JP7697464B2 - 光ファイバ及び光ファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、光ファイバ及び光ファイバの製造方法に関する。本出願は、２０２０年６月１１日出願の日本出願第２０２０－１０１７１９号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

非特許文献１～３には、海底光ケーブル伝送などの長距離伝送に用いられる光ファイバが開示されている。

R. M. Shelby et al., "Guided acoustic-wave Brillouin scattering", Physical Review B, vol. 31, nol. 8, p5244 (1985) M. A. Bolshtyansky et al., "Impact of Spontaneous Guided Acoustic-Wave Brillouin Scattering on Long-haul Transmission", OFC2018, M4B.3 (2018) M. Paskov et al., "Observation and Compensation of Guided Acoustic-Wave Brillouin Scattering in Modulated Channels", OFC2019, Tu3J.3 (2019) T. Horiguchi et al. "Tensile strain dependence of Brillouin frequency shift in silica optical fibers", IEEE Photonics Technology Letters vol. 1, no. 5, p. 107 (1989) Andrew D. Yablon, "Advanced Fiber Characterization Technologies for Fiber Lasers and Amplifiers", Advanced Solid State Lasers (ASSL), ATh2A.45 (2014)

本開示の一実施形態に係る光ファイバは、中心軸を有する。光ファイバは、シリカガラスからなり、中心軸に沿って延びるコアと、シリカガラスからなり、コアを包囲すると共に、中心軸に沿って延びるクラッドと、樹脂からなり、クラッドを包囲すると共に、中心軸に沿って延びる被覆層と、を備える。クラッドの外径は、中心軸に沿って変化する。中心軸に対して垂直な一つの断面内でコア及びクラッドにわたって平均された、中心軸に沿う方向の残留応力は、中心軸に沿って変化する。外径の平均値からの偏差と、残留応力の平均値からの偏差とは、互いに逆符号である。

本開示の一実施形態に係る光ファイバの製造方法は、ガラスからなる光ファイバプリフォームの先端部を加熱することと、加熱により軟化された先端部からガラス繊維を引き出すことと、ガラス繊維に樹脂からなる被覆層を形成して光ファイバとすることと、を含む。引き出すことは、ガラス繊維に付与される張力を周期的に変化させることにより、ガラス繊維の直径、及びガラス繊維の軸方向の残留応力を、軸方向に沿って互いに逆位相となるように変化させることを含む。

図１Ａは、実施形態に係る光ファイバの構造を示す斜視図である。 図１Ｂは、実施形態に係る光ファイバにおけるクラッド外径及び残留応力を示す図である。 図１Ｃは、実施形態に係る光ファイバの軸方向の位置とクラッド外径との関係を示すグラフである。 図１Ｄは、実施形態に係る光ファイバの軸方向の位置と残留応力との関係を示すグラフである。 図２Ａは、変形例に係る光ファイバの構造を示す斜視図である。 図２Ｂは、変形例に係る光ファイバにおけるクラッド外径及び残留応力を示す図である。 図３は、実効的な線幅が半値全幅の１／２以上に拡大され、かつ、クラッド外径の偏差及び残留応力の偏差が過大であることによる弊害が抑えられる範囲を示すグラフである。 図４は、実施形態に係る光ファイバの製造装置の構成図である。 図５は、ローラの動作を説明するための図である。 図６は、実施形態に係る光ファイバの製造方法を示すフローチャートである。

［本開示が解決しようとする課題］
長距離伝送で用いられる光ファイバでは、光増幅器の自然放出光雑音及び光ファイバ中の非線形光学効果による非線形雑音に加えて、導波音響波によるブリルアン散乱(ＧＡＷ
ＢＳ: Guided Acoustic Wave Brillouin Scatter)による雑音が伝送性能の低下原因となる。

非引用文献１には、ＧＡＷＢＳについて以下のように開示されている。すなわち、ガラスで形成された光ファイバでは、ガラス外周面における反射によって、内部で音響波の導波モードが生じる。ＧＡＷＢＳは、熱的に励起された導波モードが、光ファイバのコアを伝搬する光をランダムに散乱する現象である。ＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルは、元の光の周波数を中心として複数の離散的なピークを有する。各ピークの中心周波数は、音響波の導波モードに対応する。元の光の周波数からの周波数シフトは、２０ＭＨｚから８００ＭＨｚである。ピークの線幅は、１６５ｋＨｚから１０００ｋＨｚである。

非特許文献２には、光ファイバにより信号光を長距離伝送する場合、ＧＡＷＢＳにより散乱された信号光が雑音として蓄積するため、ＧＡＷＢＳが信号対雑音比に対して無視できない影響を及ぼすことが開示されている。

そこで、本開示は、ＧＡＷＢＳを抑制することにより、長距離伝送における伝送性能を向上することができる光ファイバ及び光ファイバの製造方法を提供することを目的とする。

［本開示の効果］
本開示によれば、ＧＡＷＢＳを抑制し、長距離伝送における伝送性能を向上することができる。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。一実施形態に係る光ファイバは、中心軸を有する。光ファイバは、シリカガラスからなり、中心軸に沿って延びるコアと、シリカガラスからなり、コアを包囲すると共に、中心軸に沿って延びるクラッドと、樹脂からなり、クラッドを包囲すると共に、中心軸に沿って延びる被覆層と、を備える。クラッドの外径は、中心軸に沿って変化する。中心軸に対して垂直な一つの断面内でコア及びクラッドにわたって平均された、中心軸に沿う方向の残留応力は、中心軸に沿って変化する。外径の平均値からの偏差と、残留応力の平均値からの偏差とは、互いに逆符号である。

