JPH0227308A - 光ファイバ及びその製造方法 - 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］ 本発明は高強度にして、長期的に強度紙ドの少ない光フ
ァイバ及びその製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 石か系光ファイバでは引張り応力を付加した状態で放置
しておくと、長時間後に破断するという欠点（疲労と呼
ばれる）がある。

この疲労を防ぐ第１の方法として、石英ガラスより熱膨
張係数が小さく、薄いガラス層を最外層として形成し、
伝送特性を劣化させることな（、光フアイバ表面に熱膨
張係数の差より生じる圧縮応力を働かせ、強度の向上と
疲労の抑制を図ろうとする光フアイバ構造が従来より提
案されている。

第５図は従来の表面圧縮層を形成した光ファイバの一例
の断面図であり、５］はＳｈｏｗ　　Ｇｅ０ｔガラス・
コア、５２は石英ガラス・クラッド、５３は５ｉＯｙ　
　ＴｉＯ，ガラスからなる最外層である。

また、」ユ記第１の方法の改良法としてクラッド層の最
外層をボロンを含有した石英ガラスとし、その外周にＳ
ｈｏｗ−Ｔｉｄｙガラス層を設けた例も提案されている
［ニス、エム、オウ等、Ｓ、　Ｍ、　Ｏｈ、　Ｐｒｅｄ
ｉｅｕ　ａｎｄ　Ｘ、Ｇ、Ｇｌａｖａｓ、ＯｐＬ、Ｌｅ
ｔｔ、ヱ（１９８２）　　ｐ、２４ｔ１゜石英系光ファ
イバの疲労を防ぐ第２の方法は、光フアイバガラスの表
面エネルギーを常に大きい状態に保つことで傷の成長を
防ぐ方法であって、具体的には、例えば第６図に示すよ
うにドープトシリカからなるコア６１とシリカからなる
クラッド６２を有するファイバ６０の外周に、水分の透
過しにくいグラファイト膜６３をＣＶＤ法により被覆し
、光ファイバの表面への水分の吸着を防ぐものであり、
この例では外層としてシリコン層６４及び熱可塑性樹脂
層６５が設けられている（米国特許第４゜１８３．６２
１号明細占）。

し発明が解決しようとする課題］ 石英系光ファイバの疲労を防ぐ上記第１の方法による、
第５図のファイバではＴｉｄｙは５ｉｆｔより蒸気圧が
高く、光ファイバの紡糸時に５ｉＯｙ　　Ｔｉｄｙから
なる最外層からＴｉｄｙが蒸発するために、目的とする
表面の圧縮応力がさほど太き（ならないという問題があ
る。前記のニス・エム・オウ等の報告においては、第５
図の光ファイバでは、強度は約０．３ＧＰａ増加したに
すぎず、疲労も僅かしか抑制されないことが報告されて
いる。

該報告では、前記したようにこのクラッド層の最外層を
石英ガラスより熱膨張係数の大きなボロンを含有した石
英ガラスとし、その外側に５ｉＯ２Ｔｉｄｙガラス層を
設けた例が示されているが、このものもその効果は十分
に大きなものではない。

また、ガラスの最高強度は破壊しん検値と密接な関係が
あるが、５ｈｏｔ　　Ｔｉ１ｔガラス層の破壊しん検値
は石英ガラスより低いため、第１の方法による第５図の
光ファイバの最高強度は原理的に向」ニしないという欠
点がある。

さらに、第１の方法では線引き中にファイバガラス表面
よりコアに向かって拡散するＴｉｅｓ　（Ｔｉｅｓとな
っているものもある）、旧ｏ３によって、伝送損失が増
加する問題もある。Ｂｉｂ、が赤外域で大きな吸収を持
つことはよく知られている。

一方、第２の方法によるファイバは、グラファイト膜６
３が水分を透過しに（いという好ましい性質を持ってい
る。しかし、このグラファイト膜をＣＶ　１）法によっ
て作成するためには１０００”Ｃ以−１−という高温を
必要とするために、成膜時にファイバ表面とカーボンと
が以下の反応式によってＳｉｎ、　＋　　Ｃ−＋　　Ｓ
ｉＣ＋　　０，１反応することが避けられず、ファイバ
表面の清らかさが失われ、初期強度（すなわち最高強度
）の低下が避けられないという欠点がある。

本発明は、最高強度が低下せず、伝送損失を増加させず
、尚［［つ長期的な強度低下つまり疲労の少ない光ファ
イバ及びその製造方法を新規に提供することを目的とし
ている。

［課題を解決するための手段］ 本発明者等は研究を重ねた結果、水分の透過を防ぐ膜と
して水素を含むカーボン膜を採用すれば」−記の目的を
達成した光ファイバが得られることを見いだし、さらに
、このような光ファイバを有利に実現できる製造方法に
も到達できた。

