JP2018095513A - 光ファイバ製造方法、光ファイバ製造装置およびマルチコア光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、光ファイバの製造において、精密な捻りの付与が可能であり、かつ、光ファイバの切断を防ぐことを目的とする。【解決手段】本開示は、光ファイバの製造方法であって、光ファイバ母材９１を、光ファイバの送出方向ＤＺを軸として回転させながら送り出す光ファイバ母材送出工程と、前記光ファイバ母材送出工程で回転させながら送り出された光ファイバ母材９１を加熱延伸して光ファイバ９２を生成する光ファイバ生成工程と、前記光ファイバ生成工程で生成された光ファイバ９２の引取りを行う光ファイバ引取工程と、を有することを特徴とする光ファイバ製造方法である。【選択図】図２

Description

本開示は、光ファイバ製造方法、光ファイバ製造装置およびマルチコア光ファイバに関する。

光ファイバ通信の抜本的な大容量化に向け、空間分割多重（ＳＤＭ）技術が急速に進展している。ＳＤＭは１本の光ファイバに複数のコアを有しそれぞれのコアに異なる信号を伝送することが可能なマルチコア光ファイバと、異なる伝搬モード（横モード）を同時に伝送可能な多モード光ファイバ、マルチコア光ファイバと多モード光ファイバを併用したマルチコア−多モード光ファイバに大別される。さらにマルチコア光ファイバは結合型と非結合型に分類される。

多モード光ファイバや結合型マルチコア光ファイバ等を用いた伝送手法の１つであるＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｏｕｔｐｕｔ）伝送では、光ファイバやモード合分波器等で生じるモード結合を許容し、受信端でのデジタル処理により信号を復元する。しかし一方でＭＩＮＯ処理の負荷となるモード間群遅延時間差（ＤＭＤ）を低減することが要求される。この問題を解決するため、モード結合性を高めて高い頻度でのモード結合を発生させ、多モードの群速度を揃えることで、ＤＭＤを低減する検討がなされている。モード結合を発生させる手段としては、光ファイバの軸ずれや光ファイバの構造設計の最適化による方法が提案されている。

図１に関連技術の光ファイバの製造装置の一例を示す。一般的な光ファイバの製造装置３００は非特許文献１，２に示すように、加熱炉１１、光ファイバ外径測定部１２、樹脂塗布部１３であるダイス（被覆（樹脂）塗布）、被覆（樹脂）硬化部１４（加熱炉、ＵＶ照射器等）、キャプスタン１７、ボビン１８、引取母材を保持し引取量に応じて光ファイバ母材９１を加熱炉１１へ送り出す母材送り部１０等から構成される（図１）。

光ファイバ母材９１（透明ガラス母材）は２０００℃前後の加熱炉１１（電気炉）内にて加熱され、局所的に軟化したガラスは、設定された光ファイバ外径（一般的には１２５μｍ）まで細径化される。加熱炉１１の下端口から引き出された光ファイバ９２は、外径測定部１２を通過し、樹脂塗布部１３で樹脂がファイバ表面をコーティングし、樹脂硬化部１４（ＵＶ光源）で樹脂が硬化される。キャプスタン１７が、光ファイバ９４をボビン１８に送る。引取速度検出部１９は、光ファイバ９４の引取速度を検出する。またキャプスタン１７には、光ファイバ９４が滑らないようにするための保持冶具が設置される場合が多い（非特許文献１，２）。また光ファイバ内で発生する偏波モード分散（ＰＭＤ）を低減するため、キャプスタン１７の直近でローラ等でランダムに捻る方法が提案されている。

ＰＭＤの低減等で実現されている関連技術の光ファイバを捻る装置は被覆塗布・硬化した後、キャプスタン１７の前で捻る方法であるため、光ファイバが滑り精密な捻りの付与が困難であった。さらに一方向の回転で行うとキャプスタン１７とボビン１８の間にねじりが蓄積し、光ファイバが切断される場合があった。

川上彰二郎、白石和男、大橋正治著、「光ファイバとファイバ形デバイス」１９９６年７月１０日発行、Ｐ．１１ 三木哲也、須藤昭一編、「光通信技術ハンドブック」、オプトロニクス社、平成１４年１月３０日発行、ｐ．２４４

前記課題を解決するために、本開示は、光ファイバの製造において、精密な捻りの付与が可能であり、かつ、光ファイバの切断を防ぐことを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の光ファイバ製造方法は、
光ファイバ母材を、光ファイバの送出方向を軸として回転させながら送り出す光ファイバ母材送出工程と、
前記光ファイバ母材送出工程で回転させながら送り出された光ファイバ母材を加熱延伸して光ファイバを生成する光ファイバ生成工程と、
前記光ファイバ生成工程で生成された光ファイバの引取りを行う光ファイバ引取工程と、
を有することを特徴とする。

本開示の光ファイバ製造方法は、前記光ファイバ生成工程で生成された光ファイバの外経及び前記光ファイバ引取工程における引取速度を測定し、
前記光ファイバ引取工程において、前記光ファイバの外経が一定となるように、前記光ファイバ引取速度の制御を行い、
前記光ファイバ母材送出工程において、前記引取速度の測定値に基づいて、前記光ファイバ母材を回転させる速度である回転速度が設定値になるように前記光ファイバ母材の回転速度を制御する、
ことを特徴としてもよい。

