JP2006219355A - 光学素子用母材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い範囲のコア／クラッド材料の組み合わせに対して、特にクラッド断面積に対してコア断面積の小さな光ファイバの製造に適した光ファイバ用母材の製造方法を提供する。
【解決手段】 柱状のコア部と、該コア部の側面の全周囲を取り囲むクラッド部からなる光学素子用母材の製造方法において、前記クラッド部を複数のクラッド部材から構成し、前記クラッド部材の少なくとも１つに長手方向に、コア部を嵌め込むことのできる溝を形成する加工工程と、該溝にコア部を嵌め込み、前記クラッド部材を組み合わせてクラッド部を形成する工程と、を含むことを特徴とする光学素子用母材の製造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信分野などで利用される光学素子を製造するための光学素子用母材の製造方法に関し、光ファイバ用母材、特にシングルモード光ファイバ用母材の製造方法に関する。

近年、光ファイバは、情報通信やその他の分野で広く使われるようになっている。一般的な情報通信の伝送路には、シリカガラスからなるシングルモード光ファイバが用いられる。

しかしそれ以外の光機能、例えば光ファイバ増幅器やセンサ等の用途には、シリカガラス以外のガラスからなる光ファイバもまた、それらの用途に必要な機能の要求に応じて幅広く使われている。

光ファイバは、もっぱら、その光ファイバと断面形状が相似な母材を延伸して製造される。光ファイバ用母材の製造方法として、ＶＡＤ法などの気相合成法やビルトインキャスティング法，ロッドインチューブ法などが周知である。

このうち、気相合成法は、シリカガラスファイバ用母材の製造に広く用いられている方法である。この方法では、燃焼している酸素水素バーナ炎に四塩化ケイ素を混入して二酸化ケイ素に変化させ、その二酸化ケイ素微粒子を堆積させて母材を作製する。

ビルドインキャスティング法は、T. MiyashitaおよびT. ManabeによってIEEE Journal of Quantum Electronics誌 vol.QE18, No.10, 1982, p1432-1450に報告された方法である。この方法では、クラッド部となる融液を筒状の鋳型に鋳込んだ後、融液の中心部分が固まる前に、この中心部分の融液を流し出し、できた空洞部にコア部となる融液を鋳込んで母材を作製する。

ロッドインチューブ法は、クラッド用ガラス塊に穴加工を施してパイプ（チューブ）を作成し、その穴に合う寸法のコアガラス棒（ロッド）を挿入して母材を得る方法である。

T. Miyashita, T. Manabe, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.QE18, No.10, 1982, p1432-1450

しかし、上述の気相合成法では、光ファイバ用母材の原料が、気体あるいは容易に気化させることのできる液体に限られ、その結果、コアおよびクラッドの化学的組成が、非常に狭い範囲に制限されてしまう。また、製造装置が非常に大掛かりであるので、多品種少量生産には向かない。したがって、この気相合成法は、シリカガラスファイバ以外の光ファイバの生産には、必ずしも適していない。

上述のビルトインキャスティング法では、コア部を鋳込む空洞部の形状が、鋳型の底部に向かって狭くなる。したがって、その空洞部にコア部となる融液を鋳込んでできる母材では、コア部の断面寸法が、鋳型の底部方向に向かって小さくなってしまう。その結果、コア部の寸法の均一性に欠ける、という問題点がある。また、上述の空洞部は、ある寸法以下に細くすることが困難である。また、あまりに細い空洞部にコア融液を鋳込むと、とりわけ空洞先端部に気泡の残る欠陥が生じやすい、という問題もある。

したがって、ビルトインキャスティングで作成される光ファイバ用母材は、クラッド部の断面寸法に対するコア部の断面寸法の比を小さくできない。このため、細いコア部断面寸法が要求されるシングルモード光ファイバ用母材として適しているとは言い難い。

上述のロッドインチューブ法を用いて光ファイバ用母材を製造する場合、クラッド用ガラス塊に対して、直径に対して非常に深い穴を加工する必要がある。

しかし、脆性材料の代表であるガラス材料に対してそのような深い穴加工を施すことは、非常な困難が伴う。その困難とは、例えば、以下のようなことである。
（１）穴加工を行なっていると、クラック（ひび）が入ってしまう
（２）穴をまっすぐに開けることができずに蛇行してしまう
（３）穴の直径が不均一になってしまう
（４）穴の内面の表面粗さが粗くなってしまう
（５）穴加工を行なうドリル等の工具が穴の中で折損してしまう

