JP3858775B2

JP3858775B2 - 光ファイバ用母材の製造方法

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Publication number: JP3858775B2
Application number: JP2002196104A
Authority: JP
Inventors: 正榎本; 政浩高城
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2022-07-04
Also published as: JP2004035344A

Description

【０００１】
【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）
ＡＡ点：収縮開始点
ＢＢ点：収縮終了点
ＣＣ点：コア中実化点
ＴＴ点：最高温度点（≒バーナ中心）

Claims

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。