JP5054513B2 - 光ファイバー製造法 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は光ファイバー製造法と装置と光ファイバー製造に用いるプリフォームと該法により製造した光ファイバーに関する。
【背景技術】
【０００２】
超高速データ通信ネットワークで現在使用のファイバーのような光ファイバー製造については、文献（１）のムール、シー、グプタ（Mool C. Gupta）、光通信学ハンドブック（Handbook of Photonics）、シーアールシープレス（CRC Press）、１９９７年、ボカラトン（Boca Raton）、１０．７章、４４５−４４９頁に記載されている。光ファイバー製造の主工程はガラス母材を製造し（以下プリフォームと呼ぶ）、プリフォーム からファイバーを線引きし、そのファイバーを取り扱いや環境による影響から保護する材料を塗布することである。
【０００３】
文献（１）によると、プリフォーム形成には基本的には三つの方法があり、内付け法（ＭＣＶＤ）、外付け法（ＯＶＤ）及び気相軸付け法（ＶＡＤ）である。
線 引き工程ではプリフォームを上部から炉線引き部に供給しながらトラクターを用いて底部から線引きする。次いでファイバーを引っ張り、強度を監視しながらド ラムに巻き取る。線引き時の温度は２０００°C近くである。炉から出たファイバーをドラムに巻き上げる前にＵＶ硬化性コート剤で塗布する。
【０００４】
文献（２）の米国特許６，５１９，９７４Ｂ１に記載のように、ＭＣＶＤ法は他法に勝るある利点がある。ＭＣＶＤ法では酸化ケイ素と酸化ゲルマニア、リン及びフッ素を含むドーパントの連続層を１８００°C程度の温度で塩化物蒸気と酸素を混合して石英ガラス管内に蒸着する。層蒸着工程はクラッド層が先ず作られ、 次いでコアを形成する層を蒸着する。層蒸着後、内部階層化石英管を緻密な石英棒を形成するように塩素ガスとヘリウム存在下で加熱する。
【０００５】
文献（２）に更に記載のように自身を用いるＭＣＶＤ法では、直径２５ミリ以上のプリフォーム形成には適さない固有の限界がある。この限界を克服するため に、ＭＣＶＤ法はしばしば比較的大きなプリフォーム製造が可能でその結果ファイバー製造工程の生産性を改良できる、所謂オーバークラッド法を実施する。在 来のオーバークラッド化は一般には棒プリフォームを適切なオーバークラッド用材料からできた管内に置き、棒と管を融合して二次プリフォームを形成し、二次 プリフォームを線引きしてクラッド層内に密閉されたコアを含む光ファイバーに線引きすることからなる。従ってＭＣＶＤ法実施で高い生産を得るには次の三つ の根本的なステップが必要である。内部蒸着による一次光ファイバープリフォームの製造、二次光ファイバープリフォームを得るための一次光ファイバーのオーバークラッド化、及び最後に二次光ファイバープリフォームの光ファイバーへの線引きである。
【０００６】
文献（２）ではこれら三つのステップを実行するには以下のことが別々に必要であることが分かった。
a）多大の時間が必要でその結果生産性に負の影響があり、
ｂ）一次光ファイバープリフォームをオーバークラッドする段階で大量の酸素か水素が必要であり、且つ
ｃ）一次光ファイバープリフォームが比較的大きい場合、オーバークラッド化ステップで比較的大量の熱をかける必要がある。
【０００７】
これらの欠点を克服するために、オーバークラッド化ステップと線引きステップとの組み合わせが、例えば文献（３）の米国特許２，９８０，９５７で提案された。文献（３）に開示の方法は、線引き前にコア棒とそれに同心配置のオーバークラッド管間を高真空にし、線引き力が相殺されように制御し且つ管部材がコア棒とオーバークラッド管間の空間で連続的に潰れるよう低真空をさらに制御するステップからなる。融合段階と線引き段階の組み合わせでの問題の一つは、完成した光ファイバーが通信への現代的応用に十分な強度と光学的品質をもつに十分な精度で適応真空を制御することであった。
