KR20090028761A

KR20090028761A - 광섬유 모재의 제조 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR20090028761A
Application number: KR1020097000473A
Authority: KR
Inventors: 다이 이노우에; 히로유키 코이데; 타카아키 나가오
Original assignee: 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-03-19
Also published as: KR101084393B1; US8701447B2; CN101479204A; JP2008031032A; EP2045217A1; CN101479204B; US20090211302A1; WO2008001776A1; EP2045217A4; EP2045217B1; JP5046753B2

Abstract

다공질 유리 모재를 오염시키거나 손상시키는 일 없이 탈수, 소결하는 것이 가능한 광섬유 모재의 제조 방법 및 그 장치를 제공한다. 광섬유 모재를 제조하는 방법으로서, 유리 미립자를 퇴적하여 다공질 유리 모재를 형성하는 다공질 유리 모재 형성 스텝과, 규소 화합물을 산수소 화염으로 가수분해하여 생성한 유리 미립자를 퇴적하여 이루어지는 수트 퇴적체를 용융하여 형성된 합성 석영제 유리관의 외측에, 전기로로 천연 석영을 용융하여 형성된 천연 석영제 유리관이 자켓팅 되는 복합관을 사용한 용기를 준비하는 용기 준비 스텝과, 당해 용기에 탈수 반응 가스 및 불활성 가스를 도입하는 가스 도입 스텝과, 탈수 반응 가스 및 불활성 가스가 도입된 당해 용기를 가열하는 가열 스텝과, 가열된 당해 용기 내에 상기 다공질 유리 모재를 삽입하고, 탈수, 소결하는 탈수 소결 스텝을 가지는 것을 특징으로 하고 있다.

다공질, 모재, 탈수, 소결, 미립자, 퇴적, 규소, 산수소 화염, 가수분해, 수트, 합성 석영제, 전기로

Description

광섬유 모재의 제조 방법 및 그 장치{PROCESS FOR PRODUCING OPTICAL FIBER BASE AND APPARATUS THEREFOR}

본 발명은, 이른바 VAD법에 의해 고품질의 광섬유 모재를 안정되게 제조하는 것이 가능한 광섬유 모재의 제조 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 출원은 하기의 일본 출원에 관련된다. 문헌의 참조에 의한 편입이 인정되는 지정국에 대해서는 하기의 출원에 기재된 내용을 참조에 의해 본 출원에 편입하여 본 출원의 일부로 한다.

　1. 일본국 특허출원 2006-175708　　출원일　2006년　6월 26일

　2. 일본국 특허출원 2007-164421　　출원일　2007년　6월 21일

광섬유 모재의 제조 방법으로서 VAD법은 잘 알려져 있다. 이 방법에서는 예를 들면 이하와 같은 장치가 사용된다.

장치에서는, 반응 실내에 설치된 코어(core) 퇴적용 버너와 클래드(clad) 퇴적용 버너에 의해 생성된 유리 미립자를, 회전하면서 상승하는 샤프트에 설치된 출발재의 선단에 퇴적하여 성장시켜, 코어층과 클래드층으로 이루어지는 다공질 유리 모재가 제조된다. 코어층은, 예를 들면 GeO₂가 도프(dope)된 SiO₂이고, 클래드층 은, 예를 들면 거의 순수한 SiO₂이다.

이와 같이 하여 제조된 다공질 유리 모재(1)는, 예를 들면 도 1에 나타내듯이, 밀폐 가능한 노심관(爐心管)(2)과 이 일부 또는 거의 전체를 가열하는 전기로(3), 노심관 내에 임의의 가스를 도입하는 가스 도입 포트(port)(4), 가스를 배출하는 가스 배출 포트(5)를 구비한 가열로 내에서 탈수, 소결된다. 도 1에 있어서 (a)∼(c)는 차례로 다공질 유리 모재가 유리화 되는 모습을 나타내고 있다. 또 부호 6은 다공질 유리 모재(1)를 지지하는 샤프트(shaft)이다.

탈수는, 예를 들면 염소와 산소와 헬륨으로 구성되는 탈수 가스중에서, 약 1,100℃로 가열되어 행해진다. 유리화는, 예를 들면 헬륨 분위기중에서 약 1,500℃로 가열하여 행해진다.

