JPS5851896B2 - 光フアイバ母材の屈折率制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 光フアイバ母材を連続的に製造する方法の一つに第１図
に示すような方法がある。

これは火炎加水分解バーナ１によりガラス組成物原料ガ
スを火炎加水分解してガラス微粒子を合成し、このガラ
ス微粒子をターゲット上に堆積させて軸方向に多孔質母
材２を成長させ、ついでこの母材を加熱炉３によってゾ
ーンメルトさせることにより脱泡、透明化し光フアイバ
母材４とする方法である。

この方法は母材を高速度で量産することが可能である。

ところが、この方法で作成した集束型光ファイバのベー
スバンド周波数帯域は２００〜ｉｉｏ。

ＭＨｚ （６ｄＢ低下）と極めてバラツキが大きく、ま
た損失のバラツキも従来の内付けＣＶＤ法のものに比し
て大きいという問題点が生じた。

この原因を究明するために種々の実験を行なった結果、
バーナ１の炎５の形状、分布が排気ガス１４の排気速度
の変動、ガラス原料、Ａｒ、０２．Ｈ２などのガスの微
少なゆらぎ、矢印１１．１２から送り込むガスの微小な
ゆらぎ、多孔質母材の形状などにより変動し、それによ
って光フアイバ母材の径方向および軸方向の屈折率、ガ
ラスの物理的性質が変動したことによるものと考えられ
た。

このように従来方法ではバーナの炎の形状分布、炎中の
ガラス微粒子の濃度分布などをオンラインで検出する装
置もなく、またその形状分布、温度をつねに一定となる
ように制御する装置もなく、作成した光ファイバの特性
を制御することが不可能であった。

そのために高品質の光ファイバを再現性良く作成するこ
とを困難にしていた。

本発明の目的は上記問題点を解決することにある。

まず一つは、火炎加水分解バーナの炎を横切るように等
速のレーザビームで走査したときに生ずる光強度変化を
光電変換素子で検出し、その変化時間（すなわち、バー
ナの炎によって生じた影）を計測してバーナの炎の幅を
求め、その幅が一定となるようにバーナの軸方向位置、
あるいはバーナの外周に設けた炎を保護する管の軸方向
位置、バーナと保護管のすきまから流すガス流量、のい
ずれかを調節するようにフィードバックしてバーナの炎
の径方向拡がり量をつねに一定にする方法である。

バーナの炎の径方向拡がり量を制御すれば炎中のドーパ
ントの拡がり量を制御することができ、結果として光フ
アイバ母材の屈折率分布を制御することができる。

二つ目は、バーナの炎によって散乱されたレーザ光線を
光電変換素子で受光し、散乱光強度分布が一定となるよ
うにバーナに送り込むガス流量を調節して炎中のガス濃
度分布、ガラス微粒子濃度分布などを制御する方法であ
る。

本発明の方法を実施例を用いて説明する。

第２図は本発明の光フアイバ母材の屈折率制御方法の一
実施例を示した概略図である。

バーナの炎５の幅を光学的に非接触で検出するのに、反
応箱６の側面に光学窓２５を通して投光部１９と受光部
２０を設け、この投光部と受光部との間にバーナの炎を
配置させる構成とした。

投光部はレーザ光線を音叉偏向器とレンズ（あるいは多
面回転反射鏡とレンズ、さらにはガルバノミラ−とレン
ズ、または音響光学光偏向器のような電気的な手段で走
査する構成）によってバーナの炎に正弦的に掃引照射す
る構成になっている。

受光部は走査光を集光して光電変換せしめ、その光電変
換された電気信号を信号処理部２１で整形、計数処理し
てバーナの炎の幅に相当する電圧をアナログ量として出
力する構成になっている。

火炎を横切るようにレーザ光線を走査したとき、火炎中
を透過してきた光強度は火炎の中に存在するガラスの煤
やＨ２Ｏ、ガラス原料ガスなどによって吸収、散乱を受
け、火炎外を通過してきた光強度に比し大幅に減少し、
走査光の受光器出力にはほぼ方形波の波形特性を示す。

