JP2010145288A

JP2010145288A - 空孔付き光ファイバの空孔径の測定方法および装置、ならびに空孔付き光ファイバの製造方法および装置

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Publication number: JP2010145288A
Application number: JP2008324365A
Authority: JP
Inventors: Itaru Ishida; 格石田; Kenji Nishide; 研二西出
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: JP5216567B2

Abstract

【課題】光ファイバに損傷を与えず、かつ生産性を高くでき、しかも適用範囲が広く、光ファイバの空孔径を精度よく測定できる空孔付き光ファイバの空孔径の測定方法および装置を提供する。
【解決手段】空孔付き光ファイバ母材を加熱し溶融させて線引きして得られた空孔付き光ファイバ２２を、対向配置された一対の電極板１４Ａ、１４Ｂ間に通過させる際に静電容量を測定し、この測定値に基づいて、予め実測により得られた静電容量と空孔径との相関関係を用いて空孔付き光ファイバ２２の空孔径を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空孔付き光ファイバの空孔径の測定方法および装置、ならびにこれらを用いた空孔付き光ファイバの製造方法および装置に関する。

空孔付き光ファイバは、空孔が光ファイバ長手方向に沿って形成されたものであり、例えばフォトニック結晶ファイバ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒ。略称ＰＣＦ）がある。空孔の形成によって、従来の光ファイバでは実現できない光学特性が得られることが知られている。例えば、光ファイバコアの周囲に空孔を形成することで、光ファイバの閉じ込め効果を高め、曲げ損失を低減できることが知られている。
図７および図８は、空孔付き光ファイバの例を示す断面図である。図７に示す空孔付き光ファイバ３１は、コア３３の周囲に複数の空孔３４を有する。図８に示す空孔付き光ファイバ３２は、複数の空孔３４が多層に配列されている。この種の空孔付き光ファイバにおいて空孔の数は通常４以上である。

空孔付き光ファイバは、空孔を形成した光ファイバ母材（プリフォーム）を、空孔内を加圧しつつ線引きすることによって得られる。
空孔径は光学特性上、重要なパラメータであり、例えば空孔径の大きさによって曲げ損失が大きく変化することが知られている。このため、線引き工程において空孔径を適正範囲に維持することは重要である。
しかしながら、線引き工程においては、空孔内圧力、炉内温度、線引き速度などのさまざまな要因によって空孔径が変動する可能性があるため、製造工程においてインラインで空孔径を把握することが要望されている。
製造工程においてインラインで空孔径を測定する技術としては、特許文献１に記載された方法がある。この方法は、光ファイバの側方から光を照射し、前方散乱光の干渉パターンに基づいて測定を行う。
特許文献２には、光ファイバに曲げを加えることによる後方散乱光の変化に基づいて空孔径を測定する技術が開示されている。

