JP6216691B2 - 光ファイバ用ガラス母材の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Description
CVD法は、屈折率制御性がよいため、複雑な屈折率プロファイルや比屈折率差の大きい屈折率分布を持つ光ファイバの製造に好適である。
デポジション工程では、石英管内に原料ガスを流すとともに、熱源(バーナ、加熱炉、共振器など)を往復動させつつ石英管を加熱し、スート(ガラス微粒子)を石英管内に複数層に堆積させる。
コラプス工程においては、熱源を往復動させつつ石英管を加熱し、中実化を行う。
不均質ガラスは、剥離しやすい状態で石英管内面に形成されるため、石英管との界面において強い応力が生じることがある。特に、ドーパント量(特にGeO2)が多いガラス母材を作製する場合には、ガラス堆積層と石英管の熱膨張率の違いが大きくなるため、ガラス堆積層と石英管との界面において強い応力が生じやすい。
この応力を原因として、デポジション工程の後に石英管の温度が低下した際や、コラプス工程において、ガラス堆積層等に割れが生じることがあった。
本発明は、ガラス堆積層等の割れを防ぐことができる光ファイバ用ガラス母材の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
前記コラプス工程においては、前記コラプス用主熱源が前記デポジション用主熱源の反転位置に近づく際に、前記補助熱源を、前記反転位置に相当する部分を加熱可能な初期位置から退避させ、前記コラプス用主熱源が前記反転位置から離れる際に、前記補助熱源を前記初期位置に戻すことが好ましい。
前記コラプス用主熱源は、前記石英管が挿通可能な筒状の加熱媒体と、前記加熱媒体を誘導加熱により加熱する誘導コイルと、を有する誘導加熱炉であることが好ましい。
光ファイバ用ガラス母材の製造装置は、前記補助熱源を移動させる補助搬送機構をさらに備え、前記補助搬送機構は、前記コラプス用主熱源が前記反転位置に近づく際に、前記補助熱源を、前記反転位置を含む位置から退避させ、かつ前記コラプス用主熱源が前記反転位置から離れる際に、前記補助熱源を、前記反転位置を含む位置に戻すように構成されていることが好ましい。
図1(a)は、製造装置1においてデポジション工程に用いられるデポジション装置1Aを示すものである。
デポジション装置1Aは、石英管2に原料ガス(ガラス原料ガス)を供給するガス供給管3(原料ガス供給手段)と、石英管2の一方端2aが気密に接続される上流側チャック4と、石英管2の他方端2bが気密に接続される下流側チャック5と、石英管2内のガスを排出するガス排出管6と、石英管2を加熱する主熱源7(デポジション用主熱源)と、を備えている。
主熱源7は、石英管2の長さ方向(図1(a)における左右方向)に往復動可能であり、石英管2の長さ方向に沿って往復動しつつ石英管2を加熱可能である。
図1(a)において、R1,R2は、主熱源7の往復動の反転位置を示す。反転位置R1,R2は、例えば、主熱源7が反転する時点での主熱源7の中央の位置である。
主搬送機構は、例えば、石英管2の長さ方向に沿うガイドレール11と、このガイドレール11に沿って主熱源7を移動させる駆動手段12と、主熱源7の移動方向および速度を制御する制御部(図示略)と備えた構成としてよい。
駆動手段12としては、モータ等が使用できる。
コラプス装置1Bは、石英管2に圧力調整用のガスを供給するガス供給管13と、石英管2の一方端2aが気密に接続される上流側チャック14と、石英管2の他方端2bが気密に接続される下流側チャック15と、石英管2内のガスを排出するガス排出管16と、石英管2を加熱する主熱源17(コラプス用主熱源)と、石英管2の、反転位置R1,R2に相当する部分を加熱する一対の補助熱源18,18と、を備えている。
主熱源17としては、加熱炉を用いることが好ましい。加熱炉を用いれば、バーナ(酸水素バーナ等)を使用する場合に比べ、水分がガラス母材に混入するのを抑えることができるため、OH損失を抑えることができる。
誘導加熱炉は、例えば石英管2が挿通可能な筒状の加熱媒体と、前記加熱媒体を誘導加熱により加熱する誘導コイルと、を有する構造である。抵抗加熱炉は、例えば石英管2が挿通可能なヒータを有する構造である。
