JP5907177B2 - 光ファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ用ガラス母材を加熱溶融しながら光ファイバを線引きする光ファイバの製造方法に関する。

光ファイバは、専用の線引炉を用いて光ファイバ用のガラス母材（以下、ガラス母材という）を加熱溶融してガラスファイバを線引きし、その外面に保護被覆を施して製造される。線引炉は、炉筐体内にガラス母材が挿入される炉心管を配し、炉心管の外部に配された加熱装置で炉心管を加熱し、加熱溶融されたガラス母材下端からガラスファイバを垂下させ、炉心管の下方出口から引出すように構成されている。炉心管には、通常、耐熱性のあるカーボンが用いられるが、該炉心管の酸化を防ぐ、等のために炉心管内には、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの希ガスや窒素（Ｎ_２）などのガス（以下、不活性ガス等という）が送り込まれる。

炉心管内に送り込まれた不活性ガス等は、多くの場合、炉心管の上方から下方に向かって流れる場合が多く、その場合、ガラス母材から線引きされたガラスファイバと共に、炉心管の下方から外部に放出される。太径のガラス母材を用いた線引きでは、ガラス母材のネックダウン周辺での空間が大きくなり、この空間部分を流れるガスの温度分布が不均一となるため、線引きされるガラスファイバ径の変動が大きくなりやすい。ガラスファイバ径の変動が大きくなると、コネクタ接続時に接続ロスが大きくなるなどの不具合が生じる。このため、不活性ガス等として熱伝導性の良いＨｅガスを用い、温度分布の均一化を図ることでガラスファイバの径変動を抑制する方法が用いられたりする。また、炉心管の下部に保護管（下煙突若しくは下部延長管ともいう）を設けて、線引直後のガラスファイバを外気から隔離して外気の乱れによるガラスファイバの径変動を抑制している。

しかし、Ｈｅガスは熱伝導率が良いため、保護管内でＨｅガスを用いると、ガラスファイバは急冷される。加熱溶融されたガラスファイバは、その熱エネルギーによりガラス内の原子や分子が振動して配列が乱雑になっており、乱雑状態にある原子や分子は、ガラスが冷却される過程で再配列によりガラスの構造緩和が進行し、所定の温度で平衡して凍結され固化される。ガラス構造の乱雑さの指標となる平衡温度は仮想温度とも言われ、ガラスの冷却がゆっくり行われる場合は、ガラス内の原子や分子の乱雑状態が比較的に緩和され、仮想温度が低温側に移動する。他方、ガラスが急冷されると、ガラス内の原子や分子の再配列が乱雑状態のまま凍結固化され、仮想温度は高温側に移動する。
上記したように、Ｈｅガスを用いると、線引直後の加熱溶融状態にあるガラスファイバが、保護管内で熱伝導率の良いＨｅガスによって急冷されるため、ガラス内の原子や分子が乱雑状態で凍結されることから、仮想温度は高い状態となっており、光ファイバのレイリー散乱強度を低減することができず、伝送損失が大きくなると言われている。

上記の事象に対応するため、例えば、特許文献１には、炉心管の出口近傍と保護管との間に、Ｈｅガスに熱伝導率の低いガスを混合させたガス混在層を設けて、ガラスファイバの急冷を抑制することが開示されている。
また、特許文献２には、線引きされたガラスファイバを徐冷部に導入し、温度調節用のＡｒガスで常温または加熱して、ガラスファイバを徐冷することが開示されている。
また、特許文献３には、ガラス母材からガラスファイバを引き出す際に、熱処理（徐冷）を施して仮想温度を所定範囲にすると共に、ガラスファイバの残留応力（引張応力）をクラッド層の内側から外側に向けて低減させて、径方向分布差を小さくして伝送損失を小さくすることが開示されている。

特許第４３５６１５５号公報 特開２００３−１７６１４９号公報 特許第４６６３２７７号公報

情報化社会の進展により、汎用的な光ファイバ（シングルモード光ファイバ）の用途は、長距離の光信号伝送から比較的に短距離の宅内への引き落とし、宅内のＬＡＮ形成など多岐にわたる。これに伴う光ファイバの接続には、光コネクタが多用されており、特に多心の光コネクタの使用が増加している。この多心光コネクタへの光ファイバ付けは、コネクタ成形体に高精度で形成されたファイバ挿入孔に、ガラスファイバを挿着することによって行われる。この場合、ガラスファイバ径が大きい場合は挿着が不可となり、ガラスファイバ径が小さい場合は挿入孔の中心位置がずれて、接続損失不良が生じる。すなわち、多心光コネクタ付けに対して、使用する光ファイバのガラスファイバの径変動が大きいと、製造上の歩留まり低下や接続損失の増加という問題が顕在化してくる。

