(57)【要約】  非線形ファイバとして適当な、誘導ブリュアン散乱に対し高い閾値を有する光導波路ファイバが開示されている。この光ファイバは１個以上のコア・セグメントを備えたコアを有する。１５５０ｎｍの波長における光学的有効面積は３０μｍ２未満である。
2008524113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｏ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔｉ，およびＶからなる群から選ばれた遷移金属を実質的に含んでいない、第１の所望のアルカリ金属のレベルを有するアルカリ金属原料を調製し、
該アルカリ金属原料を、少なくとも一種類の珪酸塩原料に組合せかつ混合して、第２の所望のアルカリ金属のレベルを有する先駆物質を形成し、
該先駆物質を溶融して溶融ガラスを形成する、
各工程を有してなるアルカリ金属珪酸塩ガラスの作成方法。
【請求項２】
前記溶融ガラスをガラス物品に形成することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記先駆物質を溶融して溶融ガラスにし、かつ該溶融ガラスをガラス物品に形成することが、単一工程で行なわれることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記単一工程が、炉内に配置されたプラットフォームを、前記先駆物質がガラスに溶融する第２の区域から前記ガラスが急冷して密実体になる第２の区域まで炉に沿って移動させながら、前記プラットフォーム上に前記先駆物質を積重ねることを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記アルカリ金属原料が、前記珪酸塩原料全体に実質的に一様に分布されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、その内容が引例として本明細書内に組み入れられる、２００４年１２月２１日付けで提出された米国特許出願第１１／０２１,９０３号の優先権を主張した出願である。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、珪酸塩ガラスの作成方法に関する。特に本発明は、アルカリ金属珪酸塩ガラス、アルカリ金属珪酸塩先駆物質およびアルカリ金属珪酸塩ガラスを含有するガラス物品の作成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
通信に用いられる光ファイバは、大多数がシリカガラスを主成分としている。純粋なシリカの理論的最低減衰量は、１５５０ｎｍにおいて約０．１５ｄＢ／ｋｍが一般に容認されている。シリカガラスを主成分とする光ファイバに関しては、減衰損失が、残存している減衰の大部分がガラス材料内部の固有の散乱による点まで低減されて来た。シリカガラス中の散乱損失は、アルカリ金属を、単独にまたは弗素などの他の物質と組み合わせてシリカガラスに添加することによって効果的に低下させることができることが実証されている（非特許文献１、非特許文献２、特許文献１）。
【０００４】
低損失を有する光ファイバは、化学気相堆積法（ＣＶＤ）によって一般に製造される。しかしながら、スート（微粒子）が先駆物質である、気相外付け堆積法（ＯＶＤ）、気相内付け堆積法（ＩＶＤ）、気相軸付け堆積法（ＶＡＤ）、および修正ＣＶＤ法（ＭＣＶＤ）などの従来のＣＶＤ法を用いてシリカガラスにアルカリ金属を添加するのは不可能のように思われる。アルカリ金属はシリカ中で結晶化する可能性があることは周知である。したがって、これらの方法で生成されるスートは、密実なガラスに焼成可能な以前に結晶化する傾向があり、最終的なガラスにおけるクリストバライト不良と、アルカリ金属ドーパントのほぼ全揮発との双方が生じることになる。これらの方法で生成されるスートはまた、スートのさらなる処理中に解離してＯＨを生じるＨ２Ｏを一般に含んでいる。ＯＨは、特に光ファイバのコア中に存在するときにファイバの減衰量に対して有害に作用する。一般にこのＯＨは、高温においてスート・プリフォームに塩素を流すことによって除去される。不幸にも、この塩素による乾燥工程は、スートに僅かばかり残存するアルカリ金属を剥ぎ取る。
