JP4472308B2 - 石英多孔質母材の製造方法 - Google Patents
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Description
この石英多孔質母材の製造方法では、フッ素含有化合物ガスの濃度を高くすると、ガラス微粒子において、エッチング反応(SiO2(s)+4F(g)→SiF4(ad)+O2(g)(sは固体,gが気体,adは吸着種をそれぞれ示す。))が生じ、吸着種としてSiF4が生成することが知られている。
このSiF4によってガラス微粒子同士の吸着力が低下するため、フッ素含有化合物ガスの濃度が高い場合には、出発部材に直接、ガラス微粒子を堆積させる際、出発部材とガラス微粒子との吸着力が低下し、石英多孔質母材の出発部材からの脱落が顕著に発生し、歩留まりが低下してしまう場合がある。
またSiF4によってガラス微粒子同士の吸着力が低下するため、石英多孔質母材に割れ(スート割れ)が顕著に発生し、歩留まりが低下してしまう場合がある。
そこで、石英多孔質母材の製造終了時点で、バーナの火炎温度を高くして、石英多孔質母材の終端部の表面に硬化層を形成する石英多孔質母材の製造方法が提案された(特許文献3御参照。)。
しかし、特許文献3では、表面を加熱して、硬化層の嵩密度が0.3g/cm3以上、0.5g/cm3以下となるようにすることによって、スート割れを抑えることができることが開示されているが、フッ素を添加した場合は、考慮されていない。
フッ素が添加された石英多孔質母材を製造する場合、前述したようにガラス微粒子同士の吸着力が低下するため、硬化層を形成しても十分な効果が得られず、スート割れの発生率を抑えることができない場合がある。
これにより、エッチング反応が抑えられ、ガラス微粒子同士の吸着力を強固にすることができる。
{(フッ素の原子数)/(珪素の原子数)}≦0.1・・・・・・(1)
これにより、エッチング反応が抑えられ、ガラス微粒子を出発部材に強固に吸着させることができ、またガラス微粒子同士の吸着力も強固にすることができる。
{(フッ素の原子数)/(珪素の原子数)}≦0.3・・・・・・(2)
これにより、硬化層において、エッチング反応が抑えられてガラス微粒子同士の吸着力の低下が抑えられ、更に、ガラス微粒子は酸水素炎の熱によって焼結が進行して嵩密度が高く強固となる。
また、本発明の石英多孔質母材の製造方法の第二の形態によれば、ガラス微粒子同士の吸着力を強固にすることができ、これにより石英微粒子のスート割れの発生率を低減でき、歩留まりを向上させることができる。
ここで、石英多孔質母材1は、ガラス微粒子から構成され、電気炉で加熱し脱水処理後、更に焼結すると、透明ガラス化し光ファイバ母材となるものである。この石英多孔質母材1において、光ファイバ母材とした際に光ファイバ母材のコアとなる部分を、本明細書中、石英多孔質母材のコア部11と言い、また光ファイバ母材のクラッドとなる部分を、石英多孔質母材のクラッド部12と言う。
図1は、出発部材に、直接、前記ガラス微粒子が堆積した状態の一例を示す概略構成図である。符号2は、石英棒などからなる出発部材を示す。この出発部材2は、図示しない駆動装置に回転自在に保持されて、その軸回りに符号xの方向に回転しつつ、徐々に上方に移動するようになっている。
この出発部材2の側方には、ガラス合成用のコア用バーナ31と、第一クラッド用バーナ32,第2クラッド用バーナ33,第3クラッド用バーナ34からなるクラッド用バーナ35とが設けられている。
前記ガスAは、SiCl4などの珪素を含有する化合物ガスを少なくとも含むガラス原料ガスであり、例えば、珪素を含有する化合物ガスと、四塩化ゲルマニウムなどの石英多孔質母材1の屈折率を調整するための元素を含有した化合物ガスとの混合ガスなどが挙げられる。
前記ガスBは、フッ素含有化合物ガスを少なくとも含むフッ素を含有するガスであり、前記フッ素含有化合物ガスとしては、取り扱いや石英ガラスへのフッ素添加の容易さなどの点からCF4,SiF4,SF6などが好ましく使用できる。
