JP6036386B2 - マルチコア光ファイバ母材製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、各々軸方向に延在する複数のコア部を有するマルチコア光ファイバ母材を製造する方法に関するものである。

各々軸方向に延在する複数のコア部を有するマルチコア光ファイバ母材はロッドインコラプス法で製造することができる（特許文献１，２参照）。ロッドインコラプス法では、略円柱形状のガラス体に対し各々軸方向に延在する複数の孔部を形成してガラスパイプを作製し、このガラスパイプの複数の孔部それぞれにコアロッドを挿入し、これらを加熱し一体化することでマルチコア光ファイバ母材を製造する。

このマルチコア光ファイバ母材を線引することでマルチコア光ファイバを製造することができる。マルチコア光ファイバのコアと発光素子または受光素子との光学的接続や、或るマルチコア光ファイバのコアと他のマルチコア光ファイバのコアとの光学的接続の際に、接続損失を小さくすることが重要である。その為には、マルチコア光ファイバ母材の断面における各コア部の位置は精密に制御されなければならない。

特開昭６１−２０１６３３号公報 特開２０１１−１６８４６４号公報

１つのコア部を有する光ファイバ母材を製造するには、ガラスパイプの中心軸にある孔部にコアロッドを挿入し、これらを中心軸の周りに回転させながら軸対称の加熱を行って一体化する。この加熱一体化工程の際のガラスパイプの変形は、中心軸の周りに対称となり、コアロッドの近傍のガラスが中心軸に向かって変形し一体化される。したがって、１つのコア部を有する光ファイバ母材では、該コア部は中心軸位置に精度よく配置することができる。

これに対して、マルチコア光ファイバ母材では、複数のコア部のうち中心軸に位置しないコア部については、加熱一体化工程の際のコアロッドの近傍のガラスの変形が対称とならず、孔部の中心と一体化後のコア部の中心とが互いに一致しない。このことから、中心軸に位置しないコア部は、設計通りの位置に精度よく配置することが困難である。

ガラスパイプの孔部の内壁面とコアロッドの外周面との間のクリアランスが大きいと、マルチコア光ファイバ母材におけるコア部の位置ずれが大きくなり易い。クリアランスが小さければ、コア部の位置ずれを小さくすることができる。しかし、クリアランスが小さすぎると、ガラスパイプの孔部へのコアロッドの挿入が難しい。また、挿入時にガラスパイプの孔部の内壁面またはコアロッドの外周面に傷が生じ易く、この傷が界面での気泡発生等の要因となる。

マルチコア光ファイバにおけるコア径とコア間ピッチとの関係は、１回のロッドインコラプス工程で決定され、以後の工程で修正することができない。また、マルチコア光ファイバ母材は、プリフォ−ムアナライザなど非破壊の手段で断面径方向位置の情報を得ることが難しく、微調整も困難である。したがって、ロッドインコラプス工程時に所望のコア間隔等が高精度に得られることが望ましい。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、複数のコア部が設計通りの位置に精度よく配置されたマルチコア光ファイバ母材を容易に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母材製造方法は、各々軸方向に延在する複数のコア部を共通のクラッド部中に有するマルチコア光ファイバ母材を製造する方法であって、略円柱形状のガラス体に対し各々軸方向に延在する複数の孔部を形成してガラスパイプを作製する孔部形成工程と、ガラスパイプの複数の孔部それぞれにコアロッドを挿入し、これらを加熱し一体化してマルチコア光ファイバ母材を製造する加熱一体化工程とを備える。

