JP2012184142A - 空孔付き光ファイバの製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空孔付き光ファイバ用母材の中心軸と線引炉の中心軸との間にずれが生じた場合であっても、各空孔の空孔径を均一とすることが可能な空孔付き光ファイバの製造方法及び装置を提供する。
【解決手段】コアの周囲に、コアの中心軸に沿って複数の空孔２が形成されたクラッドを有する空孔付き光ファイバ用母材を線引炉３に導入し、線引炉３で空孔付き光ファイバ用母材を加熱、溶融して線引し、空孔付き光ファイバを製造する空孔付き光ファイバの製造方法において、コアの中心軸まわりに空孔付き光ファイバ用母材を回転させつつ、空孔付き光ファイバ用母材を線引炉３で加熱、溶融して線引するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホーリーファイバなどの空孔を有する空孔付き光ファイバの製造方法及び装置に関するものである。

従来のホーリーファイバ（空孔付き光ファイバ）の製造方法として、コアの中心軸に沿って複数の空孔が形成されたホーリーファイバ用母材（空孔付き光ファイバ用母材）を用い、そのホーリーファイバ用母材を線引炉に導入し加熱、溶融して線引する方法が知られている。ホーリーファイバ用母材としては、コアの周囲にクラッドが形成され、そのクラッドに、コアの中心軸に沿って、かつコアの中心軸を中心とする同一円周上に等間隔に複数の空孔が形成されたものを用いる。

線引炉は、ホーリーファイバ用母材が導入される円筒状の炉心管と、炉心管を取り囲むように設けられ、ホーリーファイバ用母材を加熱、溶融する円筒状のヒーターと、を備えており、ホーリーファイバ用母材は、その中心軸（コアの中心軸）が炉心管の中心軸と一致するように、線引炉内に導入される。線引炉内に設けられるヒーターとしては、円筒状のカーボンヒーターが一般に用いられている。

また、この方法では、ホーリーファイバ用母材の空孔に窒素等のガスを供給して空孔に圧力を加えながら線引を行うことで、ホーリーファイバ用母材を溶融させる際に空孔が押し潰されないようにしている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１〜３がある。

特開平９−１２３３０号公報 特開２００３−１４８９４８号公報 特開２００９−７２０１号公報

しかしながら、上述の従来方法では、図３に示すように、ホーリーファイバ用母材（空孔付き光ファイバ用母材）Ｐの中心軸（コアの中心軸）と炉心管（図示せず）の中心軸との間にずれが生じた場合、ヒーター３１による加熱が不均一となり、ホーリーファイバ用母材Ｐの同一面内で温度勾配が生じ、この温度勾配がホーリーファイバ用母材の粘性に勾配を生じさせて、空孔径が不均一となってしまう問題があった。より具体的には、ホーリーファイバ用母材Ｐの空孔３２には均一に圧力がかけられているので、温度が高くなり粘性が低くなるヒーター３１に近い部分にある空孔３２ほど空孔径が大きくなり、逆に、温度が低く粘性が高いヒーター３１から遠い部分にある空孔３２ほど空孔径が小さくなってしまうという問題があった。

また、近年、母材を大型化し、線引長を長く、線引速度を速くしてコストの低下を図ることが行われているが、図４に示すように、ホーリーファイバ用母材Ｐを大型化すると、ホーリーファイバ用母材Ｐとヒーター３１（炉心管の内壁）との距離が近くなるため、上述のような温度勾配の影響がより顕著となり、ホーリーファイバ用母材Ｐの中心軸がヒーター３１（線引炉）の中心軸に対して僅かでもずれると、空孔径が不均一となってしまう問題があった。なお、図３，４における破線は温度分布が等しい領域を示す所謂等温線であり、ヒーター３１の近くほど温度勾配が大きく、またヒーター３１から離れるほど温度が低下することを示している。

