CN107406298A - 光纤的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤的制造方法。该光纤的制造方法的特征在于具备：在拉丝炉(110)中对光纤用母材(1P)进行拉丝的拉丝工序(P1)；以及使在拉丝工序(P1)中被拉出的光纤缓慢冷却的缓慢冷却工序(P3)，在缓慢冷却工序(P3)中，光纤在多个缓慢冷却炉(121)中通过，在将构成光纤所包含的纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常数设为τ(Tn)，将光纤在缓慢冷却工序中进入从上游侧起第n号的缓慢冷却炉的时刻的温度设为Tn，将构成纤芯的玻璃在进入的时刻的假想温度设为Tfn，将构成纤芯的玻璃在从进入的时刻起经过时间Δt后的假想温度设为Tf时，在缓慢冷却工序的任意期间下述式(1)成立：20℃＜Tf‑Tn＝(Tfn‑Tn)exp(‑Δt/τ(Tn))＜100℃…(1)。

Description

光纤的制造方法
技术领域
本发明涉及光纤的制造方法。
背景技术
在光纤通信系统中为了实现光传送距离的长距离化、光传送速度的高速化，必须提高光信号信噪比。因此，谋求减少光纤的传送损失。在光纤的制造方法被高度精炼的当前，可以认为因光纤所含的杂质导致的传送损失已几乎降低到极限。余下的传送损失的主要原因为，构成光纤的玻璃的构造、组成的变动所带来的散射损失。这是因光纤是由玻璃构成的，故不可避免。
作为减少玻璃的构造的变动的方法，已知有在使熔融的玻璃冷却时缓慢地进行冷却的方法。作为这样的使熔融的玻璃缓慢地冷却的方法，尝试对刚从拉丝炉拉制出的光纤进行缓慢冷却。具体而言，研究了在缓慢冷却炉中对从拉丝炉拉制出的光纤进行加热，或用隔热材料包围刚拉制出的光纤来降低光纤的冷却速度。
在下述专利文献1中公开了在从具有以石英玻璃为主成分的纤芯以及包层的光纤的外径比最终外径的500％小的位置到光纤的温度成为1400℃的位置的70％以上的区域，以相对于由递推公式求出的目标温度成为±100℃以下的方式设定加热炉(缓慢冷却炉)的温度。通过这样控制光纤的温度履历(temperature history)，降低构成光纤的玻璃的假想温度而减少传送损失。
专利文献1:日本特开2014-62021号公报
但是，在上述专利文献1公开的技术中，为了使光纤的温度与利用递推公式求出的理想的温度变化匹配而要求重复复杂的计算。另外，在专利文献1公开的技术中，光纤的温度相对于由递推公式求出的目标温度甚至允许±50℃～100℃的偏差。若在这样广的范围允许光纤的温度的偏差，则很难说温度履历已充分地适合化。例如，若要被缓慢冷却的光纤的温度在±100℃的范围变化，而构成光纤的玻璃的假想温度也在相同的范围变化，只能得到比由递推公式求出的目标温度能够到达的假想温度高100℃的假想温度的光纤，则因得到的光纤的光散射导致的传送损失甚至增加0.007dB/km左右。在这样的光纤的温度履历未充分适合化的以往的制造方法中，进行将缓慢冷却炉拉长至所需以上的过剩的设备投资、或使拉丝速度降低至所需以上而使生产率受损。
本发明者发现通过适当地设定缓慢冷却炉的温度，适当地控制构成光纤的玻璃的假想温度与光纤的温度的温度差，容易促进构成光纤的玻璃的结构弛豫，并减少因光纤的光散射导致的传送损失。
发明内容
因此，本发明提供一种容易减少光纤的传送损失的光纤的制造方法。
为了解决上述课题，本发明的光纤的制造方法，其特征在于，具备：在拉丝炉中对光纤用母材进行拉丝的拉丝工序；以及使在上述拉丝工序中被拉出的光纤缓慢冷却的缓慢冷却工序，在上述缓慢冷却工序中，上述光纤在多个缓慢冷却炉中通过，在将构成上述光纤所包含的纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常数设为τ(Tn)，将上述光纤在上述缓慢冷却工序中进入从上游侧起第n号的上述缓慢冷却炉的时刻的温度设为Tn，将构成上述纤芯的玻璃在上述进入的时刻的假想温度设为Tfn，将构成上述纤芯的玻璃在从上述进入的时刻经过时间Δt后的假想温度设为Tf时，在上述缓慢冷却工序的任意期间下述式(1)成立。
20℃＜Tf-Tn＝(Tfn-Tn)exp(-Δt/τ(Tn))＜100℃…(1)
本发明者发现，通过在将光纤的温度与构成光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差控制在上述规定的范围的状态下使光纤缓慢冷却，能够促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫。通过促进构成纤芯的玻璃的格造缓和，减少在纤芯中传送光时因构成纤芯的玻璃的构造的变动引起的散射损失，因此减少光纤的传送损失。另外，如上述那样在缓慢冷却工序中使用多个缓慢冷却炉，对各缓慢冷却炉的设定温度进行适当地控制，从而容易将光纤的温度与构成光纤所包含的光纤的玻璃的假想温度的温度差控制在上述规定的范围。其结果，容易促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫，减少光纤的传送损失。
另外，本发明的光纤的制造方法，优选在上述缓慢冷却工序的任意期间下述式(2)成立。
40℃＜Tf-Tn＝(Tfn-Tn)exp(-Δt/τ(Tn))＜60℃…(2)
这样在缓慢冷却工序中光纤的温度Tn与构成该光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度Tf的温度差(Tf-Tn)被控制在更适合的范围，从而更容易促进构成该光纤所包含的纤芯的玻璃的结构弛豫，更容易减少光纤的传送损失。
