JP6919228B2 - マルチコア光ファイバの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、マルチコア光ファイバの製造方法に関する。
光ファイバを経由する光通信によるデータ量が近年、増大している。この理由の一つとしては、携帯電話による通信データ量が増大し、基地局間や基地局と通信事業者との間の通信データ量が増加していることを挙げることができる。また、テレビ放送においては、いわゆる４Ｋ放送、８Ｋ放送などが一部開始または予定されており、ケーブルテレビなどによる放送の配信のための通信データ量の増加も挙げることができる。
増加する通信データ量に対応するため、１本の光ファイバに複数本のコアを有するマルチコア光ファイバの研究報告が活発になされている。マルチコア光ファイバは、ガラスからなる共通クラッドの中に複数本のコアが光ファイバの軸方向に配置される。非結合型マルチコアファイバは、各コアを介して別々の通信データの送受信が可能であるので、コアの本数に応じて通信データ量を増加することができる。また、結合型マルチコア光ファイバは通信データが各コア間を行き来するが、受信側での信号処理により通信データの分離ができるため、コアの本数に応じて通信データ量を増加することができる。
マルチコア光ファイバの製造方法としては、複数の空孔を有する石英ガラス製の共通クラッド管に、複数の空孔それぞれに石英ガラス製のコアロッドを挿入した後、共通クラッド管とコアロッドとを一体化しながら線引することにより、マルチコア光ファイバを製造する方法が知られている。
一方、孔あけプリフォームから線引を行なう反対側の端部にガラス管を接続して空孔内の減圧を行ないながら、光ファイバの線引を行なうことが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−１６０５２８号公報
マルチコア光ファイバは、従来と同じ径を維持しながら、コアの数が増加するのが好ましい。このためには、マルチコア光ファイバの線引に使用する共通クラッド管に形成される空孔の内径および空孔に挿入されるコアロッドの外径を小さくするとともに、共通クラッド管内の最外周の空孔と共通クラッド管の外周との間の肉厚を減少させることになる。
空孔の内径およびコアロッドの外形を小さくするとともに、共通クラッド管の最外周の空孔と共通クラッド管の外周部との間の肉厚を減少させると、線引の際に減圧を行なうために共通クラッド管の線引を行なう反対側の端部に接続されるガラス管が最外周の空孔を塞ぎ、空孔内の減圧が十分に行なえなくなる。このため、製造されるマルチコア光ファイバに気泡が残り、品質が劣化する場合がある。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、共通クラッド管の空孔内を減圧してマルチコア光ファイバを製造する方法を提供することを目的とする。
発明の一態様に係るマルチコア光ファイバの製造方法は、第１端と第２端との間で軸方向に形成された内径ｄｖである複数の空孔を有する石英ガラス製の共通クラッド管であって、複数の前記空孔のうち最外周の前記空孔と前記共通クラッド管の外周との間の肉厚ｄ１を有する前記共通クラッド管を作製する母材作製工程と、前記外周を除き前記共通クラッド管を前記第２端から前記軸方向に所定深さ切削し、第３端を形成する端面加工工程と、前記第２端に肉厚ｄ２が前記内径ｄｖと前記肉厚ｄ１の合計よりも大きなガラス管を接続する接続工程と、前記共通クラッド管の前記複数の空孔に石英ガラス製のコアロッドを前記第３端まで挿入する挿入工程と、前記第１端を封止する封止工程と、前記ガラス管を通じて前記複数の空孔の内部を減圧し、前記第１端側から前記共通クラッド管および前記コアロッドを一体化しながら紡糸してマルチコア光ファイバを製造する線引工程と、を含む。
上記によれば、共通クラッド管の空孔内を確実に減圧してマルチコア光ファイバを製造することができる。
