JPH0416418B2

JPH0416418B2 -

Info

Publication number: JPH0416418B2
Application number: JP60023488A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Suda; Shuichi Shibata; Motohiro Nakahara
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1985-02-12
Filing date: 1985-02-12
Publication date: 1992-03-24
Also published as: JPS61186239A

Description

【発明の詳細な説明】［技術分野］本発明は、大形の光フアイバ母材を効率良く安
定に高速度で製造する光フアイバ母材の製造方法
に関するものである。

［従来方法］従来、光フアイバ母材を製造する方法として
は、MCVD法（Modified Chemical Vapor
Deposition）、OVD法（Outside Vapor
Deposition）、VAD法（Vapor−phase Axial
Deposition）等がある。現在、産業界における関
心事はこれらの方法で得られる特性の優れた光フ
アイバをいかに経済的に、すなわち短時間のうち
に大量に製造して光フアイバの価格を低減化する
かにある。特に、大形の母材を高速度で製造する
ことは、光フアイバの経済化に対して効果が大き
いので期待されている。

従来VAD法における高速合成法として、バー
ナを多段にすることあるいは単一バーナで改良を
加えることが検討されてきた。多段バーナでは、
多孔質母材成長端周囲にバーナを複数個設置する
のでバーナ本数を増すに従い合成速度は向上す
る。しかし、各バーナ火炎の干渉により、特性、
安定性および再現性の点で単一バーナの場合に比
較して劣つている。単一バーナの場合には、多孔
質母材を高速に合成するためにガラス原料をより
多く供給しなければならず、ガラス原料供給量を
増加するに従い未反応ガラス原料の増大、火炎流
の乱れを生じ、合成収率が低下するという問題が
あつた。

さらに、高速で太い多孔質母材を製造するため
に流速に着目してその最適化を図る試みがなされ
たが（H.Sudaらによる“Fine Glass Particle−
Deposition Mechanism in the VAD
Process”、Fiber and Integrated Optics、
Vol.4、No.４、pp.427−437）、その場合には、収
率が悪い状態でしか実現できず、多孔質母材の製
造方法としては適していなかつた。

VAD法において、大形の母材を高速に合成す
るためには、供給するガラス原料の量を増大させ
る必要があつた。そこで、ガラス原料の反応効率
等を改善させるために、火炎を多重化することが
考えられている。すなわち、火炎を多重にし、そ
の内側火炎を退行させることにより実効火炎長を
増加させガラス微粒子粒径を制御するバーナが特
願昭58−219380号の「ガラス微粒子合成用バー
ナ」において提案されている。

このような多重火炎バーナのひとつとしての二
重火炎バーナの構造を第１図に示す。第１図にお
いて、１は内側火炎用ガラス原料供給口、２は内
側火炎用ガラス原料量粒口１の周囲に配置した内
側火炎用燃焼ガス供給口、３は内側火炎用燃焼ガ
ス供給口２の周囲に配置した外側火炎用ガラス原
料供給口、４は外側火炎用ガラス原料供給口３の
周囲に配置した外側火炎用燃焼ガス供給口であ
る。５は内側火炎用ノズル、６は外側火炎用ノズ
ルであり、内側火炎用ノズル５と外側火炎用ノズ
ル６とは独立している。７は内側火炎８内で反応
しているガラス原料層、９は外側火炎、１０は生
成されたガラス微粒子、１１は成長しつつある多
孔質母材を示している。ａは内側火炎の火炎長、
ｂは内側および外側火炎から成る二重火炎の火炎
長を示す。ここで、内側火炎用ノズル５を外側火
炎用ノズル６より引込めて配置可能とすることに
より、内側火炎８が外側火炎９より距離ｌだけ退
行可能なように構成し、退行距離ｌをガラス原料
の供給量に応じて調節できるようにしてある。

火炎を２重化した場合には、外側火炎による火
炎長の増加によつてガラス微粒子堆積量が増加す
る。換言すると、火炎の２重化により、ガラス微
粒子堆積速度が増加する。特に、ガラス原料の供
給量が多いほど二重火炎の効果は大きい。

これは、火炎が長くなるのでガラス原料の分解
が促進され、これがため、ガラス微粒子の火炎中
での滞留時間が長くなつて、生成されるガラス微
粒子の粒径が大きくなるためと考えられている。

次に、第２図は、２重火炎バーナによる火炎内
滞留時間とガラス微粒子比表面積およびガラス微
粒子粒径との関係を示すグラフである。第２図か
ら明らかなように、ガラス微粒子の火炎内滞留時
間が長くなるに従つて、ガラス微粒子比表面積は
小さくなり、逆にガラス微粒子粒径は大きくな
る。そこで火炎長を長くとることにより、ガラス
微粒子火炎内滞留時間を長くすることができ、そ
の結果、ガラス微粒子粒径を大きくすることがで
きることが見出された。

