CN101767928B - 使用高频感应热等离子体炬的光纤预型体的制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用高频感应热等离子体炬的光纤预型体的制造方法及装置，其是向高频感应热等离子体炬1至少供给玻璃原料、掺杂原料及氧，使在等离子火焰中合成的玻璃微粒子，附着堆积在旋转的同时相对等离子体炬1作往返运动的玻璃棒表面上，从而边冷却玻璃棒6边堆积玻璃微粒子。由此，可以提高掺杂于覆层中的氟浓度，提高预型体的相对折射率差。
Description
技术领域
本发明涉及使用高频感应热等离子体炬的光纤预型体制造方法及装置。
背景技术
高频感应热等离子体炬是在气体通道管周围配设高频线圈并施加高频电流，使内部的气体等离子化后从炬管喷射的装置，因能获得1万度左右的超高温，等离子线速比较慢，且能自由选择氧化·还原环境，所以作为超高温的反应场所经常被使用。
包覆掺氟二氧化硅玻璃覆层的纯二氧化硅玻璃芯构成的光纤，与常用的掺锗二氧化硅玻璃芯/纯二氧化硅玻璃覆层构成的光纤相比具有较高的耐紫外线和耐射线的特征。这是由于不携带结合能小的Ge-O键的原因。
已知的在芯玻璃上配置掺氟二氧化硅玻璃覆层的方法有：
(1)如专利文献1所记载的在纯二氧化硅玻璃棒周围堆积纯二氧化硅玻璃微粒子，形成多孔质玻璃层，并将其在含氟环境中透明玻璃化的方法；
(2)如专利文献2所记载的用等离子火焰，在纯二氧化硅玻璃棒周围直接堆积掺氟二氧化硅玻璃的方法。
上述方法(1)中，虽然相对折射率差Δ被限定在0.7％以下，但其生产率良好，适合用于配置厚覆层。(2)的方法虽然生产率劣于方法(1)，但能将相对折射率差Δ控制到0.7％以上。在此，相对折射率差Δ的定义如下式1。
Δ＝(ncore-nclad)/ncore…(1)
在此，ncore、nclad分别为芯及覆层的折射率。
关于上述方法(2)，用图1对其进行说明。等离子体炬1上附设有线圈2，向线圈2施加高频电压，则从气体供给装置3供给的气体在等离子体炬1中被等离子化，作为等离子火焰4被喷射。供给的气体是氩、氧、四氯化硅及含氟的气体(四氟化硅、六氟化乙烷、六氟化硫等)。
在等离子火焰4中，生成掺氟玻璃微粒子，掺氟玻璃微粒子堆积到在反应器5中旋转的同时上下方向往返运动的玻璃棒(目标)6的表面上。未附着的玻璃微粒子以及废气从排气口7排出到系统外。如上所述地对薄膜状的掺氟玻璃进行反复堆积，从而制造具有所希望厚度覆层的光纤预型体。
专利文献3中，只在往路中向相对等离子体炬1作往返运动的玻璃棒6供给玻璃原料，返路中停止供给玻璃原料，降低等离子温度快速返回，从而使覆层的折射率在长度方向上变得稳定。
【专利文献1】特开平4-79981号公报
【专利文献2】特开平2-47414号公报
【专利文献3】日本专利申请2007-142423号
发明内容
对预型体进行加热熔融，拉伸得到的光纤的数值孔径NA，可通过下式2求出。
N A＝(ncore 2-nclad 2)1/2…(2)
在此，NA是表示光纤能够传输的光扩展角的参数，该数值越大，越能接收并传送来自不同方向的光。在此使用的纯二氧化硅芯/掺氟覆层光纤的ncore大概是1.457，nclad则基于氟浓度发生变化。NA和相对折射率差Δ相关联，相对折射率差越大NA越大。
本发明的光纤预型体制造方法是，向高频感应热等离子体炬至少供给玻璃原料、掺杂原料及氧，使在等离子火焰中合成的玻璃微粒子附着堆积在旋转的同时相对等离子体炬作往返运动的玻璃棒表面上，其特征在于边冷却玻璃棒边堆积玻璃微粒子。
