JP3877152B2 - ガラス中空光ファイバの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，光伝送用の中空ファイバに関するものである．
【０００２】
【従来の技術】
ガラスや樹脂のチューブ内面に金属薄膜を形成して，チューブ内面における反射率を向上させ，さらにその表面にポリマーや無機物などの誘電体を成膜し，誘電体薄膜における光の干渉効果により，内面反射率をさらに増大させた低損失中空ファイバは，炭酸ガスレーザ，エルビウムヤグなどの赤外レーザの伝送路として開発が進んでいる．また，この中空ファイバは空気やガスをコアとして用いるため，端面破壊の可能性も低く，また端面での反射がないので大きな光電力の伝送に適しており，上記レーザ以外にも，石英系ファイバが使用可能な波長帯でも，さまざまな分野への応用が展開されている．
【０００３】
一方，ある種の酸化物ガラスの屈折率が赤外の特定波長域において，１より小さくなり，空気との界面で高い反射率を示すことを利用し，酸化物ガラスを線引法によりチューブ状に加工し，中空光ファイバを製造する方法についても提案されている．
【０００４】
しかし，チューブ内面に複数の薄膜を生成するという前者の手法では，製造工程が複雑化するために製造コストが高くなり，またチューブ内に液体等を流入させて薄膜を形成するため，より高い可撓性をもつ口径の小さな中空ファイバの製造においても難点があった．
【０００５】
一方，後者の手法ではガラス線引法を用いるため，製造コストが低く抑えられ，かつ，きわめて口径の小さなファイバを製造可能という利点があるが，伝送可能な波長帯が材料によって決定されてしまうため，波長選択の自由度に限界があった．数種類のガラスを混合することにより対応波長域をシフトさせることは可能だが，複素屈折率の実部が１を下回る領域でもわずかに存在する吸収係数のために，吸収損失が生じて完全反射とはならない．そのため，十分に高いファイバの伝送効率を得るのが難しく，実用化には至らなかった．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は，赤外波長域をはじめとする広範囲の波長域に適応可能な中空ファイバを，低いコストで製造可能な手法を実現することにある．
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために，ガラス管を加熱溶融し，線引して中空光ファイバを製造する方法において，上記光ファイバのガラス内部での光の干渉効果を利用し，目的波長帯域において低損失性を示す光ファイバが得られるように，上記光ファイバのガラス肉厚を調整することを特徴とするガラス中空光ファイバの製造方法を提供する．
【０００８】
ここで前記中空光ファイバの外面に金属層を装荷することを特徴とする，ガラス中空光ファイバの製造方法であってもよい．
【０００９】
ここで前記中空光ファイバの外面に誘電体多層膜を形成したことを特徴とする，ガラス中空光ファイバの製造方法の製造方法であってもよい．
【００１０】
ここで前記中空光ファイバの外面に誘電体多層膜を形成し，さらにその外面に金属層を装荷したことを特徴とする，ガラス中空光ファイバの製造方法であってもよい．
【００１１】
そして，このような本発明の中空光ファイバの製造方法であれば，紫外から赤外にわたる広範囲の波長の光に対して低損失性を示し，かつ可撓性に富んだ口径の小さな中空光ファイバを低コストで製造可能となる．
【００１２】
【本発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態の一例を詳述する．まず母材となるガラスチューブは適用しようとする波長域における吸収係数が十分低い必要がある．紫外，可視，赤外のどの波長においても高い透明度をもつ石英ガラスが好ましい材料のひとつである．また，ガラス軟化温度が低いパイレックスガラスや，ソーダガラスは簡易な炉でも溶融が可能であるため，低コスト製造という観点からは望ましい材料である．一方，カルコゲナイドガラスなどの中赤外波長域で高い透明性をもつガラスを用いれば，波長３ミクロン以上の長波長域においても高透過率を示すファイバを製造可能となる．
【００１３】
母材ガラスチューブを管状電気炉などの高温雰囲気中で溶融，軟化させたうえで張力を加えて線引きすることにより中空ファイバを製造する．通常の状態で線引きを行えば，母材の外径とガラス肉厚の比は，線引されるファイバのそれに一致するため，設計値に近い形状の母材を使用することが望ましい．また，母材内部に圧力をかけるなどして，管の内外に圧力差を与えながら張力を加えることにより，線引されるファイバの肉厚を制御することが可能である．
【００１４】
図１は本発明の中空光ファイバの製造方法で製作されたファイバの一実施形態を示す断面図である．本例ではファイバの透過率を向上させる目的で，線引したファイバの外面に金属層を形成している．また金属層の付加により，ファイバを伝送する光が，ファイバ外部の環境から受ける影響を除去することが可能なうえ，ファイバの強度を向上させることができる．金属層の材料としては，適用する波長域で高い反射率をしめすものが望ましく，紫外域ではアルミニウム，可視域では銀，赤外域では銀，金，モリブデン，ニッケルなどが好適である．また金属層を付加する方法としては，メッキ法，真空蒸着法，スパッタリング法や溶融金属を付着させる方法，およびこれらの組合せによる方法が望ましい．また，ガラスの強度は線引後に劣化することがあるため，線引直後に金属層を付加することができるように，線引炉の直下に金属層形成装置を配置することが望ましい．
