JPH11255530A - 耐火性誘電体からなる物品を製造する方法 - Google Patents
耐火性誘電体からなる物品を製造する方法Info
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Abstract
く、表面不純物及びバルク不純物の両方を減少させる。 【解決手段】 耐火性誘電体の表面部分の相当量の除去
を生じることなく、しかも、表面不純物及びバルク不純
物の両方を十分に減少させることができる条件で、耐火
性誘電体をプラズマ火球で加熱する。耐火性誘電体への
材料の同時蒸着無しに、プラズマで耐火性誘電体を処理
する。等温酸素又は酸素含有プラズマを使用する。水酸
基不純物を同時に除去しながら、少なくとも10μmの
深さまで塩素不純物を少なくとも30%減少させること
ができる。従って、プリフォームの表面の相当量の除去
を必要とすることなく、プリフォームからファイバを線
引きする処理中の欠陥の一因となる不純物濃度を低下さ
せることができる。
Description
る製品の製造に関する。更に詳細には、本発明はガラス
光ファイバ用のプリフォームの製造に関する。
優れた光学特性を有する、一層強靱で、一層耐久性のあ
るファイバも同様に開発されてきた。光ファイバの損失
メカニズム及び構造的欠陥は一般的に、光ファイバが線
引きされるガラスプリフォーム内に存在する欠陥及び不
純物から生じる。従って、これらの欠陥及び不純物を軽
減、除去又は排除するための方法を開発するための多大
な努力が払われてきた。
は例えば、機械的微粉砕及び化学的エッチングなどであ
るが、これらの方法は何れも特に望ましいものではな
い。機械的微粉砕はしばしば、クラック生成を引き起こ
す機械的応力をプリフォームに導入する。また、化学的
エッチングは、所期の欠陥及び不純物を概して除去する
が、往々にして、新たな不純物として化学的副生物を導
入する。
されるような、表面不純物及び欠陥を除去するためにプ
ラズマトーチを使用する方法も公知である。しかし、こ
れらの各方法は本質的に、ガラスプリフォームの表面部
分を除去するだけである。ガラスプリフォームの表面部
分は、最も高い濃度の欠陥と不純物が存在する。
存在する。(「バルク」とは、表面の数ミクロン内に主
に存在する不純物と異なり、例えば、表面と本体内部の
両方のように、ガラス材料の全体にわたって不純物が存
在することを意味する。)石英ガラスにおける代表的な
バルク不純物は例えば、塩素及び水酸基である。これら
両タイプの不純物は、石英ガラスの製造中及び光ファイ
バの線引き中に、有害な泡立ちを引き起こすことが知ら
れている。
ば、SiCl4)からの合成ガラスの製造中、及び、こ
のようなガラスを塩素ガス中で精製するその後のステッ
プ中に取り込まれる。相当量の塩素が取り込まれる可能
性がある。例えば、石英ガラス中で1000ppmの塩
素原子も希ではない。
方法における水の存在により及び酸水素トーチの共通使
用により、石英ガラス本体内に取り込まれる。天然の溶
融石英ガラスであっても水酸基不純物を含有している。
しかし、このようなガラスは一般的に、高レベルの塩素
は含有していない。
を概ね無傷のままにしておくことが望ましいこともあ
る。これにより、表面不純物が更に減少され、また、好
都合なことには、バルク不純物も同様に減少される。従
って、耐火性誘電体(例えば、光ファイバプリフォー
ム)の表面を殆ど除去することなく、表面不純物及びバ
ルク不純物の両方を減少させることができる、耐火性誘
電体からなる製品の製造方法が望ましい。
は、耐火性誘電体の表面を殆ど除去することなく、表面
不純物及びバルク不純物の両方を減少させることができ
る、耐火性誘電体からなる製品の製造方法を提供するこ
とである。
石英光ファイバプリフォーム)の表面部分を殆ど除去す
ることなく、耐火性誘電体内の不純物を減少させること
ができることが発見された。
除去を生じることなく、しかも、特に塩素及び水酸基な
どの表面不純物及びバルク不純物の両方を少なくとも約
10μmの深さまで十分に減少させることができる条件
で、耐火性誘電体をプラズマ火球(例えば、プラズマト
