JP2016175800A - 光ファイバの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 線引き時に生じる見かけ上の外径変動の影響を受けることなく、外径制御を可能にする。【解決手段】 線引きされた光ファイバの中心軸に直交し、かつ、互いに角度φをなす2方向から光ファイバの射影幅a、bが測定され、2方向から測定された射影幅a、bと角度φに基づいて算出された、光ファイバの横断面の大きさを示す形状特徴量Rが所定値になるように外径制御が行われる。【選択図】 図4
Description
本発明は、光ファイバの製造方法に関するものである。
以下の特許文献1、2には、非円形断面として正多角形の断面形状を持つ光ファイバ、例えば、マルチコア光ファイバ(以下、MCFと記す)が開示されている。特に、特許文献2には、図7〜図9に、三角形、四角形、七角形の断面形状を有する光ファイバについて、その外径の角度依存性が示されている。
発明者らは、従来の光ファイバの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。
非円形の断面形状を有する非円形光ファイバは、MCFを用いた接続部品を製造する際に課題のとなる回転調心の方向を一意に決定することができるという点で、好ましい。しかしながら、線引き中の光ファイバは、意図せずファイバ軸周りに回転した状態(以下、単に「回転」と記す)で線引きされることがある。円形の断面形状を有する円形光ファイバの場合と比較し、非円形光ファイバの場合、光ファイバが回転すると測定される見掛け上の外径も変動するため、光ファイバの外径測定が難しくなり、長手方向に沿って外径が安定した光ファイバの線引きが難しくなる。
上記特許文献2には、線引きにおける外径測定の回転位置依存性の解消については指摘されておらず、発明者らの知る限り、非円形光ファイバの線引きにおいて、常時正確に非円形光ファイバの外径を測定する方法はなかった。
なお、上述のような非円形光ファイバの外径制御を可能にしようとした場合、モニタ数を多くして、常時測定に近づけることは可能である。しかしながら、例えば断面形状が四角形になると、最大外径を常時正確に測定するためには、原理的には、モニタの必要数は無限である。現実的な対応では、モニタをある程度用意したとしても測定空白時間が発生するため、外径制御の精度はある程度低下してしまう。
外径が不安定な非円形光ファイバをコネクタの保持孔に挿入する場合、光ファイバ外径が不安定であると、光ファイバと保持孔との間に設けるクリアランスを大きくする必要があり、光ファイバの回転方向を十分に抑制したコネクタを得ることが難しくなる。
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、線引き時に生じる見かけ上の外径変動の影響を受けることなく、外径制御を可能にするための光ファイバの製造方法、該製造方法により製造された光ファイバ、および該光ファイバを含む光ファイバ接続部品に関するものである。
本実施形態に係る光ファイバの製造方法は、横断面の形状が2つ以上の直線部分を有するとともに回転対称性を有する光ファイバを線引きする製造方法であって、その第1の態様は、測定工程と、算出工程と、外径制御工程と、を備える。測定工程では、速度V[m/s]で線引きされる光ファイバの中心軸に直交する第1方向から該光ファイバの射影幅aが測定されるとともに、中心軸に直交するとともに第1方向に対して角度φだけずれた第2方向から光ファイバの射影幅bが測定される。なお、測定工程において、角度φは、射影幅aと射影幅bが同時刻に等価な値を取らないような角度に設定される。算出工程では、第1方向から測定された射影幅a、第2方向から測定された射影幅b、および角度φに基づいて、光ファイバの横断面の大きさを示す形状特徴量Rが算出される。形状特徴量Rは光ファイバ断面内のいずれの形状の大きさを設定しても良いが、最大断面幅(断面内で引ける直線の最大長)とすることで算出が容易となるため好ましい。外径制御工程では、算出された形状特徴量Rが所定の値になるように、外径制御(線引き速度、母材送り速度、光ファイバ巻取速度、ヒータ温度など光ファイバの外径制御に関わるパラメータの制御)が行われる。
本実施形態によれば、非円形断面を有する光ファイバの線引き時において、常に正確な形状特徴量Rのデータに基づく外径制御が可能になる。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。
(1)本実施形態に係る光ファイバの製造方法の第1の態様は、光ファイバの線引き工程において、測定工程と、算出工程と、外径制御工程と、を備える。測定工程では、速度V[m/s]で線引きされる光ファイバの中心軸に直交する第1方向から該光ファイバの射影幅aが測定されるとともに、中心軸に直交するとともに第1方向に対して角度φだけずれた第2方向から光ファイバの射影幅bが測定される。なお、角度φは、射影幅aと射影幅bが等価とならない角度に設定される。算出工程では、測定された射影幅a、b、および角度φに基づいて、形状特徴量Rが算出される。外径制御工程では、算出された形状特徴量Rが所定の値になるように、光ファイバの外径制御が行われる。
なお、本明細書において、「射影幅」とは、線引きされる光ファイバの中心軸に直交する方向から平行光速を照射し、対面側で平行光束を受光した際に測定できる光ファイバの影の幅であり、光ファイバの最大断面幅とは限らない。なお、平行光束は、必ずしも中心軸に直交していなくてもよく、その場合は、受光側で、直交方向の幅を測定できればよい。
すなわち、正m角形(m>3)の断面形状を持つ光ファイバにおいて、連立方程式によりファイバ回転角θの影響を受けることなく形状特徴量R(最大クラッド外径であって、多角形の断面形状の場合は最大対角線長に相当する)を求めることが可能になる。
なお、形状特徴量Rとして正四角形の一辺の長さLを求める場合(R=L)は、以下の式(2)に基づいて算出される。ここで、正四角形の対角線長Dと一辺の長さLは、D=L/cosφの関係を満たすため、式(2)は上記式(1)から容易に導くことが可能である。
