JP6450383B2 - 水素感度が低下した光ファイバを製造する方法 - Google Patents

Description

優先権

本出願は、その内容が依拠され、ここに全て引用される、２０１３年８月８日に出願された米国仮特許出願第６１／８６３５６０号の米国法典第３５編第１１９条の下での優先権の恩恵を主張するものである。

本開示は、光ファイバを製造する方法に関する。より詳しくは、本開示は、水素感度が低下した光ファイバを提供する処理方法に関する。最も詳しくは、本開示は、制御された冷却手順を使用して、非架橋酸素欠陥の形成を最小にする、光ファイバを製造する方法に関する。

光ファイバの製造において、光学プリフォームを、ガラスの軟化点よりずっと高い温度に加熱し、次いで、大きいドローダウン比で線引きして、直径が１２５μｍの光ファイバを形成している。高い線引き温度、大きいドローダウン比および速い線引き速度のために、シリカ結合が壊れ、光ファイバ内のガラス基質中に欠陥が導入されることがある。これらの欠陥のいくつかは、非架橋酸素（ＮＢＯ）欠陥のような酸化欠陥であり、これは、室温でさえ水素と反応して、ヒドロキシル種を形成し得る。ヒドロキシル種は、通信領域内の波長で吸収し、通信領域における光信号の伝送損失の増加をもたらすので、光ファイバ中のヒドロキシル種の形成は望ましくない。

それゆえ、通信システムに配置するための、水素感度が低下した光ファイバを開発することが重要である。

本開示は、光ファイバを製造する方法を提供する。その光ファイバは、非架橋酸素欠陥の濃度が低く、水素感度が低い。この方法は、非架橋酸素欠陥の形成を抑制するか、または非架橋酸素欠陥の除去を促進する、制御された冷却手順を含む。

この方法は、５０００℃／ｓ未満の平均冷却速度でファイバを冷却する工程を含むことがあり、その場合、その冷却により、ファイバの平均温度は、１５００℃から１７００℃の範囲の温度から、１２００℃から１４００℃の範囲の温度に低下する。

この方法は、５０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満の平均冷却速度でファイバを冷却する工程を含むことがあり、その場合、その冷却により、ファイバの平均温度は、１２００℃から１４００℃の範囲の温度から、１０００℃から１１７５℃の範囲の温度に低下する。

この方法は、ファイバプリフォームをその軟化点より高く加熱する工程、加熱されたプリフォームからファイバを線引きする工程、およびファイバを２つの処理段階に通す工程を含むことがある。そのファイバは、１５００℃と１７００℃の間の温度で第一処理段階に入ってよく、１２００℃と１４００℃の間の温度で第一処理段階を出てよく、第一処理段階において５０００℃／ｓ未満の平均冷却速度を経験してよい。そのファイバは、１２００℃と１４００℃の間の温度で第一処理段階の下流にある第二処理段階に入ってよく、１０００℃と１１５０℃の間の温度で第二処理段階を出てよく、第二処理段階において５０００℃／ｓと１２，０００℃／ｓの間の平均冷却速度を経験してよい。

この方法は、ファイバを流体ベアリング装置またはエアターン装置で方向転換させる工程も含むことがある。この方向転換により、ファイバは、実質的に垂直方向から実質的に水平方向に方向転換されるであろう。この方向転換は、ファイバが第二処理段階を出た後、またはファイバの表面温度が１０００℃未満に冷却された後に行われてよい。

本開示は：
光ファイバを処理する方法において、
平均温度を有するファイバを提供する工程、および
５０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満の第１の速度でそのファイバを冷却する工程であって、その第１の速度での冷却によって、そのファイバの平均温度が、１２００℃から１４００℃の範囲の第１の温度から、１０００℃から１１７５℃の範囲の第２の温度に低下する工程、
を有してなる方法
を含む。

本開示は：
光ファイバ製造中に光ファイバを冷却する方法において、加熱されたガラス源から光ファイバを第１の経路に沿って線引きする工程、
光ファイバを、第１の経路と同一線上にない第２の経路に方向転換する工程、および
５０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満の第１の速度でそのファイバを冷却する工程であって、その第１の速度での冷却によって、そのファイバの平均温度が、１２００℃から１４００℃の範囲の第１の温度から、１０００℃から１１７５℃の範囲の第２の温度に低下する工程、
を有してなる方法
を含む。

本開示は：
光ファイバを処理する方法において、
コアを有し、平均温度が１７００℃以上であるファイバを提供する工程、
５０００℃／ｓ未満の第１の冷却速度でそのファイバを冷却する工程であって、その第１の速度での冷却によって、そのファイバの平均温度が、１５００℃から１７００℃の範囲の第１の温度から、１２００℃から１４００℃の範囲の第２の温度に低下する工程、および
５０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満の第２の冷却速度でそのファイバを冷却する工程であって、その第２の冷却速度での冷却によって、そのファイバの平均温度が、１２００℃から１４００℃の範囲の第３の温度から、１０００℃から１１７５℃の範囲の第４の温度に低下する工程、
を有してなる方法
を含む。

