JP2006160528A

JP2006160528A - 光ファイバ用プリフォームの製造方法

Info

Publication number: JP2006160528A
Application number: JP2004349214A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Inoue; 喜博井上; Hirofumi Saito; 裕文齋藤; Mitsuhiro Kawasaki; 光広川崎; Hiroaki Onuma; 広明大沼
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: JP4712360B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、貫通孔を有するガラス棒と他のガラス材を溶着させる際に、加熱により貫通孔を変形させることなくガラス棒と他のガラス材とを接続する方法を提供することにある。
【解決手段】本発明の光ファイバ用プリフォームの製造方法は、長手方向に貫通孔４を有するガラス棒１に対して、貫通孔４の一方の端部にガラス栓６を挿入する第１工程の後、ガラス棒１の前記ガラス栓６を挿入した側の端面とガラス材、例えば口出し用ガラス材８の一方の端面とを向かい合わせて、前記向かい合わせた端面の周辺を加熱して前記端面を溶融させた後、端面同士を突き合わせて接続する第２工程とを具備することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ用プリフォームの製造方法に関するものである。

応力付与型の偏波保持光ファイバは、図７に示すような断面構造を有しており、光伝送路となるコア２の両側に熱膨張係数をクラッド３よりも大きくしたガラスからなる応力付与部１０’が配置されている。前記偏波保持光ファイバの製造方法として、例えば特許文献１に開示されている方法が一般的に知られている。すなわち、特許文献１によれば、光ファイバ用プリフォームのクラッド部の応力付与部となる位置に対して、孔あけ加工を行い、次いで研削加工、研磨加工等を行い、所望の形状の貫通孔を有する孔あけプリフォームを作製した後、図８に示すように前記孔あけプリフォーム１の一方の端部に同じ径のガラス棒２０を溶着し、もう一方の端部にガラス管１１を接続し、次いで貫通孔４に別に用意した応力付与材１０やガラス蓋１２を挿入してガラス棒１３を設置して線引きプリフォーム２１を作製する。続いて、真空ポンプ（図示せず）で貫通孔４内を減圧しながら加熱一体化を行った後、周知の加熱延伸法により線引きして光ファイバを得ることができる。ここで、ガラス蓋１２は前記加熱一体化を行う際に溶融された応力付与材１０が貫通孔４から溢れることを防止するためのものであり、ガラス棒１３はガラス蓋１２を押さえるためのものである。

ところで、通常、光ファイバ用プリフォームの一方の端部には、いわゆる口出し部と称される部位があり、線引き開始時から定常な線引き状態に移行するまでの間の口出し時に用いられる。口出し部の作製方法は、図９（ａ）に示すように製品用光ファイバ用プリフォーム２２に口出し用ガラス材２３を接続する方法と、図９（ｂ）に示すように口出し用ガラス材２３を接続せずに製品用光ファイバ用プリフォーム２２のみで口出し部を構成する方法がある。図９（ｂ）のように製品用光ファイバ用プリフォーム２２で口出し部を構成する場合、口出し部となる部分は線引き速度の変化や光ファイバの外径変動等が発生する不安定な領域であるため、そこから得られた光ファイバには品質上の問題があり、製品として使用できずに最終的に廃棄されることになる。従って、特に、偏波保持光ファイバ用プリフォームでは、図９（ｂ）の方法を採用した場合、製品用光ファイバ用プリフォーム２２の本体自体の材料に加え、上述の一連の加工作業において多くの手間やコストを要していることから、このような本来製品となるはずであった高価な製品用光ファイバ用プリフォームの多くの部分を口出し部として消費することは、経済的な面において問題がある。

そこで、偏波保持光ファイバ用プリフォームの口出し部を作製する際には、図９（ａ）に示すように製品用光ファイバ用プリフォームに口出し用ガラス材を接続する方法が有効となる。その方法として、例えば、図８のガラス棒２０の部分を口出し部に適した形状とすることで、口出し部として利用することができる。

上述の孔あけプリフォーム１とガラス棒２０を溶着する作業をガラス旋盤における酸水素火炎バーナを用いた一般的な方法で行う場合、酸水素火炎バーナで各ガラス棒の接続する端面を加熱溶融させた後、お互いの端面を突き合わせることにより行われる。

