JP4926164B2 - 高周波誘導熱プラズマトーチを用いた光ファイバプリフォームの製造方法及び装置 - Google Patents
高周波誘導熱プラズマトーチを用いた光ファイバプリフォームの製造方法及び装置 Download PDFInfo
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Description
本発明は、高周波誘導熱プラズマトーチを用いた光ファイバプリフォームの製造方法及び装置に関する。
高周波誘導熱プラズマトーチは、ガス流路管の周囲に高周波コイルを配設して高周波電流を印加し、内部のガスをプラズマ化してトーチから噴射する装置であり、１万度程度の超高温を得ることができ、比較的遅いプラズマ線速で、しかも酸化・還元雰囲気を自由に選択できることから、超高温の反応場として用いられている。
純シリカガラスコアにフッ素ドープシリカガラスクラッドを被せた構成の光ファイバは、通常よく用いられているゲルマニウムドープシリカガラスコア／純シリカガラスクラッドの構成の光ファイバに比べ、紫外線や放射線に強い特徴をもっている。これは、結合エネルギーの小さいGe-O結合を持たないためである。
純シリカガラスコア上にフッ素ドープシリカガラスクラッドを設ける方法としては、（１）特許文献１に記載されているような、純シリカガラスロッドの周囲に純シリカのガラス微粒子を堆積して多孔質ガラス層を形成し、フッ素含有雰囲気中で透明ガラス化する方法や、（２）特許文献２に記載されているような、純シリカガラスロッドの周囲にプラズマ火炎を用いて、直接フッ素ドープシリカガラスを堆積する方法が知られている。
上記（１）の方法は、比屈折率差Δが0.7％程度以下に限定されるが、生産性が良好で、厚いクラッド層を設けるのに適している。（２）の方法は、（１）の方法よりも生産性において劣るが、比屈折率差Δを0.7％より大きくすることが可能である。ここで、比屈折率差Δは、
で定義される。ｎcore,ｎcladは、それぞれコア及びクラッドの屈折率である。
上記（２）の方法について、図１を用いて説明する。プラズマトーチ１にはコイル２が付設されており、コイル２に高周波電力を印加すると、ガス供給装置３から供給されたガスは、プラズマトーチ１内でプラズマ化され、プラズマ火炎４として噴射される。供給されるガスは、アルゴン、酸素、四塩化硅素及びフッ素含有ガス（四フッ化硅素、六フッ化エタン、六フッ化イオウ等）等である。
プラズマ火炎４内では、フッ素ドープガラス微粒子が生成され、反応チャンバ５内で回転しつつ上下方向に往復運動するガラスロッド（ターゲット）６の表面にフッ素ドープガラス微粒子が堆積される。付着しなかったガラス微粒子及び排気ガスは、排気口７から系外に排出される。このようにして薄膜状のフッ素ドープガラスを繰り返し堆積することで、所望の厚さのクラッド層を有する光ファイバプリフォームが製造される。なお、符号８は強制冷却用ノズルであり、符号９は冷却空気導入口である。
特許文献３には、プラズマトーチ１に対して相対的に往復運動するガラスロッド６に向けて、往路のみガラス原料を供給し、復路はガラス原料の供給を停止し、プラズマ温度を下げて高速で戻すことで、クラッドの屈折率を長手方向に安定させることができるとある。
特公平4-79981号公報
特公平2-47414号公報
特願2007-142423号
プリフォームを加熱溶融し、線引きして得られる光ファイバの開口数NAは、
で求められる。NAは、光ファイバが受け取ることのできる光の広がり角を表すパラメータであり、この値が大きいほど、様々な方向からの光を受光し伝送することができる。ここで取り扱う純シリカコア／フッ素ドープクラッド光ファイバでは、ｎcoreはおよそ1.457であり、ｎcladはフッ素濃度に依存して変化する。NAと比屈折率差Δには相関関係があり、比屈折率差が大きいほどNAが大きくなる。
そこで、本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、クラッドにドープされるフッ素濃度を増大させてプリフォームの比屈折率差を向上させることのできる、高周波誘導熱プラズマトーチを用いた光ファイバプリフォームの製造方法及び装置を提供することを目的としている。
本発明の光ファイバプリフォームの製造方法は、高周波誘導熱プラズマトーチに少なくともガラス原料、ドーパント原料及び酸素を供給し、プラズマ火炎中で合成されたガラス微粒子を、回転しつつプラズマトーチに対して相対的に往復運動するガラスロッド表面に付着堆積させる光ファイバプリフォームの製造方法において、プラズマ火炎により連続して形成されるガラス微粒子流の少なくとも一部をガラスロッドに堆積させないように、ガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けることを特徴としている。
