JP4479189B2

JP4479189B2 - ガラス体の製造方法、光ファイバ母材の製造方法、及び光ファイバの製造方法

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Publication number: JP4479189B2
Application number: JP2003297806A
Authority: JP
Inventors: 正晃平野; 隆佐々木; 正志大西
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
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Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2023-08-21
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Description

本発明は耐熱性誘電物質の加熱装置及び前記装置を用いて行う耐熱性誘電物質の製造方法に関する。
また、本発明はガラス体の熱加工、熱処理を行うガラス体加熱装置、前記装置を用いて行うガラス体の製造方法、前記装置を用いておこなう光ファイバ母材製造方法、光ファイバ母材及び光ファイバに関する。

光ファイバ母材及び光ファイバの製造においては、ガラス体を加熱して加工したり処理する工程が多々あり、例えばＭＣＶＤ法によるパイプ内へのガラス膜堆積工程、パイプの縮径工程、バーナの膨張工程、コラップス工程、ガラス体同士の接続工程、ガラス体の加熱切断工程、ガラス体の延伸工程、火炎研磨工程、線引き工程等々が挙げられる。
ガラス体加熱加工手段としては、従来、水素（Ｈ₂）ガス、アセチレンガス、プロパンガスといった可燃性ガスを酸素ガス（Ｏ₂）や空気等の支燃性ガスにより燃焼させるバーナが一般的に用いられていた。このようなＨ₂又は炭化水素系化合物を燃焼させるバーナを用いて加熱加工すると、ガラス体表面からＨ（Ｈ）やＯＨ基等が侵入拡散し、これにより光ファイバの伝送損失が増加したり、光ファイバ強度が劣化するという問題があった。特にパイプ内に石英ガラスの原料ガスを少なくとも流し、外部熱源により加熱して、パイプ内にガラス体を堆積するＭＣＶＤ法では、ガラス表面を２０００℃以上の高温に加熱し、複数回トラバースして加熱するため加熱時間も長くなり、ガラス表面で反応生成したＯＨ基や、混入したＨ₂、Ｈ、Ｈ₂Ｏ、金属等不純物がガラス中に拡散し、より深く堆積させたコア中にまで拡散してしまう可能性が指摘されている（例えば、非特許文献１参照）。

前記の問題を解消するために、プラズマバーナによるガラス加工が提案されている（例えば特許文献１等参照）。プラズマバーナは、プラズマ火炎の原料として供給するガス、例えばＯ₂、Ｎ₂、Ｈｅ、Ａｒ、空気等を精製して、ガス中に実質的にＨ₂、Ｈ₂Ｏや炭化水素等Ｈ（元素）含有ガスを含まないようにできるので、火炎からのＨやＯＨ基の拡散侵入は低減できる。図１２はプラズマバーナを模式的に示す説明図であり、電源には数キロ〜数メガＨｚの高周波を用い、プラズマバーナ３内にも少なくともプラズマ火炎形成用ガス１を流し、必要に応じてプラズマバーナ３を保護するためのシールガス（プラズマ火炎形成用ガスとは同一でなくてもよい）を流してもよい。また、プラズマバーナ３を冷却媒体により冷却しても良い。プラズマバーナは石英ガラスで作製されるのが一般的である。なお、４はコイル（この例ではＲＦコイル）、７はプラズマ火炎、１１はプラズマ火炎形成用ガス導入手段を示す。
例えば、プラズマバーナを用いたＭＣＶＤ法によるガラス体の加工方法（例えば特許文献２参照）、プラズマバーナによりガラス体を加熱して不純物を除去する方法（例えば特許文献３参照）、プラズマバーナによるガラス体の延伸方法（例えば特許文献４参照）、プラズマバーナを用いたガラス体の接続方法（例えば特許文献４及び５参照）、プラズマバーナを用いたプリフォームの線引き方法（例えば特許文献６参照）、プラズマバーナを用いたロッドインコラプス法（例えば特許文献７参照）等が提案されている。

ジー．エイ．トーマス他（G.A.Thomas et,al) 著，「光ファイバの透明度極限に向かって(Towards the clarity limit in optical fibre)」，ネイチャー (Nature) ，第４０４巻、２０００年３月、第２６２〜２６４頁米国特許明細書第５０００７７１号特開平７−２０６４６２号公報特開平１１−２５５３０号公報特開２００１−０１９４５９号公報特開２０００−０２６１３２号公報特開平１０−０９５６３０号公報特許第３０５６９６３号

前記のようにプラズマ火炎中の水分濃度は確かに極めて低くすることができるが、それでもプラズマバーナで加熱加工処理した場合に、ＯＨ基やＨ（元素）のガラス中への拡散侵入が完全になくなっていたわけではなかった。本発明はこのような現状に鑑み、プラズマ火炎を用いて従来より更にＨやＯＨ基の拡散侵入量を低減できるガラス体を加熱加工する装置、従来よりＨやＯＨ基含有量を低減して光ファイバ母材を製造する方法、ＨやＯＨ基含有量が低く、伝送特性及び強度に優れる光ファイバ母材及び光ファイバを課題とするものである。
また、本発明は耐熱性誘電物質をＨやＯＨ基の拡散侵入を低減して熱処理できる耐熱性誘電物質加熱装置及びこれを用いた耐熱性誘電物質の製造方法を課題とするものである。