本開示は：
装置において、
光ファイバプリフォームおよび線引き炉を含む加熱ガラス源、
光ファイバプリフォームから形成された、平均温度を有する光ファイバ、
加熱ガラス源の下流に位置する第１の処理領域であって、ファイバの平均温度を第１の経路に沿って、１５００℃から１７００℃の範囲の温度から、１２００℃から１４００℃の範囲の温度に冷却するように構成され、その第１の処理領域内での冷却が、５０００℃／ｓ未満の平均速度で行われる、第１の処理領域、および
第１の処理領域の下流に位置する第２の処理領域であって、ファイバの平均温度を第２の経路に沿って、１２００℃から１４００℃の範囲の温度から、１０００℃から１１７５℃の範囲の温度に冷却するように構成され、その第２の処理領域内での冷却が、５０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満の平均速度で行われる、第２の処理領域、
を備えた装置
を含む。

本開示はさらに：
非架橋酸素濃度が６×１０¹³ｃｍ^-3未満であるコアを有するファイバ
を含む。

本開示は：
光ファイバを処理する方法において、
第１の経路に沿ってファイバを提供する工程、
その第１の経路に沿った第１の処理領域においてファイバを冷却する工程であって、そのファイバは、第１の平均温度で第１の処理領域に入り、１０００℃から１５００℃の範囲の第２の平均温度で第１の処理領域を出る、工程、
その第１の経路に沿った第２の処理領域においてファイバを冷却する工程であって、そのファイバは、第３の平均温度で第２の処理領域に入り、８００℃から１２００℃の範囲の第４の平均温度で第２の処理領域を出る、工程、および
そのファイバを第１の経路から、第１の経路と同一線上にない第２の経路に方向転換する工程、
を有してなる方法
を含む。

本開示は：
装置において、
光ファイバプリフォームおよび線引き炉を含む加熱ガラス源、
光ファイバプリフォームから形成された、１４００℃超の平均温度を有する光ファイバ、
加熱ガラス源の下流に位置する第１の処理領域であって、ファイバの平均温度を第１の経路に沿って、１２００℃から１４００℃の範囲の温度に冷却するように構成された第１の処理領域、
第１の処理領域の下流に位置する第２の処理領域であって、ファイバの平均温度を第１の経路に沿って、１０００℃から１１７５℃の範囲の温度に冷却するように構成された第２の処理領域、および
第２の処理領域の下流に位置する方向転換装置であって、ファイバを第１の経路から、その第１の経路とは同一線上にない第２の経路に方向転換するように構成された方向転換装置、
を備えた装置
を含む。

本開示は：
光ファイバを処理する方法において、
第１の経路に沿ってファイバを提供する工程、
その第１の経路に沿った第１の処理領域においてファイバを冷却する工程であって、そのファイバは、１２００℃から１４００℃の範囲の第１の平均温度で第１の処理領域に入り、１０００℃から１０７５℃の範囲の第２の平均温度で第１の処理領域を出る、工程、および
そのファイバを第１の経路から、その第１の経路とは同一線上にない第２の経路に方向転換する工程、
を有してなる方法
を含む。

本開示は、加熱ガラス源、その加熱ガラス源の下流にある第１の処理領域、およびその第１の処理領域の下流にある第２の処理領域を有する装置をさらに含む。これらの処理領域は、ここに開示された制御された冷却速度を提供する温度に設定された加熱区域を有する炉を含むことがある。

これらの処理領域は、ガス環境内でファイバを冷却することを含むことがある。第１の処理領域のガス環境は、第１の処理領域の実行可能温度範囲に亘る空気の平均熱伝導率より低い、第１の処理領域の実行可能温度範囲に亘る平均熱伝導率を有するガスを含むまたはそのガスから実質的になることがある。第２の処理領域のガス環境は、第２の処理領域の実行可能温度範囲に亘る空気の平均熱伝導率より低い、第２の処理領域の実行可能温度範囲に亘る平均熱伝導率を有するガスを含むまたはそのガスから実質的になることがある。第１の処理領域における冷却中にファイバを取り囲むガスの温度は、８００℃と１２００℃の間であってよい。第２の処理領域における冷却中にファイバを取り囲むガスの温度は、０℃と３００℃の間であってよい。

追加の特徴および利点は、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とって容易に明白となるか、または記載された説明およびその特許請求の範囲、並びに添付図面に記載されたように実施の形態を実施することにより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の両方とも、単に例示であり、請求項の性質および特性を理解するための概要または骨子を提供することが意図されているのが理解されよう。

添付図面は、さらなる理解を与えるために含まれ、本明細書に包含され、その一部を構成する。図面は、本開示の選択された態様を図解しており、説明と共に、本開示により包含される方法、製品、および組成物の原理および動作を説明する働きをする。