另外，本发明的光纤的制造方法，优选在将上述第n号的缓慢冷却炉的设定温度设为Tsn时，下述式(3)的关系成立。
20℃＜Tfn-Tsn＜100℃…(3)
如上所述在缓慢冷却工序中使用多个缓慢冷却炉，各缓慢冷却炉的设定温度相对于各缓慢冷却炉的入口处的构成纤芯的玻璃的假想温度被控制在规定的范围，从而容易将光纤的温度与构成光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差控制在规定的范围。其结果，容易促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫，容易减少光纤的传送损失。
另外，本发明的光纤的制造方法，优选下述式(4)成立。
40℃＜Tfn-Tsn＜60℃…(4)
通过这样将多个缓慢冷却炉的设定温度分别控制在更适当的范围，容易使构成光纤所包含的纤芯的玻璃的结构弛豫的促进效果进一步增大，容易使光纤的传送损失进一步减少。
另外，本发明的光纤的制造方法，优选对于设定温度与构成上述纤芯的玻璃在入口处的假想温度的温度差而言，具备于下游侧的上述缓慢冷却炉比具备于上游侧的上述缓慢冷却炉小。
本发明者发现，若玻璃的温度变低，则使玻璃的假想温度与玻璃的温度的温度差变小，这种方式容易促进玻璃的结构弛豫。因此，通过以使具备于下游侧的缓慢冷却炉的、设定温度与构成纤芯的玻璃在入口处的假想温度的温度差，比具备于上游侧的缓慢冷却炉的、设定温度与构成纤芯的玻璃在入口处的假想温度的温度差小的方式设定缓慢冷却炉的温度，能够高效地促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫。其结果，容易使光纤的传送损失进一步减少。
另外，优选在上述光纤的温度处于1300℃以上且1500℃以下的范围时的至少一段时间，上述光纤滞留在上述多个缓慢冷却炉中的任一个。
通过在光纤的温度处于该范围时使光纤缓慢冷却，从而容易使构成光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度在短时间降低，容易使光纤的传送损失减少。
如上所述，根据本发明，提供容易减少光纤的传送损失的光纤的制造方法。
附图说明
图1是表示本发明的光纤的制造方法的工序的流程图。
图2是简要地表示本发明的光纤的制造方法所使用的装置的构成的图。
图3是表示玻璃的温度以及该玻璃的假想温度与缓慢冷却时间的关系的图表。
图4是示意性地表示玻璃的假想温度与玻璃的温度的温度差(Tf 0-T)、与玻璃的假想温度的每单位时间的降低速度((Tf-Tf 0)/Δt)的关系的图表。
图5是表示玻璃的假想温度与玻璃的温度的温度差的时间变化的图表。
图6是表示与图5不同的初期条件下的玻璃的假想温度与玻璃的温度的温度差的时间变化的图表。
图7是表示与图5以及图6不同的初期条件下的玻璃的温度的时间变化的图表。
图8是表示图6中实线所示的适合化的温度差(Tf-T)、因散射导致的传送损失未增加0.001dB/km以上的温度差(Tf-T)的经时变化的上限以及下限的图表。
图9是表示各缓慢冷却炉的设定温度、各缓慢冷却炉的入口处的适合化的玻璃的假想温度、以及经过假想的温度履历的玻璃的各缓慢冷却炉的入口处的假想温度的图表。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的光纤的制造方法的优选实施方式详细地进行说明。
图1是表示一个实施方式的本发明的光纤的制造方法的工序的流程图。如图1所示，本实施方式的光纤的制造方法具备：拉丝工序P1、预冷工序P2、缓慢冷却工序P3、快速冷却工序P4。以下对这些各工序进行说明。此外，图2是简要地表示用于本实施方式的光纤的制造方法的装置的构成的图。
<拉丝工序P1>
拉丝工序P1是在拉丝炉110中对光纤用母材1P的一端进行拉丝的工序。首先，准备由具有与构成所希望的光纤1的纤芯以及包层相同的折射率分布的玻璃构成的光纤用母材1P。光纤1具有一个或者多个纤芯以及无间隙地包围纤芯的外周面的包层。另外，纤芯以及包层分别由石英玻璃构成，纤芯的折射率比包层的折射率高。例如，纤芯由添加了提高折射率的锗等掺杂剂的石英玻璃构成的情况下，包层由纯粹的石英玻璃构成。另外，例如，在纤芯由纯粹的石英玻璃构成的情况下，包层由添加了降低折射率的氟等掺杂剂的石英玻璃构成。
接下来，以长度方向处于垂直的方式悬架光纤用母材1P。然后，将光纤用母材1P配置于拉丝炉110，使加热部111发热而对光纤用母材1P的下端部进行加热。此时，光纤用母材1P的下端部例如被加热至2000℃而成为熔融状态。然后，将从被加热的光纤用母材1P的下端部熔融的玻璃以规定的拉丝速度从拉丝炉110拉出。
<预冷工序P2>
预冷工序P2是将在拉丝工序P1中从拉丝炉110拉出的光纤冷却至适合于被送往后述的缓慢冷却炉121的规定的温度的工序。适合于被送往缓慢冷却炉121的光纤的规定的温度将在后面详述。
在本实施方式的光纤的制造方法中，使由拉丝工序P1拉制出的光纤穿过设置于拉丝炉110紧下方的筒状体120的中空部，由此执行预冷工序P2。通过在拉丝炉110紧下方设置筒状体120，筒状体120的中空部内的气氛变得与拉丝炉110内的气氛几乎相同。因此，抑制刚被拉制出的光纤的周围的气氛、温度急剧地变化。
