JPH02263741A - 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〕 本発明は裸ファイバにカーボンを被覆（ハーメチックコ
ート）した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〕

光通信システムにおいては長さが１ｋｍ以上の長尺な先
ファイバを使用することがあるが、このような用途では
光ファイバに十分な機械的強度が要求される。具体的に
は、市販の光ファイバの抗張力は一般に４５０〜７２０
ｇ程度であるが、例えば迅速支払通信システムに用いら
れる長大な光ファイバでは、１８００ｇ程度の抗張力が
要求される。長尺で機械的強度の高い光ファイバが得ら
れていない理由は、次のような点にある。すなわち、通
常の光ファイバの線引き工程の途中あるいはその後には
、機械的な摩擦や水蒸気、雰囲気中の汚染物質による化
学的なアタック（攻撃）が光ファイバに与えられ、これ
によってサブミクロン程度の損傷が裸の光ファイバ（裸
ファイバ）の表面に生じるためである。

そこで、裸ファイバの表面に有機材料を被覆して保護す
ることが、従来から検討されてきた。しかし、有機材料
を被覆すると裸フアイバ中に水蒸気あるいは水酸基イオ
ンの拡散を招き、光ファイバの強度を低下させる。また
、水酸基イオンなどは光ファイバの伝送損失を増加させ
る。そこで、光ファイバの構造的完全性を保護し、伝送
特性を改善するために、裸ファイバにハーメチック被覆
を施すことが必要になっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

かかるハーメチック被覆に関して最も有効な手法は、゛
化学的気相成長（Ｃｈｅｓｉｃａｌ　ＶａｐｏｒＤｅｐ
ｏｓｌｔｌｏｎ　；　ＣＶ　Ｄ　）法によりシリコン等
の無機材料を被覆するものであり、その−例が特公昭６
０−２５３８１号公報に示されている。しかし。

この方法によるとＣＶＤ反応生成物が裸ファイバの表面
と作用して、付着処理中に表面に損傷を生じさせる。す
ると、裸フアイバ中に微細な亀裂やクラックが生じさせ
られ、裸フアイバ自体の単位長強度は線引き直後の単位
長強度よりも低下してしまう（初期強度が低下してしま
う）。

かかるＣＶＤ法による被覆の欠点を除去する手法として
、特公昭６１−３２２７０号公報では異種核熱化学付着
（Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ　Ｎｕｃｌｅａｔｌｏｎ
Ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｎｌｃａｌ　Ｄｅｐｏｓｌｔｉｏｎ
　；　ＨＮ　Ｔ　Ｄ　）法が示されている。これは、加
熱された裸ファイバの表面に直接に微細粒状構造物を生
成して保護しようとするものであり、被覆材料は金属、
ガラス、セラミックスなどである。これによれば、固体
粒子と裸ファイバの表面の相互作用は存在しないので、
表面の損傷はＣＶＤ法に比べて少ないとされている。

一方、光ファイバにカーボンをハーメチック被覆する技
術として、例えば特公昭３８−１０３６３号に示された
ものがある。この技術によれば、最終的に得られる光フ
ァイバよりも径の大きい初期の溶融ガラスファイバが酸
水素バーナで加熱されて細径化される。そして、その過
程で高温の炭素質ガス雰囲気にｒらされ、裸ファイバの
表面にカーボンが被覆される。このように、ハーメチッ
ク被覆の材料としてカーボンを用いれば、水素分子が裸
ファイバに侵入するのを防止し、強度の低下も抑えうる
と考えられる。また、カーボンは他の材料に比べて被覆
速度が大きいと考えられるので、工程上も有利である。

以上のように、光ファイバの機械的強度を大きくしなが
ら、水素分子等による伝送損失の増加を抑えるためには
、ハーメチック被覆が有効であることが知られている。

しかしながら、従来技術によれば長期的な強度はある程
度まで改善されるものの、初期の強度が低下する欠点が
あった。特に、被覆材料としてカーボンを採用する技術
でも、初期強度を十分に高くすることができない（カー
ボン被ｍ０１前の裸ファイバに比べて、被覆後の裸フア
イバ自体の強度が低下してしまう）欠点があった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、ハーメチック被覆の材料としてカーボンを
採用すれば、成膜速度を大きくでき、水素分子等の透過
防止を効果的に行なうことができ、しかも機械的強度を
高めることが可能になる、との推測の下に鋭意研究を重
ねた結果、初期強度の面で特に優れたカーボンコート光
フィバの製造方法として、本発明を完成するに至った。

