JP2006045020A - 加熱炉、光ファイバ母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光ファイバ用多孔質母材の脱水および焼結を効率的に行うことができる加熱炉、およびこの加熱炉を用いた光ファイバ母材の製造方法を提供する。
【解決手段】 光ファイバ用多孔質母材１１を収容する炉心管１２と、少なくとも炉心管１２の外周の一部を囲むように配され、炉心管１２内に収容された光ファイバ用多孔質母材１１を加熱するヒータ１３とを備えた加熱炉１０において、ヒータ１３を、炉心管１２の長手方向と垂直な方向に移動可能とする。光ファイバ用多孔質母材１１の脱水工程において、ヒータ１３を炉心管１２に近付け、焼結工程において、ヒータ１３を炉心管１２から遠ざける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバ用多孔質母材を加熱処理して光ファイバ母材とする加熱炉、およびこの加熱炉を用いた光ファイバ母材の製造方法に関するものである。

光ファイバの製造に用いられる光ファイバ母材の製造方法としては、一般的に、光ファイバ用多孔質母材を形成し、この光ファイバ用多孔質母材を加熱炉内において加熱処理（脱水、焼結）して、光ファイバ母材とする方法が挙げられる。

図４は、従来の加熱炉の一例を示す概略構成図である。
この例の加熱炉１００は、光ファイバ用多孔質母材１０１を収容する石英ガラスなどからなる円筒形の炉心管１０２と、炉心管１０２内に収容された光ファイバ用多孔質母材１０１を加熱処理するためのヒータ１０３と、ヒータ１０３の外周を覆う断熱材１０４と、ヒータ１０３および断熱材１０４を収容している筺体１０５とから概略構成されている。

この加熱炉１００により、光ファイバ用多孔質母材１０１を脱水する場合、脱水反応を促進するために、その表面温度を、最も温度の高い領域が広くなるように設定することが望ましい。

一方、加熱炉１００により、光ファイバ用多孔質母材１０１を焼結する場合、その表面温度を、最も温度の高い領域があまり広くないように設定することが望ましい。なぜならば、特に光ファイバ用多孔質母材１０１の上部を加熱する際に顕著になるが、光ファイバ用多孔質母材１０１における熱を受ける領域が大き過ぎると、光ファイバ用多孔質母材１０１が自重によって伸びてしまうからである。しなしながら、光ファイバ用多孔質母材１０１が伸びるのを防止するために、焼結する温度を下げてしまうと、光ファイバ用多孔質母材１０１を完全に透明ガラス化することができなくなってしまう。そこで、光ファイバ用多孔質母材１０１を焼結する場合、温度を高めとするものの、最も温度の高い領域が狭いという温度分布が理想的である。

このように、光ファイバ用多孔質母材１０１を脱水する場合と、焼結する場合とでは、理想的な光ファイバ用多孔質母材１０１の表面温度の温度分布が異なっている。
加熱炉１００のように、ヒータ１０３を１つのみ備えている場合、光ファイバ用多孔質母材１０１の脱水と焼結の両方に適した温度分布を形成することができないので、脱水あるいは焼結のどちらかの効率を落とさざるを得なかった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、光ファイバ用多孔質母材の脱水および焼結を効率的に行うことができる加熱炉、およびこの加熱炉を用いた光ファイバ母材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、光ファイバ用多孔質母材を収容する炉心管と、少なくとも前記炉心管の外周の一部を囲むように配され、前記炉心管内に収容された光ファイバ用多孔質母材を加熱するヒータとを備えた加熱炉であって、前記ヒータは、前記炉心管の長手方向と垂直な方向に移動可能である加熱炉を提供する。

本発明は、上記の加熱炉を用いて、該加熱炉を構成する炉心管内に光ファイバ用多孔質母材を収容し、該光ファイバ用多孔質母材を脱水する脱水工程と、該脱水工程の後に、前記光ファイバ用多孔質母材を焼結する焼結工程とを備えた光ファイバ母材の製造方法であって、前記脱水工程において、前記加熱炉を構成するヒータを前記炉心管に近付け、前記焼結工程において、前記ヒータを前記炉心管から遠ざける光ファイバ母材の製造方法を提供する。

