JP3868573B2 - 部品用光ファイバの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光増幅器などのいわゆる光部品に用いられる石英系の光ファイバに関するものであり、特に、小径に光ファイバを巻いた場合でも好適なものを提供する。
【０００２】
【従来の技術】
エルビウムドープファイバや分散補償ファイバ、ＰＡＮＤＡ型光ファイバなどの光ファイバ型の部品は小型化のために通常、小径のボビンに巻かれて使用される。
しかしながら、小径にすればするほど巻かれた光ファイバの外側表面には大きな引張り方向の機械的ストレスが加わるために破断しやすく、機械的な信頼性に乏しかった。また、この断面方向の不均一な歪は光ファイバの構成材料である石英ガラスに異方性をもたらし、ＰＤＬ（偏波依存損失）特性を劣化させる原因となっていた。
ところで、機械的な信頼性を確保する方策として、これまでは光ファイバの表面にカーボンをコーティングすることでｎ値（光ファイバの疲労係数）を大きくとり破断に至るまでの寿命を長くする手法が採られることがあった。
このほかにも光ファイバの外径を通常の１２５μｍよりも小さくし歪の低減を図る手法を採ることもあった。
また、ＰＤＬ特性劣化防止のためには、巻き半径をある程度大きく保つか、光ファイバの外径を通常の１２５μｍよりも小さくするという手法が採られていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光ファイバの表面にカーボン膜を形成する手法では、カーボン膜にピンホールが生じていると、その部分のｎ値は通常の光ファイバのそれと何等変わらずピンホールの箇所で機械的破断までの寿命を短くしてしまうということがあった。
また、この手法では石英ガラス内の歪は全く低減されていないため、ＰＤＬ特性劣化の観点からは何等対策となっておらず、小径に巻いた場合にＰＤＬ特性は通常の光ファイバと同様に悪化してしまうということがあった。
さらに、光ファイバの外径を通常の１２５μｍよりも小さくする手法、例えば８０μｍにした場合、断面積は（８０／１２５）2 に減少するので光ファイバの引張り強度自体が約６割程低下してしまうという問題がある。
さらにまた、ＰＤＬ特性劣化防止のために巻き半径を大きく採ると小型化に限界がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、以上の観点から、ファイバの製造段階で所定の曲率半径をゆうするものを得、以って、リールに巻いたときの機械的ストレスの軽減及び光ファイバの断面方向の不均一な歪みの発生を小さくしたもので、その特徴とする請求項１記載の発明は、石英ガラス系光ファイバ母材を溶融線引きしてファイバ化するに際して、線引き直後のファイバの一側面の温度分布が対向側面のそれと異なるようにして線引きして、任意の曲率半径を持った光ファイバを得ることにある。また、その特徴とする請求項２記載の発明は、石英ガラス系光ファイバ母材を溶融線引きしてファイバ化するに際して、前記母材としてその外周の一側部に、母材の長さ方向に石英ガラスの粘度を低下させる帯状の添加物を添加して、任意の曲率半径を持った光ファイバを得ることにある。さらにその特徴とする請求項３記載の発明は、石英ガラス系光ファイバ母材を溶融線引きしてファイバ化するに際して、前記母材としてその一外側面に拡散速度が速く石英ガラスの粘度を低下させる元素を含む化合物を付着させたものを用いることにある。
なお、必要に応じてこれら請求項１〜３の発明を少なくとも２つを選択し、組み合わせて実施することもできる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の部品用光ファイバの製造方法の一例を示したもので、１は石英系光ファイバ母材、２はこれを一端から溶融線引きする加熱炉、３は溶融線引きされた直後のファイバ、４はこの溶融線引きされた直後のファイバの一方の側面から送り込まれる冷却気体で、その温度は５℃程度、気体の種類としてはヘリウムガス、窒素ガスなどがあげられる。この冷却気体４を受けたファイバの一側面が他方の側面よりも冷やされるために、この冷やされた側が早く固化して引取張力をこの部分が受けることとなり、最終的にこの引取張力が解放された段階でファイバはこれと反対側に曲げられるので、この曲げられる側が内側になるようにしてボビンに巻き取る。曲率半径の程度は線引き速度、冷却気体の温度、その種類によって異なるが、これらを適宜調整することで任意の曲率半径を持ったものを得ることができる。
