JP5838108B2 - Manufacturing method of glass base material - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバや光学部品等の光学用途に適用可能なほど高純度で、かつアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物の添加物濃度を制御して導入することが可能なガラス母材の製造方法に関する。   The present invention is a glass mother that can be introduced by controlling the concentration of an additive of an alkali metal oxide or alkaline earth metal oxide with a purity that is applicable to optical applications such as optical fibers and optical components. The present invention relates to a method for manufacturing a material.

アルカリ金属酸化物、あるいはアルカリ土類金属酸化物がドープされたシリカガラスを用いて作製した光ファイバは、伝送損失が低下することがこれまで多くの先人により示されてきたが(例えば、非特許文献1参照)、これを工業的に大量生産する技術は未完成である。既存の光ファイバの製造方法においては気相での加水分解反応、もしくは酸素による熱酸化反応を用いるため、例えば四塩化ケイ素(SiCl)、四塩化ゲルマニウム(GeCl)など、ガス状の原料を使用する必要がある。 Although many optical fiber optical fibers made using silica glass doped with alkali metal oxides or alkaline earth metal oxides have been shown to reduce transmission loss (e.g. The technology for industrially mass-producing this is not yet complete. Since the existing optical fiber manufacturing method uses a hydrolysis reaction in the gas phase or a thermal oxidation reaction with oxygen, a gaseous raw material such as silicon tetrachloride (SiCl 4 ) or germanium tetrachloride (GeCl 4 ) is used. Need to use.

しかしながら、いわゆる硬いカチオンであるアルカリ金属イオン、あるいはアルカリ土類金属イオンは、非常に強いイオン結合を形成するため、それらの化合物(塩)は常温かつ常圧付近では固体となることがほとんどである。従って、ガスとなる化合物をほとんど形成しないため、光ファイバの製造には適用が困難だった。そのため、アルカリ金属酸化物、あるいはアルカリ土類金属酸化物がドープされた光ファイバを商用生産するためには、従来この分野で確立された方法とは異なる製造方法を開発しなければならない。   However, since alkali metal ions or alkaline earth metal ions, which are so-called hard cations, form very strong ionic bonds, these compounds (salts) are almost solid at room temperature and near normal pressure. . Therefore, since it hardly forms a compound that becomes a gas, it has been difficult to apply to the production of optical fibers. Therefore, in order to commercially produce optical fibers doped with alkali metal oxides or alkaline earth metal oxides, it is necessary to develop a manufacturing method different from the methods established in this field.

このような課題に対して、これまで様々な取り組みがなされてきた。例えばアルカリ金属化合物が易水溶性であることを利用して、アルカリ金属化合物の水溶液を霧状にして原料ガス中に混合して酸水素火炎に導入し、他の原料と同時に加水分解してガラスを形成する方法が試された。また、ある種のアルカリ金属化合物と他の金属化合物とを反応させて得られる複合塩は、元のアルカリ金属化合物よりも蒸気圧が高くなることが知られており、この複合塩を原料として利用する試みもなされた。   Various efforts have been made to deal with such issues. For example, utilizing the fact that alkali metal compounds are readily water-soluble, an aqueous solution of an alkali metal compound is made into a mist, mixed into a raw material gas, introduced into an oxyhydrogen flame, and simultaneously hydrolyzed with other raw materials to produce glass. The method of forming was tried. In addition, it is known that a composite salt obtained by reacting a certain kind of alkali metal compound with another metal compound has a higher vapor pressure than the original alkali metal compound, and this composite salt is used as a raw material. Attempts to do so were also made.

更に最近では、アルカリ金属ハロゲン化物を強加熱してアルカリ金属蒸気とし、光ファイバ前駆体ガラスをこれに曝してドープする方法が試された(例えば、特許文献1,2参照)。さらに、アルカリ金属ハロゲン化物を加熱して蒸気とした後に直ちに冷却して微粒子化し、これを適当なガス流で運搬することでエアロゾルとして原料供給する方法も試された。   More recently, a method has been tried in which an alkali metal halide is heated to alkali metal vapor, and an optical fiber precursor glass is exposed to this for doping (for example, see Patent Documents 1 and 2). Furthermore, a method of supplying raw materials as an aerosol by heating the alkali metal halide to vapor and then immediately cooling it to form fine particles and transporting this in an appropriate gas flow was also tried.

特表2005−537210号公報JP 2005-537210 A 特表2007−513862号公報JP-T-2007-513862

M.E. Lines、“A possible non-halide route to ultralow loss glasses”、Journal of Non-Crystalline Solids、1988年、第103巻、p.279−288M.E. Lines, “A possible non-halide route to ultralow loss glasses”, Journal of Non-Crystalline Solids, 1988, Vol. 103, p. 279-288

