JP2017226569A - 光ファイバ母材の製造方法、及びガラス微粒子堆積体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中心部のGeO2モル濃度を高めても、製品にすることができる部分をなるべく多く確保可能な光ファイバ母材の製造方法を提供する。【解決手段】バーナにガラス原料とガラスの屈折率を高めるゲルマニウム原料とを供給して加水分解反応により生成した二酸化ケイ素と二酸化ゲルマニウムとからなるガラス微粒子を、軸を中心として回転しながら引き上げる出発材に噴きつけて、軸方向に成長させることによりガラス微粒子堆積体を製造し、当該ガラス微粒子堆積体を成長末端部から焼結装置内を通過させて加熱処理を行うことにより透明なガラス母材を製造する方法であって、ガラス微粒子堆積体の成長終盤の少なくとも10mmの長さの部分の製造中は、バーナへのゲルマニウム原料の供給量を、定常時の供給量より少なくとも70%減らす。【選択図】図５

Description

本発明は、屈折率を高めるためのドーパント濃度が高く、長手方向に品質が安定した光ファイバ母材の製造方法、及びガラス微粒子堆積体の製造方法に関する。

光ファイバにおいては所望の光学特性を得るために、光が伝搬する中心領域（コア）とその外周（クラッド）とで屈折率に差を設けたり、コアの屈折率分布に形状を持たせたりしている。特に、イメージガイドに使用する用途では、コアとクラッドの比屈折率差Δを2%程度以上に大きくし、屈折率分布をアルファ型（ｙ＝ｘ^αでフィッティングできる形状）の形状にすることが求められる。

コアとクラッドとの比屈折率差Δを設けるために、コアガラスにドーパントを添加する。
一般的にはSiO₂のガラスにGeO₂を添加する。SiO₂ガラス中のGeO₂モル濃度を15mol%程度に高めることで、Δを2%程度以上に高めることができることが知られている。

光ファイバ母材製造方法のひとつであるＶＡＤ法（例えば特許文献１、２参照）では図１に示すように、軸を中心として回転している棒状の出発材１に、ガラス微粒子をバーナ３から噴きつけて堆積させ、出発材１を引き上げながら軸方向に成長させて、円柱状のガラス微粒子堆積体であるスート体２を製造する。バーナ３としては、例えば円管を同心円状に配置した多重管のバーナを使用し、管で仕切られたそれぞれの領域に酸素と水素を供給して燃焼させ、酸水素火炎を形成する。この酸水素火炎中にSiCl₄などのガラス原料と、屈折率を上昇させるためのドーパント源としてGeCl₄などを供給し、加水分解反応によってSiO₂の微粒子とGeO₂などの微粒子とからなるガラス微粒子を生成して、出発材１に噴きつけ堆積させる。

GeO₂微粒子を含むガラス微粒子を出発材１に堆積させる際に、バーナ３から噴出させるGeO₂微粒子の濃度の分布を、バーナ火炎軸の中心に近づくほど高くなるように設定すると、スート体２のGeO₂ドープ量を中心に近づくほど高くすることができる。

製造されたスート体２を、成長末端部から焼結装置内を通過させ、加熱処理を行うことにより、透明な光ファイバ用ガラス母材が得られる。このガラス母材の半径方向の屈折率分布をプリフォームアナライザにより測定し、所望の屈折率分布になっていることを確認した上で、所望の出荷外径に延伸加工して製品とする。

特開平１−２３９０３３号公報 特開平２−２６８４９号公報

図２は、スート体２を引き上げつつ、バーナ３から噴出させたガラス微粒子３ａをスート体２に堆積させている様子を示す模式図である。このとき、スート体２の底面は下に凸の放物線形状となっている。ＶＡＤ法のように、回転しながら引き上げられる出発材にガラス微粒子を堆積させるスート体の製造方法では、１回転中に堆積するガラス微粒子がひとつの層を形成し、出発材の引き上げに従い、この層がスート体２の長手方向に重畳されていく。

