(57)【要約】光ファイバプリフォームを製造するためのガラススートを堆積させる方法が開示されている。燃料およびガラス前駆体が、ガラススートを形成するバーナの火炎に流され、このガラススートはガラスの標的コアケイン上に堆積される。最初に、低速度のバーナ火炎により、または低い総質量流量で、９００Ｋ（６２７℃）以下の低温である厚さのガラススートの断熱層を堆積させることによって、ガラス標的の表面中に吸着されるかもしれない水分量を、０．１質量ｐｐｍのＯＨ濃度未満まで減少させることができる。その後、火炎速度は、ガラス標的中に含まれる水の濃度を著しく増加させずに、ガラススートの堆積速度を増加させるように、増加させてもよい。
2008500257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラススートを堆積させる方法において、
燃料とガラス前駆体を総質量流量でバーナ火炎に流動させる工程であって、前記総質量流量が前記燃料の質量流量と前記ガラス前駆体の質量流量の合計である工程、
ガラススートの第１の層を第１の総質量流量でコアケイン上に堆積させる工程、および
ガラススートの第２の層を第２の総質量流量で前記ガラススートの第１の層上に堆積させて、光ファイバ前駆体を形成する工程、
を有してなり、
前記第２の総質量流量が前記第１の総質量流量よりも大きく、ガラススートの前記第１の層の厚さが約２０ｍｍ未満であり、前記コアケインと前記ガラススートの第１の層との間の界面での温度が約９００Ｋ（６２７℃）を超えないことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記コアケインと前記ガラススートの第１の層との間の界面での前記温度が約８００Ｋ（５２７℃）を超えないことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ガラススートの第１の層を堆積させる工程が、前記総質量流量を変動させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記総質量流量を変動させる工程が、該総質量流量を増加させる工程を含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記光ファイバ前駆体を固結させて、光ファイバプリフォームを形成する工程、および
前記光ファイバプリフォームを光ファイバに線引きする工程、
をさらに含み、
前記光ファイバが、前記コアケインと前記第１の層との間の界面で約０．１質量ｐｐｍ未満のピークＯＨ濃度を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバプリフォームを形成するためにガラススートを堆積させる方法に関し、より詳しくは、ガラススート堆積バーナの火炎速度を変動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ中の水分は、ファイバに沿って伝搬する光信号の望ましくない減衰の源である。ここで用いられる水は、Ｈ2Ｏ、ＯＨ、またはＨ分子を含む。シリカ（ＳｉＯ2）は、水の上述した形態（Ｈ2Ｏ、ＯＨ、またはＨ）の内の１つと反応して、ＳｉＯＨを形成し得る。このＳｉＯＨは、１３８０ｎｍで光を強烈に吸収し、上述した減衰を引き起こす。光ファイバ中のＳｉＯＨ基は、１３１０ｎｍ窓で動作する光ファイバの減衰性能を低下させるかもしれないだけでなく、１５５０ｎｍほど長い波長で動作する光ファイバの減衰も増大させるかもしれない。
【０００３】
光ファイバから水分を除去するための以前の試みは、プリフォームを固結し、固結したプリフォームから光ファイバを線引きする前に、光ファイバプリフォームのスート領域をハロゲン化物ガス（例えば、Ｃｌガスなどの）により乾燥させる工程を含む。一般に、上述した乾燥工程は、約８００〜１２００℃の温度で行われる。ハロゲン化物ガスは、プリフォームの外面とプリフォームのスート中心線の両方に曝露してもよい。
【０００４】
しかしながら、多段階プロセスを用いてセグメント化コアファイバを製造する過程において、上述した乾燥プロセスは、ある状況において、プリフォームの固結されたガラス領域中のＳｉＯＨ濃度を許容レベルまで減少させるのに不十分であるかもしれない。外付け溶着法（ＯＶＤ）などの近代的な従来の光ファイバ製造プロセスにおいて、光ファイバは、最初にコアケインを形成することによって製造されるであろう。コアケインによって意味されるものは、最終的にコアケインから線引きされる光ファイバのためのコアガラスの一部分を少なくとも含む光ファイバプリフォームである。ある場合には、コアケインは、そのような光ファイバのためのクラッドガラスの一部分を少なくともさらに含むであろう。それに続く工程において、追加のガラスが、線引きプリフォームを形成するためにコアケイン上に形成される。そのような追加のガラスは、追加のコアガラス、クラッドガラス、またはコアガラスとクラッドガラスの両方を含んでいてもよい。次いで、線引きプリフォームは光ファイバに線引きされてもよい。多段階製造プロセスによって、コアケインは、多数の光ファイバ設計のための基礎部分を形成するであろうし、必要に応じて、その後の使用のために容易に貯蔵されるので、多大な製造融通性が提供されることが都合よい。多段階プロセスにおいて、ガラスの１つ以上の追加の層が、１つ以上の工程において、コアケイン上に形成されるであろう。追加のガラスは、コアケイン上で１つ以上のガラス管を加熱しコラプスし（スリービング）、コアケイン上にガラススートを堆積させ（堆積）、ガラススートを加熱し、固結することによって、もしくはスリービングと堆積／固結の両方を行うことによって、コアケイン上に形成してもよい。前述したように、追加のガラスは、追加のコアガラス、クラッドガラス、またはコアガラスとクラッドガラスの両方を含んでもよい。
