JP2018008850A - マルチコア光ファイバ製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】純シリカガラスからなる複数のコアを有し伝送損失が小さいマルチコア光ファイバを製造することができる方法を提供する。
【解決手段】 本発明のマルチコア光ファイバ製造方法は、Ｇｅを実質的に含まない純シリカガラスからなる複数のコアと、これら複数のコアを取り囲みＦを含むシリカガラスからなるクラッドと、を有するマルチコア光ファイバを製造する方法であって、前記複数のコアの断面積の総和をＳ（μｍ２）としたときに、０.０６＜Ｔ／Ｓ＜０.４ なる関係を満たす線引張力Ｔ（ｇ）で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造する。
【選択図】図７

Description

本発明は、マルチコア光ファイバ製造方法に関するものである。
純シリカコア光ファイバは、Ｇｅを実質的に含まない純シリカガラスからなるコアと、このコアを取り囲みＦを含むシリカガラスからなるクラッドと、を有する。純シリカコア光ファイバは、一般に、コアにおけるレイリー散乱が小さいことから、Ｇｅを含むシリカガラスからなるコアを有する光ファイバと比べると伝送損失が小さい。
純シリカコア光ファイバは、光ファイバ母材を線引して製造する際に、コアの粘性がクラッドの粘性より高いことから、線引張力がコアに集中して、コアに残留応力が発生する。このコアの残留応力により、純シリカコア光ファイバでは、屈折率構造が変化したり、ガラス欠陥により伝送損失が大きくなったりすることが知られている（非特許文献１参照）。それ故、純シリカコア光ファイバの製造時の線引張力は低い方が好ましいとされている。
一方、線引張力を低くしすぎると、線引から巻取り迄の光ファイバが振れ易くなり、ファイバ径やコア径が長手方向に沿って変動し易くなる。コア径が微小に変動した場合、それにより伝送損失が大きくなる場合がある。したがって、線引張力は好適範囲が存在する。
Ｇｅを実質的に含まない純シリカガラスからなる複数のコアと、これら複数のコアを取り囲みＦを含むシリカガラスからなるクラッドと、を有するマルチコア光ファイバでは、コアの残留応力により屈折率構造が変化することで、複数のコアのうちの隣り合う２つのコアの間でのクロストークに影響が与える場合がある。このような問題を抑制する為に、線引張力を低くしたり、高粘性領域を別に設けることでコアに加わる張力を低くしたりすることが、有効であると考えられていた（特許文献１参照）。
特開２０１１−２１５５５６号公報
電子情報通信学会、vol.J72-C-1, no.3,167-176頁, 1989年
本発明者らは、光ファイバ母材の線引に関して研究開発を行う過程で、以下のような知見を得た。純シリカガラスからなる複数のコアを有するマルチコア光ファイバの製造時の線引張力を、純シリカガラスからなる単一のコアを有するシングルコア光ファイバの製造時の線引張力と同程度または低くすると、そのマルチコア光ファイバの伝送損失が大きくなる場合がある。このような現象が生じる理由は、マルチコア光ファイバでは各コアに張力が分散して加わることにより、各コアに加わる張力が低くなりすぎることにあると推測される。したがって、純シリカガラスからなる複数のコアを有するマルチコア光ファイバの製造時の線引張力は、純シリカガラスからなる単一のコアを有するシングルコア光ファイバの製造時の線引張力より高いことが好ましく、コア数やコア断面積の総和に応じて適切に設定されることが好ましい。
本発明は、本発明者らの上記知見に基づいてなされたものであり、純シリカガラスからなる複数のコアを有し伝送損失が小さいマルチコア光ファイバを製造することができる方法を提供することを目的とする。
本発明のマルチコア光ファイバ製造方法は、Ｇｅを実質的に含まない純シリカガラスからなる複数のコアと、これら複数のコアを取り囲みＦを含むシリカガラスからなるクラッドと、を有するマルチコア光ファイバを製造する方法であって、前記複数のコアの断面積の総和をＳ（μｍ２）としたときに、０.０６＜Ｔ／Ｓ＜０.４ なる関係を満たす線引張力Ｔ（ｇ）で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造する。
本発明によれば、純シリカガラスからなる複数のコアを有し伝送損失が小さいマルチコア光ファイバを製造することができる。
