CN107428592B - 光纤的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤的制造方法，特征在于，具备：在拉丝炉(110)将光纤用母材(1P)拉丝的拉丝工序(P1)和使在拉丝工序(P1)中被拉出后的光纤在退火炉(121)中缓慢冷却的退火工序(P3)，在光纤向退火炉(121)进入时，光纤的温度与构成光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差高于20℃低于100℃，由此容易减少光纤的传输损耗。

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
为了实现光纤通信系统中光传输距离的长距离化、光传输速度的高速化，光信号噪声比会被迫提高，因此要求降低光纤的传输损耗。在光纤的制造方法高度精制化的当前，认为因光纤所含的杂质所产生的传输损耗已几乎降至极限。余留的传输损耗的主要原因是随着构成光纤的玻璃的构造、组成的波动而产生的散射损耗。该现象由于光纤由玻璃构成而无法避免。
作为减少玻璃的构造的波动的方法，已知有在使熔融的玻璃冷却时缓慢进行冷却的技术。作为如此缓慢冷却熔融的玻璃的方法，尝试将刚被从拉丝炉拉丝出的光纤缓慢冷却的方法。具体而言，研究通过在退火炉将从拉丝炉拉丝出的光纤加热或以隔热材料包围刚被拉丝出的光纤，从而降低光纤的冷却速度。
在下述专利文献1中公开了如下技术，设定加热炉(退火炉)的温度，以便在从具有以氧化硅玻璃为主要成分的纤芯和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达到1400℃的位置中的70％以上的区域，相对于由递推式求得的目标温度为±100℃以下。通过如此控制光纤的温度履历，使构成光纤的玻璃的假想温度降低，使传输损耗减少。
专利文献1：日本特开2014-62021号公报
但是，在上述专利文献1所公开的技术中，为了使光纤的温度追随通过递推式求得的理想的温度变化，将重复复杂的计算。另外，在专利文献1所公开的技术中，允许光纤的温度相对于通过递推式求得的目标温度偏差±50℃～100℃。如果在这样的较广的范围内允许光纤的温度的偏差，则难言温度履历足够合理化。例如，如果缓慢冷却的光纤的温度在±100℃的范围变化，构成光纤的玻璃的假想温度也以相同的范围变化，则得出的光纤的光散射所产生的传输损耗将达到±0.007dB/km左右。在这样的光纤的温度履历不够合理化的以往的制造方法中，会过度加长退火炉而导致过度的设备投资，或者会过度减慢拉丝速度，损害生产性。
本发明人发现通过在退火工序中将构成光纤的玻璃的假想温度与光纤的温度的温度差控制在规定范围，容易促进构成光纤的玻璃的结构弛豫，并减少光纤的传输损耗。
发明内容
因此，本发明提供容易减少光纤的传输损耗的光纤的制造方法。
为解决上述课题，本发明的光纤的制造方法的特征在于，具备：在拉丝炉将光纤用母材拉丝的拉丝工序，和使在所述拉丝工序中拉出后的光纤在退火炉中缓慢冷却的退火工序，在所述光纤向所述退火炉进入时，所述光纤的温度与构成所述光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差高于20℃低于100℃。
如上所述，通过在退火工序中将光纤的温度与构成该光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差控制在规定范围，由此构成该纤芯的玻璃的假想温度会短时间下降。即，在退火工序中，短时间促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫。其结果是，抑制光在纤芯传输时因构成纤芯的玻璃的构造的波动而产生的散射损耗，减少光纤的传输损耗。
另外，优选为，在所述光纤向所述退火炉进入时，所述光纤的温度与构成所述纤芯的玻璃的假想温度的温度差高于40℃低于60℃。通过像这样将向退火炉进入的光纤的温度控制在更加适合的范围，由此容易增大对构成该光纤所含的纤芯的玻璃的结构弛豫的促进效果，从而容易减少光纤的传输损耗。
另外，优选为，在将构成所述纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常量设为τ(T)，将所述退火工序中的某个时刻的所述光纤的温度设为T，将所述某个时刻的构成所述纤芯的玻璃的假想温度设为Tf 0，将从所述某个时刻经过时间Δt后的构成所述纤芯的玻璃的假想温度设为Tf时，下式(1)成立。
