JP4691008B2 - 光ファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信などに用いられる光ファイバを製造する方法に関する。

従来の光ファイバの製造方法として、光ファイバ化後にコアとなる部分を含むガラスロッドの外周に原料ガスの火炎加水分解によりガラス微粒子を堆積させて複合母材を形成し、その後堆積したガラス微粒子を脱水焼結（ガラス化)することにより光ファイバ母材を製造し、その光ファイバ母材の一端を加熱溶融して線引きし、一定外径の光ファイバとする方法が一般に知られている。

ここで、光ファイバ母材を製造する方法について見ると、例えば、ガラスロッドを回転させながら複数のガラス微粒子発生装置（バーナ）をガラスロッドの長手方向に移動させることにより、ガラスロッドの外周にガラス微粒子を堆積させる技術に関するものがある（特許文献１参照）。
このような技術により製造される複合母材には、図４に示されるように一般に良質な光ファイバとなる外径一定部と、その両端に外径が端部に向かって徐々に小さくなるテーパ部とが形成されるが、このテーパ部は図に示されるように両端がほぼ同一傾斜である。
また、このようにして得られた複合母材を脱水焼結して光ファイバ母材とする工程においては、複合母材を加熱炉内に鉛直方向につり下げて、回転させながらゆっくり引き下げを行うことで処理するのが一般的である。
そして、脱水焼結して得られた光ファイバ母材は線引き炉に導入されてその下部を加熱溶融され、線引きされ光ファイバとなる。

ところで、近年は、光ファイバ需要の拡大によって製造の効率化およびコストダウンを目的として、光ファイバ母材を大型化する傾向があり、この光ファイバ母材の大型化に伴い、脱水焼結工程および線引き工程において種々の問題点が明らかになってきた。
まず、脱水焼結（ガラス化）工程における問題点として、複合母材のつり下げ部分に非常に大きな荷重が加わっており、つり下げ部分に焼結時の高温度が加わると軟化して母材が変形することが挙げられる。
例えば、図５に従って説明すると、良好な光ファイバ母材を十分に取ろうとして、テーパ部も含めガラス微粒子堆積部分を全てガラス化すると、ガラスロッド１が延びて図５（ａ）に示すように母材が落下することになる。したがって、これを回避するために、複合母材を脱水焼結して光ファイバ母材を得る際には、つり下げ部分に焼結時の高温度が加わらないように、つり下げ部分側のテーパ部の一部にガラス微粒子が完全に焼結されない部分（非焼結部）を適度に残しておく必要がある。それは、非焼結部が断熱材としての役割を果たし、つり下げ部分の軟化変形を抑制する効果をもつからである。

次に、脱水焼結工程および線引き工程における問題点として、良質の光ファイバを効率よく取ろうとして、図６に示すように複合母材の外径一定部を多くしテーパ部の傾斜を急にしてテーパ部の長さを短くした場合でも、その効果が表れないことが挙げられる。例えば、テーパ部の傾斜および長さが複合母材の両端でほぼ同じである傾斜（図６）では、未焼結部を適度に残し、図５（ａ）に示すような母材の変形を防止しようとすると、図５（ｂ）に示すように外径一定部の外径に対して未焼結部の外径が大幅に大きくなり、この母材をこのまま線引きすると、線引き炉心管の入口あるいは管内壁面にぶつかり、最後まで効率よく線引きすることができないものとなる。したがって、未焼結部を形成する側のテーパ部の傾斜を急にして長さを短くし、外径一定部を多くすることには限界がある。
また、線引き工程における問題点として、良品を効率よく取ろうとしてテーパ部の傾斜を急にして長さを短くするために、脱水焼結工程と線引き工程との間に別の工程を必要とすることが挙げられる。
例えば、脱水焼結後の光ファイバ母材の線引き開始側の端部を、線引きに最適な傾斜に加工することが一般的に行われており、具体的には、光ファイバ母材を延伸したり、切り割ったりして線引きに最適な形状を作っている。しかし、この方法では、設備や多くの労力や時間を要し、また、光ファイバ母材にこの加工を施すと、良品部のロスも多くなり、甚だ効率が良くないものである。

