JP2005281090A - 光ファイバの製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ガラスの構造緩和を十分に促進させ、光ファイバの光散乱損失を低減させる。
【解決手段】 光ファイバ母材１６を線引炉１２で加熱線引きし、線引された光ファイバ１１を上記線引炉１２下に設けたアニール炉１５で所定のアニール温度に保持する光ファイバの製造方法において、上記アニール炉１５入口における光ファイバ１１を冷却してファイバ温度を上記アニール炉１５のアニール温度と略等しい温度にする。
【選択図】 図１
【解決手段】 光ファイバ母材１６を線引炉１２で加熱線引きし、線引された光ファイバ１１を上記線引炉１２下に設けたアニール炉１５で所定のアニール温度に保持する光ファイバの製造方法において、上記アニール炉１５入口における光ファイバ１１を冷却してファイバ温度を上記アニール炉１５のアニール温度と略等しい温度にする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、伝送損失の低い光ファイバの製造方法及び製造装置に関するものである。
図５及び図６に示すように、光ファイバの製造装置は、光ファイバ５２が線引される順に、ファイバ母材５４を溶融する線引炉５３、線引される光ファイバを加熱処理するアニール炉５５、光ファイバ５２を引き取るファイバ引取機５６が配設される。
ファイバ引取機５６は、線引速度を制御する引取キャプスタン５８、線引経路を形成するプーリ５９、光ファイバを巻き取るボビン５７を備える。
光ファイバ母材５４を線引炉５３のヒータ６１で加熱溶融して引き出した光ファイバ５２をヒータ６２を備えたアニール炉５５に通すことでファイバ温度を制御し、ファイバ引取機５６で線引速度を制御しながら光ファイバ５２を引取している。
線引直後にアニール炉５５内で、ファイバ温度をある温度で一定時間保つような制御をし、光ファイバ５２のガラス構造緩和を促進させることにより、光ファイバ５２の損失要因の大半を占める光散乱損失を低減することが可能である（例えば、特許文献１，２参照）。
また、光ファイバ母材を加熱線引して中間光ファイバを作製し、この中間光ファイバを再加熱することで仮想温度を下げて光散乱損失を低減している光ファイバの製造方法がある（例えば、特許文献３参照）。
図７は光ファイバ５２がアニール炉５５に突入する位置６５を０ｍｍとしたときのアニール炉５５内の光ファイバ５２の長手方向の温度分布である。図７に示すように、光ファイバ５２がアニール炉５５の内壁６４の温度より高い温度、或いは低い温度でアニール炉５５に突入した場合、ファイバ温度はアニール炉５５の内壁温度と同じになるまで変化し、炉５５の内壁温度と同じになると、光ファイバ５２がアニール炉５５を出るまでその温度で一定に保たれる。
しかし、光ファイバ５２がアニール炉５５に突入する位置６５において、ファイバ温度が炉の内壁温度より高すぎたり、或いは低すぎたりすると、ファイバ速度が１５０ｍ／ｍｉｎのとき（曲線７３）、ファイバ温度が炉内で一定に保たれる時間が十分に得られず、光ファイバ５２のガラス構造緩和が十分に促進されていない。そのため、仮想温度を下げることができず、結果、製造される光ファイバの光散乱損失が大きくなってしまうという問題点がある。
また、ファイバ速度が２０ｍ／ｍｉｎ（曲線７１）或いは６０ｍ／ｍｉｎ（曲線７２）の場合は、アニール炉５５内でガラス構造緩和が十分に促進されているが、光ファイバ５２の線引速度が遅いので生産性が悪く、実用的ではない。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ガラスの構造緩和を十分に促進させ、光ファイバの光散乱損失が低減された光ファイバの製造方法及び製造装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光ファイバ母材を線引炉で加熱線引きし、線引された光ファイバを上記線引炉下に設けたアニール炉で所定のアニール温度に保持する光ファイバの製造方法において、上記アニール炉入口における光ファイバの温度が上記アニール炉のアニール温度と略等しい温度になるように温度制御を行う光ファイバの製造方法である。
