(57)【要約】  光ファイバプリフォームを作製する方法及び装置。(ｉ)複数本のロッドを装置の内部キャビティ内に配置し、(ii)内部キャビティ内のロッドと内壁の間に微粒ガラス材料を装填し、(iii)微粒ガラス材料に圧力を印加して複数本のロッドに対し微粒ガラス材料を圧縮する。
2013512851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバプリフォームを作製する方法において、
装置の金型キャビティ内に複数本のロッドを配置する工程、
前記金型キャビティ内の前記ロッドと内壁の間に微粒ガラス材料を装填する工程、及び
前記微粒ガラス材料を前記複数本のロッドに対して圧縮するために前記微粒ガラス材料に対して圧力を印加する工程、
を含むことを特徴とする光ファイバプリフォームを作製する方法。
【請求項２】
前記複数本のロッドが、(ｉ)少なくとも１本のガラスロッド及び少なくとも１本の鋳型ロッド、あるいは(ii)少なくとも２本のガラスロッドを含み、前記圧力が軸方向及び／または径方向に印加されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバプリフォームを作製する方法。
【請求項３】
前記装置が外壁及び内壁を有し、前記外壁が前記内壁を囲み、前記内壁が前記金型キャビティを囲み、前記圧力が、前記微粒ガラス材料を前記ロッドに対して圧縮するために前記微粒ガラス材料に対して、少なくとも径方向に内向きに印加され、ゲージ圧で２５ｐｓｉ(１.７２×１０５Ｐａ)から２５０ｐｓｉ(１.７２×１０６Ｐａ)であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバプリフォームを作製する方法。
【請求項４】
径方向に内向きの圧力を印加する前記工程が、前記外壁と前記内壁の間に加圧流体を供給する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバプリフォームを作製する方法。
【請求項５】
前記微粒ガラス材料がＣＶＤ堆積工程からの廃スートであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバプリフォームを作製する方法。
【請求項６】
前記プリフォームが、前記プリフォームの軸長に沿って最大直径及び最小直径を有し、前記最小直径が前記最大直径の少なくとも９０％であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバプリフォームを作製する方法。
【請求項７】
請求項１または２に記載の方法にしたがって作製された光ファイバプリフォームにおいて、前記微粒ガラス材料が、前記ロッドに対して圧縮され、０.６〜１.２ｇ/ｃｍ３の密度を有し、前記プリフォームが、前記プリフォームの軸長に沿って最大直径及び最小直径を有し、前記最小直径が前記最大直径の少なくとも９０％であることを特徴とする光ファイバプリフォーム。
【請求項８】
前記最小直径が前記最大直径の少なくとも９５％であることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバプリフォーム。
【請求項９】
請求項１または２に記載の方法において、
(ｉ)前記ロッドの内の１本が固結ガラスロッドである、及び／または
(ii)前記ガラスロッドの内の少なくとも１本が多孔質スートクラッド層で囲まれた固結コアケーンを含み、前記コアケーンが前記金型キャビティの軸心に沿って配置される、
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１または２に記載の方法において、
(ｉ)前記ロッドが複数本のコアケーンである、及び／または
(ii)前記ロッドが前記金型キャビティ内で同一直線上に配列される、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、米国特許法第１１９条ｅ項の下に、２００９年１２月３日に出願された米国仮特許出願第６１/２６６３１１号の優先権の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本明は、全般的には、光ファイバオーバークラッド形成のためにスート圧縮を用いる、複数の穴または応力ロッドを有する光ファイバを作製する方法及び装置に関し、特に、光ファイバプリフォームを作製する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバプリフォームの作製のための、外付け(ＯＶＤ)プロセス及び軸付け(ＶＡＤ)プロセスのような、従来の化学的気相成長(ＣＶＤ)プロセスでは、ＣＶＤプロセスの堆積効率における限界により出発原材料の一部しか利用されないことが多い。したがって、結果として生じる「廃」シリカスートを使用すれば、原材料費をかなり節減できるであろう。
【０００４】
したがって、従来方法では光ファイバプリフォームの製造において利用されないシリカスートを利用するための様々な方法が案出されている。これらの方法は、高価、複雑及び／または時間のかかるプロセス条件及び装置を含む様々な欠点をかかえ、この結果得られる性能は、プリフォームの密度及び形状寸法に関する許容できない変動のように、望ましい特性より劣ることになり得る。
【０００５】
所望の光特性を達成するためにクラッドに複数の穴または応力ロッドが用いられる、多くのタイプの光ファイバがある。これらのタイプには、単一偏波ファイバ、偏波保存ファイバ、高屈曲ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、高開口数ファイバ、及び無限単一モードファイバがある。
【０００６】
単一偏波ファイバ及び偏波保存ファイバは一般に、中心コア及び、クラッド内のファイバコア近くに配置された、複数の空気穴またはホウ素ドープ応力ロッド(図１)を有する。そのようなファイバは、例えばオクタメチルテトラシロキサンの熱分解により、シリカクラッドガラスがガラスコアケーン上に堆積される、外付け(ＯＶＤ)プロセスによって作製されることが多い。ＯＶＤプロセスは、高度に最適化された、高収率の作製プロセスである。しかし、クラッド層の形成は光ファイバ生産量の最大化における律速工程であることが多い。さらに、光ファイバプリフォームのクラッド部の堆積中にガラスコアケーン上にはオクタメチルテトラシロキサン供給原料の熱分解生成物の僅か５０％しか堆積しないと推定される。次いでシリカクラッドスート層は焼結されて、シリカコア／クラッドガラスブランクが形成される。単一偏波ファイバ及び偏波保存ファイバは通常、これらのコア／クラッドブランクの内部に精確な穴をドリル加工／機械加工することで、また応力ロッドが用いられる場合には応力ロッドをその穴に挿入することで、作製される。得られた集成体は、シリカチューブに挿入するかまたはオーバークラッドして焼結し、次いで線引きして、単一偏波光ファイバまたは偏波保存光ファイバにすることができる。しかし、良好な光性能を得るには、ドリル穴の寸法が極めて精確でなければならず、またかなりの量の後処理が必要であり、この結果、これらのファイバのプロセスコストが増大する。
【０００７】
別の一群のファイバタイプにおいては、複数の穴がクラッドに存在する。そのような構造はフォトニック結晶ファイバまたは高屈曲ファイバに適している。これらのファイバは一般に、スタック／線引きプロセスを用いて、またはプリフォームにドリルで穴を開けることで、作製される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光ファイバ生産量をさらに向上させ、原材料コスト及びその他の製造コストをさらに低減するためには、クラッドに複数の穴または応力ロッドをもつ光ファイバの別の作製方法が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は光ファイバプリフォームを作製する方法である。本方法は、
(ｉ) 装置の金型キャビティ内に複数本のガラスロッドを配置する工程、
(ii) 金型キャビティ内のロッドと内壁の間に微粒ガラス材料を装填する工程、及び
(iii)微粒ガラス材料を複数本のロッドに対して圧縮するため、微粒ガラス材料に圧力を印加する工程、
を含む。
【００１０】
いくつかの実施形態において、複数本のロッドは、(ｉ)少なくとも１本のガラスロッド及び少なくとも１本の鋳型ロッド、あるいは(ii)少なくとも２本のガラスロッドを含む。いくつかの実施形態にしたがえば、複数本のガラスロッドの内の１本以上はコアロッドである。いくつかの実施形態にしたがえば、複数本のガラスロッドは複数本のコアケーンまたは複数本の応力ロッドである。ロッドは相互に同一直線上に配列されることが好ましい。いくつかの実施形態にしたがえば、好ましくは、圧力は軸方向及び／または径方向に印加される。いくつかの実施形態にしたがえば、圧力は金型キャビティの少なくとも一方の側から印加される。いくつかの実施形態にしたがえば、金型キャビティの断面は円形である。いくつかの実施形態にしたがえば、金型キャビティの断面は円対称性をもたない。
【００１１】
いくつかの実施形態にしたがえば、装置は外壁及び内壁を有し、外壁は内壁を囲み、内壁は内部キャビティを囲み、圧力は、微粒ガラス材料を複数本のロッドに圧縮するために少なくとも径方向に内向きに印加され、微粒ガラス材料に対してゲージ圧で、２５ｐｓｉ(１.７２×１０５Ｐａ)から２５０ｐｓｉ(１.７２×１０６Ｐａ)である。
【００１２】
他の実施形態において、圧力は軸方向に印加される。例えば、ガラスコアの周りに、少なくとも０.５ｇ/ｃｍ３，さらに好ましくは少なくとも０.６５ｇ/ｃｍ３，さらに一層好ましくは少なくとも０.７５ｇ/ｃｍ３(例えば、０.７５ｇ/ｃｍ３〜１.２ｇ/ｃｍ３または０.８ｇ/ｃｍ３〜１.１ｇ/ｃｍ３)、の密度を有するスート成形体を形成するため、石英ガラススートを軸方向に圧縮することができる。
【００１３】
他の実施形態において、圧力は軸方向にも、径方向に内向きにもｍ印加され、それぞれの印加は同時であってもなくても差し支えない。圧力は、例えば、微粒ガラス材料を少なくとも０.５ｇ/ｃｍ３，好ましくは少なくとも０.６５ｇ/ｃｍ３，さらに好ましくは少なくとも０.７５ｇ/ｃｍ３(例えば、０.７５ｇ/ｃｍ３〜１.２ｇ/ｃｍ３または０.８ｇ/ｃｍ３〜１.１ｇ/ｃｍ３)の密度に圧縮するため、微粒ガラス材料に対してゲージ圧で２５ｐｓｉから２５０ｐｓｉとすることができる。
【００１４】
他の実施形態において、金型キャビティは長方形の断面を有し、圧力は長方形キャビティの１つ以上の側壁に印加され、それぞれの印加は同時であってもなくても差し支えない。圧力は、例えば、微粒ガラス材料を少なくとも０.５ｇ/ｃｍ３，好ましくは少なくとも０.６５ｇ/ｃｍ３，さらに好ましくは少なくとも０.７５ｇ/ｃｍ３(例えば、０.７５ｇ/ｃｍ３〜１.２ｇ/ｃｍ３または０.８ｇ/ｃｍ３〜１.１ｇ/ｃｍ３)の密度に圧縮するため、微粒ガラス材料に対してゲージ圧で２５ｐｓｉから２５０ｐｓｉとすることができる。
【００１５】
別の実施形態において、内壁は食違い櫛形歯をもつ巻締シートを有する。食違い櫛形歯を相反方向に引っ張って巻締シートの直径を減じることにより、径方向に内向きの力が印加される。
【００１６】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、以下の詳細な説明及び添付される特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。
【００１７】
上述の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも、本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに、本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、光ファイバプリフォームを形成するための金型装置の略図である。
【図２】図２は、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、光ファイバプリフォームを形成するための組立金型本体を簡略に示す。
【図３】図３は、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、超音波源に結合された金型装置を簡略に示す。
【図４】図４は、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、未圧縮石英ガラススートが装填された金型装置の断面及び超音波源を簡略に示す。
【図５Ａ】図５Ａは、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、石英ガラススートが装填されている金型装置の断面及び超音波源を簡略に示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、石英ガラススートが装填されている金型装置の断面及び超音波源を簡略に示す。
【図６】図６は、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、ガラスコアケーンの周りにスート成形体を形成するために用いられる金型装置の断面及び超音波源を簡略に示す。
【図７】図７は、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、ガラスコアケーンの周りに形成されたスート成形体を有する修正光ファイバプリフォームを簡略に示す。
【図８Ａ】図８Ａは、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがって作製された、光ファイバプリフォームを簡略に示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがって作製された、別の光ファイバプリフォームを簡略に示す。
【図８Ｃ】図８Ｃは図８Ａに示される光ファイバプリフォームから作製された光ファイバを簡略に示す。
【図９】図９は、本発明の好ましい方法にしたがって用いることができる装置の部分側断面図を簡略に示し、装置の可撓内壁のそれぞれの側にかかる圧力はほぼ等しい。
【図１０】図１０は、本発明の好ましい方法にしたがって用いることができる装置の部分側断面図を簡略に示し、装置の可撓内壁と硬質外壁の間の空気がほとんど取り除かれている。
【図１１】図１１は、本発明の好ましい方法にしたがって用いることができる装置の部分側断面図を簡略に示し、装置の内部キャビティ内の中心にガラスロッドが配置されている。
【図１２】図１２は、本発明の好ましい方法にしたがって用いることができる装置の部分側断面図を簡略に示し、ガラスロッドと可撓内壁の間の内側キャビティにガラススートが装填されている。
【図１３】図１３は、本発明の好ましい方法にしたがって用いることができる装置の部分側断面図を簡略に示し、硬質外壁と可撓内壁の間に加圧流体を供給することによってガラススートが圧縮されている。
【図１４】図１４は、本発明の好ましい方法にしたがって用いることができる装置の部分側断面図を簡略に示し、硬質外壁と可撓内壁の間の加圧流体はほとんど取り除かれている。
【図１５】図１５は、装置から取り出された、清浄化及び固化の用意ができている、スート成形体／ケーン集成体の部分側断面図を簡略に示す。
【図１６Ａ】図１６Ａは本発明の好ましい方法にしたがって用いることができる食違い櫛形歯をもつシートの側面図を示し、シートはほどかれている位置にある。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは本発明の好ましい方法にしたがって用いることができる食違い櫛形歯をもつシートの側面図を示し、シートは巻かれた位置にある。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、光ファイバプリフォームを形成するための金型装置の別の例の略図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、光ファイバプリフォームを形成するための金型装置のまた別の例の略図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、光ファイバプリフォームを形成するための金型装置のまた別の例の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の、それらの例が添付図面に示される、現在好ましい実施形態を詳細に参照する。可能であれば必ず、全図面にわたり、同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。
【００２０】