上記実施態様に係る光ファイバでは、ＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルのピークの線幅を実効的に拡大することができる。これにより、ＧＡＷＢＳを抑制することができる。その結果、長距離伝送における伝送性能を向上することができる。

外径及び残留応力は、中心軸に沿って互いに逆位相となるように変化していてもよい。この場合、クラッドの外径の平均値からの偏差と、残留応力の平均値からの偏差とを、互いに逆符号とすることができる。

コアに単色光を伝搬させたときに、光ファイバ中に熱的に励振されている音響波によって前方に散乱されてコアを伝搬する散乱光の周波数スペクトルのピークの実効的な線幅は、１．５ＭＨｚよりも大きくてもよい。この場合、非特許文献３で開示されているＳＮＲ（ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）低下と線幅の関係により、ＧＡＷＢＳによるＳＮＲ低下を実効的に抑制することができる。

外径の偏差をδｆ、残留応力の偏差をδσとするとき、

が実質的に全長で成立してもよい。光ファイバの全長からランダムに抽出した点の９９％以上において上記式が成立することで、実質的に全長で上記式が成立することと等価となる。更に全長からランダムに抽出した点の９９．９％以上において上記式が成立することがより好ましい。この場合、クラッド外径の偏差及び残留応力の偏差が過大であることによる弊害を抑制することができる。

一実施形態に係る光ファイバの製造方法は、ガラスからなる光ファイバプリフォームの先端部を加熱することと、加熱により軟化された先端部からガラス繊維を引き出すことと、ガラス繊維に樹脂からなる被覆層を形成して光ファイバとすることと、を含む。引き出すことは、ガラス繊維に付与される張力を周期的に変化させることにより、ガラス繊維の直径、及びガラス繊維の軸方向の残留応力を、軸方向に沿って互いに逆位相となるように変化させることを含む。

上記実施態様に係る光ファイバの製造方法では、クラッドの外径及び残留応力が軸方向に沿って互いに逆位相となるように変化している光ファイバが得られる。したがって、ＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルのピークの線幅を実効的に拡大することができる。よって、ＧＡＷＢＳを抑制することができる。その結果、長距離伝送における伝送性能を向上することができる。

上記光ファイバの製造方法は、ガラス繊維と連続する光ファイバを巻き取り機に導くことを更に含み、導くことは、光ファイバの走行経路の長さを周期的に変化させることにより、引き出すことにおいて付与される張力を周期的に変化させることを含んでもよい。この場合、光ファイバの走行経路の長さを変化させることにより、結果的にガラス繊維に付与される張力を変化させることができる。

導くことは、前記光ファイバの走行方向を転換させるローラを周期的に移動させることにより、走行経路の長さを周期的に変化させることを含んでもよい。この場合、光ファイバは被覆層により保護されているので、ローラの外周面を走行することによって損傷され難い。

上記光ファイバの製造方法は、ガラス繊維の直径及び張力の少なくとも一方を測定することを更に含んでもよい。この場合、測定結果に基づき、ガラス繊維に付与される張力を調整することができる。

上記光ファイバの製造方法は、光ファイバプリフォームを把持し、光ファイバプリフォームを一定速度で加熱炉に挿入することを更に含んでもよい。加熱することは、先端部を加熱炉により加熱してもよい。この場合、光ファイバプリフォームから安定してガラス繊維を引き出すことができる。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の光ファイバ及び光ファイバの製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及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。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。

本明細書では、ある媒質の屈折率をｎ、純粋シリカガラスの屈折率をｎ０とするとき、その媒質の比屈折率差Δを、

とする。特に記載がない限り、光ファイバは１つの中心軸を有し、中心軸の回りに略回転対称であり、中心軸に沿って並進対称な構造であると仮定する。コア、クラッド、及び、被覆などの光ファイバの構成要素に関しても、特に記載がない限り、中心軸の回りに略回転対称であり、中心軸に沿って並進対称な構造であると仮定する。この仮定が適用できる場合は、光ファイバの構成要素の物性値は、中心軸に対して垂直な任意の断面における値で規定できる。物性値の平均値、最大値、及び、パーセンタイル値などの統計値について規定する際は、上記断面における物性値を、所定の空間分解能で空間的に一様な頻度で測定して得られる測定値の集合に対する統計値で代替する。特に記載がない限り、上記空間分解能は、光ファイバの動作波長の近似値である半径１μｍの円を仮定する。

光ファイバの半径座標をｒとし、内半径ｒ０及び外半径ｒ１の領域における比屈折率差が、

で表されるとき、当該領域の比屈折率はα０１乗の形状を有するという。ここで、Δ０は、半径ｒ＝ｒ０、すなわち領域の一端における比屈折率差であり、Δ１は、半径ｒ＝ｒ１、すなわち領域の他端における比屈折率差である。

（光ファイバ）
図１Ａに示されるように、光ファイバ１は、中心軸１０と、コア１１と、クラッド１２と、第１被覆層１３と、第２被覆層１４と、を備える。コア１１は、ガラスからなり、中心軸１０に沿って延びている。クラッド１２は、ガラスからなり、コア１１を包囲すると共に、中心軸１０に沿って延びている。第１被覆層１３は、樹脂からなり、クラッド１２を包囲すると共に、中心軸１０に沿って延びている。第１被覆層１３は、例えば、アクリレート系の紫外線硬化性樹脂からなる。第２被覆層１４は、樹脂からなり、第１被覆層１３を包囲すると共に、中心軸１０に沿って延びている。第２被覆層１４は、例えば、第１被覆層１３よりも高い弾性率を有するアクリレート系の紫外線硬化性樹脂からなる。

