JP7090402B2

JP7090402B2 - 光学ガラスコンポーネントを製造するための延伸方法及びプリフォーム

Info

Publication number: JP7090402B2
Application number: JP2017087315A
Authority: JP
Inventors: マチウリン; フエイチャンカイ; ピー．グリーンエヴァン
Original assignee: Heraeus Quartz North America LLC
Current assignee: Heraeus Quartz North America LLC
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2037-04-26
Also published as: US20210130221A1; KR102425328B1; EP3686167A1; EP3243804A1; JP2017206432A; US11618708B2; KR20170124965A; EP3686167B1; US11840472B2; EP3243804B1; US20170320768A1; CN107337345B; CN107337345A

Description

本開示は、石英ガラスの光学コンポーネントを製造するための延伸方法に関し、より詳細には、中空の犠牲先端部を有する予備製品、またはプリフォーム、ならびに中空の犠牲先端部を有する予備品またはプリフォームを延ばすことで光学コンポーネントを製造する方法に関する。そのように製造された光学コンポーネントは、後に続くファイバー線引き用の光学ファイバーかまたは先端加工されたプリフォームであり得る。

光学ファイバーは、２地点間の最小の散乱及び減衰で光を透過できる導波路である。光学ファイバー、及び関連するファイバー光は、よく知られており、照明、通信、情報転送、及びセンサ等に応用される。光学ファイバーは、一般的に柔軟性があり非常に薄く、１つ以上の透明クラッド層により取り囲まれた透明のコアを有する。コア及びクラッド層は、（例えば、シリカ、フッ化物、リン酸塩等から作られる）高品質ガラス等、様々な材料から作られる。一般的に、コア材は、クラッド材の屈折率よりも大きい屈折率を有する。これらの条件は、光信号の内部反射をファイバー通過させ、効率のよい導波路をもたらす。

光学ファイバーは、一般的には、放射発熱体を有する垂直配向炉内で加熱されるプリフォームとしても知られる試作品からファイバーを線引きすることで製造される。プリフォームは、基本的には、望ましい光学ファイバー製品と同じクラッド対コア比及び屈折率プロファイルの前述のようなコア材及びクラッド層を含む。プリフォームが炉内で加熱される時、線引き球状部またはガラス滴が、プリフォーム下部の軟化端部に形成される。コンポーネントはその後、所定の形状及び所望の寸法でプリフォームの軟化端部から線引きされる。重要なことに、線引きされたファイバーは、正しい導波路特性を有するために最初のプリフォームに存在するコア材の直径とクラッド層の直径の間の比を維持しなければならない。角切りされたプリフォームではしかしながら、少なくとも２つの原因により材料浪費が起こり得る。第１に、線引き球状部またはガラス滴自体は光学ファイバーを生み出さないので、線引き球状部の形成は、優良なプリフォーム材をかなり浪費することにつながる。第２に、プリフォーム端部が放射状に加熱されるので、温度分布、及びそれによるプリフォームの粘度は極めて不均一であり、コア材とクラッド層間のガラス流の差を防ぐのが非常に難しい。その結果、クラッド対コア比は、プリフォーム端部加工またはファイバー線引きの開始時に変形する場合があり、使用不能なファイバーがそこに生み出されることになる。クラッド対コア比における変形は、カットオフ波長、モードフィールド径、及びコア偏心率といったファイバーの多くの導波路特性に悪影響を与える。従って、少ない材料浪費及び導波路変形で線引き球状部を形成する方法で、角切りされたプリフォームを修正することが望ましい。

プリフォームを修正する１つの方法は、機械加工またはフレーム先端加工によるプリフォームの端部のテーパー加工である。テーパーをプリフォーム端部に機械加工することは、しかしながら正しいクラッド対コア比を損なう場合があり、カットオフ波長及び他の光学特性におけるファイバーの不具合をもたらす。角切りされたプリフォームにおけるフレームまたは炉の先端加工は同様に、優良なプリフォーム材を大量に浪費し、かつ導波路変形を引き起こす。

Ｐｅｅｋｈａｕｓ氏らによる米国特許公開第２００７／０２４５７７３における開示といったプリフォームを修正する他の方法は、円すい状片を機械加工されかつテーパー加工されたプリフォームの端部に取り付け、それにより線引き球状部が円すい状片と優良なプリフォーム材の機械加工されたテーパーの両方から形成されることを含む。しかしながら、Ｐｅｅｋｈａｕｓ氏の開示による方法は、ファイバー線引きの前にプリフォームをテーパーへと機械加工することが必要であり、複雑さ及びコスト、ならびに前述の理由から優良なプリフォーム材の浪費が増加する。

