JP2009137837A - 等温、低圧プラズマ堆積技術を用いる光ファイバ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバプリフォームの基材管内に堆積される物質の品質を改善する方法を提供する。
【解決手段】基材内部に物質を堆積する等温低圧ベースのプロセスにより、より均一で効率のよい堆積が生じる、狭い堆積区間を生成し、堆積した物質がスート粒子ではなく透明なガラスであることを確実にする等温プラズマの動作条件の一連の組合せを用いる。管の排気端は真空システムに接続され、当該真空システムは反応副生成物を除去および中和する気体洗浄装置に接続されている。高温のプラズマが大量の熱を基材管に伝えないようにその動作条件が選択される。そのような熱の存在は反応物質を蒸発させ（スートを生成する）、高温な点を発達させる。
【選択図】図１

Description

本発明は基材管の中に物質を堆積させるためのプラズマ技術、さらに詳しくは、管の内部により均一で効率のよい堆積が生じる極めて狭い反応区間を生成する等温、低圧プロセスに関する。

一般に光ファイバは必要に応じて（ゲルマニウムなどの）屈折率を高める元素をドープされた高純度シリカガラスのコア、必要に応じて（フッ素などの）屈折率を低下させる元素をドープされた高純度シリカガラスの内側クラッド、およびドープされていないシリカガラスの外側クラッドを含む。ある製造プロセスにおいては、そのようなファイバを作るためのプリフォームは外側クラッド（オーバークラッド管と称する）のためにガラス管を用い、また別個にコアおよび内側クラッド材料を含むコア棒を形成することによって作られる。コア棒は当業者にはよく知られている各種の気相堆積法のいずれかによって作られ、それは気相軸堆積（ＶＡＤ）、外付け気相堆積（ＯＶＤ）、および修正化学気相堆積（ＭＣＶＤ）を含む。例えば、ＭＣＶＤは（「基材管」と称する）シリカ管の内部に、高純度ガス、例えばシリコンおよびゲルマニウムを含む混合ガス、を通し、その間、横移動 する酸水素炎トーチによって管の外側を加熱することを含む。管の加熱領域において、管壁に粒子を堆積させる気相反応が生じる。トーチの先のほう（「下流」と称する）に形成されるこの堆積は、トーチがそれを通過するにしたがって焼結される。このプロセスは必要量のシリカ、および／あるいはゲルマニウムをドープされたシリカが堆積されるまで連続して通過することで繰り返される。堆積が完了すると、基材管を縮径し、基材管が内側クラッド材の外側部分を構成する強固なコア棒を得るために堆積体が加熱される。完成品のプリフォームを得るために、通常、オーバークラッド管がコア棒の上側に配されて、構成要素が加熱され、最終形のプリフォーム構造になるように縮径される。

ＭＣＶＤの代わりに、プラズマ化学気相堆積（ＰＣＶＤ）プロセスが使われてもよい。ＰＣＶＤ法においては、基材管は管の周囲および内部に電磁場を形成するマイクロ波照射器（活性室、あるいは活性ヘッドと称する）を通過する。供給材（例えば、ＳｉＣｌ_４、ＧｅＣｌ_４、およびＯ_２）と電磁場との相互作用によって管の内部に非等温、低圧プラズマが生成される。そうすると、化学反応が管の内側に堆積するガラス粒子を形成することが可能になる。堆積されたガラスがその後に溶融されて透明なガラスの形態であることを確かなものとするために、堆積中に基材を加熱するための（炉などの）外部の加熱源がＰＣＶＤには必要である。堆積が完了すると、（ＭＣＶＤに似た方法で）基材管を縮径し、基材管が内側クラッド材の外側部分を構成する強固なコア棒を得るために堆積体が加熱される。完成品のプリフォームを得るために、通常、オーバークラッド管がコア棒の上側に配されて、構成要素が加熱され、最終形のプリフォーム構造になるように縮径される。

