JPH0380134A - 光ファイバのカーボンコーティング - 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】 本発明はグラスファイバの表面へのコーティング付与に
係り、特に必ずしもこれに限られるわけではないが、シ
リカの気相蒸着に関わる方法により生成された線引され
たばかりの光ファイバの表面へのコーティングに係る。

線引されたばかりのシリカ光ファイバの最初の張力は、
ファイバの表面がほとんど即時に保護されなければ相当
に低下する。このため、多くのシリカ光ファイバには、
ファイバ線引装置の直下に位置し線引作用と直結して作
動する被覆装置を用いてプラスチック保護コーティング
が施される。

多くの適用について、このようになされたプラスチック
保護コーチインクによりファイバの純粋なガラス面に与
えられた保護は充分なものである。

しかし、適用によっては、そうでないことがある。

主にこれは、プラスチックコーティングは水に対する不
透過性において不十分であることがわかり、グラスファ
イバ表面での水の存在は、特に応ノＪ腐食の作用を通じ
て張力の減退を助長しがちになるからである。さらに、
プラスチック保護コーティングは水素による浸透への抵
抗が充分でないことがわかるであろう。多くの適用につ
いて、水素のよる進入へのバリアは、主として、比較的
強い光吸収帯域が水素の存在と関連する光スペクトルの
不便な領域に存在するため、有用である。

米国特許第４．１８３．６２１号では、シリカ光ファイ
バのグラス表面に水分不浸透のカーホンバリアが設けら
れる被覆光ファイバの構成が開示されている。示唆され
るコーチインク方法は、カーホン粒子のコロイド性懸濁
液にファイバを通し、蒸着されたカーボンを熱し、プラ
ズマコーティング、化学気相蒸着、真空蒸着、そしてメ
タンのような炭化水素の還元雰囲気または不活性雰囲気
での熱分解より成る。

米国特許第４．５７５．４６３号もまた光ファイバでの
密封コーティングの付与に係り、特に蒸着反応がその高
温のためにファイバの表面で開始されるような不均質結
晶質化学蒸着コーティングの付与に係る。この高温はコ
ーティング蒸着室をファイバ線引炉の下に比較的近接し
て配置することにより与えられ、それによりファイバは
線引炉を出た後すぐに蒸着室に入るようにされる。しか
し、欧州公開特許明細書束０．３０８．１４３Ａ号に見
られるように米国特許第４．５７５．４６３号は、カー
ボンでなされる密封コーティングの蒸着には特に言及し
ていない。

欧州公開特許明細書束０．３０８．１４３Ａ号は不均質
結晶質化学気相蒸着反応において、光ファイバにカボン
コーティングを施すために多数の異なった炭化水素が用
いられうることを述べ、この目的のため特にアセチレン
の使用を実例としている。

固い表面との接触はファイバ強度を低下させるため、か
かるカーボン層は、新しく線引されたファイバがいかな
る固い表面にも接触しない前に適用されることが非常に
望ましい。ファイバがその被覆前に固い表面に触れない
ものである場合には、ファイバプリフォームから新しく
線引されたファイバのコーチインク゛は線引領域の底部
と巻付はドラムの表面に巻かれる結果かもしくは何らか
の形式の案内滑車の周りで■げられた結果としてファイ
バが方向を変える最初の地点との間に存在する空間でな
されなければならない。この空間の一部はまたファイバ
用のプラスチック保護コーティングの適用及び硬化のた
めに必要である。カーホンでのコーティングのために利
用可能な空間はかくて相当に限定されており、これは、
充分な深度の非浸透カーボンが利用可能空間で蒸着され
る場合にはコーチインク゛効率は重要なパラメータであ
ることを意味する。この関係においては、コーチインク
用に利用可能な空間中でのファイバ部分の滞留時間は、
線引速度が増すにつれ減少する。かくて不浸透のカーボ
ンコーティングの付与においては、許容される時間及び
空間内で充分なコーティング深度を達成することの問題
に遭遇しがちである。驚くべきことに、蒸着の速度、し
たがって特定の蒸着条件により与えられたコーティング
厚は、カーボンコーティングの原料として選択された炭
化水素に著しく依存した。特定の事例では、分速２０メ
ートルの線引速度を用いると、６０ｏｍｒｒｌの長さの
反応器中でメタンを用いて１．６ｎｍ未満のコーティン
グ厚が得られた。これは、他の蒸着条件を不変にしてお
いて特定の炭化水素をメタンの代わりに用いた場合に得
られたコーティング厚１１０８ｎと対照をなす。

