JP2008144271A - Ｐｃｖｄ堆積プロセスを実施する装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＣＶＤ堆積プロセスを実施するための装置および方法を提供すること。
【解決手段】本装置は、１つまたは複数のドープされた、またはドープされていないガラス層をガラス基体チューブの内部上に被覆するものであり、内壁および外壁を有するアプリケータと、アプリケータ中に開口したマイクロ波ガイドとを含み、アプリケータは、円柱軸のまわりに延在して、内壁に隣接する導管を備え、その導管を通ってマイクロ波ガイドを介して供給されるマイクロ波が出射することができ、円柱軸の上に、基体チューブは、配置することができ、一方アプリケータは、円柱軸の上に延在する加熱炉によって、完全に囲繞される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＰＣＶＤ堆積プロセスを実施する装置に関し、１つまたは複数のドープされた、またはドープされていないガラス層がガラス基体チューブの内部上に被覆され、装置は、内壁および外壁を有するアプリケータと、アプリケータ中に開口するマイクロ波ガイドとを有し、アプリケータは、円柱軸のまわりに延在して、内壁に隣接する導管を備え、それを通って、マイクロ波ガイドを介して供給されるマイクロ波が出射することができ、円柱軸の上に、基体チューブは、配置することができ、一方、アプリケータは、前記円柱軸の上に延在する加熱炉によって、完全に囲繞される。

本発明は、さらに、そのような装置を使用して、プリフォームを製造する方法に関する。

光プリフォームを製造する一方法は、プラズマ化学蒸着（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＣＶＤ）プロセスであり、それは、本出願者の名称によるＵＳ４３１４８３３から知られている。それから知られるプロセスによれば、１つまたは複数のドープされた、またはドープされていないガラス層が、ガラス基体チューブ中で低圧プラズマを使用して、基体チューブの内部上に堆積される。ガラス層がガラス基体チューブの内部上に堆積された後、ガラス基体チューブは、その後加熱によって収縮し、固体ロッドになる。特定の実施形態では、固体ロッドは、たとえば外部蒸着プロセスによって、または１つまたは複数の予備形成されたガラスチューブを使用して、さらに外部に追加の量のガラスを設けて、それによって複合プリフォームを得てもよい。そのように製作されたプリフォームから、その一方端を加熱して、光ファイバを得る。

本出願者等の名称によるＷＯ９９／３５３０４によれば、マイクロ波発生器からのマイクロ波が、導波管によってアプリケータに向けて誘導され、アプリケータは、ガラス基体チューブを囲繞している。アプリケータは、高周波エネルギーをプラズマに結合する。基体チューブの一方側で、ドープされた、またはドープされていない反応ガスが供給され、その後プラズマの影響下で反応が行われ、ドープされた、またはドープされていないガラス層が基体チューブの内部上に堆積される。基体チューブの他方端が真空ポンプに接続され、それゆえ基体の内部中の圧力が低下させられ、低下した圧力は、一般に、５〜５０ｍｂａｒの範囲の圧力値を取る。アプリケータは、基体チューブの縦軸方向に往復運動して移動させられ、その結果、薄いガラス層がストローク毎に基体チューブの内部上に堆積される。アプリケータおよび基体チューブは、全体的に加熱炉によって囲繞され、堆積プロセス中、基体チューブが９００〜１３００℃の温度に維持される。

本出願者等の名称によるＥＰ１５５０６４０から、ＰＣＶＤ堆積プロセスを実施する装置が知られ、特定の長さおよび幅を有するチョークが、本説明の前置きで述べたような装置内に円柱軸のまわりで中心に置かれ、環状の形状であり、チョークは、アプリケータ内に配置されている。チョークの寸法は、堆積プロセス中、全体にわたって高周波エネルギーの損失を最小にするように、選択されており、効率的にエネルギーを消費するようになっている。

ＵＳ６９０１７７５から、ＰＣＶＤプロセスによって、基体チューブを内部で被覆する装置が知られており、基体チューブからプリフォームが作られ、ガス供給ユニットが挿入部を含み、それは、ガス流の乱れを防ぐと主張されており、その乱れは、ガス流中に一定周期および振幅の定在波を誘発する。前記米国特許によれば、前記定在波は、次いで基体チューブの内部領域内の所与の堆積に関与し、その堆積は、厚さが、その軸方向に沿って不均一であることを特徴とする。前記堆積厚さの不均一性は、プリフォーム外径の不均一性に転化され、プリフォームは、その後、収縮プロセスを経て、それから光ファイバがその結果得られる。
米国特許第４３１４８３３号明細書 国際出願第９９／３５３０４号パンフレット 欧州特許ＥＰ１５５０６４０号明細書 米国特許第６９０１７７５号明細書 米国特許出願公開第２００３／１１５９０９号明細書 米国特許第４７１４５８９号明細書 欧州特許第０２６１７４２号明細書 英国特許第２０６８３５９号明細書

