JP3939933B2 - コア直径プロファイルの調節を含む光ファイバの製作方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバが引き出される予備形成物の製作を含む、光ファイバの製作に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
光ファイバは、ガラス予備形成物から作られる。この予備形成物は、一般に、予備形成物の一部が炉領域に下げられるように、ドロータワー内に垂直に配置される。炉領域中に配置された予備形成物の一部は、柔らかになり始め、予備形成物の下端は、首下領域として知られているものを形成し、ここで、ガラスが、予備形成物の元の断面積からファイバの望ましい断面積に流れる。この首下領域の下部先端から、光ファイバが引き出される。
【０００３】
光ファイバは、典型的に、ゲルマニウム等の屈折率上げ元素で任意にドープされた高純度シリカガラスコアと、フッ素等の屈折率下げ元素で任意にドープされた高純度シリカガラスからなる内側クラッディングと、ドープされていないシリカガラスからなる外側クラッディングとを含む。いくつかの製造方法において、このファイバを作るための予備形成物は、外側クラッディング用の外装チューブを形成し、コア材料および内側クラッディング材料を含むコア棒を別個に形成することによって作られる。外装チューブは、たとえば、同時譲渡された米国特許第５，２４０，４８８号に説明されているようにゾル−ゲル処理により、またはシリカビレットからチューブを引き出すことにより作ることができる−これらのチューブは、市販されている。コア棒は、軸流蒸着（ＶＡＤ）、外部蒸着（ＯＶＤ）および修正化学蒸着（ＭＣＶＤ）を含む、当業者に知られている様々な蒸着法のいずれかによって作られる。たとえば、ＭＣＶＤは、チューブの外側を横断酸水素トーチで加熱しながら、高純度ガス、たとえばシリコンおよびゲルマニウムを含むガスの混合物を、シリカチューブ（基板チューブとして知られている）の内側に通すことを含む。チューブの加熱された領域では、ガス位相反応が起こって、チューブ壁に粒子が堆積される。トーチの前方に形成するこの堆積は、トーチがそれを横切るにつれて焼結される。この処理は、シリカおよび／またはゲルマニウムがドープされたシリカの必要な量が堆積されるまで、連続する通過時に繰り返される。堆積が完了すると、本体が加熱されて、基板チューブがつぶれ、基板チューブが内側クラッディング材料の外側部分を構成する強化された棒が得られる。完成した予備形成物を得るために、外装チューブは、典型的に、コア棒上に配置され、これらが加熱されてつぶれ、同時譲渡された米国特許第４，７７５，４０１号に説明されているように固形体の強化された予備形成物になる。
【０００４】
光ファイバ製造は、非常に高度な開発水準に達した。それにもかかわらず、いくつかのケースでは、ファイバ仕様が厳しいので、このような仕様を満足できる方法を開発するのが難しい。たとえば、多くのハイエンドファイバの特性、特に分散特性は、ファイバコア直径の変化に対して非常に感度がある。実際、ある市販のファイバの計算結果は、±１％位の少ないコア直径の変化が±１４％までの分散の変化を引き起こすことを示した。この分散影響に起因して、このファイバの仕様は、一般に、コア直径の±２％以下の変化を許容している。これらの厳しい必要条件により、十分な製造歩留まりを達成するのが難しいことがある。
【０００５】
コア直径の問題に加えて、特定のコア直径形態に基づく多くのファイバデザインがあり、ここで、デザインは、たとえば、特定の分散特性を提供することを意味している。それにもかかわらず、実行可能で商業的に受け入れ可能な仕方でこのようなファイバの製造を許す既存の方法はない。したがって、デザインは、主に理論上にとどまっている。
【０００６】
