JP2011102964A - 光ファイバおよび光ファイバ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた強度を有し安価に製造することができる光ファイバ、および、そのような光ファイバを製造することができる方法を提供する。
【解決手段】光ファイバ１は、石英ガラス系の光ファイバであって、コア領域１１と、このコア領域１１を取り囲む光学クラッド領域１２と、この光学クラッド領域１２を取り囲むジャケット領域１３とを含む。ジャケット領域１３は内周部から外周部に亘って略均一な組成である。ジャケット領域１３の最外周部に圧縮応力が残留した圧縮歪層が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバおよび光ファイバ製造方法に関するものである。

ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）の進展に伴い、光ファイバ敷設の効率化が進められている。ＦＴＴＨでは狭い管路や曲率半径の小さい箇所に光ファイバを配線することが必要となる場合があり、曲げても光が漏洩しない光ファイバの開発が進められ、敷設効率を高める役割を果たしている。例えば、ＦＴＴＨの敷設に際し光ファイバを曲率半径５ｍｍに曲げるケースがあるとされており、これに対応する光ファイバが求められている。

一方、曲率半径の小さい曲げを光ファイバに与えると該光ファイバの長期信頼性が低下することが知られている。そこで、ケーブルの剛性を強化して、実質的に光ファイバが小さい曲率半径に屈曲しないようにしたり、長期信頼性を高める為に、スクリーニングで光ファイバに与える伸び率を大きくしたりする等の工夫がなされている。しかし、これらは共に、コスト増の要因になるだけでなく、ケーブルの剛性を高めることで光ファイバの取り扱い性が低下したり、スクリーニング強度を大きくすることで光ファイバを構成するガラスの強度低下の原因となったりする。

光ファイバそのものの強度を高める方法として、光ファイバのガラス外表面にカーボンをコーティングする方法が知られている（特許文献１)。しかし、カーボンコートを行った光ファイバの製造時に炭化水素系のガスを使用し、排ガス設備などの付帯設備を必要とするという問題がある。また、カーボンコート光ファイバでは、カーボン層とそのカーボン層の外周に被覆される樹脂との密着が得にくい。また、カーボンコート光ファイバでは、カーボン層が黒いことから、識別のために設けた着色層による隠蔽性が弱いと、着色層の見かけがくすんだ色になり、識別性が低下する問題がある。また、カーボン被覆層の全長にわたる均一性の保証が困難といった問題があり、例えば特許文献２に記載されているようなカーボン層の導電性を利用した電気的パラメータの測定によって、コーティング層の被覆状態をモニタするなどの付加的な検査が必要となる。

また、その他の方法として、ＴｉＯ_２添加ＳｉＯ_２ガラス（特許文献３）やＦ添加ガラス（特許文献４）のようなＳｉＯ_２より低い粘性のガラスを光ファイバのガラス外表面に設け、線引工程において光ファイバの外周にのみ圧縮応力を残すことで、ガラスを強化する方法が知られている。しかし、このようなＳｉＯ_２と大きく組成が異なるガラスでは、ガラスの網目構造を切断する水素の拡散が進行しやすいケースがあり、これによるガラスの網目構造の強度低下から、長期的には寧ろガラスの破断強度が低下する場合がある。また、組成が異なることから屈折率がＳｉＯ_２のもつ値から変化してしまい、所望の光学特性を得にくい。最外層に別の組成を持つ層を付加する工程が増えることから、コスト増要因となるといった問題があり、実用化の課題となっている。

特開平２-２７３０８号公報 米国特許第５０５７７８１号明細書 特開平４-６５３２７号公報 特開平５-１２４８３１号公報

以上のように、光ファイバそのものの強度を高める従来の方法として、光ファイバのガラス外表面にカーボンをコーティングする方法や、光ファイバのガラス外表面にＳｉＯ_２より低い粘性のガラスを設ける方法があるものの、これら何れの方法も製造コストや品質の点で問題を有している。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、優れた強度を有し安価に製造することができる光ファイバ、および、そのような光ファイバを製造することができる方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光ファイバは、コア領域と，このコア領域を取り囲む光学クラッド領域と，この光学クラッド領域を取り囲むジャケット領域とを含む石英ガラス系の光ファイバであって、ジャケット領域が内周部から外周部に亘って略均一な組成であり、ジャケット領域の最外周部に圧縮応力が残留した圧縮歪層が形成されている、ことを特徴とする。

本発明に係る光ファイバは、圧縮歪層に残留した圧縮応力が１０ＭＰａ以上であるのが好適であり、圧縮歪層の厚みがジャケット領域の外径に対し３０％以下であるのが好適であり、静疲労係数が２０以上であるのが好適であり、また、５ｍｍ／ｍｉｎの引張速度を与えたときの破断強度が４００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上であるのが好適である。

本発明に係る光ファイバは、ジャケット領域の最外周部におけるラマン散乱スペクトルの８００ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₈₀₀に対する４９０ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₄₉₀の比（Ａ₄₉₀／Ａ₈₀₀）がコア領域における比（Ａ₄₉₀／Ａ₈₀₀）より小さいのが好適である。