上述のアルカリ金属化合物の水溶液を用いる方法は、本来光ファイバの製造においては損失増加の原因となる水分の混入を避けるべきである、という観点とは逆行する製造方法である。また、上述の蒸気圧の大きな複合塩を形成させて蒸気として導入する方法では、蒸気圧の上昇の程度が小さく効果は非常に限定的で、しかも本来光ファイバの機能に不必要な化学種を加えることになるため、伝送損失の上昇をもたらすことが懸念される。
更に、アルカリ金属化合物を強加熱してアルカリ金属蒸気を得る方法は、その還元反応の反応機構が不明確であり、現実性に乏しい。エアロゾルを用いる方法では、原料にガスを用いる従来の方法に比べて、原料供給量の制御性にやや難がある。
The above-described method using an aqueous solution of an alkali metal compound is a manufacturing method that is contrary to the viewpoint that in the manufacture of an optical fiber, mixing of moisture that would cause an increase in loss should be avoided. In addition, the above-described method of forming a complex salt having a high vapor pressure and introducing it as a vapor has a small degree of increase in vapor pressure and has a very limited effect. Therefore, there is a concern that transmission loss will increase.
Furthermore, the method of obtaining an alkali metal vapor by strongly heating an alkali metal compound is unrealistic because the reaction mechanism of the reduction reaction is unclear. In the method using an aerosol, the controllability of the raw material supply amount is somewhat difficult as compared with the conventional method using a gas as a raw material.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光ファイバや光学部品等の光学用途に適用可能なほど高純度で、かつアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物の添加物濃度を制御して導入することが可能なガラス母材の製造方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has a purity so high that it can be applied to optical applications such as optical fibers and optical components, and has an additive concentration of an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide. It aims at providing the manufacturing method of the glass base material which can be controlled and introduce | transduced.

前記課題を解決するため、本発明は、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物がドープされたガラス母材の製造方法であって、多孔質のシリカガラスを、アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物とともに、閉鎖された加熱炉内に保持し、前記シリカガラスの表面で前記アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物が気液平衡状態となるよう、前記アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物の融点以上で、かつ、ドープ処理時間内で前記シリカガラスが結晶化する温度より低い温度に保つことにより、前記シリカガラスにアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物をドープし、次いで、前記加熱炉内で、前記シリカガラスが焼結されて透明なガラス体となる焼結温度に達するまで、10℃/min以上の昇温速度で加熱することを特徴とするガラス母材の製造方法を提供する。   In order to solve the above problems, the present invention provides a method for producing a glass base material doped with an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide, wherein a porous silica glass is converted into an alkali metal compound or an alkaline earth metal. The alkali metal compound or alkaline earth metal compound is held together with the metal compound in a closed heating furnace so that the alkali metal compound or alkaline earth metal compound is in a gas-liquid equilibrium state on the surface of the silica glass. The silica glass is doped with an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide by maintaining the temperature above the melting point and lower than the temperature at which the silica glass crystallizes within the dope treatment time, and then the heating Temperature rise of 10 ° C./min or more until the temperature reaches a sintering temperature at which the silica glass is sintered into a transparent glass body in a furnace To provide a method of manufacturing a glass base material, which comprises heating in degrees.

本発明によれば、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物の添加物濃度を制御してシリカガラスにドープすることが容易で、かつシリカガラスの結晶化を抑制することができる。   According to the present invention, it is easy to dope silica glass by controlling the additive concentration of alkali metal oxide or alkaline earth metal oxide, and crystallization of silica glass can be suppressed.

本発明に用いられる製造装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing apparatus used for this invention. シリカ(SiO)の相図を示す図である。It is a diagram showing a phase diagram of the silica (SiO 2).

以下、好適な実施の形態に基づいて本発明を説明する。
本形態例のガラス母材の製造方法は、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物がドープされたガラス母材の製造方法であって、シリカガラスにアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物をドープするドープ工程と、シリカガラスを焼結して透明なガラス体とする焼結工程を有する。
Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments.
The method for producing a glass base material according to this embodiment is a method for producing a glass base material doped with an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide, wherein silica glass is alkali metal oxide or alkaline earth metal oxide. A dope process for doping an object and a sintering process for sintering silica glass to form a transparent glass body.

アルカリ金属、すなわち、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムの化合物(塩)や、アルカリ土類金属、すなわち、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムの化合物(塩)は、一般に次のような性質を示す。
例えば塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物などのハロゲン化物、酸化物、水酸化物などの多くは化学的に安定で、分解することなく融点を示す。ただし、イオン半径の大きなアルカリ金属の酸化物、例えば酸化カリウム(KO)は、過酸化物(K)とカリウム(K)に分解する。炭酸水素塩はかなり低温で分解して炭酸塩となるが、炭酸塩は融点を示し、さらに加熱すると酸化物に分解する。硫化物は大気中の酸素や二酸化炭素と反応して、それぞれ酸化物や炭酸塩に変化するが、不活性ガス中では融点を示す。硝酸塩は比較的低い融点を示すが、融点以上で亜硝酸塩に分解する。いくつかの例を表1に示す。
Alkali metals, ie, lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium compounds (salts) and alkaline earth metals, ie, beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium compounds (salts) generally have the following properties: Indicates.
For example, many of halides such as chloride, bromide, fluoride and iodide, oxides and hydroxides are chemically stable and exhibit melting points without decomposition. However, an alkali metal oxide having a large ionic radius, such as potassium oxide (K 2 O), is decomposed into a peroxide (K 2 O 2 ) and potassium (K). Hydrogen carbonate decomposes at a considerably low temperature to become carbonate, but carbonate has a melting point and decomposes into oxide when heated further. Sulfides react with oxygen and carbon dioxide in the atmosphere to turn into oxides and carbonates, respectively, but exhibit melting points in inert gases. Nitrate has a relatively low melting point, but decomposes into nitrite above the melting point. Some examples are shown in Table 1.

