JP7809557B2

JP7809557B2 - マルチコアファイバ母材の製造方法およびマルチコアファイバの製造方法

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Publication number: JP7809557B2
Application number: JP2022041053A
Authority: JP
Inventors: 和則武笠
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2022-03-16
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2026-02-02
Anticipated expiration: 2042-03-16
Also published as: JP2023135786A

Description

本発明は、マルチコアファイバ母材の製造方法およびマルチコアファイバの製造方法に関する。

複数のコア部を有するマルチコアファイバを製造するためのマルチコアファイバ母材の製造方法として、様々な方法が盛んに検討されている。その中でも、火炎堆積法は、従来の光ファイバの製造方法として確立された低コスト技術という点でも最も魅力的である。しかしながら、マルチコアファイバには複数のコア部が存在しているため、火炎堆積法をマルチコアファイバに適用した場合には、スートを堆積しようとする際にコア部に干渉してしまう場合がある。この場合、特定のコア部の周囲には均一にスートが堆積されず、空隙が残ってしまうという問題が発生することが数多く報告されている。

空隙が残らない技術として、特許文献１では、多角形のコア母材を用いる技術が開示されている。また、特許文献２では、マルチコアファイバのクラッド部の作製時に、中心ロッド付近に第一のクラッドを形成し、その外側に第二のクラッドを形成する技術が開示されている。

特開平９－５５４１号公報特許第５７４００６５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、多角形のコア母材を準備する必要があるので、製造工程が煩雑になる。一方、特許文献２の技術は、製造工程の煩雑さはないが、空隙の形成の抑制という点からは改善の余地がある。

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、簡易な工程で空隙の形成が抑制されるマルチコアファイバ母材の製造方法およびマルチコア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、本発明の一態様は、コア部とクラッド部とを有する複数の第２ガラスロッドを、互いに接しないように、かつ第１ガラスロッドに接して取り囲むように配置した状態にて、スート堆積バーナにて前記第１ガラスロッドの表面と前記第２ガラスロッドとの間にスートを堆積する第１堆積工程と、前記第１堆積工程で堆積させた前記スートに、スート堆積バーナにてさらにスートを堆積し前記第２ガラスロッドを埋め込む第２堆積工程と、前記第２堆積工程の後に、スート堆積バーナにて、前記複数の第２ガラスロッドを取り囲むようにスートを堆積させる第３堆積工程と、を備え、前記第１堆積工程では、前記スート堆積バーナが前記第１ガラスロッドの周りを、隣接する前記第２ガラスロッドの間の幅に応じて揺動角を徐々に小さくしながら相対的に揺動するようにするか相対的に揺動しないようにし、前記第２堆積工程では、前記スート堆積バーナが前記第１ガラスロッドの周りを、隣接する前記第２ガラスロッドの間の幅に応じて揺動角を徐々に大きくしながら相対的に揺動するようにするマルチコアファイバ母材の製造方法である。

さらに、前記スート堆積バーナの向きが前記第１ガラスロッドの中心軸から逸れるように揺動させ、前記第１ガラスロッドと前記第２ガラスロッドとの間にスートを堆積するものでもよい。

前記第１堆積工程および前記第２堆積工程において、前記スート堆積バーナを、前記複数の第２ガラスロッドの数だけ配置するものでもよい。

本発明の一態様は、前記製造方法によって製造したマルチコアファイバ母材を線引きする線引工程を備えるマルチコアファイバの製造方法である。

本発明によれは、簡易な工程で空隙の形成が抑制されるという効果を奏する。

図１は、製造されるマルチコアファイバの長手方向に垂直な面における模式的な断面図である。図２は、マルチコアファイバの製造方法のフロー図である。図３は、マルチコアファイバ母材の製造方法を示す図である。図４は、マルチコアファイバ母材の製造方法を示す図である。図５は、マルチコアファイバ母材の製造方法を示す図である。図６は、マルチコアファイバ母材の製造方法を示す図である。図７は、バーナの揺動を説明する図である。図８は、スートの堆積の初期を説明する図である。図９は、堆積後のスートの厚みと揺動角θ１、θ２との関係の一例を示す図である。

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、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

（実施形態）
図１は、実施形態の製造方法によって製造されるマルチコアファイバの長手方向に垂直な面における模式的な断面図である。マルチコアファイバ１０は、石英系ガラスからなり、第１ガラス体１と、４つの第２ガラス体２と、４つの内側クラッド部３と、外側クラッド部４とを備えている。

