(57)【要約】  光ファイバ処理方法および、その装置は、指向性光源からの光を、ファイバ線引き中の光ファイバに向ける工程を含む。光ファイバのファイバコアを、少なくとも指向性光源からの光を用いて、ファイバコアのガラス変形温度範囲内のファイバコア温度まで加熱する。方法を用いて、ファイバコアの仮想温度を低下させ、レイリー散乱を削減し、ファイバコア内の減衰の削減につなげうる。
2019506359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ処理方法において、
指向性光源からの光を、ファイバ線引き中の光ファイバに向ける工程と、
前記光ファイバのファイバコアを、少なくとも前記指向性光源からの前記光を用いて、前記ファイバコアのガラス変形温度範囲内のファイバコア温度まで加熱する工程と、
を含む方法。
【請求項２】
光ファイバ処理システムにおいて、
（ｉ）指向性光源と、
（ｉｉ）前記光源からの光を、ファイバ線引き中の光ファイバに向けるように構成された光方向付け部と、
を有する、
光を用いた光ファイバ加熱部を含み、
前記ファイバ加熱部は、前記光ファイバのファイバコアを、前記ファイバコアのガラス変形温度範囲以上のファイバコア温度まで加熱するように構成されたものであるシステム。
【請求項３】
前記ファイバコアの冷却を制御して、該ファイバコアの仮想温度、レイリー散乱、または、非架橋酸素を、室温空気を用いた冷却と比べて削減することを、
更に含む、請求項１に記載の方法、または、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記冷却制御は、真空、炉、または、更なる指向性光源を用いて、前記ファイバコアの冷却速度を低下させることを含むものである、請求項３に記載の方法またはシステム。
【請求項５】
前記光を前記光ファイバに向けることは、該光ファイバが中を通る中空導波管内に、該光を入射させることを含むものである、請求項１、３および４のいずれか１項に記載の方法、または、請求項２から４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記光を向けることは、該光のビームを、前記光ファイバの方位に沿って能動的に走査することを含むものである、請求項１、および、３から５のいずれか１項に記載の方法、または、請求項２から５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記ファイバコアを加熱することは、炉を用いることを含むものである、請求項１、および、３から６のいずれか１項に記載の方法、または、請求項２から６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記光を向けること、および、前記ファイバコアを加熱することを、前記ファイバ線引きを毎秒５０メートル以上の速度で行いながら、行うものである、請求項１、および、３から７のいずれか１項に記載の方法、または、請求項２から７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記指向性光源は、ＬＥＤ、ＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、量子カスケード（ＱＣ）レーザ、パルスレーザ、連続波（ｃｗ）レーザ、または、該指向性光源用の紫外線（ＵＶ）光源を含むものである、請求項１、および、３から８のいずれか１項に記載の方法、または、請求項２から８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記光ファイバを加熱した後に、該光ファイバに密封層を積層することを、
更に含む、請求項１、および、３から９のいずれか１項に記載の方法、または、請求項２から９のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、米国特許法第１１９条の下、２０１６年２月２４日出願の米国仮特許出願第６２／２９９，０５５号の優先権の利益を主張し、その内容は依拠され、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、光ファイバの処理方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバは、固体ガラスファイバプリフォームを縦型ファイバ線引きシステムに通して引き出すこと、つまり、「線引き」によって、製造しうる。ファイバプリフォームの端部を、炉によって、ガラス融点より高い温度まで加熱して、プリフォームから光ファイバの線引きを可能にしうる。次に、炉を用いたファイバ硬化などの他の処理工程を、ファイバに行いうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光ファイバを線引きする際の課題の１つは、ガラス母材が、形成後に急速に冷却されてしまうことである。これにより、ガラスが、ある温度より高いことを要する次の処理工程を行いうる時間の範囲が限定される。特に、光ファイバの冷却速度を、周囲の室温空気中での冷却速度より遅くなるように制御することは、ファイバコア内の非架橋酸素（ＮＢＯ）および他の欠陥の削減に有益である。もっと低速で冷却することで、ファイバコアの仮想温度も低下し、それは、完成した光ファイバにおいて、レイリー散乱に関連した光信号の減衰を削減しうる。更に、ファイバの線引きを、毎秒２０メートル（ｍ／ｓ）より速いか、３０ｍ／ｓまたは４０ｍ／ｓより速いかなどの高速で行うのが望ましいかもしれない。ファイバの線引き速度を速くすると、結果的に、その中で処理工程を行わなくてはならない空間（ファイバの長さ）が、更に限定される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の実施形態は、ファイバ線引き中の光ファイバを、高速の線引き速度でも、ファイバの非常に短い長さ部分内で急速に再加熱することを可能にする。ファイバコア温度を、ファイバコアのガラス変形温度範囲まで上昇させて、次に、冷却を、温度の時間／ファイバ位置に対する様々なプロファイルに応じて、必要なように制御して、欠陥を削減し、減衰を削減し、更に、ファイバ線引き中に他の処理工程を行いうる。
【０００６】
１つの態様において、光ファイバ処理方法は、指向性光源からの光を、ファイバ線引き中の光ファイバに向ける工程を含む。方法は、光ファイバのファイバコアを、少なくとも指向性光源からの光を用いて、ファイバコアのガラス変形温度範囲内のファイバコア温度まで加熱する工程を更に含みうる。ファイバコアを加熱する工程は、光ファイバに、半径方向に非対称に光を照射すること、または、指向性光源からの光を向けた後に炉を用いることを含みうる。本明細書において、「光」とは、実用的な出射光であって、ガラスによる吸収が無視できない程度である任意の波長の光を称する。
【０００７】
ファイバコアの加熱を、ファイバコアも、ファイバコアの周りのファイバクラッディングも溶融させずに行いうる。ファイバコアの加熱は、ファイバクラッディングの過渡温度を、ファイバコアの過渡温度から５００℃以内、４００℃以内、３００℃以内、２００℃以内、または、１００℃以内に維持することを含みうる。ファイバコアの加熱は、ファイバコアが２００℃、４００℃、６００℃、８００℃、または、１０００℃より低い温度まで冷却される前に、線引きしたファイバを再加熱することを含みうる。
【０００８】
方法は、ファイバコアが、もっとゆっくりと冷却されるように、冷却を制御して、ファイバコアの仮想温度、または、非架橋酸素を、室温空気を用いた冷却と比べて削減することを含みうる。冷却制御は、真空、炉、または、更なる指向性光源を用いて、ファイバコアの冷却速度を低下させることを含みうる。方法は、光ファイバのファイバクラッディングを、ファイバコアの温度に略等しい温度まで加熱することも含みうる。
【０００９】
光を光ファイバに向ける工程は、光ファイバが中を通る中空導波管内に、光を入射させることを含みうる。中空導波管は、非円形または多角形で高反射率の内面を有しうる。光を向ける工程は、光のビームを拡大して２０以上のアスペクト比にすること、光のビームを、光ファイバの軸に沿って能動的に走査すること、光を複数の分割したビームにビーム分割して、同時に、分割したビームを拡大して、各々、光ファイバの複数の部分に交差させること、または、光を、パラボラリフレクタを用いて反射し、光ファイバが、パラボラリフレクタの焦線を通って線引きされることを含みうる。光を向ける工程およびファイバコアを加熱する工程は、毎秒１０メートル（ｍ／ｓ）以上、若しくは、２０ｍ／ｓまたは３０ｍ／ｓ以上の速度で動作するファイバの線引きでも、行いうる。光を向ける工程は、いかなる時点でも、光ファイバの約１メートル（ｍ）以下の長さの部分を光で照射することを更に含みうる。光を向ける工程は、いかなる時点でも、光ファイバの約１センチメートル（ｃｍ）以上の長さの部分を光で照射することを更に含みうる。光を向ける工程は、指向性光源用に、ＬＥＤ、ＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、量子カスケード（ＱＣ）レーザ、パルスレーザ、連続波（ｃｗ）レーザ、または、紫外線（ＵＶ）光源を用いることを含み、指向性光源の光学的深さは、光ファイバの半径と比べて、小さくてもよい。