Figure 0005838108
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これらのアルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物の融点は、シリカガラスの融点よりも低い場合がほとんどで、シリカガラスの融点以下の温度領域でも、蒸気圧は低いながらも気化することができる。酸化物や炭酸塩等に分解する場合も、酸化物や炭酸塩等として気化することができる。そこで、アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物の蒸気又は液滴とシリカガラスとを接触させ、アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物がシリカガラスの表面で気液平衡を保った状態で一定時間保持することにより、一定量のアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンがシリカガラス中に拡散し、結果として、シリカガラスにアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物をドープすることが可能になる。   The melting point of these alkali metal compounds or alkaline earth metal compounds is almost always lower than the melting point of silica glass, and even in the temperature region below the melting point of silica glass, it can be vaporized with a low vapor pressure. Even when it is decomposed into an oxide or carbonate, it can be vaporized as an oxide or carbonate. Therefore, the vapor or droplet of the alkali metal compound or alkaline earth metal compound is brought into contact with the silica glass, and the alkali metal compound or alkaline earth metal compound is maintained for a certain period of time in a state where gas-liquid equilibrium is maintained on the surface of the silica glass. By doing so, a certain amount of alkali metal ions or alkaline earth metal ions diffuses into the silica glass, and as a result, the silica glass can be doped with an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide.

アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物としては、同一のアルカリ金属元素の化合物を2種類以上併用することもでき、異なるアルカリ金属元素の化合物を2種類以上併用することもでき、同一のアルカリ土類金属元素の化合物を2種類以上併用することもでき、異なるアルカリ土類金属元素の化合物を2種類以上併用することもでき、アルカリ金属化合物とアルカリ土類金属化合物を合わせて2種類以上併用することもできる。シリカガラスにアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物を、2種類以上ドープすることも可能である。   As an alkali metal compound or an alkaline earth metal compound, two or more compounds of the same alkali metal element can be used in combination, or two or more compounds of different alkali metal elements can be used in combination. Two or more kinds of metal element compounds can be used together, two or more kinds of different alkaline earth metal element compounds can be used together, and two or more kinds of alkali metal compounds and alkaline earth metal compounds can be used in combination. You can also. It is also possible to dope two or more kinds of alkali metal oxides or alkaline earth metal oxides into silica glass.

被ドープシリカガラスは、純粋なシリカ(SiO)ガラスでもよく、フッ素(F)や酸化ゲルマニウム(GeO)等の通常の光ファイバで用いられる添加物がドープされたシリカガラスでもよく、目的のドープ量より少ないアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物がドープされたシリカガラスでもよい。2種類以上の添加物が含まれるシリカガラスを被ドープシリカガラスとすることもできる。 The silica glass to be doped may be pure silica (SiO 2 ) glass, or may be silica glass doped with additives used in ordinary optical fibers such as fluorine (F) and germanium oxide (GeO 2 ). Silica glass doped with less alkali metal oxide or alkaline earth metal oxide may be used. Silica glass containing two or more kinds of additives can be used as doped silica glass.

図1に、本形態例のガラス母材の製造方法に用いられる製造装置の一例を示す。この製造装置10は、加熱炉11と、被処理シリカガラス12を支持する軸13を有する。図1に示す加熱炉11は、内部に被処理シリカガラス12を収容する際に開閉可能な複数の部分、すなわち、本体(炉心管)11a及び蓋体11bから構成されている。軸13は、中心線の周囲で回転させたり、長手方向に沿って移動させたりすることができる構造とすることも可能である。ここで、「被処理シリカガラス」とは、ガラス母材の原材料となるシリカガラス、すなわちドープ前の被ドープシリカガラスと、この被ドープシリカガラスから誘導されるドープ途中及びドープ後のシリカガラスを総称する意味であり、製造装置内のシリカガラスで構成され得る他の部材を含まない。   In FIG. 1, an example of the manufacturing apparatus used for the manufacturing method of the glass base material of this embodiment is shown. The manufacturing apparatus 10 includes a heating furnace 11 and a shaft 13 that supports the silica glass 12 to be processed. The heating furnace 11 shown in FIG. 1 includes a plurality of parts that can be opened and closed when accommodating the silica glass 12 to be treated therein, that is, a main body (furnace core tube) 11a and a lid 11b. The shaft 13 may have a structure that can be rotated around the center line or moved along the longitudinal direction. Here, the “silica glass to be treated” is a silica glass as a raw material of a glass base material, that is, a silica glass to be doped before doping, and a silica glass in the middle of doping and after doping derived from this silica glass to be doped. It is a general term and does not include other members that can be made of silica glass in the manufacturing apparatus.

加熱炉11は、被処理シリカガラス12を加熱するガラス加熱部(均熱焼結部)14と、アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物のドープ材料16を加熱するドープ材料加熱部(気化部)15を有する。これにより、被処理シリカガラス12の温度とドープ材料16の温度とを、別々に制御することが可能である。   The heating furnace 11 includes a glass heating part (soaking / sintering part) 14 for heating the silica glass 12 to be treated, and a dope material heating part (vaporization part) for heating the dope material 16 of the alkali metal compound or alkaline earth metal compound. 15 Thereby, the temperature of the silica glass 12 to be processed and the temperature of the dope material 16 can be controlled separately.

