JPH01239035A - 光ファイバの製造方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、比較的低い吸収損失を有する光ファイバーの
製造方法及びその装置に関する。

［従来技術の説明］ 光ファイバーを製造するに際し、別工程で製造されたガ
ラスプリフォームロッドは、垂直に吊られて、一定の速
度でもって炉の中に移動させられる。このプリフォーム
ロッドは炉の中でやわらかくなり、ブリフォームロンド
の溶けた端部から光ファイバが、引き抜きタワーのベー
スに設置されたキャブスティンにより引き出される。光
ファイバーの表面は、ひっかきによる損傷を受は易いの
で、引き抜きの後で、他の表面と接触する前に、光ファ
イバの表面をコートする必要かある。

光ファイバ最も重要なパラメータ１つは損失である。（
ｄＢ／Ｋｍ）単位で表わされる損失は、ガラス中におけ
る不純物の吸収あるいは光の散乱によって引き起こされ
る。光ファイバは、組成物のみならず不純物をも含んだ
ガラスから製造される。光学損失は、光ファイバを通過
する光の周波数の関数としてプロット出来る。ゲルマニ
ウムまたはリン、あるいはその両方をドープしたシリカ
ファイバの最小損失は約１．５５μｍの波長の所にある
。ドープされたシリカガラスを選択することは、赤外線
分子振動吸収と、レイリー散乱プラス紫外線吸収領域す
なわち「ティル」の間の「窓」領域に入るから有利であ
る。

レイリー散乱は、ファイバ材料内の密度と組成変動に起
因する。レイリー散乱されたエネルギーはクラッド内に
吸収され、反対方向に導かれる。

光ファイバの製造過程において望ましいのは、不純物の
吸収を０にまで減らして、レイリー散乱に起因する損失
のみとすることである。しかし、他の形態の散乱も存在
し、このような目的の達成の障害となる。光ファイバの
製造に際し発生する寸法上の変動は、光分散による損失
を引き起こし、ファイバコアのサイズの相違によって、
光フアイバコネクタまたはスプライスの質に影響をおよ
ぼす。

吸収か起こるのは、光子が十分なエネルギーを有して、
ガラス組成材料の電子を励起させる時である。純シリカ
のような透明材料においては、酸素イオンは電子に密着
しており、紫外線光子のみか吸収されるに十分なエネル
ギーを持っている。

しかし光ファイバー中のシリカは、ドーパントと遷移金
属不純物を有し、これらの電子はより低い光エネルギー
によって励起される。これらの構成材は、紫外線吸収を
より低い方にシフトさせ、可視及び近赤外線範囲で別の
吸収を引き起す。これらの不純物の存在に起因する損失
の程度は、その濃度に関係する。ある波長においては、
不純物の濃度が比較的小さくても、約１ｄＢ／Ｋｍもの
吸収損失を増加させる。

不純物吸収の問題以外に、水酸基（ＯＨ″″）イオンの
存在に起因する別の問題もある。このイオンの基本振動
は２．７μｍの波長で起き、しかし、０．９５と１．４
μｍでオーバートーン（倍増）し、前記の窓領域まで伸
びる。

ＩＰＰＭの濃度のＯＨ−は０．９５　μｍで、１６Ｂ／
Ｋｍ、１．４μｍで、５０ｄＢ／Ｋｍもの高い損失を引
き起す。明らかに重要なのは、いわゆる水ピーク（νａ
ｔｅｒ　ｐｅａｋ）をできるたけ減少することであり、
１．３μｍと１．５５　　μｍ近傍の伝送窓で最小損失
を達成することである。

低損失のシリカ含有（ｓｉｌｉｃａ−ｒｉｃｈ）ファイ
バは４塩化シリコン（Ｓ　ｉ　Ｃ１４）をプリカーサ材
料として用いて作られる。この材料は、遷移金属イオン
不純物を少ししか含まず、水酸基を有する化合物を含む
。ファイバ用ガラスは、５ｉＣ１４と酸素を反応させる
プロセスにより形成されるので、水素が存在すれば、Ｏ
Ｈ−が簡単に形成されてしまう。したがって、重要なこ
とは、水素含有量が低いプリカーサ材料を用いることの
みならず、同様な組成物か製造中に不純物としてプロセ
スの中に入り込み、沈澱するのを阻止することである。