本発明の主たる目的は、許容できる密封度と強度の密封
被覆ファイバを生成するような方法で光ファイバにカー
ボンコーティングを蒸着する高蒸着速度方法を提供する
ことにある。

本発明によれば、グラスファイバに、そのコーテインク
か少なくとも主としてプロパジエンの熱分解により形式
されるカラス質カーボンコーチインクを施す方法が提供
される。

蒸着処理の好ましい形式は、熱されたファ゛イバを蒸着
室に通すことにより開始される不均質結晶質化学気相蒸
着（ＨＮ　ＣＶ　Ｄ　）処理である。コテインクは好ま
しくは、新しく生成されたファイバに対し、それがより
大きいプリフォームから線引された直後に適用する。か
かる状況においては、蒸着室を線引炉の下部近くにおく
ことが便宜であり、これによりＨＮＣＶＤは線引炉から
の余熱により開始され、かくて細く熱を供給する必要を
省くことができる。この線引炉の熱の利用の特徴の一つ
は、蒸着室の長さが定長であるとき、積層の厚さは、フ
ァイバはそれがその蒸着か有効に停止する温度まで冷却
される時間を有する前に該室に進入するので、ファイバ
線引速度の増大につれ大きくなる傾向かある。シリカフ
ァイバにガラス質カーボンコーチインクを施すためのＨ
Ｎ　ＣＶ　Ｄ使用の一般的特徴は、積層が半径方向に勾
配のついた構成を有することであり、積層の最も内側は
温度が最高であり、外側へ次第に態度が低くなっている
。ガラス質カーボンと下層のシリカの間の熱膨張係数に
おける食い違いの結果として、カーホンは蒸着により必
然的に決定されるカーボンコーチインクの面で張力レベ
ルを得ることになる。この「固有の」応力の値は外的に
加えられた耐性の付加的応力の程度を制限し、また応力
腐食現象がコーティングのそのものの表面で進行する速
度を定める。したがって、これらの状況においては、コ
ーティングでの応力が内面から外面のコーティング厚を
通じて大きさが減少すると思われるので、半径方向の勾
配は有利なものと思われる。

実施例 プリフォームが次第にファイバ線引炉へ下方移動する際
にプリフォームから線引されるのと直結してシリカ光フ
ァイバにガラス質カーボンコーティングを施すために用
いられる実験的装置につき、以下に説明する。その後、
異なった蒸着溶剤及び条件で得られた結果の比較の詳細
を示すことにする。以下図面及び表を参照しなから説明
する。

図を参照するに、実験用カラス質カーボンコーティング
装置は従来型シリカ光ファイバ線引炉１の基部に直接据
え付けられている。この線引炉では光フアイバプリフォ
ーム２の底端は該プリフォームが次第に炉中を降下する
に従い、ファイバ３に線引される。線引炉１の底端では
、ファイバはＨＮ　ＣＶ　Ｄ試液供給システム４を介し
て、管状炉６により囲まれた反応管５へ流入する。反応
管は６００ｍｍの長さで、内径は２２ｍｍである。

溶剤供給システム４は２つの管状チャンバ７及び８の縦
配列を有し、該チャンバは夫々の供給管９及び１０とフ
ァイバ３を囲む環状排出口１１及び１２を有する。２つ
のチャンバは、異なる溶剤の反応管への同時進入を独立
に制御する利便のために本装置に設けられている。異な
る溶剤の使用は、その下のガラスと直接接触する内側部
分のそれとは若干異なる構成の外側部分を有するコーテ
ィングの形成において有用である。しかし、多くの適用
においては、１つの溶剤しか必要とされず、その場合に
はただ１つのチャンバが使用される。