本発明に係る光ファイバは、圧縮応力の周方向の偏差が１０ＭＰａ以下であるのが好適である。このような範囲とすることで、ファイバカールの曲率半径を４ｍ以上とすることができる。なお、光ファイバ中の残留応力の測定は、例えば特開２００９−１６８８１３号公報に記載されているように、光ファイバ中の複屈折を利用して測定することができる。或いは、光ファイバ中の残留応力の測定は、光ファイバ断面の屈折率の面分析を行い、屈折率の変化量と材料に固有の光弾性係数からも測定が可能である。

本発明に係る光ファイバ製造方法は、コア領域と，このコア領域を取り囲む光学クラッド領域と，この光学クラッド領域を取り囲むジャケット領域とを含む石英ガラス系の光ファイバ母材を線引きして、光ファイバを製造する方法であって、(1) 光ファイバ母材の一端を加熱溶融して紡糸して、所望の外径を有するガラス線条体を形成する紡糸工程と、(2) 紡糸工程において形成されたガラス線条体の全体の温度がガラス転移点より低下した後に、ガラス線条体の外周部をガラス転移点より高い温度まで歪付与部で加熱して、ジャケット領域の最外周部に圧縮歪層を形成し、ジャケット領域の最外周部に残留した圧縮歪層が形成された光ファイバを製造する歪付与工程と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光ファイバ製造方法は、歪付与工程において１また２以上のレーザ光源から出力されたレーザ光をガラス線条体に照射することでガラス線条体を加熱するのが好適であり、歪付与工程においてガラス線条体を中心軸としてガラス線条体を取り囲む環状の加熱炉によりガラス線条体を加熱するのが好適であり、或いは、歪付与工程においてバーナを用いてガラス線条体を加熱するのが好適である。また、紡糸工程においてガラス線条体を中心軸の周りに交互に捻るのも周方向の圧縮応力を均等化する上で好適である。

本発明に係る光ファイバ製造方法は、歪付与工程での加熱時における光ファイバ外周の温度の偏差が５０℃未満であるのが好適である。このように加熱することで、圧縮応力の周方向の偏差を１０ＭＰａ以下とすることができる。なお、線引き中の光ファイバの温度は、赤外光を用いた放射温度計により線引き中の光ファイバを複数の角度から観察することで評価が可能である。

本発明に係る光ファイバ製造方法は、光ファイバの外径が所望の外径の１０５％以下まで減少した位置から歪付与部までの長さをＬ１とし、歪付与部の長さをＬ２とし、光ファイバの線速をＶとしたときに、Ｌ１／Ｖが０.００３ｓ以上であり、Ｌ２／Ｖが１ｓ以下であるのが好適である。光ファイバの冷却時間をＬ１／Ｖ＞０.００３ｓとすることで、光ファイバの温度をガラス転移点以下とすることができ、且つ加熱時間を限定することで、粘性低下部を光ファイバの外周のみに限定することができ、光ファイバの外周のみに圧縮応力の掛かった光ファイバを得ることができる。さらに好ましくはＬ２／Ｖは０.５ｓ以下である。さらに好ましくはＬ２／Ｖは０.１ｓ以下である。

本発明に係る光ファイバ製造方法は、歪付与工程において光ファイバガラスに与える張力が２５ｇ以上であるのが好適である。光ファイバに与える張力が大きいほど、光ファイバ外周に残留する圧縮応力を大きくすることができる。２５ｇ以上とすることで、圧縮応力を与えることが容易となり、圧縮応力を与えない光ファイバと比べ有意に光ファイバの強度を改善できる。さらに好ましくは５０ｇ以上である。

本発明に係る光ファイバは、優れた強度を有し、安価に製造することができる。また、本発明に係る光ファイバ製造方法は、優れた強度を有する光ファイバを安価に製造することができる。

本実施形態に係る光ファイバ１の構成を示す図である。 他の実施形態に係る光ファイバ２の構成を示す図である。 他の実施形態に係る光ファイバ３の構成を示す図である。 他の実施形態に係る光ファイバ４の構成を示す断面図である。 本実施形態に係る光ファイバにおける応力の径方向分布を示す図である。 本実施形態に係る光ファイバ製造方法を説明する図である。 本実施形態に係る光ファイバ製造方法における歪付与部の第１構成例を示す図である。 本実施形態に係る光ファイバ製造方法における歪付与部の第２構成例を示す図である。 本実施形態に係る光ファイバ製造方法における歪付与部の第３構成例を示す図である。 本実施形態に係る光ファイバ製造方法における歪付与部の第４構成例を示す図である。 本実施形態に係る光ファイバ製造方法における歪付与部の第５構成例を示す図である。 実施例１〜３の光ファイバの諸元を纏めた図表である。 光ファイバに残留する応力と破断強度の関係を示すグラフである。 加熱処理を行った場合および行わなかった場合それぞれでの比（Ａ₄₉₀／Ａ₈₀₀）を比較して示す図である。 ラマン散乱スペクトルの８００ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₈₀₀および４９０ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₄₉₀を説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、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。

