JP3527089B2 - 光ファイバの製造方法 - Google Patents

光ファイバの製造方法

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JP3527089B2 JP03865398A JP3865398A JP3527089B2 JP 3527089 B2 JP3527089 B2 JP 3527089B2 JP 03865398 A JP03865398 A JP 03865398A JP 3865398 A JP3865398 A JP 3865398A JP 3527089 B2 JP3527089 B2 JP 3527089B2
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    • C03B37/01869Collapsing

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバの製造
方法に関し、特に、プリフォーム製造技術に関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバの製造にあたっては、一般的
に、2つの基本的なアプローチの一方を使用している。
いずれにおいても、ラッチを回転させ、化学的気相堆積
法(CVD法)あるいはその修正法によって回転するプ
リフォーム上に純粋なガラス材料を累積させている。初
期の技術では、回転するプリフォームの外側に材料を付
着させていた。この場合、プリフォームは一般的に中空
チューブであり、その固体チューブの外側に、気相堆積
ガラス材料を累積させることによって、ゆっくりと直径
を増大させていた。
【0003】この技術分野において、大きな進歩が果た
されたのは、MacChesneyet alによっ
て、いわゆる修正化学的気相堆積法(MCVD法)が採
用されたことによる。このMCVD法においては、回転
する中空チューブ内にガラス原料を流すことによって、
その中空チューブ内の内壁にガラス材料を付着させる。
この方法においては、非常に純粋な材料を重要なコア領
域に導入することができる。このことはまた、反応環境
の制御を向上する。
【0004】このMCVD法は、高度に洗練された製造
技術に発展しており、現在では商業的に広く使用されて
いる。しかしながら、中空チューブを使用することによ
って基本的な技術的問題が本質的に存在している。すな
わち、MCVD法の発見以来存続している問題は、堆積
プロセス中においてチューブの真円度を確保するという
問題である。
【0005】堆積プロセスに本質的に存在する熱力学条
件として、ガラスチューブを強化してつぶす間に使用さ
れる温度が、そのプロセスにおいてガラスチューブを変
形し易くするために、初期のガラスチューブの軟化温度
を越えるという点が挙げられる。一般的に、そのような
変形によって、そのチューブの円断面は若干長円形に変
化する。そして、チューブのコラップスプロセスの間、
チューブはそのような変形を最も生じやすい。
【0006】初期状態にチューブの全長に沿って連続的
な円形断面を持つチューブを提供する試みはなされてき
た。したがって、コラップスプロセスの間チューブの真
円度の低下を防止可能な技術があれば、堆積前処理によ
って初期状態のチューブにおける長円性を解消すること
が可能となる。ここで、堆積前処理は、初期状態のチュ
ーブの真円度を調節するためにラッチの下方までトーチ
を高温で通過させるものである。
【0007】チューブのコラップスプロセス中に伸展す
る長円化問題を回避するために、従来のMCVD法にお
いては、トーチを多数通過させて、チューブをゆっくり
とつぶすことが慣例となっている。その目的は、真円度
を維持し易くするガラスの表面張力を平衡状態に近づけ
て、長円化し易くする重力などの他の力を相殺すること
である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在の
製造においては、そのようなコラップスプロセスは不都
合に長時間化してしまい、一般的には、製造時間の約半
分近くを費やすことになる。したがって、MCVD法に
おける重要な目的は、チューブコラップス時間を短縮す
ることである。そのような長円化問題を管理可能な技術