前記焼結工程における前記ヒータと前記炉心管との距離を、前記脱水工程における前記ヒータと前記炉心管との距離よりも大きくすることが好ましい。

本発明によれば、脱水工程において、ヒータを炉心管に近付けて、光ファイバ用多孔質母材の表面における最も温度の高い領域を広くし、焼結工程において、ヒータを炉心管から遠ざけて、光ファイバ用多孔質母材の表面における最も温度の高い領域を狭くすることにより、光ファイバ用多孔質母材の脱水および焼結の効率を上げることができる。すなわち、炉心管内の温度を、脱水工程においては、脱水反応が促進される温度となる領域を広くし、焼結工程においては、光ファイバ用多孔質母材が透明ガラス化するために十分に高く、かつ、焼結工程において、光ファイバ用多孔質母材が自重によって伸びない程度に低く設定することができる。

以下、本発明を実施した加熱炉、およびこの加熱炉を用いた光ファイバ母材の製造方法について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る加熱炉の一実施形態を示す概略構成図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
この実施形態の加熱炉１０は、光ファイバ用多孔質母材１１を収容する石英ガラスなどからなる円筒形の炉心管１２と、炉心管１２の外周を囲み、炉心管１２内に収容された光ファイバ用多孔質母材１１を加熱処理するためのヒータ１３と、ヒータ１３の外周を覆う断熱材１４と、ヒータ１３および断熱材１４を収容している筺体１５とから概略構成されている。

加熱炉１０では、ヒータ１３が、炉心管１２の外周を囲んで互いに対向するように配置されたヒータ１３Ａと、ヒータ１３Ｂとから構成されている。このヒータ１３Ａとヒータ１３Ｂは、炉心管１２の外周を囲む円筒を均等に２つに分割した、断面形状が円弧状をなしている。そして、このヒータ１３Ａとヒータ１３Ｂは、炉心管１２の長手方向と垂直な方向に移動可能となっている。

このように、ヒータ１３Ａとヒータ１３Ｂを、炉心管１２の外周を囲んで互いに対向するように配置し、ヒータ１３Ａとヒータ１３Ｂを、炉心管１２の長手方向と垂直な方向に移動可能とすることによって、炉心管１２内に収容された光ファイバ用多孔質母材１１の加熱処理工程（脱水工程、焼結工程）において、光ファイバ用多孔質母材１１の表面の長手方向に沿う温度分布を任意に設定することができる。したがって、光ファイバ用多孔質母材１１の脱水工程において、光ファイバ用多孔質母材１１の表面の長手方向に沿う温度分布を、最も温度の高い領域が広くなるように形成することができ、かつ、光ファイバ用多孔質母材１１の焼結工程において、光ファイバ用多孔質母材１１の表面の長手方向に沿う温度分布を、最も温度の高い領域が狭くなるように形成することができる。

なお、この実施形態では、ヒータ１３Ａとヒータ１３Ｂの２つのヒータを設けた例を示したが、本発明の加熱炉はこれに限定されない。本発明の加熱炉にあっては、炉心管１２の外周を囲む円筒を均等に３つ以上に分割した、断面形状が円弧状のヒータを設け、このヒータを炉心管１２の長手方向と垂直な方向に移動可能としてもよい。このように、３つ以上のヒータを設ければ、光ファイバ用多孔質母材１１の表面の長手方向に沿う温度分布を、より精密に形成することができる。

また、この実施形態では、ヒータ１３が炉心管１２の外周の一部を囲んでいる例を示したが、本発明の加熱炉はこれに限定されない。本発明の加熱炉にあっては、ヒータが炉心管の外周の全域を囲んでいてもよい。

次に、図１および図２を参照して、本発明に係る光ファイバ母材の製造方法の一実施形態について説明する。

この実施形態の光ファイバ母材の製造方法では、まず、ＶＡＤ（Ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ Ａｘｉａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＯＶＤ（Ｏｕｔｓｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの公知の方法により、光ファイバ用多孔質母材１１を形成する。

次いで、ヒータ１３Ａおよびヒータ１３Ｂにより炉心管１２を加熱して、光ファイバ用多孔質母材１１の表面の長手方向に沿う温度分布が所定の分布になるように、炉心管１２内の温度分布を形成する。この後、光ファイバ用多孔質母材１１を炉心管１２内に収容して、光ファイバ用多孔質母材１１を、塩素系ガスを含むヘリウム雰囲気内を通過させて、脱水する（脱水工程）。

この実施形態では、脱水工程において、ヒータ１３Ａおよびヒータ１３Ｂを、炉心管１２に近付ける。これにより、光ファイバ用多孔質母材１１の表面の長手方向に沿う温度分布を、最も温度の高い領域が広くなるように形成する。