反応管５の下端には、介在非接触シール１５を有する縦
配列の第１及び第２段階排気マニホールド１３及び１４
が位置する。第２段階排気マニホールドから現れるファ
イバ３はオンラインポリマーコーティングと硬化段階（
硬化段階は図示せず）を通過し、そこからドラム（図示
せず）に巻き付けられ、その回転速度がファイバ線引速
度を制御する。第１排気マニホールドにより排出された
未使用の溶剤は、排気ガスが第２排気マニホールドのそ
れと混合して抽出器へ向けられる前に、炉１６を通る排
出炉で熱分解される。非接触シール１５は、英国公開特
許出願第２．１５９．８１２号に示されるような、背中
合わせに接続された１対のエアームーバ−１６，１７よ
り成る形式のものである。このシールにより、ガラス質
カーホン被覆されたファイバ３ａは、同時にコーティン
グ溶剤と排気ガスを含むものの、どの表面にも物理的に
無接触でガラス質コーティング装置を通過する。ファイ
バ３ａはたとえばプラスティック樹脂１９を１　〇− 含むコーチインク゛コーン１８を通過させることにより
直ちにプラスティック保護コーティングを施すことも随
意可能である。コーン１９から現れる樹脂被覆されたフ
ァイバ３ａは次に本図面には示さない手段により硬化さ
れる。

不均質な蒸着が望まれるため、反応炉の温度は対応する
均一ガス段階反応が一定以上の速度で進行する温度より
低く保たれる必要がある。他方、反応管中での溶剤の温
度は、必要な不均質堆積を促進するために熱いファイバ
から抽出されることを要するエネルギーを最小にするた
め、できるだけ高く保たれるべきである。

反応炉の温度は、反応管５を通る通路でのファイバに蒸
着されるガラス質カーボンの厚さに影響を及ぼす唯一の
パラメータではない。管に入る際のファイバの最初の温
度やファイバの太きさも明らかに重要である。以下に挙
げる結果は全て、１２５±２μｍの径に線引されたファ
イバについてのものである。反応管５に入る際のファイ
バの温度は一層ファイバ線引速度に、そして一部線引炉
を通じたアルゴン除去か設定される流れの速度に依存す
る。明らかに、ファイバ線引速度が速くなるにつれ、反
応管に入る際のファイバ塩度は線弓炉の最高温度により
近づく。線引炉のアルゴン除去は、それが反応管を介し
て排気されるため、温度に影響を与える。通常の除去速
度では、流れる速度の増加は線引炉から反応管への温度
移動を増大させ、ひいては反応管へ入るファイバの温度
の増大につながる。原則として、除去速度は、それが余
りにも速くて線引炉を通る通路で充分な熱を得ることが
できない点まで増大させることが可能であり、その場合
には除去速度の一層の増大はファイバ進入温度の減少を
もたらす。

線引速度はまた、反応管５を通る通路でのファイバに蒸
着されるガラス質カーボンの厚さを決定するうえで重要
な要因となる。比較的高い線速度を用いることの特徴は
、反応管の最上部が線引炉の底部から幾分離間されてい
る場合ですら、線弓炉を出る時と反応管に入る時のファ
イバの温度における落差が抑えられるということである
。この条件下では、アルゴン除去が反応管中で反応ガス
の軽視できない希釈物として作用しないように、少なく
ともアルゴン除去の大部分が線引炉と反応管との間に延
在する管（図示せず）から抽出されるように第１図の装
置を変形することが可能である。さらに、線引速度の増
大は、ファイバのいずれかの部分が、それが不均質な蒸
着を開始するのに充分な熱を有しなくなる点まで冷却さ
れる前に反応管中に入り込む距離を長くする。概して、
この長くなった距離は、ファイバが反応管中でより多く
の溶剤に晒され、ひいてはより゛厚い蒸着が得られるこ
とを意味する。

