JP2006347785A

JP2006347785A - 光ファイバーの線引き装置及び線引き方法

Info

Publication number: JP2006347785A
Application number: JP2005172729A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Shimizu; 佳昌清水
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2006-12-28
Also published as: WO2006134718A1

Abstract

【課題】簡便な装置および方法で、線引き中の光ファイバーにねじれ力（スピン）を容易かつ効果的に印加することのできる光ファイバーの線引き装置及び線引き方法を提供する。
【課題手段】光ファイバー用プリフォームを加熱炉内で溶融し、線引きした光ファイバーに保護層を形成した後、光ファイバーをボビンに巻き取る線引き装置において、光ファイバー３が当接する回転リールの回転軸が光ファイバーの走行方向と直交するように設置され、該回転リールは、光ファイバーとの当接面が回転軸に対して傾斜した傾斜ローラー６を有し、光ファイバー３が当接しながら回転することにより、該当接面での傾斜角が変化することを特徴とし、当接面の傾斜角は１回転毎に周期的に変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバー用プリフォーム（以下、単にプリフォームという）を加熱炉内で加熱軟化させ、加熱炉の下部から、細径化された光ファイバーをキャプスタン装置で引き取ることで線引きする、光ファイバーの線引き装置及び線引き方法に関する。

光ファイバーの線引きに使用されるプリフォームは、軸付け法（ＶＡＤ法）、外付け法（ＯＶＤ法）等によりガラス微粒子を堆積して多孔質ガラス母材を製造し、これを脱水・焼結して透明ガラス化し、さらに電気炉やガラス旋盤によって延伸し、線引き装置で使用される径にまで細径化して得られる。
プリフォームは、線引き装置の最上部に設置された、加熱炉の上部から炉内に送り込まれ、炉内で加熱軟化されることで、炉の下部から細径化された光ファイバーが取り出される。光ファイバーは、表面に保護コートが施され、巻き取り装置でボビンに巻き取られる。

一般に光ファイバーは、光信号を伝搬する高屈折のコア部分と、コアを取り巻く低屈折のクラッド部分から構成されている。光ファイバーの理想的な断面構造は、コア部分及びクラッド部分がともに完全な円形を有し、コア部分とクラッド部分の中心が完全に一致しているのが、最も望ましい。しかし、通常製造されている光ファイバーは、プリフォームが元々有していたコアやクラッド部分の非円、さらに線引き炉内での加熱の不均一等によって、光ファイバーに残留歪みが誘起されたり、コア部分が変形する等、多少なりとも完全な円形からずれているのが現実である。

このように、コア部分が非円形状になると、光ファイバー内を伝搬する、互いに直交する偏波面を持つ２つのモード間で、伝搬速度に差異が生じる、いわゆる偏波モード分散（以下、PMDと称する）が発生する。長距離間の光伝送や、光パルスを高密度に伝送する場合にPMDが生じると、異なる信号の光パルスの一部が重なり、受信部でパルスの判別が困難になるため、PMDは特に問題になる現象である。

光ファイバーのPMDを低減する手段としては、線引き中の光ファイバーにねじりを加える、ファイバースピンという方法が広く知られている。線引き中の光ファイバーにねじり（スピン）を掛ける方法としては、例えば、非特許文献１に示されているように、光ファイバーの走行方向に対してローラーの回転軸を直角方向からずらすことで実現される。この文献では、ローラー回転軸のミスアライメントによって、光ファイバーにスピンが掛けられるとあるが、ローラー回転軸の傾きが固定されているため、光ファイバーに掛かるスピンも一方向となり、巻き取られた光ファイバーに一方向のねじれが残留する。これには、ローラー回転軸の傾きを周期的に変化させることで、光ファイバーが一方向にねじれるのを防止することができる。

光ファイバーが接触するローラー回転軸の傾きを周期的に変化させてファイバースピンを行う装置としては、例えば、特許文献１に示されているように、光ファイバーをガイドローラーと呼ばれるローラー上で転動させるために、ローラーの回転軸を光ファイバーの進行方向に対して、±θの角度だけ傾ける装置が開示されている（図７参照）。

