JP4413715B2 - 光ファイバ、光ファイバ用プリフォーム、それらの製造に使用される石英ガラス管、ならびにそれらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ、光ファイバ用プリフォーム、それらの製造に使用される石英ガラス管、ならびにそれらの製造方法に関する。

特に多芯化された光ファイバケーブルの接続作業時に重視される光ファイバの特性として光ファイバの曲がりがあり、この曲がりの指標としてファイバカール( Fiber curl )が用いられている。これは光ファイバに力が加わらない状態での曲がりを曲率半径(m)で表したもので、値が大きいほど良い特性である。
ファイバカールを改善する方法として、特許第3160422号においては光ファイバの線引機の改良によって１０ｍのファイバカールが得られるとされている。

また石英ガラス系の光ファイバの主たる製造方法であるVAD法( Vapor phase axial deposition method )またはMCVD法( Modified chemical vapor deposition method ) などにより、コア部のみあるいはクラッドの一部を含むコアロッドを作成し、そのコアロッドを石英ガラス管に挿入して加熱溶融一体化を行うロッドインチューブ法に関して、WO03/080522A1においては、精度の高い機械研削石英ガラス管を使用する事でファイバカールが６ｍ以上の光ファイバが得られるとされており、石英ガラス管の製造方法としてはOVD法( Outer vapor phase deposition method )が好適であるとされている。
特許第3160422号公報

しかしながら、OVD法により製造した石英ガラス母材（マザーインゴット）に機械研削を施して作成した石英ガラス管を直接またはこの石英ガラス管を溶融延伸して作成した石英ガラス管を使用して光ファイバを製造すると、いかに石英ガラス管の寸法精度を良くし且つ改良された線引機を使用しても、ファイバカールが小さくなる場合があるという問題点があった。
原因を調査したところ、OVD法によるスート堆積はターゲットを芯とした同心円の層構造を形成し、この層構造はスート体のガラス化後にも脈理として残留するが、図１に示すように、この層状脈理の中心１と研削加工後の石英ガラス管の中心２とのズレが大きい場合にファイバカールが悪化する事が知見された。なお、図１において、細線はマザーインゴットの層状脈理を、太線は研削加工後の石英ガラス管の内外周を示している。

本発明は、この知見に基づくものであり、上記層構造の脈理の中心と研削加工後の石英ガラス管の中心とのズレを極力小さくできる光ファイバ用石英ガラス管の製造方法およびその製造方法により得られた光ファイバ用石英ガラス管を提供すること、及び、ズレの少ない石英ガラス管を使用する事により得られる、良好なファイバカールの値を持つ光ファイバ用プリフォーム及び光ファイバの製造方法およびその製造方法により得られた光ファイバプリフォームおよび光ファイバを提供する事を課題とする。

上記の課題は、下記（１）〜（７）のいずれかの構成により達成される。
（１）
スート法により作成したスート体を焼結透明ガラス化して作成したマザーインゴットに機械研削を施して作成した石英ガラス管に直接、または該石英ガラス管を溶融延伸加工を行った後に、コア部のみから成るコアロッド、またはクラッドの一部００００を含むコアロッドを挿入し、コアロッドと石英ガラス管を溶融一体化するロッドインチューブ法を用いてのファイバカールが２０ｍ以上である光ファイバまたはファイバカールが２０ｍ以上である光ファイバ用プリフォームの製造方法において、石英ガラス管の断面に観察される同心円状の層状脈理の中心と石英ガラス管の外径の中心とのズレ量が石英ガラス管の平均外径の１％以下である石英ガラス管を使用する事を特徴とする光ファイバまたは光ファイバ用プリフォームの製造方法。
（２）
コアロッドと石英ガラス管との溶融一体化と同時に目的の光ファイバの外径まで延伸し、直接光ファイバを得る上記（１）記載の光ファイバの製造方法。
（３）
コアロッドと石英ガラス管との溶融一体化のみ、または同時に延伸を行ってプリフォームを作成する上記（１）記載の光ファイバ用プリフォームの製造方法。
（４）
コアロッドと石英ガラス管との溶融一体化のみ、または同時に延伸を行ってプリフォームを作成し、その後該プリフォームから線引機によって光ファイバを製造する上記（１）記載の光ファイバの製造方法。
（５）
耐熱性の円筒状または円柱状ターゲットを回転させながら、ターゲットの外周に石英ガラスのスートを堆積させてスート体を作成し、焼結透明ガラス化を行って作成した円筒状石英ガラス製マザーインゴットに機械研削を施し、石英ガラス管を得る光ファイバ用石英ガラス管の製造方法において、最初にマザーインゴットの両端部の形状不良部より内側の形状安定部分の内径を保持して外周を研削し、次に研削済みの外周を保持して内周を研削し、石英ガラス管の断面に観察される同心円状の層状脈理の中心と、研削後の石英ガラス管の外径の中心とのズレ量が研削後の石英ガラス管の平均外径の１％以下である石英ガラス管を得る事を特徴とする光ファイバおよび／または光ファイバ用プリフォーム用石英ガラス管の製造方法。
（６）
前記スート体のOH基除去処理を行う事を特徴とする上記（５）記載の光ファイバおよび／または光ファイバ用プリフォーム用石英ガラス管の製造方法。
（７）
研削後に加熱溶融延伸を行う、上記（５）または（６）に記載の光ファイバおよび／または光ファイバ用プリフォーム用石英ガラス管の製造方法。