ガラス加熱源および間隔を介した２つの処理段階を備えた光ファイバ製造システムの概略図 ガラス加熱源および２つの隣接した処理段階を備えた光ファイバ製造システムの概略図 ガラス加熱源、２つの処理段階、いくつかのファイバ方向転換装置、被覆装置および線引き機構を備えた光ファイバ製造システムの概略図 ２つのファイバ冷却プロファイルを示すグラフ

本開示は、光ファイバを製造する方法を提供する。その方法により、水素感度が低下した光ファイバが製造される。ここに開示された光ファイバは欠陥が少なく、それによって、ファイバが水素に曝露されたときに、ファイバを通じての通信領域における光信号の減衰が減少する。その通信領域における波長を吸収する種の１つのタイプはヒドロキシル基である。非架橋酸素欠陥は、光ファイバ内にヒドロキシル基を形成する潜在的な前駆体である。非架橋酸素欠陥は、シリカにおいて架橋酸素結合から形成されることがある酸素のダングリングボンドである。非架橋酸素欠陥の形成は、

として図示されるであろう。式中「≡」は、ケイ素の３つの配位部位（通常、酸素が占める）を表し、「・」はラジカルを表し、・Ｓｉ≡は、ケイ素のダングリングボンド（しばしば、Ｅ’欠陥と称される）であり、≡Ｓｉ−Ｏ・は、非架橋酸素欠陥（酸素のダングリングボンド）である。ヒドロキシル基は、室温でさえ、反応

により水素の存在下で非架橋酸素欠陥から形成されることがある。

従来のファイバ製造プロセスの大きいドローダウン比および速い線引き速度により、シリカ基質中のＳｉ−Ｏ結合の開裂を促進する歪みが導入されて、反応（Ｉ）によって非架橋酸素欠陥が形成されることがある。理論により束縛したくないが、架橋Ｓｉ−Ｏ結合の歪み誘起開裂は、初期の線引きに関連する高温で特に問題であると考えられる。本開示の発明者等はさらに、架橋Ｓｉ−Ｏ結合の歪み誘起開裂は、初期の線引き後にファイバが経験する熱環境を適切に制御することにより、可逆的または部分的に可逆的になるであろうと考えている。本開示は、非架橋酸素欠陥が少なく、水素曝露の際にヒドロキシル基を形成する傾向がそれに対応して減少した光ファイバを製造するための制御された冷却手順を含む、ファイバの製造方法を提供する。それゆえ、本開示のファイバは、通信領域においてより高い伝送効率を与える。

本方法は、加熱ガラス源からファイバを線引きする工程、ファイバがクエンチ温度に到達するまで、ファイバに制御された冷却手順を施す工程、およびファイバを急冷してクエンチ温度未満に冷却する工程を含むことがある。その加熱ガラス源は、線引き炉内で加熱された光ファイバプリフォームであってよい。制御された冷却手順は、加熱ガラス源の下流に位置する２つの処理領域における異なる速度での冷却を含む。各処理領域における冷却速度は、少なくとも１２，０００℃／ｓの冷却速度に相当するとここで定義する急冷速度より低い。急冷速度は、室温の空気中における自然対流による、約１０００℃の平均ファイバ温度を有するファイバの冷却速度にほぼ相当する。

本方法において、ファイバは、１５００℃から１７００℃の範囲の平均温度で第１の処理領域に入ってよく、１０００℃から１５００℃の範囲、または１２００℃から１４００℃の範囲の平均ファイバ温度で第１の処理領域を出でよい。第１の処理領域内のファイバの滞在時間は、少なくとも０．０５秒、または少なくとも０．１０秒、または少なくとも０．２０秒、もしくは０．０５秒と０．３０秒の間であってよい。ここに用いたように、冷却速度は平均冷却速度を指し、これは、処理領域の入口と出口でのファイバの平均温度間の差を、その処理領域内のファイバの滞在時間で割ったものと定義される。第１の処理領域内の平均冷却速度は、５０００℃／ｓ未満、または４０００℃／ｓ未満、または３０００℃／ｓ未満、または２０００℃／ｓ未満、または１０００℃／ｓと４０００℃／ｓの間、または２０００℃／ｓと３０００℃／ｓの間であってよい。

