JPH03153549A - 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（）〜−メチツク
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ｌｋｍ以上の長尺な光
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、市販の光ファイノくの抗張力は一般に７００ｇ程度
であるが、例えば海底ケーブルに用いられる長大な光フ
ァイバでは、２０００、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物理的、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
ノ（）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
を被覆しても裸フアイバ中への水蒸気あるいは水酸基イ
オンの拡散は防止できず、先ファイバの強度は経時的に
低下する。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〕

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さらされ、裸ファイバの表面に
カーボンが被覆される。また、欧州特許公開第０３０８
１４３号では、ガラスロッドから光ファイバを線引きす
る過程において、ガラスロッドを溶融して細径化した熱
い裸ファイバを炭素質ガス雰囲気に導入し、カーボンを
コーティングする技術が示されている。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。

しかしながら、上記従来技術によれば、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。また、上記の欧州特許公開では原料ガス
に塩素を加える提案がある。

しかし、この方法では塩素を加えることで１１−メチツ
クコートの水素透過阻止能力（耐水素性）が低下し、極
端な場合にはノー−メチツクコートがないときと同様の
耐水素性になってしまう欠点があった。更に、初期強度
の向上も十分でない欠点があった。

〔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、成膜速度が大きく、水素透過率が小さく、し
かも初期強度の面で優れたカーボンコート光ファイバの
製造方法として、本発明を完成するに至った。

ハーメチック被覆の水素透過阻止能に関し、本発明者は
次のような知見を得た。すなわち、水素透過率は原料ガ
スのＨ／Ｃ１比と、カーボン原料の結合の多重性に依存
しており、上記のＨ／Ｃ１ｌ比を１以上とすると、成膜
反応中に原料ガス中のＣｇの大部分は消費され、Ｈ（ｄ
ｌとなってしまう。

このため、カーボン膜中に残存するＣ１）原子が少なく
な、？、ので、カーボン膜自体が緻密になり、水素の：
Ｌ）退学が低下する。ここご、水素炙へむμフ科として
は炭化水素、水素、炭化ハ「Ｘゲン化水素を用いること
が゛こき、ま戸・Ｘロゲンを含む原料とし５てハロゲン
化炭素、ハロゲン、炭化ハロゲン化水素を用いることが
でき、さらにこれら原料を組み合せてもよい。

水素透過率を低くしながら、しかも成膜速度を大きくす
るためには、次のような対策をとることが望ましい。ま
ず、成膜速度が大きくなる原料を使用することが望まし
く、このような水素源としては例えば炭化水素がある。

ここで、炭化水素としてはメタン、プロパンなどがある
が、エチレンは反応が速いので特に適している。また、
塩素源としては０ｇ２の他に四塩化炭素やトリクレンを
用い得るが、四塩化炭素はトリクレンを用いる場合より
Ｃｊ７濃度を高くでき、またカーボンも含んでいるので
より反応が速く、従って成膜速度の向上に適している。

さらに０ｇ２に比べて腐食性も少ない。

緻密なカーボン被覆を大きな成膜速度で形成するための
次の対策として、反応時のファイバの温度をコントロー
ルすることがある。すなわち、反応容器でのファイバ温
度を低くしすぎると、裸ファイバの表面にカーボン膜が
形成されにくくなる。

これに対し、ファイバ温度を高くしすぎると、カーボン
がシリコンと反応してＳｉＣが生成されやすくなる。一
方、線引き時のファイバの線速を大きくしすぎると、反
応容器内での原料ガスの濃度を好適に保つのが難しくな
る。従って、線速は２．０〜３．５ｍ／ｓｅｃとし、フ
ァイバ温度は９００〜１３００℃とするのが望ましい。

更に、好適に反応を生じさせるためには、原料が良好に
反応容器中に供給されることが望まれる。

ここで、反応容器か細すぎるとススが内面に堆積して長
尺なファイバが線引きできなくなる反面、太すぎると原
料ガスの流れが悪くなる。従って、反応容器の内径は２
．５００１以上であることが望ましく、例えば４ｃｍ程
度に設定される。