焼結ガラス化後のマザーインゴットは、図２（ａ）のように、外表面はスートの堆積量や密度のバラツキが原因となり、ターゲットに抱き付くようにガラス化される内表面よりも、形状が安定していない。また両端部はスート堆積の不均一などにより、内外表面ともに形状が乱れている。本発明によれば、両端部の形状不良部を避け形状が安定している内径を基準に研削を開始する事により、焼結ガラス化後の中心と研削上がりの中心のズレを最小に押さえながら研削後の寸法精度も良好で、ファイバカールを抑えた光ファイバに好適な石英ガラス管を得る事が出来る。

本発明によれば、外径１００〜２５０mm、内径４０〜８０ｍｍ、長さ１．５〜３．５ｍ程度のOVD法により作成した石英ガラス管において、該ズレ量を１％以下に押さえる事が出来る。また、上記ズレ量が石英ガラス管の外径の１％以下の石英ガラス管を使用して光ファイバを作成すると、２０ｍ以上のファイバカールが得られる。
なお、研削後の石英ガラス管に加熱溶融延伸加工を加えた後で使用しても、本発明の効果に変わりはない。
また、VAD法によって作成されたマザーインゴットの場合などであっても、断面に層構造の脈理が残存するため、このマザーインゴットをコアドリル等により穿孔して石英ガラス管を作成する場合にズレを生じると、良好なファイバカールは得られない。

以下、図２以降を参照して、本発明の実施の態様による光ファイバ用石英ガラス管の製造方法について説明する。
先ず、最初に図２（ｂ）のように両端の形状不良部を切り落とす。次に、図２（ｃ）のように両端の内径を拡径型チャック１０で保持して回転させながら外表面を回転砥石１２等で研削する。なお、両端の形状不良部を切り落とさずに、図３のように内径保持用拡径型チャックを取り付けたシャフト１０ａを長くして、形状不良部を避けて内径を保持しても良い。次に、図２（ｄ）のように形状の整った部分の外周をチャック１４等で保持して、シャフトの先端に取り付けられた回転砥石１６等により内表面を研削する。各研削には、一般的な外周研削機やホーニングマシンを使用すれば良いが、本発明は研削装置及び保持治具を規定するものでは無く、十分な研削精度が得られるものであればどのような研削手段を用いても良い。

もしマザーインゴットに曲がりがある場合は、図４のようにグラファイト製等のVミゾ付きの板の上にマザーインゴットを寝かせて、全体を加熱して粘度を下げ、自重によりマザーインゴットがグラファイト板に沿う事を利用して曲がりを修正した後に、機械研削加工を施せば良い。また、曲がりが図５のように一ヶ所で単純な形状であれば、曲がりの変極点で切断し、それぞれに研削加工を施せば良い。また、一本の状態で使用したければ溶接して繋いでやれば良い。

