JP5348858B2 - 内部蒸着プロセスによる光学予備成形物の製造方法およびそれによって得られた予備成形物 - Google Patents

Description

本発明は、内部蒸着プロセスによる光学予備成形物の製造方法に関し、エネルギー源ならびに供給側および排出側を有する基体管が使用され、エネルギー源が供給側の反転ポイントと排出側の反転ポイントの間の基体管の全長にわたって移動可能であり、ドープされていても非ドープでもよい１つまたは複数のガラスを形成する前駆物質が基体管の供給側で基体管の内部に与えられ、基体管の内部に蒸着されなかった成分は基体管の排出側で放出され、基体管の内部にガラス層の蒸着が起こるような条件が基体管の内部にもたらされ、外側クラッディングが最初に蒸着され、次いで内側クラッディングが蒸着される。

そのような方法は、例えば米国特許第４，７４１，７４７号から知られており、これは、蒸着プロセスの再現性、ガラスを形成する前駆物質の間の化学反応の収率、基体管内部に蒸着される材料の蒸着速度ならびに光学的および幾何学的均一性を重要なパラメータであると述べる。しかし、蒸着プロセス中に、光学的および幾何学的特性が十分に一定でないいわゆる蒸着ゾーンが、基体管の両端で識別され得る。蒸着プロセスでは、「終端テーパ」とも呼ばれるそのような蒸着ゾーンの長さが、基体管の全体長さの約１５％にまでなり得ることが知られている。予備成形物から光ファイバが引き出された後、そのようなテーパがコアの軸方向に不均一な断面をもたらすことになり、具体的には、このテーパが、光学的特性および／または幾何学的特性が均一でない予備成形物の領域を形成する。前記非均一性によって、光ファイバの伝送品質が劣化することになる。したがって、光ファイバを製造するとき、予備成形物内のそのようなテーパ領域は使用されない。そのようなテーパ領域が予備成形物管のかなりの部分を構成するので、予備成形物から得ることができるファイバの長さの合計が相当制限される。光学予備成形物内のテーパの発生を防ぐために、前述の米国特許は、エネルギー源を、具体的にはプラズマを、少なくとも１つの反転ポイントの領域で時間の関数として非直線的に移動させるか、または、基体管の全長にわたってプラズマのパワーを時間の関数として変化させることを提案している。結局、以前は、基体管の内部に層を蒸着するために共振器のいわゆる定常速度のプロファイルが使用された。

米国特許第５，１８８，６４８号からテーパ領域を縮小する方法が知られており、ガラスを形成する前駆物質の供給側の反転ポイントでプラズマの往復運動が中断され、前記中断の期間は、基体管のいわゆる気体側テーパ領域の効果的な縮小が達成されるように設定される。前記文献は、具体的には光学予備成形物のコアの幾何学的テーパの縮小を目指している。

米国特許第５，１４５，５０９号から幾何学的テーパを縮小する方法が知られており、基体管の中心にガラスロッドが配置され、その半径が、ガラス基体管の内部半径の最大で０．６７倍、最小で０．２倍になるように設定され、ガラスロッドは、蒸着プロセスの完了と同時に基体管の内部から取り除かれ、その後に中空の基体管が高温条件下で固体の予備成形物へ縮小される。

米国特許第４，９４４，２４４号から光学予備成形物を製造する方法が知られており、蒸着プロセスの間中、エネルギー源のパワーは、とりわけ基体管内部にガラス層の蒸着が起こる度合いの関数である信号に基づいて連続的に制御される。

米国特許出願第２００５／００４１９４３号は蒸着方法に関するものであり、プラズマは、中空基体管に沿って移動されて、反転ポイントに隣接した第１の終了領域で、蒸着プロセスにおける時間と第１の終了領域における位置の両方の関数として変化され、第１の終了領域の終了ポイントは反転ポイントと一致し、反転ポイントから、開始ポイントが減速ポイントより遠くに配置され、前記第１の終了領域は、予備成形物内のテーパを縮小するのに十分な全長を有する。

