JP4302367B2 - 光ファイバの線引き方法および線引き装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信などに用いられる光ファイバの線引き方法及び線引き装置、並びに、光ファイバの製造方法及び製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバの需要の拡大に対応して、光ファイバの生産量の拡大、それに伴う価格の低減の要求が強くなっており、そのために光ファイバ母材の大型化と線引き速度の高速化が図られている。
【０００３】
また、同時に伝送特性の向上も強く要求されるようになり、伝送損失の低減についての要求が強く望まれている。特に、現在広く用いられている波長１．３μｍ付近にゼロ分散波長を有する標準シングルモード光ファイバ（Ｓ-ＳＭＦ）や、波長１．５５μｍ付近にゼロ分散波長を有する分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）、波長１．５５μｍ付近で微小分散を有する光ファイバ（ＮＺＤＳＦ）などの、主に光伝送線路を構成する光ファイバでは、伝送損失を低減することが重要課題となっている。
【０００４】
光ファイバの伝送損失は、光ファイバ母材を形成するまでの工程、光ファイバ母材を線引きして光ファイバを得る工程、線引きされた光ファイバに被覆を施す工程などの各工程に依存する。
【０００５】
このうち、特に線引き工程では、線引き炉を出た後の光ファイバを急冷すると伝送損失が増大するため、線引き炉を出た後の光ファイバを再加熱して伝送損失を低減する技術が開発されている。
例えば、特開昭６０−１８６４３０号公報には、線引炉を出た後の光ファイバを、６００℃以上でかつ光ファイバ母材の軟化温度以下となるように再加熱して、光ファイバにおける原子レベルの欠陥を少なくする技術が開示されている。
【０００６】
この技術により光ファイバの伝送損失を低くすることは可能であるが、更に光ファイバの伝送損失を極限まで低くするためにレイリー散乱係数を小さくする研究が進められ、ガラスが固まる温度（仮想温度）が高くなるとレイリー散乱係数が大きくなることが知見され、この知見に基づきレイリー散乱係数を大きくしないために光ファイバを徐冷する技術が提案されている。
【０００７】
光ファイバを徐冷する技術としては、特開２０００−３３５９３３号、特開２０００−３３５９３４号、特開２０００−３３５９３５号の各公報に記載されているが、これらの技術は、伝送損失のうち、レイリー散乱項を低減する目的で、線引き炉の下に徐冷用加熱炉を設けることを前提としている。
すなわち、特開２０００−３３５９３３号公報には、線引きされた光ファイバが、光ファイバの温度が１３００〜１７００℃の範囲のうち５０℃以上の温度差となる区間を１０００℃／秒以下の冷却速度で冷却すること、およびこの条件を満足するために徐冷用加熱炉を用いることが提案されている。
【０００８】
また、特開２０００−３３５９３４号公報には、線引きされた光ファイバが、線引き炉から出た後、大気により空冷されてから徐冷用加熱炉に入り、光ファイバの温度が１２００〜１７００℃の範囲の温度となるように加熱する徐冷用加熱炉を用いることが提案されている。また、上記温度範囲は１３００〜１６００℃の範囲が望ましいと記載されている。
【０００９】
特開２０００−３３５９３５号には、線引き炉に熱伝導率の良い第１ガス（Ｈｅなど）を用い、徐冷用加熱炉には線引き炉に供給するガスよりも熱伝導率の小さいガス（窒素ガスなど）を供給することが提案されている。
【００１０】
一方、特開２００１−１６３６３２号公報にはメインヒータと補助ヒータとを有する光ファイバ製造装置が開示されている。ここで開示されている発明は、線引中に急峻にテンションを変えることで分散特性（正分散から負分散、あるいはその逆に変える）を長手で急峻に変えることを目的としている。急峻に変化できないと、変化中に分散がゼロに近い状態となる区間が長くなり、非線形現象（四波混合）が起こり波形劣化が起こり長距離伝送が出来なくなるためである。このため、この公報では、テンションを短時間で変える工夫としてメインヒータに加えて、補助ヒータや炉内に供給するガスにより炉体下部の熱容量を変える技術が開示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特開２０００−３３５９３３号公報および特開２０００−３３５９３４号公報に開示された技術は、線引き炉と徐冷用加熱炉との間に隙間を設け、光ファイバを積極的に大気で冷却してから徐冷するため、光ファイバの表面に大気中のダストが高温のファイバに付着する可能性があり、光ファイバの強度を下げる可能性がある。また線引き炉内の雰囲気ガスを下方に流しているため、線引き中の光ファイバ母材に形成される溶融変形部の温度分布調整が難しく、溶融変形部における温度分布をなだらかにしたり、特定の部分を急峻にして粘性変形によるひずみや、徐冷による伝送損失を改善しようとする技術については何等考慮されていない。溶融変形部に残留したひずみ（線引きテンションとガラスの粘度、温度履歴に依存する）は、光ファイバの伝送損失の増大につながるため、伝送損失の低減のためには必ず解決しなければならない課題の１つである。
【００１２】
また、特開２０００−３３５９３３号公報乃至特開２０００−３３５９３５号公報に開示された技術は、線引き加熱炉にＨｅガスなどの熱伝導率の良いガスを導入し、線引き炉から出る光ファイバの温度を上げることが示されているが、こうすると、同じ線引き張力を得るためには、線引き炉の炉温を上げなければならなくなる可能性もあり、屈折率分布を付与するために添加される添加物により、例えばコアとクラッドとの熱膨張係数差によるひずみを多く受けることや、ガラスの固化する温度（仮想温度と云う）が高くなるために伝送損失が増大する懸念がある。
【００１３】
さらに、特開２００１−１６３６３２号公報に記載された発明では、補助ヒータは線引き張力を低くする時に加熱し、線引き張力を高める時には加熱を止めている。そしてこの効果を効率的にするために補助ヒータ部の熱容量を小さくする必要があり、そのために、ヒータや断熱材を極力小さくし熱容量を小さく（明細書に記載の実施例からも明らかなように補助ヒータの電力量は５ｋＷ）している。このため、広い領域を安定に加熱できる熱容量ではなく、線引中の温度分布が変動しやすく、従って溶融変形部が変動しやすく、徐冷過程を安定させ難いので実用化は困難である。
【００１４】
そこで、本発明では、光ファイバの伝送損失を十分低下させることが可能な光ファイバの線引き方法を提供することを目的とし、また当該目的を達成するための光ファイバの線引き装置を提供することをあわせて目的とする。また、光ファイバの伝送損失を十分低下させることが可能な光ファイバの製造方法、及び、光ファイバの製造装置を提供することもあわせて目的とする。
【００１５】
本発明によれば、以下の手段が提供される。すなわち、本発明は、
（１）光ファイバ母材の端部を加熱炉で加熱溶融して形成される溶融変形部（メニスカス部をいう。以下同様）の先端に張力を加えて線引きする光ファイバの線引き方法であって、
前記加熱炉は１つの加熱炉内に少なくとも２つのヒートゾーンが形成されており、第１ヒートゾーンを形成する第１ヒータと、前記第１ヒートゾーンの下方に配置され、第２ヒートゾーンを形成する第２ヒータと、前記第１ヒータおよび第２ヒータの外側に設けられた断熱材と、光ファイバ母材を収容する炉心管を有し、
前記炉心管は、前記第１ヒータの内側に配置される太径部と、前記第２ヒータの内側に配置される細径部と、を有し、
前記第１ヒートゾーンは、前記第１ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記炉心管の前記細径部の上端までの領域であり、
前記第２ヒートゾーンは、前記第２ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記第２ヒータの下方に配置された前記断熱材の上端までの領域であり、
前記溶融変形部が、前記少なくとも２つのヒートゾーンで形成され、
前記第２ヒートゾーンの長さは第１ヒートゾーンの長さと同じかそれ以上の長さであり、
前記第１ヒートゾーンを形成するヒータの下端と第２ヒートゾーンを形成するヒータの上端との距離が１００ｍｍ以上６００ｍｍ以下であり、
前記第１ヒートゾーンの温度に対して第２ヒートゾーンの温度を低く設定し、第２ヒートゾーンの温度を６００℃以上１８００℃以下の所定の温度に制御して線引きを行うことを特徴とする光ファイバの線引き方法、
（２）前記第２ヒートゾーンに対応する溶融変形部の最大の径を２ｍｍ以下とすることを特徴とする（１）記載の光ファイバの線引き方法、
（３）前記第２ヒートゾーンに対応する溶融変形部の最大の径を０．５ｍｍ以下とすることを特徴とする（１）記載の光ファイバの線引き方法、
（４）前記第２ヒートゾーンに対応する加熱範囲に溶融変形部が完全に固まり光ファイバとなる部分が含まれていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の光ファイバの線引き方法、
（５）少なくとも第２ヒートゾーンにはガス予熱流路があり、前記ガス予熱流路を通過した予熱ガスを前記光ファイバ母材がある雰囲気内に供給することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の光ファイバの線引き方法、
（６）前記予熱ガスがヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）とアルゴン（Ａｒ）の混合ガス、ヘリウム（Ｈｅ）と窒素の混合ガス、ヘリウム（Ｈｅ）と可燃限界以下の濃度の水素の混合ガス、ヘリウム（Ｈｅ）と可燃限界以下の濃度の重水素の混合ガス、アルゴン（Ａｒ）と可燃限界以下の濃度の水素の混合ガス、又は、アルゴン（Ａｒ）と可燃限界以下の濃度の重水素の混合ガスであり、前記予熱ガスを加熱炉の上方及び／又は下方に流すことを特徴とする（５）記載の光ファイバの線引き方法、
（７）前記ガス予熱流路がヒータの雰囲気と隔離されていることを特徴とする（５）又は（６）記載の光ファイバの線引き方法、
（８）前記加熱炉内にある溶融変形部の最も速い冷却速度を４０００℃／ｓ以下とすることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１項に記載の光ファイバの線引き方法、
（９）光ファイバ母材の端部を加熱炉で加熱溶融し、溶融して形成される溶融変形部の先端に張力を加えて線引きする光ファイバの線引き装置であって、
前記加熱炉は１つの加熱炉内に少なくとも２つのヒートゾーンが形成されており、第１ヒートゾーンを形成する第１ヒータと、前記第１ヒートゾーンの下方に配置され、第２ヒートゾーンを形成する第２ヒータと、前記第１ヒータおよび第２ヒータの外側に設けられた断熱材と、光ファイバ母材を収容する炉心管を有し、
前記炉心管は、前記第１ヒータの内側に配置される太径部と、前記第２ヒータの内側に配置される細径部と、を有し、
前記第１ヒートゾーンは、前記第１ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記炉心管の前記細径部の上端までの領域であり、
前記第２ヒートゾーンは、前記第２ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記第２ヒータの下方に配置された前記断熱材の上端までの領域であり、
前記第１ヒータと第２ヒータは、独立に温度制御可能であり、
前記溶融変形部が前記少なくとも２つのヒートゾーンで形成されるように、前記第２ヒートゾーンの長さが、前記第１ヒートゾーンの長さと同じかそれ以上であり、前記第１ヒートゾーンの下端と第２ヒートゾーンの上端との距離が１００ｍｍ以上６００ｍｍ以内であり、第１ヒートゾーンのヒータを１７００℃〜２３００℃の範囲に設定して加熱し、第２ヒートゾーンのヒータを６００℃〜１８００℃の範囲に設定して加熱する
ことを特徴とする光ファイバの線引き装置、
を提供するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示した実施形態により詳細に説明する。
図１は本発明の第一の実施形態を示す説明図であり、１は加熱炉で、該加熱炉１は上部に第１ヒートゾーン１１と、その下部に第２ヒートゾーン１２とが配置されている。第１ヒートゾーン１１は、第一ヒータ４（カーボン）、及び、前記ヒータの外側に設けた断熱材５（カーボン繊維やカーボンフェルトの成形体）で構成されている。上部線引炉２は、第一ヒータ４、断熱材５、並びに、カーボンからなる炉心管３で構成されている。第２ヒートゾーン１２は、第二ヒータ８（カーボン）、及び、前記ヒータの外側に設けた断熱材９（カーボン繊維やカーボンフェルトの成形体）で構成されている。下部線引炉６は、第二ヒータ８、断熱材９、並びに、石英ガラス、ＳｉＣ又はカーボンからなる炉心管７（前記炉心管３よりも縮径されている）で構成され、前記上部線引炉２の下方に設けられている。ここで、第一ヒータ４及び第二ヒータ８は、独立に温度制御可能である。また、ヒータの周囲には空間が存在し、電気的な絶縁をとっている。
【００１７】
本発明において、第２ヒートゾーン１２は、主として溶融変形部の細い部分あるいは溶融温度以下で固まって外径の実質的に変化しない部分（光ファイバの部分）を所定の温度に管理し、あるいは所定の冷却温度とするために配置する。また第２ヒートゾーン１２部分は、溶融変形部が伸びるので、その部分の温度や温度勾配を調整し安定化するためには、第１ヒートゾーン１１と同じかそれ以上の長さとすることが好ましい。線引速度が１０００ｍ／分以上では第２のヒートゾーンを２つ以上のヒータで構成することが、ファイバの進行方向での温度分布を適正に調整できるためにより好適である。
【００１８】
図１に示す実施形態はガスを下方から上方に流すアッパーフロータイプであり、１０は冷却部兼ガス導入部で、該冷却部兼ガス導入部１０は断熱材からなる円筒状冷却部本体１６の内面が石英ガラス、ＳｉＣ又はカーボンからなる断熱カバー１７で覆われており、下部線引炉６から延長して伸びている炉心管７からなる光ファイバ通路を囲むように、配置されている。図中１４は炉心管３、７内に供給するガスを導入するガス導入通路で、該ガス導入通路１４は、冷却部兼ガス導入部１０の上方に設けたガス導入口１５から、下部線引炉６から延長して伸びている炉心管７の外周に伸び、該炉心管７の下端に達している。１８はガスが下方に流れるのを阻止するシャッターである。