光ファイバのガラスファイバの径変動を小さくするには、上述したようにガラス母材から線引きする工程で、Ｈｅガスの使用が必要とされる。しかし、Ｈｅガスは、ＡｒガスやＮ_２ガス等の他の不活性ガス等と較べて、極めて高価で光ファイバの製造コストを押し上げる大きな要因となっている。これ対して、Ｈｅガスを回収し再使用する提案もあるが、設備が大掛かりで、初期投資やランニングコストの面で合理的ではない。
また、伝送損失を小さくするには、線引直後のガラスファイバを徐冷することが必要とされるが、特許文献１〜３に示すように、徐冷のためのガス供給装置や加熱手段の設置も、初期投資やランニングコストがかかるうえに、条件設定や調整の手間もかかるという問題がある。

本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、安価な不活性ガス等の使用と、安価な補助装置で、ガラスファイバの径変動を抑制しつつ伝送損失の増加を少なくした光ファイバの製造方法を提供することを目的とする。

本発明による光ファイバの製造方法は、光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管と、炉心管の外部に配され、炉心管を外側から加熱する加熱手段とを備え、光ファイバ用ガラス母材を加熱溶融させながら光ファイバを線引きして、炉心管の下部の導出口から外部に導出させて光ファイバを製造するものである。
炉心管内に送り込むガスにアルゴンまたは窒素５０％以上を含有するガスを用い、炉心管の下部に、その上部が長さＤｂ（ｍｍ）の断熱材で囲われた断熱材領域と、その下部が断熱材で囲われていない非断熱材領域と、からなる長さＤａ（ｍｍ）の保護管を設ける。そして、光ファイバの線引速度をＶ（ｍ／分）としたときに、前記のＤａ及びＤｂの長さを、「Ｖ／Ｄａ≦１.２ 且つ Ｖ／Ｄｂ≦２.３」を満たすように設定し、保護管出口におけるガラスファイバ温度を１７００℃以下になるように、及び、保護管出口におけるガラスファイバの外径が目標ガラスファイバ外径から＋６μｍ以下の範囲内に入るようにする。

また、炉心管内に送り込むガスにアルゴンまたは窒素８５％以上を含有するガスを用い、炉心管の下部に、その上部が長さＤｂ（ｍｍ）の断熱材で囲われた断熱材領域と、その下部が断熱材で囲われていない非断熱材領域と、からなる長さＤａ（ｍｍ）の保護管を設け、光ファイバの線引速度をＶ（ｍ／分）としたときに、前記のＤａ及びＤｂの長さを、「Ｖ／Ｄａ≦１.２ 且つ Ｖ／Ｄｂ≦７.７」を満たすように設定し、保護管出口におけるガラスファイバ温度を１７００℃以下になるように、及び、保護管出口におけるガラスファイバの外径が目標ガラスファイバ外径から＋６μｍ以下の範囲内に入るようにする。

また、上記の構成のうちで、「Ｖ／Ｄａ≦１.０」であり、保護管の出口におけるガラスファイバの温度が１６５０℃以下であり、保護管の出口におけるガラスファイバの外径が目標ガラスファイバ外径から＋１.６μｍ以下の範囲内に入るようにすると、なお好ましい。
また、保護管内におけるグラスホフ数Ｇｒをレイノルズ数Ｒｅの２乗で除した値が、１以下となるようにするのが好ましい。

上記の方法で製造された光ファイバは、ガラスファイバ径の変動が±０.４μｍ以下若しくは±０.１５μｍ以下であり、光ファイバの１１２０ｃｍ^−１近傍の反射スペクトルが１１１９.８３ｃｍ^−１以上にピークをもつ、若しくは、２２５０ｃｍ^−１近傍の吸収スペクトルが２２４８.５４ｃｍ^−１以上にピークをもっている。
また、上記の方法で製造された光ファイバの残留応力が径方向内側から外側に向かって単調増加すると共に、前記の区間の引張応力分布を直線近似したときの勾配が、＋０.０ＭＰａ／μｍ〜＋０.５ＭＰａ／μｍであるのが好ましい。なお、本発明は特に、線引速度が速い場合（例えば線引速度１０００ｍ/分以上）に適しており、生産性の高い光ファイバを、低コストで且つ品質を保持したまま、得ることができる。

本発明によれば、高価なＨｅガスの使用を低減でき、また、線引きされたガラスファイバを徐冷するための特別な装置を用いなくても、ガラスファイバの径変動が少なく、しかも伝送損失を所定値以下とした光ファイバを得ることができる。