ガラスロッドの周方向温度分布のうち、高温領域を形成しているガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けることにより、ガラス微粒子流の少なくとも一部を堆積しないようにするのが好ましい。
ガラス微粒子流の一部が堆積しないようにするには、例えば、ガラスロッドの進行方向側又はガラスロッドの回転方向側のガラス微粒子流に向けてガスを吹き付ける方法が挙げられる。あるいは、ガラスロッドの進行方向側からガラスロッドに沿って、ガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けても良い。
ガラス微粒子流の一部が堆積しないようにするには、例えば、ガラスロッドの進行方向側又はガラスロッドの回転方向側のガラス微粒子流に向けてガスを吹き付ける方法が挙げられる。あるいは、ガラスロッドの進行方向側からガラスロッドに沿って、ガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けても良い。
本発明の光ファイバプリフォームの製造装置は、高周波誘導熱プラズマトーチに少なくともガラス原料、ドーパント原料及び酸素を供給し、プラズマ火炎中で合成されたガラス微粒子を、回転しつつプラズマトーチに対して相対的に往復運動するガラスロッド表面に付着堆積させる光ファイバプリフォームの製造装置において、ガラスロッドの進行方向側又は回転方向側のガラス微粒子流の少なくとも一部をガラスロッドに堆積させないようにする堆積阻害部材が設置されていることを特徴としている。
前記堆積阻害部材は、ガラスロッドの進行方向側又は回転方向側に設けられ、ガラスロッド進行方向側のガラス微粒子流に向けてガスを吹き付ける堆積阻害用ガスノズルである。
堆積阻害部材には、その他に、ガラスロッドが挿通可能に設けられたガスガイド管であり、該ガスガイド管とガラスロッドとの間隙からガラスロッドに沿って、ガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けることにより、ガラス微粒子流の少なくとも一部の堆積を阻害するようにしても良い。
堆積阻害部材には、その他に、ガラスロッドが挿通可能に設けられたガスガイド管であり、該ガスガイド管とガラスロッドとの間隙からガラスロッドに沿って、ガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けることにより、ガラス微粒子流の少なくとも一部の堆積を阻害するようにしても良い。
本発明によれば、プラズマ火炎中で形成されたガラス微粒子流の少なくとも一部をガラスロッドに堆積させないようにすることで、クラッド中のフッ素濃度を増大させることができ、プリフォームの比屈折率差を向上させることができる。
プラズマ火炎中のガラス微粒子流は、ガラスロッドに当接して進行方向の前後に分かれて進む。このとき、ガラス微粒子流によって瞬間的に堆積されるガラス薄膜の屈折率が、ガラス微粒子流当接部分の前後、すなわち移動するガラスロッドの前後方向で異なっていることを見い出し、この知見に基づいて本発明を達成した。
図２は、プラズマトーチ１とガラスロッド６との相対移動方向に沿って、比屈折率差Δ、堆積量、温度を測定したものであり、図からガラスロッド６の進行方向側（図では下側）は、ガラスロッド６の移動によって既にプラズマ火炎４で加熱されているため温度が高くなっており、付着するガラス微粒子の量は多いものの、フッ素のドープ量は少なく、比屈折率差Δが小さくなっているのが認められる。
図２の知見から、相対的に温度の高い領域は、堆積量も多いがフッ素のドープ量は少なく比屈折率差Δが小さいため、火炎流の中心よりややずれたガラスロッドの進行方向側又は回転方向の下流側に存在する最高温度域の温度を下げることで、堆積層の比屈折率差Δを向上させ得ることが判明した。
そこで、本発明は、ガラスロッドの進行方向側又は回転方向の下流側に生じる最高温度域の温度を下げることで、具体的には、ガラスロッド表面に形成された最高温度域に向かうガラス微粒子流に向けて、堆積阻害用ガスノズルからガスを吹き付けることにより，ガラス微粒子流の少なくとも一部の堆積を阻害すると共に、最高温度域の温度を下げ、フッ素のドープ量を増加させることでより高い比屈折率差Δを可能としたものである。