そして、本発明のマルチコア光ファイバ母材製造方法は、製造されるべきマルチコア光ファイバ母材の複数のコア部のうち中心軸に位置しないコア部（以下「周辺コア部」という。）の中心位置とマルチコア光ファイバ母材の中心軸との間の距離をｄとし、周辺コア部に対応するコアロッド（以下「周辺コアロッド」という。）の半径をｒとし、ガラス体に形成されるべき複数の孔部のうち周辺コアロッドが挿入される孔部（以下「周辺孔部」という。）の半径をＲとし、周辺孔部の中心位置とガラス体の中心軸との間の距離をＤとしたとき、周辺孔部とガラスパイプの中心軸との間に他の孔部によるクリアランスが存在しない場合、孔部形成工程において、ガラス体に対し、周辺コア部の中心位置とガラス体の中心軸とを結ぶ直線上で ｄ＜Ｄ≦ｄ＋Ｒ−ｒ なる関係式を満たす位置に周辺孔部を形成することを特徴とする。

また、本発明のマルチコア光ファイバ母材製造方法は、周辺孔部とガラスパイプの中心軸との間に存在する他の孔部によるクリアランスの断面積をＳとしたとき、孔部形成工程において、ガラス体に対し、周辺コア部の中心位置とガラス体の中心軸とを結ぶ直線上でｄ＜Ｄ≦ｄ＋２Ｒ−ｒ−√(Ｒ^２−Ｓ／π) なる関係式を満たす位置に周辺孔部を形成することを特徴とする。

本発明のマルチコア光ファイバ母材製造方法は、孔部形成工程において、周辺孔部の半径Ｒと周辺コアロッドの半径ｒとの差を０.１５ｍｍ以上とするのが好適である。また、マルチコア光ファイバ母材の外径を基準として、このマルチコア光ファイバ母材を線引して製造されるマルチコア光ファイバの外径の縮径率をφとしたとき、孔部形成工程において、Ｒ−ｒ≦０.５μｍ／φ となるようにガラスパイプの外径およびクリアランスを設定するのが好適である。

本発明によれば、複数のコア部が設計通りの位置に精度よく配置されたマルチコア光ファイバ母材を容易に製造することができる。

マルチコア光ファイバの一例を示す断面図である。 マルチコア光ファイバ母材製造方法を模式的に説明する図である。 マルチコア光ファイバ母材製造課程における断面図である。 マルチコア光ファイバの他の例を示す断面図である。 マルチコア光ファイバ母材製造課程における断面図である。 本実施形態のマルチコア光ファイバ母材製造方法を説明する図である。

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。

図１は、マルチコア光ファイバの一例を示す断面図である。同図は、マルチコア光ファイバ１のファイバ軸に垂直な断面を示す。このマルチコア光ファイバ１は、各々軸方向に延在する７本のコア１１_０〜１１_６を共通のクラッド１２中に有する。コア１１_０は中心軸に配置されている。他の６本のコア１１_１〜１１_６は、中心軸を中心とする円の周上に等ピッチで配置されている。コア１１_０〜１１_６それぞれは、クラッド１２の屈折率より高い屈折率を有する領域を含み、光を伝搬させることができる。

図２は、マルチコア光ファイバ母材製造方法を模式的に説明する図である。同図は、中心軸を含む断面を示す。図３は、マルチコア光ファイバ母材製造課程における断面図である。同図は、中心軸に垂直な断面を示す。これらの図は、マルチコア光ファイバ母材３を製造する方法を模式的に説明するものである。マルチコア光ファイバ母材３は、各々軸方向に延在する７本のコア部３１_０〜３１_６を共通のクラッド部３２中に有する（図３（ｃ））。このマルチコア光ファイバ母材３を線引することで、図１に示されるマルチコア光ファイバ１を製造することができる。

マルチコア光ファイバ母材製造方法は、略円柱形状のガラス体に対し各々軸方向に延在する７つの孔部を形成してガラスパイプ２２を作製する孔部形成工程と、このガラスパイプ２２の各孔部にコアロッド２１_０〜２１_６を挿入し、これらを加熱し一体化してマルチコア光ファイバ母材３を製造する加熱一体化工程と、を備える。