したがって、実質的に均一なコア直径を有するコア棒を提供でき、かつ好適に、特定のファイバ特性を提供するためにコア直径プロファイルを調節できる方法を持つのが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、実質的に均一なコア直径を提供できるだけでなく、特定のファイバデザイン用のコア直径プロファイルを調節することもできる方法に関する。本発明によれば、典型的にシリカベースのコア棒は、棒の長手方向軸に沿って熱源が横断し、加熱されて軟化される領域が提供される。横断中、圧縮または引張り運動が棒の長手方向軸に沿って与えられる。これらの運動は、それぞれ、柔らかにされる領域におけるコア直径の増加または減少を含む。
【０００８】
特に、熱源がコア棒を横断するにつれて、熱源は、棒材の軟化点より上の別領域を加熱する。（軟化点は、材料が流れを引き起こすことができる粘度に達する状態を示し、たとえば、シリカの軟化点は、一般に、材料が約１０^７．６ ポアズの粘度に達した時に起こる。）加熱されている特定領域のコア直径がより大きい方が望ましい場合は、粘性の流れにより軟化された領域の直径を広げるために、圧縮運動が適用される（この運動は、コアと棒全体の両方の直径を広げる）。かけがえとして、コア直径がより小さい方が望ましい場合は、引張り運動が適用されて、その軟化された領域が引き伸ばされ、それにより、再び粘性の流れによってコア直径（および棒全体の直径）が減少する。これらの圧縮および／または引張り運動は続けられ、熱源がコア棒を横断するにつれて、適当な直径の膨張または縮小を提供する程度に変化する。熱源がこの領域を通過するにつれて、直径調節は、本質的に冷却により適宜に固定される。次いで、その結果生じた棒を含むファイバ予備形成物を従来の手法で形成し、それからファイバを引き出すことができる。
【０００９】
コア棒の全長にわたって選択的なコア直径の増加および／または減少を提供することにより、望ましいコア直径プロファイルが達成される。たとえば、棒の長さの少なくとも９０％、任意的には１００％にわたってコア直径が、平均コア直径の０．２％以内、任意的には０．１％以内である、実質的に均一なコア直径を達成することができる。また、コア直径プロファイルを変化させて特定の特性、たとえば規則正しく変化する分散を提供することができる。たとえば、将来のシステムは、非直線性を減少させるために、特定の伝送長にわたる予め選択された分散変化を有するファイバを使用することができる。さらに、制御される仕方でコア直径およびコア棒直径を増加させる能力は、より大きなコア棒の製作を可能にし、このコア棒は、より大きなファイバ予備形成物を作ることができる。たとえば、この予備形成物は、直径１２５μｍのファイバを少なくとも１２００ｋｍ、または２４００ｋｍさえも提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例を実施するのに適する装置１０を示す。コア棒１２は、２つのチャック１４，１６で保持されている。チャック１４，１６は、棒１２を回転させることができ、チャックの少なくとも１つ、任意的に両方は、棒１２の長手軸の方向に沿って引張りおよび圧縮運動を与えることができる。熱源１８が備えられており、この熱源１８は、たとえばガイド２０に沿って棒の長さを横断することができ、それにより、棒の加熱部分２２が提供される。（ここに説明される熱源の横断は、熱源自体が棒に沿って移動しなければならないことを示しているつもりではないが、熱源が棒と相対的に移動する何らかの技術を示しており、熱源の移動、棒の移動、または熱源および棒の両方の移動を含む。）
コア棒１２は、当業者に知られている何か適当な技術、たとえば、外部蒸着（ＯＶＤ）、軸流蒸着（ＶＡＤ）または修正化学蒸着（ＭＣＶＤ）で形成される。棒は、一般に、シリカがベースとされるが、光ファイバを作るのに適する他の材料も可能である。同様に、この棒に、何か望ましいドープ性／屈折率プロファイルを持たせることができる。
【００１１】
熱源１８は、材料の軟化点以上に棒を加熱できる熱源なら何でも良い。典型的には、熱源は、たとえば、同時譲渡された米国特許第５，８６１，０４７号に説明されているような等温プラズマトーチである。有効なプラズマは、酸素、たとえば純酸素、または酸素とアルゴン等の不活性ガスからなる。
