KR20130117654A - 감소된 압력에서 광 섬유를 만드는 방법 - Google Patents

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제임스 헨리 팔러
안드레이 브이. 필리포브
로버트 씨. 무르
브루스 더불유. 레딩
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

광 섬유 생산 시스템 및 그 방법이 광 섬유 제조를 위해 제공된다. 광 섬유가 노에 있는 프리포옴으로부터 인발되고 0.01 atm 내지 0.80 atm 범위의 감소된 압력 하에서 처리 장치를 통과한다. 처리 장치는 베어 광 섬유를 냉각함에 따라 적어도 1,600℃ 내지 1,300℃ 범위의 온도로 냉각된다. 비-접촉 섬유 센터링 장치가 처리 장치의 출구 근처에 위치되어 광 섬유가 처리 장치를 빠져 나옴으로서 센터가 맞춰진다.

Description

감소된 압력에서 광 섬유를 만드는 방법{Method for Producing Optical Fiber at Reduced Pressure}
본 발명은 전반적으로 광 섬유를 성형하는 방법 및 그 기기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광 섬유를 성형 및 냉각하기 위한 광 섬유 생산 방법에 관한 것이다.
광 섬유를 만들기 위한 종래의 제조 공정은 전형적으로 인발 노에서의 광 섬유 프리포옴(preform)으로부터 광 섬유를 인발하는 단계, 인발된 섬유를 냉각하는 단계, 및 상기 섬유가 충분하게 냉각된 이후에 상기 섬유를 코팅하는 단계를 포함한다. 광 섬유는 대략 2,000℃의 온도로 노에서 전형적으로 인발되고 그 열은 복사에 의해 대부분 프리포옴으로 전달되지만, 상기 노에서의 가스의 유동은, 자연 대류 및 블랜켓팅(blanketing)으로부터의 강제 유동의 결과, 유리 온도에 또한 영향을 미칠 수 있다. 대류 열 전달의 상대 분포는 광 섬유 프리포옴 루트(root) 및 그 아래의 구역, 섬유 성형 구역의 하부에서 중요하고, 상기 구역에서 복사 열 전달이 섬유의 작은 직경 때문에 무시할만 하다.
강제 및 자유 대류로부터 초래되는, 노에서의 가스 유동은 전형적으로 대류 셀을 만들고, 그리고 이들 셀은 온도 구배와 가스 밀도의 특정 조건 하에서 안정적이지 못할 수 있다. 이러한 불안정한 움직임은 섬유 클래드(clad) 직경이 상당히 변할 수 있는 섬유 성형 구역에서의 충분한 열 전달에 영향을 미치며, 이는 일반적으로 바람직하지 않다. 이러한 효과를 상쇄하기 위하여, 헬륨이 노에서 가스로 사용될 수 있다. 헬륨은 대류 셀의 강도와 상기 셀을 가로지른 온도 차이를 감소시킨다. 이러한 구성은 전형적으로 섬유 직경 제어를 향상시키지만, 고가의 헬륨이 소비되어야 한다는 단점이 있다. 부가적으로, 노에서 사용된 고 온도는 결함, 즉 전형적으로 섬유의 코어에서의 밀도 변동을 잠재적으로 만들 수 있고, 이들 밀도 변동은 열 평형(예를 들면, 볼츠만(Boltzmann) 분포)에 따라 분포된다. 섬유 구조체에서의 결함은 통상적으로 보다 큰 에너지를 갖는 상태를 나타내며, 이에 따라 결함의 갯수는 전형적으로 보다 높은 인발 온도에서 보다 많다. 섬유에서의 이러한 결함은 광 섬유에서의 시그널 손실을 유도할 수 있다. 이러한 증가된 소산을 감소시키기 위하여, 바람직하게는 특히 1,600℃와 1,300℃ 사이의 온도에서 섬유를 느리게 냉각하여, 증가하는 점도의 경화하는 유리가 굳기 전에 결함을 해결할 수 있게 한다. 이러한 온도 범위에 있어서, 복사 냉각은 무시할만하고, 이에 섬유 및 상기 섬유가 침지되는 가스 사이의 온도 차이를 감소시킴으로써 냉각율이 효과적으로 감소될 수 있다.
일 실시예에 따라, 광 섬유를 제조하는 방법이 제공된다. 광 섬유를 제조하는 방법은 노에 있는 프리포옴으로부터 베어 광 섬유를 인발하는 단계를 포함한다. 광 섬유를 제조하는 방법은 또한 섬유가 25℃의 공기와 1 atm의 압력에 있다면 발생하는 냉각율보다 더 느린 속도로 광 섬유를 냉각하기 위하여, 상기 광 섬유를 처리 장치에 유지시킴으로서 상기 광 섬유를 처리하는 단계를 포함한다. 광 섬유를 제조하는 방법은 노 및 처리 장치 중 적어도 하나의 압력의 범위가 0.01 atm 내지 0.80 atm이도록, 상기 노 및 상기 처리 장치 중 적어도 하나의 압력을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
다른 일 실시예에 따라, 광 섬유를 제조하는 방법은 노에 있는 가열된 유리 소스로부터 광 섬유를 인발하는 단계를 포함하도록 제공된다. 광 섬유를 제조하는 방법은 또한 노의 압력의 범위가 0.01 atm 내지 0.80 atm이도록 노의 압력을 감소시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에 따라, 광 섬유를 제조하는 방법이 제공된다. 광 섬유를 제조하는 방법은 노에 있는 가열된 유리 소스로부터 광 섬유를 인발하는 단계를 포함한다. 광 섬유를 제조하는 방법은 또한 25℃ 및 1 atm의 압력의 공기에서의 섬유의 냉각율보다 더 느린 속도로 광 섬유를 냉각하기 위하여 상기 광 섬유를 처리 장치에 유지시킴으로써 상기 광 섬유를 처리하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 광 섬유는 500℃ 이상의 온도에서 처리 장치를 빠져나온다. 광 섬유를 제조하는 방법은 처리 장치에서의 압력의 범위가 0.01 atm 내지 0.80 atm이도록 상기 처리 장치에서의 압력을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시예에 따라, 광 섬유 생산 시스템이 제공된다. 시스템은 광 섬유가 인발되는 유리 소스를 수용하고 가열하도록 적용된 노를 포함한다. 시스템은 또한 가열된 유리 소스로부터 인발된 광 섬유를 처리하기 위한 처리 장치를 포함한다. 처리 구역은 섬유가 25℃ 및 1 atm의 압력의 공기에서 냉각된다면 발생할 수 있는 섬유의 냉각율보다 더 느린 속도로 광 섬유를 냉각한다. 시스템은 노와 처리 장치 중 하나에서의 압력을 0.01 atm 내지 0.80 atm 범위의 압력으로 감소시키도록 구성된 진공 펌프를 더 포함한다.
부가적인 특징과 장점이 아래 상세한 설명에 설명되어 있고, 당업자라면 이들 특징과 장점은 아래 기재된 상세한 설명, 청구범위 뿐만 아니라 첨부된 도면을 포함하는, 상기 실시예로부터 또는 상기 실시예를 실시함으로써 용이하게 파악될 수 있을 것이다.
