JP5567083B2

JP5567083B2 - 光ファイバの線引炉

Info

Publication number: JP5567083B2
Application number: JP2012196181A
Authority: JP
Inventors: 伸昭折田; 尚鈴木; 吉之坂田
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP2012246219A

Description

本発明は、光ファイバ母材から光ファイバを線引きする光ファイバの線引炉に関するものである。

光ファイバは、石英ガラス等の材料からなる光ファイバ母材の下端部を加熱して軟化させ、この軟化した部分に張力をかけて細径化する、いわゆる線引により得られる。一般に、この線引を行うための線引装置は、光ファイバ母材を加熱する縦型の線引炉と、線引された後のガラス体の光ファイバを冷却する冷却装置と、ガラス体の光ファイバの周囲に樹脂の被覆を施す被覆装置と、被覆された光ファイバを巻き取る巻き取り装置とを備えている。なお、線引炉はなるべく高い位置に配置する。これによって、光ファイバを冷却するための走行距離を大きくすることができるため、光ファイバの線引速度を速くすることができ、生産性が向上する。

ところで、従来の線引装置を用いて線引された光ファイバにおいて、光ファイバの断面形状が楕円になるなど、等方的な円にならない場合があった。光ファイバの断面形状の等方円からのずれは非円率と呼ばれる。光ファイバの非円率は、光ファイバの断面の直径の最大値と最小値との差を、最大値と最小値との平均値で除算した値として定義される。また、光ファイバの非円率が０でない状態を光ファイバが非円であるという。

光ファイバが非円になる原因は、線引炉の中心軸と光ファイバ母材の中心軸とを完全に一致させることが困難であるため、加熱された光ファイバ母材の温度分布が周方向で不均一となり、これに伴って軟化の度合に周方向で偏りが生じるためである。また、線引炉の発熱部としてのヒータの発熱量が周方向で不均一な場合にも、光ファイバが非円となる。光ファイバの非円率が大きい場合、いわゆる偏波モード分散（ＰＭＤ）が大きくなったり、他の光ファイバとの接続時に、コア同士のずれが生じて接続損失が大きくなってしまうという問題がある。

このような光ファイバの非円化を防止するため、炉心管を囲むヒータの周方向に沿った温度分布を均一化させる均一化手段を設けた線引炉が開示されている（特許文献１参照）。一方、光ファイバ母材の直径をＤ（ｍｍ）、線引方向におけるヒータの発熱長さをＬ（ｍｍ）としたときに、ヒータの長さを長くして、ＤとＬとの関係が、Ｌ（ｍｍ）≧５Ｄ（ｍｍ）−５０（ｍｍ）となるように設定する光ファイバの線引方法が開示されている（特許文献２参照）。