特開昭６２−１２６２５号公報

しかしながら、溶着作業時に接続端面を加熱溶融させる影響により、接続後のプリフォームの接続部周辺が変形を起こしやすく、特に貫通孔の接続側端部付近が溶融されることにより、表面張力の影響で、図１０のＡのように前記貫通孔４の内径がその端部で小さくなってしまう問題が発生することがある。他に図１１のＡのように、ガラス棒２０の溶融した部分がプリフォームの貫通孔４内に侵入することがあり、特に後述する図４に示すように、接続側の端部が紡錘状の形状を有する口出し用ガラス材１７を使用した場合は顕著である。

上述のような変形を生じた貫通孔４に応力付与材１０を挿入した場合、図１０のＢや図１１のＢのように、貫通孔４の端部の位置まで達することができない。通常図８に示すような線引きプリフォーム２１を作製するために、あらかじめ加工プリフォームの寸法に合わせて応力付与材１０や、ガラス蓋１２を作製しておくが、図１０や図１１に示すような問題が発生した場合には、当初設計した寸法どおりに組み立てることができなくなる。そして、程度によっては応力付与材１０が貫通孔４の口から突き出してしまい、ガラス蓋１２を挿入する余地がなくなってしまうため、組み立てが全く行えない状態になってしまうことがある。

また、貫通孔４に応力付与材１０やガラス蓋１２を挿入して図８のように組み立てを行えたとしても、図１０のＢや図１１のＢのように、貫通孔４に挿入した応力付与材１０が本来到達できるはずであった貫通孔４の端部の位置まで達することができず、大きな空隙１８や１９が形成されることになる。このような大きな空隙１８や１９が形成された線引きプリフォームを特開昭５９−１３７３３０号公報等に開示されている周知の方法により、貫通孔４の内部を真空ポンプにより減圧しながら前記応力付与材１０を加熱溶融させて一体化を行った場合、前記空隙の影響により、減圧を行っていても貫通孔４の内部を完全に脱気することができずに、前記ガラス棒の貫通孔４の内表面５と応力付与材１０との接合界面に気泡が残留してしまう恐れがある。

加えて、接続箇所を酸水素火炎バーナを用いて加熱溶融させる際に、大気中に浮遊しているごみや前記加熱箇所で発生する微細なガラス粉が、火炎のガス流によってガラス棒の貫通孔４の内部に侵入して貫通孔４の内表面５に付着することにより、内表面５における平滑度の低下や異物の混入といった問題が発生することがある。前記問題が発生した貫通孔４に応力付与材１０を挿入して加熱一体化を行うと、前記貫通孔４の内表面５と応力付与材１０との接合界面に気泡や凹凸、異物混入等の不良が発生する恐れがある。

以上のような貫通孔の内表面と応力付与材との接合界面に気泡や凹凸、異物混入等の不良が発生したプリフォームを線引きすると、前記不良を原因とした断線や、線引きにより得られた光ファイバにおける光学特性の異常がもたらされ、光ファイバの製造の歩留まりを悪化させることになる。

本発明は、長手方向に貫通孔を有するガラス棒の前記貫通孔の一方の端部にガラス栓を挿入する第１工程の後、前記ガラス栓を挿入した側の前記ガラス棒の端面と、別に用意したガラス材の一方の端面を向かい合わせて、前記向かい合わせた端面の周辺を加熱して前記端面を溶融させ、端面同士を突き合わせて接続する第２工程とを具備することを特徴とする光ファイバ用プリフォームの製造方法である。

本発明によれば、ガラス栓を挿入した部位を除いたガラス棒の貫通孔の全長において接続部の加熱により形状が変形することを防止し、且つ貫通孔の内壁面に対して大気中に浮遊するごみや微細なガラス粉を付着させることなく前記貫通孔を有するガラス棒と他のガラス材との接続を行うことが可能となる。従って、応力付与型の偏波保持光ファイバ用プリフォームの製造において、応力付与部となる位置に貫通孔が形成された孔あけプリフォームと口出し用ガラス材を接続する際に、前記貫通孔の変形や、前記貫通孔の内壁面に対するごみや微細なガラス粉の付着を防ぐことができるため、製造の歩留まりが向上する。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）及び図２は、本発明に係る応力付与型の偏波保持光ファイバ用プリフォームの製造方法の一実施形態の説明図である。本実施形態の製造工程は以下の通りである。