상기 가열로의 일부를 구성하고 있는 노심관에는, 특허 문헌 1에 기재되어 있듯이, 종래부터 천연 석영을 원재료로 하는 석영관이 사용되고 있다. 이에는 분쇄한 천연 석영을 전기로로 용융하여 제조한 전기로 용융 천연 석영제 유리관(이하, 단지 천연 석영제 유리관이라고 칭한다), 예를 들면 HERALUX-E(신에츠석영사제, 상품명) 등을 들 수 있다.

이 천연 석영제 유리관을 노심관으로서 사용하고, 다공질 유리 모재를 탈수 및 소결하면, 얻어지는 광섬유 모재에는, 천연 석영에 조금 포함되는 불순물이 원인으로 생각되는 손실 증가의 문제가 있다. 이것은 천연 석영으로 이루어지는 노심관은 불순물이나 미세 결정을 포함하고 있어 상온하에서는 이것들이 핵으로 되어 결정화(크리스토발라이트(cristobalite)화)가 진행된다. 이때 불순물은 결정입자계를 따라 확산하기 때문에 노심관 내에 용이하게 방출되어 광섬유 모재를 오염시키게 된다.

이 문제에 대해서 본 발명자는, 먼저 규소 화합물을 원재료로 하고, 이것을 산수소 화염으로 가수분해하여 얻어지는 합성 석영을 노심관으로서 사용하는 것을 제안하고 있다. 합성 석영은, 불순물과 미세 결정의 어느 것도 대부분 포함하고 있지 않기 때문에, 결정화가 진행되지 않고, 불순물에 의해 광섬유 모재가 오염될 가능성은 매우 낮다고 하는 이점을 가지고 있다.

이상과 같은 방법으로 제조된 광섬유 모재는, 이 외주에 또한 클래드(clad)가 부가되어 최종적인 광섬유 모재로 되는 것도 있다.

<특허 문헌 1>　　일본국 특허공개 2004-002109호 공보

<발명이 해결하고자 하는 과제>

천연 석영제 유리관을 노심관으로서 사용하는 경우에 발생하는 광섬유 모재의 손실 증가의 문제는, 합성 석영제 유리관을 노심관으로서 사용함으로써, 합성 석영의 고순도성에 의해 해결되지만, 천연 석영제보다 고온에서의 강도가 뒤떨어진다고 하는 문제가 있다. 예를 들면, 합성 석영제 노심관은, 고온에서 사용해도 결정화하지 않기 때문에, 처리 온도 영역인 1,500℃ 정도에서 연화하고, ±3kPa 정도의 노심관 내 압력의 약간의 변동으로 노심관이 변형하고, 다공질 유리 모재에 접촉 손상을 남기는 일이 있다. 한편, 천연 석영제 노심관은 전술한 것처럼 결정화가 진행되기 쉽고, 결정화한 노심관은, 고온하에서도 변형되기 어려운 특징을 가지고 있다.

본 발명은, 다공질 유리 모재를 오염시키거나 손상시키는 일 없이 탈수, 소결하는 것이 가능한 광섬유 모재의 제조 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 이 목적은 청구의 범위에 있어서의 독립항에 기재의 특징의 조합에 의해 달성된다. 또 종속항은 본 발명의 새로운 유리한 구체적인 예를 규정한다.

<과제를 해결하기 위한 수단>

본 발명은, 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 즉, 본 발명의 광섬유 모재의 제조 방법은, 유리 미립자를 퇴적하여 다공질 유리 모재를 형성하는 다공질 유리 모재 형성 스텝과, 규소 화합물을 산수소 화염으로 가수분해하여 생성한 유리 미립자를 퇴적하여 이루어지는 수트(soot) 퇴적체를 용융하여 형성된 합성 석영제 유리관의 외측에, 전기로로 천연 석영을 용융하여 형성된 천연 석영제 유리관이 자켓팅(jacketing) 되는 복합관을 사용한 용기를 준비하는 용기 준비 스텝과, 당해 용기에 탈수 반응 가스 및 불활성 가스를 도입하는 가스 도입 스텝과, 탈수 반응 가스 및 불활성 가스가 도입된 당해 용기를 가열하는 가열 스텝과, 가열된 당해 용기 내에 상기 다공질 유리 모재를 삽입하고, 탈수, 소결하는 탈수 소결 스텝을 가지는 것을 특징으로 하고 있다. 또 상기 규소 화합물은, SiCl₄, (CH₃)SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂의 어느 하나 또는 이들의 혼합 화합물이다.