【０００６】
こうして得られた所定の曲率半径を持つファイバをボビンに巻くことで部品用ファイバとするが、予め曲げられているのでその曲率半径よりも小さな曲率半径のボビンに巻いても曲げられる程度が相対的に小さくてすむので、ファイバ表面に生じるストレス及び歪を小さく抑えることができ、機械的な信頼性に優れたものとなるとともにガラス内の歪も同時に低減できＰＤＬ特性劣化をも同時に抑制できる。
なお、用いられる光ファイバの外径は典型的には１２５μｍとされるが、それよりも小さく、例えば８０μｍ程度とすることもできる。その場合、断面積が小さいため機械的な強度そのものが小さいが、曲率半径をそれほど小さくとることをしなければ十分使用に供することができる。
具体的な光ファイバの曲率半径としては、５〜３０ｃｍ程度とされ、これを曲率半径半径２〜５ｃｍ程度のボビンにコイル状態に巻いて部品用光ファイバとして使用する。
コイル状にして使用される典型的な部品用光ファイバとしては、エルビウムドープファイバ、分散補償ファイバ、ＰＡＮＤＡ型光ファイバ等があげられる。
【０００７】
図２は、この発明の他の例を説明するもので、予め母材１に細工をして線引きして、図示の断面構造の光ファイバを得る方法を示す。すなわち、図２において、１０は例えばＧｅドープ石英ガラスコア、１２は石英ガラスクラッド、２０はクラッド１２の一方の側部に形成された添加部で、石英ガラスの粘度を低下させるドーパントが添加されてなるもので、具体的にはＰ，Ｂ，Ｇｅなどがあげられる。ドーパントがＰの場合、例えばＧｅドープ石英ガラスコアロッドをその軸の周りに回転させつつ外付け法でクラッドとなるＳｉＯ2 スート層を堆積させ、その最終段階でロッドの回転を停止させておいて、酸水素バーナをその軸方向にトラバースさせてバーナ中に供給したＳｉＣｌ4 とＰＯＣｌ3 を火炎加水分解してＳｉＯ2 −Ｐ2 Ｏ5 スートとして母材の長さ方向に帯状に堆積させるといった方法で添加部を形成する。
この場合、線引きされたファイバは添加部側が溶融温度が低いので、それとは反対側で引取張力を受け、この張力が解放されたときに添加部側に曲がることとなるので、この添加部側が内側になるようにしてボビンに巻き取る。
曲率半径半径の程度は添加するドーパントの種類、濃度によって異なるが、これを適宜選択することで任意の曲率半径とすることができる。
【０００８】
図３は、この発明のさらに他の例を説明するもので、図１と同一部分には同一符号を付してある。図示の断面構造の光ファイバを得る方法を示す。すなわち、図３において、３０は母材１の一側面長さ方向に形成された拡散速度の速い元素を含む化合物の付着部で、例えば、ＮａＣｌの飽和水溶液を塗布、乾燥させる等の方法が採用できる。
この方法によると線引き時にＮａがファイバ中に拡散して当該部分の石英ガラスの粘度を低下させることとなり、図２により説明した方法の場合と同様の作用をする。
【０００９】
【実験例１】
直径６ｃｍの石英系ファイバ母材を、線引速度６００ｍ／ｍｉｎ、引取張力１００ｇで溶融線引きし直径１２５μｍのファイバとする際に、加熱炉のファイバ出口付近に一方の方向から５℃に冷却されたヘリウムガスを毎分５リットルの流量で送風したところ、得られたファイバは曲率半径６ｃｍであった。
このファイバは半径３ｃｍのボビンにコイル状に巻いた場合、その表面に生じる歪は０．１％となる。この歪は通常のほぼ真直なファイバを同様に半径３ｃｍのボビンにコイル状に巻いた場合に生じる歪が約０．２１％であることを考えると半減されたものである。