本開示の光ファイバ製造方法は、前記光ファイバ引取工程における前記光ファイバ引取の応答速度は、前記光ファイバ生成工程で生成された光ファイバの外径の測定値を関数処理した制御信号の応答速度より低速であり、かつ、
前記光ファイバ母材送出工程における前記光ファイバ母材の回転の応答速度は、前記光ファイバ引取工程における前記光ファイバの引取速度の測定値を関数処理した制御信号の応答速度より低速であること、
を特徴としてもよい。

本開示の光ファイバ製造方法は、前記光ファイバ引取工程において、前記光ファイバを引取る際の固定応力の下限値が、前記光ファイバ母材の回転速度に応じて設定されることを特徴としてもよい。

本開示の光ファイバ製造装置は、
光ファイバ母材を回転させる母材回転部と、
回転させながら送り出された光ファイバ母材を加熱延伸して光ファイバを生成する加熱炉と、
前記加熱炉で生成された光ファイバを引取る光ファイバ引取部と、
を備えることを特徴とする。

本開示の光ファイバ製造装置は、入力された回転率と一致するように前記母材回転部の回転速度を制御する回転率制御部と、
前記加熱炉で生成された光ファイバの外径を測定する外径測定部と、
前記加熱炉で生成された光ファイバの外経が一定となるように、前記光ファイバ引取速度の制御する光ファイバ引取速度制御部と、
をさらに備えることを特徴としてもよい。

本開示の光ファイバ製造装置は、前記光ファイバ引取部は、前記光ファイバを固定するベルトの前記光ファイバと接する面に、前記ベルトの回転方向と水平でもなく垂直でもない方向に凹凸形状が形成されていることを特徴としてもよい。

本開示のマルチコア光ファイバは、
複数のコアが存在するマルチコア光ファイバであって、
単位長さ当たりの捻じれ量が連続的に変化し、ファイバの中心以外に存在するコアの形状が、光ファイバ長手方向にクロソイド曲線となっていることを特徴とする。

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。

本開示によれば、光ファイバの製造において、精密な捻りの付与が可能であり、かつ、光ファイバの切断を防ぐことができる。

一般的な光ファイバ製造装置の構成図である。 実施形態１に係る光ファイバ製造装置の構成図の一例である。 実施形態２に係る光ファイバ製造装置の構成図の一例である。 実施形態３に係る光ファイバ製造装置の一例である。 時定数補正係数と制御収束最大時間の実験結果を示す図である。 時定数補正係数と光ファイバ外径変動の実験結果を示す図である。 実施形態４に係る光ファイバ引取部の構成図の一例である。 回転率の変化による光ファイバ外径変動と光ファイバに掛かる応力／紡糸張力の関係を示す図である。 実施形態４に係る固定用ベルトの第１例である。 実施形態４に係る固定用ベルトの第２例である。 実施形態４に係る固定用ベルトの第３例である。 実施形態４に係る固定用ベルトの第４例である。 固定用ベルトの構造の違いと光ファイバ外径変動の関係を示す図である。 結合型マルチコアファイバの回転率に対する空間モード分散係数をプロットした結果を示す図である。 実施形態５に係るマルチコア光ファイバの一例を示す図である。 捻じれ付与の変化とマルチコア光ファイバの伝搬損失の関係を示す図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
本実施形態は、少なくとも光ファイバ母材送出手段、光ファイバ母材加熱手段、光ファイバ外径測定手段、光ファイバ引取手段を備える装置において、光ファイバ母材送出手段で光ファイバ母材９１の送出方向Ｄ_Ｚを軸とする回転方向Ｄ_Ｒに光ファイバ母材９１を回転させる機構を具備することを特徴とする。光ファイバ母材９１を回転させる方法であるため、高精度な捻りの付与が可能となる。

図２に本実施形態に係る光ファイバ製造装置の一例を示す。本開示の光ファイバ製造装置３０１は、加熱炉１１、外径測定部１２、樹脂塗布部１３、樹脂硬化部１４、張力測定部１５、滑車１６、光ファイバ引取部３４、ボビン１８、母材回転部３１、回転部３２及び光ファイバ母材送出部３３を備える。光ファイバ引取部３４は、キャプスタン１７、引取速度検出部１９及び固定用ベルト１７１を備える。図１との構成上の相違点は、母材回転部３１が追加されている点である。

光ファイバ母材送出部３３が光ファイバ母材送出手段として機能し、加熱炉１１が光ファイバ母材加熱手段として機能し、外径測定部１２が光ファイバ外径測定手段として機能し、光ファイバ引取部３４が光ファイバ引取手段として機能し、母材回転部３１及び回転部３２が光ファイバ母材９１を回転させる機構として機能する。

