JP2005247621A - 空孔付き光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プリフォームの線引中にリアルタイムで光ファイバの空孔径を測定し、所望の径の空孔を有する空孔付き光ファイバの製造方法を提供する。
【解決手段】 光ファイバの長手方向に延びる空孔４を有する空孔付き光ファイバ１の製造方法において、プリフォーム１４の線引工程中に、光ファイバ１に所定の物理変化を付与すると共に、その物理変化量を測定し、それによって生じる物理変化量に基づいて光ファイバ１の空孔径を測定する工程を含むものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コアの周囲に空孔を有する空孔付き光ファイバの製造方法に関するものである。

空孔付き光ファイバは、コアの光の閉じ込め効果を強くし、曲げ特性を改善するために、通常の１．３μｍ帯光ファイバの構造において、コア近傍のクラッドに空孔が形成されているものである。

図６に示すように、空孔付き光ファイバ５１の線引装置は、予め空孔の形成されたプリフォーム１４を溶融する電気炉１６と、ファイバ化した空孔付き光ファイバ５１の周囲にＵＶ被覆樹脂を被覆するファイバ被覆部５２と、光ファイバを引き取るファイバ引取部５３と、ガスを供給して空孔内の圧力を制御するガス供給部５４とを備える。ガス供給部５４は、プリフォーム１４に溶融接続された石英ダミー管１５にガス投入器１９を介して接続され、真空ポンプ２４とガス流量制御装置２５を備える。

プリフォーム１４を線引する前に、プリフォーム１４内にＯＨ基の拡散が生じないように真空ポンプ２４のバルブ２７を開き、ガス流量制御装置２５のバルブ２８を閉じてプリフォームの空孔内の空気を真空ポンプ２４により真空引きしてから、バルブ２７を閉じ、バルブ２８を開いて窒素ガスをガス流量制御器２５により制御してプリフォーム空孔内を窒素ガス雰囲気とする。

プリフォーム１４の下端を熱溶融により線引し、ガス流量制御器２５でプリフォーム１４内の空孔の圧力を調整して、所望の大きさの空孔を有する空孔付き光ファイバ５１を形成する。ファイバ化された空孔付き光ファイバ５１は、ファイバ被覆部５２で被覆樹脂を覆われ、複数のプーリ３１により形成されたファイバ引取路を送られ、ボビン３０に巻き取られる。このとき、線引速度は引取キャプスタン３２で制御されている。

特開２００２−２４９３３５号公報 特開２００３−８１６５６号公報

しかしながら、光ファイバを線引する際、プリフォーム内の内圧が低すぎると、空孔が潰れて、ファイバ化後に空孔のない光ファイバになってしまう。

また、内圧が高すぎるとファイバ内に占める空孔の割合が大きくなり、さらに、線引張力及び線引速度から決まる内圧の限界点を超えると、線引中にプリフォームの空孔が破裂し、ファイバ形成が不可能となってしまう。

光ファイバのケーブル化や敷設には、所定の径の空孔を有する光ファイバが必要である。具体的には、曲げ損失特性が１ｄＢ／ｍ以下となることが必要であり、そのためには空孔の径が３〜１０μｍとなることが必要である。

しかし、ファイバの線引中に空孔径を測定することは難しく、線引後の製作結果から線引条件をフィードバックする方法しか他にはなく、精度の高い空孔径を有する空孔付き光ファイバを作製するのは困難であるという問題点がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、プリフォームの線引中にリアルタイムで光ファイバの空孔径を測定し、所望の径の空孔を有する空孔付き光ファイバの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光ファイバの長手方向に延びる空孔を有する空孔付き光ファイバの製造方法において、プリフォームの線引工程中に、光ファイバに所定の物理変化を付与すると共に、それによって生じる物理変化量を測定し、その物理変化量に基づいて光ファイバの空孔径を測定する工程を含む空孔付き光ファイバの製造方法である。

