(57)【要約】  本発明は、光増幅光学材料の製造に関する。液体反応剤（１０）は、高速のガス（２０）を用いて液滴（１５）に霧化される。その後、液滴（１５）は、火炎（１００）に導入される。反応剤（１０，３０）は、火炎（１００）内で酸化され、凝集されて微小な粒子（５０）を形成する。少なくとも少量の前記粒子（５０）が回収され溶融されて、光増幅光学材料が形成される。その後、引き抜かれて光導波路（７５０）が形成される。本発明に従えば、噴霧ガス（２０）流の速度は、音速の０．３〜１．５倍の範囲である。高速にすることによって、霧化が促進され、火炎（１００）内の反応速度が増加する。滞留時間は、生成された粒子（５０）の不要な相変化が実質的に最小限に抑えられる程度に、削減される。これによって、非常に均質な材料が形成される。特に、エルビウムをドープしたシリカの製造において、クラスタ化エルビウムイオンの割合を下げることができる。
2008504207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光増幅光学材料の製造方法であって、少なくとも、
噴霧ガス（２０）を放出し、
該噴霧ガス（２０）によって、少なくとも１種の液状の反応剤（１０）を霧化して液滴（１５）を形成し、
該液滴（１５）を火炎（１００）に導入し、
該少なくとも１種のの反応剤（１０）を酸化させて１種以上の酸化物を形成し、
該１種以上の酸化物を凝集して粒子（５０）を生成し、
該粒子（５０）の少なくとも一部を回収し、
該粒子（５０）を相互に溶融させて前記光増幅光学材料を形成する、光増幅光学材料の製造方法において、
前記噴霧ガス（２０）は、音速の０．３〜１．５倍の速度で放出されることを特徴とする、光増幅光学材料の製造方法。
【請求項２】
少なくともケイ素および／またはその化合物を含む少なくとも１種の反応剤を前記火炎に導入する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ケイ素化合物は、四塩化ケイ素ガスであることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも１種の金属および／またはその化合物を含む少なくとも１種の反応剤を前記火炎に導入する工程をさらに含み、該少なくとも１種の金属は、元素周期表におけるＩＡ族、ＩＢ族、ＩＩＡ族、ＩＩＢ族、ＩＩＩＡ族、ＩＩＩＢ族、ＩＶＡ族、ＩＶＢ族、ＶＡ族および希土類系から選択されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１種の金属は、エルビウム、イッテルビウム、ネオジム、またはツリウムであることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記噴霧ガス（２０）は、前記少なくとも１種の液状の反応剤（１０）に関して同心円状または実質的に同心円状に、前記火炎（１００）に導入されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記噴霧ガス（２０）は、狭窄した断面を有する部分（２４）を少なくとも一部に含む少なくとも１種の噴霧ガスノズル（２２）に導入され、該噴霧ガス（２０）の速度は、前記狭窄した断面によって上昇することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも前記噴霧ガス（２０）は、発散する断面を有する部分を少なくとも一部に含むノズル（２２）に導入され、該噴霧ガス（２０）の速度は、発散する断面を有する前記部分を少なくとも一部に含む前記ノズル（２２）によって上昇することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記ノズル（２２）は、ラバルノズルであることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記噴霧ガス（２０）は、少なくとも可燃性ガスと酸化ガスとの混合物であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記噴霧ガス（２０）および／または別の気体物質（３０, ４０）が、少なくとも１つの旋回誘引要素（２６）を通過して、前記火炎に導入されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
さらに、少なくとも前記光増幅光学材料を含む光導波路プリフォーム（７２０）を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
さらに、少なくとも前記光増幅光学材料を含む光増幅体を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
さらに、少なくとも前記光増幅光学材料を含む光増幅光導波路（７５０）を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、少なくとも前記光増幅光学材料を含む平面光導波路を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
さらに、少なくとも前記光増幅光学材料を含むフォトニック構造を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１種の液状の反応剤（１０）を供給する少なくとも１種の液体ノズル（１２）と、少なくとも１の噴霧ガスノズル（２２）とを含む、光増幅材料の製造装置（１０００）であって、
前記少なくとも１の噴霧ガスノズル（２２）は、噴霧ガス（２０）を放出して、前記少なくとも１種の液状の反応剤（１０）を霧化して液滴（１５）とし、
該液滴（１５）は、火炎（１００）に導入され、
