JP2019073405A - 多孔質ガラス母材の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ用多孔質ガラス母材を製造する場合の材料効率を向上する。【解決手段】光ファイバ用多孔質ガラス母材を製造する製造装置であって、ガラス微粒子を垂下した種棒に付着させて光ファイバのコアに相当するコア相当部を形成するコア形成用バーナと、ガラス微粒子をコア相当部に付着させて光ファイバのクラッドに相当するクラッド相当部の一部を形成する第１のクラッド形成用バーナと、ガラス微粒子をクラッド相当部の最表面に付着させてクラッド相当部の他の一部を形成する第２のクラッド形成用バーナとを備え、第２のクラッド形成用バーナが噴射する火炎の中心軸が水平面に対して上向きになる傾斜を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、多孔質ガラス母材の製造装置および製造方法に関する。

複数の合成用バーナを用いて、光ファイバ用多孔質ガラス母材のコア相当部とクラッド相当部とを同時に形成するＶＡＤ法（Ｖａｐｏｒ−ｐｈａｓｅ Ａｘｉａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ：気相軸付け法）がある（特許文献１参照）。
特許文献１ 特許第５６９７１６５号公報

実機特許文献１に記載された方法による多孔質ガラス母材の製造では、水平に配置されたバーナにより形成された多孔質ガラス母材の一部に割れ等が生じて歩留りが低下する場合がある。

本発明の第１の態様においては、光ファイバ用多孔質ガラス母材を製造する製造装置であって、ガラス微粒子を垂下した種棒に付着させて光ファイバのコアに相当するコア相当部を形成するコア形成用バーナと、ガラス微粒子をコア相当部に付着させて光ファイバのクラッドに相当するクラッド相当部の一部を形成する第１のクラッド形成用バーナと、ガラス微粒子をクラッド相当部の最表面に付着させてクラッド相当部の他の一部を形成する第２のクラッド形成用バーナとを備え、第２のクラッド形成用バーナが噴射する火炎の中心軸が水平面に対して上向きになる傾斜を有する製造装置が提供される。

本発明の第２の態様においては、ガラス微粒子を垂下した種棒に付着させて光ファイバのコアに相当するコア相当部を形成し、ガラス微粒子をコア相当部に付着させて光ファイバのクラッドに相当するクラッド相当部の一部を形成し、ガラス微粒子をクラッド相当部の最表面に付着させてクラッド相当部の他の一部を形成して、光ファイバ用多孔質ガラス母材を製造する製造方法であって、多孔質ガラス母材の径が目標外径になる部分を形成する場合に、クラッド相当部の他の一部を形成するバーナが噴射する火炎の中心軸が水平面に対して上向きになるように当該バーナを傾斜させる製造方法が提供される。

上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

製造装置１０の模式図である。 外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θと付着率との関係を示すグラフである。 外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θと歩留りとの関係を示すグラフである。

次に、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。下記の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、ＶＡＤ法による光ファイバ用多孔質ガラス母材の製造装置１０の構造を示す模式図である。製造装置１０は、反応容器１１、把持部１２、コア形成用バーナ４１、内側クラッド形成用バーナ４２、および外側クラッド形成用バーナ４３を備える。

反応容器１１は、多孔質ガラス母材を製造する環境を包囲して、製造する多孔質ガラス母材の汚染を防止すると共に、製造の過程で発生するガラス微粒子等の飛散を防止する。また、多孔質ガラス母材の形成過程の雰囲気を形成する目的で、反応容器１１には吸入口１３および排出口１４が設けられる。

反応容器１１の吸入口１３からは、清浄な空気等が供給される。これにより、多孔質ガラス母材を製造する環境が清浄に保たれる。反応容器１１の排出口１４からは、供給された空気の一部と共に、合成されたものの多孔質ガラス母材に付着しなかったガラス微粒子が反応容器１１の外部に排出される。排出されたガラス微粒子は反応容器１１の外部で収集され、周辺環境への飛散が防止される。

把持部１２は、種棒２０の上端を把持して、種棒２０を反応容器１１の内部に垂下する。また、把持部１２は、種棒２０を垂下した状態で、垂直な回転軸の周りに回転し、且つ、種棒２０と共に昇降する。これにより、ガラス微粒子を付着させるターゲットとしての種棒２０を反応容器１１の内部に垂下すると共に、多孔質ガラス母材の成長と共に種棒２０を引き上げて、目標の長さを有する多孔質ガラス母材の形成を可能とする。

