JP5712848B2 - 光ファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ母材を線引きして光ファイバを製造する光ファイバの製造方法に関する。

光ファイバを製造する際、光ファイバの特性の一つであるカットオフ波長が光ファイバの長手方向において略均一になることが求められている。
光ファイバの製造方法として、光ファイバ母材の径方向の屈折率分布の長手方向変動を予め測定しておき、線引きの際に、ガラスファイバに生じている線引張力を測定しながら、線引張力の測定結果と光ファイバ母材の屈折率分布の長手方向変動の測定結果とに基づいて、ガラスファイバの径方向の屈折率分布の長手方向変動を抑制しつつガラスファイバのカットオフ波長が所定の値になるようにガラスファイバの線引張力を制御することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、光ファイバ母材の長手方向に複数箇所で、予め線引き後の光ファイバのカットオフ波長推定値を求めておき、線引き後の光ファイバのカットオフ波長が長手方向に所定の値になるように、線引き時にカットオフ波長推定値の変動に応じて長手方向に順次線引き張力を制御して線引きを行うことも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−３１４１１８号公報 特開平８−２１７４８１号公報

従来では、光ファイバ母材の長手方向の屈折率分布を測定し、屈折率分布よりカットオフ波長の長手方向変動を推定し、予め測定されている線引張力とカットオフ波長との相関関係、及び線引張力と被覆後張力との相関関係から適切な線引張力と被覆後張力を決定し、ガラスファイバのカットオフ波長が所定の一定値になるように制御している。

線引きしたガラスファイバに樹脂を被覆して光ファイバを製造する場合、外乱等により被覆径に変動が生じることがある。すると、光ファイバの外周面の面積も変動するため、被覆後張力が同じでも、ガラスファイバの線引張力が変動してしまう。また、実際に線引きされたガラスファイバからカットオフ波長を測定し、被覆後張力にフィードバックすると、カットオフ波長のデータが得られるまでの間に、ガイドローラや張力測定ローラなどの各種ローラが劣化することによってローラ抵抗が変動することがある。すると、被覆後張力と線引張力との関係にずれが生じることがあるが、このずれに基づいて被覆後張力をすぐに修正することは困難であった。

そして、上記のような被覆径の変動や各種ローラにおけるローラ抵抗の変動などの引き取り抵抗の変動によって被覆後張力が変動するため、これを一定になるように制御すると、線引張力が変動することになり、その結果カットオフ波長も変動し、品質低下を招いてしまうおそれがある。

本発明の目的は、カットオフ波長の変動を良好に抑制して高品質な光ファイバを製造することが可能な光ファイバの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできる本発明の光ファイバの製造方法は、線引炉で加熱され溶融された光ファイバ母材からガラスファイバを線引きし、前記ガラスファイバの周囲に樹脂を被覆して光ファイバを製造する光ファイバの製造方法であって、
予め測定した前記光ファイバ母材の長手方向の屈折率分布の変動に基づいてカットオフ波長の長手方向変動を予測するカットオフ波長予測処理と、
前記ガラスファイバの張力である線引張力と前記カットオフ波長との関係及び前記線引張力と前記光ファイバの張力である被覆後張力との関係に基づいて、線引き後の前記ガラスファイバのカットオフ波長が長手方向に一定となるような目標被覆後張力を決定する目標被覆後張力決定処理と、
前記被覆後張力が前記目標被覆後張力となるように、前記線引炉の炉温を制御する炉温制御処理とを含み、
前記目標被覆後張力決定処理の際に、前記光ファイバの被覆径の変動及び／またはローラ抵抗の変動に基づいて前記目標被覆後張力を補正する目標被覆後張力補正処理を行うことを特徴とする。

本発明の光ファイバの製造方法において、
前記目標被覆後張力を補正した補正目標被覆後張力Ｐ（ｇ）を、
Ｐ＝Ｐ０＋Ａ×（Ｄ−Ｄ０）
（但し、Ｐ０：補正前目標被覆後張力（ｇ）、Ａ：定数（ｇ／μｍ）、Ｄ：光ファイバの被覆径（μｍ）、Ｄ０：基準被覆径（μｍ））
からなる補正式から導き出すことが好ましい。

本発明の光ファイバの製造方法において、
前記光ファイバを最初にガイドする直下ローラの上流側の上流側張力Ｆ１及び前記直下ローラの下流側で前記被覆後張力を測定する張力測定ローラの下流側の下流側張力Ｆ２を測定し、
前記目標被覆後張力を補正した補正目標被覆後張力Ｔ（ｇ）を、
Ｔ＝Ｔ０＋Δ（Ｆ２−Ｆ１）
（但し、Ｔ０：補正前目標被覆後張力（ｇ）、Δ（Ｆ２−Ｆ１）：Ｆ２とＦ１の差分値の前回測定時からの変動（ｇ））
からなる補正式から導き出すことが好ましい。