第1クラッド用バーナ32は、コア用バーナ31のガラス微粒子の照射領域31aよりも上方にクラッド部12となるガラス微粒子を照射できるように配置されている。第2クラッド用バーナ33は、第1クラッド用バーナ32のガラス微粒子の照射領域32aよりも上方にクラッド部12となるガラス微粒子を照射できるように配置されている。
また、第3クラッド用バーナ34は、第2クラッド用バーナ33のガラス微粒子の照射領域33aよりも上方にクラッド部12となるガラス微粒子を照射できるように配置されている。
ここで、前記ガラス微粒子の照射領域とは、出発部材2のうち、バーナから照射されたガラス微粒子が堆積する領域を言う。
コア用バーナ31には、ガスBを供給せずに、ガスA,水素ガス,アルゴンガス,酸素ガスを供給し、ノズルから酸水素炎を噴射させる。
バーナのノズルから噴射される酸水素炎内において、ガラス原料の加水分解反応あるいは酸化反応が生じて、フッ素を含まない酸化珪素(SiO2)などのガラス微粒子が合成され、このガラス微粒子が火炎に乗って出発部材2に付着、堆積する。
コア用バーナ31と同様に、酸水素炎内において、ガラス原料とフッ素含有化合物の加水分解反応あるいは酸化反応が生じて、フッ素を含有した酸化珪素(SiO2)などのガラス微粒子が合成され、このガラス微粒子が火炎に乗って出発部材2に付着、堆積する。
また、コア用バーナ31のように、フッ素含有化合物ガスが供給されないバーナについては、フッ素の原子数は0となり、前記式(1)を満たすことになる。
出発部材2を、その軸回りに符号xの方向に回転しつつ、徐々に上方に移動させると、図2に示されたように、コア用バーナ31から照射されたガラス微粒子は、出発部材2の一端21側(図1では、紙面上下方向の下端)に堆積し、下方に向かって長手方向に延びるように成長してゆき、これによりコア部11が形成される。
以上により、コア部11の表面には、第1クラッド用バーナ32,第2クラッド用バーナ33,第3クラッド用バーナ34より照射されたガラス微粒子が、順次、堆積してゆき、クラッド部12が形成される。これにより、図3に示されたように石英多孔質母材1が形成される。
また、フッ素含有化合物ガスの供給量が多い(濃度が高い)場合、エッチング反応が生じてSiF4が生成しガラス微粒子同士の吸着力が低下することが知られており、このようなエッチング反応が生じると、出発部材2に対するガラス微粒子の吸着力が低下すると考えられる。
以上の知見に基づき、本発明者等は、第一工程においてバーナに供給するガス中の珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比と、石英多孔質母材1の脱落の発生率との関係について研究を行い、本願発明を完成するに至った。
このように前記式(1)を満たすように、フッ素含有化合物ガスの供給量を低くすることによって、出発部材2に直接、堆積されたガラス微粒子のフッ素含有量が低下し、これによりエッチング反応が抑えられ、ガラス微粒子を出発部材2に強固に吸着させることができる。
この第一工程にて堆積されたガラス微粒子は、石英多孔質母材1と出発部材2との接触部となるが、この接触部において、ガラス微粒子が強固に出発部材2に吸着したことによって、石英多孔質母材1の自重を十分に支えることができ、図4に示されたように、石英多孔質母材1の脱落の発生率を低減できる。
これにより、出発部材2と強固に吸着したガラス微粒子の層を形成でき、石英多孔質母材1の自重を十分に支えることができ、石英多孔質母材1の脱落の発生率を大幅に低減できる。
例えば、ガラス微粒子を出発部材2に堆積させる方法としては、ガラス微粒子を出発部材2に堆積させて石英多孔質母材1を形成できる構成であれば特に限定されず適用でき、例えばMCVD法(Modified Chemical Vapor Deposition),OVD法(Outside Vapor Phase Deposition)であっても構わない。
また、コア用バーナ31にもガスBを供給し、供給するガス中の珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比が、前記式(1)を満たすように、ガスAとガスBの供給量を調整して、フッ素を含有したガラス微粒子を堆積させてコア部11を形成しても構わない。また、クラッド用バーナ35において、各バーナ32,33,34毎にガスAとガスBの供給量を調整し、バーナに供給するガス中の珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比が、各バーナ毎に異なる値となるようにしても構わない。