被送往缓慢冷却炉121的光纤的温度，主要取决于拉丝速度与拉丝炉110内的气氛。通过设置预冷工序P2，进一步对光纤的冷却速度进行微调，容易将光纤向缓慢冷却炉121的进入温度调整至适当的范围。能够基于从拉丝炉110拉出的光纤的温度与适合于送往缓慢冷却炉121的光纤的温度，适当地选择缓慢冷却炉121与拉丝炉110之间的距离、筒状体120的长度。筒状体120例如由金属管等构成。可以对该金属管进行空气冷却，或在该金属管的周围配置隔热材料，来对光纤的冷却速度进行调整。
<缓慢冷却工序P3>
缓慢冷却工序P3是对在拉丝工序P1中拉出的光纤进行缓慢冷却的工序。在本实施方式的光纤的制造方法中，光纤经由预冷工序P2被调整温度，在缓慢冷却工序P3中被缓慢冷却。在缓慢冷却工序P3中，光纤通过多个缓慢冷却炉121a、121b、121c、121d。在本实施方式的光纤的制造方法的说明中，在包括这些全部的缓慢冷却炉的情况下、或者在没有必要区别区分各缓慢冷却炉的情况下，有时仅称为“缓慢冷却炉121”。此外，在图2中虽表示了4个缓慢冷却炉121a、121b、121c、121d，但在本发明中只要缓慢冷却炉的数量是多个就没有特别的限定。缓慢冷却炉是具有多个是指能够设定为相互不同的温度的发热部为具有多个的意思。例如，即使被收纳于一个框体内，只要能够设定为相互不同的温度的发热部具备多个的话，也可说缓慢冷却炉是具有多个。
缓慢冷却炉121内被设定为与所进入的光纤的温度不同的规定的温度，通过进入到缓慢冷却炉121的光纤的周围的温度，使光纤的冷却速度下降。通过在缓慢冷却炉121中使光纤的冷却速度下降，如以下说明的那样，能够得到构成光纤所包含的纤芯的玻璃的结构弛豫(structural relaxation)、散射损失减少的光纤1。
在具有以往的缓慢冷却工序的光纤的制造方法中，进入缓慢冷却炉时的光纤的温度未充分地适合化。具体而言，往往以光纤的温度过高或过低的状态进入缓慢冷却炉。若进入缓慢冷却炉的光纤的温度过高，则构成光纤的玻璃的结构弛豫的速度非常快，所以几乎无法期待获得由缓慢冷却光纤所带来的效果。另一方面，若进入缓慢冷却炉的光纤的温度过低，则构成光纤的玻璃的结构弛豫的速度变慢，所以存在产生需要利用缓慢冷却炉对光纤进行再加热的情况。这样在以往的缓慢冷却工序中，很难说构成光纤的玻璃的结构弛豫被高效地执行。因此，存在将缓慢冷却炉拉长至所需以上的过剩的设备投资，或将拉丝速度放慢至所需以上而损失生产率这样的担心。
根据本实施方式的光纤的制造方法，如以下说明的那样，在缓慢冷却工序P3中，适当地设定缓慢冷却炉121的温度，适当地控制构成光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度与光纤的温度的温度差，从而促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫。其结果，不需要过剩的设备投资，并且，能够得到生产率良好的、减少传送损失的光纤1。另外，根据本实施方式的光纤的制造方法，在制造时不需要如上述引用文献1所公开的技术那样的复杂的计算。
在被分类为所谓的强玻璃的石英玻璃中，根据玻璃的粘性流动所想到的结构弛豫的时间常数τ(T)遵循阿伦尼乌斯(Arrhenius)公式。因此，时间常数τ(T)使用由玻璃的组成决定的常数A以及活化能Eact，作为玻璃的温度T的函数表示为下述式(5)。其中，kB是玻尔兹曼(Boltzmann)常数。
1/τ(T)＝A·exp(-Eact/kBT)…(5)
(这里T是玻璃的绝对温度。)
根据上述式(5)可知，玻璃的温度越高则玻璃的结构越快弛豫、越快达到其温度下的平衡状态。即，玻璃的温度越高则玻璃的假想温度越快接近玻璃的温度。
图3表示使玻璃缓慢冷却时的玻璃的温度以及该玻璃的假想温度与时间的关系。在图3所示的图表中，横轴表示时间，纵轴表示温度。在图3中，实线表示任一缓慢冷却条件下的玻璃的温度推移，虚线表示此时的玻璃的假想温度的推移。另外，点线表示使冷却速度比由实线所示的缓慢冷却条件慢时的玻璃的温度推移，点划线表示此时的玻璃的假想温度的推移。
如图3中实线以及虚线所示，在高温区域玻璃的温度随着时间的经过而下降时玻璃的假想温度也相同地降低。在这样玻璃的温度充分高的状态下，玻璃的结构弛豫的速度非常快。但是，随着玻璃的温度降低而玻璃的结构弛豫的速度变慢。不久后，玻璃的假想温度的降低不追随玻璃的温度的降低。而且，玻璃的温度与玻璃的假想温度的温度差变大。这里，若放缓玻璃的冷却速度，则相比于冷却速度快的情况，玻璃被长时间保持在相对温度高的状态。因此，如图3中点线以及点划线所示，玻璃的温度与玻璃的假想温度的温度差变小，玻璃的假想温度比之前说明的例子低。即，若放缓玻璃的冷却速度，则容易促进玻璃的结构弛豫。
如上所述，在玻璃的温度高时玻璃的结构快速弛豫。但是，玻璃的假想温度不会比玻璃的温度低，因此玻璃的温度高时该玻璃的假想温度也高。即，若玻璃的温度过高则基于缓慢冷却的效果越少。从该观点出发，优选滞留在缓慢冷却炉121中的光纤的温度为1600℃以下，更优选为1500℃以下。另一方面，在玻璃的温度低的情况下虽假想温度下降到更低的温度，但假想温度的降低速度变慢。即，若玻璃的温度过低，则用于使假想温度充分地降低的缓慢冷却需要时间。从该观点出发，优选滞留在缓慢冷却炉121中的光纤的温度为1300℃以上，更优选为1400℃以上。由此，优选在光纤的温度处于1300℃以上且1500℃以下的范围时的至少一段时间使光纤滞留于缓慢冷却炉121。这样，通过在缓慢冷却工序P3中光纤的温度处于规定的范围时缓慢冷却光纤，构成光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度容易在短时间内降低，容易减少光纤的传送损失。