請求項２の発明は、プリフォーム線引工程中に、光ファイバに所定の曲げを付与して、物理変化量もしくはその物理変化量から換算した空孔径に基づいて、プリフォームに形成された空孔内の圧力を調整することにより、空孔の内径を制御する請求項１記載の空孔付き光ファイバの製造方法である。

請求項３の発明は、物理変化量を測定し、その物理変化量に基づいて光ファイバの空孔径を測定する工程において、光ファイバに所定の曲げ径の曲げを加え、光ファイバの一端から光を入射し、その後方散乱光の減衰量を測定して、既知の所定曲げ径における空孔の内径と後方散乱光の減衰量との関係から空孔の内径を測定する請求項１または２に記載の空孔付き光ファイバの製造方法である。

請求項４の発明は、後方散乱光の減衰量はＯＴＤＲ装置を用いて測定する請求項３記載の空孔付き光ファイバの製造方法である。

請求項５の発明は、ＯＴＤＲ装置に接続された受光素子を静止させ、その受光素子と空孔径を測定する光ファイバとを近接して接続する請求項４に記載の空孔付き光ファイバの製造方法である。

請求項６の発明は、光ファイバに加える曲げの曲げ径は１０〜２０ｍｍである請求項３〜５いずれかに記載の空孔付き光ファイバの製造方法である。

本発明によれば、空孔付き光ファイバの空孔径の精度を高くできるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

先ず、本実施の形態で製造する空孔付き光ファイバ（ホーリー光ファイバ）を図４及び図５で説明する。

図４及び図５に示すように、１．３μｍ帯で使用する空孔付き光ファイバ１は、ファイバ断面中心部に形成されるコア２とコア２を囲繞して形成されるクラッド３とからなる。クラッド３のコア近傍には、コア２を中心とする円の円周上に等間隔に４本の空孔４が形成されている。空孔４の内径は３〜１０μｍの範囲内であるのが好ましい。なぜなら、空孔付き光ファイバのケーブル化や敷設に必要である１ｄＢ／ｍ以下とという曲げ損失特性を得るには、空孔径が３〜１０μｍとなることが必要であり、空孔径が３μｍより小さいとコアの光の閉じ込め効果が弱く、曲げ損失が大きくなってしまい、空孔径が１０μｍより大きいとファイバ断面積における空孔面積の割合が大きくなり、光ファイバの強度が弱くなってしまうからである。本実施の形態では、ファイバ外径を１２５μｍ、空孔径を７μｍとした。また、図示していないが、クラッド３の周囲がクラッド３を保護するためにＵＶ被覆樹脂等で被覆されている。

本実施の形態では空孔４が４本形成されているが、これに限らず、空孔４は３本以上あればよく、コアとクラッドとの比屈折率差の対称性を考慮すると４本以上の偶数本が好ましい。

さらに、空孔付き光ファイバは上述のホーリー光ファイバの他に、ファイバ長手方向に形成される多数の微小空孔がコアを中心にハニカム周期構造を有するフォトニッククリスタルファイバでもよい。

次に、空孔付き光ファイバ１を製造する装置について説明する。

図１に空孔付き光ファイバ１の製造装置の構成図を示す。

図１に示すように、製造装置は、プリフォーム１４を溶融してファイバ化する母材溶融部１１と、プリフォーム内の圧力制御やガスの給気及び排気を行うガス供給部１２と、ファイバ化された光ファイバを線引して巻き取るファイバ引取部１３とを備える。

母材溶融部１１では、光ファイバの母材であるプリフォーム１４と、プリフォーム１４に溶融接続された石英ダミー管１５が装置に固定されており、プリフォーム１４の下端周囲には、熱溶融させるための電気炉１６が設けられる。さらに、ファイバ化された空孔付き光ファイバ１に樹脂を被覆するコーティング器１７が設けられ、被覆樹脂を硬化させる樹脂硬化炉１８が設けられる。

