JP6291885B2

JP6291885B2 - マルチコア光ファイバ製造方法

Info

Publication number: JP6291885B2
Application number: JP2014024166A
Authority: JP
Inventors: 中西　哲也; 哲也中西; 佐々木　隆; 隆佐々木
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2034-02-12
Also published as: JP2015151279A

Description

本発明は、マルチコア光ファイバ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を共通のクラッド中に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により製造することができる（特許文献１，２を参照）。ロッドインコラプス法では、略円柱形状のガラスロッドに軸方向に延在する複数の孔を形成してクラッド材を作製し、このクラッド材の複数の孔それぞれにコアロッドを挿入し、これらを加熱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。特許文献１の図２に示されるように、一般にロッドインコラプス法では、横型の旋盤を用いて上記の各工程が実施される。このマルチコア光ファイバ母材を線引き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。

特許文献３，４には、縦方向に配置したクラッド材の孔にコアロッドを挿入し、これらを線引炉により加熱一体化しながら線引きして光ファイバを製造するロッドイン線引法が開示されている。特許文献４に開示されたロッドイン線引法は、クラッド材の孔にコアロッドを挿入した後にクラッド材の内表面およびコアロッドの外表面それぞれの水分を除去し、クラッド材の少なくとも一端を封止し、クラッド材とコアロッドとの間の隙間を乾燥気体雰囲気とし又は減圧して、この状態でクラッド材とコアクラッドとを加熱一体化しながら線引きをする。ただし、特許文献３，４に開示されたロッドイン線引法は、軸方向に延在する１つのコアをクラッド中に有するシングルコア光ファイバを製造するものである。

特開昭６１-２０１６３３号公報特開２０１１-１６８４６４号公報特開昭５８−２１７４４３号公報特許第５１７６２７４号公報

特許文献３，４に開示されたロッドイン線引法はシングルコア光ファイバを製造するものである。マルチコア光ファイバを製造する際にもロッドイン線引法を用いることができれば、製造プロセスを簡略化することができ、製造コストを低減することができるので好ましい。

しかしながら、ロッドイン線引法によりマルチコア光ファイバを製造する場合には、クラッド材において軸中心以外にも孔が設けられていることから、シングルコア光ファイバを製造する際のロッドイン線引法をそのまま適用することができない。

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、ロッドイン線引法に基づいてマルチコア光ファイバを製造するのに好適な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、ガラスロッドに軸方向に延在する複数の孔を形成してクラッド材を作製するクラッド材作製工程と、前記クラッド材の第１端側の接合面の全体または一部について前記クラッド材の中心軸に対し垂直でない面となるように加工した後、前記クラッド材の前記第１端側にダミーパイプを接続する接続工程と、前記接続工程の後に前記クラッド材の前記複数の孔それぞれにコアロッドを挿入する挿入工程と、前記挿入工程の後に前記クラッド材の第２端側を加熱し前記クラッド材と前記コアロッドとを一体化しつつ線引きしてマルチコア光ファイバを製造する線引工程と、を有し、前記ダミーパイプの内径が、前記クラッド材の前記複数の孔のうち前記クラッド材の中心軸に対し最外周にある孔群の外接円の径より２ｍｍ以上大きい。

本発明によれば、ロッドイン線引法に基づいてマルチコア光ファイバを製造するのに好適な方法が提供される。

本実施形態のマルチコア光ファイバ製造方法が適用される線引装置１の構成を示す図である。接続工程を説明する縦断面図である。クラッド材２０における接合面を説明する図である。接続工程を説明する縦断面図である。クラッド材２０およびコアロッド３０の総重量Ｍを横軸とし、クラッド材２０とダミーパイプ５０との接合面２２の面積Ｓを縦軸としたときの、接合部の破損の有無を示すグラフである。接続工程を説明する縦断面図である。接続工程を説明する縦断面図である。接続工程を説明する縦断面図である。

前記接続工程において、前記クラッド材と前記ダミーパイプとの接続断面積Ｓ（ｍｍ^２）が、前記クラッド材および前記コアロッドの総重量をＭ（ｋｇ）としたときに、２０（ｍｍ^２／ｋｇ） x Ｍ ≦ Ｓなる関係式を満たすのが好適である。

