JP2015001741A - マルチモード光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】その端部に装着されるコネクタフェルールの挿入孔に対する偏心を安定的に低減するための構造を備えたマルチモード光ファイバを提供する。
【解決手段】マルチモード光ファイバ、その長手方向に沿ったファイバ外径は、目標ファイバ外径の±０．５μｍの範囲内において周期的に変動している。
【効果】コネクタの挿入孔の内径に対して最適なクリアランスが得られるファイバ外径が選択可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、マルチモード光ファイバに関するものである。

マルチモード光ファイバは、ファイバ間接続が容易であること、また、要求性能の低い機器を利用して容易にネットワークの構築が可能になることから、ＬＡＮ（Local Area Network）などの近距離情報通信の用途に広く使用されている。特に、マルチモード光ファイバは、ケーブル単長５００ｍ以下と光ファイバとしては短い長さで使用されることが多く、その両端にコネクタを付けた状態で使用されるのが一般的である。

特開昭６２−１３１２１０号公報

発明者は、コネクタが取り付けられる光ファイバケーブルに適用される従来のマルチモード光ファイバについて検討した結果、以下のような課題を発見した。なお、本明細書において、特に言及することなく単に「光ファイバ」と表現する場合は、「マルチモード光ファイバ」を意味するものとする。

例えば、図１（ａ）には、ボビン１１に巻かれた被覆光ファイバ１２の先端部分にコネクタフェルール２０が取り付けられる工程（コネクタ付光ファイバケーブル１０の製造工程）が示されている。なお、被覆光ファイバ１２は、マルチモード光ファイバ１００と、該マルチモード光ファイバ１００の外周面を覆う樹脂コートにより構成されている。

コネクタフェルール２０の標準的な取り付け工程では、まず、被覆光ファイバ１２の先端部分から樹脂コートを除去することによりガラス部分（ファイバ外径がＤ１のマルチモード光ファイバ１００）が露出される。続いて、表面に紫外線硬化樹脂などの接着剤が塗布されたガラス部分が、コネクタフェルール２０の挿入口２０ａから該ガラス部分を保持する光ファイバ挿入孔２０ｂ（内径Ｄ２を有する貫通孔）まで挿入された状態で、紫外線照射により接着剤を硬化させる。その後、フェルール端面が研磨され、更に、被覆光ファイバ１２の先端部分（端面研磨されたコネクタフェルール２０を含む）にハウジング部材を取り付けることにより、コネクタ付光ファイバケーブル１０が得られる。

なお、上記特許文献１には、コネクタフェルール２０に加工する光ファイバ挿入孔２０ｂの寸法について記載がある。その記載によれば、必ず使用する光ファイバの直径Ｄ１より大きくしておく必要があり、最低でも１μｍのクリアランスがコネクタフェルール２０の光ファイバ挿入孔２０ｂには設けられている。それは、光ファイバ挿入孔２０ｂへの光ファイバの挿入性を確保するためと、クリアランス部分に接着剤を流し込むためである。

しかしながら、図１（ｂ）にも示されたように、「最低でも１μｍ以上」のクリアランスがあると、光ファイバ挿入孔２０ｂの中心Ｏに対して、挿入された光ファイバの光軸ＡＸが偏心することの影響が無視できず、このクリアランスがある限り、偏心を安定して小さくすることはできない。

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、その端部に装着されるコネクタフェルールの挿入孔に対する偏心を安定的に低減するための構造を備えたマルチモード光ファイバを提供することを目的としている。

本発明は、中心軸から半径方向に沿って連続的に屈折率が低下する領域を含むＧＩ（Graded Index）型屈折率分布を有するＧＩ型マルチモード光ファイバに関し、当該マルチモード光ファイバは、構造上、長距離伝送用のシングルモード光ファイバとは明確に区別される。また、ＧＩ型マルチモード光ファイバには、高屈折率のコアと低屈折率のクラッドから構成される一般的な構造を有するマルチモード光ファイバの他、コアの外周面上に設けられた低屈折率のトレンチ部を備えたＧＩ型マルチモード光ファイバ（以下ではＢＩ型マルチモード光ファイバという）も含まれる。なお、トレンチ部は、クラッドなどの外周領域よりも低い屈折率を有し、曲げに起因した伝送特性の変動に対する耐性を当該マルチモード光ファイバに与える。また、トレンチ部は、コアとクラッドとの間に位置しても、コアから所定距離離間したクラッド内に設けられても良い。

