JP2008197377A - ファイバオプティック - Google Patents

Abstract

【課題】吸収体の吸収能力が大幅に向上したＦＯを提供すること。
【解決手段】入射した光像を伝搬するファイバオプティックにおいて、吸収体ガラス１４の酸化物着色剤として従来の酸化物着色剤であるＦｅＯまたはＦｅ_２Ｏ_３よりも吸収能力の高い鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を採用することで、吸収体ガラス１４の吸収能力を可視光域から近赤外域にわたって十分に高めることができ、解像度の劣化やノイズの少ないＦＯを形成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ファイバオプティックに関するものである。

ファイバオプティック（ＦＯ）は、光を伝搬する複数のファイバを束ねて一体化して構成されたイメージ素子であり、例えば、イメージインテンシファイアやＣＲＴのフェースプレート、ＣＣＤカップリング等、光学機器の光導波路として利用されている。

このようなＦＯにおいて、光を伝搬するファイバから漏れる光（迷光）が他のファイバに入射することを防ぐことで解像度の劣化やノイズの発生を防止する構成が知られている。例えば、コア間に吸収体を介在させて迷光を吸収する構成である。

このような吸収体には、酸化物着色剤が含有されており、この酸化物着色剤が吸収体の吸収特性を決定する。例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３を酸化物着色剤として採用した場合、可視光における吸収体の吸収特性が良好になることが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ＦｅＯを酸化物着色剤として採用した場合、近赤外域における吸収体の吸収特性が良好になる。このため、ＦｅＯとＦｅ_２Ｏ_３とを含ませることで、可視光域から近赤外域における吸収体の吸収特性が良好になることが知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
特開平２−３８３４３号公報 特開平９−７１４３６号公報 特開２００３−１３７５９５号公報

このように、吸収体の吸収特性はＦＯの解像度に大きく影響するため、更なる吸収体の吸収能力向上が要望されている。

本発明はこのような技術課題を解決するためになされたものであって、吸収体の吸収能力が大幅に向上したＦＯを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、吸収体ガラスに鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有させることによって、可視光域から近赤外域における吸収能力が大幅に改善されることを見出した。

すなわち本発明に係るＦＯは、光を伝搬するコアガラスからなるコアとコアのそれぞれの外周部を覆いコアガラスよりも屈折率が低いクラッドガラスからなるクラッドとを備えるファイバを複数束ねて一体化したファイバオプティックであって、ファイバの間に配置されファイバから漏れる光を吸収する吸収体ガラスを備え、吸収体ガラスが、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有することを特徴とする。

このように、吸収体ガラスの酸化物着色剤として従来の酸化物着色剤であるＦｅＯまたはＦｅ_２Ｏ_３よりも吸収能力の高い鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を採用することで、吸収体ガラスの吸収能力を可視光域から近赤外域にわたって十分に高めることができる。これにより、解像度の劣化やノイズの少ないＦＯを形成することができる。なお、この吸収体ガラスは環境負荷物質である鉛化合物を必要としないため、廃棄時における環境汚染を低減できる。

また、ＦＯにおいて、吸収体ガラスが複数のファイバの間に配置され複数のファイバの外周部を覆うことを特徴として構成されてもよい。もしくは、ＦＯにおいて、複数の吸収体ガラスを備え、クラッドが、複数の吸収体ガラスの間に配置され複数の吸収体ガラスの外周部を覆うことを特徴として構成されてもよい。このように構成した場合であっても、吸収体ガラスの吸収特性を可視光域から近赤外域にわたって十分に高めることができる。

また、ＦＯにおいて、吸収体ガラスが質量百分率で１８％より大きく３０％未満の鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有することが好ましい。吸収体ガラスに鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を１８％より大きく含有させることにより、より高い吸収能力を得ることができる。また、吸収体ガラスに鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を３０％未満の範囲で含有させることによって、吸収体ガラスを均質に形成することができる。

また、ＦＯにおいて、吸収体ガラスの鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４が、吸収体ガラス内に粒状に析出して成ることが好ましい。このように、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４が粒状で存在することにより、Ｆｅ_３Ｏ_４が塊で存在する場合に比べＦｅ_３Ｏ_４の総表面積が大きくなるため、吸収体ガラスの吸収能力を大幅に向上することができる。

また、ＦＯにおいて、吸収体ガラスはＡｌ_２Ｏ_３を更に含有することが好ましい。これにより、Ａｌ_２Ｏ_３が結晶化促進剤の働きをするため、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４の結晶析出を促進することができる。よって、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４の結晶析出を効率良く行うことができる。また、Ａｌ_２Ｏ_３が結晶核形成剤として働くことにより、析出するＦｅ_３Ｏ_４の結晶数を増大することができる。これにより、同一質量のＦｅ_３Ｏ_４であっても、個々の結晶サイズが小さくなり、結晶全体の総表面積が大きくなるため、吸収体ガラスの吸収能力を大幅に向上することができる。