本発明の一態様は、軸方向に、本質的に均一な厚さと本質的に均一な屈折率との真空蒸着されたガラス層を有するガラス基体チューブを提供することであり、基体チューブは、その後収縮プロセスによってさらに処理されて、固体ロッドになる。最後に、前記固体ロッドは、いくつかの処理ステップによって光ファイバに変換される。

本発明のさらに他の態様は、ＰＣＶＤ堆積プロセスを実施する装置および方法を提供することであり、装置は、アプリケータからのマイクロ波エネルギーのどのような乱れも最小にするように構成され、その乱れは、最終的に製作されるプリフォームの光学的性能に悪影響を及ぼす。

導入部で述べたように、本発明は、加熱炉が、基体チューブに対してその縦軸に沿って、反転して移動可能であることを特徴とする。

上記態様の１つまたは複数は、本装置を使用して達成される。マイクロ波生成プラズマの広範囲な調査と目視観測の後、本発明者等は、マイクロ波エネルギーの不均一な分布が観測され、それは、とりわけマイクロ波パワーの分散または散乱によって引き起こされることを見出した。本発明者等は、そのような理論に束縛されることは望んでいないが、マイクロ波パワーの一部分が、導電面、たとえば囲繞する加熱炉の内壁によって、または半導電面によっても反射されると推測している。さらに一般的には、マイクロ波は、物質の遷移、すなわち空気−水、金属−樹脂、空気−セラミックスなどが起きる瞬間反射されると言うことができる。したがって、アプリケータに対してその後生じるマイクロ波の分布は、アプリケータの位置に依存し、いわゆる不均一なマイクロ波パワーを引き起こし、温度が不均一になり、多数からなるプラズマさえも生じることになる恐れがあると考えられる。本発明者等は、アプリケータならびに加熱炉を基体チューブの縦軸に対して往復運動で移動可能にすることによって、ＰＣＶＤプロセス中、不均一なマイクロ波の分布が、弱められ、または最小に低減されることを見出した。驚くべき結果は、そのようにして得られた内部堆積後の基体チューブの屈折率値が、その長さ方向に沿って実質的に均一であるということである。本発明者等は、基体チューブのいわゆる断面面積（ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ；ＣＳＡ）が、蒸着層の厚さに基づき計算すると、その軸方向位置の関数として、実質的に一様であることをさらに見出した。前述の断面面積（ＣＳＡ）は、次のように計算することができる。

ただし、ｄ_ｕ＝外径、層ｘ
ｄ_ｉ＝内径、層ｘ
ＣＳＡ＝断面面積、層ｘ

特定の実施形態では、基体チューブが、装置内のその両末端部で適所に固定またはクランプで留められ、アプリケータおよび加熱炉が基体チューブの縦軸に沿って移動可能であると、好ましい。そのような構成は、既存のＰＣＶＤ装置を簡単な方法で適応させることができるので、特に有利である。基体チューブの外側上に加熱炉粒子が堆積することを防止するために、堆積プロセス中基体チューブを回転する、または不活性ガスを勢いよくそれに外部から浴びせることも可能である。

非常に効率的な本発明の運用を実現するために、アプリケータが基体チューブの供給側に位置付けられた反転点と排出側に位置付けられた反転点の間で移動可能な間隔が、加熱炉が常にアプリケータを囲繞するように選択すると、好ましい。前記加熱炉の移動は、連続的に、不連続的に、または階段状に行われてもよい。言い換えると、アプリケータは、同じく移動可能である加熱炉が、常にアプリケータを囲繞するように、堆積プロセス中、移動させられることになり、それは、アプリケータが加熱炉の外側に移動することはできないことを意味する。これは、基体チューブの長さ方向に沿って移動可能であるアプリケータが、加熱炉内に常に位置付けられることを意味し、加熱炉は、やはり基体チューブの長さ方向に沿って移動可能である。ガラス層の堆積は、アプリケータがその間を移動する間隔に沿って行われる。基体チューブは、長さが、加熱炉の長さと移動可能な加熱炉の「ストローク」との和より大きい。この理由は、基体チューブの両末端部が、加熱炉中に広く行き渡る高温に耐えることができないクランプで固定されるからである。