本開示の実施形態は、延伸された光学ガラスコンポーネントを製造するためのガラスプリフォームを含む。プリフォームは、所定の外径と、平らな底部と、を有する一次ロッドと、及び一次ロッドの底部に取り付けられた第１端部、第１端部に対向する第２端部、及び第１端部から第２端部へと延びる中空の内部領域を有する犠牲先端部と、を含む。犠牲先端部は、断面が円形であり、犠牲先端部の第１端部は一次ロッドの外径と等しい外径を有する。一次ロッド及び犠牲先端部は、両方とも石英ガラスで作られてもよく、一次ロッドの石英ガラスは、犠牲先端部の石英ガラスよりも高品質であってもよい。犠牲先端部は、一次ロッドの外径と等しい所定の外径を有していてもよい。中空の内部領域は、犠牲先端部の外径の約５０％から約８０％の範囲である内径を有していてもよい。犠牲先端部は、約１０ｍｍから約６０ｍｍ、好ましくは約２０ｍｍから約５０ｍｍ、かつ最も好ましくは約２５ｍｍから約３５ｍｍの長さであってもよい。犠牲先端部は、一次ロッドに溶接されていてもよい。
一次ロッドは、外側クラッド層によって取り囲まれたコアロッドを含んでもよい。

開示の実施形態はさらに、光学ガラスコンポーネントを形成する方法を含む。方法は、所定の外径と、平らな底部と、を有する一次ロッド、一次ロッドの底部に取り付けられた第１端部、第１端部に対向する第２端部、及び第１端部から第２端部へと延びる中空の内部領域を有する犠牲先端部を含むガラスプリフォームを炉内に配置する工程、及び犠牲先端部を軟化するために炉内でガラスプリフォームを加熱する工程を含む。犠牲先端部は、断面が円形であり、犠牲先端部の第１端部は一次ロッドの外径と等しい外径を有する。犠牲先端部を軟化するために炉内でガラスプリフォームを加熱する工程は、プリフォームの下端部において滴を形成し、滴は一次ロッド上に引き下ろされ、一次ロッドを延伸する。一次ロッド及び犠牲先端部は、両方とも石英ガラスで作られてもよく、一次ロッドの石英ガラスは、犠牲先端部の石英ガラスよりも高品質であってもよい。犠牲先端部は、一次ロッドの外径と等しい所定の外径を有していてもよい。中空の内部領域は、犠牲先端部の外径の約５０％から約８０％の範囲である内径を有していてもよい。犠牲先端部は、約１０ｍｍから約６０ｍｍ、好ましくは約２０ｍｍから約５０ｍｍ、かつ最も好ましくは約２５ｍｍから約３５ｍｍの長さであってもよい。犠牲先端部は、一次ロッドに溶接されていてもよい。一次ロッドは、外側クラッド層によって取り囲まれたコアロッドを含んでもよい。ガラスプリフォームは、炉の内部の最適化された位置でガラスプリフォームを炉内に配置する前に、炉の中心上部の高さで予備加熱されてもよい。ガラスプリフォームを炉の外側で予備加熱する工程は、低出力で炉を加熱する工程、第１の所定期間、低出力炉の中心上部の第１位置にガラスプリフォームを配置する工程、炉の高い作動出力へと炉の出力を引き上げる工程、及び炉の中心上部の最適化された吊り下げ位置へとプリフォームを炉内へ下げる工程、を含んでもよい。最適化された吊り下げ位置へとプリフォームをオーブン内へ下げる工程は、第１位置から最適化された吊り下げ位置上部の第２位置へとプリフォームをオーブン内へ下げる工程、所定期間第２位置でプリフォームを保持する工程、及び第２位置から最適化された吊り下げ位置へとプリフォームをオーブン内へ下げる工程、を含んでもよい。プリフォームの下端部に形成された滴は、実質的には犠牲先端部からの材料のみを含み、一次ロッドからの材料は含まなくてもよい。一次ロッドは、所定のクラッド対コア比を有する外側クラッド層によって取り囲まれたコアロッドを備える。異なる温度及び粘度の異なる半径方向位置でガラスに作用する重力のせいで、一次ロッド上に引き下ろされ、かつ一次ロッドを延伸する滴は、コアロッドを引き寄せることなくクラッド層の外部を引き寄せてもよく、クラッドとコアガラス流の差及び導波路変形を低減させる。延伸された一次ロッドは、延伸されていない一次ロッドのクラッド対コア比と実質的に同じクラッド対コア比を有していてもよい。

本開示は、添付の図面と関連して読まれる時に以下の詳細な記述からより最適に理解されるものである。一般的な方法に従って、強調されており、図面の様々な特徴は実物大ではない。むしろ、様々な特徴の寸法は、任意に拡大されているかまたは明確にするために省略されている。含まれている図面は、以下の図である。

