JP4245889B2 - 光ファイバ母材の作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸方向に沿って空孔を有する光ファイバを作製するために用いられる光ファイバ母材の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、クラッド領域内の所定の位置に、軸方向に沿った空孔を有する光ファイバが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
図６（ａ）に示す光ファイバ１０１は、コア１０２の周囲のクラッド１０３内に空孔１０４（図６（ａ）中は６個）を形成したものである。この例の光ファイバ１０１によれば、空孔１０４内の屈折率がガラスに比べて極めて低いので、クラッド１０３の実効屈折率が低くなり、高い実効屈折率差を得ることができる。
【０００３】
また、図６（ｂ）に示す光ファイバ２０１は、空孔２０３を有しない中心部２０２の周囲に、多数の空孔２０３を有する円環領域２０４が形成されたものである。空孔２０３以外の中実の部分は、均一な媒質から構成されている。そして、空孔２０３の個数および間隔は、ブラッグ回折条件を満足するように決定されている。この例の光ファイバによれば、円環領域２０４によるブラッグ回折により、回折条件を満たす所定の波長の光を反射して、中心部２０２に閉じ込めて伝搬させることができる。
【０００４】
これらの例に代表される、空孔を有する光ファイバは、大きな構造分散が得られるため分散補償に適するとともに、非常に大きな、あるいは非常に小さな実効コア断面積を実現できるため、多種多様な光学効果の利用が期待され、注目されている。
【０００５】
これらの空孔を有する光ファイバは、従来の提案によれば、空孔を有する光ファイバ母材を作製したのち、これを加熱して線引きすることによって作製されている。空孔を有する光ファイバ母材を作製する方法としては、主として、
（１）中実のガラス母材の所定の位置にドリルなどを用いて穿孔する方法、
（２）複数のガラス管とガラス棒を束ね、加熱して管および棒の外面を融着させ、ガラス管の孔を残して一体化する方法、
の２通りがある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−９５６２８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４５６３４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、いずれの方法によっても、空孔径がドリル径または管径によって決定されるため、容易に形成できる空孔径には制約があり、特に、小径の空孔の形成は困難である。また、所望の特性を得るために空孔の径を変えると、ドリルや管の径を変える必要があるので、多種のドリルや管を用意する必要があり、生産性に劣る。
さらに、前記（１）の方法には、長尺の光ファイバ母材を得るためには長いドリルを用いて深い空孔を開ける必要があるが、あまりに長いドリルではドリルが折れやすくなる等、穿孔作業が実質的に不可能であるという問題がある。前記（２）の方法には、ガラス管を正確に配置する必要があるので、特に細いガラス管を束ねる場合、作業に手間が掛かるという問題がある。
【０００８】
この問題を解決するため、空孔径を所望の値とせずとも、母材径を適宜変え、母材径と空孔径との比率が目標のものと等しくなるように光ファイバ母材を作製する方法が考えられる。しかし、この方法では、母材径に対する空孔径の比率が非常に小さい場合、母材径を非常に大きくせざるを得ないので、線引きの作業に支障をきたすおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、所望の母材径および空孔径を有する光ファイバ母材を容易に形成できる光ファイバ母材の作製方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、軸方向に沿った所定の領域に所定径の空孔を１つ以上有する光ファイバ母材の作製方法であって、前記所定径より大きな空孔を有するガラス母材の作製工程と、当該空孔径が前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸する延伸工程とを備え、前記延伸工程において、延伸前にガラス母材の空孔を両端封止したのち、該ガラス母材の一部を加熱して、空孔中に膨大部を形成する前工程を行うことを特徴とする光ファイバ母材の作製方法を提供する。
また、本発明は、軸方向に沿った所定の領域に所定径の空孔を１つ以上有する光ファイバ母材の作製方法であって、前記所定径より大きな空孔を有するガラス母材の作製工程と、当該空孔径が前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸する延伸工程とを備え、前記延伸工程において、延伸前にガラス母材の空孔を両端封止したのち、該ガラス母材の一部を加熱して、空孔中に膨大部を形成する前工程を行うとともに、前記延伸工程において、前記ガラス母材の初期空孔径と、前記所定径との間に１つ以上の目標空孔径を設定し、ガラス母材を空孔径が前記目標空孔径となるように延伸した後、前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸することを特徴とする光ファイバ母材の作製方法を提供する。
【００１１】
また、本発明は、軸方向に沿った所定の領域に所定径の空孔を１つ以上有する光ファイバ母材の作製方法であって、前記所定径より大きな空孔を有するガラス母材の作製工程と、当該空孔径が前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸する延伸工程とを備え、前記延伸工程において、前記ガラス母材の初期空孔径と、前記所定径との間に１つ以上の目標空孔径を設定し、ガラス母材を空孔径が前記目標空孔径となるように延伸した後、前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸することを特徴とする光ファイバ母材の作製方法を提供する。
【００１２】