すなわち、２重火炎バーナを用いて内側ノズル
を退行させることにより、ガラス微粒子粒径を増
大させ、それによつて微粒子の大径化と堆積速度
の向上を図り、光フアイバ母材合成速度の高速化
を達成することができると考えられていた。

このように、多重火炎バーナにおいてはガラス
微粒子粒径制御の効果は確認されているが、ガラ
ス原料反応効率の増大に関しては、十分な結果が
得られていない。さらに、実際の母材作製にあた
つては、火炎温度不均一による成長不安定性（多
孔質母材の割れ、多孔質母材成長面形状の乱れ）
や屈折率分布の非制御性等の欠点があり、多孔質
母材を作製する際の各種ガスの供給条件によつて
は、多孔質母材の成長が極めて遅くなつたり不安
定になることがあり、再現性よく母材を製造する
ための条件を把握して基本的な製造方法を確立す
ることが重要な課題となつている。

［目的］本発明の目的は、以上の観点に鑑みて、大形の
多孔質母材を高速度で、しかも安定にかつ再現性
よく製造する光フアイバ母材の製造方法を提供す
ることにある。

［発明の構成］かかる目的を達成するために、本発明では、ガ
ラス原料を多重化した火炎に供給して多孔質母材
を製造する際にその多重化した火炎流の各々にお
ける流速を所定の関係に定め、しかもガラス原料
流の流速をかかる火炎流の流速以下で供給する。

かかる目的を達成するために、本発明では、ガ
ラス原料を多重化した火炎に供給して多孔質母材
を製造する際にその多重化した火炎流の各々にお
ける流速を所定の関係に定め、しかもガラス原料
流の流速をかかる火炎流の流速以下で供給する。

すなわち、本発明製造方法は、火炎内でガラス
原料を分解してガラス微粒子を形成し、該ガラス
微粒子を種棒に堆積させて多孔質母材を形成し、
該多孔質母材を透明ガラス化して光フアイバ用母
材を形成する光フアイバ母材の製造方法におい
て、前記ガラス原料を供給する原料供給用ノズル
と、該原料供給用ノズルのまわりに順次に配置さ
れ、それぞれ個別の火炎流を順次に形成する複数
の火炎形成用ノズルとを有するバーナを用い、前
記複数の火炎のうち、第ｋ番目の火炎の流速を
V_k、該第ｋ番目の火炎の外側の第（ｋ＋１）番
目の火炎の流速をV_k+1および前記ガラス原料の
流速をV_nとするときに、 0.1V_k+1≦V_k≦2.5V_k+1 V_n≦V_k+1 V_n≦V_k なる条件を満たすようになし、前記第ｋ番目の火
炎流を前記第（ｋ＋１）番目の火炎流より退行さ
せて得られる多重火炎中に前記ガラス原料を供給
してガラス微粒子を生成することを特徴とする。

［実施例］以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

まず、燃焼ガスの流速と多孔質母材の成長安定
性について堆積実験を行つた。この実験では、第
１図に示したような同心円状の多重火炎ノズルに
より構成された二重火炎構造のバーナを使用し、
第３図に示すように退行距離ｌを60mmとし、外側
火炎流の流速Vo、内側火炎流の流速Viおよび原
料流の流速Vmの関係を調べた。

外側火炎の火炎流速は火炎流レイノズル数等を
考慮に入れて、安定した火炎が得られる２ｍ／
secとした。ここで、火炎流速とは、支配的に火
炎を構成する水素ガスおよび酸素ガスの各流量を
各ガスの吹き出すノズルの断面積で除したもので
ある。バーナ位置は通常の母材作製における位置
に設定した。ガラス微粒子堆積量は擬似母材を用
いているため擬似母材依存性があるので、任意目
盛とした。

ガラス原料としての四塩化ケイ素（SiCl₄）を
アルゴンアスをキヤリアとして流速0.7ｍ／secで
内側火炎中心層に2200c.c.／minで供給し、内側火
炎の火炎流流速Viを変化させてガラス微粒子堆
積量を測定した。火炎流速は酸素ガスおよび水素
ガスの流速を同じ割合で変化させることにより調
節した。