상기 기재한 일반적인 설명과 아래 기재된 상세한 설명은 단지 예시적인 것으로서 청구범위의 특징의 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 첨부한 도면은 본 발명의 이해를 더욱 돕기 위한 것으로서 본 명세서의 일부를 이루도록 통합되어 있다. 도면은 하나 이상의 실시예를 나타내고 있고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 다양한 실시예의 원리와 작동을 설명하는데 사용된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 광 섬유 생산 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고;
도 2는 제2 실시예에 따른 광 섬유 생산 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고;
도 3은 일 실시예에 따른, 광 섬유 생산 시스템의 처리 장치에 사용하기 위한 다수의 크기의 개구를 사용하는 시일의 단면도이고;
도 4는 제3 실시예에 따른 복수의 오리피스를 사용하는 광 섬유 생산 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고;
도 5는 제4 실시예에 따른, 냉각 핀을 사용하는 광 섬유 생산 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고;
도 6은 제5 실시예에 따른, 가열된 구역을 사용하는 광 섬유 생산 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고;
도 7은 제6 실시예에 따른, 선형 비-접촉 센터링 장치를 사용하는 광 섬유 생산 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고;
도 8은 제1 실시예에 따른, 처리 장치를 빠져나오는 섬유를 센터맞추기 위한 도 7에 도시된 선형 비-접촉 섬유 센터링 장치의 개략적인 확대도이고;
도 9는 도 8에서의 선 IX-IX으로부터 취한 섬유 센터링 장치의 확대 단면도이고;
도 10은 섬유에 대한 공기 유동을 더욱 나타내는 도 9에 도시된 섬유 센터링 장치의 확대 단면도이고;
도 11은 제2 실시예에 따른, 선형 비-접촉 섬유 센터링 장치의 사시도이고;
도 12는 도 11에서의 선 XII-XII을 따라 취한 선형 비-접촉 섬유 센터링 장치의 단면도이며;
도 13은 도 11에서의 선 XIII-XIII에 따라 취한 섬유 센터링 장치의 단면도이다.
첨부한 도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예가 상세하게 기재되어 있으니 이를 참조하기 바란다. 가능하다면 동일한 부재번호는 동일하거나 유사한 부재를 지시하도록 사용되었다.
광 섬유 생산 시스템 및 그 방법은 감소된 압력 노(furnace) 및 처리 장치를 사용하여 광 섬유를 만들어낸다. 광 섬유 생산 시스템 및 그 방법의 실시예는 도 1 내지 도 12와 관련하여 본 명세서에 기재되어 있고, 상기 도면에서 동일한 부재번호는 동일하거나 유사한 부품을 지시하고 있다. 본 명세서에서 사용된 "베어 광 섬유"라는 표현은 보호 코팅 층을 외측 표면에 적용하기 전에(예를 들면, 베어 광 섬유가 폴리머 기반의 재료로 코팅되기 전에) 가열된 유리 소스, 즉 프리포옴으로부터 직접적으로 인발된 광 섬유를 의미한다. 광 섬유 생산 시스템 및 그 방법은 본 명세서에 개시된 바와 같은 효율적이고 효과적인 섬유 냉각 기술 및 섬유 센터링 기술을 사용하여 결함이 감소된 광 섬유의 성형을 가능하게 한다.
도 1을 살펴보면, 광 섬유 생산 시스템(10)이 일 실시예에 따라 전반적으로 도시되어 있다. 시스템(10)은 대략 2,000℃의 온도로 가열될 수 있는 노(12)를 포함한다. 유리 광 섬유 프리포옴(14)이 노(12)에 배치되고 섬유가 가열된 프리포옴(14)으로부터 인발되어 베어 광 섬유(20, bare optical fiber)를 만든다. 프리포옴(14)은 임의의 유리나 또는 재료로 구성될 수 있고 광 섬유의 제조에 적당하게 도프될 수 있다. 베어 광 섬유(20)가 프리포옴(14)으로부터 일단 인발되면, 상기 베어 광 섬유(20)가 일 실시예에 따라, 저속-냉각 튜브로 도시되고 기재된 처리 장치(18)에서 냉각된다. 저속-냉각 튜브 또는 처리 장치(18)가 일 실시예에 따라, 노(12)의 출구와 일체로 연결되어 도시되어 있다. 그러나, 처리 장치(18)가 노(12)로부터 이격되거나 그렇지 않으면 다른 실시예에 따라 상기 노에 연결되었다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "처리 장치"라는 용어는 인발 노(12) 하류의 장치를 의미하고 상기 인발 노에서 베어 광 섬유(20)가 25℃ 및 1 atm의 압력의 공기에서 섬유의 냉각율보다 더 느린 속도로 냉각되고, 본 명세서에 도시되고 기재된 바와 같은 튜브를 포함할 수 있다. 처리 장치(18)가 노(12)의 아웃풋과 연결될 수 있어, 광 섬유가 예를 들면, 대략 2,100℃와 1,600℃ 사이의 온도에서 상기 처리 장치(18)에 진입하고, 25℃ 및 1 atm의 압력의 공기에서의 냉각율보다 더 느린 속도로 광 섬유(20)를 느리게 냉각한다. 섬유는 바람직하게는 500℃ 이상의 온도로 처리 장치(18)를 빠져나온다. 섬유는 처리 구역에서 처리되지 않는 동일한 설계의 섬유에 비해 소산(attenuation)의 감소를 초래하는데 충분한 시간 동안에 저속 냉각 처리 장치에서 처리되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 코어에서 0.5 wt 퍼센트 이하의 게르마늄 옥사이드를 갖는 광 섬유에 대하여(그리고 게르마늄 옥사이드가 없는 코어를 구비한 섬유에 대하여), 상기 섬유는 섬유 온도가 1,800℃와 1,200℃ 사이이고, 바람직하게는 섬유 온도가 1,700℃와 1,200℃ 사이이고, 그리고 더욱 바람직하게는 섬유 온도가 1,600℃와 1,300℃ 사이인 시간 간격 동안에 적어도 처리 구역 내에서 처리(느리게 냉각)되는게 바람직하다. 코어에서 0.5 wt 퍼센트 이상의 게르마늄 옥사이드를 갖는 광 섬유에 대하여, 상기 섬유는 섬유 온도가 1,600℃와 900℃ 사이이고, 바람직하게는 섬유 온도가 1,500℃와 1,000℃ 사이이며, 더욱 바람직하게 섬유 온도가 1,400℃와 1,000℃ 사이인 시간 간격 동안에 처리 구역 내에서 처리(느리게 냉각)되는게 바람직하다. 그러나, 처리 장치가 대기 압력보다 낮은 압력을 사용하기 때문에, 이들 온도 범위는 처리 장치가 대기 압력(대략 1 atm)이나 그 이상의 압력에 있다면 부가될 양보다 상당히 더 작은 열량을 부가함과 동시에, 상기 처리 장치에서 달성될 수 있다. 센터링 장치(32)는 인발 노의 하부로부터 1 미터 이내에 위치되는 것이 바람직하고, 0.5 미터 이내에 위치되는 것이 더욱 바람직하고, 20 센티미터 이내로 위치되는 것이 더욱 더 바람직하며, 15 센티미터 이내로 위치되는 것이 가장 바람직하다. 처리 장치(18)에서의 섬유의 평균 냉각율은 처리 장치로의 섬유의 입구 점에서의 섬유 표면 온도(섬유 입구 표면 온도)에서 상기 처리 장치(18) 외측의 섬유의 출구 점에서의 섬유의 표면 온도(섬유 출구 표면 온도)를 뺀 값을 상기 처리 장치(18)에서의 섬유의 총 잔여 시간으로 나눈 값으로 정의된다. 일 실시예에 있어서, 광 섬유는 섬유 입구 표면 온도에서 섬유 출구 표면 온도를 뺀 값을 5,000℃/초 이하의 처리 장치의 처리 구역에서의 광 섬유의 총 잔여 시간으로 나눈 값인 상기 처리 장치의 상기 처리 구역에서의 평균 냉각율로 처리되는데, 이 경우 상기 처리 장치(18)를 빠져나오는 상기 광 섬유의 표면 온도는 적어도 대략 500℃, 더욱 바람직하게 적어도 대략 800℃이다.