そこで、本発明は、ガラスロッドの進行方向側又は回転方向の下流側に生じる最高温度域の温度を下げることで、具体的には、ガラスロッド表面に形成された最高温度域に向かうガラス微粒子流に向けて、堆積阻害用ガスノズルからガスを吹き付けることにより，ガラス微粒子流の少なくとも一部の堆積を阻害すると共に、最高温度域の温度を下げ、フッ素のドープ量を増加させることでより高い比屈折率差Δを可能としたものである。
ガラスロッド６の進行方向側のガラス微粒子流の少なくとも一部を堆積させないようにする方法には、例えば、図３に示した堆積阻害用ガスノズル10を用いてガラス微粒子の堆積を阻害する方法が挙げられる。堆積阻害用ガスノズル10は、プラズマトーチ１と同じ側に設置されているが、装置の構成上、ガスノズル10の設置が困難な場合や、堆積阻害用ガスノズル10の先端に未付着のガラス微粒子が堆積して不都合を生じる場合は、図５や図６に示すように、堆積阻害用ガスノズル10を例えば90°方向をずらして設置しても良い。
さらに、ガラスロッド６の進行方向側のガラス微粒子流の少なくとも一部を堆積させないようにする方法には、図４に示したガスガイド管11を用いる方法が挙げられる。この方法は、ガラスロッド６の進行方向側（図では下側）からガラスロッド６に沿って、ガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けるものである。
ガスガイド管11は、プラズマ火炎４の直近下方に設置され、反応チャンバ下部に設けられた冷却空気導入口9bから導入された空気が、ガラスロッドとガスガイド管11との間隙を通り、ガラスロッドに沿ってプラズマ火炎４の下部に導かれ、これによってプラズマ火炎４の下方側、すなわち、ガラスロッド６の進行方向側のガラス微粒子流の一部の堆積が阻害される。なお、ガスガイド管11のプラズマトーチ側は、未付着のガラス微粒子が堆積しやすいため、この対策として、ガスガイド管11のプラズマトーチ側の一部を切り欠いておくのが好ましい。
加熱されるガラスロッド６は、図７に示すように、長手方向だけではなく回転方向にも温度分布が生じる。最高温度域を生じる回転方向は、ガラスロッド６の外径、プラズマ火炎の大きさ、ガラスロッド６の回転速度等によって影響を受けるが、常にロッド回転の下流側に最高温度となる領域が存在する。その高温領域を形成しているガラス微粒子流に向けて堆積阻害用ガスノズル10を配置し堆積を阻害すると、屈折率上昇効果を最大とすることができる。具体的には、図５のような配置よりも、図６に示したような配置の方が効果的である。
プラズマトーチへの原料ガスの供給は往路のみとし、四塩化珪素、四フッ化珪素、アルゴン、酸素を供給した。復路は、原料ガスは供給せずにアルゴンと酸素のみを供給し、高速で基準位置に復帰させるとよい。なお、ドーパントには、四フッ化珪素の他に六フッ化エタンや六フッ化イオウなどのフッ素含有ガスを用いることができ、同様の効果を得ることができる。
以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
回転しつつ鉛直方向に上下動する外径50mm、長さ1,100mmの石英ガラスロッド上に、高周波誘導熱プラズマトーチを用いてガラス微粒子を堆積させ、フッ素ドープ石英ガラス層を形成した。
往路のプラズマトーチ／ガラスロッド相対移動速度を75mm/minとし、プラズマトーチにはアルゴン、酸素、四塩化珪素、四フッ化珪素を供給した。往路の移動方向は下方とした。プラズマトーチの上下に強制冷却用ノズルを設け、それぞれから30L/minの室温空気をガラスロッドに吹き付け、堆積部の上下縁を冷却した。反応チャンバの上下に設けられた冷却空気導入口からは、10℃に冷却した空気をそれぞれ200L/min供給した。さらに図５に示すように、プラズマトーチ１と90°異なる方向（ロッド回転方向の上流側）に堆積阻害用ガスノズル10を設置し、プラズマトーチの中心線高から35mm下の位置に向けて、50L/minの室温空気を吹き付けた。プラズマトーチ１に供給する電力は、ガラス原料がガラス化される下限のパワーである61kWに設定した。
回転しつつ鉛直方向に上下動する外径50mm、長さ1,100mmの石英ガラスロッド上に、高周波誘導熱プラズマトーチを用いてガラス微粒子を堆積させ、フッ素ドープ石英ガラス層を形成した。
往路のプラズマトーチ／ガラスロッド相対移動速度を75mm/minとし、プラズマトーチにはアルゴン、酸素、四塩化珪素、四フッ化珪素を供給した。往路の移動方向は下方とした。プラズマトーチの上下に強制冷却用ノズルを設け、それぞれから30L/minの室温空気をガラスロッドに吹き付け、堆積部の上下縁を冷却した。反応チャンバの上下に設けられた冷却空気導入口からは、10℃に冷却した空気をそれぞれ200L/min供給した。さらに図５に示すように、プラズマトーチ１と90°異なる方向（ロッド回転方向の上流側）に堆積阻害用ガスノズル10を設置し、プラズマトーチの中心線高から35mm下の位置に向けて、50L/minの室温空気を吹き付けた。プラズマトーチ１に供給する電力は、ガラス原料がガラス化される下限のパワーである61kWに設定した。
