JP6353781B2 - Gas supply nozzle of optical fiber preform manufacturing apparatus and optical fiber preform manufacturing apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、MCVD法によって光ファイバ母材を製造する装置に用いられる、原料ガスの供給ノズルに関するものである。 The present invention relates to a source gas supply nozzle used in an apparatus for manufacturing an optical fiber preform by MCVD.
光ファイバ、特に石英を主成分とする光ファイバは、コア及びクラッドが形成された棒状の光ファイバ母材を製造し、この母材を加熱線引きすることで製造される。この光ファイバ用母材を合成する方法の1つにMCVD法(Modified Chemical Vapor Deposition)がある。 An optical fiber, particularly an optical fiber mainly composed of quartz, is manufactured by manufacturing a rod-shaped optical fiber preform on which a core and a cladding are formed, and drawing the preform by heating. One method for synthesizing this optical fiber preform is an MCVD method (Modified Chemical Vapor Deposition).
MCVD法による従来の光ファイバ母材製造装置1の構成を図1に示す。
図1において、2はクラッドとなるガラス管(石英管)、3は石英管1の両端を把持するチャック、4は石英管1内にその一端部側からガラススート生成用の反応性ガス9a(原料ガス)を供給するためのガス供給ノズル、5はガス排気管、6はガラス管2を加熱するための加熱源(バーナー)、7はチャック3を支える支柱、8は支柱6を支えると共に、加熱源6が設置される基台である。
チャック3はガラス管2を回転可能とする構造をしており、加熱源6はガラス管2の長さ方向に往復移動できるよう基台8上に設けられている。
FIG. 1 shows the configuration of a conventional optical fiber preform manufacturing apparatus 1 using the MCVD method.
In FIG. 1, reference numeral 2 denotes a glass tube (quartz tube) serving as a cladding, 3 denotes a chuck for gripping both ends of the quartz tube 1, and 4 denotes a
The chuck 3 has a structure that allows the glass tube 2 to rotate, and the
図2に、MCVD法による光ファイバ母材製造方法の説明図を示す。
ガラス管2を回転させながら、加熱源6をガラス管2の長さ方向に往復移動させてガラス管2を加熱し、ガラス管2の一端部側からガラススート生成用の反応性ガス9aであるSiCl4 、GeCl4 、O2などを供給する。反応性ガスが加熱によって気相酸化反応を起こし、SiO2やGeO2などのガラス微粒子が生成する。このガラス微粒子はガラス管2の内壁に堆積し、透明ガラス化され、光ファイバ母材のコアとなるガラス層10が形成される。
FIG. 2 is an explanatory view of an optical fiber preform manufacturing method by the MCVD method.
While rotating the glass tube 2, the
反応性ガスの気相酸化反応により、Cl2を主体とする排ガスが生成し、この排ガスはガラス管2の他端からガス排気管5を通じて排気される。ガラス層10の堆積が終了する
と、反応性ガス9aの供給を停止し、加熱源6によりガラス管2を強熱し、ガラス管2を中心軸方向につぶして棒状の光ファイバ母材とする。
ガラス管2に供給する反応性ガスの成分、組成を変化させることにより、屈折率分布など、所望の特性を有する光ファイバ母材が得られることになる。
By the gas phase oxidation reaction of the reactive gas, exhaust gas mainly composed of Cl 2 is generated, and this exhaust gas is exhausted from the other end of the glass tube 2 through the gas exhaust pipe 5. When the deposition of the
By changing the components and composition of the reactive gas supplied to the glass tube 2, an optical fiber preform having desired characteristics such as a refractive index distribution can be obtained.
近年、金属加工用途などのためファイバレーザ装置の研究開発が盛んとなっている。ファイバレーザ装置においては、レーザ増幅器として、コアにYb、Erなどのレーザ活性希土類元素を添加した増幅用ファイバが使用される。
この増幅用光ファイバは高エネルギーを有するレーザに対する耐久性が要求されるため、石英ガラスが使用されることが多く、製造にはMCVD法が使用される。
In recent years, research and development of fiber laser devices have been actively performed for metal processing applications and the like. In a fiber laser device, an amplification fiber in which a laser active rare earth element such as Yb or Er is added to a core is used as a laser amplifier.
Since this amplification optical fiber is required to have durability against a laser having high energy, quartz glass is often used, and the MCVD method is used for manufacturing.