本発明の光ファイバの製造に用いる線引炉の一例を説明する図である。 熱伝導率のＨｅガス中のＡｒガス濃度依存性を示す図である。 ガラスファイバ温度とガラスファイバの径変動、保護管出口におけるガラスファイバ外径値の関係を示す図である。 本発明によるガラスファイバの残留応力について説明する図である。 本発明の評価結果を示す図である。

図１により、本発明の光ファイバの製造方法と該製造方法に用いる製造装置の概略を説明する。なお、以下ではヒータにより炉心管を加熱する抵抗炉を例に説明するが、コイルに高周波電源を印加し、炉心管を誘導加熱する誘導炉にも、本発明は適用可能である。
図において、１０は線引炉、１１は光ファイバ用ガラス母材（ガラス母材）、１１ａはガラス母材下端部、１２はガラスファイバ、１３は炉心管、１４は炉筐体、１５はヒータ、１６，１８は断熱材、１７は保護管、１７ａは断熱材領域、１７ｂは非断熱材領域、を示す。

光ファイバの線引きは、図１に示すように、吊下げ支持される光ファイバ用ガラス母材１１（以下、ガラス母材という）の下部を加熱溶融することによりガラス母材下端部１１ａからガラスファイバ１２を溶融垂下させ、所定のガラスファイバ径となるように線引きして行われる。このための光ファイバ線引炉１０は、ガラス母材１１が挿入供給される炉心管１３を囲むようにして、加熱用のヒータ１５を配し、このヒータ１５の熱が外部に放散されないようにカーボンフェルトや、カーボン製成型断熱材等、カーボン製の断熱材１６で囲い、その外側全体を炉筐体１４で囲って構成される。

ガラス母材１１は、吊り機構（図示省略）により吊り下げ支持され、光ファイバの線引き進行にしたがって下方に順次移動制御される。炉筐体１４は、ステンレス等の耐食性に優れた金属で形成され、中心部に高純度のカーボンで形成された後述する円筒状の炉心管１３が配される。炉心管１３の酸化・劣化を防ぐために、炉心管１３内には、アルゴン、ヘリウム、窒素等の不活性ガス等が流し込まれ、この不活性ガス等は、ガラス母材１１と炉心管１３の隙間を通って、その大部分は線引炉１０の下方に炉心管１３を延長する形態で設けた保護管１７を介して、線引されたガラスファイバ１２と共に外部に放出される。

保護管１７は、加熱軟化しているガラスファイバ１２の急冷を緩和すると同時にある程度冷却硬化させてガラスファイバの径変動を抑える機能を有している。なお、保護管１７の下端にシャッター等が設けられる場合もある。この保護管１７は、炉心管と同様なカーボン、若しくはステンレス等の金属で形成されるが、炉心管１３とは分割することもでき、炉心管１３の下端に連結するようにして設置される。

本発明においては、上記構成の線引炉１０を用いて光ファイバを線引きするに際して、炉心管１３内に流す不活性ガス等として、ＡｒまたはＮ_２ガスが５０％以上、若しくは８５％以上含有するガスを用いる。すなわち、ＡｒまたはＮ_２ガスが１００％であってもよく、ＨｅガスとＡｒまたはＮ_２ガスの混合ガスを用いる場合においても、ＡｒまたはＮ_２ガスを５０％以上、若しくは８５％以上含有するガスを用いている。
ＡｒまたはＮ_２ガスの使用により、Ｈｅガスを１００％使用する場合に比べて、ガラス母材１１の下端部１１ａから溶融垂下するガラスファイバ１２の急冷を抑制し、ガラスファイバの構造緩和を進めやすくすることが可能となる。

ガラスファイバの構造緩和を進めるには、ＡｒまたはＮ_２ガス５０％以上としたときに効果的で、特許文献１、２に開示のように、炉心管１３の出口付近で徐冷のための温度調整用ガス等を導入する必要がなくなる。この結果、ガラスファイバに対して別口からのガス導入による淀みや干渉が生じるのをなくし、ガラスファイバ振動やガラスファイバ径変動を起こす要因を排除することができる。また、価格的に高価なＨｅガスの使用を５０％以上減らすことができ、コスト面での効果も顕著となる。
なお、ＡｒまたはＮ_２ガスの割合を上げて８５％以上とすることで、さらにガラスファイバの構造緩和を進めることができ、且つコストも削減できる。

線引炉１０の下方に設けた保護管１７の上部側（上流側）は、断熱材１８で囲ってここからの放熱を抑制し、線引直後のガラスファイバの温度が急冷するのを緩和するようにする。この断熱材１８で覆われた範囲を断熱材領域１７ａとすると、この断熱材領域１７ａ内で、ガラスファイバ１２の温度が１８００℃以下になるまで保持されていることが好ましい。これにより、ガラスが冷却される過程でのガラスファイバの構造緩和を進行させやすくすることができる。