ガラス加熱部14の外周には、1つ又は2つ以上のガラス加熱用ヒータH1が設けられている。図1の場合、ガラス加熱用ヒータH1は、被処理シリカガラス12の全体よりも長い円筒状のヒータが一体に設けられており、被処理シリカガラス12の全体を均等に加熱することが可能な均熱炉を構成している。被処理シリカガラス12の長手方向に複数のヒータを設置することも可能である。この場合は、すべてのヒータを発熱させて被処理シリカガラス12の全体を加熱することにより均熱炉として使用したり、一部のヒータを発熱させて被処理シリカガラス12の一部を加熱する傾斜炉として使用したりすることができる。ドープ工程においては、被処理シリカガラス12の全体を均等に加熱することが好ましい。焼結工程においては、被処理シリカガラス12の一部を加熱しながら、被処理シリカガラス12を長手方向に移動させ、被処理シリカガラス12を一端側から徐々に焼結した場合、多孔質ガラスの内部に含まれるガスが中実化する際に被処理シリカガラス12の外部に放出されやすく、透明なガラス体への気泡の残留を抑制することができる。また、ガラス加熱部14に複数のヒータを設ける場合に、各ヒータの温度を変えて、温度勾配を設けることもできる。   One or two or more glass heating heaters H <b> 1 are provided on the outer periphery of the glass heating unit 14. In the case of FIG. 1, the glass heating heater H1 is integrally provided with a cylindrical heater longer than the entire silica glass 12 to be treated, and can uniformly heat the entire silica glass 12 to be treated. It constitutes a soaking furnace. It is also possible to install a plurality of heaters in the longitudinal direction of the silica glass 12 to be treated. In this case, all heaters are heated to heat the entire silica glass 12 to be used as a soaking furnace, or some heaters are heated to heat a part of the silica glass 12 to be processed. Or can be used as a tilt furnace. In the dope process, it is preferable to uniformly heat the entire silica glass 12 to be treated. In the sintering step, when a portion of the silica glass 12 to be treated is heated, the silica glass 12 to be treated is moved in the longitudinal direction, and the silica glass 12 to be treated is gradually sintered from one end side. When the gas contained in the inside of the glass becomes solid, it is easily released to the outside of the silica glass 12 to be treated, and it is possible to suppress the bubbles from remaining in the transparent glass body. Moreover, when providing a some heater in the glass heating part 14, the temperature of each heater can be changed and a temperature gradient can also be provided.

ドープ材料加熱部15の外周には、1つ又は2つ以上のドープ材料加熱用ヒータH2が設けられている。ドープ材料加熱用ヒータH2によりドープ材料16(アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物)をその融点以上に加熱すると、ドープ材料16から気化した蒸気18を加熱炉11内に発生させ、被処理シリカガラス12の表面(外表面や多孔質の内部表面)に接触することが可能である。
ドープ材料16は、加熱炉11の内部に設置されたドープ材料保持部17に保持されている。ドープ材料保持部17は、皿等の容器を図示しない支柱や腕、格子などの支持体により支持することができる。このように、ドープ材料16を加熱炉11の内壁から離れた位置に設置することにより、ドープ材料の乾燥工程等の際、ドープ材料の周囲に水分等の不純物を運搬するためのキャリアガスを効率よく流通させることができる。
On the outer periphery of the dope material heating unit 15, one or more dope material heaters H <b> 2 are provided. When the dope material 16 (alkali metal compound or alkaline earth metal compound) is heated above its melting point by the heater H2 for heating the dope material, vapor 18 evaporated from the dope material 16 is generated in the heating furnace 11, and the silica glass to be treated It is possible to contact 12 surfaces (outer surface or porous inner surface).
The dope material 16 is held in a dope material holding unit 17 installed inside the heating furnace 11. The dope material holding part 17 can support a container such as a dish by a support such as a support, an arm, and a lattice (not shown). Thus, by installing the dope material 16 at a position away from the inner wall of the heating furnace 11, the carrier gas for transporting impurities such as moisture around the dope material can be efficiently used during the drying process of the dope material. It can be distributed well.

加熱炉11は、内部にガスを流入させる入口(ガス導入口)19と出口(ガス排出口)20を有する。ドープ工程の前工程として、ドープ材料16の乾燥工程や、多孔質の被処理シリカガラス12の脱水工程を、同じ加熱炉11内で行う場合、ドープ材料16や被処理シリカガラス12から排出される水分の排出を促進するため、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、窒素(N)等の不活性ガスからなるキャリアガスを、ガス導入口19からガス排出口20へと流通させることができる。また、脱水工程では、塩素(Cl)や塩化チオニル(SOCl)等の塩素系ガスをキャリアガスに混合し、多孔質シリカガラスの脱水剤として用いることが好ましい。ガス導入口19は、キャリアガスや脱水剤等を供給するガス供給装置(図示せず)に接続される。また、ガス排出口20は、排出されるガスに混じるガラス微粒子や塩素系ガス等を除去するため、適切な除去装置(スクラバ。図示せず)に接続される。光ファイバの製造においては損失増加の原因となる水分の混入を避けるため、加熱炉11内に導入するガスは、水分量を十分に低減した乾燥気体であることが望ましい。 The heating furnace 11 has an inlet (gas inlet) 19 and an outlet (gas outlet) 20 through which gas flows. When the drying process of the dope material 16 and the dehydration process of the porous silica glass 12 to be processed are performed in the same heating furnace 11 as a pre-process of the doping process, the dope material 16 and the silica glass 12 to be processed are discharged. In order to promote the discharge of moisture, a carrier gas composed of an inert gas such as helium (He), argon (Ar), or nitrogen (N 2 ) can be circulated from the gas inlet 19 to the gas outlet 20. . In the dehydration step, it is preferable that a chlorine-based gas such as chlorine (Cl 2 ) or thionyl chloride (SOCl 2 ) is mixed with a carrier gas and used as a dehydrating agent for porous silica glass. The gas inlet 19 is connected to a gas supply device (not shown) that supplies a carrier gas, a dehydrating agent, and the like. Further, the gas discharge port 20 is connected to an appropriate removal device (scrubber, not shown) in order to remove glass fine particles, chlorine-based gas and the like mixed in the discharged gas. In the production of an optical fiber, it is desirable that the gas introduced into the heating furnace 11 is a dry gas with a sufficiently reduced amount of water in order to avoid the mixing of moisture that causes an increase in loss.