図１は、マルチコア光ファイバの製造方法の一例を示すフローチャートである。 図２は、実施例１のマルチコア光ファイバ群の製造条件等を纏めた表である。 図３は、実施例２のマルチコア光ファイバ群の製造条件等を纏めた表である。 図４は、実施例３のマルチコア光ファイバ群の製造条件等を纏めた表である。 図５は、比較例のシングルコア光ファイバ群の製造条件等を纏めた表である。 図６は、線引張力Ｔと伝送損失との関係を示すグラフである。 図７は、単位コア断面積当りの張力Ｔ／Ｓと伝送損失との関係を示すグラフである。 図８は、Ｔ／(Ｓ／Ｓf) と伝送損失との関係を示すグラフである。 図９は、線引張力Ｔと伝送損失との関係を示すグラフである。 図１０は、線引張力Ｔと伝送損失との関係を示すグラフである。 図１１は、１コア当りの張力Ｔ／Ｎと伝送損失との関係を示すグラフである。
本発明の一態様のマルチコア光ファイバ製造方法は、Ｇｅを実質的に含まない純シリカガラスからなる複数のコアと、これら複数のコアを取り囲みＦを含むシリカガラスからなるクラッドと、を有するマルチコア光ファイバを製造する方法であって、前記複数のコアの断面積の総和をＳ（μｍ２）としたときに、０.０６＜Ｔ／Ｓ＜０.４ なる関係を満たす線引張力Ｔ（ｇ）で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造する。
本発明の他の態様のマルチコア光ファイバ製造方法は、Ｇｅを実質的に含まない純シリカガラスからなる複数のコアと、これら複数のコアを取り囲みＦを含むシリカガラスからなるクラッドと、を有するマルチコア光ファイバを製造する方法であって、前記複数のコアの断面積の総和をＳ（μｍ２）とし、前記マルチコア光ファイバの断面積をＳｆ（μｍ２）としたときに、１,２００≦Ｔ／(Ｓ／Ｓf)≦１１,０００ なる関係を満たす線引張力Ｔ（ｇ）で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造する。
本発明の更に他の態様のマルチコア光ファイバ製造方法は、Ｇｅを実質的に含まない純シリカガラスからなる複数のコアと、これら複数のコアを取り囲みＦを含むシリカガラスからなるクラッドと、を有するマルチコア光ファイバを製造する方法であって、前記複数のコアの数をＮとしたときに、３Ｎ≦Ｔ≦２０Ｎなる関係を満たす線引張力Ｔ（ｇ）で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造する。より好適には、３Ｎ≦Ｔ≦１０Ｎ なる関係を満たす線引張力Ｔ（ｇ）で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造する。
本発明のマルチコア光ファイバ製造方法は、前記複数のコアそれぞれにおける残留応力が１００ＭＰａ以下となる線引張力で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造するのが好適である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。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すべての変更が含まれることが意図される。
図１は、マルチコア光ファイバの製造方法の一例を示すフローチャートである。マルチコア光ファイバを製造するための光ファイバ母材は、コアロッド作製工程、コアロッド加工工程、第１コラプス工程、ガラスパイプ作製工程、エッチング工程および第２コラプス工程を経て製造される。マルチコア光ファイバは、線引工程で光ファイバ母材を線引することで製造される。
コアロッド作製工程では、マルチコア光ファイバのコアとなるべきコアロッドを作製する。このコアロッドは、Ｇｅを実質的に含まない純シリカガラスからなる。コアロッドは、ＶＡＤ（Vapor Phase Axial Deposition）、ＯＶＤ（OutsideVapor Phase Deposition）およびＭＣＶＤ（Modified Chemical VaporDeposition）等の一般的な光ファイバ用ガラスロッドの作製方法により作製することができる。コアロッドに含まれるＯＨの濃度は０.１ｐｐｍ以下であることが望ましい。コアロッドに含まれるＧｅや金属等は、伝送損失で０.１ｄＢ／ｋｍとなる濃度以下であることが望ましい。このような高純度のシリカガラスからなるコアロッドを作製するにはＶＡＤ法が適している。
