JP2007501182A - リングプラズマジェット式光ファイバプリフォーム製造方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
本発明による光ファイバプリフォーム製造方法及び装置では、プラズマ炎(30)を管状部材(4)の内容積部内に発生させる。プラズマ炎(30)は、半径方向に差し向けられ、かくして、管状部材(4)の内面に差し向けられる。更に、特級試薬(26)を放出して、スート粒子を形成し、スート粒子を管状部材(4)の内面にプラズマ炎(30)によって堆積させる。プラズマ炎(30)は、管状部材(4)内の領域に電磁場を形成し且つプラズマガス供給機ノズル(16)を管状部材(4)の内部に挿入することによって発生させる。プラズマガス供給機ノズル(16)の構造により、半径方向に差し向けられたプラズマ炎(30)を形成するようにプラズマガス(24)が放出される。
Description
本発明は、光ファイバの製造に関し、更に詳細には、プラズマトーチを使用して原料を堆積させて焼結させることに関する。
光ファイバは、少なくとも１９７０年代前半から、商業的な生産量で製造されてきた。既知の製造方法の１つの例は、最初、一般的にはシリカ原料の円筒形のプリフォームを製造し、次いで、プリフォームを加熱して粘性状態にし、それを引張って光ファイバにする方法である。光学的特性、特に屈折率に関する所望の断面プロファイルを付与するために、プリフォームを形成するシリカ原料は、典型的には、選択された化学物質と混合される。
プリフォームを製造するプロセスの１つの例は、例えば、ケック(keck)に付与された米国特許第３，７３７，２９２号及びブランケンシップ(Blankenship)に付与された同第３，９３２，１６２号に記載されたＯＶ(Outside Vapor Deposition)法である。プリフォームを製造する既知のプロセスの別の例は、例えば、イザワ(Izawa)等に付与された米国特許第４,０６２,６６５号及び同第４，２２４，０４６号に記載されたＶＡＤ(Vapor Axial Deposition)法である。
プリフォームを製造する既知のプロセスの更なる例は、例えば、ゲイトナー(Geittner)等に付与された米国特許第４，７４１，７４７号及び同第４，８５７，０９１号に記載されたＰＣＶＤ(Plasma Chemical Vapor Deposition)法である。ＰＣＶＤ法は、旋盤で回転させられる肉薄の開始チューブから始めて、化学物質をチューブの内側に流す。マイクロ波源により、非等温プラズマを発生させ、非等温プラズマは、不均一な化学反応を引き起こして、非常に薄いガラス層をチューブの内面に形成する。この層を、所望の堆積厚さが得られるまで、繰り返し形成し、その後、チューブを中実化してプリフォームにする。負均一な反応は、ガラスを堆積させる速度、即ち、堆積速度を制限する。ＰＣＶＤ法は、プリフォームの寸法の制限もある。
ミラー(Miller)に付与された米国特許第３，９８２，９１６号、マッケスニー(MacChesney)等に付与された同第４，２１７，０２７号、フレミング(Fleming)等に付与された同第５．０００７７１号、及びパータス(Partus)等に付与された同第５，３９７，３７２号及び同第５，６９２，０８７号等のＭＣＶＤ(Modified Chemical Vapor Deposition)法は、プリフォームを製造するための既知のプロセスである。
典型的なＭＣＶＤ法は、シリカ又は石英チューブを旋盤の回転可能なチャックに取付けることから始まる。チューブの長手方向軸線は、旋盤の構造に応じて、上下方向又は水平方向に配置される。チューブが回転しているときに種々の化学物質混合物をチューブの一端に放出する化学物質送出装置が、旋盤と共に配置される。原料を堆積させるために、化学物質を放出している間、酸水素化学炎トーチ又はプラズマトーチを、回転しているチューブの長さ方向に沿って移動させる。トーチの移動は、典型的には、チューブの中を通って流れる化学物質の下流方向である。トーチ炎は、チューブ内部の一部分に高温状態を生じさせる。高温状態により、その部分の中を通って流れる化学物質混合物内の化学反応を促進させる。化学反応により、二酸化ケイ素ＳｉＯ2及び二酸化ゲルマニウムＧｅ０2等の微粒子反応生成物を生成する。これらの反応生成物を、チューブ内部において化学物質混合物流によって下流に搬送し、高温部分の下流の内面に堆積させる。トーチは、化学物質混合物流の下流方向に移動し、トーチが、反応生成物を堆積させたチューブの部分に達すると、トーチの高温は、２つの効果を及ぼす。１つは、チューブ内部を加熱して、その部分の中を流れる化学物質内の上述した反応を引き起こすことである。もう１つの効果は、トーチが上流に位置するときに反応によって堆積させた反応生成物を加熱し且つ溶融させ、反応生成物をシリカガラスに変換させることである。
トーチをチューブの全長にわたって移動させたとき、シリカガラスの層が、チューブの内面に形成されている。次いで、化学物質をチューブの内部に放出しながら、トーチをその開始位置まで戻し、再び、トーチを長さ方向に沿って移動させる。これにより、前の移動によって堆積させたシリカガラスの層の上に別のシリカガラス層を形成する。このプロセスを、所望の厚さのシリカ層がチューブの内面に形成されるまで繰り返す。次いで、チューブを加熱して中実化させ、プリフォームである中実ロッドにする。次いで、プリフォームを加熱して引張り、光ファイバにする。
ＭＣＶＤ法における基本化学プロセスは、スート粒子を形成するために、均一な化学反応を引き起こす高温源を使用し、高温源を堆積済み領域の上を移動させながら、スート粒子を化学物質流の下流に堆積させ、ガラス層内に溶融させる。本プロセスに必要な条件は、チューブ内の層流である。スート粒子を堆積させるための主な原動力は、反応ゾーンとチューブ壁の温度差に応じた熱搬送力である。例えば、１９７９年発行のウォーカー(Walker)等による「Journal of Colloid and Interface Science」第６９−１巻１３８頁、１９８０年発行のウォーカー(Walker)等による「Journal of the American Ceramic Society」第６３−９／１０巻５５２頁、１９７９年発行のシンプキンス(Simpkins)等による「Journal of Applied Physics」第５０−９巻５６７６頁を参照するのがよい。
