JP5815686B2 - 減圧下で光ファイバを製造する方法 - Google Patents

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関連出願の説明

本出願は、米国法典第３５編第１１９条（ｅ）の下で、２０１０年５月２７日に出願された米国仮特許出願第６１／３４８９０６号の優先権の恩恵を主張するものである。

本発明は、概して、光ファイバを形成するための方法および装置に関し、より詳しくは、光ファイバを形成し、冷却するための光ファイバ製造方法に関する。

光ファイバを製造するための従来の製造プロセスは、概して、線引き炉内で光ファイバプリフォームから光ファイバを線引きし、線引きされたファイバを冷却し、そのファイバを、十分に冷却された後に被覆する各工程を含む。光ファイバは、概して、約２，０００℃で炉内において線引きされ、概して、熱がたいてい輻射によってプリフォームに運ばれ、ブランケット作用および自然の対流による強制流の結果としての炉内のガスの流動も、ガラスの温度に影響し得る。対流式熱伝達の相対的寄与は、ファイバの小さな直径のために放射熱輸送がとるに足らなくなる、光ファイバプリフォームの根元とそれより下の領域であるファイバ形成区域の下部で著しい。

強制対流と自由対流から生じる炉内のガス流は、概して、対流セルを作り出し、これらのセルは、温度勾配とガス密度のある条件下で不安定になり得る。この不安定な動きにより、ファイバのクラッドの直径が著しく変動し得るほど十分に、ファイバ形成区域における熱伝達が影響を受ける。そのような変動は一般に望ましくない。この影響を相殺するために、炉内のガスとしてヘリウムを使用してもよい。ヘリウムは、対流セルの強度とセルに亘る温度差を減少させる。概して、これによりファイバの直径制御が改善されるが、高価なヘリウムが消費されるという欠点がある。その上、炉に使用される高温により、潜在的に、ファイバのコア内に欠陥、典型的に密度の変動が生じ得る。その数は、熱平衡にしたがって分布している（例えば、ボルツマン分布）。ファイバ構造中の欠陥は、通常、エネルギーがより高い状態を表し、よって、欠陥の数は概して、線引き温度が高いとより多くなる。ファイバ中のそのような欠陥は、光ファイバにおいて信号損失を導入し得る。この増加した減衰を減少させるために、固化しているガラスの粘度の増加により欠陥がその中に固定される前に欠陥が治るように、特に１，６００℃と１，３００℃の間で、ファイバをゆっくりと冷却させることが望ましい。この温度範囲において、放射冷却は微々たるものであり、従って、ファイバと、ファイバが浸されるガスとの間の温度差を減少させることによって、冷却速度を効果的に減少させることができる。

１つの実施の形態によれば、光ファイバを製造する方法が提供される。この方法は、裸(bare)の光ファイバを炉内でプリフォームから線引きする工程を含む。この方法は、光ファイバが２５℃および１気圧の圧力で空気中にあった場合に生じるであろう冷却速度より遅い速度で光ファイバを冷却するために光ファイバを処理装置内に維持することによって、光ファイバを処理する工程も含む。この方法はさらに、炉および処理装置の少なくとも一方における圧力が０．０１から０．０８気圧の範囲内にあるように、炉および処理装置の少なくとも一方における圧力を減少させる工程を含む。

別の実施の形態によれば、光ファイバを炉内の加熱されたガラス源から線引きする工程を含む、光ファイバを製造する方法が提供される。この方法は、炉内の圧力が０．０１から０．０８気圧の範囲内にあるように炉内の圧力を減少させる工程も含む。

さらに別の実施の形態によれば、光ファイバを製造する方法が提供される。この方法は、光ファイバを炉内の加熱されたガラス源から線引きする工程を含む。この方法は、２５℃および１気圧の圧力での空気中における光ファイバの冷却速度より遅い速度で光ファイバを冷却するために光ファイバを処理装置内に維持することによって、光ファイバを処理する工程であって、その光ファイバが５００℃より高い温度で処理装置から出るものである工程も含む。この方法はさらに、処理装置内の圧力が０．０１から０．０８気圧の範囲内にあるように処理装置内の圧力を減少させる工程を含む。

さらにまた別の実施の形態によれば、光ファイバ製造システムが提供される。このシステムは、光ファイバがそこから線引きされるガラス源を収容し、加熱するように適合された炉を含む。このシステムは、加熱されたガラス源から線引きされた光ファイバを処理するための処理装置も含む。その処理区域は、光ファイバが２５℃および１気圧の圧力で空気中にあった場合に生じるであろう冷却速度より遅い速度で光ファイバを冷却する。このシステムは、炉および処理装置の少なくとも一方における圧力を０．０１から０．０８気圧の範囲の圧力まで減少させるように構成された真空ポンプも含む。

追加の特徴および利点が、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者に容易に明白となるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付図面を含む、ここに記載された実施の形態を実施することによって、認識されるであろう。

先の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単なる例示であり、請求項の性質および特徴を理解する上での概要または骨子を提供することが意図されていることを理解すべきである。添付図面は、さらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に包含され、その一部を構成する。図面は、１つ以上の実施の形態を図解し、説明と共に、様々な実施の形態の原理および動作を説明する働きをする。