ガラス母材の延伸後、さらに、その外周にクラッド用ガラスの外付けを行うことにより、母材径に対する空孔径の比がより小さな光ファイバ母材を作製することができる。これにより、母材径と空孔径との比を自在に変え、所望の母材径および空孔径を有する光ファイバ母材の作製が可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に基づいて、本発明を詳しく説明する。
図１は、本実施の形態の光ファイバ母材の作製方法を説明する図である。図１（ｃ）は、光ファイバ母材１の断面図である。この光ファイバ母材１は、円柱状に作製されており、高屈折率のコア部２と低屈折率のクラッド部３とを有している。クラッド部３は、内側クラッド部３ａと外側クラッド部３ｂに分かれており、内側クラッド部３ａ内に所定の径を有する複数の空孔４が形成されている。
【００１４】
コア部２およびクラッド部３を形成する成分は特に限定されるものではないが、コア部２としては、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）など屈折率を高くするドーパントが添加された石英ガラスを用いることができる。また、クラッド部３としては、例えば、純粋な石英ガラスや、フッ素（Ｆ）など屈折率を低くするドーパントが添加された石英ガラスを用いることができる。
内側クラッド部３ａと外側クラッド部３ｂとは、図１中では、後述する作製方法の説明のため、区別を設けているが、必ずしも媒質として異なるものではなく、同一の媒質とすることができる。また、それらの境界線も必ずしも明確に識別されうるものではない。
【００１５】
空孔４の個数、径、配置は、特に制限されるものではなく、従来の提案にあるように、空孔４の形成による実効屈折率に基づいて、適宜設計したものを採用することができる。また、空孔４の内部を満たす媒質は、所望の光学特性が得られる限り、特に限定されるものではなく、例えば、空気や不活性ガスを充填してもよい。また、真空にしてもよい。
【００１６】
本実施の形態においては、図１（ｃ）に示す光ファイバ母材１を作製するに当り、まず、図１（ａ）に示すように、前記所定径より径の大きな空孔１４を有するガラス母材１１を作製するガラス母材の作製工程と、次いで、図１（ｂ）に示すように、当該空孔１４の径が前記所定径となるように延伸する延伸工程とを用いることを特徴とする。これにより、延伸後の空孔４の径は、延伸前の空孔１４の径より小さくなるので、ガラス母材の作製工程において、該ガラス母材１１に設ける空孔１４の径は、光ファイバ母材１に形成されるべき空孔４の所定径より大きくすることができ、空孔１４の形成は容易である。また、延伸工程により、元のガラス母材１１より空孔１４の径が小さく、長尺の光ファイバ母材１を得ることができる。このように、小径の空孔４を有する長尺の光ファイバ母材１の作製が容易になる。
ガラス母材１１の母材径としては、例えば、４０〜１００ｍｍとすることができる。
【００１７】
空孔１４を有するガラス母材１１を作製する方法としては、特に制限されるものではないが、例えば、ＶＡＤ法、ＭＣＶＤ法、ＯＶＤ法などの公知の方法を用いて、コア部１２とクラッド部１３とを有する中実のガラス母材１１を作製した後、ダイヤモンド刃などのドリルにより空孔４を穿孔したのち、穿孔後の空孔１４の内面を内面研磨やエッチングにより表面平滑化する方法が挙げられる。
この場合、ガラス母材１１の空孔１４の径は、また、延伸の比率を変えることにより、延伸後の空孔４の径を自由に変えることができるので、目的とする光ファイバ母材１の空孔４の径より大きく、穿孔作業や表面平滑化処理の容易な径とすることができ、空孔１４の穿孔や研磨のためのツールの種類は少なくて済み、生産性が向上する。
【００１８】
また、空孔１４を有するガラス母材１１を作製する方法として、所定の径を有するガラス管とガラス棒を複数用意し、所定の配置に束ねて（バンドルして）、加熱し一体化させる方法を採用してもよい。
この場合、ガラス管およびガラス棒の寸法は、目的とする光ファイバ母材１ではなく、延伸前のガラス母材１１の寸法によって決定され、延伸前のガラス母材１１の外径は、目的とする光ファイバ母材１の外径より太いので、ガラス管やガラス棒の内外径を大きくすることにより、取扱い性を向上させ、バンドル作業を容易にすることができる。また、延伸の比率を変えることにより、延伸後の空孔４の径を自由に変えることができるので、用意すべきガラス管やガラス棒の径も少ない種類で済み、生産性が向上する。
上記ガラス管およびガラス棒は、円柱状でもよいが、外面を四角柱状や六角柱状に研磨しておくと、束ねる際にズレにくくなるので、より好ましい。
【００１９】
次いで、ガラス母材の作製工程において得られた空孔１４を有するガラス母材１１を、延伸工程により、延伸する。空孔１４を有するガラス母材１１を延伸するためには、中実の石英ロッドの延伸に用いられている公知の延伸機を用い、ガラス母材１１を加熱して軟化させ、一端または両端を牽引手段により牽引することにより、延伸することができる。
【００２０】
延伸後の母材径を所望の値にするためには、加熱温度や牽引手段の牽引条件を制御することが好ましい。
加熱温度としては、１８００〜２０００℃とすることが好ましい。加熱温度が前記下限値未満であると、充分に効率よく延伸することができない。また、前記上限値を超えると、ガラスの粘度が低くなり、空孔の潰れや膨らみ、変形などが発生するおそれがあるので好ましくない。
また、牽引手段の牽引速度としては、２０ｍｍ／ｍｉｎ〜１５０ｍｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。
牽引力が強すぎたり、牽引速度が速すぎたりすると、母材径の調節が難しく、母材径が細くなりすぎたり、母材の長手方向で、母材径の変動が大きくなったりし、延伸後の母材径を所望の値にすることが困難である。また、牽引力が弱すぎたり、牽引速度が遅すぎたりすると、延伸工程に時間が掛かり、生産性が低下する等の不都合がある。
【００２１】