前記少なくとも１種の液状の反応剤（１０）は、前記火炎（１００）内で酸化して１種以上の酸化物を形成し、
該１種以上の酸化物は、凝集して、光増幅材料からなる粒子（５０）を形成する、光増幅材料の製造装置において、
前記少なくとも１の噴霧ガスノズル（２２）は、前記噴霧ガス（２０）を音速の０．３〜１．５倍の速度で放出するように構成されることを特徴とする、光増幅材料の製造装置。
【請求項１８】
少なくともケイ素および／またはその化合物を含む少なくとも１種の反応剤は、前記火炎（１００）に導入されることを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記ケイ素化合物は、四塩化ケイ素であることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
少なくとも１種の金属および／またはその化合物を含む少なくとも１種の反応剤は、前記火炎に導入され、前記少なくとも１種の金属は、元素周期表におけるＩＡ族、ＩＢ族、ＩＩＡ族、ＩＩＢ族、ＩＩＩＡ族、ＩＩＩＢ族、ＩＶＡ族、ＩＶＢ族、ＶＡ族および希土類系から選択されることを特徴とする、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１種の金属は、エルビウム、イッテルビウム、ネオジム、またはツリウムであることを特徴とする、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記噴霧ガスノズル（２２）は、狭窄した断面を有する部分（２４）を少なくとも一部に含み、該部分（２４）は、噴霧ガスの速度を上昇させることを特徴とする、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
前記装置（１０００）は、さらに、発散する断面を有する部分を少なくとも一部に含む少なくとも１のノズル（２２）を含み、該部分は、ガス速度を加速させることを特徴とする、請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
発散する断面を有する部分を少なくとも一部に有する前記ノズル（２２）は、ラバルノズルであることを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記少なくとも１の液体ノズル（１２）および前記少なくとも１の噴霧ガスノズル（２２）は、同心円状または実質的に同心円状であることを特徴とする、請求項１７〜２４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
前記装置（１０００）は、さらに、前記少なくとも１の噴霧ガスノズル（２２）に、可燃性ガスと酸化ガスとの混合物を供給する、少なくとも１の手段を含むことを特徴とする、請求項１７〜２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記装置（１０００）は、さらに、少なくとも１つの旋回誘引要素（２６）を含むことを特徴とする、請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
エルビウムをドープしたシリカを少なくとも含む光増幅光導波路であって、該材料は、少なくとも、
粒子生成方法によって粒子（５０）を生成し、
該粒子（５０）を回収し、
該粒子（５０）を相互に溶融させて前記光増幅光学材料を形成する工程を含む方法によって得られ、
前記粒子生成方法は、少なくとも
噴霧ガス（２０）を放出し、
該噴霧ガス（２０）によって、少なくとも１種の液状の反応剤（１０）を霧化して液滴（１５）を形成し、
該液滴（１５）を火炎（１００）に導入し、
該少なくとも１種の反応剤（１０）を酸化させて１種以上の酸化物を形成し、
該１種以上の酸化物を凝集して粒子（５０）を生成する、光増幅光導波路において、
前記噴霧ガス（２０）は、音速の０．３〜１．５倍の速度で放出され、形成された光増幅光導波路材料中におけるクラスタ化エルビウムイオンの濃度は、該形成された光増幅光導波路材料中における全エルビウムイオンの濃度の２乗に係数６×１０-27ｍ２を乗じた値よりも小さいことを特徴とする、光増幅光導波路。
【請求項２９】
前記方法は、さらに、四塩化ケイ素ガスを前記火炎（１００）に導入することを含むことを特徴とする、請求項２８に記載の材料。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光増幅光学材料の製造方法であって、噴霧ガスによって、少なくとも１種の液状の反応剤を霧化して液滴を形成し、該液滴および／またはその蒸気物質を火炎に導入し、該少なくとも１種の反応剤を酸化させて１種以上の酸化物を形成し、該１種以上の酸化物を凝集して粒子を生成し、該粒子の少なくとも一部を回収し、該粒子を相互に溶融させて前記光増幅光学材料を形成する、光増幅光学材料の製造方法に関する。また、本発明は、該光増幅光学材料を製造する装置、および該光増幅光学材料を含む光導波路に関する。
【０００２】
発明の背景
微小粒子の生成は、放射線の誘導放出によって光を増幅する光増幅光導波路の製造において重要な工程である。このような導波路の光増幅特性は、たとえば適切なドーパント、たとえばエルビウムをアモルファス石英ガラスにドーピングすることによって実現される。
【０００３】
