JP4101324B2

JP4101324B2 - 粉末シリカのドーピング装置

Info

Publication number: JP4101324B2
Application number: JP13087697A
Authority: JP
Inventors: ジヤン−フロラン・カンピオン; ベルナール・ジユブネル; ロラン・ガスカ
Original assignee: アルカテル・カーブル・フランス
Priority date: 1996-05-21
Filing date: 1997-05-21
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2017-05-21
Also published as: CA2207122A1; DE69702570D1; FR2749005B1; EP0808799A1; DE69702570T2; JPH1087313A; EP0808799B1; US6007786A; FR2749005A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は粉末シリカのドーピング装置に関するものである。一般的に、本発明による装置を用いて得られる粉末は、いかなるタイプの用途においても使用することができ、とりわけ光ファイバのプレフォーム（preformes）を製造するのに使用することができる。
【０００２】
ドーピングとは、シリカの分子の中に、それらの特性を変えるための一つまたは複数の元素の分子を組み込むという作業を意味している。特に、光ファイバの分野では、当該のシリカがそれぞれ、たとえば、光ファイバの芯を構成するためのものか、光学的被覆を構成するためのものかによって、その屈折率を増大あるいは減少させることによって変化させるためのドーパント（dopant）がシリカの中に組み込まれる。ドーパントとして、たとえば、シリカの屈折率を増大させるためにはゲルマニウムを、屈折率を減少させるためにはフッ素を使うことができる。
【０００３】
特に光ファイバの製造のために使用できる状態にあるシリカは、ある程度の大きさをもち、稠密化されたあるいは稠密化されていない粒子でできた粉末の形状を有している。
【０００４】
シリカの粒子が稠密化されている場合は、たとえば、ＭＣＶＤ法（改良化学的気相付着法（Modified Chemical Vapor Deposition））によって製造された光ファイバのプレフォームのプラズマ挿入を行うために使用される。
【０００５】
シリカの粒子が稠密化されていない場合には、一般的に稠密化されたシリカ粒子よりも小さく、たとえば、ＶＡＤ法（軸方向気相付着法（Vapor Axial Deposition））またはＯＶＤ法（外部気相付着法（Outside Vapor Deposition））によってプレフォームを製造するために使用することができる。
【０００６】
本発明はまったくこれらの方法に限定されるわけではなく、これらの方法はすべてあくまで例示的なものであり、いずれも光ファイバの分野の技術者によって良く知られている方法であることから、ここではこれ以上詳細な説明を行わない。
【０００７】
稠密化されたシリカの粒子は、一般に大きさは０．１から１００ｎｍである非常に小さな粒子の形の稠密化されていないシリカの粒子からつくりだされる。この場合、シリカの粉末はスート（suie）と呼ばれる。シリカのスートは、技術者によって良く知られているさまざまな方法で得ることができる。たとえば、四塩化ケイ素ＳｉＣｌ_４のようなシリカの前駆気体の熱の存在による酸化によって製造することができる。稠密化されたシリカの粒子の製造のために、シリカの小さな微粒子は、細粒を形成するために凝集され、さらにこれらの細粒は、得られた粒子が稠密になるように、それらを構成するさまざまな微粒子間に存在する空隙を取り除くことができる加熱によって固められる。これらの粒子は一般に１ミクロンより大きいサイズである。
【０００８】
稠密化されたシリカの粒子の製造の中間段階におけるシリカの微粒子をシリカの細粒と呼ぶ。
【０００９】