상기 복합관의 자켓팅이 시행되고 있는 부분을 용기의 일부로 하고, 가열 스텝에서 가열원에 의해 가열되는 영역보다는 넓은 부분에 복합관의 자켓팅이 시행되고 있도록 해도 좋다. 또 용기 준비 스텝의 후에, 용기의 일부를 대기 해방으로 한 상태에서 1,400∼1,600℃의 고온으로 가열하는 사전 가열 스텝을 설치해도 좋다.

또 상기 탈수 소결 스텝에 있어서, 합성 석영 유리제의 용기가 1400℃를 넘는 온도에 노출되는 시간의 총계를, 당해 용기의 합성 석영 유리관의 적어도 일부의 영역에서 유리층이 두께 방향으로 모두 결정화할 때까지의 시간 이내로 하든지, 또는 당해 용기의 합성 석영 유리의 두께(mm)에 1,500 시간을 곱한 시간 이내로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 광섬유 모재의 제조 장치는, 광섬유용 다공질 유리 모재를 탈수 및 소결하는 장치로서, 장치의 일부를 구성하는 노심관이, 규소 화합물을 산수소 화염으로 가수분해하여 생성한 유리 미립자를 퇴적하여 이루어지는 수트 퇴적체를 용융하여 형성된 합성 석영제 유리관의 외측에, 전기로로 천연 석영을 용융하여 형성된 천연 석영제 유리관이 자켓팅 되는 복합관을 사용한 용기인 것을 특징으로 하고 있다.

또 상기의 발명의 개요는, 본 발명의 필요한 특징의 모두를 열거한 것은 아니고, 이러한 특징군의 서브콤비네이션(sub-combination)도 또한 발명이 될 수 있다.

<발명의 효과>

본 발명에 의하면, 합성 석영제 유리관의 외측에 천연 석영제 유리관을 자켓팅 한 복합관을 노심관으로서 이용함으로써, 노심관 재료로부터 유래하는 불순물은 노심관 내로 방출되지 않고, 광섬유 모재를 오염시키지 않는다. 복합 노심관은, 처리 온도 영역에서 연화하지 않기 때문에, 다소의 압력 변동에서는 변형되지 않고, 다공질 유리 모재에 접촉 손상을 남기는 일 없이 탈수, 소결할 수가 있어 안정되게 고품질의 광섬유 모재가 얻어진다.

도 1(a)∼(c)는 차례로 다공질 유리 모재의 유리화 공정도를 설명하는 모식도이다.

도 2는　본 발명으로 되는 복합 노심관의 일례를 나타내는 개략 종단면도이다.

도 3은　합성 석영제 노심관을 나타내는 개략 종단면도이다.

도 4는　변형된 합성 석영제 노심관을 나타내는 개략 종단면도이다.

<부호의 설명>

1 다공질 유리 모재 2 노심관

3 전기로

4 가스 도입 포트 5 가스 배출 포트

6 샤프트(shaft)

7 유리 모재

8 복합 노심관

9 합성 석영제 유리관

10 천연 석영제 유리관

이하, 발명의 실시의 형태를 통해서 본 발명을 설명하지만, 이하의 실시 형태는 청구의 범위에 관계되는 발명을 한정하는 것은 아니고, 또 실시 형태 중에서 설명되고 있는 특징의 조합의 모두가 발명의 해결 수단에 필수라고는 할 수 없다.

본 발명의 제조 장치는, 합성 석영제 유리관의 외측에 천연 석영제 유리관을 자켓팅(jacketing) 한 복합관을 노심관(이하, 복합 노심관으로 칭한다)으로서 이용하고 있고, 이 복합 노심관은, 1,400∼1,600℃의 고온에 노출되면, 100∼300 시간 내에 천연 석영 부분의 결정화(크리스토발라이트(cristobalite)화)가 진행되고, 고온하에서도 연화하지 않게 된다.

그 결과, 고온하에서 복합 노심관 내측의 합성 석영이 연화해도, 외측의 결정화한 천연 석영에 지지되어 복합 노심관의 변형은 방지되어 다공질 유리 모재에 접촉 손상을 남기지 않는다. 노심관 내측의 합성 석영은 결정화하지 않고, 유리 상태 그대로이고, 불순물의 이동을 가능하게 하는 입자계가 존재하지 않기 때문에, 불순물의 확산은 매우 늦고, 복합 노심관 외측의 천연 석영에 포함되는 불순물이 노심관 내로 방출되어 유리 모재에 받아들여진다고 하는 문제는 생기지 않는다.