その結果を第４図に示す。内側火災流流速Vi
を増加するにつれ、２重火炎としての効果が生
じ、ガラス微粒子堆積量は増加し、ViVo＝２
ｍ／secのときに最大値をとり、最も好適であつ
た。内側火炎流流速Viをさらに増加すると、内
側火炎が外側火災を乱しはじめ、安定な火炎が得
られなくなり母材表面温度が不均一になると共に
ガラス微粒子堆積速度は減少する。特に内側火炎
流流速Viが５ｍ／sec（2.5Vo相当）付近を越える
と安定した成長面は得られなくなつた。

他方、内側火炎流流速Viを低下させていくと、
Viが0.2ｍ／sec（0.1Vo相当）近傍以下では、バー
ナとして機能しなくなり、やはり安定した成長面
が得られなくなつた。

次に、キヤリアガスの流量を調節することによ
つて内側火炎に供給するガラス原料層の流速Vm
を変化させて、堆積したガラス微粒子の重量を測
定することにより、ガラス原料の流量に対するガ
ラス原料収率を求めた結果を第５図に示す。

第５図からわかるように、ガラス原料層流速
Vmが0.5Vo＝１ｍ／sec近傍を越えるあたりから
収率は急激に低下し、VmがVo＝２ｍ／sec近傍
を越えると、ガラス原料は火炎とほとんど反応せ
ず、安定した成長は見られず、多孔質母材を安定
に成長させるには、バーナにおけるVmとVoに
関してはVm≦Voとすることが必要であること
がわかつた。

以上から、高速で安定した母材の成長を得るた
めには、内側火炎流の流速Voとしては、0.1Vo
≦Vi≦2.5Voの範囲にあり、かつVm≦Voである
ことが好ましく、特にVo＝Vi≧Vmが最も好ま
しいことがわかる。

なお、上述の実験ではVo＝２ｍ／secとして、
ViおよびVmとVoとの関係を調べたが、Voの設
定は多孔質母材の成長部付近で乱流が生じない範
囲で変化させることができる。Voは作製しよう
とする多孔質母材の径および母材形状によつて異
なり、通常は0.5〜５ｍ／secの範囲に定める。こ
の範囲で上述と同様の傾向が得られた。

さらに、外側にもう１組の火炎を構成した３重
火炎について、同様な検討を行つた。最も内側の
１重目火炎の流速Viと最も外側の３重目火炎の
流速Vo(2)との関係を第６図に示す。ここで、２
重目火炎の流速をVo(1)として、Vo(1)＝Vo(2)、
Vo(1)＝0.2Vo(2)の場合を図示した。３重火炎に
おいても、同様の関係があることがわかつた。特
にVo(1)＝0.2Vo(2)の場合が示すように流速の異
なる火炎が形成されている場合、安定成長する範
囲が狭くなると共に、ガラス微粒子堆積量も全体
に低下する傾向がみられた。

このように、本発明は２重火炎や３重火炎のみ
ならず一般的に多重火炎にも適用され、その各々
の流速について、第ｋ番目の火炎の流速V_kと第
（ｋ＋１）番目の火炎の流速V_k+1とに着目したと
きに両流速間に 0.1V_k+1≦V_k≦2.5V_k+1 Vm≦V_k+1 Vm≦V_k なる条件を満足させることによつて、多孔質母材
を高速で、しかも安定かつ再現性よく成長させる
ことができる。

内側火炎あるいは外側火炎部における流速の調
整は、バーナ寸法およびノズル間隙を調整すると
共に、酸素ガスおよび水素ガスの双方あるいは一
方の流量を調整することにより実現できる。

次に、上述した火炎流の好適な流速に状態にお
ける内側火炎の退行距離ｌの決定について第７図
を参照して説明する。第７図はバーナの軸方向に
おける火炎温度分布を内側および外側火炎と対比
して示す。ここで、Tcはガラス原料の反応下限
を示す温度であり、この温度Tc以下ではガラス
原料が反応しないでそのままの状態にある。

第７図に示す退行距離l1の状態(A)では内側火炎
８の下流端と外側火炎９の上流端とが実質的に連
続しており、火炎温度は下限温度Tcより高い温
度で連続している。ここで、連続とは、火炎温度
が常に下限温度Tcより高い状態にあることを意
味する。退行距離ｌを大きくしてl2にした状態(B)
では、内側火炎８と外側火炎９とが分離してしま
う。そこで、退行距離ｌは、上述したように定め
た好適なVo、ViおよびVmの条件の下で、内側
火炎８と外側火炎９とが実質的に連続するように
定める。しかも、退行距離ｌは、このように定め
られる範囲内でなるべく長くすることによつて火
炎長が長くなるので、ガラス微粒子の堆積効率を
高めることができる。