ここで、光ファイバ母材のテーパ部の傾斜を規定したものが開示されている（特許文献２及び３）。
しかし、特許文献２に開示されたテーパ部は、ガラスロッドと同一の径まで小さくなっていない。また、例示されたテーパ部は、かりにガラスロッドと同一の径まで小さくなっていたとしても、テーパ部は線引き開始部が線引き終了部より長くなってしまう。また、この公報に示されるテーパ部はあくまでも均質な光ファイバの一部として利用することを想定しており、ガラス特性の長手変動を低減させることが目的であり、本発明の解決すべき課題とは関連がない。
また、特許文献３に開示されたテーパ部は、ファイバ母材を加熱加工により所定の傾斜とされるが、加熱加工を行う前のテーパ部の傾斜については言及されておらず不明である。さらに、加熱加工を行うことを実質的に必須の要件としており、工程が追加されることによる生産性の低下をもたらすことは前述のとおりである。

特開平１０−７４３０号公報 特開平９−１００１３２号公報 特開２０００−２６４６６２公報

本発明は、複合母材が変形することなく焼結でき且つファイバ化の有効部を多く得ることが可能な光ファイバ母材から簡略化した工程で光ファイバを線引き製造する方法を提供することを目的とする。

本発明者は上記課題に鑑み鋭意研究した結果、光ファイバ母材の両端部に形成されるテーパ部の傾斜を異なるものにするのが良いことが判明し、本発明に至った。
すなわち、上記課題は以下の手段により解決された。
（１）光ファイバ化後にコアとなる部分を含むガラスロッドを形成する第１工程、該ガラスロッドをその軸を中心に回転させながらガラス微粒子発生装置を前記ガラスロッドの長手方向に相対的に往復移動させることにより前記ガラスロッドの外周にガラス微粒子を堆積させて複合母材を形成する第２工程、前記複合母材を加熱炉内にほぼ鉛直に支持しながら回転させて脱水焼結して光ファイバ母材を得る第３工程および前記光ファイバ母材の脱水焼結の際に下向きとなった側の端部の形状を実質的に維持したまま前記光ファイバ母材を線引き炉に導入して線引きする第４工程を有する光ファイバの製造方法であって、
前記第３工程で形成された前記脱水焼結後の光ファイバ母材の下部のテーパ部の傾斜Ｓ（％）が、
１００≦Ｓ≦３００
（テーパ部の傾斜Ｓ（％）は、前記テーパ部の長さをＬ［ｍｍ］、外径一定部の外径をＤ［ｍｍ］、ガラスロッドの平均外径をｄ［ｍｍ］としたとき、Ｓ＝Ｌ×１００／｛（Ｄ−ｄ）／２｝で表される。）
であることを特徴とする光ファイバ製造方法。
（２）前記第３工程で形成された前記脱水焼結後の光ファイバ母材の上部のテーパ部の傾斜Ｓ（％）が、
２００≦Ｓ≦６００
であることを特徴とする（１）に記載の光ファイバ製造方法。
（３）前記第２工程で形成された前記複合母材の下部のテーパ部の傾斜Ｓ（％）が、
５０≦Ｓ≦１５０
であることを特徴とする（１）または（２）に記載の光ファイバ製造方法。
（４）前記第２工程で形成された前記複合母材の上部のテーパ部の傾斜Ｓ（％）が、
１５０≦Ｓ≦３５０
であることを特徴する（１）〜（３）のいずれか１項に光ファイバ製造方法。

以上のとおり、本発明によれば、焼結後の光ファイバ母材は特別の処理を必要とすることなく光ファイバの製造が可能であるので、光ファイバの製造工程を簡略化するとともに、その製造コストを低減させることができる。また、複合母材の焼結時にファイバ化に有効な部分を多く取っても母材の軟化による変形が抑制でき、焼結操作が容易である。

次に、本発明の好ましい実施の態様について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図の説明において同一の要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
まず、第１工程は、光ファイバ化後にコアとなる部分を含むガラス微粒子集合体を例えば周知のＶＡＤ法などにより形成し、その集合体を脱水焼結し、必要に応じて目的の外径となるように延伸し、所望のガラスロッドを得る。その外径は３０ｍｍ〜５０ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍが好ましい。