【０００５】
光ファイバプリフォームのコア領域内またはそれに隣接してガラスを加えるために堆積を使用する場合、スートの追加の層が、多数のコアセグメントを形成してもよい。これらのセグメントの屈折率は、各セグメント内で異なっていてもよく、またはその屈折率は、セグメント毎に異なっていてもよい。先に記載したものなどの多段階プロセスは、そのうなセグメント化されたコアの光ファイバの製造に特にうまく適しており、特許文献１に記載されている。
【０００６】
光ファイバプリフォームのコア領域の再湿潤は、堆積プロセス中に水素含有燃料の燃焼を用いる場合に、低損失光ファイバを製造する上で重大な懸念である。再湿潤は、以下に限られないが、セグメント化コアの光ファイバを含む、多段階プロセスにより製造される光ファイバを製造するためには、特に厄介な問題である。多段階プロセスが意味することは、ガラスロッドすなわちコアケインが従来のプロセスにより最初に製造され、コアケインが、コアの次のセグメントを形成するためのガラススートのその後の堆積のための標的ロッドとして働いてもよく、必要に応じて、クラッドスートをコアケイン上に堆積させてもよい、光ファイバプリフォームの製造プロセスである。単一モード光ファイバ中を伝搬する光出力の主要部分は、光ファイバのコア領域内を伝わり、その光出力の分布は、コア領域の中心に向かってはげしく重み付けされているので、初期のガラスコアロッドの再湿潤は、光出力レベルの高い光ファイバの領域に高濃度の水が配されることによって、光ファイバの減衰に著しく影響を与えるであろう。コアケイン上にガラススートを堆積することによるコアケインの再湿潤は、それによって得られる光ファイバの光学損失の著しい増加の原因となるであろう。光ファイバにおいて光学損失、すなわち減衰を最小にするために、ガラスコアケインの表面に吸着したＯＨの量が最小であることが好ましい。ガラスのＯＨ含有量は、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）を用いてガラスロッドの半径に亘り複数の位置でＯＨ濃度を測定することによって特徴付けられるであろう。ＦＴＩＲによるガラス中のＯＨ濃度の測定はよく知られている。光ファイバ中のＯＨ含有量の影響力は、ガラス表面、または界面に存在するＯＨのピーク量の関数だけでなく、ＯＨ濃度の半径範囲の関数でもあることに留意すべきである。その目的のために、以下に用いられるように、表面または界面という用語は、ガラス標的すなわちコアケインの最も外側の表面から約１００μｍまで延在する領域を意味するものとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
意外なことに、ガラスロッド上へのスートの堆積中のガラスとスートの界面での水蒸気の濃度は著しいかもしれないが、ガラスに吸着される水分量に最大の影響を与えるのは、ガラスの表面温度である。それゆえ、ガラスの表面温度を制御することが、堆積プロセス中の重要な検討事項になる。ここで、ガラススートの低い熱伝導率のために、コアケインの表面上に堆積されるガラススートの比較的薄い層が、コアケインを断熱することができ、それによって、コアケインの表面温度を減少させ、コアケインへの水分の吸着速度を制限することが本願の発明者によって発見された。
【０００８】
光ファイバプリフォームの製造コストを減少させるために用いられる方法の１つは、ガラススートの堆積速度を上昇させることである。堆積速度の上昇を達成させることは、多数のスート製造バーナが広く行き渡って使用されることにつながる。ガラススートを堆積するための多数のバーナの使用によって、堆積速度は所望のように上昇するが、ガラスコアケインの表面で生じた高温は、ガラスに吸着する水分量を望ましくないほど増加させてしまうであろう。単一バーナによる堆積は、一般に多数のバーナによる堆積と同様の火炎温度を使用するが、多数のバーナによる堆積よりも表面温度が低くなる傾向にある。単一バーナの火炎はガラスロッドの長さを行き来するので、バーナの火炎に隣接するロッドの局所表面は、火炎の通過する間に、冷却する時間の周期を経験する。この冷却により、コアケインの表面への水分の吸着が減少する。バーナとコアケインとの間の往復相対運動により、周期的な加熱と冷却のサイクルが生じ、これによって、時間の関数としてガラスロッドの全体の温度を示すエンベロープが形成される。単一バーナによる堆積プロセスに関する温度エンベロープは一般に、多数のバーナによる堆積プロセスに関する温度エンベロープよりも低い。
【０００９】
以前は、一層以上のガラススートがガラスコアケイン上に堆積される、先に記載したものなどの多段階製造プロセスから得られる光ファイバ中の重大な水分源は、プリフォームを乾燥させ固結させるためのその後の工程中の複合光ファイバプリフォームのスート領域の不完全な乾燥に起因すると想定されていた。この残留水分が、固結熱処理中にプリフォームのコア領域に移動すると考えられていた。しかしながら、ここで、ガラススートのその後の堆積中にガラスコアケインに含まれる重大な水分源は、ガラススート前駆体を加水分解するために一般に用いられる水素系燃料の酸化に起因することが本願の発明者によって発見された。次いで、このように形成された水分がコアケインの表面に付着するであろう。さらに、発明者は、コアケインの再湿潤の原因となるコアケインへの水分の吸着は、コアケイン上のスートの堆積中の特定のプロセスパラメータに依存することも発見した。具体的には、コアケインの様々な領域の局所温度およびこれらの局所領域が特定の温度である時間が、吸着されるであろう水分量に重要な役割を果たす。このようにしてコアケインに吸着されるであろう水分は、プリフォームの乾燥または固結中にプリフォームから適切に除去されないかもしれず、したがって、線引きされた光ファイバ中に残留するであろう。吸着された水分はシリカと反応してＳｉＯＨを形成するかもしれず、ＳｉＯＨは、約１３８０ｎｍに広帯域吸収を持ち、転じて、通信業界で用いられる動作波長範囲、または窓での減衰が増加することになるかもしれない。