第１の実施の形態による光ファイバ製造システムを示す説明図 第２の実施の形態による光ファイバ製造システムを示す説明図 １つの実施の形態による光ファイバ製造システムの処理装置に使用するための複数サイズの開口を用いたシールの断面図 第３の実施の形態による、複数のオリフィスを用いた光ファイバ製造システムを示す説明図 第４の実施の形態による、冷却ファンを用いた光ファイバ製造システムを示す説明図 第５の実施の形態による、加熱区域を用いた光ファイバ製造システムを示す説明図 第６の実施の形態による、線状非接触芯出し装置を用いた光ファイバ製造システムを示す説明図 第１の実施の形態による、処理装置から出たファイバを芯出しするための、図７に示された線状非接触ファイバ芯出し装置の拡大図 図８の線ＩＸ−ＩＸでとられたファイバ芯出し装置の拡大断面図 ファイバに対する気流をさらに説明する、図９に示されたファイバ芯出し装置の拡大断面図 第２の実施の形態による、線状非接触ファイバ芯出し装置の斜視図 図１１の線ＸＩＩ−ＸＩＩを通ってとられた線状非接触ファイバ芯出し装置の断面図 図１１の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩを通ってとられたファイバ芯出し装置の断面図

ここで、現在好ましい実施の形態を詳しく参照する。その実施例が添付図面に図解されている。できる限り、同じまたは同様の部品を称するために、図面全体に亘り同じ参照番号が用いられる。

前記光ファイバ製造システムおよび方法は、減圧された炉および処理装置の使用によって、光ファイバを製造する。この光ファイバ製造システムおよび方法の実施の形態が、図１〜１３と関連してここに記載されており、図面全体に亘り、同様の番号が同じまたは対応する要素を示す。ここで用いた「裸の光ファイバ」という句は、プリフォームとも称される加熱されたガラス源から直接線引きされ、その外面に保護被覆層を施す前（例えば、裸の光ファイバが高分子系材料により被覆される前）の光ファイバを意味する。この光ファイバ製造システムおよび方法により、ここに開示された効率的かつ効果的なファイバ冷却およびファイバ芯出し技法を使用して、欠陥が減少した光ファイバを製造することができる。

図１を参照すると、１つの実施の形態による光ファイバ製造システム１０が概して示されている。このシステム１０は、約２，０００℃の温度まで加熱され得る炉１２を含む。ガラス光ファイバプリフォーム１４が炉１２内に配置され、加熱されたプリフォームからファイバが線引きされて、裸の光ファイバ２０が製造される。プリフォーム１４は、どのようなガラスまたは材料から構成されていてもよく、光ファイバの製造に適するようにドープされていてもよい。１つの実施の形態によれば、裸の光ファイバ２０がプリフォーム１４から一度線引きされたら、裸の光ファイバ２０は、徐冷管と示され記載された処理装置１８内で冷却される。１つの実施の形態によれば、徐冷管または処理装置１８は、炉１２の出口に一体に連結されて示されている。しかしながら、処理装置１８は、他の様式で炉１２から離れていても、または他の実施の形態によりそこに他の様式で接続されていても差し支えないことが認識されよう。

ここに用いたように、「処理装置」という用語は、裸の光ファイバ２０が、２５℃および１気圧の圧力での空気中における光ファイバの冷却速度より遅い速度で冷却される線引き炉１２の下流にある装置を称し、ここに示され記載された管を含んでもよい。処理装置１８は、例えば、約２，１００℃と１，６００℃の間の温度で処理装置１８に入り、２５℃および１気圧の圧力での空気中における光ファイバの冷却速度より遅い速度で光ファイバ２０を徐冷するように、炉１２の出口に連結されてもよい。ファイバは、好ましくは５００℃より高い温度で処理装置１８から出る。ファイバが、処理区域で処理されない同一設計のファイバと比べて、減衰を減少させるのに十分な時間に亘り徐冷処理装置内で処理されることが好ましい。例えば、コア中の酸化ゲルマニウムが０．５質量パーセント未満である光ファイバについて（また、酸化ゲルマニウムを含まないコアを有するファイバについて）、ファイバが、好ましくは、少なくとも、ファイバの温度が１，８００℃と１，２００℃の間にある期間に亘り、より好ましくは、ファイバの温度が１，７００℃と１，２００℃の間にある間、さらにより好ましくは、ファイバの温度が１，６００℃と１，３００℃の間にある間、処理区域内で処理される（徐冷される）。コア中の酸化ゲルマニウムが０．５質量パーセント超である光ファイバについて、ファイバが、好ましくは、ファイバの温度が１，６００℃と９００℃の間にある期間に亘り、より好ましくは、ファイバの温度が１，５００℃と１，０００℃の間にある間、さらにより好ましくは、ファイバの温度が１，４００℃と１，０００℃の間にある間、処理区域内で処理される（徐冷される）。しかしながら、この処理装置は大気圧より低い圧力を使用するので、これらの温度範囲はその処理装置内で達成できると同時に、処理装置が大気圧（約１気圧）以上にあった場合に加わるであろう量より著しく少ない熱量しか加えられない。芯出し装置３２は、線引き炉の底部から、好ましくは１メートル以内、より好ましくは０．５メートル以内、さらにより好ましくは２０センチメートル以内、最も好ましくは１５センチメートル以内に配置される。処理装置１８内でのファイバの平均冷却速度は、処理装置中へのファイバの入口点でのファイバの表面温度（ファイバの入口表面温度）から、処理装置１８から出るファイバの出口点でのファイバの表面温度を引いたものを、処理装置１８内のファイバの総滞在時間で割ったものとして定義される。１つの実施の形態において、光ファイバは、ファイバの入口表面温度からファイバの出口表面温度を引いたものを、処理装置の処理区域中の光ファイバの総滞在時間で割ったものとして定義される、５，０００℃／秒未満の、処理装置の処理区域における平均冷却速度に暴露される。