一次ロッド及び犠牲先端部を含むプリフォームの断面図である。図１Ａのプリフォームの底部面図である。炉内に配置された図１Ａのプリフォームの断面図である最適化された先端部寸法及び炉配置での一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。最適化された先端部寸法及び炉配置での一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。最適化された先端部寸法及び炉配置での一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。最適化された先端部寸法及び炉配置での一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。最適化された先端部寸法及び炉配置での一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。壁が薄すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。壁が薄すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。壁が薄すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。壁が厚すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。壁が厚すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。壁が厚すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。壁が厚すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。短すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。短すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。短すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。長すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。長すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。長すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。炉内での位置が高すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。炉内での位置が高すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。炉内での位置が高すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。炉内での位置が低すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。炉内での位置が低すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。炉内での位置が低すぎる一次ロッド及び中空の円筒状犠牲先端部を含む炉内に配置されたプリフォームの断面図である。様々なプリフォーム構成のための線引き球状部の重さ及び滴下時間を描写するグラフである。様々なプリフォーム構成のための線引き球状部の重さ及び滴下時間を描写するグラフである。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の犠牲先端部なしのプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の犠牲先端部なしのプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の犠牲先端部なしのプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の犠牲先端部を有するプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の犠牲先端部を有するプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の犠牲先端部を有するプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の最適化された位置に配置された犠牲先端部を有するプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の最適化された位置に配置された犠牲先端部を有するプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の最適化された位置に配置された犠牲先端部を有するプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の最適化された位置の下に配置された犠牲先端部を有するプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の最適化された位置の下に配置された犠牲先端部を有するプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の最適化された位置の下に配置された犠牲先端部を有するプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。図１５Ａ～１５Ｃは、テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後の最適化された位置の上に配置された犠牲先端部を有するプリフォームの位置、形状、温度、及びクラッド対コア比を描写する。

実施形態は、ガラスファイバーを製造するためのプリフォームを含む。プリフォームは、高品質材料から作られた一次ロッドに溶接された犠牲先端部を含む。プリフォームが炉内で加熱される時、犠牲先端部は軟化し（すなわち、粘度が低下する）、かつガラスファイバーまたは結果生じる先端加工されたプリフォームへと一次ロッドを引くテーパー加工された管へと崩壊する。実施形態はさらに、ガラスファイバーまたは先端加工されたプリフォームを形成するためにプリフォームを用いる方法を含む。例示的実施例は、ここで図１Ａ、１Ｂ、及び２に関連して記述される。

図１Ａ～１Ｂを参照して、プリフォーム１０が例示的実施例に従って供給される。図１Ａは、プリフォーム１０の断面図である。図１Ｂは、プリフォーム１０の底部面図である。プリフォーム１０は、一次ロッド１２及び犠牲先端部１８を備える。

一次ロッド１２は、同軸配置で共通中心線ＣＬに沿って並ぶコアロッド１６を取り囲むクラッド層１４を含んでもよい。クラッド層１４及びコアロッド１６は、それぞれが、溶融石英または内部蒸着、外部蒸着及び軸蒸着を含む化学蒸着（ＣＶＤ）の１つ以上のタイプといった、あらゆる適切な手順で高純度の石英ガラスから作られてもよい。光信号の内部反射がプリフォーム１０から線引きされたファイバーを通り抜けられるように、コアロッド１６内のコア材は、取り囲んでいるクラッド層１４における材料の屈折率よりも大きい屈折率を持ち、効果的な導波路を生じる。他の実施形態では、一次ロッド１２は、クラッド層がないか、または２つ以上のクラッド層を含んでもよく、または１つ以上のオーバークラッド管または円筒により取り囲まれたコアロッドを有する崩壊していない円筒内ロッドプリフォームアセンブリをさらに含んでもよい。一次ロッド１２は、基本的に所定な外径を有していてもよい。一次ロッド１２は、あらゆる外径を有していてもよいことが理解されるであろうが、例示的実施形態では１５０ｍｍ以下であってもよく、しかし、いくつかの実施形態ではこの範囲に限定はされない。他の実施形態では、一次ロッド１２の外径は、例えば６０ｍｍ～２１０ｍｍまたはそれ以上であってもよい。

この例示的実施形態では、犠牲先端部１８は断面が円形（中心線ＣＬと垂直に計測）であり、かつ一次ロッド１２の底面２２に取り付けられた第１端部２０及び第１端部２０に対向する第２端部２４を有する。犠牲先端部１８は、例えば熱溶接によって一次ロッドに取り付けられてもよい。一次ロッド１２と犠牲先端部１８は、共通中心線ＣＬに沿って並ぶ。犠牲先端部１８は、同様に断面が円形であり、かつ第１端部２０から第２端部２４へと犠牲先端部１８を完全に通り抜けて延びる中空の領域２６をさらに含む。プリフォーム１０の材料コストを削減するために、犠牲先端部１４は、一次ロッド１２よりも低品質の材料から作られてもよい。一次ロッド１２同様に、犠牲先端部１８は、これに限定はされないが、溶融石英または内部蒸着、外部蒸着及び軸蒸着を含む化学蒸着（ＣＶＤ）の１つ以上のタイプといった、あらゆる適切な手順で形成されてもよい。犠牲先端部１８は、一次ロッド１２の底面２２における外径と等しい第１端部２０における外径を有する。例示的実施形態では、犠牲先端部１８は、一次ロッド１２の外径と等しいその全長に沿う所定の外径を有する。言い換えると、例示的実施形態では、犠牲先端部１８は、一次ロッド１２の外径と等しい所定の外径を有する円筒である。他の実施形態では、犠牲先端部１８の外径は、犠牲先端部１８の長さに合わせて変化してもよい。下でより詳細に説明されるように、犠牲先端部１８の内径（すなわち、中空領域２６の直径）及び犠牲先端部１８の長さ（中心線ＣＬと垂直に計測）は、線引き状態（例えば、線引き炉の温度分布及び寸法）に基づいて変化する。例示的実施形態では、最適化された内径は、犠牲先端部１８の外径の約５０％～約８０％の範囲であり、長さは約１０ｍｍ～約６０ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ～５０ｍｍ、最も好ましくは約２５ｍｍ～約３５ｍｍの範囲である。内径は犠牲先端部１８の長さに沿って変化してもよいかまたは所定であってもよい。例えば、犠牲先端部１８は、所定の内径を有していてもよい。言い換えると、中空領域２６は円筒状であってもよい。外径が変化するという他の実施形態では、犠牲先端部が所定の壁厚（すなわち、内径と外径の間の差）を有するように、内径は同様に、同程度変化してもよい。図１Ａ～１Ｂに描写される例示的実施形態では、犠牲先端部が一次ロッド１２の外径と等しい所定の外径を有する中空の円筒であるように、内径と外径は両方とも所定である。