本実施形態に係るマルチモード光ファイバは、中心軸に沿って伸び、該中心軸から半径方向に沿って連続的に屈折率が低下するα乗の屈折率分布を有するコアと、コアの外周面を取り囲むクラッドを少なくとも備える。なお、本実施形態に係るマルチモード光ファイバは、コアとクラッドとの間、あるいはクラッド内に、該クラッドよりも低い屈折率を有するトレンチ部が設けられたＢＩ型マルチモード光ファイバも含む。

特に、本実施形態に係るマルチモード光ファイバでは、当該マルチモード光ファイバの、その長手方向に沿ったファイバ外径が、目標ファイバ外径の±０．５μｍの範囲内において周期的に変動している。また、目標ファイバ外径よりも大きいファイバ外径を有する第１領域と、目標ファイバ外径よりも小さいファイバ外径を有する第２領域とが、当該マルチモード光ファイバの長手方向に沿って交互に配置されている。なお、第１領域内では、何れかの位置でファイバ外径が極大となる。また、第２領域内では、何れかの位置で前記ファイバ外径が極小となる。

更に、当該マルチモード光ファイバの長手方向に沿った距離とファイバ外径との関係において、該長手方向に沿ってファイバ外径の極大値または前記ファイバ外径の極小値が該長手方向に沿って所定の周期（例えば５０ｃｍ〜５０ｍ程度まで任意に設計可能）で出現する。

なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。

また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。

以上のように本実施形態に係るマルチモード光ファイバによれば、ファイバ外径が周期的に変動するよう製造されているため、コネクタの挿入孔の内径に対して最適な（ファイバごとに均一な大きさの）クリアランスが得られるファイバ外径が選択可能になる。なお、通常、製造されたマルチモード光ファイバは、コネクタへの取り付けが容易になるよう切断された後に出荷されるため、出荷前に予め精密な外径測定およびファイバ切断は可能である。

（ａ）は、コネクタ付光ファイケーブルの一般的な製造工程を説明するための図であり、（ｂ）は、コネクタフェルールの光ファイバ挿入孔の中心に対する光ファイバの光軸の偏心状態を説明するための図である。 （ａ）は、本発明に係るマルチモード光ファイバにおける断面構造の一例を示す図であり、（ｂ）は、その屈折率分布である。 本実施形態に係るマルチモード光ファイバの、長手方向に沿ったファイバ外径の変動を示すグラフである。 本実施形態に係るマルチモード光ファイバを製造するための線引き装置の第１の構成を示す図である。 （ａ）は、本実施形態に係るマルチモード光ファイバを製造するための線引き装置の第２の構成を示す図であり、（ｂ）は、線引き速度を調整するための速度調整装置が取り付けられるローラーの断面形状を説明するための図である。 本実施形態に係るマルチモード光ファイバを含む被覆光ファイバの先端にコネクタフェルールを取り付ける工程（コネクタ付光ファイバケーブル１０の製造工程）を説明するための図である。

以下、本発明の各実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。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。

通常、マルチモード光ファイバは、その端部にコネクタが取り付けられ、光ファイバケーブルとして使われることが多く、コネクタ取り付け作業の際のコネクタフェルールとファイバ中心を精密に一致させることが品質安定化に重要となる。

しかしながら、マルチモード光ファイバの製造では、ファイバ外径は１２５μｍを目標ファイバ外径として設定するのが一般的であるが、実際には製造ばらつきにより、製造された製品間におけるファイバ外径の平均値は±０．５μｍ程度変動する。そのため、製造されたマルチモード光ファイバの端部に取り付けられるコネクタフェルールの内径（挿入孔の内径）は製品間の変動分を見込んで大きめに作製しておく必要がある。この場合、製造された光ファイバごとに、取り付けられるコネクタに対するクリアランスの存在により光ファイバの挿入位置がばらつく他、クリアランスの大きさもばらついてしまうため、さらに偏心状態がばらつき、コネクタに対するマルチモード光ファイバの偏心状態を安定させることはできない。

本実施形態に係るマルチモード光ファイバでは、その長手方向に沿ったファイバ外径が、目標ファイバ外径の±０．５μｍの範囲内において意図的に変動するよう設計されている。このようにファイバ外径を、目標ファイバ外径を中心に故意に変動させることにより、該目標ファイバ外径となる部位が周期的に存在するマルチモード光ファイバが得られる。この目標ファイバ外径となる部位を基準にコネクタ取り付けのための端部加工をマルチモード光ファイバに施すことにより、コネクタフェルールの光ファイバ挿入孔に対するファイバ中心の偏心を安定的に低減することを本発明は意図している。