20℃＜Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))＜100℃…(1)
通过不仅是在向退火炉进入时，在进入后至出来的任意期间也都将光纤的温度T与构成该光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度Tf的温度差(Tf-T)控制在上述规定范围，由此容易促进构成该光纤所含的纤芯玻璃的结构弛豫，从而容易减少光纤的传输损耗。
另外，优选为，下式(2)成立。
40℃＜Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))＜60℃…(2)
通过像这样在退火工序的任意期间将光纤的温度T与构成该光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度Tf的温度差(Tf-T)控制在更加适合的范围，由此更加容易促进构成该光纤所含的纤芯的玻璃的结构弛豫，从而更加容易减少光纤的传输损耗。
另外，优选为，在所述光纤的温度处于1300℃以上1500℃以下的范围时的至少一时期，所述光纤停留于所述退火炉。光纤的温度在该范围时，光纤被缓慢冷却，由此构成光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度容易短时间降低，从而光纤的传输损耗容易减少。
如上所述，根据本发明，提供容易使光纤的传输损耗减少的光纤的制造方法。
附图说明
图1是示出本发明的光纤的制造方法的工序的流程图。
图2是示意性示出本发明的光纤的制造方法中使用的装置的结构的图。
图3是示出玻璃的温度和该玻璃的假想温度与缓慢冷却时间的关系的图表。
图4是示出玻璃的假想温度与玻璃的温度的温度差(Tf 0-T)同玻璃的假想温度的单位时间的降低速度((Tf-Tf 0)/Δt)的关系的图表。
图5是示出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是示出不同于图5的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是示出图6中实线所示的被合理化的温度差(Tf-T)以及因散射而产生的传输损耗不增加0.001dB/km以上的温度差(Tf-T)相对于时间的变化的上限和下限的图表。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明所涉及的光纤的制造方法的优选实施方式。
图1是示出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、退火工序P3及快速冷却工序P4。下面说明这些各工序。此外，图2是示意性示出本实施方式的光纤的制造方法中使用的装置的结构的图。
＜拉丝工序P1＞
拉丝工序P1是在拉丝炉110中将光纤用母材1P的一端拉丝的工序。首先，准备由具有与构成所希望的光纤1的纤芯和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和无缝隙地包围纤芯的外周面的包层。另外，纤芯和包层分别由氧化硅玻璃构成，纤芯的折射率高于包层的折射率。例如，在纤芯由添加了提高折射率的锗等掺杂剂的氧化硅玻璃构成的情况下，包层由纯粹的氧化硅玻璃构成。另外，例如，在纤芯由纯粹的氧化硅玻璃构成的情况下，包层由添加了降低折射率的氟等掺杂剂的氧化硅玻璃构成。
接下来，将光纤用母材1P以长边方向垂直的方式悬挂。然后，将光纤用母材1P配置于拉丝炉110，使加热部111发热，对光纤用母材1P的下端部加热。此时，光纤用母材1P的下端部被加热至例如2000℃而处于熔融状态。然后，从加热后的光纤用母材1P的下端部将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是使在拉丝工序P1中从拉丝炉110拉出的光纤冷却达到适于向后述的退火炉121输送的规定的温度的工序。关于适于向退火炉121输送的光纤的规定的温度将在后文中叙述。
在本实施方式的光纤的制造方法中，预冷工序P2通过使在拉丝工序P1中被拉丝的光纤通过设置在拉丝炉110的正下方的筒状体120的中空部来进行。通过在拉丝炉110的正下方设置筒状体120，筒状体120的中空部内的氛围气与拉丝炉110内的氛围气几乎相同。因此，抑制刚被拉丝后的光纤的周围的氛围气、温度急剧变化。