コア１１の比屈折率差は、クラッド１２の比屈折率差に比べて高く、その差は０．２％以上２．０％以下である。コア１１は、添加物としてＧｅＯ_２を含まず、Ｃｌ、Ｆ、Ｐ、Ｂｒ、Ｎａ、Ｋ、及びＲｂのうちの１つ、または複数の添加物を含む。クラッド１２は、添加物としてＦ及びＣｌのうちの１つ、または複数を含む。それにより、光ファイバ１は、低い伝送損失を実現することができ、長距離光通信に適する。伝送損失は、好ましくは０．１７ｄＢ／ｋｍ以下であり、より好ましくは０．１６ｄＢ／ｋｍ以下であり、より好ましくは０．１５ｄＢ／ｋｍ以下である。一方で、伝送損失が０．１０ｄＢ／ｋｍ以上であることにより、生産性を高めることができる。

コア１１の直径は、７μｍ以上１４μｍ以下である。クラッド１２の平均外径は、１２３μｍ以上１２７μｍ以下、より好ましくは１２４μｍ以上１２６μｍ以下である。既に広く用いられている光ファイバの平均直径は、１２５μｍである。したがって、光ファイバ１のクラッド１２の平均外径が１２５μｍであることにより、広く用いられている光ファイバとの接続に要するコストを下げることができる。第２被覆層１４の外径は、１７０μｍ以上２７０μｍ以下である。これにより、光ファイバ１は、十分な機械的強度と、高い密度でのケーブル収容とを両立することができる。

光ファイバ１は、光ファイバプリフォーム２０１の先端部２０１ｂ（図４参照）を加熱して線引することによって製造される。光ファイバプリフォーム２０１は、シリカガラスからなり、軸方向に垂直な断面において光ファイバ１と相似形状を有する。光ファイバ１を線引する際に、光ファイバ１には張力が付与される。この張力と、線引過程での光ファイバ１の冷却に伴う熱収縮とにより、線引後の光ファイバ１のガラス（つまり、コア１１及びクラッド１２）中には応力が残留する。

図１Ｂ及び図１Ｃに示されるように、クラッド１２の外径ｆ（ｚ）は、光ファイバ１の軸方向の位置ｚの関数として変化している。すなわち、クラッド１２の外径ｆ（ｚ）は、中心軸１０に沿って変化している。以下では、クラッド１２の外径をクラッド外径とも言う。

クラッド外径ｆ（ｚ）の平均値＜ｆ＞は、光ファイバ１の長さをＬとして、

と定義される。クラッド外径ｆ（ｚ）の平均値＜ｆ＞からの偏差δｆと標準偏差σｆは、

と定義される。

図１Ｂ及び図１Ｄに示されるように、光ファイバ１では、シリカガラス内の残留応力ｓ（ｚ）もｚの関数として変化している。すなわち、残留応力ｓ（ｚ）は、中心軸１０に沿って変化している。本開示では、シリカガラス内の残留応力ｓ（ｚ）は、中心軸１０に対して垂直な一つの断面内でコア１１及びクラッド１２にわたって平均された、中心軸１０に沿う方向の成分の値として定義される。すなわち、シリカガラス内の残留応力ｓ（ｚ）は、
と定義される。応力の符号について、引張応力を正、圧縮応力を負とする。残留応力を測定する方法としては、例えば非特許文献５に記載されている干渉測定に基づく方法を用いることが可能である。すなわち、制御された偏光を有する測定光を光ファイバの側面から照射し、光ファイバを透過した測定光を基準光と干渉させることで光ファイバを透過する際の位相変化の空間分布を測定し、これに基づいて光ファイバ断面内の屈折率及び複屈折率の分布を得る。この分布に基づき、光ファイバの内部の残留応力を測定することができる。非特許文献５は、この言及により取り込まれる。

シリカガラス内の残留応力ｓ（ｚ）の平均値＜ｓ＞は、

と定義される。シリカガラス内の残留応力ｓ（ｚ）の平均値＜ｓ＞からの偏差δｓと標準偏差σｓは、

と定義される。

図１Ｃ及び図１Ｄに示されるように、クラッド外径ｆ（ｚ）の平均値＜ｆ＞からの偏差δｆと、残留応力ｓ（ｚ）の平均値＜ｓ＞からの偏差δｓとは、互いに逆符号である。クラッド外径ｆ（ｚ）及び残留応力ｓ（ｚ）は、中心軸１０に沿って互いに逆位相（クラッド外径ｆ（ｚ）及び残留応力ｓ（ｚ）のそれぞれを三角関数で近似したときの位相差が１８０度）となるように変化している。

偏差δｆの変動周期は、偏差δｆを位置ｚに関してフーリエ変換して振幅を二乗して得られるパワースペクトルの重心の逆数で定義される。偏差δｓの変動周期は、偏差δｓを位置ｚに関してフーリエ変換して振幅を二乗して得られるパワースペクトルの重心の逆数で定義される。偏差δｆの変動周期及び偏差δｓの変動周期は、互いに同等である。各変動周期は、０．０１ｍ以上かつ１００ｍ以下、より好ましくは０．０２ｍ以上かつ５０ｍ以下であることが好ましい。各変動周期が長い場合、伝送路の区間ごとの伝送性能のバラツキが増大する。各変動周期が短い場合、高次モードへのモード結合による伝送損失増が生じる。よって、上記の範囲とすることが好適である。