ドーピングされたシリカの粒子の粉末を得るために使用される従来の方法は、望ましいドーパントの前駆気体を含む雰囲気の下で、細粒の稠密化作業を行うというものである。このように、シリカの細粒のフッ化を行うために、六フッ化イオウＳＦ_６または四フッ化ケイ素ＳｉＦ_４のようなフッ化気体を含む雰囲気の下で稠密化が行われる。稠密化されていないシリカの細粒は、稠密化を行うことができる温度にするために炉の中に置かれたるつぼの中に入れられ、炉には、望ましいドーパントの前駆気体が供給される。ドーピングは、シリカの細粒におけるドーパントＦ_２の分子の拡散によって生じる。この結果、ＳｉＯ_２−ｘＦ_２ｘタイプの錯体分子が形成される。
【００１０】
このタイプのプロセスを実施するためのるつぼ型装置にはいくつかの問題がある。
【００１１】
最も大きな問題は、均質なドーピングを得るために、必要な処理時間が非常に長く、ドーピング効率が非常に悪いという欠点があることである。処理時間を短くすると、効率が上がるが、ドーピングは不均質になってしまう。ところで、シリカの粒子の不均質なドーピングは、たとえば、光ファイバの製造に応用するためには、これらの光ファイバの伝送という観点での性能に関して受け入れられない屈折率のばらつきを招いてしまう。
【００１２】
もう一つの重大な問題は、ドーピングが静的に行われ、そのため、炉の温度上昇の第一段階と、温度がほぼ安定した第二の処理段階とさらに、ドーピングされ稠密化された粒子を回収することができる前に温度を下げる最終段階を必要とするという点に由来している。このため、プロセスは連続的に実施することができないので、効率という点でもまた不利である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ドーピング作業の効率を損なわずに、光ファイバの製造におけるシリカの使用と両立する均質なドーピングを行うことができるシリカ粉末のドーピング装置を提供することである。
【００１４】
本発明のもう一つの目的は、連続的なドーピングを行うことができるシリカ粉末のドーピング装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、以下を備えた、ドーパントを用いたシリカの粉末のドーピング装置を提案する。
【００１６】
− シリカスートの粒子の受入れ手段、
− 前記の受入れ手段を、前記のスートによる微粒子を細粒に凝集し、さらに前記細粒を稠密化するのに十分な温度にするために、それらの受入れ手段の中に入れられている前記粒子の加熱手段、及び
− 前記の細粒が前駆気体を含む雰囲気の下で加熱されるように、前記のドーパントの前駆気体を前記受入れ手段に供給する手段。この結果、ドーピングされ稠密化されたシリカの粒子を得るためにそれらの稠密化の最中に前記の細粒の中に前記のドーパントが組込まれる。
【００１７】
さらに本発明による装置は、前記の受入れ手段の運動中に、その中に入れられている前記細粒の各々が、その外側表面のほぼ全体が前記の前駆気体を含む雰囲気にさらされるような運動によって活性化されるように、前記受入れ手段が可動型であるという特徴をもっている。
【００１８】
本発明はまた、以下を備えたドーパントを用いたシリカの粉末のドーピング装置を提案する。
【００１９】
− 予め作られたシリカの細粒の受入れ手段、
− 前記受入れ手段を、稠密化を可能にするのに十分な温度にするためにそれらの手段の中に入れられている前記細粒の加熱手段、
− 前記の細粒が前駆気体を含む雰囲気の下で加熱されるように、前記のドーパントの前駆気体を前記受入れ手段に供給する手段。この結果、ドーピングされ稠密化されたシリカの粒子を得るためにそれらの稠密化の最中に前記の細粒の中に前記のドーパントが組込まれる。
【００２０】
さらに本発明による装置は、前記受入れ手段の運動中に、その中に入れられている前記細粒の各々が、その外側表面のほぼ全体が前記の前駆気体を含む雰囲気にさらされるような運動によって活性化されるように、前記受入れ手段が可動型であるという特徴をもっている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の装置によって、細粒が稠密化中に動き回ることから、サイズや、受入手段の中での最初の位置に関係なく、すべての細粒が、ドーパントの前駆気体の作用を受ける。したがって、到達しにくく、また到達するのに時間のかかる細粒はもはや存在しなくなる。ドーピングは、ドーピング作業効率が損なわれずに均等に行われる。