すなわち、本発明はコア及びクラッドを有する石英系ガ
ラスファイバの外側に、水素を含むカーボン層を有して
なる光ファイバを提供するものである。水素を含むカー
ボン層が炭素原子１原子当たり水素原子を０．３〜１原
子を含む上記光ファイバが特に好ましい。

さらに本発明はコア及びクラッドを有する石英系ガラス
ファイバの外側に、炭化水素の熱分解反応を利用して水
素を含むカーボン層を形成することを特徴とする上記光
ファイバの製造方法をも提供する。本発明の特に好まし
い実施態様としては、該石英系ガラスファイバを６００
℃以」−で１０００℃以下の温度範囲内で加熱し、この
加熱された石欠系ガラスファイバの外周に炭化水素ガス
を流すことにより熱分解する」二記方法が挙げられる。

また本発明においては水素を含むカーボン層を形成する
工程の直前に、該石英系ガラスファイバをＡｒ等のプラ
ズマ中でのスパッタリング処理及び／又はメチル化処理
しておくことが、所期の効果を増大できるので特に好ま
しい。

以下に本発明を図面を参照して詳細に説明する。

第１図は本発明の光ファイバの一具体例の断面図であっ
て、１は石英系ガラスからなるコア、２は石英系ガラス
からなるクラッドであり、この石英系ガラスファイバの
外側に、水分の透過を防止するための水素を含むカーボ
ン層３を有する点に本発明の特徴がある。

本発明の光ファイバを製造するには、紡糸された石英系
ガラスファイバの外側に水素を含むカーボン層を合成す
るが、炭化水素を原料としてＣ■Ｉ〕法により該炭化水
素の熱分解を利用して合成する。例えば石英系ガラスフ
ァイバを外部加熱手段を備えた反応管中を通過させ、こ
の反応管内に炭化水素ガスを導入することにより熱分解
させ、水素を含むカーボン層を石英系ガスファイバ外周
に成長させる等の方法によればよい。

本発明に用いることのできる炭化水素としては、例えば
ＣＩ、、Ｃ，Ｉ（、等の直鎖型飽和炭化水素、Ｃ、ｏ　
ｅ＋　Ｃ、Ｉｔ　、等の直鎖型不飽和炭化水素、Ｃ、ｌ
−１。

等の芳香族炭化水素、ＣＩＩ　ＣＱ＝　ＣＨＣＱ等のハ
イドロクロロカーボン等が挙げられる。

本発明の光ファイバにおけるカーボン層の膜厚は５００
人〜２０００人の範囲内であることが好ましい。５００
人未満では１１　、分子の透過を十分に阻止することが
できず、２０００人を越えると膜合成時にガラスファイ
バがカーボン粒子で傷つけられるのが避けられないし、
徐々にではあるがＳｉＣとＣが反応してガラスファイバ
の表面がボロポロになるため、光ファイバの最高強度が
小さくなってしまうので好ましくない。

本発明の光ファイバにおいては、この水素を含むカーボ
ン層の外側に更に通常の樹脂被覆層を設けることができ
る。

１作用］ ガラスが乾燥空気と接している状態ではガラス表面は　
−３ｉ−Ｏ−８ｉ−０−トナー＞テイテ表面エネルギー
が大きいが、水分が存在すると　−３ｉＯ・・＋１−〇
−Ｈのように水素結合が生じて表面エネルギーが小さく
なる。ところで、［破壊により解放される弾性エネルギ
ーが、破壊により生じる表面の表面エネルギーよりも大
きい場合に破壊が進行する」という、いわゆるグリフス
理論がこの場合うま（当て嵌まり、ガラスと水が境界を
構成すると破壊（疲労）し易゛くなることが分かつてい
る。

本発明の光ファイバは水素を含むカーボン層を有するこ
とにより、水分のガラス表面への透過を防止できるので
、ガラスの表面エネルギーが太きい状態を保てるので、
疲労が少な（、初期強度を保つことができる。

また、本発明の光ファイバは製法の」；でも、ガラス強
度の低下を防１１−できる点で従来法によるものより有
利である。即ち、本発明では炭化水素を原料として用い
て、これを熱分解して水素を含むカーボン膜を合成する
方法によるので、既に説明したガラスファイバ表面のカ
ーボンによる還元反応ＳｉＯ，十　　　Ｃ−＋　　　　
　ＳｉＣ−ト　　　　　Ｏ、↑が起こらない１０００°
Ｃ以下で合成できるので、得られた光ファイバの最高強
度が低下しない。

