JP4700893B2 - 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

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 (9)

1. 光ファイバプリフォームの製造方法であって、
   ａ）第１の温度プロフィールを有する加熱装置（２０）を用いて固化光ファイバプリフォーム（２２）を加熱するステップと、
   ｂ）線引き先端部（３２）が形成されて先端テーパを有するまで前記プリフォームからガラスを除去するステップと、
   ｃ）前記線引き先端部を有する前記プリフォームを線引装置（４０）の線引炉（４２）まで運搬するステップと、を含み、
   ステップ（ａ）において、小滴（２７）が熱及び重力の影響で滴下することが許容され、ステップ（ｂ）が、更にガラスを除去して、先端部長さに沿った半径変化に対する先端部長さの比が５から１２までである先端テーパを形成するステップを含むことを特徴とする製造方法。
2. 前記加熱するステップは、前記プリフォームを囲む少なくとも１つの誘導ヒータ（６２）によって行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記比が６から９までであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記誘導ヒータは、１８００℃から２０００℃までの温度を維持することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記誘導ヒータは、１９００℃から１９５０℃までの温度を維持することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 光ファイバの製造方法であって、
   請求項１乃至５のいずれかの方法で複数の光ファイバプリフォームを形成するステップであって、前記複数のプリフォームが、各々が炉を含む複数の線引装置に運搬されるステップと、
   光ファイバを前記プリフォームから線引きするステップと、を含み
   前記複数の線引炉は、前記第１の温度プロフィールと同等の第２の温度プロフィールを各々有していることを特徴とする方法。
7. 前記プリフォームが、前記線引炉（４２）内で、前記第１の温度プロフィールと同一の第２の温度プロフィールにさらされることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記線引炉が誘導炉であることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. プレゴブ装置の数が線引装置よりも少ないことを特徴とする請求項６、７または８に記載の方法。

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