【０００８】
文献（２）で扱われた他の面はコア棒とオーバークラッド管の適切配置である。文献（４）の米国特許４，８２０，３２２で開示の方法では、コアとクラッドが同心の強力なファイバーが製造でき、オーバークラッド管の潰れを促進するように真空を用い、別の製造段階かファイバー線引きと組み合わした連続法のいずれかを使用できる。文献（２）に記載のように、文献（４）に開示の方法では棒とオーバークラッド管間のギャップに限界がある。管内径はある量以上棒直径を越えられない。更に管潰れとファイバー線引きを組み合わした実施形態では棒の管中心配置に積極的な手段は用いず、代わりに同心性に関してはファイバーをロッドアンドチューブプリフォーム先端が線引きするときに存在すると考えられる固有の自己中心化力に依存する。
【０００９】
上記の工法を改良するために棒をオーバークラッド管と同時に融合しながら、ロッドアンドチューブプリフォームから光ファイバーを線引きできる方法が文献 （２）に提案された。このロッドインチューブ法は差圧を微調整できる弱い真空源を用いる。これにより線引きファイバークラッド層の円周が所望の均一性を得るのを保証できるようコア棒とオーバークラッド管配置制御が提供される。弱い真空は第一一次軸と外面を有する一次光ファイバープリフォームと第二一次軸と内部空間を規定する内面を有するオーバークラッド管を、二次プリフォーム組み立て品として一緒に同軸配置で保持した接合部にガス流を導入して得る。導管から接合部へのガス流によりベルヌーイの定理に従い減圧条件を発生し、その結果オーバークラッド管と一次光ファイバープリフォーム間の空間を一部排気する。導管中の流速によりこの空間でのガス圧の減少程度が決まる。
【００１０】
文献（２）によるとロッドインチューブ法の実現性での主な懸念は配置法と正確に制御した真空の適用に集中する。しかしこれらの周知の主な懸念以外に、ロッドアンドチューブプリフォームからの高品質光ファイバー製造費が継続した懸念がある。
【００１１】
それ故ロッドアンドチューブプリフォームから高品質光ファイバーを製造できる改良法と装置の提供は望ましい。
【００１２】
ロッドアンドチューブプリフォームから高品質光ファイバーを非常に低コストで製造できる方法の提供が特に望まれる。
【００１３】
更にロッドアンドチューブプリフォームでの棒と管配置精度の必要性を低減し、同時に逐次プリフォーム融合とファイバー線引き又は同時プリフォーム融合とファイバー線引きでの真空度制御精度の必要性を低減できる方法の提供が望まれる。
【００１４】
更に新規な方法が使用できるロッドアンドチューブプリフォームと同様に該ロッドアンドチューブプリフォームから高品質光ファイバープリフォームを作成することが望まれる。
更に該ロッドアンドチューブプリフォームから線引きした光ファイバー物性をより少ない取り組みで改良できるロッドアンドチューブプリフォームを作成することが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】
米国特許６，５１９，９７４Ｂ１
【特許文献２】
米国特許２，９８０，９５７
【特許文献３】
米国特許４，８２０，３２２
【特許文献４】
ヨーロッパ特許１３８４７００Ａ１
【特許文献５】
米国特許６，０４７，５６８
【特許文献６】
米国特許６，３３４，３３８
【非特許文献】
【非特許文献１】
ムール、シー、グプタ（Mool C. Gupta）、光通信学ハンドブック（Handbook of Photonics）、シーアールシープレス（CRC Press）、１９９７年、ボカラトン（Boca Raton）、１０．７章、４４５−４４９頁
【発明の開示】