【特許文献１】米国特許第４４５３９６１号明細書
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある広い態様において、ガラススートを堆積する方法であって、燃料とガラス前駆体を、ガラススートを形成するための総質量流量でバーナの火炎に流動させる工程であって、総質量流量が燃料の質量流量とガラス前駆体の質量流量の合成である工程、第１の総質量流量でコアケイン上にガラススートの第１の層を堆積させる工程、第２の総質量流量でガラススートの第１の層上にガラススートの第２の層を堆積させて、光ファイバ前駆体を形成する工程を有してなり、第２の総質量流量が第１の総質量流量より大きい方法が提案される。
【００１１】
ある実施の形態において、ガラススートの第１の層の厚さは、好ましくは約２０ｍｍ未満、より好ましくは約１０ｍｍ未満である。コアケインとガラススートの第１の層との間の界面での温度は、約９００Ｋ（６２７℃）以下であることが好ましく、約８００Ｋ（５２７℃）以下であることがより好ましい。
【００１２】
本発明の別の広いの態様において、光ファイバプリフォームを製造する方法であって、火炎速度を持つバーナ火炎内でガラススートを形成する工程、第１の火炎速度でコアケイン上にガラススートの第１の層を堆積させる工程、第２の火炎速度でガラススートの第１の層上にガラススートの第２の層を堆積させて、光ファイバプリフォームを形成する工程を有してなり、第２の火炎速度が第１の火炎速度よりも速い方法が開示される。
【００１３】
ある実施の形態において、ガラススートの第１の層の厚さは、好ましくは約２０ｍｍ未満、より好ましくは約１０ｍｍ未満である。コアケインとガラススートの第１の層との間の界面での温度は、約９００Ｋ（６２７℃）以下であることが好ましく、約８００Ｋ（５２７℃）以下であることがより好ましい。第１の火炎速度は、好ましくは約１２ｍ／ｓ未満、より好ましくは約５ｍ／ｓ未満である。第２の火炎速度が約１２ｍ／ｓより大きいことが好ましい。別の実施の形態において、第１の火炎速度を持つ第１のバーナ火炎および第２の火炎速度を持つ第２のバーナ火炎を含む複数のバーナ火炎が用いられる。ガラススートの第２の層を堆積させる工程は、反応体のバーナ火炎への総質量流量を増加させる工程を含んでよい。光ファイバ前駆体を固結させて光ファイバプリフォームを形成したときに、光ファイバプリフォームは約０．１ｐｐｍ未満のＯＨを含むことが好ましい。光ファイバ前駆体から線引きされた光ファイバが約０．１ｐｐｍ未満のＯＨを含むことが好ましい。
【００１４】
本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者には容易に明白であり、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識されるであろう。
【００１５】
先の一般的な説明および以下の詳細な説明は、本発明の様々な実施の形態を表し、特許請求の範囲に記載された本発明の性質と特徴を理解するための概要または構成を提供することが意図されていると理解すべきである。添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれ、この明細書に包含され、その一部を構成する。図面は、本発明の様々な実施の形態を示し、説明と共に、本発明の原理と動作を説明するように働く。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ここで発明者は、スート堆積バーナからのガラススートの堆積中に、光ファイバのコアケインなどのガラス標的中に拡散するであろう水分量は、ガラス標的とスートの界面でバーナにより堆積される水分量、ガラス標的の表面温度、および存在する水分濃度に依存することを発見した。ガラス表面は、標的の固体ガラスと堆積されたスートとの間の境界から約１００μｍの深さまで延在するガラス標的の領域と考えられるであろう。ガラスとスートの界面でのガラス表面の温度は、特に、バーナ面に垂直な方向のバーナ火炎の速度により影響を受けるであろう。図１は、変動するバーナ火炎速度の結果としての円柱状ガラス標的表面に関する計算された温度エンベロープを示している。５ｍ／ｓ（２０）、１０ｍ／ｓ（２２）、２０ｍ／ｓ（２４）および３０ｍ／ｓ（２６）の４つの実例が示されている。バーナ火炎は、６０秒毎周期の速度（すなわち、バーナが所定の位置に戻るのにかかる時間）でガラス表面を往復移動するものと仮定する。前記エンベロープは、バーナ火炎が、ガラス表面に沿って通過し、所定の位置に戻るときに、ガラス標的表面が経験する加熱および冷却の周期の結果として形成される。
【００１７】
図１により示されるように、４つのエンベロープの任意の１つに沿った任意の所定の地点での最高温度は、ガラススートが堆積されるにつれて減少する。ガラススートの厚さが増加するにつれ、すなわち、堆積プロセスが時間の経過と共に進行するにつれ、バーナ火炎からガラス標的に伝達される熱量が減少する。図１は、３０ｍ／ｓの火炎では約２０，０００秒で堆積が完了するのに対して、５ｍ／ｓの火炎では約４０，０００秒かかるなど、同量のスートを堆積させるのに要する時間により明示されるように、火炎バーナ速度が増加するにつれ、堆積速度が増加することを示している。それにもかかわらず、火炎速度が増加するにつれ、標的の表面温度も増加する。例えば、５ｍ／ｓの火炎速度に関するガラス表面の最高表面温度はたった約７３０Ｋ（約４５７℃）であると計算され、一方で、３０ｍ／ｓの火炎速度に関するガラス表面の最高表面温度は１０７０Ｋ（約７９７℃）に近いと計算される。