特許第３４３３２３８号公報特許第４０８４７６２号公報

しかしながら、図７および図８に例示したように、空孔付き光ファイバは、空孔の数が多いものが用いられているため、特許文献１に記載の方法では干渉パターンが複雑となり、空孔径の解析は難しくなる。また、インラインでは光ファイバに生じる回転や振動が干渉パターンに影響を与えるため、空孔径の解析がさらに困難となっていた。
特許文献２に記載の方法では、光ファイバに曲げを加える必要があるが、この曲げにより光ファイバが損傷を受けるのを防ぐ必要がある。また、曲げを加えることが必要となるため生産性も低下する。さらに、曲げ損失の空孔径依存度が大きい空孔付き光ファイバにしか適用できないという問題もある。
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、光ファイバに損傷を与えず、かつ生産性を高くでき、しかも適用範囲が広く、光ファイバの空孔径を精度よく測定できる空孔付き光ファイバの空孔径の測定方法および装置、ならびにこれらを用いた空孔付き光ファイバの製造方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１にかかる発明は、空孔付き光ファイバ母材を加熱し溶融させて線引きして空孔付き光ファイバを製造するにあたって、前記空孔径を測定する方法であって、前記線引きにより得られた空孔付き光ファイバを、対向配置された一対の電極板間に通過させる際に静電容量を測定し、この測定値に基づいて、予め実測により得られた静電容量と空孔径との相関関係を用いて前記空孔付き光ファイバの空孔径を算出する、空孔付き光ファイバの空孔径の測定方法である。
本発明の請求項２にかかる発明は、請求項１において、前記空孔付き光ファイバの外径を測定し、測定値に基づいて前記静電容量の測定値に補正を加える、空孔付き光ファイバの空孔径の測定方法である。
本発明の請求項３にかかる発明は、請求項１または２において、前記静電容量の測定は、被覆が形成されていない空孔付き光ファイバについて行う、空孔付き光ファイバの空孔径の測定方法である。
本発明の請求項４にかかる発明は、空孔付き光ファイバ母材を加熱し溶融させて線引きして空孔付き光ファイバを製造するにあたって前記空孔径を測定する装置であって、前記線引きにより得られた空孔付き光ファイバについて静電容量を測定する静電容量測定部と、この測定値に基づいて、予め実測により得られた静電容量と空孔径との相関関係を用いて前記空孔付き光ファイバの空孔径を演算する演算部とを有する空孔付き光ファイバの空孔径の測定装置である。
本発明の請求項５にかかる発明は、空孔付き光ファイバ母材を加熱し溶融させて線引きして空孔付き光ファイバを製造する方法であって、前記線引きにより得られた空孔付き光ファイバを、対向配置された一対の電極板間に通過させる際に静電容量を測定し、この測定値に基づいて、予め実測により得られた静電容量と空孔径との相関関係を用いて算出された前記空孔付き光ファイバの空孔径に応じて、前記空孔付き光ファイバ母材の空孔に供給されるガス流量を制御することで前記空孔内の圧力を調整する、空孔付き光ファイバの製造方法。
本発明の請求項６にかかる発明は、空孔付き光ファイバ母材を加熱し溶融させて線引きして空孔付き光ファイバを製造する装置であって、前記線引きにより得られた空孔付き光ファイバについて空孔径を測定する空孔径測定部と、測定値に基づいて前記光ファイバ母材の空孔内の圧力を調整する圧力制御部とを備え、前記空孔径測定部は、前記線引きにより得られた空孔付き光ファイバについて静電容量を測定する静電容量測定部と、この測定値に基づいて、予め実測により得られた静電容量と空孔径との相関関係を用いて前記空孔付き光ファイバの空孔径を演算する演算部とを有し、前記圧力制御部は、前記演算部で得られた空孔径の測定値に基づいて、前記光ファイバ母材の空孔に供給するガス流量を制御することによって、前記空孔内の圧力を調整可能である、空孔付き光ファイバの製造装置である。

本発明では、空孔付き光ファイバの静電容量の測定値に基づいて空孔径を算出する。空孔付きの光ファイバの静電容量は空孔径に応じた値となるため、空孔径を精度よく測定できる。
また、光ファイバに曲げ等を加える必要がないため、光ファイバに損傷を与えるおそれはなく、生産性に悪影響が及ぶこともない。しかも曲げ損失の空孔径依存度が小さい空孔付き光ファイバにも適用できるため、適用範囲は広い。

図３は、本発明の空孔付き光ファイバの製造方法の一例を実施可能な製造装置を示す概略構成図である。
この製造装置１は、空孔２１ａを有する空孔付きプリフォーム２１（空孔付き光ファイバ母材）を加熱し溶融させる溶融炉２と、プリフォーム２１の線引きで得られた光ファイバ裸線２２の外径を測定する外径測定部３と、冷却筒４と、光ファイバ２２の空孔径を測定する空孔径測定部５と、測定値に基づいてプリフォーム２１の空孔２１ａに供給するガス流量を制御する圧力制御部６と、第１被覆コーティング部７と、第１被覆硬化部８と、第２被覆コーティング部９と、第２被覆硬化部１０と、巻き取り部１１とを備えている。

外径測定部３は、光ファイバ裸線２２の側方の光源（ＬＥＤ、ＬＤなど）から光を照射し、前記光源と対向して設置された検知器で前方散乱光を受光し、そのパターンまたは強度を解析することにより光ファイバ裸線２２の外径を測定する。外径測定部３は、複数方向から光を照射可能であることが望ましい。