光ファイバのｔＵ失はまた、プリフォームから光ファイ
バを引き抜く時の条件、例えば、引き抜き工程中のプリ
フォームの温度、ファイバが引き抜かれる時の温度にも
関係する。この最後の述べた２つの条件は引き抜き工程
中のファイバの張力にも関係する。光ファイバの引き抜
き工程中で、欠陥か発生し、欠陥の数は引き抜き条件（
これは損失の変化をひき起す）に依存する。しかし、こ
れらの欠陥は、光ファイバが形成されるプリフォームか
アルカリを含有していると、良性のものである。

アルカリの含有により、引き抜き工程中に生成した欠陥
か無害になるか、吸収損失に関する別の問題か、あるプ
リカーサチューブを使用することにより、発生する。す
なわち、このプリカーサチューブの組成が比較的低いレ
ベル即ち、１００から０、］ｐｐｍのアルカリ原子を含
む場合である。アルカリの存在に起因する長期間の水素
の影響は、そのような組成のプリカーサチューブから形
成されるプリフォームから引き抜かれる光ファイバの性
能に悪影響を及ぼすことが知れている。この問題が特に
顕著になるのは、プリフォームロッドがチューブで被覆
されて、引き抜き用のより大きなプリフォームを形成す
るような、いわゆるロッド・チューブプロセスを用いた
時である。通常のＭＣＶＤプロセスにおいて、アルカリ
を含有する基板チューブのプロセスの間、アルカリレベ
ルはいくらか低減される。今日コスト削減策として、非
常に人気のあるロッド・チューブプロセスにおいて、こ
のことは発生しないし、長期間の水素に関係する吸収損
失は増加する。

このような悪影響のために、実質的に無アルカリのプリ
カーサ石英チューブを用いる努力かなされてきた。しか
し、驚いたことに、過去に問題となっていた吸収損失は
無アルカリのプリカーサチューブを使用すると増加する
ことかわかった。

従来技術において、求められていたものは、引き抜き工
程に起因する吸収損失の低い光ファイバを製造する方法
とその装置である。この装置と方法は既存のそれらにな
じむものでなければならない。

（発明の概要） 従来技術の問題は本発明の方法と装置により解決される
。本発明に関る低吸収損失の光ファイバの製造方法は、
プリフォームを熱エネルギに晒される装置中にプリフォ
ームを移動するステップ、熱エネルギに晒しながら、プ
リフォームから光ファイバを引き抜くステップ、からな
る。そして、弓１き抜かれた光ファイバの吸収損失が低
くなるように、先ファイバの温度を低減するように制御
する。

好ましい実施例においては、従来技術において発生した
急激な温度変化を避けて、引き抜かれた光ファイバの温
度を徐々に減らす。これは引き出し炉の下流に回復チュ
ーブを付加し、あるいは引き抜かれたファイバを温度制
御されたガスに接触させて、あるいはその両方により実
現される。その結果、引き抜かれたファイバが晒される
周囲温度は制御され、大気温度になる前に、ファイバの
温度を徐々に下げる。

（実施例の説明） 第１１図に、光フアイバ製造装置２０が示されている。

これは特別に用意されたプリフォーム２２から光ファイ
バ２１を引き抜き、その後、光ファイバをコーティング
する。この光ファイバ２１はプリフォーム２２（典型的
には直径２２＋１１０で長さ７０ｃｍ）を局部的に、か
つ対称に、加熱（約２１００−２２００℃の範囲で）す
ることにより形成される。プリフォーム２２は引き抜き
炉２３の中に供給され、この溶けた材料から光ファイバ
２Ｉが引き抜かれる。

第１図から分るように、引き抜き装置には引き抜き炉２
３があり、プリフォーム２２は必要な光ファイバの径に
引き抜かれる。光ファイバ２１は加熱ゾーンから引きだ
される。光ファイバ２１の直径（引き抜き炉２３の直後
の点で測定装置２４により測定される）は制御システム
の入力になる。制御システム内で、このＡ１１Ｊ定され
た直径は所望の値と比較され、出力信号を発生して、光
ファイバの直径が所望の値になるように、そのスピード
を調整する。

光ファイバ２１の直径が測定された後、保護コーティン
グがコーティング装置２５により施される。

その後、被覆された光ファイバ２１がセンタゲージ２６
、コーティング材料処理用の紫外線（ＵＶ）装置２７、
コートされたファイバの外径を測定する測定装置２８、
を通過した後、キャブスティン２９を通過して、スプー
ル３０に巻き取られ、テストされ、保管された後で、使
用または販売される。光フアイバ本体の高強度を維持す
ることは、光ファイバのリボン化、ジャケット化、結合
化、ケーブル化に際して、および、使用されている間に
亘って重要である。