真空ポンプ２２に接続された１つ以上の減圧または真空ポート２５を有する徐冷または処理装置１８が示されている。真空ポンプ２２は、処理装置１８内に減圧または不完全真空を作り出し、図示した実施の形態において、そこに接続された炉１２内にも減圧または不完全真空を作り出してもよい。図示した実施の形態において１つの真空ポート２５に連結された１つの真空ポンプ２２が示されている。しかしながら、処理装置１８および／または炉１２の１つ以上のチャンバ内に所望の減圧を達成するために、１つ以上の真空ポートおよび／または１つ以上の真空ポンプを用いてもよいことが認識されよう。処理装置１８が、裸の光ファイバ２０を、それが炉１２から出口ポート２８に通過するときに、制御環境下で冷却するように構成されていることが都合よい。

その上、炉１２の入力として、Ｇ１と示されている不活性ガスを提供するガス入口１６が示されている。その不活性ガスは、炉１２に到達する周囲ガスの量を減少させるために、１つの実施の形態において、アルゴン（Ａｒ）を含んでよい。別の実施の形態によれば、不活性ガスは窒素（Ｎ₂）を含んでよい。炉１２および処理装置１８の様々な位置に複数のガス入口を用いてもよいことが認識されよう。炉１２および処理装置１８内の減圧により、ヘリウム（Ｈｅ）などの高価なガスが必要ないように、その中のガスの密度が減少することが都合よい。炉１２および処理装置１８内に提供される減圧によって、アルゴンおよび／または窒素ガスの密度が、ヘリウムの密度に近い密度レベルまで減少し、さらに、線引き炉内の温度分布が均一になる。

図１に示した実施の形態において、プリフォーム１４から線引きされた裸の光ファイバ２０は、炉１２の底部を通って出て、処理装置１８を通り、出口ポート２８を通って出て、次いで、１つ以上の流体軸受５０を通過する。流体軸受５０は、裸の光ファイバ２０を、第１のまたは実質的に垂直な通路に沿った動きから、第２の通路にシフトさせ、さらに、大気圧の周囲空気中で裸の光ファイバ２０を冷却させるであろう。１つ以上の流体軸受５０としては、その開示をここに引用する、２００７年１１月２６日に出願された米国特許出願第１１／９８６７６４号（米国仮特許出願第６０／８６１５８７号として出願された）、および２００７年１１月２９日に出願された米国特許出願第１１／９９８３６６号に開示された流体軸受が挙げられる。周囲空気による冷却後、次いで、裸の光ファイバ２０は被覆ユニット６０に送られ、そこで、裸の光ファイバ２０の外面に一次保護被覆層が塗布される。被覆ユニット６０を出た後、保護層を備えた光ファイバは、牽引手段またはローラ６２などの製造システム１０内の様々な処理段階を通り、ファイバ貯蔵スプール６４上へと進むことができる。ローラ６２の内の１つを用いて、光ファイバがシステム全体を通じて線引きされ、最終的に貯蔵スプール６４上に巻き付けられながら、光ファイバに必要な張力を提供してもよい。

光ファイバ製造システム１０は、１つ以上の所望の冷却速度で線引きされた裸の光ファイバ２０を冷却するために、炉１２の出口で処理装置１８を利用する。処理装置１８は、炉の出口の一端から延在する長い管および裸の光ファイバ２０がそこを通って出る管の反対端の出口ポート２８の小さなオリフィス２６を含む。管１８は、１．０から１０ｍの、より好ましくは２から８メートル（ｍ）の範囲の長さを有してよい。いくつかの実施の形態において、管１８は、３メートル超、４メートル超、いくつかの場合には、５メートル超の長さを有してよい。処理装置１８の長さをより長くすることにより、ファイバをより速い速度で線引きすることができ、さらに、減衰を所望のように減少させるのに必要な滞在時間が達成される。例えば、２０メートル／秒超、２５メートル／秒超、いくつかの場合には、３０メートル／秒超の速度でファイバを線引きしながら、そのような装置内で減衰を著しく減少させることができる。例えば、１つの実施の形態において、処理装置の長さは約６メートルである。出口ポート２８の下流にある第１の流体軸受５０は、裸の光ファイバ２０がオリフィス２６を通って進みながら、そのファイバの横のＸＹ位置を安定化させるために、オリフィス２６に近接した非接触ファイバ芯出し装置として働き、したがって、裸の光ファイバ２０がオリフィス２６の側面に触れる可能性を排除する。芯出し装置として働く第１の流体軸受５０は、１つの実施の形態によれば、出口ポート２８から２メートル（７８．８インチ）未満に配置され、より好ましくは、出口オリフィス２６から３０．５ｃｍ（１２インチ）未満に配置される。

炉１２および処理装置１８の内部は、真空ポンプ２２により１気圧より実質的に低く、好ましくは０．０１から０．８０気圧の範囲にある減圧まで排気される。図示した実施の形態において、真空ポンプ２２が、管の出口ポート２８の上流に位置する真空ポート２５でガスを排気する。真空ポンプ２２により提供される減圧は、炉１２内の時間的に変化する流動を抑圧し、それによって、ファイバの直径を安定化させるためにヘリウムを使用する必要を排除し、管１８内の裸の光ファイバ２０の対流冷却を抑制し、管１８を、ファイバの減衰を改善する徐冷装置にする。炉１２の上部を封止し、炉１２に進入する周囲空気、特に酸素による炉の劣化を避けるために処理装置１８の出口オリフィス２６に小さい円形開口を設けることによって、周囲空気の進入が最小にされる。出口オリフィス２６のサイズは、ある実施の形態によれば、約１２５マイクロメートルの直径を有する裸の光ファイバに適した、１から２ｍｍの範囲の直径であってよい、または裸の光ファイバ２０の直径より約１０倍大きくてもよい。炉１２のガス入口１６から管１８内の排気ポート２５へと流れる、アルゴンなどの不活性ガスを低レベルで流動させることにより、残留空気が、出口オリフィス２６を通り、管１８を上昇して、炉１２に移動するのを阻止してもよい。