長方形など、正多角形以外の断面形状の場合、ファイバ回転角により、算出される形状特徴量の候補は複数個存在する。このため、算出された形状特徴量の候補の中で、真値を判定するステップにより選別した形状特徴量を使用することで、非円形断面形状を有する光ファイバの外径制御が可能になる。
(2)第2の態様として、光ファイバの横断面形状は、長方形であってもよい。形状特徴量Rとして長方形の対角線長Dとなる最大断面幅を求める場合(R=D)は、線引き中に光ファイバに生じるファイバ回転角θ(0°≦θ≦180°)により、正しく形状特徴量Rを与える算出式が異なり、ファイバ回転角θが第1範囲のときの、該光ファイバにおける横断面の形状特徴量は以下の式(3)で与えられるR(i)となり、ファイバ回転角θが第1範囲とは異なる第2範囲のときの、該光ファイバにおける横断面の形状特徴量は以下の式(4)で与えられるR(ii)となる。
線引き中のファイバ回転角θを正確に知ることは困難であるため、上記測定工程は、R(i)、R(ii)のいずれが正しい形状特徴量を与えているかを判断する工程を有する。
なお、形状特徴量Rとして長方形の一辺の長さLを求める場合(R=L)は、上記R(i)およびR(ii)は、以下の式(5)および式(6)に基づいて算出される。ここで、長方形の対角線長Dと一辺の長さLは、D=L/cosφの関係を満たすため、式(5)および式(6)のそれぞれは、上記式(3)および式(4)から容易に導くことが可能である。
形状特徴量の真値が切り替わる部分では、極端に変化すると制御の安定性を損なう可能性があるため、切り替わる部分において平均値を採用するのが好ましい。
(3)上記第1および第2の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第3の態様として、第1方向から測定された射影幅aおよび第2方向から測定された射影幅bの双方をそれぞれが測定する第1モニタセットと第2モニタセットが、線引きされる光ファイバの通過経路に沿って順に配置されてもよい。この場合、第1モニタセットは、第1方向から測定された射影幅aとして、光ファイバの中心軸に直交する第3方向から光ファイバの第1射影幅a1を測定するための第1モニタ系と、第2方向から測定される射影幅bとして、該中心軸に直交し、かつ、第3方向に対して前記角度φだけずれた第4方向から前記光ファイバの第1射影幅b1を測定するための第2モニタ系と、を有する。同様に、第2モニタセットは、第1方向から測定された射影幅aとして、光ファイバの中心軸に直交し、かつ、第3方向に対してファイバ回転角θだけずれた第5方向から光ファイバの第2射影幅a2を測定するための第1モニタ系と、第2方向から測定される射影幅bとして、該中心軸に直交し、かつ、第4方向に対してファイバ回転角θだけずれるとともに第5方向に対して角度φだけずれた第6方向から光ファイバの第2射影幅b2を測定するための第2モニタ系と、を有する。この場合、測定工程では、第1モニタセットにより、第3および第4方向それぞれから測定された光ファイバの第1射影幅a1、b1が測定されるとともに、第2モニタセットにより、第5および第6方向それぞれから測定された光ファイバの第2射影幅a2、b2が測定される。算出工程では、第1射影幅a1、b1に基づいて、形状特徴量R1(i)、R1(ii)それぞれが計算されるとともに、第2射影幅a2、b2に基づいて、形状特徴量R2(i)、R2(ii)それぞれが計算された後、計算された形状特徴量R1(i)、R1(ii)、R2(i)、R2(ii)のうち実質的に同一の形状特徴量を示す組み合わせ基づいて算出された値が、形状特徴量Rに設定される。
なお、形状特徴量Rとして長方形断面の対角線長Dを算出する場合(R=D)は、上記R1(i)は測定値a1、b1および角度φに基づいて上記式(3)により得られ、上記R1(ii)は測定値a1、b1および角度φに基づいて上記式(4)により得られる。また、上記R2(i)は測定値a2、b2および角度φに基づいて上記式(3)により得られ、上記R2(ii)は測定値a2、b2および角度φに基づいて上記式(4)により得られる。一方、形状特徴量Rとして長方形断面の一辺の長さLを算出する場合(R=L)は、上記R1(i)、R1(ii)、R2(i)、R2(ii)は、測定値a1、b1、a2、b2、および角度φに基づいて上記式(5)および式(6)の何れかにより、それぞれ得られる。
(4)上記第1〜第3の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第4の態様として、速度V[m/s]で線引きされる光ファイバの通過経路に対し、第1方向から光ファイバの射影幅aを測定する第1モニタ系は、第2方向から光ファイバの射影幅bを測定するための第2モニタ系よりも間隔Ls[m]だけ離れた上流側に配置されてもよい。この場合、算出工程では、第1方向から測定された射影幅aとして、時刻t[s]において第1モニタ系により測定された値と、第2方向から測定された射影幅bとして、時刻(t+L/V)[s]において第2モニタ系により測定された値と、に基づいて、形状特徴量Rが算出される。なお、射影幅の測定系として上述のように第1および第2モニタセットが配置される構成では、第1および第2モニタセットのそれぞれが、第1および第2モニタ系を備える。
上述の構成により、1つのモニタセットを構成する複数のモニタ系の設置箇所によらず正確に光ファイバの射影幅a、bを測定することが可能になる。また、1つのモニタセットが3以上のモニタ系により構成されている場合も、各モニタ系の設置間隔に基づいて、線引きされる光ファイバの同一箇所が測定対象となるように射影幅を測定することで、同一断面における形状特徴量Rの算出が可能になる。
(5)本実施形態に係る光ファイバは、上記第1〜第4の態様のうち少なくとも何れかの態様に係る光ファイバの製造方法により製造された光ファイバであって、その横断面内に配置された複数のコアを有する。
上述の製造方法によれば、非円形断面形状を有する光ファイバであっても、該光ファイバにおける横断面の形状特徴量Rを常にモニタすることができるため、通常の円形の断面形状を有する光ファイバと同じ外径制御に基づいた光ファイバ製造が可能になる。そのため、長手方向に沿った外径偏差が±1μm/km以下、好ましくは±0.7μm/km、更に好ましくは0.5μm/km以下である光ファイバを得ることが可能になる。また、製造された光ファイバから外径安定部(長手方向に沿った外径の変動が収束した部分)を選別する必要がないため、歩留りよく当該光ファイバを含む光部品を作成することが可能になる。
