JPH04349134A - 光ファイバ・プリフォームの横断面を修正する方法および装置 - Google Patents

光ファイバ・プリフォームの横断面を修正する方法および装置

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JPH04349134A
JPH04349134A JP3274908A JP27490891A JPH04349134A JP H04349134 A JPH04349134 A JP H04349134A JP 3274908 A JP3274908 A JP 3274908A JP 27490891 A JP27490891 A JP 27490891A JP H04349134 A JPH04349134 A JP H04349134A
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Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、棒、円盤、円筒のよう
な物体の横断面を修正する方法および装置に関し、実施
例では、光ファイバ・プレフォームのような耐熱性の棒
の断面を修正する方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】本発明は、潜在的にさまざまなアプリケ
ーションにおいて使用可能ではあるが、特に光ファイバ
製造の分野で発展した。光ファイバは、大量の情報を含
む光信号を長距離にわたって非常に小さい損失で伝送す
ることが可能なガラスの細線である。光ファイバは一般
的に、適当な組成の光ファイバ・プレフォームを形成し
、このプレフォームからファイバを引き出すことによっ
て製造される。一般的なプレフォームは、長さ約1メー
トル、外径約20mmを有する同心円状のガラス棒の形
である。この棒の内核は、約1〜2mmの直径を有する
ケイ酸ゲルマニウムのような高純度、低損失ガラスであ
る。同心円状の外側の円筒は、クラッディングと呼ばれ
、内核を保護する。クラッディングは、内核よりも小さ
い屈折率をもつガラスの層である。
【0003】プレフォームから光ファイバを製造する際
に重要なことは、プレフォーム核の中心がプレフォーム
断面の中心と一致することである。プレフォームに偏心
がある場合、このプレフォームから引き出されたファイ
バもまた偏心する。従って、ある偏心した光ファイバが
他の光ファイバに接続された場合、伝送核は一致せず、
核の不整合による大きな光伝送損失が起こる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】偏心ファイバの形成を
防ぐために、引き出し工程の前にプレフォームは注意深
く検査される。厳しい同心性の条件を満足しないプレフ
ォームは廃棄される。その結果、高価なプレフォームが
比較的高い廃棄率を有することになる。従って、プレフ
ォームの偏心を縮小するように光プレフォームの横断面
を修正する方法が、光ファイバの製造において非常に有
用となる。
【0005】
【課題を解決するための手段】細長い物体の横断面が、
以下のステップによって修正される:a)複数の点で、
物体が所望形状を超過する材料を有する程度を決定する
ステップ、b)物体の表面から材料を除去するのに十分
な高さの温度を有する局所熱源に物体を暴露するステッ
プ、c)物体が所望形状を超過する材料を有する領域か
ら、他の領域よりも多くの材料を除去するように、この
領域において減少する速度で熱源に対して物体の表面を
移動するステップ。所望される実施例では、物体は光フ
ァイバ・プレフォームであり、局所熱源はプラズマ・ト
ーチの火球であり、物体は制御可能な角速度でプレフォ
ームを回転することによってトーチに対して移動され、
その間トーチはプレフォームの長さ方向に沿って移動さ
れる。
【0006】
【実施例】図1を参照すると、例示された物体は、横断
面において、核境界3をもつ核1と、核の周囲に、プレ
フォーム境界4を有するクラッディング2からなる光フ
ァイバ・プレフォームである。プレフォーム境界と核境
界の間の距離(d1,d2,‥‥‥,dn)が、参照点
rから角度増分20゜で示されている。これらの距離は
すべて等しいことが望ましいが、実際には等しくない。 距離(di)のセット(偏心プロフィールと呼ぶ)は、
同心プレフォームを製造するために除去されるべき材料
の量の尺度を与える。
【0007】図2を参照すると、2Aにおいて、工程の
予備的なステップは、物体の側面の複数の地点に対して
、所望形状を達成するために除去されるべき材料の厚さ
を決定するステップである。第1の既知の規則的な断面