ーチにより誘発されるような火球)により処理する。
表面から少なくとも約0.1mmよりも多く除去するこ
とを意味する。「耐火性」とは、本質的な変化を起こす
ことなく約1600℃までの温度に耐えることができる
比較的低い熱伝導率のセラミック材料を意味する。「誘
電体」とは、電気的に絶縁性の材料、すなわち約10 6
Ω・cm以上の抵抗率を有する材料を意味する。)
ド)又は中空状(例えば、チューブ)であることができ
る。耐火性誘電体がチューブである場合、チューブの内
面及び外面の両方の面をプラズマ火球により処理するこ
とができる。本発明の方法は、場合により、耐火性誘電
体への材料の同時蒸着無しに、例えば、ファイバコアロ
ッドへのクラッドの蒸着又はクラッドチューブへのファ
イバコア材料の蒸着無しに実施される。
誘電体に比べて、少なくとも10μmの深さまでの塩素
不純物を少なくとも30%減少させることができ、同時
に、水酸基不純物も減少される。また、本発明のパラメ
ータ(例えば、耐火性誘電体を加熱する温度)を変更す
ることにより、少なくとも10μmの深さまでの塩素不
純物を300%又は3000%までも減少させることも
できる。
(例えば、約0.05mm未満)を除去したり、あるい
は、表面部分を全く除去しないように、本発明の方法の
処理パラメータを選択することもできる。等温プラズマ
トーチにより発生されるような火球を使用することが好
ましい。プラズマ火球は酸素プラズマ又は酸素含有プラ
ズマからなることが更に好ましい。
0℃〜2300℃の温度にまで加熱する。到達表面温度
は様々な相互依存性パラメータにより左右される。この
ようなパラメータは例えば、プラズマに供給される電
力、プラズマのタイプ、プラズマ火球が耐火性誘電体を
トラバースする際の速度、火球から耐火性誘電体表面ま
での距離及び耐火性誘電体の特性などである。
ような耐火性誘電体から塩素及び水酸基不純物を除去す
るのに有用である。従って、本発明は、プリフォームの
表面の相当量の除去を必要とすること無しに、光ファイ
バプリフォームからファイバを線引きする処理中の欠陥
の一因となる表面不純物及びバルク不純物を除去する方
法を提供する。本発明の方法によれば、一層強靱で、所
望の特性を示すファイバを製造することができる。
(例えば、石英ガラスオーバークラッドチューブ、石英
ガラス光ファイバプリフォーム又は平面導波路など)
を、プラズマ火球(例えば、プラズマトーチにより生成
されるような火球)により加熱し、少なくとも約10μ
mの深さまでの表面不純物及びバルク不純物を減少させ
る。塩素及び水酸基に加えて、その他の様々な不純物も
本発明の方法により減少されるものと思料する。
様々な形状の耐火性誘電体について、本発明の方法を使
用することができる。場合により、本発明の方法は、耐
火性誘電体への材料の同時蒸着無しに、例えば、ファイ
バコアロッドへのクラッド材料の蒸着無しに、又はクラ
ッドチューブへのファイバコア材料の蒸着無しに実施で
きる。
しい。「等温」とは、イオン温度及び電子温度がプラズ
マ内で概ね同一であることを意味する。等温プラズマト
ーチのプラズマは一般的に、プラズマ温度が最高の中心
領域と共に、導電性領域を有する。
含む領域と定義される。この領域にはプラズマ持続電磁
エネルギーが結合される。相当量の紫外線(UV)を放
射することができる塩素不含有等温プラズマは全て有用
であると思料する。このようなプラズマは例えば、酸素
プラズマ及び酸素含有(例えば、酸素/アルゴン)プラ
ズマなどである。
は、プラズマにより生成されたUV輻射線と共に、プラ
ズマの熱作用により達成されるものと思料する。UV輻
射線は耐火性誘電体内の塩素及び/又は水素/水酸基の
ような不純物に作用し、これら不純物を耐火性誘電体か
ら放散させることができる。
処理するのに有用な等温プラズマトーチ10の一例の概
要図である。等温プラズマトーチ10は、ガス源17に
接続された溶融シリカマントル11を有する。ガス源1
7は、マントル11内へのプラズマ放電に使用されるガ
スを給送する。
19及びRF発生器14により励起される。火球12は
