JP2005022942A - 光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 長尺かつ分散特性が一定で、低損失の光ファイバの製造方法を提供すること。
【解決手段】 ガラスロッド１４に、超音波ドリル９により孔１３を所定の間隔で９本ずつ同時に開けた。これを２回繰り返して１８個の孔１３を開けた。ＰＣＦでは、導波特性をもたせるために中心部に孔のない欠陥部１５を配置している。孔１３の内面をフッ酸にて洗浄後乾燥させた後、この孔１３の開いたガラスロッド１４を電気炉で加熱し、１２５μｍ径の光ファイバに線引きした。光ファイバ線引き後、その光ファイバを切断し、電子顕微鏡で孔径ｄ及び孔間隔Ａを測定した。元の孔の開いたガラスロッドにおける孔の形状と相似の孔開き光ファイバが実現できた。また、径の変化の少ない（μｍ程度）正確な孔を複数個開けることにより、短時間で数個〜数百個、孔間隔を等しく加工できた。
【選択図】 図６

Description

本発明は、光ファイバの製造方法に関し、より詳細には、光通信ネットワーク及び光信号処理に用いられる伝送媒体である光ファイバの製造方法に関する。

図１は、従来の光ファイバの一般的な構造を示す図で、図中符号１は光ファイバのコア部、２は光ファイバのクラッド部を示している。図１に示すように、従来の光ファイバは、屈折率の高いコア部１の外側に、屈折率の低いクラッド部２を配置した構造のものであった。

図２は、従来の光ファイバのうち、ＰＣＦ(Photonic Crystal Fibers)を示す図で、図中符号３は孔、４は純石英ガラス、５は欠陥部を示している。図２に示すように、単一のガラス、例えば、純石英ガラス４に、周期的に孔３を開けた構造となっている。隣接する孔３の間隔は全て等しくなっている。ただし、この光ファイバの中心部には欠陥部５、すなわち、孔３の無い部分が配置されている。この欠陥部５がコアとして動作して光を閉じ込めるように機能する（例えば、非特許文献１参照）。

図３は、図２に示した従来のＰＣＦの製造方法を示す図で、図中符号６はガラスロッド、７は内側ガラスパイプ、８は外側ガラスパイプを示している。中心部には孔３の開いていない六角形のガラスロッド６を設け、その外側には孔３の開いた六角形の内側ガラスパイプ７を設け、これらをさらに外側ガラスパイプ８の中に挿入した後、約２００℃の高温で光ファイバに線引きしていた。

J.C.Knight, T.A.Birks, P.St.J.Russell, and D.M.Atkin, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding,"Opt.Lett.21, 1547-1549(1996)

しかしながら、上述した従来の製造方法では、以下のような問題点がある。
１）光ファイバ化する時、六角形のガラスロッドが熱により変形するため、孔の間隔や大きさが変形し、設計どおりの孔にならず、歩留まりよく光ファイバを作製することが出来なかった。
２）ガラスパイプを束ねて加熱延伸するとき、ガラスパイプの孔径や位置などが初期値から大きく変形するため、任意の位置に、任意の大きさの孔を開けることが出来なかった。
３）六角柱のガラスパイプを作製する際に、ガラスパイプの側面を研削加工する必要があるが、加工時の傷の発生及びガラスパイプを束ねた時の界面の不整合がどうしても避けられない。そのため、束ねたガラスパイプを一体化する時、傷が消滅する前に気泡としてガラスの内部に取り込まれてしまう。これはＰＣＦの不要な孔を付加することになるためＰＣＦ作製上大きな問題となっていた。
４）一度、加熱延伸した後、ガラスパイプまたはロッドが汚染され大きな過剰損失（例えば、ＯＨ基吸収損失）が発生していた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、長尺かつ分散特性が一定で、低損失の光ファイバの製造方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、光の導波されるコア部と、該コア部の周囲に配置され、光の波長と同程度の直径の複数個の空隙からなる光ファイバにおいて、該光ファイバの元になるガラスロッドに前記空隙をドリルで複数個同時に孔を開けた後、前記光ファイバに線引きすることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記孔を開けたガラスロッドを加熱延伸後、該ガラスロッドの外側にガラスパイプを被嵌した後、前記光ファイバに線引きすることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記孔を開けたガラスロッドの外側に、クラッド部となるガラス微粒子を形成し、その後に加熱して透明ガラス化することを特徴とする。

このように、本発明は、光ファイバの出発になるガラスロッドに、複数本の超音波ドリルで同時に孔を開けるものである。例えば、超音波ドリルでガラスに内径３ｍｍの孔を開ける場合には、内径３±０．０１ｍｍの精度で開けることができる。また、その孔の間隔を５ｍｍとした場合、５±０．０１ｍｍの精度で開けることが可能である。従って、ＰＣＦの出発となる孔開きガラスロッドを高精度で作製することができる。