アプリケータは、円筒状で対称的であり、環状の形状であって、円柱軸のまわりに円筒状で対称的に延在し、形状が環状である共振器スペースを含むことが好ましく、共振器スペースは、円柱軸のまわりに全円の形で延在するスリットを含み、そのスリットを通って、マイクロ波ガイドからのマイクロ波エネルギーが伝達され、より具体的には、マイクロ波ガイドは、共振器スペース中に開口している。

マイクロ波エネルギーの最適な伝達を実現するために、導波管が円柱軸に実質的に直角に延在する縦軸を有し、縦軸は、スリットまたは導管と交差せず、より具体的には、縦軸は、共振器スペースを２等分しないと、好ましい。

本発明者等は、アプリケータおよび加熱炉が、基体チューブの長さ方向に沿って同方向に、または反対方向に移動してもよいことを見出した。

具体的な実施形態では、加熱炉が基体チューブの長さ方向に沿って階段状の運動で移動すると、好ましい。前記階段状の運動は、加熱炉が、たとえば基体チューブの排出側で、ある位置へ移動し、この位置をしばらくの間維持し、その後たとえば基体チューブの供給側で元の位置または他の位置に戻るような運動を含むと理解することができる。この後者の位置は、やはりしばらくの間維持することが好ましく、そこで加熱炉が、再び基体チューブの排出側の位置に移動される。たとえば供給側から排出側に向かう加熱炉の階段状の運動も可能であり、その運動の間、加熱炉は、しばらくの間基体チューブの長さ方向に沿った特定の位置でそのように静止することになり、その後、加熱炉は、その運動を続け、再び停止することになる。そのような速度プロフィールによれば、加熱炉は、時間の観点から見ると、階段状で基体チューブの長さ方向に沿って反転して移動される。上述のサイクルは、全堆積プロセス中、または堆積プロセスの一部分中、繰り返すことができる。本発明者等は、上述の加熱炉の運動のサイクル時間が、１〜６００秒の範囲にあることが好ましいと見出した。６００秒より大きい値はプロフィールを乱すことになり、一方１秒より小さい値は、意図したＣＳＡの均一性および屈折率プロフィールに関して、不十分な結果になる。それに加えて、１秒より小さい値は、機械的な問題に繋がる恐れがある。基体チューブの長さ方向に沿って移動する加熱炉およびアプリケータを使用する実施形態では、加熱炉のサイクル時間とアプリケータのサイクル時間の比が整数に等しくないと、好ましい。上述の比を決定するために、もっとも長いサイクル時間ともっとも短いサイクル時間の商を取る必要がある。

基体チューブにわたる加熱炉の運動は、使用されているマイクロ波の１／４波長の奇数倍数に等しいことが好ましい。実際には、適切なマイクロ波は、周波数が、たとえば２．４５ＧＨｚ、８９０ＭＨｚ、または５．８ＧＨｚである。実際には、３、９おおよび１５ｃｍなどの間隔が、具体的には使用される。用語「運動」は、加熱炉が基体チューブの縦軸方向でその間を移動される間隔と理解すべきである。

本方法の他の実施形態によれば、加熱炉は、基体チューブの供給側と排出側の２箇所の間で連続的に移動される。この場合、加熱炉がその間を移動される間隔が、使用されているマイクロ波の１／４波長の奇数の倍数であると、好ましい。加熱炉のサイクル時間をアプリケータのサイクル時間と比較したとき、もっとも長いサイクル時間ともっとも短いサイクル時間の商が整数に等しくないと、さらに好ましい。実用的な理由から、５ｃｍ／秒より小さい加熱炉の運動速度、具体的には１ｃｍ／秒より小さい速度が使用される。

これまで移動する加熱炉を説明してきたが、具体的な実施形態では、加熱炉の内部に、基体チューブの長さ方向に沿って移動する部品または要素を備えることも可能である。そのような実施形態では、加熱炉がそのように静止姿勢を取り、一方好ましくは金属から作られた部品または要素が、基体チューブのまわりに同心円状に配列されて、堆積プロセス中、時間の観点から見て、基体チューブの長さ方向に沿ってマイクロ波エネルギーの乱れを防止するように移動される。