接下来，说明根据玻璃的温度与玻璃的假想温度的关系，如何使光纤缓慢冷却才能高效地促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫、减少光纤的传送损失的情况。
在将构成光纤所包含的纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常数设为τ(T)，将缓慢冷却工序P3中任一时刻的光纤的温度设为T，将构成纤芯的玻璃在该任一时刻的假想温度设为Tf 0时，构成纤芯的玻璃在从该任一时刻经过时间Δt后的假想温度Tf，从上述式(5)表示为下述式(6)。其中，Δt是微小时间，这期间的T假定为恒定。
Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))…(6)
根据上述式(6)可知，构成纤芯的玻璃的假想温度Tf不仅取决于结构弛豫的时间常数τ(T)，构成纤芯的玻璃的假想温度Tf与光纤的温度T的温度差(Tf-T)，取决于构成纤芯的玻璃在任一时刻的假想温度Tf 0与光纤的温度T的温度差(Tf 0-T)。结构弛豫的时间常数τ(T)，在假想温度为Tf 0的玻璃的温度为T时被定义为，玻璃的假想温度Tf与玻璃的温度T的温度差(Tf-T)成为1/e为止的时间，温度差(Tf 0-T)以某种程度越大，则每单位时间的假想温度Tf的变化越大。
将包含由假想温度为Tf 0的玻璃构成的纤芯的光纤的温度设为T时的温度差(Tf 0-T)、与假想温度Tf的每单位时间的变化((Tf-Tf 0)/Δt)的关系，由图4示意性地表示。如图4所示，在构成纤芯的玻璃的假想温度Tf 0与光纤的温度T一致的条件下(Tf 0＝T)，不发生构成纤芯的玻璃的结构弛豫，假想温度的每单位时间的变化是0((Tf-Tf 0)/Δt＝0)。若考虑从这里使光纤的温度T降低，而使构成纤芯的玻璃的假想温度Tf 0与光纤的温度T的温度差(Tf 0-T)变大的条件，则虽构成纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常数τ(T)变大但每单位时间的假想温度Tf的变化率((Tf-Tf 0)/Δt)向负变大。但是，若考虑进一步使光纤的温度T降低而使构成纤芯的玻璃的假想温度Tf 0与光纤的温度T的温度差(Tf 0-T)进一步变大的条件，则这次构成纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常数τ(T)逐渐变大的同时每单位时间的假想温度Tf的变化((Tf-Tf 0)/Δt)的绝对值变小。即，可知如图4的图表所表示的向下的峰值那样，构成纤芯的玻璃的假想温度Tf 0与光纤的温度T的温度差(Tf 0-T)为任一值时假想温度的每单位时间的变化((Tf-Tf 0)/Δt)取极小值。
这里若对上述式(6)求解，则可知在玻璃的假想温度Tf的降低速度成为最大时的玻璃的温度T与假想温度Tf之间，有下述式(7)的关系成立。T2+(Eact/kB)×T-(Eact/kB)×Tf＝0…(7)
若将上述式(7)如下述式(8)对T进一步求解，则能够求出能够使玻璃的假想温度Tf最高效地降低时的玻璃的温度T。以下，有时将能够使玻璃的假想温度Tf最高效地降低时的玻璃的温度称为“适合化的玻璃的温度”，将最高效地降低的假想温度称为“适合化的假想温度”。
如目前为止所说明的那样，玻璃在任一时刻的假想温度Tf 0与玻璃的温度T的温度差(Tf 0-T)为规定的值时玻璃的假想温度Tf的每单位时间的变化最大。即，考虑假想温度Tf 0的玻璃的经过恒定时间Δt后的假想温度Tf时，存在能够使假想温度Tf 0为最低值的玻璃的温度T。
关于在纤芯中掺杂了GeO2的通用的单模光纤，求出根据上述式(6)求出的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf为最低值时的值、与此时的光纤的温度T的温度差(Tf-T)的经时变化。这里，假设在拉丝工序P1中刚对光纤用母材进行加热熔融之后紧接着进行缓慢冷却工序P3的情况。若假设缓慢冷却初期(缓慢冷却时间为0秒时)的光纤的温度T0是1800℃，则构成纤芯的玻璃在该温度下的结构弛豫时间小于0.001秒，非常短。因此，可以认为构成纤芯的玻璃的缓慢冷却初期的假想温度Tf 0也是相同的1800℃。即，以Tf 0-T0＝0℃假设初始值。另外，上述式(5)以及(7)中的常数A以及活化能Eact采用非专利文献1(K.Saito，et aL.，Journalof the American Ceramic Society，VoL.89，pp.65-69(2006))，以及非专利文献2(K.Saito，et aL.，Applied Physics Letters，VoL.83，pp.5175-5177(2003))中记载的值，将Δt作为0.0005秒而计算的结果表示于图5。在图5的图表中，纵轴是构成纤芯的玻璃的假想温度Tf与此时的光纤的温度T的温度差(Tf-T)，横轴是光纤的缓慢冷却时间。在图5中，实线表示使用了非专利文献1所记载的常数A以及活化能Eact的结果，虚线表示使用了非专利文献2所记载的常数A以及活化能Eact的结果。在这些条件中，缓慢冷却时间0.5秒时的构成纤芯的玻璃的假想温度分别被求出为1390℃、1322℃。
