JP2007534592A - 光ファイバー、そのプリフォーム更にはこれらの製造法と製造装置 - Google Patents

Abstract

光ファイバー製造法で、第一一次軸（ｘ１）と外面（１１１）を有する一次光ファイバープリフォーム（１１）を第二一次軸（ｘ２）と内面（１２０）を有するオーバークラッド管（１２）に挿入し、その結果該外面と内面が内部空間（１５）を規定し、互いに十分に整合した該第一一次軸ｘ１と第二一次軸（ｘ２）によりオーバークラッド管（１２）内の中心位置に挿入した一次プリフォーム（１１）を保持し、閉鎖部（１２５）によりオーバークラッド管（１２）下端の限られた内部空間（１５）にオーバークラッド粒子（１３）を供給し、一次光ファイバープリフォーム（１１）とオーバークラッド管（１２）を適所に保持する接合部（３）によるオーバークラッド管（１２）上端の限られた内部空間（１５）内に減圧条件を発生し、一次プリフォーム（１１）、オーバークラッド管（１２）及びオーバークラッド粒子（１３）からなる未処理二次プリフォーム（１）下端を加熱して軟化状態にし、それから同時に又は逐次光ファイバーを線引きするステップからなる方法。
【選択図】図６

Description

本発明はフォトニック結晶ファイバーのような光ファイバー製造法と製造装置に関し、光ファイバー製造に用いるプリフォームと該法により製造する光ファイバーに関する。

超高速データ通信ネットワークで現在使用のファイバーのような光ファイバー製造については、文献（１）のムール、シー、グプタ（Mool C. Gupta）、光通信学ハンドブック（Handbook of Photonics）、シーアールシープレス（CRC Press）、１９９７年、ボカラトン（Boca Raton）、１０．７章、４４５−４４９頁に記載されている。光ファイバー製造の主工程はガラス母材を製造し（以下プレフォームと呼ぶ）、プレフォームからファイバーを線引きし、そのファイバーを取り扱いや環境による影響から保護する材料を塗布することである。

文献（１）によると、プリフォーム形成には基本的には三つの方法があり、内付け法（ＭＣＶＤ）、外付け法（ＯＶＤ）及び気相軸付け法（ＶＡＤ）である。

線引き工程ではプリフォームを上部から炉線引き部に供給しながらトラクターを用いて底部から線引きする。次いでファイバーを引っ張り強度を監視しながらドラムに巻き取る。線引き時の温度は２０００℃近くである。炉から出たファイバーをドラムに巻き上げる前にＵＶ硬化性コート剤で塗布する。

文献（２）の米国特許６，５１９，９７４Ｂ１に記載のように、ＭＣＶＤ法は他法に勝るある利点がある。ＭＣＣＤ法では酸化ケイ素と酸化ゲルマニア、リン及びフッ素を含むドーパントの連続層を１８００℃程度の温度で塩化物蒸気と酸素を混合して石英ガラス管内に蒸着する。層蒸着工程はクラッド層が先ず作られ、次いでコアを形成する層を蒸着する。層蒸着後、内部階層化石英管を緻密な石英棒が形成されるように塩素ガスとヘリウム存在下で加熱する。

文献（２）に更に記載のようにＭＣＶＤ法のみを使用した場合には、直径２５ミリ以上のプリフォーム形成には適さない固有の限界がある。この限界を克服するために、ＭＣＶＤ法はしばしば比較的大きなプリフォーム製造が可能でその結果ファイバー製造工程の生産性を改良できる、所謂オーバークラッド法を実施する。在来のオーバークラッド化は一般には棒プリフォームを適切なオーバークラッド材料からなる管内に置き、棒と管を融合して二次プリフォームを形成し、二次プリフォームを線引きしてクラッド層内に密閉されたコアを含む光ファイバーに線引きすることからなる。従ってＭＣＶＤ法実施で高い生産を得るには次の三つの根本的なステップが必要である。内部蒸着による一次光ファイバープリフォームの製造、二次光ファイバープリフォームを得るための一次光ファイバーのオーバークラッド化、及び最後に二次光ファイバープリフォームの光ファイバーへの線引きである。

文献（２）ではこれら三つのステップを実行するには以下のことが別々に必要であることが分かった。
a）多大の時間が必要でその結果生産性に負の影響があり、
ｂ）一次光ファイバープリフォームをオーバークラッドする段階で大量の酸素か水素が必要であり、且つ
ｃ）一次光ファイバープリフォームが比較的大きい場合、オーバークラッド化ステップで比較的大量の熱をかける必要がある。

これらの欠点を克服するために、オーバークラッド化ステップと線引きステップとの組み合わせが、例えば文献（３）の米国特許２，９８０，９５７で提案された。文献（３）に開示の方法は、線引き前にコア棒とそれに同心配置のオーバークラッド管間を高真空にし、線引き力が相殺されように制御し且つ管部材がコア棒とオーバークラッド管間の空間で連続的に潰れるよう低真空をさらに制御するステップからなる。融合段階と線引き段階の組み合わせでの問題の一つは、完成した光ファイバーが通信への現代的応用に十分な強度と光学的品質をもつに十分な精度で真空を制御することであった。

文献（２）で扱われた他の面はコア棒とオーバークラッド管の適切配置である。文献（４）の米国特許４，８２０、３２２で開示の方法では、コアとクラッドが同心の強力なファイバーが製造でき、オーバークラッド管の潰れを促進するように真空を用い、別の製造段階かファイバー線引きと組み合わせた連続法のいずれかを使用できる。文献（２）に記載のように、文献（４）に開示の方法では棒とオーバークラッド管間のギャップに限界がある。管内径はある量以上棒直径を越えられない。更に管潰れとファイバー線引きを組み合わした実施形態では棒の管中心配置に積極的な手段は用いず、代わりに同心性に関してはファイバーをロッドアンドチューブプリフォーム先端が線引きするときに存在すると考えられる固有の自己中心化力に依存する。