を実現すれば、より積極的なチューブコラップス予定を
立てることが可能となり、それによってプリフォームの
製造コストをかなり削減することができる。
【0009】MCVDプロセス中における長円化問題を
管理または解消するための周知の従来技術として、チュ
ーブをつぶす間にチューブ内における不活性ガス、例え
ば、窒素やアルゴンなどの加圧を維持する技術がある。
初期状態のチューブが円形である場合には、チューブ内
側の均一な静水圧は、理論上は、チューブの長さ方向と
周方向におけるガラスの表面張力に等しく、チューブ全
体における均一なコラップス力が維持される。このアプ
ローチは、長円化問題の解消には成功したが、チューブ
における内圧の使用は、コラップス速度を遅くしてしま
う。
【0010】したがって、本発明の目的は、上述したよ
うな従来のMCVD法の持つ問題を解消して、コラップ
スプロセスにおけるチューブの長円化を防止すると共
に、コラップス時間を短縮可能な、優れた光ファイバの
製造方法を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明による光ファイバ
の製造方法によれば、MCVDプロセスの間にチューブ
の真円度を確保することができる。本発明においてはま
ず、チューブにおける長円化領域の存在または兆候を検
出するために、コンピュータシステムを用いてチューブ
外形の真円度を正確に監視する。そのモニタによる長円
化領域の検出に応答して、その長円化領域に対して外部
からガス圧を与えることにより、チューブの外形を訂正
する。
【0012】本発明によるコラップスの間にチューブの
真円度を維持するための自動システムを使用することに
より、より攻撃的なコラップス技術を使用することがで
き、その結果、コラップス時間を実質的に短縮すること
ができる。コラップス時間をさらに短縮するために、コ
ラップスプロセスの間、チューブ内を外部環境に対して
減圧したり真空引きしてもよい。
【0013】
【発明の実施の形態】改善されたチューブコラップスプ
ロセスを理解するためには、まず、プロセスの熱力学を
理解する必要がある。この熱力学は、コラップスの間に
ガラスチューブに作用する主要な駆動力を含む。チュー
ブコラップスプロセスにおけるこの駆動力σは、ガラス
の表面張力γと、チューブの外部圧力Pb と内部圧力P
a 間の圧力差とによって決定される。コラップスにおけ
るより小さな駆動力が、トーチからチューブ外面に加わ
る酸素燃料と水素燃料の圧力PF によって発揮される。
チューブの回転による遠心力は、コラップスプロセスを
妨げる比較的小さな力である。
【0014】チューブをつぶすための正味の力は、外形
をR、内径をrとした場合に、次の式で表される。
【数1】 ここで、この式の最終項は、秒当たりn回転のチューブ
回転によって生じる遠心力を表しており、ρA は、単位
表面積当たりのガラスチューブの質量である。表面張力
と火炎の圧力は、チューブ半径を低減する加圧を引き起
こす。チュープの回転は、チューブコラップスを妨害す
る遠心力を引き起こす。付加された内圧は、上記のよう
に、コラップスを防止して、チューブを拡張することさ
えありうる。
【0015】コラップス速度dR/dtは、駆動力とガ
ラスの粘度の両方によって決定される。これは、次の式
で表される。
【数2】 ここで、この式には、粘度の半径方向の変化η(x)が
含まれている。高温下においてガラスの粘度が低下した
場合にコラップス速度が高くなることは明らかである。
【0016】コラップスプロセスの間、初期のチューブ
の楕円率は、かなりの大きさまで拡大する可能性があ
る。これは、楕円のファイバコアを生成し、多くのファ
イバ応用技術に有害な偏光モード分散(PMD)を引き
起こす。分析と実験によれば、外部圧力Pb が内部圧力
a を臨界値まで越えた場合に、初期のチューブの楕円
率がコラップスの間に拡大することが明らかになってい
る。
【0017】臨界圧は、チューブの寸法によって決定さ
れる。例えば、19×25mm径(内径19mm、外径25
mm)の均質なチューブは、22mm外径までつぶされ、圧
力差(Pb −Pa )が水圧で0.032インチ(0.8
13mm)より小さい場合には楕円率が高くなる。その
チューブが17.2mmの外径まで収縮する場合には、楕
円率を生じることなしに、水圧で0.28インチ(7.