前記接続工程において、前記クラッド材の前記第１端側の接合面について周縁領域に対して中央領域が凹部となるように加工した後、前記クラッド材の前記第１端側に前記ダミーパイプを接続するのが好適である。

前記接続工程において、実質的にＯＨ基を発生させない熱源を用いた加熱により前記クラッド材の前記第１端側に前記ダミーパイプを接続するのが好適である。前記クラッド材の前記孔の径と前記孔に挿入される前記コアロッドの外径との差が、前記クラッド材の外径の０.５％以下であるのが好適である。前記クラッド材の前記孔の内表面の粗さＲａおよび前記コアロッドの外表面の粗さＲａが１００μｍ未満であるのが好適である。

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、本実施形態のマルチコア光ファイバ製造方法が適用される線引装置１の構成を示す図である。線引装置１は、圧力調整部１１、保持部１２、線引炉１３、外径測定部１４、第１樹脂塗布部１５、第１紫外線照射部１６、第２樹脂塗布部１７および第２紫外線照射部１８を備える。線引装置１は、クラッド材２０とコアロッド３０とを加熱一体化しつつ線引きしてマルチコア光ファイバ４０，４１を製造することができる。

本実施形態のマルチコア光ファイバ製造方法は、クラッド材作製工程、接続工程、挿入工程および線引工程を順に行って、マルチコア光ファイバ４０，４１を製造する。クラッド材作製工程では、ガラスロッドに軸方向に延在する複数の孔２１を形成してクラッド材２０を作製する。接続工程では、クラッド材２０の第１端側（上端側）にダミーパイプ５０を接続する。挿入工程では、接続工程の後にクラッド材２０の複数の孔２１それぞれにコアロッド３０を挿入する。線引工程では、挿入工程の後にクラッド材２０の第２端側（下端側）を加熱しクラッド材２０とコアロッド３０とを一体化しつつ線引きしてマルチコア光ファイバ４０を製造する。線引装置１は、これらの工程のうち線引工程で用いられる。

線引工程の詳細は以下のとおりである。ダミーパイプ５０が保持部１２により保持されて、このダミーパイプ５０に接続されたクラッド材２０と、クラッド材２０の複数の孔２１それぞれに挿入されたコアロッド３０とは、線引炉１３内に垂直に配置される。ダミーパイプ５０の上部にある圧力調整部１１によりクラッド材２０の複数の孔２１の内部の雰囲気および気圧が調整され、線引炉１３によりクラッド材２０およびコアロッド３０の下端側が加熱されることで、クラッド材２０とコアロッド３０とが一体化されつつ線引きされてマルチコア光ファイバ４０が製造される。

線引炉１３の下端から出たマルチコア光ファイバ４０は、外径測定部１４により外径が測定され、第１樹脂塗布部１５によりプライマリ樹脂が塗布され、第１紫外線照射部１６により紫外線が照射されてプライマリ樹脂が硬化され、第２樹脂塗布部１７によりセカンダリ樹脂が塗布され、第２紫外線照射部１８により紫外線が照射されてセカンダリ樹脂が硬化され、これにより２層の樹脂層により被覆されたマルチコア光ファイバ４１となって、ボビンにより巻き取られる。外径測定部１４による外径測定結果に基づいて線引速度等が調整されて、所望のクラッド径を有するマルチコア光ファイバ４０を製造することができる。

製造されるマルチコア光ファイバ４０は、ＩＴＵ-Ｔ国際規格Ｇ.６５２.Ｄに準拠することが望ましい。マルチコア光ファイバ４０は、更にＧ.６５７.Ａ１、Ｇ.６５７.Ａ２、Ｇ.６５７.Ｂ３に準拠する曲げ損失特性を持つことが望ましい。これにより、マルチコア光ファイバ４０は、Ｇ.６５２.Ｄに準拠する汎用シングルモード光ファイバと低損失で接続することが可能であり、且つ、伝送システム上はＧ.６５２.Ｄ光ファイバと同様に扱うことができる。

マルチコア光ファイバ４０の各コアは、ステップ型、ＧＩ型、Ｗ型、トレンチ型など、コア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取ることができる。マルチコア光ファイバ４０のコア間のクロストークや閉じ込め損失を適切に設定する設計指針については、理論的解明されている。

