JP4417212B2

JP4417212B2 - 光ファイバの製造方法

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Publication number: JP4417212B2
Application number: JP2004271631A
Authority: JP
Inventors: 勝宏竹永; 和彦愛川; 寧官; 邦治姫野
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: JP2006083037A

Description

本発明は、クラッドに空孔を有することにより、モードフィールド径を維持しながら曲げ損失の劣化を抑えたホールアシスト型ホーリーファイバや、クラッドに異径の空孔を設けて特殊な機能を持たせた光ファイバの製造方法に関し、特に、クラッドに異径の空孔を有する光ファイバを製造する際に、光学特性を確認しながら自由に空孔のサイズを調整することが可能となる製造方法に関する。

ホーリーファイバ、又はフォトニック結晶ファイバは、従来のガラスのみの光ファイバでは得られない特性が得られることから、多くの研究機関で研究開発が進められている。ホールアシスト型ホーリーファイバは、高屈折率コアの周囲に複数の空孔を配置することにより、等価的に大きな屈折率差を作り出すことができるので、曲げ損失を小さく抑えることができる。この低曲げ損失を有するホールアシスト型ホーリーファイバは、低曲げ損失が要求される宅内配線用として検討されている。
このようなファイバとしては、例えば、特許文献１、非特許文献１及び非特許文献２に報告されている。

特許文献１には、コア領域と、内側クラッド領域と、外側クラッド領域とを有し、コア領域の平均屈折率ｎ_０と内側クラッド領域の平均屈折率ｎ_１と、外側クラッド領域の平均屈折率ｎ_２との間に、ｎ_１＜ｎ_２＜ｎ_０なる関係が成立する光ファイバにおいて、内側クラッド領域を構成する主媒質とは異なる屈折率を有する副媒質からなり、ファイバ軸に沿って伸びる領域が内側クラッド領域に３個以上含まれるファイバが開示されている。

非特許文献１には、コア周辺部に６個の空孔が１層配置されているホーリーファイバの開発について開示されている。低ＯＨ化を実現した製造方法により波長１．５５μｍにおいて標準シングルモード光ファイバ（以下、ＳＭＦと記す。）と同等の０．２０５ｄＢ／ｋｍが達成されている。さらに、曲げ直径１０ｍｍでの損失増加量が０．０５ｄＢ／ターンと従来の標準ＳＭＦの１／５００以下が達成されている。

非特許文献２には、５ｍｍφの曲げでも損失増が小さい８０μｍクラッドの細径ホーリーファイバについて開示されている。その構造は、コア周辺部に６個の空孔があり、その外側に１２個の空孔が配置された２層空孔構造になっている。

空孔が１層のタイプは構造がシンプルであるが、高次モードのカットオフ波長が長波長に伸びてしまいマルチモードになりやすいという欠点がある。空孔が２層となるタイプは、構造が複雑であり製造し難いという問題がある。
このような従来技術の問題点を解消するために、本発明者らは、高屈折率コアの周りに径が異なる空孔を２層配置した構造のホールアシスト型ホーリーファイバを開発し、非特許文献３にて報告している。

この異径の空孔を２層配置したホールアシスト型ホーリーファイバの構造を図１に示す。このホールアシスト型ホーリーファイバ１は、中心部にある高屈折率のコア２と、該コア２の外側のクラッド３と、コア２を囲んでクラッド３に設けられた３つの内側空孔４及び３つの外側空孔５とを有する構成になっている。内側空孔４は小径であり、コア２に近接して設けられている。外側空孔５は内側空孔４よりも大径であり、外側空孔５はコア２中心から見て内側空孔４が設けられていない位置に設けられている。

この構造では、内層側に小さい空孔を配置し、外層側にそれよりも大きな直径の空孔を配置している。このように内層側に小さな空孔を配置することにより、クラッド領域を大きく占有することなく内側空孔４をコア２に近づけることができるので、伝搬モードの等価屈折率を下げ、高次モードのカットオフ波長を短くすることができる。また、外層側に大径の外側空孔５を配置することにより、コア２内を伝搬する基底モードの閉じ込めを十分に行うことができ、低曲げ損失を実現することができる。