以上により、断面に観察される同心円状の層状脈理の中心と外径の中心とのズレ量が石英ガラス管の平均外径の１％以下である石英ガラス管が得られる。
この層構造の脈理は、単に偏光フィルタを用いただけのような簡易的な歪み観察装置で石英ガラス管端面を観察すれば、図６のように観察可能である。
図６において、太線は石英ガラス管の外周を表し、細線は層構造の脈理を表している。１は層構造脈理の中心、２は石英ガラス管の外周の中心を示し、３は層構造脈理の中心と石英ガラス管の中心のズレ量である。本特許では、このズレ量を４の石英ガラス管の外径で除算し、百分率表示として外径に対する比率として規定する。

なお、研削後の石英ガラス管を、常法により加熱溶融延伸加工して、管径を小さくしてから使用しても、ズレには影響が無いため問題は無い。
以上のようにして得られたズレ量１％以下の石英ガラス管を用い通常のロッドインチューブ法により光ファイバおよび／または光ファイバ用プリフォームを製造することができ、得られた光ファイバは、２０ｍ以上のファイバカールを達成できる。

マルチバーナーのOVD法により外径３００mmのスート体を作成し、脱水処理後にゾーンメルト法によりガラス化を行いマザーインゴットを作成した。このマザーインゴットの片端８ｃｍ及び反対側は１０ｃｍの部分の内径がガラス化時、ターゲットに抱きついていなかったため、その部分を切断除去し、その内径を拡径タイプのコレットチャックで保持し、回転させながらNC旋盤により外周を回転ダイヤモンド砥石に用いて研削した。次に研削された外周の両端部を通常のチャックにより保持し、内周を先端にダイヤモンド砥石を取り付けたシャフトを挿入する事によって研削し、外径１８０ｍｍで内径４５ｍｍ、長さ３ｍの真直な石英ガラス管に仕上げた。この石英ガラス管の両端及び中央付近から計３箇所の輪切りサンプルを採取して、干渉計を用いて層構造の脈理の中心と石英ガラス管の中心のズレ量を求めたところ、ズレ量の最大は０．７ｍｍであった。これは、機械研削後の外径の約０．４％である。

サンプリングにより２本となった石英ガラス管を溶接して一本にしたのち、VAD法により作成した外径４２ｍｍのコアとクラッドを含むロッドを挿入し、電気炉にてコラプスと同時に外径１２５μｍまで延伸し、シングルモード光ファイバを作成した。得られた光ファイバのファイバカールを測定したところ、最小で８３ｍと良好な値であった。

シングルバーナーのOVD法により外径２００mmのスート体を作成し、脱水処理後にゾーンメルト法によりガラス化を行いマザーインゴットを作成した。このマザーインゴットの片端４ｃｍ及び反対側は６ｃｍの部分の内径がガラス化時、ターゲットに抱きついておらず、形状が安定していなかったため、拡径タイプのコレットチャックを両側共に端部から８ｃｍまで挿入した場所で保持し、回転させながらNC旋盤により外周を回転ダイヤモンド砥石に用いて研削した。次に研削された外周の両端部を通常の外周チャックにより保持し、内周を先端にダイヤモンド砥石を取り付けたシャフトを挿入する事によって研削し、外径１３５ｍｍで内径４５ｍｍ、長さ１ｍの真直な石英ガラス管に仕上げた。この石英ガラス管の両端及び中央付近から計３箇所の輪切りサンプルを採取して、干渉計を用いて層構造の脈理の中心と石英ガラス管の中心のズレ量を求めたところ、ズレ量の最大は０．８ｍｍであった。これは、機械研削後の外径の約０．６％である。

サンプリングにより２本となった石英ガラス管に、それぞれMCVD法により作成した外径４２ｍｍのコアとクラッドを含むロッドを挿入し、電気炉にてコラプスと同時に延伸して外径８０mmのプリフォームを得た。このプリフォームを線引機により外径１２５μｍのシングルモード光ファイバを作成し、ファイバカールを測定したところ、最小で５４ｍと良好な値であった。