例えば、コアロッド２１_０〜２１_６それぞれは、塩素が添加されたシリカガラスからなる中心コアと、この中心コアの周囲を取り囲みフッ素が添加されたシリカガラスからなる光学クラッドとを含み、一方、ガラスパイプ２２はフッ素が添加されたシリカガラスからなる。或いは、コアロッド２１_０〜２１_６それぞれは、ＧｅＯ_２が添加されたシリカガラスからなる中心コアと、この中心コアの周囲を取り囲みＧｅＯ_２が添加されていない純シリカガラスからなる光学クラッドとを含み、一方、ガラスパイプ２２は純シリカガラスからなる。

コアロッド２１_０〜２１_６それぞれはＯＶＤ法等により作製される。ガラスパイプ２２は、略円柱形状のガラス体に対しドリルによる穿孔によって各孔部が形成されて作製される。加熱一体化工程において、図２中において右から左へ加熱源が移動し、この加熱源によってコアロッド２１_０〜２１_６およびガラスパイプ２２が加熱され一体化される。

図２中の位置Ａでは、加熱源は通過しておらず、コアロッド２１_０〜２１_６およびガラスパイプ２２は未だ一体化されていない（図３（ａ））。図２中の位置Ｂでは、加熱源による加熱一体化が進行中であり、６本のコアロッド２１_１〜２１_６およびガラスパイプ２２は既に一体化されているが、中心にあるコアロッド２１_０とガラスパイプ２２とは未だ一体化されていない（図３（ｂ））。図２中の位置Ｃでは、加熱源による加熱一体化が終了しており、全てのコアロッド２１_０〜２１_６およびガラスパイプ２２は既に一体化されており、マルチコア光ファイバ母材３の断面構造となっている（図３（ｃ））。

このように、ロッドインコラプス法によるマルチコア光ファイバ母材製造方法では、加熱一体化工程において、複数のコアロッドのうち外側に配置されたコアロッドから順にガラスパイプとの一体化が為される。これは、ガラスパイプ２２が加熱源に近い外側ほど早く加熱されて変形が進み易いからであると考えられる。

このとき、図２中の位置Ａでは、径方向外側に配置された６本のコアロッド２１_１〜２１_６は、ガラスパイプ２２の孔部の径方向内側の方向に近づくことになる（図３（ａ））。この理由として、軸対称変形を考慮するとガラスパイプ２２の外側の部分は内側に向かって変形しやすい一方で、内側の部分は中心方向への行き場がなく変形が進みにくいこと、加えて内側ほど相対的に加熱されにくく変形しにくいこと、が考えられる。

このことから、ロッドインコラプス法によるマルチコア光ファイバ母材製造方法により製造されるマルチコア光ファイバ母材３では、外側に配置されるコア部３１_１〜３１_６は、ガラスパイプ２２の孔部の中心位置からガラスパイプ２２の中心軸の方向寄りにずれてしまうことになる。

ガラスパイプ２２の孔部の内壁面とコアロッド２１の外周面との間のクリアランスが大きいほど、マルチコア光ファイバ母材３におけるコア部３１のずれ量は大きい。ガラスパイプ２２の孔部の内側にコアロッド２１が接しない場合もあることが考えられることから、コア部３１のずれに因る位置を高精度に制御することは困難である。

また、図２および図３に示されるように、外側の孔部とガラスパイプ２２の中心軸との間に他の孔部（中心の孔部）によるクリアランスが存在する場合、その影響によって外側コアロッド２１の中心に向かう動きも存在する。

図４は、マルチコア光ファイバの他の例を示す断面図である。同図は、マルチコア光ファイバ４のファイバ軸に垂直な断面を示す。このマルチコア光ファイバ４は、各々軸方向に延在する８本のコア４１_１〜４１_８を共通のクラッド４２中に有する。８本のコア４１_１〜４１_８は２行４列に配置されている。４本のコア４１_１〜４１_４は或る直線上に一定ピッチで配置され、４本のコア４１_５〜４１_８は他の直線上に一定ピッチで配置されている。コア４１_１〜４１_８それぞれは、クラッド４２の屈折率より高い屈折率を有する領域を含み、光を伝搬させることができる。

