JP2005539348A - プラズマキャビティ内に電磁マイクロ波放射を適用する装置 - Google Patents

Abstract

この発明は、使用時に、プラズマキャビティ内に電磁マイクロ波放射を適用する装置に関する。このプラズマキャビティは、ハウジング内に存在し、第１の軸の周りに実質的に円対称であり、かつ円周スリットを設けた円筒壁を具える。このプラズマキャビティは、前記スリットを介して、長軸方向に延在する第２の軸を有する細長マイクロ波導波路の第１の端部と連通している。前記装置は、使用時には、前記マイクロ波導波路の他方の端部を介して、マイクロ波発生手段と連通しており、発生した電磁マイクロ波放射は複数のモードを含む。この発明の目的は、前記の有利な幾何学特性を有する安定したプラズマを発生及び維持することができ、かつ、構造上の寸法に関していかなる制限も有しないマイクロ波アプリケータを提供することにある。この目的を達成するため、マイクロ波アプリケータは、該装置が、使用時にスリット内にマイクロ波放射を発生する手段を具え、該マイクロ波放射が、伝搬方向に垂直な少なくとも１つの方向において１つのみの電磁場分布を有することを特徴とする。電磁マイクロ波放射の場分布特性はもはや未知で予測不能な要因を構成しないので、前記の方向において所望の幾何学特性を有するより安定したプラズマがプラズマキャビティ内に発生する。

Description

この発明は、使用時に、プラズマキャビティ内に電磁マイクロ波放射を適用する装置に関する。このプラズマキャビティは、ハウジング内に存在し、第１の軸の周りに実質的に円対称であり、かつ円周スリットを設けた円筒壁を具える。このプラズマキャビティは、前記スリットを介して、長軸方向に延在する第２の軸を有する細長マイクロ波導波路の第１の端部と連通している。前記装置は、使用時には、前記マイクロ波導波路の他方の端部を介して、マイクロ波発生手段と連通しており、発生した電磁マイクロ波放射は複数のモードを含む。

また、この発明は、プラズマ化学気相成長法を用いて、この発明に従う装置のプラズマキャビティ内に配置された中空ガラス管の内壁に１層以上のガラス層を堆積させる装置にも関する。

さらにまた、この発明は、プラズマ化学気相成長法を用いて、この発明に従う装置のプラズマキャビティ内に配置された中空ガラス管の内壁に１層以上のガラス層を堆積させる方法にも関する。

かかる装置は、技術用語ではマイクロ波アプリケータと呼ばれ、スリットはラジアル導波ダクトと呼ばれるが、これを、特にｓｕｆｒａ導波路又はｓｕｆｒａｔｏｎと共に用いてプラズマキャビティ内にプラズマを発生することができる。前記のマイクロ波アプリケータの他の実用的用途は、本出願人による国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ９８／０７７９８（特許文献１）に開示されている。

特許文献１は、マイクロ波アプリケータのプラズマキャビティ内に中空円筒ガラス管を収容したＰＣＶＤ（プラズマ化学気相成長）装置を示しており、この管を通して例えばＯ_２、ＳｉＣｌ_４及びＧｅＣｌ_２を含むガス混合物が流れる。マイクロ波アプリケータによりスリット内に適用されたマイクロ波放射は、中空ガラス管内で局所的にプラズマを発生する。ガラス管に対して前後に−可能であれば同時の管を回転しながら−マイクロ波アプリケータを動かすことにより、組成の相違に関係なく、プラズマを用いて円筒状ガラス管の内側にガラス層を堆積することができる。このようにして、その内側に堆積した１層以上のガラス層を有する、いわゆる中空プリフォームが得られる。プリフォームは多量のロッドを得るために折り畳み処理を受け、次いでこれらのロッドから光ファイバが引き延ばされる。この光ファイバは、例えば通信目的を意図する。

ＰＣＶＤ用途において、使用される、又はスリットに適用されるマイクロ波放射は、８９０ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚの周波数を有し、複数のいわゆるモードを具えることができる。ここで用いられる「モード」なる用語は、ラジアル伝搬方向における伝搬モードと、カットオフされたモードとを意味するものであるとする。伝搬モードは、ラジアル伝搬方向に垂直な双方の方向における電界内に多数のゼロ軸交差を含む。

ラジアル波スリットの幅が使用するマイクロ波放射の波長の半分に満たない場合には、ラジアル波スリットの内周が使用するマイクロ波放射の波長以下の長さであると１つのみの伝搬モードが生じ、一方、ラジアル波スリットの内周が使用するマイクロ波放射の１〜２波長の長さであると３つの伝搬モードが生じる。