請求項２の発明は、光ファイバ母材を線引炉で加熱線引きし、線引された光ファイバを上記線引炉下に設けたアニール炉で所定のアニール温度に保持する光ファイバの製造方法において、上記アニール炉入口における光ファイバを冷却してファイバ温度を上記アニール炉のアニール温度と略等しい温度にする光ファイバの製造方法である。
請求項３の発明は、光ファイバ母材を線引炉で加熱線引し、線引された光ファイバを上記線引炉下に設けたアニール炉で所定のアニール温度に保持する光ファイバの製造方法において、上記アニール炉入口における光ファイバの温度を測定し、その測定値がアニール温度と略等しくなるようアニール炉の前段で光ファイバの温度を制御する光ファイバの製造方法である。
請求項４の発明は、光ファイバ母材を加熱溶融する線引炉と、線引された光ファイバを所定のアニール温度に保持するアニール炉とを備える光ファイバの製造装置において、上記線引炉とアニール炉との間に、アニール炉のアニール温度と略等しい温度に光ファイバを冷却する冷却装置を設けた光ファイバの製造装置である。
請求項５の発明は、光ファイバ母材を加熱溶融する線引炉と、線引された光ファイバを所定のアニール温度に保持するアニール炉とを備える光ファイバの製造装置において、上記線引炉とアニール炉との間に、アニール炉のアニール温度と略等しい温度に光ファイバを冷却する冷却装置を設け、その冷却装置の出口側に光ファイバの温度を測定する温度測定器を設けた光ファイバの製造装置である。
請求項６の発明は、上記冷却装置は、光ファイバが通る通路を有し、該通路内に冷却ガスを流す冷却ガス供給手段を有する光ファイバの製造装置である。
請求項７の発明は、上記冷却ガス供給手段は、ガス流量制御器を備え、上記温度測定器で測定される温度に応じて冷却ガスの流量が調節される光ファイバの製造装置である。
請求項８の発明は、上記冷却装置は、光ファイバが通る通路が形成された冷却本体と、その冷却本体に接続された冷却ガス配管と、冷却本体に形成され、冷却ガス配管からの冷却ガスを上記通路に流すガス流路とからなる光ファイバの製造装置である。
本発明によれば、ガラスの構造緩和を十分に促進させ、光ファイバの光散乱損失を低減させるといった優れた効果を発揮する。
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る光ファイバの製造装置の好適な実施の形態を示した概略図である。
本実施の形態に係る光ファイバの製造装置は、線引炉１２、冷却装置１３、温度測定器１４、アニール炉１５を有する。光ファイバ母材１６を線引する方向（図１上から下）に線引炉１２、アニール炉１５の順で配設され、冷却装置１３は、線引炉１２とアニール炉１５との間に、温度測定器１４は、アニール炉１５の入口にそれぞれ設置される。
線引炉１２は、光ファイバ母材１６を加熱溶融するためのヒータ１７を備える。
アニール炉１５は、光ファイバ１１を所定温度で一定に保持する（アニール処理する）ためのヒータ２１を備える。
図２に示すように、冷却装置１３は冷却本体２３と、冷却本体２３に接続された冷却ガス配管１９と、冷却ガス配管１９に接続された冷却ガス供給手段で構成される。冷却本体２３は、アルミニウムや銅で形成された中実体であり、長手方向の長さが２５０ｍｍである。冷却本体２３には光ファイバ１１が通る直径３０ｍｍの円形の通路２４と、通路２４に冷却ガスを流すガス流路２５が形成される。冷却ガス配管１９に接続される冷却ガス供給手段は、冷却ガスを供給し、そのガス流量を制御するガス流量制御器１８である。
冷却ガス配管１９は、冷却本体２３に形成された複数のガス流路２５に接続されるため、複数の支管２７に分岐され、各支管２７を介してガス流路２５に接続される。ガス流路２５は、通路２４と冷却本体２３の外側とを連通するものである。ガス流路２５は、光ファイバ１１を均等に徐冷するために、ファイバ断面方向において、対称的に形成されるのが好ましい。また、本実施の形態では、冷却ガスとしてＨｅガスを使用した。
温度測定器１４として赤外線放射温度計が、アニール炉１５上方（光ファイバ入口側）に設けられ、それに接続される監視装置２０が光ファイバ製造装置の外部に配置される。
また、図示はしないが、アニール炉１５下には、背景技術で説明したようなファイバ引取機が設けられ、さらに、光ファイバを保護するための被覆樹脂を被覆する装置等が設けられてもよい。
次に、本実施の形態の作用について説明する。
光ファイバの製造方法は、光ファイバ母材１６が線引炉１２で加熱溶融され、自由落下により細径の光ファイバ１１になると共に、ファイバ温度が下がって固化した光ファイバ１１がファイバ引取機で線引される。
