JP2012001425A - 光ファイバ製造方法、光ファイバ及び光ファイバ母材 - Google Patents

Abstract

【課題】より少ない種類のロッドにより任意の屈折率分布を有する光ファイバを容易に製造する方法を提供する。
【解決手段】屈折率が互いに異なる２種類以上のロッドを含む複数本のロッド１１、１２を用意し、２以上のロッドユニットを、これら複数本のロッド１１、１２から選択されたロッドを束ねることで構成し、２回以上の回転対称性を有する断面形状を構成するよう、２以上のロッドユニットが組み合わされた領域１を含む母材を作製し、この母材を線引することで光ファイバを製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバ製造方法、光ファイバ及び光ファイバ母材に関するものである。

複数本の石英ガラスロッドを束ねた母材(preform)を用意し、この母材を線引することで光ファイバを製造する方法が知られている（特許文献１参照）。この光ファイバ製造方法では、母材の断面において所望の屈折率分布を有する光ファイバを製造するために、光ファイバ断面において屈折率が同一であると見做し得る領域の面積以下の断面積を有するロッドが使用される。

特開２００２−２４９３３３号公報

発明者は、上述の、従来の光ファイバ製造方法について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、従来の光ファイバ製造方法では、製造されるべき光ファイバが微細な屈折率分布(fine refractive index profile)を有する場合であったり、微妙な屈折率分布(delicate refractive index profile)を有する場合（精密な屈折率分布制御が必要であり、僅かな屈折率の違いが得られる光ファイバの特性に有意な影響を与えうる場合）、すなわち、その光ファイバの断面において屈折率が同一であると見做し得る領域が小さい場合には、断面積が小さいロッドを使用することが必要となり、それ故、極めて多数のロッドを使用することが必要となる。したがって、上記の従来の方法は、光ファイバの製造が容易ではない。

また、従来の光ファイバ製造方法では、製造されるべき光ファイバの断面において、屈折率分布の屈折率階調数が多い場合には、様々な屈折率を有する多種類のロッドを使用することが必要となる。したがって、この点でも、上記の従来の方法は、光ファイバの製造が容易ではない。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、より少ない種類のロッドで所望の屈折率分布が実現された領域を含む母材を線引することで光ファイバを容易に製造する方法、光ファイバ、及び、光ファイバ母材を提供することを目的としている。

本実施形態に係る光ファイバ製造方法は、母材（光ファイバ母材）の製造工程と、母材の線引工程を備える。母材の製造工程は、複数種類のロッドで構成されたロッドユニットを最小組立単位として用意し、これらロッドユニットを特殊な断面形状となるように組み合わせた領域を含む母材を作製する。具体的に当該母材の製造工程では、それぞれが最低２本のロッドを含むとともに互いに屈折率が異なる複数のロッド群が用意される。なお、ロッド郡内のロッドの屈折率は同じである。用意された複数のロッド群から、２以上の異なる屈折率の複数本のロッドが選択され、選択された複数本のロッドが所定の形状に配列された２以上のロッドユニットが構成される。なお、「所定の形状」は、複数本のロッドが組み合わされた際の母材の形状が２回以上の回転対称性(rotational symmetry of order 2 or more)を有する形状となる断面形状である。続けて、特殊な断面形状を構成する領域が得られるよう、これら２以上のロッドユニットは組み合わされ、このように組み合わされた２以上のロッドユニットで構成された領域を含む母材が作成される。そして、得られた母材が線引されることで光ファイバが製造される。この光ファイバ製造方法によれば、製造されるべき光ファイバが微細・微妙な屈折率分布を有する場合であっても該光ファイバを容易に製造することができる。