本発明の他の実施形態によれば、当業者に知られた接続部を含む基体チューブが、静止した加熱炉およびアプリケータに対して、移動可能である。

本明細書で使用される用語「縦軸に沿って移動可能」は、基体チューブの長さ方向に沿った運動であると理解すべきであり、その運動は、その縦軸方向から見て、基体チューブに平行だけでなく、一定の角度で、たとえば上部側から底部側へ、または前部側から後部側へ行うことができる。

本発明は、さらに、プリフォームを製造する方法に関し、その方法は、１つまたは複数のドープされた、またはドープされていないガラス層をガラス基体チューブの内部上に堆積するためのＰＣＶＤ堆積プロセスを実施するステップを含む方法であって、ＰＣＶＤ堆積が前述に説明された装置によって実施され、基体チューブは、円柱軸の上で、アプリケータの内壁内に配置され、前記基体チューブの内部に、ガラス形成前駆体が供給され、基体チューブおよびアプリケータは、本質的に同軸であり、アプリケータおよび加熱炉は、基体チューブの長さ方向に沿って反転して移動されることを特徴とする。

ここで、本発明は、いくつかの実施例に基づき説明するが、その関係で、本発明は、そのような特定の実施例に決して限定されないことに留意すべきである。図１および２に参照して使用される語句「運動なし」は、堆積プロセス中、加熱炉の運動がないことを意味し、したがって、本発明の一部分をなさない。

図３に、ＰＣＶＤ装置１を示し、ガラス基体チューブ２が円柱軸１０の上に配置されている。ガラス基体チューブ２は、その左末端部に供給側４およびその右末端部に排出側３を備え、ガラス形成前駆体が、供給側４で基体チューブ２の内部へ供給される。装置１は、内壁および外壁を有するアプリケータ６と、マイクロ波を誘導するマイクロ波ガイド７とを含み、マイクロ波ガイド７は、アプリケータ６中に開口している。アプリケータ６は、円柱軸１０の上に延在する加熱炉５によって囲繞される。アプリケータ６は、供給側４に位置付けられた反転点と排出側３に位置付けられた反転点の間を前記円柱軸１０に沿って移動可能である。堆積プロセス中、加熱炉５は、また、基体チューブ２に対してその縦軸に沿って反転して移動可能である。これは、加熱炉５が、基体チューブ２の供給側４における位置９と基体チューブ２の排出側３における位置８の間を基体チューブ２の長さ方向に沿って移動可能であることを意味する。アプリケータ６は、堆積プロセス中、位置９と位置８の間で同様に移動可能である加熱炉５が、常時アプリケータ６を囲繞するように、移動されることになり、それは、アプリケータ６が加熱炉５の外側には移動することができないことを意味する。これは、基体チューブ２の長さ方向に沿って移動可能なアプリケータ６が、加熱炉５内に常に配置されることを意味する。ガラス基体チューブ２の内部でのガラス層の堆積は、アプリケータ６がその間を移動する間隔に沿って行われる。基体チューブ２は、長さが、加熱炉５の長さと移動可能な加熱炉５の「ストローク」、すなわち位置９と位置８の間の間隔の和より大きい。

（比較）例１
ＰＣＶＤプロセスは、静止加熱炉と、静止基体チューブと、前記基体チューブにわたって反転して移動するアプリケータとを含む従来技術のＰＣＶＤ装置中で実施され、そのプロセス中、ガラス形成前駆体が基体チューブの内部へ供給された。基体チューブの内部に広く行き渡る条件下で、通常のアプリケータ速度２０ｍ／分を使用して、同心のガラス層が堆積された。堆積プロセスが終了した後、そのようにして得られた基体チューブが収縮プロセスを受けて固定ロッドを得た。図１に、軸方向位置の関数として、ロッドのコアの純粋石英に関する屈折率を示す。図２に、軸方向位置の関数として、そのようにして得られたロッドのコアの断面面積（ＣＳＡ）を示す。図１および２にともに、ガラスロッドの軸方向位置にわたって、不均一性が存在することが示されている。その不均一性は、それから得られる光ファイバの、モードフィールド幅および帯域幅の減衰および均一性など、多くの品質パラメータに悪影響を及ぼす。

（実施例２）
比較例１と同じＰＣＶＤ装置を使用されたが、アプリケータと同様に加熱炉を基体チューブの長さ方向に沿って移動するという違いがあった。そのようにして得られた基体チューブは、比較例１と同じようにして固体ロッドに形成された。