【００１０】
【実験例２】
直径１２ｍｍの石英ガラスロッド（Ｇｅ＋Ｅｒドープ石英ガラスコアの周りにクラッドの一部となる石英ガラス層が形成されてなるもの）を用意し、これをその軸の周りに回転させつつ、その長さ方向に沿って酸水素バーナをトラバースさせ、クラッド用の原料ガスであるＳｉＣｌ4 を火炎加水分解させて得られるＳｉＯ2 スートをコアロッドの周りに堆積させ、最後にロッドの回転を停止させてＳｉＣｌ4 とＰＯＣｌ3 とを酸水素バーナに供給しつつバーナを１００ｍｍ／分の速度で１回だけトラバースさせてＳｉＯ2 −Ｐ2 Ｏ5 スートを帯状に形成した。なお、このときの酸水素バーナへのＳｉＣｌ4 とＰＯＣｌ3 の供給量は前者が３リットル／分、後者が３０℃に保ったＰＯＣｌ3 をＡｒガスで１リットル／分でバブリングして得られる供給量とした。
【００１１】
こうして得られたものを透明ガラス化して直径６ｃｍの石英系ファイバ母材となし、これを線引速度６００ｍ／ｍｉｎ、引取張力１００ｇで溶融線引きし直径１２５μｍのファイバとしたところ、得られた光ファイバの曲率半径は６ｃｍであった。
このファイバを半径３ｃｍのボビンに巻いて、励起用ＬＤと組合わせて光ファイバ増幅器を構成した。
このファイバの１．５５μｍ帯の信号光の増幅特性の偏光依存性は０．０１ｄＢ以下であり、通常のほぼ真直なエルビウムドープファイバのそれが０．１ｄＢ程度であるのに比較して良好であった。
【００１２】
【実験例３】
実験例１のファイバ母材の一側面長さ方向にＮａＣｌの飽和水溶液を塗布、乾燥させ、これを線引速度６００ｍ／ｍｉｎ、引取張力２００ｇで溶融線引きし直径１２５μｍのファイバとしたところ、得られた光ファイバの曲率半径は６．２ｃｍであった。このファイバは半径３ｃｍのボビンに巻いた場合、その表面に生じる歪は０．１１％となり、通常、ファイバを同半径のボビンに巻いた際に生じる歪の０．２１％に比べ低減される。
【００１３】
【実験例４】
実験例２の母材のＰが添加されている側の表面に実験例３の手段を施して母材とし、これを線引速度６００ｍ／ｍｉｎ、引取張力１００ｇで溶融線引きし直径１２５μｍのファイバとしたところ、得られた光ファイバの曲率半径は５．７ｃｍであった。このファイバは半径２ｃｍのボビンに巻いた場合、その表面に生じる歪は０．２０％となり、通常、ファイバを同半径のボビンに巻いた際に生じる歪の０．３１％に比べ低減される。
【００１４】
【発明の効果】
この発明方法は、以上のように石英ガラス系光ファイバ母材の一方の側もしくはその線引き直後のファイバの一方の側に石英ガラスの粘度を低下させる手段を講じるという極めて簡単な方法によって、所定の曲率半径を有するファイバを容易に得ることができるものであり、以て、このファイバを小さな径のボビンに巻いても機械的強度をさほど低下させることがなく、かつ、曲げによってファイバに生じる歪を抑制し得るのでＰＤＬ特性の劣化を抑制できるという副次的効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の方法により線引きしている状態の一実施例の説明図。
【図２】この発明の他の方法により線引きされた光ファイバの断面図。
【図３】この発明のさらに他の方法により線引きされた光ファイバの断面図。
【符号の説明】
１ 石英系光ファイバ母材
２ 加熱炉
３ ファイバ
４ 冷却気体
１０ Ｇｅドープ石英ガラスコア
１２ 石英ガラスクラッド
２０ 添加部
３０ 付着部
【発明の属する技術分野】
この発明は、光増幅器などのいわゆる光部品に用いられる石英系の光ファイバに関するものであり、特に、小径に光ファイバを巻いた場合でも好適なものを提供する。
【０００２】
【従来の技術】
エルビウムドープファイバや分散補償ファイバ、ＰＡＮＤＡ型光ファイバなどの光ファイバ型の部品は小型化のために通常、小径のボビンに巻かれて使用される。
しかしながら、小径にすればするほど巻かれた光ファイバの外側表面には大きな引張り方向の機械的ストレスが加わるために破断しやすく、機械的な信頼性に乏しかった。また、この断面方向の不均一な歪は光ファイバの構成材料である石英ガラスに異方性をもたらし、ＰＤＬ（偏波依存損失）特性を劣化させる原因となっていた。
