JP2004361526A - 光ファイバ及びそれを用いたファイバグレーティングの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】紫外線を伝送するときや放射線が照射された環境下で使用されるときでも、伝送損失が低く、また、長時間の水素ドープ処理を必要とせずにファイバグレーティングを製造することができる光ファイバを提供する。
【解決手段】光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１を覆うように設けられたクラッド１２と、を備えた石英ガラス製のものである。光ファイバ１０は、クラッド１２にコア１１に沿って延びる細孔１２ａが形成されている。クラッド１２の細孔１２ａは、両端が封止され、且つ、内部に２５℃で１気圧以上となる量の水素ガスが充填されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ及びそれを用いたファイバグレーティングの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高エネルギーを有する紫外線を光ファイバで伝送すると、光ファイバ自体による吸収が発生して高い伝送損失が生じる。また、放射線が照射された環境下で光ファイバを使用しても、光ファイバ自体による吸収が発生して伝送する光の損失が生じる。これらに対する対策として、光ファイバに水素を含ませることが既に知られている（特許文献１〜７）。
【０００３】
光ファイバに水素を含有させる方法として、石英ガラス製の光ファイバを高圧水素雰囲気に保持するというものがある。ところが、水素は石英ガラスに進入しやすい一方、放置しておくと石英ガラス中に拡散した水素がすぐに抜けてしまい、その効果が長続きしない。これに対する対策として、特許文献８には、光ファイバにドープした水素の光ファイバからの逸出を防止または抑制するための手段を設け、それによって光ファイバを長期間にわたる使用に耐え得るものとすることが開示されている。具体的には、光ファイバを冷却して水素が抜けるのを抑制したり、水素散逸防止層をクラッド外周面に設けたりするものである。水素散逸防止層を形成する場合、それは水素ドープ処理前後のいずれであってもよく、また、水素散逸防止層をアルミニウム、クロム、ニッケル、鉛、銀及び金のうち１種又は２種以上の金属薄膜、あるいは、炭素、炭化物、酸窒化物及び窒化物のうち１種又は２種以上のセラミック薄膜、あるいは、厚膜シリカガラス膜とするものである。
【０００４】
しかしながら、光ファイバを冷却する方法では、保管時は適当な方法であっても、使用時も冷却するのには困難を伴う。また、水素ドープ処理後に水素散逸防止層を設ける方法では、被覆されていない裸光ファイバの状態で取り扱われて水素ドープ処理が施されるので、その過程で裸光ファイバに傷が入って、裸光ファイバの機械的強度を低下させてしまうことがある。一方、水素散逸防止層及び保護コーティング層を設けた後に水素ドープ処理する方法では、通常、水素散逸防止層及び保護コーティング層の形成が線引きに引き続いて行われることから機械的強度劣化は防げるものの、層の膜厚が一定下限以下であれば水素の抜けを抑制することができず、また、一定上限を超えても水素ドープが困難となり、従って、高度な膜厚制御が要求される。
【０００５】
また、ファイバグレーティングは、光ファイバに側面から紫外線レーザ光を周期的間隔で照射し、コアの長手方向に周期的な屈折率上昇部を形成することにより製造される。そして、屈折率変化の大きいグレーティングを形成するためには、グレーティングの書き込み前に、光ファイバを高圧水素雰囲気下に保持してコアに水素ドープするのが有効であることが既に知られている。
【０００６】
特許文献９には、ＶＡＤ法により製造されたコア用ガラス棒の外周に、クラッド部形成用の石英系ガラス粉末を粉末成型加工して多孔質ガラス成形体を得、この多孔質ガラス成形体を加熱することにより透明ガラス化して作製された光ファイバ母材を線引きして光ファイバを得る工程、光ファイバを水素含有雰囲気下に曝す工程、及び、水素含有雰囲気下に曝した光ファイバの側面からレーザビームを照射してファイバグレーティングを作製する工程を具備するファイバグレーティングの製造方法が開示されている。そして、これによれば、屈折率変化の大きいファイバグレーティングを製造することができると記載されている。