저속-냉각 또는 처리 장치(18)가 진공 펌프(22)와 연결된 하나 이상의 압력 감소 또는 진공 포트(25)를 구비하여 도시되어 있다. 진공 펌프(22)는 처리 장치(18) 내에서 감소된 압력이나 부분 진공을 만들고, 도시된 실시예에 있어서, 연결된 노(12) 내에서 부분 진공을 만들거나 감소된 압력을 만들 수 있다. 단일의 진공 펌프(22)가 설명된 실시예에 있어서 단일의 진공 포트(25)와 연결되어 도시되어 있다. 그러나, 하나 이상의 진공 포트 및/또는 하나 이상의 진공 펌프가 처리 장치(18) 및/또는 노(12)의 하나 이상의 챔버에서 요구되는 감소된 압력을 달성하도록 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 처리 장치(18)는 유리하게도 노(12)로부터 출구 포트(28)까지 베어 광 섬유가 통과함에 따라 상기 베어 광 섬유(20)를 제어된 환경에서 냉각하도록 구성된다.
더욱이, 가스 입구(16)가 노(12)로의 인풋으로서, G1으로 도시된, 불활성 가스를 공급하도록 도시되어 있다. 불활성 가스가 노(12)에 도달하는 주위 가스의 양을 감소시키기 위하여, 일 실시예에 따라, 아르곤(Ar)을 포함할 수 있다. 다른 일 실시예에 따라, 불활성 가스는 질소(N2)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 가스 입구는 노(12) 및 처리 장치(18)의 다양한 위치에서 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 노(12) 및 처리 장치(18)에서의 감소된 압력은 유리하게도 상기 노 및 처리 장치에서의 가스의 밀도를 감소시켜서, 헬륨(He)과 같은 고가의 가스가 필요하지 않다는 것을 알 수 있을 것이다. 노(12) 및 처리 장치(18)에서 제공된 감소된 압력에 의해, 아르곤 및/또는 질소 가스의 밀도가 헬륨의 밀도와 가까운 레벨의 밀도로 감소될 수 있으며, 그리고 인발 노 내에서의 일정한 온도 분포를 여전히 가능하게 한다.
도 1에 도시된 실시예에 있어서, 프리포옴(14)으로부터 인발된 베어 광 섬유(20)는 노(12)의 하부를 통과해 나가며, 처리 장치(18)를 통해, 출구 포트(28) 외측으로, 하나 이상의 유체 베어링(50)을 이후 통과한다. 유체 베어링(50)은 실질적으로 제1의, 즉 수직 경로를 따라 제2 경로로 이동하는 베어 광 섬유(20)를 이동(shift)시킬 수 있고 그리고 대기 압력에서의 주위 공기에서 상기 베어 광 섬유(20)를 더욱 냉각시킬 수 있다. 하나 이상의 유체 베어링(50)은 2007년 11월 26일 출원된 미국특허 출원번호 제11/986,764호(미국특허 가출원번호 제60/861,587호) 및 2007년 11월 29일 출원된 미국특허 출원번호 제11/998,366호에 개시된 유체 베어링을 포함하며, 이들 특허문헌은 참조를 위해 본원 발명의 명세서에 포함되어 있다. 주위 공기 냉각에 이어서, 베어 광 섬유(20)는 이후 1차 보호 코팅 층이 베어 광 섬유(20)의 외측 표면에 적용되는 코팅 유닛(60)에 영향을 받는다. 보호층을 구비한 광 섬유는 코팅 유닛(60)을 떠난 이후에, 트랙터나 또는 롤러(62)와 같은 생산 시스템(10) 내의 그리고 섬유 저장 스풀(64) 상에서, 다양한 처리 단계를 통과할 수 있다. 롤러(62) 중 하나의 롤러가 필요한 인장을 광 섬유에 제공하도록 사용됨에 따라 상기 광 섬유가 전체 시스템을 통해 인발될 수 있고 종국에는 저장 스풀(64) 상에 감길 수 있다.
광 섬유 생산 시스템(10)은 노(12)의 아웃풋에서 처리 장치(18)를 사용하여 하나 이상의 요구되는 냉각율로 인발된 베어 광 섬유(20)를 냉각한다. 처리 장치(18)는 노 출구로부터의 일 단부에서 뻗어있는 긴 튜브와, 베어 광 섬유(20)가 통과해 빠져나오는 튜브의 반대쪽 단부에서의 출구 포트(28)에 작은 오리피스(26)를 구비한다. 튜브(18)의 길이의 범위는 1.0 m 내지 10 m일 수 있고, 더욱 바람직하게 2 미터 내지 8 미터(m)일 수 있다. 여러 실시예에 있어서, 튜브(18)의 길이는 3 미터 이상이거나, 또는 4 미터 이상이거나, 또는 여러 예에 있어서 5 미터 이상일 수 있다. 처리 장치(18)의 길이를 보다 길게 하면 섬유가 보다 빠른 속도로 인발될 수 있고 요구되는 소산 감소를 달성하는데 필요한 잔여 시간을 여전히 달성할 수 있다. 예를 들면, 상당한 소산 감소가 이와 같은 장치에서 달성될 수 있는 한편으로 20 미터/초, 25 미터/초 및 여러 경우에 있어서 30 미터/초 이상의 속도로 섬유를 인발할 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 처리 장치의 길이는 대략 6 미터이다. 출구 포트(28) 하류의 제1 유체 베어링(50)은 오리피스(26)에 아주 근접한 비-접촉 섬유 센터링 장치로 작용하여 베어 광 섬유(20)의 측방향 XY 위치를 안정화시킴으로서, 상기 베어 광 섬유가 오리피스(26)를 통과하고, 이에 따라 가능성 상기 베어 광 섬유(20)가 상기 오리피스(26)의 측면과 접촉할 가능성을 제거한다. 센터링 장치로 작동하는 제1 유체 베어링(50)은 일 실시예에 따라, 출구 포트(28)로부터 2 미터(78.8 인치) 이내로 위치되고, 더욱 바람직하게는 출구 오리피스(26)로부터 30.5 cm(12 인치) 이내로 위치된다.
처리 장치(18)와 노(12)의 내부는 진공 펌프(22)를 통해 실질적으로 1 기압 이하의 감소된 압력으로 소개되고, 바람직하게는 0.01 atm 내지 0.80 atm의 범위로 소개된다. 도시된 실시예에 있어서, 진공 펌프(22)는 튜브 출구(28)의 상류에 위치된 진공 포트(25)에서 가스를 소개한다. 진공 펌프(22)에 의해 제공된 감소된 압력은 노(12) 내에서의 시간 변동 유동을 억제하여, 직경 섬유가 안정적이게 하는 헬륨의 사용을 불필요하게 하고, 그리고 튜브(18)에서의 베어 광 섬유(20)의 대류 냉각을 억제하여, 섬유 소산을 향상시키는 저속-냉각 장치에서 튜브(18)를 만든다. 주위 공기 진입은 노(12)에 들어가는 주위 공기, 특히 산소에 의한 노의 품질저하를 피하기 위하여, 노(12)의 상부를 시일하고 처리 장치(18)의 출구 오리피스(26)에 작은 원형 개구를 제공함으로써, 최소화된다. 출구 오리피스(26)는 1 mm 내지 2 mm의 범위의 직경의 크기를 가질 수 있으며, 이러한 크기는 대략 125 마이크론의 직경을 갖는 베어 광 섬유에 적당하거나, 또는 일 실시예에 따라, 베어 광 섬유(20)의 직경의 대략 10배의 직경을 갖는 베어 광 섬유에 적당하다. 잔여 공기는 출구 오리피스(26)를 통해 튜브(18) 상측의 아르곤과 같은 저 레벨 유동의 불활성 가스를 갖는 노(12)로 이동하는 것을 방지하여, 상기 노(12)에서의 가스 인풋(16)으로부터 튜브(18) 내의 소기 포트(25)까지 유동할 수 있다.
