JP2007332460A - プラズマ化学蒸着（ｐｃｖｄ）プロセスを実行するための装置および光ファイバを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高蒸着速度を達成するために高いマイクロ波電力レベルを用いることを可能にするプラズマ化学蒸着（ＰＣＶＤ）プロセスを実行するための装置を提供すること。
【解決手段】本発明はプラズマ化学蒸着プロセスを実行するための装置に関し、これによって、ドープシリカまたは非ドープシリカの１つまたは複数の層が細長いガラス基体管の内部に蒸着され得る。本発明は、そのような装置によって光ファイバを製造するための方法にさらに関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドープシリカまたは非ドープシリカの１つまたは複数の層がそれによって細長いガラス基体管の内部に蒸着されるプラズマ化学蒸着を実行するための装置に関し、この装置は、円筒軸の周りに実質的に円筒状に対称に形成された共振空胴内に突き出る細長いマイクロ波導波路を備え、この軸に沿って基体管が配置される。前記共振空胴は、実質的に環状であり、内側円筒壁および外側円筒壁を有し、前記内側円筒壁は、前記円筒軸の周りに完全な円を描いて延びるスリットを備える。前記マイクロ波導波路は、同軸導波路を形成するように前記円筒軸に対して実質的に垂直に延びる長手方向軸と供給導波路を形成するように前記長手方向軸に対してある角度で延びる軸とを有する。この同軸導波路内で、アンテナが長手方向軸に沿って移動可能である。

本発明は、そのような装置によって光ファイバを製造するための方法にさらに関する。

米国特許第５２２３３０８号から、細長い中空管が連続的に移動されるスペース内で強いマイクロ波エネルギーの電磁界を発生させるために方形のマイクロ波導波路が使用されるマイクロ波発生装置を備える蒸着装置が知られている。そのような管は、例えばナイロン材料の合成樹脂で形成され、酸化シリコン、窒化シリコンまたはシリコンオキシカーバイドの被覆が、前述の装置によって施される。これらの管は、自動車の水冷式空調システムで、フロンなどの液冷却媒体の大気中への損失を最小限にするためにパイプとして使用される。

米国特許出願公開第２００３／０１０４１３９号は、中空ガラス管の内部にプラズマ化学蒸着（ＰＣＶＤ）被覆を蒸着するための装置に言及しており、この装置では導波路およびアプリケータのヘッドを備えるアプリケータが使用され、導波路が、マイクロ波発生装置からアプリケータのヘッドまでマイクロ波を導くように機能する。導波路は、延長された軸ならびに導波路の延長された軸に垂直な長い軸および短い軸を有する方形の断面を有する。ガラス管は、アプリケータのヘッド内に配置され、アプリケータのヘッドは、被覆がその内部に蒸着されるべき前記中空ガラス管にわたって管の長手方向軸に沿って移動される。

米国特許出願公開第２００３／０１１５９０９号は、中空基体管の内部に１つまたは複数のガラス層を蒸着するための装置に言及しており、この装置では、マイクロ波アプリケータの活性体スペースが中空基体管を囲み、マイクロ波が中空基体管内部でプラズマを発生させて、その結果、ガラスを形成する前駆物質が基体管の内部にＳｉＯ_２を蒸着させる。

導入部で言及された、光ファイバを製造するための装置が、本発明者に許可された米国特許第６８４９３０７号から知られており、この装置は、その関連で、光ファイバがそれから線引きされ得るいわゆるプリフォームの製造のために使用され得る。それから知られているそのようなプリフォームを製造する方法によれば、細長いガラス質の基体管（例えば水晶で構成される）の内部の円筒表面がドープシリカ（例えばゲルマニウムでドープシリカ）の層で被覆される。これは、共振空胴の円筒軸に沿って基体管を配置し、例えばＯ_２、ＳｉＣｌ_４、およびＧｅＣｌ_２を含むガス状混合物で管の内部を洗い流すことによって実現され得る。局所的なプラズマが、共振空胴内で同時に発生され、基体管の内部表面上にＧｅでドープされたＳｉＯ_Ｘの直接的な蒸着をもたらすようにＳｉ、ＯおよびＧｅの反応を引き起こす。そのような蒸着は局所的なプラズマの近傍でのみ生じるので、共振空胴は、その全長を一様に被覆するために管の円筒軸に沿って一掃されなければならない（したがってプラズマも一掃されなければならない）。被覆が完成したとき、管は、Ｇｅでドープシリカのコア部および周囲の非ドープシリカの被覆部分を有するロッドへと熱により縮小される。溶融するようにロッドの末端が加熱されると、ロッドから薄いガラスファイバが引き出されてリールに巻かれることができ、そこで、前記ファイバは、ロッドのコアおよび被覆部分に相当するコアおよび被覆部分を有する。Ｇｅでドープされたコアが非ドープのクラッドより高屈折率を有するので、このファイバは、例えば光遠隔通信信号を伝播させる際に使用するための光信号用の導波路として機能することができる。基体管を通って洗い流されるガス状混合物が他の構成要素も含んでよいことに留意されるべきであり、例えば、Ｃ_２Ｆ_６を追加すると、ドープシリカの屈折率が低下する。最終ファイバ内のドープシリカに対する非ドープシリカの量を増加させるように、引き出しプロセスに先立っていわゆるジャケットチューブ（例えば非ドープシリカで構成される）内に固体のプリフォームが配置されてよいことにも留意されたい。上乗せ分の量のシリカを加える別の可能性に、プラズマプロセスまたは外部蒸着（ＯＶＤ）プロセスによるいわゆるオーバークラッディングがある。

