JP2004510671A - 光ファイバプリフォーム線引端の形状変更方法および装置 - Google Patents

Abstract

あらかじめ最適化されたテーパー状先端部を提供する光ファイバプリフォームのプレゴブ処理（ｐｒｅｇｏｂｂｉｎｇ）方法および装置、並びにそこから光ファイバを線引きするシステム。あらかじめ最適化された先端部形状を有するプリフォームを提供することにより、光ファイバ線引装置の中断時間を大きく削減できる。あらかじめ最適化された先端部が、加熱炉の誘導炉により先端部において融解除去されて提供される。プレゴブ処理炉は線引炉とほぼ同等な温度プロフィールを有するのが好ましい。プリフォームの先端部が最適化されて、使用できないガラスが除去されるために、線引装置の収率が有利に向上する。更に、プリフォームの先端部形状は、線引先端部が線引炉において形成されるのであれば示される温度プロフィールと同等の温度プロフィールにさらされるようにして最適化される。

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は光ファイバプリフォームおよび光ファイバの製造システムおよび製造方法に関し、特に、ファイバの線引きを促進するプリフォーム先端部を準備する方法および装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
光ファイバの製造方法においては、光ファイバ内で所望の屈折率プロフィールを呈するようにドープされた、細長い円柱形の石英ガラス体を準備することが出発点である。このいわゆる「プリフォーム」は、下方供給装置により線引塔内の高温加熱炉にゆっくりと供給される。プリフォームは、その先端部を蜂蜜程度の堅さに徐々に変化せしめるのに充分な温度までその末端において加熱される。適切な温度に到達した後、ガラス小滴がプリフォームから熱と重力の影響によって溶融して脱離する。そこで、オペレータは、線引きされるプリフォーム部が良質ガラスを含むまで、手作業により更なるガラスくずをプリフォームから取り除く。プリフォーム上において良質ガラスが容易に取り出し得る場所に、いわゆる「線引先端部（ｄｒａｗ ｔｉｐ）」が形成される。線引先端部は、一様なテーパー状（ｔａｐｅｒ）の変化領域からなり、プリフォームの石英ガラス円柱部とプリフォームの最下端から線引きされる細いファイバ糸との間に位置する。線引きされるファイバの寸法は、高温炉および個々の線引条件に依存する。好適には直径約１２５μｍのガラス糸がプリフォームから連続的に線引きされる。その後ガラス糸は冷却管を通り、さらに塗布システムを通ることにより保護被覆剤（コーティング剤）が塗布される。コーティングシステムは、線引塔において外径試験装置の下方に位置している。線引塔の末端部において、ファイバがスプールに巻き取られる。
【０００３】
プリフォームの寸法に依存した相当な長さの光ファイバが線引きされて、プリフォームは消耗する。製造の中断が必要となり、消耗したプリフォームを新しいものと交換しなければならない。しばしば、所望の特性を有するファイバの製造が再開されるまで１時間以上が経過する。このスタートアップの間、使用することができない石英ガラス小滴の除去（ｇｏｂｂｉｎｇ ｏｆｆ）並びに線引先端部の取出し（ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ）および成形が行なわれる。線引先端部を成形するだけで約３０分から４０分を要する。これは線引装置において貴重な時間の浪費であり、場合によっては、製造プロセスの障害になる。
【０００４】
【発明の開示】
本発明においては、システムおよび方法が提供される。特に、光ファイバプリフォームのプレゴブ処理（ｐｒｅｇｏｂｂｉｎｇ）用のプレゴブ処理システムおよび方法が提供され、これにより、所望のあらかじめ最適化された先端部形状が線引装置への挿入前に得られる。当該方法およびシステムは最適化された形状の線引先端部を有したプリフォームを提供し、更に例えば、ファイバ線引きに不適切な光ファイバプリフォームのガラス小滴を迅速且つ効率良く溶融除去（ｍｅｌｔ ｏｆｆ）することができる。プレゴブ処理操作は線引塔の線引炉から独立したプレゴブ処理装置において行なわれる。このように、プレゴブ処理はオフライン方式、すなわち、他の装置において行なわれるため、線引装置から得られるファイバの収率が向上する。従って、適切に溶融除去することによって、あらかじめ最適化された先端部を含んだプリフォームは、光ファイバ線引装置の中断時間を大きく削減する。
