JP2004163679A - 光学部品の製造方法および光学部品 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な処理で、水素に起因した光ファイバコイルの伝送損失の変動を抑えることができる光学部品の製造方法および光学部品を提供する。
【解決手段】光ファイバコイル2を有する光学部品1を製造する場合、光ファイバコイル2をコイル収納ケース4内に収納すると共に、コイル収納ケース4内に充填材を充填させる。そして、充填材を加熱硬化させる。すると、充填材から水素が発生し、光ファイバコイル2が水素含有雰囲気中に置かれる。このとき、充填材から発生した水素分子が光ファイバ3内を拡散し、光ファイバ3の格子欠陥原子と反応するようになる。そして、最終的に光ファイバ3の格子欠陥原子がほとんど無くなり、光ファイバコイル2は不活性化される。
【選択図】 図1
【解決手段】光ファイバコイル2を有する光学部品1を製造する場合、光ファイバコイル2をコイル収納ケース4内に収納すると共に、コイル収納ケース4内に充填材を充填させる。そして、充填材を加熱硬化させる。すると、充填材から水素が発生し、光ファイバコイル2が水素含有雰囲気中に置かれる。このとき、充填材から発生した水素分子が光ファイバ3内を拡散し、光ファイバ3の格子欠陥原子と反応するようになる。そして、最終的に光ファイバ3の格子欠陥原子がほとんど無くなり、光ファイバコイル2は不活性化される。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバコイルを有する光学部品を製造する光学部品の製造方法および光学部品に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
分散補償器や光増幅器等に用いられる光学部品の中には、光ファイバをコイル束状に巻回して形成された光ファイバコイルを備えたものがある。このような光学部品が使用される光ファイバ通信においては、光ファイバが水素雰囲気中にさらされると、経時的に伝送損失が増加することは良く知られている。光ファイバが水素雰囲気中にさらされる状況としては、主に光ケーブル内への浸水や、光ケーブルの被覆材料からの水素発生があげられる。従来、水素による伝送損失増加に対する対策としては、光ケーブル内への浸水や走水の防止、光ケーブルの被覆材料の選定、ハーメチックコート等による水素と光ファイバとの接触防止という構造面、製造面での対応が取られてきた。これにより、特定の波長に対しては、実用上問題にならない程度のレベルになっている。しかし、情報通信の光ネットワーク化に伴い、波長分割多重(WDM)伝送では、例えば1.3μm〜1.61μmといった広い帯域の波長が使用されるようになり、この広い帯域での伝送損失の安定性が要求されている。また、WDM伝送用光ファイバにおいては、例えば分散補償ファイバのように波長分散を制御するために、光ファイバのコア部に高濃度のGeが添加される場合がある。この結果として、水素による損失増加の原因ともなる格子欠陥が生じやすくなる。このような広帯域での水素による損失増加は、構造や被覆材料の改善のみでは限度がある。
【0003】
また、特許文献1には、光ファイバを製造工程の線引段階で水素雰囲気に置いて、ファイバガラスの格子欠陥原子を予め水素と反応させておき、光ファイバ製造後において水素との反応による損失増加を低くするという技術が開示されている。この公報に記載の方法では、線引炉内に導入する不活性ガスに水素ガスを混合させたり、線引炉の下端部に水素を充満させたチャンバーを設け、溶融線引きされた直後に光ファイバを水素雰囲気中に通過させるようにしている。
【0004】
【特許文献1】
特開平4−260634号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、線引炉は非常に高温(例えば2000℃程度)であるため、上記公報に記載のように線引炉に水素ガスを流すこと等は極めて困難である。また、高温域で起きる特有の反応が熱エネルギーにより進行し、この反応生成物による不可逆的な過剰損失成分が増加するという問題もある。
【0006】
本発明の目的は、簡単な処理で、水素に起因した光ファイバコイルの伝送損失の変動を抑えることができる光学部品の製造方法および光学部品を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光ファイバを巻回して形成された光ファイバコイルを有する光学部品を製造する光学部品の製造方法において、クッション性を有する充填材で光ファイバコイルを覆い、その状態で光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置くことを特徴とするものである。
【0008】
このように光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置くことにより、光ファイバコイルを構成する光ファイバ内に水素が拡散し、光ファイバの格子欠陥原子に水素分子が反応するようになり、最終的に格子欠陥原子がほとんど無くなる。従って、光学部品の使用時に、水素が光ファイバに浸入してきて伝送損失が変動することが防止される。また、光ファイバの線引工程のような高温環境下で処理する必要がないため、光ファイバコイルを簡単に水素雰囲気中に置くことができる。さらに、そのような高温域で進行する特有の反応によって生じる不可逆的な過剰損失の増加を抑えることもできる。また、クッション性を有する充填材で光ファイバコイルを覆うことにより、光ファイバコイルが水素含有雰囲気中に置かれているときに、光ファイバコイルに受ける振動及び衝撃を吸収することが可能となる。
【0009】
好ましくは、充填材を硬化させて、充填材から水素を発生させることにより、光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置く。この場合には、光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置くための専用の設備が不要となるため、設備費用の削減を図ることができる。また、光ファイバコイルの形状を保持するために充填材を硬化させる工程と、光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置く工程とを同時に行うので、光学部品の製造工程の簡素化を図ることができる。
【0010】
