JP3858775B2 - 光ファイバ用母材の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はMCVD法による光ファイバ用母材の製造方法及びこれにより製造された光ファイバ用母材に関する。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバ用母材の製造法の一つとして、MCVD(Modified Chemical VaporDeposition Method) が知られている〔文献1:J.B.MaChesney et al., 10th Int. Congress on Glass pp6-40(1973), 文献2:Nagel et al., IEEE, vol M TT-30 No.4, P.305(1982) 〕。この方法は図4(a),(b)に示すように、回転可能にセットした出発のガラスパイプ(石英管)1内に、SiCl4 等のガラス原料ガスと要すれば屈折率調整用添加物ガス(例えばGeCl4 等)を酸素ガスと共に導入し、相対的に移動する酸水素バーナ等の加熱源3により該ガラスパイプ1を外部から局所的に加熱して該ガラスパイプ1内で酸化反応を起こさせ、発生したガラス微粒子(スート)を前記出発のガラスパイプ1内壁に堆積させる。堆積したガラス微粒子はその堆積の後に移行してきた外部加熱源3により高温に加熱されて溶融し透明ガラス化され、出発のガラスパイプ1内壁に透明な薄い合成ガラス層2を形成する。このようにして、ガラスパイプ1のガス導入端から排出端まで加熱源3を一度移行させ、次いで加熱源3をガス導入端に迅速に戻し、再び前記と同様にスート堆積および透明ガラス化しながら排出端側まで加熱源3を移行させる〔ガラス堆積工程〕。このガラス堆積工程を一回〜数百回行った後、原料ガス等の供給を停止し、得られた指定厚さの合成ガラス層2を有する中空ガラスパイプ1を加熱源3でさらに高温(例えば1750〜1900℃)に加熱して、中空ガラスパイプ1の中空部を縮小させ、最終的にはガラス層2を中実化(コラプス)して、中実のプリフォーム4とする〔中実化工程〕。このとき、出発のガラスパイプ1はプリフォーム(ファイバ母材)の最外層(例えばクラッド層やジャケット層等)となる。また、屈折率分布は合成するガラス層の各層毎に屈折率調整用添加剤の量(導入する全ガス中の濃度)を変化させて形成する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
MCVD法によれば原料供給系、CVD反応系(ガラスパイプ内部)ともに閉管系となるため、合成反応中の汚染等が少なく、低損失な光ファイバ用母材を製造できる方法として優れているが、MCVD法により製造した光ファイバにおいて、偏波特性が悪い場合がある。本発明は、このような現状に鑑み、MCVD法により偏波特性の良好な光ファイバ用母材を製造する方法及び偏波特性の向上した光ファイバ用母材を課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を下記(1)〜(4)の構成により解決するものである。
(1)ガラスパイプ内壁にガラス層を形成させた後、該ガラスパイプを外部の加熱源により加熱することにより前記ガラスパイプを中実化し光ファイバ用母材を製造する方法において、前記中実化の際に、前記ガラスパイプの軸方向において前記ガラス層の外径の縮小が始まる位置をA点、中実化終了側でA点と同じガラスパイプ温度である位置をB点、前記ガラスパイプが最高温度となる位置をT点、コアが中実化する位置をC点、前記T点と前記B点の距離をL 1 、前記T点と前記C点の距離をL 2 とするとき、前記C点が前記B点とT点の間で0.1<L 2 /L 1 を満足するように加熱源の熱量を調整することを特徴とする光ファイバ用母材の製造方法。
(2) 前記中実化の際に、0.1<L2/L1≦0.8を満足するように加熱することを特徴とする上記(1)に記載の光ファイバ用母材の製造方法。
