JP2005247683A - 光ファイバーの線引き装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光ファイバーの偏光モード分散を抑制すると同時に、幾何学的な構造の安定性を向上させるための光ファイバーの線引き装置及び方法を提供する。
【解決手段】 光ファイバー母材の一端を加熱し、加熱された光ファイバー母材から光ファイバーを線引きするための光ファイバーの線引き方法であって、光ファイバー母材から線引きされる第１の光ファイバーを互いに異なる粘度を有するコーティング液を通過させることによって、第１の光ファイバーの外周面の上に複数の被覆層を形成するコーティング工程と、その外周面の上に被覆層が形成された第２の光ファイバーを第１の光ファイバーの線引き軸に対して一定の方向に傾斜するように線引きすることによって、ねじりが与えられた第３の光ファイバーを形成するスピン形成工程とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光ファイバーの線引き装置及び方法に関し、特に、光ファイバー母材から光ファイバーを製造するための装置及び方法に関する。

光ファイバーは、高い伝送速度及び大量の光信号を送受信することができるという長所がある。一方で、光ファイバーには、内部を進行する光信号を分散させる偏光モード分散現象が発生し、これにより、光信号の伝送速度エラー率(bit-error rate)が増加し、光信号の伝送容量及び速度を制限するという問題がある。

偏光モード分散は、光ファイバーの幾何学的な構造の変形及び光ファイバーの内部の残留応力によって発生し、光ファイバーの幾何学的な構造の変形及び光ファイバーの内部の残留応力は、光ファイバーの内部に不規則に変化する屈折率領域を形成する。光ファイバーを進行する光信号は、互いに直交する２個の成分で構成され、上述の光ファイバーの内部の不規則に変化する屈折率領域を進行するとき、光信号をなす２成分の間の角度及び速度の不規則な変化が発生する。

光信号をなす２成分の間の速度及び角度の変化は、光信号の偏光モード分散現象を引き起こす原因になる。それ以外にも、偏光モード分散は、外部の温度変化のような外部の環境的な要因によっても発生することがある。

偏光モード分散を最小化させるために、光ファイバーをねじる方法が提案されている。光ファイバーをねじる方法は、例えば特許文献１に開示されているように、光ファイバーから線引きするための光ファイバー母材を回転させる方法と、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、及び特許文献６などに開示されているように、光ファイバー線引き経路上の回転又は振動装置を用いて、線引きされる光ファイバーに回転力を与える方法などがある。また、特許文献７は、被覆層がコーティングされていないベア光ファイバー(Bear optical fiber)をコーティングさせるためのコーティング装置を回転することによって、光ファイバーに、外部の被覆によるねじりを形成する方法について開示している。

上述した方法によれば、光ファイバーの偏光モード分散を抑制するために、光ファイバーの線引き中に光ファイバーにねじりを与える。光ファイバーにねじりを与えるための方法は、光ファイバーが線引きされる軸を中心にして、光ファイバーに回転力を左右に反復して加える。これによって、互いに反対方向のねじりを有するヘリシティ(helicity)を光ファイバーに与える。

しかしながら、光ファイバーに加えられるねじりを互いに反対方向に形成するための方法は、線引き中の光ファイバーを線引き軸に対して左右に反復する回転力を加えなければならない。線引き中の光ファイバーに反復的に変化する回転力を加えることによって、光ファイバーの幾何学的な構造が不安定になるという問題点がある。
国際公開第８３／００２３２号パンフレット 米国特許第５２９８０４７号明細書 米国特許第５４１８８８１号明細書 米国特許第５７０４９６０号明細書 米国特許第５９４３４６６号明細書 米国特許第６１４８１３１号明細書 米国特許第６１８９３４３号明細書

上記背景に鑑みて、本発明の目的は、光ファイバーの偏光モード分散を抑制すると同時に、幾何学的な構造の安定性を向上させるための光ファイバーの線引き装置及び方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明によれば、光ファイバー母材の一端を加熱し、加熱された光ファイバー母材から光ファイバーを線引きするための光ファイバーの線引き方法であって、光ファイバー母材から線引きされる第１の光ファイバーを互いに異なる粘度を有するコーティング液を通過させることによって、第１の光ファイバーの外周面の上に複数の被覆層を形成するためのコーティング工程と、その外周面の上に被覆層が形成された第２の光ファイバーを第１の光ファイバーの線引き軸に対して一定の方向に傾斜するように線引きすることによって、ねじりが与えられた第３の光ファイバーを形成するためのスピン形成工程と、を含む。

