JP2698863B2 - 光ファイバの線引方法および線引装置 - Google Patents

光ファイバの線引方法および線引装置

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    • C03B37/01Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/02Manufacture of glass fibres or filaments by drawing or extruding, e.g. direct drawing of molten glass from nozzles; Cooling fins therefor
    • C03B37/025Manufacture of glass fibres or filaments by drawing or extruding, e.g. direct drawing of molten glass from nozzles; Cooling fins therefor from reheated softened tubes, rods, fibres or filaments, e.g. drawing fibres from preforms
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、低損失の石英系ガラスを主成分とする光
ファイバの線引方法およびそのために用いられる装置に
関するものである。
(従来の技術) 石英系ガラスを主成分とする光ファイバを線引するに
は、その元になるプリフォームを加熱炉内に一定速度で
送り込み、プリフォームの先端を所定の粘度にして線引
きしている。この種の光ファイバの線引きでは、加熱炉
の最高温度は1900℃〜2300℃に設定されることが多い。
加熱炉内で細く引き延ばされる力は、引き取り力によ
って与えられる。引き取りは重力に逆らわず下方に引っ
張られるのが普通であり、その速度は定常状態では次式
で決定される。
v=V・D2/d2 ここで、Vはプリフォームの加熱炉内への送り出し速
度 vはファイバの引き取り速度 Dはプリフォームの外径 dはファイバの外径 一方、プリフォームからファイバにまで線引きされる
途中の段階の形状は第3図に示すような変化をしてお
り、線引速度、加熱炉内の温度分布、プリフォーム外径
等に依存してその形状は変化する。
(発明が解決しようとする課題) 近年、光ファイバの低損失化の検討が進むにつれて、
線引条件とファイバの損失とが密接な関係を有すること
が判明してきた。例えば、第4図は石英ガラスを主成分
とするコアを有し、クラッドにフッ素を含む石英ガラス
を用いた光ファイバの伝送損失と線引張力との関係を示
している。
ここで特徴的なことは線引張力を増加させるにつれて
損失が増加し、また、線引張力をあまり低くすると極端
に損失が増加することである。この原因については完全
に解明されているわけではないが、高線引張力の挙動に
ついては、次のように考えられている。すなわち、この
ファイバのように線引温度のような高温におけるコアと
なるガラスの粘度が、クラッドとなるガラスの粘度より
も高いような組成を有する光ファイバプリフォームにお
いては、第5図に示すネックダウン領域においてコアガ
ラスの方が先に固化するため、線引時の張力分担が弾性
変形として作用する。さらにこの弾性変形は、後から固
化してきた圧倒的に大きな断面積を有するクラッドガラ
スのために緩和できないという現象が生じる。このよう
な弾性変形は、光学的にはファイバのコアガラスの屈折
率を低下させ、光ファイバとして動作するのに必要なコ
ア・クラッド間の屈折率差を十分に維持できないという
不都合をもたらす。コア・クラッド間の屈折率差の低下
によって光ファイバは、いわゆるマクロベンディング、
マイクロベンディング等の曲がりを受けやすくなり損失
が増加するものと考えられる。しかし、低張力側の損失
増加についてはこれまであまりうまく説明されていなか
った。
この発明者等は、第3図の張力−曲線からしても、も
しこの低張力側の損失原因が取り除ければ光ファイバの
低損失化が図られるはずであるとして検討を続けてき
た。なお、光ファイバの損失原因としては、レール散
乱、ガラス固有の紫外線吸収端、同じく赤外線吸収端で
あり、これらの原因は今のところこれ以上下げられない
ものと考えられている。
具体的な数値としては、石英系ガラスファイバの最も
伝送損失が低下する波長である1.55μmにおいて、0.15
dB/km程度が極限損失と考えられる。第6図は、非常に
低張力、例えば8gで線引きしたときの高石英系ガラスコ
ア・フッ素ドープ石英ガラスクラッド単一モードファイ
バの損失波長特性を示している。なお、図中破線は光フ
ァイバの損失が固有損失のみのときの理想損失波長特性
を示す。また、ここで高石英ガラスコアとはコアのガラ
ス組成が比較的純粋な石英ガラスに近く、せいぜい石英
ガラスの屈折率を0.15%程度変化させる程度の添加物し
か含んでいない石英系ガラスに対して用いている。この
図の波長特性で特徴的なことは、波長の短い領域での損
失増加があまりないのに対して、波長の長い領域での損
失増加が高いことである。いわゆるマイクロベディング
とよばれる微小な曲がりがコアに生じている場合や、コ
アの径がファイバの長さ方向に揺らいでいる場合に生じ
る損失について行なわれた論理計算によれば、このよう
な損失増加の波長特性は、ファイバのコアに生じている
長さ方向の揺らぎの相関長ガラス100μmもしくはそれ
以上に長い場合に生じるといわれている。このことは、
例えば、Dietrich Marcuse:“Microdeformation Losses
Of Single−Mode Fibers"APPLIED OPTICS.VOL.23.No.