また、２以上のロッドユニットを組み合わせることにより構成される領域（母材の一部）の断面形状は、２回以上の回転対称性を有する。すなわち、２以上のロッドユニットにより構成された領域の断面形状（ロッド配列構造）は、その断面（各ロッドの長手方向に直交する面に一致）上において、当該領域の中心又は重心に対して３６０度回転する間に該断面形状が回転前の断面形状に２回以上一致する回転対称性を有する。なお、本明細書において、「回転前の断面形状」は、ロッドユニットの中心に対して断面形状の回転を開始した時点、すなわち回転角０度の時の断面形状を意味し、「回転させられる断面形状」と「回転前の断面形状」との一致回数には、係る回転開始時点の一致はカウントされないものとする。

本実施形態に係る光ファイバ製造方法において、ロッドユニット１以上を延伸し、延伸されたロッドユニットをその長手方向に沿って２以上に分割し、得られた分割ロッドユニットを用いて母材を作製してもよい。この場合、用意されるべきロッドの本数を削減することができ、更に容易に光ファイバを製造することができる。

本実施形態に係る光ファイバ製造方法において、用意される複数のロッド群の屈折率の種類は、３種類以下であるのが好ましい。また、製造されるべき光ファイバの或る断面領域内の屈折率は、その領域内に存在する１又はそれ以上のロッドの平均屈折率で実現されるのが好ましい。この場合、用意されるべきロッドの種類を削減することができ、更に容易に光ファイバを製造することができる。

本実施形態に係る光ファイバ製造方法において、２以上のロッドユニットを組み合わせることにより得られる領域のその断面（各ロッドの長手方向に直交する面に一致）上において、当該領域の断面形状は、４回、６回又は８回の回転対称性を有するのが好ましい。この場合、偏波モード分散が低減された光ファイバを製造することができる。

本実施形態に係る光ファイバ製造方法において、２以上のロッドユニットを構成するロッドは、全て中実ロッドであるのが好ましい。この場合、ロッドに替えて中空パイプを使用する場合と比較すると、容易に光ファイバを製造することができる。

また、本実施形態に係る光ファイバ製造方法において、製造されるべき光ファイバのコア部を構成するロッドの断面積は、他の部分を構成するロッドの断面積より大きいのが好ましい。この場合、用意されるべきロッドの本数を削減することができ、更に容易に光ファイバを製造することができる。また、ロッド相互の位置ずれや変形が抑制され、ロッド界面の不整や不純物混入による損失増加が抑制され得る。

なお、上述のような光ファイバ製造方法により製造可能な光ファイバは、少なくとも一つのコア領域を有する光ファイバである。このような光ファイバにおいて、コア領域は、コア中心に対して、複数の回転対称領域を有している。また、回転対称領域は、径方向、周方向ともに２種類以上異なる微小領域で構成されている。

このような光ファイバを得るための光ファイバ母材では、光ファイバのコア部となるべき部分に隣接する周辺領域が複数のロッドユニットを組み合わせることにより構成されている。したがって、この周辺領域の屈折率は、コア部となるべき部分を中心とした円周方向に沿って変動することになる。具体的には、この周辺領域では、コア部となるべき部分を中心とした円周方向に沿って、ロッドユニット単位で屈折率変化が繰り返される。

本実施形態に係る光ファイバ製造方法によれば、それぞれが複数種類のロッドにより構成された２以上のロッドユニットを最小組立単位として、これら２以上のロッドユニットを特殊な断面形状になるよう組み合わせることにより所望の屈折率分布が実現される。この所望の屈折率分布がより少ない種類のロッドにより構成された領域を含む母材を線引することにより光ファイバが製造される。そのため、任意の屈折率分布を有する光ファイバ母材及び光ファイバを容易に製造することができる。

第１実施形態のロッドユニットの断面図である。 第１実施形態の中間母材１の断面図である。 線引装置の構成及び得られる光ファイバの断面構造を示す図である。 第２実施形態の中間母材２の断面図である。 第３実施形態の中間母材３の断面図である。 第４実施形態の母材４の断面図である。