第１ガラス体１は、長手方向に垂直な断面が略円形であり、所定の屈折率の石英系ガラスからなる。第１ガラス体１の外径はたとえば２６μｍである。

４つの第２ガラス体２は、第１ガラス体１を取り囲み、かつ第１ガラス体１に接するように配置されている。また、４つの第２ガラス体２は、互いに接しないように配置されている。

第２ガラス体２は、それぞれ、長手方向に垂直な断面が略円形であり、コア部２ａと、コア部２ａの最大屈折率よりも屈折率が低く、コア部２ａの外周を取り囲むクラッド部２ｂと、を有している。コア部２ａのコア径はたとえば９μｍであり、クラッド部２ｂのクラッド径はたとえば３２μｍである。

隣接する第２ガラス体２におけるコア部２ａの中心同士の距離であるコアピッチＰは、たとえば４０μｍである。

第１ガラス体１の屈折率はクラッド部２ｂの屈折率以上である。すなわち、第１ガラス体１の、クラッド部２ｂと接している部分の屈折率は、クラッド部２ｂの屈折率以上であると言える。

４つの内側クラッド部３は、隣接する第２ガラス体２の間を埋めるように設けられている。内側クラッド部３は、それぞれ、隣接する第２ガラス体２のコア部２ａの間に介在し、長手方向に垂直な断面が、４つの円弧で囲まれた形状となっている。内側クラッド部３は、たとえば第１ガラス体１と屈折率が同じ石英系ガラスからなる。また、内側クラッド部３は、第２ガラス体２におけるクラッド部２ｂよりも屈折率が低い石英系ガラスからなるものでもよい。

内側クラッド部３の幅を、マルチコアファイバ１０の径方向に垂直な方向での内側クラッド部３の長さとすると、内側クラッド部３の幅は、マルチコアファイバ１０の径方向において、まず中心から離れるにしたがって徐々に狭くなり、その後さらに離れると広がる。内側クラッド部３の最小幅Ｗは、隣接する第２ガラス体２のコア部２ａの中心同士を結んだ線上における内側クラッド部３の幅である。最小幅Ｗはたとえば約１４μｍである。

外側クラッド部４は、４つの第２ガラス体２および４つの内側クラッド部３を取り囲む。また、外側クラッド部４は、４つの第２ガラス体２および４つの内側クラッド部３と接している。外側クラッド部４は、屈折率がクラッド部２ｂの屈折率以上である石英系ガラスからなる。

第１ガラス体１、第２ガラス体２、内側クラッド部３、外側クラッド部４の構成材料について例示する。第１ガラス体１、第２ガラス体２、内側クラッド部３、外側クラッド部４の構成材料は、上述の屈折率の関係を満たせば特に限定されないが、たとえば、第１ガラス体１は、純石英ガラスや、塩素以外に実質的にドーパントを含まない石英系ガラスからなる。ここで、塩素は、マルチコアファイバ１０の製造工程において含まれるドーパントであり、意図的に添加したものではない。また、純石英ガラスとは、波長１５５０ｎｍにおける屈折率が約１．４４４である、きわめて高純度の石英ガラスである。また、第１ガラス体１は、フッ素を含む石英系ガラスからなるものでもよい。

また、たとえば、第２ガラス体２のコア部２ａは、ゲルマニウム、フッ素、塩素、カリウム、ナトリウムの少なくとも一つを含む石英系ガラスからなる。ゲルマニウムは、石英系ガラスの屈折率を上昇させるドーパントである。フッ素は、石英系ガラスの屈折率を低下させるドーパントである。塩素、カリウム、ナトリウムは、石英系ガラスの屈折率を上昇させ、かつ粘度を低下させるドーパントである。また、たとえば、第２ガラス体２のクラッド部２ｂや外側クラッド部４は、純石英ガラスや、塩素以外に実質的にドーパントを含まない石英系ガラスや、フッ素を含む石英系ガラスからなる。

（製造方法）
つぎに、実施形態に係るマルチコアファイバの製造方法について説明する。マルチコアファイバ１０の製造方法は、図２にフロー図を示すように、ステップＳ１０１の第１堆積工程と、ステップＳ１０２の第２堆積工程と、ステップＳ１０３の第３堆積工程と、ステップＳ１０４の線引工程を含む。

ステップＳ１０１の第１堆積工程では、図３に示すように、第２ガラス体２の母材である４つの第２ガラスロッド１２を、第１ガラス体１の母材である第１ガラスロッド１１に接し、かつ第１ガラスロッド１１を取り囲むように配置した状態とする。そして、これら第１ガラスロッド１１、第２ガラスロッド１２の両端を支持して相対位置を固定する。なお、第２ガラスロッド１２は、コア部２ａの母材であるコア部１２ａと、クラッド部２ｂの母材であるクラッド部１２ｂと、を有している。第２ガラスロッド１２は、たとえばＶＡＤ法（Vapor-phase Axial Deposition）によって作製する。

