JP5435504B2 - 光ファイバ用プリフォームの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、長手方向に延びる空孔を有する光ファイバを製造するための光ファイバ用プリフォームの製造方法に関する。

長手方向に延びる空孔を有する光ファイバ、いわゆる微細構造光ファイバは、コアとクラッドとによって光を閉じ込める通常構造の光ファイバでは実現できない特性を有することから、次世代の光ファイバとして期待されている。この微細構造光ファイバとしては、ホーリーファイバ，ホールアシストファイバ，フォトニックバンドギャップファイバ等が知られている。

ホーリーファイバとは、屈折率がほぼ一様な中心軸近傍の領域の周囲に空孔を形成し、空孔が形成されていない中心軸近傍の領域をコアとして光を導波するものである。ホールアシストファイバとは、通常構造の光ファイバのコアの周囲に空孔を形成したものである。フォトニックバンドギャップファイバとは、中心軸上にコアとなる空孔を形成し、さらにこの空孔の周囲に空孔を周期的に形成することによって、フォトニックバンドギャップを生成して光を導波するものである。

微細構造光ファイバ用のプリフォームの製造方法としては、スタック・アンド・ドロー法と穿孔法とが知られている。スタック・アンド・ドロー法は、複数のキャピラリー管を束ねることによって、微細構造光ファイバ用のプリフォームを製造する方法である。一方、穿孔法は、ドリルによって母材の長手方向に貫通孔を形成することによって、微細構造光ファイバ用のプリフォームを製造する方法である。

スタック・アンド・ドロー法は、一定の周期で多数の空孔を配置する場合に適した方法である。しかしながら、スタック・アンド・ドロー法によれば、形成する空孔の数だけキャピラリー管を用意しなければならないために、部品調達が困難になる。また、キャピラリー管間に意図しない空隙が形成されることによって、光ファイバの特性が不安定になることがある。

一方、穿孔法は、断面方向の任意の位置に少数の空孔を配置する場合に適した方法である。微細構造光ファイバを製造する際には、空孔の配置位置や形状を高精度に制御することによって所望の光ファイバ特性を実現する必要がある。このため、微細構造光ファイバ用のプリフォームを製造する際、特に配置する空孔の数が少数である場合には、穿孔法が使用されることが多くなっている。

特開２００２−３２１９３５号公報 特開２００３−３４２０３２号公報

しかしながら、穿孔法を使用する場合、穿孔法において用いられるドリルの長さ以上の空孔を一度の穿孔処理によって形成できない。具体的には、ドリルの長さは５００ｍｍ程度が限界であるため、５００ｍｍ以上の長さの空孔を一度の穿孔処理によって形成できない。このため、穿孔法を使用する場合には、製造可能なプリフォームの長さに制約が生じる。従って、穿孔法を使用する場合には、プリフォームの大型化が困難であり、長手方向に延びる空孔を有する光ファイバの製造コストを低減することが難しい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、長手方向に延びる空孔を有する光ファイバを安価に製造可能な光ファイバ用プリフォームの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバ用プリフォームの製造方法は、円柱状の母材の径方向から穿孔治具を支持し、穿孔治具を母材の長手方向に移動させることによって、母材の長手方向に延びる、母材の外周側から母材の中心方向に向かう複数のスリットと、母材の長手方向に延びる、スリットの深さ方向端部に連通する複数の空孔と、を形成する工程を含む。

本発明に係る光ファイバ用プリフォームの製造方法は、上記発明において、スリットの深さは、２ｍｍ以上、且つ、２０ｍｍ以下の範囲内にある。

本発明に係る光ファイバ用プリフォームの製造方法は、上記発明において、スリットの幅が、０．５ｍｍ以上、且つ、空孔の径の１／４以下の範囲内にある。

本発明に係る光ファイバ用プリフォームの製造方法は、上記発明において、母材を加熱することによってスリットを消滅させる加熱工程を含む。

本発明に係る光ファイバ用プリフォームの製造方法は、上記発明において、加熱工程において、母材の軟化点温度±１％の温度範囲内に母材を加熱する。

本発明に係る光ファイバ用プリフォームの製造方法は、上記発明において、母材をガラス管の内部に収容し、母材とガラス管とを一体化する一体化工程を含む。

本発明に係る光ファイバ用プリフォームの製造方法は、上記発明において、一体化工程において、母材の軟化点温度±１％の温度範囲内に母材を加熱することによって母材とガラス管とを一体化する。