【００１０】
指向性光源からの光を方向付ける工程は、光ファイバの吸収深さが、約１０マイクロメートルより大きく、被膜されていないファイバの直径以下である光の波長を用いることを含みうる。光を光ファイバに向ける工程は、光を、光ファイバに、ファイバの周りの１つより多くの半径方向から交差させることを含みうる。光を向ける工程は、パルス状指向性光源、または、高アスペクト比の光ビームを用いることを含みうる。
【００１１】
他の態様において、光ファイバ処理システムは、光を用いた光ファイバ加熱部を含み、その加熱部は、（ｉ）指向性光源と、（ｉｉ）光源からの光を、ファイバ線引き中の光ファイバに向けるように構成された光方向付け部とを含む。ファイバ加熱部は、光ファイバのファイバコアを、ファイバコアのガラス変形温度範囲内のファイバコア温度まで加熱するように構成されうる。
【００１２】
光を用いた光ファイバ加熱部を、ファイバコアが、もっとゆっくりと冷却されるように、冷却を制御して、ファイバコアの仮想温度、レイリー散乱、または、非架橋酸素を、室温空気中での冷却と比べて削減するように更に構成し、システムは、真空系、炉、または、更なる指向性光源を含んで、ファイバコアの冷却速度を低下させることによって、冷却を制御しうる。
【００１３】
光を用いた光ファイバ加熱部を、ファイバコアも、ファイバコアの周りのファイバクラッディングも溶融させずに、ファイバコアを加熱するように更に構成しうる。光を用いた光ファイバ加熱部を、ファイバクラッディングの過渡温度を、ファイバコアの過渡温度から５００℃以内、４００℃以内、３００℃以内、２００℃以内、または、１００℃以内に維持するように、更に構成しうる。
【００１４】
光方向付け部は、光ファイバが中を通る中空導波管内を含み、中空導波管は、非円形、多角形、または、楕円形の内面を有しうる。光方向付け部は、光のビームを、２０以上のアスペクト比に拡大するように構成されたビーム拡大部、光のビームを、光ファイバの方位（ｚ軸）に沿って走査するように構成された能動走査部、複数の分割したビームを提供するように構成された複数のビームスプリッタおよび、同時に、分割したビームを、各々、光ファイバの複数の部分で、光ファイバに交差させるように構成された複数のビーム拡大部、若しくは、光を、光ファイバが中を通るリフレクタの焦線に向けて合焦させるように構成されたパラボラリフレクタを含みうる。光方向付け部を、いかなる時点でも、光ファイバの約１メートル以下の長さの部分に光を向けるように構成しうる。光方向付け部を、いかなる時点でも、光ファイバの約１センチメートル（ｃｍ）以上の長さの部分に光を向けるようにも構成しうる。光方向付け部を、ファイバの周りの１つより多くの半径方向から、光を光ファイバと交差させるように更に構成しうる。光方向付け部を、高アスペクト比の光ビームの形状の光を向けるようにも構成しうる。アスペクト比は、２０以上、または、１００以上でありうる。
【００１５】
光を用いた光ファイバ加熱部は、光ファイバのファイバコアを加熱するように構成された炉を含み、光を用いたファイバ加熱部は、光ファイバに、半径方向に非対称に、または、半径方向に対称に、光を照射するように構成しうる。１０ｍ／ｓ以上、または、２０ｍ／ｓ以上（例えば、３０ｍ／ｓ以上または４０ｍ／ｓ以上）の速度で動作するファイバの線引きでも、ファイバコアを加熱するように、加熱部を構成しうる。光を用いた光ファイバ加熱部は、ファイバコアが２００℃、４００℃、６００℃、８００℃、または、１０００℃より低い温度まで冷却される前に、線引きされたファイバを再加熱するようにも構成しうる。
【００１６】
指向性光源は、ＬＥＤ、ＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、量子カスケード（ＱＣ）レーザ、パルスレーザ、連続波（ｃｗ）レーザ、または、紫外線（ＵＶ）光源を含み、指向性光源は、光ファイバの半径と比べて小さい光学的深さを有する波長の光を出射するように構成しうる。そのような光学的深さは、指向性光源からの光のより多くが屈折されて、ファイバに吸収されるのを確実にし、それによって、より高いパーセントの光エネルギーをファイバに伝えうる。以下に記載するように、光学的深さがファイバの半径と同程度以上の波長の光を用いることには、潜在的な利点もある。指向性光源は、ミラー、レンズなどの様々な光学要素も含んで、光を調節、形成、導く、または、他の方法で方向付けうる。指向性光源を、光ファイバの吸収深さが、約１０マイクロメートルより大きく、被膜されていないファイバの約直径以下である波長の光を出射することを含むように構成しうる。（但し、通信で使用される標準的な光ファイバの場合、この直径は、１２５マイクロメートルでありうる。）指向性光源は、パルス状指向性光源でありうる。
【００１７】
更に他の態様において、光ファイバシステムは、指向性光源からの光を、ファイバ線引き中の光ファイバに向ける手段と、光ファイバのファイバコアを、少なくとも指向性光源からの光を用いて、ファイバコアのガラス変形温度範囲内のファイバコア温度まで加熱する手段とを含む。
【００１８】
上記内容は、添付の図面に示したような、以下の本開示の例示的実施形態のより詳細な記載から、明らかになるものであり、異なる図面においても、同じ部分を称するのに、類似の参照符号を用いている。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、むしろ、本開示の実施形態を示すことに重点を置いている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】光を用いた光ファイバ加熱部のブロック図である。
【図１Ｂ】ガラス光ファイバコアのエンタルピーを、温度の関数として示すグラフである。
【図２Ａ】流体ファイバ回転装置を用いたファイバ線引き処理を、概略的に示す図である。
【図２Ｂ】異なる軸対称の熱流束を用いて、光ファイバの１メートルの長さ部分の温度上昇を計算した値を示すグラフである。
【図３Ａ】強力ＣＯ２レーザを含む光を用いた光ファイバ加熱部の実施形態を示す。
【図３Ｂ】高アスペクト比の光ビームの断面を、概略的に示す図である。
【図４Ａ】光ファイバを、１つの半径方向から照射する様々な波長の指向性を有する光を用いて、光ファイバの断面に亘って計算した温度の差異を示す図である。
【図４Ｂ】光ファイバを、１つの半径方向から照射する様々な波長の指向性を有する光を用いて、光ファイバの断面に亘って計算した温度の差異を示す図である。
【図４Ｃ】光ファイバを、１つの半径方向から照射する様々な波長の指向性を有する光を用いて、光ファイバの断面に亘って計算した温度の差異を示す図である。
【図５Ａ】光ファイバの４つの異なる半径方向からの照射を、概略的に示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示す４つの方向からの光ファイバの照射に基づいて、図４Ａと同様の温度を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ａに示す４つの方向から光ファイバの照射に基づいて、図４Ｂと同様の温度を示す図である。
【図５Ｄ】図５Ａに示す４つの方向から光ファイバを照射に基づいて、図４Ｃと同様の温度を示す図である。
【図６Ａ】図５Ａに示す４つの方向から加熱した場合の光ファイバについて、時間間隔をあけて加熱した時のクラッディングおよびコアの温度を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ａに示した加熱条件について、様々な時点でのファイバ断面の温度を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ａに示した加熱条件について、様々な時点でのファイバ断面の温度を示す図である。
【図７Ａ】固定ビームスプリッタおよび高アスペクト比のビーム形成レンズを含む光を用いた光ファイバ加熱部を、概略的に示す図である。
【図７Ｂ】回転自在ビームスプリッタを含む光を用いた光ファイバ加熱部を、概略的に示す図である。
【図７Ｃ】回転自在走査ビームスプリッタとパラボラミラーの両方を含む光を用いた光ファイバ加熱部を、概略的に示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｃに示したパラボラミラーおよび光ファイバの断面を、概略的に示す図である。
【図７Ｅ】図７Ａ〜７Ｄに示した実施形態のシステムを用いて実現しうる様々な温度プロファイルを示すグラフを含む。
【図８Ａ】光を用いた光ファイバ加熱部の一部を形成しうる様々な中空導波管を示す。
【図８Ｂ】光を用いた光ファイバ加熱部の一部を形成しうる様々な中空導波管を示す。
【図８Ｃ】光を用いた光ファイバ加熱部の一部を形成しうる様々な中空導波管を示す。
【図８Ｄ】光を用いた光ファイバ加熱部の一部を形成しうる様々な中空導波管を示す。
【図８Ｅ】光を用いた光ファイバ加熱部の一部を形成しうる様々な中空導波管を示す。