空孔１４を有するガラス母材１１の延伸は、ガラス母材１１の外径を一度に細くすると、引き取り速度が速くなり、制御が難しく、空孔１４が変形しやすい。また、あまりに遅すぎても、制御しにくい。このため、空孔１４の潰れや変形を抑制するためには、一度に延伸せず、複数回に分けて行うことが好ましい。それぞれの回の延伸において、延伸前の母材径に対する延伸後の母材径の比率が、いずれも１／２以上となるようにすることが好ましい。例えば、母材径を１／４とするためには、母材径が１／２倍になる延伸を２回行うことにより、空孔１４の潰れや変形をほとんど起こすことなくガラス母材１１を延伸することができる。
【００２２】
延伸の際、空孔１４の内圧が過度に高くなったり、あるいは過度に低くなったりすると、空孔１４が膨らんだり、潰れたり、変形したりするおそれがある。
例えば、加熱を続けるうちに、ガラス母材１１の温度が高くなっていく状況では、空孔１４の内圧が高まるとともに、ガラス母材１１を軟化させた部分の粘度が低下していくので、図２（ａ）に示すように、空孔４の内径が徐々に広くなってテーパ状となり、ついには膨らみや変形５などの欠陥を生じるおそれがある。
また、空孔１４の内圧が過度に低下した場合には、図２（ｂ）に示すように、空孔の潰れ６が生じるおそれがある。
【００２３】
このような欠陥の発生を抑制するため、空孔１４の内圧などの作製条件を適宜調節しながら延伸することが好ましい。以下、空孔１４の内圧の調節が可能な手法について説明する。
【００２４】
第１の手法は、図３（ａ）に示すように、ガラス母材１１の一端または両端にガラス管１５を接続し、ガラス管１５と空孔１４とを連通させる方法である。この方法によれば、空孔１４の内圧が常に大気圧に等しく保たれるので、空孔１４の膨らみや変形が抑制される。
ガラス管１５は、すべての空孔１４が大気に接触するように、空孔１４が開口している領域を覆うだけの内径を有する必要がある。ガラス管１５の肉厚は、あまりに薄いと破損しやすいので、ガラス管１５の肉厚と外径との比が１／６以上（例えば外径が３０ｍｍのとき肉厚５ｍｍ以上）とすることが好ましい。
【００２５】
図３（ａ）には、ガラス管１５を両端に接続した様子を示したが、ガラス管１５をガラス母材１１の一端のみに接続してもよい。この場合、ガラス母材１１の他端には、中実のガラス棒（ダミー棒）を接続することが好ましい。
これにより、延伸の際、ガラス母材１１を把持する代わりに、ガラス管１５やダミー棒を把持して支えることができるので、ガラス母材１１を有効に利用することができる。
【００２６】
次いで、図３（ｂ）に示すように、ガラス管１５を接続したガラス母材１１を、延伸装置内に配置する。この延伸装置は、少なくとも把持手段３１と、ヒータ３２と、牽引手段３３とを備えている。把持手段３１により一方のガラス管１５ａを把持し、ガラス母材１１をヒータ３２により加熱しながら、牽引手段３３により他方のガラス管１５ｂに牽引力を与えてガラス母材１１を延伸する。
この際、空孔１４がガラス管１５を介して大気に開放されているので、空孔１４内の空気が加熱により膨張しても、空孔１４の内圧が常に大気圧に等しく保たれる。このため、空孔の膨らみや変形が抑制される。
【００２７】
延伸されたガラス母材１１からガラス管１５ａ、１５ｂを切除し、所望の長さごとに切断することによって、所望の径の空孔４を有する光ファイバ母材１が得られる。
【００２８】
第２の手法は、図４（ａ）に示すように、ガラス母材１１の両端に中実のガラス棒（ダミー棒）１６を接続して、空孔１４を封止したのち、ガラス母材１１の一部を加熱して、空孔１４の一部を膨らませて膨大部１７を形成する方法である。延伸に用いる延伸装置の構成は、図４（ｂ）に示すように、上述の第１の手法に説明したもの（図３（ｂ）参照）と同様とすることができるので、説明を省略する。
【００２９】
膨大部１７を形成する位置は、ガラス母材１１を延伸装置内に配置した時、牽引手段３３の反対の側、すなわち、把持手段３１側とすることが好ましい。これにより、膨大部１７は最後まで延伸されずに済む。膨大部１７を形成した箇所は、光ファイバの作製に用いることができないので、膨大部１７に達する手前で延伸の作業を終了し、膨大部１７の近傍部は切除することが好ましい。
【００３０】
膨大部１７を形成する方法としては、延伸の際に用いるヒータ３２と同程度の長さの加熱装置を用い、延伸時の加熱温度と同程度に加熱して、自然に膨張するして、空孔１４の内圧が外気圧とほぼ釣り合う程度まで膨張させる。このようにして膨大部１７を形成した場合、膨大部１７の直径は、延伸前の空孔１４の直径の１．０〜２．０倍程度になる。
このようにして、空孔１４を密閉した状態で、該空孔１４に膨大部１７を形成することにより、延伸工程において加熱したときに、空孔１４の内圧が外気圧とほぼ釣り合う程度となり、空孔１４の膨張や変形が抑制される。
【００３１】
第３の手法は、まず、図５（ａ）に示すように、ガラス母材１１の一端にガラス管１５を、他端に中実のダミー棒１６を接続したのち、図５（ｂ）に示すように、ガラス管１５の開口側に圧力コントローラ３４を取り付けて、空孔１４内の内圧を制御する方法である。
圧力コントローラ３４は、ピストンや圧力調整弁などの圧力調整手段を備え、空孔１４内を所望の圧力とすることができる装置である。
【００３２】
さらに、図５（ｂ）に示す延伸装置には、ヒータ３２および圧力コントローラ３４を制御するための制御器３５が備えられている。この制御器３５により、ヒータ３２の加熱温度および空孔１４の内圧が制御される。
このような延伸装置を用いて延伸を行うことにより、空孔１４の膨らみや変形が抑制される。
空孔１４の内圧の制御は、外気の圧力との差が、＋０．０ｋＰａ〜＋２．０ｋＰａの範囲内となるようにし、また、延伸工程に亘る空孔１４の内圧の変動幅が±０．１ｋＰａ以下となるように行うことが好ましい。空孔１４の内圧の変動が大きいと、母材の長手方向に亘る空孔１４径の変動が大きくなり、空孔１４の潰れや膨らみなどが生じやすくなるので、好ましくない。
また、空孔１４の内圧を、ヒータ３２の加熱温度に応じて制御することにより、加熱されたガラス母材１１のガラスの粘度に応じて、適切な内圧を設定することができるので、好ましい。
【００３３】
さらに、上述のようにガラス母材１１を延伸した後、図１（ｃ）に示すように、延伸後の母材２１の外周上にクラッド用ガラスを外付けして、外側クラッド部３ｂを形成し、光ファイバ母材１とする。これにより、母材径を増大させることができるので、光ファイバ母材１の径に対する空孔４の径の比率を小さくすることができる。従って、この光ファイバ母材１を線引して得られる光ファイバは、ファイバ径に対する空孔径の比も小さくなる。このため、小径の空孔を有する光ファイバを容易に作製することができる。