棒の原コアプロファイルは、一般に、加熱前の棒長に沿った位置の関数として決定される（コアプロファイル測定と加熱処理は一緒に実行することができるように企図されており、たとえば、プロファイル測定装置は、熱源の前方で棒を横断する）。このプロファイルは、一般に、たとえばＰＫ法予備形成物プロファイラを使用して、屈折率プロファイルを測定することによって決定される。直径は、一般に、プロファイル全体を適度に反映するのに十分な数のポイントで測定され、特定のポイント数は、特定のアプリケーションおよび望まれる処理精度によって決まる。典型的には、このコアプロファイル情報は、直接コンピュータに入力される。このプロファイルに基づき、コア直径プロファイルにどんな調節が必要かを決定することができ、ここでは、より重要なことに、それらの調節は、望まれるプロファイルを達成するために必要である。これらの調節は、典型的には、同一コンピュータで計算することができ、および／または同一コンピュータに入力することができる。
【００１２】
コアプロファイルが決定されると、加熱処理が開始される。横断中、熱源１８は、棒材料の軟化点以上に棒の局部領域を加熱する。軟化点は、典型的には、シリカに関して約１５００から２４００℃の範囲にわたっているが、ある程度の変動は、ドーピングのタイプと程度に依存する。典型的には、これらの局部領域は、熱源タイプと装置形態に依存して、棒の約２乃至１０ｍｍ（長手軸に沿って測定された場合）を構成する。
【００１３】
これらの領域２２が、軟化状態になっている間、圧縮または引張り運動を適用することにより（棒直径全体と共に）コアの直径を調節することができる。詳細には、圧縮運動は、棒の特定の長さ以内の体積を（粘性の流れにより）増やしてコアおよび棒直径を増加させる。同様に、引張り運動は、棒の特定の長さ以内の材料の体積を（粘性の流れにより）減らしてコアおよび棒直径を減少させる。圧縮および引張り運動は、チャック１４，１６の一方または両方を他方に対して移動させることによって行われる。運動の程度およびタイプ（圧縮対引張り）は、一般に、事前処理プロファイルと望まれるプロファイルの比較に基づき、コンピュータで制御される。したがって、熱源１８が、棒１２を横断するにつれて、連続的な引張りおよび／または圧縮運動を適用して、望まれるプロファイルを提供することができる。また、たとえば、コアの特定の加熱領域２２がすでに望まれる直径になっている場合は、適用される長手方向の運動をなくすことができる。
【００１４】
好適には、棒は、長手軸が実質的に垂直になるように配置される。この垂直の配置は、均一でない仕方で棒の軟化される粘性領域に影響を及ぼす重力の能力を軽減するかまたはなくす。垂直の配置がなければ、重力は、棒を軸方向に正しくない位置にさせるおよび／または完成した棒の曲がりを引き起こす可能性がある。一般に、棒は、加熱の均一性を改善するために加熱中回転させられる。プラズマトーチに対して、１０乃至３０ｒｐｍのコア棒回転が典型的である。プラズマトーチに対する典型的な横断速度は、１５乃至３０ｍｍの棒直径に対して１乃至１０ｃｍ／分である（一般に、より太い棒はより多くの加熱が必要なので、棒直径が大きくなればなるほど、横断速度が遅くなる。）
【００１５】
図１に示されるが、（ａ）上部チャック１６のみが引張り／圧縮運動でき、（ｂ）トーチ１８が下向きにある速度で棒を横断するタイプの実施例に関して、コア直径プロファイルは、次のように調節される。トーチは、速度ｖ_ｔ で棒の長手軸に沿って横断し、上部チャックは、
ｖ_ｃ ＝ｖ_ｔ （１−（ｄ_ｃ ／ｄ_ｄ ）^２ ）（１）
にしたがう速度ｖ_ｃ で（棒の長手軸の方向に沿って）移動する。ここで、ｄ_ｃは加熱前の特定領域の初期コア直径、ｄ_ｄ はその領域の望ましいコア直径である。速度ｖ_ｃ は、圧縮運動が必要か引張り運動が必要かに依存して、正か負のどちらかになる。他の実施例に関して、同様のアルゴリズムの開発は、この中のガイドラインに基づき、普通の技術者の熟練以内にある。
【００１６】
また、コア直径調節は、棒自体の外径を変化させる。しかしながら、棒は、実質的により大きい直径を有する外装チューブ内に配置され、予備形成物内につぶされているので、棒直径の変化の影響は比較的少ない。たとえば、棒直径の数パーセントの変化は、典型的に、外装チューブ内に配置されている場合おおよそ２乗だけ影響が減少する。さらに、もし望まれるならば、棒の外側からこの過剰な材料をある程度除去することができる。たとえば、ある程度の外側材料がエッチングされるように特定の位置にトーチを保つことにより、または熱源のもう一度の通過により、コア直径調節の間にこの除去を行うことができる。また、コア直径調節の間または後に、棒全体のエッチングを行うこともできる。
