JP5091111B2 - 光ファイバー用プリフォームの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、堆積段階及び平滑化段階において操作されるプラズマバーナを使用して石英ガラスの光ファイバー用プリフォームを製造するにあたり、ケイ素含有出発物質をプラズマバーナに堆積段階の間に供給し、これからＳｉＯ₂をこのプラズマバーナに位置するプラズマ火炎中に形成させ、そしてこのＳｉＯ₂を、その軸線の周りを回転する基体の円柱ジャケット表面上に、この基体に沿ったプラズマバーナの反転移動により層状に堆積させ、そしこの工程の間に、プリフォームの石英ガラスに直接ガラス化し、そしてこのプリフォーム表面を平滑化段階の間に、このプリフォームに沿って少なくとも１回移動するプラズマ火炎により、このプリフォーム表面の平滑化及び近表面の泡の溶融が生ずるように、堆積段階と比べて高い温度で処理する方法に関する。

光ファイバー用プリフォームをいわゆる「ＰＯＤ法（プラズマ外付け法（plasma outside deposition））」により製造する方法は、一般的に公知であり、かつ例えばＤＥ２５３６４５７Ａ１に記載されている。このプリフォームの製造のために、ドープされていない石英ガラスのコアガラス円柱体を準備し、この外部円柱ジャケット上にフッ素でドープされた石英ガラスをジャケットガラス層として堆積させる。このジャケットガラス層を製造するために、誘導結合プラズマバーナを使用し、これに水素不含のケイ素化合物及び酸素を含有するガス流を供給する。更に、フッ素含有化合物を、このプラズマバーナに位置するプラズマ火炎中に導入する。これらの出発物質から、ＳｉＯ₂を形成させ、これはその軸線周りを回転するコアガラス円柱体上に層状に堆積させ、そしてこのコアガラス層上で直接ガラス化（焼結）させ、フッ素含有ＳｉＯ₂ジャケットガラス層を形成させる。

一般に、このコアガラス円柱体は均一な半径方向の屈折率プロファイルを有する。これは、主としてドープされていない石英ガラスからなるが、この屈折率を変えるドーパントを含有してもよい。

特に、このプリフォームのジャケットガラス層中の泡を回避することが留意される。泡は、基本的に許容されないか又は極端に不所望である。それというのも、プリフォームの延伸の間にファイバーの欠陥がもたらされ、この欠陥は光伝送を害するか又はファイバーの破損を導くからである。結果的に、堆積工程を完了させた後に、熱源を遅い移動速度でプリフォームジャケット表面に沿って移動させる後処理を実施する。この後処理の目的は、プリフォーム表面の平滑化だけでなく、そこに堆積した粒子及び近表面の欠陥を除去すること、特に泡を溶融することである。

かかる方法は、ＥＰ７２７３９２Ａ１から公知である。これは、堆積工程の完了後にプラズマバーナを少なくとも１回以上、ガラス出発材料を供給することなく製造されるべきプリフォームの表面に沿って通過させ表面を平滑化し、かつ／又はこの表面上で多孔質ＳｉＯ₂材料をガラス化させる、種に適切なＰＯＤ法を記載している。この目的のために、プラズマ火炎の温度を上昇させ、そして、プリフォームの表面温度が石英ガラスの蒸発温度を下回るが但しこの後処理の間にその軟化点を上回るように調節する。

このようにもたらされる必然的に遅い移動速度及び燃焼損失の結果として、この後処理にはかなりの時間浪費及び材料損失が伴う。これにもかかわらず、公知の方法によっては、安全にかつ再現的に、泡不含のプリフォームを製造することが可能ではない。特に、表面から下方に離れて存在する泡は、公知の方法によっては除去することができない。