【００１５】
図２は石英ガラスを線引して得られるファイバ，およびその外面に銀層を付加したファイバの伝送損失の理論計算値である．想定したファイバの内径は２８０ミクロンであり，円形中空ファイバの最低次モードであるＨＥ１１モードの伝送損失をファイバのガラス肉厚の関数として示したものである．
【００１６】
低損失性を与えるガラス肉厚dは，金属層を付加していないファイバの場合，ガラスの屈折率をn，適用する波長をλとすれば次の数式で与えられる．
【００１７】
【数１】
【００１８】
一方，金属層を付加した場合の最適ガラス肉厚dは，次の数式で与えられる．
【００１９】
【数２】
【００２０】
ガラス層の厚さが極端に小さいとファイバの強度が低下し，また過剰に大きいとガラスにおける吸収損失の影響が大きくなる．そのため，ガラス層の厚さは５ミクロンから２０ミクロン程度であり，上記の数式の条件をみたすものであることが望ましい．なお，上記の数式で与えられるのは最適な膜厚であり，実際にファイバを製造する際には最適値から１０パーセント程度の誤差が許容される．
【００２１】
金属層の厚さが極端に小さいとファイバ中を伝送する光を，ファイバ外部の環境から遮断することができないため，０．１ミクロン以上の厚さが必要となる．また，十分な機械的強度をファイバに与えるためには，金属層の厚さは１０ミクロン以上であることが望ましいが，極端に厚い金属層はファイバの可撓性を低下させるために，その厚さは２００ミクロン以下であることが望ましい．また，反射率を増大させるために光学的に機能する０．１ミクロン以上の金属膜を形成した上に，ファイバに機械的強度を与えるための別の保護層を付加することも可能である．保護層の材質としては金属，樹脂などが好適である．
【００２２】
また，線引したガラス中空ファイバの外面に誘電体の多層膜を形成することにより，低損失性を向上させたり，ファイバに波長選択性を持たせたりすることも可能である．その際，多層膜の層数が少ない場合は，多層膜の外面に金属層を付加することにより伝送効率を向上させることができる．
【００２３】
【発明の効果】
以上要するに，本発明によれば次のような優れた効果を発揮する．
【００２４】
▲１▼紫外から赤外の広い波長範囲に適応する低損失性を有する中空ファイバを製造できる．
【００２５】
▲２▼可撓性に富む，口径の小さいファイバを低コストで製造可能である．
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す断面図である．
【図２】本発明の効果を示す理論計算の結果を示す図である．
【符号の説明】
１ 中空ファイバ
２ ガラス層
３ 金属層
４ 保護層
５ 中空領域
６ 石英ガラス中空ファイバ
７ 銀層を付加した石英ガラス中空ファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は，光伝送用の中空ファイバに関するものである．
【０００２】
【従来の技術】
ガラスや樹脂のチューブ内面に金属薄膜を形成して，チューブ内面における反射率を向上させ，さらにその表面にポリマーや無機物などの誘電体を成膜し，誘電体薄膜における光の干渉効果により，内面反射率をさらに増大させた低損失中空ファイバは，炭酸ガスレーザ，エルビウムヤグなどの赤外レーザの伝送路として開発が進んでいる．また，この中空ファイバは空気やガスをコアとして用いるため，端面破壊の可能性も低く，また端面での反射がないので大きな光電力の伝送に適しており，上記レーザ以外にも，石英系ファイバが使用可能な波長帯でも，さまざまな分野への応用が展開されている．
【０００３】
一方，ある種の酸化物ガラスの屈折率が赤外の特定波長域において，１より小さくなり，空気との界面で高い反射率を示すことを利用し，酸化物ガラスを線引法によりチューブ状に加工し，中空光ファイバを製造する方法についても提案されている．
【０００４】
しかし，チューブ内面に複数の薄膜を生成するという前者の手法では，製造工程が複雑化するために製造コストが高くなり，またチューブ内に液体等を流入させて薄膜を形成するため，より高い可撓性をもつ口径の小さな中空ファイバの製造においても難点があった．
【０００５】
一方，後者の手法ではガラス線引法を用いるため，製造コストが低く抑えられ，かつ，きわめて口径の小さなファイバを製造可能という利点があるが，伝送可能な波長帯が材料によって決定されてしまうため，波長選択の自由度に限界があった．数種類のガラスを混合することにより対応波長域をシフトさせることは可能だが，複素屈折率の実部が１を下回る領域でもわずかに存在する吸収係数のために，吸収損失が生じて完全反射とはならない．そのため，十分に高いファイバの伝送効率を得るのが難しく，実用化には至らなかった．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は，赤外波長域をはじめとする広範囲の波長域に適応可能な中空ファイバを，低いコストで製造可能な手法を実現することにある．
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために，ガラス管を加熱溶融し，線引して中空光ファイバを製造する方法において，上記光ファイバのガラス内部での光の干渉効果を利用し，目的波長帯域において低損失性を示す光ファイバが得られるように，上記光ファイバのガラス肉厚を調整することを特徴とするガラス中空光ファイバの製造方法を提供する．
【０００８】
ここで前記中空光ファイバの外面に金属層を装荷することを特徴とする，ガラス中空光ファイバの製造方法であってもよい．
