JP2005156839A

JP2005156839A - 光ファイバおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2005156839A
Application number: JP2003394036A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Yoshimura; 朋也吉村; Akiyoshi Kogame; 朗由小亀; Masatoshi Toda; 正利戸田
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】光源と光ファイバ、光ファイバと光ファイバ、あるいは光ファイバと受光器との接続損失を小さくすることができる新しい構造の端面をもった光ファイバを提供する。
【解決手段】少なくとも片方の端面に、周期性を持つ微細な凹凸形状１１〜１４を形成してなる光ファイバ１。微細な凹凸形状１１〜１４の周期性は、少なくとも２つの方向、例えば、互いに直交する２つの方向または互いに６０度の角度をなす３つの方向に関し存在する。微細な凹凸形状１１〜１４の周期は１００〜４０００ｎｍであり、微細な凹凸形状１１〜１４の振幅は２５〜１０００ｎｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光情報通信や光学的計測や照明の分野において導光体として使用される光ファイバおよびその製造方法に関するものである。

光情報通信や光学的計測に用いられる光ファイバは、光源や受光器や他の光ファイバとの光学的結合の際の当該光ファイバの端面における光の散乱損失をできるだけ小さくするために、端面を平滑に形成したものが一般的に使用されている。

光ファイバの端面を平滑に形成する方法としては、光ファイバ端面をフィルム状研磨工具に押し当てて研磨する方法、光ファイバ端部を刃物により切断する方法（特開平１０−２７３３３４号公報［特許文献１］）、光ファイバ端面を平滑な熱板に押し当てる方法（特公昭６０−１５２４１号公報［特許文献２］）などが知られている。光ファイバ端面を研磨する方法は、高い平滑度を得ることができるが、長い研磨時間を要しフィルム状研磨工具や研磨剤などの費用を要することから、高コストな加工方法である。光ファイバ端部を刃物により切断して平滑な端面を形成する方法は、加工中の光ファイバの割れを防ぐために刃物の厚みや切断速度や温度を精密に制御する必要がある。光ファイバ端面を平滑な熱板に押し当てる方法は、プラスチック光ファイバに特有の端面加工方法であって、短時間に高い平滑度の端面を形成することが可能である。

ところで、光ファイバ端面を理想的な平滑面に形成した場合においても、光源と光ファイバ、光ファイバと光ファイバ、あるいは光ファイバと受光器との間には、わずかであっても空気の層が存在するため、この空気と光ファイバ端面との間での屈折率の不連続な部分ではフレネル反射が生じて光が損失する。この光の損失を小さくするための方法として、特開２０００−１９３８５０号公報［特許文献３］には、２本の光ファイバの接続部にコアの屈折率と略同等の屈折率を有する屈折率整合手段（マッチングオイルなどの屈折率調整剤）を介在させてフレネル損失を低減する方法が開示されている。また、光損失を小さくするための方法としては、光ファイバ端面に多層膜を形成して反射を低減する方法がある。

しかしながら、光ファイバの接続部に屈折率調整剤を用いる方法の場合、接続部を着脱する際に屈折率調整剤が漏洩してしまうという問題がある。そのため、接続部に一旦屈折率調整剤を注入すると、接続部をその状態に固定することが行われ、この場合接続部の自由な着脱が不可能になる。また、接続部の自由な着脱を行うためには、極めて複雑な機構を必要とする。

一方、光ファイバ端面に多層膜を形成する方法は、接続部を自由に着脱することが可能であるが、多層膜の形成には金属の真空蒸着を繰り返す必要があるので、光ファイバ敷設現場での施工が困難であるばかりか、コストが非常に高くなるといった問題がある。
特開平１０−２７３３３４号公報特公昭６０−１５２４１号公報特開２０００−１９３８５０号公報

本発明は、光源と光ファイバ、光ファイバと光ファイバ、あるいは光ファイバと受光器との接続損失を小さくすることができる新しい構造の端面をもった光ファイバを提供することを目的とする。さらに、本発明は、上述の光ファイバを得るための方法であって、簡便且つ低コストで光ファイバ敷設現場での端面処理を可能とする光ファイバの製造方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記の課題を解決するものとして、少なくとも片方の端面に、周期性を持つ微細な凹凸形状を形成してなることを特徴とする光ファイバ、が提供される。