従来技術によりカーボン被覆を施すことにより、裸ファ
イバの初期強度が低下する原因として、本発明者は次の
４つの仮説をたてた。第１は、生成したスス（固体のカ
ーボン粒子）が裸ファイバを攻撃し、これによって微細
なりラック等が生じ、裸ファイバの初期強度を低下させ
ているのではないか、という点である。第２は、原料中
に含まれる水素原子が裸ファイバを攻撃し、水酸基を生
成させて応力腐蝕を生じさせているのではないか、とい
う点である。第３は、裸ファイバに付着したカーボンが
凝集し、粒子を形成して初期強度を低下させているので
はないか、という点である。そして第４は、原料ガスと
裸フアイバ表面が反応してＳＩＣが生成するため、初期
強度を低下させているのではないかという点である。

そこで本発明者は、上記の第１ないし第４の強度低下原
因に対して、次のような対策を考えた。

まず、第１の原因に対しては、ススが生成しにくい原料
（気相中で分解しにくい原料）を採用すると共に、更に
ススが発生しにくい条件を選ぶという対策を考えた。第
２の原因に対しては、水素原子を含まない原料、あるい
は水素原子を含んでいたとしても含有水素が裸ファイバ
を攻撃する原因とならないような原料を採用する、とい
う対策を考えた。第３の原因に対しては、′付着したカ
ーボンが凝集する程度の高温にしなくても分解可能な原
料を採用する、という対策を考えた。そして第４の原因
に対しては、裸ファイバと反応するような活性のガスは
、原料として用いないという対策を考えた。

以上の諸点を検討した結果、本発明者は、原料ガス雰囲
気中で裸ファイバを通過させて原料ガスを分解し、裸フ
ァイバにカーボンをコーティングするカーボンコート光
ファイバの製造方法において、原料ガスはカーボン、水
素およびハロゲンを含むようにすれば、初期強度におい
て優れるだけでなく長期的な強度低下も少なく、しかも
伝送損失も低く抑えることができることを見出した。

ここで、カーボン、水素およびハロゲンを含む原料ガス
としては、ＣＢ　ｒ　　、ＣＣＤ　　、ＣＦ　ａ　。

ＣＣｉｔ　　、　　ＣＣｆｌ　Ｆ　　、ＣＢ　ｒ　Ｆ　
ａ　。

Ｃｆｌ！Ｆ、ＣＦ、ＣＦ　　等の各種ハロ２　　　５　
　２６　　３ｇ ゲン化炭素と、ＣＨ，ＣＨ，ＣＨ等の ４　　２４　　３ｇ 炭化水素ガスとの混合ガスを用いることができるが、ハ
ロゲン化炭素や炭化水素のみではカーボン膜は生成され
ない。ハロゲン化炭素に含まれるハロゲン原子数と、炭
化水素に含まれる水素原子数とがほぼ同じである場合、
例えばハロゲン化炭素をＣＣｇ　とし、炭化水素をＣ２
Ｈ４とすると、Ｃ２Ｈ４＋ＣＣ１１４−〉Ｃ３＋４ＨＣ
ｇで容易に気相で反応が進んでしまい、裸フアイバ上だ
けでなく気相でも反応が生じることになる。