ＭＣＶＤあるいはＰＣＶＤを用いてプリフォーム用物質を堆積する現行の方法は、これらのプロセスに固有の比較的長い堆積区間幅（つまり、ある時点における管に沿う堆積の範囲）に起因する堆積上の問題を示す。ＭＣＶＤの場合、ガラス前駆物質の蒸気が、一般に長さが１から３メータの間である基材管の端部に封止部を通して導入される。蒸気は反応区間に入り、内側の管壁にスートとして堆積する酸化物に変換される。これら堆積区間の幅は一般に反応区間よりも広く、基材管の長さ全体の１０−３０％位になり得る。結果として、管の端部の堆積された物質はしばしば厚さが不均一であり、したがってプリフォーム全体に対して悪影響を与える。さらに、多成分組成（例えば、ゲルマニウムケイ酸塩）が堆積されるとき、ガラス成分の反応率の違いによって、堆積領域が区間位置の関数で組成が不均一になる傾向がある。

ＰＣＶＤの場合、反応は生成されたプラズマ領域内で生じ、その長さは一般に基材管の全長の１０−２０％である。ＭＣＶＤの場合のように、プラズマ内での反応度には変動があり、その結果として厚さおよび／あるいは反応する成分の組成に変動が生じる。したがって、ＰＣＶＤプロセスを用いてある時点に基材管の内側に堆積されるガラスは厚さおよび／あるいは組成が不均一となり得る。

さらに、これらのプロセスによって作られたプリフォームに堆積されたコアは堆積した長さ方向の直径、および光学的な特性が変化し、得られるファイバの品質にも影響する。さらに、ＭＣＶＤの場合、反応区間に形成されたスートは管の長さ方向に動き易く、反応区間の位置に関係なく、管に沿うどこかの点に堆積する可能性があり、したがってそのことが堆積プロセスの予測不能性にある程度つながる。

これらの欠点のゆえに、基材管内に堆積される物質の品質を改善する必要性がある。

従来技術に残る必要性が本発明によって対処され、それは基材管の中に物質を堆積させるためのプラズマ技術、さらに詳細には、管の内部により均一で効率のよい堆積が生じる狭い反応区間を生成する等温、低圧プラズマプロセスに関する。

本発明により、プラズマの上流（つまり反応物質の導入部とプラズマとの間の位置）の狭い堆積区間を生成する等温の低圧プラズマ動作条件が発見された。これらの動作条件は多くの相互作用パラメータに依存する。本質的には、キーとなる目標は狭い反応区間の生成に十分であるが、基材管の内側表面を蒸発させる熱レベルを越えないエネルギー密度を与えることである。

本発明のある実施例において、基材管の排気端が、真空システムを経て、反応副生成物の除去、および中和のためのスクラバに接続される。

この等温、低圧の堆積プロセスは、堆積が非常に狭い区間（通常、約１センチあるいはそれ以下）で、かつ非常に薄い層に生じ、焼結を必要としないために、精密なコアプロファイルを必要とする（例えば、マルチモードコア棒のような）光ファイバコア棒の製造に特に好適であるということが本発明の特徴である。

本発明の好ましい実施例は、その場で生成されるプラズマがより低いパワーで溶融ガラス粒子を生成するために使えるように発生した電磁場の形を整えるためのプラズマ発生装置内に収束型コイルを利用する。

本発明のその他、さらなる特徴、および利点が以下の一連の議論、および付属する図面の参照によって明らかになるであろう。

図１は、本発明の低圧、等温堆積法を実行するために用いられる典型的な装置１０を図示する。上に述べられ、また以下に詳細に議論されるように、装置１０のいくつかの動作パラメータは生成されたプラズマのすぐ上流側にきわめて狭い堆積区間が形成されるようにコントロールされる。本発明の一実施例により、堆積条件は狭い堆積区間が（従来技術ＭＣＶＤおよびＰＣＶＤプロセスによれば１０−３０％の値であるのに対して）従来の基材管の長さの約１％だけを占めるようにコントロールされる。概して、本発明の教示を用いる特定の条件は１センチメータ、あるいはそれより小さい狭い堆積区間をもたらす。堆積が生じる基材管としてシリカ管１２が装置１０に使われ、壁の厚さも内壁の温度、および壁の表面での反応化学に影響を及ぼすので、管１２の内径（ＩＤ）および外径（ＯＤ）は、狭い区間へ堆積するための適切な条件セットを構成する２つの動作パラメータである。