オリフィス２６を通って処理装置１８に進入する周囲空気は、超音速であるかもしれない高速でオリフィス２６に進入する。この高速空気により、裸の光ファイバ２０が振動し、それゆえ、ＸＹ方向に横へと動くかもしれない。過剰の横への動きによりファイバ２０がオリフィス２６と接触し得、これにより、ファイバの強度が損なわれ、線引きプロセスが妨害されるかもしれない。非接触ファイバ芯出し装置５０を用いることによって、ファイバ２０は、オリフィス２６の直近において横方向またはＸＹ方向に安定化される。第１の流体軸受芯出し装置５０は、裸の光ファイバ２０が処理装置１８の構造と機械的に接触するのを防ぐために裸の光ファイバを芯出しするための非接触装置である。機械的接触とは、線引きプロセスにおける固体構成部材との接触を意味する。

１つの実施の形態によれば、光ファイバ製造システム１０が、ファイバの直径の制御を改善し、かつ炉１２を徐冷管１８に連結し、両方の内圧を減少させることによって、光ファイバの徐冷の量を多くできることが都合よい。減圧により、炉１２内の熱伝達の対流成分が減少し、対流の安定性が改善される。その効果は、熱伝達がより安定になり、これによりファイバの直径の制御が改善されることである。処理装置１８内の低圧は、所望の冷却速度を達成させるために冷却の対流成分を減少させることによって、冷却速度をさらに減少させる。

炉１２および処理装置１８内の減圧は、０．０１から０．８０気圧（７．６〜６０８．０トール）の範囲にあってよく、これにより、各熱伝達率が最大に減少する。他の実施の形態によれば、その圧力は、０．０２から０．６５気圧（１５．２〜４９４．０トール）の範囲、より好ましくは、０．０５から０．５気圧（３８．２〜３８０．０トール）の範囲にあってよい。減圧により、処理装置１８内の冷却を遅くすることができるのに対し、圧力が高くなると、徐冷を行うために外壁を加熱することなどにより、処理装置１８を加熱することが望ましいかもしれないことが理解されよう。

裸の光ファイバ２０における光学損失を最大に減少させるために、１，６００℃と１，３００℃の間の温度に関する冷却速度は、ファイバのコアが、できるだけ多くの欠陥、または密度変動を直すことができるように、５，０００℃／秒以下、より好ましくは３，０００℃／秒以下、最も好ましくは約２，０００℃／秒以下であるべきである。処理装置１８内、特に処理区域内の冷却速度は、速い冷却領域については１，５００℃／秒から４，０００℃／秒の冷却速度、および遅い冷却領域については１，６００℃／秒から１，３００℃／秒の冷却速度などの、多数の冷却速度を含んでよい。１つの実施の形態によれば、光ファイバ２０は、０．２秒以下の期間に亘り２０メートル／秒を超える速度で処理装置１８を通過し、少なくとも８００℃／秒の温度降下だけ冷却されてよい。２０メートル／秒超、より好ましくは２５メートル／秒超、最も好ましくは３０メートル／秒超の速度で、約２，０００℃／秒の冷却速度を達成することは、約６メートル以上の長さの処理装置１８により促進される。裸の光ファイバ２０が一度１，３００℃に到達したら、そのファイバをより急速に冷却することが望ましく、それゆえ、裸の光ファイバ２０は、１，３００℃未満、より好ましくは１，２００℃未満、いくつかの実施の形態においては、１，１００℃未満の温度で処理装置１８を出るであろう。裸の光ファイバ２０は、制御された冷却のために処理装置１８内に留まらなければならず、５００℃超の温度で処理装置１８を出る、いくつかの実施の形態においては、８００℃超の温度で処理装置１８を出る。管１８の底部は、出口オリフィス２６内で裸の光ファイバの適切な芯出しを確実にするために、芯出し装置５０の近くに配置されている。１つの実施の形態において、出口オリフィス２６は、そのオリフィスの直径の少なくとも２倍の長さを有する。処理装置１８内、特に処理区域内の冷却速度は、損失の減少を最大にするために、１，６００℃から１，３００℃の範囲内で制御可能であろう。温度範囲の下端での遅い冷却により、ファイバのコアの仮想温度がさらに減少するかもしれず、これにより、密度の変動の数が減少し、損失が改善されるであろう。１つの実施の形態によれば、処理装置１８は、裸の光ファイバ２０を１，６００℃から１，４５０℃に最初に徐冷し、次いで、１，４５０℃から１，３００℃まで冷却速度を減少させ、次いで、１，３００℃未満では冷却を加速させるように構成されていてよい。処理装置１８内でのファイバの冷却を加速させるまたは遅くするための方法の冷が、以下に与えられている。

