JP2006327861A - 光ファイバー母材の製造方法、光ファイバーおよび光ファイバー母材の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
内付けＣＶＤ法による光ファイバー母材の製造において、熱源のトラバース距離を長くした場合であってもまた該熱源のトラバース速度を速くした場合であっても、長手方向における屈折率の変動が少ない、光学特性に優れた光ファイバー母材を得る。
【解決手段】
製造装置１１は、ガラスパイプ１１０を加熱する熱源１１１と、熱源１１１の出力を制御する加熱制御装置１１２と、熱源１１１をガラスパイプ１１０に沿って移動させる熱源移動機構１１３と、加熱位置Ｈからガス流の上流側を冷却する冷熱源１１４と、冷熱源１１４の出力を制御する冷却制御装置１１５と、冷熱源１１４をガラスパイプ１１０に沿って移動させる冷熱源移動機構１１６と、熱源移動機構１１３および冷熱源移動機構１１６を制御する移動機構制御装置１１７とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内付けＣＶＤ法による光ファイバー母材の製造方法、前記方法により製造された光ファイバーおよび光ファイバー母材の製造装置に関する。

内付けＣＶＤ法（ＭＣＶＤ法：Ｍｏｄｅｆｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）では、軸回転させたガラスパイプの一方端側から他方端側に向けてＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄等のガラス原料、及び該ガラス原料を含有するＯ₂等のガスを流動させる。
これとともに、一方端側（前記ガラス原料含有ガスの給気側）から他方端側（前記ガラス原料含有ガスの排気側）に加熱位置が移動するように前記ガラスパイプを加熱することで、前記ガラスパイプの内面にガラス膜を堆積する工程を複数回行う（以下、ガラスパイプにおけるガス給気側を「上流側」、ガス排気側を「下流側」と言う）。
パイプ加熱用の熱源が移動するに従い、主原料ガスであるＳｉＣｌ₄等が酸化して生成するスス（ＳｉＯ₂等の微粒子）がガラスパイプ内面に付着し、このススが加熱により透明なガラス膜として堆積される（以下、本明細書において、上流から下流へと熱源が移動することを「トラバース」、実質的なスス付けが行われない下流から上流への復路を「バックトラバース」とも言う）。

ガラスパイプ内では、上流から下流に原料ガスが流れているため、生成されるスス（ガラス粒子）は常に下流側に裾を引いた状態でガラスパイプ内面に堆積する。このため、加熱開始端において、堆積したガラス膜の厚みは加熱開始端側が薄いテーパー状を形成しやすい。
これを防止するため、加熱開始時の熱源の移動速度（トラバース速度）を遅くして、加熱開始端付近におけるガラス膜の堆積時間を長くする対策が取られている。

しかし、加熱の空間的な幅は熱源のトラバース速度に依存するため、上記対策では、加熱開始端側は単位時間あたりの加熱幅が短く、トラバース速度の増加にともない加熱終了端側では加熱幅が広くなる。したがって、原料が受ける温度履歴がガラスパイプの長手方向で変化し、長手方向における屈折率が変化してしまうという問題があった。

特に、高い生産性を得るために、原料ガスの流量を増加させた場合には、ガラスパイプ内の流速の増加を招き、ススの堆積量が下流側に、より一層裾を引くようになる。
これにより加熱開始端におけるガラス膜厚のテーパー部が拡大するため、加熱開始端側において、より長い堆積時間が必要となり、その結果、屈折率の変動が大きくなるという問題が生じている。

本発明の目的は、熱源のトラバース距離を長くした場合であっても、また該熱源のトラバース速度を速くした場合であっても、長手方向における屈折率の変動が少ない、光学特性に優れた光ファイバー母材を得ることができる光ファイバー母材の製造方法、光ファイバーおよび光ファイバー母材の製造装置を提供することにある。

本発明者らは、ガラスパイプ内の原料ガスが受ける温度分布が長手方向に沿って一定であるならば、当該長手方向に均質なガラス膜の形成が可能となるし、これにより長手方向の屈折率の変動が少ない高精度な光ファイバーが得られるといった事実に着目した。
そして、熱源の加熱開始端付近におけるガラスパイプの空間温度分布と同じ空間温度分布を、ガラスパイプの長手方向にわたって実現することで、原料ガスが受ける温度履歴を上流側から下流側にわたって均一に保つことができるとの知見を得て本発明を完成するに至った。

本発明は、トラバース速度の増加にともない変化するガラスパイプの空間温度分布を、加熱開始端付近で原料が受ける温度分布に近づけるために、熱源が加熱開始端付近を通過した後に、この熱源の上流側のガラスパイプを冷却しながらガラス膜を堆積させるものである。