第１の処理領域を出た後、ファイバは第２の処理領域に入ってよい。第２の処理領域の入口でのファイバの平均温度は、１２００℃から１４００℃の範囲にあることがあり、第２の処理領域の出口でのファイバの平均温度は、１１７５℃未満、または１１５０℃未満、または１１２５℃未満、または１１００℃未満、または１０７５℃未満、または１０５０℃未満、または１０２５℃未満、または１０００℃から１１７５℃の範囲、または１０００℃から１１５０℃の範囲、または１０００℃から１１２５℃の範囲、または１０００℃から１１００℃の範囲、または１０００℃から１０７５℃の範囲、または８００℃から１２００℃の範囲、または９００℃から１２００℃の範囲にあることがある。第２の処理領域内のファイバの平均冷却速度は、５０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満、または５５００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満、または６０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満、または６５００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満、または７０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満、または７５００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満、または８０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満、または８５００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満、または９０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満、または９５００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満であることがある。第２の処理領域内のファイバの平均冷却速度は、５０００℃／ｓ超かつ１１，０００℃／ｓ未満、または５５００℃／ｓ超かつ１１，０００℃／ｓ未満、または６０００℃／ｓ超かつ１１，０００℃／ｓ未満、または６５００℃／ｓ超かつ１１，０００℃／ｓ未満、または７０００℃／ｓ超かつ１１，０００℃／ｓ未満、または７５００℃／ｓ超かつ１１，０００℃／ｓ未満、または８０００℃／ｓ超かつ１１，０００℃／ｓ未満、または８５００℃／ｓ超かつ１１，０００℃／ｓ未満、または９０００℃／ｓ超かつ１１，０００℃／ｓ未満、または９５００℃／ｓ超かつ１１，０００℃／ｓ未満であることがある。第２の処理領域内のファイバの平均冷却速度は、５０００℃／ｓ超かつ１０，０００℃／ｓ未満、または５５００℃／ｓ超かつ１０，０００℃／ｓ未満、または６０００℃／ｓ超かつ１０，０００℃／ｓ未満、または６５００℃／ｓ超かつ１０，０００℃／ｓ未満、または７０００℃／ｓ超かつ１０，０００℃／ｓ未満、または７５００℃／ｓ超かつ１０，０００℃／ｓ未満、または８０００℃／ｓ超かつ１０，０００℃／ｓ未満、または８５００℃／ｓ超かつ１０，０００℃／ｓ未満、または９０００℃／ｓ超かつ１０，０００℃／ｓ未満、または９５００℃／ｓ超かつ１０，０００℃／ｓ未満であることがある。

第２の処理領域を出た際に、ファイバは、５０００℃／ｓ超、または６０００℃／ｓ超、または８０００℃／ｓ超の速度、もしくは１２，０００℃／ｓ超の速度での急冷を含む、第１の処理領域内の平均冷却速度とは異なる平均冷却速度でさらに冷却してもよい。第２の処理領域を出た際のファイバの冷却により、第２の処理領域の出口でのファイバの温度から、１０００℃未満の温度、または８００℃未満の温度、または６００℃未満の温度、または４００℃未満の温度、または２００℃未満の温度、または室温にまでファイバの温度が減少してもよい。

それらの処理領域は、ガス環境内でのファイバの冷却を含むことがある。第１の処理領域のガス環境は、第１の処理領域の実行可能温度範囲に亘る空気の平均熱伝導率より低い、第１の処理領域の実行可能温度範囲に亘る平均熱伝導率を有するガスを含むまたはそのガスから実質的になることがある。第２の処理領域のガス環境は、第２の処理領域の実行可能温度範囲に亘る空気の平均熱伝導率より低い、第２の処理領域の実行可能温度範囲に亘る平均熱伝導率を有するガスを含むまたはそのガスから実質的になることがある。第１の処理領域における冷却中にファイバを取り囲むガスの温度は、８００℃と１２００℃の間であってよい。第２の処理領域における冷却中にファイバを取り囲むガスの温度は、０℃と３００℃の間であってよい。

本方法により調製されるファイバは、コアを有することがあり、室温でのそのコア中の非架橋酸素欠陥濃度が、６．０×１０¹³ｃｍ^-3未満、または５．５×１０¹³ｃｍ^-3未満、または５．０×１０¹³ｃｍ^-3未満、または４．５×１０¹³ｃｍ^-3未満、または４．２×１０¹³ｃｍ^-3未満、または４．０×１０¹³ｃｍ^-3未満、または３．８×１０¹³ｃｍ^-3未満、または３．６×１０¹³ｃｍ^-3未満、または３．４×１０¹³ｃｍ^-3未満、または３．２×１０¹³ｃｍ^-3未満であることがある。

本方法を実施するためのシステムが、図１および２に概略示されている。製造システム１０４は、炉１１２および光ファイバプリフォーム１１０を有するガラス加熱源を備えている。プリフォーム１１０は、炉１１２内でその軟化点より高い温度に加熱され、線引きされて、ファイバ１０５が形成される。このファイバは、先に記載されたように、入口ファイバ温度で第１の処理領域１１１に向かい、先に記載したような速度で冷却されて、先に記載されたような第１の処理領域１１１からの出口温度を有するファイバ１０７を生成する。ファイバ１０７は、先に記載されたような入口ファイバ温度で第２の処理領域１１３に入り、先に記載されたような速度で冷却されて、先に記載されたような第２の処理領域１１３からの出口温度を有するファイバ１０９を生成する。互いに対してと、炉１１２に対する処理領域１１１および１１３の位置、並びに処理領域１１１および１１３のサイズまたは路長は、先に記載された、入口温度、出口温度、滞在時間、および／または冷却速度に適合するように調節してよい。図２は、処理領域１１１および１１３が、間の空間がなく互いに直接隣接している、図１の変種である。

