JP3872796B2

JP3872796B2 - フォトニッククリスタルファイバの製造方法

Info

Publication number: JP3872796B2
Application number: JP2004059121A
Authority: JP
Inventors: 正隆中沢; 健二大村; 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: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2024-03-03
Also published as: JP2005250023A

Description

本発明は、中空部を有するフォトニッククリスタルファイバ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）は、コアまたはクラッドにフォトニック結晶構造、即ち、屈折率の周期構造を有する光ファイバであり、コアを中心として円周方向に多数の円柱空孔が形成されている。

ＰＣＦは、通常の光ファイバに比べて、比屈折率差が大きい、曲げに対する影響が少ない等の他に、大きな波長分散や広帯域単一モード領域が得られるといった特徴をもつ。

図３は従来のＰＣＦ４５の製造装置の構造図を示したものである。

図３に示すように、ＰＣＦ製造装置４１は、中空部５４が形成されたＰＣＦ母材４２が挿入される線引炉４３に内圧制御器４４が設けられ、線引されるＰＣＦ４５が辿る順に、ファイバカッター４６、外径測定器４７、冷却管４８、コーティング器４９、樹脂硬化炉５０、引取キャプスタン５１、巻取器５２が設けられ、ＰＣＦ母材４２には中空部加圧装置５３が設けられている。

ＰＣＦ製造装置４１を用いたＰＣＦ４５の製造方法は、始めに、線引炉４３の炉心５５の内圧を一定に保つ内圧制御器４４を備えた線引炉４３に、中空部５４が形成されたＰＣＦ母材４２が挿入され、そのＰＣＦ母材４２が加熱、溶融される。その際、炉心５５は内圧制御器４４により約２５Ｐａに保たれている。また、ＰＣＦ母材４２には中空部加圧装置５３により約１０００Ｐａに加圧されている。

ＰＣＦ母材４２から線引されたＰＣＦ４５は外径測定器４７により外径が測定され、冷却管４８により冷却される。次に、コーティング器４９によりＰＣＦ４５にＵＶ樹脂が被覆され、樹脂硬化炉５０にて紫外線照射され、ＵＶ樹脂が硬化する。

最後に、ＰＣＦ４５は、引取キャプスタン５１を通り、巻取器５２に巻き取られる。ＰＣＦ４５は、引取キャプスタン５１によって、外径測定器４７で測定されたＰＣＦ４５の外径が一定に制御されるように引取速度が調整される。線引終了時には、ファイバカッター４６により自動でＰＣＦ４５が断線され、ＰＣＦ４５が得られる。

また、製造装置４１により得られたＰＣＦ４５は、中空部内への異物の侵入の防止、接続損失の低減のために、接続端面を封止加工して用いる。その方法は、例えば、特許文献１に示すように、ＰＣＦ４５の端面の中空部を溶融閉塞する方法や、ＰＣＦ４５の端面近傍に樹脂を充填し、中空部を封止する方法がある。

特開２００２−３２３６２５号公報

しかしながら、従来技術の製造方法はＰＣＦ中空部内のガラス表面の保護に付いて全く考慮されていないため、ＰＣＦの製造工程中において、異物や水蒸気（ＯＨ基）が線引後のＰＣＦ中空部端面や線引時のＰＣＦ母材中空部上端から入り込むという問題がある。

ＯＨ基はファイバ中に含まれると非常に大きな損失を与える。通常の石英系光ファイバではＯＨ基を除去する技術が実現されているが、クラッドに中空部を有するフォトニッククリスタルファイバではその改善がなされておらず、空気中の水分が中空部に侵入しやすい。それにより、伝送損失の増加等の光特性の劣化が起こり、またファイバ強度の劣化を促進させる。

また、ＰＣＦ４５の製造後、端面封止加工を施す場合は、ＰＣＦ端面から中空部内に樹脂等を充填する工程が必要なため、中空部からの端面破損や製造コストが増大するなどの問題点がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、中空部に水分や異物が入り込むことを防止できるＰＣＦ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、フォトニッククリスタルファイバ母材を延伸温度に加熱、溶融をして延伸させてコア部またはクラッド部の少なくとも一方に長手方向に中空部を有するフォトニッククリスタルファイバを製造するに際して、前記フォトニッククリスタルファイバ母材の中空部内を不活性ガスで置換し、フォトニッククリスタルファイバの線引中に、フォトニッククリスタルファイバ母材の中空部の内圧を減圧することによりフォトニッククリスタルファイバの中空部に封止部を形成し、フォトニッククリスタルファイバの中空部内に前記不活性ガスを密封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、フォトニッククリスタルファイバの線引き終了時に、フォトニッククリスタルファイバ母材に給排気ラインを介して取り付けた加圧装置と真空ポンプと中空部内圧制御装置により、前記中空部の内圧を減圧することにより、封止部を形成する請求項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。

