特許 7097325 光ファイバの製造方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-29

(45)【発行日】2022-07-07

(54)【発明の名称】光ファイバの製造方法および装置

(51)【国際特許分類】

   C03B 37/027 20060101AFI20220630BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20220630BHJP

【ＦＩ】

C03B37/027 A

G02B6/02 356A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019073131

(22)【出願日】2019-04-05

(65)【公開番号】P2020169113

(43)【公開日】2020-10-15

【審査請求日】2020-11-19

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】竹内 脩悟

(72)【発明者】

【氏名】荒井 慎一

(72)【発明者】

【氏名】相曽 景一

(72)【発明者】

【氏名】土田 幸寛

(72)【発明者】

【氏名】武笠 和則

【審査官】有田 恭子

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６１－１９１５３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－２５８６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０３４５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３５６３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２２７３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５４１０３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０３Ｂ ３７／００－３７／１６

Ｇ０２Ｂ ６／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

クラッドにフッ素が添加された光ファイバ母材の一端部を加熱して溶融変形し、光ファイバを引き出す線引き工程を含み、前記線引き工程では、前記溶融変形させる溶融変形部を０．１５ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら線引きを行い、
前記光ファイバ母材の一端部を１５００℃以上に加熱して前記溶融変形部を形成する
ことを特徴とする光ファイバの製造方法。

【請求項2】

前記溶融変形部を加圧媒体によって加圧する
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの製造方法。

【請求項3】

前記溶融変形部を加圧する圧力を制御して前記引き出す光ファイバの外径を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの製造方法。

【請求項4】

前記引き出す光ファイバの外径を１５０μｍ以下にする
ことを特徴とする請求項１または３に記載の光ファイバの製造方法。

【請求項5】

クラッドにフッ素が添加された光ファイバ母材の一端部を１５００℃以上に加熱して溶融変形する加熱器と、
前記光ファイバ母材を収容する圧力容器を備え、前記光ファイバ母材の溶融変形された溶融変形部を０．１５ＭＰａ以上の圧力で加圧する加圧機構と、
前記溶融変形部から引き出された光ファイバに被覆層を形成する被覆層形成機構と、を備える
ことを特徴とする光ファイバの製造装置。

【請求項6】

前記光ファイバ母材を保護する光ファイバ母材保護部と、
前記光ファイバ母材保護部で保護した光ファイバ母材を収容する光ファイバ母材収容機構と、をさらに備える
ことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバの製造装置。

【請求項7】

前記被覆層形成機構において前記引き出された光ファイバが通過する孔の直径が５０ｍｍ以下である
ことを特徴とする請求項５または６に記載の光ファイバの製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ファイバの製造方法および装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の光通信システムでは、光ファイバの伝送損失の低減がより強く要請されている。その理由の一つは、光通信伝送路としての光ファイバの伝送損失を低減することにより、長距離光通信システム、たとえば海底線ケーブルなどで使用する中継器の数を減らすことができるので、光通信システムの構築や維持におけるコストメリットが大きいからである。

【0003】

光ファイバの伝送損失を低減するためには、レイリー散乱損失の低減が有効である。レイリー散乱は、光ファイバの製造工程における透明ガラス化時のひずみや、局部的に生じる特性低下領域の影響で、ガラスネットワークに粗密（密度ゆらぎ）ができることで生じる。このガラスネットワーク構造の緩和を目的として、光ファイバ母材に熱間等方圧加圧法（Hot Isotropic Pressure：ＨＩＰ）と呼ばれる高温加圧工程を施す手法が公知となっている（特許文献１）。ＨＩＰ処理によれば、光ファイバ母材中のガラスネットワーク構造の緩和が進行するので、レイリー散乱損失が低下するとされている（非特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平５－２２１６７４号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】小野円佳 他、「超低損失ファイバの実現に向けたシリカガラスの空隙構造制御」、シンポジウム S1012p V03、レーザ学会学術講演会第３９回年次大会講演予稿集、平成３１年１月

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来検討されているＨＩＰ処理は、いずれもが、光ファイバ母材におけるＨＩＰ処理に関するものである。このＨＩＰ処理によって、光ファイバ母材におけるガラスネットワーク構造の緩和とそれによるレイリー散乱損失の低減は実現できると考えられる。