この場合、好ましくは、充填材として熱硬化性樹脂を使用し、充填材を硬化させる時の温度を40〜85℃とする。これにより、光ファイバ内への水素の拡散が促進されると共に、充填材が迅速に加熱硬化される。また、光ファイバの被覆の劣化を防ぐことができる。
【0011】
また、好ましくは、収納ケース内に充填材を所定量入れてから、光ファイバコイルを収納ケース内に収納し、その後で充填材を収納ケース内に充填させることにより、光ファイバコイルを覆う。これにより、収納ケースの底面に光ファイバコイルが接触した状態で充填材を充填させる場合に比べて、収納ケース内の底面から受ける圧力が軽減されると共に、振動・衝撃等が直接光ファイバコイルに伝わることは無い。従って、光ファイバコイルの光学特性の劣化を防止できる。
【0012】
また、本発明の光学部品は、上記光学部品の製造方法により製造されたことを特徴とするものである。これにより、上述したように、光学部品の使用時に、水素が光ファイバに浸入してきて伝送損失が変動することが防止される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光学部品の製造方法および光学部品の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
【0014】
図1は、本発明に係る光学部品の一実施形態を示す概略平面図であり、図2は、その光学部品の要部概略断面図である。これらの図において、本実施形態の光学部品1は分散補償用光ファイバコイル2を有し、この光ファイバコイル2は、波長分散補償光ファイバ(DCF)3をコイル束状に巻回して形成されている。
【0015】
光ファイバコイル2は、ドーナツ型のコイル収納ケース4内に収納されている。このコイル収納ケース4内には、クッション性を有する充填材(モールド材)5が充填されている。この充填材5は、光ファイバコイル2の形状を保持するためのものであり、光ファイバコイル2を構成する光ファイバ3の間にも入り込むように充填されている。
【0016】
充填材5としては、熱硬化性、湿度硬化性、紫外線硬化性等の化学反応により硬化するシリコーン樹脂や、ブタジエン、シリコーン等のゴムをシリコーン、ナフテン等の溶剤で膨潤させ、必要に応じて他の樹脂等を添加した高粘性ジェリー状混和物などが使用される。
【0017】
充填材5は、好ましくは、−40℃での針入度(ASTM規格)が5以上であると共に、100℃での針入度が200以下という硬さを有している。また、JIS K 2220に規定される貯蔵ちょう度で規定した場合には、充填材5は、好ましくは、−40℃で5以上であると共に、100℃で200以下という硬さを有している。
【0018】
このような充填材5で光ファイバコイル2を覆うことにより、光ファイバコイル2の形状を十分に保持することができる。このため、光ファイバコイル2の巻き崩れを起こすことは無く、また光ファイバコイル2の巻き歪みが実質的に開放された束の状態となる。従って、光ファイバコイル2の伝送特性を安定化させることができる。また、光ファイバコイル2のマイクロベンドによる損失が低減される。
【0019】
コイル収納ケース4内における充填材5の上方には、シールド材6が充填されている。このシールド材6は、充填材5をコイル収納ケース4内に封止して、充填材5の移動を規制するためのものである。シールド材6としては、充填材5と同質で且つ充填材5よりも硬いものを使用するのが好ましい。
【0020】
コイル収納ケース4には円形の蓋7が取り付けられており、コイル収納ケース4の内部が密封されている。また、コイル収納ケース4は、直方体状の主収納ケース8内に収納されている。このように光ファイバコイル2を収納するための収納ケースを二重構造とすることで、光ファイバコイル2を主収納ケース8に収める際には、上記の光ファイバコイル2、充填材5及びシールド材6が入ったコイル収納ケース4を主収納ケース8内に入れるだけでよく、主収納ケース8内に充填材5及びシールド材6を注入する必要はない。従って、主収納ケース8に損傷を与えたり、主収納ケース8の外面に充填材5等をこぼすことを防止できる。なお、コイル収納ケース4は、主収納ケース8に固定されているのが好ましい。
【0021】
光ファイバコイル2(光ファイバ3)の両端は、主収納ケース8内においてピグテールファイバ9の一端にそれぞれ融着接続されている。ピグテールファイバ9は、例えばシングルモード光ファイバで構成されている。なお、図1では、光ファイバコイル2とピグテールファイバ9との融着接続部10は、コイル収納ケース4の外側に配置されているが、融着接続部10をコイル収納ケース4の内部に配置してもよい。各ピグテールファイバ9の他端は、主収納ケース8に取り付けられたコネクタ11と接続されている。主収納ケース8には矩形状の蓋(図示せず)が取り付けられており、主収納ケース8の内部が密封されている。
【0022】
ところで、光ファイバコイル2に対して何らの水素処理を施さないでおくと、光学部品1を実際に使用する際に、光ファイバコイル2が水素含有雰囲気中にさらされることで、一時的に光ファイバ3の伝送損失が増加し、光学特性が悪くなるという問題が生じる。
【0023】
そのような水素による伝送損失の増加に対しては、これまでも現象確認、原因究明、研究および対策がなされてきている。例えば赤外波長帯域での水素による光ファイバの損失増加の形態としては、次の3つがあると考えられている(電子情報通信学会論文誌VOL.J68−B,NO.7 p795−801,1985及び電子情報通信学会論文誌VOL.J72−C−I,NO.1 p45−52,1989参照)。
【0024】
(1)水素分子による吸収損失
ファイバガラス内に拡散した水素分子(H2)自体による吸収損失である。これによる損失増加は、波長1.24μm付近と1.70μm付近に損失増加のピークが存在する。この吸収損失では、比較的短時間で損失量が飽和し、その飽和量はファイバ周囲の水素分圧と温度により決定される。また、吸収損失は可逆的であり、外部からの水素の浸入が無くなったり、高温にして水素分子を外部に放出すれば、吸収損失は無くなり、初期状態に復帰されることも可能である。
【0025】
(2)反応生成物による損失
