JP6106453B2 - ガラス母材の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物が添加された光ファイバ用ガラス母材の製造に使用できるガラス母材の製造装置に関する。

従来、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_４）、四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ_４）など、ガス状の原料を使用する必要がある。

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。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。

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（特許文献１を参照）。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（特許文献２および３を参照）。
このようにして供給されたアルカリ金属化合物を、従来と同様に酸素雰囲気で加熱し酸化してガラス表面に堆積させることで、アルカリ金属酸化物がドープされた光ファイバ用ガラス母材を作製することができる。

光ファイバの前駆体ガラス（被加熱物）を加熱炉内に保持し、前駆体ガラスの軟化点以下の温度条件下でアルカリ金属蒸気に曝すことにより、前駆体ガラスの外表面から内部に向かってアルカリ金属酸化物をドープする方法が報告されている（特許文献１を参照）。
この方法に用いられる加熱炉は、例えば略円筒型の炉心管を有し、炉心管内部の炉室は、炉心管の外周側に設置された加熱手段により加熱される。
炉室内に前駆体ガラスを保持して加熱し、炉室にアルカリ金属蒸気を導入することで前駆体ガラスはアルカリ金属蒸気に曝される。炉室は炉心管により加熱手段から隔てられているため、炉室内の前駆体ガラスは、外部（例えば加熱手段）からの不純物による汚染を受けにくい。そのため遮蔽構造体である炉心管の材料には、高い化学安定性が求められる。
高温加熱状態で炉心管を構成する物質が揮発して放出されると、それが不純物として前駆体ガラスの外表面に付着し、さらに内部に向かって浸透し、光ファイバの伝送損失を悪化させる原因となる可能性があるからである。

特許文献１の報告では、アルカリ金属蒸気を炉内に送り込むための配管を、アルカリ金属とは容易には反応しないガラス、もしくはハステロイで構成することが好ましいとの記載があるが、炉心管の構成材料については何ら記載がない。
特許文献１の請求項２には、前駆体ガラスを軟化点以下に加熱すると記載されていながら、請求項３、４ではシリカガラスの軟化点よりもはるかに高い１９００℃ないし２１００℃まで温度範囲を広げた記載がされていることから、特許文献１記載の加熱炉の炉心管にはシリカガラスよりも高融点の材料が用いられていると考えることができる。

特許第４８７０５７３号公報 特開２０１２−００６７７９公報 特開２０１２−０６２２１１公報

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

加熱炉の炉室内で前駆体ガラスを、加熱しアルカリ金属（あるいはアルカリ金属化合物）を含む蒸気にさらすことでドープする際には、前駆体ガラスにアルカリ金属酸化物がドープされるのと同様に、炉心管の内壁にもアルカリ金属化合物が付着し、材料によっては内壁から炉心管材料の内部にまでアルカリ金属酸化物が浸透することが考えられる。
例えば、炉心管に前駆体ガラスと同じガラスを用いた場合には、炉心管には前駆体ガラスと同程度にアルカリ金属酸化物がドープされることは不可避である。そのため、繰り返しアルカリ金属酸化物のドープを行うと、炉心管の内壁にドープされるアルカリ金属酸化物の濃度が徐々に高くなることで炉心管を構成するガラスの軟化点が低下するため、前駆体ガラスにアルカリ金属酸化物をドープするための温度にまで炉室内を加熱すると、炉心管の機械的強度が低下する可能性がある。このため、炉心管の機械的強度の維持は容易ではない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、被加熱物への不純物混入を原因とする不具合が起こらず、かつ炉心管の機械的強度を維持することができるガラス母材の製造装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、前駆体ガラスを加熱する加熱炉と、ドープ材料であるアルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物を加熱して前記ドープ材料の含有ガスを得るドープ材料加熱部とを備え、前記ドープ材料の含有ガスを前記加熱炉内の前駆体ガラスに接触させることができ、前記加熱炉は、内部に前記前駆体ガラスを収容可能な炉心管を有し、前記炉心管は、シリカガラスからなり、少なくとも内面には、前記炉心管を構成する材料の少なくとも一部が結晶化した結晶化層が形成されているガラス母材の製造装置を提供する。
前記炉心管は、前記前駆体ガラスと同じ材質からなることが好ましい。
少なくとも前記炉心管は、取付けおよび取外し自在とされていることが好ましい。
前記ドープ材料加熱部は、前記加熱炉とは別体に設けられていてよい。
前記加熱炉は、前記前駆体ガラスが加熱されるガラス加熱部を有し、前記ドープ材料加熱部は、前記炉心管内に、前記ガラス加熱部よりも前記ドープ材料の含有ガスの流通方向の上流側に設けられ、前記ドープ材料加熱部と前記ガラス加熱部は、加熱時の温度を互いに独立に設定できる構成としてもよい。