このように製造されたスート体２を、成長末端部から焼結装置に挿入して焼結して得られるガラス母材４内には、出発体の回転周期に応じ、脈理と呼ばれる放物線形状の成長縞が周期的に形成される。脈理が形成されているガラス母材内には周期的な屈折率の変化が生じている。脈理は、１回転中の堆積部の温度変化などにより、屈折率の制御のために添加しているドーパントの濃度や嵩密度が変動することで生じると考えられている。

ここで、光ファイバの開口数(NA)を大きくするために、中心部のGeO₂モル濃度を例えば20mol%以上に高めて、コア中心のΔを2.5〜3%にしたガラス母材４を製造した場合を考える。

このように製造したガラス母材４においては、図３に示すように、上端５側にスート体堆積時の堆積成長縞に相当する下に凸の放物線形状の脈理７が濃度薄く形成される。図４は、この部分の屈折率分布を測定した結果であり、ガラス母材４の中心に多くのGeO₂がドープされ、中心の比屈折率差が高くなっていることが確認できる。すなわち、脈理が薄い部分については屈折率分布の測定が可能であり、製品とすることができる。

一方、ガラス母材４の長手方向のある位置から、スート体の成長末端部に相当する下端６側においては、放物線形状が反転し、上に凸形状の脈理８が濃度濃く形成される。このように脈理が濃い部分については、プリフォームアナライザによる測定の際に測定用のレーザ光がガラス内部で散乱してしまい、屈折率分布を正しく測定することができない。そのため、当該部分については製品とすることができない。

本発明の目的は、中心部のGeO₂モル濃度を高めたガラス母材を製造しても、製品にすることができる部分をなるべく多く確保可能な光ファイバ母材の製造方法、及びガラス微粒子堆積体の製造方法を提供することにある。

本発明の光ファイバ母材の製造方法は、バーナにガラス原料とガラスの屈折率を高めるゲルマニウム原料とを供給して加水分解反応により生成した二酸化ケイ素と二酸化ゲルマニウムとからなるガラス微粒子を、軸を中心として回転しながら引き上げる出発材に噴きつけて、軸方向に成長させることによりガラス微粒子堆積体を製造し、当該ガラス微粒子堆積体を成長末端部から焼結装置内を通過させて加熱処理を行うことにより透明なガラス母材を製造する方法であって、ガラス微粒子堆積体の成長終盤の少なくとも10mm、より望ましくは30mmの長さの部分の製造中は、バーナへのゲルマニウム原料の供給量を定常時の供給量より少なくとも70%減らすことを特徴とする。

これにより、中心部のGeO₂モル濃度を高めたガラス母材を製造しても、屈折率分布の測定ができない濃い脈理が発生する部分を減らすことができ、製品の歩留まりを向上することができる。また、高価なGeCl₄の使用量を減らすことができるため、製造コストの低減を図ることができる。更に、スート体の成長終盤におけるGeO₂のドープ量が少ないことで、ガラス母材の成長終了端と当該ガラス母材を延伸・細径化するための石英ダミー棒との接続が容易になるため、加工歩留まりの向上にも寄与する。なお、屈折率分布の測定不能の問題は、ガラス微粒子堆積体の中心部のGeO₂モル濃度が20mol%以上の場合に顕著に生じるため、本発明の製造方法はこのような場合に特に有効である。

ＶＡＤ法によるスート体の製造方法の概略を示す模式図である。 バーナからスート体にガラス微粒子を堆積させる様子を示す模式図である。 ガラス母材に形成された脈理の様子を示す模式図である。 脈理が薄い部分の屈折率分布の一例を示した図である。 引上げ長さとGeCl₄のバーナへの供給量との関係を示す図である。 GeCl₄のバーナへの供給量を減少させた長さと脈理の発生濃度が高い領域の質量との関係を示す図である。

中心部のGeO₂モル濃度を高めて製造したガラス母材において、図３に示すように、長手方向の上端側においては下に凸の放物線形状の脈理が濃度薄く形成される一方、長手方向のある位置から下端側においては放物線形状が反転し、上に凸の放物線形状の脈理が濃度濃く形成される理由は、次のように推測される。