上記工法を改良するために棒をオーバークラッド管と同時に融合しながら、ロッドアンドチューブプリフォームから光ファイバーを線引きできる方法が文献（２）に提案された。このロッドインチューブ法は差圧を微調整できる弱い真空源を用いる。これにより線引きファイバークラッド層の円周が所望の均一性確保を保証できるようコア棒とオーバークラッド管配置制御が提供される。第一一次軸と外面を有する一次光ファイバープリフォームと第二一次軸と内部空間を規定する内面を有するオーバークラッド管を、二次プリフォーム組み立て品として一緒に同軸配置で保持した接合部にガス流を導入して弱い真空度を得る。導管から接合部へのガス流によりベルヌーイの定理に従う減圧条件を発生し、その結果オーバークラッド管と一次光ファイバープリフォーム間の空間を一部排気する。導管中の流速によりこの空間でのガス圧の減少程度が決まる。

文献（２）によるとロッドインチュウーブ法の実現性での主な懸念は配置法と正確に制御した真空の適用に集中する。しかしこれらの周知の主な懸念以外に、ロッドアンドチューブプリフォームから高品質光ファイバーへの製造費が継続した懸念である。

それ故ロッドアンドチューブプリフォームから高品質光ファイバーを製造できる改良法と装置の提供が望まれる。

ロッドアンドチューブプリフォームから高品質光ファイバーを非常に低コストで製造できる方法の提供が特に望まれる。

更にロッドアンドチューブプリフォームでの棒と管配置精度の必要性を低減し、同時に逐次プリフォーム融合とファイバー線引き又は同時プリフォーム融合とファイバー線引きでの真空度制御精度の必要性を低減できる方法の提供が望まれる。

更に新規な方法が使用できるロッドアンドチューブプリフォームと同様に該ロッドアンドチューブプリフォームから高品質光ファイバープリフォームを作成することが望まれる。

更に該ロッドアンドチューブプリフォームから線引きした光ファイバー物性をより少ない努力で改良できるロッドアンドチューブプリフォームを作成することが望まれる。

しかし“一本の棒と一本の管”プリフォームに基づく従来のファイバー以外に、光ガイドについて新しい機構に依存する所謂フォトニック結晶ファイバー（ＰＣＦ）が近年出現した。

文献（８）の米国特許６，８４５，２０４に記載のように、従来の導波路は全反射として周知の物理的効果により電磁場（光かフォトン）をガイドすることで操作する。この基本的効果を用いることで、導波路ガイド軸に直角な方向での光パワー伝送（又は損失）が減少する。しばしば誘電材料（光ファイバーでの）や半導体（集積光学での）から製造するこれら導波路で全反射を得るには、周囲クラッド屈折率より高いコア屈折率を使用する必要がある。

しかしこの１０年の間に新材料分野での開発により、所謂光バンドギャップ（ＰＢＧ）効果を用いて空洞や導波路での光り局在化や電磁場制御の可能性が切り開かれた。電磁場伝送をある周波数間隔とある方向で禁止するように格子サイズと応用材料を選択した空間的な周期性格子構造を与えてＰＢＧ効果を導入しても良い。

フォトニック結晶周期性を居所的に破って周囲のバルクフォトニック結晶とは異なる光学物性を有する空間領域を作ることができる。この欠陥領域により周囲の完全な周期性結晶の禁止ギャップ内に入る周波数をもつモードを支える場合、これらモードはこの欠陥部に強く閉じこめられる。これがＰＢＧガイドファイバー操作の依存する原理であり、即ちフォトニック結晶クラッドが示す完全な面外二次元バンドギャップと正しい設計の欠陥により、非常に強い横方向の閉じこめ可能な空間領域を形成する。周囲の周期性構造とは異なる光学物性を示すこの欠陥領域に関して、通常フォトニック結晶ファイバーのコアである欠陥領域が周囲より高屈折率を有する必要性はないことに気づくのは重要である。従ってフォトニック結晶ファイバーは中空コアか非中空コアからなっても良い。

従来のファイバーに比してフォトニック結晶ファイバーは複雑な構造からなる。フォトニック結晶ファイバーは通常長手方向に伸びたコア領域と長手方向に伸びたクラッド領域を有し、該クラッド領域はそれぞれが導波路の長手方向に伸びた中心軸を有する細長い一次要素を有する実質的に少なくとも二次元の周期性構造からなる。一次要素は細長い要素に隣接の任意材料の屈折率より低い屈折率を有する。

それ故クラッドは導波路軸周りのコアを囲む誘電閉じこめ領域を形成する。バンドギャップ効果に基づいて閉じこめ領域により電磁放射を導波路軸の沿って少なくとも第一範囲の周波数にガイドする。その結果光が全反射でなく、光の絶縁体のよう働くクラッドが示すバンドギャップ効果によりコア内に捕らえられる。

少なくとも一種の細長い構造要素を含む周期性構造は、一つの所望バンドギャップか所望次元を有する複数バンドギャップを得るように種々な形で規定できる。

細長い一次要素、細長い二次要素或いは更なる細長い要素の幾何的形状と大きさと同様に通常互いに異なる。

更に文献（９）の米国特許６．６２５，３６４によると、大きいコア半径（例えばガイド放射波長の約２倍より大きい）を有するフォトニック結晶ファイバーに設計より多くの好ましい物性がもたらされることが認められている。例えばフォトニック結晶ファイバーのガイドモード用コアの外部でのエネルギー比はコア半径の三乗の逆比例する。従って誘電閉じこめ層による放射損失と散逸損失はコア半径を増やすことで非常に小さくできる。更に閉じこめ機構は全反射（ＴＩＲ）に基づいていないので、コア材は比較的大きな屈折率をもつ材料に限定されない。従ってコア材は損失と非線形性を最小化するように選択できる。例えばファイバーは中空コアを有しても良い。更にコア外部の層（或いは領域）として屈折率に大きなコントラストをもつ材料を選んでコア内閉じこめを更に改善する。コアの大きな半径により外層（又は領域）による散逸がより小さな問題となるので、このコントラストが可能となり、その結果外層（又は領域）の組成材料を吸収損失よりは所望屈折率コントラストがあることに基づいてより多く選択できる。