11mm)もの高い圧力差に耐えられる。実際には、チ
ューブ内の圧力は、一般的に外部環境よりも高い値に維
持される。すなわち、Pb −Pa <0である。この内部
加圧状態は、円形のチューブ外形を維持するが、前述し
たように、コラップス速度を遅くする。
【0018】以上のように、初期のチューブにおける楕
円率は、つぶされたプリフォームの楕円率に直接的に反
映する。それはまた、図1に示すように、プリフォーム
のコアの楕円率に直接的に反映する。図1は、楕円形の
プリフォーム11とそれに対応する楕円形のコア12を
示す断面図である。一般的なシングルモードファイバに
おけるコア径対プリフォーム径の比は、1/10〜1/
20の範囲内である。コアの断面形状は、プリフォーム
全体の形状のレプリカに近いが、図1においては、コア
12において容認できない楕円率が示されている。
【0019】過度のコア楕円率によって生じる問題とし
て、不都合な偏光モード分散(PMD)と過度のスプラ
イス損失が挙げられる。理想的な円対称シングルモード
ファイバは、2つの独立した変性モードの直交偏光を支
持するが、過度のコア楕円率は、その円対称を壊し、そ
の2つの偏光モードの変性を除去する。これらの2つの
モードは、異なる位相速度で伝播し、それによってファ
イバ内に複屈折が引き起こされる。
【0020】さらに、偏光の出力状態は、熱とモード結
合の影響の結果として、予測できない不安定なものとな
る。平均的に、偏光の出力状態は、所定の偏光の「ビー
ト」長で、ファイバに沿って周期的に変化する。このよ
うに、コア楕円率に起因する複屈折によって、高ビット
速度伝送またはアナログ伝送を含む応用技術に対して望
ましくないシングル偏光モード分散を生じてしまう。こ
のことは、「U.S.Pat.No.5,418,88
1」、および「Applied Optics,Vo
l.20(17)2962」に記載されている。
【0021】図2は、上述したようなファイバコアにお
ける過度の楕円率による他の否定的な結果、すなわち、
過度のスプライス損失を示している。この問題は、その
欠陥のあるファイバがスプライスされた場合に生じる。
光学システムの製造と補修において、ファイバ断面は通
常は円形であるため、ファイバの円形性は、一般的なス
プライス内でランダムである。ファイバが過度の楕円率
を持つ場合には、伝播ビームのモードフィールド分光
は、円形にはならない。図2に示すようにファイバ端部
21と22が突き合わせられた場合、そのスプライス断
面は、23に示すようになり、影付きの領域24内に向
かう伝播ビーム中のエネルギーが消失する。
【0022】以上のような分析と技術背景は、従来技術
の課題と、本発明による課題解決手段、すなわち、プロ
セス中にチューブ外形を監視し、監視データに従ってプ
ロセス条件を選択的に修正することにより課題を解決す
る手段、を理解するために提示されたものである。修正
されるプロセス条件は、例えば、トーチの熱出力、ある
いは、選択的な局部的外部加圧である。局部的な加圧
は、チューブの長円化を訂正するために好ましいメカニ
ズムである。
【0023】従来技術において教示されている内部加圧
の使用は、潜在的なコラップス率を減速するが、本発明
者等の研究結果においては、プリフォームのコラップス
の間に外部からの圧力を局部的かつ選択的に加えること
により、楕円率を有効に制御することができ、コラップ
ス速度が増大することが確認された。
【0024】本発明に従って、好ましくない楕円率を低
減あるいは除去するための技術について、図3と図4を
参照して説明する。基本的なMCVDプロセスは、この
プロセスにおいて使用される装置と同様に周知である。
参照文献としては、例えば、「J.B.MacChes
ney et al,“Preparation of
Low Loss Optical Fibers
Using Simultaneous Vapor
Phase Deposition andFusio
n”, Xth Int. Congress on
Glass,Kyoto, Japan(1973)6
−40」がある。
【0025】図3に示すように、シリカ製のチューブ4
1は、MCVDガラスラッチ(図示せず)内で回転する
ように取り付けられる。ガラス原料ガス、例えば、Si
Cl4 、GeCl4 、O2 は、酸水素トーチ42によっ