本実施形態が、第1の実施形態と異なる点は、第一工程と第二工程において、少なくとも出発部材2近傍にガラス微粒子を堆積させる際、バーナに供給するガス中の珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比が、以下の式(2)を満たすようにガスAとガスBの供給量を調整した状態で、ガラス微粒子を堆積させる点である。
図1,図2に示されたように、複数のガラス合成用バーナを用いて、出発部材2にガラス微粒子を堆積させる場合、以下のような理由によりスート割れやクラックが発生すると考えられる。
バーナの酸水素炎の温度は、その中心部と周辺部とで異なり、周辺部の低温度の炎で合成されたガラス微粒子は、低温で嵩密度が低く柔らかいガラス微粒子として出発部材2に堆積することになる。
出発部材2が上方に移動し、前記嵩密度の低いガラス微粒子が、その堆積位置よりも上方に配置されたバーナの照射領域に達すると、ガラス微粒子はバーナの酸水素炎によって焼結が進行して収縮する。このときガラス微粒子に応力が加わり、歪が発生してスート割れやクラックが生じると考えられる。
これにより、前記した嵩密度の低いガラス微粒子の焼結が進行する際に応力が生じても、ガラス微粒子同士の強固な吸着力によってスート割れやクラックの発生を抑えることができる。このため、図4に示されたように、石英多孔質母材1のスート割れの発生率を低減できる。
ここで、前記出発部材2近傍にガラス微粒子を堆積させる際とは、出発部材2と石英多孔質母材1との接触面から出発部材2の直径方向にガラス微粒子を堆積させる場合を意味し、図2では、出発部材2の一端よりも上方にガラス微粒子を堆積させる場合である。
前記出発部材2近傍は、出発部材2と石英多孔質母材1との接続部分であり、石英多孔質母材1の不良部分(変動部)である。出発部材2近傍以降に堆積されたガラス微粒子は、石英多孔質母材1の有効部分(定常部)となる。このため、石英多孔質母材1の定常部のフッ素含有量を高くすることができ、高濃度にフッ素が添加された石英多孔質母材1を、スート割れ,クラックがほとんど発生せずに製造できる。
本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、バーナに供給するガス中の珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比は前述した式(1),式(2)に関わらず、ガスAとガスBの供給量を任意の値としてコア部とクラッド部を形成する点と、石英多孔質母材10の製造終了時点で、バーナの火炎温度を高くして、石英多孔質母材10の終端部(先端部)となる領域に硬化層13を形成する点である。
バーナの酸水素炎にてガラス微粒子を合成し、このガラス微粒子を出発部材2に堆積させてコア部11とクラッド部12を形成する方法は、第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
ガラス微粒子を出発部材2に堆積させてコア部11とクラッド部12を形成した後、各バーナに供給するガス中の珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比が、以下の式(2)を満たすようにガスAとガスBの供給量を調整する。また、水素ガス,酸素ガス,アルゴンガスの供給量を調整して酸水素炎の温度を上げて、堆積された石英ガラス微粒子の表面温度を600℃以上、1300℃以下とする。前記堆積された石英ガラス微粒子の表面温度は、好ましくは700℃以上、1200℃以下である。
以上のようにして、石英多孔質母材10の終端部となる領域の表面に、嵩密度が高く、かつ珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比が前記式(2)を満たすように低く抑えられた硬化層13を形成する。
