JP2008266032A - 光ファイバ用ガラス母材の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ用ガラス母材を長手方向にわたり均一に製造することができ、低コストで光ファイバを提供できる母材の製造装置の提供。
【解決手段】コア用とクラッド用の独立した反応容器をもつチャンバと、コア用反応容器に挿入されたコアバーナと、クラッド用反応容器に挿入されたクラッドバーナとを有し、ガラス原料ガスを複数のバーナに供給し、火炎中で生成したガラス微粒子をターゲットに堆積させ石英ガラス多孔質体を作製する光ファイバ用ガラス母材の製造装置において、コアバーナを取り囲むようにコア用反応容器に吸気口が設けられていることを特徴とする光ファイバ用ガラス母材の製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材の製造装置及び光ファイバ用ガラス母材の製造方法に関し、特にスート割れや気泡などの不良を低減し、より均質な光ファイバ用ガラス母材を作製するための製造装置及び製造方法に関する。

光ファイバ用ガラス母材の製造には、ＶＡＤ法やＯＶＤ法等のスート法で作製された石英ガラス多孔質体を焼結ガラス化する方法が一般に用いられている。この石英ガラス多孔質体は、ＳｉＣｌ_４やＧｅＣｌ_４などのガラス原料ガスを、酸水素火炎を形成するバーナに供給し、ガラス微粒子を生成させ、生成したガラス微粒子を、バーナと対向した位置に設けた回転するターゲットに堆積させることによって製造する。光ファイバ用ガラス母材の歩留まりを高めるためには、この石英ガラス多孔質体の作製における、バーナから出る火炎の安定性が重要となる。特に、コア部を作製するコアバーナの火炎の安定化は、得られる光ファイバの伝送特性に大きく影響するため、コアバーナ周辺のガス流の流れを乱さないようにすることが必要である。

従来、石英ガラス多孔質体の製造における製造装置の改良に関して、例えば、特許文献１〜３に開示された技術が提案されている。
特許文献１には、反応容器内において、コアバーナの周りにコアパーティションを設置し、反応容器内のガス流の影響を受けないようにすることで、得られる光ファイバの伝送特性を安定させることが開示されている。
特許文献２には、バーナと反応容器の壁との間の隙間の断面積をある範囲に設定し、その空隙から清浄空気を送ることで火炎が安定し、かつ泡などの低減も可能となることが開示されている。
特許文献３には、バーナを挿入する穴から入り込む異物を低減するために、反応容器外部を陽圧にして、反応容器外部の空間を清浄雰囲気とすることで、泡の低減が可能であることが開示されている。
特開２００２−３２６８３３号公報 特開平７−３００３３２号公報 特許第２５５７６５１号公報

コアバーナの火炎を安定させるためには、クラッドバーナの火炎によるガス流の変動、反応容器外部から供給される清浄空気の流れなどの影響を抑える必要がある。
そのため、特許文献１に開示されたような整流作用のある障壁（コアパーティション）を設ける場合がある。この方法を用いることで、コアパーティション火炎を安定化するための一定の効果は得ることができる。しかし、この方法の場合、コアパーティションのコアバーナ側開口部が広いため、コアパーティション内の流れに吹き溜まりが発生しやすい。反応容器内で吹き溜まりが存在した場合、石英ガラス多孔質体に付着しない浮遊スート微粒子が、バーナ先端や反応容器内壁に付着する恐れがある。バーナ先端へのスート微粒子の付着は、火炎の乱れの原因となる。
また反応容器内への吸気は、水平ガス流および下降ガス流で行うため、コアパーティション内への直接的な清浄空気がなく、浮遊微粒子が効率よく排出されない。バーナ先端や反応容器内壁に付着したスート微粒子が飛散した場合、石英ガラス多孔質体に付着する恐れがあり、スート割れや気泡の原因にもなる。コアバーナの火炎が安定しない結果として長手方向の特性が安定しない、ガラス微粒子の堆積効率が低下する、石英ガラス多孔質体が割れる、スートの再付着による泡の残留などの影響が出てしまう場合があった。