すなわち、本発明の光ファイバー母材の製造方法は、（１）軸回転させたガラスパイプの一方端側から他方端側に向けてガラス原料含有ガスを流動させつつ当該ガラス原料含有ガス流の上流側から下流側に加熱位置が移動するようにガラスパイプを加熱してガラスパイプの内面にガラス膜を堆積する工程を複数回行う光ファイバー母材の製造方法であって、この堆積する工程の少なくとも一部において、前記加熱位置から前記ガス流の上流側に冷却位置を設けておき、ガラスパイプの温度プロファイルがほぼ一定形状を保ったまま前記ガス流の上流側から下流側に移動するよう、前記ガラスパイプを冷却することを特徴とする。

このような本発明による方法によれば、図４（Ａ）に示すように、加熱位置Ｈの上流側のガラスパイプ１１０を冷却しながらガラス膜を堆積させることで、図４（Ｂ）に示すように、加熱開始端付近で原料が受ける温度プロファイルαを、熱源１１１の移動にともなったトラバース速度の増加にかかわらず、ガラスパイプの長手方向にわたって実現する（すなわち、温度プロファイルβを冷却によりγとする）ことができ、この結果、長手方向の屈折率の変動が少ない、光学特性に優れた光ファイバーが得られる。
なお、上記加熱位置（熱源１１１）と冷却位置（冷熱源１１４）とは同期または独立して移動することができる。

本発明の製造方法では、（２）前記堆積する工程において、前記加熱位置が前記ガラスパイプの前記一方端から前記ガス流の下流側に第一の距離離れた位置までの領域においては、前記ガラスパイプを冷却せず、かつ前記加熱位置を低速で移動させ、前記加熱位置が前記領域を通過後は、前記ガラスパイプを冷却し、かつ前記加熱位置を高速で移動させることができる。
この第一の距離の長さは、特に限定されず、熱源がトラバースする距離により適宜調節されるが、短すぎると、熱源を低速で移動させる距離が短くなり加熱開始端におけるガラス膜厚のテーパー部が解消されにくく、また、長すぎると、生産性が低くなるため、本発明では、加熱開始端から４００ｍｍ程度が好ましく、より好ましくは加熱開始端から２００ｍｍ程度である。

そして、本発明の製造方法では、（３）前記堆積する工程において、前記加熱位置から前記ガス流の上流側に第二の距離離れた点の前記ガラスパイプの温度を検出し、この値が第一の設定温度になるように前記ガラスパイプを加熱することができる。加熱されたガラスパイプの温度を検出し、この測定値を熱源にフィードバックすることで、加熱温度を制御できれば、より確実にガラスパイプの上流側から下流側の温度プロファイルを一定とすることができる。
この第二の距離離れた点は、上記第一の設定温度がガラスパイプ上の最高温度である方が制御しやすいので、加熱位置よりやや上流（加熱が終わった位置）におけるガラスパイプ外表面の温度を検出する。

第二の距離の長さは、熱源のトラバース速度と熱源の持つ加熱幅によって異なる。このため、ある一点のみの温度をモニターしてそれに基づき熱源の出力制御する場合には、加熱の中心から最高温度に到達するまでの距離を予め測定しておき、それに基づき第二の距離の長さを設定するとよい。さらに好ましくはガラスパイプの軸方向に複数点温度をモニターし、そのなかで、最高温度となる温度に基づき熱源の出力を制御するとよい。

また、本発明の製造方法では、（４）前記堆積する工程において、前記冷却位置から第三の距離離れた点の前記ガラスパイプの温度を検出し、この値が第二の設定温度になるように前記ガラスパイプを冷却することができる。

（５）この第三の距離離れた点は、冷却位置（冷熱源）よりガス流の上流側の点であることが好ましい。
前記熱源の制御同様、冷却されたガラスパイプの温度を測定し、この測定値を冷熱源にフィードバックすることで、冷却温度を制御できれば、より確実にガラスパイプでの上流側から下流側の温度プロファイルを一定とすることができる。

さらに、本発明の製造方法では、前記ガラスパイプの加熱は、（６）熱平衡プラズマによる加熱、または（７）誘導炉による加熱であることが好ましい。

本発明の製造方法では、（８）冷却位置（冷熱源）は、ガラスパイプの最高温度位置から、ガス流の上流側に、（１／６）×Ｖ〜（３／２）×Ｖ（Ｖ：熱源の１分間の移動距離）だけ離れた位置であることが好ましい。
冷却位置については、短すぎると加熱不十分となり、ススが未焼結状態となることによる気泡の発生を招く虞があり、また、長すぎると、自然放熱との差が少なく、得られた光ファイバーにおける石英との比屈折率差の変動を抑制することができない。このため、本発明では、第三の距離の長さを上記範囲内とすることが好ましく、より好ましくは（１／３）×Ｖ〜Ｖである。