【０００５】
特許文献２には、０．０３５モル％から３モル％（酸化物を基準にして計算して）のアルカリ金属ドーパントを含有する水晶ガラスの製造方法が記載されている。この方法は、少なくとも９９．９９モル％のＳｉＯ２純度を有する水晶粉末を微粉砕された濃縮物と混合することを含む。上記濃縮物は、所望のドーパントを含む水晶の焼成または融解によって得られる。上記混合物は溶融炉に供給され、ドーパントを含む溶融した水晶ガラスが、連続工程で炉から排出される。この方法は、Ｈｅ／Ｈ２雰囲気中で実施される。しかしながら、この雰囲気中ではＨ２がＳｉＯ２と結合して水晶ガラス中にＨ２Ｏを生じ、赤外領域における望ましくない吸収の原因となる。さらに、Ｈ２の存在を必要とすることは、モリブデン（Ｍｏ）溶融室を用いることが推奨され、このことはやはり望ましくない吸収の原因となるＭｏがガラス中に含まれる原因となる。
【特許文献１】米国特許第５,１４６,５３４号明細書
【特許文献２】米国特許第４,３３６,０４８号明細書
【非特許文献１】Malcolm E.著「溶融シリカの最低減衰が僅かな組成の変更で著しく低減されることは可能か？I.アルカリ金属ドーパント」  journal of Non-Crystalline Solids 171(1994)209-218頁
【非特許文献２】Malcolm E.著「溶融シリカの最低減衰が僅かな組成の変更で著しく低減されることは可能か？II.弗素とアルカリ金属とを組合せたドーパント」  journal of Non-Crystalline  Solids 171(1994)219-227頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の事情に鑑み、適当な添加レベルのアルカリ金属を含む珪酸塩ガラスの作成方法が要望される。特に、このようなガラスは、高性能、低損失光ファイバのコアを形成するために有用である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一つの態様において、本発明は、アルカリ金属珪酸塩ガラスの作成方法に関し、この方法は、（ａ）第１の所望のアルカリ金属のレベルを有するアルカリ金属原料を調製し、この場合、上記アルカリ金属原料は、何れかの原子価状態において、０．８μｍと２．５μｍとの間の波長を吸収する元素を実質的に含まず、（ｂ）上記アルカリ金属原料を少なくとも一種類の珪酸塩原料と組み合わせかつ混合して、第２の所望のアルカリ金属のレベルを有する先駆物質を形成し、（ｃ）この先駆物質を溶融して溶融ガラスを形成することを含む。
【０００８】
一つの実施の形態においては、何れかの原子価において、０．８μｍと２．５μｍとの間の波長を吸収する元素は、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔｉ，およびＶからなる群から選ばれた遷移金属である。別の実施の形態において、何れかの原子価状態において、０．８μｍと２．５μｍとの間の波長を吸収する元素は、元素の周期律表のＢ族から選ばれた金属である。
【０００９】
好ましい実施の形態においては、この方法がさらに溶融ガラスをガラス物品に形成することを含む。一つの実施の形態においては、上記ガラス物品が、棒状の光ファイバ先駆物質である。別の実施の形態においては、上記溶融ガラスが注型によってガラス物品に形成される。別の実施の形態においては、上記先駆物質を溶融して溶融ガラスにし、かつこの溶融ガラスをガラス物品に形成することが単一工程で行なわれる。一つの実施の形態によれば、上記単一工程が、炉内に配置されたプラットフォームを、上記先駆物質がガラスに溶融する第１の区域からガラスが急冷して密実体になる第２の区域まで炉に沿って移動させながら、上記プラットフォーム上に上記先駆物質を積重ねることを含む。
【００１０】
一つの好ましい実施の形態において、溶融は水素が実質的に存在しない環境において行なわれる。別の実施の形態においては、溶融が不活性または酸化環境において行なわれる。
【００１１】