図５は、マルチコア光ファイバ母材製造課程における断面図である。同図は、中心軸に垂直な断面を示す。同図は、マルチコア光ファイバ母材６を製造する方法を模式的に説明するものである。マルチコア光ファイバ母材６は、各々軸方向に延在する８本のコア部６１_１〜６１_８を共通のクラッド部６２中に有する（同図（ｂ））。このマルチコア光ファイバ母材６を線引することで、図４に示されるマルチコア光ファイバ３を製造することができる。

この場合、マルチコア光ファイバ母材製造方法は、略円柱形状のガラス体に対し各々軸方向に延在する８つの孔部を形成してガラスパイプ５２を作製する孔部形成工程と、このガラスパイプ５２の各孔部にコアロッド５１_１〜５１_８を挿入し、これらを加熱し一体化してマルチコア光ファイバ母材６を製造する加熱一体化工程と、を備える。

このようなマルチコア光ファイバ母材６を製造する場合、加熱一体化工程において、同図（ａ）に示されるように各コアロッド５１が中心に向かうようにガラスパイプ５２が変形することから、同図（ｂ）に示されるように各コア部６１は設計位置からずれてしまう。

このような問題点を解消する為に、本実施形態のマルチコア光ファイバ母材製造方法では、製造されるべきマルチコア光ファイバ母材の複数のコア部のうち中心軸に位置しないコア部（周辺コア部）について、加熱一体化工程の際の位置変化を考慮した上で、孔部形成工程の際の孔部形成の位置を決定する。具体的には以下のとおりである。

図６は、本実施形態のマルチコア光ファイバ母材製造方法を説明する図である。同図（ａ）は、製造されるべきマルチコア光ファイバ母材３の断面を示す。同図（ｂ）は、ガラスパイプ２２の断面を示す。

周辺コア部３１の中心位置とマルチコア光ファイバ母材３の中心軸との間の距離をｄとする。周辺コア部３１に対応するコアロッド（周辺コアロッド）２１の半径をｒとする。ガラス体に形成されるべき複数の孔部のうち周辺コアロッド２１が挿入される孔部（周辺孔部）の半径をＲとする。また、周辺孔部の中心位置とガラス体の中心軸との間の距離をＤとする。

このとき、孔部形成工程において、ガラス体に対し、周辺コア部の中心位置とガラス体の中心軸とを結ぶ直線上で下記（１）式の関係を満たす位置に周辺孔部を形成する。この式は、最大でコアロッドと孔部との片側クリアランス分（Ｒ−ｒ）だけ外側に孔部を設けることを示している。

ｄ＜Ｄ≦ｄ＋Ｒ−ｒ …（１）

また、図２および図３に示されるように、周辺孔部とガラスパイプ２２の中心軸との間に他の孔部（中心の孔部）によるクリアランス２３が存在する場合、そのクリアランス２３の断面積をＳとする。このとき、孔部形成工程において、ガラス体に対し、周辺コア部の中心位置とガラス体の中心軸とを結ぶ直線上で下記（２）式の関係を満たす位置に周辺孔部を形成する。このような位置に孔部を形成することで、このクリアランス２３の影響を緩和することができる。周辺孔部とガラスパイプ２２の中心軸との間に存在する他の孔部の半径をＲ_０とし、その孔部に挿入されるコアロッドの半径をｒ_０とすると、クリアランス２３の断面積Ｓは下記（３）式で表される。

ｄ＜Ｄ≦ｄ＋２Ｒ−ｒ−√(Ｒ^２−Ｓ／π) …（２）
Ｓ＝π（Ｒ_０ ^２−ｒ_０ ^２） …（３）

周辺コア部の位置精度の観点から、クリアランスは小さい方が望ましい。すなわち、Ｒ−ｒの値を小さくすることで、加熱一体化工程の前後での周辺コア部の位置変化量を小さくすることができる。例えば、Ｒ−ｒの値が１ｍｍである場合、（１）式によれば周辺孔部中心を予め０〜１ｍｍ外側に配置することになる。Ｒ−ｒの値が０.５ｍｍである場合は、周辺孔部中心を予め０〜０.５ｍｍ外側に配置することになる。Ｒ−ｒの値が０.１ｍｍである場合は、周辺孔部中心を予め０〜０.１ｍｍ外側に配置することになる。クリアランスを狭くすることにより、加熱一体化工程の前後での周辺コア部の動きは小さくなり、加熱一体化工程後のマルチコア光ファイバ母材における周辺コア部の位置精度を向上させることができる。