そして、図３に示すように、隣接する第２ガラスロッド１２の間から第１ガラスロッド１１の中心軸Ｏ１に向くようにスート堆積バーナである４つのバーナＢを配置する。この４つのバーナＢの数は、第２ガラスロッド１２の数に対応させている。バーナＢは、バーナＢの管が軸Ｘ１に沿うように配置する。、軸Ｘ１は、第１ガラスロッド１１の中心軸Ｏ１から隣接する第２ガラスロッド１２の間の隙間の中心を通って径方向に延びる軸である。そして、バーナＢにガラス原料ガスおよび可燃ガスであるＨ_２ガスと助燃ガスであるＯ_２ガスとを供給し、噴出させる。ガラス原料ガスとしてはたとえばＳｉＣｌ_４ガス等を用いることができる。図４に示すように、これらのバーナＢは、Ｈ_２ガスおよびＯ_２ガスによって形成される火炎Ｆ中でガラス原料ガスを火炎加水分解させてガラス微粒子からなる内側スート１３を合成し、第１ガラスロッド１１の表面と隣接する第２ガラスロッド１２の間とに、内側スート１３を堆積させる（火炎堆積）。内側スート１３は、内側クラッド部３の母材の元となる部分である。そして、第１ガラスロッド１１の径方向にバーナＢを退避させながら内側スート１３を堆積させることで、内側スート１３の堆積する厚さは徐々に厚くなり、第２ガラスロッド１２の間が埋められていく。

ここで、図３に示すように、第１堆積工程では、バーナＢは、第１ガラスロッド１１の周りを、隣接する第２ガラスロッド１２の間の幅に応じて揺動角を徐々に小さくしながら相対的に揺動するようにするか相対的に揺動しないようにする。揺動角とは、バーナＢの管が第１ガラスロッド１１の中心軸Ｏ１回りに軸Ｘ１を中心として揺動する角度であるθ１を意味する。内側スート１３の堆積の初期には隣接する第２ガラスロッド１２の間の幅が広いので揺動角θ１を大きくするが、内側スート１３が厚くなるにつれて内側スート１３の表面での隣接する第２ガラスロッド１２の間の幅は徐々に狭くなっていくので、揺動角θ１を徐々に小さくしていく。これにより、内側スート１３に空隙ができることが抑制される。なお、隣接する第２ガラスロッド１２の間の幅が比較的狭い場合は、バーナＢを揺動させなくてもよい。

バーナＢと第１ガラスロッド１１、第２ガラスロッド１２は、第１ガラスロッド１１、第２ガラスロッド１２の長手方向（図面奥行方向）に相対的に往復移動が可能であり、第１ガラスロッド１１、第２ガラスロッド１２の長手方向に均一に内側スート１３を堆積させることができる。なお、本製造例では、バーナＢを移動させて内側スート１３を堆積させているが、バーナＢを固定して、第１ガラスロッド１１、第２ガラスロッド１２を移動させてもよい。

内側スート１３の厚みが第２ガラスロッド１２の半径程度となり、内側スート１３の表面での、隣接する第２ガラスロッド１２の間の幅が最小幅程度になったら、ステップＳ１０２の第２堆積工程を開始する。第２堆積工程では、第１堆積工程で堆積させた内側スート１３に、さらにスートを堆積させて第２ガラスロッド１２を埋め込む。

第２堆積工程では、バーナＢが第１ガラスロッド１１の中心軸Ｏ１を向いたまま、第１ガラスロッド１１の周りを、隣接する第２ガラスロッド１２の間の幅に応じて揺動角θ１を徐々に大きくしながら相対的に揺動するようにする。これにより、内側スート１３に空隙ができることが抑制される。

内側スート１３が第２ガラスロッド１２を所定の程度まで埋め込んだら、または完全に埋め込んだら、第２堆積工程を終了する。なお、第２堆積工程の終了のタイミングは、内側スート１３の堆積厚みを測定するセンサや、目視により、知ることができる。その後、ステップＳ１０３の第３堆積工程を開始する（図５）。第３堆積工程では、図５に示すように、たとえばバーナＢを第１ガラスロッド１１の周方向に回転させながら、外側クラッド部４の母材の元となる外側スート１４を堆積する（図６）。なお、バーナＢを固定して第１ガラスロッド１１、第２ガラスロッド１２および内側スート１３を回転させてもよい。