本発明の一実施形態に係るマルチコア光ファイバの製造方法を説明する図である。 本発明の一実施形態に係るマルチコア光ファイバの製造方法を説明する図である。 比較例に係るマルチコア光ファイバの製造方法を説明する図である。 比較例に係るマルチコア光ファイバの製造方法を説明する図である。
本発明の第１態様に係るマルチコア光ファイバの製造方法は、（１）第１端と第２端との間で軸方向に形成された内径ｄｖである複数の空孔を有する石英ガラス製の共通クラッド管であって、複数の前記空孔のうち最外周の前記空孔と前記共通クラッド管の外周との間の肉厚ｄ１を有する前記共通クラッド管を作製する母材作製工程と、（２）前記外周を除き前記共通クラッド管を前記第２端から前記軸方向に所定深さ切削し、第３端を形成する端面加工工程と、（３）前記第２端に肉厚ｄ２が前記内径ｄｖと前記肉厚ｄ１の合計よりも大きなガラス管を接続する接続工程と、（４）前記共通クラッド管の前記複数の空孔に石英ガラス製のコアロッドを前記第３端まで挿入する挿入工程と、（５）前記第１端を封止する封止工程と、（６）前記ガラス管を通じて前記複数の空孔の内部を減圧し、前記第１端側から前記共通クラッド管および前記コアロッドを一体化しながら紡糸してマルチコア光ファイバを製造する線引工程と、を含む。
本態様によれば、共通クラッド管の空孔内を確実に減圧してマルチコア光ファイバを製造することができる。
本発明の第２態様に係るマルチコア光ファイバの製造方法は、第１態様において、所定深さを２０ｍｍ以上とする。本態様によれば、端面加工工程によって、共通クラッド管の外周の部分の空孔側が切削されても、ガラス管を第２端に接続する際の加熱により、切削された共通クラッド管の外周の部分が割れることを回避することができる。
本発明の第３態様に係るマルチコア光ファイバの製造方法は、第１態様または第２態様において、前記共通クラッド管の前記ガラス管との接続面積Ｓおよび前記挿入工程により前記空孔に前記コアロッドが挿入され前記封止工程により前記第１端が封止された前記共通クラッド管の重量Ｍに対し、前記線引工程において前記共通クラッド管の前記ガラス管との接続面に加わる引っ張り応力（Ｍ／Ｓ）が２ｋｇｆ／ｃｍ２以下とする。本態様によれば、線引工程において、重量により接続面が破断しないようにすることができる。
本発明の第４態様に係るマルチコア光ファイバの製造方法は、第１態様から第３態様のいずれかの態様において、封止工程を、前記第１端にガラスブロックを接続し、前記第１端を封止する工程とする。本態様によれば、第１端の封止を、共通クラッド管自体を軟化・変形させて行なうよりも簡単に行える。
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場合がある。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。
（実施形態）
図１および図２は、一実施形態に係るマルチコア光ファイバの製造方法を説明する図である。マルチコア光ファイバの製造にあたっては、まず、母材作製工程として、共通クラッド管１を作製する。
図１（Ａ）は、作製した共通クラッド管１の側面断面図を左側に示す。また、図１（Ａ）は、後に共通クラッド管１内の減圧および線引時の支持のため共通クラッド管１に接続されるガラス管３の側面断面図を右側に示している。
共通クラッド管１は、石英ガラス製である。また、共通クラッド管１は、図１（Ａ）の左右方向に位置する、第１端１１と第２端１２とを有し、図１（Ａ）の上下方向に、外周１０を有する。共通クラッド管１の中には、複数の空孔Ｖ1〜Ｖ5が第１端１１と第２端１２との間で軸方向に形成されている。軸方向は、第１端１１から第２端１２へ向かう方向または逆向きの方向である。空孔Ｖ1〜Ｖ5には、後に説明するようにコアロッドが挿入される。