まず、図２（ａ）は、本発明に係るマルチモード光ファイバにおける断面構造の一例を示す図であり、図２（ｂ）は、その屈折率分布である。図２（ａ）に示されたマルチモード光ファイバ１００は、石英ガラスを主材料とし、中心軸（光軸ＡＸ）に沿って伸びるコア１１０と、コア１１０の外周面を取り囲むクラッド１２０と、を備えたＧＩ型マルチモード光ファイバである。コア１１０は、その中心（光軸ＡＸに一致する位置）において最大屈折率ｎ１となるα乗の屈折率分布を有する。クラッド１２０は、コア１１０の最大屈折率ｎ１よりも低い屈折率ｎ２を有し、その外径（ファイバ外径、すなわちコアおよびクラッドで構成される部分のガラス径）はＤ１である。また、マルチモード光ファイバ１００は、コネクタ接続用にカットされたファイバ端面１００ａを有する。なお、ＢＩ型マルチモード光ファイバの場合、コア１１０とクラッド１２０との間、あるいはクラッド１２０内に、該クラッド１２０よりも低い屈折率を有するトレンチ部１３０が設けられる。

マルチモード光ファイバ１００は、図２（ｂ）に示された屈折率分布１５０を有する。図２（ｂ）に示された屈折率分布１５０は、図２（ａ）中において、光軸ＡＸと直交する線Ｌ上の各部の屈折率を示しており、当該マルチモード光ファイバ１００の直径方向に沿った屈折率分布に相当する。具体的には、最大屈折率ｎ１を有しコア中心（光軸ＡＸに一致）から半径方向に連続的に減少する屈折率を有する領域１５１がコア１１０に相当し、該領域１５１の周辺の領域１５２がクラッド１２０に相当する。なお、領域１５３は、ＢＩ型マルチモード光ファイバにおけるトレンチ部に相当する領域を示す。

本実施形態に係るマルチモード光ファイバ１００は、上述のような断面構造を有するとともに、その長手方向に沿った構造的特長により規定される。すなわち、当該マルチモード光ファイバ１００は、目標ファイバ径（一般的には１２５μｍ）に対して±０．５μｍの範囲内で、周期的に変動するファイバ径を有する。図３は、本実施形態に係るマルチモード光ファイバの、長手方向に沿ったファイバ外径の変動を示すグラフである。

本実施形態に係るマルチモード光ファイバ１００は、図３に示されたように、目標ファイバ外径よりも大きいファイバ外径を有する領域Ｒ１（第1領域）と目標ファイバ外径よりも小さいファイバ外径を有する領域Ｒ２（第２領域）とが、その長手方向に沿って交互に配置されるよう設計されている。また、領域Ｒ１は、何れかの位置にファイバ外径の極大値Ｐ１が存在する一方、領域Ｒ２では、何れかの位置にファイバ外径の極小値Ｐ２が存在している。なお、目標ファイバ径とファイバ外径の極大値Ｐ１との差ｄ１は、０．５μｍ以下であり、目標ファイバ径とファイバ外径の極小値Ｐ２との差ｄ２も、０．５μｍ以下である。また、本実施形態に係るマルチモード光ファイバ１００は、目標ファイバ径に対して±０．５μｍの範囲内において、その長手方向に沿って周期的に変動するファイバ径を有している。本明細書では、１つの領域Ｒ１とそれに続く１つの領域Ｒ２を合わせた距離（両端を除いた区間内に目標ファイバ径となる位置が１つ存在する）を、ファイバ径変動周期の１周期分と規定する。

上述のような断面構造および長手方向に沿った構造を有する当該マルチモード光ファイバ１００は、例えば、図４に示された光ファイバ製造装置２Ａ（線引き装置）により得られる。

この図４に示された光ファイバ製造装置２Ａは、本実施形態に係るマルチモード光ファイバ１００用の光ファイバ母材２００の一部を軟化させるための加熱炉２１２と、加熱炉２１２に対する光ファイバ母材２００の相対位置を調節するための送出し装置２１１と、外径測定器２２１と、線引きされたマルチモード光ファイバ１００の外周面上に樹脂コートを照射するためのコーティングダイス２１３と、照射された樹脂コートを硬化させるための紫外線照射装置２１４と、得られた被覆光ファイバ１２を引き取る引取り部２２０と、巻取りドラム２１９と、当該光ファイバ製造装置２Ａの各部を制御するための制御部２２５と、を少なくとも備える。なお、引取り部２２０は、複数のローラーにより構成され、そのうち被覆光ファイバ１２を挟み込んで引き取るキャプスタンローラー２１８Ａには線引き速度を調整するための速度調整装置２１８が取り付けられている。また、線引きされたマルチモード光ファイバ１００の外周面に複数の樹脂層を塗布する場合、コーティングダイスと紫外線照射装置とでそれぞれ構成された複数組が、外径測定器２２１と引取り部２２０との間に配置されても良い。