コアに希土類元素を添加するためには、ガラススート生成用の反応性ガスを供給する際に、希土類元素のガスを同時に供給する必要がある。
コアに添加剤を入れるために複数の種類のガスを供給する方法として、特許文献2に記載の方法が知られている。特許文献2においては、加熱ヒータを中心軸として、間隔をおいて内側筒部と外側筒部を同心円状に設けることで、複数のガス流路が形成されたガス供給ノズルを使用し、反応性ガスであるSiCl4ガス、O2ガスと共に、添加剤ガスであるAlCl3ガスを供給して、ガラス層にAlを添加している。
In order to add a rare earth element to the core, it is necessary to simultaneously supply a rare earth element gas when supplying a reactive gas for generating glass soot.
As a method of supplying a plurality of types of gases to add an additive to the core, a method described in Patent Document 2 is known. In Patent Document 2, a heater is used as a central axis, and a gas supply nozzle in which a plurality of gas flow paths are formed is provided by providing a concentric circle with an inner cylinder part and an outer cylinder part spaced apart from each other. AlCl 3 gas as an additive gas is supplied together with SiCl 4 gas and O 2 gas as gases to add Al to the glass layer.
ところで、加熱源6がガス供給ノズル4に接近した際、ガス供給ノズル4の先端付近で反応性ガス9aが反応し、反応生成物がガス供給ノズル4先端に付着することがある。
付着量が多くなると、ガスの供給の妨げになる他、付着物がガス供給ノズル4から剥離する場合は、ガラス層の中に不純物として混入することもある。
特に、添加剤ガスも供給される場合は、添加剤も反応に関わることになり、反応生成物は単純なガラス微粒子とならないため、不純物としての悪影響が大きくなってしまう。
By the way, when the
When the amount of deposition increases, gas supply is hindered, and when the deposits are peeled off from the gas supply nozzle 4, they may be mixed as impurities in the glass layer.
In particular, when an additive gas is also supplied, the additive is also involved in the reaction, and the reaction product does not become simple glass particles, so that the adverse effect as an impurity is increased.
本発明の課題は、MCVD法を用いて光ファイバ母材を製造する際、ガス供給ノズル先端への反応生成物の付着や、ガラス層への不純物混入を低減することにある。 An object of the present invention is to reduce adhesion of reaction products to the tip of a gas supply nozzle and contamination of impurities into a glass layer when an optical fiber preform is manufactured using the MCVD method.
本発明者は、加熱ヒータを中心軸として、間隔をおいて内側筒部と少なくとも1つの外側筒部を同心円状に設けることで、加熱ヒータと内側筒部との間の空間に形成されたガラススート生成用の反応性ガス流路と、内側筒部と外側筒部との間の空間に形成された添加剤ガス流路とが形成されたガス供給ノズルにおいて、内側筒部の先端部を、外側筒部の先端部より飛び出した位置とすることで、従来の問題を解消できることを究明した。
The inventor has provided a glass formed in a space between the heater and the inner cylindrical portion by providing the inner cylindrical portion and at least one outer cylindrical portion concentrically at intervals with the heater as the central axis. In the gas supply nozzle in which the reactive gas flow path for soot generation and the additive gas flow path formed in the space between the inner cylinder part and the outer cylinder part are formed, the tip of the inner cylinder part is It was clarified that the conventional problem can be solved by setting the position protruding from the tip of the outer cylinder.
本発明によって提供されるガス供給ノズルは、加熱ヒータを中心軸として、間隔をおいて内側筒部と少なくとも1つの外側筒部を同心円状に設けることで、加熱ヒータと内側筒部との間の空間に形成されたガラススート生成用の反応性ガス流路と、内側筒部と外側筒部との間の空間に形成された添加剤ガス流路とがそれぞれ形成されていると共に、内側筒部の先端部は、外側筒部の先端部より飛び出した位置に存在することを特徴とする。 The gas supply nozzle provided by the present invention provides a central axis between the heater and the inner cylinder part by providing the inner cylinder part and at least one outer cylinder part at intervals with the heater as the central axis . a reactive gas channel for generating glass soot formed in the space, along with and the additive gas flow path formed in the space between the inner tubular section and the outer tubular section are formed respectively, the inner tubular portion The front end of the outer cylinder is located at a position protruding from the front end of the outer cylinder.