その結果製造業者には複雑な構造のプリフォームを最小の努力とコストで設定生産でき、更に最適化した構造やマルチコア構造さえも将来提案できるかもしれないことを覚えておくのは重要である。

更に特に複雑な構造では望まない空洞を避けるながら（文献（１０）の米国特許６，６９８，２４９参照）、バンドギャップ勾配を避けるように所望の細長い空洞を正確に実現することは重要である。

今日あるプリフォームは何百の毛細管と棒を適切なパターンのホールを有する構造にまで積み重ねて作成する。中空コアは一個以上の毛細管を非常により大きい直径をもつ中空管で置き換えて作成する。次いでこのプリフォームをファイバー線引き塔の炉に導入し、一緒に融合し１乃至１０ｍｍの大きさに線引きする。次いで最終大きさに線引きする前にスリーブ管を加える。クリスタルファイバー社（Crystal Fibre A/S）が用いるこの方法では、より大きいプリフォーム製造にはかなりの努力が伴う。

低屈折率ガイド物性の基本的要素であるＰＢＧ効果はクラッド構造の周期性により得られるので、電磁場を閉じこめるのに非常に短周期が必要なだけで、文献（８）によると周期性含有プリフォームの一部への在来のオーバークラッド化の使用が可能である。それ故周知のオーバークラッド法、例えば該スリーブ化の使用が可能である。

在来のオーバークラッド法の代わりとしては、文献（８）にファイバーを包囲したコア領域の構成を好ましい設計の周期的クラッド領域により、最密配置に毛細管を束ねる他法が示唆されている。所定位置に固定する必要がある毛細管を有するこの周期性領域び外部で、機械振動で所定位置により細いガラス棒を詰めて、外側ファイバー構造（外クラッド領域に対応する）を形成しても良い。次いで後にプリフォームをファイバーに線引きする場合、外側クラッド構造が一緒に溶融して（ほぼ）非中空外側クラッドを形成する。ファイバーの周期的部分の外側での不均一分布による表面張力により周期性に大きな変形が生じない細いガラス棒を外側に配置する必要がある。しかし複雑な構造を考慮すると、精細な毛細管に振動を与えるのは管のひび割れや、空洞が開いたままであるか周期的構造を乱す危険を伴う。

新しい機能性を有するフォトニック結晶ファイバーの製造は、特別なドープ材やファイバー素地（例えばガラスやポリマー）とは非常に異なる材料からなるファイバーの内部領域に導入できるので、製造工程は細い棒状ドープ材（又は異なる材料）を最密充填の周期的素地構造の明確な場所に導入することからなる。代わりに毛細管のあるものはドープ材から作成できるかも知れなく、プリフォーム（又はプリフォームの一部）を素地棒と素地管に拡散するか結合できる材料の溶液にさえ配置できるかも知れない。更なる積み重ねや代替え工程が続く前にプリフォームの特定部分を個々に加工できるかも知れないので、この方法は非常に高度な柔軟性が可能となる。

それ故高品質フォトニック結晶ファイバーを対応プリフォームから製造できる改良法と装置を提供することが更に望まれる。

更にフォトニック結晶ファイバー用プリフォームの製造を容易にし、より大きなプリフォームを製造できる方法を提供することが望まれる。

所望の周期的構造を得るには周知の方法では必須な幾何的大きさを無視しながら、製造済みフォトニック結晶ファイバー性能が最適なように選べる管と棒を正確に有する複雑な構造を実現できる方法を提供することが望まれる。

更に構造要素を独立に選択配置できる方法を提供することが望まれる。

更に高品質フォトニック結晶ファイバーを線引きに新規な方法を使用してプリフォームを作成することが望まれる。

本発明の上記目的と他の目的は請求項１か２による方法、請求項１４によるプリフォーム、請求項１８による光ファイバー及び請求項１９による装置で達成する。

請求項１による光ファイバー製造法は以下のステップからなる。
第一一次軸と外面を有する一次光ファイバープリフォームを第二一次軸と内面を有するオーバークラッド管に挿入し、その結果該外面と内面により内部空間を規定し、
挿入位がオーバークラッド管内の中心にある一次プリフォームを互いに十分に整合した該第一一次軸と第二一次軸で保持し、
閉鎖部によりオーバークラッド管下端の限られた内部空間にオーバークラッド粒子を供給し、
一次光ファイバープリフォームとオーバークラッド管を所定位置に保持する接合部によりオーバークラッド管上端の限られた内部空間に減圧条件を発生し、
好ましくは２１００℃乃至２２５０℃範囲の炉で、一次プリフォーム、オーバークラッド管及びオーバークラッド粒子からなる未加工二次プリフォーム下端を軟化状態に加熱し、同時にそれを光ファイバーに線引きするか、又は
炉を用いて一次プリフォーム、オーバークラッド管及びオーバークラッド粒子からなる未加工の二次プリフォームを実質的に全長で加工済み二次プリフォームを得るために加熱し、次の工程段階で光ファイバーに線引きする。