さらに装置１０は管１２の第一の端部内に形成される第一の封止部１６を通して基材管１２の中に一種類以上の（ＧｅＣｌ_４、ＳｉＣｌ_４、Ｃ_２Ｆ_６およびＯ_２などの）化学反応物質を供給する化学供給システム１４からなる。図１には示されないが（装置の運転に必須ではない）、通常、基材管１２は管１２を回転する間、第一の封止部１６を完全な状態に維持するガラス作業用の旋盤に取り付けられる。管１２の反対側の端部は第二の封止部１８を経て真空排気システム２０に接続される。好都合なためには、排気システム２０は気体洗浄装置２２に接続されてもよく、それは反応副生成物の除去、および中和のために使われる。基材管１２が回転する旋盤に取り付けられる実施例において、封止部１６および１８は管内の内圧を完全な状態に保持可能な回転型封止部からなってもよい。気体洗浄装置を使用することは随意である。

図１に示されるように、等温プラズマ発生器３０は装置１０に含まれ、供給される物質と所望の化学反応を起こさせるために、基材１２の中に十分なエネルギー密度のプラズマを生成するために使用される。多くの場合、発生器３０は、図１に両端矢印で示されるように、それが取り付けられた基材管の軸に平行に横移動できるように可動式の台（図示しない）に設置される。等温プラズマ発生器３０は図１に示されるように、管１２の比較的狭い範囲を取り囲むように配される共振コイル３２からなる。ＲＦ（高周波）信号源３４は共振コイル３４に結合され、またＲＦ信号を供給するように使われ、管１２内に電磁場を生成する。したがって、入ってくる化学反応物質と電磁場との組合せが管１２の内壁に物質の堆積を開始させるために十分なエネルギー密度のプラズマを形成する。

すべての可能な運転条件に対してプロセスを実行する必要はないが、堆積段階の間に基材管の温度をコントロールするために、装置は（炉あるいはリニアバーナーのような）外部加熱機器を採用してもよい。外部からの加熱は、堆積した物質が基材管にうまく付着することを確実なものにし、堆積の間に物質の隙間が発生することを回避する。上に述べられたように、管壁そのものの厚さは外部加熱機器が必要であるかどうかを決定するときに考慮される一つの要因である。

本発明によれば、「等温」プラズマが発生されることは、プラズマ中のイオンと電子の両方がおおよそ同じ温度であるということを意味している。それに対して、従来のＰＣＶＤシステムは非等温プラズマを用い、その場合、電子はイオンよりもより高いエネルギーを有する。重要なことは、本発明の構成において等温プラズマを用いることは、図１の区間４０として示されるように、反応と堆積がプラズマのすぐ「上流」に生じることを可能にするということである。

この議論を通して使われるように、用語「上流」は第一の封止部１６と生成された等温プラズマとの間の基材管の部分を参照するとみなされる。この特有の上流の堆積メカニズムは均質な粒子の形成および成長を経て（スートとは異なる）溶融ガラス粒子の生成をもたらし、次いでこれらの溶融ガラス粒子が区間４０内のプラズマの上流に熱泳動的に堆積される。つまり、反応物質がプラズマ領域に入る前に堆積が生じるということである。（プラズマの中心の数インチ以内の）狭い加熱区間が反応、および熱泳動的な堆積のために集中的に熱を供給し、一方さらにプラズマは下流側で堆積の準備のために管壁を加熱して基材管１２の側壁の温度を高める。こうして、プラズマ発生器３０が管１２に沿って横移動するにしたがって、プラズマの「上流」の加熱された区間は堆積が生じる領域となる。内壁はガラス粒子が溶けて内壁に付着するに十分な温度となり、こうして均一なガラスフィルムを形成する。重要なことは、本発明の堆積プロセスのパラメータは、基材が溶けるのではなく、蒸発（あるいは分解）し始める温度まで反応区間が加熱されないようにコントロールされることである。等温プラズマと組合せ、この構成において低圧（つまり、大気圧よりも低い、例えば約１０トール）で使用するは、プラズマとの境界に明確な「エッジ（ｅｄｇｅ）」を有する極めて狭い（管の長さの１％のオーダー、一般に約１ｃｍあるいはそれ以下）この堆積区間を生じる。また、低圧は、基材および反応物質が蒸発しないように非常に高温のプラズマの熱容量を低減することに役立つ。