本実施形態に係る光ファイバ製造方法は、光ファイバ製造装置３０１が、光ファイバ母材送出工程と、光ファイバ生成工程と、光ファイバ引取工程と、を実行する。

光ファイバ母材送出工程では、母材回転部３１が、光ファイバ母材９１を、光ファイバの送出方向Ｄ_Ｚを軸として回転させながら送り出す。光ファイバ母材９１は母材回転部３１の回転部３２に固定され、回転部３２と共に回転する。回転部３２はパソコン等の入力手段から入力された回転速度で光ファイバ母材９１の送出方向Ｄ_Ｚを軸中心として回転する。回転は光ファイバ母材９１の長手方向の軸中心である。また回転部３２は光ファイバ母材送出部３３にリング状の回転ベアリングを介して乗せられた状態となっており、光ファイバ母材９１の送出と同時に回転が可能な機構となっている。回転部３２の回転方向Ｄ_Ｒは、右方向又は左方向の片方向だけでなく、右方向及び左方向の両方向に回転可能であることが好ましい。

光ファイバ生成工程では、加熱炉１１は、光ファイバ母材送出部３３より送出された光ファイバ母材９１を加熱延伸して、光ファイバ９２を生成する。外径測定部１２は、光ファイバ９２の外径を常時測定する。

外径測定部１２には、パソコン等の入力手段から入力された光ファイバ９２の外径の設定値が入力されていることが好ましい。この場合、外径測定部１２は、設定値に対する測定した光ファイバ９２の外径の値との差を光ファイバ外径差分信号Ａとして、光ファイバ引取部３４に出力する。光ファイバ外径差分信号Ａに含まれる外径測定部１２の測定結果を基に、光ファイバ外径が一定となるように光ファイバ引取部３４の引取速度が調整される。光ファイバ外径が安定すると、光ファイバ引取部３４の引取速度はほぼ一定値になる。

樹脂塗布部１３は、光ファイバ９２の表面に樹脂を塗布し、光ファイバ９２を光ファイバ９３とする。樹脂硬化部１４は、光ファイバ９３の表面に塗布された樹脂を硬化させ、光ファイバ９３を光ファイバ９４とする。光ファイバ９４は、滑車１６を経て光ファイバ引取部３４に向う。その際、滑車１６では、張力測定部１５が、光ファイバ９４に加えられる張力を測定する。

光ファイバ引取工程では、光ファイバ生成工程で生成された光ファイバの引取りを行う。キャプスタン１７は、光ファイバ９４を引取り、ボビン１８に送る。固定用ベルト１７１は、光ファイバ９４がキャプスタン１７から外れることが無いように、光ファイバ９４を押える。固定用ベルト１７１に使用する素材は特に限定されるものではなく、例えば工業用のゴムが挙げられる。ボビン１８は、光ファイバ引取部３４から送られた光ファイバ９４を巻き取る。

光ファイバ母材９１の送出速度は常に一定であり、光ファイバ外径の設定値が決定されれば、光ファイバ引取部３４での引取速度も一意に決定されるはずだが、実際には母材外径に微妙なゆらぎがある。このため、外径測定部１２では製造直後の光ファイバ９２の外径を常にモニタし、光ファイバ９２の外径が一定となるように光ファイバ９４の引取速度を変化させることが好ましい。

引取速度検出部１９は、光ファイバ９４の引取速度を検出する。外径測定部１２から出力された外径差分値Ａ及び引取速度検出部１９で検出した引取速度を基に、光ファイバ引取部３４が、光ファイバ９２の外径が一定となるように光ファイバ９４の引取速度を変化させることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態は、光ファイバ母材９１の加熱延伸時に光ファイバ９２を捻るため、光ファイバ９２の切断を防ぐことができる。より詳細に説明すると、加熱炉１１内で光ファイバ母材９１が延伸され、光ファイバ９２に変化して行く過程で溶融した状態で捻りが付与されるため、光ファイバ９２が硬化した後の光ファイバ内に残留する応力が大幅に小さくなり、光ファイバ９２のコアはファイバ長手方向に螺旋を描くような状態で硬化する。また、光ファイバ母材９１の加熱延伸時は被覆の塗布及び硬化の前であるため、光ファイバ９２を捻る際に滑りを発生させることはない。したがって、本実施形態は、マルチコア光ファイバの製造において、精密な捻りの付与が可能であり、かつ、光ファイバの切断を防ぐことができる。

さらに、本実施形態は、高精度な捻りの付与が可能であるため、コア間のモード結合を促進させてＤＭＤを低減し、信号処理を大幅に軽減することが可能となる。

（実施形態２）
本実施形態は、光ファイバ外径測定手段で検出される光ファイバ外径の測定値から光ファイバ引取手段での光ファイバ引取速度を調整し、光ファイバ９２の外径を一定に保持する光ファイバ外径調整機構と、光ファイバ引取速度に対する光ファイバ母材９１の回転速度が予め設定された設定値となるように調整する光ファイバ母材回転制御機構を具備することを特徴とする。

図３に本実施形態に係る光ファイバ製造装置の一例を示す概念図である。図１との構成上の相違点は、母材回転部３１と回転制御部３５が追加されている点である。

外径測定部１２が光ファイバ外径測定手段として機能し、光ファイバ引取部３４が光ファイバ外径調整機構として機能し、引取速度検出部１９及び回転制御部３５が光ファイバ母材回転制御機構として機能する。

