JP2014148447A - 光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】横断面が正偶数角形または正奇数角形である光ファイバを、簡単に径を一定にして製造する方法を提供する。
【解決手段】本発明の製造方法は横断面が正偶数角形である光ファイバの製造方法であって、コア前駆部と、コア前駆部の周囲を囲繞するクラッド前駆部とを備え、横断面において光ファイバと相似形であるプリフォームを用意する工程と、プリフォームを加熱し延伸して光ファイバを形成する線引工程とを含み、線引工程では、延伸後の前記光ファイバの外径を前記光ファイバの横断面において（１８０／前記偶数）×ｎ度の角度をなす２方向から測定しており（ｎは奇数であり、１８０＞（１８０／前記偶数）×ｎ）、 前記２方向から測定された２種類の前記外径を用いて前記光ファイバ横断面における外接円の径を算出して、外接円の径を経時的に一定に保持するように線引工程における延伸速度の制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバの製造方法に関し、特に横断面が正偶数角形または正奇数角形である光ファイバの製造方法に関するものである。

情報化時代の到来を受け、大量の情報の通信に用いられる光ファイバの生産量も急激に増大してきている。情報通信に用いられる一般的な光ファイバは、石英を材料とし中心部にコアを備え、コアの周りにクラッドを備えており、横断面が円形形状を有しているが、伝送量を増やすために、１本の光ファイバに複数のコアを設けたマルチコア光ファイバが提案されている。このマルチコア光ファイバでは、軸回転の調整を容易にするために、クラッドの断面形状を多角形とする場合がある。

また、特許文献１に記載されているような励起光による誘導放出で信号光を増幅又はレーザ発振して出力するファイバ増幅器やファイバレーザでは、コアに希土類元素が添加され、複数のクラッドが積層されたマルチクラッドファイバの構造が採用され、スキューモードを低減させるためにクラッドの一つの断面形状を多角形とする場合がある。

ＷＯ２００９／０２８６１４号公報

特許文献１では、光ファイバ製造工程において光ファイバの径を一定にする制御を行うため、１つの外径測定装置を用いることを前提として、２回軸対称ではない奇数角形のクラッド形状の光ファイバのみを採用することとしている。その理由は、正多角形のうち偶数角形（２回軸対象）は奇数角形（２回軸対象ではない）に比べて、クラッド外径の最大値と最小値との差が大きいので光ファイバの径を一定にする制御が困難になって歩留まりが低下するため、１つの外径測定装置のみを使用する場合は奇数角形のクラッドを有する光ファイバ製造することにしているのである。

しかしながら、例えば正五角形では、最大径は最小径の１．０５倍であり、これだけの差があるとクラッド径を一定に制御することはできない。一般に外径が円形の光ファイバの製造工程における径の一定制御は、目標径±０．７％程度の範囲内で行うからであり、５％の径の変動があると歩留まりが大きく低下し、最悪の場合は製品として使用することができなくなってしまう。さらには、特許文献１の技術は、偶数角形の光ファイバには適用できないという問題があった。現在横断面形状が正方形や正六角形の光ファイバが実用化されつつあるが、これらの光ファイバの径を一定にする制御については特許文献１に具体的な技術が説明されていない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、横断面が正偶数角形または正奇数角形である光ファイバを、簡単に径を一定にして製造する方法を提供することにある。

本発明の第１の光ファイバの製造方法は、横断面が正偶数角形である光ファイバの製造方法であって、コア前駆部と、前記コア前駆部の周囲を囲繞するクラッド前駆部とを備え、横断面において光ファイバと相似形であるプリフォームを用意する工程と、前記プリフォームを加熱し延伸して光ファイバを形成する線引工程とを含み、線引工程では、延伸後の前記光ファイバの外径を前記光ファイバの横断面において（１８０／前記偶数）×ｎ度の角度をなす２方向から測定しており（ｎは奇数であり、１８０＞（１８０／前記偶数）×ｎ）、前記２方向から測定された２種類の前記外径を用いて前記光ファイバ横断面における外接円の径を算出して、前記外接円の径を経時的に一定に保持するように前記線引工程における延伸速度の制御を行う構成を備えている。ここで正偶数角形とは数学的に厳密な意味での形状ではなく、例えば角が丸みを帯びていてもよいし、各辺の長さが厳密に同じでなくてもよい。また、横断面とは、中心軸に直交する断面のことである。