ドープ石英ガラスは、火炎内における合成によって微小粒子を生成することによって製造することができる。米国特許第６５６５８２３号明細書には、液体反応剤を燃焼させることによって溶融シリカを形成する方法および装置が開示されている。液体シロキサン原料は、変換サイト、たとえばメタン−酸素火炎に、溶液として供給される。原料は、ガスを利用して霧化されて液滴の分散を形成する。液滴は蒸発し、シロキサンは、火炎中で分解・酸化されて過飽和状態のシリカ気体を形成する。シリカの飽和蒸気圧は、火炎の高温下であっても低い。したがって、過飽和蒸気は急速に核となり、凝集されて多数の微小シリカ粒子を生成する。その粒子は、マンドレル上に回収され導波路プリフォームを形成する。その後、加熱および引抜きを含む工程によって、プリフォームから導波路が形成される。
【０００４】
必要な反応剤の飽和蒸気圧が異なるため、飽和蒸気圧の低い反応剤を、霧化された液滴として火炎に導入するのが好ましい。液体表面に働くガス流による空気力学的な力および／またはせん断力によって微小液滴を形成する工程を、霧化と呼ぶ。
【０００５】
微小液滴は高速の噴霧ガスを用いて形成されることが、霧化の分野では知られた事実である。しかしながら、光増幅材料製造の分野では、生成された材料粒子の特性が、できるだけ均質であることが、材料の光学的特性および機械的特性にとって重要であることが知られている。したがって、粒子は、一般に、温度および局所的なガス組成の大きな空間的変化および時間的変化を示さない火炎の中で合成される。したがって、空間的および時間的に均一で、好ましくは層流である反応領域を実現するため、火炎の乱流を最小限にする傾向がある。ガス速度を上げると、乱流が生じ、温度および局所的なガス組成の無秩序な空間的変化および時間的変化を伴う。適切に制御された均一な火炎特性を得るには、噴霧ガスの速度に制限を設けることが必要である。
【０００６】
もう１つの側面として、液滴の完全な蒸発を助け、所望の化合物の酸化および形成に充分な長さの反応時間を確保するため、火炎内での長い滞留時間が知られている。滞留時間は、火炎の長さに比例し、ガスまたは液滴の速度に反比例することが知られている。
【０００７】
米国特許第６５６５８２３号明細書には、最も好適な実施形態において、液体原料の霧化に高速ガスが利用され、そのガスによって、０．５〜５０ｍ／ｓの範囲の速度を有する霧化液体噴射が発生することが教示されている。また、前記特許の第１０欄第１行〜第１１行に示されるガスの流量および最小直径値を用いて、前記高速噴霧ガスに関し、ほぼ５０ｍ／ｓ程度の速度を計算することができる。
【０００８】
特許出願ＰＣＴ／ＦＩ９９／００８１８号明細書には、同様に、効果的な霧化には、噴霧ガスの速度をできるだけ高くするのが好ましいことが教示されている。しかしながら、前記速度に対する数値は何ら示されていない。
【０００９】
米国特許第６６７２１０６号明細書には、米国特許第６５６５８２３号明細書に記載された装置の変形例が開示されている。米国特許第６６７２１０６号明細書には、前記変形例を使用し、噴霧ガスとして酸素を使用することによって、噴霧ガス流の速度を、少なくとも５０％まで下げることができることが教示されている。
【００１０】
また、米国特許第６６７２１０６号明細書では、より低い噴霧ガス速度を使用することによって、反応領域において乱流が低減されて、粒子析出率が大幅に改善されることが教示されている。また、ガス速度を下げることによって、製造される導波路の光学的特性および機械的特性に悪影響をもたらす、いわゆるブランク欠陥を低減することも教示されている。
【００１１】
発明の簡単な説明
本発明の目的は、均質な組成および微小サイズを有する光増幅光学材料を製造することである。本発明の他の目的は、該材料の製造に使用される工程の制御を改善することである。
【００１２】
これらの目的を達成するため、本発明に従う方法および装置は、液状の反応剤を霧化する噴霧ガスが、音速の０．３〜１．５倍の範囲の速度で放出されることを主に特徴とする。本発明に従う光増幅光導波路は、噴霧ガスが、音速の０．３〜１．５倍の範囲の速度で放出され、形成される光増幅光導波路材料のクラスタ化エルビウムイオンの濃度が、該光増幅光導波路のすべてのエルビウムイオンの濃度の２乗に、係数６×１０-27ｍ２を乗じた値よりも小さいことを主に特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、光導波路を形成するのに適する均質な粒子は、火炎の乱流を最大限にすることによって実現される。したがって、本発明に従う手法は、先行技術で使用される手法とは異なる。
【００１４】
火炎は非常に高い乱流状態となり、混合、加熱および冷却の速度は大幅に上昇する。効果的な混合によって、熱の発生、粒子の反応および凝集が火炎内で高速にかつ基本的に同一体積で起こり、これは粒子の製造工程の制御を改善する。
【００１５】
高速の噴霧ガスを適用することによって、幾つかの好ましい効果を生じる。すなわち、霧化された液滴の平均サイズが、高速の噴霧ガスのおかげで小さくなる。霧化された液滴が短時間に火炎に搬送される。高速の噴霧ガスによって、火炎内の乱流および反応剤の混合が促進される。効果的な混合によって、反応速度が上がる。高い燃焼率の結果、燃焼温度が上がって、酸化およびドーピング反応の速度がさらに加速され、火炎内のガス速度が加速される。高温および微小液滴サイズのおかげで、液滴が火炎内で急速に蒸発する。火炎の寸法が、高い反応速度によって縮小される。また、乱流によって冷たいガスと反応ガスとの混合が促進されて、有効滞留時間がさらにまた削減される。高いガス速度および微小寸法によって、火炎内の物質の滞留時間が削減される。滞留時間が短いと、液滴および生成された粒子の凝集が抑制される。
【００１６】
乱流火炎は、外乱に対して敏感ではない。したがって、幾つかの装置を互いに隣接させて動かすように配置することによって、本発明に従う装置および方法の製造能力を拡大することができる。
【００１７】
火炎内の反応物の滞留時間は短い。これによって、非平衡化学生成物を含む粒子を生成することができる。たとえば、製造された材料の異相分離およびエルビウムイオンの不所望なクラスタ化が最小限にされ、これは生成される粒子の均質性を高める。