また、コア周囲の一部の空孔サイズを変えることで偏波保持型のフォトニック結晶ファイバを得ることができる。このような光ファイバとしては、例えば、特許文献２に開示された光ファイバが提案されている。
さらに、空孔を有する光ファイバの製造方法としては、例えば、特許文献３に開示された方法が提案されている。
再公表ＷＯ０１／０７９９０２号公報姚兵、大薗和正、黒澤芳宣、立蔵正男、熊谷智宣、"低損失ホーリーファイバの開発"、信学技報、ＯＦＴ２００３−２７（２００３）西岡大造、長谷川健美、斉藤達彦、笹岡英資、細谷俊史、"極小曲げ対応ホーリーファイバの開発"、信学技報、ＯＦＴ２００３−６３（２００３）官寧、井添克昭、竹永勝宏、鈴木龍次、姫野邦治、"低曲げ損失用ホールアシスト型ホーリーファイバ"、信学技報、ＯＦＴ２００４−７（２００４）特開２００３−１０７２６６号公報特開２００２−１４５６３４号公報

空孔を有する光ファイバ母材の一般的な線引き方法を図２に示す。図２中、符号６は光ファイバ母材、７は空孔、８はヒーター、９は接続管、１０はコネクタ、１１は圧力調整系である。光ファイバ母材６は、高屈折率のコア領域とそれを囲むクラッド領域とを有する石英ガラスからなり、コア領域を囲む複数の空孔が開孔されている。光ファイバ母材６の先端側（図２において下端側）は、線引炉のヒーター８に近接して配置されている。光ファイバ母材６の後端側（図２において上端側）には、圧力調整用の接続管９が取り付けられ、この接続管９の上端にはコネクタ１０を介して圧力調整系１１に接続されている。この圧力調整系１１は、接続管９に加圧空気などの加圧ガスを出し入れして付圧し、接続管９内を所定圧力に調整できるようになっている。この接続管９の内部は光ファイバ母材６の空孔７内に連通している。

空孔７を有する光ファイバ母材６は、線引炉のヒーター８の加熱温度などにより、ガラスの粘度が変化するので、設計した通りの空孔サイズにあわせるのが困難である。そのため、図２に示す線引き方法では、前述したような圧力調整系１１を付加し、空孔７のサイズを制御しながら線引きを行う。このような光ファイバの製造方法は、例えば、特許文献３に開示されている。特許文献３では、穿孔工程では、固定されたプリフォームに所定の空孔を形成させる工程と、線引工程において、加熱処理を行いながら、空孔の圧力調整を行い線引きする工程について開示されている。この方法を用いることで、同径の複数の空孔を有する光ファイバプリフォームを線引きする際、空孔を調整することができるので、モードフィールド径、カットオフ波長、曲げ損失などを調整しながら線引きすることができる。

しかしながら、図１に示すような異径の空孔を有する光ファイバを製造しようとする場合、前述した従来技術による線引き方法を用いても、図１の光ファイバは内外層の空孔のサイズが異なるため、内圧、温度が同じであっても、径が異なる空孔同士は変形の程度が異なり、図１に示すような異径の空孔を有する光ファイバを安定して製造できないという問題があった。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、異径の空孔を有する光ファイバでも所望の特性を得ながら歩留まりよく、容易に作製することができる光ファイバの製造方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有する光ファイバの製造方法であって、空孔を形成した光ファイバ母材を線引きする際に、その空孔を２つ以上の圧力で制御しながら線引きし、クラッドより高屈折率のコアを有し、該コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有するホールアシスト型ホーリーファイバを製造することを特徴とする光ファイバの製造方法を提供する。

本発明は、コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有する光ファイバの製造方法であって、空孔を形成した光ファイバ母材を線引きする際に、その空孔を２つ以上の圧力で制御しながら線引きし、クラッドより高屈折率のコアを有し、該コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有し、外側空孔はコア中心から見た場合に内側空孔が配置されていない位置に配置され、かつ内側空孔と外側空孔の孔径が同一であるホールアシスト型ホーリーファイバを製造することを特徴とする光ファイバの製造方法を提供する。

