JP5518890B2

JP5518890B2 - 溶着方法、溶着装置、及び、光ファイバの製造方法

Info

Publication number: JP5518890B2
Application number: JP2011538394A
Authority: JP
Inventors: 格石田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: JPWO2011052497A1; WO2011052497A1

Description

本発明は、貫通孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着する溶着方法及び溶着装置に関する。また、貫通孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着するガラス管溶着工程を含む光ファイバの製造方法に関する。

長距離伝送に適した光ファイバとして、近年、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）が注目を集めている。フォトニック結晶ファイバは、空孔によってクラッドの屈折率を低下させた光ファイバであり、不純物によってクラッドの屈折率を低下させた従来型の光ファイバでは得られなかった光学特性を得られることが知られている。

フォトニック結晶ファイバは、特許文献１〜３に記載のように、（１）シリカガラスからなる円柱状の母材（以下「プリフォーム」と呼称する）を作製するプリフォーム作製工程と、（２）空孔の母体となる貫通孔をプリフォームに形成する貫通孔形成工程と、（３）貫通孔が形成されたプリフォームを線引きする線引工程とを経て製造される。貫通孔形成工程においては、棒状の突起部を有する穿孔器具を用いて、プリフォームの一方の端面から他方の端面に至る、これらの端面と垂直な方向（プリフォームの軸方向と同じ）に伸びる貫通孔を形成する。

フォトニック結晶ファイバにおいては、空孔の内壁に凹凸があると散乱損失が生じ、また、空孔の内壁に水酸基などの不純物が付着していると吸収損失が生じる。このため、プリフォームに形成された貫通孔の内壁にエッチング処理や脱水処理などを施しておく必要がある。また、フォトニック結晶ファイバにおいては、空孔の孔径（直径）にバラツキがあると所望の光学特性が得られない。このため、特定の孔径を有する空孔が形成されるよう、プリフォームの貫通孔内の圧力を制御しながら線引工程を実施する必要がある。

エッチング処理用、脱水処理用、及び、圧力制御用の気体は、プリフォームに溶着したガラス管を介して貫通孔内に導入することが一般的である。このため、フォトニック結晶ファイバの製造に際しては、貫通孔内の空間とガラス管内の空間とが互いに連通するよう、プリフォームの端部にガラス管を溶着する必要が生じる。

プリフォームとガラス管との溶着は、予備加熱したプリフォーム及びガラス管の端部を互いに接触させ、接触箇所を更に加熱することにより実現される。このため、プリフォームの端部を加熱する際の火力が強すぎると、溶融したガラスの表面張力によって貫通孔が閉塞し、エッチング処理用、脱水処理用、及び、圧力制御用の気体を貫通孔内に導入することができなくなる。逆に、貫通孔が閉塞しないよう、プリフォームの端部を加熱する際の火力を弱めると、プリフォームとガラス管との溶着強度が低下し、機械的あるいは熱的な応力による溶着面の剥離を生じ易くなる。

特許文献１には、このような問題を回避するための技術が記載されている。すなわち、貫通孔を形成してからガラス管を溶着するのではなく、ガラス管を溶着してから貫通孔を形成することが記載されている（特許文献１の段落〔００６２〕参照）。

また、特許文献４には、貫通孔が形成されたプリフォームとガラス材とを溶着する際に生じる貫通孔の変形を防止する技術が開示されている。ただし、特許文献４に記載の技術は、プリフォームにガラス材を溶着する前に貫通孔にガラス栓を挿入するものであり、貫通孔内の空間とガラス管内の空間とが互いに連通するよう、プリフォームとガラス管とを溶着する目的に利用できるものではない。

日本国公開特許公報「特開２００２−１４５６３４号公報」（２００２年５月２２日公開）日本国公開特許公報「特開２００２−２４９３３５号公報」（２００２年９月６日公開）日本国公開特許公報「特開２００２−２９３５６２号公報（２００２年１０月９日公開）」日本国公開特許公報「特開２００６−１６０５２８号公報」（２００６年６月２２日公開）

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、ガラス管が溶着されたプリフォームに穿孔器具の突起部を根元まで挿入すると、穿孔器具の基部（突起部をサポートする、突起部よりも太い柱状部材）がガラス管と干渉してガラス管を破損する虞がある（特許文献１の図４参照）。特に、プリフォームの外周付近に貫通孔を形成する場合、ガラス管を破損するリスクが高い。穿孔器具の基部がガラス管と干渉しないよう、穿孔器具の突起部を根元までプリフォームに挿入しないようにすると、形成可能な貫通孔の長さが短くなるという問題を生じる。

なお、このような問題がフォトニック結晶ファイバ（全反射を導波原理とする「屈折率導波型のフォトニック結晶ファイバ」、及び、ブラッグ反射を導波原理とする「フォトニックバンドギャップ型のフォトニック結晶ファイバ」の双方を含む）を製造する場合に限らず、軸方向に伸びる少なくとも１つの空孔が形成された光ファイバを製造する場合一般に生じ得る問題であることは明らかであろう。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、空孔が形成された光ファイバの母材となるプリフォーム、すなわち、貫通孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着する溶着方法であって、貫通孔が閉塞する虞のない溶着方法を実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る溶着方法は、貫通孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着する溶着方法であって、上記ガラス管の端部を予備加熱する第１の加熱工程と、上記プリフォームの端部を予備加熱する第２の加熱工程と、予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを互いに接触させた後、予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを更に加熱する第３の加熱工程と、を含み、上記第２の加熱工程において、予備加熱する側とは反対側から上記貫通孔内にガスを供給することを特徴としている。