(3) ガラスパイプ内壁にガラス層を形成させた後、該ガラスパイプを外部の加熱源により加熱することにより前記ガラスパイプを中実化して光ファイバ用母材を製造する方法において、前記中実化の際に、前記ガラスパイプの軸方向において前記ガラス層の外径の縮小が始まる位置をA点、中実化終了側でA点と同じガラスパイプ温度である位置をB点、前記ガラスパイプが最高温度となる位置をT点、コアが中実化する位置をC点とするとき、前記中実化する領域を外部監視装置でモニターし、前記C点が前記B点と前記T点の間にあるように、中実化条件を自動調整することを特徴とする光ファイバ用母材の製造方法。
(4) 前記中実化する領域を外部監視装置でモニターし、前記C点が前記B点と前記T点の間にあるように、加熱源の熱量を調整することを特徴とする上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の光ファイバ用母材の製造方法。
【0005】
【発明の実施の形態】
前記した従来のMCVD法による光ファイバにおける偏波特性不良発生について、本発明者らがその原因追求を進めた結果、光ファイバ用母材のコア非円に起因していることを確認した。ここでコアの非円とはコアが真の円とはなっていない状態を言い、光ファイバ用母材においてコア非円となっている場合、殆どの場合において、その断面は楕円となっている。この楕円の長軸をa,短軸をbとするとき、非円率は〔非円率=(a−b)/a〕の式で定義される。
さらに、コア非円の発生状況を詳細に調査研究の結果、この光ファイバ用母材のコア非円はMCVD法における中実化工程で発生していることを見いだした。
【0006】
従来のMCVD法の中実化工程における中実化点(定義:ガラスパイプ中の中空部がなくなるポイント)近傍におけるガラスパイプ温度分布、合成されたガラス層の外径非円率(定義:ガラスパイプの内側に存在するMCVD法により合成された部分の非円率:以後、ガラス層非円率とも言う)と中実化されたガラス層の非円率(ガラス層の少なくとも中心はコアとなるためコア非円率とも言う)の推移状況を調べた結果を、図3に模式的に示す。
図3(a)は従来法による中実化工程を模式的に示す図、同図(b)はこのときのガラスパイプ軸方向における温度分布、同図(c)はこのときのガラスパイプ軸方向におけるコア外径とコア非円率(中実化前はガラス層非円率、中実化以後はコア非円率であるが、ここでは併せてコア非円率と総称する)、ガラスパイプ1の外径非円率の関係を示すグラフ図である。
図3に示すように、加熱源である酸水素バーナ3の中実化開始側の位置A点において合成されたガラス層(合成ガラス層)2の縮小が始まり、ガラスパイプ1の温度が最高になる位置T点では実質的にコアが中実化する。また、このT点は加熱源である酸水素バーナ3の中心点に一致する。
【0007】
ここでA点を更に説明すると、合成されたガラス層2の縮小が始まる収縮開始点であり、この収縮開始とは合成されたガラス層2の外径をrとするとき、ガラスパイプ軸方向長さLの単位長あたりのコア径収縮率(微分値)が0.01%以上となる点すなわち、
【数1】
|dr/dL|≧0.0001
となる位置である。
ここで、中実化終了側であってA点と同じガラスパイプ温度となる位置をB点とし、ガラスパイプ1の軸方向においてA点〜T点間の距離をM1 、T点〜B点間の距離をM2 とする。通常、外部の加熱源3として酸水素バーナを用い、その噴出方向中心軸をガラスパイプ1に対し垂直に保持して加熱すると、前記T点を中心として対称に加熱されるため、M1 とM2 はほぼ同じ長さとなっている。
本発明者らは実験を重ね、コアの非円化は中実化工程の全体(A〜T〜B)にわたり発生するのではなく、図3に示すようにコア中実化が完了した(この位置をコア中実化点という)後も更にコア径の収縮が進行するコア中実化工程の後半部において、生じていることを確認した。
【0008】
