JPS5842136B2 - 光フアイバ母材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は不純物、残留水分気泡の混入並びに表面不整を
大幅に抑え、とくに残留水分をＱ、ｌｐｐｍ以下の水準
に抑えたガラス母材の製造方法に関する。

長距離の光伝送用ファイバはガラスの中に含まれる残留
水分が伝送損失に大きく影響するため脱水処理は一つの
重要な工程である。

このとき、一旦透明なガラスの状態となった後に脱水す
ることはむづかしいために微粒子ガラスの集合体又は多
孔質ガラス体（以下これをプリフォームと呼ぶ）をハロ
ゲンないしハロゲン化物を含み脱水作用を有するガスと
共にアルミナの炉心管に入れ加熱しながら脱水し、溶融
焼結する方法が行われた。

アルミナの炉心管は脱水作用を促進する１１００°Ｃお
よび溶融ガラス化する１６００°Ｃの温度に耐えること
が出来るので両工程を連続して処理出来るので製法が簡
単となる長所がある。

しかしアルミナは短時間で昇温又は降温すると破損する
ために、ここに要する時間が長くなることおよびアルミ
ナの中に含まれるアルカリ成分が高温で周囲に飛散し、
これがプリフォーム表面に付着し、クリストバライト層
を形成するという問題があった。

本発明はこれらの問題を解決し、不純物のない清浄な雰
囲気で且つ短時間で処理する方法を提供するもので、壁
面が石英ガラスからなる炉心管の中にハロゲンないしハ
ロゲン化物を含み脱水作用を有するガスを導入しながら
微粒子ガラスの集合体又は多孔質ガラス体を加熱し、次
いでハロゲンないしハロゲン化物の導入を中止し、炉心
管を分離しざらに昇温加熱して透明ガラス体を得ること
を特徴とする光フアイバ母材の製造方法である。

従来より不純物とくにＦｅなとの遷移金属を殆んど含有
しないシリカ系ガラス母材を製造する一つの方法として
は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂ、Ｐなどのハロゲン化物を酸水素炎
中で加水分解させ軸方向に沈積させることによりファイ
バ用ガラス母材を製造する方法、即ちＶＡＤ法が有効で
あるとされている。

ＶＡＤ法は、低損失で半径方向に任意の屈折率分布を有
し円周及び長さ方向に均一な組成を有し、安価な光伝送
用ファイバーを作るための素材を得ようとする場合に好
適な製造方法であり、次のようなプロセスによりガラス
母材を造る。

まず、回転する出発部材、例えばガラス板あるいはガラ
ス棒などの上に半径方向に中心からの距離に従って火炎
加水分解で生威し火炎中の空間で組成分布したガラス微
粒子を円柱軸力向に積層・させることにより円柱状のガ
ラス微粒子をつくり、これを焼結してファイバー製造用
素材とする。

この製法の利点としては原料収率がよく、またＯＨを除
き高純度であり、更に製造時間が他法に較べ半分以下で
あること、及び屈折率分布の制御が容易であり、また工
程数が非常に少ないことなどが指適され、このことから
大量生産すなわち工業的価値が非常に太きいと言える。

ところがＶＡＤ法は加水分解反応を利用することから未
反応の水分の一部がガラス中に３０〜７９ｐｐｍ程度残
存するのを避けることができない。

一力、近年、構造不完全性の吸収ロスが最も低い波長帯
である１、３μｍｌ近傍を光通信用の波長として利用す
る要求が高まっている。

しかしこの波長帯は光フアイバ中に残存するＯＨ基によ
る吸収損失が大きい領域であり、この波長帯を利用する
には光ファイバのＯＨ基残存量を０．３ｐｐＩＩＩ以下
に抑えることが必要である。

そこでＯＨ基を除去するため、従来、物理的又は化学的
な処理が施されている。

例えば物理的除去力法としては熱風乾燥や真空乾燥など
があり、また化学的除去力法としてはガラス母材となる
微粒子集合体中の水分をハロゲン化物のガスによりハロ
ゲン化水素と酸素に分解して除去する方法が知られてい
る。

但し、前者の物理的方法では残存するＯＨ量を０．１ｐ
−以下にすることは困難であり、また後者の化学的方法
では８００°Ｃ以上の高温下で処理してもＯＨ量は１晒
前後にしか抑えられず、０、１ ｐｐＩｎ台にすること
は出来ない。

しかも後者の方法はＨＦ、Ｃ１２，５ＯＣ１２などのガ
スを用いるため微粒子集合体をガラス化する際に条件に
よっては表面が凹凸状にエツチングし、これがファイバ
の界面不整によるロスを増加させる一因になっている。