本発明に係る光ファイバ用プリフォームの製造方法によれば、長手方向に延びる空孔を有する光ファイバを安価に製造することができる。

図１は、本発明の一実施形態である光ファイバ用プリフォームの構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示す光ファイバ用プリフォームのＡ−Ａ線断面図である。 図３は、図１に示す光ファイバ用プリフォームの変形例を示す断面図である。 図４は、図１に示す光ファイバ用プリフォームの変形例を示す断面図である。 図５−１は、図１に示す光ファイバ用プリフォームの製造方法を説明するための概念図である。 図５−２は、図１に示す光ファイバ用プリフォームの製造方法を説明するための概念図である。 図６は、図１に示す光ファイバ用プリフォームの製造方法を説明するための概念図である。 図７は、光ファイバ用プリフォームの延伸時における空孔内の圧力と空孔の真円率との関係を示す図である。 図８−１は、光ファイバ用プリフォームの延伸時における空孔内の圧力が適正圧力以下である場合の空孔の形状変化を示す模式図である。 図８−２は、光ファイバ用プリフォームの延伸時における空孔内の圧力が適正圧力である場合の空孔の形状変化を示す模式図である。 図８−３は、光ファイバ用プリフォームの延伸時における空孔内の圧力が適正圧力以上である場合の空孔の形状変化を示す模式図である。 図９は、延伸後の空孔の断面積と光ファイバ用プリフォームの延伸時における空孔内の適正圧力との関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である光ファイバ用プリフォームの製造方法について説明する。

〔光ファイバ用プリフォームの構成〕
始めに、図１，図２を参照して、本発明の一実施形態である光ファイバ用プリフォームの構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である光ファイバ用プリフォームの構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す光ファイバ用プリフォームのＡ−Ａ線断面図である。図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態である光ファイバ用プリフォームは、円柱状の母材１と、母材１の外周面に形成された、母材１の長手方向に延びる複数のスリット２ａ〜２ｆと、複数のスリット２ａ〜２ｆに連通し、母材１の長手方向に延びる複数の空孔３ａ〜３ｆと、を備える。

母材１は、石英系ガラスによって形成されている。具体的には、母材１は、屈折率がほぼ一様な中心軸近傍の領域を有する材料によって形成されている。母材１として、中心軸上に外周部よりも屈折率が高いコアを有する材料を用いてもよい。複数のスリット２ａ〜２ｆは、母材１の外周面から母材１の中心軸方向に向かって、所定の深さＬを有する。複数の空孔３ａ〜３ｆは、スリット２ａ〜２ｆの深さ方向端部において連通している。なお、詳しくは後述するが、所定の深さＬは、２ｍｍ以上、且つ、２０ｍｍ以下の範囲内にあることが望ましい。また、各スリットの幅Ｄは、０．５ｍｍ以上、且つ、空孔３ａ〜３ｆの径の１／４以下の範囲内にあることが望ましい。

本実施形態では、光ファイバ用プリフォームは１層の母材１のみにより構成されているが、例えば図３に示すように母材１Ａをスリットと空孔を形成した管状の母材１Ｂに収容することによって、光ファイバ用プリフォームを多層の空孔を有する母材にしてもよい。また、図４に示すように、母材１をガラス管等の管状部材５の内部に収容し、母材１を管状部材５に溶着させることによって母材１と管状部材５とを一体化してもよい。

〔光ファイバ用プリフォームの製造方法〕
次に、図５−１及び図５−２を参照して、図１に示す光ファイバ用プリフォームの製造方法について説明する。

図５−１及び図５−２は、図１に示す光ファイバ用プリフォームの製造方法を説明するための模式図である。図１に示す光ファイバ用プリフォームを製造する際は、始めに、図５−１に示すように、砥石やヤスリを用いて母材１の外周面に母材１の長手方向に延びる複数のスリット２を形成した後、管状のドリル部１１ａとドリル部１１ａを支持するアーム部１１ｂとを有する穿孔治具１１を母材１の長手方向端部にセットする。次に、図５−２に示すように、アーム部１１ｂがスリット２内を通過するように穿孔治具１１を母材１の長手方向に沿って移動させることにより、スリット２に連通し、母材１の長手方向に延びる複数の空孔３を形成する。これにより、図１に示す光ファイバ用プリフォームが製造される。