この困難は、パイプの穴の深さに対する断面寸法（円形穴の場合でいう内径）が小さい場合、つまり穴のアスペクト比が大きい場合に特に顕著である。このことは、シングルモード光ファイバ用母材を製造する場合に特に当てはまり、ロッドインチューブ法ではシングルモード光ファイバ用母材を作成する場合に、非常に大きな弱点となる。

本発明は、このような従来技術における問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、以下のようである。広い範囲のコア／クラッド材料を組み合わせる場合でも、コアとクラッドとの界面に欠陥が生じる可能性が小さく、またシングルモード光ファイバの製造に、より適した光学素子用母材とその母材の製造方法を提供することにある。さらに、その母材を用いた光学素子を提供することにある。

本発明の光学素子用母材の製造方法は、柱状のコア部と、そのコア部の側面の全周囲を取り囲むクラッド部からなる光学素子用母材の製造方法において、上述のクラッド部を複数のクラッド部材から構成し、上述のクラッド部材の少なくとも１つに長手方向に、コア部を嵌め込むことのできる溝を形成する加工工程と、その溝にコア部を嵌め込み、上述のクラッド部材を組み合わせてクラッド部を形成する工程とを含むことを特徴とする。

ここで、光学素子用母材の「コア部」とは、光学素子を作製した場合、最終的にその光学素子のコアの部分になる光学素子用母材の一部分のことをいう。「クラッド部」についても同様である。また、上述の「クラッド部」を構成するための部材を「クラッド部材」という。

上述の製造方法によると、溝加工を施されたクラッド部材を組み合わせてなるクラッド部には、その長軸方向に貫通穴を持つ。この母材は、クラッド部の貫通穴部とコア部とが嵌合した構造を持つ。

上述の構造によって、以下の利点が得られる。すなわち、コア部を挿入すべき部分は、１以上のクラッド部材の側面に浅くて長い溝加工を施す工程によって得られる。しかも、その溝の幅に対する深さの比は一般に１以下でよい。従来の方法では、単一のクラッド部材に小さくて深い穴加工を施す、という困難な工程が必要であった。それに対して、本発明では、そのような困難な工程は不要である。したがって、クラッド部を得るための加工の難易度は非常に容易なものにすることができる。そして本発明の製造方法によるとシングルモード光ファイバ用に適した細いコア径の光学素子用母材を容易に製造することができる。

また、上述のクラッド部を構成するクラッド部材の数を２とし、それら２つのクラッド部材の各々に平面を設け、前述の加工工程は、その平面に溝として略半円形の断面形状の溝を形成することが好ましい。

平面は、曲面と比較して、表面粗さを滑らかにすることや、表面清浄度を高くすることが容易である。上述のクラッド部材を組み合わせてクラッド部を構成すると、泡や異物などの混入の少ないクラッド部材間界面を得ることができる。その結果として、光学素子の伝播光に対する透過損失を、より容易に低減することができる。

上述の製造方法によると、クラッド部の貫通穴を、円形断面とすることができ、貫通穴と嵌合させるコア部を円柱にすることができる。この母材から製造した光学素子のコアの断面形状もまた円形にすることができる。コアの断面形状が円形であると、コアが円形断面である光学素子には、他の光学素子などと組み合わせた時の光損失が少ない，コア伝播光の偏波に影響を与えない、という利点がある。

さらに、上述の加工工程は、上述の２つのクラッド部材の平面を向き合わせ、それら平面の間に線状体を挟み、その線状体をクラッド部材に対して相対運動させることによって、上述の略半円形の断面形状とすることが好ましい。

この工程では、線状体の対運動による軌跡に倣って、クラッド部材が研削・研磨される。このとき、この線状体とクラッド部材との間隙に遊離砥粒を供給する、もしくは、あらかじめ砥粒をその側周囲に固定した線状体を用いることが好ましい。なぜなら、上述の相対運動によって、砥粒もまたクラッド部材に対して相対運動し、より効果的に研削・研磨してクラッド部材の溝部を形成させることができるからである。

この工程で砥粒を併用することは、クラッド部材の材質として無機ガラスを用いたときに、特に好ましい。また、用いる砥粒の種類としては特に限定しないが、遊離砥粒としては金剛砂やケイ砂、カーボランダム、酸化セリウムなどを用いることが好ましく、固定砥粒としてはダイヤモンドを用いることが特に好ましい。