そしてこの方形波の幅は火炎の影、すなわちほぼ火炎の
幅に相当している。

この火炎中を透過してきた光強度は光スポツト径、火炎
中の温度分布、ガスの濃度分布、ガラス煤の分布、Ｈ２
０分布などによって変わる。

したがって火炎内の上下、左右方向によっても異なり、
分布をもつＯ 第３図はその一例を示したもので、同図Ａ 、 Ｂ。

Ｃは第２図において、レーザ光線をバーナの炎に対して
それぞれａ−ａ’、ｂ−ｂ’＋ ｃ−ｃ’ 面内で走
査して得た受光器の出力信号の一例である。

受光器出力信号がほぼ方形波状に減衰している時間がレ
ーザ光線が火炎中を走査している時間にほぼ対応してい
る。

したがってこの方形波パルスの時間幅を測定することに
よってバーナの炎の幅を求めることができる。

１９，２０．２１の具体的構成例は、音叉を用いた光偏
向器とレンズとによって正弦的に走査されるレーザビー
ムをバーナの火炎に照射し、この火炎によって生じた方
形波をそれぞれ復調してバーナの火炎の相対幅を検出す
る方法を用いる。

すなわち、光の走査と位相の一致する正弦波の参照信号
を作り、方形波の立ち上り、および立ち下り時に参照信
号の電圧値をそれぞれサンプリングホールドし、パルス
幅のかわりにそれらの電圧差をとることによって火炎の
幅に比例した信号電圧を得る。

この信号電圧を制御回路２２に入力する。

この制御回路２２にはあらかじめ設定しておいた基準の
信号電圧２３が入力しである。

この信号電圧２３は最適な屈折率分布を形成するバーナ
の炎の幅に相当する電圧であり、これはバーナ構造、ガ
ス流量、多孔質母材の成長端面の位置などをパラメータ
にとって作成したガラスの屈折率分布の測定結果から決
めたものである。

制御回路２２で２つの入力信号を比較、増幅し、誤差信
号が出力側に生じた場合には、その信号はモータ駆動回
路２４にフィードバックされてモータ１７（この場合、
ＤＣモータを用いたが、パルスモータ、サーボモータ、
ＡＣモータなどでもよい）を駆動し、保護管１５を矢印
１８あるいは１８′方向へ移動させる。

そして誤差信号が０になるまでモータは駆動し続け、バ
ーナの炎の幅があらかじめ設定した値になるように制御
される。

ここでバーナの炎の幅が狭い場合にはバーナの外周に設
けた保護管１５を矢印１８′方向へ、逆にバーナの炎の
幅が広くなった場合には保護管１５を矢印１８方向へ移
動するように制御系を構成しである。

１６は保護管の摺動を容易にさせるためのベアリングで
ある。

１３は排気ガスの排気速度調節装置、９および１０はガ
ス導入管であり、矢印１１から送り込むガスは加熱炉３
内に流れるようにし、矢印１２から送り込むガスは加熱
炉３内に外気が混入するのを防ぐためのものである。

７は母材の軸方向引上げ方向を示し、８は母材の回転方
向を示すものであり、これらは従来法と同様のものであ
る。

また、１はバーナ、２は多孔質母材、４は光フアイバ母
材、１４は排気ガスの排気方向、１１’ 、 １２’は
ガス流の方向を示す。

以上のようにバーナの炎の幅をつねに一定に保つことに
よってバーナの炎の径方向拡がり量、すなわち炎中のド
ーパントの拡がり量を制御するものである。

第４図は本発明の光フアイバ母材の屈折率制御方法の別
の実施例を示したものである。

これは、バーナ１と保護管１５のすきまから流すガスの
流量を変えてバーナの炎の幅を制御する方法の一例であ
る。

制御回路２２の出力信号はガス流量調節用バルブ開閉装
置２８にフィードバックされている。

バーナの炎の幅が基準値よりも狭くなった場合には、矢
印２６′方向へ流すガス流量を減らすように、その逆に
バーナの炎の幅が拡がった場合には矢印２６′方向へ流
すガス流量を増やすようにガス流量調節用バルブ開閉装
置を作動させる。

ガス流量調節用バルブ開閉装置のバルブ開閉量の調節は
ＤＣモータ（あるいはパルスモータ、サーボモータなど
）を駆動（図示せず）させて行なう。

矢印２６から送り込むガスは不活性ガス（Ａｒ。

Ｎ２．Ｈｅ、Ｎｅなど）あるいは酸化性ガス（０２゜Ｃ
Ｏ２、空気、Ｎ２０、オゾン）さらにはガラス原料（光
フアイバ母材のクラッド部を形成する原料）を含んだ上
記不活性、酸化性ガスでもよい。