本発明者らは前記した新規な知見に基づき検討を重ねた結果、コア中実化工程における非円率の増加を抑制し、コア非円率の低い光ファイバ母材を得るには、コア中実化のポイント(C点)を最高温度点(ほぼバーナ中心位置に一致する点)よりも相対的に遅れさせながらコア中実化を行うことが有効であると考えつき、本発明に到達した。
すなわち、コア中実化ポイントを遅れさせることにより、光ファイバ用母材はコア中実化後速やかにガラス軟化点温度以下となり、コア中実化後に著しく非円率が増加する前に、ガラスが固化されるので、コア中実化後の更なるコア径収縮が抑制され、その収縮と相まって生じるコア非円率の増加を大幅に抑制できる。
【0009】
図1は本発明の一具体例を図3と同様に模式的に示す図であり、図3と共通する符号は同じ部分を意味する。本発明においては、中実化の際に、図1(a)に示すようにCCDカメラ等の外部監視装置(モニター)5でコア中実化点を観測しつつ加熱し、最高温度点となる位置Tよりもコア中実化点となる位置Cが後方(酸水素バーナ3の移動方向を前方とする)にずれるように、加熱の仕方を調整する。具体的には酸水素バーナ3への酸素流量及び水素流量をコントロールすることにより火力を調節し、ガラスパイプ1の中心軸(酸水素バーナ3の移動方向に平行な長手方向中心軸)と該酸水素バーナ3の噴出方向中心軸が交差する点よりも、後方で合成ガラス層2が中実化する。すなわち、酸水素バーナ3の中心が加熱している最高温度点の位置Tではまだ合成ガラス層2は中実化しておらず、位置Tと位置Bの中間にコア中実化点Cが位置するように、MCVD装置に取り付けたCCDカメラ等のモニター5でモニターしながら〔図1(a)及び(b)〕、酸水素バーナ3への酸素及び水素ガス供給量を調整する。
【0010】
中実化点(C点)位置をバーナ中心点(最高温度点T点)位置より遅らせるようにする調整方法としては、▲1▼加熱源3の熱量を調整する(具体的には熱量を低めに調整する)、▲2▼パイプ内圧を調整する(具体的には内圧を従来設定より若干高めに設定する)、等が挙げられる。▲2▼の内圧の微調整は、極めて精緻な制御が求められ、また内圧を上げ過ぎると、加熱部が容易に膨張してしまうという問題がある。従って、▲1▼の熱量を調整する方法が、光ファイバ用母材の諸特性を損なうことなく非円発生を抑制できるため、より好ましい。
【0011】
具体的な調整方法としては、ガラスパイプ端部(図1では向かって左側端部)から移動しながら加熱してゆく中実化工程の当初からモニター5で監視し、中実化ポイントを酸水素バーナ3の中心が当接しているT点より後方側にずらす(遅らせる)ように熱量を調整する。具体的には合成されたガラス層2が収縮を始めた後のある時点で酸水素バーナ3の火力を弱める。コラプスが開始した後も熱量の微調整を続けてもよい。
【0012】
一方、中実化点をT点から余りに遅らせると、コア中実化が完了する前に、ガラスが軟化点温度以下となって固化してしまい、最終的にコア中心に気泡が残留する中実化不良が発生することが判明した。この点についてさらに検討を重ねた結果、図1において、T点からB点の距離をL1 、T点からC点の距離をL2 とするとき、0<L2 /L1 ≦0.8となるように加熱を調整すれば、中実化不良の発生が少ないことを見いだした。
【0013】
本発明に用いる出発のガラスパイプ1としては、光ファイバ用母材とした際に最外層となる材料であればよく、例えばシリカ(石英)ガラス、フッ素添加シリカガラス、塩素添加シリカガラス等が挙げられる。
また、VAD法により製造したガラス母材に穴開け加工したものでもよい。
本発明に用いるガラス原料ガスとしては、例えばSiCl4 等が挙げられ、本発明に用いる屈折率調整用添加剤としては、例えばGeCl4 、BCl3 、POCl3 等が挙げられる。
ガラス原料ガス,屈折率調整用添加剤と共にガラスパイプ内に導入するガスとしてはO2 ガス、N2 ガス等が挙げられる。
本発明に用いる外部の加熱源としては特に限定されるところはないが、例えば酸水素バーナ、プラズマトーチ等が挙げられる。