現在の用途では、スリット（ラジアル導波ダクト）に適用されるマイクロ波放射が何れのモードを含むかを決めることは非常に困難である。プラズマキャビティ又はラジアル導波ダクト内に適用されたマイクロ波放射が複数のモードを含む場合には、プラズマキャビティ内に発生するプラズマの幾何学特性はあまり正確には分からないであろう。第１軸に対して回転の方向に見て、前記のモードが同一の電磁気場分布を示す場合には、適用したマイクロ波放射及び発生したプラズマの前記回転の方向における幾何学特性を明確に定義できるであろう。前記プラズマ特性は、特にモードの励起比に依存し、環境（温度、圧力等）の微小な変化が異なる励起比を招く結果、プラズマの幾何学特性を変化させ得る。これらの全てがプラズマの望ましくない幾何学特性を招き、また、特にプラズマを不安定にしたり、完全に消滅させたりし得る。

特にＰＣＶＤ用途の場合には、かかる現象は中空ガラス管の内側に堆積するガラス層の組成及び構造に影響を及ぼすとともに、このようにして得られたプリフォームから引き延ばされた光ファイバの最終品質にも影響を及ぼす。

プラズマキャビティ内に適用されたマイクロ波放射のモードの問題及び発生したプラズマの予測不能な特性に対する１つの解法は、複数のモードの発生を防止するために、内周を使用するマイクロ波放射の波長以下としたラジアル導波ダクトの最大許容内径に見出すことができる。しかし、前記の構造上の最大寸法は、この場合には製造すべきプリフォームの最大許容外径も制限するとともに、プリフォームから引き延ばされる光ファイバの長さも制限することとなる。

国際公開第９９／３５３０４号パンフレット

この発明の目的は、上記の問題を防ぐこと、及び、前記の有利な幾何学特性を有する安定したプラズマを発生及び維持することができ、かつ、構造上の寸法に関していかなる制限も有しないマイクロ波アプリケータを提供することにある。

この目的を達成するため、この発明に従うマイクロ波アプリケータは、該装置が、使用時にスリット内にマイクロ波放射を発生する手段を具え、該マイクロ波放射が、伝搬方向に垂直な少なくとも１つの方向において１つのみの電磁場分布を有することを特徴とする。電磁マイクロ波放射の場分布特性はもはや未知で予測不能な要因を構成しないので、前記の方向において所望の幾何学特性を有するより安定したプラズマがプラズマキャビティ内に発生する。

具体的実施態様において、スリット内のマイクロ波放射は１つのモードのみを含む。スリット内に１つのみのモードが存在するので、安定したプラズマを生じる。したがって、マイクロ波アプリケータがより広範な用途の範囲を有するのみならず、特にＰＣＶＤ用途の場合において、中空ガラス管の内側へのガラス層の堆積をより良く制御することが可能となるので、最終的には、このようにして得られたプリフォームからより高品質の光ファイバを引き延ばすことができる。

これに加えて、マイクロ波アプリケータの使用は、構造上の寸法によってはもはや制限されず、この結果、特にプラズマキャビティの寸法を増大させることができる。このため、ＰＣＶＤ用との場合には、より大きな径のプリフォームを加工及び得ることができる。

より具体的には、第１の軸に対する回転の方向又は第１の軸と平行な方向に見て、マイクロ波放射は１つのみの固有電磁場分布を有する。これに加えて、２つの軸が装置に対して対称な平面を形成し、装置の対称面に対してマイクロ波放射の方向を合わせることができる。

具体的実施態様において、前記手段がマイクロ波導波路の一部を形成する。

この発明に従う装置の具体的実施態様において、マイクロ波導波路はそのために長方形断面であり、マイクロ波導波路の短壁は対称面に垂直に延在する。対称の観点から、マイクロ波アプリケータのこの構成が多数のモードを直接的に排除し、１つのモードのマイクロ波放射のみを通過すると思われる。

他の実施態様において、マイクロ波導波路は円形断面又は正方形断面である。

全ての実施態様が、対称面内に配置された金属隔壁を具え、この隔壁がマイクロ波導波路を２つのチャンバに分割してもよい。１つのモードのみを含むマイクロ波放射は通過するが、他のモードは排除されるという事実は、これらの実施態様においても効果的であることが証明されている。