犠牲先端部１８の直径を変化することで、プリフォーム１０は、材料浪費及び導波路変形を最小化しながらプリフォーム１０から光学ファイバーを線引きする方法に用いられてもよい。下でさらなる詳細が論じられるように、加熱される際に、犠牲先端部１８が変形し、かつ犠牲先端部１８からの材料から主に作られ、かつ最初のガラス滴において一次ロッド１２からの材料浪費を最小化するテーパー加工された管へと崩壊するよう、犠牲先端部１８の内径及び外径は最適化される。犠牲先端部１８はさらに、クラッド対コア比への変形を最小化する（すなわち、一次ロッド１２の様々な径方向位置にかかる力の平衡を保つことでクラッドとコアガラス流の差を低減するかまたは解消する）径方向で均一な方法で、一次ロッド１２に作用する重力及び粘度に関連する力の平衡を保つ。

図２を参照して、前述のプリフォーム１０は、炉３０内にプリフォーム１０を配置し、かつ炉３０内のプリフォーム１０を加熱することで延伸されたガラスコンポーネントを形成するのに用いられてもよい。炉３０は、例えばグラファイトまたはセラミックで作られた加熱部品３２を含む。加熱部品３２は、一般的には電気抵抗または誘導加熱を通じて、炉３０の温度を上昇させ、かつ相互放熱交換を通じてプリフォーム１０に熱エネルギーを伝える放射熱を生み出す。利用可能な熱エネルギーは、加熱部品３２と水平に並び、特に加熱部品３２の中心３４に隣接するところが最も高くなる。中心３４からの垂直距離が増加するにつれ、炉３０内の利用可能な熱エネルギーは減少する。プリフォーム１０が加熱されるにつれ、一次ロッド１２及び犠牲先端部１８は、温度、及びそれによる粘度、分布に従って軟化し始める。犠牲先端部は、クラッド層１４とコアロッド１６間のガラス流の平衡を保つコアロッド１６の引き寄せを行うことなくクラッド層１４の外部にさらなる重力を加える。その結果、クラッド対コア比への変形は最小化され、優良な導波路またはファイバー製造が増加する。クラッド対コア比変形が最小化されるので、カットオフ波長、モードフィールド径、及びコア偏心率といった、得られるファイバーの多くの導波路特性はさらに向上する。犠牲先端部１８はさらに、犠牲先端部からの材料のみを必要として作られるプリフォーム１０の底部端部においてテーパー加工された管を形成するよう崩壊する。犠牲先端部１８からのテーパー加工された管の形成は、図３Ａ～３Ｅに最適に示され、実施例１に合わせてより詳細が下で論じられる。テーパー加工された管はその後、残りの一次ロッド１２上に均一に引き下ろされてもよく、球状部の形成を排除する。球状部は一般的には光学ファイバーとして利用できないので、ファイバーを線引きするために一次ロッド１２から球状部を形成する必要性を排除することは、材料浪費を削減する。犠牲先端部１８の追加が球状部の形成を排除することがさらにわかったが、犠牲先端部１８はさらに、実施例８に関連してより詳細が下で論じられるように、犠牲先端部がない角切りされたプリフォームに対する滴下時間を削減する。

犠牲先端部１８の最大パフォーマンスを確実にする（すなわち、一次ロッド１２からの材料浪費の量及びクラッド対コア比の変形を最小化する）ために、プリフォーム１０の位置及び炉内でプリフォーム１０へ熱エネルギーを伝える方法は制御される。前述のように、炉３０内の放射熱エネルギーは垂直位置で変化するので、プリフォーム１０の様々な部分に伝えられる熱エネルギーの量は、炉３０内のプリフォーム１０の垂直位置を制御することで制御できる。よって、プリフォーム１０の様々な部分の粘度は、得られる温度分布を通じて同様に制御できる。犠牲先端部１８及び一次ロッド１２の相対粘度を制御することで、一次ロッド１２が滴下しすぎる前に犠牲先端部１８は軟化し、テーパー加工された管へと滴下し始め、線引き球状部の形成を排除し、コアロッド１６及びクラッド層１４に加えられる力の平衡を保つ。一次ロッド１２が軟化する前に犠牲先端部１８が時期尚早に滴下する場合、犠牲先端部１８の重さでは一次ロッド１２をファイバーへと引くことができない。一次ロッド１２の軟化が速すぎる場合、一次ロッド１２から作られる線引き球状部が形成され、浪費増加をもたらす。