(6)本実施形態に係る光ファイバ接続部品は、上記第1〜第4の態様のうち少なくとも何れかの態様に係る光ファイバの製造方法により製造された光ファイバと、該光ファイバの断面形状に対応した形状を持つ溝または孔部を有する部材と、を備える。
長手方向の沿った外径変動が安定している非円形断面を有する光ファイバを光ファイバ接続部品の保持孔に挿入する場合、外径の不安定量(長手方向に沿った外径の変動量)を考慮する必要がないため、保持孔にクリアランスを設ける必要がなく、ファイバ回転方向が抑制されたコネクタを製造することが可能になる。なお、光ファイバの外径と、対応するコネクタにおける挿入孔の径との差は0.7μm以下、更に好ましくは0.5μm以下である。これにより、光ファイバ接続部品における挿入孔の径精度を高くすることが可能になる。
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本実施形態に係る光ファイバ、光ファイバ接続部品および光ファイバの製造方法の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
以下、本実施形態に係る光ファイバ、光ファイバ接続部品および光ファイバの製造方法の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
図1(a)は、本実施形態に係る光ファイバの製造方法を実施するための製造装置(線引き装置)の一例を示す図であり、非円形かつ回転対称の断面形状を有する光ファイバの線引き時において、該光ファイバの外径制御を可能にする構造を備える。
図1(a)の線引き装置1は、光ファイバ母材100の支持機構10と、加熱炉内に設置されたヒータ20と、外径モニタセット50と、一次被覆装置60Aと、二次被覆装置60Bと、キャプスタン30と、ボビン40と、制御部70と、を少なくとも備える。支持機構10は、光ファイバ母材100を支持した状態で、制御部70の指示により、該光ファイバ母材100を矢印S1(速度V1[m/min])で示された方向に沿って加熱炉内に投入する。ヒータ20は、光ファイバ母材100の一端を線引き可能なガラス溶融温度(作業温度)まで加熱する。キャプスタン30およびボビン40は、光ファイバ母材100を線引きするための駆動機構を構成している。キャプスタン30は、矢印S2(速度V2[m/min])で示された方向に沿って光ファイバ母材100を線引きする際の線引き速度を調整するための速度調節部31を含む。外径モニタセット50は、光ファイバ母材100を線引きすることにより得られる裸ファイバ(以下、単に「光ファイバ」と記す)110の外径を測定する。特に、非円形の断面形状を有する光ファイバ110の外径制御を可能にするため、光ファイバ110のP1点とP2点との間に設けられた外径モニタセット50は、それぞれ異なる方向から光ファイバ110の見掛け上の外径値(水平方向のクラッド幅)を測定する外径モニタ系51、52により構成されている。一次被覆装置60Aは、線引きされた光ファイバ110の外周面(クラッド外周面)上に一次被覆を設けるための装置であり、光ファイバ110の外周面上に樹脂(例えば紫外線硬化樹脂など)を付着させるためのダイス60A1と、付着した樹脂を硬化させるためのUV炉等の樹脂硬化装置60A2により構成されている。また、二次被覆装置60Bは、光ファイバ110の外周面上に設けられた一次被覆の更に外周面上に二次被覆を設けるための装置であり、一次被覆の外周面上に樹脂(例えば紫外線硬化樹脂など)を付着させるためのダイス60B1と、付着した樹脂を硬化させるためのUV炉等の樹脂硬化装置60B2により構成されている。制御部70は、支持機構10による光ファイバ母材100の加熱炉内への投入速度V1の調整、ヒータ20の加熱温度、速度調節部31を介してキャプスタン30による線引き速度V2の調整、ボビン40の巻き取り速度の調整など、当該線引き装置1を構成する各部の動作を制御する。特に、制御部70は、光ファイバ110の線引き工程において、常時、外径モニタセット50から得られた外径情報(後述する射影幅a、b)に基づいて、光ファイバ110の外径制御を行う。
光ファイバ110のP1点とP2点との間に設けられた外径モニタセット50は、図1(b)に示されたように、複数の外径モニタセット50A、50Bにより構成されてもよい。図1(b)の例では、外径モニタセット50Aは、光ファイバ110の外径情報として、それぞれ異なる方向から光ファイバ110の射影幅a1、b1を測定する外径モニタ系51A、52Aにより構成されている。同様に、外径モニタセット50Bは、光ファイバ110の外径情報として、それぞれ異なる方向から光ファイバ110の射影幅a2、b2を測定する外径モニタ系51B、52Bにより構成されている。
図2は、外径モニタセット50における外径モニタ系51、52の例を示す図である。外径モニタ系51は、平行光束を出力する光出力部510Aと、平行光束の進行方向に直交するよう受光面が配置される受光部510Bにより構成されている。光出力部510Aと受光部510Bは、線引きされる光ファイバ110の中心軸(以下、「ファイバ軸」と記す)AXに直交する観察方向M1に沿って該光ファイバ110を挟むように対向配置される。このように光出力部510Aと受光部510Bが対向配置されることにより、受光部510Bは、射影幅aとして、光出力部510Aにより形成される光ファイバ110の影(図2中の斜線部分)の幅を測定する。同様に、外径モニタ系52は、平行光束を出力する光出力部520Aと、平行光束の進行方向に直交するよう受光面が配置される受光部520Bにより構成されている。光出力部520Aと受光部520Bは、線引きされる光ファイバ110のファイバ軸AXに直交する観察方向M2(観察方向M1に対して角度φだけずれた方向)に沿って該光ファイバ110を挟むように対向配置される。この外径モニタ系52においても、受光部520Bは、光ファイバ110の射影幅bとして、光出力部520Aにより形成される光ファイバ110の影(図2中の斜線部分)の幅が測定可能である。