従って本発明の課題は、低い泡含有率又は泡不含のプリフォームを許容可能な時間及び材料労力で製造することができる経済的方法を提供することである。

上記方法に端を発し、前記課題は、堆積段階が複数の連続的な堆積下位段階を含み、それぞれの下位段階の過程において石英ガラス層を４００μｍ未満の厚さで製造し、その際、連続的な堆積下位段階を平滑化段階により中断させるという事実により本発明に従って達成される。

堆積下位段階は、単一のガラス化ＳｉＯ₂層が円柱ジャケット表面に沿って移動するプラズマバーナにより製造される少なくとも１つの堆積経路を含む。このＳｉＯ₂層は、純粋な石英ガラス又はドープされた石英ガラスからなる。一般に、堆積下位段階は幾つかの堆積経路を含み、これらの１つ１つが層のビルドアップ及び石英ガラス層の強化に寄与する。

本発明によれば、堆積段階をかかる複数の堆積下位段階に分割し、全ての堆積下位段階の完了後に、平滑化段階を導入し、製造されたばかりの石英ガラス層を熱処理に供する。

この平滑化段階の間、更なる層のビルドアップは停止させるか又は減らす。これに代えて、形成されているプリフォームの表面を、プラズマバーナにより熱処理に供する。この点においては、平滑化段階の間のプラズマバーナの使用様式は、堆積段階の間のその使用とは少なくとも２つの点で異なる。
− 一方では、ケイ素含有出発物質のプラズマバーナへの供給を停止させるか又は減らす。
− 他方、プリフォーム表面の温度を上昇させる。このことは、プラズマバーナとプリフォーム表面との距離を変えるかもしくはプラズマバーナをプリフォーム表面に沿って移動させる相対速度を減らすか又は増大された火炎温度により行うことができる。増大された火炎温度は、例えば、プラズマ領域中のガス組成を変えるか、又は最も簡単な場合には、ケイ素含有出発物質の供給を断つか又は減らすことにより得る。

また、堆積下位段階の間、石英ガラス層をそれぞれの場合に４００μｍ未満の厚さで製造する限り、十分に高水準の信頼性を有するこの手順により、泡の形成を回避することができることを見出した。個々の堆積下位段階の間に実施される平滑化段階の結果として、表面が比較的短い時間間隔で平滑化され、その際、考えられるあらゆる近表面の欠陥、特に泡が確実に除去される。所定の環境において、より深く位置する泡を除去するためのジャケットの研磨をも含むことがある、複雑であり、かつ時間を消費する表面の後処理をこのように回避することができる。結果として、平滑化段階の実施についての付加的な時間消費にも関わらず、材料層のいかなる顕著な研磨をも必要とせず、かつ結果的には、全体としてコスト効率的な方法をも必要とせず、全体としてより短い工程継続時間が得られる。

堆積及び平滑化の実施のためには、少なくとも１つのプラズマバーナを使用する。

基体は、グラファイト、セラミック材料、例えば酸化アルミニウム又はガラス、特にドープされた又はドープされていない石英ガラスの棒形状であるか又は管状体である。この基体は、堆積工程後に除去されるか、又はこれはプリフォームの一体成分を形成する。

このプリフォームは光ファイバーを直接延伸することができる石英ガラス体であるか又はかかる石英ガラス体のための例えば管形の予備製品である。

堆積下位段階の過程において、石英ガラス層をそれぞれの場合に２５〜３００μｍ、好ましくは少なくとも５０μｍの範囲内の厚さで製造すれば有利であることが判明している。

この平滑化手段の有効性は堆積工程の間の平滑化段階の繰り返しの頻度に伴って増大し、かつこうして発泡形成が減らされる。しかしながら、平滑化段階を２５μｍ未満の低い厚さの石英ガラス層の形成後可能な限り早期に行う場合において、かかる繰り返し頻度が高いと、この達成可能な付加的な効果は低い；他方、本工程の継続時間は、平滑化段階の数に伴って増大する。