本発明は、光ファイバーの被覆層を互いに異なる粘度を有する複数のコーティング液でコーティングし、コーティング液の間の粘度の差を調節する。これによって、光ファイバーに加えられるねじりの程度を調節が可能となる。さらに、光ファイバーに与えられるねじりが一定の方向を有することによって、光ファイバーにねじりを与えることが容易となり、安定した偏光モード分散の補償特性を有する光ファイバーの製造が可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭するために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。

本実施形態による加熱された光ファイバー母材から光ファイバーを線引きするための光ファイバーの線引き方法は、コーティング工程と、外周面の上に被覆層が形成された第２の光ファイバーを、第１の光ファイバーの線引き軸に対して所定の方向に傾斜するように線引きすることによって、ねじりが与えられた第３の光ファイバーを形成するスピン形成工程と、を含む。

第１の光ファイバーは、光ファイバー母材から線引きされた直後の光ファイバーであり、中心部にコアとコアの外周面のクラッドとを有する。第２の光ファイバーは、第１の光ファイバーの外周面にコーティングされた被覆層を有する光ファイバーである。第３の光ファイバーは、被覆層を有する第２の光ファイバーに、ねじりが与えられた光ファイバーである。

コーティング工程は、第１の光ファイバーの外周面に、互いに異なる粘度を有するコーティング液を複数回コーティングすることによって、被覆層を有する第２の光ファイバーを形成する工程である。第１の光ファイバーと同一の粘度を有する被覆層を、第１の光ファイバーの外周面に形成する場合には、ねじり形成工程では、第２の光ファイバーに与えられるねじりが、クラッドにすべて与えられる。従って、被覆層は、互いに異なる粘度を有する複数の層で形成されることによって、第２の光ファイバーに与えられるねじりの程度が調節される。被覆層を構成する各層の粘度を調節することによって、第３の光ファイバーに与えられた残留ねじれを調節する。

第２の光ファイバーは、その被覆層が中心から外周へ向かうほど、徐々に粘度が低くなるコーティング液によりコーティングされる。これにより、第２の光ファイバーに与えられる残留ねじれ(Residual twist)は、増加するが、偏光モード分散は低下する特性を有することとなる。

複屈折により生じる現象である光ファイバーの偏光モード分散は、内部的な要因としては、コアの非円率、屈折率の差異、線引きする際に加えられる非対称応力等の内部的な要因や、光ファイバーのベンディング、ねじり、温度、及び湿度等の外部的要因により発生する。特に、ねじり回数が、しきい値を超える場合には、せん断応力によって偏光モード分散が増加することになる。国際規格であるＩＴＵ-Ｔによれば、Ｇ．６５２．Ｂ及びＧ．６５２．Ｄの光ファイバーに対するケーブル偏光モード分散リンクデザイン値(Cable PMDg)を、０．２ｐｓ／√ｋｍ以内に制限することが推薦されている。そして、偏光モード分散に対する要求が徐々に強くなる趨勢である。ねじり回数が、１．５回／ｍ以上である場合には、ねじりによるリボン光ファイバーの製作が容易ではないという問題がある。従って、本実施形態により偏光モード分散を制御するためには、光ファイバーの残留ねじれを適正に維持することが必要となる。

以下、第２の光ファイバーに与えられるスピン(spin)を、残留ねじれと称し、第３の光ファイバーに与えられる単位長さあたりの残留ねじれ数を、ねじり回数と称する。

図１は、本実施形態による光ファイバーの線引き装置の構成を示す。図１を参照すると、本実施形態による光ファイバーの線引き装置は、光ファイバー母材１１０を加熱するための加熱炉１００と、一つ以上の被覆層がコーティングされた第２の光ファイバー２４０を形成するためのコーティング部２００と、一定の方向にねじりが与えられた第３の光ファイバー３５０を形成するためのスピン部３００と、外径測定装置１４０と、冷却器１５０とを有する。