本発明の一実施形態は、複数本のロッドの周りに、ガラススートのような、微粒ガラス材料を装填して圧縮する工程を含む、光ファイバプリフォームを作製する方法及び装置に関する。複数本のロッドは、例えば、複数本の鋳型ロッド及び／または複数本のガラスロッドとすることができる。例えば、ガラスロッドには１本のコアケーン及び少なくとも１本の応力ロッドを含めることができる。別の実施形態例において、例えば、ガラスロッドには複数本のコアケーンを含めることができる。ロッドは円形断面を有することが好ましいが、他の断面を有するロッドを用いることもできる。ロッドは同じ寸法を有することができ、あるいは相異なる寸法とすることができる。本例の方法及び装置は光ファイバプリフォームの作製に適し、クラッドに複数の穴または複数本の応力ロッドを有する光ファイバの作製に用いることができ、光ファイバの作製時にスート圧縮を用いる。本例の作製方法を用いて作製することができる光ファイバの実施形態には、単一偏波ファイバ、偏波保存ファイバ、高屈曲ファイバ、複数コアファイバ、複数コアファイバリボン、及びフォトニック結晶ファイバがある。
【００２１】
コアケーンは、少なくともコアケーンを用いるプリフォームから最終的に線引きされるであろう光ファイバのコアガラス部分を含む、固結ガラスロッドを意味する。コアケーンは、コアケーンを用いるプリフォームから最終的に線引きされるであろう光ファイバのクラッドガラスの少なくとも一部を含むことができる。あるいは、コアケーンは多孔質スートクラッド層で囲むことができる。
【００２２】
応力ロッドは、クラッドガラスの屈折率及び／または熱膨張係数(ＣＴＥ)とは異なる屈折率及び／または異なるＣＴＥを有する固結ガラスロッドを意味する。応力ロッドはプリフォーム内で軸外に配置されることが好ましく、例えば、ホウ素ドープシリカ(すなわち固結Ｂドープシリカロッド)またはホウ素及びフッ素がともにドープされたシリカとすることができる。応力ロッドは、例えば、純シリカのオーバーコートを有することができ、あるいはシリカチューブ内に配置することができる。
【００２３】
いくつかの実施形態にしたがえば、集成光ファイバプリフォームのクラッド部を形成する方法は、金型装置の金型キャビティ内にガラスコアケーン及び別のガラスロッド(例えば、応力ロッド)を配置する工程を含む。微粒ガラス材料、例えば石英ガラススートを、ガラスコアケーン及び応力ロッドが石英ガラススートのような微粒ガラス材料によって囲まれるように、金型キャビティ内に装填することができる。金型キャビティ内の石英ガラススートのような微粒ガラス材料は、ロッドの周りに、例えば、ガラスコアケーン及び、応力ロッドのような、別のガラスロッドの周りに、スート成形体が形成されるように、軸方向及び／または径方向に圧縮することができる。応力ロッド及び／またはコアケーンの周りに圧縮された微粒ガラス材料(例えばスート成形体)は、少なくとも０.５ｇ/ｃｍ３の密度を有することができる。例えば、圧縮微粒ガラス材料の密度は、０.６ｇ/ｃｍ３，０.７ｇ/ｃｍ３，０.７５ｇ/ｃｍ３，０.８ｇ/ｃｍ３，０.９ｇ/ｃｍ３，１ｇ/ｃｍ３，１.１ｇ/ｃｍ３または１.２ｇ/ｃｍ３になり得る。金型キャビティは、コアケーン、ガラスロッド(例えば、応力ロッド)及び外側のスート成形体の間に所望の形状寸法が形成されるように、構成することができる。金型キャビティの断面形状は、円形または楕円形、あるいは、ブランクへの固結後及び光ファイバへのブランクの線引き後に、相異なるガラスロッド間の特定の形状寸法関係を達成するに必要であるような、その他の形状とすることができる。詳細な形状には、軸方向に配置されたガラスロッドの周りのスートの非等方性収縮を補償するため、経験的修正が必要になり得る。
【００２４】
あるいは、本発明の別の実施形態にしたがえば、(好ましくは円柱形の)鋳型ロッドの周りに、及び、コアケーンが用いられる場合には、コアケーンの周りにも、ガラススートのような微粒ガラス材料を堆積して圧縮する工程を含む、光ファイバプリフォームを作製する方法及び装置が提供される。
【００２５】
例えば、得られるプリフォームに空気穴を形成するため、応力ロッドの代わりに鋳型ロッドを用いることができる。さらに詳しくは、(プリフォームのクラッド部に対応する)圧縮微粒ガラスまたはスート成形体から鋳型ロッドが取り出されて、プリフォームのスート成形体層に空孔が残る。このプリフォームを空孔が中に残るように固結することができ、得られたスートプリフォームを次いで線引きして光ファイバにすることができる。上述したように、金型キャビティ内の石英ガラススートは、(鋳型ロッドが取り除かれる前に)鋳型ロッドの周りに、及び／またはガラスコアケーンの周りに、スート成形体が形成されるように、軸方向及び／または径方向に圧縮することができる。金型キャビティの断面形状は、円形または楕円形、あるいは、ブランクへの固結後及び光ファイバへのブランクの線引き後に、相異なるガラスロッド及び鋳型ロッド素子の間の特定の形状寸法関係を達成するに必要であるような、その他の形状とすることができる。
【００２６】
別の実施形態にしたがえば、光ファイバプリフォームを作製する方法は、上述したように、コアケーンの周り及び／または(好ましくは円柱形の)鋳型ロッドの周りに、ガラススートのような、微粒ガラス材料を装填して圧縮する工程を含む。得られた集成体は、１〜３時間の７００℃と１１００℃の間の温度における処理により、ある程度焼結(予備焼結)され、個々の微粒間のガラスネックの形成によって強化された多孔質スートプリフォームが形成される。予備焼結工程後は、多孔質スートプリフォームをより容易に取り扱うことができる。予備焼結されたプリフォームは、次いで技術上周知の方法を用いて完全に焼結してガラスファイバプリフォームにするか、あるいは機械加工で所望の形状にしてから焼結することができる。
【００２７】
さらに、本実施形態及び他の実施形態において、例えば金型キャビティの中心に、コアケーンの代わりにコア鋳型ロッドを配置することができる。別の鋳型ロッド及び／またはガラスロッドも金型キャビティ内に置き、次いで微粒ガラスを圧縮して、圧縮微粒ガラス(スート成形体)を形成する。次いで、焼結の前に、(コア)鋳型ロッドが取り出されてその場所にコアケーンが挿入される。
【００２８】
同様に、複数本のコアケーンの代わりに複数本の鋳型ロッドを用い、次いで微粒ガラスを圧縮して鋳型ロッドの周りにスート成形体を形成することができる。次いで、焼結の前に、(コア)鋳型ロッドが取り出されてそれぞれの場所にコアケーンが挿入される。
【００２９】
また別の実施形態において、光ファイバを作製する方法は、コアケーン及び複数本の鋳型ロッドの周りに、ガラススートのような、微粒ガラス材料を堆積して圧縮する工程を含む。すなわち、応力ロッドの代わりに鋳型ロッドを用いて、得られるプリフォームに複数の空気穴を形成することができる。さらに詳しくは、圧縮された微粒ガラス(例えば、プリフォームのクラッド部に対応するスート成形体)から鋳型ロッドが取り出されて、得られるプリフォームの圧縮層に空孔が残される。空孔の数は５より多く、例えば５０より多く、あるいは１００より多く、２００より多くさえ、することができる。プリフォームは複数の空孔が中に残るように固結することができ、得られるスートプリフォームは次いで線引きして、複数の空孔を含む領域を有する光ファイバ、例えば低曲げ損失ファイバまたはフォトニック結晶ファイバにすることができる。上述したように、金型キャビティ内の石英ガラススートは、ガラスコアケーン及び鋳型ロッドの周りにスート成形体が形成されるように、軸方向及び／または径方向に圧縮することができる。空孔を有する領域はクラッドの一部だけをなすことができる。例えば、クラッドは複数の空孔を含む内側領域を有するが、外側領域は無空孔とすることができる。この場合、クラッドの残りを作製するため、追加のガラス／スート装填工程が必要になり得る。
【００３０】
本発明のまた別の実施形態にしたがえば、(ｉ)コアケーン及び(好ましくは円柱形の)鋳型ロッドの周りに、ガラススートのような、微粒ガラス材料を堆積して圧縮する工程、及び(ii)鋳型ロッドを取り出して得られる空孔(穴)に別の材料を配する工程を含む、光ファイバプリフォームを作製する方法及び装置が提供される。すなわち、上述したように、応力ロッドの代わりに鋳型ロッドを用いて、得られるプリフォームに空気穴を形成することができる。さらに詳しくは、(プリフォームのクラッド部に対応する)圧縮された微粒ガラスまたはスート成形体から鋳型ロッドが取り足されて、得られるプリフォームの圧縮層に穴または穴が残され、これらの穴が別の材料で満たされる。
【００３１】
本実施形態の一例において、これらの穴は次いで、(例えば、ホウ素ドープ応力ロッドを形成するために)ホウ素ドープシリカスートのような、第２の微粒ガラス組成物で満たされる。コアケーン、ホウ素ドープスート及び圧縮されたオーバークラッド材料(スート成形体)を含む集成プリフォームは、オーバークラッド材料及びホウ素ドープスートに完璧な緻密化を与えるために、焼結される。得られた固結プリフォームは次いで、光ファイバを作製するために線引きされる。
【００３２】
本実施形態の別の例において、いくつかの用途では、(穴を満たすために用いられるであろう)ホウ素ドープスートのようなガラス粉末がガラススートと反応し過ぎて、固結後に所望の応力効果を保持することができない。反応を避けるため、１つ以上の穴を有して作製されたプリフォームを薄い壁を有するシリカチューブで埋めることができ、次いでシリカチューブ自体がガラス粉末(例えば、ホウ素ドープシリカ粉末)で満たされる。緻密シリカチューブが隣り合う大表面積スート間の反応を阻止し、プリフォーム固結後のホウ素ドープスート粉末による所望の物理的属性の提供を可能にする。
【００３３】
本実施形態の第３の例において、穴を有して作製されたプリフォームは固結させて直接ガラスにすることができ、得られた固結ガラスブランクはコアケーンに対して幾何学的に揃えられた穴を有する。穴は、ガラスのロッドまたは粉末、金属のロッド、ワイアまたは粉末、及び半導体のロッドまたは粉末を含む、数多くの材料で満たすことができる。第２の相で満たされたブランクは再固結させ、再線引きしてより小径のケーンにするか、または線引きしてファイバにすることができる。
【００３４】
微粒ガラス材料はアンドープシリカとすることができ、または微粒ガラス材料はドープすることができる。考え得るドーパントには、少なくとも、Ｆ，Ｂ，Ｇｅ，Ｅｒ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｌｉ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｎａ，Ｎｄ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｙｂ及びこれらの組合せがある。微粒ガラス材料は、スプレイ余りスートまたは、そうでなければ、ＯＶＤプロセスからの残余スート(ＯＶＤ廃スート)またはＶＡＤプロセスからの残余スート(ＶＡＤ廃スート)のような、ＣＶＤプロセスからの残余スート(ＣＶＤ廃スート)、または、砂のような、他のいずれかのシリカ源からのガラススート、または様々なタイプのガラススートの混合物、あるいは砂とガラススートの混合物とすることができる。
【００３５】
微粒ガラス材料は、無処理(例えば、凝固剤または溶媒が全く添加されていない、シリカスートまたはＣＶＤ廃スート)とすることができ、または、水または有機溶媒のような、１つ以上の凝固剤または溶剤で処理することができる。好ましい実施形態において、微粒ガラス材料は無処理である。微粒ガラス材料は、０.１〜１.０ｇ/ｃｍ３であることが好ましく、０.３〜０.５ｇ/ｃｍ３のような、０.２〜０.７ｇ/ｃｍ３であることがさらに好ましい、例えば約０.３８ｇ/ｃｍ３の、平均タップ密度を有する。
【００３６】
鋳型ロッドは、炭素、テフロン（登録商標）、アルミニウム、鋼、酸窒化ケイ素アルミニウム、炭化ケイ素、またはその他の機械的に強固な材料のような、硬質で非弾性的な材料を有することができる。
【００３７】
ホウ素ドープシリカは、偏波保存ファイバ構造に有用であるに十分な応力場を与えるため、５〜２５％の酸化ホウ素を含有することが好ましく、１５〜２５％の酸化ホウ素を含有することがさらに好ましい。ホウ素ドープシリカ粉末は０.４〜１.０ｇ/ｃｍ３のタップ密度を有することが好ましく、０.１ｇ/ｃｍ３以内の最終圧縮シリカスート体密度を有することが好ましい。
【００３８】
固結プリフォームの穴に挿入し、次いで中心コアケーンの周りに幾何学的に配列されたアレイにするために利用できる金属には、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｗ及びＧａを含めることができる。固結プリフォームの穴に挿入され、次いで中心コアケーンの周りに幾何学的に配列されたアレイにすることができる材料には、例えばＳｉ３Ｎ４及びＳｉ３Ｎ４/ＳｉＣのような材料がある。
【００３９】
それぞれの例が添付図面に示される、様々な実施形態例をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、図面及び説明を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。光ファイバプリフォームの作製方法の一実施形態が図６に示される。図示される実施形態において、ガラスコアケーン、ガラスロッド及び／または鋳型ロッドが円筒形金型キャビティ内に配置され、石英ガラススートが金型キャビティ内に装填される。石英ガラススートを圧縮し、ガラスコアケーン及び他のロッドを囲む緻密化スート成形体を形成するため、石英ガラススートに振動エネルギー及び圧力が印加される。スート成形体は集成光ファイバプリフォームのクラッド部を形成し、ガラスコアケーンは集成光ファイバプリフォームのコア部を形成する。ガラスロッドが金型キャビティの中心を外れて配置されていれば、それらのガラスロッドは集成光ファイバプリフォームの応力ロッド部を形成することができる。その後、集成光ファイバプリフォームは固化されて光ファイバプリフォームになることができる。集成光ファイバプリフォームの形成方法及び集成光ファイバプリフォームを形成するために用いられる装置が、本明細書でさらに詳細に説明される。
【００４０】
図１を参照すれば、集成光ファイバプリフォームを形成するための一例の金型装置１００は、金型本体１０２，下部ラム１０４及び上部ラム１０６を備える。金型本体１０２は、金型本体１０２の軸線１１４上に中心がおかれ、軸線１１４に沿って延びる、金型キャビティを定める。金型キャビティ１０８は、直径がＤｍで長さがＬの、円筒形とすることができる。金型本体１０２は、炭素、アルミニウム、鋼、酸窒化ケイ素アルミニウム、炭化シリコン、またはその他の機械的に強固な材料でつくることができる。一実施形態において、金型本体１０２は、図１に示されるように、単一体として形成することができる。断面が非円形の金型装置も用い得ることに注意されたい。例えば、金型キャビティ１０８は断面を長方形または楕円とすることができる。
【００４１】
次に図２を参照すれば、金型本体の別の実施形態が示される。本実施形態において、金型本体は、軸方向に沿って伸びる複数の金型セグメント１３２，１３４から形成される、組立金型本体１３０である。図示される実施形態において、セグメント１３２，１３４は、金型セグメント１３２のエッジに沿って配置された締結具穴１３６を通して、金型セグメント１３４のエッジに沿って配置された対応するねじ付穴１３８に締結具を挿入することで、結合させることができる。しかし、様々なその他の締結具及び／または締結手法を用いて金型セグメントを結合させ得ることは当然である。例えば、組み立てられたセグメントの周を囲んで延び、よって金型セグメント１３２を金型セグメント１３４に確実に固定する、１本以上のバンド(図示せず)を用いて、金型セグメント１３２を金型セグメント１３４に結合させることができる。
【００４２】
１つ以上の実施形態にしたがえば、金型本体１０２は、金型本体１０２の軸線１１４上に中心があり、軸線１１４に沿って長さＬにわたって延びる金型キャビティ１０８を定める。金型キャビティ１０８の断面形状は円形または非円形(例えば、楕円形、六角形、異形(例えばＤ字形))あるいは、光ファイバの所望の最終形状寸法を得るためのその他の構造形状とすることができる。金型キャビティ１０８は単一体に形成することができ、あるいは分割構成を有することができる。
【００４３】