【０００５】
本発明の実施例においては、光ファイバプリフォームの製造システムを提供し、当該システムは、プリフォームを加熱してガラスを除去するプレゴブ処理炉を備えており、プレゴブ処理炉はプリフォームからファイバを線引きする後続プロセスにおいて用いられる線引炉の温度プロフィールとほぼ同等の温度プロフィールを有する。ほぼ同等の温度プロフィールを有することにより、先端部は線引装置において準備されたのであれば得られる先端部と同等の形状となる。
【０００６】
本発明の他の実施例においては、光ファイバプリフォームの製造システムが提供される。当該システムは、第１温度プロフィールを有し、あらかじめ最適化した先端部形状を光ファイバプリフォーム上に形成する加熱炉を持つプレゴブ処理装置と、第１温度プロフィールとほぼ同等の第２温度プロフィールを有し、あらかじめ最適化した先端部形状を有したプリフォームからファイバを線引きする線引炉と、を備えている。プレゴブ処理装置は、誘導炉を含んでいることが好ましい。プレゴブ処理および線引装置が共に、誘導炉を各々含んでいることが最も好ましい。
【０００７】
本発明の他の実施例においては、光ファイバプリフォームの製造方法が提供される。当該方法は、小滴が熱および重力の影響で滴下し得るような第１温度プロフィールを有した誘導加熱装置によって固化光ファイバプリフォームを加熱する工程と、あらかじめ最適化した形状を有した線引先端部が形成されるまでプリフォームからガラスを除去する工程と、プリフォームを線引装置の線引炉まで運搬する工程と、からなる。あらかじめ最適化した形状は先端部長さの半径変化に対する比が約５乃至１２の間のテーパー状であることが望ましく、約６乃至９の間であることが最も好ましい。ここで採用している「あらかじめ最適化した」先端部形状という用語は、あらかじめ形成された先端部を意味するものであって、ファイバが線引装置において線引きされる際の形状とほぼ同等のテーパー形状を有するように形成される。上述の比は、本発明によるあらかじめ最適化した先端部のテーパーを表している。
【０００８】
本発明の他の実施例においては、光ファイバの製造方法が提供される。当該方法は、第１温度プロフィールを有した炉を各々が含んだ複数のプレゴブ処理装置内で複数の固化光ファイバプリフォームを加熱し、これにより複数のプリフォームの各々にあらかじめ最適化した形状のプリフォーム先端部を形成する工程と、第１温度プロフィールとほぼ同等の第２温度プロフィールを有した炉を各々が含んだ、光ファイバを線引きする複数の線引装置に複数のプリフォームを搬送する工程と、からなる。これにより、少数のプレゴブ処理装置によって、多数の線引装置にあらかじめ最適化したプリフォームが供給され得る。
【０００９】
上記の通り、適切にプレゴブ処理したプリフォームを使用することによって、すなわち、あらかじめ最適化された線引先端部形状を有するプリフォームを使用することによって、ガラスファイバの線引装置における中断時間を、交換したプリフォーム１本当たり最大６０分まで有利に削減することが可能となる。特に、線引塔の高温線引炉ではより少ない石英ガラス小滴を溶融するだけで良いので、加熱時間がより短くなる。更に、初期溶融からファイバ線引きまでの移行段階がかなり短時間になる。よって、線引塔を直ちに運転させて、製品品質を有したファイバの製造により多くの時間をかけることができる。これは、線引先端部を、独立したプレゴブ処理装置においてオフラインで最適化する場合に特筆される。更に、プリフォームを線引炉の奥深くに移動させる必要がなく、供給速度が概して低速であるために移動時間を削減できる。更に、線引塔において、不適切な品質を有したファイバを除去する時間を削減できる。従って、オフラインでのプレゴブ処理は大きな時間削減となる。
【００１０】
【発明を実施するための最良の形態】