図１は、本実施形態に係る光ファイバ１の構成を示す図である。同図（ａ）は光ファイバ１の断面を示し、同図（ｂ）は光ファイバ１の屈折率プロファイルを示す。光ファイバ１は、石英ガラス系の光ファイバであって、コア領域１１と、このコア領域１１を取り囲む光学クラッド領域１２と、この光学クラッド領域１２を取り囲むジャケット領域１３とを含む。コア領域１１の屈折率は、光学クラッド領域１２の屈折率より高い。ジャケット領域１３の屈折率は、光学クラッド領域１２の屈折率と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

コア領域１１および光学クラッド領域１２それぞれは、径方向に屈折率が均一であってもよいし、径方向に屈折率が変化していてもよい。コア領域１１および光学クラッド領域１２それぞれには、屈折率上昇または屈折率降下のための適切な不純物が添加される。コア領域１１および光学クラッド領域１２それぞれにおける不純物添加濃度は、製造上のバラツキにより或いは意図的に不均一になっていてもよい。

ジャケット領域１３は、コア導波モード光の電界が殆ど及ばず、光ファイバ１の光学特性に影響を与えない領域である。例えば、ジャケット領域１３の内径（光学クラッド領域１２の外径）は、コア導波モード光のモードフィールド径に対して３倍以上であるのが好ましい。ジャケット領域１３は内周部から外周部に亘って略均一な組成である。ジャケット領域１３の最外周部に圧縮応力が残留した圧縮歪層が形成されている。

この光ファイバ１は、ジャケット領域１３の組成を変化させることなく、ジャケット領域１３の最外周部に圧縮歪層が形成されていることにより、従来のカーボンコートや粘性の異なるガラスを外周に設けることにより発生する問題を発生させることなく、優れた強度を有することができる。また、この光ファイバ１は、通常の光ファイバを製造する方法と略同様の方法で製造することができるので、安価に製造され得る。

図２は、他の実施形態に係る光ファイバ２の構成を示す図である。同図（ａ）は光ファイバ２の断面を示し、同図（ｂ）は光ファイバ２の屈折率プロファイルを示す。光ファイバ２は、石英ガラス系の光ファイバであって、コア領域２１と、このコア領域２１を取り囲むディプレスト領域２２と、このディプレスト領域２２を取り囲むクラッド領域２３と、このクラッド領域２３を取り囲むジャケット領域２４とを含む。

光学クラッド領域は、ディプレスト領域２２およびクラッド領域２３からなる。コア領域２１の屈折率をｎ_２１とし、ディプレスト領域２２の屈折率をｎ_２２とし、クラッド領域２３の屈折率をｎ_２３としたとき、これらの屈折率の間にｎ_２１＞ｎ_２３＞ｎ_２２ なる大小関係がある。ジャケット領域２４の屈折率は、クラッド領域２３の屈折率と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

コア領域２１，ディプレスト領域２２およびクラッド領域２３それぞれは、径方向に屈折率が均一であってもよいし、径方向に屈折率が変化していてもよい。コア領域２１，ディプレスト領域２２およびクラッド領域２３それぞれには、屈折率上昇または屈折率降下のための適切な不純物が添加される。コア領域２１，ディプレスト領域２２およびクラッド領域２３それぞれにおける不純物添加濃度は、製造上のバラツキにより或いは意図的に不均一になっていてもよい。

ジャケット領域２４は、コア導波モード光の電界が殆ど及ばず、光ファイバ２の光学特性に影響を与えない領域である。例えば、ジャケット領域２４の内径（クラッド領域２３の外径）は、コア導波モード光のモードフィールド径に対して３倍以上であるのが好ましい。ジャケット領域２４は内周部から外周部に亘って略均一な組成である。ジャケット領域２４の最外周部に圧縮応力が残留した圧縮歪層が形成されている。

この光ファイバ２も、ジャケット領域２４の組成を変化させることなく、ジャケット領域２４の最外周部に圧縮歪層が形成されていることにより、従来のカーボンコートや粘性の異なるガラスを外周に設けることにより発生する問題を発生させることなく、優れた強度を有することができる。また、この光ファイバ２も、通常の光ファイバを製造する方法と略同様の方法で製造することができるので、安価に製造され得る。

図３は、更に他の実施形態に係る光ファイバ３の構成を示す図である。同図（ａ）は光ファイバ３の断面を示し、同図（ｂ）は光ファイバ３の屈折率プロファイルを示す。光ファイバ３は、石英ガラス系の光ファイバであって、第１コア領域３１と、この第１コア領域３１を取り囲む第２コア領域３２と、この第２コア領域３２を取り囲むディプレスト領域３３と、このディプレスト領域３３を取り囲むクラッド領域３４と、このクラッド領域３４を取り囲むジャケット領域３５とを含む。