図２をまだ参照すれば、組立金型本体１３０は、組立金型本体１３０の内表面が実質的に連続であるように、材料(図示せず)で内張りすることができる。一実施形態において、内張材料には、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)または同様の材料のような低摩擦高分子材を含めることができる。別の実施形態において、内張材料には、カーボンシートまたは同様の材料のような非高分子低摩擦材料を含めることができる。内張材料には、金型キャビティ１０８の壁に配された内張材料シートまたは金型キャビティ１０８に施されたコーティングを含めることができる。内張材料は、ある程度圧縮されたプリフォームへの径方向圧力の印加を可能にするため、その仕様に関して後に説明される金型キャビティの内壁のための材料に相当することもできる。内張材料は、キャビティ内の最大正規動作圧力にさらされたときに塑性変形をおこさずに、径方向に内側に、十分に弾性変形するに足る弾性及び降伏強さを有するいずれかの材料、例えばラテックス材料でつくられたチューブで作製することができる。しかし、内張材料は内壁に相当することができ、このことは本明細書でさらに詳細に論じられる。内壁は金型装置１００の内部キャビティ(金型キャビティ)の壁を形成する。そのような金型キャビティでは、同じ金型装置１００を用いて径方向圧力及び軸方向圧力のいずれも与えることができる。
【００４４】
図２は２つの金型セグメント１３２，１３４を有するとして組み立て金型本体１３０を示すが、組立金型本体１３０は、結合されると、一般に円筒形金型キャビティを定める、３個以上の金型セグメントを有し得ることは当然である。
【００４５】
金型キャビティ１０８の直径Ｄｍ及び金型キャティ１０８の長さＬは一般に、本明細書に説明されるスート圧縮法にしたがって作製される、十分に固結された光ファイバプリフォームが所望の最終寸法に達するように選ばれる。実験目的のため(例えば、実験室規模の光ファイバプリフォームを形成するため)、直径が４４ｍｍ、４８ｍｍ及び８９ｍｍで長さが６１ｃｍの金型キャビティを用いて、固結後の外径が(４４ｍｍ径金型キャビティを用いた場合の)約３.３ｃｍから(８９ｍｍ径金型キャビティを用いた場合の)約７ｃｍ未満の実験室規模光ファイバプリフォームを形成した。しかし、光ファイバの商業生産に用いるためのより大きな光ファイバプリフォームを作製するため、金型本体１０２及び金型キャビティ１０８の諸元を拡大し得ることは当然である。例えば、より大きな、そのまま生産に用いられ得る光ファイバプリフォームを作製するため、金型本体１０２の金型キャビティ１０８の直径を２０ｃｍとし、これで固結後の外径が１５ｃｍ程度の光ファイバプリフォームを得ることができる。さらに、金型キャビティの長さを２ｍ程度ないしさらに大きくすることができる。所望の光ファイバプリフォーム寸法を達成するためにモールド金型の直径を選ぶための規準は、本明細書でさらに論じられる。
【００４６】
図１を再度参照すれば、下部ラム１０４及び上部ラム１０６は一般に円板形につくられ、外径Ｄｒを有する。ラム１０４，１０６の外径Ｄｒは、ラム１０４，１０６を金型キャビティ１０８内に配置することができ、金型本体１０２の軸線１１４に沿って互いに対して滑動可能な態様で配置できるように、金型キャビティ１０８の直径Ｄｍと実質的に同じとすることができる。ラム１０４，１０６は、アルミニウムまたは鋼のような金属、あるは適する耐久性を有するプラスチックまたはその他のいずれかの材料で作製することができる。下部ラム１０４及び上部ラム１０６はそれぞれ(コア)内腔１１２，１１０を有し、内腔１１２，１１０は、ラム１０４，１０６が金型キャビティ１０８内に配置されたときに、内腔１１２，１１０の中心が金型１０２の軸線１１４に合わせられるように、ラムの中心に沿って延びる。内腔１１２，１１０はそれぞれ、本明細書でさらに詳細に説明される、集成光ファイバプリフォームを作製するために用いられるガラスコアケーン１１５の直径に一般に対応する、直径Ｄｂを有することができる。下部ラム１０４及び上部ラム１０６はそれぞれ、ラム１０４，１０６が金型キャビティ１０８内に配置されたときに、内腔１１２Ａ，１１０Ａが金型本体１０２の軸線１１４に対して軸外に配置されるように、ラムを貫通する１つ以上の内腔１１２Ａ，１１０Ａを有することもできる。内腔１１２Ａ，１１０Ａのそれぞれは、本明細書でさらに詳細に説明される、集成光ファイバプリフォームを作製するために用いられる応力ロッド１１５Ａ及び／または鋳型ロッド１１５Ｂの直径に概ね相当する直径Ｄｂ'を有することができる。しかし、いくつかの別の実施形態においては、内腔１１２，１１０及び／または１１２Ａ，１１０Ａが円形断面を有していない。そのような別の実施形態において、下部ラム１０４の内腔１０４Ａの形状及び寸法と後部ラム１０６の内腔１１０Ａの形状及び寸法が、また内腔１１２Ａのそれぞれの形状及び寸法と内腔１１０Ａのそれぞれの形状及び寸法が、同じであることが好ましい。例えば、長円形内腔は、応力ロッド及び／または鋳型ロッドの印加圧力の下での移動を、そのような移動が望ましければ(例えば、径方向圧力及び軸方向圧力のいずれもが微粒ガラスに印加されれば)、可能にし得る。さらに、いくつかの実施形態において、応力ロッドまたは鋳型ロッドが円形断面を有していないことがある。
【００４７】
図１に示されるように、ラム１０４，１０６はそれぞれ、内表面１１６，１１８を有する。内表面１１６，１１８は、ラム１１６，１１８が金型キャビティ１０８内に配置されたときに互いに対向する。図１に示される実施形態において、ラム１０４，１０６の内表面１１６，１１８は概ね平坦である。しかし、ラム１０４，１０６の内表面１１６，１１８が他の表面形状をとり得ることは当然である。例えば、ラム１０４，１０６の内表面１１６，１１８は、焼結時のスート成形体の形状保持を向上させるために金型キャビティ１０８内のラム１０４，１６の間で石英ガラススートを圧縮することで形成されるスート成形体の端部を整形するため、円錐形にテーパを付けるかまたは放物面形状にすることができる。さらに、ラム１０４，１０６の内表面１１６，１１８は、金型本体１０２を介して金型キャビティ１０８に導入される振動エネルギーの反射及び／または放散を最適化するため、放物面形状を有することができる。
【００４８】
次に図３を参照すれば、超音波源１５０に結合された、金型装置１００の金型本体１０２が示される。超音波源１５０は金型本体１０２に振動エネルギーを印加するために用いることができ、振動エネルギーは続いて金型キャビティ内に伝搬する。振動エネルギーは金型キャビティ１０８内に入れられた石英ガラススートを流動化し、よって隣り合う石英ガラススート間の抗力または摩擦及び石英ガラススートと金型の間の摩擦を低減して、振動エネルギーを印加しない場合よりも、一様で高い密度までの、金型の長さＬに沿う石英ガラススートの圧縮を容易にする。(ガラスコアケーン及び応力ロッド及び／または鋳型ロッドの周りに配される)スート成形体の形成中の振動エネルギーの印加によってつくられるスート成形体の密度がより一様で高くなることで、固結して光ファイバプリフォームにしたときに、プリフォームの末端からプリフォームの中心まで極めて僅かにしかテーパがかかっていない集成光ファイバプリフォームが作製される。すなわち、スート成形体から形成されるガラスの密度は光ファイバプリフォームの軸長に沿って実質的に一様である。本明細書に用いられるように、語句「集成光ファイバプリフォーム」が、固結すると、少なくとも、(ｉ)応力ロッドのようなガラスロッド、及び／または鋳型ロッド取出し後に残される穴、及び(ii)スート成形体に対応するガラスクラッド部を有する光ファイバプリフォームを形成する、複数本のロッド及び／または穴をもつスート成形体を指すことは当然である。一般に、集成光ファイバプリフォームは、固結すると、プリフォームのコア部分を形成する、スート成形体に埋め込まれたガラスコアケーンも有するであろう。
【００４９】
いくつかの実施形態において、コアケーンの代わりに、キャビティの中心に中心配置鋳型ロッドが挿入され得ることに注意されたい。圧縮完了後、焼結の前に、鋳型ロッドによって残された空孔にコアケーン１１５を挿入することができる。
【００５０】
超音波源１５０は導波路１５２及び取付けカラー１５４によって金型本体１０２に結合される。図示される実施形態において、取付けカラー１５４は第１のカラー部１５６及び対応する第２のカラー部１５８を含む。第１のカラー部１５６及び第２のカラー部１５８は、金型本体１０２を囲んで配置し、取付けカラー１５４が金型本体１０２に確実に取り付けられるように相互に締結することができる。第１のカラー部１５６は第１のカラー部１５６を貫通するチャネル１６０を有することができる。導波路１５２を、導波路１５２が金型本体１０２に近接して配置されるが、金型本体に直接に接触はしないように、チャネル１６０内に配置することができる。超音波源１５０は、超音波源１５０で発生される振動エネルギーが導波路１５２に沿って伝搬し、取付けカラー１５４に入り、その後金型本体１０２に伝搬することができるように、金型本体１０２とは逆の側の導波路１５２の末端に結合される。
【００５１】
超音波源１５０は電気ケーブル１６２を介して制御ユニット(図示せず)に接続することができる。制御ユニットは信号発生器及び５ｋＷ電力増幅器を有することができる。信号発生器は、制御ユニットが電気ケーブル１６２を介して超音波源１５０に電気波形を送る前に電力増幅器によって増幅される様々な低電圧(例えば５〜１０ボルトの)電気波形をつくるように動作することができる。超音波源１５０内の変換器が電気波形を、導波路１５２に沿って金型キャビティ１０２に伝えられ、よって金型本体１０２及び金型キャビティ１０８の中身を機械的に振動させる、振動エネルギーに変換する。信号発生器で発生されて超音波源１５０に送られる電気波形は、正弦波、方形波、鋸歯状波、三角波等を含むがこれらには限定されない、様々な波形をとることができる。一実施形態において、超音波源１５０は、制御ユニットから電気波形を受け取り、受け取った電気波形に基づいて、約１５ｋＨｚ〜約５０ｋＨｚ(例えば、音響または可聴周波数から超音波周波数まで広がる周波数範囲)、さらに好ましくは約１７ｋＨｚ〜約２５ｋＨｚ、の周波数を有する高周波振動を発生する。別の実施形態において、超音波源１５０は、約１ｋＨｚ〜約１５ｋＨｚ(例えば、超音波範囲外)、さらに好ましくは約１ｋＨｚ〜約５ｋＨｚの、可調または音響範囲の、高周波数／低振幅振動を発生するように動作することができる。超音波源１５０により発生される振動エネルギーの強度または振幅は、制御ユニットによって発生される電気波形の振幅または強度(例えば、電力)を調節することで制御することができる。一実施形態において、制御ユニットは、金型キャビティ内の定在波の確立を避けるため、多重周波数モードを有する電気波形を発生し、ある範囲の周波数にわたってそのようなモードを掃引するように動作することができる。制御ユニットは、発生される電磁波形の振幅を周期的に変えるように動作することもできる。別の実施形態において、制御ユニットは、金型キャビティ内に装填された石英ガラススートの圧縮を阻止し得る金型キャビティ１０８内の振動エネルギーの定在波の確立を避けるため、発生される電気波形に多重周波数掃引を周期的に施すように動作することができる。一実施形態において、制御ユニットによって発生される電気波形をつくるために用いられる電源の電力は５ｋＷ電源の約５０％〜約６０％とすることができ、周波数掃引は±３０Ｈｚの周波数範囲にわたって実施することができる。
【００５２】
次に図４を参照すれば、金型本体１０２の断面が示される。本実施形態においては、集成光ファイバプリフォームを形成するため、初めに、ガラスコアケーン１１５(あるいは、代わりにコア鋳型ロッド)が、次いで応力ロッド１１５Ａ及び／または鋳型ロッド１１５Ｂが金型キャビティ１０５内に配置され、次いでコアケーン(またはコア鋳型ロッド)及び１本以上のロッド(すなわち、鋳型ロッド及び／または応力ロッド)の周りに石英ガラススート１９０が装填されて、圧縮または加圧される。十分に固結された光ファイバの所望の寸法によって、金型キャビティの精確な寸法及び圧縮作業によってつくられるスート成形体の最終密度が決定される。代表的な実験室規模の、中心に１本のコアロッドを有する、光ファイバプリフォームの例では、プリフォームの例示的な所望のコア／クラッド比は、光ファイバプリフォームのコア部がプリフォーム直径の６.９％であることを意味する、０.０６９である。すなわち、直径が１９ｍｍのガラスコアケーンがあって、コア直径がケーン直径の２３％すなわち４.１８ｍｍであれば、所望の０.０６９のコア／クラッド比を達成するには、固結後のファイバプリフォームの外径を約６１ｍｍとすべきである。したがって、所望の寸法を有する光ファイバプリフォームを得るに必要な金型の寸法は、圧縮石英ガラススートの与えられた密度に対する収縮率を用いて決定することができる。収縮率は、非圧縮性軸方向ロッドの存在がスートの異方性収縮を生じさせ得るから、与えられたタイプに対して経験的に決定される必要があり得る。例えば、密度が０.８１ｇ/ｃｍ３で、中心の１９ｍｍガラスコアケーンロッドを囲んでいる、８９ｍｍ径石英ガラススート成形体の例では、ガラスへの固化後、軸方向収縮が約２１％で径方向収縮が約３２％である。したがって、外径が６１ｍｍの固結光ファイバプリフォームを得るためには、金型キャビティの直径は約８９ｍｍでなければならない。一般に、所望の光ファイバプリフォーム寸法を得るに必要な金型直径を決定するには、圧縮スート密度、与えられたスート密度に対する固結時の軸方向及び径方向の収縮についての実験的に得られた値、及びガラスコアケーンのコア／クラッド比が必要である。
【００５３】
スート成形体クラッド部によって囲まれ、スート成形体クラッド部と同軸の、ガラスコアケーン１１５を有する集成光ファイバプリフォームを形成するため、ガラスコアケーン１１５，１本以上の応力ロッド１１５Ａ及び／または１本以上の鋳型ロッド１１５Ｂを金型キャビティ１０８内に配置することができる。さらに詳しくは、いくつかの実施形態にしたがえば、ガラスコアケーン１１５は、ガラスコアケーン１１５の中心が実質的に金型本体１０２の長軸上に置かれるように、下部ラム１０４の内腔に配置される。ガラス応力ロッド１１５Ａ及び／または鋳型ロッド１１５Ｂは、それぞれが金型本体１０２の長軸に対して軸外に配置されるように、下部ラム１０４の内腔に配置される。ガラスコアケーン１１５には、少なくとも純石英ガラスコアまたはドープト石英ガラスコアを有する円柱シリカベースコアケーンを含めることができる。ガラスコアケーンは、内側クラッド層等のような、コアを囲む付加ガラス層を有することもでき、そのような付加層は、ガラス層がガラス層の屈折率とは異なる屈折率を有するようなドーパントを含有することができる。ガラス応力ロッド１１５はホウ素ドープ石英ガラスからなることができ、円柱形とすることができる。
【００５４】
図４に示されるように、ガラスコアケーン１１５，応力ロッド１１５Ａ及び／または鋳型ロッド１１５Ｂ，及び／または追加のコアケーン１１５は、下部ラム１０４を通って、下部ラムエクステンション１７０の誘導チャネルに延び込むことができる。下部ラムエクステンション１７０及び(図６に示され、本明細書でさらに論じられる)上部ラムエクステンション１７４は、プレス(図示せず)のプレスアーム(図示せず)からの圧力をラム１０４，１０６に伝え、よってラム１０４，１０６を金型本体１０２の軸方向に沿って互いに向けて駆動する。
【００５５】
ガラスコアケーン１１５，応力ロッド１１５Ａ及び／または鋳型ロッド１１５Ｂ，または追加のコアケーン１１５が金型キャビティ１０８に配置された後、金型キャビティ１０８に微粒ガラス材料、例えば石英ガラススート１９０が装填される。石英ガラススート１９０は市販の石英ガラススートまたは石英ガラス粒子を含むことができる。あるいは、石英ガラススートは、化学的気相成長工程の熱分解から、例えば、他のシリカベース光ファイバプリフォームのオーバークラッド部のオクタメチルテトラシロキサンを用いる外付け(ＯＶＤ)堆積工程から回収されたスート(例えば、光ファイバプリフォーム製造工程から再生使用される石英ガラススート)とすることができる。シリカスートは、石英ガラスの屈折率を高めるかまたは低めるドーパントのような、ドーパントを有することができ、あるいはスートは実質的に純粋な石英ガラススートとすることができる。一実施形態において、金型キャビティ内に充填されるガラススートは結合剤を全く含んでいない。一実施形態において、石英ガラススートは、約２５０ｍ２/ｇと約５ｍ２/ｇの間、さらに好ましくは約１００ｍ２/ｇと約１０ｍ２/ｇの間、最も好ましくは５０ｍ２/ｇと１０ｍ２/ｇの間の表面積を有することができる。これらの範囲は一般に、約１０ｎｍ〜約５００ｎｍ、さらに好ましくは約３０ｎｍ〜約２５０ｎｍ、最も好ましくは６０ｎｍ〜約２５０ｎｍの粒径に、それぞれ相当する。
【００５６】