コアロッド加工工程では、上記コアロッドを加熱延伸し外周研削して、所望のサイズのコアロッドに加工する。加熱延伸の際に熱源として酸水素バーナを用いると、コアロッドの外周に酸水素火炎に由来するＯＨ不純物が添加されるので、このＯＨ不純物を外周研削により除去する。後述する実施例１では、コアロッドは、加熱延伸により直径１３ｍｍとされ、続く外周研削により直径７ｍｍとされた。
第１コラプス工程では、上記コアロッドをガラスパイプに挿入して、ロッドインコラプスにより両者を一体化する。ここで用いるガラスパイプは、例えば比屈折率差で０.４％〜０.７％のＦを含むシリカガラスからなるパイプである。マルチコア光ファイバでは、複数のコアのうちの隣り合う２つのコアの間でのクロストークが問題となるが、このクロストークを抑制するために、コアの屈折率より十分に小さい屈折率を有するクラッドをコアの外周に設けることが好ましく、その為にガラスパイプの比屈折率差は０.４％以上であることが好ましい。一方で、Ｆ濃度が高すぎるとＦ由来の散乱損失が増加するので、ガラスパイプのＦ濃度は比屈折率差で０.７％以下であることが好ましい。
ガラスパイプ作製工程では、マルチコア光ファイバの共通クラッドとなるべきガラスパイプを作製する。例えば比屈折率差で０.１％〜０.４％となるＦを含むシリカガラスからなる円柱体を作製し、この円柱体に軸方向に貫通する複数の孔を形成して、これをガラスパイプとする。ガラスパイプにおける孔の個数や位置は、製造されるべきマルチコア光ファイバにおけるコアの個数や位置に対応している。孔の間隔は、クロストークが５０ｄＢ＠１００ｋｍとなるように設計されるのが好ましい。後述する実施例では、マルチコア光ファイバにおいてコアピッチが４５μｍとなるように、ガラスパイプにおいて７個の孔を形成した。
エッチング工程では、上記ガラスパイプの表面に付着している異物を除去する為、エッチングを行う。ここで、異物とは、損失増加の原因となる微量の金属、気泡発生の原因となる有機物、ＯＨロス増加の原因となる水分である。エッチングに際しては、ガラスパイプを高温（通常１５００℃以上）に加熱した状態で、ガラスパイプの孔にハロゲンガスを供給することで、孔の壁面のシリカガラスをハロゲンガスと反応させて気相処理・除去し、また、併せてフッ素系のガス（ＨＦ、ＮＦ３、ＳＦ６など）を孔に供給することで、孔の壁面のシリカガラスを気相エッチング処理し、ガラスパイプの内部を清浄する。なお、ガラスパイプの孔の壁面の洗浄は、気相法でなくてもよく、ＨＦ水溶液等を用いた液相法であってもよい。
第２コラプス工程では、エッチング工程後のガラスパイプの複数の孔それぞれに、第１コラプス工程後のコアロッドを挿入し、両者の外部を酸水素バーナ、誘導加熱炉、抵抗加熱炉などの熱源により加熱して、両者を一体化することで、光ファイバ母材を作製するする。
線引工程では、光ファイバ母材の一端を加熱溶融して線引することで、マルチコア光ファイバを製造する。このときの線引張力は、マルチコア光ファイバのコア数やコア断面積の総和に応じて適切に設定される。
図２は、実施例１のマルチコア光ファイバ群の製造条件等を纏めた表である。実施例１では、光ファイバのガラス外径を１８０μｍとし、平均コア径を８μｍとし、コア数Ｎを７とした。図３は、実施例２のマルチコア光ファイバ群の製造条件等を纏めた表である。実施例２では、光ファイバのガラス外径を１４０μｍとし、平均コア径を８μｍとし、コア数Ｎを４とした。図４は、実施例３のマルチコア光ファイバ群の製造条件等を纏めた表である。実施例３では、光ファイバのガラス外径を１８０μｍとし、平均コア径を１１μｍとし、コア数Ｎを４とした。図５は、比較例のシングルコア光ファイバ群の製造条件等を纏めた表である。比較例では、光ファイバのガラス外径を１２５μｍとし、平均コア径を８μｍとし、コア数Ｎを１とした。
これら図２〜図５には、線引張力Ｔ（ｇ）、１コア当りの張力Ｔ／Ｎ、単位コア断面積当りの張力Ｔ／Ｓ、Ｔ／(Ｓ／Ｓf) および伝送損失が示されている。Ｓ（μｍ２）はコア断面積の総和である。Ｓｆ（μｍ２）は光ファイバの断面積である。伝送損失（ｄＢ／ｋｍ）は波長１５５０ｎｍでの値である。
図６は、線引張力Ｔと伝送損失との関係を示すグラフである。図７は、単位コア断面積当りの張力Ｔ／Ｓと伝送損失との関係を示すグラフである。これらの図は、４コアのマルチコア光ファイバであって、光ファイバのガラス外径が１８０μｍであってコア平均径が１１μｍのもの、および、光ファイバのガラス外径が１６０μｍであってコア平均径が８μｍのもの、それぞれについて張力と伝送損失との関係を示す。
