させることを特徴としている。
該多重火炎バーナーは、ガラス原料及び内側火炎の燃焼ガス、助燃ガスの流路端が、これより外側の火炎の燃焼ガス、助燃ガスの流路端よりも後退して設けられた構造とするのが好ましい。

本発明によれば、ガラス原料の線速を最内側火炎流より高速にすることで、堆積表面付近にガラス微粒子を高濃度に滞留させ、ガラス微粒子の堆積量を向上させることができ、大型の多孔質母材を高速かつ安定して製造することができるため、生産効率が向上し、光ファイバの製造コストの引下げに寄与する。

特許文献３は、原料ガスの線速Ｖ_mをキャリアガスの流量を変えて変化させた場合、ガラス微粒子の収率を上げるには、例えば、外側火炎流の線速をＶ_o、内側火炎流の線速をＶ_iとする二重火炎流において、Ｖ_m≦Ｖ_oが必要であり、より好ましくはＶ_m≦Ｖ_o=Ｖ_iとしている。
ガラス微粒子の収率は、Ｖ_m=Ｖ_iのとき極大になるが、Ｖ_m＞Ｖ_o及びＶ_m＞Ｖ_iでは、ガラス原料が火炎とほとんど反応せず、多孔質母材が安定して成長しないとしている。

しかしながら本発明者らは、多孔質母材の高速合成を可能とするには、堆積速度を高め、多孔質母材を安定して成長させる必要があるが、これにはガラス微粒子の収率よりも、実際の堆積速度の向上がより重要であることを見出し、さらに、多重火炎バーナーで形成される複数の火炎流のなかから、最内側の火炎流の線速Ｖ_iに着目し、Ｖ_m＞Ｖ_iとなる条件下において、従来の条件Ｖ_m≦Ｖ_iより高速で安定して多孔質母材を成長できることを見出し、本発明を完成させた。

本発明の光ファイバ母材の製造方法において使用される多重火炎バーナーを、二重火炎バーナーを例にとり、図３にその構造を概略斜視図で示した。
図において、ガラス原料供給管２１を中心として、ガス流路が同心円状に形成されている。ガラス原料供給管２１にはＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄などのガラス原料がＡｒ、Ｏ₂などのキャリアガスと共に供給される。燃焼ガス流路２２にはＨ₂や炭化水素などが、不活性ガス流路２３にはＡｒ、Ｈｅ、Ｎ₂などが、助燃ガス流路２４にはＯ₂などが供給される。これらの燃焼ガス及び助燃ガスにより内側火炎が形成される。

さらに、不活性ガス流路２５、燃焼ガス流路２６、不活性ガス流路２７及び助燃ガス流路２８から供給される燃焼ガス、助燃ガスにより、外側火炎が形成される。これらの流路端はバーナーカバー２９によって保護されている。
なお、内側火炎用のガス流路端は、外側火炎用のガス流路端より距離（後退長）Ｌだけ後退して設けられている。

次に、この二重火炎バーナーを用いて、ガラス原料の線速を変化させガラス微粒子の堆積速度を調べる実験を行った。
内側火炎の線速Ｖ_iを１.２ｍ／ｓ、外側火炎の線速Ｖ_oを０.３３ｍ／ｓとしてそれぞれ一定に保持し、原料供給管の内径またはキャリアガスの流量を変化させることで、ガラス原料の線速を変化させた。ガラス微粒子が堆積して形成される多孔質ガラス母材の先端位置が上下せず、かつ上昇速度が一定になるようにガラス原料の供給量を変化させ、多孔質ガラス母材の合成を行った。

得られた内側火炎流に対するガラス原料線速と堆積速度との関係を図４のグラフに示した。なお、堆積速度は、合成終了後、多孔質ガラス母材の重量を測定し、これを堆積時間で除することにより算出した。縦軸の堆積速度の数値は、［ガラス原料の線速／内側火炎の線速］比が１のときの堆積速度を１とする相対値である。

図４において、ガラス原料線速Ｖ_mが相対的に増大するにつれて、堆積速度が増すのが認められる。Ｖ_mがさらに大きくなり、Ｖ_m／Ｖ_iが約１.５を超えると逆に堆積速度は低下し、Ｖ_m=２Ｖ_iでＶ_m=１.１Ｖ_iとほぼ同じ堆積速度になった。１.３≦Ｖ_m／Ｖ_i≦１.８の範囲では、堆積効率はＶ_m／Ｖ_i＝１の場合の１.３倍を超え、多孔質母材の高速合成が可能となる。

内側火炎及び外側火炎の流速を変えた場合でも、図４と同様の傾向が得られた。これは、ガラス原料の線速を内側の火炎流より高速にすることにより、火炎内でのガラス微粒子の拡散が抑制され、堆積表面付近にガラス微粒子を高濃度で存在させることができ、サーモホレシス効果によってガラス微粒子の堆積量が増すためと考えられる。

さらにガラス原料の線速が増すと、堆積表面付近でのガラス微粒子の滞留時間が減少し、この影響で堆積量が減少すると考えられる。
このように多孔質母材の高速合成には、堆積速度が重要であり、Ｖ_i＜Ｖ_m≦２Ｖ_iの範囲で堆積速度が向上する。