本発明は下記（１）〜（１３）により、前記課題を解決する。
（１）プラズマ火炎形成用ガスの導入手段が接続されたプラズマバーナ、及び水素分子及び水素原子含有化合物を実質的に含まない第二のガスを導入する第二ガス導入手段を有し、前記第二のガスを被加熱体に向けて吹き出す加熱装置を熱源として用い、水素分子及び水素原子含有化合物を実質的に含まない第一のガスをプラズマ火炎形成用ガスとし、前記第二のガスを前記プラズマ火炎による前記ガラス体の被加熱部に向けて吹き出しながら前記ガラス体を加熱する工程を有するガラス体の製造方法であって、前記第二のガスを吹き出したとき該第二のガスが当接する部分での被加熱体の表面温度が、前記第二のガスを吹き出さない状態では６００℃以上であるように加熱し、前記第二のガスを吹き出した状態では６００℃以下となるように吹き付けることを特徴とするガラス体の製造方法。
（２）前記第二のガスを前記プラズマ火炎噴出部近傍から吹き出すようにしたことを特徴とする前記（１）記載のガラス体の製造方法。
（３）前記プラズマ火炎のプラズマ流方向と、前記第二のガスのガス流方向が実質的に平行であることを特徴とする前記（１）又は（２）記載のガラス体の製造方法。
（４）前記第二のガスが前記プラズマ火炎の外周を覆うように吹き出すことを特徴とする前記（１）ないし（３）のいずれかに記載のガラス体の製造方法。
（５）前記第二のガスの吹き出し部とは前記ガラス体をはさんで対向する位置に前記第二のガスを覆うカバーが設けられていることを特徴とする前記（１）ないし（４）のいずれかに記載のガラス体の製造方法。
（６）前記プラズマバーナと前記第二ガス導入手段が前記ガラス体と相対的に運動自在に設けられてなることを特徴とする前記（１）ないし（５）のいずれかに記載のガラス体の加熱装置。

（７）プラズマ火炎形成用ガスの導入手段が接続されたプラズマバーナ、及び水素分子及び水素原子含有化合物を実質的に含まない第二のガスを導入する第二ガス導入手段を有し、前記第二のガスを被加熱体に向けて吹き出す加熱装置を熱源として用い、水素分子及び水素原子含有化合物を実質的に含まない第一のガスをプラズマ火炎形成用ガスとし、前記第二のガスを前記プラズマ火炎による前記ガラス体の被加熱部に向けて吹き出しながら、前記加熱装置を前記ガラス体に対し相対的に移動させながら前記ガラス体を加熱処理する工程を有する光ファイバ母材の製造方法であって、前記第二のガスを吹き出したとき該第二のガスが当接する部分での被加熱体の表面温度が、前記第二のガスを吹き出さない状態では６００℃以上であるように加熱し、前記第二のガスを吹き出した状態では６００℃以下となるように吹き付けることを特徴とする光ファイバ用母材の製造方法。
（８）前記第一のガスが形成するプラズマ火炎のプラズマ流方向と、前記第二のガスのガス流方向が実質的に平行であることを特徴とする前記（７）記載の光ファイバ母材の製造方法。
（９）前記第一のガス及び前記第二のガス中の、水素分子及び水素原子含有化合物の合計濃度が各々１容量％以下であることを特徴とする前記（７）又は（８）記載の光ファイバ母材の製造方法。
（１０）前記第二のガスの流量条件、前記第二のガスを吹き出す位置条件、前記第二のガスの吹き出し部の断面形状条件及び前記第二のガスの吹き出し角度条件のいずれか１の条件又はいずれか２以上の条件の組み合わせを変更することにより制御しつつ加熱処理することを特徴とする前記（７）ないし（９）のいずれかに記載の光ファイバ母材の製造方法。
（１１）前記ガラス体が石英ガラスを主成分とするガラスパイプであり、前記加熱処理する工程が、前記ガラスパイプ内に光ファイバのコア及び／又はクラッドを構成するための原料ガスを少なくとも含有するガスを導入しながら、前記ガラスパイプを外部から前記熱源により加熱し、前記ガラスパイプの長手方向に１回又は複数回、相対的に移動させることにより、前記ガラスパイプ内周部にガラス膜を堆積する工程であることを特徴とする前記（７）ないし（１０）のいずれかに記載の光ファイバ母材の製造方法。
（１２）前記ガラス体が石英ガラスを主成分とするガラスパイプであり、前記加熱処理する工程が、前記ガラスパイプ内に光ファイバのコア又はクラッドを構成するための原料ガスを少なくとも含有するガスを導入しながら、前記ガラスパイプを外部から前記熱源により加熱し、前記ガラスパイプの長手方向に１回又は複数回、相対的に移動させることにより、前記ガラスパイプ内周部にガラス膜を堆積し、次いで前記ガラス膜を堆積させたガラスパイプを外部から前記熱源を長手方向の一方向に相対的に移動させることにより加熱して中実化する工程であることを特徴とする前記（７）ないし（１１）のいずれかに記載の光ファイバ母材の製造方法。
（１３）前記（７）ないし（１２）のいずれかに記載の方法により製造された光ファイバ母材を線引することを特徴とする光ファイバの製造方法。

本発明によれば、水素分子（Ｈ_２）及び水素原子（Ｈ）含有化合物を実質的に含まない原料ガスから形成されたプラズマ火炎によって加熱された耐熱性誘電物質、例えば石英ガラス、シリコーンカーバイド、ボロンナイトライド等の被加熱物（被加熱体）に向かい、特にプラズマ火炎の近傍から水素分子（Ｈ_２）及び水素原子（Ｈ）含有化合物を実質的に含まない第二のガスを吹き出すので、この第二のガスがプラズマ火炎を外部雰囲気からシールする作用、及び被加熱部を冷却する作用をして、被加熱体へのＨやＯＨ基の侵入を防止できる。ここで本発明における水素原子含有化合物とは、分子中に水素原子（Ｈ）を有する化合物であり、例えば水（Ｈ_２Ｏ）、アルコールやケトン、アルコシド等の有機化合物等が挙げられる。また以下において、「水素分子及び水素原子含有化合物」を単に「水素含有化合物」と総称する場合もある。また、前記第二のガスをプラズマ火炎のプラズマ流とほぼ平行に流すことにより、プラズマ火炎流を安定させる作用をもたらし、被加熱体を安定して加熱できる。第二のガスを吹き付ける位置（プラズマ火炎中心からの距離）、第二のガスの流れに垂直な面での断面積広さ（第二のガスの吹き出し部の面積）、第二のガスの吹き出し部の角度、ガス流量等の条件を変更することにより、被加熱体の温度分布形状を変化させることができる。これにより、被加熱体及び加熱加工工程の要求するところに対応した加熱条件を実現できる。本発明により表面から深さ１００μｍまでの部分でのＯＨ基濃度平均値が２０重量ｐｐｍ以下という低ＯＨ基濃度の光ファイバ母材を実現できる。本発明により、波長１．３８μｍにおけるＯＨ基の光吸収による伝送損失の増分が０．３ｄＢ／ｋｍ以下、好ましくは０．１ｄＢ／ｋｍ以上か、更に好ましくは０．０５ｄＢ／ｋｍ以下という光ファイバを実現できる。