これに対し、ハロゲン化炭素に含まれるハロゲン原子数
が、炭化水素に含まれる水素原子数よりも多い場合は、 Ｃ２Ｈ４＋２ＣＣｇ４−〉 となる。また、ハロゲン化炭素に含まれるハロゲン原子
数が、炭化水素に含まれる水素原子数よりも少ない場合
は、 ２Ｃ２Ｈ４＋ＣＣｇ４−〉 となる。すなわち、いずれも反応は起こりうるが、ＨＣ
ＩＩによるＣ　２　Ｈ４の水素引き抜きは気相中で容易
に起こるのに対し、ＣＣｌ４の塩素引き抜きはかなり高
温の雰囲気、すなわち裸フアイバ上でしか起こらず、選
択性という点でＣＣｌ４の塩素引き抜きが優れているの
がわかる。また、Ｃ２Ｈ４の水素引き抜きを行なった後
の水素原子が、ガラスの劣化を引き起こして裸ファイバ
の強度を低下させる。

以上の事から、ハロゲン化炭素に含まれるハロゲン原子
数が、炭化水素に含まれる水素原子数よりも少ないとい
う条件が、成膜および成膜後の引張強度の点で優れてい
る。

なお、水素原子：！１−０のときはカーボンコーティン
グが全くおこらない。しゃへい効果をもつに値するカー
ボンコーティングをファイバに施すにはＨ原子数／Ｃｆ
）原子数＝：＝−０．０５以上が好ましい。

炭化水素中に三重結合を含むとき（例えばＣ２Ｈ２）は
、非常に活性であって気相中でも自己分解してしまう。

このため、これらを原料に用いると裸ファイバの表面と
反応し、ＳＩＣが生成されて強度が著しく低下する。よ
って、三重結合を含む炭化水素を用いるのは好ましくな
い。

これに対し、同一分子中にカーボン、水素、ノーロゲン
を有する材料を原料ガスとして使用してもよい。例えば
、ＣＨＣＩＩ　　、ＣＨ（１６等は単独でも使用可能で
ある。また、ＣＨ（１２、ＣＨＣ９４等の前述の条件を
満さない原料ガスであっても、ｃｃｎ４等の水素を含ま
ない原料を添加することにより、原料ガスの全体として
（水素原子数）＜（ハロゲン原子数） となるようにすることで、十分に使用可能である。

さらに、分解反応等に悪影響を与えない不活性ガス（例
えばヘリウム、アルゴン）等を含んでいても、本発明の
効果は何ら減殺されるものではない。

裸ファイバとしては、最も望ましくは母材（プリフォー
ム）から線引きされた直後のものが用いられるが、表面
に樹脂被覆等が施される以前のものであれば、紡糸直後
のものに限られず、いったん冷却等がされたものであっ
てもよい。また、その材料としても、シリカ（Ｓ１０２
）製のものの他、屈折率調整のための各種不純物を含有
するシリカ製゛のもの、シリカ以外のガラス材料からな
るものが適用できる。

裸ファイバおよび原料ガス雰囲気の温度条件としては、
具体的には原料ガスの材料等に応じて適宜に選択される
が、その場合には下記の点に留意する。まず、裸ファイ
バの温度としては、あまり低湿であるとカーボン被覆の
密着度が悪くなり、あまり高温であると付むしたカーボ
ンが凝集して初期強度が劣化する。そこで、上記の条件
を満足するような温度に設定されることになるが、具体
的には例えば反応炉の少なくとも入口部分で７００〜１
１００℃とすれば良い。また、原料ガス雰囲気の温度と
しては、あまり高温であるとススが発生するので初期強
度が低下する。そこで、上記の条件を満足するような温
度に設定されることになるが、具体的には５００℃以下
であればよい。

カーボンコーティングの後には、更にシリコーン等の樹
脂を被覆する工程を付加してもよい。また、その後にナ
イロン等の外被を設ける工程を付加してもよい。要する
に、本発明は裸ファイバの表面にカーボンを所定条件で
ハーメチック被覆する点に特徴を有するものであり、そ
の前工程や後工程については、種々の変更をすることが
可能である。

〔作用〕

本発明によれば、裸ファイバに微細な亀裂やクラックを
生じさせることなく良質のカーボンコーティングを施す
ことができる。このため、コーティングの後にも裸ファ
イバの強度を低下させることがなく　（初期強度を低下
させることがなく）、長期的な強度低下も招かない。更
に、水蒸気や水酸基が裸ファイバに侵入することもない
ので、伝送特性を良好にすることができる。