向退火炉121输送的光纤的温度主要由拉丝速度和拉丝炉110内的氛围气决定。通过具备预冷工序P2，容易进一步对光纤的冷却速度进行微调，从而容易将光纤进入退火炉121的温度调整为适当的范围。基于从拉丝炉110拉出的光纤的温度和适于向退火炉121输送的光纤的温度，能够适当地选择退火炉121与拉丝炉110的距离、筒状体120的长度。筒状体120例如由金属管等构成。可通过空冷该金属管或者在该金属管的周围配设隔热材料来调整光纤的冷却速度。
＜退火工序P3＞
退火工序P3为在退火炉121对在拉丝工序P1中被从拉丝炉110拉出且在预冷工序P2中被调整为规定的温度后的光纤进行缓慢冷却的工序。退火炉121内形成为与进入的光纤的温度不同的规定的温度，通过进入至退火炉121的光纤的周围的温度使光纤的冷却速度降低。通过在退火炉121中降低光纤的冷却速度，如后文说明的那样，可得到构成光纤所含的纤芯的玻璃的结构弛豫、散射损耗减少的光纤1。
在具有以往的退火工序的光纤的制造方法中，向退火炉进入时的光纤的温度不够合理化。具体而言，存在光纤以温度过高或过低的状态向退火炉进入的情况。如果向退火炉进入的光纤的温度过高，则构成光纤的玻璃的结构弛豫的速度非常快，因此几乎无法期待通过缓慢冷却光纤而产生的效果。另一方面，如果进入退火炉的光纤的温度过低，则构成光纤的玻璃的结构驰豫的速度减慢，因此需要在退火炉中再次加热光纤。如此在以往的退火工序中，很难说可高效地进行构成光纤的玻璃的结构弛豫。因此，可能导致过度增长退火炉而致使进行过度的设备投资，或者过度减慢拉丝速度而损害生产性。
根据本实施方式的光纤的制造方法，如后文中说明的那样，通过在退火工序P3中将光纤的温度控制为适当的范围，促进构成光纤所含的纤芯的玻璃的结构弛豫。其结果是，无需过度的设备投资，能够得到生产性良好且传输损耗减少的光纤1。另外，根据本实施方式的光纤的制造方法，在制造时无需上述引用文献1所公开的技术那样的复杂计算。
在被分类为所谓的强化玻璃(strong glass)的氧化硅玻璃中，被认为是因玻璃的粘性流动而产生的结构弛豫的时间常量τ(T)，基于Arrhenius的算式。因此，时间常量τ(T)使用由玻璃的组成决定的常量A和活化能Eact，作为玻璃的温度T的函数，如下式(3)所示表示。此外，kB为Boltzmann常量。
1/τ(T)＝A·exp(-Eact/kBT)…(3)
(这里，T为玻璃的绝对温度。)
由上式(3)可见，玻璃的温度越高，玻璃的构造越快速弛豫，越快速达到该温度下的平衡状态。即，玻璃的温度越高，玻璃的假想温度越快速接近玻璃的温度。
图3示出缓慢冷却玻璃时的玻璃的温度和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，实线表示某个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，虚线表示在使冷却速度比实线所示的缓慢冷却条件变缓慢了的情况下的玻璃的温度推移，单点划线表示此时的玻璃的假想温度的推移。
如图3中实线和虚线所示，在高温域，当玻璃的温度随着时间的经过而降低时，玻璃的假想温度也同样降低。如此，在玻璃的温度足够高的状态下，玻璃的结构弛豫的速度非常快。但是，随着玻璃的温度降低，玻璃的结构弛豫的速度减慢。不久后，玻璃的假想温度的降低无法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，若使玻璃的冷却速度变得缓慢，则与冷却速度快的情况相比，玻璃会长时间保持在温度相对高的状态。因此，如图3中虚线和单点划线所示，即使玻璃的温度降低，玻璃的温度与玻璃的假想温度的温度差也会变小，玻璃的假想温度低于之前说明的例子。即，若使玻璃的冷却速度变得缓慢，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，因为玻璃的假想温度不会低于玻璃的温度，所以在玻璃的温度高时，该玻璃的假想温度也处于高的状态。即，若玻璃的温度过高，则缓慢冷却所产生的效果小。从该观点出发，停留于退火炉121的光纤的温度优选为1600℃以下，更加优选在1500℃以下。另一方面，在玻璃的温度低的情况下，假想温度降低至更低的温度，但假想温度的降低速度减慢。即，若玻璃的温度过低，则用于使假想温度充分降低的缓慢冷却需要花费时间。从该观点出发，停留于退火炉121的光纤的温度优选为1300℃以上，更加优选为1400℃以上。由此，优选在光纤的温度处于1300℃以上1500℃以下的范围时的至少一时期，光纤停留于退火炉121。这样，通过在退火工序P3中，在光纤的温度处于规定的范围时，缓慢冷却光纤，容易短时间降低构成光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度，容易减少光纤的传输损耗。