本発明の製造方法では、（９）冷却（冷熱源）は冷媒噴射により行われ、当該冷媒は不燃性でかつ水素を含有しない分子構造を持つ気体または液体であることが好ましい。
５００℃以上の高温において、水素はガラス中に混入しＯＨ基（水酸基）を生成するため、光ファイバーの伝送特性を悪化させる。
そこで、熱源として、酸水素バーナではなく、水素を含まないガス、例えば乾燥空気をプラズマ化したプラズマバーナを用いることで、水素のガラス中への混入を防ぐことができるうえ、ガラスパイプをより高温で加熱することができる。
また、冷媒噴射は、冷媒として水素を含有しないガスまたは液体を用いることで、上記プラズマバーナの使用同様、水素のガラス中への混入が防止できる。
このようにして得られる光ファイバー母材は、公知の手段によって光ファイバーに加工される。なお、その加工方法は、目的に応じて適宜選択される。

本発明の光ファイバーは、（１０）上記した本発明の製造方法により得られるもので、屈折率の長手方向における変動が、石英との比屈折率差で１００ｋｍあたり±０．０１５％以下であることを特徴とする。
作製するファイバーの種類により求められる作製精度は異なるが、一般に屈折率の長手方向における変動が、石英との比屈折率差で±０．０１５％／１００ｋｍ以下とすることで、安定した伝送特性を得ることができる。

本発明の光ファイバー母材の製造装置は、（１１）軸回転させたガラスパイプの一方端側から他方端側に向けてガラス原料含有ガスを流動させつつ、当該ガラス原料含有ガス流の上流側から下流側に加熱位置が移動するようにガラスパイプを加熱する工程を複数回行うことで、前記ガラスパイプの内面にガラス膜を堆積する光ファイバー母材の製造装置であって、ガラスパイプを加熱する熱源と、熱源の出力を制御する加熱制御装置と、熱源をガラスパイプに沿って移動させる熱源移動機構と、加熱位置からガス流の上流側を冷却する冷熱源と、冷熱源の出力を制御する冷却制御装置と、冷熱源をガラスパイプに沿って移動させる冷熱源移動機構と、熱源移動機構および冷熱源移動機構を制御する移動機構制御装置と、を備えることを特徴とする。

本発明の製造装置では、（１２）前記熱源から前記ガス流の上流側に第二の距離離れた点の前記ガラスパイプの温度を最高温度として検出する加熱温度センサをさらに備え、前記加熱制御装置は、前記加熱温度センサでの検出値を取得して前記熱源の出力を制御するように構成できる。

本発明の製造装置では、（１３）前記冷熱源から第三の距離離れた点の前記ガラスパイプの温度を検出する冷却温度センサをさらに備え、前記冷却制御装置は、前記冷却温度センサからの検出値を取得して前記冷熱源の出力を制御するように構成できる。

本発明の製造装置では、（１４）前記冷却温度センサは、前記冷熱源から、前記ガス流の上流側に第三の距離離れた点の前記ガラスパイプの温度を検出するように構成できる。
本発明の製造装置では、（１５）前記熱源は、熱平衡プラズマバーナまたは誘導炉とすることができる。

本発明の光ファイバー母材の製造装置では、（１６）前記冷熱源は、前記ガラスパイプの最高温度位置から、前記ガス流の上流側に、（１／６）×Ｖ〜（３／２）×Ｖ（Ｖ：熱源の１分間あたりの移動距離）だけ離れた位置に設けられるようにできる。
本発明の光ファイバー母材の製造装置では、（１７）前記冷熱源は冷媒噴射ノズルを備え、当該冷媒は不燃性でかつ水素を含有しない分子構造を持つ気体または液体とすることができる。

本発明の光ファイバー母材の製造方法および光ファイバー母材の製造装置においては、加熱位置の上流側のガラスパイプを冷却しながらガラス膜を堆積させることで、加熱開始端付近で原料が受ける温度プロファイルをガラスパイプの長手方向にわたって実現することができ、この結果、長手方向の屈折率の変動が少ない、光学特性に優れた光ファイバーを製造することができる。
このような効果を奏することにより、光ファイバー母材製造の歩留まり向上および製造コスト削減に非常に有利である。

以下、本発明の光ファイバー母材の製造装置および製造方法の実施形態を、図面により説明する。

図１は、光ファイバー母材の製造装置の一実施態様である。
図１に示すように、製造装置１１は、ガラスパイプ１１０を加熱する熱源（熱平衡プラズマバーナ）１１１と、熱源１１１の出力を制御する加熱制御装置１１２と、熱源１１１をガラスパイプ１１０に沿って移動させる熱源移動機構１１３と、加熱位置Ｈからガス流の上流側を冷却する冷熱源１１４と、冷熱源１１４の出力を制御する冷却制御装置１１５と、冷熱源１１４をガラスパイプ１１０に沿って移動させる冷熱源移動機構１１６と、熱源移動機構１１３および冷熱源移動機構１１６を制御する移動機構制御装置１１７とを備える。