特開平９−７１４３３号公報特開２００４−２２４５８７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている方法によっても、ヒータの周方向の温度分布を完全に均一にすることは難しい上に、電極構造も複雑になるという問題点があった。また、電極構造が複雑になると、これによってかえってヒータ構造に周方向でむらができ、発熱量が不均一となるおそれもある。また、特許文献２に開示されているような方法では、ヒータが長くなるのに伴って炉体の長さも長くなるため、線引炉への光ファイバ母材の投入が困難になったり、冷却のための距離が短くなったりするなどして線引炉の高さを有効に活用することができなくなるという問題点があった。また、これらの問題については、光ファイバ母材の直径がたとえば１００ｍｍ以上に大型である場合に特に顕著になる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な装置構成で非円率の小さい光ファイバを線引できる光ファイバの線引炉を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバの線引方法は、炉心管内に収容した光ファイバ母材を、該炉心管を囲繞するように配置した主発熱部によって加熱し、該光ファイバ母材から光ファイバを線引きする光ファイバの線引方法であって、前記光ファイバ母材の下端に形成されるメニスカス部の開始位置が前記主発熱部の上端よりも高い位置になるように該光ファイバ母材を加熱することを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの線引方法は、上記発明において、前記光ファイバ母材のメニスカス部における外径の長手方向に対する変化率の絶対値の最大値が０．８以下になるように該光ファイバ母材を加熱することを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの線引方法は、上記発明において、前記光ファイバ母材のメニスカス部の開始位置から変曲点までの距離をＮ（ｍｍ）とし、前記光ファイバ母材の直径をＤ（ｍｍ）とすると、Ｎ≧１．５Ｄの関係が成り立つように該光ファイバ母材を加熱することを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの線引方法は、上記発明において、前記光ファイバ母材の直径は１００ｍｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの線引炉は、光ファイバ母材を収容する炉心管と、前記炉心管を囲繞するように同心円状に配置し、該炉心管内を加熱する主発熱部と、前記炉心管および前記主発熱部を収容する炉体と、を備え、前記炉心管の長手方向において最高温度となる最高温度位置と、該最高温度位置の該炉心管上方側に位置し、該最高温度より４００℃だけ低い温度となる基準位置との距離をＬ（ｍｍ）とし、前記炉心管の内径をＥ（ｍｍ）とすると、２Ｅ≧Ｌ≧１．５Ｅの関係が成り立つことを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの線引炉は、上記の発明において、前記主発熱部の上方に配置された補助発熱部を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの線引炉は、上記の発明において、前記炉体内において前記主発熱部の外周に配置された第１断熱材と、前記炉体内の前記主発熱部の上方において前記炉心管の外周に配置された、前記第１断熱材よりも熱伝導率が高い第２断熱材と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの線引炉は、上記の発明において、前記炉心管は、前記主発熱部の上方において該主発熱部の近傍よりも管厚が厚い厚管部を有することを特徴とする。

本発明によれば、光ファイバの非円化に最も影響を与えるメニスカス部の開始位置での周方向の温度分布の不均一性が緩和されるので、簡易な装置構成で非円率の小さい光ファイバを線引できるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバの線引炉の模式な縦断面図である。図２は、図１に示す炉心管内に形成される温度分布を示す図である。図３は、図１に示す線引炉を用いて光ファイバ母材を線引する方法の説明図である。図４は、実施例１と比較例１における炉心管内の温度分布を示す図である。図５は、実施例と比較例１とにおける光ファイバ母材のメニスカス部の形状を示す図である。図６は、変形例１に係る光ファイバの線引炉の模式な縦断面図である。図７は、変形例２に係る光ファイバの線引炉の模式な縦断面図である。図８は、変形例３に係る光ファイバの線引炉の模式な縦断面図である。図９は、実施例３〜５における距離Ｌ、距離Ｎ、メニスカス変化率の絶対値の最大値（ｄＤ／ｄｚ）ｍａｘ、線引きした光ファイバの非円率を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバの線引方法および線引炉の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバの線引炉の模式な縦断面図である。図１に示すように、この線引炉１０は、炉体１１と、炉心管１２と、主発熱部としてのヒータ１３と、断熱材１４と、上蓋１５と、徐冷部１６とを備える。

炉体１１は、円筒形状を有し、耐熱性の材料からなり、炉心管１２、ヒータ１３、断熱材１４とを収容している。炉心管１２は、円筒形状を有し、たとえばカーボンからなる。また、ヒータ１３は、たとえばカーボンヒータであり、円筒形状を有し、炉心管１２を囲繞するように配置している。また、断熱材１４は、炉心管１２およびヒータ１３の外周に配置されている。また、上蓋１５は炉体１１上部に配置されている。また、徐冷部１６は、炉体１１下部に配置されており、炉心管１２の下部を収容している。上蓋１５、徐冷部１６は、それぞれ光ファイバ母材を挿入する母材挿入孔１５ａ、線引きした光ファイバを取り出す光ファイバ取り出し孔１６ａを有している。また、本実施の形態１においては、炉心管１２の内径Ｅは１５０ｍｍであり、ヒータ１３の長手方向の長さであるヒータ長ｌは２５０ｍｍである。