欧州特許第１，３９６，５５４号は、プラズマ励起による化学蒸着システムに関するものであり、環状導波路の内周部分内に設けられたアンテナから導波路の内部に配設された反応チャンバ内へマイクロ波の電磁パワーが供給され、反応チャンバの内部にプラズマが生成されることが可能になり、皮膜が形成される。

米国特許出願第２００３／０１１５９０９号は、光ファイバ予備成形物組立体を作成する方法に関するものであり、
管の内部にプラズマを形成することによりプラズマゾーンを形成するステップと、
プラズマゾーン内にガラスを形成するのに適した少なくとも１つの前駆物質の流れを導入するステップとを含み、前記流れが前駆物質の流れの渦拡散を含む。

従来技術が開示している予備成形物を製造するための方法は、幾何学的テーパの最適化が光学テーパの形成の原因になり、また光学テーパの最適化が幾何学的テーパの形成の原因になるものであった。
米国特許第４，７４１，７４７号明細書 米国特許第５，１８８，６４８号明細書 米国特許第５，１４５，５０９号明細書 米国特許第４，９４４，２４４号明細書 米国特許出願第２００５／００４１９４３号明細書 欧州特許第１，３９６，５５４号明細書 米国特許出願第２００３／０１１５９０９号明細書 米国特許出願第２００５／０００２５３号明細書

本発明の一態様は、内部蒸着プロセスによって光学予備成形物を製造するための方法を提供することであり、幾何学的テーパおよび光学テーパがどちらも最小化される。

本発明の別の態様は、内部蒸着プロセスによって光学予備成形物を製造するための方法を提供することであり、この光学予備成形物から安定した遮断波長を有する単一モード（タイプ、コア、内側および外側のクラッディング）の光ファイバが作製され得る。

本発明の別の態様は、内部蒸着プロセスによって光学予備成形物を製造するための方法を提供することであり、基体管の内部に蒸着された層の直径は、基体管の全長にわたって、蒸着された層の外側領域に水酸基群が存在することの悪影響が最小化されるような一定値である。

本発明の別の態様は、内部蒸着プロセスによって光学予備成形物を製造するための方法を提供することであり、予備成形物の最大長自体が光ファイバを作製するために使用され得る。

導入部で言及された方法は、内側クラッディングを蒸着するための供給側の反転ポイント近くのエネルギー源の加速度が外側クラッディングを蒸着するための供給側の反転ポイント近くのエネルギー源の加速度より高いように、内側クラッディングを蒸着するためのエネルギー源の速度が設定されるという点で特徴付けられる。

用語「加速度」が本明細書に使用されるが、この用語は、減速度、すなわちエネルギー源が排出側から供給側の反転ポイントに移動されているときに起こる負の加速度も含む意味があることを理解されたい。エネルギー源のそのような速度が内側クラッディングと外側クラッディングの両方の蒸着のために使用されるとき、内側クラッディングは屈折率などの光学パラメータに対して最適化され、このことはクラッド層がドープされているとき特に当てはまる。結局、純粋なＳｉＯ_２で構築されたクラッド層は、いかなる光学テーパも示さないことになる。そこに発生する前記内側クラッディングの幾何学的テーパは、外側クラッディングの特別な蒸着条件によって、いわゆる比ｂ／ａが実質的に基体管の全長にわたって一定であるような程度まで補償される。この比では、
ａ＝コアの直径
ｂ＝（内側＋外側）クラッディングの外径
である。

本発明者らは、実質的に一定の比ｂ／ａの減衰、特には水酸基群の影響に帰着される１３８５ｎｍの波長での減衰への影響が予備成形物の全長にわたって実質的に一定であり、その一方で、同時に基体管の全長にわたって遮断波長の安定性が改善されることをさらに発見した。光学パラメータに対して内側クラッディングを最適化し、次に、その結果生じる前記内側クラッディングの幾何学的テーパを外側クラッディングのいわゆる幾何学的テーパで補償することが望ましいという洞察を基に、実質的に基体管の全長にわたって比ｂ／ａを一定の値に維持することが可能であると判明した。

特別な実施形態では、内側クラッディングを蒸着するための供給側と排出側の間隔は、好ましくは外側クラッディングを蒸着するための供給側と排出側の間隔より大きなものであるが、前記間隔は、その間ずっとエネルギー源の速度が実質的に一定である長さと理解されるべきである。