上述したＭＣＶＤ法の変形例が、光ファイバ製造技術において「プラズマ火の玉(plasma fire ball)」法として知られ、無線周波数（ＲＦ）源によってエネルギーを付与したコイルでチューブを包囲し、チューブの中心領域内にプラズマ領域、即ち、プラズマ火の玉を形成する。プラズマ火の玉法の例は、ジェイガー(Jaeger)等に付与された米国特許第４，２６２，０３５号、フレミング(Fleming)等に付与された同第４，３３１，４６２号、エダヒロ(Edahiro)等に付与された同第４，４０２，７２０号である。別の「火の玉」法は、スターリング(Sterling)等に付与された米国特許第４，３４９，３７３号に開示され、この米国特許は、最初にチューブを排気し、次いで、部分的な真空（０．１〜５０ Ｔｏｒｒ）の下で作動させる方法を示す。これらの方法の各々において、火の玉は、楕円形であり且つコイル間のチューブの中央に位置し、火の玉の中心温度は、火の玉の縁部の温度よりもずっと高い。化学物質をチューブの中に導入して、火の玉の中及びその近くで反応を生じさせる。反応生成物、即ち、スートは、ＭＣＶＤ法の熱搬送力と互換可能な熱搬送力により、チューブの内面に向かって移動する傾向がある。
ＭＣＶＤ法は、広く使用されているけれども、相当な時間とコスト高な装置を必要とする。この時間は莫大である、というのは、ＭＣＶＤ法がガラスをチューブの内面に堆積させることができる速度が１分当たり数グラムであるからである。ＭＣＶＤ法のための設備のコストは、高く、その理由の一部は、ＭＣＶＤ法のための設備が正確な旋盤機構とうまく制御されるトーチ・化学物質の送出装置を必要とするからである。また、作動環境は、厳密に制御されなければならない。１つの例は、空気搬送水蒸気が最小に保たれなければならず、その理由は、空気搬送水蒸気により、望ましくない化学反応を生じさせ、次いで、シリカガラスを汚染する複生成物を生じさせるからである。既存のＭＣＶＤ法の堆積速度限界に基づくプロセス時間は、各プリフォームを製造するための高コストに相当し、プロセス設備の費用と結合される。プロセスが完成するまで、プリフォームの光性能の多くのテストを行うことができないので、コストは更に増大する。従って、プリフォームの試験に失敗してプリフォームを廃棄しなければならない場合、全体のプロセス時間が無駄になる。
処理コストを減少させるための戦略及び方法が、従来技術で確定されてきた。１つの方法は、より大きいプリフォームを作ることである。直接の利益は、プリフォームが大きければ大きいほど、セットアップとセットアップとの間の時間が長くなることである。別の言い方をすれば、プリフォーム製造において、プリフォームを作る堆積物質設備とは対照的に、より大きいプリフォームは、設備をセットアップする時間のパーセンテージであるセットアップ経費を減少させる。更に詳細には、セットアップは、開始チューブを旋盤に取付けること、トーチを位置決めすること、化学物質送出システムの正確な動作を確実にすることを含む。セットアップに必要とされる時間は、プリフォームの直径にかかわらず、実質的に一定であり、即ち、プリフォーム直径の増大は、実質的には、セットアップに必要とされる時間を増大させない。従って、たとえプリフォームの直径を増大させることにより、堆積させるために必要とされる時間を増大させることになっても、ガラスの堆積のために設備を占有する時間の代わりに、セットアップのために設備を占有する時間のパーセントが減少するので、設備利用率を増大させる。二次的な利益の１つは、より少ないオペレータしか必要としないことであり、その理由は、特にセットアップのタイミングをずらすことによって、１人の人が１よりも多いワークステーションを監視したり管理したりすることが可能になるからである。
しかしながら、堆積速度を大きくしないでより大きいプリフォームを作る場合には、品質的な理由で不良になるプリフォームの割合パーセントが一定であれば、効率の改良の実質的な部分が失われる。それは損失になり、その理由は、上述したように、堆積、又はいくつかの例においては中実化が完全になるまで、プリフォーム品質テストのいくつかを行うことができないからである。セットアップ経費が比較的低いにもかかわらず、より大きいプリフォームは、作るのにより時間がかかる。比較的大きいプリフォームのための堆積速度が比較的小さいプリフォームのための堆積速度と同じであれば、堆積時間は、比例的に長くなる。従って、比較的大きいプリフォームが品質試験で不合格になったときに失われる処理の手間及び時間は、比較的小さいプリフォームが不合格になったときに失われる処理の手間及び時間よりも大きい。この理由で、比較的大きいプリフォームは、上述したセットアップ経費の減少のため、正味処理速度を増大させ得るが、比較的大きいプリフォームが品質基準を満たすことに失敗したとき、かなりの処理時間が依然として損失となる。
従って、コストがよりいっそう競争的になるとき、堆積速度を増大させる要望は、継続した目的のままである。より大きい堆積速度は、プロセス時間を短くし、労働コストを減少させる。特に不良品率を改善させることができれば、より大きい速度は、より大きいプリフォームをより経済的に作ることになる。更に、より大きい堆積速度は、同じ総ファイバー生産量に対して、より少ないプリフォーム製造設備しか必要としないので、設備投資の節約になる。