このような流速条件下における２重火炎の効果
を第８図に示す。第８図は２重火炎化した場合と
しない場合のガラス原料としてのSiCl₄供給量と
ガラス微粒子体積量との関係を、直径150mmの擬
似母材にSiO₂を堆積させたときの堆積速度をガ
ラス原料であるSiCl₄の供給量に対して示してい
る。ここで、実線が２重火炎化した場合、破線が
内側火炎単独の場合である。

ここで、SiCl₄の供給量を5000c.c.／minとする
と、２重火炎バーナでは５ｇ／minの堆積速度が
得られ、収率は60〜70％であつた。

次に本発明の実施例について述べる。

第９図に本発明で用いるガラス微粒子合成用バ
ーナの一実施例を示す。ここで、２１はガラス原
料供給用ノズル、２２はH₂やプロパン、ブタン
などの炭化水素系燃料などの可燃性ガス供給用ノ
ズル、２３はAr、He、N₂などの不活性ガス供給
用ノズル、２４はO₂などの支燃性ガス供給用ノ
ズル、２５は不活性ガス供給用ノズルである。こ
れらノズル２２〜２５をノズル２１のまわりにこ
の順序で同心円状に配置して内側多重ノズルとな
し、可燃性ガスおよび支燃性ガスにより内側火炎
を形成する。さらに、２６は外側ガラス原料（ま
たは不活性ガス）供給用ノズル、２７は可燃性ガ
ス供給用ノズル、２８は不活性ガス供給用ノズ
ル、２９は支燃性ガス供給用ノズルであり、これ
らノズル２６〜２９をノズル２５のまわりにこの
順序で同心円状に配置して外側多重ノズルとな
し、可燃性ガスおよび支燃性ガスにより外側火炎
を形成する。ここで、内側多重ノズルを外側多重
ノズルよりも距離ｌだけ退行させる。３０は外側
多重ノズルのまわりに配置したフードである。

ここで、ガラス原料供給用ノズル２１と、外側
ガラス原料供給用ノズル２６はそれぞれ、その外
側にある各組の可燃性ガス供給用ノズルおよび支
燃性ガス供給用ノズルに対してガス流の上流側に
開口部を有するように配置する。これは塩化物等
の形で供給されるガラス原料が火炎中で分解され
てガラス微粒子となつたときに、そのガラス微粒
子が原料供給用ノズルの先端に付着することを防
止するためである。すなわち、ガラス微粒子がノ
ズル先端に付着すると合成条件が経時的に変化し
てしまうからである。

また、各ノズルの先端は第９図に示したように
片刃状に加工されていることが望ましい。厚みの
ある部材で作られ、直角に切断された端部を有す
るノズルを用いた場合には、その端部でガス流の
乱れを生じ、ガラス微粒子のノズル先端への付着
等の問題を生ずるからである。なお、各組のノズ
ルにおいて可燃性ガスと支燃性ガスの供給場所を
入れ換えてもバーナの特性に大きな変化はない。

次に第９図示の２重火炎バーナにおいてバーナ
外径53mm、退行距離ｌ＝60mmとし、このバーナに
対し、本発明の製造方法を適用して多孔質母材の
作製を行つた実施例を示す。

実施例１実施例１はSiO₂のみから成る多孔質母材の製
造に関するものであり、多重火炎バーナとして、
上述の流速モデル実験で使用した同心円状多重ノ
ズル構造の２重火炎バーナを使用した。

第９図示の２重火炎バーナにおいて、外側火炎
流流速、内側火炎流流速および原料層流速を、そ
れぞれ、2.1ｍ／sec、2.1ｍ／secおよび0.7ｍ／
secとした。原料供給用ノズルにはアルゴンガス
をキヤリアとして四塩化ケイ素2200c.c.／minを供
給した。母材合成速度は3.5ｇ／min、ガラス原
料収率は65％であつた。母材成長は非常に安定で
あり、10時間で直径120mmで有効長800mmの大形多
孔質母材が得られた。10時間という長時間の母材
作製においても成長面の形状などは変化せず、安
定な成長がなされた。

実施例２実施例２はGeO₂を添加した屈折率分布を有す
る母材用の多孔質母材の製造方法の実施例であ
る。ここで固溶した二酸化ゲルマニウムを形成さ
せるためにGeO₂を添加しない場合に比較して、
火炎温度を下げる必要があつた。また、合成速度
を増加させると共に屈折率分布を調整するために
下記に示すように外側火炎にもガラス原料を供給
した。