アニール炉１５では、光ファイバを所定温度で一定に保持することで、ガラス構造緩和を促進させ、光散乱損失が低減される構造としている。
アニール炉１５の前段に配置される冷却装置１３では、ガス流量制御器１８よりガス流路２５を通って通路２５に供給される冷却ガスにより、通路２５に導入された光ファイバ１１が冷却される。
冷却本体２３は、アルミニウム等の熱伝導率の高い材料で形成されているため、線引直後の光ファイバ１１を冷却することにより温度が高くなった冷却ガスの熱を放熱させるとともに、冷却本体２３が厚肉に形成されているので、光ファイバ１１が外気により急冷されることを防いでいる。
冷却ガスにはＨｅガスを用いているので、光ファイバを形成する石英系材料と反応することがない。さらに、外気（空気或いは窒素）より軽い気体であるため、Ｈｅガスは通路２４を上昇し、冷却装置１３下方のアニール炉１５の温度に影響を与えることなく、光ファイバ１１を冷却することができる。
また、冷却装置１３とアニール炉１５との間に、アニール炉１５への冷却ガスの流入を防ぐガード部材（図示せず）を設ければ、冷却ガスとして外気より重い気体を用いてもよい。
冷却装置１３で線引直後の光ファイバの温度をアニール炉１５内の温度と略等しくしてから、光ファイバがアニール炉１５内へ導入される。これにより、アニール炉１５内で光ファイバ１１を所定温度に十分に保持することができ、ガラスの構造緩和を十分に促進させることができる。
ここで、図３に、冷却装置１３に光ファイバ１１が導入されてから出るまでの間のファイバ上の１点の温度変化量と、冷却装置１３に光ファイバ１１が導入されてから出るまでの間に通路２４に流れる冷却ガスの流量との関係を示す。冷却ガスはＨｅガスとし、光ファイバ１１の線引速度は２０ｍ／ｍｉｎとした。
温度測定器１４で測定されるファイバ温度の変化に応じて、ガス流量制御器１８を調整し、通路２４に流す冷却ガスの流量を調節することで、光ファイバ１１がアニール炉１５に突入する位置（アニール炉入口）２２におけるファイバ温度を制御することができる。
ガス流量制御器１８の調整は、監視装置２０でファイバ温度をモニタしながら行われる。ガス流量制御器１８と温度測定器１４とをリンクし、ファイバ温度が制御されるようにガス流量制御器１８を調整してもよい。
具体的には、図３に示すように、単位時間当たりのファイバ温度の変化量とＨｅガス流量とは略比例関係にある。アニール炉１５に突入する位置２２におけるファイバ温度がアニール炉１５内温度より高い場合、通路２４に流れる冷却ガスの流量を多くして光ファイバ１１の冷却効果を大きくすることで、ファイバ温度を下げることができる。逆に、アニール炉１５に突入する位置２２におけるファイバ温度がアニール炉１５内温度より低い場合、通路２４に流れる冷却ガスの流量を少なくして光ファイバ１１の冷却効果を小さくすることで、ファイバ温度の低下を抑制できる。よって、アニール炉１５へ突入する光ファイバ１１の温度をアニール炉１５内の温度と略等しくすることができる。
また、アニール炉１５の内壁に熱電対（図示せず）を設け、アニール炉１５の内壁温度を常時測定して、内壁温度の変化に応じてヒータ２１の出力を調整することにより、アニール炉の内壁温度を制御することができる。
次に、光ファイバ１１のガラス構造緩和が最も促進される場合の、アニール炉１５内で一定に保たれるファイバ温度と、光ファイバ１１の一点がアニール処理される時間との関係を示す。
図４に示すように、検量線４０は、アニール温度（ファイバ温度）Ｔとアニール処理時間ｔとの関係を示すものであり、Ｔ＝−４０．０８９ｌｎ（ｔ）＋１３０７．８で表される。この検量線４０は、本発明者らの実験によるもので、Appl.Phys.83,8175（2003） にあるように、ファイバサンプルを用いて一定のアニール温度Ｔ下に保たれた光ファイバの仮想温度をラマン散乱法で評価し、アニール処理時間ｔとの関係を調べたものである。
光ファイバ１１の線引速度とアニール炉１５の長さから、光ファイバ１１がアニール炉１５内を通過する時間（アニール処理時間）ｔが求められるので、アニール処理時間ｔに対する温度Ｔを検量線４０から求める。光ファイバ１１がアニール炉１５に突入してから出るまでファイバ温度をアニール温度Ｔで十分保時させるため、光ファイバ１１がアニール炉１５に突入する位置２２におけるファイバ温度をアニール温度Ｔに略等しくしてからアニール炉１５に導入させるように冷却ガスの流量を調整する。