【０００９】
ここで前記中空光ファイバの外面に誘電体多層膜を形成したことを特徴とする，ガラス中空光ファイバの製造方法の製造方法であってもよい．
【００１０】
ここで前記中空光ファイバの外面に誘電体多層膜を形成し，さらにその外面に金属層を装荷したことを特徴とする，ガラス中空光ファイバの製造方法であってもよい．
【００１１】
そして，このような本発明の中空光ファイバの製造方法であれば，紫外から赤外にわたる広範囲の波長の光に対して低損失性を示し，かつ可撓性に富んだ口径の小さな中空光ファイバを低コストで製造可能となる．
【００１２】
【本発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態の一例を詳述する．まず母材となるガラスチューブは適用しようとする波長域における吸収係数が十分低い必要がある．紫外，可視，赤外のどの波長においても高い透明度をもつ石英ガラスが好ましい材料のひとつである．また，ガラス軟化温度が低いパイレックスガラスや，ソーダガラスは簡易な炉でも溶融が可能であるため，低コスト製造という観点からは望ましい材料である．一方，カルコゲナイドガラスなどの中赤外波長域で高い透明性をもつガラスを用いれば，波長３ミクロン以上の長波長域においても高透過率を示すファイバを製造可能となる．
【００１３】
母材ガラスチューブを管状電気炉などの高温雰囲気中で溶融，軟化させたうえで張力を加えて線引きすることにより中空ファイバを製造する．通常の状態で線引きを行えば，母材の外径とガラス肉厚の比は，線引されるファイバのそれに一致するため，設計値に近い形状の母材を使用することが望ましい．また，母材内部に圧力をかけるなどして，管の内外に圧力差を与えながら張力を加えることにより，線引されるファイバの肉厚を制御することが可能である．
【００１４】
図１は本発明の中空光ファイバの製造方法で製作されたファイバの一実施形態を示す断面図である．本例ではファイバの透過率を向上させる目的で，線引したファイバの外面に金属層を形成している．また金属層の付加により，ファイバを伝送する光が，ファイバ外部の環境から受ける影響を除去することが可能なうえ，ファイバの強度を向上させることができる．金属層の材料としては，適用する波長域で高い反射率をしめすものが望ましく，紫外域ではアルミニウム，可視域では銀，赤外域では銀，金，モリブデン，ニッケルなどが好適である．また金属層を付加する方法としては，メッキ法，真空蒸着法，スパッタリング法や溶融金属を付着させる方法，およびこれらの組合せによる方法が望ましい．また，ガラスの強度は線引後に劣化することがあるため，線引直後に金属層を付加することができるように，線引炉の直下に金属層形成装置を配置することが望ましい．
【００１５】
図２は石英ガラスを線引して得られるファイバ，およびその外面に銀層を付加したファイバの伝送損失の理論計算値である．想定したファイバの内径は２８０ミクロンであり，円形中空ファイバの最低次モードであるＨＥ１１モードの伝送損失をファイバのガラス肉厚の関数として示したものである．
【００１６】
低損失性を与えるガラス肉厚dは，金属層を付加していないファイバの場合，ガラスの屈折率をn，適用する波長をλとすれば次の数式で与えられる．
【００１７】
【数１】
一方，金属層を付加した場合の最適ガラス肉厚dは，次の数式で与えられる．
【００１９】
【数２】
ガラス層の厚さが極端に小さいとファイバの強度が低下し，また過剰に大きいとガラスにおける吸収損失の影響が大きくなる．そのため，ガラス層の厚さは５ミクロンから２０ミクロン程度であり，上記の数式の条件をみたすものであることが望ましい．なお，上記の数式で与えられるのは最適な膜厚であり，実際にファイバを製造する際には最適値から１０パーセント程度の誤差が許容される．
【００２１】
金属層の厚さが極端に小さいとファイバ中を伝送する光を，ファイバ外部の環境から遮断することができないため，０．１ミクロン以上の厚さが必要となる．また，十分な機械的強度をファイバに与えるためには，金属層の厚さは１０ミクロン以上であることが望ましいが，極端に厚い金属層はファイバの可撓性を低下させるために，その厚さは２００ミクロン以下であることが望ましい．また，反射率を増大させるために光学的に機能する０．１ミクロン以上の金属膜を形成した上に，ファイバに機械的強度を与えるための別の保護層を付加することも可能である．保護層の材質としては金属，樹脂などが好適である．
【００２２】
また，線引したガラス中空ファイバの外面に誘電体の多層膜を形成することにより，低損失性を向上させたり，ファイバに波長選択性を持たせたりすることも可能である．その際，多層膜の層数が少ない場合は，多層膜の外面に金属層を付加することにより伝送効率を向上させることができる．
【００２３】
【発明の効果】
以上要するに，本発明によれば次のような優れた効果を発揮する．
【００２４】
▲１▼紫外から赤外の広い波長範囲に適応する低損失性を有する中空ファイバを製造できる．
【００２５】
▲２▼可撓性に富む，口径の小さいファイバを低コストで製造可能である．
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す断面図である．
【図２】本発明の効果を示す理論計算の結果を示す図である．
【符号の説明】
１ 中空ファイバ
２ ガラス層
３ 金属層
４ 保護層
５ 中空領域
６ 石英ガラス中空ファイバ
７ 銀層を付加した石英ガラス中空ファイバ
Claims (4)