周知の方法により作製されたコア２及び前記コア２の周囲を取り囲んだクラッド３からなる円柱状の光ファイバ用プリフォームを切断して両端面が前記プリフォームの軸に垂直で平面になっているプリフォームを作製し、前記プリフォームに対して孔あけ加工を行い貫通孔を形成した後、研削加工、研磨加工を施して図１（ａ）に示すような所望の形状の貫通孔４を有する孔あけプリフォーム（長手方向に貫通孔を有するガラス棒）１を作製する。また、貫通孔４の内径よりも若干小さい外径を有する円柱状のガラス栓６を作製する。ガラス栓６の径は、貫通孔４の内径とガラス栓６の外径との差が０．５ｍｍ以下であることが望ましい。

次に、孔あけプリフォーム１をガラス旋盤のチャック（図示せず）に把持し、図１（ｂ）に示すように孔あけプリフォーム１の貫通孔４にガラス栓６を孔あけプリフォーム１の端面とガラス栓６の端面とが一致するように挿入する。なお、ガラス栓６を挿入する端面は、口出し用ガラス材８と接続する側である。

次に、孔あけプリフォーム１の接続側の端面と、口出し用ガラス材８の接続する側の端面とが向かい合わせになるように、ガラス旋盤の他方のチャックに口出し用ガラス材８を取り付けた後、前記チャックを回転させて孔あけプリフォーム１と口出し用ガラス材８を軸周りに回転させながら、前記向かい合わせた端面の周辺を酸水素火炎バーナにより加熱して前記端面を溶融させる。その後、図１（ｃ）に示すように、端面同士を突き合わせて接続し、接続プリフォーム９を得る。この際、貫通孔４に挿入したガラス栓６も接続部に固着されることになる。

ここで、口出し用ガラス材８は、孔あけプリフォーム１との接続側の端部が孔あけプリフォーム１の端面と同じ径の円形の平面形状を成し、加えて、口出し部に適した形状となるように、テーパ状となっている部位を含んだ形状になっている。

続いて、前述した図８に示した周知の方法に従い、図２に示すようなガラス管１１の接続や貫通孔４に対する応力付与材１０とガラス蓋１２の挿入、ガラス棒１３の設置を行い線引きプリフォーム１４を作製し、真空ポンプ（図示せず）で貫通孔４内を減圧しながら加熱一体化を行った後、周知の加熱延伸法により線引きして光ファイバを得ることができる。

なお、ガラス栓６は、接続後にクラックが生じたり、後の一体化及び線引き工程や得られた光ファイバの特性に影響を及ぼしたりしないようにするため、熱膨張係数や軟化温度、化学的特性等の性質がクラッド３の材質とほぼ同等である材質であることが望ましい。また、ガラス栓６の口出し用ガラス材８との接続面と反対側の貫通孔４の内部側に位置する端面は、軸方向に垂直な平面となっていることが望ましい。ただし、これは貫通孔４に挿入する応力付与材１０の端面が同様な平面形状を有している場合であり、仮に応力付与材１０の端面が他の形状をしていた場合は、前記形状に対応させて、できる限り応力付与部１０の端面とガラス栓６の端面同士が密着するような形状にする。これは、後工程である一体化や線引き時に、応力付与部１０の端面とガラス栓６の端面との間に空隙が形成して、気泡が発生することを防ぐためである。

加えて、後工程である一体化や線引き時に気泡の発生を防止するため、ガラス栓６の表面をできるだけ平滑にしておくことが望ましい。特に、貫通孔４の内壁面５に面した外周の曲面部と、口出し用ガラス材８との接続面と反対側となる貫通孔４の内部側に位置する端面では、酸化セリウム等の研磨砥粒を用いた研磨や火炎研磨などの処理により、表面が日本工業規格（ＪＩＳ）Ｂ０６０１−１９９４の定義に基づいた最大高さＲ_ｙが１μｍ以下の鏡面を有していることが望ましい。