【００２２】
受入れ手段は、回転運動することが好ましい。この結果、細粒はそれらの手段の表面を転がり、前駆気体の作用に対して一層効果的にさらされることができる。このことは、受入れ手段がほぼ管状の形である場合には、さらに容易に行われる。
【００２３】
本発明のもう一つの特性によれば、受入れ手段は、シリカのスートの微粒子またはシリカの細粒の粒子の入口と、ドーピングされ稠密化されたシリカの粒子の出口を備えており、入口は出口と切り離されている。この結果、細粒の運動と組み合わされることによって、連続処理を行うことができる。
【００２４】
その一方で、細粒が、重力によって入口から出口に向かって運ばれるように受入れ手段を配置することができる。すなわち、受入れ手段を水平に対して傾斜させることもできる。このことから、細粒の表面全体を前駆気体を含む雰囲気にさらす効率が一層改善される。
【００２５】
最後に、前駆気体は、細粒に対して逆流循環するように受入れ手段の中に入れられる。その結果ドーピングのより良い均質性が得られる。
【００２６】
ドーパントがフッ素である場合には、前駆気体は、六フッ化イオウＳＦ_６、四フッ化ケイ素ＳｉＦ_４、フレオン（freon）の中から選択される。
【００２７】
ドーパントが塩素である場合には、前駆気体は塩酸ＨＣｌ、気体塩素Ｃｌ_２またはＳＯＣｌ_２の中から選択される。
【００２８】
上記の気体を混ぜ合わせて塩素とフッ素の混合ドーパントをつくることもできる。
【００２９】
限定的でなく例示的なものとして、本発明の装置の他の特性及び利点を以下に説明する。
【００３０】
添付のすべての図面において、共通のエレメントには同じ参照番号が記されている。
【００３１】
図１から４に表わされている本発明の第一の実施の形態による装置１００は、以下の三つの部分で構成されている：シリカのスートの粉末または予め作られたシリカの細粒の供給部分１０１と、ドーピングされ稠密化されたシリカの粒子の回収部分１０３と、さらにその両者の間に位置し、シリカスートの粉末の凝集（シリカスートから始める場合）、ドーピング、稠密化作業を行うためのメイン本体１０２である。供給部分１０１は、図１ではメイン本体１０２の左側に、回収部分１０３はその右側に位置している。
【００３２】
シリカスートの粉末またはシリカの細粒の供給部分１０１は、シリカのスートまたは細粒２を入れる容器１を有しており、この容器１は、シリカのスートまたは細粒２の均質な分配を行うことができるようにその軸３０の周りの回転運動によって活性化されるたとえば螺旋ネジ３のような、シリカのスートまたは細粒の分配手段につながっている。
【００３３】
フレーム１０５に取付けられた装置１００のメイン本体１０２は、たとえばアルミでできたパイプ４の集合体を有しているが、これらは、それぞれの軸４０が円筒５１を定めるように（図４参照）、互いに平行に配置され、シリカのスートまたは細粒２の受入れ手段として役立ち、パイプ４の軸４０は軸３０に平行になっている。パイプの集合体４は、フレーム１０５に支えられている回転駆動手段５によって、軸３０及び４０に平行な円筒５１の軸である共通軸５０の周りを回転駆動されるようにサポート４５の中に取付けられている。この回転によって、パイプ４の各々の一端４１（図２参照）は、分配手段３と次々に連絡して行く。この結果、シリカのスートまたは細粒２は、受入れパイプ４の中に入れられる。
【００３４】
パイプ４の端部４１はすべて、閉鎖されているエンクロージャ（enceinte）１０の中に通じており、供給手段３もまたこのエンクロージャ１０の中に通じている点に注目してほしい。
【００３５】
さらに、パイプ４は、その長さの大部分が、フレーム１０５に支えられている炉６に取り囲まれており、この炉６は、軸５０に沿った各先端に、パイプ４を通して、それらをともに回転させるための開口部（ここには記されていない）を有しており、この開口部の中に、受入れパイプ４を熱するための加熱用電極６０が差込まれている。パイプ４の先端４１は、装置１００の供給部分１０１において炉６の外に位置し、先端４１の反対側にあるパイプ４の先端４２（図３参照）もまた同じように、装置１００の回収部分１０３において炉６の外に位置している。