上記の要因に加え、溶剤の選択は蒸着速度に著しい影響
を与えることが発見されている。本説明の末尾に示す第
１表は、分子１つにつきカーホン原子が４つ以下の種々
の異なった炭化水素を使用することにより得られる蒸着
速度の比較分析の結果である。該表は２つの異なった溶
剤の流れ速度、即ち分速３．５リツトルと分速８．０リ
ツトルで得られた被覆厚を掲けている。アセチレンの場
合には、溶剤の流れ速度は分速２リツトルでしかない。

コーチインクは、２０ｍ／分の速度でプリフォームから
線引された１２５μｍの径のファイバで形成された。線
引炉を通じてのアルゴン除去の速度は分速４．６リツト
ルで設定され、反応管５を囲む炉の温度は８００°Ｃに
維持された。被覆厚は、カーボンコーティングの抵抗は
１．２Ｘ］０−５Ωｍであるとの仮定に基づき、コーテ
ィングファイバの単位長さについての電気抵抗の測定か
ら算出された。この抵抗値は、被覆されたファイバのサ
ンプルの長さの被覆厚のオージェ分析と走査電子顕微鏡
測定、及び単位長さあたりの抵抗の相応じた測定から算
出された平均値で得られたものである。（コーティング
の単位長さあたりの抵抗の測定に用いられる機器は、メ
ートルあたり約２ＭΩの値まで測定が可能で、これは約
１．６ｎｍまでの被覆厚に対応する。）該表は、イソブ
タン、１ブタン、イソブチレン、アセチレン及びプロパ
ジエンの場合に低い溶剤流れ速度を用いる際には、被覆
効率の著しい上昇を示す。被覆効率は４ 不飽和結合の群の場合により大きく、それは２つの不飽
和結合カーホン同士の結合を有する例、すなわちアセチ
レンとプロパジエンの場合に特に大きく、そのときプロ
パジエン使用による被覆効率はアセチレン使用により得
られるものより著しく大きくなり、より高い溶剤流れ速
度で得られた被覆深度が］、、６ｎｍの最小測定制限よ
り大きくなる度毎に、より高い溶剤流れ速度は蒸着の深
さの増大と結びついていることがわかる。■ブタンの使
用で観察される異常効果の理由は完全には理解されてい
ないが、冷却溶剤ガス流の速度の増大による冷却度の増
大と関係があるとみられている。

第１表は、２つの特定な組の蒸着状態について異なった
溶剤で得られる被覆厚の比較を示している。いずれかの
組の蒸着状態が被覆効率につき理想に近いことが確実な
わけでは決してないので、これを探るためにプロパジエ
ンにつき別の組で比較検査が行われる。これらの比較検
査の結果のうちあるものは本説明末尾の第２表に示され
ている。

第２表の例１の条件は、第１表の分速３．５リツトルの
流れ速度の例で引かれたものと同じである。第２表例１
から例６までの進行は、使用されたプロパジエンの量に
対するファイバに蒸着されたカーボンの量に関して被覆
効率において著しい増大を示す。

第１表はプロパジエンの次に適切な溶剤はアセチレンで
あることを示しているが、第１表はこの２つの材料の直
接比較をしていない。なぜなら、使用されるＨ　Ｎ　Ｃ
Ｖ　Ｄコーティング装置で固有の特定条件では、アセチ
レン流れ速度を、コーティング装置から被覆されたフィ
ルムが現れる地点付近での超過アセチレンの燃焼を起こ
さずに他の溶剤について使用される分速３．５リツトル
の流れ速度と同じに増大させることは不可能である。