一方、クリアランスが狭すぎると、ガラスパイプ２２の孔部にコアロッド２１を挿入する際にガラスパイプ２２の孔部の内壁面またはコアロッド２１の外周面に傷が生じ易くなったり、加熱一体化工程における加熱の前にガラスパイプ２２の孔部の内壁面およびコアロッド２１の外周面を塩素処理により清浄化することが困難となったり、また、ガラスパイプ２２の孔部およびコアロッド２１それぞれの径に要求される精度が高くなって製造コストが上昇したりする等の問題がある。したがって、周辺孔部の半径Ｒと周辺コアロッドの半径ｒとの差は、０.１５ｍｍ以上であるのが好ましく（下記（４）式）、０.５ｍｍ以上であるのが更に好ましい。

Ｒ−ｒ≧０.１５ｍｍ …（４）

マルチコア光ファイバ母材を線引して製造されるマルチコア光ファイバにおいて、コアの位置精度は、その線引工程の際の縮径率φにも依存する。縮径率φが大きいほど、マルチコア光ファイバ母材におけるコア部の位置精度の影響が軽減される。マルチコア光ファイバの径が決まっている場合には、マルチコア光ファイバ母材の径が大きいほど、マルチコア光ファイバ母材におけるコア部の位置精度の影響が軽減される。

なお、縮径率φは、加熱一体化工程直後のマルチコア光ファイバ母材の径に対するマルチコア光ファイバの径の比率で定義される。加熱一体化工程後であって線引工程前にマルチコア光ファイバ母材の径が変更される場合を考慮すると、縮径率φは、加熱一体化工程直後のマルチコア光ファイバ母材におけるコア部間ピッチに対するマルチコア光ファイバにおけるコア間ピッチの比率で定義される。

マルチコア光ファイバ母材でのコア部の位置精度が０.５ｍｍであって、縮径率φが０.００４である場合は、マルチコア光ファイバでのコアの位置精度は０.５ｍｍ×０.００４＝２.０μｍとなる。マルチコア光ファイバ母材でのコア部の位置精度が０.５ｍｍであって、縮径率φが０.００２である場合は、マルチコア光ファイバでのコアの位置精度は１.０μｍとなる。

マルチコア光ファイバにおいて求められるコアの位置精度は、例えば１μｍ以下であり、好ましくは０.５μｍ以下である。マルチコア光ファイバにおけるコアの位置精度はクリアランス起因だけではないので、ガラスパイプ２２の孔部とコアロッド２１とのクリアランスに起因するコアの位置精度は、０.５μｍ以下であるのが好ましく（下記（５）式）、０.２μｍ以下であるのが更に好ましい。

（Ｒ−ｒ）φ≦０.５μｍ …（５）

上記（４）式および（５）式から下記（６）式が得られる。この（６）式において右辺の値が左辺の値以上でなければならないから、縮径率φは０.００３３より小さい必要がある。例えば、マルチコア光ファイバの外径が１２５μｍである場合、マルチコア光ファイバ母材の外径は３７.５ｍｍ以上である。マルチコア光ファイバの外径が１５０μｍである場合、マルチコア光ファイバ母材の外径は４５ｍｍ以上である。

０.１５ｍｍ≦Ｒ−ｒ≦０.５μｍ／φ …（６）

１…マルチコア光ファイバ、３…マルチコア光ファイバ母材、４…マルチコア光ファイバ、６…マルチコア光ファイバ母材、１１_０〜１１_６…コア、１２…クラッド、２１_０〜２１_６…コアロッド、２２…ガラスパイプ、２３…クリアランス、３１_０〜３１_６…コア部、３２…クラッド部、４１_１〜４１_８…コア、４２…クラッド、５１_１〜５１_８…コアロッド、５２…ガラスパイプ、６１_１〜６１_８…コア部、６２…クラッド部。