- ガラス管を加熱溶融し，線引して中空光ファイバを製造する方法において，上記光ファイバのガラス内部での光の干渉効果を利用し，赤外域の目的波長帯において低損失性を示す光ファイバが得られるように，上記光ファイバのガラス肉厚を５ミクロンから２０ミクロンの範囲内で調整することを特徴とするガラス中空光ファイバの製造方法．
- 前記中空光ファイバの外面に金属層を付加することを特徴とする，請求項１に記載のガラス中空光ファイバの製造方法．
- 前記中空光ファイバの外面に誘電体多層膜を付加することを特徴とする，請求項１に記載のガラス中空光ファイバの製造方法．
- 前記中空光ファイバの外面に誘電体多層膜を形成し，さらにその外面に金属層を付加したことを特徴とする，請求項１に記載のガラス中空光ファイバの製造方法．
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002116801A JP3877152B2 (ja) | 2002-04-18 | 2002-04-18 | ガラス中空光ファイバの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002116801A JP3877152B2 (ja) | 2002-04-18 | 2002-04-18 | ガラス中空光ファイバの製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003315588A JP2003315588A (ja) | 2003-11-06 |
| JP3877152B2 true JP3877152B2 (ja) | 2007-02-07 |
Family
ID=29534230
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002116801A Expired - Fee Related JP3877152B2 (ja) | 2002-04-18 | 2002-04-18 | ガラス中空光ファイバの製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3877152B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9456496B2 (en) | 2015-02-12 | 2016-09-27 | International Business Machines Corporation | Substrate containing low-Dk-core glass fibers having low dielectric constant (Dk) cores for use in printed circuit boards (PCBs), and method of making same |
| US11765825B2 (en) | 2016-01-15 | 2023-09-19 | International Business Machines Corporation | Composite materials including filled hollow glass filaments |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100460903C (zh) * | 2006-11-20 | 2009-02-11 | 燕山大学 | 一种保持圆偏振态的低损耗单模空芯光纤 |
-
2002
- 2002-04-18 JP JP2002116801A patent/JP3877152B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9456496B2 (en) | 2015-02-12 | 2016-09-27 | International Business Machines Corporation | Substrate containing low-Dk-core glass fibers having low dielectric constant (Dk) cores for use in printed circuit boards (PCBs), and method of making same |
| US9986637B2 (en) | 2015-02-12 | 2018-05-29 | International Business Machines Corporation | Substrate containing low-Dk-core glass fibers having low dielectric constant (Dk) cores for use in printed circuit boards (PCBs), and method of making same |
| US11765825B2 (en) | 2016-01-15 | 2023-09-19 | International Business Machines Corporation | Composite materials including filled hollow glass filaments |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003315588A (ja) | 2003-11-06 |
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