矢印２７から送り込むガスは反応箱６内に外気の空気な
どが混入するのを制御するためのもので、矢印２７′方
向へ流れでるようにしである。

第５図は本発明の光フアイバ母材の屈折率制御方法の別
の実施例を示したものである。

これは、バーナの軸方向位置を変えてバーナの炎の幅を
制御する方法の一例である。

制御回路２２の出力信号はモータ駆動回路２４にフィー
ドバックされ、モータ１７を駆動させてバーナ１を矢印
１８あるいは１８′方向へ移動させるようになっている
。

バーナの炎の幅が基準値よりも狭くなった場合には、バ
ーナ１を矢印１８方向へ移動させるように、その逆にバ
ーナの炎の幅が拡がった場合にはバーナ１を矢印１８′
方向へ移動させるように構成されている。

上記までの説明は炎中を透過した光を信号処理してバー
ナの炎の幅を制御する方法に関するものであった。

次にバーナの炎をレーザビームで走査した場合の炎中の
固体、気体分子によって散乱されたレーザ光線を光電変
換素子で受光し、その散乱光強度分布が一定となるよう
にバーナに送り込むガス流量を調節するようにフィード
バックして母材の屈折率分布を制御する方法について説
明する。

第２図（あるいは４，５図）において、２０と同じ光電
変換装置を反応箱６の外周に光学窓２５を通して配置さ
せた。

ただし、その配置場所は、反応箱６の外周に沿って光電
変換装置を移動させ、散乱光強度がほぼ最大となる位置
に選んである。

その結果、受光器の出力にはレーザ゛光線が火炎中を走
査している時間だけ信号が生じた。

この信号特性はバーナに送り込むＮ２，０２およびガラ
ス原料によって変化した。

特にガラス原料のガス流量によって敏感に変化した。

したがって、この受光器出力特性がつねに一定となるよ
うにバーナのガス流量を制御すれば、光フアイバ母材の
軸方向および径方向の屈折率分布の変動量を小さく抑え
ることができ、所望の屈折率分布をもった光フアイバ母
材を歩留り良く作成することができる。

なお上記散乱光強度信号を第２図（あるいは４゜５図）
のごとく信号処理回路２１で処理し、基準信号２３と比
較する構成にすれば、バーナの炎の幅を一定となるよう
に制御することもできることはいうまでもないことであ
る。

また逆に、第３図に示す透過光強度信号の分布（すなわ
ち、レーザ光線が火炎中を走査している時間内の光強度
分布）をつねに一定となるように制御しても光フアイバ
母材の屈折率分布の変動を制御することができることも
いうまでもないことである。

次に本発明の方法を用いて作成した光ファイバの特性に
ついて述べる。

第２図の装置において、バーナ１に同心状の５重管構造
のものを使用し、その外周にバーナ１の外径よりも約１
．７倍大きい内径を有する保護管１５を設けて集束型光
ファイバ母材を作成した。

屈折率制御用ドーパントにはＧｅＣｌＩ４ ｊ ＰＯＣ
／３ ｔ ＢＢｒ３を用い、外径約２０闘φ、長さ約１
５０闘のガラスロッドを３本作成した。

このロッドを外径約７１Ｉφに引き延ばし、外径１５１
ｍφ、肉厚３．５ｍｍの石英管内に装着して融着後、線
引きにより光ファイバを得た。

上記３本のロッドから得た光ファイバを組み合せて約３
０Ｋｍの長さにし、ベースバンド周波数帯域を測定した
結果、８５０ＭＨｚ−Ｋｍ（６ｄＢ低下）と極めて広い
帯域特性を得ることができた。

そして一番低い帯域のものでも５８０ ＭＨｚ−Ｋｍ（
６ｄ Ｂ低下）であり、従来の２００ＭＨ２−Ｋｍ程度
のものに比し改善された結果を得ることができた。

本発明は上記実施例に限定されない。

バーナの炎の幅の検出個所は１カ所に限定されず、炎の
軸方向に対して数カ所で検出し、それらの幅を制御して
もよい。

バーナの炎の幅を光学的に非接触で検出する方法として
、レーザ光を照射したときに生ずる回折像から幅を検出
する方法、レーザ光を照射し、炎内を屈折反射してきた
光による後方散乱縞を幾何光学的に解析する方法、さら
にはバーナの火炎の光像をテレビジョンモーターに表示
させ、光像を走査線の数に変換して計測し、走査線の数
によりバーナの炎の幅を検知する方法などを用いてもよ
い。

