JP2011136862A - 光ファイバ線引き炉および光ファイバ線引き方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の円筒状ヒータを用いて、簡単にヒータ加熱の周方向における温度の均一化を実現することが可能な光ファイバ線引き炉と光ファイバ線引き方法を提供する。
【解決手段】光ファイバ母材２が供給される炉心管３と、炉心管を囲む円筒状ヒータ４と、円筒状ヒータに電力を供給するための電極部５ａ，５ｂと、円筒状ヒータの外側を囲む断熱材６と、全体を囲む炉筐体を備えた光ファイバ線引き炉を用いた光ファイバの線引きである。この線引きで、前記の円筒状ヒータ４を光ファイバ母材が加熱溶融される温度に昇温し、円筒状ヒータが熱膨張した状態の位置で円筒状ヒータの端子部９ａ、９ｂを電極部５ａ，５ｂに接続固定し、光ファイバ母材の加熱溶融時に円筒状ヒータ４が真円状態となるようにして、光ファイバ母材２を加熱溶融する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ母材から光ファイバを線引きするための線引き炉と線引き方法に関する。

近年、光ファイバの低コスト化に伴い、光ファイバ母材が大型化すると共に、その線引き速度が速くなっている。また、線引き炉自体は、電極やガス流路の存在により、構造的に円周方向に沿って多少の不均一を避けることができない。このため、加熱溶融される光ファイバ母材に温度むらが生じ、溶融縮径されて線引きされる光ファイバの断面が真円とならず、楕円状に非円化する。この光ファイバの非円の程度を表わすために、一般に非円率「（長径−短径）／平均径」が用いられている。この、非円率が大きいと、光コネクタによる接続や融着接続で、接続損失が増大するという問題があった。

上記の光ファイバの非円率を小さくするのに、例えば、特許文献１には、光ファイバ母材を炉心管を介して加熱するヒータ部の温度分布を調整することが開示されている。また、特許文献２には、光ファイバ母材を炉心管を介して加熱するヒータを、周方向に沿って加熱温度が均一化される形状とする構造のものが開示されている。例えば、図4に示すように、スリット１０３を入れて上下方向に蛇行する発熱部１０２を有する円筒状のヒータ１０１で、電源用の電極接続部１０４〜１０７を複数設けることにより、周方向の発熱が均一にする方法が一例として示されている。

特開平８−２０８２６２号公報 特開平９−７１４３３号公報

通常、線引き装置における光ファイバ母材を加熱溶融する加熱部は、例えば、図３の模式図で示すように、光ファイバ母材２が収納される炉心管３の外側に円筒状のヒータ４を配して構成する。円筒状ヒータ４は、図４に示したのと同様なスリット４ｂを上下方向から交互に入れてジグザグ状に蛇行する発熱部４ａとされているものとする。円筒状ヒータ４の一方の端部（下端）には一対の端子部９ａと９ｂが１８０°隔てて対向するように設け、電力を供給する一対の電極部５ａ、５ｂに対して、取り付け位置１０ａ、１０ｂで固定部材１１を用いて端子部間隔Ｌで接続固定し、電力供給回路への接続と取り付け固定を行うものとする。

円筒状ヒータ４は、円形で炉心管と同心状になるように組み付けられることから、常温においては、収納される光ファイバ母材２の外面と円筒状ヒータ４の内面４ｃとの間隔Ｓは周方向で均一で、円筒状ヒータ４の外径Ｄは一定である。しかしながら、円筒状ヒータ４は、２０００℃程度までの温度になるので、この温度上昇による熱膨張による歪を解放するために径方向に変形する。

このとき、電極部５ａ，５ｂに接続固定された端子部９ａ，９ｂ間を結ぶＸ−Ｘ方向での変形は抑制され、ヒータ７の外径Ｄは変化しない。しかし、この端子部９ａ，９ｂ間の発熱部４ａは、鎖線で示ようにＹ−Ｙ方向に膨らんで外径ＤからＥに変化する。この結果、光ファイバ母材２の外面と円筒状ヒータ４の内面４ｃとの間隔Ｓは、外径変化のない部分でＳ＝Ｓ１、外径Ｅに変化する部分でＳ２となり、Ｓ＝Ｓ１＜Ｓ２で不均一になり、光ファイバ母材２の周方向での温度分布が不均一となり加熱溶融状態に偏りが生じる。このため、線引きされる光ファイバの非円率が大きくなる。

この不均一な温度分布を均一化するために、上記特許文献１ではヒータを囲う断熱材を部分的に移動させて保温特性を調整したり、特許文献２ではヒータを固定する電極接続部を複数に分割したり、ヒータ断面積を部分的に変更するなどしている。しかし、これらの方法は、線引き炉の構造を複雑にし、また、既存の線引き炉に適用するには大幅に改造するなどの必要があり、コスト的にも高い設備となる。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、既存の円筒状ヒータを用いて、簡単にヒータ加熱の周方向における温度分布の均一化を実現することが可能な光ファイバ線引き炉と光ファイバ線引き方法の提供を目的とする。