【００１８】
短い滞留時間は、光増幅光導波路の製造に適する粒子の製造に特に有利である。たとえば、エルビウムをドーピングする場合、材料内に単離エルビウムイオンを有するのが目的である。クラスタ化されたエルビウムは、光の増幅に効果的ではない。熱力学的平衡に達するのに充分な時間がある場合、エルビウムはガス相でＥｒ2Ｏ3を形成する傾向がある。Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ系では、エルビウムは、Ａｌ5Ｅｒ3Ｏ12−Ａｌ2Ｏ3を個々に形成する傾向がある。本発明に従えば、火炎内の粒子の滞留時間を制限することによって、エルビウムイオンクラスタの形成を最小限にすることができ、これは、高速の噴霧ガスを適用することによって実現される。
【００１９】
活性イオンのクラスタ化が、実質上最小限になるので、製造された光増幅材料における前記イオンの濃度を上げることが可能となり、その結果、高い量子変換効率をもたらす。これによって、本発明に従って製造されたエルビウムドープ光導波路は、優れた光増幅特性を有する。たとえば、本発明に従って製造されたエルビウムドープファイバは、６５％の量子変換効率を示すことがわかった。
【００２０】
発明の詳細な説明
光増幅光学材料を形成する装置は、エルビウムドープシリカガラスの粒子を製造するために使用されるバーナ・アセンブリを少なくとも備える。
【００２１】
図１ａおよび図１ｂを参照して、バーナ・アセンブリ６００は、４つの同心ノズル１２，２２，３２，４２を規定する４つの管１１，２１，３１，４１を備える。最も内側のノズル（液体ノズルと称する）は、液体反応剤１０を供給するために使用される。管１１の外面および管２１の内面は、互いに、噴霧ガス２０が放出される環状噴霧ガスノズル２２を規定する。噴霧ガスは、ノズル２２で生じる圧力差によって加速される。噴霧ガス２０の速度は、ノズル２２の狭窄部２４によってさらに加速されてもよい。管２１の狭窄部２４の代わりに、液体反応剤管１１の外面を増大させることによっても、断面積を減らすことができる。また、バーナ・アセンブリ６００は、たとえば不活性ガスを供給するため、図１ａに示すよりも多くのノズルを備えてもよい。
【００２２】
図２を参照して、液体ノズル１２には、液体表面１４がある。噴霧ガス２０の流れによって発生したせん断力および空気力学的な力によって、液体表面１４から液滴１５が形成されて霧化される。液滴は、乱流によってさらに細かく砕かれる。液滴は、ガス噴射の内部を浮遊し、高速に加速され、さらに浮遊して火炎１００内にもたらされる。
【００２３】
ノズル１２，２２，３２，４２によって供給された反応剤は、乱流および拡散によって混合される。反応剤の発熱反応、特に、水素の酸化によって、火炎１００に要求される熱が供給され、高温になる。火炎１００の発生点は、ガスの火炎伝播速度が、ガスの速度にほぼ等しくなる位置に関係する。
【００２４】
周囲ガスが広範囲に薄められることによって、霧化された液滴１５は、霧化後、蒸発を始める。蒸発の速度は、火炎１００内で高温燃焼ガスと混合された後、大幅に上昇する。反応剤１０，２０，３０は、火炎１００内で反応し、酸化されて、酸化物およびその他の化合物を生成する。酸化シリコン（シリカ）および酸化エルビウムの飽和蒸気圧は非常に低いため、急速に核となり凝集されてドープシリカ粒子５０を形成する。周囲の冷たいガスと高温の反応ガスとの乱流による混合によって、ガスの平均温度が急速に低下し、凝集がさらに促進される。
【００２５】
好ましくは、液体表面１４近くの噴霧ガス２０の速度は、音速の０．３〜１．５倍の範囲である。最も好ましい噴霧ガスの速度は、音速に実質的に等しい。
音速ＶSは、以下の式で求められる。
【００２６】
【数１】
2008504207.tif 000003
【００２７】
ここで、ｐはガス圧を示し、ρはガスの密度を示し、定数γは、以下の式によって求められる。
【００２８】
【数２】
2008504207.tif 000004
【００２９】
ここで、ｃpはガスの定圧熱容量を示し、ｃvは、ガスの定積熱容量を示す。音速ＶSは、ガス温度およびガスの種類に依存する。
速度Ｖに相当するレイノルズ数ＲｅDは、以下のように定義される。
【００３０】
【数３】
2008504207.tif 000005
【００３１】
ここで、Ｄは液体ノズル１２の外径であり、νは噴霧ガスノズル２２の出口端における噴霧ガスの動粘度である。
【００３２】
レイノルズ数が高いと乱流が促進されることが知られている。微小な液滴１５を実現するため、小径の液体ノズル１２を選択するのが好ましく、式（３）に従えば、噴霧ガス２０の速度Ｖを高くすることが必要である。
圧力比Ｒは、以下のように定義される。
【００３３】
【数４】
2008504207.tif 000006
【００３４】
ここで、ｐiは、噴霧ガスノズル２２内部の噴霧ガス２０の静圧であり、ｐoは、噴霧ガスノズル外部の静圧である。狭窄部２４（図１）で生じる圧力比Ｒが、２程度の値になるとき、略音速、すなわち音速に達することができることが知られている。
【００３５】
一定断面積または収束断面積を有するノズルを使用して実現できるのは、音速までの速度に限られる。音速を超える速度を実現するには、発散ノズルが必要である。
【００３６】
エルビウムドープシリカ材料を製造するために、ノズル１２によって供給される液体反応剤は、メタノールに溶解した塩化エルビウムおよび塩化アルミニウムが好ましい。噴霧ガスノズル２２によって供給される噴霧ガスは、水素である。四塩化ケイ素は環状ノズル３２（図１）によって供給され、酸素は環状ノズル４２（図１）によって供給される。塩化アルミニウムの役割は、製造されたシリカガラスのエルビウムの溶解度を向上させるためである。
