JPH02243539A - カーボンコート光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は長期的な強度低下が少なく、またＨｔ分子によ
る吸収増のないカーボンコート光ファイバの製造方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

ある種の光通信においては、長さがｌｋ！１１以上とい
う長い光ファイバ（以下、ファイバとも略称する）の使
用を必要とするが、この時の技術上の問題の１つとして
、このように長いファイバに対し十分な機械的強度が不
足することがある点を挙げられる。すなわち、市販の長
い光ファイバの抗張力は４５０ｇ乃至７００ｇの範囲に
あるが、例えば長大な光ファイバを使用した迅速支払通
信システムのような、ある特別の用途の光導波体として
使用する時には、光ファイバには１．　ａ　ｌＣｇ以上
の機械的強度が要求される。

ところが、ファイバが理想的な条件の下で線引きされた
時に酸化シリコン光ファイバについて観測された典型的
な抗張力は９ｋｇのオーダーである。

しかし、実際にはこのような十分な機械的強度で長いフ
ァイバが処理されない理由は、通常のファイバの線引き
動作の間及び後に、機械的摩擦及び或いは水蒸気のよう
な雰囲気中の汚染物質による化学的なアタックを受ける
ことによって生じた、サブミクロンの大きさの表面の傷
が存在することである。

これらの問題を解決しようとして、ファイバの線引き後
に、これらファイバに有機材料被覆を施すことが行われ
ている。しかしながら、これらの有機材料被覆は水蒸気
或いは水酸基イオンの拡散を阻止できない。これは使用
中或いは貯蔵中に、有機材料を被覆したファイバの強度
を減少させる。

光ファイバは、非常に水蒸気及び多くの有害環境に対し
て敏感である。それ故ファイバはその構造的完全性を保
護するためにハーメチック被覆を必要とする。

シリコン或いは各種金属のような無機材料で光ファイバ
を被覆するために、今日使用されている最も実行可能な
方法の１つは、化学的気相成長（ＣＶＤ’）法によるも
のである。ＣＶＤ法においては、被覆材料は単一のガス
状反応材料からそのような材料を生成するために必要な
温度で被覆材料を反応により生成するか、或いは２つ以
上のガス状反応材料を所要の反応温度で反応させるかし
て、気相で形成する。

ＣＶＤ法により光ファイバに被覆を施すための装置は、
例えば特公昭６０−２５３８１号公報に示されている（
第２図）。この反応装置１５は、光ファイバ２が連続的
に送り込まれる第１隔離室１６、反応室１７及び第２隔
離室１８とからなり、それぞれの入口及び出口には小径
となっ、た開口部１９．２０．２１゜２２が形成されて
おり、光ファイバ２は開口部１９から入り、第１隔離室
１６、反応室１７及び第２隔離室１８を経て、開口部２
２から引き出される。ここで、第１及び第２隔離室１６
．１８は反応室１７を大気から隔離するもので、それぞ
れには不活性ガスの導入口２３．２４が設けられており
、両隔離室１６．１８内の圧力は、開口部１９．２２か
ら炉内に周囲大気が流入しないような圧力となるように
設定されている。

また、開口部１９．２０．２１．２２の内径は十分大き
くとられているので、ファイバ２，１４と内壁とが接触
しないようになっており、汚染物質が炉壁からファイバ
２．１４に付着するのが防止される。反応室１７へは導
入ガスが流入口２５から導入されるとともに流出口２６
から排出されており、この反応室ｌＴ内の反応ガスは加
熱コイル２７により所定温度に維持される。なお、加熱
コイル２７への給電は通常の商用電線によって行われて
いる。

反応室１７内においては、化学物質同士が化学反応して
ファイバの表面上に所定の被膜が形成される。この反応
は光ファイバの表面上で進行するか、或いは気相中で一
様に進行した後、反応生成物がファイバ上に沈積する。

また上記両プロセスの組合せで反応全体が進行すること
もある。炉内への熱エネルギを周知のようにマイクロ波
もしくは高周波プラズマにより又は光化学的な励起によ
り供給することにより、反応ガスの活性化を促進するこ
とができる。なお、金属或いは金属化合物被膜にも、こ
の技術は利用できる。