【図８Ｆ】光を用いた光ファイバ加熱部の一部を形成しうる様々な中空導波管を示す。
【図８Ｇ】光を用いた光ファイバ加熱部の一部を形成しうる様々な中空導波管を示す。
【図９Ａ】実施形態の方法を示すフローチャートである。
【図９Ｂ】実施形態の方法を示すフローチャートである。
【図９Ｃ】実施形態の方法を示すフローチャートである。
【図１０】表面およびコアの温度を、ファイバに沿った距離の関数として、および、照射光の関数として示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本開示の例示的実施形態を記載する。
【００２１】
図１Ａは、光を用いた光ファイバ加熱部１００を示し、それは、指向性光源１０２、および、光方向付け部１０６を含む。本明細書において、「光」とは、本開示の利用例で実用的な出射光であって、光ファイバガラスでの吸収が無視できない程度である任意の波長の光を称する。指向性光源１０２は、指向性を有する光１０４を出射する。指向性光源１０２は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、量子カスケード（ＱＣ）レーザ、パルスレーザ、連続波レーザ、または、紫外線光源を含みうる。本明細書で用いる「指向性光源」は、十分に制限された発散性を有して、光を導くか、形成するか、合焦させるか、または、他の態様で処理する光学機器に、光を向けうるか、若しくは、光ファイバに、光を向けうるものである。いくつかの実施形態において、例えば、指向性光源１０２は、マルチキロワットのＣＯ２レーザを含む。更に、指向性光源１０２は、光ファイバが吸収しうる波長範囲で動作する他の高輝度光源を含みうる。好ましくは、光１０４は、約３．５マイクロメートル（μｍ）から約１１マイクロメートルの範囲の波長を有する。しかしながら、光は、より広い波長範囲、例えば、約２マイクロメートルと約１６マイクロメートルの間の範囲に亘って提供されうる。更に、シリカの光ファイバは、紫外線領域を吸収し、いくつかの実施形態において、紫外線光源を用いて、指向性を有する光を出射する。
【００２２】
いくつかの実施形態において、指向性光源１０２が出射する光１０４の波長は、その光の光ファイバについての光学的深さが、光ファイバの半径と比べて小さいものである。そのような光学的深さは、ファイバで屈折した指向性光源からの光のより多くが、確実に吸収されるようにし、それによって、より高いパーセントの光エネルギーがファイバに伝達される。この特徴は、ファイバ内へ屈折した指向性光源からの光の本質的に全てが、ファイバによって吸収されるのを可能にし、それによって、光エネルギーの本質的に全てが伝達される。他の実施形態において、指向性光源１０２が出射する光１０４の波長は、その光の光学的深さが、ファイバの半径程度以上である。以下に記載するように、この特徴は、均一な内部温度を可能にしうる。
【００２３】
光方向付け部１０６は、光源からの光１０４を、ファイバ線引き中の光ファイバ１０８に向ける。本明細書において、「光を向ける」とは、指向性光源からの光を、導く、形成する、走査する、合焦させる、ぼやかせる、または、他の態様で操作することによって光を処理して、指向性を有する光を光ファイバに入射させることを含む。光ファイバは、外側のファイバクラッディング１１０、および、内側のファイバコア１１２を含み、図１Ａに示した線引き方向１０７に、光ファイバ１０８の軸１０９に沿って線引きされる。以下に図１Ｂを用いて更に記載するように、ファイバ加熱部１００は、光ファイバ１０８のファイバコア１１２を加熱して、ファイバコアの温度が、ファイバコアのガラス変形温度範囲になるようにする。ファイバコアの温度を、ガラス変形温度範囲まで急速に加熱し、次に、ファイバコアの温度を、経時的に制御することによって、室温空気だけを用いる冷却と比べて、ファイバコアの仮想温度を低下させ、ファイバコア内の非架橋酸素欠陥も削減しうる。結果的に、ファイバコアからのレイリー散乱も削減しうる。
【００２４】
ファイバコア１１２を加熱する工程において、ファイバクラッディング１１０も、ある程度は加熱される。更に図６Ａ〜６Ｃに関連して記載するいくつかの条件下では、ファイバクラッディング１１０の温度は、ファイバコア１１２の温度に略等しいことがありうる。他の場合において、特に、光を用いた光ファイバ加熱部を使った急速加熱期間中か、または、急速冷却期間中に、ファイバコアの温度と、クラッディングの温度は、３００℃以上も異なりうる。クラッディングの表面温度が、コアの表面温度より一時的に高い状況では、表面をガラスの融点より高い温度まで一時的に加熱しないのが望ましい。これを防ぐ方法を、図１０を参照して、より完全に記載する。
【００２５】
図１Ａに示した光方向付け部１０６は、以下に更に記載するような、ミラー、ビームスプリッタ、走査ミラー、平面ミラー、湾曲ミラー、パラボラミラー、ビーム形成要素（例えば、レンズ）、中空導波管、または、それらの任意の組合せを含みうる。更に、以下のいくつかの実施形態において、光方向付け部１０６は、多数のレンズ、ミラー、若しくは、他の光方向付け、または、ビーム形成要素を含む。
【００２６】
図１Ｂは、ガラスのエンタルピーを、任意単位（ａ．ｕ．）で、温度（ａ．ｕ．）の関数として示すグラフであり、ガラスが冷却される時に、何が起きるかを示している。更に、ガラスの体積もエンタルピーと同様の振舞いをするので、グラフは、ガラスの体積を温度の関数として示すものであるとも理解しうる。図１Ｂは、ガラス変形温度範囲１１８を示しており、その範囲に亘って、ガラスファイバコアの物性が、過冷却液体の物性と固体の物性の間で変化しうる。ファイバコア１１２が、液体温度範囲１２２より低い温度まで冷却されて、温度が結晶融点Ｔｍより低くなると、ファイバコアは、過冷却液体温度範囲１２０に入る。
【００２７】
ガラス変形温度範囲１１８に入ると、ガラスの冷却速度は、ガラスが固体温度範囲１２４まで冷却されて結果的に形成される固体ガラスのエンタルピーおよび体積に影響する。例えば、図１Ｂに示すように、温度プロファイル曲線１１４に沿って、比較的高速で冷却されたガラスファイバコアは、より高いエンタルピーおよび大きい体積を有し、比較的高い仮想温度Ｔｆ  ＦＡＳＴＥＲ  ＣＯＯＬＩＮＧを特徴とする。一方、温度プロファイル曲線１１６に沿って、比較的低速で冷却されたガラスファイバコアは、例えば、比較的低いエンタルピーおよび小さい体積を有し、比較的低い仮想温度Ｔｆ  ＳＬＯＷＥＲ  ＣＯＯＬＩＮＧを特徴とする。仮想温度は、転移温度とも称しうるものであり、ガラス状（固体）状態の冷却曲線と過冷却液体状態の冷却曲線を示す直線の交点によって画定される。
【００２８】
図１Ｂに示すようなガラスコアの仮想温度の低下は、ファイバコアのガラス変形範囲内で冷却を制御する有益な効果の１つに過ぎない。ガラス形成範囲内で冷却速度を制御することによって、非架橋酸素（ＮＢＯ）欠陥を削減しうるものであり、更に、光信号を伝達する時の光ファイバコア１１２内の光の減衰も、このようにして削減しうる。
【００２９】
図２Ａは、流体ファイバ回転装置２３８ａ、ｂを用いたファイバ線引き処理を概略的に示す図である。第１の流体ファイバ回転装置２３８ａの後に、ファイバが１０ｍ／ｓで線引きされているか、または、６０ｍ／ｓで線引きされているかに応じて、光ファイバ１０８は２００℃と８００℃の間の温度まで冷却される。ファイバを毎秒約５０メートル（ｍ／ｓ）より高速で線引きすると、ファイバ線引き炉の底部から流体ファイバ回転装置２３８ａまでの間のスパン長８４０ａが限定されていることにより、高い仮想温度、および、かなりの残留応力が、ファイバに与えられうる。このような応力を緩和することは、要求される製品属性を得るのに役立つ。例えば、流体ファイバ回転装置２３８ａと２３８ｂの間で、適切に加熱および冷却することで、残留応力を緩和しうる。流体ファイバ回転装置２３８ａと線引き炉の底部の間が約８ｍのスパン長８４０ａの場合には、移動する光ファイバ１０８を、約１ｍの短いファイバスパン長８４０ｂ内で、約アニール温度まで再加熱し（ファイバコア１１２のガラス変形温度範囲内で、温度を約７００℃上昇させて）、流体ファイバ回転装置２３８ａと２３８ｂの間のもっと長いスパン長８４０ａを、ファイバをゆっくりと冷却するのに用いる必要がある。シリカファイバコアの場合、例示的なアニール点は１２１５℃であり、歪点は１１２０℃でありうる。ゲルマニウム（Ｇｅ）を添加したファイバコアの場合には、アニール点および歪点は、僅かに低くなりうる。ファイバコアが、再加熱前に８００℃の場合、温度が７００℃上昇すると、約１５００℃になる。
【００３０】
本明細書に開示した方法および装置を用いて、ファイバコアも、ファイバコアの周りのファイバクラッディングも溶融することなく、ファイバ線引き中の光ファイバのファイバコアを、このように再加熱しうる。但し、他の実施形態において、流体ファイバ回転装置同士の距離は異なっていてもよく、ファイバを加熱しなければならない具体的なファイバのスパン長の要求条件は、１メートルとは異なりうる。しかしながら、現実的な加熱装置の長さは限定されることが多く、ファイバの線引き速度が速くなるにつれて、ファイバが任意の加熱領域に存在する時間が短くなる。
【００３１】