金型キャビティ１０８内に装填される石英ガラススート１９０の量は、金型キャビティ１０８の直径、応力ロッド１１５Ａまたはコアケーン１１５または鋳型ロッド１１５Ｂの寸法、固化光ファイバプリフォームの所望の長さ、及び固化光ファイバプリフォームに対する所望のコア／クラッド比に依存する。これらの要件に基づき、キャビティに加えられる石英ガラススート１０９の量は、光ファイバプリフォームのクラッド部を形成するために用いられるスート成形体１９８に対する目標スート密度が、約０.５ｇ/ｃｍ３〜約１.２ｇ/ｃｍ３，さらに好ましくは約０.７/ｃｍ３〜約１.１/ｃｍ３，最も好ましくは約０.８/ｃｍ３〜約１.０/ｃｍ３になり得るように、選ばれる。
【００５７】
一実施形態において、図４に示されるように、石英ガラススート１９０は一工程で金型キャビティ１０８内に装填される。本実施形態において、石英ガラススート１９０が金型キャビティ１０８内に装填されている間、スートを金型キャビティ１０８内に均等に分布させるため、ガラスコアケーン１１５のたるみを用いてガラススートを撹拌することができる。さらにまたはあるいは、石英ガラススート１９０が金型キャビティ１０８内に装填されている間、金型キャビティ１０８内の石英ガラススートの一様充填を促進するため、超音波源を用いて金型本体１０２を軽く叩く、及び／または振動させることができる。例えば、超音波源１５０を用いて金型キャビティに振動エネルギーを印加し、よって石英ガラススートを流動化し、隣り合う石英ガラススート粒子間の摩擦を低減させ、石英ガラスシート粒子と金型キャビティの内表面の間の摩擦を低減することができる。振動エネルギーの印加によって石英ガラススートが流動化されると、キャビティ内に装填された石英ガラススートの密度は、機械的圧力を印加しなくとも、高くなり得る。さらに、振動エネルギーの印加は金型本体１０２の長さにわたる石英ガラススートの密度の一様性を高める。一実施形態において、石英ガラススートが金型キャビティ内に装填されている間、金型本体１０２の振動エネルギーを印加すると、石英ガラススートの密度は、石英ガラススートに機械的圧力を加えずに、少なくとも約０.３５ｇ/ｃｍ３に，さらに好ましくは約０.３７ｇ/ｃｍ３より高い密度に、達することができる。
【００５８】
別の実施形態において、金型を真空引きしながら石英ガラススートを金型キャビティ１０８内に装填することができる。例えば、一実施形態において、真空装置(図示せず)を下部ラム１０４の近くで金型キャビティ１０８に連結することができる。これは、流体が通じる態様で金型キャビティが真空装置に連結されるように、真空装置に動作可能な態様で連結された真空ベース(図示せず)に金型本体１０２を配置することによって達成することができる。石英ガラススートが金型キャビティ１０８に装填されている間、金型キャビティ１０８から(空気中の水分を含む)空気を引き出し、したがって圧密前の石英ガラススートの密度を高めるために、真空装置が用いられる。金型本体１０２が多孔質材料で構成されている場合のような、別の実施形態においては、スートが金型キャビティ１０８内に装填されている間、金型本体１０２を外側から真空引きし、よって金型本体１０２を通して空気及び／または水分を引き出すことができる。シリカスートの真空補助装填は振動エネルギーの印加とともに行うことができる。
【００５９】
次に図５Ａ〜５Ｂを参照すれば、別の実施形態において、金型本体１０２の長さに沿う石英ガラススートの密度の一様性を向上させるため、個々の領域毎に石英ガラススートが金型キャビティ１０８内に装填され、それぞれの領域の石英ガラススートを、次の領域の石英ガラススートがモールドキャビティ１０８に加えられる前に、圧縮することができる。例えば、図５Ａを参照すれば、２つの領域１９２，１９４に石英ガラススートが装填されている金型キャビティ１０８が示される。図５Ａに図式表示されるように、第１の領域１９２の石英ガラススートは、第１の領域１９２が第２の領域１９４より高い密度を有するように、第２の領域１９４の石英ガラススートが加えられる前に圧縮されている。第２の領域１９４の石英ガラススートは、金型キャビティ１０８内の第１の領域１９２の石英ガラススートの上面上に装填した後に、圧縮することができる。
【００６０】
一実施形態において、金型キャビティ内に装填されたそれぞれの領域の微粒ガラス材料(本実施形態においては石英ガラススート)の圧縮工程は、微粒ガラス材料の手作業による圧縮工程を含むことができる。石英ガラススートの手作業による圧縮工程は、石英ガラススートに圧力を印加し、よって石英ガラスシートを圧縮するために突き棒または同様の道具を使用する工程を含むことができる。石英ガラススートの手作業による圧縮工程は、上部ラム１０６を金型キャビティに配置し、(図６に示される)上部ラムエクステンションのような、エクステンションを用いて上部ラム１０６に圧力を印加することによる石英ガラススートの圧縮工程も含むことができる。
【００６１】
別の実施形態において、それぞれの領域の(例えば、石英ガラススートのような)微粒ガラス材料の圧縮工程は、圧縮されるべき領域の石英ガラススートに重ねて上部ラム１０６が配されるように、金型キャビティ１０６に上部ラム１０６を配置する工程を含むことができる。その後、油圧プレスまたは機械プレスのような、プレスを用いて上部ラム１０６に機械的圧力を印加し、よって微粒ガラス材料(例えば、石英ガラススート)を圧縮することができる。
【００６２】
それぞれの領域の石英ガラススートの密度を最大化するため、それぞれの領域の石英ガラススートが金型キャビティ１０８内に装填されている間、超音波源１５０を用いて金型本体１０２に振動エネルギーを印加することができる。同様に、それぞれの領域の石英ガラススートが圧縮されている間、金型本体１０２に振動エネルギーを印加することもできる。
【００６３】
図５Ｂを参照すれば、第２の領域１９４の石英ガラススートの圧縮後、図５Ｂに示されるように、第２の領域１９４の圧縮された石英ガラススートに直接に接して、第３の(及び、必要に応じて、第４，第５，等々の)領域の石英ガラススートを金型キャビティ１０８に加えることができる。次いで第３の領域１９６の石英ガラススートを圧縮することができ、所望の量の石英ガラススートが金型キャビティ１０８内に装填されるまで、装填／圧縮工程が反復される。
【００６４】
次に図６を参照すれば、所望の量の、石英ガラススートのような、微粒ガラス材料が金型キャビティ１０８内に装填された後に、ガラスコアケーン１１５，応力ロッド１１５Ａ及び／または鋳型ロッド１１５Ｂの周りにスート成形体を形成するため、微粒ガラス材料(例えば、石英ガラススート)が軸方向に圧縮される。石英ガラススートを軸方向に圧縮するため、ガラスコアケーン１１５，応力ロッド１１５Ａ及び／または鋳型ロッド１１５Ｂが上部ラム１０６の内腔を通して挿入され、充填された微粒ガラス材料(例えば、石英ガラススート)に上部ラム１０６が直接に接触するように、上部ラム１０６を金型キャビティ１０８内に配置することができる。次いで金型装置がプレス内に置かれ、プレスのプレスアーム(図示せず)に結合させることができる、上部ラムエクステンション１７４が、ガラスコアケーン１１５，応力ロッド１１５Ａ及び／または鋳型ロッド１１５Ｂが上部ラムエクステンション１７４(及び／またはラム１０６)のそれぞれの誘導チャネル１７６，１７６Ａ及び／または１７６Ｂ内に配置されるように、上部ラム１０６に対して配置される。一実施形態において、プレスの支持プレート(図示せず)上に下部ラムエクステンション１７０を置くことができる。別の実施形態において、下部ラムエクステンションは誘導チャネル１７２を有することができ、第２のプレスアーム(図示せず)上に下部ラムエクステンションを配置することができる。
【００６５】
一実施形態において、金型装置１００をプレスに置いた後、ラム１０４，１０６に軸方向圧力を印加する前に金型本体１０２に振動エネルギーを印加するため、超音波源１５０を用いることができる。圧力印加工程中に圧縮石英ガラススートの密度を高めるため及び得られるスート成形体の密度の一様性を向上させるため、圧力印加工程を通して振動エネルギーを金型本体に印加することができる。スート圧縮工程中に金型本体１０２に振動エネルギーを印加すると、金型本体１０２の振動エネルギーが印加されない場合のスート圧縮工程におけるスート成形体の密度と同じかまたはそれより高い密度を達成するに必要な圧力が低くなることが分かった。
【００６６】
別の実施形態において、組立金型を(石英ガラススートに対する)摩擦が小さい内張材料とともに用いた場合には、スート圧縮工程中に金型本体１０２に振動エネルギーを印加しなくとも、内張がない一体金型本体で達成される圧密量と同じ圧密量に達する。これは、石英ガラススート粒子と内張材料の間の摩擦が、金型キャビティ１０８の内張材料に接している石英ガラススート粒子が容易に圧縮され(例えば、石英ガラススートが金型壁に引っかからず)、よって金型壁に沿う石英ガラススートの流動化を生じさせるに必要な振動エネルギーを減じるかまたは無くすに十分に低いからである。
【００６７】
また別の実施形態において、圧力印加工程中に金型から空気をパージし、よって、スート成形体内の空気を排除し、所望の密度のスート成形体を得るに必要な総圧縮時間を短縮するため、真空装置を用いることができる。
【００６８】
金型装置がプレスに置かれると、ラム１０４，１０６の間で石英ガラススートが圧縮されるように、プレスによりラムエクステンション１７０，１７４を介して上部ラム１０６及び下部ラム１０４に圧力Ｐが印加される、一実施形態において、圧力は、上部ラム１０６に圧力を印加し、よって上部ラム１０６を下部ラム１０４に向けて前進させるために用いられる。上部ラム１０６は、約０.１ｍｍ/秒〜約１０ｍｍ/秒、さらに好ましくは０.１ｍｍ/秒〜約２.０ｍｍ/秒の速度で前進することができる。圧力印加工程中、上部ラム及び下部ラムのいずれもが金型の中央に向けて移動するように、金型本体１０２が支持されて、上部ラム１０６が前進する速度の約１/２の速度で(図６に矢印Ｓで示される)軸方向に滑動することが可能にされる。金型本体の活動を可能にすることで、スート成形体１９８の中心の周りの圧縮力の対称性が維持され、振動エネルギーが印加される場合には、圧力印加工程を通してスート成形体１９８の中心部への超音波源の配置が維持される。
【００６９】
一実施形態において、石英ガラススートが圧縮されている間、金型本体１０２に対するラム１０４，１０６のそれぞれの軸方向位置がモニタされる。ラム１０４，１０６のそれぞれの軸方向位置の測定は、超音波センサ、近接センサまたは光学センサ等のような、センサ(図示せず)を金型本体１０２の上及び／または下の固定点に配置し、ラムが金型本体１０２の軸に沿って前進している間、センサを用いてセンサとラムの間の距離を測定することによって達成することができる。別の実施形態において、金型本体１０２内のラムの軸方向位置は、ラム及び／または金型本体１０２に動作可能な態様で結合された、ノギスまたは同様の測定器(図示せず)によるように、直接測定することができる。金型本体内のラムの位置を検出するためのセンサまたは測定器の使用により、金型本体内のラムの位置、金型本体の諸元、ラムの諸元及び金型本体１０８に入れられたシリカスートの重量に基づく、圧縮された石英ガラススートの平均密度の実時間計算が可能になる。シート密度の実時間測定値は、スート圧縮プロセスに対するプロセス制御変数として用いることができる。さらに詳しくは、石英ガラススートが目標密度まで圧縮されたことが実時間測定から決定されると、ラム１０４，１０６への機械的圧力の印加をその時点で停止することができる。
【００７０】
別の実施形態において、プレスが油圧作動プレスである場合、油圧プレスの油圧ライン圧力がモニタされ、スート圧縮プロセスを制御するために用いられる。プレスの油圧ラインの圧力は、石英ガラススートが圧縮されている間の油圧プレスアームが受ける抵抗の指標となることができる。したがって、スートの密度が圧縮によって高まると、油圧ラインの圧力も高まる。したがって、与えられた金型諸元及び金型キャビティ１０８内に装填された石英ガラススートの重量に対し、油圧ライン圧力はスート圧縮工程中のスートの密度の指標になり得る。したがって、油圧ライン圧力は、圧縮されたスートが目標密度に達した時点を判定するために用いることができる。
【００７１】
スート密度または油圧ライン圧力の実時間測定値はスート圧縮プロセスに対するプロセス制御変数として用いることができるが、いずれもスート圧縮プロセス中にシートの密度を決定するために用い得ることは当然である。
【００７２】
別の実施形態において、金型キャビティ内に装填された石英ガラススートに印加される実圧縮圧力を測定するため、ロードセルを下部ラム１０４に取り付けることができる。ロードセルから得られたデータ、金型キャビティ内のラムの実変位、スートの重量及び金型諸元を、システムの適切な動作及び得られるスート成形体の密度の一様性を保証するために用いることができ、したがって品質制御目的のために用いることができる。
【００７３】
上述したように、石英ガラススートは得られるスート成形体１９８に対する目標密度に達するまで圧縮される。光ファイバプリフォームのクラッド部を形成するために用いられるスート成形体１９８に対する目標スート密度は約０.５ｇ/ｃｍ３〜約１.２ｇ/ｃｍ３，さらに好ましくは約０.７ｇ/ｃｍ３〜約１.１ｇ/ｃｍ３，最も好ましくは約０.８ｇ/ｃｍ３〜約１.０ｇ/ｃｍ３，とすることができる。一実施形態において、目標スート密度に近づくと、振動エネルギーの印加が停止される。例えば、スート成形体の密度計算値が目標密度から０.０１ｇ/ｃｍ３の範囲内になると、振動エネルギーの印加を停止することができる。目標密度に達すると、目標密度においてラムにかけられていた圧力が、スート成形体の圧力下における緩和を可能にするためにあらかじめ定められた時間、静負荷として維持される。一実施形態において、緩和時間は約１分〜約１０分である。
【００７４】
緩和時間に続いて、スート成形体１９８にかかる圧力が解放され、上部ラム１０６及び下部ラム１０４が金型キャビティ１０８から取り外されて、ガラスコアケーン１１５が埋め込まれ、応力ロッド１１５Ａ(及び/または鋳型ロッド１１５Ｂ)が埋め込まれている、スート成形体１９８が金型キャビティ１０８内に残される。図７に示されるように、スート成形体及び埋め込まれたガラスコアケーン１１５及び応力ロッド１１５Ａが集成光ファイバプリフォーム２００を形成する。スート成形体１９８は集成光ファイバプリフォーム２００のクラッド部を形成する。ガラスコアケーン１１５は集成光ファイブプリフォーム２００のコア部を形成し、応力ロッド１１５Ａは、集成光ファイバプリフォーム２００の、偏波保存ファイバまたは単一偏波ファイバの応力誘起領域に対応する部分を形成する。
【００７５】
応力ロッド１１５Ａの代わりに、追加のコアケーン１１５を用い得ることに注意されたい。この場合、複数本のガラスコアケーンが、得られる光ファイバの複数のコアに対応する。少なくともいくつかの実施形態にしたがえば、コアケーンは金型内で同一直線上に配列され、圧縮されたスートプリフォーム内で同一直線上に(例えば、同じ直径に沿って)配置される。
【００７６】
集成光ファイバプリフォームをさらに処理して光ファイバプリフォームにするためには、集成光ファイバプロフォーム２００を金型キャビティ１０８から取り外さなければならない。一実施形態において、金型キャビティ１０８から集成光ファイバプリフォームを取り外すため、金型装置をプレスから取り出して、金型本体１０２の長軸が実質的に垂直になるようにエクステンションロッド上に配置する。次いで金型本体１０２に振動エネルギーを印加し、金型本体をスート成形体１９８から押し離して、集成光ファイバプリフォームをエクステンションロッド上に残す。いくつかの実施形態例にしたがえば、応力ロッド１１５Ａの代わりに鋳型ロッド１１５Ｂが用いられる場合、鋳型ロッドの取外し後、集成光ファイバプリフォーム２００は応力ロッド１１５Ａの代わりに穴(空孔１１５Ｂ')を有するであろう。いくつかの実施形態においては、複数の空孔が複数本の鋳型ロッドを用いてクラッドに形成される。これらの実施形態におけるそのような空孔の数は、好ましくは５より多く、さらに好ましくは５０より多く、さらに一層好ましくは１００より多く、最も好ましくは２００より多い。空孔数が５より多い光ファイバは、例えば、高屈曲ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、高開口数ファイバ、または無限単一モードタイプとして、用いることができる。また別の実施形態において、複数の空孔はクラッドの一部だけに形成され、クラッドの残り部分に空孔はない。
【００７７】
別の実施形態において、スート成形体１９８を形成するために組立金型が用いられる場合、金型キャビティ１０８から集成光ファイバプリフォームを取り外すことができるまで、金型本体の個々のセグメントが集成光ファイバプリフォームの周りから取り外される。この実施形態において、金型キャビティ１０８から集成光ファイバプリフォームが取り外された後、集成光ファイバプリフォームがさらに処理され得るように、スート成形体１９８を囲む円筒スリーブがスート成形体１９８の周りから取り外される。