一般的に、主にトーチ内に包含される。この場合、火球
12の中心は一般的に、RFコイル19の概ね中間部あ
たりに位置する。
は円筒状(例えば、光ファイバプリフォーム)であり、
この耐火性誘電体20は例えば、旋盤21に装着され
る。旋盤21は処理中、耐火性誘電体20を回転させる
ことができる。
方向に調節することができ、更に、耐火性誘電体20に
対して火球12を所望の位置に配置させるために傾斜さ
せることができるように装着される。等温プラズマトー
チ10は一般的に、耐火性誘電体20をトラバースする
ために、横方向へ移動することができる。また、旋盤2
1をこのような横方向移動可能に構成することもでき
る。
に記載されるように、火球がマントルの更に外側へ押し
出されるようにトーチを構成することもできる。しか
し、一般的に、本発明ではこのような形状のトーチを使
用する必要性は無い。なぜなら、マントルの外側へ火球
を押し出すと一般的に、処理されている耐火性誘電体の
急速な除去が生じ、本発明の所期の効果が得られないか
らである。
するために、図1に示されるタイプのトーチを使用する
こともできる。このような処理を行うために、トーチの
外側に小さな火球を発生させ、この火球をチューブ内へ
挿入する。小火球の挿入後、火球を拡大させ、チューブ
の内面に接触させる。
力を増大させるか、及び/又は、(米国特許第5000
771号明細書に記載されているように)トーチから更
に火球を押し出すことにより行われる。
うな装置を使用して処理することが好ましい。図2に示
される装置では、中空体自体がプラズマトーチを生成す
る。図2に示されるように、ガス源32からのプラズマ
ガスはチューブ30へ送入され、チューブ30を取り囲
むRFコイル34(及びRF発生器36)によりチュー
ブ30の内側に火球が発生される。
方は、チューブ30の全内面が処理されるように、移動
することができる。更に、チューブ30(又は同様な中
空体)は一般的に、処理中は回転され、処理の均一性を
高める。(この明細書で使用されている「プラズマトー
チ」とは、図1に示されるような被処理体から分離され
たトーチ又は中空状の耐火性誘電体がトーチの一部を構
成する図2に示されるような装置の何れかを意味す
る。)
不純物は減少されるが、耐火性誘電体の表面部分(内面
又は外面)は殆ど除去されない(すなわち、耐火性誘電
体の表面から約0.1mm以下しか除去されない)よう
な、プラズマ火球により耐火性誘電体を処理する。
べて、少なくとも10μmの深さまでの塩素不純物を少
なくとも約30%減少させ、同時に、水酸基不純物も除
去するのに有効である。また、本発明の方法によれば、
特定の処理パラメータに左右されるが、少なくとも約1
0μmの深さまでの塩素不純物を少なくとも300%又
は少なくとも約3000%減少させることができる。
おける不純物レベルを未処理体と処理体とで比較する場
合、プラズマ処理により除去される全ての表面材料は考
慮されない。換言すれば、プラズマ処理体では、不純物
レベルは処理体の新たな表面から深さDのところで測定
され、元の表面から除去された物質の量は、Dを変更す
るために考慮されない。)
物除去を達成する際の重要なファクタは、プラズマ火球
により加熱される耐火性誘電体の表面温度である。この
表面温度は様々な変数の組み合わせにより影響を受け
る。
プ(例えば、電子を遊離するために多量の電力を必要と
する高イオン化ガスは、耐火性誘電体へ高エネルギーを
転送し、更に、このガスは熱伝導率を変化させる)、プ
ラズマトーチへ供給される電力、耐火性誘電体に対する
火球の移行速度、(もし、回転が行われれば)耐火性誘
電体の回転速度、及び火球と耐火性誘電体表面との間の
間隙などである。(火球と耐火性誘電体表面との間の間
隙は、火球の中心から耐火性誘電体の表面までの最短距
離と定義される。)
例えば、遅い移行速度及び大きな間隙は一般的に、速い
移行速度及び小さな間隙と同様な作用を示す。表面温度
は耐火性誘電体の特性(例えば、耐火性誘電体の熱容
量、熱伝導率、放射率及び気化熱など)によっても影響
を受ける。
プラズマ処理中、約1800℃〜約2300℃の温度に