てチューブ41が加熱される間に、その回転するチュー
ブ41内を流れる。ガラス材料の付着と固化を完了する
際に、チューブ41は、周知の技術によってつぶされ
る。すなわち、2000〜2400℃のガラス軟化温度
を越える温度まで十分に加熱して、チューブ41の表面
張力によってチューブ径を収縮させることにより、最終
的に、トーチの多数の通過を経た後に、所望の固体プリ
フォームが得られる。コラップスの間にガラスが軟化温
度を越えると、チューブの長円化は、コラップスの間に
拡大し易い。
【0026】酸水素トーチ42の温度は、この酸水素ト
ーチ42に供給される燃料混合物における水素対酸素の
比率と、その絶対流量率とによって制御される。このガ
ス流量の制御は、図3中にガス流量制御装置43として
示すように、H2 とO2 の流量率を個別に制御し、それ
によって、水素対酸素比率を制御することにより行わ
れ、その結果、酸水素トーチ42に対して計量されたガ
ス流が供給される。複数のガスは、周知の技術によって
火炎部分で混合される。
【0027】本発明によれば、円形チューブの外形を維
持するために、コラップス中におけるフィードバック制
御が行われる。外形制御装置に対する入力を提供するた
めに、チューブを回転させる間にチューブ寸法が測定さ
れる。第1の実施の形態においては、図3に示すよう
に、この測定値は、チューブ外形を修正するために、ガ
ス流量制御装置43に送られる。
【0028】本発明のこの実施の形態においては、チュ
ーブ円周に沿ったコラップス速度を調節するために、チ
ューブの周囲における空間的な、すなわち、方位角温度
分布が使用される。この方位角温度分布は、ガラス粘度
において同様の分布グラフを生じさせる。チューブ収縮
の間、チューブの真円度は、平均値よりも大きな半径を
持つかあるいは半径が増大しつつあるチューブ領域を選
択的に加熱することによって維持される。チューブの収
縮に対して、他の等価的な動的な力を加えることによ
り、すなわち、より強く加熱することにより、その領域
の粘度をより低下させてそのコラップス速度を増大する
ことができる。中央の円周から突出するチューブ領域を
優先的に収縮するこの方法は、チューブの長円化を制御
可能なフィードバックメカニズムを提供する。
【0029】図3を再度参照すれば、市販のレーザマイ
クロメータ47(例えば、keyence社によって販
売されている)を使用して、チューブの回転の間に異な
る方位角でチューブ径を測定するようになっている。他
の監視装置、例えば、ビデオカメラなどを、チューブ外
形寸法を記録するために使用してもよい。これらの測定
値は、チューブ外形と長円度を計算するマイクロプロセ
ッサ46に送られる。この外形入力データは、次に、同
じマイクロプロセッサ46または別のマイクロプロセッ
サによって処理され、ガス流量制御装置43を動作させ
るためのコマンドが発せられる。ガス流量制御装置43
の動作によって酸水素トーチ42を制御してその温度を
変化させ、チューブ形状を動的に変化させる。
【0030】本発明の他の実施の形態について、図4を
参照して説明する。ここで、図4は、回転するチューブ
51とそれを加熱するトーチ52を示している。トーチ
52は、燃料供給源58から燃料を供給される。この形
態においては、ガスノズル53によって外部圧力パルス
を供給することにより、チューブの円周に沿ったコラッ
プス力を方位角で調節するようになっている。チューブ
外形監視装置57は、上記のように動作して、コンピュ
ータ制御装置56に外形信号を送る。このコンピュータ
制御装置56は、ガス流量制御装置55を動作させるた
めのチューブ外形訂正信号を発生する。ガス供給源54
は、空気でもよいが、窒素、アルゴン等の不活性ガスや
その他の適当なガスでもよい。
【0031】コラップスの間にチューブ外形を制御する
ためにガスノズル53によって供給される圧力は、正圧
でも負圧でもよい。後者の場合には、真空源(図示せ
ず)がガスノズル53に接続され、コンピュータ制御装
置56によって要求される負圧を提供するためにガス流
量制御装置55によって真空制御が行われる。いずれの
場合でも、その圧力は、周囲の圧力に比べて高いかある
いは低くなるようにして、チューブの表面に局部的に生
成された圧力を意味する。