以下、本発明に係る光ファイバ製造方法、光ファイバ及び光ファイバ母材の各実施形態を、図１〜図６を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のロッドユニット１０の断面図である。図２は、第１実施形態の中間母材１の断面図である。ロッドユニット１０は、複数本の第１ロッド１１及び複数本の第２ロッド１２を束ねることにより構成される。第１ロッド１１及び第２ロッド１２それぞれの屈折率は互いに異なる（２種類のロッド群）。なお、図中において、同一屈折率を有する一方のロッド群には同一種類のハッチングが施される一方、他方のロッド群にはハッチングは施されていない。

第１ロッド１１はＧｅＯ_２を添加された石英ガラスからなる。第２ロッド１２は純石英ガラスからなる。第２ロッド１２の屈折率に対して第１ロッド１１の比屈折率差は１％である。第１ロッド１１及び第２ロッド１２それぞれの断面は、頂角が４５度である二等辺三角形であり、同一面積である。ロッドユニット１０は、合計１００本の第１ロッド１１及び第２ロッド１２により構成されている。ロッドユニット１０の断面形状は、頂角が４５度である二等辺三角形となっている。

ロッドユニット１０の断面において、二等辺三角形の頂点Ｐから数えて第１層には１本の第１ロッド１１が配置され、第２層には３本の第１ロッド１１が配置され、第３層には５本の第１ロッド１１が配置されている。続く第４層には、合計７本（６本の第１ロッド１１及び１本の第２ロッド１２）が配置されていて、第２ロッド１２が中央に位置する。第５層には、合計９本（７本の第１ロッド１１及び２本の第２ロッド１２）が配置されていて、２本の第１ロッド１１、１本の第２ロッド１２，３本の第１ロッド１１、１本の第２ロッド１２及び２本の第１ロッド１１の順に配列されている。

以降同様に、各層において、複数本の第１ロッド１１及び複数本の第２ロッド１２が規則的に配置されている。最外層の第１０層には、合計１９本（２本の第１ロッド１１及び１７本の第２ロッド１２）が配置されていて、５本の第２ロッド１２，１本の第１ロッド１１、７本の第２ロッド１２、１本の第１ロッド１１及び５本の第２ロッド１２の順に配列されている。頂点Ｐから遠ざかるに従って、各層におけるロッドの総本数に対する第１ロッド１１の本数の割合は第に小さくなっていく。

図２に示される中間母材１は、図１に示されるロッドユニット１０（最小組立単位）が８個使用され、８回の回転対称性を有する断面形状となるよう、これら８個のロッドユニット１０が組み合わされている。この中間母材１では、純石英ガラスの屈折率を基準として中心部分の比屈折率差が１％であり、中心位置からの径方向距離に対して略二乗である屈折率分布を有する。

なお、中間母材１を構成する８本のロッドユニット１０は共通の構造を有していることから、これら８本のロッドユニット１０は以下のようにして容易に製造され得る。すなわち、合計１００本の第１ロッド１１及び第２ロッド１２が図１に示されるように配列されてロッドユニットとされ、このロッドユニットが延伸された後、長手方向に沿って延伸されたロッドユニットを８分割することで８本のロッドユニット１０が製造される。したがって、中間母材１も容易に製造され、中間母材１の生産性が大幅に向上する。

このようにして製造される中間母材１の外周に純石英ガラスからなるクラッド層１４が追加されて母材が製造され、この母材が線引される。図３（ａ）は、上述のように製造された母材から光ファイバを製造するための線引装置の構成を示す図である。上述のように製造れた母材１００は、中間母材１とその外周にクラッド層１４から構成されている。なお、以下の各実施形態において製造された母材からも、図３（ａ）の線引装置を利用して光ファイバを得る。図３（ａ）に示されたように、線引装置には、母材１００の一端を加熱するヒータ１１０と、ローラー１２１を介して線引された光ファイバ２００を巻き取るドラム１２２を備える。