光ファイバか引き抜き炉の中を移動する際に、このアイ
バは熱と引張力を受ける。その結果、ガラス網の中のあ
る結合（ｂｏｎｄ）は分解され、転位される（ｒｅａｒ
ｒａｎｇｅ）。また、別の種類の欠陥が発生し、赤外線
と紫外線の吸収損失の原因になる。後述するように、こ
れらの結合は本発明の方法と装置を用いて転位すること
がわかる。

現在使用されているプリカーサチューブに存在すると知
られているナトリュムやリチウムなどのアルカリか活動
し、分解された結合が転位する前に、消失させる。これ
らの元素は高温度で活性なので、約２２００℃の引き抜
き工程の間、それらはプリカーサチューブから光フアイ
バコア内に拡散する。従来のプリカーサチューブが無ア
ルカリでない場合、アルカリイオンは光フアイバコア内
に拡散し、分解された結合を転位させ、引き抜き工程中
に形成された欠陥構成を変化させる。その結果、活性な
吸収箇所の数が減少する。しかし、光フアイバ中のアル
カリイオンの存在は水素感受性を増加させ、少量の水素
が存在しただけでも、受けいれがたい高損失の原因にな
る。水素分子はケーブルまたは周囲環境からファイバ内
に拡散し、アルカリイオンと反応し、これら損失の原因
となる永久ＯＨ−基を形成する場所を消失させる。これ
は長波長赤外線（ＩＲ）吸収損失になる。いいかえれば
、破壊された結合が、引き抜き工程中で発生し、長期間
の水素によってもたらせる吸収損失になり、この損失は
光フアイバ内に存在する初期のアルカリレベルに関係す
る。

この長期の水素影響をなくすために、無アルカリのプリ
カーサチューブが用いられている。これは長期の水素影
響の問題を解決するが、引き抜き工程中に分解された結
合を占有するアルカリイオンは、存在しない。そして、
その結果、吸収損失が増大することがわかった。プリフ
ォームから光ファイバーを引き抜く間の高い温度に起因
する分解結合は、吸収損失の原因となる。これらは、損
失に関係する欠陥と呼ぶ。無アルカリチューブ内での増
加した損失は、引き抜かれたファイバが引き抜き炉から
周囲雰囲気に移動する際に遭遇する熱的ショックによっ
て引き起こされることはあきらかである。この熱的ショ
ックは、欠陥を凍結し、引き抜き炉の高温によってもた
らされる条件からの回復を不可能としてしまう。

これらの問題を解決するために、引き抜かれたファイバ
は、炉内の高温から回復しなければならない。これがな
されるならば、欠陥発生プロセスは押えられ、炉内の通
過時間の間分解された結合は転位される。

ガラス網回復は、既存の引き抜きラインのフレームワー
ク内で達成できる。比較的安価な変更でもって、第１図
に示した実施例において、引き抜き炉２３には回復室３
１が炉２３の出口に接続される形で接地される。炉２３
と回復室３■との間にシールが施されて、非制御の周囲
空気が炉に隣接する回復室３１内に入るのを阻止してい
る。引き抜き炉２３と回復室３１の接合部に周囲空気が
入り込むと、欠陥箇所の凍結になり、回復室３１の長さ
方向に走るファイバが回復する機会がなくなる。第１図
には回復室３１が引き抜き炉２３の出口に配置されてい
るが、離れていてもかまわない。

第１図、第２図かられかるように、ちっ素あるいはヘリ
ウムのような適当なガスが炉の出口と入口に夫々隣接し
て配置されたマニホールド３３　、３４を介して炉２３
中に流入する。下流に流れるガスの一部は、光ファイバ
の温度の低下を制御するのに役たち、引き抜き炉２３に
隣接した回復室３１を通って動くにつれてさらにグラフ
ァイトの炉が用いられるならば、ヘリウムのような適切
なガスはマニホールドを通して炉の中に流れ込む。

回復室３１の長さは、引き抜き光ファイバが炉内あるい
は周囲の中間温度にさらされる時間に依存する。したが
って回復室３１の長さは、引き抜き塔の高さに依存し、
引き抜きスピードに依存する。