【００３４】
母材径を増大させる処理の具体例としては、延伸母材２１を石英ガラス管などのジャケット管に入れ、加熱してコラプスする方法、ＭＣＶＤ法やＯＶＤ法等の手法を用いて、延伸母材２１の外周にガラス粒子を堆積させたのち、そのガラス粒子を焼結して透明ガラス化する方法が挙げられる。
【００３５】
以上のように、本実施の形態の光ファイバ母材の作製方法によれば、空孔１４を有するガラス母材１１を作製して、延伸したのち、その外周に外側クラッド部３ｂを外付けして光ファイバ母材１を得るので、光ファイバ母材１の径および空孔４の径を適宜変化させ、所望の寸法の光ファイバ母材１を容易に作製することができる。また、空孔１４の内圧を制御しながら延伸することにより、空孔１４の潰れや膨らみ、変形を抑制し、長手方向に均一な空孔４を有する光ファイバ母材１を得ることができる。
【００３６】
【実施例】
石英ガラスを主成分とするガラスからなる中実のガラス母材をＶＡＤ法により作製し、このガラス母材に、ダイヤモンド刃のドリルを用いて、表１に示す寸法の空孔１４を穿設して、空孔１４を有するガラス母材１１を作製した。
このガラス母材１１を延伸装置内に配置し、１８５０℃に加熱して、外径が約１／２になるように延伸した。得られた光ファイバ母材１の空孔４を観察したところ、潰れや変形がなく、径が長手方向に均一になっていた。空孔４の直径を測定したところ、表１に示すように、延伸前に対してほぼ１／２倍となっており、延伸前後の母材径の比とほぼ等しくなるように、空孔径を縮径することができた。
【００３７】
【表１】
【００３８】
次に、延伸回数を１回とした場合と、２回にした場合との効果の違いを調べるため、以下の実験を行った。
まず、石英ガラスを主成分とするガラスからなる中実のガラス母材をＶＡＤ法により作製し、このガラス母材に、ダイヤモンド刃のドリルを用いて、表２に示す寸法の空孔１４を穿設して、空孔１４を有するガラス母材１１を作製した。
延伸機を用いて、ガラス母材１１を１８５０℃に加熱して、外径が約１／４になるように１回で延伸したところ、空孔４が潰れてしまった。
延伸回数を２回とし、１回の延伸で母材径が約１／２になるように延伸したところ、空孔４の潰れのない光ファイバ母材１を作製することができた。
【００３９】
【表２】
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、所定径の空孔が設けられた光ファイバ母材を作製するために、前記所定径より大きな空孔を有するガラス母材の作製工程と、当該空孔径が前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸する延伸工程とを備える光ファイバ母材の作製方法によれば、延伸工程により、ガラス母材の空孔径を縮小させることができる。
ガラス母材の作製工程においてガラス母材に設ける空孔の径は、光ファイバ母材に形成されるべき空孔の所定径より大きくすることができ、小径の空孔を有する光ファイバ母材の作製が容易になる。すなわち、ガラス母材に小径の空孔を直接形成する必要はなくなり、ガラス母材に形成する空孔の径は形成の容易な径とすることができる。
また、延伸工程により、ガラス母材を線引きの作業に支障をきたさない程度に縮径することができることを考慮すれば、延伸前のガラス母材の母材径を太くすることができるので、空孔を有するガラス母材の作製工程における生産性を向上することができる。
また、空孔をドリルを用いて穿設する場合には、ガラス母材に設ける空孔の深さをあまり深くする必要がなくなるので、空孔の形成が極めて容易になる。
さらに、延伸工程において、母材の長さを長くすることができるので、長尺の光ファイバ母材を容易に得ることができる。
本発明の光ファイバ母材の作製方法によれば、延伸工程において、以下に示す手法のいずれか一つまたは複数を行うことにより、空孔が潰れたり、変形したりすることを抑制することができる。
（１）延伸を複数回に分け、徐々に径を縮小する。
（２）延伸前にガラス母材の空孔を両端封止したのち、該ガラス母材の一部を加熱して、空孔中に膨大部を形成する前工程を行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の光ファイバ母材の作製方法を説明する断面図である。
【図２】 ガラス母材の延伸の際に発生しうる欠陥の例を示す側面図である。
【図３】 延伸方法の第１の例を説明する断面図である。
【図４】 延伸方法の第２の例を説明する断面図である。
【図５】 延伸方法の第３の例を説明する断面図である。
【図６】 従来の空孔を有する光ファイバの例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…光ファイバ母材、３…クラッド部、３ｂ…外側クラッド部、４…光ファイバ母材の空孔、１１…ガラス母材、１４…ガラス母材の空孔、１５…ガラス管。
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸方向に沿って空孔を有する光ファイバを作製するために用いられる光ファイバ母材の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、クラッド領域内の所定の位置に、軸方向に沿った空孔を有する光ファイバが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
図６（ａ）に示す光ファイバ１０１は、コア１０２の周囲のクラッド１０３内に空孔１０４（図６（ａ）中は６個）を形成したものである。この例の光ファイバ１０１によれば、空孔１０４内の屈折率がガラスに比べて極めて低いので、クラッド１０３の実効屈折率が低くなり、高い実効屈折率差を得ることができる。
【０００３】