【００７８】
また別の実施形態において、集成光ファイバプリフォーム２００は、集成光ファイバプリフォームのスート成形体１９８を予備焼結することによって、金型キャビティ１０８から取り外すことができる。予備焼結はスート成形体の寸法を縮小させ、よってスート成形体１９８を金型キャビティ１０８から容易に取り外すことができる。予備焼結は固結前のスート成形体の機械的耐久性を高め、ある程度焼結されたスート成形体と応力ロッドの間の結合も向上させる。集成光ファイバプリフォーム２００に穴を形成するために鋳型ロッド１１５Ｂが用いられる場合、好ましくは、鋳型ロッド１１５Ｂは、予備焼結工程による予備焼結されたスートの鋳型ロッドへの結合がおこる前に、及び／または鋳型ロッドが熱環境による損傷を受ける前に、スート成形体から取り外されるべきである。予備焼結工程は、予備焼結中の十分に高温の熱処理後に鋳型ロッドが取り外されることになっていれば、鋳型ロッド１１５Ｂに対するいくつかの材料(例えば、「テフロン」またはアルミニウム)の選択を規定し得る。スート成形体１９８を予備焼結または再焼結する工程は、スート成形体を乾燥させる工程を含むこともできる。例えば、スート成形体１９８を乾燥させるため、スート成形体を含む金型を管状炉の高温域でシリカマッフル内に載せることができる。マッフルの両端に蓋をし、炉の温度を３００℃まで上げながら、真空引きする。真空下３００℃で１７時間、プリフォームを保持する。スート成形体を予備焼結するため、１気圧(１０１３ｈＰａ)に戻るまでマッフルにヘリウムを満たし、排気し、さらに時間を使って１気圧になるまで再びヘリウムで満たす。次いで管状炉の温度を９００℃まで漸次高め、ヘリウムを流しながら４時間保持する。次いで管状炉を冷却する。管状炉が室温に達すると、ヘリウム流を止めて、蓋をしたマッフルから金型を取り出す。予備焼結スート成形体は、スート成形体の直径が予備焼結中に縮小しているから、金型から取り出すことができる。保持時間の変更及び９００℃予備焼結前の４００℃〜７００℃の温度への漸次上昇の追加がガラス品質を最高にするために望ましいことがあり得る。別の実施形態において、スート成形体１９８は集成光ファイバプリフォームが入っている金型本体１０２を管状炉内に置くことで予備焼結される。炉の雰囲気はヘリウムでパージすることができ、炉の温度はヘリウム流の雰囲気内で約８００℃と１２００℃の間まで高めることができる。炉は所望の予備焼結温度で約２時間保持される。冷却すると、金型本体１０２から予備焼結スート成形体１９８を容易に取り外すことができる。密度がより低い成形体、または直径がより小さい金型に対しては、１０００℃より高い温度でスート成形体を焼結することが必要であるかまたは望ましい。しかし、そのような温度に達する前に、焼結された石英ガラス内の望ましくないクリストバライト相の形成を避けるため、そのような高温における焼結に先立ち、スート成形体を乾燥させることが必要になり得る。一実施形態において、スート成形体を乾燥させるため、金型及び集成光ファイバプリフォームが入れられた炉を、ヘリウムガス／５％塩素混合を流しながら１０００℃まで加熱する。炉の温度を予備焼結温度まで��熱する前に、炉を１０００℃に約２時間保持する。乾燥プロセス中に金型本体１０２は塩素蒸気にさらされるから、スート成形体１９８が金型キャビティ１０８内で、９００℃をこえ、好ましくは１０００℃をこえる温度で、例えば０.５〜５時間焼結されるであろうと考えられる場合には、カーボンのような塩素ガスと反応しない材料を金型本体１０２に用いるべきである。予備焼結は、スート成形体のある程度の緻密化を与えるため、１２５０〜１４００℃の温度で、例えば、十分な時間(例えば、０.５〜５時間または１〜３時間)をかけて行うことができる。
【００７９】
さらに、上述した予備焼結プロセスは、内径Ｄｍが４４ｍｍ及び８９ｍｍの金型で形成されたスート成形体を処理するために用いた、諸元が異なるスートコンパクトに対して、予備焼結プロセスをスケーリングでき、最適化できることは当然である。
【００８０】
次に図７を参照すれば、本明細書に説明されるスート圧縮プロセスにより、集成光ファイバプリフォーム２００のクラッド部を形成するスート成形体１９８，及び集成光ファイバプリフォーム２００のコア部を形成するガラスコアケーンを有する、集成光ファイバプリフォーム２００が得られる。金型から集成光ファイバプリフォーム２００が取り外された後、集成光ファイバプリフォーム２００は、スート成形体１９８を固結／焼結させて、例えば図８Ａの焼結光ファイバプリフォーム２１０に示されるように、例えばガラスコアケーン１１５の周り及び応力ロッド１１５Ａの周りに緻密石英ガラスクラッド部２１２を形成することができる。また、スート成形体１９８の固結はクラッド部２１２をガラスコアケーン１１５及び(応力ロッドが用いられていれば)応力ロッド１１５Ａに結合させ、よって光ファイバプリフォーム２１０を形成する。あるいは、応力ロッドの代わりに追加のコアケーンが用いられていれば、集成光ファイバプリフォーム２００がスート成形体１９８の固結／焼結時に、複数本のガラスコアケーン１１５の周りに緻密石英ガラスクラッド部２１２が形成される。また、スート成形体１９８の固結はクラッド部２１２をガラスコアケーン１１５に結合させて、複数本のコアケーンを有する光ファイバプリフォーム２１０を形成する。あるいはまた、鋳型ロッド１１５Ｂが用いられていれば、得られる光ファイバプリフォーム２１０は、先に取り外された鋳型ロッドの場所に対応する場所に空孔または穴１１５Ｂ'を有することができる(図８Ｂを見よ)。また別の実施形態例において、ある程度の固結後、穴または空孔の場所にホウ素ドープスートが入れられ、次いで、コアケーン１１５と(ある程度焼結されたスート成形体１９８に対応する)ある程度焼結されたスートが、ある程度焼結されたスート成形体１９８の内側の穴に入れられたホウ素ドープスートともに焼結されて、完全緻密化が達成される。
【００８１】
スート成形体が純シリカ(スート)粉末でつくられていて、ホウ素ドープスートが(与えられた用途の目的には)固結中のシリカ粉末との反応性が高すぎることが分かった場合には、スート成形体内の空孔の内径より僅かに小さい外径を有する薄壁シリカチューブをスート成形体の(円筒形)空孔に挿入することができ、次いでチューブ自体の内側をホウ素ドープシリカスート粉末で満たすことができる。
【００８２】
一実施形態において、集成光ファイバプリフォーム２００は、ガラスコアケーン１１５にハンドルを取り付けて、集成光ファイバプリフォームを固結炉上に石英投込ロッドから吊り下げることで、固結されて光ファイバプリフォーム２１０にされる。固結炉には一般に、乾燥域及び固結域を有する石英マッフルを備える管状炉を含めることができる。乾燥域は約１０００℃の温度に保持することができ、固結域は固結域にかけて約１０００℃から約１４５０℃の温度勾配を有する。固結炉の固結域にはヘリウムを流し続けておくことができる。集成光ファイバプリフォームは固結炉の乾燥域に保持され、集成光ファイバプリフォームを乾燥させ、炭素、水及び遷移金属不純物を除去するため、連続する２つの等温保持期間においてそれぞれヘリウム／酸素流及びヘリウム／塩素流にさらされる。乾燥処理後、管状炉内の雰囲気がヘリウム流に切り換えられ、集成光ファイバプリフォームが固結域を通して下降させられて、石英ガラスの温度を高めて完全に固結したガラスを形成するに十分な流動溶融ガラスがつくられる。固結に続いて、固結された集成光ファイバプリフォーム(今では光ファイバプリフォーム)は固結炉から引き出され、試料のガス抜き及びアニールのため、１０００℃保持オーブン内に少なくとも６時間は置かれる。
【００８３】
本明細書に説明されるスート圧縮プロセスは、スート成形体の密度の一様性を向上させ、よって固結光ファイバプリフォームの形状寸法の変動を低減するために最適化することができるが、スート圧縮プロセスによって形成された光ファイバは、固結後にいくらかの寸法変動を有し得る。例えば、光ファイバプリフォームのクラッド部２１２の直径は、固結光ファイバプリフォームの末端において光ファイバプリフォームの中間より大きくなり、よって光ファイバプリフォームの直径に末端から中間にかけてテーパがつくことがあり得る。一実施形態において、光ファイバプリフォームは、光ファイバプリフォームの軸長に沿ういかなる寸法変動も排除するため、予備焼結後に機械加工することができる。例えば、光ファイバプリフォームを旋盤に取り付けて、光ファイバプリフォームの軸長に沿うクラッド部のある領域の直径を選択的に減じるために機械加工し、よって直径が一様な光ファイバプリフォームを形成することができる。
【実施例】
【００８４】
本発明は以下の実施例によってさらに明解になるであろう。
【００８５】
実施例１
本実施例においては、金型キャビティに石英ガラススートを一工程で装填することにより、２つの集成光ファイバプリフォームを作製した。集成光ファイバプリフォームを形成するため、直径が１.９ｃｍのガラスコアケーン及び２本の直径が約２４ｍｍの応力ロッドを直径が８９ｍｍで長さが６１０ｍｍの金型キャビティを有するカーボン製金型内に配置した。本実施形態におけるガラスコアケーンの長さは金型の長さと同じである。
【００８６】
金型キャビティの下部に配置したラムの内腔にガラスコアケーンの末端を挿入することにより、ガラスコアケーンを金型キャビティ内に配置した。金型キャビティの下部に配置したラムの(軸外)内腔にそれぞれの応力ロッドの末端を挿入することにより、応力ロッドも金型キャビティ内に配置した。約９３０ｇの石英ガラススートを、ガラスコアケーンが石英ガラススートの中心に配置され、応力ロッドが軸外でコアロッドの比較的近くに配置されるように、金型キャビティに装填した。特定の光ファイバ構造を達成するため、金型の出発時構成におけるコアケーンの位置に対する応力ロッドの正確な位置は、固化中のスートの収縮率の測定値を用い、所望のファイバ構造から帰納的に計算することで決定することができる(すなわち、所望の構造から出発し、既知の収縮率を計算に入れることで、出発時の構造を決定する)。軸方向ロッドの存在が軸方向収縮を径方向収縮に対して抑制し得るから、軸方向スート−ガラス収縮及び径方向スート−ガラス収縮を測定することが必要になり得る。ロッドが１つのファイバ直径に沿って配列されていれば、直交する２つの径方向ファイバ寸法に沿う収縮率も異なるであろう。計算を完了するに必要な可調パラメータは、スートタップ密度、最終圧縮スート密度及び金型直径である。石英ガラススートを金型キャビティ内に装填した後、石英ガラススートの圧縮前密度を最大化するため、振動エネルギーを印加した。上部ラムをガラスコアケーン及び応力ロッドにかけて配置して金型キャビティに挿入した。本実施例においては、金型キャビティ内のガラスコアケーン及び応力ロッドの周りにラムエクステンションを挿入し、金型及びエクステンションを油圧プレス内に置いた。油圧プレスのプレスアームを上部ラムエクステンションに合わせて取付け、下部ラムエクステンションを油圧プレスの支持プレート上に置いた。約１７〜１９ｋＨｚの周波数で５ｋＷ増幅器のパワーの５１％の振動エネルギーを金型に印加した。好ましい正確な共振周波数は、超音波変換器、導波路、クランプ及び金型の詳細に依存し、それぞれの仕様要素セットについて独立に最適化しなければならない。金型キャビティ内の定在波の確立を避けるため、４０Ｈｚの多重周波数掃引を０.０２６秒周期で振動エネルギーに適用した。
【００８７】
スートを圧縮するため、プレスの上部ラムを下部ラムに向けて４.８ｍｍ/秒の速度で前進させた。金型をスート成形体に対して約２.４ｍｍ/秒の速度で滑らせ、よってスート成形体の中心に超音波源を維持することができた。スートの密度は、金型キャビティ内の上部ラムの位置の測定値、金型の諸元及びスートの重量に基づいて、圧縮工程を通して実時間で計算することができる。スートの密度の計算値が目標密度(本実施例においては０.８ｇ/ｃｍ３)から０.０１ｇ/ｃｍ３の範囲に入ったときに、振動エネルギーを停止した。スートの密度の計算値が０.８ｇ/ｃｍ３の目標密度に達したときに油圧プレスのプレスアームの運動を停止させ、２０９ポンド(９４.８ｋｇ)の静負荷だけをプレスの油圧ラインに残した。１０分経過後に、静負荷を解放した。その後、集成光ファイバプリフォームを管状炉内に置き、ヘリウム／５％塩素を流して１０００℃で一時間乾燥した。次いで集成光ファイバプリフォームを１２００℃で１時間の予備焼結を行い、次いで、上述したように、固結させた。試料の直径変動は、固結光ファイバプリフォームの最小直径の約±１０％未満であると推定される。
【００８８】
実施例２
本実施例においては、金型キャビティ内の個別の領域に石英ガラススートを装填し、それぞれの領域を次の領域への装填の前に圧縮することで、集成光ファイバプリフォームを作製した。集成光ファイバを形成するため、直径が１.９ｃｍのガラスコアケーン及び２本の直径が２４ｍｍの応力ロッドを直径が８９ｍｍで長さが６１０ｍｍの金型キャビティを有するアルミニウム製組立金型内に配置した。組立金型は、それぞれが金型の周囲長の１/３づつをなす３つのパネルで構成され、金型材料の外周に機械加工でつくり込まれたボルトによって結合される。０.５ｍｍ厚の「テフロン」シートで金型キャビティを密着内張りした。本実施例におけるガラスコアケーン及び応力ロッドの長さは金型の長さと同じである。金型キャビティの下部に配置したラムの内腔にガラスコアケーンの末端及び応力ロッドの末端を挿入することにより、ガラスコアケーン及び応力ロッドを金型キャビティ内に配置した。
【００８９】
総計で１３７５ｇの石英ガラススートを以下の態様で金型(金型キャビティ)内に装填した。第１の領域の、２７５ｇの石英ガラススートを金型キャビティ内に装填し、手作業で０.５５ｇ/ｃｍ３の密度まで圧縮して、金型の中央に配置した。第２の領域の、２７５ｇの石英ガラススートを金型キャビティの一端に装填し、第３の領域の、２７５ｇの石英ガラスシートを金型キャビティの他端に装填した。両端にラムを嵌め込み、手作業で０.４７ｇ/ｃｍ３の密度まで圧縮して、金型キャビティの長さに沿って中央に寄せた。第４の領域の、２７５ｇの石英ガラススートを金型キャビティの一端に装填し、第５の領域の、２７５ｇの石英ガラスシートを金型キャビティの他端に装填した。両端にラムを嵌め込み、手作業で０.４０ｇ/ｃｍ３の密度まで圧縮した。したがって、装填したスートは、第１の領域が、一方の側の第２の領域及び第４の領域と他方の側の第２の領域と第５の領域の間に配されるように、金型キャビティ内に配置される。
【００９０】
その後、ガラスコアケーン及び応力ロッドにかけてラムを配置し、金型キャビティに挿入した。金型キャビティ内のガラスコアケーン及び応力ロッドの周りにラムエクステンションを挿入し、金型及びエクステンションを油圧プレス内に置いた。油圧プレスのプレスアームを上部ラムエクステンションに合わせて取付け、下部ラムエクステンションを油圧プレスの支持プレート上に置いた。
【００９１】
スートを圧縮するため、プレスの上部ラムを下部ラムに向けて１.６ｍｍ/秒の速度で前進させた。金型をスート成形体に対して約０.８ｍｍ/秒の速度で滑らせ、よってスート成形体の中心に超音波源を維持することができた。スートの密度を、金型キャビティ内の上部ラムの位置の測定値、金型の諸元及びスートの重量に基づいて、圧縮工程を通して実時間で計算した。スートの密度の計算値が０.８ｇ/ｃｍ３の目標密度に達したときに油圧プレスのプレスアームの運動を停止させ、１３００ポンド(５８９.７ｋｇ)の静負荷だけをプレスの油圧ラインに残した。６０分経過後に、静負荷を解放した。次いで組立金型を分解し、得られた圧縮プリフォームを金型及び「テフロン」内張りから外した。次いでプリフォームをヘリウム雰囲気内で９００℃まで漸次温度を上昇させて１〜３時間熱処理し、ある程度焼結されたプリフォームにした。次いで、上述したように、集成光ファイバプリフォームを固結させた。
【００９２】
実施例３