なお、中間母材１の外周に設けられるクラッド層１４は、中間母材１の外周を取り囲んだ複数本の純石英ガラス製ロッドが一体化されたガラス層であってもよい。或いは、クラッド層１４として中間母材１が挿入される純石英ガラス製パイプを用意し、これらを一体化することで母材を製造してもよい。或いは、クラッド層１４は、中間母材１の外周に純石英ガラス微粒子が堆積され透明化ガラス化されたガラス層であってもよい。このような母材が図３（ａ）の線引装置により線引され、光ファイバ２００が製造される。

得られた光ファイバ２００は、図３（ｂ）に示されたように、図２に示された実線部分（中間母材１）が直径５０μｍのコア部分２１０となり、図２に示された破線部分（クラッド層１４）が外径１２５μｍのクラッド部分２２０となった光ファイバ２００が製造される。

本実施形態では、初めに用意されるロッドの屈折率は２種類である。互いに屈折率の異なる２種類の第１ロッド１１及び第２ロッド１２が用いられるだけで、径方向の平均屈折率分布（径方向の領域毎（頂点Ｐから数えた層毎）に周方向の平均屈折率を求め、この平均屈折率を径方向屈折率分布としたもの）が略二乗分布であるグレーディドインデックス型のマルチモード光ファイバが容易に製造され得る。

なお、図１において頂点Ｐから第３層までの範囲、及び、図２において中心から第３層までの範囲は、高屈折率の第１ロッド１１のみで構成されている。したがって、図２において中心から第３層までの範囲にある７２本の第１ロッド１１に替えて、第１ロッド１１と同じ屈折率を有する１本の円形断面のロッドが用いられてもよい。この１本の円形断面のロッドの断面積は、７２本の第１ロッド１１の断面積の総和に相当する。

中心から第３層までの範囲において７２本の第１ロッド１１が用いられる場合には、これらが一体化される際にロッド相互の位置ずれや変形の抑制に充分に留意することが必要であり、また、ロッド界面の不整や不純物混入による損失増加の抑制にも充分に留意することが必要である。これに対して、７２本の第１ロッド１１に替えて１本の大断面のロッドが用いられる場合には、これらの問題が未然に防止される。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の中間母材２の断面図である。中間母材２は、１本の第１ロッド２１、複数本の第２ロッド２２及び複数本の第３ロッド２３により構成される。第１ロッド２１，第２ロッド２２及び第３ロッド２３それぞれの屈折率は互いに異なる（３種類のロッド）。なお、図中において同一屈折率のロッドには同一種類のハッチングが施されている。なお、図４中において六角図形を示す二重の実線は、複数種類のロッド分布を理解しやすくするために示された仮想線であり、以下の各実施形態を示す図５及び図６においても、同様の仮想線が示されている。

第１ロッド２１はＧｅＯ_２を添加された石英ガラスからなる。第２ロッド２２は純石英ガラスからなる。第３ロッド２３はＦ元素を添加された石英ガラスからなる。第２ロッド２２の屈折率に対して、第１ロッド２１の比屈折率差は０.３５％であり、第３ロッド２２の比屈折率差は−０.５０％である。第１ロッド２１，第２ロッド２２及び第３ロッド２３それぞれの断面は円形である。第２ロッド２２及び第３ロッド２３それぞれの断面積は同一であり、これらの断面積と比べて第１ロッド１１の断面積は大きい。

中間母材２の断面において、断面積が大きい第１ロッド２１が中心に配置され、この第１ロッド２１の周囲を取り囲む第１層に６個のロッドユニットが配置され、これらの周囲を更に取り囲む第２層に１２個のロッドユニットが配置されている。図中において、これらロッドユニットを囲む仮想線がそれぞれ正六角形で示されている。