ＭＣＶＤ法は、その他の方法に比較して簡単な方法であるので、プリフォーム製造において広く使用されてきた。しかしながら、堆積効率、原材料変換率又は原料利用率は、非常に劣っている。それは、典型的には、ＳｉＣｌ4については、約５０％であり、ＧｅＣ4については、２５％よりも小さかった。ＳｉＣｌ4については、９０％よりも良好な、ＧｅＣ4については、８０％よりも良好な高い効率が、原材料の著しいコスト節約を意味する。
シリカを軸線方向に堆積させるプラズマを使用することが記載された文献である、イルベン(Irven)に付与された米国特許第４，２４２，１１８号は、そのような１つの方法を示し、低圧（１〜５０ｔｏｒｒ）の下で無線周波数（ＲＦ）プラズマジェットを使用して、ガラスを軸線方向に堆積させ、光プリフォームを作ることを開示する。しかしながら、イルベンの特許に開示されている方法は、イルベンによって示されていない少なくとも１つの変更がなければ、即ち、シールされたチャンバーを用いて開示済みの堆積法を行わなければ、低ＯＨ含有プリフォームを作ることができない。イシザワ(Ishizawa)等に付与された米国特許第４，０６２，６６５号及びフジワラ(Fujiwara)等に付与された同第４，１３５，９０１号も、シリカをプラズマによって軸線方向に堆積させることを報告した。これらの報告済みの方法はすべて、１つの共通した特徴を有し、この特徴は、ターゲットが常にプラズマジェット流れ方向に面している、即ち、その前にあることである。
本発明は、技術を前進させ、上述した欠点を解消し、加えて、以下に説明する更なる利点及び特徴を提供する。
例示の装置は、管状のワークピースを保持するためのチューブ支持部を含み、ワークピースは、長手方向軸線を包囲する円筒形内面によって構成される内容積部と同軸の円筒形外面を有する。例示の装置は、更に、コイル軸線と同軸の隙間孔の周りの巻き部を有するインダクションコイルと、チューブの内容積部に挿入可能に且つ内容積部の長手方向部分に沿って形状決めされ且つ寸法決めされた半径方向プラズマガス流ノズルとを有する。例示の装置は、更に、半径方向プラズマガス流ノズルをチューブ内容積部内に支持し且つチューブを半径方向プラズマガス流ノズルに対して長手方向軸線に沿って移動させるためのノズル並進装置と、インダクションコイルを支持するためのコイル並進装置とを含み、ノズル並進装置が半径方向プラズマガス流ノズルをチューブ内容積部内で長手方向軸線の方向に移動させる間、チューブがコイル隙間孔の中を通って延び、インダクションコイルは、それが半径方向プラズマガス流ノズルと実質的に整列するように維持される。
例示の装置は、更に、インダクションコイルエネルギー供給源と、プラズマガスを半径方向プラズマガス流ノズルに供給するためのプラズマガス供給源と、ノズル並進装置が半径方向プラズマガス流ノズルをチューブ内容積部内で長手方向軸線の方向に移動させるのと同時に、選択された化学物質をチューブ内容積部内に放出するための堆積用化学物質供給源とを含む。
更なる例示の装置では、チューブ支持部は、第１の回転可能なチャックと第２の回転可能なチャックとを含み、これらのチャックは、ノズル並進装置が半径方向プラズマガス流ノズルをチューブ内部で長手方向軸線の方向に並進移動させると同時に、且つ、チューブがコイル隙間孔の中を通って延び且つインダクションコイルが半径方向プラズマガス流ノズルと実質的に整列することが維持されるように、コイル並進装置がインダクションコイルを支持し且つ移動させると同時に、管状ワークピースを固着し且つ長手方向軸線の周りに回転させるように構成され且つ配置される。
更なる例示の装置では、第２の支持部及びインダクションコイルが、管状ワークピースが第１の回転可能なチャック及び第２の回転可能なチャックによって回転させられると同時に、管状ワークピースがコイル隙間孔の中を通って延び、インダクションコイルが共通軸線の方向に移動可能であるように構成され且つ配置される。例示の装置は、更に、インダクションコイルに接続された制御可能な無線周波数電源を含む。
例示の装置は、更に、支持バーに結合されたプラズマガス供給機並進駆動部と、インダクションコイル支持部材に結合されたインダクションコイル並進駆動部とを有し、ガス供給機支持バー及びインダクションコイル支持バーが共通各々、軸線の方向に選択的に移動可能である。
例示の方法は、管状ワークピースをその長手方向軸線周りに回転させ、ワークピースの一部分は、インダクションコイルの中を通って延び、インダクションコイルは、シリカチューブワークピースの長手方向軸線と実質的に同延の巻き軸線を有するように構成される。インダクションコイルに無線周波数電源によってエネルギーを与え、半径方向プラズマガス流をチューブ内部に挿入し、プラズマ供給源ガスをノズルから排気する。コイルにエネルギーを与え、プラズマ炎が半径方向プラズマガス流ノズルの近くに形成されるようにプラズマガスを排気し、プラズマ炎は、チューブの長手方向軸線から外向きの半径方向成分を有する。プラズマ炎の形成と同時に、化学物質をチューブ内部に導入する。化学物質を、プラズマ炎の中及びその近くで化学反応が起こり且つスートを形成するように導入し、その結果、スートをプラズマガスの半径方向成分によってチューブ内面に移送し且つ堆積させる。
堆積プロセス中、明るいリングが堆積用チューブに形成され、そこで、ガラスの堆積と圧密が起こる。プラズマジェットの半径方向成分は、このリングを形成する原動力である。従って、プラズマジェットを、本明細書における参照のために、「リングプラズマジェット」と称する。
半径方向プラズマガス流ノズル及びインダクションコイルを、チューブの長手方向軸線と平行にチューブに対して移動させ、その結果、形成されたプラズマ炎及びスート堆積物は、長手方向軸線の方向にチューブの長手方向部分に沿って移動する。
前述した目的、側面、利益及びその他の目的、側面、利益は、添付図面を参照してなされる以下の本発明の好ましい実施形態の説明からより良く理解される。