また脱水作用を有する上記ハロゲンないしハロゲン化物
のガス濃度、希釈ガスの流量および温度条件によっては
微粒子集合体表面に亀裂を生じ、ファイバ母材として使
用できない場合もある。

更にはハロゲンガス雰囲気では炉心管などから微粒子中
に吸収ロスを増大する遷移金属やあるいは強度低下の要
因となるアルカリ金属ないしアルカリ土類金属などが不
純物として混入するという問題もある。

本発明はこのような技術背景において、ハロゲンないし
ハロゲン化物の脱水剤ガスを用いながらガラス母材の表
面不整を抑える一力でＯＨ基の除去効果を飛躍的に高め
、ＯＨ基の残存量をｏ、ｉｐｐｍ以下に抑えたものであ
る。

以下に本発明を実施例と共に詳細に説明する。

先ず、微粒子集合体中の水の挙動についてみると、よく
知られているように水の吸着には物理的吸着と化学的吸
着とがあり、更に化学的吸着には弱い結合状態のものと
強い結合状態のものとがある。

ここで物理的吸着や化学的に弱い結合の吸着は５００°
Ｃ〜６００℃以上の温度条件下で容易に除去できる。

またこの場合、脱水剤を使用すれば水分子の再吸着を防
ぐので除去効果は一層高まる。

但し加熱処理時間が短い場合には微粒子がガラス化した
場合に水分子が吸蔵されガラス母材中に気泡を生じたり
、溶存したりするので処理温度、時間、脱水剤の種類、
濃度について注意する必要がある。

−力、化学的に強い結合のＯＨ基は単なる加熱処理だけ
では除去できず、脱水剤によって微粒子表面を活性化さ
せ、ＯＨ基を例えばＨＣｌの形で分解し遊離させる必要
がある。

ここで一般的には脱水剤を使用する場合、処理温度が高
い程、また脱水剤の濃度が高い程、活性が大きいのでよ
いと云える。

ところが微粒子集合体については、次のような事情があ
るため上記処理温度や脱水剤濃度について最適領域が見
出されるのであり、この最適条件の把握が本発明の基本
である。

先ず温度条件について説明すると、微粒子集合体は１０
００℃付近から微粒子間の粒成長が著しく、これに起因
して熱収縮が始まり表面積が小さくなる結果脱水反応が
妨げられるようになる。

従ってＯＨ基の除去効果を最大限に高めるには粒成長が
脱水反応を妨げない温度範囲であって、かつ、脱水剤の
活性が出来る限り高いような最適温度にする必要がある
。

またその昇温速度も熱収縮との兼ね合いからその最適条
件を追求する必要がある。

勿論この温度条件は脱水剤の種類やその濃度にも関係す
る。

−例として５ＯＣ１２を脱水剤として用いる場合につい
てその昇温速度とそれに引き続く温度操作を説明する。

５ＯＣ１２は酸素、ヘリウムなどのキャリアガスに伴っ
て供給され、ＳＯ２とＣ１２のガスになって微粒子集合
体をこのガス雰囲気中に曝す。

ここで昇温速度と残存するＯＨ量との関係を追求すると
第１図の結果が得られる。

次に焼結開始後からガラス化するまでの間の各温度にお
ける残存ＯＨ量を調べると第２図の結果が得られる。

（第２図は２５℃の５ＯＣ１２を０２キヤリアー・ガス
で１１／分でバブリングして流しＨｅを１０１／分で流
して、かつ保持時間としてはｌｈｒの場合のデータであ
る。

）第２図のグラフは、約９５０°Ｃ〜１２５０°Ｃの温
度範囲でＯＨ基の除去効果が最も高いことを示しており
、この範囲が粒成長を進める過程での最も高い最適温度
範囲であることが解る。

そこで、この温度を一定時間、例えば少なくとも３０分
以上保持してＯＨ基を充分に除去した後にガラス化温度
まで昇温させれば、微粒子内部のＯＨ基は既に殆んど除
去されているので溶融してガラス化する際に気泡を吸蔵
するなどの問題を生じない。

因に上記温度範囲で保持時間を設けたものと設けないも
のとについてＯＨ基の残存量は次のように大幅に相違す
る。

保持時間 ３０分 ６０分 １２０分 １８０分残留
ＯＨ基 ３ ｐｌ）ＩＩＩ １ ｐｐｍ ０．６
ｐＩ）ｍ ０．２ ｐＩｌ［Ｉｌ（保持温度： １１
００°Ｃ） 次に脱水剤として作用するハロゲンガスないしハロケン
化物ガスの濃度について説明する。