図２は、図１に示す炉心管１２内に形成される温度分布を示す図である。図２において、横軸は炉心管１２の上側端部を基準とした炉心管１２内の長手方向の位置を示し、縦軸はその位置での炉心管１２内中心軸付近の温度を示している。図２に示すように、本実施の形態１においては、炉心管１２の長手方向において、ヒータ１３の長手方向の中心位置において最高温度である約２０００℃となっている。また、最高温度となる最高温度位置Ｐ１から、炉心管１２の上方側に位置し、最高温度より４００℃低い温度となる基準位置Ｐ２までの距離をＬとすると、Ｌは２５０ｍｍである。したがって、本実施の形態１においては、２Ｅ≧Ｌの関係が成り立っている。なお、このような関係が成り立つようにするために、炉心管１２の長さや内径の選択、ヒータ１３のヒータ長や配置する高さの調整、断熱材の材質の選択等を行っている。

つぎに、図１に示す線引炉１０を用いて光ファイバ母材を線引する方法について説明する。図３は、図１に示す線引炉１０を用いて光ファイバ母材１を線引する方法の説明図である。図３に示すように、はじめに、上蓋１５の母材挿入孔１５ａから光ファイバ母材１を挿入する。ヒータ１３は挿入した光ファイバ母材１を加熱して軟化させる。軟化した部分は徐々にその半径が縮径してメニスカス部１ａが形成され、所定の外径まで細径化されて光ファイバ２となる。ここで、メニスカス部１ａとは、光ファイバ母材１の外径の縮径が開始する開始位置１ｂから、外径が１ｍｍに縮径した部分までを意味する。このメニスカス部１ａは、長手方向に対する外径の変化が凸形状から凹形状になる変曲点１ｃを有している。

図３に示すように、本実施の形態１においては、メニスカス部１ａの開始位置１ｂがヒータ１３の上端１３ａよりも高い位置になるように光ファイバ母材１を加熱している。これによって、光ファイバ２の非円に最も影響を与えるメニスカス部１ａの開始位置１ｂでの周方向の温度分布の不均一性が緩和される。

すなわち、ヒータ１３の上端１３ａより下の位置においては、メニスカス部１ａの周方向の温度分布がヒータ１３の発熱量の周方向での不均一性の影響を受けやすくなっている。これに対して、ヒータ１３の上端１３ａより上の位置では、ヒータ１３の発熱量の不均一性は緩和される。一方で、光ファイバ母材１はメニスカス部１ａの開始位置１ｂにおいてその軟化が始まるため、開始位置１ｂにおいてメニスカス部１ａの非円が発生すると、後のメニスカス部１ａの形状および光ファイバ２の形状に影響を与えやすい。

したがって、本実施の形態１によれば、上記理由によってメニスカス部１ａの開始位置１ｂでの周方向の温度分布の不均一性が緩和されるため、非円率の小さい光ファイバを線引できる。特に、光ファイバ母材の直径が１００ｍｍ以上である場合は、周方向の温度分布の不均一性が特に影響しやすいため、その効果が顕著になる。なお、本明細書では、光ファイバ母材の直径とは、光ファイバ母材の外径がほぼ一定となっている部分の外径を意味する。また、本実施形態１では、上記のようなメニスカス部１ａの開始位置１ｂを実現するため、炉心管１２の温度分布を規定する距離Ｌと炉心管１２の内径Ｅとの関係を２Ｅ≧Ｌとしている。したがって、線引炉１０は特別な装置を必要とせず簡易な構成となっている。なお、距離Ｌと内径Ｅとの関係については、以下の実施例に示すように、２Ｅ≧Ｌ≧１．５Ｅであれば上記メニスカス部１ａの開始位置１ｂをヒータ１３の上端１３ａよりも高い位置にすることができる。

