JP2006315935A - ガラス体製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ガラス層とガラスパイプとの間の粘性差が大きい場合等であっても非円化を充分に抑制することが可能なガラス体製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係るガラス体製造方法は、(1) ガラスパイプ１１の内壁面にガラス層１２を形成するガラス層形成工程と、(2) ガラス層１２の内壁面に保護層１３を形成する保護層形成工程と、(3) 保護層１３およびガラス層１２と共にガラスパイプ１１を縮径する縮径工程と、(4) 保護層１３の内側の空間が潰れる前に保護層１３を除去する保護層除去工程と、(5) ガラス層１２と共にガラスパイプ１１を中実化してガラス体１を製造する中実化工程と、を備える。縮径工程において、ガラスパイプ１１の粘性よりガラス層１２の粘性が低く、ガラス層１２の粘性より保護層１３の粘性が高い。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光ファイバ母材となるガラス体を製造する方法に関するものである。
光通信システムにおいて信号光を伝送する光伝送路として用いられる光ファイバは、光ファイバ母材を線引することで製造される。一般に、光ファイバは、信号光伝送特性を良好なものとするために、長手方向に垂直な断面におけるコア領域の形状が真円であることが望まれる。それ故、光ファイバ母材も、長手方向に垂直な断面におけるクラッド領域およびコア領域それぞれの形状が真円であることが望まれる。
光ファイバ母材（更にジャケット付けすることで光ファイバ母材となるべき光ファイバ母材中間体を含む。）を製造する方法として様々なものが知られている。その製造方法の１つとして、ＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法によりガラスパイプの内壁面にガラス層を形成し、このガラス層と共にガラスパイプを加熱して縮径し中実化する方法が知られている。
この方法により製造される光ファイバ母材のクラッド領域（または、クラッド領域の一部）はガラスパイプからなり、コア領域は該ガラスパイプの内壁面に形成されたガラス層からなる。一般に、クラッド領域となるべきガラスパイプと比較して、コア領域となるべきガラス層は、屈折率調整剤としてのＧｅ酸化物等の添加物を多く含んでいて、軟化温度が低く、縮径工程の際の加熱温度において粘性が低い。したがって、縮径・中実化により製造される光ファイバ母材のコア領域の断面形状は非円化し易い。
このような非円化を抑制することを意図した光ファイバ母材製造方法の発明が特許文献１に開示されている。この文献に開示された光ファイバ母材製造方法は、縮径工程の際に、内壁面にガラス層が形成されたガラスパイプの内部にガスを導入して内圧を高め、これにより非円化の抑制を図る。
特許第３５２７０８９号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示された光ファイバ母材製造方法を用いた場合、縮径および中実化に要する時間が長い。また、縮径工程の際の加熱温度においてガラス層の粘性がガラスパイプの粘性と大きく異なる場合や、ガラス層が厚い場合には、上記特許文献１に開示された光ファイバ母材製造方法を用いても、非円化を充分には抑制することができない。なお、このような問題点は、光ファイバ母材を製造する際だけでなく、一般に径方向に屈折率分布を有する略円柱形状のガラス体を製造する際にも存在する。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、ガラス層とガラスパイプとの間の粘性差が大きい場合やガラス層が厚い場合であっても非円化を充分に抑制することが可能で、製造時間を短縮することが可能なガラス体製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係るガラス体製造方法は、(1) ガラスパイプの内壁面にガラス層を形成するガラス層形成工程と、(2) ガラス層形成工程の後にガラス層の内壁面に保護層を形成する保護層形成工程と、(3) 保護層形成工程の後に保護層およびガラス層と共にガラスパイプを縮径する縮径工程と、(4) 縮径工程の際に保護層の内側の空間が潰れる前に保護層を除去する保護層除去工程と、(5) 保護層除去工程の後にガラス層と共にガラスパイプを中実化してガラス体を製造する中実化工程と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係るガラス体製造方法は、縮径工程において、ガラスパイプの粘性η１よりガラス層の粘性η２が低く、ガラス層の粘性η２より保護層の粘性η３が高いことを特徴とする。