本発明によれば、光ファイバの被覆径の変動や光ファイバを下流側へ導く各種のローラのローラ抵抗の変動等によって変動する光ファイバの引き取り抵抗の変動に基づいて目標被覆後張力をきめ細かく補正することができる。これにより、カットオフ波長の変動を良好に抑制して高品質な光ファイバを製造することができる。

本発明に係る光ファイバの製造方法を実施する装置の一実施形態を示す概略構成図である。 光ファイバの被覆後張力とガラスファイバのカットオフ波長との相関関係を示すグラフである。 光ファイバの被覆径と被覆後張力との相関関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る光ファイバの製造方法の実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
まず、本発明の光ファイバの製造方法によって光ファイバを製造する製造装置の例について説明する。
図１に示すように、製造装置１は、光ファイバ母材２を線引きしてガラスファイバ３を形成するとともに、そのガラスファイバ３の外周に樹脂を被覆して光ファイバ４を製造する装置である。

製造装置１は、母材送り装置１１、線引炉１２、樹脂塗布装置１３、紫外線照射装置１５，１６、直下ローラ１７、キャプスタン１８、ガイドローラ２６，２７、ダンサローラ１９及び巻取りドラム２０を有する。
母材送り装置１１は、光ファイバ母材２を保持し、光ファイバ母材２を線引炉１２内に配置する。線引炉１２は、光ファイバ母材２の一端部を加熱して溶融させるための装置である。光ファイバ母材２の溶融した一端側を下方に線引きすることで、ガラスファイバ３が形成される。

樹脂塗布装置１３及び紫外線照射装置１５，１６は、ガラスファイバ３の線引方向において線引炉１２の下流に配置されている。樹脂塗布装置１３は、ガラスファイバ３の外周に紫外線硬化型の樹脂を塗布する。紫外線照射装置１５，１６は、樹脂塗布装置１３によって塗布された樹脂に紫外線を照射して硬化させて第１，第２の被覆層を形成し、光ファイバ４を形成する。なお、ここでは、２層の被覆層となる樹脂を一つの樹脂塗布装置で塗布するデュアル方式を例に説明したが、一層ずつ各々の樹脂塗布装置で塗布して硬化させるタンデム方式であってもよい。

キャプスタン１８は、ベルト１８ａとローラ１８ｂとを含んで構成されており、ベルト１８ａをローラ１８ｂに押し付け、ローラ１８ｂを回転させ、ベルト１８ａとローラ１８ｂとの間に光ファイバ４を挟みこむことにより光ファイバ４を引き取ってダンサローラ１９及び巻取りドラム２０に送り出す。キャプスタン１８に引き取られる光ファイバ４は、光ファイバ４を最初にガイドする直下ローラ１７により走行方向が変えられる。キャプスタン１８から送り出される光ファイバ４は、ダンサローラ１９で弛みが取り除かれ、巻取りドラム２０に巻き取られる。

製造装置１は、ガラスファイバ外径測定装置２１、線引張力測定装置２２、被覆後外径測定装置２３及び被覆後張力測定装置２４を更に有する。ガラスファイバ外径測定装置２１は、線引炉１２と樹脂塗布装置１３との間に配置されており、ガラスファイバ３の外径を測定する。被覆後外径測定装置２３は、紫外線照射装置１６と直下ローラ１７との間に配置されており、被覆後の光ファイバ４の外径を測定する。ガラスファイバ外径測定装置２１及び被覆後外径測定装置２３は、例えば、レーザ光を用いた非接触式の測定装置である。

線引張力測定装置２２は、ガラスファイバ外径測定装置２１と樹脂塗布装置１３との間に配置されている。線引張力測定装置２２は、線引きの際にガラスファイバ３に生じている線引張力を測定する。

線引張力測定装置２２には、一般的に接触式張力計が用いられることが多い。接触式張力計は、安価であり、測定精度が高いという利点がある一方、ガラスファイバ３に傷をつけることになるので、一般的に良好部を製造している間は、張力を測定することができない。接触式張力計以外にも、ガラスファイバ３の側方から円偏光の光を照射し、偏光状態の変化から、ガラスファイバ３に生じている線引張力の大きさを測定する方法もあるが、接触式張力計に比べ高価であり、測定精度も落ちる。このため、線引張力を直接測定する代わりに、以下で述べる被覆後張力を測定し、この被覆後張力から線引張力を求めることが多い。本実施形態では、線引張力測定装置２２として、接触式張力計、光学式張力計のどちらを使用してもよい。

