JP5484380B2 - 光ファイバ用母材の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、主に通信用に使用される光ファイバ用の母材、特に棒状の部材と大型の筒状の部材を加熱・融着して製造するRIT法(ロッド・イン・チューブ法)により製造された光ファイバ用母材の評価方法に関する。

一般に光ファイバは、光を伝送するコア部とその周囲を取り囲むクラッド部からなる。コア部はクラッド部より屈折率が高いのが一般的である。光ファイバは光ファイバ用母材を電気炉で加熱・軟化させ、所望の太さに線引きされる。
光ファイバ用母材は、まずコア部と場合によってはクラッド部の一部を含むコアロッドを製造し、このコアロッドの外側にさらにクラッド部を付与することで製造されることが多い。

コア部の製造にはVAD法、OVD法、MCVD法、PCVD法といった方法が用いられる。コア部の外側に付与されるクラッド部は、OVD法などでコアロッド上に直接堆積され、加熱炉で透明ガラス化して付与する場合と、別途製造された筒状体をコアロッドにかぶせて付与する場合がある。

後者のコアロッドに筒状体をかぶせる方法は、RIT(ロッド・イン・チューブ) 法あるいはRIC(ロッド・イン・シリンダ)法と呼ばれる。通常、別途製造された筒状体を延伸して所望の太さにしたものがチューブと称され、製造された筒状体そのものはシリンダと称されている。すなわち、RIT法に比べてRIC法のほうが使用する筒状体のサイズが大きいが、技術的には同様であり、その境目はあいまいである。従って、以後RIT法と総称する。

RIT法においては、筒状体の中にコアロッドを挿入し、加熱・一体化が行われるが、一体化する際に所望の太さに延伸する場合と、単に一体化のみが行われる場合がある。当然、設備的には単に一体化のみを行うほうが単純である。逆に、設備的には複雑になるが、一体化と同時に延伸まで行う方が、その後の線引き炉に合わせた大きさの母材を製造できるという利点がある。後者の場合、線引き炉の大きさに制限されることなく、元の筒状体及びコアロッドの大きさを大きくできるため、前者に比べて生産性を高めることができる。なお、一体化と同時に光ファイバへの線引きまで行ってしまうこともある。

合成石英製筒状体の製造にはOVD法などが用いられる。大型の筒状体を使用する場合、加熱・一体化は電気炉で行われることが多い。具体的には、例えば、筒状体の中にコアロッドを挿入した後、筒状体とコアロッドの間隙を清浄な気体でパージしつつ、その一端を電気炉内に挿入する。電気炉の温度を上げていくと、やがて筒状体とコアロッドの先端が軟化する。ここで、清浄な気体によるパージをポンプによる減圧処理に切り替えると、筒状体とコアロッドの軟化した部分の空隙が潰れ、一体化される。その後、徐々に加熱領域をずらしていくことで全体が融着・一体化される。筒状体とコアロッドは十分に軟化されているため、下方での引き取りと上方での送り込みの速度を調整することで、所望の外径に延伸することも可能である。

RIT法により母材を製造した場合、まれに伝送損失異常が見られることがある。このような場合、図１に示すように、特に波長が長いほど伝送損失が通常よりも高くなる傾向がある。このような伝送損失の異常は、コアロッドと筒状体の界面が汚染されている場合に生じることが分かっており、原因は汚染物質による吸収損失か、あるいはマイクロベンディングロスだと考えられる。これは、元々コアロッドまたは筒状体が汚染されていたか、あるいは、パージ不良により炉内ガスがコアロッドと筒状体の空隙に入り込むことで汚染されたと考えられる。前者のケースは、コアロッド及び筒状体の表面をHF溶液でエッチングするなどして防止することができる。

自社で線引きを行い、光ファイバを製品とする場合には、光ファイバの伝送損失を測定し基準値と比較することで合格・不合格を決定することができるが、不合格が増えると線引きコストがかさみ不経済である。また、母材を製品として販売し顧客が線引きを行う場合には、母材の段階で合格・不合格を判定する必要がある。