若观察通过上述假设求出的、构成纤芯的玻璃的假想温度与光纤的温度的温度差(Tf-T)的经时变化，则可知从缓慢冷却开始至大约0.01秒为止的时间区域使温度差(Tf-T)缓缓地变大即可，从缓慢冷却开始大约0.01秒以后的时间区域使温度差(Tf-T)缓缓地变小即可。另外，可知在全部的时间区域将温度差(Tf-T)设为大约小于60℃，在几乎所有的时间区域将温度差(Tf-T)保持在大于大约40℃且小于大约60℃的方式对光纤的温度T进行控制，从而高效地降低构成纤芯的玻璃的假想温度Tf。另外，如图5所示的温度差(Tf-T)成为极大的时间，因上述式(5)中的常数A以及活化能Eact以及缓慢冷却初期(缓慢冷却时间为0秒时)的光纤的温度T0以及构成纤芯的玻璃的假想温度Tf 0而多少会有些差别，但大约为0.01秒。
这里观察到的温度差(Tf-T)达到大约60℃的从缓慢冷却开始至0.01秒后是处于与图4的图表所示的假想温度的每单位时间的变化((Tf-Tf 0)/Δt)的极小值相比在左侧示出的温度条件。因此，如上述那样在以Tf 0-T0＝0℃开始缓慢冷却时，可以认为基于缓慢冷却的结构弛豫未被高效地执行。为此，假设在缓慢冷却工序P3之前设置预冷工序P2，在预冷工序P2中以温度差(Tf-T)成为大约60℃的方式进行预冷之后进行缓慢冷却工序P3。
因此，假设成为Tf 0-T0＝60℃的初始值并进一步进行验证。即，假设缓慢冷却初期(缓慢冷却时间为0秒时)光纤的温度T0为1500℃、此时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf 0是1560℃这样的初始值。然后，与如图5所示的结果相同地，在图6表示构成纤芯的玻璃的假想温度Tf成为最低值时的值、与此时的光纤的温度T的温度差(Tf-T)的经时变化。在图6的图表中，纵轴是构成纤芯的玻璃的假想温度Tf成为最低值时的值与此时的光纤的温度T的温度差(Tf-T)，横轴是光纤的缓慢冷却时间。实线表示使用了非专利文献1记载的常数A以及活化能Eact的结果，虚线表示使用了非专利文献21记载的常数A以及活化能Eact的结果。如图6所示，可知在全部的时间区域温度差(Tf-T)单调地持续减少，光纤的温度T被保持在适合于构成纤芯的玻璃的假想温度Tf的降低的范围。在该条件中，缓慢冷却时间0.5秒时的构成纤芯的玻璃的假想温度分别被求出为1387℃、1321℃，与图5所示的条件的情况相比能够进一步降低构成纤芯的玻璃的假想温度。
接下来，以Tf 0-T0＝120℃，假设构成纤芯的玻璃的假想温度Tf与光纤的温度T的温度差大的初始值并进一步验证。即，假设缓慢冷却初期(缓慢冷却时间为0秒时)的光纤的温度T0为1500℃，此时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf 0为1620℃这样的初始值。然后，将构成纤芯的玻璃的假想温度Tf成为最低值时的、光纤的温度T的经时变化示于图7中。常数A以及活化能Eact使用了非专利文献1记载的值。初期的温度差(Tf-T)大时，处于与图4的图表所示的假想温度的每单位时间的变化((Tf-Tf 0)/Δt)的极小值相比在右侧示出的温度条件。即，构成纤芯的玻璃的假想温度Tf相对于光纤的温度T高时，提高光纤的温度T而接近假想温度Tf而使温度差(Tf-T)小，这种方式结构弛豫变得快速。因此，根据图7可知，光纤的温度T从缓慢冷却开始至大约0.01秒为止暂时上升。然后，在温度差(Tf-T)变得适当之后，光纤的温度T与图6相同单调地降低。这样在缓慢冷却初期的温度差(Tf-T)大时，需要将冷却一次的光纤进入缓慢冷却炉后再次加热。因此，进行不必要的加热，在光纤滞留在缓慢冷却炉内的时间内无法进行高效的缓慢冷却。在该条件中，缓慢冷却时间0.5秒时的构成纤芯的玻璃的假想温度被求出为1389℃，构成纤芯的玻璃的假想温度能够比图5所示的条件时降低，但并未达到图6所示的条件的情况。
根据上述假设可知，若以构成纤芯的玻璃的假想温度与光纤的温度的温度差(Tf-T)成为适当的方式继拉丝工序P1设置预冷工序P2之后进行缓慢冷却工序P3的话，则能够有效地利用光纤滞留在缓慢冷却炉内的时间并高效地进行构成纤芯的玻璃的结构弛豫。即，若直至构成纤芯的玻璃的假想温度与光纤的温度的温度差(Tf-T)成为大约60℃左右为止进行预冷工序P2，其后开始缓慢冷却工序P3的话，则能够有效利用光纤滞留在缓慢冷却炉内的时间。
另外，根据图5以及图6所示的结果可知以下的情况。即，可知即使由玻璃的组成决定的常数A以及活化能Eact的值多少有些不同，也只要在缓慢冷却工序P3开始的时刻使玻璃的假想温度与玻璃的温度的温度差(Tf-T)为大约60℃，就能够高效地降低玻璃的假想温度。因此，只要是所谓的掺杂剂的浓度低的主成分为石英玻璃的一般的光纤，就能够通过在构成光纤的玻璃的假想温度与光纤的温度的温度差(Tf-T)为大约60℃的条件下开始光纤的缓慢冷却，从而高效地降低构成光纤的玻璃的假想温度。例如，即使是由掺杂了GeO2等掺杂剂的石英玻璃构成的纤芯，还是实际上由纯粹的石英玻璃构成的包层，或者是实际上由纯粹的石英玻璃构成的纤芯，还是由掺杂了氟等掺杂剂的石英玻璃构成的包层，均高效地降低假想温度。
根据本实施方式的光纤的制造方法，在缓慢冷却工序P3开始至结束为止使用多个缓慢冷却炉121，光纤的温度T缓慢地降低的同时依次进入各缓慢冷却炉121。根据图5以及图6所示的结果，利用缓慢冷却高效地引起结构弛豫时的光纤的温度与构成光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差(Tf-T)，随着缓慢冷却时间的经过而单调地变小。即，在将构成纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常数设为τ(T)，将光纤在缓慢冷却工序P3中的任一时刻的温度设为T，将构成纤芯的玻璃在该任一时刻的假想温度设为Tf 0，将构成纤芯的玻璃在从该任一时刻经过时间Δt后的假想温度设为Tf时，优选下述式(2')成立。