図２に示された１つの実施の形態によれば、光ファイバ製造システム１０は、真空ポンプ２５に接続された第１の真空ポート２５Ａおよび第２の真空ポート２５Ｂを有する二段階真空などの、多段階の減圧または不完全真空を用いてもよい。この二段階真空の実施の形態について、第１のオリフィス２６が出口ポート２８にあり、第２のオリフィス２４が出口ポート２８から約１メートル上にあってよい。オリフィス２４と２６の間の底部区域で約０．９と０．４気圧の間の減圧を、オリフィス２４の上の上部区域において０．４と０．２気圧の間の減圧を生じさせるために、第１のオリフィス２６は、１ミリメートルの直径などの第１のサイズの円形直径を有してよく、第２のオリフィス２４は、１．５ミリメートルの直径などの、第１のオリフィスの直径よりも大きい第２のサイズの円形直径を有してもよい。これにより、オリフィス２４の上の区域またはチャンバで第１の冷却速度（速度１）およびオリフィス２４の下の区域またはチャンバで第２の冷却速度（速度２）がもたらされる。この例において、裸の光ファイバ２０は、熱伝達効率の尺度である熱伝達率ｈが、レイノルズ数に、それゆえ、圧力に依存するので、圧力がより高い領域でより迅速に冷却される。例えば、空気中におけるファイバのカセおよびマツオにより刊行された熱伝達の相関関係（J.Poly.Sci.A, 3, 2541-2554 (1965)）によれば、Ｎｕ＝ｈＤ／κ＝０．４２Ｒｅ^0.334、式中、Ｎｕはヌセルト数（無次元の熱伝達率）であり、κは周囲空気の熱伝導率であり、ＲｅはＶ_fＤ／νであり、Ｖ_fはファイバの速度であり、Ｄはファイバの直径であり、νは周囲空気の運動粘度＝μ／ρであり、式中、μは空気の動力学粘度であり、ρは密度である。熱伝導率および粘度は、圧力とはほぼ関係ないので、ｈ≒Ｐ^0.334である。それゆえ、圧力を２倍にすると、熱伝達率ｈが約２５パーセント増加する。その上、多数のオリフィス２４および２６、特に３つ以上のオリフィス（図３および４を参照）を使用することによって、各オリフィスを横切る圧力降下が減少するので、ファイバの振動が減少する。

より多くのオリフィスを加えることによって、裸の光ファイバ２０の全体の振動が減少するであろう。振動が減少することにより、裸の光ファイバ２０がオリフィス２４および２６と接触しそうになくなり、それゆえ、オリフィス２４と２６および第１の流体軸受芯出し装置５０の間の距離が延長され、処理装置１８を、長さを短く設計できるであろう。大気圧でのまたはその辺りでの周囲空気における冷却速度が、減圧での冷却速度よりも実質的に速いので、ファイバの温度は、芯出し装置５０を通ることによって、著しく減少するであろう。

その上、熱伝導率κの低い第１のガスを、処理装置１８の上部区域を通過するようにガスＧ１の入口１６で炉に入れてよく、熱伝導率κの高い第２のガスを、Ｇ２と付されたガス入口３０で入れられる、処理装置１８の下部区域に用いてもよい。例えば、アルゴン（Ａｒ）をガスＧ１として上部でパージし、第１の真空ポート２５Ａを介して除去する場合、熱伝達率ｈは、両方が同じ圧力である場合でさえも、下部区域において４０パーセントほど高くあり得る。多数のオリフィスの実施の形態において、ガスの組成は、例えば、各区域でアルゴンをパージすることによって、各オリフィス間で変えても差し支えない。

図２に示された実施の形態において、１つの実施の形態によれば、速度１の冷却区域は、冷却速度の速い速度２の冷却区域に対して、遅い冷却速度であってよい。しかしながら、他の実施の形態によれば、速度１と速度２の冷却区域は同じであってよく、または速度２の区域が速度１の冷却区域よりも遅い冷却速度を有してよいことが認識されよう。さらに別の実施の形態によれば、処理装置１８内の３つ以上の冷却速度を作り出すために、３つ以上のオリフィスおよび／または３つ以上の真空ポートを用いてもよいことが理解されよう。

裸の光ファイバ２０が処理装置１８を通って移動しながら、そのファイバ２０がガスの境界層を獲得する。この境界層は、各オリフィスで少なくともある程度剥ぎ取られ、それによって、乱流へと移行する傾向が減少し、それによって、ファイバの安定性がさらに改善される。熱伝達も、より厚い境界層と比べて、より薄い境界層のために大きい。しかしながら、圧力がより低いと、この境界層はより迅速に成長する。オリフィス間の各チャンバ内の圧力は、例えば、各チャンバに通じるオリフィスのサイズを変えることにより（オリフィスは、虹彩などの調節可能な絞りであって差し支えない）または調節可能弁により各チャンバから排気されるガス流量を変えることにより、個別に制御することができる。そうすることにより、熱伝達率は、ファイバの振動を最小にしながら、最適化することができる。

別の実施の形態によれば、出口ポート２８は、図３に示されるものなどの、多重オリフィスシール２８’を使用してもよい。このシールは、互いの周りに実質的に芯出しされたすなわち同心の、ファイバ２０の予測される軌道の周りで芯出しされた４つの円形オリフィス１３０Ａ〜１３０Ｄを含む。これら４つのオリフィスは、図示した実施の形態において、異なるサイズの開口を有する。隣接するオリフィスの間のチャンバ内の空間は、多数の圧力段階を形成するために真空ポンプに接続されていてよい。一例によれば、オリフィス１３０Ａは約２．５と５．０ｍｍの間の直径を有し、オリフィス１３０Ｂは約２．０と４．０ｍｍの間の直径を有し、オリフィス１３０Ｃは約１．５と３．０ｍｍの間の直径を有し、オリフィス１３０Ｄは約１．０と２．５ｍｍの間の直径を有してよい。ファイバ２０が出口ポート２８’を出るときにオリフィス１３０Ａ〜１３０Ｄで異なるサイズの直径を設けることによって、各オリフィスでの境界層が剥ぎ取られ、それにより、乱流が減少し、ファイバが出口ポート２８を出るときのファイバの安定性が改善される。１つの実施の形態によれば、隣接するオリフィス間の距離は０．５から４．０インチ（１．２５から１０ｃｍ）の範囲にあってよい。