なお、図1(b)に示された外径モニタセット50A、50Bそれぞれも、外径モニタセット50(図2)と同様の構成を有する。すなわち、外径モニタセット50Aは、光ファイバ110の外径情報として、2方向から光ファイバ110の射影幅a1、b1を測定する。同様に、外径モニタセット50Bも、2方向から光ファイバ110の射影幅a2、b2を測定する。
上述のような構造を有する線引き装置1において、例えば四角形の断面形状を有するよう製造された光ファイバ母材100は、加熱炉内のヒータ20により作業点以上の温度に加熱される。この加熱により形成された種ガラスは適宜延伸され、線引き動作が開始される。線引きされた光ファイバ(裸ファイバ)110は、その外径が制御されながら、一次被覆装置60A、二次被覆装置60Bを通過することにより、該光ファイバ110の外周面上に二層以上の樹脂層(被覆)が形成される。なお、各被覆は、光ファイバ110が樹脂を付着させるダイス60A1、60B1、樹脂を硬化させるUV炉等の樹脂硬化装置60A2、60B2を通過することにより形成され、その結果、光ファイバ素線120が得られる。この光ファイバ素線120がボビン140に巻き取られる。
なお、線引き時における溶融温度(加熱炉内温度)は低いほど、光ファイバ母材100の断面形状を保つことができるため、得られる光ファイバ110における断面の形状制御や再現性の観点から溶融温度は低いほうが好ましい。また、光ファイバ110の線引き速度V2(線速)は遅い方が、同じ張力を得るために必要な加熱炉内温度を低下させることができるため、上述の場合と同様に、得られる光ファイバ110の断面形状を保つ観点から望ましい。ただし、線引き速度V2が遅い場合は製造コストが高くなるため、好ましい線引き速度V2は100m/min以上、より好ましくは500m/min以上である。また、線引き張力は高いほうが光ファイバ母材100に対する加熱温度を低く設定できるため望ましく、好ましい線引き時の張力は、例えば100g以上、より好ましくは150g以上である。一方、線引き張力が400gを超える場合、線引き中に光ファイバ110の破断確率が著しく増加するため望ましくない。
一般的に光ファイバ110の外周面上には、2層以上の被覆(樹脂層)が設けられる。なお、被覆は、裸ファイバである光ファイバ110に接して外力が直接当該光ファイバ110に伝わらないように一次被覆層、および外傷を防止する二次被覆層からなる。それぞれの樹脂層を塗布するダイス60A1、60B1は線引き工程において直列的に配置されてもよい。また、光ファイバ110の外周面上に設けられる2層の被覆は、2層の樹脂層を同時に排出するダイスにより塗布されてもよく、この場合、線引きタワーの高さを低くすることが出来るため、線引き建屋の建造コストを軽減することが可能になる。
また、ガラスの冷却速度を制御する装置を介して線引きすることで、ダイスに入る際の光ファイバ(裸ファイバ)110の表面温度を好適な温度に制御することもできる。冷却速度を制御する装置内に流すガスのレイノルズ数は低い方が、線引きされた光ファイバ110へ与えられる乱流の発生による振動が軽減されるため望ましい。UV炉(樹脂硬化装置60A2、60B2)はUV光の強度の他に内部の温度をフィードバック制御することで、樹脂の硬化速度を適切に制御することが可能である。UV炉はマグネトロンや、紫外LEDが好適である。紫外LEDの場合、光源そのものは発熱しないため、UV炉内の温度が適切になる様に温風を入れる機構が別途備えられる。また、樹脂から脱離する成分がUV炉の炉心管の内面に付着することで、被覆に到達するUV光パワーが線引き中に変化する場合がある。この場合、予め線引き中のUV光パワーの減少度合いをモニタし、被覆に照射されるUV光のパワーが一定となるよう、線引きの動作経過時間に応じてUS光パワーが調節されるのが好ましい。さらに、UV光のパワーは、炉心管から漏れ出るUV光をモニタし、被覆に照射されるUV光のパワーが一定となるよう制御されてもよい。以上の構成により、得られる光ファイバ素線120は、その全長にわたって均質な破断強度を得ることが可能になる。
以上のように形成された二層の被覆のうち、二次被覆の耐外傷性を保持できるよう、適切な厚みに設定することが好ましい。一般に、20μm以上であるのが好ましい。
特に、本実施形態においては、断面形状は非円形であっても、被覆が厚い場合、該被覆で覆われた光ファイバ素線120の断面形状は、その外周が略円形となる。被覆の厚みを薄くすることにより、光ファイバ素線120の断面形状は、その外周が光ファイバ110の断面形状に沿った形状に近づくため、光ファイバ素線120の状態でも、光ファイバ110の回転方向を揃えることが容易になる。また、積極的に被覆の断面形状を非円形にするため、ダイス形状は円で無くても良い。被覆を非円形状とすることで線引き中のファイバの回転が抑制され、外径モニタによる外径測定値が安定するため、より安定した外径を持つ光ファイバを得ることができる。
例えば、適切なダイスや、回転を制限する冶具を用いることで、複数の光ファイバの回転方向が整列されたテープファイバや間欠的に接続された間欠テープファイバを作製するには、被覆層の全厚みは50μm以下であることが望ましい。
以上のよう被覆構造有し、最終的にボビン40に巻き取られた光ファイバ素線120は、必要に応じて着色され、光ケーブル、光コードといった一次製品へ加工され、必要に応じて他の光機器と接続するための光コネクタ等の接続部品が接続された製品として使用され得る。
図3(a)は、上述のような製造装置により製造された光ファイバ素線120(本実施形態に係る光ファイバ110を含む)の一例を示す断面図である。また、図3(b)は、本実施形態に係る光ファイバ接続部品2の一例を示す斜視図である。
図3(a)に示された光ファイバ素線120は、裸ファイバである光ファイバ110と、光ファイバ110の外周面上に設けられた一次被覆121と、一次被覆121の外周面上に設けられた二次被覆122を備える。また、図3(a)に示された例では、光ファイバ110は、複数のコア111と、これらコア111それぞれを覆う共通クラッド112を有するとともに、正四角形の断面形状を有するMCFである。