ＣＶＤ法によりファイバに各種の被膜を付けることがで
きる。この被膜としては、例えば窒化珪素、珪素、燐ガ
ラス（ｐｈｏｓｐｈｏｓｌｌｉｃａｊｅ　ｇｌａｓｓｅ
ｓ）、球出、酸化すず、酸窒化珪素、硼素及び窒化硼素
がある。更に従来からあるＭやＳｎのような多結晶被膜
をファイバ上に付けることも、従来方法では不可能だっ
た被膜と同様にしてできる。この方法によれば被膜はフ
ァイバを中心にして均一に付くため、非常に薄い被膜に
よってファイバを保護することができる。これによりマ
イクロベンドによる損失の危険を避けることができる。

また反応ガスを反応室に導入する前にガスを予熱するこ
ともできる。そのかわりに、反応ガスを低温に、またフ
ァイバを高温にすることにより、炉壁へ被膜を避けるこ
とができる。この場合母材からのファイバの引出し部で
あるネックダウン点の直後のファイバがまだ充分に高温
である間に反応ガスを導入することが必要である。別な
方法では、ファイバ上に赤外線又はレーザービームを照
射することにより、反応室内部のファイバを加熱するよ
うにしてもよい。このようなファイバの加熱手段を有す
る装置は、例えば特公昭６１−３２２７０号公報に記載
されている。

この特公昭６１−３２２７０号公報に記載されている反
応装置の断面図を第３図に示す。同図に示すように反応
装置３０は加熱装置としてファイバ２の進行方向に実質
上平行に延在する２個の細長い加熱素子である熱源３１
を備えている。この細長い熱源３１は組合わせた実質上
断面形状が楕円形の反射鏡３２の焦点にそれぞれ配置さ
れており、一方ファイバ２は該楕円の他方の焦点を通過
する。反応装置３０は容器３３を備え、反射鏡３２は熱
源３１に対する空洞を画定する容器３３内面に直接設け
、或いは連結することができる。熱源３１は加熱のため
放射線、特に赤外線を放射し、それは直接あるいは反射
鏡３２で反射されて透明な窓３４に入射し、窓３４を通
って線引きされたファイバ２を照射する。放射線のいく
つかの選択された軌跡を示す線が図示されている。容器
３３は複数の区画又はダクト３５を備え、それを通って
水のような冷却媒体が循環して反射鏡３２の領域におけ
る容器３３を冷却する。

以上のように、光ファイバを長期的に強度低下が少なく
、また８１分子による吸収増のないものにするためには
、ハーメチック被覆が必要なことが知られている。

溶融シリカにハーメチック被覆をする方法としては、特
公昭３ｇ−１０３６３号公報にも具体的に述べられてい
る。この方法を第４図に示す。初期の溶融ガラスファイ
バ４０を囲む加熱リング４１から放出されるガスバーナ
酸素炎４２によって、初期の溶融ガラスファイバ４０は
溶かされ、細径化される。そして、加熱リング４１直下
の溶融シリカシリンダ４３内に炭素質ガスを導入し、フ
ァイバ外面上に炭素の薄い被覆を付着させる。なお、こ
こでハーメチック被覆の材料として炭素が選ばれている
のは、成膜速度が他の材料に比して大きいことと、Ｈｌ
の透過を防ぎ、強度劣化を防ぐ効果が大きいためであろ
う。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上説明したような、光フアイバ外周にＣＶＤ法により
炭素（Ｃ）のハーメチックコートを形成するための、原
料ガスとして種々の炭化水素の使用が検討されている。

このような炭化水素の一つとしてアセチレン（ｃｔ　市
）が、容易に分解する不安定な物質であり、安価である
ため原料費がかからず、かつ高純度のものを容易に入手
できるという諸点で有利であるために検討されている。