ラインスピードが２ｍ／秒で、回復室３１が４５ｃｍの
長さの典型的な例では、アルミ材料で製造してもよい。

さらに、回復室３１が加熱され、ガスは加熱され、適当
な温度に上昇したガスは回復室３１の上流または下流あ
るいはその両方に流れ込み、回復ゾーンの温度プロフィ
ールを制御する。

重要な事は、引き抜かれたファイバーの温度低下を制御
し、急激な変化を避けることである。第２図かられかる
ように、引き抜き炉２３を出た直後のファイバがさらさ
れる温度プロフィール３５は、序々に変化している。引
き抜き炉２３の中の温度プロフィール３７によって示さ
れる高温の後は、その温度プロフィールは３９で示され
、炉内の高温から室温に近い温度（以下、周囲温度と称
する）まで徐々に減少する。これにより、欠陥を回復す
る回復ゾーンが提供できる。第２図の温度プロフィール
から明らかなように、炉の下流に隣接する回復室３１の
温度は約２００℃である。

第２図に示された他の温度プロフィール３８はプリフォ
ームロッドから引き抜かれた時間から、それが回復室３
１をでるまでの引き抜かれた光ファイバの仮定温度を示
す。ロッドからファイバを引き抜く点の温度はおよそ炉
内温度に等しく、すなわち２２００℃で、回復室３１を
でたファイバの温度も測定される。第２図において、縦
軸は、長さと、時間スケール（２ｍ／秒のラインスピー
ドでファイバか回復室をでるまでの時間）を表す。

他の温度プロフィールは光ファイバか引き抜かれた後の
温度全体にわたる制御に依存して発生する。例えば、ガ
スの流速（マニホールド３３または３４に、あるいはそ
の両方に導入される）は、丸みに合うように、あるいは
温度プロフィール３７の変化に会うように制御される。

第３，４図において、１３１０ｎｍと１５５０ｎ　ｍに
おける損失と水ピーク損失の増加とのグラフが示されて
いる。これらのグラフから分かるように、水ピーク損失
か大きいと、損失も大きい。

本発明の方法と装置は長波長と短波長の両方において損
失を減少させる。これらのグラフから分かるように、従
来装置で引き抜かれた光ファイバの吸収損失は、引き抜
き工程後の光ファイバの温度を制御する手段を含む装置
で引き抜かれたそれよりははるかに大きい。１５５０ｎ
　ｍにおける差異は、通常の水ピーク損失か増加するに
つれて、損失差異か顕著に増加する。第３図において、
１３１０ｎｍにおける損失は点線４１で示され、１３９
０ｎｍにおける水ピーク損失に亘り、はぼ直線である。

回復室３１付の炉にとって損失は実線４３で示される。

これらかられかるように、水ピーク損失か高いほど１３
１０ｎｍにおける損失は高くなる。この波長において損
失に関係する欠陥（横軸に対応する縦軸の差異）は、水
ピーク損失全体に亘りほぼ一定である。

第４図において、１５５０ｎｍにおける損失は水ピーク
損失１３９０ｎｍの範囲にわたってプロットされている
。この関係は破線４５で示されている。第４図のグラフ
にプロットされているのは回復室３１付の引き抜き装置
における二つの変数の点であり、引き抜き後の温度制御
を提供する。これらの条件下における関係は実線４７で
示されている。１３１０　ｎｍの短波長における損失に
関係する欠陥とは別に、１５５０ｎｍにおける損失に関
係する欠陥は水ピーク損失に比例し、水ピーク損失の増
加とともに増加する。

長波長において、損失はＯＨ−イオンの濃度に関係する
。最初は、プリカーサチューブに自由な水素はない。し
かし高温では、（引き抜き炉で経験するように）ＯＨ−
結合は分解し、いくらかの水素を形成する。引き抜き工
程の間、水素は、光フアイバ内に拡散する。分解した結
合は、転位され、長波長で損失を発生させる。こ損失の
一部は、低波長におけるそれであり、水素の存否には無
関係である。

第５図に示されたものは、単一モード光ファイバのスペ
クトラム損失カーブ５０である。この図から分かるのは
、このカーブには、レイレー散乱損失（５２、これが最
も支配的であり）と、紫外線吸収に起因する損失（５４
）と分子振動吸収損失（５Ｂ）が含まれる。