図８Ｃに示される構造と同様の構造を有する単一偏波ファイバ及び／または偏波保存ファイバのような、光ファイバを作製するための光ファイバプリフォームを作製するため、金型装置内の３本のガラスロッド(コアロッド及び２本の応力ロッド)の位置を初めに計算した。本実施例においては、光ファイバを作製するため、タップ密度が０.６ｇ/ｃｍ３のスートから始めた。従前の実験では、スート密度が０.８５ｇ/ｃｍ３の圧縮プリフォームは、軸方向に１９％収縮し、径方向に２９％収縮して固結することが示された。楕円形の金型キャビティ及びラムの構成で、ガラスロッドの非円対称な位置を(すなわち、楕円の一方の軸に沿い、他方の軸には沿わずに、配置されたロッドの位置を)補償することができる。得られる焼結プリフォームにおいて、コアケーン及び２本の応力ロッドを含む軸に沿っては、径方向プロファイルの３５％だけが圧縮スートからのガラスであり、直交する直径ではガラスの８９％が圧縮スートからのガラスである。(コア及び２本の応力ロッドがそれに沿って配置される)短軸が８９ｍｍであり、長軸が１０６ｍｍの楕円形断面を有する金型キャビティに、固結中に０.８５ｇ/ｃｍ３のスート密度までの圧縮後、及び２９％の直線(径方向)収縮後、得られるプリフォームのそれぞれの軸が７８ｍｍ直径まで収縮されて、得られるプリフォームの断面が円形になるように、それぞれの軸に沿ってガラススートが入れられるであろう。収縮率及び構造が変われば、最適な形状寸法を得るため、金型及びラムの構造の修正が必要になり得ることは当然である。
【００９３】
本実施例の集成光ファイバプリフォームを形成するため、直径が８.７ｍｍのガラスコアケーン及び２本の直径が約２１ｍｍの応力ロッドを、(短軸)径が８９ｍｍの断面が楕円形のアルミニウム製組立金型内に配置した。組立金型は、それぞれが金型の周囲長の１/３ずつをなす３つのパネルで構成され、金型材料の外周に機械加工でつくり込まれたボルトによって結合される。０.５ｍｍ厚の「テフロン」シートで金型キャビティを密着内張りした。本実施例におけるガラスコアケーン及び応力ロッドの長さは金型の長さと同じである。金型キャビティの下部に配置したラムの内腔にガラスコアケーンの末端及び応力ロッドの末端を挿入することにより、ガラスコアケーン及び応力ロッドを金型キャビティ内に配置した。組立金型は、それぞれが金型の周囲長の１/３ずつをなす３つのパネルで構成され、金型材料の外周に機械加工でつくり込まれたボルトによって結合される。０.５ｍｍ厚の「テフロン」シートで金型キャビティを密着内張りした。本実施例におけるガラスコアケーン及び鋳型ロッドの長さは金型の長さと同じである。２つのラムは、楕円の中心にコアケーンのための開口または穴(例えば、内腔１１０，１１２)を有し、また楕円の短軸に沿う径上に鋳型ロッドのための２１ｍｍ径の開口または穴(例えば、内腔１１０Ａ，１１０Ｂ)も有する。金型キャビティの下部に配置されたラムの内腔にガラスコアケーンの末端及び応力ロッドの末端を挿入することによって、ガラスコアケーン及び応力ロッドを金型キャビティ内に配置した。
【００９４】
タップ密度が０.６ｇ/ｃｍ３の石英ガラススートを、総計で２０３７ｇ、金型に装填し、金型キャビティを約５１ｃｍの高さまで満たした。その後、ガラスコアケーン及び応力ロッドにかけてラムを配置し、金型キャビティに挿入した。金型キャビティ内のガラスコアケーン及び応力ロッドの周りにラムエクステンションを挿入し、金型及びエクステンションを油圧プレス内に置いた。油圧プレスのプレスアームを上部ラムエクステンションに合わせて取付け、下部ラムエクステンションを油圧プレスの支持プレート上に置いた。
【００９５】
スートを圧縮するため、プレスの上部ラムを下部ラムに向けて１.６ｍｍ/秒の速度で前進させた。金型をスート成形体に対して約０.８ｍｍ/秒の速度で滑らせ、よってスート成形体の中心に超音波源を維持することができた。スートの密度を、金型キャビティ内の上部ラムの位置の測定値、金型の諸元及びスートの重量に基づいて、圧縮工程を通して実時間で計算した。スートの密度の計算値が０.８５ｇ/ｃｍ３の目標密度に達したときに油圧プレスのプレスアームの運動を停止させた。６０分経過後に、静負荷を解放した。次いで組立金型を分解し、得られた圧縮プリフォームを金型及び「テフロン」内張りから外した。次いでプリフォームをヘリウム雰囲気内で９００℃まで漸次温度を上昇させて１〜３時間熱処理し、ある程度焼結されたプリフォームにした。次いで、上述したように、集成光ファイバプリフォームを固結させた。
【００９６】
実施例４
本実施例においては、中心に置かれたコアケーン、及び２本の鋳型ロッドが入っている金型キャビティにシリカガラススートを装填することによって、集成光ファイバプリフォームを作製した。鋳型ロッドは、円筒形空孔を有する圧縮スートを得るため、圧縮工程後に取り外されることになっている。圧縮スートは次いで、円筒形穴を有する集成プリフォームを形成するため、固結される。さらに詳しくは、本実施形態の集成光ファイバプリフォームを形成するため、直径が１９ｍｍのガラスコアケーン及び２本の直径が２４ｍｍの「テフロン」でつくられた鋳型ロッドを直径が８９ｍｍで長さが６１０ｍｍの金型キャビティを有するアルミニウム製組立金型内に配置した。組立金型は、それぞれが金型の周囲長の１/３ずつをなす３つのパネルで構成され、金型材料の外周に機械加工でつくり込まれたボルトによって結合される。０.５ｍｍ厚の「テフロン」シートで金型キャビティを密着内張りした。本実施例におけるガラスコアケーン及び鋳型ロッドの長さは金型の長さと同じである。金型キャビティの下部に配置したラムの内腔にガラスコアケーンの末端及び鋳型ロッドの末端を挿入することにより、ガラスコアケーン及び鋳型ロッドを金型キャビティ内に配置した。
【００９７】
総計で１５４０ｇの石英ガラススート(タップ密度＝０.６ｇ/ｃｍ３)を金型に装填した。集成体に合わせてラム及びラムエクステンションを取付け、金型及びエクステンションを油圧プレス内に置いた。油圧プレスのプレスアームを上部ラムエクステンションに合わせて取付け、下部ラムエクステンションを油圧プレスの支持プレート上に置いた。
【００９８】
スートを圧縮するため、プレスの上部ラムを下部ラムに向けて１.６ｍｍ/秒の速度で前進させた。金型をスート成形体に対して約０.８ｍｍ/秒の速度で滑らせ、よってスート成形体の中心に超音波源を維持することができた。スートの密度を、金型キャビティ内の上部ラムの位置の測定値、金型の諸元及びスートの重量に基づいて、圧縮工程を通して実時間で計算した。スートの密度の計算値が０.８ｇ/ｃｍ３の目標密度に達したときに油圧プレスのプレスアームの運動を停止させ、１３００ポンド(５８９.７ｋｇ)の静負荷だけをプレスの油圧ラインに残した。６０分経過後に、静負荷を解放した。次いで組立金型を分解し、得られた圧縮プリフォームを金型及び「テフロン」内張りから外した。スート成形体から鋳型ロッドを手作業で滑り出させることで、集成プリフォームから鋳型ロッドを静かに取り外すことができる。次いで、円筒形空孔を有するプリフォームをヘリウム雰囲気内で９００℃まで漸次温度を上昇させて１〜３時間熱処理し、ある程度焼結されたプリフォームにした。最終構成の１つにおいて、円筒形空孔を有する光ファイバプリフォームを固結させて、円筒形空孔を有するガラス品にすることができる。
【００９９】
実施例５
本実施例においては、金型キャビティに石英ガラススートを一工程で装填することにより、集成光ファイバプリフォームを作製した。集成光ファイバプリフォームを形成するため、直径が１.０６ｃｍのガラスコアケーン及びそれぞれの直径が１.５ｍｍの６本の「テフロン」鋳型ロッドを直径が８９ｍｍで長さが６１０ｍｍの金型キャビティを有するカーボン製金型内に配置した。ガラス質炭素コーティングで金型キャビティを内張りした。本実施形態におけるガラスコアケーンの長さは金型の長さと同じである。
【０１００】
金型キャビティの下部に配置したラムの内腔にガラスコアケーンの末端を挿入することによって、ガラスコアケーンを金型キャビティ内に配置した。金型キャビティの下部に配置したラムの内腔にそれぞれの鋳型ロッドの末端を挿入することによって、６本の鋳型ロッドを金型キャビティ内に配置した。それぞれの鋳型ロッドのための穴は、上部ラム及び下部ラムのそれぞれを通るそれぞれの鋳型ロッドの自由な運動を可能にすべきである。鋳型ロッドの配置はラムにある、本実施例においては、(コアケーンの中心から測られた半径をもつ)円の周に沿って中心間隔が等しく１.５ｍｍの、パターンによって固定される。タップ密度が０.６ｇ/ｃｍ３の石英ガラススートを約１４７０ｇ、コアケーン及び６本の鋳型ロッドの垂直性を維持しながら、金型キャビティに装填した。石英ガラススートを金型キャビティ内に装填した後、石英ガラススートの圧縮前密度を最大化するため、金型本体に振動エネルギーを印加した。下部ラムと位置を合わせ、ロッドにねじれを全く与えないように注意しながら、ガラスコアケーン及び鋳型ロッドにかけて上部ラムを配置した。金型キャビティ内のガラスコアケーン及び鋳型ロッドの周りにラムエクステンションを挿入し、金型及びエクステンションを油圧プレス内に置いた。油圧プレスのプレスアームを上部ラムエクステンションに合わせて取付け、下部ラムエクステンションを油圧プレスの支持プレート上に置いた。約２０ｋＨｚの周波数で５ｋＷ増幅器のパワーの５１％の振動エネルギーを金型に印加した。金型キャビティ内の定在波の確立を避けるため、４０Ｈｚの多重周波数掃引を０.０２６秒周期で振動エネルギーに適用した。
【０１０１】
スートを圧縮するため、プレスの上部ラムを下部ラムに向けて１.６ｍｍ/秒の速度で前進させた。金型をスート成形体に対して約０.８ｍｍ/秒の速度で滑らせ、よってスート成形体の中心に超音波源を維持することができた。スートの密度は、金型キャビティ内の上部ラムの位置の測定値、金型の諸元及びスートの重量に基づいて、圧縮工程を通して実時間で計算することができる。スートの密度の計算値が目標密度(本実施例においては０.８３ｇ/ｃｍ３)から０.０１ｇ/ｃｍ３の範囲に入ったときに、振動エネルギーを停止した。スートの密度の計算値が０.８３ｇ/ｃｍ３の目標密度に達したときに油圧プレスのプレスアームの運動を停止させ、２０９ポンド(９４.８ｋｇ)の静負荷だけをプレスの油圧ラインに残した。１０分経過後に、静負荷を解放した。必要であれば印加超音波エネルギーの助けを借りて、鋳型ロッドをスート成形体から引き出して、コアケーンを囲んで配列された、６つの穴を圧縮スートに残すことができる。その後、集成光ファイバプリフォームを管状炉内に置き、ヘリウム／５％塩素を流して１０００℃で一時間乾燥した。次いで集成スートプリフォームをカーボン製金型から取り外すことができ、集成スートプリフォームは中心コアケーンに密着していた。次いでプリフォームを線引きして光ファイバにした。穴の配置は、穴の寸法及び数の様々な組合せを包含することができる。いくつかの実施形態において穴の総数は１０より多く、また別の実施形態においては５０より多く、また別の実施形態においては１００より多い。このような構成をもって作製された光ファイバは、高屈曲ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、高開口数ファイバ、無限単一モードファイバ、等を含む、様々なタイプに有用になり得るであろう。
【０１０２】
本発明にしたがう方法及び装置の別の実施形態例を示す、図９〜１４を次に参照する。図９は、本発明のいくつかの実施形態にしたがって用いることができる装置(金型装置１００)の部分側断面図を示す。本実施形態の金型装置１００は硬質外壁１０２Ａ及び可撓内壁１０２Ｂを有しており、可撓内壁１０２Ｂは装置の内部キャビティ１０８(すなわち金型キャビティ)を囲み、硬質外壁１０２と可撓内壁１０２Ｂの間の領域は環形キャビティ１０８Ａを定める。本明細書において、「硬質」は可撓内壁１０２Ｂに比較すると剛性が高いことを意味し、「可撓」は硬質外壁１０２Ａに比較すると撓み易いことを意味する。金型装置１００の硬質外壁１０２Ａは円筒形金型を形成するために円形断面を有することができ、あるいは断面は、特定の光ファイバ構造を達成するため、楕円形または六角形に、あるいは不整形にさえすることができる。図９に示される実施形態において、可撓内壁１０２Ｂの両側の圧力はほぼ等しい。すなわち、環形キャビティ１０８Ａ内の圧力は金型キャビティ(内部キャビティ)１０８内の圧力とほぼ等しい。本実施形態の装置１００はさらに、下端(または下部)エンドキャップまたはラム１０４Ａ及び上端(または上部)エンドキャップまたはラム１０６Ａを有する。下端(または下部)エンドキャップ１０４Ａ及び上端(または上部)エンドキャップ１０６Ａはそれぞれ、(ｉ)ガラスロッド(ガラスコアケーン)を受け入れて中心に配置するための、内腔１１２，１１０(図示せず)のような中心線穴、及び(ii)応力ロッド１１５Ａ及び／または鋳型ロッド１１５Ｂを受け入れるための、少なくとも１つの、別の、中心を外して配置された穴(例えば，１１０Ａ、１１２Ａ)を有することが好ましい。上端エンドキャップ１０６Ａ及び下端エンドキャップ１０４Ａの軸外に配置された穴は、径方向圧縮(径方向加圧)中のガラスロッドまたは鋳型ロッドのコアロッドに向かう動き(例えば図１１を見よ)を可能にするように、半径に沿って長寸の方位が定められた、細長(例えば、楕円形の)スロットの形態にあることができる。例えば、楕円形スロットは、設計出発時配置における軸外ロッドの外径または寸法(例えば、応力ロッドまたは鋳型ロッドの直径)に対応する外半径(短寸)を有することができ、さらにロッドの曲りを防止するに十分な長さにエンドキャップの中心に向かって延びることができる。上端エンドキャップ１０６Ａ及び下端エンドキャップ１０４Ａはそれぞれ環形キャビティ１０８Ａの上端及び下端において圧力封止を与えることが好ましく、それぞれが中心線穴及び／またはその他の穴を介する内部キャビティ１０８内の過分の空気の抜け出しを可能にすることも好ましい。エンドキャップに好ましい材料には、アルミニウムのような金属またはプラスチックがある。
【０１０３】
図９〜１４の実施形態の円筒形硬質外壁１０２Ａは、環形キャビティ１０８Ａ内の最大正規動作圧力に、認め得る変形をおこさずに、耐えるための機械的強度を有するいずれかの材料で作製することができる。好ましい実施形態において、円筒形硬質外壁１０２Ａはアルミニウムでつくられる。円筒形硬質外壁１０２Ａに好ましい他の材料には、例えば、他の金属またはプラスチックがある。好ましい実施形態において、円筒形硬質外壁１０２Ａはその軸長に沿って実質的に一様な直径を有する。別の実施形態において、円筒形硬質外壁１０２Ａは、金型装置(装置１００)の上端及び下端に存在し得る圧力差を打ち消すため、その軸長に沿って若干変化する直径を有する。円筒形硬質外壁１０２Ａは一様円筒体で構成することができ、あるいは、端と端で結合された、２つ以上の円筒形セグメントで構成することができる。
【０１０４】
可撓内壁１０２Ｂは、環形キャビティ１０８Ａ内の最大正規動作圧力にさらされたときに、塑性変形の問題をおこさずに径方向に内側に十分に弾性変形するに十分な弾性及び降伏強度を有するいずれかの材料で作製することができる。好ましい実施形態において、可撓内壁１０２Ｂは、Piercan USA, Inc.から入手できる標準エラストマー性ラテックスチューブのような、ラテックスでつくられたチューブである。可撓内壁１０２Ｂに好ましい他の材料には、例えば、ネオプレン、ブナ-Ｎ、ポリウレタンまたはシリコーンゴムがある。可撓内壁１０２Ｂは９５〜７０００ｐｓｉ(６.５５×１０５〜４.８３×１０７Ｐａ)の引張り強さ及び２００％〜８００％の伸びを有することが好ましい。好ましい実施形態において、可撓内壁１０２Ｂは円筒形硬質外壁１０２Ａに封止される。封止は、例えば、フラップ(図示せず)を円筒形硬質外壁１０２Ａの外表面上に押し付けることによるか、あるいは接着剤で固定することによって、達成することができる。そのような実施形態においては、環形キャビティ１０８Ａを加圧及び減圧するため、圧力印加ポイント及びバルブ(図示せず)を設けることができる。別の実施形態において、可撓内壁１０２Ｂは、円筒形硬質外壁１０２Ａに嵌め込まれたコイル型袋で構成することができる。そのような実施形態において、コイル型袋と円筒形硬質外壁１０２Ａの間の封止は必要ではない。
【０１０５】
図１０に示されるように、環形キャビティ１０８Ａは、空気またはその他の流体が環形キャビティ１０８Ａからほとんど、またはほぼ完全に、除去されているように、減圧することができる。そのような減圧の結果、可撓内壁１０２Ｂは、図１０に示されるように、可撓内壁１０２Ｂの最大外径が硬質外壁１０２Ａの内径にほぼ等しくなるように径方向に外側に弾性変形する。その間、環形キャビティ１０８Ａの容積は減少し、内部キャビティ１０８の容積は増大する。
【０１０６】