またＶＡＤ法では、ターゲットを１方向に回転させながら石英ガラス多孔質体を作製する。そのため図２に示すように、コア用反応装置１において、ターゲットの回転方向とコアバーナ３火炎の方向が一致する側と、ターゲットの回転方向とコアバーナ３火炎の方向が逆になる側では、コアバーナ３周辺のガス流の流れ方が異なる。そのためコアスート近傍に局所的なガス流が滞留する場所が発生する場合がある。そのため浮遊石英ガラス微粒子が、石英ガラス多孔質体５に付着する恐れがあり、泡の原因となる場合があった。

また特許文献２及び特許文献３では、バーナと反応容器の壁面の隙間から吸気口を設けているため、バーナ周辺の流れの安定化が可能である。しかし、この方法では、コア作製用とクラッド作製用の反応容器が同一であるため、石英ガラス多孔質体が成長した場合、反応容器内の圧力変動が起こり、ガス流の変化が発生してしまう。そのため、コアバーナの火炎の向きが、石英ガラス多孔質体の作製開始から終了までの間に変化してしまい、コアスート表面の温度が変化する恐れがある。そのため、長手方向の特性が不安定になる可能性がある。
さらに特許文献２及び特許文献３では、石英ガラス多孔質体の成長に伴う影響が考慮されていないため、石英ガラス多孔質体が大型化した場合や、複雑な屈折率分布を有する母材を作製するため、コアバーナの火炎を小さくした場合、特性を安定させるためには不十分である。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、光ファイバ用ガラス母材を長手方向にわたり均一に製造することができ、低コストで光ファイバを提供できる母材の製造装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、コア用とクラッド用の独立した反応容器をもつチャンバと、コア用反応容器に挿入されたコアバーナと、クラッド用反応容器に挿入されたクラッドバーナとを有し、ガラス原料ガスを複数のバーナに供給し、火炎中で生成したガラス微粒子をターゲットに堆積させ石英ガラス多孔質体を作製する光ファイバ用ガラス母材の製造装置において、コアバーナを取り囲むようにコア用反応容器に吸気口が設けられていることを特徴とする光ファイバ用ガラス母材の製造装置を提供する。

本発明の光ファイバ用ガラス母材の製造装置において、コア用反応容器に設けられた吸気口の形状が、スリット状もしくは円状であることが好ましい。

本発明の光ファイバ用ガラス母材の製造装置において、バーナの径をＷ、バーナ側面にある吸気口の間隔をａ、それに対向する吸気口の間隔をｂとした場合、０．０２Ｗ≦ａ≦０．１５Ｗ、０．０２Ｗ≦ｂ≦０．１５Ｗの関係を有することが好ましい。

本発明の光ファイバ用ガラス母材の製造装置において、バーナ側面にある吸気口の間隔をａ、それに対向する吸気口の間隔をｂとした場合、１．１≦ａ／ｂ≦２．０の関係を有することが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る光ファイバ用ガラス母材の製造装置を用い、ガラス原料ガスをコアバーナ及びクラッドバーナに供給し、火炎中で生成したガラス微粒子をターゲットに堆積させ石英ガラス多孔質体を作製した後、これを焼結ガラス化し、光ファイバ用ガラス母材を製造することを特徴とする光ファイバ用ガラス母材の製造方法を提供する。

本発明の光ファイバ用ガラス母材の製造装置は、コア用反応容器を独立に設けることで、クラッドバーナの火炎の影響や、クラッド用反応容器に供給される清浄空気の流れの影響を受けにくくすることができる。またコア用反応容器が独立することで、コア用反応容器にも清浄空気を供給することが可能になる。この清浄空気は、コアバーナの外周部に設けられた吸気口から流入するため、コア用反応容器内には、吹き溜まりの箇所がなくなり、効率的に浮遊スート微粒子を排出することができる。また吸気口がバーナ外周部に設けられているため、バーナ先端へのスート付着を抑制することが可能となる。従って、本発明の光ファイバ用ガラス母材の製造装置によれば、光ファイバ用ガラス母材を長手方向にわたり均一に製造することができる。また、コア周辺のガス流を安定化でき、浮遊微粒子の再付着が抑制され、スート割れや泡の発生を低減することができる。