以下に説明する方法及び実施形態は、シリカ等の溶融原料を管状ワークピース、即ち、開始チューブの内面に堆積させる等温プラズマトーチの新規の構造及び構成を採用する。等温トーチは、プラズマ炎をチューブの内容積部内の位置から発生させるように構成され且つ配列され、プラズマ炎の発生は、プラズマ炎の少なくとも１つの成分が半径方向に、即ち、チューブの長手方向軸線と垂直の方向にチューブの内壁に向かって差し向けられるようなものである。選択された化学物質をチューブの少なくとも一方の端部に導入し、選択された化学反応により、所望のスート粒子を、発生させたプラズマ炎内に且つその近くに形成する。プラズマ炎の半径方向成分により、スート粒子をチューブの内面の上に堆積させる。
プラズマ炎を縦断させる、即ち、プラズマ炎をチューブの内部を通してチューブの長手方向軸線の方向に移動させる別の装置及び機構を説明する。縦断速度は、スートが堆積されると同時にガラス質のガラス内に溶融されるように、又は、スートが溶融なしに堆積されるように、インダクションコイルに供給されるエネルギーレベルと共に選択可能である。後者を選択すると、第１パス中、スート層を堆積させ、次いで、第２のパスの間、トーチを縦断させ、このトーチは、別の層を堆積し且つ溶融し、以前のパスによって堆積されたスートを溶融する。管状ワークピースを支持するための且つ堆積中ワークピースを上下方向に又は水平方向に保持するための後述する変形の装置及び機構は、スートを堆積させ且つ／溶融させながらワークピースを回転させることを含む。
他の利益の中で、本明細書に記載したプラズマ炎の形成は、在来のＭＣＶＤ法又は従来技術のプラズマ「ファイアーボール」法で達成可能な堆積速度に勝る、実質的に速い堆積速度を提供する。
添付図面及びダイヤグラムを参照して、クレームの装置及び方法を実施するのに必要とされる情報を提供する例を、設計を行い且つ光ファイバを製造する当業者に説明する。特定の用途例は、単に、説明し且つクレームする装置及び方法を理解するのを補助するためのものである。しかしながら、当業者は、更なる変更例、実施例を容易に認識し、ハードウエア器具及び構成をクレームの範囲内で変形させることができる。
図１は、プラズマ堆積装置２の第１の例の断面図であり、プラズマ堆積装置２には、ワークピース、即ち、堆積用チューブ４が設置されている。プラズマ堆積装置２は、移動可能なプラットホーム８を支持する旋盤又はチャック支持部６を含んでおり、プラットホーム８は、プラットホーム並進駆動部（図示せず）によって上下方向に移動可能である。移動可能なプラットホーム８に、第１の回転可能なチャック、即ち、主軸台１０と、第２の回転可能なチャック、即ち、心押し台１２とが取付けられている。ワークピース４を固着させ且つそれをワークピースの長手方向軸線の周りに回転させるための一対のスピンドル１４が、主軸台１０及び心押し台１２と共に設けられている。チャック１０、１２の一方又は両方を、他方に対して独立に上下方向Ａに移動させることができ、それにより、ワークピースの取付け及び取外しを可能にする。
引き続いて図１を参照すれば、プラズマガス供給機ノズル１６が、支持部／プラズマガス放出チューブ集合体１８によって堆積用チューブ４の内側に支持されている。プラズマガス供給機ノズル１６は、堆積用チューブ４内において実質的に心出しされるべきであり、例示の許容範囲は、約１ｍｍである。支持部／プラズマガス放出チューブ集合体１８の材料及び構成については、プラズマガス供給機ノズル１６の重量及び作動温度条件を考慮しなければならない。本明細書を読むに当たって、かかる構成及び材料の選択は、光ファイバ製造分野の当業者によって容易になされる設計的選択である。例示の材料は、石英及びステンレススチールである。その他の例示の原料は、チタン、高温合金、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ及びその他の金属のインコネル（登録商標）、及びそれらの同等品を含む。支持部／プラズマガス放出チューブ集合体１８は、ワークピース４の端部から外に延び、支持部／プラズマガス放出チューブ集合体１８に取付けられた回転ガスカプラ２０を有している。プラズマガス供給機ノズル１６の例示の構成を、図２を参照して以下に更に詳細に説明する。
図１の例を参照すれば、インダクションコイル２２が、堆積用チューブ４の外側を包囲するように支持されている。例えば、８０ｋＷの在来型のＲＦプラズマエネルギー供給源が、インダクションコイルに接続されている。発電機の電力は、堆積用チューブ４の直径に応じて、２０ｋＷから８０ｋＷまでの範囲で変化してもよいことを理解すべきである。例えば、外径６４ｍｍの堆積用チューブ４について、典型的な電力範囲は、３０〜４０ｋＷである。インダクションコイル２２及びプラズマガス供給機ノズル１６を整列した状態で示す図１では、それらは定置のままであるように支持され、その結果、プラットホームの並進駆動部がプラットホーム８を上下方向Ａに移動させ、それにより、チューブ４を上下方向に移動させるとき、ノズルのガス出口（図１では図示せず）がインダクションコイル２２によって包囲される。
例えば、Ａｒ、Ｏ2、Ｎ2、Ｈｅ、Ｋｒ、又はこれらの混合物を含み且つ総水分含有量が好ましくは１０ｐｐｂ ＯＨよりも小さい乾燥プラズマガス２４が、回転カプラ２０によって、ワークピースチューブ４の上端から、支持部／プラズマガス放出チューブ集合体１８及びプラズマガス供給機ノズル１６の中を通して放出される。図１の例では、特級試薬及びキャリヤガス２６が、石英等で作られたチューブ２８を通して、堆積用チューブ４の底側から供給される。堆積用チューブ４の底側からの水分拡散を防止するために、別の回転カプラ（図示せず）が、好ましくは、チューブ２８と共に使用される。例示の特級試薬２６は、ベースガラス形成原料、例えば、ＳｉＣｌ4及びシリカの屈折率を修正するためのドーパントであり、ドーパントは、ＧｅＣｌ4、ＰＯＣｌ3、ＡｌＣｌ3、ＴｉＣｌ4、ＳｉＦ4、ＣＦ4、ＳＦ6、及びＢＣｌ3である。キャリヤガスは、Ｏ2であってもよいし、Ｏ2とＨｅの混合物であってもよい。