本発明による光ファイバ線引き装置及び線引き方法は、光ファイバ母材が供給される炉心管と、炉心管を囲む円筒状ヒータと、円筒状ヒータに電力を供給するための電極部と、円筒状ヒータの外側を囲む断熱材と、全体を囲む炉筐体を備えた光ファイバ線引き炉を用いた光ファイバの線引き装置及び方法である。この線引きで、前記の円筒状ヒータを光ファイバ母材が加熱溶融される温度に昇温し、円筒状ヒータが熱膨張した状態の位置で円筒状ヒータの端子部を電極部に接続固定し、光ファイバ母材の加熱溶融時に円筒状ヒータが真円状態となるようにして、光ファイバ母材を加熱溶融することを特徴とする。

常温ｔ０での円筒状ヒータの端子部間寸法をＬ、並びに円筒状ヒータ円筒部の外径寸法をＤ、円筒状ヒータ円筒部の昇温時の温度をｔ１、円筒状ヒータ端子部の昇温時の温度をｔ２、円筒状ヒータの熱膨張係数をαとしたとき、円筒状ヒータが電極部に接続固定される際の端子部間寸法Ｌ’を、
Ｌ’＝Ｌ＋[Ｄ×（ｔ１−ｔ０）×α]＋[（Ｌ−Ｄ）×（ｔ２−ｔ０）×α]とする。

本発明によれば、通常の形状で作製された円筒状ヒータを、組付け時に、予め円筒状ヒータが加熱され熱膨張された状態の寸法に変位させた位置で、電極部に接続固定するだけの簡単な方法で、非円率を小さくすることができる。このため、既存設備の改造を要しないので、コスト増を伴うことなく容易に実施することができる。

本発明における線引き炉の概略を説明する図である。 本発明の線引き炉に用いる円筒状ヒータの一例を説明する図である。 本発明の課題を説明する円筒状ヒータの模式図である。 従来技術を説明する図である。

図１，２により本発明の実施の形態を説明する。図中、１は線引き炉、２は光ファイバ母材、３は炉心管、４は円筒状ヒータ、４ａは発熱部、４ｂはスリット、４ｃはヒータ内面、５ａ，５ｂは電極部、６は断熱材、７は炉筐体、７ａは上部筒、７ｂは下部筒、８は母材供給機構、９ａ，９ｂは端子部、１０ａ，１０ｂは取り付け位置、１１は固定部材、１２は絶縁部材、１３，１４はガス流入口、１５はガス流出口を示す。

光ファイバの線引きは、図１に示すように、吊下げ支持される光ファイバ母材２の下部を加熱し、加熱溶融により細径となった下端から光ファイバ２ａを溶融垂下させて所定の外径となるように線引きして行われる。このための線引き炉１は、光ファイバ母材２が供給される炉心管３を囲むようにして、加熱用の円筒状ヒータ４を配し、この円筒状ヒータ４の熱が外部に放散されないように断熱材６で囲い、その外側全体を炉筐体７で囲って構成される。

光ファイバ母材２は、模擬的に示す母材供給機構８により吊り下げ支持され、光ファイバの線引き進行にしたがって下方に順次移動制御される。炉筐体７は、ステンレス等の耐食性に優れた金属で形成され、中心部に高純度のカーボンで形成された円筒状の炉心管３が配される。炉筐体７の上部は、上部筒７ａで形成され、光ファイバ母材２が封止状態で導入される。また、この上部筒７ａには、ガス導入口１３が設けられ、炉内の酸化・劣化を防ぐためにヘリウムガスやアルゴンガス等の不活性ガスが流入されるように構成されている。この不活性ガスは、光ファイバ母材２と炉心管３の隙間を通って、炉筐体７の下部筒７ｂから排出される。

炉筐体７は、断熱材６により円筒状ヒータ４の熱で温度上昇しないようにする以外に、図では省略しているが、冷却水路等を設けて冷却することができる。これにより、炉筐体７は、稼動時においても常温近くに保たれ、熱膨張による寸法の変動は実質的にない状態とすることができる。また、この上記のガス導入口とは別に、炉筐体７にガス導入口１４とガス排出口１５を設け、円筒状ヒータ４および断熱材６が酸化による劣化を起こさないようにヘリウムガスやアルゴンガス等の不活性ガスを供給するようにする。