オフラインにて、すなわち線引炉以外の他の装置において、プレゴブ処理操作を行なう装置の概要が図１に示されている。プレゴブ処理装置２０は、石英ガラス小滴の初期ガラスくず、すなわち、適切な製品品質を有したファイバの線引きにおいて不適当なプリフォーム末端のガラスをプリフォーム２２から溶融除去するために使用される。他の実施例においては、当該装置はプリフォーム２２の先端部（ｔｉｐ）の形状を最適化し、これにより線引塔に移された時、ファイバの線引きを容易に開始することができる。装置２０は誘導炉（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｆｕｒｎａｃｅ）２４を含むのが好ましく、誘導炉は線引塔４０（図６）内で用いられている炉４２と同等の温度プロフィールを有することが好ましい。プレゴブ処理炉２４はプリフォーム２２（図４）上にテーパー状の線引先端部３２を形成する。これにより、プリフォームが線引塔（図６）に移された時、ファイバの線引開始に必要な時間が劇的に削減される。従って、線引塔において、より多くの時間を製品品質を有した電気通信や情報通信光ファイバの製造に活用することが可能となる。前記の時間が削減した理由は、線引先端部が前段のプレゴブ処理炉において既に適切な形状に形成されていること（あらかじめ最適化されていること）、および全ての若しくはほとんどのガラスくずが除去されていることによる。図３には未プレゴブ処理先端部とプレゴブ処理済み先端部とがそれらの相対的な寸法と共に示されている。あらかじめ最適化された先端部は、先端部の開始点から先端部の終点まで測定したものにおいて、約５乃至１２の間の先端部長さ対半径変化の比を有するのが好ましく、約６乃至９の間が最も好ましい。先端部長さはプリフォーム円柱部と交差しているテーパー開始点からプリフォームの先端部の終点までとして測定する。半径変化は上記で定義したテーパー開始点から先端部の終点の半径までとして測定する。プレゴブ処理が完了した後、プリフォーム上のどの部分でガラスを折るかに依存して、すなわち、先端部に沿ったどの点においてオペレータが固化した糸を切り落とすかに依存して、先端部の半径は非常に細くなり、数ｍｍ乃至約１５ｍｍのオーダーとなる。
【００１１】
プレゴブ処理加熱炉２４は、図４において最も良く示されており、円柱型加熱チャンバ２８と、加熱チャンバを囲んだ断熱材３０と、チャンバおよびプリフォーム２２を囲んでプリフォーム２２の先端部３２を加熱する高温領域６０を提供する誘導コイル６２と、を備えている。誘導コイルと、チャンバの寸法および形状と、断熱材とは先端部に隣接したプレゴブ処理炉２４の温度プロフィールが線引炉４２（図６）の温度プロフィールとほぼ同等となるように設けられている。これは実際には炉の内部構成を同等にし、且つ、いかなるわずかな温度差であっても温度制御により調整することによって成し遂げられる。
【００１２】
図１および図５に良く示されているように、固化プリフォーム２２は、ステップ３５で示されるように、オーバーヘッド式クレーン装置あるいは軌道（ｔｒａｃｋ）３４によって大まかに位置決めするように移動することによって提供される。プリフォーム２２は固化プロセスから、または中間保持オーブンから直接持ってきても良い。プリフォーム２２はプリフォームを囲んだ運搬容器３６内に収容するのが好ましい。これによりプリフォームは、プレゴブ処理装置２０への運搬途中での汚染および衝突から保護される。オペレータ５２はプリフォーム２２を軌道３４から取外し、プリフォームを電動下方供給装置４４から伸長した柄（ｈａｎｄｌｅ）３８に取付ける。下方供給装置４４は垂直可動キャリッジ（ｃａｒｒｉａｇｅ）４６または他の可動構造体に取付けられているのが好ましい。下方供給装置４４はキャリッジ４６の下端から下方側に伸長しており、キャリッジはレール４８に沿って垂直に滑動し、これによりプリフォームを自在に上げ下げし得る。
【００１３】