最良の結果は、堆積下位段階の過程において石英ガラス層をそれぞれの場合に最大１５０μｍの厚さで製造する場合に達成される。

堆積段階の間に形成された石英ガラス層の全体の厚さは、実施される堆積経路の数に依存する。好適な層厚は、プラズマバーナの反転移動が、堆積下位段階の過程において５０未満の堆積経路を含む場合に得られる。

堆積の通常速度は、石英ガラス層を堆積経路当たり４〜８μｍの範囲内の厚さで製造する。このことを考慮すると、プラズマバーナの反転移動は、４〜３８の堆積経路、好ましくは最大３０の堆積経路を堆積下位段階の過程において含む。

連続的な堆積下位段階において実施される堆積経路の数及びこうして製造されるガラス化された石英ガラス層の厚さは、互いに異なる。しかしながら、連続的な堆積下位段階において同数の堆積経路の実施する手順が特に好ましい。

こうして生ずるプリフォームにおける層のビルドアップの規則性はその光学特性に有利な影響を及ぼし、かつ工程結果の再現性が改善される。本方法は更に、特に簡単な様式で自動化することができる。堆積下位段階間の同数の堆積経路は通常、同じ継続時間の堆積下位段階及び堆積段階当たりほぼ同じ層厚を伴う。

本方法にかかる方法は、平滑化段階の間に材料研磨が必要とされないように、考えられるいかなる泡をも平滑化されるべき薄い近表面石英ガラス層から比較的容易に除去することができるという利点を有する。他方、平滑化段階の間にプリフォーム表面をフッ素含有エッチャントで処理することが有利であることが判明している。

このエッチャントは、平滑化段階の間に石英ガラス層の所定の研磨をもたらす。この手順はそれ自体、とりわけ、後に泡形成を導くことがある欠陥を短期間で除去するための予防手段であると判明した。

これに関連して、石英ガラスのフッ素でのドーピングは有利であり、このエッチャントがドーパント源として作用することが判明している。

結果的に、堆積段階の間に、１つの及び同じ物質がプラズマバーナにドーパント源として、かつ平滑化段階の間にエッチャントとして供給される。段階の変化後の供給の遮断は結果的に必要なく、このことは手順を簡略化する。例えば、エッチャント及びドーパントとしては、ＳＦ₆又はＣＦ₄を使用する。

好ましくは、プラズマバーナは、平滑化段階の間にプリフォーム表面に沿って１回移動させる。

このプラズマバーナの移動速度は、この工程の間に、プリフォーム表面に沿った単一の平行移動の間に十分な平滑化が達成されるように調節する。このことは工程の継続時間を減らし、かつ、プリフォーム表面と繰り返される加熱と比較して、低いエネルギー消費に導く。

この目的のために、プラズマバーナはプリフォーム表面に沿って移動させ、その際、この平滑化段階の間の移動速度が堆積段階の間の移動速度と比べて低いことが好ましい。

更に好ましい変法においては、平滑化段階の間に、堆積段階の間と比べて少量のケイ素含有出発物質をプラズマバーナに供給する。

平滑化段階においてもケイ素含有出発物質を少なく供給することは、所定の層のビルドアップがこの段階の間に生じ得、これは全体として本方法のより短い継続時間に導くという利点を有する。

本発明にかかる特に好ましい変法においては、堆積段階の間の形成又はＳｉＯ₂のために、かつ平滑化段階の間のプリフォーム表面の平滑化のために同じプラズマバーナに使用する。

プリフォーム表面の平滑化にも同じプラズマバーナ（上述のとおり、種々の操作様式においてであるが）を使用するという事実の結果として、より低い工程消費及び構造の点でより簡単な、かつ特にコスト効果的な装置が本発明にかかる方法を実施するために得られる。

以下に、本発明を、実施例及び特許図面により更に詳細に説明する。図面において、詳細を以下に示す：
図１は、プリフォームを製造するためのＰＯＤ法を模式図的に示し、
図２は、いわゆる「ボックス及びウィスカープロット（box and whisker plot）」による堆積工程の結果の統計評価を示す。