このガラス体製造方法では、先ずガラス層形成工程においてガラスパイプの内壁面にガラス層が形成され、続く保護層形成工程においてガラス層の内壁面に保護層形成される。保護層形成工程の後、縮径工程において保護層およびガラス層と共にガラスパイプが縮径され、縮径工程の後に保護層の内側の空間が潰れる前に保護層除去工程において保護層が除去され、続く中実化工程においてガラス層と共にガラスパイプが中実化されてガラス体が製造される。
ここで、縮径工程においてガラス層の粘性η２はガラスパイプの粘性η１より低く、また、縮径工程において保護層の粘性η３はガラス層の粘性η２より高いものとされている。つまり、縮径工程の際に、低粘性のガラス層は、高粘性のガラスパイプと保護層との間に挟まれている。このことから、縮径工程の際における非円化は充分に抑制され得る。また、この縮径工程により内径が小さくなっているので、保護層除去工程の後に行われる中実化工程の際には、既に保護層が除去されているが、やはり非円化は抑制され得る。
本発明に係るガラス体製造方法では、縮径工程においてガラスパイプの粘性η１より保護層の粘性η３が低いのが好適であり、また、縮径工程においてガラスパイプの粘性η１とガラス層の粘性η２との比（η１／η２）が５０以上であるのが好適である。
本発明に係るガラス体製造方法では、ガラス体は、石英ガラスをホスト材料とする光ファイバ母材または光ファイバ母材中間体であるのが好適である。この場合、ガラス層は、Ｇｅ酸化物，Ｐ酸化物，Ａｌ酸化物，Ｂ酸化物，Ｇａ酸化物，Ｙ酸化物，Ｌａ酸化物およびＦ元素のうちの何れかが添加された石英ガラスであるのが好適であり、また、希土類元素，Ｂｉ元素，Ｓｂ元素，Ｓｎ元素およびＴｅ元素のうちの何れかが更に添加されているのが好適である。
本発明に係るガラス体製造方法によれば、ガラス層とガラスパイプとの間の粘性差が大きい場合やガラス層が厚い場合であっても非円化を充分に抑制することが可能であり、また、製造時間を短縮することが可能である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下では、石英ガラスをホスト材料とする光ファイバ母材（または光ファイバ母材中間体）をガラス体として製造する場合について説明する。
図１は、本実施形態に係るガラス体製造方法のフローチャートである。また、図２は、本実施形態に係るガラス体製造方法の各工程の説明図である。図２（ａ）〜（ｆ）には、各工程におけるガラスパイプ１１等の中心軸を含む断面が示されている。図１に示されるように、本実施形態に係るガラス体製造方法では、ガラス層形成工程Ｓ１，保護層形成工程Ｓ２，縮径工程Ｓ３，保護層除去工程Ｓ４および中実化工程Ｓ５が順次に行われて、ガラス体１が製造される。
最初のガラス層形成工程Ｓ１では、ガラスパイプ１１の内壁面にガラス層１２が形成される（図２（ａ））。ガラスパイプ１１は、クラッド領域（または、クラッド領域の一部）となるべきものであって、石英ガラスからなり、不純物が添加されていない純石英ガラスからなる場合もある。ガラス層１２は、コア領域となるべきものであって、１種または複数種の不純物が添加された石英ガラスである。ガラス層１２に添加される不純物としては、屈折率を調整するものや、蛍光を発生させるものが含まれる。例えば、屈折率調整剤としての不純物としては、Ｇｅ酸化物，Ｐ酸化物，Ａｌ酸化物，Ｂ酸化物，Ｇａ酸化物，Ｙ酸化物，Ｌａ酸化物およびＦ元素のうちの何れかが含まれる。また、蛍光発生剤としての不純物としては、希土類元素，Ｂｉ元素，Ｓｂ元素，Ｓｎ元素およびＴｅ元素のうちの何れかが含まれる。ガラス層１２の形成の際には、ＭＣＶＤ法により、ガラスパイプ１１の内部に所定の原料ガス等が導入されて加熱され、これにより、ガラスパイプ１１の内壁面にガラス層１２が形成される。
ガラス層形成工程Ｓ１の後の保護層形成工程Ｓ２では、ガラス層１２の内壁面に保護層１３が形成される（図２（ｂ））。保護層１３は石英ガラスからなる。この保護層１３の形成の際にもＭＣＶＤ法が用いられる。
保護層形成工程Ｓ２の後の縮径工程Ｓ３では、保護層１３およびガラス層１２と共にガラスパイプ１１が縮径される（図２（ｃ））。この工程では、保護層１３およびガラス層１２と共にガラスパイプ１１は、中心軸の周りに回転されながら加熱されて、これにより径が縮小される。この縮径工程Ｓ３において、ガラスパイプ１１の粘性η１よりガラス層１２の粘性η２が低く、ガラス層１２の粘性η２より保護層１３の粘性η３が高い。
