JP7195703B2

JP7195703B2 - 多孔質体合成用バーナー及び多孔質体の製造方法

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Publication number: JP7195703B2
Application number: JP2018230367A
Authority: JP
Inventors: 智洋権田; 光広川▲崎▼; 達也谷口
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2022-12-26
Anticipated expiration: 2038-12-07
Also published as: JP2020090427A

Description

本発明は、クラッド部が所望の屈折率分布を形成することができる多孔質体合成用バーナー及び多孔質体の製造方法に関する。

近年、光ファイバ用ガラス母材は、生産性を向上させるために大型化が進んでいる。光ファイバ用ガラス母材は、例えば、ＶＡＤ（Vapor Phase Axial Deposition）法やＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法、ＯＶＤ（Outside Vapor Deposition）法などの周知の方法によって作製される。

例えば、ＶＡＤ法においては、ガラス微粒子合成用バーナーに可燃性ガス、助燃性ガス、ガラス原料を導入して火炎加水分解反応させて生成されるガラス微粒子を、回転するターゲット（出発材）の回転軸方向に堆積させて、光ファイバ用ガラス母材の元となる多孔質母材を製造する。この多孔質母材を製造する際に用いるガラス微粒子合成用バーナーとしては、ガラスを材料とした３重管以上の多重管バーナーを使用することが一般的に知られている。

なお、特許文献１には、ＯＶＤ法で光ファイバ用ガラス母材を製造する際、外周に対して内側ポートが偏心した多重管バーナーを用い、ターゲットに対して偏心軸を近づけることによって屈折率制御添加物を均一に添加するものが記載されている。

また、特許文献２には、可燃性ガス噴出流路内に助燃性ガスを噴出する複数の小口径ノズルを設け、可燃性ガス領域内に配置された各小口径ノズルの位置がバーナー中心に対して非対称にしたガラス微粒子合成用バーナーが記載されている。

特開昭６３－１３９０３０号公報特開２０１４－１２２１４１号公報

ところで、近年の光ファイバの特性は低損失、低曲げ損失を満たすため、クラッド部にフッ素等をドープする構造が多用されており、クラッド部の屈折率分布の制御が重要である。また、波長分散や遮断波長等の特性制御のためにもクラッド部の屈折率分布の制御は重要である。しかしながら、従来の同心円状のバーナーでは、バーナーの中心軸に対して上下方向に対称な構造を有しているため、バーナーの上部と下部とで火炎直径や火炎長さ、火炎の噴出速度などは同じであり、多孔質体であるスートのテーパ形状、密度分布の制御が難しく、ガラス状態となった時のクラッド部が所望の屈折率分布となる多孔質体を合成することが困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、クラッド部が所望の屈折率分布を形成することができる多孔質体合成用バーナー及び多孔質体の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる多孔質体合成用バーナーは、多孔質体を形成するための多孔質体合成用バーナーであって、円筒状の供給配管が中心軸まわりに多重配置され、少なくとも１つの供給配管の吐出開口が前記中心軸に対して、ターゲットロッドの回転中心軸方向に偏心しているとともに、前記吐出開口が偏心した偏心供給配管以外の他の供給配管は、前記中心軸に対して同心円状に配置されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる多孔質体合成用バーナーは、上記の発明において、前記偏心供給配管は、前記中心軸から径方向にシフトしていることを特徴とする。

また、本発明にかかる多孔質体合成用バーナーは、上記の発明において、前記偏心供給配管は、該供給配管の吐出側が前記中心軸に対して傾斜していることを特徴とする。

また、本発明にかかる多孔質体合成用バーナーは、上記の発明において、前記偏心供給配管は、該偏心供給配管の吐出側で複数の分岐供給配管に分岐し、各分岐供給配管は、前記中心軸に対して偏心していることを特徴とする。