従来の水素含有化合物等を含まないプラズマ形成用ガスを用いたプラズマバーナによる加熱でもＯＨ基等の混入が見られた理由について本発明者らは検討を重ね、図１１のようにプラズマ火炎による加熱は火炎当接部９の周辺部も高温になってしまうため、周囲雰囲気中のＨ₂Ｏ、Ｈ含有化合物、加えて金属不純物等が被加熱体中に取り込まれてしまうとの知見を得、プラズマ火炎及び被加熱体の火炎当接部近傍における周辺雰囲気からの遮断方法を見いだし、本発明に到達した。

発明の加熱装置及びこれを用いた加熱方法を図を参照して説明する。図１は本発明の装置及び方法を模式的に説明する概略図であり、図１１と共通する符号は図１１と同じ部分を意味する。プラズマ火炎形成用ガス１をプラズマ火炎形成用ガス導入手段１１から導入し、電源５及びコイル４により高周波を印加して該プラズマ火炎形成用ガス１を電離させ、プラズマバーナ３の噴出部６からプラズマ火炎７を噴出する点については、図１１の従来の装置及び方法と同様である。図示していないが、以下に説明する本発明の加熱装置において、図１２に示したシールガス、冷却媒体は必要に応じて設ける。
本発明においては、プラズマ火炎形成用ガス１として水素含有化合物を実質的に含まないガスを導入し、水素含有化合物を実質的に含まない第二のガス２を第二ガス導入手段１２から導入し、吹き出し部１３から被加熱体８のプラズマ火炎７により加熱されている部分（被加熱部という）及びその近傍に向けて吹き出すようにする。第二ガス導入手段１２はプラズマバーナと一体となっていても、別に設けられていてもよい。この第二のガスが前記のように乾燥している（水素含有化合物を含まない）ことは本発明の趣旨から、言うまでもない。

このように乾燥した第二のガスを被加熱部に向かい吹き出すので、火炎当接部９及びその近傍の高温に加熱された部分（被加熱部）の表面をパージできるとともに、プラズマ流（火炎）７及び被加熱体８を外部雰囲気から遮断して第二のガス２の雰囲気にのみ接するようにし、周囲雰囲気からの水分、金属その他の不純物の被加熱体８への侵入を防止できる。乾燥した第二のガス２の吹き付けにより、被加熱部８の温度を下げることが可能となり被加熱体８表面での好ましくない反応の進行や、不純物の混合、生成反応物や不純物の被加熱体中への拡散速度を低下させ、また第二のガス２の吹きつけのない場合よりも加熱範囲１０を狭くできて、被加熱体８の周囲雰囲気に晒され汚染される可能性のある面積を小さくできる。被加熱体８としては例えば光ファイバ母材等のガラス体やセラッミックス、シリコンカーバイド、ボロンナイトライド等の耐熱性誘電物質が挙げられる。

また、本発明の加熱装置及び加熱方法における特に好ましい実施の形態として、前記第二のガスをプラズマ火炎の噴出部近傍から被加熱部に向けて吹き出すことが挙げられる。

本発明に用いるプラズマ形成ガスとしてはこの種分野で公知のプラズマ火炎形成用ガスを用いることができる。例えば、Ｏ_２、Ｎ_２、Ｈｅ、Ａｒ、Ａｉｒ（空気）等であり、前記第二のガスと同様に、水素分子及び水素原子含有化合物を実質的に含まないものを用いる。プラズマ形成ガス中の水素分子及び水素原子含有化合物の合計濃度は１容量％以下であることが好ましく、更に好ましくは０．０１容量％以下、格別好ましくは０．００１容量％以下である。プラズマを発生させる方式としては例えば図１に示す交流プラズマの他、直流プラズマ、マイクロ波プラズマ等のいずれでもよいが、光ファイバ母材等を高温で加工処理する熱源として用いる点では、プラズマ火炎が電源に触れないため不純物の発生が極めて小さく、高温に加熱できる交流プラズマが好ましい。

本発明の水素含有化合物を実質的に含まない第二ガスとしては、例えＮ_２、Ｈｅ、Ａｒ等を用いることができる。前記第二のガス中の水素分子及び水素原子含有化合物の合計濃度は１容量％以下であることが好ましく、更に好ましくは０．０１容量％以下、格別好ましくは０．００１％以下である。従って、本発明におけるプラズマ火炎形成用ガス及び第二のガスは、それぞれの水素含有化合物濃度が１容量％以下であることが好ましい。なおガス中の水素分子及び／又は水素原子含有化合物の濃度は、ＦＴ−ＩＲ等の分析手段や、水のバーナは一般的な露点計により測定できる。

本発明において、プラズマ火炎のプラズマ流の方向（プラズマ粒子自体はいろんな方向に動く可能性があるが、プラズマ火炎全体としては流れの向きがあると考えられ、具体的にはプラズマ火炎の噴出部から被加熱部に向かう方向）と、第二のガスのガス流が実質的に平行に流れることが望ましい。ここで実質的に平行とは、両者の流れが完全に平行な場合を０°とするとき、両者の流れが０〜４５°であることを意味し、好ましくは０〜４５°、更に好ましくは０〜３０°である。第二のガスをプラズマ火炎に実質的に平行に流すことにより、流速の遅いプラズマ火炎を乱さずに、被加熱体を清浄で乾燥したガスでパージすることができる。図１においては第二のガス２がプラズマ火炎７のプラズマ流と同じ方向に平行（０°）に流される状態を示す。勿論、第二のガス２はプラズマ火炎７のプラズマ流と逆方向で平行に流すこともできる。

図２(a) は、図１のＡ−Ａ′面を俯瞰した図であり、プラズマ火炎７の噴出部６の外周の全周から第二のガス２が吹き出すように構成されていることを示す。また、図２(b) 〜(e) に、本発明における第二のガス２の吹き出し方の種々の形態を、図１の場合と同様に示すが、図２(b) 〜(e) では被加熱体８の図示は省略した。図２において(b) はプラズマ火炎７（及び噴出部６）の全周ではなく部分周でプラズマ火炎７を中心として対称の位置４カ所から幅広に第二のガス２を吹き出す構成、(c) はプラズマ火炎７の外周上で対称となる位置２カ所から幅広に第二のガス２を吹き出す構成、(d) は(c) より第二のガス流の断面積が小さくなるようにした構成、(e) はプラズマ火炎７（及び噴出部６）の全周囲にスポット状に多数の第二ガス吹き出し部１３を設けた構成を示す。