また、ＦＯにおいて、吸収体ガラスは質量百分率で７％未満のＡｌ_２Ｏ_３を含有することがさらに好ましい。このように、吸収体ガラスにＡｌ_２Ｏ_３を７％未満の範囲で含有させることによって、吸収体ガラスを均質に形成することができる。７％以上だとガラスの均質な溶解が出来なくなる。

また、本発明に係るＦＯは、コアガラスをクラッドガラスで被覆した複数のシングルファイバと、熱処理により析出した鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有する複数の吸収体ガラスとを加熱融着しながら延伸して形成される。また、本発明に係るＦＯは、コアガラスをクラッドガラスで被覆した複数のシングルファイバと、Ｆｅ_２Ｏ_３を含有する複数の吸収体ガラスとを加熱融着しながら延伸して形成され、吸収体ガラスが、加熱融着時の熱によって析出した鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有して形成される。このように製造されたＦＯは、同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、ＦＯにおいて、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を用いて吸収体の吸収特性を大幅に向上することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図中の寸法比率は必ずしも説明中のものとは一致していない。

（第一実施形態）
図１は第一実施形態に係るＦＯ１の斜視図、図２は図１のＦＯ１の内部構造を拡大して示す斜視図である。図１に示すＦＯ１は、複数の光ファイバを束にして一体化した光学デバイスであって、入射面２および出射面３を有する。このＦＯ１は、入射面２から入射された光や像５０を出射面３へ伝達する機能を備えており、例えば、イメージインテンシファイアやＣＲＴのフェースプレート、ＣＣＤカップリング、指紋検出機等、光学機器の光導波路として利用されるものである。

図２に示すように、ＦＯ１は、コア１０とクラッド１２からなるファイバ１５を複数束ねて一体化して形成されており、光像を伝達する複数のコア１０と、複数のコア１０の外周部をそれぞれ被覆する複数のクラッド１２と、ファイバ１５の間に配置されファイバ１５から漏れる光（迷光）を吸収する吸収体ガラス１４とを有している。

複数のコア１０は、細いファイバの形状から成り、軸線方向と交差する方向に整列して配設されている。このコア１０は、コアガラスにより形成され、一方の端から入射した光を他方の端へ伝達する機能を備えている。

クラッド１２は、複数のコア１０それぞれに対応して複数設けられており、コアガラスよりも屈折率の低いクラッドガラスにより形成される。このクラッド１２の屈折率がコア１０の屈折率より低いため、コア１０内に入射した光はコア１０とクラッド１２との境界面で全反射される。よって、コア１０は光を一方の端から他方の端へ伝搬することができる。

コア１０、クラッド１２を形成するコアガラス、クラッドガラスは、ガラス網目形成酸化物（ＮＷＦ：Network former）であるＳｉＯ_２を主成分として構成されている。また、コアガラスおよびクラッドガラスは、単独ではガラスにならずＮＷＦと溶融することによりガラスに適当な性質を与えるガラス網目修飾酸化物（ＮＷＭ：Network modifier）や、両者の中間的な性質を持つ中間酸化物を含んで構成されてもよい。

また、複数のファイバ１５の間には迷光を吸収する吸収体ガラス１４が介在している。この吸収体ガラス１４は、ファイバ１５の外周部を覆って配設されている。なお、吸収体ガラス１４をＥＭＡ（Extra Mural Absorption）と称し、上述の構成となるＦＯ１を作成する方法を、ＥＭＡ方法と称する。

吸収体ガラス１４は、酸化物着色剤であり鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有している。そして、このＦｅ_３Ｏ_４は、幅広い吸収波長帯を有し、酸化物着色剤として従来用いられているＦｅ_２Ｏ_３よりも優れた吸収能力を有している。このため、吸収体ガラス１４に鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有させることで、可視光域から近赤外域にわたり優れた吸収特性を得ることができる。また、吸収体ガラス１４において、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４の含有率は質量百分率で１８％より大きく３０％未満であることが好ましい。吸収体ガラス１４にＦｅ_３Ｏ_４を１８％より大きく含有させることにより、より高い吸収能力を得ることができる。また、吸収体ガラス１４にＦｅ_３Ｏ_４を３０％未満の範囲で含有させることによって、吸収体ガラス１４を均質に形成することができる。