【０００７】
特許文献１０には、水素添加工程、所定の周期で紫外光を照射してグレーティング部を形成するグレーティング形成工程および脱水素工程後に、グレーティング部全体に対して一様に紫外光を照射する紫外光一様照射処理および加熱トリミング処理とを適宜組み合わせて光学特性を調整し、最後に加熱エージングを行うファイバグレーティングの製造方法が開示されている。そして、これによれば、ファイバグレーティングの光学特性を精密かつ効率良く向上させることができると記載されている。
【０００８】
しかしながら、水素は光ファイバのファイバ外周から進入するため、コアまで水素が到達するほどまでに水素ドープ処理するのには長時間を要する。
【０００９】
なお、特許文献１１には、放射を伝送するための光ファイバであって、 実質的に透明なコア材料から成り、コア屈折率ｎと長さｌとを有し、少なくとも５μｍのコア直径を有するコアと、 コア材料を取り巻くクラッディング領域であって、そのクラッディング領域は第１屈折率を有する実質的に透明な第１クラッディング材料から成り、実質的に透明な第１クラッディング材料にはその長さに亘り実質的に周期的な配列の穴が埋封されており、穴は第１屈折率よりも小さな第２屈折率を有する、そのようなクラッディング領域とから成り、光ファイバへの放射入力が、コア材料の長さに沿って単一モードの伝播で伝送されるようになっているものであって、穴に水素を入れることが開示されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−３４８３０号公報
【特許文献２】
特開平６−５６４５７号公報
【特許文献３】
特開２０００−１５９５４５号公報
【特許文献４】
特開２００２−２１４４５４号公報
【特許文献５】
特開平１１−１８９４３８号公報
【特許文献６】
特開平６−１３５７３１号公報
【特許文献７】
特開平６−１１５９６２号公報
【特許文献８】
特開平９−３０９７４２号公報
【特許文献９】
特開平９−１６５２２９号公報
【特許文献１０】
特開２００２−１４８４５３号公報
【特許文献１１】
特表２００２−５０６５３３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本出願の課題は、紫外線を伝送するときや放射線が照射された環境下で使用されるときでも、伝送損失が低く、また、長時間の水素ドープ処理を必要とせずにファイバグレーティングを製造することができる光ファイバ及びそれを用いたファイバグレーティングの製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ファイバは、コアと、該コアを覆うように設けられたクラッドと、を備え、該クラッドに該コアに沿って延びる細孔が形成された石英ガラス製のものであって、
上記クラッドの細孔は、両端が封止され、且つ、内部に２５℃で１気圧以上となる量の水素ガスが充填されているものである。
【００１３】
上記の構成では、クラッドの細孔の両端が封止され、しかも、細孔内部に水素ガスが充填されている。つまり、ファイバ中に多量の水素ガスが保持されている。また、細孔内の水素ガスは、２５℃で１気圧以上となるため、光ファイバと細孔内との間を水素が活発に行き来することが可能である。従って、上記の構成によれば、光ファイバに水素がドープされた状態を長期に安定して得ることができ、紫外線を伝送するときや放射線が照射された環境下で使用されるときでも、伝送損失を低く抑えることができる。また、ファイバ外周よりもコアに近い細孔内に水素ガスが充填され、その細孔内の水素がコアに進入すると共に、細孔内への水素ガスの充填の際には細孔を介してコアに水素がドープされ、水素が短時間でコアに到達するので、従来のようにグレーティングを書き込む前に長時間の水素ドープ処理を行う必要がない。
【００１４】
本発明の光ファイバは、特にその種類が限定されるものではないが、上記クラッドの細孔が、ファイバ横断面において上記コアを中心としてファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造を構成するように複数形成されているものであってもよい。