本発明に係る前記第二のガスは被加熱部に向かい吹き出すのみではなく、プラズマ火炎の外周を覆うように供給されることが望ましい。これにより、プラズマ火炎中に、水分を多く含んだ大気（典型的には１〜３容量％の水分を含む大気）が巻き込まれ、ＯＨ基が混入することを防止できるからである。例えば、図２の（ａ）のようにプラズマ火炎７の噴出部６の外周の全周から第二のガス２を吹き出すようにした装置及びこの装置を用いて加熱する方法が挙げられる。また同図（ｂ）〜（ｅ）のように全周ではなくその一部から吹き出す場合でも、流量条件や吹き出す角度を調整することにより、プラズマ火炎７の全体を第二のガス２が覆うように供給することは可能である。

図１、図２では第二のガスをプラズマ火炎にごく近接して吹き出す構成を示したが、本発明においては第二のガスを、図１，２の例より遠い位置から第二のガスを吹き出すこともできる。例えば図３に示す本発明の一実施形態においては、第二のガス２は第二ガス導入手段１２を有する第二のガスの吹き出し部１３が被加熱体８の外周から被加熱部の中心軸に向かい第二のガス２を吹き出すように構成されている。

本発明においては第二のガスを被加熱部に吹き付けるだけではなく、加熱部や被加熱体、又は本発明に係る加熱装置全体をカバーで覆い、このカバー内に水素含有化合物ガスを実質的に含まない清浄な第三のガスを導入するようにしてもよい。
図４に加熱装置全体及び被加熱体の一部を覆うようにしたカバーつき装置の一例を示す。図４において図１〜３と共通する符号は同じを意味する。カバー１５内にはガス導入口１６から前記第三のガスを導入し、排気口１７から排気する。第三のガスとしては第二のガスとして例示したようなガスが挙げられ、清浄で水素含有化合物を実質的に含まないガスが好ましい。

ところで、図４の装置において第二のガスを導入せずに第三のガスを導入してカバー１５内の雰囲気、すなわちプラズマ火炎７や被加熱体８の周辺雰囲気全体を第三のガス雰囲気とすることが考えられ、この手法も被加熱体８やプラズマ火炎７と水素含有化合物その他不純物との接触を回避できる点である程度有効であるが、例えば被加熱体８がガラス体等の場合では、加熱により被加熱体８が膨張すると、被加熱体８と貫通穴１８の間隙がなくなり被加熱体を貫通させることができなくなり、反対に加熱加工して被加熱体を縮径すると間隙１８が大きくなりすぎて密閉度が低下し、大気等の混入が起きるという問題が生じる。またカバー１５までも被加熱体と相対的に運動自在とすることも装置コストがかかる。このような貫通孔１８を設けずに本発明の加熱装置及び被加熱体の両方を全体に覆うカバーとすると、全容積が大きくなり、カバー内のパージが困難となる。また、発生する熱がカバー内部に籠もり、その熱処理のための冷却水循環機構等が必要となる可能性が高い。

そこで、図４のような全体を覆うカバー１５ではなく、図５に示すように、部分的にカバーを設けることが本発明の好ましい実施の形態として挙げられる。すなわち、プラズマ火炎７のプラズマ流の方向と、第二のガスのガス流の方向が実質的に同方向である場合、被加熱体８を挟んでプラズマ火炎７の噴出部６とは対向する位置に、プラズマ火炎７及び吹き出される第二のガス２を覆うような部分的なカバー１４を設ける。こうすることで、第二のガス２が吹きつけられている面の反対側の雰囲気中の不純物の濃度も低減することができるため、被加熱体８へのＯＨ基、Ｈ（水素）、金属といった不純物混入の防止効果がより高まる。なお図５中、図１〜４と共通する符号は同じを意味する。カバー１４及びカバー１５の材質としては、耐火、耐熱性のものが好ましく、例えば不透明石英、カーボン、ボロンナイトライド、アルミナなどが挙げられる。高温に加熱されるカバー１４、カバー１５からの不純物の発生を抑制するためにも、カバー材質は高純度の不透明石英が望ましい。

本発明の加熱装置におけるプラズマバーナ及び第二ガス導入手段は、被加熱体に対し相対的に運動自在に設けることが好ましい。光ファイバ母材等の製造工程では、加熱装置が被加熱体（ガラス体）の長手方向に、相対的に運動自在に設置されていることが望ましい。第二のガスを吹き出す手段も、バーナ部分と同様に、被加熱体に対し相対的に運動自在とすることが望ましい。これにより、ガラス体の加工、熱処理、加熱条件の調整を容易に実施できるからである。相対的にとは、図６（ａ）に示すように加熱装置（３〜５，１１及び１２）が移動してもよいし、同図（ｂ）に示すように被加熱体８が移動してもよいことを意味する。また、ガラス体は回転自在であることが望ましい。この運動自在性の点でも図４に示したタイプのカバー１５より、図５に示した部分的なカバー１４が好ましい。なお、図６中、図１〜５と共通する符号は同じを意味する。

前述したように本発明に係る被加熱体としてはプラズマ火炎で加熱し得る耐熱性誘電物質であればいずれであってもよいが、本発明の装置及び方法は特にガラス体の加熱装置及び加熱方法、ガラス体製造方法に適用して有利である。第二のガスを吹き出すことにより、第二のガスが当接する部分において被加熱体の表面温度が低下するが、ガラス体の場合、第二ガスが当接する部分が、図７（ａ）に示すように、第二のガスを吹きつけない状態では６００℃以上に加熱されるように加熱することが好ましい。また、第二のガスを吹き出し（吹きつけ）た状態では、図７（ｂ）に示すように該第二のガスの当接する部分の被加熱体８（ガラス体）の表面温度が６００℃以下に冷却されていることが望ましい。図７中、図１〜６と共通する符号は同じを意味する。