【0007】

しかしながら、光ファイバは、一般的に光ファイバ母材の一端部を加熱炉にて加熱溶融し、そこから鉛直下方に引き出す線引き工程を行うことによって製造される。線引き工程において、光ファイバ母材は、２０００℃程度まで加熱される。したがって、光ファイバ母材において行ったＨＩＰ処理よるガラスネットワーク構造の緩和効果は、線引き工程におけるこのような高温処理で何らかの影響を受けると考えられるが、従来検討はされていなかった。さらに、光ファイバ母材にＨＩＰ処理を行なう場合、光ファイバ製造のリードタイムが非常に長くなるという課題があった。

【0008】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、より効率的に伝送損失が低減された光ファイバを製造できる光ファイバの製造方法および装置を提供することにある。

【0009】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、光ファイバ母材の一端部を加熱して溶融変形し、光ファイバを引き出す線引き工程を含み、前記線引き工程では、前記溶融変形させる溶融変形部を０．１５ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら線引きを行うことを特徴とする。

【0010】

本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、前記溶融変形部を加圧媒体によって加圧することを特徴とする。

【0011】

本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、前記光ファイバ母材の一端部を１５００℃以上に加熱して前記溶融変形部を形成することを特徴とする。

【0012】

本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、前記溶融変形部を加圧する圧力を制御して前記引き出す光ファイバの外径を調整することを特徴とする。

【0013】

本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、前記引き出す光ファイバの外径を１５０μｍ以下にすることを特徴とする。

【0014】

本発明の一態様に係る光ファイバの製造装置は、光ファイバ母材の一端部を加熱して溶融変形する加熱器と、前記光ファイバ母材を収容する圧力容器を備え、前記光ファイバ母材の溶融変形された溶融変形部を０．１５ＭＰａ以上の圧力で加圧する加圧機構と、前記溶融変形部から引き出された光ファイバに被覆層を形成する被覆層形成機構と、を備えることを特徴とする。

【0015】

本発明の一態様に係る光ファイバの製造装置は、前記光ファイバ母材を保護する光ファイバ母材保護部と、前記光ファイバ母材保護部で保護した光ファイバ母材を収容する光ファイバ母材収容機構と、をさらに備えることを特徴とする。

【0016】

本発明の一態様に係る光ファイバの製造装置は、前記被覆層形成機構において前記引き出された光ファイバが通過する孔の直径が５０ｍｍ以下であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれは、伝送損失が低減された光ファイバ光ファイバを製造できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、実施形態に係る製造方法および光ファイバの製造装置の模式図である。

【図2】図２は、線引きを説明する模式図である。

【図3】図３は、ダイスの模式的上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一又は対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、本明細書において特に定義しない用語については、Ｇ．６５０．１およびＧ．６５０．２における定義、測定方法に従うものとする。

【0020】

本発明者らは、伝送損失が低減された光ファイバの実現方法を鋭意検討したところ、光ファイバ母材を溶融変形し、光ファイバを引き出す線引き工程を行う際に、溶融変形させる溶融変形部を加圧しながら線引きを行うことによって、光ファイバ母材のＨＩＰ処理のようなガラスネットワーク構造の緩和を実行できることに想到した。これにより、伝送損失の低減が実現されるとともに、光ファイバ母材のＨＩＰ処理を行う場合よりもリードタイムを大幅に短縮できることに想到した。

【0021】

図１は、実施形態に係る製造方法および光ファイバの製造装置の模式図であり、全体の構成図とその一部を拡大して切り欠いた図とを含む。この製造装置１００は、加圧機構１と、加熱器であるヒータ２と、光ファイバ母材収容機構３と、冷却部４と、被覆層形成機構５と、プライマリ樹脂供給部６ａと、セカンダリ樹脂供給部６ｂと、ガイドロール７と、巻取装置８と、チャック９と、回転軸体１０と、光ファイバ母材保護部１１と、を備えている。

【0022】

加圧機構１は、圧力容器１ａと加圧部１ｂとを備えている。加圧部１ｂは、圧力容器１ａに対して加圧媒体を送排出することによって圧力容器１ａ内の圧力を調整できるように構成されている。加圧媒体は流体であり、たとえば不活性ガスである。

【0023】

ヒータ２は、圧力容器１ａを囲むように配設されており、光ファイバ母材Ｐを加熱変形するためのものである。

【0024】

光ファイバ母材収容機構３は、圧力容器１ａ内に収容されており、光ファイバ母材Ｐを収容する。

【0025】

冷却部４は、圧力容器１ａ内に収容されかつ光ファイバ母材収容機構３の下方に配置されている。冷却部４は、光ファイバ母材Ｐから線引きされたガラス光ファイバＦ１を冷却するものであり、たとえばヘリウムガスのような冷却媒体を流すによってガラス光ファイバＦ１を冷却するように構成されている。