さらには、空孔径が不均一となってしまうと、特許文献３で示されるような空孔モニタリングシステム、すなわち、線引中の光ファイバに照明光を照射し、光ファイバを透過した照明光から検出した空孔影の幅を基に、空孔径を検出するようなシステムでは、正確な空孔径を検出することができなくなる。特許文献３では、空孔モニタリングシステムで検出した空孔径に応じて、ホーリーファイバ用母材の空孔への加圧力を制御することで、長手方向全長にわたって均一な空孔径を有するホーリーファイバを製造しているが、空孔モニタリングシステムで正確な空孔径を検出できないと、このような制御を適正に行うことができなくなる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、空孔付き光ファイバ用母材の中心軸と線引炉の中心軸との間にずれが生じた場合であっても、各空孔の空孔径を均一とすることが可能な空孔付き光ファイバの製造方法及び装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、コアの周囲に、該コアの中心軸に沿って複数の空孔が形成されたクラッドを有する空孔付き光ファイバ用母材を線引炉に導入し、該線引炉で前記空孔付き光ファイバ用母材を加熱、溶融して線引し、空孔付き光ファイバを製造する空孔付き光ファイバの製造方法において、前記コアの中心軸まわりに前記空孔付き光ファイバ用母材を回転させつつ、前記空孔付き光ファイバ用母材を前記線引炉で加熱、溶融して線引するようにした空孔付き光ファイバの製造方法である。

前記線引炉は、前記空孔付き光ファイバ用母材が導入される炉心管と、該炉心管を取り囲むように設けられ、前記空孔付き光ファイバ用母材を加熱するヒーターと、を備えており、前記空孔付き光ファイバ用母材を回転させる回転周期を、前記炉心管の前記ヒーターに囲まれた部分を前記空孔付き光ファイバ用母材が通過する時間以下としてもよい。

また、本発明は、コアの周囲に、該コアの中心軸に沿って複数の空孔が形成されたクラッドを有する空孔付き光ファイバ用母材を線引炉に導入し、該線引炉で前記空孔付き光ファイバ用母材を加熱、溶融して線引し、空孔付き光ファイバを製造する空孔付き光ファイバの製造装置において、前記線引炉で前記空孔付き光ファイバ用母材を加熱、溶融して線引する際に、前記コアの中心軸まわりに前記空孔付き光ファイバ用母材を回転させるための母材回転装置を備えた空孔付き光ファイバの製造装置である。

本発明によれば、空孔付き光ファイバ用母材の中心軸と炉心管の中心軸との間にずれが生じた場合であっても、各空孔の空孔径を均一とすることが可能な空孔付き光ファイバの製造方法及び装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る空孔付き光ファイバの製造方法に用いる空孔付き光ファイバの製造装置の概略構成図である。 図１の空孔付き光ファイバの製造装置において、線引炉内での空孔付き光ファイバ用母材とヒーターとの位置関係を説明する図である。 従来の空孔付き光ファイバの製造方法において、空孔付き光ファイバ用母材の中心軸と炉心管の中心軸との間にずれが生じた場合に、空孔径が不均一となってしまうことを説明する図である。 従来の空孔付き光ファイバの製造方法において、空孔付き光ファイバ用母材を大型化すると、空孔付き光ファイバ用母材とヒーターとの距離が近くなり、温度勾配の影響がより顕著となることを説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。また、空孔付き光ファイバとして、ホーリーファイバを用いて説明を行う。

図１は、本実施の形態に係るホーリーファイバ（空孔付き光ファイバ）の製造方法に用いるホーリーファイバの製造装置（空孔付き光ファイバの製造装置）の概略構成図であり、図２は線引炉内でのホーリーファイバ用母材（空孔付き光ファイバ用母材）とヒーターとの位置関係を説明する図である。

図１，２に示すように、ホーリーファイバの製造装置１は、コア（図示せず）の中心軸に沿って複数の空孔２が形成されたホーリーファイバ用母材Ｐを用い、そのホーリーファイバ用母材Ｐを線引炉３に導入し、線引炉３でホーリーファイバ用母材Ｐを加熱、溶融して線引し、ホーリーファイバＦを製造する装置である。

ホーリーファイバ用母材Ｐは、図示していないが、コアの周囲にクラッドが形成され、そのクラッドに、コアの中心軸に沿って、かつコアの中心軸を中心とする同一円周上に等間隔に複数（例えば６個）の空孔２が形成されたものである。