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、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
を低下させていることが考えられる。裸ファイバの表面
にＳｉＣが生成されると、そこからマイクロクラックが
生じて初期強度低下が生じるので、カーボンコーティン
グにおいてはＳＩＣが全く生成されないか、あるいは上
記のマイクロクラックが生じない程度という意味で、Ｓ
ｌとＣが裸ファイバの表面で実質的に結合しないように
することが望まれる。これを実現するためには、例えば
次のような対策をすると効果的である。第１は、裸ファ
イバと容易に反応するような活性のガスは、原料ガスと
して用いないことである。このような原料としては、前
述のガスのうち多重性の少ないガス種が望ましい。しか
し、単結合のみを持つガス種は、反応速度が遅く、充分
な厚さまで成膜するのが難しいので、特に３重粘合では
なく２重結合をもつものが好ましく、例えば炭化水素と
してエチレンを用いると、初期強度低ド防止に優れてい
る。第２は、ＳＩＣが生成しないような温度て゛反応さ
せることである。すなわち、゛ニファイ・（温度を１４
００℃１ユ下、望ましくは１３００’Ｃ以下とすれば、
マイクロクラックの原１勺、となる程度に５１Ｃが生成
されることはない。

なお、原料ガスには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、いったん冷却やドラムへの巻き取り
等がされたものであってもよい。また、その材料として
も、純シリカ（Ｓｉｎ２）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等が適用で
きる。

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。

これを、原料ガスとしてアセチレン（Ｃ２Ｈ２）と四塩
化炭素（Ｃ（１４）を用いた場合を例に説明すると、次
のようになる。すなわち、ＣＣρ４が熱せられるとｃｃ
ｐ４は熱分解し、塩素（（１）ガスが生じる。この塩素
がアセチレンに対して脱水素剤として働き、塩化水素が
生成される過程でカーボン膜が合成される。このため、
ＣＣＩ！４を混合すると成膜速度は大きくなる。また、
（水素原子数）〉（塩素原子数）となっているから、反
応が進むと大部分の塩素は消費されてＨｌとなってしま
う。このため、カーボン膜中に残存するＣｐ原子は少な
くなるので、カーボン膜は緻密となり、Ｈ２の透過率は
小さくなる。

〔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。なお、反応性の高いガスを用い
るときには、赤外線ランプを外すことも可能である。反
応管３３は上部に枝管３４ａ。

３５ａを有し、下部に別の枝管３５ｂを有している。そ
して、窒素等のシールガスは枝管３４ａ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２ケ所には
２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、水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、図中の記号りは母材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ｆｉｌ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１０ｇの割合で流される。この冷却装置５０
の直下に配置された樹脂塗布装置６０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。

第１の実験 炭化水素としてＣＨ、ＣＨＳＣ，、Ｈ２３８２４ を使用し、原料ガスを上記炭化水素と四塩化炭素（ＣＣ
ｊｌ１４）で構成し、裸ファイバにパイロリチックカー
ボンを被覆して特性比較を行なった。なお、この実験に
おいて、母材のネックダウン部から反応管内部までの距
離りは３００關であり、紡糸時の線速は１５０ｍ／分で
あり、反応管内でのファイバ温度は推定で１０２０℃で
ある。