接下来，下文从玻璃的温度与玻璃的假想温度的关系的角度，说明如何缓慢冷却光纤才能高效地促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫，从而减少光纤的传输损耗。
在将构成光纤所含的纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常量设为τ(T)，将退火工序P3中的某个时刻的光纤的温度设为T，将该某个时刻的构成纤芯的玻璃的假想温度设为Tf 0时，从该某个时刻经过时间Δt后的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf如上式(3)至下式(4)所示表示。此外，Δt是微小时间，假设其间的T恒定。
Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))…(4)
根据上式(4)可知，不仅是构成纤芯的玻璃的假想温度Tf取决于结构弛豫的时间常量τ(T)，还有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)取决于某个时刻的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)。结构弛豫的时间常量τ(T)被定义为，在假想温度为Tf 0的玻璃的温度是T时，玻璃的假想温度Tf与玻璃的温度T的温度差(Tf-T)达到1/e为止的时间。温度差(Tf 0-T)在某种程度上越大，单位时间的假想温度Tf的变化越大。
图4示意性示出将含有由假想温度为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的单位时间的变化((Tf-Tf 0)/Δt)的关系。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(Tf 0＝T)下，不会发生构成纤芯的玻璃的结构弛豫，假想温度的单位时间的变化为0((Tf-Tf 0)/Δt＝0)。若由此考虑使光纤的温度T降低并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，则为构成纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常量τ(T)变大而单位时间的假想温度Tf的变化率((Tf-Tf 0)/Δt)负向变大。但是，若考虑进一步降低光纤的温度T并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，则此次为构成纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常量τ(T)逐渐变大且单位时间的假想温度Tf的变化((Tf-Tf 0)/Δt)的绝对值变小。即，如图4的图表所表示的峰值所示，可知，在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)为某个值时，假想温度的单位时间的变化((Tf-Tf 0)/Δt)取极小值。
这里，若求解上式(4)可知，在玻璃的假想温度Tf的降低速度为最大时的玻璃的温度T与假想温度Tf之间，成立下式(5)的关系。
T2+(Eact/kB)×T-(Eact/kB)×Tf＝O…(5)
进而，若将上式(5)如下式(6)那样求解T，则能够求取在最高效地降低玻璃的假想温度Tf时的玻璃的温度T。下文，有时将能够最高效地降低玻璃的假想温度Tf时的玻璃的温度称为“合理化后的玻璃的温度”，有时将最高效地降低后的假想温度称为“合理化后的假想温度”。
Figure BDA0001417563220000081
如至此说明所示，在某个时刻的玻璃的假想温度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的单位时间的变化最大。即，在考虑假想温度Tf 0的玻璃经过规定时间Δt后的假想温度Tf时，存在能够使该假想温度Tf成为最低值的玻璃的温度T。