ファイバは、第１の経路に沿って第１の処理領域を通過してよく、その第１の処理領域内でのファイバの冷却は第１の経路に沿って行ってよい。その第１の経路は直線状であってよい。ファイバは、第２の経路に沿って第２の処理領域を通過してよく、その第２の処理領域内でのファイバの冷却は第２の経路に沿って行ってよい。その第２の経路は直線状であってよい。第２の経路は第１の経路と同一線上にあってよい。

ファイバは、第１の経路に沿って第１の処理領域および第２の処理領域を通過してよく、これら第１と第２の処理領域におけるファイバの冷却は、第１の経路に沿って行ってよい。そのファイバは、第２の処理領域後に急冷された後、第２の経路に沿って通ってもよい。第２の経路は直線状であってよい。第２の経路は第１の経路と同一線上にあってよい。

本開示による処理領域は、事前に選択したファイバ線引き速度について本開示による冷却速度および滞在時間を提供する、温度、サイズおよび環境が調節された炉または加熱区域であってよい。光ファイバは、固体表面と接触せずに処理領域を通過してよく、放射または伝導プロセスにより冷めてもよい。その処理領域内の環境は、光ファイバが冷めるときに光ファイバからの熱を受け取るための伝熱媒体として働くことのできる、ガス、または不活性ガスを含んでよい。ガスの正体は、ファイバからの伝熱の速度または効率に影響を与える熱伝導率に基づいて選択してよい。例えば、第１の処理領域１１１内で使用されるガスは、第１の処理領域１１１におけるよりも速い第２の処理領域１１３における冷却速度を有するという上述したさらに別の目的に対して、第２の処理領域１１３内に使用されるガスよりも低い熱伝導率を有するように選択してもよい。例えば、第１の処理領域１１１内に使用されるガスは、第１の処理領域１１１の実行可能温度範囲に亘る空気の平均熱伝導率以下の、または未満の平均熱伝導率を有してもよい。第２の処理領域１１３内に使用されるガスは、第２の処理領域１１３の実行可能温度範囲に亘る空気の平均熱伝導率超の、または以上の平均熱伝導率を有してもよい。それらの処理領域の温度は、室温と、ファイバの平均温度との間のレベルに維持される。

第１の処理領域１１１内に使用される温度は、第２の処理領域１１３内に使用される温度より高いであろう。その処理領域の温度がファイバの平均温度に近いほど、冷却速度は遅くなる。第１の処理領域１１１は、８００℃と１５００℃の間、または８５０℃と１４００℃の間、または９００℃と１３００℃の間、または９５０℃と１２００℃の間の温度を有する加熱区域を有する炉を含むことがある。

第２の処理領域１１３内での処理は、ファイバをガス環境に通す工程を含んでよい。そのガス環境は、空気、または空気の熱伝導率以上の熱伝導率を有するガスを含んでも、それからなってもよい。そのガス環境は、加熱されてもされなくてもよい。そのガス環境の温度および／または圧力は、本開示による冷却速度を達成するために、第２の処理領域内の冷却速度に影響するように変えてもよい。第２の処理領域１１３内のファイバの滞在時間は、ファイバの急冷が開始する前に、１０００℃から１１７５℃の範囲または上述した他の範囲内の出口温度を提供するように調節してもよい。

本方法は、光ファイバが第２の処理領域を出た後に光ファイバを方向転換する工程をさらに含むことがある。その方向転換工程は、ファイバを、ある処理経路から別の処理経路からそらせる工程を含んでよい。加熱ガラス源（例えば、線引き炉内の光ファイバプリフォーム）からのファイバの線引きは、垂直下方方向に行われてよく、ファイバは、実質的に垂直な方向に、第１の処理領域および第２の処理領域を通るように方向付けられてもよい。第２の処理領域を出る際のファイバの方向転換により、水平方向などの非垂直方向におけるさらに別の冷却または処理を可能にするであろう。第２の処理領域を出る際のファイバの方向転換は、ファイバ経路に沿って複数回、ファイバの方向を変える工程を含んでもよい。ファイバの方向転換は、それによって、生産設備の垂直空間を増加させる必要なく、効果的な処理経路長が増加するので、都合よい。

ファイバの方向転換は、１つ以上の方向転換装置によって行ってよい。方向転換装置は、流体ベアリング装置およびエアターン装置を含む。流体ベアリング装置およびエアターン装置は、ファイバと物理的に接触せずに、ファイバの方向転換を行うことにより、ファイバの完全性を維持する。その代わりに、方向転換は、加圧流体の力によって行われる。ファイバは、流体ベアリングまたはエアターン装置内に含まれる支持通路を通過する。流体ベアリングまたはエアターン装置は円形であってよく、ファイバ支持通路は、その装置の外周に沿って、またはその内部に形成されてよい。ファイバ支持通路の底部にある溝またはオリフィスから供給される加圧流体が、その通路の表面からファイバをはねのける力を提供して、物理的接触を防ぐ。その流体または空気がファイバの周りを通り、ファイバ支持通路を出るときに、当該技術分野で公知の原理にしたがうベルヌーイの効果によって、支持通路の中心にファイバを維持するように働く圧力分布を生じる。その結果、ファイバは、ファイバ支持通路にしたがい、ファイバ支持通路によって画成される弓状方向に導かれて、方向転換が行われる。ファイバの方向は、実質的に垂直から、実質的に水平に変えられてもよい。ファイバの方向は、９０°未満の角度、または９０°の角度、または９０°と１８０°の間の角度、または１８０°の角度だけ変えられてもよい。実例となる方向転換装置が、米国特許第７７３７９７１号および同第８０７４４７４号、並びに米国特許出願公開第２００９／０１５８７７９号の各明細書に記載されている；その開示をここに引用する。