また本発明の光ファイバ用ガラス母材の製造方法によれば、前記製造装置を用いて石英ガラス多孔質体を作製するので、高品質の光ファイバ用ガラス母材を歩留まり良く安価に製造することができ、低コストの光ファイバを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の光ファイバ用ガラス母材の製造装置の一例として、ＶＡＤ法によって石英ガラス多孔質体を製造する装置を示す構成図である。また図３は、コア用反応容器側面６に設けた吸気口７の第１例を示す側面図である。
この製造装置は、コア用反応容器１とクラッド用反応容器２とがそれぞれ独立して連設されたチャンバと、コア用反応容器１に挿入されたコアバーナ３と、クラッド用反応容器２に挿入されたクラッドバーナ４とを有し、ガラス原料ガスを複数のバーナ３，４に供給し、火炎中で生成したガラス微粒子をターゲットに堆積させ石英ガラス多孔質体５を製造する装置であり、図３に示すように、コアバーナ３を取り囲むようにコア用反応容器側面６に吸気口７が設けられたことを特徴としている。

図３に示す例示において、この吸気口７は、コア用反応容器側面６に穿設された四角形（角形）をなすコアバーナ挿入口８を拡大することによって設けられ、吸気口７の外形は角形をなしている。コアバーナ挿入口８にコアバーナ３を挿入した状態で、バーナ径Ｗのコアバーナ３と吸気口７との間には、一定の間隔ａ，ｂが形成されるようになっている。本発明の光ファイバ用ガラス母材の製造装置において、吸気口７の形状は特に限定されないが、スリット状もしくは円状とするのが好ましい。

この製造装置において、コア用反応容器１をクラッド用反応容器２と独立して設けたことで、クラッドバーナ４の火炎の影響や、クラッド用反応容器２に供給される清浄空気の流れの影響を受けにくくなる。またコア用反応容器２が独立していることで、コア用反応容器１にも清浄空気を供給することが可能になる。この清浄空気は、コアバーナ３の外周部に設けられたスリット状の吸気口７から流入するため、コア用反応容器１内は、吹き溜まりの箇所がなく、効率的に浮遊スート微粒子を排出することができる。また吸気口７がコアバーナ３外周部に設けられているため、コアバーナ３先端へのスート付着を抑制することが可能となる。

この製造装置において、吸気口７は、図３に示すように、バーナの径をＷ、バーナ側面にある吸気口の間隔をａ、それに対向する吸気口の間隔をｂとした場合、０．０２≦ａ≦０．１５Ｗ、及び０．０２≦ｂ≦０．１５Ｗの関係を満たしていることが望ましい。０．０２＞ａまたは０．０２＞ｂの場合は、吸気口の断面積が小さいため、吸気量が少なくなり効果が得られないので望ましくない。またａ＞０．１５Ｗまたはｂ＞０．１５Ｗの場合は、吸気量が多くなるため、コアバーナ３の火炎が乱れやすい問題が発生してしまう。なお、ここで言うＷは、多重管バーナなどのバーナ断面が円筒状のバーナの場合は、最外層の外径を示し、角型バーナなどのバーナ断面が長方形形状の場合は、最外層の短い方の外径を示す。

