JPH02267140A - 光ファイバの製造方法 - 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］ 本発明は光ファイバの製造方法に関する。更に詳細には
、本発明は光ファイバの製造中における薄い炭素質被膜
の測定および制御方法に関する。

［従来の技術］ 主に光通信システムにおける用途のために、光ファイバ
の製造は重要な研究開発課題である。光ファイバは一般
的に、部分的に溶融されたガラス母材から薄いガラスス
トランドまたはファイバを線引きし、その後、ポリン−
を塗布してその構造強度を高めることからなる、連続的
な工程により製造される。米国特許第４４５０３３３Ｓ
″；明細占には、ガラスを加熱しファイバを線引き可能
な状態にするのに使用できるタイプの炉が詳細に開示さ
れている。

現に製造されているような光ファイバは依然として、金
属導体よりも遥かに脆い。また、光ファイバは水素汚染
により光伝送損失が増大する。光ファイバを水中ケーブ
ルの部品として使用する場合、前記のような水素汚染は
重大な問題となる。

なぜなら、水またはＯＨ基の侵入によりガラス（二酸化
ケイ素）光ファイバと望ましくない反応を起こし、また
、水中のような環境中ではファイバの交換または修理は
比較的不便であり、しかも、費用がかかるからである。

１９８７年９月１８　Ｆ−１に出願された継続米国特許
出願第０９８２５３壮明細書には、光ファイバに炭素薄
膜を塗布することにより光ファイバを密封する方法が開
示されている。炉から線引きされた熱い状態のファイバ
を例えば、アセチレンまたはその他のガスの雰囲気に暴
露することによりファイバを被覆する。これにより、ガ
ラスファイバを水素汚染から効果的に保護する特に仏頼
性の高い形の炭素質被膜が形成される。特に、前記継続
特許出願明細書に記載された方法によれば、被膜は架橋
された炭素網状構造を形成する。この網状構造はファイ
バの強度を高めるばかりか、保護する機能も有する。

継続米国特許出願第０９８２５３号明細書に開示された
方法を使用する場合の−・っの問題は、製造中にファイ
バをモニタし、適正な厚さの炭素液の厚さをモニタする
通常の機械的方法は使用できない。現在、被膜厚さは光
ファイバのサンプルに沿って電気伝導度を測定すること
により決定されている。光ファイバおよびポリマー被膜
の両力とも非導電性なので、サンプルの長さに沿った電
気伝導度は炭素膜厚の関数である。この方法は製造中の
ファイバからファイバサンプルを採取しなければならな
いので、−・船釣に、破壊的試験方法である。

［発明が解決しようとする課題］ 従って、本発明の目的は、光フアイバ上の炭素被膜の厚
さを簡単かつ正確に測定する方法、好ましくは、光ファ
イバを破壊することなく光ファイバ」二の炭素被膜の厚
さを筒中かつ正確に測定する方法を提供することである
。

本発明の別の目的は、連続的な製造工程中に被膜の膜厚
を調整し、膜厚を制限範囲内に確実に維持するように、
製造中に測定データをフィードバックするような測定方
法を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 一 炭素被膜を有する光ファイバに適当なレーザビームを照
射すると、前方散乱したレーザ光のエネルギーは炭素被
膜の厚さに単調に反比例することが発見された。この発
見により、ファイバの製造中に被膜の厚さを測定し、そ
して、この測定データを用いて、被膜が塗布される際に
被膜の厚さを変更することができる。前方散乱モードの
エネルギーは、スクリーンでレーザ光を遮り、スクリー
ンにＴＶカメラを向け、そして、非散乱レーザビームの
光を消した後、受光強度を測定することにより、容易に
モニタすることができる。更に、この測定は、ポリマー
被膜の同心性を測定する目的のために既に実装されてい
る装置を使用することにより行うこともできる。

［実施例］ 以下、図面を参照しながら本発明を更に詳細に説明する
。

第１図を参照する。第１図は本発明の代表的実施例によ
る光ファイバの製造用装置の模式的ブロック図である。

装置で使用される線引き塔は一般的に、炉１１を含む。

この炉１１にはガラス母材（図示されていない）が供給
され、そして、この炉１１から光ファイバが線引きされ
る。この炉は例えば、米国時１１′１第４４５０３３３
号明細書に開示されているような一般的なタイプのもの
であることができる。この炉は２３００℃程度の温度を
発生することができ、母材を部分的に溶融し、そして、
ガラスファイバ１２（−船釣に、直径１２５ミクロン）
を、例えば、２〜１０ｍ／秒の速度で溶融母材から線引
きすることができる。