所定の厚さの硬化層13が形成されたら、全てのバーナについて、ガスの供給を停止して冷却し、石英多孔質母材10を得た。
このような硬化層13によって石英多孔質母材10の内部が保護されたことによって、製造後に石英多孔質母材10を冷却する際、石英多孔質母材10の終端部において、スート割れやクラックの発生を抑えることができる。
硬化層13を形成する際、ガラス微粒子は高い温度の酸水素炎で加熱されて収縮するが、その収縮率はガラス微粒子の嵩密度によって左右される。このため、堆積されたガラス微粒子の嵩密度が局所的に大きく変化していると、硬化層13を形成する際、その嵩密度の変化部分には、ガラス微粒子の収縮差による応力が加わり、スート割れが生じてしまう。
ガスAとガスBの供給量が変化すると、堆積されたガラス微粒子のフッ素含有量が変化し、嵩密度が変化することになる。このため、ガスAとガスBの供給量を調整する際、徐々にガスの供給量を変化させることによって、堆積されたガラス微粒子の嵩密度は緩やかに変化し、嵩密度の急激な変化を無くすることができ、ガラス微粒子の収縮差による応力を低減し、スート割れの発生を更に抑制できる。
また、硬化層13の形成を終了する場合についても、全てのバーナについて一度にガスの供給を停止しても構わないが、図6に示されたように、石英多孔質母材10の上方への移動に応じて、コア用バーナ31,第1クラッド用バーナ32,第2クラッド用バーナ33,第3クラッド用バーナ34の順に、各ガスの供給を停止しても構わない。
[具体例1]
図1に示されたように、石英棒からなる出発部材2の側方に、ガラス合成用多重管バーナのコア用バーナ31,第1クラッド用バーナ32,第2クラッド用バーナ33,第3クラッド用バーナ34を配置した。
第一工程として、各バーナに、それぞれガラス原料ガス(ガスA)としてSiCl4ガス,フッ素を含有するガス(ガスB)のフッ素含有化合物ガスとしてCF4ガス,水素ガス,アルゴンガス,酸素ガスを種々の供給量(流量)で供給し、ノズルから酸水素炎を噴射させてガラス微粒子を合成し、回転しながら上方に移動する出発部材2に、直接、堆積させた。
ここで、コア用バーナ31には、ガスAとしてSiCl4ガスとGeCl4ガスを供給し、ガスBは供給しなかった。
次に、第二工程として、各バーナに供給するガスの供給量を表1に示された値に調整し、この状態でガラス微粒子を合成して、このガラス微粒子を、前記第一工程にて堆積させたガラス微粒子上に付着、堆積させ、直径が約220mm、長さが1400mmの石英多孔質母材1を製造した。
具体例2が、具体例1と異なる点は、第一工程と第二工程において、出発部材2近傍にガラス微粒子を堆積させる際、各バーナに供給するガスの供給量を種々の値に調整し、この状態でガラス微粒子を合成して、このガラス微粒子を出発部材近傍に堆積させた点である。
第二工程において、ガラス微粒子を石英多孔質母材の有効部となる部分に付着、堆積させる際、各バーナに供給するガスの供給量を表1に示された値に調整し、この状態でガラス微粒子を合成して、このガラス微粒子を付着、堆積させた。そして、直径が約220mm、長さが1400mmの石英多孔質母材1を製造した。
第一工程と第二工程において、各バーナに供給するガスの供給量を表1に示された値としてガラス微粒子を合成し、このガラス微粒子を出発部材に付着、堆積させ、コア部11とクラッド部12を形成した。
そして、各バーナに供給するガスの供給量を種々の値に調整し、更に、酸水素炎の温度を上げて、この状態でガラス微粒子を合成して、このガラス微粒子を、石英多孔質母材1の終端部となる領域に堆積させて硬化層13を形成し、直径が約220mm、長さが1400mmの石英多孔質母材1を製造した。
ここで、第一工程において、バーナに供給するガス中の珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比を種々の値として製造した石英多孔質母材1については、石英多孔質母材1の脱落の発生率を求めた。また、第二工程において、バーナに供給するガス中の珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比を種々の値として製造した石英多孔質母材1については、スート割れの発生率を求めた。