〔実施例〕

まず、本発明の製造工程の一例を、第１図により説明す
る。

第１図は、本発明方法に適用される製造装置の一例の構
成図である。図示の通り、線引き装置２０において母材
１０から線引きされた裸ファイバ１１は、カーボンコー
ティング装置３０にてカーボンコート光ファイバ１２と
され、このカーボンコート光ファイバ１２は線径測定装
置４０および冷却装置５０を経て樹脂塗布装置６０に送
られ、樹脂コート光ファイバ１３となる。この樹脂コー
ト光ファイバ１３はキャプスタンを経由してそのままド
ラム（図示せず）に巻き取られ、あるいはナイロン等の
外被を施してドラムに巻き取られる。

母材１０は図示しないアームに保持された状態で炉心管
２１内に吊下される。この炉心管２１は線引炉２２にセ
ットされており、この線引炉２２は母材１０の下端を加
熱、溶融するためのヒータ２３を有している。線引炉２
２としては公知の電気炉、高周波加熱炉を用いることが
でき、水素分子やダストを発生しないものが望ましい。

この線引き装置２０によれば、母材１０とほぼ同一の屈
折率分布を有する裸ファイバ１１が紡糸され、次のカー
ボンコーティング装置３０に送られる。

カーボンコーティング装置３０は反応炉３１と、この中
央部に挿通された反応管３３と、反応炉３１および反応
管３３の間に介在された冷却ジャケット３７を有してい
る。反応炉３１は赤外線ランプ３２を有し、これにより
裸ファイバ１１およびその近傍を集中的に加熱（赤外線
集中加熱）するようになっている。このような集中加熱
方法を採用すれば、パイロチックカーボンをコーティン
グするに際して、裸ファイバ１１の表面以外での余分な
分解反応が抑えられる。反応管３３は上部に枝管３４ａ
、３５ａを有し、下部に別の枝管３４ｂ、３５ｂを有し
ている。そして、窒素等のシールガスは枝管３４ａ、３
４ｂを介して供給され、原料ガスの供給および排出は枝
管３５ａ。

３５ｂを用いてなされる。また、反応管３３の内面の３
ケ所には３組のスリット３６ａ〜３６ｃが設けられ、外
気との遮断が効果的になされると共に、裸ファイバ１１
が通過しやすいように下向き形状となっている。

反応管３３と反応炉３１の間に介在された冷却ジャケッ
ト３７は上下に枝管３８，３９を有している。そして、
この枝管３８．３９を介して冷媒として冷却ヘリウム、
窒素ガス等が流通されている。このため、カーボンコー
ティングに際して反応管３３は外側から冷却されるので
、原料ガスの余分な分解反応が抑制されるだけでなく、
反応管３３の内面が分解生成物で曇るようなこともない
。

なお、図中の記号しは母材１０のネックダウン部から原
料を入れた反応管内部までの距離である。

カーボンコーティング装置３０の直下に配置された線径
測定装置４０は、カーボンコート光ファイバ１２の外径
をレーザ光により測定するもので、この測定値に応じて
裸ファイバ１１の線径が制御される。さらに、その直下
に設けられた冷却装置５０は、カーボンコート光ファイ
バ１２を″例えば７０℃以下まで冷却するの用いられる
。この冷却装置５０は例えば長さが３０ｃｍ、内径が１
．５ｃｍの筒体で構成され、その内部にはヘリウムガス
が毎分１（ｌの割合で流され、る。この冷却装置５゜の
直下に配置された樹脂塗布装置６ｏはダイス６１により
構成され、この中には樹脂６２が満たされている。従っ
て、カーボンコート光ファイバ１２はこのダイス６１を
通過する過程で樹脂６２が塗布され、樹脂コート光ファ
イバ１３となる。

次に、本発明者による具体的な実施例を説明する。

実施例、比較例 表１に示す条件で裸ファイバ（試料Ｎα１〜５）にカー
ボンコーティングを行なった。なお、反応管の内部での
裸ファイバの温度はその線速で調整し、線速が１２０ｍ
／分で９００”Ｃ程度である。

