JP6916235B2

JP6916235B2 - 光ファイバの製造方法

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Publication number: JP6916235B2
Application number: JP2019059781A
Authority: JP
Inventors: 幸寛土田; 荒井　慎一; 慎一荒井; 相曽　景一; 景一相曽; 武笠　和則; 和則武笠; 脩悟竹内
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020158349A

Description

本発明は、光ファイバの製造方法に関する。

近年の光通信システムでは、光ファイバの伝送損失の低減がより強く要請されている。その理由の一つは、光通信伝送路としての光ファイバの伝送損失を低減することにより、長距離光通信システム、たとえば海底線ケーブルなどで使用する中継器の数を減らすことができるので、光通信システムの構築や維持におけるコストメリットが大きいからである。

光ファイバの伝送損失を低減するためには、レイリー散乱損失の低減が有効である。レイリー散乱は、光ファイバの製造工程における透明ガラス化時のひずみや、局部的に生じる特性低下領域の影響で、ガラスネットワークに粗密（密度ゆらぎ）ができることで生じる。このガラスネットワーク構造の緩和を目的として、光ファイバ母材に熱間等方圧加圧法（Hot Isotropic Pressure：ＨＩＰ）と呼ばれる高温加圧工程を施す手法が公知となっている（特許文献１）。ＨＩＰ処理によれば、光ファイバ母材中のガラスネットワーク構造の緩和が進行するので、レイリー散乱損失が低下するとされている（非特許文献１）。

特開平５−２２１６７４号公報

小野円佳他、「超低損失ファイバの実現に向けたシリカガラスの空隙構造制御」、シンポジウム S1012p V03、レーザ学会学術講演会第３９回年次大会講演予稿集、平成３１年１月

従来検討されているＨＩＰ処理は、いずれもが、光ファイバ母材におけるＨＩＰ処理に関するものである。このＨＩＰ処理によって、光ファイバ母材におけるガラスネットワーク構造の緩和とそれによるレイリー散乱損失の低減は実現できると考えられる。

しかしながら、光ファイバは、一般的に光ファイバ母材の一端部を加熱炉にて加熱溶融し、そこから鉛直下方に引き出す線引き工程を行うことによって製造される。線引き工程において、光ファイバ母材は、２０００℃程度まで加熱される。したがって、光ファイバ母材において行ったＨＩＰ処理よるガラスネットワーク構造の緩和効果は、線引き工程におけるこのような高温処理で何らかの影響を受けると考えられるが、従来検討はされていなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、伝送損失が低減された光ファイバの製造方法を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、コア部と前記コア部の外周に形成されたクラッド部とを備える光ファイバ母材を１００ＭＰａ以上２０００ＭＰａ以下で加圧しながら１８００度未満に加熱する高温加圧工程と、前記高温加圧工程を施した光ファイバ母材の一端部を１８００度以上に加熱して溶融し、９００ｍ／分以上の線引き速度で光ファイバを引き出す線引き工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、前記コア部はゲルマニウムまたは塩素を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、前記コア部はアルカリ金属を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光ファイバの製造方法は、前記クラッド部はフッ素を含むことを特徴とする。

本発明によれは、伝送損失が低減された光ファイバ光ファイバを製造できるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る光ファイバの製造方法のフロー図である。図２は、コア母材の模式図である。図３は、光ファイバの製造装置の模式図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一又は対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、本明細書において特に定義しない用語については、Ｇ．６５０．１およびＧ．６５０．２における定義、測定方法に従うものとする。

本発明者らは、ＨＩＰ処理よるガラスネットワーク構造の緩和を行った光ファイバ母材を、光ファイバを線引きするために加熱すると、高温となるためにガラスネットワーク構造の緩和効果が低下すると考えた。そこで、線引きの際には９００ｍ／分以上の高速の線引き速度で光ファイバを引き出すことによって、ＨＩＰ処理よるガラスネットワーク構造の緩和効果の低減を抑制し、光ファイバにおいてもレイリー散乱損失が低減され、伝送損失の低減を好適に実現できることに想到し、本発明を成したものである。