光ファイバ母材９１は母材回転部３１の回転部３２に固定され、回転部３２と共に回転する。回転は光ファイバ母材９１の長手方向の軸中心である。また回転部３２は光ファイバ母材送出部３３にリング状の回転ベアリングを介して乗せられた状態となっており、光ファイバ母材９１の送出と同時に回転が可能な機構となっている。これにより、回転部３２の回転速度が、光ファイバ９２の捻じれ回転速度と等しくすることが可能となる。

回転制御部３５は、光ファイバ引取部３４と母材回転部３１の間に配置されている。回転制御部３５は回転率（単位長さ当たりの光ファイバ９２の捻じれ回転量）をパソコン等の入力手段から入力された回転率と一致するように回転部３２の回転速度（光ファイバ母材９１を回転させる速度）を制御する。

さらに全体の制御フローをより詳細に説明する。光ファイバ母材９１の送出速度は常に一定であり、光ファイバ外径の設定値が決定されれば、光ファイバ引取部３４での引取速度も一意に決定されるはずだが、実際には母材外径に微妙なゆらぎがあるため、外径測定部１２で製造直後の光ファイバ外径を常にモニタし、光ファイバ外径が一定となるように光ファイバ引取速度を変化させる。回転率は（１）の式で定義される。なお、ここでの光ファイバ引取速度は、光ファイバ引取部３４における引取速度とする。
（数１）
回転率＝回転速度／光ファイバ引取速度 （１）

従って、回転率を設定値にするためには光ファイバ９４の引取速度の変化に合わせて回転部３２の回転速度を変化させる必要が生じる。そこで、本実施形態では、光ファイバ生成工程において、回転部３２の回転速度を変化させることで回転率制御を行う。回転制御部３５は、光ファイバ引取部３４の引取速度を常にモニタし、回転部３２の回転率が設定値となるように母材回転部３１の回転部３２の回転速度を制御する。

より具体的には、外径測定部１２から外径差分値Ａを入力された光ファイバ引取部３４は、外径差分値Ａに差分が含まれているかを確認する。差分が確認されなかった場合、光ファイバ引取部３４は光ファイバ９４の引取速度を変更せず、引取速度の値を引取速度値Ｂとして回転制御部３５に入力する。差分が確認された場合、光ファイバ引取部３４はその差分が小さくなる又は０になるように引取速度を変更すると共に、変更した引取速度の値を引取速度値Ｂとして回転制御部３５に入力する。

一方、母材回転部３１は回転部３２の回転速度の値を回転速度値Ｃとして回転制御部３５に出力する。回転制御部３５は、引取速度値Ｂと回転速度値Ｃから計算される回転率（単位光ファイバ長さあたりの回転部３２の回転数）と回転率の設定値とを比較し、母材回転部３１に回転速度差分値Ｂ’を出力する。

母材回転部３１に回転速度差分値Ｂ’を出力されると、母材回転部３１は回転速度差分値Ｂ’に含まれる差分を基に、回転部３２の回転速度を変更する。これにより、本実施形態に係る光ファイバ製造装置３０２は、回転率を一定にする。

また実際に製造される光ファイバの単位長さ当たりの捻じれ量は、基本的には回転率に等しくなる。このため、本実施形態では、回転率を制御して、さらに高精度な捻りの付与が可能であるため、マルチコア光ファイバにおけるコア間のモード結合を促進させＤＭＤを低減し、信号処理を大幅に軽減することが可能となる。また、回転を加えすぎによる、光ファイバの切断を防ぐことができる。

（実施形態３）
本実施形態は、光ファイバ外径調整機構の外径測定部１２から測定した光ファイバ９２の外径差分値Ａを関数処理した外径差分の関数処理信号ｆ（Ａ）の応答速度と比較して光ファイバ引取部３４の応答速度が低速であること、光ファイバ母材回転制御機構に備わる引取速度検出部１９の測定した引取速度値Ｂより計算した回転速度差分値Ｂ’を関数処理した回転速度の関数処理信号ｇ（Ｂ’）の応答速度と比較して母材回転部３１の応答速度が低速であることを特徴とする。

また本装置では光ファイバ外径制御と回転速度制御の２つの制御ループが存在するため、制御時定数の設定値によっては、制御の発散や制御の収束に大きな影響を及ぼす可能性がある。図４に本実施形態に係る光ファイバ製造装置の一例を示す。本実施形態の光ファイバ製造装置３０３では、実施形態２の光ファイバ製造装置３０２に対して、外径測定部１２と光ファイバ引取部３４の間に制御部３６−１及び時定数補正部３７−１と、光ファイバ引取部３４と母材回転部３１の間に制御部３６−２及び時定数補正部３７−２を新たに設置することを特徴とする。

本実施形態に係る光ファイバ製造方法は、光ファイバ製造装置３０３が、光ファイバ母材送出工程と、光ファイバ生成工程と、光ファイバ引取工程と、を実行する。基本的な動作は、実施形態２と同様である。ここでは、実施形態２と相違する点だけを説明する。