上記の構成によれば、上記貫通孔が閉塞することを防止するという効果を奏する。何故なら、上記第２の加熱工程において、上記貫通孔内に予備加熱される側へと向かうガスの流れが生じるので、上記貫通孔周辺の温度が上昇し難くなり、上記貫通孔周辺において上記プリフォームが溶融し難くなるからである。また、仮に上記貫通孔周辺において上記プリフォームが溶融したとしても、上記貫通孔を閉塞させようとする溶融した上記プリフォームの表面張力に上記ガスの圧力が拮抗するので、上記貫通孔が閉塞し難くなるからである。

また、予備加熱により発生した不純物が上記貫通孔内に残存すると、残存した不純物が上記プリフォームを線引きする際に上記プリフォームに溶着し、上記プリフォームを線引きして得られる光ファイバの光学特性を劣化させることがある。

しかしながら、上記の構成によれば、上記第２の加熱工程において、上記貫通孔内に予備加熱される側へと向かうガスの流れが生じるので、予備加熱により発生した不純物が上記貫通孔内に残存することを防止することができる。したがって、上記の構成によれば、光ファイバの光学特性の劣化を防止するという効果を奏する。

なお、上記第２の加熱工程は、上記第１の加熱工程より後に実施されてもよいし、上記第１の加熱工程より先に実施されてもよいし、上記第１の加熱工程と同時に実施されてもよい。すなわち、「第１の」「第２の」という記載は、２つの加熱工程を識別するものに過ぎず、２つの加熱工程を実施する時間的な順序を規定するものではない。

なお、空孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着するガラス管溶着工程を含む光ファイバの製造方法であって、上記溶着方法を用いて上記ガラス管溶着工程を実施する光ファイバの製造方法も本発明の範疇に含まれる。

また、上記溶着方法を実施するための装置、すなわち、貫通孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着する溶着装置であって、上記ガラス管の端部を予備加熱するための第１の加熱部と、上記プリフォームの端部を予備加熱するための第２の加熱部と、予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを互いに接触させた後、予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを更に加熱するための第３の加熱部と、上記第２の加熱部によって上記プリフォームの端部を予備加熱する際に、予備加熱する側とは反対側から上記貫通孔内にガスを供給するためのガス供給部と、を備えていることを特徴とする溶着装置も本発明の範疇に含まれる。

本発明によれば、貫通孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着する溶着方法であって、貫通孔が閉塞する虞のない溶着方法を実現することができる。

本発明の実施形態に係る溶着方法を示す模式図であり、（ａ）は、ガラス管の端部を予備加熱する第１の加熱工程を示し、（ｂ）は、プリフォームの端部を予備加熱する第２の加熱工程を示し、（ｃ）は、プリフォームの端部とガラス管の端部とを接触させる接触工程を示し、（ｄ）は、プリフォームの端部とガラス管の端部とを更に加熱する第３の加熱工程を示す。図１に示した溶着方法を用いて実施されるガラス管溶着工程を含む光ファイバの製造方法を示すフローチャートである。図１に示した溶着方法を実施するために用いる溶着装置の構成を示す構成図である。（ａ）は、歪み計を用いて実施例１で得られたガラス管が溶着されたプリフォームを撮影した写真であり、（ｂ）歪み計を用いて比較例１で得られたガラス管が溶着されたプリフォームを撮影した写真である。

本発明の一実施形態について図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施形態において「光ファイバ」と記載した場合には、特に断りのない限り、軸方向に伸びる１つ以上の空孔が形成された光ファイバを指すものとする。

〔光ファイバの製造方法〕
まず、本実施形態に係る光ファイバの製造方法を図２を参照して説明する。図２は、本実施形態に係る光ファイバの製造方法の流れを示したフローチャートである。

本実施形態に係る光ファイバの製造方法は、図２に示すように、プリフォーム作製工程Ｓ１と、貫通孔形成工程Ｓ２と、ガラス管溶着工程Ｓ３と、エッチング工程Ｓ４と、線引工程Ｓ５とを含んでいる。

プリフォーム作製工程Ｓ１は、光ファイバの母材となるプリフォームを作製する工程である。より具体的には、円柱状のシリカガラスを作製する工程である。プリフォーム作製工程Ｓ１は、公知の方法、例えば、ＶＡＤ法（Vapor phase Axial Deposition Method：気相軸付け法）、ＭＣＶＤ法（Modified Chemical Vapor Deposition Method）、ＯＶＤ法（Outside Vapor Deposition Method）などを用いて実施すればよい。

貫通孔形成工程Ｓ２は、プリフォーム作製工程Ｓ１にて作製したプリフォームに貫通孔を形成する工程である。より具体的には、プリフォームの一方の端面から他方の端面に至る、これらの端面と垂直な方向（プリフォームの軸方向と同じ）に伸びる貫通孔を形成する工程である。貫通孔形成工程Ｓ２は公知の方法を用いて実施すればよい。例えば、ダイヤモンドの刃先を有する穿孔器具や、シリカガラスの軟化点以上の温度に加熱可能な加熱器具などを用いて貫通孔を形成すればよい。

ガラス管溶着工程Ｓ３は、貫通孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着する工程である。より具体的には、貫通孔内の空間とガラス管内の空間とが互いに連通するよう、プリフォームの端面とガラス管の端面とを溶着する工程である。ガラス管溶着工程Ｓ３は、本発明による新規な溶着方法を用いて実施される。この溶着方法については図１を参照して後で詳しく説明する。なお、「溶着」とは、溶融したガラス同士を接触させた後、冷却して固化させることを意味する。

エッチング工程Ｓ４は、プリフォームに形成された貫通孔の内壁をエッチングすることによって、貫通孔の内壁を平滑化する工程である。エッチング用の気体、例えば、六フッ化硫黄は、ガラス管溶着工程Ｓ３にてプリフォームに溶着されたガラス管を介して貫通孔内に導入する。なお、エッチング工程Ｓ４において、貫通孔の内壁に付着した水酸基を除去する脱水処理を行ってもよい。脱水処理用の気体、例えば、塩素ガスも、ガラス管溶着工程Ｓ３にてプリフォームに溶着されたガラス管を介して貫通孔内に導入すればよい。