図１は、実施形態に係る光ファイバの製造方法のフロー図である。本フローでは、はじめに、ステップＳ１０１において、コア母材を準備するコア母材準備工程を行う。つづいて、ステップＳ１０２において、コア母材を延伸するコア母材延伸工程を行う。つづいて、ステップＳ１０３において、延伸したコア母材を用いて光ファイバ母材を作製する光ファイバ母材作製工程を行う。つづいて、ステップＳ１０４において、光ファイバ母材を高温加圧する光ファイバ母材高温加圧工程（光ファイバ母材ＨＩＰ工程）を行う。つづいて、ステップＳ１０５において、ＨＩＰ工程を行った光ファイバ母材を用いて光ファイバを線引きする光ファイバ線引き工程を行う。つづいて、ステップＳ１０６において、線引きした光ファイバに被覆層を形成する被覆層形成工程を行う。

以下、各工程について具体的に説明する。図２は、ステップＳ１０１のコア母材準備工程にて準備するコア母材の模式図であり、図２（ａ）が側面図、図２（ｂ）が上面図である。コア母材の準備方法は、特に限定されないが、本実施形態では、コア母材１０は、ＶＡＤ（Vapor Axial Deposition）法を用いて作製された円柱状のガラス体であり、出発材１と、コア部２と、クラッド部３とを備えている。

出発材１は、円柱形状のものである。コア部２は、出発材１の外周に形成された円筒形状のものである。クラッド部３は、コア部２の外周に形成されており、コア部２よりも屈折率が低い円筒形状のものである。

出発材１は、ＶＡＤ法を実行する際に、コア部２となるスートとクラッド部３となるスートとを堆積させるための部材であり、たとえば純石英ガラスからなる。

コア部２は、たとえば屈折率を高める添加物であるゲルマニウム（Ｇｅ）などを添加した石英系ガラスからなる。コア部２には、ゲルマニウムの代わりに塩素（Ｃｌ）やアルカリ金属を添加してもよい。また、コア部２には、ゲルマニウム、塩素、アルカリ金属を複数種添加してもよい。アルカリ金属は特に限定されないが、たとえばナトリウム（Ｎａ）やカリウム（Ｋ）である。塩素やアルカリ金属はガラスの粘度を低下させる効果がある。

クラッド部３は、たとえば屈折率を変化させる添加物を含まない純石英ガラスからなる。また、クラッド部３には、屈折率を低下させる添加物としてフッ素（Ｆ）を添加してもよい。

コア母材１０は、ＶＡＤ法によって、出発材１にコア部２となるスートとクラッド部３となるスートとを堆積させ、スートを脱水し、ガラス化することによって作製される。

つぎに、ステップＳ１０３の光ファイバ母材作製工程について説明する。光ファイバ母材作製工程では、公知の方法を用いたステップＳ１０２のコア母材延伸工程によって延伸したコア母材１０を用いて光ファイバ母材を作製する。具体的には、ＯＶＤ（Outside Vapor Deposition）法によって、延伸したコア母材１０にスートを堆積させ、スートを脱水し、ガラス化することによって光ファイバ母材を作製する。スートをガラス化した部分は、延伸したコア母材１０のクラッド部３と一体化し、クラッド部３とともに光ファイバ母材のクラッド部を構成する。光ファイバ母材の状態では、出発材１にもコア部２の添加物が拡散しており、コア部２の一部となっている。

なお、光ファイバ母材作製工程は、ＯＶＤ法を用いたものに限られず、たとえば延伸したコア母材１０を、クラッド部３と同じ材料からなるガラス管に挿入し、両者を加熱一体化する方法を用いてもよい。この場合、ガラス管がクラッド部３と一体化し、クラッド部３とともに光ファイバ母材のクラッド部を構成する。