在来型のＲＦプラズマの利用においては、電磁場を発生させるためにソレノイド型のコイルを使うことが一般的である。それに対して、本発明（つまり、等温、低圧条件）の独特の使い方として、収束型コイル、つまり、場を小さな容積に集中されるように形作られているコイル、が特に有利であることがわかっている。一つの特別な実施例において、より低い電源が使われるように発生したプラズマの場の形を整えるために水冷のＲＦ収束コイル３２が使われてもよい。図２は、本発明のプラズマ発生器３０に使われる可能性のある一つの典型的な水冷収束コイルの簡単な等角図である。

図３は、プラズマの発生における非等温構成と等温構成との違いを表す写真を含み、そのいずれもがＲＦ源を用いて同じ低圧で生成されている。図３（ａ）は非等温プラズマの発生を図示し、それはより膨張的で、基材の長さのかなりの部分にわたって広がっている。それに対して、図３（ｂ）は、本発明の構成として使われている等温プラズマの発生を図示している。明らかに、等温プラズマは共振コイルの近傍内により閉じ込められ、特に上流側に明確な境界を有している。上に述べられたように、等温プラズマの上流側の明確なエッジの存在が、事実上、すべての化学反応および堆積が生じる「プラズマなし」から「プラズマあり」への非常に狭い遷移領域を形成する（つまり、図１に示される区間４０）。基本的に等温プラズマは熱泳動の「プラグ（ｐｌｕｇ）」として機能し、事実上、すべての粒子状物質をプラズマの上流に堆積させる。

このプラズマ条件を達成するためのキーは、基材管の内壁が蒸発するほどの多くの熱を与えることなく、狭い上流側の堆積区間を生成するために十分なエネルギー密度を供給することである。この狭い堆積区間をもたらすことがわかっている広い範囲の等温プラズマ動作条件がある。特に、「区間」は、前駆物質の反応を引き起こすために十分であり、堆積した物質が溶融ガラスであって、スートではないことを確かなものとするエネルギー密度である、プラズマの上流の領域として定義される。いくつかの互いに関連する要因が考慮され、それは（必ずしもこれに限定されないが）プラズマのパワー、基材管の内圧（減圧の程度）、基材管の内径、基材管の壁厚、基材管の外部加熱、反応物の組成、反応物の流速、プラズマの横移動速度、プラズマの横移動長さ、およびプラズマの誘発源を含む。条件選択の目的は、基材管に限定量の熱を伝達し、温度が高すぎ基材管壁を蒸発させる可能性を最小にし、温度が低すぎ処理されたガラスに気泡が形成されることを避けるために十分なエネルギー密度とすることにある。許容可能ないろいろな条件の組合せが図４の表に示されるが、これらの値は単に典型例であって、多くの他の組合せがプラズマの上流に所望の狭い反応区間を与えるということが理解されるべきである。

狭い堆積区間が在来型のＭＣＶＤおよびＰＣＶＤによる堆積よりも管の全長にわたってより均一な堆積を可能にするということは特筆すべきことである。結果として、本発明のプロセスが基材管によって生成されるプリフォームからより高い歩留まりで均一な品質の光ファイバが線引きされることを可能にする。また、本発明のプロセスは他のプロセスよりもより高い堆積効率を示し、高価な原材料について更なるコスト削減につながる。

