JP3917115B2

JP3917115B2 - 光ファイバの製造方法

Info

Publication number: JP3917115B2
Application number: JP2003270494A
Authority: JP
Inventors: 克介田嶋; 健周
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2023-07-02
Also published as: JP2005022945A

Description

本発明は、光ファイバの製造方法に関し、より詳細には、光通信ネットワーク及び光信号処理に用いられる伝送媒体である光ファイバの製造方法に関する。

図１は、従来の光ファイバの一般的な構造を示す図で、図中符号１は光ファイバのコア部、２は光ファイバのクラッド部を示している。図１に示すように、従来の光ファイバは、屈折率の高いコア部１の外側に、屈折率の低いクラッド部２を配置した構造のものであった。

図２は、従来の光ファイバのうち、ＰＣＦ(Photonic Crystal Fibers)を示す図で、図中符号３は孔、４は純石英ガラス、５は欠陥部を示している。図２に示すように、単一のガラス、例えば、純石英ガラス４に、周期的に孔３を開けた構造となっている。隣接する孔３の間隔は全て等しくなっている。ただし、この光ファイバの中心部には欠陥部５、すなわち、孔３の無い部分が配置されている。この欠陥部５がコアとして動作して光を閉じ込めるように機能する（例えば、非特許文献１参照）。

図３は、図２に示した従来のＰＣＦの製造方法を示す図で、図中符号６はガラスロッド、７は内側ガラスパイプ、８は外側ガラスパイプを示している。中心部には孔３の開いていない六角形のガラスロッド６を設け、その外側には孔３の開いた六角形の内側ガラスパイプ７を設け、これらをさらに外側ガラスパイプ８の中に挿入した後、高温で光ファイバに線引きしていた。

J.C.Knight, T.A.Birks, P.St.J.Russell, and D.M.Atkin, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding," Opt.Lett.21, 1547-1549(1996)

しかしながら、上述した従来の製造方法では、以下のような問題点がある。
１）光ファイバ化する時、六角形のガラスロッドが熱により変形するため、孔の間隔や大きさが変形し、設計どおりの孔にならず、歩留まりよく光ファイバを作製することが出来なかった。
２）ガラスパイプを束ねて加熱延伸するとき、ガラスパイプの孔径や位置などが初期値から大きく変形するため、任意の位置に、任意の大きさの孔を開けることが出来なかった。
３）六角柱のガラスパイプを作製する際に、ガラスパイプの側面を研削加工する必要があるが、加工時の傷の発生及びガラスパイプを束ねた時の界面の不整合がどうしても避けられない。そのため、束ねたガラスパイプを一体化する時、傷が消滅する前に気泡としてガラスの内部に取り込まれてしまう。これはＰＣＦの不要な孔を付加することになるためＰＣＦ作製上大きな問題となっていた。

また、従来方法では、最長でも数百メートル程度と短いファイバしか製造できなかった。しかも、光ファイバ長手方向に高精度の孔、孔間隔などを維持することが出来ず、低損失の光ファイバを設計どおりに作製することが出来なかった。

さらに、ガラスに多数の孔を開ける場合には孔開け中にガラスに割れを発生させ、ＰＣＦを実現できないような失敗をする可能性が高く、せっかく孔を開けても一本失敗しただけで全て使いものにならなくなっていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、長尺かつ分散特性が一定で、低損失の光ファイバの製造方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、光の導波されるコア部と、該コア部の周囲に複数個配置され、光の波長と同程度の直径を有し、光の導波方向と平行に空けられた空孔とからなる光ファイバの製造方法において、前記コア部と前記複数個の空孔とからなり、光の導波方向と垂直な断面を有するガラスロッドを複数個用意し、前記垂直な断面を重ね合わせ、重ね合わされた前記ガラスロッドを、該ガラスロッドの外径と同程度の内径を有するガラスパイプに挿入した後、光ファイバに線引きすることを特徴とする。

このように、本発明は、光ファイバの出発になるガラスロッドに、超音波ドリルで孔を開ける。例えば、超音波ドリルでガラスに内径３ｍｍの孔を開ける場合には、内径３±０．０１ｍｍの精度で開けることができる。また、その孔の間隔を５ｍｍとした場合、５±０．０１ｍｍの精度で開けることが可能である。従って、ＰＣＦの出発となる孔開きガラスロッドを高精度で作製することができる。

超音波ドリルで開けた孔は、内面の割れ、傷の発生が非常に少ない。また、孔径、孔間隔などを孔の長手方向に高精度で保持できるため、ＰＣＦに必要な精度の孔開けロッドを容易に作成することが出来る。
また、従来方法で問題になっていたパイプ同士の組み立ての必要がないため傷の混入もない。

さらに、孔開きロッドを加熱炉で延伸加工する場合、電気炉の温度分布を均一に保てば孔の形状は線引きした後もほとんど変化しない。従って、光ファイバ化後の孔形状を設計どおりに維持できるため、設計どおりの特性の光ファイバを歩留まりよく作成できる。
本発明の利用分野としては、分散を補償し、非線形効果を利用したデバイス、偏波を保持する光ファイバなどがある。

以上説明したように、本発明によれば、光の導波されるコア部と、このコア部の周囲に配置され、光の波長と同程度の直径の複数個の空隙からなる光ファイバの製造方法において、この光ファイバの元になる空隙を超音波ドリルで複数個開けたガラスロッドを複数個用意し、このガラスロッド断面を重ね合わせ、重ね合わされたガラスロッドを、このガラスロッドの外径と同程度の内径を有するガラスパイプに挿入した後、光ファイバに線引きするので、径の変化の少ない（μｍ程度）正確な孔を数個〜数百個、孔間隔を等しく加工できる。この後、通常の線引きを行なうことにより、孔の大きさ間隔などは、初期の孔形状と相似変形するため、設計どおりの光ファイバを容易に作製することが出来る。