伝送損失を母材の段階で測定することはできないので、伝送損失が高くなる恐れがある場合には、母材の一部を線引きして伝送損失を測定し、判定する必要がある。
大きいコアロッドと筒状体を用いてRIT法により一体化と同時に延伸も行う場合、出来上がった母材は適宜切断され、一回のバッチで複数本の母材が製造される。伝送損失が母材全体で安定していれば、そのうちの1箇所からサンプリングして線引きすれば、母材全体の合格・不合格を判定できるが、そうでない場合、伝送損失特性の良好な部分を有効に利用するためには複数個所の線引きが必要となり、サンプリングにより廃棄される母材が増え、またサンプルの線引きの手間とコストが増えるという問題がある。

このような状況に鑑みて、本発明は、RIT法により製造された光ファイバ用母材を経済的に評価する光ファイバ用母材の評価方法を提供することにある。

本発明の光ファイバ用母材の評価方法は、棒状のガラスからなる第１の部材と筒状のガラスからなる第２の部材を準備する第１の工程と、前記第２の部材の中心孔内に前記第１の部材を挿入する第２の工程と、前記第２の部材と第１の部材の間の空隙を清浄な気体でパージする第３の工程と、前記第１の部材と第２の部材とを組み合わせてなる部材を片端より加熱し軟化させる第４の工程と、前記清浄な気体によるパージをポンプでの吸引による減圧処理に切り替える第５の工程と、前記減圧処理により軟化した第１の部材と第２の部材を融着せしめる第６の工程と、加熱領域を少しずつ移動させ、第１の部材と第２の部材の有効部分の概ね全体を順次加熱・融着しつつ所定の範囲の外径まで延伸し、所定の範囲の長さごとに切断して複数の光ファイバ用母材となす第７の工程とを経て製造された光ファイバ用母材を、加熱を開始した端に近い側から線引きし、所定長だけ線引きしたところで伝送損失の測定を行い異常の有無を判定することを特徴としている。

前記複数の切断された光ファイバ用母材のうち、最も加熱開始端に近い母材を、加熱を開始した端に近い側から線引きして伝送損失の測定を行い、異常が認められなければ切断された全ての母材に異常がないと判定する。
前記伝送損失の測定で異常が認められた場合には、線引きした該母材は不合格とし、かつ該母材に光を当てて観察した際に見られる輝点数が所定の個数を超えている場合には、切断された残り全ての光ファイバ用母材を不合格とする。

また、前記伝送損失の測定で異常が認められた場合には、線引きした該母材は不合格とするが、該母材に光を当てて観察した際に見られる輝点数が所定の個数を超えていない場合には、該母材の次に加熱開始端に近い側の母材（加熱開始端側から2番目の母材）から順次線引きし、伝送損失の測定結果による合否判定を繰り返し、複数の切断された光ファイバ用母材の合格範囲を決定する。

本発明の評価方法の手順に従って、母材の一部を線引きして評価することで、複数に切断された光ファイバ用母材の評価を経済的に行うことができる。

正常な光ファイバと、伝送損失に異常のある光ファイバとの伝送損失の差分の波長分布を示す。

伝送損失異常が認められた母材について、線引き本数を増やして母材内での伝送損失の分布を調査した。その結果、伝送損失は加熱・融着の際に加熱を開始した側で大きく、逆側の端に向かって徐々に小さくなる傾向があるものと、全体的に伝送損失が大きいものがあることが分かった。

このうち、全体的に伝送損失が大きいものは、コアロッドと筒状体の界面にあたる層に通常よりも多くの輝点が確認された。これは、加熱・融着の最初に行われる工程で、コアロッドと筒状体の間隙を清浄な気体でパージしつつ炉内での加熱を行い、コアロッドと筒状体を軟化させるが、このときパージを行う気流に乱れが生じるなどして、炉内のガスがこの間隙に漂い込むことにより、炉内ガスに含まれる金属などの不純物質がコアロッドと筒状体の間隙に蓄積され、伝送損失と輝点の原因になったものと考えられる。

