JP2019034865A - 光ファイバ母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ母材の焼結工程時に、コアが変形することを抑制する。【解決手段】コア部およびコア部を覆うクラッド部を有する複数のコア入りガラスロッドを束ねてロッド集合体を得るバンドル工程と、ロッド集合体の周囲にスートを堆積させる外付工程と、ロッド集合体の周囲に堆積されたスートを透明ガラス化させる焼結工程と、を有し、焼結工程における温度域において、コア部の粘度をηA_coreとし、クラッド部の粘度をηA_cladとするとき、ηA_core＞ηA_cladを満足する、光ファイバ母材の製造方法。【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバ母材の製造方法に関する。

近年では、光通信システムの伝送容量を増大させる技術として、１本の光ファイバ内に複数のコアを設けたマルチコアファイバが検討されている。マルチコアファイバの製造方法としては、下記特許文献１が開示するようなＯＢＲ（Over-Cladding Bundled Rods)法が知られている。ＯＢＲ法では、コアを有するコア入りガラスロッドを束ねてロッド集合体とし、ロッド集合体の外周にＯＶＤ（Outside Vaper Deposition）法によってスートを堆積させる。その後、スートが堆積したロッド集合体を電気炉内で加熱することで、スートを焼結して透明ガラス化させ、光ファイバ母材を得る。この光ファイバ母材を線引きすることで、マルチコアファイバを製造することができる。

特開２０１５−１７８４４４号公報

通常、コア入りガラスロッドのコア部には、屈折率を増加させるためのドーパント（ＧｅＯ_２など）が添加される一方、クラッド部には純粋石英が用いられる。ドーパントが添加されることにより、コア部の粘度はクラッド部の粘度よりも低くなる。
ここで、上記した光ファイバ母材の製造工程のうち、スートを焼結させる焼結工程では、スートが透明ガラス化する際に、図４（ａ）に示すように、光ファイバ母材の外側から中心部に向かって収縮力が生じる。コア部の粘度が低いと、焼結工程時の収縮力によってコア部が変形してしまい、図４（ｂ）に示すように、製造された光ファイバ母材のコアの形状が非円形（楕円形など）となってしまう場合があった。コアが非円形状となると、マルチコアファイバの光学特性に大きな影響が及ぼされる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、光ファイバ母材の焼結工程時に、コアが変形するのを抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る光ファイバ母材の製造方法は、コア部および前記コア部を覆うクラッド部を有する複数のコア入りガラスロッドを束ねてロッド集合体を得るバンドル工程と、前記ロッド集合体の周囲にスートを堆積させる外付工程と、前記ロッド集合体の周囲に堆積された前記スートを透明ガラス化させる焼結工程と、を有し、前記焼結工程における温度域において、前記コア部の粘度をη_{A_core}とし、前記クラッド部の粘度をη_{A_clad}とするとき、η_{A_core}＞η_{A_clad}を満足する。

上記第１の態様によれば、η_{A_core}＞η_{A_clad}となっているため、焼結工程時に光ファイバ母材に収縮力が生じたとしても、粘度の小さいクラッド部を大きく変形させて、この収縮力を吸収することができる。これにより、光ファイバ母材のコア部が変形することが抑えられ、製造されたマルチコアファイバのコアの変形を抑制することができる。

ここで、前記焼結工程における温度域において、透明ガラス化した前記スートの粘度をη_Cとするとき、η_{A_clad}≧η_C若しくはη_{A_clad}＞η_Cを満足してもよい。

この場合、上記の通りクラッド部を変形させることに加えて、コア部から離れた部分に位置するスートも変形させて上記収縮力を吸収することができる。これにより、より確実にコア部の変形を抑えることができる。

また、前記ロッド集合体には、コア部を有さない充填ガラスロッドが含まれ、前記焼結工程における温度域において、前記充填ガラスロッドの粘度をη_Bとするとき、η_{A_clad}≧η_B≧η_Cを満足してもよい。

この場合、コア部から離れるに従って段階的に焼結温度における粘度を小さくすることで、コア部から遠い部分ほど上記収縮力によって大きく変形するように構成し、コア部の変形をより確実に抑えることができる。

本発明の上記態様によれば、光ファイバ母材の焼結工程時に、コアが変形するのを抑制することができる。

（ａ）はロッド集合体にスートを堆積させた状態の断面図である。（ｂ）は焼結工程後の光ファイバ母材の断面図である。 （ａ）は本実施形態における比屈折率差の分布を示す図である。（ｂ）は本実施形態における焼結温度での粘度の分布を示す図である。 （ａ）は従来の製造方法における比屈折率差の分布を示す図である。（ｂ）は従来の製造方法における焼結温度での粘度の分布を示す図である。 （ａ）は焼結工程時に光ファイバ母材に作用する収縮力を説明する図である。（ｂ）は焼結工程の後、コア部が変形した様子を示す図である。