また、マルチコア光ファイバ４０の各コアの伝搬定数は、互いに同様であってもよく、互いに異なっていても構わない。また、マルチコア光ファイバ４０は、各コアを別々のチャネルとして伝送する非結合型のものでもよく、複数のコアに跨ったスーパーチャネルとして伝送する結合型のものであっても構わない。

マルチコア光ファイバ４０の各コアは、ＳｉＯ_２を主成分としたガラスにより構成される。クラッドは、ＳｉＯ_２ガラスで構成され、Ｆ、Ｃｌを含んでいても含まなくても良い。

コアロッド３０は、ＶＡＤ、ＯＶＤ、ＭＣＶＤ、ＰＣＶＤといった気相ガラス合成法を用いる製造され得る。更に、コアロッド３０は、ＶＡＤ、ＯＶＤ、ＭＣＶＤ、ロッドインコラプス法やそれに類する方法により中間光学クラッド層が設けられていてもよい。

マルチコア光ファイバ４０，４１は、必要に応じて着色され、光ケーブルや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。

ところで、ロッドイン線引法ではない通常の線引工程では、光ファイバ母材を保持する為の中実なダミーロッドを光ファイバ母材の第１端側（上端側）に接続して、光ファイバ母材の第２端側（下端側）を加熱し線引きを行う。これに対して、ロッドイン線引法では、線引き中のクラッド材の孔の内壁とコアロッドの外周面との隙間の圧力を管理する必要があることから、中実ではなく中空のダミーパイプをクラッド材の第１端側（上端側）に接続して、クラッド材の第２端側（下端側）を加熱しクラッド材とコアロッドとを一体化しつつ線引きを行う。

ロッドイン線引法によりシングルコア光ファイバを製造する場合、図２（ａ）に示されるように、クラッド材２０において軸中心のみに孔２１が設けられていることから、クラッド材２０に接続するダミーパイプ５０の肉厚ｔを厚くすることができる。これに対して、ロッドイン線引法によりマルチコア光ファイバを製造する場合、同図（ｂ）に示されるように、クラッド材２０において軸中心以外にも孔２１が設けられていることから、クラッド材２０の各孔を塞ぐことなくダミーパイプ５０を接続するためには、ダミーパイプ５０の肉厚ｔを薄くすることが必要できる。

ロッドイン線引法によりマルチコア光ファイバを製造する場合、クラッド材２０の第１端側の端面のうちダミーパイプ５０が接続される接合面の領域は、最外周に配置された孔２１の中心位置からクラッド材２０の外周までのクラッド層の厚み（Optical Cladding Thickness、以下「ＯＣＴ」という。）のうちの一部の領域である。

一般に、汎用のシングルコア光ファイバのガラス径が１２５μｍであるのに対して、マルチコア光ファイバのガラス径は１２５μｍより大きくなる。ガラス径の増加は、曲げ歪による破断確率の増加を招き、また、光ファイバの製造コストの増大を招く。このことから、クラッド材２０のＯＣＴは、閉じ込め損失が許容可能である範囲内で薄くすることが望ましい。

図３は、クラッド材２０における接合面を説明する図である。同図に示されるように、クラッド材２０の最外周に配置された孔２１の中心位置からクラッド材２０の外周までのクラッド層の厚みがＯＣＴである。クラッド材２０の外径をＤ_１とし、クラッド材２０の複数の孔２１のうちクラッド材２０の中心軸に対し最外周にある孔群の外接円の径をＤ_２とし、ダミーパイプ５０の内径をＤ_３とする。クラッド材２０における接合面２２は、径Ｄ_３から径Ｄ_１までのハッチング領域である。

ロッドイン線引法によりマルチコア光ファイバを製造する場合にクラッド材２０においてダミーパイプ５０と接続される接合面２２の断面積は、ロッドイン線引法によりシングルコア光ファイバを製造する場合と比較して小さく制限される。経済性が高いマルチコア光ファイバ製造方法を実現するためには、クラッド材２０を大型化することが望ましい。しかし、大型化によるクラッド材２０の重量増加に耐え得るダミーパイプ５０とクラッド材２０との接合面２２の面積（接合断面積）が満たすべき要件は、これまで明らかではなかった。また、例えば外径１００ｍｍといった太径のクラッド材２０に対し、肉厚１０ｍｍ以下のダミーパイプ５０を接続する場合、接合の際の両者の粘性が互いに大きく異なることから、十分な強度を持った接合が困難となる問題があった。