【0032】正圧の場合には、圧力パルスは、チューブ
外形監視装置57が平均値よりも大きいチューブ半径を
検出した場合にその表面部分に選択的に圧力を加えるよ
うに制御される。負圧の場合には、圧力パルスは、所望
の値よりも小さいチューブ径を持つチューブの表面部分
に選択的に加えられる。負圧の圧力パルスは、少なくと
も2つの方法によって生成できる。すなわち、一つに
は、周知のベルヌーイの原理によってチューブ表面にお
ける負圧を生成するためにチュープ外周にガス流を正接
的に流すことによって、あるいはまた、上述したよう
に、真空引きを使用することによって、それぞれ、負圧
の圧力パルスを生成できる。
【0033】図4においては、単一のガスノズル53の
みを示しているが、多数のノズルを使用してチューブ径
の周囲の他の位置に配置することも可能である。図中に
示すようにトーチ52を配置して、図中に示す方向にチ
ューブ51を回転させることにより、ガラスの粘度を、
ガスノズル53が配置された側においてわずかに高くす
ることができるため、この配置は有利である。あるいは
また、チューブ外形監視装置57とガスノズル53の配
置を逆転するなど、当業者であれば、他の有効な配置を
容易に考えうる。一つ以上のガス噴出口をトーチ52に
組み込んでもよい。ガスノズル53に供給される空気や
ガスは、チューブの過度の冷却を防止するために、ヒー
タ(図示せず)によって予熱することが望ましい。
【0034】上記の例においては、図4のガスノズル5
3からの圧力パルスを使用して、チュープのコラップス
速度を制御する力を変化させる点について説明した。別
の例として、図4のガスノズル配置を図3の構成中にお
いて同様に使用して、ガラスチューブの温度を局部的に
制御することもできる。ガス供給源54から供給される
空気または他のガスが室温である場合、あるいは少なく
ともガラスチューブの軟化温度よりも十分に低い場合に
は、図3について説明した原則に従い、ガスノズル53
からの冷却ガスの吹き付けによって、チューブのガラス
粘度が変化し、コラップス速度を減速させる。
【0035】外的に調節されたガス圧力は有効であり、
本発明の好ましい実施の形態であるが、ここで述べるよ
うな有効なチューブ真円度監視・フィードバックシステ
ムは、プロセスの設計者が内的に調節された圧力、すな
わち、チューブ内圧力を使用して、本発明の目的を達成
することを可能にする。この形態を実施する場合に、ガ
スノズル53は、回転するチューブ内に単純に配置され
る。回転するチューブは、その円周に沿って均一な温度
を持つものではない。実際、チューブ壁内の熱拡散には
時間がかかるため、回転するチューブの最高温部は、ト
ーチから離れた位置にくる。
【0036】チューブの外形が、上述したような監視手
段によって監視され、チューブの楕円率を低減するため
に、その最高温部が存在するチューブ部分を局部的に拡
張すべきか収縮すべきかが決定される。図4のフィード
バックシステムは、チューブの真円度を回復するために
チューブの内部圧力を調節する。チューブの最高温部
は、粘度が最も低くなるため、内的に加わる圧力による
影響を最も受けやすい。
【0037】図4のガス流量制御装置をチューブを局部
的に加熱するために使用してもよい。しかしながら、有
効に加熱するために要求されるガス温度は、非常に高い
ため、前述した例で説明したようにしてプロセスを制御
する方が実用的である。
【0038】ここで説明したプロセスは、火炎トーチと
酸素と水素の混合燃料を使用するものであるが、マイク
ロウェーブプラズマリングなどを使用したプラズマトー
チもまた、同様のプロセスにおいて使用可能である。そ
のようなプロセスにおいても、調節の動的速度は火炎ト
ーチの場合とは異なるが、温度を調節できる。酸水素ト
ーチ以外のガストーチを使用することもできる。実施の
形態において、本発明のプロセスは、どのような熱源を
使用する場合でも、その熱源の温度を調節する必要があ
る。
【0039】なお、本発明は、前記実施の形態に限定さ
れるものではなく、当業者であれば、他の多種多様な形
態を実施可能であり、それらは、いずれも特許請求の範
囲に記載された本発明の範囲に包含される。
【0040】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、修