主熱源17としては、誘導加熱炉が好ましい。誘導加熱炉を使用すれば、石英管2の長さ方向や周方向に温度の偏りが生じにくいため、コラプス工程における石英管2の扁平化(非円化)が起こりにくい。よって、ガラス母材のコア非円率を低くできる。
誘導加熱炉は昇温速度が高いため、コラプス工程に要する時間を短縮し、製造効率を高める点でも有利である。
また、誘導加熱炉には、小型化しやすいというメリットもある。主熱源17を小型化できれば、補助熱源18の退避の際の移動距離を小さくできるため、石英管2の端部に取り付けるダミー石英管を短くできる。よって、旋盤の小型化も可能となる。
主熱源17を往復動可能とするには、主熱源17を保持して石英管2の長さ方向に搬送する主搬送機構を用いることができる。
主搬送機構は、例えば、石英管2の長さ方向に沿うガイドレール21と、このガイドレール21に沿って主熱源17を移動させる駆動手段22と、主熱源17の移動方向および速度を制御する制御部(図示略)と備えた構成としてよい。
駆動手段22としては、モータ等が使用できる。
補助熱源18としては、加熱炉が好ましい。加熱炉を用いる場合には、次の(1)、(2)の利点がある。
(1)コラプス工程では石英管2を中心軸回りに回転させることにより加熱温度の均一化を図ることができるが、石英管2の径が大きい場合(例えば外径40mm以上)は、石英管2の軸回り方向に温度の偏りが生じやすい。
石英管2の温度が周方向で偏りがあると、部分的に温度の低い場所が生じるため、補助熱源による加熱効果が低減する。そこで石英管の割れを防止するために、補助熱源の出力(ガス流量や電力)を高める必要がある。その場合、石英管2の一部が変形し、内径が局所的に小さくなる部分(細径箇所)が生じることがある。
コラプス工程では、通常、石英管2内に圧力調整用のガス(通常は酸素ガス)を供給するが、細径箇所が形成されると、この細径箇所では石英管2内の圧力が高くなることから、均一な縮径が難しくなることがある。
補助熱源18として加熱炉を用いると、石英管2を全周にわたって偏りなく加熱できるため、細径箇所が形成されるのを防ぐことができる。よって、コラプス工程における均一な中実化が可能となる。
(2)補助熱源18として加熱炉を用いれば、酸水素バーナなどを用いる場合に比べ、加熱の際に石英管2内のガラス堆積層に水分が混入するおそれが少なくなる。このため、混入した水分を原因として光ファイバのOH損失が増加するのを回避できる。
また、特許文献1に記載の方法では、割れ停止部を形成するため、大型のガラス母材を作製する場合は作業性が悪くなりやすいが、本実施形態の製造方法では、石英管2に局所的な変形を与える必要ないため、このような問題は生じない。また、本実施形態の製造方法では、石英管2に局所的な変形を与える必要ないため、石英管2の破損のおそれも少ない。
誘導加熱炉は、例えば石英管が挿通可能な筒状の加熱媒体と、前記加熱媒体を誘導加熱により加熱する誘導コイルと、を有する構造である。抵抗加熱炉は、例えば石英管が挿通可能なヒータを有する構造である。
補助熱源18としては、特に、抵抗加熱炉が好適である。加熱温度が400〜800℃程度であれば、炭化ケイ素系の材料からなるヒータが好ましい。
補助熱源18(18A,18B)は、石英管2の長さ方向(図1(b)における左右方向)に移動可能に構成されている。詳しくは、補助熱源18は、主熱源17が反転位置R1,R2に近づく際に退避し、主熱源17が反転後、反転位置R1,R2から離れる際に元の位置に戻るように移動可能である。
補助搬送機構は、例えば、石英管2の長さ方向に沿うガイドレール23と、このガイドレール23に沿って補助熱源18を移動させる駆動手段24と、補助熱源18の移動方向および速度を制御する制御部(図示略)と備えた構造としてよい。
駆動手段24としては、モータ等が使用できる。
コラプス装置1Bは、石英管2を中心軸回りに回転させる回転手段(図示略)を備えていることが望ましい。
デポジション装置1Aとコラプス装置1Bとが同じ装置である場合には、主熱源7と主熱源17とは互いに同じものであり、主搬送機構も共通である。
また、装置1A,1Bが互いに同じ装置である場合には、ガス供給管13はガス供給管3と同じであり、ガス排出管16はガス排出管6と同じである。