【００１６】
本発明の上記目的と他の目的は請求項１による方法、請求項６による二次プリフォーム、請求項９による光ファイバー及び請求項１０による装置で達成する。
【００１７】
光ファイバー製造法は以下のステップからなる。
【００１８】
第一一次軸と外面を有する一次光ファイバープリフォームを第二一次軸と内面を有するオーバークラッド管に挿入し、その結果該外面と内面により内部空間を規定し、
挿入位がオーバークラッド管内の中心にある一次プリフォームを互いに十分に整合した該第一一次軸と第二一次軸で保持し、
閉鎖部によりオーバークラッド管下端の限られた内部空間にオーバークラッド粒子を供給し、
一次光ファイバープリフォームとオーバークラッド管を所定位置に保持する接合部によりオーバークラッド管上端の限られた内部空間に減圧条件を発生し、
好ましくは２１００°C乃至２２５０°C範囲の炉で、一次プリフォーム、オーバークラッド管及びオーバークラッド粒子からなる未加工の二次プリフォーム下端を軟化状態に加熱し、同時にそれを光ファイバーに線引きするか、又は
炉を用いて一次プリフォーム、オーバークラッド管及びオーバークラッド粒子からなる未加工の二次プリフォームを実質的に全長で加工済み二次プリフォームを得るために加熱し、次の工程段階で光ファイバーに線引きする。
【００１９】
炉が与える熱エネルギーと二次プリフォーム内外にある圧力差が生じることにより、オーバークラッド管は潰れ融解したオーバークラッド粒子を一次プリフォームに押しつける。
【００２０】
オーバークラッド管とオーバークラッド粒子のオーバークラッド材が潰れる場合、文献（２）の実施例に記載の在来のロッドアンドチューブを用いる厚いオーバークラッド管で起こるのと同様に、一次プリフォームと接合した実質的に均質な層を形成する。
【００２１】
二次プリフォーム融合とファイバー線引きを文献（２）に記載の方法で同時に実施できる。しかし加工済み二次プリフォームを得るために未加工二次プリフォームを予備工程で又加工でき、この加工済み二次プリフォームから現在の加工場所か別の加工場所で次工程の光ファイバー線引きができる。
【００２２】
しかし本発明は上記の先行技術に勝る多くの利点をもたらす。
【００２３】
厚壁を有するオーバークラッド管を一次プリフォームの鞘として通す周知の二次プリフォーム製造法は放棄される。代わりに薄壁を有するオーバークラッド管を用いて、一次プリフォームとオーバークラッド管内面間の内部空間をシリカ粒子で充満する。その結果厚い壁を有するオーバークラッドプリフォーム製造の取り組みとコストを避けられる。厚い壁を有する高価なシリカ管の代わりにシリカ粒子が使用できる。
【００２４】
オーバークラッド粒子の流動性により、一次プリフォーム外面とオーバークラッド管内面間の内部空間かギャップをシリカ粒子で均一に充満し、一次プロフォームとオーバークラッド管間のずれを避けられる。配置問題を除くこと以外に、オーバークラッド管が無制御にフリーギャップで潰れるのではなく確実に支持粒子に押しつけるので、減圧制御の重要性も減少する。
【００２５】
薄壁のオーバークラッド管内径は好ましくは一次プリフォーム外径の少なくとも１．５倍で、その壁直径の１０倍以上に選ぶ。しかし実際には関連要素の機械強度が支えられる任意の大きさが実現できる。
【００２６】
更にオーバークラッド管は好ましくはオーバークラッド管壁と一次プリフォームがその低端で接触し、内部空間をシリカ粒子で充満できるようその低端に円錐形閉鎖部を備える。好ましい実施形態の一次プリフォームは又その下端で円錐形状を有する、配置法が非常に容易になる。
【００２７】
接合部を装填する前か接合部を装填後に、直径の小さい粒子、例えば粉末からなるオーバークラッド粒子をその中に備えた導管から内部空間に挿入する。
【００２８】