上記の変動周期の範囲に加えて、図２Ａ及び図２Ｂに示される変形例に係る光ファイバ１Ａのように、クラッド１２がコア１１を包囲する内側クラッド１２０と、内側クラッド１２０を包囲する外側クラッド１２１との少なくとも２層を含み、内側クラッド１２０が外側クラッド１２１よりも低い屈折率を有することが更に好ましい。それにより、基底導波モードと高次モードとの間の屈折率差を拡大することができる。したがって、短い変動周期成分によって生じる高次モードへのモード結合を抑制することができる。その結果、例えば光ファイバにマイクロベンドが加わった場合でもモード結合による伝送損失増を抑制することができる。

中心軸１０に対して垂直な一つの断面内でコア１１及びクラッド１２にわたって平均したヤング率をＥ、残留歪みをεとすると、ε＝ｓ／Ｅであるので、残留歪みの平均値＜ε＞及び平均からの偏差δεは、近似的に

と表わされる。

非特許文献４に開示されているように、光ファイバ中の縦波の音速Ｖｄは、密度をρ、ポアソン比をκとして、

と表わされる。したがって、歪みによる微分ｄ／ｄεを添字「'」で表すと、

と近似されることが知られている。

したがって、残留応力の偏差δｓによって生じる音速の偏差δＶｄは、

と表わされる。

非特許文献１に開示されているように、ＧＡＷＢＳによる散乱光のスペクトルにおけるｍ番目のピークの周波数Ωｍは、以下のように与えられる。すなわち、対応する音響波のモードの縦波の速度をＶｄ、横波の速度をＶｓ、音速比をα＝Ｖｓ／Ｖｄ、

のｍ番目の零点をｙ＝ｙｍとして、ｍ番目のピークの周波数Ωｍは、

と表わされる。

したがって、クラッド外径f及び残留応力sを中心軸１０に沿って変化させた際に、ｍ番目のピーク周波数に生じる偏差δΩmは、

と表わされる。

ｍ番目のピークの周波数Ωｍを、その線幅の半値全幅ΔΩｍの１／２程度以上に長手に変化させることで、長手変化を含むファイバ長を均一なファイバと見なした場合の実効的な線幅を拡大することができる。言い換えると、ピーク周波数Ωｍを中心軸１０に沿って変化させると共に、その変化量を、半値全幅ΔΩｍの１／２程度以上とすることで、実効的に光ファイバ１の線幅を拡大することができる。

非特許文献３には、ＧＡＷＢＳによる散乱光のスペクトルにおけるピークの線幅が小さいほど、ＧＡＷＢＳによる信号対雑音比が低下することが開示されている。つまり、実効的に線幅を拡大することにより、ＧＡＷＢＳによる信号対雑音比の低下を抑制することができる。式（Ａ）が示すように、残留応力の平均値からの偏差と、クラッド外径の平均値からの偏差とを、互いに逆符号となるように長手に変化させることで、ＧＡＷＢＳの実効的な線幅をより効果的に拡大することができる。

一方で光ファイバ１のクラッド外径の変化が過大である場合、調心手段としてフェルール及びＶ溝を用いる接続における接続損失が大きくなる。加えて、ガラス中の気泡などの異常部をクラッド外径の測定値に基づいて検出することが難しくなる。そのためクラッド外径の偏差の標準偏差の３倍（３σ）は、１．０μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以下であってもよい。残留応力が過大であると破断強度の低下、及び、光ファイバ１をへき開した際の端面の平坦性の低下による接続損失の増大が生じる。このため、残留応力の偏差の標準偏差の３倍（３σ）は、１５０ＭＰａ以下、より好ましくは１００ＭＰａであってもよい。

図３は、実効的な線幅が半値全幅の１／２以上に拡大され、かつ、クラッド外径の偏差及び残留応力の偏差が過大であることによる弊害が抑えられる範囲を示すグラフである。図３の横軸は、残留応力偏差［ＭＰａ］を示し、図３の縦軸は、クラッド外径偏差［μｍ］を示す。図３では、非特許文献１に基づき、光ファイバの長手方向のクラッド外径及び残留応力の変化がない場合のＧＡＷＢＳの特性を、非特許文献１に基づき、ピーク周波数を５００ＭＨｚ、線幅の半値全幅を１ＭＨｚとした場合が示されている。

具体的には、下記条件（１）を満たす範囲が好ましく、条件（２）を満たす範囲がより好ましい。
条件（１）

条件（２）

ＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルのピークの線幅を拡大するためには、上述したようなクラッド外径及び残留応力の逆位相の変化に加えて、光ファイバ１のクラッド１２の外径に非円性を与えて回転対称性をなくすことで、音響モードの縮退を解消することが更に好ましい。具体的には、クラッド非円率は、０．１％以上、より好ましくは０．２％以上であってもよい。一方で、過大なクラッド非円率は接続損失を増大させるので、クラッド非円率は１．５％以下、より好ましくは１％以下であってもよい。ここで、クラッド１２の外径が非円性を有するとは、クラッド１２の外周部が完全な円ではないことを意味する。クラッド非円率とは、クラッド１２の外周部を楕円近似した際に長軸と短軸との長さの差を長軸の長さで割った値である。

コア１１がクラッド１２の重心から偏心している場合、音響波のモード振幅と光電界のモード振幅との重なりが低減される。これにより、ＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルのピークの線幅を拡大することができる。具体的には、コア偏心は、０．１μｍ以上、より好ましくは０．２μｍ以上であってもよい。一方で、過大なコア偏心は接続損失を増大させる。よって、コア偏心は１．０μｍ以下、より好ましくは０．８μｍ以下であってもよい。