本発明によれば、炉心管が内面に結晶化層を有するため、ドープ材料が炉心管に浸透するのを抑制できる。
従って、ドープ材料の影響による炉心管の軟化点の低下や化学的耐久性の低下を抑止し、炉心管の機械的強度を維持することができる。

本発明に用いられる製造装置の第１実施形態を示す図である。 図１に示す製造装置の炉心管の一部を示す図である。 図１に示す製造装置の炉心管の一部を拡大して示す図である。 本発明に用いられる製造装置の第２実施形態を示す図である。 本発明に用いられる製造装置の第３実施形態を示す図である。 本発明に用いられる製造装置の第４実施形態を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明のガラス母材の製造装置の好適な実施の形態に基づいて本発明を説明する。
図１〜図３は、本形態例の製造装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。
図１に示すように、この製造装置１０Ａは、前駆体ガラス１２を加熱する加熱炉１１（ガラス加熱部）と、前駆体ガラス１２を支持する軸１３と、ドープ材料１４（アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物）を加熱するドープ材料加熱部（気化部）１５とを有する。

加熱炉１１は、内部に前駆体ガラス１２を収容可能な炉心管２１と、炉心管２１を収容する外装体２２と、炉心管２１の上部開口を開閉可能に閉止する蓋体２３とを備えている。

炉心管２１は、円板状の底板２１ａとその周縁に立設された円筒状の筒部２１ｂとを有する。底板２１ａには、ガス導入口１９を有する導入筒部２８が形成されている。
炉心管２１は、上部開口２１ｃを通して前駆体ガラス１２を出し入れできる。
炉心管２１は、シリカガラスからなる。炉心管２１と前駆体ガラス１２とは同じ材質（シリカガラス）からなることが好ましい。

図２は、炉心管２１の一部を示す図であり、図３は、仮想線で示す炉心管２１の部分を拡大して示す図である。
図２および図３に示すように、炉心管２１は、少なくとも内面２１ｅに結晶化層２１ｄが形成されている。
結晶化層２１ｄは、炉心管２１を構成するガラス材料（シリカガラス）の少なくとも一部が結晶化して形成された層である。結晶化層２１ｄは、内面２１ｅから一定深さの範囲に形成することができる。結晶化層２１ｄの有無は、Ｘ線回折法により確認できる。
結晶化層２１ｄの厚さは、炉心管２１の全厚さの一部に相当する厚さとしてよい。
結晶化層２１ｄは、内面２１ｅの一部領域にのみ形成してもドープ材料の浸透を抑制する効果は得られるが、ドープ材料の浸透を抑制する効果を高めるため、内面２１ｅの全領域に形成するのが好ましい。
結晶化層２１ｄに含まれる結晶は、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。

結晶化層２１ｄは、どのような厚さであっても炉心管２１に対するドープ材料１４（アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物）の浸透を抑制する効果が期待できるが、厚さは２０μｍ以上とすると、より高い浸透抑制効果を奏する。また、結晶化層２１ｄの厚さがこの範囲であると、炉心管２１の機械的強度が高められるという利点も得られる。

結晶化層２１ｄは、結晶化促進剤を含む層を塗布などにより炉心管２１の内面に形成する方法（例えば、特許第３１００８３６号公報参照）により形成できる。
この方法は、結晶化促進剤を含む層を塗布などにより炉心管２１の内面に形成する方法である。具体的には、炉心管２１内面にカルシウムなどのアルカリ土類金属元素を適量含む溶液を塗布した後、熱処理を加えることで結晶化層２１ｄを形成する方法である。
炉心管２１内面にはアルカリ土類金属元素が残留することになるが、塩素を含む雰囲気中で熱処理を行うことで、当該アルカリ土類金属元素を塩化物の蒸気として炉心管２１から除去することができる。
なお、当該アルカリ土類金属元素が、前駆体ガラス１２に含有されるものである場合や、アルカリ土類金属元素の含有が問題にならない場合には、アルカリ土類金属元素の除去操作は必要ない。
結晶化促進剤としては、アルミニウム（Ａｌ）などの３ｂ族元素を含むものも使用できる。この場合でも、塩素を含む雰囲気中で熱処理を行うことで、当該３ｂ族元素を塩化物の蒸気として除去することができる。

