JP5600687B2 - 光ファイバ用の半製品としてのプリフォームを製造するマルチノズル型管状プラズマ堆積バーナ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の、光ファイバ用の半製品としてのプリフォームを製造するマルチノズル型管状プラズマ堆積バーナであって、ガラス出発物質及びキャリアガスを含有する媒質流がバーナに供給され、少なくとも１つのドーパントを供給する手段が少なくとも１つの前駆ガスを使用し、バーナの長手方向軸が基体の中心軸に対して実質的に垂直に向いているマルチノズル型管状プラズマ堆積バーナ、ならびに光学ファイバ用の半製品としてのプリフォームを製造する方法に関する。

誘導プラズマバーナは、１９６０年代初期から知られている。それは、原料の処理に好ましくは使用されており、微顆粒状の粉塵の合成や、分光法における刺激性原料として使用される。誘導結合プラズマを常圧で発生するバーナは、一般に、同心状に配置された３つの石英管からなる。既知の設計では、小径を有する放電管を通ってキャリアガスが層流下で移動している。放電管の直径が大きい場合、キャリアガスは渦巻き状の流れで移動している。

ＯＨ含有量の低い石英ガラスを製造し、かつドープされた石英ガラスを製造するプラズマ法の使用、並びに光導波管の製造においてプリフォームを製造するプラズマ法の利用は、独国特許出願公開公報第25 36 457号明細書にて知られている。光導波管の製造に使用されるためには、さまざまな条件が満たされなければならない。例えば、コアガラス及びクラッドガラスは高純度石英ガラスからなる必要があり、クラッドガラスは、対応する透過率を生じるためには、コアガラスの屈折数よりも低い規定の屈折率を有していなければならない。

クラッドガラスの屈折率を所定に減少させるために、プラズマバーナの火炎は、高温暴露下で破壊し蒸気状態で供給される水素高純度のフッ素化合物が追加的に与えられる。

光導波管を製造するための回転対称の半製品の製造は、石英シリンダがターゲット又は基体として使用され、かつプラズマバーナをコアガラスシリンダに対して同時に相対運動させる間に定められたフッ素を含有するクラッドガラス層を回転式のコアガラスシリンダに堆積させる場合において、成功している。

前述の独国特許出願公開公報第25 36 457号明細書は、同心円状に配置した３つの石英管からなるバーナを記載している。外側管は中央管から突出し、中央管は内側管から突出しているとする。作用ガスと蒸気状態のフッ素化合物を含有するシリコン化合物とが、内側管を通って供給される。酸素は、分離ガスとして、内側管と中間管の隙間、及び中間管と外側管の隙間を通って導入される。中間管及び外側管のそれぞれを分離ガスでフラッシングすることは、酸化シリコンがバーナに堆積しないという利点がある。この３つの石英管は、互いに、かつ金属フレームの外気に対して密封される。実際の誘導コイルは、外側管の自由端の周りに配置され、高周波発生装置によって給電される。作動ガス及び２つの分離ガスは、接線方向に配置された管路を経由して供給される。プラズマ炎は、アルゴンガスで点火される。ＳｉＣｌ_４（四塩化ケイ素）は、高温度のプラズマ炎によって分解されて、酸素と反応してＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）となり、これは、ターゲットに堆積すると同時に焼結される。フッ素ドナーもまた、高温度のプラズマ炎によって分解されて、フッ素は堆積したガラス質のＳｉＯ_２に集積される。

他のプラズマバーナの設計は、例えば独国特許出願公開公報第298 23 926号明細書に開示されている。そこに記載されているプラズマバーナにおいて、ドープされていない石英ガラスもまた、回転式の円筒状の対称ターゲットに堆積するのが好ましい。しかし、その目的は、フッ素がドープされたステップインデックスのプリフォームではなく、光導波管用の管及び半製品を製造することである。述べられた先行技術で使用されるプラズマガスは、窒素と酸素とが適した比で含まれる。媒質ガスは、ＳｉＣｌ_４、酸素、及びガス状のフッ素ドナー、好ましくはＳＦ_６（六フッ化硫黄）である。プラズマバーナ自体は、石英ガラスでできている管状のバーナ容器からなる。銅製の誘導コイルが、外側の石英管の上部の周りに設けられている。更に、側面に配置されているノズル対が設けられており、プラズマに前駆物質を噴射するのに使用される。これらの噴射ノズルは石英ガラスからなり、小さい内径及び出口領域の特殊な断面を特徴とする。噴射口は径方向に配置され、互いにずれている。