請求項２によるフォトニック結晶ファイバー製造法は以下のステップからなる。
第一一次軸と外面を有し少なくとも実質的に二次元周期性構造に配列した細長い構造要素を第二一次軸と内面を有するオーバークラッド管に挿入し、該外面と内面で内部空間を規定し、
第一一次軸を有する構造要素をオーバークラッド管の第二一次軸に平行に保持し、
閉鎖部でオーバークラッド管下端を制限した内部空間にオーバークラッド粒子を供給し、
好ましくは接合部でオーバークラッド管上端を制限した内部空間内に減圧状態を発生し、且つ炉を用いて、細長い構造要素、オーバークラッド管及びオーバークラッド粒子を有する製造済みプリフォーム下端を軟化状態に加熱し、同時にそれを光ファイバーに線引きするか、又は
炉を用いて細長い構造要素、オーバークラッド管及びオーバークラッド粒子を有する製造済みプリフォームを実質的に全長で加工済みプリフォームを得るために加熱し、次の工程段階で光ファイバーに線引きする。

炉が与える熱エネルギーと二次プリフォーム内外に圧力差を生じることにより、オーバークラッド管は潰れ、融解したオーバークラッド粒子を一次プリフォームか構造要素に押しつける。一次プリフォームは又構造要素なので、請求項１と２の間には基本的には差がない。

オーバークラッド管とオーバークラッド粒子のオーバークラッド材が潰れる場合、文献（２）の実施例に記載の在来のロッドアンドチューブを用いる厚いオーバークラッド管で起こるのと同様に、一次プリフォームと接合した実質的に均質な層を形成する。

二次プリフォーム融合とファイバー線引きを文献（２）に記載の方法で同時に実施できる。しかし加工済み二次プリフォームを得るために未加工二次プリフォームを予備工程段階で又加工でき、この加工済み二次プリフォームから現在の加工場所か別の加工場所で次工程の光ファイバー線引きができる。

しかし本発明は上記の先行技術に勝る多くの利点をもたらす。

厚壁を有するオーバークラッド管を一次プリフォームの鞘として通す周知の二次プリフォーム製造法は放棄される。代わりに薄壁を有するオーバークラッド管を用いて、一次プリフォームとオーバークラッド管内面間の内部空間をシリカ粒子で充満する。その結果厚壁を有するオーバークラッドプリフォーム製造の取り組みとコストが避けられる。厚壁を有する高価なシリカ管の代わりにシリカ粒子が使用できる。

オーバークラッド粒子の流動性により、一次プリフォーム外面とオーバークラッド管内面間の内部空間かギャップをシリカ粒子で均一に充満し、一次プリフォームとオーバークラッド管間のずれを避けられる。配置問題を除くこと以外に、オーバークラッド管が無制御にフリーギャップで潰れるのではなく確実に支持粒子に押しつけられるので、減圧制御の重要性も減少する。

薄壁のオーバークラッド管内径は好ましくは一次プリフォーム外径の少なくとも１．５倍で、その壁直径の１０倍以上に選ぶ。しかし実際には関連要素の機械強度が支えられる任意の大きさが実現できる。

更にオーバークラッド管は好ましくはオーバークラッド管壁と一次プリフォームがその下端で接触し、内部空間をシリカ粒子で充満できるようその下端に円錐形形成閉鎖部を備える。好ましい実施形態の一次プリフォーム下端では又円錐形状を有するので、配置法が非常に容易になる。

接合部を装填する前か接合部を装填後に、直径の小さい粒子、例えば粉末からなるオーバークラッド粒子をその中に備えた導管から内部空間に挿入する。

オーバークラッド粒子は製造ファイバーの所望物性により選択できる純粋な合成シリカ粉末かドープした合成シリカ粉末でも良い。ゾルゲル法を用いたシリカ粉末製造法は文献（６）の米国特許６，０４７，５６８に記載されている。更により高い線引き力を得且つ線引き工程中での切断の危険を減少するためのゾルゲル法は文献（７）の米国特許６，３３４，３３８に記載されている。それ故本方法により顧客の突然な通知での要求に答えることができる高い柔軟性が得られる。

又フォトニック結晶ファイバー製造を考慮すると、本発明により先行技術に対する重要な改良が生じる。

二次元周期性構造を末端で形成する細長い構造要素軸は比較的遠くに離れているので、大きい空間ギャップを粒子でコスト効果良く充満でき、それにより厚壁の管状構造要素を避けられる。

更に所望のバンドギャップに関連する二次元周期性構造全てに関して、同一構造要素を使用できる。

細長い構造要素か一次プリフォームの位置合わせと保持は二次元周期性構造に合致する開口部を有するマトリクスを用いて容易に得られる。細長い構造要素か一次プリフォームを例えば二個のマトリックスに挿入し、両端で細長い構造要素か一次プリフォームを固定する。それ故全構造を容易に組み立てでき、オーバークラッド管に挿入できる。

各マトリックスは好ましくはオーバークラッド管内に、例えば内部フランジにより規定位置に保持できるディスクとして形成する。

更に各マトリックスは好ましくは粒子を移送できる開口部を含む。

マトリックスは好ましくは粒子と一致の材料からなり、オーバークラッド材と一緒に融解できる。

ギャップと孔を閉じ、且つ材料密度をより高くするため、振動、好ましくは高周波振動をかけても良い。

構造要素は管、棒或いはチューブアンドロッドでも良い。管内部空間と一致する空洞を作る必要がある場合には管を用いても良い。ファイバーに対応の非中空線を生ずるには屈折率を選択した非中空棒を使用できる。しかしプリフォームとファイバーの構造要素となる細長い空洞を作るために棒を加熱工程時か以後に段階的に除くか、粒子が完全に融解後除いても良い。除去した除去可能棒を用いることで構造要素が加熱工程中に潰れるのを防止する。

潰れ防止のために粒子融解工程時に冷媒を管状構造要素から移送しても良い。潰れ防止は又粒子融解工程時に管状構造要素内部を圧力に暴露しても得られる。

図１に第一一次軸ｘ１、外径ｄ１及び外面１１１を有する一次プリフォーム１１を示す。このプリフォーム製造については上述した。

図２に第一一次軸ｘ２、内径ｄ２、外径ｄ２０及び内面１２０を有する薄壁シリカ管１２を示す。下端に円錐形閉鎖部１２５をもつ薄壁シリカ管１２をこの新規な方法によるオーバークラッド管１２として用いる。この種のシリカ管はいくつかの製造業者から入手できる。