また、本発明にかかる多孔質体合成用バーナーは、上記の発明において、前記偏心供給配管は、原料ガス及びドーピング用ガスを供給することを特徴とする。

また、本発明にかかる多孔質体合成用バーナーは、上記の発明において、前記偏心供給配管は、可燃ガス、助燃性ガス及びシールガスを供給することを特徴とする。

また、本発明にかかる多孔質体の製造方法は、円筒状の供給配管が中心軸まわりに多重配置され、少なくとも１つの供給配管の吐出開口が前記中心軸に対して、ターゲットロッドの回転中心軸方向に偏心し、前記吐出開口が偏心した偏心供給配管以外の他の供給配管が、前記中心軸に対して同心円状に配置された多孔質体合成用バーナーを用い、ドーピング材料の噴出の偏心によって、所望の屈折率分布をもつクラッド部を形成するもとになる多孔質体を合成することを特徴とする。

本発明によれば、クラッド部が所望の屈折率分布を形成することができる。

図１は、本発明の実施の形態である多孔質体合成用バーナーを用いた多孔質体合成装置１の概要を示す図である。図２は、図１に示した多孔質体合成用バーナーの構成を示す縦断面図である。図３は、図１に示した多孔質体合成用バーナーをＺ方向からみた図である。図４は、図１に示した多孔質体合成用バーナーの変形例１の構成を示す縦断面図である。図５は、実施の形態によって形成されたクラッド部の屈折率分布の一例を示す図である。図６は、偏心した複数の分岐供給配管の一例を示す図である。図７は、本多孔質体の製造方法を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。本発明者らは、多孔質体を形成するための多孔質体合成用バーナーであって、円筒状の供給配管が中心軸まわりに多重配置され、少なくとも原料ガス及びドーピング用ガスを供給する供給配管の吐出開口が前記中心軸に対して、ターゲットロッドの回転中心軸方向に偏心させることによって、ガラス状態となった時のクラッド部が所望の屈折率分布となる多孔質体の合成が可能であることを見い出した。

＜装置構成＞
図１は、本発明の実施の形態である多孔質体合成用バーナー５を用いた多孔質体合成装置１の概要を示す図である。図１に示すように、多孔質体合成装置１はＶＡＤ（Vapor Phase Axial Deposition）法を用いた装置であり、多孔質体合成用バーナー４，５を有する。多孔質体合成装置１は、ターゲットロッド２の下端に二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を主成分とするガラス微粒子が堆積された多孔質体としての多孔質母材３が合成される。具体的には、ターゲットロッド２を回転させながら引き上げ、かつ多孔質体合成用バーナー４，５から火炎を吹き付けて多孔質母材３を合成する。多孔質体合成用バーナー４は、コア部を形成するための多孔質体を形成する。多孔質体合成用バーナー５は、コア部のまわりのクラッド部を形成するための多孔質体を形成する。

多孔質体合成用バーナー４は、出発材としてのターゲットロッド２に石英系ガラス微粒子を堆積させるため、又は焼き締めを行うため、同心円状の多重管構造となっている。一方、多孔質体合成用バーナー５は、多孔質体合成用バーナー４が形成した多孔質体のまわりに、ガラス化後のクラッド部が所望の屈折率分布を得るように、同心円状の多重管構造のうちの内側の供給配管をバーナーの中心軸Ｃに対して偏心させている。

多孔質体合成用バーナー４には、ガス供給部（図示せず）から、例えば四塩化珪素（ＳｉＣｌ₄）などの主原料ガス、可燃ガスである水素（Ｈ₂）ガス、助燃性ガスである酸素（Ｏ₂）ガス、及びシールガス（緩衝ガス）であるアルゴン（Ａｒ）ガスなどが同時に流される。石英系ガラス微粒子の堆積においては、気化させたＳｉＣｌ₄ガス、Ｈ₂ガス、及びＯ₂ガスから構成されるガスが多孔質体合成用バーナー４において点火燃焼されつつ供給される。火炎中で加水分解反応されたＳｉＣｌ₄は、ガラス微粒子となってターゲットロッド２の回転軸方向に堆積されて、多孔質母材３のうちのコア部の対応部分が形成される。このコア部の対応部分の多孔質母材３は、後に光ファイバとなった際のコア部となる。なお、コア部であるため、主原料ガス中にゲルマニウム（Ｇｅ）等を含ませても良い。