図１においては、ステップ型の屈折率プロファイルを有するいわゆるマルチモードファイバー用のプリフォームの製造方法を模式図的に説明する。この目的のために、高度に純粋な、ドープされていない、８５ｍｍの直径を有する合成石英ガラスのロッド３を準備し、そして「プラズマ外付け法」（ＰＯＤ法）によりフッ素ドープされた石英ガラスのジャケット４で被覆する。この目的のために、ＳｉＣｌ₄、酸素及びＳＦ₆を、プラズマバーナ１に供給し、そしてプラズマバーナ１に位置するバーナ火炎２中でＳｉＯ₂粒子に変換する。このプラズマ火炎２の広がりの主方向を点線５により示す。プラズマバーナ１をロッド３に沿って一方から他方に反転可能に移動させることにより、このＳｉＯ₂粒子を、その軸線６周りを回転するロッドの円柱ジャケット表面９上に層状に堆積させ、そして石英ガラスに直接ガラス化させる。このように、３質量％を上回る高いフッ素濃度をジャケット４の石英ガラスネットワーク中に導入することが可能である。プラズマ火炎２を、高周波コイル７で包囲された石英ガラスの反応管８内に生成する。この高周波コイル７は約９２ｍｍの高さを有し、かつこの反応管８はこれから約７．５ｍｍだけ突出している。高周波コイル７の上端部とロッド３の表面との間を６５ｍｍの距離に調節する。

本発明によれば、１つの及び同じプラズマバーナ１を、ジャケットガラス（４）の製造のための堆積工程の間に種々の様式で操作する。この堆積段階の間、ＳｉＣｌ₄、酸素及びＳＦ₆をこのプラズマバーナに上述のとおり供給し、そしてこれを５００ｍｍ／分の移動速度でプリフォーム表面９に沿って反転可能に移動させる。ロッド３の回転速度及びプラズマバーナ１の平行移動速度は、個々のジャケットガラス層の平均厚さ約６μｍをもたらす。

堆積段階においてはＳｉＣｌ₄をプラズマバーナ１に供給せず、かつこれを３００ｍｍ／分の顕著に低い移動速度でこのプリフォームの一端部から他端部まで１回移動させる。平滑化段階の間は、材料を堆積させない。酸素及びＳＦ₆の供給は、堆積段階と比べて変更しない。

この堆積段階及び平滑化段階は互いに交互に行う。所与の厚さの石英ガラス層の形成を導き、かつ以下に更に詳細に説明する所定の継続時間の堆積段階に、プリフォーム表面をより強く加熱し、平滑化し、そして欠陥を除去する平滑化段階が引き続く。

本発明にかかる方法により得られるプリフォームは、６３３ｎｍで１．４５７１の屈折率を有する純粋な石英ガラスのコアと、波長６３３ｎｍで１．４４０の屈折率を有するフッ素ドープされた石英ガラスのジャケットとからなる。このジャケットガラスのフッ素含有率は５質量％である。コア中のヒドロキシル基の含有率は、７００質量ｐｐｍである。このコアは７０ｍｍの直径を有し、かつジャケットは７７ｍｍの外径を有する。

以下に、本発明にかかる方法を実施例及び図２により更に詳細に説明する。一般的用語において上述した方法にかかるプリフォームの製造のための５つの実験系を実施した。この図は、それぞれの実験系についての統計評価を、いわゆる「ボックス及びウィスカープロット」２０により示しており、その際、プリフォームの所定の最終半径まで達せられたビルドアップ時間ｔ_A（ｈ）をＹ軸上にプロットした。