【0014】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。なお、以下の実施例において非円率(%)は、楕円の長軸をa、短軸をbとするとき、「非円率(%)=(a−b/a)×100」で表される。
【0015】
〔実施例1〕
VAD法により製造した棒状のシリカガラス(SiO2 )母材に穴開け加工して得たパイプ(有効部長300mm、外径25mmφ、内径12mmφ)を出発のガラスパイプとして用い、本発明に従いMCVD法により光ファイバ用ガラス母材を製造した。
図4において図示は省略したガラス旋盤のチャックに前記出発のガラスパイプ1の両端を取付け、一端からSiCl4 ,GeCl4 ,O2 およびN2 を導入し、該出発のガラスパイプ1外部から加熱源として酸水素バーナを用いて加熱することにより、該ガラスパイプ1内壁に厚さ0.07mmのGeO2 −SiO2 ガラス層2を形成した。得られた中空で内壁に合成ガラス層2を有するガラスパイプの内径は11.86mmであったが、その内径が1〜2mmになるまで、火炎温度2200℃の酸水素バーナで加熱し、縮径した。
その後、図1の構成で、酸水素バーナ3の初期火炎温度を1700℃とし、前記縮径されたガラスパイプ1の中実化を開始した。この際、CCDカメラを外部のモニター5として外部から監視(視認)しながら、コア中実化点(C点)が最高温度点(T点)より遅れるように、酸水素バーナ3に供給する酸素及び水素の流量を調整することにより火力を加減した。外部のモニター5による確認から、このときのL2 /L1 値は0.3となっていることがわかった。このようにして中実化を完了し、得られた光ファイバ用母材のコア非円率(%)を測定したところ0.7%と小さく、従来法による場合の2.5%に較べ大幅に改善されていた。
【0016】
〔実施例2〕
実施例1と同様に出発のガラスパイプ1の内壁に合成ガラス層2を形成したものを何本も作製し、実施例1と同様に酸水素バーナを用いて、種々のL2 /L1 値となるように酸水素バーナ3に供給する酸素及び水素流量を変化させて火力を調整しながらコラプスし、得られた各光ファイバ用母材におけるコア非円率(%)を測定した。計測の結果確認されたL2 /L1 値とコア非円率との関係を図2のグラフに示す。
【0017】
図2のグラフから明らかなように、コア中実化点(C点)をT点よりも相対的に遅らせることにより、光ファイバ用母材のコア非円率を顕著に低減することに成功した。すなわち、L2 /L1 の値が0の近傍では非円率が2.5%前後であるが、L2 /L1 の値が0.1になるとコア非円率は1.2%以下と非常に低い。つまり0<L2 /L1 ≦0.1の範囲において非円率が顕著に低減される。また、L2 /L1 の値が0.1以上となるとコア非円率は特に低くなる。
一方、図2中に△印で示すように中実化点(C点)を遅らせすぎると、コア内に気泡が残り不良母材となった。L2 /L1 を0.8以下とすると気泡の発生なく中実化できる。従って、0.1≦L2 /L1 ≦0.8となるようにコラプスすることにより、コア内に気泡を残留させることなく、非円率の低減した良好な光ファイバ用母材を作成できることが確認できた。
【0018】
比較のために、図3に示した従来法によりバーナの最高温度点Tとコア中実化点Cを一致させてコラプスし、コア非円率(%)を測定した。結果を図2に併せて示すが、本発明品に比較し、コア非円率(%)が2.4〜3%弱と格段に大きいことがわかる。
【0019】
【発明の効果】
本発明は、MCVD法により光ファイバ用母材を製造するにあたり、ガラスパイプ中実化時の加熱の仕方を調整して中実化ポイントを最高温度点より後方に遅れさせることにより、コア中実化後の更なるコア径収縮を抑制し、非円の発生を大幅に抑制することができる。
また、本発明に従い0<L2 /L1 ≦0.8となるように加熱中実化することにより、中実化不良を防止できる。