前記の継続米国特許出願第０９８２５３号明細書に開示
されているように、加熱ファイバをその後、炭素塗布チ
ャンバ１３に移動させ、そこで炭素含有ガスに接触させ
る。例えば、供給源１４からアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を
、供給源１５からの窒素と共に、塗布チャンバ１３に供
給する。継続米国特許出願第０９８２５３号明細書に開
示されているように、塗布工程の目的は光ファイバに炭
素を被着させることである。この炭素はガラスファイバ
１２のシリコン原子と化学的に結合し、そして、不飽和
結合ををする架橋された炭素網状構〜０．１ミクロン）
の厚さまで光ファイバＬに塗布されるように調節するこ
とが好ましい。代表的なアセチレン流量は３．５Ｊ／分
であり、窒素の流量は２λ／分である。

炭素を塗布した後、ファイバ１２をポリン−塗布装置１
７に移動させる。この塗布装置において、ファイバにア
クリレート系のＵＶ硬化型被膜のようなポリマーを公知
の方法で塗布する。ポリマー被膜を有するファイバの直
径は例えば、２５０ミクロンである。その後、このファ
イバをポリマー硬化装置１９に移動させ、ここで、ファ
イバ１２上の被膜を硬化させるのに適当な出力を有する
紫外線ランプに暴露させる。

本発明によれば、ポリマー被膜の硬化前、または硬化後
に、レーザ２０からのビームを光ファイバ１２に横方向
から照射し、そして、前方散乱レーザ光を光検出器２１
で検出する。この光検出器は複数の光検出器列からなる
こともできる。下記に詳細に説明するように、前方散乱
レーザ光のエネルギーは炭素被膜の厚さに９調に反比例
することが発見された。検出器は散乱レーザ光だけを検
出するために、非散乱直接入射光をマスクすることもで
きる。従って、検出器の出力をコンピュータ２２に導入
し、塗布チャンバ１３へのアセチレンの流量を制御する
バルブ２４を動作させるための適当な信号を発生する。

このコンピュータは、被膜が薄過ぎることを示す前方散
乱光強度に対応してアセチレンの流量を増大するように
プログラムされている。同様に、光強度が被膜が厚過ぎ
ることを示す場合、コンピュータ信号はバルブを駆動し
、アセチレンの流量を低下させる。言うまでもなく、被
膜厚さに対する検出光強度の単調な反比例関係はコンピ
ュータプログラムの・部分を構成する。図示されたブロ
ック図では、発生された電気信号を用いて流量を制御す
るように示されているが、電気信号は厚さの直接測定に
使用し、そして、その情報を用いてガス流量を制御する
ことも当然できる。

第２図〜第４図は本発明の原理を理解する助けにするた
めに開示されている。第２図において、光ファイバ１２
′　（ファイバの中心軸に対して横断面が示されている
）は内側のシリカ部分２６、外側のポリマ一部分２７お
よびシリカ部分とポリマ一部分との間の炭素被膜２８か
らなる。線２９は光ファイバの軸を含む中心線である。

中心線２９と平行で、中心線から距離χだけ離れている
ペンシル光線３０について検討してみる。この光線はポ
リマー、炭素およびシリカ成分による反射のために散乱
され、そして、中心線２９に対して散乱角θで光ファイ
バを出る。

第３図を参照する。図示されているように、光がガラス
ファイバを横方向に通過する場合、散乱角０は、成る最
大角ｏｎに達するまで、距離χにつれて増大する。距離
χが更に大きくなると、角度Ｏは図示されているように
低下する。中心線よりも下になる距離χの負の値につい
ても同様な結果となり、負の角度Ｏが形成される。第４
図は角度Ｏに対する前方散乱光強度の関係を示す特性図
である。縦座標３２は角度０かゼロのときのポイントを
示し、座標軸３３および３４は＋ＯｎとＯｎの値をそれ
ぞれ７Ｊ＜す。