ガラス旋盤１００に旋盤固定用のダミーパイプ１１８，１１９を介してガラスパイプ１１０を取り付け、軸回転させ、ガラスパイプ１１０の一方端側（ガス給気側）ＳＰＬＹから他方端側（排気側）ＥＸＳＴに向けてガラス原料含有ガスを流動させつつ、ガラス原料含有ガス流の上流側から下流側に加熱位置Ｈが移動するようにガラスパイプ１１０を加熱する工程を複数回行うことで、ガラスパイプ１１０の内面にガラス膜を堆積する。

ガラスパイプ１１０は、合成石英製などがあり、適宜サイズ（例えば、ダミーパイプ１１８，１１９との合計長さで１６００ｍｍ、外径２５ｍｍ、内径１２ｍｍ等）とすることができる。なお、本発明は、熱源１１１の移動距離が１００ｍｍ以上の場合に特に好適である。

ガラスパイプ１１０に流動させるガラス原料含有ガスは、例えば、ＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄等のガラス原料及びＯ₂等からなり、流動（給気）速度は、各々のガスにより適宜調節される（例えば、ＳｉＣｌ₄：１５０ｃｃ／ｍｉｎ、ＧｅＣｌ₄：６０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ₂：２０００ｃｃ／ｍｉｎ等）。

ガラスパイプ１１０を加熱する工程の回数は、特に限定されず、ガラスパイプ１１０内に所望のガラス膜の厚さが堆積されるまで繰り返せばよい。
また、熱源１１１および冷熱源１１４は、ガラスパイプの周囲の適宜箇所に設置すればよく、図１ではガラスパイプ１１０の下方部に設置した例を示しているが、ガラスパイプ１１０の上方部あるいは側方部に設置してもよい。

本実施形態では、加熱位置Ｈは加熱開始直後は低速で移動し、その後高速で移動させる。図２（Ａ）にこのときの様子を示す。すなわち、移動機構制御装置１１７は熱源移動機構１１３を制御し、加熱位置Ｈ（熱源１１１の位置）がガラスパイプ１１０の一方端（加熱開始点ｐ０）からガス流の下流側に第一の距離Ｌ１離れた点ｐ１までの領域においては加熱位置Ｈ（熱源１１１）を低速で移動させ、ｐ１を通過後は加熱位置Ｈ（熱源１１１）を高速で移動させる。

また、本実施形態では、冷却制御装置１１５は加熱開始直後はガラスパイプ１１０の冷却を行わず、その後に冷却を行うように動作する。すなわち、冷却制御装置１１５は、加熱位置Ｈ（熱源１１１の位置）がガラスパイプ１１０の一方端（加熱開始点ｐ０）からガス流の下流側に第一の距離Ｌ１離れた点ｐ１までの領域においてはガラスパイプ１１０を冷却せず、加熱位置Ｈがｐ１を通過後は、ガラスパイプ１１０を冷却している。

図２（Ｂ）のように、本実施形態では、熱源１１１からガス流の上流側に第二の距離Ｌ２離れた点ｐ２のガラスパイプ１１０の温度を最高温度として検出する加熱温度センサ１２０をさらに備えており、加熱制御装置１１２は、加熱温度センサ１２０での検出値を取得して熱源１１１の出力を制御している。

また、本実施形態では、冷熱源１１４から第三の距離Ｌ３離れた点ｐ３のガラスパイプ１１０の温度を検出する冷却温度センサ１２１をさらに備えており、冷却制御装置１１５は、冷却温度センサ１２１からの検出値を取得して冷熱源１１４の出力を制御している。
また、冷熱源１１４による冷却は、上記検出値が冷却無しの状態より５０〜２００℃低下するように冷却することが好ましい。

加熱温度センサ１２０および冷却温度センサ１２１として、本実施形態では放射温度計を用いているが、赤外線センサ、赤外線カメラなどを用いることもできる。加熱温度センサ１２０の検出値は加熱制御装置１１２に送られ、冷却温度センサ１２１の検出値は冷却制御装置１１５に送られる。この検出値を基に、加熱制御装置１１２は熱源１１１の出力を、冷却制御装置１１５は冷熱源１１４の出力をそれぞれ制御している。
また、熱源１１１や冷熱源１１４の移動に伴って、これら温度センサ１２０，１２１自体を熱源１１１（冷熱源１１４）と同期して移動させてもよいし、温度センサ１２０，１２１として使用する放射温度計の向きだけを変えてもよい。

熱源１１１による加熱としては、熱平衡プラズマによる加熱の他、抵抗炉、誘導炉などによる高周波加熱などが挙げられる。熱源１１１として誘導炉を用いた例については、後述する（図８参照）。

熱源１１１の移動速度は、１３０〜２００ｍｍ／ｍｉｎ、好ましくは１５０〜１８０ｍｍ／ｍｉｎである。この範囲内であれば、冷熱源１１４との共同作用で本発明の目的を良好に達成することができる。