以下に説明する光ファイバ用ガラス母材の製造方法は、石英管2内面にガラスを堆積させるデポジション工程と、石英管2を加熱し中実化させて光ファイバ用ガラス母材を得るコラプス工程と、を有する。
図2は、光ファイバ用ガラス母材の製造工程を説明するための模式図であって、(a)はデポジション工程によってガラス層10が形成された石英管2を示す図であり、(b)はコラプス工程における主熱源17および補助熱源18の動作を示す図である。(c)はコラプス工程において補助熱源18の退避を行わない場合における主熱源17および補助熱源18の動作を示す図である。
図2(b)では、主熱源17の反転位置は、反転位置R1,R2よりもやや内方寄りの位置R3,R4とされている。
デポジション工程は、内付け気相成長法により石英管2内面にガラスを堆積させる工程である。
図1(a)に示すデポジション装置1Aを用い、SiCl4やGeCl4などの原料ガス(ガラス原料ガス)を、O2やArなどのキャリアガスとともにガス供給管3を通して上流側チャック4に供給し、石英管2に一方端2aから流入させ、石英管2に流通させ、他方端2bから排出させる。石英管2内のガスは、下流側チャック5、ガス排出管6を通して排出する。
主熱源7による加熱は、主熱源7を石英管2の長さ方向に沿って往復動(トラバース)させつつ行う。例えば、主熱源7を右方に移動させ、反転位置R1に達した時点で反転させて左方に移動させ、他方の反転位置R2に達した時点で反転させる過程を繰り返すことができる。
加熱温度は、製造条件(石英管2の外径、内圧、主熱源7のトラバース速度、原料ガスの流量など)により異なるが、例えば1000〜2000℃とすることができる。
図1(b)に示すように、O2やArなどの圧力調整用のガスをガス供給管13を通して上流側チャック14に供給し、石英管2に流通させ、下流側チャック5、ガス排出管16を通して排出する。
図1(b)〜図1(d)および図2(b)に示すように、主熱源17による加熱は、主熱源17を石英管2の長さ方向に沿って往復動(トラバース)させつつ行うことができる。
例えば、主熱源17を右方に移動させ、一方の反転位置(図1(c)ではR1、図2(b)ではR3)に達した時点で反転させて左方に移動させ、他方の反転位置(図1(d)ではR2、図2(b)ではR4)に達した時点で反転させる過程を繰り返すことができる。
主熱源17を石英管2の長さ方向に移動させつつ石英管2を加熱することによって、主熱源17の移動範囲にわたって石英管2を中実化させる。
この加熱温度は、200℃以上とすることで、ガラス層10における歪発生を抑制し、割れが生じるのを防ぐことができる。加熱温度は、1000℃以下とすることで、ガラスの歪点(例えば約1090℃)から遠くなるため、歪発生を抑制し、割れが生じるのを防ぐことができる。
主熱源17の反転後、主熱源17が反転位置R1から離れる際には、補助熱源18を初期位置(反転位置R1を含む位置)に戻す。
主熱源17の反転後、主熱源17が反転位置R2から離れる際には、補助熱源18を初期位置(反転位置R2を含む位置)に戻す。
補助熱源18の移動過程では、補助熱源18は、主熱源17に対してある程度の離間距離を確保するのが好ましい。これによって、互いが発する熱により主熱源17および補助熱源18が損傷を受けるのを回避できる。
すなわち、補助熱源18は、退避、および初期位置への復帰の過程で、主熱源17に対する距離を所定の範囲に保つことによって、石英管2およびガラス層10の割れを防止し、かつ主熱源17および補助熱源18が互いの熱で損傷するのを回避できる。
石英管2の表面温度が200℃以下となると破損(割れ)が起こりやすくなるため、加熱が停止する時間は3分未満に抑えるのが好ましい。なお、石英管2の外径が30〜50mmの範囲では、表面温度を高温(200℃を越える温度)に維持できる時間に大きな差はなかった。
このため、デポジション工程とコラプス工程とを互いに異なる装置(図1(b)および図1(b)参照)で行う場合には、デポジション工程からコラプス工程への切り替えの際に、石英管2の表面温度を高く維持できるように、補助熱源18による加熱を早めに開始する必要がある。
また、補助熱源18を退避させるため、補助熱源18が主熱源17に干渉することはなく、長さ方向の広い範囲(図2(b)の範囲L1)で石英管2およびガラス層10を加熱することができる。よって、十分な長さを有するガラス母材を得ることができる。