ファイバガラス内に拡散した水素分子が、ガラスファイバの格子欠陥原子と化学的に反応して水酸基(−OH)など赤外域に吸収をもつ構造を形成する。この反応生成物に起因する損失増加は、ドーパントの種類や濃度による依存性があり、ファイバの種類で違いはあるが、波長1.38μm、1.41μm及び1.43μmに損失増加のピークが存在する。波長1.38μmでの損失増加は、水素分子がファイバガラス内の非架橋酸素ホールセンターである「−SiO・」と反応して「Si−OH」を生成することによるものと考えられる。波長1.41μmでの損失増加は、ゲルマニウムドープの光ファイバに特徴的なもので、Geに関する非架橋酸素ホールセンターである「−GeO・」と反応して「Ge−OH」を生成することによるものと考えられる。波長1.43μmでの損失増加については、未だメカニズムが明確にされていない。これらの損失増加は、いずれも不可逆的であり、一時的に増加する傾向を示し、飽和値があるか否かは不明である。
【0026】
(3)水素分子の拡散過程での過度的損失
線引後のファイバガラス内に初めて水素分子が拡散、反応する過程において、波長1.38μmでの損失増加と同時に、波長1.52μmのところで損失増加が生じる。この損失増加は、あるピーク量を示した後に減衰し最終的に消滅する。損失増加と減衰のメカニズムについては諸説あるが、現時点では明確になっていないのが実状である。
【0027】
上記(1)による損失増加は、水素吸収の問題が認識された以後、問題が顕在化しないような対策が取られている。例えば、汎用的な光ファイバでは、損失増加が存在する波長の谷間である波長1.30μmまたは1.55μmが使用され、水素による損失増加が0.01dB/km以下となるような製造技術が確立されている。しかし、上記(2)、(3)による損失増加に関しては、光ファイバ内にppmオーダーの水素分子が拡散することで、dB/kmオーダーの損失増加を引き起こすため、その影響は大きい。上記(2)、(3)で述べたように、光ファイバの損失増加は、光ファイバ内に拡散した水素分子と光ファイバの格子欠陥原子との化学反応に起因している。
【0028】
そこで、本実施形態では、光学部品1の製造工程において、光ファイバコイル2を構成する光ファイバ3の格子欠陥原子が無くなるか少なくなるように、光ファイバコイル2に対して水素処理を施す。
【0029】
具体的には、コイル収納ケース4内に光ファイバコイル2に収納すると共にコイル収納ケース4内に充填材5を充填させた後、光ファイバコイル2の形状を保持するために充填材5を硬化させる。すると、充填材5から水素が発生し、光ファイバコイル2が水素含有雰囲気中に置かれる。このとき、充填材5から発生した水素分子が光ファイバ3内を拡散し、光ファイバ3の格子欠陥原子と反応するようになる。
【0030】
このような水素処理を任意の時間連続して行うことにより、最終的に光ファイバ3の格子欠陥原子がほとんど無くなり、光ファイバコイル2は水素に対して不活性化された状態となる。従って、その後で光ファイバコイル2が水素含有雰囲気中にさらされても、水素分子が光ファイバ3の格子欠陥原子と反応することは無く、その結果として光ファイバ3内への水素の浸入による伝送損失の変動・増加を抑えることができる。なお、上記の水素処理によって特定波長での伝送損失の絶対値が増加するが、最終的に損失量は飽和した状態となるので、使用に際し全く支障は無い。
【0031】
上記の水素処理は、例えば波長1.24μmにおける伝送損失の変化量が0.005dB/km以上になるまで行う。つまり、水素処理の実施前後で、波長1.24μmにおける伝送損失が0.005dB/km以上変化したときに、充填材5から発生した水素分子と光ファイバ3の格子欠陥原子との反応が止まり、光ファイバ3は不活性化状態になったものと判断する。
【0032】
また、充填材5として熱硬化性樹脂を使用する場合には、充填材5の加熱温度を40〜85℃とするのが好ましい。これにより、光ファイバ3内への水素の拡散が促進されるため、比較的短時間で光ファイバ3が不活性化状態になると共に、光ファイバ3の被覆の劣化を防ぐことができる。
【0033】
次に、図3に示すフローチャートを参照して上記光学部品1の製造方法について説明する。なお、充填材5及びシールド材6としては、熱硬化性シリコーン樹脂を使用するものとする。
【0034】
まず、光ファイバ3をボビンに複数回巻き取って、光ファイバコイル2を形成する(工程101)。続いて、光ファイバコイル2をボビンからコイル束状態のまま取り外す(工程102)。
【0035】
次いで、コイル収納ケース4内に充填材5を少量注入し、充填材5の下地層を形成する(工程103)。そして、光ファイバコイル2をコイル収納ケース4内に収納する(工程104)。続いて、コイル収納ケース4内に残りの充填材5を注入し、光ファイバコイル2を充填材5で覆う(工程105)。
【0036】
このようにコイル収納ケース4内に充填材5を少量注入してから光ファイバコイル2を収納することにより、コイル収納ケース4の底面に光ファイバコイル2が接触しない状態となる。これにより、コイル収納ケース4の底面から光ファイバコイル2に受ける圧力が低減されると共に、コイル収納ケース4に加わる振動および衝撃等が直接光ファイバコイル2に伝わることはない。従って、光ファイバコイル2の光学特性の悪化を防ぐことができる。
【0037】
次いで、上述したように、充填材5を加熱硬化させながら、光ファイバコイル2に対して水素処理を施す(工程106)。これにより、硬化された充填材5によって光ファイバコイル2の形状が確実に保持されると同時に、充填材5から発生した水素分子と光ファイバ3の格子欠陥原子との化学反応が起こり、光ファイバコイル2が不活性化される。また、このように充填材5の硬化処理と水素処理とが同時に行われるので、製造工程の効率化が可能となる。
【0038】
続いて、コイル収納ケース4内にシールド材6を注入し、このシールド材6を加熱硬化させる(工程107)。続いて、コイル収納ケース4を主収納ケース8内に収める(工程108)。そして、光ファイバコイル2の両端を、それぞれピグテールファイバ9の一端に融着接続する(工程109)。続いて、ピグテールファイバ9の他端にコネクタ11を接続し、このコネクタ11を主収納ケース8に取り付ける(工程110)。最後に、コイル収納ケース4に蓋7をすると共に、主収納ケース8に蓋(図示せず)をする(工程111)。
【0039】
次に、上述した光学部品に関し、光ファイバコイルに対して水素処理を施した場合と水素処理を施さない場合とで光ファイバコイルの耐水素特性の比較試験を行った実施例について説明する。
【0040】
長尺光ファイバ10kmを、胴径120mm、最外径200mmのボビンに巻き取り、これにより形成された光ファイバコイルをボビンから取り外して巻きほぐす。そして、光ファイバコイルを略円形または略長方形の巻き形状でコイル収納ケース内に収納すると共に、クッション性を有する充填材をコイル収納ケース内に充填する。これにより、充填材で覆われた光ファイバコイルを有する光学部品を得た。