オーバークラッド粒子は製造ファイバーの所望物性により選択できる純粋な合成シリカ粉末かドープした合成シリカ粉末でも良い。ゾルゲル法を用いたシリカ粉末製造法は文献（６）の米国特許６，０４７，５６８に記載されている。更により高い線引き力を得且つ線引き工程中での切断の危険を減少するためのゾルゲル法は文献（７）の米国特許６，３３４，３３８に記載されている。それ故新規な方法により顧客の突然な通知での要求に答えることができる高い柔軟性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１に第一一次軸ｘ１、外径ｄ１及び外面１１０を有する一次プリフォーム１１を示す。このプリフォーム製造については上述した。
【００３０】
図２に第一一次軸ｘ２、内径ｄ２、壁直径ｄ２０及び内面１２０を有する薄壁シリカ管１２を示す。下端に円錐形閉鎖部１２５をもつ薄壁シリカ管１２をこの新規な方法によりオーバークラッド管１２として用いる。この種のシリカ管はいくつかの製造業者から入手できる。
【００３１】
図３に互いに十分に整合した該第一一次軸ｘ１と第二一次軸ｘ２によりオーバークラッド管１２内の中心に挿入した位置で保持した一次プリフォーム１１を示す。
オーバークラッド管１２の円形壁直径ｄ２０は例えばその内径ｄ２の１０分の一以下である。しかし該直径比ｄ２／ｄ２０は５０かそれ以上でも良い。オーバークラッド管１２内径ｄ２と一次プリフォーム１１外径の比ｄ２／ｄ１は、例えば１．５乃至５迄、更にはそれ以上の範囲である。
【００３２】
それ故一次プリフォーム１１外面１１０とオーバークラッド管１２内面１２０で規定される内部空間１５容積は比較的大きく、即ち一次プリフォーム１１容積より数倍大きい。
図４に図３の一次プリフォーム１１と、線引き工程時か以後の性能の観点からファイバーの所望物性によりを選択した純粋シリカかドープの合成シリカ粒子か粉末であるオーバークラッド粒子１３で充満した内部空間を有するオーバークラッド管１２及び未処理の二次プリフォーム１を示す。
【００３３】
図１a、２a、３a及び４aに一次プリフォーム１１、オーバークラッド管１２及びオーバークラッド粒子の図１乃至４の線ｓでの断面図を示す。
【００３４】
図５にオーバークラッド管１２に挿入した接合部３を有し、一次プリフォーム１１を中央位置に保持し、内部空間１５の上側で閉鎖密閉した図４の二次プリフォーム１を示す。該発明のこの実施形態では接合部３を装填する前にオーバークラッド粒子１３を内部空間１５に挿入してある。
【００３５】
図６に一次プリフォーム１１とオーバークラッド粒子１３を挿入する導管３８を有する接合部３により配置被覆したオーバークラッド管１２を示す。
第一一次軸ｘ３を有する図５と６に示した接合部３は、更にオーバークラッド粒子１３を充満した二次プリフォーム１を真空ポンプ２２で排気できる排気導管３２と３３を有する。
図５と６に更に二次プリフォーム１下端を、例えば２１００°C乃至２３５０°Cの範囲の温度に加熱できる熱供給か炉を示す。炉２３が供給する熱エネルギー源と二次プリフォーム１内外の圧力差を確立することにより、オーバークラッド管１２は潰れ、融解したオーバークラッド粒子を一次プリフォーム１１に押しつける。その結果オーバークラッド管１２のオーバークラッド材とオーバークラッド粒子１３が一次プリフォームと接合した実質的に均質な層を形成する。図５aと６aに融解工程実施後の第二プリフォーム１断面図を象徴的に示す。
【００３６】
二次プリフォーム１とファイバー線引きは同時に実施できる。しかしファイバー線引きを行う前に二次プリフォーム１を完全に加工することも可能である。
【００３７】