一つの実施の形態において、先駆物質中のアルカリ金属のレベルは、約０．０３５から６モル％までの範囲内である。別の実施の形態においては、先駆物質中のアルカリ金属のレベルは、約０．１から３モル％までの範囲内である。好ましい実施の形態においては、上記先駆物質が少なくとも８０モル％のシリカを含む。一つの実施の形態においては、アルカリ金属原料中のアルカリ金属のレベルが少なくとも１０モル％である。
【００１２】
別の態様において、本発明は、アルカリ金属原料と珪酸塩との混合物を含む先駆物質であり、この混合物は、０．０３５から６モル％までのアルカリ金属と少なくとも８０モル％のシリカを含み、アルカリ金属原料は、何れかの原子価状態において、０．８μｍと２．５μｍとの間の波長を吸収する元素を実質的に含まず、かつアルカリ金属原料は、珪酸塩中に実質的に一様に分布される。
【００１３】
さらに別の態様において、本発明は、０．０３５から６モル％までのアルカリ金属と少なくとも８０モル％のシリカを含むガラス物品であり、このガラス物品は、何れかの原子価状態において、０．８μｍと２．５μｍとの間の波長を吸収する元素を実質的に含まず、かつアルカリ金属は、珪酸塩中に実質的に半径方向に一様に分布される。
【００１４】
本発明のその他の特徴および利点は、下記の説明と添付の請求項から明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面に示されているようないくつかの好ましい実施の形態を参照して本発明を詳細に説明する。下記の記載においては、本発明を完全に理解するために、多くの特定の細目について説明されている。しかしながら、本発明は、これらの特定の細目のいくつかまたは全部を伴わなくとも実施可能なことは当業者には明らかであろう。その他の場合においては、本発明を不必要に曖昧にすることのないように、周知の特徴および／または工程についての詳細な説明は省略されている。本発明の特徴および利点は図面および下記の説明を参照すれば良く理解されるであろう。
【００１６】
本発明の複数の実施の形態は、アルカリ金属珪酸塩ガラスの作成方法を提供する。珪酸塩ガラス中の、酸化物を基準にして計算された０．１〜３モル％のアルカリ金属のレベルは、固有の低い散乱損失を備えた光ファイバを作成するために有用であると一般に考えられる。しかしながら、本発明の実施の形態によるアルカリ金属珪酸塩ガラスは、いかなる所望のレベルのアルカリ金属を含有させることも可能である。本発明の別の態様によれば、アルカリ金属珪酸塩ガラスは光ファイバ先駆物質を形成するのに用いられる。完全な光ファイバプリフォーム、または、例えばコア棒または堆積用チューブなどの、完全な光ファイバプリフォームに対する先駆物質をここでは「光ファイバ先駆物質」と呼ぶ。完全な光ファイバプリフォームではなく、光ファイバの光を伝送するコアに少なくとも対応する部分を含む、光ファイバプリフォームに対する固結されたガラス先駆物質をここでは「コア棒」と呼ぶ。光ファイバに線引きする準備が整った固結されたガラス物品をここでは「光ファイバプリフォーム」と呼ぶ。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態によるアルカリ金属珪酸塩ガラスを作成する方法を示すフローチャートである。本発明の実施の形態によるアルカリ金属珪酸塩ガラスは、少なくとも８０モル％の、好ましくは９０モル％のシリカを含有している。アルカリ金属は、Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｃｓ，およびＲｂからなる群から選ばれる。珪酸塩ガラス中では、アルカリ金属が酸素と結合してＳｉ−Ｏ−Ｘ結合を形成し、ここでＸは上述した群の一員である。アルカリ金属珪酸塩ガラスが一種類以上のさらなるドーパントを随意的に含んでいてもよい。光ファイバに有用なドーパントは、Ｆ，Ａｌ２Ｏ３，ＣａＯ，ＧｅＯ２およびＰである。アルカリ金属珪酸塩ガラスの作成方法は、珪酸塩ガラス中のアルカリ金属の所望のレベルを決定する（ステップ１００）ことを含むことが好ましい。本発明の一つの実施の形態においては、アルカリ金属珪酸塩ガラス中のアルカリ金属の所望のレベルは、０．０３５〜６モル％、好ましくは０．１〜３モル％である。