流体ファイバ回転装置２３８ａ、２３８ｂ同士の間のファイバ距離に沿って再加熱を行う正確な位置を用いて、ファイバコアが、再加熱前のファイバ線引き中に達しうる最低温度を、変えうる。上記のように、ある実施形態において、ファイバコアが２００℃または８００℃より低い温度まで冷却される前に、線引きしたファイバの再加熱を行いうる。しかしながら、他の例示的実施形態において、ファイバコアが、例えば、４００℃、６００℃、または、１０００℃より低い温度まで冷却される前に、再加熱しうる。
【００３２】
図２Ｂは、１ｍの長さに亘って、光ファイバの温度上昇を計算した値を示すグラフであり、異なる軸対称の熱流束をワット毎平方メートル（Ｗ／ｍ２）で示している。グラフに示すように、ファイバの温度を１ｍの長さのファイバスパン８４０ｂ内で１０００℃上げるには、約６．５メガワット毎平方メートル（ＭＷ／ｍ２）より大きい一定の軸対称の熱流束を必要とする。
【００３３】
ファイバを、高温囲い部からの熱放射を用いて再加熱しうるが、図２Ｂのグラフから推定しうるように、高温囲い部だけを使用すると、多くの不都合を生じる。光ファイバをそれから作製するシリカは、中赤外線から遠赤外線（３．５マイクロメートルから４３０マイクロメートル）および遠ＵＶスペクトル領域だけで、放射を吸収する。例えば、ファイバの１ｍの長さ部分を囲む３０００℃の高温の管は、仮に、３．５マイクロメートルから４３０マイクロメートルの波長範囲の全赤外線が完全に吸収されたとしても、３０ｍ／ｓで移動するファイバの温度を約１００℃だけ上昇させうる。したがって、線引き中のファイバを、高温囲い部だけを用いてガラス変形温度範囲まで再加熱するのは、必要な加熱部の長さが長すぎてしまい、特に線引き速度が速くなると、非現実的である。これは、線引き中のファイバを急速に再加熱するには、比較的合焦されているか、または、高エネルギー密度の放射の方が、適することを示している。指向性光源は、単色光源でも、レーザでもある必要はない。例えば、いくつかの実施形態において、ＬＥＤ、または、他の光源を使用しうる。しかしながら、吸収効率を最高にするには、出射する放射を、ファイバの吸収領域内に限定するのが望ましい。更に、レーザは、指向性を有する光の光源として利便性が高い。ＣＯ２レーザからの放射など、実質的に単色で吸収率の高い放射は、光の指向性を容易に制御しうるものであり、境界がはっきりとした略単色光を出射する利点を有する。
【００３４】
妥当な線引き速度の場合に、高温囲い部からの熱放射だけで再加熱することは不都合であるが、指向性を有するエネルギー源を用いて、ほとんどの再加熱を実現した後に、そのような高温囲い部での加熱を用いて、有利に、ファイバを非常に正確な最終温度にしうる。
【００３５】
図３Ａは、指向性光源として機能する強力ＣＯ２レーザ３４２を含む、光を用いた光ファイバ加熱部を示している。レーザ３４２は、移動中である線引き中のファイバ１０８の再加熱を可能にする。光方向付け部は、レーザ３４２からの光線３４４を、湾曲したパラボラ光学ミラー３４６に向けて反射するように構成されたミラー３４３を含み、そのパラボラ光学ミラーも、光方向付け部の一部を形成する。パラボラミラー３４６は、約３〜４ｍｍの幅のレーザビームからの光線３４４を、ファイバ１０８へ向ける。ミラー３４６は、光線３４４を向けて、ファイバ１０８で、略線状のビームを形成する。図３Ａには不図示であるが、ミラー３４３と同様のミラーを、ファイバ１０８の左側に同様に設けて、光線３４４を、左側のパラボラミラー３４６に向けうる。左側の光線３４４は、更なるレーザ（不図示）によって、または、同じレーザ３４２によって、ビームを適切に分割して、提供しうる。光ファイバ１０８の左右両側から加熱することで、更に以下に図５Ａ〜５Ｄに関連して記載するように、加熱の均一性が高まるという利点を有する。
【００３６】
図３Ａの実施形態についての線状のビームは、１００以上のアスペクト比を有する。他の実施形態において、ビームのアスペクト比は、約２０以上など、もっと低いことがありうる。アスペクト比は、要求される温度プロファイルによって決定しうる。大きいアスペクト比のビームは、図７Ｅに示したような比較的均一なプロファイルに適し、例えば、１つのビームが温度プロファイルの要求を満たしうる。図７Ｅのプロファイル７５６ｄ〜ｆなどの複雑な温度プロファイルについては、多数のビームが有用でありうる。この場合、小さいアスペクト比を有する多数のビームを組み合わせて、プロファイルを実現しうる。図３Ａの実施形態において、照射されたファイバ１０８の長さは約１ｍで、約１００以上のアスペクト比は、ビームとファイバとの最小限の好ましい重なり部分を提供する。更に、アスペクト比は、好ましくは、少なくとも１０００であるか、より好ましくは、５０００より大きい。例えば、直径が１２５マイクロメートルの従来のファイバの場合は、図３Ｂに更に示すように、重なり部分を最適にするには、ビーム高さは、約２００マイクロメートルなどで、ファイバの直径より僅かだけ大きくなるようにすべきである。ビーム幅は、少なくとも２０ｍｍ、好ましくは、少なくとも２００ｍｍ、更に好ましくは、少なくとも１ｍである。他の実施形態において、ビーム幅は１ｍ以下で、ビームを走査しなくても、光ビームは、いかなる時点でも、光ファイバの約１ｍ以下の長さの部分を照射しうる。いくつかの実施形態において、ビーム幅は１ｃｍ以上で、ビームを走査しなくても、光ビームは、いかなる時点でも、光ファイバの約１ｃｍ以上の長さの部分を照射しうる。レーザビームが、光ファイバを望ましい程度まで加熱するのに十分なエネルギーを有する場合には、この最小ビーム幅は、現実的なファイバ線引き速度には高すぎる温度で一時的に表面が加熱されるのを、容易に回避させうる。更に、いくつかの実施形態において、いかなる時点でも、もっと長い光ファイバに、光を照らし（照射し）うる。図３Ａには不図示であるが、いくつかの実施形態は、コリメーションレンズ、並びに、様々なビーム拡大またはビーム調節光学機器なども含むと理解すべきである。したがって、そのような更なる光学要素は、光源からの光をファイバ線引き中の光ファイバに向けるように構成された光方向付け部の一部を形成しうる。
【００３７】
図３Ｂは、高アスペクト比を有する光ビームの断面を示している。光ビームは、例えば、図３Ａに光線３４４で示した、パラボラミラー３４６で反射した後のレーザ光ビームでありうる。等高線３３６ａ、３３６ｂ、３３６ｃは、光ビームの断面における強度が等しい位置を示している。図３Ｂに示すように、ビームの幅Ｗは、ビームの高さＨより非常に大きく、アスペクト比は、ＷをＨで割った値と定義される。上記のような、より小さいアスペクト比を有する多数のビームを組み合わせた実施形態においては、多数のビームの各々について、アスペクト比を画定しうる。
【００３８】
図４Ａ〜４Ｃは、ファイバを１つの側からだけ加熱した（ファイバに、半径方向に非対称に光を照射した）と仮定して、光源の波長のファイバ加熱均一性に対する影響を示している。図４Ａ〜４Ｃは、様々な波長で各々動作するＣＯ２およびＣＯレーザからの波長の光を用いて、ファイバのレーザ加熱をシミュレーションしたデータを示している。具体的には、シミュレーションは、１０ＭＷ／ｍ２のピーク強度を有し、ファイバの円形断面の頂点で、６０マイクロメートルのスポットサイズに合焦した２Ｄガウスビームを検討している。概して、赤外線領域の様々なレーザ波長を、ファイバの加熱に用いうる。特に、約３．５マイクロメートルから約１１マイクロメートルの赤外線波長範囲は、シリカファイバによる吸収が高いので、有用である。
【００３９】
図４Ａは、９．３マイクロメートルで動作するＣＯ２レーザで５ミリ秒（ｍｓ）加熱した後の光ファイバの断面温度プロファイルを示す。この波長での光ファイバの吸収深さは、３００ｎｍである。図４Ａに示すように、５ｍｓの加熱時間後に、ファイバの断面に亘っての温度は、約３２０Ｋから約４２０Ｋの範囲、つまり、約１００Ｋの範囲である。
【００４０】
図４Ｂも、５ｍｓの加熱を示しているが、１０．６マイクロメートルの波長で動作するＣＯ２レーザを用いている。この波長での吸収深さは、１０マイクロメートルで、ファイバの断面に亘っての温度は、約３２０Ｋから約４４０Ｋの範囲、つまり、約１２０Ｋの範囲である。レーザ光の吸収深さは、１０．６マイクロメートルで、もっと大きいが、表面と内部の温度差は大きくなっている。これは、１０．６マイクロメートルでガラス表面から垂直入射した際の反射が１５％であるのに対し、９．３マイクロメートルでは、４０％だからである。これは、吸収深さが大きいほど、温度勾配が小さくなるという一般的な法則から、逸脱する。しかしながら、それは、更に以下に記載するような派生的効果である。
【００４１】
図４Ｃにおいて、ファイバ加熱部は、５マイクロメートルで動作するＣＯレーザであり、この波長での吸収深さは、７０マイクロメートルである。図４Ｃから分かるように、５ｍｓ加熱後に、温度が、図４Ａまたは４Ｂより非常に均一になり、図４Ｃの断面に亘って、約４０Ｋだけの範囲になる。したがって、図４Ａ〜４Ｃに示すように、シリカファイバを、より大きい吸収深さを有する波長のレーザで加熱することで、ファイバの断面に亘って、より均一な温度分布を生じる。但し、光が、ガラスを最小の吸収で通り抜けるのではなく、レーザが、そのエネルギーの略全てをガラスに与えるのが好ましい。そうでない場合には、再加熱能力が損なわれうる。したがって、この方式を用いて、ファイバの外皮（表面）とコアの間での一時的な過渡温度の差を最小にした場合には、次に、ファイバの厚さより非常に大きい吸収深さを有する波長を使わないことが好ましい。（通信で使用する標準的な光ファイバについては、この直径は、１２５マイクロメートルだろう。）