結晶化層２１ｄは、具体的には、例えば次のようにして形成することができる。
シリカガラスからなる炉心管２１の内面に、結晶化促進剤としてアルミニウム（Ａｌ）を含むガラス層を形成し、これに、アルゴン（Ａｒ）雰囲気中で１２９０℃、２４時間の熱処理を施すことによって、炉心管２１の内面に結晶化層２１ｄを形成することができる。結晶化促進剤は、塩素を含み、かつ酸素を含まない雰囲気で１４００℃、２４時間の熱処理を行うことで除去できる。
また、シリカガラスからなる炉心管２１の内面に、結晶化促進剤としてカルシウム（Ｃａ）を含む溶液を塗布した後、この炉心管２１内面に、アルゴン（Ａｒ）雰囲気中で１２９０℃、２４時間の熱処理を施すことによって、結晶化層２１ｄを形成することもできる。

結晶化層２１ｄを形成した炉心管２１は、ドープ材料１４（アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物）を前駆体ガラス１２にドープする際に繰り返し使用できる。

炉心管２１は、外装体２２および他の構成（ガラス加熱用ヒータＨ１等）に対して、取付けおよび取外し自在とすることができる。すなわち、炉心管２１は、外装体２２から取り出したり、再び外装体２２内に取り付けること可能である。

外装体２２は、底板２２ａとその周縁に立設された側板２２ｂと、側板２２ｂの上端から内方に延出する上板２２ｃとを有し、内部空間２２ｄに炉心管２１およびガラス加熱用ヒータＨ１を収容できる構造となっている。

蓋体２３は、連結筒体２４の上部開口を閉止して設置することができ、これによって炉心管２１の上部開口２１ｃを開閉自在に閉止できる。蓋体２３には、軸１３を挿通する挿通孔２３Ａ１が形成されている。
連結筒体２４は、炉心管２１の筒部２１ｂとほぼ同径の筒体であり、下端を筒部２１ｂの上端に気密に当接させることができる。図示例の連結筒体２４には、ガス排出口２０を有する排出筒部２９が形成されている。蓋体２３と連結筒体２４は一体に形成してもよい。

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。
「前駆体ガラス」とは、ガラス母材の原材料となるガラス、すなわちドープ前の被ドープガラスと、この被ドープガラスから誘導されるドープ途中及びドープ後のガラスを総称する意味であり、製造装置内のガラスで構成され得る他の部材を含まない。

炉心管２１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に示す例では、ガラス加熱用ヒータＨ１は、前駆体ガラス１２の全体よりも長い円筒状のヒータである。ガラス加熱用ヒータＨ１によって、加熱炉１１は、前駆体ガラス１２の全体を均等に加熱することが可能な均熱炉となっている。
なお、前駆体ガラス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前駆体ガラス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前駆体ガラス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。あるいは、ガラス加熱用ヒータＨ１は、前駆体ガラス１２の全体よりも短い円筒状のヒーターであって、ガラス加熱用ヒーターＨ１を発熱させて前駆体ガラス１２の一部を加熱しつつ、ガラス加熱用ヒーターＨ１と前駆体ガラス１２が相対的に上下に移動するようにして、前駆体ガラス１２の全体を加熱する傾斜炉として使用することができる。

ドープ材料加熱部１５は、加熱炉１１とは別体に設けられている。
ドープ材料加熱部１５は、ドープ材料加熱部１５は、ドープ材料１４（アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物）を収容可能な容器状の本体部１７と、１つ又は２つ以上のドープ材料加熱用ヒータＨ２を備えている。
本体部１７は、ドープ材料１４（アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物）とは容易には反応しない材質、例えばガラス、ハステロイ合金等が使用できる。
本体部１７には、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ_２）等の不活性ガスからなるキャリアガスを本体部１７に導入する導入管路２５（導入経路）と、本体部１７内のガスを炉心管２１内に導入する連絡管路２６とが接続されている。