ガス供給部１２は、石英ダミー管１５上端にガス投入器１９が設けられ、ガス投入器１９には給排気管２０が接続されている。給排気管２０は排気管２１、給気管２２，２３に分岐接続され、排気管２１を介して真空ポンプ２４が接続され、給気管２２を介して流量計を備えたガス流量制御器２５が接続されている。さらに、排気管２１には排気バルブ２７が設けられ、給気管２２には給気バルブ２８が設けられている。

ファイバ引取部１３は、光ファイバを巻き取るボビン３０と、複数のプーリ３１ａ〜ｄとを備え、複数のプーリによってファイバ送路が形成される。プーリ３１ａは、プリフォーム１４の下端部を溶融して、鉛直方向にファイバ化された空孔付き光ファイバ１をファイバ引取部１３に送るために設けられ、プーリ３１ｂには、光ファイバ１の引取速度を調節する引取キャプスタン３２が設けられ、プーリ３１ｃ，３１ｄ間には光ファイバ１に曲げを付与する曲げ付与部３３が設けられている。また、曲げ付与部３３には、空孔付き光ファイバ１の曲げ径を調節する、曲げ径制御器３７が設けられている。さらに、ボビン３０に巻き取られた光ファイバ１の先端にはファイバコード３４を介してＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectmeter：時間領域光反射計）装置３５が接続されている。

より詳細には、図２に示すように、ＯＴＤＲ装置３５から延出されたファイバコード３４の先端には光ファイバの後方散乱光を検知する受光素子３６が設けられる。空孔付き光ファイバ１はボビン３０に巻き取られており、その先端部１ａはボビン中央から延出され、受光素子３６と先端部１ａのコアとの光軸が合うよう近接して接続されている。

次に、空孔付き光ファイバ１の製造方法について説明する。

予め、空孔を形成したプリフォーム１４の上端に石英ダミー管１５を溶融接着する。

初めに、プリフォーム１４内のＯＨ基の拡散を生じないようにするため、空孔及び石英ダミー管１５内の空気を窒素ガスに置換する。まず、給気バルブ２８を閉じたまま、排気バルブ２７のみ開け、石英ダミー管１５及び空孔内の空気を真空ポンプ２４で引き、真空状態にする。次にガス給気バルブ２８を開け、排気バルブ２７を閉じ、ガス流量制御器２５でプリフォーム１４へ供給するガスの流量を調整しながら、プリフォーム１４及び石英ダミー管１５内に窒素ガスを流入させる。

空孔が窒素雰囲気になったプリフォーム１４は、その下端部が電気炉１６で溶融される。溶融されたプリフォーム１４は線引され、ファイバ化された光ファイバ１となる。線引は、引取キャプスタン３２で線引速度を制御され、その制御により光ファイバの外径が調節されている。

次に、光ファイバ１はコーティング器１７において被覆樹脂で覆われ、樹脂硬化炉１８において、光ファイバ１に覆われた被覆樹脂が硬化される。樹脂を覆われた光ファイバ１は、複数のプーリ３１ａ〜ｄで形成されたファイバ送路を通り、途中、曲げ付与部３３において所定の曲げ径の曲げを形成されてボビン３０にて巻き取られる。本実施の形態では、その曲げ径を１５ｍｍとした。

また、プリフォーム１４から線引された光ファイバ１の先端部１ａと、ＯＴＤＲ装置３５に接続されたファイバコード３４の先端に設けられた受光素子３６とは近接して接続しており、光ファイバ１をボビン３０に巻き取る際に光ファイバ１に捻れが生じないように、ファイバ巻取用ボビン３０の回転周期に同期して、光ファイバ１はコア２の中心を回転軸として回転している。しかし、受光素子３６は回転せず静止しており、受光素子３６と光ファイバ１との光軸は合っている。