【００１８】
製造の観点から、全体的に速い堆積速度を達成することが望ましい。しかしながら、得られるガラス内に含まれるＯＨの量が、最終的な光ファイバにおける減衰を確実に低くするために最小であることも望ましい。
【００１９】
図２は、図１および２の多孔質スートブランク、すなわち、プリフォームの計算された表面温度エンベロープを示しており、スートの表面温度が、ガラス標的の表面での、例えば、コアケインとスートの界面での温度にどのように関係するかを示しために、図１に対比して用いられるであろう。図１におけるように、図２の各曲線は、バーナ火炎が表面を行き来するときのスート表面の温度を示しており、それゆえ、各曲線が、火炎がプリフォームを行き来するときの表面の加熱と冷却を示すエンベロープを形成する。図２において、曲線２８は、５ｍ／ｓのバーナ火炎速度に関する温度を示し、３０は１０ｍ／ｓの速度に関し、３２は２０ｍ／ｓの速度に関し、３４は３０ｍ／ｓの速度に関する。
【００２０】
火炎速度の関数として図１、２のガラス標的の表面中に半径方向に吸着されると計算されたＯＨの量が、図３に示されている。すなわち、曲線３６は、５ｍ／ｓの火炎速度に関するコアケインの表面中に吸着されると計算されたＯＨの量を示し、３８は１０ｍ／ｓに関し、４０は２０ｍ／ｓに関し、４２は３０ｍ／ｓに関する。バーナ条件は、前出の条件（例えば、６０秒毎周期）と等しいものと仮定した。図３に示したガラス標的表面は、４０００μｍの半径である、グラフの一番右よりの軸である。この開示全体に亘り用いられる火炎速度は、バーナ火炎へと流動する構成要素または反応体を、様々な構成反応体がそこを通って流動するバーナ面でのノズルの総断面積ａtで割った総質量流量ｍtと定義される。図３は、火炎速度が減少するにつれ、ガラス表面中に吸着される水分量も減少することを示している。それゆえ、図１〜３を要約すると、速い火炎速度により堆積プロセスが速くなるであろうが、スート堆積バーナの火炎速度を減少させると、堆積表面の表面温度が減少し、それゆえ、堆積表面中に吸着される水分量が減少するであろう。最初に、断熱ガラススートの層を、遅い火炎速度で、したがって、低い表面温度でガラス標的に堆積させると、ガラス標的中に吸着されるであろう水分量（すなわち、ＯＨ）を著しく減少させることができる。その後、火炎速度、したがって、堆積速度を増加させて、ガラスとスートの界面での表面温度およびガラス標的中に吸着される水分量を著しく増加させずに、堆積速度を増加させてもよい。
【００２１】
図４は、例示のバーナ面４４の平面図である。バーナ面４４は、同心環状に配置された、概して参照番号４６により示される多数のノズルを示している。図４の例示のバーナ面にあるノズルの各環は、異なる反応体を通過させてもよい。例えば、一組のノズルは、ある質量流量ｍ1で酸素などのたった一種類のガスをその中に流動させてもよい。他のノズルは、例えば、質量流量ｍ2で、燃料ガスと酸素の混合物をその中に流動させてもよい。さらに他のノズルは、質量流量ｍ3で、一種類以上のガラス前駆体をその中に流動させてもよい。バーナ火炎への総質量流量は、各ノズルの個々の質量流量の合計、例えば、ｍt＝ｍ1＋ｍ2＋ｍ3＋・・・である。各ノズルは特定の断面積を有し、全ノズルの累積すなわち合計の断面積は、バーナの総ノズル断面積からなる。図４に示したバーナ面は環状にグループ分けされたノズルを示しているが、他のノズルデザインも本発明の範囲に含まれ、この点に関して、図４を制限と考えるべきではない。例えば、バーナノズルは、同心環形ノズルを含んでもよい。
【００２２】
図１〜３により示したように、ガラス標的表面の温度、したがって、ガラス標的表面中に吸着される水分量は、スート堆積バーナの火炎速度を変えることによって、増減されるであろう。図１〜３は、所定の火炎速度に関するガラス標的の表面温度は、断熱ガラススートの厚さが増加するにつれて、減少することも示している。したがって、ガラススートの断熱層の堆積は、ガラス標的の表面温度を制限することによって、ガラス標的の表面が、過剰の水分を吸着するのを防ぐであろう。本願の発明者は、ここで、ガラススートの断熱層を、遅い火炎速度で、したがって、低いガラス標的表面温度で堆積させることができたら、ガラス標的中に吸着される水分量、それゆえ、最終的な光ファイバの水分誘起光学損失を最小にできることを発見した。断熱ガラススート層が一旦所定の厚さに到達したら、火炎速度を増加させて、ガラス標的表面温度を著しく増加させずに、ガラススート堆積速度を増加させてもよい。
【００２３】
バーナ火炎の速度は、様々な方法にしたがって変えてもよい。バーナ火炎の速度は、例えば、バーナ面での個々のバーナノズルの断面積を変更することなどによって、バーナの幾何学形状を変更することにより変えてもよい。このことは、例えば、ガラススートの第１の断熱層を堆積させるために第１の所定の総ノズル面積を持つ第１のバーナを使用し、その後、ガラススートのその後の層を堆積するために第１の総ノズル面積とは異なる第２の所定の総ノズル面積を持つ第２のバーナを用いることによって、効果的に達成されるであろう。第２のバーナの総ノズル面積は、第１のバーナの総ノズル面積よりも小さいことが好ましい。各バーナを通って流動する反応体（例えば、酸素、燃料およびガラス前駆体）の質量流量が等しいと仮定すると、総ノズル面積が減少すると、火炎速度が増加することになるであろう。すなわち、所定の総質量流量について、第１の総ノズル面積（個々のノズル面積の合計である）、したがって、第１のバーナ火炎速度を持つ第１のバーナに関して、同じ総質量流量について第１のバーナの総ノズル面積よりも小さい総ノズル面積を持つ第２のバーナは、火炎速度が増加するであろう。このことは、第２のバーナの個々のノズルの数を減少させることによって、および／または第２のバーナの個々のノズルの面積を減少させることによって、行ってもよい。あるいは、単独のバーナを使用する場合、選択したバーナノズルへの質量流を、ガラススートの第２の層の堆積中に止めてもよい。ガラススートの第２の層の堆積中の総質量流量が、少なくともガラススートの第１の層の堆積中の質量流量と同じほど大きいものと仮定すると、選択したバーナノズルを止めることにより、バーナ火炎の速度が効果的に増加するであろう。