図３に互いに十分に整合した該第一一次軸ｘ１と第二一次軸ｘ２によりオーバークラッド管１２内の中心に挿入した位置で保持した一次プリフォーム１１を示す。

オーバークラッド管１２の円形壁直径ｄ２０は例えばその内径ｄ２の１０分の１以下である。しかし該直径比ｄ２／ｄ２０は５０かそれ以上でも良い。オーバークラッド管１２内径ｄ２と一次プリフォーム１１外径ｄ１の比ｄ２／ｄ１は、例えば１．５乃至５迄、更にはそれ以上の範囲である。

それ故一次プリフォーム１１外面１１１とオーバークラッド管１２の内面１２０で規定される内部空間の１５容積は比較的大きく、即ち一次プリフォーム１１の容積より数倍大きい。

図４に図３の一次プリフォーム１１と、線引き工程時か以後の性能の観点からファイバーの所望物性により選択した純粋な合成シリカかドープした合成シリカ粒子か粉末であるオーバークラッド粒子１３で充満した内部空間１５を有するオーバークラッド管１２をする未加工二次プリフォーム１を示す。

図１a、２a、３a及び４aに一次プリフォーム１１、オーバークラッド管１２及びオーバークラッド粒子１３の図１乃至４の線ｓでの断面図を示す。

図５にオーバークラッド管１２に挿入した接合部３を有し、一次プリフォーム１１を中央位置に保持し、内部空間１の上側で閉鎖密閉した図４の二次プリフォーム１を示す。該発明のこの実施形態では接合部３を装填する前にオーバークラッド粒子１３を内部空間１５に挿入してある。

図６に一次プリフォーム１１とオーバークラッド粒子１３を挿入する導管３８を有する接合部３により配置被覆したオーバークラッド管１２を示す。

第一一次軸ｘ３を有する図５と６に示した接合部３は、更にオーバークラッド粒子１３を充満した二次プリフォーム１を真空ポンプ２２で排気できる排気導管３２と３３を有する。

図５と６に更に二次プリフォーム１下端を、例えば２１００℃乃至２３５０℃範囲の温度に加熱できる熱供給源又は炉を示す。炉２３が供給する熱エネルギー源と二次プリフォーム１内外の圧力差を確立することにより、オーバークラッド管１２は潰れ、融解したオーバークラッド粒子を一次プリフォーム１１に押しつける。その結果オーバークラッド管１２のオーバークラッド材とオーバークラッド粒子１３が一次プリフォームと接合した実質的に均質な層を形成する。図５aと６aに融解工程実施後の第二プリフォーム１の断面図を象徴的に示す。

二次プリフォーム１の融解とファイバー線引きは同時に実施できる。しかしファイバー線引きを行う前に二次プリフォーム１を完全に加工することも可能である。

図６に図５の二次プリフォーム１上端断面図を詳細に示す。オーバークラッド管１２に挿入した接合部３は、オーバークラッド管１２内面１２０をしっかりと接合密閉する密閉化要素、例えばＯ−リングを有する二個の円形周囲溝を有し、それにより接合部３、一次プリフォーム１１外面１１１、オーバークラッド管１２内面１２０及び下端の閉鎖部１２５で制限した内部空間１５を排気できる。排気は接合部３に備えた排気導管３２と３３と接合部３と真空ポンプ２２を連結する管２２０により実施できる。管２２０は排気工程実施後閉鎖可能な弁２２１により接合部３と連結している。代わりに減圧条件発生のために、文献（２）に記載のようにガスを接合部３の対応導管に供給しても良い。

図７乃至９に示す接合部３は、更に第一一次軸ｘ３に同軸配置の一次プリフォーム１１外径ｄ１に合致の直径ｄ３を有する円筒形開口部３１と、第一一次軸ｘ３に同軸配置のオーバークラッド管１２内径ｄ２に合致の直径ｄ４を有する二個の円筒型区分３５を有する。それ故接合部３をクラッド管１２に挿入でき、円筒形区分３５をオーバークラッド管１２内面１２０と接合し、一次プリフォーム１１を閉鎖されているかシールキャップ３９で閉鎖できる末端部３６に続く円筒形開口部３１に挿入できる。

オーバークラッド管１２内面１２０に接合部を密閉するために、円筒形区分３５に接合した二個の溝を備え、溝へ密閉化要素９１を挿入する。

図８に図４の二次プリフォーム１に用いる接合部３を示し、図９にオーバークラッド粒子１３が挿入できる導管３８を有する図７の接合部３断面図を示す。図９では第一排気導管３２を接合した円筒形開口部３１直径ｄ３より遙かに大きい直径ｄ５を有する接合部３一次軸ｘ３と同心円で配置したものを示す。

図１０に図５の二次プリフォーム１から光ファイバー５を線引きするのに用いる装置を示す。一旦二次プリフォーム１をその融点まで加熱しファイバー５を引っ張ると、ネックダウンと呼ばれる斜交領域を形成する。一本の光ファイバー５がプリフォームから半溶融状態で現れ、直径モニター２４を通過する。光ファイバー５は下方延伸を続け、光ファイバー５を保護するコート剤を塗布するコート剤塗布器２５を通過する。光ファイバー５は更にコート剤塗布後、光学的コート剤を硬化し全体での直径を監視する他装置２６と２７を通過する。次いで光ファイバー５は光ファイバーを回転させるローラーを有する紡績機２８と出会う。次いで光ファイバー５は最終的にファイバーをドラムや糸巻きに巻き付ける前に一連のローラー（図示していない）に出会う。二次プリフォーム１を軸ｘ１２３に沿った垂直移動と好ましくはその周りで回転可能な保持器具２１に装填する。更に保持器具２１は内部空間１５に備わるオーバークラッド粒子１３を凝集するよう二次プリフォームを振動させるように設計しても良い。