バーナの外周に設けた保護管１５はその内径が軸方向に
連続的に拡大あるいは減少していてもよく、さらには局
部的に拡大あるいは減少していてもよい。

バーナと保護管のすきまから流すガス流量はバーナの炎
が外乱によって発生するゆらぎ量をできる限り抑制し、
かつ、ドーパントの径方向拡がり量を抑制するだけの流
量値を必要とし、通常Ｏ０数ｌ／１ｒ１ｉ１１〜十数１
１／ｌ１ｌｉｌｌの範囲から選べばよい。

バーナの炎によって散乱されたレーザ光線の検出用光電
変換装置は反応箱６の外周に複数個設けてもよい。

バーナ１はガラス微粒子を発生させる構成のものであれ
ばよく、上記実施例のような火炎加水分解バーナ以外に
、Ｈ２を含まない単なるノズル（この場合、高温熱酸化
によりガラス微粒子を発生させる）でもよい。

投光部１９に用いている光源はレーザ発信器以外に、単
なる投光用のランプでもよい。

／その場合には受光素子としてホトダイオードアレイ、
固体撮像デバイスのアレイ（１次元または２次元配置）
などを配夕１ル、入射光量に応じた電気信号を得るよう
にすればよい。

バーナの炎の幅を制御する別の方法として、検出信号を
排気速度調節装置にフィードバックし、炎の幅を制御し
てもよいことは本発明の方法から言うまでもないことで
ある。

すなわち、炎の幅が拡がった場合には排気速度を大きく
し、逆に炎の幅が狭くなった場合には排気速度を小さく
することによって炎の幅を制御する。

ガラス原料はハロゲン化物以外に、水素化物、アルキル
化物を用いることができ、これらの原料をガス状、ある
いは液体状で噴射してもよい。

また上記実施例では多孔質母材を経由して透明な光フア
イバ母材を得る方法であったが、本発明は直接透明な光
フアイバ母材を作成する方法にも適用できることはいう
までもない。

たとえば、従来のベルヌーイ法、プラズマ法による透明
ガラス母材の作成方法に適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来法により光フアイバ母材を製造する装置を
示す概略断面図、第２図は本発明の一実施例で用いた装
置の概略断面図、第３図は本発明の一実施例で得られた
レーザビーム受光器出力信号の経時変化を示すグラフ、
第４図および第５図は本発明の他の実施例で用いた装置
の概略断面図である。 各図において、１はバーナ、２は多孔質母材、３は加熱
炉、４は光フアイバ母材、５は炎、１３は排気速度調節
装置、１５は保護管、１６はベアリング、１７はモータ
、１９は投光部、２０は受光部、２１は信号処理部、２
２は制御回路、２３は基準信号電圧、２４はモータ駆動
回路、２５は光学窓、２８はガス流量調節用バルブ開閉
装置である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高温で反応してガラス微粒子となり得る流体状原料
   をバーナのノズルより供給し、該バーナの炎により該原
   料を加熱、反応せしめ、生成されたガラス微粒子又は溶
   融ガラスをターゲット上に堆積する工程を有する光フア
   イバ母材の製造方法において、該炎を横切って走査する
   等速のレーザビームを該炎に透過せしめてその光強度変
   化を受光器で検出し、該光強度変化の変化時間を計測し
   て該バーナの炎の幅に対応する信号を発生せしめ、該信
   号と基準信号とを比較して誤差信号となし、該バーナの
   軸方向位置調節機構、該バーナの外周に設けた炎を保護
   する管の軸方向位置調節機構あるいは該バーナと該保護
   管との隙間から流すガス流量調節機構に該誤差信号をフ
   ィードバックして該炎の幅が一定になるよう構成したこ
   とを特徴とする光フアイバ母材の屈折率制御方法 ２ 高温で反応してガラス微粒子となり得る流体状原料
   をバーナのノズルより供給し、該バーナの炎により該原
   料を加熱、反応せしめ、生成されたガラス微粒子又は溶
   融ガラスをターゲット上に堆積する工程を有する光フア
   イバ母材の製造方法において、該炎を横切って走査する
   等速のレーザビームを該炎に透過せしめてその散乱光の
   強度を受光器で検出し、該流体状原料の供給量調節機構
   に該散乱光の強度に対応する信号をフィードバックして
   、該散乱光の強度分布が一定になるように構成したこと
   を特徴とする光フアイバ母材の屈折率制御方法。