本発明は、コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有する光ファイバの製造方法であって、空孔を形成した光ファイバ母材を線引きする際に、その空孔を２つ以上の圧力で制御しながら線引きし、クラッドより高屈折率のコアを有し、該コアの周囲のクラッドに２層の空孔を有し、各層の空孔数が３個であり、外側空孔はコア中心から見た場合に内側空孔が配置されていない位置に配置され、かつ内側空孔と外側空孔の孔径が異なるホールアシスト型ホーリーファイバを製造することを特徴とする光ファイバの製造方法を提供する。

本発明は、コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有する光ファイバの製造方法であって、空孔を形成した光ファイバ母材を線引きする際に、その空孔を２つ以上の圧力で制御しながら線引きし、光ファイバが、クラッドより高屈折率のコアを有し、該コアの周囲のクラッドに２層の空孔を有し、その内側空孔数と外側空孔数が同じであり、それぞれの空孔数が３個以上であり、コア中心から内側空孔中心までの距離が６〜９μｍであり、コア中心から外側空孔中心までの距離が９〜１３μｍであり、内側空孔径が４〜７μｍであり、かつ外側空孔径は７〜１１μｍであるホールアシスト型ホーリーファイバを製造することを特徴とする光ファイバの製造方法を提供する。

本発明の製造方法において、光ファイバ母材に形成した複数の空孔のうち一部の空孔を封止し、残りの空孔は所望の孔径が得られるように圧力で制御しながら線引きを行うことが好ましい。

本発明の製造方法において、光ファイバ母材に形成した複数の空孔のうち一部の空孔を第１の圧力調整系に接続し、残りの空孔を第２の圧力調整系に接続し、第１の圧力調整系と第２の圧力調整系とを異なる圧力で制御しながら線引きを行うことが好ましい。

本発明の製造方法において、高次モードのカットオフ波長が１．３μｍ以下であり、波長１．５５μｍにおいて曲げ直径１０ｍｍにおける曲げ損失が０．３ｄＢ／ｍ以下であるホールアシスト型ホーリーファイバを製造することが好ましい。

本発明の製造方法によれば、外側空孔のサイズを線引き中に自由に調整することができるので、異径の空孔を有する光ファイバであっても所望の特性を得ながら歩留まりよく、容易に作製することができる。
また、外側空孔のサイズを線引き中に自由に調整することができるので、所望の特性の偏波保持型光ファイバを歩留まりよく、容易に作製することができる。
また、外側空孔のサイズを線引き中に自由に調整することができるので、所望の特性のホールアシスト型ホーリーファイバを歩留まりよく、容易に作製することができる。
また、外側空孔と内側空孔の径を別に制御することができるので、線引き中に両方の空孔サイズを自由に調整でき、所望の特性のホールアシスト型ホーリーファイバを歩留まりよく、容易に作製することができる。

本発明の光ファイバの製造方法は、コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有する光ファイバの製造方法であり、空孔を形成した光ファイバ母材を線引きする際に、その空孔を２つ以上の圧力で制御しながら線引きすることを特徴としている。

本発明において、製造する光ファイバとしては、コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有する光ファイバが挙げられ、例えば、コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有する偏波保持型光ファイバ、クラッドより高屈折率のコアを有し、該コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有するホールアシスト型ホーリーファイバなどが挙げられるが、これらに限定されない。

前記ホールアシスト型ホーリーファイバとしては、クラッドより高屈折率のコアを有し、該コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有し、外側空孔はコア中心から見た場合に内側空孔が配置されていない位置に配置され、かつ内側空孔と外側空孔の孔径が同一であるか、又は内側空孔と外側空孔の孔径が異なる構造を有するものが好ましい。特に、本発明の製造方法は、内側空孔と外側空孔の孔径が異なる構造を有するホールアシスト型ホーリーファイバを歩留まりよく、容易に作製することができる点で顕著な効果を有している。