边冷却玻璃棒边堆积玻璃微粒子的方法可以列举：通过向玻璃棒吹喷气体冷却玻璃棒的方法和通过向反应器内导入冷却气体降低玻璃棒周围温度而冷却玻璃棒的方法等。
本发明的光纤预型体制造装置包括，旋转悬挂部件，用于在反应器内悬挂玻璃棒使其旋转；高频感应热等离子体炬，用于在玻璃棒上合成并堆积玻璃微粒子；排气口，用于排出在高频感应热等离子体炬对面一侧的未附着的玻璃微粒子和废气，其特征在于，具有在堆积玻璃微粒子时冷却玻璃棒的冷却部件。
作为上述冷却部件，可以在等离子火焰的上下边缘高度位置设置朝玻璃棒吹气的强制冷却用喷嘴，或者也可以在反应器的上端部及/或下端部设置冷却空气导入口。而且、优选将制造装置制成纵型，把玻璃棒悬挂在反应器内进行玻璃微粒子堆积。
本发明通过边冷却玻璃棒边堆积玻璃微粒子而能持续堆积高浓度掺氟玻璃，从而形成高氟浓度的覆层，能提高预型体的相对折射率差。
根据本发明，能够得到相对折射率差Δ大的光纤。
附图说明
【图1】为现有的具备高频感应热等离子体炬的光纤预型体制造装置的纵向剖面示意图。
【图2】为说明在各种等离子力下的玻璃棒温度与相对折射率差关系的图。
【图3】为本发明光纤预型体制造装置的纵向剖面示意图。
具体实施方式
本发明人发现玻璃棒上堆积的玻璃薄膜的折射率，与玻璃棒的温度及等离子力有着密切关系。即，如图2所示，堆积前的玻璃棒温度越低或等离子力越低，则掺杂的氟浓度越变高，预型体的相对折射率差变高。另一方面，玻璃棒在某温度范围以下时不发生玻璃化，从而无法堆积透明的玻璃，而且，等离子力越低该现象越显著。
若提高等离子力，则透明玻璃的堆积变得容易，同时，堆积后玻璃棒的温度将上升，所以堆积下一层时，难以实现高浓度的掺氟。
在此，本发明通过强制冷却玻璃棒的同时用较高的等离子力进行玻璃微粒子的堆积，从而能持续掺杂高浓度的氟。
要强制冷却玻璃棒，例如可使用如图3所示的冷却部件。其通过在等离子火焰的上边缘及下边缘附近设置强制冷却用喷嘴8，8，向玻璃棒6吹喷气体，从而能在冷却玻璃棒6的同时持续堆积高浓度掺氟玻璃。或者可以在反应器5的上端部及/或下端部设置冷却空气导入口9，向反应器内导入冷却气体，从而降低玻璃棒6周围的温度。
其中，掺杂物除了四氟化硅以外还可以使用六氟化乙烷和六氟化硫等含氟气体，能得到与四氟化硅同样的效果。另外，使用掺杂氟以外的掺杂物时，如果掺杂物的引进量与棒温度及等离子力相关联，则都能得到同样的效果。下面，根据实施例和比较例详细说明本发明，但本发明并不局限于此。
【实施例】
(实施例1)
利用高频感应热等离子体炬1向旋转的同时在垂直方向上下运动的外径50mm、长度1,100mm的石英玻璃棒上堆积玻璃微粒子，形成掺氟石英玻璃层。往路的等离子体炬/玻璃棒的相对移动速度为75mm/min，并向等离子体炬1供给氩、氧、四氯化硅、四氟化硅。在位于等离子体炬1上下边缘高度的位置，即与等离子体炬1对立设置的排气口7的上缘及下缘附近设置强制冷却用管嘴8，8，并从各喷嘴向玻璃棒6吹喷30L/min的室温空气。其中，向等离子体炬1供给的电力被设定成玻璃原料被玻璃化的下限力61kW。
向返路的等离子体炬1供给氩和氧，不提供玻璃原料及氟源的四氯化硅和四氟化硅，并以离子体炬/玻璃棒相对移动速度为500mm/min的高速使其移动。向返路的等离子体炬供给的电力设定在能维持等离子稳定的下限力8kW。