得られたMCFは、ITU−T国際規格G.652.Dに準拠することが望ましい。さらに得られたMCFは、G.657.A1、G.657.A2、G657.B3の各規格に準拠する曲げ損失特性を持つことが望ましい。このような規格に準拠したMCFは、規格G.652.Dに準拠する汎用シングルモードファイバ(以下、「SMF」と記す)と低損失で接続することができ、かつ、伝送システム上は規格G.652.Dに準拠した光ファイバと同様に扱うことができる。各コア111はステップ型、GI型、W型、トレンチ型など、コア111間のクロストークや、閉じ込め損失をはじめとした伝送特性を適切な値とするため、当業者が想起できる屈折率構造を採用することが可能である。
また、本実施形態における光ファイバ110がMCFの場合、コア111それぞれの伝搬定数は、コア同士で互いに一致しても、異なっていても構わない。また、本実施形態のMCFは、各コアを別々のチャネルとして光伝送を可能にする非結合型MCFでも、複数コアに跨ったスーパーチャネルとして光伝送を可能にする結合型MCFであっても構わない。また、各コアが複数のモードを伝播する数モードファイバであっても構わない。
なお、本実施形態に係る光ファイバ110の組成として、コア111と共通クラッド112は、何れもSiO2ガラスを主成分とし、共通クラッド112の屈折率よりもコア111の屈折率の方が高く設定される。また、共通クラッド112は、F、Clを含んでいても含まなくてもよい。
図3(b)に示された光ファイバ接続部品200は、複数本の光ファイバ素線120(それぞれ本実施形態に係る光ファイバ110を含む)と、これら複数の光ファイバ素線120の先端部分を保持する保持孔230(光ファイバ110の断面形状に対応した形状)を有する部材210(コネクタ)を備える。なお、光ファイバ素線120の各先端部分では、被覆121、122が除去され、光ファイバ110(裸ファイバ)が露出した状態になっている。また、部材210は、保持孔220に替え、光ファイバ110の断面形状に対応した溝が設けられていてもよい。
本実施形態の光ファイバ110の断面形状には種々の形状が採用可能である。具体的に本実施形態に係る光ファイバ110は、1または複数のコア111と共通クラッド112有し、当該光ファイバ110の横断面(ファイバ軸AXに直交する断面)において、共通クラッド112の断面形状が、少なくとも2つの直線部を有するとともに、回転対称性を有する。このような断面形状として代表的な例は、正方形(正四角形)の断面形状、長円形の断面形状が列挙可能である。
上述のような断面形状を有する光ファイバ110が回転した場合、それぞれの観察方向M1、M2が既知の角度φになるよう配置された2つ以上の外径モニタ系51、52で測定された射影幅a、bが、線引き時の光ファイバ110のファイバ回転角θ(図1(a)および図1(b)参照)に対して、後述する式(7a)、式(7b)および図5(b)に示されたように、一定の周期をもって変化する。
測定した射影幅a、bは、それぞれ2つの未知数であり、光ファイバ110の断面サイズを示す形状特徴量R、ファイバ回転角θと、既知の外径モニタ系51、52の観察方向を規定する角度φを用いることにより表すことができる。なお、形状特徴量Rは、例えば、複数の角部を有する矩形の場合は、最大対角線長または一辺の長さを好適に用いることが出来る。なお、ファイバ回転角θは、図1(a)および図1(b)中に示されたように、線引き中の光ファイバ110のファイバ軸AXに直交する面内の回転角度を示すが、ファイバ回転角θを線引き中に正確に計測することは一般に困難である。2つの外径モニタ系51、52は、ファイバ軸AXに沿って互いに異なる位置に配置されている。2つの射影幅を測定する角度φは、外径モニタ系51、52がそれぞれ等価な射影幅を同時に測定しない様に配置する。例えば、光ファイバ110の断面形状が正四角形の場合、形状特徴量Rを正四角形の対角線長Dとすると、射影幅a、bは、式(7a)と式(7b)から得られる式(8)の様に、θおよび角度φのみの関数として表すことが可能になる。これにより、測定が困難なファイバ回転角θとは無関係に形状特徴量R(実質的に、線引きされた光ファイバ110の最大クラッド外径に相当)が常時測定可能になる。なお、形状特徴量Rとして最大断面幅を設定した場合、偶数個の頂点を有する正多角形の場合、外接円の半径と同義であるが、奇数個の頂点を有する五角形以上の正多角形の場合は、対角線の長さである。線引きにおいては、ファイバ外径を一定に制御できればよく、必ずしも外接円に換算する必要はない。
図4は、本実施形態に係る光ファイバの製造方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態に係る光ファイバ110は、図1(a)および図1(b)に示された線引き装置1により製造される。この線引き工程において、光ファイバ母材100の下方に予め既知の角度φ(2つの観察方向のなす角度)となるように設置された2つの外径モニタ系51、52により、線引きされた非円形断面形状を有する光ファイバ110ファイバの射影幅a、bが測定され(ステップST510)、計算により光ファイバ110の横断面のサイズを示す形状特徴量Rが算出され(ステップST520)、算出された形状特徴量Rが一定となるように、線引き速度V2または光ファイバ母材100の加熱炉への投入速度V1、光ファイバ母材100の加熱温度、光ファイバ110の巻取速度等、を調整することにより外径制御が行われる(ステップST530)。なお、算出される形状特徴量Rは、光ファイバ110が正四角形または長方形の矩形断面を有する場合、最大断面幅(対角線長D)または直線部分の長さ(一辺の長さL)が好ましい。この外径制御は、線引き工程が終了するまで常時行われる(ステップST540)。制御部70での外径制御は、通常の線引きにおいて、光ファイバ110の外径をモニタし、得られた値を各部制御にフィードバックする従来の外径制御と主要な動作は同じであるが、モニタされた外径値に代えて、形状特徴量Rの計算値を利用している点で、従来の外径制御とは異なる。本実施形態における外径制御全体の詳細な説明は省略する。
次に、光ファイバ110の断面形状が正四角形の場合について、図5を用いてより詳細に説明する。なお、図5(a)は、射影幅a、bの測定動作を説明するための図であり、図5(b)は、ファイバ回転角θの変動に対するパラメータa、b、Rの挙動をそれぞれ説明するための図である。
