JP2005187285A - 光ファイバの線引き方法およびその線引き装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
従来の低損失光ファイバ線引き方法は、徐冷炉に入る前のガラス光ファイバの温度を所定の温度に制御することにより行っていた。しかしながら、ガラス光ファイバの温度を正確に測定することは困難であった。
【解決手段】
徐冷炉に入る前のガラス光ファイバの外径測定を行い、その測定外径Ｄがガラス光ファイバの製品外径ｄよりも大きい状態で光ファイバを線引きすることを特徴とする。これにより、ガラス光ファイバの温度を測定することなく、ガラス光ファイバを適切に徐冷することができ、伝送損失の低い光ファイバを容易かつ安定して提供することができる。
【選択図】 図１
従来の低損失光ファイバ線引き方法は、徐冷炉に入る前のガラス光ファイバの温度を所定の温度に制御することにより行っていた。しかしながら、ガラス光ファイバの温度を正確に測定することは困難であった。
【解決手段】
徐冷炉に入る前のガラス光ファイバの外径測定を行い、その測定外径Ｄがガラス光ファイバの製品外径ｄよりも大きい状態で光ファイバを線引きすることを特徴とする。これにより、ガラス光ファイバの温度を測定することなく、ガラス光ファイバを適切に徐冷することができ、伝送損失の低い光ファイバを容易かつ安定して提供することができる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、伝送損失の低い光ファイバを容易かつ安定に製造することができる光ファイバの線引き方法およびその線引き装置に関する。
一般に、光ファイバは以下のように製造される。まず、加熱用ヒーターを備えた加熱炉内に石英系ガラスからなる光ファイバ用母材を導き、前記加熱炉内で光ファイバ用母材の先端を２０００℃程度に加熱、溶融し、張力をかけて延伸することにより前記加熱炉外にガラス光ファイバが細く引き出される。前記加熱炉から引き出されたガラス光ファイバには、例えば紫外線照射によって硬化する樹脂が塗布され、その後紫外線を照射して該樹脂を硬化させ、続いてキャプスタンと呼ばれる引取装置により引き取られて、被覆された光ファイバとなる。通常、被覆される前あるいは後で、非接触式の外径測定器によって、光ファイバの外径を測定し、光ファイバの外径が所定値かつ一定となるように、前記キャプスタンの引き取り速度などを制御する。
従来、伝送損失の低い高品位な光ファイバを得るために、様々な製造方法が知られていた。（例えば、特許文献１〜３）。
これらの製造方法に共通していることは、前記加熱炉の下に徐冷炉を設け、前記加熱炉内で形成されたガラス光ファイバを徐冷し、ガラス光ファイバのある温度帯における冷却速度を下げることで、仮想温度Ｆｇ（Fictive Temperature；ガラス内の原子配列が確定する温度）を下げ、レイリー散乱強度を低減するというものである。
一般に、ガラス内の構造緩和が進行する仮想温度Ｆｇの最低温度は１２００℃程度であることが知られており、レイリー散乱強度を低減するには、ガラス光ファイバの温度が１２００〜１７００℃であるとき、特に１２００〜１４００℃であるときの冷却速度を下げることが重要であるとされている。
これらの製造方法に共通していることは、前記加熱炉の下に徐冷炉を設け、前記加熱炉内で形成されたガラス光ファイバを徐冷し、ガラス光ファイバのある温度帯における冷却速度を下げることで、仮想温度Ｆｇ（Fictive Temperature；ガラス内の原子配列が確定する温度）を下げ、レイリー散乱強度を低減するというものである。
一般に、ガラス内の構造緩和が進行する仮想温度Ｆｇの最低温度は１２００℃程度であることが知られており、レイリー散乱強度を低減するには、ガラス光ファイバの温度が１２００〜１７００℃であるとき、特に１２００〜１４００℃であるときの冷却速度を下げることが重要であるとされている。