【００１９】
炉内に供給されるガス（アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス）は図示するように、冷却部兼ガス導入部１０の上方に設けられたガス導入口１５から供給され、ガスは炉心管７と断熱カバー１７との間に設けたガス導入通路１４を通って下方に進む。この時ガスは炉心管７の熱を吸収して温められ、該ガスにより炉心管７から出たファイバを急冷しないようにしている。
【００２０】
温められたガスはシャッター１８により下方への排出を一部分を除き阻止されて炉心管７内を上方に進み、炉心管３を経て上部線引炉２の上方に設けたガス排出口２１から排出される。このようにガスを炉心管７、３内へ供給することにより炉心管内の圧力を制御し（０．０１Ｐａ〜数１０Ｐａ）、また、線引炉内への母材の導入時に大気を巻き込まないようにしている。
【００２１】
図において２６は光ファイバ保護筒で、該保護筒２６は前記冷却部兼ガス導入部１０の下方に設置され、石英ガラス又はカーボンからなる保護管２７、カーボン又はシリカ繊維の断熱材２８で構成されている。
【００２２】
３０は外径測定器で、前記保護筒２６の下部に配置されている。３６は外径測定器３０の下方に配置された光ファイバ冷却装置、４０は光ファイバ冷却装置３６を出た光ファイバに一次被覆を施すダイス、４１は被覆した樹脂を硬化させる紫外線照射装置、４６は一次被覆した光ファイバに二次被覆を施すダイス、４７は二次被覆樹脂を硬化させる紫外線照射装置、５０はキャプスタン、５６は巻取装置である。
【００２３】
本発明は、光ファイバ母材の端部を加熱炉で加熱溶融して形成される溶融変形部の先端に張力を加えて線引きするもので、該加熱炉内にある、前記溶融変形部を冷却するに当り、溶融変形部の最も速い冷却速度を４０００℃／ｓ以下とすることが好ましい。また、溶融変形部の外径が１ｍｍ以下の部分、又は、実質的に溶融変形を終えた部分の最も速い冷却速度を４０００℃／ｓ以下とすることがさらに好ましい。溶融変形部の最も速い冷却速度は、さらに好ましくは、７５０℃／ｓ〜３０００℃／ｓである。
【００２４】
図１はまた光ファイバ母材から光ファイバを線引きしている状態を示すもので、図中６０は光ファイバ母材で、該光ファイバ母材６０は図示しない昇降装置により支持されて上部線引炉２の炉心管３内にセットされ、上部線引炉２の第一ヒータ４により形成される第１ヒートゾーン１１で加熱溶融され第一の溶融変形部６１を形成している。６３は第二の溶融変形部で、該第二溶融変形部６３は第一の溶融変形部６１から引き出され細径とされた溶融変形部を第一ヒータ４に対して独立して温度制御されている第二ヒータ８で形成される第２ヒートゾーン１２で加熱されることにより形成される。第１、第２のヒートゾーンは複数のヒータで構成しても良い。特に第２ヒートゾーン１２は長くなるので、２つ以上のヒータを用いてファイバの進行方向に沿って温度分布を調節できるためにより好適である。
【００２５】
第二溶融変形部６３から引き出された光ファイバは冷却部兼ガス導入部１０、光ファイバ保護筒２６で徐冷され、外径測定器３０で外径を測定され、外径測定器３０の測定データはキャプスタン５０、またはキャプスタン５０と母材の昇降装置、更に、上部、下部ヒートゾーンの温度にフィードバックされて線径を一定に保持するようにして線引きされ、その後、一次被覆、二次被覆が施されてキャプスタン５０で引き取られたのち巻取装置５６に巻き取られる。
本発明に用いられる光ファイバの被覆は特に制限されるものではないが、例えば紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂、熱硬化樹脂等による被覆が挙げられる。これらの被覆材は、従来用いられている被覆装置を適宜用いて、光ファイバに被覆することができる。
【００２６】
図１に示す加熱炉１において、上部線引炉２で形成される第１ヒートゾーン１１は光ファイバ母材６０の太い部分を加熱溶融し、第一溶融変形部６１の形状を制御し整える役割を主として果たす。第１ヒートゾーン１１とは独立して温度制御される下部線引炉６で形成される第２ヒートゾーン１２は第一溶融変形部６１から引き出され、細径となったメニスカス（外径が数ｍｍ〜０．数ｍｍ、好ましくは最大の径が２ｍｍ以下、さらに好ましくは最大の径が０．５ｍｍ以下）を加熱し第二溶融変形部６３を形成し、その形状を制御し整える。
【００２７】
この時、第二溶融変形部６３を形成し、その形状を整えるために加熱する第２ヒートゾーン１２の第二ヒータ８の温度は、該下部線引炉６を通過するメニスカス（母材）の温度よりも低い温度、好ましくは６００℃〜１８００℃、さらに好ましくは６００℃〜１６００℃に設定する。この様に所定の温度に制御して線引きを行う事により、溶融変形部の細い部分（特に外径数ｍｍ以下の所）の溶融変形部分の冷却速度を従来炉よりも小さくできる。また第２ヒートゾーン１２により溶融変形部だけでなく外径が実質的に変化しない（外径変化が０．１μｍ以下から０）所を超えて冷却速度を調整でき管理できる。このような機能を第２ヒートゾーン１２に付与するには該第２ヒートゾーン１２の長さを第１ヒートゾーン１１の長さに合わせるかそれより長くすることが必要である。好ましくは、光ファイバ母材６０の固化温度（シリカで１２００℃程度）まで、完全に固まり光ファイバとなった所まで、線引炉内に滞在させるもので、そのことにより、レイリー散乱による伝送損失を低減できる。
【００２８】
別の実施形態において、加熱炉１の第１ヒートゾーン１１は光ファイバ母材６０の太い部分を加熱溶融し太い部分のメニスカスを形成する第一溶融変形部６１の形状を制御し整える役割を主として果たす。また、第２ヒートゾーン１２は第一溶融変形部６１から引き出され、母材外径が０．５ｍｍ以下に細径となったメニスカスを加熱し、第二溶融変形部６３の形状を制御し整える。
線速やテンションに依存するが、線速３００ｍ／ｍｉｎから１４００ｍ／ｍｉｎの範囲では第１ヒートゾーン１１の下端と第２ヒートゾーン１２の上端の間隔は１００ｍｍから６００ｍｍ程度とすると、第２ヒートゾーン１２で主として加熱する溶融変形部の範囲を比較的細い所に限定でき、溶融変形部の最大径が０．５ｍｍ以下となる位置にヒータを配置し、加熱することができる。
【００２９】
また、第二溶融変形部６３を形成し、その形状を整えるために加熱する第２ヒートゾーン１２の温度は、下部線引炉６内を通過する母材の温度よりも低い温度とする。この温度は線引速度や第１、第２ヒートゾーンの距離や各ヒータの長さ、線引テンション等に依存し、適正値が選定されるが、例えば、第１ヒートゾーンのヒータを１７００℃〜２３００℃の範囲に設定し加熱するときには、第２ヒートゾーンのヒータを６００〜１８００℃の範囲に設定する。この様に第２ヒートゾーンを設定する事により、従来２つ以上のヒートゾーンを持つ線引炉の場合には、溶融変形部全体が大きく伸び母材のロスとなり線引長が稼げない問題があったが、本発明では溶融変形部の径（メニスカス径をいう、以下同様）が０．５ｍｍ以下の溶融変形部を加熱することにより、母材のロスを低減できると共に、溶融変形部の径が０．５ｍｍ以下の部分の冷却速度を特に小さくできる。また、これにより伝送損失も改善できる。また、好ましくは、第２ヒートゾーンに対応する加熱範囲に溶融変形部の終端部（固化部）が含まれているものである。
【００３０】
この実施形態では、溶融変形部の径が０．５ｍｍの場合、溶融変形部の最高温度は１５００℃〜１７００℃に対応し、溶融変形部の終端部（固化点）では１４００℃から１６００℃に対応する。溶融変形部の温度は、ジャーナル・オブ・ライトウエウェーブ・テクノロジー（Journal of Lightwave Technology）Vol.12, No.3, March 1994に記載の式を用いて計算で求めた。また、第２ヒートゾーンのヒータを溶融変形部の最大の径が０．５ｍｍ以下となる位置に配置した事により、第２ヒートゾーンのヒータ長が比較的短くても（約２５０ｍｍから５００ｍｍ）前記溶融変形部範囲、更に固化点以降の光ファイバの範囲までの冷却速度を調整でき冷却速度を管理できる。また、好ましくは、光ファイバ母材６０のコアの軟化温度（シリカでは１２００℃程度）まで、即ちミクロなガラス構造の変化の起きない温度まで、線引炉内に滞在できるようにする事により、レイリー散乱による伝送損失を低減できる。また、加熱炉内にある記溶融変形部を冷却するに当り、溶融変形部の最も速い冷却速度を４０００℃／ｓ以下とすることが好ましい。
【００３１】
また別の好ましい形態としては、コアの軟化温度または９００℃程度までを加熱炉１の下部に設けた光ファイバ保護筒２６内にあるようにしたものである。これは、光ファイバの大気による急冷を防止するためである。また光ファイバが高温で大気中のダストとの付着する機会を著しく低減するためである。従って光ファイバ保護筒２６は保温構造か加熱構造でかつ、ガスパージを行うなどして内部がクリーンとなるように雰囲気を管理する事が好ましい。
【００３２】
また、２個のヒートゾーン１１，１２で加熱するために、主たる第１ヒートゾーン１１の最高加熱温度と電力量を低減でき、１．３８μｍ帯のＯＨ基による伝送損失を低減できると共に、第１ヒートゾーン１１近傍装置の劣化や加熱炉１自身の劣化を少なくできる。特にカーボン炉心管３や炉心管３の外側に配置する断熱材５や第一ヒータ４の寿命を長くできる。
【００３３】
下部線引炉６で形成される第２ヒートゾーン１２で形状を整えられ第二溶融変形部６３から引き出された光ファイバ素線６５は冷却部兼ガス導入部１０で外気から隔離された状態で温度が整えられる。冷却部兼ガス導入部１０により第２ヒートゾーン１２を出た光ファイバは急冷されるが、大気に出されて冷やさせるよりは遥にゆっくり冷却される。また、大気に触れさせないで冷却するので大気中のダストが光ファイバ素線６５に付着するようなこともない。次いで外径測定器３０で外径が測定される。外径測定器３０での測定データはキャプスタン５０あるいはキャプスタン５０と母材の昇降装置あるいは、第１、第２ヒートゾーン１１，１２の温度制御にフィードバックされて光ファイバ素線６５の線径が一定になるようコントロールされる。
【００３４】
外径測定器３０で外径を測定された光ファイバ素線６５は更に光ファイバ冷却装置３６で一次被覆（コーティング）に適した温度にまで冷却され、一次被覆用ダイス４０に通されて一次被覆が施され、紫外線照射装置４１で被覆樹脂を硬化し、次いで二次被覆用ダイス４６に通されて二次被覆が施され、紫外線照射装置４７で被覆樹脂を硬化し、キャプスタン５０にて引き取られ、巻取装置５６にて巻き取り、被覆ファイバ７０を完成する。
【００３５】
図１に示す線引炉による一つの線引き工程をより具体的に説明する。
線引装置の第一ヒータ４の容量を６０ｋＶＡ，第二ヒータ８の容量を２４ｋＶＡとし、該線引炉に大型の光ファイバ母材（大型母材：外径８０ｍｍ〜１４０ｍｍ）６０をセットし、大型母材６０を１９００℃〜２１００℃に温度設定した上部線引炉２に挿入し、その先端を溶融して伸ばし、太い所の第一溶融変形部６１を形成し、更に引き伸ばして第２ヒートゾーン１２に導入する。
【００３６】
第２ヒートゾーン１２は６００℃〜１８００℃に制御し、導入される母材の線径は２ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲に調整し、第二の溶融変形部６３を形成する。第二溶融変形部６３を出た光ファイバ素線６５は前述したように外気から隔離され温度が整えられた冷却部兼ガス導入部１０の雰囲気で、第２ヒートゾーン１２よりも速い冷却速度で冷却される。次いで一次被覆、二次被覆を施されキャプスタン５０にて引き取られ、巻取装置５６に巻き取られる。
【００３７】
ここで、上部の第１ヒートゾーン１１で形成される第一溶融変形部６１の形状と線引き張力が下部の第２ヒートゾーン１２の温度によりどのように影響されるかを測定した。先ず、第１ヒートゾーン１１の温度を２０５０℃とし、下部線引炉６の第二ヒータ８をＯＦＦとした時は、第２ヒートゾーン１２が形成される中心部分の温度は１００℃〜３００℃で上部線引炉２からの温度の影響は殆ど受けず、この状態で大型の母材６０から外径１２５μｍの光ファイバ素線に引き落とすには、上記ヒータの条件では１．４７Ｎ（１５０ｇ）の張力が必要であり（なお、線引き張力は母材サイズが大きくなると張力も上がり、装置内に流すガスの流量によっても多少相違する）、この条件でＤＳＦ（分散シフト光ファイバ）を５００ｍ／ｍｉｎで線引きした結果、得られた光ファイバの１．３μｍと１．５５μｍの伝送損失は０．３７６ｄＢ／ｋｍ、０．２０２ｄＢ／ｋｍであった。
【００３８】
そこで、下部線引炉６の第二ヒータ８を作動させ第２ヒートゾーン１２を６００℃まで加温したところ、線引き張力は１．１８Ｎ（１２０ｇ）となり、さらに温度を上げて１０００℃とすることにより０．５９Ｎ（６０ｇ）まで低減することができ、このとき第一溶融変形部６１から引き出された母材線径１ｍｍまでの所の長さが１００ｍｍ〜２００ｍｍに伸びた。このように、第２ヒートゾーン１２の温度を調整することにより第一溶融変形部６１の形状を下部線引炉６によりコントロールすることが可能となった。
【００３９】
そこで、第１ヒートゾーン１１の温度を２０５０℃から１８７０℃に下げ、第２ヒートゾーン１２の温度を６００℃〜１２００℃の範囲とし線引き張力を１．１８Ｎ（１２０ｇ）〜１．７６Ｎ（１８０ｇ）に調整し、第２ヒートゾーンに対応する第二溶融変形部６３の最大径を外径１ｍｍ以下としてＤＳＦ（分散シフト光ファイバ）を製造した。得られたＤＳＦの１．３μｍと１．５５μｍの伝送損失は線引速度５００ｍ／ｍｉｎで０．３６７ｄＢ／ｋｍ、０．１９８ｄＢ／ｋｍであった。また、上記範囲で第２ヒートゾーン１２の温度を調整することで線速１０００ｍ／ｍｉｎまでほぼ同じ伝送損失で線引きすることができた。なお、実際に線速１０００ｍ／ｍｉｎで製造したＤＳＦの伝送損失は１．３μｍ、１．５５μｍでそれぞれ０．３７０ｄＢ／ｋｍ、０．１９９ｄＢ／ｋｍであった。
【００４０】
また、１．３８μｍ帯のＯＨ基による伝送損失は、従来の２０５０℃の線引条件に比べて、０．０１〜０．０２ｄＢ／ｋｍ減少できた。これは線引きの最高温度を１００℃以上低減できたためである。
【００４１】
