JP2004203682A - 光ファイバプリフォームの製造方法および製造装置 - Google Patents
光ファイバプリフォームの製造方法および製造装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高品質のガラス膜を形成し、信頼性の高い光ファイバプリフォームを形成する方法および装置を提供する。添加物密度の均一な光ファイバプリフォームを提供する方法および装置を提供する。
【解決手段】ガラス管１００内に、プラズマ領域ＰＲを形成し、前記ガラス管を前記プラズマ領域に対して相対的に往復運動させることにより、プラズマ誘起ＣＶＤ法により、前記ガラス管内面にガラス膜を成膜する工程を含む光ファイバプリフォームの製造方法において、前記プラズマ領域に磁界を印加し、プラズマを封じこめつつ、成膜する。
【選択図】図１
【解決手段】ガラス管１００内に、プラズマ領域ＰＲを形成し、前記ガラス管を前記プラズマ領域に対して相対的に往復運動させることにより、プラズマ誘起ＣＶＤ法により、前記ガラス管内面にガラス膜を成膜する工程を含む光ファイバプリフォームの製造方法において、前記プラズマ領域に磁界を印加し、プラズマを封じこめつつ、成膜する。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバプリフォームの製造方法および製造装置に係り、特に、プラズマＣＶＤ法を用いた光ファイバプリフォームの製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信技術の進歩に伴い、光ファイバの利用が高まってきている。光ファイバの製造に関しては、通常はプリフォーム（光ファイバ母材）と呼ばれる成形体を高速で線引きすることによって所望の口径の光ファイバを得るという方法がとられる。
【０００３】
従って、光ファイバの形状および品質は、プリフォームの形状および品質をそのまま引き継いでしまうため、プリフォームの形成に際しては、極めて高精度の形状および品質の制御が求められている。
【０００４】
この光ファイバプリフォームの主な製造方法としては、ＶＡＤ法（Vapor phase Axial Deposition:気相軸付法）、ＯＶＤ法（Outer Vapor phase Deposition：外付け法）、ＭＣＶＤ法（Modified Chemical Vapor phase Deposition:内付法）、ＰＣＶＤ法（Plasma Chemical Vapor phase Deposition：プラズマ誘起ＣＶＤ法）等がある。
【０００５】
なかでもＰＣＶＤ法は、ガラス管内に酸素、四塩化珪素、四塩化ゲルマニウムなどの原料ガスを投入してプラズマ状態とし、パイプ表面とのラジカル反応を誘起することで酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなるガラス膜を堆積する方法である。この方法では、ガラス微粒子はアモルファス状態で堆積するため、透明化されたガラス膜を直接形成することができ、他の方法で後工程として必須であった透明化熱処理工程が不要となる。そして、膜質の良好なガラス膜を形成することが可能であり、高品質の膜形成が可能である良好な方法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、ガラス管をプラズマ領域にさらし、相対的に往復運動させながら成膜していくため、ガス流と、プラズマ領域との関係により、プラズマ状態が不均一となることがある。ここでプラズマ状態とは、プラズマ領域におけるイオン密度や温度など、プラズマ領域を構成するプラズマおよびその環境の状態を含むものとする。その結果、成膜されるガラス膜の組成が不均一となり、膜質の低下を招くことがあった。また屈折率調整のため、通常、ゲルマニウムＧｅなどの添加物を添加したガラス膜を形成することが多いが、添加物の拡散により、酸化シリコンの堆積領域と、添加物の堆積領域が異なるため、添加物濃度にばらつきが生じ易いという問題がある。
【０００７】
例えば非平衡プラズマを用いたＣＶＤでは、Ｇｅの存在領域は酸化シリコンの存在領域よりも原料ガス流の下流側にまで伸びているため、下流側にＧｅの高濃度領域ができる（P.Geittner,J.Electrochem.Soc. Proc.X,CVD-Conf.(1983)Vol.84-6,p479）。このような不均一領域の存在は膜質の不均一領域を形成することになり、プロセス中にクラックが生じる原因となり易い。
【０００８】
このように、ＰＣＶＤ法は極めて有効な方法ではありながら、光ファイバプリフォームの製造に際しては、原料ガスのガス流と、成膜の基体となるガラス管の往復運動に起因してプラズマ状態が不均一となり易いという問題があった。
【０００９】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、高品質のガラス膜を形成し、信頼性の高い光ファイバプリフォームを形成する方法および装置を提供することを目的とする。
また本発明は、添加物密度の均一な光ファイバプリフォームを提供する方法および装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、ガラス管内に、プラズマ領域を形成し、前記ガラス管と前記プラズマ領域とを相対的に往復運動させることにより、プラズマ誘起ＣＶＤ法により、前記ガラス管内面にガラス膜を成膜する工程を含む光ファイバプリフォームの製造方法において、前記成膜する工程は、前記プラズマ領域に磁界を印加し、プラズマを封じこめつつ、成膜する工程であることを特徴とする。
【００１１】
プラズマ中のイオンは磁力線に巻きつきながら運動する性質をもつ。そして磁力線に巻きつきながら運動することにより、プラズマはよりイオン密度が高くなる領域を作りこれを保持する。ここではこれを“プラズマを封じ込める”と表現する。
本発明はこの点に着目してなされたものである。
【００１２】
かかる構成によれば、磁界を印加することにより、プラズマを封じ込めるようにしているため、プラズマ密度が均一でかつ高くなり、均一で膜質の良好なガラス膜の形成が可能となり、高品質の光ファイバプリフォームが形成される。
【００１３】
特に、このプラズマ領域を形成する原料ガスが、所望の濃度の屈折率調整のための添加物を含む場合、添加物濃度が不均一となり、クラックが生じ易いという問題があったが、この方法では、磁界によりプラズマ密度を高め、酸化シリコンの堆積領域と、Ｇｅなどの添加物の堆積領域とが実質的に等しくなるようにし、添加物濃度の均一な光ファイバプリフォームを得ることが可能となる。
【００１４】
非平衡プラズマを用いた従来のＣＶＤでは、Ｇｅなどの添加物の添加領域は酸化シリコンの堆積領域よりも（原料ガス流の）下流にまで伸びているため、下流側にＧｅの高濃度添加領域ができる。このため、添加物濃度の高い領域が局所的に層状をなして形成されることになる。
【００１５】
これに対し、本発明の方法では、磁界によるプラズマの封じ込めにより酸化シリコンの堆積領域とＧｅなどの添加物の堆積領域が一致するようにし、均一で高品質のガラス膜を堆積するようにしている。
【００１６】
また、成膜する工程は、前記プラズマ領域が所望の位置となるように前記磁界を調整しつつ成膜する工程を含むようにしている。これにより、ガラス膜の堆積領域となるプラズマ領域の位置を調整するようにしているため、高品質のガラス膜を形成することが可能となる。
【００１７】
なお、プラズマ中のイオン密度は磁場が強いほど大きくなる。このため、磁界の印加はプラズマ密度の集約やプラズマ領域の限定に大きく寄与することになる。例えばミラー磁場やカスプ型磁場など種々の磁場を選択することにより、プラズマ領域の限定効果を得ることができる。また磁場を発生するための機構としては常磁性磁石や電磁石がある。
【００１８】
また磁界の調節は、磁界強度の調整により行うことにより、プラズマ領域中のイオン密度を調整することができる。
【００１９】
また、磁界の調節を、プラズマ領域にあるガラス管長手方向位置を考慮して行うようにすることにより、より高品質のガラス膜を形成することができる。
【００２０】
また、成膜する工程は、プラズマ領域をモニタし、モニタ結果に応じて磁界を調整しながら成膜するようにすれば、より高品質のガラス膜を形成することが可能となる。
【００２１】
さらにまた、磁界の調節では、モニタ結果が所望の値となるようにフィードバックを実行するようにすれば、より効率よくガラス膜の品質向上をはかることが可能となる。
【００２２】
さらに、成膜する工程は、成膜されたガラス膜の屈折率を測定し、測定結果に応じて磁界を調節しつつ成膜する工程を含むようにすれば、より添加物濃度の均一なガラス膜を形成することが可能となる。ここで磁界の調節を連続的に行うようにすれば、より高精度の制御が可能となる。また磁界の調節を断続的に行うようにしてもよく、これにより制御に要する演算量を低減することができる。