本発明の光ファイバの水素を含むカーボン膜において、
水素原子の量は炭素原子１に対して０゜３〜１が好まし
い。Ｉを越えると膜の水分透過防１１−効果が小さくな
り、また膜が硬くなり光ファイバにマイクロベンドロス
を生じるので好ましくない。一方、０．３未満の膜を合
成するには１０００℃以−１−の加熱を要するが、１０
００℃以七での加熱ではＪｌ−記の還元反応がおきて、
ファイバがボロボロになるため好ましくない。

水素を含むカーボン膜合成工程直前にガラスファイバの
ガラス表面をメチル化して疎水処理を施しておくと、万
が一水分が水素を含むカーボン膜を透過して来てもガラ
ス表面と水分・水素とが水素結合せず、ガラスの表面エ
ネルギーが減少しないので、光ファイバの疲労を抑える
ことができる。

疎水化はジメチルジクロルシラン雰囲気で光ファイバを
５００℃に加熱することにより行うことが好ましい。

また熱分解によるカーボン膜合成直前又は疎水化処理直
前に＾ｒ等のプラズマス中で光ファイバをスパッタリン
グして表面を清浄にすることが有効である。

従って疎水化は、線引直後又はプラズマスパッタリング
の直後でカーボン膜合成前に行うことが好ましい。

［実施例］ 実施例１ 第２図に示す装置を用いて光フアイバ用プリフォームを
溶融・紡糸してガラスファイバとし、しかる後にタララ
ドガラスの外側に水素を含むカーボン層をＣＶＤ法によ
り成長させ、さらにその上を紫外線硬化樹脂で被覆して
、本発明の光フアイバ素線を製造した。図中１は光フア
イバ用プリフォーム、２は紡糸炉であり、ここで外径３
０ｍ＋ｓφの光フアイバ用プリフォームを外径１２５Ｉ
ＩｌｌＩφのガラスファイバＩｆとした。ガラスの線速
は３ｍ／ｓＱＣであった。このガラスファイバ１１は紡
糸炉２直下の赤外線加熱装置６を持つカーボンコーティ
ング装置５内に送り込まれた。カーボンコーティング装
置５の人口・出口には、ガラスファイバ１１の温度を測
定する装置３．４が備え付けられている。

人［１側測定装置３で測定したファイバ温度は８５０℃
であった。赤外線加熱装置６のパワーは出口側測定装置
４で測定したファイバ温度が８００℃になるように調節
した。カーボンコーティング装置５には、反応ガス人ロ
ア、出口８が設けられている。反応ガス人ロアはファイ
バ出口近くに、反応ガス出口８はファイバ人口近くに設
けられている。

反応ガス人ロアからはＣＩ　、をＩ　５００　ｃｃ／ｓ
ｅｅで導入した。カーボンコーティング装置５の内径は
２０　ａｍ、長さは５００ｍｍである。カーボンコーテ
ィング装置５を通過した水素を含むカーボン層を被覆さ
れた被覆ファイバは、通常の紫外線樹脂被覆装置９を経
て、ここで紫外線硬化アクリル樹脂を６２．５μｍの層
厚で被覆され、次に巻き取り装置１０で巻き取られた。

以上により得られた本発明の先ファイバの構造、特性を
調べたところ、次のような結果が得られた。

膜厚；ファイバの断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で
撮映したところ、１５０ｎｓであった。

水素含有量；カーボン膜を燃焼させて、発生する水分量
を測定したところ、カーボン１原子当り０．５　原子の
水素原子があった。

ファイバ強度；ファイバを２０＋ｓ取り、その−端を固
定し、多端を荷重を計りながらｌ　ｓ／ｓｅｃの速さで
引っ張り、最終的に破断させ、破断時の荷重を測定する
引張り試験を２０回（ファイバ２０本分）行った。この
データにより、荷重Ｐ（引張り強度ＰＧａ）の時何％の
ファイバが破断していたか（破断確率）をワイブル確率
紙上にプロットしたものを、第３図に八として示す。第
３図のＢはカーボン層を持たない通常のファイバ（比較
品）について同様に試験した結果である。本発明品のΔ
は比較品のＢに比べて疲労が少ないことが分かる。なお
、ｎ値（ワイブル確率紙上に表れた傾きから求められる
ワイブル分布の形状パラメータで、この場合は疲労しに
くさを示す）１８０、初期強度（破断確率１００％への
外挿値）４．８ＧＰａであった。

実施例２ 実施例１と同じ装置で水素を含むカーボン層を持つ本発
明の光フアイバ素線を作製したが、紡糸炉とカーボンコ
ーティング装置との間の距離及び赤外線加熱装置の出力
を調節することにより、カーボンコーティング装置の入
口及び出口でのファイバ温度を表に示すように変化させ
た。得られたファイバのそれぞれについて、水素量（炭
素原子に対する比）、ｎ値、初期強度、損失、膜厚の各
項目につき測定を行った。この結果も表に併せて／ＩＣ
す。