復路は、プラズマトーチ／ガラスロッド相対移動速度を500mm/minとし、プラズマトーチにはアルゴンと酸素を供給し、ガラス原料及びフッ素源である四塩化珪素及び四フッ化珪素は供給しなかった。復路のプラズマトーチに供給する電力は、プラズマが安定して維持される下限のパワーである８kWに設定した。
この条件で、プラズマトーチを60回相対往復移動させて堆積を繰り返し、フッ素ドープガラス層を形成した。得られたプリフォームの屈折率分布をアナライザで測定したところ、比屈折率差は1.73％であった。
この条件で、プラズマトーチを60回相対往復移動させて堆積を繰り返し、フッ素ドープガラス層を形成した。得られたプリフォームの屈折率分布をアナライザで測定したところ、比屈折率差は1.73％であった。
（実施例２）
図４に示すように、プラズマトーチの上側にのみ強制冷却用ノズル８を設けて30L/minの室温空気をガラスロッド６に吹き付け、堆積部の上縁を冷却した。さらに、プラズマトーチ１の直近下方にガスガイド管11を設置し、プラズマ火炎下側のガラス微粒子流の堆積を阻害した以外は、実施例１と同様にして、プラズマトーチを60回相対往復移動させて堆積を繰り返し、ガラスロッド上にフッ素ドープガラス層を形成した。
得られたプリフォームの屈折率分布をアナライザで測定したところ、比屈折率差は1.85％であった。
図４に示すように、プラズマトーチの上側にのみ強制冷却用ノズル８を設けて30L/minの室温空気をガラスロッド６に吹き付け、堆積部の上縁を冷却した。さらに、プラズマトーチ１の直近下方にガスガイド管11を設置し、プラズマ火炎下側のガラス微粒子流の堆積を阻害した以外は、実施例１と同様にして、プラズマトーチを60回相対往復移動させて堆積を繰り返し、ガラスロッド上にフッ素ドープガラス層を形成した。
得られたプリフォームの屈折率分布をアナライザで測定したところ、比屈折率差は1.85％であった。
（実施例３）
図６に示すように、堆積阻害用ガスノズル10をプラズマトーチ１と90°異なる方向（ロッド回転方向の下流側）に設置した以外は、実施例１と同様にして、プラズマトーチを60回相対往復移動させて堆積を繰り返し、ガラスロッド上にフッ素ドープガラス層を形成した。
得られたプリフォームの屈折率分布をアナライザで測定したところ、比屈折率差は1.83％であった。
図６に示すように、堆積阻害用ガスノズル10をプラズマトーチ１と90°異なる方向（ロッド回転方向の下流側）に設置した以外は、実施例１と同様にして、プラズマトーチを60回相対往復移動させて堆積を繰り返し、ガラスロッド上にフッ素ドープガラス層を形成した。
得られたプリフォームの屈折率分布をアナライザで測定したところ、比屈折率差は1.83％であった。
（比較例１）
回転しつつ鉛直方向に上下動する外径50mm、長さ1,100mmの石英ガラスロッド上に、高周波誘導熱プラズマトーチを用いてガラス微粒子を堆積させ、フッ素ドープ石英ガラス層を形成した。
往路のプラズマトーチ／ガラスロッド相対移動速度を75mm/minとし、プラズマトーチにはアルゴン、酸素、四塩化珪素、四フッ化珪素を供給した。往路の移動方向は下方とした。プラズマトーチの上下には強制冷却用ノズルを設け、それぞれから30L/minの室温空気を流した。また、反応チャンバの上下からは、10℃に冷却した空気をそれぞれ200L/min流した。プラズマトーチに供給する電力は、ガラス原料がガラス化される下限のパワーである61kWに設定した。
回転しつつ鉛直方向に上下動する外径50mm、長さ1,100mmの石英ガラスロッド上に、高周波誘導熱プラズマトーチを用いてガラス微粒子を堆積させ、フッ素ドープ石英ガラス層を形成した。
往路のプラズマトーチ／ガラスロッド相対移動速度を75mm/minとし、プラズマトーチにはアルゴン、酸素、四塩化珪素、四フッ化珪素を供給した。往路の移動方向は下方とした。プラズマトーチの上下には強制冷却用ノズルを設け、それぞれから30L/minの室温空気を流した。また、反応チャンバの上下からは、10℃に冷却した空気をそれぞれ200L/min流した。プラズマトーチに供給する電力は、ガラス原料がガラス化される下限のパワーである61kWに設定した。