上記本発明線引装置で製造した光ファイバの伝送損失の減少の原因を分析した結果、レイリー散乱項と構造不正のいわゆるＢ項ロスが改善されており、これは、同一張力で線引きした場合、本発明では第一ヒータ４の温度を下げることができたこと（上記実施形態では従来の温度から１８０℃低減できたこと）、第一溶融変形部６１と第二溶融変形部６３が伸びたこと、第二溶融変形部６３が伸びた所が十分に加熱できており、特に溶融変形部が数ｍｍ以下の部分の冷却速度を従来に比較して約６５％まで遅くできた｛５００〜１０００ｍ／分の線引速度で従来の１〜２℃／ｍｍ（４５００〜８３００℃／ｓ）から０．２３〜０．４６℃／ｍｍ（９６０〜１９２０℃／ｓ）｝こと等の改善がなされたためと考えられる。
【００４２】
また更に冷却部兼ガス導入部１０を設けたことで、溶融変形部が伸びたにもかかわらず、ファイバの曲がりやファイバ外径変動を小さくできたことも伝送損失の改善に大きく寄与していると考えられる。しかし、第一溶融変形部６１の長さが伸びることにより有効線引長が短くなるので、第二ヒータ８の温度は８００℃〜１４００℃の範囲とすることが好適である。
【００４３】
本発明では下部線引炉６の炉心管７の内径を可能な限り細くし（内径で３５ｍｍ〜１５ｍｍ）、第１ヒートゾーン１１からの熱の影響をできるだけ小さくし、２つのヒートゾーン１１、１２の温度干渉を小さくした。このように構成することにより、各ヒートゾーン１１、１２の温度制御性を改善することができる。
【００４４】
また、線引き張力を第２ヒートゾーン１２の温度をコントロールすることにより調整可能となり、第１ヒートゾーン１１の温度をそれ程上げることなく線速を上げても所望の線引き張力を得る事が可能である。これにより、１.３８μｍ帯のＯＨ基による伝送損失を線引速度が上がっても従来線引炉よりも大幅に改善できた。
【００４５】
更に、加熱炉１内に流すガスの流量（アッパーフロー、ダウンフロー共）により溶融変形部の温度が変わる恐れがあり、この温度変化が線引き張力に微妙に影響するため、従来はメインの炉温を調整する必要があったが、本発明では第１ヒートゾーン１１の温度を変えることなく第２ヒートゾーン１２の温度調整で即座に対処でき、ガス供給条件による伝送損失の増加を抑制できた。
【００４６】
図２は本発明の第二の実施形態を示すのもで、図１に示す部分と同一の部分は同一の符号を付け、その説明は省略する。
図２に示す第二の実施形態は線引炉２内に導入するガスを上から下に流すダウンフロータイプとした点で前記第一の実施形態と相違している。また、第２ヒートゾーンが２つのヒータ８ａ、８ｂで構成されており、前記第１の実施形態に対して比較的長い範囲をを加熱できる。更に、ファイバの進行方向に沿って温度分布を調節することもできる。第２ヒートゾーンを構成する２つのヒータ８ａ、８ｂの間に断熱材等による区切りは無い。
【００４７】
即ち、この実施形態においては、炉内に供給されるガス（アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス）は図示するように、上部線引炉２の上部に設けたガス導入口２０から供給される。導入されるガスはシャッター１９で上方への流れが十分に阻止され、炉心管７内を下方に進み、炉心管３を経て下部線引炉６の下方から排出される。このようにガスを炉心管３、７内へ供給することにより炉心管内の圧力を制御し（数Ｐａ〜数１０Ｐａ）、また、上部線引炉２内への母材６０の導入時に大気を巻き込まないようにしている。
【００４８】
図２に示す加熱炉において、上記第一実施形態の具体例と同一の線引条件で、即ち、線引き速度を５００ｍ／ｍｉｎでＤＳＦを線引きした結果、１．３μｍ、１．５５μｍの伝送損失が、０．３７６ｄＢ／ｋｍ、０．２０２ｄＢ／ｋｍで、アッパーフロータイプと殆ど差がなかったが、上部線引炉２と下部線引炉６との間隔を調整し、炉心管３、７の径、供給するガスの種類（アルゴン、ヘリウム、これらの混合ガス）、ガス流量を調整することにより伝送損失をそれぞれ０．３７０ｄＢ／ｋｍ、０．１９７ｄＢ／ｋｍに改善できた。更に、線引き速度を５００ｍ／ｍｉｎから１０００ｍ／ｍｉｎに加速したが、伝送損失は０．３７３ｄＢ／ｋｍ、０．１９９ｄＢ／ｋｍとほとんど悪化しなかった。
【００４９】
ダウンフロータイプにおいては、第１ヒートゾーン１１と第２ヒートゾーン１２の間隔を比較的大きく離すことができる。この間隔を離すことで溶融変形部の太い部分が伸び、溶融変形部の形状を比較的広い範囲でコントロールし易くなり、最適な線引き条件を設定し易くなる。
上位第一実施形態の具体例と同一の母材を使用して上部線引炉２の第一ヒートゾーン１１の下端と、下部線引炉６の第二ヒートゾーン１２の上端との間隔を１００〜６００ｍｍとし、ＳＭＦ（シングルモードファイバ）を１０００ｍ／ｍｉｎで線引きした結果、１．３μｍ、１．５５μｍの伝送損失が、０．３２４ｄＢ／ｋｍ、０．１８５ｄＢ／ｋｍと大幅に改善できた。線引速度を高くするほど、第１、第２ヒートゾーンの間隔を大きくする必要があった。
【００５０】
また、２つのヒートゾーンにより第１ヒートゾーンの温度を従来の炉の温度より１００℃〜２００℃下げることができることにより、光ファイバのスクリーニング時の破断率を大幅に改善でき、従来の１／２〜１／３倍に破断回数を減少することができた。
【００５１】
図３は本発明の第三の実施形態で、図１と相違するところは上部線引炉２の第１ヒートゾーン１１の上部に第３ヒートゾーン１３を設けた点である。従ってその他の部分には図１と同一の符号を付けその説明は省略する。本実施形態は比較的太い母材（例えば１２０ｍｍ以上の母材）を線引きするのに適した装置である。
【００５２】
上部線引炉２の第１ヒートゾーン１１の上部に第３ヒートゾーン１３を設け、母材を予熱できるようにした。第３ヒートゾーン１３の第三ヒータ７５で母材６０を予熱する。第３ヒートゾーンの温度は６００℃から１８００℃の範囲で調整し、第一ヒータ７６より低い温度（第ヒートゾーンの温度は１８００℃から２１００℃）とし、第１ヒートゾーンと第３ヒートゾーンの温度差は好ましくは４００℃以上とする。この第３のヒートゾーンは、母材が溶融・軟化により変形しない位置（溶融変形部より上部）に設け、母材の予熱を行なえるようにする。具体的には、第１ヒートゾーンと第３ヒートゾーンの間の断熱材の厚さを５０ｍｍ〜４００ｍｍ離れた位置に配置する事が好ましい。５０ｍｍより短いと実質的に、第１ヒートゾーンと一体となり、溶融変形部が長くなってしまい、母材のロス（線引できない部分）が大きくなる。４００ｍｍより長いと、予熱効果が少なくなる事と、装置が大型化するために好ましくない。
特に母材６０が大きい場合には上部線引炉２の熱は輻射で炉の上部に逃げ、また、母材６０を伝わって熱伝導で加熱炉１の外に逃げる。輻射で逃げる熱量は炉心管３の断面積に比例し、熱伝導で逃げる熱量は母材６０の断面積に比例する。このため、従来は第一ヒータ７６から加熱炉１の上部開口部までの長さを長くして熱の逃げを防止していた。
本発明では第三ヒータ７５による第３ヒートゾーン１３を設け母材の溶融変形部上部を予熱することで、輻射で逃げる熱量と母材から熱伝導で逃げる熱量がも小さくなり、第一ヒータ７６のパワーを低減できる。これにより、揮発する蒸気によるカーボン炉心管やその他の炉内部品の劣化を低減でき、寿命を長くできる。
【００５３】
また、第３ヒートゾーン１３を設けることにより第一ヒータ７６の温度を過度に（上方に逃げる熱量を補給する）高くする必要がなくなり、母材６０の外径が太くなっても、第一ヒータ７６の温度を過度に上げることなく線引きすることができる。このように、第一ヒータ７６の温度を低くできることは、溶融変形部の冷却長を短くできることから加熱炉全体の長さを短くでき、溶融変形部の冷却速度を低減できることから母材６０が大きくなることで線引きしたファイバの伝送損失が悪化することも解消でき、伝送損失の少ない光ファイバを線引きすることができる。
【００５４】
図３に示す加熱炉１を使用して外径１３０ｍｍの母材を線引きした結果、伝送損失は、外径が８０ｍｍの母材を線引きしたものと遜色のないものであった。
【００５５】
本発明は光ファイバの伝送損失の改善のためにメニスカス形成用のヒートゾーンを２箇所に設け２つのヒートゾーンで温度分布を形成することで溶融変形部の形状をなだらかにし、特に、溶融変形部の比較的太い部分及び溶融変形部の細い部分をなだらかにすることで冷却速度を低減でき、粘性変形による歪み（せん断速度）や急冷による歪みによるガラスの密度ゆらぎを低減でき、それらが原因と思われる構造の不正による伝送損失を低減できる。
【００５６】
更に、固化点以降の光ファイバ部の徐冷もおこなえるため、伝送損失の改善は効果的である。
【００５７】
本発明においてアッパーフロータイプの線引炉では、炉心管に供給するガスにより溶融変形部を急冷する悪影響を下部線引炉を設けること、また、供給するガスを十分に予熱することで溶融変形部の固化点近傍から溶融変形部の径が数ｍｍ以下の部分をゆっくりと冷やすことで取り除くことができ、伝送損失を低減できる。
【００５８】
また、炉心管に供給するガスを下部線引炉で加熱できるので、比較的多くのガスを流すことができ、また、ヘリウムガスを使用しても上部線引炉の温度を過剰に上げる必要がないため、伝送損失の悪化を防止できると共に、被覆ファイバのスクリーニング時の破断を改善でき、また、光ファイバにダストが付着することによる線引き中の断線をなくすることができ、伝送損失の改善と共に生産性の向上、歩留りの改善が可能となる。
【００５９】
図３に示すように上部線引炉に第３ヒートゾーン１３を設けることで母材の径が太い母材（１２０ｍｍ以上）についても伝送損失を悪化させることなく線引きが可能となる。
【００６０】
次に、図１に示す光ファイバ線引き装置を用いた本発明の光ファイバの製造工程の別の実施形態を具体的に説明する。
線引装置の第一ヒータ４の容量を６０ｋＶＡ，第二ヒータ８の容量を２０ｋＶＡとし、該線引炉に大型の光ファイバ母材（大型母材外径８０〜１４０ｍｍ）６０をセットし、大型母材６０を１９００°Ｃ〜２１００°Ｃに温度設定した上部線引炉２に挿入し、その先端を溶融して伸ばし、太い所の第一溶融変形部６１を形成し、更に引き伸ばして第２ヒートゾーン１２に導入する。第２ヒートゾーン１２は６００°Ｃ〜１６００℃に制御し、線引速度が２５０ｍ／ｍｉｎから１０００ｍ／ｍｉｎまでに範囲で、第２ヒートゾーン１２の範囲に導入される母材溶融変形部の最大の径が約１ｍｍ以下となるように第２ヒートゾーンの位置を決めた。これは一つのヒータを有する線引炉のデータから容易に決定できる。第１ヒートゾーン１１の下部より３００ｍｍの位置に第２ヒートゾーン１２の上部が来るように第２ヒートゾーン１２を配置した。この距離を以下「ヒートゾーン間隔」と呼ぶ。また線引速度が６００ｍ／ｍｉｎから１４００ｍ／ｍｉｎまでに範囲では、ヒートゾーン間隔は６００ｍｍとした。このときの第２ヒートゾーン１２の範囲に導入される母材の溶融変形部の最大の径は０．４ｍｍ以下となるようにした。第２ヒートゾーン１２を出た光ファイバ素線６５は前述したように外気から隔離された冷却部１０の温度及び流れが整えられ雰囲気で、第２ヒートゾーン１２よりも速い冷却速度で冷却される。更に光ファイバ保護筒２６で１０００℃以下に冷却され、更に光ファイバ冷却装置３６の冷却筒で急冷されて３０℃から８０℃程度に冷却された後に、一次被覆、紫外線硬化、二次被覆、及び、紫外線硬化を施され、キャプスタンにて引き取られ、巻取装置に巻き取られる。
【００６１】
ここで、第１ヒートゾーン１１で形成される第一溶融変形部６１の形状と線引き張力が第２ヒートゾーン１２温度によりどのように影響されるかを測定した。ここで、第１ヒートゾーン１１の長さを３００ｍｍとし、第２ヒートゾーン１２の長さを６００ｍｍとした。ヒートゾーンの間隔は、上記に示した値とした。第一ヒータの温度を２０５０℃とし測定した結果、第２ヒートゾーン１２の第二ヒータをＯＦＦとした時は、第２ヒートゾーン１２の中心部分の温度は３００℃以下で、上部線引炉２からの温度の影響はあまり受けず、この状態で大型の母材６０から外径１２５μｍの光ファイバ素線に引き落とすには、ここで用いたヒータとガス条件では１．４７Ｎ（１５０ｇ）の張力が必要であった。（母材サイズによる、母材が大きくなるとテンションが上がった）ＤＳＦ（分散シフト光ファイバ）を５００ｍ／ｍｉｎで線引きした結果、得られた光ファイバの１．３μｍと１．５５μｍの伝送損失は、それぞれ０．３７６ｄＢ／ｋｍ、０．２０２ｄＢ／ｋｍであった。
【００６２】
そこで、第２ヒートゾーン１２の第二ヒータを作動させ６００℃まで加温したところ、線引き張力は約１．３７Ｎ（１４０ｇ）となり、さらに温度を上げて１０００℃とすることにより約０．９８Ｎ（１００ｇ）まで低減することができ、このとき第一溶融変形部から引き出された母材線径０．５ｍｍまでの所の長さが数十ｍｍ程度伸びた。このように、第２ヒートゾーン１２の温度を調整することにより第一溶融変形部の形状を多少はコントロールすることが可能となり、テンションも低く出来た。また同一のテンションとした場合には、第１ヒートゾーンの温度を低くできた。ここで、第２ヒートゾーン１２の温度を調整することにより、先の第一ヒータ４の温度を２０５０℃から１９３０℃に下げ、第２ヒートゾーン１２のヒータ温度を６００℃〜１２００℃と調整する事で、線引き張力を１．７６Ｎ（１８０ｇ）〜１．４７Ｎ（１５０ｇ）の範囲に調整できた。この効果は、第２ヒートゾーンにガス予熱流路を設けると、さらに顕著であった。
【００６３】
この条件でＤＳＦ（分散シフト光ファイバ）を線引した結果、１．３μｍと１．５５μｍの伝送損失が線引速度５００ｍ／ｍｉｎで、それぞれ０．３６７ｄＢ／ｋｍと０．１９８ｄＢ／ｋｍのＤＳＦを製造することができた。また、さらに第２ヒートゾーン１２の温度を調整することで線速１０００ｍ／ｍｉｎまでほぼ同じ伝送損失で線引でき、１．３μｍ，１．５５μｍでそれぞれ０．３７０ｄＢ／ｋｍ、０．２００ｄＢ／ｋｍであった。また、１．３８μｍ帯のＯＨによる伝送損失（以下ＯＨロスともいう）は、従来の２０５０℃の線引条件に比べて、０．０１〜０．０５ｄＢ／ｋｍ減少できた。ＯＨロスは線引の最高温度（第一ヒータ温度）に依存し、前記温度を下げると比例して下がった。
【００６４】
上記本発明の製造装置で製造した光ファイバの伝送損失の減少の原因を分析した結果、レイリー散乱項と構造不正のいわゆるＢ項が改善されており、これは、同一張力で線引きした場合、本発明では第一ヒータ４の温度を従来の温度から１２０℃下げることができ、第一溶融変形部６１が伸びたことによる。但し、第二溶融変形部６３はほとんど伸びなかた。