오리피스(26)를 통해 처리 장치(18)에 들어가는 주위 공기는 초음속일 수 있는 고 속도로 오리피스(26)를 들어간다. 고 속도 공기는 베어 광 섬유(20)가 진동할 수 있게 하고 이에 따라 XY 방향으로 측방향으로 이동할 수 있다. 과도한 측방향 이동에 의해 섬유(20)가 오리피스(26)와 접촉할 수 있고, 이는 섬유 강도를 저하시킬 수 있으며 인발 공정을 중단시킬 수 있다. 비-접촉 섬유 센터링 장치(50)를 사용함으로써, 섬유(20)가 오리피스(26)에 바로 인접한 측방향이나 또는 XY 방향으로 안정화된다. 제1 유체 베어링 센터링 장치(50)는 베어 광 섬유(20)와 처리 장치(18)의 구조체의 기계적인 접촉을 방지하기 위한 상기 베어 광 섬유를 센터링하기 위한 비-접촉 장치이다. 기계적인 접촉은, 인발 공정에서 고상(solid)의 성분(component)가 접촉하는 것을 의미한다.
광 섬유 생산 시스템(10)은 일 실시예에 따라, 유리하게도 섬유 직경의 제어를 향상시키고, 그리고 저속-냉각 튜브(18)와 노(12)를 연결시킴으로써 그리고 내부 압력을 감소시킴으로써 광 섬유의 상당량의 저속 냉각을 가능하게 한다. 감소된 압력은 노(12)에서의 열전달의 대류 성분(convective component)을 감소시키고 대류 흐름의 안정성을 향상시킨다. 이러한 효과는 열 전달이 보다 안정적이고 이는 섬유 직경 제어를 향상시킨다는 것이다. 처리 장치(18)에서의 보다 저 압력은 요구되는 냉각율을 달성하는 대류 성분의 냉각을 감소시킴으로서 냉각율을 더욱 감소시킨다.
노(12) 및 처리 장치(18)에서의 감소된 압력의 범위는 0.01 atm 내지 0.80 atm(7.6 torr - 608.0 torr)일 수 있고, 이는 각각의 열 전달율에서의 최대 감소를 제공한다. 다른 실시예에 따라, 압력의 범위는 0.02 atm 내지 0.65 atm(15.2 torr - 494.0 torr)일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.05 atm 내지 0.5 atm(38.2 torr - 380.0 torr)일 수 있다. 감소된 압력에 의해 처리 장치(18)에서의 보다 느린 냉각이 가능한 반면, 보다 고 압력으로써, 예를 들면, 저속 냉각을 달성하도록 외측 벽부를 가열함으로써 처리 장치(18)를 가열하는 것이 바람직할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
베어 광 섬유(20)에서의 최대 광학 손실 감소를 달성하기 위하여, 1,600℃와 1,300℃ 사이의 온도에 대한 냉각율은 단지 초당 5,000℃일 수 있고, 더욱 바람직하게 단지 초당 3,000℃일 수 있으며, 가장 바람직하게 단지 대략 초당 2,000℃일 수 있어, 섬유 코어가 가능한 밀도 변동이나 또는 많은 결함을 해결할 수 있다. 처리 장치(18), 특히 처리 구역 내에서의 냉각율은 보다 빠른 냉각 구역에 대한 초당 1,500℃ 내지 초당 4,000℃의 냉각율과 보다 느린 냉각 구역에서의 초당 1,600℃ 내지 초당 1,300℃의 냉각율과 같은 다수의 냉각율을 포함할 수 있다. 광 섬유(20)는 일 실시예에 따라, 0.2 초 이하의 시간 간격 동안에 초당 20 미터를 초과하는 속도로 처리 장치(18)를 통과할 수 있고 적어도 초당 800℃의 온도 강하로 상기 광 섬유를 냉각한다. 20 미터/초, 더욱 바람직하게 25 미터/초, 및 가장 바람직하게는 30 미터/초 이상의 속도에서, 초당 대략 2,000℃의 냉각율을 달성하는 것은 대략 6 미터 이상의 길이의 처리 장치(18)에 의해 용이하게 된다. 베어 광 섬유(20)가 일단 1,300℃에 도달하게 되면 보다 빠르게 냉각되는 것이 바람직하고 이에 따라 상기 베어 광 섬유(20)는 1,300℃ 이하의 온도로, 더욱 바람직하게는 1,200℃ 이하의 온도로, 그리고 여러 실시예에 있어서 1,100℃ 이하의 온도로 처리 장치(18)를 떠날 수 있다. 베어 광 섬유(20)는 제어 냉각을 위하여 처리 장치(18) 내에 유지되어야 하고 500℃ 이상의 온도로 상기 처리 장치(18)를 빠져 나오고, 그리고 여러 실시예에 있어서 800℃ 이상의 온도로 상기 처리 장치(18)를 빠져 나온다. 튜브(18)의 하부는 센터링 장치(50) 근방에 위치되어 베어 광 섬유가 출구 오리피스(28) 내에 적당하게 센터링 잡히는 것을 보장한다. 일 실시예에 있어서, 출구 오리피스(28)의 길이는 오리피스 직경의 적어도 2배이다.
처리 장치(18) 내에서의, 특히 처리 구역 내에서의 냉각율은 최대 손실 감소를 달성하기 위하여, 1,600℃ 내지 1,300℃ 윈도우(window) 내에서 제어될 수 있다. 온도 윈도우의 하부 단부에서의 보다 느린 냉각은 섬유 코어 가상의(fictive) 온도를 더욱 감소시킬 수 있고, 이는 밀도 변동과 손실 증가를 상당히 감소시킬 수 있다. 일 실시예에 따라, 처리 장치(18)는 1,600℃ 내지 1,450℃의 베어 광 섬유(20)를 초기에 느리게 냉각하도록 구성될 수 있어 이후 1,450℃ 내지 1,300℃로 더욱 냉각 속도를 감소시키고, 1,300℃ 이하로 냉각을 감소시킨다. 처리 장치(18)에서의 섬유 냉각을 가속시키거나 감속시키기 위한 방법의 실시예가 아래와 같이 제공된다.