この角度を傾ける機構には、ガイドローラーの回転軸をラックギアとピニオンギアなどから構成したもの（特許文献２参照）や、モーターで駆動する例（特許文献３参照）が挙げられる。その他に、対向するローラーの間に光ファイバーを挟み、２つのローラーを互いに逆向きに回転させて回転軸と直交する方向に移動させる例（特許文献４参照）や、ローラーを互いに反対方向に傾斜させる方法（特許文献５参照）、さらには、円弧状凹面を有するローラーを揺動させる例（特許文献６参照）が挙げられる。

しかし、これらの装置は、いずれもローラーの回転軸の傾きや位置を故意に変動させるための機構を備えているために、多くの部品が必要であった。そのため、既設の線引き装置に取り付けるには、設置場所が十分取れない、駆動系を制御するための装置が別に必要になり設備が複雑になる、という問題があった。

Journal of Lightwave Technology, Vol.6, No.9, Sept. 1988,p.1402-1405, C. G. Askins and M. J. Marrone 特開平6-179710号公報特開平9-243833号公報特開2003-212587号公報特開2001-302272号公報特表2000-505413号公報特開2003-292334号公報

本発明は、簡便な装置および方法で、線引き中の光ファイバーにねじれ力（スピン）を容易かつ効果的に印加することのできる光ファイバーの線引き装置及び線引き方法を提供することを目的としている。

本発明の光ファイバーの線引き装置は、光ファイバー用プリフォームを加熱炉内で溶融し、線引きした光ファイバーに保護層を形成した後、光ファイバーをボビンに巻き取る線引き装置において、光ファイバーが当接する回転リールの回転軸が光ファイバーの走行方向と直交するように設置され、該回転リールは、光ファイバーとの当接面が回転軸に対して傾斜した傾斜ローラーを有し、光ファイバーが当接しながら回転することにより、該当接面での傾斜角が変化することを特徴とし、当接面の傾斜角は１回転毎に周期的に変化する。
なお、光ファイバーの走行方向において、該回転リールの前後に、光ファイバーを傾斜ローラーの当接面に十分な当接力をもって押し当て可能に、第１及び第２のガイドローラーを設置するのが好ましい。また、ミスアライメントにより光ファイバーに一方向のスピンが加わるのを防ぐために、回転リールの回転軸に、その傾斜角を調整する調整機構を取り付けておくこともできる。

本発明の光ファイバーの線引き方法は、光ファイバー用プリフォームを加熱炉内で溶融し、線引きした光ファイバーに保護層を形成した後、巻き取る線引き方法において、光ファイバーが当接する回転リールの回転軸が光ファイバーの走行方向と直交するように設置され、該回転リールは、光ファイバーとの当接面が回転軸に対して傾斜した傾斜ローラーを有し、該当接面に光ファイバーが接触することで回転し、該回転により当接面の傾斜角が変化し、周期的なねじれ力が光ファイバーに印加されることを特徴とし、当接面の傾斜角は、傾斜ローラーの１回転毎に周期的に変化する。

本発明によれば、光ファイバーとの当接面が回転軸に対して傾斜した傾斜ロールを用いることにより、光ファイバーに効果的にねじれ力（スピン）を印加することができる。これにより、PMDが極めて小さく、長距離間の光伝送や、光パルスの高密度伝送に好適な光ファイバーが得られる。

本発明の装置及び方法は、要するに、回転軸が光ファイバーの走行方向と直交するように設置された回転リールを有し、該回転リールは、光ファイバーとの当接面が回転軸に対して傾斜した傾斜ローラーを有し、傾斜ローラーの当接面の傾斜角がその１回転毎に周期的に変化する、すなわち、傾斜ローラーが半回転することで当接面の傾斜方向が逆向きになり、さらに半回転すると元に戻るように設計されている。

この傾斜ローラーに光ファイバーを当接させることで、光ファイバーにねじれ力（スピン）を印加することができ、PMDを低減することができる。
このように本発明の線引き装置は、ローラーの回転軸の角度を変化させる駆動機構や、その制御装置を必要とせず、上記簡単な構造からなる回転リールを既存の装置に追加するだけでよい。

本発明を図を用いてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されず、様々な態様が可能である。
図１に本発明の光ファイバーの線引き装置の概略を示した。この装置は、上部に設置された加熱炉１でプリフォーム２を加熱溶融し、加熱炉１の下部から光ファイバー３を引き出し、表面を保護するため、一般にUV樹脂コーティングユニット４により２層の保護コートが施され、キャプスタン８で引きとられた後、巻き取り機９のボビンに巻き取られる。