【００６５】
また、第二溶融変形部６３を十分に加熱できており、その範囲の冷却速度を従来に比較して約半分まで遅くできた（２５０ｍ／ｍｉｎから１６００ｍ／ｍｉｎの範囲では、従来シングルヒータの冷却速度は０．５〜２℃／ｍｍ、約３０００から１２０００℃／ｓであるのに対し、本発明では冷却速度は０．１１５℃／ｍｍから０．９℃／ｍｍ、約７５０℃／ｓから４０００℃／ｓであり、第一、第二ヒータの調整で第一ヒータ４の最高温度を下げる事で更に冷却速度が遅くできる）事により改善できたと考えている。ここで冷却速度の計算は、ファイバ外径の変化による第２ヒートゾーン１２あるいは第２ヒートゾーン１２に続く冷却ゾーンの各点での溶融変形部の速度を考慮して計算している。即ちメニスカスの太い所では線速が遅いことを考慮して滞在時間を計算して計算した。簡略するために、第２ヒートゾーン１２のほぼ導入部のメニスカス径と固化したファイバ外径での線速の平均値より平均速度を求めて滞在時間を求め、冷却速度は計算した。
【００６６】
また更に冷却部１０を設けたことで、溶融変形部が伸びたにもかかわらず、ファイバの曲がりやファイバ外径変動も小さく出来た。また、第２ヒートゾーン１２のヒータによる第一溶融変形部への影響が少ないために、溶融変形部の太い部分の伸びがあまりなく、母材のロスはほとんど生じなかった。
【００６７】
本発明で、前記第１及び第２ヒートゾーンと光ファイバ母材がある雰囲気とは隔離手段、例えば、炉心管により、隔離されていることが好ましい。隔離手段は第１ヒートゾーンと第２ヒートゾーンの間で隔離手段の内径が小さくなる部分を有するか、又は、第２ヒートゾーン側の隔離手段の内径が第１ヒートゾーン側に比べ細いことが好ましい。
【００６８】
本発明ではヒートゾーン間隔が長いことと、下部線引炉６の炉心管７の内径を可能な限り細くし（内径で３５〜２０ｍｍ）、第１ヒートゾーン１１からの熱の影響をできるだけ小さくし、２つのヒートゾーン１１、１２の温度干渉を小さくした。このように構成することにより、各ヒートゾーン１１、１２の温度制御性を改善させることができると共に、干渉による、溶融変形部の太い所の伸びを比較的少なく出来た。
【００６９】
また、線引き張力を第２ヒートゾーン１２の温度をコントロールすることにより調整可能となり、第１ヒートゾーン１１の温度をそれ程上げることなく線速を上げても所望の線引き張力を得る事が可能である。これにより、１．３８μｍ帯のＯＨによる伝送損失を線引速度が上がっても従来の線引炉よりは改善できた。
【００７０】
また、別の実施形態においては、第２ヒートゾーン内に、図４に示すように、矢印のようにガスが流れるガス予熱流路８０を予熱流路形成体８１により形成した。この予熱流路形成体８１は２重炉心管より構成し、流路がヒータや断熱材の有る空間とは隔離されている構造とすることが好ましい。これは、前記空間ではヒータや断熱材からの不純物の混入やダストの混入が起こることを防ぐためである。また、ガス導入口１５の代りに、或いは、ガス導入口１５に加えて、前記２重炉心管の上部の導入口８２よりガスを導入し、上から下へ流し、下端近傍の通路より、十分に予熱したガスを母材の有る雰囲気内に、通路を介して供給する事により、供給ガスによる急冷を効果的に防止できる。ガス予熱流路は、第２ヒートゾーンを越えて設けてもよい。
【００７１】
また図５に示すようにガス予熱流路８０を３重炉心管からなる予熱流路形成体８１により形成する事により更に予熱効果を高める事ができる。その場合は、ガス導入口１５の代りに、或いは、ガス導入口１５に加えて、３重炉心管の下部の導入口８２よりガスを導入し下から上、上から下へとガスを通過させ十分に予熱したガスを排出口８３から母材がある雰囲気内、すなわち、炉心管内部に供給する事により、供給ガスによる急冷を更に効果的に防止できる。このガスはアルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、Ｈｅガスを含んだ不活性ガス（Ａｒや窒素等）、或いは、Ｈｅ若しくはＡｒと微量の水素や重水素を含むガスとすることが好ましい。可燃限界以下の濃度の水素や重水素は還元性雰囲気とする事により、カーボンの劣化を防止できる。更に混合ガスの熱伝導を改善できる。
【００７２】
前述したように前記ガス予熱流路を３重管により構成し、３重管の材質を高純度カーボンとすると、この場合はより効率的に完全にガスと形成された流路との間の熱交換が行なえ、また、大きな流量のガスを流す事も出来きる。好ましい実施形態においては、最大４０ＳＬＭのＨｅ、又はＡｒあるいはそれらの混合ガスを流しても光ファイバの線径変動が悪化しない。このようにガス予熱流路を３重管により構成することにより、ファイバの冷却速度の調整を第二ヒータによる温度制御だけでなくガス流量の変化によっても行うことができる。
【００７３】
更に、炉心管内部に流す前記予熱ガスはアッパーフロータイプの場合は、第２ヒートゾーンの下側より主に上方に流す。一方、ダウンフロータイプの場合は、第２ヒートゾーンの上流側より下方に流す。このように予熱ガスを流す事で第２ヒートゾーンの温度を調整する事により、ガス流量を多くしても線径変動は悪化しなかった。更に、従来は、ガスの供給量を少なくしないと、ガスによる溶融変形部や固化点以下のファイバの冷却速度が速く伝送損失が悪化してしまったが、予熱流路を通過させる事で、大量の供給ガスを流すことができ、伝送損失の改善とファイバ強度（スクリーニングの破断確率）の向上の両立が可能となった。これは、プリフォームの主として溶融変形部より蒸発した蒸気が低温部でシリカの粒子となり炉心管部品と反応してＳｉＣ粒子を形成するが、ガス流量を増やす事によって、それらの粒子を光ファイバやメニスカスの特に細い部分に付着する前に炉外に排気できることによる。またガス自体が予熱されているために、先の蒸気が粒子化したり、カーボン炉心管と反応してＳｉＣを形成する事も低減できることによるものと考えられる。
【００７４】
本実施形態では、伝送損失が、線引き速度１０００ｍ／ｍｉｎにおいて、１．３μｍ，１．５５μｍでそれぞれ０．３７０ｄＢ／ｋｍ、０．２００ｄＢ／ｋｍであり、かつ、スクリーニングの破断確率は１回／３００ｋｍから１回／６００ｋｍ程度と大幅に改善した。一方、従来の方法では、同様の伝送損失（同じ値までは到達できないが）に近づるためガス供給量を下げると、スクリーニングの破断確率が１回／２００ｋｍ以下と大幅に低下した。特にダウンフロータイプの炉では顕著であった。
また、母材のロスは、本発明では１０から１３％であった。
【００７５】
【実施例】
以下、本発明を図示した実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００７６】
実施例１
図１に示される装置で標準のＳＭＦ母材（外径７０から９０ｍｍ）を線引きした。第一ヒータ４の温度を１９５０℃、第二ヒータ８の温度を６００℃又は１２００℃に設定し、線速５００ｍ／ｍｉｎ又は１０００ｍ／ｍｉｎで線引きした。線引き張力は、線速が５００ｍ／ｍｉｎでは、第二ヒータ８の温度が６００℃では１．１８Ｎ（１２０ｇ）であり、１２００℃では０．７８Ｎ（８０ｇ）であった。この条件では線速が倍となると、冷却速度も倍となった。１０００ｍ／分を超える速度では、第２ヒータの温度を上げたり、炉内に供給するガス量を下げる等して冷却速度を下げる調整を行った。炉内にはアルゴンガスとHeガスの混合ガスを供給した。
【００７７】
この条件で標準ＳＭＦを線引した結果、１．３μｍと１．５５μｍの伝送損失が線引速度５００ｍ／ｍｉｎで、第二ヒータ８の温度が６００℃又は１２００℃の両条件とも、それぞれ０．３３０ｄＢ／ｋｍ、０．１８３ｄＢ／ｋｍであった。
また、線速１０００ｍ／ｍｉｎでは、１．３μｍの伝送損失が第二ヒータ８の温度が６００℃では０．３３４ｄＢ／ｋｍ、１２００℃では０．３３２ｄＢ／ｋｍであった。また、１．５５μｍの伝送損失は、第二ヒータ８の温度が６００℃では０．１８７ｄＢ／ｋｍ、１２００℃では０．１８５ｄＢ／ｋｍであった。高速にした時には第２ヒートゾーンの加熱が伝送損失の改善には有効であった。
【００７８】
また、１．３８μｍ帯のＯＨによる伝送損失（ＯＨロス）は、線速１０００ｍ／ｍｉｎで第二ヒータ８の温度が６００℃の条件では０．２８ｄＢ／ｋｍ、１２００℃の条件では０．２９ｄＢ／ｋｍであった、従来の線引炉では０．３から０．３２ｄＢ／ｋｍであり、０．０１ｄＢ／ｋｍから０．０４ｄＢ／ｋｍ改善できた。
【００７９】
ＯＨロスは線引の最高温度（第１ヒータ温度）に依存し、前記温度を下げると比例して下がった。また、母材のロスは８％から１６％であった。
【００８０】
【発明の効果】
本発明は上述したように、溶融変形部の冷却速度を４０００℃/ｓ以下とする事で伝送損失、ＯＨロスを低減できた。溶融変形部の冷却速度を低減する方法、装置として、光ファイバ母材の端部を加熱炉で加熱溶融して形成される溶融変形部を、加熱炉に配置した第１ヒートゾーンと、該第１ヒートゾーンの下方に配置した第２ヒートゾーンで形成する方法・装置とすることにより、伝送損失が改善されると共に生産性の向上、歩留りが改善され、品質に優れた光ファイバを安価に提供することができる等の優れた効果を有するものである。
【００８１】
また、複数のヒータを用いてプリフォームを加熱しても、所定のヒータ間隔で第２のヒートゾーンを所定の温度範囲とする事により、溶融変形部の太いところを伸ばす割合が減り、母材を有効に使う事ができた。また、溶融変形部の径が約０．５ｍｍ以下のところだけを加熱することにより、溶融変形部が極端に伸びすぎないので、光ファイバの外径変動に影響せずに伝送損失を改善できた。また、従来の一つのヒータの線引炉と比較して、ヒータの最高温度を下げることができ、また高温部の溶融変形部を短くできるためにＯＨロスを改善できた。
また、第２ヒートゾーンにガスの予熱流路を設けることにより、供給するガス温度が制御できたために、より溶融変形部の細いところの冷却速度を低減でき、伝送損失を更に改善できた。また、第２ヒートゾーンにつづく冷却部、さらに加熱炉の直下に設けた光ファイバ保護筒で大気による急冷を防止したために、さらに伝送損失とスクリーニング時の破断確率を改善できた。さらに、第２ヒートゾーンにガスの予熱流路を設けることにより、冷却ガスにより前記溶融変形部が急冷されず、供給ガスを大量に流す事ができ光ファイバのスクリーニング時の破断確率を大幅に改善できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明光ファイバ線引き装置の第一実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明光ファイバ線引き装置の第二実施形態を示す説明図である。
【図３】本発明光ファイバ線引き装置の第三実施形態を示す説明図である。
【図４】本発明光ファイバ製造装置の一実施形態におけるガス予熱流路の説明図である。
【図５】本発明光ファイバ製造装置の別の実施形態におけるガス予熱流路の説明図である。
【符号の説明】
１ 加熱炉
２ 上部線引炉
３ 炉心管
４ 第一ヒータ
５ 断熱材
６ 下部線引炉
７ 炉心管
８ 第二ヒータ
９ 断熱材
１０ 冷却部
１１ 第１ヒートゾーン
１２ 第２ヒートゾーン
１３ 第３ヒートゾーン
１４ ガス導入部
１５ ガス導入口
１６ 円筒状冷却部本体
１７ 断熱カバー
１８ シャッター
１９ シャッター
２０ ガス導入口
２６ 光ファイバ保護筒
２７ 保護管
２８ 断熱材
３０ 外径測定器
３６ 光ファイバ冷却装置
４０ 一次被覆用ダイス
４１ 紫外線照射装置
４６ 二次被覆用ダイス
４７ 紫外線照射装置
５０ キャプスタン
５６ 巻取装置
６０ 光ファイバ母材
６１ 第一溶融変形部
６３ 第二溶融変形部
６５ 光ファイバ素線
７０ 被覆ファイバ
７５ 第３ヒータ
７６ 第１ヒータ
８０ ガス予熱流路
８１ 予熱流路形成体
８２ 導入口
８３ 排出口
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信などに用いられる光ファイバの線引き方法及び線引き装置、並びに、光ファイバの製造方法及び製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバの需要の拡大に対応して、光ファイバの生産量の拡大、それに伴う価格の低減の要求が強くなっており、そのために光ファイバ母材の大型化と線引き速度の高速化が図られている。
【０００３】
また、同時に伝送特性の向上も強く要求されるようになり、伝送損失の低減についての要求が強く望まれている。特に、現在広く用いられている波長１．３μｍ付近にゼロ分散波長を有する標準シングルモード光ファイバ（Ｓ-ＳＭＦ）や、波長１．５５μｍ付近にゼロ分散波長を有する分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）、波長１．５５μｍ付近で微小分散を有する光ファイバ（ＮＺＤＳＦ）などの、主に光伝送線路を構成する光ファイバでは、伝送損失を低減することが重要課題となっている。
【０００４】
光ファイバの伝送損失は、光ファイバ母材を形成するまでの工程、光ファイバ母材を線引きして光ファイバを得る工程、線引きされた光ファイバに被覆を施す工程などの各工程に依存する。
【０００５】
このうち、特に線引き工程では、線引き炉を出た後の光ファイバを急冷すると伝送損失が増大するため、線引き炉を出た後の光ファイバを再加熱して伝送損失を低減する技術が開発されている。
例えば、特開昭６０−１８６４３０号公報には、線引炉を出た後の光ファイバを、６００℃以上でかつ光ファイバ母材の軟化温度以下となるように再加熱して、光ファイバにおける原子レベルの欠陥を少なくする技術が開示されている。
【０００６】
この技術により光ファイバの伝送損失を低くすることは可能であるが、更に光ファイバの伝送損失を極限まで低くするためにレイリー散乱係数を小さくする研究が進められ、ガラスが固まる温度（仮想温度）が高くなるとレイリー散乱係数が大きくなることが知見され、この知見に基づきレイリー散乱係数を大きくしないために光ファイバを徐冷する技術が提案されている。
【０００７】
光ファイバを徐冷する技術としては、特開２０００−３３５９３３号、特開２０００−３３５９３４号、特開２０００−３３５９３５号の各公報に記載されているが、これらの技術は、伝送損失のうち、レイリー散乱項を低減する目的で、線引き炉の下に徐冷用加熱炉を設けることを前提としている。