【0026】

被覆層形成機構５は、ダイス５ａ、５ｂ、および紫外線照射装置５ｃを備えている。ダイス５ａ、５ｂ、および紫外線照射装置５ｃは、圧力容器１ａ内に収容されかつ冷却部４の下方にこの順番で配置されている。プライマリ樹脂供給部６ａおよびセカンダリ樹脂供給部６ｂは、圧力容器１ａ外に配置されている。プライマリ樹脂供給部６ａは、タンク内に収容された紫外線硬化樹脂であるプライマリ樹脂をダイス５ａに供給する。セカンダリ樹脂供給部６ｂは、タンク内に収容された紫外線硬化樹脂であるセカンダリ樹脂をダイス５ｂに供給する。

【0027】

ガイドロール７および巻取装置８は、圧力容器１ａの下方に配置されている。

【0028】

光ファイバ母材Ｐは、コア母材の周囲にクラッド部が形成された公知の材料および構造を有する。光ファイバ母材Ｐは、たとえば、ＶＡＤ（Vapor Axial Deposition）法にて、コア部とクラッド部の一部とからなるコア母材を作製し、ＯＶＤ（Outside Vapor Deposition）法にて、コア母材の周囲に残りのクラッド部を形成したものである。なお、光ファイバ母材Ｐは、コア母材を、残りのクラッド部となるガラス管に挿入し、両者を加熱一体化することで製造したものでもよい。光ファイバ母材Ｐの上端にはコア母材の作製時に使用した円柱状の出発材Ｐａの一部が突出している。

【0029】

チャック９は、出発材Ｐａを把持して光ファイバ母材Ｐを上方から保持する。回転軸体１０はチャック９および不図示の回転昇降機構と連結しており、回転昇降機構によって軸心回りに回転して光ファイバ母材Ｐを回転昇降させる。

【0030】

光ファイバ母材保護部１１は、光ファイバ母材収容機構３内に収容され、かつ光ファイバ母材Ｐが周囲の要素（たとえば光ファイバ母材収容機構３や圧力容器１ａ）と直接接触しないように保護するものである。

【0031】

つぎに、製造装置１００を用いた光ファイバの製造方法について説明する。まず、光ファイバ母材Ｐを光ファイバ母材保護部１１とともに光ファイバ母材収容機構３内に収容する。このときチャック９で出発材Ｐａを把持する。

【0032】

つづいて、図２に示すように、光ファイバ母材Ｐを回転降下させながら、一端部である下端部をヒータ２にて加熱し、溶融変形して溶融変形部Ｐｂを形成し、溶融変形部Ｐｂからガラス光ファイバＦ１を引き出す線引き工程を行う。このとき、光ファイバ母材Ｐの下端部をたとえば１５００℃以上に加熱して溶融変形部Ｐｂを形成する。ただし、下端部の加熱温度は溶融変形部Ｐｂを形成できる温度であればよい。

【0033】

線引き工程では、溶融変形させる溶融変形部Ｐｂを０．１５ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら線引きを行う。具体的には、加圧機構１の加圧部１ｂが圧力容器１ａに対して加圧媒体を送排出し、溶融変形部Ｐｂを０．１５ＭＰａ以上の圧力で加圧する。これにより、ガラス光ファイバＦ１におけるガラスネットワーク構造の緩和とそれによるレイリー散乱損失の低減が実現される。

【0034】

このとき、溶融変形部Ｐｂが０．１５ＭＰａ以上の圧力で加圧されればよい。したがって、圧力容器１ａ内全体の圧力が０．１５ＭＰａ以上であってもよいし、溶融変形部Ｐｂの周囲だけが０．１５ＭＰａ以上の圧力であってもよい。また、引き出されたガラス光ファイバＦ１の外径Ｄｆはたとえば１５０μｍ以下である。ガラス光ファイバＦ１の外径Ｄｆは、溶融変形部Ｐｂを加圧する圧力を制御することによって調整してもよい。１５００℃以上に加熱して溶融変形部Ｐｂを形成すれば、圧力による外径Ｄｆの調整は容易となる。たとえば、圧力を高めると外径Ｄｆは小さくなる。外径Ｄｆはたとえば１２５μｍとしてもよい。

【0035】

冷却部４は、ガラス光ファイバＦ１を冷却する。ダイス５ａは、冷却されたガラス光ファイバＦ１の外周にプライマリ樹脂を塗布する。ダイス５ｂは、ガラス光ファイバＦ１のプライマリ樹脂のさらに外周にセカンダリ樹脂を重ねて塗布する。紫外線照射装置５ｃは、ガラス光ファイバＦ１の外周に塗布された２層の樹脂に紫外線を照射して硬化させ、２層構造の被覆層とする。これにより被覆層を有する光ファイバＦ２が製造される。