加熱炉１００は、光ファイバー母材１１０の下端部を加熱するための一つ以上の加熱装置１２０、１３０を有する。

コーティング部２００は、第１の光ファイバー１６０にコーティングされた被覆層の硬化方法に従って、Ｗｅｔ−Ｏｎ−Ｗｅｔタイプ、又は、Ｗｅｔ−Ｏｎ−Ｄｒｙタイプにより構成することができる。コーティング部２００の構成を、図３及び図４を参照して説明する。

図３は、図１に示すコーティング部２００のＷｅｔ−Ｏｎ−Ｗｅｔタイプの構成を示す図である。図３を参照すると、コーティング部２００は、第１の光ファイバー１６０を、紫外線硬化性ポリマー材のコーティング液を通過させるための第１のコーティング器２１０と、第１のコーティング器２１０を通過した第１の光ファイバー１６０を、第１のコーティング器２１０内のコーティング液より低い粘度の紫外線硬化性ポリマー材のコーティング液を通過させるための第２のコーティング器２２０と、第２のコーティング器２２０を通過した第１の光ファイバー１６０の被覆層を硬化させて多層構造の被覆層を有する第２の光ファイバー２４０を形成するための紫外線ランプ２３０と、を有する。

図４は、図１に示すコーティング部２００のＷｅｔ−Ｏｎ−Ｄｒｙタイプの構成を示す図である。図４を参照すると、コーティング部２００は、第１の光ファイバー１６０を、紫外線硬化性ポリマー材のコーティング液でコーティングさせるための第１のコーティング器２１０と、第１のコーティング器２１０を通過した第１の光ファイバー１６０の被覆層を硬化させるための第１の紫外線ランプ２３０ａと、第１の紫外線ランプ２３０ａを通過した第１の光ファイバー１６０を、第１のコーティング器２１０内のコーティング液より低い粘度の紫外線硬化性ポリマー材のコーティング液でコーティングさせるための第２のコーティング器２２０と、第２のコーティング器２２０を通過した第１の光ファイバー１６０の被覆層を硬化させて多層構造の被覆層を有する第２の光ファイバー２４０を生成するための第２の紫外線ランプ２３０ｂを有する。

図３及び図４に示す紫外線硬化性ポリマーは、アクリル酸系列又はビニール系列の物質を含むことができ、第１のコーティング器２１０と第２のコーティング器２２０のそれぞれに注入されるコーティング液の粘度を互いに異なるように調節することにより、スピンホイール３３０により第２の光ファイバー２４０に与えられる残留ねじれの程度を制御することができる。さらに、紫外線ランプ２３０、２３０ａ、２３０ｂの強度を調節することにより、スピンホイール３３０により第２の光ファイバー２４０に与えられる残留ねじれの程度及び第３の光ファイバー３５０の偏光モード分散の程度を調節することができる。

図９は、紫外線ランプの強度の変化による偏光モード分散とねじり回数との間の関係を説明するグラフである。図９を参照すると、紫外線ランプの強度が大きくなるに従って、第２の光ファイバーに与えられるねじり回数は増加するが、一方で、第３の光ファイバーの偏光モード分散は減少することが分かる。

図２は、図１に示したスピン部３００の矢印Ａ方向から見た構成を示す図である。図１及び図２を参照すると、スピン部３００は、スピンホイール３３０と、ガイドホイール３２０と、補助ホイール３１０と、第１ないし第３の光ファイバー１６０、２４０、３５０の線引き速度を制御するためのキャプスタン３４０と、を有する。

スピンホイール３３０は、第２の光ファイバー２４０を、第１の光ファイバー１６０の線引き軸４０１に対して所定の方向に傾斜して線引きする。これにより、第２の光ファイバー２４０に対して、所定の方向に残留ねじれが与えられた第３の光ファイバー３５０を形成する。スピンホイール３３０は、第１及び第２の光ファイバー１６０、２４０が線引きされる線引き軸４０１を基準にして、時計回り又は反時計回りの所定の方向にスピンホイール３３０の回転軸が傾斜して配置される。これにより、第２の光ファイバー２４０に残留ねじれが与えられた第３の光ファイバー３５０を形成する。

ガイドホイール３２０は、スピンホイール３３０とコーティング部２００との間に配置され、ガイドホイール３２０の回転軸が、線引き軸４０１に対して垂直になるように配置される。そして、コーティング部２００からスピン部３００へ入力する第２の光ファイバー２４０が、スピンホイール３３０により線引き軸４０１を外れないように、線引き軸４０１に平行に第２の光ファイバー２４０をガイドする。すなわち、ガイドホイール３２０は、スピンホイール３３０とコーティング部２００との間に配置され、第２の光ファイバー２４０が、線引き軸４０１を外れないようにガイドする機能を有する。