図１１に示されるように、固結ガラスロッド(ガラスコアケーン１１５)を装置１００の内に、中心を合わせて、配置することができる。１本以上の固結ガラスロッド(応力ロッド１１５Ａ)及び／または１本以上の鋳型ロッド１１５Ｂの内部キャビティ１０８内に(軸外)配置することができる。図１１に示されるように、環形キャビティ１０８Ａは図１０及び１１におけるように減圧される。ガラスロッド１１５(ガラスコアケーン)は、内部キャビティを貫通し、ガラスロッド１１５の上端及び下端が装置１００から延び出すように、下端エンドキャップ１０４Ａの中心線穴(図示せず)も貫通することができる。同様に、ガラスロッド１１５Ａまたは鋳型ロッド１１５Ｂは、ロッド１１５Ａ及び／または１１５Ｂの上端及び下端が装置１００から延び出すように、内部キャビティを貫通し、下端エンドキャップ１０４Ａも貫通することができる。必要に応じて、例えばフォームラバーでつくられた、プラグ１１７を金型キャビティ(本例では内部キャビティ１０８)の下端に配置することができる。プラグ１１７は、ガラスロッド１１５を受け入れる中心線穴１１７"及びガラスロッド１１５Ａ及び／または、鋳型ロッド１１５Ｂを受け入れる、軸外穴１１２Ａ"を有する。プラグ１１７が内部キャビティ１０８の下端に及びガラスロッド１１５の周りにきちんと嵌るように、プラグ１１７は硬質外壁１０２Ａの内径とほぼ同じ直径を有することが好ましく、プラグの中心線穴１１７"はガラスロッド１１５のほぼ直径と同じかまたはそれより若干小さい直径を有することが好ましい。同様に、プラグ１１７が内部キャビティの底でガラスロッド１１５Ａ及び／または鋳型ロッド１１５Ｂの周りにきちんと嵌るように、プラグ１１７の軸外穴１１２Ａ"はガラスロッド１１５Ａまたは鋳型ロッド１１５Ｂの直径より(少なくとも１つの断面において)ほぼ同じかまたはそれより若干小さい直径を有することが好ましい。プラグ１１７は、装置の底を通る、ばらのスートの抜け出しを防止するためにはたらくことができ、さらに圧縮スート体に丸められているかまたはテーパが付けられた末端を与えるためにはたらくことができる。例えば、図１１に示される実施形態は、径方向圧縮中のコアロッド１１５に向かうガラスロッド１１５Ａの動きに備えるために、必要に応じて細長くされた穴１１０Ａ、１１２Ａをもつエンドキャップまたはラムを有する。
【０１０７】
図１２に示されるように、キャビティ１０８内の、ガラスロッド１１５，応力ロッド１１５Ａ(及び／または鋳型ロッド１１５Ｂ)と可撓内壁１０２Ｂの間に装置１００の上端を通して(ガラススート１９０のような)微粒ガラス材料を装填するかまたは注ぎ込むことができる。図１２に示されるように、環形キャビティ１０８Ａは図１１におけるように減圧される。図１２はガラススート１９０でほぼ半分満たされた内部キャビティ１０８を示すが、好ましい実施形態において、ガラススートは内部キャビティ１０８がほぼ満たされるまで内部キャビティ内に装填されるかまたは注ぎ込まれる。内部キャビティ１０８内へのガラススート１９０の装填または注ぎ込みに続いて、内部キャビティ１０８の上端の近くの、ガラススート１９０の上方で、ロッド１１５，１１５Ａ及び／１１５Ｂの周りに、別のプラグ(図示せず)が配置される。内部キャビティ１０８は、内部キャビティ内へのガラススート１９０の装填に続いて減圧されることが好ましい。
【０１０８】
図１３に示されるように、内部キャビティ１０８内に装填されたガラススート１９０は、硬質外壁１０２と可撓内壁１０２Ｂの間の環形キャビティ１０８Ａに加圧流体を供給することによって圧縮される。好ましい実施形態において、上端エンドキャップ１０６Ａが所定の位置に配置され、ねじ付ロッドを用いて下端エンドキャップ１０４と連結される。次に、環形キャビティ内の圧力が大気圧に比較して負圧から正圧に徐々に高くなるように、流体を環形キャビティ１０８Ａに徐々に導入することができる。環形キャビティ１０８Ａ内の圧力は、好ましくは５０ｐｓｉ/分(３.４５×１０５Ｐａ/分)未満のレートで、さらに一層好ましくは、２〜２０ｐｓｉ/分(１.３８×１０４〜１.３８×１０５Ｐａ/分)のような、さらには５〜１５ｐｓｉ/分(３.４５×１０４〜１.０３×１０５Ｐａ/分)のような、２０ｐｓｉ/分(１.３８×１０５Ｐａ/分)未満のレートで、高められる。環形キャビティ１０８Ａ内の加圧流体の圧力が益々高いゲージ圧に徐々に高まるにつれて、可撓内壁１０２Ｂがガラススート１９０に対して径方向の内側に弾性変形し(環形キャビティ１０８Ａの容積を徐々に増大させ、内部キャビティ１０８の容積を徐々に減少させ)、ガラススート１９０はロッド１１５に向けて、またロッド１１５Ａ、１１５Ｂの周りに、径方向に内側に圧縮される。環形キャビティ１０８Ａ内の加圧流体の圧力は、あらかじめ定められた最高値に達するまで高められる。圧力はあらかじめ定められた時間この値に保持されることもされないこともあり得る。あらかじめ定められた時間保持される場合、圧力は、例えば、約５分間を含む、１分間〜１０分間のような、少なくとも１分間保持され得る。
【０１０９】
好ましい実施形態において、ガラススート圧縮工程中、加圧流体は、ゲージ圧で、５０〜２００ｐｓｉ(３.４５×１０５〜１.３８×１０６Ｐａ)、さらには７５〜１５０ｐｓｉ(５.１７×１０５〜１.０３×１０６Ｐａ)のような、２５ｐｓｉ(１.７２×１０５Ｐａ)から２５０ｐｓｉ(１.７２×１０６Ｐａ)までの最高圧力を有する。加圧流体の例には、空気、不活性気体(例えば、窒素)、水及び油がある。特に好ましい加圧流体は空気である。好ましい実施形態において、ガラススート圧縮工程中、内部キャビティ１０８の温度は、２０℃から４０℃のような、５０℃未満であり、さらに一層好ましくは室温(すなわち、２０℃と２５℃の間)である。
【０１１０】
スートが十分に圧縮された後、図１４に示されるように、環形キャビティ１０８Ａが図１０におけるように減圧されるように(環形キャビティ１０８Ａ内の圧力が内部キャビティ１０８内の圧力より低くなるように)環形キャビティ１０８Ａ内の加圧流体を放出することができる。環形キャビティ１０８Ａ内の圧力は、好ましくは５０ｐｓｉ/分(３.４５×１０５Ｐａ/分)未満のレートで、さらに一層好ましくは２〜２０ｐｓｉ/分(１.３８×１０４〜１.３８×１０５Ｐａ/分)のような、さらには５〜１５ｐｓｉ/分(３.４５×１０４〜１.０３×１０５Ｐａ/分)のような、２０ｐｓｉ/分(１.３８×１０５Ｐａ/分)未満のレートで、減じられる。環形キャビティ１０８Ａ内の圧力が徐々に低下するにつれて、圧縮されたガラススート１９０の外径と可撓内壁１０２Ｂの間に環形空隙１２２が存在するように、可撓内壁１０２Ｂは圧縮されたガラススート１９０から離れて径方向に外側に変形する(環形キャビティ１０８Ａの容積を徐々に減少させ、内部キャビティ１０８の容積を徐々に増大させる)。
【０１１１】
環形キャビティ１０８Ａの減圧に続いて、その一例が図１５に示される、集成圧縮スート／ケーン、すなわち多孔質プリフォーム２００を、線上及び固結のために、装置から容易に取り外すことができる。
【０１１２】
別の実施形態において、径方向に内側に向かう圧力は、円筒形態に巻かれた食違い櫛形歯を有するシートを内壁として用いることにより、微粒ガラススートに対して印加することができる。そのようなシートの一例が図１６Ａ及び１６Ｂに示され、図１６Ａにおいてシートはほどかれた位置で示され、図１６Ｂにおいてシートは巻かれた位置で示される。シート１８０は、図１６Ａに示されるように、それぞれの縁辺に複数の食違い櫛形歯１８２及び複数のスロット１８４を有する。巻かれた位置において、図１６Ｂに示されるように、シートのそれぞれの端辺からの食違い櫛形歯１８２はシート１８０の対向する端辺のスロット１８４に延び込み、よってシートの対向する端辺からの食違い櫛形歯１８２は対向方向に延びる。次いで、心出しチャック(図示せず)の心出し穴に中心を合わせることができるガラスロッド１１５の周りを取り囲んで、巻かれたシートを配置することができる。次いで、巻かれたシート１５０とロッド１１５，１１５Ａ及び／または１１５Ｂの間の環形キャビティ内に微粒ガラススートを装填するかまたは注ぎ込むことができ、その後、巻かれたシートの直径を減少させて微粒ガラススートに対して径方向に内向きの圧力を印加するため、対向方向に延びる食違い櫛形歯のそれぞれをそれぞれ対向する方向に引っ張ることができる。
【０１１３】
好ましい実施形態において、ガラスロッド１１５はコアケーンである。別の好ましい実施形態において、ガラスロッド１１５は多孔質スートクラッド層で囲まれたコアケーンである。
【０１１４】
好ましい実施形態において、ガラスロッドに対して圧縮された微粒ガラス材料の密度が、少なくとも０.５ｇ/ｃｍ３，例えば０.６〜１.２ｇ/ｃｍ３，あるいは０.８〜１.０ｇ/ｃｍ３，例えば約０.９ｇ/ｃｍ３である、多孔質プリフォームが提供され得る。ガラスロッドに対して圧縮された微粒ガラス材料の密度は主として微粒ガラス材料圧縮工程中に印加される最高圧力の関数である。一般に、微粒ガラス材料圧縮工程中に印加される最高圧力が高くなるほど、材料の密度が高くなり、したがって多孔質プリフォームの総合密度が高くなる。本明細書に開示される方法を用いれば、例えば、密度が少なくとも０.６ｇ/ｃｍ３の多孔質プリフォームを、ゲージ圧で、少なくとも５０ｐｓｉ(３.４５×１０５Ｐａ)の最高圧力を用いて作製することができ、密度が少なくとも０.７ｇ/ｃｍ３の多孔質プリフォームを。ゲージ圧で、少なくとも１００ｐｓｉ(６.８９×１０５Ｐａ)の最高圧力を用いて作製することができ、密度が少なくとも０.８ｇ/ｃｍ３の多孔質プリフォームを、ゲージ圧で、少なくとも１５０ｐｓｉ(１.０３×１０６Ｐａ)の最高圧力を用いて作製することができ、密度が少なくとも０.９ｇ/ｃｍ３の多孔質プリフォームを、ゲージ圧で、少なくとも２００ｐｓｉ(１.３８×１０６Ｐａ)の最高圧力を用いて作製できる。
【０１１５】
好ましい実施形態において、多孔質プリフォームは軸方向に実質的に一様な直径を有する。プリフォームの軸長に沿う最小直径はプリフォームの軸長に沿う最大直径の少なくとも９０％であることが好ましい。プリフォームの軸長に沿う最小直径はプリフォームの軸長に沿う最大直径の少なくとも９５％であることがさらに一層好ましい。
【０１１６】
本明細書に開示される実施形態にしたがって作製された多孔質プリフォームは、標準の固結装置及びプロセスを用いて固結してガラスブランク(すなわち、固結ガラスプリフォーム)にすることができ、次いで標準の線引き装置及びプロセスを用いて線引きして光ファイバにすることができる。多孔質プリフォームのケーンを囲む圧縮スートは、多孔質プリフォームが、固結され、線引きされて光ファイバにされると、オーバークラッドの総重量の少なくとも３５％が、さらには少なくとも４０％が、さらには少なくとも５０％さえもが圧縮スートを基にするような、オーバークラッドを最終的に形成するであろう。固結されてガラスブランクにされると、本明細書に開示される実施形態のいくつかにしたがって作製された多孔質プリフォームは、ブランクの軸長に沿う、クラッドの外径に対するコアの外径の最小比(すなわち、最小コア／クラッド比)がクラッドの外径に対するコアの外径の最大比(すなわち、最大コア／クラッド比)の少なくとも９８％であるような、固結ブランクになることができる。
【０１１７】
コアケーン１１５及び／またはロッド１１５Ａ、１１５Ｂへのスートの密着強さは、装置をスートで満たす前に、(例えば絹布でこすることによって)コアケーン及び／またはロッド上に静電荷を生じさせることで向上させることができる。コアケーンの下端は、必要に応じて、圧縮スートからコアケーンへの密着強度が比較的低い場合に圧縮スートがコアケーンをすり抜けることを防止するため、コアケーンの残り部分よりも直径が若干大きくなるようにすることができる。例えば、コアケーンの上端がケーンの下端より約１％小さい直径を有するような大きさのテーパを、ケーンの長さに沿う勾配を一様にして、かけることができる。ガラスケーンと圧縮スート体の間の密着が弱い場合、テーパがブランクに対する支持を与え、縦ハンドリングを可能にする。同様にして、(コアケーンの大径端とは逆に)上端に大径端が配されたテーパ付ロッドを与えることにより、応力ロッドをスート体に一層良く取り付けることができる。ケーンの表面は、研削またはエッチングによるか、あるいはＯＶＤ(外付けプロセス)により薄いスート層を施すことで、粗くすることができるであろう。
【０１１８】
以下の実施例は光ファイバプリフォームのクラッド部を作製するために微粒ガラス材料を圧縮するため、金型キャビティの中心方向に内側に向けられる、径方向圧力を用いる方法及び装置を説明する。
【０１１９】
実施例６
硬質円筒外壁及び可撓内壁を有する装置を用いて光ファイバプリフォームを作製した。硬質円筒外壁は、内径４インチ(１０１.６ｍｍ)、長さ１８インチ(４５７.２ｍｍ)、壁厚１/４インチ(６.３５ｍｍ)のアルミニウムで作製した。可撓内壁は力が印加されていない状態で直径が約２.５インチ(６３.５ｍｍ)のラテックスゴムチューブである。アルミニウム円筒の上端及び下端をラテックスゴムチューブの上端及び下端で覆い包んだ。装置はさらにアルミニウム製の上端エンドキャップ及び下端エンドキャップを有し、それぞれのエンドキャップは約１インチ(２５.４ｍｍ)の厚さを有し、(ｉ)コアケーンを受け入れるための中心穴、(ii)２本の応力ロッド１１５Ａを受け入れるための２つの軸外穴及び(iii)ねじ付ロッドを受け入れるための４つの周辺穴を有する。
【０１２０】
可撓内壁と硬質外壁の間の空気は、可撓内壁の外径が硬質外壁の内径と本質的に同じになるように、実質的に除去される。次いで、外径が硬質円筒の内径とほぼ同じ、１インチ(２５.４ｍｍ)厚の連続気泡シリコーンフォームラバー製プラグが、円筒の底と共面になるように、キャビティに挿入される。次いで、円筒の底がアルミニウム製エンドキャップ及びバイトン製Ｏリングで封止される。(軸外配置)応力ロッドの動きを受容するため、本例の装置のアルミニウム製エンドキャップはスロット(細長)穴を有する。これらの細長穴(例えば、内腔１１０Ａ，１１２Ａ)はガラスロッドが嵌り得るに十分な幅を有し、金型キャビティの中心に向けて径方向に(長軸が)合わせられる。細長穴の目的は、スート充填工程中の、ガラスロッド(例えば、コアケーン、応力ロッド)の、スロットの外端への配置及び、次いで、スートが径方向に圧縮されている間の中心線に向かう横移動を可能にすることである。本実施例において、スロット穴または細長穴は幅が２.１ｃｍであり、その外端は金型キャビティの中心から４.２ｃｍにあり、スロット穴の内端は金型キャビティの中心から１.７ｃｍにある(これにより、直径が２.１ｃｍの応力ロッドについて、スート圧縮中に金型の中心に向かう４ｍｍの移動が可能になる)。直径１０ｍｍの石英ガラスコアケーンを、下端プラグの中心にある穴に下端を挿入して、金型キャビティ内に配置した。例えば既知の心出し具／機構または方法を利用することによって、例えばＰＴＦＥでつくられた一次ディスク(すなわち、スートの全てがキャビティ内に入ると、ディスクは外される)を用いることによって、コアケーンの上端を中心に保つことができる。次いで、２本の直径が２１ｍｍのホウ素ドープ石英ガラスロッドを、下端プラグの軸外配置スロット穴にそれぞれの下端を挿入して、キャビティ内部に配置した。ホウ素ドープ石英ガラス応力ロッドはスロット穴の外端に隣接させてある。応力ロッドの上端は既知の心出し具／機構または方法のいずれかを用いることによって適切な位置に保たれる。ＯＶＤプロセスからの、タップ密度が０.６ｇ/ｃｍ３の、廃シリカスートを、スートの安定した圧縮を保証するため硬質円筒の側面を時折軽く叩きながら、キャビティ内に装填した。円筒の上端から下に約１インチ(２５.４ｍｍ)のレベルにスートが達したときに、心合わせ治具を取り外し、第２のシリコーンフォームラバー製プラグを所定の場所に滑り込ませた。円筒の上端を、例えば、第１のアルミニウム製エンドキャップ及びバイトン製Ｏリングで封止した。上部アルミニウム製エンドキャップは下端エンドキャップと同じスロット及び穴の配置を有し、圧縮(または圧力印加)工程を通して、軸外配置ガラスロッドの径方向移動が中心に配置されたガラスコアケーンとの平行を維持するように、下部プレートと位置を慎重に合わせて嵌め込まれることが好ましい。上端及び下端のエンドキャップは、ねじ付ロッドでそれぞれを相互に連結し、蝶ナットで締め付けることによって、円筒の両端上に確実に固定した。次いで、可撓壁と硬質壁の間の空間を、圧縮空気シリンダーを用い、１０分かけて、ゲージ圧で、１５０ｐｓｉ(１.０３×１０６Ｐａ)まで加圧することができた。圧力をほぼ５分間、１５０ｐｓｉのゲージ圧に維持した。次いで内部キャビティを大気圧に戻した。次いで円筒の側面上のバルブを通し、１０分かけて環形キャビティから圧気を流し出した。次いで上端エンドキャップを取り外し、上端のフォームラバー製プラグ及びスートプリフォームを取り外すに十分に可撓壁の直径が大きくなるように、環形キャビティ内の空気をポンプで排出した。得られたスートプリフォームの直径は約８９ｍｍで、密度は約０.８ｇ/ｃｍ３であった。
【０１２１】
スートプリフォームを管状炉内で、５℃/分のレートで、初めに、有機汚染物を除去するために５００ｓｃｃｍ(標準状態流量：５００ｃｍ３/分)の酸素流内で室温から８００℃まであげて加熱し、次いで、金属汚染物を除去するために５００ｓｃｃｍのヘリウム／５％塩素混合気流内で８００℃から１２００℃まで上げて加熱した。清浄化されたプリフォームを次いで縦型降下炉内で固結した。例えば、炉は、１０００℃において、１０％酸素で１時間パージし、次いで５％塩素で１時間パージすることができ、その後、プリフォームを、ヘリウム内で１０ｍｍ/分で移動させながら温度を１０００℃から１４３０℃まで上げ、次いで１.５ｍｍ/分で移動させながら１４３０℃から１４６６℃のピーク温度まで上げ、次いで１４３０℃まで戻すことによって、完全に焼結することができた。