【００２３】
また、磁界は、プラズマ領域と一致するように形成すれば、ＧｅＯ２とＳｉＯ２とが長手方向に均一に混じって、堆積領域の有効長を大きくとることができる。
【００２４】
これは、以下の理由によるものと考えられる。磁場が発生している領域外にプラズマを発生させると、特に原料ガス流の下流側では磁場に閉じ込めの効果を得ることができない。これは酸化シリコンと添加される添加物の堆積領域差を生むことになり、Ｇｅの場合はクラックなどの発生原因となり得る。また添加物を添加しないガラス膜の形成に際しても、高品質の成膜を行うことのできる堆積領域を得ることができる。
【００２５】
また、プラズマ領域が、電場のみによるプラズマ発生領域の両端よりも外側まで前記磁界によって、拡張されるようにすれば、閉じ込めの効果を十分に得ることができ、高品質の成膜を行うことが可能となり、堆積領域の拡張を望むことができる。
【００２６】
さらにまた、この磁界を、ガラス管の往復運動に連動し、ガラス管に対して下流側に位置するように移動するようにすれば、ガラス管の存在領域は高品質の膜を成膜できる領域とすることができることになり、堆積領域を長くしてトラバース距離に対して有効長を長くすることができる。
【００２７】
また、この磁界の調節は、前記往復運動の運動速度、原料ガスの流速に応じて、上流側では下流側よりもプラズマ領域が狭くなるように磁界強度を調整するのが望ましい。このようにすれば、下流側ではガスの拡散が生じやすいため、プラズマ領域を狭くし、高密度にしておくことにより、ターン時に生じる高濃度添加部をなくすことができるため、拡散が生じても均一な膜を形成することが可能となる。
【００２８】
本発明の光ファイバプリフォーム製造装置では、ガラス管内に、原料ガスを供給するガス供給手段と、前記原料ガスに、電界を印加して、プラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記プラズマ領域に磁界を印加し、プラズマを封じこめ、プラズマ領域を形成する磁界供給手段と、前記ガラス管を前記プラズマ領域に対して相対的に往復運動させる搬送手段とを具備し、プラズマ誘起ＣＶＤ法により、前記ガラス管内にガラス膜を形成するようにしたことを特徴とする。
【００２９】
かかる構成によれば、磁場供給手段により、プラズマ領域に磁界を印加することにより、プラズマを封じ込めるようにしているため、プラズマ密度を均一かつ高くすることができ、均一で膜質の良好なガラス膜を形成することが可能となる。
【００３０】
また、望ましくは、プラズマ領域が所望の位置となるように前記磁界を調整する磁界調整手段とを具備するようにすれば、効率よくプラズマの封じ込めを行うことができ、高品質の成膜の実現が可能となる。
【００３１】
また、長手方向の屈折率分布を測定しその傾向を把握しておき、次のワークから均一となるように磁界を調整することにより高品質の成膜を行うようにすることができる。すなわち屈折率の高いところでは閉じ込めを弱く、屈折率の低いところでは閉じ込めを強くする。
【００３２】
さらに、プラズマ領域をモニタし、磁界調整手段にモニタ結果を与えるモニタ手段を具備するようにすれば、このモニタ手段の出力に応じて、磁界を調整することができ、制御性よく調整することが可能となる。
【００３３】
望ましくはプラズマ領域をモニタし、その場で自動調整するようにすればより高精度の屈折率調整が可能となる。
【００３４】
また、この調整手段は、前記往復運動の運動速度、原料ガスの流速に応じて、上流側では下流側よりもプラズマ領域が狭くなるように磁界強度を調整する。このようにすれば、下流側ではガスの拡散が生じやすいため、プラズマ領域を狭くし、高密度にしておくことにより、ターン時に生じる高濃度添加部をなくすことができるため、拡散が生じても均一な膜を形成することが可能となる。
【００３５】
望ましくは、さらに成膜されたガラス膜の屈折率を測定する屈折率測定手段と、この屈折率測定手段の出力に応じて磁界調整手段にフィードバックするフィードバック手段とを具備するようにすれば、所望の屈折率のガラス膜を効率よく成膜することができる。
【００３６】
また、この磁界供給手段は、プラズマ生成手段の内側に配設されるようにすれば、磁界の遮蔽がなくなるため、より高密度のプラズマを形成することができる。
これにより、プラズマのテーパ長を短くすることができるため有効長の長いガラス膜の形成が可能となる。
また、前記磁界供給手段は、プラズマ生成手段の径方向の外側に配設されるようにすれば、設計上自由に、プラズマの閉じ込めを良好に行うことができる。しかしプラズマ生成手段の筐体の遮蔽を受ける。
【００３７】
また、磁界供給手段は、プラズマ生成手段から下流側に磁界を供給するように配設されるようにすれば、ガス流によるイオンの流れを防止し、プラズマを封じ込めることができるため、添加物イオンの濃度の低下を防止し、高品質で均一なガラス膜を形成することができる。
【００３８】
また、磁界供給手段は、プラズマ生成手段の両端よりも外方に配置すれば、プラズマ生成手段の筐体による磁場遮蔽もなく、効率よくプラズマ閉じ込めを行うことができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施形態の光ファイバプリフォーム製造装置は、ガラス管へのガラス膜の成膜を行うための装置であって、図１に示すように、ガラス管１００に対して、図示しないガス供給手段を用いて１端側１００Ａから他端側１００Ｂに向けて原料ガスＧを所定の流速で流しながら、プラズマ生成手段を備えたプラズマ発生装置２００を用いて電場を印加し、ガラス管内にプラズマを生起させるとともに、このプラズマ発生装置で生起されたプラズマに磁場発生機構３００によって磁界をかけ、プラズマを封じ込めるようにしたことを特徴とする。
【００４０】
このように構成することにより、プラズマは磁力線に巻きつきながら運動し、イオン密度が高いプラズマ領域PRを作りこれを保持し、このプラズマ領域PRに対しガラス管を所定の速度で往復運動させることにより、このガラス管１００の内壁にガラス薄膜を積層していく。
このようにして形成されたガラス薄膜を有するガラス管１００内に、コアロッドを挿通してコラプスを行うか、コアロッドなしでコラプスし、光ファイバプリフォームが形成される。
【００４１】
このような装置において磁場の中にプラズマをおいた場合、図７（ａ）乃至（ｃ）に示すようにプラズマ中のイオンや電子は磁力線を中心に回転運動をする（サイクロトロン運動）。このとき電子ｅと陽イオンｐの回転方向は逆である。プラズマ中のイオンや電子が磁力線を中心にドリフトを始めると回りの中性分子やイオンと衝突するため、さらにイオン化密度を増すことになる。これが、磁場がかかっている領域のイオンや電子の濃度が高い理由であり、一度磁力線にトラップされたイオンや電子は衝突などがないと抜けられないため、結果的にプラズマが閉じ込められるという現象がおこることになる。
【００４２】
ここでプラズマ生成手段としては、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用する場合と、１３．５６ＭＨｚのラジオ波を利用する場合があるがラジオ波はマイクロ波に比べて比較的プラズマを発生しやすい。さらにまたイオン濃度を上げたい場合にはＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）を用いるのが望ましい。
【００４３】
なお磁場発生機構としては、直流磁石、交流磁石ソレノイドコイルなどの電磁石や常時性磁石を用いることができる。また図９（ａ）乃至（ｄ）に示すように半円型磁場発生機構、リング型磁場発生機構、マルチボール型磁場発生機構、平板型磁場発生機構なども適用可能である。いずれも加熱炉４００内に第１極３００ａと第２極３００ｂが配置されており、ガラス管１００内にプラズマ磁界が形成されるようになっている。３００Ｒはリング型の磁場発生手段である。ここでマルチポール型磁場発生機構としては８極型に限定されることなく、平板型、あるいはアーチ型でもよい。
【００４４】
また、プラズマ発生装置と磁場発生機構との配置については、図２（ａ）乃至図２（ｈ）に示すように、変形可能である。
まず、図２（ａ）および（ｂ）では、プラズマ発生装置２００と磁場発生機構３００の幅をそれぞれＬＰ，ＬＭとしたとき、これらが同じである場合を示す。ここでは図２（ａ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄ内に設置した場合である。ここで磁界をＭ、プラズマ強度が所定の値以上となった高濃度のプラズマ領域をＰＲとする。
【００４５】
そして、図２（ｂ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄの外側に設置した場合である。