【0041】
図4は、そのような光ファイバコイルに対して水素処理を行った前後の光ファイバコイルの伝送損失を示したものである。なお、この時の水素処理温度つまり充填材の加熱温度は70℃である。
【0042】
同図から分かるように、水素処理を開始してから5時間後に、波長1.52μm付近に損失増加のピークが見られる。また、水素処理を開始してから24時間後に、波長1.38μm付近に損失増加のピークが見られる。波長1.38μm付近の損失増加ピークは、欠陥の一種の非架橋酸素ホールセンターである−SiO・とH2との反応「2SiO+H2→2Si−OH」によって生成される「Si−OH」によるものである。波長1.52μm付近の損失増加ピークは、過度的なピークであることは判明しているが、そのメカニズムについては明確になっていない。その他全帯域にまたがる損失増加の原因も明確になっていないが、波長1.52μmの損失増加ピークが発生する場合に、このような高波長帯域での損失増加が確認されることが多く、波長1.52μmの損失増加ピークと連動する損失増加と考えられる。なお、水素処理を開始してから24時間後には、波長1.52μm付近の損失増加ピークは消滅していることが分かる。
【0043】
図5は、光ファイバコイルに対して水素処理を行っている時の各波長における損失変動量を示したものである。なお、この時の水素処理温度も70℃である。
【0044】
同図から分かるように、波長1.38μmでは水素処理による損失増加が見られるが、一定の時間が経過すると損失が飽和する傾向が確認された。波長1.52μmでは、水素処理を開始してから約5時間後には損失変動量がピークとなり、その後除々に損失変動量が小さくなり、消滅する傾向が確認された。波長1.40〜1.44μmでは水素処理による損失増加が見られるが、一定の時間が経過すると損失が飽和する傾向が確認された。ただし、この波長帯域での損失増加は未だメカニズムが明確にされておらず、更なる調査が必要と考えられる。
【0045】
以上のような水素処理を施すことで伝送損失を飽和させた状態の光ファイバコイルについて、波長1.38μm、1.44μm、1.52μmでの伝送損失値を測定したところ、伝送損失の増加は無かった。また、伝送損失を飽和させた光ファイバコイルを70℃で72時間ほど加熱放置しても、光ファイバに本質的に存在する損失の増加以外は見られなかった。さらに、伝送損失を飽和させた光ファイバコイルを−20℃で72時間ほど低温放置しても、光ファイバに本質的に存在する損失の増加以外は見られなかった。
【0046】
以上のように本実施形態にあっては、光学部品1の製造工程において、充填材5から発生した水素分子を光ファイバ3内に拡散させて光ファイバ3の格子欠陥原子と積極的に反応させ、光ファイバコイル2を不活性化させるようにしたので、光学部品1の使用前に、光ファイバ3内に水素が浸入して伝送損失の増加を引き起こすことが防止される。従って、光学部品1を伝送システムに組み込んだ際に、伝送路の伝送損失が安定するようになり、伝送特性に合わせたシステム設計が行いやすくなる。
【0047】
このとき、充填材5を硬化させることで、充填材5から発生した水素を光ファイバ3内に拡散させるので、高温の線引炉に水素ガスを導入したり、高温の線引炉の下端部に水素を充満させたチャンバーを設置する場合に比べて、光ファイバコイル2を水素含有雰囲気中に置く処理が容易に行える。また、光ファイバコイル2を水素含有雰囲気中に置くための水素処理槽等といった設備が不要となるため、製造装置の小規模化および低コスト化を図ることもできる。
【0048】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、コイル収納ケース4の内部だけに充填材5及びシールド材6を充填させるようにしたが、主収納ケース8内おけるコイル収納ケース4の外側部分にも充填材5及びシールド材6を入れてもよい。
【0049】
また、上記実施形態では、コイル収納ケース4内に光ファイバコイル2及び充填材5等を入れ、そのコイル収納ケース4を主収納ケース8内に収納する構成としたが、特にこれに限らず、図6に示すようにコイル収納ケース4を設けず、主収納ケース8内に光ファイバコイル2及び充填材5等を直接入れてもよい。
【0050】
さらに、上記実施形態では、光ファイバコイル2を波長分散補償光ファイバ(DCF)で形成したが、シングルモード光ファイバ、波長分散シフト光ファイバ(DSF)、NZ型波長分散シフト光ファイバ(NZ−DSF)、エルビウム添加光ファイバ(EDF)、偏波保持光ファイバ(PMF)等を用いて光ファイバコイルを形成することも可能である。
【0051】
【発明の効果】
本発明によれば、クッション性を有する充填材で光ファイバコイルを覆い、その状態で光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置くので、製造処理を簡単にしつつ、水素に起因した光ファイバコイルの伝送損失の変動を抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光学部品の一実施形態を示す概略平面図である。
【図2】図1のII−II線要部断面図である。
【図3】図1に示す光学部品の製造方法を示すフローチャートである。
【図4】光ファイバコイルに対して水素処理を行った前後の光ファイバコイルの伝送損失を示した図である。
【図5】光ファイバコイルに対して水素処理を行っている時の各波長における損失変動量を示した図である。
【図6】本発明に係る光学部品の他の実施形態を示す概略平面図である。
【符号の説明】
1…光学部品、2…光ファイバコイル、3…光ファイバ、4…コイル収納ケース、5…充填材、8…主収納ケース。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバコイルを有する光学部品を製造する光学部品の製造方法および光学部品に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