【００１８】
アルカリ金属珪酸塩ガラスの作成方法は、さらにアルカリ金属珪酸塩先駆物質を調製する（ステップ１０２）ことを含む。一つの態様においては、この方法はさらに、アルカリ金属珪酸塩先駆物質を加熱し溶融してガラスにする（ステップ１０４）ことを含み、その後溶融ガラスがガラス物品に形成される（ステップ１０６）ことが好ましい。溶融ガラスは、注型（例えば、溶融ガラスを鋳型に注入することによる）、または引出し（例えば、坩堝などの加熱されたキャビティから溶融ガラスを排出させることによる）などの適当な方法によってガラス物品に成形される。一つの実施の形態においては、ガラス物品は、ロッド状のコア棒などの光ファイバ先駆物質である。別の態様において、上記方法は、珪酸塩先駆物質を加熱してガラスに溶融し、かつこの溶融ガラスをガラス物品に形成することを単一工程で行なう（ステップ１０８）。ここでステップ１０２〜１０８について詳細に説明する。ステップ１０２〜１０８を通じて、珪酸塩ガラス中に組み入れられる好ましいアルカリ金属の一例としてカリウム（Ｋ）が用いられる。しかしながら、本発明は、カリウム珪酸塩ガラスに限定されると解釈されるべきではない。上述のように、本発明に有用なアルカリ金属は、Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｃｓ，およびＲｂおよびそれらの組合せからなる群から選ばれる。
【００１９】
図２は、本発明の一つの実施の形態によるアルカリ金属珪酸塩先駆物質を調製する方法を示す。アルカリ金属珪酸塩先駆物質は、それらの原子価の一つの状態において０．８と２．５μｍとの間の波長を吸収する元素を実質的に含んでいない。その理由は、これらの元素がアルカリ金属珪酸塩先駆物質中に存在すると、低減衰量を有するアルカリ金属珪酸塩ガラスを得ることが困難になるからである。これらの元素は、一般にＢ族の金属であり、特にＢ族の遷移金属である。したがって、アルカリ金属珪酸塩先駆物質は、実質的にＢ族の遷移金属を含んでいないことが好ましい。「実質的に含んでいない」とは、例えば、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔｉ，およびＶ（第４周期の遷移金属）などの遷移金属が微量より多く存在しないことを意味する。一般に、このことは、２０ppm 未満の量、より好ましくは検知限界未満の量の遷移金属しか珪酸塩先駆物質中に存在しないことを意味する。また、アルカリ金属珪酸塩先駆物質中におけるＯＨの高い含有量は、低減衰量を有するアルカリ金属珪酸塩ガラスを得ることを困難にすることも認識すべきである。したがって、アルカリ金属珪酸塩先駆物質は、約１００ppm 未満の、より好ましくは約２０ppm 未満の低いＯＨ含有量を有することが好ましい。さらに、アルカリ金属珪酸塩先駆物質中の塩素含有量が高いことは、珪酸塩ガラス中のアルカリ金属の保留に有害な作用を及ぼし、ファイバ作成時の処理に問題を生じさせる。それ故に、アルカリ金属珪酸塩先駆物質中の塩素含有量は５００ppm 未満が好ましく。いくつかの実施の形態では１００ppm 未満がより好ましく、さらなる場合には５０ppm 未満が好ましい。
【００２０】
アルカリ金属珪酸塩先駆物質を調製する工程は、高純度シリカ原料からサンド（sand）を得ることを含む（ステップ２０２）。一つの実施の形態においては、高純度シリカ原料は、金属の純度を基準にして、少なくとも９９．９９９％である。ブール法によって作成される高純度溶融シリカは、高純度シリカ原料の一例である。ブール法は、シリカ先駆物質をバーナーの焔に通してシリカ先駆物質をスートに転化することによる化学気相反応を含む。次にこのスートが下方の種棒へ向けられて、種棒上に堆積され、直ちにブールと呼ばれる密実かつ透明なガラス塊に固結される。ＣＶＤ法（例えば、ＭＣＶＤ，ＰＣＶＤ，ＩＶＤ、ＯＶＤ等）で作成された高純度溶融シリカは、高純度シリカ原料の他の例である。シリカ原料は、完全にシリカからなる、またはシリカと一種類以上のドーパントとからなるものでもよい。このようなドーパントは、スートの流し添加（flood doping）によって、または適当なＣＶＤ法によって添加される。一つの実施の形態においては、上記サンドは、高純度シリカ原料の粉砕よって得られる。一つの実施の形態においては、ミルによる粉砕は軟鉄器具を用いて行なわれるが、その場合のサンドの汚染は酸浸出によって容易に除去することができる。またこのサンドは、市販の原料からも入手可能である。例えば、コーニングＨＰＦＳ（登録商標）溶融シリカガラスから得られる高純度のサンドは、ミンテック社から商品名Ｓｙｎ５０として入手することができる。