（実施例１）
本発明の実施例１として、実施の形態１と同様の構造を有し炉心管の内径Ｅが１５０ｍｍでありヒータ長ｌが２５０ｍｍである線引炉を用いて、石英系ガラスからなる光ファイバ母材を線引張力１００ｇｆ、線速１５００ｍ／ｍｉｎで線引した。なお、光ファイバ母材として、直径Ｄが１２５ｍｍであり、光ファイバ母材の長手方向に５０ｍｍごとに測定した非円率の平均値が０．０８％であるものを用いた。線引きした光ファイバの非円率を５０ｋｍごとに測定したところ、その平均値は０．１０％であった。

（実施例２）
実施例２として、実施の形態１と同様の構造を有するが、炉心管の内径Ｅが１８０ｍｍであり、ヒータ長ｌが３５０ｍｍであり、炉体の長さが実施例１の場合よりも１００ｍｍ長い線引炉を用いて、石英系ガラスからなる直径Ｄが１５０ｍｍであり光ファイバ母材の長手方向に５０ｍｍごとに測定した非円率の平均値が０．０７％の光ファイバ母材を線引張力１００ｇｆ、線速１５００ｍ／ｍｉｎで線引した。線引きした光ファイバの非円率を５０ｋｍごとに測定したところ、その平均値は、０．１０％であった。

（比較例１）
比較例１として、実施例１で用いた線引炉の炉心管を内径Ｅが１８０ｍｍのものに交換し、実施例２と同様の光ファイバ母材を線引張力１００ｇｆ、線速１５００ｍ／ｍｉｎで線引した。線引きした光ファイバの非円率を５０ｋｍごとに測定したところ、その平均値は０．２１％であった。

なお、図４は、実施例１と比較例１における炉心管内の温度分布を示す図である。図４において、横軸は炉心管の上側端部を基準とした炉心管内の長手方向の位置を示し、縦軸はその位置での炉心管中心軸付近の温度を示している。また、曲線Ｃ１が実施例１の場合を示し、曲線Ｃ２が比較例１の場合を示している。図４に示すように、内径Ｅが１５０ｍｍである実施例１の場合は距離Ｌが２５０ｍｍであり、２Ｅ≧Ｌ≧１．５Ｅの条件を満たすものであった。これに対して、内径Ｅが１８０ｍｍである比較例１の場合は距離Ｌが２６５ｍｍであり、２Ｅ≧Ｌ≧１．５Ｅの条件を満たさなかった。

（比較例２）
本発明の比較例２として、石英系ガラスからなる光ファイバ母材を線引張力１００ｇｆ、線速１５００ｍ／ｍｉｎで線引した。なお、比較例２と同様に光ファイバ母材として直径Ｄが１５０ｍｍであり、光ファイバ母材の長手方向に５０ｍｍごとに測定した非円率の平均値が０．０８％であるものを用いた。また、炉心管については、実施の形態１と同様の構造を有し炉心管の内径Ｅが１８０ｍｍでありヒータ長ｌが２５０ｍｍであるが、ヒータの上端から炉心管の上端までの距離を短くしたので、距離Ｌが２３０ｍｍと短く、メニスカス開始位置がヒータの上端とほぼ同じ位置にあった。線引きした光ファイバの非円率を５０ｋｍごとに測定したところ、その平均値は、０．２５％であった。