下の実施例でより詳細に説明されるように、一次ロッド１２と犠牲先端部１８の接続部は、加熱部品３２の中心３４上部に位置することが好ましい。その結果、犠牲先端部１８が最初に一次ロッド１２よりも高い温度に晒される。この温度差は、一次ロッド１２の軟化よりも先に犠牲先端部１４を軟化させる。実施例６及び７で下に説明されるように、炉２０内のプリフォーム１０の位置が高すぎると、一次ロッド１２が犠牲先端部１８によって引き下ろされるのに十分なほど軟化せず、炉２０内のプリフォーム１０の位置が低すぎると、一次ロッド１２が犠牲先端部１８に合わせて軟化し、かつ滴下することになる。どの場合でも一次ロッド１２の材料浪費または許容できないほどの長い滴下時間を招く。いくつかの実施形態では、炉３０とプリフォーム１０間に伝わる熱をさらに制御するために、プリフォーム１０は炉へと徐々に下げされてもよい。炉３０へとプリフォーム１０を徐々に下げることで、一次ロッド１２と犠牲先端部１８間の接続部における熱によるクラッキングを防ぐ。一般的には、冷たいプリフォーム１０を最大オーブン温度へと晒すことは、プリフォーム１０にクラックをもたらす熱衝撃を生じる。炉３０へとプリフォーム１０を徐々に下げることに代えて、または加えて、プリフォーム１０が炉３０内にある間に炉３０の温度をランピングすることによって、熱伝導がさらに制御されてもよい。

例示的実施形態では、手順は、加熱部品３２に低減された力が加えられる間、例えば加熱部品３２の長さの約１２０％といった、加熱部品３２の長さよりも長い加熱部品３２の中心３４上部の距離において一次ロッド１２と犠牲先端部１８間の接続部を最初に配置することを含む。一度炉３０の内部が、例えば２０００℃といった所望の温度に達すると、加熱部品３２への力はその後増加し、プリフォーム１０は炉３０へと下げられる。プリフォームはその後、一次ロッド１２と犠牲先端部１８間の接続部が加熱部品３２の中心３４の上に位置する、最適な位置へと下げられてもよい。他の実施形態では、プリフォーム１０は、最初に最適な位置上部の第２位置へと下げられて所定期間保持され、その後最適な位置までの残りの距離を下げられる。第２位置は、最初の位置下部の加熱部品３２の長さの約１０％であってもよく、プリフォーム１０は、約４分間第２位置で保持されてもよい。

実施例
以下の実施例は、犠牲先端部の厚さ（すなわち、外径と内径間の差）、犠牲先端部の長さ、及び線引き炉内のプリフォームの位置を変化による効果を論証するために含められる。各実施例では、１００ｍｍの内径であり、かつ９０ｍｍの長さのグラファイト加熱部品９０ｍｍを有する線引き炉内に配置された９０ｍｍの外径を有する一次ロッドをシミュレーションするのに、有限要素モデリング（ＦＥＭ）が用いられた。ＦＥＭモデルは、加熱中の炉の内部のプリフォーム形状及び位置を捕らえるための炉とプリフォーム間における鍵となる放射交換メカニズムを正確にシミュレーションできた。ＦＥＭモデルの正確性は、モデルと結果比較に用いられた同じ条件で実際のプリフォームで試験を実施することで確認された。

実施例１～７は、犠牲先端部形状及びプリフォームの形状の経時変化におけるプリフォーム１０位置の影響を詳述する。各図３Ａ～９Ｃでは、プリフォームの元の位置及び形状は、白の輪郭線で示される。各図のその時のプリフォーム１０の位置及び形状は、影のついた輪郭線で示され、影は各図の右に供給される目盛りに従ってプリフォーム１０の温度に対応する。実施例１は、最適化された壁厚、長さ、及び炉配置の犠牲先端部を有するプリフォームのモデルを描写する。実施例２は、薄すぎる壁の犠牲先端部を有するプリフォームのモデルを描写する。実施例３は、厚すぎる壁の犠牲先端部を有するプリフォームのモデルを描写する。実施例４は、長すぎる犠牲先端部を有するプリフォームのモデルを描写する。実施例５は、短すぎる犠牲先端部を有するプリフォームのモデルを描写する。実施例６は、炉内の位置が高すぎる犠牲先端部を有するプリフォームのモデルを描写する。実施例７は、炉内の位置が低すぎる犠牲先端部を有するプリフォームのモデルを描写する。

図１０Ａ及び１０Ｂに関連して記述される実施例８は、プリフォーム底部の線引き球状部のガラス滴浪費及びプリフォームの滴下時間における犠牲先端部の影響を詳述する。

図１１Ａ～１１Ｃ及び１２Ａ～１２Ｃに関連して記述される実施例９は、ガラス滴下で得られた線引きガラスストランドのクラッド対コア比における犠牲先端部の影響を詳述する。

図１３Ａ～１３Ｃ、１４Ａ～１４Ｃ、及び１５Ａ～１５Ｃに関連して記述される実施例１０は、ガラス滴下で得られた線引きガラスストランドのクラッド対コア比における炉内のプリフォーム位置の影響を詳述する。