外側スート１４の堆積が完了した後、第３堆積工程を終了する。その後、内側スート１３、外側スート１４を焼結し、全体をマルチコアファイバ母材とする。なお、内側スート１３については、内側スート１３の堆積完了後、外側スート１４の堆積前に焼結させてもよい。

その後、マルチコアファイバ母材を公知の線引き装置を用いて加熱溶融し、ステップＳ１０４の線引きを行うことで、マルチコアファイバ１０を製造することができる。

以上説明した製造方法によれば、マルチコアファイバ母材およびマルチコアファイバ１０を容易に製造することができる。そして、内側スート１３における空隙の形成が抑制されるので、マルチコアファイバ１０においても空隙が抑制される。

なお、マルチコアファイバ１０において、内側クラッド部３がクラッド部２ｂよりも屈折率が低い石英系ガラスからなるものであれば、内側クラッド部３がトレンチ部となるトレンチ型の屈折率プロファイルが実現される。この場合、隣接するコア部２ａの間に、屈折率が低いトレンチ部が介在するので、コア間クロストークが抑制される。また、コア部２ａの伝搬する光のうち高次モードの光は、屈折率がクラッド部２ｂの屈折率以上でありかつクラッド部２ｂと接触する第１ガラス体１および外側クラッド部４から、容易に漏洩する。そのため、マルチコアファイバ１０では、コア部を囲むようにトレンチ層を設ける場合と比較して、使用波長（たとえば１５５０ｎｍ）でのシングルモード光ファイバとしてのシングルモード特性を、内側クラッド部３の幅や比屈折率差などの緻密な制御なく実現することができる。ここで、使用波長とは、マルチコアファイバ１０を伝送路として使用する際の信号光の波長である。

内側クラッド部３にフッ素を含有させる場合は、内側スート１３の堆積時にガラス原料ガスとともにフッ素ガスを供給してもよいし、内側スート１３の焼結時にフッ素を気相でドープしてもよい。

（製造方法の変形例）
上記実施形態では、バーナＢは第１ガラスロッド１１の中心軸Ｏ１を向いたまま揺動角θ１で揺動するが、バーナＢを、向きが第１ガラスロッド１１の中心軸Ｏ１から逸れるように揺動させてもよい。

図７は、バーナの揺動を説明する図である。図７では、バーナＢは、軸Ｘ１（図３も参照）上の点Ｏ２を支点として揺動角θ２で揺動する。

図８は、第１堆積工程におけるスートの堆積の初期を説明する図である。まず図８（ａ）では、揺動角θ１、θ２をどちらもゼロとした状態としている。この場合、内側スート１３は主に第１ガラスロッド１１の表面に堆積する。つづいて、図８（ａ）の状態から、バーナＢを、矢印Ａｒ１に示すように時計回りに揺動させて揺動角θ１を増加させるとともに、矢印Ａｒ２に示すように時計回りに揺動させて揺動角θ２を増加させ、図８（ｂ）の状態とする。つづいて、図８（ｂ）の状態からさらに揺動角θ１、θ２を増加させ、図８（ｃ）の状態とすると、火炎Ｆが第１ガラスロッド１１と第２ガラスロッド１２との間の狭い隙間に入り込み、当該隙間に内側スート１３を堆積させることができる。

つづいて、図８（ｄ）で矢印Ａｒ１に示すように、バーナＢを反時計回りに揺動させて揺動角θ１を減少させてゼロにするとともに、矢印Ａｒ２に示すように反時計回りに揺動させて揺動角θ２を減少させてゼロにして、図８（ｅ）の状態とする。

つづいて、図８（ｅ）で矢印Ａｒ１に示すように、バーナＢを反時計回りに揺動させて揺動角θ１を増加させるとともに、矢印Ａｒ２に示すように反時計回りに揺動させて揺動角θ２を増加させ、図８（ｆ）の状態を経て図８（ｇ）の状態とする。すると、火炎Ｆが第１ガラスロッド１１と第２ガラスロッド１２との間の狭い隙間に入り込み、当該隙間に内側スート１３を堆積させることができる。

つづいて、図８（ｈ）で矢印Ａｒ１に示すように時計回りに揺動させて揺動角θ１を減少させるとともに、矢印Ａｒ２に示すように時計回りに揺動させて揺動角θ２を減少させ、揺動角θ１、θ２をどちらもゼロに戻す。

以上のように、バーナＢを揺動角θ１、θ２で揺動させることによって、第１ガラスロッド１１と第２ガラスロッド１２との間の狭い隙間に内側スート１３をより確実に堆積させることができる。これにより、内側スート１３における空隙の形成がより確実に抑制されるので、マルチコアファイバ母材およびマルチコアファイバ１０においても空隙がより確実に抑制される。