制御信号の伝達についてより詳細に説明する。光ファイバ生成工程では、外径測定部１２から外径差分値Ａ（設定値に対する差）が制御部３６−１に出力される。制御部３６−１は外径差分値Ａに対して関数処理を行い、外径差分の関数処理信号ｆ（Ａ）（光ファイバ引取部３４の制御値）を出力する。関数処理は、例えば、Ｐ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御、ＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御等が挙げられる。

外径差分の関数処理信号ｆ（Ａ）は時定数補正部３７−１に入力され、（２）の式に従った補正がなされた後、外径差分の補正信号ｆ’（Ａ）として引取速度検出部１９に入力される。
（数２）
ｆ’（Ａ）＝ｆ（Ａ）×α （２）
αは時定数補正係数であり、外径差分の関数処理信号ｆ（Ａ）の応答速度と光ファイバ引取部３４の応答速度に差をつけるものである。光ファイバ引取部３４の応答速度は、外径差分の補正信号ｆ’（Ａ）の値である。

同様にもう一つの制御ループである光ファイバ引取部３４と母材回転部３１の制御信号の伝達についても説明する。光ファイバ母材送出工程では、光ファイバ引取部３４から引取速度値Ｂが、母材回転部３１からは回転速度値Ｃが、回転制御部３５にそれぞれ入力される。回転制御部３５では実施形態２と同様の手順で回転速度差分値Ｂ’が計算され、出力される。

回転速度差分値Ｂ’は制御部３６−２にて入力され、制御部３６−２は回転速度差分値Ｂ’に対して関数処理がなされ、回転速度の関数処理信号ｇ（Ｂ’）（回転部３２の制御値）が時定数補正部３７−２に入力される。関数処理は、例えば、Ｐ制御、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御等が挙げられる。時定数補正部３７−２は、（３）の式に従った補正を行い、回転速度の関数処理信号ｇ（Ｂ’）を回転速度の補正信号ｇ’（Ｂ’）として、母材回転部３１に入力する。
（数３）
ｇ’（Ｂ’）＝ｇ（Ｂ’）×α’ （３）
α’は時定数補正係数であり、回転速度の関数処理信号ｇ（Ｂ’）の応答速度と母材回転部３１の応答速度に差をつけるものである。母材回転部３１の応答速度は、回転速度の補正信号ｇ’（Ｂ’）の値である。

図５にα，α’を同時に同じ値で変化させた場合の制御収束の最大時間（Ｔ）をプロットする。α，α’が１０^−４〜１０^−２で最小値群を得られており、Ｔも１０秒以下となる。Ｔはあくまでも最大時間なのである程度制御が安定したところでは、典型値でその１／１０程度以下になる。

図６はα，α’に対するファイバの外径変動を示す。ファイバの外径変動を１μｍ以下に抑えるためにはα，α’を１０^−２〜１０^−４の範囲内にする必要がある。装置によりα，α’の極小値は１桁程度ずれる可能性はあるが、極小値を基準として１０^−１〜１０倍の２桁の範囲が光ファイバ外径変動１μｍ以下に抑えられるα，α’の範囲となる。なお、図５及び図６では、α，α’を同時に同じ値で変化させたが、それぞれ異なる値に設定しても良い。

以上説明したように、本実施形態では、光ファイバ引取部３４の応答速度を外径差分の関数処理信号ｆ（Ａ）の応答速度より低速にし、ファイバ母材回転の応答速度を光ファイバの引取速度の測定値を関数処理した回転速度の関数処理信号ｇ（Ｂ’）の応答速度より低速にすることで、制御収束最大時間を短縮し、光ファイバの切断を防いで高精度な捻りの付与を可能とする。

（実施形態４）
光ファイバ引取工程において、光ファイバ９４が固定用ベルト１７１とキャプスタン１７との間で光ファイバ９４が固定されずに滑ることがある。母材回転時の外径変動は、光ファイバ引取工程中、光ファイバ引取部３４の固定用ベルト１７１のすべりによっても発生する。

図７に実施形態１における光ファイバ引取装置３４の構造をより詳細に示す。光ファイバ引取部３４は、さらに固定軸１７２と重り１７３を備える。固定軸１７２と重り１７３の途中に固定用ベルト１７１があり、固定用ベルト１７１とキャプスタン１７の間で光ファイバ９４を挟み込むことができる。これにより、てこの原理で重り１７３の重量が固定用ベルト１７１を介して光ファイバ９４に印加される構造になっている。なお、実施形態２及び実施形態３における光ファイバ引取部３４の構造も同様にすることができる。

この光ファイバ９４に掛かる応力が増加するほど光ファイバ９４を挟み込む応力が大きくなり、光ファイバ９４が滑りにくくなる。また光ファイバ母材９１の回転時には回転方向Ｄ_Ｒの応力が付与されるため、すべりが発生しやすくなる。

キャプスタン１７でのすべりは、光ファイバ９２の外径変動に大きく影響する。図８に光ファイバ外径変動とファイバに掛かる応力／紡糸張力の関係をプロットする。光ファイバ外径変動とファイバに掛かる応力／紡糸張力が大きくなるに従い、外径変動は低減される。無回転の場合は、１００Ｎ／ｋｇを越えたあたりで外径変動が１μｍ以下となり、すべりはほぼ無くなった状態になる。