分散補償器や光増幅器等に用いられる光学部品の中には、光ファイバをコイル束状に巻回して形成された光ファイバコイルを備えたものがある。このような光学部品が使用される光ファイバ通信においては、光ファイバが水素雰囲気中にさらされると、経時的に伝送損失が増加することは良く知られている。光ファイバが水素雰囲気中にさらされる状況としては、主に光ケーブル内への浸水や、光ケーブルの被覆材料からの水素発生があげられる。従来、水素による伝送損失増加に対する対策としては、光ケーブル内への浸水や走水の防止、光ケーブルの被覆材料の選定、ハーメチックコート等による水素と光ファイバとの接触防止という構造面、製造面での対応が取られてきた。これにより、特定の波長に対しては、実用上問題にならない程度のレベルになっている。しかし、情報通信の光ネットワーク化に伴い、波長分割多重(WDM)伝送では、例えば1.3μm〜1.61μmといった広い帯域の波長が使用されるようになり、この広い帯域での伝送損失の安定性が要求されている。また、WDM伝送用光ファイバにおいては、例えば分散補償ファイバのように波長分散を制御するために、光ファイバのコア部に高濃度のGeが添加される場合がある。この結果として、水素による損失増加の原因ともなる格子欠陥が生じやすくなる。このような広帯域での水素による損失増加は、構造や被覆材料の改善のみでは限度がある。
【0003】
また、特許文献1には、光ファイバを製造工程の線引段階で水素雰囲気に置いて、ファイバガラスの格子欠陥原子を予め水素と反応させておき、光ファイバ製造後において水素との反応による損失増加を低くするという技術が開示されている。この公報に記載の方法では、線引炉内に導入する不活性ガスに水素ガスを混合させたり、線引炉の下端部に水素を充満させたチャンバーを設け、溶融線引きされた直後に光ファイバを水素雰囲気中に通過させるようにしている。
【0004】
【特許文献1】
特開平4−260634号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、線引炉は非常に高温(例えば2000℃程度)であるため、上記公報に記載のように線引炉に水素ガスを流すこと等は極めて困難である。また、高温域で起きる特有の反応が熱エネルギーにより進行し、この反応生成物による不可逆的な過剰損失成分が増加するという問題もある。
【0006】
本発明の目的は、簡単な処理で、水素に起因した光ファイバコイルの伝送損失の変動を抑えることができる光学部品の製造方法および光学部品を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光ファイバを巻回して形成された光ファイバコイルを有する光学部品を製造する光学部品の製造方法において、クッション性を有する充填材で光ファイバコイルを覆い、その状態で光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置くことを特徴とするものである。
【0008】
このように光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置くことにより、光ファイバコイルを構成する光ファイバ内に水素が拡散し、光ファイバの格子欠陥原子に水素分子が反応するようになり、最終的に格子欠陥原子がほとんど無くなる。従って、光学部品の使用時に、水素が光ファイバに浸入してきて伝送損失が変動することが防止される。また、光ファイバの線引工程のような高温環境下で処理する必要がないため、光ファイバコイルを簡単に水素雰囲気中に置くことができる。さらに、そのような高温域で進行する特有の反応によって生じる不可逆的な過剰損失の増加を抑えることもできる。また、クッション性を有する充填材で光ファイバコイルを覆うことにより、光ファイバコイルが水素含有雰囲気中に置かれているときに、光ファイバコイルに受ける振動及び衝撃を吸収することが可能となる。
【0009】
好ましくは、充填材を硬化させて、充填材から水素を発生させることにより、光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置く。この場合には、光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置くための専用の設備が不要となるため、設備費用の削減を図ることができる。また、光ファイバコイルの形状を保持するために充填材を硬化させる工程と、光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置く工程とを同時に行うので、光学部品の製造工程の簡素化を図ることができる。
【0010】
この場合、好ましくは、充填材として熱硬化性樹脂を使用し、充填材を硬化させる時の温度を40〜85℃とする。これにより、光ファイバ内への水素の拡散が促進されると共に、充填材が迅速に加熱硬化される。また、光ファイバの被覆の劣化を防ぐことができる。
【0011】
また、好ましくは、収納ケース内に充填材を所定量入れてから、光ファイバコイルを収納ケース内に収納し、その後で充填材を収納ケース内に充填させることにより、光ファイバコイルを覆う。これにより、収納ケースの底面に光ファイバコイルが接触した状態で充填材を充填させる場合に比べて、収納ケース内の底面から受ける圧力が軽減されると共に、振動・衝撃等が直接光ファイバコイルに伝わることは無い。従って、光ファイバコイルの光学特性の劣化を防止できる。
【0012】
また、本発明の光学部品は、上記光学部品の製造方法により製造されたことを特徴とするものである。これにより、上述したように、光学部品の使用時に、水素が光ファイバに浸入してきて伝送損失が変動することが防止される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光学部品の製造方法および光学部品の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
【0014】
図1は、本発明に係る光学部品の一実施形態を示す概略平面図であり、図2は、その光学部品の要部概略断面図である。これらの図において、本実施形態の光学部品1は分散補償用光ファイバコイル2を有し、この光ファイバコイル2は、波長分散補償光ファイバ(DCF)3をコイル束状に巻回して形成されている。
【0015】
光ファイバコイル2は、ドーナツ型のコイル収納ケース4内に収納されている。このコイル収納ケース4内には、クッション性を有する充填材(モールド材)5が充填されている。この充填材5は、光ファイバコイル2の形状を保持するためのものであり、光ファイバコイル2を構成する光ファイバ3の間にも入り込むように充填されている。
【0016】
充填材5としては、熱硬化性、湿度硬化性、紫外線硬化性等の化学反応により硬化するシリコーン樹脂や、ブタジエン、シリコーン等のゴムをシリコーン、ナフテン等の溶剤で膨潤させ、必要に応じて他の樹脂等を添加した高粘性ジェリー状混和物などが使用される。