また、吸収体ガラス１４は、ＮＷＦであるＳｉＯ_２を含有している。また、この吸収体ガラス１４はＮＷＦであるＢ_２Ｏ_３をさらに含有してもよい。ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３は、ガラスの骨格を形成する材料である。これらの含有率は、吸収体ガラス１４の吸収特性、安定性、および強度を損なわない限り特に制限されないが、例えば、ＳｉＯ_２は吸収体ガラス１４に質量百分率で２７〜４６％の範囲で含有され、Ｂ_２Ｏ_３は吸収体ガラス１４に質量百分率で５〜２０％の範囲で含有される。

また、吸収体ガラス１４は、Ａｌ_２Ｏ_３をさらに含有していてもよい。Ａｌ_２Ｏ_３は、ガラスの化学的耐久性を高めるだけでなく、酸化物着色剤である鉄酸化物（Ｆｅ_３Ｏ_４）の結晶化を促進する作用を有している。このため、吸収体ガラス１４にＡｌ_２Ｏ_３を含有させることで、熱処理時において鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４の微結晶が多数析出し、粒状に成長する。また、吸収体ガラス１４において、Ａｌ_２Ｏ_３を質量百分率で７％未満の範囲で含有させることによって、吸収体ガラス１４を均質に形成することができる。

また、吸収体ガラス１４は、Ｋ_２Ｏ及びＮａ_２Ｏをさらに含有していてもよい。Ｋ_２Ｏ及びＮａ_２Ｏは、吸収体ガラス１４の熱膨張係数を高めると共に、ガラス転移点および屈伏点を低め、ガラスの溶融を容易にする作用を有する。例えば、Ｋ_２Ｏは吸収体ガラス１４に質量百分率で３〜１１％の範囲で含有され、Ｎａ_２Ｏは吸収体ガラス１４に質量百分率で０〜１０％の範囲で含有される。

また、吸収体ガラス１４は、ＣａＯをさらに含有していてもよい。ＣａＯは、Ｎａ^＋やＫ^＋などのアルカリイオンの動きを抑え、ガラスの化学的耐久性を高める作用を有しており、例えば、吸収体ガラス１４に質量百分率で０〜３．５％の範囲で含有される。

また、吸収体ガラス１４は、ＢａＯをさらに含有していてもよい。ＢａＯは、ガラスの溶解を容易にする作用を有しており、例えば、吸収体ガラス１４に質量百分率で０〜４．６％の範囲で含有される。

上述した吸収体ガラス１４を備えたＦＯ１において、ＦＯ１の入射面２に入射した光は、コア１０内で全反射を繰り返し、出射面３へ伝達される。このとき、全反射しないでコア１０から漏れる光（迷光）が生じる場合があるが、複数のコア１０の間に介在する吸収体ガラス１４は、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４粒子を含んでおり、可視光域から近赤外域にわたって良好な吸収特性を有しているため、迷光が他のコア１０に入射する現象を十分に防止することができ、可視光域のみならず近赤外域においても高解像度を維持しつつイメージ伝達することができる。

以上のように、第一実施形態によれば、吸収体ガラス１４に鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有させることによって、可視光域から近赤外域における吸収能力が大幅に改善できる。これにより、解像度の劣化やノイズの少ないＦＯ１を形成することができる。また、この吸収体ガラス１４は環境負荷物質である鉛化合物を必要としないため、廃棄時における環境汚染を低減できる。

また、ＦＯ１において、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４が粒状で存在することにより、Ｆｅ_３Ｏ_４が塊で存在する場合に比べＦｅ_３Ｏ_４の総表面積が大きくなるため、吸収体ガラス１４の吸収能力を大幅に向上することができる。

また、ＦＯ１において、Ａｌ_２Ｏ_３が結晶核形成剤の働きをするため、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４の結晶析出を促進することができる。よって、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４の結晶析出を効率良く行うことができる。また、Ａｌ_２Ｏ_３が結晶核形成剤として働くことにより、析出する鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４の結晶数を増大することができる。これにより、同一質量のＦｅ_３Ｏ_４であっても、個々の結晶サイズが小さくなり、結晶全体の総表面積が大きくなるため、吸収体ガラス１４の吸収能力を大幅に向上することができる。