ところで、機械的な信頼性を確保する方策として、これまでは光ファイバの表面にカーボンをコーティングすることでｎ値（光ファイバの疲労係数）を大きくとり破断に至るまでの寿命を長くする手法が採られることがあった。
このほかにも光ファイバの外径を通常の１２５μｍよりも小さくし歪の低減を図る手法を採ることもあった。
また、ＰＤＬ特性劣化防止のためには、巻き半径をある程度大きく保つか、光ファイバの外径を通常の１２５μｍよりも小さくするという手法が採られていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光ファイバの表面にカーボン膜を形成する手法では、カーボン膜にピンホールが生じていると、その部分のｎ値は通常の光ファイバのそれと何等変わらずピンホールの箇所で機械的破断までの寿命を短くしてしまうということがあった。
また、この手法では石英ガラス内の歪は全く低減されていないため、ＰＤＬ特性劣化の観点からは何等対策となっておらず、小径に巻いた場合にＰＤＬ特性は通常の光ファイバと同様に悪化してしまうということがあった。
さらに、光ファイバの外径を通常の１２５μｍよりも小さくする手法、例えば８０μｍにした場合、断面積は（８０／１２５）2 に減少するので光ファイバの引張り強度自体が約６割程低下してしまうという問題がある。
さらにまた、ＰＤＬ特性劣化防止のために巻き半径を大きく採ると小型化に限界がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、以上の観点から、ファイバの製造段階で所定の曲率半径をゆうするものを得、以って、リールに巻いたときの機械的ストレスの軽減及び光ファイバの断面方向の不均一な歪みの発生を小さくしたもので、その特徴とする請求項１記載の発明は、石英ガラス系光ファイバ母材を溶融線引きしてファイバ化するに際して、線引き直後のファイバの一側面の温度分布が対向側面のそれと異なるようにして線引きして、任意の曲率半径を持った光ファイバを得ることにある。また、その特徴とする請求項２記載の発明は、石英ガラス系光ファイバ母材を溶融線引きしてファイバ化するに際して、前記母材としてその外周の一側部に、母材の長さ方向に石英ガラスの粘度を低下させる帯状の添加物を添加して、任意の曲率半径を持った光ファイバを得ることにある。さらにその特徴とする請求項３記載の発明は、石英ガラス系光ファイバ母材を溶融線引きしてファイバ化するに際して、前記母材としてその一外側面に拡散速度が速く石英ガラスの粘度を低下させる元素を含む化合物を付着させたものを用いることにある。
なお、必要に応じてこれら請求項１〜３の発明を少なくとも２つを選択し、組み合わせて実施することもできる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の部品用光ファイバの製造方法の一例を示したもので、１は石英系光ファイバ母材、２はこれを一端から溶融線引きする加熱炉、３は溶融線引きされた直後のファイバ、４はこの溶融線引きされた直後のファイバの一方の側面から送り込まれる冷却気体で、その温度は５℃程度、気体の種類としてはヘリウムガス、窒素ガスなどがあげられる。この冷却気体４を受けたファイバの一側面が他方の側面よりも冷やされるために、この冷やされた側が早く固化して引取張力をこの部分が受けることとなり、最終的にこの引取張力が解放された段階でファイバはこれと反対側に曲げられるので、この曲げられる側が内側になるようにしてボビンに巻き取る。曲率半径の程度は線引き速度、冷却気体の温度、その種類によって異なるが、これらを適宜調整することで任意の曲率半径を持ったものを得ることができる。
【０００６】