なお、不活性ガス等におけるＡｒまたはＮ_２ガスの割合が高いほどガラスファイバの構造緩和を進めることができるので、ＡｒまたはＮ_２ガスの割合が高いほど断熱材領域１７ａを短くすることが可能となる。
図２は、一例として熱伝導率のＨｅガス中のＡｒガス濃度依存性のグラフを示し、このグラフから、Ａｒガスの割合が高くなるほど熱伝導率が低くなり、ガラスファイバの温度が急冷するのを緩和することが分かる。

断熱材領域１７ａの下方側（下流側）は、断熱材なしの非断熱材領域１７ｂ（保護管の下端位置まで）を設けて、構造緩和後のガラスファイバ１２の冷却を上部側よりも促進させる。すなわち、ガラス構造が固定化されたガラスファイバは、それ以降の冷却をある程度速やかに行い、設備高さ（保護管の長さ）があまりにも高くなりすぎないように、抑制するのが好ましい。
しかし、ＡｒまたはＮ_２ガスの使用と保護管１７の断熱材領域１７ａを設けることで、出口側のガラスファイバ外径の縮径が鈍って、保護管１７の出口での外径が、目標値（最終外径）に対して所定値以上に大きくなっていると、ガラスファイバの径変動も増加する。

つまり、保護管１７の出口から導出されたガラスファイバは、外気に直接曝されることから、ガラスファイバ外径は目標外径の＋６μｍ以下、好ましくは＋１.６μｍ以下、さらに好ましくは＋０.２μｍ以下まで縮径されている必要がある。このためには、非断熱材領域１７ｂ内でガラスファイバ１２の温度が、１７００℃以下、好ましくは１６５０℃以下、さらに好ましくは１５００℃以下に達するように冷却されているのが好ましい。ガラスファイバの温度が高くなるにつれて、図３（Ａ）に示すように、ガラスファイバの径変動が大きくなる傾向が見られ、また、図３（Ｂ）に示すように、ガラスファイバ径の目標値を１２５μｍとしたとき、保護管１７の出口における外径値は、目標値より大きくなる傾向が見られる。
なお、線引炉出口でのガラスファイバ温度の測定は、赤外線センサー等で測定することができ、ガラスファイバ径はレーザ外径測定器等を用いて測定することができる。

ガラスファイバ温度を上記した所定の温度とするための保護管及び断熱材領域の長さは、線引きされるガラスファイバの線速Ｖ（ｍ／分）に依存し、線速が速いほど長くする必要がある。保護管の長さをＤａ（ｍｍ）、断熱材領域の長さをＤｂ（ｍｍ）としたとき、炉心管内に送り込むガスにアルゴンまたは窒素５０％以上を含有するガスを用いた場合は、Ｖ／Ｄａ≦１.２ 且つ Ｖ／Ｄｂ≦２.３となるようにするのが好ましい。この式を当てはめると、線引速度を、例えば、１０００（ｍ／分）とすると、Ｄａ≧８３３ｍｍ、Ｄｂ≧４３５ｍｍとなる。
なお、Ｖ／Ｄａ≦１.０ 且つ Ｖ／Ｄｂ≦２.３となるようにするのがさらに好ましく、この式を当てはめると、線引速度を、例えば、１０００（ｍ／分）とすると、Ｄａ≧１０００ｍｍ、Ｄｂ≧４３５ｍｍとなる。

また、炉心管内に送り込むガスにアルゴンまたは窒素８５％以上を含有するガスを用いた場合は、Ｖ／Ｄａ≦１.２ 且つ Ｖ／Ｄｂ≦７.７となるようにするのが好ましい。この式を当てはめると、線引速度を、例えば、１０００（ｍ／分）とすると、Ｄａ≧８３３ｍｍ、Ｄｂ≧１３０ｍｍとなる。
なお、Ｖ／Ｄａ≦１.０ 且つ Ｖ／Ｄｂ≦７.７となるようにするのがさらに好ましく、この式を当てはめると、線引速度を、例えば、１０００（ｍ／分）とすると、Ｄａ≧１０００ｍｍ、Ｄｂ≧１３０ｍｍとなる。

保護管１７の断熱材領域１７ａは、保護管１７の外周に断熱材１８を配して形成することができる。断熱材１８は、線引炉のヒータ１５を覆う断熱材１６と同じものを用いることができ、ヒータ１５で熱せられた保護管１７の熱が外部に放熱されるのを抑制する。この断熱材領域１７ａは、ガラス母材１１の下端部１１ａから溶融垂下されたガラスファイバ１２が急冷するのを緩和し、ガラスファイバの構造緩和を進行させることができる。したがって、この断熱材領域１７ａに、従来のように、別途ＡｒまたはＮ_２ガスを流し込んだり、加熱装置で加熱したりしなくてもよくなり、大掛かりなガス供給装置や加熱装置を不要とし、光ファイバの製造コストの削減を図ることができる。