本発明の一実施態様においては、前記微細な凹凸形状の周期性は少なくとも２つの方向に関し存在する。前記微細な凹凸形状の周期性は、例えば、互いに直交する２つの方向または互いに６０度の角度をなす３つの方向に関し存在する。

本発明の一実施態様においては、前記微細な凹凸形状の周期は１００〜４０００ｎｍであり、前記微細な凹凸形状の振幅は２５〜１０００ｎｍである。

また、本発明によれば、上記の課題を解決するものとして、以上のような光ファイバを製造する方法であって、前記光ファイバの端面の微細な凹凸形状を形成するための凹凸形状転写面を持つ転写用金型を光ファイバ素材の熱変形温度以上に加熱し、前記凹凸形状転写面に前記光ファイバ素材の端面を押し当て、該光ファイバ素材の端面に前記凹凸形状転写面の凹凸形状を転写し賦形することを特徴とする光ファイバの製造方法、が提供される。

以上のような本発明の光ファイバによれば、光ファイバ端面に周期性を持つ微細な凹凸形状を形成したことで、挿入損失が小さくなり、光源と光ファイバ、光ファイバと光ファイバ、光ファイバと受光器との接続損失を小さくすることができる。また、本発明の光ファイバの製造方法によれば、光ファイバ素材の端面に転写用金型の凹凸形状転写面の凹凸形状を転写し賦形することで光ファイバ端面に周期性を持つ微細な凹凸形状を形成するので、簡便且つ低コストで光ファイバ敷設現場での端面処理が可能になる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

本発明の光ファイバは、例えば、石英系マルチモード光ファイバ、多成分ガラス系マルチモード光ファイバ、ポリマークラッド石英コアマルチモード光ファイバ、全プラスチック光ファイバ（プラスチック光ファイバ）などのコア径の比較的大きい（例えば１００〜２０００μｍ）光ファイバである。特に、コア材料がポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート及びポリスチレンなどのように透明性が高く、熱可塑性ポリマー材料からなるプラスチック光ファイバが好ましい。

光ファイバ端面に形成される周期性を持つ微細な凹凸形状は、光ファイバ端面に入射する光および光ファイバ端面から出射する光について、当該凹凸形状の凹部で反射する光と凸部で反射する光との干渉を利用してフレネル反射を低減するためのものである。微細な凹凸形状の周期及び振幅（凹凸深さ）の好ましい値は、使用する光の波長に依存する。

即ち、微細な凹凸形状の周期は、使用する光の波長と同程度の値であるのが好ましい。発光ダイオードから放射される光のようにコヒーレンシーが低い光の場合、凹凸形状の周期が波長に比べて大きくなりすぎると、凹部で反射する光と凸部で反射する光との干渉性が小さくなる。反対に、凹凸形状の周期が波長に比べて小さくなりすぎると、凹部で反射する光と凸部で反射する光との干渉性は高まるのであるが、波長の四乗に反比例してレイリー散乱が増加する。光情報通信や光学的計測や照明に利用される光の波長は１００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下であるので、凹凸形状の周期は１００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下であることが好ましい。

また、凹凸形状の振幅は、使用する光の波長の概略四分の一であるのが好ましい。これは、凹部で反射する光と凸部で反射する光とで位相を１８０度異ならせて、反射光の振幅を小さくするためである。光情報通信や光学的計測や照明に利用される光の波長は１００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下であるので、凹凸形状の振幅は２５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。

図１は、本発明による光ファイバの実施形態における端部の凹凸形状を示す模式図である。図１（ａ）〜（ｄ）は模式的部分断面図を示し、図１（ｅ），（ｆ）は模式的部分平面図を示す。

