JP5087929B2 - ガラス微粒子堆積体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス微粒子を堆積させたガラス微粒子堆積体の製造方法に関する。

光ファイバ用のガラス母材となるガラス微粒子堆積体を製造する方法として、出発棒を回転させながら、この出発棒に向かってバーナの火炎中に生成したガラス微粒子を吹き付けることにより、ガラス微粒子を堆積させ、軸方向に成長させていくＶＡＤ法がある。

このＶＡＤ法によってガラス微粒子堆積体を製造する際には、ガラス微粒子堆積体の重量及び成長長さを測定し、単位長さ当たりのガラス微粒子の増加重量の測定値と、目標増加重量との偏差を求め、その偏差に基づいて、ガラス微粒子堆積体の下端部の高さ位置を一定に保ちながら、バーナへ供給する原料ガスあるいは燃焼ガスの流量を制御し、ガラス微粒子堆積体の外径の安定化を図る技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３０７２３５号公報

ところで、上記の方法では、ガラス微粒子堆積体の下端部の高さ位置を一定に保つように制御をしているため、バーナの取り付け状態やバーナへのガスの供給状態が長手方向で変化した場合に、ガラス微粒子堆積体のコア部分へのガラス微粒子の堆積速度が長手方向で変動し、それに伴い引き上げ速度も変動する。
そして、このように、引き上げ速度が長手方向で変動すると、ガラス微粒子堆積体のコア部分におけるドーパントの添加量が変化してしまう。ドーパントの添加量が長手方向で変化すると、その後にガラス微粒子堆積体を透明ガラス化したときに屈折率分布が長手方向で変動してしまい、線引きして光ファイバとした際に、光ファイバの光学特性が長手方向で変化してしまう。

本発明は、長手方向におけるドーパントの添加量の変化を極力抑えつつガラス微粒子堆積体を製造することが可能なガラス微粒子堆積体の製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決することのできる本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法は、出発棒をその軸回りに回転させつつ、バーナにより生成したガラス微粒子を前記出発棒の軸方向に堆積させて少なくとも一部に屈折率調整用ドーパントを含んだガラス微粒子堆積体を製造する製造方法であって、前記ガラス微粒子堆積体が目標外径となった後に、前記出発棒と前記バーナとの相対速度が目標速度に一致するように、前記バーナへ供給する水素ガスの流量を調整し、前記水素ガスの流量の調整を所定時間以上の所定の周期で行い、前記所定の周期をガラス微粒子堆積体の有効部の後半部分より前半部分で短くなるように、ガラス微粒子堆積体の長手方向で１回以上変更することを特徴とする。

また、前記水素ガスの流量の調整量を、ガラス微粒子堆積体の長手方向で１回以上変更することが好ましい。

また、前記バーナへ供給する前記水素ガスの流量とともに、前記屈折率調整用ドーパント以外のガスの流量も調整しても良い。

また、前記屈折率調整用ドーパントを含んだコア部とともに、その外周にクラッド部となるガラス微粒子を堆積させても良い。

本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法によれば、バーナへ供給する水素ガスの流量を調整して、出発棒とバーナとの相対速度を目標速度で一定とするため、ドーパントの添加量を長手方向で均一化して、ガラス微粒子堆積体を製造することができる。

以下、本発明に係るガラス微粒子堆積体の製造方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法が適用可能な製造装置の概略構成図である。

図１に示す製造装置１１は、所謂ＶＡＤ法により、反応容器１２の内側の空間内で出発棒１３に対してガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子堆積体１４を形成するものである。
反応容器１２は、ガラス微粒子を生成して堆積させる際の高温の環境条件においても、塩素ガス等による腐食が起こりにくい、ニッケル、ニッケル合金等の材料を用いて形成されている。

反応容器１２の中には、垂直方向に昇降可能な把持具１５が収容されている。この把持具１５は、長尺状の出発棒１３の上端を把持して、出発棒１３を垂直方向に支持している。また、把持具１５は、その上方で回転昇降装置１６に接続されている。回転昇降装置１６は、把持具１５及び把持した出発棒１３を、その軸回りに回転させることができる。