それぞれのプロット２０の星状端部２１は、それぞれの実験系のビルドアップ時間の最小継続時間及び最大継続時間を各々示している。ビルドアップ時間の５０％は、矩形ボックス２２により含まれる領域内である。ボックス２２の水平線２３による下位分割は、ビルドアップ時間の２５％がその上方又は下方に位置する中間値をそれぞれ提供する。小さい正方形２４は、実験系の全てのビルドアップ時間の算術平均を示している。

実験系Ａ及びＢにおいては、堆積段階をそれぞれの場合に「バーンアウトラン（burnout run）」によりプリフォーム直径が約２０００μｍ分の増大をもたらす過程において約４時間後に中止させた。バーンアウトランの間、プラズマバーナ１をプリフォーム表面９に沿って２０ｍｍ／分の移動速度で１回移動させ、ＳｉＣｌ₄の供給を停止した。バーンアウトランの結果として、エッチング作用により約３００μｍ分のプリフォームの外径の減少が生ずる。バーンアウトランの完了後に、処理された石英ガラス層の質を肉眼で確認し、その際、特に依然として存在する泡に留意する。必要であれば、このバーンアウトランを十分な質の石英ガラス層が達せられるまで継続させる。最初のバーンアウトランは、実験系Ａにおいては４時間の堆積段階後に行い、第２の実験系Ｂのおいては２時間後に行った。

低い再現性をそれぞれ有するバーンアウトランの時間に関する経過の結果として、時間に関して実質的な変動が、ジャケットガラス層の所望の厚さの完全なビルドアップについて生じ、かつ付加的に１６又は１９時間を上回る部分的に長いビルドアップ時間が生ずる。全体として、この手順は有益な結果を導くが、これは容易に自動化することができないという更なる実質的な欠点を有する。

実験系Ｃのプリフォームを自動化方法により製造し、その際、１つの平滑化経路を、プラズマバーナ１を堆積段階において操作した４０５μｍの層厚に堆積させた後に実施した。この平滑化経路の間、プラズマバーナ１を低減させた移動速度でプリフォーム表面９に沿って１回移動させ、その際、これを平滑化段階について上述したように操作する。より低い平行移動速度の結果として、より高い温度のプリフォーム９が得られる。

比較的短い堆積段階の後の規則的な短い平滑化経路の結果として、低い泡含有率の石英ガラス層が得られた。しかしながら、実験系Ａ及びＢについて上述したように、全ての場合において、付加的なバーンアウトランが泡を除去するために必要になるように、泡を完全に除去することは達成されなかったことは明らかである。形成された泡を引き続いて除去することは、顕著な時間変動を伴う長いビルドアップ時間をもたらす。

実験系Ｄ及びＥのプリフォームも自動化方法により製造し、その際、単一の平滑化経路を、プラズマバーナ１を堆積段階で操作した１１回の堆積経路の後に１回実施した。

この平滑化段階の間、ＳｉＣｌ₄はプラズマバーナ１に供給せず、但しＳＦ₆及び酸素のみを上述のとおり供給した。最初の平滑化経路を、２時間の最初のビルドアップ時間の後に行った。実験系Ｄにおいて、約７０μｍの石英ガラス層厚が、平滑化経路により完了された全ての堆積段階の後に得られた。

泡はこうして完全に回避された；再現性を示す短いビルドアップ時間が極めて小さい変動とともに得られ、これらは工業的製造にとって望まれる。

実験系Ｅにおいては、ビルドアップの割合は、ＳｉＣｌ₄の供給を、実験系Ｄと比べて約１０％だけ増大することにより増大し、この結果として、約１０％だけ増大した層厚が堆積段階においても得られる。結果として、不測かつ回復不能の泡の形成を伴うことなく、ビルドアップ時間を更に減らすことが可能であった。この実験系は、こうして、泡不含のビルドアップ及びこれに対応して短いビルドアップ時間をももたらした。

本発明にかかる方法により作製されたプリフォームの屈折率プロファイルは、平滑化経路にもかかわらず、標準的方法により得られるプリフォームの屈折率プロファイルと異なることはない。１５分の時間間隔でのＳｉＣｌ₄不含の平滑化経路の順序の場合においては、特に、屈折率の半径方向の変動は識別できない。このプリフォームから延伸されたファイバーは、高透過性を特徴とする。