アセチレンは非常に不安定であるため、自己分解を起こ
し易く、その結果気相中におけるＣ粒子（すなわちスス
）を形成する。光ファイバの線引き中にカーボンコーテ
ィングを施す場合、カーボンコーティング用反応炉心管
中にススが発生するのは都合が悪い。つまり、■スス発
生により炉心管内のガスの流れが次第に変わっていくた
め、線引きし始めと、線引き終わりで付いてくるカーボ
ンの状態が全く異なってしまう。■発生したススが裸フ
ァイバを攻撃するため、ファイバの初期強度が劣化する
。といった理由で、特性的に問題が生じてくる。この問
題は長尺品をとればとるだけ大きくなる。すなわち、１
００〜２００ｍのものでは問題にならなくても、ｌＯ〜
２０ｋｍのものでは非常な問題となってくるので、生産
性といった観点からも解決する必要がある。

本発明はこの問題を解決することを課題としてなされた
ものであり、アセチレンを原料ガスとしてカーボンコー
ト光ファイバを製造する方法において、ススの発生を低
減して生産性を向上して製造でき、かつ初期強度の低下
のない高品質のカーボンコート光ファイバを製造できる
方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者等は上記の課題を解決すべく研究努力の結果、
アセチレンを原料ガスとしても、種々の条件を調整する
ことでスス発生を低減して、カーボンのハーメチックコ
ートを有する初期強度劣化のない被覆光ファイバを製造
できることを見い出した。

すなわち、本発明は光ファイバの線引き中に反応容器中
を通過せしめて、該反応容器内で熱ＣＶＤ法を用いてカ
ーボンコーティングを施すハーメチックコート光ファイ
バの製造方法において、アセチレンを原料とし、該反応
容器内のアセチレン濃度を８〜２０体積％かつ酸素濃度
を１体積％以下とし、該反応容器内の温度を１００℃〜
６００℃とし、該反応容器への光ファイバの入線時のフ
ァイバ温度を６００℃以上とすることを特徴とするカー
ボンコート光ファイバの製造方法である。

上記反応容器の形状を径１５〜３５ｍｍφ、長さ２０〜
１００ｃｍのものにすることは本発明の特に好ましい実
施態様である。

第１図は本発明の一興体例の概略説明図であって、Ａは
石英ガラス等からなる光フアイバ母材１を溶融・紡糸し
て裸ファイバ２とする加熱炉（線引炉と呼ばれる）であ
って８、公知の電気炉、高周波加熱炉等のＨｔとダスト
を発生しないものを使用することができる。Ｂはパイロ
チックカーボンをコーティングする加熱炉（反応炉と呼
ばれる）であって、余分な反応、すなわち、裸フアイバ
表面以外で起こる反応をできる限り抑えるため、赤外線
集中加熱炉のような、裸ファイバを集中的に加熱できる
ものが望ましい。３は赤外線ランプ、４は石英ガラス製
の冷却用ジャケット、５が反応管であり、このサイズは
後記する理由から径が１５〜３５ｍφ、長さが２０〜１
００ａｎとすることが好ましい。４と５の間は冷却用ガ
ス（Ｈｅ、Ｎｔ等）を流し、反応管の温度上昇を防ぐ。

反応管内の温度は１００〜６００℃とする。反応管５は
下部に２個の枝管６，７、上部に２個の枝管８，９を持
っており、６及び９へはシールガス（Ｎ１等）を流す。

７からは原料ガスであるアセチレンを流し、８から排出
する。このとき、反応管内のアセチレン濃度が８〜２０
体積χ、また反応管内の酸素濃度が１体積％以下となる
ように調整する。裸ファイバ２のみが集中的に加熱され
るのと、反応管５は外側より冷却されているので、反応
管５の内面では原料ガスの分解反応は起きず、反応管５
はいつまでも曇ることなく使い続けることができる。