ガラスと水は６００℃以上で反応し、水酸基（−ＯＨ）となってしまう。そのため、水素含有化合物を実質的に含まないガスを６００℃以上となっている領域に吹き付け冷却することにより温度を低下させ、前記反応を抑制することが可能となる。特に吹きつけられている領域の温度が６００℃以下であれば水酸基になる反応を大幅に抑制することが可能となる。高温状態ではガラス表面と水素含有化合物、水その他不純物との反応速度、ガラス中への前記水素含有化合物の拡散速度が速くなるが、清浄で乾燥したガスを吹き出し、この第二のガスが当たった部分を６００℃以下という低温に冷却することにより、前記反応速度や拡散速度の速い領域の断面積を大幅に低減することができるため、前記水素化合物等による汚染を防止できる。また、前記水素化合物等がガラス表面から径方向に侵入する深さを小さくでき、その濃度も小さくできる。特に光ファイバ母材、光ファイバ用途のガラス体に本発明を適用すると、伝送損失増を低減できるので、非常な利点となる。

本発明において第二のガスの流量、被加熱体に吹き付ける位置、吹き出し部の断面形状、吹き出し角度といった条件のいずれか、またはこれらの２以上を任意に組み合わせた条件を変更することにより、被加熱体の温度分布形状を、ある程度目的とした形状とすることができる。例えばパイプ状の被加熱体の内表面の気相エッチングなど、被加熱体自体の変形を抑制したい場合には、高温部（加熱範囲）は狭い方が良い。一方、例えばパイプ状被加熱体の縮径のように、大きく変形させたい場合には、加熱範囲は広い方が良い。ＭＣＶＤ法やコラプス法などでは、加熱範囲が広すぎても、狭すぎても良好な光ファイバ母材が得られないため、適当なサイズの範囲が存在する。本発明はこのような工程を、温度分布形状を変更することにより、本発明の加熱装置という一つの熱源で実施することができる。

例えば、図８(a) 及び(b) 〔図２(a) と同様に示す〕のような構成の本発明加熱装置が挙げられる。図８(a) の例では、第二のガス２はプラズマ火炎７の全周から、またプラズマ火炎７に非常に近接して吹き出すように構成されている。第二のガスの供給配管途上に流量制御装置（本例ではＭＦＣ：マスフローコントローラ）を設けてあり、第二のガス２の供給流量を制御することにより、被加熱体（ガラスパイプ）８の冷却効率を変化させ、また被加熱体の温度分布形状を変化させる。
図８(b) の例では第二のガス２をプラズマ火炎７の全周ではなく外周の一部から、図８(a) の場合より離れた位置から吹き出すが、吹き出しの幅、吹き出している部分の断面積は図８(a) の場合よりも大きい。また供給流量はＭＦＣにより変更できる。
具体的には、第二ガスの吹き出し部にシャッターを設け、吹き出し部断面積や吹き出し角度を変化させることができる。
このように本発明は第二のガスを吹き出す位置、吹き出し部分の断面形状、吹き出し角度、供給流量等を変更することにより、被加熱体の加熱範囲、温度分布形状を自在に変更できるので、加熱を用いる種々の工程に広く応用できる。従って本発明は、被加熱体に対しその加熱を伴う各工程毎に種々の加熱範囲や温度分布形成が要求されるような製造工程に適用して、非常に有効である。このような製造工程として、例えば光ファイバ母材、光ファイバの製造工程が挙げられる。

光ファイバ母材又は光ファイバを製造する工程の一部工程において、本発明の加熱装置を用い、水素含有化合物を実質的に含まないプラズマ形成ガス火炎を熱源とし水素含有化合物を実質的に含まない第二のガスを被加熱部に向け吹き出しながら、被加熱体（ガラス体）と相対的に移動させながら加熱することにより、すでに説明した本発明の作用効果を得て、ＯＨ基、金属など不純物の混入の少ない光ファイバ母材、光ファイバを得ることができる。ここで被加熱体のガラス材はガラスロッド、ガラスパイプ、内部にガラス層（ガラス微粒子堆積層を含む）を堆積されたガラスパイプ、ガラスパイプ内にガラスロッドを挿入した状態のもの等のいずれでもよい。またガラス体のガラス材質は特に限定されるところはなく、例えば実質的な純石英、Ｆ（フッ素）添加石英、Ｃｌ（塩素）添加石英、ＧｅＯ_２添加石英、その他ＳｉＯ_２にＢ、Ｐ、Ａｌその他の金属元素、Ｅｒ等希土類元素等種々の添加剤を添加されたガラスが挙げられる。また、ガラスロッドやガラスパイプが径方向に屈折率分布や添加物の濃度分布、添加物の種類の分布を有する持つものであってもよい。

本発明の方法は例えば、ＭＣＶＤ法に適用して非常に有利である。本発明に従うＭＣＶＤ法の一実施形態を図９に模式的に示す。図９中、図１〜８と共通する符号は同じを意味する。被加熱体８である出発材のガラスパイプ（以下、ガラスパイプ８という）内にＳｉＣｌ_４やＧｅＣｌ_４、ＳｉＦ_４などのガラス原料にＯ_２、Ｈｅ等を添加した混合ガスなどを供給しながら、ガラスパイプ８の外表面温度を本発明の加熱装置のプラズマ火炎７により１７００℃〜２３００℃（放射温度計等で測定）程度に加熱し、第二のガス２として水素含有化合物を実質的に含まないガスを第二ガス導入手段１２から導入して吹き出し部１３より被加熱体８（ガラスパイプ）に向けて吹き出し、該プラズマバーナ３とガラスパイプ８とを相対的に移動することによりガラスパイプ８を加熱し、ガラスパイプ８内面にガラス微粒子堆積体２０を堆積する。また同じ熱源３で焼結し、ガラス膜１９を得る。長手方向に数１０回トラバース運動させて、該パイプ内面にガラス層１９を合成させる。パイプ外表面温度を１０００〜１８００℃より低温にすれば、ガラス微粒子堆積体２０を焼結させずに堆積することもできる。前記ガラス膜堆積工程終了後、同様の構成で第二のガス２を吹き出しながら、本発明の加熱装置を被加熱体８（ガラスパイプ）の長手方向に相対的に移動させながら中実化することにより、中実な光ファイバ母材を得ることができる。