縮径工程Ｓ３の後の保護層除去工程Ｓ４では、保護層１３の内側の空間が潰れる前に保護層１３が除去される（図２（ｄ））。この工程では、ＳＦ６を含むガスが内部に導入されて、保護層１３が除去される。この縮径工程Ｓ３は、保護層１３の内径が８ｍｍφ程度以下となったとき、または、ガラスパイプ１１の肉厚が４.５ｍｍ程度以上となったときに、行われるのが好ましい。
保護層除去工程Ｓ４の後の中実化工程Ｓ５では、ガラス層１２と共にガラスパイプ１１が中実化されて、ガラス体１が製造される（図２（ｅ），（ｆ））。この工程では、ガラス層１２と共にガラスパイプ１１は、中心軸の周りに回転されながら加熱されて、これにより中実化される。この中実化で得られたガラス体１は、光ファイバ母材（または、光ファイバ母材中間体）となる。
ここで、縮径工程Ｓ３においてガラス層１２の粘性η２はガラスパイプ１１の粘性η１より低く、また、縮径工程Ｓ３において保護層１３の粘性η３はガラス層１２の粘性η２より高いものとされている。つまり、縮径工程Ｓ３の際に、低粘性のガラス層１２は、高粘性のガラスパイプ１１と保護層１３との間に挟まれている。このことから、縮径工程Ｓ３の際における非円化は充分に抑制され得る。また、この縮径工程Ｓ３により内径が小さくなっているので、保護層除去工程Ｓ４の後に行われる中実化工程Ｓ５の際には、既に保護層１３が除去されているが、やはり非円化は抑制され得る。
縮径工程Ｓ３においてガラスパイプ１１の粘性η１より保護層１３の粘性η３が低いのが好適であり、また、縮径工程Ｓ３においてガラスパイプ１１の粘性η１とガラス層１２の粘性η２との比（η１／η２）が５０以上であるのが好適である。
このように、本実施形態に係るがガラス体製造方法によりガラス体１を製造することにより、ガラス層１２とガラスパイプ１１との間の粘性差が大きい場合やガラス層１２が厚い場合であっても非円化を充分に抑制することが可能であり、また、製造時間を短縮することが可能である。
なお、保護層除去工程Ｓ４は、縮径工程Ｓ３の後であって中実化工程Ｓ５の直前に行われてもよいし、縮径工程Ｓ３の途中で行われてもよい。後者の場合、ガラスパイプ１１等は、保護層１３が設けられたまま途中まで縮径され、保護層１３が除去された後に更に縮径されて中実化される。
次に、本実施形態に係るガラス体製造方法の具体的な実施例を比較例とともに説明する。
実施例は以下のとおりである。外径２５ｍｍφで内径１９ｍｍφの石英ガラスからなるガラスパイプ１１が用意され、ＭＣＶＤ法により、ガラス層形成工程Ｓ１においてガラスパイプ１１の内壁面に厚み０.４ｍｍのガラス層１２が形成され、保護層形成工程Ｓ２において更に内側に厚み０.０１ｍｍの保護層１３が形成された。ガラス層１２は、１８wt％のＧｅＯ２および７wt％のＢ２Ｏ３が添加された石英ガラスであった。また、保護層１３は、ガラス層１２の添加量の約４分の１のＧｅＯ２およびＢ２Ｏ３が添加された石英ガラスであった。
縮径工程Ｓ３では、ガラスパイプ１１等を加熱する為のバーナが長手方向に移動されて、これによりガラスパイプ１１等の径が縮小された。バーナの移動速度（トラバース速度）は２５mm／分であり、ガラスパイプ１１の表面温度は１８００℃であった。バーナに導入されるガスはＨ２およびＯ２の混合ガスであり、Ｈ２ガスの流量は１２０slmであり、Ｏ２ガスの流量は５６slmであった。縮径工程Ｓ３において、ガラスパイプ１１の粘性η１は１０5,5Ｐａ・ｓであり、ガラスパイプ１１の粘性η１とガラス層１２の粘性η２との比（η１／η２）は約８０であった。続く保護層除去工程Ｓ４では、ＳＦ６およびＣｌ２の混合ガスが内部に導入されて、保護層１３がエッチングされた。ＳＦ６ガスの流量は５０sscmであり、Ｃｌ２ガスの流量は５０sscmであった。そして、保護層除去工程Ｓ４において保護層１３が除去された後に、中実化工程Ｓ５においてガラス層１２と共にガラスパイプ１１が中実化されてガラス体１が製造された。
一方、比較例では、上記のような保護層形成工程Ｓ２および保護層除去工程Ｓ４が行われなかった点で、実施例と相違している。
実施例および比較例それぞれのガラス体製造方法において縮径工程から中実化工程までに要した時間を対比した。比較例では、トラバース回数が９回であり、所要時間が２７０分であった。これに対して、実施例では、トラバース回数が１０回であり、所要時間が２９０分であった。なお、この実施例における所要時間は、特許文献１に開示された製造方法における所要時間と比較すると短い。