上述したように、ＡｒまたはＮ_２ガスを使用することにより、製造コストを下げることができると共に、ガラスファイバの構造緩和を進行させて仮想温度を低温側に移し、ガラス内の原子や分子の配列状態を整え、光ファイバのレイリー散乱強度を低減し伝送損失を小さくすることが可能となる。
しかし、ＡｒまたはＮ_２ガスは熱伝導性がＨｅガスに比べて小さく（Ｈｅガスの１／８程度）、ガラス母材の下端部１１ａのネックダウンの形状が伸びるため、ＡｒまたはＮ_２ガスの使用は外乱（ガスの流れなど）による影響を受けやすくなる。

例えば、周辺のガス流の乱れに鋭敏に反応して、ネックダウンの形状や垂下されるガラスファイバの径変動が生じやすくなる。このため、ガラス母材の下端部１１ａの近傍において、炉心管１３をネックダウンの形状に合わせて縮径し、不活性ガス等の流れが乱れるのを抑制することとしても良い。このように縮径することにより、ヒータ１５からの放射熱を効果的にガラス母材側に反射させ、加熱効率を高めることもできる。

また、炉心管内の圧力変動によってもガラスファイバ径が変動する。しかし、調査の結果、炉心管内における１Ｈｚ以下での圧力変動を小さくすることで、ガラスファイバの径変動を所望の値（±０.４μｍ以下）にできることが判明した。なお、ガラスファイバ径の変動値は、ガラスファイバ径のばらつき（標準偏差）の、３倍の値として規定できる。ちなみに、Ｈｅガスを用いた場合は、圧力変動による影響がほとんどないことも判明している。なお、炉心管内の圧力は、線引炉の適当な箇所に圧力測定口を設けて、圧力計を設置することで容易に計測することができる。

炉心管内の圧力変動は、保護管１７内のガスの流れ方によっても発生する。具体的には、保護管内のグラスホフ数Ｇｒをレイノルズ数Ｒｅの２乗で除した値（Ｇｒ／Ｒｅ^２）が１より大きい場合に、保護管内のガスの流れが浮力の効果により乱れて圧力変動が誘起される。この圧力変動が、ガラス母材の下端部１１ａに作用してガラスファイバ径が変動する。したがって、保護管内における上記の値（Ｇｒ／Ｒｅ^２）を１以下となるように保護管内径等を設定するのが好ましい。

なお、グラスホフ数Ｇｒ、レイノルズ数Ｒｅは、ガス流速をｗ、動粘性係数をν、保護管内径をｄ、重力加速度をｇ、体膨張係数をβ、温度差をΔθとしたとき、
レイノルズ数： Ｒｅ＝ｗｄ/ν
グラスホフ数： Ｇｒ＝（ｄ^３ｇβΔθ）／（ν^２）
の式で表される。石英ガラス光ファイバの線引プロセスでは、β＝１/Ｔとすることができ、またＴ（温度）＝１８５０Ｋ（ケルビン）、Δθ＝１５５０Ｋを代表値として計算する。なお、ガス流速ｗは、炉内に導入するガスの流速ｗ１と、線引速度に依存し、ガラスファイバに牽引される炉内ガスの流速（牽引流）ｗ２を合わせたものになる。

上述した方法で製造された光ファイバは、ＡｒまたはＮ_２ガスの使用と上部を断熱材で囲った保護管による徐冷構造の採用により、ガラスの構造緩和を進行させることができ、Ｈｅガスを使用し、徐冷構造を設けない場合に比べ、仮想温度を下げ、伝送損失をある程度小さくすることを可能にすると共に、製造コストを大きく低減することができる。そして、保護管出口のガラスファイバ温度を所定の範囲内に収め、保護管内で目標外径の＋６μｍ以下にまで縮径することにより外気に曝される際の外径を小さくすると共に、圧力変動を抑えることにより、ガラスファイバの径変動を低減することができる。なお、ガラスファイバ径の変動は、±０.４μｍ以下であることが好ましい。この光ファイバは、多心光コネクタ付けに対しての歩留まりを良好にすると共に、接続損失を小さくすることができる。