【００２１】
表１は、本発明で用いるのに適した２種類のサンドの微量元素分析を示す。サンドＡはンテック社から商品名Ｓｙｎ５０として入手可能である。サンドＢは、公知のＣＶＤ法によって作成された光導波路素材の粉砕によって作成される。表１における微量元素分析は、高純度シリカ原料から得られるサンドが不純物を含んでいることを示している。特に、サンドは粉砕工程中に導入される可能性のある第４周期の遷移金属を含んでいる。
【表１】
2008524113.tif 000003
【００２２】
アルカリ金属珪酸塩先駆物質を調製する工程は、さらに不純物、特にＢ族の遷移金属をサンドから除去することを含む（ステップ２０４）。一つの実施の形態においては、不純物が酸浸出によってサンドから除去される。下記の手順は、第４周期の遷移金属（表１に掲げられた）をサンドから完全に除去するのに効果的であることが判明している。すなわち、
１．３．８リットル（１ガロン）のNalgene（登録商標）酸浸出容器に２kg のシリカサンドを容れ、
２．高純度ＨＣｌを１８ＭΩ脱イオン水と混合して５％ＨＣｌ溶液を作成し、
３．１．４kg のＨＣｌ溶液を「Nalgene」容器に加え、
４．容器の蓋と容器との間の隙間を多層のテフロン（登録商標）テープで包み、
５．容器の一側をロールミル上に載せ、ミルを７２時間運転し、
６．容器をミルから外して容器を石鹸水で拭き、次いで高純度エタノールで拭き、
７．容器からＨＣｌ溶液を抜き、１．２kg の新鮮なＨＣｌ溶液を容器に加え、
８．容器に１．２kg の脱イオン水を容れ、
９．容器を１時間ロールし、かつ容器から水を抜き、
１０．ステップ８および９をさらに２回反復し、
１１．サンドを高純度水晶坩堝に移し、１０００℃で１時間焼成して水分を除去する。
【００２３】
もし、そこから上記サンドが得られる高純度シリカ原料の含水量が高ければ、サンドの含水量も高い筈である。例えばコーニングＨＰＦＳ（登録商標）は一般に８００〜１０００ppm のＯＨを含んでいる。この程度のＯＨ含有量は、所望の低減衰度ファイバを得ることを困難にする。サンドの含水量が高い場合に関しては、珪酸塩先駆物質を調製する工程は、例えばサンドを失透させてクリストバライトにすることによって、サンドから水分を排除することをも含むことが好ましい（ステップ２０６）。一つの実施の形態においては、サンドに対する分光分析的に純粋な少量のＫＢｒの溶液添加および１４００℃、６時間の焼成がサンドを十分に失透させてクリストバライトにし、得られたクリストバライトはＨ２Ｏの検知不能なレベル、すなわち２０ppb 未満を示した。下記の手順は、サンドを完全に失透させてクリストバライトにするのに効果的なことが判明している。すなわち、
１．分光分析グレードのＫＢｒの１ｇを１８ＭΩ脱イオン水の１０グラム中に溶かし、
２．ＫＢｒ溶液を１kg のサンドに加え、
３．溶液およびサンドを４時間ロールして,サンドの全表面にＫＢｒを分布させ、
４．ＫＢｒが添加されたサンドを溶融水晶坩堝に容れて１４００℃で６時間焼成する。
【００２４】
表２は、サンドＡを失透させてクリストバライトにする以前および以後の微量元素分析を示す。表２に示されたデータは、サンドＡがクリストバライトへの失透以前に酸浸出されていなかった。失透以前および以後のサンドＡ（酸浸出なし）における純度レベルは、失透が余分な汚染物質をサンド中に導入しないことにより比較できる。クリストバライトは、使用準備が整うまで、ドライボックスのような管理された環境中に保存されているのが好ましい。
【表２】
2008524113.tif 000004
【００２５】