」−記の表から次のことが分かる。

即ち、ファイバ加熱温度が１０００°Ｃを越すζ、初期
強度の低下がみられ、一方１００°Ｃ未満ではｎ値が低
くなりマイクロベンドによるロス増加がある。従って、
６００〜１０００℃の温度範囲内に加熱して炭化水素を
分解することが好ましいことが分かるが、この条件で得
られる水素を含むカーボン膜中に水素原子量／炭素原子
量は０．３〜１である。膜厚は合成時の温度が高い程厚
くなる。

実施例３ 第４図の装置を用いて、光フアイバ用プリフォームを溶
融・紡糸し、ガラスファイバとし、しかる後タララドガ
ラスの外側に水素を含むカーボン層をＣＶＤ法により成
長させ、さらにその−Ｉ−に紫外線硬化樹脂で被覆して
本発明の光フアイバ素線を製造した。紡糸炉２で線速３
ｍ／ｓｅｅで紡糸された外径１２５μｍのガラスファイ
バ１１は、＾ｒガス０゜ｌ　　Ｌｏｒｒに保たれた＾ｒ
スパッタリング装置１２に導入され、しかる後カーボン
コーティング装置１３へ導入される。カーボンコーティ
ング装置＋　３は２個の反応容器１４．１５より成り立
っており、該反応容器１４内ではジメチルジクロルシラ
ンを用いてファイバ表面の沖水化（メチル化）を行った
。なお、第４図において１〜４及び６〜１１の符号の意
味するところは第２図と同じであり、１６はメチル他用
ガス入１１．１７は回出［１である。

この方法で得た本発明の光ファイバにおいては、ガラス
ファイバと水素を含むカーボンコーティング層は完全に
化学的結合によりつながっている。

以−１−で得られた光ファイバの構造、特性は以下の通
りであった。

膜厚；１５０ｎｍ 水素ｒｉｔ　：カーボンｌ原子当り　０．５個ファイバ
強度；ｎ値　２５０ 初期強度４　、３　ＧＰａ ［発明の効！！］ 本発明は最高強度（初期強度）が低下せず、従来のＴｉ
ｅ、や旧Ｏ５を含有する層を持つものにみられた伝送損
失の増加がなく、しかも長期的な強度低下即ち疲労の少
ないファイバの新規な構造を提供できる。また本発明の
製造方法は本発明の構造をファイバの特性を損なうこと
なくイ丁利に実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバを説明する断面図、第２図
は本発明の方法の実施態様を説明する図、第３図は本発
明の実施例２で作製した本発明品の引張り強度（ＧＰａ
）と破壊確率（％）の関係へと、比較品の同関係■３を
示す図、第４図は本発明の方法の別の実施態様であって
、予めＡｒスパッタリング処理とメチル化処理を施す例
の説明図、第５図及び第６１ス１は従来の光ファイバを
説明する断面図である。 １：光フアイバ用プリフォーム、２．紡糸炉、３：人Ｌ
１側７！！度測定装置、４：出口側温度測定装置、５：
カーボンコーティング装置、６：赤外線加熱装置、７：
反応ガス人口、８：反応ガス出口、９：紫外線硬化樹脂
被覆装置、ｌＯ二巻き取り装置、１１ニガラスファイバ
１２：Ａｒスパッタリング装置、１３：カーボンコーテ
ィング装置、Ｉ４：メチル化用反応容器、１５：力一ボ
ンコーティング用反応容器、 １６二メチル化用ガ ス人口、 １７：メチル化用ガス出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）コア及びクラッドを有する石英系ガラスファイバの
   外側に、水素を含むカーボン層を有してなる光ファイバ
   。 ２）水素を含むカーボン層は炭素原子１原子当たり水素
   原子を０．３〜１原子含むことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の光ファイバ。 ３）コア及びクラッドを有する石英系ガラスファイバの
   外側に、炭化水素を熱分解することにより水素を含むカ
   ーボン層を成長させることを特徴とする光ファイバの製
   造方法。 ４）該石英系ガラスファイバを６００℃以上で１０００
   ℃以下の温度範囲内で加熱し、この加熱された石英系ガ
   ラスファイバの外周に炭化水素を流して熱分解すること
   を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の光ファイバの
   製造方法。 ５）該石英系ガラスファイバは、水素を含むカーボン層
   を成長させる直前にプラズマスパッタリング処理されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第３又は４項に記
   載の光ファイバの製造方法。 ６）該石英系ガラスファイバは、線引き直後又はプラズ
   マスパッタリング処理直後で水素を含むカーボン層を成
   長させる直前にメチル化処理されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第３乃至５項のいずれかに記載の光フ
   ァイバの製造方法。