ここで、実施例１と比較例１とにおける光ファイバ母材のメニスカス部の形状を比較した。図５は、実施例と比較例１とにおける光ファイバ母材のメニスカス部の形状を示す図である。なお、図５においては、横軸は炉心管の上側端部を基準とした炉心管内の長手方向の位置ｚを示し、左縦軸はその位置での光ファイバ母材の外径を示し、右縦軸は外径の変化率ｄＤ／ｄｚをメニスカス変化率として示す。また、曲線Ｃ３、Ｃ４がそれぞれ実施例１、比較例１の外径Ｄを示し、曲線Ｃ５、Ｃ６が実施例１、比較例１のメニスカス変化率ｄＤ／ｄｚを示す。図５から、メニスカス部の開始位置から変曲点までの距離Ｎを見積もると、直径Ｄが１２５ｍｍである実施例１では２００ｍｍであり、Ｎ≧１．５Ｄの関係が成り立っていた。これに対して、直径Ｄが１５０ｍｍである比較例１では距離Ｎは２２０ｍｍであり、Ｎ≧１．５Ｄの関係が成り立っていなかった。また、メニスカス部の長さは、実施例１では４９０ｍｍ、比較例１では５８０ｍｍであった。また、メニスカス変化率ｄＤ/ｄｚの絶対値はメニスカス部の変曲点で最大となるが、その値は実施例１では０．７０、比較例１では０．８２であった。

以上の結果から、実施例１のように、メニスカス変化率ｄＤ/ｄｚの絶対値の最大値が０．８以下である場合、また、光ファイバ母材の直径Ｄ（ｍｍ）と、光ファイバ母材のメニスカス部の開始位置から変曲点までの距離Ｎ（ｍｍ）との関係が、Ｎ≧１．５Ｄである場合に、非円率の小さい光ファイバが得られるとともに、メニスカス部の長さを短くでき、装置の小型化を実現できることが確認された。

なお、本発明に係る線引炉は、上記実施の形態１に限られず、さまざまな変形例が可能である。以下、実施の形態１の変形例について説明する。

（変形例１）
図６は、本発明の実施の形態１の変形例１に係る光ファイバの線引炉の模式な縦断面図である。図６に示すように、この線引炉２０は、線引炉１０と同様の炉体１１と、炉心管１２と、ヒータ１３と、断熱材１４と、母材挿入孔１５ａを有する上蓋１５と、光ファイバ引き出し孔１６ａを有する徐冷部１６とを備える。さらに、この線引炉２０は、ヒータ１３の上方に炉心管１２を囲繞するように配置した補助ヒータ２３を備えている。この補助ヒータ２３は、ヒータ１３と比較してその出力が小さく、たとえば炉心管１２内を最高温度１６００℃程度にするものであるため、きわめて簡易な構造をしており、発熱量の周方向での均一性が高いものとなっている。また、ヒータ１３とは断熱材１４で離隔されており、独立した制御が可能となっている。そして、この線引炉２０は、補助ヒータ２３を備えているために、炉心管１２の温度分布を規定する距離Ｌと炉心管１２の内径Ｅとの関係を容易に２Ｅ≧Ｌ≧１．５Ｅにすることができる。したがって、この線引炉２０を用いて破線で示す光ファイバ母材１の線引を行なった場合、非円率が小さい光ファイバ２を線引きできる。

（変形例２）
図７は、本発明の実施の形態１の変形例２に係る光ファイバの線引炉の模式な縦断面図である。図７に示すように、この線引炉４０は、線引炉１０の炉体１１よりも短い炉体３１ａと、炉心管３２と、線引炉１０と同様のヒータ１３と、断熱材１４と、母材挿入孔１５ａを有する上蓋１５と、光ファイバ引き出し孔１６ａを有する徐冷部１６とを備える。さらに、この線引炉４０は、炉体３１ａ外部の上蓋１５上に、ヒータ１３と同心円状に配置した炉体３１ｂとこれに収容された補助ヒータ３３を備えている。この補助ヒータ３３は、カンタルヒータ等の大気雰囲気中で使用できるとともにヒータ１３と比較してその出力が小さく、たとえば炉心管３２内を最高温度１６００℃程度にするものであるため、きわめて簡易な構造をしており、発熱量の周方向での均一性が高いものとなっている。したがって、この線引炉３０は、変形例１と同様に、炉心管３２の温度分布を規定する距離Ｌと炉心管３２の内径Ｅとの関係を容易に２Ｅ≧Ｌ≧１．５Ｅにすることができ、光ファイバ母材１から非円率が小さい光ファイバ２を線引きできる。