光学クラッド領域は、ディプレスト領域３３およびクラッド領域３４からなる。第１コア領域３１の屈折率をｎ_３１とし、第２コア領域３２の屈折率をｎ_３２とし、ディプレスト領域３３の屈折率をｎ_３３とし、クラッド領域３４の屈折率をｎ_３４としたとき、これらの屈折率の間にｎ_３１＞ｎ_３２≧ｎ_３４＞ｎ_３３ なる大小関係がある。ジャケット領域３５の屈折率は、クラッド領域３４の屈折率と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

第１コア領域３１，第２コア領域３２，ディプレスト領域３３およびクラッド領域３４それぞれは、径方向に屈折率が均一であってもよいし、径方向に屈折率が変化していてもよい。第１コア領域３１，第２コア領域３２，ディプレスト領域３３およびクラッド領域３４それぞれには、屈折率上昇または屈折率降下のための適切な不純物が添加される。第１コア領域３１，第２コア領域３２，ディプレスト領域３３およびクラッド領域３４それぞれにおける不純物添加濃度は、製造上のバラツキにより或いは意図的に不均一になっていてもよい。

ジャケット領域３５は、コア導波モード光の電界が殆ど及ばず、光ファイバ３の光学特性に影響を与えない領域である。例えば、ジャケット領域３５の内径（クラッド領域３４の外径）は、コア導波モード光のモードフィールド径に対して３倍以上であるのが好ましい。ジャケット領域３５は内周部から外周部に亘って略均一な組成である。ジャケット領域３５の最外周部に圧縮応力が残留した圧縮歪層が形成されている。

この光ファイバ３も、ジャケット領域３５の組成を変化させることなく、ジャケット領域３５の最外周部に圧縮歪層が形成されていることにより、従来のカーボンコートや粘性の異なるガラスを外周に設けることにより発生する問題を発生させることなく、優れた強度を有することができる。また、この光ファイバ３も、通常の光ファイバを製造する方法と略同様の方法で製造することができるので、安価に製造され得る。

図４は、更に他の実施形態に係る光ファイバ４の構成を示す断面図である。光ファイバ４は、石英ガラス系のホーリーファイバであって、コア領域４１と、このコア領域４１を取り囲む光学クラッド領域４２と、この光学クラッド領域４２を取り囲むジャケット領域４３とを含む。光学クラッド領域４２は、コア領域４１と同じ組成を有する主媒質中に、コア領域４１を中心とする正六角形の各頂点の位置に空孔４４が形成されていて、コア領域４１の屈折率より低い実効的な屈折率を有する。ジャケット領域４３の屈折率は、光学クラッド領域４２の主媒質の屈折率と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

ジャケット領域４３は、コア導波モード光の電界が殆ど及ばず、光ファイバ４の光学特性に影響を与えない領域である。例えば、ジャケット領域４３の内径（光学クラッド領域４２の外径）は、コア導波モード光のモードフィールド径に対して３倍以上であるのが好ましい。ジャケット領域４３は内周部から外周部に亘って略均一な組成である。ジャケット領域４３の最外周部に圧縮応力が残留した圧縮歪層が形成されている。

この光ファイバ４は、ジャケット領域４３の組成を変化させることなく、ジャケット領域４３の最外周部に圧縮歪層が形成されていることにより、従来のカーボンコートや粘性の異なるガラスを外周に設けることにより発生する問題を発生させることなく、優れた強度を有することができる。また、この光ファイバ４は、通常のホーリーファイバを製造する方法と略同様の方法で製造することができるので、安価に製造され得る。

本発明に係る光ファイバは、図１〜図４に示された構成のものに限られない。本発明に係る光ファイバは、ジャケット領域が内周部から外周部に亘って略均一な組成であって、ジャケット領域の最外周部に圧縮応力が残留した圧縮歪層が形成されていれば、任意の屈折率プロファイルが可能である。

図５は、本実施形態に係る光ファイバにおける応力の径方向分布を示す図である。この図には、図２に示された本実施形態に係る光ファイバ２における応力の径方向分布の３つの例が示されている。また、比較例として、ジャケット領域１３の最外周部に圧縮応力が残留した圧縮歪層が形成されていない光ファイバにおける応力の径方向分布が示されている。この図から判るように、比較例の光ファイバは、ジャケット領域の最外周部近傍に引張応力が残留している。これに対して、本実施形態に係る光ファイバは、ジャケット領域の最外周部に圧縮応力が残留した圧縮歪層が形成されている。本実施形態に係る光ファイバは、このような圧縮歪層が形成されていることにより、優れた強度を有することができる。

ジャケット領域の圧縮歪層に残留した圧縮応力が１０ＭＰａ以上であるのが好ましく、このようにすることで、有意にガラス強度を高めることができる。ジャケット領域の圧縮歪層に残留した圧縮応力は、好ましくは３０ＭＰａ以上であり、更に好ましくは１００ＭＰａ以上である。

ジャケット領域の圧縮歪層の厚みがジャケット領域の外径に対し３０％以下であるのが好ましく、このようにすることにより、内部に与えられた引張歪を小さく保つことができ、ガラス強度を高めることができる。また、ジャケット領域の最外周部に１０ＭＰａ以上の圧縮応力を与えることが容易となる。