図１（ａ）の実施形態では光ファイバ１の端面に断面が矩形の凹凸形状１１が形成されており、図１（ｂ）の実施形態では光ファイバ１の端面に断面がかまぼこ形の凹凸形状１２が形成されており、図１（ｃ）の実施形態では光ファイバ１の端面に断面が三角形の凹凸形状１３が形成されている。その他、光ファイバ端面の凹凸形状としては断面正弦波形のものが例示される。断面矩形の凹凸形状の場合には、比較的狭い範囲の波長帯でフレネル反射が防止される。一方、正弦波あるいはかまぼこ形の断面形状の場合には、比較的広い範囲の波長帯でフレネル反射が防止される。断面三角形の凹凸形状の場合は、これらの中間的な特性が得られる。

また、図１（ｄ）の実施形態では光ファイバ１の端面に断面が不定形の凹凸形状１４が形成されている。このように、周期性を持つ凹凸形状は規則的なものである必要はなく、個々の凹部同士または凸部同士は互いに異なる形状であってもよい。また、凹凸形状の周期は一定のものである必要はなく、場所により周期が異なっていてもよい。但し、光ファイバ端面の断面形状をスペクトル解析したときに、周期成分の分布において過半数が上記１００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下の範囲内であるのが上記同様の理由で好ましい。

図１（ａ）〜（ｄ）には特定の断面の形状が示されているが、これらの実施形態では図１（ａ）〜（ｄ）の断面と適宜の角度なす他の断面においても同様な断面形状及び周期性を持つ。即ち、光ファイバ１の端面の微細な凹凸形状の周期性は、少なくとも２つの方向に関し存在する。この少なくとも２つの方向としては、例えば、互いに直交する２つの方向または互いに６０度の角度をなす３つの方向が例示される。互いに直交する２つの方向に周期性を持つものとしては、図１（ｅ）に示されるような凸部（または凹部）１５を凹部（または凸部）１６に対して直交マトリックス状に配置してなるものが挙げられる。また、互いに６０度の角度をなす３つの方向に周期性を持つものとしては、図１（ｆ）に示されるような凸部（または凹部）１５を凹部（または凸部）１６に対して細密充填状（いわゆる俵積み状：但し適宜の間隔をとってもよい）に配置してなるものが挙げられる。

図２は、本発明による光ファイバの製造方法の一実施形態を示す模式的工程図である。先ず、図２（ａ）に示されるように、光ファイバ端面の微細な凹凸形状を形成するための凹凸形状転写面を上面に持つ転写用金型２を、その下側に配置されたヒータ２１で光ファイバ素材１’の熱変形温度以上に加熱する。尚、光ファイバ素材１’は、上記光ファイバ１の端面処理前の部材である。例えば、光ファイバ素材１’がポリメタクリレート製のプラスチック光ファイバである場合には、これを１６０℃程度に加熱する。

次に、金型２の凹凸形状転写面の上方にて光ファイバ素材１’をほぼ垂直に保持し、下方へと移動させる。やがて、図２（ｂ）に示されるように、光ファイバ素材１’の下端面が金型２の凹凸形状転写面に押し当てられる。光ファイバ素材１’の下端面は、金型２からの伝熱により溶融し、金型２の凹凸形状転写面の微細な凹凸形状に密着する。その後、ヒータ２１による金型２の加熱を停止することで、光ファイバ素材１’の下端面は放射冷却により固化する。これにより、金型２の転写面の微細な凹凸形状が光ファイバ素材１’の下端面に転写され、賦形が完了する。

本実施形態によれば、レーザ光や電子ビームで光ファイバ端面を直接描画する方法に比べて、生産性が高く、低コストで、光ファイバ敷設現場での実施も容易である。

なお、以上の実施形態では光ファイバ素材１’として光ファイバ素線そのものを用いた端面処理について説明したが、光ファイバ素線にプラグが装着されたものを光ファイバ素材１’として用いても、同様に端面処理が可能である。

尚、上記の微細な凹凸形状の転写面をもつ金型の作製方法としては、例えば、厚膜のフォトレジストをレーザ光線で直接描画したものからニッケル電鋳型をとる方法などがある。

以下、実施例及び比較例により本発明を説明する。

［実施例］
光ファイバ素材として、長さ１０ｃｍのプラスチック光ファイバ（三菱レイヨン社製ＳＨ４０、ファイバ径１ｍｍ、コア径０．９８ｍｍ、ＮＡ０．５）を準備した。互いに６０度の角度をなす３つの方向にほぼ同等の周期性を持つ凹凸形状の転写面を備えた３ｃｍ角の転写用金型を準備した。金型の転写面の凹凸形状は、上記３つの方向のそれぞれに関して周期２５０ｎｍ，振幅１００ｎｍであった。この金型をヒータにより１６０℃に加熱した。