次に、第一実施形態に係るＦＯ１の製造方法について図３〜６を用いて説明する。図３〜６は、ＦＯ１の製造プロセスを示す。

まず、図３に示すように、シングルファイバ２０を製造する。このシングルファイバ２０は、コアガラス１１とその周囲を被覆するクラッドガラス１３及び吸収体ガラス１４から形成されている。この吸収体ガラス１４は、後に結晶化してＦｅ_３Ｏ_４となるＦｅ_２Ｏ_３を含有している。なお、図１に示すＦＯ１のコア１０、クラッド１２は、各々図３に示すコアガラス１１、クラッドガラス１３により形成される。コアガラス１１、クラッドガラス１３、および吸収体ガラス１４からなる複合体１７を、加熱装置に通しローラーで延伸することにより、その断面が複合体１７と相似形であるシングルファイバ２０が得られる。

次に、作成したシングルファイバ２０を用いて、図４に示すようなマルチファイバ２２を作成する。複数のシングルファイバ２０を整列させて加熱装置に通しローラーで延伸することによって、複数のシングルファイバ２０は加熱融着され、マルチファイバ２２が得られる。

次に、図５に示すように、マルチファイバ２２を加熱プレス装置４０の八角形の金型に整列して高温プレスすることにより、複数のマルチファイバ２２は加熱融着され、図６に示すような八角柱状のインゴット２４が得られる。

上述の図３〜図５に示した工程の中で行われた加熱処理によって、吸収体ガラス１４においてＦｅ_２Ｏ_３が結晶化し、粒状の鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４となって析出する。

次に、インゴット２４を軸線方向に垂直にスライスし、研磨することで、図１および図２に示すＦＯ１が完成する。

以上の工程によって、吸収体ガラス１４に鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４の粒子が析出したＦＯ１が作成される。この製法の場合、通常のＦＯ製造工程内の熱によって粒状のＦｅ_３Ｏ_４が形成されることから、新たな設備を必要としないため、コスト面で優れている。また、図３において、Ｆｅ_２Ｏ_３を含有する吸収体ガラス１４を用いてシングルファイバ２０を作成する工程を説明したが、Ｆｅ_２Ｏ_３を含有する吸収体ガラス１４の熱処理を事前に行い、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を粒状に析出させた吸収体ガラス１４を用いてシングルファイバ２０を作成してもよい。例えば、電気炉を用い、Ｆｅ_２Ｏ_３を含有する吸収体ガラス１４を７５０℃で１時間保持し、その後自然冷却させたものをシングルファイバ２０の原料とした場合でも、吸収体ガラス１４に鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４の粒子が確実に析出したＦＯ１が作成される。

（第二実施形態）
次に本発明の第二実施形態について説明する。図７は第二実施形態に係るＦＯ２の内部構造を示した斜視図である。第二実施形態は、第一実施形態に係るＦＯ１とほぼ同様に構成されるものであり、複数のコア１０の間に吸収体ガラス１４が複数に分割されて設けられている点で第一実施形態と異なっている。

すなわち、第一実施形態においては、クラッド１２が複数存在して複数のコア１０の外周部をそれぞれ被覆する構成となっていたが、第二実施形態においては、クラッド１２が一体化して複数のコア１０の外周部を覆う構成となっている。また、第一実施形態においては、吸収体ガラス１４がクラッド１２の外周部を被覆する構成となっていたが、第二実施形態においては、クラッド１２が、複数の吸収体ガラス１４の外周部を被覆する構成となっている。なお、上述の構成となるＦＯ２を作成する方法を、ＩＳＡ（Interstitial Absorption）方法と称する。

また、ＦＯ２のコア１０、クラッド１２、及び吸収体ガラス１４に用いられる材料は、第１実施形態と同様である。このような材料によってＦＯ２を構成した場合、ＦＯ２の入射面に入射した光は、コア１０内で全反射を繰り返し、出射面へ伝達される。このとき、全反射しないでコア１０から漏れる光（迷光）が生じる場合があるが、複数のコア１０の間に介在する複数の吸収体ガラス１４は、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４粒子を含んでおり、可視光域から近赤外域にわたって良好な吸収特性を有しているため、迷光が他のコア１０に入射する現象を十分に防止することができ、可視光域のみならず近赤外域においても高解像度を維持しつつイメージ伝達することができる。

以上のように、第二実施形態によれば、吸収体ガラス１４に鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有させることによって、可視光域から近赤外域における吸収能力が大幅に改善できる。これにより、解像度の劣化やノイズの少ないＦＯ２を形成することができる。

以下では、第二実施形態に係るＦＯ２の作成方法について説明する。図８、９、及び１０は、ＦＯ２の製造プロセスを示す。

まず、図８に示すように、シングルファイバ２６を製造する。このシングルファイバ２６は、吸収体ガラスを備えない点で第一実施形態のシングルファイバ２０と相違しており、コアガラス１１とその周囲を被覆するクラッドガラス１３から形成されている。コアガラス１１およびクラッドガラス１３からなる複合体１９を、加熱装置に通しローラーで延伸することにより、その断面が複合体１９と相似形であるシングルファイバ２６が得られる。