以下、本実施形態に係る光ファイバ母材の製造方法を、図１〜図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため縮尺を適宜変更している。

本実施形態に係る光ファイバ母材の製造方法では、例えば図１（ａ）に示すようなコア入りガラスロッドＡおよび充填ガラスロッドＢが用いられる。

コア入りガラスロッドＡは、コア部１と、コア部１を覆うクラッド部２と、を有している。コア部１は、光ファイバのコアとなる。コア部１は、横断面視において円形状に形成されている。クラッド部２は、光ファイバのクラッドの一部となる。充填ガラスロッドＢは、コア部を有さない。充填ガラスロッドＢは、コア入りガラスロッドＡのクラッド部２および後述するスートＣとともに、光ファイバのクラッドの一部となる。
コア部１、クラッド部２、および充填ガラスロッドＢにはそれぞれ、ガラスの屈折率および粘度を調整するためのドーパントが添加される。

ここで本実施形態では、コア部１にはゲルマニウム（Ｇｅ）などの屈折率を上昇させるドーパントが主として添加される。その一方で、クラッド部２、充填ガラスロッドＢ、および後述のスートＣなど、光ファイバのクラッドとなる部分には、フッ素（Ｆ）などの屈折率を低下させるドーパントとともに、塩素（Ｃｌ）などの屈折率を上昇させるドーパントが添加される。なお、添加されるドーパントの種類は、適宜変更してもよい。

次に、光ファイバ母材の製造の工程について説明する。

（バンドル工程）
光ファイバ母材を製造する場合、まずバンドル工程において、複数のコア入りガラスロッドＡおよび複数の充填ガラスロッドＢを束ねてロッド集合体とする（図１（ａ）参照）。本実施形態では、ロッド集合体の中心部に１本の充填ガラスロッドＢを配置し、この充填ガラスロッドＢの周囲に４本のコア入りガラスロッドＡを配置している。また、互いに隣り合う２本のコア入りガラスロッドＡに対してそれぞれ接するように、計４本の充填ガラスロッドＢが、ロッド集合体の外周部に配置されている。

なお、ロッド集合体に含まれるガラスロッドの種類、数、および配置などは適宜変更してもよい。例えば、ロッド集合体には充填ガラスロッドＢが含まれていなくてもよい。また、径が互いに異なる複数種類の充填ガラスロッドＢが用いられてもよい。また、３本以下若しくは５本以上のコア入りガラスロッドＡがロッド集合体に含まれていてもよい。

（溶着工程）
次に、溶着工程において、ロッド集合体の長手方向における両端部に、ロッド集合体を回転させるためのダミーロッドを固定する。不純物がロッド集合体などに付着することを防止する観点から、ダミーロッドは、ロッド集合体に対して溶着によって固定されるのが好ましい。

（外付工程）
次に、外付工程において、ＯＶＤ法などによって、ロッド集合体の周囲にガラス微粒子からなるスートＣを堆積させる。スートＣは、光ファイバのクラッドの一部となる。
ＯＶＤ法を用いる場合、気化されたＳｉＣｌ_４を酸水素バーナの火炎中に導入しながら、この火炎をロッド集合体の外周に当てる。この際、ダミーロッドを旋盤などに固定し、ロッド集合体を回転させつつ、酸水素バーナを長手方向に往復運動させる。これにより、図１（ａ）に示すように、ロッド集合体の周囲にスートＣが堆積する。

（焼結工程）
焼結工程では、スートＣが堆積したロッド集合体を電気炉内で焼結させる。これにより、図１（ｂ）に示すようにコア入りガラスロッドＡ、充填ガラスロッドＢ、およびスートＣが互いに焼結されるとともに、スートＣが透明なガラス体となる。なお、焼結工程では、コア入りガラスロッドＡのクラッド部２と、充填ガラスロッドＢと、スートＣとが溶融して一体化し、光ファイバ母材のクラッドとなる。図１（ｂ）では、焼結工程後のクラッドの各部分が、焼結工程前のどの部分に対応するかを破線によって示している。焼結工程における炉内の温度域（以下、単に「焼結温度」という）は、適宜変更可能であるが、例えば約１５００℃である。焼結工程によって光ファイバ母材が得られ、この光ファイバ母材を線引きすることで光ファイバ（マルチコアファイバ）が得られる。