いわゆる「終端テーパ」の発生を防ぐことに関して、排出側でのエネルギー源の速度は、内側クラッディングの蒸着のためのものと外側クラッディングの蒸着のためのものが実質的に同じであれば好ましい。

本方法に基づいて、そのような予備成形物から作成される光ファイバの全長にわたって一様な遮断波長を得ることが可能であることが判明したが、それに加えて、本発明者らは、いわゆるＯＨピーク、すなわち１３８５ｎｍの波長での減衰が光ファイバの全長にわたって実質的に均一であることを発見した。

特別な実施形態では、エネルギー源がその供給側での加速の後に排出側の方向に移動している間、外側クラッディングを蒸着中のエネルギー源の速度が増加されてよく、それに加えて、その一方で、エネルギー源がその供給側での加速の後に排出側の方向に移動している間、内側クラッディングを蒸着中のエネルギー源の速度も増加されてよい。

再現可能な蒸着方法とともに高い蒸着速度も得るために、プラズマを生成するための共振器をエネルギー源として使用することが望ましい。

本発明は、前述の方法を実行することによって得られた、予備成形物の全長にわたって比ｂ／ａが実質的に一定である光学予備成形物にさらに関し、この比では、
ａ＝コアの直径
ｂ＝（内側＋外側）クラッディングの外径
である。

本発明は、特許請求の範囲で定義された光ファイバにさらに関する。本発明は、とりわけ内側クラッディングに直接囲まれたコアを備える単一モード光ファイバに関し、この内側クラッディングは外側クラッディングに直接囲まれている。基本的に、２つ以上の隣接したリングが存在する各タイプのファイバが適当であるが、少なくとも１つのリングが光学的特性のために最適化される必要があり、また、少なくとも１つの他のリングが幾何学的特性のために最適化される必要がある。

具体的には、２層の単一モードプロファイルについては、（ファイバ内の）外径に関して以下の制限が実質的に適用される。
１２＜ｂ’＜３０［μｍ］
１５＜ｂ＜６０［μｍ］
上記では、
ｂ’＝内側クラッディングの外径
ｂ＝外側クラッディングの外径
である。

単一モード光ファイバについては、コアの直径（ａ）は約９μｍと等しい。このことから以下が与えられる。
１．３＜ｂ’／ａ＜３．３
１．７＜ｂ／ａ＜６．７

本発明が、多くの例によって説明されることになるが、それに関して、本発明がそのような特定の例に少しも限定されないことに留意されたい。特別な実施形態が、特許請求の範囲でさらに定義される。

図１は、本方法によって実行された蒸着プロセスの概略図であり、内側クラッディングの蒸着のための速度のプロファイルが外側クラッディングの蒸着のための速度のプロファイルとともに概略的に示されている。蒸着プロセスの初期には、外側クラッディングが基体管の内部に蒸着される一方で、エネルギー源がポイントＡとＢの間で基体管の上を往復運動している。基体管の内部に、ドープされていても非ドープでもよい以前に蒸着された緩衝層など１つまたは複数の層が既に与えられていてもよいことが理解されるであろう。エネルギー源が反転ポイントＢに、すなわち基体管の供給側に位置すると、その後、エネルギー源の速度はＣで示される最高速度に上昇される。次いで、反転ポイントＡの方向のエネルギー源の速度は実質的に一定に保たれ、ポイントＥの近くで減速が起こって反転ポイントＡでエネルギー源の速度は再び実質的にゼロになるであろう。外側クラッディングを形成するために、通常、図１に示された速度プロファイルを通って実際にはｎ回動くが、ｎ（整数）は１００〜１０００の範囲かまたはさらに大きな数である。そのような速度プロファイルによって外側クラッディングが中空基体管の内部に蒸着された後、内側クラッディングが、基体管の内部に既存の外側クラッディング上に引き続き蒸着される。内側クラッディングの蒸着プロセスは、外側クラッディングの蒸着プロセスの速度プロファイルとは基本的に異なる速度プロファイルによって行われる。