図５Ａ〜５Ｄは、温度均一性のために、シリカファイバ１０８を多方向から加熱することの利点を示している。図５Ａは、図５Ｂから５Ｄに示したシミュレーションの条件を、概略的に示している。特に、指向性光源、および、光方向付け部が、ファイバ１０８を、ファイバの周りの４つの異なる半径方向から、光１０４で照射すると仮定する。図５Ｂに示すように、９．３マイクロメートルで、吸収深さ３００ｎｍのＣＯ２レーザの場合、５ｍｓ加熱後に、光ファイバの断面に亘っての温度は、約２０Ｋだけの差異である。この２０Ｋの差異は、同じ波長のレーザで、入射光が１つの方向だけである図４Ａの１００Ｋの差異とは、対照的である。
【００４２】
図５Ｃは、１０．６マイクロメートルのＣＯ２レーザで、光ファイバを、４つの異なる方向から加熱した場合のシミュレーションを示している。この場合、ファイバの断面に亘る温度は、約２５Ｋ以内で、図４Ｂの１２０Ｋの範囲と比べて均一である。図５Ｄは、５マイクロメートルで、吸収深さ７０マイクロメートルで動作するＣＯレーザについて、シミュレーションを示している。この場合、ファイバの断面に亘っての温度は、図４Ｃの４０Ｋの範囲と比べて、僅か約７Ｋだけの差異である。したがって、図４Ａ〜４Ｃに示したシミュレーションと比べて、図５Ｂ〜５Ｄに示したシミュレーションは、４つのレーザまたは分けられたレーザビームで、異なる方向から加熱して（方向付けた光を、光ファイバに、ファイバの周りの１つより多くの半径方向から交差させて）、１つの方向からの照射光を用いる場合より、温度均一性を高めることを示している。図５Ａは、この原理を、光ファイバの半径方向について示している。図７Ｃ、７Ｄおよび８Ａ〜８Ｇに関連して、以下に記載する実施形態は、例えば、光を光ファイバに、１つより多くの方向から交差させて、温度均一性を高めるのに用いうる他の実施形態を示している。本発明の実施形態は、光ファイバを多方向から照射することを必要としないが、そうすることは、ファイバのコアをガラス変形温度範囲まで急速に加熱しながらも、ファイバ表面、つまり、クラッディングの溶融を回避しうる多数の技術の１つである。この技術および他の技術は、図１０を参照して、更に記載する。
【００４３】
図６Ａ〜６Ｃは、パルス状（断続的）加熱によって実現しうる更なる断面の均一性を、示している。パルス状または断続的加熱は、時間の経過につれて、拡散によりファイバの所定の断面における温度均一性を高める。そのようなパルス状または断続的加熱は、例えば、パルスレーザ源、または、光学チョッパに連結されたレーザ源、または、他の態様で断続的に遮断されるレーザ源を用いて、実現しうる。そのようなパルス状加熱は、ファイバクラッディングの過渡温度を、ファイバコアの過渡温度から例えば５００℃以内に維持しうる方法の１つである。更に、加熱中に十分な長さの「停止」時間を間隔をあけて設けることで、ファイバクラッディングの過渡温度を、ファイバコアの過渡温度から例えば４００℃、３００℃、２００℃、または、１００℃以内に維持しうる。
【００４４】
図６Ａは、図５Ａに示した４つの方向から、時間間隔をあけて加熱すると仮定した場合の、加熱中のファイバクラッディングの過渡温度、および、ファイバコアの過渡温度を、経時的に示すグラフである。レーザ加熱を行う期間の一例である０ｍｓから約５ｍｓの期間では、クラッディングの過渡温度は、コアの過渡温度と異なる。他のそのような加熱期間が、２０ｍｓに始まる。例えば、２５ｍｓの時点で、図６Ｂは、ファイバ断面の温度に、約２０Ｋの差異があることを示している。しかしながら、次の加熱を行わない期間（例えば、図６Ｃに示した５０ｍｓの時点）では、ファイバクラッディングおよびコア温度は、僅か約０．１Ｋだけの差異であり、略等しい。この技術および他の技術も、図１０に関して、更に記載する。
【００４５】
図７Ａ〜７Ｃは、光ファイバ１０８の軸１０９に沿って望ましい温度プロファイルを実現しうる様々な光学配置を、概略的に示している。図７Ａにおいて、レーザビーム１０４は、部分反射ミラー７４８ａ、７４８ｂによって、ファイバ１０８の様々な位置に向いた多数のビームに分けられて、ファイバの複数の各区間７４９ａ〜ｃと交差する。特定のミラー反射率を用いることで、ビーム１０４を適切に分けて、ファイバに沿った各位置で、望ましい強度を生成しうる。例えば、図７Ａに示した一連の３つのビームスプリッタ７４８ａ〜ｃの場合、ビームスプリッタ７４８ａの反射率は３３％で、第２のビームスプリッタ７４８ｂの反射率は５０％で、最後のビームスプリッタ７４８ｃの反射率は１００％で、略等しい強度のビームを、３つの各ビームスプリッタから生成して、ファイバに向けて伝播させうる。各ビームスプリッタ７４８ａ〜ｃに隣接して、ビームを、高アスペクト比でファイバ１０８に向けて発散させる複合光学レンズ７５０が設けられている。他の実施形態において、ファイバに沿った各位置で、望ましい強度は異なり、それに応じて、ビームスプリッタの反射率を必要なように調節する。したがって、図７Ａの実施形態において、指向性を有する光１０４は、複数のビームに分けられたビームである。同時に、分けられた各ビームは、拡大して光ファイバ１０８の各区間と交差するビームである。
【００４６】
図７Ａの実施形態は、ビームスプリッタおよびレンズを含み、光を、ファイバ１０８の１つの側だけに向けるが、他の実施形態は、ビームスプリッタとレンズの更なる組合せを含み、光を、反対側から光ファイバ１０８に向ける。更に他の実施形態は、ビームを、図５Ａに示した４つ以上の方向から光ファイバに向ける工程を含み、図５Ｂから５Ｄに示したように、半径方向の温度均一性の利点を更に実現する。更に、一連の３つのビームスプリッタおよび３つのレンズを、様々な長さの光ファイバの加熱に必要な一連の任意の数のビームスプリッタ／レンズの組合せと、置き換えうる。更に、いくつかの実施形態において、図７Ｂ、７Ｃに示したように、高アスペクト比のレンズを必要としない。
【００４７】
図７Ｂは、図７Ａのレンズ７５０も他のビーム形成要素も必要とせずに、ファイバの軸方向１０９に沿って様々な温度プロファイルを実現しうる他の光学配置を概略的に示す図である。図７Ａと比べて、図７Ｂの実施形態は、レンズ７５０を含まないが、回転自在走査ビームスプリッタ７５２ａ〜ｃを含む。回転自在ビームスプリッタは回転して、ファイバ１０８を照射し、光をファイバに沿った様々な軸方向位置に向けて、光１０４のビームを軸１０９に沿って能動的に走査しうる。ビームスプリッタを、例えば、検流計モータ、または、他の従来から知られた作動器（不図示）を用いて走査しうる。
【００４８】
図７Ｃは、図７Ｂと同様の実施形態を概略的に示す図である。しかしながら、図７Ｃの実施形態は、パラボラリフレクタミラー７５４も含み、それは、ファイバ１０８が、パラボラミラーの焦線を通って線引きされるように向けられている。指向性を有する光１０４は、パラボラリフレクタミラー７５４に向けられる。光１０４の一部は、第１の光路上のファイバによって吸収されるが、光１０４のほとんどの部分は、伝播し続け、ミラー７５４によって反射される。この実施形態は、最初に第１の光路でファイバ１０８によって吸収されなかった光１０４が、ファイバに向かって反射して戻り、ファイバを異なる方向から照射するという利点を有する。図７Ｄは、ファイバ１０８の端部断面、および、図７Ｃに示したパラボラミラー７５４を、概略的に示している。
【００４９】
冷却速度も、光ファイバ区間７４９ａ〜ｃに対応する、光を用いた光ファイバ加熱部の１つ以上の区間でレーザパワーを調節することによって、制御しうる。例えば、図７Ａにおいて、ビームスプリッタ７４８ａ、７４８ｂが、十分に高い反射率を有する場合には、次に、ファイバ区間７４９ｃに加わるパワーは十分に低く、ファイバを更に加熱しないが、それでも、ファイバの冷却を遅くするには十分高いことがありうる。したがって、いくつかの実施形態において、光を用いたファイバ加熱部、または、その区間を用いて、ガラス変形温度範囲内で冷却速度を制御して、冷却時間を延長しうる。
【００５０】