ある好適な実施形態において、２種類の前記外径の比から、前記正偶数角形の重心を通る対角線に垂直な方向と前記光ファイバの外径の測定方向の一つとのなす角を算出する。

前記正偶数角形は、正方形、正六角形、正八角形または正十角形であることが好ましい。

本発明の第２の光ファイバの製造方法は、横断面が正奇数角形である光ファイバの製造方法であって、コア前駆部と、前記コア前駆部の周囲を囲繞するクラッド前駆部とを備え、横断面において光ファイバと相似形であるプリフォームを用意する工程と、前記プリフォームを加熱し延伸して光ファイバを形成する線引工程とを含み、線引工程では、延伸後の前記光ファイバの外径を前記光ファイバの横断面において（９０／前記奇数）×ｍ度の角度をなす２方向から測定しており（ｍは奇数であり、１８０＞（９０／前記奇数）×ｍ）、前記２方向から測定された２種類の前記外径を用いて前記光ファイバ横断面における外接円の径を算出して、前記外接円の径を経時的に一定に保持するように前記線引工程における延伸速度の制御を行う構成を備えている。ここで正奇数角形とは数学的に厳密な意味での形状ではなく、例えば角が丸みを帯びていてもよいし、各辺の長さが厳密に同じでなくてもよい。また、横断面とは、中心軸に直交する断面のことである。

ある好適な実施形態において、２種類の前記外径の比から、前記正奇数角形の一つの頂点及び重心を通る線と前記光ファイバの外径の測定方向とのなす角を算出する。

前記正奇数角形は、正五角形または正七角形であることが好ましい。

ある好適な実施形態において、前記光ファイバはマルチコア光ファイバである。

ある好適な実施形態において、前記光ファイバは複数層のクラッドを有しており、最外層のクラッドの横断面の形状が前記正偶数角形又は正規数角形である。

本発明の光ファイバの製造方法は、光ファイバの径を所定の角度をなす２方向から計測してこの計測値を基に延伸速度の制御を行っているので、容易に且つ正確にファイバ径を一定にする制御を行うことができる。

実施形態１に係る光ファイバ製造装置の模式図である。 実施形態１に係る光ファイバの外径測定装置の模式的な図である。 横断面形状が正六角形の光ファイバの端面の図である。 実施形態１に係る光ファイバ径の測定値のグラフである。 横断面形状が正五角形の光ファイバの端面の図である。 実施形態２に係る光ファイバ径の測定をやり方を示す模式的な図である。 比較形態に係る光ファイバ製造装置の模式図である。 比較形態に係る光ファイバの外径測定装置の模式的な図である。 比較形態に係る光ファイバ径の測定値のグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

（実施形態１）
実施形態１に係る光ファイバの製造装置を図１に模式的に示す。また、図７は比較形態に係る光ファイバの製造装置の模式的な図である。

本実施形態および比較形態に係る光ファイバ１００は、プリフォーム２００から作製される。まず、コア前駆部２０１（相対的に屈折率が高い部分）がクラッド前駆部２０２（相対的に屈折率が低い部分）の中に囲繞されているプリフォーム２００を用意する。クラッド前駆部２０２の外形は正六角形であるので、プリフォーム２００は横断面において正六角形である。プリフォーム２００を電気炉３００の中で加熱して柔らかくさせて、この状態でプリフォーム２００の端部を延伸すると外形が六角形を保ったままで延伸されていき、光ファイバ１００となる。この工程が線引工程である。光ファイバ１００は外径測定器４００，４１０で外径を測定されながら線引きされている。ファイバ径が一定になるように外径測定器４００，４１０の出力によってプリフォーム２００の送り速度及び光ファイバ１００の引き取り速度を調整している。それからダイス５００によって外面保護のための樹脂コーティングが施され、巻き取りボビン６００に光ファイバ１００は巻き取られる。

電気炉３００において温度を調整することにより、プリフォーム２００の横断面形状と光ファイバ１００の横断面形状とが相似形になっている。このようにして本実施形態の光ファイバ１００が作製される。

本実施形態と比較形態の違いは、外径測定器４００，４１０の数の違いと、外径測定器４００，４１０からの出力によるプリフォーム２００の送り速度及び光ファイバ１００の引き取り速度を調整する方法の違いである。本実施形態では外径測定器４００，４１０が２つ存しており、比較形態では１つである。また、速度調整の方法の違いについては後述する。