7,1 aApril.1984等に詳しく述べられている。
前記波長特性を有するファイバは、線引張力として非
常に小さい値で線引きされており、先に述べたような線
引張力が高いためにコア・クラッド間の屈折率差が小さ
くなっており、その結果ファイバとして十分に光を閉じ
込める作用が無くなったものでないことは明らかであ
る。これらのことから、この発明者等は、一つの推定と
して非常に高い温度で線引きされた高石英コア・フッ素
ドープクラッドファイバの損失増加は、プリフォームの
高温粘度が低いために加熱炉内で僅かな熱的な揺らぎが
あってもコア径に何らかの変化をもたらすためと考え
た。このようなタイプのファイバでは圧倒的に断面積の
大きなクラッドがコアよりも柔かいガラスで構成されて
いるので、加熱炉内な僅かな変化がファイバの寸法変形
をもたらしやすいものと思われる。
また、特に揺らぎの影響を受けやすいのは、プリフォ
ームの外径が比較的細くなったネックダウン領域であ
り、これよりも上部の太い領域では簡単に曲がったりし
ないし、また、太いがゆえに熱容量も大きいので加熱炉
内のガスの流れの僅かな脈動があってもそんなに大きな
温度変動は起こしにくいものと考えられる。
(課題を解決するための手段) この発明は、以上の観点からなされたもので、その特
徴とする第1の請求項の発明は、石英系ガラスからなる
光ファイバプリフォームを加熱炉内に導いて光ファイバ
に線引きするに際して、加熱炉内において前記プリフォ
ームのネックダウン領域を強制冷却する光ファイバの線
引方法にある。また、請求項2の発明は、請求項1の光
ファイバの線引方法において、高温におけるコアを形成
するガラスの粘度がクラッドを形成するガラスのそれよ
りも高いプリフォームを用いることにある。請求項3の
発明は、請求項2の光ファイバの線引方法において、ク
ラッド形成ガラスがフッ素を含有する石英系ガラスであ
ることにある。請求項4の発明は、光ファイバプリフォ
ームを加熱する発熱体と、この発熱体の直下に隣接して
位置されて光ファイバプリフォームのネックダウン領域
を強制的に冷却する手段とを具備してなる光ファイバ線
引装置にある。
なお、ここで光ファイバプリフォームのネックダウン
領域とは線引中のプリフォームの減径部であって、プリ
フォーム径の30%減のサイズから、得られる光ファイバ
の最終径よりも1μm大きい径のサイズの範囲をいう。
一般に高温のガラスの冷却は熱輻射を主に行なわれ、し
かも光ファイバのように細いガラスでは必ずしも表面か
らの熱の散逸ではなく、ガラスの内部からも輻射してい
くので、その冷却速度は比較的早い。この結果、問題と
しているような高石英ガラスコア・フッ素ドープ石英ク
ラッドのような場合でも自然にまかせた冷却を行なうと
柔らかいクラッドガラスの冷却速度はその表面と内部で
あまり差がない。したがって、ガラスの表面を強制的に
冷やすことにより光ファイバの表面にまず固化した層を
生じさせ、この層をもつ剛性によりファイバの曲りを阻
止し、また塑性変形を受けにくくする。
なお、プリフォームの冷却位置を上記範囲としたの
は、プリフォーム径の30%減よりも小さい部分で行なっ
ても、本来外径が大きいので簡単に曲がることがなく、
また太いがゆえに熱容量も大きいので加熱炉内のガスの
流れの僅かな脈動があっても温度変動は起こしにくいこ
とから冷却による効果が乏しく、また光ファイバの最終
径よりも1μmよりも小さいところで冷却を行なったの
では、既にコアが弾性変形してしまった後となり効果が
薄いからである。
(作用) 光ファイバプリフォームの線引中のネックダウン領域
を強制的に冷却するようにしたので、ファイバの表面が
まず固化し、この表面層の持つ剛性によりファイバが曲
がったり、塑性変形を受けにくいため低張力側でも低損
失のファイバとなる。
(実施例) 第1図は、この発明による線引装置の加熱炉部分の概
略図を示したもので、1はカーボンからなる円筒状の発
熱体、2はその内部に同心状に位置されたカーボン製の
マッフルチューブ、3は発熱体の直下に接近して設けら
れた強制冷却装置で、銅製のリング部4とその内周壁に
形成された、ガス吐出口となる多数の孔5と、リング4
と直結された銅製のガス配管6と、リング4の外周に必
要に応じて巻回される冷却水供給管7とからなってい
る。冷却ガスとしては、熱伝達率の大きなHeガスが好適