図７Ｅは、例えば、図７Ａ〜７Ｄに示した実施形態のシステムを用いて実現しうる、いくつかの例示的温度プロファイルを示している。各温度プロファイルは、ファイバの温度（任意単位）を、ファイバの軸上位置（任意単位）の関数として示している。プロファイル７５６ａは、低速ランプ上昇プロファイルである。プロファイル７５６ｂは、高速ランプ上昇プロファイルであり、その後に、低速冷却時間が続く。プロファイル７５６ｃは、高速温度ランプ上昇、高速温度冷却、および、それらの間の平頂プロファイルを特徴とする。プロファイル７５６ｃは、（プロファイルの右側に）ファイバ表面での圧縮応力につながりうる急速冷却領域を有するプロファイルの一例である。更に、実施形態は、ファイバの長さ（移動するファイバの場合には、時間と同等である）に亘って、プロファイル７５６ｄ〜ｆに示したような多数の再加熱および冷却サイクルを提供しうる。温度プロファイルは、時間の経過につれて、例えば、低速ランプ上昇から低速冷却へと、数秒間、または、もっと長い時間で変化させることによって、変わりうる。図７Ｅの各プロファイルについて、プロファイルの最高温度、（例えば、プロファイル７５６ｃにおいて）温度プロファイルの平頂部分、または、光ファイバの低速冷却または低速加熱区間の温度は、例えば、ファイバコアのガラス変形温度範囲内でありうる。したがって、例えば、図７Ａ〜７Ｄの光を用いた光ファイバ加熱部は、ファイバコアを、ファイバコアのガラス変形温度範囲まで加熱するだけでなく、ファイバコアを、ガラス変形温度範囲内に、望ましい時間維持して、本明細書に記載したような利点を実現しうる。
【００５１】
急速再加熱を、小さいファイバスパン内で、高速線引き速度で実現すると共に、図７Ａ〜７Ｄの実施形態を用いて、ファイバコアの温度を、例えば約１５００℃以下の温度まで上昇させうる。本明細書で既に記載したように、ファイバコアを、ガラス変形温度範囲の温度まで加熱して、次に、比較的低速で冷却した場合には、多数の利点を実現しうる。非常に低速の冷却は、例えば、真空補助冷却方式を用いて実現しうるものであり、結果的に、室温で冷却した場合より仮想温度の低いファイバを生成し、非常に低い減衰損失につながりうる。
【００５２】
図８Ａ〜８Ｇは、図１Ａの光方向付け部１０６が、中空導波管も含みうることを示している。例えば、図８Ａは、六角形断面プロファイルを有する高反射率の内面８３０を有する導波管８２８ａを示している。いくつかの実施形態において、高反射率の内面は、金属被膜を有する。いくつかの実施形態において、高反射面は、多数の反射誘電層、例えば、周期的な高反射率部および低反射率部のブラッグ層を用いて形成される。光ファイバ１０８を導波管８２８ａに通して、光１０４を導波管の端部に入射させ、反射面の間を伝播させ、光はファイバ１０８によって吸収される。レーザビームが、軸方向に沿って導波管の反射面の間を伝播する間に、レーザビームがファイバと重なるたびに、レーザエネルギーの一部が光ファイバ１０８によって吸収される。これにより、結果的に、望ましいように、ファイバの長さに亘って、略均一に軸方向に加熱されうる。図８Ａの実施形態は、図８Ｃ〜８Ｇに示した他の導波路の実施形態と同様で、例えば、ミラーおよびレンズなどの多数の光学要素を削減または省略し、光学的位置合わせの必要性を削減し、能動的ビーム走査をなくすという利点を有する。導波管を用いた光学機器の利点の１つは、殆どのレーザパワーを、ファイバによって吸収しうる点である。したがって、導波管は、非常に効率的なアプローチである。しかしながら、いくつかの場合において、導波管は、高いパワーにより破損されうるので、所定の導波管を破損させるパワーを回避するために注意が必要である。図８Ｂは、図８Ａに示した六角形の導波管８２８ａおよびファイバ１０８の半径方向の断面を示している。
【００５３】
図８Ｃ〜８Ｅは、導波管の形状は、図８Ａ、８Ｂに示した六角形に限定されないことを示している。例えば、図８Ｃにおいて、導波管８２８ｂは円形の内側断面を有し、図８Ｄにおいて、導波管８２８ｃは八角形の内側断面を有する。更に、図８Ｅは、丸まった角部を有する略正方形の導波管８２８ｄを示している。湾曲した内側プロファイル、様々な多角形プロファイル、円形プロファイル、楕円プロファイル、Ｄ字型プロファイルなどを含む広範囲の様々な内側断面プロファイルを用いうる。中空導波管が中心軸に対して対称な部分を有する場合には、好ましくは、光ファイバ１０８を導波管の中空内部の中心を外して通して、ファイバと光ビームの重なりを増加させる。例えば、図８Ｃにおいて、光ファイバ１０８は、円形断面を有し円筒状の導波管の内面に対して、中心を外している。
【００５４】
これらの中空導波管構造物は、例えば、ファイバ線引き処理と同様の機械的線引き処理を用いて形成しうる。その代わりに、中空導波管を、いくつかの精密機械加工片を用いて組み立てうる。例えば、図８Ｃに示したような円形導波管は、２つまたは３つの湾曲した部分を用いて組み立てうる。導波路の内面は研磨されて、散乱損失を軽減するのが好ましい。
【００５５】
図８Ｆは、光を、中空導波管に、端部口を通して入射させる必要がないことを示している。図８Ｆにおいて、光１０４は、略円筒状の反射内面を有する中空導波管８２８ｅに入射される。光１０４は、高発散性で光を導波管内へ軸に沿って両方向に送るビーム形成要素８３４を通して、中空導波管に入射される。図８Ｇは、図８Ｆに示した中空導波管およびファイバの断面を示している。導波管８２８ｅの内面および外面は略円筒状で、導波管８２８ｅは、発散ビーム形成要素８３４を収容する平坦部８３２を含む。他の実施形態において、ビーム形成要素は、平坦部８３２を有さずに使用しうる。更に、不図示の他の実施形態において、１つだけのビーム形成要素８３４の代わりに、導波管の長さに沿った異なる位置に配置した多数のビーム形成要素を有する。これらの他の実施形態において、多数のビーム形成要素は、ファイバをファイバ軸１０９に沿った異なる位置で加熱するために、異なる開口部に配置される。更に他の実施形態において、多数の導波管を用いて、光ファイバの様々な区間の加熱、または、冷却制御を行って、図７Ｅに示したような、より多様な温度プロファイルを実現しうる。
【００５６】
図９Ａは、光ファイバ処理方法９６０の実施形態を示すフローチャートである。工程９６２において、光を、指向性光源から、線引き中の光ファイバに向ける。工程９６４において、光ファイバのファイバコアを、少なくとも指向性光源からの光を用いて、ファイバコアのガラス変形温度範囲内のファイバコア温度まで加熱する。ファイバコア温度は、例えば、Ｔｆ  ＳＬＯＷＥＲ  ＣＯＯＬＩＮＧ、または、Ｔｆ  ＦＡＳＴＥＲ  ＣＯＯＬＩＮＧなどの仮想温度を含む、図１Ｂに示したガラス変形温度範囲１１８内の任意の温度でありうる。
【００５７】
図９Ｂは、他の光ファイバ処理方法９６６を示すフローチャートである。工程９６２で光を方向付け、次に、工程９６４でファイバコアを加熱した後に、工程９６８で、ファイバコアの冷却を制御して、仮想温度、または、ファイバコア内の非架橋酸素を、室温空気を用いた冷却と比べて削減する。結果的に、レイリー散乱も削減しうる。様々な実施形態において、ファイバコアの冷却を、図３Ａおよび図７Ａ〜７Ｄに示したものなどの光を用いた光ファイバ加熱部を用いて、制御しうる。更に、いくつかの実施形態において、冷却を、図８Ａ〜８Ｇに示したものなどの中空導波管を含む光を用いた光ファイバ加熱部を用いて、制御する。しかしながら、図９Ｃに示した実施形態などの他の実施形態において、ファイバの冷却を、例えば、炉または真空系を用いて制御しうる。
【００５８】
図９Ｃは、他の光ファイバ再加熱処理方法９７０の実施形態を示すフローチャートである。工程９６２で光を方向付けた後に、光ファイバのファイバコアを再加熱する。特に、処理方法９７０は、２つのファイバ再加熱工程を含む。まず、工程９６４において、ファイバコアを、ガラスコアのガラス変形温度範囲近くの温度まで、再加熱する。光を用いた光ファイバ加熱部を用いて、変形範囲に達するまでではなく、ガラス変形温度範囲に近い温度まで加熱することは、誤ってファイバを加熱しすぎることも、溶融させることもなく、光ファイバを短い距離に亘って急速に加熱するという利点を有する。次に、工程９７２において、ファイバコアを、本明細書で既に記載したようにファイバを実質的にもっと低速で加熱するが、最終温度については非常に正確である炉を用いて、ガラス変形温度範囲に達するまで、更に加熱する。
【００５９】
図９Ｃは、工程９７８の機能（ファイバの冷却制御）をいかに実現するかも、より明確に示している。具体的には、一実施形態において、冷却制御工程９８０は、ファイバに真空中を進行させることによって行われる。他の実施形態では、工程９７８において、冷却制御は、ファイバを、熱放射温度が環境温度よりは非常に高いがファイバ温度よりは低い炉の中を進行させることによって行われうる。更に他の実施形態では、工程９８２において、ファイバの冷却を、強度が弱まっている指向性光源でファイバの照射を続けることによって、制御する。不図示の更なる実施形態において、工程９７８、９８０、９８２の組合せ、または、部分組合せを用いうる。
【００６０】
図１０は、コアを、各々、１００ｍｍ、２００ｍｍ、および、５００ｍｍの図３Ｂに示して定義したビーム幅で、６００℃から１２５０℃まで再加熱した際の、ファイバの表面（外皮）の温度およびコアの温度を示すグラフであり、後者の温度は、コアの更なる処理に有用な温度である。グラフは、ファイバが６０ｍ／ｓで移動するレーザ加熱モデルを用いて作製した。（但し、この高速は、再加熱が特に困難な場合を示している。）モデルに使用したレーザは、４ｋＷのパワーを有するＣＯ２レーザであり、ビームを方向付ける光学機器が、２つのビームを生成して、各ビームが、同じ高さであるが反対（１８０度）方向からファイバに近づく。ビームがファイバ表面と交差する部分で、２つのビームは、２５０マイクロメートルの（断面プロファイルの）（図３Ｂに示したような）高さを有する。