【００３７】
また、エルビウムドープシリカの製造における適用流量は、以下である。
・液体ノズル１２を通過する液体の流量：３．６〜４．５ｇ／ｍｉｎ
・噴霧ガスノズル２２を通過するガスの流量：３５〜６０ＳＬＰＭ
・ノズル３２を通過するガスの流量：０〜１５ＳＬＰＭ
・ノズル４２を通過するガスの流量：１０〜４０ＳＬＰＭ
ＳＬＰＭは、標準リットル／分を表す。
【００３８】
エルビウムドープシリカの製造では、ノズル１２，２２の適用直径は、ほぼ１ｍｍ程度である。
【００３９】
反応剤１０，２０，３０，４０の流量の最適な組合わせ、反応剤１０，２０，３０，４０の組成、およびノズル１２，２２，３２，４２の寸法は、光増幅光学材料の予め定められる目標特性に従って最適化するとよい。たとえば、エルビウムイオンの予め定められる目標濃度は、１０ｄＢ／ｍの吸収、２０ｄＢ／ｍの吸収、またはそれ以上の所定の値に対応するように設定してもよい。最適な流量、組成および寸法は、当業者に周知の実験手順によって決定されるのが好ましい手法である。音速程度の噴霧ガス速度を適用する決められた手法が要求されることが強調される。一般に、一連の実験を実施する必要がある。すなわち、高い霧化ガス速度を用いる単一の試験では、最適パラメータを得られそうにない。
【００４０】
一般的に、完成品が所望の光増幅特性を持つように、液体反応剤１０には、元素周期表におけるＩＡ族、ＩＢ族、ＩＩＡ族、ＩＩＢ族、ＩＩＩＡ族、ＩＩＩＢ族、ＩＶＡ族、ＩＶＢ族、ＶＡ族および希土類系から選ばれる少なくとも１種の金属を含有する化合物が含まれてよい。特に、液体反応剤１０は、エルビウム、イッテルビウム、ネオジム、および／またはツリウムを含んでよい。ケイ素形成化合物も、たとえばシロキサンを導入することによって、液状で導入することが可能である。使用目的によっては、反応剤の１種はクリーンルームの空気であってよい。噴霧ガス２０は、可燃性ガスと酸化ガスとが予め混合された混合物であり、とりわけ、水素と酸素とが予め混合された混合物であってよい。
【００４１】
液体反応剤１０の流量は、定量ポンプによって制御される。液体反応剤１０の流れは、ある程度、噴霧ガス流２０のベンチュリ効果に助けられてよい。噴霧ガス２０および気体反応剤３０, ４０の流量は、熱量コントローラによって制御される。四塩化ケイ素は、ガス・バブラーを使用して、反応剤３０に導入される。
【００４２】
図３ａを参照して、光導波路プリフォームを製造する装置１０００は、バーナ・アセンブリ６００と、回転式マンドレル７１０、およびマニピュレータ８００を含み、バーナ・アセンブリ６００に対して、マンドレル７１０を回転させて移動させる。ドープしたガラス粒子は、火炎１００内で合成され、マンドレル７１０上で回収されてプリフォーム７２０を形成する。また、ガラス材料を追加してプリフォーム上で回収し、光導波路のクラッドを形成するための材料としてもよい。
【００４３】
マンドレルを取外し、その後、精製・焼結炉（図示せず）にプリフォーム７１０を挿入する。図３ｂを参照して、光ファイバ生産技術の当業者にとって公知の方法および装置を使用して、最後にプリフォームを加熱し、引抜くことによって光導波路７５０を形成する。
【００４４】
本発明に従う方法によって、少なくとも、以下のパラメータを有する光増幅光ファイバを製造することが可能である。
・波長１５３０ｎｍで計測したピーク吸収：２０ｄＢ／ｍ
・コア直径：６マイクロメートル
クラッド直径：１２５マイクロメートル
・コア材のクラスタ中におけるエルビウムイオンの割合：ほぼ６．５％程度
【００４５】
クラスタ中におけるエルビウムイオンの割合は、高輝度光源を使用して計測した光学材料の分光透過率と、低輝度光源を使用して計測した光学材料の分光透過率とに基づいて、決定可能である。これらの計測は、波長９７８ｎｍにおいて行われる。
【００４６】
クラスタ化エルビウムイオンの濃度は、より一般的な方法で求めることも可能である。クラスタ中におけるエルビウムイオンの割合は、製造した光増幅材料中におけるすべてのエルビウムイオンの濃度に依存することがこれまでに判明している。実験的に判明していることとして、本発明に従って形成された光増幅光学材料中におけるエルビウムクラスタの割合は、通常、エルビウムイオンの濃度に係数４．８５×１０-25ｍ２を乗じた値以下である。したがって、２０％の通常許容誤差を考慮して、製造した光増幅光導波路材料中におけるクラスタ化エルビウムイオンの濃度が取り得る値は、前記光増幅光導波路材料中におけるすべてのエルビウムイオンの濃度の２乗に係数６×１０-27ｍ２を乗じた値よりも小さい。
【００４７】
作業中、基板２００および／またはバーナ・アセンブリ６００は、生成された粒子５０を回収するために、直線状に移動しても、曲線を描きながら移動しても、または回転するように移動してもよい。生成された粒子５０の回収は、主に熱泳動に基づくが、静電気力による慣性衝突または回収の原則を適用して、生成された粒子５０を回収してもよい。製造製品の純度を高く維持するために、装置を筐体に封入してもよい。
【００４８】
装置１０００を使用して、図２に示す基板２００などの平面上に光増幅材料を製造して回収し、平面的な、すなわち実質的に二次元である導波路構造を形成してもよい。
【００４９】
光増幅材料を含む管および／または長手ロッドを複数本、相互に隣接させて配列し、加熱した後、引抜くことによって、いわゆるフォトニック光学構造を形成してもよい。
【００５０】
前記光増幅材料を含む光学部品を製造することも可能である。たとえば、溶融工程、粉砕工程、および研磨工程によって、光増幅ロッドを製造し、レーザ素子に搭載される部品または取付け可能な部品として使用してもよい。
【００５１】