線引工程Ｓ５は、プリフォームを線引きする工程である。より具体的には、加熱したプリフォームを細線状に引き伸ばす工程である。特定の孔径を有する空孔が形成されるよう、線引工程Ｓ５は、プリフォームに形成された貫通孔内の圧力を制御しながら実施する。圧力制御用の気体は、ガラス管溶着工程Ｓ３にてプリフォームに溶着されたガラス管を介して貫通孔内に導入する。また、特定の外径を有する光ファイバが得られるよう、線引工程Ｓ５は、プリフォームの送り速度と光ファイバの巻き取り速度とを制御しながら実施する。

なお、プリフォームに形成された貫通孔は、エッチング工程Ｓ４終了後（線引工程Ｓ５開始前）に、ガラス管が溶着された側とは反対側から封止する。これにより、線引工程Ｓ５において、ガラス管を介して貫通孔内に導入された圧力制御用気体によって貫通孔内の圧力を制御することが可能になり、同時に、貫通孔内に不純物が混入し難くなる。貫通孔の封止は、例えば、プリフォームのガラス管が溶着された側とは反対側の端部をバーナー等により溶断することにより実現される。また、ガラス管のプリフォームに溶着された側と反対側の開口は、線引工程Ｓ５終了までコネクタ（圧力制御用気体を供給するための配管とガラス管とを接続するためのコネクタ）等により封止される。これにより、得られた光ファイバの空孔内に不純物が混入し難くなる。

〔溶着方法〕
次に、本実施形態に係る溶着方法について、図１を参照して説明する。本実施形態に係る溶着方法は、ガラス管１００の端部を予備加熱する第１の加熱工程と、プリフォーム１０の端部を予備加熱する第２の加熱工程と、第１の加熱工程にて予備加熱されたガラス管１００の端部と第２の加熱工程にて予備加熱されたプリフォーム１０の端部とを接触させる接触工程と、互いに接触したガラス管１００の端部とプリフォーム１０の端部とを更に加熱する第３の加熱工程とを含む。図１の（ａ）は、第１の加熱工程を示し、図１の（ｂ）は、第２の加熱工程を示し、図１の（ｃ）は、接触工程を示し、図１の（ｄ）は、第３の加熱工程を示す。

まず、図１の（ａ）に示すように、ガラス管１００においてプリフォーム１０を溶着する側の端部である溶着端を、酸水素バーナーを用いて予備加熱する。ガラス管１００の予備加熱は、ガラス管１００の溶着端の温度が軟化点に近づくまで、あるいは、軟化点に達するまで行う。ガラス管１００の溶着端を予備加熱する間、ガラス管１００内には、加熱されている溶着端と反対側の端部から不活性ガスを供給する。なお、ガラス管１００の予備加熱は、溶着端の温度が均一になるよう、ガラス管１００の中心軸を回転軸として周方向に回転させつつ行う。

次に、図１の（ｂ）に示すように、プリフォーム１０においてガラス管１００に溶着する側の端部である溶着端を、酸水素バーナーを用いて予備加熱する。プリフォーム１０の予備加熱は、プリフォーム１０の溶着端の温度が軟化点に近づくまで、あるいは、軟化点に達するまで行う。プリフォーム１０の溶着端を予備加熱する間、プリフォーム１０に形成された貫通孔１１内には、加熱されている溶着端と反対側の端部から不活性ガスを導入する。なお、プリフォーム１０の加熱も、溶着端の温度が均一になるように、プリフォーム１０の中心軸を回転軸として周方向に回転させつつ行う。

なお、図１の（ａ）に示す第１の加熱工程と、図１の（ｂ）に示す第２の加熱工程とは、この順で実施してもよいし、逆順で実施してもよいし、同時に実施してもよい。

プリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを予備加熱した後、図１の（ｃ）に示すように、プリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを接触させる。本実施形態に係る溶着方法では、プリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを接触させた時点で、ガラス管１００内への不活性ガスの供給、及び、貫通孔１１内への不活性ガスの供給を停止する。

予備加熱したプリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを接触させた後、図１の（ｄ）に示すように、予備加熱したプリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを更に加熱する（プリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを接触させた状態で行う加熱を以下「本加熱」とも呼ぶ）。本加熱は、プリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とが溶融して一体化するまで行う。本加熱終了後、一体化したプリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを自然冷却して溶着を完了する。

なお、図１の（ｄ）に点線で示したＬＥＤ３０及びＣＣＤラインセンサ３１は、プリフォーム１０とガラス管１００との溶着が完了した後、プリフォーム１０に形成された貫通孔１１が閉塞していないことを確認するために利用する。ＬＥＤ３０及びＣＣＤラインセンサ３１を用いた確認作業は、言うまでもなく、本加熱（第３の加熱工程）を行いながら実施するのではなく、本加熱（第３の加熱工程）を完了した後に実施する。

なお、本実施形態において用いられる不活性ガスは、プリフォーム１０及びガラス管１００の材質に対して化学的に不活性であればよく、その種類は特に限定されない。不活性ガスとしては、例えば、窒素、ネオン、アルゴン、又は、それらの混合気体などを用いることができる。

上述した溶着方法では、プリフォーム１０の溶着端を予備加熱する際に、溶着端とは反対側の端部から貫通孔１１内に不活性ガスを供給している。これにより、溶融したガラスの表面張力によって貫通孔１１が閉塞してしまうことを防止することができる。また、ガラス管１００から排出されたヒューム、及び、酸水素火炎により生じたヒュームが貫通孔１１内に入り込むことを防止することができ、同時に、貫通孔１１内で生じたヒュームを貫通孔１１外に排出することができる。なお、本明細書において「ヒューム」とは、加熱により生じた水又はＳｉＯ_２のことを指す。