図5(a)に示されたように、射影幅a、bを測定する観察方向M1、M2のなす角度はφである。また、形状特徴量Rとして最大断面幅を設定する場合は、該最大断面幅は、図5(a)に示されたような正四角形の断面形状の例では対角線長Dとなる。対角線長Dを形状特徴量Rに置き換えたとき、線引き中に光ファイバ110がθだけ回転した場合の射影幅a、bは、以下の式(7a)および式(7b)で表すことができる。
なお、形状特徴量Rとして光ファイバ110における断面の直線部分の長さを設定する場合、該直線部分は、図5(a)に示されたような正四角形の断面形状の例ではその一辺の長さLとなる。一辺の長さLを形状特徴量Rに置き換えたとき、線引き中に光ファイバ110がθだけ回転した場合の射影幅a、bは、D=L/cosφの関係を利用して上記式(7a)および式(7b)から、以下の式(9a)および式(9b)で表すことができる。
上記式(8)および式(10)からも分かるように、測定された射影幅a、bおよび予め設定された角度φにより、ファイバ回転角θによらずRを求めることができる。ただし、正四角形の例において、形状特徴量Rを対角線長Dとした場合、φ=90°のときにファイバ回転角θによらず上記式(7a)および式(7b)が等価となるため、Rを求めることができない。このため、断面形状が正四角形の場合、角度φは90°以外に設置される必要がある。同様の理由により、n角形の断面形状のRを求める場合、角度φを360°/n近傍と一致しないように設定することで、任意のファイバ回転角θに対し、θとは無関係にRを求めることができる。
なお、φ=45°とし、かつ、一辺の長さが100μmの理想的な正四角形の形状特徴量Rとして該正四角形の最大断面幅(対角線長D)を求める場合、ファイバ回転角θの変化に対する射影幅a、bおよび上記式(8)から算出された形状特徴量Rの動きは、図5(b)に示されたようになる。図5(b)において、ファイバ回転角θが0°〜180°時の射影幅aの軌跡G710は対角線長Dをモニタするθ=0°の時に最大値をとり、正四角形の辺の長さをモニタするθ=45°の時に最小値をとり、位相が180°変化して増加する軌跡を描く。また、ファイバ回転角θが0°〜180°時の射影幅bの軌跡G720は射影幅aに対し45°位相が変化した軌跡となることが分かる。このように得られた射影幅a、bと角度φに基づいて式(8)を用いて算出された形状特徴量Rのθが0°〜180°変化した時の軌跡G730は、ファイバ回転角θとは無関係に一定値となる。すなわちファイバ回転角θとは無関係に形状特徴量Rを求めることができることが分かる。
次に、他の断面形状の例として、光ファイバ110の断面形状が長方形の場合について、図6を用いて説明する。なお、図6(a)は、射影幅の測定動作を説明するための図であり、図6(b)は、ファイバ回転角θの変動に対する射影幅a、射影幅b、形状特徴量Rの挙動をそれぞれ説明するための図である。
図6(a)の例では、線引きされた光ファイバ110の断面形状が長方形の場合を示し、該長方形の対角線長Dまたは長辺の長さLが形状特徴量Rに設定され、対角線と長辺に挟まれた角度は25°である。図6(b)には、長方形の対角線長Dを形状特徴量Rに設定し、かつ、射影幅a、bを測定する観察方向M1、M2のなす角度φも25°に設定した場合の、ファイバ回転角θに対する射影幅a、bそれぞれの軌跡が示されている。なお、図6(b)において、グラフG810は、ファイバ回転角θが0°〜180°まで変化したときの射影幅aの軌跡、グラフG820は、ファイバ回転角θが0°〜180°まで変化したときの射影幅bの軌跡を、それぞれ示している。
断面形状が正四角形の場合と異なり長方形の場合、射影幅a、bの変化は、ファイバ回転角θにより以下の式(11a)および式(11b)の組、または、以下の式(12a)および式(12b)の組の何れかの組に従う。
上記式(11a)および式(11b)の組は、図6(b)中のθ範囲(i)における射影幅a、bの変化を表し、上記式(12a)および式(12b)の組は、θ範囲(ii)における射影幅a、bの変化を示す。また、上記式(11a)および式(11b)の組から求められた形状特徴量Rの候補(以下、「R候補」という)であるR(i)は、以下の式(13)で表され、上記式(12a)および式(12b)の組から求められたR候補であるR(ii)は、以下の式(14)で表される。
このように、線引きされた光ファイバ110の断面形状が長方形の場合、θ範囲(i)とθ範囲(ii)とで、R候補を表す式が異なる。そのため、ファイバ回転角θがどちらの式に従う範囲であるかを判定し、何れかの形状特徴量Rが真値か判定し選択する必要がある。
なお、上述の例では長方形の対角線長Dを形状特徴量Rに設定しているが、長方形の長辺Lが形状特徴量に設定されてもよい。この場合、射影幅a、bの変化は、ファイバ回転角θにより以下の式(15a)および式(15b)の組、または、以下の式(16a)および式(16b)の組の何れかの組に従う。なお、長方形の対角線長Dと長辺の長さLは、D=L/cosφの関係を満たすため、式(15a)および式(15b)は上記式(11a)および式(11b)から容易に導くことが可能であり、同様に、式(16a)および式(16b)は上記式(12a)および式(12b)から容易に導くことが可能である。
また、上記式(15a)および式(15b)の組から求められた形状特徴量Rの候補であるR(i)は、以下の式(17)で表され、上記式(16a)および式(16b)の組から求められた候補であるR(ii)は、以下の式(18)で表される。
続いて、長方形の対角線長Dを形状特徴量Rに設定した場合について、形状特徴量Rの真値を判定するための方法の一例を、図7〜図9を用いて説明する。なお、図7は、図6(a)に示された長方形の横断面形状を有する光ファイバについて、形状特徴量R(長方形の対角線長D)の複数候補(R1(i)、R1(ii)、R2(i)、R2(ii))の、ファイバ回転角に対する変化を示す図である。図8は、本実施形態に係る光ファイバの製造方法における算出工程(図4のステップST520)を詳細に説明するためのフローチャートである。また、図9は、本実施形態に係る光ファイバの製造方法による外径制御の効果を説明するための図である。