空孔径測定部５（空孔径の測定装置）は、静電容量の測定を行う静電容量測定部１２と、測定値に基づいて光ファイバ２２の空孔径を算出する演算部１３とを備えている。
空孔径測定部５は、空孔付きの光ファイバ裸線２２の静電容量が空孔径に応じた値となることに着目して作製されたもので、その測定原理は次の通りである。
コンデンサの静電容量は、電極間に存在する誘電体の体積の影響を受ける。光ファイバの空孔は誘電体として機能するため、２枚の電極板の間に空孔付き光ファイバを配置すれば、静電容量は空孔の体積に応じた値となる。空孔の体積は空孔径に応じた値となるため、予め空孔径と静電容量との関係がわかっていれば、静電容量に基づいて空孔径を算出できる。

図１および図２は、静電容量測定部１２を示すもので、図１は静電容量測定部１２を模式的に示す斜視図であり、図２は平面図である。
静電容量測定部１２は、互いに離間して対向配置された一対の平板状の電極板１４Ａ、１４Ｂと、その間に設けられた円筒形の測定部１５とを備えている。
電極板１４Ａ、１４Ｂは、金属などの導電性材料で構成することができる。測定部１５は、光ファイバ裸線２２が挿通可能に構成され、好ましくは非導電性の材料からなる。測定部１５の内径は、小さすぎれば光ファイバ裸線２２が振動を起こした場合に接触しやすくなり、大きすぎれば静電容量測定の感度が低下するため、例えば３〜１０ｍｍとするのが好ましい。
電極板１４Ａ、１４Ｂは、光ファイバ裸線２２の長さ方向に長いほど静電容量測定の感度を高めることができるため、電極板１４Ａ、１４Ｂの長さは５０ｍｍ以上とするのが好ましい。

図３に示すように、演算部１３は、静電容量測定部１２で得られた静電容量の測定値に基づいて、予め実測された光ファイバ裸線２２の空孔径と静電容量との相関関係を用いて、光ファイバ裸線２２の空孔径を算出することができる。

圧力制御部６は、演算部１３で得られた光ファイバ裸線２２の空孔径の測定値に基づいて、図示せぬ供給源からガス供給経路６ａを通してプリフォーム２１に送られるガス流量を弁などで制御し、これによってプリフォーム２１の空孔２１ａ内の圧力を調整できる。

次に、製造装置１を用いて空孔付き光ファイバを製造する方法の一例を説明する。
図３に示すように、空孔付きプリフォーム２１を溶融炉２で加熱し溶融させ、線引きして空孔付きの光ファイバ裸線２２を得る。
プリフォーム２１は、必要に応じてガス供給経路６ａを通して不活性ガス等のガスが供給され、空孔２１ａ内の圧力が調整された状態で線引きされる。
光ファイバ裸線２２は、外径測定部３での外径測定の後、冷却筒４にて冷却される。

次いで、図１および図２に示すように、光ファイバ裸線２２は空孔径測定部５の静電容量測定部１２にて測定部１５内を通過する。この際、電極板１４Ａ、１４Ｂに給電し、電極板１４Ａ、１４Ｂ間の静電容量を測定する。静電容量の測定は、定電流下における電圧値により行ってもよいし、定電圧下における電流値により行ってもよい。
この静電容量の測定値に基づいて、演算部１３において、予め実測された光ファイバ裸線２２の空孔径と静電容量との相関関係を用いて、光ファイバ裸線２２の空孔径を算出する。

この測定方法によれば、静電容量は空孔径に応じた値となるため、空孔径を精度よく測定できる。
また、光ファイバに曲げ等を加える必要がないため、光ファイバに損傷を与えるおそれはなく、生産性に悪影響が及ぶこともない。しかも曲げ損失の空孔径依存度が小さい空孔付き光ファイバにも適用できるため、適用範囲は広い。
静電容量の測定は、光ファイバ裸線２２に被覆を形成した後でも可能であるが、被覆を形成していない状態、すなわち光ファイバ裸線２２の状態で測定を行えば、被覆部分の影響を受けないため、より正確な測定値が得られる。

静電容量は、光ファイバ裸線２２の外径に影響を受ける場合がある。このため、演算部１３では、必要に応じて、外径測定部３で得られた外径の測定値に基づいて補正を加えて演算を行うことができる。
例えば、外径測定部３により得られた光ファイバ裸線２２の外径をＤとし、前記静電容量の測定値に基づいて前記相関関係を用いて算出した光ファイバ裸線２２の断面積をＳとし、光ファイバ裸線２２の空孔の数をＮとすると、空孔径ｄは次の式で表すことができる。
ｄ＝２×（（（Ｄ／２）^２×π−Ｓ））／π／Ｎ）^１／２