前記のように従来のＭＣＶＤ法では、ＯＨ基や、Ｈ含有化合物、Ｈ₂Ｏ、金属不純物等がガラス内に拡散し、より深くコア中にまで混入してしまう恐れがあったが、本発明の方法ではＯＨ基、Ｈ、不純物などの拡散を抑制できるので、ＭＣＶＤ法で用いる出発のガラスパイプとして２〜４ｍｍ程度の厚みという薄肉のものを使用することができる。また、薄肉パイプの使用はパイプ内面へ伝導する熱量が増加することから、ガラス膜の堆積速度の向上が実現でき、例えばＳｉＯ₂換算で１．０ｇ／ｍｉｎ以上、好ましくは２．０ｇ／ｍｉｎ以上といった高速の堆積速度でのＭＣＶＤ法が可能となる。また、数１００ｋｍを超える光ファイバ換算長の母材を製造する場合にも、長時間のＭＣＶＤ工程によっても、ＯＨ基、Ｈ含有化合物、Ｈ₂Ｏ、金属などの不純物が混入することは実質的にない。

また、ガラス体、光ファイバ母材（中間体を含む）、光ファイバをＭＣＶＤ法で製造する工程に本発明を適用した場合、原料ガス等（ガラス原料ガス、添加物原料ガス、Ｏ₂、Ｈｅ等キャリアガス等）を流す方向の下流側をより冷却することにより、サーモホォレシスの効果が強くなり、ガラス微粒子の堆積効率をより高く、堆積速度をより速くするという効果も得られる。

さらに本発明の装置及び方法は、パイプ縮径工程、コラプス工程も、不純物汚染、水酸基、Ｈ（水素）混入を大幅に抑制して実施できる。さらに、ガラスロッドの火炎研磨工程、ガラスロッドやガラスパイプの表面清浄化工程、気相エッチング工程等、加熱を伴う処理工程、加工工程、ガラス体の接続工程に本発明の装置、方法を適用することにより、同様の効果を得ることができる。

本発明の好ましい実施の形態として、本発明のガラス体が、ガラス微粒子堆積体、ガラス層、ガラスロッド及びガラスパイプの１又は２以上の組合わせからなるものであり、本発明に従い加熱処理する工程が、ガラス堆積工程、ガラス中実化工程、ガラス透明化工程、ガラス表面火炎研磨工程、清浄化処理工程、脱金属不純物工程、脱水処理工程、パイプ縮径工程、パイプ膨張工程、ガラス体延伸工程、ガラス体融着工程、ガラス体同士の接続工程、ガラス体の加熱切断工程及び／又はコラップス工程であることを特徴とする上記（１１）ないし（１６）のいずれかに記載の光ファイバ母材の製造方法が挙げられる。

このように、本発明によれば光ファイバ母材、光ファイバ等の製造工程において、各工程で被加熱体に要求される加熱形態、温度分布形状等が異なる場合でも、一つの加熱装置で対応できる。特にＭＣＶＤ法においては、ガラス微粒子堆積体の内付け時に第二のガス吹き出しによりサーモフォレシス効果を高めることが可能であり、またＨやＯＨ基の混入を実質的になくすことができるので、出発ガラスパイプとして厚さの薄いものを用いることができて、加熱効率が高くなるので、堆積効率、堆積速度の向上が期待できる。さらに、続く中実化工程等も同じ装置構成で実施できる。

本発明によれば、加熱された部分において表面から深さ１００μｍまでの部分でのＯＨ基濃度平均値が２０重量ｐｐｍ以下の光ファイバ母材を実現できる。さらには、該ＯＨ基濃度平均値２重量ｐｐｍ以下を実現できる。

本発明の方法により製造した光ファイバ母材を従来公知の方法により線引きして、ＯＨ基、Ｈ、金属等の不純物の含有量が極めて低減された、高品質な光ファイバを得ることができる。例えば、波長１．３８μｍにおけるＯＨ基の光吸収による伝送損失の増分が０．３ｄＢ／ｋｍ以下、好ましくは０．１ｄＢ／ｋｍ以下、更に好ましくは０．０５ｄＢ／ｋｍ以下である光ファイバが得られる。また、本発明の好ましい実施の形態として、光ファイバ母材を本発明の加熱装置を熱源として線引きすることが挙げられ、これにより高品質な光ファイバを得ることができる。

被加熱体（ガラス体）として外径３４ｍｍφ、管肉厚２ｍｍｔの石英パイプを用い、下記Ａ）〜Ｃ）のように条件を変えて、ＭＣＶＤ法により該石英パイプ内に４０層分のガラス層を内付けした後、石英パイプの径方向断面において表面（外周部）からの深さのＯＨ基濃度の関係を調べた。
Ａ）図９においてプラズマバーナ、第二ガス導入手段はなく、熱源として酸水素バーナを用い、第二のガス吹き出しはなし〔比較例１〕。
Ｂ）図９の装置構成で熱源としてプラズマバーナを用いるが、第二のガス吹き出し及びカバーはなし（従来のプラズマバーナによる加熱〔比較例２〕）。
Ｃ）図９の装置構成で熱源としてプラズマバーナを用い、第二のガスを吹き出す。〔本発明の実施例１〕。
なお、図９中、図１〜８と共通する符号は同じを意味する。
その他の条件はＡ）〜Ｃ）又はＢ）及びＣ）において共通とした。
石英パイプ内に導入するガス：原料ガス、酸素（Ｏ₂）、Ｈｅ
ガラス体表面温度（最高温度部分）：２１００℃に制御
熱源の移動速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
プラズマ火炎形成用ガス：空気、水素含有化合物合計濃度は０．８容量％
第二のガス：Ｎ₂、水素含有化合物合計濃度は０．００１容量％

Ａ）〜Ｃ）で得られるガラス層を内付けされた各パイプを、２ｍｍ厚さの中空円板状（ドーナツ状）にスライスし、光学研磨して厚さ１ｍｍとしたものをサンプルとし、ＦＴ−ＩＲ分析器を用いて、顕微透過法ライン分析により、サンプルの任意の位置におけるＯＨ基濃度を測定する。次にサンプル外周からの距離と、波長２．７２μｍにおけるＯＨ基の吸光度から換算されるＯＨ基の濃度（重量ｐｐｍ）との関係を求める。
結果を図１０のグラフに示す。図１０において横軸は加熱された表面からの深さ（距離：μｍ）、縦軸はＯＨ基の濃度（重量ｐｐｍ）を表す。