【００４６】
また、図２（ｃ）および（ｄ）では、プラズマ発生装置２００よりも磁場発生機構３００の幅を大きくした場合を示す。このようにＬＰ＜ＬＭとすることにより、プラズマの閉じ込めを効率的に行うことができる。また、ＬＰ＞ＬＭとすることにより、堆積領域を拡張することができる。しかしながら、プラズマの閉じ込めを行うことのできる領域外にもプラズマが発生するため、あまり効率的な閉じ込めを行うことができないこともある。これはシリカにＧｅなどの添加物を加えた際、シリカと添加物との堆積領域の差による過剰添加を引き起こし、クラックなどの原因となる可能性がある。
【００４７】
ここでは図２（ｃ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄ内に設置した場合、図２（ｄ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄの外側に設置した場合である。
【００４８】
このように図２（ａ）乃至（ｄ）の構造をとることにより堆積領域が狭いため上流および下流のガラス管端部の堆積膜厚のテーパが短くなり有効長を長くすることができる。
【００４９】
また、以下に図２（ｅ）乃至（ｈ）で示すように、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００と長手方向にずらした場合にも、効率的なプラズマ封じ込めを行うことができる。
【００５０】
ここで、図２（ｅ）および（ｆ）では、プラズマ発生装置２００に対し磁場発生機構３００が下流側に出ている場合を示す。ここでは図２（ｅ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄの内側に設置した場合、図２（ｆ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄの外側に設置した場合である。
【００５１】
前述したように、これら図２（ａ）乃至（ｄ）の例ではいずれも磁場発生機構はプラズマ発生装置の導波管内または径方向で導波管よりも外側にあるため、プラズマ発生装置の導波管（筐体）が磁場を遮蔽し、磁場が弱くなることがある。
【００５２】
この問題を解消し、磁場の効果を十分に得るために図２（ｇ）および（ｈ）に示すように、プラズマ発生装置の外に磁場発生機構３００を出すこともできる。図２（ｇ）ではプラズマ発生装置の両側に磁場発生機構３００を設けており、また図２（ｈ）では、プラズマ発生装置の下流側に磁場発生機構３００を設けている。
【００５３】
ここで、図２（ｇ）では、プラズマ発生装置２００に対し両側に磁場発生機構３００がある。これにより、より強いプラズマの閉じ込めが可能となり、堆積領域も図２（ｃ）および（ｄ）の場合のように広くすることができる。
また、磁場発生機構３００は電磁石で構成することができ、電磁石に流す電流の向きにより、図８（ａ）乃至（ｄ）の構成をとることができる。図８（ａ）、（ｂ）は電磁石を用いた磁場発生機構３００Ｅによりミラー磁場を利用した例、図８（ｃ）、（ｄ）はカプス磁場を利用した例である。これにより、プラズマ領域の形状を調整することができ、より強いプラズマの閉じ込めが可能となる。
【００５４】
またこの図２（ｇ）では、両方の磁場発生機構の位置をガラス管の軸方向に移動することで容易に堆積領域を制御することができる。
【００５５】
さらに、この図２（ｇ）の磁場発生機構は一方の側のみに設置しても良く、それにより堆積領域の調整を同様に制御することが可能となる。ただし、上流に設置した場合は下流側に発生したプラズマをトラップできないため、さらにもう一組のコイルを下流に設置するのが望ましい。
【００５６】
また前述したように、図２（ａ）乃至（ｄ）の構造をとることにより堆積領域が狭いため上流および下流のガラス管端部の堆積膜厚のテーパが短くなり有効長を長くすることができる。
【００５７】
これに対し図２（ｇ）では、堆積領域が長いためテーパもより長くなる傾向があり、同じ往復運動の距離をとっても、有効長を十分にとることができない。
【００５８】
しかし堆積領域が長いため、１回当りのトラバース距離が短く、同じ堆積速度、トラバース速度では同じ有効長をとる場合、図２（ａ）乃至（ｄ）に示した例よりも１層あたりの厚さを薄くすることができるため、膜厚の調整もより容易となる。
【００５９】
さらに図２（ｇ）乃至図２（ｈ）の場合は堆積領域を非常に容易に可変にすることができる上、磁場を効率的に印加することができるという利点がある。
【００６０】
なお、テーパ長や往復運動のストロークを自由に制御することによりプラズマ領域を可変にしてもよい。
プラズマ発生装置に出力（プラズマ電力）や磁場発生機構の磁場強度を調整することで閉じ込めの長さは可変にすることができる。
【００６１】
例えば磁場強度を強くすることによってプラズマの閉じ込めを強くすることができ、堆積領域も短くなる。この点に着目し、プラズマ発生領域をモニタし、その長さが一定となるように、磁場発生機構の磁場強度、磁場発生機構の長さ、プラズマ生成手段の出力のうち一つ以上にフィードバックすることにより均質な膜を形成することができる。
【００６２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態は、成膜されたガラス膜をモニタし、モニタ結果に基づいて、プラズマ領域を調整するようにしたことを特徴とする。この光ファイバプリフォーム製造装置は、図３に示すように、ガスＧの下流側であってガラス管１００のストローク端に近接して、成膜状況を検出する発光部６０１と受光部６０２とからなるセンサを配置し、そのセンサの出力に応じて成膜状況を検査し、その結果を制御手段６０３で制御して磁場発生機構３００への電力供給を調整するようにしたことを特徴とする。他部については前記第１の実施の形態の光ファイバプリフォーム製造装置と同様である。
【００６３】
さらに、ＰＣＶＤ法を用いたガラス膜の形成に際しては、堆積中の基体（ガラス管）温度が低い場合、コラプス中に気泡を発生することがあり、歩留まりを低くすることがある。これは、堆積膜中の塩素濃度が２０００ｐｐｍ以上と高いため、気泡を防止するには８００℃以上に保つ必要があるが、このためガラス管を保温する機構を備えておくのが望ましい。この保温機構の一例を図４乃至図６に示す。
【００６４】
例えば、図４に示すように、磁場発生機構３００およびプラズマ発生手段２００の内側に加熱炉４００を形成したもの、図５に示すように磁場発生機構３００およびプラズマ発生手段２００の外側に加熱炉４００を形成したもの、図６に示すようにプラズマ発生手段２００の両側に磁場発生機構３００を設け磁場発生機構の外側に加熱炉４００を形成したものである。
【００６５】
これらの構成により、良好に保温を行うことができる。このようにして、形成されたガラス膜によれば、コラプス中に気泡を発生する可能性が低減される。
【００６６】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態は、プラズマ状態を測定しこの測定結果に応じて磁場発生機構を制御するものである。
この光ファイバプリフォーム製造装置は、図１に示した第１の実施の形態の光ファイバプリフォーム製造装置の加熱炉４００の一部にフォトダイオードアレイ５００を設置し、図１０に示すように、プラズマ領域の大きさおよび広がりなどのプラズマ状態はフォトダイオードアレイ５００でその発光状態から測定し、この測定結果に応じて、磁場発生機構３００を調整するようにしたことを特徴とする。
ここではフォトダイオードアレイ５００は加熱炉４００の外側に設けられ、プラズマ発生装置２００、磁場発生機構３００、加熱炉４００に設けられたガラス管１００に平行なスリットを通して、プラズマＰＲの状態（プラズマ領域の大きさとプラズマのテーパ長）とをモニタするように構成されている。
ここで、プラズマ領域の大きさ及び拡がり（テーパ）は発光強度によって判断する。ある強度以上の領域を大きさ、それ以下の領域を拡がりとして判断する。
モニタ結果は制御装置６０３に送られ、制御装置は磁場発生機構３００の磁石の間隔と、磁場発生機構３００に供給する電力とをフィードバック制御する。
すなわちプラズマ領域が所望の値よりも大きければ磁石の間隔を狭め、小さければ広げる。またプラズマ領域のテーパ長が所望の値よりも大きければ供給電力を大きくし、小さければ供給電力を小さくする。他部については前記第１の実施の形態の光ファイバプリフォーム製造装置と同様である。
【００６７】
（実施例１）
以下本発明の実施例について説明する。この例では第１の実施の形態で説明した光ファイバプリフォーム製造装置を用いた。