ドープ材料加熱用ヒータＨ２により本体部１７内のドープ材料１４をその融点以上に加熱すると、ドープ材料１４から気化した蒸気等を含む含有ガス１８を、連絡管路２６を通して加熱炉１１内に導入し、前駆体ガラス１２の表面（外表面や多孔質の内部表面）に接触させることが可能である。
符号２６ａは連絡管路２６を開閉する弁である。

製造装置１０Ａは、加熱炉１１とドープ材料加熱部１５が別体であるため、前駆体ガラス１２の温度とドープ材料１４の温度とを、独立に制御することが可能である。
前駆体ガラス１２は、高温になりすぎると、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が、ガラス加熱用ヒータＨ１により、炉心管２１内の温度を適切な温度に保つことができる。
また、ドープ材料加熱用ヒータＨ２により、ドープ材料１４（アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物）の融点以上の適切な温度に加熱することによって、ドープ材料１４を十分な濃度で含む含有ガス１８を得て、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前駆体ガラス１２にドープすることができる。

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、脱水時に生成する弱塩基−強酸からなる塩等を除去するため、適切な除去装置（スクラバ。図示せず）に接続することができる。

次に、製造装置１０Ａを用いてガラス母材を製造する方法を説明する。
本実施形態の製造方法は、多孔質の前駆体ガラス１２の表面に、アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物を気化させて接触させることにより、前駆体ガラス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ドープするドープ工程と、前駆体ガラス１２を焼結して透明なガラス体とする焼結工程を有する。

ドープ工程で用いられるアルカリ金属化合物としては、アルカリ金属、すなわち、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムの化合物（塩）がある。
アルカリ土類金属化合物としては、アルカリ土類金属、すなわち、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）がある。
アルカリ金属化合物（塩）やアルカリ土類金属化合物（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（Ｋ_２Ｏ）は、過酸化物（Ｋ_２Ｏ_２）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。

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、前駆体ガラス１２を構成するガラスの融点、あるいはガラススートが稠密化して中実の透明ガラス体となる焼結温度よりも低い場合がほとんどで、ガラスの融点や焼結温度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ガラススートを焼結温度以下で接触させれば、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。以上のことから、ドープ工程の温度は、少なくとも、用いる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あることが必要である。

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る。
また、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る。
さらには、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。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。

前駆体ガラス１２が光ファイバのガラス母材用であれば、前駆体ガラス１２には、シリカガラスが使用できる。
シリカガラスは、純粋なシリカ（ＳｉＯ_２）ガラスでもよく、フッ素（Ｆ）や酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）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使用することもできる。

（乾燥工程）
ドープ工程に先立って、ドープ材料１４を乾燥させる乾燥工程を行ってもよい。
乾燥工程では、ドープ材料１４や前駆体ガラス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_２）等の不活性ガスからなるキャリアガスを、ガス導入口１９から炉心管２１に導入することができる。水分の排出を促進するため、塩素（Ｃｌ_２）、塩化チオニル（ＳＯＣｌ_２）などの脱水剤を不活性ガスからなるキャリアガスに添加しても良い。これによって、損失増加の原因となる水分を除去することができる。
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ガスであることが望ましい。
キャリアガスは、炉心管２１内で上方に向けて流れ、ガス排出口２０から排出される。
なお、ドープ材料１４が十分に乾燥している場合には、乾燥工程を省いてもよい。

（ドープ工程）
ドープ工程では、加熱炉１１の炉心管２１内に導入した多孔質の前駆体ガラス１２を、ガラス加熱用ヒータＨ１により加熱し、一方、ドープ材料加熱部１５のドープ材料加熱用ヒータＨ２により本体部１７内のドープ材料１４をその融点以上に加熱し、ドープ材料１４から気化した蒸気等を含む含有ガス１８を、連絡管路２６を通して加熱炉１１内に導入し、前駆体ガラス１２の表面（外表面や多孔質の内部表面）に接触させる。
ドープ材料の含有ガス１８は、ドープ材料の液滴又は微粒子を含んでいてもよい。

ドープ工程では、ドープ材料１４や前駆体ガラス１２から排出される水分の排出を促進するため、乾燥工程と同様に、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ_２）等の不活性ガスからなるキャリアガスを、ガス導入口１９から炉心管２１に導入することができる。さらに、水分の排出を促進するため、塩素（Ｃｌ_２）、塩化チオニル（ＳＯＣｌ_２）などの脱水剤を不活性ガスからなるキャリアガスに添加してもよい。
キャリアガスは、炉心管２１内で上方に向けて流れ、ガス排出口２０から排出される。