冷熱源１１４は、ガラスパイプ１１０の最高温度位置から、ガス流の上流側に、（１／６）×Ｖ〜（３／２）×Ｖ（Ｖ：熱源１１１の１分間あたりの移動距離）だけ離れた位置に設けることが好ましい。
例えば、図５に示すように、Ｖ＝１８０ｍｍ／ｍｉｎの場合、ガラスパイプ１１０の最高温度位置から３０〜２７０ｍｍ上流側に冷熱源１１４（冷却位置Ｃ）が設けられていれば、得られた光ファイバーにおける石英との比屈折率差の長手変動が±０．０１５％以下となる。

冷熱源１１４は、少なくとも１つの冷媒噴射ノズル１２２を備えてもよい。
図１に示すように、冷媒噴射ノズル１２２は、ガラスパイプ１１０に対して垂直ではなく、若干上流側を向いていることが好ましい。これにより、冷媒がバーナ等の熱源１１１側に流れて悪影響を及ぼすのを防止することができる。
冷熱源１１４が、複数の冷媒噴射ノズルを備える際には、個々の冷却位置Ｃ（冷媒がガラスパイプ１１０に当たる位置）毎に冷却温度センサ１２１を備えることで、より高精度な冷却制御が可能となる。

上記冷媒は、不燃性でかつ水素を含有しない分子構造を持つ気体または液体ガ好ましい。
例えば、気体としては、Ｎ₂、ＣＯ₂、ＳＦ₆など、液体としては、液体窒素、フッ素化不活性液体（３Ｍ社製 商品名“フロリナート”等）など、が挙げられる。中でも、ＣＯ₂、ＳＦ₆など熱容量の高い気体を用いた際には、少ない噴射量（吹付け量）であっても十分な冷却が可能となるため、熱源に与える影響を少なくすることができる。

さらに、本発明の光ファイバー母材の製造装置において、大気中で動作させる場合、空気中の水分がガラスパイプ１１０表面に液化して付着するおそれがあるため、ガラスパイプ１１０周辺の水分を除くようにしてもよい。例えば、ガラスパイプ１１０の温度が５００℃以上となる領域全体の雰囲気を窒素で満たすことで、ガラスパイプ１１０周辺の水分を排除することができる。

次に、以上のような製造装置に基づいて本発明による光ファイバー母材の製造方法の実施形態を説明する。
図３は、図１に示した製造装置を用いて光ファイバー母材を製造する方法を説明するフローチャートである。

図３に示すように、まず、軸回転させたガラスパイプ１１０の一方端側ＳＰＬＹから他方端側ＥＸＳＴに向けてガラス原料含有ガスを流動させる（Ｓ１０１）。
ガラス原料含有ガス流の上流側ＳＰＬＹから下流側ＥＸＳＴに加熱位置Ｈが移動するようにガラスパイプ１１０を加熱してガラスパイプ１１０の内面にガラス膜を堆積する工程を複数回行うために、加熱位置Ｈからガス流の上流側に冷却位置Ｃを設けておき、熱源１１１をトラバース初期位置（加熱開始位置）にセットする（Ｓ１０２）。

熱源１１１の出力を開始し（Ｓ１０３）、加熱位置Ｈがガラスパイプ１１０の一方端ＳＰＬＹからガス流の下流側ＥＸＳＴに第一の距離離れた位置までの領域においては、ガラスパイプ１１０を冷却せず、かつ熱源１１１を低速で移動させる（Ｓ１０４）。
加熱位置Ｈが前記領域に達したかを判断し（Ｓ１０５）、前記領域を通過後は、冷却位置Ｃにてガラスパイプ１１０を冷却（冷熱源１１４の出力を開始）し（Ｓ１０６）、かつ熱源１１１を高速で移動させる（Ｓ１０７）。前記領域に達していなければ、Ｓ１０４に処理をもどす。

熱源１１１がトラバース終了位置に達したかを判断し（Ｓ１０８）、熱源１１１が終了位置に達するまでは、ガラスパイプ１１０の温度プロファイルがほぼ一定形状を保ったままガス流の上流側から下流側に移動するよう、ガラスパイプ１１０を冷却する。
すなわち、ガラスパイプ１１０の温度プロファイルが所定の温度プロファイルＰ１０１に一致しているかを判断し（Ｓ１０９）、一致していなければ、冷媒量（冷熱源１１４の出力状態）の変更の処理に移り（Ｓ１１０）、一致していれば、冷媒量の維持の処理に移る（Ｓ１１１）。いずれも、冷熱源１１４の出力状態を制御し続けながら、Ｓ１０８の判断にもどる。

温度プロファイルＰ１０１は、本実施形態では、予め「理想プロファイル」として、所定の記憶媒体に記憶されているように構成したが、トラバースする毎に、温度プロファイルを生成し、その都度所定の記憶媒体に記憶するようにしてもよい。