【００２４】
ガラススートの第１の層の堆積中のバーナ火炎の速度は、好ましくは約１２ｍ／ｓ未満、より好ましくは約５ｍ／ｓ未満である。例えば、ガラススートの第１の層上にガラススートの第２の層を堆積する際中などの、ガラススートの第１の層の上の追加のガラススートの堆積中のバーナ火炎の速度は、好ましくは約１２ｍ／ｓより大きく、より好ましくは約２０ｍ／ｓより大きい。
【００２５】
図５に示した本発明のある実施の形態によれば、ガラススートの第１の層４８が、第１のスート堆積バーナ５２によって光ファイバコアケイン５０上に堆積される。バーナ５２は、第１の火炎速度ｖ1を持つ第１のバーナ火炎を生成する。ガラススートの第１の層４８は、好ましくは約２０ｍｍ未満、より好ましくは約１０ｍｍ未満の厚さｔを有する。ガラススートの第１の層４８をコアケイン５０上に堆積させた後、第１のバーナ火炎５４の速度ｖ1を増加させて、ガラススートの第１の層４８上にガラススートの第２の層５６を堆積させてもよい。ガラススートの第２の層５６の堆積中の全体の火炎速度は、第１の火炎速度ｖ1とは異なる第２の火炎速度ｖ2を持つ、第２のバーナ６０からのものなどの、第２のバーナ火炎５８を用いることによって効果的に増加させられるであろう。第２の火炎速度ｖ2は第１の火炎速度ｖ1より大きいことが好ましい。例えば、ガラススートの第１の層４８は、約１２ｍ／ｓ未満、より好ましくは約５ｍ／ｓ未満の第１の火炎速度ｖ1で、約２０ｍｍ未満、より好ましくは約１０ｍｍ未満の厚さまでコアケイン５０上に堆積させてもよい。その後、ガラススートの第２の層５６を、少なくとも約１２ｍ／ｓ、より好ましくは少なくとも約２０ｍ／ｓ、最も好ましくは少なくとも約３０ｍ／ｓの第２の火炎速度ｖ2でガラススートの第１の層４８上に堆積させてもよい。第１のバーナ火炎５４は、第２のバーナ火炎５８による追加のガラスの堆積中に消しても、もしくは第１のバーナ火炎５４を続けてもよい。それぞれ、ガラススートの第１または第２の層、４８または５６いずれの堆積中のコアケイン５０の表面での温度も、約９００Ｋ（６２７℃）を超えず、ガラススートの第１または第２の層いずれの堆積中のガラス標的の表面での温度も約８００Ｋ（５２７℃）を超えないことがより好ましい。第１の層４８上のガラススートの第２の層５６の堆積後、得られたスートプリフォーム６２を、当該技術分野において公知のような従来の乾燥および固結技法にしたがって、スートプリフォームを乾燥させ、固結させることなどによりさらに加工してもよい。例えば、プリフォームを、塩素を含む雰囲気中で熱処理して、スートプリフォーム６２を乾燥させ、その後、スートプリフォーム６２をさらに加熱して、プリフォームを図６に示すような中実の透明なガラスプリフォーム６４に固結させてもよい。その後、固結させた光ファイバプリフォーム６４を従来の方法によって光ファイバ６６に線引きしても、または追加のガラスを、本発明により固結させた光ファイバプリフォーム上に堆積させてもよい。光ファイバプリフォームは、例えば、光ファイバプリフォーム６４が１つ以上のヒータにより加熱されるように光ファイバプリフォーム６４を炉内に配置することによって線引きしてもよい。光ファイバプリフォームの一部分または塊が軟化し垂れる。その後、その塊をプリフォームに繋ぐガラスの糸（光ファイバ）が捕捉され、塊が取り除かれ、光ファイバがプーリーホイール、またはトラクタにより引っぱられ、巻取スプール上に巻きつけられる。
【００２６】
この実施の形態は、速度ｖ1で第１の層を堆積させる第１のバーナ／バーナ火炎および速度ｖ2で第２の層を堆積させる第２のバーナ／バーナ火炎に関して説明したが、この実施の形態を実施するために複数のバーナを用いてもよい。例えば、複数のバーナを用いてガラススートの第１の層を堆積させてもよく、バーナ火炎を生成するバーナの各々は、約１２ｍ／ｓ未満などの遅い火炎速度を有する。この例において、バーナ５２および６０の両方を用いて、第１の層４８を堆積させてもよく、ここで、バーナ火炎５４および５８の各々は、約１２ｍ／ｓ未満の火炎速度を有する。その後、バーナ５２および／またはバーナ６０の内の一方または両方を用いてガラススートの第２の層５６を堆積させてもよく、ここで、バーナ火炎５４および／またはバーナ火炎５８は、約１２ｍ／ｓより大きい火炎速度を有する。代わりの実施の形態において、単独のバーナを用いて、約１２ｍ／ｓ未満の火炎速度ｖ1で第１の層４８を堆積させ、その後、多数のバーナを用いて、約１２ｍ／ｓより大きい火炎速度ｖ2で第２の層５６を堆積させてもよい。
【００２７】
好ましい実施の形態において、バーナ火炎５４の速度ｖ1は、バーナに流れる構成要素の総質量流量を変えることによって変えてもよい。火炎速度は、バーナ火炎への成分の総質量流量を増加させることによって増加させたり、バーナ火炎への成分の総質量流量を減少させることによって減少させたりしてもよい。
【００２８】