本方法においてファイバの方向転換を実行する場合、上述した２つの処理領域を、１つの方向転換装置の上流に、または一連の方向転換装置の最初のものの上流に配置してもよい。処理領域を上流に配置することにより、ファイバの冷却を、上述した、制御された温度範囲および制御された冷却速度で行うことが可能になり、方向転換装置内で生じるかもしれないどのような冷却も避けられる。例えば、ファイバがエアターン装置を通過する場合、ファイバを空中浮揚させるのに必要な力を提供するのに必要な速い気流速度を伴う対流熱除去のために、１２，０００℃／ｓを軽く超える冷却速度が予測される。先に示したように、２つの処理領域の最後のものからファイバが出た後の冷却速度は、任意であってよい。本開示により提供される低い非架橋酸素欠陥濃度は、２つの処理領域に関連して上述された処理によって、実質的に行われる。２つの処理領域の最後のものの出口温度より低いさらなる冷却は、非架橋酸素欠陥濃度への影響は取るに足らないと予測される。

ファイバの方向転換を行うための装置が、図３に概略示されている。光ファイバ製造システム１０８は、光ファイバプリフォーム１１０をその軟化点より高い温度に加熱するための炉を備えており、このプリフォームが線引きされてファイバ１０５を形成し、そのファイバは、図１に関して先に記載したように、第１の処理領域１１１および第２の処理領域１１３に向けられて、ファイバ１０９が形成される。第１の処理領域１１１および第２の処理領域１１３は、上述した範囲にしたがってファイバの平均温度を低下させるように構成されている。第１の処理領域１１１を通るファイバの経路は直線状であり、第２の処理領域１１３を通るファイバの経路は直線状である。第１の処理領域１１１を通るファイバの直線経路は、第２の処理領域１１３を通るファイバの直線経路と同一線上にある。ファイバ１０９は、一連１１８の方向転換装置１１６を通るようにさらに方向付けられ、垂直経路から、より水平に近い経路に方向転換され、被覆ファイバ１２１を形成するためにファイバを被覆ユニット１２０に送達するために、より垂直に近い経路に戻される。ファイバを引っぱる力は線引き機構１２８により与えられ、この機構は、図１および図２の製造システムにおいても存在するであろう。方向転換装置１１６は、流体ベアリングまたはエアターン装置であってよい。

実施例１
本開示の方法により提供される非架橋酸素欠陥の減少を示すために、様々な処理条件下で６本一組のファイバを調製した。ファイバは、ゲルマニアドープトコアを備えたシングルモードシリカプリフォームから線引きした。プリフォームを、線引き炉内で垂直方向に２０００℃超の線引き温度に加熱し、下流にある２つ一組の処理領域に運んだ。第１の処理領域は、１２００℃に維持された加熱区域を含んだ。第１の処理領域中へのファイバの入口平均温度は約１５８０℃であり、第１の処理領域を出るファイバの平均温度は１３００℃〜１３３０℃の範囲にあった。ファイバサンプル１、２、および３は、約２５００℃／ｓの速度で第１の処理領域内で冷却され、第１の処理領域内での滞在時間は約０．２０秒であった。ファイバサンプル４、５、および６は、約２８５０℃／ｓの速度で第１の処理領域内で冷却され、第１の処理領域内での滞在時間は約０．１７秒であった。第１の処理領域を出たファイバは、隣接する第２の処理領域に入った。第２の処理領域において、各ファイバは空冷された。第２の処理領域中への各ファイバの入口温度は、第１の処理領域からの出口温度にほぼ相当した。第２の処理領域内での各ファイバの冷却速度は、約８０００℃／ｓであった。第２の処理領域内での滞在時間は、第２の処理領域からの各ファイバの出口温度を調節するように変えられた。第２の処理領域を出た後、各ファイバは、約２５，０００℃／ｓの冷却速度で急冷され、ファイバを、それらのコアの非架橋酸素（ＮＢＯ）欠陥濃度について分析した。ファイバの各々についての処理条件および結果が、表１に纏められている。

これらの結果は、本開示したがって２つの処理領域を使用した制御された冷却により、非架橋酸素欠陥濃度が６×１０¹³ｃｍ^-3未満であるコアを有するファイバが一貫して生成されることを示している。比較目的のために、従来のプロセスにより調製したファイバは、本開示の制御された冷却が行われず、典型的に、コアにおける非架橋酸素欠陥濃度は８×１０¹³ｃｍ^-3以上であった。