また、この略半円形の断面形状の溝を形成する前に、あらかじめ、上述のクラッド部材の平面に、その線状体の断面寸法より小さい断面寸法のガイド溝を形成しておくことが好ましい。なぜなら、先に小さい溝を形成しておくと、線状体を挟み込んだときに、線状体は、その溝に軽く嵌まる。この状態で上述の相対運動を行なわせると、その溝が相対運動のガイドとして働く。そして、相対運動が不用意にずれることを抑制でき、半円形状の溝の真円度や寸法精度を高めることができるからである。

さらに、上述の線状体とクラッド部材との間の相対運動は、線状体を軸とする回転運動であることが好ましい。なぜなら、回転運動を行なわせることによって、線状体の軌跡は回転軸を中心とする円柱を描くので、半円形断面の溝を、より容易に形成させることができる。したがって、クラッド部の貫通穴の真円度を高めることができ、この母材から製造した光学素子のコアの寸法精度を高めることができる。なお、この回転運動は、線状体を回転させてもよいし、クラッド部材を回転させても構わない。

さらに、上述の略半円形の溝を加工した後、それらの溝を向き合わせてクラッド部を形成し、そのクラッド部の外周を円筒形状など任意の形状に加工してもよい。この外形加工は、組み合わされる前のクラッド部材のそれぞれに施してもよいが、組み合わせた後で施すことが好ましい。

円柱状の外形のクラッド部をもつ母材から光学素子を製造すると、円柱形の光学素子を得ることができる。この場合、例えばレンズや光ファイバなど、外形が円形の他の光学素子と組み合わせる際に、位置決めなどで都合がよい。

また、上述の製造方法による光学素子用母材のコア部および／またはクラッド部は、無機ガラス材料からなることが好ましく、より好ましくは、コア部およびクラッド部の両方が無機ガラス材料からなる。本発明の光学素子用母材では、コア部とクラッド部の材料は独立に選ぶことができる。材料選択に自由度があるので、コア／クラッド間の屈折率差など物性の選択が容易に設定できる。

なお、本発明の光学素子用母材では、各クラッド部材相互の界面、およびコア部とクラッド部の界面を一体化させてもよい。好ましくは、光学素子用母材では、上述の界面を密着させておき、その母材から素子を製造するときに、クラッドおよびコアを融着させる。

各部を一体化させた光学素子用母材では、この母材の保管期間中あるいは光学素子の製造工程で、上述の界面の汚染を防ぐことが容易である。光学素子を製造するときに融着させる場合、特に各部に無機ガラス材料を採用する場合に、不必要な失透や分相を回避することができるという大きな利点を有する。

本発明の光学素子用母材を、軸方向にそって延伸して長尺化して光学素子を製造することが好ましく、その光学素子としては、光ファイバであることが好ましい。延伸工程では、光学素子用母材を延伸して光学素子へ成形する寸法を正確に制御できるので、延伸技術は光ファイバの製造に好適である。

本発明では、クラッド部断面寸法に対するコア部断面寸法の比の小さな光学素子用母材を、容易に製造することができる。したがって、本発明の光学素子用母材によると、コア寸法の小さい光学素子を容易に得ることができる。

本発明の光学素子は、例えば、光増幅性を有したガラス材料をコアに採用することにより、光増幅素子が実現できる。光増幅素子を実現する際に、被増幅信号光はコア内をシングルモード伝播することが好ましいとともに、増幅特性の向上のために、より小さなコア径であることが好ましい。

また、本発明の光学素子では、発光特性を有したガラス材料をコアに用いることにより、発光素子を実現することができる。発光素子を実現する際、その光学素子は、光ファイバ，特にシングルモード光ファイバであることが好ましく、また、コアの側面の全周囲をクラッドが取り囲んだ構造のロッド状であってもよい。

本発明の光学素子用母材の製造方法によると、クラッド部断面寸法に対するコア部断面寸法の比の小さい光学素子用母材を、容易に製造することができる。したがって、本発明による製造方法は、光学素子としてシングルモード光ファイバを得るための光学素子用母材の製造に、特に適する。

また、本発明の好ましい製造方法によると、寸法精度の高い円形のコア断面形状を持つ光学素子用母材を、容易に得ることができる。

さらに本発明の光学素子用母材によると、従来法では用いることのできなかった材料をコア部に用いた母材を得ることができ、従来法では実現困難な新しい機能を備えた光学素子が実現できる。