また、孔と孔の間には、ガラスの接続部が存在しないため、構造不整による損失が発生しない。このため、設計どおりに長尺の低損失の光ファイバを歩留まりよく製造できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
ＰＣＦの分散特性やＭＦＤ特性などは、孔径ｄ及び孔間隔Ａによって決まる。ＰＣＦを歩留まりよく製造するためには、孔径ｄ及び孔間隔Ａなどの再現性が重要である。また、低損失のＰＣＦを実現するためには、１）出発となるガラスの損失（レーリー散乱損失、赤外吸収損失など）が低いこと、２）孔の形状を光ファイバ長手方向に維持すること、３）孔の面粗さを少なくすること、４）孔内面および内部の不純物を低減することなどが必要になる。

図４は、ｄ／Ａ＝０．５とした場合の分散の波長依存性を示図である。
孔間隔Ａが１．６μｍの場合の零分散波長は１．２μｍ、孔間隔Ａが１．９μｍの場合には零分散波長は１．６８μｍとなる。孔間隔Ａが０．３μｍ増加すると、零分散波長は０．４８μｍ増加する。

図５は、Ａ＝１．６μｍとした場合の分散の波長依存性を示す図である。
例えば、孔径ｄが０．８μｍから０．９μｍに増加すると零分散波長は１．２μｍから１．４μｍに変化する。すなわち、孔径ｄが１１％変化すると零分散波長は２００ｎｍ変化する。従って、零分散波長の変化を１０ｎｍ程度におさえるためには０．５％以下の孔径変動にしなければならない。

図６は、本発明に係る光ファイバの製造方法の実施例１を示す図で、図中符号９は超音波ドリル、１３は孔、１４（１４ａ〜１４ｃ）はガラスロッド、１５は欠陥部を示している。外径４０ｍｍ、長さ４０ｍｍのガラスロッド１４に超音波ドリル９で内径３ｍｍの孔を６ｍｍ間隔で１８個開けた。この孔１３の開いたガラスロッド１４を３本用意して、この３本の孔開きガラスロッド１４ａ〜１４ｃを内径４０ｍｍ、外径４５ｍｍ、長さ１２０ｍｍのガラスパイプ１０に挿入してＰＣＦのプリフォームとした。

従来の孔開け方法では、長いドリルの作成が不可能なため長い孔を開けることが困難であった。長いドリルでは、ドリルの回転振れにより孔の内面にクラックが発生する確率が高まり、長い孔を開けることが困難であった。また、長い孔を開ける場合には、クラックが発生する確率が高まるという問題があった。本発明においては、３本の孔開けガラスロッド１４ａ〜１４ｃは、その長さが４０ｍｍであり、一度に１２０ｍｍの長さの孔を開ける場合に比べると、孔開けの失敗のリスクが大幅に少なくなった。

ＰＣＦでは、導波特性をもたせるために中心部に孔のない欠陥部１５を配置している。孔１３を開けた後のガラスロッド１４の一部を切断して、孔１３の形状を測定した。孔径ｄは３ｍｍ±１０μｍ以内であった。また、孔間隔Ａは５ｍｍ±１０μｍ以内であった。

次に、孔１３の内面をフッ酸にて洗浄後乾燥させた後、この孔１３の開いたガラスロッド１４を電気炉で加熱し、１２５μｍ径の光ファイバに線引きした。作製した光ファイバ長は１０ｋｍであった。光ファイバ線引き後、その光ファイバを切断し、電子顕微鏡で孔径ｄ及び孔間隔Ａを測定した。光ファイバ線引き後の孔径ｄは９．４μｍであり、孔間隔Ａは１５．６μｍであり、元の孔の開いたガラスロッドにおける孔の形状と相似の孔開き光ファイバが実現でき、光ファイバの全長にわたって形状の変化はなかった。また、この光ファイバの光損失は波長１．３μｍで１ｄＢ／ｋｍ、波長１．５５μｍでは０．５ｄＢ／ｋｍと低損失であった。

従来の光ファイバの一般的な構造を示す図である。従来の光ファイバのうち、ＰＣＦ(Photonic Crystal Fibers)を示す図である。図２に示した従来のＰＣＦの製造方法を示す図である。ｄ／Ａ＝０．５とした場合の分散の波長依存性を示す図である。Ａ＝１．６μｍとした場合の分散の波長依存性を示す図である。本発明に係る光ファイバの製造方法の実施例１を示す図である。

符号の説明

１光ファイバのコア部
２光ファイバのクラッド部
３孔
４純石英ガラス
５欠陥部
６ガラスロッド
７内側ガラスパイプ
８外側ガラスパイプ
９超音波ドリル
１０ガラスパイプ
１２ガラス微粒子
１３孔
１４（１４ａ〜１４ｃ）ガラスロッド
１５欠陥部

Claims

光の導波されるコア部と、該コア部の周囲に複数個配置され、光の波長と同程度の直径を有し、光の導波方向と平行に空けられた空孔とからなる光ファイバの製造方法において、前記コア部と前記複数個の空孔とからなり、光の導波方向と垂直な断面を有するガラスロッドを複数個用意し、前記垂直な断面を重ね合わせ、重ね合わされた前記ガラスロッドを、該ガラスロッドの外径と同程度の内径を有するガラスパイプに挿入した後、光ファイバに線引きすることを特徴とする光ファイバの製造方法。