CN101767929A - 采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
本发明的光纤预型体的制造方法为至少向高频感应热等离子体炬供给玻璃原料、掺杂原料及氧，从而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的光纤预型体的制造方法，其中让通过等离子火焰连续形成的玻璃微粒子流的至少一部分不堆积在玻璃棒上。使掺杂到覆层中的氟浓度增大，从而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的制造方法及装置。
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，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键所导致。
作为在纯二氧化硅玻璃芯上设置掺氟二氧化硅玻璃覆层的方法，公知的有：如(1)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，在含氟环境中透明玻璃化的方法；(2)如专利文献2所记载，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(1)的方法，相对折射率差Δ被限定在0.7％以下，不过，生产率良好，适于设置厚的覆层。与(1)的方法相比，(2)的方法在生产率方面较低，但是，可将相对折射率差Δ加大到大于0.7％。相对折射率差Δ，由下列公式1定义。
Δ＝(ncore-nclad)/ncore···(1)
这里，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、含四氯化硅及氟的气体(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。另外，符号8是强制冷却用的喷嘴，符号9是冷却空气引进口。
专利文献3中，只在往路向相对等离子体炬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
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。
NA＝(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，nc lad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。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于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，其能够使掺杂到覆层中的氟浓度增大，从而提高预型体的相对折射率差。
本发明的光纤预型体的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，从而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的制造方法，其特征在于使等离子火焰变窄，从而使由等离子火焰连续形成的玻璃微粒子流的至少一部分不堆积在玻璃棒上。
向玻璃微粒子流吹喷的气体，可向玻璃棒的周围温度分布中形成高温领域的玻璃微粒子流吹喷。要想使玻璃微粒子流的一部分不堆积，比如，可以采用向玻璃棒的行进方向一侧或向玻璃棒的转动方向一侧的玻璃微粒子流吹喷气体的方法。或者，也可以是从玻璃棒的行进方向一侧沿着玻璃棒，向玻璃微粒子流吹喷气体。
本发明的光纤预型体的制造装置，是向高频感应热等离子体炬至少供给玻璃原料、掺杂剂原料及氧，使在等离子火焰中被合成的玻璃微粒子附着堆积在一边旋转一边相对于等离子体炬做往返运动的玻璃棒的表面上的光纤预型体的制造装置，其特征在于设置有阻碍部件，使玻璃棒的行进方向一侧或转动方向一侧的玻璃微粒子流的至少一部分不堆积在玻璃棒上。
上述堆积阻碍部件，被设置在玻璃棒的行进方向侧或转动方向侧，是向玻璃棒行进方向侧的玻璃微粒子流吹喷气体的阻碍堆积用气体喷嘴。堆积阻碍部件，还可以是玻璃棒能插通的气体引导管，通过沿着玻璃棒，从该气体引导管和玻璃棒的间隙向玻璃微粒子流吹喷气体，从而可以阻碍玻璃微粒子流的至少一部分的堆积。
利用本发明，至少让等离子火焰中形成的玻璃微粒子流的一部分不堆积在玻璃棒上，从而能使覆层中的氟浓度增大，提高预型体的相对折射率差。
附图说明
【图1】表示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图。