その際、アニール炉１５の内壁温度が、アニール温度Ｔになるようにアニール炉１５のヒータ２１出力を調整する。これにより、光ファイバ１１のガラス構造緩和が最も促進された、すなわち、光散乱損失が最も低減化された光ファイバを、線引速度を遅くすることなく、製造することができる。
次に、本発明の実施の形態について、実施例に基づいて説明するが、本発明の実施の形態はこれらの実施例に限定されるものではない。
光ファイバの製造装置（例えば図１の線引炉１２）でコアにＧｅが添加された光ファイバを製造した。図４より、アニール温度Ｔを１２７０℃、アニール処理時間ｔを１．８秒となるようにした。長さ３ｍのアニール炉を用い、線引速度は１００ｍ／ｍｉｎとした。赤外放射温度計で光ファイバの温度をモニタしながら、冷却装置に投入するＨｅガスの流量を調整し、線引される光ファイバのアニール炉への突入する時の温度が１２７０℃となるように制御した。
この実施例で得られた光ファイバの伝送損失は、波長１．５５μｍで０．１６８ｄＢ／ｋｍと従来の光ファイバに比べて十分低かった。また、得られた光ファイバの仮想温度をラマン散乱法で評価したところ、仮想温度は１２８０℃まで下がっており、ガラスの構造緩和が十分進んでいることも確かめられた。
１１ 光ファイバ
１２ 線引炉
１３ 冷却装置
１４ 温度測定器
１５ アニール炉
１６ 光ファイバ母材
１８ ガス流量制御器
１９ 冷却ガス配管
２３ 冷却本体
２５ ガス流路
１２ 線引炉
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１６ 光ファイバ母材
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Claims (8)
- 光ファイバ母材を線引炉で加熱線引きし、線引された光ファイバを上記線引炉下に設けたアニール炉で所定のアニール温度に保持する光ファイバの製造方法において、上記アニール炉入口における光ファイバの温度が上記アニール炉のアニール温度と略等しい温度になるように温度制御を行うことを特徴とする光ファイバの製造方法。
- 光ファイバ母材を線引炉で加熱線引きし、線引された光ファイバを上記線引炉下に設けたアニール炉で所定のアニール温度に保持する光ファイバの製造方法において、上記アニール炉入口における光ファイバを冷却してファイバ温度を上記アニール炉のアニール温度と略等しい温度にすることを特徴とする光ファイバの製造方法。
- 光ファイバ母材を線引炉で加熱線引し、線引された光ファイバを上記線引炉下に設けたアニール炉で所定のアニール温度に保持する光ファイバの製造方法において、上記アニール炉入口における光ファイバの温度を測定し、その測定値がアニール温度と略等しくなるようアニール炉の前段で光ファイバの温度を制御することを特徴とする光ファイバの製造方法。
- 光ファイバ母材を加熱溶融する線引炉と、線引された光ファイバを所定のアニール温度に保持するアニール炉とを備える光ファイバの製造装置において、上記線引炉とアニール炉との間に、アニール炉のアニール温度と略等しい温度に光ファイバを冷却する冷却装置を設けたことを特徴とする光ファイバの製造装置。
- 光ファイバ母材を加熱溶融する線引炉と、線引された光ファイバを所定のアニール温度に保持するアニール炉とを備える光ファイバの製造装置において、上記線引炉とアニール炉との間に、アニール炉のアニール温度と略等しい温度に光ファイバを冷却する冷却装置を設け、その冷却装置の出口側に光ファイバの温度を測定する温度測定器を設けたことを特徴とする光ファイバの製造装置。
- 上記冷却装置は、光ファイバが通る通路を有し、該通路内に冷却ガスを流す冷却ガス供給手段を有する請求項５記載の光ファイバの製造装置。
- 上記冷却ガス供給手段は、ガス流量制御器を備え、上記温度測定器で測定される温度に応じて冷却ガスの流量が調節される請求項６記載の光ファイバの製造装置。
- 上記冷却装置は、光ファイバが通る通路が形成された冷却本体と、その冷却本体に接続された冷却ガス配管と、冷却本体に形成され、冷却ガス配管からの冷却ガスを上記通路に流すガス流路とからなる請求項４から７いずれかに記載の光ファイバの製造装置。
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