請求項３の発明は、フォトニッククリスタルファイバの線引き中に、前記中空部の内圧を減圧又は加圧することにより、フォトニッククリスタルファイバの任意の位置で中空部を封止又は膨張させる請求項１または２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。

請求項４の発明は、フォトニッククリスタルファイバ母材上端には、その中空部内に不活性ガスを給排する給排気ラインが接続され、その給排気ラインに不活性ガスを流入させ、中空部内圧を制御するための加圧装置、真空ポンプ及び内圧制御装置を接続した請求項１〜３いずれかに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、フォトニッククリスタルファイバの光特性及び強度の劣化を防止できるといった優れた効果を発揮する。

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。

本実施の形態のフォトニッククリスタルファイバの製造装置の構造図を図１に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係るＰＣＦ製造装置１１は、ＰＣＦ母材１３が挿入される線引炉１４と、ＰＣＦ母材１３から線引きされるＰＣＦ１５が辿る順に、ファイバカッター１６、外径測定器１７、冷却管１８、コーティング器１９、樹脂硬化炉２０、引取キャプスタン２１、巻取器２２が設けられている。線引炉１４には、炉心２３と、その炉心２３を加熱する加熱装置２４が設けられ、炉心２３内の圧力を制御する内圧制御器２５が接続されている。ＰＣＦ母材１３には、その上端部２６に給排気ライン２７が接続され、給排気ライン２７に中空部内圧制御装置２８が設けられ、給排気ライン２７は給気ライン３４と排気ライン３５に分岐され、給気ライン３４には、ガス給入装置３３に接続された加圧装置２９、排気ライン３５には、真空ポンプ３０がそれぞれ接続されている。中空部内圧制御装置２８は、給排気の切換により中空部１２の内圧を上下させたり、内圧を一定に保持したりする装置である。真空ポンプ３０は、中空部１２を真空に引く装置であり、ガス給入装置３３は、不活性ガスを中空部１２に給入させる装置である。

ＰＣＦ母材１３は、コア部を中心として断面円周方向に周期的に複数の中空部１２が形成されており、ＰＣＦ母材１３の断面構造は、製造されるＰＣＦ１５の断面構造とほぼ相似になっている。

次に、ＰＣＦ１５の製造方法について説明する。

まず、ＰＣＦ母材１３の中空部１２を真空ポンプ３０により真空引きする。次に加圧装置２８により中空部１２の空気を不活性ガスへと置換する。使用する不活性ガスはＣｌ₂，Ｎ₂，Ａｒ，Ｈｅ等である。そのとき、中空部内圧制御装置２８により、中空部１２の内圧は一定値Ｐに保つことができる。

次にＰＣＦ母材１３は、炉心２３の内圧が２５Ｐａ以上に保たれた線引炉１４に挿入され、加熱装置２４により約２１００℃に加熱され、ＰＣＦ母材１３の下端部３１は溶融し、線引きされて径の小さくなったＰＣＦ１５となる。

このとき、ＰＣＦ１５には、中空部内圧制御装置２８により、詳細は後述するが、中空部１２の内圧を加減することで、ＰＣＦ母材１３の下端部３１近傍にて、中空部径の調整や中空部を閉塞した封止部が形成される。

線引されるＰＣＦ１５は、外径測定器１７において外径が測定され、冷却管１８により冷却される。次に、コーティング器２０によりＰＣＦ１５にＵＶ樹脂が被覆され、樹脂硬化炉２０にて紫外線照射されて、被覆されたＵＶ樹脂が硬化し、ＰＣＦ１５は樹脂被覆されたＰＣＦ心線３２となる。

最後に、ＰＣＦ心線３２は、引取キャプスタン２１を通り、巻取器２２に巻き取られる。ＰＣＦ心線３２は、引取キャプスタン２１によって、外径測定器１８で測定されたＰＣＦ１５の外径が一定に制御されるように引取速度が調整される。線引終了時には、ファイバカッター１６により自動でＰＣＦ１５が切断される。

本実施の形態に係る製造方法では、ＰＣＦ母材１３の上端部２６に給排気ライン２７を介して取り付けられた中空部加圧装置２９，真空ポンプ３０，中空部内圧制御装置２８を用いて、ＰＣＦ母材１３の中空部１２の空気をＮ₂等の不活性ガスに置換し、その内圧を加減することでＰＣＦ１５の中空部の両端を封止し、中空部が外気と遮断される。

作製されるＰＣＦ１５の中空部の径は、ＰＣＦ母材１３の溶融時における中空部１２の内圧Ｐに依存する。ここで、図２に中空部の１２の内圧と径の関係を示す。このグラフは横軸が中空部１２の内圧Ｐ［Ｐａ］、縦軸が中空部１２の径［μｍ］である。