線引炉３には、線引炉３の炉心の内圧を一定に保つために内圧制御機４が設けられる。線引炉３は、ホーリーファイバ用母材Ｐが導入される円筒状の炉心管５と、炉心管５を取り囲むように設けられ、ホーリーファイバ用母材Ｐを加熱する円筒状のヒーター６と、を備えている。線引炉３内に設けられるヒーター６としては、円筒状のカーボンヒーターを用いる。

線引炉３の下流側には、順次、ファイバカッター７、外径測定器８、冷却管９、第１コーティング器１０，第１樹脂硬化炉１１、第２コーティング器１２、第２樹脂硬化炉１３、空孔モニタリングシステム１４、引取キャプスタン１５、巻取器１６が設けられる。

空孔モニタリングシステム１４は、線引中のホーリーファイバＦに照明光を照射する照明装置１７と、ホーリーファイバＦを透過した照明光からホーリーファイバＦの空孔の空孔影を検出する検出装置１８と、検出装置１８が検出した空孔影の幅から空孔径を求める演算手段１９と、を備えている。照明装置１７としては、ＬＥＤやハロゲン光源等を用い、検出装置１８としては、ＣＣＤカメラ等を用いるとよい。照明装置１７と検出装置１８とは、線引中のホーリーファイバＦを挟んで同一水平面上に配置される。また、演算手段１９は、例えば、検出装置１８で検出した画像を画像解析プログラムにより解析して空孔影の幅を測定し、その測定した空孔影の幅と、予め求めた空孔影の幅に対する空孔径の関係とを基に、ホーリーファイバＦの空孔径を演算するよう構成される。なお、この空孔モニタリングシステム１４は、特許文献３に記載されているものと同じものである。

また、ホーリーファイバ用母材Ｐには空孔加圧装置２０が接続される。空孔加圧装置２０は、ホーリーファイバ用母材Ｐの空孔２内の空気をＮ₂、Ｈｅなどの不活性ガスに置換し、ホーリーファイバ用母材Ｐの空孔２を加圧する。これにより、空孔２が押し潰されずにホーリーファイバ用母材Ｐを溶融できる。

空孔モニタリングシステム１４の演算手段１９と空孔加圧装置２０とは、制御信号線２１により接続されており、演算手段１９は、検出したホーリーファイバＦの空孔径に応じて空孔加圧装置２０を制御し、ホーリーファイバＦの空孔径が長手方向全長にわたって均一となるように、ホーリーファイバ用母材Ｐの空孔２への加圧力をコントロールする（フィードバック制御する）ようになっている。

さて、本実施の形態に係るホーリーファイバの製造装置１は、コアの中心軸まわりにホーリーファイバ用母材Ｐを回転させつつ、ホーリーファイバ用母材Ｐを線引炉３（ヒーター６）に導入する母材回転装置２２を備えている。

本実施の形態では、ホーリーファイバ用母材Ｐをロータリージョイント（回転継手）２３を介して空孔加圧装置２０に回転自在に固定するようにし、アクチュエータ２４によりロータリージョイント２３を回転させるように母材回転装置２２を構成した。ただし、母材回転装置２２の構成はこれに限定されるものではなく、コアの中心軸まわりにホーリーファイバ用母材Ｐを回転させつつ、ホーリーファイバ用母材Ｐを線引炉３に導入し線引できるものであればどのような構成であってもよい。

母材回転装置２２のアクチュエータ２４は、ホーリーファイバ用母材Ｐを回転させる回転周期が、炉心管５のヒーター６に囲まれた部分をホーリーファイバ用母材Ｐが通過する時間以下となるように、ホーリーファイバ用母材Ｐを回転させる。すなわち、本実施の形態では、炉心管５のヒーター６に囲まれた部分を通過するときに、ホーリーファイバ用母材Ｐが少なくとも１回転するようにしている。ホーリーファイバ用母材Ｐを回転させる回転周期は、一定としてもよいし、線引速度（引取キャプスタン１５の引取速度）に応じて変化させるようにしてもよい。

なお、本実施の形態では、ホーリーファイバ用母材Ｐを上から見て反時計回りに回転させるようにしているが、これに限らず、ホーリーファイバ用母材Ｐを上から見て時計回りに回転させてもよいし、また、ホーリーファイバ用母材Ｐを所定の角度（例えば１８０°）回転させるごとに回転方向を逆転させるようにしてもよい。