被覆後張力測定装置２４は、直下ローラ１７とキャプスタン１８との間に配置されている。被覆後張力測定装置２４は、被覆後の光ファイバ４に生じている被覆後張力を測定する。
被覆後張力測定装置２４は、光ファイバ４に接触された張力測定ローラ２４ａを備えている。被覆後張力測定装置２４は、張力測定ローラ２４ａの中心軸に取り付けられており、光ファイバ４に生じている張力によって張力測定ローラ２４ａに加えられる力を測定する。そして、この力から光ファイバ４に生じている被覆後張力を求める。この被覆後張力は、線引張力に応じて変化し、線引張力と被覆後張力との間には比例関係が成立する。

製造装置１は、制御装置２５を更に有する。制御装置２５は、線引炉１２、ガラスファイバ外径測定装置２１、線引張力測定装置２２、被覆後外径測定装置２３、被覆後張力測定装置２４及びキャプスタン１８等に電気的に接続されている。制御装置２５には、ガラスファイバ外径測定装置２１、線引張力測定装置２２、被覆後外径測定装置２３、被覆後張力測定装置２４等の測定結果が入力される。

次に、光ファイバ４を製造する場合について説明する。
まず、線引き開始前に、光ファイバ母材２の長手方向の複数箇所において径方向の屈折率分布をプリフォームアナライザで予め測定しておく。例えば、光ファイバ母材２の屈折率分布は測定箇所によってわずかに異なり、これにより光ファイバ母材２の屈折率分布の長手方向の変動がわかる。この測定の結果を制御装置２５に入力する。

次に、光ファイバ母材２を母材送り装置１１に設置し、線引炉１２内に配置する。線引炉１２によって光ファイバ母材２の一端が加熱されて溶融され、引っ張られてガラスファイバ３が線引きされて形成される。

線引きが開始されると、ガラスファイバ３の外径がガラスファイバ外径測定装置２１で測定される。線引張力測定装置２２が接触式張力計である場合は上記のように良好部の製造時には通常使用しないが、その後、必要に応じ、線引張力測定装置２２によって線引張力を測定し、必要に応じて制御装置２５に入力される。

線引張力測定装置２２を通過したガラスファイバ３は、樹脂塗布装置１３及び紫外線照射装置１５，１６を順に通過する。これにより、ガラスファイバ３上に被覆層が形成され、ガラスファイバ３上に２層の被覆層を有する光ファイバ４が得られる。この光ファイバ４の外径が被覆後外径測定装置２３で測定される。被覆後外径測定装置２３を通過した光ファイバ４は、直下ローラ１７、被覆後張力測定装置２４、キャプスタン１８、ガイドローラ２６，２７及びダンサローラ１９を経て巻取りドラム２０に巻き取られる。

上記のように、光ファイバ母材２からガラスファイバ３を線引きして光ファイバ４を製造する際に、制御装置２５は、予め測定しておいた光ファイバ母材２の長手方向の屈折率分布の変動に基づいて、カットオフ波長の長手方向変動を予測するカットオフ波長予測処理を行う。

また、制御装置２５は、線引きされるガラスファイバ３の線引張力とカットオフ波長との関係、及び線引張力と光ファイバ４に押し付けられる張力測定ローラ２４ａの荷重から求められる光ファイバ４の張力である被覆後張力との関係に基づいて、線引き後のカットオフ波長が長手方向に一定となるような目標被覆後張力を決定する目標被覆後張力決定処理を行う。

そして、制御装置２５は、被覆後張力が目標被覆後張力となるように、線引炉１２の炉温を制御する炉温制御処理を行う。

また、制御装置２５は、目標被覆後張力決定処理の際に、張力測定ローラ２４ａ及び直下ローラ１７のそれぞれのローラ抵抗の変動及び光ファイバ４の被覆径の変動による光ファイバ４の引き取り抵抗の変動に基づいて目標被覆後張力を補正する目標被覆後張力補正処理を行う。

この目標被覆後張力補正処理において、まず被覆径の変動による光ファイバ４の引き取り抵抗の変動を補正するため、制御装置２５は、次式（１）に基づいて目標被覆後張力を補正した補正目標被覆後張力Ｐを算出する。