또 용기 내에 다공질 유리 모재를 삽입하기 전에, 용기의 일부를 대기 해방으로 한 상태에서 1,400∼1,600℃의 고온으로 가열하는 사전 가열 스텝을 설치하면, 천연 석영제 유리관의 일부가 결정화하고, 변형에 대한 억제 효과가 높아진다. 또, 천연 석영제 유리관의 가장 외부층의 외표면으로부터 0.1mm의 깊이에, Al을 0.1wt% 이상 함유하는 것이면, 사전 가열 스텝에 의한 천연 석영관의 결정화가 보 다 촉진되므로 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 다공질 유리 모재를 탈수, 소결하는데 사용하는 용기로서, 수트 퇴적체를 용융하여 형성된 합성 석영제 유리관의 외측에, 전기로로 천연 석영을 용융하여 형성된 천연 석영제 유리관이 자켓팅 되는 복합관을 이용하는 것이고, 내층이 되는 합성 석영제 유리관은, 합성 석영의 결정화가 1,500 시간에 1mm 정도이기 때문에, 합성 석영관의 두께에 1,500 시간을 곱한 기간은, 1,400℃ 이상의 고온에서 사용해도 유리층(glass layer)이 남은 상태가 유지되기 때문에, 광섬유 모재에의 불순물 혼입의 리스크가 매우 낮게 억제될 수 있다.

(실시예 1)

SiCl₄, (CH₃)SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂등의 규소 화합물을 산수소 화염으로 가수분해하여 수트 퇴적체를 형성하고, 또한 가열로에서 용융하여 유리화한 두께 4mm의 합성 석영제의 관의 외측에, 두께 4mm의 천연 석영제의 관을 자켓팅 하여 복합관을 제작하였다. 합성 석영제의 관으로서는, 예를 들면 SH100(상품명, 신에츠석영사제)을 들 수 있고, 천연 석영제의 관으로는, 예를 들면 HERALUX-E(상품명, 신에츠석영사제)를 들 수 있다.

도 2의 모식도로 나타낸 것처럼, 합성 석영제 유리관(9)의 외측에 천연 석영제 유리관(10)을 자켓팅 하여 제작한 복합관이, 가열원인 전기로(3)의 가열 영역을 충분히 커버(cover)하도록 복합 노심관(8)을 구성하고, 가열로에 장착하였다. 또 복합관을 노심관 전체에 사용하는 것도 가능하지만, 고온으로 가열되는 영역이 한 정되는 경우, 복합관을 사용하는 것은 가열 영역을 커버할 수 있는 범위로 충분하고, 고온으로 가열되지 않는 범위까지 복합관으로 하는 것은 비용 상승으로만 되는 것이어서 특히 이점은 없다.

제작한 복합 노심관은, 노심관 상부를 대기 개방으로 한 채로, 1,450℃에서 7일간의 사전 가열을 하였다. 이 사전 가열에 의해, 복합관의 천연 석영 부분이 어느 정도 결정화하여 강도가 증가하고, 노심관은, 그 내외 압력차에 의한 변형을 일으키기 어려운 상태로 된다. 결정화한 천연 석영은, 유리 상태로 되돌아올 것은 아니기 때문에, 새로운 노심관에 대해서 이 사전 가열을 한 번 해두면, 이 노심관에 대해서는 그 이후 재차 할 필요는 없다.

VAD법으로 제조한 다공질 유리 모재를, 복합 노심관을 장착한 가열로를 이용하여, 1,100℃의 헬륨, 염소, 산소를 포함하는 분위기중에서 탈수하고, 그 후, 1,500℃의 헬륨 분위기중에서 유리화하였다. 탈수 및 유리화 동안, 노심관의 가열되어 있는 영역의 내외 압력차는 ±3kPa 정도의 범위에서 변동하고 있었지만, 탈수 및 유리화 공정도를 200회 반복하여도 복합 노심관의 가열 영역에서의 변형은 보이지 않았다.

탈수, 소결하여 얻어진 유리 모재의 외주에, 또한 클래드를 부여하여 광섬유 모재로 하였다. 이 광섬유 모재를 선뽑기하여 얻어진 광섬유에는, 천연 석영제 노심관을 이용하여 제조한 경우와 같은 손실 증가는 확인되지 않았다. 또 1,400℃ 이상의 고온에 노출된 시간이 6,000 시간을 넘었을 때 노심관을 취출하고, 피가열부를 관찰하면, 많은 부분에서 유리층이 완전하게 없어지고 모두 결정화되어 있었다.