以下、本発明の製造方法、およびその製法による光学素子用母材を、光学素子として光ファイバを製造する場合を実施例に挙げて、図を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の説明に限定されるわけではない。

（光ファイバの設計）
本実施例では、光ファイバ増幅器に用いる光ファイバの作製を目的とする。この光ファイバでは、光増幅特性を有する材料を、コアとして用い、コア内に光を閉じ込めることができるように、コアとクラッドの屈折率を設計した。

この実施例では、コアとして用いる材料に、Ｂｉ₂Ｏ₃を添加したアルミノシリケートガラス組成物を用いた。このガラス組成物は、実質的にＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｌｉ₂Ｏ，ＺｒＯ₂からなり、さらにＢｉ₂Ｏ₃を０．３モル％含有する。その組成および物性を表１に示す。本発明者らの研究によると、少量のＢｉ₂Ｏ₃を含有するこのコア用ガラス組成物は、可視光波長域の光励起によって赤色発光を呈し、可視光波長域あるいは近赤外波長域の励起光によって、赤外波長域で光増幅性を有することが明らかになっている。

クラッド材料には、Ｂｉ₂Ｏ₃を添加しないアルミノシリケートガラス組成物を用いた。このガラス組成物は、実質的にＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，ＭｇＯ，Ｂ₂Ｏ₃からなる。その組成および物性を表１に示す。

コア用ガラス組成物の屈折率は１．５１８であり、クラッド用ガラス組成物の屈折率は１．５１６である。これらのガラスを用いたので、コアのクラッドに対する屈折率差Δｎは０．００２であり、製造される光ファイバの開口数は０．０９である。この開口数から、所定のシングルモードカットオフ波長を得るために必要な、光ファイバのコア直径を設計することができる。例えば、シングルモードカットオフ波長を１．２３μｍあるいは０．７４μｍとするためには、光ファイバのコア直径を、それぞれ１０μｍあるいは６μｍとすればよい。

（クラッド部材の製造）
表１に示すクラッド用母材ガラス組成物からなるガラス塊を、通常の溶融法で得た。そのガラス塊に、通常のガラスに対する機械的な加工法を適用して、切断，研削し、図１（１）に示す２つのクラッド部材１１，１１として、２２×１１×８０ｍｍの直方体を２個得た。さらに、クラッド部材１１，１１の１つの側面を光学研磨し、平面１４，１４とした。

図１（２）に示すように、平面１４，１４の中央に、長軸に平行に、深さ０．３ｍｍ×幅０．６ｍｍの溝１５，１５を形成した。この溝１５，１５の断面寸法は、後述する線状体の断面寸法より小さくした。この加工は、回転砥石型ガラス切断機を用いて行ない、回転砥石の切り込み深さを、上述の光学研磨面から０．３ｍｍに設定した。図１は、２つのクラッド部材１１，１１が向き合っているように描かれているが、ここまでの工程では、２つのクラッド部材１１，１１に対して、個別に加工を施した。

図１（３）に模式的に示すように、平面１４，１４同士を対向接近させ、線状体１６として直径０．９ｍｍで長さ２００ｍｍのピアノ線を、溝１５，１５に軽く嵌まるように挟み込んだ。そのとき、ピアノ線の両端がクラッド部材１１，１１からはみ出すようにした。ピアノ線の直径は、溝１５の幅よりも大きいので、対向させた面同士は接触しないで、隙間が開いた状態になっていた。

線状体１６のクラッド部材１１，１１からはみ出た部分を、金属加工用旋盤のチャックに保持し、クラッド部材１１，１１の隙間を近づける方向に圧力がかかるように手で押しつけた。クラッド部材１１，１１と線状体１６との間に、市水で懸濁させた粗さ＃４００のガラス研磨加工用研磨砂を供給しながら、旋盤を動作させ、線状体１６を回転させた。この懸濁させた研磨砂によって、回転する線状体１６とクラッド部材１１，１１との間での摩擦を低減し、また研削をより速く，かつ円滑に行なわせることができた。また溝１５，１５は、線状体１６のガイドとして作用したので、線状体１６の回転する位置は安定していた。溝加工が進むに従い、２枚のガラス板の間隔は狭くなっていった。その間隔が約０．１ｍｍになった時に、旋盤を一旦停止させ、クラッド部材１１，１１と線状体１６とを水洗した。研磨砂の粗さを＃１０００に代えて、図１（４）に示すように平面１４，１４が密着するまで、上述の加工を続けた。その後、線状体１６を除去し、クラッド部材１１，１１を洗浄した。この加工により、線状体１６の軌跡に倣って、クラッド部材１１，１１に半円形の溝を形成した。