本発明を実施するのに用いてもよい例示の外付け溶着（ＯＶＤ）プロセスが、図７に示されており、引用によってその全てをここに含むブランケンシップ(Brankenship)への米国特許第４３１４８３７号明細書に記載されている。以下はＯＶＤを説明しているが、気相軸付け法（ＶＡＤ）を用いてもよいことが理解されよう。図７に示したように、ガラススートの層が、火炎加水分解バーナ５２により実質的に円柱状のコアケイン５０に施される。このコアケインは、略円筒状のプリフォーム６２を蓄積するように、回転され、バーナ５０に関して平行移動させられる。説明目的のために、図７は、光導波路ファイバに線引きできる多孔質スートブランク、またはスートプリフォーム６２の形成に関して説明されているが、本発明は、必ずしも、そのような用途に限定されるものではない。その後、円筒状プリフォーム６２を透明なガラス光ファイバプリフォーム６４に固結し、その特徴が反応生成物成分の組成を反映する光ファイバ６６に線引きされる。
【００２９】
反応生成物中に最終的に含まれる成分は、市販の加圧タンクであってよい貯留槽６８および７０内に保持されている。貯留槽６８，７０には、適切な蒸気流を計量装置に通してバーナまで送るのに十分なレベルで貯留槽内の蒸気圧を維持するのに十分に高く反応体の温度を維持するために、それぞれ、ヒータ７２，７４が設けられている。この目的を達成するための最小の蒸気圧は、一般に、ゲージ圧で４ｐｓｉ（約２８ｋＰａ）である。貯留槽内の最大圧は、以下に説明する質量流量制御装置などの設備の限定によって決定される。各貯留槽内の供給源材料を適切な温度に維持する温度制御装置７６および７８は、市販のユニットから選択してよい。圧力センサ８０および８２は、それぞれ、制御装置７６，７８に制御信号を提供する。したがって、貯留槽の圧力がモニタされ、そのように生成された情報が、ヒータ７２，７４の動作を制御するために用いられる。それぞれ、ライン８８および９０内の適切なバルブ８４および８６は、所望であれば蒸気流についてある程度の制御を行うためにそれぞれの貯留槽に関連付けられており、例えば、システムの保守や貯留槽の交換のために、様々な蒸気の流れを完全に止めることができる。圧力制御バルブ９２および９４が、それぞれ、ライン８８および９０内に設けられており、したがって、貯留槽からのそれぞれの蒸気の流量が制御されるようになっている。
【００３０】
このシステムをより容易に動作させるために、バルブ９２および９４は、電磁的にまたはモータによって制御されるようなタイプのものである。したがって、モータ９６および９８が、バルブに連結されているのが示されており、貯留槽からの蒸気流を所望の様式で変動させられるように制御装置１００および１０２により作動される。質量流量トランスデューサ１０４および１０６が、それぞれ、ライン８８および９０と流動検出関係で配置されている。これらのトランスデューサにより提供される信号は、蒸気の質量流量を制御できるように制御装置に適用される。圧力制御バルブ、モータ、制御装置およびトランスデューサの各組合せ、例えば、参照番号９２，９６，１００および１０４により示されるそれらの要素の組合せが、質量流動制御装置と称される。そのような制御装置は従来、流体流動システムに見られ、様々な適切なタイプの制御装置が容易に入手できる。制御装置１００，１０２の各々は、各制御装置に適切な制御信号を提供するようにプログラムされたマイクロプロセッサまたはコンピュータを備えるであろうシステム制御ユニット１０６に連結された設定点入力端末を有する。
【００３１】
ライン８８および９０から流れる蒸気は、バーナ５２に連結されたライン１０８内で組み合わされる。蒸気供給ライン８８，９０および１０８は、少なくとも、貯留槽６８および７０が加熱される最高温度ほど高い温度まで加熱されなければならない。酸素を供給源１１０からライン１０８中に導入してもよい。酸素流の流量は、バルブ１１２、モータ１１４、制御装置１１６およびトランスデューサ１１８を含む質量流量制御装置により制御される。酸素の流量が、適量の酸素がシステム中に導入されるように蒸気成分の流量の関数として制御されることが好ましい。
【００３２】
バーナ５２の火炎中に形成されるスートを構成する様々な酸化物を形成するために酸素が必要であるが、そのような酸素をバーナで提供してもよい。バーナ５２の部分断面図が図８に示されている。バーナ面４４の中央に位置するオリフィス１２０が、オリフィス１２２，１２４および１２６の同心環により囲まれている。反応体蒸気がオリフィス１２０から放射され、ここで、それらの蒸気は、オリフィス１２２から放射された燃料ガスと酸素により生じた火炎からの熱に曝される。内側シールドと称される酸素流がオリフィス１２４から放射される。この酸素流は、バーナ面での反応体化合物の反応を防ぐ。最後に、外側シールドと称される酸素流がオリフィス１２６から放射される。バーナ５２の全てのオリフィスはマニホールドにより供給できる。
【００３３】
再度、図７を参照する。ライン１２８によってバーナ５２に供給される燃料ガスと酸素は、バーナから発せられ、着火される。追加の酸素をライン１３０によって供給してもよい。ライン１０８により供給された反応体蒸気は、火炎中で反応して、ガラススートを形成し、このスートはプリフォーム６２に向けられる。マトリクスガラス前駆体およびドーパント材料が予め組み合わされる塩素または他の物質は、それらの材料から分離され、炭化水素燃料からの水素と結合して、塩化水素酸を形成する。もちろん、反応の特定の性質は、存在する成分および本発明の特定の用途に依存する。そのような反応自体は、本発明の部分を形成せず、本発明の論旨から逸脱せずに、ここに開示した成分以外の成分を用いてもよい。さらに、例えば、気相軸付け法（ＶＡＤ）またはマトリクスガラス前駆体およびドーパント材料を基体に運ぶ他の機構のための装置などのさらに他の堆積装置を、本発明に使用するために選択してもよい。この説明において、キャリヤガスとしての酸素が存在しない場合、燃料の燃焼に必要とされる化学量論量に加えて追加の酸素を、例えば、図７に関して説明した様式で、バーナに供給してもよい。
【００３４】