圧力制御部６では、演算部１３で得られた光ファイバ裸線２２の空孔径の測定値に基づいて、ガス供給経路６ａを通してプリフォーム２１に供給されるガス流量を制御する。空孔径の測定値に応じてガス流量を増加または減少させることによって、プリフォーム２１の空孔２１ａ内の圧力を増減させることができる。
具体的には、例えば空孔径の測定値が所定の値を下回った場合にガス流量を増加させて空孔２１ａ内の圧力を高め、空孔径の測定値が所定の値を上回った場合にガス流量を減少させて空孔２１ａ内の圧力を低くする、フィードバック制御を採用することができる。
これによって、光ファイバ裸線２２の空孔径を所定の範囲に維持することができる。

光ファイバ裸線２２は、第１被覆コーティング部７で第１被覆層（図示略）が形成され、第１被覆硬化部８で紫外線照射などにより第１被覆層の硬化が行われる。
次いで、光ファイバ裸線２２は、第２被覆コーティング部９で第２被覆層（図示略）が形成され、第２被覆硬化部１０で紫外線照射などにより第２被覆層の硬化が行われる。

この製造方法では、空孔付きの光ファイバの静電容量は空孔径に応じた値となるため、空孔径を精度よく測定できることから、空孔内の圧力を高い精度で安定化することができ、空孔径を確実に所定範囲にできる。

図４は、静電容量測定部の他の例を模式的に示す斜視図である。
静電容量測定部１６では、電極板１７Ａ、１７Ｂは、測定部１５の外周に沿う螺旋状に形成されて対向配置されている。この構成によれば、測定部１５内の光ファイバ裸線２２の位置にかかわらず、正確な静電容量の測定が可能となる。

（試験例１〜４）
図１に示す製造装置１を用いて、図５に示す空孔付き光ファイバ３５を作製した。
空孔付き光ファイバ３５は、コア３６の周囲に周方向に沿って配列された８つの空孔３４が長さ方向に沿って形成されている。
空孔径測定部５の静電容量測定部としては、図４に示す静電容量測定部１６を用いた。測定部１５は内径６ｍｍ、長さ６０ｍｍとした。
光ファイバ裸線２２の外径は１２５μｍとした。空孔３４の径は表１に示すとおりとし、静電容量測定部１６で得られた電圧に基づいて静電容量の測定を行った。
空孔径を顕微鏡観察により実測し、空孔付き光ファイバ３５の断面積を算出するとともに、静電容量測定部１６で得られた電圧値との関係を調べた。結果を表１に示す。

図６は、顕微鏡観察により得られた空孔径の実測値から算出された空孔付き光ファイバ３５の断面積（ｘ軸）と、静電容量測定部１６で得られた電圧値（ｙ軸）との関係を示すものである。
この図より、空孔付き光ファイバ３５の断面積と、静電容量測定部１６で得られた電圧値との間には直線的な相関関係が見られることがわかる。断面積の実測値（ｘ軸）と電圧値（ｙ軸）から得られた近似式は概略ｙ＝０．０００２８ｘ−２．９４であり、回帰係数（Ｒ^２）は約０．９７７であった。空孔径は断面積に応じた値となるため、空孔径と電圧値にも相関があることがわかる。

（実施例）
図１に示す製造装置１を用いて、試験例１〜４と同条件で、図５に示す空孔付き光ファイバ３５を作製した。
空孔径測定部５では、静電容量測定部１６（図４参照）で得られた電圧値を用い、図６に示す関係に基づいて演算部１３で光ファイバ裸線２２の空孔径を算出し、この測定値に基づいてプリフォーム２１に送られるガス流量を制御した。
すなわち、空孔径の測定値が所定の値を下回った場合にガス流量を増加させて空孔２１ａ内の圧力を高め、空孔径の測定値が所定の値を上回った場合にガス流量を減少させて空孔２１ａ内の圧力を低くする制御を行った。
得られた空孔付き光ファイバ３５の空孔径と曲げ損失の測定結果を表２に示す。サンプル数は２２とし、その平均値等を測定結果として示す。
曲げ損失は、ＩＥＣ６０７９３−１−４７に準拠した方法で測定した。測定波長は１５５０ｎｍ、曲げ直径は１０ｍｍとした。