プリフォーム２２およびキャリッジ４６の装置フレーム５４に対する垂直方向の全体的な移動は、フレーム５４に取付けられている駆動モータ５０によって制御されている。オペレータ５２または５３の起動操作によって、モータ５０が起動し、レール４８に平行なリードスクリュ５６が回転する。リードスクリュ５６はキャリッジ４６に取付けられているネジ部（図示せず）と協働する。リードスクリュ５６の回転によってキャリッジ４６の垂直位置が移動するため、キャリッジはレール４８に沿って移動し、よって、プリフォーム２２の垂直位置が変化する。プリフォーム２２を充填する時、キャリッジ４６は点線のＡと表示されている位置に位置決めされる。プリフォーム２２が柄３８に適切に取付けられると、運搬ケース３６を取り除いて一旦片付けておく。そしてステップ３７（図５）に示されるように、プリフォーム２２をプレゴブ処理炉２４の入口２９（図４）へ降下させて、プリフォーム２２をプレゴブ処理炉２４の中へ移動させる。これはリードスクリュ５６を回転させることにより行なわれ、これによりキャリッジ４６は滑動レール４８に沿って下方側に滑動する。
【００１４】
先端部３２の最下端が炉２４（図４）の加熱領域６０内におおよそ位置決めされるまで、ガラスプリフォーム２２を下方側に移動させる。図１に示す下側のプリフォーム２２は、炉２４のチャンバ２８内に下げられている様子を示している。プリフォーム２２は、ガラスの小滴２７がプリフォーム２２から熱および重力の働きのみによって滴下する程度に先端部３２が軟化するまでこの位置にとどまる。小滴は出口３１を通って滴下し廃棄される。プリフォーム２２の炉２４内での大まかな位置は鏡で決められる。
【００１５】
小滴が滴下すると、プリフォーム２２は下方供給装置４４によって加熱領域６０内の深部まで送り込まれ、これにより全先端部３２（図２）が炉２４の加熱領域６０内にじかに設置される。プリフォーム２２が引き続いて加熱されるに従い、第２の大きめの小滴が熱および重力の影響によって滴下する。オペレータ５３は大きめの小滴をハサミまたは他の同様な用具を用いて引っ張り、気泡（ｓｅｅｄｓ）や他の欠点を含んだガラスくずをプリフォーム２２から継続して取り除き、滴下しながら固化したガラスくずに適切な刻み目をいれた後、廃棄する。上記両方の小滴の除去ステップは、図５の３９で表示されるステップにおいて行なわれる。しかし、初期条件およびオペレータによる除去速度に依存して滴下する小滴は１つまたは複数であることもあり得る。所定量のガラスが除去され、これによってオペレータ５３は、製品品質を有したガラスがプリフォーム内に存在しており、許容できる製品品質を有した光ファイバが線引きし得ることを確信できるようになった後、プロセスを中断し、プリフォーム２２をプレゴブ処理炉２４から取り除く。
【００１６】
プレゴブ処理プロセスの際、炉の加熱領域は約１８００°Ｃ乃至２０００°Ｃの間の温度に維持されており、１９００°Ｃ乃至１９５０°Ｃの間に維持されるのが更に好ましい。先端部の終点を加熱領域にさらした直後、小滴２７は通常約２５分以内に滴下する。除去工程を含んだ全プレゴブ処理プロセスには約４５乃至５０分を要する。
プレゴブ処理プロセスが完了した後、プリフォーム２２は保護ケース３６内に戻すのが好ましい。プリフォーム２２は図５のステップ４１に従い線引塔４０（図６）に送られ、ファイバが線引きされる。プリフォーム２２はオーバーヘッド式クレーンまたはモノレールシステムによって搬送されるのが好ましい。プリフォーム２２はキャリッジ３６から取外され、線引炉柄１５８につなげられ、線引炉４２内に降ろされる。最適化した線引先端部３２を有したプリフォーム２２は、プレゴブ処理炉２４の温度プロフィールとほぼ同じ温度プロフィールに維持されているチャンバ１２８の加熱領域１６０に送り込まれる。プリフォーム２２を囲む誘導コイル１６２はサセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）６４に熱を発生させ、これにより加熱領域１６０を約１８００°Ｃ乃至２２００°Ｃにする。ステップ４３（図５）において、十分な張力が牽引装置（ｔｒａｃｔｏｒ）または他の張力付与手段によって与えられ、光ファイバ６５をプリフォーム２２から線引きする。光ファイバ６５は約１２５μｍの直径を有するのが好ましい。ファイバ６５は、その後一般的に行なわれるように冷やされ、塗布され、そしてスプールに巻き取られる。
【００１７】