すなわち、特開２０００−３３５９３３号公報には、線引きされた光ファイバが、光ファイバの温度が１３００〜１７００℃の範囲のうち５０℃以上の温度差となる区間を１０００℃／秒以下の冷却速度で冷却すること、およびこの条件を満足するために徐冷用加熱炉を用いることが提案されている。
【０００８】
また、特開２０００−３３５９３４号公報には、線引きされた光ファイバが、線引き炉から出た後、大気により空冷されてから徐冷用加熱炉に入り、光ファイバの温度が１２００〜１７００℃の範囲の温度となるように加熱する徐冷用加熱炉を用いることが提案されている。また、上記温度範囲は１３００〜１６００℃の範囲が望ましいと記載されている。
【０００９】
特開２０００−３３５９３５号には、線引き炉に熱伝導率の良い第１ガス（Ｈｅなど）を用い、徐冷用加熱炉には線引き炉に供給するガスよりも熱伝導率の小さいガス（窒素ガスなど）を供給することが提案されている。
【００１０】
一方、特開２００１−１６３６３２号公報にはメインヒータと補助ヒータとを有する光ファイバ製造装置が開示されている。ここで開示されている発明は、線引中に急峻にテンションを変えることで分散特性（正分散から負分散、あるいはその逆に変える）を長手で急峻に変えることを目的としている。急峻に変化できないと、変化中に分散がゼロに近い状態となる区間が長くなり、非線形現象（四波混合）が起こり波形劣化が起こり長距離伝送が出来なくなるためである。このため、この公報では、テンションを短時間で変える工夫としてメインヒータに加えて、補助ヒータや炉内に供給するガスにより炉体下部の熱容量を変える技術が開示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特開２０００−３３５９３３号公報および特開２０００−３３５９３４号公報に開示された技術は、線引き炉と徐冷用加熱炉との間に隙間を設け、光ファイバを積極的に大気で冷却してから徐冷するため、光ファイバの表面に大気中のダストが高温のファイバに付着する可能性があり、光ファイバの強度を下げる可能性がある。また線引き炉内の雰囲気ガスを下方に流しているため、線引き中の光ファイバ母材に形成される溶融変形部の温度分布調整が難しく、溶融変形部における温度分布をなだらかにしたり、特定の部分を急峻にして粘性変形によるひずみや、徐冷による伝送損失を改善しようとする技術については何等考慮されていない。溶融変形部に残留したひずみ（線引きテンションとガラスの粘度、温度履歴に依存する）は、光ファイバの伝送損失の増大につながるため、伝送損失の低減のためには必ず解決しなければならない課題の１つである。
【００１２】
また、特開２０００−３３５９３３号公報乃至特開２０００−３３５９３５号公報に開示された技術は、線引き加熱炉にＨｅガスなどの熱伝導率の良いガスを導入し、線引き炉から出る光ファイバの温度を上げることが示されているが、こうすると、同じ線引き張力を得るためには、線引き炉の炉温を上げなければならなくなる可能性もあり、屈折率分布を付与するために添加される添加物により、例えばコアとクラッドとの熱膨張係数差によるひずみを多く受けることや、ガラスの固化する温度（仮想温度と云う）が高くなるために伝送損失が増大する懸念がある。
【００１３】
さらに、特開２００１−１６３６３２号公報に記載された発明では、補助ヒータは線引き張力を低くする時に加熱し、線引き張力を高める時には加熱を止めている。そしてこの効果を効率的にするために補助ヒータ部の熱容量を小さくする必要があり、そのために、ヒータや断熱材を極力小さくし熱容量を小さく（明細書に記載の実施例からも明らかなように補助ヒータの電力量は５ｋＷ）している。このため、広い領域を安定に加熱できる熱容量ではなく、線引中の温度分布が変動しやすく、従って溶融変形部が変動しやすく、徐冷過程を安定させ難いので実用化は困難である。
【００１４】
そこで、本発明では、光ファイバの伝送損失を十分低下させることが可能な光ファイバの線引き方法を提供することを目的とし、また当該目的を達成するための光ファイバの線引き装置を提供することをあわせて目的とする。また、光ファイバの伝送損失を十分低下させることが可能な光ファイバの製造方法、及び、光ファイバの製造装置を提供することもあわせて目的とする。
【００１５】
本発明によれば、以下の手段が提供される。すなわち、本発明は、
（１）光ファイバ母材の端部を加熱炉で加熱溶融して形成される溶融変形部（メニスカス部をいう。以下同様）の先端に張力を加えて線引きする光ファイバの線引き方法であって、
前記加熱炉は１つの加熱炉内に少なくとも２つのヒートゾーンが形成されており、第１ヒートゾーンを形成する第１ヒータと、前記第１ヒートゾーンの下方に配置され、第２ヒートゾーンを形成する第２ヒータと、前記第１ヒータおよび第２ヒータの外側に設けられた断熱材と、光ファイバ母材を収容する炉心管を有し、
前記炉心管は、前記第１ヒータの内側に配置される太径部と、前記第２ヒータの内側に配置される細径部と、を有し、
前記第１ヒートゾーンは、前記第１ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記炉心管の前記細径部の上端までの領域であり、
前記第２ヒートゾーンは、前記第２ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記第２ヒータの下方に配置された前記断熱材の上端までの領域であり、
前記溶融変形部が、前記少なくとも２つのヒートゾーンで形成され、
前記第２ヒートゾーンの長さは第１ヒートゾーンの長さと同じかそれ以上の長さであり、
前記第１ヒートゾーンを形成するヒータの下端と第２ヒートゾーンを形成するヒータの上端との距離が１００ｍｍ以上６００ｍｍ以下であり、
前記第１ヒートゾーンの温度に対して第２ヒートゾーンの温度を低く設定し、第２ヒートゾーンの温度を６００℃以上１８００℃以下の所定の温度に制御して線引きを行うことを特徴とする光ファイバの線引き方法、
（２）前記第２ヒートゾーンに対応する溶融変形部の最大の径を２ｍｍ以下とすることを特徴とする（１）記載の光ファイバの線引き方法、
（３）前記第２ヒートゾーンに対応する溶融変形部の最大の径を０．５ｍｍ以下とすることを特徴とする（１）記載の光ファイバの線引き方法、
（４）前記第２ヒートゾーンに対応する加熱範囲に溶融変形部が完全に固まり光ファイバとなる部分が含まれていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の光ファイバの線引き方法、
（５）少なくとも第２ヒートゾーンにはガス予熱流路があり、前記ガス予熱流路を通過した予熱ガスを前記光ファイバ母材がある雰囲気内に供給することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の光ファイバの線引き方法、
（６）前記予熱ガスがヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）とアルゴン（Ａｒ）の混合ガス、ヘリウム（Ｈｅ）と窒素の混合ガス、ヘリウム（Ｈｅ）と可燃限界以下の濃度の水素の混合ガス、ヘリウム（Ｈｅ）と可燃限界以下の濃度の重水素の混合ガス、アルゴン（Ａｒ）と可燃限界以下の濃度の水素の混合ガス、又は、アルゴン（Ａｒ）と可燃限界以下の濃度の重水素の混合ガスであり、前記予熱ガスを加熱炉の上方及び／又は下方に流すことを特徴とする（５）記載の光ファイバの線引き方法、
（７）前記ガス予熱流路がヒータの雰囲気と隔離されていることを特徴とする（５）又は（６）記載の光ファイバの線引き方法、
（８）前記加熱炉内にある溶融変形部の最も速い冷却速度を４０００℃／ｓ以下とすることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１項に記載の光ファイバの線引き方法、
（９）光ファイバ母材の端部を加熱炉で加熱溶融し、溶融して形成される溶融変形部の先端に張力を加えて線引きする光ファイバの線引き装置であって、
前記加熱炉は１つの加熱炉内に少なくとも２つのヒートゾーンが形成されており、第１ヒートゾーンを形成する第１ヒータと、前記第１ヒートゾーンの下方に配置され、第２ヒートゾーンを形成する第２ヒータと、前記第１ヒータおよび第２ヒータの外側に設けられた断熱材と、光ファイバ母材を収容する炉心管を有し、
前記炉心管は、前記第１ヒータの内側に配置される太径部と、前記第２ヒータの内側に配置される細径部と、を有し、
前記第１ヒートゾーンは、前記第１ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記炉心管の前記細径部の上端までの領域であり、
前記第２ヒートゾーンは、前記第２ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記第２ヒータの下方に配置された前記断熱材の上端までの領域であり、
前記第１ヒータと第２ヒータは、独立に温度制御可能であり、
前記溶融変形部が前記少なくとも２つのヒートゾーンで形成されるように、前記第２ヒートゾーンの長さが、前記第１ヒートゾーンの長さと同じかそれ以上であり、前記第１ヒートゾーンの下端と第２ヒートゾーンの上端との距離が１００ｍｍ以上６００ｍｍ以内であり、第１ヒートゾーンのヒータを１７００℃〜２３００℃の範囲に設定して加熱し、第２ヒートゾーンのヒータを６００℃〜１８００℃の範囲に設定して加熱する
ことを特徴とする光ファイバの線引き装置、
を提供するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示した実施形態により詳細に説明する。
図１は本発明の第一の実施形態を示す説明図であり、１は加熱炉で、該加熱炉１は上部に第１ヒートゾーン１１と、その下部に第２ヒートゾーン１２とが配置されている。第１ヒートゾーン１１は、第一ヒータ４（カーボン）、及び、前記ヒータの外側に設けた断熱材５（カーボン繊維やカーボンフェルトの成形体）で構成されている。上部線引炉２は、第一ヒータ４、断熱材５、並びに、カーボンからなる炉心管３で構成されている。第２ヒートゾーン１２は、第二ヒータ８（カーボン）、及び、前記ヒータの外側に設けた断熱材９（カーボン繊維やカーボンフェルトの成形体）で構成されている。下部線引炉６は、第二ヒータ８、断熱材９、並びに、石英ガラス、ＳｉＣ又はカーボンからなる炉心管７（前記炉心管３よりも縮径されている）で構成され、前記上部線引炉２の下方に設けられている。ここで、第一ヒータ４及び第二ヒータ８は、独立に温度制御可能である。また、ヒータの周囲には空間が存在し、電気的な絶縁をとっている。
【００１７】
本発明において、第２ヒートゾーン１２は、主として溶融変形部の細い部分あるいは溶融温度以下で固まって外径の実質的に変化しない部分（光ファイバの部分）を所定の温度に管理し、あるいは所定の冷却温度とするために配置する。また第２ヒートゾーン１２部分は、溶融変形部が伸びるので、その部分の温度や温度勾配を調整し安定化するためには、第１ヒートゾーン１１と同じかそれ以上の長さとすることが好ましい。線引速度が１０００ｍ／分以上では第２のヒートゾーンを２つ以上のヒータで構成することが、ファイバの進行方向での温度分布を適正に調整できるためにより好適である。
【００１８】
図１に示す実施形態はガスを下方から上方に流すアッパーフロータイプであり、１０は冷却部兼ガス導入部で、該冷却部兼ガス導入部１０は断熱材からなる円筒状冷却部本体１６の内面が石英ガラス、ＳｉＣ又はカーボンからなる断熱カバー１７で覆われており、下部線引炉６から延長して伸びている炉心管７からなる光ファイバ通路を囲むように、配置されている。図中１４は炉心管３、７内に供給するガスを導入するガス導入通路で、該ガス導入通路１４は、冷却部兼ガス導入部１０の上方に設けたガス導入口１５から、下部線引炉６から延長して伸びている炉心管７の外周に伸び、該炉心管７の下端に達している。１８はガスが下方に流れるのを阻止するシャッターである。
【００１９】
炉内に供給されるガス（アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス）は図示するように、冷却部兼ガス導入部１０の上方に設けられたガス導入口１５から供給され、ガスは炉心管７と断熱カバー１７との間に設けたガス導入通路１４を通って下方に進む。この時ガスは炉心管７の熱を吸収して温められ、該ガスにより炉心管７から出たファイバを急冷しないようにしている。
【００２０】
温められたガスはシャッター１８により下方への排出を一部分を除き阻止されて炉心管７内を上方に進み、炉心管３を経て上部線引炉２の上方に設けたガス排出口２１から排出される。このようにガスを炉心管７、３内へ供給することにより炉心管内の圧力を制御し（０．０１Ｐａ〜数１０Ｐａ）、また、線引炉内への母材の導入時に大気を巻き込まないようにしている。
【００２１】
図において２６は光ファイバ保護筒で、該保護筒２６は前記冷却部兼ガス導入部１０の下方に設置され、石英ガラス又はカーボンからなる保護管２７、カーボン又はシリカ繊維の断熱材２８で構成されている。
【００２２】
３０は外径測定器で、前記保護筒２６の下部に配置されている。３６は外径測定器３０の下方に配置された光ファイバ冷却装置、４０は光ファイバ冷却装置３６を出た光ファイバに一次被覆を施すダイス、４１は被覆した樹脂を硬化させる紫外線照射装置、４６は一次被覆した光ファイバに二次被覆を施すダイス、４７は二次被覆樹脂を硬化させる紫外線照射装置、５０はキャプスタン、５６は巻取装置である。
【００２３】
本発明は、光ファイバ母材の端部を加熱炉で加熱溶融して形成される溶融変形部の先端に張力を加えて線引きするもので、該加熱炉内にある、前記溶融変形部を冷却するに当り、溶融変形部の最も速い冷却速度を４０００℃／ｓ以下とすることが好ましい。また、溶融変形部の外径が１ｍｍ以下の部分、又は、実質的に溶融変形を終えた部分の最も速い冷却速度を４０００℃／ｓ以下とすることがさらに好ましい。溶融変形部の最も速い冷却速度は、さらに好ましくは、７５０℃／ｓ〜３０００℃／ｓである。
【００２４】
図１はまた光ファイバ母材から光ファイバを線引きしている状態を示すもので、図中６０は光ファイバ母材で、該光ファイバ母材６０は図示しない昇降装置により支持されて上部線引炉２の炉心管３内にセットされ、上部線引炉２の第一ヒータ４により形成される第１ヒートゾーン１１で加熱溶融され第一の溶融変形部６１を形成している。６３は第二の溶融変形部で、該第二溶融変形部６３は第一の溶融変形部６１から引き出され細径とされた溶融変形部を第一ヒータ４に対して独立して温度制御されている第二ヒータ８で形成される第２ヒートゾーン１２で加熱されることにより形成される。第１、第２のヒートゾーンは複数のヒータで構成しても良い。特に第２ヒートゾーン１２は長くなるので、２つ以上のヒータを用いてファイバの進行方向に沿って温度分布を調節できるためにより好適である。