上述の一連の工程により、２２×１１×８０ｍｍの直方体で、２２×８０ｍｍの側面の１つが光学研磨されており、その面の中央に直径１ｍｍ×長さ８０ｍｍの半円形断面の溝１２が長軸と平行に施されているクラッド部材１１を２個製造した。

（コア部の製造）
表１に示すコア用母材ガラス組成物からなり、高温で熔融状態にあるガラス融液を、通常の溶融法により得た。そのガラス融液に液面から円形断面の石英ガラス棒を約３ｍｍ挿入した。その石英ガラス棒を垂直に引き上げ、石英ガラス棒に付着したガラス融液を引き上げて冷却固化させた。この工程により、石英ガラスの断面形状に相似な断面形状である、コア用母材ガラス製丸棒を製造した。なお、ガラス融液の温度、石英ガラス棒を引き上げるときの速度を制御することによって、直径が０．９５〜１．００ｍｍの範囲のガラス製丸棒を得ることができた。そのガラス製丸棒を所定の長さに切断し、コア部を製造した。

（組み立てと外形加工）
図１（５）のようにして、上述のクラッド部材１１，１１の溝１２，１２に、上述のコア部１０を収納し、平面１４，１４を密着させて組み立てた。クラッド部材間の合わせ目に、接着剤を塗布して、クラッド部材を仮止めした。この仮止めの主目的は、後段の工程を経て母材を完成させるまでの間、クラッド部材間の相互位置がずれないようにすることである。この接着剤層の厚さは薄い方が好ましい。また後段のクラッド部材の融着工程あるいは母材の紡糸工程で、蒸発あるいは分解気化してしまうことが好ましい。したがって、接着剤は粘性の低い有機接着剤が好ましく、ここでは瞬間接着剤として市販されているシアノアクリレート系の接着剤を使用した。

組み立てたクラッド部材の両端に、金属製の蓋を接着してから、クラッド部材の外周を直径２０ｍｍの円柱状になるように研削加工した。蓋をした理由は、検索加工時に、研削液・研削剤や研削残渣が、コア部とクラッド部材の間に侵入しないようにするためである。ここでは、蓋とクラッド部材との間に隙間ができないように、市販の２液混合型のエポキシ系接着剤を用いて接着した。組み立てを行なってから研削加工をすることによって、２個のクラッド部材の間で溝の位置に食い違いが生じることがなく、またコア部とクラッド外周の同心度を向上させることができた。

上述の工程によって、図１（６）に示す光ファイバ用母材１を製造することができた。この母材１は、その断面模式図を図２（ａ）に示すように、直径１ｍｍの円形コア部１０が直径２０ｍｍの円形クラッド部１３に囲まれた構造を有している。

この好ましい製造方法よって、クラッド部とコア部の同心度に優れた光学素子用母材１を得ることができた。

（光ファイバの製造）
この母材１を、通常の抵抗加熱型の電気炉を備えた光ファイバ紡糸装置によって、クラッド外径が１２５μｍになるように加熱延伸して紡糸し、光ファイバを製造した。

この光ファイバには、通常の紫外線硬化樹脂によるコーティングを施した。このコーティングの主目的は、ガラスファイバの表面を傷つかないように保護し、光ファイバを折れにくくすることである。この光ファイバは、その断面模式図を図２（ｂ）に示すように、直径６μｍの円形コア２０が直径１２５μｍの円形クラッド２１に囲まれ、さらに樹脂コーティング２２が施された構造を有している。コア径が６μｍであるので、この光ファイバは、０．８μｍ以上の波長域に対して、シングルモード光ファイバとして動作する。また、母材１のクラッド部とコア部の同心円が優れているので、この光ファイバのコアとクラッドの同心度も優れている。

（光ファイバの設計）
本実施例もまた、実施例１と同じく光ファイバ増幅器に用いる光ファイバの作製を目的とする。実施例２と実施例１との最も大きな相違点は、光学素子用母材におけるコア部の形状である。