本発明の他の実施例においては、図７に最も良く示されているように、複数のプレゴブ処理装置２２０および３２０が用いられ、これによりあらかじめ最適化した形状の先端部を有したプリフォームを複数の線引装置２４０、３４０、４４０、５４０に供給する。プレゴブ処理工程の時間は、通常、プリフォームからファイバを線引きする時間よりも短いので、プレゴブ処理装置の数は線引装置の数よりも少ない。本方法によれば、複数の固化光ファイバプリフォームが複数のプレゴブ処理装置２２０および３２０にて加熱される。装置２２０および２３０は、図４に示す第１温度プロフィールを有した誘導炉を各々が含んでおり、これにより複数のプリフォームの各々にあらかじめ最適化した形状のプリフォーム先端部が形成される。同様に、複数の線引装置２４０乃至５４０は、各々が既述の誘導炉を含んでいる。
【００１８】
あらかじめ最適化した先端部を有するプリフォームは、表示の経路ａ乃至ｈのいずれかにより複数の線引装置２４０乃至５４０に送られる。従って、いずれのプレゴブ処理装置もいずれの線引装置に供給可能である。本発明によれば、複数の線引炉２４０乃至５４０は、第１温度プロフィールとほぼ同等の第２温度プロフィールを各々が有している。従って、少数のプレゴブ処理装置を用いてあらかじめ最適化したプリフォームを多数の線引装置に供給することができる。２個のプレゴブ処理装置および４個の線引装置が示されているが、生産要求の指示に従い、より少数のまたは多数の線引装置が用いられ得る。更に、多数のプレゴブ処理装置が用いられ得る。
【００１９】
本発明の範囲から離脱することなく当業者が本発明を種々改良および変更し得るのは自明である。従って、本発明は添付のクレームおよびその均等の範囲内において改良および変更を含んでいることを企図している。
【図面の簡単な説明】
本発明は添付の図面を引用すると共に以下において更に説明される。
【図１】本発明によるプリフォームのプレゴブ処理装置の実施例の側面図である。
【図２】プレゴブ処理前の固化プリフォームの代表的形状の側面図である。
【図３】未プレゴブ処理プリフォーム先端部およびプレゴブ処理済みプリフォーム先端部の形状を図示している。
【図４】本発明によるプレゴブ処理炉の部分断面側面図である。
【図５】本発明による方法の工程系統図である。
【図６】線引装置の部分断面側面図である。
【図７】あらかじめ最適化したプリフォームを複数の線引装置に供給する複数のプレゴブ処理装置の概略図である。

Claims (22)

1. 光ファイバの製造システムであって、
   （ａ）第１温度プロフィールを有し、あらかじめ最適化した先端部形状を光ファイバプリフォーム上に形成する炉を持つプレゴブ処理（ｐｒｅｇｏｂｂｉｎｇ）装置と、
   （ｂ）前記第１温度プロフィールとほぼ同等の第２温度プロフィールを有し、前記あらかじめ最適化した先端部形状を有した前記プリフォームから光ファイバを線引きする線引炉と、を備えたことを特徴とするシステム。
2. 前記プレゴブ処理加熱炉が誘導炉を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記プレゴブ処理加熱炉および前記プリフォームからファイバを線引きするのに用いられる線引装置は、各々誘導炉を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記プレゴブ処理炉は、約１８００°Ｃ乃至２０００°Ｃの間の温度を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記プレゴブ処理炉は、約１９００°Ｃ乃至１９５０°Ｃの間の温度を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 前記あらかじめ最適化した先端部形状は、先端部長さ対前記先端部長さに亘る半径変化の比が約５乃至１２の間のテーパー状（ｔａｐｅｒ）であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
7. 前記あらかじめ最適化した先端部形状は、先端部長さ対前記先端部長さに亘る半径変化の比が約６乃至９の間のテーパー状であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 光ファイバプリフォームの製造システムであって、