ここで、本実施形態の光ファイバ母材の製造方法では、焼結温度において、コア部１の粘度がクラッド部２の粘度よりも大きくなるように、コア入りガラスロッドＡを構成している。以下、より詳細に説明する。

図２（ａ）は、本実施形態における焼結後の光ファイバ母材の屈折率分布を示したグラフである。図２（ａ）の横軸は、図１（ｂ）に示すｒ’軸に対応している。より詳しくは、横軸の０〜ｒ’_{A_core}の範囲はコア入りガラスロッドＡのコア部１に対応する範囲であり、ｒ’_{A_core}〜ｒ’_{A_clad}の範囲はコア入りガラスロッドＡのクラッド部２に対応する範囲であり、ｒ’_{A_clad}〜ｒ’_CはスートＣに対応する範囲である。図２（ａ）の縦軸は、各部分の純粋石英に対する比屈折率差を示している。以降、純粋石英に対する各部の比屈折率差は、ｒ’軸における位置に対応させて、Δ_{A_core}などと表示する。

図２（ｂ）は、本実施形態の光ファイバ母材の製造方法における、焼結温度での各部の粘度の分布を示したグラフである。図２（ｂ）の横軸は、図２（ａ）の横軸と同様である。図２（ｂ）の縦軸は、焼結温度における各部分の粘度を示している。以降、焼結温度における各部の粘度は、ｒ’軸における位置に対応させて、η_{A_core}などと表示する。

図３（ａ）は、従来の光ファイバ母材の製造方法についての、図２（ａ）に対応するグラフである。図３（ｂ）は、従来の光ファイバ母材の製造方法についての、図２（ｂ）に対応するグラフである。

従来の製造方法では、コア入りガラスロッドＡのクラッド部２、充填ガラスロッドＢ、およびスートＣとして、ドーパントを添加しない純粋石英を用いる場合が多い。このため、図３（ａ）のｒ’_{A_core}〜ｒ’_Cの範囲における純粋石英に対する比屈折率差はゼロとなっている。そして、コア部１には屈折率を増大させるためのＧｅなどのドーパントを添加しているため、Δ_{A_core}の値はゼロよりも大きくなっている。

図３（ｂ）に示すように、従来の光ファイバ母材の製造方法では、焼結温度において、η_{A_core}がη_{A_clad}およびη_Cよりも小さくなっている。これは、純粋石英にドーパントを添加すると、その添加量に応じて粘度が低下するためである。つまり、従来の光ファイバ母材の製造方法では、ドーパントを添加しているコア部１の方が、ドーパントを添加していないクラッド部２などよりも、焼結温度における粘度が小さい。一方で、焼結工程においてスートＣを透明ガラス化させる際には、図４（ａ）に示すように、光ファイバ母材の外側から中心側に向けて収縮力が作用する。このため、焼結工程におけるコア部１の粘度が、周囲の粘度より小さいと、収縮力がコア部１に大きく作用して、コア部１が非円形状に変形してしまう（図４（ｂ）参照）。そして、このようにコア部１が変形した光ファイバ母材を線引きすることで得られた光ファイバでは、所望の光学特性が得られない場合がある。

これに対し、本実施形態の光ファイバ母材の製造方法では、図２（ｂ）に示すように、η_{A_core}がη_{A_clad}より大きくなっている。これは、η_{A_core}がη_{A_clad}より大きくなるように、コア部１およびクラッド部２に添加するドーパントの量を調整しているためである。石英ガラスでは通常、ドーパントの添加量を多くするほど粘度が低下する。従って、例えばコア部１へのドーパントの添加量を少なくして、クラッド部２へのドーパントの添加量を大きくすることで、η_{A_core}＞η_{A_clad}とすることができる。

このように、η_{A_core}＞η_{A_clad}とすることで、図４（ａ）に示すように光ファイバ母材に収縮力が作用したときに、コア部１よりもクラッド部２の変形量を大きくすることができる。すなわち、収縮力がコア部１に与える影響を低減して、コア部１の変形を抑制することができる。
そして、例えばコア部１にＧｅを添加し、クラッド部２にＦおよびＣｌを添加することで、η_{A_core}＞η_{A_clad}としながら、コア部１とクラッド部２との屈折率差（Δ_{A_core}−Δ_{A_clad}）を従来と同等にすることができる。これにより、従来と同等の光学特性を維持しつつ、コア部１の変形を抑制することができる。