曲線３６は第２図に示されたような炭素被膜２８を自し
ない光ファイバにおける、角度０に対する光強度の代表
的な分４Ｊ曲線を示す。曲線３２の周囲には、最大光強
度が＋Ｏｎと−Ｏｎのところに対称的に現れる。全ての
角度における光強度は比較的に高い。第２図において、
無限に小さな直径を有するレーザ光線３０ではなく、そ
の厚さ全体を通して均一な強度を有し、かつ、被覆光フ
ァイバ１２゛の厚さと大体同じ厚さを有する平行化光束
を４慮すれば、炭素被膜が無く、そして、ポリマー被覆
２７がシリカ部分２６と同心である場合、総分布前方散
乱光は曲線３６に・致するであろう。旨゛うまでもなく
、直線３２は散乱角がゼロの箇所を示す。これは、第２
図の中心線２９に対応する。図示されているように、シ
リカ部分２６に対してポリマー被覆が同心状でない場合
、図示されている中心線３２に対して、直線３３および
３４により示される最大強度部分は非対称である。

デイー拳エイチ拳スミスゴール（Ｄ、Ｈ，Ｓｍｊｔｈｇ
ａｌｌ）およびアール・イー・フレイジー（Ｒ、Ｅ　、
Ｆｒａｚｅｅ　）がベルシステムテクニカルジャーナル
（Ｂｅｌｌ　ＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｊｏｕ
ｒｎａｌ）　、第６０巻、第９　Ｓ７　（１９８１年１
１月発行）、２０６５〜２０８０頁に開示した「ファイ
バー被覆同心性の高速測定および制御」と題する論文中
に説明されているように、この現象を利用して、ポリマ
ー被覆の同心性欠如を検出し、そして、自動的に補正す
ることができる。

しかし、本発明の目的にとっては、総エネルギーよりも
、前方散乱モードに注目すべきである。

これは、曲線３６よりも下の部分に対して比例的である
と見做される。前記のように、前方散乱レーザ光のエネ
ルギーは炭素被膜２８の厚さに１１調に反比例すること
が認められた。例えば、所定の厚さの炭素被膜２８が塗
布された場合、曲線３６は、例えば曲線３６Ａにより示
される相対的位置にまで低ドする。炭素被膜の厚さが更
に増大すると、前方散乱光の総強度は更に減少し、曲線
３６は、曲線３６Ｂにより示されるような位置にまで低
下するであろう。第１図の装置において、この現象を利
用し、光ファイバ２　ＯＬの炭素被膜の厚さを自動的に
制御することができる。第４図は非散乱レーザ光の強度
を示していないが、これを第４図に含めた場合、これは
レーザビームの厚さに関連した厚さを有する直線３２の
周囲に集中する強度スパイクとして現れるであろう。ま
た、本明細書で使用されているように、前方散乱光は、
ファイバによりその伝搬方向から反射されたか、さもな
ければ、屈折され、そして、光源と反対側のファイバの
側面」−二の反射面に衝突する平行光束からの全ての光
を意味する。

本発明の別の利点は、炭素被膜の厚さを、前記のスミス
ゴールらの文献中に記載されているような、ポリマー被
覆の同心性の測定に使用されるものと同じ装置により測
定できるこ七である。このような装置の光学系の配置構
成を第５図に示す。

レーザ３７（例えば、出力１ｍＷのヘリウム−ネオンレ
ーザ）からのレーザ光は成分３８と成分３９の二成分に
分割され、各々反射されてファイバ１２の中心軸の所で
交差する。ファイバから約４ｃｍの所に視検スクリーン
４１および４２が配置されている。スクリーンは、高コ
ントラストバックグラウンドを＋５−え、かつ、散乱パ
ターンを部分的に散乱させ、屈折および反則光線の干渉
に対応する微細構造を除いた、ホワイトボンドペーパー
を使用できる。ガラス繊維の直径は例えば、１２５ミク
ロンであり、被覆されたときの直径は例えば、２５０ミ
クロンであり、そして、レーザビームの直径は８００ミ
クロンである。スクリーン」二で「１視されるような散
乱パターンは、極めて明るい中心スポットの何方かの側
に明るいバーとして出現する。中心スポットは非散乱光
を示し、そして、２本の明るいバーは第４図に示される
ような最大強度を示す。