Ｓ１０８において、熱源１１１がトラバース終了位置に達したならば、熱源１１１、冷熱源１１４の出力および移動を停止し（Ｓ１１２）、ガラスパイプ１１０内のガラス膜の堆積量が所望量に達しているかを判断する（Ｓ１１３）。
所望量に達していれば、ガラスパイプ１１０の軸回転およびガラス原料含有ガスの流動の停止の処理に移る（Ｓ１１４）。達していなければ、熱源１１１、冷熱源１１４をバックトラバースさせることで、Ｓ１０２の処理にもどる。

図３においては、加熱位置Ｈからガス流の上流側に第二の距離離れた点のガラスパイプ１１０の温度を検出し、この値が第一の設定温度になるように熱源１１１の出力を制御してもよい。
また、冷却位置Ｃから第三の距離Ｌ３離れた点ｐ３（図２（Ｂ）参照）のガラスパイプ１１０の温度を検出し、この値が第二の設定温度になるように冷熱源１１４の出力を制御してもよい。この第三の距離Ｌ３離れた点ｐ３は、冷却位置Ｃよりガス流の上流側の点である。
さらに、冷却位置Ｃは、ガラスパイプ１１０の最高温度位置（加熱位置Ｈから第二の距離Ｌ２離れた点ｐ２：図２（Ｂ）参照）から、ガス流の上流側に、（１／６）×Ｖ〜（３／２）×Ｖ（Ｖ：熱源の１分間の移動距離）だけ離れた位置であってもよい。

そして、図３における加熱は熱平衡プラズマによる加熱（すなわち、熱源１１１が熱平衡プラズマバーナによる加熱）である。また、冷却（冷熱源１１４）は冷媒噴射により行われ、冷媒は不燃性でかつ水素を含有しない分子構造を持つ気体または液体である。
《実施例》

ガラスパイプ１１０として、外径が４０ｍｍ、内径が３３ｍｍ、ダミーパイプ１１８，１１９との合計長さが１６００ｍｍの石英ガラスからなるものを使用し、ガラス旋盤１００にセットし、ガラスパイプ１１０を回転させながら、上流側から下流側に向けてガラス原料含有ガス（ＳｉＣｌ₄：１５０ｃｃ／ｍｉｎ、ＧｅＣｌ₄：６０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ₂：２０００ｃｃ／ｍｉｎ）を流動させた。

熱源１１１（熱平衡プラズマバーナ）の出力および移動を開始させ、熱源１１１が加熱開始位置から２５０ｍｍ熱源が移動した位置（すなわち、加熱開始位置ｐ０からガス流の下流側に第一の距離Ｌ１離れた点ｐ１：図２（Ａ）参照）に達した後、窒素ガスＮ₂をガラスパイプ１１０に対して吹き付けた。
窒素吹付け口は、ガラスパイプ１１０の外表面が最高温度となる位置（熱源１１１から上流側に第二の距離離れた点ｐ２：図２（Ｂ）参照）から７５ｍｍ上流側とした。冷却位置から５０ｍｍ上流側（すなわち、冷却位置から上流側に第三の距離Ｌ３離れた位置ｐ３：図２（Ｂ）参照）のガラスパイプ１１０の温度を測定し、設定した温度プロファイルとなるよう（冷却位置から５０ｍｍ上流側の測定値が２５０℃になるよう）Ｎ₂流量を制御しながら、ガラス膜を堆積させた。この堆積工程を５０回行った。

図６に、窒素ガスＮ₂を吹き付けない（すなわち、冷却しない）以外は、本実施例と同様の条件で堆積工程を行う場合を、比較例として示す（破線ｃ）。
比較例の破線ｃでは、加熱開始位置から４００ｍｍの位置における温度プロファイルを示しており、最高温度位置（横軸における０（ゼロ）点）から上流側に離れるにつれて、加熱開始位置から２００ｍｍの位置における温度プロファイル（冷却した場合：実線ｂ）とズレが生じている。
一方、実施例のように冷却する場合には（冷却位置近辺の）ガラスパイプ１１０の外表面温度を低下させることで、加熱開始位置から２００ｍｍの位置における温度プロファイル（一点鎖線ａ）と、４００ｍｍの位置の温度プロファイル（冷却した場合：実線ｂ）とをほぼ等しくすることができることがわかる。

また、上記の実施例および比較例（冷却なしの場合）にて得られた光ファイバー母材について、それぞれ長手方向における屈折率の変動を調べた。結果を図７に示す。横軸は母材段階での堆積した膜の長手位置を示しており、縦軸は、堆積したガラス膜の長手方向の屈折率の平均値からのズレを百分率で示したものである。○は冷却を行わず堆積した場合、■は冷却を行った場合における傾向を示すプロットである。