まず、図１に示すように、プラズマ発生装置２００としては、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させるマグネトロンとその導波路とを用い、磁場発生機構３００として磁束密度可変の電磁石を用い、プラズマ発生装置の両脇に設置した。
【００６８】
まず、図１に示すように、外径３０ｍｍ、内径２１ｍｍの純シリカパイプからなるガラス管１００を用いた。そしてこのガラス管１００内に四塩化珪素８０ｓｃｃｍ、四塩化ゲルマニウム２０ｓｃｃｍ、酸素４００ｓｃｃｍ、アルゴン１００ｓｃｃｍを投入し、内圧を８００Ｐａに保持した。プラズマ発生装置に印加するマイクロ波は出力を８００Ｗとした。磁場発生機構の磁場は０.５Ｔとした。又加熱手段４００を１１００℃に保持した。
【００６９】
そしてこのプラズマ発生器２００を磁場発生機構３００とともに１０ｍｍ／ｍｉｎで往復運動させ、１０００層堆積させた。
このようにしてガラス膜の形成されたガラス管を冷却後、他の工程で形成したガラスロッド（図示せず）とコラプスした。
【００７０】
このようにして形成された光ファイバプリフォームはコラプス中もコラプス後も、クラックの発生もなく、良好な光ファイバプリフォームを構成するものであった。
これをＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）で分析した結果、Ｇｅ濃度も均一であった。
【００７１】
しかしながら長手方向の比屈折率差は最大約５０％程度変動していた。
【００７２】
（比較例１）
これに対し、磁石をＯＦＦにし、他は同様にしてガラス膜を成膜し、同様にコラプスを行なった。
その結果コラプス中にガラス膜にクラックが発生し、光ファイバプリフォーム全体にクラックが伝播した。
【００７３】
クラックが入ったコラプス体を長手方向にＥＰＭＡで分析を行なったところ、Ｇｅが過剰添加されていた。磁場発生機構３００よりも下流側でのみ過剰添加が見られた。
【００７４】
（実施例２）
以下本発明の実施例について説明する。
この例では図３に示す装置を用い、プラズマ往復時のプラズマ堆積領域長を発光素子と受光素子６０２とからなる膜厚検出センサによって常時モニタし、プラズマ堆積領域長変動が常に同一長となるように制御装置６０３によって電源３０１から磁場発生機構３００に供給する磁場強度にフィードバックをかけ、プラズマ電力を調節した。
【００７５】
プラズマ堆積領域長が長くなった場合はプラズマ電力を強くし、プラズマ堆積長が短くなった場合はプラズマ電力を弱くするように制御している。
【００７６】
このときの、磁場の磁束強度は０.５Ｔとした。これにより、Ｇｅの過剰添加領域だけでなく、長手方向の比屈折率差の変動も約１０％に抑えることができた。
また、Ｇｅなどの添加物を含まないガラス膜を形成する場合にも高品質で信頼性の高いガラス膜を形成することが可能となり、高品質の光ファイバプリフォームを形成することができる。
【００７７】
（実施例３）
以下本発明の実施例について説明する。
この例では図１０（ａ）および（ｂ）に示した第３の実施の形態の光ファイバプリフォーム製造装置を用い、プラズマ状態を測定するためのフォトダイオードアレイ５００と、このフォトダイオードアレイ５００の出力に従って磁場発生機構３００を制御する制御装置６０３とを付加したもので、他部については第２の実施の形態に示した図３の光ファイバプリフォーム製造装置を用い、プラズマ往復時のプラズマ領域の大きさおよび広がりを、その発光状態からフォトダイオードアレイ５００で測定し、この測定結果に応じて、プラズマ堆積領域長が常に同一長となるように制御装置６０３によって電源３０１から磁場発生機構３００に供給する電流にフィードバックをかけ、磁場強度を調節する。
【００７８】
この装置を用いて、PCVD法でガラス管１００の内側にガラス膜を堆積し、このガラス管１００から光ファイバプリフォームを製造した。基板パイプは、内径３０φの合成石英管を使用し、ＳｉＣｌ4を３００sccm、ＧｅＣｌ4を１００sccm、Ｏ2を2000sccm、Ａｒを５００sccm投入し、２．４５GHｚのマイクロ波を１．２kW入射し、６００層堆積した。印加する磁場は約０．５Ｔ中心とし、±０．１Ｔで磁場強度を調節できるようにした。発光素子６０１と受光素子６０２とを設け、屈折率を測定するとともに、フォトダイオードアレイ５００によってプラズマ状態（プラズマの発光強度）を測定し、堆積中の膜の屈折率差とプラズマ領域の大きさとテーパ長を常時モニタした。プラズマ領域の大きさとテーパは常に設定値となるように制御した。
【００７９】
また、常時モニタしている屈折率が所望の値となるように、プロセス中に上記設定値となるようにして磁場発生機構３００への印加電流を調整してプラズマ状態の微調整を行った。つまり、屈折率が下がるような傾向となった場合、磁場強度を上げてプラズマ領域の大きさが小さくなるように設定値の微調整を行い、プラズマ領域中のＧｅラジカル種の濃度を上げるようにした。堆積後、パイプをコラプスしてプリフォームを作製した。
【００８０】
このようにして作製したプリフォームをプリフォームアナライザによって径方向の屈折率分布を測定した結果、屈折率の変動を３％以内に収めることができた。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、磁界を印加することにより、プラズマを封じ込めるようにしているため、プラズマ密度が均一でかつ高くなり、均一で膜質の良好なガラス膜の形成が可能となり、高品質の光ファイバプリフォームが形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図２】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図５】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図６】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図７】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置の原理説明図である。
【図８】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図９】本発明で用いられる磁場発生機構を示す断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【符号の説明】
１００ ガラス管（基体）
２００ プラズマ発生手段
３００ 磁場発生機構
４００ 加熱炉
５００ フォトダイオードアレイ
６０１ 発光素子
６０２ 受光素子
６０３ 制御装置
ＰＲ プラズマ領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバプリフォームの製造方法および製造装置に係り、特に、プラズマＣＶＤ法を用いた光ファイバプリフォームの製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信技術の進歩に伴い、光ファイバの利用が高まってきている。光ファイバの製造に関しては、通常はプリフォーム（光ファイバ母材）と呼ばれる成形体を高速で線引きすることによって所望の口径の光ファイバを得るという方法がとられる。
【０００３】
従って、光ファイバの形状および品質は、プリフォームの形状および品質をそのまま引き継いでしまうため、プリフォームの形成に際しては、極めて高精度の形状および品質の制御が求められている。
【０００４】
この光ファイバプリフォームの主な製造方法としては、ＶＡＤ法（Vapor phase Axial Deposition:気相軸付法）、ＯＶＤ法（Outer Vapor phase Deposition：外付け法）、ＭＣＶＤ法（Modified Chemical Vapor phase Deposition:内付法）、ＰＣＶＤ法（Plasma Chemical Vapor phase Deposition：プラズマ誘起ＣＶＤ法）等がある。
【０００５】
なかでもＰＣＶＤ法は、ガラス管内に酸素、四塩化珪素、四塩化ゲルマニウムなどの原料ガスを投入してプラズマ状態とし、パイプ表面とのラジカル反応を誘起することで酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなるガラス膜を堆積する方法である。この方法では、ガラス微粒子はアモルファス状態で堆積するため、透明化されたガラス膜を直接形成することができ、他の方法で後工程として必須であった透明化熱処理工程が不要となる。そして、膜質の良好なガラス膜を形成することが可能であり、高品質の膜形成が可能である良好な方法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、ガラス管をプラズマ領域にさらし、相対的に往復運動させながら成膜していくため、ガス流と、プラズマ領域との関係により、プラズマ状態が不均一となることがある。ここでプラズマ状態とは、プラズマ領域におけるイオン密度や温度など、プラズマ領域を構成するプラズマおよびその環境の状態を含むものとする。その結果、成膜されるガラス膜の組成が不均一となり、膜質の低下を招くことがあった。また屈折率調整のため、通常、ゲルマニウムＧｅなどの添加物を添加したガラス膜を形成することが多いが、添加物の拡散により、酸化シリコンの堆積領域と、添加物の堆積領域が異なるため、添加物濃度にばらつきが生じ易いという問題がある。