これらの特許文献に記載されている技術においては、前述した温度帯での冷却速度を下げることが非常に重要なため、光ファイバを線引きするに当り、光ファイバの温度を正確に測る必要があった。
ところで、光ファイバの温度測定方法としては、光ファイバの強度保証の点から、非接触式であることが必須の条件である。非接触かつ高温まで測定できる温度測定装置としては、放射温度計が一般的である。ところが、被測定物であるガラス光ファイバの外径は一般的に１２５μｍ程度と非常に細く、放射エネルギーも小さい。また、測定したい温度範囲は約１０００〜１７００℃と高温であり、線引き中、つまり動いているガラス光ファイバの温度を測定しなくてはならない点から、実際の温度よりも２００〜３００℃程度低い温度が測定されてしまう、測定値のばらつきが大きいといった問題が生じていた。このように、線引き中の光ファイバの温度を正確に測定することは非常に難しい。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ガラス光ファイバの温度測定を行わなくても伝送損失の低い光ファイバ製造することができる光ファイバの製造方法および光ファイバの製造装置を提供することを目的とする。本発明によれば、伝送損失の低い光ファイバを容易かつ安定して製造することができる。
本発明者らは、上記の課題解決のために鋭意研究に取り組み、線引きされたガラス光ファイバの外径Ｄがあらかじめ定められたガラス光ファイバの製品外径ｄに収斂する前にガラス光ファイバを徐冷炉に進入させることで、伝送損失の低い光ファイバを製造することができることを見いだした。なお、ここで、徐冷炉の入り口におけるガラス光ファイバの外径Ｄとは、徐冷炉の鉛直上方約０．１ｍの位置における外径を指し、ガラス光ファイバの製品外径ｄとは、ガラス光ファイバの仕上がり外径の長手方向における平均値を指すものである。
かかる課題を解決する本発明の光ファイバの製造方法は、石英系ガラスからなる光ファイバ母材を加熱線引きする加熱工程と、線引きされたガラス光ファイバを徐冷する徐冷工程と、徐冷されたガラス光ファイバに樹脂層を被覆する樹脂被覆工程とを、この順序で行う光ファイバの線引き方法において、前記加熱工程と前記徐冷工程との間に線引きされたガラス光ファイバの外径を測定する測定手段を有し、前記測定手段にて測定されるガラス光ファイバの外径Ｄが、ガラス光ファイバの製品外径ｄよりも大きい状態で線引きすることを特徴とする。
また、他の本発明の光ファイバの製造装置は、石英系ガラスからなる光ファイバ母材を加熱線引きする加熱炉と、線引きされたガラス光ファイバを徐冷する徐冷炉と、徐冷されたガラス光ファイバに樹脂層を被覆する樹脂被覆装置と、樹脂層が被覆された光ファイバを所定の速度で引き出す引取装置とがこの順序で配置された光ファイバの線引き装置であって、前記加熱炉と前記徐冷炉との間に線引きされたガラス光ファイバの外径を測定する外径測定器が設置され、前記外径測定器にて測定されるガラス光ファイバの外径Ｄが、ガラス光ファイバの製品外径ｄよりも大きい状態に制御して線引きする装置であることを特徴とする。
上記本発明の光ファイバの線引き方法によれば、前述した光ファイバの伝送損失に最も影響する温度領域におけるガラス光ファイバの冷却速度を下げることができ、伝送損失の低い光ファイバを容易かつ安定して製造することができる。
また、上記本発明の光ファイバの線引き装置によれば、光ファイバ母材から伝送損失の低い光ファイバを容易かつ安定して製造することができる。
また、上記本発明の光ファイバの線引き装置によれば、光ファイバ母材から伝送損失の低い光ファイバを容易かつ安定して製造することができる。
以下、本発明の光ファイバの製造装置を図示した実施例に基づき説明する。
