JP2009007242A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】比屈折率差の長手方向の変動が抑制され、長手方向での比屈折率差の平均値が向上した光ファイバプリフォームの製造方法を提供することにある。
【解決手段】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てプラズマ中でガラス微粒子を合成し、該プラズマトーチに対して相対的に回転しつつ往復運動するガラスロッド上に堆積させて光ファイバプリフォームを製造するにあたって、該往復運動の往路ではガラス原料を供給し、復路ではガラス原料の供給を停止することにより、比屈折率差の長手方向での変動が抑制され、かつ、長手方向における比屈折率差の平均値が向上した光ファイバプリフォームが得られる。
【選択図】なし

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設けられた高周波コイルに高周波電流を印加し、ガス流路管の内部のガスをプラズマ化し、それをトーチから噴射する装置である。この高周波誘導熱プラズマトーチにより、１万℃程度の超高温のプラズマ化されたガスを得ることができる。このプラズマ化されたガスは、その線速度が比較的遅く、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、特許文献１に開示されているように、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、特許文献２に開示されているように、純シリカガラスロッドの周囲にプラズマ火炎を用いて、直接透明な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。

特許文献１の方法で製造されるプリフォームの比屈折率差は０．７％程度以下に限定されるが、生産性が高く、厚いクラッド層を設けるのに適している。
特許文献２の方法は、特許文献１の方法よりも生産性において劣るが、製造されたプリフォームの比屈折率差を０．７％より大きくすることが可能である。

特公平４−７９９８１号公報 特公平２−４７４１４号公報

特許文献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に高周波電力を供給すると、ガス供給装置３により供給されたガスは、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、このフッ素ドープガラス微粒子が、反応チャンバ５内で回転しつつ上下方向に往復移動するターゲットとしての純シリカガラスコア６の表面に堆積する。ターゲット６の表面に付着しなかったガラス微粒子及び排気ガスは、排気口７を通して系外に排出される。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。

図１の方法で製造された光ファイバプリフォームは、図２に示すように、その比屈折率差が長手方向において変動するという問題があった。コアの屈折率は長手方向で一定であるので、この変動は、プラズマ堆積工程でのクラッド層の長手方向における屈折率変動に起因している。また、得られる比屈折率差も十分な値ではなかった。
しかしながら、上記した技術では、摩擦体を回転駆動させるモータに供給する電力が必要であり、エネルギー消費が増加して燃料の消費量が増えるという問題が存在した。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは比屈折率差の長手方向の変動が抑制され、長手方向での比屈折率差の平均値が向上した光ファイバプリフォームの製造方法を提供することにある。

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て、プラズマトーチのプラズマ中でガラス微粒子を合成し、プラズマトーチに対してガラスロッドを相対的に回転しつつ往復運動させて該ガラスロッド上に、合成されたガラス微粒子を堆積させ、ロッドの往復運動の第１の行程では、プラズマトーチへガラス原料を供給し、第２の行程では、プラズマトーチへのガラス原料の供給量を前記第１の行程における前記ガラス原料の供給量よりも減らすことを特徴とする。

好適には、第２の行程では、プラズマトーチへのガラス原料の供給量をゼロにする。

また、好適には、ガラスロッドの第２の行程における移動速度について、ガラスロッドの第１の行程における移動速度よりも速くする。

さらに、好適には、プラズマトーチにプラズマ生成のための高周波電力を供給し、当該電力のうち第１の行程における電力よりも第２の行程における電力を低くする。

本発明によれば、比屈折率差の長手方向の変動が抑制され、長手方向での比屈折率差の平均値が向上した光ファイバプリフォームが得られる。

本発明者は、ガラスロッドへ堆積して形成されるガラス薄膜の屈折率が、ターゲットとなるガラスロッドの温度に密接に関係していることを見い出した。すなわち、ターゲットへのガラス微粒子の堆積中、ターゲットとプラズマトーチとの間の相対的往復移動によってターゲットの長手方向に温度変動を生じる。その結果、ターゲット温度が高い箇所にはドープされるフッ素量が減り、温度が低い箇所にはドープされるフッ素量が増す。光ファイバプリフォームの長手方向の比屈折率差の変動はこの現象が原因で生じることを本発明者は見出した。さらに、ターゲットの長手方向の各位置のプラズマ火炎が当たる直前の温度変動を最小化することにより、長手方向における比屈折率差が安定した光ファイバプリフォームを得ることができることをも本発明者は見出した。本発明は、これらの知見に基いて実現したものである。