かつて等温プラズマは基材管の内側の堆積に使われていた。しかし、これら従来技術による方式の多くは、本発明において使われる低圧（減圧）プラズマ（例えば、１０トール）よりも大気圧プラズマを使用した。大気圧では、均一に形成された粒子状物質はスートとして堆積され、その後プラズマによって溶融される。そのような大気圧でのプラズマによる堆積も、より高いガス密度の影響下での粒子はガスの流れによって基材管から払い落とされるのでより広い区間にわたって生じる。これらの従来技術によるプロセスはスートの反応と堆積を促進し、次いで堆積したスート層を焼結するためにプラズマからの熱を使用する。大気圧においては、基材の蒸発温度は本質的に高く、基材を１７００℃よりも高く加熱することは問題とならない。過去において使われた低圧ＲＦプラズマはアルゴンプラズマであった。報告されている条件を用いると、堆積はマイクロ波ＰＣＶＤによる堆積に類似していて、それは粒子の形成を伴うことなくプラズマ中に発生したことが筆者により述べられている。

重要な違いは、明らかに本発明の低圧、等温プラズマプロセスはプラズマに入る前に（つまり、プラズマの「上流」で）基材壁に堆積される溶融ガラス粒子を形成するということである。本発明においてはスートは生成／堆積されない。さらに、プラズマ領域にさらに追加の堆積が生じる形跡はなく、すべての堆積はプラズマのすぐ上流の狭い区間内に発生する。また、本発明の方法においてはいかなる「溶融」操作も使われない。それは、堆積した粒子がガラス粒子であってスートではないので焼結は必要ないということである。実際、そのような溶融温度にすることは悪影響を及ぼすであろう。

上記は基材管内の堆積プロセスについて述べたが、狭い堆積区間を生成し、焼結プロセスの段階を省略する本発明の特徴は他のいろいろな堆積の仕組みにも利用できる。例えば、（シリカウエハのような）平らな表面への堆積は低圧室内でプラズマを生成することによって同じように遂行できる。実際、堆積はシリカ以外の材料の上に生じる。流動する反応物質の流れとともに基材を平行移動させる装置、あるいは回転させることが均一なガラスフィルムを堆積するために使用できる。あるいは、同じような低圧環境に配されるコア棒の外表面に沿って堆積が形成されてもよい。したがって、本発明の範囲は基材管の内壁内への堆積に限定されると考えられるものではない。

本発明のいろいろな実施例が上に述べられたが、それらは一例として提示されたものであり、それに限定されるものではないことが理解されるべきである。形態、および詳細に対するいろいろな変更が発明の精神および範囲から逸脱することなくなされ得るということが当業者には明らかであろう。したがって、本発明は上記の実施例のいずれによっても制限されるべきものではなく、以下の請求の範囲、およびそれらと同等のものによってのみ規定されるべきものである。

本発明の堆積プロセスを実施するための典型的な装置である。 本発明の装置のプラズマ発生部分の共振コイルとして使われる典型的な収束コイルの等角投影図である。 非等温プラズマ（図３（ａ））と等温プラズマ（図３（ｂ））との比較を表す。 本発明による等温、低圧堆積プラズマを形成するために有用ないろいろな動作パラメータセットの表である。

符号の説明

１０ 低圧、等温プラズマ堆積装置
１２ シリカ管
１４ 化学物質供給システム
１６ 第一の封止部
１８ 第二の封止部
２０ 真空排気システム
２２ スクラバ
３０ 等温プラズマ発生器
３２ 共振コイル
３４ ＲＦ信号源
４０ 堆積区間

Claims (17)