また、図６（ｂ）に示す光ファイバ２０１は、空孔２０３を有しない中心部２０２の周囲に、多数の空孔２０３を有する円環領域２０４が形成されたものである。空孔２０３以外の中実の部分は、均一な媒質から構成されている。そして、空孔２０３の個数および間隔は、ブラッグ回折条件を満足するように決定されている。この例の光ファイバによれば、円環領域２０４によるブラッグ回折により、回折条件を満たす所定の波長の光を反射して、中心部２０２に閉じ込めて伝搬させることができる。
【０００４】
これらの例に代表される、空孔を有する光ファイバは、大きな構造分散が得られるため分散補償に適するとともに、非常に大きな、あるいは非常に小さな実効コア断面積を実現できるため、多種多様な光学効果の利用が期待され、注目されている。
【０００５】
これらの空孔を有する光ファイバは、従来の提案によれば、空孔を有する光ファイバ母材を作製したのち、これを加熱して線引きすることによって作製されている。空孔を有する光ファイバ母材を作製する方法としては、主として、
（１）中実のガラス母材の所定の位置にドリルなどを用いて穿孔する方法、
（２）複数のガラス管とガラス棒を束ね、加熱して管および棒の外面を融着させ、ガラス管の孔を残して一体化する方法、
の２通りがある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−９５６２８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４５６３４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、いずれの方法によっても、空孔径がドリル径または管径によって決定されるため、容易に形成できる空孔径には制約があり、特に、小径の空孔の形成は困難である。また、所望の特性を得るために空孔の径を変えると、ドリルや管の径を変える必要があるので、多種のドリルや管を用意する必要があり、生産性に劣る。
さらに、前記（１）の方法には、長尺の光ファイバ母材を得るためには長いドリルを用いて深い空孔を開ける必要があるが、あまりに長いドリルではドリルが折れやすくなる等、穿孔作業が実質的に不可能であるという問題がある。前記（２）の方法には、ガラス管を正確に配置する必要があるので、特に細いガラス管を束ねる場合、作業に手間が掛かるという問題がある。
【０００８】
この問題を解決するため、空孔径を所望の値とせずとも、母材径を適宜変え、母材径と空孔径との比率が目標のものと等しくなるように光ファイバ母材を作製する方法が考えられる。しかし、この方法では、母材径に対する空孔径の比率が非常に小さい場合、母材径を非常に大きくせざるを得ないので、線引きの作業に支障をきたすおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、所望の母材径および空孔径を有する光ファイバ母材を容易に形成できる光ファイバ母材の作製方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、軸方向に沿った所定の領域に所定径の空孔を１つ以上有する光ファイバ母材の作製方法であって、前記所定径より大きな空孔を有するガラス母材の作製工程と、当該空孔径が前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸する延伸工程とを備え、前記延伸工程において、延伸前にガラス母材の空孔を両端封止したのち、該ガラス母材の一部を加熱して、空孔中に膨大部を形成する前工程を行うことを特徴とする光ファイバ母材の作製方法を提供する。
また、本発明は、軸方向に沿った所定の領域に所定径の空孔を１つ以上有する光ファイバ母材の作製方法であって、前記所定径より大きな空孔を有するガラス母材の作製工程と、当該空孔径が前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸する延伸工程とを備え、前記延伸工程において、延伸前にガラス母材の空孔を両端封止したのち、該ガラス母材の一部を加熱して、空孔中に膨大部を形成する前工程を行うとともに、前記延伸工程において、前記ガラス母材の初期空孔径と、前記所定径との間に１つ以上の目標空孔径を設定し、ガラス母材を空孔径が前記目標空孔径となるように延伸した後、前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸することを特徴とする光ファイバ母材の作製方法を提供する。
【００１１】
また、本発明は、軸方向に沿った所定の領域に所定径の空孔を１つ以上有する光ファイバ母材の作製方法であって、前記所定径より大きな空孔を有するガラス母材の作製工程と、当該空孔径が前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸する延伸工程とを備え、前記延伸工程において、前記ガラス母材の初期空孔径と、前記所定径との間に１つ以上の目標空孔径を設定し、ガラス母材を空孔径が前記目標空孔径となるように延伸した後、前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸することを特徴とする光ファイバ母材の作製方法を提供する。
【００１２】
ガラス母材の延伸後、さらに、その外周にクラッド用ガラスの外付けを行うことにより、母材径に対する空孔径の比がより小さな光ファイバ母材を作製することができる。これにより、母材径と空孔径との比を自在に変え、所望の母材径および空孔径を有する光ファイバ母材の作製が可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に基づいて、本発明を詳しく説明する。
図１は、本実施の形態の光ファイバ母材の作製方法を説明する図である。図１（ｃ）は、光ファイバ母材１の断面図である。この光ファイバ母材１は、円柱状に作製されており、高屈折率のコア部２と低屈折率のクラッド部３とを有している。クラッド部３は、内側クラッド部３ａと外側クラッド部３ｂに分かれており、内側クラッド部３ａ内に所定の径を有する複数の空孔４が形成されている。
【００１４】
コア部２およびクラッド部３を形成する成分は特に限定されるものではないが、コア部２としては、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）など屈折率を高くするドーパントが添加された石英ガラスを用いることができる。また、クラッド部３としては、例えば、純粋な石英ガラスや、フッ素（Ｆ）など屈折率を低くするドーパントが添加された石英ガラスを用いることができる。