光ファイバ１では、コア１１に単色光を伝搬させたときに、光ファイバ１中に熱的に励振されている音響波によって前方に散乱されてコア１１を伝搬する散乱光の周波数スペクトルの５００ＭＨｚ以上におけるピークの線幅は、１．５ＭＨｚよりも大きい。

（光ファイバの製造方法）
以下では、実施形態に係る光ファイバ１の製造方法について説明する。図４は、実施形態に係る光ファイバの製造装置の構成図である。図５は、ローラの動作を説明するための図である。図４に示される製造装置２は、光ファイバプリフォーム２０１からガラス繊維２０４を経て光ファイバ１を製造するための装置である。製造装置２は、把持部２０２と、加熱炉２０３と、保温炉２０５と、測定器２０６と、冷却器２０７と、ダイス２０８と、紫外線照射機２０９と、ローラ２１１と、キャプスタン２１２と、巻き取り機２１３とを備える。

把持部２０２は、光ファイバプリフォーム２０１を把持して、加熱炉２０３に一定の速度で送り込む。光ファイバプリフォーム２０１は、把持部２０２により把持される基端部２０１ａと、加熱炉２０３の内部に挿入される先端部２０１ｂと、を有する。把持部２０２は、光ファイバプリフォーム２０１を加熱炉２０３に供給する供給部として機能する。

加熱炉２０３は、光ファイバプリフォーム２０１が挿入される開口２０３ａと、開口２０３ａと対向し、ガラス繊維２０４が引き出される開口２０３ｂと、を有している。加熱炉２０３は、加熱炉２０３の内部に供給された光ファイバプリフォーム２０１の先端部２０１ｂを加熱して軟化させる。加熱により軟化された先端部２０１ｂから、ガラス繊維２０４が引き出される。ガラス繊維２０４は、開口２０３ｂを通じて加熱炉２０３の外部に引き出される。

保温炉２０５は、ガラス繊維２０４を保温し、ガラスの構造を緩和する。測定器２０６は、ガラスの構造が緩和された状態のガラス繊維２０４の直径及び張力の少なくとも一方を測定する。測定器２０６としては、例えば、レーザをガラス繊維２０４に照射して直径を測定する測定器、及び、超音波をガラス繊維２０４に照射して張力を測定する測定器が挙げられる。

冷却器２０７は、測定器２０６の後段に配置され、ガラス繊維２０４を冷却する。ダイス２０８は、入線されたガラス繊維２０４の外周面に樹脂を塗布し、被覆樹脂を形成する。樹脂は、アクリレート系の紫外線硬化性樹脂を含む。紫外線照射機２０９は、ガラス繊維２０４に形成された被覆樹脂に紫外線を照射し、被覆樹脂を硬化させる。それにより、ガラス繊維が樹脂で被覆される。その結果、光ファイバ２１０が製造される。

図４では、１組のダイス２０８及び紫外線照射機２０９が示されているが、製造装置２は、ガラス繊維２０４の軸方向に沿って配置された２組のダイス２０８及び紫外線照射機２０９を備えていてもよい。その場合、前段に配置されたダイス２０８及び紫外線照射機２０９は、第１被覆層１３を形成する第１被覆層形成部として機能する。後段に配置されたダイス２０８及び紫外線照射機２０９は、第２被覆層１４を形成する第２被覆層形成部として機能する。これにより、第１被覆層１３及び第２被覆層１４が形成され、光ファイバ１が得られる。

ローラ２１１は、光ファイバ１の走行方向を転換させる。ローラ２１１は、ローラ２１１の角度または位置を変化させるように移動する。これにより、先端部２０１ｂから巻き取り機２１３に至るまでの光ファイバ１及びガラス繊維２０４の走行経路（パスライン）の長さが周期的に変化する。

図５に示されるように、ローラ２１１は、例えば、ローラ２１１の軸方向に沿って往復移動する。この場合、ローラ２１１の外周面における光ファイバ１の走行位置は、ローラ２１１の軸方向の一端側と他端側との間で往復移動する。これにより、光ファイバプリフォーム２０１の先端部２０１ｂからのガラス繊維２０４の引き出し方向及び引き出し角度も周期的に変化する。引き出し角度は、ガラス繊維２０４の引き出し方向と、光ファイバプリフォーム２０１の軸方向とがなす角度である。

光ファイバ１及びガラス繊維２０４の走行経路の長さは、光ファイバ１がローラ２１１の軸方向の中央を走行するときに短くなり、一端側及び他端側を走行するときに長くなる。走行経路が長くなる過程では、ガラス繊維２０４に付与される張力が増加する。よって、ガラス繊維２０４の直径が低減されると共に、ガラス繊維２０４の残留応力が増大する。これにより、クラッド外径が低減されると共に、中心軸１０に沿う方向の光ファイバ１の残留応力が増大する。

これに対し、走行経路が短くなる過程では、ガラス繊維２０４に付与される張力が減少する。ガラス繊維２０４の直径が増大すると共に、ガラス繊維２０４の残留応力が減少する。これにより、クラッド外径が増大すると共に、中心軸１０に沿う方向の光ファイバ１の残留応力が減少する。この結果、クラッド外径及び残留応力の長手変動を有する光ファイバ１が得られる。すなわち、クラッド外径及び残留応力が、中心軸１０に沿って互いに逆位相となるように変化する光ファイバ１が得られる。

