JP2014201475A - 光ファイバ母材の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スートの割れ不良を抑制可能な光ファイバ母材の製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】ターゲット１１の先端１１ｔからターゲット１１の中心軸の延長線１１ａ上に、及びターゲット１１の周囲に、スート１４を堆積させて光ファイバ母材を製造する光ファイバ母材の製造方法であって、光ファイバ母材のコアとなる部分１４ａを形成するコア用バーナー１２と、コアとなる部分の外周にクラッドとなる部分１４ｂを形成するクラッド用バーナー１３とを用い、クラッドとなる部分１４ｂの堆積中に、クラッド用バーナー１３の先端１３ｔからターゲット１１の中心軸又はその延長線１１ａまでの距離が徐々に増大するように、クラッド用バーナー１３を移動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ母材の製造方法及び製造装置に関する。

一般に、光ファイバの製造において、光ファイバ母材等に用いられる石英ガラス母材は、ＶＡＤ（Vapor phase axial deposition）法やＯＶＤ（Outside vapor deposition）法などによりスート（ガラス微粒子）を堆積した後、これを焼結により透明ガラス化することで作製される。また、光ファイバは、このようにして作製された光ファイバ母材を線引きすることで製造される。

従来、ＶＡＤ法の場合、光ファイバ母材のコアとなるスートを合成するコア用バーナーと、光ファイバ母材のクラッドとなるスートを合成するクラッド用バーナーとを固定して配置し、ターゲット上にスートを堆積成長させて、光ファイバ母材を合成している。
また、特許文献１〜３のように、コア用バーナーを移動させることもある。

特許第３４０１３８２号公報 特開平５−１０５４６９号公報 特開昭６１−１４６７２６号公報

クラッド用バーナーは、厚みの大きいクラッドのスートを定常時に安定的に製造できるように位置が固定されているため、製造開始時、ターゲットの表面にスートを堆積させる種付け時には、ターゲットまでの距離が大きい。このため、酸水素火炎がターゲットの表面で不安定になり、ターゲットの表面温度及びスートの堆積が不安定になることで、スートの割れ不良の原因の一つとなっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、スートの割れ不良を抑制可能な光ファイバ母材の製造方法及び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、ターゲットの先端から前記ターゲットの中心軸の延長線上に、及び前記ターゲットの周囲に、スートを堆積させて光ファイバ母材を製造する光ファイバ母材の製造方法であって、前記光ファイバ母材のコアとなる部分を形成するコア用バーナーと、前記コアとなる部分の外周にクラッドとなる部分を形成するクラッド用バーナーとを用い、前記クラッドとなる部分の堆積中に、前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットの中心軸又はその延長線までの距離が徐々に増大するように、前記クラッド用バーナーを移動させることを特徴とする光ファイバ母材の製造方法を提供する。
前記クラッド用バーナーは、前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットに堆積されつつあるスートの最外層の表面までの距離が一定になるように移動させることが好ましい。
前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットの中心軸又はその延長線までの距離が増減可能となるように前記クラッド用バーナーを移動させる一軸ステージを用いることが好ましい。

また、本発明は、ターゲットの先端から前記ターゲットの中心軸の延長線上に、及び前記ターゲットの周囲に、スートを堆積させて光ファイバ母材を製造する光ファイバ母材の製造装置であって、前記光ファイバ母材のコアとなる部分を形成するコア用バーナーと、前記コアとなる部分の外周にクラッドとなる部分を形成するクラッド用バーナーとを備え、前記クラッドとなる部分の堆積中に、前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットの中心軸又はその延長線までの距離が徐々に増大するように、前記クラッド用バーナーを移動させることが可能であることを特徴とする光ファイバ母材の製造装置を提供する。
前記クラッド用バーナーは、前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットに堆積されつつあるスートの最外層の表面までの距離が一定になるように移動させることが可能であることが好ましい。
前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットの中心軸又はその延長線までの距離が増減可能となるように前記クラッド用バーナーを移動させる一軸ステージを備えることが好ましい。