１つのモードのみを含むマイクロ波放射がプラズマキャビティ内に生じる他の実施態様は、この発明に従えば、マイクロ波導波路が、第２の軸に沿って延在するロッド部と該ロッド部の周りに延在する円対称ガイド管とを含む同軸ガイドであることを特徴とする。

具体的実施態様において、プラズマキャビティの対称制御を得るために、マイクロ波導波路は、その第１端付近で、ハウジング内に存在する供給ガイドと同数に分割し、スリット内で終端する。

プラズマキャビティの同時励起を得るために、ｎ∈｛０，１，２，・・・｝、λ_ｇをマイクロ波導波路内のマイクロ波放射の波長として、２つの供給導波路を通って伝搬するマイクロ波放射の経路間の長さの違いをｎ・１／２・λ_ｇに等しくする。具体的で単純で安価な構成において、供給ガイドを対称面に対して対称に配置する。

より具体的には、各供給ガイドが、ハウジング内で第１の軸に平行に延在し、スリット内で終端する同軸穴を具える。同軸穴の円筒壁はスリットの円筒外壁と一致することができる。

この発明に従う装置の好適で機能的な実施態様において、円筒壁内のスリットは、円周の一部又はその全周に沿って延在する。

また、この発明は、プラズマ化学気相成長法を用いて、少なくとも１層の珪素を、この発明に従う装置のプラズマキャビティ内に配置された中空ガラス管の内側に堆積するための装置に関する。

添付の図面を参照して、この発明をより詳細に説明する。

図１Ａ〜１Ｃに、この発明に従うマイクロ波アプリケータの第１実施態様を示す。

マイクロ波アプリケータは、ハウジング１を具え、その内部にプラズマキャビティ２が存在し、プラズマキャビティ２は第１対称軸４の周りに円対称である。プラズマキャビティ２は円筒壁３を有し、この円筒壁３には、この実施態様においては全周に沿ったスリット５が設けられており、スリットはラジアル導波ダクトとしての役目を果たす。

ハウジング１は、ラジアル導波ダクト５が導波路７と連通するように、細長導波路７の第１の側６ａに接続されている。導波路７は長手方向に延在する軸８を有する。

プラズマ化学気相成長の場合には、円筒形の、細長プラズマキャビティ２内に中空円筒ガラス管を収容することができる。この管に、例えばＯ_２、ＳｉＣｌ_４及びＧｅＣｌ_２を含むガス状混合物を流すことができる。

細長導波路７は他方の端部６ｂをマイクロ波発生手段（図示せず。）に接続しているので、電磁マイクロ波放射を、細長導波路７及びラジアル導波ダクト５を介してプラズマキャビティ２内に適用することができる。このプラズマキャビティにおいて、プラズマは中空ガラス管内に発生する。ガラス管に対して前後に−可能であれば同時の管を回転しながら−マイクロ波アプリケータを動かすことにより、組成の相違に関係なく、前記プラズマを用いて円筒状ガラス管の内側にガラス層を堆積することができる。このようにして、その内側に堆積した１層以上のガラス層を有する、いわゆる中空プリフォームが得られる。プリフォームは多量のロッドを得るために折り畳み処理を受け、次いでこれらのロッドから光ファイバが引き延ばされる。この光ファイバは、例えば通信目的を意図する。

電磁マイクロ波放射は、付随する種々の電磁場分布を有する種々のモードを含み得るので、プラズマキャビティ２内に発生するプラズマの幾何学特性は正確には分からない。望ましくは、特にＰＣＶＤ用途の場合には、プラズマキャビティ２内で発生するプラズマは、中空円筒ガラス管の内側へのガラス層の堆積に好適な条件を作り出すために、所望の程度にまで回転対称であるだけでなく、同時に安定でもある。

プラズマキャビティ２内に発生したプラズマは、特に環境（温度、圧力等）の微小な変化によって、不安定となったり、完全に消滅したりさえし得る。

この発明によれば、プラズマキャビティ２内に所望の幾何学特性を有する安定したプラズマを発生させるために、マイクロ波放射をスリット内で発生させる。このマイクロ波放射は、伝搬方向に垂直な一方向において、１つのみの特定電磁場分布を有する。

図１Ａ及び１Ｂに示す実施態様において、細長導波路７は、この目的のため、短壁１０ａ及び長壁１０ｂを有する長方形状である。プラズマキャビティ２内に、予め分かっている特定のモードを含むマイクロ波放射を得るために、この実施態様では、短側面１０ａが装置の対称面９に垂直に延在する。この対称面９は、導波路７の長軸８とプラズマキャビティ２の円筒軸４によって形成される。２つの軸４及び８により画定される対称面９は、装置全体の対称面としての役割を果たす。