そこで、本実施形態では、ダミーパイプ５０の内径Ｄ_３は、クラッド材２０の中心軸に対し最外周にある孔群の外接円の径Ｄ_２より２ｍｍ以上大きく設定される。すなわち、同図中のΔｒは１ｍｍ以上とされる。図４に示されるように、クラッド材２０およびダミーパイプ５０それぞれの接続端面を加熱溶融して互いに接続すると、クラッド材２０とダミーパイプ５０との接合部における強度が十分に得られる前提で、ダミーパイプ５０の接続端において内側に隆起部５１が生じる場合がある。このような隆起部５１が生じることがあっても、Ｄ_３がＤ_２より２ｍｍ以上大きく設定されていることにより、孔２１はコアロッド３０が挿入され得るだけの径を確保することができる。

また、本実施形態では、クラッド材２０とダミーパイプ５０との接合面２２の面積Ｓ（ｍｍ^２）は、クラッド材２０およびコアロッド３０の総重量をＭ（ｋｇ）としたときに、２０（ｍｍ^２／ｋｇ） x Ｍ ≦ Ｓなる関係式を満たすように設定されるのが好ましい。図５は、クラッド材２０およびコアロッド３０の総重量Ｍを横軸とし、クラッド材２０とダミーパイプ５０との接合面２２の面積Ｓを縦軸としたときの、接合部の破損の有無を示すグラフである。同図中で、○印は接合部の破損無しを示し、×印は接合部の破損有りを示す。同図に示されるように、接続断面積Ｓと総重量Ｍとが上記関係式を満たすことにより、クラッド材２０およびコアロッド３０の総重量Ｍが１０ｋｇ以上であっても破損しない接続断面積Ｓを得ることができる。

これにより、不要な接合領域を確保する必要がなく、十分なダミーパイプ５０とクラッド材２０と接合の強度を得ることができ、且つ、クラッド材２０の孔２１へのコアロッド３０の挿入が可能となる。

また、太径のクラッド材２０対し薄い肉厚のダミーパイプ５０を接続する場合、接合のための加熱の際に両者の粘性が互いに大きく異なることから、十分な強度を持った接合が困難となる場合がある。図６に示されるように、クラッド材２０の粘性が十分に低下するように加熱した場合、孔２１の形状が変形してしまい、接合後に孔２１へのコアロッド３０の挿入が困難になる場合もある。

そこで、図７に示されるように、接続工程において、クラッド材２０の第１端側（上端側）の接合面２２の全体または一部についてクラッド材２０の中心軸に対し垂直でない面２３となるように加工した後、クラッド材２０の第１端側にダミーパイプ５０を接続するのが好ましい。この面２３と中心軸とがなす角θは６０°以下であるのが好ましい。このようにクラッド材２０の端面を加工することにより、熱源６０からの熱をクラッド材２０の径方向に効率的に伝えることができるので、孔２１の変形に至る前にクラッド材２０の粘性を下げやすくなり、ダミーパイプ５０との接合を容易にすることができる。また、接合の断面積を実質的に増大することができる。

また、図８に示されるように、接続工程において、クラッド材２０の第１端側（上端側）の接合面について周縁領域に対して中央領域が凹部となるように加工（ザグリ（counter boring）加工）した後、クラッド材２０の第１端側にダミーパイプ５０を接続するのが好ましい。凹部とする中央領域の径はダミーパイプ５０の内径と略等しいのが好ましい。このようにクラッド材２０の端面をザグリ加工することにより、クラッド材２０とダミーパイプ５０とを同様に加熱し粘性を互いに略同一にしながら接合することができるので、十分な強度を持った接続が可能となる。また、クラッド材２０の孔２１の端部を直接加熱する必要がないので、孔２１の変形を抑制することができる。さらに、加熱加工時のクラッド材２０へのＯＨ基の拡散の影響を低減することもできるため、ＯＨ基の吸収による伝送損失の上昇を抑制することができる。