また、コア母材準備工程において、出発材１およびコア部２のみを有するコア母材を準備し、光ファイバ母材作製工程において光ファイバ母材の全てのクラッド部を形成してもよい。

つぎに、ステップＳ１０４の光ファイバ母材ＨＩＰ工程について説明する。光ファイバ母材ＨＩＰ工程では、るつぼ内に光ファイバ母材を投入し、たとえばアルゴンガスを用いて光ファイバ母材を加熱および加圧しながら一定時間維持する。加圧はたとえば１００ＭＰａ以上２０００ＭＰａ以下の圧力とする。加熱は光ファイバ母材が溶融しない温度とするが、たとえば１８００度未満の適正な温度とする。これによって光ファイバ母材内でのガラスネットワーク構造の緩和が行われる。その後、るつぼ内の冷却と減圧とを行い、常温常圧に戻した後、光ファイバ母材を取り出す。光ファイバ母材ＨＩＰ工程は、公知のＨＩＰ装置、たとえば神戸製鋼所社製 SYSTEM20Jを用いて実行できる。

つぎに、ステップＳ１０５の光ファイバ線引き工程およびステップＳ１０６の被覆層形成工程について説明する。図３は、光ファイバ線引き工程および被覆層形成工程を行うための光ファイバの製造装置の模式図である。この製造装置１００は、ヒータ１０１と、樹脂塗布装置１０２と、紫外線照射装置１０３と、ガイドロール１０４と、巻取装置１０５と、を備えている。

ヒータ１０１は、ＨＩＰ処理を行った光ファイバ母材２０の一端部を加熱溶融するために不図示の線引炉に設けられている。樹脂塗布装置１０２は、光ファイバ母材２０から引き出されたガラスからなる光ファイバ３０の外周に紫外線硬化樹脂を塗布するダイスを備える装置である。樹脂塗布装置１０２は、たとえば被覆層としてプライマリ層とセカンダリ層との２層構造の被覆層を形成できるように、プライマリ層用の紫外線硬化樹脂とセカンダリ層用の紫外線硬化樹脂とを重ねて塗布できるように構成されている。紫外線照射装置１０３は、光ファイバ３０の外周に塗布された樹脂に紫外線を照射して硬化させ、被覆層とする装置である。紫外線照射装置１０３は、半導体発光素子や水銀ランプ等の紫外線光源を備えている。ガイドロール１０４は、被覆層を形成された光ファイバ４０を巻取装置１０５にガイドする。巻取装置１０５は、光ファイバ４０を巻き取るボビンを備える装置である。ボビンの回転速度によって、光ファイバ３０および４０の線引き速度が変更される。

ヒータ１０１にて光ファイバ母材２０の一端部を１８００度以上に加熱して溶融し、巻取装置１０５にて９００ｍ／分以上の線引き速度で、ガラスからなる光ファイバ３０を引き出す。そして、樹脂塗布装置１０２にて、ガラスからなる光ファイバ３０に樹脂を塗布し、紫外線照射装置１０３にて硬化することで、被覆層を形成する。

ここで、９００ｍ／分以上の高速の線引き速度で光ファイバ３０を引き出すことによって、光ファイバ母材２０に対するＨＩＰ処理よるガラスネットワーク構造の緩和効果が大きく低下してしまう前に光ファイバ３０を形成する。その結果、光ファイバ３０においても緩和効果が維持されるので、製造された光ファイバ４０は伝送損失が低減されたものとなる。

なお、一般的には、光ファイバの線引き速度は、低速であるほど仮想温度が低くなり、レイリー散乱が低減できると考えられている。そこで、本実施形態における線引き速度については、ＨＩＰ処理の効果の維持と、仮想温度の低減による効果との両方を勘案して、所望の伝送損失が得られるように設定することが好ましい。