チューブ２８は、好ましくは、支持部／プラズマガス放出チューブ集合体１８に対して定置に保持され、その結果、プラズマガス供給機ノズル１６の下端１６Ａとチューブ２８の上端２８Ａとの間の距離ＤＶが固定される。プラズマガス供給機ノズル１６の下縁１６Ａと石英ガラスチューブ２８の定置の上縁２８Ａとの間の距離は、例えば、約２００ｍｍである。
図１の例では、プラズマガス２４と反対向きに流れるキャリヤガス及び特級試薬２６を供給するので、新しく堆積されるガラス層原料は、プラズマガス供給機ノズル１６の上側に形成される。図１の装置は、堆積用チューブ４が上下方向Ａの上方に移動しているときと、堆積用チューブ４が上下方向Ａの下方に移動しているときの両方において、ガラスを堆積させることができることを理解すべきである。
特級試薬２６をチューブ２８なしに供給することが可能であるが、チューブ２８は、一般的には、特級試薬のためのより安定した条件及びより良好に制御された条件を可能にするので、典型的には、チューブ２８の使用が好ましい。
図１を参照すれば、プラズマガス供給機ノズル１６は、好ましくは、少なくとも一部分が半径方向に向けられた炎を発生させるように構成され且つ配列され、この炎は、堆積用チューブ４の内面に向かって差し向けられた少なくとも一部分、即ち、成分を有するプラズマ炎であり、この炎を、上述したように「リングプラズマジェット」炎３０と称する。上述したように、用語「リングプラズマジェット」を使用する理由は、本明細書に記載した堆積プロセス中、典型的には、ガラスの堆積及び圧密が行われる堆積用チューブ４の上に明るいリングが形成されるからである。リングプラズマジェット３０の半径方向成分は、このリングを形成する原動力である。
図２は、インダクションコイル２２のエネルギー場において、プラズマガス供給機ノズル１６により、所望のリングプラズマジェット炎３０を発生させるプラズマトーチを形成するための例示の詳細構造を示す。
図２を参照すれば、例示のプラズマガス供給機ノズル１６は、内側チューブ４０と、外側チューブ４２と、流れ方向制御構造部４４とを有している。各々のための例示の材料は、限定するわけではないが、石英である。内側チューブ４０の例示の寸法は、外径ＯＤ＝３０ｍｍ、内径ＩＤ＝２６ｍｍ、長さＬ＝３０ｍｍである。外側チューブ４２の例示の寸法は、外径ＯＤ＝４０ｍｍ、内径ＩＤ＝３６ｍｍ、長さＬ＝８０ｍｍである。流れ方向制御構造部４４は、プラズマガス２４を、螺旋運動を形成するように石英ガラスの内側チューブ４０と石英ガラスの外側チューブ４２との間に放出する。点線は、流れ制御ユニット４４の内部におけるプラズマガス２４のための流路を示す。流れ制御ユニット４４から流出するプラズマガスのための典型的な開口直径は、約２ｍｍであり、この開口は、内側チューブ４０に向けられる。図１に示すように、この螺旋運動流れパターン４６は、リングプラズマジェット炎３０を達成するための１つの例示である。プラズマガスの流量の例示範囲は、約１５リットル／分〜３０リットル／分である。特定の流量は、所望のプラズマパワー及びどのように特級試薬を反応ゾーンに導入するかによって、ある程度決定される。実際には、プラズマのためのパワーを固定し、且つ、所望の堆積効率及び／又は速度を決定した後、試験運転を行うことによって、最適な流量を容易に見つけることができる。
引き続いて図２を参照すれば、プラズマガス２４の螺旋流れ４６がプラズマガス供給機ノズル１６から流出するとき、プラズマガス２４が、堆積用チューブ４の内面に向かう方向の半径方向速度と、堆積用チューブ４の長手方向軸線周りの円形又は螺旋方向速度とを有することが分かる。従って、特級試薬２６が高温反応ゾーンに導入されるとき、リングプラズマジェット３０は、ガラスのスート粒子を堆積させ且つ圧密させる原動力である。
図１を参照すれば、排気３２が副生成物ガス及び堆積しなかったこれらのスート粒子を堆積用チューブ４の上端から除去する。典型的には、堆積用チューブの内側の圧力は、１気圧（Ａｔｍ）に維持される。しかしながら、堆積プロセスは、０．１〜１．０ Ａｔｍの範囲で作動される。排気３２の機能を行う装置（図示せず）を使用する商業的設備は、種々の販売業者から入手可能であり、この記載に関連する当業者によって容易に選択される。
図１を参照すれば、堆積プロセスは、上下方向のプラットホーム８の繰返しサイクル、即ち、往復動によって行われ、スートの層又はスートをガラス内に溶融した各サイクルにおいて堆積させる。プラットホームを移動させる速度の例示の範囲は、約１〜２０ｍ／分である。速度は、各パス、即ち、一方向移動についての層厚に基づいてある程度選択される。速度が高ければ高いほど、堆積させる層が薄くなる。典型的には、より薄い層は、マルチモードプリフォームに好ましく、より厚い層は、シングルモードプリフォームに好ましい。
堆積させた層の層厚が設計目標に達したら、堆積用チューブ４を中実化させて、プリフォームにする。この中実化を、堆積工程中に稼働していなかった別のトーチ、例えば、在来のプラズマ又は水素／酸素トーチによって、又は、炉（図示せず）によってオンラインで行うのがよい。変形例として、中実化を、出願人による係属中の米国特許出願第１０／１９３１９７号の中実化法によってオフラインで行ってもよく、その出願内容をここに援用する。
上述したリングプラズマジェット法又は装置を使用して原料を堆積させたチューブから形成された中実化部材は、関連技術分野において既知の方法によって引っ張られて光ファイバになる最終プリフォームであるか、更に原料を堆積させてより大きい最終プリフォームにする一次又は中間プリフォームであるかのいずれかである。例えば、中実化部材が一次プリフォームに過ぎず、より大きい直径の最終プリフォームを望むならば、例えば、１又は２以上のチューブを使用して、米国特許第４，５９６，５８９号に記載されている方法等の既知の方法を使用するジャケット法又は被覆法によって、直径を大きくするのがよい。チューブをそのように被覆することを、外注してもよいし、例えば、米国特許第６，２５３，５８０号に記載されている出願人の方法を使用して行ってもよい。一次プリフォームをより大きい直径の最終プリフォームに形成するための別の例示の方法は、米国特許第６，５３６，２４０号又は出願人の米国特許出願第０９／８０４４６５号等に記載されているプラズマトーチによって、一次プリフォームにより多くのシリカ層を重ねることであり、上記２つの文献を本明細書に援用する。一次プリフォームを最終プリフォームに形成する更に別の例示の方法は、追加のスート層を在来の炎加水分解によって堆積させ、次いで、脱水及び圧密プロセスを介して溶融シリカを形成することである。