この脱水工程では、光ファイバ用多孔質母材１１を、炉心管１２内を鉛直下方に移動させながら加熱するので、光ファイバ用多孔質母材１１の一部（ヒータ１３の近傍）で脱水反応が進むために適度な温度分布が形成される。
光ファイバ用多孔質母材１１の表面の温度分布は、ヒータ１３Ａおよびヒータ１３Ｂの長手方向の長さ（以下、「ヒータ長」と称する。）によって異なるが、光ファイバ用多孔質母材１１の表面の最も温度の高い場所から１５℃以内の領域（以下、「ピーク温度領域」と称する。）が、ヒータ長の７０％以上、さらに好ましくはヒータ長の８５％以上となることが望ましい。

ピーク温度領域がヒータ長の７０％未満では、脱水反応が促進される領域が狭くなるため、脱水の効率が低下する。

また、脱水工程においては、ピーク温度領域の温度は１０００〜１３００℃程度とすることが望ましい。このようにすれば、光ファイバ用多孔質母材１１の表面がガラス化することもなく、脱水反応が効率よく促進される。

さらに、脱水工程では、ヒータ１３と炉心管１２との距離は、ヒータや炉心管の大きさによらず、５ｍｍ〜１５ｍｍ程度であることが望ましい。

次いで、ヒータ１３Ａおよびヒータ１３Ｂによる炉心管１２の加熱を継続したまま、ヒータ１３Ａおよびヒータ１３Ｂを炉心管１２から遠ざけて、光ファイバ用多孔質母材１１の表面の長手方向に沿う温度分布が、最も温度の高い領域が狭くなるように、炉心管１２内の温度分布を形成する。このままの状態で、光ファイバ用多孔質母材１１を、炉心管１２内のヘリウム雰囲気内を通過させて、焼結し（焼結工程）、光ファイバ母材を得る。なお、ヘリウム雰囲気は、必要に応じて他のガスを含んでいてもよい。

この焼結工程では、光ファイバ用多孔質母材１１を、炉心管１２内を鉛直下方に移動させながら加熱するので、光ファイバ用多孔質母材１１の一部（ヒータ１３の近傍）が加熱される。そこでのピーク温度領域は、光ファイバ用多孔質母材１１の大きさにもよるが、例えば、総重量２０ｋｇ程度の光ファイバ用多孔質母材の場合、長手方向に５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度の幅であることが望ましい。

ピーク温度領域の幅が５０ｍｍ未満であると、光ファイバ用多孔質母材１１が十分に透明ガラス化しないことがある。一方、２００ｍｍを超えると、光ファイバ用多孔質母材１１が自重によって伸びてしまい、場合によっては炉心管を破損するおそれがある。

また、脱水工程において、ピーク温度領域は１４００〜１６００℃程度とすることが望ましい。

さらに、焼結工程では、光ファイバ用多孔質母材１１、炉心管１２の大きさや、ヒータ１３の長さなどに応じて適宜設定されるが、ヒータ１３と炉心管１２との距離は１０ｍｍ〜１００ｍｍであることが望ましい。具体的には、外径２００ｍｍの光ファイバ用多孔質母材１１を、外径３００ｍｍの炉心管１２内で、長手方向の長さが３００ｍｍのヒータ１３で焼結する場合、ヒータ１３と炉心管１２との距離は３０ｍｍ程度であることが望ましい。

このように、脱水工程において、ヒータ１３を炉心管１２に近付け、焼結工程において、ヒータ１３を炉心管１２から遠ざけることにより、焼結工程におけるヒータ１３と炉心管１２との距離を、脱水工程におけるヒータ１３と炉心管１２との距離よりも大きくすることが好ましい。

ここで、図３は、ヒータ１３と炉心管１２との距離を変化させた場合の光ファイバ用多孔質母材１１の表面の長手方向に沿う温度分布を示すグラフである。
図３（ｃ）に示すように、ヒータ１３と炉心管１２との距離が近いと、光ファイバ用多孔質母材１１の表面における最も温度の高い領域が広い。ヒータ１３を炉心管１２から次第に遠ざけていき、図３（ａ）に示すように、ヒータ１３と炉心管１２との距離が遠くなると、光ファイバ用多孔質母材１１の表面における最も温度の高い領域が狭くなる。