一方、多孔質体合成用バーナー５は、ガス供給部（図示せず）から、例えば四塩化珪素（ＳｉＣｌ₄）などの主原料ガス、可燃ガスである水素（Ｈ₂）ガス、助燃性ガスである酸素（Ｏ₂）ガス、及びシールガス（緩衝ガス）であるアルゴン（Ａｒ）ガスなどが同時に流される。主原料ガスには、屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）などのドーピングガス（ＳＦ_６、ＳｉＦ_４）が混合される。石英系ガラス微粒子の堆積においては、気化させたＳｉＣｌ₄ガス、ＳＦ_６もしくはＳｉＦ_４ガス、Ｈ₂ガス、及びＯ₂ガスから構成されるガスが多孔質体合成用バーナー５において点火燃焼されつつ供給される。火炎中で加水分解反応されたＳｉＣｌ₄、ＳＦ_６もしくはＳｉＦ_４は、ガラス微粒子となってターゲットロッド２の回転軸方向に堆積されて、多孔質母材３のうちのクラッド部の対応部分が形成される。

この際、多孔質体合成用バーナー５の火炎全体の方向は、Ｚ方向に向いているにもかかわらず、ドーピングガスの吹き出し方向は、内側の供給配管が＋Ｙ方向あるいは－Ｙ方向に偏心して、ガラス化後のクラッド部の径方向に対する屈折率分布を調整する。すなわち、内側の供給配管の偏心によって多孔質体に取り込まれるフッ素の密度分布を調整して、ガラス化後のクラッド部の径方向に対する屈折率分布を調整する。このクラッド部の対応部分の多孔質母材３は、後に光ファイバとなった際のクラッド部となる。

＜多孔質体合成用バーナー５の詳細構成＞
図２は、図１に示した多孔質体合成用バーナー５の構成を示す縦断面図である。また、図３は、図１に示した多孔質体合成用バーナー５をＺ方向からみた図である。

図２及び図３に示すように、多孔質体合成用バーナー５は、長手方向（Ｚ方向）に対して垂直な断面が略円形状の８本のガラス管である供給配管１１～１８のうち、外側の供給配管１３～１８が、多孔質体合成用バーナー５の中心軸Ｃに対して互いに同心円状に配置され、内側の供給配管１１，１２がＹ方向にシフトして多孔質体合成用バーナー５の中心軸Ｃに対して偏心した多重管構造をなしている。供給配管１１～１８は、供給配管１１，１２を中心に、順次、外周側に配置されている。

各供給配管１１～１８には、－Ｚ方向側で、それぞれガス導入管２１～２８が接続される。各ガス導入管２１～２８は、例えばゴムチューブが取り付けられ、ガス供給部（いずれも図示せず）からガスが導入される。導入されたガスは、各供給配管１１～１８を介してＺ方向に噴出される。

図３に示すように、各ガス導入管２１～２８から導入されたガスは、各ポートＰ１～Ｐ８を介して噴出される。

多孔質体合成用バーナー５によって火炎を形成する場合、ポートＰ１には原料ガス（ＳｉＣｌ₄）及びドーピングガス（ＳＦ_６もしくはＳｉＦ_４）の混合ガスが流される。なお、必要に応じて可燃性ガスとしてさらにＨ₂ガスや支燃性ガスとしてさらにＯ₂や緩衝ガスとしてＡｒを流してもよい。ポートＰ２には、可燃性ガスのＨ₂ガスが流される。ポートＰ３には、シールガスとしてＡｒガスなどの不活性ガスが流される。ポートＰ４には、助燃性ガスとしてＯ₂ガスが流される。ポートＰ５にはＡｒガス、ポートＰ６にはＨ₂ガス、ポートＰ７にはＡｒガス、ポートＰ８にはＯ₂ガスが流される。