スクリーン４２上の散乱パターンは専用テレビカメラ４
３により見られ、そして、スクリーン４■＋、のパター
ンはテレビカメラ４４で見られる。

カメラは０．６３３ミクロンの干渉フィルタを通してス
クリーンを見る。このフィルタを通すことにより、散乱
パターンだけが観察される。散乱パターンが多数の垂直
走査線により交差されるようにカメラを取り付ける（第
４図に示されるように、中心線の回りの強度パターンの
対称性が水平方向を確定するものと恣意的に見做される
）。従って、各走査線に沿って、パターンの強度を一度
サンプリングする。カメラの出力からこの情報を導出す
ることにより、散乱パターンを再構成させ、第４図に示
されるような強度分布を得ることができる。

更に、パターン中の重要な特徴部分の位置は、特徴部分
間のサンプルの数または走査線の本数を計数することに
より決定できる。カメラの全視野について、角度的に不
整合なカメラまたは光ファイバから生じる散乱パターン
中の偏向に対して検出器は反応しない。

レーザ光を被覆ファイバに整合させるために、回転可能
な立方体４５および４６（各々、小さなサーボモータの
シャフトに取付られている）が各光通路内に配置されて
いる。立方体と視検スクリーンとの間の開］−１は立方
体の角部からの疑似散乱効果を除去する。

各カメラ４３および４４からの出力は全く同じに処理さ
れる。第６図は２台のカメラのうちの一力の出力の処理
過程を示す機能的なブロック図である。複合ビデオ信号
はビデオセパレーター４９および同期化セパレーター５
０によりビデオ成分と同期化成分に分離される。信号の
ビデオ部分は−１つの別々の積分器回路５２および５３
に伝達される。積分器５３は一方の完全な垂直フィール
ド中に含まれる全てのビデオパルスの果合値を合計する
。従って、積分器５３の出力電圧は前方散乱パターン中
に含まれている総エネルギーに比例する。この４５号は
アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を通してコンピュ
ータに伝達される。第２の積分器５２は各垂直走査線中
に含まれる信号レベルを合計する。ライン同期化パルス
により制御され、包絡線の直列化有蓋車表示（ｓｅｒｉ
ａｌｉｚｅｄ　ｂｏｘｃａｒ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔ
ｉｏｎ）を生成する出力信号は高速Ａ／Ｄ変換器５５に
伝達される。この変換器は各走査線レベルを８ピントの
バイナリ−データに変換する。この変換４５号はコンピ
ュータに伝達される。ビデオ走査線は約６３マイクロ秒
の走査速度に設定されている。

前記のスミスゴールらの論文中に記載されているように
、コンピュータはこのデータから、ポリマー被覆に対す
るファイバの偏心率を変化させるための信号を発生する
ことができる。同様に、コンピュータは第１図のバルブ
２４を制御するためにも使用される。これには、例えば
、前記のように検出光強度に単調に反比例するバルブ２
４を制御するセレノイドを動作させるために、−船釣に
、コンピュータの１１１力信吋をデジタル信号からアナ
ログ信号に変換しなければならない。被膜の厚さを検出
するために直角に二本のレーザビームを使用することは
、甲に一本のビームを使用するよりも好ましい。二本の
レーザビームのほうが不均一・な被膜を検出するのに好
都合に使用できるからてある。コンピュータは双方のビ
デオ出力の合ｄ１に基づく信号を発生する。この信号は
単一のビデオ出力による被膜厚さの表示よりも、所定の
サンプルの全周囲の被膜厚さを一層正確に表示する。

光強度を検出するためのテレビカメラの使用について詳
細に説明してきたが、光検出器の一層直接的な使用も当
然１−ＩＪ能である。、ｊうまでもなく、光検出器は光
強度に比例する電気信号を木質的に発生し、そして、電
気インバーターがこの信りを光強度に反比例する信号に
変換する。本発明者らが発見した単調反比例性は必ずし
も直線的な比例性を必要としない。また、第１図におけ
るアセチレンの流量は必ずしも塗布速度に対して直線的
に比例する必要はない。ファイバ温度、塗布チャンバの
形状、線引き速度などのようなその他の関連パラメータ
は被膜厚さに悪影響を及ぼすことができるので、発生電
気信号と被膜厚さとの間の機能的関係は考慮中の各方法
について経験的に導き出すことが好ましい。これは、発
生電気信号により電気的に測定された各種の被膜厚さを
比較することにより行うことができる。別法として、関
連的な関係は数学的に導き出すこともできる。