反応容器１２の中には、コア用バーナ２１及びクラッド用バーナ２２が設けられている。これらバーナ２１，２２は、ガスを吹き出す複数のポートを有しており、そのポートからそれぞれ燃焼ガスとガラス原料ガスを吹き出し、燃焼ガスの燃焼により生じる酸水素火炎中において、ガラス原料を加水分解反応させて、ガラス微粒子を生成するものである。

なお、燃焼ガスには、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）が含まれ、ガラス原料ガスには四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）が含まれ、特に、コア用バーナ２１では、ガラス原料ガスに屈折率調整用ドーパントとしてゲルマニウム（Ｇｅ）が含まれ、これらのガスとともに、バーナ２１，２２には、不活性ガス（ＡｒやＮ_２等）も供給される。

これらバーナ２１，２２は、生成したガラス微粒子を出発棒１３に堆積させるように、出発棒１３に向けて斜め上方に傾けて配置されている。そして、これらバーナ２１，２２には、ガス供給装置２３から、適宜調整された流量のガスが供給される。

さらに、反応容器１２は、側壁部分に排気口２５を備えており、出発棒１３に堆積されなかった余剰のガラス微粒子を含む内部の排気ガスが排気口２５から送り出される。
また、反応容器１２の下端近傍には、互いに対向するように設けられたレーザ発振器３１及びレーザ受光器３２が設けられており、レーザ発振器３１からのレーザ光Ｌがレーザ受光器３２にて受光されるようになっている。このレーザ発振器３１は、照射したレーザ光Ｌが出発棒１３の鉛直下方位置の所定位置を通るように配置されている。そして、出発棒１３に堆積されたガラス微粒子堆積体１４の下端部がその所定位置にあると、レーザ発振器３１から照射されたレーザ光Ｌは、ガラス微粒子堆積体１４の下端部によってその一部が遮られる。

すなわち、レーザ受光器３２において受光された受光強度が１００％であると、ガラス微粒子堆積体１４の下端部が所定位置より上にあり、受光強度が０％であると、ガラス微粒子堆積体１４の下端部が所定位置より下にあり、受光強度が０％でも１００％でもないと、ガラス微粒子堆積体１４の下端部が所定位置またはその近傍にあることが検出される。

レーザ受光器３２は、制御装置３３に接続されており、レーザ受光器３２からの受光信号が制御装置３３へ送信される。
制御装置３３は、レーザ受光器３２からの受光信号に基づいて、受光したレーザ光Ｌの強度を割り出し、そのレーザ光Ｌの強度が一定になるように回転昇降装置１６による出発棒１３の引き上げ速度を制御する。

すなわち、レーザ光Ｌの受光強度が大きい場合は、ガラス微粒子堆積体の成長が遅く、レーザ光Ｌを遮る量が少なくなる場合であり、この時は回転昇降装置１６の引き上げ速度を遅くしてガラス微粒子堆積体の成長を促進させ、レーザ光Ｌの受光強度を下げるように制御を行う。

一方、レーザ光Ｌの受光強度が小さい場合は、ガラス微粒子堆積体の成長が速く、レーザ光Ｌを遮る量が多くなる場合であり、この時は回転昇降装置１６の引き上げ速度を速くしてガラス微粒子堆積体の成長を遅くし、レーザ光Ｌの受光強度を大きくするように制御を行う。

次に、上記構成の製造装置１１によるガラス微粒子堆積体１４の製造方法について説明する。
まず、把持具１５によって反応容器１２内に吊り下げた出発棒１３をその軸回りに回転させる。

そして、出発棒１３を軸回りに回転させながら、上方向に徐々に引き上げることにより、出発棒１３とバーナ２１，２２とを長手方向に相対移動させ、出発棒１３にバーナ２１，２２によってガラス微粒子を吹き付けて堆積させる。

そして、ガラス微粒子を堆積させる際に、制御装置３３は、回転昇降装置１６による出発棒１３の引き上げ速度を検知し、これが予め設定した目標速度に一致するようにガス供給装置２３を制御することにより、ガス流量調整制御を行う。