図１１にフォトニック結晶ファイバーを線引きするように設計したプリフォームを作成するようにオーバークラッド粒子１３を充満したオーバークラッド管１２内に二次元周期性構造に配列した管状で非中空の細長い構造要素１２０１，１２０１’を示す。プリフォーム１を線引きしたフォトニック結晶ファイバーに光バンドギャップ（ＰＢＧ）効果を適用するように二次元周期性構造を選ぶ。二次元周期性構造の定義は本出願の主題ではない。これら構造を記載した文献は上述した。しかし本発明では細長い構造要素１２０１と１２０１’及びオーバークラッド管１２間の内部空間を柔軟な媒体、即ち粒子１３で充満するので、あらゆる種類の構造を容易に低コストで実現できる。

その結果好ましくは標準サイズの比較的薄壁の管を、加熱工程時に変形したり潰れたりしない細長い構造要素１２０１として選択できる。しかし図１１に示したように加熱工程後に取り外す取り外し可能棒１２０５’を用いて、管状の細長い構造要素１２０１内部を正しい形状に保持できる。更に取り外し可能棒１２０５を管状の細長い構造要素なしに用いて、細長い空の空間か空洞、即ちオーバークラッド材１３なしの空間１３０を保持できる。プリフォーム１を加工後、取り外し可能棒１２０５を取り外す。図１１では取り外し可能棒１２０５を光をガイドする空のコアかガス充満コアの空間ホルダーとして用いる。

図１１のプリフォーム１で用いた二次元周期性構造は六個の重なったセルからなり、各セルは六個の細長い周辺構造要素と一個の細長い中心構造要素１２０１と１２０１’からなる。周囲要素１２０１は細長い空洞を密封する目的で管状であり、中心要素１２０１’はクラッド材の屈折率とは異なる屈折率をもつ材料の非中空円柱か全体円柱である。

図１２により大きなプリフォーム１を作成するためにオーバークラッド粒子１３を充満した更なるオーバークラッド管１２’に挿入した図１１の加熱加工済みプリフォーム１を示す。この方法により一次フォトニック結晶ファイバー（ＰＣＦ）プリフォームだけでなく、二次プリフォームと三次プリフォームなどが容易に製造できる。これは二次元周期性構造がプリフォームやフォトニック結晶ファイバーの全断面にまでそれぞれ広がる必要がない事実に基づいている。プリフォーム１は一次プリフォームを示し、上述のように加工する（図１乃至４参照）。

図１３に非中空で周辺融解管状要素１２０１と１２０１’を有する図１３の平面配置図を示す。コア領域の取り外し可能棒１２０５と管状要素１２０１の取り外し可能棒１２０５’を取り外して、中空コアと細長い側部空洞を残す。該発明は任意の二次元周期性構造を利用できるので、追加の二次構造要素１２０２を実施例としてプリフォーム１に加えた。

図１４に構造要素１２０１、１２０１’、１２０２、１２０５及び１２０５’を二次元周期性構造に受け入れ保持するように設計したガラスマトリックス２００を示す。ディスクかウエハーの形状をもつガラスマトリックス２００は構造要素末端１２０１と１２０１’を挿入できる開口部２０１と２０２を含む。更に粒子１が通れる開口部２０３を備える。これらマトリックス２００を用いてプリフォームを容易に組み立てられる。マトリックス２００がクラッド材１３からなる場合、マトリックス２００を粒子１３の場合と同じ方法で加熱加工時にクラッド層の一部に変化させることができる。

しかしマトリックス２００の製造は最小の努力で実施できる。

図１５に加熱加工前のオーバークラッド管１２内に二次元周期性構造に配列した管状で非中空の細長い構造要素１２０１と１２０１’と中心位にある取り外し可能棒１２０５を保持する二個の挿入マトリックス２００を有するプリフォーム１断面図を示す。

図１６に加熱加工後、プリフォーム１の中空コア１１’を占める取り外し可能棒１２０５を取り外した図１５のプリフォーム１を示す。空コア１１’の代わりに非中空コア１１を表す非中空棒１２０１’を備えることもできる。比較として好ましくは取り外し可能棒１２０５’、中心配置の非中空棒１２０１’又は中心位置の取り外し可能棒１２０５で満たした管状構造要素１２０１が図１の一次プリフォーム１１の代わりを果たす。

図１７に図１６のプリフォーム１からフォトニック結晶ファイバー５を線引きするのに用いる装置を示す。

上記のことは本発明原理の応用を単に具体化したものである。他の配置が技術の熟練者には本発明保護の精神と範囲を逸脱する事なしに実施できる。一次プリフォーム１１とオーバークラッド管１２又は細長い構造要素１２０１，１２０１’、１２０２、１２０５及び１２０５’の大きさと同様にオーバークオーバークラッド粒子や粉末１３の粒度と使用材料の屈折率とドーパントを広範囲に選択できる。充填コア要素１１の直径か空コア要素１１’の直径は通常残留構造要素１２０１，１２０１’と１２０２の直径の数倍である。プリフォームを冷却した後で、取り外し可能棒１２０５と１２０５’を容易に取り外せるようにこの棒の熱膨張が適切なように選ぶ。取り外し可能棒１２０５と１２０５’は例えばグラファイトからなっても良い。それ故ガラスの熱膨張係数より大きい熱膨張係数をもつ材料を用いると、ガラス状シリカから棒や杖体を容易に取り外せる。冷却工程時に、例えばグラファイトはガラスより強く引っ込むか収縮し、ガラスへの接着は残らない。それ故取り外し可能棒により多くの細長い空洞要素を含む複雑な構造を有するプリフォームを容易に作成できる。