プリフォームを製造するためのＰＯＤ法を模式図的に示す図である いわゆる「ボックス及びウィスカープロット」による堆積工程の結果の統計評価を示す図である

符号の説明

１ プラズマバーナ、 ２ プラズマ火炎、 ３ 基体、 ４ ジャケット、 ５ 点線、 ６ 軸線、 ７ 高周波コイル、 ８ 反応管、 ９ プリフォーム表面、 ２０ ボックス及びウィスカープロット、 ２１ 星状端部、 ２２ ボックス

Claims (12)

1. 堆積段階及び平滑化段階で操作するプラズマバーナ（１）を使用して石英ガラスの光ファイバー用プレフォームを製造するにあたり、堆積段階の間にケイ素含有出発物質をプラズマバーナに供給し、プラズマバーナ（１）に位置するプラズマ火炎（２）中でこれからＳｉＯ₂を形成させ、そしてこのＳｉＯ₂を、その軸線（６）周りを回転する基体（３）の円柱ジャケット表面上に、プラズマバーナ（１）を基体（３）に沿って反転移動させることにより層状に堆積させ、そしてこの工程の間にプリフォームの石英ガラス（４）に直接ガラス化させ、そしてプリフォーム表面（９）を平滑化段階の間に、プリフォームに沿って少なくとも１回移動するプラズマ火炎（２）により、プリフォーム表面（９）の平滑化及び近表面の泡の溶融が生ずるように堆積段階と比べて高い温度で処理する方法において、堆積段階は複数の連続的な堆積下位段階を含み、この過程において石英ガラス層をそれぞれの下位段階で４００μｍ未満の厚さで製造し、その際、プラズマバーナ（１）の反転移動が、４〜３８の堆積経路を堆積下位段階の過程に含み、かつこの連続的な堆積下位段階を平滑化段階により中断させることを特徴とする方法。
2. 堆積下位段階の過程において、石英ガラス層をそれぞれの場合に２５〜３００μｍの範囲内の厚さで製造することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 堆積下位段階の過程において石英ガラス層をそれぞれの場合に最大１５０μｍの厚さで製造することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. プラズマバーナ（１）の反転移動が、最大３０の堆積経路を堆積下位段階の過程に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 連続的な堆積下位段階において、同数の堆積経路を実施することを特徴とする、請求項１から４までの何れか１項に記載の方法。
6. 平滑化段階の間にプリフォーム表面（９）をフッ素含有エッチャントで処理することを特徴とする、請求項１から５までの何れか１項に記載の方法。
7. 石英ガラスをフッ素でドープし、その際、エッチャントがドーパント源として作用することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 平滑化段階の間にプラズマバーナ（１）をプリフォーム表面に沿って１回移動させることを特徴とする、請求項１から７までの何れか１項に記載の方法。
9. プラズマバーナ（１）をプリフォーム表面（９）に沿って移動させ、その際、平滑化段階の間の移動速度が堆積段階の間の移動速度と比べて低いことを特徴とする、請求項１から８までの何れか１項に記載の方法。
10. 平滑化段階の間において、堆積段階の間と比べて少量のケイ素含有出発物質をプラズマバーナ（１）に供給することを特徴とする、請求項１から９までの何れか１項に記載の方法。
11. 堆積段階の間の形成又はＳｉＯ₂のために、かつ平滑化段階の間のプリフォーム表面（９）の平滑化のために、同じプラズマバーナ（１）を使用することを特徴とする、請求項１から１０までの何れか１項に記載の方法。
12. 堆積下位段階の過程において石英ガラス層をそれぞれの場合に少なくとも５０μｍの厚さで製造することを特徴とする、請求項１に記載の方法。

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