本発明のガス供給ノズルにおいては、以下に記載した優れた効果が期待できる。
(1)内側筒部の先端部を飛び出させることにより、各ガスがガラス管に供給される位置が変化するため、外側筒部先端部から内側筒部先端部に掛けての範囲で、全てのガスが関係する反応が発生しにくくなり、ガス供給ノズル先端付近における反応生成物の付着を抑制することができる。
(2)これに伴い、ガラス層への不純物の混入も抑制できる。
(3)内側筒部の先端部が飛び出すことで、後述のキャップを容易に設けることが可能となり、このキャップが反応生成物の付着抑制効果を高めることができる。
In the gas supply nozzle of the present invention, the excellent effects described below can be expected.
(1) Since the position where each gas is supplied to the glass tube changes by jumping out the tip of the inner cylinder, all the ranges are from the outer cylinder tip to the inner cylinder tip. Reactions involving gas are less likely to occur, and adhesion of reaction products in the vicinity of the gas supply nozzle tip can be suppressed.
(2) Along with this, mixing of impurities into the glass layer can also be suppressed.
(3) Since the tip of the inner cylindrical portion protrudes, a cap described later can be easily provided, and this cap can enhance the effect of suppressing the adhesion of the reaction product.
以下、本発明の基本的構成を、添付図面を参照しながら説明する。
図3において、11は加熱ヒータ、12は内側筒部、13は外側筒部、14は反応性ガス流路、15は添加剤ガス流路である。
本発明で特徴的なことは、内側筒部12の先端部を、外側筒部13の先端部より飛び出させたことである。
Hereinafter, the basic configuration of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
In FIG. 3, 11 is a heater, 12 is an inner cylinder part, 13 is an outer cylinder part, 14 is a reactive gas flow path, and 15 is an additive gas flow path.
What is characteristic in the present invention is that the distal end portion of the inner
内側筒部12の先端部が飛び出ることにより、反応性ガス流路14の出口と添加剤ガス流路15の出口が、ガラス管2の長さ方向の異なる場所に形成され、各ガス流路を通る各ガスの、ガラス管2への供給位置が変化することになる。
When the tip of the inner
反応性ガス流路14を通じてSiCl4、GeCl4、O2の混合ガス(反応性ガス9a)を、添加剤ガス流路15を通じて希土類元素ガス(添加剤ガス9b)を供給する場合、添加剤ガス流路15の出口から反応性ガス流路14の出口にかけての領域、すなわち内側筒部12が外側筒部13から飛び出している領域Aでは、内側筒部12の周囲には実質的に希土類元素ガスのみが存在する状態となる。
また加熱源6がガス供給ノズルに接近する際も、接近するのは内側筒部12の先端付近までであるので、領域Aに存在するガスは十分に加熱されず、領域Aにおいては反応が発生しにくい。
この結果、ガス供給ノズル先端付近への反応生成物の付着・堆積を抑制することができ、堆積が無くなることでガラス層への不純物混入も抑制できる。
When supplying a mixed gas (
In addition, when the
As a result, adhesion / deposition of the reaction product near the tip of the gas supply nozzle can be suppressed, and impurities can be prevented from being mixed into the glass layer by eliminating deposition.
内側筒部12を飛び出させることによって、領域Aにおける反応生成物の付着を抑制できるが、加熱源6が接近し、かつ反応性ガス流路14、添加剤ガス流路15からそれぞれ供給されるガスが混合して存在する内側筒部12の先端部においては反応が起きやすく、反応生成物も付着しやすい。これを改善するために内側筒部12の先端に、キャップ16を設けるのが好ましい。
内側筒部12の先端にキャップ16を設けることで、加熱源6が接近した際に特に反応が起きやすい領域付近での反応生成物の付着を抑制できる。
By causing the inner
By providing the
キャップ16を交換可能な状態で設けることで、長期間使用してキャップ16上への反応生成物の堆積が進行した場合でも、キャップ16の交換によって堆積した反応生成物を容易に除去することができる。
By providing the
キャップ16の形状は図5に示すような先端先細りのテーパー状とするのが好ましい。
キャップ16の形状を先端先細りのテーパー状とすることで、反応性ガス流路14から供給されるガスと添加剤ガス流路15から供給されるガスとが、ガス供給ノズル先端付近で混合しにくくなり、ノズル先端付近における、各供給ガスが関わる不用意な反応を抑制することができる。
The shape of the
By making the shape of the
キャップ16の材料は特に限定されないが、内側筒部12の材料よりも反応生成物が付着しにくいものが好ましく、耐熱性、加工性も考慮すると、石英ガラス製とするのが好ましい。
石英ガラス製のキャップ16とすることで、必要十分な耐熱性を確保でき、石英ガラス製光ファイバ母材の製造に用いられるMCVD装置においては、キャップ16の成分が不純物として母材に混入した場合でも、同系統の材料であるため、母材への悪影響を最小限に抑える効果も得ることができる。
なお、キャップ16の寸法は、内側筒部12の外径や、ガスの流量に応じて、適宜好ましいものとすれば良い。
The material of the
When the
In addition, the dimension of the
以下、本発明のガス供給装置を使用して、MCVD法により光ファイバ母材を製造した一例を示す。 Hereinafter, an example in which an optical fiber preform is manufactured by the MCVD method using the gas supply device of the present invention will be described.
