(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直に保持された光ファイバ母材インゴット又は光ファイバ用プリフォームをマッチングオイルで満たされた縦長のオイルタンク中に挿入して屈折率分布を測定する装置において、オイルタンク内に光ファイバ母材インゴット又は光ファイバ用プリフォームを挿入したときの、挿入前後でのマッチングオイルの液位の変動幅を小さくするための液位安定化機構を備え、該液位安定化機構が、オイルタンクの上部に屈折率分布を測定するために設けられた光学測定部とほぼ同じ高さに配設されたリザーブタンクを備え、該リザーブタンクとオイルタンクが連結部材を介して連結され、該連結部材が、オイルタンクに連結された連結パイプとこれから分岐され、リザーブタンクに連結された少なくとも２本の分岐パイプからなり、該分岐パイプの一方に逆止弁が設けられていることを特徴とする屈折率分布測定装置。
【請求項２】
前記連結パイプの途中に開閉バルブを有する請求項１に記載の屈折率分布測定装置。
【請求項３】
前記リザーブタンクは、前記連結パイプから２分岐された一方の分岐パイプがリザーブタンクの側面で、他方の分岐パイプがその底面で接続され、リザーブタンク内に濾過フィルターが配設されている請求項１又は２に記載の屈折率分布測定装置。
【請求項４】
前記リザーブタンクの底面に接続された前記他方の分岐パイプが、逆止弁を有する請求項３に記載の屈折率分布測定装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の屈折率分布測定装置を用いた、光ファイバ母材インゴット又は光ファイバ用プリフォームの屈折率分布の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信用光ファイバの製造に使用される石英ガラス系の光ファイバ母材インゴット（以下、単にインゴットという）及びこれを縮径した光ファイバ用プリフォーム（以下、単にプリフォームという）の屈折率分布の測定に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバの製造工程では、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ＭＣＶＤ法などにより製造されたスート堆積体を、焼結、ガラス化することにより、インゴットが作製される。このインゴットは、外径が１２０〜１８０ｍｍと大きいため、このサイズのままでは線引き装置にセットして光ファイバに線引きすることが困難である。このため、加熱炉を備えた延伸装置により、外径が４０〜１００ｍｍのプリフォームに一次延伸される。
【０００３】
図５に延伸装置の一例を示す。
インゴット２１は、延伸装置の上部に設けられた吊り下げ機構２２に吊り下げられ、徐々に電気炉２３内に送り込まれる。インゴット２１の下端は引き取り機構２４で挟持され、電気炉２３で加熱され軟化したインゴット２１を延伸し縮径してプリフォーム２５が形成される。電気炉２３は、一般にカーボンヒーターを加熱源とし、内部はＮ2 やＡｒ等の不活性ガスで置換され、２，０００℃前後の高温でインゴット２１は加熱される。
【０００４】
延伸装置で一次延伸されたプリフォーム２５は、室温に冷却後、プリフォームアナライザーで屈折率分布が測定され、この屈折率分布を基に、線引き後の光ファイバの光伝送特性が推定される。
この推定された特性と目標となる設計特性との間に差がある場合には、プリフォーム２５の外径を削り取る等の加工処理がなされる。加工後、表面の凹凸を除去したり、あるいは外径を設定値に精密に合わせるための仕上げ加工が施される。この仕上げ加工には、通常、バーナーによる火炎を用いたガラス旋盤が使用されている。
また、延伸装置で精密な外径制御ができる場合には、一次延伸工程のみで、最終目標とする設定外径値に合わせたプリフォーム２５が得られる。
【０００５】
図６は、従来のインゴット延伸工程の流れを示す工程フロー図である。
この場合、焼結してガラス化されたインゴット２１の屈折率分布を測定して、延伸前に線引き後の光ファイバの特性を推定し、クラッド厚の調整の要否を判断する必要がある。クラッド厚の調整が必要と判断されたインゴット２１は、調整分の厚さを加えた外径すなわち調整外径を目標値として、延伸が行われ、クラッド厚さの調整が不要な場合には、最終目標とする外径に合わせて延伸され、プリフォーム２５とされる。