【００３６】
装置１００の回収部分１０３は、シリカをドーピングするのに用いられるドーパントの前駆気体の供給手段７を備えている。この前駆気体としては、たとえば六フッ化イオウＳＦ_６または四フッ化ケイ素ＳｉＦ_４のようなフッ化ガスを使用することができる。供給手段７は、閉鎖されたエンクロージャ１１の中に通じており、パイプ４の先端４２もまた、これらのすべてのパイプに前駆気体が供給されるように、このエンクロージャの中に通じている。こうして、ドーパントの前駆気体が注入され、シリカの細粒に対して逆流するように循環する。その結果、前駆気体がシリカの細粒と同じ方向に流れる場合よりも優れたドーピングの均質性が得られる。
【００３７】
エンクロージャ１１は、その下部において、稠密化されドーピングされたシリカの粒子９の回収容器８に連絡している。この容器８は、装置１００の回収部分１０３の中に存在する。
【００３８】
ドーピング反応による気体状の反応物質は、装置１００の供給部分１０１のレベルに位置するパイプ４の先端４１によって、さらに、エンクロージャ１０に連絡している排出手段１２によってこの装置１００から外に出される。
【００３９】
ここで、シリカのスート２のドーピングのための本発明による装置１００の動作について説明しよう。
【００４０】
稠密化されていないシリカのスート２は、受入パイプ４の先端４１によって装置１００の中に入れられ、このパイプ４の中で、炉６によって加熱される。それと同時に、望ましいドーパントの前駆気体（先の例においてはフッ素）が、供給手段７によって、さらに受入パイプ４の先端４２によってこの装置内に入れられる。
【００４１】
加熱は高温で行われる。フッ素によるドーピングを行う場合には、およそ１３５０℃で行われるのが典型である。このことによって、シリカのスート２を構成している非常に細かい粒子が凝集されて、多孔性のシリカの細粒を形成し、この細粒の中に前駆気体から生じるドーパントが組込まれる。それと同時に、このようにドーピングされた細粒は固められてドーピング及び稠密化されたシリカの粒子９を形成し、その粒子が容器８の中で回収される。
【００４２】
プロセスの実施中に軸５０の周りをパイプ４の集合体が回転することによって、シリカの細粒は、パイプ４の内側表面に対して動き回るので、その結果、表面全体がドーパント気体の作用にさらされる。
【００４３】
このように、本発明による装置によって、シリカのあらゆる粒子が均質にドーピングされる。これは従来の技術による装置では得られないことである。さらに、あらゆるシリカの粒子は、ほぼ同時にドーパント気体にさらされ、その結果、プロセスの効率も、従来の技術による静的な装置を使用するプロセスに比べて改善される。
【００４４】
受入パイプが回転することから、細粒はその内側表面を転がり、それによって処理が容易になる。しかも、本発明によれば、各細粒の表面全体がドーパント気体の作用にさらされることから、受入れ手段の表面はどんな形状であってもよく、またどんなタイプの駆動運動も選択することができる。
【００４５】
ここで、図５と関連させて、本発明の第二の実施の形態による装置５００を見てみよう。
【００４６】
装置５００もまた三つの部分で構成されている。シリカのスートの粉末の供給部分５０１と、ドーピングされ稠密化されたシリカの粒子の回収部分５０３と、それら両者の間に位置し、シリカのスートの粉末を凝集、ドーピング、稠密化作業を行うことができるメイン本体５０２である。供給部分５０１は、図５ではメイン本体５０２の左側に位置し、回収部分５０３はその右側に位置している。
【００４７】
シリカのスートの粉末の供給部分５０１は、シリカのスート５１２を含む容器５１１を備えており、この容器５１１は、シリカのスート５１２の均質な分配を行うことができるようにその軸５３０の周りの回転運動によって活性化される螺旋ネジ５１３のような、シリカのスートまたは細粒の分配手段につながっている。
【００４８】