また、炉筐体７には、円筒状ヒータ４に電力を供給するため一対の電極部５ａと５ｂが、絶縁部材１２を介して取り付け固定される。この電極部５ａ，５ｂは、円筒状ヒータ４に電力を供給する以外に、円筒状ヒータ４を固定支持する機能を備える。
円筒状ヒータ４は、一方の端部（本例では下端部）に電力供給のための一対の端子部９ａと９ｂが、１８０°離れた対抗位置に設けられ、その取り付け位置（取り付け孔の中心）１０ａ，１０ｂで、ねじ等の固定部材１１により、電極部５ａ，５ｂに取り付け固定される。

本発明は、上述した光ファイバの線引き炉１の構成で、円筒状ヒータ４の取り付け構造に特徴を有するもので、その詳細を図２により説明する。図２に示す円筒状ヒータ４は、図３で説明したのと同様の構造のもので、同じ符号を付してある。円筒状ヒータ４は、カーボンの電気抵抗を使って発熱体が構成されている。この構造は、円筒の上下方向から交互にスリット４ｂを入れて、ジグザグ状に蛇行させて所定の断面と長さを有する発熱部４ａとし、所定の抵抗値とされる。また、スリット４ｂを入れることにより、円筒状ヒータ４は、径方向に伸縮しやすい形状となっている。

円筒状ヒータ４の一方の端部（下端）には、一対の端子部９ａと９ｂが１８０°隔てて対向するように設けられ、電源を供給する一対の電極部５ａ、５ｂに対して、取り付け位置１０ａ、１０ｂを所定の端子部間隔Ｌ’で接続固定される。これにより、円筒状ヒータ４は、電力供給回路への接続と取り付けが固定される。電極部５ａ、５ｂに接続された状態の円筒状ヒータ４には、電流が一方の端子部９ａから両側の発熱部４ａをパラレルに通って他方の端子部９ｂに流れ、発熱部４ａを発熱させる。

ここで、円筒状ヒータ４が線引き炉内に取り付けられる前の常温の状態で、例えば、図３で説明したように、発熱部４ａの外径Ｄが変形のない真円の状態で、そのときの端子部９ａ，９ｂの端子部間隔がＬであったする。この円筒状ヒータ４を、電極部５ａ、５ｂに固定することなくフリーの状態で、所定の発熱温度（例えば、２０００℃）に昇温したとすると、ヒータの熱膨張係数によって径方向に一様に熱膨張する。また、これにより端子部９ａと９ｂの端子部間隔Ｌが広がる。

本発明においては、上記の円筒状ヒータ４が径方向に一様に熱膨張し、端子部９ａと９ｂの端子部間隔Ｌが広がった状態の寸法をＬ’とすると、この寸法Ｌ’を端子部間隔として、電極部５ａ，５ｂに接続固定する。すなわち、円筒状ヒータ４が光ファイバ母材を加熱溶融する温度に昇温され、真円を保って熱膨張した状態を仮想した位置で、円筒状ヒータの端子部９ａ，９ｂを電極部５ａ，５ｂに接続固定する。
この結果、線引き炉１が稼動されていない状態（加熱されていない状態）では、円筒状ヒータ４は、図２（Ｂ）に示すように、端子部９ａ，９ｂの方向に引き伸ばされた楕円状となり、端子部９ａ，９ｂのＸ−Ｘ方向の外径Ｄｘは元の直径Ｄより大きくなり、これと９０°位置が異なるＹ−Ｙ方向の外径Ｄｙは元の直径Ｄより小さくなる形状で保持される。

この状態で、取り付け固定された円筒状ヒータ４は、所定の温度まで発熱して昇温されると、温度上昇による熱膨張による歪を解放するために径方向に膨らむ。しかし、端子部９ａ，９ｂのＸ―Ｘ方向では、電極部５ａ，５ｂに固定されていて変形が阻止されるため、Ｙ−Ｙ方向に膨らむ。この結果、所定の温度まで昇温したときに、鎖線で示すようにＹ−Ｙ方向の外径がＦとなる。このとき、変形が抑制されたＸ―Ｘ方向の外径Ｄｘと、Ｙ−Ｙ方向の外径Ｆと、が等しくなるようにＬ’が設定されていれば、円筒状ヒータ４は真円になるように変形する。

円筒状ヒータ４が真円状態を保って所定の加熱温度で稼動されていれば、Ｘ−Ｘ方向での光ファイバ母材２と円筒状ヒータ４の内面４ｃとの間隔Ｓ１と、Ｙ−Ｙ方向での光ファイバ母材２と円筒状ヒータ４の内面４ｃとの間隔Ｓ２は、Ｓ１＝Ｓ２となる。これにより、光ファイバ母材２は、円筒状ヒータ４に対して均一な間隔Ｓで加熱される。この結果、光ファイバ母材２の周方向での温度分布は均一となり、線引きされる光ファイバの非円率を小さくすることができる。