線引工程では、線引張力は複数のコアに分散して加えられることから、コア断面積の総和Ｓが大きいほど、コアにおける単位体積のガラスが受ける張力は小さくなる。ガラス分子が受ける張力が小さくなればガラスの歪によるガラス欠陥由来の伝送損失の悪化が抑制できると考えられる。
図６から、同じ４コアのマルチコア光ファイバであっても、コアの平均径が異なると、伝送損失が増加する線引張力が相違していることが分かる。一方、図７から、コアの平均径が異なっていても、単位コア断面積当りの張力Ｔ／Ｓが０.４ｇ／μｍ２を超えると伝送損失が増加する点は同じであることが分かる。したがって、光ファイバ母材を線引してマルチコア光ファイバを製造する際に、線引張力Ｔの好適範囲は、単位コア断面積当りの張力Ｔ／Ｓから求めることができる。図７から、単位コア断面積当りの張力Ｔ／Ｓは０.０５〜０.４であるのが好適であり、この範囲において伝送損失を安定して小さくすることができることが分かる。
図８は、Ｔ／(Ｓ／Ｓf) と伝送損失との関係を示すグラフである。この図から、コア数Ｎ、コア断面積の総和Ｓおよび光ファイバの断面積Ｓｆに関係なく、Ｔ／(Ｓ／Ｓf) が１１,０００以下の範囲において、Ｔ／(Ｓ／Ｓf) に対する伝送損失の依存性がよく一致することが分かる。コアが純シリカガラスからなる場合、線引工程の際の張力はコア部に集中することが知られている。しかし、クラッド部も或る程度粘性を持つので、線引張力がクラッド部にも分散し、実際にコア部にかかる張力が減少すると推測される。それ故、コアの断面積が同じであったとしても、光ファイバの断面積Ｓｆに対するコア断面積の総和Ｓの割合が大きいほど、コアにかかる張力の割合が大きくなると推測される。よって、図８から、Ｔ／(Ｓ／Ｓf) は１,２００〜１１,０００の範囲が好適であり、この範囲において伝送損失を安定して小さくすることができることが分かる。
純シリカガラスからなる複数のコアを有するマルチコア光ファイバでは、線引工程において、線引張力が複数のコアに分散してかかる。それ故、マルチコア光ファイバでは、シングルコア光ファイバの場合と比べて線引張力を大きくすることで、伝送損失を小さくすることができる。このとき、１コア当りの張力Ｔ／Ｎが３ｇより小さい場合、コア径の微小な変動によると推測される波長に依存しない損失増加が発生する。一方、１コア当りの張力Ｔ／Ｎが２０ｇより大きい場合、短波長側で伝送損失が増加する。これは、波長６３０ｎｍにピークを持つガラス欠陥由来の伝送損失の悪化によると推測される。
また、シングルコア光ファイバの場合は１コア当りの張力が５０ｇ以下では目立ったロス増がないのに対して、マルチコア光ファイバの場合は１コア当りの張力Ｔ／Ｎの条件が２０ｇと低い。これは、マルチコア光ファイバでは、多数のコアが設けられることにより、クラッドの断面積が小さくなることで、よりコアに線引の張力がかかりやすいものと推測される。
図９および図１０それぞれは、線引張力Ｔと伝送損失との関係を示すグラフである。図９は、ファイバ径１８０μｍ、平均コア径８μｍ、コア数７のマルチコア光ファイバについて、線引張力と伝送損失との関係を示す。図１０は、ファイバ径１６０μｍ、平均コア径８μｍ、コア数４のマルチコア光ファイバについて、線引張力と伝送損失との関係を示す。
図２では、２１ｇ以下では低張力ほど伝送損失が増加している。一方、図９から、高張力側においては、張力が１４０ｇ以下では、損失増加の張力依存性は、張力１０ｇにつき０.００１ｄＢ／ｋｍ程度と損失が微増であるのに対して、張力が１４０ｇ以上では、損失増加の張力依存性は、張力１０ｇにつき０.０２ｄＢ／ｋｍ程度と急激な損失増加が発生する。この結果から、低損失なマルチコア光ファイバを得るための最適な張力は２１ｇ以上１４０ｇ以下であると推測される。
図３では、１２ｇ以下では張力が増加し始めている。一方、図１０から、高張力側においては、張力が１００ｇ以下では、損失増加の張力依存性は、張力１０ｇに対して０.００２ｄＢ／ｋｍ程度と損失が微増であったのに対して、張力が１００ｇ以上では、損失増加の張力依存性は、張力１０ｇに対して０.０１ｄＢ／ｋｍ程度と急激な損失増加が発生する。この結果から、低損失なマルチコア光ファイバを得るための最適な張力は１２ｇ以上１００ｇ以下のであると推測される。