また、充填ガラスロッドＢおよびスートＣへのドーパントの添加量も調整することで、図２（ｂ）に示すように、コア部１から離れるに従って焼結温度での粘度が段階的に小さくなるような粘度分布とすることができる。また、Ｆなどのガラスの屈折率を低下させるドーパントの添加量と、ＧｅやＣｌなどのガラスの屈折率を上昇させるドーパントの添加量と、のバランスを調整することで、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、Δ_{A_clad}とΔ_Cとを同等にしつつ、η_{A_clad}をη_Cよりも大きくすることも可能である。

なお、本実施形態では図２（ａ）に示すように、Δ_{A_clad}およびΔ_Cの値がマイナスとなっている。これは、クラッド部２、充填ガラスロッドＢ、およびスートＣに、ガラスの屈折率を上昇させるドーパント（Ｇｅ、Ｃｌなど）よりも、ガラスの屈折率を低下させるドーパント（Ｆなど）が多く添加されているためである。

以上説明したように、本実施形態の光ファイバ母材の製造方法では、焼結温度において、コア部１の粘度をη_{A_core}とし、クラッド部の粘度をη_{A_clad}とするとき、η_{A_core}＞η_{A_clad}を満足する。この構成により、焼結工程時に光ファイバ母材に生じる収縮力によってコア部１が変形するのが抑えられ、光ファイバのコアの形状を円形に保つことができる。従って、光ファイバの伝送損失の増大などを防ぐことができる。

また、焼結温度において、透明ガラス化したスートＣの粘度をη_Cとするとき、η_{A_clad}＞η_C若しくはη_{A_clad}≧η_Cを満足させることで、コア部１から離れたスートＣを、クラッド部２とともに大きく変形させて上記収縮力を吸収することができる。これにより、より確実にコア部１の変形を抑えることができる。
さらに、η_{A_clad}≧η_B≧η_Cを満足させることで、コア部１から離れるに従って段階的に焼結温度における粘度が小さくなり、コア部１から離れた部分ほど大きく変形するように構成することができる。これにより、コア部１の変形をより確実に抑えることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば図２（ｂ）に示す粘度の分布では、η_{A_core}＞η_{A_clad}＞η_Cとなっているが、η_{A_clad}＝η_Cであってもよい。すなわち、クラッド部２とスートＣとで、添加されるドーパントの種類および添加量が同じであってもよい。
同様に、η_{A_clad}＝η_B、若しくはη_B＝η_Cであってもよい。すなわち、クラッド部２および充填ガラスロッドＢ、若しくは充填ガラスロッドＢおよびスートＣに添加されるドーパントの種類および添加量が、互いに同じであってもよい。
また、コア部１にドーパントを添加せず、純粋石英をコア部１として用いてもよい。この場合、クラッド部２にガラスの屈折率を低下させるドーパントを添加することで、η_{A_core}＞η_{A_clad}かつΔ_{A_core}＞Δ_{A_clad}とすることができる。なお、この場合にはΔ_{A_core}の値がゼロとなり、Δ_{A_clad}の値がマイナスとなる。充填ガラスロッドＢ、スートＣにガラスの屈折率を低下させるドーパントを添加した場合も同様である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…コア部 ２…クラッド部 Ａ…コア入りガラスロッド Ｂ…充填ガラスロッド Ｃ…スート

Claims (4)

1. コア部および前記コア部を覆うクラッド部を有する複数のコア入りガラスロッドを束ねてロッド集合体を得るバンドル工程と、
   前記ロッド集合体の周囲にスートを堆積させる外付工程と、
   前記ロッド集合体の周囲に堆積された前記スートを透明ガラス化させる焼結工程と、を有し、
   前記焼結工程における温度域において、前記コア部の粘度をη_{A_core}とし、前記クラッド部の粘度をη_{A_clad}とするとき、
   η_{A_core}＞η_{A_clad}を満足する、光ファイバ母材の製造方法。
2. 前記焼結工程における温度域において、透明ガラス化した前記スートの粘度をη_Cとするとき、
   η_{A_clad}≧η_Cを満足する、請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
3. η_{A_clad}＞η_Cを満足する、請求項２に記載の光ファイバ母材の製造方法。
4. 前記ロッド集合体には、コア部を有さない充填ガラスロッドが含まれ、
   前記焼結工程における温度域において、前記充填ガラスロッドの粘度をη_Bとするとき、
   η_{A_clad}≧η_B≧η_Cを満足する、請求項２に記載の光ファイバ母材の製造方法。

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