同時に、ＯＴＤＲ装置３５より光パルスをファイバコード３４を介して空孔付き光ファイバに入射させて後方散乱光を検出し、それより求められる光ファイバ１の空孔径に応じて、ガス流量制御装置２５でプリフォーム１４内の圧力を制御している。

本実施の形態ではプリフォーム１４に供給する供給ガスとして、窒素ガスを用いたが、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスであればいずれのものを用いても良い。さらに、塩素等の脱水作用を有するガスを用いてもよい。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

ＯＴＤＲは、周知のように、光パルスを光ファイバに入射し、戻ってくる後方散乱光の光強度の時間的変化を検出することで、光ファイバの損失、欠陥を光学的に非接触で、しかも分布的に検査する方法である。

線引した空孔付き光ファイバ１に、曲げ付与部３３により所定の曲げ径で曲げを付与し、ＯＴＤＲ装置３５からファイバコード３４を介して強い光パルスを入射させると、その曲げ損失と入射端からの距離とに依存した後方散乱光が受光素子３６により検出され続ける。

光ファイバ内の空孔が所定の径で一定に形成されれば、検出される後方散乱光強度は、ファイバ内の散乱位置から再び先端部１ａ（受光素子３６）に戻った光路長のみ関係するため、一定の変化量で減衰する。つまり、光路長当たりの後方散乱光の減衰量は一定値となる。

しかし、空孔付き光ファイバ１内の空孔４の径が設定値と異なる箇所においては、光ファイバの実効的な比屈折率差が異なるため、そこで発生する後方散乱光の減衰量は、大きく、もしくは小さくなる。

よって、検出される後方散乱光の減衰量に異常があるときは、光ファイバ１内の屈折率分布が異常であることを示す。つまり、形成される空孔の径が設定値より大きく、もしくは小さくなっていることを示す。このとき、プリフォーム１４の空孔内のガス圧を調整し空孔４の径を制御すれば、空孔付きの光ファイバ１の作製中に、間接的に空孔径を測定して空孔４の径を制御することができる。これにより、製作誤差の小さい空孔付きファイバ１を作製することができる。

ここで、図３に後方散乱光の減衰量と空孔径との関係を示す。

図３に示すように、後方散乱光の減衰量と空孔径との関係は略線形性を有している。特性線３８は、予め測定されてある特性であり、空孔付き光ファイバ１の曲げ径が１５ｍｍである時において、空孔径が３μｍのとき後方散乱光の減衰量が２．５ｄＢ／ｍ、空孔径が１０μｍのとき後方散乱光の減衰量が０．５ｄＢ／ｍである直線を描く。

ＯＴＤＲ装置３５で後方散乱光の減衰量を測定すると、特性線３８に従う関係から、作製された空孔付き光ファイバ１の空孔径を知ることができる。よって、その後方散乱光の減衰量の変化に連動して、ガス流量制御器２５でプリフォーム内に供給するガスの流量を調整することにより、プリフォーム空孔内の内圧を調整する。空孔内の圧力を小さくすれば、空孔径を小さくでき、空孔内の圧力を大きくすれば、空孔径を大きくできるので、光ファイバ１に形成される空孔４の内径を調整することができる。

例えば、空孔４の径が７μｍの空孔を有する空孔付き光ファイバを作製する場合、後方散乱光の減衰量が１ｄＢ／ｍとなるように監視し、後方散乱光の減衰量即ち空孔の内径が異なっていたとき、すぐにガス流量を調整して、プリフォーム１４内の圧力を調整し、適切な空孔径を有する光ファイバ１を作製することができる。特性線３８によれば、減衰量が１ｄＢ／ｍより大きいときは圧力を大きくし、減衰量が１ｄＢ／ｍより小さいときは圧力を小さくすればよい。

後方散乱光の減衰量が０．５〜２．５ｄＢ／ｍの範囲内に収まるように空孔の内圧を調整することにより、空孔の内径が３〜１０μｍの範囲内になるように線引して光ファイバを形成することが可能である。