内側クラッド部３ａと外側クラッド部３ｂとは、図１中では、後述する作製方法の説明のため、区別を設けているが、必ずしも媒質として異なるものではなく、同一の媒質とすることができる。また、それらの境界線も必ずしも明確に識別されうるものではない。
【００１５】
空孔４の個数、径、配置は、特に制限されるものではなく、従来の提案にあるように、空孔４の形成による実効屈折率に基づいて、適宜設計したものを採用することができる。また、空孔４の内部を満たす媒質は、所望の光学特性が得られる限り、特に限定されるものではなく、例えば、空気や不活性ガスを充填してもよい。また、真空にしてもよい。
【００１６】
本実施の形態においては、図１（ｃ）に示す光ファイバ母材１を作製するに当り、まず、図１（ａ）に示すように、前記所定径より径の大きな空孔１４を有するガラス母材１１を作製するガラス母材の作製工程と、次いで、図１（ｂ）に示すように、当該空孔１４の径が前記所定径となるように延伸する延伸工程とを用いることを特徴とする。これにより、延伸後の空孔４の径は、延伸前の空孔１４の径より小さくなるので、ガラス母材の作製工程において、該ガラス母材１１に設ける空孔１４の径は、光ファイバ母材１に形成されるべき空孔４の所定径より大きくすることができ、空孔１４の形成は容易である。また、延伸工程により、元のガラス母材１１より空孔１４の径が小さく、長尺の光ファイバ母材１を得ることができる。このように、小径の空孔４を有する長尺の光ファイバ母材１の作製が容易になる。
ガラス母材１１の母材径としては、例えば、４０〜１００ｍｍとすることができる。
【００１７】
空孔１４を有するガラス母材１１を作製する方法としては、特に制限されるものではないが、例えば、ＶＡＤ法、ＭＣＶＤ法、ＯＶＤ法などの公知の方法を用いて、コア部１２とクラッド部１３とを有する中実のガラス母材１１を作製した後、ダイヤモンド刃などのドリルにより空孔４を穿孔したのち、穿孔後の空孔１４の内面を内面研磨やエッチングにより表面平滑化する方法が挙げられる。
この場合、ガラス母材１１の空孔１４の径は、また、延伸の比率を変えることにより、延伸後の空孔４の径を自由に変えることができるので、目的とする光ファイバ母材１の空孔４の径より大きく、穿孔作業や表面平滑化処理の容易な径とすることができ、空孔１４の穿孔や研磨のためのツールの種類は少なくて済み、生産性が向上する。
【００１８】
また、空孔１４を有するガラス母材１１を作製する方法として、所定の径を有するガラス管とガラス棒を複数用意し、所定の配置に束ねて（バンドルして）、加熱し一体化させる方法を採用してもよい。
この場合、ガラス管およびガラス棒の寸法は、目的とする光ファイバ母材１ではなく、延伸前のガラス母材１１の寸法によって決定され、延伸前のガラス母材１１の外径は、目的とする光ファイバ母材１の外径より太いので、ガラス管やガラス棒の内外径を大きくすることにより、取扱い性を向上させ、バンドル作業を容易にすることができる。また、延伸の比率を変えることにより、延伸後の空孔４の径を自由に変えることができるので、用意すべきガラス管やガラス棒の径も少ない種類で済み、生産性が向上する。
上記ガラス管およびガラス棒は、円柱状でもよいが、外面を四角柱状や六角柱状に研磨しておくと、束ねる際にズレにくくなるので、より好ましい。
【００１９】
次いで、ガラス母材の作製工程において得られた空孔１４を有するガラス母材１１を、延伸工程により、延伸する。空孔１４を有するガラス母材１１を延伸するためには、中実の石英ロッドの延伸に用いられている公知の延伸機を用い、ガラス母材１１を加熱して軟化させ、一端または両端を牽引手段により牽引することにより、延伸することができる。
【００２０】
延伸後の母材径を所望の値にするためには、加熱温度や牽引手段の牽引条件を制御することが好ましい。
加熱温度としては、１８００〜２０００℃とすることが好ましい。加熱温度が前記下限値未満であると、充分に効率よく延伸することができない。また、前記上限値を超えると、ガラスの粘度が低くなり、空孔の潰れや膨らみ、変形などが発生するおそれがあるので好ましくない。
また、牽引手段の牽引速度としては、２０ｍｍ／ｍｉｎ〜１５０ｍｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。
牽引力が強すぎたり、牽引速度が速すぎたりすると、母材径の調節が難しく、母材径が細くなりすぎたり、母材の長手方向で、母材径の変動が大きくなったりし、延伸後の母材径を所望の値にすることが困難である。また、牽引力が弱すぎたり、牽引速度が遅すぎたりすると、延伸工程に時間が掛かり、生産性が低下する等の不都合がある。
【００２１】
空孔１４を有するガラス母材１１の延伸は、ガラス母材１１の外径を一度に細くすると、引き取り速度が速くなり、制御が難しく、空孔１４が変形しやすい。また、あまりに遅すぎても、制御しにくい。このため、空孔１４の潰れや変形を抑制するためには、一度に延伸せず、複数回に分けて行うことが好ましい。それぞれの回の延伸において、延伸前の母材径に対する延伸後の母材径の比率が、いずれも１／２以上となるようにすることが好ましい。例えば、母材径を１／４とするためには、母材径が１／２倍になる延伸を２回行うことにより、空孔１４の潰れや変形をほとんど起こすことなくガラス母材１１を延伸することができる。
【００２２】
延伸の際、空孔１４の内圧が過度に高くなったり、あるいは過度に低くなったりすると、空孔１４が膨らんだり、潰れたり、変形したりするおそれがある。
例えば、加熱を続けるうちに、ガラス母材１１の温度が高くなっていく状況では、空孔１４の内圧が高まるとともに、ガラス母材１１を軟化させた部分の粘度が低下していくので、図２（ａ）に示すように、空孔４の内径が徐々に広くなってテーパ状となり、ついには膨らみや変形５などの欠陥を生じるおそれがある。
また、空孔１４の内圧が過度に低下した場合には、図２（ｂ）に示すように、空孔の潰れ６が生じるおそれがある。
【００２３】
このような欠陥の発生を抑制するため、空孔１４の内圧などの作製条件を適宜調節しながら延伸することが好ましい。以下、空孔１４の内圧の調節が可能な手法について説明する。