本発明の線引き装置は、通常の装置に以下のような部材を加えるだけで構成される。すなわち、光ファイバーにUV樹脂で２層の保護コートを施した後、光ファイバーを引き取るキャプスタンの前に、一対のガイドローラー５,
７と、その間に、光ファイバーとの当接面が傾斜している傾斜ローラー６を有する回転リールが設置されている。ガイドローラー５, ７は、光ファイバーを傾斜ローラー６の当接面に十分な押し付け力で接触させるためのもので、光ファイバーの走路上に設けられる。傾斜ローラー６は、ガイドローラー５,
７から多少ずれた位置に設置され、そのローラー面に光ファイバー３が接触しながら通過することにより回転する。傾斜ローラー６とガイドローラー５, ７には、それらの回転軸の位置や角度を常時変化させるための機構は、一切必要としない。

光ファイバーが傾斜ローラー６と接触する面には、図２に示すように、一定角度の傾斜が設けられている。この傾斜角φは、ローラーの回転によって変化するが、半回転では傾斜の方向は逆向きになり、さらに半回転すると、つまり一回転すると元に戻るように形成されている。ローラーの回転角θと当接面の傾きφは、［数１］式で表される(図３，４参照)。ここで、φ₀は当接面の最大傾きである。

また、図５に示すように、光ファイバーとの当接面を滑らかな凹状または凸状に形成することも可能であるが、この場合にはスピンのかかり方が、［数１］式で示したサインカーブとは異なってくる。
傾斜ローラーの円周長さは、光ファイバーにスピンをかけるときの周期に相当するため、所望のスピン条件に合わせて適宜選択される。なお、スピンの周期は、光ファイバーのモードカップリング長より短くすることが望ましい。また、ローラーの製作が容易となるように、直径を50〜300mm程度に設定するとよい。

傾斜ローラーの回転角がθの場合の、光ファイバー単位長さあたりのスピンの大きさは、当接面の最大傾斜量φ₀によって決定され、光ファイバー径をd(μm)とすると、光ファイバーの最大スピン量S
(turn/m)は、以下の式で求められる。

光ファイバー径d=245μm、傾斜ローラーの最大傾斜量φ₀=0.5度に設定すると、最大スピン量Sは11.3(turn/m)程度になる。ただし、これは傾斜ローラーの表面と光ファイバーとの間で滑りが発生しないことを条件としている。実際の場合は、多少の滑りが発生するので、傾斜ローラーの直径と最大傾斜量は、作製された光ファイバーのPMDが十分小さくなるように実験的に求めるのが望ましい。

傾斜ローラーの回転軸は、光ファイバーの走行方向と直交するようにセットする必要がある。また、傾斜ローラーには、回転軸の角度を微調整できるようにゴニオメーターのような角度調整機構を付けておき、巻き取られた光ファイバーに、一方向のねじれが残っていた場合には、ねじれが残らないように、回転軸の角度を微調整すると良い。

傾斜ローラーの上下に設置されるガイドローラーは、傾斜ローラーの当接面で光ファイバーが滑らないように、光ファイバーを傾斜ローラーに十分な力で押し当てることができるように設置する。傾斜ローラーへの巻き付け角度が大きすぎると、傾斜面上で光ファイバーが転動しにくくなるため、光ファイバーの巻き付け角度は、20〜90度程度が望ましい。なお、ガイドローラーが光ファイバーと接触する面は、VまたはU形状にして、光ファイバーの振動を抑制するようにするのが望ましい。

このように設置された回転リールを通過した光ファイバーには、回転リールが一回転する毎に右回転、次いで左回転のねじり力が加えられる。このねじり力は、加熱炉内のプリフォームの溶融部に伝達され、固化した光ファイバーに恒久的なねじれ（スピン）を与えることができる。