ガラスファイバの線引過程における冷却で、例えば、ガラスファイバの仮想温度を３０℃下げると、概ね１.５５μｍの波長帯で伝送損失を０.００２ｄＢ／ｋｍ程度低減することができる。すなわち、仮想温度を下げることでガラスの構造緩和を推し進め、伝送損失を下げることが可能となる。
なお、仮想温度は測定方法や用いる計算式により算出値が異なることから、仮想温度依存性のある反射スペクトルピーク位置、若しくは、吸収スペクトルピーク位置で仮想温度を想定するのが好ましい。

つまり、上述した方法で線引きされた本発明によるガラスファイバは、１１２０ｃｍ^−１近傍の反射スペクトルピーク位置が１１１９.８３ｃｍ^−１以上に存在するか、若しくは、２２５０ｃｍ^−１近傍の吸収スペクトルピーク位置が２２４８.５４ｃｍ^−１以上に存在するのが好ましい。

また、冷却されたガラスファイバは、引張りと圧縮の残留応力を有している。図４は、そのガラスファイバの径方向の残留応力（クラッド応力）分布の一例を示す図である。図において、「ａ」はＡｒガスを用いて線引きした本発明で対象とする光ファイバ、「ｂ」は従来のＨｅガスを用いて線引した光ファイバ、「ｃ」は引用文献３に開示の光ファイバの例を示す。なお、図の残留応力がゼロより上方が引張応力となり、下方が圧縮応力となる。

従来のＨｅガスを用いて、徐冷を行うことなく冷却した光ファイバ「ｂ」においては、ガラスファイバの外面に熱伝導性のよいＨｅガスが接触して急冷されるため、ガラスファイバのクラッド層の外周側に引張による大きな残留応力が生じる。そして、クラッド層の内側に向かって圧縮による残留応力が生じ、中央のコア領域では圧縮による残留応力が生じる。すなわち、残留応力の径方向分布差が大きい光ファイバとなる。

一方、光ファイバ「ｃ」は、特許文献３に開示のもので、クラッド層部分のほぼ全域が引張応力で、該引張応力はクラッド層の内側から外側に向けて減少している。この応力分布によれば、ガラスファイバの残留応力の径方向分布差が小さいので、伝送損失が小さく、かつ、レイリー散乱も低く抑えることが期待できるとされている。しかしながら、斯かる応力分布を得るには、ガラスファイバの冷却過程で、降下→上昇→降下の熱処理を経ることを意味している。ガラスファイバの温度変動は、周囲のガス温度が単調に変化していないことを示唆しており、ガス流に乱れを生じやすい状態となって、ガラスファイバ径の変動が大きくなる虞がある。また、ガラスファイバの熱処理に、引用文献２に示すような特別な熱処理装置（徐冷装置）が必要となる。

これに対し、Ａｒガスを用いて、上述した断熱材領域で徐冷した本発明による光ファイバ「ａ」においては、ガラスファイバの外周面に熱伝導性の低いＡｒガスが接触し、しかも、保護管の周りに断熱材を配した断熱材領域で、ガラスファイバの急冷が緩和される。この結果、クラッド層の外周側の引張応力が低減され、クラッド層の内側から外側に向かって緩やかに単調増加する残留応力となる。

具体的には、クラッド層の内側から外側に向かっての応力分布を直線近似したときの勾配が、＋０.０ＭＰａ／μｍ〜＋０.５ＭＰａ／μｍとなるように形成される。この勾配は、残留応力の径方向分布差が小さく、内部応力のゆがみが小さく、ガラス密度のゆらぎ等による伝送損失の増加が効果的に低減される状態となっている。

図５は、上述したガラスファイバの径変動を±０.４（μｍ）若しくは±０.１５（μｍ）以下、伝送損失を０.１８５（ｄＢ／ｋｍ）以下、とすることを目標として、製造方法について評価した試験結果を示したものである。なお、試験に用いた光ファイバ（試料１〜１４）は、ガラスファイバ径が１２５μｍのシングルモードの光ファイバで、光ファイバ製造に用いた線引炉は、図１で示した構造のもので、保護管１７上部の断熱材領域１７ａの有無、炉心管内に導入するガスを、Ｈｅガス１００％、Ａｒガス１００％、Ａｒガス５０％＋Ｈｅガス５０％の混合ガス、Ａｒガス８５％＋Ｈｅガス１５％の４通りで試験した。

試料１は、炉心管内に導入するガスがＨｅガス１００％で、保護管の上部に断熱材領域１７ａを設けない標準に近い製造方法によるものである。評価結果は、ガラスファイバの径変動は少ないものの、伝送損失が目標値には未達で、従来品の光ファイバと同程度のものであった。
試料２は、試料１と同様に断熱材領域１７ａを設けないもので、炉心管内に導入するガスがＡｒガス５０％＋Ｈｅガス５０％の混合ガスとする以外は、試料１と同じである。評価結果は、ガラスファイバの径変動が目標未達であったため、その他の特性については測定しなかった。