Ｐ＝Ｐ０＋Ａ×（Ｄ−Ｄ０）…（１）
但し、
Ｐ０：補正前目標被覆後張力（ｇ）
Ａ：被覆径変動と被覆後張力との相関から導き出される定数（ｇ／μｍ）
Ｄ：光ファイバの被覆径（μｍ）
Ｄ０：基準被覆径（μｍ）

制御装置２５は、被覆後張力が、算出した補正目標被覆後張力Ｐとなるように、線引炉１２の炉温を制御する。そして、例えば光ファイバ４の被覆径が単に増加しただけの場合は、目標被覆後張力が高くなるため、結果的に線引炉１２の炉温を変化させず（被覆径による補正をしない場合には、被覆後張力が高くなるので、炉温を下げる制御を行うことになる）、光ファイバ４の被覆径が単に減少しただけの場合は、目標被覆後張力が低くなるため、同様に炉温を変化させないことになる。これにより、光ファイバ４の被覆径の変動による線引張力の変動を抑え、カットオフ波長への影響を極力抑えることができる。

次に、制御装置２５は、ハンディタイプの張力計などで測定した直下ローラ１７の上流側の上流側張力Ｆ１及び張力測定ローラ２４ａの下流側の下流張力Ｆ２により、次式（２）に基づいて、これらの上流側張力Ｆ１及び下流側張力Ｆ２から目標被覆後張力を補正した補正目標被覆後張力Ｔを算出する。

Ｔ＝Ｔ０＋Δ（Ｆ２−Ｆ１）…（２）
但し、
Ｔ０：補正前目標被覆後張力（ｇ）
Δ（Ｆ２−Ｆ１）：Ｆ２とＦ１の差分値の前回測定時からの変動（ｇ）

制御装置２５は、被覆後張力が、算出した補正目標被覆後張力Ｔとなるように、線引炉１２の炉温を制御する。そして、例えばローラ抵抗が増加した場合は、目標被覆後張力を予め高く設定し、ローラ抵抗が減少した場合は、目標被覆後張力を予め低く設定しておく。これにより、直下ローラ１７や張力測定ローラ２４ａなどの各種のローラのローラ抵抗の変動による線引張力の変動を抑え、カットオフ波長への影響を極力抑えることができる。

このように、上記実施形態に係る光ファイバの製造方法によれば、光ファイバ４の被覆径の変動または直下ローラ１７や張力測定ローラ２４ａなどの各種のローラのローラ抵抗の変動等によって変動する光ファイバ４の引き取り抵抗に基づいて目標被覆後張力をきめ細かく補正することができる。これにより、カットオフ波長の変動を良好に抑制して高品質な光ファイバ４を製造することができる。

次に、補正処理を行って光ファイバ４を製造する場合の具体例について説明する。
（光ファイバの製造）
母材径１００ｍｍの光ファイバ母材２を用い、ガラスファイバ３の目標径を１２５μｍ、光ファイバ４の基準被覆径（目標径）を２４５μｍとし、線速１０００ｍ／分でガラスファイバ３を線引きして光ファイバ４を製造する。

上記のように光ファイバ４を製造すると、被覆後張力と線引張力との関係は、一般的に略比例関係となる。
また、カットオフ波長λｃと被覆後張力との関係も、図２に示すように、一般的に略比例関係となる。

図３は、光ファイバ４の被覆径と被覆後張力との関係を示している。図３に示すように、線引張力が同じであっても、目標径２４５μｍに対して、被覆径が細くなれば、被覆後張力も小さくなり、被覆径が太くなれば、被覆後張力も大きくなる。

（補正の仕方）
被覆径と被覆後張力との相関については、図３に示すように一般的に略比例関係となる。図３の場合、被覆径が１μｍ変動すると被覆後張力も１ｇ変動しており、被覆径変動と被覆後張力との相関から導き出される定数Ａは、略Ａ＝１（ｇ／μｍ）となる。

これにより、例えば補正前目標被覆後張力Ｐ０を２００ｇとして基準被覆径Ｄ０が２４５μｍの光ファイバ４を製造する際に、実際の被覆後張力が２１０ｇで被覆径Ｄが２４４μｍであった場合、補正目標被覆後張力Ｐは、上式（１）に基づいて、
Ｐ＝Ｐ０＋Ａ（Ｄ−Ｄ０）
＝２００＋１×（２４４−２４５）
＝１９９ｇ
となる。

そして、制御装置２５は、目標被覆後張力を２００ｇから１９９ｇの補正目標被覆後張力Ｐに補正し、実際の被覆後張力２１０ｇに対して１１ｇ減少させた被覆後張力１９９ｇになるように、線引炉１２の炉温を変更する。