【００２４】
第１の手法は、図３（ａ）に示すように、ガラス母材１１の一端または両端にガラス管１５を接続し、ガラス管１５と空孔１４とを連通させる方法である。この方法によれば、空孔１４の内圧が常に大気圧に等しく保たれるので、空孔１４の膨らみや変形が抑制される。
ガラス管１５は、すべての空孔１４が大気に接触するように、空孔１４が開口している領域を覆うだけの内径を有する必要がある。ガラス管１５の肉厚は、あまりに薄いと破損しやすいので、ガラス管１５の肉厚と外径との比が１／６以上（例えば外径が３０ｍｍのとき肉厚５ｍｍ以上）とすることが好ましい。
【００２５】
図３（ａ）には、ガラス管１５を両端に接続した様子を示したが、ガラス管１５をガラス母材１１の一端のみに接続してもよい。この場合、ガラス母材１１の他端には、中実のガラス棒（ダミー棒）を接続することが好ましい。
これにより、延伸の際、ガラス母材１１を把持する代わりに、ガラス管１５やダミー棒を把持して支えることができるので、ガラス母材１１を有効に利用することができる。
【００２６】
次いで、図３（ｂ）に示すように、ガラス管１５を接続したガラス母材１１を、延伸装置内に配置する。この延伸装置は、少なくとも把持手段３１と、ヒータ３２と、牽引手段３３とを備えている。把持手段３１により一方のガラス管１５ａを把持し、ガラス母材１１をヒータ３２により加熱しながら、牽引手段３３により他方のガラス管１５ｂに牽引力を与えてガラス母材１１を延伸する。
この際、空孔１４がガラス管１５を介して大気に開放されているので、空孔１４内の空気が加熱により膨張しても、空孔１４の内圧が常に大気圧に等しく保たれる。このため、空孔の膨らみや変形が抑制される。
【００２７】
延伸されたガラス母材１１からガラス管１５ａ、１５ｂを切除し、所望の長さごとに切断することによって、所望の径の空孔４を有する光ファイバ母材１が得られる。
【００２８】
第２の手法は、図４（ａ）に示すように、ガラス母材１１の両端に中実のガラス棒（ダミー棒）１６を接続して、空孔１４を封止したのち、ガラス母材１１の一部を加熱して、空孔１４の一部を膨らませて膨大部１７を形成する方法である。延伸に用いる延伸装置の構成は、図４（ｂ）に示すように、上述の第１の手法に説明したもの（図３（ｂ）参照）と同様とすることができるので、説明を省略する。
【００２９】
膨大部１７を形成する位置は、ガラス母材１１を延伸装置内に配置した時、牽引手段３３の反対の側、すなわち、把持手段３１側とすることが好ましい。これにより、膨大部１７は最後まで延伸されずに済む。膨大部１７を形成した箇所は、光ファイバの作製に用いることができないので、膨大部１７に達する手前で延伸の作業を終了し、膨大部１７の近傍部は切除することが好ましい。
【００３０】
膨大部１７を形成する方法としては、延伸の際に用いるヒータ３２と同程度の長さの加熱装置を用い、延伸時の加熱温度と同程度に加熱して、自然に膨張するして、空孔１４の内圧が外気圧とほぼ釣り合う程度まで膨張させる。このようにして膨大部１７を形成した場合、膨大部１７の直径は、延伸前の空孔１４の直径の１．０〜２．０倍程度になる。
このようにして、空孔１４を密閉した状態で、該空孔１４に膨大部１７を形成することにより、延伸工程において加熱したときに、空孔１４の内圧が外気圧とほぼ釣り合う程度となり、空孔１４の膨張や変形が抑制される。
【００３１】
第３の手法は、まず、図５（ａ）に示すように、ガラス母材１１の一端にガラス管１５を、他端に中実のダミー棒１６を接続したのち、図５（ｂ）に示すように、ガラス管１５の開口側に圧力コントローラ３４を取り付けて、空孔１４内の内圧を制御する方法である。
圧力コントローラ３４は、ピストンや圧力調整弁などの圧力調整手段を備え、空孔１４内を所望の圧力とすることができる装置である。
【００３２】
さらに、図５（ｂ）に示す延伸装置には、ヒータ３２および圧力コントローラ３４を制御するための制御器３５が備えられている。この制御器３５により、ヒータ３２の加熱温度および空孔１４の内圧が制御される。
このような延伸装置を用いて延伸を行うことにより、空孔１４の膨らみや変形が抑制される。
空孔１４の内圧の制御は、外気の圧力との差が、＋０．０ｋＰａ〜＋２．０ｋＰａの範囲内となるようにし、また、延伸工程に亘る空孔１４の内圧の変動幅が±０．１ｋＰａ以下となるように行うことが好ましい。空孔１４の内圧の変動が大きいと、母材の長手方向に亘る空孔１４径の変動が大きくなり、空孔１４の潰れや膨らみなどが生じやすくなるので、好ましくない。
また、空孔１４の内圧を、ヒータ３２の加熱温度に応じて制御することにより、加熱されたガラス母材１１のガラスの粘度に応じて、適切な内圧を設定することができるので、好ましい。
【００３３】
さらに、上述のようにガラス母材１１を延伸した後、図１（ｃ）に示すように、延伸後の母材２１の外周上にクラッド用ガラスを外付けして、外側クラッド部３ｂを形成し、光ファイバ母材１とする。これにより、母材径を増大させることができるので、光ファイバ母材１の径に対する空孔４の径の比率を小さくすることができる。従って、この光ファイバ母材１を線引して得られる光ファイバは、ファイバ径に対する空孔径の比も小さくなる。このため、小径の空孔を有する光ファイバを容易に作製することができる。
【００３４】
母材径を増大させる処理の具体例としては、延伸母材２１を石英ガラス管などのジャケット管に入れ、加熱してコラプスする方法、ＭＣＶＤ法やＯＶＤ法等の手法を用いて、延伸母材２１の外周にガラス粒子を堆積させたのち、そのガラス粒子を焼結して透明ガラス化する方法が挙げられる。
【００３５】
以上のように、本実施の形態の光ファイバ母材の作製方法によれば、空孔１４を有するガラス母材１１を作製して、延伸したのち、その外周に外側クラッド部３ｂを外付けして光ファイバ母材１を得るので、光ファイバ母材１の径および空孔４の径を適宜変化させ、所望の寸法の光ファイバ母材１を容易に作製することができる。また、空孔１４の内圧を制御しながら延伸することにより、空孔１４の潰れや膨らみ、変形を抑制し、長手方向に均一な空孔４を有する光ファイバ母材１を得ることができる。
【００３６】
【実施例】