【0036】

図３は、ダイス５ａの模式的上面図である。ダイス５ａには、ガラス光ファイバＦ１が通過する孔５ａａが形成されている。ガラス光ファイバＦ１が孔５ａａを通過する際に樹脂が塗布される。この孔５ａａの直径Ｄｈは、ガラス光ファイバＦ１が通過可能であればよいが、たとえば５０ｍｍ以下であることが好ましい。

【0037】

つづいて、ガイドロール７は、光ファイバＦ２を巻取装置８にガイドする。巻取装置８は、光ファイバＦ２をボビンに巻き取る。このボビンの回転速度によって、ガラス光ファイバＦ１および光ファイバＦ２の線引き速度が変更される。

【0038】

製造された光ファイバＦ２は、伝送損失の低減が実現されている。本実施形態によれば、ガラスネットワーク構造の緩和と線引きとを一つの加熱処理により行うので、緩和の効果が光ファイバＦ２において維持されやすい。また、光ファイバ母材Ｐに対してＨＩＰ処理を行う場合よりもリードタイムが大幅に短縮され、かつ加熱に掛かる電力が節約される。

【0039】

また、製造装置１００は、被覆層形成機構５が圧力容器１ａに収容されているので、装置が構成し易い。

【0040】

なお、光ファイバ母材Ｐにおいて、たとえばコア部にカリウムなどのアルカリ金属が添加され、クラッド部にフッ素が添加されている場合、コア部の仮想温度が低くなるため、コア部に圧縮応力、クラッド部に引張応力が発生している状態とすることができる。そのため、ガラスネットワーク構造の緩和の効果を、線引き後の光ファイバＦ２のコア部においても、より一層維持しやすいと考えられる。光ファイバの伝送損失の低減のためには、特にコア部におけるレイリー散乱損失の低減が重要なので、コア部に圧縮応力が発生している方が好ましい。

【0041】

（実施例１）
シリカガラスによって構成される光ファイバ母材を、その周囲およびセカンダリ樹脂を塗布するダイスまでを圧力容器に収容し、加圧条件で線引き可能な製造装置を用いて１５００℃で加熱溶融し、溶融変形部を形成する。加圧部からガスラインを通じて供給されるアルゴンガスにより０．１５ＭＰａで加圧しながら線引きし光ファイバを製造する。これにより、加圧しない場合に比べ伝搬損失の低減が図られた。

【0042】

（実施例２）
シリカガラスによって構成される光ファイバ母材を、その周囲およびセカンダリ樹脂を塗布するダイスまでを圧力容器に収容し、加圧条件で線引き可能な製造装置を用いて１５００℃で加熱溶融し、溶融変形部を形成する。加圧部からガスラインを通じて供給される窒素ガスにより２００ＭＰａで加圧しながら線引きし光ファイバを製造する。これにより、加圧しない場合に比べ伝搬損失の低減が図られた。

【0043】

（比較例）
加圧する圧力を０．１４ＭＰａとする以外は実施例１と同じ条件で線引きすると、加圧しないで線引きした場合と比較して伝搬損失の低減が図れていなかった。

【0044】

なお、上記実施形態では、圧力容器１ａ内に冷却部４、ダイス５ａ、５ｂ、および紫外線照射装置５ｃが収容されている。しかしながら圧力容器１ａ内の圧力によっては、さらにガイドロール７が圧力容器１ａに収容されていてもよく、さらには巻取装置８が圧力容器１ａに収容されていてもよい。また、光ファイバ母材収容機構３と光ファイバ母材保護部１１とは実施形態において必須の構成ではなく、適宜削除してもよい。

【0045】

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0046】

１ 加圧機構
１ａ 圧力容器
１ｂ 加圧部
２ ヒータ
３ 光ファイバ母材収容機構
４ 冷却部
５ 被覆層形成機構
５ａ、５ｂ ダイス
５ａａ 孔
５ｃ 紫外線照射装置
６ａ プライマリ樹脂供給部
６ｂ セカンダリ樹脂供給部
７ ガイドロール
８ 巻取装置
９ チャック
１０ 回転軸体
１１ 光ファイバ母材保護部
１００ 製造装置
Ｆ１ ガラス光ファイバ
Ｆ２ 光ファイバ
Ｐ 光ファイバ母材
Ｐａ 出発材
Ｐｂ 溶融変形部

【図1】

【図2】

【図3】