(비교예 1)

도 3에 나타낸 것 같은 합성 석영제 유리관(9)을 노심관(2)으로서 장착한 가열로를 이용하여 다공질 유리 모재의 탈수, 소결을 하였다. 실시예 1과 같은 조건으로, 다공질 유리 모재의 탈수, 소결 공정을 20회 반복하였을 때, 도 4에 보이는 것 같은 노심관의 가열 영역에 변형이 확인되고, 30회 정도에서 노심관의 변형 부분이 다공질 유리 모재와 접촉하였다.

본 발명의 제조 방법 및 제조 장치는, 하기의 형태로 제공되어도 좋다. 광섬유 모재의 제조 방법 및 제조 장치에 있어서, 복합관의 합성 석영 유리의 금속 불순물의 함유량은, 당해 복합관의 천연 석영 유리의 금속 불순물의 함유량보다 적다. 바람직하게는 합성 석영 유리의 금속 불순물의 함유량은, 천연 석영 유리의 금속 불순물의 함유량의 1/10 이하이다. 또, 광섬유 모재의 제조 방법 및 제조 장치에 있어서, 복합관의 합성 석영 유리는 유리 상태이고, 당해 복합관의 천연 석영 유리는 결정화되어 있다.

이상, 본 발명을 실시의 형태를 이용하여 설명하였지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시의 형태에 기재된 범위에는 한정되지 않는다. 상기 실시의 형태에 다양한 변경 또는 개량을 가하는 것이 가능하다고 하는 것이 당업자에게 분명하다. 이와 같은 변경 또는 개량을 가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함될 수 있는 것이 청구의 범위의 기재로부터 분명하다.

본 발명에 의하면 광섬유 모재의 제조비용 저감에 기여한다.

Claims

광섬유 모재를 제조하는 방법으로서,

유리 미립자를 퇴적하여 다공질 유리 모재를 형성하는 다공질 유리 모재 형성 스텝과,

규소 화합물을 산수소 화염으로 가수분해하여 생성한 유리 미립자를 퇴적하여 이루어지는 수트 퇴적체를 용융하여 형성된 합성 석영제 유리관의 외측에, 전기로로 천연 석영을 용융하여 형성된 천연 석영제 유리관이 자켓팅 되는 복합관을 사용한 용기를 준비하는 용기 준비 스텝과,

당해 용기에 탈수 반응 가스 및 불활성 가스를 도입하는 가스 도입 스텝과,

탈수 반응 가스 및 불활성 가스가 도입된 당해 용기를 가열하는 가열 스텝과,

가열된 당해 용기 내에 상기 다공질 유리 모재를 삽입하고, 탈수, 소결하는 탈수 소결 스텝을 가지는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 규소 화합물이, SiCl₄, (CH₃)SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂의 어느 하나 또는 이들의 혼합 화합물인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 자켓팅이 시행되고 있는 부분이 용기의 일부이고, 한편 상기 가열 스텝에서 가열되는 영역보다는 넓은 부분에 시행되고 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 용기 준비 스텝의 후에, 용기의 일부를 대기 해방으로 한 상태에서 1,400∼1,600℃의 고온으로 가열하는 사전 가열 스텝을 가지는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 탈수 소결 스텝에 있어서, 합성 석영 유리제의 용기가 1400℃를 넘는 온도에 노출되는 시간의 총계를, 당해 용기의 합성 석영 유리관의 적어도 일부의 영역에서 유리층이 두께 방향으로 모두 결정화할 때까지의 시간 이내로 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 탈수 소결 스텝에 있어서, 합성 석영 유리제의 용기가 1,400℃를 넘는 온도에 노출되는 시간의 총계를, 당해 용기의 합성 석영 유리의 두께(mm)에 1,500 시간을 곱한 시간 이내로 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
광섬유용 다공질 유리 모재를 탈수, 소결하는 장치로서,

장치의 일부를 구성하는 노심관이, 규소 화합물을 산수소 화염으로 가수분해하여 생성한 유리 미립자를 퇴적하여 이루어지는 수트 퇴적체를 용융하여 형성된 합성 석영제 유리관의 외측에, 전기로로 천연 석영을 용융하여 형성된 천연 석영제 유리관이 자켓팅 되는 복합관을 사용한 용기인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 장치.
제7항에 있어서,

상기 규소 화합물이, SiCl₄, (CH₃)SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂의 어느 하나 또는 이들의 혼합 화합물인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 장치.
제7항에 있어서,

상기 자켓팅이 시행되고 있는 부분이 용기의 일부이고, 한편 가열원에 의해 가열되는 영역보다는 넓은 부분인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 장치.