これに対し、図2(c)に示すように、補助熱源18の退避を行わない場合には、主熱源17の移動範囲が制限されるため、比較的狭い範囲(図2(c)の範囲L2)で石英管2およびガラス層10を加熱することになるため、得られるガラス母材は比較的短くなる。
光ファイバ用の高純度合成石英管2(外径32.0mm、内径28.0mm、長さ1500mm)の両端にダミー石英管を接続したものを出発石英管とした。
(デポジション工程)
図4に示すGI型の屈折率分布(Δ1=0.8%、r2/r1=2.0、α=2.1)が得られるように、FCVD法(主熱源7は誘導加熱炉)を用い、石英管2内にガラスを堆積させた。
図1(a)に示すように、主熱源7を石英管2の長さ方向に往復動(トラバース)させつつ、石英管2を加熱した。主熱源7のトラバース範囲は、石英管2の両端部の長さ100mmの範囲を除いた、長さ1300mmの範囲とした。
この工程では、石英管2の割れ防止のため、石英管2の両端部を補助熱源18(図1(b)参照。抵抗加熱炉。長さ寸法(石英管2の長さ方向の寸法)は300mm)で加熱した。補助熱源18の設定加熱温度は800℃とした。
主熱源7が往復動の反転位置に近づく際には、補助熱源18を、反転位置R1,R2を含む位置から退避させ、主熱源7が反転位置R1,R2から離れる際には、補助熱源18を、反転位置R1,R2を含む位置に戻した。
図1(b)に示すように、主熱源17(主熱源7をそのまま使用)を石英管2の長さ方向に往復動(トラバース)させつつ、石英管2を加熱した。主熱源17のトラバース範囲は、石英管2の一端部の長さ50mmの範囲、および他端部の長さ50mmの範囲を除いた、長さ1200mmの範囲とした。
石英管2の両端部を補助熱源18で加熱した。補助熱源18の設定加熱温度は800℃とした。
主熱源17が往復動の反転位置に近づく際には、補助熱源18を、反転位置R1,R2を含む位置から退避させ、主熱源17が反転位置R1,R2から離れる際には、補助熱源18を、反転位置R1,R2を含む位置に戻した。
これによって、十分な長さ寸法を有するガラス母材(外径20.0mm、長さ1100mm)が得られた。
このガラス母材を用いて光ファイバ素線を作製したところ、平均OH損失は0.55dB/kmであり、良好であった。
光ファイバ用の高純度合成石英管2(外径45.0mm、内径41.0mm、長さ2000mm)の両端にダミー石英管を接続したものを出発石英管とした。
(デポジション工程)
図4に示すGI型の屈折率分布(Δ1=0.8%、r2/r1=2.0、α=2.1)が得られるように、PCVD法(主熱源7は共振器)を用い、石英管2内にガラスを堆積させた。
Δ1はクラッドの基準領域に対するコア中心の比屈折率差であり、r1、r2はコア中心からの距離である。
図1(a)に示すように、主熱源7を石英管2の長さ方向に往復動(トラバース)させつつ、石英管2を加熱した。主熱源7のトラバース範囲は、石英管2の両端部の長さ100mmの範囲を除いた、長さ1800mmの範囲とした。
この工程では、石英管2の割れ防止のため、石英管2をオーブン(温度1100℃)内に収容した。
なお、図4は、α乗型の屈折率分布を示す。α乗型の屈折率分布とは、クラッドの基準領域に対するコア中心の比屈折率差をΔとして、コア中心からの距離がrである点の屈折率n(r)が、n(r)=n1[1−2Δ(r/a)α]1/2と表される屈折率分布を指す。
石英管2をオーブンから取り出し、図1(b)に示すように、主熱源17(誘導加熱炉)を石英管2の長さ方向に往復動(トラバース)させつつ、石英管2を加熱した。主熱源17のトラバース範囲は、石英管2の一端部の長さ50mmの範囲、および他端部の長さ50mmの範囲を除いた、長さ1600mmの範囲とした。
石英管2の両端部を補助熱源18(抵抗加熱炉。長さ方向の寸法は300mm)で加熱した。補助熱源18の設定加熱温度は500℃とした。
主熱源17が往復動の反転位置に近づく際には、補助熱源18を、反転位置R1,R2を含む位置から退避させ、主熱源17が反転位置R1,R2から離れる際には、補助熱源18を、反転位置R1,R2を含む位置に戻した。
これによって、十分な長さ寸法を有するガラス母材(外径31.0mm、長さ1500mm)が得られた。