   前記光ファイバプリフォームを加熱してガラスを除去するプレゴブ処理炉を備えており、前記プレゴブ処理炉は前記プリフォームからファイバを線引きする後続プロセスにおいて用いられる線引炉の温度プロフィールとほぼ同等の温度プロフィールを有していることを特徴とするシステム。
9. 光ファイバプリフォームの製造システムであって、
   前記光ファイバプリフォームを加熱してガラスを除去し、これによりあらかじめ最適化した線引先端部を前記プリフォーム上に形成するプレゴブ処理炉を備えており、前記プレゴブ処理炉は前記プリフォームからファイバを線引きする独立した線引炉の温度プロフィールとほぼ同等の温度プロフィールを有していることを特徴とするシステム。
10. 光ファイバプリフォームの製造方法であって、
    ａ）小滴が熱および重力の影響で滴下し得るような第１温度プロフィールを有した誘導加熱装置によって固化光ファイバプリフォームを加熱する工程と、
    ｂ）あらかじめ最適化した先端部形状を有した線引先端部が形成されるまで前記プリフォームから更なるガラスを除去する工程と、
    ｃ）前記プリフォームを線引装置の線引炉まで運搬する工程と、からなることを特徴とする方法。
11. 前記プリフォームを前記線引炉内で前記第１プロフィールにほぼ同等な第２温度プロフィールにさらす工程を更に含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記加熱工程は、前記プリフォームを囲む少なくとも１つの誘導ヒータによって行なわれることを特徴とする請求項１０記載の方法。
13. 前記あらかじめ最適化した形状は、先端部長さ対先端部長さに亘る半径変化の比が約５乃至１２の間のテーパー状であることを特徴とする請求項１０記載の方法。
14. 前記あらかじめ最適化した形状は、先端部長さ対先端部長さに亘る半径変化の比が約６乃至９の間のテーパー状であることを特徴とする請求項１０記載の方法。
15. 前記誘導加熱装置は、約１８００°Ｃ乃至２０００°Ｃの間の温度を有することを特徴とする請求項１０記載の方法。
16. 前記誘導加熱装置は、約１９００°Ｃ乃至１９５０°Ｃの間の温度を有することを特徴とする請求項１０記載の方法。
17. 光ファイバプリフォームの製作方法であって、光ファイバを前記プリフォームから線引炉において線引きする前に、前記プリフォーム上にあらかじめ最適化した線引先端部を形成するために、前記プリフォームの先端部を前記線引炉から独立したプレゴブ処理加熱炉において加熱する工程と、前記プレゴブ処理炉の温度プロフィールを前記線引炉の温度プロフィールとほぼ同等にする工程と、からなることを特徴とする方法。
18. 前記あらかじめ最適化した線引先端部は、先端部長さ対前記先端部長さに亘る半径変化の比が約５乃至１２の間のテーパー状であることを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記あらかじめ最適化した線引先端部は、先端部長さ対前記先端部長さに亘る半径変化の比が約６乃至９の間のテーパー状であることを特徴とする請求項１７記載の方法。
20. 光ファイバの製造方法であって、
    第１温度プロフィールを有する誘導炉を含んだプレゴブ処理装置内で固化光ファイバプリフォームを加熱し、これによりあらかじめ最適化した形状のプリフォーム先端部を形成する工程と、
    前記第１温度プロフィールとほぼ同等の第２温度プロフィールを有した誘導炉を含み、光ファイバを線引きする線引装置に前記プリフォームを搬送する工程と、からなることを特徴とする方法。
21. 光ファイバの製造方法であって、
    第１温度プロフィールを有した誘導炉を各々が含んだ複数のプレゴブ処理装置内で複数の固化光ファイバプリフォームを加熱し、これにより複数のプリフォームの各々にあらかじめ最適化した形状のプリフォーム先端部を形成する工程と、
    前記第１温度プロフィールとほぼ同等の第２温度プロフィールを有した誘導炉を各々が含んだ、光ファイバを線引きする複数の線引装置に前記複数のプリフォームを搬送する工程と、からなることを特徴とする方法。
22. プレゴブ処理装置は、線引装置よりも少数であることを特徴とする請求項２１記載の方法。

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