ドープ工程では、多孔質の被処理シリカガラス12を、アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物16とともに、入口19及び出口20が閉鎖された加熱炉11内に保持する。ドープ工程における加熱炉11の内部温度は、必ずしもドープ材料16の沸点以上ではないため、ドープ材料の蒸気18は、ドープ材料の液滴又は微粒子を含んでいてもよい。ドープ工程の間、加熱炉11の入口19及び出口20を閉鎖することにより、気液平衡状態にあるドープ材料の蒸気18の濃度を、加熱炉11内の全体で一定に保つことが容易になる。被処理シリカガラス12の表面でドープ材料16が気液平衡状態となることにより、ドープ材料16を沸点以上の高温の蒸気とする場合に比べて、ドープ材料の蒸気18が被処理シリカガラス12の表面に付着しやすくなる。また、ドープ材料16を沸点以上の高温とする場合、その温度によっては、被処理シリカガラス12が結晶化、あるいは軟化(更には液化)して、ガラス状態や形状、組成分布を維持することが困難になる場合がある。そこで、加熱炉11内をガラス加熱用ヒータH1により、ドープ材料16(アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物)の融点以上で、かつ、ドープ処理時間内で被処理シリカガラスが結晶化する温度より低い温度に保つことにより、被処理シリカガラス12にアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物を効率よくドープすることができる。処理温度や処理時間等を調整することにより、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物の添加物濃度を制御して導入することが可能である。   In the dope process, the porous silica glass 12 to be treated is held in the heating furnace 11 with the inlet 19 and the outlet 20 closed together with the alkali metal compound or alkaline earth metal compound 16. Since the internal temperature of the heating furnace 11 in the doping process is not necessarily equal to or higher than the boiling point of the doping material 16, the vapor 18 of the doping material may contain droplets or fine particles of the doping material. By closing the inlet 19 and the outlet 20 of the heating furnace 11 during the doping process, it becomes easy to keep the concentration of the vapor 18 of the dope material in a vapor-liquid equilibrium state constant throughout the heating furnace 11. . The dope material 16 is in a vapor-liquid equilibrium state on the surface of the silica glass 12 to be treated, so that the vapor 18 of the dope material of the dope silica glass 12 is higher than the case where the dope material 16 is a high-temperature steam having a boiling point or higher. It becomes easy to adhere to the surface. Further, when the dope material 16 is heated to a temperature higher than the boiling point, depending on the temperature, the silica glass 12 to be treated may be crystallized or softened (and liquefied) to maintain the glass state, shape, and composition distribution. It can be difficult. Therefore, the temperature within the heating furnace 11 is higher than the melting point of the dope material 16 (alkali metal compound or alkaline earth metal compound) by the glass heating heater H1, and the silica glass to be treated crystallizes within the dope treatment time. By keeping the temperature low, the silica glass 12 to be treated can be efficiently doped with an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide. By adjusting the treatment temperature, treatment time, etc., it is possible to control and introduce the additive concentration of alkali metal oxide or alkaline earth metal oxide.

気液平衡状態のドープ材料によるドープ量は、シリカガラスに対する接触時間及び接触面積に比例する。このため、被処理(被ドープ)シリカガラスとしては、中実なガラスの塊ではなく、ガラスの微粒子スートの集合体など、多孔質であると好ましい。多孔質のシリカガラスは、例えばVAD(Vapor phase axial deposition)法やOVD(Outside vapor deposition)法などの方法により形成することが可能である。スートの集合体は、シリカガラスからなる支持体、例えばシリカガラスからなる棒(ロッド)や管(チューブ)等の出発部材の外周や先端部にスートを堆積させることで、所望の寸法に成長させることができる。VAD法の場合、出発部材の先端部から、スートを長さ方向に成長させることにより、半径方向の中心部までスートで形成された大型の集合体を形成できるため、好ましい。図1に示すように、多孔質の被処理シリカガラス12をVAD法で作製した場合、ガラススートを堆積させる出発母材の一部又は全部を、被処理シリカガラス12を支持する軸13として用いることができる。例えばVAD法により製造される多孔質のシリカガラスは、比表面積が5〜20m/gであり、好適に使用することができる。 The dope amount by the dope material in the vapor-liquid equilibrium state is proportional to the contact time and the contact area with respect to the silica glass. For this reason, the silica glass to be treated (doped) is preferably a porous material such as an aggregate of fine glass soot rather than a solid glass lump. The porous silica glass can be formed by a method such as a VAD (Vapor phase axial deposition) method or an OVD (Outside vapor deposition) method. The soot aggregate is grown to a desired size by depositing soot on the outer periphery or tip of a support member made of silica glass, for example, a rod (rod) or tube (tube) made of silica glass. be able to. In the case of the VAD method, since a soot is grown in the length direction from the front end portion of the starting member, a large aggregate formed by the soot can be formed to the center portion in the radial direction, which is preferable. As shown in FIG. 1, when the porous silica glass 12 to be processed is produced by the VAD method, a part or all of the starting base material on which the glass soot is deposited is used as the shaft 13 that supports the silica glass 12 to be processed. be able to. For example, porous silica glass produced by the VAD method has a specific surface area of 5 to 20 m 2 / g, and can be suitably used.