なお、図中、「プリアナ測定」とあるのはプリフォームアナライザー測定の略である。
【０００６】
インゴット２１の状態でファイバ特性を推定するためには、インゴット２１の状態で屈折率分布を測定する必要がある。この屈折率分布の測定には、通常、プリフォームアナライザーが用いられ、このプリフォームアナライザーの光学測定部は、図７に示すように、レーザー光２６をインゴット２１に入射するための光照射部２７と、光をインゴット２１に導くための透明なセル２８と、インゴット２１の内部で屈折した光の屈折角を測定する光検出部２９から構成されている。セル２８の内部は、インゴット２１の屈折率に近似した屈折率を有するマッチングオイル３０で満たされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
屈折率分布を測定するのに図８に示す様な装置も用いられている。
インゴット２１又はプリフォーム２５に接続されたダミーの上端を吊り下げ機構２２で支持し、この吊り下げ部３１を上下することで、インゴット２１の長手方向に順次測定箇所を移動させながら、オイルタンク３２の上端部に設けられた光学測定部３３で屈折率分布が測定される。
この装置の場合には、インゴット２１が大型になっても、セットは比較的容易であり、さらに、光学測定部３３を移動することで中心軸を合わせることができるため、延伸前のインゴット状態での屈折率分布の測定が可能である。
【０００８】
このような縦型の装置を用いて屈折率分布の測定を行う場合、インゴットをマッチングオイルで満たされたオイルタンクの中に挿入することになる。このとき、外径が１２０ｍｍ以上の太径のインゴットはその体積が大きいため、オイルタンク内のオイルの液位が大きく変化する。このように縦長のオイルタンクでは上層、下層でのオイルに温度差があることが多く、インゴットの出し入れによりオイルの液面が揺れると、光学測定部付近のオイルに温度むらを生じ、屈折率を測定するため照射されたレーザー光が散乱し、屈折率分布が正確に測定できなくなるという問題があった。
【０００９】
また、焼結後のインゴットの表面には、未焼結のＳｉＯ2 の微粉末などが付着していることが多く、このようなインゴットがマッチングオイル内に挿入されるとＳｉＯ2 微粉末などの異物がマッチングオイル中で浮遊し、レーザー光を散乱させる原因となり、測定値に異常をもたらすことがある。
オイル中に混入した異物を除去するためには、オイルタンクから一旦マッチングオイルの全量を抜き取り、濾過するのが最善であるが、大量のオイルを処理するには手間と時間がかかるという問題もあり、異物が目立たないときは濾過することなく測定を続けていた。しかし、測定を重ねるうちに混入する異物により、測定結果が経時的に変化するという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題を解消し、プリフォームの屈折率分布を短時間で高精度に測定することのできる屈折率分布測定装置及び測定方法を提供することを目的になされたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の屈折率分布測定装置は、鉛直に保持されたインゴット又はプリフォーム（以後、インゴットで代表する）をマッチングオイルで満たされた縦長のオイルタンク中に挿入して屈折率分布を測定する装置において、オイルタンク内にインゴット又はプリフォームを挿入したときの、挿入前後でのマッチングオイルの液位の変動幅を小さくするための液位安定化機構を備え、該液位安定化機構が、オイルタンクの上部に屈折率分布を測定するために設けられた光学測定部とほぼ同じ高さに配設されたリザーブタンクを備え、該リザーブタンクとオイルタンクが連結部材を介して連結され、該連結部材が、オイルタンクに連結された連結パイプとこれから分岐され、リザーブタンクに連結された少なくとも２本の分岐パイプからなり、該分岐パイプの一方に逆止弁が設けられていることを特徴としている。
【００１２】
液位安定化機構は、例えば、オイルタンクの上部に屈折率分布を測定するための光学測定部とほぼ同じ高さにリザーブタンクを配設し、該リザーブタンクとオイルタンクを連結パイプと分岐パイプからなる連結部材を介して連結し、連結パイプの途中に開閉バルブを設けた機構とすることができる。