ローラ２１１は、このようにガラス繊維２０４及び光ファイバ１の走行経路の長さを周期的に変化させながら、光ファイバ１をキャプスタン２１２に導く。これにより、ローラ２１１は、光ファイバ１のクラッド外径と残留応力との間に逆位相の長手変化を付与する。ローラ２１１は、例えば、光ファイバ１の中心軸１０に沿って移動し、ガラス繊維２０４の走行経路の長さを維持したまま、光ファイバ１の走行経路の長さだけを周期的に変化させてもよい。この場合、ガラス繊維２０４の引き出し方向及び引き出し角度も維持される。この場合であっても、光ファイバ１の走行経路の長さが変化することにより、ガラス繊維２０４に付与される張力が結果的に変化する。よって、ガラス繊維２０４に付与される張力を周期的に変化させることができる。

走行経路の長さを変動させる周期は、光ファイバ１の長さに換算して０．０１ｍ以上かつ１００ｍ以下、より好ましくは０．０２ｍ以上かつ５０ｍ以下である。これにより、ＧＡＷＢＳの抑制効果を高めることができる。そのためには、例えば光ファイバ１を５０ｍ／ｓで線引する間にローラ２１１の位置または角度を０．５Ｈｚ以上、より好ましくは１Ｈｚ以上で変化させる。

キャプスタン２１２は、光ファイバ１を所定の速度及び張力で牽引する。巻き取り機２１３は、キャプスタン２１２で牽引された光ファイバ１を巻き取る。

図６は、実施形態に係る光ファイバの製造方法を示すフローチャートである。光ファイバ１の製造方法は、光ファイバプリフォーム２０１を加熱炉２０３に挿入する工程Ｓ１と、光ファイバプリフォーム２０１の先端部２０１ｂを加熱する工程Ｓ２と、先端部２０１ｂからガラス繊維２０４を引き出す工程Ｓ３と、ガラス繊維２０４を保温する工程Ｓ４と、ガラス繊維２０４の直径及び張力の少なくとも一方を測定する工程Ｓ５と、ガラス繊維２０４を冷却する工程Ｓ６と、ガラス繊維２０４に被覆樹脂を形成して光ファイバ１とする工程Ｓ７と、光ファイバ１を導く工程Ｓ８と、光ファイバ１を巻き取る工程Ｓ９と、を含む。

工程Ｓ１では、光ファイバプリフォーム２０１が把持部２０２により一定速度で加熱炉２０３の内部に挿入される。光ファイバプリフォーム２０１は、基端部２０１ａが把持された状態で、先端部２０１ｂが加熱炉２０３の開口２０３ａを通じて加熱炉２０３の内部に送り込まれる。工程Ｓ２では、先端部２０１ｂは、加熱炉２０３により加熱されて軟化される。

工程Ｓ３では、加熱により軟化された先端部２０１ｂから開口２０３ｂを通じてガラス繊維２０４が引き出される。工程Ｓ３では、ガラス繊維２０４に付与される張力を周期的に変化させることにより、ガラス繊維２０４の直径、及びガラス繊維２０４の軸方向の残留応力を、軸方向に沿って互いに逆位相となるように変化させる。工程Ｓ３におけるガラス繊維２０４の引き出し速度に応じて、工程Ｓ１における光ファイバプリフォーム２０１の挿入速度を設定することができる。

工程Ｓ４では、引き出されたガラス繊維２０４が保温炉２０５により保温される。これにより、ガラスの構造が緩和される。工程Ｓ５では、ガラス繊維２０４の直径及び張力の少なくとも一方が、測定器２０６により測定される。工程Ｓ６では、ガラス繊維２０４が冷却される。

工程Ｓ７では、まず、ダイス２０８によりガラス繊維２０４の外周面に樹脂が塗布され、被覆樹脂が形成される。続いて、被覆樹脂が紫外線照射機２０９から照射された紫外線により硬化される。工程Ｓ７が繰り返されることにより、第１被覆層１３及び第２被覆層１４が形成され、その結果、光ファイバ１が得られる。

工程Ｓ８では、ガラス繊維２０４と連続する光ファイバ１が、キャプスタン２１２により所定の速度及び張力で牽引されて、ローラ２１１の外周面を走行した後、巻き取り機２１３に導かれる。光ファイバ１は、ローラ２１１により走行方向が転換される。工程Ｓ８では、少なくとも光ファイバ１の走行経路の長さを周期的に変化させることにより、工程Ｓ３においてガラス繊維２０４に付与される張力を周期的に変化させる。工程Ｓ８では、ローラ２１１を周期的に移動させることにより、光ファイバ１の走行経路の長さを周期的に変化させる。工程Ｓ８では、ガラス繊維２０４及び光ファイバ１の走行経路の長さの総和を周期的に変化させる。

クラッド外径及び残留応力の変化は、ローラ２１１の移動（運動）及びキャプスタン２１２による牽引速度の変化によって発生する。したがって、測定器２０６において測定されたクラッド外径又は張力に基づき、その変動幅が目標の範囲に入るように、ローラ２１１の移動及びキャプスタン２１２の回転を制御することができる。

ガラス繊維２０４及び光ファイバ１の走行経路の長さを変動させる周期は、光ファイバ１の長さに換算して０．０１ｍ以上かつ１００ｍ以下、より好ましくは０．０２ｍ以上かつ５０ｍ以下である。これにより、ＧＡＷＢＳの抑制効果が向上する。このような周期でガラス繊維２０４及び光ファイバ１の走行経路の長さを変動させるためには、例えば、光ファイバ１を５０ｍ／ｓで線引する間にローラ２１１の位置または角度を０．５Ｈｚ以上かつ５ｋＨｚ以下、より好ましくは１Ｈｚ以上かつ２．５ｋＨｚ以下で変化させればよい。