図３に示すように、同じガス条件及びプラズマ条件であっても、ターゲットのプラズマ火炎が当たる位置の温度が高いとドープされるフッ素量が減り、従って、クラッドの屈折率が上昇し、光ファイバプリフォームの比屈折率差が低下する。
ターゲットのプラズマ火炎が当たる位置の温度が低い場合には、ドープされるフッ素量が増加し、従って、光ファイバプリフォームの比屈折率差は上昇する。他方、ターゲットの温度が低く過ぎると、透明な光ファイバプリフォームが得られない。このため、透明なガラスを堆積させるためには、ターゲットのすべての位置での温度を所定の下限温度以上にすることが必要である。
以下、ガラスの透明化に必要なかかるターゲットの下限温度を最低ガラス化温度と称する。

図４は、図１に示した従来の方法において、プラズマトーチ１に対して往復運動するターゲット６の長手方向におけるプラズマ火炎４が当たる直前の温度を示している。
往路および復路共にガラス原料を同じ供給量で供給する従来の方法では、図４に示すように、ターゲット６の長手方向の中央位置を除いて、ターゲット６の長手方向の位置のうち、プラズマトーチ１がターゲット６の一方の折り返し位置からある位置へ移動してくる場合と、ターゲット６の他方の折り返し位置からその位置へ移動してくる場合とで、その位置のプラズマ火炎４が当たる直前の温度は異なる。このため、ターゲット６の長手方向の中央位置を除く各位置では、ターゲット６のプラズマトーチ１に対する往路と復路とで、ドープされるフッ素量が異なり、長手方向の比屈折率差が安定しない。

また、ターゲット６の折り返し位置付近においては、プラズマトーチ１がターゲット６の他端側から当該折り返し位置付近へ向けて接近してくるときには、ターゲット６がプラズマトーチ１に対して折り返し位置の間を往復する間にターゲット６は冷却される。このため、プラズマ火炎４が当たる直前のターゲット６の折り返し位置付近の温度は、ターゲット６の長手方向において最も低い温度となる。しかし、ターゲット６がプラズマトーチ１に対して折り返し位置到達し、他方の折り返し位置に向けて移動しようとするときには、ターゲット６の折り返し位置付近のプラズマ火炎４が当たる直前の温度はターゲット６の長手方向において最も高くなる。

一方、ターゲット６の温度は、いずれの位置においても、プラズマトーチ１が通過し、再び次の堆積が行われるまで、常に最低ガラス化温度より高くしておく必要がある。したがって、折り返し位置付近の最低温度が最低ガラス化温度を下回らないようにするためには、プラズマ生成のためのコイル２に供給する高周波電力を高める必要がある。しかしながら、プラズマ生成のためのコイル２に供給する高周波電力を高めると、折り返し位置付近の最高温度がより高くなる。その結果、ターゲット６の長手方向平均温度が高くなり、ターゲット６の比屈折率差が低下する。

これに対し、本発明の方法では、
（１）ターゲット６がプラズマトーチ１に対して往路（第１の行程）を移動する際に、プラズマトーチ１に、ガラス原料を供給してガラス微粒子をターゲット６上に堆積し、
（２）ターゲット６がプラズマトーチ１に対して復路（第２の行程）を移動する際には、プラズマトーチ１にガラス原料を供給しない。
これにより、復路では、ターゲット温度はほとんど上昇せず、図５に示すように、長手方向でのターゲット温度の変動が小さくなる。ここで、ターゲット６の復路でのプラズマトーチ１に対する移動速度を往路の移動速度より高めるのが好ましい。さらに好ましくは、比屈折率差の長手方向安定化及び生産性向上の観点から、装置能力の上限に設定する。

さらに、本発明の方法では、プラズマトーチ１の復路の移動の間は、プラズマトーチ１に供給する電力を往路の移動の間よりも低減するのが好ましい。
これにより、ターゲット６の長手方向の温度変動はさらに抑制される。好適には、復路におけるプラズマトーチ１へ供給する電力は、プラズマ火炎４が安定して維持できる範囲で、極力低く定める。

本発明の方法によれば、プラズマトーチ１によるターゲット６の長手方向の温度変化は、図５に示すように安定している。このため、ターゲット６の温度を長手方向全域で最低ガラス化温度に近づけることができる。従って、比屈折率差を長手方向全域で安定させることができ、その平均値も向上する。

（実施例１）
外径５０ｍｍ，長さ１１００ｍｍの石英ガラスロッド上に、プラズマトーチ１を用いてフッ素ドープ石英ガラス層を堆積した。往路におけるプラズマトーチ１とターゲット６との相対移動速度は７５ｍｍ／ｍｉｎとし、プラズマトーチにはアルゴンと酸素に加えて、ガラス原料及びフッ素源であるである四塩化硅素及び四フッ化硅素を供給した。プラズマトーチ１に供給する電力は、堆積層のガラス化に必要な下限のパワーである５０ｋＷに設定した。