有关在纤芯中掺杂有GeO2的通用单模光纤，图5示出从上式(4)中求取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)相对于时间的变化。这里，常量A和活化能Eact使用非专利文献1(K.Saito,et al.,Journal of theAmerican Ceramic Society,Vol.89,pp.65-69(2006))中示出的值。在图5的图表中，纵轴是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)，横轴为光纤的缓慢冷却时间。这里，若假设缓慢冷却初始(缓慢冷却时间为0秒时)的光纤的温度T0为1900℃，则在该温度下，构成纤芯的玻璃的结构弛豫所需的时间小于0.0001秒，非常短。因此，可以认为构成纤芯的玻璃的缓慢冷却初始的假想温度Tf 0也同样为1900℃。即，假设初始值为Tf 0-T0＝0℃。
观察根据上述假设求取的温度差(Tf-T)相对于时间的变化发现，在截至大致0.01秒的时间区域，温度差(Tf-T)急剧变大。由此可知，由于光纤的温度变高，温度差(Tf-T)变小，因此需要通过快速冷却光纤，增大温度差(Tf-T)，来降低构成纤芯的玻璃的假想温度Tf。另一方面可知，在大致0.01秒以后的时间区域，温度差(Tf-T)缓缓变小，光纤的温度T被保持为适于降低构成纤芯的玻璃的假想温度Tf的范围。在该条件下，在缓慢冷却时间为0.5秒时的构成纤芯的玻璃的假想温度求为1390℃。
图5所示的假想温度Tf与光纤的温度的温度差(Tf-T)的极大值大约为60℃，因此假设初始值为Tf 0-T0＝60℃，进一步进行验证。即，假设初始值为，缓慢冷却初始(缓慢冷却时间为0秒时)的光纤的温度T0是1540℃，此时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf 0是1600℃。进而，与图5所示的结果相同，在图6中用实线示出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)相对于时间的变化。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。如图6中实线所示可知，在全部时间区域，温度差(Tf-T)都持续单调减少，光纤的温度T被保持为适于降低构成纤芯的玻璃的假想温度Tf的范围。在该条件下，缓慢冷却时间为0.5秒时的构成纤芯的玻璃的假想温度求为1388℃。因此，可知，要比图5所示的条件的情况进一步降低构成纤芯的玻璃的假想温度。
使用非专利文献2(K.Saito,et al.,Applied Physics Letters,Vol.83,pp.5175-5177(2003))中记载的常量A和活化能Eact实施与图5所示的结果相同的验证，结果因为假想温度Tf与光纤的温度的温度差(Tf-T)的极大值大约为55℃，因此假设初始值为Tf 0-T0＝55℃，进一步进行验证。在图6中，以虚线示出假设缓慢冷却初始(缓慢冷却时间为0秒时)的光纤的温度T0为1485℃，此时构成纤芯的玻璃的假想温度Tf 0为1540，Tf-T＝55℃的情况。可知，在由该虚线所示的条件的情况下，也是在全部时间区域，温度差(Tf-T)持续单调减少，光纤的温度T被保持为适于降低构成纤芯的玻璃的假想温度Tf的范围。在该条件下，缓慢冷却时间为0.5秒时的构成纤芯的玻璃的假想温度求为1321℃。
从图6所示的结果可知以下事项。即，可知，即使基于组成决定的常量A和活化能Eact的值存在少许差异，只要玻璃的假想温度Tf与玻璃的温度T的温度差(Tf-T)在规定的范围，就能高效地降低玻璃的假想温度Tf。由此，只要是所谓的掺杂剂的浓度低且主要成分为氧化硅玻璃的一般光纤，就能通过在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)处于规定的范围时使光纤进入退火炉121来高效地降低构成纤芯的玻璃的假想温度Tf。例如，由掺杂有GeO2等掺杂剂的氧化硅玻璃构成的纤芯、由实质上纯粹的氧化硅玻璃构成的包层中的任一个都能被高效地降低假想温度。
此外，从在制造光纤时抑制额外的能量消耗的观点出发，优选光纤的温度不从在拉丝炉110被加热熔融的状态升温而持续单调降低。在该情况下，光纤向退火炉121进入时的温度成为光纤存在于退火炉121内的期间内的最高温度。即，退火炉121的构成纤芯的玻璃的结构弛豫的速度在光纤进入了退火炉121时最快。因此，光纤向退火炉121进入时的温度对退火工序P3中构成纤芯的玻璃的结构弛豫影响大。故而，适当调整光纤向退火炉121进入时的温度特别重要。