なお、ガラス微粒子の堆積開始時は、出発棒１３に対して所定の径になるまでガラス微粒子が堆積され、光ファイバの母材として用いられない非有効部となる。したがって、制御装置３３は、この非有効部が既に形成され、光ファイバの母材として有効に用いられる有効部の形成の開始後に、ガス流量調整制御を行う。つまり、制御装置３３は、ガラス微粒子の堆積の開始からコアバーナ２１により形成されるコア部が目標外径となった後の有効部の形成開始までの所定時間経過後に、ガス流量調整制御を開始する。

コア用バーナ２１に供給される、水素以外のガス、つまり、酸素、不活性ガス及びドーパントであるゲルマニウム（Ｇｅ）を含む四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）のガラス原料ガスの供給量は、一定量とする。

そして、この状態で、制御装置３３はガス供給装置２３を制御して、ガラス微粒子堆積体１４のコア部を形成するコア用バーナ２１への水素ガスの供給量を調整することにより、ガラス微粒子堆積体１４の成長速度を一定にすることで、回転昇降装置１６による出発棒１３の引き上げ速度を一定に制御する。
なお、クラッド用バーナ２２への水素ガスの供給量は、コア用バーナ２１への水素ガスの供給量の調整量に合わせて調整される。

ここで、回転昇降装置１６による出発棒１３の引き上げ速度が小さい場合は、ガラス微粒子堆積体１４のコア部における成長が小さい場合であり、このとき水素ガスの流量を減少させる。このようにすると、火炎の温度が下がることにより、堆積していくガラス微粒子堆積体の嵩密度が低下して体積が増加し、成長が速くされる。
これに対して、回転昇降装置１６による出発棒１３の引き上げ速度が大きい場合は、ガラス微粒子堆積体１４のコア部における成長が大きい場合であり、このとき水素ガスの流量を増加させる。このようにすると、火炎の温度が上がることにより、堆積していくガラス微粒子堆積体の嵩密度が増加して体積が減少し、成長が遅くされる。

そして、制御装置３３は、上記のような水素ガスの調整を一度行った後には、例えば、１分以上の所定時間の間隔をあけて、次回の調整を行う。すなわち、水素ガスの流量の調整を、所定時間以上の所定の周期で行う。

このように、所定時間毎に水素ガスの調整を行うガス流量調整制御を行うことにより、長手方向にわたってガラス微粒子の堆積量が一定に維持されてガラス微粒子堆積体１４の成長速度が均一化されるとともに、ドーパントであるゲルマニウム（Ｇｅ）の添加量が一定量とされ、ガラス微粒子堆積体１４のコア部におけるドーパントの添加量が有効部における長手方向にわたって均一化される。
これにより、ガラス微粒子堆積体１４を透明ガラス化した後に長手方向における屈折率分布の均一化を図ることができ、線引きして光ファイバとした際に、長手方向で光ファイバの光学特性を安定化させることができる。

例えば、光ファイバのコアとクラッドの比屈折率差を０．３±０．０２％から０．３±０．０１％に改善することができ、モードフィールド径（ＭＦＤ）も９．２±０．３μｍから９．２±０．２μｍとすることができ、これにより、光ファイバ同士の接続箇所における接続ロスを大幅に抑えることができる。

また、水素ガスの調整後に、その調整によって堆積量が十分に変化するまでに多少の時間を要するが、上記の製造方法では、制御装置３３が、水素ガスの調整を、例えば、１分以上の所定時間の間隔をあけて行うので、水素ガスの調整による堆積量を十分に変化させて良好に調整することができる。

なお、流量を調整する水素ガスの初期の流量としては、前回に製造された同品種のロットのガラス微粒子堆積体１４を製造した時の最終の流量とすることが好ましく、このようにすると、長手方向だけでなく各ロット間におけるガラス微粒子堆積体１４の特性の均一化も図ることができる。

また、水素ガスの流量調整を行う所定の周期を、ガラス微粒子堆積体１４の長手方向で１回以上変更することが好ましい。
例えば、水素ガスの調整量（調整ゲイン）を０．１５ＳＬＭ／ｍｍとした場合では、ガラス微粒子堆積体１４の有効部の前半部分における流量調整を行う間隔を１０分間隔とし、有効部の後半部分における流量調整を行う間隔を３０分間隔とする。