図４を参照すると、第３の実施の形態による、処理装置１８に３つのオリフィスを用いた光ファイバ製造システム１０が示されている。この実施の形態において、出口ポート２８は第１のオリフィス２６を使用する。第２のオリフィス２４は第１のオリフィス２６の上すなわち上流に位置しており、第３のオリフィス２３は第２のオリフィス２４の上すなわち上流に位置している。真空ポンプ２２に接続された真空ポート２５が、第２のオリフィス２４と第３のオリフィス２３との間に位置している。この実施の形態において、炉は圧力Ｐ_Fと示される圧力を有するのに対し、第２と第３のオリフィス２４と２３の間の減圧は圧力Ｐ₁を有し、第１のオリフィス２６と第２のオリフィス２４との間の減圧は第３の圧力Ｐ₂を有する。１つの実施の形態において、圧力Ｐ₁の中間区域の圧力は炉の圧力Ｐ_F未満であり、下部区域の圧力Ｐ₂は第２の圧力Ｐ₁より大きい。それゆえ、異なる冷却速度を達成するために、処理装置１８の３つの別個の区域またはチャンバ内に３つの別個の減圧が与えられるであろう。所望の圧力を達成するために、オリフィス２３，２４および２６の１つ以上のサイズが、同じであっても、異なるサイズのものであってもよいことが認識されよう。各区域またはチャンバ内で適切な圧力を選択することによって、裸の光ファイバ２０の制御された冷却が行われるであろう。

図５を参照すると、第４の実施の形態による、処理装置１８内でファイバ２０をさらに冷却するために、ファイバ２０と熱伝達関係にある１つ以上のファン８０を備えた光ファイバ製造システム１０が示されている。処理装置１８内で裸の光ファイバ２０をさらに冷却するために、チャンバ８２内の対流冷却ガスを循環させる１つ以上のファン８０が示されている。このチャンバ８２は、裸の光ファイバ２０と直接的に流体対流接触した、不活性ガスなどのガスを有する閉回路チャンバを備えてもよい。ファン８０はさらに、チャンバ８２内の対流冷却速度をさらに向上させ、これは、冷却速度を調節し、所望の冷却速度を達成するようにファンの速度に基づいて制御されてもよい。その上、所望の冷却速度を達成するために、処理装置１８をさらに所望なように冷却するように、裸の光ファイバ２０と間接的な熱伝達関係にある１つ以上のファンを用いてもよいことが認識されよう。冷却ファン８０は、熱伝達を増加させる直交流を提供するために、、急激冷却区域において処理装置１８の下部区域に示されるように用いても、または他のどこかに用いても差し支えない。

図６を参照すると、第５の実施の形態による、処理装置１８と熱伝達関係にある加熱区域を提供する１つ以上の電気ヒータ９０を用いた光ファイバ製造システム１０が示されている。１つの実施の形態によれば、１つ以上のヒータ９０は、２００℃から６００℃の範囲の高温を提供するために、処理装置１８の外部に施された電気ヒータコイルを含んでもよい。さらに特別な実施の形態によれば、加熱区域の温度は約３００℃であってよい。ヒータ９０は、処理装置１８の冷却速度をさらに制御する。

徐冷区域部分を、過去に行われていたよりも少ない程度で加熱することよって、減圧でより遅い冷却速度を実現してもよい。例えば、壁の温度が３００℃の空気中での０．２気圧での冷却速度は、１．０気圧での９００℃の処理装置１８に等しいであろう。その結果、加熱された処理装置１８を用いたいくつかの実施の形態において、処理装置は、圧力を約０．０２から０．５０気圧（１５．２〜３８０．０トール）、より好ましくは０．０５から０．３気圧（３８．２〜２２８トール）の範囲に維持しながら、約２００℃から６００℃の温度に加熱される。一方で、速い冷却区域における熱伝達は、壁が加熱されないであろうから、加速させてもよい。徐冷区域の冷却速度を最適化するために、１，３００℃から１，４５０℃の重要な領域において、速度が最も遅くなるように、温度プロファイルを調節しても差し支えない。遅い冷却区域と速い冷却区域における熱伝達率をさらに分離させ、ファイバを所望のように最適に冷却するために、多数のオリフィス、異なるガス、下部区域における１つ以上のファン、上部区域における加熱区域、および他の変更などの実施の形態のいくつかを一緒に使用し、組み合わせてもよいことがさらに認識されよう。

さらに別の実施の形態は、ガスが、徐冷区域においてファイバと同じ方向に移動し、より速い冷却区域においてファイバと反対の方向に移動するように、真空ポート２５の位置を最適化する工程を含んでよい。一例によれば、ガスの速度がファイバの速度の半分である場合、熱伝達率ｈは、徐冷区域において、おおよそ２０パーセント減少し、速い冷却区域において同量増加し得る。１つの実施の形態において、真空ポート２５は、空気ジェットが軸通路からそれるのを防ぐように、環状排気によって最適に施してもよい。

図７を参照すると、第６の実施の形態による、線状非接触芯出し装置３２を用いた光ファイバ製造システム１０が示されている。この線状非接触ファイバ芯出し装置３２は、裸の光ファイバ２０が出口オリフィス２６と機械的に接触するのを防ぐように、オリフィス２６を出る裸の光ファイバ２０を芯出しするために出口ポート２８に近接して配置されている。芯出し装置３２は、ファイバ２０を、直線に沿って通過するときに芯出しする線状芯出し装置である。ここに用いたように、「線状(linear)」という用語は、実質的に真っ直ぐな線を称する。芯出し装置３２は、出口オリフィス２６から１メートル以内に配置されていてよく、好ましくは出口オリフィス２６から０．５メートル以内、より好ましくは２０センチメートル以内、最も好ましくは１５センチメートル以内に配置されている。１つの実施の形態において、芯出し装置３２のファイバの入口側（要素３２Ａの上部）は、出口オリフィス２６の２．５４センチメートル（１．０インチ）から１５センチメートルの範囲内にある。