リザーブタンクは、連結パイプから２分岐した一方の分岐パイプがリザーブタンクの側面で接続され、オイルタンクからのオイルがリザーブタンクに流入する。さらに、リザーブタンクには、連結パイプから分岐した別の分岐パイプがその底面で接続され、リザーブタンク内のオイルがオイルタンクへと流れる。この後者の分岐パイプには逆止弁を設けるとよい。また、リザーブタンク内に濾過フィルターを設けるのが好ましい。
上記構成の屈折率分布測定装置を用いて光ファイバ母材インゴット又は光ファイバ用プリフォームの屈折率分布を測定することにより、精度の高い測定値が長期に安定して得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の屈折率測定装置の概略を図１に示す。
インゴット１は吊り下げ部２に吊り下げられ、マッチングオイルで満たされたオイルタンク３の中に浸され、オイルタンク３の上部に設けられた光学測定部４で屈折率が測定される。吊り下げ部２は、インゴット１を保持した状態で上下に駆動できる機構を有している。
インゴットの屈折率分布は、オイルタンクの上部に位置する光学測定部で測定されるため、光学測定部付近のオイルは、屈折率が一定に保たれる必要がある。ところが、インゴットを鉛直方向に保持して測定する屈折率分布測定装置は、オイルタンクが縦方向に長い構造になるため、オイルタンク中のマッチングオイルは上下方向で温度差を生じている。インゴットをオイルタンク中に挿入するとオイルの液位が上るとともに対流を生じ、この対流により下方の温度の低いオイルが光学測定部付近まで上昇してくるため、光学測定部付近では温度の異なるオイルがかき混ぜられた状態となる。オイルの屈折率は、温度によって大きく異なるので、屈折率を一定に保つには、オイルの温度を一定にする必要がある。
【００１４】
光学測定部付近のオイルは、オイルの液位の変動を抑えることで対流が抑制され、オイルの温度の乱れを小さくすることができる。このため本発明の屈折率分布測定装置は、オイルの液位の変動を抑える液位安定化機構を備えている。
図２は、液位安定化機構の一例である。この液位安定化機構は、光学測定部４の上面と同じ高さのところに、断面積の大きいリザーブタンク５が設けられている。リザーブタンク５は、オイルタンク４に分岐パイプ７ａ，７ｂを介して連結パイプ８で連結されている。
【００１５】
インゴットをオイルタンク３内に浸漬させると、オイルタンク３の液位が上ってリザーブタンクとの間に液位差を生じ、この液位差を解消するようにオイルは、オイルタンク３から、オイル出入口９、連結パイプ８、分岐パイプ７ａ及びリザーブタンク５の側面に設けられたオイル流入口１０を通ってリザーブタンク５に流れ込む。測定を終えインゴットを引き上げると、オイルタンク３の液位はリザーブタンク５よりも低くなり、オイルは、リザーブタンク５の底面に設けられたオイル排出口１１から、分岐パイプ７ｂ、連結パイプ８及びオイル出入口９を通ってオイルタンク３に還流する。
【００１６】
連結パイプ８から分岐パイプ７ａ，７ｂへの分岐はＴ型ジョイント１２で行われ、図３に示す様に、Ｔ型ジョイント１２と分岐パイプ７ｂとの間に逆止弁１３が設けられ、オイルの流れは一方向に規制される。なお、符号１４は、連結パイプ８の途中に設けられた開閉バルブである。
オイルタンク３の上部に光学測定部４を設け、下方にオイル出入口９を設けることで、オイルタンク３内でのオイルの流れを光学測定部から離すことができる。その結果、光学測定部付近のオイルはほとんどそのままであるため、インゴットを出し入れしても、光学測定部付近のオイルの温度はほぼ一定に保たれることになる。
【００１７】
また、オイルに混入したＳｉＯ2 粉等の異物は、一般にオイルより比重が重く、時間の経過とともにタンクの下方に沈殿してくるため、これらの異物はインゴットの出し入れに伴って、毎回、オイルとともにリザーブタンク５側に送られてくる。
これらの異物を除去するには、図４に示す様に、リザーブタンク５内にオイルフィルター（濾過フィルター）１５を配置するとよい。オイルフィルター１５を、例えばリザーブタンク５の底面から多少離れた高さのところに設けることにより、フィルターで濾過されたオイルはオイル排出口１１から流出し、リザーブタンク５からオイルタンク３に還流される。