図２に示すように、中空部１２の圧力Ｐが７００Ｐａ以下のとき、圧力ＰがＰＣＦ母材１３の媒質である石英の表面張力よりも小さいため、常に中空部１２が押し潰された状態でＰＣＦ母材１３が溶融される。つまり、この圧力下では中空部１２は形成されない。溶融時の中空部内圧を７００Ｐａ以下に下げることで、ＰＣＦ中空部を封止することができる。

中空部内の１２内圧Ｐが７００＜Ｐ＜１２００Ｐａの圧力に保たれているときは、中空部１２の内圧Ｐが石英の表面張力より大きくなるため、中空部が形成される。

内圧Ｐが１２００Ｐａ以上のとき、中空部１２の内圧Ｐが石英の表面張力よりも大きすぎるために中空部の膨張が激しくなり、クラッドの外径が安定しなくなる。

以上の特性を利用してＰＣＦ線引時には７００〜１２００Ｐａを保持している。さらに、図２に示した特性より、中空部１２の内圧Ｐを１０００Ｐａとすると中空部径が１０μｍで安定して製作できる。線引終了時には７００Ｐａ以下となるように減圧し、ＰＣＦ１５の終端の中空部を封止してから線引を終了する。

また、線引終了時だけでなく、線引途中においても、中空部１２の内圧Ｐを７００Ｐａ以下として封止部を形成し、再度７００＜Ｐ＜１２００Ｐａとすることにより中空部１２を膨張させ、ＰＣＦ１５の任意の位置で内圧Ｐを７００Ｐａ以下にすることで封止部を再び形成でき、両端（先端及び終端）の中空部が封止されたＰＣＦ１５を製造することができる。さらに、中空部と封止部の形成を連続的に繰り返すことにより、１本のＰＣＦ母材１３から両端を封止、不活性ガスが充填密封されたＰＣＦ１５が所望の長さで連続的に製造することができる。

本実施の形態に係るＰＣＦ製造方法により製造したＰＣＦ１５は、製造工程中にＰＣＦ１５の中空部の空気をＮ₂等の不活性ガスに置換し、ＰＣＦの両端に封止部を形成することで、封止部間の中空部が不活性ガスで充填密封される。

ＰＣＦ１５の中空部は製造時から常に空気に晒されることなく保存され、ＰＣＦ１５の中空部への、空気中に含まれる水分（ＯＨ基）や異物の侵入を防ぐことができる。光ファイバの伝送損失のうち、ＯＨ基に起因する部分は非常に大きいが、ＰＣＦ１５内のＯＨ基が低減されるため、ＰＣＦ１５の伝送損失の増加等の光特性の劣化を抑制できる。

また、中空部において、水分や異物を外気から遮断するので、中空部からのＰＣＦ端面破損等のファイバ強度の劣化を防ぐことができる。

本発明の好適実施形態を示す概略図である。ＰＣＦ中空部の内圧と径の関係を示す図である。従来のＰＣＦ製造装置を示す概略図である。

符号の説明

１１ＰＣＦ製造装置
１２中空部
１３ＰＣＦ母材
１５ＰＣＦ
２７給排気ライン
２８内圧制御装置
２９加圧装置
３０真空ポンプ

Claims

フォトニッククリスタルファイバ母材を延伸温度に加熱、溶融をして延伸させてコア部またはクラッド部の少なくとも一方に長手方向に中空部を有するフォトニッククリスタルファイバを製造するに際して、前記フォトニッククリスタルファイバ母材の中空部内を不活性ガスで置換し、フォトニッククリスタルファイバの線引中に、フォトニッククリスタルファイバ母材の中空部の内圧を減圧することによりフォトニッククリスタルファイバの中空部に封止部を形成し、フォトニッククリスタルファイバの中空部内に前記不活性ガスを密封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。
フォトニッククリスタルファイバの線引き終了時に、フォトニッククリスタルファイバ母材に給排気ラインを介して取り付けた加圧装置と真空ポンプと中空部内圧制御装置により、前記中空部の内圧を減圧することにより、封止部を形成する請求項１記載のフォトニッククリスタルファイバの製造方法。
フォトニッククリスタルファイバの線引き中に、前記中空部の内圧を減圧又は加圧することにより、フォトニッククリスタルファイバの任意の位置で中空部を封止又は膨張させる請求項１または２記載のフォトニッククリスタルファイバの製造方法。
フォトニッククリスタルファイバ母材上端には、その中空部内に不活性ガスを給排する給排気ラインが接続され、その給排気ラインに不活性ガスを流入させ、中空部内圧を制御するための加圧装置、真空ポンプ及び内圧制御装置を接続した請求項１〜３いずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバの製造方法。