基体管の供給側に配置された反転ポイントＢの近くで、エネルギー源の速度がレベルＤまで非常に急速に上昇され、そこでエネルギー源はさらに反転ポイントＡの方向に移動されるが、この移動中に速度は実質的に一定に保たれる。

ポイントＥの近くでエネルギー源の速度が低下されて反転ポイントＡでゼロになり、その後、エネルギー源は、引き続き図１に示された速度プロファイルによって反転ポイントＢに戻されるが、この逆にも移動する。

図２は、図１に示された方法を使用することによって得られた予備成形物の長さの関数として相対屈折率差を示す。図２から、まさに、予備成形物の中心の屈折率値に関して測定された屈折率差は、内側クラッディングと外側クラッディングのどちらのものも、実質的に予備成形物の全長、すなわち予備成形物の全長の９０％、特に予備成形物の全長の９５％にわたって、屈折率差が＋０．００１７および−０．０１７の所望の帯域幅内に分布するように設定されるということになる。図２から、内側クラッディングにわたって最適化が行われており、その一方で、外側クラッディングの光偏差が光ファイバの不合格品をもたらしていないということになる。適当な帯域幅は、最大で±０．０２の値である。図２に示された相対屈折率差は、以下のように定義される。

図２は、予備成形物の長さ（ｘ軸）の関数として相対屈折率差（ｙ軸）を示す。前記相対差は以下のように定義される。

上式では、
ｎ_{ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ}＝予備成形物の中心の平均屈折率
ｎ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}＝位置ｚで測定された屈折率
である。

図３では、内側クラッディングおよび外側クラッディングの蒸着された物質の量の相対差（Ｙ軸）が、予備成形物の長さ（Ｘ軸）の関数として概略的に表されており、これから、内側クラッディングと外側クラッディングの蒸着された物質の量の相対差の和が、実質的に予備成形物の全長、すなわち予備成形物の全長の９０％、特に予備成形物の全長の９５％にわたって、所望の帯域幅内に、具体的には最大で±７．５％以内に分布することも明白である。この相対差は、特定の断面の内径および外径に基づいて測定された面積を予備成形物のその断面の中心部の面積と比較することにより測定され、次式となる。

上式では、
ＣＳＡ_ｚ＝位置ｚでの断面積
ＣＳＡ_ｒｅｆ＝予備成形物の中心におけるＣＳＡの平均
である。ＣＳＡは次式で定義される。

ｄ_ｕ＝層の外径
ｄ_ｉ＝層の内径

このようにして、本発明者らは、予備成形物の全長にわたって比ｂ／ａが実質的に一定であるように、光学パラメータに対して内側クラッディングを最適化してその後前記内側クラッディングに生じる幾何学的テーパを補償することにより、光学予備成形物を製造することができることを見いだした。この比で、ｂはクラッディング全体の直径であり、ａはコアの直径である。そのような方法が用いられると、このように作製された予備成形物から得られた光ファイバの光学性能に悪影響を、具体的には水酸基群によって引き起こされる減衰を伴わずに、蒸着時間をできるだけ短く保つことが可能である。

本発明者らは、そのような方法が用いられると、遮断波長が光ファイバの全長にわたって実質的に均一であることをさらに見いだした。本発明者らは、一定のｂ／ａが目指されると、コアを取り巻く少なくとも１つの内側クラッディングおよび外側クラッディングを備える単一モードタイプの光ファイバの全長にわたって、１３８５ｎｍの波長のいわゆるＯＨピークの値が実質的に均一になるはずであるということをさらに見いだした。

本方法によるエネルギー源の速度プロファイルを示す図である。 屈折率の差を予備成形物の長さの関数として示す図である。 内側クラッディングの断面積および外側クラッディングの断面積の両方を予備成形物の長さの関数として示す図である。

符号の説明

ＣＳＡ_ｚ 位置ｚでの断面積
ＣＳＡ_ｒｅｆ 予備成形物の中心における断面積の平均
ｄ_ｕ 層の外径
ｄ_ｉ 層の内径
ａ コアの直径
ｂ 内側クラッディングの外径＋外側クラッディングの外径、外側クラッディングの外径、クラッディング全体の直径
ｎ_{ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ} 予備成形物の中心の平均屈折率
ｎ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ} 位置ｚで測定された屈折率
ｂ’ 内側クラッディングの外径
Ａ、Ｂ 反転ポイント
Ｃ、Ｄ、Ｅ ポイント