図4に示したように、MCVD法により、石英管の内壁にガラス微粒子を堆積させてガラス層を形成し、光ファイバ母材の製造を行った。
内側筒部の先端には、基端部の内径が内側筒部の外径に略等しく、先端部の内径が内側筒部の外径の半分となっている、テーパー形状のシリカガラス製キャップを被せた。
図4に示されていない、MCVD法に必要な装置は、公知のものから適宜選択して使用する。
As shown in FIG. 4, a glass layer was formed by depositing glass particles on the inner wall of a quartz tube by MCVD, and an optical fiber preform was manufactured.
A tapered silica glass cap with an inner diameter of the proximal end portion approximately equal to an outer diameter of the inner cylindrical portion, and an inner diameter of the distal end portion being half the outer diameter of the inner cylindrical portion is provided at the distal end of the inner cylindrical portion. I covered it.
The apparatus required for the MCVD method, which is not shown in FIG. 4, is appropriately selected from known ones and used.
加熱ヒータで加熱しながら、SiCl4、GeCl4、O2の混合ガスを、反応性ガス流路を通じてガラス管内へ供給すると共に、希土類元素ガスとしてYbを含むガスを、添加剤ガス流路を通じてガラス管内へ供給した。
ガス中の成分濃度、ガス流量は、所望する光ファイバ母材の特性に応じて、適宜選択する。
While heating with a heater, a mixed gas of SiCl 4 , GeCl 4 , and O 2 is supplied into the glass tube through the reactive gas channel, and a gas containing Yb as a rare earth element gas is supplied to the glass through the additive gas channel. Supplied into the tube.
The component concentration in the gas and the gas flow rate are appropriately selected according to the desired characteristics of the optical fiber preform.
光ファイバ母材の製造中、図3に示した領域Aに相当する部分、及びキャップの表面を観察した所、反応生成物の付着は確認されず、内側筒部を飛び出させたこと、及びその先端にキャップを設けることによる、ガス供給ノズル先端への反応生成物付着抑制効果が確認できた。 During the production of the optical fiber preform, the portion corresponding to the region A shown in FIG. 3 and the surface of the cap were observed. It was confirmed that the reaction product adhesion to the gas supply nozzle tip was suppressed by providing a cap at the tip.
以上の方法で製造した光ファイバ母材を光ファイバへと加工し、特性を評価したところ、コア内への不純物の混入による悪影響は確認されず、ファイバレーザ装置のレーザ増幅器として使用するのに好適な増幅用光ファイバが得られた。 The optical fiber preform manufactured by the above method was processed into an optical fiber, and the characteristics were evaluated. As a result, no adverse effect due to the mixing of impurities into the core was confirmed, and it was suitable for use as a laser amplifier of a fiber laser device. An optical fiber for amplification was obtained.
以上の例は、本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、種々の変更および応用が可能であることは言うまでもない。例えば、本発明のガス供給装置は、MCVD法に使用することを想定したものだが、ノズルが同軸状となっており、ノズル先端付近で反応が発生し、反応生成物がノズルに堆積する環境においても、中心ノズルの飛出し量、キャップの材料、形状等を適宜変更して、好ましく適用できる。 The above examples are merely examples of the present invention, and it goes without saying that various modifications and applications are possible within the scope of the idea of the present invention. For example, the gas supply apparatus of the present invention is assumed to be used for the MCVD method, but in an environment where the nozzle is coaxial, the reaction occurs near the nozzle tip, and the reaction product accumulates on the nozzle. In addition, the amount of projection of the center nozzle, the material of the cap, the shape, and the like can be appropriately changed and preferably applied.
1 光ファイバ母材製造装置
2 ガラス管
3 チャック
4 ガス供給ノズル
5 ガス排気管
6 加熱源
7 支柱
8 基台
9a 反応性ガス
9b 添加剤ガス
10 ガラス層
11 加熱ヒータ
12 内側筒部
13 外側筒部
14 反応性ガス流路
15 添加剤ガス流路
16 キャップ
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