バーナとしては実施例１と同じ第９図示の２重
火炎バーナを用い、外側火炎流流速、内側火炎流
流速および原料流流速を、それぞれ、2.0ｍ／
sec、2.0ｍ／secおよび0.8ｍ／secとなし、ガラス
原料として、実施例１と同条件の四塩化ケイ素に
加えて四塩化ゲルマニウムを200c.c.／minやはり
アルゴンガスをキヤリアとして供給した。母材合
成速度は4.5ｇ／minであり、比屈折率差1.1％が
得られた。

この実施例によれば、本発明の製造方法は、屈
折率制御用のドーパントを含有したガラス母材の
合成にも有効であることが明らかになつた。

なお、外側火炎にもガラス原料と供給すれば更
に堆積速度は向上するが、外側火炎内では、合成
されたガラス微粒子の火炎内での滞在時間の延長
の効果はないので、全ガラス原料供給量に対する
ガラス原料収率は多少低下することが確認され
た。本例では原料収率は、55％であつた。ここ
で、ガラス原料収率が低下したのは、四塩化ゲル
マニウムの収率が四塩化ケイ素に比較して低いこ
とと、外側火炎に供給したガラス原料収率が内側
火炎に供給したガラス原料収率より低いことに寄
因している。

［効果］以上説明したように、本発明によれば、火炎を
多重化し、その各々の火炎の火炎流速を相等しく
するなど最適に定め、しかも内側火炎を外側火炎
よりも退行させることにより、大形母材を高速に
かつ安定に製造することができる。その結果、母
材製造効率が改善され、光フアイバ価格を低下さ
せることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は火炎の多重化構成の概略を示す線図、
第２図はガラス微粒子の粒径と火炎内滞留時間と
の関係を示す特性図、第３図は本発明における２
重火炎バーナでの各部流速および退行距離の説明
図、第４図は本発明におけるガラス微粒子堆積量
の内側火炎の火炎流流速依存性を示す特性図、第
５図はガラス微粒子収率のガラス原料層流速依存
性を示す特性図、第６図は本発明におけるガラス
微粒子堆積量の内側火炎の火炎流流速依存性を示
す特性図、第７図はバーナ軸方向における内側火
炎の退行距離と火炎温度との関係を示す火炎温度
分布図、第８図は単独の火炎および２重火炎にお
けるガラス原料供給量とガラス微粒子堆積量との
関係を示す特性図、第９図は２重火炎バーナの一
実施例を示す断面図である。１……内側火炎用ガラス原料供給口、２……内
側火炎用燃焼ガス供給口、３……外側火炎用ガラ
ス原料供給口、４……外側火炎用燃焼ガス供給
口、５……内側火炎用ノズル、６……外側火炎用
ノズル、７……ガラス原料層、８……内側火炎、
９……外側火炎、１０……生成したガラス微粒
子、１１……多孔質母材、２１……ガラス原料供
給用ノズル、２２……可燃性ガス供給用ノズル、
２３……不活性ガス供給用ノズル、２４……支燃
性ガス供給用ノズル、２５……不活性ガス供給用
ノズル、２６……外側ガラス原料（または不活性
ガス）供給用ノズル、２７……可燃性ガス供給用
ノズル、２８……不活性ガス供給用ノズル、２９
……支燃性ガス供給用ノズル、３０……フード。

Claims

【特許請求の範囲】１火炎内でガラス原料を分解してガラス微粒子
を形成し、該ガラス微粒子を種棒に堆積させて多
孔質母材を形成し、該多孔質母材を透明ガラス化
して光フアイバ用母材を形成する光フアイバ母材
の製造方法において、前記ガラス原料を供給する原料供給用ノズル
と、該原料供給用ノズルのまわりに順次に配置さ
れ、それぞれ個別の火炎流を順次に形成する複数
の火炎形成用ノズルとを有するバーナを用い、前記複数の火炎のうち、第ｋ番目の火炎の流速
をV_k、該第ｋ番目の火炎の外側の第（ｋ＋１）
番目の火炎の流速をV_k+1および前記ガラス原料
の流速をV_nとするときに、 0.1V_k+1≦V_k≦2.5V_k+1 V_n≦V_k+1 V_n≦V_k なる条件を満たすようになし、前記第ｋ番目の火炎流を前記第（ｋ＋１）番目
の火炎流より退行させて得られる多重火炎中に前
記ガラス原料を供給してガラス微粒子を生成する
ことを特徴とする光フアイバ母材の製造方法。２特許請求の範囲第１項記載の光フアイバ母材
の製造方法において、 V_k+1＝V_k≧V_n なる条件を満たすようにすることを特徴とする光
フアイバ母材の製造方法。