また、石英ガラス多孔質体５のうちコア部となる部分（以下、コアスートと記す。）周辺のガス流の向きが、回転軸に対して、順方向から逆方向と異なることの対策として、コアバーナ３の外周部に設けられた吸気口７の幅のバランスを調整できる機構を設けることが好ましい。バーナ側面にある左右の吸気口７から供給される清浄空気の量に差を設けることで、コアスート付近のガス流をより整流化することができる。吸気口７の幅のバランスは、使用するガス流量や、バーナのサイズ、ターゲットの回転速度によって異なるため、適宜調整することが必要であるが、バーナ側面にある吸気口の間隔をａ、それに対向する吸気口の間隔をｂとした場合、１．１≦ａ／ｂ≦２．０の関係とすることが好ましい。１．１＞ａ／ｂの場合は、コアスート周辺のガス流のバランスを整える効果が低いため望ましくない。またａ／ｂ＞２．０の場合は、火炎の乱れが大きくなってしまい、スート割れなどの恐れがある。

図４は、コア用反応容器側面６に設けた吸気口７の第２例を示す側面図である。本例では、断面円形のコアバーナ３に適用させる場合を示しており、コア用反応容器側面６にコアバーナ挿入口８よりも大きな円形の吸気口７を設けている。コアバーナ挿入口８より直径Ｗのコアバーナ３を挿入口８に挿入した状態で、コアバーナ３の周囲に吸気口７が形成される。このようにバーナ及び吸気口７が円形の場合でも、前記第１例の吸気口７と同様の効果を得ることができる。

図５は、コア用反応容器側面６に設けた吸気口７の第３例を示す側面図である。本例では、図４の第２例と同じく断面円形のコアバーナ３に適用させる場合を示しているが、コア用反応容器側面６に円形のコアバーナ挿入口８を設け、その外周に近接して多数の円形の吸気口７を並べた構造になっている。この場合は、多数の円形の吸気口７の直径ａ，ｂを段階的に変化させてもよいし、コア用反応容器に対し垂直方向で分けた際に、左側をａ、右側をｂとして、左右の吸気口７の直径ａ，ｂを変えてもよい。このような構造としても、前記第１例及び第２例のスリット状の吸気口７と同様の効果を得ることができる。

図６は、コア用反応容器側面６に設けた吸気口７の第４例を示す側面図である。本例では、図３の第１例と同じく断面角形のコアバーナ３に適用させる場合を示しているが、コア用反応容器側面６に角形のコアバーナ挿入口８を設け、その外周に近接して多数の長方形の吸気口７を並べた構造になっている。この場合は、長方形の吸気口７の幅ａ，ｂを段階的に変化させてもよいし、コア用反応容器に対し垂直方向で分けた際に、左側をａ、右側をｂとして、左右の吸気口７の直径ａ，ｂを変えてもよい。このような構造としても、前記第１例及び第２例のスリット状の吸気口７と同様の効果を得ることができる。

以下、実施例により本発明の効果を実証する。
なお母材中に存在する泡などの欠陥による影響は、次式の断線頻度で評価する。断線頻度が、１回／３００ｋｍ以下であれば、良好と判断できる。
断線頻度＝断線回数（回）／１母材の紡糸長（ｋｍ）

（実施例１〜６）
図１に示すＶＡＤ装置を用いて、石英ガラス多孔質体を作製した。その際、コアバーナに、ＳｉＣｌ_４流量：０．２５ＬＭ、ＧｅＣｌ_４流量：０．０１ＳＬＭ、水素ガス流量：１０ＳＬＭ、酸素ガス流量：２０ＳＬＭ、シールガスとしてアルゴンガスを１ＳＬＭ導入した。クラッドバーナは計３本用い、各バーナにはＳｉＣｌ_４流量：０．５〜１０ＳＬＭ、水素ガス流量：１０〜７０ＳＬＭ、酸素ガス流量：１５〜４０ＳＬＭ、シールガスとしてアルゴンガスを１〜３ＳＬＭ導入した。最終的に、φ２７０ｍｍ×１５００ｍｍの石英ガラス多孔質体を得た。この際使用したコアバーナの形状と吸気口のサイズは、表１に示したものを使用した。得られた石英ガラス多孔質体を焼結ガラス化し、φ１１０ｍｍ×８００ｍｍの光ファイバ用ガラス母材を得た。