比較形態においては、図８に示す外径測定器４００が１つだけである。外径測定器４００は発光部４０２と受光部４０４との間に光ファイバ１００が通過するように形成されており、発光部４０２から受光部４０４に向かう光の一部を光ファイバ１００が遮り、受光部４０４において計測される光ファイバ１００の影の幅が光ファイバ１００の径として測定される。光ファイバの横断面が円形であれば、線引工程において光ファイバが中心軸周りに回転しても測定される光ファイバの径は変化しない。しかし、光ファイバの横断面が非円形、例えば正六角形であると、中心軸周りに光ファイバが回転すると測定される光ファイバの径が変化してしまう。

図３に示すように正六角形の光ファイバ１００の外径は、観察する方向によって変化し、最大径ＨＡは外接円の直径であり、最小径ＨＢはＨＡの０．８６６倍である。比較形態では外径測定器４００が１つだけであり、光ファイバ１００の中心軸方向の回転角は計測していないので、外径測定器４００の測定値をそのまま線引工程の速度調整に用いることになる。この場合、図９に示すように、同じ１７０μｍの径（外接円の径）の光ファイバ１００であっても光ファイバ１００の回転によって１３％強も小さい測定値となることになり、この数値をそのまま速度調整に用いると、光ファイバ１００の径は大きく変動してしまうとともに、光ファイバ１００が中心軸周りに回転するたびに線引きの速度が変わってしまい工程が不安定になる。

一方本実施形態では２つの外径測定器４００，４１０を用い、両者の測定方向を１８０／６＝３０度異なる２方向としている。つまり２つの発光部４０２，４１２のなす角θを３０度にしている。横断面形状が正六角形である光ファイバ１００の最大径ＨＡと最小径ＨＢとは、観察方向を考えると、３０度異なる方向からそれぞれ観察しているので、本実施形態では、一方の外径測定器４００が最大径ＨＡを測定すると、もう一方の外径測定器４１０は最小径ＨＢを測定することになる。光ファイバ１００が中心軸周りに回転していった場合の２つの外径測定器４００，４１０の測定値の変化を図４に示す。２種類の測定値は所定の関係を有しているので、この関係を利用して、光ファイバ１００の回転角に無関係に常に外接円の直径を算出して速度調整を行う。

具体的には、一方の外径測定器４００から得られる径の値ｒａと他方の外径測定器４１０から得られる径の値ｒｂとから、一方の外径測定器４００の測定方向が最大径ＨＡを測定する方向（正六角形の重心を通る対角線に対して垂直な方向）となす角αを算出すると、外接円の直径はｒａ／ｃｏｓαで表される。なお、正六角形の光ファイバ１００では、ある一方向から観察した際に、中心軸周りに６０度回転するたびに最大径ＨＡが現れるので、αは０から３０度の間の値をとる。

αを算出するために２つの測定値（外径）の比ｒｂ／ｒａをまず計算する。この比ｒｂ／ｒａが、光ファイバ径の大小に依存せず、且つαとの関係がある値になる。

次にαが変化していく際に、変化していくｒｂ／ｒａの値のうち最小値が０になるように、定数ａ１（ここでは０．８６６）をｒｂ／ｒａから差し引く。ｒｂ／ｒａ−ａ１＝ｘが０となるのは、ｒａ＝ＨＡの場合すなわちαが０度の場合である。

それから、αが０から３０度の範囲において、ｘからαを求める近似式を作成する。近似式は
−５２．９２ｘ^２＋１１９．８５ｘ−０．１０６２＝ｙ
となる。即ち、ｙの値がα（度）の近似値となる。以上より、測定値ｒａとｒｂとから、外接円の直径の近似値ｒａ／ｃｏｓｙが得られる。この直径の近似値は実際の直径との差が０．１％未満であるので、横断面形状が正六角形の光ファイバ１００の径が常に一定になるように線引きの速度調整を正確に行うことができる。

特許文献１では２つの外径測定器を使用することはコストが大きくなるために否定されているが、本実施形態のように正偶数角形の横断面形状を有する光ファイバの外径を正確に測定するには、少なくとも２つの測定器がなければ不可能であり、また、中心軸周りの光ファイバの回転角を測定せずに、２つの外径測定器４００，４１０の測定値から常に正確に光ファイバの外径を算出するためには本実施形態のような換算を行うことが必要になる。

２つの外径測定器４００，４１０がなす角度は、３０度以外に、９０度（３０度×３）、１５０度（３０度×５）であっても同じ測定・換算が行える。なお、２つの外径測定器４００，４１０がなす角度が１５０度の場合は、３０度と同じ外径測定器４００，４１０の配置となる。