石英ガラスを主成分とするガラスからなる中実のガラス母材をＶＡＤ法により作製し、このガラス母材に、ダイヤモンド刃のドリルを用いて、表１に示す寸法の空孔１４を穿設して、空孔１４を有するガラス母材１１を作製した。
このガラス母材１１を延伸装置内に配置し、１８５０℃に加熱して、外径が約１／２になるように延伸した。得られた光ファイバ母材１の空孔４を観察したところ、潰れや変形がなく、径が長手方向に均一になっていた。空孔４の直径を測定したところ、表１に示すように、延伸前に対してほぼ１／２倍となっており、延伸前後の母材径の比とほぼ等しくなるように、空孔径を縮径することができた。
【００３７】
【表１】
次に、延伸回数を１回とした場合と、２回にした場合との効果の違いを調べるため、以下の実験を行った。
まず、石英ガラスを主成分とするガラスからなる中実のガラス母材をＶＡＤ法により作製し、このガラス母材に、ダイヤモンド刃のドリルを用いて、表２に示す寸法の空孔１４を穿設して、空孔１４を有するガラス母材１１を作製した。
延伸機を用いて、ガラス母材１１を１８５０℃に加熱して、外径が約１／４になるように１回で延伸したところ、空孔４が潰れてしまった。
延伸回数を２回とし、１回の延伸で母材径が約１／２になるように延伸したところ、空孔４の潰れのない光ファイバ母材１を作製することができた。
【００３９】
【表２】
【発明の効果】
以上説明したように、所定径の空孔が設けられた光ファイバ母材を作製するために、前記所定径より大きな空孔を有するガラス母材の作製工程と、当該空孔径が前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸する延伸工程とを備える光ファイバ母材の作製方法によれば、延伸工程により、ガラス母材の空孔径を縮小させることができる。
ガラス母材の作製工程においてガラス母材に設ける空孔の径は、光ファイバ母材に形成されるべき空孔の所定径より大きくすることができ、小径の空孔を有する光ファイバ母材の作製が容易になる。すなわち、ガラス母材に小径の空孔を直接形成する必要はなくなり、ガラス母材に形成する空孔の径は形成の容易な径とすることができる。
また、延伸工程により、ガラス母材を線引きの作業に支障をきたさない程度に縮径することができることを考慮すれば、延伸前のガラス母材の母材径を太くすることができるので、空孔を有するガラス母材の作製工程における生産性を向上することができる。
また、空孔をドリルを用いて穿設する場合には、ガラス母材に設ける空孔の深さをあまり深くする必要がなくなるので、空孔の形成が極めて容易になる。
さらに、延伸工程において、母材の長さを長くすることができるので、長尺の光ファイバ母材を容易に得ることができる。
本発明の光ファイバ母材の作製方法によれば、延伸工程において、以下に示す手法のいずれか一つまたは複数を行うことにより、空孔が潰れたり、変形したりすることを抑制することができる。
（１）延伸を複数回に分け、徐々に径を縮小する。
（２）延伸前にガラス母材の空孔を両端封止したのち、該ガラス母材の一部を加熱して、空孔中に膨大部を形成する前工程を行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の光ファイバ母材の作製方法を説明する断面図である。
【図２】 ガラス母材の延伸の際に発生しうる欠陥の例を示す側面図である。
【図３】 延伸方法の第１の例を説明する断面図である。
【図４】 延伸方法の第２の例を説明する断面図である。
【図５】 延伸方法の第３の例を説明する断面図である。
【図６】 従来の空孔を有する光ファイバの例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…光ファイバ母材、３…クラッド部、３ｂ…外側クラッド部、４…光ファイバ母材の空孔、１１…ガラス母材、１４…ガラス母材の空孔、１５…ガラス管。
Claims (4)
- 軸方向に沿った所定の領域に所定径の空孔を１つ以上有する光ファイバ母材の作製方法であって、
前記所定径より大きな空孔を有するガラス母材の作製工程と、当該空孔径が前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸する延伸工程とを備え、前記延伸工程において、延伸前にガラス母材の空孔を両端封止したのち、該ガラス母材の一部を加熱して、空孔中に膨大部を形成する前工程を行うことを特徴とする光ファイバ母材の作製方法。 - 軸方向に沿った所定の領域に所定径の空孔を１つ以上有する光ファイバ母材の作製方法であって、
前記所定径より大きな空孔を有するガラス母材の作製工程と、当該空孔径が前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸する延伸工程とを備え、前記延伸工程において、延伸前にガラス母材の空孔を両端封止したのち、該ガラス母材の一部を加熱して、空孔中に膨大部を形成する前工程を行うとともに、前記延伸工程において、前記ガラス母材の初期空孔径と、前記所定径との間に１つ以上の目標空孔径を設定し、ガラス母材を空孔径が前記目標空孔径となるように延伸した後、前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸することを特徴とする光ファイバ母材の作製方法。 - 軸方向に沿った所定の領域に所定径の空孔を１つ以上有する光ファイバ母材の作製方法であって、
前記所定径より大きな空孔を有するガラス母材の作製工程と、当該空孔径が前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸する延伸工程とを備え、前記延伸工程において、前記ガラス母材の初期空孔径と、前記所定径との間に１つ以上の目標空孔径を設定し、ガラス母材を空孔径が前記目標空孔径となるように延伸した後、前記所定径となるように前記ガラス母材を延伸することを特徴とする光ファイバ母材の作製方法。 - 延伸工程の後、さらに、その外周にクラッド用ガラスの外付けを行う外付け工程を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに光ファイバ母材の作製方法。
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