ドープ処理の温度は、少なくとも、アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物が気化するため、その融点以上であることが必要である。温度が高いほどアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンがシリカガラス中に速く拡散するため、より短時間でドープ可能である。しかし、アルカリ金属塩などが存在するとシリカガラスは結晶化しやすく、クリストバライトやトリディマイトなどの結晶性シリカが生成しやすい。純粋なバルクのシリカガラスでは、1000〜1700℃程度の温度範囲で最も結晶化しやすいが、シリカガラス中にアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンの濃度が増加するにつれて、シリカガラスが結晶化しやすい温度範囲は低下する。被処理シリカガラスの結晶化を抑制するため、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物のドープは、ドープ処理時間中に被処理シリカガラスが結晶化する温度範囲より低い温度で行う必要がある。そのため、必要なドープ量やドープ処理時間等にもよるが、ドープ処理温度は700〜950℃が好ましい。   The temperature of the dope treatment needs to be at least the melting point of the alkali metal compound or alkaline earth metal compound because it vaporizes. The higher the temperature, the faster the alkali metal ions or alkaline earth metal ions diffuse into the silica glass, so that it can be doped in a shorter time. However, when an alkali metal salt or the like is present, the silica glass is easily crystallized, and crystalline silica such as cristobalite or tridymite is easily generated. Pure bulk silica glass is most easily crystallized in the temperature range of about 1000 to 1700 ° C., but the temperature at which silica glass is easily crystallized as the concentration of alkali metal ions or alkaline earth metal ions in silica glass increases. Range goes down. In order to suppress the crystallization of the silica glass to be treated, the alkali metal oxide or alkaline earth metal oxide must be doped at a temperature lower than the temperature range in which the silica glass to be treated crystallizes during the dope treatment time. . For this reason, the dope treatment temperature is preferably 700 to 950 ° C., although it depends on the required dope amount and the dope treatment time.

焼結工程は、被処理シリカガラス12を加熱炉11内に留めたまま、ドープ工程に引き続いて、実施することができる。焼結工程を実施する前に、加熱炉の雰囲気中及び被処理シリカガラスの表面に存在する未反応のドープ材料を排出する工程を設けることができる。これにより、焼結工程中にアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物のドープ量が変化(増加)することを抑制することができる。この場合でも、ドープ材料加熱部15が十分に冷却されれば、ドープ材料保持部17内のドープ材料16を加熱炉11内に留めたまま、焼結工程を実施して構わない。
アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物がドープされた多孔質の被処理シリカガラス12を焼結することにより、透明なガラス体を得ることができる。このとき、シリカガラスが結晶化しやすい温度範囲をできるだけ早く通過するような速い昇温速度で加熱することにより、被処理シリカガラスの結晶化を抑制して、ガラス状態を保つことができる。
シリカガラスが結晶化しやすい温度範囲は、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物のドープ量等にもよるが、おおよそ1000〜1300℃であり、この温度範囲の間、高速で昇温する。昇温速度としては、10〜20℃/min以上であり、例えば10〜20℃/minが好ましい。
The sintering process can be performed following the dope process while the silica glass 12 to be treated is kept in the heating furnace 11. Before carrying out the sintering step, a step of discharging unreacted dope material present in the atmosphere of the heating furnace and on the surface of the silica glass to be treated can be provided. Thereby, it can suppress that the dope amount of an alkali metal oxide or an alkaline-earth metal oxide changes (increases) during a sintering process. Even in this case, if the dope material heating unit 15 is sufficiently cooled, the sintering process may be performed while the dope material 16 in the dope material holding unit 17 is kept in the heating furnace 11.
A transparent glass body can be obtained by sintering the porous silica glass 12 doped with alkali metal oxide or alkaline earth metal oxide. At this time, crystallization of the silica glass to be treated can be suppressed and the glass state can be maintained by heating at a high temperature rising rate that passes through the temperature range where the silica glass is easily crystallized as soon as possible.
The temperature range in which silica glass is easily crystallized is approximately 1000 to 1300 ° C., although it depends on the doping amount of the alkali metal oxide or alkaline earth metal oxide, and the temperature is increased at a high speed during this temperature range. As a temperature increase rate, it is 10-20 degrees C / min or more, for example, 10-20 degrees C / min is preferable.

図2に、シリカ(SiO)の相図を示す。シリカは低温型石英(図2ではlow Q)、高温型石英(図2ではhigh Q)、トリディマイト(図2ではT)、クリストバライト(図2ではC)等の異なる結晶構造を有することが知られている。トリディマイトやクリストバライトは、石英に比べると密度が低いため、圧力が比較的低い条件下で安定に存在する。常圧(1気圧)ではクリストバライトが安定に存在する上限温度(シリカの融点)は約1730℃であるが、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物がドープされると、低粘度化によりクリストバライトの安定な温度範囲が200〜300℃程度低下し、おおむね1200℃以上でクリストバライトが安定になる。 FIG. 2 shows a phase diagram of silica (SiO 2 ). Silica is known to have different crystal structures such as low-temperature quartz (low Q in FIG. 2), high-temperature quartz (high Q in FIG. 2), tridymite (T in FIG. 2), cristobalite (C in FIG. 2), and the like. ing. Since tridymite and cristobalite have a lower density than quartz, they exist stably under relatively low pressure conditions. At normal pressure (1 atm), the upper limit temperature (melting point of silica) at which cristobalite is stably present is about 1730 ° C. However, when alkali metal oxide or alkaline earth metal oxide is doped, cristobalite is reduced by viscosity reduction. The stable temperature range decreases by about 200 to 300 ° C., and the cristobalite becomes stable at about 1200 ° C. or more.