なお、常温ｔ０での円筒状ヒータ４の端子部間寸法をＬ、並びに円筒状ヒータ円筒部の外径寸法をＤとする。そして、円筒状ヒータ円筒部の昇温時の温度をｔ１、円筒状ヒータ４の端子部９ａ（９ｂ）の昇温時の温度をｔ２、円筒状ヒータ４の熱膨張係数をαとする。この場合、上述した円筒状ヒータ４を電極部５ａ，５ｂに接続固定する際の端子部間寸法Ｌ’は、
Ｌ’＝Ｌ＋[Ｄ×（ｔ１−ｔ０）×α]＋[（Ｌ−Ｄ）×（ｔ２−ｔ０）×α]
の式により算出することができる。なお、円筒状ヒータ４がカーボン製の場合、等方向カーボンの熱膨張係数は、使用温度領域で（４〜６）×１０^−６／℃程度の値となる。

近年、光通信の伝送特性を高めるために、波長１.３μｍ帯伝送用の一般的なシングルモード光ファイバを用いて、波長１.５５μｍ帯で光通信を行う場合、分散補償光ファイバを用いることが行われている。この分散補償光ファイバは、コア部にドーパントの添加によりクラッド部に対する比屈折率差を大きくされた構造を有し、また、コア径も一般的な光ファイバが８μｍ〜１０μｍであるのに対し、２μｍ〜６μｍとなっている。

分散補償光ファイバのような高屈折率のコア部を備える光ファイバでは、偏波分散（Polarization Mode Dispersion：ＰＭＤ）が生じやすい。また、コア部にドーパントを添加すると、コアを形成するガラスが低粘度となるのでコア部が非円化しやすくなる。分散補償光ファイバのＰＭＤは、非円率に比例して大きくなるため、分散補償光ファイバのような非屈折率差の大きい光ファイバでは、特に非円率を小さくする必要がある。

本発明では、上述したように、通常に用いられている円筒状ヒータの一対の端子部の電極部への接続固定する位置を、少し変更するだけの簡単な方法で実現することができる。このため、加熱部の改造やヒータの形状変更を行う必要がなく、したがって、コスト増を伴うことなく容易に実施することができ、特に、非円化が生じやすく、非円率を小さく抑える必要のある分散補償光ファイバの製造に適用すると有用である。

１…線引き炉、２…光ファイバ母材、３…炉心管、４…円筒状ヒータ、４ａ…発熱部、４ｂ…スリット、４ｃ…ヒータ内面、５ａ，５ｂ…電極部、６…断熱材、７…炉筐体、７ａ…上部筒、７ｂ…下部筒、８…母材供給機構、９ａ，９ｂ…端子部、１０ａ，１０ｂ…取り付け位置、１１…固定部材、１２…絶縁部材、１３，１４…ガス流入口、１５…ガス流出口。

Claims (3)

1. 光ファイバ母材が供給される炉心管と、前記炉心管を囲む円筒状ヒータと、前記円筒状ヒータに電力を供給するための電極部と、前記円筒状ヒータの外側を囲む断熱材と、全体を囲む炉筐体を備えた光ファイバ線引き炉であって、
   前記円筒状ヒータが前記光ファイバ母材を加熱溶融する温度に昇温され、前記円筒状ヒータが真円状態に熱膨張した状態の位置で、前記円筒状ヒータの端子部が前記電極部に接続固定されていることを特徴とする光ファイバ線引き炉。
2. 常温ｔ０での前記円筒状ヒータの端子部間寸法をＬ、並びに前記円筒状ヒータ円筒部の外径寸法をＤ、前記円筒状ヒータ円筒部の昇温時の温度をｔ１、前記円筒状ヒータ端子部の昇温時の温度をｔ２、前記円筒状ヒータの熱膨張係数をαとしたとき、
   前記円筒状ヒータが前記電極部に接続固定される際の端子部間寸法Ｌ’は、
   Ｌ’＝Ｌ＋[Ｄ×（ｔ１−ｔ０）×α]＋[（Ｌ−Ｄ）×（ｔ２−ｔ０）×α]
   であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ線引き炉。
3. 光ファイバ母材が供給される炉心管と、前記炉心管を囲む円筒状ヒータと、前記円筒状ヒータに電力を供給するための電極部と、前記円筒状ヒータの外側を囲む断熱材と、全体を囲む炉筐体を備えた光ファイバ線引き炉を用いた光ファイバ線引き方法であって、
   前記円筒状ヒータを前記光ファイバ母材が加熱溶融される温度に昇温し、前記円筒状ヒータが熱膨張した状態の位置で前記円筒状ヒータの端子部を前記電極部に接続固定し、前記光ファイバ母材の加熱溶融時に前記円筒状ヒータが真円状態となるようにして、前記光ファイバ母材を加熱溶融することを特徴とする光ファイバ線引き方法。

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