試料３は、試料１と同様に断熱材領域を設けないもので、炉心管内に導入するガスを、Ａｒガス８５％＋Ｈｅガス１５％の混合ガスとする以外は、試料１，２と同じである。評価結果は、（Ｇｒ／Ｒｅ^２）が大きくなって、試料２よりもさらにガラスファイバの径変動が大きかった。
試料４は、炉心管内に導入するガスをＡｒガス１００％とし、保護管１７の上部に保護管の長さのおよそ１／２の長さで断熱材領域１７ａを設けたものである。評価結果は、試料３よりはガラスファイバの径変動は小さくなったが、出口温度が下がりきらず、（Ｇｒ／Ｒｅ^２）も１より大きいため、ガラスファイバの径変動は目標未達であった。

試料５は、試料４と同様に保護管の上部に断熱材領域１７ａを設け、炉心管内に導入するガスを試料２と同様に、Ａｒガス５０％＋Ｈｅガス５０％の混合ガスとしたものある。しかし、断熱材領域１７ａの長さＤｂを試料４の場合のおよそ１／２と短くしている。評価結果は、ガラスファイバの径変動は試料４よりは良くなったが、クラッド部の応力勾配（クラッド応力）は下がらず、伝送損失も未達であった。

試料６は、試料５と同様に断熱材領域１７ａを設け、炉心管内に導入するガスをＡｒガス５０％＋Ｈｅガス５０％の混合ガスとしたものである。但し、保護管１７の上部の断熱材領域１７ａは、試料４と同じく保護管の長さのおよそ１／２の長さとしている。評価結果は、伝送損失を目標値以下とすると共に、ガラスファイバの径変動を目標値以下の±０.１０μｍとすることができた。すなわち、保護管１７の上部の断熱材領域１７ａを所定長さとすることで、ガラスファイバの径変動を抑制することができると言える。

試料７は、試料６と同様に断熱材領域１７ａを設け、炉心管内に導入するガスをＡｒガス１００％としたものであり、（Ｇｒ／Ｒｅ^２）は、試料６より小さい０.１としている。評価結果は、伝送損失が目標値を達成すると共に、ガラスファイバの径変動を目標値以下の±０.４μｍとすることができた。すなわち、Ａｒガスが１００％であっても、（Ｇｒ／Ｒｅ^２）を１以下とすることでガラスファイバの径変動を抑制することができると言える。

試料８は、試料７と同様に断熱材領域１７ａを設け、炉心管内に導入するガスをＡｒガス１００％としたものである。但し、保護管１７の長さは、試料７より長く、１.３倍にしている。（Ｇｒ／Ｒｅ^２）は、試料７と同じく０.１としている。評価結果は、伝送損失が目標値を達成すると共に、ガラスファイバの径変動を試料７より小さい、±０.１５μｍとすることができた。

試料９は、試料７と同様に断熱材領域１７ａを設け、炉心管内に導入するガスをＡｒガス８５％＋Ｈｅガス１５％の混合ガスとしたものである。但し、保護管１７の上部の断熱材領域１７ａは、試料７より短く保護管の長さの０.１５倍としている。（Ｇｒ／Ｒｅ^２）は、試料７と同じく０.１としている。評価結果は、伝送損失が試料７より若干高くなったものの、伝送損失が目標値を達成すると共に、ガラスファイバの径変動を試料７より小さい、±０.１１μｍとすることができた。

試料１０は、試料９と同様に断熱材領域１７ａを設け、炉心管内に導入するガスをＡｒガス１００％としたものである。（Ｇｒ／Ｒｅ^２）は、試料９と同じく０.１としている。評価結果は、ガラスファイバの径変動は試料９より大きくなったものの、伝送損失が目標値を達成すると共に、ガラスファイバの径変動を目標値以下の±０.３９μｍとすることができた。

試料１１は、試料９と同様に断熱材領域１７ａを設け、炉心管内に導入するガスをＡｒガス８５％＋Ｈｅガス１５％の混合ガスとしたものである。但し、保護管の長さは、試料９より長く、１.３倍としている。（Ｇｒ／Ｒｅ^２）は、試料９と同じく０.１としている。評価結果は、伝送損失が目標値を達成すると共に、ガラスファイバの径変動を目標値以下の±０.１０μｍとすることができた。

試料１２は、試料１１と同様に断熱材領域１７ａを設け、炉心管内に導入するガスをＡｒガス１００％としたものである。（Ｇｒ／Ｒｅ^２）は、試料１１と同じく０.１としている。評価結果は、伝送損失が目標値を達成すると共に、ガラスファイバの径変動を目標値以下の±０.１５μｍとすることができた。