まで加熱することが好ましい。約1900℃〜約210
0℃の温度にまで加熱することが一層好ましい。180
0℃未満の温度は一般的に、不純物の除去レベルが低す
ぎて本発明の所期の効果が得られない。一方、2300
℃超の温度は一般的に、表面除去が過大になりすぎ好ま
しくない。
度」とは、プラズマ火球が正に存在する領域における体
表面温度を意味する。表面温度は例えば、火球が正に存
在するガラス体領域に赤外線高温計を向けることにより
測定される。この場合、赤外線高温計は、波長約4〜約
5μmと輻射率約0.9に設定される。この赤外線高温
計は物体の外面の処理における温度測定に有用である。
別法として、表面温度は輝度高温計を火球が正に存在す
る領域に向けることによっても測定することができる。
輝度高温計は中空体の内面の処理における温度測定に有
用である。)
組合わせにより得られる。特に、有用なプラズマトーチ
電力(すなわち、RF発生器電力)範囲は、一般的に、
約3MHzにおいて、約20〜約60kWである。耐火
性誘電体に対する火球の有用なトラバース速度は、約
0.1〜約400cm/分であり、物体の外面について
は、約1〜約10cm/分、中空体の内面については、
約50〜約400cm/分であることが好ましい。
るような分離タイプのトーチ)、RFコイル(この場
合、物体は中空状であり、図2に示されるように、トー
チの一部を構成する)及び/又は物体を移動させること
により得られる。物体(例えば、中実状の円筒形物体)
の有用な回転速度は約20〜約100rpmである。
面を処理する場合)との間の有用な離隔距離(間隙)は
約3〜約10cmである。(しかし、中空体の内面を処
理する場合、回転速度及び火球と表面との距離は、トラ
バース速度よりも遙かに小さな作用しか及ぼさない。)
に応じて変化する。従って、離隔距離は、主に、トーチ
出力に基づいて変化する。特に、火球の発生に投入され
る電力が増大するにつれて、大容量のガスが瞬時にイオ
ン化され、それにより、火球の長さと直径が増大する。
プラズマトーチへのガス流量は一般的に、約1〜約10
0リットル/分である。対照サンプルを使用し、所望の
温度処理をもたらす所定の一連の条件に関する正確なパ
ラメータを容易に決定することができる。
ム、このようなプリフォームのコアロッド及びこのよう
なプリフォームのオーバークラッドチューブの内面及び
/又は外面などのような、様々な耐火性誘電体を処理す
るのに有用である。例えば、最終のプリフォームを生成
するためにロッド上にチューブをコラプスする前に、オ
ーバークラッドチューブの内面と、別のコアロッドの外
面を処理することができる。
する。
を、塩素及び水酸基不純物を添合させる方法により作製
した。図3は、ロッドの表面から内部へ向かう塩素及び
水素不純物の濃度分布を示す特性図である。この分布図
はSIMS(二次イオン質量分析器)により測定した。
した。ロッドを約45rpmで回転させながら、トーチ
を約1〜1.5cm/分の速度で、ロッド表面をトラバ
ースさせた。トーチでガラス表面を1850℃よりも高
い温度にまで加熱した。表面温度は、火球が正に存在す
るガラス体領域に赤外線高温計を向けることにより測定
した。赤外線高温計は波長約4〜約5μm、放射率約
0.9に設定した。この表面温度は、ロッドの表面から
若干のシリカを蒸発させるのに十分な温度であった。
じ方法で測定した不純物濃度分布を示す特性図である。
(図4における表面ポイントすなわちゼロポイントは、
トーチで処理されたロッドの新たな表面であり、図3に
おける表面ポイントではない。)図4によれば、この処
理は塩素不純物を僅かに減少させたものと思われるが、
この減少はSIMSの誤差限界の範囲内である。酸水素
トーチの使用に関して予想されるように、水素レベルは
この処理では全く低下されなかった。
トーチが装着されたガラス加工旋盤に取付けた。ロッド
の直径をレーザマイクロメータで、0.001mmの精
度まで測定した。プラズマトーチを安定化させ、酸素プ
ラズマを発生させた。プラズマ印加電力は3MHzで4
0kWであった。
の中心がロッド表面から約5〜約6cmのところに位置