第２図に実験の条件を示す。同図において、注（１）〜
（４）は次の通りである。

注（１）；四塩化炭素（ＣＣｉ）４）はヘリウム（Ｈｅ
　）をキャリアガスとして導入した。なお、００ｇ４の
蒸気圧は約１５％（２５℃飽和蒸気圧）である。

（２）；耐水素性を示す。１００℃、Ｈ２−１気圧の雰
囲気中にファイバを２０時間放置したとき、波長１．２
４μｍの光の吸収増加を示す。

（３）：歪速度１００％／分、１％／分で引張りテスト
を２０本ずつ行ない、それぞれについて破断強度の５０
％値を求め、これからｎ値（彼方パラメータ）を計算し
た。

（４）：歪速度１００％／分で引張りテストを２０本行
ない、このときの破断強度の５０％値を初期強度とした
。

裸ファイバの表面に形成されたカーボン膜の膜厚と、耐
Ｈ特性（ΔαＨ２）と、疲労バラメーり（ｎ値）と、初
期強度を第３図に示す。このグラフにおいて、六角印は
ＣＨ，丸印はＣ２２ Ｈ４、四角中はＣ３Ｈ８を示す。

第２図および第３図に示すデータより、次のことがわか
る。

第１に、Ｃ３Ｈ８（プロパン）を使用したときには、カ
ーボン膜が最大でも２２ｎｍ程度しか形成されず、Δα
Ｈ２値やｎ値はカーボンコーティングされていないファ
イバと比べても改善が見られない。なお、原料にＣＨや
Ｃ４Ｈ１ｏのような単結合のみを持つ炭化水素を使用し
ても、カーボン膜は厚くならない。

第２に、Ｃ２Ｈ２（アセチレン）を使用したときには、
カーボン膜厚を４０ｎｍ程度以上にでき、Ｈ／ＣＤ　？
２以上ではｎ＞１００．　　ΔαＨ２−０が達成できる
。このときの初期強度は５．５ｋｇ以下になる。

第３に、Ｃ２Ｈ４（エチレン）を使用した場合には、カ
ーボン膜厚は５０〜６０ｎａ＋程度にできる。

また、Ｈ／（１”＝２．５のときに、ｎ　＠　１５０、
ΔαＨ２−０となり、初期強度は６ｋｇ程度の良好な値
になる。

第２の実験 主としてファイバ温度と初期強度の関係を調べる目的で
、次の実験をした。まず、炭化水素原料としてはエチレ
ン（Ｃ２Ｈ４）を用い、実流量を１５０　ｃｃ／分とし
た。また、塩素原に四塩化炭素を用い、実流量を６０　
ｃｃ／分とした。

第４図に実験の条件と結果を示す。この実験より以下の
ことが判明した。

第１に、ファイバ温度（推定）が１３００℃以上となる
条件（実験に２．３）では、初期強度が低下したことで
ある。第２は、ファイバ温度が９００℃以下となる条件
（実験魔７）では、カーボン膜が薄くてハーメチックな
膜にならないことである。第３は、線速を３．５ｍ／ｓ
ｅｅ（２１０ｍ／分）以上とした条件（実験＆３，６゜
９）でも、薄い膜しか得られないことである。これは、
ファイバに引きずられる大気の量が多く、反応管内の濃
度が十分に上らないためと考えられる。

〔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。

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、第２図は原料による特性値の変化を示す図表、第
３図はＨ７Ｃｆｌ比と特性値の関係を示すグラフ、第４
図はファイバ温度と初期強度の関係を示す図表である。 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ｌｐｊ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、
   含有ハロゲン原子数は含有水素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、コーティングされたカーボンが裸ファイバを構成す
   るシリコンと実質的に結合していない請求項１記載のカ
   ーボンコート光ファイバの製造方法。 ３、前記原料ガスがエチレンを含む請求項１または２記
   載のカーボンコート光ファイバの製造方法。 ４、裸ファイバにカーボンをコーティングする反応容器
   の直径が２．５ｃｍ以上である請求項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を通過中の前記裸ファイバの温
   度が、９００〜１３００℃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、前記原料ガス雰囲気を通過する裸ファイバの線速が
   秒速３．５ｍ以下である請求項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。 ７、前記原料ガスが四塩化炭素を含む請求項１ないし６
   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。 ８、前記原料ガスが四塩化炭素およびエチレンの混合ガ
   スである請求項７記載のカーボンコート光ファイバの製
   造方法。