2つの射影幅a、bを測定するための観察方向M1、M2のなす角度は、一方の射影幅が長辺(短辺でもよい)の射影幅になるとき、他方の射影幅が長方形(図6(a))の対角線になる角度φに設定されていることが望ましい。図5(a)の例(断面形状が正四角形)とは異なり、この長方形断面の例では、図1(b)に示されたように、それぞれが2つの外径モニタ系を有する外径モニタセット50Aと外径モニタセット50Bが、ファイバ軸AXに沿ってそれぞれ異なる位置に配置される。
外径モニタセット50Aにおける2つの外径モニタ系51A、52Aそれぞれの観察方向M1、M2のなす角、および、外径モニタセット50Bにおける2つの外径モニタ系51B、52Bそれぞれの観察方向M1、M2のなす角は、何れもφに設定されている。また、外径モニタセット50A、外径モニタセット50Bは、それぞれが測定した射影幅a1、b1、a2、b2が互いに等価な値とならない様に配置されている。このように配置する方法の一例として、外径モニタセット50Aの観察方向M1と外径モニタセット50Bの観察方向M1とが90°ずれている様に配置することが出来る。このように観察方向を設定することで互いに独立した射影幅測定値a1、b1、a2、b2を得ることが出来るため、正しい形状特徴量Rを得ることが可能になる。
以下、図8のフローチャートに従って説明すると、まず、外径モニタセット50Aの外径モニタ系51A、52Aそれぞれが測定した射影幅a1、b1に基づいて上記式(13)から得られる形状特徴量Rの候補R1(i)の値と、上記式(14)から得られる形状特徴量Rの候補R1(ii)の値が算出され(ステップST521)、続いて、外径モニタセット50Bの外径モニタ系51B、52Bそれぞれが測定した射影幅a2、b2に基づいて上記式(13)から得られる形状特徴量Rの候補R2(i)の値と、上記式(14)から得られる形状特徴量Rの候補R2(ii)の値が算出される(ステップST522)。なお、図7(a)は、ステップST521で算出された形状特徴量Rの候補R1(i)およびR1(ii)の、ファイバ回転角θへの依存性を示す。また、図7(b)はステップST522で算出された形状特徴量Rの候補R2(i)およびR2(ii)それぞれの、ファイバ回転角θへの依存性を示す。図7(a)において、グラフG910Aは、ファイバ回転角θを0°から180°まで変化したときの形状特徴量Rの候補R1(i)の値、グラフG920Aは、ファイバ回転角θを0°から180°まで変化したときのR1(ii)の値を、それぞれ示す。図7(b)において、グラフG910Bは、ファイバ回転角θを0°から180°まで変化したときの形状特徴量Rの候補R2(i)の値、グラフG920Bは、ファイバ回転角θを0°から180°まで変化したときのR2(ii)の値を、それぞれ示す。
図7(a)および図7(b)に示されたように、算出された形状特徴量R1(i)、R1(ii)、R2(i)、R2(ii)がファイバ回転角θに応じて周期的に変化し、正しい形状特徴量R(最大断面幅の最有力候補となる形状特徴量)が周期的に表れ、これらR1(i)、R1(ii)、R2(i)、R2(ii)のうち、何れか2つの形状特徴量Rの候補の組合せが正しい形状特徴量であることが分かる。すなわち、図7(a)および図7(b)に示された例では、θ範囲(A)ではR1(i)とR2(ii)の組み合わせ、θ範囲(B)ではR1(i)とR2(i)の組み合わせ、θ範囲(C)ではR1(ii)とR2(i)の組み合わせ、θ範囲(D)ではθ範囲(B)と同様にR1(i)とR2(i)の組み合わせが、それぞれ正しい形状特徴量R(この例では最大断面幅)を示す組み合わせであることが分かる。なお、この関係は、ファイバ回転角θとの関係にもよるものであり、任意に変更は可能である。
そこで、ステップST523では、上述の特徴を利用し、R判定(n)の値を算出する。なお、nは判定すべき上述の組み合わせを示すケース番号であって、n=1はθ範囲(A)の組み合わせ(R1(i)とR2(ii))、n=2はθ範囲(B)およびθ範囲(D)の組み合わせ(R1(i)とR2(i))、n=3はθ範囲(C)の組み合わせ(R1(ii)とR2(i)である。ステップST523では、ケース番号1〜3について以下の式(19)に従った値(R判定(1)〜R判定(3))が算出され、算出されたR判定(1)〜R判定(3)のうちから最小の値となるケース番号nが選択される。
続いて、ステップST524では、以下の式(20)に示された式のうち、ステップST523で判定されたケース番号nのR候補(n)が算出される。すなわち、ステップST523でケース1(n=1)が選択されると式(20)のうちR候補(1)が算出され、ステップST523でケース2(n=2)が選択されると式(20)のうちR候補(2)が算出され、ステップST523でケース3(n=3)が選択されると式(20)のうちR候補(3)が算出される。
最終的に、以上のようにステップST523およびST524を経て算出されたR候補(n)の値が形状特徴量Rに設定されると(ステップST525)、この決定された形状特徴量Rに基づいて外径制御が行われる(図4のステップST530)。
なお、ステップST523における判定の精度を高めるため、更に多くの外径モニタセットを利用して冗長性を持たせること、または、カメラ等での撮像等により異なる方法で現在のファイバ回転角θを推定する方法等を組み合わせてもよい。
また、線引きされた光ファイバ110の多角形断面における頂点が表面張力により変形することを想定して、更に形状特徴量R(i)、R(ii)を算出する式に補正が加えられてもよい。自明である補正の方法として頂点の曲率半径を想定することでより正しい形状特徴量Rの算出が可能になる。
なお、上述の判定動作では、2つの外径モニタセット50A、50Bを用いたが、1つの外径モニタセットのみでも可能である。その場合、上記式(13)および式(14)の結果より、形状特徴量の候補R(i)の最大値とR(ii)の最小値をモニタし、何れかの形状特徴量を形状特徴量Rと判断する。ただし、正しいRから正しくないRに切り替わる部分(例えば、図6(b)におけるθ範囲(i)とθ範囲(ii)の境界またはその近傍)が存在し、その領域では、これら2つの形状特徴量の候補の平均値を形状特徴量Rと判断してもよい。