40℃＜Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))＜60℃…(2’)
因此，在将光纤在缓慢冷却工序P3中从上游侧进入第n号缓慢冷却炉121的时刻的温度设为Tn，将构成光纤的玻璃在进入该缓慢冷却炉的时刻的假想温度设为Tfn，将构成纤芯的玻璃在从进入该缓慢冷却炉的时刻经过时间Δt后的假想温度设为Tf时，优选下述式(2)成立。
40℃＜Tf-Tn＝(Tfn-Tn)exp(-Δt/τ(Tn))＜60℃…(2)
这样在缓慢冷却工序P3中使用多个缓慢冷却炉121的情况下，通过对各缓慢冷却炉121的设定温度进行适当的控制，将进入各个缓慢冷却炉121时的光纤的温度T与构成该光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度Tf的温度差(Tf-T)控制在上述规定的范围，容易进一步促进构成该光纤所包含的纤芯的玻璃的结构弛豫。因此，容易减少光纤的传送损失。
此外，用于使构成纤芯的玻璃的假想温度Tf最高效地降低的、光纤的温度T与构成该光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度Tf的温度差(Tf-T)的条件虽如上所述，但即使在以下说明的条件下也能够充分地减少光纤的传送损失。
构成光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度Tf与光纤的传送损失用以下那样的关系式进行关联。瑞利(Rayleigh)散射系数Rr与构成纤芯的玻璃的假想温度Tf成比例，基于瑞利(Rayleigh)散射的传送损失αT由将传送的光的波长设为λ[μm]的下述式(9)表示。
αT＝Rr/λ4＝BTf/λ4…(9)
这里，若根据上述非专利文献2，则B＝4.0×10-4dB/km/μm4/K。考虑波长λ＝1.55μm的传送损失时，若构成纤芯的玻璃的假想温度Tf上升14℃，则基于瑞利(Rayleigh)散射的传送损失αT增加大约0.001dB/km。即，若能够将从适合化的假想温度Tf起的误差抑制在小于14℃，则能够将基于瑞利(Rayleigh)散射的传送损失αT的增加控制在小于0.001dB/km。
如上述那样，在考虑从最高效地降低时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf能够允许的误差的情况下，如以下说明的那样，在构成纤芯的玻璃的假想温度Tf与光纤的温度的温度差(Tf-T)比大约20℃高且小于大约100℃这样的温度条件下，使光纤进入缓慢冷却炉121即可。
在将根据以图6中实线所示的温度差(Tf-T)进行了0.5秒缓慢冷却时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf预想的散射损失的增加控制在小于0.001dB/km时的温度差(Tf-T)，能够根据上述递推公式(6)进行预测。与图6所示的假设相同，假设缓慢冷却初期(缓慢冷却时间为0秒时)的构成光纤的纤芯的玻璃的假想温度Tf 0为1560℃，使温度差(Tf-T)在缓慢冷却工序P3中几乎恒定。然后，作为常数A以及活化能Eact使用上述非专利文献1所示的值并对递推公式(6)求解，则得到图8的图表。在图8中，用虚线表示根据以图6中实线表示的温度差(Tf-T)缓慢冷却0.5秒时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf预想的传送损失的增加量为0.001dB/km以下时的温度差(Tf-T)的经时变化的上限，用点划线表示下限。并且，在图8中用实线再次表示图6中由实线所示的温度差(Tf-T)。
根据图8所示的结果可知以下的情况。若在缓慢冷却工序P3中，以上述温度差(Tf-T)成为比大约20℃高且小于大约100℃的范围的方式设定用于控制光纤的温度履历的缓慢冷却炉121的温度，则相对于适合化的假想温度Tf 0而言，构成纤芯的玻璃的假想温度被抑制在不上升到14℃左右以上的范围。其结果，相对于最降低的适合化的条件时的值而言，能够将传送损失抑制在0.001dB/km以下的增加。
因此，在缓慢冷却工序P3从开始到结束的任意的期间通过将光纤的温度T与构成该光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度Tf的温度差(Tf-T)维持在比大约20℃高且小于大约100℃的范围，容易促进构成该光纤所包含的纤芯的玻璃的结构弛豫，容易减少光纤的传送损失。即，优选下述式(1’)成立。
20℃＜Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))＜100℃…(1’)
因此，在将光纤在缓慢冷却工序P3中从上游侧进入第n号的缓慢冷却炉的时刻的温度设为Tn，将构成纤芯的玻璃在进入该缓慢冷却炉的时刻的假想温度设为Tfn，将构成纤芯的玻璃在从进入该缓慢冷却炉的时刻经过时间Δt后的假想温度设为Tf时，优选下述式(1)成立。
20℃＜Tf-Tn＝(Tfn-Tn)exp(-Δt/τ(Tn))＜100℃…(1)
即，在构成纤芯的玻璃的假想温度Tf与光纤的温度的温度差(Tf-T)比大约20℃高且小于大约100℃这样的温度条件下，使光纤进入缓慢冷却炉121即可。