ジャケット領域の最外周部に圧縮応力が残留した圧縮歪層が形成されている場合であっても、光ファイバの静疲労係数が低い場合、光ファイバの長期信頼性を高めることができなくなる。そこで、本実施形態に係る光ファイバの静疲労係数が２０以上であるのが好ましく、このようにすることにより、光ファイバの長期信頼性を得ることができる。光ファイバの静疲労係数は、より好ましくは２５以上であり、更に好ましくは３０以上である。

また、本実施形態に係る光ファイバは、５ｍｍ／ｍｉｎの引張速度を与えたときの破断強度が４００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上であるのが好ましい。

次に、本実施形態に係る光ファイバを製造する方法について説明する。図６は、本実施形態に係る光ファイバ製造方法を説明する図である。本実施形態に係る光ファイバ製造方法では、先ず、製造されるべき光ファイバの断面構造と相似の屈折率分布を有する光ファイバ母材４が用意される。すなわち、この光ファイバ母材４は、石英ガラス系のものであって、コア領域と，このコア領域を取り囲む光学クラッド領域と，この光学クラッド領域を取り囲むジャケット領域とを含む。光ファイバ母材４は、ＶＡＤ法やＯＶＤ法やＭＣＶＤ法等の任意の方法により作製され得る。

光ファイバ母材４は、線引炉４１内に鉛直に挿入され、この線引炉４１内において一端（下端）が加熱溶融されて紡糸される。この紡糸工程によりガラス線条体５が形成される。このガラス線条体５は、製造されるべき光ファイバのガラス径と同じ所望の外径を有する。なお、この紡糸工程において、ガラス線条体５を中心軸の周りに交互に捻る揺動線引が行われるのが好適であり、このようにすることにより、後の歪付与工程においてガラス線条体５の周方向の加熱の均質性が増すので、与えられる圧縮応力が周方向に均質化される。

紡糸工程により形成されたガラス線条体５は、全体の温度がガラス転移点より低下した後に、歪付与部４２内に挿入される。歪付与部４２内に挿入されたガラス線条体５は、この歪付与部４２内において外周部の温度がガラス転移点より高い温度まで加熱されて、この部分が冷却されるとジャケット領域の最外周部に圧縮歪層が形成される。この歪付与工程により、ジャケット領域の最外周部に残留した圧縮歪層が形成された光ファイバ６が製造される。

歪付与工程により製造された光ファイバ６は、ダイス４３を経ることで紫外線硬化型樹脂が塗布された後、その紫外線硬化型樹脂が樹脂硬化部４４において硬化されてプライマリコートにより被覆され、また、ダイス４５を経ることで紫外線硬化型樹脂が塗布された後、その紫外線硬化型樹脂が樹脂硬化部４６において硬化されてセカンダリコートにより被覆される。この被覆工程により、ガラスファイバ６の周囲がプライマリコートおよびセカンダリコートにより被覆された被覆光ファイバ７が製造される。被覆工程により製造された被覆光ファイバ７は、キャプスタン４７等を経てボビン４８により巻き取られる。

このようにして本実施形態に係る光ファイバ製造方法により、前述した本実施形態に係る光ファイバが製造される。本実施形態に係る光ファイバ製造方法は、従来の光ファイバ製造方法と比較すると紡糸工程（線引炉４１による線引）の後段に歪付与工程（歪付与部４２による圧縮歪層の形成）が追加されただけであり、また、従来の光ファイバ製造方法と同様の光ファイバ母材４を線引して光ファイバを製造する。したがって、本実施形態に係る光ファイバ製造方法は、光ファイバのジャケット層を構成するガラス組成を変化させること無く、ガラス外周に圧縮応力を容易に与えることができ、優れた強度を有する光ファイバを容易に且つ安価に製造することができる。

本実施形態に係る光ファイバ母材製造方法の歪付与工程で用いられる歪付与部４２としては様々な態様の構成が可能である。図７〜図１１は、歪付与部４２の構成例を示す図である。

図７は、本実施形態に係る光ファイバ製造方法における歪付与部の第１構成例を示す図である。同図（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は側面図である。この構成例では、レーザ光源５１〜５３から出力されたレーザ光がガラス線条体５に照射されることで、該ガラス線条体５がガラス転移点より高い温度まで加熱されて、この部分が冷却されるとジャケット領域の最外周部に圧縮歪層が形成される。ここで用いられるレーザ光源は、１つでもよいが、２以上であるのが好ましい。複数のレーザ光源が用いられる場合、これら複数のレーザ光源から出力されるレーザ光は、互いに異なる方向からガラス線条体５に照射されることで、ガラス線条体５の外周における加熱が均一化され、圧縮応力の付与量が均一化される。