さらに、火炎，高周波誘導プラズマトーチ、電気炉により加熱する方法等、周知の加熱方法を利用して空孔３が形成された母材１を長手方向に延伸し、母材１の外径を予め決められた大きさにする。空孔３を形成してから母材１を延伸することによって、長尺状の光ファイバ用プリフォームを製造することができる。また、母材１を延伸することによって、母材１の外径だけでなく、空孔径も小さくなることから、穿孔治具１１によって穿孔する空孔径を大きくすることができる。このため、穿孔治具１１による空孔３の形成が容易となると共に、空孔３内の洗浄も容易になる。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である光ファイバ用プリフォームの製造方法は、円柱状の母材１の外周面に母材１の長手方向に延びる複数のスリット２を形成し、スリット２を介して母材１の径方向の所定位置に穿孔治具１１を導入し、穿孔治具１１を母材１の長手方向に移動させることによって、スリット２に連通し、母材１の長手方向に延びる複数の空孔３を形成する。つまり、本発明の一実施形態である光ファイバ用プリフォームの製造方法では、開放面であるスリット２を介して穿孔治具１１を導入し、穿孔治具１１による穿孔を実施する。従って、本発明の一実施形態である光ファイバ用プリフォームの製造方法によれば、ドリルを用いて貫通孔を形成する従来までの穿孔法とは異なり、原理的に無限長までの穿孔が可能になり、長手方向に延びる空孔を有する光ファイバを安価に製造できる。

なお、延伸の前に、火炎，高周波誘導プラズマトーチ、電気炉により加熱する方法等、周知の加熱方法によって母材１の外周部を加熱することによって、スリット２を消滅させて空孔３のみを残すようにすれば、貫通孔を形成した場合と同様の母材１を形成することができる。但し、この場合、母材１の加熱温度は、母材１を形成する石英系ガラスの軟化点温度±１％の範囲内にすることが望ましい。加熱温度が低い場合、母材１の形状が変化せず、スリット２が消滅しない。一方、加熱温度が高い場合には、空孔３の形状が変化してしまう。

石英系ガラスの軟化点温度は１８００℃である。実際に作製した母材１を１７７３℃，１７８２℃，１８００℃，１８１８℃，１８２７℃に加熱したところ、１７７３℃ではスリット２は消滅せず、１７８２℃以上でスリット２が消滅することが確認された。しかしながら、母材１を１８２７℃に加熱した場合には、空孔３の真円率（＝（最小直径／最大直径）×１００）は８５％になった。以上のことから、スリット２を消滅させることだけを目的とするのであれば、母材１を形成する石英系ガラスの軟化点温度以上に母材１を加熱すればよいが、スリット２を消滅させつつ空孔３の形状を維持することを目的とするのであれば、母材１を形成する石英系ガラスの軟化点温度近傍に母材１を加熱すればよい。

スリット２の深さＬが短い場合、空孔３と母材１の外周との間の距離が短くなり、加工時にクラックが発生する原因となる。逆にスリット２の深さＬが長い場合には、アーム部１１ｂの長さが長くなり、空孔３を形成する位置の精度が低下する。また、アーム部１１ｂの長さが長くなると、アーム部１１ｂに掛かる負荷が大きくなり、穿孔治具１１が破損する原因となる。従って、スリット２の深さＬは、２ｍｍ以上、且つ、２０ｍｍ以下の範囲内にあることが望ましい。

スリット２の幅Ｄが狭い場合、アーム部１１ｂがスリット２の側壁に接触し、アーム部１１ｂが移動する際の障害になることがある。逆にスリット２の幅Ｄが広い場合には、母材１の外周部を加熱することによってスリット２を消滅させた際、スリット２の消滅に伴って空孔３の形状が大きく変形してしまう可能性がある。従って、スリット２の幅Ｄは、０．５ｍｍ以上、且つ、空孔３ａ〜３ｆの径の１／４以下の範囲内にあることが望ましい。

本実施形態では、図５−１に示すような穿孔治具１１を用いて空孔３を形成したが、図６に示すように、球状のドリル部２１ａと、ドリル部２１ａを支持するスリット形成用のヤスリ等のアーム部２１ｂとからなる穿孔治具２１を母材１の長手方向端部にセットし、アーム部２１ｂを回転軸としてドリル部２１ａを回転させつつ穿孔治具２１を母材１の長手方向に沿って移動させることにより、スリット２と空孔３とを同時に形成してもよい。