反応管５には外気と反応管内の雰囲気とを効果的に隔て
るため３ケ所にスリット１０．１１．１２が入っている
。スリット１０〜１２はファイバを通し易いように、全
て下向きにろうと状となっている。Ｌは光フアイバ母材
のネックダウン部１３より炭化水素を入れた反応容器ま
での距離であり、反応容器が第１図の構造である場合に
は、１３と１１の間の距離である。この距離りとファイ
バの線速Ｖを調節することにより、反応管５に入線する
ファイバ温度を６００℃以上とする。反応炉直下には外
径測定用のレーザーＣがおかれ、これを使ってカーボン
コートファイバ１４の径Ｒを制御する。さらにその下に
は冷却装置りが置かれる。冷却装置りは長さ３０口、内
径１．５　ｃｍで、中には１が毎分１０１流される。こ
の冷却装置りを通すことにより、カーボンコートファイ
バエ４は７０℃以下に冷却されて、樹脂を塗布するダイ
スＥを通過する。この工程以降は通常の樹脂を塗布及び
硬化させて樹脂被覆を形成する工程に入ればよく、最終
的には被覆ファイバを巻取り器で巻き取る。

以上のような方法により、反応管内にススの形成なく、
初期強度の劣化のないカーボンコート光ファイバを得る
ことができる。本発明における各条件の限定根拠は以下
の作用の項で説明する。

〔作用〕

線引き中でのカーボンコーティング実験を行なう前に、
通常の熱分解ＣＶＤ装置を使用し、各種の原料ガスにつ
いて成膜可能温度範囲と分解温度を調べ、カーボンコー
ティングの原料依存性の検討を行った。結果を第５図に
横方向に炉温をとり、縦方向には各原料ガスをとった図
表として示す。

同図中口中で示す分解温度とは、ＣＶＤ装置反応容器内
に白煙が立ち始める温度である。またΔ印で示す成膜可
能温度とは、反応容器中に置かれた石英ガラス製基板に
カーボンコーティングされ始める温度である。　第５図
の図表から明らかなように、分解温度はアセチレン以外
のガス（例えばベンゼン等）でより低いものがいくつか
あるが、成膜可能温度はアセチレンが最も低い。このこ
とからアセチレンを原料として選択した。

一方、アセチレンを源として用いると、ススが発生する
という問題点があると前述したが、これに関しては、１
）アセチレンの濃度をできるだけ下げる、２）反応容器
内の空間を出来るだけ小さくする、３）反応容器の温度
を上げない、４）分解を促進する酸素濃度を下げる、の
以上工）〜４）の条件を満足することで、スス発生を極
力おさえることができ、解決できると分かった。

ｌ）についてはアセチレン濃度を８〜２０体積％の範囲
内とする。その理由は、８容積％未満では成膜せず、２
０体積％を越えると大量にススが発生するからである。

２）については反応容器のサイズを径１５〜３５１φ、
長さを２０〜１００ａａとすることが好ましい。サイズ
径の下限値は作業性を考慮した値である。また３５ＩＩ
Ｉｌφを越える大径になるとススが発生しやすくなる。

長さ４０ａｎ未満では成膜せず、１００ａｏを越えるこ
とは不要である。これは、ハーメチックコートとしての
作用に必要な膜厚は５００人程度で充分だからである。

３）の反応容器内温度範囲は１００〜６００℃が好まし
く、１００℃未満では成膜せず、６００℃を越えるとス
スが発生するからである。

４）の酸素濃度は１体積％以下とする。これは１体積％
を越えると急激にスス発生がおこるからである。このよ
うな酸素濃度とする具体的手段としては、反応容器への
ファイバ入口及び出口部分にシールガスを流す、該入口
及び出口を細くする、反応容器の形状を絞りのあるもの
とする等の方法を採用する。

さらに、反応容器内に導入されたアセチレンガスが効率
よくファイバ周辺にコーティングされるためには、反応
容器へのファイバ入線温度を少なくとも６００℃以上に
上げる。これはファイバ表面上でカーボンを成膜させる
ためには、ファイバが成膜可能温度以上であることを要
することによる。ファイバ温度の調整は線速や反応容器
の位置によって行なう。例えば第１図の装置の場合、ネ
ックダウンから反応容器までの距離が２００−のとき反
応容器内のファイバ温度を６００℃以上に保つためには
線速を１００　ｒＢ／１ｎにすればよかった。