中心の第１ロッド２１の直近の周囲の第１層に配置された６個のロッドユニットそれぞれは、同一の構成を有しており、中心に近い側に配置された複数本の第２ロッド２２と中心から遠い側に配置された複数本の第３ロッド２３とにより構成されている。第１層を取り囲む第２層には、合計１２個のロッドユニットが配置されていて、中心に近い側に配置された複数本の第３ロッド２３と中心から遠い側に配置された複数本の第２ロッド２２とにより構成されるロッドユニットと、複数本の第２ロッド２２のみからなるロッドユニットとが、交互に配置されている。すなわち、この中間母材２は、中心の第１ロッド２１及び３種類のロッドユニットにより構成されている。また、各ロッドユニットは、屈折率に関して１種類又は２種類のロッドにより構成されている。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、この中間母材２の外周に純石英ガラスからなるクラッド層２４を追加することで、母材１００を製造する。その後、図３（ａ）に示された線引装置により母材１００を線引することで、光ファイバが製造される。なお、この第２実施形態においても、得られた光ファイバは、図３（ｂ）に示された光ファイバ２００と同様の構造を有する。具体的には、図３（ａ）に示された線引装置により、第１ロッド２１が直径７.５μｍのコア部分（図３（ｂ）中の領域２１０に相当）となり、クラッド層２４が外径１２５μｍのクラッド部分（図３（ｂ）中の領域２２０に相当）となった光ファイバが製造される。このようにして製造される光ファイバは、中心から順に、比屈折率差が０.３５％であるコア、比屈折率差が０である内側クラッド、比屈折率差が−０.５０％であるトレンチ、及び、比屈折率差が０である外側クラッドを備える。この光ファイバは曲げ損失低減型のものである。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態の中間母材３の断面図である。中間母材３は、１本の第１ロッド３１、複数本の第２ロッド３２及び複数本の第３ロッド３３により構成される（３種類のロッド）。第１ロッド３１及び第３ロッド３３それぞれの屈折率は互いに同じであり、これらに対して第２ロッド３２の屈折率は異なる。なお、図中において同一屈折率のロッドには同一種類のハッチングが施されている。また、図５中において六角図形を示す二重の実線は、上述のように、仮想線である。

第１ロッド３１及び第２ロッド３２それぞれは純石英ガラスからなる。第３ロッド３３はＦ元素を添加された石英ガラスからなる。第１ロッド３１及び第２ロッド３２それぞれの屈折率に対して、第３ロッド３３の比屈折率差は−０.８０％である。第１ロッド３１，第２ロッド３２及び第３ロッド３３それぞれの断面は円形である。第２ロッド３２及び第３ロッド３３それぞれの断面積は同一であり、これらの断面積と比べて第１ロッド３１の断面積は大きい。

中間母材３の断面において、断面積が大きい第１ロッド３１が中心に配置され、この第１ロッド３１の周囲を取り囲む第１層に６個のロッドユニットが配置され、これらの周囲を更に取り囲む第２層に１２個のロッドユニットが配置されている。図中において、これらロッドユニットを囲む仮想線がそれぞれ正六角形で示されている。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、この中間母材３の外周に純石英ガラスからなるクラッド層３４が追加を追加することで、母材１００を製造する。その後、図３（ａ）に示された線引装置により母材１００を線引することで、光ファイバが製造される。なお、この第３実施形態においても、得られた光ファイバは、図３（ｂ）に示された光ファイバ２００と同様の構造を有する。具体的には、図３（ａ）に示された線引装置により、第１ロッド２１が直径７.５μｍのコア部分（図３（ｂ）中の領域２１０に相当）となり、クラッド層２４が外径１２５μｍのクラッド部分（図３（ｂ）中の領域２２０に相当）となった光ファイバが製造される。このようにして製造される光ファイバは、第２実施形態で製造される光ファイバと類似の屈折率分布を有しており、中心から順にコア、内側クラッド、トレンチ及び外側クラッドを備える。内側クラッド及び外側クラッドそれぞれは、純石英ガラスからなる第２ロッド３２とＦ元素添加石英ガラスからなる第３ロッド３３とが混在されて構成され、これらのロッドの屈折率の平均の屈折率を有する。トレンチは、Ｆ元素添加石英ガラスからなる第３ロッド３３のみにより構成される。