【０００７】
例えば非平衡プラズマを用いたＣＶＤでは、Ｇｅの存在領域は酸化シリコンの存在領域よりも原料ガス流の下流側にまで伸びているため、下流側にＧｅの高濃度領域ができる（P.Geittner,J.Electrochem.Soc. Proc.X,CVD-Conf.(1983)Vol.84-6,p479）。このような不均一領域の存在は膜質の不均一領域を形成することになり、プロセス中にクラックが生じる原因となり易い。
【０００８】
このように、ＰＣＶＤ法は極めて有効な方法ではありながら、光ファイバプリフォームの製造に際しては、原料ガスのガス流と、成膜の基体となるガラス管の往復運動に起因してプラズマ状態が不均一となり易いという問題があった。
【０００９】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、高品質のガラス膜を形成し、信頼性の高い光ファイバプリフォームを形成する方法および装置を提供することを目的とする。
また本発明は、添加物密度の均一な光ファイバプリフォームを提供する方法および装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、ガラス管内に、プラズマ領域を形成し、前記ガラス管と前記プラズマ領域とを相対的に往復運動させることにより、プラズマ誘起ＣＶＤ法により、前記ガラス管内面にガラス膜を成膜する工程を含む光ファイバプリフォームの製造方法において、前記成膜する工程は、前記プラズマ領域に磁界を印加し、プラズマを封じこめつつ、成膜する工程であることを特徴とする。
【００１１】
プラズマ中のイオンは磁力線に巻きつきながら運動する性質をもつ。そして磁力線に巻きつきながら運動することにより、プラズマはよりイオン密度が高くなる領域を作りこれを保持する。ここではこれを“プラズマを封じ込める”と表現する。
本発明はこの点に着目してなされたものである。
【００１２】
かかる構成によれば、磁界を印加することにより、プラズマを封じ込めるようにしているため、プラズマ密度が均一でかつ高くなり、均一で膜質の良好なガラス膜の形成が可能となり、高品質の光ファイバプリフォームが形成される。
【００１３】
特に、このプラズマ領域を形成する原料ガスが、所望の濃度の屈折率調整のための添加物を含む場合、添加物濃度が不均一となり、クラックが生じ易いという問題があったが、この方法では、磁界によりプラズマ密度を高め、酸化シリコンの堆積領域と、Ｇｅなどの添加物の堆積領域とが実質的に等しくなるようにし、添加物濃度の均一な光ファイバプリフォームを得ることが可能となる。
【００１４】
非平衡プラズマを用いた従来のＣＶＤでは、Ｇｅなどの添加物の添加領域は酸化シリコンの堆積領域よりも（原料ガス流の）下流にまで伸びているため、下流側にＧｅの高濃度添加領域ができる。このため、添加物濃度の高い領域が局所的に層状をなして形成されることになる。
【００１５】
これに対し、本発明の方法では、磁界によるプラズマの封じ込めにより酸化シリコンの堆積領域とＧｅなどの添加物の堆積領域が一致するようにし、均一で高品質のガラス膜を堆積するようにしている。
【００１６】
また、成膜する工程は、前記プラズマ領域が所望の位置となるように前記磁界を調整しつつ成膜する工程を含むようにしている。これにより、ガラス膜の堆積領域となるプラズマ領域の位置を調整するようにしているため、高品質のガラス膜を形成することが可能となる。
【００１７】
なお、プラズマ中のイオン密度は磁場が強いほど大きくなる。このため、磁界の印加はプラズマ密度の集約やプラズマ領域の限定に大きく寄与することになる。例えばミラー磁場やカスプ型磁場など種々の磁場を選択することにより、プラズマ領域の限定効果を得ることができる。また磁場を発生するための機構としては常磁性磁石や電磁石がある。
【００１８】
また磁界の調節は、磁界強度の調整により行うことにより、プラズマ領域中のイオン密度を調整することができる。
【００１９】
また、磁界の調節を、プラズマ領域にあるガラス管長手方向位置を考慮して行うようにすることにより、より高品質のガラス膜を形成することができる。
【００２０】
また、成膜する工程は、プラズマ領域をモニタし、モニタ結果に応じて磁界を調整しながら成膜するようにすれば、より高品質のガラス膜を形成することが可能となる。
【００２１】
さらにまた、磁界の調節では、モニタ結果が所望の値となるようにフィードバックを実行するようにすれば、より効率よくガラス膜の品質向上をはかることが可能となる。
【００２２】
さらに、成膜する工程は、成膜されたガラス膜の屈折率を測定し、測定結果に応じて磁界を調節しつつ成膜する工程を含むようにすれば、より添加物濃度の均一なガラス膜を形成することが可能となる。ここで磁界の調節を連続的に行うようにすれば、より高精度の制御が可能となる。また磁界の調節を断続的に行うようにしてもよく、これにより制御に要する演算量を低減することができる。
【００２３】
また、磁界は、プラズマ領域と一致するように形成すれば、ＧｅＯ２とＳｉＯ２とが長手方向に均一に混じって、堆積領域の有効長を大きくとることができる。
【００２４】
これは、以下の理由によるものと考えられる。磁場が発生している領域外にプラズマを発生させると、特に原料ガス流の下流側では磁場に閉じ込めの効果を得ることができない。これは酸化シリコンと添加される添加物の堆積領域差を生むことになり、Ｇｅの場合はクラックなどの発生原因となり得る。また添加物を添加しないガラス膜の形成に際しても、高品質の成膜を行うことのできる堆積領域を得ることができる。
【００２５】
また、プラズマ領域が、電場のみによるプラズマ発生領域の両端よりも外側まで前記磁界によって、拡張されるようにすれば、閉じ込めの効果を十分に得ることができ、高品質の成膜を行うことが可能となり、堆積領域の拡張を望むことができる。
【００２６】
さらにまた、この磁界を、ガラス管の往復運動に連動し、ガラス管に対して下流側に位置するように移動するようにすれば、ガラス管の存在領域は高品質の膜を成膜できる領域とすることができることになり、堆積領域を長くしてトラバース距離に対して有効長を長くすることができる。
【００２７】
また、この磁界の調節は、前記往復運動の運動速度、原料ガスの流速に応じて、上流側では下流側よりもプラズマ領域が狭くなるように磁界強度を調整するのが望ましい。このようにすれば、下流側ではガスの拡散が生じやすいため、プラズマ領域を狭くし、高密度にしておくことにより、ターン時に生じる高濃度添加部をなくすことができるため、拡散が生じても均一な膜を形成することが可能となる。
【００２８】
本発明の光ファイバプリフォーム製造装置では、ガラス管内に、原料ガスを供給するガス供給手段と、前記原料ガスに、電界を印加して、プラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記プラズマ領域に磁界を印加し、プラズマを封じこめ、プラズマ領域を形成する磁界供給手段と、前記ガラス管を前記プラズマ領域に対して相対的に往復運動させる搬送手段とを具備し、プラズマ誘起ＣＶＤ法により、前記ガラス管内にガラス膜を形成するようにしたことを特徴とする。
【００２９】
かかる構成によれば、磁場供給手段により、プラズマ領域に磁界を印加することにより、プラズマを封じ込めるようにしているため、プラズマ密度を均一かつ高くすることができ、均一で膜質の良好なガラス膜を形成することが可能となる。
【００３０】
また、望ましくは、プラズマ領域が所望の位置となるように前記磁界を調整する磁界調整手段とを具備するようにすれば、効率よくプラズマの封じ込めを行うことができ、高品質の成膜の実現が可能となる。
【００３１】
また、長手方向の屈折率分布を測定しその傾向を把握しておき、次のワークから均一となるように磁界を調整することにより高品質の成膜を行うようにすることができる。すなわち屈折率の高いところでは閉じ込めを弱く、屈折率の低いところでは閉じ込めを強くする。
【００３２】
さらに、プラズマ領域をモニタし、磁界調整手段にモニタ結果を与えるモニタ手段を具備するようにすれば、このモニタ手段の出力に応じて、磁界を調整することができ、制御性よく調整することが可能となる。
【００３３】
