JP2005247620A

JP2005247620A - フォトニッククリスタルファイバの製造方法

Info

Publication number: JP2005247620A
Application number: JP2004059119A
Authority: JP
Inventors: Masataka Nakazawa; 正隆中沢; Hei Yo; 兵姚; Kazumasa Osono; 和正大薗; Yoshinori Kurosawa; 芳宣黒沢
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】細径石英管内壁へのＯＨ基の侵入を防止し、伝送損失の少ないフォトニッククリスタルファイバの製造方法を提供する。
【解決手段】細径石英棒１２を中心とし、その周囲に同一径で片側封止した細径石英管１３の封止端１４及び開放端１５がそれぞれ同じ側になるよう複数の細径石英管を束ねて、フォトニッククリスタルファイバ用プリフォームを作製し、開放端１５側から線引加工するフォトニッククリスタルファイバ１０の製造方法において、線引加工する前に細径石英管１３と石英ジャケット管１６内の空気をＡｒ，Ｎ₂等の不活性ガスに置換することを特徴とするフォトニッククリスタルファイバ１０の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、空孔を有するフォトニッククリスタルファイバに係り、その製造方法に関するものである。

フォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）とは、光ファイバの長手方向に一様な２次元周期構造をもつフォトニック結晶がクラッドに設けられる光ファイバである。ＰＣＦはその導波原理の違いから２種類に大別される。一方は、クラッドに相当する領域にフォトニックバンドギャップを形成し、ブラック反射によって光波をコア内に閉じ込める構造をしており、もう一方は、従来の光ファイバと同様に、コアとクラッドの屈折率差を利用し、全反射によって光波をコア内に閉じ込める構造をしている。このＰＣＦは従来の光ファイバがコアに添加物をドープすることにより、クラッドと屈折率差をつけているのに対し、ＰＣＦはクラッド部空孔を利用して実効屈折率を下げる方法で光閉じ込めを実現している。

ＰＣＦ内の空孔のデザインにより、超広帯域単一モード伝送領域、大きな実効コア断面積、高い比屈折率差、及び大きな構造分散等の通常の光ファイバでは実現できない特性を備えている。

ＰＣＦ用プリフォームの作製方法は、主に特許文献１に示すような研削法と、特許文献２に示すような細径石英管配列法とがある。

研削法は、ＶＡＤ法やＭＣＶＤ法といった公知の方法で通常のプリフォームを作製し、そのプリフォームをドリル等で穿孔した後、空孔内を洗浄し、通常の光ファイバと同様な線引加工をすることでＰＣＦが得られる。

一方、細径石英管配列法は、まず細径石英管の一端を封止し、細径石英棒を中心とし、その周囲に細径石英管を高密充填配置に束ねて石英ジャケット管に挿入する。次に、通常の光ファイバ線引工程により細径石英管の一端を非封止端から加熱して石英ジャケット管内の細径石英管を融着一体化させながら線引きしてフォトニッククリスタルファイバを得る。

特開２００２−１４５６３４号公報米国特許第５８０２２３６号明細書

しかしながら、従来の製造方法では、線引加工時に細径石英管の一端が開口しているため、細径石英管内の空気中の水分が細径石英管内壁近傍に存在しており、線引加工時の高温加熱より、ＯＨ基がフォトニッククリスタルファイバ内に侵入する。このＯＨ基が信号光を吸収し、伝送損失の主要因となっている。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、細径石英管内壁にへのＯＨ基の侵入を防止し、伝送損失の少ないフォトニッククリスタルファイバの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、細径石英棒を中心とし、その周囲に同一径で片側封止した細径石英管の封止端及び開放端がそれぞれ同じ側になるよう複数の細径石英管を束ねて、フォトニッククリスタルファイバ用プリフォームを作製し、開放端側から線引加工するフォトニッククリスタルファイバの製造方法において、線引加工する前に細径石英管とジャケット石英管内の空気をＡｒ，Ｎ₂等の不活性ガスに置換するフォトニッククリスタルファイバの製造方法である。

請求項２の発明は、細径石英管内圧Ｐ₁ 、線引炉内圧Ｐ₀ 及びフォトニッククリスタルファイバ用プリフォーム内圧Ｐ₂ をそれぞれ制御し、Ｐ₁＞Ｐ₀＞Ｐ₂ の関係を満たしながら線引加工する請求項１記載のフォトニッククリスタルファイバの製造方法である。