次に、本実施の形態に係るホーリーファイバの製造方法を説明する。

本実施の形態に係る光ファイバの製造方法では、まず、線引炉３に、ホーリーファイバ用母材Ｐを導入し、ホーリーファイバ用母材Ｐを加熱、溶融し、線引する。このとき、母材回転装置２２によりホーリーファイバ用母材Ｐをコアの中心軸まわりに回転させつつ、ホーリーファイバ用母材Ｐを線引炉３に導入し線引する。ホーリーファイバ用母材Ｐを回転させる回転周期は、炉心管５のヒーター６に囲まれた部分をホーリーファイバ用母材Ｐが通過する時間以下となるように調整される。また、ホーリーファイバ用母材Ｐの空孔２を空孔加圧装置２０により加圧する。

ホーリーファイバ用母材Ｐから線引したファイバ裸線２５は、外径測定器８により外径が測定され、冷却管９により冷却される。さらに、第１コーティング器１０によりファイバ裸線２５の表面にＵＶ硬化樹脂を塗布し、第１樹脂硬化炉１１にて紫外線照射し、ＵＶ硬化樹脂を硬化する。その後、再び第２コーティング器１２によりＵＶ硬化樹脂を塗布し、第２樹脂硬化炉１３にて紫外線照射し、ＵＶ硬化樹脂を硬化する。これにより、ファイバ裸線２５の外周にＵＶ硬化樹脂からなる被覆層を形成したホーリーファイバＦが得られる。なお、ホーリーファイバＦの分類等のため、樹脂（ＵＶ硬化性樹脂）に着色する場合がある。

その後、照明装置１７からホーリーファイバＦに照明光を照射して透過させ、その透過した照明光から検出装置１８でホーリーファイバＦの空孔の空孔影を検出する。ファイバ裸線２５は石英ガラスより形成されており、被覆層（ＵＶ硬化樹脂）は透明であるため、照明光はホーリーファイバＦを透過する。このとき、ホーリーファイバＦの空孔の部分では、照明光が散乱されて暗い影になる。この影が空孔影である。演算手段１９は、検出装置１８が検出した空孔影の幅から空孔径を求めると共に、求めた空孔径に応じて空孔加圧装置２０を制御し、ホーリーファイバＦの空孔径が長手方向全長にわたって均一となるように、ホーリーファイバ用母材Ｐの空孔２への加圧力をフィードバック制御する。

最後に、ホーリーファイバＦを、引取キャプスタン１５を介して、巻取器１６に巻き取る。このとき、外径測定器８で測定したファイバ裸線２５の外径が一定となるように、引取キャプスタン１５の引取速度を調整する。線引終了時に、ファイバカッター７でファイバ裸線２５を断線すると、製品が得られる。

以上説明したように、本実施の形態に係るホーリーファイバの製造方法では、コアの中心軸まわりにホーリーファイバ用母材Ｐを回転させつつ、ホーリーファイバ用母材Ｐを線引炉３に導入し線引するようにしている。

ホーリーファイバ用母材Ｐを回転させることにより、ホーリーファイバ用母材Ｐの中心軸と炉心管５の中心軸との間にずれが生じた場合であっても、ヒーター６による加熱を均一とし、ホーリーファイバ用母材Ｐの同一面内の温度を均一にすることが可能となる。その結果、ホーリーファイバ用母材Ｐの粘性も均一となり、ホーリーファイバＦの各空孔の空孔径を均一とすることが可能となる。

したがって、本発明によれば、ホーリーファイバ用母材Ｐを大型化し、ホーリーファイバ用母材Ｐとヒーター６（炉心管５の内壁）との距離が近くなる場合であっても、空孔径が均一なホーリーファイバＦを製造することが可能である。つまり、本発明によれば、ホーリーファイバ用母材Ｐを大型化しても、既存の線引炉３を利用して、空孔径が均一なホーリーファイバＦを歩留まりよく製造することができ、線引長を長く、線引速度を速くしてコストの低下を図ることが可能である。