도 2에 도시된 바와 같은 일 실시예에 따르면, 광 섬유 생산 시스템(10)은 진공 펌프(22)와 연결된 제1 진공 포트(25A) 및 제2 진공 포트(25B)를 갖는 2-단계 진공과 같은, 감소된 압력이나 또는 부분 진공의 다수의 단계를 사용할 수 있다. 이러한 2개의-단계 진공의 실시예에 대하여, 출구(28)에 제1 오리피스(26)가 위치할 수 있고 상기 출구(28)로부터 대략 1미터 위에 제2 오리피스(24)가 위치할 수 있다. 제1 오리피스(26)는 1 밀리미터 직경과 같은 제1 크기의 원형 직경을 가질 수 있고, 그리고 제2 오리피스(24)는 1.5 밀리미터 직경과 같은, 상기 제1 오리피스 직경보다 더 큰 제2 크기의 원형 직경을 가질 수 있어, 이들 오리피스(24 및 26) 사이의 하부 구역에서 대략 0.9 atm와 0.4 atm 사이의 감소된 압력을 발생시키고, 상기 오리피스(24) 상의 상부 구역에서 0.4 atm와 0.2 atm 사이의 감소된 압력을 발생시킬 수 있다. 이는 오리피스(24) 상의 구역이나 챔버에서의 제1 냉각율(Rate 1)과 오리피스(24) 아래에서의 구역이나 챔버에서의 제2 냉각율(Rate 2)을 초래한다. 이러한 실시예에 있어서, 베어 광 섬유(20)가 보다 고 압력 구역에서 보다 빠르게 냉각됨에 따라, 열 전달 효율의 측정값인 열 전달 계수(h)가 레이놀드 수 및 결과적으로 압력에 따라 결정된다. 예를 들면, 공기에서의 섬유에 대해 Kase 및 Matsuo에 의해 공개된 열-전달 상관관계(J. Poly. Sci. A, 3, 2541-2554 (1965))에 따라,
Figure pct00001
, 상기 식에서 Nu는 누셀(Nusselt) 수(무차원 열 전달 계수),
Figure pct00002
는 주위 공기의 열 전도성이고, Re는 VfD/
Figure pct00003
이고, Vf는 섬유 속도이고, D는 섬유 직경이고, 그리고
Figure pct00004
는 주위 공기의 운동 점도(μ/ρ)이며, 여기서 μ는 공기의 동적 점도이고 ρ는 밀도이다. 열 전도성 및 점도가 압력과 거의 독립적이므로, h ~ P0 .334이다. 따라서, 압력을 두배로 하는 것은 열 전달 계수(h)의 대략 이십오(25) 퍼센트의 증가를 야기한다. 부가적으로, 다수의 오리피스(24 및 26), 특히 2개 이상의 오리피스를 사용함으로써(도 3 및 도 4 참조), 각각의 오리피스를 가로지른 압력 강하가 감소되기 때문에, 섬유 진동은 감소된다.
오리피스를 더 부가함으로써, 베어 광 섬유(20)의 전반적인 진동이 감소될 수 있다. 감소된 진동은 베어 광 섬유(20)가 오리피스(24 및 26)와 접촉하고 이에 따라 상기 오리피스(24 및 26)와 제1 유체 베어링 센터링 장치(50) 사이의 거리가 연장될 수 있고 처리 장치(18)가 보다 짧은 길이로 설계될 가능성이 더욱 줄어들게 한다. 대기 압력이나 이와 비슷한 압력의 주위 공기에서의 냉각율이 대기 압력보다 낮은 압력에서의 냉각율 보다 실질적으로 더 큼에 따라, 섬유 온도는 센터링 장치(50)를 통해 이동됨에 따라 상당하게 감소될 수 있다.
부가적으로, 저 열 전도성(
Figure pct00005
)을 갖는 제1 가스는 가스(G1) 인풋(16)에서 노로 인풋될 수 있어, 상기 가스가 처리 장치(18)의 상부 섹션을 통과하고 보다 큰 열 전도성(
Figure pct00006
)을 갖는 제2 가스는 G2으로 지시된, 가스 인풋(30)에서 인풋되는 처리 장치(18) 하부 섹션에서 인풋으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 아르곤(Ar)이 가스(G1)로서 상부에서 제거되고 그리고 제1 진공 포트(25A), 진공 1을 통해 없어진다면, 열 전달 계수(h)는 압력이 동일할지라도, 하부 섹션에서 보다도, 사십(40) 퍼센트만큼 더 클 수 있다. 다수의 오리피스 실시예에 있어서, 가스의 화합물은 예를 들면, 아르곤을 각각의 섹션에서 제거함으로써, 각각의 오리피스 사이에서 변할 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에 있어서, Rate 1 냉각 구역은 일 실시예에 따라, 냉각율이 보다 큰 Rate 2 냉각 구역과 관련하여, 느린 냉각율을 가질 수 있다. 그러나, Rate 1 냉각 구역 및 Rate 2 냉각 구역은 동일하거나, 또는 상기 Rate 2 구역은 다른 실시예에 따라, 상기 Rate 1 냉각 구역보다 더욱 느린 냉각율을 가질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 2개 이상의 오리피스 및/또는 2개 이상의 진공 포트가 사용될 수 있어, 다른 실시예에 따라, 2개 이상의 냉각율을 처리 장치(18) 내에 만들 수 있음을 알 수 있을 것이다.
베어 광 섬유(20)가 처리 장치(18)를 통해 이동함에 따라, 상기 베어 광 섬유(20)가 가스의 경계층을 나온다(pick up). 경계층은 각각의 오리피스에서 적어도 부분적으로 제거되어(strip), 예를 들면 난류로의 변이를 감소시키고 섬유 안정성을 더욱 향상시킨다. 열 전달은 또한 보다 두꺼운 경계층과 비교하였을 경우보다 얇은 경계층을 통해 보다 더 크다. 그러나, 경계층은 또한 보다 저 압력에서 보다 빠르게 성장한다. 오리피스 사이의 각각의 챔버에서의 압력이 예를 들면, 각각의 챔버로 향하는 오리피스의 크기를 변경시킴으로써(상기 오리피스가 이리스(iris)와 같은 조정가능한 다이아프그램(diaphragm)일 수 있음) 또는 조정가능한 밸브를 통해 각각의 챔버로부터 소개된 가스의 유동율을 변경시킴으로써, 개별적으로 제어될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 열 전달율이 최적화될 수 있는 한편으로 섬유 진동을 최소화할 수 있다.
다른 일 실시예에 따라, 출구 포트(28)는 도 3에 도시된 바와 같은 다수의 오리피스 시일(28')을 사용하며, 서로에 대해 실질적으로 집중되고 센터맞춰지며 그리고 섬유(20)의 예상된 궤도에 대해 센터맞춰진 4개의 원형 오리피스(130A - 130D)를 포함한다. 4개의 오리피스는 도시된 실시예에서 상이한 크기로 형성된 개구를 구비한다. 인접한 오리피스 사이의 챔버에서의 공간은 진공 펌프와 연결되어 다수의 압력 단계를 만들 수 있다. 일 실시예에 따라, 오리피스(130A)의 직경의 범위는 대략 2.5 mm와 5.0 mm 사이일 수 있고, 오리피스(130B)의 직경의 범위는 대략 2.0 mm와 4.0 mm 사이일 수 있고, 오리피스(130C)의 직경의 범위는 대략 1.5 mm와 3.0 mm 사이일 수 있으며, 오리피스(130D)의 직경의 범위는 대략 1.0 mm와 2.5 mm 사이일 수 있다. 오리피스(130A - 130D)에 상이한 크기의 직경을 제공함으로써 섬유(20)가 출구 포트(28')를 빠져나옴으로서, 각각의 오리피스에서의 경계층이 제거될 수 있어, 난류를 감소시키고 섬유가 출구 포트(28)를 빠져나옴에 따라 섬유 안정성을 향상시키게 된다. 인접한 오리피스 사이의 거리의 범위는 일 실시예에 따라, 0.5 인치 내지 4.0 인치일 수 있다.