由上述情况可知，优选在光纤向退火炉121进入时，将光纤的温度与构成该光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差(Tf-T)设为55℃～60℃左右。但是，该温度差(Tf-T)的最佳值会基于玻璃的组成而产生少许误差。因此，优选在光纤向退火炉121进入时，光纤的温度与构成光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差高于40℃低于60℃。通过像这样在退火工序P3中将光纤的温度与构成该光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度控制在规定的范围，由此能短时间降低构成该纤芯的玻璃的假想温度。即，能够在退火炉以短时间促进构成纤芯的玻璃的结构弛豫。其结果是，抑制在使光沿纤芯传输时因构成纤芯的玻璃的构造的波动而产生的散射损耗，减少光纤的传输损耗。另外，更加优选，光纤向退火炉121进入时的光纤的温度与构成该光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差(Tf-T)的下限在45℃以上，更加优选为50℃以上，特别优选为55℃以上。通过像这样将光纤向退火炉进入的温度控制为更加适合的范围，由此容易促进构成该光纤所含的纤芯的玻璃的结构弛豫，容易减少光纤的传输损耗。
另外，不仅是在向退火炉121进入时，在进入后到出来，即开始退火工序P3后到结束的任意期间，也将光纤的温度T与构成该光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度Tf的温度差(Tf-T)控制为上述规定的范围，由此容易促进构成该光纤所含的纤芯的玻璃的结构弛豫，容易减少光纤的传输损耗。即，优选在将构成纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常量设为τ(T)，将退火工序P3中的某个时刻的光纤的温度设为T，将该某个时刻的构成纤芯的玻璃的假想温度设为Tf 0，将从该某个时刻经过时间Δt后的构成纤芯的玻璃的假想温度设为Tf时，下式(2)成立。
40℃＜Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))＜60℃…(2)
像这样在退火工序P3中将光纤的温度T与构成该光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度Tf的温度差(Tf-T)维持在规定的范围，由此更加容易促进构成该光纤所含的纤芯的玻璃的结构弛豫。因此，更加容易减少光纤的传输损耗。
此外，用于最高效地降低构成纤芯的玻璃的假想温度Tf的光纤的温度T与构成该光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度Tf的温度差(Tf-T)的条件如上所述，但是即使在下文说明的条件下也能够充分减少光纤的传输损耗。
构成光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度Tf与光纤的传输损耗通过下述关系式相关联。Rayleigh散射系数Rr与构成纤芯的玻璃的假想温度Tf成正比，因Rayleigh散射而产生的传输损耗αT由将所传输的光的波长设为λ[μm]的下式(7)表示。
αT＝Rr/λ4＝BTf/λ4…(7)
这里，基于非专利文献2(K.Saito,et al.,Applied Physics Letters,Vol.83,pp.5175-5177(2003))，B＝4.0×10-4dB/km/μm4/K。若考虑波长λ＝1.55μm下的传输损耗，则若构成纤芯的玻璃的假想温度Tf上升14℃，则因Rayleigh散射而产生的传输损耗αT大约增加0.001dB/km。即，只要能将与被最高效地降低时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf间的误差抑制在小于14℃，就能将因Rayleigh散射所产生的传输损耗αT的增加抑制在小于0.001dB/km。
如上所述，在考虑与被最高效地降低时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf间的可允许的误差的情况下，如下文说明所示，只要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)高于20℃小于100℃的温度条件下，使光纤进入退火炉121即可。