中心部にGeO₂がドープされたスート体を加熱・焼結した際、一般にGeO₂のドープ量が多いほどガラスの融点が低くなり、相対的に溶けやすくなる。中心部のGeO₂のドープ量を多くしたスート体を焼結する場合、略円筒形のヒータの内側へのスート体の引下げが始まる前の昇温過程においても、ヒータ近傍のスート体の下端は熱せられ、融点の低い中心から先に溶融して収縮を始めてしまう。そのため、スート体堆積時の堆積成長縞に相当する脈理が、本来の下に凸ではなく上に凸の放物線形状となり、かつ、ドーパントによる屈折率の濃淡だけでなく残留歪などによる屈折率の濃淡も加味されて濃い脈理となる。上に凸の放物線形状の脈理は、加熱処理中にガラス母材の上方に向かって伝搬していくが、焼結をスート体上部に進めていくにつれ、脈理の形状は本来の堆積成長縞の形状に相当する下に凸の放物線形状に推移していく。

そこで、スート体を製造する際にドーパント源であるGeCl₄を、スート体の成長終盤の少なくとも10mm、より望ましくは30mmの長さの部分の製造中は、定常時の供給量より少なくとも70%減少させた量をバーナに供給するようにする。図５は、出発材（スート体）の引上げ全長をＸとし、バーナへのGeCl₄の定常時の供給量を100%としたときの、スート体成長過程における引上げ長さとGeCl₄供給量との関係を示した図である。

このように、スート体の成長末端部である下端から少なくとも10mm（30mm）の長さの部分について、GeCl₄の供給量を減少させGeO₂のドープ量を減少させてスート体を製造することで、当該部分のガラスの融点を高めることができる。これにより、ヒータ近傍にセットされるスート体下端における溶融・収縮の発生を抑制することができ、当該スート体を下端から焼結装置に挿入し焼結して得られるガラス母材の下部において生じる脈理の濃度を薄くすることができる。そのため、屈折率分布の測定が可能な部分を広げることができ、製品の歩留まりを向上することができる。また、高価なGeCl₄の使用量を減らすことができるため、製造コストの低減を図ることができる。更に、スート体の成長終盤のGeO₂のドープ量が少ないことで、ガラス母材の下端と当該ガラス母材を延伸・細径化するための石英ダミー棒との接続が容易になるため、加工歩留まりの向上にも寄与する。

なお、屈折率分布の測定不能の問題は、ガラス微粒子堆積体の中心部のGeO₂モル濃度が20mol%以上の場合に顕著に生じるため、本発明の製造方法はこのような場合に特に有効である。

本発明の光ファイバ母材の製造方法に係る上記の実施形態はあくまで例示であり、本発明において表現されている技術的思想の範囲内で適宜変更が可能である。そして、その様な変更又は改良を加えた形態も当然に本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、スート体の製造時はスート体が相対的に引き上げられればよいため、バーナを固定して出発材を引き上げてもよいし、出発材を固定してバーナを引き下げてもよい。また、スート体を焼結装置内を通過させる際にはスート体が相対的に引き下げられればよいため、焼結装置を固定してスート体を引き下げてもよいし、スート体を固定して焼結装置を引き上げてもよい。更に、スート体はゲルマニウムのドープ量を減らした成長末端部から焼結装置に挿入されればよいため、必ずしも引き下げられる必要はなく、引き上げて通過させてもよいし、横に移動させて通過させてもよい。

＜比較例＞
光ファイバ母材に求めるスペックを中心Δ2.7〜2.9%、α値2.2〜2.8として、次の条件で製造をおこなった。４重管バーナの中心管にそれぞれ気体状態の、2.7 g/minのSiCl₄と、1.0 g/minのGeCl₄と、0.2 L/minの酸素と、を供給し、その外側の領域に7.3 L/minの水素、さらに外側の領域に1.7 L/minのアルゴン、最外の領域に15 L/minの酸素を供給してガラス微粒子を生成した。これを回転しながら引き上げられる出発材に噴きつけて堆積・成長させ、引上長を600mmとしてスート体の製造を行った。

製造したスート体を焼結炉心管内に吊るしてヒータを1430℃に昇温後、引下げを開始しヒータ内を通過させて加熱し、透明なガラス母材を製造した。このとき、炉心管内には20 L/minのヘリウムと0.1 L/minの一酸化炭素を供給した。