石英の生成速度が非常に遅く、石英が安定な領域ではガラス状態が保たれること、また、トリディマイトはガラスから直接生成せず、クリストバライトから相転移して生成することを考慮すると、被処理シリカガラスの結晶化を防ぐには、クリストバライトの生成を抑制することが重要である。高温型石英−低温型石英間のように原子配列の大きな変化を伴わない相転移は速く進行するが、石英、トリディマイト、クリストバライト等の間の相転移は、原子配列の大きな変化を伴うため、水分の少ない条件下では起こりにくい。そこで、昇温速度を速くすることで、クリストバライトの生成を抑制し、焼結を行うことができる。   Considering the fact that the production rate of quartz is very slow and that the glass state is maintained in a region where quartz is stable, and that tridymite is not produced directly from glass but is produced by phase transition from cristobalite, In order to prevent crystallization of glass, it is important to suppress the formation of cristobalite. Although the phase transition without a large change in atomic arrangement proceeds rapidly as between high-temperature type quartz and low-temperature type quartz, the phase transition between quartz, tridymite, cristobalite, etc. is accompanied by a large change in atomic arrangement. Less likely to occur under low conditions. Therefore, by increasing the rate of temperature rise, generation of cristobalite can be suppressed and sintering can be performed.

このような高速の昇温を開始する温度(高速昇温開始温度)は、被処理シリカガラスが結晶化しやすい温度範囲よりやや低い温度であり、1000℃以下が好ましい。焼結工程の前に加熱炉の雰囲気がより低温であった場合、焼結の開始に際して前記高速昇温開始温度まで加熱する必要がある。前記高速昇温開始温度以下の温度範囲では、昇温速度は特に限定されず、被処理シリカガラスの歪みを抑制するため、より低速で昇温することができる。前記高速昇温開始温度以下での昇温速度は、例えば1〜10℃/minである。
高速の昇温を終了する温度(高速昇温終了温度)は、多孔質の被処理シリカガラス12が焼結されて透明なガラス体となる焼結温度である。この焼結温度は、被処理シリカガラスの融点より低い温度であることが好ましい。被処理シリカガラスが液体となる高温に加熱すれば、結晶化を防ぐことはできるけれども、ガラス体が形状や添加物濃度分布を保つことができない。そこで、高速昇温終了温度は、被処理シリカガラス12がガラス状態を保つことができる温度範囲において、例えば1300〜1400℃が挙げられる。焼結温度に達した後、透明なガラス体が得られるまで焼結温度の範囲内に保ち、その後、放冷する。焼結温度の範囲内に保っている間は、焼結温度が一定であってもよく、あるいは焼結温度の範囲内で任意に昇温又は降温をすることもできる。
The temperature at which such high temperature increase starts (high temperature increase start temperature) is slightly lower than the temperature range in which the silica glass to be treated is easily crystallized, and is preferably 1000 ° C. or lower. If the atmosphere in the heating furnace is lower before the sintering step, it is necessary to heat to the high temperature rise start temperature at the start of sintering. In the temperature range below the high temperature temperature rise start temperature, the temperature rise rate is not particularly limited, and the temperature can be raised at a lower speed in order to suppress distortion of the silica glass to be treated. The temperature increase rate below the high temperature temperature increase start temperature is, for example, 1 to 10 ° C./min.
The temperature at which the high temperature increase is completed (the high temperature increase end temperature) is a sintering temperature at which the porous silica glass 12 is sintered to form a transparent glass body. This sintering temperature is preferably lower than the melting point of the silica glass to be treated. If the silica glass to be treated is heated to a high temperature at which it becomes liquid, crystallization can be prevented, but the glass body cannot maintain its shape and additive concentration distribution. Therefore, the high temperature temperature rise end temperature is, for example, 1300 to 1400 ° C. in the temperature range in which the silica glass 12 to be treated can maintain the glass state. After reaching the sintering temperature, it is kept within the range of the sintering temperature until a transparent glass body is obtained, and then allowed to cool. While the temperature is maintained within the range of the sintering temperature, the sintering temperature may be constant, or the temperature may be increased or decreased arbitrarily within the range of the sintering temperature.

得られる透明なガラス体は、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物が乾燥した雰囲気下でドープされるため、水酸基(−OH)の含有量が低く、高純度で、伝送光の損失を抑制することができるので、光ファイバやレンズ、プリズム等の光学部品を製造するためのガラス母材として利用可能である。   The resulting transparent glass body is doped with an alkali metal oxide or alkaline earth metal oxide in a dry atmosphere, so that the content of hydroxyl group (—OH) is low, the purity is high, and the loss of transmitted light is reduced. Therefore, it can be used as a glass base material for manufacturing optical components such as optical fibers, lenses, and prisms.

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.