また、キャリアガスとしてはヘリウムガスを用いた。

表　　１ 上記の実験により得られた試料Ｎａ　１〜５の光ファイ
バについて、初期強度、疲労特性（ｎ値）および耐Ｈ２
特性（Δα１．２４値）をＣＩ定した。その結果を表２
に示す。ここで、耐Ｈ２特性は温度が１００℃で１気圧
のＨ２ガス雰囲気中で、２０時間の処理を行なった後の
Δα　　値である。ま−た、１．２４ 表２において試料Ｎα６はハーメチックコーティングを
施さない通常（市販）の光ファイバの特性値を示し、試
料Ｎｏ、　７は従来法でＣ２Ｈ２のみによるカーボンコ
ーティングを行なった光ファイバの特性を示している。

表　　２ 表２から明らかなように、試料漱１〜４のカーボンコー
ト光ファイバでは大きな初期強度が得られた。試料Ｎα
５ではＣｓ　Ｈａの濃度が高すぎたために初期強度が低
下した。また、疲労特性は試料Ｎ（Ｌ　１〜５，７のい
ずれの光ファイバについても良好な値を示し、長期的な
機械的強度を向上できることがわかる。さらに、耐Ｈ２
特性の点では試料漱１〜５．７で良好な結果が得られ、
伝送特性を向上できることがわかる。そして特に、試料
Ｎｏ、　１〜４の光ファイバでは、初期強度、疲労特性
および耐Ｈ２特性のいずれについても良好な結果が得ら
れた。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明では、裸ファイバに微
細な亀裂やクラックを生じさせることなく、その表面に
良質のカーボンコーティングを施すことができる。この
ため、コーティングの後にも裸ファイバの強度を低下さ
せ′ることかなく　（初期強度を低下させることがなく
）、長期的な強度低下も招かない。更に、水蒸気や水酸
基が裸ファイバに侵入することもないので、伝送特性を
良好にするこ・とができる。

このため、本発明により得られる光ファイバは、水や水
素が高濃度の雰囲気において、応力が加えられた状態で
使用する（例えば海底ケーブルとして使用する）のに適
している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の方法を適用する製造装置の構
成図である。 １０・・・母材、１１・・・裸ファイバ、１２・・・カ
ーボンコート光ファイバ、１３・・・樹脂コート光ファ
イバ、２０・・・線引き装置、２１・・・炉心管、２２
・・・線引炉、２３・・・ヒータ、３０・・・カーボン
コーティング装置、３１・・・反応炉、３２・・・赤外
線ランプ、３３・・・反応管、３７・・・冷却ジャケッ
ト、４０・・・線径ａＩ１１定装置、５０・・・冷却装
置、６０・・・樹脂塗布装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原料ガス雰囲気中で裸ファイバを通過させて前記原
   料ガスを分解し、前記裸ファイバにカーボンをコーティ
   ングするカーボンコート光ファイバの製造方法において
   、 前記原料ガスはカーボン、水素およびハロゲンを含み、
   含有水素原子数は含有ハロゲン原子数よりも少ないこと
   を特徴とするカーボンコート光ファイバの製造方法。 ２、前記原料ガスは炭化水素とハロゲン化炭素、ハロゲ
   ン化水素もしくはハロゲンの混合ガスである請求項１記
   載のカーボンコート光ファイバの製造方法。 ３、前記原料ガスの炭化水素は三重結合を持たない炭化
   水素である請求項２記載のカーボンコート光ファイバの
   製造方法。 ４、前記原料ガス雰囲気を通過中の前記裸ファイバの温
   度が、少なくともその入口部分で７００〜１１００℃で
   ある請求項１ないし３のいずれかに記載のカーボンコー
   ト光ファイバの製造方法。 ５、前記原料ガス雰囲気の温度が５００℃以下である請
   求項１ないし４のいずれかに記載のカーボンコート光フ
   ァイバの製造方法。 ６、前記カーボンのコーティングの後に、樹脂層を被覆
   する工程を更に備える請求項１ないし５のいずれかに記
   載のカーボンコート光ファイバの製造方法。