比較例１

実施例１と全く同じ方法で作成したマザーインゴットの両端部から８ｃｍの部分の出来るだけ形状が安定している部分を選んで外周チャックにより保持し、内周を先端にダイヤモンド砥石を取り付けたシャフトを挿入する事によって研削した。次に研削された内周の両端を拡径タイプのコレットチャックを用いて保持し、回転させながらNC旋盤により外周を回転ダイヤモンド砥石に用いて研削し、外径１７８ｍｍで内径４５ｍｍ、長さ３．１ｍの真直な石英ガラス管に仕上げた。この石英ガラス管の両端及び中央付近から計３箇所の輪切りサンプルを採取して、干渉計を用いて層構造の脈理の中心と石英ガラス管の中心のズレ量を求めたところ、ズレ量は最小でも４．３ｍｍであった。これは、機械研削後の外径の約２．４％である。

２本となった石英ガラス管を溶接して一本にしたのち、VAD法により作成した外径４１ｍｍのコアとクラッドを含むロッドを挿入し、電気炉にてコラプスと同時に外径１２５μｍまで延伸し、シングルモード光ファイバを作成し、ファイバカールを測定したところ、最小５．８ｍとなり良好ではなかった。
以上により本発明の効果が明確である。

マザーインゴットの層状脈理の中心と研削加工後の中心を説明するための説明図である。 図２（ａ）〜図２（ｅ）は、本発明の実施の態様による光ファイバ用石英ガラス管の製造方法の一例を説明するための説明図である。 本発明の実施の態様による光ファイバ用石英ガラス管の製造方法の他の例を説明するための説明図である。 本発明の実施の態様による光ファイバ用石英ガラス管の研削加工前の曲がりの矯正方法を説明するための説明図である。 本発明の実施の態様による光ファイバ用石英ガラス管の研削加工前の曲がりを避けて研削する方法を説明するための説明図である。 石英ガラス管端面の脈理等を説明するための図である。

符号の説明

１ マザーインゴットの層状脈理の中心
２ 研削加工後の中心
３ 層構造脈理の中心と石英ガラス管の中心のズレ量
４ 石英ガラス管の外径
１０ 拡径型チャック
１２ 回転砥石
１４ チャック
１６ 回転砥石

Claims (6)

1. スート法により作成したスート体を焼結透明ガラス化して作成したマザーインゴットに機械研削を施して作成した石英ガラス管に直接、または該石英ガラス管を溶融延伸加工を行った後に、コア部のみから成るコアロッド、またはクラッドの一部を含むコアロッドを挿入し、コアロッドと石英ガラス管を溶融一体化するロッドインチューブ法を用いてのファイバカールが２０ｍ以上である光ファイバまたはファイバカールが２０ｍ以上である光ファイバ用プリフォームの製造方法において、石英ガラス管の断面に観察される同心円状の層状脈理の中心と石英ガラス管の外径の中心とのズレ量が石英ガラス管の平均外径の１％以下である石英ガラス管を使用する事を特徴とする光ファイバまたは光ファイバ用プリフォームの製造方法。
2. コアロッドと石英ガラス管との溶融一体化と同時に目的の光ファイバの外径まで延伸し、直接光ファイバを得る請求項１記載の光ファイバの製造方法。
3. コアロッドと石英ガラス管との溶融一体化のみ、または同時に延伸を行ってプリフォームを作成する請求項１記載の光ファイバ用プリフォームの製造方法。
4. コアロッドと石英ガラス管との溶融一体化のみ、または同時に延伸を行ってプリフォームを作成し、その後該プリフォームから線引機によって光ファイバを製造する請求項１記載の光ファイバの製造方法。
5. 耐熱性の円筒状または円柱状ターゲットを回転させながら、ターゲットの外周に石英ガラスのスートを堆積させてスート体を作成し、焼結透明ガラス化を行って作成した円筒状石英ガラス製マザーインゴットに機械研削を施し、石英ガラス管を得る光ファイバ用石英ガラス管の製造方法において、最初にマザーインゴットの両端部の形状不良部より内側の形状安定部分の内径を保持して外周を研削し、次に研削済みの外周を保持して内周を研削し、石英ガラス管の断面に観察される同心円状の層状脈理の中心と、研削後の石英ガラス管の外径の中心とのズレ量が研削後の石英ガラス管の平均外径の１％以下である石英ガラス管を得る事を特徴とする光ファイバおよび／または光ファイバ用プリフォーム用石英ガラス管の製造方法。
6. 研削後に加熱溶融延伸を行う、請求項５に記載の光ファイバおよび／または光ファイバ用プリフォーム用石英ガラス管の製造方法。

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