遠隔通信目的のためにそのような光ファイバを使用する場合は、実質的に光ファイバに欠陥（例えばドーパントの割合のずれ、望ましくない横断面の楕円率など）があってはならない。というのは、光ファイバの大きな全長にわたって考えると、そのような欠陥が深刻な伝送される信号の減衰を引き起こす恐れがあるからである。蒸着されたＰＣＶＤ層の質が結局は光ファイバの質を決定するので、非常に一様で再現可能なＰＣＶＤプロセスを実現することが重要であり、したがって、共振空胴に発生するプラズマが（空胴の円筒軸の周りで）回転に関して対称であることが重要である。一方、プリフォームが大きな径を与えられ得るのであれば、そこで、より大きなファイバ長が単独のプリフォームから取得され得るので、生産プロセスのコストは有利に影響されることになる。より厚い基体管の使用を可能にするために共振空胴の直径を増加させると、プラズマの回転対称性が劣化することになり、また、そのようなプラズマは、はるかに高いマイクロ波電力を使用することによってのみ発生され得る。

前述のＰＣＶＤ装置では、マイクロ波を発生させることができるデバイス（例えば電子レンジ）からのエネルギーは、基体管の内部にプラズマゾーンを形成するように環状の共振空胴に転送されなければならない。これは、マイクロ波が供給導波路に供給され、次いで長手方向軸に対してある角度で配置された供給導波路の上に配設された同軸導波路を経由して環状の共振空胴に達することができることを意味する。そのような構造では、供給導波路から同軸導波路への遷移は重要なステップである。一緒に使用されるアンテナは、１つまたは複数の芯出し構成要素を使用して、同軸導波路内の中心に置かれる。そのような芯出し構成要素は、アンテナが同軸導波路内の長手方向軸に沿って動くことを可能にし、さらに、アンテナが決して同軸導波路の壁に触れないようにする。このように使用される芯出し構成要素は、マイクロ波に対して透過性でなければならない。
米国特許第５２２３３０８号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１０４１３９号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１１５９０９号明細書 米国特許第６８４９３０７号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１８２３２０号明細書

本発明者は、そのような材料は望ましくないスパークに弱く、さらに、共振空胴に供給された最大のマイクロ波電力を弱めることを見出した。これは、そのような材料の比較的低い誘電強度に起因するものである。それに加えて、本発明者は、そのような材料の表面粗さが共振空胴の性能に悪影響を及ぼす小さな空気チャネルをもたらすことを発見した。本発明者は、スパークが生じると、そのような材料がさらされる機械負荷が非常に重いために亀裂または蒸発すら確実であって、共振空胴に損傷をもたらし、結局共振空胴の交換に帰することを確証した。基体管内部のガラス層の蒸着速度は高いのが望ましく、このことは高いマイクロ波電力を必要とするので、そのような芯出し構成要素は望ましくない制限を制定する。

したがって、本発明の一態様は、プラズマ化学蒸着（ＰＣＶＤ）プロセスを実行するための装置を開発することであり、この装置は、高蒸着速度を達成するために高いマイクロ波電力レベルを用いることを可能にする。

本発明の別の態様は、マイクロ波から導波路内のプラズマまでのエネルギー伝達が最適化されるプラズマ化学蒸着（ＰＣＶＤ）プロセスを実行するための装置を開発することである。

本発明の別の態様は、供給導波路から同軸導波路へと通過する間の望ましくないマイクロ波の反射の発生が最小化されるプラズマ化学蒸着（ＰＣＶＤ）プロセスを実行するための装置を提供することである。