コア形成用バーナ４１、内側クラッド形成用バーナ４２、および外側クラッド形成用バーナ４３のそれぞれは、ガラス原料である四塩化ケイ素、オクタメチルシクロテトラシロキサン等のガスを酸水素炎等の火炎中に吹き込んでガラス微粒子を合成する。合成されたガラス微粒子は、把持部１２が垂下する種棒２０の周囲に付着して多孔質ガラス母材３０を形成する。形成された多孔質ガラス母材３０は、後工程において加熱炉で脱水および透明化されてガラス母材となる。

なお、多孔質ガラス母材３０には、光ファイバにおいてコア部となるコア相当部３１が含まれる。コア相当部３１は、種棒２０の先端にガラス微粒子を直接に付着させるコア形成用バーナ４１により形成される。コア形成用バーナ４１には、屈折率を上昇させるドーパントとなる酸化ゲルマニウムの原料として、四塩化ゲルマニウムを含む原料ガスが供給される。更に、コア形成用バーナ４１には、ガラス原料としての四塩化ケイ素、可燃性ガスとしての水素ガス、助燃性ガスとしての酸素ガス、シールガスとしての窒素ガス、アルゴンガス等が供給される。

また、多孔質ガラス母材３０には、光ファイバにおいてクラッド部となる内側クラッド相当部３２および外側クラッド相当部３３が含まれる。クラッド相当部全体の体積はコア相当部に比較すると著しく大きいので、クラッド相当部の形成には複数の合成用バーナを用いる場合がある。図示の例では、クラッド相当部においてコア相当部３１に隣接する内側クラッド相当部３２を形成する内側クラッド形成用バーナ４２と、クラッド相当部の表面に位置する外側クラッド相当部３３を形成する外側クラッド形成用バーナ４３とが設けられる。なお、クラッド形成用バーナの本数は２本とは限らないが、外側クラッド形成用バーナ４３は、外側クラッド相当部３３の最表面を形成するバーナを意味する。

内側クラッド形成用バーナ４２および外側クラッド形成用バーナ４３には、屈折率を変化させるドーパントを添加せずに、ガラス原料としての四塩化ケイ素、可燃性ガスとしての水素ガス、助燃性ガスとしての酸素ガス、シールガスとしてのアルゴンガス等を供給してもよい。また、クラッド部の屈折率を調整する目的で四塩化ゲルマニウムガス、四フッ化ケイ素ガス等を加えてもよい。

上記のような製造装置１０を用いて多孔質ガラス母材３０を製造する場合、コア形成用バーナ４１の設置条件は、形成するコア相当部３１の目標仕様等により決定される。また、内側クラッド相当部３２はコア相当部３１の表面に直接に形成するので、内側クラッド形成用バーナ４２の設置条件も、コア形成用バーナ４１等の設置条件に多くを依存する。

これに対して、外側クラッド形成用バーナ４３の設置条件については、特段の制限はないとされている。しかしながら、クラッド部の形成に複数のバーナを用いた場合に、バーナ相互で火炎の干渉が生じると、多孔質ガラス母材３０に対するガラス微粒子の付着率が低下する。ここで、ガラス微粒子の付着率とは、合成用バーナで生成されたガラス微粒子のうち、多孔質ガラス母材３０に付着したガラス微粒子の割合を意味する。

ガラス微粒子の付着率が低下した場合、材料歩留りが低下して材料コストが上昇する。また、多孔質ガラス母材３０に付着しなかったガラス微粒子は、反応容器１１の内面に堆積してスス塊を形成する場合がある。このようなガラス微粒子は、成長中の多孔質ガラス母材３０にとっては不純物となり、ガラス母材に泡が生じる等、品質低下に結びつく場合がある。

また、クラッド相当部の形成に複数の合成用バーナを用いた場合、形成中の多孔質ガラス母材３０に熱分布が形成される場合がある。多孔質ガラス母材は脆いので、製造中あるいは製造直後に熱応力が生じた場合は、割れや剥がれを生じて、多孔質ガラス母材３０の歩留りを低下させる。

多孔質ガラス母材３０の形成過程において、内側クラッド形成用バーナ４２の火炎と、外側クラッド形成用バーナ４３の火炎とが過剰に接近した場合は、２本のバーナの火炎が干渉を生じるものと推測される。また、内側クラッド形成用バーナ４２の火炎と、外側クラッド形成用バーナ４３の火炎とが過剰に離れた場合は、多孔質ガラス母材３０の表面に温度分布が形成され、多孔質ガラス母材３０に熱応力が生じるものと推測される。そこで、外側クラッド形成用バーナ４３の中心線Ｔが、水平面Ｈに対してなす傾きθを変更することにより、外側クラッド形成用バーナ４３の火炎が多孔質ガラス母材３０の表面に当たる位置を変化させて、形成される多孔質ガラス母材３０の品質に与える影響を調べた。