図１において、１は光ファイバ用母材、２は光ファイバ用母材を加熱線引きする加熱炉、３は加熱炉２内で光ファイバ用母材１が加熱線引きされることによって得られたガラス光ファイバ、４はガラス光ファイバ３を徐冷する徐冷炉、５は徐冷炉で徐冷されたガラス光ファイバを冷却する冷却装置、６は製品外径ｄのガラス光ファイバ、７は製品外径ｄのガラス光ファイバ６の上に樹脂層を被覆する樹脂被覆装置、８は樹脂層が被覆された光ファイバ、９は光ファイバ８を所定の速度で引き出す引取装置、１０は光ファイバ８を巻き取り収納する巻取ボビンである。
図１において、１は光ファイバ用母材、２は光ファイバ用母材を加熱線引きする加熱炉、３は加熱炉２内で光ファイバ用母材１が加熱線引きされることによって得られたガラス光ファイバ、４はガラス光ファイバ３を徐冷する徐冷炉、５は徐冷炉で徐冷されたガラス光ファイバを冷却する冷却装置、６は製品外径ｄのガラス光ファイバ、７は製品外径ｄのガラス光ファイバ６の上に樹脂層を被覆する樹脂被覆装置、８は樹脂層が被覆された光ファイバ、９は光ファイバ８を所定の速度で引き出す引取装置、１０は光ファイバ８を巻き取り収納する巻取ボビンである。
また、１１は加熱炉２と徐冷炉４との間に配置されガラス光ファイバ３の外径を測定する外径測定器、１２は冷却装置５と樹脂被覆装置７との間に配置されガラス光ファイバ６の外径を測定する外径測定器、１３は樹脂被覆装置７と引取装置９との間に配置され樹脂層が被覆された光ファイバ８の外径を測定する外径測定器である。
光ファイバ用母材１は、従来周知のＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法、ＯＶＤ（Outside Vapor Deposition）法、ＶＡＤ（Vapor-phase Axial Deposition）法などによって製造される。
加熱炉２は、ヒーター２１を備えており、更に図示しない加熱炉ガス供給装置から流量制御されたアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを加熱炉２内に導入する加熱炉ガス供給口２２を備えている。
徐冷炉４は、徐冷ヒーター４１を備えており、更に、図示しない徐冷炉ガス供給装置から流量制御された窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを供給する徐冷炉ガス供給口４２を徐冷炉４の下方に備えている。
光ファイバ用母材１は、加熱炉２の中に吊り下げられて挿入され、加熱炉２内で先端部が加熱溶融され、引取装置９によって一定の張力で引き取られ、これによってガラス光ファイバ３が得られる。
ガラス光ファイバ３は、加熱炉２の下に設置されている外径測定器１１でその外径が測定され、その後徐冷炉４に入る。
ここで、ガラス光ファイバ３は、徐冷炉４によって冷却速度を下げるように制御される。徐冷炉４の炉心管は内径１０〜４０ｍｍ程度であり、炉内最高温度は４００〜１３００℃が好ましい。このとき、徐冷炉ガス供給口４２から導入される不活性ガスの流量は１０〜５０リットル／分が好ましい。このような徐冷炉の温度および不活性ガスの流量とすることにより、前述した光ファイバの伝送損失に最も影響する温度、すなわちガラス光ファイバの温度が１２００〜１７００℃、特に１２００〜１４００℃であるときの冷却速度を下げることができる。
徐冷炉４を出た光ファイバは、冷却装置５によって樹脂被覆に最適な温度、例えば７０℃以下程度に冷却される。
徐冷炉４を出た光ファイバは、冷却装置５によって樹脂被覆に最適な温度、例えば７０℃以下程度に冷却される。
冷却装置５を出た光ファイバ６は、次に外径測定器１２によって再度ガラス光ファイバ６の外径が測定され、このガラス光ファイバ６の外径が一定の仕上がり径となるように、光ファイバ用母材１の送り速度、及び線引き速度となる引取装置９の回転速度等が制御される。光ファイバの線引き速度は、適宜選択されるが、製造効率の点から例えば９００〜１７００ｍ／分が好ましい。
その後、機械的な応力等から保護するために、ガラス光ファイバ６は樹脂被覆装置７によって樹脂被覆がなされ、光ファイバ８が形成される。樹脂被覆装置７により、ガラス光ファイバ６の上に例えば紫外線を照射することによって硬化する紫外線硬化型の樹脂を塗布し、その後紫外線を照射するなどしてガラス光ファイバ６上に樹脂が被覆される。