を第2の既知の規則的な断面に修正する場合、例えば、
正方形断面を円形断面に変換する場合、この決定は数学
的なアルゴリズムによって実行可能である。
【0008】しかし、ほとんどのアプリケーションでは
、不規則な形を規則的な形に近づけるように修正するこ
とが所望される。このような場合、この決定は、物体の
形状を適切に特徴づけるのに十分な一連の測定、すなわ
ち、偏心プロフィールを実行することによってなされる
ことが望ましい。例えば、光ファイバ・プレフォームの
修正においては、市販の光スキャナを使用して、プレフ
ォーム境界から核境界までの距離(di)のセットを、
図1に示されるように20゜間隔で測定すれば十分であ
ることが分かっている。
【0009】この一連の測定は、物体に沿って縦方向に
数個の地点でそれぞれ行われる。従って、物体の長い方
向がZ軸で表される場合、偏心プロフィールは長さに沿
って数個のZの値のそれぞれに対して測定される。一般
的なプレフォームに対しては、境界上の非測定点での距
離は、測定点から線形に補間された値に近いことから、
この一連の測定は物体を特徴づけるのに十分であること
が分かる。
【0010】2Bで示される次のステップは、物体の側
面を高温の局所熱源に暴露し、同時に、物体と熱源を、
より多くの材料が除去されるべき領域では相対速度が小
さくなるように互いに移動するステップである。望まし
くは、高温の局所熱源はプラズマ・トーチのプラズマ火
球である。
【0011】熱源に対して物体を移動する装置が図3に
示されており、細長い物体20(例えば光ファイバ・プ
レフォーム)が速度制御可能旋盤21に取り付けられて
いる。物体20の側面は、プラズマ・トーチ10のプラ
ズマ火球12に暴露される。プラズマ・トーチ10は、
トーチ位置が作業中に正確に制御されるように、旋盤2
1と同一の土台(図示せず)の上に据えられた三軸位置
決め台30に取り付けられている。コンピュータ40は
、旋盤21で物体20の回転を、位置決め台30でトー
チ10の移動を調整および制御する。以下で説明される
ように、コンピュータは、除去されるべき材料の量が多
い領域で物体に対するトーチの相対速度が遅くなるよう
に、物体20のZ軸回りの回転速度およびZ軸方向のト
ーチ10の速度を制御する。
【0012】図4を参照すると、所望される実施例では
、トーチ10は、管15によってガス源17に接続され
、管16によって第2ガス源18に接続された融解石英
マントル11からなる。ガス源17は、プラズマ放電の
ために使用されるガス(例えばO2)を、シールド22
を通してマントル11内に送る。プラズマ火球12は、
RF発生器14によってRFコイル19に印加されるR
F電力によって励起される。
【0013】ガス源18は、高いイオン化しきい値のガ
ス(例えばN2)を供給し、このガスはシールド22に
よってトーチの外側の領域に閉じ込められる。この付加
的なガスは、プラズマ形成に高いRFエネルギーを必要
とする領域を閉じ込め領域の上部に生成する。プラズマ
は、形成への抵抗が最も低い領域で形成しやすいため、
高いしきい値のガスの存在によって、火球の一部がトー
チの外側の光ファイバ・プレフォーム20に接触可能な
場所に移動する。
【0014】再び図3を参照すると、旋盤21は、物体
20の両端に同時に回転するチャックを有するガラス旋
盤(例えば、リットン・エンジニアリング社(Litt
on Engineering Co.)によって販売
されているリットン・ガラス旋盤(Litton Gl
ass Lathe))であることが望ましい。 回転速度を制御可能にするため、標準的なチャック回転
モータはステップモータ(例えば、カリフォルニア州ペ
タルマ(Petaluma)のパーカー・ハニフィン社
(Parker Hannifin Corp.)のコ
ンピュ・モータ・ディヴィジョン(Compu Mot
or Division)によって販売されているモデ
ルM106−205ステップモータ)で置き換えられた
【0015】このような改良によって、旋盤チャックの
方向および瞬間速度は、1゜の増分で制御され、0〜2
00rpmの間で変化することが可能となる。付加的な
ステップモータ(図示せず)が、トーチ10の位置およ
び横方向の速度を制御する位置決め第30の三軸を駆動
する。
【0016】プレフォーム回転およびトーチ横方向ステ
ップモータの動作は、コンピュータ40(例えば、コン
ピュ・モータPC−23モータ・インデクサを装備した
AT&TのPC6300コンピュータ)の制御下で実現
される。この制御システムのもとで、物体20の瞬間回
転速度は、物体20に沿った特定の角度位置および縦方
向の距離に対して所望されるトーチ下滞留時間に合わせ
て連続的に調節可能である。トーチと物体20の表面の