正化学的気相堆積法(MCVD法)中のコラップスプロ
セスにおけるチューブの長円化を防止すると共に、コラ
ップス時間を短縮可能な、優れた光ファイバの製造方法
を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るプロセスの目的を説明するために
プリフォーム外形を示す模式図である。
【図2】図1に示すチューブの長円化の結果としてファ
イバスプライスに生じる損失を示す模式図である。
【図3】本発明の原理を用いたプリフォーム製造装置を
示す模式図である。
【図4】本発明の原理を用いた別のプリフォーム製造装
置を示す模式図である。
【符号の説明】
11…プリフォーム 12…コア 21、22…ファイバ端部 23…スプライス断面 24…領域 41…シリカチューブ 41、51…チューブ 42…酸水素トーチ 43、55…ガス流量制御装置 46…マイクロプロセッサ 47…レーザマイクロメータ 52…トーチ 53…ガスノズル 54…ガス供給源 56…コンピュータ制御装置 57…チューブ外形監視装置 58…燃料供給源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーヴン アラン ジャコブズ アメリカ合衆国,30342 ジョージア, アトランタ,パイン フォレスト ロー ド 585 (72)発明者 マン フェイ ヤン アメリカ合衆国,07922 ニュージャー ジー,バークレイ ハイツ,ハイランド サークル 75 (56)参考文献 特開 昭53−108446(JP,A) 特開 昭56−125234(JP,A) 特開 昭51−20915(JP,A) 特開 昭52−7742(JP,A)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a)プリフォームチューブの内側にガ
    ラス材料を付着させるために、加熱したプリフォームチ
    ューブ内にガラス原料ガスを流すステップと、 (b)前記プリフォームチューブをつぶして固体プリフ
    ォームを形成するために、プリフォームチューブを回転
    させながら、このプリフォームチューブにガラスの軟化
    温度を超える温度まで、トーチからの炎を印加するステ
    ップと、 (c)光ファイバを形成するために、前記固体プリフォ
    ームを線引きするステップとを備えた光ファイバの製造
    方法において、 (i)前記プリフォームチューブの測定値を得るため
    に、前記プリフォームチューブをつぶす間、回転するプ
    リフォームチューブの直径を光学センサを用いて連続的
    に監視するステップと、 (ii)前記回転するプリフォームチューブの局部的領域
    対して、前記ステップ(b)のトーチとは独立にガス
    流を向けるステップと、 (iii)前記光学センサーからの測定値に応じて、制御
    装置を用いて前記ガス流の流量を変化させるステップと
    を使用して、 前記ステップ(b)を実行することを特徴とする光ファ
    イバの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記ガスは、空気、窒素、アルゴンおよ
    びその混合物からなるグループから選択されることを特
    徴とする請求項1記載の光ファイバの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記(ii)のステップの前に、前記ガス
    を室温より高く加熱するステップを含むことを特徴とす
    る請求項1記載の光ファイバの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記(ii)のステップの前に、前記ガス
    を室温より低く冷却するステップを含むことを特徴とす
    る請求項1記載の光ファイバ製造方法。
  5. 【請求項5】 前記ガスは、ほぼ室温であることを特徴
    とする請求項1記載の光ファイバの製造方法。
  6. 【請求項6】 レーザマイクロメータが、前記(i)の
    ステップに使用されることを特徴とする請求項1記載の
    光ファイバの製造方法。
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