図１１は、１コア当りの張力Ｔ／Ｎと伝送損失との関係を示すグラフである。この図は、光ファイバのガラス外径１８０μｍ、平均コア径８μｍ、コア数７のマルチコア光ファイバ、光ファイバのガラス外径１６０μｍ、平均コア径８μｍ、コア数４のマルチコア光ファイバ、および、光ファイバのガラス外径１２５μｍ、平均コア径８μｍ、コア数１のシングルコア光ファイバ、それぞれについてＴ／Ｎと伝送損失との関係を示す。
図１１から、１コア当りの張力Ｔ／Ｎが３ｇ以下である場合、全ての光ファイバで伝送損失が悪化することが分かる。また、１コア当りの張力Ｔ／Ｎが２０ｇ以下であれば、全ての光ファイバで伝送損失の増加量が張力１０ｇあたり０.０５ｄＢ／ｋｍ以下と小さく、低い伝送損失が得られる。このことから、３Ｎ≦Ｔ≦２０Ｎ なる関係を満たす線引張力Ｔで光ファイバ母材を線引してマルチコア光ファイバを製造するのが好ましい。また、３Ｎ≦Ｔ≦１０Ｎなる関係を満たす線引張力Ｔで光ファイバ母材を線引してマルチコア光ファイバを製造するのが更に好ましい。
純シリカガラスからなるコアを有する光ファイバは、線引工程の際に粘性の高いコア部に線引張力が集中することで、ガラス欠陥由来の伝送損失の増加が発生することが知られている。上記のように線引張力を好適範囲に設定することで伝送損失を小さくすることができる。
しかし、実際にマルチコア光ファイバを試作したところ、特定のコアだけ伝送損失が増加する場合があり、損失が増加したコアの残留応力は他のコアに比べて高くなる。これは、コアの配置や、コアガラス中に含まれる塩素濃度の違いにより、コア毎の粘性が僅かに異なることで、必ずしも各コアに平均的に張力が分散しないことが原因であると推測される。
このような場合、線引初期のファイバサンプルを採り測定したり、同じ組成で作成した別の光ファイバ母材を線引して製造した光ファイバのサンプルを測定したりすることで、コアの残留応力を求め、全てのコアの残留応力が１００ＭＰａ以下となるように線引張力を最適化することで、全てのコアで伝送損失を小さくすることができる。

Claims (5)

  1. Ｇｅを実質的に含まない純シリカガラスからなる複数のコアと、これら複数のコアを取り囲みＦを含むシリカガラスからなるクラッドと、を有するマルチコア光ファイバを製造する方法であって、
    前記複数のコアの断面積の総和をＳ（μｍ２）としたときに、０.０６＜Ｔ／Ｓ＜０.４ なる関係を満たす線引張力Ｔ（ｇ）で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造する、
    マルチコア光ファイバ製造方法。
  2. Ｇｅを実質的に含まない純シリカガラスからなる複数のコアと、これら複数のコアを取り囲みＦを含むシリカガラスからなるクラッドと、を有するマルチコア光ファイバを製造する方法であって、
    前記複数のコアの断面積の総和をＳ（μｍ２）とし、前記マルチコア光ファイバの断面積をＳｆ（μｍ２）としたときに、１,２００≦Ｔ／(Ｓ／Ｓf)≦１１,０００ なる関係を満たす線引張力Ｔ（ｇ）で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造する、
    マルチコア光ファイバ製造方法。
  3. Ｇｅを実質的に含まない純シリカガラスからなる複数のコアと、これら複数のコアを取り囲みＦを含むシリカガラスからなるクラッドと、を有するマルチコア光ファイバを製造する方法であって、
    前記複数のコアの数をＮとしたときに、３Ｎ≦Ｔ≦２０Ｎ なる関係を満たす線引張力Ｔ（ｇ）で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造する、
    マルチコア光ファイバ製造方法。
  4. ３Ｎ≦Ｔ≦１０Ｎ なる関係を満たす線引張力Ｔ（ｇ）で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造する、
    請求項３に記載のマルチコア光ファイバ製造方法。
  5. 前記複数のコアそれぞれにおける残留応力が１００ＭＰａ以下となる線引張力で光ファイバ母材を線引して前記マルチコア光ファイバを製造する、
    請求項１〜４の何れか１項に記載のマルチコア光ファイバ製造方法。
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