全構造要素の形状と大きさは上に規定した実施例には限らず、技術状態で開示の全形状まで拡大できることを指摘するのは重要である。更に図１１に示したように、被覆か密閉した構造要素１２１０を用いて、オーバークラッド粒子１３が流入するのを防いでも良い。構造要素１２１０はキャップで覆うか、オーバークラッド粒子１３を添加後例えば融解できるガラス層により密閉しても良い。材料は製造パラメーターと製造光ファイバーの所望物性により選ぶ。接合部３用の導管と開口部３１、３２、３３と３８及び密閉手段３４，３９と９１は種々の形に設計できる。オーバークラッド管１２下端の閉鎖部１２５は円錐形とは大いに異なる形状を取り得る。しかし閉鎖部１２５と一次プリフォーム下端は配置を容易にするように適合するのが好ましい。ファイバー線引き条件は周知の方法（例えば文献（５）のヨーロッパ特許１３８４７００Ａ１参照）を用い最適化でき、炉温度や線引き速度のような最適操作パラメーターを見つけることができる。それ故この操作パラメーターは上記の数値により制限されない。

ムール、シー、グプタ（Mool C. Gupta）、光通信学ハンドブック（Handbook of Photonics）、シーアールシープレス（CRC Press）、１９９７年、ボカラトン（Boca Raton）、１０．７章、４４５−４４９頁 米国特許６，５１９，９７４Ｂ１ 米国特許２，９８０，９５７ 米国特許４，８２０，３２２ ヨーロッパ特許１３８４７００Ａ１ 米国特許６，０４７，５６８ 米国特許６，３３４，３３８ 米国特許６，８４５，２０４ 米国特許６，６２５，３６４

本発明のいくつかの目的と利点を記述したが、以下の説明を付随図面と一緒に考慮すると他のことも明らかになる。
第一一次軸ｘ１を有する一次プリフォーム１１を示す。 新規な方法によるオーバークラッド管１２として用いる第一一次軸ｘ２を有し下端で円錐閉鎖部１２５を有する薄壁シリカ管１２を示す。 互いに十分に整合した該第一一次軸ｘ１と第二一次軸ｘ２によりオーバークラッド管１２内の中心に挿入した位置で保持した一次プリフォーム１１を示す。 図３の一次プリフォーム１１と一次プリフォーム１１外面１１１とオーバークラッド管１２で規定した内部空間１５を有するオーバークラッド管１２を有し、オーバークラッド粒子１３で充満した未処理の二次プリフォーム１を示す。 オーバークラッド管１２に一部挿入した接合部３有し、一次プリフォーム１１を中央位置に保持し、内部空間１の上側で閉鎖密閉する図４の二次プリフォーム１を示す。 オーバークラッド粒子１３を導管３８から挿入できる接合部３を有する二次プリフォーム１を示す。 図５の二次プリフォーム１上端の詳細を示す。 図４の二次プリフォーム１に用いる接合部３を示す。 オーバークラッド粒子１３の挿入できる導管３８を有する図６の接合部３断面図を示す。 図５の二次プリフォーム１から光ファイバーを線引きするのに用いる装置を示す。 フォトニック結晶ファイバーを線引きするように設計したプリフォームを作成するために、オーバークラッド粒子１３を充満したオーバークラッド管１２内に二次元周期性構造に配列した管状で非中空の細長い構造要素１２０１と１２０１’を示す。 より大きなプリフォーム１を作成するためにオーバークラッド粒子１３を充満した更なるオーバークラッド管１２’に挿入した図１１の加熱処理したプリフォーム１を示す。 図１３の上面配置を示す。 構造要素１２０１と１２０１’を二次元周期性構造に受け入れ保持するように設計したガラスマトリックス２００を示す。 加熱加工前のオーバークラッド管１２内に二次元周期性構造に配列した管状で非中空の細長い構造要素１２０１と１２０１’及び中心位にある取り外し可能棒１２０５を保持する二個の挿入マトリックス２００を有するプリフォーム１断面図を示す。 加熱加工理後のプリフォームコア１１’を占める取り外し可能棒１２０５を取り外した図１５のプリフォーム１を示す。 図１６のプリフォーム１からフォトニック結晶ファイバーを線引きするのに用いる装置を示す。

Claims (19)