一方、母材回転を１回転／ｍで行う場合には５００Ｎ／ｋｇを越えないと外径変動を１μｍ以下に抑えることはできない。従って母材回転を行う場合には、無回転時の２倍以上のファイバを固定する応力が必要であることが分かる。従って、光ファイバ９４の外径変動が１μｍ以下となるように、回転率に応じて光ファイバ外径変動とファイバに掛かる応力／紡糸張力が設定されるのが望ましい。

このため、本実施形態の光ファイバ製造方法および製造装置は、光ファイバ引取工程の光ファイバの固定応力（光ファイバに掛かる応力/紡糸張力）の下限値が光ファイバ母材９１の回転速度に応じて設定されることを特徴とする。

また、本開示の光ファイバ製造方法および製造装置は、光ファイバ引取工程の光ファイバを固定する固定用ベルト１７１の光ファイバ９４と接する面に凹凸があり、固定用ベルト１７１の回転方向と水平でもなく垂直でもない方向に凹凸形状が形成されていることを特徴とする。

光ファイバすべりを抑圧する別な手段として、固定用ベルト１７１と光ファイバ９４との接地面の凹凸構造がある。図９〜図１２に光ファイバ９４に対する固定用ベルト１７１の接地面１７１ｂの４種類の凹凸構造を示す。図９の｛１｝は溝が全くない第１のパターンの上面図及び側面図を示す。図１０の｛２｝はファイバ引取方向Ｄ_Ｐに対して垂直に溝１７１ｂが固定用ベルトの表面１７１ａにある第２のパターンの上面図及び側面図、図１１の｛３｝はファイバ引取方向Ｄ_Ｐに対して平行に溝１７１ｂが固定用ベルトの表面１７１ａにある第３のパターンの上面図及び側面図。そして、図１２の｛４｝は上下からファイバ引取方向Ｄ_Ｐに対して斜めに溝１７１ｂ及び溝１７１ｃが固定用ベルトの表面１７１ａに形成されている第４のパターンの上面図及び側面図である。

図１２において、溝１７１ｂは、ファイバ引取方向Ｄ_Ｐに対して滑車１６側に角度θ_１傾くように形成されている。溝１７１ｃは、ファイバ引取方向Ｄ_Ｐに対してボビン１８側に角度θ_２傾くように形成されている。ここで、角度θ_１及び角度θ_２はそれぞれ、０＜θ_１＜９０、０＜θ_２＜９０の範囲で設定されている。これにより、｛４｝はファイバ引取方向Ｄ_Ｐだけなく回転方向Ｄ_Ｒにも溝１７１ｂ及び溝１７１ｃがかかる構造になっている。

なお、図１２では溝１７１ｂと溝１７１ｃを形成しているが、溝１７１ｂだけでも、溝１７１ｃだけで形成されていてもよい。また、今回は角度θ_１及び角度θ_２を同じ角度にしたが、角度θ_１及び角度θ_２の角度をそれぞれ異なるように設定しても良い。また、溝１７１ｂ−１〜１７１ｂ−８毎に角度θ_１を設定しても、また、溝１７１ｃ−１〜１７１ｃ−８毎に角度θ_２を設定しても良い。

図１３に無回転と１回転／ｍ時の光ファイバ外径変動の構造依存性を示す。図１３から分かるように母材回転時において第４のパターンが最も外径変動が小さい。第４のパターンは光ファイバ引取方向Ｄ_Ｐだけなく回転方向Ｄ_Ｒにも溝１７１ｂ及び溝１７１ｃがかかる構造になっており、その効果が表れた結果である。

本方法によりコア間隔が２５μｍ、コア径が９μｍ、光ファイバ外径：１２５μｍ、比屈折率差：０．３５％の２コアの光ファイバを作製した。諸条件はα，α’が１０^−３、光ファイバ外径変動と光ファイバに掛かる応力／紡糸張力が６００Ｎ／ｋｇ、ベルト構造が第４のパターンであった。回転率が０、１、２、３回転／ｍの光ファイバを１ｋｍずつ作製した。図１４に、結合型マルチコア光ファイバの回転率に対する空間モード分散係数をプロットした結果を示す。回転率を０回転／ｍから２回転／ｍに変えることで空間モード分散係数を１／１０に低減することに成功した。

以上説明したように、本実施形態では、回転率に応じて光ファイバ外径変動と光ファイバに掛かる応力／紡糸張力が設定することで、光ファイバ９４が滑ることなく捻じれを加えることができるため、光ファイバの切断を防ぎ、精密な捻りの付与が可能となる。

また、固定用ベルト１７１の接地面をファイバ引取方向Ｄ_Ｐだけなく回転方向Ｄ_Ｒにも溝１７１ｂ及び溝１７１ｃがかかる構造とすることによって、回転時の光ファイバ９４の滑りを防止して、精密な捻りの付与と光ファイバの切断を防止することが可能となる。