次いで、第２工程は図２（ａ）に示すようにそのガラスロッド１をその長手軸を中心に回転させながらその外周にガラス微粒子発生装置（バーナ）Ａをガラスロッド１の長手方向に相対的に往復移動させてガラスロッド１の外周にガラス微粒子２を堆積させて複合母材３を得る工程である。
ここで、第２工程では、複合母材両端部に形成されるテーパ部の傾斜が異なるように前記ガラスロッドの外周にガラス微粒子を堆積させることが望ましい。
本発明の複合母材３の形状の一例を図１（ａ）に正面図として示す。図１（ａ）の複合母材は、その両端のテーパ部の傾斜が異なるものであり、本発明の光ファイバ母材の製造方法は、図１（ｂ）に例示される傾斜のファイバ母材を製造するために適するものである。本発明の母材のテーパ部は、その面の母線が直線だけでなく、図１（ａ）や図４に示すように曲線であってもよい。
ここで、テーパ部の傾斜Ｓ（％）は、テーパ部の長さをＬ、外径一定部の外径をＤ、ガラスロッドの平均外径をｄとしたとき、
Ｓ＝Ｌ×１００／｛（Ｄ−ｄ）／２｝で表される。
図１（ａ）におけるテーパ部の傾斜Ｓは、傾斜が緩やかな側（上部）のテーパ部で１５０〜３５０％の範囲が好ましく、さらに好ましくは２００〜３００％であり、傾斜が急な側（下部）のテーパ部は５０〜１５０％の範囲が好ましく、さらに好ましくは７０〜１２０％である。
図１（ｂ）は、図１（ａ）の複合母材を脱水焼結した場合の本発明の光ファイバ母材の形状の一例を示す正面図である。図１（ｂ）におけるテーパ部の傾斜Ｓは、傾斜が緩やかな側のテーパ部で２００〜６００％の範囲が好ましく、さらに好ましくは３５０〜５５０％であり、傾斜が急な側のテーパ部で１００〜３００％の範囲であり、好ましいのは１３０〜２５０％である。
また、未焼結部の外径は焼結後の外径一定部の外径の約９５〜１２０％の範囲が好ましい。

本発明のテーパ部の傾斜が異なる光ファイバ母材の製造方法の例を図２にしたがって説明する。
まず、ガラス微粒子発生装置の移動速度を変更することによる方法である。例えば光ファイバ化後にコアとなる部分を含むガラスロッドをその長手軸を中心に回転させながらその外周にガラス微粒子を堆積させて複合母材を製造するものであるが、ガラス微粒子発生装置を長手軸方向（上下方向）に往復移動させる場合の複合母材製造中のガラスロッド１とガラス微粒子発生装置（バーナ）Ａとの位置関係を図２（ａ）に示す。図２（ａ）の位置関係に配置されたガラス微粒子発生装置（バーナ）Ａの移動速度の様子を図２（ｂ）にグラフで示す。図２（ｂ）において、縦軸のバーナの位置は図２（ａ）のバーナ位置に相当するものであり、点線は折り返し点を示し、横軸はその位置でのバーナの速度を表す。
原料ガス及び燃料ガス等の供給条件を同じにしてガラス微粒子発生装置を定速度で移動させた後、往復移動の一方（図では上方）の折り返し点付近（点Ｐ）で徐々に移動速度を上昇し、折り返し後はＰ点までは徐々に速度を下降し、以後定速で移動させる。移動速度はガス供給量やガラスロッドの長さ等に応じて適宜定まるが、定速度は約２０〜５０ｍｍ／秒の範囲内に設定するのが好ましく、速度上昇後の最大速度は約１００〜３００ｍｍ／秒程度が好ましい。したがって、移動速度が上昇する位置においては、母材の単位面当たりのガラス微粒子の付着量が減少するため、図１（ａ）に示すような両端部に形成されるテーパ部の傾斜が異なる複合母材を容易に得ることができる。テーパ部の終了端は図示のようにバーナの折り返し点（点線位置）より外側となる。
ここでは、ガラス微粒子発生装置の移動について述べたが、ガラス微粒子発生装置を定位置に固定し、ガラスロッドを移動させて同様の操作を行っても良いのは勿論である。
次に、ガラス微粒子発生装置への原料ガス供給量を変更することによる方法を示す。図２（ｃ）はガラス微粒子発生装置の位置と原料ガス供給量の関係を示すグラフの一例である。図２（ｃ）において、縦軸のバーナの位置は図２（ａ）のバーナ位置に相当するものであり、横軸はその位置でのバーナからの原料ガス供給量を表す。
相対移動速度を一定にして原料ガス供給量を図２（ｃ）に示すように往復移動の一方の折り返し点付近（点Ｐ）で徐々に減少させるようにしても、折り返し点付近で徐々に母材の単位面当たりのガラス微粒子の付着量が減少するため、同様に図１（ａ）に示すような複合母材が得られる。
さらに、図２（ｂ）と図２（ｃ）とを組み合わせた、移動速度と原料供給量をともに制御する方法をガラス微粒子発生装置に対して行っても同様にテーパ部の傾斜が異なる複合母材が得られることはいうまでもない。