フレーム５０５に取付けられている装置５００のメイン本体５０２は、たとえばアルミでできたパイプ５０４を有しており、このパイプは、シリカのスート５１２の受入れ手段として役立ち、パイプ５０４の軸５４０は軸５３０に一致している。パイプ５０４は、フレーム５０５によって支えられている回転駆動手段５５０によってその軸５４０の周りを回転駆動される。パイプ５０４の一端５４１は、分配手段５１３に連絡している。この結果、シリカのスート２は、受入れパイプ５０４の中に入れられる。
【００４９】
パイプ５０４の先端５４１は閉鎖されたエンクロージャ５１０の中に通じており、供給手段５１３もまたこのエンクロージャの中に通じている点に注目して欲しい。
【００５０】
さらに、パイプ５０４は、その長さの大部分が、フレーム５0５に支えられている炉５０６に取り囲まれており、この炉６は、軸５４０に沿った各先端には、パイプ５０４を通し、それを回転させるための開口部（ここには記されていない）を有しており、この開口部の中に、受入れパイプ５０４を熱するための加熱用電極５６０が差込まれる。パイプ５０４の先端５４１は、装置１００の供給部分５０１において炉５０６の外に位置し、先端５４１の反対側にあるパイプ５０４の先端５４２もまた同じように、装置５００の回収部分５０３において炉５０６の外に位置している。
【００５１】
装置５００の回収部分５０３は、シリカをドーピングするのに用いられるドーパントの前駆気体の供給手段５０７を備えている。この前駆気体としては、たとえば六フッ化イオウＳＦ_６または四フッ化ケイ素ＳｉＦ_４のようなフッ化ガスを使用することができる。供給手段５０７は、閉鎖されたエンクロージャ５１４の中に通じており、パイプ５０４の先端５４２もまた、これらのすべてのパイプに前駆気体が供給されるように、このエンクロージャの中に通じている。こうして、望ましいドーパントの前駆気体が注入され、シリカのスート５１２に対して逆流するように循環する。その結果、優れたドーピングの均質性が得られる。
【００５２】
エンクロージャ５１４は、その下部において、稠密化されドーピングされたシリカの粒子５０９の回収容器５０８に連絡している。この容器５０８は、装置５００の回収部分５０３の中に存在する。
【００５３】
ドーピング反応による気体状の反応物質は、装置５００の供給部分５０１のレベルに位置するパイプ５０４の先端５４１によって、さらに、エンクロージャ５１０に連絡している排出手段５１５によってこの装置５００から外に出される。
【００５４】
シリカのスート５１２のドーピングのための本発明による装置５００の動作は、シリカのスート２のドーピングのための図１から４の装置１００の動作と同様である。装置５００の利点は、装置１００の利点と同じである。
【００５５】
予め作られたシリカの細粒２のドーピングのための本発明による装置１００と５００の動作は、細粒が予め作られていることから、凝集が行われない点を除けば、上述した作動と同じである。
【００５６】
もちろん、本発明はこれまでに説明してきた実施の形態に限定されるものではない。
【００５７】
とりわけ、装置１００または５００が、あるいは少なくともそのメイン本体１０２または５０２が、たとえばシリカのスートの入口とドーピングされた粒子の出口との間で、およそ３から５°の角度で、水平に対して低方に傾いている場合には、得られたドーピングシリカの粒子の均質性をさらに改善することができるであろう。
【００５８】
ここに挙げた実施の形態においては、入口と出口が切り離されているが、必ずしもそうでなくてもよい。しかしながら、入口と出口を切り離すことによって、ドーピングされ、稠密化されたシリカの粒子の出口を、光ファイバのプレフォームの製造装置に結びついたシリカの分配装置につなげることで、たとえばこのようなプレフォームの製造とともに連続したドーピングを行うことができる。
【００５９】
受入れパイプを構成する材質は、特に、シリカをドーピングに使用する炭素やフッ素や他のドーパントを含む誘導体の作用及び摩耗に対する耐久性があれば、どんな材質でも構わない。
【００６０】
本発明による装置の中に入れられるシリカのスートまたは細粒の温度は、特に前駆気体の流量に応じて選択されなければならない。処理時間は、受入れ手段の中の細粒の運動速度に応じて異なり、この運動速度自体も受入れ手段の傾斜に応じて異なる。