望ましくはプラズマ領域をモニタし、その場で自動調整するようにすればより高精度の屈折率調整が可能となる。
【００３４】
また、この調整手段は、前記往復運動の運動速度、原料ガスの流速に応じて、上流側では下流側よりもプラズマ領域が狭くなるように磁界強度を調整する。このようにすれば、下流側ではガスの拡散が生じやすいため、プラズマ領域を狭くし、高密度にしておくことにより、ターン時に生じる高濃度添加部をなくすことができるため、拡散が生じても均一な膜を形成することが可能となる。
【００３５】
望ましくは、さらに成膜されたガラス膜の屈折率を測定する屈折率測定手段と、この屈折率測定手段の出力に応じて磁界調整手段にフィードバックするフィードバック手段とを具備するようにすれば、所望の屈折率のガラス膜を効率よく成膜することができる。
【００３６】
また、この磁界供給手段は、プラズマ生成手段の内側に配設されるようにすれば、磁界の遮蔽がなくなるため、より高密度のプラズマを形成することができる。
これにより、プラズマのテーパ長を短くすることができるため有効長の長いガラス膜の形成が可能となる。
また、前記磁界供給手段は、プラズマ生成手段の径方向の外側に配設されるようにすれば、設計上自由に、プラズマの閉じ込めを良好に行うことができる。しかしプラズマ生成手段の筐体の遮蔽を受ける。
【００３７】
また、磁界供給手段は、プラズマ生成手段から下流側に磁界を供給するように配設されるようにすれば、ガス流によるイオンの流れを防止し、プラズマを封じ込めることができるため、添加物イオンの濃度の低下を防止し、高品質で均一なガラス膜を形成することができる。
【００３８】
また、磁界供給手段は、プラズマ生成手段の両端よりも外方に配置すれば、プラズマ生成手段の筐体による磁場遮蔽もなく、効率よくプラズマ閉じ込めを行うことができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施形態の光ファイバプリフォーム製造装置は、ガラス管へのガラス膜の成膜を行うための装置であって、図１に示すように、ガラス管１００に対して、図示しないガス供給手段を用いて１端側１００Ａから他端側１００Ｂに向けて原料ガスＧを所定の流速で流しながら、プラズマ生成手段を備えたプラズマ発生装置２００を用いて電場を印加し、ガラス管内にプラズマを生起させるとともに、このプラズマ発生装置で生起されたプラズマに磁場発生機構３００によって磁界をかけ、プラズマを封じ込めるようにしたことを特徴とする。
【００４０】
このように構成することにより、プラズマは磁力線に巻きつきながら運動し、イオン密度が高いプラズマ領域PRを作りこれを保持し、このプラズマ領域PRに対しガラス管を所定の速度で往復運動させることにより、このガラス管１００の内壁にガラス薄膜を積層していく。
このようにして形成されたガラス薄膜を有するガラス管１００内に、コアロッドを挿通してコラプスを行うか、コアロッドなしでコラプスし、光ファイバプリフォームが形成される。
【００４１】
このような装置において磁場の中にプラズマをおいた場合、図７（ａ）乃至（ｃ）に示すようにプラズマ中のイオンや電子は磁力線を中心に回転運動をする（サイクロトロン運動）。このとき電子ｅと陽イオンｐの回転方向は逆である。プラズマ中のイオンや電子が磁力線を中心にドリフトを始めると回りの中性分子やイオンと衝突するため、さらにイオン化密度を増すことになる。これが、磁場がかかっている領域のイオンや電子の濃度が高い理由であり、一度磁力線にトラップされたイオンや電子は衝突などがないと抜けられないため、結果的にプラズマが閉じ込められるという現象がおこることになる。
【００４２】
ここでプラズマ生成手段としては、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用する場合と、１３．５６ＭＨｚのラジオ波を利用する場合があるがラジオ波はマイクロ波に比べて比較的プラズマを発生しやすい。さらにまたイオン濃度を上げたい場合にはＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）を用いるのが望ましい。
【００４３】
なお磁場発生機構としては、直流磁石、交流磁石ソレノイドコイルなどの電磁石や常時性磁石を用いることができる。また図９（ａ）乃至（ｄ）に示すように半円型磁場発生機構、リング型磁場発生機構、マルチボール型磁場発生機構、平板型磁場発生機構なども適用可能である。いずれも加熱炉４００内に第１極３００ａと第２極３００ｂが配置されており、ガラス管１００内にプラズマ磁界が形成されるようになっている。３００Ｒはリング型の磁場発生手段である。ここでマルチポール型磁場発生機構としては８極型に限定されることなく、平板型、あるいはアーチ型でもよい。
【００４４】
また、プラズマ発生装置と磁場発生機構との配置については、図２（ａ）乃至図２（ｈ）に示すように、変形可能である。
まず、図２（ａ）および（ｂ）では、プラズマ発生装置２００と磁場発生機構３００の幅をそれぞれＬＰ，ＬＭとしたとき、これらが同じである場合を示す。ここでは図２（ａ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄ内に設置した場合である。ここで磁界をＭ、プラズマ強度が所定の値以上となった高濃度のプラズマ領域をＰＲとする。
【００４５】
そして、図２（ｂ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄの外側に設置した場合である。
【００４６】
また、図２（ｃ）および（ｄ）では、プラズマ発生装置２００よりも磁場発生機構３００の幅を大きくした場合を示す。このようにＬＰ＜ＬＭとすることにより、プラズマの閉じ込めを効率的に行うことができる。また、ＬＰ＞ＬＭとすることにより、堆積領域を拡張することができる。しかしながら、プラズマの閉じ込めを行うことのできる領域外にもプラズマが発生するため、あまり効率的な閉じ込めを行うことができないこともある。これはシリカにＧｅなどの添加物を加えた際、シリカと添加物との堆積領域の差による過剰添加を引き起こし、クラックなどの原因となる可能性がある。
【００４７】
ここでは図２（ｃ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄ内に設置した場合、図２（ｄ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄの外側に設置した場合である。
【００４８】
このように図２（ａ）乃至（ｄ）の構造をとることにより堆積領域が狭いため上流および下流のガラス管端部の堆積膜厚のテーパが短くなり有効長を長くすることができる。
【００４９】
また、以下に図２（ｅ）乃至（ｈ）で示すように、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００と長手方向にずらした場合にも、効率的なプラズマ封じ込めを行うことができる。
【００５０】
ここで、図２（ｅ）および（ｆ）では、プラズマ発生装置２００に対し磁場発生機構３００が下流側に出ている場合を示す。ここでは図２（ｅ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄの内側に設置した場合、図２（ｆ）は、磁場発生機構３００をプラズマ発生装置２００の導波管２００Ｄの外側に設置した場合である。
【００５１】
前述したように、これら図２（ａ）乃至（ｄ）の例ではいずれも磁場発生機構はプラズマ発生装置の導波管内または径方向で導波管よりも外側にあるため、プラズマ発生装置の導波管（筐体）が磁場を遮蔽し、磁場が弱くなることがある。
【００５２】
この問題を解消し、磁場の効果を十分に得るために図２（ｇ）および（ｈ）に示すように、プラズマ発生装置の外に磁場発生機構３００を出すこともできる。図２（ｇ）ではプラズマ発生装置の両側に磁場発生機構３００を設けており、また図２（ｈ）では、プラズマ発生装置の下流側に磁場発生機構３００を設けている。
【００５３】
ここで、図２（ｇ）では、プラズマ発生装置２００に対し両側に磁場発生機構３００がある。これにより、より強いプラズマの閉じ込めが可能となり、堆積領域も図２（ｃ）および（ｄ）の場合のように広くすることができる。
また、磁場発生機構３００は電磁石で構成することができ、電磁石に流す電流の向きにより、図８（ａ）乃至（ｄ）の構成をとることができる。図８（ａ）、（ｂ）は電磁石を用いた磁場発生機構３００Ｅによりミラー磁場を利用した例、図８（ｃ）、（ｄ）はカプス磁場を利用した例である。これにより、プラズマ領域の形状を調整することができ、より強いプラズマの閉じ込めが可能となる。
【００５４】
またこの図２（ｇ）では、両方の磁場発生機構の位置をガラス管の軸方向に移動することで容易に堆積領域を制御することができる。
【００５５】