ドープ工程では、加熱炉１１の入口１９及び出口２０を開放し、ガスを流通させることが好ましい。すなわち、前述のキャリアガスを、連続的にガス導入口１９から炉心管２１内に導入するとともにガス排出口２０から排出させつつ、ドープ材料の含有ガス１８を前駆体ガラス１２に接触させることが好ましい。

前駆体ガラス１２に対する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は、ガラス加熱用ヒータＨ１により、炉心管２１内での処理温度や処理時間等を調整することにより制御することが可能である。

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。前記ドープ工程では、完全な気液平衡には達しないとしても、ドープ量は、シリカガラスとドープ材料の含有ガスの接触時間及び接触面積にほぼ比例すると考えられる。このため、前駆体ガラス１２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、前記接触面積が大きくなるため短時間で所定の濃度のドープが行えることから、より好ましい。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、ガラスからなる支持体、例えばガラスからなる棒（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、多孔質の前駆体ガラス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、前駆体ガラス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ガラスは、比表面積が５〜２０ｍ^２／ｇであり、好適に使用することができる。

ドープ処理の温度は、アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物を気化させるため、その融点以上であることが好ましい。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前駆体ガラス１２中に速く拡散するため、より短時間でドープ可能である。
ドープ処理温度は７００〜９５０℃が好ましい。

（焼結工程）
焼結工程は、前駆体ガラス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、炉心管２１の雰囲気中及び前駆体ガラス１２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１４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前駆体ガラス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。
炉心管２１内の温度は、例えば９００〜１３００℃とすることができる。前駆体ガラス１２を、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。

製造装置１０Ａは、炉心管２１が結晶化層２１ｄを有するため、ドープ材料１４（アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物）が炉心管２１に浸透するのを抑制できる。
このため、ドープ材料１４の影響による炉心管２１の軟化点の低下や化学的耐久性の低下を抑止し、炉心管２１の機械的強度を維持することができる。
また、炉心管２１がシリカガラスからなるため、加熱により炉心管２１に由来する揮発物等（例えば二酸化ケイ素）が生じたとしても、揮発物等は前駆体ガラス１２に含まれる成分と同じとなる。このため、前駆体ガラス１２に付着しても伝送損失の悪化等の不具合の原因とならない。

また、炉心管２１は外装体２２等に対して取付けおよび取り外し可能であるため、ドープ材料１４の影響により炉心管２１の機械的強度が低下した場合でも、これを容易に交換できる。

（第２実施形態）
図４は、本形態例の製造装置の第２の実施形態である製造装置１０Ｂを示す。
以下の説明において、第１の実施形態の製造装置１０Ａとの共通部分については同じ符号を付して説明を省略する。
製造装置１０Ｂは、前駆体ガラス１２を加熱する加熱炉３１と、前駆体ガラス１２を支持する軸１３と、ドープ材料加熱部４５（気化部）とを備えている。
加熱炉３１は、内部に前駆体ガラス１２を収容可能な炉心管２１と、炉心管２１を収容する外装体４２と、炉心管２１の上部開口を開閉可能に閉止する蓋体２３とを備えている。

外装体４２は、底板４２ａとその周縁に立設された側板４２ｂと、側板４２ｂの上端から内方に延出する上板４２ｃとを有し、内部空間４２ｄに炉心管２１およびガラス加熱用ヒータＨ１を収容できる。
外装体４２の底板４２ａには、ガス導入口１９が形成され、ガス導入口１９は、キャリアガス等を供給するガス供給装置（図示せず）に接続される。

加熱炉３１の上部は、前駆体ガラス１２を加熱するガラス加熱部４４となっている。
ガラス加熱部４４を構成する炉心管２１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４に示す例では、ガラス加熱用ヒータＨ１は、前駆体ガラス１２の全体よりも長い円筒状のヒータである。ガラス加熱用ヒータＨ１によって、加熱炉３１は、前駆体ガラス１２の全体を均等に加熱することが可能な均熱炉となっている。

ドープ材料加熱部４５は、炉心管２１の下部の内部に設けられている。ドープ材料加熱部４５は、ガラス加熱部４４よりも下方位置にある。このため、ドープ材料加熱部４５は、ガラス加熱部４４に比べて、ドープ材料１４を含む含有ガス１８の流れ方向の上流側に設けられている。
ドープ材料加熱部４５を構成する炉心管２１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１４をその融点以上に加熱すると、ドープ材料１４を含む含有ガス１８を加熱炉３１内に発生させ、前駆体ガラス１２の表面（外表面や多孔質の内部表面）に接触させることが可能である。