この実施例では、コア材料に、Ｂｉ₂Ｏ₃を添加したアルミノリン酸塩ガラス組成物を用いた。このガラス組成物は、実質的にＰ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯからなり、さらにＢｉ₂Ｏ₃を０．３モル％含有する。その組成および物性を表１に示す。このコア用ガラス組成物もまた、実施例１のコアガラス組成物と同様、赤色発光を呈し、赤外波長域で光増幅性を有することが、本発明者らの研究によって明らかにされている。

クラッド材料には、アルミノリン酸塩ガラス組成物を用いた。このガラス組成物は、コアガラス組成物と同じ成分からなり、Ｂｉ₂Ｏ₃を含有しない。その組成および代表的な物性を表１に示す。

この実施例の光ファイバでは、実施例１の光ファイバより、光をコアへより強く閉じ込めることを目指した。そこで、製造される光ファイバの開口数を０．２に設計し、実施例１のそれより大きくなるようにした。本実施例で用いたコア用ガラス組成物およびクラッド用ガラス組成物の屈折率は、それぞれ１．５０４および１．４９０であるので、屈折率差Δｎは０．０１４であり、設計した開口数０．２が得られる。

（クラッド部材の製造）
実施例１と同様にして、表１に示すクラッド用母材ガラス組成物からなり、側面の１つが光学研磨された、１９×１０×７０ｍｍのクラッド部材１１を２個得た。

クラッド部材１１には、図１（２）の溝１５に相当する溝加工を施すことなく、線状体１６を挟み込んだ。ただし、この線状体は、直径１．０ｍｍで長さ１５０ｍｍのステンレス製丸棒であって、あらかじめ、粒度４００番のダイヤモンド研磨粒を電着で固定してある。

実施例１と同様に、線状体１６を旋盤のチャックに保持し、線状体１６を回転させて、クラッド部材１１，１１に深さ０．５ｍｍ，直径１ｍｍの半円形の溝を形成した。ただし、クラッド部材１１，１１と線状体１６との間には、懸濁させた研磨砂の代りに、市水を供給した。

上述の一連の工程により、１９×１０×７０ｍｍの直方体で、１９×７０ｍｍの側面の１つが光学研磨されており、その面の中央に直径１ｍｍ×長さ７０ｍｍの半円形断面の溝が長軸と平行に施されているクラッド部材を２個製造した。

（コア部の製造）
表１に示すコア用母材ガラス組成物からなるガラス塊を、通常の溶融法で得た。このガラス塊に、通常のガラスに対する機械的な加工法を適用して、切断，研削し、０．７ｍｍ角×６５ｍｍの正四角柱を得た。さらにこの四角柱の４つの側面に光学研磨を行なって平滑かつ清浄な表面を持つコア部を製造した。

（組み立てと外形加工）
図３（１）のようにして、上述のクラッド部材１１，１１の溝１２，１２に、上述のコア部１０ａを収納して組み立てた。実施例１と同様の工程によって、接着剤による仮止め固定、外周の円筒研削加工を施し、光ファイバ用母材を製造した。この母材の断面模式図を図３（２）に示す。この母材では、一辺０．７ｍｍの正方形断面を持つコア部１０ａが、直径１８ｍｍのクラッド部１３ａに囲まれており、クラッド部１３ａと正方形コア部１０ａとの間には隙間１７を有している。

この好ましい製造方法によると、コア部１０ａの側面の表面清浄度を高めることが容易である。

（光ファイバの製造）
この母材１ａから、実施例１と同じ紡糸装置を用いて、クラッド外径が２００μｍの光ファイバを製造した。製造した光ファイバのコアの断面は直径１１μｍの円形で、コアとクラッドは完全に密着している。この光ファイバには樹脂コーティングを施さなかったが、注意深く扱えばハンドリング中に折損することのないだけの強度が備わっていた。開口数が０．２であるので、光はコアへより強く閉じ込められた。また、母材のコア部表面の表面清浄度が高いので、光ファイバのコアとクラッドに泡や異物が混入することはなかった。

［変形例］
本発明の光学素子用母材の製造方法は、以下に変形例として挙げるように実施してもよい。

この変形例の製造方法によって、クラッド部材とコア部とを組み合わせる方法を、図３（３）および（４）に示す。クラッド部材１１ａ，１１ａは、所定の寸法の四角柱に加工されている。クラッド部材１１ｂには、所定寸法の四角柱から、長軸方向の１稜線を切り欠き、断面がＶ字型の溝１２ａを加工する。