本発明によれば、導入部で言及されたようなプラズマ化学蒸着（ＰＣＶＤ）プロセスを実行するための装置は、アンテナが供給導波路を２分することによって特徴付けられる。

同軸導波路内に、アンテナのそのような特殊構成が使用されるとき、従来技術から知られている芯出し構成要素を除外することができる。アンテナが供給導波路を２分するので、同軸導波路のアンテナの芯出しは、簡単なやり方で実現され得る。そのような構造の使用は、スパークが生じるとき、簡単なやり方で共振空胴を清浄し、共振空胴を再び使用することをさらに可能にし、このことは相当なコストの低減に通じる。それに加えて、アンテナが供給導波路を２分し、部分的に供給導波路の外部に配置されるので、したがって、強制的な気体冷却または液体冷却を使用してアンテナを冷やすことが可能であり、この冷却は、高いマイクロ波電力レベルが使用されるときに必要と考えられ得るものである。その上、同軸導波路において正確な中心位置にアンテナを保持するのが、修正動作にとってそれほど重要ではないことが今や判明した。

特別な実施形態では、ガイド要素は、好ましくはアンテナが供給導波路内部で供給導波路を２分するポイントにあり、このガイド要素によって、供給導波路から同軸導波路へマイクロ波が通り抜けることができる。そのようなガイド要素は、導波路の供給部分から同軸部分までの通路がマイクロ波の反射を引き起こさないように構成されなければならない。この反射は、プラズマゾーンに供給されたマイクロ波電力に対して悪影響を及ぼす。

本ガイド要素の適当な実施形態は、円錐形または球形を含み、その底面は、ガイド要素が供給導波路内に配置されるように供給導波路の内部壁に対して接する。底面は、供給導波路の内部壁と接触するガイド要素の部分を意味するものと理解され、例えば円錐形の場合には、これは円錐の底部である。アンテナが円錐形または球形の頂点を通って長手方向に移動可能であるということは特に好ましく、その場合、円錐形または球形は対称に２分される。

方形から同軸への遷移をさらに最適化するために、特別な実施形態において、供給導波路の長手方向軸に沿って移動可能な要素が前記供給導波路内にあることが好ましく、この要素は供給導波路の全断面に延びる。

特別な実施形態では、内部円筒壁のスリットは、実際には複数のスリットが与えられるように、好ましくは複数の中断を備える。

本発明は、プラズマ化学蒸着プロセスによって光ファイバを製造する方法にさらに関し、この方法は、
１つまたは複数のシリカのドープ層または非ドープ層を細長いガラス基体管内の表面上に蒸着するプラズマ化学蒸着プロセスを実行するステップと、
基体管を熱式収縮処理にさらして固体のプリフォームを形成するステップと、
固体のプリフォームの１つの末端を溶融してそこから光ファイバを引き出すステップとを含む。

本方法の特別な実施形態では、供給導波路から同軸導波路へのマイクロ波の通過を最適化するために、好ましくはプラズマ化学蒸着プロセスの間にアンテナが同軸導波路内を長手方向軸に沿って移動される。

プラズマゾーンへのエネルギー伝達を最適化するために、供給導波路内の要素は、好ましくは、プラズマ化学蒸着プロセスの間、供給導波路の長手方向軸に沿って移動される。

次に、本発明が、図を参照しながらより詳細に説明されることになるが、本発明がそのような特定の実施形態に少しも限定されないことに留意されたい。

添付の図では、プラズマ化学蒸着（ＰＣＶＤ）プロセスを実行するための装置が概略的に１で示されている。装置１は、同軸導波路７内に配置された内部ガイドまたはアンテナ６を備える。アンテナ６は、同軸導波路７内の長手方向軸に沿って矢印Ｐによって示された方向に移動可能であって共振空胴２で終点となり、共振空胴２は、実質的に環状であり、内側円筒壁５および外側円筒壁３を有する。内側円筒壁５は、円筒軸１２の周りに（図の面に対して垂直な面内で）完全な円を描いて延びるスリット４を備える。アンテナ６は、円筒軸１２に対して実質的に垂直に延びる（中心の）長手方向軸を有する。前記長手方向軸および前記スリット４は、長手方向軸がスリット４を２分しないように、互いに対してずらされている。ガラス層の蒸着がプラズマゾーンの近傍でのみ生じるので、基体管（図示せず）を全長に沿って一様に被覆するために、共振空胴２（したがってプラズマゾーン）は、円筒軸１２に沿って移動されなければならない。