【0017】
充填材5は、好ましくは、−40℃での針入度(ASTM規格)が5以上であると共に、100℃での針入度が200以下という硬さを有している。また、JIS K 2220に規定される貯蔵ちょう度で規定した場合には、充填材5は、好ましくは、−40℃で5以上であると共に、100℃で200以下という硬さを有している。
【0018】
このような充填材5で光ファイバコイル2を覆うことにより、光ファイバコイル2の形状を十分に保持することができる。このため、光ファイバコイル2の巻き崩れを起こすことは無く、また光ファイバコイル2の巻き歪みが実質的に開放された束の状態となる。従って、光ファイバコイル2の伝送特性を安定化させることができる。また、光ファイバコイル2のマイクロベンドによる損失が低減される。
【0019】
コイル収納ケース4内における充填材5の上方には、シールド材6が充填されている。このシールド材6は、充填材5をコイル収納ケース4内に封止して、充填材5の移動を規制するためのものである。シールド材6としては、充填材5と同質で且つ充填材5よりも硬いものを使用するのが好ましい。
【0020】
コイル収納ケース4には円形の蓋7が取り付けられており、コイル収納ケース4の内部が密封されている。また、コイル収納ケース4は、直方体状の主収納ケース8内に収納されている。このように光ファイバコイル2を収納するための収納ケースを二重構造とすることで、光ファイバコイル2を主収納ケース8に収める際には、上記の光ファイバコイル2、充填材5及びシールド材6が入ったコイル収納ケース4を主収納ケース8内に入れるだけでよく、主収納ケース8内に充填材5及びシールド材6を注入する必要はない。従って、主収納ケース8に損傷を与えたり、主収納ケース8の外面に充填材5等をこぼすことを防止できる。なお、コイル収納ケース4は、主収納ケース8に固定されているのが好ましい。
【0021】
光ファイバコイル2(光ファイバ3)の両端は、主収納ケース8内においてピグテールファイバ9の一端にそれぞれ融着接続されている。ピグテールファイバ9は、例えばシングルモード光ファイバで構成されている。なお、図1では、光ファイバコイル2とピグテールファイバ9との融着接続部10は、コイル収納ケース4の外側に配置されているが、融着接続部10をコイル収納ケース4の内部に配置してもよい。各ピグテールファイバ9の他端は、主収納ケース8に取り付けられたコネクタ11と接続されている。主収納ケース8には矩形状の蓋(図示せず)が取り付けられており、主収納ケース8の内部が密封されている。
【0022】
ところで、光ファイバコイル2に対して何らの水素処理を施さないでおくと、光学部品1を実際に使用する際に、光ファイバコイル2が水素含有雰囲気中にさらされることで、一時的に光ファイバ3の伝送損失が増加し、光学特性が悪くなるという問題が生じる。
【0023】
そのような水素による伝送損失の増加に対しては、これまでも現象確認、原因究明、研究および対策がなされてきている。例えば赤外波長帯域での水素による光ファイバの損失増加の形態としては、次の3つがあると考えられている(電子情報通信学会論文誌VOL.J68−B,NO.7 p795−801,1985及び電子情報通信学会論文誌VOL.J72−C−I,NO.1 p45−52,1989参照)。
【0024】
(1)水素分子による吸収損失
ファイバガラス内に拡散した水素分子(H2)自体による吸収損失である。これによる損失増加は、波長1.24μm付近と1.70μm付近に損失増加のピークが存在する。この吸収損失では、比較的短時間で損失量が飽和し、その飽和量はファイバ周囲の水素分圧と温度により決定される。また、吸収損失は可逆的であり、外部からの水素の浸入が無くなったり、高温にして水素分子を外部に放出すれば、吸収損失は無くなり、初期状態に復帰されることも可能である。
【0025】
(2)反応生成物による損失
ファイバガラス内に拡散した水素分子が、ガラスファイバの格子欠陥原子と化学的に反応して水酸基(−OH)など赤外域に吸収をもつ構造を形成する。この反応生成物に起因する損失増加は、ドーパントの種類や濃度による依存性があり、ファイバの種類で違いはあるが、波長1.38μm、1.41μm及び1.43μmに損失増加のピークが存在する。波長1.38μmでの損失増加は、水素分子がファイバガラス内の非架橋酸素ホールセンターである「−SiO・」と反応して「Si−OH」を生成することによるものと考えられる。波長1.41μmでの損失増加は、ゲルマニウムドープの光ファイバに特徴的なもので、Geに関する非架橋酸素ホールセンターである「−GeO・」と反応して「Ge−OH」を生成することによるものと考えられる。波長1.43μmでの損失増加については、未だメカニズムが明確にされていない。これらの損失増加は、いずれも不可逆的であり、一時的に増加する傾向を示し、飽和値があるか否かは不明である。
【0026】
(3)水素分子の拡散過程での過度的損失
線引後のファイバガラス内に初めて水素分子が拡散、反応する過程において、波長1.38μmでの損失増加と同時に、波長1.52μmのところで損失増加が生じる。この損失増加は、あるピーク量を示した後に減衰し最終的に消滅する。損失増加と減衰のメカニズムについては諸説あるが、現時点では明確になっていないのが実状である。
【0027】
上記(1)による損失増加は、水素吸収の問題が認識された以後、問題が顕在化しないような対策が取られている。例えば、汎用的な光ファイバでは、損失増加が存在する波長の谷間である波長1.30μmまたは1.55μmが使用され、水素による損失増加が0.01dB/km以下となるような製造技術が確立されている。しかし、上記(2)、(3)による損失増加に関しては、光ファイバ内にppmオーダーの水素分子が拡散することで、dB/kmオーダーの損失増加を引き起こすため、その影響は大きい。上記(2)、(3)で述べたように、光ファイバの損失増加は、光ファイバ内に拡散した水素分子と光ファイバの格子欠陥原子との化学反応に起因している。
【0028】
そこで、本実施形態では、光学部品1の製造工程において、光ファイバコイル2を構成する光ファイバ3の格子欠陥原子が無くなるか少なくなるように、光ファイバコイル2に対して水素処理を施す。
【0029】