通常のVAD法により、シリカガラスのみからなるスートを作製し、これを加熱炉に入れた。アルカリ金属イオン源として、塩化カリウム(KCl、純正化学株式会社製、純度99.9%以上)を粉末としてシリカガラス製の皿に静置し、同じく炉の中に入れた。シリカガラススートとKClは、同じ炉内に設置されるが、空間的には離れた位置にあり、別々に加熱できる機構とした。炉内の雰囲気の圧力は1気圧である。
まず、皿に入ったKClの温度をその融点より十分に低い200℃に保ち、乾燥したヘリウム(He)を炉内に流通させて、KClを乾燥した。また、シリカガラススートは、950℃に保持したまま塩素(Cl)を含むHeに曝すことにより、脱水乾燥した。
次いで、炉内全体をHeのみに置換して水分と塩素を十分に排出した後、シリカガラススートとKClの加熱温度を、それぞれ800℃(KClの融点よりわずかに高い)とし、さらにHeの流通を停止して炉内の雰囲気を一定に保った。この状態で1時間放置した。その後、シリカガラススートの温度を800℃に保持したまま、皿に入ったKClの温度をその融点より十分に低い200℃まで冷却したのち、炉内に再度Heを流通させ、雰囲気中及びシリカガラススートの表面に存在する未反応のKClを炉内から排出した。
酸素(O)を含むHeで炉内を置換したのち、この混合ガスを流通させたまま、KClがドープされたシリカガラススートを昇温速度10℃/min以上で1300℃に達するまで加熱して、さらにシリカガラススートの温度を1300℃に保持したまま、2時間放置し、シリカガラスを焼結した。最後に放冷して、シリカガラスの温度が500℃以下になったところで炉内からシリカガラスを取り出した。
A soot made only of silica glass was prepared by a normal VAD method, and this was put in a heating furnace. As an alkali metal ion source, potassium chloride (KCl, manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd., purity 99.9% or more) was placed as a powder in a silica glass dish and placed in a furnace. Silica glass soot and KCl are installed in the same furnace, but are spatially separated from each other and can be heated separately. The pressure of the atmosphere in the furnace is 1 atmosphere.
First, the temperature of KCl contained in the dish was kept at 200 ° C. sufficiently lower than its melting point, and dried helium (He) was circulated in the furnace to dry KCl. The silica glass soot was dehydrated and dried by exposing it to He containing chlorine (Cl 2 ) while being kept at 950 ° C.
Next, after replacing the entire inside of the furnace with only He and sufficiently discharging moisture and chlorine, the heating temperature of silica glass soot and KCl is set to 800 ° C. (slightly higher than the melting point of KCl), respectively, and the flow of He is further increased. And the atmosphere in the furnace was kept constant. This state was left for 1 hour. Thereafter, while the temperature of the silica glass soot is kept at 800 ° C., the temperature of KCl in the dish is cooled to 200 ° C. which is sufficiently lower than the melting point, and then He is circulated again in the furnace so that the atmosphere and the silica glass Unreacted KCl present on the surface of the soot was discharged from the furnace.
After replacing the inside of the furnace with He containing oxygen (O 2 ), the silica glass soot doped with KCl was heated to reach 1300 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C./min or more with the mixed gas flowing. Further, the silica glass soot was left to stand for 2 hours while maintaining the temperature of the silica glass soot at 1300 ° C. to sinter the silica glass. Finally, it was allowed to cool, and when the temperature of the silica glass became 500 ° C. or lower, the silica glass was taken out from the furnace.

10…製造装置、11…加熱炉、11a…本体(炉心管)、11b…蓋体、12…シリカガラス、13…軸、14…ガラス加熱部(均熱焼結部)、15…ドープ材料加熱部(気化部)、16…ドープ材料(アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物)、17…ドープ材料保持部、18…ドープ材料の蒸気又は液滴、19…入口(ガス導入口)、20…出口(ガス排出口)、H1…ガラス加熱用ヒータ、H2…ドープ材料加熱用ヒータ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Manufacturing apparatus, 11 ... Heating furnace, 11a ... Main body (core tube), 11b ... Lid, 12 ... Silica glass, 13 ... Shaft, 14 ... Glass heating part (soaking sintering part), 15 ... Dope material heating Part (vaporization part), 16 ... dope material (alkali metal compound or alkaline earth metal compound), 17 ... dope material holding part, 18 ... vapor or droplet of dope material, 19 ... inlet (gas inlet), 20 ... Outlet (gas discharge port), H1... Heater for glass heating, H2... Heater for heating dope material.

Claims (1)

アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物がドープされたガラス母材の製造方法であって、
多孔質のシリカガラスを、アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物とともに、閉鎖された加熱炉内に保持し、
前記シリカガラスの表面で前記アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物が気液平衡状態となるよう、前記アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物の融点以上で、かつ、ドープ処理時間内で前記シリカガラスが結晶化する温度より低い温度に保つことにより、前記シリカガラスにアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物をドープし、
次いで、前記加熱炉内で、前記シリカガラスが焼結されて透明なガラス体となる焼結温度に達するまで、10℃/min以上の昇温速度で加熱することを特徴とするガラス母材の製造方法。
A method for producing a glass base material doped with an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide,
Hold the porous silica glass together with the alkali metal compound or alkaline earth metal compound in a closed heating furnace,
The silica glass is above the melting point of the alkali metal compound or alkaline earth metal compound and within the dope treatment time so that the alkali metal compound or alkaline earth metal compound is in a vapor-liquid equilibrium state on the surface of the silica glass. By maintaining the silica glass at a temperature lower than the temperature at which it crystallizes, the silica glass is doped with an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide,
Next, in the heating furnace, the glass base material is heated at a heating rate of 10 ° C./min or more until reaching a sintering temperature at which the silica glass is sintered to become a transparent glass body. Production method.
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