こうして得られた所定の曲率半径を持つファイバをボビンに巻くことで部品用ファイバとするが、予め曲げられているのでその曲率半径よりも小さな曲率半径のボビンに巻いても曲げられる程度が相対的に小さくてすむので、ファイバ表面に生じるストレス及び歪を小さく抑えることができ、機械的な信頼性に優れたものとなるとともにガラス内の歪も同時に低減できＰＤＬ特性劣化をも同時に抑制できる。
なお、用いられる光ファイバの外径は典型的には１２５μｍとされるが、それよりも小さく、例えば８０μｍ程度とすることもできる。その場合、断面積が小さいため機械的な強度そのものが小さいが、曲率半径をそれほど小さくとることをしなければ十分使用に供することができる。
具体的な光ファイバの曲率半径としては、５〜３０ｃｍ程度とされ、これを曲率半径半径２〜５ｃｍ程度のボビンにコイル状態に巻いて部品用光ファイバとして使用する。
コイル状にして使用される典型的な部品用光ファイバとしては、エルビウムドープファイバ、分散補償ファイバ、ＰＡＮＤＡ型光ファイバ等があげられる。
【０００７】
図２は、この発明の他の例を説明するもので、予め母材１に細工をして線引きして、図示の断面構造の光ファイバを得る方法を示す。すなわち、図２において、１０は例えばＧｅドープ石英ガラスコア、１２は石英ガラスクラッド、２０はクラッド１２の一方の側部に形成された添加部で、石英ガラスの粘度を低下させるドーパントが添加されてなるもので、具体的にはＰ，Ｂ，Ｇｅなどがあげられる。ドーパントがＰの場合、例えばＧｅドープ石英ガラスコアロッドをその軸の周りに回転させつつ外付け法でクラッドとなるＳｉＯ2 スート層を堆積させ、その最終段階でロッドの回転を停止させておいて、酸水素バーナをその軸方向にトラバースさせてバーナ中に供給したＳｉＣｌ4 とＰＯＣｌ3 を火炎加水分解してＳｉＯ2 −Ｐ2 Ｏ5 スートとして母材の長さ方向に帯状に堆積させるといった方法で添加部を形成する。
この場合、線引きされたファイバは添加部側が溶融温度が低いので、それとは反対側で引取張力を受け、この張力が解放されたときに添加部側に曲がることとなるので、この添加部側が内側になるようにしてボビンに巻き取る。
曲率半径半径の程度は添加するドーパントの種類、濃度によって異なるが、これを適宜選択することで任意の曲率半径とすることができる。
【０００８】
図３は、この発明のさらに他の例を説明するもので、図１と同一部分には同一符号を付してある。図示の断面構造の光ファイバを得る方法を示す。すなわち、図３において、３０は母材１の一側面長さ方向に形成された拡散速度の速い元素を含む化合物の付着部で、例えば、ＮａＣｌの飽和水溶液を塗布、乾燥させる等の方法が採用できる。
この方法によると線引き時にＮａがファイバ中に拡散して当該部分の石英ガラスの粘度を低下させることとなり、図２により説明した方法の場合と同様の作用をする。
【０００９】
【実験例１】
直径６ｃｍの石英系ファイバ母材を、線引速度６００ｍ／ｍｉｎ、引取張力１００ｇで溶融線引きし直径１２５μｍのファイバとする際に、加熱炉のファイバ出口付近に一方の方向から５℃に冷却されたヘリウムガスを毎分５リットルの流量で送風したところ、得られたファイバは曲率半径６ｃｍであった。
このファイバは半径３ｃｍのボビンにコイル状に巻いた場合、その表面に生じる歪は０．１％となる。この歪は通常のほぼ真直なファイバを同様に半径３ｃｍのボビンにコイル状に巻いた場合に生じる歪が約０．２１％であることを考えると半減されたものである。
【００１０】
【実験例２】
直径１２ｍｍの石英ガラスロッド（Ｇｅ＋Ｅｒドープ石英ガラスコアの周りにクラッドの一部となる石英ガラス層が形成されてなるもの）を用意し、これをその軸の周りに回転させつつ、その長さ方向に沿って酸水素バーナをトラバースさせ、クラッド用の原料ガスであるＳｉＣｌ4 を火炎加水分解させて得られるＳｉＯ2 スートをコアロッドの周りに堆積させ、最後にロッドの回転を停止させてＳｉＣｌ4 とＰＯＣｌ3 とを酸水素バーナに供給しつつバーナを１００ｍｍ／分の速度で１回だけトラバースさせてＳｉＯ2 −Ｐ2 Ｏ5 スートを帯状に形成した。なお、このときの酸水素バーナへのＳｉＣｌ4 とＰＯＣｌ3 の供給量は前者が３リットル／分、後者が３０℃に保ったＰＯＣｌ3 をＡｒガスで１リットル／分でバブリングして得られる供給量とした。