図１（Ａ）は、共通クラッド管１の側面断面図を示すので、空孔Ｖ1〜Ｖ5が示されているが、空孔の配置密度を上げるために、六方最密配置を用いて空孔を配置することができる。六方最密配置では、第１端１１または第２端１２側から共通クラッド管１を見た場合、中心に図１のＶ3が配置され、その周囲にＶ3の位置を中心とする６角形の頂点にＶ2およびＶ4を含む空孔が配置されるようにして外周１０に向かってさらにＶ1およびＶ5を含む別の空孔を配置することができる。
なお、共通クラッド管１の第１端１１の側において、共通クラッド管１の外周１０が切削され、テーパー面２０が形成されていてもよい。これにより、後の封止工程において第１端１１をガラスブロックにより封止する場合に、ガラスブロックの径を小さくすることにより、ガラスブロックの重量を減少することができ、ガラスブロック、共通クラッド管および空孔に挿入されるコアロッドの合計の重量を小さくすることができる。したがって、ガラス管３の共通クラッド管１との切断面が破断しないようにすることができる。また、線引工程の開始時にガラスブロックの自重によりガラスブロックが脱落することを防ぐことができる。
空孔Ｖ1〜Ｖ5に挿入されるコアロッドは、線引工程により、光ファイバのクラッドの一部とコアとを形成する。このため、光ファイバの径を同じにしてコアの数を増加させようとすると、図１（Ａ）に示す複数の空孔Ｖ1〜Ｖ5の内径ｄｖおよびコアロッドの外径を小さくするとともに、共通クラッド管１内の最外周の空孔Ｖ1およびＶ5と共通クラッド管１の外周１０との間の肉厚ｄ１を減少させることになる。
このため、ｄｖ＋ｄ１の値が小さくなり、ガラス管３の外周と内周との間の肉厚ｄ２よりも小さくなると、ガラス管３を共通クラッド管１の第２端１２に接続した際、後に説明する比較例に示すように、少なくとも最外周の空孔Ｖ1およびＶ5がガラス管３により塞がれることになり、ガラス管３を通じて空孔Ｖ1およびＶ5内の減圧が行なえなくなる。
そこで、端面加工工程として、外周１０を残すために外周１０を除き、第２端１２から共通クラッド管１を軸方向に切削する。
図１（Ｂ１）は、外周１０を除き第２端１２から共通クラッド管１を軸方向に切削した後の状態を示す図である。共通クラッド管１を軸方向に切削することにより、第２端１２の側において、外周１０を除く部分が第３端１３を形成する。第３端１３は、第２端１２において外周１０の内側に形成される。これにより、第２端１２の側において、最外周の空孔Ｖ1およびＶ5に連通する空隙１４が形成される。空隙１４が形成されることにより、ｄｖ＋ｄ１がｄ２よりも小さくなった状態でガラス管３を第２端１２に接続しても、空孔Ｖ1およびＶ5が、空隙１４を介してガラス管３の内部Ｗと連通することができる。
図１（Ｂ１）において、ｄ３は、端面加工工程により、外周１０を除き第２端１２から共通クラッド管１を切削した深さを示す。ｄ３は、２０ｍｍ以上とすることが好ましい。理由は、図１（Ｂ２）に示すように、端面加工工程により、共通クラッド管１の外周１０の内側も切削され、第３端１３1が形成されるとともに、段１３2が外周１０の空孔Ｖ1およびＶ5側に形成される場合がある。この場合、第２端１２の側において外周１０と最外周の空孔Ｖ1およびＶ5それぞれとの間の肉厚が変化している。このため、ｄ３が小さいと、ガラス管３の第２端１２への接続の際の加熱処理により、一様ではない歪みが段１３2の周辺において発生し、割れが発生することがある。ｄ３を、上述のように２０ｍｍ以上とすることにより、加熱による段１３2の周辺における一様ではない歪みおよび割れの発生を防止できる。
また、図１（Ｂ１）に示すように、段１３2が形成されない場合であっても、ｄ３が小さいと、ガラス管３を第２端１２へ接続する際、第２端１２への加熱処理により第３端１３に熱が伝わり、空孔Ｖ1〜Ｖ5に挿入されたコアロッドが溶融し、空孔Ｖ1〜Ｖ5が閉塞する可能性がある。そこで、段１３2が形成されない場合であっても、ｄ３は、２０ｍｍ以上であることが好ましい。