次に、図９に示すように、複数のシングルファイバ２６の間に複数の吸収体ファイバ２８を配置してこれらを整列させる。そして、図１０に示すように、これを加熱装置に通しローラーで延伸することによって、シングルファイバ２６及び吸収体ファイバ２８は加熱融着され、マルチファイバ３０が得られる。なお、吸収体ファイバ２８は吸収体ガラスを溶融して延伸させたものであり、第一実施形態と同様の組成である。

次に、作成した複数のマルチファイバ３０を整列させ、加熱装置に通しローラーで延伸することによって、マルチ−マルチファイバ（不図示）を作成する。このように作成したマルチ−マルチファイバを加熱プレス装置の金型に整列させ、高温プレスすることにより、マルチ−マルチファイバは加熱融着され、第一実施形態と同様に八角柱状のインゴットが得られる。このインゴットをスライスして、研磨することでＦＯ２が完成する。

また、上述の工程の中で行われた加熱処理によって、吸収体ファイバ２８においてＦｅ_２Ｏ_３が結晶化し、粒状の鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４となって析出する。

以上の工程によって、吸収体ガラスに鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４の粒子が析出したＦＯ２が作成される。また、図９において、Ｆｅ_２Ｏ_３を有する吸収体ファイバ２８を用いたが、事前にＦｅ_２Ｏ_３を有する吸収体ガラスの熱処理を行い、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を粒状に析出させた吸収体ファイバ２８を用いてもよい。例えば、電気炉を用い、吸収体ガラスを７５０℃で１時間保持し、その後自然冷却させたものを吸収体ファイバ２８の原料とした場合でも、吸収体ガラスに鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４の粒子が確実に析出したＦＯ２が作成される。
（実施例）

以下、実施形態に係るＦＯの効果について、実験結果に基づいて詳細に説明する。本発明者らは、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３を含有する吸収体ガラスを作成した。また、この吸収体ガラスを７５０℃で１時間熱処理を行い、質量百分率でＳｉＯ_２を３４．５％、Ｂ_２Ｏ_３を１８．２％、Ａｌ_２Ｏ_３を３．６％、Ｎａ_２Ｏを９．１％、Ｋ_２Ｏを４．５％、ＣａＯを２．７％、ＢａＯを４．５％、およびＦｅ_３Ｏ_４を２２．７％含有する吸収体ガラスを作成した。

この吸収体ガラスの構造を以下の手順で評価した。まず、熱処理後の吸収体ガラスを透過光観察が可能な厚さに加工して、顕微鏡で観察した。吸収体ガラスの顕微鏡写真を図１１に示す。また、熱処理後の吸収体ガラスに含まれる鉄酸化物の構造をレーザーラマン分光分析によって解析した。吸収体ガラスのラマンスペクトルを図１２に示す。なお、図１３および図１４は、図１２と比較するための参考スペクトルであり、図１３は鉄酸化物結晶のＦｅ_３Ｏ_４のラマンスペクトルを示し、図１４は鉄酸化物結晶のＦｅ_２Ｏ_３のラマンスペクトルを示す。

図１１の顕微鏡写真から、この吸収体ガラスには、約１μｍの結晶が熱処理によって多数析出していることが確認された。また、図１２に示すラマンスペクトルは、図１４に示す鉄酸化物結晶のＦｅ_２Ｏ_３のラマンスペクトルよりも図１３に示す鉄酸化物結晶のＦｅ_３Ｏ_４のラマンスペクトルに近いため、吸収体ガラスには鉄酸化物結晶のＦｅ_３Ｏ_４（マグネタイト）が析出していることが確認された。これにより、図１１に示した析出粒子は鉄酸化物結晶のＦｅ_２Ｏ_３（γ−マグへマイト）ではなく鉄酸化物結晶のＦｅ_３Ｏ_４であることが確認された。

次に、熱処理後における鉄酸化物結晶のＦｅ_３Ｏ_４の結晶化の効果を確認するために、吸収体ガラスの透過率を以下の手順で評価した。まず、熱処理前の吸収体ガラスを青板ガラスにエポキシ接着剤で接着し、厚さ１５０μｍまで薄くラップ研磨した。この吸収体ガラスに、分光器を用いて波長約６００〜約９８０ｎｍのＬＥＤの光を入射させ、分光透過率を測定した。次に、同様の方法で熱処理後の吸収体ガラスの分光透過率測定を行った。熱処理前後における吸収体ガラスの分光透過率測定結果を図１５に示す。