【００１７】
このコア直径調節技術は、比較的均一なコア直径プロファイルを達成するのに有効である。詳細には、棒長の少なくとも９０％、任意的には１００％にわたってコア直径が、平均コア直径の０．２％以内、任意的には０．１％以内になるプロファイルを達成することができる。棒の全長は、一般に、棒の両端に取っ手を取り付けることにより取り扱うことができ、取っ手はチャックに挿入される。この相当な均一性は、改善された分散特性を含む望ましいファイバ特性を提供する。
【００１８】
また、このコア棒作成方法では、一般に、達成できるコア棒直径が制限される。その結果、最終的な予備形成物サイズも同様に制限される。しかしながら、本発明は、制御される仕方で、たとえば加熱中に制御された圧縮運動を与えることによって、コア直径およびコア棒直径を増加させることができるので、より大きなコア棒を作ることができる。このようなより大きなコア棒により、より大きなファイバ予備形成物、たとえば、直径１２５μｍのシリカファイバの少なくとも１２００ｋｍ、任意的には少なくとも２４００ｋｍを提供できる予備形成物の製作が可能となる。
【００１９】
また、本発明によれば、特定の特性、たとえば特定の分散特性を提供するための指定のコア直径プロファイルを提供することができる。たとえば、現在はまったく製作できていないもしくは受け入れ可能な歩留まりで製作できていない種々のファイバデザインが存在するが、本発明は、効率的なやり方でこれらのデザインの製作が可能である。このようなデザインの１つは、例３および４に表わされているように、一定分散ファイバである。本発明は、実質的に一定の分散、すなわち、約０．５ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ以下だけ平均分散から変化する分散を示すファイバを効率的に作成することができる。
【００２０】
本発明は、模範的なつもりである以下の例によってさらに明確にされる。
例１
ＭＣＶＤ方法で製作されたシリカベースのコア棒が得られた。棒のコア直径は、棒に沿って１ｃｍきざみで、棒に沿って１角度位置で、屈折率プロファイルを決定することによって測定された。棒は、棒の長手軸の周りの回転を与えることができるチャックに棒の上部と下部を固定することによって、コア直径測定後に図１と同様なプラズマトーチ装置内に垂直に配置された。上部チャックは、棒の長手軸に沿った移動を与えることができた。測定されたプロファイルに基づき、均一な３．２１ｍｍコア直径を達成するのに必要な引張りおよび／または圧縮運動が、上記式１にしたがって計算された。これらの運動は、プラズマトーチ制御コンピュータに入力され、処理が始まった。棒は、約３０ｒｐｍで回転された。プラズマトーチは、５０ｋＷで酸素プラズマをぶつけ、約６ｃｍ／分の速度で棒を横断した。処理前および後の棒のコア直径プロファイルは図２に示される。この処理は、実質的に、コア直径の均一性を改善した。
【００２１】
例２
例１の方法は、均一な３．６２ｍｍ棒直径を与えるように計算された引張りおよび／または圧縮運動で実行された。処理前および後の棒のコア直径プロファイルは、図３に示される。
【００２２】
例３
例１の方法が実行されたが、圧縮および引張り運動は、コアが一定の分散を有するファイバになるように、コンピュータモデリングに基づき計算された。直径調節前および後のコア直径プロファイルから生じるだろうファイバの分散特性が計算された。その結果は図４に示される。
【００２３】
例４
コアが一定の分散を有するファイバになるように、コンピュータモデリングに基づき計算された圧縮および引張り運動で、例３の方法が繰り返された。図５Ａは、直径調節の前および後のコア直径プロファイルを示す。図５Ｂは、計算された分散を示す。図から分かるように、コア直径プロファイル調節の後、計算された分散は、かなり一定となっている。