間の作業距離は、各エッチング・パスに対して固定され
ることが望ましい。所望される作業距離は5〜10mm
である。
【0017】制御アルゴリズムは以下のように生成され
る。第1に、物体20からなる材料の種類に対するエッ
チング速度Eが、所望される回転速度、トーチ作業距離
およびトーチ横方向速度に対して経験的に決定される。 第2に、物体上の各増分位置iで除去されるべき材料の
量が決定され、第3に、各位置でのエッチングに対して
所望される滞留時間のセット(滞留時間プロフィール(
ti)と呼ぶ)が計算され、熱源と物体の表面の間の相
対速度を制御するために使用される。
【0018】光ファイバ・プレフォームの偏心を減少す
るため、除去されるべき材料の量を決定し滞留時間プロ
フィールを計算する際に有用な次の方法が発見された。 プレフォームに沿った数個の縦軸位置に対して図1に示
されるように偏心プロフィール(di)を測定後、縦軸
位置の1つで測定された(di)に対して平均値(dm
)を計算する。例えば、周囲に沿って20゜の増分で測
定された18個のdiを加算し、18で割る。実際には
、単一の縦軸位置に対するdmが、全プレフォームに対
するdmの代表となることが分かっている。
【0019】各位置iに対する理論的な最適滞留時間t
iは、
【数1】 である。ただし、Eはエッチング速度、diは位置iで
測定(または補間)されたd、d0は最終目的寸法であ
る。この最適滞留時間は一般には達成可能でない。エッ
チング速度Eは、Eが決定された実験条件でのみ妥当で
ある。例えば、トーチの横方向速度に対する物体の回転
速度に依存して、プラズマ火球が有限の幅を有すること
から回転間のエッチング領域のオーバラップが生じる。
【0020】従って、物体表面上の与えられた位置はオ
ーバラップによって予熱および数回転にわたるエッチン
グを受け、その位置が火球の外にある間は冷却期間とな
る。従って、エッチング速度の複雑な数学的モデル化が
ない場合には、できるだけEが決定された条件を再現す
ることが望ましい。これは、Eを決定する試験で使用さ
れたものと等しい平均回転速度およびトーチ横方向速度
を維持することによって実現される。
【0021】従って、光ファイバ・プレフォームに対し
ては、所望される滞留時間tiは
【数2】 のように計算される。ただし、「testRPM」は、
Eを決定する試験で使用された回転速度である。このプ
ロフィールが回転速度に変換されると、回転速度はte
stRPMの周りに対称的に変動し、平均回転速度はt
estRPMと等しくなる。このアルゴリズムでは、モ
ータおよび旋盤の機構によって滞留時間に下限が設定さ
れる。この下限は、1回のパスで修正される偏心の量を
限定し、非常に偏心した物体を修正するには複数回のパ
スが必要である。
【0022】トーチの横方向速度は、エッチング作業中
、エッチング速度決定試験で使用された同一の一定値に
固定されることが望ましい。エッチング帯は、物体20
に沿った一定のピッチの歪んだらせん経路に従う。速度
は、各エッチング帯が各回転でオーバラップするように
十分小さく選択される。この速度は、回転による平均表
面速度よりも遅いことが望ましい。
【0023】旋盤およびトーチのステップモータを駆動
するために必要なパルスは、PC−23のコマンドによ
って生成される。回転ステップモータは、位置の正確さ
を損なわずに物体20の1回転を正確に実行するために
、正確な数のパルスを必要とする。これは、総和が1回
転に必要なパルス数に等しくなるように、計算された滞
留時間プロフィールによって与えられる速度情報を反復
して調節することによって実現されることが望ましい。 このときモータの速度は上下しながら次第に所望される
値に近づく。
【0024】物体20が光ファイバ・プレフォームであ
る場合、エッチング後、エッチング工程によって生じた
熱応力をアニールするために物体は一定加熱パスを通さ
れることが望ましい。
【0025】本工程の応用は以下の特殊例によって良く
理解されるであろう。直径23.8mmの光ファイバ・
プレフォームの核の偏心がプレフォームに沿った5個の
位置で光走査によって決定され、間の位置に対しては補
間された。測定されたプロフィールは図5に示されてお
り、この図は、20゜の増分で核境界とプレフォーム境
界の間の距離dをプロットしている。5個のプロットは
プレフォームの長さに沿った5個の位置(0〜4で表す
)に対するものである。このプレフォームは約150゜
で最大偏心をもって偏心していることが分かる。
【0026】測定された偏心プロフィール(図5)が、
上記のアルゴリズムによって速度制御可能旋盤に対する
滞留プロフィールを計算するために使用された。プレフ