また、上述の実施形態では円柱形状のガラス栓６を用いたが、図３（ａ）に示すように、口出し用ガラス材８との接続部となる側に位置する端部の外径を貫通孔４の内径より大きくなるように設計したガラス栓１５を使用すると、ガラス栓１５を貫通孔に挿入した際、図３（ｂ）に示すように外径の大きな部位１６が貫通孔４の口の部分で留まるため、ガラス栓１５が貫通孔４内部に完全に入り込むことがなくなる。そこで、ガラス栓１５の寸法をあらかじめ調整したものを外径の大きな部位１６が貫通孔４の口にあたるところまで挿入することにより、容易に目的とする挿入位置にガラス栓１５を固定することができることに加え、溶着作業の際に、貫通孔４から突き出した外径の大きな部位１６の温度上昇が容易になるため作業が容易になる。さらに、大気中の浮遊ごみやガラス粉が貫通孔４内部へ侵入することを防止する効果の向上が期待できる。

また、口出し用ガラス材８の形状は上述の実施形態に示したものに限らない。例えば図４に示す口出し用ガラス材１７のように接続側の端部が紡錘状の形状を有するものであっても良い。さらに、接続側と反対側の端部が、例えばあらかじめ前述した図９の口出し用ガラス材２３のようになっている形状や、前記形状への加工を行いやすくするために長手方向に径が異なった部位が存在するものなど口出し部を成すために適当な形状を有するものであっても良いことは言うまでもない。

（実施例１）
実施例に基づいて具体的に説明する。
ＶＡＤ法で作製したコアロッドにＳｉＯ_２スートを外付けし、周知の方法により脱水及び透明ガラス化、延伸を行った後、両端部を軸に対して垂直な平面となるように切断加工を行うことにより、コア２及び前記コア２の周囲を取り囲んだクラッド３からなる外径約４０ｍｍφ、長さ２００ｍｍの円柱状の光ファイバ用プリフォームを作製した。前記光ファイバ用プリフォームに対して、コア２の中心を中心とする対称位置に孔あけ加工機を用いて二本の貫通孔を形成した後、所望の形状となるように研削、研磨加工を施して内径が１１．０ｍｍφで、内表面が日本工業規格（ＪＩＳ）Ｂ０６０１−１９９４の定義に基づいた最大高さＲ_ｙが０．１μｍの鏡面を有する貫通孔４を形成し、図１（ａ）に示すような偏波保持光ファイバ用の孔あけプリフォーム１を作製した。

次に、孔あけプリフォーム１をガラス旋盤のチャックに把持し、図１（ｂ）に示すように孔あけプリフォーム１の二本の貫通孔４に対して孔あけプリフォーム１の端面とガラス栓６の端面とが一致するように二個のガラス栓６をそれぞれ挿入した。なお、ガラス栓６はいずれも石英ガラスからなり、外径１０．９ｍｍφで長さが５ｍｍの円柱形状を有しており、曲面部と両端面の表面粗さは日本工業規格（ＪＩＳ）Ｂ０６０１−１９９４の定義に基づいた最大高さＲ_ｙが０．１μｍの鏡面になっている。

次に、口出し用ガラス材８をガラス旋盤のもう一方のチャックに把持し、ガラス栓６を施した孔あけプリフォーム７の端面と口出し用ガラス材８の端面を１０ｍｍの間隔を保って向かい合わせた後、チャックを回転させ、同方向の同じ回転数にて軸周りに回転させながら、前記の向かい合わせた端面付近を酸水素火炎により加熱した。この時の水素流量と酸素流量は、それぞれ１００リットル／分、３０リットル／分とした。端面部分が十分加熱されたところで両端面を突き合わせて接続し、図１（ｃ）のような接続プリフォーム９を得た。