その結果はさらに、第２の処理領域からのファイバの出口温度が、非架橋酸素欠陥の濃度に著しく影響することを示している。第２の処理領域からの出口温度が１２００℃より低いほど、非架橋酸素欠陥濃度が低くなる。非架橋酸素欠陥濃度は、第２の処理領域からの出口温度が１０００℃に近づくにつれて、横ばい状態になるようである。その結果は、本開示による制御された冷却は、非架橋酸素欠陥の濃度を著しく減少させることができることを示している。いくつかある予期せぬ研究結果の中でも、これらの結果は、第２の処理領域の温度範囲（例えば、１０００℃〜１２００℃）内での制御された冷却により、１２００から１５００℃の温度範囲における制御された冷却により達成されるであろう非架橋酸素欠陥の濃度がさらに低下するという点で、重要であることを示唆している。非架橋酸素欠陥濃度を低下させるための、この温度範囲内の冷却条件を制御することの重要性は、これまで、当業者により認識されていなかった。

実施例２
この実施例において、異なる冷却プロファイルを使用して調製したファイバを比較する。ファイバを、同じ装置からの別々の試行において線引きし、図４に示された２つの冷却プロファイルの内の一方に施した。図４における各冷却プロファイルは、温度の関数としてのファイバの表面温度を示しており、ここで、ゼロの時間は、ファイバの平均温度が１７００℃である時点に対応する。冷却プロファイル１は、従来技術のファイバ処理条件と一致するプロファイルを示し、一方で、冷却プロファイル２は、本開示によるプロファイルを示す。

冷却プロファイル１について、ファイバは、１７００℃の平均ファイバ温度で第１の処理領域に入り、７５００℃／ｓの平均速度で冷却され、１４００℃の平均ファイバ温度で第１の処理領域を出た。次いで、そのファイバは、１４００℃の平均ファイバ温度で第２の処理領域に入り、１５，０００℃／ｓの平均速度で冷却され、１０００℃の平均ファイバ温度で第２の処理領域を出た。ファイバは、第２の処理領域を出た後、約２５０００℃／ｓの冷却速度で急冷された。

冷却プロファイル２について、ファイバは、１７００℃の平均ファイバ温度で第１の処理領域に入り、２０００℃／ｓの平均速度で冷却され、１３００℃の表面温度で第１の処理領域を出た。次いで、そのファイバは、１３００℃の平均ファイバ温度で第２の処理領域に入り、５，５００℃／ｓの平均速度で冷却され、１０００℃の平均ファイバ温度で第２の処理領域を出た。ファイバは、第２の処理領域を出た後、約２５０００℃／ｓの冷却速度で急冷された。

２つの冷却プロファイルを使用して調製したファイバの非架橋酸素欠陥濃度の測定を完了した。これらの結果は、冷却プロファイル１を使用して調製したファイバは、冷却プロファイル２を使用して調製したファイバの非架橋酸素欠陥より著しく高い濃度を有することを示した。

実施例３
この実施例において、７本一組のファイバの非架橋酸素欠陥濃度に対する第１の処理領域の加熱領域の温度の影響を検討した。線引き炉、この線引き炉の下流にある第１の処理領域、この第１の処理領域の下流にある第２の処理領域、および線引き機構を備えた一般的な線引き装置において、一般的な光ファイバプリフォームからファイバを調製した。第２の処理領域は、第１の処理領域と直接隣接しており、ファイバの空冷からなった。各ファイバは、第１の処理領域を出た後、同じ滞在時間に亘り第２の処理領域内で空冷し、次いで、急冷した。急冷後、非架橋酸素欠陥濃度を測定した。

第１の処理領域の加熱区域の温度は、第１の処理領域内のファイバの温度−時間履歴、並びに第１の処理領域からのファイバの出口温度に影響を与える。第１の処理領域の終わりでの温度−時間履歴および出口温度は、第１の処理領域における非架橋欠陥の回復だけでなく、第２の処理領域内の温度−時間履歴、並びに第２の処理領域の出口温度のために、第２の処理領域における非架橋欠陥の回復にも影響する。この出口温度は、ファイバがこの実施例において急冷された温度でもあった。第１の処理領域の温度を除いて、処理条件は、この実施例のファイバサンプルの各々について同一であった。この実施例において検討したファイバサンプルには、７〜１３と番号がつけられている。

第１の熱処理領域は加熱区域を含んだ。第１の処理領域の加熱区域に使用した温度、第１と第２の処理領域の出口での平均ファイバ温度、およびファイバサンプル７〜１３における非架橋酸素欠陥（ＮＢＯ欠陥）の濃度が、表２に纏められている。