ォームは、トーチに対する偏心の方向が分かるように旋
盤に取り付けられた。28kWのプレート電力で動作す
るように設定されたRFプラズマ・トーチが起動され、
プレフォームは計算された滞留プロフィールを使用して
回転され、トーチは毎分5cmの一定速度でプレフォー
ムの長さに沿って移動された。エッチング後、プレフォ
ームはアニールされ、再測定された。図6は、1回のエ
ッチング・パスの後の、プレフォームに沿って0〜4で
表された5個の位置における偏心プロフィールを示す。 偏心の程度が顕著に減少していることが観察される。
【0027】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、光
ファイバ・プレフォームの横断面の偏心が減少され、高
価である光ファイバ・プレフォームの廃棄率が小さくな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】修正されるべき形を有する細長い物体の横断面
図である。
【図2】細長い物体の横断面を修正するために使用され
る工程ステップを示すフロー図である。
【図3】物体の横断面を修正するために使用される装置
の図である。
【図4】プラズマ・トーチからなる所望される局所熱源
の断面図である。
【図5】プロセス前の光ファイバ・プレフォームのさま
ざまな位置において、プレフォームの核境界から外面ま
での距離dを表すグラフである。
【図6】プロセス後の距離dを示すグラフである。
【符号の説明】
10  プラズマ・トーチ 11  融解石英マントル 12  プラズマ火球 14  RF発生器 17  放電ガス源 18  第2ガス源 19  RFコイル 20  細長い物体 21  旋盤 22  シールド 30  三軸位置決め台 40  コンピュータ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  a)前記物体の側面の複数の領域のそ
    れぞれに対して、前記物体が前記領域において所望形状
    以上の材料部分を有する程度を決定するステップと、b
    )前記物体の表面から前記材料部分を除去するのに十分
    高い温度を有する局所熱源に物体を暴露するステップと
    、 c)前記物体が所望形状以上の材料部分を有する領域に
    おいて、前記物体の他の領域よりも多くの材料を除去す
    るように、その領域で減少する速度で熱源に対して物体
    表面を移動するステップとからなることを特徴とする物
    体の横断面を修正する方法。
  2. 【請求項2】  所望形状以上の材料部分を決定するス
    テップが、複数の相異なる位置で前記物体の半径を測定
    するステップと、非測定位置で前記物体の半径を補間す
    るステップからなることを特徴とする請求項1の方法。
  3. 【請求項3】  前記局所熱源が、プラズマ火球を発生
    するためのプラズマ・トーチであることを特徴とする請
    求項1の方法。
  4. 【請求項4】  前記物体が、縦軸の周りに前記物体を
    回転することによって熱源に対して移動されると同時に
    、前記トーチが前記軸と平行に移動されることを特徴と
    する請求項1の方法。
  5. 【請求項5】  前記物体が、各回転に対して一定期間
    に制限された可変回転速度で前記軸の周りに回転される
    ことを特徴とする請求項4の方法。
  6. 【請求項6】  前記トーチが一定速度で前記軸に平行
    に移動されることを特徴とする請求項4の方法。
  7. 【請求項7】  前記物体が耐熱性材料からなることを
    特徴とする請求項1の方法。
  8. 【請求項8】  前記物体が光ファイバ・プレフォーム
    からなることを特徴とする請求項1の方法。
  9. 【請求項9】  物体の横断面を修正する装置において
    、a)縦軸の周りに制御可能な回転速度で前記物体を回
    転させる旋盤手段と、 b)前記物体から材料を除去するのに十分な熱を発生す
    る局所熱源と、 c)前記局所熱源を前記物体に隣接して前記軸に平行に
    移動するための移動手段と、 d)トーチに対する物体表面の速度が、所望形状以上の
    材料部分を有する領域において減少するように、前記旋
    盤手段の前記回転速度を制御する制御手段とからなるこ
    とを特徴とする物体の横断面を修正する装置。
  10. 【請求項10】  前記局所熱源が、プラズマ火球を発
    生するためのプラズマ・トーチであることを特徴とする
    請求項9の装置。
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