なお、図８ではバーナＢを揺動角θ１で揺動させる場合を説明したが、バーナＢに対して第１ガラスロッド１１、第２ガラスロッド１２を揺動角θ１で揺動させてもよい。また、揺動角θ１での揺動は行わずに、揺動角θ２での揺動だけを行ってもよい。また、揺動角θ２での揺動は、第２堆積工程においても行ってもよい。

（実施例）
実施例として、図３～図８を参照して説明した製造方法によって、マルチコアファイバ母材を作製した。このとき、第１ガラスロッド、第２ガラスロッドのクラッド部、内側スート、および外側スートは、同じ屈折率の石英系ガラスで作製した。第１ガラスロッドの外径は３２ｍｍとした。第２ガラスロッドのクラッド径は２６ｍｍとした。内側スートは合計の厚みが２６ｍｍとなるように堆積した。外側スートは合計の厚み２１．５ｍｍとなるように堆積した。

図９は、堆積後のスートの厚みと揺動角θ１、θ２との関係の一例を示す図である。横軸は、内側スートと外側スートとの合計の厚みを示す。まず、堆積の開始時はθ１を１２°程度とし、θ２を６０°程度とする。その後は、厚みが大きくなるにしたがってθ１、θ２を減少させた。その後、内側スートの厚さが線Ｌ１に示す１３ｍｍ、すなわち第２ガラスロッドのクラッド径の半分となり、第２ガラスロッドの半分が内側スートで埋まったら、その後はθ１を増加させた。厚みが線Ｌ２で示す２６ｍｍになったら、その後は外側スートの作製のためにバーナを回転させた（すなわちθ１＝３６０°）。

そして、外側スートの堆積が終了した後、焼結を行ってマルチコアファイバ母材を作製した。これにより、マルチコアファイバ母材では空隙の形成が抑制されることを確認した。

なお、上記実施形態または実施例では、第２ガラス体の数は４であるが、２、３、または５以上であってもよい。

また、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：第１ガラス体
２：第２ガラス体
２ａ、１２ａ：コア部
２ｂ、１２ｂ：クラッド部
３：内側クラッド部
４：外側クラッド部
１０：マルチコアファイバ
１１：第１ガラスロッド
１２：第２ガラスロッド
１３：内側スート
１４：外側スート
Ａｒ１、Ａｒ２：矢印
Ｂ：バーナ
Ｆ：火炎
Ｏ１：中心軸
Ｏ２：点
Ｐ：コアピッチ
Ｗ：最小幅
Ｘ１：軸

Claims

コア部とクラッド部とを有する複数の第２ガラスロッドを、互いに接しないように、かつ第１ガラスロッドに接して取り囲むように配置した状態にて、スート堆積バーナにて前記第１ガラスロッドの表面と前記第２ガラスロッドとの間にスートを堆積する第１堆積工程と、
前記第１堆積工程で堆積させた前記スートに、スート堆積バーナにてさらにスートを堆積して前記第２ガラスロッドを埋め込む第２堆積工程と、
前記第２堆積工程の後に、スート堆積バーナにて、前記複数の第２ガラスロッドを取り囲むようにスートを堆積させる第３堆積工程と、
を備え、
前記第１堆積工程では、前記スート堆積バーナが前記第１ガラスロッドの周りを、隣接する前記第２ガラスロッドの間の幅が小さくなるにつれて揺動角を徐々に小さくしながら相対的に揺動するようにするか相対的に揺動しないようにし、
前記第２堆積工程では、前記スート堆積バーナが前記第１ガラスロッドの周りを、隣接する前記第２ガラスロッドの間の幅が大きくなるにつれて揺動角を徐々に大きくしながら相対的に揺動するようにする
マルチコアファイバ母材の製造方法。
さらに、前記スート堆積バーナの向きが前記第１ガラスロッドの中心軸から逸れるように揺動させ、前記第１ガラスロッドと前記第２ガラスロッドとの間にスートを堆積する
請求項１に記載のマルチコアファイバ母材の製造方法。
前記第１堆積工程および前記第２堆積工程において、前記スート堆積バーナを、前記複数の第２ガラスロッドの数だけ配置する
請求項１または２に記載のマルチコアファイバ母材の製造方法。
請求項１または２に記載のマルチコアファイバ母材の製造方法によって製造したマルチコアファイバ母材を線引きする線引工程を備える
マルチコアファイバの製造方法。