【００６１】
図１０の１００ｍｍのビーム幅は、表面を一時的に加熱しすぎる問題を示している。具体的には、方位に沿った最高表面温度が１８５０℃であり、それは、明らかにガラス融点を大きく上回る。（溶融シリカについて、軟化点とも称される融点は、約１７００℃である。）２００ｍｍのビーム幅の場合には、ファイバコアを、同じ有用な温度まで再加熱するが、最高表面温度は、融点より低い１５００℃である。
【００６２】
図１０の５００ｍｍのビーム幅の場合でも、ファイバコアを、同じ有用な温度まで再加熱するが、最高表面温度がファイバコア温度を上回ることは殆どない。ビーム幅および対応するアスペクト比が、それより大きい場合に、ファイバ表面での溶融を回避しつつ、ファイバコアが望ましい温度を実現するビーム幅閾値および対応するアスペクト比は、詳細な状況によって異なりうる。この特定のモデルは、非常に速いファイバ線引き速度を想定しており、したがって、ファイバ表面を加熱し過ぎずに、ファイバコアを十分に加熱するという課題を、難しくしている。しかしながら、概して、所定のビームパワーおよびファイバ速度について、ビーム幅を増加させる（したがって、ビーム高さが固定だと仮定すると、アスペクト比を増加させる）ことは、ファイバ表面が一時的に加熱され過ぎるのを減らし、特に、表面の溶融を回避する方法である。
【００６３】
本開示の明細書で記載したように、ファイバコアを、更なる処理に有用な温度まで再加熱している間に、ファイバ表面の溶融という副次的影響を回避することが望ましい。以下に、溶融という副次的影響を回避するためのいくつかの方法を要約する。
【００６４】
（ｉ）例えば、図４Ａ〜４Ｃに示したように、ファイバを、（反射率を考慮して）より大きい吸収深さを有する波長の光で照射しうる。
【００６５】
（ｉｉ）例えば、図５Ａ〜５Ｄに示したように、ファイバを、１つより多くの方向から照射し、したがって、方位に沿って高温スポットを削減しうる。
【００６６】
（ｉｉｉ）例えば、図６Ａ〜６Ｃに示したように、ファイバを、複数の工程で加熱し、工程と工程の間に、表面とコアの間の温度勾配を緩めうる。
【００６７】
（ｉｖ）例えば、図７Ｂ、７Ｃに示したように、ビーム、または、複数のビームを、ファイバの軸に沿って走査しうる。
【００６８】
（ｖ）ファイバを、例えば、十分に幅が広く、高アスペクト比の非走査ビームで照射しうる。図１０に、そのようなビームの効果を例示している。
【００６９】
上記各例示的方法を、単独で、または、任意の組合せで用いて、一時的に加熱し過ぎること、および、起こりうるファイバ表面の溶融を回避しうる。
【００７０】
上記の方法に加えて、加熱し過ぎること、および、起こりうるファイバ表面の溶融を回避するための他の方法は、ファイバ自体にも見出される。ファイバが、既に、室温を大きく上回る温度の場合には、次にファイバコアを望ましい温度にするのに必要なエネルギーが、削減される。この点を示すために、図１０を参照すると、再加熱装置に入るファイバが、６００℃ではなく、室温（２０℃）を有し、次に、同じレーザ光およびファイバ速度だと仮定すると、コアを、１００ｍｍのビーム幅を用いて、同じ１２５０℃まで加熱すると、結果的に、方位に沿ったファイバ外皮の最高温度は２６００℃になる。それは、溶融シリカの融点を大きく上回るだけでなく、実際、非常に高温なので、ＳｉＯ２またはＳｉＯの形態での溶融シリカの昇華が、非常に急速になりうる。したがって、ファイバコアおよびクラッディングが、望ましい温度に既に近いほど、それらを、望ましい温度まで再加熱するのが容易になり、更に、ファイバ表面を一時的に加熱し過ぎること、および、起こりうるファイバ表面の溶融の回避が容易になる。概して、コアおよびクラッディングの温度が、例えば、２００℃より高いか、若しくは、４００℃、６００℃、８００℃、または、１０００℃より既に高い温度である状態で、ファイバが、再加熱工程に入るのが望ましく、ファイバ表面またはクラッディングを加熱し過ぎるのを回避するのを助ける。
【００７１】
最後に、ファイバ表面の溶融を回避するのが望ましいが、その回避が絶対必要なわけではないことにも留意すべきである。したがって、本明細書に記載の再加熱方法を、表面の溶融を回避するための上記更なる技術を用いることなく用いうる。
【００７２】
本発明を、特に、例示的実施形態を参照して示し、記載したが、当業者であれば、添付の請求項が包含する本発明の範囲を逸脱することなく、本明細書に記載の形態および詳細を様々に変更しうることが、理解されるだろう。
【００７３】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００７４】
実施形態１  
光ファイバ処理方法において、
指向性光源からの光を、ファイバ線引き中の光ファイバに向ける工程と、
前記光ファイバのファイバコアを、少なくとも前記指向性光源からの前記光を用いて、前記ファイバコアのガラス変形温度範囲内のファイバコア温度まで加熱する工程と、
を含む方法。
【００７５】
実施形態２  
前記ファイバコアを加熱する工程は、該ファイバコアも、該ファイバコアの周りのファイバクラッディングも溶融させずに、行われるものである、実施形態１に記載の方法。
【００７６】
実施形態３  
前記ファイバコアを加熱する工程は、ファイバクラッディングの過渡温度を、該ファイバコアの過渡温度から５００℃以内に維持するものである、実施形態１または２に記載の方法。
【００７７】
実施形態４  
前記ファイバコアを加熱する工程は、ファイバクラッディングの過渡温度を、該ファイバコアの過渡温度から３００℃以内に維持するものである、実施形態３に記載の方法。
【００７８】
実施形態５  
前記ファイバコアを加熱する工程は、ファイバクラッディングの過渡温度を、該ファイバコアの過渡温度から１００℃以内に維持するものである、実施形態４に記載の方法。
【００７９】
実施形態６  
前記指向性光源からの光を向ける工程は、前記光ファイバの吸収深さが、約１０マイクロメートルより大きく、被膜されていない該ファイバの直径以下である光の波長を用いることを含むものである、実施形態１から５のいずれか１つに記載の方法。
【００８０】
実施形態７  
前記光を前記光ファイバに向ける工程は、該ファイバの周りの１つより多くの方向から、該光を該光ファイバと交差させることを含むものである、実施形態１から６のいずれか１つに記載の方法。
【００８１】
実施形態８  
前記光を向ける工程は、パルス状指向性光源を用いることを含むものである、実施形態１から７のいずれか１つに記載の方法。
【００８２】
実施形態９  
前記光を向ける工程は、高アスペクト比の光ビームを用いることを含むものである、実施形態１から８のいずれか１つに記載の方法。
【００８３】
実施形態１０  
前記光を向ける工程は、いかなる時点でも、前記光ファイバの約１メートル以下の長さの部分を該光で照射することを含むものである、実施形態１から９のいずれか１つに記載の方法。
【００８４】
実施形態１１  
前記光を向ける工程は、いかなる時点でも、前記光ファイバの約１センチメートル以上の長さの部分を該光で照射することを含むものである、実施形態１から１０のいずれか１つに記載の方法。
【００８５】
実施形態１２  
前記ファイバコアを加熱する工程は、該光ファイバコアが２００℃より低い温度まで冷却される前に、前記線引きしたファイバを再加熱することを含むものである、実施形態１から１１のいずれか１つに記載の方法。
【００８６】
実施形態１３  
前記ファイバコアを加熱する工程は、該ファイバコアが６００℃より低い温度まで冷却される前に、前記線引きしたファイバを再加熱することを含むものである、実施形態１２に記載の方法。
【００８７】
実施形態１４  
前記ファイバコアを加熱する工程は、該ファイバコアが１０００℃より低い温度まで冷却される前に、前記線引きしたファイバを再加熱することを含むものである、実施形態１３に記載の方法。
【００８８】
実施形態１５  
前記ファイバコアの冷却を制御して、該ファイバコアの仮想温度、レイリー散乱、または、非架橋酸素を、室温空気を用いた冷却と比べて削減することを、
更に含む、実施形態１から１４のいずれか１つに記載の方法。
【００８９】
実施形態１６  
前記冷却制御は、真空、炉、または、更なる指向性光源を用いて、前記ファイバコアの冷却速度を低下させることを含むものである、実施形態１５に記載の方法。
【００９０】
実施形態１７  
前記光を前記光ファイバに向ける工程は、該光ファイバが中を通る中空導波管内に、該光を入射させることを含むものである、実施形態１から１６のいずれか１つに記載の方法。
【００９１】
実施形態１８  
前記光を向ける工程は、該光のビームを、前記光ファイバの軸に沿って能動的に走査することを含むものである、実施形態１から１７のいずれか１つに記載の方法。
【００９２】
実施形態１９  
前記光を向ける工程は、前記光を複数の分割したビームにビーム分割して、同時に、前記分割したビームを拡大して、各々、前記光ファイバの複数の部分に交差させることを含むものである、実施形態１から１８のいずれか１つに記載の方法。
【００９３】
実施形態２０  
前記光を向ける工程は、前記光を、パラボラリフレクタを用いて反射することを含み、