その後、光ファイバ８は、外径測定器１３によってその仕上がり被覆外径が測定される。
このようにして樹脂被覆がなされた光ファイバ８は、引取装置９を経て巻き取りボビン１０に巻き取られる。
各外径測定器１１・１２・１３には、通常レーザー走査方式を用いた外径測定器が用いられる。これは、非接触式であるため、光ファイバの強度を劣化させず、また、単位時間あたりの走査回数、測定値の平均化回数を適切に設定することで、サブミクロンオーダーの測定精度が得られ、本発明の用途に適合しているからである。
上記製造装置を用いて１．３μｍ帯にゼロ分散波長を持つシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の製造を行った。本製造をするに当り、加熱炉２内の最高温度を２２００℃に設定し、加熱炉２の下方から０．３ｍの位置に外径測定器１１を設置し、その下方０．１ｍの位置に３ｍの長さを有する徐冷炉４を設置した。徐冷炉４の最高温度は１０００℃であり、徐冷炉４の全長に渡りほぼ均一な温度分布となっている。また、徐冷炉４の下に冷却装置５を設置し、冷却装置５の下に樹脂被覆装置７を設置した。加熱炉２には、加熱炉ガス供給装置により加熱炉の下端からアルゴン３リットル／分およびヘリウム２リットル／分を供給した。徐冷炉４には、徐冷炉ガス供給装置により徐冷炉の下端からアルゴン３５リットル／分を供給した。また、徐冷炉４内には内径φ２０ｍｍの炉心管を設置した。
このとき、外径測定器１１におけるガラス光ファイバ３の外径Ｄを１２７μｍ、外径測定器１２におけるガラス光ファイバ６の外径ｄを１２５μｍに設定した。また、引取装置９の線引き張力を７９ｇｆ、線引き速度を１０００ｍ／分に設定した。このようにして得られた光ファイバの伝送損失は、１３１０ｎｍで０．３２０ｄＢ/ｋｍ、１５５０ｎｍで０．１８４ｄＢ／ｋｍであった。
更に、母材加熱炉２に供給されるアルゴンを０〜２０リットル／分、ヘリウムを０〜１５リットル／分の範囲で調整しながら、徐冷炉の鉛直上方約０．１ｍの位置の光ファイバ外径を測定するように配置された外径測定器１１で測定されるガラス光ファイバ３の外径Ｄを種々変化させて実験を行った。
なお、ガラス光ファイバ３の外径Ｄは、加熱炉２に供給するヘリウム流量を少なくすると太くなり、多くすると細くなる。また、アルゴンはヘリウムの流量を少なくした場合に発生する外径変動を抑えるために、適宜調整して供給した。
この結果を表１および図２に示す。図２Ａ、図２Ｂはそれぞれ伝送損失とガラス光ファイバ３の外径Ｄの製品外径ｄに対する割合の関係を示しており、図２Ａは１３１０ｎｍの伝送損失、図２Ｂは１５５０ｎｍの伝送損失を示している。
なお、ガラス光ファイバ３の外径Ｄは、加熱炉２に供給するヘリウム流量を少なくすると太くなり、多くすると細くなる。また、アルゴンはヘリウムの流量を少なくした場合に発生する外径変動を抑えるために、適宜調整して供給した。
この結果を表１および図２に示す。図２Ａ、図２Ｂはそれぞれ伝送損失とガラス光ファイバ３の外径Ｄの製品外径ｄに対する割合の関係を示しており、図２Ａは１３１０ｎｍの伝送損失、図２Ｂは１５５０ｎｍの伝送損失を示している。
表１、図２Ａ及び図２Ｂから明らかなように、外径測定器１１におけるガラス光ファイバ３の外径Ｄが製品外径ｄよりも大きく、且つ製品外径ｄの１０８％以下となるように光ファイバを線引きした場合に、低い伝送損失が得られることが判った。特に、外径測定器１１におけるガラス光ファイバ３の外径Ｄが製品外径ｄの１０１〜１０２．５％のときに大きな効果を得ることができた。
また、外径測定器１１におけるガラス光ファイバ３の外径Ｄが１３５μｍより大きくなるように線引きを行った場合は、伝送損失が大きくなっている。これは、ガラス光ファイバが高温のまま徐冷炉４を出てしまい、最も重要である温度領域において徐冷の効果が得られていないためである。