本説明末尾の第３表で示される結果は代わりつる装置を
用いて得られ、アセチレンからプロパジエンに変えた時
に被覆効率が約４倍改善されることを示し、直接比較を
提供している。この代わりうるＨ　Ｎ　ＣＶ　Ｄ装置は
ファイバ線引領域の下７０Ｃｍに位置し、そこでファイ
バ線引炉の温度は２２７５°Ｃで安定し、そこからファ
イバは２４０ｍ／分の速度で線引される。ＨＮ　ＣＶ　
Ｄ反応管では溶剤ガスの流れは分速２リツトルの速度で
のアルゴンの希釈剤の流れが追加される。

適用によっては、光ファイバにガラス質カーボンコーテ
ィングを施す主な理由は、それに対し応力腐食への強化
抵抗を与えるためである。光ファイバの応力腐食感受率
係数ｒＮＪは一連の歪み率での破損に対する数回の動的
引張試験を行うことにより評価されうる。応力腐食に比
較的侵されかちなファイバは歪み率が減少するにつれ著
しく減少する平均破損歪みを示し、応力腐食への抵抗が
比較的高いファイバは歪み率にほとんど独立である。「
Ｎ」の予想値は歪み率の記録の関数として平均破損歪み
の記録をプロットし、この値を１／（Ｎ＋１）に等式化
することによりできる曲線の勾配を測定することにより
得られる。「Ｎ」はかくて本質的にファイバの破損歪み
（強度）が歪み率の関数として変化する程度の逆の基準
である。

したがってＮの値が高いことはこの関係では望ま７ しい。

第２表の例３に示された条件下でのプロパジエンから生
成されるガラス質カーボンコーティング゛により与えら
れる応力腐食防護の基準を調べるため、このようにして
被覆された１２５μｍの長さの径の光ファイバはカーボ
ンコーチインク装置からオープンカップコーティングコ
ーンに直接送られ、そこでファイバはオンライン紫外線
硬化アクリルコーティングで被覆されて、全直径は２５
０μｍとなる。５つの１０個組の歪み率での動的引張試
験はファイバの全長から取られた０、５メートルの標本
に対して行われた。各歪み率での標本の平均の測定から
、ガラス質カーボン被覆ファイバの応力腐食感受率係数
につきＮ＝６９５の計算値が得られた。これと対照する
と、実質的に同様のファイバの全長から取られた同様の
標本で行われた同等の試験は、前記とはアクリルの下層
にガラス質カーボンコーティングを有しないという点に
限り異なるが、これは応力腐食感受率係数Ｎ３０を示し
た。

８ 適用によっては、ガラス質カーボンコーティングを光フ
ァイバに施すことの主たる理由は、その応力腐食保護特
性ではなく、その水素拡散に対する防護壁としての使用
のためである。この特徴を調べる試験は、ガラスのホビ
ンに巻かれたアクリル被覆ファイバの標本１　ｋｍに対
し、延長された期間中１５０°Ｃの純水素１０気圧とい
う環境を条件として行われた。これらの条件は水素の進
入の結果の「加速された」シミュレーションを実現する
役割を果たし、この技術は光フアイバ試験の分野でよく
知られまた広く用いられているものである。上昇させら
れた温度は水素拡散の速度を増大させる役割を果たし、
他方高圧は水素濃縮の飽和レベルを増大させ、ファイバ
構成は結果的にこの濃縮状態まで進む。

光ファイバの光案内構造に拡散された分子水素の存在及
び濃縮の表示は、そこにおいて分子水素に特有の吸収ピ
ークの存在と高さが検査されうる適当なスペクトル範囲
でのファイバの光減衰を測定することにより与えられる
。分子水素は約１２４４ｎｍと約］［３ＤＯｎｍで吸収
ピークを生ずることが知られており、またスペクトル基
線上の２つのピークの高さは分子水素の濃縮の測定を可
能にする。これらの測定を用いると、取り巻く当該業務
環境でのファイバの性能を計算することが可能となる。