【００１５】
本発明のファイバグレーティングの製造方法は、コアと、該コアを覆うように設けられたクラッドと、を備え、該クラッドに該コアに沿って延びる細孔が形成された石英ガラス製の光ファイバの該コアに紫外線を照射することによりグレーティングを書き込むものであって、
上記クラッドの細孔は、両端が封止され、且つ、内部に２５℃で１気圧以上となる量の水素ガスが充填されている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る光ファイバ１０を示す。この光ファイバ１０は、紫外線伝送用として用いられるものである。
【００１８】
この光ファイバ１０は、石英ガラスにより形成されており、長手方向に延びる中実のコア１１と、コア１１を覆うように設けられたクラッド１２と、クラッド１２を覆うように設けられた被覆層１３と、を備えている。クラッド１２には、コア１１に沿って延びる複数の細孔１２ａがコア１１を囲うように形成されている。これらの複数の細孔１２ａは、ファイバ横断面において三角格子を構成するように配設されており、これによりコア１１を中心としてファイバ半径方向にフォトニック結晶構造が構成されている。すなわち、この光ファイバ１０はフォトニッククリスタルファイバである。光ファイバ１０の両ファイバ端において、クラッド１２の細孔１２ａは、石英ガラスよりも屈折率が低い熱硬化性樹脂等のからなる封止材１４が充填され、それによって封止されている。また、細孔１２ａの内部には、２５℃で１気圧以上となる量の水素ガス（或いは重水素ガス）が充填されている。
【００１９】
次に、この光ファイバ１０の製造方法について説明する。
【００２０】
まず、所定のプリフォームを線引き加工することにより光ファイバ１０を構成するフォトニッククリスタルファイバを作製する。このとき、石英ガラス製のサポート管に石英ガラス製のキャピラリ及びロッド材を所定の配置で充填したものをプリフォームとしても、また、石英ガラス製の円柱材に軸方向に延びる細孔１２ａを複数形成したものをプリフォームとしてもよい。
【００２１】
次いで、光ファイバ１０のクラッド１２の細孔１２ａに水素ガスを充填する。具体的には、両ファイバ端のクラッド１２の細孔１２ａが開口した光ファイバ１０を所定温度及び圧力の水素ガス雰囲気に所定時間保持した後、そのクラッド１２の細孔１２ａの開口を封止材１４で封止する。なお、光ファイバ１０により多くの水素を含ませるためには、この細孔１２ａへの水素ドープ処理前に、光ファイバ１０を高圧水素雰囲気下に所定時間保持する水素ドープ処理を施すことが好ましい。
【００２２】
以上により、細孔１２ａの両端が封止され、且つ、その内部に水素ガスが充填された光ファイバ１０が製造される。
【００２３】
上記構成の光ファイバ１０では、クラッド１２の細孔１２ａの両端が封止され、しかも、細孔１２ａ内部に水素ガスが充填されている。つまり、ファイバ中に多量の水素が保持されている。また、細孔１２ａ内の水素ガスは、２５℃で１気圧以上となるため、光ファイバ１０と細孔１２ａ内との間を水素が活発に行き来することが可能である。従って、光ファイバ１０に水素がドープされた状態を長期に安定して得ることができ、紫外線を伝送するときでも、伝送損失を低く抑えることができる。
【００２４】
本実施形態１では、ファイバ端部のクラッド１２の細孔１２ａが封止材１４によって封止されたものとしたが、ファイバ端部を加熱することによりクラッド１２の細孔１２ａが封止されたものとしてもよい。その場合、ゲルマニウム等がドープされてコア１１がクラッド１２よりも高屈折率となっていることが望ましい。
【００２５】
本実施形態１では、紫外線伝送用の光ファイバ１０としたが、同様の構成のイメージガイド用の光ファイバであれば、放射線が照射された環境下で使用されるときでも、伝送損失を低く抑えることができる。
【００２６】
本実施形態１では、光ファイバ１０を純石英ガラス製としたが、特にこれに限定されるものではなく、フッ素等が添加された石英ガラスで形成されたものであってもよい。
【００２７】