図１５に示すように、熱処理前の吸収体ガラスは、約６００〜約９８０ｎｍの波長領域において約１０％以上の透過率を有していたが、熱処理後の吸収体ガラスは、約６００〜約９８０ｎｍの波長領域において１×１０^−３％以下の透過率となり、特に約６００ｎｍ〜約７５０ｎｍの範囲では約１×１０^−５〜約１×１０^−６％という極めて低い透過率となった。これにより、熱処理後の吸収体ガラスの透過率は、熱処理前の吸収体ガラスの透過率に比べて大幅に減少することが確認された。

以上により、熱処理によって吸収体ガラスにＦｅ_３Ｏ_４が結晶化して析出することで、吸収能力が大幅に向上することが確認された。また、鉄酸化物結晶のＦｅ_３Ｏ_４が粒子化することによって、同一質量において総表面積が増加したため、吸収能力が大幅に向上することが確認された。

次に、本発明者らは、鉄酸化物の含有率を変化させた吸収体ガラスを作成した。図１６は、それら作成した吸収体ガラスを冷却後、７５０℃―１時間熱処理を行ったＮｏ．１〜１３の試料について、それぞれのガラスの組成の質量百分率（吸収体ガラス作成後の数値）、熱膨張係数、ガラス転移点、屈伏点、ガラス化状態、及び波長８５０ｎｍの光に対する透過率を示している。なお、Ｎｏ．５の試料は、熱処理前後において構造解析および分光透過率測定を実施した吸収体ガラスと同様の組成である。また、Ｆｅ_３Ｏ_４を含有する吸収体ガラスとの比較例として、Ｆｅ_３Ｏ_４を実質的に含有しない試料Ｎｏ．１及びＮｏ.３を作成した。また、これらの吸収体ガラスの透過率は、試料の厚さを１００μｍまでラップ研磨し、前述した分光透過率測定装置で波長８５０ｎｍに固定して測定した。なお、図１６の試料Ｎｏ.２において、表示していない残りの組成は質量百分率でＺｎＯ：４．５％とＬａ_２Ｏ_３：４．５％である。

まず、鉄酸化物がＦｅ_３Ｏ_４となった吸収体ガラスの透過率と鉄酸化物がＦｅ_２Ｏ_３のままで結晶化していない吸収体ガラスの透過率とを比較した。Ｎｏ．１とＮｏ.３に示すように、鉄酸化物がＦｅ_２Ｏ_３のままである吸収体ガラスは、波長８５０ｎｍの入射光に対して約１０〜２０％の透過率を有しているが、Ｎｏ．２およびＮｏ.４〜１３に示す鉄酸化物がＦｅ_３Ｏ_４となった吸収体ガラスは、波長８５０ｎｍの入射光に対して約１×１０^−５〜約１×１０^−６％の透過率を有していた。これにより、鉄酸化物がＦｅ_３Ｏ_４となった吸収体ガラスは、鉄酸化物がＦｅ_２Ｏ_３のままである吸収体ガラスに比べて、大幅に低い透過率を有していることが確認された。

次に、鉄酸化物結晶のＦｅ_３Ｏ_４の含有率に着目して、吸収体ガラスのガラス化状態を確認した。Ｎｏ．１〜１２の試料、すなわちＦｅ_３Ｏ_４の含有率が質量百分率で１８．２〜２５％である試料についてガラス化状態が良好であることが確認された。しかし、Ｎｏ.１３の試料、すなわち鉄酸化物結晶のＦｅ_３Ｏ_４の含有率が質量百分率で３０％である試料においてもガラス化状態が不十分であった。よって、鉄酸化物結晶のＦｅ_３Ｏ_４の含有率が質量百分率で３０％未満の範囲においてガラス化を良好に行うことができる。

次に、ガラス中に鉄酸化物の結晶が析出するための条件について検討した。ガラス中に結晶を析出させるには、結晶核生成と結晶成長のプロセスが必要である。この結晶核生成には、多くの場合、結晶核形成剤が使用されている。この結晶核形成剤をガラスに添加して熱処理を行うと、結晶核形成成分を含む多数の微結晶が析出し、それらの周りに主結晶が成長する。また、このような結晶核生成および結晶成長の速度は、ガラスの粘性と逆比例の関係にある。よって、粘性が低いガラスの方が原子の移動が容易となり、結晶核生成および結晶成長が進行する。ガラスの粘性については、屈伏温度（Ａ_ｔ）が目安となる。さらに、結晶となる材料がガラス中に十分な量含まれていることが必要となる。