さらに、本発明の両端部に形成されるテーパ部の傾斜が異なる光ファイバ母材の製造方法の他の一例を図３に示す。
図３（ａ）は、複数のガラス微粒子発生装置（バーナ）を上下方向に往復移動させてガラスロッドの外周にガラス微粒子を堆積させるものであり、複数のガラス微粒子発生装置（この場合は３本）は、お互いに接触しないように配置されており独立して往復移動を行うものである。
この方法はガラス微粒子発生装置の往復移動について、その振幅をそれぞのガラス微粒子発生装置（バーナ）で異ならせながら周期をほぼ等しくするものである。図３（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれのガラス微粒子発生装置（バーナ）の振幅即ち移動範囲を図３（ａ）に対応させて表示するものである。形成されるテーパ部の傾斜が異なるようにするならばその振幅はどのような範囲でも適宜設定できるが、例えば、図３（ａ）に示すように上部折り返し位置では、それぞれのバーナ折り返し位置は、１５０ｍｍずつずらすのが好ましく、下部折り返し位置では、５０ｍｍずつずらすのが好ましい。図３（ｃ）の場合は、３本のバーナの移動範囲の差を小さくしたパターンである。いずれの場合でも、バーナは一往復の時間が同じになるようにその速度は異なる設定となっている。
このように複数のガラス微粒子発生装置のそれぞれの振幅を変えることにより、図１（ａ）に示すような両端部のテーパ部の傾斜が異なる複合母材を容易に得ることができる。そして、それぞれのバーナ折り返し位置を適宜ずらすことで、テーパ傾斜を容易に調節することもできる。なお、この場合には、ガラス微粒子発生装置への原料ガス供給量は、適宜調整してよく、図２（ｃ）に相当するような折り返し点付近で供給量を減少させるといった供給量調整を行ってもよい。

このようにして効率よく図１（ａ）に示すような複合母材を得ることがでる。そして、第３工程として、この複合母材の傾斜が急な側のテーパ部を下にして加熱炉内にほぼ垂直に支持しながら回転させ、ヘリウムガス、塩素ガス等を送りながら約１１００℃以上で脱水を行い、さらに１４００℃〜１６００℃の高温で焼結を行い、図１（ｂ）に示すような上部に未焼結部５を少し残した光ファイバ母材４を製造する。複合母材の上方の支持部側はテーパが長いので支持部付近のガラスロッドが高温に曝されず軟化変形の恐れがなく、焼結処理操作が容易である。
続いて、第４工程として、得られた光ファイバ母材に望むなら適宜の処理を加えてもよいが、さらに形状が変化するような特別な処理や加工を施すことなく、そのまま線引き炉へ導入し線引きを行うことができる。そして、伝送損失の少ない良好で均質な光ファイバを得ることができる。
この結果従来の光ファイバの製造方法と比較して、光ファイバ母材製造後線引きまでに光ファイバ母材を加熱加工する工程を必要としないため工程が数時間短縮し、得られる光ファイバの良品率が約１０〜２０％増加した。
なお、本発明の実施の形態は上述のものに限られず、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能である。

周知のＶＡＤ法によりコアとなる部分を含む外径３６ｍｍ、長さ１８００ｍｍの石英ガラスロッドを作製した。図２（ａ）に示すように、このガラスロッドを垂直に配置し、時間と共に回転数を２００〜２５ｒｐｍに変化させて回転させながらバーナを上下方向に移動させてガラス微粒子を堆積させ複合母材を製造した。バーナには各ガス供給装置から水素２００リットル／分、酸素９０リットル／分、四塩化ケイ素１００ｇ／分、シール用にアルゴンガス１．５リットル／分を供給し、火炎分解反応によってガラス微粒子を生成させた。
図２（ｂ）に示すように上部折り返し点より約２００ｍｍ下方に速度変更点Ｐを設定した。バーナは下部折り返し点からＰ点まで５０ｍｍ／秒の一定速度で移動し、Ｐ点から上部折り返し点までその速度を徐々に上げ、折り返し直前には最高速度１５０ｍｍ／秒とした。このバーナ移動を繰り返し、ガラス微粒子を堆積した。