独国特許第102 31 037号明細書は、プラズマ蒸着法によって合成石英ガラスでできているプリフォームを製造する方法及びシステムを開示している。

そこでは、マルチノズル型堆積バーナが使用されており、出発ガラス材及びキャリアガスを含む高純度水素の媒質流が供給される。出発ガラス材は、堆積バーナによってプラズマ領域に供給され、そこでＳｉＯ_２粒子の形成下で酸化される。ＳｉＯ_２粒子は堆積領域に堆積し、その過程ですぐにガラス化される。

堆積率を増大させるために、そこでは、媒質流を堆積バーナによってプラズマ領域の方向に集束することが提案される。

独国特許出願公開公報第25 36 457号明細書 独国特許出願公開公報第298 23 926号明細書 独国特許第102 31 037号明細書

従って、前述の事実に基づき、本発明の目的は、基体又はターゲットへのＳｉＯ_２の堆積度とフッ素の集積効率とを改善できる、光ファイバ用の半製品としてのプリフォームの製造のための、より開発されたマルチノズル型管状プラズマ堆積バーナを提供することにある。この目的を達成するために、本発明の別の目的は、設ける堆積バーナによって定められた堆積条件を設定することであり、これによって、望ましい高堆積速度と適正な層品質とが保証される。この最終的な目的は、特定の材料及びエネルギー消費の低減と、コスト削減である。

本発明の目的は、器具面において、請求項１による特徴の組合せ、並びに請求項２３による教示に基づく方法によって解決される。

従って、基本は、光ファイバ用の半製品としてのプリフォームを製造するためのマルチノズル型管状プラズマ堆積バーナであって、ここでは、ガラス出発物質及びキャリアガスを含有する媒質流をバーナに供給する。更に、少なくとも１つの前駆ガスを使用して少なくとも１つのドーパントを供給する手段が提供されており、ここでは、バーナの長手方向軸が基体の中心軸に対して実質的に垂直である。

本発明によれば、第１のガス又は混合ガス、特に前駆ガスの第１の部分流が、バーナの長手方向軸に走る少なくとも１つのノズルを通って、プラズマ及び基体に供給され、かつ、第１のガス又は混合ガス、すなわち別の異なる前駆ガスの第２の部分流が、別のノズル、特にノズル対を通ってプラズマ及び基体に供給され、前記各部分流は基体の近くで結合するような方法で供給される。

従って、前駆ガスは、最初に、例えば１つ若しくは複数の円形、楕円形、又は正方形若しくは多角形の断面を出口孔として含む管状のノズルアセンブリによって、下から基体の軸に対してほぼ垂直に供給され、ここでは、断面積又は断面積の合計が、所望の出力容積に調整される。

この目的によると、基体の下にありバーナの近くの側面に位置する少なくとも２つのノズル、特にノズルチェーンを通して前駆ガスの追加的な部分流を供給することによって、堆積度が著しく増大する。そうすると、前駆物質のガス流が基体の下に収束し、かつプラズマ流の中心の流れがほぼ中和されるように、ノズル又はノズルチェーンは側面に配置される。部分流比は、基体又はターゲットのサイズに従って設定可能である。

一実施形態では、第２の部分流のための少なくとも１つ付加的なノズル又はノズル対は、バーナの長手方向軸にずれて配置されており、ここでは、ノズル対は順にバーナの長手方向軸からある角度で離れて設けられている。この角度は、バーナの長手方向軸に対して、例えば４５度から１３５度の範囲内にある。