実施例１
実施例１では、モデルは９０ｍｍの外径（すなわち、一次ロッドの外径と等しい）、６０ｍｍの内径、及び３０ｍｍの長さを有する中空の円筒状犠牲先端部を含む。犠牲先端部の厚さ（すなわち、外径と内径間の差）は、１５ｍｍである。犠牲先端部と一次ロッド間の接続部が炉の中心上部２２ｍｍに配置されるようプリフォームは線引き炉内に配置される。図３Ａ～３Ｅに見られるように、犠牲先端部は滴下し始め、それにより犠牲先端部からのほぼ全材料からなる細い先端部を形成するようプリフォーム底部を引く。その結果、線引き球状部を形成するために一次ロッドの材料（すなわち、より高品質のプリフォーム材）を浪費する必要がない。

実施例２
実施例２では、７０ｍｍへと増加した犠牲先端部内径で実施例１のモデルが繰り返され、それにより犠牲先端部の壁厚を１０ｍｍまで削減した。残りの寸法は実施例１から継続された。図４Ａ～４Ｃに見られるように、削減された壁厚は、ファイバーを線引きするために一次ロッドの十分な下部領域を引くには犠牲先端部が薄すぎるという結果をもたらした。従って、テーパー加工された管は、生じるのに時間がかかり、かつ一次ロッドからのさらなる材料を含むので、材料浪費を生じる。

実施例３
実施例３では、３０ｍｍへと削減した犠牲先端部内径で実施例１のモデルが繰り返され、それにより犠牲先端部の壁厚を３０ｍｍまで増加した。残りの寸法は実施例１から継続された。図５Ａ～５Ｄに見られるように、犠牲先端部の壁が厚すぎる時、増加した重さが一次ロッドから線引き球状部へと引かれる材料を過剰にし、材料浪費を生じる。しかしながら、浪費は、犠牲先端部が薄すぎるという実施例２より少ない。これは、犠牲先端部の壁が厚くなるにつれ許容差が大きくなることを示唆する。

実施例４
実施例４では、２０ｍｍへと削減した犠牲先端部の長さで実施例１のモデルが繰り返された。残りの寸法は実施例１から継続された。図６Ａ～６Ｃに見られるように、犠牲先端部が短すぎる時、一次ロッドがひとりでに滴下し始める前に一次ロッドの底部を下方に引くためには犠牲先端部の重さは十分ではない。その結果、所望のプリフォームより厚い底部滴が生じ、材料が浪費される。

実施例５
実施例５では、４０ｍｍへと増加した犠牲先端部の長さで実施例１のモデルが繰り返された。残りの寸法は実施例１から継続された。図７Ａ～７Ｃに見られるように、犠牲先端部が長すぎる時、重さは犠牲先端部の滴下をより容易に、かつより速くするが、一次ロッドの底部を下方に引くのに十分なほどは続かない。代わりに、犠牲先端部は非常に薄い管を形成し、線引き球状部は、犠牲先端部が取り付けられなかったかのように一次ロッドからの材料で形成される。

実施例６
実施例５では、犠牲先端部と一次ロッド間の接続部を炉の中心の上３２ｍｍまで上に移動して実施例１のモデルが繰り返された。残りの寸法は実施例１から継続された。図８Ａ～８Ｃに見られるように、プリフォームが炉内の高すぎる位置に配置される時、犠牲先端部は一次ロッドよりも加熱され、一次ロッドが炉の熱で十分に軟化し滴下の重さで引かれる前に犠牲先端部は滴下し、薄い管を形成する。一度十分な熱さになると一次ロッドの底部で線引き球状部が代わりに形成され、材料浪費を生じる。

実施例７
実施例５では、犠牲先端部と一次ロッド間の接続部を炉の中心の上１２ｍｍまで下に移動して実施例１のモデルが繰り返された。残りの寸法は実施例１から継続された。図９Ａ～９Ｃに見られるように、プリフォームが炉内の低すぎる位置に配置される時、一次ロッドは炉の熱により時期尚早に軟化し、犠牲先端部と合わせて一次ロッドから過剰な材料が滴下し、材料浪費を生じる。

実施例８
実施例１０では、線引き球状部塊及び滴下時間における犠牲先端部の効果を究明するために４つの異なるプリフォームが試された。４つのプリフォームは、犠牲先端部のない９０ｍｍ一次ロッド、４０ｍｍの外径を有する３０ｍｍ立体の９０ｍｍ一次ロッド、６０ｍｍの外径を有するスタブ６０ｍｍ立体の９０ｍｍ一次ロッド、及び３０ｍｍの長さ、９０ｍｍの外径、及び６０ｍｍの内径を有する中空の円筒状犠牲先端部の９０ｍｍ一次ロッドである。各プリフォームは加熱部品の中心に対して様々な熱でのプリフォーム底部で試された。図１０Ａに見られるように、プリフォーム底部が炉内で上に移動するにつれて、線引き球状部の塊は減少する。中空の円筒状犠牲先端部の場合では、プリフォーム底部が炉の中心上部を少なくとも２０ｃｍ移動すると、プリフォームガラス滴の塊は基本的にゼロになり、材料浪費が基本的に起こらないことを示唆する。さらに、線引き球状部の塊が削減されても、中空の円筒状犠牲先端部を有するプリフォームは同様に滴下時間を実質的に削減することを論証し、より速くより効率的な線引き手順を示唆する。