そのようにして得られた固体ロッドを測定し、図１に、軸方向位置の関数として、コアの純粋石英に関する屈折率を示す。図２に、同じロッドについて、軸方向位置の関数として、ロッドのコアの断面面積（ＣＳＡ）を示す。図１および２にともに、プリフォームのかなりの長さにわたって、屈折率が均一で、ＣＳＡが均一であることが示されている。堆積プロセス中、基体チューブに対してアプリケータならびに加熱炉を移動することによって、不均一性を最低限に減少することが可能なように見える。

プリフォームの長さ方向に沿った軸方向位置の関数として、ロッドのコアの純粋石英に関する屈折率を示す図である。 プリフォームの長さ方向に沿った軸方向位置の関数として、ロッドのコアの断面面積（ＣＳＡ）を示す図である。 ＰＣＶＤ堆積プロセスを実施するための、本発明による装置を示す図である。

符号の説明

１ ＰＣＶＤ装置
２ ガラス基体チューブ
３ 排出側
４ 供給側
５ 加熱炉
６ アプリケータ
７ マイクロ波ガイド
８、９ 位置
１０ 円柱軸

Claims (9)

1. ＰＣＶＤ堆積プロセスを実施するための装置であって、
   １つまたは複数のドープされた、またはドープされていないガラス層が、供給側と排出側を有するガラス基体チューブの内部上に堆積され、
   装置は、内壁および外壁を有するアプリケータと、マイクロ波を誘導するマイクロ波ガイドとを有し、
   マイクロ波ガイドは、アプリケータ中に開口しており、
   アプリケータは、円柱軸のまわりに延在し、内壁に隣接して導管を備え、
   導管を通って、マイクロ波ガイドを介して供給されるマイクロ波が出射することができ、
   円柱軸の上に、ガラス基体チューブは、配置可能であり、
   一方、アプリケータは、前記円柱軸の上に延在する加熱炉によって囲繞され、
   アプリケータは、供給側に位置付けられた反転点と排出側に位置付けられた反転点の間で前記円柱軸に沿って移動可能である、装置において、
   加熱炉は、基体チューブに対してその縦軸に沿って反転して移動可能であることを特徴とする、ＰＣＶＤ堆積プロセスを実施するための装置。
2. 基体チューブの供給側に位置付けられた反転点と排出側に位置付けられた反転点の間でアプリケータがその間を移動可能な間隔が、加熱炉がアプリケータを囲繞するようなものであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. アプリケータが、円筒状で対称的であり、形状が環状であって、円柱軸のまわりに円筒状で対称的に延在し、形状が環状である共振器スペースを含み、
   共振器スペースが、円柱軸のまわりに全円の形で延在するスリットを含み、
   スリットを通って、マイクロ波ガイドからのマイクロ波エネルギーが伝達されることを特徴とする、請求項１および２のいずれか一項、または両方の項に記載の装置。
4. マイクロ波ガイドが、共振器スペース中に開口していることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 導波管が、円柱軸に実質的に直角に延在する縦軸を有し、
   縦軸が、共振器スペースのスリットまたは導管と交差しないことを特徴とする、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. 導波管の縦軸が、共振器スペースを２等分しないことを特徴とする、請求項３から５のいずれかに記載の装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項、または複数の項に定義された装置によって、１つまたは複数のドープされた、またはドープされていないガラス層をガラス基体チューブの内部上に堆積する方法であって、
   基体チューブは、円柱軸の上でアプリケータの内壁内に配置され、
   前記基体チューブの内部に、ガラス形成前駆体が供給され、
   一方、アプリケータは、前記円柱軸の上に延在する加熱炉によって囲繞され、
   基体チューブおよびアプリケータは、本質的に同軸であり、
   アプリケータは、堆積プロセス中、基体チューブの長さ方向に沿って反転して移動されて、ガラス基体チューブの内面上にガラス層を形成するプラズマ条件を生成する、方法において、
   加熱炉は、堆積プロセス中、基体チューブに対してその縦軸に沿って移動されることを特徴とする、堆積する方法。
8. 加熱炉が基体チューブの縦軸に沿ってその間を移動される間隔が、アプリケータ中で使用されているマイクロ波の波長の１／４の奇数倍数であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 炉のサイクル時間とアプリケータのサイクル時間の比が、もっとも長いサイクル時間をもっとも短いサイクル時間で割った整数に等しくないことを特徴とする、請求項７および８のいずれか一項、または両方の項に記載の方法。

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