本発明によれば、以下に示すごとく優れた効果を発揮する。

（１）フォトニッククリスタルファイバの空孔内への水分（ＯＨ基）やゴミ等の浸入を防ぎ、伝送損失等の光特性の劣化を防ぐ。

（２）細径石英管及び石英ジャケット管の圧力を制御することで、所望の構造のフォトニッククリスタルファイバを製作できる。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に、本実施形態のＰＣＦ用プリフォーム１１を作製するプリフォーム本体１０の断面図を示し、（ａ）はその縦断面図であり、（ｂ）はその横断面図である。

プリフォーム本体１０は、石英ジャケット管１６の中央にＰＣＦのコア部を形成するための細径石英棒１２を設け、その周囲にクラッド部の空孔を形成する複数（図では６０本）の細径石英管１３を、蜂の巣のような六方格子状に設けてなる。細径石英管１３はすべて同一径であり、細径石英管１３は一端が封止され、他端は開口されており、その封止端１４及び開放端１５はそれぞれ同じ側にある（図１（ａ）では上側が封止端１４、下側が開放端１５）。また、各細径石英管１３の間及び細径石英管１３の群と石英ジャケット管１６の内壁との間には石英細径管間空隙２６がある。

次に、本実施形態のフォトニッククリスタルファイバの作製方法について説明する。

はじめに、コア部形成用の細径石英棒１２と、空孔形成用の細径石英管１３を適度な長さに切断した後、細径石英棒１２及び細径石英管１３の表面に付着している汚れやゴミを除去する。その除去方法は、まず流水でファイバ破片などの大きいゴミを洗い流した後、エチルアルコールやトリクロルエチレン等の有機洗浄液を用いて超音波洗浄を行い、細径石英棒１２と細径石英管１３の表面から遊離したゴミや汚れを純水で洗い流し、その後、濃度の薄いフッ酸を用いて洗浄する。

洗浄した細径石英管１３を酸、水素を混合させたトーチで加熱しながら、切断する長さまで引き延ばし、その片端を封止し、封止端１４を形成する。その後、鋭くなっていた先端を再度加熱して丸める。

細径石英管１３の片端を封止した後、細径石英棒１２及び細径石英管１３を石英ジャケット管１６に配列する。この時、各細径石英管１３は、細径石英棒１２に平行で、石英管１３の両端面が同一位置となるように稠密に配列する。細径石英棒１２及び細径石英管１３の配列は純水中で超音波による微振動を与えながら、純水をいれた超音波洗浄器の中に所定寸法の石英ジャケット管１６を斜めにたて、その中に細径石英棒１２と細径石英管１３をいれることにより行う。

外径２０ｍｍ、内径１０ｍｍの石英ジャケット管１６は、細径石英棒１２と細径石英管１３よりも２０〜３０ｍｍ長く形成している。また、石英ジャケット管１６の長手方向の寸法精度は配列の良否に大きく影響するため、内径変動は±０．１ｍｍ以下のものを使用する必要がある。配列した石英ジャケット管１６を乾燥用の容器にいれ、蒸発乾燥させる。

細径石英棒１２及び細径石英管１３を配列し、乾燥をした後、図２（ａ）に示すように、石英ジャケット管１６の一端（細径石英管１３の封止端１４側）に石英枝管１７を酸水素バーナ１８を用いて融着接続する。このとき、酸水素バーナ１８の炎によって細径石英管１３内及び空隙２６にゴミや水分が混入しないように、一端から常にフィルタ１９を通してＮ₂ を流しながら行う。その後、図２（ｂ）に示すように、石英ジャケット管１６の他端（細径石英管１３の開放端１５側）を石英キャップ１９で封止する。これらの作業はガラス旋盤（図示せず）で行った。さらに、石英枝管１７に二つのガラスパイプ２１，２１を有する石英キャップ２２と融着接続して、ＰＣＦ用プリフォーム１１が得られる。

次に、ＰＣＦ用プリフォーム１１を線引する工程を図３に示す概略図を用いて説明する。

得られたプリフォーム１１のガラスパイプ２１，２１の各々に真空ポンプ等の減圧装置２５とＮ₂ ガスを流入させる加圧装置２４が接続され、ＰＣＦ用プリフォーム１１は、炉内圧を調整できる線引炉２７内に設置され、線引炉２７には加熱装置２３が設けられている。

まず、線引する前段階で細径石英管１３と石英ジャケット管１６内の空気を真空ポンプ等の減圧装置２５により排除してから、加圧装置２４により不活性ガスであるＮ₂ を流入させ、空気をＮ₂ に置換する。この時に使用する不活性ガスとしてはＮ₂ に限らず、Ａｒ，Ｈｅ等が挙げられ、その他にＣｌ₂ などを用いてもよい。