また、外径測定器１１におけるガラス光ファイバ３の外径Ｄが１２５μｍとなるように線引きを行った場合も伝送損失が大きくなっている。これは、徐冷炉４に入る前に光ファイバが十分冷却されてしまい、最も重要である温度領域において徐冷の効果が得られないことによるものである
図３は、ガラス光ファイバ３の外径Ｄが１２７μｍで製造された光ファイバの伝送損失に対するガラス光ファイバ３の外径Ｄが１２５μｍで製造された光ファイバの伝送損失の差を、測定波長が１２５０〜１６５０ｎｍの範囲内で波長５ｎｍ間隔毎に示したものである。この結果から明らかなように、ガラス光ファイバ３を外径が１２７μｍで製造したものが、１２５μｍで製造したものよりも、全ての波長帯域で０．００３ｄＢ/ｋｍから０．００９ｄＢ/ｋｍの範囲で低伝送損失の改善されていることが判る。
次に上記と同様に、ＤＳＦ（Dispersion-Shifted Fiber）用の光ファイバ用母材及びＮＺＤＳＦ（Ｎon-Ｚero Ｄispersion-Ｓhifted Ｆiber）用の光ファイバ用母材について、それぞれガラス光ファイバ３の外径Ｄを種々変化させてガラス光ファイバの製品外径ｄが１２５μｍの光ファイバを線引きした。線引き張力は１４０ｇｆで行った。それ以外の各機器の設定条件は前記ＳＭＦの場合と同様である。
これらにより製造された光ファイバの伝送損失を波長１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍで測定した。測定した結果を表２に示す。
表２に示す結果をグラフ化したものが、図４Ａ及び図４Ｂである。図４Ａ及び図４Ｂはそれぞれ、伝送損失とガラス光ファイバ３の外径Ｄの製品外径ｄに対する割合の関係を示しており、図４Ａは１３１０ｎｍの伝送損失、図４Ｂは１５５０ｎｍの伝送損失を示している。また、図４Ａ及び図４Ｂ中の●はＤＳＦ、×はＮＺＤＳＦである。
これらの結果から明らかなように、ＤＳＦ及びＮＺＤＳＦの場合もＳＭＦと同様の傾向を示す結果が得られた。
これらの結果から明らかなように、ＤＳＦ及びＮＺＤＳＦの場合もＳＭＦと同様の傾向を示す結果が得られた。
次に、外径測定器１１におけるガラス光ファイバ３の外径Ｄが１２７μｍ、外径測定器１２におけるガラス光ファイバ６の外径ｄが１２５μｍとなるように制御しながら、ＳＭＦ用の光ファイバ用母材１０本の線引きを行った。線引き速度は１０００ｍ／分とした。ここで得られた伝送損失の標準偏差は、１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの両波長において、０．００２ｄＢ／ｋｍ以下であった。
これに対し、外径測定器１１での外径測定は行わず、ガラス光ファイバ３の温度を管理した状態で同様にＳＭＦ用の光ファイバ用母材１０本を線引きした場合は、１３１０ｎｍ、および１５５０ｎｍにおける伝送損失の標準偏差が、ともに０．００４ｄＢ／ｋｍであった。すなわち、本実施形態例の光ファイバの線引き方法により、伝送損失の安定した光ファイバを製造することができた。
本発明の光ファイバの製造方法および光ファイバの製造装置を用いることにより、このように高速で線引きしたとしても、伝送損失の低い光ファイバを容易かつ安定に製造することができる。
これに対し、外径測定器１１での外径測定は行わず、ガラス光ファイバ３の温度を管理した状態で同様にＳＭＦ用の光ファイバ用母材１０本を線引きした場合は、１３１０ｎｍ、および１５５０ｎｍにおける伝送損失の標準偏差が、ともに０．００４ｄＢ／ｋｍであった。すなわち、本実施形態例の光ファイバの線引き方法により、伝送損失の安定した光ファイバを製造することができた。
本発明の光ファイバの製造方法および光ファイバの製造装置を用いることにより、このように高速で線引きしたとしても、伝送損失の低い光ファイバを容易かつ安定に製造することができる。