また、このような経路による汚染がさほど顕著ではない場合には、輝点という外観上の異常となって現れず、伝送損失のみを高めることがあると考えられる。このような場合、伝送損失が高くなるリスクが最も高いのは、炉内にコアロッドと筒状体の間隙が露出している加熱開始側に近い端だと考えられた。
そこで、大きいコアロッドとシリンダを用いてRIT法により、一体化と同時に延伸及び所定長への切断を行い、一回のバッチで複数本の母材を製造する場合において、これらの母材の伝送損失特性の合格・不合格を判定するために、以下の規則を設けた。

第一に、最も加熱開始端に近い母材の加熱開始端側からサンプリングを行い、線引きして伝送損失の測定を行う。これが基準値以下であれば、全体を合格とする。なお、1550nmにおける伝送損失値0.195を基準値とした。
第二に、第一の規則に基づき合格とならず、コアロッドと筒状体との界面にあたる層に基準よりも多くの輝点が確認された場合には、切断された母材の残り全てを不合格とする。なお、輝点数は1mあたり35個を基準数とした。
第三に、第一の規則に基づき合格とならず、輝点が基準数以下で第二の規則に基づき不合格とならなかった場合には、最も加熱開始端に近い該母材を不合格とし、該母材の次に加熱開始端に近い母材の加熱開始端側からサンプリングを行い、第一の規則と同様に判定を行う。合格であれば、切断された残り全ての母材を合格とし、不合格であれば、線引きを行った該母材を不合格とし、次に加熱開始端に近い母材から同様にサンプリングを行う。これを繰り返して、合格範囲を決定する。
以上の規則により、サンプリング量を最小に抑えつつ、無駄に廃棄される特性の良好な母材を減らすことが可能となる。

VAD法により製造されたコアロッドを、酸水素火炎を用いたガラス旋盤で外径64mmに延伸し、別に外径195mm、内径68mmの機械研削・研磨で仕上げられた合成石英の筒状体を準備した。それぞれの有効長は1500mmである。それぞれに、把持するためのハンドルを接続し、約5wt%のHF溶液で5分間エッチングした後に純水で洗浄し、乾燥させた。

筒状体の中にコアロッドを挿入し、互いのハンドルを接続しつつシール可能な治具を取り付け、別途設けられたポートより乾燥窒素を流した。流された乾燥窒素はコアロッドと筒状体の間隙を通り、開放された下部より流出する。
上下動可能な装置と、電気炉と、引き取りローラーとを備えた延伸炉内に、上記コアロッドと筒状体を組み合わせたセットを取り付け、その先端が電気炉内に位置するように位置調整を行った。

電気炉の温度を上げ、2000℃でしばらく加熱すると、コアロッドと筒状体の先端が軟化し、細い筒と棒の状態で下降し始める。十分に下降した時点で先端にシリコーン樹脂製の栓をし、窒素によるパージをポンプによる減圧処理に切り替える。これにより、軟化部の空隙が潰されコアロッドと筒状体の一体化が行われる。
ロッドと筒状体の送り込み速度を調整しつつ、ローラーによる引取りを開始し、それぞれの速度を調整して所定の長さで切断し、所望の外径を有する母材を得ることができた。１バッチで、外径80mmで長さ1400mmの母材を6本得た。同様にして、計100バッチを行い、600本の母材を得た。

これらの母材について、以下の規則でサンプリングを行い、それぞれの合格・不合格の判定を行った。
第一に、所定の長さに切断された複数の母材のうち、最も加熱開始端に近い母材の加熱開始端側からサンプリングを行い、線引き、伝送損失の測定を行う。伝送損失が基準値以下であれば、該バッチの全ての母材を合格とする。
第二に、第一の規則に基づき合格とならず、コアロッドと筒状体の界面にあたる層に基準数以上の輝点が確認された場合には、切断された全ての母材を不合格とする。これは、炉内ガスの吸い込みが輝点の原因になると共に伝送損失増の原因ともなることがあるという過去の経験に基づく。輝点の原因が他にある場合には、伝送損失増につながらないこともあるため、輝点の多少という外観検査の結果のみでは、伝送損失に異常があるかどうかの根拠にはならない。