レーザは平行光束を形成するための最も実用的な装置で
あるが、ｊ３；ミ則的に、その他の装置も代わりに使用
できる。炭素被膜の厚さの変化に対して層敏感な総集積
強度を得るために、非散乱レーザビームを分離除去する
ことか望ましい。一方、大抵のレーザビーム中の光強度
のガウス分布のために、ビームがファイバに集中された
場合、光強度の大部分は、ビームの厚さが炭素被膜の直
径よりも著しく人きかったとしても、炭素被膜中を透過
してしまう。このことは、検出光の大部分は、非散乱光
部分が分離除去されていないとしても、前方散乱光であ
る。当業者ならば、本発明にもとることなく、その他の
変更あるいは実施例を構成することは可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による光フアイバ製造装置の
模式的ブロック図である。 第２図は本発明の特定の用途を例証する光ファイバの一
部を通過するレーザ光線の模式図である。 第３図はファイバの中心線からの第２図のレーザ光線の
距離χに対する第２図の散乱角０の関係をボす特性図で
ある。 第４図は角度０に対する光ファイバを横方向に通過する
光の強度を示す特性図である。 第５図は本発明の・実施例による前方散乱光の検出装置
の模式的ブロック図である。 第６図は、第５図の装置からのビデオ信号を、第１図の
装置におけるガス流量を制御する信号に変換するための
装置の模式的ブロック図である。 出願人：アメリカン　テレフォン　アンドテレグラフ　
カムパニー ＦＩＧ。 角雇θ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）加熱ガラス母材からガラスファイバを線引きし、
   このファイバを塗布チャンバに導入し、ファイバを塗布
   チャンバ中で炭素含有ガス化合物に暴露し、これにより
   ガラスファイバに炭素質被膜を１０００Å以下の厚さに
   まで塗布し、その後、このガラスファイバにポリマー被
   膜を塗布することからなる光ファイバの製造方法であっ
   て、 ファイバにポリマーを塗布した後、ファイバにレーザビ
   ームを照射して光ファイバにビームを衝突させることに
   より、前方散乱光パターンを発生し； 前記パターンの強度を用いて炭素質被膜の厚さの関数で
   ある信号を発生し；そして、 この信号を用いて塗布チャンバ中で炭素質被膜の厚さを
   制御することを特徴とする光ファイバの製造方法。
2. （２）ファイバを塗布チャンバに導入しつつ、ファイバ
   を炭素含有ガスに接触させることにより塗布を行い、フ
   ァイバ上に炭素質被膜を生成させることを特徴とする請
   求項１記載の光ファイバの製造方法。
3. （３）信号を用いて塗布チャンバへのガスの流量を制御
   することを特徴とする請求項２記載の光ファイバの製造
   方法。
4. （４）ガスはアセチレンを含有することを特徴とする請
   求項３記載の光ファイバの製造方法。
5. （５）未塗布ガラスファイバの直径は約１２５μｍであ
   り、ポリマー被膜の外径は約２５０μｍであることを特
   徴とする請求項３記載の光ファイバの製造方法。
6. （６）前方散乱光の通路中にスクリーンを挿入し、該ス
   クリーンにテレビカメラを向けることにより前方散乱光
   の強度を検出し、そして、信号は、前方散乱光強度の関
   数であるテレビカメラの第１の電気出力信号であり、該
   強度は炭素質被膜の厚さに単調に反比例することを特徴
   とする請求項３記載の光ファイバの製造方法。
7. （７）テレビカメラの第１の電気出力信号をコンピュー
   タに導入して第２の電気信号を発生し、そして、塗布チ
   ャンバ中における炭素含有ガスの流量を制御する値を第
   ２の電気信号で制御することを特徴とする請求項６記載
   の光ファイバの製造方法。
8. （８）レーザビームを２成分に分割し、これを互いに直
   角に光ファイバに照射し； 各スクリーンが２つのレーザビーム成分のうちの１つか
   らの前方散乱光を遮るように２枚のスクリーンを配置す
   ることにより各レーザビームからの前方散乱光を検出し
   ； ２台のテレビカメラを使用し、２枚のスクリーン上の強
   度を示す第３の電気信号を発生し；第３の電気信号を合
   わせ、被膜の厚さの関数である前記信号を生成すること
   を特徴とする請求項３記載の光ファイバの製造方法。