このガラス母材を用いて光ファイバ素線を作製したところ、平均OH損失は0.65dB/kmであり、良好であった。
補助熱源18の設定加熱温度を200℃とすること以外は実施例2と同様にしてガラス母材を作製した。
コラプス工程において、石英管2およびガラス層10の割れは発生しなかった。
これによって、十分な長さ寸法を有するガラス母材(外径31.0mm、長さ1500mm)が得られた。
コラプス工程において、補助熱源18の移動を行わないこと以外は実施例1と同様にしてガラス母材を作製した。
主熱源17と補助熱源18との干渉を避けるため、主熱源17のトラバース範囲は、実施例1に比べて両端部でそれぞれ150mm短い、長さ900mmの範囲とした(図2(c)参照)。
これによって、実施例1のガラス母材に比べやや短いガラス母材(外径20.0mm、長さ800mm)が得られた。
補助熱源18として酸水素バーナを用いたこと以外は実施例1と同様にしてガラス母材を作製した。
得られたガラス母材は、実施例1のガラス母材と同様、外径20.0mm、長さ1100mmとなった。
このガラス母材を用いて光ファイバ素線を作製したところ、平均OH損失は0.5dB/kmであり、良好であった。
ただし、コラプス工程における上流側(ガス流の上流側)の部分の約100kmについては、平均OH損失は1.1dB/kmと、やや高い値であった。
また、石英管2の両端部で石英管2がやや扁平化したため、コア非円率が、長さ方向にやや変動していた。定常部で1〜5%、両端部で8〜10%程度の非円率を示した。
補助熱源18を用いないこと以外は実施例1と同様にしてガラス母材を作製した。
コラプス工程において、ガラス層10にひび(割れ)が生じたことが確認された。
また、補助熱源18として加熱炉を用いた実施例1〜4では、酸水素バーナを用いた実施例5に比べて、OH損失が低いガラス母材が得られた。
また、コラプス工程において補助熱源18を退避させる実施例1〜3では、十分な長さ寸法を有するガラス母材を作製できた。
Claims (3)
- 石英管内にガラス原料ガスを流通させるとともに、デポジション用主熱源を前記石英管の長さ方向に沿って往復動させつつ前記石英管を加熱することによって前記石英管の内面にガラスを堆積させるデポジション工程と、
コラプス用主熱源を石英管の長さ方向に沿って往復動させつつ前記石英管を加熱することによって前記石英管を中実化するコラプス工程と、を有し、
前記コラプス工程において、前記石英管の、前記デポジション用主熱源の往復動の反転位置に相当する部分を、補助熱源により加熱し、
前記コラプス用主熱源が前記デポジション用主熱源の反転位置に近づく際に、前記補助熱源を、前記反転位置に相当する部分を加熱可能な初期位置から退避させ、前記コラプス用主熱源が前記反転位置から離れる際に、前記補助熱源を前記初期位置に戻す、光ファイバ用ガラス母材の製造方法。 - 前記コラプス用主熱源は、前記石英管が挿通可能な筒状の加熱媒体と、前記加熱媒体を誘導加熱により加熱する誘導コイルと、を有する誘導加熱炉である請求項1に記載の光ファイバ用ガラス母材の製造方法。
- 石英管の内面にガラスを堆積させるデポジション装置と、前記ガラスが堆積した前記石英管を中実化するコラプス装置と、を備え、
前記デポジション装置は、前記石英管にガラス原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記石英管の長さ方向に沿って往復動させつつ前記石英管を加熱することによって前記石英管の内面にガラスを堆積させるデポジション用主熱源と、を有し、
前記コラプス装置は、前記石英管の長さ方向に沿って往復動させつつ前記石英管を加熱することによって前記石英管を中実化するコラプス用主熱源と、補助熱源とを有し、
前記補助熱源は、前記石英管の、前記デポジション用主熱源の往復動の反転位置に相当する部分を加熱可能であり、
前記補助熱源を移動させる補助搬送機構をさらに備え、
前記補助搬送機構は、前記コラプス用主熱源が前記反転位置に近づく際に、前記補助熱源を、前記反転位置を含む位置から退避させ、かつ前記コラプス用主熱源が前記反転位置から離れる際に、前記補助熱源を、前記反転位置を含む位置に戻すように構成されている、光ファイバ用ガラス母材の製造装置。
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