前記５ＯＣ１２をＨｅガスと共に供給し、その流量とＯ
Ｈ残存量との関係を追求すると第３図の結果が得られる
。

この結果から、脱水剤の供給量は１００ ｅｃ／分程度
で限界に達することが解る。

これをＣ１２量に換算すると約ｌ〜１０モルφ程度にな
る。

また−力、前記脱水剤は高温下ではＯＨ基の他にガラス
そのものとも反応する。

例えばＣ１２ガスの場合、次の反応を生じ、５１０２と
の反応によりガラス表面を侵す。

ＳｉＯ２＋２Ｃ１２→５ｉＣ１４＋０２ ＯＨ＋百Ｃ１２→Ｈ（Ｊ’ ＋ １７２０２とくにＧｅ
、Ｂなどのドーパントを含む場合、その傾向が著しい。

またこの他に５ｉＣ１４と０２の再析出でクリストバラ
イト相を生ずる虞れもある。

このように温度が高くなるとガラス母材と脱水剤との反
応が激しくなって表面状態を損うことから表面不整を避
ける観点からは高温領域における脱水剤の量は極力少な
く抑えることが必要になる。

ここで、このガラス表面の腐食について前記５ＯＣ１２
を用いた場合の例を第１表および第２表に示す。

第１表から解るように１３５０’Ｃ以上になると脱水剤
によるガラス母材の表面腐食がみられ、また第２表から
解るように、１４５０’Ｃまでの温度領域ではｔｏｃｃ
／分の供給量でガラス母材の表面腐食がみられる。

以上のことから第１段昇温過程および約１２５０℃まで
の保持過程を通じて脱水剤の濃度を１〜ｌＯモルφ程度
にすることで好適なＯＨ除去効果を得ることができる。

−力、約１２５０’Ｃ以上の高温領域においてはガラス
母材表面の腐食を避けるため殆んど脱水剤を用いないで
済むようにそれ以前にＯＨ基の除去をほぼ終了させるこ
とができれば好都合である。

ここで前記温度操作によるＯＨ基の除去手段をふりかえ
ると、ＯＨ基は約９５００Ｃ〜１２５０°Ｃの湿度領域
で最も高いことから、この温度を一定時間保持しＯＨ基
の除去を大部分この段階で行っている。

従って高温領域において脱水剤を殆んど用いない程度に
することが可能であり上記ガラス母材表面腐食を避ける
条件に適する。

一方、ガラス母材のＯＨ基除去の他にＨｅなとの不活性
ガスや０２に随伴する水を除去することが必要であると
きは１２５０’Ｃ以上の温度領域でも２容量饅以下の脱
水剤が供給される。

またガラス母材製造の基本原理はＶＡＤ法に限らず、外
煤付法、分相法、その他車発明の熱処理ないし脱水剤濃
度の操作が可能な他の製造原理による場合も適用される
。

以上、本発明において、処理時間の経過に従って調整す
る温度条件と脱水剤濃度条件の概略的な変化を第４図に
まとめて示す。

次に本発明をより具体的に説明する。

第５図は本発明の実施例で用いる装置構成の概略を示す
説明図でプリフォーム２を先端に保持した出発部材１が
必要に応じて軸力向に移動又は回動転することが出来る
ように炉心管３に取付けられ、又炉心管は中央部で３−
１と３−２に分割され側壁で接触しなから摺動可能に配
設されている。

炉心管３は石英ガラスで形成され、摺動部により外部と
の気密が保持されてる。

プリフォーム２が加熱炉６に比べて小さい場合は固定し
て配置するが、比較的大きい場合は軸力向に動かしなが
ら且つ軸を中心に回転させながら均一に加熱する。

最初第５図ａの如く炉心管３−１と３−２は中央部で重
なり一体となっており、流入管４−１を通してバブラー
７に貯溜するハロゲン化物例えば、５Ｏ２Ｃ１２，５Ｏ
Ｃ１２又はＣＣｌ４を液温２５°Ｃの温度でハロゲン化
物と反応して塩素を発生させる酸素を用いてバブリング
し、さら蚤ここれらのガス濃度を希釈するための不活性
ガス例えばＨｅ、Ａｒ又はＮ２ガスと混合して流入し、
排気管４−２を通じて排気する。