アルカリ金属珪酸塩先駆物質を調製する工程は、さらにアルカリ金属原料を調製することを含む（ステップ２０８）。アルカリを含有する微粒子状の固体材料を、ここでは「アルカリ金属原料」と呼ぶ。アルカリ金属原料は、低い一様なレベルのアルカリが添加されたガラスを製造するのに用いられる。このアルカリ金属原料は、少なくとも１０重量％のアルカリ金属酸化物が好ましい一種類以上のアルカリ金属と珪素とを含む。この原料は、いずれかの原子価状態において０．８〜２．５μｍ間の波長を吸収する元素を実質的に含んでいない。実質的に含んでいないということは、原料が材料基準で９９．９９９％の純度を有することを意味する。一つの実施の形態においては、アルカリ金属原料を調製することは、高純度アルカリ金属源を得ることを含む。例えば、カリウムからなる高純度アルカリ金属源は、窒化カリウムおよび過酸化カリウム（ＫＯ２）であり、双方とも単純な試薬の形態で超高純度の状態で入手可能である。ステップ２０４または２０６で得られる高純度アルカリ金属および高純度シリカサンドの適量が、組み合わされかつ混合されてアルカリ金属珪酸塩先駆物質を形成する。例えば８０％のＳｉＯ２と２０％のＫ２Ｏとは、Ｋ２Ｏ−ＳｉＯ２二成分系における最低液相線温度が近く、１４７５℃で容易に溶融して純粋な水分を含まないガラスになるので、特に有用な組成物である。下記の手順は、アルカリ金属原料を作成するのに利用することができる、すなわち、
１．高純度シリカおよび高純度アルカリ金属源を「Nalgene」酸浸出容器に容れ、Turbular（登録商標）シェーカー・ミキサーを用いて混合し、
２．混合物を高純度シリカ坩堝へ移す。必要に応じて、０．５モル％の高純度ＫＦを加えて、最終的ガラスから水分を排除し、
３．坩堝に蓋をして、この坩堝をグロウバー(glowbar)炉に容れて、１４７５℃で４時間加熱し、
４．坩堝を加熱されたグラファイトリセプタクルに移し、溶融体からブールを形成し、
５．坩堝がブールを砕くことができるようにリセプタクルを逆さにし、
６．ブールを砕く。
【００２６】
上記アルカリ金属珪酸塩先駆物質を調製する工程（ステップ２０８）は、必要に応じて、アルカリ金属原料からＢ族の遷移金属のような不純物を取り除く（ステップ２１１０）ことを含む。これらの不純物は、ステップ２０８で得られるブールの粉砕時に導入される可能性がる。もしステップ２０８で得られたブールが、例えばプラスチック製の壷（例えば軟金属製道具ではなく）の内部の溶融シリカ媒体を用いて粉砕されるならば、このステップは不必要になる。アルカリ金属原料は酸浸出により十分に純化される。この濃縮物は耐性が低いので、原料の酸浸出は迅速に行なわなければならない。一例として、珪酸カリウム原料については、表面汚染物質の全てを除去するのに、５％ＨＦ＋５％ＨＮＯ３中での１５分間の酸浸出と、その後のＯ２を流しながらの５５０℃における一晩中の焼成とで十分である。
【００２７】
上記アルカリ金属珪酸塩先駆物質を調製する工程はさらに、アルカリ金属原料（ステップ２０８または２１０で得られた）をシリカ原料と組み合わせて、所望のアルカリ金属バルクレベルを備えたアルカリ金属珪酸塩先駆物質を得る。
【００２８】
ここで用いられる「シリカ原料」とは、シリカを含有する粒子状の固体材料である。アルカリ金属原料とシリカ原料とは、アルカリ金属原料がシリカ原料全体に亘って実質的に一様に分布される状態に至るまで混合されることが好ましい。「実質的に一様に分布される」とは、如何なる代表的なサンプルも、目標組成の公称±５％以内にあるという意味である。シリカ原料は高純度であることが好ましい。シリカ原料は、いかなる原子価状態においても０．８〜２．５μｍ間の波長を吸収する元素を実質的に含まない。珪酸塩原料はＳｉＯ２およびＧｅＯ２および／またはＦを含んでいることが最も好ましい。一つの好ましい実施の形態においては、シリカ原料は、ステップ２０２，２０４および上述のように２０６によって調製される。アルカリ金属原料およびシリカ原料の計量は、ドライボックスまたは層流フードのような管理された環境で行なわれることが好ましい。一例として、計量された材料は「Nelgene」酸浸出容器（または他の適当な容器）に容れられ、「Turbular」シェーカー・ミキサー（または他の適当なミキサー）を用いて１時間混合される。アルカリ金属珪酸塩先駆物質（すなわち、アルカリ金属原料とシリカ原料との混合物）は、使用する準備が整うまでドライボックス内で保存されるのが好ましい（ステップ２１４）。