なお、Ｆ元素添加石英ガラスからなる第３ロッド３３の一部又は全てに替えて、中空の石英ガラス製パイプが用いられてもよい。このようなパイプを用いる場合、中空部の屈折率は石英ガラスの屈折率より有意に小さいので、より大きな屈折率差を実現することができ、或いは、より少ないパイプ本数で同等の屈折率差を実現することができる。ただし、このようなパイプを用いる場合には、線引時にパイプの中空部を維持することが必要となる。これに対して、中実のロッドを用いる場合には製造が容易である。

（第４実施形態）
図６は、第４実施形態の母材４の断面図である。この母材４は、図５に示された中間母材３と同じ構成を有する中間母材３Ａ、３Ｂ、３Ｃ及び３Ｄを含み、これら中間母材３Ａ〜３Ｄがクラッド層４４により覆われている。なお、中間母材３Ａ〜３Ｄがクラッド層４４に取り囲まれた構造は、例えば、中間母材３Ａ〜３Ｄを、それらの周囲を複数本の石英ガラス製ロッドで取り囲まれ状態で、石英ガラス製パイプに挿入したのち、一体化（加熱）することで得られる。このような母材４が、図３（ａ）に示された線引装置により線引されることで、光ファイバが製造される。なお、製造された光ファイバは、共通のクラッド中に４個のコアを有するマルチコア光ファイバとなる。また、図６中において六角図形を示す二重の実線は、上述のように、仮想線である。

１〜４…中間母材、１０…ロッドユニット、１１…第１ロッド、１２…第２ロッド、１４、２４、３４、４４…クラッド層、２１…第１ロッド、２２…第２ロッド、２３…第３ロッド、３１…第１ロッド、３２…第２ロッド、３３…第３ロッド、１００…母材（光ファイバ母材）、２００…光ファイバ、２１０…コア部、２２０…クラッド部。

Claims (7)

1. 互いに屈折率が異なる複数のロッド群を用意し、前記ロッド群のそれぞれは、最低２本のロッドを含み、前記ロッド群内のロッドの屈折率が同じであり、
   前記複数のロッド群より、２以上の異なる屈折率の複数本のロッドを選択し、選択された複数本のロッドが所定の形状に配列された２以上のロッドユニットを構成し、前記所定の形状は、前記複数本のロッドが組み合わされた際の母材の形状が２回以上回転対称性を有する形状となる断面形状であり、
   ２回以上の回転対称性を有する断面形状を構成するよう、前記２以上のロッドユニットが組み合わされた領域を含む母材を作製し、
   前記母材を線引することにより光ファイバを製造する光ファイバ製造方法。
2. 前記ロッドユニット１以上を延伸し、延伸されたロッドユニットをその長手方向に沿って２以上に分割し、得られた分割ロッドユニットを用いて前記母材を作製することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ製造方法。
3. 前記複数のロッド群の屈折率の種類は、３種類以下であり、
   製造されるべき光ファイバの或る断面領域内の屈折率は、その領域内に存在する１又はそれ以上の複数本のロッドの平均屈折率で実現されることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ製造方法。
4. 前記２以上のロッドユニットを組み合わせることにより構成された前記領域の断面形状は、４回、６回又は８回の回転対称性を有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ製造方法。
5. 前記２以上のロッドユニットを構成するロッドは、全て中実ロッドであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ製造方法。
6. 製造されるべき光ファイバの中心部を構成するロッドの断面積は、他の部分を構成するロッドの断面積より大きいことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ製造方法。
7. 少なくとも一つのコア領域を有する光ファイバであり、
   前記コア領域は、コア中心に対して、複数の回転対称領域を有し、
   前記回転対称領域は、径方向、周方向ともに２種類以上異なる微小領域で構成されていることを特徴とする光ファイバ。

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