（比較例１〜７）
使用したコアバーナの形状と吸気口のサイズを表１に示したものに変更したこと以外は、実施例１と同様の方法で、光ファイバ用ガラス母材を作製した。

（比較結果）
本発明に係る実施例１〜６は、表２に示すように、得られた光ファイバ用ガラス母材中の泡などの欠陥数を測定した結果、欠陥は０〜２個と非常に少なく、良好であった。この光ファイバ用ガラス母材をφ３０ｍｍに延伸後、屈折率分布を測定した。図７に示した△１について、長手方向の変動は、０．３５±０．０１％〜０．３５±０．０５％と安定していた。また脈理などの不均一部分も無いことを確認した。屈折率プロファイルから予想される特性歩留まりは、９０〜９３％と良好であった。延伸後の母材に所定量のクラッドを外付けし、紡糸を実施した。その際の断線頻度は、０．５〜０．８回／３００ｋｍと良好であった。

一方、比較例１〜７は、表２に示すように、得られた光ファイバ用ガラス母材中の泡などの欠陥数を測定した結果、欠陥は４〜１０個であった。図７に示した△１について、長手方向の変動は、０．３５±０．１５〜０．３５±０．２３％とばらつきが発生した。なお脈理などの不均一部分は無いことを確認した。屈折率プロファイルから予想される特性歩留まりは、７１〜７８％と低下した。延伸後の母材に所定量のクラッドを外付けし、紡糸を実施した。その際の断線頻度は、１．７〜２．３回／３００ｋｍと増加した。

本発明の光ファイバ用ガラス母材の製造装置の一例を示す構成図である。 コアバーナ火炎の方向と石英ガラス多孔質体の回転方向との関係を示す要部平面図である。 コア用反応容器の側面に設けた吸気口の第１例を示す側面図である。 コア用反応容器の側面に設けた吸気口の第２例を示す側面図である。 コア用反応容器の側面に設けた吸気口の第３例を示す側面図である。 コア用反応容器の側面に設けた吸気口の第４例を示す側面図である。 実施例で製造した光ファイバ用ガラス母材の径方向の屈折率分布を示す模式図である。

符号の説明

１…コア用反応容器、２…クラッド用反応容器、３…コアバーナ、４…クラッドバーナ、５…石英ガラス多孔質体、６…コア用反応容器側面、７…吸気口、８…コアバーナ挿入口。

Claims (5)

1. コア用とクラッド用の独立した反応容器をもつチャンバと、コア用反応容器に挿入されたコアバーナと、クラッド用反応容器に挿入されたクラッドバーナとを有し、ガラス原料ガスを複数のバーナに供給し、火炎中で生成したガラス微粒子をターゲットに堆積させ石英ガラス多孔質体を作製する光ファイバ用ガラス母材の製造装置において、
   コアバーナを取り囲むようにコア用反応容器に吸気口が設けられていることを特徴とする光ファイバ用ガラス母材の製造装置。
2. コア用反応容器に設けられた吸気口の形状が、スリット状もしくは円状であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ用ガラス母材の製造装置。
3. バーナの径をＷ、バーナ側面にある吸気口の間隔をａ、それに対向する吸気口の間隔をｂとした場合、０．０２Ｗ≦ａ≦０．１５Ｗ、０．０２Ｗ≦ｂ≦０．１５Ｗの関係を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ用ガラス母材の製造装置。
4. バーナ側面にある吸気口の間隔をａ、それに対向する吸気口の間隔をｂとした場合、１．１≦ａ／ｂ≦２．０の関係を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバ用ガラス母材の製造装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバ用ガラス母材の製造装置を用い、ガラス原料ガスをコアバーナ及びクラッドバーナに供給し、火炎中で生成したガラス微粒子をターゲットに堆積させ石英ガラス多孔質体を作製した後、これを焼結ガラス化し、光ファイバ用ガラス母材を製造することを特徴とする光ファイバ用ガラス母材の製造方法。

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