外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θを変更する場合は、外側クラッド形成用バーナ４３が水平な場合に、目標外径を有する多孔質ガラス母材３０の表面と、外側クラッド形成用バーナ４３の中心軸とが交わる点Ｃを回転中心として、外側クラッド形成用バーナ４３を回転させた。また、外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θは、火炎を噴射する火口がバーナ本体に対して上側に位置して、外側クラッド形成用バーナ４３が水平面Ｈに対して上向きになる場合を正の値とした。

外側クラッド形成用バーナ４３の角度を変更して、複数の多孔質ガラス母材３０を作製し、作製した多孔質ガラス母材３０の各々について、ガラス微粒子の付着率［％］を計測した。計測結果を表１に示す。また、図２に、表１の計測結果をプロットしたグラフを示す。

更に、外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θを変更した場合のそれぞれについて、多孔質ガラス母材３０に割れが発生本数を、５０バッチ当たりについて計測した。計測結果を表１に併せて示すと共に、測定値をプロットしたグラフを図３に示す。

表１および図２に示すように、外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θを大きくしていくと、傾斜θ１°から９°までの範囲では付着率が上昇する。しかしながら、外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θが９°を超えると、ガラス微粒子の付着率が減少した。よって、ガラス微粒子の付着率の観点からは、外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θを、１°以上、且つ、９°以下の範囲とすることが好ましい。

また、表１および図２に示すように、外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θが５°に達すると、ガラス微粒子の付着率が顕著に上昇することが判る。よって、外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θを、上記の範囲内で更に５°以上の範囲とすることがより好ましい。

更に、表１および図３を参照すると、多孔質ガラス母材３０に生じた割れ発生本数は、外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θが７°を超えると徐々に増加する傾向が見られた。よって、外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θは、上記範囲において、更に、７°以下とすることが更に好ましい。

上記の通り、ＶＡＤ法においてクラッド形成用バーナを複数用いる場合には、クラッド部の表面側を形成する外側クラッド形成用バーナ４３の角度を適切に設定することにより、多孔質ガラス母材３０の品質と歩留りを向上できる。より具体的には、外側クラッド形成用バーナ４３の傾斜θを、同バーナが水平に対して上向きになるように、１°以上、且つ、９°以下の範囲、より好ましくは５°以上、且つ、７°以下の範囲とすることにより、ガラス微粒子の付着率を向上できると共に、多孔質ガラス母材３０における割れの発生を抑制できた。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 製造装置、１１ 反応容器、１２ 把持部、１３ 吸入口、１４ 排出口、２０ 種棒、３０ 多孔質ガラス母材、３１ コア相当部、３２ 内側クラッド相当部、３３ 外側クラッド相当部、４１ コア形成用バーナ、４２ 内側クラッド形成用バーナ、４３ 外側クラッド形成用バーナ

Claims (4)

1. 光ファイバ用多孔質ガラス母材を製造する製造装置であって、
   ガラス微粒子を垂下した種棒に付着させて光ファイバのコアに相当するコア相当部を形成するコア形成用バーナと、
   ガラス微粒子を前記コア相当部に付着させて光ファイバのクラッドに相当するクラッド相当部の一部を形成する第１のクラッド形成用バーナと、
   ガラス微粒子を前記クラッド相当部の最表面に付着させて前記クラッド相当部の他の一部を形成する第２のクラッド形成用バーナと
   を備え、前記第２のクラッド形成用バーナが噴射する火炎の中心軸が水平面に対して上向きになる傾斜を有する製造装置。
2. 前記第２のクラッド形成用バーナが、水平面に対して１°以上、且つ、９°以下の角度をなす請求項１に記載の製造装置。
3. 前記第２のクラッド形成用バーナが、水平面に対して５°以上、且つ、７°以下の角度をなす請求項１に記載の製造装置。
4. ガラス微粒子を垂下した種棒に付着させて光ファイバのコアに相当するコア相当部を形成し、
   ガラス微粒子を前記コア相当部に付着させて光ファイバのクラッドに相当するクラッド相当部の一部を形成し、
   ガラス微粒子を前記クラッド相当部の最表面に付着させて前記クラッド相当部の他の一部を形成して、
   光ファイバ用の多孔質ガラス母材を製造する製造方法であって、
   前記多孔質ガラス母材の径が目標外径になる部分を形成する場合に、前記クラッド相当部の他の一部を形成するバーナが噴射する火炎の中心軸が水平面に対して上向きになるように当該バーナを傾斜させる製造方法。