【００１１】
こうして得られたものを透明ガラス化して直径６ｃｍの石英系ファイバ母材となし、これを線引速度６００ｍ／ｍｉｎ、引取張力１００ｇで溶融線引きし直径１２５μｍのファイバとしたところ、得られた光ファイバの曲率半径は６ｃｍであった。
このファイバを半径３ｃｍのボビンに巻いて、励起用ＬＤと組合わせて光ファイバ増幅器を構成した。
このファイバの１．５５μｍ帯の信号光の増幅特性の偏光依存性は０．０１ｄＢ以下であり、通常のほぼ真直なエルビウムドープファイバのそれが０．１ｄＢ程度であるのに比較して良好であった。
【００１２】
【実験例３】
実験例１のファイバ母材の一側面長さ方向にＮａＣｌの飽和水溶液を塗布、乾燥させ、これを線引速度６００ｍ／ｍｉｎ、引取張力２００ｇで溶融線引きし直径１２５μｍのファイバとしたところ、得られた光ファイバの曲率半径は６．２ｃｍであった。このファイバは半径３ｃｍのボビンに巻いた場合、その表面に生じる歪は０．１１％となり、通常、ファイバを同半径のボビンに巻いた際に生じる歪の０．２１％に比べ低減される。
【００１３】
【実験例４】
実験例２の母材のＰが添加されている側の表面に実験例３の手段を施して母材とし、これを線引速度６００ｍ／ｍｉｎ、引取張力１００ｇで溶融線引きし直径１２５μｍのファイバとしたところ、得られた光ファイバの曲率半径は５．７ｃｍであった。このファイバは半径２ｃｍのボビンに巻いた場合、その表面に生じる歪は０．２０％となり、通常、ファイバを同半径のボビンに巻いた際に生じる歪の０．３１％に比べ低減される。
【００１４】
【発明の効果】
この発明方法は、以上のように石英ガラス系光ファイバ母材の一方の側もしくはその線引き直後のファイバの一方の側に石英ガラスの粘度を低下させる手段を講じるという極めて簡単な方法によって、所定の曲率半径を有するファイバを容易に得ることができるものであり、以て、このファイバを小さな径のボビンに巻いても機械的強度をさほど低下させることがなく、かつ、曲げによってファイバに生じる歪を抑制し得るのでＰＤＬ特性の劣化を抑制できるという副次的効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の方法により線引きしている状態の一実施例の説明図。
【図２】この発明の他の方法により線引きされた光ファイバの断面図。
【図３】この発明のさらに他の方法により線引きされた光ファイバの断面図。
【符号の説明】
１ 石英系光ファイバ母材
２ 加熱炉
３ ファイバ
４ 冷却気体
１０ Ｇｅドープ石英ガラスコア
１２ 石英ガラスクラッド
２０ 添加部
３０ 付着部
Claims (3)
- 石英ガラス系光ファイバ母材を溶融線引きしてファイバ化するに際して、線引き直後のファイバの一側面の温度分布が対向側面のそれと異なるようにして線引きして、任意の曲率半径を持った光ファイバを得ることを特徴とする部品用光ファイバの製造方法。
- 石英ガラス系光ファイバ母材を溶融線引きしてファイバ化するに際して、前記母材としてその外周の一側部に、母材の長さ方向に石英ガラスの粘度を低下させる帯状の添加物を添加して、任意の曲率半径を持った光ファイバを得ることを特徴とする部品用光ファイバの製造方法。
- 石英ガラス系光ファイバ母材を溶融線引きしてファイバ化するに際して、前記母材としてその一外側面に拡散速度が速く石英ガラスの粘度を低下させる元素を含む化合物を付着させたものを用いることを特徴とする部品用光ファイバの製造方法。
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1997
- 1997-03-11 JP JP7280497A patent/JP3868573B2/ja not_active Expired - Fee Related
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