接着，对用于容易满足上述式(2)、式(1)的条件的具体例进行说明。在本实施方式的光纤的制造方法中，在缓慢冷却工序P3中使用4个缓慢冷却炉121a、121b、121c、121d。这样通过使用多个缓慢冷却炉121，容易将光纤的温度与构成纤芯的玻璃的假想温度的温度差控制在规定的范围。即，在缓慢冷却工序P3中使光纤通过多个缓慢冷却炉121，在将从上游侧起第n号的缓慢冷却炉121的设定温度设为Tsn时，使下述式(3)的关系成立。
20℃＜Tfn-Tsn＜100℃…(3)
如上述那样，通过在将光纤的温度与构成光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差(Tf-T)控制在规定的范围的状态下缓慢冷却光纤，促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫。通过促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫，在纤芯中传送光时因构成纤芯的玻璃的结构的变动而引起的散射损失减少，因此减少光纤的传送损失。如上述那样在缓慢冷却工序P3中使用多个缓慢冷却炉121，通过使各缓慢冷却炉121的设定温度相对于到达各缓慢冷却炉121的入口为止的缓慢冷却时间下的构成纤芯的玻璃的假想温度控制在规定的范围，容易将光纤的温度与构成光纤所包含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差控制在规定的范围。其结果，促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫，减少光纤的传送损失。下面参照图9具体地进行说明。
图9表示作为初始值假设光纤的温度T0为1500℃、此时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf 0为1560℃这样的初始值时由式(5)计算出的、构成纤芯的玻璃的适合化的假想温度变化(实线)，缓慢冷却炉121a、121b、121c、121d的设定温度(点划线)，缓慢冷却炉121a、121b、121c、121d的入口或者到达出口为止的缓慢冷却时间的构成纤芯的玻璃的期待的假想温度。在图9所示的例子中，各缓慢冷却炉121的各个长度是0.5m，拉丝速度假设为20m/秒。
如图9中由三角形(▲)表示的那样，光纤进入各缓慢冷却炉121时，以及光纤从最下游的缓慢冷却炉121d出来时，即，缓慢冷却时间为0.000秒、0.025秒、0.050秒、0.075秒、0.100秒时的构成纤芯的玻璃的适合化的假想温度Tf，分别被计算为1560℃、1517℃、1493℃、1477℃、1464℃。而且，缓慢冷却炉121a、121b、121c、121d的设定温度被设定为如图9中点划线所示的那样。即，将各缓慢冷却炉121的温度设定为比到达各缓慢冷却炉121的入口时的缓慢冷却时间下的构成纤芯的玻璃的适合化的假想温度Tf低70℃的温度。其结果，在各缓慢冷却炉121的出口附近光纤的温度与各缓慢冷却炉121的设定温度接近，因此在各缓慢冷却炉121的出口附近玻璃的假想温度与此时的光纤的温度的温度差(Tf-T)变得更小。而且伴随进入到各缓慢冷却炉121的玻璃的温度立即变得与各缓慢冷却炉121的设定温度一致这样的急剧的变化，而暂时地经历了离开式(1)的条件的假想的温度履历的玻璃，被期待具有图9中由圆形(●)表示的假想温度。
由于实际的玻璃的温度更缓慢地降低而接近缓慢冷却炉的设定温度，因此实际的假想温度虽比三角形(▲)所示的理想的假想温度稍高一点、比圆形(●)所示的假想温度稍低一点，但成为能够允许的范围的误差。在图9所示的例子中，经过缓慢冷却0.100秒后的假想的温度履历的玻璃的假想温度与适合化的假想温度之差是1.1℃，散射损失只存在小于0.001dB/km的差。
根据上述的观点，从将光纤的温度与构成纤芯的玻璃的假想温度的温度差控制在更适当的范围即容易满足上述式(2)这样的观点出发，优选下述式(4)成立。
40℃＜Tfn-Tsn＜60℃…(4)
这样通过将缓慢冷却炉121的设定温度控制在更适当的范围，容易增大构成光纤所包含的纤芯的玻璃的结构弛豫的促进效果，容易减少光纤的传送损失。
另外，如图5以及图6所示，若玻璃的温度变低，则使玻璃的假想温度与玻璃的温度的温度差减小，这种方式容易促进玻璃的结构弛豫。因此，优选为对于设定温度与入口处的构成纤芯的玻璃的假想温度之差而言，设置于下游侧的缓慢冷却炉121比设置于上游侧的缓慢冷却炉121小。例如如图6中实线所示，缓慢冷却时间为0.025秒、0.050秒、0.075秒、0.100秒的适合化的玻璃的温度与构成纤芯的玻璃的适合化的假想温度之差分别是55℃、54℃、53℃、52℃，温度之差优选越是下游越小。这样，通过以使设置于下游侧的缓慢冷却炉的、设定温度与入口处的构成纤芯的玻璃的假想温度的温度差比设置于上游侧的缓慢冷却炉的、设定温度与入口处的构成纤芯的玻璃的假想温度的温度差小的方式设定缓慢冷却炉的温度，从而能够高效地促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫。其结果，容易进一步减少光纤的传送损失。
此外，光纤的温度T与构成纤芯的玻璃的假想温度Tf的关系，若光纤的组成相同则仅取决于缓慢冷却时间t，缓慢冷却时间t、缓慢冷却炉的长度以及拉丝逮度v能够通过下述式(10)的关系来建立联系。
t＝L/v…(10)