そして、減圧装置２５により細径石英管内圧Ｐ₁ 、ＰＣＦ用プリフォーム内圧Ｐ₂ を線引炉内圧Ｐ₀ より低く制御する（図２（ｂ）参照）。

線引する時には、加熱によって細径石英管内圧Ｐ₁ 及びプリフォーム内圧Ｐ₂ が上昇する。よって、プリフォーム内圧Ｐ₂ を減圧装置２５により線引炉内圧Ｐ₀ よりも低下させる。このとき、プリフォーム１１の下端が加熱され、細径石英管１３の開放端１５が封止されるため、細径石英管内圧Ｐ₁ は高いままの状態で保持される。

これにより、細径石英管内圧Ｐ₁ 、ＰＣＦ用プリフォーム内圧Ｐ₂ 、線引炉内圧Ｐ₀ がＰ₁＞Ｐ₀＞Ｐ₂ の関係となるよう制御される。線引炉内圧Ｐ₀ より細径石英管内圧Ｐ₁ を高くすることでＰＣＦの空孔が形成され、プリフォーム内圧Ｐ₂ をＰ₀ ，Ｐ₁ より低くすることで、プリフォーム内の細径石英管間空隙２６を無くすことができる。この最適化された圧力下で線引すると、径の細いＰＣＦ３０となり、そのＰＣＦ３０は安定したフォトニッククリスタル構造を有する。

その後、図示はしないが、ＰＣＦ３０は、その外径を一定に保つために速度制御されて線引きされながら、ＰＣＦ３０の周囲に適宜ＵＶ被覆樹脂のコーティングが施される。

得られたＰＣＦ３０は、波長１．５５μｍの光波を入射させたとき、分散が６０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍと分散補償の特性を備えると共に、ＯＨによる吸収損失は５ｄＢ／ｋｍと小さく、また伝搬損失１．２ｄＢ／ｋｍと非常に低損失なフォトニッククリスタルファイバが得られた。

本実施の形態により作製されたＰＣＦ３０は、ＰＣＦ用プリフォーム１１を線引加工する前に、細径石英管１３内の空気を一括して窒素等の不活性ガスに置換することにより、空気中に含まれる水分、つまりＯＨ基が除去されるため、ＯＨ基による光吸収が低減され、低損失なフォトニックファイバとなる。

また、細径石英管内圧Ｐ₁ 、ＰＣＦ用プリフォーム内圧Ｐ₂ 、線引炉内圧Ｐ₀ がＰ₁＞Ｐ₀＞Ｐ₂ の関係を保ちながら線引することで安定なフォトニッククリスタル構造を有するＰＣＦが得られる。

以下、本発明の実施例を比較例と共に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。

（実施例１）
細径石英棒、細径石英管の長さを３００ｍｍで切断し、その表面を、エチルアルコールとトリクロルエチレンを用いて超音波洗浄し、純水で洗い流した後、濃度１〜２％のフッ酸を用いて洗浄した。

石英ジャケット管は、外径２０ｍｍ、内径１０ｍｍであり、純水中において細径石英棒及び細径石英管を高密充填配列し、それらを蒸発、乾燥させ、プリフォーム本体を作製する。

その後、プリフォーム本体に石英枝管を酸水素バーナで溶融接続し、その際細径石英管の開放端側からフィルタを通してＮ₂ ガスを流入した。

細径石英管の開放端側に石英キャップ，石英枝ガラス管側に石英キャップを融着接続してＰＣＦ用プリフォームを得た。

得られたＰＣＦ用プリフォームを線引する前に、細径石英管と石英ジャケット管の空気を真空ポンプ等の減圧装置により排除してから、加圧装置によりＮ₂ ガスと置換し、減圧装置を用いて細径石英管内圧Ｐ₁ 、ＰＣＦ用プリフォーム内圧Ｐ₂ を線引炉内圧Ｐ₀ より低くする。

線引時には、加熱装置によって加熱、溶融されるＰＣＦ用プリフォーム内の細径石英管の内圧Ｐ₁ を上昇させる。

線引中は、ＰＣＦ用プリフォームを加熱、溶融するので、細径石英管の開放端は封止されて、減圧装置でプリフォーム内圧Ｐ₂ のみ減少できる。そして、細径石英管間空隙を無くすために、ＰＣＦ用プリフォームの内圧Ｐ₂ を減圧装置を用いてさらに低くし、ＰＣＦ用プリフォームと細径石英管との内圧差を最適化する。