（実施形態５）
さらに回転率を予め設定された設定値に従って連続的に変化させることによって製造され、単位長さ当たりの捻じれ量が連続的に変化していることを特徴とする光ファイバについても示す。一例としてマルチコアファイバで、連続的な捻じれ量の変化が関数に従って変化している場合の例を示す。過剰に捻じれを付与すると光ファイバのコアには大きな曲げが生じる状態となり、マクロベンド損失やマイクロベンド損失が生じる可能性がある。

本開示の光ファイバは、光ファイバ長手方向に曲率半径が徐々に変化する曲線（以下、クロソイド曲線）に従ったコア形状の捻じれの変化（コア断面形状の変化ではなく、長手方向の変化）を有しており、一定の回転率やランダムな回転率を付与された光ファイバよりも伝搬損失が低いことを特徴とする。曲率半径をＲ_ｃｌ、クロソイド始点から曲線長をＬ_ｃｌとして、クロソイド曲線は下記の式に従う。
（数４）
Ｒ_ｃｌ・Ｌ_ｃｌ ＝ Ａ^２ （４）
Ａはクロソイドパラメータである。本開示のファイバはこの関数式に従った曲線をファイバ長手方向に沿って形成されている。

しかし同一方向（ファイバ長手方向の軸に対しての捻じれ方向、ファイバの回転方向）のクロソイド曲線に沿った捻じれを加え続け、過剰に一方向の捻じれを付加しすぎるとマクロベンド損失やマイクロベンド損失が増加するため、本開示のファイバはある周期で捻じれ方向が逆転することを特徴とする。

図１５に、本開示のコアを立体的に表した模式図を示す。（４）の式に従ってコアの曲率が変化すると、光ファイバ９４の長手方向の中心軸上から一定の距離を保ったまま、捻じれ量の変化によって図１５で示すようなコア４の形状が形成される。コア４の形状は、捻じれの変化は曲率が大きいところからある程度小さくなったところ（周期Ｄ_Ｃ）で、捻じれ方向が逆転し曲率が小さいところから大きい方へ変化し、ある程度大きくなったところ（周期Ｄ_Ｃ）で再び捻じれ方向が逆転し、曲率が大きいところから小さい方向へ変化し、この過程を繰り返した構造を有する。

図１５では、左回転を行う周期Ｄ_Ｃ内におけるコア４の形状の一例として、ａ点からｂ点まで回転率が徐々に増加し、ｂ点からｃ点まで回転率が徐々に減少する例を示した。ｃ点で瞬間的に回転率が０になり、回転方向が左回転から右回転に切り替わる。ｃ点からｄ点まで回転率が徐々に増加し、ｄ点からｅ点まで回転率が徐々に減少する。ｅ点で再び回転率が０になり、回転方向が右回転から左回転に切り替わる。ｅ点以降、ａ点からｅ点までのコア４の形状を繰り返す。

図１６に、捻じれ付与の変化とマルチコア光ファイバの伝搬損失の関係を示す。本実施形態として作製した光ファイバは回転率（＝捻じれ率）が０回転／ｍ→３回転／ｍ→０回転／ｍ・・・の周期を繰り返すよう、クロソイド曲線に沿って連続的に回転率を変化させて作製した２コアのマルチコア（コア間隔＝４０μｍ）である。この光ファイバとの比較のため用意した光ファイバは、捻じれ率が１．５回転／ｍで一定である２コアのマルチコア（コア間隔＝４０μｍ）とランダムの捻じれ率（平均の捻じれ率１．５回転／ｍ）の２コアのマルチコア（コア間隔＝４０μｍ）であり、伝搬損失を比較した。

その結果、一定およびランダム捻じれ率の光ファイバよりも伝搬損失を大幅に改善し、捻じれ無しのファイバと同等の伝搬損失を達成した。また２次元的（平面的）なクロソイド曲線でも良いし、光ファイバ長手方向の軸を有する３次元的なクロソイド曲線の光導波路および光ファイバがより好ましい。

また光ファイバのコアの曲率変化の精密な制御は、結合系マルチコア光ファイバに適用した場合、結合量の精密制御、結合量の増加、スーパーモードの安定化に寄与しつつ、伝搬損失を低減することも可能であり、幅広い光ファイバへの適用が可能である。

本実施形態に係るマルチコア光ファイバを製造するため、実施形態１の光ファイバ製造装置３０１では、母材回転部３１に周期ごとに回転方向Ｄ_Ｒを連続的に変更するよう設定する。ここでの周期とは、例えば、ある一定の時間、又は、ある一定の光ファイバ母材９１の送り量が挙げられる。これにより、実施形態１の光ファイバ製造装置３０１で、本実施形態のマルチコア光ファイバを製造できる。

また、本実施形態に係るマルチコア光ファイバを製造するため、実施形態２の光ファイバ製造装置３０２では、回転制御部３５に周期ごとに回転方向Ｄ_Ｒを連続的に変更するように母材回転部３１を制御することを設定する。ここでの周期とは、例えば、引取速度信号Ｂに含まれる引取速度から算出される光ファイバ９４の引き取り量が挙げられる。これにより、光ファイバ９４の周期をさらに精密に決めることができ、本実施形態のマルチコア光ファイバをより製造しやすくなる