本発明によれば、クラッドとなる部分の堆積中に、クラッド用バーナーの先端から堆積中のスートまでの距離の変化を小さくできるので、スートの割れ不良を抑制することが可能になる。

本発明の一実施形態であって、（ａ）は堆積の初期を示す正面図であり、（ｂ）は堆積が進行した状態を示す正面図である。 複数本のクラッド用バーナーの配置であって、（ａ）はターゲットまでの距離を一定にした配置を示す正面図であり、（ｂ）ターゲットまでの距離を順に増減した配置を示す正面図である。 光ファイバ母材の一例であって、（ａ）は縦方向の断面図であり、（ｂ）は横方向の断面図である。 一軸ステージの説明図である。

以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、本発明の一実施形態における、（ａ）は堆積の初期を示し、（ｂ）は堆積が進行した状態を示す。
図１に示す製造装置１０の概略構成は、スート１４を堆積させるターゲット１１と、スート１４を生成する複数本のバーナー１２，１３と、チャンバー１５を含む。チャンバー１５は、ターゲット１１を収容する収容部１５ａと、収容部１５ａの内部から排気を排出する排気部１５ｂを有する。図１に示す図面は簡略化された模式図であり、その他種々の付属物を設けることができる。

ターゲット１１は、出発部材、支持棒（ロッド）等とも呼ばれるものであるが、一般に円柱状の棒材であり、例えば石英ガラス等の耐熱性材料から形成される。このターゲット１１の表面にスート１４を堆積させ、さらにスート１４を成長させることにより、光ファイバ母材が形成される。ＶＡＤ法の場合、ターゲット１１の周囲にスート１４を堆積させるだけでなく、ターゲット１１の先端１１ｔからターゲット１１の中心軸の延長線１１ａ上にもスート１４を成長されることにより、芯から外表面までスート１４からなる光ファイバ母材を得ることができる。図１（ｂ）に示すように、スート１４は、光ファイバ母材のコアとなる部分（コア部）１４ａと、このコア部１４ａの外周にクラッドとなる部分（クラッド部）１４ｂを有する。コア部１４ａは、主にターゲット１１の先端１１ｔからターゲット１１の長手方向に伸びるように成長し、クラッド部１４ｂは、主にコア部１４ａの周囲で外径を増すように成長する。

コア部１４ａを形成するコア用バーナー１２は、軸周りに回転するターゲット１１の先端１１ｔから延びるスート１４のコア部１４ａの先端に向けて、スートを含む火炎１２ｆを放出する。コア用バーナー１２の先端１２ｔは一般に斜め上を向いている。スート１４のコア部１４ａの成長に合わせてターゲット１１とコア用バーナー１２との位置関係を修正する必要があるが、例えば、ターゲット１１を徐々に上に引き上げればよい。

クラッド部１４ｂを形成するクラッド用バーナー１３は、軸周りに回転するターゲット１１の周囲や、ターゲット１１の先端１１ｔから延びるスート１４のコア部１４ａの周囲に向けて、スートを含む火炎１３ｆを放出する。クラッド用バーナー１３の先端１３ｔは斜めに向けることもできるが、図１の場合、ターゲット１１の長手方向に対して垂直にしている。スート１４のクラッド部１４ｂの成長に合わせてターゲット１１とクラッド用バーナー１３との位置関係を修正する。