また、上述した溶着方法では、ガラス管１００を予備加熱する際にも、溶着端とは反対側の端部からガラス管１００内に不活性ガスを供給している。これにより、貫通孔１１から排出されたヒューム、及び、酸水素火炎により生じたヒュームがガラス管１００内に入り込むことを防止することができ、同時に、ガラス管１００内で生じたヒュームをガラス管１００外に排出することができる。

また、上述した溶着方法では、プリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを接触させた時点で、ガラス管１００内への不活性ガスの供給、及び、貫通孔１１内への不活性ガスの供給を停止している。これは、貫通孔１１内及びガラス管１００内を不活性ガスが流れることによって、不活性ガスに接触している部分（不活性ガスにより冷却される部分）とそうでない部分との間に温度差が生じ、その結果、溶着箇所に残留歪みが生じることを回避するための措置である。

ただし、不活性ガスの流れが生じないのであれば、プリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを接触させた時点でガラス管１００内への不活性ガスの供給、及び、貫通孔１１内への不活性ガスの供給を停止する必要はない。例えば、第１の加熱工程においてガラス管１００内に供給する不活性ガスの圧力と第２の加熱工程において貫通孔１１内に供給する不活性ガスの圧力とを等しくしておけば、プリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを接触させた時点でガラス管１００内への不活性ガスの供給、及び、貫通孔１１内への不活性ガスの供給を停止せずとも、プリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを接触させた後、不活性ガスの流れが生じることはない。したがって、プリフォーム１０の溶着端とガラス管１００の溶着端とを接触させた時点でガラス管１００内への不活性ガスの供給、及び、貫通孔１１内への不活性ガスの供給を停止する場合と同様に、溶着箇所に残留歪みが生じることを防止することができる。

〔溶着装置〕
次に、本実施形態に係る溶着方法を実施するために用いる溶着装置２００について、図３を参照して説明する。図３は、溶着装置２００の構成を示す構成図である。

溶着装置２００は、プリフォーム１０にガラス管１００を溶着するための装置であり、図３に示すように、コネクタ２１０ａ・ｂ、把持部２１１ａ・ｂ、回転機構２１２ａ・ｂ、移動機構２１３ａ・ｂ、レギュレータ２２０、流量制御部２２１ａ・ｂ、圧力計２２２ａ・ｂ、及び、バーナー２３０を備えている。溶着装置２００を構成する各部材について以下に説明する。

コネクタ２１０ａ及びコネクタ２１０ｂは、それぞれ、不活性ガスの流路となる配管をガラス管１００及びプリフォーム１０の端部に接続するための構成である。図３に示すように、コネクタ２１０ａ及びコネクタ２１０ｂは、それぞれ、ガラス管１００及びプリフォーム１０の溶着端と反対側の端部に取り付けられる。

把持部２１１ａ及び把持部２１１ｂは、それぞれ、ガラス管１００及びプリフォーム１０を把持するための構成である。回転機構２１２ａ及び回転機構２１２ｂは、それぞれ、把持部２１１ａ及び把持部２１１ｂに把持されたガラス管１００及びプリフォーム１０を回転させるための構成である。回転機構２１２ａ及び回転機構２１２ｂは、それぞれ、ガラス管１００及びプリフォーム１０を、プリフォーム１０の中心軸を回転軸として周方向に回転させることができる。

移動機構２１３ａ及び移動機構２１３ｂは、それぞれ、ガラス管１００及びプリフォーム１０を水平方向（プリフォーム１０の中心軸方向）に移動させるための構成である。移動機構２１３ａは、ガラス管１００の溶着端がバーナー２３０の真上に配置されるよう、ガラス管１００を水平移動することができ、移動機構２１３ｂは、プリフォーム１０の溶着端がバーナー２３０の真上に配置されるよう、プリフォーム１０を水平移動することができる。ガラス管１００の溶着端とプリフォーム１０の溶着端とが同時にバーナー２３０の真上に配置されるようガラス管１００及びプリフォーム１０を水平移動すれば、ガラス管１００の溶着端とプリフォーム１０の溶着端とを接触させることができる。

レギュレータ２２０は、ガスボンベ（不図示）から供給される不活性ガスを定圧化するための構成である。レギュレータ２２０には、配管を介して流量制御部２２１ａ及び流量制御部２２１ｂが接続されている。流量制御部２２１ａ及び流量制御部２２１ｂは、それぞれ、ガラス管１００及びプリフォーム１０に供給する不活性ガスの流量を制御するための構成である。流量制御部２２１ａには、配管を介して、上述したコネクタ２１０ａ、及び、圧力計２２２ａが接続されている。また、流量制御部２２１ｂには、配管を介して、上述したコネクタ２１０ｂ、及び、圧力計２２２ｂが接続されている。圧力計２２２ａ及び圧力計２２２ｂは、それぞれ、ガラス管１００及びプリフォーム１０に供給される不活性ガスの圧力を表示するための構成である。溶着装置２００の操作者は、圧力計２２２ａ及び圧力計２２２ｂに表示されている圧力を確認しつつ、流量制御部２２１ａ及び流量制御部２２１ｂを用いて、ガラス管１００及びプリフォーム１０に供給される不活性ガスの流量を調節することができる。

バーナー２３０は、ガラス管１００及びプリフォーム１０の溶着端を加熱するための構成である。バーナー２３０は、ガラス管１００及びプリフォーム１０の溶着端を加熱することができるものであれば特に限定されるものではない。バーナー２３０としては、例えば、酸水素バーナーを用いることができる。