【００２５】
第二溶融変形部６３から引き出された光ファイバは冷却部兼ガス導入部１０、光ファイバ保護筒２６で徐冷され、外径測定器３０で外径を測定され、外径測定器３０の測定データはキャプスタン５０、またはキャプスタン５０と母材の昇降装置、更に、上部、下部ヒートゾーンの温度にフィードバックされて線径を一定に保持するようにして線引きされ、その後、一次被覆、二次被覆が施されてキャプスタン５０で引き取られたのち巻取装置５６に巻き取られる。
本発明に用いられる光ファイバの被覆は特に制限されるものではないが、例えば紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂、熱硬化樹脂等による被覆が挙げられる。これらの被覆材は、従来用いられている被覆装置を適宜用いて、光ファイバに被覆することができる。
【００２６】
図１に示す加熱炉１において、上部線引炉２で形成される第１ヒートゾーン１１は光ファイバ母材６０の太い部分を加熱溶融し、第一溶融変形部６１の形状を制御し整える役割を主として果たす。第１ヒートゾーン１１とは独立して温度制御される下部線引炉６で形成される第２ヒートゾーン１２は第一溶融変形部６１から引き出され、細径となったメニスカス（外径が数ｍｍ〜０．数ｍｍ、好ましくは最大の径が２ｍｍ以下、さらに好ましくは最大の径が０．５ｍｍ以下）を加熱し第二溶融変形部６３を形成し、その形状を制御し整える。
【００２７】
この時、第二溶融変形部６３を形成し、その形状を整えるために加熱する第２ヒートゾーン１２の第二ヒータ８の温度は、該下部線引炉６を通過するメニスカス（母材）の温度よりも低い温度、好ましくは６００℃〜１８００℃、さらに好ましくは６００℃〜１６００℃に設定する。この様に所定の温度に制御して線引きを行う事により、溶融変形部の細い部分（特に外径数ｍｍ以下の所）の溶融変形部分の冷却速度を従来炉よりも小さくできる。また第２ヒートゾーン１２により溶融変形部だけでなく外径が実質的に変化しない（外径変化が０．１μｍ以下から０）所を超えて冷却速度を調整でき管理できる。このような機能を第２ヒートゾーン１２に付与するには該第２ヒートゾーン１２の長さを第１ヒートゾーン１１の長さに合わせるかそれより長くすることが必要である。好ましくは、光ファイバ母材６０の固化温度（シリカで１２００℃程度）まで、完全に固まり光ファイバとなった所まで、線引炉内に滞在させるもので、そのことにより、レイリー散乱による伝送損失を低減できる。
【００２８】
別の実施形態において、加熱炉１の第１ヒートゾーン１１は光ファイバ母材６０の太い部分を加熱溶融し太い部分のメニスカスを形成する第一溶融変形部６１の形状を制御し整える役割を主として果たす。また、第２ヒートゾーン１２は第一溶融変形部６１から引き出され、母材外径が０．５ｍｍ以下に細径となったメニスカスを加熱し、第二溶融変形部６３の形状を制御し整える。
線速やテンションに依存するが、線速３００ｍ／ｍｉｎから１４００ｍ／ｍｉｎの範囲では第１ヒートゾーン１１の下端と第２ヒートゾーン１２の上端の間隔は１００ｍｍから６００ｍｍ程度とすると、第２ヒートゾーン１２で主として加熱する溶融変形部の範囲を比較的細い所に限定でき、溶融変形部の最大径が０．５ｍｍ以下となる位置にヒータを配置し、加熱することができる。
【００２９】
また、第二溶融変形部６３を形成し、その形状を整えるために加熱する第２ヒートゾーン１２の温度は、下部線引炉６内を通過する母材の温度よりも低い温度とする。この温度は線引速度や第１、第２ヒートゾーンの距離や各ヒータの長さ、線引テンション等に依存し、適正値が選定されるが、例えば、第１ヒートゾーンのヒータを１７００℃〜２３００℃の範囲に設定し加熱するときには、第２ヒートゾーンのヒータを６００〜１８００℃の範囲に設定する。この様に第２ヒートゾーンを設定する事により、従来２つ以上のヒートゾーンを持つ線引炉の場合には、溶融変形部全体が大きく伸び母材のロスとなり線引長が稼げない問題があったが、本発明では溶融変形部の径（メニスカス径をいう、以下同様）が０．５ｍｍ以下の溶融変形部を加熱することにより、母材のロスを低減できると共に、溶融変形部の径が０．５ｍｍ以下の部分の冷却速度を特に小さくできる。また、これにより伝送損失も改善できる。また、好ましくは、第２ヒートゾーンに対応する加熱範囲に溶融変形部の終端部（固化部）が含まれているものである。
【００３０】
この実施形態では、溶融変形部の径が０．５ｍｍの場合、溶融変形部の最高温度は１５００℃〜１７００℃に対応し、溶融変形部の終端部（固化点）では１４００℃から１６００℃に対応する。溶融変形部の温度は、ジャーナル・オブ・ライトウエウェーブ・テクノロジー（Journal of Lightwave Technology）Vol.12, No.3, March 1994に記載の式を用いて計算で求めた。また、第２ヒートゾーンのヒータを溶融変形部の最大の径が０．５ｍｍ以下となる位置に配置した事により、第２ヒートゾーンのヒータ長が比較的短くても（約２５０ｍｍから５００ｍｍ）前記溶融変形部範囲、更に固化点以降の光ファイバの範囲までの冷却速度を調整でき冷却速度を管理できる。また、好ましくは、光ファイバ母材６０のコアの軟化温度（シリカでは１２００℃程度）まで、即ちミクロなガラス構造の変化の起きない温度まで、線引炉内に滞在できるようにする事により、レイリー散乱による伝送損失を低減できる。また、加熱炉内にある記溶融変形部を冷却するに当り、溶融変形部の最も速い冷却速度を４０００℃／ｓ以下とすることが好ましい。
【００３１】
また別の好ましい形態としては、コアの軟化温度または９００℃程度までを加熱炉１の下部に設けた光ファイバ保護筒２６内にあるようにしたものである。これは、光ファイバの大気による急冷を防止するためである。また光ファイバが高温で大気中のダストとの付着する機会を著しく低減するためである。従って光ファイバ保護筒２６は保温構造か加熱構造でかつ、ガスパージを行うなどして内部がクリーンとなるように雰囲気を管理する事が好ましい。
【００３２】
また、２個のヒートゾーン１１，１２で加熱するために、主たる第１ヒートゾーン１１の最高加熱温度と電力量を低減でき、１．３８μｍ帯のＯＨ基による伝送損失を低減できると共に、第１ヒートゾーン１１近傍装置の劣化や加熱炉１自身の劣化を少なくできる。特にカーボン炉心管３や炉心管３の外側に配置する断熱材５や第一ヒータ４の寿命を長くできる。
【００３３】
下部線引炉６で形成される第２ヒートゾーン１２で形状を整えられ第二溶融変形部６３から引き出された光ファイバ素線６５は冷却部兼ガス導入部１０で外気から隔離された状態で温度が整えられる。冷却部兼ガス導入部１０により第２ヒートゾーン１２を出た光ファイバは急冷されるが、大気に出されて冷やさせるよりは遥にゆっくり冷却される。また、大気に触れさせないで冷却するので大気中のダストが光ファイバ素線６５に付着するようなこともない。次いで外径測定器３０で外径が測定される。外径測定器３０での測定データはキャプスタン５０あるいはキャプスタン５０と母材の昇降装置あるいは、第１、第２ヒートゾーン１１，１２の温度制御にフィードバックされて光ファイバ素線６５の線径が一定になるようコントロールされる。
【００３４】
外径測定器３０で外径を測定された光ファイバ素線６５は更に光ファイバ冷却装置３６で一次被覆（コーティング）に適した温度にまで冷却され、一次被覆用ダイス４０に通されて一次被覆が施され、紫外線照射装置４１で被覆樹脂を硬化し、次いで二次被覆用ダイス４６に通されて二次被覆が施され、紫外線照射装置４７で被覆樹脂を硬化し、キャプスタン５０にて引き取られ、巻取装置５６にて巻き取り、被覆ファイバ７０を完成する。
【００３５】
図１に示す線引炉による一つの線引き工程をより具体的に説明する。
線引装置の第一ヒータ４の容量を６０ｋＶＡ，第二ヒータ８の容量を２４ｋＶＡとし、該線引炉に大型の光ファイバ母材（大型母材：外径８０ｍｍ〜１４０ｍｍ）６０をセットし、大型母材６０を１９００℃〜２１００℃に温度設定した上部線引炉２に挿入し、その先端を溶融して伸ばし、太い所の第一溶融変形部６１を形成し、更に引き伸ばして第２ヒートゾーン１２に導入する。
【００３６】
第２ヒートゾーン１２は６００℃〜１８００℃に制御し、導入される母材の線径は２ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲に調整し、第二の溶融変形部６３を形成する。第二溶融変形部６３を出た光ファイバ素線６５は前述したように外気から隔離され温度が整えられた冷却部兼ガス導入部１０の雰囲気で、第２ヒートゾーン１２よりも速い冷却速度で冷却される。次いで一次被覆、二次被覆を施されキャプスタン５０にて引き取られ、巻取装置５６に巻き取られる。
【００３７】
ここで、上部の第１ヒートゾーン１１で形成される第一溶融変形部６１の形状と線引き張力が下部の第２ヒートゾーン１２の温度によりどのように影響されるかを測定した。先ず、第１ヒートゾーン１１の温度を２０５０℃とし、下部線引炉６の第二ヒータ８をＯＦＦとした時は、第２ヒートゾーン１２が形成される中心部分の温度は１００℃〜３００℃で上部線引炉２からの温度の影響は殆ど受けず、この状態で大型の母材６０から外径１２５μｍの光ファイバ素線に引き落とすには、上記ヒータの条件では１．４７Ｎ（１５０ｇ）の張力が必要であり（なお、線引き張力は母材サイズが大きくなると張力も上がり、装置内に流すガスの流量によっても多少相違する）、この条件でＤＳＦ（分散シフト光ファイバ）を５００ｍ／ｍｉｎで線引きした結果、得られた光ファイバの１．３μｍと１．５５μｍの伝送損失は０．３７６ｄＢ／ｋｍ、０．２０２ｄＢ／ｋｍであった。
【００３８】
そこで、下部線引炉６の第二ヒータ８を作動させ第２ヒートゾーン１２を６００℃まで加温したところ、線引き張力は１．１８Ｎ（１２０ｇ）となり、さらに温度を上げて１０００℃とすることにより０．５９Ｎ（６０ｇ）まで低減することができ、このとき第一溶融変形部６１から引き出された母材線径１ｍｍまでの所の長さが１００ｍｍ〜２００ｍｍに伸びた。このように、第２ヒートゾーン１２の温度を調整することにより第一溶融変形部６１の形状を下部線引炉６によりコントロールすることが可能となった。
【００３９】
そこで、第１ヒートゾーン１１の温度を２０５０℃から１８７０℃に下げ、第２ヒートゾーン１２の温度を６００℃〜１２００℃の範囲とし線引き張力を１．１８Ｎ（１２０ｇ）〜１．７６Ｎ（１８０ｇ）に調整し、第２ヒートゾーンに対応する第二溶融変形部６３の最大径を外径１ｍｍ以下としてＤＳＦ（分散シフト光ファイバ）を製造した。得られたＤＳＦの１．３μｍと１．５５μｍの伝送損失は線引速度５００ｍ／ｍｉｎで０．３６７ｄＢ／ｋｍ、０．１９８ｄＢ／ｋｍであった。また、上記範囲で第２ヒートゾーン１２の温度を調整することで線速１０００ｍ／ｍｉｎまでほぼ同じ伝送損失で線引きすることができた。なお、実際に線速１０００ｍ／ｍｉｎで製造したＤＳＦの伝送損失は１．３μｍ、１．５５μｍでそれぞれ０．３７０ｄＢ／ｋｍ、０．１９９ｄＢ／ｋｍであった。
【００４０】
また、１．３８μｍ帯のＯＨ基による伝送損失は、従来の２０５０℃の線引条件に比べて、０．０１〜０．０２ｄＢ／ｋｍ減少できた。これは線引きの最高温度を１００℃以上低減できたためである。
【００４１】
上記本発明線引装置で製造した光ファイバの伝送損失の減少の原因を分析した結果、レイリー散乱項と構造不正のいわゆるＢ項ロスが改善されており、これは、同一張力で線引きした場合、本発明では第一ヒータ４の温度を下げることができたこと（上記実施形態では従来の温度から１８０℃低減できたこと）、第一溶融変形部６１と第二溶融変形部６３が伸びたこと、第二溶融変形部６３が伸びた所が十分に加熱できており、特に溶融変形部が数ｍｍ以下の部分の冷却速度を従来に比較して約６５％まで遅くできた｛５００〜１０００ｍ／分の線引速度で従来の１〜２℃／ｍｍ（４５００〜８３００℃／ｓ）から０．２３〜０．４６℃／ｍｍ（９６０〜１９２０℃／ｓ）｝こと等の改善がなされたためと考えられる。
【００４２】
また更に冷却部兼ガス導入部１０を設けたことで、溶融変形部が伸びたにもかかわらず、ファイバの曲がりやファイバ外径変動を小さくできたことも伝送損失の改善に大きく寄与していると考えられる。しかし、第一溶融変形部６１の長さが伸びることにより有効線引長が短くなるので、第二ヒータ８の温度は８００℃〜１４００℃の範囲とすることが好適である。
【００４３】
本発明では下部線引炉６の炉心管７の内径を可能な限り細くし（内径で３５ｍｍ〜１５ｍｍ）、第１ヒートゾーン１１からの熱の影響をできるだけ小さくし、２つのヒートゾーン１１、１２の温度干渉を小さくした。このように構成することにより、各ヒートゾーン１１、１２の温度制御性を改善することができる。
【００４４】
また、線引き張力を第２ヒートゾーン１２の温度をコントロールすることにより調整可能となり、第１ヒートゾーン１１の温度をそれ程上げることなく線速を上げても所望の線引き張力を得る事が可能である。これにより、１.３８μｍ帯のＯＨ基による伝送損失を線引速度が上がっても従来線引炉よりも大幅に改善できた。
【００４５】
更に、加熱炉１内に流すガスの流量（アッパーフロー、ダウンフロー共）により溶融変形部の温度が変わる恐れがあり、この温度変化が線引き張力に微妙に影響するため、従来はメインの炉温を調整する必要があったが、本発明では第１ヒートゾーン１１の温度を変えることなく第２ヒートゾーン１２の温度調整で即座に対処でき、ガス供給条件による伝送損失の増加を抑制できた。
【００４６】
図２は本発明の第二の実施形態を示すのもで、図１に示す部分と同一の部分は同一の符号を付け、その説明は省略する。
図２に示す第二の実施形態は線引炉２内に導入するガスを上から下に流すダウンフロータイプとした点で前記第一の実施形態と相違している。また、第２ヒートゾーンが２つのヒータ８ａ、８ｂで構成されており、前記第１の実施形態に対して比較的長い範囲をを加熱できる。更に、ファイバの進行方向に沿って温度分布を調節することもできる。第２ヒートゾーンを構成する２つのヒータ８ａ、８ｂの間に断熱材等による区切りは無い。