この結果は、一般的な滞在時間および第２の処理領域におけるガス温度条件に対して、第１の処理領域の加熱区域に使用した温度は、非架橋酸素欠陥の濃度に影響したことを示している。この加熱区域温度は、第１の処理領域内のファイバの温度−時間履歴に影響を与え、第１の処理領域の終わりでの出口温度にも影響を与える。第１の処理領域の終わりでの温度−時間履歴および出口温度は、第１の処理領域における非架橋欠陥の回復だけでなく、第２の処理領域内の温度−時間履歴、並びに第２の処理領域の出口温度のために、第２の処理領域における非架橋欠陥の回復にも影響する。この出口温度は、ファイバサンプルが急冷された温度でもある。その非架橋酸素濃度は、第１の処理領域に使用した温度が８８５℃から１０３０℃まで増加するにつれて、減少し、さらに１２００℃まで温度が上昇するにつれて、増加することが観察された。第１の処理領域に使用した温度における変動による非架橋酸素欠陥濃度における極小値の存在は、第１と第２の処理領域の条件（温度、冷却速度、および／または滞在時間）間の相乗効果を示している。第１の処理領域の加熱区域に使用した温度が、非架橋酸素欠陥濃度に影響する唯一の要因であるならば、非架橋酸素欠陥濃度の傾向は、極小値を示す代わりに、単調であったであろう。この実施例は、非架橋酸素欠陥の濃度に対する第２の処理領域の条件の影響を明らかにしている。第２の処理領域に使用した条件と、第１の処理領域に使用した条件との連係により、非架橋酸素欠陥濃度の極小化が可能になる。

特に明記のない限り、ここに述べられたどの方法も、その工程を特定の順序で行うことを必要とするものと考えられることは決して意図されていない。したがって、方法の請求項が、その工程がしたがうべき順序を実際に挙げていない場合、またはそうでなければ、工程が特定の順序に制限されるべきことが特許請求の範囲または説明において具体的に述べられていない場合、どの特定の順序も暗示されることは決して意図されていない。

本発明の精神すなわち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。本発明の精神および実体を含む開示の実施の形態の改変、組合せ、下位の組合せおよび変更が、当業者に想起されるであろうから、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその同等物の範囲内に全てを含むと考えるべきである。

１０４、１０８ 製造システム
１０５、１０７、１０９ ファイバ
１１０ 光ファイバプリフォーム
１１１ 第１の処理領域
１１２ 炉
１１３ 第２の処理領域
１１６ 方向転換装置
１２１ 被覆ファイバ

Claims (5)

1. 光ファイバを処理する方法において、
   平均温度が１７００℃以上であるファイバを提供する工程、
   第１の炉において、５０００℃／ｓ未満の第１の冷却速度で前記ファイバを冷却する工程であって、該第１の冷却速度での冷却によって、該ファイバの平均温度が、前記第１の炉が有する第１の入口における温度である１５００℃から１７００℃の範囲の第１の温度から、前記第１の炉が有する第１の出口における温度である１２００℃から１４００℃の範囲の第２の温度に低下する工程、および
   第２の炉において、５０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満の第２の冷却速度で前記ファイバを冷却する工程であって、該第２の冷却速度での冷却によって、該ファイバの平均温度が、前記第２の炉が有する第２の入口における温度である１２００℃から１４００℃の範囲の第３の温度から、前記第２の炉が有する第２の出口における温度である１０００℃から１１７５℃の範囲の第４の温度に低下する工程、
   を有してなる方法。
2. 前記第１の冷却速度が２０００℃／ｓと４０００℃／ｓの間であり、該第１の冷却速度での冷却が少なくとも０．０５秒間に亘り行われる、請求項１記載の方法。
3. 前記第１の冷却速度での冷却が、前記第１の温度から前記第２の温度の温度範囲に亘る空気の熱伝導率より低い熱伝導率を有するガスから実質的になる第１のガス環境内で行われる、請求項１または２記載の方法。
4. 前記ファイバが、前記第１の冷却速度での冷却中および前記第２の冷却速度での冷却中に第１の方向に向けられており、前記第４の温度への冷却後に、前記ファイバを該第１の方向から第２の方向に方向転換する工程をさらに含む、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 装置において、
   光ファイバプリフォームおよび線引き炉を含む加熱ガラス源、
   前記光ファイバプリフォームから形成された、平均温度を有する光ファイバ、
   前記加熱ガラス源の下流に位置し、第１の入口と第１の出口とを有する第１の炉であって、前記ファイバの平均温度を第１の経路に沿って、前記第１の入口における温度である１５００℃から１７００℃の範囲の温度から、前記第１の出口における温度である１２００℃から１４００℃の範囲の温度に冷却するように構成され、該第１の炉内での冷却が、５０００℃／ｓ未満の平均速度で行われる、第１の炉、および
   前記第１の炉の下流に位置し、第２の入口と第２の出口とを有する第２の炉であって、前記ファイバの平均温度を第２の経路に沿って、前記第２の入口における温度である１２００℃から１４００℃の範囲の温度から、前記第２の出口における温度である１０００℃から１１７５℃の範囲の温度に冷却するように構成され、該第２の炉内での冷却が、５０００℃／ｓ超かつ１２，０００℃／ｓ未満の平均速度で行われる、第２の炉、
   を備えた装置。

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