するように、プラズマ炎を配置させた。プラズマにより
加熱された領域における表面温度は赤外線高温計で測定
した。ロッドを約45rpmで回転させながら、プラズ
マを4.0cm/分のトラバース速度で、(前記の比較
例1で酸水素トーチにより処理された部分の上を)軸長
50cmにわたってトラバースさせた。
ド表面への再蒸着シリカの程度により、実時間で確認さ
れた。従って、比較例1の場合よりも、表面蒸発は僅か
にしか起こらなかった。赤外線高温計により前記と同じ
方法で測定した、プラズマにより加熱されたロッド表面
の温度は2020℃であった。プラズマ処理後、マイク
ロメータで測定したところ、ロッド表面から約0.02
mmのシリカが除去されたことが確認された。
に示す。図5に示されるように、このプラズマ処理は塩
素及び水素不純物の減少に有効であった。(図5におけ
る表面ポイントすなわちゼロポイントはプラズマ処理ロ
ッドの新たな表面であり、図4の表面ポイントではな
い。)
理ロッドと同じロードの別の部分を使用した。実施例1
の酸素プラズマトーチを、実施例1と同じ電力、離隔距
離及び回転速度で、8cm/分の速度でトラバースさせ
た。このトラバース速度で2回通過させ、実施例1の暴
露時間の2倍の時間にわたってプラズマに暴露させた。
しかし、前記と同じ方法で測定されたロッドの表面温度
は1800℃を越えなかった。
除去は全く起きていなかった。処理後の濃度分布を図6
に示す。実施例1の高温度処理は不純物の除去に一層効
果的であるが、図6に示されるように、ロッドの表面か
らシリカを除去することなく、不純物を大幅に減少させ
ることができる。(図6における表面ポイントすなわち
ゼロポイントは、処理前と同じポイント、例えば、図4
の表面ポイントと同じポイントである。)
じ酸素プラズマトーチで処理した。トラバース速度、印
加電力、離隔距離及び回転速度は実施例2におけるもの
と同じであった。但し、トラバースは1回だけしか行わ
なかった。従って、暴露時間は約半分に短縮した。
度は約1900℃であった。処理後、レーザマイクロメ
ータで測定したところ、表面損失は約0.01mmであ
った。図7は、プラズマ処理前の塩素及び水素不純物の
濃度分布を示す特性図である。図8は、処理後の塩素及
び水素不純物の濃度分布を示す特性図である。(図8に
おける表面ポイントすなわちゼロポイントは処理された
ロッドの新たな表面である。)このプラズマ処理によ
り、塩素及び水素のバルク不純物が大幅に減少された。
ら、塩素及び水素不純物の減少はシリカロッド内部にま
で続き、15μmの測定終点を過ぎても不純物の減少が
続くことが理解できる。
較例1の同じ酸水素トーチで処理した。その後、ロッド
本体を光ファイバ線引炉内に配置し、直径125μmの
ファイバの線引きを開始した。この場合、塩素及び水酸
基含有表面は一般的に、“ふくれ”を生成することによ
り反応する。
確に認められた。その後、このロッドを取り出し、実施
例3と同じトラバース速度、印加電力、離隔距離及び回
転速度を用いて、但しトラバースは1回だけにして、酸
素プラズマで更に処理した。その後、ロッドを同じ線引
炉内に配置し、ファイバの線引処理を開始した。目視観
察しても、“ふくれ”は全く認められなかった。
れば、石英光ファイバプリフォームのような耐火性誘電
体から塩素及び水酸基不純物を除去することができる。
従って、本発明の方法によれば、プリフォームの表面の
相当量の除去を必要とすること無しに、光ファイバプリ
フォームからファイバを線引きする処理中の欠陥の一因
となる表面不純物及びバルク不純物の両方を効果的に除
去することができる。また、本発明の方法によれば、一
層強靱で、所望の特性を示すファイバを製造することが
できる。
温プラズマトーチの一例の概要図である。
マ火球により処理する本発明の方法の模式図である。
表面から内部へ向かう塩素及び水素不純物の濃度分布を
示す特性図である。
Sで測定した不純物濃度分布を示す特性図である。
処理後の、SIMSで測定した不純物濃度分布を示す特
性図である。
処理後の、SIMSで測定した不純物濃度分布を示す特
性図である。
の塩素及び水素不純物の濃度分布を示す特性図である。