クラッド部材１１ｂに溝１２ａを形成した後、必要に応じて洗浄する。別途成形しておいた、角柱形状のコア部１０ａを溝１２ａに嵌め込み、断面を図３（４）に示す、光学素子用母材１ｂを得る。

この変形例によると、クラッド部材１１ａ，１１ａ，１１ｂの表面，およびコア部１０ａの側面の表面清浄度を高めることが容易なので、この母材１ｂから製造した光学素子の特性の向上に寄与することができる。

［応用例１］
この応用例１では、実施例１で製造した光ファイバの光増幅特性を説明する。

（光ファイバの光増幅特性）
光増幅特性の測定装置の模式図を図４に示す。基本的な構成は、いわゆる順方向励起の光ファイバアンプであって、増幅すべき信号光と光増幅のエネルギー源となる励起光とを合波器であるファイバカプラで合波して光ファイバに入射し、ファイバ内で光増幅を起こさせるものである。

本測定装置では、信号光３０には波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザまたは波長１３１４ｎｍの半導体レーザからなる信号光源３１から得られるレーザ光を用い、また励起光４０には波長８０８ｎｍの半導体レーザからなる励起光源４１から得られるレーザ光を用いた。

光増幅の測定は以下のようにして行なった。まず、測定光学系の調節を行なった。その手順は以下のとおりである。ファイバカプラの出力端に現れる光強度が最大になるように、レンズ５１を介してファイバカプラの信号光入力端５０ｂに信号光３０を入射し光学系を調整した。同様にファイバカプラの出力端５０ｃに現れる光強度が最大になるように、ファイバカプラのポンプ光入力端にポンプ光２０を入射し光学系を調整した。実施例１で製造した光ファイバを長さ１ｍに切断し、試験用光ファイバ１００として測定装置の所定位置に設置し、カプラの出力端から出る光が最もよく試験光ファイバのコアに入射するように調芯を行ない、測定光学系の調節を行なった。なお、試験光ファイバから出射される信号光３２の強度は、レンズ５２およびポンプ光カットフィルタ７２を介して光検出系８０により電気信号に変換し、オシロスコープ９０で観察した。

次に、被測定光ファイバの光増幅特性を評価した。その手順は以下のとおりである。波長１３１４ｎｍ信号光だけを光ファイバ１００に入射させ、光ファイを透過してきた信号光３２の強度を測定した。その状態のまま、励起光２０を同時に光ファイバ１００に入射させ、光ファイバ１００を透過してきた信号光３２の強度を測定した。信号光３２の強度は、励起光２０を同時に入射することによって約２倍に増加しており、光増幅の効果を確認することができた。

信号光の波長を１０６４ｎｍに変更して同様の実験を行なったところ、励起光を同時に光ファイバに入射させることによって、信号光の強度は信号光だけの時と比較して約２倍に強度が増加しており、光増幅の効果を確認することができた。

上述の実験によって、波長１０６４ｎｍと１３１４ｎｍで、増幅利得を確認することができた。発明者らの測定によると、この光ファイバのコアガラスを波長８０８ｎｍの光で励起すると、波長１２３０ｎｍ付近で発光強度が最大を示し、波長約１０５０ｎｍ〜約１４５０ｎｍの範囲では、最大値の約半分以上の発光強度を示す、つまり半値全幅が約４００ｎｍであることが分かっている。また、光増幅特性を示す材料では、発光強度が強いほど、概して増幅利得が高くなることが、一般に知られている。したがって、増幅利得が確認できた波長１０６４ｎｍと１３１４ｎｍとの間の何れの波長でも、光増幅が行なえることが強く期待できる。

［応用例２］
この応用例２では、実施例２で製造した光ファイバの光増幅特性を説明する。

（光ファイバの光増幅特性）
光増幅特性の測定は応用例１と同様に行なった。ただし、本応用例では、励起光２０には半導体レーザ励起緑色ＹＡＧレーザからなる励起光源２１から得られる波長５３２ｎｍのレーザ光を用い、また信号光と励起光との合波はファイバカプラ５０ではなく波長選択性反射鏡（図示せず）を用い、被試験光ファイバに入射した。

本応用例で用いた実施例２の光ファイバにおいても、波長１３１４ｎｍおよび１０６４ｎｍの両方で光増幅の効果を確認することができた。発明者らの測定によると、この光ファイバのコアガラスを波長５３２ｎｍの光で励起すると、波長１１５０ｎｍ付近で発光強度が最大を示し、波長約１０３０ｎｍ〜約１３３０ｎｍの範囲では、最大値の４０％以上の発光強度を示すことが分かっている。したがって、本応用例で用いた実施例２の光ファイバも、応用例１で用いた実施例１の光ファイバと同様、波長１０６４ｎｍと１３１４ｎｍとの間の何れの波長でも、光増幅が行なえることが強く期待できる。