ガラス原料の線速、内側火炎の線速及び外側火炎の線速は、同心円状流路の内径・外径やキャリアガスの流量を変化させるほかに、燃焼ガス及び／又は助燃ガスの流量を調整することでも、調整できる。
その場合、上記したようにガラス原料の線速Ｖ_mと内側火炎の線速Ｖ_iがＶ_i＜Ｖ_m≦２Ｖ_i、より好ましくは１.３Ｖ_i≦Ｖ_m≦１.８Ｖ_iの条件を満たすように、調整することが重要であり、Ｖ_m≦Ｖ_iの場合より、多孔質母材を高速かつ安定的に成長させることができる。

このようにガラス原料の線速を多重火炎の一番内側の火炎流より高速にすることで、火炎内でのガラス微粒子の拡散を抑制し、堆積表面付近にガラス微粒子を高濃度で存在させることができ、サーモホレシス効果によりガラス微粒子の堆積量を上げることができる。
このとき、内側火炎を後退させた多重火炎バーナーを用いることにより、外側火炎で内側火炎を保護することができ、内側火炎の拡散が防止され、内側火炎の実質有効長が長くなり、ガラス原料を充分に反応させることができ、ガラス微粒子の粒径を大型化し、かつ原料反応効率を増加させることができる。

(実施例１)
図４に示した、バーナー外径が５０ｍｍ、後退長Ｌが３５ｍｍの二重火炎バーナーを使用して多孔質母材の合成を行った。
コア形成用バーナーの原料供給管には、Ｏ₂をキャリアとして１２００ｍＬ／ｍｉｎ、ＧｅＣｌ₄８０ｍＬ／ｍｉｎを供給した。原料供給管の内径を調節し、ガラス原料の線速Ｖ_m、コア形成用バーナーの内側火炎の線速Ｖ_i及び外側火炎の線速Ｖ_oをそれぞれ順に、２.１７ｍ／ｓ、１.３１ｍ／ｓ、０.３３ｍ／ｓとした。
このような条件下において（Ｖ_m＝１.６６Ｖ_i）、ガラス微粒子の堆積は安定かつ高速で行われ、コア形成速度は５２.３ｇ／ｈであった。長手方向に安定したステップインデックス形プロファイルを持ち、有効長が８００ｍｍの大型多孔質母材が得られた。

(比較例１)
ガラス原料の線速を内側火炎の線速とほぼ同じにして、多孔質母材の合成を行った。
コア形成用バーナーの原料供給管には、Ｏ₂をキャリアとしてＳｉＣｌ₄７５０ｍＬ／ｍｉｎ、ＧｅＣｌ₄５０ｍＬ／ｍｉｎを供給した。原料供給管の内径を調節し、ガラス原料の線速Ｖ_m、コア形成用バーナーの内側火炎の線速Ｖ_i及び外側火炎の線速Ｖ_oをそれぞれ順に１.２０ｍ／ｓ、１.２０ｍ／ｓ、０.３３ｍ／ｓとした。
このような条件下で（Ｖ_m＝Ｖ_i）、ガラス微粒子の堆積は安定して行われたが、コア形成速度は３８.６ｇ／ｈであった。

本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、様々な形態が可能であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術思想と実質的に同一な構成を有し、同様の作用効果を奏するものは、すべて本発明の技術的範囲に包含される。

気相軸付け法による多孔質母材合成の概要を説明する概略断面図である。 本発明で使用される多重火炎バーナーの一例として示された二重火炎バーナーの概略断面図である。 実施例で使用した二重火炎バーナーを示す概略説明図である。 ガラス原料線速の内側火炎線速に対する比率と、堆積速度との相関性を表す特性図である。

符号の説明

１………チャンバ、
２………ターゲット棒、
３………多孔質母材、
４………コア形成用バーナー、
５………クラッド形成用バーナー、
６………排気装置、
７,８……火炎，
１１………ガラス原料供給口11、
１２………内側火炎用燃焼ガス供給口、
１３………内側火炎用助燃ガス供給口、
１４………外側火炎用燃焼ガス供給口、
１５………外側火炎用助燃ガス供給口、
１６………内側火炎、
１７………外側火炎、
２１………ガラス原料供給管、
２２,２６……燃焼ガス流路、
２３,２５,２７…不活性ガス流路、
２４,２８……助燃ガス流路、
２９………バーナーカバー。

Claims (3)

1. 気相軸付け法による光ファイバ母材の製造方法において、中心に原料ガスを供給する原料供給管と、この外側に同心円状に配置された助燃ガス流路及び燃焼ガス流路とを有し、複数の同心円状の火炎流を形成する多重火炎バーナーを用い、最も内側の火炎流の線速をＶ_i、原料ガスの線速をＶ_mとするとき、Ｖ_i＜Ｖ_m≦２Ｖ_iとなる条件を満たすようにして、ガラス微粒子を生成し、堆積させることを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
2. １.３Ｖ_i≦Ｖ_m≦１.８Ｖ_iとなる条件を満たすようにして、ガラス微粒子を生成する請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
3. 多重火炎バーナーにおいて、ガラス原料及び内側火炎の燃焼ガス、助燃ガスの流路端が、これより外側の火炎の燃焼ガス、助燃ガスの流路端よりも後退して設けられている請求項１又は２に記載の光ファイバ母材の製造方法。
   

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