実施形態３の光ファイバ製造装置３０３は、実施形態２の光ファイバ装置３０２と同様に、回転制御部３５を制御することを設定することで、本実施形態のマルチコア光ファイバを製造できる。また、本実施形態に係るマルチコア光ファイバを製造する際に、実施形態４の固定用ベルト１７１を使用すると、製造しやすくなる。

本開示によれば、高精度に回転速度を制御して光ファイバ母材を回転させて光ファイバを製造することが可能となる。さらに捻り構造が加熱炉内で形成され固定化されるため、捻り応力を大幅に軽減可能である。

さらに本装置より、精密に捻りが付与された結合型マルチコアファイバが実現され、コア間のモード結合を促進させＤＭＤを低減し信号処理を大幅に軽減可能である。さらに非結合型マルチコアファイバの場合は、コア間の伝搬定数に差が生じ、クロストークを低減可能になるというメリットも得ることができる。また本装置は母材を回転させて捻りを付与する方法であるため、一方向のみに回転させてもファイバが破断する等の問題は発生しない。当然ながらファイバ回転方向を逆転させてファイバ製造できることは言うまでもない。

また本装置で製造されるファイバは精密に単位長さ当たりの捻り間隔が調整されるため、設計と高精度に合致したファイバ製造が可能となり、結合型マルチコアファイバでは精密な結合制御、非結合型マルチコアファイバではクロストークの抑圧が可能となる。

本開示によれば、マルチコア光ファイバを製造する際に光ファイバ母材を回転させながら光ファイバを引取ることで、高精度な捻りの付与を行い、コア間のモード結合を促進させＤＭＤを低減し信号処理を大幅に軽減可能なマルチコア光ファイバの製造方法及び製造装置を提供することが可能となる。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

１１：加熱炉
１２：外径測定部
１３：樹脂塗布部
１４：樹脂硬化部
１５：張力測定部
１６：滑車
１７：キャプスタン
１８：ボビン
１９：引取速度検出部
３１：母材回転部
３２：回転部
３３：光ファイバ母材送出部
３４：光ファイバ引取部
３５：回転制御部
３６：制御部
３７：時定数補正部
４：コア
９１：光ファイバ母材
９２、９３、９４：光ファイバ
１７１：固定用ベルト
１７１ａ：ベルト表面
１７１ｂ、１７１ｃ：溝
１７２：固定軸
１７３：重り
３００、３０１、３０２、３０３：光ファイバ製造装置

Claims (8)

1. 光ファイバ母材を、光ファイバの送出方向を軸として回転させながら送り出す光ファイバ母材送出工程と、
   前記光ファイバ母材送出工程で回転させながら送り出された光ファイバ母材を加熱延伸して光ファイバを生成する光ファイバ生成工程と、
   前記光ファイバ生成工程で生成された光ファイバの引取りを行う光ファイバ引取工程と、
   を有することを特徴とする光ファイバ製造方法。
2. 前記光ファイバ生成工程で生成された光ファイバの外経及び前記光ファイバ引取工程における引取速度を測定し、
   前記光ファイバ引取工程において、前記光ファイバの外経が一定となるように、前記光ファイバ引取速度の制御を行い、
   前記光ファイバ母材送出工程において、前記引取速度の測定値に基づいて、前記光ファイバ母材を回転させる速度である回転速度が設定値になるように前記光ファイバ母材の回転速度を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ製造方法。
3. 前記光ファイバ引取工程における前記光ファイバ引取の応答速度は、前記光ファイバ生成工程で生成された光ファイバの外径の測定値を関数処理した制御信号の応答速度より低速であり、かつ、
   前記光ファイバ母材送出工程における前記光ファイバ母材の回転の応答速度は、前記光ファイバ引取工程における前記光ファイバの引取速度の測定値を関数処理した制御信号の応答速度より低速であること、
   を特徴とする請求項２記載の光ファイバ製造方法。
4. 前記光ファイバ引取工程において、前記光ファイバを引取る際の固定応力の下限値が、前記光ファイバ母材の回転速度に応じて設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバ製造方法。
5. 光ファイバ母材を回転させる母材回転部と、
   回転させながら送り出された光ファイバ母材を加熱延伸して光ファイバを生成する加熱炉と、
   前記加熱炉で生成された光ファイバを引取る光ファイバ引取部と、
   を備えることを特徴とする光ファイバ製造装置。
6. 入力された回転率と一致するように前記母材回転部の回転速度を制御する回転率制御部と、
   前記加熱炉で生成された光ファイバの外径を測定する外径測定部と、
   前記加熱炉で生成された光ファイバの外経が一定となるように、前記光ファイバ引取速度の制御する光ファイバ引取速度制御部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ製造装置。
7. 前記光ファイバ引取部は、前記光ファイバを固定するベルトの前記光ファイバと接する面に、前記ベルトの回転方向と水平でもなく垂直でもない方向に凹凸形状が形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の光ファイバ製造装置。
8. 複数のコアが存在するマルチコア光ファイバであって、
   単位長さ当たりの捻じれ量が連続的に変化し、ファイバの中心以外に存在するコアの形状が、光ファイバ長手方向にクロソイド曲線となっていることを特徴とするマルチコア光ファイバ。

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