【００４７】
即ち、この実施形態においては、炉内に供給されるガス（アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス）は図示するように、上部線引炉２の上部に設けたガス導入口２０から供給される。導入されるガスはシャッター１９で上方への流れが十分に阻止され、炉心管７内を下方に進み、炉心管３を経て下部線引炉６の下方から排出される。このようにガスを炉心管３、７内へ供給することにより炉心管内の圧力を制御し（数Ｐａ〜数１０Ｐａ）、また、上部線引炉２内への母材６０の導入時に大気を巻き込まないようにしている。
【００４８】
図２に示す加熱炉において、上記第一実施形態の具体例と同一の線引条件で、即ち、線引き速度を５００ｍ／ｍｉｎでＤＳＦを線引きした結果、１．３μｍ、１．５５μｍの伝送損失が、０．３７６ｄＢ／ｋｍ、０．２０２ｄＢ／ｋｍで、アッパーフロータイプと殆ど差がなかったが、上部線引炉２と下部線引炉６との間隔を調整し、炉心管３、７の径、供給するガスの種類（アルゴン、ヘリウム、これらの混合ガス）、ガス流量を調整することにより伝送損失をそれぞれ０．３７０ｄＢ／ｋｍ、０．１９７ｄＢ／ｋｍに改善できた。更に、線引き速度を５００ｍ／ｍｉｎから１０００ｍ／ｍｉｎに加速したが、伝送損失は０．３７３ｄＢ／ｋｍ、０．１９９ｄＢ／ｋｍとほとんど悪化しなかった。
【００４９】
ダウンフロータイプにおいては、第１ヒートゾーン１１と第２ヒートゾーン１２の間隔を比較的大きく離すことができる。この間隔を離すことで溶融変形部の太い部分が伸び、溶融変形部の形状を比較的広い範囲でコントロールし易くなり、最適な線引き条件を設定し易くなる。
上位第一実施形態の具体例と同一の母材を使用して上部線引炉２の第一ヒートゾーン１１の下端と、下部線引炉６の第二ヒートゾーン１２の上端との間隔を１００〜６００ｍｍとし、ＳＭＦ（シングルモードファイバ）を１０００ｍ／ｍｉｎで線引きした結果、１．３μｍ、１．５５μｍの伝送損失が、０．３２４ｄＢ／ｋｍ、０．１８５ｄＢ／ｋｍと大幅に改善できた。線引速度を高くするほど、第１、第２ヒートゾーンの間隔を大きくする必要があった。
【００５０】
また、２つのヒートゾーンにより第１ヒートゾーンの温度を従来の炉の温度より１００℃〜２００℃下げることができることにより、光ファイバのスクリーニング時の破断率を大幅に改善でき、従来の１／２〜１／３倍に破断回数を減少することができた。
【００５１】
図３は本発明の第三の実施形態で、図１と相違するところは上部線引炉２の第１ヒートゾーン１１の上部に第３ヒートゾーン１３を設けた点である。従ってその他の部分には図１と同一の符号を付けその説明は省略する。本実施形態は比較的太い母材（例えば１２０ｍｍ以上の母材）を線引きするのに適した装置である。
【００５２】
上部線引炉２の第１ヒートゾーン１１の上部に第３ヒートゾーン１３を設け、母材を予熱できるようにした。第３ヒートゾーン１３の第三ヒータ７５で母材６０を予熱する。第３ヒートゾーンの温度は６００℃から１８００℃の範囲で調整し、第一ヒータ７６より低い温度（第ヒートゾーンの温度は１８００℃から２１００℃）とし、第１ヒートゾーンと第３ヒートゾーンの温度差は好ましくは４００℃以上とする。この第３のヒートゾーンは、母材が溶融・軟化により変形しない位置（溶融変形部より上部）に設け、母材の予熱を行なえるようにする。具体的には、第１ヒートゾーンと第３ヒートゾーンの間の断熱材の厚さを５０ｍｍ〜４００ｍｍ離れた位置に配置する事が好ましい。５０ｍｍより短いと実質的に、第１ヒートゾーンと一体となり、溶融変形部が長くなってしまい、母材のロス（線引できない部分）が大きくなる。４００ｍｍより長いと、予熱効果が少なくなる事と、装置が大型化するために好ましくない。
特に母材６０が大きい場合には上部線引炉２の熱は輻射で炉の上部に逃げ、また、母材６０を伝わって熱伝導で加熱炉１の外に逃げる。輻射で逃げる熱量は炉心管３の断面積に比例し、熱伝導で逃げる熱量は母材６０の断面積に比例する。このため、従来は第一ヒータ７６から加熱炉１の上部開口部までの長さを長くして熱の逃げを防止していた。
本発明では第三ヒータ７５による第３ヒートゾーン１３を設け母材の溶融変形部上部を予熱することで、輻射で逃げる熱量と母材から熱伝導で逃げる熱量がも小さくなり、第一ヒータ７６のパワーを低減できる。これにより、揮発する蒸気によるカーボン炉心管やその他の炉内部品の劣化を低減でき、寿命を長くできる。
【００５３】
また、第３ヒートゾーン１３を設けることにより第一ヒータ７６の温度を過度に（上方に逃げる熱量を補給する）高くする必要がなくなり、母材６０の外径が太くなっても、第一ヒータ７６の温度を過度に上げることなく線引きすることができる。このように、第一ヒータ７６の温度を低くできることは、溶融変形部の冷却長を短くできることから加熱炉全体の長さを短くでき、溶融変形部の冷却速度を低減できることから母材６０が大きくなることで線引きしたファイバの伝送損失が悪化することも解消でき、伝送損失の少ない光ファイバを線引きすることができる。
【００５４】
図３に示す加熱炉１を使用して外径１３０ｍｍの母材を線引きした結果、伝送損失は、外径が８０ｍｍの母材を線引きしたものと遜色のないものであった。
【００５５】
本発明は光ファイバの伝送損失の改善のためにメニスカス形成用のヒートゾーンを２箇所に設け２つのヒートゾーンで温度分布を形成することで溶融変形部の形状をなだらかにし、特に、溶融変形部の比較的太い部分及び溶融変形部の細い部分をなだらかにすることで冷却速度を低減でき、粘性変形による歪み（せん断速度）や急冷による歪みによるガラスの密度ゆらぎを低減でき、それらが原因と思われる構造の不正による伝送損失を低減できる。
【００５６】
更に、固化点以降の光ファイバ部の徐冷もおこなえるため、伝送損失の改善は効果的である。
【００５７】
本発明においてアッパーフロータイプの線引炉では、炉心管に供給するガスにより溶融変形部を急冷する悪影響を下部線引炉を設けること、また、供給するガスを十分に予熱することで溶融変形部の固化点近傍から溶融変形部の径が数ｍｍ以下の部分をゆっくりと冷やすことで取り除くことができ、伝送損失を低減できる。
【００５８】
また、炉心管に供給するガスを下部線引炉で加熱できるので、比較的多くのガスを流すことができ、また、ヘリウムガスを使用しても上部線引炉の温度を過剰に上げる必要がないため、伝送損失の悪化を防止できると共に、被覆ファイバのスクリーニング時の破断を改善でき、また、光ファイバにダストが付着することによる線引き中の断線をなくすることができ、伝送損失の改善と共に生産性の向上、歩留りの改善が可能となる。
【００５９】
図３に示すように上部線引炉に第３ヒートゾーン１３を設けることで母材の径が太い母材（１２０ｍｍ以上）についても伝送損失を悪化させることなく線引きが可能となる。
【００６０】
次に、図１に示す光ファイバ線引き装置を用いた本発明の光ファイバの製造工程の別の実施形態を具体的に説明する。
線引装置の第一ヒータ４の容量を６０ｋＶＡ，第二ヒータ８の容量を２０ｋＶＡとし、該線引炉に大型の光ファイバ母材（大型母材外径８０〜１４０ｍｍ）６０をセットし、大型母材６０を１９００°Ｃ〜２１００°Ｃに温度設定した上部線引炉２に挿入し、その先端を溶融して伸ばし、太い所の第一溶融変形部６１を形成し、更に引き伸ばして第２ヒートゾーン１２に導入する。第２ヒートゾーン１２は６００°Ｃ〜１６００℃に制御し、線引速度が２５０ｍ／ｍｉｎから１０００ｍ／ｍｉｎまでに範囲で、第２ヒートゾーン１２の範囲に導入される母材溶融変形部の最大の径が約１ｍｍ以下となるように第２ヒートゾーンの位置を決めた。これは一つのヒータを有する線引炉のデータから容易に決定できる。第１ヒートゾーン１１の下部より３００ｍｍの位置に第２ヒートゾーン１２の上部が来るように第２ヒートゾーン１２を配置した。この距離を以下「ヒートゾーン間隔」と呼ぶ。また線引速度が６００ｍ／ｍｉｎから１４００ｍ／ｍｉｎまでに範囲では、ヒートゾーン間隔は６００ｍｍとした。このときの第２ヒートゾーン１２の範囲に導入される母材の溶融変形部の最大の径は０．４ｍｍ以下となるようにした。第２ヒートゾーン１２を出た光ファイバ素線６５は前述したように外気から隔離された冷却部１０の温度及び流れが整えられ雰囲気で、第２ヒートゾーン１２よりも速い冷却速度で冷却される。更に光ファイバ保護筒２６で１０００℃以下に冷却され、更に光ファイバ冷却装置３６の冷却筒で急冷されて３０℃から８０℃程度に冷却された後に、一次被覆、紫外線硬化、二次被覆、及び、紫外線硬化を施され、キャプスタンにて引き取られ、巻取装置に巻き取られる。
【００６１】
ここで、第１ヒートゾーン１１で形成される第一溶融変形部６１の形状と線引き張力が第２ヒートゾーン１２温度によりどのように影響されるかを測定した。ここで、第１ヒートゾーン１１の長さを３００ｍｍとし、第２ヒートゾーン１２の長さを６００ｍｍとした。ヒートゾーンの間隔は、上記に示した値とした。第一ヒータの温度を２０５０℃とし測定した結果、第２ヒートゾーン１２の第二ヒータをＯＦＦとした時は、第２ヒートゾーン１２の中心部分の温度は３００℃以下で、上部線引炉２からの温度の影響はあまり受けず、この状態で大型の母材６０から外径１２５μｍの光ファイバ素線に引き落とすには、ここで用いたヒータとガス条件では１．４７Ｎ（１５０ｇ）の張力が必要であった。（母材サイズによる、母材が大きくなるとテンションが上がった）ＤＳＦ（分散シフト光ファイバ）を５００ｍ／ｍｉｎで線引きした結果、得られた光ファイバの１．３μｍと１．５５μｍの伝送損失は、それぞれ０．３７６ｄＢ／ｋｍ、０．２０２ｄＢ／ｋｍであった。
【００６２】
そこで、第２ヒートゾーン１２の第二ヒータを作動させ６００℃まで加温したところ、線引き張力は約１．３７Ｎ（１４０ｇ）となり、さらに温度を上げて１０００℃とすることにより約０．９８Ｎ（１００ｇ）まで低減することができ、このとき第一溶融変形部から引き出された母材線径０．５ｍｍまでの所の長さが数十ｍｍ程度伸びた。このように、第２ヒートゾーン１２の温度を調整することにより第一溶融変形部の形状を多少はコントロールすることが可能となり、テンションも低く出来た。また同一のテンションとした場合には、第１ヒートゾーンの温度を低くできた。ここで、第２ヒートゾーン１２の温度を調整することにより、先の第一ヒータ４の温度を２０５０℃から１９３０℃に下げ、第２ヒートゾーン１２のヒータ温度を６００℃〜１２００℃と調整する事で、線引き張力を１．７６Ｎ（１８０ｇ）〜１．４７Ｎ（１５０ｇ）の範囲に調整できた。この効果は、第２ヒートゾーンにガス予熱流路を設けると、さらに顕著であった。
【００６３】
この条件でＤＳＦ（分散シフト光ファイバ）を線引した結果、１．３μｍと１．５５μｍの伝送損失が線引速度５００ｍ／ｍｉｎで、それぞれ０．３６７ｄＢ／ｋｍと０．１９８ｄＢ／ｋｍのＤＳＦを製造することができた。また、さらに第２ヒートゾーン１２の温度を調整することで線速１０００ｍ／ｍｉｎまでほぼ同じ伝送損失で線引でき、１．３μｍ，１．５５μｍでそれぞれ０．３７０ｄＢ／ｋｍ、０．２００ｄＢ／ｋｍであった。また、１．３８μｍ帯のＯＨによる伝送損失（以下ＯＨロスともいう）は、従来の２０５０℃の線引条件に比べて、０．０１〜０．０５ｄＢ／ｋｍ減少できた。ＯＨロスは線引の最高温度（第一ヒータ温度）に依存し、前記温度を下げると比例して下がった。
【００６４】
上記本発明の製造装置で製造した光ファイバの伝送損失の減少の原因を分析した結果、レイリー散乱項と構造不正のいわゆるＢ項が改善されており、これは、同一張力で線引きした場合、本発明では第一ヒータ４の温度を従来の温度から１２０℃下げることができ、第一溶融変形部６１が伸びたことによる。但し、第二溶融変形部６３はほとんど伸びなかた。
【００６５】
また、第二溶融変形部６３を十分に加熱できており、その範囲の冷却速度を従来に比較して約半分まで遅くできた（２５０ｍ／ｍｉｎから１６００ｍ／ｍｉｎの範囲では、従来シングルヒータの冷却速度は０．５〜２℃／ｍｍ、約３０００から１２０００℃／ｓであるのに対し、本発明では冷却速度は０．１１５℃／ｍｍから０．９℃／ｍｍ、約７５０℃／ｓから４０００℃／ｓであり、第一、第二ヒータの調整で第一ヒータ４の最高温度を下げる事で更に冷却速度が遅くできる）事により改善できたと考えている。ここで冷却速度の計算は、ファイバ外径の変化による第２ヒートゾーン１２あるいは第２ヒートゾーン１２に続く冷却ゾーンの各点での溶融変形部の速度を考慮して計算している。即ちメニスカスの太い所では線速が遅いことを考慮して滞在時間を計算して計算した。簡略するために、第２ヒートゾーン１２のほぼ導入部のメニスカス径と固化したファイバ外径での線速の平均値より平均速度を求めて滞在時間を求め、冷却速度は計算した。
【００６６】
また更に冷却部１０を設けたことで、溶融変形部が伸びたにもかかわらず、ファイバの曲がりやファイバ外径変動も小さく出来た。また、第２ヒートゾーン１２のヒータによる第一溶融変形部への影響が少ないために、溶融変形部の太い部分の伸びがあまりなく、母材のロスはほとんど生じなかった。
【００６７】
本発明で、前記第１及び第２ヒートゾーンと光ファイバ母材がある雰囲気とは隔離手段、例えば、炉心管により、隔離されていることが好ましい。隔離手段は第１ヒートゾーンと第２ヒートゾーンの間で隔離手段の内径が小さくなる部分を有するか、又は、第２ヒートゾーン側の隔離手段の内径が第１ヒートゾーン側に比べ細いことが好ましい。
【００６８】
本発明ではヒートゾーン間隔が長いことと、下部線引炉６の炉心管７の内径を可能な限り細くし（内径で３５〜２０ｍｍ）、第１ヒートゾーン１１からの熱の影響をできるだけ小さくし、２つのヒートゾーン１１、１２の温度干渉を小さくした。このように構成することにより、各ヒートゾーン１１、１２の温度制御性を改善させることができると共に、干渉による、溶融変形部の太い所の伸びを比較的少なく出来た。
【００６９】
また、線引き張力を第２ヒートゾーン１２の温度をコントロールすることにより調整可能となり、第１ヒートゾーン１１の温度をそれ程上げることなく線速を上げても所望の線引き張力を得る事が可能である。これにより、１．３８μｍ帯のＯＨによる伝送損失を線引速度が上がっても従来の線引炉よりは改善できた。
【００７０】