ドープ材料１４は、炉心管２１の内部に設置されたドープ材料保持部４７に保持されている。ドープ材料保持部４７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。ドープ材料１４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。

加熱炉３１は、ガラス加熱部４４とドープ材料加熱部４５とが高さ位置を違えて設けられた構造により、前駆体ガラス１２の温度とドープ材料１４の温度とを、独立に制御することが可能である。
このため、ガラス加熱部４４により、炉心管２１内の前駆体ガラス１２の温度を適切な温度に保つとともに、ドープ材料加熱部４５により、ドープ材料１４を適切な温度に加熱してアルカリ金属酸化物等を効率よく前駆体ガラス１２にドープすることができる。

ドープ工程、あるいはその前工程としての乾燥工程では、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２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。キャリアガスは、加熱炉３１の下端のガス導入口１９から炉心管２１内に導入されて上方に向けて流れ、ガス排出口２０から排出される。

ドープ工程では、多孔質の前駆体ガラス１２を、炉心管２１内に導入するとともに、ドープ材料加熱用ヒータＨ２によりドープ材料１４をその融点以上に加熱し、ドープ材料１４から気化した蒸気等を含む含有ガス１８を発生させる。
含有ガス１８は、キャリアガスに同伴して、炉心管２１内を上方に向けて流れ、前駆体ガラス１２に接触した後、ガス排出口２０から排出される。

焼結工程では、前駆体ガラス１２を加熱し、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。

製造装置１０Ｂでは、炉心管２１が結晶化層２１ｄを有するため、ドープ材料１４が炉心管２１に浸透するのを抑制できる。このため、ドープ材料１４の影響による炉心管２１の軟化点の低下や化学的耐久性の低下を抑止し、炉心管２１の機械的強度を維持することができる。
また、炉心管２１がシリカガラスからなるため、加熱により炉心管２１に由来する揮発物等（例えば二酸化ケイ素）が生じ、前駆体ガラス１２に付着しても伝送損失の悪化等の不具合の原因とならない。
製造装置１０Ｂでは、ドープ材料加熱部４５が炉心管２１内に設けられているため、全体構造が簡略となり、装置の小型化を図ることができる。

（第３実施形態）
図５は、本形態例の製造装置の第３の実施形態である製造装置１０Ｃを示す。
製造装置１０Ｃは、前駆体ガラス１２を加熱する加熱炉５１と、前駆体ガラス１２を支持する軸１３と、ドープ材料加熱部４５とを備えている。
加熱炉５１は、内部に前駆体ガラス１２を収容可能な炉心管４１と、炉心管４１を収容する外装体４２と、炉心管４１の上部開口を開閉可能に閉止する蓋体４３とを備えている。

炉心管４１は、円板状の底板４１ａとその周縁に立設された円筒状の筒部４１ｂとを有する。
底板４１ａは、複数の導入孔４１ｃが形成された構造、例えば網目構造を有することが好ましい。

炉心管４１は、図１等に示す製造装置１０Ａの炉心管２１と同様に、シリカガラスからなる。炉心管４１は、内面に結晶化層４１ｄが形成されている。結晶化層４１ｄは、図１等に示す製造装置１０Ａにおける結晶化層２１ｄと同じ構成としてよい。

炉心管４１は、外装体４２および他の構成（ガラス加熱用ヒータＨ１等）に対して、取付けおよび取外し自在とすることができる。

蓋体４３は、炉心管４１の筒部４１ｂの上端に当接して上部開口４１ｃを開閉自在に気密に閉止する。
蓋体４３には、ガス排出口２０を有する排出筒部２９が形成されている。

ドープ工程、あるいはその前工程としての乾燥工程では、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２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。キャリアガスは、加熱炉３１の下端のガス導入口１９から炉心管４１の底板４１ａの導入孔４１ｃを経て炉心管４１内に導入されて上方に向けて流れ、ガス排出口２０から排出される。