実施例９
実施例９では、得られた線引きファイバーのクラッド対コア比における犠牲先端部の影響は、犠牲先端部のない９０ｍｍのプリフォーム（図１１Ａ～１１Ｃ）を長さ３０ｍｍ、外径９０ｍｍ、及び内径６０ｍｍの中空の円筒状犠牲先端部を有する９０ｍｍのプリフォーム（図１２Ａ～１２Ｃ）と比較することで計測された。図１１Ａ及び１２Ａは、テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後、それぞれのプリフォームの位置、形状、及び温度を描写する。図１１Ｂ及び１２Ｂは、テーパー加工された管及びプリフォーム本体の交点でそれぞれのプリフォーム、特にプリフォーム内のコアロッドの存在を詳細に描写する。図１１Ｃ及び１２Ｃは、プリフォームの長さに沿うクラッド対コア比を描写する。図１１Ａ～１１Ｃに見られるように、犠牲先端部がない、コアロッドが線引き球状部へと引き下ろされると、クラッド対コア比に大きな変化を生じる。そういった変形したクラッド対コア比は利用できないファイバーを生じ、線引きはクラッド対コア比が安定するまで続けられ、材料浪費を生じる。比較すると、図１２Ａ～１２Ｃに見られるように、中空の円筒状犠牲先端部の追加は、コアロッドの材料を基本的に含まない、薄いテーパー加工された管を形成し、犠牲先端部のないプリフォームと比較して、ネックダウン及び滴におけるクラッド対コア比変形を低減する。

実施例１０
実施例１０では、得られる線引きファイバーのクラッド対コア比における炉内のプリフォームの位置上の影響が、長さ３０ｍｍの中空の円筒状犠牲先端部を有する９０ｍｍプリフォームを、長さ３０ｍｍ、外径９０ｍｍ、及び内径６０ｍｍの中空の円筒状犠牲先端部を有する９０ｍｍプリフォームと、様々な炉位置、特に最適化された位置（図１３Ａ～１３Ｃ）、最適化された位置から１０ｍｍ下（図１４Ａ～１４Ｃ）、及び最適化された位置から１０ｍｍ上（図１５Ａ～１５Ｃ）、で比較することで計測された。図１３Ａ、１４Ａ、及び１５Ａは、テーパー加工された管がプリフォームの底部で形成された後、それぞれのプリフォームの位置、形状、及び温度を描写する。図１３Ｂ、１４Ｂ、及び１５Ｂは、テーパー加工された管及びプリフォーム本体の交点でそれぞれのプリフォーム、特にプリフォーム内のコアロッドの存在を詳細に描写する。図１３Ｃ、１４Ｃ、及び１５Ｃは、プリフォームの長さに沿うクラッド対コア比を描写する。図１３Ａ～１３Ｃに示されるように、犠牲先端部を有するプリフォームが最適化された位置に配置される時、プリフォーム底部は、最小ガラス浪費で、かつクラッド対コア比が変更されたガラス部分が最小の先端部を形成する。図１４Ａ～１４Ｃに示されるように、プリフォームの位置が低すぎる時、犠牲先端部からの滴はさらに短く、プリフォームガラスの滴が同様に形成される。コアロッドからの材料は、滴下において観察でき、クラッド対コア比への著しい変形を生じる。図１５Ａ～１５Ｃに示されるように、プリフォームの位置が高すぎる時、薄く、中空の管をクラッド層からの材料を含むプリフォームの底部で形成する。クラッドガラスの滴下のせいで、クラッド対コア比は著しく変形される。

ある特定の実施形態及び実施例に関連して説明され、かつ上に記述されたが、本開示は示された詳細に限定する意図はない。むしろ、本特許請求の同意義の範囲及び域内で、かつ本開示の趣旨を逸脱せずに様々な修正が細かく行われてもよい。例えば、本書類に幅広く記載される全ての範囲は、その範囲内に、より広範囲のものに含まれる全てのより狭い範囲のものを含むことが明確に意図されている。さらに、１つの実施形態の特徴は、他の実施形態へと組み込まれてもよい。