针对根据在图6中实线所示的合理化后的温度差(Tf-T)下的退火工序中经过了0.5秒时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf预料的传输损耗，将因散射而产生的传输损耗的增加抑制为小于0.001dB/km时的温度差能够从上述递推式(4)中预测。若假设缓慢冷却初始(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1540℃，假设温度差(Tf-T)在退火工序P3中几乎恒定来求解递推式(4)，则能够得到图7所示的图表。图7中以实线再次示出图6中实线所示的合理化后的温度差(Tf-T)。并且，在图7中，以虚线表示因散射而产生的传输损耗不增加0.001dB/km以上的温度差(Tf-T)相对于时间的变化的上限，以单点划线表示因散射而产生的传输损耗不增加0.001dB/km以上的温度差(Tf-T)相对于时间的变化的下限。这里，常量A和活化能Eact使用非专利文献1(K.Saito,et al.,Journal ofthe American Ceramic Society,Vol.89,pp.65-69(2006))所示的值。由图7所示的结果可知，只要为了在退火工序P3中将光纤的温度履历控制为上述温度差(Tf-T)高于20℃小于100℃的范围而设定退火炉121的温度，就能将构成纤芯的玻璃的假想温度相对于被最高效地降低时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf抑制在不上升14℃左右以上的范围。由此，只要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)高于20℃小于100℃的温度条件下使光纤进入退火炉121，就能抑制传输损耗相对于被降为最低的合理化后的条件时的传输损耗的值增加超出0.001dB/km。
由此，不仅是在向退火炉121进入时，在进入后到出来，即开始退火工序P3后到结束的任意期间，通过将光纤的温度T与构成该光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度Tf的温度差(Tf-T)维持在高于20℃小于100℃的范围，由此也容易促进构成该光纤所含的纤芯的玻璃的结构弛豫，容易减少光纤的传输损耗。即，优选下式(1)成立。
20℃＜Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))＜100℃…(1)
此外，被最高效地降低时的构成纤芯的玻璃的假想温度Tf与光纤的温度T的关系仅取决于缓慢冷却时间t，缓慢冷却时间t、退火炉的长度L以及拉丝速度v能够以下式(8)的关系相关联。
t＝L/v…(8)
因此，只要设定构成所制造的光纤所含的纤芯的玻璃的作为目标的假想温度Tf，并决定考虑了生产性的拉丝速度v，就能求取所需的退火炉的长度L。例如，为了将假想温度Tf设为1500℃，缓慢冷却时间t需要0.1秒左右，因此若将拉丝速度v设为20m/秒，可见退火炉的长度L需要2m。另外，例如，为了将假想温度Tf设为1400℃，缓慢冷却时间t需要0.4秒左右，因此若将拉丝速度v设为10m/秒，可见退火炉的长度L需要4m。另一方面，如果退火炉的长度L仅为2m，可见需要将拉丝速度v设为5m/秒。但是，从生产性等观点出发，优选在10m/秒～50m/秒左右的范围选择拉丝速度v，在1m～10m左右的范围选择退火炉长L，优选将缓慢冷却时间t设为1秒以下。
＜快速冷却工序P4＞
在退火工序P3后，为了提高光纤的耐外伤性等而以覆盖层覆盖光纤。该覆盖层通常由紫外线固化性树脂构成。由于形成这样的覆盖层，而需要将光纤冷却到足够低的温度以避免产生覆盖层的烧损等。光纤的温度会影响所涂覆的树脂的粘度，结果影响覆盖层的厚度。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与涂层装置131之间设置退火炉121，由此缩短用于充分冷却光纤的区间。特别是在本实施方式的光纤的制造方法中也具备预冷工序P2，因此用于充分冷却光纤的区间进一步缩短。因此，在本实施方式的光纤的制造方法中，具备通过冷却装置122快速冷却从退火炉121出来的光纤的快速冷却工序P4。在快速冷却工序P4中，相比退火工序P3，光纤被快速冷却。通过具备这样的快速冷却工序P4，能够在较短的区间充分降低光纤的温度，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为40℃～50℃。