【００６１】
最後に、本発明の範囲を逸脱しない限りあらゆる手段を同等の何らかの手段に置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態による装置の部分的な縦断面の概略図である。
【図２】図１の部分ＩＩの拡大図である。
【図３】図１の部分ＩＩＩの拡大図である。
【図４】図１の装置のメイン本体の部分的横断面図である。
【図５】本発明の第二の実施の形態による装置の部分的な縦断面の概略図である。
【符号の説明】
２、５１２シリカのスートの微粒子
４、５０４受入れ手段
６、５６０加熱手段
７、５０７供給する手段
９、５０９シリカの粒子
４１、５４１入口
４２、５４２出口

Claims

ドーパントを用いたシリカ粉末のドーピング装置であって、該装置が、
シリカのスートの微粒子（２、５１２）の受入れ手段（４、５０４）と、
前記スートの微粒子を細粒に凝集し、前記細粒を稠密化するのに十分な温度にするために前記受入れ手段（４、５０４）の中に入れられる前記微粒子（２、５１２）の加熱手段（６、５６０）と、
前記細粒が、前駆気体を含む雰囲気の下で加熱されるように、前記のドーパントの前記前駆気体を前記受入れ手段（４、５０４）に供給する手段（７、５０７）とを備え、この結果、ドーピングされ稠密化されたシリカの粒子（９、５０９）を得るために稠密化を行っている間に前記細粒の中に前記ドーパントを組み入れることができる装置であって、
前記受入れ手段が可動であり、前記受入れ手段（４、５０４）の運動の最中に、前記受入れ手段の中に入れられた前記の細粒の各々が、外側表面のほぼ全体が前記の前駆気体を含む雰囲気にさらされるような運動によって活性化されることを特徴としている装置。
ドーパントを用いたシリカ粉末のドーピング装置であって、該装置が、
予め作られたシリカの細粒の受入れ手段（４，５０４）と、
前記細粒を稠密化するのに十分な温度にするために前記受入れ手段（４、５０４）の中に入れられる前記細粒の加熱手段（６、５６０）と、
前記細粒が、前駆気体を含む雰囲気の下で加熱されるように、前記のドーパントの前駆気体を前記受入れ手段（４、５０４）に供給する手段（７、５０７）とを備え、この結果、ドーピングされ稠密化されたシリカの粒子（９、５０９）を得るために稠密化を行っている間に前記細粒の中に前記ドーパントを組み入れることができる装置であって、
前記受入れ手段が可動であり、前記受入れ手段（４、５０４）の運動の最中に、前記受入れ手段の中に入れられた前記の細粒の各々が、外側表面のほぼ全体が前記の前駆気体を含む雰囲気にさらされるような運動によって活性化されることを特徴としている装置。
前記受入れ手段（４、５０４）が回転運動することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記受入れ手段（４、５０４）がほぼ管状であり、シリカの微粒子または細粒が対応する一本または数本のパイプの内部に入れられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
前記受入れ手段（４、５０４）がシリカのスートの微粒子またはシリカの細粒（２、５１２）の入口（４１、５４１）と、ドーピングされ固められたシリカの粒子（９、５０９）の出口（４２、５４２）を備えており、前記入口（４１、５４１）と前記出口（４２、５４２）が切り離されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
前記受入れ手段（４、５０４）が、前記細粒が前記入口（４１、５４１）から前記出口（４２、５４２）に向かって重力によって駆動されるように、配置されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
前記受入れ手段（４、５０４）が水平に対して傾いていることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
前記の前駆気体が、前記細粒に対して逆流循環するように前記受入れ手段（４、５０４）中に入れられることを特徴とする請求項６または７に記載の装置。