本実施形態１の光ファイバ１０には、被覆層１３をさらに覆うように水素散逸防止層及び保護コーティング層が設けられていてもよい。この場合、水素散逸防止層及び保護コーティング層の形成を線引きに引き続いて行い、その後に細孔１２ａへの水素ドープ処理をすれば、水素散逸防止層及び保護コーティング層で保護された状態で水素ドープ処理が施され、裸光ファイバの状態で取り扱われて水素ドープ処理する場合のようにその過程で裸光ファイバに傷が入るということがないので、光ファイバの機械的強度の低下を招くことがない。また、細孔１２ａ内に水素ガスが充填されるのに加えて細孔１２ａを介して水素ドープがなされるので、水素散逸防止層及び保護コーティングの膜厚を水素が透過できるような薄膜とする必要はなく、完全に水素の透過を抑える厚膜とすればよい。
【００２８】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２に係る光ファイバ２０を示す。この光ファイバ２０は、グレーティングが書き込まれることにより、ファイバグレーティングとなるものである。
【００２９】
この光ファイバ２０は、石英ガラスにより形成されており、長手方向に延びる中実のコア２１と、コア２１を覆うように設けられたクラッド２２と、を備えている。コア２１には、屈折率を高めるゲルマニウム（Ｇｅ）がドープされている。コア２１には、その他に錫（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）等が共ドープされていてもよい。クラッド２２には、コア２１に沿って延びる一対の細孔がコア２１を囲うように形成されている。これらの一対の細孔２２ａは、ファイバ横断面においてコア２１を挟むように配設されている。光ファイバ２０の両ファイバ端において、クラッド２２の細孔２２ａは、石英ガラスよりも屈折率が低い熱硬化性樹脂等のからなる封止材２４が充填され、それによって封止されている。また、細孔２２ａの内部には、２５℃で１気圧以上となる量の水素ガス（或いは重水素ガス）が充填されている。
【００３０】
次に、この光ファイバ２０の製造方法について説明する。
【００３１】
まず、所定のプリフォームを線引き加工することにより光ファイバ２０を作製する。このとき、従来の光ファイバの製造に用いるプリフォームに軸方向に延びる穴を一対形成したものをプリフォームとすればよい。
【００３２】
次いで、光ファイバ２０のクラッド２２の細孔２２ａに水素ガスを充填する。具体的には、両ファイバ端のクラッド２２の細孔２２ａが開口した光ファイバ２０を所定温度及び圧力の水素ガス雰囲気に所定時間保持した後、そのクラッド２２の細孔２２ａの開口を封止材２４で封止する。なお、光ファイバ２０により多くの水素を含ませるためには、この細孔２２ａへの水素ドープ処理前に、光ファイバ２０を高圧水素雰囲気下に所定時間保持する水素ドープ処理を施すことが好ましい。
【００３３】
以上により、細孔２２ａの両端が封止され、且つ、その内部に水素ガスが充填された光ファイバ２０が製造される。
【００３４】
次に、この光ファイバ２０を用いたファイバグレーティングの製造方法について説明する。
【００３５】
まず、例えば以下のグレーティング書き込み装置３０が用いて光ファイバ２０にグレーティングを書き込む。
【００３６】
図４は、そのグレーティング書き込み装置３０を示す。
【００３７】
このグレーティング書き込み装置３０は、ファイバ保持部３１と、光源３２と、グレーティング書き込み用の位相マスク３３と、で構成された位相マスク法用のものである。
【００３８】
ファイバ保持部３１は、並列して設けられた一対のフランジ付ドラムからなる。光ファイバ２０は、外方から延びて一方のファイバ保持部３１に上から下に向かうように１周巻き掛かった後に他方のファイバ保持部３１に真っ直ぐに延び、その他方のファイバ保持部３１に上から下に向かうように１周巻き掛かった後に外方へと延びるように設けられ、ファイバ保持部３１にはそれとの摩擦力によって保持される。
【００３９】
光源３２は、ファイバ保持部３１を構成する一対のフランジ付ドラム間中央の上方に設けられており、グレーティング書き込み光としてコヒーレントな紫外線レーザ光等をファイバ保持部３１で保持された光ファイバ２０に対して発する。
【００４０】
位相マスク３３は、ファイバ保持部３１と光源３２との間のファイバ保持部３１寄りに、光源３２からのグレーティング書き込み光がマスク面に垂直に入射するように設けられている。光ファイバ２０には、位相マスク３３に形成された位相格子の周期が光源３２からのグレーティング書き込み光によってコア２１に転写されてグレーティングが書き込まれる。