図４に示された光ファイバ製造装置２Ａでは、石英ガラスを主成分とする光ファイバ母材２００が、送出し装置２１１により、加熱炉２１２の内部に挿入され下方に送られていく。加熱炉２１２により加熱・溶融された光ファイバ母材２００の下端が線引きされることによりマルチモード光ファイバ１００（ガラスファイバ）が得られる。このマルチモード光ファイバ１００は、樹脂が容れられたコーティングダイス２１３を通過することでその外周面上に樹脂コートが塗布され、紫外線照射装置２１４から紫外線が照射されることで該樹脂コートが硬化される。このようにして得られた被覆光ファイバ１２は、速度調整装置２１８を含む引取り部２２０の各ローラーを経て巻取りドラム２１９により巻き取られる。

加熱炉２１２とコーティングダイス２１３との間には外径測定器２２１が配置されている。外径測定器２２１は光学式装置であり、外径測定器２２１により線引きされた直後のマルチモード光ファイバ１００の外径が測定される。

外径測定器２２１により測定された結果は、制御部２２５に通知される。そして、制御部２２５により、線引き速度、加熱炉２１２の炉温などが制御される。線引き速度は速度調整装置２１８により調整される。なお、これら線引き速度、炉温などは、独立に制御され得るものではなく、相互に影響を及ぼしている。

上述の光ファイバ製造装置２Ａを利用して製造された本実施形態に係るマルチモード光ファイバ１００のサンプルについて、以下説明する。すなわち、マルチモード光ファイバ１００用の光ファイバ母材２００（図２（ａ）の断面構造の相似形状を有するとともに図２（ｂ）と同じ形状の屈折率分布を有する）は、送出し装置２１１に装着され、加熱炉２１２に挿入される。その後、炉温を２０００℃まで昇温して、線引きを開始する。その際、目標ファイバ外径を１２５．０μｍに設定して制御しつつ線引き速度を５０ｍ周期で１％変動させながら線引きを行う。その結果、１２４．５〜１２５．５μｍの範囲において周期的に変動するファイバ外径を有するマルチモード光ファイバ１００が得られる。

なお、本実施形態に係るマルチモード光ファイバ１００は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示された光ファイバ製造装置２Ｂによっても得られる。

すなわち、図５（ａ）に示された光ファイバ製造装置２Ｂは、加熱炉２１２と、送出し装置２１１と、外径測定器２２１と、コーティングダイス２１３と、紫外線照射装置２１４と、引取り部２２０と、巻取りドラム２１９と、当該光ファイバ製造装置２Ｂの各部を制御するための制御部２２５と、を少なくとも備える。

この図５（ａ）に示された光ファイバ製造装置２Ｂと、図４に示された光ファイバ製造装置２Ａとの構造上の差異は、引取り部２２０内に設けられたキャプスタンローラー２１８Ｂ、すなわち、速度調整装置２１８が取り付けられたキャプスタンローラー２１８Ｂの断面形状である。キャプスタンローラー２１８Ｂの断面は、図５（ｂ）に示されたように長径Ｘ，短径Ｙの楕円形状を有する。このような断面形状を有するキャプスタンローラー２１８Ｂを利用することにより、速度調整装置２１８による線引き速度を一定にした状態で、より短い周期でのファイバ外径の変動を実現することが可能になる。

なお、図５（ａ）に示された光ファイバ製造装置２Ｂは、上述のような引取り部２２０におけるキャプスタンローラー２１８Ｂの形状を除き、装置構成および動作において、図４に示された光ファイバ製造装置２Ａと同様である。

上述の光ファイバ製造装置２Ｂを利用して製造された本実施形態に係るマルチモード光ファイバ１００のサンプルについて、以下説明する。なお、速度調整装置２１８に取り付けられたキャプスタンローラー２１８Ｂは、外周１ｍの楕円形状の断面を有する。マルチモード光ファイバ１００用の光ファイバ母材２００（図２（ａ）の断面構造の相似形状を有するとともに図２（ｂ）と同じ形状の屈折率分布を有する）は、送出し装置２１１に装着され、加熱炉２１２に挿入される。その後、炉温を２０００℃まで昇温して、線引きを開始する。その際、目標ファイバ外径を１２５．０μｍに設定して制御しつつ線引きを行う。その結果、５０ｃｍ周期で変動するファイバ外径を有するマルチモード光ファイバ１００が得られる。