本実施形態では、２つの外径測定器４００，４１０を所定の角度設定で設置し、その出力を所定の式を用いて換算することにより、光ファイバ１００が中心軸の周りに回転しても常に正確な外径（外接円の径）を算出できる。従って、その外径の値を基に引き取り速度調整を的確に行うことができて、太さのむらのない光ファイバ１００を長尺で得ることができる。そのため、製品歩留まりが向上するので、外径測定器４００，４１０を２つ用いても結果的には製造コストは外径測定器４００を１つしか用いない製造方法よりも小さくなる。

（実施形態２）
実施形態２に係る製造方法は、図５、６に示す正五角形の光ファイバ１１０を製造する方法である。製造装置の構成は実施形態１と同じである。正五角形の光ファイバ１１０を横から観察した場合、外径の最大径ＰＡは正五角形の対角線に対して垂直な方向から観察したときに計測され、外径の最小径ＰＢは一つの頂点から重心を通る線に対して垂直な方向から観察したときに計測される。外接円の径はＰＡよりも大きい。

本実施形態でも、光ファイバ１１０の中心軸に対して垂直な２方向Ｄ１，Ｄ２から外径を測定する。この２つの外径測定器４００，４１０の観察方向がなす角は９０／５＝１８度である。すなわち、光ファイバが正偶数角形のときは２つの観察方向のなす角が１８０度／当該偶数であるが、光ファイバが正奇数角形のときは９０度／当該奇数である。

図６に示すように観察方向Ｄ１が、光ファイバ１１０の一つの頂点及び重心を通る線となす角が（９０＋β）度であるとき、観察方向Ｄ１において観察される径Ｌａは
Ｌａ＝Ｒ｛ｃｏｓβ＋ｃｏｓ（３６−β）｝／２
となる。ここでＲは正五角形の外接円の径である。

従って、Ｌａとβがわかれば上記式からＲを換算することができる。Ｌａは一方の外径測定器４００によって測定できるので、もう一つの外径測定器４１０により測定した径Ｌｂを用いて、実施形態１と同様にしてβを算出すればよい。具体的には以下に示すように算出する。正五角形の光ファイバ１１０では、ある一方向から観察した際に、中心軸周りに３６度回転するたびに最大径ＰＡが現れるので、βは０から１８度の間の値をとる。

βを算出するために２つの測定値（外径）の比Ｌｂ／Ｌａをまず計算する。この比Ｌｂ／Ｌａが、光ファイバ径の大小に依存せず、且つβとの関係がある値になる。

次にβが変化していく際に、変化していくＬｂ／Ｌａの値のうち最小値が０になるように、定数ｂ１（ここでは０．９５１）をＬｂ／Ｌａから差し引く。Ｌｂ／Ｌａ−ｂ１＝Ｓが０となるのは、Ｌａ＝ＰＡの場合すなわちβが１８度の場合である。

それから、βが０から１８度の範囲において、ｔからβを求める近似式を作成する。近似式は
８９．９９Ｓ^２＋１６９．７５Ｓ＋０．０２６２＝Ｔ
となる。即ち、Ｔの値がβ（度）の近似値となる。以上より、測定値ＬａとＬｂとから、外接円の直径の近似値２Ｌａ／｛ｃｏｓＴ＋ｃｏｓ（３６−Ｔ）｝が得られる。この直径の近似値は実際の直径との差が０．１％未満であるので、横断面形状が正五角形の光ファイバ１１０の径が常に一定になるように線引きの速度調整を正確に行うことができる。

２つの外径測定器４００，４１０がなす角度は、１８度以外に、５４度（１８度×３）、９０度（１８度×５）、１２６度（１８度×７）、１６２度（１８度×７）であっても同じ測定・換算が行える。なお、２つの外径測定器４００，４１０がなす角度が１６２度の場合は、１８度と同じ外径測定器４００，４１０の配置となり、１２６度の場合は５４度と同じ配置となる。

本実施形態においても実施形態１と同じ効果を奏する。

（その他の実施形態）
上述の実施形態は本願発明の例示であって、本願発明はこれらの例に限定されず、これらの例に周知技術や慣用技術、公知技術を組み合わせたり、一部置き換えたりしてもよい。また当業者であれば容易に思いつく改変発明も本願発明に含まれる。

例えば、上記実施形態では１本の光ファイバにコアが一つだけであったが、コアが複数設けられているマルチコア光ファイバであってもよい。マルチコア光ファイバはクラッドの横断面形状が正多角形のものが多く開発されているので、そのようなマルチコア光ファイバを上記の製造方法を用いて製造することが好ましい。

