JP5750853B2 - プリフォームの作製方法、光ファイバの製造方法及び光ファイバ - Google Patents

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Description

本発明は、断面方形状のコア部を有するプリフォームの作製方法、光ファイバの製造方法及び光ファイバに関するものである。
従来における光ファイバの製造方法としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の光ファイバの製造方法では、まず略四角柱状のコアロッドを形成し、クラッド部となるガラス管に略四角柱状のコアロッドを挿入して周囲から加熱して溶かすことで、ガラス管を収縮させてコアロッドとガラス管とが一体化された光ファイバ母材を形成し、その後光ファイバ母材を線引きして光ファイバを得る。
ＷＯ ０３／０７５０５８
しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、ガラス管を加熱して溶かすことで、コアロッドとガラス管とを一体化させる際に、略四角柱状のコアロッドの角部が変形しやすくなる。具体的には、ガラス管の加熱時には、略四角柱状のコアロッドの縁部に熱が集中することがある。このため、コアロッドが溶融すると、表面張力によりコアロッドの角部が丸くなりやすくなる。
このように略四角柱状のコアロッドの角部が変形すると、製造された光ファイバにレーザビームを入射させたときに、光ファイバのコア部の端部から出射されるビーム強度がコア部の他の部分から出射されるビーム強度よりも低くなる。このため、そのような略四角柱状のコア部を有する光ファイバを用いてレーザ加工を行う場合には、ワークを均一に加工することができず、加工精度が悪化してしまう。
本発明の目的は、断面方形状のコア材の角部の変形を抑制することができるプリフォームの作製方法、光ファイバの製造方法及び光ファイバを提供することである。
本発明のプリフォームの作製方法は、断面方形状のコア材と、コア材よりも低い屈折率を有する複数本のクラッド材と、クラッド材と同等の屈折率を有するジャケットチューブとを準備するステップと、コア材をジャケットチューブ内に収容すると共に、コア材とジャケットチューブとの間に複数本のクラッド材を充填することにより、集成体を形成するステップと、ジャケットチューブ及びクラッド材をコラプスして、プリフォームを形成するステップとを含み、集成体を形成するステップにおいては、更にコア材の側方に調芯用導波路材を配置することを特徴とするものである。
このように本発明のプリフォームの製造方法においては、断面方形状のコア材とジャケットチューブとの間に複数本のクラッド材を充填することにより、その後に集成体を加熱してジャケットチューブ及びクラッド材をコラプスする際に、各クラッド材に熱が拡散するため、コア材の角部への熱の集中が抑えられる。従って、コア材の角部の溶融が抑えられるため、表面張力によりコア材の角部が変形することが防止される。また、プリフォームを線引きすることによって、断面方形状のコア部の側方に調芯用導波路が形成された光ファイバが得られることとなる。従って、このような光ファイバと光ファイバアレイとを接続する場合には、調芯用導波路を利用して両者を調芯することで、所望の調芯精度を確保することができる。
好ましくは、コア材の軟化点は、ジャケットチューブ及びクラッド材の軟化点よりも高く、プリフォームを形成するステップにおいては、コア材の軟化点よりも低く且つジャケットチューブ及びクラッド材の軟化点よりも高い温度で集成体を加熱して、ジャケットチューブ及びクラッド材をコラプスする。この場合には、コア材の軟化が防止されるため、表面張力によるコア材の角部の変形が確実に防止される。
また、好ましくは、複数本のクラッド材のうち一部のクラッド材は、平坦部を有しており、集成体を形成するステップにおいては、クラッド材の平坦部がコア材に面接触するように、コア材とジャケットチューブとの間に複数本のクラッド材を充填する。このようにクラッド材の平坦部をコア材に面接触させることにより、ジャケットチューブ及びクラッド材をコラプスする際に、クラッド材からコア材に均一に熱が加わるため、コア材が軟化しにくくなる。また、ジャケットチューブ及びクラッド材が収縮するときの圧力がコア材に加わりにくくなる。以上により、コア材の角部の変形が一層防止される。
また、調芯用導波路材の厚みがコア材の厚みと同等であることが好ましい。この場合には、コア材の側方に調芯用導波路材を配置する工程を簡単化することができる。
本発明の光ファイバの製造方法は、上述したプリフォームの作製方法を実施した後、プリフォームを線引きして、断面方形状のコア部を有する光ファイバを形成することを特徴とするものである。
このように本発明の光ファイバの製造方法においては、上記のプリフォームの作製方法を実施することにより、上述したように断面方形状のコア材の角部の変形を防止することができる。
本発明の光ファイバは、断面方形状のコア部と、コア部の側方に配置された調芯用導波路と、コア部及び調芯用導波路を覆うクラッド部とを備えることを特徴とするものである。
このような本発明の光ファイバを上記のプリフォームの作製方法を用いて製造することにより、上述したように断面方形状のコア材の角部の変形を防止することができる。また、コア部の側方に調芯用導波路が配置されているので、光ファイバと光ファイバアレイとを接続する場合に、調芯用導波路を利用して両者を調芯することで、所望の調芯精度を確保することができる。