上述の実施例１および２では、光学素子として、光増幅性を有する光ファイバの製造を例に挙げて説明した。本発明は、これらの他に、例えば非線形光学特性を有する材料をコアとするなど、種々の光機能性を付与した光ファイバに対しても適用できる。

また、上述の実施例１および２では、コア部およびクラッド部の材料として、無機ガラス組成物を選択して光ファイバ用母材を製造し、加熱延伸時に同時に融着して光ファイバを製造した。しかし本発明はガラス材料に限られず、樹脂、その他の誘電体材料等、およびそれらの組み合わせに対しても適用できる。

本発明の光学素子用母材の製造方法の一例を説明する模式図である。 実施例１の光学素子用母材および光ファイバの断面図である。 本発明の光学素子用母材の製造方法の他の例を説明する模式図である。 光増幅特性の測定装置の構成を示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 光学素子用母材
１０、１０ａ、 コア部
１１、１１ａ、１１ｂ クラッド部材
１２、１２ａ クラッド部材の溝部
１３、１３ａ、１３ｂ クラッド部
１４ クラッド部材の平面
１５ 線状体より小さな溝
１６ 線状体
１７ 隙間
２０ コア
２１ クラッド
２２ 樹脂コーティング
３０ 信号光
３１ 信号光源
３２ 出力光
４０ 励起光
４１ 励起光源
５０ ファイバカプラ
５０ａ ファイバカプラの励起光入力端
５０ｂ ファイバカプラの信号光入力端
５０ｃ ファイバカプラの出力端
５１、５２ レンズ
７２ ポンプ光カットフィルタ
８０ 信号光検出器
９０ オシロスコープ
１００ 被試験光ファイバ

Claims (12)

1. 柱状のコア部と、該コア部の側面の全周囲を取り囲むクラッド部からなる光学素子用母材の製造方法において、
   前記クラッド部を複数のクラッド部材から構成し、
   前記クラッド部材の少なくとも１つに長手方向に、コア部を嵌め込むことのできる溝を形成する加工工程と、
   該溝にコア部を嵌め込み、前記クラッド部材を組み合わせてクラッド部を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする光学素子用母材の製造方法。
2. 前記クラッド部を構成するクラッド部材の数を２とし、
   該２つのクラッド部材の各々に平面を設け、
   前記加工工程は、該平面に溝として略半円形の断面形状の溝を形成する請求項１に記載の光学素子用母材の製造方法。
3. 前記加工工程は、前記２つのクラッド部材の平面を向き合わせ、該平面の間に線状体を挟み、該線状体をクラッド部材に対して相対運動させることによって、前記略半円形の断面形状とする請求項２に記載の光学素子用母材の製造方法。
4. 前記相対運動を、前記線状体に遊離砥粒を供給しながら行なう請求項３に記載の光学素子用母材の製造方法。
5. 前記線状体の側周囲に、あらかじめ砥粒を固定して用いる請求項３に記載の光学素子用母材の製造方法。
6. さらに、前記略半円形の断面形状の溝を形成する前に、あらかじめ、前記クラッド部材の平面に、前記線状体の断面寸法より小さい断面寸法のガイド溝を形成する請求項３〜５の何れか１項に記載の光学素子用母材の製造方法。
7. 前記線状体と前記クラッド部材との相対運動が前記線状体を軸とする回転運動である請求項３〜６の何れか１項に記載の光学素子用母材の製造方法。
8. 前記２つのクラッド部材に対して前記略半円形の溝を加工した後、該溝を向き合わせてクラッド部を形成し、該クラッド部の外周を円筒状に成形する請求項２〜７の何れか１項に記載の光学素子用母材の製造方法。
9. 請求項１〜７の何れか１項に記載の製造方法を用いて製造した光学素子用母材。
10. 前記コア部および／またはクラッド部が無機ガラス材料からなる請求項９に記載の光学素子用母材。
11. 請求項９または１０に記載の光学素子用母材を延伸して製造した光学素子。
12. 前記コアが発光特性および／または光増幅性を有する請求項１１に記載の光学素子。
    

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