1. 光ファイバー製造法で、そのステップが
   第一一次軸（ｘ１）と外面（１１１）を有する一次光ファイバープリフォーム（１１）を第二一次軸（ｘ２）と内面（１２０）を有する薄壁のオーバークラッド管（１２）に挿入し、その結果該外面（１１１）と内面（１２０）が内部空間（１５）を規定し、
   互いに十分に整合した該第一一次軸（ｘ１）と第二一次軸（ｘ２）によりオーバークラッド管（１２）内の中心位置に挿入した一次プリフォーム（１１）を保持し、
   閉鎖部（１２５）によりオーバークラッド管（１２）下端の限られた内部空間（１５）にオーバークラッド用粒子（１３）を供給し、
   一次光ファイバープリフォーム（１１）とオーバークラッド管（１２）を適所に保持する接合部（３）により、オーバークラッド管（１２）上端の限られた内部空間（１５）内に減圧条件を発生し、
   炉（２３）を用いて一次プリフォーム（１１１）、オーバークラッド管（１２）及びオーバークラッド粒子（１３）を有する未加工二次プリフォーム（１）下端を加熱して軟化状態にし、それから同時に光ファイバー（５）を線引きするか、又は
   炉（２３）を用いて加工済み二次プリフォーム（１）を得るために、一次プリフォーム（１１１）、オーバークラッド管（１２）及びオーバークラッド粒子（１３）を有する未加工二次プリフォーム（１）を全長で加熱し、続く加工段階で光ファイバー（５）を線引きすることからなる製造法。
2. フォトニック結晶ファイバー製造法で、そのステップが、
   第一一次軸（ｘ１とｘ２０）と外面（１１１’）を有し、少なくとも実質的に二次元周期性構造に配列した棒及び／又は管のような細長い構造要素（１１，１１’、１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）を、第二一次軸（ｘ２）と内面（１２０）を有するオーバークラッド管（１２）に挿入し、その結果該外面（１１１’）と内面（１２０）により内部空間（１５）を規定し、
   第一一次軸（ｘ１とｘ２０）を有する構造要素（１１，１１’、１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）をオーバークラッド管（１２）の第二一次軸（ｘ２）と平行に保持し、
   閉鎖部（１２５）によりオーバークラッド管（１２）下端を限った内部空間（１５）にオーバークラッド粒子（１３）を供給し、
   好ましくは接合部（３）によりオーバークラッド管（１２）上端の限られた内部空間（１５）内に減圧条件を発生し、
   炉（２３）を用い構造要素（１１，１１’、１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）、オーバークラッド管（１２）及びオーバークラッド粒子（１３）を有する製造済みプリフォーム（１）下端を加熱して軟化状態にし、同時にそれから光ファイバー（５）を線引きするか、又は
   炉（２３）を用いて加工済み二次プリフォーム（１）を得るために、構造要素（１１，１１’、１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）、オーバークラッド管（１２）及びオーバークラッド粒子（１３）を有する製造済みプリフォーム（１）を全長で加熱し、続く加工段階で光ファイバー（５）を線引きすることからなる製造法。
3. オーバークラッド層を加えるために製造済みプリフォーム（１）を請求項１の方法による一次プリフォームとして使用する請求項１か２による方法。
4. オーバークラッド管（１２）内径（ｄ２）が一次プリフォーム（１１）外径（ｄ１）の少なくとも１．５倍以上でその壁直径（ｄ２０）の１０倍以上である請求項１による方法。
5. オーバークラッド管（１２）が円錐形形成閉鎖部（１２５）を有し、且つ／又は直径の小さい粒子からなるオーバークラッド用粒子（１３）を接合部（３）装填前か接合部（３）装填後に、その中に備わる導管（３８）から挿入する請求項１乃至４の内の一つによる方法。
6. オーバークラッド粒子（１３）が製造ファイバー（５）の所望物性により選択した純粋な合成シリカかドープした合成シリカである請求項１乃至５の内の一つによる方法。
7. 炉（２３）温度を２１００℃乃至２３５０℃範囲で選択する請求項１乃至６の内の一つによる方法。
8. 一次光ファイバープリフォーム（１１）又は細長い構造要素（１１，１１’、１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）を円形同軸か二次元周期性構造と合致する所定位置に一次光ファイバープリフォーム（１１）又は細長い構造要素（１１，１１’、１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）を所定位置に正確に保持するように設計した少なくとも一つのマトリックス（２００）の開口部（２０１’と２０２’）に挿入する請求項１乃至７の内の一つによる方法。
9. マトリックス（２００）が内部フランジ（１２５）により好ましくはオーバークラッド管（１２）内に保持したディスクとして形成し、且つ／又はマトリックス（２００）が粒子（１３）を移送するための開口部（２０３’）を含み、且つ／又はマトリックス（２００）が粒子（１３）と同じ材料からできた請求項８による方法。
10. 一次光ファイバープリフォーム（１１）又は細長い構造要素（１１，１１’、１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）の上端に第一マトリックス（２００）を備え、下端に第二マトリックス（２００）を備える請求項８か９による方法。
11. 粒子（１３）をより材料密度が高くなるように適切周波数範囲で振動させる請求項１乃至１０の内の一つによる方法。
12. 細長い空洞（１１’）を生むために、粒子（１３）融解後少なくとも一個の構造要素（１２０５）を取り外し、且つ／又は管状構造要素（１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）が潰れるのを防ぐために、加熱工程前に取り外し可能棒（１２０５）を管状構造要素（１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）に挿入し、加熱工程後か加熱工程時に段階的に取り外し、該取り外し可能棒（１２０５）がガラス熱膨張係数より大きい熱膨張係数をもつグラファイトのような材料からなる請求項１乃至１１の内の一つによる方法。
13. 管状構造要素（１１、１１’１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）が潰れるのを防ぐために、冷媒を粒子（１３）融解工程時に管状構造要素（１１、１１’１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）から移送し、且つ／又は粒子（１３）融解工程時に管状構造要素（１１、１１’１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）内部を圧力に暴露する請求項１乃至１２の内の一つによる方法。
14. 少なくとも一加工段階で使用し且つ融解した粒子（１３）からなるオーバークラッド粒子を含む請求項１か請求項２による方法で製造したプリフォーム（１）。
15. 融解粒子か未融解粒子（１３）からなるオーバークラッド材料で囲まれた一次光ファイバープリフォーム（１１）が、細長い構造要素又は空洞（１１、１１’１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）からなる請求項１４によるプリフォーム（１）。
16. 少なくともオーバークラッド管（１２）上端を真空ポンプかガス供給源（２２）と連結できる排気導管（３３）を含む接合部（３）により保持密閉し、且つ／又は接合部（３）がオーバークラッド粒子（１３）を内部空間（１５）への挿入用に設計した少なくとも一つの導管（３８）を含む請求項１４か１５によるプリフォーム（１）。
17. 一次光ファイバープリフォーム（１１）か細長い構造要素（１１、１１’１２０１、１２０２．．．１２０ｎ）を粒子（１３）と一致する材料でできたマトリックス（２００）により保持する請求項１４、１５又は１６によるプリフォーム（１）。
18. 請求項１乃至１３の内の一つで規定した方法により製造するか、請求項１４乃至１７の内の一つで規定した二次プリフォーを線引きした光ファイバー（５）。
19. 請求項１乃至１３の内の一つで規定した方法で二次プリフォーム（１）及び／又は光ファイバー（５）を製造する装置で、二次プリフォーム（１）を保持、軸方向移動、回転及び／又は振動するための少なくとも一つの装置（２１）、炉（２３）、及び適切な場合には線引き光ファイバー（５）を線引き及び塗布する手段を含む装置。

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