スリット２を消滅させた後に光ファイバ用プリフォームを延伸する場合、空孔の真円率は加熱軟化部位における空孔内の圧力に依存する。図７は、延伸後の空孔半径ｒを２ｍｍとする場合における空孔内の圧力と空孔の真円率との関係を示す図である。空孔内の圧力が図７に示す領域Ｒ１の範囲内にある場合、図８−１に示すように、空孔３の外径は母材１の中心位置Ｏから外周に向かう方向に縮小し、真円率が低下する。また、空孔内の圧力が図７に示す領域Ｒ２の範囲内にある場合には、図８−２に示すように、空孔３の形状は真円状態を維持し、真円率は大きく低下しない。一方、空孔内の圧力が図７に示す領域Ｒ３の範囲内にある場合には、図８−３に示すように、空孔３の外径は母材１の中心位置Ｏから外周に向かう方向に拡大し、真円率が低下する。

従って、スリット２を消滅させた後に光ファイバ用プリフォームを延伸する際には、加熱軟化部位における空孔内の圧力を適正な値に制御する必要がある。具体的には、延伸後の空孔半径ｒを２ｍｍとする場合には、加熱軟化部位における空孔内の圧力が、図７に示す領域Ｒ２に対応する値になるように、すなわち大気圧より０．３ｋＰａ以上１ｋＰａ以下大きい圧力にすることを望ましい。これにより、空孔の変形量が小さくなり、光ファイバの特性を安定させることができる。

但し、空孔内の圧力の適正値は、図９に示すように延伸後の空孔の断面積に応じて変化する。つまり、空孔内の圧力の適正値は、延伸後の空孔の断面積が大きいほど低くなる。従って、光ファイバ用プリフォームを延伸する際には、空孔の断面積の目標値に応じて空孔内の圧力の適正値を設定する必要がある。空孔内の圧力は、空孔の両端部を封止する方法や不活性ガスを供給する方法等によって調整することができる。

図４に示したように、母材１をガラス管等の管状部材に挿入し、母材１を形成する石英系ガラスの軟化点温度±１％の範囲内に母材１を加熱することによって、母材１を管状部材に溶着させて母材１と管状部材とを一体化してもよい。母材１の加熱方法としては、火炎，高周波誘導プラズマトーチ、電気炉により加熱する方法等の周知の加熱方法を例示できる。溶着する際、管状部材の内径と母材１の外径との間のクリアランスを１ｍｍ程度にすることによって、空孔の内圧を制御することなく、母材１の両端部を開放した状態で溶着することができる。なお、溶着と同時に線引きを行うことにより光ファイバを製造してもよい。

空孔３を形成した母材１の外周にさらにクラッドを形成してもよい。クラッドを形成する方法としては、空孔３を形成した母材１を管状部材の中に挿入して管状部材を潰す方法、空孔３を形成した母材１の外周にスートを堆積させてガラス化する方法等を例示することができる。空孔３を形成した母材１の外周にクラッドを形成する場合には、予めクラッドを形成する量を考慮して空孔３を形成する位置や空孔３の寸法を設定する。なお、管状部材を潰す方法によってクラッドを形成する場合、線引きを同時に実行して、光ファイバを製造することもできる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明は、光ファイバ通信システムにおいて用いられる光ファイバを製造するための光ファイバ用プリフォームに利用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ 光ファイバ用プリフォーム
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ スリット
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ 空孔
５ 管状部材
１１，１２ 穿孔治具
１１ａ，１２ａ ドリル部
１１ｂ，１２ｂ アーム部

Claims (6)

1. 円柱状の母材の径方向から穿孔治具を支持し、該穿孔治具を該母材の長手方向に移動させることによって、該母材の長手方向に延びる、該母材の外周側から該母材の中心方向に向かう複数のスリットと、該母材の長手方向に延びる、前記スリットの深さ方向端部に連通する複数の空孔と、を形成する工程と、
   前記母材を加熱することによって前記スリットを消滅させる加熱工程とを含むことを特徴とする光ファイバ用プリフォームの製造方法。
2. 前記スリットの深さは、２ｍｍ以上、且つ、２０ｍｍ以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ用プリフォームの製造方法。
3. 前記スリットの幅が、０．５ｍｍ以上、且つ、前記空孔の径の１／４以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ用プリフォームの製造方法。
4. 前記加熱工程において、前記母材の軟化点温度±１％の温度範囲内に前記母材を加熱することを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の光ファイバ用プリフォームの製造方法。
5. 前記母材をガラス管の内部に収容し、該母材と該ガラス管とを一体化する一体化工程を含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項に記載の光ファイバ用プリフォームの製造方法。
6. 前記一体化工程において、前記母材の軟化点温度±１％の温度範囲内に該母材を加熱することによって該母材と前記ガラス管とを一体化することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ用プリフォームの製造方法。

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