また、制御装置２５は、直下ローラ１７及び張力測定ローラ２４ａの変動分を、そのまま目標被覆後張力に反映させる補正を行う。

ここで、直下ローラ１７の上流側の上流側張力Ｆ１及び張力測定ローラ２４ａの下流側の下流側張力Ｆ２の測定値を、前回の測定値と比較し、その差分値Δ（Ｆ２−Ｆ１）を求める。

例えば、上流側張力Ｆ１が２１５ｇから２１４ｇに変動し、下流側張力Ｆ２が２３０ｇから２３２ｇに変動した場合、差分値は、Δ（Ｆ２−Ｆ１）＝（２３２−２３０）−（２１４−２１５）＝２−（−１）＝３ｇとなる。

したがって、この場合、補正前目標被覆後張力Ｔ０を２００ｇとすると、補正目標被覆後張力Ｔは、上式（２）に基づいて、
Ｔ＝Ｔ０＋Δ（Ｆ２−Ｆ１）
＝２００＋３
＝２０３ｇ
となる。

そして、制御装置２５は、目標被覆後張力を、２００ｇから２０３ｇの補正目標被覆後張力Ｔに補正し、線引炉１２の炉温を変更する。

（補正後のばらつき）
上記の補正処理を行って光ファイバ４を製造した結果、ガラスファイバ３のカットオフ波長は、非補正時で標準偏差σ＝０．０１５１μｍであったものが、本実施形態による補正を行ったことにより、標準偏差σ＝０．００７８μｍとなり、カットオフ波長のばらつきを半減させることができた。

２：光ファイバ母材、３：ガラスファイバ、４：光ファイバ、１２：線引炉、１７：直下ローラ、２４ａ：張力測定ローラ、Ａ：定数、Ｄ：被覆径、Ｄ０：基準被覆径、Ｆ１：上流側張力、Ｆ２：下流側張力、Ｐ，Ｔ：目標被覆後張力、Ｐ０：補正前目標被覆後張力、Ｔ０：補正前目標被覆後張力、Δ（Ｆ２−Ｆ１）：Ｆ２とＦ１の差分値の前回測定時からの変動

Claims (3)

1. 線引炉で加熱され溶融された光ファイバ母材からガラスファイバを線引きし、前記ガラスファイバの周囲に樹脂を被覆して光ファイバを製造する光ファイバの製造方法であって、
   予め測定した前記光ファイバ母材の長手方向の屈折率分布の変動に基づいてカットオフ波長の長手方向変動を予測するカットオフ波長予測処理と、
   前記ガラスファイバの張力である線引張力と前記カットオフ波長との関係及び前記線引張力と前記光ファイバの張力である被覆後張力との関係に基づいて、線引き後の前記ガラスファイバのカットオフ波長が長手方向に一定となるような目標被覆後張力を決定する目標被覆後張力決定処理と、
   前記被覆後張力が前記目標被覆後張力となるように、前記線引炉の炉温を制御する炉温制御処理とを含み、
   前記目標被覆後張力決定処理の際に、前記光ファイバの被覆径の変動及び／またはローラ抵抗の変動に基づいて前記目標被覆後張力を補正する目標被覆後張力補正処理を行うことを特徴とする光ファイバの製造方法。
2. 請求項１に記載の光ファイバの製造方法であって、
   前記目標被覆後張力を補正した補正目標被覆後張力Ｐ（ｇ）を、
   Ｐ＝Ｐ０＋Ａ×（Ｄ−Ｄ０）
   （但し、Ｐ０：補正前目標被覆後張力（ｇ）、Ａ：定数（ｇ／μｍ）、Ｄ：光ファイバの被覆径（μｍ）、Ｄ０：基準被覆径（μｍ））
   からなる補正式から導き出すことを特徴とする光ファイバの製造方法。
3. 請求項１に記載の光ファイバの製造方法であって、
   前記光ファイバを最初にガイドする直下ローラの上流側の上流側張力Ｆ１及び前記直下ローラの下流側で前記被覆後張力を測定する張力測定ローラの下流側の下流側張力Ｆ２を測定し、
   前記目標被覆後張力を補正した補正目標被覆後張力Ｔ（ｇ）を、
   Ｔ＝Ｔ０＋Δ（Ｆ２−Ｆ１）
   （但し、Ｔ０：補正前目標被覆後張力（ｇ）、Δ（Ｆ２−Ｆ１）：Ｆ２とＦ１の差分値の前回測定時からの変動（ｇ））
   からなる補正式から導き出すことを特徴とする光ファイバの製造方法。

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