比較スペクトル吸収試験は４つの１．　ｋｍ長の光ファ
イバにつき、前述の１５０°Ｃで１０気圧の水素の「加
速」水素拡散状況に従ってなされた。最初の３本は、１
２５μｍの径のファイバであり、第２表の例２，３．４
を参照して上述の如くなされた夫々ガラス質カーボンコ
ーティングを有し、オンラインＵＶ曲線状のアクリルコ
ーティングで全径が２５０μｍになったものでありる。

比較のために提供された４本目のファイバは、実質的に
同一のアクリルコーティング仕上げで全径が２５０μｍ
になった実質的に同一の１２５μｍの径のファイバであ
るが、ファイバのガラスとそのアクリルコーティングの
間にはガラス質カーホンはみられない。

ガラス質カーホン被覆ファイバのこれらの全ての例にお
いて、分子水素に特有の２つのピークは、４００から２
９００時間の範囲のの露出期間経過後ですらスペクトル
基線上に出現することはない。

対照的に、ガラス質カーボンコーティングを有しないフ
ァイバの例の場合には、１３０時間経過後１２４４ｎｍ
での吸収ピークの測定により基線上２３ｄＢの値が得ら
れた。この特定の一連の試験では、１３０時間経過前に
は何ら測定はなされないが、アクリルの下層にガラス質
カーボンコーティングを有しない同様のファイバの他の
測定においては、スペクトルの測定は分子水素が典型的
には露出後１０時間以下で発生した飽和状態を示す。

第■表 ＊床置か分速３．５ リットルではなく、 分速２リツトルのとき 第２表 〜　２３ 第３表 ４

【図面の簡単な説明】

図はコーティング装置の概略図である。 第１表は異なる化学試液を用いた蒸着効率の比較を示す
表、 第２表は異なるコーティング状態で得られた結果を示す
表、 第３表はアセチレンを用いて得られた結果とプロパジエ
ンを用いたそれとの比較を示す表である。 １−線引炉、２−光フアイバブリフオーム、３フアイバ
、４−溶剤供給システム、５′−反応管・６゛°・管状
炉、７．８−環状チャンバ、９，１０供給管、１１．１
２−”環状排出口、１３．１４排気マニホールド、１５
゛−非接触シール、１６゜１７°・−エアームーバ−１
８−コーティングコーン。 手 続 補 正 書（方式） ％式％ １、事件の表示 平成２年　特許願 殿 第１４１２２１号 ２゜ 発明の名称 光ファイバのカーボンコーチインク′ ３゜ ４゜ 補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　イギリス国　ロンドン　ダブリューアイエフ３ニ
ーニー　ポートラント　ブレイス　１ビ一番地氏名　　
エステイ−シー　ピーエルシー代表者　マーク　チャー
ルズ　デニス

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）グラスファイバにガラス質カーボンコーティング
   を施す方法であって、そのコーティングが少なくとも主
   としてプロパジエンの熱分解により形成される方法。
2. （２）グラスファイバにガラス質カーボンコーティング
   を施す方法であって、熱分解は熱分解を相当な速度で促
   進するのには不十分な温度に維持された反応管で生じ、
   熱分解はより高い温度で反応管に導入されたファイバの
   熱により促進されることを特徴とする請求項１記載の方
   法。
3. （３）ガラス質カーボンコーティング蒸着は、グラスロ
   ッドプリフォームの熱軟化した先端から線引することに
   よりグラスファイバの生成と直結して行われ、該高温は
   ファイバのプリフォームからの生成後にファイバの残存
   熱により与えられることを特徴とする請求項２記載の方
   法。
4. （４）請求項１記載の方法で製造されるガラス質カーボ
   ン被覆光ファイバ。
5. （５）該ファイバはガラス質カーボンコーティング上に
   プラスチックの保護コーティングを施されている請求項
   ４記載の光ファイバ。
6. （６）請求項２記載の方法で製造されるガラス質カーボ
   ン被覆光ファイバ。
7. （７）該ファイバはガラス質カーボンコーティング上に
   プラスチックの保護コーティングを施されている請求項
   ６記載の光ファイバ。