因此，若设定作为构成所要制造的光纤所包含的纤芯的玻璃的目标假想温度Tf，决定考虑了生产率的拉丝速度v，则能够求出所需要的缓慢冷却炉的长度L。例如，为了将假想温度Tf设为1500℃而缓慢冷却时间t需要0.1秒左右，因此可知在将拉丝速度v设定为20m/秒的情况下，缓慢冷却炉的长度L需要2m。另外，例如，为了将假想温度Tf设为1400℃而缓慢冷却时间t需要0.4秒左右，因此可知在将拉丝速度v设定为10m/秒的情况下，缓慢冷却炉的长度L需要4m。另一方面，可知若缓慢冷却炉的长度L只有2m，则需要将拉丝速度V设为5m/秒。但是，从生产率等观点出发，优选将拉丝速度v设定在10m/秒～50m/秒左右，将缓慢冷却炉的长度L在1m～10m左右的范围内选择，将缓慢冷却时间t设为1秒以下。
<快速冷却工序P4>
在缓慢冷却工序P3后，为了提高耐外伤性等而用覆盖层覆盖光纤。该覆盖层通常由紫外线固化性树脂构成。为了形成这样的覆盖层，需要将光纤冷却到充分低的温度以不引起覆盖层的烧损等。光纤的温度对所要涂覆的树脂的粘度造成影响，其结果会对覆盖层的厚度带来影响。在形成覆盖层时的适当的光纤的温度，根据构成覆盖层的树脂的性质而适当地决定。
在本实施方式的光纤的制造方法中，通过在拉丝炉110与涂敷装置131之间设置缓慢冷却炉121，缩短用于使光纤充分地冷却的区间。特别是在本实施方式的光纤的制造方法中还具备预冷工序P2，因此用于使光纤充分地冷却的区间变得更短。因此，在本实施方式的光纤的制造方法中，具备从缓慢冷却炉121出来的光纤被冷却装置122快速冷却的快速冷却工序P4。在快速冷却工序P4中，比缓慢冷却工序P3迅速地冷却光纤。通过具备这样的快速冷却工序P4，能够在短的区间将光纤的温度充分地降低，因此容易形成覆盖层。从冷却装置122出来时的光纤的温度例如是40℃～50℃。
上述那样经由冷却装置122被冷却到规定的温度的光纤，通过放入了覆盖光纤的覆盖层即紫外线固化性树脂的涂敷装置131，被该紫外线固化性树脂覆盖。并且通过紫外线照射装置132，被照射紫外线，从而紫外线固化性树脂固化而形成覆盖层，成为光纤1。此外，覆盖层通常由双层构成。在形成双层的覆盖层时，利用构成各层的紫外线固化性树脂覆盖光纤后使上述紫外线固化性树脂一次固化而形成双层的覆盖层。另外，也可在形成第1层的覆盖层之后形成第2层的覆盖层。而且，光纤1被旋转滑轮141改变方向，被卷轴142卷取。
以上，对本发明以优选的实施方式为例进行了说明，但本发明并不限定于此。换句话说，本发明的光纤的制造方法，具备上述的拉丝工序以及缓慢冷却工序即可，预冷工序、快速冷却工序不是必须的构成要素。另外，本发明的光纤的制造方法能够用于所有种类的光纤的制造。例如，本发明的光纤的制造方法不仅能用于以石英玻璃作为主成分的光纤，即使在硫系玻璃、氟系玻璃等以其他材料作为主成分的光纤的制造方法中，只要求出上述式(5)中常数A以及活化能Eact就能够应用。
根据本发明，提供一种能够制造减少传送损失的光纤的光纤的制造方法，能够利用在光纤通信领域。另外，也能够用于光纤激光装置、其他利用了光纤的设备中所使用的光纤的制造。
附图标记的说明
1…光纤；1P…光纤用母材；110…拉丝炉；111…加热部；120…筒状体；121…缓慢冷却炉；122…冷却装置；131…涂敷装置；132…紫外线照射装置；141…旋转滑轮；142…卷轴；P1…拉丝工序；P2…预冷工序；P3…缓慢冷却工序；P4…快速冷却工序。

Claims (6)

1.一种光纤的制造方法，其特征在于，
具备：
在拉丝炉中对光纤用母材进行拉丝的拉丝工序；以及
使在上述拉丝工序中被拉出的光纤缓慢冷却的缓慢冷却工序，
在上述缓慢冷却工序中，上述光纤在多个缓慢冷却炉中通过，
在将构成上述光纤所包含的纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常数设为τ(Tn)，将上述光纤在上述缓慢冷却工序中进入从上游侧起第n号的上述缓慢冷却炉的时刻的温度设为Tn，将构成上述纤芯的玻璃在上述进入的时刻的假想温度设为Tfn，将构成上述纤芯的玻璃在从上述进入的时刻起经过时间Δt后的假想温度设为Tf时，在上述缓慢冷却工序的任意期间下述式(1)成立：
20℃＜Tf-Tn＝(Tfn-Tn)exp(-Δt/τ(Tn))＜100℃…(1)。
2.根据权利要求1所述的光纤的制造方法，其特征在于，
在上述缓慢冷却工序的任意期间下述式(2)成立：
40℃＜Tf-Tn＝(Tfn-Tn)exp(-Δt/τ(Tn))＜60℃…(2)。
3.根据权利要求1或2所述的光纤的制造方法，其特征在于，
在将上述第n号的缓慢冷却炉的设定温度设为Tsn时，下述式(3)的关系成立：
20℃＜Tfn-Tsn＜100℃…(3)。
4.根据权利要求3所述的光纤的制造方法，其特征在于，
下述式(4)成立。
40℃＜Tfn-Tsn＜60℃…(4)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤的制造方法，其特征在于，
对于设定温度与构成上述纤芯的玻璃在入口处的假想温度的温度差而言，具备于下游侧的上述缓慢冷却炉比具备于上游侧的上述缓慢冷却炉小。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤的制造方法，其特征在于，
在上述光纤的温度处于1300℃以上且1500℃以下的范围时的至少一段时间，上述光纤滞留在上述多个缓慢冷却炉中的任一个。
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