加熱炉６が炭素からなるときは高温で空気中の酸素と反
応し焼失するのを防ぐため不活性ガス例えばＨｅ、Ａｒ
又はＮ２ガス５−１．５−２を通じて流す。

この状態で約１１００’Ｃに加熱しプリフォーム２は十
分に脱水作用が促進される。

次に第５図すの如く管４−１と４−２を閉鎖し炉心管３
−１と３−２を開き加熱温度は約１６００℃に昇温する
。

ここで脱水された空隙の有するプリフォーム２は溶融し
透明なガラス体が得られる。

第５図すの状態では管５−１から流入するガスがプリフ
ォーム２を通るため溶融したガラスの中へも透過性のよ
いＨｅガスを用いた方が熱効率がよくなる。

炉心管３に石英ガラスを用いた理由は加熱炉を急速に昇
降温しても破損することがなく、且つ高温でも不要又は
有害なガスを発生することがなくプリフォームが高純度
に保持することが出来る。

又炉心管を３−１．３−２に分離したのは高温に加熱し
たとき、破損することを防ぐことを目的としたものであ
る。

実施例 第５図ａに示すように柱状のシリカ系微粒子集合体（６
０ｉｍφｘ３００ｍｍｌ）２を加熱炉６内に占位する石
英ガラス炉心管３の中に入れ、２〜３ｒｐｍの速度で回
転しながら同時に下刃に移動しながら加熱した。

管５−１からはＮ２ガスを流入し、−カバブラー７に貯
溜する５ＯＣ１２を液温２５°Ｃで０２ガス二〇。

５１／分を用いてバブリングし、Ｈｅガス：１０１／分
に混合する。

この脱水剤ガスを加熱炉６の温度が８００℃に達した段
階で供給管４−１を通じて炉心管内に流し込み排気管４
−２を通じて排気しながら１５分後にｉ ｉｏｏ℃まで
昇温し１１００℃で１時間保持した。

次に第５図すに示す如く管４−１からの供給を止め、−
３管５−１からのＮ２ガスをＨｅガスに切替え炉心管３
を開いて１５分後に１５５０℃まで昇温し、１時間保持
した。

その後１時間で常温まで降温して得られたガラス母材は
均一な透明体でＯＨ残存量はｏ、ｏｓｐｐｍであった。

この実施例では所要時間は３時間であった。

次に本発明の効果を明確にするため従来の実施例を比較
して示す。

第６図に示すように粒状のシリカ系微粒子集合体（６０
ｉｍφ×３００ｍｒＩＬｌ）２を加熱炉６内に占位する
アルミナマツフルチューブ３０の中に入れ２〜３ ｒｐ
ｍの速度で回転しながら同時に下方へ移動しながら加熱
する。

一方、図示してないバブラーに貯溜する５ＯＣ１２を液
温２５℃で０２ガス： ０．５１！／分を用いてバブリ
ングし、Ｈｅガス：ｌＯｌ／分に混合する。

この脱水剤を加熱炉６の温度がｓｏｏ’ｃに達した段階
で供給管４−１を通じて炉内に流し込み排気管４−２を
通じて排気しながら９０分後１１００’Ｃまで昇温し、
１時間保持する。

次に５ＯＣ１２１０２の供給を止めＨｅガスだけを供給
し、１２０分後に１５５０°Ｃまで昇温し、３０分間加
熱した。

その後４時間を費して常温まで降温して得られたガラス
母材のＯＨ残存量は０．０５活であったが表面に白色の
クリストバライト層が生成していた。

この実施例の所要時間は９時間であったが、時間短縮を
目的に昇温時間を短くしたところマツフルチューブがサ
ーマルショックのために破損して短縮することが出来な
かった。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はＯＨ除去効果を示すグラフであり
、第１図は昇温速度とＯＨ残存量との関係を示す、第２
図は温度変化とＯＨ残存量との関係を示す、第３図は脱
水剤供給量とＯＨ残存量との関係を示す。 第４図は温度操作と脱水剤濃度の時間的変化の傾向を示
す概略図、第５図は本発明の実施例で用いる装置構成の
概略を示す説明図。 第６図は従来の実施例で用いる装置構成の概略を示す説
明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 壁面が石英ガラスからなる炉心管の中にハロゲンな
   いしハロゲン化物を含み脱水作用を有するガスを導入し
   ながら微粒子ガラスの集合体又は多孔質ガラス体を加熱
   し、次いでハロゲンないジハロゲン化物の導入を減少若
   しくは中止し、炉心管を分離しざらに昇温加熱して透明
   ガラス体を得ることを特徴とする光フアイバ母材の製造
   方法。 ２ 微粒子ガラスの集合体又は多孔質ガラス体を出発部
   材の軸を中心に回転し、軸方向に移動しながら加熱する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光フア
   イバ母材の製造方法。