プリフォームが所望の外径に達したら、プリフォームの直径に対して十分な熱容量を有するように選択されたファイバー引張り炉を用い、在来の技術を使用して、プリフォームを引っ張り、ファイバーにする。それに加えて、プリフォームを引っ張る前、当該技術分野における既知の技術を使用して、本発明による方法及び装置によって作られたプリフォームをより小さい直径に引伸ばしてもよい。
図１の例示の堆積装置は、ワークピースチューブ４をその長手方向軸線周りに回転させ、図１の例では、ワークピース即ち堆積用チューブ４は、堆積工程中、上下の向きに配置されている。しかしながら、リングプラズマジェット炎３０の特徴的なリングジェットパターン、即ち、外向き螺旋パターンのため、出願人は、堆積用チューブ４を回転させる必要がなくなることも考えている。出願人が回転機構を利用できたので、本明細書の実施例を存在させるために、回転を行った。回転させるか回転させないかの決定は、当業者に知られているように、ファイバーの特性の要求によって定まるプリフォームの均一性の要求に基づいてある程度決定されることを、出願人は考えている。当業者は、例えば、少数の試験運転を使用して、回転が必要であるかどうかを容易に決定することができるであろう。
図１、図３、図４、図５を参照すれば、特級試薬２６が、例えば、少なくとも３つの選択的な装置及びそれと関連した技術によって導入される。１つ目の選択例は、図１を参照して上述したものである。図３及び図４は、追加の選択例を示し、それぞれを「オプション１」及び「オプション２」と称する。図５は、堆積用チューブ４を、図１に示す上下方向配置の代わりに水平方向に配置するように変更した、図１に示す特級試薬２６の導入オプション１を示す。堆積用チューブ４の上下の向き及び水平の向き、従って支持バー１８の向きに関して、堆積中の上下の向きは、一般的に好ましいと予想され、その理由は、かかる構成は、重力が支持及びプラズマガス供給機チューブ１６、１８に及ぼす横方向応力を無くさないまでも減少させやすいからである。図１のプラズマ堆積装置２は、堆積中に上下向きに配置される管状部材４及び支持バー１８を示す例である。しかしながら、図３及び図４は、水平方向配置の管状部材を示す。これを示す理由は、上述したリングプラズマジェットは、水平方向堆積にも使用されてもよく、従って、特級試薬２６の導入のための図１、図３及び図４の３つのオプションの各々が、上下モード又は水平モードの何れで使用されてもよいからである。図５は、これを例示し、水平向きのチューブ４に変更した、図１に示す供給機ガス構成を示す。
特級試薬２６の導入のためのオプション１の例を図３に示す。図示のように、特級試薬２６は、プラズマガス２４と同じ経路を使用して、プラズマトーチに導入される。特級試薬２６及びプラズマガス２４は異なる分子量を有しているので、特級試薬２６は、プラズマガス流の外周を移動する傾向がある。従って、ガス流がプラズマガス供給機ノズル１６を離れてリングプラズマジェット領域３０にはいるとき、特級試薬２６は、堆積用チューブ４の内面により近づく。ほとんどの特級試薬２６は、リングプラズマジェット３０の熱により、Ｏ2と反応して、酸化物を形成する。また、ほとんど全てのスート粒子５０を、堆積用チューブ４の内面に高堆積速度で堆積させる。それと同時に、これらのスート粒子は、プラズマ３０の熱により、圧密されてガラス層になる。この図３のオプション１によれば、堆積用チューブ４が旋盤の上を前後に移動しているとき、堆積は、両方向で行われる。
上述したように、図３に示す特級試薬２６を導入するための装置及び方法と図１に示す上下方向堆積装置２とを容易に組合せることができるので、図３に示す特級試薬２６を導入するための装置及び方法は、水平方向堆積モードに限定されない。
オプション２を図４に示す。図４の特級試薬の導入においても、堆積用チューブ４が旋盤の上を両方向に、即ち、前後に移動するとき、原料の堆積を行う。図４を参照すれば、特級試薬２６が回転カプラ２０Ａから導入される。この回転カプラ２０Ａは、堆積用チューブ４が回転状態にある間、プラズマガス送出チューブ１８及び特級試薬供給チューブ２８を定置に保つ。特級試薬がプラズマガス供給機ノズル１６の周囲に沿ってプラズマガス２４と同じ流れ方向に導入されるように、特級試薬の供給は、プラズマガスと別に保たれる。排気３２は、特級試薬２６が導入される端部と反対側の堆積用チューブ４の端部から排出される。図４の形態は、特級試薬２６を堆積用チューブ４の内面により近づけ、従って、より大きい堆積速度を達成する。プラズマガス供給機ノズル１６を包囲するインダクションコイル２２によって形成されたプラズマトーチは、オプション１と同じ構成を有している。
図５は、堆積を水平位置にある堆積用チューブ４で行こと以外、図１を参照して説明したものと実質的に同じであるオプション３と称するものを示す。上述したように、特級試薬２６がプラズマガス２０４の端部と反対側の堆積用チューブ４の端部に導入され、その結果、特級試薬２６は、プラズマガス２４と反対方向に流れる。２つの流れが衝突するとき、特級試薬２６は、堆積用チューブ４の内面に向かって押し付けられる。排気３２は、プラズマガス２４の供給端に位置する。
出願人が実施した上述した方法の例を以下に説明する。
〔実施例〕