処理後の、SIMSで測定した不純物濃度分布を示す特
性図である。
Claims (24)
- 【請求項1】 (a)耐火性誘電体を準備するステップ
と、 (b)前記耐火性誘電体の表面部分の相当量の除去無し
に、該耐火性誘電体をプラズマ火球で加熱し、該加熱に
より前記耐火性誘電体内の不純物を減少させるステップ
と、からなることを特徴とする耐火性誘電体からなる製
品の製造方法。 - 【請求項2】 塩素及び水酸基不純物が除去されること
を特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記耐火性誘電体は中実体であることを
特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 前記耐火性誘電体はロッドであることを
特徴とする請求項3に記載の方法。 - 【請求項5】 前記耐火性誘電体は中空体であることを
特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】 前記耐火性誘電体はチューブであること
を特徴とする請求項5に記載の方法。 - 【請求項7】 前記耐火性誘電体は、該誘電体上への材
料の同時蒸着無しに、前記プラズマ火球により加熱され
ることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項8】 前記プラズマ火球は等温プラズマトーチ
により発生されることを特徴とする請求項1に記載の方
法。 - 【請求項9】 前記プラズマは酸素からなることを特徴
とする請求項8に記載の方法。 - 【請求項10】 前記プラズマは純粋な酸素及び酸素と
アルゴンとの混合物から選択されることを特徴とする請
求項9に記載の方法。 - 【請求項11】 前記プラズマにより加熱される前記耐
火性誘電体の部分は1800℃〜2300℃の表面温度
にまで加熱されることを特徴とする請求項1に記載の方
法。 - 【請求項12】 前記プラズマトーチの電力は20〜6
0kWであることを特徴とする請求項9に記載の方法。 - 【請求項13】 前記(b)加熱ステップにおいて、前記
火球の中心と前記耐火性誘電体の表面との間の離隔距離
は1〜10cmであることを特徴とする請求項1に記載
の方法。 - 【請求項14】 前記(b)加熱ステップは、0.1〜4
00cm/分のトラバース速度で実施されることを特徴
とする請求項3に記載の方法。 - 【請求項15】 前記トラバース速度は50〜400c
m/分であることを特徴とする請求項5に記載の方法。 - 【請求項16】 前記耐火性誘電体は円筒形であり、2
0〜100rpmの速度で回転されることを特徴とする
請求項4に記載の方法。 - 【請求項17】 前記耐火性誘電体の表面部分の0.0
5mm未満が前記(b)加熱ステップにより除去されるこ
とを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項18】 前記(b)加熱ステップにおいて、前記
耐火性誘電体の表面部分が除去されないことを特徴とす
る請求項1に記載の方法。 - 【請求項19】 塩素不純物は少なくとも10μmの深
さまで少なくとも30%除去されることを特徴とする請
求項1に記載の方法。 - 【請求項20】 塩素不純物は少なくとも10μmの深
さまで少なくとも300%除去されることを特徴とする
請求項19に記載の方法。 - 【請求項21】 塩素不純物は少なくとも10μmの深
さまで少なくとも3000%除去されることを特徴とす
る請求項20に記載の方法。 - 【請求項22】 前記耐火性誘電体は石英ガラスからな
ることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項23】 前記耐火性誘電体は光ファイバプリフ
ォームであることを特徴とする請求項22に記載の方
法。 - 【請求項24】 前記耐火性誘電体はオーバークラッド
チューブであることを特徴とする請求項22に記載の方
法。
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