補助ホイール３１０は、ガイドホイール３２０とコーティング部２００との間に配置され、補助ガイドホイール３１０の回転軸が、線引き軸４０１に対して垂直になるように配置される。そして、補助ホイール３１０は、第２の光ファイバ２４０を線引き軸４０１に平行にガイドし、スピンホイール３３０と線引き軸４０１との間の角度差による、過度の回転力を制御する。

図５は、図１に示す第１の光ファイバーの断面を示す図である。図１を参照すると、第１の光ファイバー１６０は、その中心にコア１６１と、コア１６１の外周面を取り囲むクラッド１６２とを有する。

図６は、図１に示す第２の光ファイバーの断面を示す図である。図６を参照すると、第２の光ファイバー２４０は、第１の光ファイバー１６０と、クラッド１６２の外周面を取り囲む第１及び第２の被覆層２４１、２４２とを有する。

図７は、本実施形態による光ファイバーの偏光モード分散の平均値及び標準偏差の程度を説明するグラフである。図７は、本実施形態に従って製造された複数の光ファイバーの偏光モード分散を測定したグラフであって、光ファイバーに与えられたねじり回数に従う偏光モード分散の変化を示す。光ファイバーに与えられるねじり回数が増加するに従って、偏光モード分散は減少するが、一方で、所定の値を超える場合には、応力による偏光モード分散が増加することをわかる。

図８は、本実施形態による光ファイバーと従来の光ファイバーとの長さに従う直径の変化差を比較するグラフである。図８を参照すると、本実施形態による光ファイバーは、その長さにわたって、標準偏差±０．０４μｍの以内の均等な分布を示し、一方、従来の方法によって製造された光ファイバーは、標準偏差±０．１５μｍの間の範囲で大きな不規則性を示すことを分かる。

以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明したが、本発明の範囲は前述の実施形態によって限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で様々な変形が可能なことは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。

本実施形態による光ファイバーを線引きする装置の構成を示す図である。 本実施形態による光ファイバーを線引きする装置のスピン部の構成を示す図である。 本実施形態による光ファイバーを線引きする装置のコーティング部のＷｅｔ−Ｏｎ−Ｗｅｔタイプの構成を示す図である。 本実施形態による光ファイバーを線引きする装置のコーティング部のＷｅｔ−Ｏｎ−Ｄｒｙタイプの構成を示す図である。 本実施形態による光ファイバーを線引きする装置の第１の光ファイバーの断面を示す図である。 本実施形態による光ファイバーを線引きする装置の第２の光ファイバーの断面を示す図である。 本実施形態による光ファイバーの偏光モード分散の平均値及び標準偏差の程度を説明するグラフである。 本実施形態による光ファイバーと従来の光ファイバーとの長さに従う直径の変化差を比較するグラフである。 紫外線ランプの強度の変化による偏光モード分散とねじり回数との間の関係を説明するグラフである。

符号の説明

１００：加熱炉
１１０：光ファイバー母材
１２０：加熱装置
１３０：加熱装置
１４０：外径測定装置
１５０：冷却器
１６０：第１の光ファイバ
２００：コーティング部
２４０：第２の光ファイバ
３００：スピン部
３１０：補助ホイール
３２０：ガイドホイール
３３０：スピンホイール
３４０：キャプスタン
３５０：第３の光ファイバ
４０１：線引き軸

Claims (14)