〔実施例〕

第１図の装置を用いて本発明によりカーボンコーティン
グを行った。母材はＧｅ０ｔ　　Ｓｉｎｇ　（ＧｅＯｔ
添加量５重量％）をコアとし、Ｓｔｏｗをクラッドとす
るもので、ファイバはコア径ｔｏｐ、クラッド径１２５
ｐであった。成膜条件は、アセチレン濃度：１５体積％
（実流量５００　ｃｃ／ｗｉｎ）　、反応容器温度：５
００℃、ファイバ　線速：　Ｉ　５０ｎ／ｆｆｌ１ｎ　
。

反応容器へ入線時のファイバ温度：６００℃以上、であ
る。用いた反応容器は２５ＬＩＩＩｌφＸ８００ｍｍの
サイズで、また該反応容器の上、下からシールガスを流
し、酸素が容器内に入ってこないようにした。測定の結
果、反応容器内の酸素濃度は＝１００ｐｐｍであった。

以上の条件によって成膜されたカーボンコート光ファイ
バの特性は、初期強度：４〜４．３　ｋｇ、　ｎ値；：
１５０、耐Ｈ８特性；Ｈ，ｌａｔｍ１００℃Ｘ２０ｈｒ
後のΔ（１＋２２−２０　ｄＢ／　ｋｍであった。さら
にカーボンコーティングは線引き中におこなっているの
であるが、連続１０ｋｍの線引きが可能であった。しか
も、上記の特性について線引き開始直後のものと線引き
終了直前のものを調べた結果、どちらも同じ値が得られ
た。

これらのことから、本発明によれば長尺線引きも可能で
あり、大幅な生産性の向上が可能であるが判る。

ところで比較のためにススが発生する条件、例えばアセ
チレン濃度３０体積％でコーティングをおこなったもの
については、初期強度の劣化が著しく（２〜３ｋｇ）１
ｋｇ強線引きしたところで断線してしまった。反応容器
中はススだらけであった。

〔発明の効果〕

以上説明のように本発明によれば、裸ファイバにＨｌの
透過率の極めて小さいカーボン膜をコーティングしたカ
ーボンコート光ファイバを、スス発生を抑制して製造す
ることができる。従って、本発明の方法で製造された光
ファイバは、長期にわたり水素によるロスの増加がなく
、疲労劣化が少ない。そのため、水、水素が高濃度な雰
囲気。

応力下での使用例えば海底ケーブルに使用するのに適す
る。さらに、スス発生が少ないので、長時間連続した線
引きが可能となるので、長尺もので初期強度の劣化のな
いファイバを、生産性よく製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施態様を説明する図、図中Ａは光
フアイバ母材を溶融・紡糸する炉（線引炉）、Ｂはパイ
ロチックカーボンをコーティングする炉（反応炉）、Ｃ
は外径測定装置、Ｄはファイバ冷却装置、Ｅは樹か被覆
装置、Ｌはネックダウン部より反応炉までの距離、Ｒは
裸ファイバの直径、■は裸ファイバの速さ（線速）を表
す。 第２〜４図は公知の反応装置の説明図、第５図は熱分解
ＣＶＤにおける原料ガス検討の結果を示す図表であり、
口は分解温度、△は成膜可能温度を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ファイバの線引き中に反応容器中を通過せしめ
   て、該反応容器内で熱ＣＶＤ法を用いてカーボンコーテ
   ィングを施すハーメチックコート光ファイバの製造方法
   において、アセチレンを原料とし、該反応容器内のアセ
   チレン濃度を８〜２０体積％かつ酸素濃度を１体積％以
   下とし、該反応容器内の温度を１００℃〜６００℃とし
   、該反応容器への光ファイバの入線時のファイバ温度を
   ６００℃以上とすることを特徴とするカーボンコート光
   ファイバの製造方法。
2. （２）上記反応容器の形状を径１５〜３５ｍｍφ、長さ
   ２０〜１００ｃｍのものにすることを特徴とする請求項
   （１）に記載の製造方法。