図４は、本発明に従う方法のフローチャートである。霧化工程４１０において、液体反応剤１０は、噴霧ガス２０を使用して液滴５０に霧化される。火炎１００内の蒸発工程４２０においても、火炎１００に導入される前においても、液滴５０は蒸発する（図２）。この蒸発物と、その他の気体反応剤３０と、酸化ガス４０とが混合して生成された気体によって、酸化工程４４０において酸化が生じる。ドーピング反応工程４５０では、ドーピング反応が生じる。酸化は熱１１０の放熱を伴い、これによって、火炎１００の温度が維持され（図２）、かつ液滴５０の蒸発、酸化反応、およびドーピング反応４５０が助けられる。過飽和ガス相の酸化物が形成されて、これが急速に核となり、凝集工程４６０において粒子に凝集する。外部冷却ガス１２０を熱反応ガスと混合させ、次の凝集工程４７０において、さらに凝集を促進してもよい。生成された粒子５０は、分離工程４８０においてガスから分離され、回収工程４９０において基板２００上に回収される。分離工程４８０および回収工程４９０は、主に、熱泳動によって行われる。
【００５２】
強調すべきことは、火炎１００内において効率的に混合が生じるおかげで（図２）、特に酸化工程４４０、ドーピング反応工程４５０、および凝集工程４６０，４７０は、非常に高速で、火炎体積の小さい範囲内で行われることである。したがって、反応剤１０，２０，３０，４０、反応物、および粒子５０の火炎内滞留時間は非常に短く、エルビウムイオンをクラスタ化させる反応と、ドープしたシリカガラスを異なる相ごとに分離させる反応とは平衡に達しない。前述したように、このことは、ドープした生成シリカの光増幅特性に関し、特に有利なことである。
【００５３】
図５に示した別の実施形態を参照して、噴霧ガス流の速度は、たとえば内面が円錐形に広がった部分などの発散する断面を有する環状の噴霧ガスノズル２２を使用することによって、さらに上昇させてよい。また、このようなノズルは、狭窄した断面２４を含んでもよい。好ましくは、ノズル２２は、図５に示したラバルノズルの形状を有する。ラバルノズルを使用すれば、超音速にまでガスを加速可能であることは公知である。超音速とは、音速よりも高い速度を意味する。いわゆる衝撃波は、超音速流によく見られる。火炎１００の発生点（図２）、すなわちノズル付近の火炎の境界線は、衝撃波の位置と一致する位置に安定させてもよい。
【００５４】
図６ａおよび図６ｂは、１以上の液体ノズル１２が噴霧ガスノズル２２に関して垂直な構造となるように配置された別の実施形態を示す。
【００５５】
図７ａおよび図７ｂは、複数の液体ノズル１２が１の噴霧ガスノズル２２内に配置された別の実施形態を示す。また、噴霧ガスノズル２２内には、ガス反応剤を供給する１以上のノズルを配置してもよい。このような配置は、本発明に従う装置１０００を大きくする場合に有利である。
【００５６】
図８は、バーナ・アセンブリ６００に連結する発散ノズル８０を含む別の実施形態を示す。前記発散ノズル８０は、好ましくはラバルノズルである。可燃性ガスの速度はさらに上昇し、これによって、反応時間は減少して、より微小で均質な粒子５０が形成されることになる。衝撃波ＳＷには、気体温度の断熱低下が生じ得る。衝撃波ＳＷにおいて温度が低下すると、たとえば粒子５０の凝集、また、イオン・クラスタが形成される化学反応を停止させることなどに関して、有利である。発散ノズル８０の前方において、別の可燃性チャンバ（図示せず）を使用してもよい。
【００５７】
火炎１００は、強い熱源である。したがって、ノズル１２，２２，３２（図２），４２（図２），８０は、材料の損傷の防止すること、および／または反応剤が問題なく流れることを確保するために、冷却手段を備えてよい。冷却は、気体または水などの熱媒体によって実施可能である。また、冷却は、放射冷却に基づくものであってよい。
【００５８】
図９を参照して、１以上のノズル１２, ２２, ３２, ４２は、旋回、すなわち気体に対する回転運動を誘引する方向に角度がある要素２６を有してよい。このような旋回誘引要素の例として、ガス流の方向を変更するための傾斜スロットまたは傾斜穴を有する羽根またはフランジが挙げられる。また、ノズルは、乱流を強めるために、穴の空いた、またはメッシュ状の要素をも含んでいてもよい。
【００５９】
装置１０００の外部の圧力ｐoは、筐体およびガスポンプを使用し、ガス速度、粒子回収効率、伝熱率、および／または化学反応の平衡に影響を及ぼすことによって、変更可能である。ガス浄化システムは、この方法と結び付けられ、たとえば、排出ガスから塩素含有物質を除去することが可能である。
【００６０】
温度、流量、圧力、ノズルの位置、および基板２００の位置（図２）は、当業者に公知の装置および部品によって制御される。基板２００およびガスの温度は、放出または吸収されたスペクトル放射に基づいて、熱電対およびセンサによって監視可能である。火炎１００（図２）の適切な形状および対称性は、光学的撮像システムによって監視可能である。短い露光時間で撮影された画像シーケンスは、火炎１００の乱流度合いの監視および霧化工程の監視の助けとなり得る。基板２００または製造した材料の分光学的特性および蛍光特性は、粒子５０の製造の制御補助のために、稼働中に監視されてもよい。
【００６１】
噴霧ガス２０および／または反応剤は、たとえば、非常に高速および／または高温になるまでガスを加速することが可能な非移送式の直流プラズマトーチを使用し、熱プラズマ装置によって供給されてもよい。このようなプラズマトーチは、たとえばプラズマ溶射の分野などにおいて公知である。
【００６２】
当業者にとって、本発明に従う装置、方法、および光増幅導波路が変更および変形され得ることは明白である。添付の図面を参照して上記で説明した特定の実施形態は、例示に過ぎず、添付の請求項に規定される本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１ａ】本発明に従うバーナ・アセンブリを示す略側断面図である。