【００１８】
インゴットをオイルタンクに挿入したとき、オイルタンクの液位の変動幅は小さいほど望ましいが、そのためにはリザーブタンクの容量、特に水平方向の断面積を大きくしなければならないが、リザーブタンクの断面積を大きくすると、必要となるマッチングオイルの量が多くなったり、装置が大型化する問題があるため、実際に測定するインゴットの最大寸法に合わせて、適切なリザーブタンクの大きさを決めることが望ましい。
リザーブタンクの大きさの設定に際しては、オイルタンクの液位の変動幅を光学測定部付近のオイルに大きな乱れがでない程度、すなわち実質的に温度差を生じない程度とし、このためには液位の変動幅を５０ｍｍ以下とするのが望ましい。
【００１９】
液位の変動幅を５０ｍｍ以下に保つためには、外径１２０ｍｍ、長さ１，５００ｍｍのインゴットを、内径３００ｍｍのオイルタンクに挿入する場合、リザーブタンクの水平方向の断面積を２，７００ｃｍ2 （５２ｃｍ角）以上にする必要がある。また、外径２００ｍｍ、長さ２，０００ｍｍのインゴットの場合には、１１，８６０ｃｍ2 （１０９ｃｍ角）以上の断面積が必要となる。このように、測定するインゴットの寸法によって、リザーブタンクの断面積は設定されるべきである。
例えば、最大で外径２００ｍｍ、長さ２，５００ｍｍのインゴットを測定する場合でも、オイルタンクの液位の変動幅が５０ｍｍ以下となるように、幅１，１５０ｍｍ、奥行き１，４３０ｍｍ、高さ２５０ｍｍのリザーブタンクを作製した。
リザーブタンク内に設けられるオイルフィルターは、リザーブタンクの底面から１０〜２０ｍｍの高さのところにステンレス製の網を設け、この上に６００ｍｍ角の濾過速度の速い不織布製のフィルターを２枚載せた。
【００２０】
【実施例】
本発明の屈折率分布測定装置では、外径が１２０ｍｍ以上の太径のインゴットをオイルタンクに挿入した場合でも、光学測定部での液位の変動幅を５０ｍｍ以下とした。以下、実施例、比較例にもとづき具体的に説明する。
【００２１】
（実施例１）
内径が２８０ｍｍで、光学測定部を含めた長さが３、１００ｍｍのオイルタンクの下端から２５０ｍｍの高さに、内径９０ｍｍのオイル出入口を設け、液位が光学測定部より５０ｍｍ上のレベルにまでマッチングオイルを充填し、この液位より５０ｍｍ低い位置が底面となるように、水平断面積が１６，４５０ｃｍ2 のリザーブタンクを設置した。リザーブタンクの中には、底面から１５ｍｍの高さにＳＵＳ３０４製の金網（５ｍｍメッシュ）を設置し、この上に６００ｍｍ角の不織布製のオイルフィルターを２枚並べて載せ、オイル流でフィルターが動かないように、上から留め具でフィルターを固定した。オイルタンクとリザーブタンクをつなぐ連結パイプは、途中で分岐して、リザーブタンクへのオイル流入口とオイル排出口に接続される。オイル排出口からオイルタンクのオイル出入口に向かう分岐パイプ内には逆止弁を設け、排出と流入のオイルが逆流するのを防止した。
【００２２】
上記構成のリザーブタンクを備えた屈折率分布測定装置を用い、ＶＡＤ法で製造された外径１６０ｍｍ、直胴部の長さが１，５００ｍｍのインゴットを、オイルタンクの中に挿入した。インゴットを入れたことで、オイルタンク中のオイルの液位が２１ｍｍ上昇した。この状態でインゴットの屈折率分布を測定し、コアとクラッドの屈折率差（Δｎ）を計算した。Δｎの測定は３０回繰り返され、Δｎのバラツキ（標準偏差σ）を計算した。その結果を表１に示す。
本発明の屈折率分布測定装置は、Δｎのσを７．１×１０-6と小さくすることができた。
【００２３】
（実施例２）
実施例１と同じ屈折率分布測定装置を用い、ＶＡＤ法で製造された外径１６０ｍｍ、直胴部の長さが１，５００ｍｍのインゴットを、オイルタンクの中に挿入した。今回は、インゴットをオイルタンクに入れていく途中で、オイルタンクの出入り口付近に設けた開閉バルブを閉じることで、インゴットを入れたことによるオイル液位の上昇が４５ｍｍとなるように調整した。
実施例１と同様にΔｎを３０回測定し、σを計算した。その結果を表１に示す。Δｎのσは、８．５×１０-6と比較的小さくすることができた。
【００２４】
（実施例３）