第１の実施の形態による、芯出し装置３２が図８〜１０により詳しく示されている。一方の側で裸の光ファイバ２０を芯出しするための第１の線状芯出し要素３２Ａおよび反対側で裸の光ファイバ２０を芯出しするための第２の線状芯出し要素３２Ｂを有する芯出し装置３２が図８に示されている。第１と第２の芯出し要素３２Ａおよび３２Ｂの各々は、図９に示されるような、楔形開口４４をもたらす高圧流体（空気）通路３８を有する。この楔形通路４４は、１つの実施の形態によれば、１０°から６０°の範囲にある壁の間の全角θをもたらす対向した角度の付けられた側壁を有する。この範囲は、図９における水平線に対して５°から３０°の半角と等しい。別の実施の形態によれば、楔は、１°から６０°の範囲、より好ましくは１０°から６０°、さらにより好ましくは４０°から６０°の壁の間の全角θをもたらす角度の付けられた側壁を有する。さらに別の実施の形態によれば、全角θは１°から１０°の範囲にある。裸の光ファイバ２０は、楔形通路４４を通って流体供給通路３８から吐出される高圧流体によって、楔形開口４４内に浮遊されている。そうすることによって、空気ジェットにより供給通路３８を通じて供給される空気４５などのガスが、図１０に示されるように裸の光ファイバ２０の両側で流れて、芯出し装置３２のどの構造との接触も防ぐ様式で裸の光ファイバ２０を浮遊させる流体軸受を形成する。この流体、一般に、ガスおよび典型的に乾燥空気は、線引き張力下にある裸の光ファイバが楔形通路４４の領域内に維持され、実質的にその通路内のファイバ２０の下に存在する圧力差の結果として、通路４４内に浮揚されるような領域に強制される。それゆえ、裸の光ファイバ２０は、楔形通路４４内に自動的に配置され、芯出しされる。

図９に示されるように、個々の芯出し要素３２Ａおよび３２Ｂの各々は、第１の側面部材３４と第２の側面部材３６から作製されてもよい。空気供給通路３８は、部材３４と３６の界面にあるスロットとして形成してもよい。第１の側面部材３４と、第２の側面部材３６は、それぞれ、空気通路３８から導かれる楔形通路４４を一緒に形成する、角度の付けられた壁４０、および角度の付けられた壁４２を有する。空気供給通路３８のスロットおよび楔形通路４４は、ファイバ２０に適用される空気クッションの有効長Ｌ_Cを画成する深さまたは長さを有する。図９には芯出し要素３２Ｂが示されているが、芯出し要素３２Ａを、同様であるが、要素３２Ｂに対して１８０°に向けられた図８に示すように形成してよいことが認識されよう。

第１と第２の芯出し要素３２Ａおよび３２Ｂの各々は、楔形通路４４の頂点で供給通路３８の出口から周囲環境に流れる高速空気により、容積が広がる通路４４内に配置された裸の光ファイバ２０を芯出しするための線状または直線部分を提供する。ファイバ２０に施される空気の速度は、２５メートル／秒（ｍ／ｓ）から５００ｍ／ｓの範囲にあってよい。要素３２Ａおよび３２Ｂの各々による芯出しが施されるファイバ要素の長さＬ_Cは、０．５ｃｍから１００ｃｍの範囲などの、数ミリメートルと数センチメートルの間であり得る。芯出し要素３２Ａおよび３２Ｂは、壁の間の方向に強力な芯出し力を生じるが、他の方向には揚力しか生じず、それよって、空気供給通路３８の出口から離れるように裸の光ファイバ２０を引っ張る。図示されるように複数の対の線状芯出し要素３２Ａおよび３２Ｂを組み合わせることによって、ファイバの張力の変動にほとんどまたは全く影響せずに、裸の光ファイバ２０を反対の横方向に芯出しすることができる。芯出し力を増加させる必要がある場合には、複数の対の線状芯出し要素３２Ａおよび３２Ｂを直列に用いることができ、芯出し効果を方向に依存しなくするために、各後の対を、前の対に対して裸の光ファイバ２０の周りに０°と１８０°の間のいくらか回転させる。

図１０に示されるように、楔形通路４４内の裸の光ファイバ２０は、ファイバ２０と、楔形側壁４０および４２との間の接触を防ぐ様式で、ファイバ２０と、壁４０および４２との間を通過する強制高圧空気４５上で浮遊する。この高圧空気４５は、通路３８を出て、楔形通路４４を通って外側に通過するときに圧力が減少し、よって、圧力の降下によって、製造プロセス中に生じるかもしれない線引き張力の変化にもかかわらず、ファイバ２０が極わずかしか動かない。

第２の実施の形態による、線状非接触光ファイバ芯出し装置１３２が、図１１から１３に示されている。処理装置１８を出る裸の光ファイバ２０を芯出しするために、芯出し装置１３２を、図７に示された芯出し装置３２の代わりに使用してもよい。この実施の形態において、芯出し管要素１３６が、芯出し力の角度依存性を非常に低くするために用いられる。管１３６は、円筒開口を画成する側壁、および裸の光ファイバ２０を受け入れ、排出するための第１と第２の反対の端部を有する。その上、芯出し装置１３２は、管１３６の側壁の周囲に放射状に配置され、光ファイバを管１３６内に実質的に芯出しし、管１３６の側壁との機械的接触を防ぐように、裸の光ファイバ２０に向かって放射状に内側に、空気などの高圧流体を方向付けるための空気ジェットと流体連通して接続するように適合された複数の流体吐出ポート１３４を備えている。流体吐出ポート１３４で吐出される空気流は、裸の光ファイバ２０と管１３６の内壁との間を流れ、反対の端部から出る。