【图2】说明沿着等离子体炬和玻璃棒的相对移动方向测量得到的相对折射率差Δ、堆积量及温度的关系图。
【图3】表示本发明的制造装置的概略的纵剖面图。
【图4】表示与图3不同实施方式的本发明的制造装置的概略的纵剖面图。
【图5】表示根据本发明配置的阻碍堆积用气体喷嘴的一例的概略图。
【图6】表示根据本发明配置的阻碍堆积用气体喷嘴的一例的概略图。
【图7】表示相对于玻璃棒的转动方向及移动方向的棒表面的温度分布的概略图。
具体实施方式
等离子火焰中的玻璃微粒子流与玻璃棒接触，在行进方向前后分开前进。此时，发现由玻璃微粒子流瞬间性堆积的玻璃薄膜的折射率在玻璃微粒子流接触部分前后，即在移动的玻璃棒前后方向上不同，根据此发现完成了本发明。
图2是沿着等离子体炬1和玻璃棒6的相对移动方向测量的相对折射率差Δ、堆积量、温度，从图可以确认，玻璃棒6行进方向侧(图下方)上，由于玻璃棒6的移动，使已经被等离子火焰4加热过的温度变高且附着的玻璃微粒子的量较多，但是氟的掺杂量较少，相对折射率差Δ变小。
从图2可见，温度相对高的领域，堆积量也多，但氟的掺杂量很少，相对折射率差Δ小，所以通过降低自火焰流中心稍稍偏离的玻璃棒的行进方向侧或在转动方向下流一侧所存在的最高温度区域的温度，而使堆积层的相对折射率差Δ提高。另外，本发明，通过降低玻璃棒的行进方向一侧或转动方向下流一侧上产生的最高温度区域的温度，具体而言，就是从阻碍堆积用气体喷嘴向面向在玻璃棒表面形成的最高温度区域的玻璃微粒子流吹喷气体，从而在阻碍玻璃微粒子流的至少一部分堆积的同时，使最高温度区域的温度下降、氟的掺杂量增加，从而得到更高的相对折射率差Δ。
在使玻璃棒6行进方向侧的玻璃微粒子流的至少一部分不堆积的方法中，譬如，可列举图3所示的利用阻碍堆积用气体喷嘴10阻碍玻璃微粒子堆积的方法。阻碍堆积用气体喷嘴10可以设置在等离子体炬1的同侧，但若在装置结构上，气体管嘴10的设置有困难或阻碍堆积用气体喷嘴10的尖端堆积有未附着的玻璃微粒子而产生不便的情况下，也可以如图5或图6所示的错开90°来设置阻碍堆积用气体喷嘴10。
并且，在使玻璃棒6行进方向一侧的至少一部分玻璃微粒子流不堆积的方法中，可以列举如图4所示的使用气体引导管11的方法。这个方法是沿着玻璃棒6，从玻璃棒6行进方向一侧(图下方)向玻璃微粒子流吹喷气体。
气体引导管11被设置在靠近等离子火焰4的下方，从被设置在反应器下部的冷却空气引进口9b导入的空气，通过玻璃棒与气体引导管11的间隙，沿着玻璃棒，被引导至等离子火焰4下部，以此，等离子火焰4下方一侧，即，玻璃棒6行进方向一侧的玻璃微粒子流的一部分的堆积被阻碍。另外，因为气体引导管11的等离子体炬一侧容易堆积未附着的玻璃微粒子，所以，作为对策，最好将气体引导管11在等离子体炬一侧的一部分预先切出缺口。
如图7所示，被加热的玻璃棒6不仅仅在长度方向，而在转动方向也产生温度分布。虽然产生最高温度区域的转动方向受玻璃棒6外径、等离子火焰的大小、玻璃棒6转速等的影响，不过，通常在棒旋转下流一侧存在最高温度区域。若向形成此高温区域的玻璃微粒子流配置阻碍堆积用气体喷嘴10来阻碍堆积的话，能够获得最大折射率上升的效果。具体来说，图6的配置比如图5所示的配置更有效。
对等离子体炬的原料气体的供给，可以只在往路供给四氯化硅、四氟化硅、氩、氧。返路不供给原料气体只供给氩和氧，使之快速复归基准位置。再者，掺杂剂中，除了四氟化硅以外可以使用六氟化乙烷和六氟化硫磺等的含氟气体，而能得到同样的效果。以下，基于实施例及比较例详细说明本发明，不过，本发明不受这些所限定。
(实施例1)
利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/玻璃棒的相对移动速度为75mm/min，并向等离子体炬供给氩、氧、四氯化硅、四氟化硅。往路的移动方向为下方。在位于等离子体炬的上下处设置强制冷却用喷嘴，并从各喷嘴向玻璃棒吹喷30L/min的室温空气，冷却堆积部的上下边缘。从设置在反应器的上下方的冷却空气引进口，各自供给200L/min的冷却到10℃的空气。如图5所示，在与等离子体炬1具有90°差异的方向(棒转动方向的上流侧)上设置阻碍堆积用气体喷嘴10，向等离子体炬中心线往下35mm的位置，吹喷50L/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功率61kW。
返路中，设等离子体炬/玻璃棒相对移动速度为500mm/min，在等离子体炬中供给氩和氧，不供给作为玻璃原料及氟源的四氯化硅和四氟化硅。向返路的等离子体炬供给的电力设定为能维持等离子稳定的下限功率8kW。
在该条件下，使等离子体炬相对往返移动60次反复堆积，形成掺氟玻璃层。用检偏镜测量所得预型体的折射率分布，相对折射率差是1.73％。