さらに、この図２（ｇ）の磁場発生機構は一方の側のみに設置しても良く、それにより堆積領域の調整を同様に制御することが可能となる。ただし、上流に設置した場合は下流側に発生したプラズマをトラップできないため、さらにもう一組のコイルを下流に設置するのが望ましい。
【００５６】
また前述したように、図２（ａ）乃至（ｄ）の構造をとることにより堆積領域が狭いため上流および下流のガラス管端部の堆積膜厚のテーパが短くなり有効長を長くすることができる。
【００５７】
これに対し図２（ｇ）では、堆積領域が長いためテーパもより長くなる傾向があり、同じ往復運動の距離をとっても、有効長を十分にとることができない。
【００５８】
しかし堆積領域が長いため、１回当りのトラバース距離が短く、同じ堆積速度、トラバース速度では同じ有効長をとる場合、図２（ａ）乃至（ｄ）に示した例よりも１層あたりの厚さを薄くすることができるため、膜厚の調整もより容易となる。
【００５９】
さらに図２（ｇ）乃至図２（ｈ）の場合は堆積領域を非常に容易に可変にすることができる上、磁場を効率的に印加することができるという利点がある。
【００６０】
なお、テーパ長や往復運動のストロークを自由に制御することによりプラズマ領域を可変にしてもよい。
プラズマ発生装置に出力（プラズマ電力）や磁場発生機構の磁場強度を調整することで閉じ込めの長さは可変にすることができる。
【００６１】
例えば磁場強度を強くすることによってプラズマの閉じ込めを強くすることができ、堆積領域も短くなる。この点に着目し、プラズマ発生領域をモニタし、その長さが一定となるように、磁場発生機構の磁場強度、磁場発生機構の長さ、プラズマ生成手段の出力のうち一つ以上にフィードバックすることにより均質な膜を形成することができる。
【００６２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態は、成膜されたガラス膜をモニタし、モニタ結果に基づいて、プラズマ領域を調整するようにしたことを特徴とする。この光ファイバプリフォーム製造装置は、図３に示すように、ガスＧの下流側であってガラス管１００のストローク端に近接して、成膜状況を検出する発光部６０１と受光部６０２とからなるセンサを配置し、そのセンサの出力に応じて成膜状況を検査し、その結果を制御手段６０３で制御して磁場発生機構３００への電力供給を調整するようにしたことを特徴とする。他部については前記第１の実施の形態の光ファイバプリフォーム製造装置と同様である。
【００６３】
さらに、ＰＣＶＤ法を用いたガラス膜の形成に際しては、堆積中の基体（ガラス管）温度が低い場合、コラプス中に気泡を発生することがあり、歩留まりを低くすることがある。これは、堆積膜中の塩素濃度が２０００ｐｐｍ以上と高いため、気泡を防止するには８００℃以上に保つ必要があるが、このためガラス管を保温する機構を備えておくのが望ましい。この保温機構の一例を図４乃至図６に示す。
【００６４】
例えば、図４に示すように、磁場発生機構３００およびプラズマ発生手段２００の内側に加熱炉４００を形成したもの、図５に示すように磁場発生機構３００およびプラズマ発生手段２００の外側に加熱炉４００を形成したもの、図６に示すようにプラズマ発生手段２００の両側に磁場発生機構３００を設け磁場発生機構の外側に加熱炉４００を形成したものである。
【００６５】
これらの構成により、良好に保温を行うことができる。このようにして、形成されたガラス膜によれば、コラプス中に気泡を発生する可能性が低減される。
【００６６】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態は、プラズマ状態を測定しこの測定結果に応じて磁場発生機構を制御するものである。
この光ファイバプリフォーム製造装置は、図１に示した第１の実施の形態の光ファイバプリフォーム製造装置の加熱炉４００の一部にフォトダイオードアレイ５００を設置し、図１０に示すように、プラズマ領域の大きさおよび広がりなどのプラズマ状態はフォトダイオードアレイ５００でその発光状態から測定し、この測定結果に応じて、磁場発生機構３００を調整するようにしたことを特徴とする。
ここではフォトダイオードアレイ５００は加熱炉４００の外側に設けられ、プラズマ発生装置２００、磁場発生機構３００、加熱炉４００に設けられたガラス管１００に平行なスリットを通して、プラズマＰＲの状態（プラズマ領域の大きさとプラズマのテーパ長）とをモニタするように構成されている。
ここで、プラズマ領域の大きさ及び拡がり（テーパ）は発光強度によって判断する。ある強度以上の領域を大きさ、それ以下の領域を拡がりとして判断する。
モニタ結果は制御装置６０３に送られ、制御装置は磁場発生機構３００の磁石の間隔と、磁場発生機構３００に供給する電力とをフィードバック制御する。
すなわちプラズマ領域が所望の値よりも大きければ磁石の間隔を狭め、小さければ広げる。またプラズマ領域のテーパ長が所望の値よりも大きければ供給電力を大きくし、小さければ供給電力を小さくする。他部については前記第１の実施の形態の光ファイバプリフォーム製造装置と同様である。
【００６７】
（実施例１）
以下本発明の実施例について説明する。この例では第１の実施の形態で説明した光ファイバプリフォーム製造装置を用いた。
まず、図１に示すように、プラズマ発生装置２００としては、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させるマグネトロンとその導波路とを用い、磁場発生機構３００として磁束密度可変の電磁石を用い、プラズマ発生装置の両脇に設置した。
【００６８】
まず、図１に示すように、外径３０ｍｍ、内径２１ｍｍの純シリカパイプからなるガラス管１００を用いた。そしてこのガラス管１００内に四塩化珪素８０ｓｃｃｍ、四塩化ゲルマニウム２０ｓｃｃｍ、酸素４００ｓｃｃｍ、アルゴン１００ｓｃｃｍを投入し、内圧を８００Ｐａに保持した。プラズマ発生装置に印加するマイクロ波は出力を８００Ｗとした。磁場発生機構の磁場は０.５Ｔとした。又加熱手段４００を１１００℃に保持した。
【００６９】
そしてこのプラズマ発生器２００を磁場発生機構３００とともに１０ｍｍ／ｍｉｎで往復運動させ、１０００層堆積させた。
このようにしてガラス膜の形成されたガラス管を冷却後、他の工程で形成したガラスロッド（図示せず）とコラプスした。
【００７０】
このようにして形成された光ファイバプリフォームはコラプス中もコラプス後も、クラックの発生もなく、良好な光ファイバプリフォームを構成するものであった。
これをＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）で分析した結果、Ｇｅ濃度も均一であった。
【００７１】
しかしながら長手方向の比屈折率差は最大約５０％程度変動していた。
【００７２】
（比較例１）
これに対し、磁石をＯＦＦにし、他は同様にしてガラス膜を成膜し、同様にコラプスを行なった。
その結果コラプス中にガラス膜にクラックが発生し、光ファイバプリフォーム全体にクラックが伝播した。
【００７３】
クラックが入ったコラプス体を長手方向にＥＰＭＡで分析を行なったところ、Ｇｅが過剰添加されていた。磁場発生機構３００よりも下流側でのみ過剰添加が見られた。
【００７４】
（実施例２）
以下本発明の実施例について説明する。
この例では図３に示す装置を用い、プラズマ往復時のプラズマ堆積領域長を発光素子と受光素子６０２とからなる膜厚検出センサによって常時モニタし、プラズマ堆積領域長変動が常に同一長となるように制御装置６０３によって電源３０１から磁場発生機構３００に供給する磁場強度にフィードバックをかけ、プラズマ電力を調節した。
【００７５】
プラズマ堆積領域長が長くなった場合はプラズマ電力を強くし、プラズマ堆積長が短くなった場合はプラズマ電力を弱くするように制御している。
【００７６】
このときの、磁場の磁束強度は０.５Ｔとした。これにより、Ｇｅの過剰添加領域だけでなく、長手方向の比屈折率差の変動も約１０％に抑えることができた。
また、Ｇｅなどの添加物を含まないガラス膜を形成する場合にも高品質で信頼性の高いガラス膜を形成することが可能となり、高品質の光ファイバプリフォームを形成することができる。
【００７７】
（実施例３）
以下本発明の実施例について説明する。
この例では図１０（ａ）および（ｂ）に示した第３の実施の形態の光ファイバプリフォーム製造装置を用い、プラズマ状態を測定するためのフォトダイオードアレイ５００と、このフォトダイオードアレイ５００の出力に従って磁場発生機構３００を制御する制御装置６０３とを付加したもので、他部については第２の実施の形態に示した図３の光ファイバプリフォーム製造装置を用い、プラズマ往復時のプラズマ領域の大きさおよび広がりを、その発光状態からフォトダイオードアレイ５００で測定し、この測定結果に応じて、プラズマ堆積領域長が常に同一長となるように制御装置６０３によって電源３０１から磁場発生機構３００に供給する電流にフィードバックをかけ、磁場強度を調節する。