本発明において製造する光ファイバの一例として、図１に示すように、中心部にある高屈折率のコア２と、該コア２の外側のクラッド３と、コア２を囲んでクラッド３に設けられた３つの内側空孔４及び３つの外側空孔５とを有するホールアシスト型ホーリーファイバ１が挙げられる。このホールアシスト型ホーリーファイバ１において、コア２中心から内側空孔４中心までの距離が６〜９μｍであり、コア２中心から外側空孔５中心までの距離が９〜１３μｍであり、内側空孔径が４〜７μｍであり、かつ外側空孔径は７〜１１μｍであることが好ましい。

以下、図面を参照して本発明の製造方法の実施形態を説明する。
図３は、本発明の第１実施形態を説明する構成図であり、この図中、符号８は線引炉のヒーター、９は接続管、１０はコネクタ、１１は圧力調整系、１２は光ファイバ母材、１３はコア、１４はクラッド、１５は内側空孔となる小孔、１６は外側空孔となる大孔、１７は封止材である。本実施形態では、図１に示す構造のホールアシスト型ホーリーファイバ１を製造する場合を例示しており、線引き前の光ファイバ母材１２には、図１のホールアシスト型ホーリーファイバ１における空孔構造と同じく、コア１３の周りのクラッド１４に内側空孔となる３つの小孔１５と、外側空孔となる３つの大孔１６とを設けている。

本実施形態では、光ファイバ母材１２に形成した小孔１５および大孔１６のうち、内側空孔となる小孔１５の後端部を封止材１７により封止して小孔１５と接続管９内との連通を遮断し、一方外側空孔となる大孔１６は封止せず、接続管９内に連通した状態として所望の孔径が得られるように圧力で制御しながら線引きを行うようになっている。これによって、小孔１５と大孔１６とを異なる圧力で制御しながら線引きすることができる。

前記封止材１７としては、小孔１５の後端部を封止して小孔１５と接続管９内との連通を遮断できればよく、特に限定されず、例えば、石英ガラス、合成樹脂などの封止材や封止に適当な封止用キャップ部材などを用いることができる。

このような光ファイバ母材１２を用いて線引きする場合、光ファイバ母材１２の大孔１６は、圧力調整系１１により圧力調整された接続管９内と連通して、圧力調整系１１により所定圧力に付圧され、線引きされるファイバの外側空孔を計測し、それを圧力調整系１１にフィードバックし、ファイバの外径が一定である条件下で外側空孔が所定の径となるように接続管９の内圧を制御することができる。一方、封止材１７により封止された小孔１５は、圧力調整系１１による制御を受けることなく、線引きされる。

本実施形態では、線引き時、ファイバ外径に対する直径の割合が変動しやすい大孔１６を圧力調整系１１により所望の径が得られるように付圧制御し、一方ファイバ外径に対する直径の割合が変動しにくい小孔１５は圧力調整系１１による付圧制御をせずに線引きする。これによって、図１に示すように異径の空孔を有するホールアシスト型ホーリーファイバ１であっても所望の特性を得ながら歩留まりよく、容易に作製することができる。

図４は、本発明の第２実施形態を説明する構成図である。本実施形態も図１に示す構造のホールアシスト型ホーリーファイバ１を製造する場合を例示しており、線引き前の光ファイバ母材１８には、図１のホールアシスト型ホーリーファイバ１における空孔構造と同じく、コア１３の周りのクラッド１４に内側空孔となる３つの小孔１５と、外側空孔となる３つの大孔１６とを設けている。

この光ファイバ母材１８の後端側には、図３の第１実施形態と同じく、接続管９が取り付けられている。本実施形態では、さらに接続管９内部に、３つの小孔１５に連通し大孔１６とは連通していない内部接続管１９を設けている。この内部接続管１９内には第１の圧力調整系２０を接続し、また接続管１９内には第２の圧力調整系２１を接続し、３つの小孔１５と、３つの大孔１６とを異なる圧力調整系によって異なる圧力で付圧できるようになっている。