【０１２２】
実施例７
本実施例は実施例６と同様であるが、２本の固結ホウ素ドープガラスロッドの代わりに２本の直径が２１ｍｍのアルミニウム製鋳型ロッドを、それぞれの下端を下端プラグの軸外配置穴に挿入して、キャビティ内部に配置した。鋳型ロッドの上端は、例えばＰＴＦＥでつくられた一次ディスクを用いて、中心を合わせておくことができる(すなわち、ロッドの中心を結ぶ直線がコアロッドの中心と交差するように、ロッドが適切な場所に維持される)。次いで上端エンドキャップを取り外し、上端のフォームラバー製プラグ及びスートプリフォームを取り外すに十分に可撓壁の直径が大きくなるように環形キャビティ内の空気をポンプで排出した。得られたスートプリフォームの直径は約８９ｍｍであった。２本の鋳型ロッドを圧縮スート(スート成形体)から慎重に引き出して、スート内に２つの直径が２１ｍｍの空気穴を残すことができ、スート密度は約０.８ｇ/ｃｍ３であった。
【０１２３】
スートプリフォームを管状炉内で、５℃/分のレートで、初めに、有機汚染物を除去するために５００ｓｃｃｍの酸素流内で室温から８００℃まで上げて加熱し、次いで、金属汚染物を除去するために５００ｓｃｃｍのヘリウム／５％塩素混合気流内で８００℃から１２００℃まで上げて加熱した。清浄化されたプリフォームを次いで縦型降下炉内で固結した。例えば、炉は、１０００℃において、１０％酸素で１時間パージし、次いで５％塩素で１時間パージすることができ、その後、プリフォームを、ヘリウム内で１０ｍｍ/分で移動させながら温度を１０００℃から１４３０℃まで上げ、次いで１.５ｍｍ/分で移動させながら１４３０℃から１４６６℃のピーク温度まで上げ、次いで１４３０℃まで戻すことによって、完全に焼結し、中央コアケーンの周りに２つの円筒形空気穴が配置された固結ガラス品(プリフォーム)を得ることができた。円筒形空気穴をホウ素ドームシリカ粉末またはホウ素ドープガラスロッドで埋めることで、このプリフォームをさらに改変することができる。ホウ素ドープシリカ粉末またはホウ素ドープシリカ(応力)ロッドを有する焼結プリフォームを、ホウ素ドープスートが焼結する(またはホウ素ドープシリカ(応力)ロッドが周囲の石英ガラスに恒久的に結合する)に十分な時間、例えば１４００℃〜１５００℃のピーク温度まで加熱することによって、再焼結した。例えば、ホウ素ドープシリカ粉末を有する焼結プリフォームを、１０ｍｍ/分で移動させながら温度を１０００℃から１４３０℃まで上げ、次いで１.５ｍｍ/分で移動させながら１４３０℃から１４６６℃のピーク温度まで上げ、次いで１４３０℃まで戻すことで再焼結して、焼結プリフォーム内部のホウ素ドープシリカ粉末(スート)を完全に焼結した。
【０１２４】
Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｗ及びＧａのような金属、あるいはＳｉ３Ｎ４またはＳｉ３Ｎ４/ＳｉＣのような半導体を含む、別の材料組成を円筒形空気穴に充填して、ファイバプリフォームに形成できることが分かった。
【０１２５】
実施例８
本実施例は実施例６と同様であるが、本実施例では、２本の固結ホウ素ドープガラスロッドの代わりに２本の直径が２１ｍｍのアルミニウム製鋳型ロッドを、それぞれの下端を下端プラグの軸外配置穴に挿入して、キャビティ内部に配置した。
【０１２６】
鋳型ロッドの上端を、既知のいずれかの機構または方法を用いることによって、(鋳型ロッドの中心を結ぶ直線がコアロッドの中心と交差するように)適切な場所に保った。次いで上端エンドキャップを取り外し、上端のフォームラバー製プラグ及びスートプリフォームを取り外すに十分に可撓壁の直径が大きくなるように環形キャビティ内の空気をポンプで排出した。得られた集成スートプリフォームの直径は約８９ｍｍであった。２本の鋳型ロッドを集成ブランクから慎重に引き出して、圧縮スートで囲まれた２つの直径が２１ｍｍの空気穴を残すことができ、スート密度は約０.８ｇ/ｃｍ３であった。空気穴は微粒ガラス、例えばホウ素ドープガラス粉末で充填することができる。好ましくは、粉末は圧縮スートの密度に等しいタップ密度を有するべきである。空気穴の底にテーパ付ガラス製プラグを嵌め込み、ホウ素ドープガラス粉末を空気穴に充填することができる。別の構成において、初めに直径が２１ｍｍより若干小さい薄壁シリカチューブを空気穴に嵌め込み、次いでシリカチューブに栓をして、ホウ素ドープガラス粉末を充填することができる。
【０１２７】
ガラス粉末またはガラス粉末を充填したシリカチューブを有する集成スートプリフォームを、管状炉内で、５℃/分のレートで、初めに、有機汚染物を除去するために５００ｓｃｃｍの酸素流内で室温から８００℃まで上げて加熱し、次いで、金属汚染物を除去するために５００ｓｃｃｍのヘリウム／５％塩素混合気流内で８００℃から１２００℃まで上げて加熱した。清浄化されたプリフォームを次いで縦型降下炉内で固結した。例えば、炉は、１０００℃において、１０％酸素で１時間パージし、次いで５％塩素で１時間パージすることができ、その後、プリフォームを、ヘリウム内で１０ｍｍ/分で移動させながら温度を１０００℃から１４３０℃まで上げ、次いで１.５ｍｍ/分で移動させながら１４３０℃から１４６６℃のピーク温度まで上げ、次いで１４３０℃まで戻すことによって、完全に焼結することができた。
【０１２８】
ホウ素ドープスートは、圧縮スートともに固結し、２本の鋳型ロッドの取り外しによって形成された２つの空気穴領域を埋める。
【０１２９】
実施例９
本実施例は実施例６と同様であるが、本実施例では、２本の固結ホウ素ドープガラスロッドの代わりに４本の直径が２１ｍｍの固結コアロッド(またはコアケーン)１１５を、それぞれの下端を下端プラグの中心を外して配置された穴に挿入して、キャビティ内部に配置した。スートプリフォームの内部キャビティからの取外し後、得られたスートプリフォームの直径は約８９ｍｍで、密度は約０.８ｇ/ｃｍ３であった。
【０１３０】
次いで、複数本のコアロッドを有するスートプリフォームを、管状炉内で、５℃/分のレートで、初めに、有機汚染物を除去するために５００ｓｃｃｍの酸素流内で室温から８００℃まで上げて加熱し、次いで、金属汚染物を除去するために５００ｓｃｃｍのヘリウム／５％塩素混合気流内で８００℃から１２００℃まで上げて加熱した。清浄化された複数本のコアロッドを有するプリフォームを次いで縦型降下炉内で固結した。例えば、炉は、１０００℃において、１０％酸素で１時間パージし、次いで５％塩素で１時間パージすることができ、その後、プリフォームを、ヘリウム内で１０ｍｍ/分で移動させながら温度を１０００℃から１４３０℃まで上げ、次いで１.５ｍｍ/分で移動させながら１４３０℃から１４６６℃のピーク温度まで上げ、次いで１４３０℃まで戻すことによって、完全に焼結することができた。
【０１３１】
実施例１０
本実施例は実施例９と同様であるが、数本の固結ガラスロッド、例えば、４本の直径が１０ｍｍの固結コアケーン１１５が、断面が長方形の金型キャビティ１０８'の内部に配置される。それぞれのコアケーンの中心が同一直線上にあることが好ましい。さらに詳しくは、本実施形態において、長方形金型本体１０２'は、深さが４ｃｍで幅が１０ｃｍの金型キャビティ１０８'を有する。図１７Ａに示されるように、本実施形態の金型キャビティ１０８'は、３つの固定硬壁１０８'Ｓ、ラテックスまたはシリコーンゴムのような、可撓膜でつくられた第４の(可撓)壁１０８'Ｆ及び、下端プラグ及び上端プラグ１０８'Ｐ(図示せず)を有する。コアケーン１１５の下端は下端プラグに中心を外して配置された受入れ穴に挿入される。本実施例におけるガラスコアケーン１１５の長さは、金型キャビティ１０８'の長さと同じかまたはそれより若干長い。
【０１３２】
金型キャビティにスート１９０を装填し、可撓壁１０８'Ｆを介してスートに圧力Ｐを印加した。金型キャビティの形状寸法の結果として、複数本のコアケーンを有する圧縮スートプリフォームの幅は固定され、１０ｃｍに等しい。次いで圧縮スートプリフォームを金型キャビティから取り外した。得られたスートプリフォームはほぼ長方形であり、密度は約０.８〜０.８５ｇ/ｃｍ３であった。次いで複数本のコアケーンを有する圧縮スートプリフォームを、金属汚染物を除去するため、実施例９に開示したように加熱した。次いで、清浄化された複数本のコアケーンを有するプリフォームを縦型降下炉内で固結し、複数本のコアを有する光ファイバの作製に、または複数コアリボンを作製するために、用いることができた。
【０１３３】
実施例１１
本実施形態は実施形態１０と同様であり、数本の固結ガラスロッド、例えば、４本の直径が２１ｍｍの固結コアロッド(またはコアケーン)１１５が、断面が長方形の金型キャビティの内部に配置される。それぞれのコアケーンの中心が同一直線上にあることが好ましい。さらに詳しくは、本実施形態において、長方形金型本体１０２'は、深さが４ｃｍで長さが１０ｃｍの金型キャビティ１０８'を有する。図１７Ｂに示されるように、本実施形態の金型キャビティ１０８'は、１つの固定(剛)硬壁１０８'Ｓ及び、ラテックスまたはシリコーンゴムのような、可撓膜でつくられた３つの(可撓)壁１０８'Ｆを有し、２つのプラグ１０８'Ｐ(図示せず)も有する。コアケーン１１５の下端は下端プラグ(図示せず)に中心を外して配置された受入れ穴に挿入される。本実施例におけるガラスコアケーン１１５の長さは、金型キャビティ１０８'の長さと同じかまたはそれより若干長い。
【０１３４】
金型キャビティにスート１９０を装填し、３つの可撓壁１０８'Ｆを介してスートに圧力Ｐを印加した。さらに詳しくは、コアケーンを囲むスート成形体１９８を形成するため、スート圧縮中に３つの壁に均等に圧力Ｐが印加され、第４の壁１０８'Ｓが堅固な平表面を提供する。金型キャビティの形状寸法の結果として、得られた集成プリフォームの断面形状寸法は初期キャビティ形状寸法と同様であり、同様の１×２のアスペクト比を有する。圧縮スートプリフォームの内部キャビティからの取外し後、得られたスートプリフォームの幅は約６ｃｍで、密度は約０.８５ｇ/ｃｍ３であった。
【０１３５】
次いで圧縮スートプリフォームを金型キャビティから取り出した。次いで、複数本のコアロッドを有するスートプリフォームを、金属汚染物を除去するため、実施例１０に開示されるように加熱した。次いで、清浄化された複数本のコアロッドを有するプリフォームを縦型降下炉内で固結し、複数本のコアを有する光ファイバの作製に、または複数コアリボンを作製するために、用いることができた。
【０１３６】
実施例１２
本実施例は実施例１０と同様であり、数本の固結ガラスロッド、例えば、４本の直径が１０ｍｍの固結コアロッド(またはコアケーン)１１５が、断面が長方形のキャビティの内部に配置される。それぞれのコアケーン１１５の中心が同一直線上にあることが好ましい。さらに詳しくは、本実施形態において、長方形金型本体１０２'は、深さが４ｃｍで幅が１０ｃｍの金型キャビティ１０８'を有する。図１７Ｃに示されるように、本実施例の金型キャビティ１０８'は、３つの固定(硬)壁１０８'Ｓ及び第４の、硬いが、可動の壁１０８'Ｍを有する。壁１０８'Ｍは移動することができ、金型キャビティ内に置かれたスートに圧力を印加するピストンとして用いることができる。スート圧縮中は、壁１０８'Ｍだけが移動し、他の３つの壁は固定されたままである。圧縮が進むと、得られるスートプリフォームの形状寸法は、一辺の寸法(幅)が１０ｃｍに等しい、長方形に近づく。圧縮スートプリフォームの内部キャビティからの取外し後、得られたスートプリフォームの厚さは約２５ｍｍで、密度は約０.８ｇ/ｃｍ３であった。圧縮スートプリフォームの圧縮後処理は実施例１０及び１１の圧縮後処理と同様に行うことができた。
【０１３７】
実施例１３
本実施例は実施例１と同様であるが、２本の応力ロッドの代わりに、本実施例においては別の２本の直径が１.９ｃｍの固結コアロッド(またはコアケーン)１１５をキャビティの内部に配置した。本実施例では、石英ガラススートを一工程で金型キャビティに装填することによって２つの集成光ファイバプリフォームを作製した。集成光ファイバプリフォームを作製するため、直径が８９ｍｍで長さが６１０ｍｍの金型キャビティを有するカーボン製金型内に３本のコアケーンを配置した。ガラス状カーボンコーティングで金型キャビティを内張した。本実施例においてガラスコアの長さは金型の長さと同じである。
【０１３８】
金型キャビティの下部に配置したラムの内腔にガラスコアケーンの内の１本の末端を挿入することにより、ガラスコアケーンを金型キャビティ内に配置した。他のコアケーンを、金型キャビティの下部に配置したラムの(軸外)内腔にそれぞれのコアケーンの末端を挿入することにより、金型キャビティ内に配置した。約９３０ｇの石英ガラススートを、１本のガラスコアケーンが石英ガラススートの中心に配置され、他の２本のコアケーンが軸外でコアロッドの比較的近くに、配置されるように、金型キャビティに装填した。３本のコアケーンの中心が同一直線上にあることが好ましい。スート圧縮において軸方向ロッドの存在が軸方向収縮を径方向収縮に対して抑制し得るから、軸方向スート−ガラス収縮及び径方向スート−ガラス収縮を測定することが必要になり得る。複数本のロッドが１つのファイバ直径に沿って配列されていれば、直交する２つの径方向ファイバ寸法に沿う収縮率も異なるであろう。計算を完了するに必要な可調パラメータは、スートタップ密度、最終圧縮スート密度及び金型直径である。石英ガラススートを金型キャビティ内に装填した後、石英ガラススートの圧縮前密度を最大化するため、振動エネルギーを金型本体に印加した。上部ラムを３本のガラスコアケーンにかけて配置し、金型キャビティに挿入した。本実施例においては、金型キャビティ内のガラスコアケーンの周りにラムエクステンションを挿入し、金型及びエクステンションを油圧プレス内に置いた。油圧プレスのプレスアームを上部ラムエクステンションに合わせて取付け、下部ラムエクステンションを油圧プレスの支持プレート上に置いた。約１７〜１９ｋＨｚの周波数で５ｋＷ増幅器のパワーの５１％の振動エネルギーを金型に印加した。好ましい正確な共振周波数は、超音波変換器、導波路、クランプ及び金型の詳細に依存し、特定の要素セットのそれぞれに対して独立に最適化しなければならない。金型キャビティ内の定在波の確立を避けるため、４０Ｈｚの多重周波数掃引を０.０２６秒周期で振動エネルギーに適用した。
【０１３９】
スートを圧縮するため、プレスの上部ラムを下部ラムに向けて４.８ｍｍ/秒の速度で前進させた。金型をスート成形体に対して約２.４ｍｍ/秒の速度で滑らせ、よってスート成形体の中心に超音波源を維持することができた。スートの密度は、金型キャビティ内の上部ラムの位置の測定値、金型の諸元及びスートの重量に基づいて、圧縮工程を通して実時間で計算することができる。スートの密度の計算値が目標密度(本実施例においては０.８ｇ/ｃｍ３)から０.０１ｇ/ｃｍ３の範囲に入ったときに、振動エネルギーを停止した。スートの密度の計算値が０.８ｇ/ｃｍ３の目標密度に達したときに油圧プレスのプレスアームの運動を停止させ、２０９ポンド(９４.８ｋｇ)の静負荷だけをプレスの油圧ラインに残した。１０分経過後に、静負荷を解放した。その後、集成光ファイバプリフォームを管状炉内に置き、ヘリウム／５％塩素を流して１０００℃で一時間乾燥した。本実施例における複数本のコアロッドを有する集成光ファイバプリフォームは、１２００℃で１時間の予備焼結を行い、次いで、上述したように、固結させることが好ましい。
【０１４０】
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価形態の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【符号の説明】
【０１４１】
１００    金型装置
１０２    金型本体
１０４    下部ラム
１０６    上部ラム
１０８    金型キャビティ
１１５    ガラスコアケーン
１１５Ａ    応力ロッド
１１５Ｂ    鋳型ロッド
１５０    超音波源
１５２    導波路
１６２    電気ケーブル
１７０    下部ラムエクステンション
１７２    誘導チャネル
１９０    石英ガラススート
１９８    スート成形体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【国際調査報告】
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