Claims (4)

1. 各々軸方向に延在する複数のコア部を共通のクラッド部中に有するマルチコア光ファイバ母材を製造する方法であって、
   略円柱形状のガラス体に対し各々軸方向に延在する複数の孔部を形成してガラスパイプを作製する孔部形成工程と、
   前記ガラスパイプの複数の孔部それぞれにコアロッドを挿入し、これらを加熱し一体化してマルチコア光ファイバ母材を製造する加熱一体化工程と、
   を備え、
   製造されるべきマルチコア光ファイバ母材の複数のコア部のうち中心軸に位置しないコア部（以下「周辺コア部」という。）の中心位置と前記マルチコア光ファイバ母材の中心軸との間の距離をｄとし、前記周辺コア部に対応するコアロッド（以下「周辺コアロッド」という。）の半径をｒとし、前記ガラス体に形成されるべき複数の孔部のうち前記周辺コアロッドが挿入される孔部（以下「周辺孔部」という。）の半径をＲとし、前記周辺孔部の中心位置と前記ガラス体の中心軸との間の距離をＤとしたとき、前記周辺孔部と前記ガラスパイプの中心軸との間に他の孔部によるクリアランスが存在しない場合、
   前記孔部形成工程において、前記ガラス体に対し、前記周辺コア部の中心位置と前記ガラス体の中心軸とを結ぶ直線上で ｄ＜Ｄ≦ｄ＋Ｒ−ｒ なる関係式を満たす位置に前記周辺孔部を形成する、
   ことを特徴とするマルチコア光ファイバ母材製造方法。
2. 各々軸方向に延在する複数のコア部を共通のクラッド部中に有するマルチコア光ファイバ母材を製造する方法であって、
   略円柱形状のガラス体に対し各々軸方向に延在する複数の孔部を形成してガラスパイプを作製する孔部形成工程と、
   前記ガラスパイプの複数の孔部それぞれにコアロッドを挿入し、これらを加熱し一体化してマルチコア光ファイバ母材を製造する加熱一体化工程と、
   を備え、
   製造されるべきマルチコア光ファイバ母材の複数のコア部のうち中心軸に位置しないコア部（以下「周辺コア部」という。）の中心位置と前記マルチコア光ファイバ母材の中心軸との間の距離をｄとし、前記周辺コア部に対応するコアロッド（以下「周辺コアロッド」という。）の半径をｒとし、前記ガラス体に形成されるべき複数の孔部のうち前記周辺コアロッドが挿入される孔部（以下「周辺孔部」という。）の半径をＲとし、前記周辺孔部の中心位置と前記ガラス体の中心軸との間の距離をＤとし、前記周辺孔部と前記ガラスパイプの中心軸との間に存在する他の孔部によるクリアランスの断面積をＳとしたとき、
   前記孔部形成工程において、前記ガラス体に対し、前記周辺コア部の中心位置と前記ガラス体の中心軸とを結ぶ直線上で ｄ＜Ｄ≦ｄ＋２Ｒ−ｒ−√(Ｒ^２−Ｓ／π) なる関係式を満たす位置に前記周辺孔部を形成する、
   ことを特徴とするマルチコア光ファイバ母材製造方法。
3. 前記孔部形成工程において、前記周辺孔部の半径Ｒと前記周辺コアロッドの半径ｒとの差を０.１５ｍｍ以上とする、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のマルチコア光ファイバ母材製造方法。
4. 前記マルチコア光ファイバ母材の外径を基準として、このマルチコア光ファイバ母材を線引して製造されるマルチコア光ファイバの外径の縮径率をφとしたとき、
   前記孔部形成工程において、Ｒ−ｒ≦０.５μｍ／φ となるように前記ガラスパイプの外径およびクリアランスを設定する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のマルチコア光ファイバ母材製造方法。
   

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