接続プリフォーム９の外観を目視で確認したが、貫通孔４の内壁面５におけるガラス微粒子等の付着は見られなかった。また、接続プリフォーム９の二本の貫通孔４にそれぞれ外径１０．９ｍｍφで長さが１９０ｍｍで円柱状の形状を有する応力付与材１０を挿入したところ、いずれの貫通孔４においても図２に示すように最も奥に位置しているガラス栓６の端面に接触するところまで挿入することができた。さらに、図５に示すように、接続前後の貫通孔４の内径の測定を行った結果から、前記ガラス栓６の端面の位置まで貫通孔４の径が小さくなっていないことが確認された。また、貫通孔４の内壁面５に接したガラス栓６の外周の曲面部のほぼ全域が加熱により貫通孔４の内壁面５と溶着していることが確認された。なお、図５において接続後の接続部から５ｍｍまでの位置における貫通孔４の内径の測定値が存在しないのは、上述のように溶着により測定ができなかったためである。

（比較例１）
実施例１と同じ形状の孔あけプリフォーム１と、口出し用ガラス材８を準備し、実施例１の工程のうち、孔あけプリフォーム１の貫通孔４にガラス栓６を挿入する工程を除いた他は全て同じ工程の作業を行い、接続プリフォーム９を得た。接続プリフォーム９の外観を目視で確認したところ、貫通孔４の内壁面５には、接続面からおよそ３０ｍｍに渡りガラス微粒子の付着が見られた。また、接続プリフォーム９の二本の貫通孔４にそれぞれ外径１０．９ｍｍφで長さが１９０ｍｍの応力付与材１０を挿入したところ、いずれの貫通孔４においても、図１０のＢのように最も奥の位置まで挿入することができず、接続面からおよそ５ｍｍのところまで隙間ができてしまった。さらに、実施例１と同様に貫通孔４の内径を測定したところ、図６に示すように接続面から１０ｍｍ弱の位置まで貫通孔４の内径が小さくなっていることが確認された。

（実施例２）
軸方向に垂直な端面を有する外径１０．９ｍｍφの円柱形状のガラス棒に対して、前記端面付近を加熱により軟化させ、前記端面を清浄なガラス平面上に軽く圧着した後、融着しないように即座に離して、端面から長さ約１ｍｍまでの部分の外径が最大１１．５ｍｍφとなった形状を有するガラス棒を作製した。次に前記ガラス棒の該端面から７．０ｍｍの部分を軸方向に垂直な端面となるように切断した後、所望の形状となるように研削加工及び研磨加工等を行い、長さが６．５ｍｍであり、一方の端部から長さ約１ｍｍまでの外径が大きい部分を除いた部分の外径が１０．９ｍｍφで、外周の曲面と外径が大きくない側の端面の表面が日本工業規格（ＪＩＳ）Ｂ０６０１−１９９４の定義に基づいた最大高さＲ_ｙが０．１μｍの鏡面になっている形状を有する図３に示すようなガラス栓１５を二個作製した。

次に、前記ガラス栓１５と、図４に示すような孔あけプリフォーム７と接続する側の端面が紡錘形となっている口出し用ガラス材１７を用いた他は、実施例１と同じ形状の孔あけプリフォーム７を用いて、実施例１と同じ手順により接続プリフォーム９を作製した。接続プリフォーム９の外観を目視で確認したが、実施例１の時と同様、貫通孔４の内壁面５におけるガラス微粒子の付着は見られなかった。また、接続プリフォーム９の二本の貫通孔４にそれぞれ外径１０．９ｍｍφで長さが１９０ｍｍの円柱状の形状を有する応力付与材１０を挿入したところ、いずれの貫通孔４においても最も奥に位置しているガラス栓６の端面に接触するところまで挿入することができた。次に、貫通孔４から応力付与材１０を一度取り出して、貫通孔４に応力付与材１０が挿入されていない状態にした後、図２に示すように接続プリフォーム９と石英管１１を溶着した。ここで、貫通孔４から応力付与材１０を一度取り出したのは、孔あけプリフォーム１にガラス管１１を溶着する作業の際に、熱によって応力付与材１０が軟化して孔あけプリフォーム１と溶着してしまうことを防ぐためである。続いて適当な洗浄を行った後、図２に示すような線引きプリフォームを作製して、周知の方法で加熱一体化および線引きを行い、約１０ｋｍの長さの外径１２５μｍの偏波保持光ファイバを得た。