図１０に示されるように、プラズマバーナを用いることにより、被加熱体（ガラス体）中のＯＨ基濃度を減少させることが可能である〔上記Ｂ）及びＣ）〕。本発明に従い、第二のガスで被加熱体をパージし、また被加熱体の被加熱部及びプラズマ火炎を周囲雰囲気から遮断することにより、被加熱体中のＯＨ基濃度をおよびは場合に低減できる〔上記Ｃ）：実施例１〕。
Ｃ）で得られたガラス体を中実化して得られる光ファイバ母材は、表面のＯＨ基濃度が低く、またガラス体中へのＯＨ基の拡散量も抑制されているという利点を有する。

特に、加熱加工処理後のガラス体の径方向断面において表面から深さ１００μｍにおけるＯＨ基濃度が平均値が２０重量ｐｐｍ以下の光ファイバ母材は、光ファイバ化後の波長１．３８μｍでの伝送損失増を０．３ｄＢ／ｋｍ以下とすることができる。さらに好ましくは、前記ＯＨ基濃度の平均値が２重量ｐｐｍ以下の光ファイバ母材であり、この場合には波長１．３８μｍにおける伝送損失の増分を０．０３ｄＢ／ｋｍ以下とすることができる。

図９の加熱装置を用い、本発明に従いＭＣＶＤ法により光ファイバ用母材及び光ファイバを製造する。
プラズマ火炎形成用ガスＯ₂（水素含有化合物の合計濃度は０．０００１容量％）を、第二のガスはＮ₂及びＨｅ（各ガス中の水素含有化合物合計濃度はいずれも０．０００１容量％以下）を用いる。
出発の石英パイプとして、外径４２ｍｍφ、肉厚３ｍｍｔ、内径３６ｍｍφ、長さ２０００ｍｍで、Ｃｌが４０００重量ｐｐｍを添加された石英（ＳｉＯ₂）製のものを用い、該石英パイプ内にＳＦ₆、Ｈｅ及びＣｌ₂ガスを導入し、第二ガスの吹き出しがなければ該石英パイプの外表面が２０００℃となるように制御して加熱し、第二のガスの流量条件を調整することにより、ガラス表面温度が１７００℃以上となる範囲（加熱範囲）の長手方向長さが８０ｍｍとなるようにし、気相エッチングによりパイプ内表面を研削、平滑化すると共に、該石英パイプ外表面を火炎研磨、清浄化する。

次に、前記石英パイプ内に、ＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄、Ｏ₂及びＨｅからなる原料ガス等を導入しながら、該石英パイプの長手方向に相対的に移動するプラズマバーナで加熱し、該石英パイプ内にガラス膜を堆積する。このとき、該石英パイプの表面温度が２２９０℃となるように制御して加熱し、第二のガスの流量条件を調整することにより、前記表面温度が１７００℃以上となる範囲（加熱範囲）の長手方向長さが６０ｍｍとなるようにする。このようにして合計４０層分のガラス層を堆積し、内付けガラス層の層厚を１．５ｍｍとする〔ガラス層内付け工程〕。

内付け工程完了のち、同じ加熱装置を用い、石英パイプの長手方向に相対的に移動しつつ加熱して、内付けガラス層を有する石英パイプの径を内径が１ｍｍφとなるように減じた。該石英パイプ内にＯ₂、Ｎ₂及びＨｅガスを導入しながら、該石英パイプ外表面温度が２２００℃となるように制御して加熱し、第二のガスの流量条件を調整して導入することにより、前記外表面温度が１７００℃以上である範囲（加熱範囲）の長手方向長さが８０ｍｍとなるようにする〔加熱による縮径工程〕。

前記縮径工程実施後、縮径された石英パイプ内に、Ｏ₂、Ｃｌ₂及びＨｅガスを導入し、同じ加熱装置を、該石英パイプの端部から長手方向に他の端部まで相対的に移動しながら加熱して、該石英パイプを中実化する。該石英パイプ外表面温度が１９００℃となるように制御して加熱し、第二のガスの流量条件を調整して導入することにより、前記外表面温度が１７００℃以上である範囲（加熱範囲）の長手方向長さが３０ｍｍとなるようにする〔中実化工程〕。

以上により得られるガラスロッドの外径は２５ｍｍ、コア部（内付けしたガラス層）の径は１４ｍｍ、出発石英パイプ相当部分に対する内付けしたコア部の比屈折率差の最大値は０．４％である。また、該ガラスロッドの径方向断面における表面からのＯＨ基濃度分布を測定すると（測定方法は前記したと同じ）、加熱表面からの深さ１μｍ以下の部分において１重量ｐｐｍ以下である。

得られたガラスロッドにロッドインチューブ法でジャケット部（純石英）を合成し、光ファイバ母材を作製する。ロッドインチューブ法の加熱手段として本発明の加熱装置を用いる。得られる光ファイバ母材を線引きし、コア部の直径が９μｍ、外径１２５μｍの光ファイバを得る。この光ファイバの波長１．３８μｍにおけるＯＨ基の光吸収による伝送損失の増分は０．０１ｄＢ／ｋｍ、波長１．５５μｍにおける伝送損失は０．１９ｄＢ／ｋｍ、遷移金属による過剰損失は検出限界以下であり、特性の非常に良好な光ファイバを得ることができる。

本発明の加熱装置及び加熱方法は、被加熱体としては耐熱性誘電物質一般に適用でき、耐熱性誘電物質がガラス体の場合、光ファイバ母材や光ファイバ製造の種々の方法、手法に適用して有利である。例えば、ＭＣＶＤ工程等におけるガラス層及び／又はガラス微粒子堆積体の合成工程、コラプス工程（ロッドインチューブ法）、気相エッチング工程の他、ガラス体の延伸工程、ガラス体の接続工程、火炎研磨工程等に非常に効果的に適用可能である。
また本発明による光ファイバは波長１．３８μｍにおけるＯＨ基の光吸収による伝送損失増が０．３ｄＢ／ｋｍ以下を実現でき、伝送帯域の広い通信用光ファイバや、増幅帯域の広いラマン増幅用光ファイバなど、広帯域光ファイバとしての利用可能性が大きい。