また、同時に開けるドリルの本数だけの時間を短縮できる。例えば、同時に２本のドリルを使えば１／２の時間で、５本のドリルを同時に使えば１／５の時間で孔開け加工ができる。

また、超音波ドリルで開けた孔は、内面の割れや傷の発生が非常に少ない。また、孔径や孔間隔などを孔の長手方向に高精度で保持できるため、ＰＣＦに必要な精度の孔開けロッドを容易に作成することが出来る。
また、従来の製造方法で問題になっていたパイプ同士の組み立ての必要がないため傷の混入もない。

さらに、孔開きロッドを加熱炉で延伸加工する場合、電気炉の温度分布を均一に保てば孔の形状は線引きした後もほとんど変化しない。従って、光ファイバ化後の孔形状を設計どおりに維持できるため、設計どおりの特性の光ファイバを歩留まりよく作成できる。
本発明の利用分野としては、分散を補償し、非線形効果を利用したデバイス、偏波を保持する光ファイバなどがある。

以上説明したように、本発明によれば、光の導波されるコア部と、このコア部の周囲に配置され、光の波長と同程度の直径の複数個の空隙からなる光ファイバにおいて、光ファイバの元になるガラスロッドに空隙をドリルで複数個同時に孔を開けた後、光ファイバに線引きするようにしたので、径の変化の少ない（μｍ程度）正確な孔を複数個開けることにより、短時間で数個〜数百個、孔間隔を等しく加工できる。この後、通常の線引きを行なうことにより、孔の大きさ間隔などは、初期の孔形状と相似変形するため、設計どおりの光ファイバを容易に作製することが出来る。また、加工時間の短縮は大幅なコスト削減に効果があった。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
ＰＣＦの分散特性やＭＦＤ（Mode Field Diameter；モードフィールド径）特性などは、孔径ｄ及び孔間隔Ａによって決まる。ＰＣＦを歩留まりよく製造するためには、孔径ｄ及び孔間隔Ａなどの再現性が重要である。また、低損失のＰＣＦを実現するためには、１）出発となるガラスの損失（レーリー散乱損失、赤外吸収損失など）が低いこと、２）孔の形状を光ファイバ長手方向に維持すること、３）孔の面粗さを少なくすること、４）孔内面および内部の不純物を低減することなどが必要になる。

図４は、ｄ／Ａ＝０．５とした場合の分散の波長依存性を示す図である。
孔間隔Ａが１．６μｍの場合の零分散波長は１．２μｍで、孔間隔Ａが１．９μｍの場合の零分散波長は１．６８μｍとなる。孔間隔Ａが０．３μｍ増加すると、零分散波長は０．４８μｍ増加する。

図５は、作成された光ファイバの損失波長特性を示す図である。
この例では、最低損失は波長１．５５μｍで０．３ｄＢ／ｋｍであり、従来のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ；Single Mode optical Fiber）と同程度の損失のものが実現できている。

図６は、本発明に係る光ファイバの製造方法の実施例１を示す図で、図中符号９は超音波ドリル、１３は孔、１４はガラスロッド、１５は欠陥部を示している。外径４０ｍｍ、長さ２００ｍｍのガラスロッド１４に、超音波ドリル９により内径３ｍｍの孔１３を５ｍｍ間隔で９本ずつ同時に開けた。これを２回繰り返して１８個の孔１３を開けた。従来の孔開け加工方法に比較して、９分の１の時間で孔の開いたプリフォームを作成できた。

ＰＣＦでは、導波特性をもたせるために中心部に孔のない欠陥部１５を配置している。孔１３を開けた後のガラスロッド１４の一部を切断して、孔１３の形状を測定した。孔径ｄは３ｍｍ±１０μｍ以内であった。また、孔間隔Ａは５ｍｍ±１０μｍ以内であった。

次に、孔１３の内面をフッ酸にて洗浄後乾燥させた後、この孔１３の開いたガラスロッド１４を電気炉で加熱し、１２５μｍ径の光ファイバに線引きした。作製した光ファイバ長は１０ｋｍであった。光ファイバ線引き後、その光ファイバを切断し、電子顕微鏡で孔径ｄ及び孔間隔Ａを測定した。光ファイバ線引き後の孔径ｄは９．４μｍであり、孔間隔Ａは１５．６μｍであり、元の孔の開いたガラスロッドにおける孔の形状と相似の孔開き光ファイバが実現でき、光ファイバの全長にわたって形状の変化はなかった。また、この光ファイバの光損失は、波長１．３μｍで０．５ｄＢ／ｋｍ、波長１．５５μｍでは０．３ｄＢ／ｋｍと低損失であった。

図７は、本発明に係る光ファイバの製造方法の実施例２を説明するための図で、図６と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。外径４０ｍｍ、長さ２００ｍｍのガラスロッド１４に、孔径ｄを１．４ｍｍ、孔間隔Ａを２．９ｍｍで１０本ずつ同時に孔１３を開け、これを９回繰り返して、９０個の孔１３を開けた。これによって孔開けに必要な時間は１０分の１に短縮された。ただし、中心部には孔は開けていない。