【００４１】
次いで、グレーティング書き込み装置３０から光ファイバ２０を外して脱水素処理を行う。具体的には、光ファイバ２０を真空チャンバに入れ、チャンバ内を昇温すると共に略真空状態にすることにより光ファイバ２０に含まれる水素を除去する。このとき、光ファイバ２０を真空チャンバに入れる前に、光ファイバ２０の一方又は両方のファイバ端部を除去して細孔２２ａが開口したものとすれば、脱水素が効率よく営まれ、より短時間で且つ低温度で脱水素処理を行うことができる。
【００４２】
上記構成の光ファイバ２０では、クラッド２２の細孔２２ａの両端が封止され、しかも、細孔２２ａ内部に水素ガスが充填されている。つまり、ファイバ中に多量の水素が保持されている。また、細孔２２ａ内の水素ガスは、２５℃で１気圧以上となるため、光ファイバ２０と細孔２２ａ内との間を水素が活発に行き来することが可能である。従って、細孔２２ａ内に水素ガスが充填され、ファイバ外周よりもコア２１に近い細孔２２ａ内の水素がコア２１に進入すると共に、細孔２２ａ内への水素ガスの充填の際には細孔２２ａを介してコア２１に水素がドープされ、水素が短時間でコア２１に到達するので、従来のようにグレーティングを書き込む前に長時間の水素ドープ処理を行う必要がない。
【００４３】
本実施形態２では、ファイバ端部のクラッド２２の細孔２２ａが封止材２４によって封止されたものとしたが、ファイバ端部を加熱することによりクラッド２２の細孔２２ａを封止したものとしてもよい。
【００４４】
本実施形態２では、光ファイバ２０を純石英ガラス製としたが、特にこれに限定されるものではなく、フッ素等が添加された石英ガラスで形成されたものであってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、クラッドの細孔の両端が封止され、しかも、細孔内部に水素ガスが充填されているので、紫外線を伝送するときや放射線が照射された環境下で使用されるときでも、伝送損失を低く抑えることができる。また、水素が短時間でコアに到達するので、グレーティングを書き込む前に長時間の水素ドープ処理を行う必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る光ファイバの斜視図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る光ファイバの斜視図である。
【図４】図３におけるＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】グレーティング書き込み装置の模式的な構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，２０ 光ファイバ
１１，２１ コア
１２，２２ クラッド
１２ａ，２２ａ 細孔
１３ 被覆層
１４，２４ 封止材
３０ グレーティング書き込み装置
３１ ファイバ保持部
３２ 光源
３３ 位相マスク

Claims (3)

1. コアと、該コアを覆うように設けられたクラッドと、を備え、該クラッドに該コアに沿って延びる細孔が形成された石英ガラス製の光ファイバであって、
   上記クラッドの細孔は、両端が封止され、且つ、内部に２５℃で１気圧以上となる量の水素ガスが充填されている光ファイバ。
2. 請求項１に記載された光ファイバにおいて、
   上記クラッドの細孔は、ファイバ横断面において上記コアを中心としてファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造を構成するように複数形成されている光ファイバ。
3. コアと、該コアを覆うように設けられたクラッドと、を備え、該クラッドに該コアに沿って延びる細孔が形成された石英ガラス製の光ファイバの該コアに紫外線を照射することによりグレーティングを書き込むファイバグレーティングの製造方法であって、
   上記クラッドの細孔は、両端が封止され、且つ、内部に２５℃で１気圧以上となる量の水素ガスが充填されているファイバグレーティングの製造方法。

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