Claims

延伸された光学ガラスコンポーネントを製造するためのガラスプリフォームであって、
所定の外径と、平らな底部と、を有する一次ロッドであって、少なくとも１つの外部クラッド層で取り囲まれたコアロッドを含む、一次ロッドと、
前記一次ロッドの前記平らな底部に取り付けられた第１端部と、前記第１端部に対向する第２端部と、前記第１端部から前記第２端部へと完全に延びる中空の内部領域と、を有する円筒状犠牲先端部と、を備え、
前記円筒状犠牲先端部は、断面が円形であり、前記円筒状犠牲先端部の前記第１端部は、前記第１端部から前記第２端部までの全長に沿う所定の内径及び所定の外径を有し、前記所定の外径は、前記一次ロッドの前記外径と等しい、ガラスプリフォーム。
前記一次ロッド及び前記円筒状犠牲先端部は、両方とも石英ガラスで作られており、前記一次ロッドの前記石英ガラスは、前記円筒状犠牲先端部の前記石英ガラスよりも高品質である、請求項１に記載のガラスプリフォーム。
前記円筒状犠牲先端部は、前記一次ロッドの前記底部に溶接されている、請求項１に記載のガラスプリフォーム。
前記一次ロッドは、１つ以上のオーバークラッド円筒で取り囲まれたコアロッドを有する、崩壊していない円筒内ロッドプリフォームアセンブリを含む、請求項１に記載のガラスプリフォーム。
前記中空の内部領域は、前記円筒状犠牲先端部の前記外径の５０％～８０％の範囲の内径を有する、請求項１に記載のガラスプリフォーム。
前記円筒状犠牲先端部は、１０ｍｍ～６０ｍｍの長さを有する、請求項１に記載のガラスプリフォーム。
前記円筒状犠牲先端部は、２０ｍｍ～５０ｍｍの長さを有する、請求項１に記載のガラスプリフォーム。
前記円筒状犠牲先端部は、２５ｍｍ～３５ｍｍの長さを有する、請求項１に記載のガラスプリフォーム。
光学ガラスコンポーネントの形成方法であって、
所定の外径と、平らな底部と、を有する延伸されていない一次ロッドであって、少なくとも１つの外部クラッド層で取り囲まれたコアロッドを含む、一次ロッドと、前記延伸されていない一次ロッドの前記平らな底部に取り付けられた第１端部、前記第１端部に対向する第２端部、及び前記第１端部から前記第２端部へと完全に延びる中空の内部領域を有する円筒状犠牲先端部と、を含むガラスプリフォームを炉内に配置する工程であって、前記円筒状犠牲先端部は断面が円形であり、前記円筒状犠牲先端部の前記第１端部は、前記第１端部から前記第２端部までの全長に沿う所定の内径及び外径を有し、前記所定の外径は、前記延伸されていない一次ロッドの前記外径と等しい、工程と、
前記円筒状犠牲先端部を軟化するために前記炉内で前記ガラスプリフォームを加熱する工程であって、これにより前記ガラスプリフォームの底部端部において滴を形成し、前記滴が引き下げられ、前記延伸されていない一次ロッドを延伸し、延伸された一次ロッドを形成する、工程と
を含む、方法。
前記延伸されていない一次ロッド及び前記円筒状犠牲先端部は、両方とも石英ガラスで作られ、前記延伸されていない一次ロッドの前記石英ガラスは、前記円筒状犠牲先端部の前記石英ガラスよりも高品質である、請求項９に記載の方法。
前記円筒状犠牲先端部は、前記一次ロッドの前記底部に溶接されている、請求項９に記載の方法。
前記中空の内部領域は、前記円筒状犠牲先端部の前記外径の５０％～８０％の範囲の内径を有する、請求項９に記載の方法。
前記円筒状犠牲先端部は、１０ｍｍ～６０ｍｍの長さを有する、請求項９に記載の方法。
前記円筒状犠牲先端部は、２０ｍｍ～５０ｍｍの長さを有する、請求項９に記載の方法。
前記円筒状犠牲先端部は、２５ｍｍ～３５ｍｍの長さを有する、請求項９に記載の方法。
前記炉の内部の最適化された位置で前記ガラスプリフォームを前記炉内に配置する前に、前記炉の中心の上部の高さで前記ガラスプリフォームを予備加熱することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
前記ガラスプリフォームを前記炉の外側で予備加熱することは、
低出力で前記炉を加熱する工程と、
第１の所定期間低力である前記炉の中心の上部の第１位置に前記ガラスプリフォームを配置する工程と、
前記炉の高い作動出力へと前記炉の出力を引き上げる工程と、
前記炉の中心の上部の最適化された吊り下げ位置へと前記ガラスプリフォームを前記炉内へ下げる工程と、
を含む、請求項１６に記載の方法。
前記最適化された吊り下げ位置へと前記ガラスプリフォームを前記炉内に下げる工程は、
前記第１位置から前記最適化された吊り下げ位置上部の第２位置へ、前記ガラスプリフォームを前記炉内に下げる工程と、
所定期間前記第２位置で前記ガラスプリフォームを保持する工程と、
前記第２位置から前記最適化された吊り下げ位置へ、前記ガラスプリフォームを前記炉内に下げる工程と、
を含む、請求項１７に記載の方法。
前記ガラスプリフォームの下端部に形成された前記滴は、前記延伸されていない一次ロッドからの材料ではなく、実質的には前記円筒状犠牲先端部からの材料のみを含む、請求項９に記載の方法。
前記延伸されていない一次ロッドは、１つ以上のオーバークラッド円筒で取り囲まれたコアロッドを有する、崩壊していない円筒内ロッドプリフォームアセンブリを含む、請求項９に記載の方法。
前記延伸されていない一次ロッドから引き下ろされて前記延伸されていない一次ロッドを延伸する前記滴は、前記コアロッドを引き寄せることなく前記外部クラッド層の外部を引き寄せることを含む、請求項９に記載の方法。
前記延伸された一次ロッドの有するクラッド対コア比は、前記延伸されていない一次ロッドの前記クラッド対コア比と実質的に同じである、請求項９に記載の方法。