本発明によれば、プリフォームの作製時に、断面方形状のコア材の角部の変形を抑制することができる。これにより、例えば本プリフォームから製造された光ファイバを使用してレーザ加工を行う場合、光ファイバより照射される光ビームの強度を一定に保つことができるため、ワークを均一に加工することが可能となる。
本発明に係わる光ファイバの製造方法の一実施形態の一部であるプリフォームの作製工程を示す断面図である。 図１に示したプリフォームの作製工程を含む光ファイバの製造工程の手順を示すフローチャートである。 本発明に係わる光ファイバの製造方法の他の実施形態の一部であるプリフォームの作製工程を示す断面図である。 図３に示したプリフォームの作製工程を含む光ファイバの製造工程の手順を示すフローチャートである。 本発明に係わる光ファイバの製造方法の更に他の実施形態の一部であるプリフォームの作製工程を示す断面図である。 図５に示したプリフォームの作製工程を含む光ファイバの製造工程の手順を示すフローチャートである。 図５に示したプリフォームの作製工程の変形例を示す断面図である。
以下、本発明に係わるプリフォームの作製方法、光ファイバの製造方法及び光ファイバの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係わる光ファイバの製造方法の一実施形態の一部であるプリフォームの作製工程を示す断面図である。本実施形態の光ファイバの製造方法は、断面方形状のコア部を有する光ファイバ（以下、方形コアファイバという）を製造するものである。方形コアファイバは、レーザ加工用途等に適用される光ファイバである。
図２は、図１に示したプリフォームの作製工程を含む方形コアファイバの製造工程の手順を示すフローチャートである。ここでは、断面正方形状（縦横サイズ比が１：１）のコア部を有する方形コアファイバを製造する。なお、縦横サイズ比が比較的小さい断面矩形状のコア部を有する方形コアファイバを製造しても良い。
図２において、まず図１（ａ）に示すように、断面正方形状のコア材１と、複数本の断面円形状（円柱状）のロッドクラッド材２と、コア材１が収容可能なジャケットチューブ３とを準備する（ステップＳ１０１）。なお、ロッドクラッド材２としては、様々な直径のものが用いられる。
ロッドクラッド材２及びジャケットチューブ３は、同じ材料で形成されている。コア材１の屈折率は、ロッドクラッド材２及びジャケットチューブ３の屈折率よりも高い。また、コア材１の軟化点は、ロッドクラッド材２及びジャケットチューブ３の軟化点よりも高い。例えば、コア材１は純シリカで形成され、ロッドクラッド材２及びジャケットチューブ３はフッ素添加シリカで形成されている。
このとき、コア材１を断面正方形状にするように機械加工した後、フッ酸を用いてコア材１を洗浄し、コア材１の表面上に存在する微粒子の堆積物を除去する。また、ロッドクラッド材２を熱源で延伸した後、ロッドクラッド材２をコア材１と同じ長さに切断し、その後フッ酸を用いてロッドクラッド材２を洗浄し、ロッドクラッド材２の表面上に存在する微粒子の堆積物を除去する。また、ＳＦ６及びＣｌ２を含む混合ガスを用いてジャケットチューブ３の内側の表面を気相エッチングすることにより、ジャケットチューブ３の内側の表面から不純物や水分を除去する。
続いて、図１（ａ）に示すように、ジャケットチューブ３内にコア材１を挿入して収容する（ステップＳ１０２）。そして、ジャケットチューブ３とコア材１との間の空間に複数本のロッドクラッド材２を充填して、集成体４を形成する（ステップＳ１０３）。
続いて、集成体４をコア材１の軟化点よりも低く且つロッドクラッド材２及びジャケットチューブ３の軟化点よりも高い温度（例えば１０００℃以上の温度）で６０分間加熱する（ステップＳ１０４）。
続いて、ジャケットチューブ３内の圧力を例えば１ｋＰａ未満に低下させた状態で、ジャケットチューブ３及びロッドクラッド材２をコラプスする（ステップＳ１０５）。これにより、図１（ｂ）に示すようなプリフォーム５が形成される。プリフォーム５は、断面正方形状のコア部６と、このコア部６の周囲を覆う断面円形状のクラッド部７とからなっている。
続いて、そのようなプリフォーム５を線引きして、方形コアファイバを形成する（ステップＳ１０６）。
以上のように本実施形態にあっては、ジャケットチューブ３内に断面正方形状のコア材１を挿入した後、ジャケットチューブ３とコア材１との間の空間に、空気よりも熱容量の小さい複数本のロッドクラッド材２を充填したので、その後に集成体４を加熱したときに、ロッドクラッド材２に熱が拡散するようになるため、コア材１の角部への熱の集中が抑えられる。このため、コア材１の角部の溶融が抑えられるため、表面張力によるコア材１の角部の変形を防止することができる。
従って、そのようにして製造された方形コアファイバを使用して、ワークに対してレーザ加工を行う場合に、方形コアファイバのコア部から照射される光ビームの強度が均等になるため、ワークの加工精度を高くすることが可能となる。
図３は、本発明に係わる光ファイバの製造方法の他の実施形態の一部であるプリフォームの作製工程を示す断面図である。図中、上述した実施形態と同一の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
図４は、図３に示したプリフォームの作製工程を含む方形コアファイバの製造工程の手順を示すフローチャートである。ここでは、縦横サイズ比が比較的大きい（例えば１：５０）断面矩形状のコア部を有する方形コアファイバを製造する。