なお、図１（Ａ）ならびに図１（Ｂ１）および図１（Ｂ２）においては、先に母材作製工程の後に、端面作製工程を行なう場合について示したが、先に端面作製工程を行なってから母材作製工程を行なってもよい。
図１（Ｃ）は、接続工程により、図１（Ｂ１）に示した共通クラッド管１の第２端１２に、ガラス管３を接続した状態を示す図である。接続においては、共通クラッド管１の第２端１２とガラス管３とを近づけて、共通クラッド管１とガラス管３とを回転させながらバーナーなどで加熱し、共通クラッド管１の第２端１２とガラス管３の端部とを溶融し共通クラッド管１とガラス管３とを一体化する。
共通クラッド管１とガラス管３との一体化の後も、切削により形成された第３端１３により生じた空隙１４が維持され、空孔Ｖ1およびＶ5と空隙１４を介してガラス管３の内部Ｗとの連通が維持される。
図１（Ｃ）は、端面形成工程の後に、接続工程を行なう場合について示しているが、接続工程は、端面加工工程の後であり、線引工程の前であればいつでも行なうことができる。例えば、端面加工工程の後に挿入工程を行ない、接続工程を行なってもよい。なお、挿入工程を行なってから接続工程を行なう場合、接続工程において、共通クラッド管１とガラス管３とを回転させると、回転による振動などにより、コアロッド１５が第１端１１または第２端１２へ移動することがあるので、接続工程は、挿入工程の前に行なうのが好ましい場合がある。
なお、ガラス管３は、後の線引工程において、挿入工程により空孔Ｖ1〜Ｖ5にコアロッドが挿入され封止工程により第１端１１が封止された共通クラッド管１をガラス管３を上にして鉛直方向に立てて支持するために使用される。このため、共通クラッド管１の第２端１２とガラス管３との接続面積Ｓが小さく、また、空孔Ｖ1〜Ｖ5にコアロッドが挿入され第１端１１が封止された共通クラッド管の重量が大きいと、共通クラッド管１の第２端１２とガラス管３との接続面の単位面積あたり発生する引っ張り応力が大きくなる。このため、線引工程において、共通クラッド管１の第２端１２とガラス管３との接続箇所において破断が生じる可能性がある。そこで、挿入工程により空孔Ｖ1〜Ｖ5にコアロッドが挿入され封止工程により第１端１１が封止された共通クラッド管１の重量Ｍに対して、Ｍ／Ｓとして算出される引っ張り応力が、２ｋｇｆ／ｃｍ2以下となるようにするのが好ましい。したがって、引っ張り応力が２ｋｇｆ／ｃｍ2となるように、共通クラッド管１の重量、端面加工工程における切削量、次に説明する挿入工程におけるコアロッドの重量および封止工程における封止手法を考慮する必要がある。
図１（Ｄ）は、挿入工程として、共通クラッド管１の複数の空孔Ｖ1〜Ｖ5に、石英ガラス製のコアロッド１５を挿入することを示す図である。図１（Ｄ）においては、コアロッド１５は、第１端１１の側から空孔Ｖ1〜Ｖ5に挿入されているが、図１（Ｄ）と異なり接続工程がまだ行われておらずガラス管３が第２端１２に接続されていないならば、コアロッド１５は、第２端１２の側から空孔Ｖ1〜Ｖ5に挿入することもできる。なお、コアロッド１５の外径は、空孔Ｖ1〜Ｖ5それぞれの内径よりも僅に小さい。これにより、空孔Ｖ1〜Ｖ5にコアロッドが挿入されても、減圧を空孔Ｖ1〜Ｖ5の第２端１２から第１端１１側まで行なうことができる。
また、挿入工程においては、図１（Ｄ）の一番上に示されるコアロッド１５のように、コアロッド１５は、第３端１３まで挿入することができる。第３端１３より第２端１２側には共通クラッド管１の材料が位置していないので、コアロッド１５を無駄にしないようにできる。