前記光ファイバが、前記パラボラリフレクタの焦線を通って線引きされるものである、実施形態１から１９のいずれか１つに記載の方法。
【００９４】
実施形態２１  
前記ファイバコアを加熱する工程は、前記指向性光源からの前記光を向けた後に、炉を用いることを含むものである、実施形態１から２０のいずれか１つに記載の方法。
【００９５】
実施形態２２  
光ファイバ処理システムにおいて、
（ｉ）指向性光源と、
（ｉｉ）前記光源からの光を、ファイバ線引き中の光ファイバに向けるように構成された光方向付け部と、
を有する、
光を用いた光ファイバ加熱部を含み、
前記ファイバ加熱部は、前記光ファイバのファイバコアを、前記ファイバコアのガラス変形温度範囲内のファイバコア温度まで加熱するように構成されたものであるシステム。
【００９６】
実施形態２３  
前記光を用いた光ファイバ加熱部は、前記ファイバコアも、該ファイバコアの周りのファイバクラッディングも溶融させずに、該ファイバコアを加熱するように更に構成されたものである、実施形態２２に記載のシステム。
【００９７】
実施形態２４  
前記光を用いた光ファイバ加熱部は、ファイバクラッディングの過渡温度を、前記ファイバコアの過渡温度から５００℃以内に維持するように更に構成されたものである、実施形態２２または２３に記載のシステム。
【００９８】
実施形態２５  
前記光を用いた光ファイバ加熱部は、ファイバクラッディングの過渡温度を、前記ファイバコアの過渡温度から３００℃以内に維持するように更に構成されたものである、実施形態２４に記載のシステム。
【００９９】
実施形態２６  
前記光を用いた光ファイバ加熱部は、ファイバクラッディングの過渡温度を、前記ファイバコアの過渡温度から１００℃以内に維持するように更に構成されたものである、実施形態２５に記載のシステム。
【０１００】
実施形態２７  
前記指向性光源は、前記光ファイバの吸収深さが、約１０マイクロメートルより大きく、被膜されていない該ファイバの約直径以下である波長の光を出射するように更に構成されたものである、実施形態２２から２６のいずれか１つに記載のシステム。
【０１０１】
実施形態２８  
前記光方向付け部は、前記光ファイバの周りの１つより多くの方向から、前記光を該光ファイバと交差させるように更に構成されたものである、実施形態２２から２７のいずれか１つに記載のシステム。
【０１０２】
実施形態２９  
前記指向性光源は、パルス状指向性光源をである、実施形態２２から２８のいずれか１つに記載のシステム。
【０１０３】
実施形態３０  
前記光方向付け部は、高アスペクト比の光ビームの形状の光を向けるように更に構成されたものである、実施形態２２から２９のいずれか１つに記載のシステム。
【０１０４】
実施形態３１  
前記光方向付け部は、いかなる時点でも、前記光ファイバの約１メートル以下の長さの部分に亘って前記光を向けるように構成されたものである、実施形態２２から３０のいずれか１つに記載のシステム。
【０１０５】
実施形態３２  
前記光方向付け部は、いかなる時点でも、前記光ファイバの約１センチメートル以上の長さの部分に亘って前記光を向けるように構成されたものである、実施形態２２から３１のいずれか１つに記載のシステム。
【０１０６】
実施形態３３  
前記光を用いた光ファイバ加熱部は、前記ファイバコアが２００℃より低い温度まで冷却される前に、前記線引きしたファイバを再加熱するように更に構成されたものである、実施形態２２から３２のいずれか１つに記載のシステム。
【０１０７】
実施形態３４  
前記光を用いた光ファイバ加熱部は、前記ファイバコアが６００℃より低い温度まで冷却される前に、前記線引きしたファイバを再加熱するように更に構成されたものである、実施形態３３に記載のシステム。
【０１０８】
実施形態３５  
前記光を用いた光ファイバ加熱部は、前記ファイバコアが１０００℃より低い温度まで冷却される前に、前記線引きしたファイバを再加熱するように更に構成されたものである、実施形態３４に記載のシステム。
【０１０９】
実施形態３６  
前記光を用いた光ファイバ加熱部は、前記ファイバコアの冷却を制御して、該ファイバコアの仮想温度、または、非架橋酸素を、室温空気を用いた冷却と比べて削減するように更に構成されたものである、実施形態２２から３５のいずれか１つに記載のシステム。
【０１１０】
実施形態３７  
前記ファイバコアの冷却速度を低下させることによって冷却を制御する真空系、炉、または、更なる指向性光源を、
更に含むものである、実施形態３６に記載のシステム。
【０１１１】
実施形態３８  
前記光方向付け部は、前記光ファイバが中を通る中空導波管を含むものである、実施形態２２から３７のいずれか１つに記載のシステム。
【０１１２】
実施形態３９  
前記光方向付け部は、前記光のビームを、前記光ファイバの軸に沿って走査するように構成された能動走査部を含むものである、実施形態２２から３７のいずれか１つに記載のシステム。
【０１１３】
実施形態４０  
前記光方向付け部は、複数の分割したビームを提供するように構成された複数のビームスプリッタ、および、同時に、前記分割したビームを、各々、前記光ファイバの複数の部分で、該光ファイバに交差させるように構成された複数のビーム拡大部を含むものである、実施形態２２から３７のいずれか１つに記載のシステム。
【０１１４】
実施形態４１  
前記光方向付け部は、前記光を、焦線に向けて合焦するように構成されたパラボラリフレクタを含むものであり、
前記光ファイバが、前記焦線を通って線引きされるものである、実施形態２２から３７のいずれか１つに記載のシステム。
【０１１５】
実施形態４２  
前記光を用いた光ファイバ加熱部は、前記光ファイバの前記ファイバコアを加熱するように構成された炉を更に含むものである、実施形態２２から４１のいずれか１つに記載のシステム。
【０１１６】
実施形態４３  
前記指向性光源は、ＬＥＤ、ＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、量子カスケード（ＱＣ）レーザ、パルスレーザ、連続波（ｃｗ）レーザ、または、紫外線（ＵＶ）光源を含むものである、実施形態２２から４２のいずれか１つに記載のシステム。
【０１１７】
実施形態４４  
光ファイバ処理システムにおいて、
指向性光源からの光を、ファイバ線引き中の光ファイバに向ける手段と、
前記光ファイバのファイバコアを、少なくとも前記指向性光源からの前記光を用いて、前記ファイバコアのガラス変形温度範囲内のファイバコア温度まで加熱する手段と、
を含むシステム。
【符号の説明】
【０１１８】
１００  光ファイバ加熱部
１０２  光源
１０６  光方向付け部
１０８  光ファイバ
１１０  クラッディング
１１２  コア
２３８ａ、２３８ｂ  流体ファイバ回転装置
３４２  レーザ
３４３  ミラー
３４６  パラボラミラー
７４８ａ、７４８ｂ、７４８ｃ  ビームスプリッタ
７５０  レンズ
７５２ａ、７５２ｂ、７５２ｃ  回転自在走査ビームスプリッタ
７５４  パラボラリフレクタミラー
８３４  ビーム形成要素
【図１Ａ】
2019506359.tif 000003
【図１Ｂ】
2019506359.tif 000004
【図２Ａ】
2019506359.tif 000005
【図２Ｂ】
2019506359.tif 000006
【図３Ａ】
2019506359.tif 000007
【図３Ｂ】
2019506359.tif 000008
【図４Ａ】
2019506359.tif 000009
【図４Ｂ】
2019506359.tif 000010
【図４Ｃ】
2019506359.tif 000011
【図５Ａ】
2019506359.tif 000012
【図５Ｂ】
2019506359.tif 000013
【図５Ｃ】
2019506359.tif 000014
【図５Ｄ】
2019506359.tif 000015
【図６Ａ】
2019506359.tif 000016
【図６Ｂ】
2019506359.tif 000017
【図６Ｃ】
2019506359.tif 000018
【図７Ａ】
2019506359.tif 000019
【図７Ｂ】
2019506359.tif 000020
【図７Ｃ】
2019506359.tif 000021
【図７Ｄ】
2019506359.tif 000022
【図７Ｅ】
2019506359.tif 000023
【図８Ａ】
2019506359.tif 000024
【図８Ｂ】
2019506359.tif 000025
【図８Ｃ−８Ｅ】
2019506359.tif 000026
【図８Ｆ】
2019506359.tif 000027
【図８Ｇ】
2019506359.tif 000028
【図９Ａ】
2019506359.tif 000029
【図９Ｂ】
2019506359.tif 000030
【図９Ｃ】
2019506359.tif 000031
【図１０】
2019506359.tif 000032
【国際調査報告】
2019506359.tif 000033
2019506359.tif 000034