次に、溶着装置２００の使用方法について簡単に説明する。

まず、ガラス管１００及びプリフォーム１０を、それぞれ、把持部２１１ａ及び把持部２１１ｂに取り付ける。また、ガラス管１００及びプリフォーム１０の溶着端とは反対側の端部に、それぞれ、コネクタ２１０ａ及びコネクタ２１０ｂを取り付ける。コネクタ２１０ａ及びコネクタ２１０ｂの取り付けが完了した後、回転機構２１２ａ及び回転機構２１２ｂを作動させ、ガラス管１００及びプリフォーム１０の回転を開始すると共に、レギュレータ２２０に接続されたガスボンベの栓を開き、ガラス管１００及びプリフォーム１０への不活性ガスの供給を開始する。更に、バーナー２３０を点火して予備過熱の準備を整える。

次に、ガラス管１００の溶着端がバーナー２３０の真上に配置されるよう、移動機構２１３ａを用いてガラス管１００を移動する。これにより、ガラス管１００の予備加熱が開始される。ガラス管１００の予備加熱が完了し次第、移動機構２１３ａを用いてガラス管１００を退避させる。その後、プリフォーム１０の溶着端がバーナー２３０の真上に配置されるよう、移動機構２１３ｂを用いてプリフォーム１０を移動する。これにより、プリフォーム１０の予備加熱が開始される。

ガラス管１００及びプリフォーム１０の予備加熱が完了し次第、ガラス管１００の溶着端がバーナー２３０の真上に配置されるよう、移動機構２１３ａを用いてガラス管１００を移動する。これにより、ガラス管１００の溶着端とプリフォーム１０の溶着端とが接触する。この際、レギュレータ２２０に接続されたガスボンベの栓を閉じて、ガラス管１００及びプリフォーム１０への不活性ガスの供給を停止する。

なお、流量制御部２２１ａ及び流量制御部２２１ｂを用いて、ガラス管１００に供給される不活性ガスの圧力とプリフォーム１０に供給される不活性ガスの圧力とが等しくなるよう、ガラス管１００及びプリフォーム１０に供給する不活性ガスの流量が予め調整されている場合には、この段階で不活性ガスの供給を停止しなくても構わない。

この状態でガラス管１００とプリフォーム１０との接触箇所を所定の時間に渡って加熱した後、バーナー２３０を消火し、回転機構２１２ａ及び回転機構２１２ｂを停止させる。バーナー２３０を消火後、ガラス管１００とプリフォーム１０との接触箇所を自然冷却することにより、プリフォーム１０とガラス管１００との溶着が完了する。

以上のように、溶着装置２００においては、（１）移動機構２１３ａ及びバーナー２３０が、ガラス管１００の端部を予備加熱する（第１の加熱工程を実施する）ための第１の加熱部として機能し、（２）移動機構２１３ｂ及びバーナー２３０が、プリフォーム１０の端部を予備加熱する（第２の加熱工程を実施する）ための第２の加熱部として機能し、（３）移動機構２１３ａ、移動機構２１３ｂ、及び、バーナー２３０が、予備加熱したガラス管１００の端部とプリフォーム１０の端部とを互いに接触させた後、予備加熱したガラス管１００の端部とプリフォーム１０の端部とを更に加熱する（第３の加熱工程を実施する）ための第３の加熱部として機能する。そして、（４）レギュレータ２２０、流量制御部２２１ｂ、及び、コネクタ２１０ｂが、第２の加熱部によってプリフォーム１０の端部を予備加熱する際に、予備加熱する側とは反対側から貫通孔内に不活性ガスを供給するためのガス供給部として機能する。

なお、上述した溶着装置２００では、ガラス管１００及びプリフォーム１０の移動／回転、バーナー２３０の点火／消火、ガスボンベの開栓／閉栓、不活性ガスの流量設定等を操作者が手動で行っているが、これらの一部又は全部をコンピュータ制御等により自動的に行ってもよい。すなわち、操作者が溶着装置２００の各部を上記のように作動させることによって本実施形態に係る溶着方法を実施する代わりに、コンピュータ等の制御装置が溶着装置２００の各部を上記のように作動させることによって本実施形態に係る溶着方法を実施してもよい。

後者の場合、ガラス管１００の端部を予備加熱するよう第１の加熱部（移動機構２１３ａ及びバーナー２３０）を制御し、プリフォーム１０の端部を予備加熱するよう第２の加熱部（移動機構２１３ｂ及びバーナー２３０）を制御し、予備加熱したガラス管１００の端部とプリフォーム１０の端部とを互いに接触させた後、予備加熱したガラス管１００の端部とプリフォーム１０の端部とを更に加熱するよう第３の加熱部（移動機構２１３ａ、移動機構２１３ｂ、及び、バーナー２３０）を制御すると共に、第２の加熱部（移動機構２１３ｂ及びバーナー２３０）によってプリフォーム１０の端部を予備加熱する際に、予備加熱する側とは反対側から貫通孔内に不活性ガスを供給するようガス供給部（レギュレータ２２０、流量制御部２２１ｂ、及び、コネクタ２１０ｂ）を制御する制御装置を、溶着装置２００が備えていてもよい。

〔まとめ〕
以上のように、本実施形態に係る溶着方法は、貫通孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着する溶着方法であって、上記ガラス管の端部を予備加熱する第１の加熱工程と、上記プリフォームの端部を予備加熱する第２の加熱工程と、予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを互いに接触させた後、予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを更に加熱する第３の加熱工程と、を含み、上記第２の加熱工程において、予備加熱する側とは反対側から上記貫通孔内に不活性ガスを供給することを特徴としている。