例えば、ＳｉＯ2およびＧｅＯ2を含む光導波路ファイバの形成に図示したシステムを採用するために、貯留槽６８，７０は、それぞれ、ＳｉＣｌ4およびＧｅＣｌ4を含むであろう。もちろん、蒸気形態で供給できる多くの他のガラス形成反応体を用いてもよく、ガラス形成反応体の各々は、その独自の貯留槽内に収容され、その独自の質量流量制御装置により制御されるであろう。温度制御装置７６，７８は、それぞれの貯留槽内の蒸気圧が、それら蒸気を質量流量制御装置に通してバーナに供給できるほど十分に高いように調節される。
【００３５】
バルブ８４および８６が開かれ、システム制御装置１０６が、バルブ９２および９４が所望の量の蒸気をバーナ５２に通過させるように適切な設定点信号を質量流量制御装置に提供する。適切に計量された酸素流も反応体蒸気と共にバーナ中に導入される。これらの蒸気は火炎中で酸素と反応してスートを形成し、このスートはコアケイン５０の表面上に堆積される。次いで、スートプリフォームを加熱し、モノリスのガラス質ブランク６４に固結してもよく、このブランクは、従来の様式で光導波路６６に線引きできる。
【００３６】
導波路構造体の屈折率を半径方向に変えるために、ブランクの形成中に所定の様式で様々な成分の比率を変化させてもよい。したがって、システム制御装置１０６に、ドーパントの量または種類が変更されるように所定の時期に質量流量制御装置の様々なものに命令信号を発せさせてもよい。通常は、その変化は、プリフォームの半径が増加するにつれて、最終的なガラス製品の屈折率が減少するようなものである。したがって、流動制御バルブ９２および９４は、その中を通る反応体蒸気の流れを適切に調節する。
【００３７】
開示されたタイプの蒸気供給システムは、非常に高い精度で、反応体蒸気を堆積装置に供給することができる。貯留槽中の液体の温度と圧力の精密な制御は必要ない。蒸気を質量流量制御装置に通してバーナに運べるようにその中の圧力を十分に高く維持することだけが必要である。
【００３８】
先の説明はたった１つのバーナしか含んでいなかったが、堆積プロセス中に多数のバーナを用いてもよいことが、当業者には理解されよう。前に蒸気供給システムを説明したが、例えば、液体供給システムなどの他の供給システムを用いてもよいことが理解されるであろう。
【００３９】
前記実施の形態によれば、ガラススートの第１の層４８は、第１の総質量流量ｍ1で、前出のＯＶＤ法などによってコアケイン５０上に堆積される。一般に、コアケイン５０はコアガラスを構成する。あるいは、コアケイン５０は、コアガラスと、最終的な光ファイバに含まれるであろうクラッドガラスの少なくとも一部分の両方を構成してもよい。ガラススートの第１の層４８はコアガラススートを含んでも、またはガラススートの第１の層は、コアケインの組成と所望のプリフォームの設計に応じて、クラッドガラススートを含んでもよい。ガラススートの第１の層４８の堆積中のコアケインの表面温度は、好ましくは約９００Ｋ（６２７℃）未満、より好ましくは約８００Ｋ（５２７℃）未満である。ガラススートの第１の層４８は、好ましくは少なくとも約５ｍｍ、より好ましくは少なくとも約７ｍｍ、さらにより好ましくは少なくとも約１０ｍｍの厚さｔを有する。ガラススートの第１の層４８は、約２０ｍｍ以下の厚さｔを有することが好ましい。第１の総質量流量ｍ1は、ガラススートの第１の層４８の堆積中に一定に維持されることが好ましい。ガラススートの第１の層４８が所定の厚さに到達したときに、総流量を変え、ガラススートの第２の層５６を、第２の総質量流量ｍ2でガラススートの第１の層４８上に堆積させる。第２の総質量流量ｍ2は、第１の総質量流量ｍ1よりも大きいことが好ましい。火炎の化学量論は、総質量流量が変えられるときに変更されないことが望ましい。すなわち、バーナ火炎に流されている構成要素の比は、総質量流量を第１の総質量流量ｍ1から第２の総質量流量ｍ2へと変える間に一定に維持されることが好ましい。
【００４０】
別の実施の形態において、ガラススートの第１の層４８の堆積中に、総質量流量が変えられる。ガラススートの第１の層の断熱特性はその厚さが増加するにつれて増加するので、ガラススートの第１の層４８の厚さｔが増加するにつれて、バーナ５２の火炎速度を増加させてもよい。質量流量は、ガラススートの第１の層４８の厚さｔの比例して、ガラススートの第１の層４８の堆積中に連続的に増加させられることが好ましく、段階的な増加、または他の形態の増加が可能であり、本発明の範囲に含まれる。ガラススートの第１の層４８は、好ましくは少なくとも約５ｍｍ、より好ましくは少なくとも約７ｍｍ、さらにより好ましくは少なくとも約１０ｍｍの厚さｔを有する。ガラススートの第１の層４８は、約２０ｍｍ以下の厚さを有することが好ましい。
【００４１】
ガラススートの第１の層４８を堆積させた後、ガラススートの堆積速度を増加させるために、ガラススートの第１の層４８の上のガラススートの第２の層５６の堆積中の最大総質量流量ｍ2が、ガラススートの第１の層４８の堆積中のバーナ５２に流動する反応体の最大総質量流量ｍ1よりも大きくなるように、バーナへと流動する反応体の総質量流量を増加させてもよい。ガラススートの第２の層５６は、追加のコアガラススートであっても、クラッドガラススートであってもよい。ガラススートの追加の層を、製造すべき光ファイバの設計により、必要に応じて堆積させてもよい。ガラススートの第１の層を一旦堆積させたら、コアケインおよびガラススートの１つ以上の層を含む光ファイバプリフォームを、従来の方法によって乾燥させ、固結させて、中実の透明なガラスの光ファイバプリフォーム６４を形成してもよい。例えば、最初に、光ファイバプリフォーム６２を、塩素などの適切な乾燥ガスの存在下で加熱して、多孔質ガラススートから水を除去し、その後、光ファイバプリフォーム６２をさらに加熱して、光ファイバプリフォームを中実で透明なガラスの光ファイバプリフォーム６４に焼結または固結してもよい。本発明にしたがって製造された固結済み光ファイバプリフォーム６４は、コアケインと第１の層の間の界面で約０．１質量ｐｐｍ未満のＯＨを含むことが好ましい。その後、得られた固結済み光ファイバプリフォーム６４を従来の線引き法によって線引きして、光ファイバ６６を形成してもよい。線引きプロセスは、小規模であるが、コアケインと第１の層の間の界面がまだ確認できるほどプリフォームの構造を維持する。プリフォーム６４から線引きされた光ファイバは、コアケインと第１の層の間の界面で約０．１質量ｐｐｍ未満のＯＨを含むことが好ましい。