供給導波路８は、供給導波路８にマイクロ波を供給するためのクライストロン（図示せず）に結合され、このマイクロ波は、その後、同軸導波路７内へ進み、最後に共振空胴２の中にあるガラス基体管（図示せず）内に、特に空胴１４内に、プラズマゾーンを発生させ、このプラズマゾーンは、基体管の内部に供給されているガラスを形成する前駆物質が、１つまたは複数のガラス層を形成するように基体管の内部壁上に蒸着することになるような状況をもたらす。本発明の骨子は、アンテナ６が、２分ポイント１０の近くで供給導波路８を２分し、したがって、供給導波路８の外部に存在してもよいという事実である。そのような構造が、通常同軸導波路７内に与えられる芯出し構成要素を除外することを可能にする。供給導波路８から同軸導波路７まで最適の通路を確実にするためにガイド要素９が与えられ、その底面１３は、供給導波路８の内部壁に対して接する。マイクロ波電力のさらなる最適化を実現するために、供給導波路８に要素１１が与えられ、この要素は、供給導波路の長手方向軸に沿って矢印Ｚによって示された方向に移動可能である。同軸導波路７内で移動可能なアンテナ６が供給導波路８の中心でこれと交差しないように、供給導波路８は、好ましくは同軸導波路７に構造的に結合される。換言すれば、供給導波路８の要素１１が存在する部分は、供給導波路８の要素１１が存在しない部分より、全長が短い。

プラズマ化学蒸着（ＰＣＶＤ）プロセスを実行するための装置を示す図である。

符号の説明

１ 装置
２ 共振空胴
３ 外側円筒壁
４ スリット
５ 内側円筒壁
６ 内部ガイドまたはアンテナ
７ 同軸導波路
８ 供給導波路
９ ガイド要素
１０ ２分ポイント
１１ 要素
１２ 円筒軸
１３ 底面
１４ 空胴
Ｐ、Ｚ 矢印

Claims (10)

1. ドープシリカまたは非ドープシリカの１つまたは複数の層がそれによって細長いガラス基体管の内部に蒸着されるプラズマ化学蒸着プロセスを実行するための装置であって、基体管がそれに沿って配置される円筒軸の周りに実質的に円筒状に対称に形成された共振空胴内に突き出る細長いマイクロ波導波路を備え、
   前記共振空胴が、実質的に環状であって内側円筒壁および外側円筒壁を有し、
   前記内側円筒壁が、前記円筒軸の周りに完全な円を描いて延びるスリットを備え、
   前記マイクロ波ガイドが、同軸導波路を形成するように前記円筒軸に対して実質的に垂直に延びる長手方向軸と供給導波路を形成するように前記長手方向軸に対してある角度で延びる軸とを有し、同軸導波路内でアンテナが長手方向軸に沿って移動可能であり、前記アンテナが前記供給導波路を２分することを特徴とする、装置。
2. ガイド要素が、アンテナが供給導波路内部で供給導波路を２分するポイントにあって、供給導波路から同軸導波路へマイクロ波が通り抜けるのを可能にすることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. ガイド要素が、底面が供給導波路の内部壁に対して接する円錐形または球形の形状を有することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. アンテナが円錐形または球形の頂点を通って長手方向に移動可能であり、この場合、円錐形または球形が対称に２分されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 供給導波路の長手方向軸に沿って移動可能な要素が前記供給導波路内にあり、この要素が供給導波路の全断面に延びることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項または複数の項に記載の装置。
6. 内部円筒壁のスリットが複数の中断を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項または複数の項に記載の装置。
7. 供給導波路が長手方向軸に垂直な角度で配置されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項または複数の項に記載の装置。
8. プラズマ化学蒸着プロセスによって光ファイバを製造する方法であって、
   シリカの１つまたは複数のドープ層または非ドープ層を細長いガラス基体管内の表面上に蒸着するプラズマ化学蒸着プロセスを実行するステップと、
   基体管を熱式収縮処理にさらして固体のプリフォームを形成するステップと、
   固体のプリフォームの１つの末端を溶融してそこから光ファイバを引き出すステップとを含み、前記プラズマ化学蒸着プロセスが、請求項１から７のいずれか一項または複数の項で定義された装置で実行され、基体管が円筒軸に沿って共振空胴の内側円筒壁内に配置され、前記基体管と前記共振空胴が実質的に同軸であり、基体管の内部に１つまたは複数のドープシリカの層または非ドープシリカの層の蒸着をもたらすように、共振空胴が基体管の全長に沿って往復運動させられることを特徴とする、方法。
9. 供給導波路から同軸導波路へのマイクロ波の通過を最適化するために、プラズマ化学蒸着プロセスの間にアンテナが同軸導波路内を長手方向軸に沿って移動されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. プラズマゾーンへのエネルギー伝達を最適化するために、供給導波路内の要素が、プラズマ化学蒸着プロセスの間、供給導波路の長手方向軸に沿って移動されることを特徴とする、請求項８から９のいずれか一項または両方に記載の方法。

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