ガラス線条体５を加熱する際に加熱温度をガラス転移点Ｔ_ｇ以上で(Ｔ_ｇ＋５００℃)以下とすることで、図１４に示されるように、ジャケット領域の最外周部におけるラマン散乱スペクトルの８００ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₈₀₀に対する４９０ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₄₉₀の比（Ａ₄₉₀／Ａ₈₀₀）をコア領域における比（Ａ₄₉₀／Ａ₈₀₀）より小さくすることができる。図１４は、加熱処理を行った場合および行わなかった場合それぞれでの比（Ａ₄₉₀／Ａ₈₀₀）を比較して示す図である。加熱処理を行わなかった場合と比較して、加熱処理を行った場合には、１％／ｍｉｎの歪み速度の引っ張り試験における光ファイバの破断強度は１１％増加した。

図１５は、ラマン散乱スペクトルの８００ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₈₀₀および４９０ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₄₉₀を説明する図である。８００ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₈₀₀は、ラマン散乱スペクトルにおいて波数範囲８８０〜７４０ｃｍ^−１に引かれたベースラインとラマン散乱スペクトルとの間に挟まれた領域の面積である。４９０ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₄₉₀は、ラマン散乱スペクトルにおいて波数範囲５２５〜４７５ｃｍ^−１に引かれたベースラインとラマン散乱スペクトルとの間に挟まれた領域の面積である。なお、光ファイバのジャケット領域の最外周部およびコア領域それぞれにおけるラマン散乱スペクトルは、光ファイバの断面において径方向にビーム径５μｍの励起光を走査しながら測定することができる。

文献「J.K.West etal., “Silica fracture PartII A ring opening model viahydrolysis”, Journal of Materials Science 29 (1994)5808-5816」に記載されているように、ガラスの破断のモデルとして、通常は６員環で構成されるＳｉＯ_２ガラスネットワークの中に内在する３員環や４員環といった歪み構造が選択的に加水分解されて破断に至るモデルが知られている。したがって、ガラス破断強度を上昇させるには、３員環および４員環の絶対量を小さくすることが望まれる。上記のように、ガラス線条体５を加熱する際に加熱温度をガラス転移点Ｔ_ｇ以上で(Ｔ_ｇ＋５００℃)以下とし、ジャケット領域の最外周部における比（Ａ₄₉₀／Ａ₈₀₀）をコア領域における比（Ａ₄₉₀／Ａ₈₀₀）より小さくすることにより、光ファイバの破断強度を高めることができる。

図８は、本実施形態に係る光ファイバ製造方法における歪付与部の第２構成例を示す図である。同図（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は斜視図である。この構成例では、レーザ光源５１から出力されたレーザ光は、窓５４ａを経て筒状の反射板５４内に導入されて、一部が直接にガラス線条体５に照射され、また、残部が筒状の反射板５４の内壁面で反射された後にガラス線条体５に照射される。反射板５４の内壁面は、レーザ光波長において反射率が７０％以上であるのが好適であり、例えば、金属メッキされた石英，アルミナおよび金属等であるのが好適である。このような構成でも、レーザ光は、様々な方向からガラス線条体５に照射されることで、ガラス線条体５の外周における加熱が均一化され、圧縮応力の付与量が均一化される。この構成例においても、複数のレーザ光源が用いられてもよい。

図９は、本実施形態に係る光ファイバ製造方法における歪付与部の第３構成例を示す図である。同図は上面図である。この構成例では、レーザ光源５１から出力されたレーザ光は、窓５４ａを経て筒状の反射板５４内に導入されて拡散板５５により拡散され、その後、一部が直接にガラス線条体５に照射され、また、残部が筒状の反射板５４の内壁面で反射された後にガラス線条体５に照射される。このような構成でも、レーザ光は、様々な方向からガラス線条体５に照射されることで、ガラス線条体５の外周における加熱が均一化され、圧縮応力の付与量が均一化される。この構成例においても、複数のレーザ光源が用いられてもよい。

なお、図７〜図９に示された構成例におけるレーザ光源５１〜５３としては、ＣＯ_２レーザ光源や銅蒸気レーザ光源等の高パワーの赤外レーザ光を出力するものが好適に用いられ、また、ＣＷレーザ光を出力するものが好適に用いられる。また、図７〜図９に示された構成例において、ガラス線条体５の外周の温度をモニタして、所望の温度となるようにレーザ光強度を制御することが好ましく、このようにすることにより、品質が安定した光ファイバを製造することができる。

図１０は、本実施形態に係る光ファイバ製造方法における歪付与部の第４構成例を示す図である。同図（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は斜視図である。この構成例では、ガラス線条体５は、加熱炉６１によりガラス転移点より高い温度まで加熱されて、この部分が冷却されるとジャケット領域の最外周部に圧縮歪層が形成される。加熱炉６１は、ガラス線条体５を中心軸としてガラス線条体５を取り囲む環状のものであり、例えば、カンタル炉，抵抗炉，誘導炉などである。加熱炉６１の内部は、Ｎ_２ガス，ＡｒガスおよびＨｅガス等の不活性ガスで満たされているのが好適であり、また、清浄な雰囲気であるのが好適である。ガラス線条体５の最外周部をガラス転移点より高い温度まで加熱するため、加熱炉５１の長さは１００ｍｍ以上であることが好ましい。また、加熱炉５１により加熱された後に加熱炉５１の外に出たガラス線条体５を冷却する機構が設けられるのが好ましく、このようにすることにより、光ファイバ６の外周部により強い圧縮応力が残留することができる。