在该条件下，使等离子体炬相对往返移动50次反复堆积，形成掺氟玻璃层。对所得预型体的折射率分布用检偏镜测量的结果，相对折射率差是1.62％。
(实施例2)
在与实施例1使用的装置同样的装置中，除了在反应器5上端部及下端部上设置冷却空气导入口9，9并从各导入口供给200L/min的10℃冷却空气以外，与实施例1相同地在石英玻璃棒上形成掺氟石英玻璃层。对所得预型体的折射率分布用检偏镜测量的结果，相对折射率差是1.62％。
(比较例1)
使用高频感应热等离子体炬向旋转的同时在垂直方向上下运动的外径50mm、长度1,100mm的石英玻璃棒上堆积玻璃微粒子，形成掺氟石英玻璃层。
往路的等离子体炬/玻璃棒相对移动速度为75mm/min，向等离子体炬1供给氩、氧、四氯化硅、四氟化硅。排出口7的上边缘及下边缘部附近不设置强制冷却用喷嘴，从反应器5上部及下部分别流入100L/min的室温空气。向等离子体炬1供给的电力设定为玻璃原料被玻璃化的下限力61kW。
向返路的等离子体炬1供给氩和氧，不提供作为玻璃原料及氟源的四氯化硅和四氟化硅，并以等离子体炬/玻璃棒相对移动速度为500mm/min的高速使其移动。向返路的等离子体炬供给的电力设定在能维持等离子稳定的下限力8kW。
在该条件下，使等离子体炬相对往返移动50次反复堆积，形成掺氟玻璃层。对所得预型体的折射率分布用检偏镜测量的结果，相对折射率差是1.42％，低于实施例1、2。
Claims (9)
1.一种光纤预型体的制造方法，包括：
合成阶段，用等离子体炬中发生的等离子火焰合成含掺杂物的玻璃微粒子；
堆积阶段，向相对所述等离子体炬作相对运动的玻璃棒吹喷所述等离子火焰，使上述玻璃微粒子堆积于所述玻璃棒上；以及
冷却阶段，强制冷却被所述等离子火焰加热过的所述玻璃棒，所述堆积阶段的一部分与所述冷却阶段同时进行，或在所述冷却阶段之后进行；
所述堆积阶段之前还包括：根据所述玻璃棒的堆积前温度控制所述等离子体炬的功率，使得所述玻璃棒的相对折射率差达到预定值。
2.如权利要求1所述的光纤预型体的制造方法，所述堆积阶段和所述冷却阶段交互重复进行。
3.如权利要求1所述的光纤预型体的制造方法，在所述冷却阶段中，向所述玻璃棒吹喷温度低于被所述等离子火焰加热过的所述玻璃棒温度的气体。
4.如权利要求1所述的光纤预型体的制造方法，在所述冷却阶段中，沿着所述玻璃棒的表面流通低于被所述等离子火焰加热过的所述玻璃棒的温度的气体。
5.一种光纤预型体的制造装置，包括：
等离子体炬，在等离子火焰中合成含掺杂物的玻璃微粒子；
堆积部，使玻璃棒相对所述等离子体炬作相对运动的同时，向所述玻璃棒吹喷所述等离子火焰，使上述玻璃微粒子堆积于所述玻璃棒上；
冷却部，强制冷却被所述等离子火焰加热过的所述玻璃棒；以及
控制部，在所述堆积部进行所述堆积之前，根据所述玻璃棒的堆积前温度控制所述等离子体炬的功率，使得所述玻璃棒的相对折射率差达到预定值。
6.如权利要求5所述的光纤预型体的制造装置，所述冷却部使低于被所述等离子火焰加热过所述玻璃棒温度的气体接触所述玻璃棒。
7.如权利要求6所述的光纤预型体的制造装置，所述冷却部，向所述玻璃棒中的被所述等离子火焰加热的区域的邻接区域吹喷所述气体。
8.如权利要求6所述的光纤预型体的制造装置，所述冷却部沿着所述玻璃棒的表面流通所述气体。
9.如权利要求8所述的光纤预型体的制造装置，所述玻璃棒尽量配置成所述玻璃棒的长度方向为重力方向。
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