コア用バーナー１２及びクラッド用バーナー１３には、酸水素火炎を生じるための酸素ガス（助燃ガス）、水素ガス（燃料ガス）のほか、スートの原料として、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）などのケイ素（Ｓｉ）を含有する化合物ガス（原料ガス）が供給される。助燃ガス、燃料ガス、原料ガスの種類や比率等は目的とするガラスの組成や製法等に応じて適宜変更できる。コアとクラッドの屈折率差を得るため、例えばコアにゲルマニウム（Ｇｅ）を添加したり、クラッドにフッ素（Ｆ）を添加したりする場合には、四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ_４）などのＧｅを含有する化合物ガスや、四フッ化炭素（ＣＦ_４）、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ_４）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）などのＦを含有する化合物ガスなどが添加される。原料ガスの濃度を段階的又は連続的に変化して、ガラスの組成をファイバ母材の径方向で変化させることもできる。石英ガラスに添加する添加物としては、ＧｅやＦに限定されるものではなく、その他、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、塩素（Ｃｌ）等、種々の元素が挙げられる。
また、ガスの濃度調整等の目的で、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）等の不活性ガスを原料ガス等に添加することもできる。火炎の形状を安定させるため、原料ガスの周囲に不活性ガスの流れを形成することもできる。

従来のクラッド用バーナーを移動させない態様では、ターゲットの表面にスートを堆積させる種付け時には、バーナーの先端からターゲットまでの距離が大きいため、ターゲットの表面温度及びスートの堆積が不安定になることで、スートが割れる場合がある。
本発明では、クラッド部１４ｂの堆積中に、クラッド用バーナー１３の先端１３ｔからターゲット１１の中心軸又はその延長線１１ａまでの距離Ｄ（図４参照）が徐々に増大するように、クラッド用バーナー１３を移動させる。これにより、図１（ａ）に示すように、クラッド部１４ｂを堆積させる初期段階から、前記距離Ｄを適切に設定する。すなわち、初期段階では前記距離Ｄが従来より短くなる。すると種付け時には、クラッド用バーナー１３の先端１３ｔからターゲット１１の表面までの距離が適切に設定され（ターゲット１１の半径は既知）、ターゲット１１の表面温度及びスート１４の堆積が安定になり、ターゲット１１の表面に良好な状態で確実にスートを付着させることができ、スート割れを抑制できる。
また、スート１４のクラッド部１４ｂの厚さが増大する過程においても、ターゲット１１に堆積されつつあるスート１４の最外層を形成するクラッド用バーナー１３を、クラッド用バーナー１３の先端１３ｔからスート１４の最外層の表面１４ｃまでの距離ｄが略一定になるように移動させることが好ましい。これにより、スート１４の最外層の表面１４ｃへの新たなスートの堆積状態が安定になり、スート１４の表面に良好な状態で確実にスートを堆積させることができる。

クラッド用バーナー１３の移動量は、あらかじめスート１４の堆積量を観測して、スートの堆積量に応じた、適切な移動量をプログラム等により実現することもできる。また、現在のスート１４の堆積量をセンサ等で観測して、その後のスートの堆積量を予測し、クラッド用バーナー１３の移動量を制御することもできる。
プログラムを作成する場合、目標となるスート母材の寸法（長さや外径など）や堆積条件などに応じて、条件が異なるものはそれぞれ異なるプログラムを用意してもよい。また、一部の条件が異なるが他の条件が共通する場合には、異なる条件を変化可能なパラメータ（変数）として入力可能にし、新規な条件でも適切な移動量が算出できるようにすることもできる。

プログラムには、クラッド用バーナー１３の移動量の変化パターンを用意する。クラッド用バーナー１３の移動量の変化パターンは、製造開始からの時間に対する、クラッド用バーナー１３の位置の関数として表現することができる。また、製造開始からの時間に対する、クラッド用バーナー１３の移動速度の関数として表現することもできる。
変化パターンを記述するための関数としては、一次関数、二次関数等の連続関数に限らず、特定の時間範囲（区間）を特定の値（位置や速度）に対応させる階段関数などの不連続関数であってもよい。クラッド用バーナー１３の位置は、例えば、クラッド用バーナー１３の先端１３ｔからターゲット１１の中心軸又はその延長線１１ａまでの距離（図４のＤ）により表すことができる。