図６に図５の二次プリフォーム１上端断面図を詳細に示す。オーバークラッド管１２に挿入した接合部３は、オーバークラッド管１２内面１２０をしっかりと接合密閉する密閉化要素を有する二個の円形周囲溝、例えばＯ−リングを有し、それにより接合部３、一次プリフォーム１１外面１１０、オーバークラッド管１２内面１２０及び下端の閉鎖部１２５で制限した内部空間１５を排気できる。排気は接合部３に備えた排気導管３２と３３と接合部３と真空ポンプ２２を連結する管２２０により実施できる。管２２０は排気工程実施後閉鎖可能な弁２２１により接合部３と連結している。代わりに減圧条件発生のために、文献（２）に記載のようにガスを接合部３の対応導管に供給しても良い。
【００３８】
図７乃至９に示す接合部３は、更に第一一次軸ｘ３に同軸配置の一次プリフォーム１１外径ｄ１に合致の直径ｄ３を有する円筒形開口部３１と、第一一次軸ｘ３に同軸配置のオーバークラッド管１２内径ｄ２に合致の直径ｄ４を有する二個の円筒型区分３５を有する。それ故接合部３をクラッド管１２に挿入でき、円筒形区分３５をオーバークラッド管１２内面１２０と接合し、一次プリフォーム１１を閉鎖されているかシールキャップ３９で閉鎖できる末端部３６に続く円筒形開口部３１に挿入できる。
【００３９】
オーバークラッド管１２内面１２０に接合部を密閉するために、円筒形区分３５に接合した二個の溝を備え、溝へ密閉化要素９１を挿入する。
【００４０】
図８に図４の二次プリフォーム１に用いる接合部３を示し、図９にオーバークラッド粒子１３が挿入できる導管３８を有する図７の接合部３断面図を示す。図９では第一排気導管３２を接合した円筒形開口部３１直径ｄ３より遙かに大きい直径ｄ５を有する接合部３一次軸ｘ３と同心円で配置したものを示す。
【００４１】
図１０に図５の二次プリフォーム１から光ファイバー５を線引きするのに用いる装置を示す。一旦二次プリフォーム１をその融点まで加熱しファイバー５を引っ張ると、ネックダウンと呼ばれる斜交領域を形成する。一本の光ファイバー５がプリフォームから半溶融状態で現れ、直径モニター２４を通過する。光ファイバー５は下方延伸を続け、光ファイバー５を保護するコート剤を塗布するコート剤塗布器２５を通過する。光ファイバー５は更にコート剤塗布後、光学的コート剤を硬化し全体での直径を監視する他装置２６と２７を通過する。次いで光ファイバー５は光ファイバーを回転させるローラーを有する紡績機２８と出会う。次いで光ファイバー５は最終的にファイバーをドラムや糸巻きに巻き付ける前に一連のローラー（図示していない）に出会う。二次プリフォーム１を軸ｘ１２３に沿った垂直移動と好ましくは回転可能な保持器具２１に装填する。更に保持器具２１は内部空間１５に備わるオーバークラッド粒子１３を凝集するよう二次プリフォームを振動させるようにデザインしても良い。
【００４２】
上記のことは本発明原理の応用を単に具体化したものである。他の配置が技術の熟練者には本発明保護の精神と範囲を逸脱する事なしに実施できる。一次プリフォーム１１とオーバークラッド管１２の大きさはオーバークラッド粒子や粉末１３の粒度と同様に広範囲で選択できる。大きさは上に規定の実施例に限定されないことを指摘するのは重要である。材料は製造パラメーターと製造光ファイバーに必要な物性により選ぶ。接合部３用の導管と開口部３１、３２、３３と３８及び密閉手段３４，３９と９１は種々の形にデザインできる。オーバークラッド管１２下端の閉鎖部１２５は円錐形とは大いに異なる形状を取り得る。しかし閉鎖部１２５と一次プリフォーム下端は配置を容易にするように適合するのが好ましい。ファイバー線引き条件は周知の方法（例えば文献（５）のヨーロッパ特許１３８４７００Ａ１参照）を用い且つ最適化でき、炉温度や線引き速度のような最適操作パラメーターを見つけることができる。それ故この操作パラメーターは上記の数値により制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