上記の構成によれば、上記貫通孔が閉塞することを防止するという効果を奏する。何故なら、上記第２の加熱工程において、上記貫通孔内に予備加熱される側へと向かう不活性ガスの流れが生じるので、上記貫通孔周辺の温度が上昇し難くなり、上記貫通孔周辺において上記プリフォームが溶融し難くなるからである。また、仮に上記貫通孔周辺において上記プリフォームが溶融したとしても、上記貫通孔を閉塞させようとする溶融した上記プリフォームの表面張力に上記不活性ガスの圧力が拮抗するので、上記貫通孔が閉塞し難くなるからである。

しかしながら、上記の構成によれば、上記第２の加熱工程において、上記貫通孔内に予備加熱される側へと向かう不活性ガスの流れが生じるので、予備加熱により発生した不純物が上記貫通孔内に残存することを防止することができる。したがって、上記の構成によれば、光ファイバの光学特性の劣化を防止するという効果を奏する。

また、「不活性ガス」は、上記プリフォームを構成する材料に対して化学的に不活性な気体のことを意味するものであり、希ガスのみを意味するものではない。例えば、プリフォームがシリカガラスにより構成されている場合、シリカガラスに対して化学的に不活性な窒素ガスは、請求項に記載の「不活性ガス」の一例である。

本実施形態に係る溶着方法においては、上記第１の加熱工程において、予備加熱する側とは反対側から上記ガラス管内に不活性ガスを供給することが好ましい。

予備加熱により発生した不純物が上記ガラス管内に残存すると、上記ガラス管を介して圧力調整用のガスを上記貫通孔内に供給しながら上記プリフォームを線引きする際に、残存した不純物が上記プリフォームに入り込んで上記プリフォームに溶着し、上記プリフォームを線引きして得られる光ファイバの光学特性を劣化させることがある。

しかしながら、上記の構成によれば、上記第１の加熱工程において、上記ガラス管内に予備加熱される側へと向かう不活性ガスの流れが生じるので、予備加熱により発生した不純物が上記ガラス管内に残存することを防止することができる。したがって、上記の構成によれば、光ファイバの光学特性の劣化を防止するという更なる効果を奏する。

実施形態に係る溶着方法においては、上記第３の加熱工程を実施する前に、上記貫通孔内への不活性ガスの供給、及び、上記ガラス管内への不活性ガスの供給を停止することが好ましい。

第３の加熱工程において、上記貫通孔内及び上記ガラス管内を不活性ガスが流れると、不活性ガスに接触している箇所（不活性ガスにより冷却される部分）とそうでない箇所との間に温度差が生じ、その結果、上記ガラス管と上記プリフォームとが溶着された部位に残留歪みが生じて溶着強度が低下することがある。

しかしながら、上記の構成によれば、上記第３の加熱工程において上記貫通孔内及び上記ガラス管内を不活性ガスが流れることはない。したがって、上記の構成によれば、残留歪みが生じて溶着強度が低下することを防止するという更なる効果を奏する。

本実施形態に係る溶着方法においては、上記第２の加熱工程において上記貫通孔内に供給する不活性ガスの圧力と、上記第１の加熱工程において上記ガラス管内に供給する不活性ガスの圧力とが等しいことが好ましい。

第３の加熱工程において、上記貫通孔内及び上記ガラス管内に不活性ガスの流れが生じると、不活性ガスに接触している箇所（不活性ガスにより冷却される部分）とそうでない箇所との間に温度差が生じ、その結果、上記ガラス管と上記プリフォームとが溶着された部位に残留歪みが生じて溶着強度が低下することがある。

しかしながら、上記の構成によれば、上記第２の加熱工程において上記貫通孔内に供給される不活性ガスの圧力と、上記第１の加熱工程において上記ガラス管内に供給される不活性ガスの圧力とが等しいので、上記第３の加熱工程を実施する前に上記貫通孔内への不活性ガスの供給、及び、上記ガラス管内への不活性ガスの供給を停止せずとも、上記第３の加熱工程において、上記貫通孔内及び上記ガラス管内を不活性ガスが流れることはない。したがって、上記の構成によれば、残留歪みが生じて溶着強度が低下することを防止するという更なる効果を奏する。

なお、空孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着するガラス管溶着工程を含む光ファイバの製造方法であって、上記溶着方法を用いて上記ガラス管溶着工程を実施する光ファイバの製造方法も本実施形態の範疇に含まれる。

また、上記溶着方法を実施するための装置、すなわち、貫通孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着する溶着装置であって、上記ガラス管の端部を予備加熱するための第１の加熱部と、上記プリフォームの端部を予備加熱するための第２の加熱部と、予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを互いに接触させた後、予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを更に加熱するための第３の加熱部と、上記第２の加熱部によって上記プリフォームの端部を予備加熱する際に、予備加熱する側とは反対側から上記貫通孔内に不活性ガスを供給するための不活性ガス供給部と、を備えていることを特徴とする溶着装置も本実施形態の範疇に含まれる。

〔付記事項〕
本実施形態においては、ガラス管（ガラス管１００）を予備加熱する工程（第１の加熱工程）にてガラス管内に供給するガス、及び、プリフォーム（プリフォーム１０）を予備加熱する工程（第２の加熱工程）にて貫通孔（貫通孔１１）内に供給するガスとして、不活性ガスを用いた。しかしながら、これらの工程においてガラス管内及び貫通孔内に供給するガスとして、不活性ガス以外のガス（例えば酸素ガス）を用いた場合でも、不活性ガスを用いた場合と同様の効果が得られることが、発明者が行った実験（後述する実施例３を参照されたい）によって明らかになった。すなわち、これらの工程においてガラス管内及び貫通孔内に供給するガスは、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスであってもよいし、酸素（Ｏ_２）などの不活性ガス以外のガスであってもよい。ただし、加熱の際の安全性を考慮すれば、爆発性、引火性、又は可燃性を有するガスの使用を避けるべきである。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項で示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以下、実施例を示し、本発明の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な様態が可能である。