1. 光ファイバー母材から光ファイバーを線引きするための光ファイバーの線引き方法であって、
   前記光ファイバー母材の一端を加熱する工程と、
   前記光ファイバー母材から線引きされる前記光ファイバーの外周面の上に、互いに異なる粘度を有する複数の被覆層をコーティングする工程と、
   前記複数の被覆層が形成された前記光ファイバーを、所定の角度で傾斜して線引きする工程と、
   を有することを特徴とする光ファイバーの線引き方法。
2. 前記複数の被覆層をコーティングする工程において、前記光ファイバーの被覆層は、所定の回数のコーティングによって形成されることを特徴とする請求項１記載の光ファイバーの線引き方法。
3. 前記光ファイバーの被覆層は、前記光ファイバーの中心から外周へ向かうほど徐々に粘度が低くなるコーティング液によってコーティングされることを特徴とする請求項１記載の光ファイバーの線引き方法。
4. 前記コーティング液は、粘度が異なるポリマーアクリル酸材を含むことを特徴とする請求項３記載の光ファイバーの線引き方法。
5. 前記コーティング液は、粘度が異なる硬化性ポリマー材を含むことを特徴とする請求項３記載の光ファイバーの線引き方法。
6. 前記コーティング液は、粘度が異なるポリマービニール材を含むことを特徴とする請求項３記載の光ファイバーの線引き方法。
7. 光ファイバー母材を加熱する加熱炉と、
   前記加熱炉から線引きされた第１の光ファイバーの外周面に、互いに異なる粘度を有する一つ以上の被覆層をコーティングして第２の光ファイバーを形成するコーティング部と、
   前記第２の光ファイバーを、前記第１の光ファイバーの線引き軸に対して所定の角度で傾斜して線引きするスピンホイールを備え、前記第２の光ファイバーに所定の方向にねじりを与えて第３の光ファイバーを形成するスピン部と、を有することを特徴とする光ファイバーの線引き装置。
8. 前記スピン部は、
   前記スピンホイールと前記コーティング部との間に位置し、前記コーティング部から前記スピン部に入力する前記第２の光ファイバーが、前記スピンホイールにより前記線引き軸を外れないように、線引き方向を前記第１の光ファイバーの線引き軸に平行にガイドするガイドホイールと、
   前記ガイドホイールと前記コーティング部との間に位置すると共に、線引き方向を前記第１の光ファイバーの線引き軸に平行にガイドすることによって、前記スピンホイールからの前記第２の光ファイバーにねじりを一定に与えるための補助ホイールと、
   前記第１から第３の光ファイバーの線引き速度を制御するためのキャプスタンと、をさらに有することを特徴とする請求項７記載の光ファイバーの線引き装置。
9. 前記加熱炉で線引きされる前記第１の光ファイバーの外径を測定する外径測定器と、
   前記外径測定器を通過した前記第１の光ファイバーを冷却する冷却器と、をさらに有することを特徴とする請求項７記載の光ファイバーの線引き装置。
10. 前記コーティング部は、
    前記第１の光ファイバーを紫外線硬化性ポリマー材のコーティング液を通過させるための第１のコーティング器と、
    前記第１のコーティング器を通過した前記第１の光ファイバーを、前記第１のコーティング器より低い粘度の紫外線硬化性ポリマー材のコーティング液を通過させるための第２のコーティング器と、
    前記第２のコーティング器を通過した前記第１の光ファイバーの被覆層を硬化させて、複数層構造の被覆層を有する第２の光ファイバーを製造する紫外線ランプと、を有することを特徴とする請求項７記載の光ファイバーの線引き装置。
11. 前記紫外線硬化性ポリマーは、アクリル酸系列又はビニール系列の物質を含むことを特徴とする請求項７記載の光ファイバーの線引き装置。
12. 前記コーティング部は、
    前記第１の光ファイバーを紫外線硬化性ポリマーの材料のコーティング液でコーティングする第１のコーティング器と、
    前記第１のコーティング器を通過した前記第１の光ファイバーの被覆層を硬化させる第１の紫外線ランプと、
    前記第１の紫外線ランプを通過した前記第１の光ファイバーを、前記第１のコーティング器より低い粘度の紫外線硬化性ポリマー材のコーティング液でコーティングする第２のコーティング器と、
    前記第２のコーティング器を通過した前記第１の光ファイバーの被覆層を硬化させて、複数層構造の被覆層を含む第２の光ファイバーを生成するための第２の紫外線ランプと、
    を有することを特徴とする請求項７記載の光ファイバーの線引き装置。
13. 前記第３の光ファイバーは、ねじり回数が、１．５回／ｍ以内で制御されることを特徴とする請求項７記載の光ファイバーの線引き装置。
14. 前記第３の光ファイバーは、ケーブル偏光モード分散のリンクデザイン値は、０．２ｐｓ／√ｋｍ以下の値を有することを特徴とする請求項７記載の光ファイバーの線引き装置。