試料１３は、試料８と同じ長さの断熱材領域１７ａを設け、炉心管内に導入するガスも同様にＡｒガス１００％としたものである。但し、保護管の長さは、試料８より長く、約１.３倍としている。（Ｇｒ／Ｒｅ^２）は、０.１としている。評価結果は、伝送損失が目標値を達成すると共に、ガラスファイバの径変動を目標値以下の±０.１０μｍとすることができた。

試料１４は、試料１２と同じ長さの断熱材領域１７ａを設け、炉心管内に導入するガスも同様にＡｒガス１００％としたものである。但し、保護管の長さは、試料１２より長く、約１.３倍としている。（Ｇｒ／Ｒｅ^２）は、０.１としている。評価結果は、伝送損失が目標値を達成すると共に、ガラスファイバの径変動を目標値以下の±０.１０μｍとすることができた。

なお、良好な特性を示した試料６〜１４の１１２０ｃｍ^−１近傍の反射ピークは、１１１９.８３ｃｍ^−１以上の範囲にあり、２２５０ｃｍ^−１近傍の吸収ピークは２２４８.５４ｃｍ^−１以上の範囲にあるのに対し、試料１、５の反射ピーク、吸収ピークは、この範囲を外れている。
また、クラッド応力は、試料６〜１４では０.５ＭＰａ／μｍ以下であるのに対し、試料１、５では０.５ＭＰａ／μｍより大きくなっている。

１０…線引炉、１１…光ファイバ用ガラス母材（ガラス母材）、１１ａ…ガラス母材下端部、１２…ガラスファイバ、１３…炉心管、１４…炉筐体、１５…ヒータ、１６，１８…断熱材、１７…保護管、１７ａ…断熱材領域、１７ｂ…非断熱材領域。

Claims (4)

1. 光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管と、前記炉心管の外部に配され、前記炉心管を外側から加熱する加熱手段とを備え、前記光ファイバ用ガラス母材を加熱溶融させながらガラスファイバを線引きして、前記炉心管の下部の導出口から外部に導出する光ファイバの製造方法であって、
   前記炉心管内に送り込むガスにアルゴンまたは窒素５０％以上を含有するガスを用い、前記炉心管の下部に、その上部が長さＤｂ（ｍｍ）の断熱材で囲われた断熱材領域と、その下部が断熱材で囲われていない非断熱材領域と、からなる長さＤａ（ｍｍ）の保護管を設け、
   前記光ファイバの線引速度をＶ（ｍ／分）としたときに、前記Ｄａ及び前記Ｄｂの長さを、「Ｖ／Ｄａ≦１.２ 且つ Ｖ／Ｄｂ≦２.３」を満たすように設定し、前記保護管の出口における前記ガラスファイバの温度を１７００℃以下になるように、及び、前記保護管の出口における前記ガラスファイバの外径が目標ガラスファイバ外径から＋６μｍ以下の範囲内に入るようにすることを特徴とする光ファイバの製造方法。
2. 光ファイバ用ガラス母材が挿入される炉心管と、前記炉心管の外部に配され、前記炉心管を外側から加熱する加熱手段とを備え、前記光ファイバ用ガラス母材を加熱溶融させながらガラスファイバを線引きして、前記炉心管の下部の導出口から外部に導出する光ファイバの製造方法であって、
   前記炉心管内に送り込むガスにアルゴンまたは窒素８５％以上を含有するガスを用い、前記炉心管の下部に、その上部が長さＤｂ（ｍｍ）の断熱材で囲われた断熱材領域と、その下部が断熱材で囲われていない非断熱材領域と、からなる長さＤａ（ｍｍ）の保護管を設け、
   前記光ファイバの線引速度をＶ（ｍ／分）としたときに、前記Ｄａ及び前記Ｄｂの長さを、「Ｖ／Ｄａ≦１.２ 且つ Ｖ／Ｄｂ≦７.７」を満たすように設定し、前記保護管の出口における前記ガラスファイバの温度を１７００℃以下になるように、及び、前記保護管の出口における前記ガラスファイバの外径が目標ガラスファイバ外径から＋６μｍ以下の範囲内に入るようにすることを特徴とする光ファイバの製造方法。
3. 「Ｖ／Ｄａ≦１.０」であり、前記保護管の出口における前記ガラスファイバの温度が１６５０℃以下であり、前記保護管の出口における前記ガラスファイバの外径が目標ガラスファイバ外径から＋１.６μｍ以下の範囲内に入るように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製造方法。
4. 前記保護管の内部におけるグラスホフ数Ｇｒをレイノルズ数Ｒｅの２乗で除した値が、１以下となるようにすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバの製造方法。
   

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