本実施の形態では曲げ径を１５ｍｍとしたが、１０〜２０ｍｍであればよい。

曲げ付与部３３による曲げ径を１０〜２０ｍｍの範囲にする理由は、曲げ径が２０ｍｍを超えると、光ファイバ１が曲げられた際に生じる曲げ損失が小さすぎて、ＯＴＤＲ装置３５を用いて後方散乱光の強弱の変化を検知することができないからであり、また、曲げ径が１０ｍｍ未満になると、通常用いられる直径１２５μｍのファイバに与える曲げ歪みが１．２％を超えてしまい、線引中にファイバ中に存在する低強度部で断線する頻度が高くなり作業効率が低下してしまうからである。

以上より、本実施の形態に係る発明は、線引された空孔付き光ファイバに所定の曲げ等の物理変化を付与し、ＯＴＤＲ装置３５のような光ファイバにおける後方散乱光の減衰量等の物理変化量を測定することで、空孔径の製作誤差の小さい空孔付き光ファイバ１を作製できる。

各空孔４の内径が３μｍ〜１０μｍの範囲内で、精度の高い空孔付きファイバを作製することにより、曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以下となるようにし、空孔付き光ファイバのケーブル化や敷設を可能にする。

空孔径精度の高い空孔付き光ファイバを作製することができ、さらに、ＯＴＤＲを用いるので、ファイバの片端により光の入射と出射光の検出を行えば、ファイバ製造中にリアルタイムに空孔径を測定、調整ができ、製造時間の短縮、歩留まりの良化が図れ、製造コストを抑えることができる。

本実施の形態に係る空孔付き光ファイバの製造装置の構成図である。 図１の受光素子と光ファイバとの接続部の要部斜視図である。 空孔の本数が４本の場合の空孔径と後方散乱光の減衰量との関係を示す図である。 空孔付き光ファイバの断面図である。 空孔付き光ファイバの透明斜視図である。 従来の空孔付き光ファイバの製造装置の構成図である。

符号の説明

１ 空孔付き光ファイバ
２ コア
３ クラッド
４ 空孔
１４ プリフォーム
３３ 曲げ付与部
３５ ＯＴＤＲ装置
３６ 受光素子

Claims (6)

1. 光ファイバの長手方向に延びる空孔を有する空孔付き光ファイバの製造方法において、プリフォームの線引工程中に、光ファイバに所定の物理変化を付与すると共に、それによって生じる物理変化量を測定し、前記物理変化量に基づいて光ファイバの空孔径を測定する工程を含むことを特徴とする空孔付き光ファイバの製造方法。
2. プリフォーム線引工程中に、光ファイバに所定の曲げを付与して、前記物理変化量もしくは前記物理変化量から換算した空孔径に基づいて、プリフォームに形成された空孔内の圧力を調整することにより、空孔の内径を制御する請求項１記載の空孔付き光ファイバの製造方法。
3. 前記の物理変化量を測定し、前記物理変化量に基づいて光ファイバの空孔径を測定する工程において、光ファイバに所定の曲げ径の曲げを加え、光ファイバの一端から光を入射し、その後方散乱光の減衰量を測定して、既知の所定曲げ径における空孔の内径と後方散乱光の減衰量との関係から空孔の内径を測定する請求項１または２に記載の空孔付き光ファイバの製造方法。
4. 前記後方散乱光の減衰量はＯＴＤＲ装置を用いて測定する請求項３記載の空孔付き光ファイバの製造方法。
5. 前記ＯＴＤＲ装置に接続された受光素子を静止させ、その受光素子と空孔径を測定する光ファイバとを近接して接続する請求項４に記載の空孔付き光ファイバの製造方法。
6. 光ファイバに加える曲げの曲げ径は１０〜２０ｍｍである請求項３〜５いずれかに記載の空孔付き光ファイバの製造方法。
   

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