【００２９】
図１に戻ると、上述のようにして調製されたアルカリ金属珪酸塩先駆物質は、加熱されて溶融され、ガラスバッチにされる（ステップ１０４）。溶融は水素を実質的に含まない雰囲気中で行なわれるのが好ましい。一般に、このことは、溶融雰囲気の水素含有量が１００ppm 未満であることを意味する。溶融は、不活性ガス雰囲気（例えば、Ｈｅ，Ａｒ，Ｎｅ）または酸化雰囲気（例えば、Ｏ２，空気，ＳＦ６，Ｆ２およびＣｌ２またはこれらの混合物）中で行なわれるのが好ましい。酸化雰囲気が不活性ガスを含んでいてもよい。一つの実施の形態においては、バッチが高純度耐火性坩堝のような加熱された空洞内に容れられる。アルミナ坩堝は１８００℃までの温度で行なわれる溶融に適しているが、それよりも高い温度ではジルコニア（ＹまたはＣａで安定化された）坩堝を一般に必要とする。坩堝は、例えば酸浸出により予め純化されることが可能であるが、溶融体の粘度が極めて高いと拡散はかなり不可能になるので、坩堝からの汚染はゼロに近いことが経験上判明している。坩堝は、全く水素を含まない、ヘリウム（Ｈｅ）などの高純度不活性ガスの雰囲気の炉内に容れられ、１８００℃〜２１５０℃の間の温度で溶融される。溶融工程の所要時間は、バッチ材料の溶融温度に左右される。例えば、純粋なＳｉＯ２を溶融させて光学ガラスするのには、２１５０℃において３０分間で十分であるが、３Ｋ２Ｏ−９７ＳｉＯ２を溶融させて高品質ガラスにするのには、１８００℃において２４時間を要するように思われる。Ｈｅの環境は、泡を含まないガラスを得ることを可能にする。
【００３０】
ステップ１０４で形成された溶融ガラスは、ここでガラス物品に形成される。一つの実施の形態においては、溶融ガラスをガラス物品にすることは、例えば溶融ガラスを金型に注入することによる、ガラスの注型を含む。別の実施の形態においては、溶融ガラスをガラス物品にすることは、溶融ガラスを例えば坩堝から引き出すことを含む。この場合には、得られたガラス物品は光ファイバの先駆物質となり得る。
【００３１】
図３は、ガラス物品を形成するための坩堝３００を示す。この坩堝３００は、加熱された空洞を備え、炉３０２内に配置される。坩堝３００はステップ１０４（図１）で形成された溶融ガラス３０４を収容している。ヒータ３０６が坩堝３００の周囲に配置されて、ガラス３０４を溶融状態に維持する。ガラス物品を形成するために、坩堝３００の底のオリフィス３０８が開かれると、管理された態様で溶融ガラス３０４が坩堝３００の外部へ流出する。溶融ガラス３０４は、坩堝３００から出るや否や急冷して密実なガラス物品３１０になる。適当な温度管理が採用されて、密実なガラス物品３１０の外径が管理される。この密実なガラス物品３１０は、例えばコア棒からなる光ファイバ先駆物質として用いることができる。この密実なガラス物品３１０は、複数のセグメントに切断されて、追加のコア材料またはクラッド材料を堆積させる表面として役立つことができる。コアまたはクラッド材料は、ＣＶＤ法により、またはその他の適当な方法により堆積されて、完全なプリフォームを形成し、このプリフォームが、周知の方法により所望の寸法を有する光ファイバに線引きされる。この光ファイバは、いずれかの原子価状態において０．８〜２．５μｍ間の波長を吸収する元素を実質的に含まず、かつＯＨおよび塩素も実質的に含まないアルカリ金属珪酸塩ガラスからなるコアを備えている。溶融ガラス３０４は、注型または引出しにより、密実な棒状ガラス形状の代わりに、ベローズを用いて中空の円筒状ガラスにもされ得る。
【００３２】
図１に戻ると、アルカリ金属珪酸塩先駆物質は、単一の工程で、ガラスに溶融され、かつガラス物品に形成される。図４Ａ〜図４Ｃはこのような工程を示す。図４Ａを参照すると、この工程は、高温区域４０２と低温区域４０４とを有する垂直炉４００内で行なわれる。絶縁障壁４０５が高温区域４０２と低温区域４０４とを隔離している。プラットフォーム４０６が高温区域４０２内に配置されている。油圧シリンダまたは空気圧シリンダまたはその他のアクチュエータのような機構４０８がプラットフォーム４０６に結合されて、プラットフォーム４０６を高温区域４０２から低温区域４０４へ移動させる。炉４００内は、ヘリウム雰囲気のような不活性雰囲気または酸化雰囲気に保たれているのが好ましい。