（比較例）
上記制御を行わないこと以外は実施例と同様にして空孔付き光ファイバ３５を作製し、空孔径と曲げ損失の測定結果を表２に示す。サンプル数は２２とし、その平均値等を測定結果として示す。

表２より、実施例では、安定した空孔径および曲げ損失が得られることがわかる。

本発明の空孔径測定装置の一実施形態の静電容量測定部を模式的に示す斜視図である。図１に示す静電容量測定部の平面図である。本発明の空孔付き光ファイバの製造装置の一実施形態を示す概略構成図である。静電容量測定部の他の例を模式的に示す斜視図である。本発明の空孔付き光ファイバの製造装置により得られる空孔付き光ファイバの一例を示す断面図である。試験結果を示すグラフである。空孔付き光ファイバの一例を示す断面図である。空孔付き光ファイバの他の例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・製造装置、２・・・溶融炉、３・・・外径測定部、５・・・空孔径測定部（空孔径測定装置）、６・・・圧力制御部、６ａ・・・ガス供給経路、１２、１６・・・静電容量測定部、１３・・・演算部、１４Ａ、１４Ｂ、１７Ａ、１７Ｂ・・・電極板、２２・・・光ファイバ裸線（空孔付き光ファイバ）、３５・・・空孔付き光ファイバ。

Claims

空孔付き光ファイバ母材を加熱し溶融させて線引きして空孔付き光ファイバを製造するにあたって、前記空孔径を測定する方法であって、
前記線引きにより得られた空孔付き光ファイバを、対向配置された一対の電極板間に通過させる際に静電容量を測定し、この測定値に基づいて、予め実測により得られた静電容量と空孔径との相関関係を用いて前記空孔付き光ファイバの空孔径を算出することを特徴とする空孔付き光ファイバの空孔径の測定方法。
前記空孔付き光ファイバの外径を測定し、測定値に基づいて前記静電容量の測定値に補正を加えることを特徴とする請求項１に記載の空孔付き光ファイバの空孔径の測定方法。
前記静電容量の測定は、被覆が形成されていない空孔付き光ファイバについて行うことを特徴とする請求項１または２に記載の空孔付き光ファイバの空孔径の測定方法。
空孔付き光ファイバ母材を加熱し溶融させて線引きして空孔付き光ファイバを製造するにあたって前記空孔径を測定する装置であって、
前記線引きにより得られた空孔付き光ファイバについて静電容量を測定する静電容量測定部と、この測定値に基づいて、予め実測により得られた静電容量と空孔径との相関関係を用いて前記空孔付き光ファイバの空孔径を演算する演算部とを有することを特徴とする空孔付き光ファイバの空孔径の測定装置。
空孔付き光ファイバ母材を加熱し溶融させて線引きして空孔付き光ファイバを製造する方法であって、
前記線引きにより得られた空孔付き光ファイバを、対向配置された一対の電極板間に通過させる際に静電容量を測定し、この測定値に基づいて、予め実測により得られた静電容量と空孔径との相関関係を用いて算出された前記空孔付き光ファイバの空孔径に応じて、前記空孔付き光ファイバ母材の空孔に供給されるガス流量を制御することで前記空孔内の圧力を調整することを特徴とする空孔付き光ファイバの製造方法。
空孔付き光ファイバ母材を加熱し溶融させて線引きして空孔付き光ファイバを製造する装置であって、
前記線引きにより得られた空孔付き光ファイバについて空孔径を測定する空孔径測定部と、測定値に基づいて前記光ファイバ母材の空孔内の圧力を調整する圧力制御部とを備え、
前記空孔径測定部は、前記線引きにより得られた空孔付き光ファイバについて静電容量を測定する静電容量測定部と、この測定値に基づいて、予め実測により得られた静電容量と空孔径との相関関係を用いて前記空孔付き光ファイバの空孔径を演算する演算部とを有し、
前記圧力制御部は、前記演算部で得られた空孔径の測定値に基づいて、前記光ファイバ母材の空孔に供給するガス流量を制御することによって、前記空孔内の圧力を調整可能であることを特徴とする空孔付き光ファイバの製造装置。