実施例１と同様の装置を用い、外径１３０ｍｍ〜１７５ｍｍ、直胴部の長さが１，２００ｍｍ〜１，６５０ｍｍのインゴットを、４０本測定した後、さらに実施例１と同様に、１本のインゴットの同一箇所でΔｎを３０回繰り返し測定してσを求めた。
その結果は表１に示すとおり、σは６．８×１０-6と小さいバラツキに抑えられていることが分かった。
【００２５】
（比較例１）
実施例１に示した装置で、オイルタンクのオイル出入口付近に設けた開閉バルブを閉じた状態で、外径１６０ｍｍ、直胴部の長さが１，５００ｍｍのインゴットをオイルタンクの中に挿入した。この場合、リザーブタンクにオイルが流れ込まないため、オイルの液位は４７０ｍｍ上昇した。
この状態で実施例１と同様にΔｎを３０回測定し、σを計算した。表１に示すとおり、このときのΔｎのσは４．５×１０-5となり、バラツキが大きくなることが分かった。
【００２６】
（比較例２）
実施例１と同様な装置を用い、リザーブタンク内のオイルフィルターを外した状態で、外径１３０ｍｍ〜１７５ｍｍ、直胴部の長さが１，２００ｍｍ〜１，６５０ｍｍのインゴットを、４０本測定した後、実施例１と同様に、１本のインゴットの同一箇所でΔｎを３０回測定しσを求めた。その結果は表１に示すとおり、３．２×１０-5とバラツキが大きくなっていた。
【００２７】
【表１】
0003771085.tif 000002
【００２８】
上記したように本発明の屈折率分布測定装置では、マッチングオイルの液位の変動幅を５０ｍｍ以下に抑えることで、マッチングオイルの温度の乱れを小さくし、かつリザーブタンク内に設けたオイルフィルターによりオイル内の塵埃を除去することができ、長期間測定を続けても、屈折率分布測定の際の屈折率差Δｎのバラツキを小さく抑えることができた。
【００２９】
【発明の効果】
上記構成としたことにより、本発明の屈折率分布測定装置は、インゴット又はプリフォームの挿入によって生じるオイルタンクの液位の上昇が、連結部材を介して連結されたリザーブタンクによって緩和され、液位の変動幅が小さくなることで、光学測定部付近でのオイルのゆらぎや対流が抑制され、温度むらによるオイルの屈折率差が小さくなり、屈折率測定値のバラツキを小さくすることができた。
さらに、リザーブタンクに設けたオイルフィルターにより、マッチングオイルに混入した異物は測定の都度除去されることになり、屈折率測定の結果に、異物の混入による影響がなくなり、長期間にわたって安定して高精度な測定値が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の光学測定部を備えた屈折率分布測定装置の概略を示す正面図である。
【図２】  本発明による液位安定化機構の概略を示す斜視図である。
【図３】  本発明の液位安定化機構の一部をなす連結パイプの分岐の様子を示す斜視図である。
【図４】  本発明の液位安定化機構の一部をなすリザーブタンクの構造を示す透視図である。
【図５】  従来のインゴット延伸装置の概略を示す正面図である。
【図６】  インゴット延伸工程の流れを示す工程フロー図である。
【図７】  屈折率分布を測定する様子を示すセルレベルでの平面図である。
【図８】  従来の屈折率分布測定装置の概略を示す正面図である。
【符号の説明】
１，２１・・・インゴット
２，３１・・・吊り下げ部
３，３２・・・オイルタンク
４，３３・・・光学測定部
５・・・・・・リザーブタンク
６・・・・・・オイルパイプ
７ａ，７ｂ・・分岐パイプ
８・・・・・・連結パイプ
９・・・・・・オイル出入口
１０・・・・・・オイル流入口
１１・・・・・・オイル排出口
１２・・・・・・Ｔ型ジョイント
１３・・・・・・逆止弁
１４・・・・・・開閉バルブ
１５・・・・・・オイルフィルター
２２・・・・・・吊り下げ機構
２３・・・・・・電気炉
２４・・・・・・引き取り機構
２５・・・・・・プリフォーム
２６・・・・・・レーザー光
２７・・・・・・光照射部
２８・・・・・・セル
２９・・・・・・光検出部
３０・・・・・・マッチングオイル
【図１】
0003771085.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003771085.tif 000009
【図８】
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