ここで、原料ガス（ＳｉＣｌ₄）及びドーピングガス（ＳＦ_６もしくはＳｉＦ_４）の混合ガスが流れるポートＰ１は、多孔質体合成用バーナー５の中心軸Ｃに対して偏心しており、この混合ガスによって生じる内側の火炎は、外側の火炎に比して偏心する。この偏心によって、フッ素のドープ位置が制御され、ガラス化後に所望の屈折率分布をもったクラッド部に対応する多孔質体を形成することができる。

＜変形例１＞
図４は、図１に示した多孔質体合成用バーナー５の変形例１の構成を示す縦断面図である。この変形例では、図４に示すように、供給配管１１，１２を多孔質体合成用バーナー５の中心軸Ｃに対してシフトするのではなく、供給配管１１，１２の吐出側で多孔質体合成用バーナー５の中心軸Ｃに対してＹ方向に傾斜させた供給配管１１ａ，１２ａとすることによって、ポートＰ１，Ｐ２からのガスの噴出をバーナーの中心軸Ｃに対して偏心させている。

上記の実施の形態及び変形例１では、円筒状の供給配管１１～１８がバーナーの中心軸Ｃまわりに多重配置され、少なくとも原料ガス及びドーピング用ガスを供給する内側の供給配管１１，１２の吐出開口が多孔質体合成用バーナー５の中心軸Ｃに対して、Ｙ方向、すなわちターゲットロッド２の回転中心軸ＣＴ方向に偏心しているとともに、内側の供給配管１１，１２以外の外側の供給配管１３～１８が、多孔質体合成用バーナー５の中心軸Ｃに対して同心円状に配置されているので、フッ素のドープをＹ方向に対して任意の位置に噴出することができるので、所望の屈折率分布をもったクラッド部に対応する多孔質体を形成することができる。

例えば、図２あるいは図４に示した多孔質体合成用バーナー５のように、内側の供給配管１１，１２あるいは内側の供給配管１１ａ，１２ａをＹ方向に偏心した場合、図５に示すように、コア部３０の外周に形成されるクラッド部３１の屈折率を、外側に向けて屈折率が小さくなる部分もでき、所望の屈折率分布を得ることも可能になる。

＜変形例２＞
上記の実施の形態及び変形例１では、いずれの供給配管１１～１８も中心軸Ｃまわりに多重配置されていた。この変形例２では、図６に示すように、内側の供給配管１１を、供給配管１１の吐出側で複数の分岐供給配管１１ｃ，１１ｄに分岐し、各分岐供給配管１１ｃ，１１ｄを中心軸Ｃに対してＹ方向に偏心している。

このような複数の偏心した分岐供給配管１１ｃ、１１ｄを設けることによって、分岐供給配管１１ｃ，１１ｄによって形成されるポートＰ１ｃ，Ｐ１ｄから吐出されるドーピングガスの偏心位置に影響された屈折率分布をもった多孔質体を形成することができる。

＜多孔質体の製造方法＞
図７は、多孔質体の製造方法を示すフローチャートである。図７に示すように、まず、クラッド部の所望の屈折率分布に対応したドーピング材料の噴出分布を持たせることができる、内側の供給配管が偏心した上記の多孔質体合成用バーナー５を配置する（ステップＳ１０１）。その後、多孔質体合成用バーナー５による、クラッド部に対応する多孔質体の堆積を行う（ステップＳ１０２）。これにより、ガラス化後に所望の屈折率分布をもつクラッド部を形成するもとになる多孔質体を合成することができる。

なお、多孔質体合成用バーナー５は、少なくとも原料ガス及びドーピング用ガスを供給する内側の供給配管を偏心すればよい。

また、ガラス原料としてＳｉＣｌ₄を用いた例を示したが、ガラス原料として例えばＳｉＨＣｌ₃、ＳｉＨＣｌ₂などを用いてもよいし、シロキサン等の有機材料を用いてもよい。また、可燃性ガスとしては、Ｈ₂以外にも例えば、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀などの短鎖炭化水素等を用いてもよい。