実施例および比較例それぞれのガラス体製造方法により得られたガラス体のコア領域の非円率を求めた。ここで、コア領域の非円率（％）は、「100×（コア最大径−コア最小径）／コア平均径」で定義される。ガラス体のコア領域の非円率は、比較例では２〜５％であったのに対して、実施例では１.０％未満であった。
その他、様々な条件でガラス体を製造したところ、ガラスパイプ１１とガラス層１２との間の粘性比（η１／η２）が１０程度以下である場合には、上記の比較例の製造方法であっても、非円化は充分に抑制された。粘性比（η１／η２）が１０〜５０程度である場合には、上記の比較例の製造方法において縮径工程の際の縮径レートを小さくして所要時間を長くすることで、非円化は充分に抑制されたが、所要時間の短縮は困難であった。粘性比（η１／η２）が１００程度以上である場合には、上記の比較例の製造方法において縮径工程の際の縮径レートを小さくして所要時間を長くしても、非円化の抑制は困難であった。これに対して、本実施形態に係るガラス体製造方法を用いた場合には、粘性比（η１／η２）が１００程度以上であっても、非円化を充分に抑制することができ、また、製造時間を短縮することができた。
図３は、実施例および比較例それぞれにおける粘性比（ガラスパイプ１１粘性／ガラス層１２粘性）と非円率との関係を示すグラフである。この図から判るように、粘性比が５０以上である場合には、比較例に対して実施例のガラス体製造方法が非円率低減に関して優位となる。
図４は、実施例における保護層除去工程Ｓ４直前の保護層１３の内径と非円率との関係を示すグラフである。この図から判るように、保護層１３の内径が８ｍｍφ以下であれば、非円率が１％以下となる。
図５は、実施例における保護層除去工程Ｓ４直前のガラスパイプ１１の肉厚と非円率との関係を示すグラフである。この図から判るように、ガラスパイプ１１の肉厚が４.５ｍｍ以上であれば、非円率が１％以下となる。
本実施形態に係るガラス体製造方法のフローチャートである。 本実施形態に係るガラス体製造方法の各工程の説明図である。 実施例および比較例それぞれにおける粘性比（ガラスパイプ１１粘性／ガラス層１２粘性）と非円率との関係を示すグラフである。 実施例における保護層除去工程Ｓ４直前の保護層１３の内径と非円率との関係を示すグラフである。 実施例における保護層除去工程Ｓ４直前のガラスパイプ１１の肉厚と非円率との関係を示すグラフである。
符号の説明
１…ガラス体（光ファイバ母材）、１１…ガラスパイプ、１２…ガラス層、１３…保護層。

Claims (6)

  1. ガラスパイプの内壁面にガラス層を形成するガラス層形成工程と、
    前記ガラス層形成工程の後に前記ガラス層の内壁面に保護層を形成する保護層形成工程と、
    前記保護層形成工程の後に前記保護層および前記ガラス層と共に前記ガラスパイプを縮径する縮径工程と、
    前記縮径工程の際に前記保護層の内側の空間が潰れる前に前記保護層を除去する保護層除去工程と、
    前記保護層除去工程の後に前記ガラス層と共に前記ガラスパイプを中実化してガラス体を製造する中実化工程と、
    を備え、
    前記縮径工程において、前記ガラスパイプの粘性η１より前記ガラス層の粘性η２が低く、前記ガラス層の粘性η２より前記保護層の粘性η３が高い、
    ことを特徴とするガラス体製造方法。
  2. 前記縮径工程において前記ガラスパイプの粘性η１より前記保護層の粘性η３が低いことを特徴とする請求項１記載のガラス体製造方法。
  3. 前記縮径工程において前記ガラスパイプの粘性η１と前記ガラス層の粘性η２との比（η１／η２）が５０以上であることを特徴とする請求項２記載のガラス体製造方法。
  4. 前記ガラス体は、石英ガラスをホスト材料とする光ファイバ母材または光ファイバ母材中間体であることを特徴とする請求項１記載のガラス体製造方法。
  5. 前記ガラス層は、Ｇｅ酸化物，Ｐ酸化物，Ａｌ酸化物，Ｂ酸化物，Ｇａ酸化物，Ｙ酸化物，Ｌａ酸化物およびＦ元素のうちの何れかが添加された石英ガラスである、ことを特徴とする請求項４記載のガラス体製造方法。
  6. 前記ガラス層は、希土類元素，Ｂｉ元素，Ｓｂ元素，Ｓｎ元素およびＴｅ元素のうちの何れかが更に添加されている、ことを特徴とする請求項５記載のガラス体製造方法。
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