【図１ｂ】図１ａのバーナ・アセンブリの略軸方向図である。
【図２】本発明に従う粒子の生成および回収を示す概略図である。
【図３ａ】光導波路プリフォームを製造する装置を示す概略図である。
【図３ｂ】光導波路プリフォームから光導波路を引抜くところを示す概略図である。
【図４】本発明に従う光導波路の製造について説明するフローチャートである。
【図５】環状ラバルノズルを有するバーナ・アセンブリの別の実施形態を示す略側断面図である。
【図６ａ】環状ラバルノズルおよび２つの横断する液体ノズルを有するバーナ・アセンブリの別の実施形態を示す略側断面図である。
【図６ｂ】図６ａのバーナ・アセンブリの略軸方向図である。
【図７ａ】複数の液体ノズルを有するバーナ・アセンブリの別の実施形態を示す略側断面図である。
【図７ｂ】図７ａのバーナ・アセンブリの略軸方向図である。
【図８】さらに発散ノズルを有するバーナ・アセンブリの別の実施形態を示す略側断面図である。
【図９】旋回誘引要素を有するバーナ・アセンブリの別の実施形態を示す図である。
【図１ａ】
2008504207.tif 000007
【図１ｂ】
2008504207.tif 000008
【図２】
2008504207.tif 000009
【図３ａ】
2008504207.tif 000010
【図３ｂ】
2008504207.tif 000011
【図４】
2008504207.tif 000012
【図５】
2008504207.tif 000013
【図６ａ】
2008504207.tif 000014
【図６ｂ】
2008504207.tif 000015
【図７ａ】
2008504207.tif 000016
【図７ｂ】
2008504207.tif 000017
【図８】
2008504207.tif 000018
【図９】
2008504207.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月2日(2006.5.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光増幅光学材料の製造方法であって、少なくとも、
噴霧ガス（２０）を放出し、
該噴霧ガス（２０）によって、少なくとも１種の液状の反応剤（１０）を霧化して液滴（１５）を形成し、
該液滴（１５）を火炎（１００）に導入し、
少なくとも１種のの反応剤（１０，３０）を酸化させて１種以上の酸化物を形成し、
該１種以上の酸化物を凝集して粒子（５０）を生成し、
該粒子（５０）の少なくとも一部を回収し、
該粒子（５０）を相互に溶融させて前記光増幅光学材料を形成する、光増幅光学材料の製造方法において、
前記噴霧ガス（２０）は、音速の０．３〜１．５倍の速度で放出されることを特徴とする、光増幅光学材料の製造方法。
【請求項２】
少なくともケイ素および／またはその化合物を含む少なくとも１種の反応剤を前記火炎に導入する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ケイ素化合物は、四塩化ケイ素ガスであることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも１種の金属および／またはその化合物を含む少なくとも１種の反応剤を前記火炎に導入する工程をさらに含み、該少なくとも１種の金属は、元素周期表におけるＩＡ族、ＩＢ族、ＩＩＡ族、ＩＩＢ族、ＩＩＩＡ族、ＩＩＩＢ族、ＩＶＡ族、ＩＶＢ族、ＶＡ族および希土類系から選択されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１種の金属は、エルビウム、イッテルビウム、ネオジム、またはツリウムであることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記噴霧ガス（２０）は、前記少なくとも１種の液状の反応剤（１０）に関して同心円状または実質的に同心円状に、前記火炎（１００）に導入されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記噴霧ガス（２０）は、狭窄した断面を有する部分（２４）を少なくとも一部に含む少なくとも１種の噴霧ガスノズル（２２）に導入され、該噴霧ガス（２０）の速度は、前記狭窄した断面によって上昇することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも前記噴霧ガス（２０）は、発散する断面を有する部分を少なくとも一部に含むノズル（２２）に導入され、該噴霧ガス（２０）の速度は、発散する断面を有する前記部分を少なくとも一部に含む前記ノズル（２２）によって上昇することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記ノズル（２２）は、ラバルノズルであることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記噴霧ガス（２０）は、少なくとも可燃性ガスと酸化ガスとの混合物であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記噴霧ガス（２０）および／または別の気体物質（３０, ４０）が、少なくとも１つの旋回誘引要素（２６）を通過して、前記火炎に導入されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
さらに、少なくとも前記光増幅光学材料を含む光導波路プリフォーム（７２０）を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