【００７８】
この装置を用いて、PCVD法でガラス管１００の内側にガラス膜を堆積し、このガラス管１００から光ファイバプリフォームを製造した。基板パイプは、内径３０φの合成石英管を使用し、ＳｉＣｌ4を３００sccm、ＧｅＣｌ4を１００sccm、Ｏ2を2000sccm、Ａｒを５００sccm投入し、２．４５GHｚのマイクロ波を１．２kW入射し、６００層堆積した。印加する磁場は約０．５Ｔ中心とし、±０．１Ｔで磁場強度を調節できるようにした。発光素子６０１と受光素子６０２とを設け、屈折率を測定するとともに、フォトダイオードアレイ５００によってプラズマ状態（プラズマの発光強度）を測定し、堆積中の膜の屈折率差とプラズマ領域の大きさとテーパ長を常時モニタした。プラズマ領域の大きさとテーパは常に設定値となるように制御した。
【００７９】
また、常時モニタしている屈折率が所望の値となるように、プロセス中に上記設定値となるようにして磁場発生機構３００への印加電流を調整してプラズマ状態の微調整を行った。つまり、屈折率が下がるような傾向となった場合、磁場強度を上げてプラズマ領域の大きさが小さくなるように設定値の微調整を行い、プラズマ領域中のＧｅラジカル種の濃度を上げるようにした。堆積後、パイプをコラプスしてプリフォームを作製した。
【００８０】
このようにして作製したプリフォームをプリフォームアナライザによって径方向の屈折率分布を測定した結果、屈折率の変動を３％以内に収めることができた。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、磁界を印加することにより、プラズマを封じ込めるようにしているため、プラズマ密度が均一でかつ高くなり、均一で膜質の良好なガラス膜の形成が可能となり、高品質の光ファイバプリフォームが形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図２】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図５】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図６】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図７】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置の原理説明図である。
【図８】本発明の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【図９】本発明で用いられる磁場発生機構を示す断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の光ファイバプリフォームの製造装置を示す図である。
【符号の説明】
１００ ガラス管（基体）
２００ プラズマ発生手段
３００ 磁場発生機構
４００ 加熱炉
５００ フォトダイオードアレイ
６０１ 発光素子
６０２ 受光素子
６０３ 制御装置
ＰＲ プラズマ領域
Claims (20)
- ガラス管内に、プラズマ領域を形成し、前記ガラス管と前記プラズマ領域とを相対的に往復運動させることにより、プラズマ誘起ＣＶＤ法により、前記ガラス管内面にガラス膜を成膜する工程を含む光ファイバプリフォームの製造方法において、
前記成膜する工程は、前記プラズマ領域に磁界を印加し、プラズマを封じこめつつ、成膜する工程であることを特徴とする光ファイバプリフォームの製造方法。 - 前記プラズマ領域は、所望の濃度の屈折率調整のための添加物を含むことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- 前記成膜する工程は、前記プラズマ領域が所望の位置となるように前記磁界を調節しつつ成膜することを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- 前記磁界の調節は、磁界強度の調整により行うことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- 前記磁界の調節は、前記プラズマ領域のガラス管長手方向位置を考慮して行うことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- 前記成膜する工程は、前記プラズマ領域をモニタし、モニタ結果に応じて前記磁界の調節を実行しながら成膜することを特徴とする請求項３に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- 前記磁界の調節は、前記モニタ結果が所望の値となるようなフィードバック制御の実行を含むことを特徴とする請求項６に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- 前記成膜する工程は、成膜されたガラス膜の屈折率を測定し、
前記測定結果に応じて前記磁界を調節しつつ成膜する工程であることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の光ファイバプリフォームの製造方法。 - 前記磁界は、前記プラズマ領域と一致するように形成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- 前記プラズマ領域が、電場によるプラズマ発生領域の両端よりも外側まで前記磁界によって、拡張されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- 前記磁界は、前記往復運動に連動してガラス管に対して下流側に位置するように移動せしめられることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- 前記磁界強度の調整は、
前記往復運動の運動速度、原料ガスの流速に応じて、上流側では下流側よりもプラズマ領域が狭くなるように磁界強度を調整するものであることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。 - ガラス管内に、原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記原料ガスに、電界を印加して、プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
前記プラズマ領域に磁界を印加し、プラズマを封じこめ、プラズマ領域を形成する磁界供給手段と、
前記ガラス管を前記プラズマ領域に対して相対的に往復運動させる搬送手段とを具備し、
プラズマ誘起ＣＶＤ法により、前記ガラス管内にガラス膜を形成するようにしたことを特徴とする光ファイバプリフォーム製造装置。 - さらに、前記プラズマ領域が所望の位置となるように前記磁界を調整する磁界調整手段とを具備したことを特徴とする請求項１３記載の光ファイバプリフォームの製造装置。
- さらに、前記プラズマ領域をモニタし、磁界調整手段にモニタ結果を与えるモニタ手段を具備したことを特徴とする請求項１４記載の光ファイバプリフォームの製造装置。
- さらに成膜されたガラス膜の屈折率を測定する屈折率測定手段と、
前記屈折率測定手段の出力に応じて前記磁界調整手段にフィードバックするフィードバック手段とを具備したことを特徴とする請求項１３に記載の光ファイバプリフォームの製造装置。 - 前記磁界供給手段は、プラズマ生成手段内に配設されていることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれかに記載の光ファイバプリフォームの製造装置。
- 前記磁界供給手段は、プラズマ生成手段の外側に配設されていることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれかに記載の光ファイバプリフォームの製造装置。
- 前記磁界供給手段は、プラズマ生成手段から下流側に磁界を供給するように配設されていることを特徴とする請求項１３乃至１８のいずれかに記載の光ファイバプリフォームの製造装置。
- 前記磁界供給手段は、プラズマ生成手段の両端よりも外方まで磁界を供給するように配設されていることを特徴とする請求項１３乃至１８のいずれかに記載の光ファイバプリフォームの製造装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050707 |
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| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20060407 |