図１１は、本実施形態に係る光ファイバ製造方法における歪付与部の第５構成例を示す図である。同図は上面図である。この構成例では、ガラス線条体５は、バーナ７１によりガラス転移点より高い温度まで加熱されて、この部分が冷却されるとジャケット領域の最外周部に圧縮歪層が形成される。バーナ７１は、ガラス線条体５をガラス転移点（約１１００℃）より高い温度まで加熱することができるものであればよく、例えばプラズマバーナ，酸水素バーナ，メタンバーナ等である。ただし、ガラス線条体５の外表面にＯＨ基が付着すると長期的なガラス強度が保持できないので、バーナ７１は無水のものであるのが好適である。また、ガラス線条体５の揺れ（線ぶれ）を防止する観点からは、バーナ７１として比較的風圧が小さいプラズマバーナを用いるのが好適である。

図１２は、実施例１〜３の光ファイバの諸元を纏めた図表である。実施例１〜３の光ファイバは、図３に示されるトレンチ型の屈折率プロファイルを有するものである。図３に示されるように、純石英ガラスの屈折率を基準として、第１コア領域３１の比屈折率差をΔ_１とし、第２コア領域３２の比屈折率差をΔ_２とし、ディプレスト領域３３の比屈折率差をΔ_３とし、クラッド領域３４の比屈折率差をΔ_４とする。第１コア領域３１の外径を２ｒ_１とし、第２コア領域３２の外径を２ｒ_２とし、ディプレスト領域３３の外径を２ｒ_３とする。Ｒａは比（ｒ_１／ｒ_２）であり、Ｒｂは比（ｒ_２／ｒ_３）である。

ジャケット領域よりコア領域の粘性が低い光ファイバの場合、線引き後にコアへ圧縮応力が残る。一方、外周に圧縮応力を与えることで、コア領域の圧縮応力が減少する。外周へ過度の圧縮応力を与えることで、最終的にはコア領域に引張応力が働く場合がある。コア部への引張応力が働くことにより、伝送損失の増加を招く為、外周に圧縮応力を与えつつ、コア領域にも圧縮応力が残るように加熱条件、張力を調整することが好ましい。但し、伝送損失が重要な特性とならない短い伝送距離の用途の場合には、コア領域の応力にかかわらず外周部への圧縮応力を大きくすることで、光ファイバをより強化できる。

実施例１〜３の光ファイバは、これらの各パラメータが各値とされて本実施形態に係る光ファイバ製造方法により製造されて、波長１.３１μｍでのモードフィールド径（ＭＦＤ）、２ｍカットオフ波長、２２ｍケーブルカットオフ波長、零分散波長、および、各曲げ径での曲げ損失が測定された。また、光ファイバに残留している圧縮応力が光弾性効果による偏波回転を検出する手法により測定され、平均破断強度が500ｍｍの長さのテスト光ファイバに5mm/minの引張速度を与えて求められた。図１２に示されるように、実施例１〜３の光ファイバは外周部に圧縮応力が与えられているが、良好な光学特性を有するものであった。図１３は、光ファイバに残留する応力と破断強度の関係を示すグラフである。図１３では、実施例１〜３以外の例も加えて示している。図１３に示す様に、ジャケット部外周の圧縮応力が大きいほど、破断強度が高くなるため好ましい。

前述したとおり、本実施形態に係る光ファイバは、図１〜図４に示される断面構造の他、任意の断面構造が可能である。特に、図３に示されるトレンチ型やそれに準ずるプロファイルを持つ光ファイバは、曲げても光の漏洩が少なく、ＦＴＴｘ等の敷設作業の効率化や収納効率の上昇といった用途に好適に用いられ、作業時や収納時に与えられる応力に対する機械強度の信頼性が高いので好ましい。

また、本実施形態に係る光ファイバは、海底向けとしても好適に用いられる。海底に敷設された光ファイバは、補修が困難であることから、特に長期間の信頼性が求められる。本実施形態に係る光ファイバは、機械強度の信頼性が高いので好ましい。海底向け光ファイバとしては、Ｗ型（図２）やトレンチ型（図３）の屈折率プロファイルを有するものが用いられる。

また、光ファイバに樹脂を塗布するダイス４３へ入線する際の光ファイバの温度は３０℃以上であることが望ましい。これにより、樹脂に含まれるシランカップリング材とガラスとの縮合反応が加速され、ガラス強度の更なる上昇が望める。