使如上所述经由冷却装置122冷却到规定的温度的光纤通过装入了成为覆盖光纤的覆盖层的紫外线固化性树脂的涂层装置131，使之由该紫外线固化性树脂覆盖。进而，使之通过紫外线照射装置132，被照射紫外线，由此紫外线固化性树脂固化，而形成覆盖层，得到光纤1。此外，覆盖层通常由双层构成。在形成双层的覆盖层的情况下，在由构成各层的紫外线固化性树脂覆盖光纤后，通过使这些紫外线固化性树脂一次固化，能够形成双层的覆盖层。另外，也可以在形成第一层的覆盖层后，再形成第二层的覆盖层。而且，光纤1通过转向轮141改变方向，并由卷盘142收卷。
至此，以优选的实施方式为例说明了本发明，但本发明并不局限于此。即，本发明的光纤的制造方法只要具备上述拉丝工序和退火工序即可，预冷工序、快速冷却工序并非必须的构成要素。另外，本发明的光纤的制造方法可以应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适用于以氧化硅玻璃为主要成分的光纤的制造方法，在以硫属玻璃、氟系玻璃等其他材料为主要成分的光纤的制造方法中，只要求取上式(3)中的常量A和活化能Eact，也能使用。
根据本发明，提供能够制造被减少了传输损耗的光纤的光纤制造方法，该制造方法能够应用于光纤通信的领域。另外，也能够应用于光纤激光装置、其他利用光纤的设备。
附图标记说明
1…光纤；1P…光纤用母材；110…拉丝炉；111…加热部；120…筒状体；121…退火炉；122…冷却装置；131…涂层装置；132…紫外线照射装置；141…转向轮；142…卷盘；P1…拉丝工序；P2…预冷工序；P3…退火工序；P4…快速冷却工序。

Claims (7)

1.一种光纤的制造方法，其特征在于，具备：
在拉丝炉将光纤用母材拉丝的拉丝工序；和
使在所述拉丝工序中拉出后的光纤在退火炉中缓慢冷却的退火工序，
在所述光纤向所述退火炉进入时，所述光纤的温度与构成所述光纤所含的纤芯的玻璃的假想温度的温度差高于20℃低于100℃，
使用下式(6)求解能够最高效地降低所述玻璃的假想温度时的所述玻璃的温度T，之后，使用该温度T，计算对于所述玻璃的假想温度被最高效地降低时的所述光纤的传输损耗而言增加量低于0.001dB/km时的、所述光纤的温度与所述玻璃的假想温度的温度差的上限值和下限值，
在所述退火工序中，以使所述温度差控制在所述上限值和所述下限值之间的范围内的方式设定所述退火炉的温度，
Figure FDA0002518318980000011
其中，在上式(6)中，Eact为所述玻璃的活化能，kB为Boltzmann常量，Tf为所述玻璃的假想温度。
2.根据权利要求1所述的光纤的制造方法，其特征在于，
在所述光纤向所述退火炉进入时，所述光纤的温度与构成所述纤芯的玻璃的假想温度的温度差高于40℃低于60℃。
3.根据权利要求1所述的光纤的制造方法，其特征在于，
在将构成所述纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常量设为τ(T)，将所述退火工序中的某个时刻的所述光纤的温度设为T，将所述某个时刻的构成所述纤芯的玻璃的假想温度设为Tf 0，将从所述某个时刻经过时间Δt后的构成所述纤芯的玻璃的假想温度设为Tf时，下式(1)成立，
20℃＜Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))＜100℃…(1)。
4.根据权利要求2所述的光纤的制造方法，其特征在于，
在将构成所述纤芯的玻璃的结构弛豫的时间常量设为τ(T)，将所述退火工序中的某个时刻的所述光纤的温度设为T，将所述某个时刻的构成所述纤芯的玻璃的假想温度设为Tf 0，将从所述某个时刻经过时间Δt后的构成所述纤芯的玻璃的假想温度设为Tf时，下式(1)成立，
20℃＜Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))＜100℃…(1)。
5.根据权利要求3所述的光纤的制造方法，其特征在于，
下式(2)成立，
40℃＜Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))＜60℃…(2)。
6.根据权利要求4所述的光纤的制造方法，其特征在于，
下式(2)成立，
40℃＜Tf-T＝(Tf 0-T)exp(-Δt/τ(T))＜60℃…(2)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤的制造方法，其特征在于，
在所述光纤的温度处于1300℃以上1500℃以下的范围时的至少一段时间，所述光纤停留于所述退火炉。
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