図示した実施の形態において、空気ジェットを備えた（図示せず）流体吐出ポート１３４は、少なくとも８個の等角に離れた流体吐出ポート１３４を含む。この実施の形態において、裸の光ファイバ２０は、ファイバの直径Ｄ_Fより１倍から２０倍大きい直径を有する直線の円形管１３６の内部に位置しているであろう。１つの実施の形態によれば、管１３６は、１ミリメートル未満の円形断面内径を有してよく、これは、約１２５マイクロメートルの外径を有する裸の光ファイバ２０にうまく働く。１つの実施の形態において、ファイバ２０の外径Ｄ_Fに対する管１３６の内径Ｄ_Tの比は、２０：１未満、より好ましくは１０：１未満である。管１３６内にその軸に沿っていくつかのスロット孔またはポート１３４があり、一連の空気ジェットがファイバと管１３６の壁との間の間隙に入ることができる。ファイバ２０を配置することによって、管１３６内の空気流が変化するかもしれず、これにより、圧力成分および摩擦成分の両方を有する芯出し力が生じ、それによって、裸の光ファイバ２０が管１３６内に芯出しされる。１つの実施の形態によれば、管１３６は、５０センチメートル未満、より好ましくは２５センチメートル未満などの長さＬ_Tを有してよい。流体吐出ポート１３４は、管の長さＬ_Tの９０パーセント未満の長さＬ_Pを有してよい。

１つの実施の形態によれば、線状非接触光ファイバ芯出し装置３２および１３２が、裸の光ファイバ２０の出口ポートとの機械的接触を防ぐように、処理装置１８の出口ポート２８を出る裸の光ファイバ２０を都合よく芯出しすることが認識されよう。線状非接触光ファイバ芯出し装置３２または１３２は、裸の光ファイバ２０を芯出しするために、光ファイバ製造システム内の他の位置に用いてもよいことが理解されよう。その上、裸の光ファイバ２０を芯出しするために用いられる強制空気が、処理装置１８における制御された冷却後に、光ファイバが芯出し装置３２を通過するときに、その光ファイバの冷却速度を増加させることが認識されよう。芯出し装置の下流で、光ファイバは、１つ以上の流体軸受を通過してよく、また線引き機構およびスプールに巻き付けられる前に、被覆ユニットにより被覆されてもよい。

ここに記載した方法は、通信用途に使用するためのシングルモードまたはマルチモード光ファイバ、特にそこに気密被覆を施す必要のない光ファイバを製造するために使用しても差し支えない。これらの方法は、ヘリウム冷却装置を使用する必要なく用いることができる。上述した実施の形態のいずれにおいても、芯出し装置は、処理装置の出口オリフィスから、好ましくは１メートル以内、より好ましくは０．５メートル以内、さらにより好ましくは２０ｃｍ以内、最も好ましくは１５ｃｍ以内に配置される。請求項の精神または範囲から逸脱せずに、様々な改変および変更を行えることが当業者には明白であろう。

１０ 光ファイバ製造システム
１２ 炉
１４ ガラス光ファイバプリフォーム
１８ 徐冷管または処理装置
２０ 裸の光ファイバ
２２ 真空ポンプ
２５ 真空ポート
３２，１３２ 芯出し装置
８０ ファン
８２ チャンバ

Claims (8)

1. 光ファイバを製造する方法において、
   炉内の加熱されたガラス源から光ファイバを線引きする工程、
   ２５℃および１気圧の圧力での空気中における光ファイバの冷却速度より遅い速度で前記光ファイバを冷却するために該光ファイバを処理装置内に維持することによって、該光ファイバを処理する工程、および
   前記炉および前記処理装置の少なくとも一方における圧力が０．０１から０．８０気圧の範囲内にあるように該炉および該処理装置の前記少なくとも一方における圧力を減少させる工程、を有し、
   前記処理装置が、前記炉と反対の端部に形成されたシールを含み、該シールが、前記光ファイバが前記処理装置をそこを通って出るその中の開口を有し、
   当該方法が、非接触芯出し装置により前記ファイバを芯出しすることによって、前記処理装置の前記シールを出る前記光ファイバの配置を制御する工程をさらに含み、
   前記圧力を減少させる工程が、異なる冷却速度を提供するために各段階が異なる減圧を有するように、前記処理装置の多段階で圧力を減少させる工程を含むことを特徴とする方法。
2. 前記圧力が０．０２から０．６５０気圧の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記光ファイバが、５００℃超の温度で前記処理装置から出ることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記多段階が、隣接する段階の間にオリフィスを用いることにより達成され、これにより、前記光ファイバが該オリフィスを通過することができることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記シールが、異なる開口サイズを有する複数の開口を含む、前記光ファイバが前記複数の開口を通って出ることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記光ファイバが、０．２秒以下の期間に亘り２０メートル／秒超の速度で前記処理装置を通過し、少なくとも８００℃の温度降下だけ冷却されることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 光ファイバを製造する方法において、
   炉内の加熱されたガラス源から光ファイバを線引きする工程、
   前記炉内の圧力が０．０５から０．８０気圧の範囲にあるように該炉内の圧力を減少させる工程、および
   ２５℃および１気圧の圧力での空気中における光ファイバの冷却速度より遅い速度で前記光ファイバを冷却するために該光ファイバを処理装置内に維持することによって、該光ファイバを処理する工程、を有し、
   前記処理装置が、前記炉と反対の端部に形成されたシールを含み、該シールが、前記光ファイバが前記処理装置をそこを通って出るその中の開口を有し、
   当該方法が、非接触芯出し装置により前記ファイバを芯出しすることによって、前記処理装置の前記シールを出る前記光ファイバの配置を制御する工程をさらに含むことを特徴とする方法。
8. 前記炉がヘリウムを実質的に含まないことを特徴とする請求項７記載の方法。

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