また、本発明によれば、空孔径が均一なホーリーファイバＦを製造できるため、空孔モニタリングシステム１４にて正確な空孔径を得ることができる。よって、空孔モニタリングシステム１４で検出した空孔径に応じて、ホーリーファイバ用母材Ｐの空孔２への加圧力を制御することで、長手方向全長にわたって均一な空孔径を有するホーリーファイバＦを製造することが可能である。

なお、ホーリーファイバ用母材Ｐの中心軸と炉心管５の中心軸とを一致させるように、ホーリーファイバ用母材Ｐを移動させる方法も考えられるが、特に大型のホーリーファイバ用母材Ｐでは中心軸や外径が一定となっていないものも多く、このようなホーリーファイバ用母材Ｐにおいて、刻々と変化する中心軸（コアの中心軸）を常に検知することは技術的に非常に困難である。本発明では、ホーリーファイバ用母材Ｐを回転させるという簡単な構成で、空孔径が均一なホーリーファイバＦを製造可能となる。

さらに、本実施の形態に係るホーリーファイバの製造方法では、ホーリーファイバ用母材Ｐを回転させる回転周期を、炉心管５のヒーター６に囲まれた部分をホーリーファイバ用母材Ｐが通過する時間以下としているため、炉心管５のヒーター６に囲まれた部分を通過するときに、ホーリーファイバ用母材Ｐが少なくとも１回転することとなり、ヒーター６による加熱をより均一とし、ホーリーファイバＦの各空孔の空孔径を均一とすることができる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、空孔付き光ファイバとしてホーリーファイバを用いて説明を行ったが、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）でも良い。フォトニック結晶ファイバ用母材の中心軸と線引炉の中心軸との間にずれが生じた場合であっても、母材を回転させることにより、母材の同一面内の温度を均一にできるので、フォトニック結晶ファイバの各空孔の空孔径を均一とすることが可能となる。また、フォトニック結晶ファイバ用母材を回転させる回転周期を、炉心管のヒーターに囲まれた部分をフォトニック結晶ファイバ用母材が通過する時間以下とすることにより、ホーリーファイバ用母材を用いたときと同様に、ヒーターによる加熱をより均一とし、フォトニック結晶ファイバの各空孔の空孔径を均一とすることができる。

１ ホーリーファイバの製造装置（空孔付き光ファイバの製造装置）
２ 空孔
３ 線引炉
５ 炉心管
６ ヒーター
２２ 母材回転装置
Ｐ ホーリーファイバ用母材（空孔付き光ファイバ用母材）
Ｆ ホーリーファイバ（空孔付き光ファイバ）

Claims (3)

1. コアの周囲に、該コアの中心軸に沿って複数の空孔が形成されたクラッドを有する空孔付き光ファイバ用母材を線引炉に導入し、該線引炉で前記空孔付き光ファイバ用母材を加熱、溶融して線引し、空孔付き光ファイバを製造する空孔付き光ファイバの製造方法において、
   前記コアの中心軸まわりに前記空孔付き光ファイバ用母材を回転させつつ、前記空孔付き光ファイバ用母材を前記線引炉で加熱、溶融して線引するようにしたことを特徴とする空孔付き光ファイバの製造方法。
2. 前記線引炉は、前記空孔付き光ファイバ用母材が導入される炉心管と、該炉心管を取り囲むように設けられ、前記空孔付き光ファイバ用母材を加熱するヒーターと、を備えており、
   前記空孔付き光ファイバ用母材を回転させる回転周期を、前記炉心管の前記ヒーターに囲まれた部分を前記空孔付き光ファイバ用母材が通過する時間以下とした
   請求項１記載の空孔付き光ファイバの製造方法。
3. コアの周囲に、該コアの中心軸に沿って複数の空孔が形成されたクラッドを有する空孔付き光ファイバ用母材を線引炉に導入し、該線引炉で前記空孔付き光ファイバ用母材を加熱、溶融して線引し、空孔付き光ファイバを製造する空孔付き光ファイバの製造装置において、
   前記線引炉で前記空孔付き光ファイバ用母材を加熱、溶融して線引する際に、前記コアの中心軸まわりに前記空孔付き光ファイバ用母材を回転させるための母材回転装置を備えたことを特徴とする空孔付き光ファイバの製造装置。