少なくとも伝搬方向に垂直な一方向においてプラズマキャビティ２内のマイクロ波放射が１つのみの電磁場を含むような方法で、細長導波路７の長方形構成及び全装置の対称面９に対する向きが細長導波路７を介して伝搬するマイクロ波放射の方向を合わせる。

かかる導波路７の他の実施態様を図１Ｃに示す。図中、導波路は、側面１０ａを同一の長さとした正方形断面で示されている。この実施例においても同様に、１つのみの電磁場有するマイクロ波放射がプラズマキャビティ２内に発生するような方法で、導波路７を通って伝搬するマイクロ波放射の方向を合わせるため、金属隔壁７ａを用いて細長導波路７を２つの部分に分け、金属隔壁７ａを、装置の対称面９内に正確に配置する。金属隔壁７ａは、導波路７を通って伝搬するマイクロ波放射の電気バリアとしての役目を果たし、次いで、プラズマキャビティ２内の放射が、少なくとも伝搬方向に垂直な１つの方向において１つのみの電磁場分布を有するような方法で、前記マイクロ波放射の方向を合わせる。

図２Ａ及び２Ｂは、この発明に従うマイクロ波アプリケータの他の実施態様を示す。図中、長方形又は正方形導波路７の代わりに同軸導波路を用いる。このため、対称軸８の周りに延在する円筒対称ガイド管をマイクロ波導波路として用いる。この場合、ロッド部１１を対称軸８内及びこれに沿って配置する。

第１端６ａ（導波路７とハウジング１又はプラズマキャビティ２の間の移行）付近で、同軸導波路がハウジング１内に配置された２つの供給ガイド１４ａ及び１４ｂに分離し、これらはハウジング１内の対称面９に関して対称に配置されることが好ましい。各供給ガイド１４ａ、１４ｂは、それぞれ細長ロッド部１６ａ、１６ｂを含むガイド管１５ａ、１５ｂをそれぞれ具える同軸穴１７ａ、１７ｂをそれぞれ具える。２つの穴１７ａ及び１７ｂは軸４に対して平行であると同時に互いに平行であり、図２Ｂに示すように、ラジアル導波ダクト５ないで終端する。ラジアル導波ダクト５の対称制御を達成して、プラズマキャビティ２内に均一で対称なプラズマを発生させるために、各同軸穴１７ａ、１７ｂの円筒壁１５ｃが、ラジアル導波ダクト５の円筒外壁５ａ（図２Ｂ参照）と一致する。

この実施態様において、２つのチョーク１３ａ及び１３ｂをさらにハウジング１内に配置することができる。このチョークは、ラジアル導波ダクト５の両側に位置する。ラジアル導波ダクト５の両側にチョークを使用することには多数の利点がある。中でも、円筒軸４に平行な方向に発生したプラズマをより効果的に閉じ込め、プラズマキャビティ２から外部へのマイクロ波放射の漏洩を減らし、したがって、オペレータに対する健康危害を低減する。

他の実施態様を図３に示す。図中、導波路７は円筒断面である。この実施態様でも同様に１つのみの特定電磁場分布を有するマイクロ波放射を発生するために、図１Ｃの実施態様と同様に、円筒導波路７を２つの部分に分割する金属隔壁１８を用いて、円筒導波路を分割する。この実施態様において導波路７を介して伝搬する電磁マイクロ波放射に対する電気バリアとしての役割を果たす金属隔壁１８は、プラズマキャビティ２内で軸８及び軸４によって画定されるように対称面９内に位置する。

図２Ａ及び２Ｂに示した実施態様に従うマイクロ波導波路を２つの供給ガイド１４ａ及び１４ｂに分割することのみを説明したが、この技術的特徴は、図１Ａ〜１Ｃ及び図３に示すような、長方形、正方形及び円筒形のマイクロ波導波路等の任意の種類のマイクロ波導波路に問題なく用いることができる。図２Ａ及び２Ｂのマイクロ波導波路をさらに２つの供給ガイドに分割するが、マイクロ波アプリケータは、マイクロ波導波路を供給ガイドと同数に分割することによって延長することができる。この供給ガイドは全てスリット（ラジアル導波ダクト）内で終端する。