図７に示すように、冷却した場合には、長手方向における屈折率の平均値からのズレがおよそ±２％以内となっており、冷却を行わない場合に比べ、屈折率変化の傾きを１／５以下に低下させられることが認められた。この実施例においては石英との比屈折率差は０．３％であり、ファイバー長／母材長の比は約５００倍であるため、ファイバにおける石英との比屈折率の長手変動に直すと、冷却を行わない場合は約±０．０１８％／１００ｋｍであったものが、冷却により約±０．００４％／１００ｋｍに抑制できたことを示している。
上記の実施例からもわかるように、屈折率の長手方向における変動が±２％以内である光ファイバー母材から得られる光ファイバーは、石英との比屈折率差を±ｘ％／１００ｋｍ（ｘ＝０．０１５以下）の範囲に抑制することができる。

図１の例では、熱源１１１として熱平衡プラズマバーナを用いたが、図８に示すように誘導炉を用いてもよい。図８に示す誘導炉２の場合、誘導炉２の温度制御はコイル２１に投入する電力を変化させることで実現できる。炉体２２の外部に配置された温度計２３１，２３２は、炉体２２、断熱材２４、グラファイト２５（発熱体）に設けられた孔を通して、ガラスパイプ１１０の温度を測定できるように構成されている。温度計２３１，２３２を用いて、ガラスパイプ１１０の温度を測定し、測定した結果を元に、コイル２１に投入する電力を調節することでガラスパイプ１１０の温度を制御できる。

温度制御は、加熱位置Ｈ（熱源中心）からガス流の上流側に第二の距離Ｌ２離れた位置ｐ２のガラスパイプ１１０の温度を検出し、この値が第一の設定温度になるように電力を制御してもよい。熱平衡プラズマバーナと同様、炉体２２内部にある加熱位置Ｈより（１／６）×Ｖ〜（３／２）×Ｖとなるように上流側に冷熱源２６を配置し、ガラスパイプ１１０を冷却することで同様の効果が得られる。

冷却温度は、冷却位置Ｃ（冷熱源中心）から第三の距離Ｌ３離れた位置ｐ３のガラスパイプ１１０の外表面の温度を検出して冷却温度を制御することが好ましい。
図８においては、冷熱源２６は、炉体２２の外部に配置してあるが、冷熱源２６と加熱位置Ｈとの距離が（３／２）×Ｖ（Ｖ：熱源の１分間の移動距離）よりも小さくなる場合には、炉体２２の内部に冷熱源２６を配置してもよい。その場合、冷媒が酸素分子を含まないガスを用いることで、炉体２２の劣化を防止できる。

本発明の光ファイバー母材の製造方法および光ファイバー母材の製造装置によって、熱源のトラバース距離を長くした場合であってもまた該熱源のトラバース速度を速くした場合であっても、長手方向における屈折率の変動が少ない、光学特性に優れた光ファイバーを得ることができる。具体的には、本発明による光ファイバー母材から得られる光ファイバーは、屈折率の長手方向における変動が、石英との比屈折率差で１００ｋｍあたり±０．０１５％以下とすることができる。

本発明の光ファイバー母材の製造装置の一実施態様を概略的に示す図である。 （Ａ）は本発明における第一の位置を示す説明図、（Ｂ）は本発明における第一の位置および第二の位置を示す説明図である。 図１に示した製造装置を用いて光ファイバー母材を製造する方法を説明するフローチャートである。 冷却によって原料が受ける温度プロファイルをガラスパイプの長手方向にわたって均一にすることを概念的に説明する図である。 最高温度位置から冷却位置までの距離と、石英との比屈折率差との関係図である。 冷却の有無により変化する温度プロファイルを説明する図である。 冷却の有無によって屈折率が変動する結果を示す図である。 熱源としてプラズマバーナに代えて誘導炉を用いた例を示す説明図である。

符号の説明

２ 誘導炉
１１ 光ファイバー母材の製造装置
２１ コイル
２２ 炉体
２４ 断熱材
２５ グラファイト
１００ ガラス旋盤
１１０ ガラスパイプ
１１１ 熱源
１１２ 加熱制御装置
１１３ 熱源移動機構
１１４，２６ 冷熱源
１１５ 冷却制御装置
１１６ 冷熱源移動機構
１１７ 移動機構制御装置
１１８，１１９ ダミーパイプ
１２０ 加熱温度センサ
１２１ 冷却温度センサ
１２２ 冷媒噴射ノズル
２３１，２３２ 温度計
Ｃ 冷却位置
Ｈ 加熱位置
Ｌ１ 第一の距離
Ｌ２ 第二の距離
Ｌ３ 第三の距離

Claims (17)