上述のように、ノズル対はノズルチェーンを含んでいてもよく、ここでは、ノズル対のノズルチェーンは、定められた角度で互いに向き合っているが通常は直接的ではない。一実施形態では、上記角度は調整可能である。

第２の部分流を発生させるためのノズル対は、実際のバーナの外側に、すなわち、基体に対して最も近いバーナ管から間隔をおいて、基体面とバーナとの間の空間に設けられている。

本発明によれば、バーナの管構造に対して接線方向のガス流成分を発生させる、２つを超えるノズルチェーンが設けられている。

一実施形態において、ノズル対及びそれぞれのノズルチェーンは、可動性があり調整可能に設計されており、ここでは、最適位置が、コーティング工程中に、例えば基体の動方向など多くの工程パラメータに応じて自動又は手動で任意選択的に調整可能である。

バーナは、バーナの長手方向軸に走る既知の管を含み、ここでは、上記管が、本発明による２つの連動管として設計されている。上記管は、ガラス及び／又はセラミック材料、又は有機ポリマー若しくは高分子複合材料でできていてもよい。有機フォイルなどの有機材料でコーティングされたガラス又はセラミック材料の使用は、別の選択肢である。連動管のうちの少なくとも１つは、厚壁、すなわち２ｍｍ以上の厚さで設計されている。最も厚い管の肉厚は２ｍｍ以上で、原則的に２０ｍｍまでの範囲内で選択可能である。

この管は、互いに同心状に配置されるか、又は同心配列から外れて配置されており、ここでは、肉厚は５ｍｍ以上で、原則的に２０ｍｍまでの範囲内にある。

管アセンブリの内側は、プラズマの空間からの距離が管アセンブリの外側管よりも大きい。

更に、本発明に基づいて、前駆ガスがチャンバを通って供給される。すなわち、堆積バーナは、ガスを混合するかガス流を静めるのに使用される少なくとも１つの上記チャンバを有する。

１つ又は複数のリンクのノズルチェーンは、複数の、等しいか異なるノズルのドリル孔を備えた板形状で設けられていてもよい。ノズルのドリル孔は、好ましくは、３５度から５５度の角度で設けられてもよく、この配列によって強制的にらせん構造の流れとなることを意味する。

加えて、バーナ管のアセンブリを、その周りに延びる管に再び供給されることの可能な窒素カーテンで包囲することが可能である。

更に、バーナの長手方向軸に沿って走る第１の部分ガス流のためのノズルが、ノズル群を備えていてもよい。冒頭で述べたように、上記ノズル群は、異なるか調整可能なノズル断面又は断面領域を備えた個々のノズルを備えていてもよい。

本発明による、特に内側プラズマバーナ管用の使用される管の大きな肉厚によって、原材料がバーナに早く堆積するのを防ぎ、処理の安定性とバーナの耐用年数とが増大する。

好ましい実施形態では、第２の部分流を発生させるためのノズル対のノズルの距離が、最も背の高い管、すなわち基体に最も近い管の上縁部に対して、０．１ｍｍから１０ｍｍに及ぶ。

本発明の別の実施形態によって、最も背の高いプラズマ管の上縁部に対して第２の部分流を発生させるために、故意にノズル対のノズルの距離を大きくすることが可能になる。このことから結果として起こる利点は、ノズル対のノズルの取り付け又は配置の位置でのその時に低下した温度によって生じるので、供給ガス又は混合ガスへの温度に関連する負の影響を防ぐことができる。

第１の部分流を発生させるためのノズルは、基体の長手方向軸に対して垂直方向から離れる角度でガスを供給することができるような方法で設計される。送り角は、３５度と５５度との範囲内で定められるのが好ましく、高速堆積工程において基体の表面にガラスの煤（すす）を最適に送ることができるようになると同時に、バーナ管への固化を防ぐ。

本発明による堆積バーナを１つ以上のガスバーナと組み合わせることによって、高速堆積工程において可融性が明らかにより良好となり、ここでは、少なくとも１つの追加的なバーナによる完成したコーティング済みプリフォーム内の残留応力がゼロに向かって減少する。上記の一般的なガスバーナは、特に、そのファイバが紫外線の範囲内で使用されるプリフォームの製造に関する場合に使用可能であり、ここでは高いＯＨ含有量が許容される。