Claims (13)

1. エネルギー源ならびに供給側および排出側を有する基体管が使用され、エネルギー源が供給側の反転ポイントと排出側の反転ポイントの間の基体管の全長にわたって移動可能であり、ドープされていても非ドープでもよい１つまたは複数のガラスを形成する前駆物質が基体管の供給側で基体管の内部に与えられ、基体管の内部に蒸着されなかった成分は基体管の排出側で放出され、基体管の内部にガラス層の蒸着が起こるような条件が基体管の内部にもたらされ、外側クラッディングが最初に蒸着されて次に内側クラッディングが蒸着される、内部蒸着プロセスによって光学予備成形物を製造するための方法であって、内側クラッディングを蒸着するための供給側の反転ポイント近くのエネルギー源の加速度が外側クラッディングを蒸着するための供給側の反転ポイント近くのエネルギー源の加速度より高いように、内側クラッディングを蒸着するためのエネルギー源の速度が設定されることを特徴とする、方法。
2. 内側クラッディングを蒸着するための供給側と排出側の間隔が、外側クラッディングを蒸着するための供給側と排出側の間隔より大きなものであり、前記間隔が、その間ずっとエネルギー源の速度が実質的に一定である長さであると理解されるべきであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 排出側でのエネルギー源の速度が、内側クラッディングの蒸着のためのものと外側クラッディングの蒸着のためのものが実質的に同じであることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
4. エネルギー源がその供給側での加速の後に排出側の方向に移動している間、外側クラッディングを蒸着中のエネルギー源の速度が増加されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. エネルギー源がその供給側での加速の後に排出側の方向に移動している間、内側クラッディングを蒸着中のエネルギー源の速度が増加されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 外側クラッディングと内側クラッディングの両方の蒸着のための排出側のエネルギー源の加速度が、内側クラッディングの蒸着のための供給側のエネルギー源の加速度より高いことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. プラズマを生成するための共振器がエネルギー源として使用されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 請求項１から７のいずれか一項によって定義された方法を実行することによって得られ、予備成形物の全長にわたって比ｂ／ａが一定であり、ここで、
   ａ＝コアの直径
   ｂ＝（内側＋外側）クラッディングの外径
   であり、
   内側クラッディングと外側クラッディングの蒸着された物質の量の相対差の和が、予備成形物の全長の９０％にわたって最大で±７．５％であり、ここで
   

   

   であり、上式で、
   ＣＳＡ_ｚ＝位置ｚでの断面積
   ＣＳＡ_ｒｅｆ＝予備成形物の中心におけるＣＳＡの平均
   であり、ＣＳＡは次式
   

   

   ｄ_ｕ＝層の外径
   ｄ_ｉ＝層の内径
   で定義されることを特徴とする、光学予備成形物。
9. 予備成形物の全長の９０％にわたって、内側クラッディングの相対屈折率差が最大で０．０２であり、前記相対差が次式
   

   

   で定義され、上式では、
   ｎ_{ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ}＝予備成形物の中心の平均屈折率
   ｎ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}＝位置ｚで測定された屈折率
   であることを特徴とする、請求項８に記載の光学予備成形物。
10. 単一モードのプロファイルについて、内側クラッディングの外径対コアの比が１．３から３．３に分布する値であることを特徴とする、請求項８または９に記載の予備成形物。
11. 単一モードのプロファイルについて、外側クラッディングの外径対コアの比が１．７から６．７の値であることを特徴とする、請求項８または９に記載の予備成形物。
12. 請求項８から１１のいずれか一項に記載の予備成形物から光ファイバを線引きすることによって、光ファイバを製造する方法であって、内側クラッディングの外径が１２μｍから３０μｍに分布することを特徴とする、方法。
13. 請求項８から１１のいずれか一項に記載の予備成形物から光ファイバを線引きすることによって、光ファイバを製造する方法であって、外側クラッディングの外径が１５μｍから６０μｍに分布することを特徴とする、方法。

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