製造されたガラス母材の下端側には、脈理の発生濃度が高い領域が質量にして150g確認され、この部分はプリフォームアナライザによる屈折率分布が測定不能なため製品として使用できなかった。

＜実施例１＞
比較例と同様に４重管バーナを用いて同じガス条件でスート体の引上げ・成長を開始した。ただし、600 mmの引上げの終盤の10mmのみGeCl₄の供給量を1.0 g/minから0.3g/minに減少させてガラス微粒子の生成・堆積を行った。スート体の堆積終了後、比較例と同様に焼結炉で透明ガラス化処理を施した。

製造されたガラス母材の下端側には、脈理の発生濃度が高い領域が質量にして142g確認され、比較例より減少した。

＜実施例２＞
比較例と同様に４重管バーナを用いて同じガス条件でスート体の引上げ・成長を開始した。実施例１と同様に、600mmの引上げの終盤にGeCl₄の供給量を1.0 g/minから0.3g/minに減少させてガラス微粒子の生成・堆積を行った。このとき、終盤においてGeCl₄の供給量を下げる長さを30mm、50mm、70mmと変更した３種類のスート体の製造を行った。各スート体の堆積終了後、比較例と同様に焼結炉で透明ガラス化処理を施した。

製造されたガラス母材の下端側には、脈理の発生濃度が高い領域が質量にして、それぞれ128g、129g、123g確認され、それぞれ比較例及び実施例１より減少した。

図６は、バーナへのGeCl₄の供給量を減少させた長さ(mm)と脈理の発生濃度が高い領域の質量(g)との関係を表したグラフである。GeCl₄の供給量を減少させる区間を10mm以上、好ましくは30mm以上とすることで脈理の発生濃度が高い領域を少なくできることがわかる。

１ 出発材 ２ スート体 ３ バーナ ３ａ ガラス微粒子
４ ガラス母材 ５ 上端 ６ 下端 ７、８ 脈理

Claims (6)

1. バーナにガラス原料とガラスの屈折率を高めるゲルマニウム原料とを供給して加水分解反応により生成した二酸化ケイ素と二酸化ゲルマニウムとからなるガラス微粒子を、軸を中心として回転しながら引き上げる出発材に噴きつけて、前記軸方向に成長させることによりガラス微粒子堆積体を製造し、当該ガラス微粒子堆積体を成長末端部から焼結装置内を通過させて加熱処理を行うことにより透明なガラス母材を製造する光ファイバ母材の製造方法において、
   前記ガラス微粒子堆積体の成長終盤の少なくとも10mmの長さの部分の製造中は、前記バーナへの前記ゲルマニウム原料の供給量を、定常時の供給量より少なくとも70%減らす
   ことを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
2. 前記ガラス微粒子堆積体の成長終盤の少なくとも30mmの長さの部分の製造中は、前記バーナへの前記ゲルマニウム原料の供給量を、定常時の供給量より少なくとも70%減らすことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
3. 前記ガラス微粒子堆積体の中心部の二酸化ゲルマニウムのモル濃度は20mol%以上であ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母材の製造方法。
4. バーナにガラス原料とガラスの屈折率を高めるゲルマニウム原料とを供給して加水分解反応により生成した二酸化ケイ素と二酸化ゲルマニウムとからなるガラス微粒子を、軸を中心として回転しながら引き上げる出発材に噴きつけて、前記軸方向に成長させることによりガラス微粒子堆積体を製造するガラス微粒子堆積体の製造方法において、
   前記ガラス微粒子堆積体の成長終盤の少なくとも10mmの長さの部分の製造中は、前記バーナへの前記ゲルマニウム原料の供給量を、定常時の供給量より少なくとも70%減らす
   ことを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
5. 前記ガラス微粒子堆積体の成長終盤の少なくとも30mmの長さの部分の製造中は、前記バーナへの前記ゲルマニウム原料の供給量を、定常時の供給量より少なくとも70%減らすことを特徴とする請求項４に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
6. 前記ガラス微粒子堆積体の中心部の二酸化ゲルマニウムのモル濃度は20mol%以上であることを特徴とする請求項４又は５に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。