内部接続管１９の先端形状は、小孔１５の配置に応じて適宜変更可能である。内部接続管１９の先端と光ファイバ母材１８の後端面との接合は、内部接続管１９の材質などに応じて、熱融着したり、あるいは接着剤による接着固定により行うことができる。

本実施形態では、小孔１５と大孔１６とを、異なる圧力調整系によって異なる圧力を付与し、線引き時に内側空孔と外側空孔が所定の径となるように制御可能とし、線引きされるファイバの外側空孔及び内側空孔の径を計測し、それを第１の圧力調整系２０及び第２の圧力制御系２１にそれぞれフィードバックし、ファイバの外径が一定である条件下で外側空孔及び内側空孔が所定の径となるように接続管９及び内部接続管１９の内圧を制御することができる。これによって、図１に示すように異径の空孔を有するホールアシスト型ホーリーファイバ１であっても所望の特性を得ながら歩留まりよく、容易に作製することができる。

前述した第１実施形態及び第２実施形態によって図１に示す異径の空孔を有するホールアシスト型ホーリーファイバ１を製造することにより、内側空孔４と外側空孔５の径がファイバ長手方向に沿って一定した高品質のホールアシスト型ホーリーファイバ１を製造することができ、例えば、高次モードのカットオフ波長が１．３μｍ以下であり、波長１．５５μｍにおいて曲げ直径１０ｍｍにおける曲げ損失が０．３ｄＢ／ｍ以下であるホールアシスト型ホーリーファイバ１を製造することができる。

［実施例１］
表１に示すような屈折率分布構造を有する石英ガラス製の母材を、ＶＡＤ法、ＭＣＶＤ法などの方法により作製した。

この母材に、図１に示すような位置関係となるそれぞれ３個の内側空孔と外側空孔を孔開機にて孔開して光ファイバ母材とした。それぞれの孔の位置、及び孔径は、ファイバ換算で表２のような値になるように行った。

母材の内側空孔となる小孔部分は、母材加工時に後端部を石英ガラスにて封止し、外側空孔となる大孔部分は封止せず、図３に示す構成の線引き装置にセットし、線引きを行った。
この光ファイバ母材を、線引炉のヒータ加熱温度２０００℃、外側空孔となる大孔の内圧０．２４ｋＰａの条件下で線引きを行った。この際、線引き中に外側空孔の径を確認し、これが所望の径になるように、内圧を調整し、ホールアシスト型ホーリーファイバを作製した。得られたホールアシスト型ホーリーファイバの特性を表３に示す。カットオフ波長は１．３μｍであり、低曲げ損失が達成されている。

［実施例２］
実施例１と同様に、表１に示すような屈折率分布構造を有する母材を、ＶＡＤ法、ＭＣＶＤ法などの方法により作製した。
この母材に、図１に示すような位置関係となるそれぞれ３個の内側空孔と外側空孔を孔開機にて孔開し、光ファイバ母材とした。それぞれの孔の位置、及び孔径は、ファイバ換算で表４のような値になるように行った。

この光ファイバ母材を図４に示すように、小孔と大孔とを異なる圧力制御下で線引き可能な線引き装置にセットした。
この光ファイバ母材を、線引き炉温度２０００℃、内側空孔となる小孔側の圧力を０．４１ｋＰａ、外側空孔となる大孔側の内圧を０．２９ｋＰａとし線引きを行った。この際、線引き中に外側空孔の径を確認し、これが所望の径になるように、内圧を調整し、ホールアシスト型ホーリーファイバを作製した。このホールアシスト型ホーリーファイバの特性を表５に示す。得られたホールアシスト型ホーリーファイバのカットオフ波長は１．３μｍ以下であり、低曲げ損失が達成されている。

［比較例１］
実施例１と同様に、表１に示すような屈折率分布構造を有する母材を、ＶＡＤ法、ＭＣＶＤ法などの方法により作製した。
この母材に、図１に示すような位置関係となるそれぞれ３個の内側空孔と外側空孔を孔開機にて孔開して光ファイバ母材とした。それぞれの孔の位置、及び孔径は、ファイバ換算で表６のような値になるように行った。