（変形例３）
図８は、本発明の実施の形態１の変形例３に係る光ファイバの線引炉の模式な縦断面図である。図８に示すように、この線引炉４０は、線引炉１０と同様の炉体１１と、ヒータ１３と、断熱材１４と、母材挿入孔１５ａを有する上蓋１５と、光ファイバ引き出し孔１６ａを有する徐冷部１６とを備える。また、炉心管４２は、炉心管１２と略同様であるが、ヒータ１３の上方にその管厚がヒータ１３の近傍の部分よりも厚い厚管部４２ａを有している。さらに、この線引炉４０は、ヒータ１３の上方に断熱材１４よりも熱伝導率の高い断熱材４４を備えている。したがって、この線引炉４０は、厚管部４２ａと断熱材４４との両方の効果により、変形例１、２と同様に、炉心管４２の温度分布を規定する距離Ｌと炉心管４２の内径Ｅとの関係を容易に２Ｅ≧Ｌ≧１．５Ｅにすることができ、光ファイバ母材１から非円率が小さい光ファイバ２を線引きできる。

（実施例３〜５）
実施例３〜５として、上記変形例１〜３と同様の構造を有し、炉心管の内径Ｅが１８０ｍｍである線引炉を用いて、石英系ガラスからなる直径Ｄが１５０ｍｍであり光ファイバ母材の長手方向に５０ｍｍごとに測定した非円率の平均値が０．０７％の光ファイバ母材を線引張力１００ｇｆ、線速１５００ｍ／ｍｉｎで線引した。図９は、実施例３〜５における距離Ｌ、距離Ｎ、メニスカス変化率の絶対値の最大値（ｄＤ／ｄｚ）ｍａｘ、線引きした光ファイバの非円率を５０ｋｍごとに測定した平均値を示す図である。図９に示すように、実施例３〜５のいずれも、（ｄＤ／ｄｚ）ｍａｘが０．８以下であり、Ｎ≧１．５Ｄであり、非円率が小さかった。

１光ファイバ母材
１ａメニスカス部
１ｂ開始位置
１ｃ変曲点
２光ファイバ
１０〜４０線引炉
１１、３１ａ、３１ｂ炉体
１２、３２、４２炉心管
１３ヒータ
１３ａ上端
１４、４４断熱材
１５上蓋
１５ａ母材挿入孔
１６徐冷部
１６ａ光ファイバ取り出し孔
２３、３３補助ヒータ
４２ａ厚管部
Ｃ１〜Ｃ５曲線
Ｐ１、Ｐ２位置

Claims

光ファイバ母材を収容する炉心管と、
前記炉心管を囲繞するように同心円状に配置し、該炉心管内を加熱する主発熱部と、
前記炉心管および前記主発熱部を収容する炉体と、
前記炉体内において前記主発熱部の外周に配置された第１断熱材と、
前記炉体内の前記主発熱部の上方において前記炉心管の外周に配置された、前記第１断熱材よりも熱伝導率が高い第２断熱材と、
を備え、前記炉心管の長手方向において最高温度となる最高温度位置と、該最高温度位置の該炉心管上方側に位置し、該最高温度より４００℃だけ低い温度となる基準位置との距離をＬ（ｍｍ）とし、前記炉心管の内径をＥ（ｍｍ）とすると、２Ｅ≧Ｌ≧１．５Ｅの関係が成り立つことを特徴とする光ファイバの線引炉。
前記主発熱部の上方に配置された補助発熱部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの線引炉。
前記炉心管は、前記主発熱部の上方において該主発熱部の近傍よりも管厚が厚い厚管部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバの線引炉。