出願人は、内径(ＩＤ)６０ｍｍ、外径(ＯＤ)６４ｍｍの堆積用チューブ４を使用することによって、シングルモードのプリフォームを製造した。出願人は、直径４０ｍｍ、長さ８０ｍｍのプラズマガス供給機１８を使用した。最初、ＳｉＯ2、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5及びＦからなるクラッド原料を厚さ４ｍｍで堆積させ、次いで、ステップインデックスプロファイルのために、ＳｉＯ2及びＧｅＯ2を有するコアを厚さ１ｍｍで堆積させた。堆積速度を８ｇ／分としたところ、総堆積時間は、５時間よりも短かった。次いで、このチューブを中実化させて、外径４０ｍｍ、コア直径１４ｍｍのプリフォームにした。このシングルモードプリフォームを完成させるために、更なる溶融シリカガラスを外面に堆積させ、最終外径を２０８ｍｍに形成し、仕上げプリフォームとした。この直径を有する１ｍ長さのプリフォームから、２７００ｋｍよりも長いシングルモードファイバーを生産することができた。
出願人は、内径(ＩＤ)６０ｍｍ、外径(ＯＤ)６４ｍｍの堆積用チューブ４を使用することによって、シングルモードのプリフォームを製造した。出願人は、直径４０ｍｍ、長さ８０ｍｍのプラズマガス供給機１８を使用した。最初、ＳｉＯ2、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5及びＦからなるクラッド原料を厚さ４ｍｍで堆積させ、次いで、ステップインデックスプロファイルのために、ＳｉＯ2及びＧｅＯ2を有するコアを厚さ１ｍｍで堆積させた。堆積速度を８ｇ／分としたところ、総堆積時間は、５時間よりも短かった。次いで、このチューブを中実化させて、外径４０ｍｍ、コア直径１４ｍｍのプリフォームにした。このシングルモードプリフォームを完成させるために、更なる溶融シリカガラスを外面に堆積させ、最終外径を２０８ｍｍに形成し、仕上げプリフォームとした。この直径を有する１ｍ長さのプリフォームから、２７００ｋｍよりも長いシングルモードファイバーを生産することができた。
プリフォームの例は、シングルモードのステップインデックスプリフォームを製造するためのものであったけれども、この方法は、ステップインデックスプリフォームとグレーテッドインデックスプリフォームを含む全ての種類のプリフォームを製造することができる。
特級試薬２６は、ガス即ち蒸気相であってもよいし、固体相であってもよい。後者において、所望のガラスを製造するために、ガラス形成物又は屈折率調整剤の酸化物又は塩化物の小粒子がプラズマ炎に供給されるのがよい。
プラズマ炎の温度は、ドープされる又はドープされない圧密前のシリカスート粒子だけが堆積用チューブ４の内壁に堆積されるように調整されるのがよい。この場合、ドーパント溶液を中実化前の堆積用チューブ４の内部に通すことによって、異なるドーパントをスート層に液体形態で更に追加してもよく、最終的には、脱水、圧密及び中実化によってプリフォームを仕上げる。
この方法は、また、希土類の元素、例えば、エルビウム（Ｅｒ3+）又はネオジム（Ｎｄ3+）をドープさせることによって、活性ファイバーを製造することができる。
リングプラズマジェット及びその高堆積速度は、インダクションコイル２２によって達成されることに限定されない。本発明者は、図５の参照番号１６等のプラズマガス供給機ノズル及びその詳細構成の図２の例の使用を通じて、その他のパワー供給源、例えば、ＲＦ容量源又はマイクロ波によりリングプラズマジェットを発生させることを考えた。
理解できるように、図１等のリングプラズマジェットの炎３０がスート粒子を堆積用チューブ４の内壁に向かって差し向けるので、リングプラズマジェット炎３０は、従来技術の内面堆積法に優る実質的な堆積速度の改良を提供する。本発明者は、観察された結果に基いて、８ｇ／分を超える堆積速度を得ることと、それと同時に非常に高品質の結果を得ることとを意図している。
図６は、本発明によって生成されたリングプラズマジェット炎の温度プロファイルと、従来技術の方法によって形成された「ファイアーボール」プラズマ炎の温度プロファイルとの比較を示す。１９６１年５月に発行された「Journal of Applied Physics」第１２巻第５号８２１−８２４頁の「インダクション結合プラズマトーチ」と題するＴ．Ｂ．リードによる論文のプラズマ温度測定値と題する段落に提供されたスペクトログラフ及び逆アベル積分方程式法と同様の方法を使用して、測定値を得た。
上述した案内装置及び方法に関連する当業者は、本明細書及び請求の範囲の真の範囲及び精神から逸脱することなしに、上述した好ましい実施形態を修正してもよいこと、及び、図面に示し且つ明細書で説明したと規定の実施形態が例示の目的のためであり、特許請求の範囲を限定すると考えるべきではないことを理解するであろう。
Claims (23)
- 光ファイバプリフォームを製造する方法であって、
長手方向中央軸線を有する管状部材の内容積部内でプラズマ炎を発生させる工程を有し、この工程において、プラズマ炎の少なくとも一部分は、管状部材の内面に差し向けられ、
更に、特級試薬をプラズマ炎に導入することによって、原料を管状部材の内面に堆積させる工程と、を有する方法。 - プラズマ炎を発生させる前記工程は、前記内容積部内に振動電磁場を確立する工程と、プラズマ形成ガスを前記内容積部内に放出する工程と、を有し、
この放出は、プラズマ炎の前記少なくとも一部分が前記管状部材の内面に差し向けられるような流れ特性を有する、請求項１に記載の方法。 - 前記堆積させる工程は、特級試薬をプラズマ炎内に放出する工程を含む、請求項１に記載の方法。
- 特級試薬は、プラズマ炎から所定の距離だけ間隔をおいたチューブの内部の位置で長手方向軸線の方向に、且つ、プラズマガスの一部分が放出される方向と実質的に反対の方向に放出される、請求項３に記載の方法。
- 前記堆積させる工程は、プラズマ炎を所定の堆積長さだけ長手方向軸線の方向に移動させる工程を含む、請求項４に記載の方法。
- プラズマ炎を移動させる前記工程の間、前記所定の距離は実質的に一定のままである、請求項５に記載の方法。