第三に、第一の規則に基づき合格とならず、輝点が基準数以下で第二の規則に基づき不合格とならなかった場合には、線引きを行った最も加熱開始端に近い該母材を不合格とし、該母材の次に加熱開始端に近い母材の加熱開始端側からサンプリングを行い、第一の規則と同様に判定を行う。合格であれば、切断された残り全ての母材を合格とし、不合格であれば、線引きを行った母材を不合格とし、次に加熱開始端に近い母材から同様にサンプリングを行う。これを繰り返して、合格範囲を決定する。

サンプリングには、それぞれ長さ1400mmの母材から長さ150mm程度を切り出して使用した。この結果、100バッチ中5バッチで伝送損失の異常が認められた。これらのうち2バッチは輝点が各母材で50個を超えており、これ以上のサンプリングを行わずに不合格とした。残り3バッチは、サンプリングを行った各母材は不合格とし、加熱開始端側から2番目の母材の加熱開始端に近い側からサンプリング線引きを行い、評価した。その結果、3本とも伝送損失の異常は認められなかったため、それぞれ残りの母材を合格とした。

以上、100バッチ600本の母材から103本のサンプリング線引きを行い、15本の母材を不合格とし、伝送損失の高い母材が製品として出荷されるのを防止することができた。本発明によらず、サンプリング位置を設定しなかった場合、3本の母材が、伝送損失が高いにもかかわらず出荷されてしまう可能性が高かった。

Claims (4)

1. 棒状のガラスからなる第１の部材と筒状のガラスからなる第２の部材を準備する第１の工程と、前記第２の部材の中心孔内に前記第１の部材を挿入する第２の工程と、前記第２の部材と第１の部材の間の空隙を清浄な気体でパージする第３の工程と、前記第１の部材と第２の部材とを組み合わせてなる部材を片端より加熱し軟化させる第４の工程と、前記清浄な気体によるパージをポンプでの吸引による減圧処理に切り替える第５の工程と、前記減圧処理により軟化した第１の部材と第２の部材を融着せしめる第６の工程と、加熱領域を少しずつ移動させ、第１の部材と第２の部材の有効部分の概ね全体を順次加熱・融着しつつ所定の範囲の外径まで延伸し、所定の範囲の長さごとに切断して複数の光ファイバ用母材となす第７の工程とを経て製造された光ファイバ用母材を、加熱を開始した端に近い側から線引きし、所定長だけ線引きしたところで伝送損失の測定を行い異常の有無を判定することを特徴とする光ファイバ用母材の評価方法。
2. 前記複数の切断された光ファイバ用母材のうち、最も加熱開始端に近い母材を、加熱を開始した端に近い側から線引きして伝送損失の測定を行い、異常が認められなければ切断された全ての母材に異常がないと判定する請求項１に記載の光ファイバ用母材の評価方法。
3. 前記複数の切断された光ファイバ用母材のうち、最も加熱開始端に近い母材を、加熱を開始した端に近い側から線引きして伝送損失の測定を行い、異常が認められた場合には線引きした該母材は不合格とし、かつ該母材に光を当てて観察した際に見られる輝点数が所定の個数を超えている場合には、切断された残り全ての光ファイバ用母材を不合格とする請求項１に記載の光ファイバ用母材の評価方法。
4. 前記複数の切断された光ファイバ用母材のうち、最も加熱開始端に近い母材を、加熱を開始した端に近い側から線引きして伝送損失の測定を行い、異常が認められた場合には線引きした該母材は不合格とし、該母材に光を当てて観察した際に見られる輝点数が所定の個数を超えていない場合には、該母材の次に加熱開始端に近い側の母材から順次線引きし、伝送損失の測定結果による合否判定を繰り返し、複数の切断された光ファイバ用母材の合格範囲を決定する請求項１に記載の光ファイバ用母材の評価方法。

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