さらに、上記の実施の形態及び変形例１，２では、８つの供給配管１１～１８を多重管構成としたが、多重数は、これに限らない。

なお、上記の実施の形態及び変形例１，２では、同心円状の多重管構造のうちの内側の供給配管を多孔質体合成用バーナー５の中心軸Ｃに対して偏心させていたが、これに限らず、偏心する供給配管は、任意の位置、例えば多重管構造の外側であってもよい。例えば、ポートＰ２，Ｐ６などの水素ガスを供給する供給配管のみを偏心してもよい。水素ガスを供給する供給配管が偏心していると、多孔質体合成用バーナー５から供給されるガスの流速及び温度分布が変わり、その結果、フッ素などの多孔質体の密度分布が変わることによって、フッ素などのドーパントのドーピング量が変化しガラス化後のクラッド部の屈折率分布を変化させることができる。すなわち、少なくとも１以上の任意の位置の供給配管が偏心していればよい。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１多孔質体合成装置
２ターゲットロッド
３多孔質母材
４，５多孔質体合成用バーナー
１１，１１ａ，１２，１２ａ，１３供給配管
１１ｃ，１１ｄ分岐供給配管
２１ガス導入管
３０コア部
３１クラッド部
Ｃ中心軸
ＣＴ回転中心軸
Ｐ１～Ｐ８，Ｐ１ｃ，Ｐ１ｄポート

Claims

クラッド用多孔質体を形成するための多孔質体合成用バーナーであって、
円筒状の供給配管が中心軸まわりに多重配置され、少なくとも１つの供給配管の吐出開口が前記中心軸に対して、ターゲットロッドの回転中心軸方向に偏心しているとともに、
前記吐出開口が偏心した偏心供給配管以外の他の供給配管は、前記中心軸に対して同心円状に配置され、
前記偏心供給配管は、原料ガス及びドーピング用ガスを供給し、前記原料ガスには、ゲルマニウムを含まず、前記ドーピング用ガスには、フッ素を含むことを特徴とする多孔質体合成用バーナー。
前記偏心供給配管は、前記中心軸から、前記ターゲットロッドの回転中心軸方向であって前記ターゲットロッドの引き上げ方向に偏心していることを特徴とする請求項１に記載の多孔質体合成用バーナー。
前記偏心供給配管は、前記中心軸から径方向にシフトしていることを特徴とする請求項１に記載の多孔質体合成用バーナー。
前記偏心供給配管は、該供給配管の吐出側が前記中心軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の多孔質体合成用バーナー。
多孔質体を形成するための多孔質体合成用バーナーであって、
円筒状の供給配管が中心軸まわりに多重配置され、少なくとも１つの供給配管の吐出開口が前記中心軸に対して、ターゲットロッドの回転中心軸方向に偏心しているとともに、
前記吐出開口が偏心した偏心供給配管以外の他の供給配管は、前記中心軸に対して同心円状に配置され、
前記偏心供給配管は、該供給配管の吐出側が前記中心軸に対して傾斜していることを特徴とする多孔質体合成用バーナー。
前記偏心供給配管は、該偏心供給配管の吐出側で複数の分岐供給配管に分岐し、
各分岐供給配管は、前記中心軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の多孔質体合成用バーナー。
前記偏心供給配管は、原料ガス及びドーピング用ガスを供給することを特徴とする請求項２～６のいずれか一つに記載の多孔質体合成用バーナー。
円筒状の供給配管が中心軸まわりに多重配置され、少なくとも１つの供給配管の吐出開口が前記中心軸に対して、ターゲットロッドの回転中心軸方向に偏心し、前記吐出開口が偏心した偏心供給配管以外の他の供給配管が、前記中心軸に対して同心円状に配置された多孔質体合成用バーナーを用い、前記偏心供給配管は、原料ガス及びドーピング用ガスを供給し、前記原料ガスには、ゲルマニウムを含まず、フッ素を含む前記ドーピング用ガスの噴出の偏心によって、所望の屈折率分布をもつクラッド部を形成するもとになる多孔質体を合成することを特徴とする多孔質体の製造方法。