復路は、プラズマトーチ／ガラスロッド相対移動速度を500mm/minとし、プラズマトーチにはアルゴンと酸素を供給し、ガラス原料及びフッ素源である四塩化珪素及び四フッ化珪素は供給しなかった。復路のプラズマトーチに供給する電力は、プラズマが安定して維持される下限のパワーである８kWに設定した。
この条件で、プラズマトーチを60回相対往復移動させて堆積を繰り返し、フッ素ドープガラス層を形成した。得られたプリフォームの屈折率分布をアナライザで測定したところ、比屈折率差は1.62％で、実施例１，２よりも低かった。
この条件で、プラズマトーチを60回相対往復移動させて堆積を繰り返し、フッ素ドープガラス層を形成した。得られたプリフォームの屈折率分布をアナライザで測定したところ、比屈折率差は1.62％で、実施例１，２よりも低かった。
本発明により、比屈折率差Δの大きな光ファイバが得られる。
１．プラズマトーチ、
２．コイル、
３．ガス供給装置、
４．プラズマ火炎、
５．反応チャンバ、
６．ガラスロッド、
７．排気口、
８．強制冷却用ノズル、
９,9a,9b．冷却空気導入口、
１０．堆積阻害用ガスノズル、
１１．ガスガイド管。
２．コイル、
３．ガス供給装置、
４．プラズマ火炎、
５．反応チャンバ、
６．ガラスロッド、
７．排気口、
８．強制冷却用ノズル、
９,9a,9b．冷却空気導入口、
１０．堆積阻害用ガスノズル、
１１．ガスガイド管。
Claims (8)
- 高周波誘導熱プラズマトーチに少なくともガラス原料、ドーパント原料及び酸素を供給し、プラズマ火炎中で合成されたガラス微粒子を、回転しつつプラズマトーチに対して相対的に往復運動するガラスロッド表面に付着堆積させる光ファイバプリフォームの製造方法において、プラズマ火炎により連続して形成されるガラス微粒子流の少なくとも一部をガラスロッドに堆積させないように、ガラス微粒子流に向けてガスを吹き付け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。
- ガラスロッドの周方向温度分布のうち、高温領域を形成しているガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けることにより、ガラス微粒子流の一部が堆積しないようにする請求項１に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- ガラスロッド進行方向側のガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けることにより、ガラス微粒子流の一部が堆積しないようにする請求項１に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- ガラスロッドの回転方向側のガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けることにより、ガラス微粒子流の一部が堆積しないようにする請求項１に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- ガラスロッドの進行方向側からガラスロッドに沿って、ガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けることにより、ガラス微粒子流の少なくとも一部の堆積を阻害する請求項１に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
- 高周波誘導熱プラズマトーチに少なくともガラス原料、ドーパント原料及び酸素を供給し、プラズマ火炎中で合成されたガラス微粒子を、回転しつつプラズマトーチに対して相対的に往復運動するガラスロッド表面に付着堆積させる光ファイバプリフォームの製造装置において、ガラスロッドの進行方向側又は回転方向側のガラス微粒子流の少なくとも一部をガラスロッドに堆積させないようにする堆積阻害部材が設置されていることを特徴とする光ファイバプリフォームの製造装置。
- 前記堆積阻害部材が、ガラスロッドの進行方向側又は回転方向側に設けられ、ガラスロッド進行方向側のガラス微粒子流に向けてガスを吹き付ける堆積阻害用ガスノズルである請求項６に記載の光ファイバプリフォームの製造装置。
- 前記堆積阻害部材は、ガラスロッドが挿通可能に設けられたガスガイド管であり、該ガスガイド管とガラスロッドとの間隙からガラスロッドに沿って、ガラス微粒子流に向けてガスを吹き付けることにより、ガラス微粒子流の少なくとも一部の堆積を阻害する請求項６に記載の光ファイバプリフォームの製造装置。
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