さらに、楕円形マイクロ波導波路を、ここで説明した１つ以上の実施態様に、問題なく使用することができる。

図４Ａ及び４Ｂは、この発明に従うマイクロ波アプリケータの他の実施態様を示す。この実施態様は図１Ａ〜１Ｃの実施態様と大部分が対応しているので、図面を理解しやすくするために、類似の部品を同一の参照番号で表す。

このマイクロ波アプリケータも、ハウジング１を具え、その内部にプラズマキャビティ２が存在し、プラズマキャビティ２は第１対称軸４の周りに円対称である。プラズマキャビティ２は円筒壁３を有し、この円筒壁３には、この実施態様においては全周に沿っては延在しないスリット５が設けられており、スリットはラジアル導波ダクトとしての役目を果たす。

一方、円形スリット５は少なくとも一箇所で中断されている。この実施態様では２箇所で中断されており、それは２０ａ及び２０ｂで示されている。円周対称プラズマキャビティ２の壁が正常に連続している前記の位置２０ａ及び２０ｂは、対称面９内に位置しており、この発明に従う装置が正常に機能できるようにする。

Ａ〜Ｃは、この発明に従うマイクロ波アプリケータの第１及び第２実施態様を示す。 この発明に従うマイクロ波アプリケータの他の実施態様を示す。 この発明に従うマイクロ波アプリケータの他の実施態様を示す。 Ａ〜Ｂは、この発明に従うマイクロ波アプリケータのさらに他の実施態様を示す。

Claims (19)

1. 使用時に、プラズマキャビティ内に電磁マイクロ波放射を適用する装置であり、該プラズマキャビティが、ハウジング内に存在し、第１の軸の周りに実質的に円対称であり、かつ円周スリットを設けた円筒壁を具え、前記プラズマキャビティが、前記スリットを介して、長軸方向に延在する第２の軸を有する細長マイクロ波導波路の第１の端部と連通しており、前記装置が、使用時には、前記マイクロ波導波路の他方の端部を介してマイクロ波発生手段と連通しており、発生するマイクロ波放射が複数のモードを含み得る装置において、
   該装置が、使用時にスリット内にマイクロ波放射を発生する手段を具え、該マイクロ波放射が、少なくとも伝搬方向に垂直な１つの方向において１つのみの電磁場分布を有することを特徴とする装置。
2. 第１の軸に対する回転方向に見て、マイクロ波放射が１つのみの固有電磁場分布を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 第１の軸に平行な方向に見て、マイクロ波放射が１つのみの固有電磁場分布を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. ２つの軸が装置に対して対称な平面を形成し、この対称面に対してマイクロ波放射の方向を合わせることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記手段がマイクロ波導波路の一部を形成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. マイクロ波導波路がそのために長方形断面であり、マイクロ波導波路の短壁が対称面に垂直に延在することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. マイクロ波導波路が円形断面であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
8. マイクロ波導波路が正方形断面であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
9. 金属隔壁が対称面内に配置されており、この隔壁がマイクロ波導波路を２つのチャンバに分割することを特徴とする、請求項６、７又は８に記載の装置。
10. マイクロ波導波路が、第２の軸に沿って延在するロッド部と該ロッド部の周りに延在する円対称ガイド管を含む同軸ガイドであることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
11. マイクロ波導波路が、第１端付近で、ハウジング内に存在する供給ガイドと同数に分割し、スリット内で終端することを特徴とする、請求項５〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. ｎ∈｛０，１，２，・・・｝、λ_ｇをマイクロ波導波路内のマイクロ波放射の波長として、２つの供給ガイドを通って伝搬するマイクロ波放射の経路間の長さの違いをｎ・１／２・λ_ｇに等しくすることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 供給ガイドが対称面に対して対称に配置されることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の装置。
14. 各供給ガイドが、ハウジング内で第１の軸に平行に延在し、スリット内で終端する同軸穴を具えることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の装置。
15. 同軸穴の円筒壁はスリットの円筒壁と一致することを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
16. 前記スリットが円筒壁の円周の一部に沿って延在することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 前記スリットが円筒壁の全円周に沿って延在することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。
18. プラズマ化学気相成長法を用いて、１層以上のガラス層を、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置のプラズマキャビティ内に配置された中空ガラス管の内側に堆積する装置。
19. プラズマ化学気相成長法を用いて、１層以上のガラス層を、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置のプラズマキャビティ内に配置された中空ガラス管の内側に堆積する方法。

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