また、硬化層を形成する工程において、バーナに供給するガス中の珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比を種々の値として製造した石英多孔質母材1については、スート割れの発生率を求めた。
また、第二工程において、出発部材2近傍に、ガラス微粒子を堆積させる際、バーナに供給するガス中の珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比が前述した式(2)を満たすとき、石英多孔質母材1のスート割れが低減できることがわかった。
Claims (3)
- コア用バーナとクラッド用バーナを用いて、コア部とクラッド部とを備えた石英多孔質母材を製造する方法であって、
前記石英多孔質母材の有効部となるガラス微粒子を堆積する前に、出発部材をその軸の周りに回転させながら上方に引き上げつつ、前記クラッド用バーナに、珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比が、下記の式(2)を満たすように、珪素を含有するガスAとフッ素を含有するガスBの供給量を調整して供給し、これによって得られるフッ素ドープ石英ガラス微粒子を前記出発部材の近傍に堆積させる工程と、
前記珪素を含有するガスAを前記コア用バーナに供給し、これによって得られるコア用ガラス微粒子を、前記出発部材の鉛直方向における下部に堆積させて前記コア部を形成するとともに、前記クラッド用バーナに前記珪素を含有するガスAと前記フッ素を含有するガスBの供給量を、珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比が0.3よりも大きくなるように調整して供給し、これによって得られるクラッド用ガラス微粒子を、前記コア部の周囲に堆積させて前記クラッド部を形成して前記石英多孔質母材の有効部とする工程と、
を備えてなることを特徴とする石英多孔質母材の製造方法。
{(フッ素の原子数)/(珪素の原子数)}≦0.3・・・・・・(2) - 前記フッ素ドープ石英ガラス微粒子を、前記出発部材に堆積させる前に、前記出発部材をその軸の周りに回転させながら上方に引き上げつつ、クラッド用バーナに、珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比が、下記の式(1)を満たすように、前記珪素を含有するガスAと前記フッ素を含有するガスBの供給量を調整して供給し、これによって得られる前記フッ素ドープ石英ガラス微粒子を前記出発部材の周囲に直接堆積させることを特徴とする請求項1に記載の石英多孔質母材の製造方法。
{(フッ素の原子数)/(珪素の原子数)}≦0.1・・・・・・(1) - コア用バーナとクラッド用バーナを用いて、コア部とクラッド部とを備えた石英多孔質母材を製造する方法であって、
出発部材をその軸周りに回転させながら上方に引き上げつつ、珪素を含有するガスAを前記コア用バーナに供給し、これによって得られるコア用ガラス微粒子を、前記出発部材の鉛直方向における下部に堆積させて前記コア部を形成するとともに、前記クラッド用バーナに、前記珪素を含有するガスAと前記フッ素を含有するガスBの供給量を調整して供給し、これによって得られるクラッド用ガラス微粒子を、前記コア部の周囲に堆積させて前記クラッド部を形成して前記石英多孔質母材の有効部とする工程と、
前記工程の後、堆積されたフッ素を含有するガラス微粒子のうち、前記石英多孔質母材の終端となる領域を、前記クラッド用バーナで加熱して硬化層を形成する工程と、を備え、
前記硬化層を形成する際、前記クラッド用バーナに供給する珪素原子に対するフッ素原子の原子数の比が、下記の式(2)を満たすように、前記クラッド用バーナに前記珪素を含有するガスAと前記フッ素を含有するガスBの供給量を調整して供給することを特徴とする石英多孔質母材の製造方法。
{(フッ素の原子数)/(珪素の原子数)}≦0.3・・・・・・(2)
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