また、別の実施形態においては、第２ヒートゾーン内に、図４に示すように、矢印のようにガスが流れるガス予熱流路８０を予熱流路形成体８１により形成した。この予熱流路形成体８１は２重炉心管より構成し、流路がヒータや断熱材の有る空間とは隔離されている構造とすることが好ましい。これは、前記空間ではヒータや断熱材からの不純物の混入やダストの混入が起こることを防ぐためである。また、ガス導入口１５の代りに、或いは、ガス導入口１５に加えて、前記２重炉心管の上部の導入口８２よりガスを導入し、上から下へ流し、下端近傍の通路より、十分に予熱したガスを母材の有る雰囲気内に、通路を介して供給する事により、供給ガスによる急冷を効果的に防止できる。ガス予熱流路は、第２ヒートゾーンを越えて設けてもよい。
【００７１】
また図５に示すようにガス予熱流路８０を３重炉心管からなる予熱流路形成体８１により形成する事により更に予熱効果を高める事ができる。その場合は、ガス導入口１５の代りに、或いは、ガス導入口１５に加えて、３重炉心管の下部の導入口８２よりガスを導入し下から上、上から下へとガスを通過させ十分に予熱したガスを排出口８３から母材がある雰囲気内、すなわち、炉心管内部に供給する事により、供給ガスによる急冷を更に効果的に防止できる。このガスはアルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、Ｈｅガスを含んだ不活性ガス（Ａｒや窒素等）、或いは、Ｈｅ若しくはＡｒと微量の水素や重水素を含むガスとすることが好ましい。可燃限界以下の濃度の水素や重水素は還元性雰囲気とする事により、カーボンの劣化を防止できる。更に混合ガスの熱伝導を改善できる。
【００７２】
前述したように前記ガス予熱流路を３重管により構成し、３重管の材質を高純度カーボンとすると、この場合はより効率的に完全にガスと形成された流路との間の熱交換が行なえ、また、大きな流量のガスを流す事も出来きる。好ましい実施形態においては、最大４０ＳＬＭのＨｅ、又はＡｒあるいはそれらの混合ガスを流しても光ファイバの線径変動が悪化しない。このようにガス予熱流路を３重管により構成することにより、ファイバの冷却速度の調整を第二ヒータによる温度制御だけでなくガス流量の変化によっても行うことができる。
【００７３】
更に、炉心管内部に流す前記予熱ガスはアッパーフロータイプの場合は、第２ヒートゾーンの下側より主に上方に流す。一方、ダウンフロータイプの場合は、第２ヒートゾーンの上流側より下方に流す。このように予熱ガスを流す事で第２ヒートゾーンの温度を調整する事により、ガス流量を多くしても線径変動は悪化しなかった。更に、従来は、ガスの供給量を少なくしないと、ガスによる溶融変形部や固化点以下のファイバの冷却速度が速く伝送損失が悪化してしまったが、予熱流路を通過させる事で、大量の供給ガスを流すことができ、伝送損失の改善とファイバ強度（スクリーニングの破断確率）の向上の両立が可能となった。これは、プリフォームの主として溶融変形部より蒸発した蒸気が低温部でシリカの粒子となり炉心管部品と反応してＳｉＣ粒子を形成するが、ガス流量を増やす事によって、それらの粒子を光ファイバやメニスカスの特に細い部分に付着する前に炉外に排気できることによる。またガス自体が予熱されているために、先の蒸気が粒子化したり、カーボン炉心管と反応してＳｉＣを形成する事も低減できることによるものと考えられる。
【００７４】
本実施形態では、伝送損失が、線引き速度１０００ｍ／ｍｉｎにおいて、１．３μｍ，１．５５μｍでそれぞれ０．３７０ｄＢ／ｋｍ、０．２００ｄＢ／ｋｍであり、かつ、スクリーニングの破断確率は１回／３００ｋｍから１回／６００ｋｍ程度と大幅に改善した。一方、従来の方法では、同様の伝送損失（同じ値までは到達できないが）に近づるためガス供給量を下げると、スクリーニングの破断確率が１回／２００ｋｍ以下と大幅に低下した。特にダウンフロータイプの炉では顕著であった。
また、母材のロスは、本発明では１０から１３％であった。
【００７５】
【実施例】
以下、本発明を図示した実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００７６】
実施例１
図１に示される装置で標準のＳＭＦ母材（外径７０から９０ｍｍ）を線引きした。第一ヒータ４の温度を１９５０℃、第二ヒータ８の温度を６００℃又は１２００℃に設定し、線速５００ｍ／ｍｉｎ又は１０００ｍ／ｍｉｎで線引きした。線引き張力は、線速が５００ｍ／ｍｉｎでは、第二ヒータ８の温度が６００℃では１．１８Ｎ（１２０ｇ）であり、１２００℃では０．７８Ｎ（８０ｇ）であった。この条件では線速が倍となると、冷却速度も倍となった。１０００ｍ／分を超える速度では、第２ヒータの温度を上げたり、炉内に供給するガス量を下げる等して冷却速度を下げる調整を行った。炉内にはアルゴンガスとHeガスの混合ガスを供給した。
【００７７】
この条件で標準ＳＭＦを線引した結果、１．３μｍと１．５５μｍの伝送損失が線引速度５００ｍ／ｍｉｎで、第二ヒータ８の温度が６００℃又は１２００℃の両条件とも、それぞれ０．３３０ｄＢ／ｋｍ、０．１８３ｄＢ／ｋｍであった。
また、線速１０００ｍ／ｍｉｎでは、１．３μｍの伝送損失が第二ヒータ８の温度が６００℃では０．３３４ｄＢ／ｋｍ、１２００℃では０．３３２ｄＢ／ｋｍであった。また、１．５５μｍの伝送損失は、第二ヒータ８の温度が６００℃では０．１８７ｄＢ／ｋｍ、１２００℃では０．１８５ｄＢ／ｋｍであった。高速にした時には第２ヒートゾーンの加熱が伝送損失の改善には有効であった。
【００７８】
また、１．３８μｍ帯のＯＨによる伝送損失（ＯＨロス）は、線速１０００ｍ／ｍｉｎで第二ヒータ８の温度が６００℃の条件では０．２８ｄＢ／ｋｍ、１２００℃の条件では０．２９ｄＢ／ｋｍであった、従来の線引炉では０．３から０．３２ｄＢ／ｋｍであり、０．０１ｄＢ／ｋｍから０．０４ｄＢ／ｋｍ改善できた。
【００７９】
ＯＨロスは線引の最高温度（第１ヒータ温度）に依存し、前記温度を下げると比例して下がった。また、母材のロスは８％から１６％であった。
【００８０】
【発明の効果】
本発明は上述したように、溶融変形部の冷却速度を４０００℃/ｓ以下とする事で伝送損失、ＯＨロスを低減できた。溶融変形部の冷却速度を低減する方法、装置として、光ファイバ母材の端部を加熱炉で加熱溶融して形成される溶融変形部を、加熱炉に配置した第１ヒートゾーンと、該第１ヒートゾーンの下方に配置した第２ヒートゾーンで形成する方法・装置とすることにより、伝送損失が改善されると共に生産性の向上、歩留りが改善され、品質に優れた光ファイバを安価に提供することができる等の優れた効果を有するものである。
【００８１】
また、複数のヒータを用いてプリフォームを加熱しても、所定のヒータ間隔で第２のヒートゾーンを所定の温度範囲とする事により、溶融変形部の太いところを伸ばす割合が減り、母材を有効に使う事ができた。また、溶融変形部の径が約０．５ｍｍ以下のところだけを加熱することにより、溶融変形部が極端に伸びすぎないので、光ファイバの外径変動に影響せずに伝送損失を改善できた。また、従来の一つのヒータの線引炉と比較して、ヒータの最高温度を下げることができ、また高温部の溶融変形部を短くできるためにＯＨロスを改善できた。
また、第２ヒートゾーンにガスの予熱流路を設けることにより、供給するガス温度が制御できたために、より溶融変形部の細いところの冷却速度を低減でき、伝送損失を更に改善できた。また、第２ヒートゾーンにつづく冷却部、さらに加熱炉の直下に設けた光ファイバ保護筒で大気による急冷を防止したために、さらに伝送損失とスクリーニング時の破断確率を改善できた。さらに、第２ヒートゾーンにガスの予熱流路を設けることにより、冷却ガスにより前記溶融変形部が急冷されず、供給ガスを大量に流す事ができ光ファイバのスクリーニング時の破断確率を大幅に改善できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明光ファイバ線引き装置の第一実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明光ファイバ線引き装置の第二実施形態を示す説明図である。
【図３】本発明光ファイバ線引き装置の第三実施形態を示す説明図である。
【図４】本発明光ファイバ製造装置の一実施形態におけるガス予熱流路の説明図である。
【図５】本発明光ファイバ製造装置の別の実施形態におけるガス予熱流路の説明図である。
【符号の説明】
１ 加熱炉
２ 上部線引炉
３ 炉心管
４ 第一ヒータ
５ 断熱材
６ 下部線引炉
７ 炉心管
８ 第二ヒータ
９ 断熱材
１０ 冷却部
１１ 第１ヒートゾーン
１２ 第２ヒートゾーン
１３ 第３ヒートゾーン
１４ ガス導入部
１５ ガス導入口
１６ 円筒状冷却部本体
１７ 断熱カバー
１８ シャッター
１９ シャッター
２０ ガス導入口
２６ 光ファイバ保護筒
２７ 保護管
２８ 断熱材
３０ 外径測定器
３６ 光ファイバ冷却装置
４０ 一次被覆用ダイス
４１ 紫外線照射装置
４６ 二次被覆用ダイス
４７ 紫外線照射装置
５０ キャプスタン
５６ 巻取装置
６０ 光ファイバ母材
６１ 第一溶融変形部
６３ 第二溶融変形部
６５ 光ファイバ素線
７０ 被覆ファイバ
７５ 第３ヒータ
７６ 第１ヒータ
８０ ガス予熱流路
８１ 予熱流路形成体
８２ 導入口
８３ 排出口
Claims (9)
- 光ファイバ母材の端部を加熱炉で加熱溶融して形成される溶融変形部（メニスカス部をいう。以下同様）の先端に張力を加えて線引きする光ファイバの線引き方法であって、
前記加熱炉は１つの加熱炉内に少なくとも２つのヒートゾーンが形成されており、第１ヒートゾーンを形成する第１ヒータと、前記第１ヒートゾーンの下方に配置され、第２ヒートゾーンを形成する第２ヒータと、前記第１ヒータおよび第２ヒータの外側に設けられた断熱材と、光ファイバ母材を収容する炉心管を有し、
前記炉心管は、前記第１ヒータの内側に配置される太径部と、前記第２ヒータの内側に配置される細径部と、を有し、
前記第１ヒートゾーンは、前記第１ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記炉心管の前記細径部の上端までの領域であり、
前記第２ヒートゾーンは、前記第２ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記第２ヒータの下方に配置された前記断熱材の上端までの領域であり、
前記溶融変形部が、前記少なくとも２つのヒートゾーンで形成され、
前記第２ヒートゾーンの長さは第１ヒートゾーンの長さと同じかそれ以上の長さであり、
前記第１ヒートゾーンを形成するヒータの下端と第２ヒートゾーンを形成するヒータの上端との距離が１００ｍｍ以上６００ｍｍ以下であり、
前記第１ヒートゾーンの温度に対して第２ヒートゾーンの温度を低く設定し、第２ヒートゾーンの温度を６００℃以上１８００℃以下の所定の温度に制御して線引きを行うことを特徴とする光ファイバの線引き方法。 - 前記第２ヒートゾーンに対応する溶融変形部の最大の径を２ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載の光ファイバの線引き方法。
- 前記第２ヒートゾーンに対応する溶融変形部の最大の径を０．５ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載の光ファイバの線引き方法。
- 前記第２ヒートゾーンに対応する加熱範囲に溶融変形部が完全に固まり光ファイバとなる部分が含まれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバの線引き方法。
- 少なくとも第２ヒートゾーンにはガス予熱流路があり、前記ガス予熱流路を通過した予熱ガスを前記光ファイバ母材がある雰囲気内に供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光ファイバの線引き方法。
- 前記予熱ガスがヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）とアルゴン（Ａｒ）の混合ガス、ヘリウム（Ｈｅ）と窒素の混合ガス、ヘリウム（Ｈｅ）と可燃限界以下の濃度の水素の混合ガス、ヘリウム（Ｈｅ）と可燃限界以下の濃度の重水素の混合ガス、アルゴン（Ａｒ）と可燃限界以下の濃度の水素の混合ガス、又は、アルゴン（Ａｒ）と可燃限界以下の濃度の重水素の混合ガスであり、前記予熱ガスを加熱炉の上方及び／又は下方に流すことを特徴とする請求項５記載の光ファイバの線引き方法。
- 前記ガス予熱流路がヒータの雰囲気と隔離されていることを特徴とする請求項５又は６記載の光ファイバの線引き方法。
- 前記加熱炉内にある溶融変形部の最も速い冷却速度を４０００℃／ｓ以下とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光ファイバの線引き方法。
- 光ファイバ母材の端部を加熱炉で加熱溶融し、溶融して形成される溶融変形部の先端に張力を加えて線引きする光ファイバの線引き装置であって、
前記加熱炉は１つの加熱炉内に少なくとも２つのヒートゾーンが形成されており、第１ヒートゾーンを形成する第１ヒータと、前記第１ヒートゾーンの下方に配置され、第２ヒートゾーンを形成する第２ヒータと、前記第１ヒータおよび第２ヒータの外側に設けられた断熱材と、光ファイバ母材を収容する炉心管を有し、
前記炉心管は、前記第１ヒータの内側に配置される太径部と、前記第２ヒータの内側に配置される細径部と、を有し、
前記第１ヒートゾーンは、前記第１ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記炉心管の前記細径部の上端までの領域であり、
前記第２ヒートゾーンは、前記第２ヒータの上方に配置された前記断熱材の下端部から前記第２ヒータの下方に配置された前記断熱材の上端までの領域であり、
前記第１ヒータと第２ヒータは、独立に温度制御可能であり、
前記溶融変形部が前記少なくとも２つのヒートゾーンで形成されるように、前記第２ヒートゾーンの長さが、前記第１ヒートゾーンの長さと同じかそれ以上であり、前記第１ヒートゾーンの下端と第２ヒートゾーンの上端との距離が１００ｍｍ以上６００ｍｍ以内であり、第１ヒートゾーンのヒータを１７００℃〜２３００℃の範囲に設定して加熱し、第２ヒートゾーンのヒータを６００℃〜１８００℃の範囲に設定して加熱する
ことを特徴とする光ファイバの線引き装置。
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