도 4를 살펴보면, 광 섬유 생산 시스템(10)이 제3 실시예에 따라, 3개의 오리피스를 처리 장치(18)에서 사용하는 것으로 도시되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 출구 포트(28)는 제1 오리피스(26)를 사용한다. 제2 오리피스(24)는 제1 오리피스(26)의 상류나 상부에 위치되고, 그리고 제3 오리피스(23)는 또한 상기 제2 오리피스(24)의 상류나 상부에 위치된다. 진공 펌프(22)와 연결된 진공 포트(25)는 제2 오리피스(24)와 제3 오리피스(23) 사이에 위치된다. 이러한 실시예에 있어서, 노의 압력은 도시된 바와 같이 압력(PF)인 한편, 제2 오리피스(24)와 제3 오리피스(23) 사이의 감소된 압력은 압력(P1)이고, 그리고 제1 오리피스(26)와 제2 오리피스(24) 사이의 감소된 압력은 제3 압력(P2)이다. 일 실시예에 있어서, 압력(P1)의 중간 구역에서의 압력은 노 압력(PF) 보다 낮고, 그리고 하부 구역에서의 압력(P2)은 제1 압력(P1) 보다 더 크다. 따라서, 3개의 별개의 감소된 압력은 처리 장치(18)의 챔버나 또는 3개의 별개의 구역에서 달성되어 상이한 냉각 속도를 달성할 수 있다. 하나 이상의 오리피스(23, 24 및 26)의 크기가 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있어 요구되는 압력을 달성할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 각각의 구역 또는 챔버 내의 적당한 압력을 선택함으로써, 베어 광 섬유(20)의 제어된 냉각이 달성될 수 있다.
도 5를 살펴보면, 광 섬유 생산 시스템(10)이 처리 장치(18)에 있는 섬유(20)를 더욱 냉각하기 위하여 섬유(20)와 열 전달 관계에 있는 하나 이상의 팬(80)을 사용하는 제4 실시예에 따라 도시되어 있다. 하나 이상의 팬(80)은 챔버(82) 내에서 대류 냉각 가스를 순환시키는 것으로 도시되어 베어 광 섬유(20)를 처리 장치(18) 내에서 더욱 냉각시킨다. 챔버(82)는 베어 광 섬유(20)와 직접적인 유체 대류 접촉 상태인, 불활성 가스와 같은 가스를 갖는 폐쇄된 회로 챔버를 포함할 수 있다. 팬(80)은 챔버(82) 내에서의 냉각 대류율을 더욱 향상시키며, 요구되는 냉각율을 조정하고 달성하도록 팬 속도에 기초하여 제어될 수 있다. 부가적으로, 하나 이상의 팬이 베어 광 섬유(20)와 간접적인 열 전달 관계로 사용되어 요구되는 냉각율을 달성하도록 처리 장치(18)의 요구되는 냉각을 더욱 달성할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 냉각 팬(80)은 급속 냉각 구역에서 처리 장치(18)의 하부 섹션에 도시된 바와 같이 사용될 수 있어 열 전달을 증가시키는 교차-유동을 제공하거나 또는 어느 곳에서나 사용될 수 있다.
도 6을 살펴보면, 광 섬유 생산 시스템(10)은 처리 장치(18)와 열 전달 관계에 있는 가열된 구역을 제공하는 하나 이상의 전기 가열기(90)를 사용하는 제5 실시예에 따라 도시되어 있다. 하나 이상의 가열기(90)는 일 실시예에 따라, 처리 장치(18)의 외측에 적용된 전기 가열기 코일을 포함하여 200℃ 내지 600℃의 범위로 온도를 상승시킨다. 또 다른 특정 실시예에 따라, 가열된 구역의 온도가 대략적으로 300℃일 수 있다. 가열기(90)가 처리 장치(18)의 냉각율을 부가적으로 제어한다.
과거에 행해진 것보다 더 낮은 정도로 저속-냉각 구역 부를 가열함으로써, 보다 느린 냉각율이 감소된 압력에서 실현될 수 있다. 예를 들면, 300℃ 벽부 온도를 갖는 0.2 atm 공기에서의 냉각율이 1.0 atm의 900℃ 처리 장치(18)에서의 냉각율에 상당할 수 있다. 결론적으로, 가열된 처리 장치(18)를 사용하는 여러 실시예에 있어서, 상기 처리 장치는 대략 200℃ 내지 600℃ 사이의 온도로 가열되는 동안, 압력은 대략 0.02 atm 내지 0.50 atm(15.2 torr - 380.0 torr)의 범위로 유지되고, 더욱 바람직하게 0.05 atm 내지 0.3 atm(38.2 torr - 228 torr)의 범위로 유지된다. 한편, 급속-냉각 구역에서의 열 전달은 벽부가 가열되지 않음에 따라 가속될 수 있다. 저속-냉각 구역에서의 냉각율을 최적화시키기 위하여, 온도 프로파일은 속도가 임계값 1,300℃ 내지 1,450℃ 구역에서 가장 저속이도록 조정될 수 있다. 수개의 실시예가 함께 사용될 수 있고, 그리고 예를 들면 다수의 오리피스, 상이한 가스, 하부 섹션에서의 하나 이상의 팬, 상부 섹션에서의 가열된 구역, 및 여러 조절부와 결합되어 사용될 수 있어, 저속-냉각 구역 및 급속-냉각 구역에서의 열 전달율을 더욱 구별하고 요구되는 최적의 섬유 냉각을 달성한다는 것을 또한 알 수 있을 것이다.
또 다른 실시예가 진공 포트(25)의 위치를 최적화시키는 단계를 포함할 수 있어, 가스가 저속-냉각 구역에서의 섬유와 동일한 방향으로 이동할 수 있고 보다 빠른 냉각 구역에서의 섬유와 반대 방향으로 이동할 수 있다. 가스 속도가 섬유 속도의 절반이라면, 이후 열 전달 계수(h)는 일 실시예에 따라, 저속-냉각 구역에서 대략 이십(20) 퍼센트 감소될 수 있고, 급속-냉각 구역에서 동일한 양만큼 증가될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 진공 포트(25)는 공기 제트가 축선방향 경로를 벗어나는 것을 방지하기 위하여 링 배기(ring exhaust)에 의해 최적으로 적용될 수 있다.
도 7을 살펴보면, 광 섬유 생산 시스템(10)은 선형 비-접촉 센터링 장치(32)를 사용하는 제6 실시예에 따라 도시되어 있다. 선형 비-접촉 센터링 장치(32)는 출구 포트(28) 근방에 위치되어 출구 오리피스(26)와 베어 광 섬유(20)의 기계적인 접촉을 방지하도록 오리피스(26)를 빠져나오는 상기 베어 광 섬유(20)를 센터맞춘다. 센터링 장치(32)는 선형 센터링 장치이며, 상기 선형 센터링 장치는 일직선을 따라 통과하는 섬유(20)를 센터맞춘다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "선형"이라는 용어는 실질적으로 일직선을 의미한다. 센터링 장치(32)는 출구 오리피스(26)로부터 1 미터 이내로 위치될 수 있고 상기 출구 오리피스(26)로부터 0.5 미터 이내로 위치되고 더욱 바람직하게는 20 센티미터 이내로 위치되며, 가장 바람직하게는 15 센티미터 이내로 위치된다. 일 실시예에 있어서, 센터링 장치(32)의 섬유 입구 측(부재(32A)의 상부)은 출구 오리피스(26)의 2.54 센티미터(1.0 인치) 내지 15 센티미터의 범위 내에 있다.