また、たとえばコア部２にアルカリ金属、たとえばカリウムが添加され、クラッド部３にフッ素が添加されている場合、コア部２の仮想温度が低くなるため、コア部２に圧縮応力、クラッド部３に引張応力が発生している状態とすることができる。そのため、光ファイバ母材に対するＨＩＰ処理の効果を、線引き後の光ファイバのコア部においても、より一層維持しやすいと考えられる。光ファイバの伝送損失の低減のためには、特にコア部におけるレイリー散乱損失の低減が重要なので、コア部２に圧縮応力が発生している方が好ましい。

（実施例１）
実施例１として、ＩＴＵ−ＴＧ．６５２に準拠するシングルモード光ファイバを製造した。場合ＶＡＤ装置を用いて、添加物を含まないシリカスートを作製した。このスートを脱水・ガラス化装置において塩素を添加しつつ脱水・ガラス化し、透明ガラス化したコア母材を作製した。このコア母材を光ファイバ母材におけるコア部とすべく、ゲルマニウムを添加した。これにより、コア母材の純シリカガラスに対する比屈折率差Δを０．３５％とした。このコア母材に対してシリカスートの外付けを行った。コア母材に外付けされたシリカスートをガラス化することにより、クラッド部を形成した。こうして作製した光ファイバ母材に対して、神戸製鋼所社製のＨＩＰ装置 SYSTEM20Jを用いてＨＩＰ処理を行った。具体的には、るつぼ内に光ファイバ母材を投入し、アルゴンガスを用いて１５００℃まで加熱するとともに、１５０ＭＰａまで加圧して２時間維持した後、るつぼ内の冷却と減圧とを行い、常温常圧に戻してから光ファイバ母材を取り出した。つづいて、図２に示す構成の装置を用いて、光ファイバ母材から光ファイバを製造した。具体的には、光ファイバ母材の下端を１９００℃まで加熱し、線引き速度を９００ｍ／ｍｉｎとして線引きを行って光ファイバを製造した。製造した光ファイバは、波長１．５５μｍでの光の伝送損失が０．１６６ｄＢ／ｋｍであった。

（実施例２〜６、比較例１〜３）
実施例２〜６として、実施例１と同様の工程で光ファイバを製造した。ただし、実施例２〜６では、コア部およびクラッド部に対する添加物、ＨＩＰ処理における温度や圧力、線引き速度を適宜変更した。また、比較例１〜３では、ＨＩＰ処理を行わない以外は実施例２〜６のいずれかと同様の工程で光ファイバを製造した。実施例１〜６、比較例１〜３における製造条件と製造した光フィアバの伝送損失とを表１に示す。表１に示すように、ＨＩＰ処理を行った実施例１〜６の伝送損失は、比較例１〜３の伝送損失よりも低かった。また、実施例１〜６については、ＨＩＰ処理における温度が高いほど、圧力が高いほど、または線引き速度が高いほど伝送損失が低かった。また、実施例６のようにコア部にカリウムを添加した場合、同じＨＩＰ温度、ＨＩＰ圧力、線引き速度である実施例１、２よりも伝送損失が低かった。

なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１出発材
２コア部
３クラッド部
１０コア母材
２０光ファイバ母材
３０、４０光ファイバ
１００製造装置
１０１ヒータ
１０２樹脂塗布装置
１０３紫外線照射装置
１０４ガイドロール
１０５巻取装置

Claims

コア部と前記コア部の外周に形成されたクラッド部とを備える光ファイバ母材を１００ＭＰａ以上２０００ＭＰａ以下で加圧しながら１８００度未満に加熱する高温加圧工程と、
前記高温加圧工程を施した光ファイバ母材の一端部を１８００度以上に加熱して溶融し、９００ｍ／分以上の線引き速度で光ファイバを引き出す線引き工程と、
を含むことを特徴とする光ファイバの製造方法。
前記コア部はゲルマニウムまたは塩素を含むことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
前記コア部はアルカリ金属を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバの製造方法。
前記クラッド部はフッ素を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバの製造方法。