本発明による堆積バーナの使用と、行われる各方法によって、異なる前駆体化合物の反応混合物を使用できるようになる。したがって、いくつかのドーパントをガラスマトリックスに集積するのが容易に可能となる。部分ガス流を発生させることによって、可変の理論混合比でいくつかのシリコン化合物を使用し、かつより多くの添加物を添加することが可能になる。

２つの別々のノズルを通して少なくとも２つの異なる前駆体化合物を供給することによって、別々の経路を通って互いに反応する均一な前駆体化合物を供給することができる。例えば、第１の部分流は、バーナの底面からのＳｉＣｌ_４の供給によって特徴づけられることができる。よって、微細に分割された煤は、ＳｉＣｌ_４及びＯ_２から形成され、その***面のために適したフッ素ドナーと迅速に反応する。上記のフッ素ドナーは、第２の部分流を通って供給されてもよい。

第２の部分流を発生させるノズル対のノズルを、ｘ、ｙ、及び／又はｚ方向に向かって個々にかつ分離して配置することができるので、全体的に堆積速度を改善することができる。というのは、基体／ロッドのそれぞれの平行移動及び回転速度を考慮できるためである。

バーナの長手方向軸に対して部分ガス流を傾斜させると、部分ガス流をプラズマ容積流に最適に集積させることができるようになる。

更に、プラズマバーナの外側に、ロッド及びバーナを冷却する追加的なノズルチェーンを設けることが可能であるので、反応空間を包囲する定められた局所的雰囲気が生じ得る。紫外線吸収材料を使用する場合、基体を製造する間、基体の紫外線露光を減少させることができる。

本発明による堆積バーナの、その必須の構成要素及び基体、特に回転式コアガラスロッドに対するそれらの配置を備えた基本的な断面図である。 本発明によるバーナアセンブリの上面図である。

本発明を、例示的実施形態に基づき、図を用いて以下に詳細に説明する。

図１は、本発明による堆積バーナの、その必須の構成要素及び基体、特に回転式コアガラスロッドに対するそれらの配置を備えた基本的な断面図を示している。

本願明細書において、バーナ１は、外側バーナ管３及び高周波コイル６を備える。この外側バーナ管３は原則的に内側バーナ管２を備える。この内側バーナ管２は厚壁を備え、外側バーナ管３に対して同心状に配置される。この耐熱管は、例えばセラミック又はガラスからなり、５ｍｍを超える肉厚、例えば２０ｍｍの肉厚を有する。

既知の型と比較して肉厚が大きいことによって、原材料がバーナに早く堆積するのを防ぎ、従って、処理の安定性とアセンブリ全体の耐用年数とが増大する。

供給される前駆ガスの第１の部分流は、下から、言わば管２の下に配置されている管１を通って基体４に供給される。互いに反対側にずれて配置されている少なくとも２つのノズルチェーン５が、第２の接線方向に向く前駆ガスの部分流を発生させる。本願明細書において、この図は、ノズルチェーン５のうちの１つのみを示している。

上記ノズル対５は、前駆物質のガス流が基体４の下で収束し、プラズマの中央の流れが互いを中和するような方法で配置されている。ノズル５は、バーナアセンブリの外側管３の上方の境界からある距離Ａをおいて設けられている。

上記の距離は、１ｍｍと１０ｍｍの間の範囲内にあってもよい。ノズル５間の逃げ角は、４５度と９０度の範囲内で設けられてもよく、ここでは角度位置を変更可能に設計することができる。

図２は、本発明によるバーナアセンブリの上面図を示しており、視認可能な外側バーナ管３と、互いに反対側にずれて配置されているノズルチェーンとを備え、基体４の部分、すなわちコアガラスロッドは、コーティング工程中に回転する。基体４の長手方向におけるノズルチェーン５の可能な運動は、矢印によって表されており、ここでは、代わりに、又は追加的に、ノズル又はノズルチェーン５を画像の高さから外に、又は画像の高さに照準を合わせることも可能である。