具体的には、コイル収納ケース4内に光ファイバコイル2に収納すると共にコイル収納ケース4内に充填材5を充填させた後、光ファイバコイル2の形状を保持するために充填材5を硬化させる。すると、充填材5から水素が発生し、光ファイバコイル2が水素含有雰囲気中に置かれる。このとき、充填材5から発生した水素分子が光ファイバ3内を拡散し、光ファイバ3の格子欠陥原子と反応するようになる。
【0030】
このような水素処理を任意の時間連続して行うことにより、最終的に光ファイバ3の格子欠陥原子がほとんど無くなり、光ファイバコイル2は水素に対して不活性化された状態となる。従って、その後で光ファイバコイル2が水素含有雰囲気中にさらされても、水素分子が光ファイバ3の格子欠陥原子と反応することは無く、その結果として光ファイバ3内への水素の浸入による伝送損失の変動・増加を抑えることができる。なお、上記の水素処理によって特定波長での伝送損失の絶対値が増加するが、最終的に損失量は飽和した状態となるので、使用に際し全く支障は無い。
【0031】
上記の水素処理は、例えば波長1.24μmにおける伝送損失の変化量が0.005dB/km以上になるまで行う。つまり、水素処理の実施前後で、波長1.24μmにおける伝送損失が0.005dB/km以上変化したときに、充填材5から発生した水素分子と光ファイバ3の格子欠陥原子との反応が止まり、光ファイバ3は不活性化状態になったものと判断する。
【0032】
また、充填材5として熱硬化性樹脂を使用する場合には、充填材5の加熱温度を40〜85℃とするのが好ましい。これにより、光ファイバ3内への水素の拡散が促進されるため、比較的短時間で光ファイバ3が不活性化状態になると共に、光ファイバ3の被覆の劣化を防ぐことができる。
【0033】
次に、図3に示すフローチャートを参照して上記光学部品1の製造方法について説明する。なお、充填材5及びシールド材6としては、熱硬化性シリコーン樹脂を使用するものとする。
【0034】
まず、光ファイバ3をボビンに複数回巻き取って、光ファイバコイル2を形成する(工程101)。続いて、光ファイバコイル2をボビンからコイル束状態のまま取り外す(工程102)。
【0035】
次いで、コイル収納ケース4内に充填材5を少量注入し、充填材5の下地層を形成する(工程103)。そして、光ファイバコイル2をコイル収納ケース4内に収納する(工程104)。続いて、コイル収納ケース4内に残りの充填材5を注入し、光ファイバコイル2を充填材5で覆う(工程105)。
【0036】
このようにコイル収納ケース4内に充填材5を少量注入してから光ファイバコイル2を収納することにより、コイル収納ケース4の底面に光ファイバコイル2が接触しない状態となる。これにより、コイル収納ケース4の底面から光ファイバコイル2に受ける圧力が低減されると共に、コイル収納ケース4に加わる振動および衝撃等が直接光ファイバコイル2に伝わることはない。従って、光ファイバコイル2の光学特性の悪化を防ぐことができる。
【0037】
次いで、上述したように、充填材5を加熱硬化させながら、光ファイバコイル2に対して水素処理を施す(工程106)。これにより、硬化された充填材5によって光ファイバコイル2の形状が確実に保持されると同時に、充填材5から発生した水素分子と光ファイバ3の格子欠陥原子との化学反応が起こり、光ファイバコイル2が不活性化される。また、このように充填材5の硬化処理と水素処理とが同時に行われるので、製造工程の効率化が可能となる。
【0038】
続いて、コイル収納ケース4内にシールド材6を注入し、このシールド材6を加熱硬化させる(工程107)。続いて、コイル収納ケース4を主収納ケース8内に収める(工程108)。そして、光ファイバコイル2の両端を、それぞれピグテールファイバ9の一端に融着接続する(工程109)。続いて、ピグテールファイバ9の他端にコネクタ11を接続し、このコネクタ11を主収納ケース8に取り付ける(工程110)。最後に、コイル収納ケース4に蓋7をすると共に、主収納ケース8に蓋(図示せず)をする(工程111)。
【0039】
次に、上述した光学部品に関し、光ファイバコイルに対して水素処理を施した場合と水素処理を施さない場合とで光ファイバコイルの耐水素特性の比較試験を行った実施例について説明する。
【0040】
長尺光ファイバ10kmを、胴径120mm、最外径200mmのボビンに巻き取り、これにより形成された光ファイバコイルをボビンから取り外して巻きほぐす。そして、光ファイバコイルを略円形または略長方形の巻き形状でコイル収納ケース内に収納すると共に、クッション性を有する充填材をコイル収納ケース内に充填する。これにより、充填材で覆われた光ファイバコイルを有する光学部品を得た。
【0041】
図4は、そのような光ファイバコイルに対して水素処理を行った前後の光ファイバコイルの伝送損失を示したものである。なお、この時の水素処理温度つまり充填材の加熱温度は70℃である。
【0042】
同図から分かるように、水素処理を開始してから5時間後に、波長1.52μm付近に損失増加のピークが見られる。また、水素処理を開始してから24時間後に、波長1.38μm付近に損失増加のピークが見られる。波長1.38μm付近の損失増加ピークは、欠陥の一種の非架橋酸素ホールセンターである−SiO・とH2との反応「2SiO+H2→2Si−OH」によって生成される「Si−OH」によるものである。波長1.52μm付近の損失増加ピークは、過度的なピークであることは判明しているが、そのメカニズムについては明確になっていない。その他全帯域にまたがる損失増加の原因も明確になっていないが、波長1.52μmの損失増加ピークが発生する場合に、このような高波長帯域での損失増加が確認されることが多く、波長1.52μmの損失増加ピークと連動する損失増加と考えられる。なお、水素処理を開始してから24時間後には、波長1.52μm付近の損失増加ピークは消滅していることが分かる。
【0043】
図5は、光ファイバコイルに対して水素処理を行っている時の各波長における損失変動量を示したものである。なお、この時の水素処理温度も70℃である。
【0044】
同図から分かるように、波長1.38μmでは水素処理による損失増加が見られるが、一定の時間が経過すると損失が飽和する傾向が確認された。波長1.52μmでは、水素処理を開始してから約5時間後には損失変動量がピークとなり、その後除々に損失変動量が小さくなり、消滅する傾向が確認された。波長1.40〜1.44μmでは水素処理による損失増加が見られるが、一定の時間が経過すると損失が飽和する傾向が確認された。ただし、この波長帯域での損失増加は未だメカニズムが明確にされておらず、更なる調査が必要と考えられる。