このようにすると、ガラス微粒子の堆積状態が比較的不安定となりやすい前半部分で細かく調整を行うことができ、ガラス微粒子の堆積状態が比較的安定しやすい後半部分では、必要以上の調整を抑えて、堆積状態のさらなる安定化を図ることができる。

さらに、水素ガスの流量の調整量（調整ゲイン）を、ガラス微粒子堆積体１４の長手方向で１回以上変更することが望ましい。
例えば、流量調整を行う間隔を２０分間隔とした場合では、ガラス微粒子堆積体１４の有効部の前半部分における流量調整での調整量を０．２ＳＬＭ／ｍｍとし、有効部の後半部分における流量調整での調整量を０．１ＳＬＭ／ｍｍとする。

このようにすると、ガラス微粒子の堆積状態が比較的不安定となりやすい前半部分で、迅速に調整を行うことができ、ガラス微粒子の堆積状態が比較的安定しやすい後半部分では、必要以上の調整を抑えて、堆積状態のさらなる安定化を図ることができる。

また、水素ガスの流量調整を行う時間間隔及び調整量の両方を、ガラス微粒子堆積体１４の長手方向で１回以上変更しても良い。
例えば、ガラス微粒子堆積体１４の有効部の前半部分における流量調整を行う間隔を１０分間隔、調整量を０．２ＳＬＭ／ｍｍとし、有効部の後半部分における流量調整を行う間隔を２０分間隔、調整量を０．１ＳＬＭ／ｍｍとする。

このようにすると、ガラス微粒子の堆積状態が比較的不安定となりやすい前半部分で、細かくかつ迅速に調整を行うことができ、ガラス微粒子の堆積状態が比較的安定しやすい後半部分では、必要以上の調整を抑えて、堆積状態のさらなる安定化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、水素ガスの流量を調整することにより、出発棒１３の引き上げ速度を一定にしつつガラス微粒子の増加量を増減させたが、ドーパントであるゲルマニウム（Ｇｅ）以外であれば、水素ガスに限らず、酸素ガス（Ｏ_２）、不活性ガス（Ａｒ、Ｎ_２）あるいはガラス原料ガスである四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）の流量を調整しても同様の効果を奏することができる。
また、ガラス原料ガスとしては、シロキサンを用いても良く、また、ドーパントとしては酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）を用いても良い。

また、上記実施形態では、コア用バーナ２１とクラッド用バーナ２２によってコア部となるガラス微粒子の周囲にクラッド部となるガラス微粒子を同時に堆積させる場合を例にとって説明したが、本発明は、コア部となるガラス微粒子のみを堆積させる場合にも適用可能である。

本発明のガラス微粒子堆積体の製造方法が適用可能な製造装置の概略構成図である。

符号の説明

１３ 出発棒
１４ ガラス微粒子堆積体
２１ コア用バーナ（バーナ）
２２ クラッド用バーナ（バーナ）

Claims (4)

1. 出発棒をその軸回りに回転させつつ、バーナにより生成したガラス微粒子を前記出発棒の軸方向に堆積させて少なくとも一部に屈折率調整用ドーパントを含んだガラス微粒子堆積体を製造する製造方法であって、
   前記ガラス微粒子堆積体が目標外径となった後に、前記出発棒と前記バーナとの相対速度が目標速度に一致するように、前記バーナへ供給する水素ガスの流量を調整し、前記水素ガスの流量の調整を所定時間以上の所定の周期で行い、前記所定の周期をガラス微粒子堆積体の有効部の後半部分より前半部分で短くなるように、ガラス微粒子堆積体の長手方向で１回以上変更することを特徴とするガラス微粒子堆積体の製造方法。
2. 前記水素ガスの流量の調整量を、ガラス微粒子堆積体の長手方向で１回以上変更することを特徴とする請求項１に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
3. 前記バーナへ供給する前記水素ガスの流量とともに、前記屈折率調整用ドーパント以外のガスの流量も調整することを特徴とする請求項１または２に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。
4. 前記屈折率調整用ドーパントを含んだコア部とともに、その外周にクラッド部となるガラス微粒子を堆積させることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のガラス微粒子堆積体の製造方法。

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