ドープ工程では、多孔質の前駆体ガラス１２を、炉心管４１内に導入するとともに、ドープ材料加熱用ヒータＨ２によりドープ材料１４をその融点以上に加熱し、ドープ材料１４から気化した蒸気等を含む含有ガス１８を発生させる。
含有ガス１８は、キャリアガスに同伴して、炉心管４１内を上方に向けて流れ、前駆体ガラス１２に接触した後、ガス排出口２０から排出される。

焼結工程では、前駆体ガラス１２を加熱し、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。

製造装置１０Ｃでは、炉心管４１が結晶化層４１ｄを有するため、ドープ材料１４が炉心管４１に浸透するのを抑制できる。
また、炉心管４１がシリカガラスからなるため、加熱により炉心管４１に由来する揮発物等（例えば二酸化ケイ素）が生じ、前駆体ガラス１２に付着しても伝送損失の悪化等の不具合の原因とならない。
このため、ドープ材料１４の影響による炉心管４１の軟化点の低下や化学的耐久性の低下を抑止し、炉心管４１の機械的強度を維持することができる。
製造装置１０Ｃでは、ドープ材料加熱部４５が炉心管４１内に設けられているため、全体構造が簡略となり、装置の小型化を図ることができる。

（第４実施形態）
図６は、本形態例の製造装置の第４の実施形態である製造装置１０Ｄを示す。
この製造装置１０Ｄは、加熱炉７１と、軸１３と、ドープ材料１４を加熱するドープ材料加熱部４５とを有する。
加熱炉７１は、内部に前駆体ガラス１２を収容可能な第１炉心管６１と、第１炉心管６１を収容する第２炉心管６２と、第１炉心管６１の上部開口を開閉可能に閉止する蓋体４３とを備えている。
加熱炉７１は、第１炉心管６１と第２炉心管６２とを有する二重管構造である。

第１炉心管６１は、円板状の底板６１ａと、その周縁に立設された円筒状の筒部６１ｂと、筒部６１ｂの上端から外方に延出する環状のフランジ部６１ｃとを有する。
フランジ部６１ｃは、第２炉心管６２の上部開口６２ａを開閉自在に閉止可能である。
第１炉心管６１は、第２炉心管６２等に対して、取付けおよび取外し自在とすることができる。

第１炉心管６１は、図１等に示す製造装置１０Ａの炉心管２１と同様に、シリカガラスからなる。
第１炉心管６１の内面には、結晶化層６１ｄが形成されている。

第２炉心管６２は、円筒状の筒体であって、ガラス材料、カーボン材料、セラミック材料などが使用できる。

加熱炉７１の上部は、前駆体ガラス１２を加熱するガラス加熱部４４となっている。ガラス加熱部４４のガラス加熱用ヒータＨ１は、第２炉心管６２の外周に設けられている。
ドープ材料加熱部４５のドープ材料加熱用ヒータＨ２は、第２炉心管６２の外周に設けられている。
なお、加熱炉７１は、三重管以上の多重管構造であってもよい。

製造装置１０Ｄでは、第１炉心管６１が結晶化層６１ｄを有するため、ドープ材料１４が炉心管２１に浸透するのを抑制できる。このため、ドープ材料１４の影響による炉心管２１の軟化点の低下や化学的耐久性の低下を抑止し、炉心管２１の機械的強度を維持することができる。
また、第１炉心管６１がシリカガラスからなるため、加熱により第１炉心管６１に由来する揮発物等（例えば二酸化ケイ素）が生じ、前駆体ガラス１２に付着しても伝送損失の悪化等の不具合の原因とならない。
製造装置１０Ｄでは、ドープ材料加熱部４５が第１炉心管６１内に設けられているため、全体構造が簡略となり、装置の小型化を図ることができる。

また、製造装置１０Ｄは、第１炉心管６１と第２炉心管６２とが二重管構造となっており、第２炉心管６２は炉としての構造を維持する機能を有する。このため、ドープ材料１４の影響により第１炉心管６１の軟化点が低下し、加熱時に第１炉心管６１に変形が起こっても、直ちに加熱炉７１全体の構造が維持できなくなるような事態を防ぐことができる。
また、第１炉心管６１は取付けおよび取り外し可能であるため、第１炉心管６１が劣化した場合には、これを容易に交換できる。

なお、炉心管を構成する材料は、純粋なシリカガラスが好ましいが、フッ素（Ｆ）や酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）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い。
図１等に示す製造装置では、結晶化層は炉心管の内面にのみ形成されているが、結晶化層は、炉心管の内面だけでなく外面にも形成されていてもよい。