この時の細径石英管内圧Ｐ₁ 、線引炉内圧Ｐ₀ 及びＰＣＦ用プリフォーム内圧Ｐ₂ の関係がＰ₁＞Ｐ₀＞Ｐ₂ となった状態で、ＰＣＦ用プリフォームを線引きし、安定したフォトニッククリスタル構造をもつＰＣＦが得られる。

（比較例１）
比較例１は、実施例１と同様の製造方法により得られたＰＣＦ用プリフォームを線引きする工程において、細径石英管内圧Ｐ₁ とプリフォーム内圧Ｐ₂ の圧力制御を一切行わなかった例である。よって、ＰＣＦ用プリフォームを加熱溶融する際に、その加熱温度で細径石英管内圧Ｐ₁ 、プリフォーム内圧Ｐ₂ が共に上昇し、それが線引炉内圧Ｐ₀ より高くなり、線引中のＰＣＦ用プリフォームの先端が破裂し、安定なＰＣＦが得られなかった。

（比較例２）
実施例１と同様の製造方法により得られたＰＣＦ用プリフォームを用いて、線引きする前段階で、予め減圧装置により細径石英管内圧Ｐ₁ 及びプリフォーム内圧Ｐ₂ を線引炉内圧Ｐ₀ より低くした。そして、ＰＣＦ用プリフォームを加熱溶融する際に、その加熱温度で細径石英管内圧Ｐ₁ が上昇し、その内圧Ｐ₁ を最適化する。

しかし、線引中にＰＣＦ用プリフォーム内圧Ｐ₂ を減圧装置を用いてさらに低下させることをしない場合、ＰＣＦ用プリフォーム内圧Ｐ₂ は加熱されて細径石英管内圧Ｐ₁ と同じあるいは大きくなり、石英ジャケット管内に形成された細径石英管間空隙を無くすことができず、安定なフォトニッククリスタル構造を有するＰＣＦは得られなかった。

（比較例３）
比較例３は、線引工程前に細径石英管内の空気を不活性ガスで置換しなかったこと以外は実施例１と同様にしてＰＣＦを作製した。

そのＰＣＦの特性を調べたところ、波長１．３８μｍでのＯＨ基吸収損失は５５ｄＢ／ｋｍと非常に大きかった。これはＯＨ基による吸収のピークがこの波長近傍にあるためであり、このことから、ＯＨ基、つまり水分が除去されずに残留していることがわかる。

また、波長１．５５μｍでの伝送損失は３．２ｄＢ／ｋｍであり、ＯＨ基吸収による影響があまり大きくない波長帯では低損失なＰＣＦが得られた。

以上より、細径石英内管、ＰＣＦ用プリフォーム内、及び線引炉の圧力を制御すれば、安定したフォトニッククリスタル構造を有するＰＣＦが得られることがわかる。

本発明に係るフォトニッククリスタルファイバ用プリフォームの実施形態を示し、（ａ）はその縦断面図を示し、（ｂ）はその横断面図である。（ａ）は、図１のプリフォーム本体に石英枝管を融着する方法を説明する概略図であり、（ｂ）は、フォトニッククリスタルファイバ用プリフォームの概略図である。図２（ｂ）のフォトニッククリスタルファイバ用プリフォームの線引工程を示す概略図である。

符号の説明

１１フォトニッククリスタルファイバ用プリフォーム
１２細径石英棒
１３細径石英管
１４封止端
１５開放端
１６石英ジャケット管
３０フォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）

Claims

細径石英棒を中心とし、その周囲に同一径で片側封止した細径石英管の封止端及び開放端がそれぞれ同じ側になるよう複数の細径石英管を束ねて、フォトニッククリスタルファイバ用プリフォームを作製し、開放端側から線引加工するフォトニッククリスタルファイバの製造方法において、線引加工する前に細径石英管と石英ジャケット管内の空気をＡｒ，Ｎ₂ 等の不活性ガスに置換することを特徴とするフォトニッククリスタルファイバの製造方法。
細径石英管内圧Ｐ₁ 、線引炉内圧Ｐ₀ 及びフォトニッククリスタルファイバ用プリフォーム内の圧力Ｐ₂ をそれぞれ制御し、Ｐ₁＞Ｐ₀＞Ｐ₂ の関係を満たしながら線引加工する請求項１記載のフォトニッククリスタルファイバの製造方法。