工程Ｓ９では、光ファイバ１が巻き取り機２１３により巻き取られる。

以上説明したように、光ファイバ１では、クラッド外径及び残留応力が光ファイバ１の中心軸１０に沿って変化し、クラッド外径ｆ（ｚ）の平均値＜ｆ＞からの偏差δｆと、残留応力ｓ（ｚ）の平均値＜ｓ＞からの偏差δｓとは、互いに逆符号となっている。このため、ＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルのピークの線幅を実効的に拡大することができる。これにより、ＧＡＷＢＳを抑制することができる。その結果、長距離伝送における伝送性能を向上することができる。

クラッド外径ｆ（ｚ）及び残留応力ｓ（ｚ）は、中心軸１０に沿って互いに逆位相となるように変化している。このため、クラッド外径ｆ（ｚ）の平均値＜ｆ＞からの偏差δｆと、残留応力ｓ（ｚ）の平均値＜ｓ＞からの偏差δｓとを、互いに逆符号とすることができる。

コア１１に単色光を伝搬させたときに、光ファイバ１中に熱的に励振されている音響波によって前方に散乱されてコア１１を伝搬する散乱光の周波数スペクトルのピークの線幅は、１．５ＭＨｚよりも大きい。このため、ＧＡＷＢＳを確実に抑制することができる。

光ファイバ１では、上記条件（１）が成立する。このため、クラッド外径の偏差及び残留応力の偏差が過大であることによる弊害を抑制することができる。

光ファイバ１の製造方法では、工程Ｓ３において、ガラス繊維２０４に付与される張力を周期的に変化させることにより、ガラス繊維２０４の直径、及びガラス繊維２０４の軸方向の残留応力を、軸方向に沿って互いに逆位相となるように変化させる。これにより、クラッド外径及び残留応力が軸方向に沿って互いに逆位相となるように変化している光ファイバ１が得られる。したがって、ＧＡＷＢＳによる散乱光の周波数スペクトルのピークの線幅を実効的に拡大することができる。よって、ＧＡＷＢＳを抑制することができる。その結果、長距離伝送における伝送性能を向上することができる。

工程Ｓ８では、光ファイバ１の走行経路の長さを周期的に変化させることにより、工程Ｓ３において付与される張力を周期的に変化させる。このため、光ファイバ１の走行経路の長さを変化させることにより、間接的にガラス繊維に付与される張力を変化させることができる。

工程Ｓ８では、光ファイバ１の走行方向を転換させるローラ２１１を周期的に移動させることにより、光ファイバ１の走行経路の長さを周期的に変化させる。仮に、ガラス繊維２０４の走行方向を転換させるローラを設け、このローラの移動によりガラス繊維２０４に付与される張力を変化させた場合、ガラス繊維２０４がローラとの接触により損傷されるおそれがある。光ファイバ１は第１被覆層１３及び第２被覆層１４により保護されているので、ローラ２１１によって損傷され難い。

光ファイバ１の製造方法は、工程Ｓ５を含むので、ガラス繊維２０４の直径及び張力の少なくとも一方の測定結果に基づき、ガラス繊維２０４に付与される張力を調整することができる。

光ファイバ１の製造方法は、工程Ｓ１を含むので、光ファイバプリフォーム２０１から安定してガラス繊維２０４を引き出すことができる。

１，１Ａ…光ファイバ
２…製造装置
１０…中心軸
１１…コア
１２…クラッド
１３…第１被覆層
１４…第２被覆層
２０１…光ファイバプリフォーム
２０１ａ…基端部
２０１ｂ…先端部
２０２…把持部
２０３…加熱炉
２０３ａ…開口
２０３ｂ…開口
２０４…ガラス繊維
２０５…保温炉
２０６…測定器
２０７…冷却器
２０８…ダイス
２０９…紫外線照射機
２１１…ローラ
２１２…キャプスタン
２１３…巻き取り機

Claims (16)