復路において、プラズマトーチ１とターゲット６との相対移動速度は、５００ｍｍ／ｍｉｎとし、プラズマトーチ１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硅素及び四フッ化硅素は供給しなかった。プラズマトーチ１に供給する電力は、プラズマ火炎４の安定した維持に必要な下限のパワーである８ｋＷに設定した。

このような条件で、プラズマトーチ１を５０回往復させてターゲット６にガラス微粒子を堆積させ、クラッドとしてのフッ素ドープガラス層をターゲット６上に形成した。これを焼結し透明ガラス化して得られた光ファイバプリフォームの長手方向の比屈折率差分布を光ファイバプリフォームアナライザで測定した。

（比較例１）
外径５０ｍｍ，長さ１０００ｍｍの石英ガラスロッド上に、プラズマトーチ１を用いてフッ素ドープ石英ガラス層を堆積した。往路および復路のいずれにおいても、プラズマトーチ１に対するターゲット６の相対移動速度は７５ｍｍ／ｍｉｎとし、プラズマトーチ１にはアルゴン、酸素、四塩化硅素、四フッ化硅素を供給した。プラズマトーチ１に供給する電力は、ターゲット６の長手方向においてプラズマ火炎４の当たる直前の温度が最も低くなる折り返し位置近傍において堆積層の透明ガラス化に必要な下限のパワーである５３ｋＷに設定した。

このような条件で、プラズマトーチを５０往復させてガラス微粒子を堆積させ、クラッド層としてのフッ素ドープガラス層をターゲット６上に形成した。これを焼結し透明ガラス化して得られた光ファイバプリフォームの長手方向の比屈折率差分布を光ファイバプリフォームアナライザで測定した。

実施例１及び比較例１で製造した光ファイバプリフォームの比屈折率差の長手方向分布を図６に示す。長手方向の比屈折率差の偏差は、実施例１では０．０７％と小さいのに対し、比較例１では最大０．２４％であった。さらに、最大比屈折率差も実施例１では１．４７％であったのに対し、比較例１では１．２４％であった。

このように、本発明の方法によれば、光ファイバプリフォームの長手方向安定性及び光学特性を大きく向上させることができる。フッ素ドープクラッド光ファイバプリフォームを作成する場合は、ドーパントとして四フッ化硅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できる。また、フッ素以外のドーパントについても、ドーパントの導入量がロッド温度に依存する場合には、同様の効果を得ることができる。

上記実施例では、復路においてガラス原料のプラズマトーチ１への供給を停止する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。復路において、ガラス原料の供給量を往路におけるガラス原料の供給量よりも減らす構成を採用してもよい。この場合には、復路においてガラス原料の供給を停止する場合と比べて、プラズマ火炎４に対する外乱が減り、プラズマ火炎４をより安定化できる。

図１は、高周波誘導熱プラズマトーチを用いてターゲットとしてのガラスコア上にクラッド層を堆積する、光ファイバプリフォームの製造方法を説明する概略縦断面図である。 図２は、従来技術によって製造された光ファイバプリフォームの長手方向の比屈折率差の変動を示すグラフである。 図３は、クラッド層堆積時のターゲット温度と、形成された光ファイバプリフォームの比屈折率差との関係を示すグラフである。 図４は、従来の方法におけるプラズマトーチに対して往復運動するターゲットの長手位置のプラズマ火炎が当たる直前の温度を示すグラフである。 図５は、本発明の方法におけるターゲットの長手位置のプラズマ火炎が当たる直前の温度を示すグラフである。 図６は、実施例１と比較例２で得られた光ファイバプリフォームの比屈折率差の長手方向分布を示すグラフである。

符号の説明

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・・・ターゲット
７・・・排気口

Claims (4)

1. 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て、プラズマトーチのプラズマ中でガラス微粒子を合成し、
   前記プラズマトーチに対してガラスロッドを相対的に回転しつつ往復運動させて該ガラスロッド上に、合成されたガラス微粒子を堆積させ、
   前記ガラスロッドの往復運動の第１の行程では、前記プラズマトーチへ前記ガラス原料を供給し、
   第２の行程では、前記プラズマトーチへの前記ガラス原料の供給量を前記第1の行程における前記ガラス原料の供給量よりも減らすことを特徴とする光ファイバプリフォームの製造方法。
2. 前記第２の行程では、前記プラズマトーチへの前記ガラス原料の供給量をゼロにすることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
3. 前記ガラスロッドの前記第２の行程における移動速度について、前記ガラスロッドの前記第１の行程における移動速度よりも速くすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバプリフォームの製造方法。
4. 前記プラズマトーチにプラズマ生成のための高周波電力を供給し、当該電力のうち前記第１の行程における電力よりも前記第２の行程における電力を低くすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光ファイバプリフォームの製造方法。

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