〔実施例１〕
外径９０ｍｍφの円柱状のシリカガラスに孔径４ｍｍφの６つの貫通孔を形成したプリフォームに外径９０ｍｍφ、肉厚２０ｍｍｔのガラス管を以下のように溶着した。なお、貫通孔は母材の中心から２０ｍｍφの位置に等間隔に配置した。

（溶着方法）
まず、ガラス管内に窒素ガスを供給しながら、酸水素バーナーを用いてガラス管の溶着端を予備加熱した。この際、ガラス管内に供給する窒素ガスの流量は、ガラス管内の圧力が１ｋｇ／ｃｍ^２以上になるように調整した。

次に、貫通孔内に窒素ガスを供給しながら、酸水素バーナーを用いてプリフォームの溶着端を予備加熱した。この際、貫通孔内に供給する窒素ガスの流量は、貫通孔内の圧力が１ｋｇ／ｃｍ^２以上になるように調整した。

貫通孔内及びガラス管内への窒素ガスの供給は、プリフォームの溶着端とガラス管の溶着端とを接触させた時点で停止した。

更に、プリフォームの溶着端とガラス管の溶着端とを接触させた後、接触箇所を１０分間に渡って加熱した。

（結果）
プリフォームとガラス管との溶着を完了した後、プリフォームにおいて貫通孔が閉塞していないことを確認するために、ＬＥＤとＣＣＤラインセンサとをプリフォームを介して対向するように配置し、ＣＣＤラインセンサにより検出された前方散乱光の強度分布を測定した。この際、図１の（ｄ）に示すように、ＣＣＤラインセンサ３１を、その長手方向（図１の（ｄ）において紙面垂直方向）がプリフォーム１０の中心軸とねじれの位置（ねじれ角９０度）の関係になるように配置した。そして、図１の（ｄ）に示すように、ＬＥＤ３０とＣＣＤラインセンサ３１とを、ガラス管１００が溶着されたプリフォーム１０の溶着面よりも５ｍｍだけプリフォーム側（図１の（ｄ）において右側）の部分を介して対向させた。プリフォームを中心軸を回転軸として周方向に回転させながら前方散乱光の強度分布を測定したところ、その測定結果から貫通孔が閉塞していないことが確かめられた。

また、ガラス管とプリフォームとの溶着箇所における残留歪みを歪み計で測定したところ、大きな残留歪みがないことが確認された。歪み計を用いてガラス管が溶着されたプリフォームを撮影した写真を図４の（ａ）に示す。

また、ガラス管が溶着されたプリフォームを目視により確認したところ、ガラス管側にもプリフォーム側にもヒュームの混入は認められなかった。

プリフォームのもう一端にも同様にしてガラス管を接続した後、接続されているガラス管の一端から塩素及び六フッ化硫黄を導入して、プリフォームに形成された貫通孔内の脱水及びエッチング処理を行った。その後、一方の端部を封止した上で、他端からアルゴンガスを供給することによりプリフォームを加圧しながら線引きした。線引きにより、外径１２５μｍの光ファイバが得られた。作製された光ファイバに形成された空孔の孔径を測定したところ、６個の空孔の平均孔径は３．０μｍであり、標準偏差は０．０３であった。

これにより、均一な孔径の空孔が形成されていることが確認された。すなわち、作製された光ファイバにおける光学特性に劣化が生じないことを確認することができた。

〔実施例２〕
実施例１と同様、外径９０ｍｍφの円柱状のシリカガラスに孔径４ｍｍφの６つの貫通孔を形成したプリフォームに外径９０ｍｍφ、肉厚２０ｍｍｔのガラス管を溶着した。ただし、溶着方法を以下のように変更した。

（溶着方法）
まず、ガラス管内に窒素ガスを供給することなく、酸水素バーナーを用いてガラス管の溶着端を予備加熱した。

次に、貫通孔内に窒素ガスを供給しながら、酸水素バーナーを用いてプリフォームの溶着端を予備加熱した。この際、貫通孔内に供給する窒素ガスの流量は、実施形態と同様、貫通孔内の圧力が１ｋｇ／ｃｍ^２以上になるように調整した。貫通孔内への窒素ガスの供給は、プリフォームの溶着端とガラス管の溶着端とを接触させた後も継続した。

（結果）
実施例１と同様、ＬＥＤとＣＣＤラインセンサとをプリフォームを介して対向するように配置し、ＣＣＤラインセンサにより検出された前方散乱光の強度分布を測定したところ、貫通孔が閉塞していないことが確かめられた。

また、ガラス管とプリフォームとの溶着箇所における残留歪みを歪み計で測定したところ、実施例１よりも大きな残留歪みが生じていることが確認された。

また、ガラス管が溶着されたプリフォームを目視により確認したところ、ガラス管側にヒュームの混入が認められた。一方、プリフォーム側には、ヒュームの混入は認められなかった。

ガラス管が溶着されたプリフォームを実施例１と同様にして光ファイバにした。得られた光ファイバに形成されている空孔の孔径を測定したところ、６個の空孔の平均孔径は３．０μｍであり、標準偏差は０．４７であった。

〔実施例３〕
最後に、不活性ガスである窒素ガスの代わりに酸素ガスを使用した実施例について説明する。本実施例においても、実施例１〜２と同様、外径９０ｍｍφの円柱状のシリカガラスに孔径４ｍｍφの６つの貫通孔を形成したプリフォームと、外径９０ｍｍφ、肉厚２０ｍｍｔのガラス管とを溶着した。ただし、溶着方法を以下のように変更した。

（溶着方法）
まず、ガラス管内に酸素ガスを供給しながら、酸水素バーナーを用いてガラス管の溶着端を予備加熱した。この際、ガラス管内に供給する酸素ガスの流量は、ガラス管内の圧力が１ｋｇ／ｃｍ^２以上になるように調整した。