센터링 장치(32)는 제1 실시예에 따라, 도 8 - 도 10에 보다 상세하게 도시되어 있다. 센터링 장치(32)가 도 8에 도시되어 있고, 상기 센터링 장치는 베어 광 섬유(20)를 어느 한 측에서 센터맞추는 제1 선형 센터링 장치(32A)와, 상기 베어 광 섬유(20)를 반대측에서 센터맞추는 제2 선형 센터링 장치(32B)를 구비한다. 제1 및 제2 센터링 장치(32A 및 32B) 각각은 도 9에 도시된 바와 같은 ?지-형상의 개구(44)로 나아가는 고 압력 유체(공기) 채널(38)을 구비한다. ?지-형상의 채널(44)은 10° 내지 60° 범위의 벽부-대-벽부 총 각도(
Figure pct00007
)를 초래하는 마주한 경사진 측벽부를 구비하며, 일 실시예에 따라, 이는 도 9에서의 수평방향 선에 대해 5° 내지 30°범위의 절반 각도에 상당한다. 다른 일 실시예에 따라, ?지는 경사진 측벽부를 구비하며, 상기 경사진 벽부에 의해 1° 내지 60° 범위의, 바람직하게는 10° 내지 60° 범위의, 더욱 바람직하게는 40° 내지 60° 범위의 벽부-대-벽부의 총 각도(
Figure pct00008
)를 초래한다. 또 다른 실시예에 따라, 총 각도(
Figure pct00009
)의 범위는 1° 내지 10°이다. 베어 광 섬유(20)는 ?지-형상의 채널(44)을 통해 유체 이송 채널(38)을 빠져나오는 고 압력 유체에 의해 ?지-형상의 개구(44) 내에서 현수된다. 이와 같이 함으로써, 공기 제트에 의해 이송 채널(38)을 통해 공급된 공기(45)와 같은 가스가 도 10에 도시된 바와 같이 베어 광 섬유(20)의 양측에서 유동하여, 센터링 장치(32)의 임의의 구조체와 접촉을 방지하는 방식으로 베어 광 섬유(20)를 현수하는 유체 베어링을 형성한다. 유체, 일반적으로 가스 그리고 전형적으로 건조 공기가 구역으로 강제로 진입하여 인발 인장을 받는 상태의 베어 광 섬유가 ?지-형상의 채널(44)의 구역 내에서 유지되고, 채널 내의 섬유(20) 아래의 상이한 압력의 결과로서, 상기 채널(44) 내에서 실질적으로 공중부양된다. 따라서, 베어 광 섬유(20)는 자가-위치되고 ?지-형상의 채널(44) 내에서 센터맞춰진다.
도 9에 도시된 바와 같이, 개별 센터링 부재(32A 및 32B)가 각각 제1 측면 부재(34) 및 제2 측면 부재(36)로 이루어질 수 있다. 공기 이송 채널(38)은 부재(34 및 36)의 경계면에서 슬롯으로 형성될 수 있다. 제1 측면 부재(34)는 경사진 벽부(40)를 구비하고, 제2 측면 부재(36)는 공기 채널(38)로부터 뻗어있는 ?지-형상의 채널(44)을 함께 형성하는 경사진 벽부(42)를 구비한다. ?지-형상의 채널(44) 및 공기 이송 채널(38)의 슬롯은 섬유(20)에 적용될 공기 쿠션의 유효 길이(LC)를 형성하는 깊이, 즉 길이를 갖는다. 센터링 부재(32B)가 도 9에 도시되어 있는 한편, 센터링 부재(32A)가 동일하게 형성될 수 있으나, 도 8에서는 부재(32B)에 대해 180° 정위되어 있음을 알 수 있을 것이다.
제1 및 제2 센터링 부재(32A 및 32B) 각각은 ?지-형상의 채널(44)의 와동(vortex)으로 이송 채널(38)의 출구로부터 주변 환경으로 유동하는 고속도 공기에 의해, 팽창 볼륨 채널(44)에 위치된 베어 광 섬유(20)를 센터링하기 위한 선형 세그먼트나 또는 직선형의 세그먼트를 제공한다. 섬유(20)에 가해진 공기의 속도의 범위는 25 미터/초(m/s) 내지 500 m/s일 수 있다. 각각의 부재(32A 및 32B)에 의해 센터맞춰지게 되는 섬유 부재(LC)의 길이의 범위는 예를 들면, 0.5 cm 내지 100 cm 처럼 수 밀리미터와 수 센터미터 사이일 수 있다. 센터링 부재(32A 및 32B)는 공기 이송 채널(38)의 출구로부터 멀리 베어 광 섬유(20)를 당기기 위하여, 벽부-대-벽부 방향으로 강한 센터링 력을 만들지만, 다른 방향으로는 단지 상승력만을 만든다. 도시된 바와 같이 2개 이상의 쌍의 선형 센터링 부재(32A 및 32B)를 결합함으로써, 상기 결합은 섬유 인장 변경이 없거나 약간 있는 상태로, 양 측방향 방향으로 베어 광 섬유(20)를 센터링할 수 있게 한다. 센터링 력을 증가시킬 필요가 있다면, 하나 이상의 쌍의 선형 센터링 부재(32A 및 32B)가 방향에 영향을 덜 받는 센터링 효과가 있도록 순차로 사용될 수 있고, 이전 쌍에 대한 각각의 다음 쌍이 베어 광 섬유(20) 주위에서 0도와 180도 사이로 어느 곳에서도 조정된다. 도 10에 도시된 바와 같이, ?지-형상의 채널(44) 내에서의 베어 광 섬유(20)는 섬유(20)와 벽부(40 및 42) 사이의 접촉을 방지하는 방식으로 상기 섬유(20)와 ?지-형상의 상기 측벽부(40 및 42) 사이를 통과하는 강제의 고 압력 공기(45) 상에서 부유한다. 고 압력 공기(45)는 채널(38)을 빠져나오고 ?지-형상의 채널(44)을 통해 외측으로 통과함에 따라 압력을 감소시켜서, 압력 강하에 의해 섬유(20)가 제조 공정 동안에 발생할 수 있는 인발 인장에서의 변화에도 불구하고 매우 조금 이동할 수 있게 한다.
선형 비-접촉 광 섬유 센터링 장치(132)가 제2 실시예에 따라, 도 11 내지 도 13에 도시되어 있다. 센터링 장치(132)는 도 7에 도시된 센터링 장치(32)에 대한 대안으로 사용될 수 있어 처리 장치(18)를 빠져나오는 베어 광 섬유(20)를 센터맞춘다. 이러한 실시예에 있어서, 센터링 튜브 부재(136)가 사용되어 센터링 력의 매우 낮은 각도 의존관계가 달성된다. 튜브(136)는 베어 광 섬유(20)를 수용하고 배출하기 위한 제1 및 제2 양 단부와 원통형 개구를 형성하는 측벽부를 구비한다. 더욱이, 센터링 장치(132)는 복수의 유체 분사 포트(134)를 포함하고, 상기 분사 포트는 튜브(136)의 측벽부 주변부 주위에 반경방향으로 위치되고 상기 튜브(136) 내에서의 광 섬유의 실질적인 센터 맞춤을 유지하고 그리고 상기 튜브(136)의 측벽부와의 기계적인 접촉을 방지하기 위하여, 공기와 같은 고 압력 유체를 베어 광 섬유(20) 쪽으로 반경방향 내측으로 향하게 하기 위한 공기 제트와 유체 연통하도록 적용된다. 유체 분사 포트(134)에서 분사된 공기 유동은 베어 광 섬유(20)와 튜브(136)의 내측 사이에서 그리고 양 단부 외측으로 유동한다.