図２に、ターゲット１１の長手方向に沿って複数本のクラッド用バーナー１３ａ，１３ｂ，１３ｃを配置した製造装置の例を示す。ここでは、３本のクラッド用バーナーを用いた例を示すが、特に３本に限定されるものではなく、２本以下、あるいは４本以上でもよい。
図２（ａ）の場合、それぞれのクラッド用バーナー１３ａ，１３ｂ，１３ｃの位置を上下に揃えた態様を示している。また、図２（ｂ）の場合、ターゲット１１の移動先である上方に行くほど、クラッド用バーナー１３ａ，１３ｂ，１３ｃの位置がターゲット１１から離れる態様を示している。

各クラッド用バーナー１３ａ，１３ｂ，１３ｃは同時に使用してもよく、順次使用してもよい。同時に使用していないクラッド用バーナーがある場合は、スートの堆積に使用中のクラッド用バーナーのみを、スートの堆積量に応じて適切に移動させればよい。スートの堆積に使用していないクラッド用バーナーは、移動させなくてもよく、スートの堆積量に無関係に移動させてもよい。
また、製造の目的とするスート母材の長さや外径などに応じて、長さや外径が小さい場合は、より少ない本数のクラッド用バーナーを使用し、長さや外径が大きい場合は、より多い本数のクラッド用バーナーを使用するように使い分けることもできる。
図２（ｂ）の場合、ターゲット１１の中心軸又はその延長線１１ａまでの距離（図４のＤ）が小さいクラッド用バーナー１３ａでクラッド部の最内層を形成し、前記距離Ｄが中くらいのクラッド用バーナー１３ｂでクラッド部の中間層を形成し、前記距離Ｄが大きいクラッド用バーナー１３ｃでクラッド部の最外層を形成するといった態様も可能である。

図３に、得られた光ファイバ母材２０の一例を示す。図３（ａ）に示すように、光ファイバ母材２０の中心にはコア部２１が形成され、ターゲット１１の長手方向に伸びている。また、コア部２１の周囲にはクラッド部２２が形成されている。コア部２１は、最終的には光ファイバのコアとなる部分であり、クラッド部２２は、光ファイバのクラッドとなる部分である。コア部２１の径は、ターゲット１１の径と同程度又は一致していてもよく、異なってもよい。

一般に、コア部２１にはクラッド部２２よりも屈折率の高い材料が用いられる。クラッド部２２は、全体が一様の材質となる場合もあり、屈折率の異なる複数の材料を用いて、図３（ｂ）に示すように複数の層２２ａ，２２ｂ，２２ｃが同心円上の分布を有する場合もある。スートの組成を階段状に変化させることもでき、また、連続的に傾斜した変化あるいは二次関数的な変化をもたせることもある。いずれの場合にも、クラッド部２２では、コア部２１に近い内部が最初に形成され、徐々に外径が大きくなるように外側からスートを堆積させていく。

スートからなる光ファイバ母材（スート母材）は、焼結により透明で中実なガラス体となる。また、光ファイバ母材２０の先端部や、中心にターゲット１１が含まれる根元部は除去され、断面構造が長手方向で略均一な光ファイバ母材（透明ガラス母材）が得られる。また、得られた透明ガラス母材の外表面に、さらにスートを堆積させて焼結し、クラッド部の外径を増加させることもできる。光ファイバ母材（透明ガラス母材）は、公知の線引き工程により光ファイバの製造に用いることができる。
製造される光ファイバとしては特に限定はなく、例えば、シングルモード光ファイバ、マルチモード光ファイバ、分散シフト光ファイバ、分散補償光ファイバ、カットオフシフト光ファイバ、ノン零分散シフト光ファイバ等、種々の光ファイバが挙げられる。

図４に、クラッド用バーナー１３の先端１３ｔからターゲット１１の中心軸又はその延長線１１ａまでの距離Ｄが増減可能となる構成として、クラッド用バーナー１３を移動させる一軸ステージ１６の概略構成を示す。
クラッド用バーナー１３の先端１３ｔからターゲット１１の中心軸又はその延長線１１ａまでの距離Ｄは、クラッド部１４ｂの堆積中、なるべく一定であることが好ましく、スートが安定に堆積できる所定の許容範囲内に収めることが望ましい。