本実施例に即して結晶が析出しやすいガラスの条件を整理すると、（１）結晶核形成剤としてＡｌ_２Ｏ_３が添加されて原子の移動距離が短いこと、（２）屈伏温度が低いこと、および（３）鉄酸化物の含有率が一定以上であることである。以上の条件を基に、透過率が大きい試料について、良好な結晶析出条件を満たしているか確認した。まず、Ｎｏ．１の試料においては、鉄酸化物の含有量が質量百分率で１８．２％と低い値を示しており、結晶となる材料が十分に含まれておらず、結晶化が起こりにくいことが確認された。また、Ｎｏ．３の試料においては、ＳｉＯ_２の含有量が多く粘性が高めであり、７５０℃で１時間の熱処理条件では原子の移動が十分に行われていないため、結晶化が起こりにくいことが確認された。また、Ｆｅ_３Ｏ_４が確認されたＮｏ．４の試料においても、鉄酸化物の含有量が十分でなく、また粘性も高いことから十分に結晶化が起こらないことが確認された。このように、Ｎｏ．４の試料は十分に結晶化が起こらなかったため、Ｆｅ_３Ｏ_４が結晶化したＮｏ．２およびＮｏ．５〜１３の試料に比べて透過率が大きくなった。これに対し、Ｎｏ．２およびＮｏ．５〜１３の試料が示すように、結晶核形成剤としてＡｌ_２Ｏ_３を添加し、かつ屈伏温度が低く、鉄酸化物の含有率が一定以上である吸収体ガラスにおいて、良好な結晶析出が起こり、吸収能力が向上することが確認された。

次に、吸収体ガラスの性能評価を行った。ＦＯは構成要素であるシングルファイバの中心軸と入射面を傾斜させていくと、次第に空気中からの光がＦＯ内に入射できなくなる。この状態であらゆる方向からＦＯの入射面に光を入射させ、ＦＯの出射面側から透過してくる光量を測定することにより吸収体ガラスの性能評価が可能である。透過してくる光量が少ないほど性能が良い。

まず、Ｎｏ.４及びＮｏ.８に示す吸収体ガラスを用いてスラント（傾斜）ＦＯを作成した。これらの吸収体ガラスには鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４が含まれており、前述のようにＮｏ.８の吸収体ガラスに含まれるＦｅ_３Ｏ_４の方がＮｏ.４に比べて結晶化している。また、比較例として、Ｎｏ.３に示すＦｅ_２Ｏ_３を含有する吸収体ガラスを用いてスラントＦＯを作成した。Ｎｏ.３に示すＦｅ_２Ｏ_３の含有率は、Ｎｏ.４に示すＦｅ_３Ｏ_４の含有率と同じであり、組成に起因する吸収能力を比較する上で好適である。また、本実施例で用いたコアガラスおよびクラッドガラスのガラス組成、屈折率、熱膨張係数、ガラス転移点、屈伏点および密度を図１７に示す。なお、コアガラスは、クラッドガラスよりも屈折率が高ければ足り、本実施例では質量百分率で表示したコアガラスの組成例を２つ示している。なお、指紋検出用に使われるスラントＦＯにおいては、解像度の観点から開口数を０.３５〜０.４５にすることが好ましい。

作成したスラントＦＯの透過率を以下の手順で評価した。図１８に示すように、厚さ１ｍｍにラップ研磨したスラントＦＯ４２に、波長８５０ｎｍのＬＥＤの光Ｌをオパールガラスからなる拡散板４０を通して入射させ、透過光をシリコンフォトダイオード４４で検出した。測定結果を図１９に示す。なお、図１９に示す透過率は、図１６のＮｏ.８が示す吸収体ガラスを用いた場合の傾斜角４０°における透過率を１００として規格化している。

まず、図１６のＮｏ.３に示すＦｅ_２Ｏ_３を含有する吸収体ガラスの透過率と、Ｎｏ.４に示す鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有する吸収体ガラスの透過率とを比較すると、Ｎｏ.４で示す吸収体ガラスの透過率の方が小さいことが確認された。また、Ｎｏ.８に示す吸収体ガラスの透過率と、Ｎｏ.４に示す吸収体ガラスの透過率とを比較すると、Ｆｅ_３Ｏ_４がより結晶化していたＮｏ.８に示す吸収体ガラスの透過率の方が小さく、吸収能力に優れていることが確認された。