以上のように本実施形態によれば、非円形断面形状を有する光ファイバ110の形状特徴量Rを、ファイバ回転角θとは無関係に必要最小限の外径モニタ系を用いて測定することが可能になる。また、算出された形状特徴量Rの値に基づいて、算出後のRが所定の値(目標幅)となるよう、制御部70が、光ファイバ110の巻取速度(線引き速度V2)や光ファイバ母材100の投入速度V1を制御することで、形状特徴量Rがその長手方向に沿って安定した、非円形の断面形状を有する光ファイバ110が得られる。図9は、本実施形態に係る光ファイバの製造方法による外径制御の効果を説明するための図であるであるが、この図9からも分かるように、本実施形態の外径制御が実行された直後から、得られる光ファイバ110の形状特徴量Rは、その長手方向に沿って安定する。このように長手方向に形状特徴量Rが安定した光ファイバ110を用いることにより、当該光ファイバ110の径安定部を選別する必要がなくなり、更には、当該光ファイバ110が適用されることにより、歩留りよく光ファイバ部品を製造することが可能になる。
また、形状特徴量Rが安定している、非円形の断面形状を有する光ファイバ110(例えば、MCFなど)が光ファイバ接続部品200の保持孔220に挿入される場合(図3(b)参照)、外径の不安定量を考慮する必要がない。したがって、保持孔229に必要以上のクリアランスを設ける必要がなく、ファイバ回転方向が抑制されたコネクタを作製することが可能になる。
更に、光ファイバ110の所定の断面方向の径と、対応するコネクタの孔の径との差は,0.7μm以下であるのが好ましく、更に好ましくは0.5μm以下である。また、光ファイバ接続部品の保持孔の径に合致した、非円形の断面形状を有する光ファイバを選別する必要がないため、経済性の高い光ファイバ接続部品が作成可能になる。
1…線引き装置、110…光ファイバ(裸ファイバ)、120…光ファイバ素線、50、50A、50B…外径モニタセット、51、51A、51B、52、52A、52B…外径モニタ系、200…光ファイバ接続部品。
Claims (10)
- 中心軸に沿って延び、かつ、前記中心軸に直交する横断面の形状が2つ以上の直線部分を有するとともに回転対称性を有する光ファイバの製造方法であって、
速度V[m/s]で線引きされる前記光ファイバの中心軸に直交する第1方向から前記光ファイバの射影幅aを測定するとともに、前記中心軸に直交するとともに前記第1方向に対して角度φだけずれた第2方向から前記光ファイバの射影幅bを測定する測定工程と、
前記第1方向から測定された射影幅a、前記第2方向から測定された射影幅b、および前記角度φに基づいて、前記光ファイバの横断面の大きさを示す形状特徴量Rを算出する算出工程と、
前記算出工程において算出された前記形状特徴量Rが所定の値になるように、前記光ファイバの外径を制御する外径制御工程と、を備えた
光ファイバの製造方法。 - 前記形状特徴量Rが前記光ファイバにおける横断面形状の最大幅に相当するとき、前記式(1)中のXは1であり、前記形状特徴量Rが前記光ファイバにおける横断面の前記直線部分の何れかに相当するとき、前記式(1)中のXはcosφであることを特徴とする請求項2に記載の光ファイバの製造方法。
- 中心軸に沿って延び、かつ、前記中心軸に直交する横断面の形状が2つ以上の直線部分を有するとともに回転対称性を有する光ファイバの製造方法であって、
速度V[m/s]で線引きされる前記光ファイバの中心軸に直交する第1方向から測定された射影幅a1および前記第1方向に対し角度φだけずれた第2方向から測定された射影幅b1を測定するとともに、前記第1方向とは異なる第3方向から測定された射影幅a2および前記第3方向に対し角度φだけずれた第4方向から測定された射影幅b2を測定する測定工程と、
測定された前記射影幅a1、b1と前記角度φに基づいてファイバ回転角θ(0°≦θ≦180°)が第1範囲内であるときの形状特徴量R1(i)と前記第1範囲とは異なる第2範囲内にあるときの形状特徴量R1(ii)をそれぞれ算出するとともに、測定された前記射影幅a2、b2と前記角度φに基づいて前記ファイバ回転角θが前記第1範囲内にあるときの形状特徴量R2(i)と前記第2範囲内にあるときの形状特徴量R2(ii)をそれぞれ算出した後、得られた前記形状特徴量R1(i)、R1(ii)、R2(i)、R2(ii)のうち実質的に同一の形状特徴量を示す組み合わせに基づいて算出された値を、前記光ファイバの横断面の大きさを示す形状特徴量Rとして採用する算出工程と、
前記算出工程において採用された前記形状特徴量Rが所定の値になるように、前記光ファイバの外径を制御する外径制御工程と、を備えた
光ファイバの製造方法。 - 前記形状特徴量Rが前記光ファイバにおける横断面形状の最大幅に相当するとき、前記式(2)および式(3)中のXは1であり、前記形状特徴量Rが前記光ファイバにおける横断面の前記直線部分の何れかに相当するとき、前記式(2)および式(3)中のXはcosφであることを特徴とする請求項5に記載の光ファイバの製造方法。
- 前記ファイバ回転角θが前記第1範囲と前記第2範囲との境界またはその近傍であるとき、前記式(2)の最大値と前記式(3)の最小値の平均値が、前記形状特徴量Rに設定されることを特徴とする請求項5または6に記載の光ファイバの製造方法。
- 少なくとも前記第1および第2方向からの射影幅測定に関し、前記第1方向から射影幅測定を行う第1モニタ系は、第2方向から射影幅測定を行う第2モニタ系よりも前記光ファイバの通過経路に沿って間隔Ls[m]だけ離れた上流側に配置されており、
前記形状特徴量Rの算出に関し、少なくとも、時刻t[s]において前記第1モニタ系により測定された値と、時刻(t+L/V)[s]において前記第2モニタ系により測定された値と、が利用されることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の光ファイバの製造方法。 - 請求項1〜8の何れか一項に記載の光ファイバの製造方法により製造された光ファイバであって、前記横断面内に配置された複数のコアを有する光ファイバ。
- 請求項1〜8の何れか一項に記載の光ファイバの製造方法により製造された光ファイバと、前記光ファイバの断面形状に対応した形状を持つ溝または孔部を有する部材と、を備えた光ファイバ接続部品。
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