- 更に、プラズマ炎を発生させる前記工程及び原料を堆積させる前記工程の継続時間の少なくとも一部分の間、管状部材を選択的に回転させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
- 更に、プラズマ炎を発生させる前記工程及び原料を堆積させる前記工程の継続時間の少なくとも一部分の間、管状部材を選択的に回転させる工程を含む、請求項２に記載の方法。
- 更に、プラズマ炎を発生させる前記工程及び原料を堆積させる前記工程の継続時間の少なくとも一部分の間、管状部材を選択的に回転させる工程を含む、請求項５に記載の方法。
- 更に、プラズマ炎を発生させる前記工程及び原料を堆積させる前記工程の継続時間の少なくとも一部分の間、管状部材を選択的に回転させる工程を含む、請求項６に記載の方法。
- 前記堆積させる工程は、特級試薬をプラズマガスに放出する工程を含む、請求項２に記載の方法。
- 原料の少なくとも一部分はシリカ形成原料であり、
前記堆積させる工程は、放出されたプラズマガスの中に特級試薬を放出する工程を有し、この工程において、スート粒子を形成し、チューブの内面に差し向けられたプラズマ炎の前記少なくとも成分によってチューブの内面に堆積させ、
前記堆積させる工程は、更に、プラズマ炎を所定の堆積長さだけ長手方向軸線の方向に移動させる工程を有し、それにより、前記スートの層を堆積させ、
更に、前記放出する工程と前記移動させる工程を所定厚さの原料を堆積させるまで繰り返す工程を有する、請求項１に記載の方法。 - プラズマガスを放出する前記工程は、プラズマガス供給機ノズルを管状部材の内容積部内に設ける工程を含み、プラズマガス供給機ノズルは、前記流れを与えるように構成され且つ配置される、請求項２に記載の方法。
- プラズマガスを放出する前記工程は、プラズマガス供給機ノズルを管状部材の内容積部内に設ける工程を含み、プラズマガス供給機ノズルは、前記流れ特性をプラズマガスに与えるように構成され且つ配置され、
プラズマ炎を移動させる前記工程は、プラズマガス供給機ノズルを管状部材に対して長手方向軸線の方向に移動させる、請求項１２に記載の方法。 - プラズマ炎を発生させる前記工程は、渦巻き流れを有するようにプラズマ炎を発生させ、その結果、プラズマ炎の一部分が管状部材の内面の周りのリングの上に入射し、長手方向軸線周りの回転速度を有し、それにより、プラズマリングを形成し、
原料を堆積させる前記工程は、原料を前記リングの上に堆積させる工程を含む、請求項１に記載の方法。 - プラズマ炎を発生させる前記工程は、渦巻き流れを有するようにプラズマ炎を発生させ、その結果、プラズマ炎の一部分が管状部材の内面の周りのリングの上に入射し、長手方向軸線周りの回転速度を有し、それにより、プラズマリングを形成し、
プラズマ炎を所定堆積長さ長手方向軸線の方向に移動させる前記工程は、前記リングをそれに対応する距離移動させ、
原料を堆積させる前記工程は、原料を前記移動リングの上に堆積させる工程を含む、請求項５に記載の方法。 - 堆積させる前記工程の継続時間の少なくとも一部分の間、前記チューブ内の圧力が約０．１〜１気圧に維持される、請求項１に記載の方法。
- 堆積させる前記工程の継続時間の少なくとも一部分の間、前記チューブは、長手方向軸線を中心に定置に維持される、請求項１に記載の方法。
- 管状プリフォーム部材を製造する装置であって、
長手方向軸線を包囲する円筒形の内面によって構成される内容積部と同軸の円筒形の外面を有する管状ワークピースを保持するための支持部と、
所定の電磁場を前記内容積部内の領域内に確立するための電磁場発生器と、
プラズマガス供給源と、
回転カップリング装置によってプラズマガス供給源に連結され、チューブの内容積部内に挿入される形状及び寸法を有し、内容積部内のノズル支持部によって支持され、プラズマ炎が達成されるようにプラズマガスを電磁場の前記領域内に放出するように構成され且つ配置されたプラズマガス流ノズルを有し、プラズマ炎は、管状部材の内面に向かって差し向けられる少なくとも１つの成分を有し、
更に、管状部材をプラズマガス流ノズルに対して長手方向軸線の方向に移動させるための並進駆動部と、
特級試薬を内容積部内に放出するための特級試薬放出器と、を有する装置。 - 所定の電磁場を内容積部内の領域内に確立するための電磁場発生器は、管状部材を包囲するように並進駆動部によって支持されたインダクションコイルを含み、
並進駆動部は、管状部材をプラズマガス流ノズルに対して長い方向軸線の方向に移動させる間、インダクションコイルをプラズマガス流ノズルと実質的に整列するように維持するための構造体を含む、請求項１９に記載の装置。 - プラズマガス流ノズルは、入口端及び出口端を有する管状部材の長手方向軸線と同心の内側チューブと、内側チューブと同心の外側チューブと、プラズマガスを内側チューブの上に差し向けるための放出構造体と、を有し、
放出構造体は、プラズマガスがノズル流とともに出口端から排出されるように流れを付与し、その結果、チューブの内面に向かって差し向けられる少なくとも１つの成分を有する仕方でプラズマ炎が形成される、請求項１９に記載の装置。 - プラズマガス流ノズルは、入口端及び出口端を有する管状部材の長手方向軸線と同心の内側チューブと、内側チューブと同心の外側チューブと、プラズマガスを内側チューブの上に差し向けるための放出構造体と、を有し、
放出構造体は、プラズマガスがノズル流とともに出口端から排出されるように流れを付与し、その結果、チューブの内面に向かって差し向けられる少なくとも１つの成分を有する仕方でプラズマ炎が形成される、請求項２０に記載の装置。 - 管状部材を保持するための支持体は、並進駆動部が管状部材をプラズマガス流ノズルに対して前記長手方向軸線の方向に移動させている間に管状部材を回転させるための構造体を含む、請求項２０に記載の装置。
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