1. 基材管の内壁に物質を堆積するプロセスであって、
   プラズマ発生器の共振コイル内にシリカの基材管を配する段階と、
   前記基材管の第一の端である供給端を通して少なくとも一つの化学反応物質を送り込む段階と、
   前記基材管の内圧を大気圧よりも低く維持する段階と、
   前記基材管内に等温プラズマを生成するために共振コイルにエネルギーを供給して、前記基材管の内壁を加熱する段階と、
   前記生成された等温プラズマの上流の狭い区間内の前記基材管の内壁に、前記少なくとも一つの化学反応物質の反応生成物を堆積する段階と、
   を含むプロセス。
2. 前記狭い区間が約１ｃｍ以下の範囲に限定されるように堆積条件が制御されることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
3. 前記プロセスがさらに、
   前記基材管の第二の端である排気端に結合された真空システムを通して反応副生成物を排出する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
4. 前記プロセスがさらに、
   前記反応副生成物を除去し中和するために、排出された前記反応副生成物を気体洗浄する段階を含むことを特徴とする請求項３に記載のプロセス。
5. 堆積を遂行するときに、前記狭い区間の幅が、プラズマ発生器のパワー、基材管の内圧、基材管の内径、基材管の壁厚、基材管の外部加熱、化学反応物質の組成、化学反応物質の流速、等温プラズマの横移動速度、等温プラズマの横移動長さ、および共振コイルからなる群から選択される一つ以上のパラメータによって制御されることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
6. 前記プロセスがさらに、光ファイバコア棒を形成するために、
   前記基材管を加熱する段階と、
   加熱された前記基材管を縮径することによって前記光ファイバコア棒を形成する段階と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
7. 等温低圧堆積装置であって、
   基材管と、
   共振コイルと、
   共振コイルに結合されたＲＦ発生器とを含み、前記共振コイルが前記基材管の一部を取り囲むように配され、前記共振コイルが前記基材管の内部に電磁場を生成し、そして前記共振コイルと前記基材管とがそれらの間で横移動をもたらすように設定されており、さらに、
   前記電磁場と相互作用して前記基材管内で等温プラズマを生成するよう選択された化学反応物質を、第一の端部を通して前記基材管の中に導入する化学反応物質供給システムと、
   前記基材管内部を減圧状態に維持し、前記生成された等温プラズマの上流に少なくとも一つの前記化学反応物質の反応生成物の狭い堆積区間を生成する真空ベースの排気システムと、
   を含む装置。
8. 前記基材管に前記化学反応物質供給システムを結合する第一の回転型封止部と、前記真空ベースの排気システムを前記基材管に結合する第二の回転型封止部とをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記共振コイルは、前記基材管の中の比較的小さな容積に電磁場を形成する収束型コイルを含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
10. 光プリフォーム製造装置であって、
    基材管の上流側に反応物質を導入する反応物質供給システムと、
    前記基材管内部を減圧状態に維持する圧力制御システムと、
    導入される前記反応物質が等温プラズマの上流の狭い区間内の前記基材管の内壁に堆積すべく、前記基材管の内部に等温プラズマの場を発生するよう構成された共振コイルと、
    を含む装置。
11. 前記共振コイルは、比較的小さな容積を占めるべく形成された電磁場を生成するよう構成された収束型コイルを含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 光ファイバプリフォームを製造するプロセスであって、
    基材管の上流側端部を通して反応物質を導入する段階と、
    前記基材管の内部の減圧状態を維持する段階と、
    減圧状態で前記基材管の内部に等温プラズマの場を発生させる段階と、
    前記等温プラズマの場を用いて反応を生じさせる段階とを含み、前記反応が前記等温プラズマの場の上流側に生じる、プロセス。
13. 反応の結果として、前記反応物質から堆積物質を生成する段階と、
    前記基材管の内側表面に前記堆積物質を堆積する段階とをさらに含み、前記堆積が前記等温プラズマの場の上流側に生じる、
    ことを特徴とする請求項１２に記載のプロセス。
14. 構成部材に物質を堆積するプロセスであって、
    少なくとも一つの反応物質を堆積室に送り込む段階と、
    前記堆積室内の内圧を大気圧よりも低く維持する段階と、
    前記構成部材の近傍に等温プラズマを生成するためにプラズマ発生器の共振コイルにエネルギーを供給し、前記構成部材を加熱する段階と、
    前記生成された等温プラズマの上流の狭い区間内の前記構成部材の表面に前記少なくとも一つの化学反応物質の反応生成物を堆積する段階と、
    を含むプロセス。
15. 前記構成部材がシリカ物資からなることを特徴とする請求項１４のプロセス。
16. 前記構成部材が基材からなることを特徴とする請求項１４のプロセス。
17. 前記構成部材がコア棒からなることを特徴とする請求項１４のプロセス。