（比較例２）
実施例２と同じ形状の口出し用ガラス材１７と孔あけプリフォーム１を準備し、実施例１の工程のうち、孔あけプリフォーム１の貫通孔４にガラス栓６を挿入する工程を除いた他は全て同じ工程の作業を行い、接続プリフォーム９を得た。外観を目視で確認したところ、貫通孔４の内壁面には、接続面からおよそ３０ｍｍに渡りガラス微粒子の付着が見られた。また、図１１のＡのように、接続作業時に溶融した口出し用ガラス材の一部が二本の貫通孔４内部に、プリフォームの接続端部から最大約６ｍｍの位置まで侵入した状態で固化していた。二本の接続後の貫通孔４にそれぞれ外径１０．９ｍｍφで長さが１９０ｍｍの応力付与材１０を挿入したところ、いずれの貫通孔４においても、溶融して侵入した口出し用ガラス材１７が存在する位置までしか挿入することができなかった。この際、図１１のＢのような空隙１９が確認された。

なお、本発明の方法は、偏波保持光ファイバ用プリフォームの作製に限らず、いわゆるロッドインチューブ法による光ファイバ用プリフォームの作製におけるクラッド用ガラスチューブ等の貫通孔を有するガラスプリフォームと他のガラス棒等のガラス材を溶着する作業を要する光ファイバ用プリフォームの製造等の際にも用いることができる。
なお、前述した口出し用ガラス材８あるいは口出し用ガラス材１７が本発明の請求項でいうガラス材を意味することはいうまでもない。

以上のように本発明によれば、光ファイバ用プリフォームの製造において、貫通孔を有するガラス棒と他のガラス材を溶着する際に、あらかじめガラス栓を挿入した部位を除いた前記貫通孔の全長の部分において、加熱によって形状が変形することを防止し、且つ大気中に浮遊するごみや微細なガラス粉を貫通孔の内壁面に付着させることなく前記貫通孔を有するガラス棒と他のガラス材との接続を行うことが可能となる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明のガラス棒とガラス材の接続方法の一実施形態を説明するための説明図である。本発明のガラス棒の接続方法で作製した接続プリフォームを加工して得られた線引きプリフォームである。本発明の他の実施形態の説明図である。本発明の他の実施形態の説明図である。ガラス栓を施して口出し用ガラス材を火炎接続した孔あけプリフォームを用いた場合の貫通孔における接続端面からの位置（ｍｍ）に対する接続加工前後の内径φ（ｍｍ）の関係を表すグラフである。ガラス栓を施さずに口出し用ガラス材を火炎接続した孔あけプリフォームを用いた場合の貫通孔における接続端面からの位置（ｍｍ）に対する接続加工前後の内径φ（ｍｍ）の関係を表すグラフである。応力付与型の偏波保持光ファイバの断面図である。従来の偏波保持光ファイバ用プリフォームの線引きプリフォームの説明図である。（ａ）は製品用光ファイバ用プリフォームに口出し用ガラス材を接続した場合の口出し部、（ｂ）は製品用光ファイバ用プリフォームのみで口出し部を構成した場合の口出し部を説明するための説明図である。ガラス栓を施さずに作製した接続プリフォームの一例を説明するための説明図である。ガラス栓を施さずに作製した接続プリフォームの他の例を説明するための説明図である。

符号の説明

１孔あけプリフォーム
２コア
３クラッド
４貫通孔
６ガラス栓
８口出し用ガラス材
９接続プリフォーム
１０応力付与材
１２ガラス蓋
１３ガラス棒
１５ガラス栓
１６外径の大きな部位
１７口出し用ガラス材

Claims

長手方向に貫通孔を有するガラス棒の前記貫通孔の一方の端部にガラス栓を挿入する第１工程の後、前記ガラス栓を挿入した側の前記ガラス棒の端面と、別に用意したガラス材の一方の端面を向かい合わせて、前記向かい合わせた端面の周辺を加熱して前記端面を溶融させ、端面同士を突き合わせて接続する第２工程とを具備することを特徴とする光ファイバ用プリフォームの製造方法。