【0045】
以上のような水素処理を施すことで伝送損失を飽和させた状態の光ファイバコイルについて、波長1.38μm、1.44μm、1.52μmでの伝送損失値を測定したところ、伝送損失の増加は無かった。また、伝送損失を飽和させた光ファイバコイルを70℃で72時間ほど加熱放置しても、光ファイバに本質的に存在する損失の増加以外は見られなかった。さらに、伝送損失を飽和させた光ファイバコイルを−20℃で72時間ほど低温放置しても、光ファイバに本質的に存在する損失の増加以外は見られなかった。
【0046】
以上のように本実施形態にあっては、光学部品1の製造工程において、充填材5から発生した水素分子を光ファイバ3内に拡散させて光ファイバ3の格子欠陥原子と積極的に反応させ、光ファイバコイル2を不活性化させるようにしたので、光学部品1の使用前に、光ファイバ3内に水素が浸入して伝送損失の増加を引き起こすことが防止される。従って、光学部品1を伝送システムに組み込んだ際に、伝送路の伝送損失が安定するようになり、伝送特性に合わせたシステム設計が行いやすくなる。
【0047】
このとき、充填材5を硬化させることで、充填材5から発生した水素を光ファイバ3内に拡散させるので、高温の線引炉に水素ガスを導入したり、高温の線引炉の下端部に水素を充満させたチャンバーを設置する場合に比べて、光ファイバコイル2を水素含有雰囲気中に置く処理が容易に行える。また、光ファイバコイル2を水素含有雰囲気中に置くための水素処理槽等といった設備が不要となるため、製造装置の小規模化および低コスト化を図ることもできる。
【0048】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、コイル収納ケース4の内部だけに充填材5及びシールド材6を充填させるようにしたが、主収納ケース8内おけるコイル収納ケース4の外側部分にも充填材5及びシールド材6を入れてもよい。
【0049】
また、上記実施形態では、コイル収納ケース4内に光ファイバコイル2及び充填材5等を入れ、そのコイル収納ケース4を主収納ケース8内に収納する構成としたが、特にこれに限らず、図6に示すようにコイル収納ケース4を設けず、主収納ケース8内に光ファイバコイル2及び充填材5等を直接入れてもよい。
【0050】
さらに、上記実施形態では、光ファイバコイル2を波長分散補償光ファイバ(DCF)で形成したが、シングルモード光ファイバ、波長分散シフト光ファイバ(DSF)、NZ型波長分散シフト光ファイバ(NZ−DSF)、エルビウム添加光ファイバ(EDF)、偏波保持光ファイバ(PMF)等を用いて光ファイバコイルを形成することも可能である。
【0051】
【発明の効果】
本発明によれば、クッション性を有する充填材で光ファイバコイルを覆い、その状態で光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置くので、製造処理を簡単にしつつ、水素に起因した光ファイバコイルの伝送損失の変動を抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光学部品の一実施形態を示す概略平面図である。
【図2】図1のII−II線要部断面図である。
【図3】図1に示す光学部品の製造方法を示すフローチャートである。
【図4】光ファイバコイルに対して水素処理を行った前後の光ファイバコイルの伝送損失を示した図である。
【図5】光ファイバコイルに対して水素処理を行っている時の各波長における損失変動量を示した図である。
【図6】本発明に係る光学部品の他の実施形態を示す概略平面図である。
【符号の説明】
1…光学部品、2…光ファイバコイル、3…光ファイバ、4…コイル収納ケース、5…充填材、8…主収納ケース。
Claims (5)
- 光ファイバを巻回して形成された光ファイバコイルを有する光学部品を製造する光学部品の製造方法において、
クッション性を有する充填材で前記光ファイバコイルを覆い、その状態で前記光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置くことを特徴とする光学部品の製造方法。 - 前記充填材を硬化させて、前記充填材から水素を発生させることにより、前記光ファイバコイルを水素含有雰囲気中に置くことを特徴とする請求項1記載の光学部品の製造方法。
- 前記充填材として熱硬化性樹脂を使用し、前記充填材を硬化させる時の温度を40〜85℃とすることを特徴とする請求項2記載の光学部品の製造方法。
- 収納ケース内に前記充填材を所定量入れてから、前記光ファイバコイルを前記収納ケース内に収納し、その後で前記充填材を前記収納ケース内に充填させることにより、前記光ファイバコイルを覆うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の光学部品の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか一項記載の光学部品の製造方法により製造されたことを特徴とする光学部品。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002329739A JP2004163679A (ja) | 2002-11-13 | 2002-11-13 | 光学部品の製造方法および光学部品 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2002329739A JP2004163679A (ja) | 2002-11-13 | 2002-11-13 | 光学部品の製造方法および光学部品 |
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| JP2004163679A true JP2004163679A (ja) | 2004-06-10 |
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ID=32807653
Family Applications (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2004163679A (ja) |
-
2002
- 2002-11-13 JP JP2002329739A patent/JP2004163679A/ja active Pending
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