Claims (18)

1. 光ファイバ用の半製品としてのプリフォームを製造するマルチノズル型管状プラズマ堆積バーナであって、
   ガラス出発物質及びキャリアガスを含有する媒質流がバーナに供給され、少なくとも１つのドーパントを供給する手段が少なくとも１つの前駆ガスを使用し、前記バーナの長手方向軸が基体の中心軸に対して実質的に垂直に向いており、
   前駆ガスの第１の部分流が、前記バーナの長手方向軸に走る少なくとも１つのノズルを通って前記プラズマ及び前記基体に供給され、前駆ガスの第２の部分流が、別のノズルを通って前記プラズマ及び前記基体に供給され、前記各部分流が基体の近くで結合するような方法で供給されることを特徴とする、マルチノズル型管状プラズマ堆積バーナ。
2. 前記別のノズルが、マルチノズル又はノズル対として提供され、前記バーナの長手方向軸に対してずれて配置されている２つ以上の個々のノズルを備えることを特徴とする、請求項１に記載のバーナ。
3. 前記別のノズル又は前記ノズル対のノズルが、前記バーナの長手方向軸からある角度で離れて配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のバーナ。
4. 前記ノズル対がノズルチェーンとして個々のノズルの群を備え、前記ノズル対の前記ノズルチェーンは、互いに反対側に特定の角度で配置されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載のバーナ。
5. 前記個々のノズル又は前記ノズル対の前記ノズルチェーンの角度と位置が、調整可能であることを特徴とする、請求項２〜４の何れか１項に記載のバーナ。
6. 前記別のノズル又は前記ノズル対が、前記バーナの外側に、前記基体に対して最も近い前記バーナ管から間隔をおいて、基体面と前記バーナの間の空間に設けられていることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載のバーナ。
7. 前記バーナの管構造に対して接線方向のガス流成分を発生させる、前記別のノズル又は前記ノズルチェーンの少なくとも１つが設けられていることを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載のバーナ。
8. 前記別のノズル、前記ノズル対、又はそれぞれのノズルチェーンが、可動性があり調整可能であることを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載のバーナ。
9. 前記バーナの長手方向軸に走る前記ノズルが、厚壁を有する２つの連動管を備えることを特徴とする、請求項１〜８の何れか１項に記載のバーナ。
10. 前記管が互いに同心状に配置されるか、又は同心配列から外れて配置されており、前記管の肉厚が２ｍｍ以上で、本質的に２０ｍｍまでの範囲内にあることを特徴とする、請求項９に記載のバーナ。
11. 前記少なくとも１つの前駆ガスの供給部が、前記ガス流を混合し、且つ／又は静めるためのチャンバを備えることを特徴とする、請求項１〜１０の何れか１項に記載のバーナ。
12. 前記ノズルチェーンは、板形であり、複数のノズル孔を備えることを特徴とする、請求項１〜１１の何れか１項に記載のバーナ。
13. 前記バーナ管アセンブリが、窒素カーテンによって包囲されていることを特徴とする、請求項１〜１２の何れか１項に記載のバーナ。
14. 前記バーナの長手方向軸に走る前記ノズルが、前記プラズマに収束する部分流のノズル群として設計されていることを特徴とする、請求項１〜１３の何れか１項に記載のバーナ。
15. 前記ノズル群が、異なるか変更可能なノズルの断面又は断面領域を有する個々のノズルを備えることを特徴とする、請求項１４に記載のバーナ。
16. 前記接線方向のガス成分が、前記プラズマの螺旋の回転方向に流れることを特徴とする、請求項７に記載のバーナ。
17. 前記別のノズル、前記ノズル対、又は前記それぞれのノズルチェーンが、基体の運動方向に向かって調整可能であることを特徴とする、請求項８に記載のバーナ。
18. 請求項１から１７の何れか又はいくつかに記載の堆積バーナを用いて、光ファイバ用の半製品としてのプリフォームを製造する方法。

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