この光ファイバ母材を図２に示すように全ての孔を接続管内部に開放した状態で線引き装置にセットした。
この母材を、線引き炉温度２０００℃、大孔及び小孔内圧を０．３３ｋＰａとし線引きを行った。この際、線引き中に外側空孔と内側空孔のそれぞれの孔径を確認し、所望の径となるように内圧を調整したが、小孔と大孔の両方が同時に所望の径になるような調整は非常に困難であり、目的とするホールアシスト型ホーリーファイバはほとんど得られなかった。

内側空孔と外側空孔の孔径が異なるホールアシスト型ホーリーファイバを例示する断面図である。従来技術による空孔付きファイバ製造用の線引き装置の構成図である。本発明の製造方法の第１実施形態に用いる線引き装置の構成図である。本発明の製造方法の第２実施形態に用いる線引き装置の構成図である。

符号の説明

１…ホールアシスト型ホーリーファイバ、２，１３…コア、３，１４…クラッド、４…内側空孔、５…外側空孔、６，１２，１８…光ファイバ母材、７…空孔、８…ヒーター、９…接続管、１０…コネクタ、１１…圧力調整系、１５…小孔、１６…大孔、１７…封止材、１９…内部接続管、２０…第１の圧力制御系、２１…第２の圧力制御系。

Claims

コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有する光ファイバの製造方法であって、空孔を形成した光ファイバ母材を線引きする際に、その空孔を２つ以上の圧力で制御しながら線引きし、クラッドより高屈折率のコアを有し、該コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有するホールアシスト型ホーリーファイバを製造することを特徴とする光ファイバの製造方法。
コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有する光ファイバの製造方法であって、空孔を形成した光ファイバ母材を線引きする際に、その空孔を２つ以上の圧力で制御しながら線引きし、クラッドより高屈折率のコアを有し、該コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有し、外側空孔はコア中心から見た場合に内側空孔が配置されていない位置に配置され、かつ内側空孔と外側空孔の孔径が同一であるホールアシスト型ホーリーファイバを製造することを特徴とする光ファイバの製造方法。
コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有する光ファイバの製造方法であって、空孔を形成した光ファイバ母材を線引きする際に、その空孔を２つ以上の圧力で制御しながら線引きし、クラッドより高屈折率のコアを有し、該コアの周囲のクラッドに２層の空孔を有し、各層の空孔数が３個であり、外側空孔はコア中心から見た場合に内側空孔が配置されていない位置に配置され、かつ内側空孔と外側空孔の孔径が異なるホールアシスト型ホーリーファイバを製造することを特徴とする光ファイバの製造方法。
コアの周囲のクラッドに２層以上の空孔を有する光ファイバの製造方法であって、空孔を形成した光ファイバ母材を線引きする際に、その空孔を２つ以上の圧力で制御しながら線引きし、光ファイバが、クラッドより高屈折率のコアを有し、該コアの周囲のクラッドに２層の空孔を有し、その内側空孔数と外側空孔数が同じであり、それぞれの空孔数が３個以上であり、コア中心から内側空孔中心までの距離が６〜９μｍであり、コア中心から外側空孔中心までの距離が９〜１３μｍであり、内側空孔径が４〜７μｍであり、かつ外側空孔径は７〜１１μｍであるホールアシスト型ホーリーファイバを製造することを特徴とする光ファイバの製造方法。
光ファイバ母材に形成した複数の空孔のうち一部の空孔を封止し、残りの空孔は所望の孔径が得られるように圧力で制御しながら線引きを行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバの製造方法。
光ファイバ母材に形成した複数の空孔のうち一部の空孔を第１の圧力調整系に接続し、残りの空孔を第２の圧力調整系に接続し、第１の圧力調整系と第２の圧力調整系とを異なる圧力で制御しながら線引きを行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバの製造方法。
高次モードのカットオフ波長が１．３μｍ以下であり、波長１．５５μｍにおいて曲げ直径１０ｍｍにおける曲げ損失が０．３ｄＢ／ｍ以下であるホールアシスト型ホーリーファイバを製造することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバの製造方法。