また、クラッドが複数層設けられている光ファイバを対象としてもよい。この場合、最外層のクラッドの横断面形状が正多角形であって、最外層のクラッド径を一定にする製造方法として上述の方法を用いることが好ましい。特にクラッドが２層であるダブルクラッドファイバの製造方法として上述の方法を好ましく適用することができる。

光ファイバの種類は特に限定されない。コアに希土類元素がドープされていてもいなくても、どちらでもよい。

光ファイバの横断面形状が正偶数角形の場合、その正偶数角形は正方形、正六角形、正八角形または正十角形のいずれかであることが好ましい。これ以上角が増えると、中心軸周りの回転による横から観察した光ファイバの径の変化が小さくなり、本発明の効果が小さくなる。

光ファイバ横断面の形状が正奇数角形の場合、その正奇数角形は正五角形または正七角形であることが好ましい。これ以上角が増えると、中心軸周りの回転による横から観察した光ファイバの径の変化が小さくなり、本発明の効果が小さくなる。

以上説明したように、本発明に係る光ファイバの製造法は、横断面が正多角形の光ファイバを太さむら無く製造することができ、種々の種類の光ファイバの製造方法等として有用である。

１００ 光ファイバ
１１０ 光ファイバ
２００ プリフォーム
２０１ コア前駆部
２０２ クラッド前駆部
４００ 外径測定器
４１０ 外径測定器

Claims (10)

1. 横断面が正偶数角形である光ファイバの製造方法であって、
   コア前駆部と、前記コア前駆部の周囲を囲繞するクラッド前駆部とを備え、横断面において光ファイバと相似形であるプリフォームを用意する工程と、
   前記プリフォームを加熱し延伸して光ファイバを形成する線引工程と
   を含み、
   線引工程では、延伸後の前記光ファイバの外径を前記光ファイバの横断面において（１８０／前記偶数）×ｎ度の角度をなす２方向から測定しており（ｎは奇数であり、１８０＞（１８０／前記偶数）×ｎ）、
   前記２方向から測定された２種類の前記外径を用いて前記光ファイバ横断面における外接円の径を算出して、前記外接円の径を経時的に一定に保持するように前記線引工程における延伸速度の制御を行う、光ファイバの製造方法。
2. ２種類の前記外径の比から、前記正偶数角形の重心を通る対角線に垂直な方向と前記光ファイバの外径の測定方向の一つとのなす角を算出する、請求項１に記載されている光ファイバの製造方法。
3. 前記光ファイバは、複数のコアを備えたマルチコア光ファイバである、請求項１又は２に記載されている光ファイバの製造方法。
4. 前記正偶数角形は、正方形、正六角形、正八角形または正十角形である、請求項１から３のいずれか一つに記載されている光ファイバの製造方法。
5. 前記光ファイバは複数層のクラッドを有する光ファイバであり、最外層の前記クラッドの横断面の形状が前記正偶数角形である、請求項１から４のいずれか一つに記載されている光ファイバの製造方法。
6. 横断面が正奇数角形である光ファイバの製造方法であって、
   コア前駆部と、前記コア前駆部の周囲を囲繞するクラッド前駆部とを備え、横断面において光ファイバと相似形であるプリフォームを用意する工程と、
   前記プリフォームを加熱し延伸して光ファイバを形成する線引工程と
   を含み、
   線引工程では、延伸後の前記光ファイバの外径を前記光ファイバの横断面において（９０／前記奇数）×ｍ度の角度をなす２方向から測定しており（ｍは奇数であり、１８０＞（９０／前記奇数）×ｍ）、
   前記２方向から測定された２種類の前記外径を用いて前記光ファイバ横断面における外接円の径を算出して、前記外接円の径を経時的に一定に保持するように前記線引工程における延伸速度の制御を行う、光ファイバの製造方法。
7. ２種類の前記外径の比から、前記正奇数角形の一つの頂点及び重心を通る線と前記光ファイバの外径の測定方向とのなす角を算出する、請求項６に記載されている光ファイバの製造方法。
8. 前記光ファイバは、複数のコアを備えたマルチコア光ファイバである、請求項６又は７に記載されている光ファイバの製造方法。
9. 前記正奇数角形は、正五角形または正七角形である、請求項６から８のいずれか一つに記載されている光ファイバの製造方法。
10. 前記光ファイバは複数層のクラッドを有する光ファイバであり、最外層の前記クラッドの横断面の形状が前記正奇数角形である、請求項６から９のいずれか一つに記載されている光ファイバの製造方法。

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