次に、貫通孔内に酸素ガスを供給しながら、酸水素バーナーを用いてプリフォームの溶着端を予備加熱した。この際、貫通孔内に供給する酸素ガスの流量は、貫通孔内の圧力が１ｋｇ／ｃｍ^２以上になるように調整した。

貫通孔内及びガラス管内への酸素ガスの供給は、プリフォームの溶着端とガラス管の溶着端とを接触させた時点で停止した。

（結果）
実施例１〜２と同様、ＬＥＤとＣＣＤラインセンサとをプリフォームを介して対向するように配置し、ＣＣＤラインセンサにより検出された前方散乱光の強度分布を測定したところ、貫通孔が閉塞していないことが確かめられた。

また、ガラス管とプリフォームとの溶着箇所における残留歪みを歪み計で測定したところ、大きな残留歪みがないことが確認された。

これにより、不活性ガスである窒素ガスの代わりに酸素ガスを使用した場合でも、不活性を使用した場合と同様、均一な孔径の空孔が形成されていることが確認された。すなわち、不活性ガスである窒素ガスの代わりに酸素ガスを使用した場合でも、不活性を使用した場合と同様、作製された光ファイバにおける光学特性に劣化が生じないことを確認することができた。

〔比較例１〕
実施例１、２と同様、外径９０ｍｍφの円柱状のシリカガラスに孔径４ｍｍφの６つの貫通孔を形成したプリフォームに外径９０ｍｍφ、肉厚２０ｍｍｔのガラス管を以下のように溶着した。ただし、溶着方法を以下のように変更した。

（溶着方法）
まず、ガラス管内に窒素ガスを供給することなく、酸水素バーナーを用いてガラス管の溶着端を予備加熱した。次に、貫通孔内に窒素ガスを供給することなく、酸水素バーナーを用いてプリフォームの溶着端を予備加熱した。その後、プリフォームの溶着端とガラス管の溶着端とを接触させ、接触箇所を更に１０分間加熱した。

（結果）
実施例１と同様、ＬＥＤとＣＣＤラインセンサとをプリフォームを介して対向するように配置し、ＣＣＤラインセンサにより検出された前方散乱光の強度分布を測定したところ、貫通孔が閉塞していることが確かめられた。

また、ガラス管とプリフォームとの溶着箇所における残留歪みを歪み計で測定したところ、実施例１よりも大きな残留歪みが生じていることが確認された。歪み計を用いてガラス管が溶着されたプリフォームを撮影した写真を図４の（ｂ）に示す。図４の（ａ）よりも明瞭な暗部が生じていること、すなわち、実施例１よりも大きい残留歪みが生じていることが分かる。

また、ガラス管が溶着されたプリフォームを目視により確認したところ、ガラス管側及びプリフォーム側の双方にヒュームの混入が認められた。

空孔が形成された光ファイバの製造に好適に利用することができる。例えば、フォトニック結晶ファイバの製造に好適に利用することができる。

１０プリフォーム
１１貫通孔
１００ガラス管
２００溶着装置
２１０ａ・ｂコネクタ
２１１ａ・ｂ把持部
２１２ａ・ｂ回転機構
２１３ａ・ｂ移動機構
２２０レギュレータ
２２１ａ・ｂ流量制御部
２２２ａ・ｂ圧力計
２３０バーナー

Claims

貫通孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着する溶着方法であって、
上記ガラス管の端部を予備加熱する第１の加熱工程と、上記プリフォームの端部を予備加熱する第２の加熱工程と、予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを互いに接触させた後、予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを更に加熱する第３の加熱工程と、を含み、
上記第１の加熱工程において、予備加熱する側とは反対側から上記ガラス管内にガスを供給し、
上記第２の加熱工程において、予備加熱する側とは反対側から上記貫通孔内にガスを供給する、
ことを特徴とする溶着方法。
上記第３の加熱工程を実施する前に、上記貫通孔内へのガスの供給、及び、上記ガラス管内へのガスの供給を停止する、
ことを特徴とする請求項１に記載の溶着方法。
上記第２の加熱工程において上記貫通孔内に供給するガスの圧力と、上記第１の加熱工程において上記ガラス管内に供給するガスの圧力とが等しい、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の溶着方法。
上記第２の加熱工程において上記貫通孔内に供給するガスは不活性ガスである、ことを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の溶着方法。
上記第１の加熱工程において上記ガラス管内に供給するガス、及び、上記第２の加熱工程において上記貫通孔内に供給するガスは、不活性ガスである、ことを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の溶着方法。
空孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着するガラス管溶着工程を含む光ファイバの製造方法であって、
請求項１から５までの何れか１項に記載の溶着方法を用いて上記ガラス管溶着工程を実施する、
ことを特徴とする光ファイバの製造方法。
貫通孔が形成されたプリフォームにガラス管を溶着する溶着装置であって、
上記ガラス管の端部を予備加熱するための第１の加熱部と、
上記プリフォームの端部を予備加熱するための第２の加熱部と、
予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを互いに接触させた後、予備加熱した上記ガラス管の端部と上記プリフォームの端部とを更に加熱するための第３の加熱部と、
上記第１の加熱部によって上記ガラス管の端部を予備加熱する際に、予備加熱する側とは反対側から上記ガラス管内にガスを供給するためのガス供給部と、
上記第２の加熱部によって上記プリフォームの端部を予備加熱する際に、予備加熱する側とは反対側から上記貫通孔内にガスを供給するためのガス供給部と、を備えている、ことを特徴とする溶着装置。
上記ガス供給部が上記貫通孔内に供給するガスは不活性ガスである、ことを特徴とする請求項７に記載の溶着装置。