接続工程においてクラッド材２０とダミーパイプ５０とを加熱溶融して接続する為に用いられる熱源６０は、実質的にＯＨ基を発生させないものであるのが好ましい。このような熱源６０を用いることにより、伝送損失の原因となるＯＨ基がクラッド材２０内に拡散することを防止することができる。ＯＨ基を発生させない熱源６０として、プラズマバーナー、抵抗炉、誘導炉等を好適に用いることができる。

マルチコア光ファイバの断面上のコアの配置を高精度に実現するためには、ロッドイン線引き中のコアの動きを抑制することが望ましい。そこで、クラッド材２０の孔２１の径と孔２１に挿入されるコアロッド３０の外径との差は、クラッド材２０の外径の０.５％以下であるのが好ましい。このようにすることにより、製造中のコアの偏心を抑制し、コア配置を高精度化することができる。クラッド材２０の孔２１の径と孔２１に挿入されるコアロッド３０の外径との差をクラッド材２０の外径の０.５％以下と狭く管理した場合でも、本実施形態の製造方法を用いることにより、クラッド材２０とダミーパイプ５０との接合部の盛り上がりで、コア挿入が妨げられることがない。

ロッドイン線引法では、孔２１の内表面およびコアロッド３０の外表面それぞれの粗さが粗いと、クラッド材２０の孔２１にコアロッド３０を挿入する際の両者の接触により、孔２１の内壁またはコアロッド３０の外表面に傷が発生して、気泡の原因となり、伝送損失が増大する。このことから、クラッド材２０の孔２１の内表面の粗さＲａおよびコアロッド３０の外表面の粗さＲａは１００μｍ未満であるのが好ましい。より好ましくは外表面の粗さＲａは１０μｍ未満である。

１…線引装置、１１…圧力調整部、１２…保持部、１３…線引炉、１４…外径測定部、１５…第１樹脂塗布部、１６…第１紫外線照射部、１７…第２樹脂塗布部、１８…第２紫外線照射部、２０…クラッド材、２１…孔、２２…接合面、３０…コアロッド、４０，４１…マルチコア光ファイバ、５０…ダミーパイプ、６０…熱源。

Claims

ガラスロッドに軸方向に延在する複数の孔を形成してクラッド材を作製するクラッド材作製工程と、
前記クラッド材の第１端側の接合面の全体または一部について前記クラッド材の中心軸に対し垂直でない面となるように加工した後、前記クラッド材の前記第１端側にダミーパイプを接続する接続工程と、
前記接続工程の後に前記クラッド材の前記複数の孔それぞれにコアロッドを挿入する挿入工程と、
前記挿入工程の後に前記クラッド材の第２端側を加熱し前記クラッド材と前記コアロッドとを一体化しつつ線引きしてマルチコア光ファイバを製造する線引工程と、
を有し、
前記ダミーパイプの内径が、前記クラッド材の前記複数の孔のうち前記クラッド材の中心軸に対し最外周にある孔群の外接円の径より２ｍｍ以上大きい、
マルチコア光ファイバ製造方法。
前記接続工程において、前記クラッド材と前記ダミーパイプとの接続断面積Ｓ（ｍｍ^２）が、前記クラッド材および前記コアロッドの総重量をＭ（ｋｇ）としたときに、
２０（ｍｍ^２／ｋｇ） x Ｍ ≦ Ｓなる関係式を満たす、
請求項１に記載のマルチコア光ファイバ製造方法。
前記接続工程において、前記クラッド材の前記第１端側の接合面について周縁領域に対して中央領域が凹部となるように加工した後、前記クラッド材の前記第１端側に前記ダミーパイプを接続する、
請求項１〜２の何れか１項に記載のマルチコア光ファイバ製造方法。
前記接続工程において、実質的にＯＨ基を発生させない熱源を用いた加熱により前記クラッド材の前記第１端側に前記ダミーパイプを接続する、
請求項１〜３の何れか１項に記載のマルチコア光ファイバ製造方法。
前記クラッド材の前記孔の径と前記孔に挿入される前記コアロッドの外径との差が、前記クラッド材の外径の０.５％以下である、
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。
前記クラッド材の前記孔の内表面の粗さＲａおよび前記コアロッドの外表面の粗さＲａが１００μｍ未満である、
請求項１〜５の何れか１項に記載のマルチコア光ファイバ製造方法。