本実施例において、光Ｌは拡散板４０によって様々な方向に拡散されてスラントＦＯ４２に入射され、傾斜角が大きい場合（ここでは４０°）は最大受光角度内の入射光はファイバ内を伝達される光量とＦＯを横切ってくる光量の合わさったものが出力となるが、傾斜角が小さい場合（ここでは３２°〜３６°）はＦＯを横切ってくる光量のみが出力となる。すなわちスラントＦＯ４２に入射した光の内の最大受光角度を超えた光（迷光）がＦＯを横切って出射する光は、Ｆｅ_３Ｏ_４の結晶が析出している吸収体ガラスを採用することにより、遮蔽できることが示された。従って、解像度の劣化等を好適に防ぐことができる。

なお、上述した各実施形態は本発明に係るＦＯの一例を示すものである。本発明に係るＦＯは、これらの各実施形態に係るＦＯに限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、各実施形態に係るＦＯを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、ＦＯやスラントＦＯを接着剤で接合して用いる場合においても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本発明に用いられるシングルファイバは、本実施形態で示した形状に限られるものではなく、例えばテーパ状であっても同様の効果を得ることができる。

第一実施形態に係るＦＯ１の斜視図である。 図１のＦＯ１の内部構造を拡大して示す斜視図である。 図１のＦＯ１に用いるシングルファイバ２０の製造工程を示す斜視図である。 図１のＦＯ１に用いるマルチファイバ２２の製造工程を示す斜視図である。 図４のマルチファイバ２２を高温プレスする製造工程を示す斜視図である。 図４のマルチファイバ２２をプレスして形成されたインゴットの斜視図である。 第二実施形態に係るＦＯ２の内部構造を拡大して示す斜視図である。 図７のＦＯ２に用いるシングルファイバ２６の製造工程を示す斜視図である。 図７のＦＯ２に用いるマルチファイバの製造工程を示す斜視図である。 図７のＦＯ２に用いるマルチファイバの製造工程を示す斜視図である。 ＦＯの吸収体ガラスの顕微鏡写真である。 ＦＯの吸収体ガラスのラマンスペクトルである。 Ｆｅ_３Ｏ_４の参考ラマンスペクトルである。 Ｆｅ_２Ｏ_３の参考ラマンスペクトルである。 熱処理前後における吸収体ガラスの分光透過率測定結果である。 作成した吸収体ガラスの組成と特性を示す図表である。 ＦＯのコアガラス、クラッドガラスの組成および特性の例を示した図表である。 スラントＦＯの透過率測定図である。 スラントＦＯの透過率測定結果である。

符号の説明

１，２…ファイバオプティック（ＦＯ）、１０…コア、１１…コアガラス、１２…クラッド、１３…クラッドガラス、１４…吸収体ガラス、１５…ファイバ。

Claims (9)

1. 光を伝搬するコアガラスからなるコアとコアのそれぞれの外周部を覆い前記コアガラスよりも屈折率が低いクラッドガラスからなるクラッドとを備えるファイバを複数束ねて一体化したファイバオプティックであって、
   前記ファイバの間に配置され前記ファイバから漏れる光を吸収する吸収体ガラスを備え、
   前記吸収体ガラスが、鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有すること、を特徴とするファイバオプティック。
2. 前記吸収体ガラスが、前記複数のファイバの間に配置され前記複数のファイバの外周部を覆うこと、
   を特徴とする請求項１に記載のファイバオプティック。
3. 複数の前記吸収体ガラスを備え、前記クラッドが、前記複数の吸収体ガラスの間に配置され前記複数の吸収体ガラスの外周部を覆うこと、
   を特徴とする請求項１に記載のファイバオプティック。
4. 前記吸収体ガラスが、質量百分率で１８％より大きく３０％未満の鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のファイバオプティック。
5. 前記吸収体ガラスの鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４が、前記吸収体ガラス内に粒状に析出して成ることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のファイバオプティック。
6. 前記吸収体ガラスが、Ａｌ_２Ｏ_３を更に含有することを特徴とする請求項５に記載のファイバオプティック。
7. 前記吸収体ガラスが、質量百分率で７％未満のＡｌ_２Ｏ_３を含有することを特徴とする請求項６に記載のファイバオプティック。
8. コアガラスをクラッドガラスで被覆した複数のシングルファイバと、熱処理により析出した鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有する複数の吸収体ガラスとを加熱融着しながら延伸して形成されたことを特徴とするファイバオプティック。
9. コアガラスをクラッドガラスで被覆した複数のシングルファイバと、Ｆｅ_２Ｏ_３を含有する複数の吸収体ガラスとを加熱融着しながら延伸して形成され、
   前記吸収体ガラスが、加熱融着時の熱によって析出した鉄酸化物結晶であるＦｅ_３Ｏ_４を含有することを特徴とするファイバオプティック。