このようにして作製した孔開きガラスロッド１４を洗浄して乾燥させた後、バーナーで外径８ｍｍに延伸後、図８に示すように、外径４０ｍｍ、内径９ｍｍのガラスパイプ１０に挿入し、１２５μｍ径の光ファイバに線引きした。光ファイバ長は５ｋｍであり、光ファイバ線引き後の孔径ｄは０．９μｍ、孔間隔Ａは１．８μｍであり、光ファイバ全長で一定であった。損失は波長１．３μｍで１ｄＢ／ｋｍ、波長１．５５μｍでは０．６ｄＢ／ｋｍであった。

このようにして作製したＰＣＦの零分散波長は１．５５μｍであり、波長１．５５μｍでの分散スロープは−０．１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ^２であった。このＰＣＦを用いて１．５５μｍ零分散の分散シフトファイバの波長１．５５μｍでの分散を補償した。その結果、波長１．５〜１．６μｍでの分散値は±０．１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ^２とすることができた。

図９は、本発明に係る光ファイバの製造方法の実施例３を説明するための図で、図中符号１１はバーナー、１２はガラス微粒子を示している。なお、図７と同じ機能を有する構成要素については同一の符号を付してある。上述した実施例１に示すように、超音波ドリル９を用いて、外径４０ｍｍ、孔径ｄを１．３ｍｍ、孔間隔Ａを２．８ｍｍの孔１３を同時に１４個開け、これを９回繰り返して、１２６個の孔１３を開けた。これによって、作成に必要な時間は１４分の１に短縮された。

この孔開きガラスロッド１４を外径１０ｍｍに延伸後、ＶＡＤ法を用いてガラス合成用バーナー１１で、延伸した孔開きガラスロッド１４の外周部にガラス微粒子１２を形成した後、電気炉内で１７００℃に加熱し、外径５０ｍｍ、孔径０．３３ｍｍの出発ガラス母材を形成した。この孔開きガラス材を光ファイバ線引き炉により加熱して１２５μｍ径の光ファイバ１０ｋｍを作製した。

光ファイバ線引き後の孔径ｄは０．８３μｍ、孔間隔Ａは１．８μｍであり、作製した光ファイバの全長に渡って孔径ｄ及び孔間隔Ａは一定であった。また、作製した光ファイバの損失は波長１．３μｍで２ｄＢ／ｋｍ、波長１．５５μｍでは０．５ｄＢ／ｋｍであった。零分散波長は１．３１μｍ、波長１．３１μｍでの分散スロープは−０．１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ^２であった。

この光ファイバを用いて従来型のＳＭＦの波長１．３〜１．４μｍでの分散を補償した。その結果、波長１．３〜１．４μｍでの分散値は±０．１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ^２とすることができた。

本発明は、光通信ネットワーク及び光信号処理に用いられる伝送媒体である光ファイバの製造方法に関し、長尺かつ分散特性が一定で、低損失の光ファイバの製造方法を提供することができる。

従来の光ファイバの一般的な構造を示す図である。 従来の光ファイバのうち、ＰＣＦ(Photonic Crystal Fibers)を示す図である。 図２に示した従来のＰＣＦの製造方法を示す図である。 ｄ／Ａ＝０．５とした場合の分散の波長依存性を示す図である。 作成された光ファイバの損失波長特性を示す図である。 本発明に係る光ファイバの製造方法の実施例１を示す図である。 本発明に係る光ファイバの製造方法の実施例２を説明するための図（その１）である。 本発明に係る光ファイバの製造方法の実施例２を説明するための図（その２）である。 本発明に係る光ファイバの製造方法の実施例３を説明するための図である。

符号の説明

１ 光ファイバのコア部
２ 光ファイバのクラッド部
３ 孔
４ 純石英ガラス
５ 欠陥部
６ ガラスロッド
７ 内側ガラスパイプ
８ 外側ガラスパイプ
９ 超音波ドリル
１０ ガラスパイプ
１１ バーナー
１２ ガラス微粒子
１３ 孔
１４ ガラスロッド
１５ 欠陥部

Claims (3)

1. 光の導波されるコア部と、該コア部の周囲に配置され、光の波長と同程度の直径の複数個の空隙からなる光ファイバにおいて、該光ファイバの元になるガラスロッドに前記空隙をドリルで複数個同時に孔を開けた後、前記光ファイバに線引きすることを特徴とする光ファイバの製造方法。
2. 前記孔を開けたガラスロッドを加熱延伸後、該ガラスロッドの外側にガラスパイプを被嵌した後、前記光ファイバに線引きすることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
3. 前記孔を開けたガラスロッドの外側に、クラッド部となるガラス微粒子を形成し、その後に加熱して透明ガラス化することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
   

Images