1. 中心軸を有する光ファイバであって、
   シリカガラスからなり、前記中心軸に沿って延びるコアと、
   シリカガラスからなり、前記コアを包囲すると共に、前記中心軸に沿って延びるクラッドと、
   樹脂からなり、前記クラッドを包囲すると共に、前記中心軸に沿って延びる被覆層と、
   を備え、
   前記クラッドの外径は、前記中心軸に沿って変化し、
   前記中心軸に対して垂直な一つの断面内で前記コア及び前記クラッドにわたって平均された、前記中心軸に沿う方向の残留応力は、前記中心軸に沿って変化し、
   前記外径の平均値からの偏差と、前記残留応力の平均値からの偏差とは、互いに逆符号であり、
   前記コアの直径は、７μｍ以上１４μｍ以下であり、
   前記外径の偏差の変動周期及び前記残留応力の偏差の変動周期は、それぞれ０．０１ｍ以上かつ１００ｍ以下である、
   光ファイバ。
2. 中心軸を有する光ファイバであって、
   シリカガラスからなり、前記中心軸に沿って延びるコアと、
   シリカガラスからなり、前記コアを包囲すると共に、前記中心軸に沿って延びるクラッドと、
   樹脂からなり、前記クラッドを包囲すると共に、前記中心軸に沿って延びる被覆層と、
   を備え、
   前記クラッドの外径は、前記中心軸に沿って変化し、
   前記中心軸に対して垂直な一つの断面内で前記コア及び前記クラッドにわたって平均された、前記中心軸に沿う方向の残留応力は、前記中心軸に沿って変化し、
   前記外径の平均値からの偏差と、前記残留応力の平均値からの偏差とは、互いに逆符号であり、
   前記コアの直径は、７μｍ以上１４μｍ以下であり、
   前記クラッドは、前記コアを包囲する内側クラッドと、前記内側クラッドを包囲する外側クラッドと、を含み、
   前記内側クラッドの屈折率は、前記外側クラッドの屈折率よりも低い、
   光ファイバ。
3. 中心軸を有する光ファイバであって、
   シリカガラスからなり、前記中心軸に沿って延びるコアと、
   シリカガラスからなり、前記コアを包囲すると共に、前記中心軸に沿って延びるクラッドと、
   樹脂からなり、前記クラッドを包囲すると共に、前記中心軸に沿って延びる被覆層と、
   を備え、
   前記クラッドの外径は、前記中心軸に沿って変化し、
   前記中心軸に対して垂直な一つの断面内で前記コア及び前記クラッドにわたって平均された、前記中心軸に沿う方向の残留応力は、前記中心軸に沿って変化し、
   前記外径の平均値からの偏差と、前記残留応力の平均値からの偏差とは、互いに逆符号であり、
   前記コアの直径は、７μｍ以上１４μｍ以下であり、
   前記クラッドの非円率は、０．１％以上かつ１．５％以下である、
   光ファイバ。
4. 前記外径及び前記残留応力は、前記中心軸に沿って互いに逆位相となるように変化している、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
5. 前記コアに単色光を伝搬させたときに、前記光ファイバ中に熱的に励振されている音響波によって前方に散乱されて前記コアを伝搬する散乱光の周波数スペクトルのピークの線幅は、１．５ＭＨｚよりも大きい、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光ファイバ。
6. 前記外径の偏差をδｆ、前記残留応力の偏差をδσとするとき、
   

   

   
   が実質的に全長で成立する、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
7. 前記外径の偏差の標準偏差の３倍は、１．０μｍ以下である、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光ファイバ。
8. 前記残留応力の偏差の標準偏差の３倍は、１５０ＭＰａ以下である、
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光ファイバ。
9. 伝送損失は、０．１７ｄＢ／ｋｍ以下である、
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光ファイバ。
10. ガラスからなる光ファイバプリフォームの先端部を加熱することと、
    加熱により軟化された前記先端部からガラス繊維を引き出すことと、
    前記ガラス繊維に樹脂からなる被覆層を形成して光ファイバとすることと、を含み、
    前記引き出すことは、前記ガラス繊維に付与される張力を周期的に変化させることにより、前記ガラス繊維の直径、及び前記ガラス繊維の軸方向の残留応力を、前記軸方向に沿って互いに逆位相となるように変化させることを含み、
    前記光ファイバのコアの直径は、７μｍ以上１４μｍ以下であり、
    前記ガラス繊維の直径の変動周期、及び、前記ガラス繊維の軸方向の残留応力の変動周期は、それぞれ０．０１ｍ以上かつ１００ｍ以下である、
    光ファイバの製造方法。
11. ガラスからなる光ファイバプリフォームの先端部を加熱することと、
    加熱により軟化された前記先端部からガラス繊維を引き出すことと、
    前記ガラス繊維に樹脂からなる被覆層を形成して光ファイバとすることと、を含み、
    前記引き出すことは、前記ガラス繊維に付与される張力を周期的に変化させることにより、前記ガラス繊維の直径、及び前記ガラス繊維の軸方向の残留応力を、前記軸方向に沿って互いに逆位相となるように変化させることを含み、
    前記光ファイバのコアの直径は、７μｍ以上１４μｍ以下であり、
    前記光ファイバのクラッドは、前記コアを包囲する内側クラッドと、前記内側クラッドを包囲する外側クラッドと、を含み、
    前記内側クラッドの屈折率は、前記外側クラッドの屈折率よりも低い、
    光ファイバの製造方法。
12. ガラスからなる光ファイバプリフォームの先端部を加熱することと、
    加熱により軟化された前記先端部からガラス繊維を引き出すことと、
    前記ガラス繊維に樹脂からなる被覆層を形成して光ファイバとすることと、を含み、
    前記引き出すことは、前記ガラス繊維に付与される張力を周期的に変化させることにより、前記ガラス繊維の直径、及び前記ガラス繊維の軸方向の残留応力を、前記軸方向に沿って互いに逆位相となるように変化させることを含み、
    前記光ファイバのコアの直径は、７μｍ以上１４μｍ以下であり、
    前記光ファイバのクラッドの非円率は、０．１％以上かつ１．５％以下である、
    光ファイバの製造方法。
13. 前記ガラス繊維と連続する前記光ファイバを巻き取り機に導くことを更に含み、
    前記導くことは、前記光ファイバの走行経路の長さを周期的に変化させることにより、前記引き出すことにおいて付与される前記張力を周期的に変化させることを含む、
    請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の光ファイバの製造方法。
14. 前記導くことは、前記光ファイバの走行方向を転換させるローラを周期的に移動させることにより、前記走行経路の長さを周期的に変化させることを含む、
    請求項１３に記載の光ファイバの製造方法。
15. 前記ガラス繊維の直径及び張力の少なくとも一方を測定することを更に含む、
    請求項１０から請求項１４のいずれか１項に記載の光ファイバの製造方法。
16. 前記光ファイバプリフォームを把持し、前記光ファイバプリフォームを一定速度で加熱炉に挿入することを更に含み、
    前記加熱することは、前記先端部を前記加熱炉により加熱する、
    請求項１０から請求項１５のいずれか１項に記載の光ファイバの製造方法。

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