以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
クラッド用バーナーは、ターゲットの長手方向に対して垂直に移動させることに限られず、ターゲットの長手方向に対して斜めに移動させることもできる。この場合、ターゲットの長手方向に対して平行な変位を有することから、ターゲットの引き上げ速度との関係を適宜調整することが好ましい。

クラッド用バーナーの移動方向は、クラッド用バーナーの長手方向（火炎を噴出する中心軸方向）に対して平行であってもよく、非平行であってもよい。
クラッド用バーナーが複数ある場合、そのうち１つのクラッド用バーナーのみを移動させてもよく、２つ又はそれ以上のクラッド用バーナーのみを移動させてもよく、すべてのクラッド用バーナーのみを移動させてもよい。クラッド部の最内層を形成するクラッド用バーナーや、最外層を形成するクラッド用バーナー等の使い分けがある場合は、クラッド部の最内層を形成するクラッド用バーナーを特に移動させてよく、最外層を形成するクラッド用バーナーを特に移動させてよい。

本発明は、光ファイバ母材や光ファイバの製造に利用することができる。さらには、光ファイバ母材や光ファイバに限定されるものではなく、同様のスート堆積方法によるガラス母材の製造に適用することもできる。このようなガラス母材として、例えば、光学用ガラス、ガラス棒、ガラス管などが挙げられる。ガラス母材は、さらに延伸、研磨、穴開け、切削等の加工を施すことにより、種々の部材や部品の製造に利用することができる。

１０…光ファイバ母材の製造装置、１１…ターゲット、１２…コア用バーナー、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…クラッド用バーナー、１４…スート、１４ａ…コア部（コアとなる部分）、１４ｂ…クラッド部（クラッドとなる部分）、１５…チャンバー、１６…一軸ステージ、２０…光ファイバ母材、２１…コア部、２２…クラッド部。

Claims (6)

1. ターゲットの先端から前記ターゲットの中心軸の延長線上に、及び前記ターゲットの周囲に、スートを堆積させて光ファイバ母材を製造する光ファイバ母材の製造方法であって、
   前記光ファイバ母材のコアとなる部分を形成するコア用バーナーと、
   前記コアとなる部分の外周にクラッドとなる部分を形成するクラッド用バーナーとを用い、
   前記クラッドとなる部分の堆積中に、前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットの中心軸又はその延長線までの距離が徐々に増大するように、前記クラッド用バーナーを移動させることを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
2. 前記クラッド用バーナーは、前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットに堆積されつつあるスートの最外層の表面までの距離が一定になるように移動させることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
3. 前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットの中心軸又はその延長線までの距離が増減可能となるように前記クラッド用バーナーを移動させる一軸ステージを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ母材の製造方法。
4. ターゲットの先端から前記ターゲットの中心軸の延長線上に、及び前記ターゲットの周囲に、スートを堆積させて光ファイバ母材を製造する光ファイバ母材の製造装置であって、
   前記光ファイバ母材のコアとなる部分を形成するコア用バーナーと、
   前記コアとなる部分の外周にクラッドとなる部分を形成するクラッド用バーナーとを備え、
   前記クラッドとなる部分の堆積中に、前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットの中心軸又はその延長線までの距離が徐々に増大するように、前記クラッド用バーナーを移動させることが可能であることを特徴とする光ファイバ母材の製造装置。
5. 前記クラッド用バーナーは、前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットに堆積されつつあるスートの最外層の表面までの距離が一定になるように移動させることが可能であることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ母材の製造装置。
6. 前記クラッド用バーナーの先端から前記ターゲットの中心軸又はその延長線までの距離が増減可能となるように前記クラッド用バーナーを移動させる一軸ステージを備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の光ファイバ母材の製造装置。

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