(实施例2)
如图4所示，只在等离子体炬上侧设置强制冷却用喷嘴8，并向玻璃棒6吹喷30L/min的室温空气，冷却堆积部的上缘。另外，在靠近等离子体炬1的下方设置气体引导管11，除阻碍等离子火焰下侧的玻璃微粒子流的堆积以外，和实施例1同样地使等离子体炬相对往返移动60次反复堆积，在玻璃棒上形成了掺氟玻璃层。用检偏镜测量所得到的预型体的折射率分布，相对折射率差是1.85％。
(实施例3)
如图6所示，除了将阻碍堆积用气体喷嘴10设置在与等离子体炬1有90°差异的方向(棒转动方向下流一侧)上以外，和实施例1同样地使等离子体炬相对往返移动60次反复堆积，在玻璃棒上形成了掺氟玻璃层。用检偏镜测量所得到的预型体的折射率分布，相对折射率差是1.83％。
(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。
设往路的等离子体炬/玻璃棒相对移动速度为75mm/min，向等离子体炬供给氩、氧、四氯化硅、四氟化硅。设往路的移动方向为下方。在等离子体炬的上下方设置强制冷却用喷嘴，从各喷嘴流动30L/min的室温空气。同时，从反应器的上下方，各自流动200L/min的冷却到10℃的空气。向等离子体炬供给的电力设定为玻璃原料被玻璃化的下限功率61kW。
返路中，设等离子体炬/玻璃棒相对移动速度为500mm/min，对等离子体炬供给氩和氧，不供给作为玻璃原料及氟源的四氯化硅和四氟化硅。向返路的等离子体炬供给的电力设定为能维持等离子稳定的下限功率8kW。
在该条件下，使等离子体炬相对往返移动60次反复堆积，形成掺氟玻璃层。用检偏镜测量所得预型体的折射率分布，相对折射率差是1.62％。比实施例1和2都低。
【产业上的利用可能性】
根据本发明，能够得到相对折射率差Δ大的光纤。
Claims (12)
1.一种制造光纤预型体的方法，包括，
合成阶段，在等离子体炬发生的等离子火焰中合成玻璃微粒子；
堆积阶段，向相对所述等离子体炬作相对移动的玻璃棒吹喷所述等离子火焰，让所述玻璃微粒子堆积于所述玻璃棒；
限制阶段，在所述等离子火焰中，更窄地限制所述相对移动的方向上的所述玻璃微粒子附着在所述玻璃棒上的领域的幅度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述堆积阶段，包含使所述玻璃棒在与所述玻璃棒的长度方向平行的方向上移动的操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述堆积阶段，包含使所述玻璃棒绕着与所述玻璃棒的长度方向平行的轴旋转的操作。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述限制阶段，包含在所述领域中，在所述相对移动的方向上的所述玻璃棒的行进方向的前侧中，阻碍所述玻璃微粒子对所述玻璃棒的附着的阻碍操作。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述阻碍操作，是在与对所述玻璃棒吹喷所述等离子火焰的方向交叉的方向上，对所述等离子火焰吹喷气体。
6.根据权利要求5所述的制法，其中，所述阻碍操作，是沿所述玻璃棒表面吹喷所述气体。
7.一种制造光纤预型体的装置，包括：
等离子体炬，在等离子火焰中合成玻璃微粒子；
堆积部，一边使玻璃棒相对于所述等离子体炬移动，一边对所述玻璃棒吹喷所述等离子火焰，让所述玻璃微粒子堆积在所述玻璃棒上；
限制部，在所述等离子火焰中，更窄地限制所述相对移动的方向上的所述玻璃微粒子附着在所述玻璃棒上的领域的幅度。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述堆积部使所述玻璃棒在与所述玻璃棒的长度方向平行的方向上移动。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，所述堆积部使所述玻璃棒绕着与所述玻璃棒的长度方向平行的轴旋转。
10.根据权利要求7所述的装置，
所述限制部，包括阻碍部，是在所述领域中，在所述相对移动的方向上的所述玻璃棒的行进方向的前侧中，阻碍所述玻璃微粒子对所述玻璃棒的附着。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述阻碍部，包含在与对所述玻璃棒吹喷所述等离子火焰的方向交叉的方向上，对所述等离子火焰吹喷气体的喷嘴。
12.根据权利要求11所述的装置，所述阻碍部，包含引导沿着所述玻璃棒表面，吹喷所述气体的引导部。
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