得られた複合母材は、外径一定部の外径が約２５０ｍｍであり、上部のテーパ部の長さが約３００ｍｍ、下部約１００ｍｍの図１（ａ）に示すような形状であり、その傾斜は上部で２８０％、下部で９３％であった。この複合母材を傾斜が急な側のテーパ部を下にして、加熱炉内に垂直に支持し回転させながら脱水焼結処理を約１５時間行った。
得られた光ファイバ母材は、外径一定部の外径が１５０ｍｍであり、上部の未ガラス化部分を含むテーパ部の最大外径は約１６０ｍｍであった。そして、上部のテーパ部の長さが約３００ｍｍ、下部テーパ部の長さ１００ｍｍは変わりなかった。したがって、その傾斜は上部で約５３０％、下部で約１８０％である。このように両端部に形成されるテーパ部の傾斜が異なった光ファイバ母材が得られた。
この光ファイバ母材は、このまま線引き炉に投入し良好に線引きを行うことができた。

（ａ）は本発明の光ファイバ母材の製造過程で得られる複合母材の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の複合母材を脱水焼結した場合の光ファイバ母材の正面図である。 本発明の光ファイバ母材の製造方法の第２工程の例を示す説明図であり、（ａ）はガラスロッドとガラス微粒子発生装置（バーナ）との位置関係の状態を示す正面図であり、（ｂ）はバーナの位置と移動速度の関係を示すグラフであり、（ｃ）はバーナ位置と原料ガス供給量の関係を示すグラフである。 本発明の光ファイバ母材の製造方法の第２工程の他の例を示す説明図であり、（ａ）はガラスロッドとガラス微粒子発生装置（バーナ）との位置関係の状態を示す正面図であり、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれバーナの移動範囲を示すものである。 従来の複合母材の製造方法と得られた複合母材の形状とを説明する概略図である。 （ａ）は焼結時に母材つり下げ部が変形した状態の説明図であり、（ｂ）は従来の光ファイバ母材の形状の例を示す説明図である。 従来のテーパ部の傾斜を急にした複合母材の概略図である。

符号の説明

１ ガラスロッド
２ ガラス微粒子
３ 複合母材
４ 光ファイバ母材
５ 未焼結部
Ａ、Ｂ、Ｃ ガラス微粒子発生装置（バーナ）

Claims (4)

1. 光ファイバ化後にコアとなる部分を含むガラスロッドを形成する第１工程、該ガラスロッドをその軸を中心に回転させながらガラス微粒子発生装置を前記ガラスロッドの長手方向に相対的に往復移動させることにより前記ガラスロッドの外周にガラス微粒子を堆積させて複合母材を形成する第２工程、前記複合母材を加熱炉内にほぼ鉛直に支持しながら回転させて脱水焼結して光ファイバ母材を得る第３工程および前記光ファイバ母材の脱水焼結の際に下向きとなった側の端部の形状を実質的に維持したまま前記光ファイバ母材を線引き炉に導入して線引きする第４工程を有する光ファイバの製造方法であって、
   前記第３工程で形成された前記脱水焼結後の光ファイバ母材の下部のテーパ部の傾斜Ｓ（％）が、
   １００≦Ｓ≦３００
   （テーパ部の傾斜Ｓ（％）は、前記テーパ部の長さをＬ［ｍｍ］、外径一定部の外径をＤ［ｍｍ］、ガラスロッドの平均外径をｄ［ｍｍ］としたとき、Ｓ＝Ｌ×１００／｛（Ｄ−ｄ）／２｝で表される。）
   であることを特徴とする光ファイバ製造方法。
2. 前記第３工程で形成された前記脱水焼結後の光ファイバ母材の上部のテーパ部の傾斜Ｓ（％）が、
   ２００≦Ｓ≦６００
   であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ製造方法。
3. 前記第２工程で形成された前記複合母材の下部のテーパ部の傾斜Ｓ（％）が、
   ５０≦Ｓ≦１５０
   であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ製造方法。
4. 前記第２工程で形成された前記複合母材の上部のテーパ部の傾斜Ｓ（％）が、
   １５０≦Ｓ≦３５０
   であることを特徴する請求項１〜３のいずれか１項に光ファイバ製造方法。
   

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