図１（Ｅ）は、封止工程を行なうことにより、共通クラッド管１の第１端１１を封止した状態を示す。封止により、空孔Ｖ1〜Ｖ5の共通クラッド管１の第１端１１側が閉塞され、空孔Ｖ1〜Ｖ5の共通クラッド管１の第１端１１側が気密状態となる。図１（Ｅ）には、共通クラッド管１の第１端１１を、円錐形の側面を切削したガラスブロック４０により封止されていることが示されているが、封止は円錐形のガラスブロック４０を用いることに限定はされず、円柱形のガラスブロック４０を用いてもよい。また、共通クラッド管１の第１端１１に別のガラス管を接続し、空孔Ｖ1〜Ｖ5を減圧しつつ第１端１１の側を加熱し共通クラッド管１と別のガラス管とを距離を広げるように引くことにより、共通クラッド管１とコアロッド１５とを第１端１１の側で一体化を行なって第１端１１を封止してもよい。なお、ロッドインコラプスを行なうと、共通クラッド管１に接続した別のガラス管を外してから線引工程を行なう必要があるので、ガラスブロック４０により封止する方が簡単である場合が多い。
なお、挿入工程において空孔Ｖ1〜Ｖ5それぞれにコアロッド１５を挿入するとき、コアロッド１５は、第１端１１から引き込んだ状態とするようにしてもよい。すなわち、コアロッド１５の第１端１１の側の端部と、共通クラッド管１の第１端１１との間に空間が形成されていてもよい。この空間により、封止工程により第１端１１を封止する際の加熱により、溶融した石英ガラスの表面張力により、第１端１１の径が収縮し、ガラスブロックなどの大きさを小さくすることができ、ガラスブロックなどの重量を減少させることができる。
図２は、コアロッド１５が空孔Ｖ1〜Ｖ5に挿入され、第１端１１が封止され、第２端１２にガラス管３が接続された共通クラッド管１を、第１端１１を下にして共通クラッド管１を鉛直方向に立てた状態を示す図である。また、図２においては、ガラス管３を用いてコアロッド１５が挿入された空孔Ｖ1〜Ｖ5の内部を減圧し、共通クラッド管１の第１端１１の側が加熱炉５０に入れた状態が示されている。第１端１１が、例えばガラスブロック４０により封止されていることにより、コアロッド１５の落下が防止され、また、空孔Ｖ1およびＶ5が空隙１４を介してガラス管３の内部Ｗと連通しているので空孔Ｖ1〜Ｖ5がガラス管３の内部Ｗを介して減圧される。
この状態で第１端１１の側が加熱されることにより、ガラス滴が形成され、ガラス滴が落下する。落下したガラス滴に続く糸状のガラスにより、ファイバの口出しを行ない、その後、線引工程として、第１端１１の側から共通クラッド管１およびコアロッド１５を一体化しながら紡糸してマルチコア光ファイバを製造する。
以上により、本実施形態によれば、端面加工工程により、共通クラッド管１の外周１０と最外周の空孔Ｖ1およびＶ5それぞれとの肉厚が小さくなり、空孔Ｖ1〜Ｖ5の内径が小さくなっても、空孔Ｖ1〜Ｖ5の減圧を行なうことができる。
（比較例）
図３および図４は、比較例に係るマルチコア光ファイバの製造方法を説明する図である。比較例に係るマルチコア光ファイバの製造方法に当たっては、母材作製工程として、共通クラッド管１を作製する。
図３（Ａ）は、作製した共通クラッド管１の側面断面図を左側に示す。また、図３（Ａ）は、後に共通クラッド管１の第２端１２に接続されるガラス管３の側面断面図を右側に示している。
上述の実施形態と同様に、共通クラッド管１は、図３（Ａ）の左右に第１端１１と第２端１２とを有し、図３（Ａ）の上下方向に、外周１０を有する。共通クラッド管１の中には、複数の空孔Ｖ1〜Ｖ5が第１端１１と第２端１２との間で軸方向に形成されている。共通クラッド管１の第１端１１の側において、共通クラッド管１の外周１０が切削され、テーパー面２０が形成されていてもよい。
光ファイバの径を同じにしてコアの数を増加させようとして、図３（Ａ）に示すように、複数の空孔Ｖ1〜Ｖ5の内径ｄｖおよびコアロッドの外径を小さくするとともに、共通クラッド管１内の最外周の空孔Ｖ1およびＶ5それぞれと共通クラッド管１の外周１０との間の肉厚ｄ３を減少させたために、ｄｖ＋ｄ３の値が減少し、ガラス管３の外周３０と内周との間の肉厚ｄ２よりも小さくなったとする。
図３（Ｂ）は、接続工程により、図３（Ａ）に示した共通クラッド管１の第２端１２に、ガラス管３を接続した状態を示す図である。接続においては、上述の実施形態と同様に、共通クラッド管１の第２端１２とガラス管３とを近づけて、共通クラッド管１とガラス管３とを回転させながらバーナーなどで加熱し、共通クラッド管１の第２端１２とガラス管３の端部とを溶融し共通クラッド管１とガラス管３とを一体化する。