またさらに、本発明に従いコア中実化点(C点)のモニターとしてCCDカメラ等の外部監視装置を用いることにより、前記C点の微調整が可能となり、非円率の増大抑制を効果的に行うことがてきる。
本発明の加熱調整手段として加熱源の熱量を調整する方法は、得られる光ファイバ用母材の諸特性を損なうことが少なく、容易に行える点で有利である。
本発明によれば、コア非円率が2.0%以下、さらには1.2%以下、0.4〜0.5%といった非常に真円に近いコア部を有する光ファイバ用母材をMCVD法により製造することができる。
さらにまた、本発明の方法により製造された光ファイバ用母材は、線引きすることにより、非円率が小さく、偏波特性が良好な光ファイバを得ることができる。特に非円率(%)が2.0%以下のものは、偏波特性が非常に良好な光ファイバとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施態様における中実化工程と、このときのガラスパイプの軸方向における温度分布、及びこのときのコア外径とコア非円率(%)、ガラスパイプ外径非円率(%)の関係を示す図である。
【図2】 本発明の実施例2により得られた光ファイバ用母材における「L2 /L1 」の値とコア非円率(%)の関係、及び従来法により得られた光ファイバ用母材における「L2 /L1 」の値とコア非円率(%)の関係を示すグラフ図である。
【図3】 従来法による中実化工程と、このときのガラスパイプの軸方向における温度分布、及びこのときのコア外径とコア非円率(%)、ガラスパイプ外径非円率(%)の関係を示す図である。
【図4】 MCVD法の各工程を概略説明する図である。
【符号の説明】
1 ガラスパイプ
2 合成ガラス層
3 加熱源(酸水素バーナ)
4 プリフォーム(光ファイバ用母材)
5 モニター(CCDカメラ等)
A A点:収縮開始点
B B点:収縮終了点
C C点:コア中実化点
T T点:最高温度点(≒バーナ中心)
Claims (4)
- ガラスパイプ内壁にガラス層を形成させた後、該ガラスパイプを外部の加熱源により加熱することにより前記ガラスパイプを中実化し光ファイバ用母材を製造する方法において、前記中実化の際に、前記ガラスパイプの軸方向において前記ガラス層の外径の縮小が始まる位置をA点、中実化終了側でA点と同じガラスパイプ温度である位置をB点、前記ガラスパイプが最高温度となる位置をT点、コアが中実化する位置をC点、前記T点と前記B点の距離をL 1 、前記T点と前記C点の距離をL 2 とするとき、前記C点が前記B点とT点の間で0.1<L 2 /L 1 を満足するように加熱源の熱量を調整することを特徴とする光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記中実化の際に、0.1<L2/L1≦0.8を満足するように加熱することを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ用母材の製造方法。
- ガラスパイプ内壁にガラス層を形成させた後、該ガラスパイプを外部の加熱源により加熱することにより前記ガラスパイプを中実化して光ファイバ用母材を製造する方法において、前記中実化の際に、前記ガラスパイプの軸方向において前記ガラス層の外径の縮小が始まる位置をA点、中実化終了側でA点と同じガラスパイプ温度である位置をB点、前記ガラスパイプが最高温度となる位置をT点、コアが中実化する位置をC点とするとき、前記中実化する領域を外部監視装置でモニターし、前記C点が前記B点と前記T点の間にあるように、中実化条件を自動調整することを特徴とする光ファイバ用母材の製造方法。
- 前記中実化する領域を外部監視装置でモニターし、前記C点が前記B点と前記T点の間にあるように、加熱源の熱量を調整することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の光ファイバ用母材の製造方法。
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