図６は、上述のような光ファイバ製造装置２Ａ、２Ｂにより製造された被覆光ファイバ１２（本実施形態に係るマルチモード光ファイバ１００を含む）の先端にコネクタフェルールを取り付ける工程（コネクタ付光ファイバケーブル１０の製造工程）を説明するための図である。なお、マルチモード光ファイバ１００における端部カット工程を除き、コネクタフェルール２０の基本的な取り付け工程は、図１（ａ）に示されたコネクタフェルール２０の標準的な取り付け工程と同様である。

すなわち、最初に、被覆光ファイバ１２の先端部分から樹脂コートを除去することによりマルチモード光ファイバ１００が露出される。露出されたマルチモード光ファイバ１００は、ファイバ外径の極大値Ｐ１と極小値Ｐ２との差が最大１．０μｍとなる範囲内において、該ファイバ外径が周期的に変動している。続いて、コネクタフェルール２０が取り付けられる一方の端部から他方の端部に向かって領域Ｒ２（ファイバ外径が目標ファイバ外径よりも小さい領域）、領域Ｒ１（ファイバ外径が目標ファイバ外径よりも大きい領域）の順に配置された区間において、当該マルチモード光ファイバ１００のファイバ外径がＤ３（例えば、コネクタフェルール２０の光ファイバ挿入孔２０ｂの内径Ｄ２よりも０．５μｍだけ小さいファイバ外径）となる位置を特定し、特定された位置から光ファイバ挿入孔２０ｂの長さ分だけ上記一方の端部側に離れた位置Ｃでマルチモード光ファイバ１００を切断する。この位置Ｃにおける当該マルチモード光ファイバ１００の切断面が、ファイバ端面１００ａ（図２（ａ）参照）となる。

さらに、切断後、表面に接着剤（紫外線硬化樹脂）が塗布された露出されたマルチモード光ファイバ１００の露出部分が、コネクタフェルール２０の挿入口２０ａから光ファイバ挿入孔２０ｂまで挿入された状態で、紫外線照射により接着剤を硬化させる。その後、フェルール端面が研磨され、更に、被覆光ファイバ１２の先端部分（端面研磨されたコネクタフェルール２０を含む）にハウジング部材を取り付けることにより、光コネクタが得られる。

以上のように本実施形態に係るマルチモード光ファイバ１００によれば、ファイバ外径が周期的に変動するよう製造されているので、目標ファイバ外径に近い部分が必ず存在する。また、取り付けられるべきコネクタフェルール２０の光ファイバ挿入孔２０ｂの内径から算出されるファイバ外径Ｄ３となる位置も、当該マルチモード光ファイバ１００の長手方向に沿って周期的に出現する。当該マルチモード光ファイバは用途によって決まった長さで使われるため、使用される長さの周期に対応する周期でそのファイバ外径を変動させておけば、樹脂コートが剥がされた端部のファイバ外径は常に目標外径に最も近い部分となる。したがって、例えば５０ｃｍ〜５０ｍ程度の周期でファイバ外径が変動する当該マルチモード光ファイバ１００であればファイバ外径の変動周期の倍数の長さで使われる光ファイバとして使用することが可能になる。

以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。

１０…コネクタ付光ファイバケーブル、１２…被覆光ファイバ、１００…マルチモード光ファイバ、２０…コネクタフェルール。

Claims (3)

1. 中心軸に沿って伸び、α乗の屈折率分布を有するコアと、
   前記コアの外周面を取り囲むクラッドと、を備えたマルチモード光ファイバであって、
   当該マルチモード光ファイバの、その長手方向に沿ったファイバ外径が、目標ファイバ外径の±０．５μｍの範囲内において周期的に変動することを特徴とするマルチモード光ファイバ。
2. 中心軸に沿って伸び、α乗の屈折率分布を有するコアと、
   前記コアの外周面を取り囲むクラッドと、を備えたマルチモード光ファイバであって、
   当該マルチモード光ファイバの長手方向に沿ったファイバ外径の最大変動が、目標ファイバ外径の±０．５μｍの範囲内であり、
   前記目標ファイバ外径よりも大きいファイバ外径を有する領域であって何れかの位置で前記ファイバ外径が極大となる第１領域と、前記目標ファイバ外径よりも小さいファイバ外径を有する領域であって何れかの位置で前記ファイバ外径が極小となる第２領域とが、前記長手方向に沿って交互に配置されたことを特徴とするマルチモード光ファイバ。
3. 前記長手方向に沿った距離と前記ファイバ外径との関係において、前記長手方向に沿って前記ファイバ外径の極大値または前記ファイバ外径の極小値が所定の周期で出現することを特徴とする請求項２に記載のマルチモード光ファイバ。

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