さらに、短波長損失Ｓ（λ）と長波長損失しくλ）とが
あり、光ファイバの引き抜き工程中に発生する損失に関
係する。これらの値は、引き抜き温度制御なしで発生し
たものである。５０として示されるカーブは全損失を表
す。

本発明の方法と装置により、引き抜かれる光ファイバの
スペクトラム損失カーブの全損失量は、従来装置の温度
制御なしに引きぬかれた光ファイバのそれよりもすくな
い。これは、超波長と短波長損失に起因する。

過去、当業者は、これらの引き抜きは、Ｓ（λ）とＬ（
λ）として示される欠陥損失に関係することを認識して
いなかった。理論的には、こられの損失は、以下の文献
に記載されている。

Ｌｉｇｈｔｇｕｉｄ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　　Ｉｔｓ
　　Ｉｎｐｌｉｃａｔｊｏｎｓ　　Ｉｎ　Ｍａｎｕｆａ
ｃｔｕｒｉｎｇ　（Ｗｅｓｔｅｒｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ
　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ　１９８０冬発行） これらにはスペクトラム損失カーブのＵＶとＩＲのテイ
ルが含まれる。しかし、実験してみると、理論的なカー
ブより高い損失が発生することが判った。

アルカリ含有プリカーサチューブでは、このような影響
は低減される。しかし、上記したように、アルカリ含有
チューブは、かなりの長期間の悪影響を有している。無
アルカリチューブでは、これらの損失はより顕著である
。本発明の方法と装置によれば、無アルカリプリカーサ
チューブを上記した不都合なしに使うことができる。本
発明の方法と装置は、プリカーサチューブを用いて作ら
れたプリフォームを例に記載されている。チューブを使
用しない他の方法により製造されたプリフォームも、こ
こに記載した問題に直面し、そして本発明の方法と装置
を用いることによって、それらは解決されるであろう。

以上述べたことは本発明の単なる一実施例にすぎない。

当業者は他の構成を考えられうるが、それらは本発明の
精神と範囲に入るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光ファイバの製造ラインの透視
図で、 第２図は、第１図の部分拡大図と、引き抜き回復期間の
明光ファイバが進む媒体の温度プロフィールで、 第３図と第４図は、単一モードファイバの１３１０ｎｍ
と１５５０ｎｍにおける損失対水ピーク損失とのグラフ
、 第５図は、紫外線と赤外線吸収損失対波長のグラフであ
る。 出　願　人：アメリカン　テレフォン　アンドテレグラ
フ　カムパニ−

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）プリフォームを熱処理して、該プリフォームから
   光ファイバを引き抜いて、低吸収損失の光ファイバを製
   造する光ファイバの製造方法において、 引き抜かれた光ファイバの吸収損失が低くなるような温
   度プロフィールで光ファイバを熱処理することを特徴と
   する光ファイバの製造方法。
2. （２）引き抜かれた光ファイバを、周辺空気に晒す前に
   、温度制御された環境に通過させることを特徴とする請
   求項１記載の方法。
3. （３）所定温度のガスを引き抜かれた光ファイバに接触
   させることにより、温度を低減することを特徴とする請
   求項１記載の方法。
4. （４）引き抜かれた光ファイバを周囲温度にさらす前に
   、管状回復装置に通過させることを特徴とする請求項１
   記載の方法。
5. （５）適当なガスを、光ファイバが移動する方向と同方
   向に、前記管状回復装置内に流すことを特徴とする請求
   項４記載の方法。
6. （６）ガラス状プリフォームの温度を光ファイバが引き
   抜かれるような温度まで上昇させる加熱手段、 ガラス状プリフォームを連続的に前記加熱手段内に進め
   る移動手段、 前記加熱手段から取り出して、プリフォームから光ファ
   イバーを引き抜く手段と からなる低損失の光ファイバー製造装置において、加熱
   手段の出口に隣接するゾーンの温度が周囲温度に十分近
   くなるように、減少させて、光ファイバーの急激な温度
   変化を阻止することを特徴とする光ファイバの製造装置
   。
7. （７）光ファイバーがさらされる温度を減少させる温度
   減少手段は、加熱手段の出口に隣接する同軸上の管状部
   材であることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. （８）管状部材は、周囲空気が管状部材と加熱手段の結
   合部に入るのを阻止するように、加熱手段に結合されて
   いることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. （９）プリフォームから光ファイバが引き抜かれる方向
   と逆の方向に、前記管状部材内を所定温度のガスが流れ
   ることを特徴とする請求項７記載の装置。