本発明の他の実施例は、明細書の考察およびここに開示された本発明の実施から当業者に明らかである。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、実質的に均一なコア直径を提供できるだけでなく、特定のファイバデザイン用のコア直径プロファイルを調節するための方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を実施するのに適する装置を示す図である。
【図２】本発明の一実施例によるコア直径プロファイルの調節を示す図である。
【図３】本発明の一実施例によるコア直径プロファイルの調節を示す図である。
【図４】ファイバ分散特性上の本発明の一実施例の効果を示す図である。
【図５】５Ａおよび５Ｂは、コア直径プロファイルの調節とファイバ分散特性上の本発明の一実施例の効果を示す図である。

Claims (16)

1. 光ファイバプリフォームを製作する方法であって、
   コアを含むコア棒を用意するステップと、
   加熱領域を提供するために棒の長手軸に沿って熱源を横断させるステップと、
   横断中、棒の長手軸に沿って圧縮運動を与えながら棒の第１の領域を加熱して第１の領域のコア直径を増加させ、そして、第１の領域の加熱前または後に、棒の長手軸に沿って引張り運動を与えながら棒の第２の領域を加熱して第２の領域のコア直径を減少させるステップとを含む方法。
2. 請求項１記載の方法において、さらに、用意された棒のコア直径プロファイルを決定するステップを含む方法。
3. 請求項２記載の方法において、圧縮運動および引張り運動は、指定されたコア直径プロファイルを提供するように適用される方法。
4. 請求項１記載の方法において、熱源は等温プラズマトーチである方法。
5. 請求項４記載の方法において、プラズマは酸素を含む方法。
6. 請求項１記載の方法において、横断後のコア直径が、棒長の少なくとも９０％にわたって棒の平均コア直径から０．２％以下変動する方法。
7. 請求項６記載の方法において、横断後のコア直径が、棒長の少なくとも１００％にわたって棒の平均コア直径から０．２％以下変動する方法。
8. 請求項７記載の方法において、横断後のコア直径が、棒長の少なくとも１００％にわたって棒の平均コア直径から０．１％以下変動する方法。
9. 請求項１記載の方法において、棒の第１の端部は第１のチャックで固定され、棒の第２の端部は第２のチャックで固定され、第１のチャック、または第２のチャック、または第１のチャックおよび第２のチャックの両方は、棒の長手軸に沿った圧縮運動および引張り運動を与えることができる方法。
10. 請求項１記載の方法において、棒は、棒の長手軸が横断ステップの間実質的に垂直な位置になるように配置される方法。
11. 請求項３記載の方法において、さらに、
    横断後に、外装チューブにコア棒を挿入するステップと、
    外装チューブを棒上につぶして、光ファイバプリフォームを形成するステップとを含み、プリフォームは、直径１２５μｍの光ファイバの少なくとも１２００ｋｍを作製することができる方法。
12. 請求項１１記載の方法において、プリフォームは、直径１２５μｍの光ファイバの少なくとも２４００ｋｍを作製することができる方法。
13. 請求項１記載の方法において、コア棒はシリカベースのコア棒である方法。
14. 請求項３記載の方法において、プロファイルは、実質的に一定の分散を示す光ファイバを提供するようにデザインされる方法。
15. 請求項１４記載の方法において、さらに、
    横断後、外装チューブにコア棒を挿入するステップと、
    外装チューブを棒上につぶして、光ファイバプリフォームを形成するステップと、
    プリフォームから光ファイバを引き出すステップとを含み、ファイバは、実質的に一定の分散を示す方法。
16. 請求項１記載の方法において、さらに、
    横断後、外装チューブにコア棒を挿入するステップと、
    外装チューブを棒上につぶして、光ファイバプリフォームを形成するステップと、
    プリフォームから光ファイバを引き出すステップとを含む方法。

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