1. 軸回転させたガラスパイプの一方端側から他方端側に向けてガラス原料含有ガスを流動させつつ当該ガラス原料含有ガス流の上流側から下流側に加熱位置が移動するように前記ガラスパイプを加熱して前記ガラスパイプの内面にガラス膜を堆積する工程を複数回行う光ファイバー母材の製造方法であって、
   前記堆積する工程の少なくとも一部において、前記加熱位置から前記ガス流の上流側に冷却位置を設けておき、前記ガラスパイプの温度プロファイルがほぼ一定形状を保ったまま前記ガス流の上流側から下流側に移動するよう、前記ガラスパイプを冷却することを特徴とする光ファイバー母材の製造方法。
2. 前記堆積する工程において、
   前記加熱位置が前記ガラスパイプの前記一方端から前記ガス流の下流側に第一の距離離れた位置までの領域においては、前記ガラスパイプを冷却せず、かつ前記加熱位置を低速で移動させ、
   前記加熱位置が前記領域を通過後は、前記ガラスパイプを冷却し、かつ前記加熱位置を高速で移動させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー母材の製造方法。
3. 前記堆積する工程において、
   前記加熱位置から前記ガス流の上流側に第二の距離離れた点の前記ガラスパイプの温度を検出し、この値が第一の設定温度になるように前記ガラスパイプを加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバー母材の製造方法。
4. 前記堆積する工程において、
   前記冷却位置から第三の距離離れた点の前記ガラスパイプの温度を検出し、この値が第二の設定温度になるように前記ガラスパイプを冷却することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光ファイバー母材の製造方法。
5. 前記堆積する工程において、
   前記第三の距離離れた点は、前記冷却位置より前記ガス流の上流側の点であることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバー母材の製造方法。
6. 前記ガラスパイプの加熱は、熱平衡プラズマによる加熱であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の光ファイバー母材の製造方法。
7. 前記ガラスパイプの加熱は、誘導炉による加熱であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の光ファイバー母材の製造方法。
8. 前記冷却位置は、前記ガラスパイプの最高温度位置から、前記ガス流の上流側に、
   （１／６）×Ｖ〜（３／２）×Ｖ（Ｖ：熱源の１分間の移動距離）だけ離れた位置であることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の光ファイバー母材の製造方法。
9. 当該冷却は冷媒噴射により行われ、当該冷媒は不燃性でかつ水素を含有しない分子構造を持つ気体または液体であることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の光ファイバー母材の製造方法。
10. 請求項１〜９の何れかに記載の光ファイバー母材の製造方法により得られた光ファイバーであって、
    屈折率の長手方向における変動が、石英との比屈折率差で±０．０１５％／１００ｋｍ以下であることを特徴とする光ファイバー。
11. 軸回転させたガラスパイプの一方端側から他方端側に向けてガラス原料含有ガスを流動させつつ、当該ガラス原料含有ガス流の上流側から下流側に加熱位置が移動するように前記ガラスパイプを加熱する工程を複数回行うことで、前記ガラスパイプの内面にガラス膜を堆積する光ファイバー母材の製造装置であって、
    前記ガラスパイプを加熱する熱源と、
    前記熱源の出力を制御する加熱制御装置と、
    前記熱源を前記ガラスパイプに沿って移動させる熱源移動機構と、
    前記加熱位置から、前記ガス流の上流側を冷却する冷熱源と、
    前記冷熱源の出力を制御する冷却制御装置と、
    前記冷熱源を前記ガラスパイプに沿って移動させる冷熱源移動機構と、
    前記熱源移動機構および前記冷熱源移動機構を制御する移動機構制御装置と、
    を備える、
    ことを特徴とする光ファイバー母材の製造装置。
12. 前記熱源から前記ガス流の上流側に第二の距離離れた点の前記ガラスパイプの温度を最高温度として検出する加熱温度センサをさらに備え、
    前記加熱制御装置は、前記加熱温度センサでの検出値を取得して前記熱源の出力を制御することを特徴とする請求項１１に記載の光ファイバー母材の製造装置。
13. 前記冷熱源から第三の距離離れた点の前記ガラスパイプの温度を検出する冷却温度センサをさらに備え、
    前記冷却制御装置は、前記冷却温度センサからの検出値を取得して前記冷熱源の出力を制御することを特徴とする請求項１１または１２に記載の光ファイバー母材の製造装置。
14. 前記冷却温度センサは、前記冷熱源から、前記ガス流の上流側に第三の距離離れた点の前記ガラスパイプの温度を検出することを特徴とする請求項１３に記載の光ファイバー母材の製造装置。
15. 前記熱源は、プラズマバーナまたは誘導炉であることを特徴とする請求項１１〜１４の何れかに記載の光ファイバー母材の製造装置。
16. 前記冷熱源は、前記ガラスパイプの最高温度位置から、前記ガス流の上流側に、
    （１／６）×Ｖ〜（３／２）×Ｖ（Ｖ：熱源の１分間あたりの移動距離）だけ離れた位置に設けられることを特徴とする請求項１１〜１５の何れかに記載の光ファイバー母材の製造装置。
17. 前記冷熱源は冷媒噴射ノズルを備え、当該冷媒は不燃性でかつ水素を含有しない分子構造を持つ気体または液体であることを特徴とする請求項１１〜１６の何れかに記載の光ファイバー母材の製造装置。
    
    

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