すると、ｄｖ＋ｄ３＜ｄ２であるために、空孔Ｖ1およびＶ5が第２端１２において、ガラス管３の外周３０により閉塞されてしまう。
図３（Ｃ）は、挿入工程により、空孔Ｖ1およびＶ5が第２端１２において、ガラス管３により閉塞された状態で、空孔Ｖ1〜Ｖ5にコアロッド１５を挿入することを示す。コアロッド１５を挿入しても、空孔Ｖ1およびＶ5が第２端１２において、ガラス管３により閉塞されたままである。
図３（Ｄ）は、封止工程により、第１端１１がガラスブロック４０によって封止された状態を示す。図３（Ｄ）に示すように、空孔Ｖ1およびＶ5が、第１端１１の側および第２端１２の側において、完全に閉塞してしまう。
図４は、線引工程のために、第２端１２にガラス管３が接続された共通クラッド管１を、第１端１１を下にして共通クラッド管１を鉛直方向に立てた状態を示す図である。ガラス管３を用いて空孔Ｖ1〜Ｖ5の内部を減圧しても、空孔Ｖ1およびＶ5が、第１端１１の側および第２端１２の側において、完全に閉塞してしまっているために、空孔Ｖ1およびＶ5の内部を減圧することができない。このため、線引を行なうと、空孔Ｖ1およびＶ5に残留している空気によりコア内に気泡が残留することになり、製造されるマルチコア光ファイバの品質が劣化する場合がある。これを解消するには、減圧環境下で接続工程および封止工程を行なうことになり、紡糸工程においてガラス管３の内部Ｗを減圧するよりも大規模な設備にて行なうことになり、マルチコア光ファイバの製造コストの上昇を招くことになる。
１…共通クラッド管、３…ガラス管、１０…外周、１１…第１端、１２…第２端、１３…第３端、１４…空隙、１５…コアロッド、２０…テーパー面、３０…外周、４０…ガラスブロック。

Claims (4)

  1. 第１端と第２端との間で軸方向に形成された内径ｄｖである複数の空孔を有する石英ガラス製の共通クラッド管であって、複数の前記空孔のうち最外周の前記空孔と前記共通クラッド管の外周との間の肉厚ｄ１を有する前記共通クラッド管を作製する母材作製工程と、
    前記外周を除き前記共通クラッド管を前記第２端から前記軸方向に所定深さ切削し、第３端を形成する端面加工工程と、
    前記第２端に肉厚ｄ２が前記内径ｄｖと前記肉厚ｄ１の合計よりも大きなガラス管を接続する接続工程と、
    前記共通クラッド管の前記複数の空孔に石英ガラス製のコアロッドを前記第３端まで挿入する挿入工程と、
    前記第１端を封止する封止工程と、
    前記ガラス管を通じて前記複数の空孔の内部を減圧し、前記第１端側から前記共通クラッド管および前記コアロッドを一体化しながら紡糸してマルチコア光ファイバを製造する線引工程と、
    を含む、マルチコア光ファイバの製造方法。
  2. 前記所定深さは２０ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のマルチコア光ファイバの製造方法。
  3. 前記共通クラッド管の前記ガラス管との接続面積Ｓおよび前記挿入工程により前記空孔に前記コアロッドが挿入され前記封止工程により前記第１端が封止された前記共通クラッド管の重量Ｍに対し、前記線引工程において前記共通クラッド管の前記ガラス管との接続面に加わる引っ張り応力（Ｍ／Ｓ）が２ｋｇｆ／ｃｍ２以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のマルチコア光ファイバの製造方法。
  4. 前記封止工程は、前記第１端にガラスブロックを接続し、前記第１端を封止する工程である、請求項１から請求項３のいずれかに記載のマルチコア光ファイバの製造方法。
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