この加熱状態の金型の形状転写面に、上記光ファイバ素材の片方の端面を押し当てた状態とし、３秒後にヒータの加熱を止め、さらに押し当てた状態を１０秒ほど保持した。

この光ファイバ素材の他方の端面についても同様に処理して、両端面に微細な凹凸形状を形成したプラスチック光ファイバを得た。

図３は、同様にして得たプラスチック光ファイバの一方の端面に金属蒸着を施してトンネル走査顕微鏡で観察した形状を示す図である。互いに６０度の角度をなす３つの方向のそれぞれに関して周期２５０μｍ，振幅８０μｍの微細な凹凸形状が観察され、ほぼ金型の形状転写面の凹凸形状を転写できた。

光ファイバの挿入損失を測定するために、図４のような測定系を用いた。即ち、ハロゲンランプから放射される光をモノクロメータにより波長選択し、レンズ系で平行光とした。まず、長さ１０ｃｍで直径０．９８ｍｍの中空のファイバを介して光パワーメータで光パワーを測定して、光パワーＰ０を得た。次に、先の端面に微細な凹凸形状を形成した長さ１０ｃｍの光ファイバを介して光パワーメータで光パワーを測定して、光パワーＰ１を得た。なお、迷光を防止するために被測定光ファイバの周囲を遮光板で遮光した。挿入損失はＰ１とＰ０との比で定義した。図５に測定結果を示す。波長６５０ｎｍでの挿入損失が０．２ｄＢであり、良好であった。

［比較例］
転写用金型として形状転写面が平滑な平面であるものを用いたこと以外は、実施例と同じようにして両端面が平滑なプラスチック光ファイバを得た。

実施例と同じ方法で、前述の平滑端面をもつプラスチック光ファイバの挿入損失を測定した。図５に測定結果を示す。波長６５０ｎｍでの挿入損失が０．６ｄＢであり、実施例よりかなり劣っていた。

本発明による光ファイバの実施形態における端部の凹凸形状を示す模式図である。本発明による光ファイバの製造方法の一実施形態を示す模式的工程図である。実施例により得られた光ファイバの端面をトンネル走査顕微鏡で観察した形状を示す図である。光ファイバの挿入損失を測定する測定系を示す図である。実施例および比較例により得られた光ファイバの挿入損失を示す図である。

符号の説明

１光ファイバ
１’ 光ファイバ素材
１１〜１４光ファイバ端面の凹凸形状
１５凸部
１６凹部
２転写用金型
２１ヒータ

Claims

少なくとも片方の端面に、周期性を持つ微細な凹凸形状を形成してなることを特徴とする光ファイバ。
請求項１に記載の光ファイバであって、前記微細な凹凸形状の周期性は少なくとも２つの方向に関し存在することを特徴とする光ファイバ。
請求項２に記載の光ファイバであって、前記微細な凹凸形状の周期性は互いに直交する２つの方向に関し存在することを特徴とする光ファイバ。
請求項２に記載の光ファイバであって、前記微細な凹凸形状の周期性は互いに６０度の角度をなす３つの方向に関し存在することを特徴とする光ファイバ。
請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバであって、前記微細な凹凸形状の周期は１００〜４０００ｎｍであることを特徴とする光ファイバ。
請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバであって、前記微細な凹凸形状の振幅は２５〜１０００ｎｍであることを特徴とする光ファイバ。
請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバを製造する方法であって、前記光ファイバの端面の微細な凹凸形状を形成するための凹凸形状転写面を持つ転写用金型を光ファイバ素材の熱変形温度以上に加熱し、前記凹凸形状転写面に前記光ファイバ素材の端面を押し当て、該光ファイバ素材の端面に前記凹凸形状転写面の凹凸形状を転写し賦形することを特徴とする光ファイバの製造方法。