【００３３】
動作時には、初めにプラットフォーム４０６が高温区域４０２の頂部に位置決めされる。アルカリ金属珪酸塩先駆物質からなるバッチがプラットフォーム４０６の上に載せられ、バッチパイル４１０を形成する。プラットフォーム４０６は僅かに下降せしめられて、図４Ｂに示されているように、バッチパイル４１０の頂部が高温区域４０２の頂部に配置され、パイル４１０にさらなるバッチ材料が追加されるための空間を形成する。バッチ材料がバッチパイル４１０上に追加されると、プラットフォーム４０６は下降せしめられて、バッチ材料のためのさらなる空間を形成する。図４Ｃに示されているように、プラットフォーム４０６が高温区域４０２の底部に達するときまでに、バッチパイル４１０が清澄なガラスに溶融されるように、高温区域４０２は十分に長く構成されている。一例として、プラットフォーム４０６の移動速度は約０．５ｍｍ／分で、高温区域４０２の長さは約１５ｃｍである。ガラスが高温区域４０２から出ると、ガラスは急冷して密実な塊になり、次いで上方のバッチ材料を支える。この方法で、手付かずの表面４１４を有する密実なガラス物品４１２が実際に得られる。バッチパイル４１０の直径は、バッチの半径方向に亘る温度が一様になるように小さくなければならない。一例として、バッチパイル４１０の直径は約５ｃｍに制限される。
【００３４】
本発明は、一般的に下記の利益を提供する。本発明の方法を用いると、アルカリ金属を含有する高純度珪酸塩ガラスを作成することができる。高純度珪酸塩ガラスは、高性能、低損失光ファイバのコアとして役立てることができる。本発明の一つの顕著な利点は、ほぼ一様に分布されるアルカリ金属ドーパントを含むガラス物品が好ましく作成されることである。したがって、半径方向に不変のアルカリ金属ドーパント濃度を有する光ファイバ先駆物質の作成が可能になる。「半径方向に不変の濃度」とは、ガラス物品のアルカリ金属が添加された部分に亘るいずれの点のアルカリ金属濃度も。最大濃度から１５％以上は変わらないという意味である。
【００３５】
以上、限られた数の実施の形態に関して本発明を説明したが、本明細書の恩恵を受ける当業者には、ここに開示された本発明の範囲から離れることなしに他の実施の形態の実施が可能なかおとは、本明細書の恩恵を受ける当業者には理解されるであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一つの実施の形態による、アルカリ金属珪酸塩ガラスを作成する方法のフローチャート
【図２】本発明の一つの実施の形態による、アルカリ金属珪酸塩ガラス原料を作成する方法のフローチャート
【図３】本発明の一つの実施の形態による、ガラス物品に形成される溶融ガラスを示す図
【図４Ａ】本発明の一つの実施の形態による、原料を溶融し、かつこの溶融物をガラス物品に形成することが単一工程で行なわれることを示す図
【図４Ｂ】本発明の一つの実施の形態による、原料を溶融し、かつこの溶融物をガラス物品に形成することが単一工程で行なわれることを示す図
【図４Ｃ】本発明の一つの実施の形態による、原料を溶融し、かつこの溶融物をガラス物品に形成することが単一工程で行なわれることを示す図
【符号の説明】
【００３７】
３００    坩堝
３０２    炉
３０４    溶融ガラス
３０６    ヒータ
３０８    オリフィス
３１０    ガラス物品
４００    垂直炉
４０２    高温区域
４０４    低温区域
４０５    絶縁障壁
４０６    プラットフォーム
４０８    機構
４１０    バッチパイル
４１２    ガラス物品
４１４    表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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