使用した線引き装置は、加熱炉、コーティングダイ、UV硬化装置、キャプスタン、巻き取り装置を有し、UV硬化装置とキャプスタンとの間に、第１のガイドローラー、傾斜ローラー、第２のガイドローラーからなるスピニング装置が設置されている。
加熱炉の上方から直径60mmのプリフォームを挿入し、加熱炉の下部から溶融、延伸された光ファイバーを引き出し、光ファイバーに２層の保護コート層を施した後、スピニング装置及びキャプスタンに通して、線引き速度800m／分で巻き取り装置に巻き取った。なお、光ファイバーの外径が125μmになるように、外径測定器で光ファイバー径をモニターしながら、キャプスタンの引き取り速度を調節した。加熱炉の温度は2,280℃で、線引き張力は約200gである。

スピニング装置の傾斜ローラーには、ローラー径が200mmで、光ファイバーとの当接面の傾斜角φ₀が0.5度と0.3度の２種のものを使用し、それぞれスピンを施した光ファイバーを長さ10kmで５本ずつ作製した（実施例１〜５）。なお、当接面で光ファイバーとローラー間で滑りがないと仮定したときの、ファイバースピン量の計算値を図６に示した。
比較のために、スピニング装置を外して、同様の条件でスピンなしの５本の光ファイバーを作製した（比較例１〜５）。

これらのPMD値を測定し、結果を表１にまとめて示した。なお、実施例で使用した傾斜角φ₀0.5度と0.3度の傾斜ローラーは、いずれもPMD値が十分小さかったので、表１には、傾斜角φ₀0.5度の結果のみを示した。
PMDの測定は、JME（Jones Matrix Eigenanalysis）法で、直径300mmに巻いた光ファイバーをリールから外し、水中に沈めて、光ファイバーにできるだけ応力がかからないような状態で測定した。

表１から明らかな通り、本発明のスピニング装置を用いて作製された光ファイバーは、スピニングを行わない従来の比較例のものと比べて、そのPMD値が格段に小さくなっている。

簡便な装置の追加で、容易にPMDの小さな光ファイバーを得ることができる。

本発明の線引き装置の概要を示す図である。本発明の傾斜ローラーを示す正面図である。傾斜ローラーの回転角θと傾斜角φとの関係を示す図である。傾斜ローラーの回転角θとスピン量との関係を示すグラフである。本発明の傾斜ローラーの別の態様を示す図である。実施例での傾斜ローラーの傾斜角φ₀とスピン量との関係を示すグラフである。従来のスピニング装置の例を示す概略図である。

符号の説明

1 …… 加熱炉、
2 …… プリフォーム、
3 …… 光ファイバー、
4 …… UV樹脂コーティングユニット、
5 …… ガイドローラー、
6 …… 傾斜ローラー、
7 …… ガイドローラー、
8 …… キャプスタン、
9 …… 巻き取り機。

Claims

光ファイバー用プリフォームを加熱炉内で溶融し、線引きした光ファイバーに保護層を形成した後、光ファイバーをボビンに巻き取る線引き装置において、光ファイバーが当接する回転リールの回転軸が光ファイバーの走行方向と直交するように設置され、該回転リールは、光ファイバーとの当接面が回転軸に対して傾斜した傾斜ローラーを有し、光ファイバーが当接しながら回転することにより、該当接面での傾斜角が変化することを特徴とする光ファイバーの線引き装置。
該当接面の傾斜角が、傾斜ローラーの１回転毎に周期的に変化する請求項１に記載の光ファイバーの線引き装置。
光ファイバーの走行方向において該回転リールの前後に、光ファイバーを傾斜ローラーの当接面に十分な当接力をもって押し当て可能に、第１及び第２のガイドローラーが設置されている請求項１又は２に記載の光ファイバーの線引き装置。
該回転リールの回転軸に、その傾斜角を調整する調整機構が取り付けられている請求項１乃至３のいずれかに記載の光ファイバーの線引き装置。
光ファイバー用プリフォームを加熱炉内で溶融し、線引きした光ファイバーに保護層を形成した後、巻き取る線引き方法において、
光ファイバーが当接する回転リールの回転軸が光ファイバーの走行方向と直交するように設置され、該回転リールは、光ファイバーとの当接面が回転軸に対して傾斜した傾斜ローラーを有し、該当接面に光ファイバーが接触することで回転し、該回転により当接面の傾斜角が変化し、周期的なねじれ力が光ファイバーに印加されることを特徴とする光ファイバーの線引き方法。
該当接面の傾斜角が、傾斜ローラーの１回転毎に周期的に変化する請求項５に記載の光ファイバーの線引き方法。