【実施例】
【００４２】
コアガラスを構成するガラスコアケインをガラス形成旋盤内に配置し、４８０ｒｐｍの速度で回転させる。単独のバーナに、９．１８７標準リットル毎分（ＳＬＰＭ）の流量でＣＨ4を、３．７６８ＳＬＰＭの流量でＳｉＣｌ4を、４．８５１ＳＬＰＭの流量で第１組のバーナノズルに通してＯ2を、９．０２２ＳＬＰＭの流量で第２組のバーナノズルに通してＯ2を、８．５４４ＳＬＰＭの流量で第３組のバーナノズルに通してＯ2を、７．１４５ＳＬＰＭの流量で第４組のバーナノズルに通してＯ2を供給した。バーナへの総流量は４２．５１７ＳＬＰＭであった。計算した火炎速度は１０．９ｍ／ｓであった。単独のバーナとコアケインとの間の相対的な移動速度は、コアケインの縦軸に対して平行な第１の方向において７．１４８ｃｍ／ｓであり、第２の逆方向において約４５ｃｍ／ｓであった。ガラススートの第１の層をガラス標的ロッド上に堆積させた。ガラススートの第１の層の厚さは、約１０ｍｍであった。次いで、ガラススートの第２の層をガラススートの第１の層上に堆積させた。厚さが３０．４２ｍｍのガラススートの第２の層は、１３．１１２ｍ／ｓのバーナの火炎速度および５１．１４ＳＬＰＭの平均総質量流量で堆積させた。プリフォームとバーナとの間の相対移動速度は、ガラススートの第１の層の堆積中に移動速度と一致するように維持した。コアケインおよびガラススートの第１と第２の層を含む、このように得られたスートプリフォームを、従来の技法にしたがって、乾燥させ、固結させ、固結済みプリフォームを半径方向にセグメント化し、ＦＴＩＲを用いて半径の関数としてＯＨ濃度を測定することによって、ＯＨ濃度について分析した。固結済みプリフォームは、ケインと第１の層との界面で０．０９２質量ｐｐｍのピークＯＨ濃度を示した。
【００４３】
ガラススートの第１の層の堆積中のより速い移動速度の影響を評価するために、第１のコアケインと実質的に同じ直径を持ち、コアガラスを構成する第２のコアケインをガラス形成旋盤内に配置し、４８０ｒｐｍの速度で回転させた。単独のバーナに、２０．０４１ＳＬＰＭの流量でＣＨ4を、３．７６８ＳＬＰＭの流量でＳｉＣｌ4を、４．８５１ＳＬＰＭの流量で第１組のバーナノズルに通してＯ2を、９．０２２ＳＬＰＭの流量で第２組のバーナノズルに通してＯ2を、１８．６４９ＳＬＰＭの流量で第３組のバーナノズルに通してＯ2を、７．１４５ＳＬＰＭの流量で第４組のバーナノズルに通してＯ2を供給した。バーナへの総流量は６３．４７９ＳＬＰＭであった。計算した火炎速度は１６．２７３ｍ／ｓであった。単独のバーナとコアケインとの間の相対的な移動速度は、コアケインの縦軸に対して平行な第１の方向において７．１４８ｃｍ／ｓであり、第２の逆方向において約４５ｃｍ／ｓであった。ガラススートの第１の層をガラス標的ロッド上に堆積させた。ガラススートの第１の層をコアケイン上に堆積させた。ガラススートの第１の層の厚さは、約１０ｍｍであった。次いで、ガラススートの第２の層をガラススートの第１の層上に堆積させた。厚さが２１．０４ｍｍのガラススートの第２の層は、１４．９７６ｍ／ｓのバーナの火炎速度および５８．４２ＳＬＰＭの平均総質量流量で堆積させた。プリフォームとバーナとの間の相対移動速度は、ガラススートの第１の層の堆積中に移動速度と一致するように維持した。コアケインおよびガラススートの第１と第２の層を含む、このように得られたスートプリフォームを、従来の技法にしたがって、乾燥させ、固結させ、固結済みプリフォームを半径方向にセグメント化し、ＦＴＩＲを用いて半径の関数としてＯＨ濃度を測定することによって、ＯＨ濃度について分析した。固結済みプリフォームは、ケインと第１の層との界面で１．０８９質量ｐｐｍのピークＯＨ濃度を示した。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】４つの異なるバーナ火炎速度に関する時間の関数としてしの計算されたコアケインとスートの界面での温度のグラフ
【図２】図１の界面の温度に対応する４つの異なるバーナ火炎速度に関する時間の関数としての計算されたスートプリフォームの表面温度のグラフ
【図３】図１および２に対応する４つの異なるバーナ火炎速度に関する半径の関数としての計算された質量ｐｐｍのＯＨ濃度のグラフ
【図４】ノズルの同心環を示す例示のスート堆積バーナ面の平面図
【図５】ガラス標的上にスートを堆積させる方法を示す断面図
【図６】固結された光ファイバプリフォームから線引きされている光ファイバを示す断面図
【図７】外付け溶着によりガラススートを堆積させるための従来の装置の概略図
【図８】ガラススート堆積させるためのバーナの一部分の縦断面図
【符号の説明】
【００４５】
４４    バーナ面
４６    ノズル
４８    ガラススートの第１の層
５０    光ファイバコアケイン
５２    第１のスート堆積バーナ
５４    第１のバーナ火炎
５６    ガラススートの第２の層
５８    第２のバーナ火炎
６０    第２のスート堆積バーナ
６２    スートプリフォーム
６４    光ファイバプリフォーム
６６    光ファイバ
６８，７０    貯留槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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