であるが、Heガスは熱容量が小さいので冷却効果を発揮
する前に暖められるおそれがあり、この場合供給管7に
冷却水を供給して冷却する方が好ましい。なお、冷却ガ
スの吐出量は極く僅かで十分であり、100cc/分〜100cc/
分程度とされる。8は孔ファイバプリフォーム、9はそ
のネックダウン部分であり、この部分にリング4の吐出
孔5が位置するようになされている。
以上の構成になる加熱炉のマッフルチューブ2内に光
ファイバプリフォーム8を垂直に支持しつつ所定速度で
降下させるとともに、発熱体1により高温に加熱して所
定の線引張力で線引しファイバ化する。一方、Heガスを
配管6を通じてリング4に供給し、孔5から噴出させて
プリフォーム8のネックダウン部9を強制冷却する。供
給管7には冷却水を流し、Heガスの暖まるのを阻止す
る。
(具体例) 発熱体として、内径60mm,有効長70mmのカーボン円筒
体を使用し、これに約25kWの電力を投入した。発熱体を
保護するためにその周囲にArガスを7/分、Heガスを
1/分流した。発熱体表面の最高温度は、約2200℃、
2000℃以上の発熱体長さは約50mmであった。マッフルチ
ューブとしては内径50mm,外形56mmのカーボン製の円筒
管を用いた。プリフォームを強制冷却するためのリング
の位置を発熱体の直下にその下端から15mm離して位置さ
せた。リング内周には所定間隔をおいて多数の孔を開
け、この孔からHeガスがトータルで400cc/分噴出するよ
うにした。また、供給管内には冷却水を流した。かくし
てなるマッフルチューブ内に、直径3.5mmのコア用SiO2
ガラスの周りに外径45mmのクラッド用フッ素ドープSiO2
ガラス(Δ=0.35%)が形成された光ファイバプリフォ
ームを垂直に支持して線引きした。線引き速度は約200m
/分であった。第2図は、かくして得られたファイバの
損失の線引張力依存性を示す。
図から明らかなように、この発明のファイバにおいて
は低張力側でも低損失のものが得られており、結果とし
て得られた最低損失0.156dB/km(波長1.55μm)は、ほ
ぼ石英系ガラスファイバの極限損失に近いものであっ
た。因に、破線はネックダウン領域を強制冷却しない従
来の光ファイバの場合の特性を示す。
(発明の効果) この発明は、以上のように線引中の光ファイバプリフ
ォームのネックダウン領域を強制的に冷却することによ
り、ガラスの表面を固化させてしまって線引雰囲気によ
るファイバ内部の変形を抑制するので、伝送損失の小さ
いファイバとすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の実施例による線引装置の加熱炉部
分を示す概略説明図、第2図は、この発明の光ファイバ
の線引張力と伝送損失との関係を示すグラフ、第3図
は、線引中のプリフォームの外径変化を示すグラフ。第
4図は、従来ファイバの線引張力と伝送損失との関係を
示すグラフ、第5図は、プリフォームの線引中の様子を
示す説明図、第6図は、従来ファイバの波長と伝送損失
との関係を示すグラフ。図において、3:強制冷却装置、
4:リング、5:孔、6:冷却ガス配管、9:プリフォームのネ
ックダウン領域。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】石英系ガラスからなる光ファイバプリフォ
    ームを加熱炉内に導いて光ファイバに線引きするに際し
    て、加熱炉内において前記プリフォームのネックダウン
    領域を強制冷却することを特徴とする光ファイバの線引
    方法。
  2. 【請求項2】高温におけるコアを形成するガラスの粘度
    がクラッドを形成するガラスの粘度よりも高いプリフォ
    ームを用いることを特徴とする請求項1記載の光ファイ
    バの線引方法。
  3. 【請求項3】クラッド形成ガラスがフッ素を含有する石
    英系ガラスであることを特徴とする請求項2記載の光フ
    ァイバの線引方法。
  4. 【請求項4】光ファイバプリフォームを加熱する発熱体
    と、この発熱体の直下に隣接して位置されて光ファイバ
    プリフォームのネックダウン領域を強制的に冷却する手
    段とを具備してなる光ファイバ線引装置。
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