本発明は、上述のように、徐冷炉に入る前のガラス光ファイバの外径を制御することで、従来必要としていた徐冷炉に入る前の光ファイバの温度を測定することなしに、伝送損失の低い光ファイバを容易かつ安定に製造することができる。
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載された範囲内でさまざまな実施の形態を取り得るものである。本実施形態例においては、徐冷炉に流す不活性ガスの流量を変化させることにより、徐冷炉に入る前のガラス光ファイバの外径を制御したが、徐冷炉に入る前のガラス光ファイバの外径は、加熱炉の温度や、加熱炉に流す不活性ガスの流量、徐冷炉の温度を変化させることによっても変化させることができる。
１ 光ファイバ用母材
２ 加熱炉
３ ガラス光ファイバ
４ 徐冷炉
５ 冷却装置
６ ガラス光ファイバ
７ 樹脂被覆装置
８ 光ファイバ
９ 引取装置
１０ ボビン
１１ 外径測定器
１２ 外径測定器
１３ 外径測定器
２１ 電気ヒーター
２２ 加熱炉ガス供給口
４１ 徐冷炉ヒーター
４２ 徐冷炉ガス供給口
２ 加熱炉
３ ガラス光ファイバ
４ 徐冷炉
５ 冷却装置
６ ガラス光ファイバ
７ 樹脂被覆装置
８ 光ファイバ
９ 引取装置
１０ ボビン
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１２ 外径測定器
１３ 外径測定器
２１ 電気ヒーター
２２ 加熱炉ガス供給口
４１ 徐冷炉ヒーター
４２ 徐冷炉ガス供給口
Claims (7)
- 石英系ガラスからなる光ファイバ母材を加熱線引きする加熱工程と、線引きされたガラス光ファイバを徐冷する徐冷工程と、徐冷されたガラス光ファイバに樹脂層を被覆する樹脂被覆工程とを、この順序で行う光ファイバの線引き方法において、前記加熱工程と前記徐冷工程との間に線引きされたガラス光ファイバの外径を測定する測定手段を有し、前記測定手段にて測定されるガラス光ファイバの外径Ｄが、ガラス光ファイバの製品外径ｄよりも大きい状態で線引きすることを特徴とする光ファイバの線引き方法。
- 前記測定されるガラス光ファイバの外径Ｄが、前記製品外径ｄの１０８％以下であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの線引き方法。
- 前記測定されるガラス光ファイバの外径Ｄが、前記製品外径ｄの１０１〜１０２．５％であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの線引き方法。
- 徐冷炉の最高温度が４００〜１３００℃に設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の光ファイバの線引き方法。
- 光ファイバの線引き速度が９００〜１７００ｍ／分であることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１に記載の光ファイバの線引き方法。
- 石英系ガラスからなる光ファイバ母材を加熱線引きする加熱炉と、線引きされたガラス光ファイバを徐冷する徐冷炉と、徐冷されたガラス光ファイバに樹脂層を被覆する樹脂被覆装置と、樹脂層が被覆された光ファイバを所定の速度で引き出す引取装置とがこの順序で配置された光ファイバの線引き装置であって、前記加熱炉と前記徐冷炉との間に線引きされたガラス光ファイバの外径を測定する外径測定器が設置され、前記外径測定器にて測定されるガラス光ファイバの外径Ｄが、ガラス光ファイバの製品外径ｄよりも大きい状態に制御して線引きすることを特徴とする光ファイバの線引き装置。
- 前記測定されるガラス光ファイバの外径Ｄが、前記製品外径ｄの１０８％以下となるように制御して光ファイバを線引きすることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバの線引き装置。
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