すなわち、図３（ｃ）は、脱水工程における光ファイバ用多孔質母材１１の表面の長手方向に沿う温度分布を示しており、図３（ａ）は、焼結工程における光ファイバ用多孔質母材１１の表面の長手方向に沿う温度分布を示している。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例）
図１に示したような加熱炉を用いて、光ファイバ用多孔質母材の脱水、焼結を行い、光ファイバ母材を製造した。
光ファイバ用多孔質母材の脱水工程において、ヒータを炉心管に近付けた。この脱水工程において、脱水開始から終了までの時間（処理時間）を３．５時間とした。
また、光ファイバ用多孔質母材の焼結工程において、ヒータを炉心管から遠ざけた。この焼結工程において、焼結開始から終了までの時間（処理時間）を８時間とした。
上記一連の工程を繰り返して、光ファイバ母材を３０個作製した。

（比較例１）
図４に示したような加熱炉を用いて、光ファイバ用多孔質母材の脱水、焼結を行い、光ファイバ母材を製造した。
光ファイバ用多孔質母材の脱水工程において、脱水開始から終了までの時間（処理時間）を３．５時間とした。
また、光ファイバ用多孔質母材の焼結工程において、焼結開始から終了までの時間（処理時間）を７．５時間とした。
なお、図４に示したヒータとしては、図１に示したヒータの大きさと等しいものを用いた。また、脱水工程および焼結工程において、ヒータと炉心管との距離を一定とした。
上記一連の工程を繰り返して、光ファイバ母材を３０個作製した。

（比較例２）
図４に示したような加熱炉を用いて、光ファイバ用多孔質母材の脱水、焼結を行い、光ファイバ母材を製造した。
光ファイバ用多孔質母材の脱水工程において、脱水開始から終了までの時間（処理時間）を５．５時間とした。
また、光ファイバ用多孔質母材の焼結工程において、焼結開始から終了までの時間（処理時間）を８時間とした。
なお、図４に示したヒータとしては、図１に示したヒータよりも長手方向に１００ｍｍ短いものを用いた。また、脱水工程および焼結工程において、ヒータと炉心管との距離を一定とした。
上記一連の工程を繰り返して、光ファイバ母材を３０個作製した。

実施例および比較例１，２において、光ファイバ用多孔質母材の焼結時の伸びによる、光ファイバ用多孔質母材の加熱を中断した回数を表１に示す。
また、実施例および比較例１，２で得られた光ファイバ母材を用いて光ファイバを製造し、波長１３８０ｎｍにおける損失を測定した。損失が０．３１０ｄＢ／ｋｍを超えたものを不良とし、光ファイバ母材の歩留まりを算出した。以上の結果を表１に示す。

表１の結果から、実施例によれば、光ファイバ用多孔質母材の脱水および焼結の効率を上げることができることが分かった。また、波長１３８０ｎｍにおける損失の少ない光ファイバを製造可能な光ファイバ母材を製造することができることが確認された。

本発明の加熱炉および光ファイバ母材の製造方法は、光ファイバ母材以外の用途に用いる石英ガラスの製造にも適用可能である。

本発明に係る加熱炉の一実施形態を示す概略構成図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 ヒータと炉心管との距離を変化させた場合の光ファイバ用多孔質母材の表面の長手方向に沿う温度分布を示すグラフである。 従来の加熱炉の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１０・・・加熱炉、１１・・・光ファイバ用多孔質母材、１２・・・炉心管、１３，１３Ａ，１３Ｂ・・・ヒータ、１４・・・断熱材、１５・・・筐体。

Claims (3)

1. 光ファイバ用多孔質母材を収容する炉心管と、少なくとも前記炉心管の外周の一部を囲むように配され、前記炉心管内に収容された光ファイバ用多孔質母材を加熱するヒータとを備えた加熱炉であって、
   前記ヒータは、前記炉心管の長手方向と垂直な方向に移動可能であることを特徴とする加熱炉。
2. 請求項１に記載の加熱炉を用いて、該加熱炉を構成する炉心管内に光ファイバ用多孔質母材を収容し、該光ファイバ用多孔質母材を脱水する脱水工程と、該脱水工程の後に、前記光ファイバ用多孔質母材を焼結する焼結工程とを備えた光ファイバ母材の製造方法であって、
   前記脱水工程において、前記加熱炉を構成するヒータを前記炉心管に近付け、前記焼結工程において、前記ヒータを前記炉心管から遠ざけることを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
3. 前記焼結工程における前記ヒータと前記炉心管との距離を、前記脱水工程における前記ヒータと前記炉心管との距離よりも大きくすることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ母材の製造方法。
   
   

Images