（実施例１）
図１に示すように、シリカガラスからなる炉心管２１（外径１０９ｍｍ、長さ１０８０ｍｍ、厚さ４．５ｍｍ）を有する加熱炉１１と、ドープ材料１４を加熱するドープ材料加熱部１５とを有する製造装置１０Ａを作製した。
炉心管２１の内面に、結晶化促進剤としてアルミニウム（Ａｌ）を含むガラス層を形成し、これに、アルゴン（Ａｒ）雰囲気中で約１２９０℃、２４時間の熱処理を施すことによって、炉心管２１の内面に結晶化層２１ｄを形成した。
結晶化促進剤は、塩素を含み、かつ酸素を含まない雰囲気で約１４００℃、２４時間の熱処理を行うことで除去した。

次に示すように、製造装置１０Ａを用いて、ガラス母材を製造する試験を行った。
（乾燥工程）
アルゴンガスを、キャリアガスとしてガス導入口１９から炉心管２１に導入し、ガス排出口２０から排出させる操作を２４時間行った。

（ドープ工程）
シリカガラスからなる多孔質の前駆体ガラス１２（外径２５０ｍｍ、長さ１５００ｍｍ）を、炉心管２１内で、ガラス加熱用ヒータＨ１により加熱した。炉心管２１内の温度は約９００℃とした。
また、ドープ材料加熱部１５のドープ材料１４（ＮａＣｌ）を加熱して気化させ、ドープ材料１４の蒸気を含む含有ガス１８を加熱炉１１内に導入し、前駆体ガラス１２に接触させた。この際、キャリアガスとしてアルゴンを使用した。

（焼結工程）
炉心管２１内で前駆体ガラス１２を加熱して透明化し、ガラス母材を得た。炉心管２１内の温度は約１２００℃とした。

前記乾燥工程、ドープ工程および焼結工程を含むガラス母材の製造を繰り返し、炉心管２１の長さ寸法が試験前に比べて１０ｍｍ伸長するまでの製造回数を測定したところ、６０回であった。

（比較例１）
炉心管２１の内面に結晶化層２１ｄを形成しないこと以外は実施例１と同様にしてガラス母材を製造した。
ガラス母材の製造を繰り返し、炉心管２１の長さ寸法が試験前に比べて１０ｍｍ伸長するまでの製造回数を測定したところ、１５回であった。

実施例１および比較例１の結果より、炉心管２１に結晶化層２１ｄを形成することによって（実施例１）、炉心管２１の寸法安定性を高めることができたことが確認された。

１０Ａ〜１０Ｄ…製造装置、１１、３１、５１、７１…加熱炉、２１、４１、６１…炉心管、２１ｄ、４１ｄ、６１ｄ…結晶化層、２１ｅ…結晶化層の内面、２２、４２、６２…外装体、１２…前駆体ガラス、１４…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）、１５、４５…ドープ材料加熱部（気化部）、１８…ドープ材料の含有ガス、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。

Claims (5)

1. 前駆体ガラスを加熱する加熱炉と、ドープ材料であるアルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物を加熱して前記ドープ材料の含有ガスを得るドープ材料加熱部とを備え、前記ドープ材料の含有ガスを前記加熱炉内の前駆体ガラスに接触させることができ、
   前記加熱炉は、内部に前記前駆体ガラスを収容可能な炉心管を有し、
   前記炉心管は、シリカガラスからなり、少なくとも内面の全領域には、前記炉心管を構成する材料の少なくとも一部が結晶化した結晶化層が形成されていることを特徴とするガラス母材の製造装置。
2. 前記炉心管は、前記前駆体ガラスと同じ材質からなることを特徴とする請求項１に記載のガラス母材の製造装置。
3. 少なくとも前記炉心管は、取付けおよび取外し自在とされていることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス母材の製造装置。
4. 前記ドープ材料加熱部は、前記加熱炉とは別体に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載のガラス母材の製造装置。
5. 前記加熱炉は、前記前駆体ガラスが加熱されるガラス加熱部を有し、
   前記ドープ材料加熱部は、前記炉心管内に、前記ガラス加熱部よりも前記ドープ材料の含有ガスの流通方向の上流側に設けられ、
   前記ドープ材料加熱部と前記ガラス加熱部は、加熱時の温度を互いに独立に設定できる請求項１〜３のうちいずれか１項に記載のガラス母材の製造装置。

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