本発明の一実施形態を模式的に説明する概略図である。本発明における第二のガスの吹き出し状態を示す説明図である。本発明における他の実施形態を模式的に説明する概略図である。本発明のさらに他の実施形態で全体的なカバーを設けた例を模式的に説明する概略図である。本発明のさらに他の実施形態で部分的カバーを設けた例を模式的に説明する概略図である。本発明のさらに他の実施形態で加熱装置と被加熱体を相対的に移動する例を説明する概略図である。本発明の装置を用いた加熱において、第二のガスを吹き出さない場合と、第二のガスを吹き出したバーナでの加熱範囲差及び被加熱部の温度差を説明する図である。本発明において、第二のガスの吹き出し部の位置とその幅（断面面積）、第二のガスの供給量等を変化させて、被加熱体の温度分布形状を変更させることを説明する図である。本発明の実施例１及び２の加熱装置及び製造方法を模式的に説明する概略図である。本発明の実施例１、比較例１及び２の結果を示すグラフ図である。従来の加熱装置及び加熱方法を説明する図である。従来のプラズマバーナの構成の一部を説明する概略断面図である。

符号の説明

１プラズマ火炎形成用ガス
２第二のガス
３プラズマバーナ
４コイル
５電源
６噴出部
７プラズマ火炎
８被加熱体
９火炎当接部
１０加熱範囲
１１プラズマ火炎形成用ガス導入手段
１２第二ガス導入手段
１３吹き出し部
１４カバー
１５カバー
１６第三のガス導入口
１７排気口
１８貫通孔
１９ガラス膜
２０ガラス微粒子堆積体

Claims

プラズマ火炎形成用ガスの導入手段が接続されたプラズマバーナ、及び水素分子及び水素原子含有化合物を実質的に含まない第二のガスを導入する第二ガス導入手段を有し、前記第二のガスを被加熱体に向けて吹き出す加熱装置を熱源として用い、水素分子及び水素原子含有化合物を実質的に含まない第一のガスをプラズマ火炎形成用ガスとし、前記第二のガスを前記プラズマ火炎によるガラス体の被加熱部に向けて吹き出しながら前記ガラス体を加熱する工程を有するガラス体の製造方法であって、
前記第二のガスを吹き出したとき該第二のガスが当接する部分での被加熱体の表面温度が、前記第二のガスを吹き出さない状態では６００℃以上であるように加熱し、前記第二のガスを吹き出した状態では６００℃以下となるように吹き付ける
ことを特徴とするガラス体の製造方法。
前記第二のガスを前記プラズマ火炎噴出部近傍から吹き出すようにしたことを特徴とする請求項１記載のガラス体の製造方法。
前記プラズマ火炎のプラズマ流方向と、前記第二のガスのガス流方向が実質的に平行であることを特徴とする請求項１又は２記載のガラス体の製造方法。
前記第二のガスが前記プラズマ火炎の外周を覆うように吹き出すことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガラス体の製造方法。
前記第二のガスの吹き出し部とは前記ガラス体をはさんで対向する位置に前記第二のガスを覆うカバーが設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のガラス体の製造方法。
前記プラズマバーナと前記第二ガス導入手段が前記ガラス体と相対的に運動自在に設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のガラス体の製造方法。
プラズマ火炎形成用ガスの導入手段が接続されたプラズマバーナ、及び水素分子及び水素原子含有化合物を実質的に含まない第二のガスを導入する第二ガス導入手段を有し、前記第二のガスを被加熱体に向けて吹き出す加熱装置を熱源として用い、水素分子及び水素原子含有化合物を実質的に含まない第一のガスをプラズマ火炎形成用ガスとし、前記第二のガスを前記プラズマ火炎によるガラス体の被加熱部に向けて吹き出しながら、前記加熱装置を前記ガラス体に対し相対的に移動させながら前記ガラス体を加熱処理する工程を有する光ファイバ母材の製造方法であって、
前記第二のガスを吹き出したとき該第二のガスが当接する部分での被加熱体の表面温度が、前記第二のガスを吹き出さない状態では６００℃以上であるように加熱し、前記第二のガスを吹き出した状態では６００℃以下となるように吹き付ける
ことを特徴とする光ファイバ用母材の製造方法。
前記第一のガスが形成するプラズマ火炎のプラズマ流方向と、前記第二のガスのガス流方向が実質的に平行であることを特徴とする請求項７記載の光ファイバ母材の製造方法。
前記第一のガス及び前記第二のガス中の、水素分子及び水素原子含有化合物の合計濃度が各々１容量％以下であることを特徴とする請求項７又は８記載の光ファイバ母材の製造方法。
前記第二のガスの流量条件、前記第二のガスを吹き出す位置条件、前記第二のガスの吹き出し部の断面形状条件及び前記第二のガスの吹き出し角度条件のいずれか１の条件又はいずれか２以上の条件の組み合わせを変更しつつ加熱処理することを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の光ファイバ母材の製造方法。
前記ガラス体が石英ガラスを主成分とするガラスパイプであり、前記加熱処理する工程が、前記ガラスパイプ内に光ファイバのコア及び／又はクラッドを構成するための原料ガスを少なくとも含有するガスを導入しながら、前記ガラスパイプを外部から前記熱源により加熱し、前記ガラスパイプの長手方向に１回又は複数回、相対的に移動させることにより、前記ガラスパイプ内周部にガラス膜を堆積する工程であることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載の光ファイバ母材の製造方法。
前記ガラス体が石英ガラスを主成分とするガラスパイプであり、前記加熱処理する工程が、前記ガラスパイプ内に光ファイバのコア又はクラッドを構成するための原料ガスを少なくとも含有するガスを導入しながら、前記ガラスパイプを外部から前記熱源により加熱し、前記ガラスパイプの長手方向に１回又は複数回、相対的に移動させることにより、前記ガラスパイプ内周部にガラス膜を堆積し、次いで前記ガラス膜を堆積させたガラスパイプを外部から前記熱源を長手方向に相対的に移動させることにより加熱して中実化する工程であることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の光ファイバ母材の製造方法。
請求項７ないし１２のいずれかに記載の方法により製造された光ファイバ母材を線引することを特徴とする光ファイバの製造方法。