以上のように、本実施形態では、紡糸工程において、光ファイバ母材の一端が加熱溶融されて紡糸され所望の外径を有するガラス線条体が形成され、続く歪付与工程において、ガラス線条体の全体の温度がガラス転移点より低下した後に、ガラス線条体の外周部がガラス転移点より高い温度まで加熱されて、この部分が冷却されるとジャケット領域の最外周部に圧縮歪層が形成され、ジャケット領域の最外周部に残留した圧縮歪層が形成された光ファイバが製造される。このようにすることで、光ファイバを構成するガラス組成を一定のままとし、ガラス外表面のみ選択的に圧縮応力が残留する。この結果、光ファイバにかかる引張応力は残留した圧縮応力によりキャンセルされるので、光ファイバ表面傷の成長が抑制され、高強度化が図られた光ファイバが得られる。

本発明によれば、ガラス外表面には何も付着させる必要がなく、また、ガラス組成も良好な光学特性を得ることができる実績のあるガラスをそのまま使用して、ガラス外表面に圧縮応力を加えることができる。これにより、本発明では、従来の光ファイバを強化するために考案された方法の問題点を克服しつつ、容易かつ製造コストに影響を及ぼすことなく光ファイバの信頼性を有意に高くすることができる。

１〜３…光ファイバ、４…光ファイバ母材、５…ガラス線条体、６…光ファイバ、７…被覆光ファイバ、１１…コア領域、１２…光学クラッド領域、１３…ジャケット領域、２１…コア領域、２２…ディプレスト領域、２３…クラッド領域、２４…ジャケット領域、３１…第１コア領域、３２…第２コア領域、３３…ディプレスト領域、３４…クラッド領域、３５…ジャケット領域、４１…線引炉、４２…歪付与部、４３…ダイス、４４…樹脂硬化部、４５…ダイス、４６…樹脂硬化部、４７…キャプスタン、４８…ボビン、５１〜５３…レーザ光源、５４…反射板、５４ａ…窓、５５…拡散板、６１…加熱炉、７１…バーナ。

Claims (15)

1. コア領域と，このコア領域を取り囲む光学クラッド領域と，この光学クラッド領域を取り囲むジャケット領域とを含む石英ガラス系の光ファイバであって、
   前記ジャケット領域が内周部から外周部に亘って略均一な組成であり、
   前記ジャケット領域の最外周部に圧縮応力が残留した圧縮歪層が形成されている、
   ことを特徴とする光ファイバ。
2. 前記圧縮歪層に残留した圧縮応力が１０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記圧縮歪層の厚みが前記ジャケット領域の外径に対し３０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
4. 静疲労係数が２０以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
5. ５ｍｍ／ｍｉｎの引張速度を与えたときの破断強度が４００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
6. 前記ジャケット領域の最外周部におけるラマン散乱スペクトルの８００ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₈₀₀に対する４９０ｃｍ^−１ピーク面積Ａ₄₉₀の比（Ａ₄₉₀／Ａ₈₀₀）が前記コア領域における比（Ａ₄₉₀／Ａ₈₀₀）より小さいことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
7. 圧縮応力の周方向の偏差が１０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
8. コア領域と，このコア領域を取り囲む光学クラッド領域と，この光学クラッド領域を取り囲むジャケット領域とを含む石英ガラス系の光ファイバ母材を線引きして、光ファイバを製造する方法であって、
   前記光ファイバ母材の一端を加熱溶融して紡糸して、所望の外径を有するガラス線条体を形成する紡糸工程と、
   前記紡糸工程において形成されたガラス線条体の全体の温度がガラス転移点より低下した後に、前記ガラス線条体の外周部をガラス転移点より高い温度まで歪付与部で加熱して、前記ジャケット領域の最外周部に圧縮歪層を形成し、前記ジャケット領域の最外周部に残留した圧縮歪層が形成された光ファイバを製造する歪付与工程と、
   を備えることを特徴とする光ファイバ製造方法。
9. 前記歪付与工程において１また２以上のレーザ光源から出力されたレーザ光を前記ガラス線条体に照射することで前記ガラス線条体を加熱することを特徴とする請求項８に記載の光ファイバ製造方法。
10. 前記歪付与工程において前記ガラス線条体を中心軸として前記ガラス線条体を取り囲む環状の加熱炉により前記ガラス線条体を加熱することを特徴とする請求項８に記載の光ファイバ製造方法。
11. 前記歪付与工程においてバーナを用いて前記ガラス線条体を加熱することを特徴とする請求項８に記載の光ファイバ製造方法。
12. 前記紡糸工程において前記ガラス線条体を中心軸の周りに交互に捻ることを特徴とする請求項８に記載の光ファイバ製造方法。
13. 前記歪付与工程での加熱時における光ファイバ外周の温度の偏差が５０℃未満であることを特徴とする請求項８に記載の光ファイバ製造方法。
14. 光ファイバの外径が前記所望の外径の１０５％以下まで減少した位置から前記歪付与部までの長さをＬ１とし、前記歪付与部の長さをＬ２とし、光ファイバの線速をＶとしたときに、Ｌ１／Ｖが０.００３ｓ以上であり、Ｌ２／Ｖが１ｓ以下である、ことを特徴とする請求項８に記載の光ファイバ製造方法。
15. 前記歪付与工程において光ファイバガラスに与える張力が２５ｇ以上であることを特徴とする請求項８に記載の光ファイバ製造方法。