さらに、少なくとも前記光増幅光学材料を含む光増幅体を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
さらに、少なくとも前記光増幅光学材料を含む光増幅光導波路（７５０）を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、少なくとも前記光増幅光学材料を含む平面光導波路を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
さらに、少なくとも前記光増幅光学材料を含むフォトニック構造を形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１種の液状の反応剤（１０）を供給する少なくとも１種の液体ノズル（１２）と、少なくとも１の噴霧ガスノズル（２２）とを含む、光増幅材料の製造装置（１０００）であって、
前記少なくとも１の噴霧ガスノズル（２２）は、噴霧ガス（２０）を放出して、前記少なくとも１種の液状の反応剤（１０）を霧化して液滴（１５）とし、
該液滴（１５）は、火炎（１００）に導入され、
少なくとも１種の反応剤（１０，３０）は、前記火炎（１００）内で酸化して１種以上の酸化物を形成し、
該１種以上の酸化物は、凝集して、光増幅材料からなる粒子（５０）を形成する、光増幅材料の製造装置において、
前記少なくとも１の噴霧ガスノズル（２２）は、前記噴霧ガス（２０）を音速の０．３〜１．５倍の速度で放出するように構成されることを特徴とする、光増幅材料の製造装置。
【請求項１８】
少なくともケイ素および／またはその化合物を含む少なくとも１種の反応剤は、前記火炎（１００）に導入されることを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記ケイ素化合物は、四塩化ケイ素であることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
少なくとも１種の金属および／またはその化合物を含む少なくとも１種の反応剤は、前記火炎に導入され、前記少なくとも１種の金属は、元素周期表におけるＩＡ族、ＩＢ族、ＩＩＡ族、ＩＩＢ族、ＩＩＩＡ族、ＩＩＩＢ族、ＩＶＡ族、ＩＶＢ族、ＶＡ族および希土類系から選択されることを特徴とする、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１種の金属は、エルビウム、イッテルビウム、ネオジム、またはツリウムであることを特徴とする、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記噴霧ガスノズル（２２）は、狭窄した断面を有する部分（２４）を少なくとも一部に含み、該部分（２４）は、噴霧ガスの速度を上昇させることを特徴とする、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
前記装置（１０００）は、さらに、発散する断面を有する部分を少なくとも一部に含む少なくとも１のノズル（２２）を含み、該部分は、ガス速度を加速させることを特徴とする、請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
発散する断面を有する部分を少なくとも一部に有する前記ノズル（２２）は、ラバルノズルであることを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記少なくとも１の液体ノズル（１２）および前記少なくとも１の噴霧ガスノズル（２２）は、同心円状または実質的に同心円状であることを特徴とする、請求項１７〜２４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
前記装置（１０００）は、さらに、前記少なくとも１の噴霧ガスノズル（２２）に、可燃性ガスと酸化ガスとの混合物を供給する、少なくとも１の手段を含むことを特徴とする、請求項１７〜２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記装置（１０００）は、さらに、少なくとも１つの旋回誘引要素（２６）を含むことを特徴とする、請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
エルビウムをドープしたシリカを少なくとも含む光増幅光導波路であって、該材料は、少なくとも、
粒子生成方法によって粒子（５０）を生成し、
該粒子（５０）を回収し、
該粒子（５０）を相互に溶融させて前記光増幅光学材料を形成する工程を含む方法によって得られ、
前記粒子生成方法は、少なくとも
噴霧ガス（２０）を放出し、
該噴霧ガス（２０）によって、少なくとも１種の液状の反応剤（１０）を霧化して液滴（１５）を形成し、
該液滴（１５）を火炎（１００）に導入し、
少なくとも１種の反応剤（１０，３０）を酸化させて１種以上の酸化物を形成し、
該１種以上の酸化物を凝集して粒子（５０）を生成する、光増幅光導波路において、
前記噴霧ガス（２０）は、音速の０．３〜１．５倍の速度で放出され、形成された光増幅光導波路材料中におけるクラスタ化エルビウムイオンの濃度は、該形成された光増幅光導波路材料中における全エルビウムイオンの濃度の２乗に係数６×１０-27ｍ２を乗じた値よりも小さいことを特徴とする、光増幅光導波路。
【請求項２９】
前記方法は、さらに、四塩化ケイ素ガスを前記火炎（１００）に導入することを含むことを特徴とする、請求項２８に記載の材料。
【国際調査報告】
2008504207.tif 000020
2008504207.tif 000021
2008504207.tif 000022