도시된 실시예에 있어서, 공기 제트(도시 생략)를 갖는 유체 분사 포트(134)는 적어도 8개의 등간격으로 배치된 유체 분사 포트(134)를 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 베어 광 섬유(20)가 섬유 직경(DF) 보다 1배 내지 20배의 직경을 갖는 직선형 원형 튜브(136) 내측에 위치될 수 있다. 일 실시예에 따라, 튜브(136)는 대략 125 마이크론의 외경을 갖는 베어 광 섬유(20)와 잘 작동하는 1 밀리미터 이하의 원형 단면의 내경을 가질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 섬유(20)의 외경(DF)에 대한 튜브(136)의 내경(DT)의 비는 20:1 이하이고, 더욱 바람직하게는 10:1 이하이다. 수개의 슬롯 구멍 또는 포트(134)가 튜브(136) 내에 그 축선을 따라 위치하여, 섬유와 튜브 벽부(136) 사이의 갭에 일련의 공기 제트가 들어가게 할 수 있다. 섬유(20)의 변위가 튜브(136)에서의 공기 유동을 변경시킬 수 있고, 이는 압력 성분 및 마찰 성분의 센터링 력을 초래하여, 베어 광 섬유(20)를 튜브(136) 내에서 센터맞출 수 있다. 튜브(136)의 길이(LT)는 일 실시예에 따라, 예를 들면 50 센티미터 이하 일 수 있고, 더욱 바람직하게 25 센티미터 이하일 수 있다. 유체 분사 포트(134)는 튜브 길이(LT)의 90 퍼센트 이하의 길이(LP)를 가질 수 있다.
선형 비-접촉 광학 센터링 장치(32 및 132)는 일 실시예에 따라, 베어 광 섬유(20)와 출구 포트의 기계적인 접촉을 방지하기 위하여, 유리하게도 처리 장치(18)의 출구 포트(28)를 떠나는 베어 광 섬유(20)를 센터맞추는 것을 알 수 있을 것이다. 선형 비-접촉 광학 센터링 장치(32 또는 132)가 광 섬유 생산 시스템 내에서의 여러 위치에 사용될 수 있어 베어 광 섬유(20)를 센터맞춘다는 것을 알 수 있을 것이다. 부가적으로, 베어 광 섬유(20)를 센터맞추기 위해 사용된 강제 공기가 센터링 장치(32)를 통과함에 따라 광 섬유의 냉각율을 증가시키고, 이에 따라 처리 장치(18)에서 제어된 냉각을 가능하게 한다는 것을 알 수 있을 것이다. 센터링 장치의 하류에서, 광 섬유는 하나 이상의 유체 베어링을 통과할 수 있고, 인발 기구 및 스풀 상에 감기기 전에, 코팅 유닛에 의해 코팅될 수 있다.
본 발명의 방법은, 특히 밀봉 코팅이 적용될 필요가 없는 전기통신 분야에 사용하기 위한 단일 모드의 광 섬유를 만들거나 또는 다중모드의 광 섬유를 만드는데 사용될 수 있다. 이들 본 발명의 방법은 헬륨 냉각 장치를 사용하지 않고도 사용될 수 있다. 상기 기재된 여러 실시예에 있어서, 센터링 장치는 바람직하게는 1 미터 이내에 위치되고, 더욱 바람직하게는 0.5 미터 이내에 위치되며, 더욱 더 바람직하게는 20 cm 이내에 위치되고, 그리고 가장 바람직하게는 처리 장치의 오리피스의 15cm 이내에 위치된다. 당업자라면 본 발명에 대한 여러 변경 및 수정이 아해 첨부된 청구범위의 범주 내에서 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 광 섬유를 만드는 방법으로서,
    노에 있는 가열된 유리 소스로부터 광 섬유를 인발하는 단계;
    25℃ 및 1 atm 압력의 공기에서의 섬유의 냉각율 보다 느린 속도로 상기 광 섬유를 냉각하기 위하여 상기 광 섬유를 처리 장치에 유지시킴으로써 상기 광 섬유를 처리하는 단계; 및
    상기 노와 상기 처리 장치 중 적어도 하나에서의 압력의 범위가 0.01 atm 내지 0.80 atm이도록 상기 노와 상기 처리 장치 중 적어도 하나에서의 압력을 감소시키는 단계를 포함하는 광 섬유를 만드는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력의 범위는 0.02 atm 내지 0.650 atm인 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력의 범위는 0.05 atm 내지 0.50 atm인 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 섬유는 500℃ 이상의 온도에서 상기 처리 장치를 빠져나오는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 노 및 상기 처리 장치 양자의 압력의 범위는 0.01 atm 내지 0.80 atm인 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 노 및 상기 처리 장치 중 적어도 하나에 불활성 가스를 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 노는 실질적으로 헬륨을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력을 감소시키는 단계는, 각각의 단계가 상이한 감소된 압력을 가져 상이한 냉각율을 제공하도록, 상기 처리 장치의 다수의 단계에서 압력을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 다수의 냉각 단계는 상기 광 섬유가 오리피스를 통과할 수 있게 하는 인접한 단계 사이에 상기 오리피스를 사용함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 처리 장치는 상기 노의 마주한 일 단부에 형성된 시일을 포함하고, 상기 시일은 상기 광 섬유가 상기 처리 장치를 통과해 빠져나오는 개구를 구비하고, 비-접촉 센터링 장치로써 상기 섬유를 센터링함으로써 상기 처리 장치의 상기 시일을 빠져나오는 상기 광 섬유의 배치를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 시일은 상이한 개구 크기를 갖는 복수의 개구를 포함하고, 상기 광 섬유는 상기 복수의 개구를 통과해 빠져나오는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 섬유는 0.2 초 이하의 시간 간격 동안에 초당 20 미터를 초과하는 속도로 상기 처리 장치를 통과하고 적어도 800℃의 온도 강하만큼 상기 광 섬유를 냉각하는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    팬을 구비한 상기 처리 장치에서 상기 광 섬유를 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    200℃ 내지 600℃ 범위의 온도로 상기 처리 장치의 일부를 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  15. 광 섬유를 만드는 방법으로서,
    노에 있는 가열된 유리 소스로부터 광 섬유를 인발하는 단계; 및
    상기 노에서의 압력의 범위가 0.05 atm 내지 0.80 atm 이도록 상기 노의 압력을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 노는 실질적으로 헬륨을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 광 섬유를 냉각하기 위하여 상기 광 섬유를 처리 장치에 유지시킴으로써 상기 광 섬유를 처리하는 단계를 더 포함하고, 상기 광 섬유는 500℃ 이상의 온도로 상기 처리 장치를 빠져나오는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  18. 광 섬유를 만드는 방법으로서,
    노에 있는 가열된 유리 소스로부터 광 섬유를 인발하는 단계;
    25℃ 및 1 atm 압력의 공기에서의 섬유의 냉각율보다 더 느린 속도로 상기 광 섬유를 냉각하기 위하여 상기 광 섬유를 처리 장치에 유지시킴으로써 상기 광 섬유를 처리하는 단계; 및
    상기 처리 장치에서의 압력의 범위가 0.05 atm 내지 0.80 atm 이도록 상기 처리 장치에서의 압력을 감소시키는 단계를 포함하고,
    상기 광 섬유는 500℃ 이상의 온도로 상기 처리 장치를 빠져나오는 광 섬유를 만드는 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    대기 압력에 가까운 주위 공기에서 상기 광 섬유를 냉각하는 단계; 및
    상기 주위 공기에서 상기 광 섬유를 냉각하는 단계에 이어서 상기 광 섬유를 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 만드는 방법.
  20. 광 섬유 생산 시스템으로서,
    광 섬유가 인발되는 유리 소스를 수용하고 가열하도록 적용된 노;
    가열된 유리 소스로부터 인발된 상기 광 섬유를 처리하는 처리 장치; 및
    0.05 atm 내지 0.80 atm 범위의 압력으로 상기 노와 상기 처리 장치 중 적어도 하나에서의 압력을 감소시키도록 구성된 진공 펌프를 포함하고,
    상기 처리는 25℃ 및 1 atm의 압력의 공기에서의 상기 섬유의 냉각율 보다 더 느린 속도로 상기 광 섬유를 냉각하는 광 섬유 생산 시스템.
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