本発明のいくつかの目的と利点を記述したが、以下の説明を付随図面と一緒に考慮すると他のことも明らかになる。
【図１】第一一次軸ｘ１を有する一次プリフォーム１１を示す。
【図２】新規な方法によるオーバークラッド管１２として用いる第一一次軸ｘ２を有し低端で円錐閉鎖部１２５を有する薄壁シリカ管１２を示す。
【図３】互いに十分に整合した該第一一次軸ｘ１と第二一次軸ｘ２によりオーバークラッド管１２内の中心に挿入した位置で保持する一次プリフォーム１１を示す。
【図４】図３の一次プリフォーム１１と一次プリフォーム１１外面１１０とオーバークラッド管１２で規定した内部空間を有するオーバークラッド管１２を有し、オーバークラッド粒子１３で充満した未処理の二次プリフォーム１を示す。
【図５】オーバークラッド管１２に一部挿入した接合部３有し、一次プリフォーム１１を中央位置に保持し、内部空間１の上側で閉鎖密閉する図４の二次プリフォーム１を示す。
【図６】オーバークラッド粒子１３を導管３８から挿入できる接合部３を有する二次プリフォーム１を示す。
【図７】図５の二次プリフォーム１上端の詳細を示す。
【図８】図４の二次プリフォーム１に用いる接合部３を示す。
【図９】オーバークラッド粒子１３の挿入できる導管３８を有する図６の接合部３断面図を示す。
【図１０】図５の二次プリフォーム１から光ファイバーを線引きするのに用いる装置を示す。

Claims (4)

1. 光ファイバー製造法で、そのステップが
   第一一次軸（ｘ１）と外面（１１０）を有する一次光ファイバープリフォーム（１１）を第二一次軸（ｘ２）と内面（１２０）を有し下端に円錐形閉鎖部（１２５）を持つオーバークラッド管（１２）に挿入し、その結果該外面（１１０）と内面（１２０）が内部空間（１５）を規定し、
   互いに十分に整合した該第一一次軸（ｘ１）と第二一次軸（ｘ２）によりオーバークラッド管（１２）内の中心位置に挿入した一次プリフォーム（１１）を保持し、
   閉鎖部（１２５）によりオーバークラッド管（１２）下端の限られた内部空間（１５）にオーバークラッド粒子（１３）を供給し、
   一次光ファイバープリフォーム（１１）と下端に円錐形閉鎖部（１２５）を持つオーバークラッド管（１２）を適所に保持する接合部（３）により、オーバークラッド管（１２）上端の限られた内部空間（１５）内に減圧状態を発生し、
   炉（２３）を用いて一次プリフォーム（１１）、下端に円錐形閉鎖部（１２５）を持つオーバークラッド管（１２）及びオーバークラッド粒子（１３）からなる未加工二次プリフォーム（１）下端を加熱して軟化状態にし、それから同時に光ファイバー（５）を線引きするか、又は
   炉（２３）を用いて加工済み二次プリフォーム（１）を得るために、一次プリフォーム（１１）、下端に円錐形閉鎖部（１２５）を持つオーバークラッド管（１２）及びオーバークラッド粒子（１３）からなる未処理二次プリフォーム（１）全長を加熱し、続く加工段階で光ファイバー（５）を線引きすることからなり、前記オーバークラッド管（１２）内径（ｄ２）が一次プリフォーム（１１）外径（ｄ１）より少なくとも１．５倍大きく、その壁直径（ｄ２０）より１０倍以上大きいことを特徴とする製造法。
2. オーバークラッド管（１２）が円錐形閉鎖部（１２５）を有し、且つ／又は粉末からなるオーバークラッド用粒子（１３）を、接合部（３）を装填する前か接合部（３）を装填後にその中に備わる導管（３８）から挿入する請求項１に記載の方法。
3. オーバークラッド粒子（１３）が製造ファイバー（５）の所望物性により選択した純粋な合成シリカかドープした合成シリカである請求項１又は２に記載の方法。
4. 炉（２３）温度を２１００℃乃至２３５０℃の範囲で選択する請求項１乃至３の一つに記載の方法。

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