図４において、まず図３（ａ）に示すように、断面矩形状のコア材１１と、複数本の断面円形状のロッドクラッド材２と、断面矩形状のコア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂと、コア材１１が収容可能なジャケットチューブ３とを準備する（ステップＳ１１１）。なお、コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂは、２本ずつ用いられる。コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂは、ロッドクラッド材２と同じ材料で形成されている。
続いて、図３（ａ）に示すように、ジャケットチューブ３内にコア材１１及びコア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂを挿入して収容する（ステップＳ１１２）。このとき、２本のコア補強用クラッド材１２Ａでコア材１１を上下方向に挟むと共に２本のコア補強用クラッド材１２Ｂでコア材１１を左右方向に挟むように、コア材１１に対して各コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂを配置する。これにより、コア材１１の側面全体が各コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂと面接触するようになる。
具体的には、一方のコア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂをジャケットチューブ３内に挿入して所定位置に配置した後、ジャケットチューブ３を回転させて当該コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂを傾ける。その状態で、コア材１１をジャケットチューブ３内に挿入して所定位置に配置し、その後もう一方のコア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂをジャケットチューブ３内に挿入して所定位置に配置する。コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂを傾けることで、コア材１１を安定性良く位置決めすることができる。
続いて、図３（ａ）に示すように、ジャケットチューブ３と各コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂとの間の空間に複数本のロッドクラッド材２を充填して、集成体１３を形成する（ステップＳ１１３）。
続いて、図１に示すステップＳ１０４と同様にして、集成体１３を所定時間加熱する（ステップＳ１１４）。
続いて、図１に示すステップＳ１０５と同様にして、ジャケットチューブ３、ロッドクラッド材２、コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂをコラプスする（ステップＳ１１５）。これにより、図３（ｂ）に示すようなプリフォーム１４が形成される。プリフォーム１４は、断面矩形状のコア部１５と、このコア部１５の周囲を覆う断面円形状のクラッド部１６とからなっている。
続いて、そのようなプリフォーム１４を線引きして、方形コアファイバを形成する（ステップＳ１１６）。
以上のように本実施形態にあっては、コア材１１の周囲にコア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂをコア材１１に面接触するように配置したので、その後に集成体１３を加熱したときに、コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂからコア材１１に均一に熱が加わるため、コア材１１が軟化しにくくなる。これにより、ジャケットチューブ３と各コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂとの間に複数本のロッドクラッド材２を充填したことと相俟って、表面張力によるコア材１１の角部の変形をより防止することができる。
また、コア材１１とコア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂとが面接触するので、上記のコラプス時に、ジャケットチューブ３、ロッドクラッド材２及びコア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂが収縮するときの圧力がコア材１１に加わりにくくなる。従って、コア材１１が十分薄くても、コア材１１の変形を防ぐことができる。
さらに、コア材１１を各コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂで挟み込むようにしたので、製造された方形コアファイバのコア部の同心度、つまりファイバの中心とコア部の中心との一致度を高くすることができる。
図５は、本発明に係わる光ファイバの製造方法の更に他の実施形態の一部であるプリフォームの作製工程を示す断面図である。図中、上述した実施形態と同一の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
図６は、図５に示したプリフォームの作製工程を含む方形コアファイバの製造工程の手順を示すフローチャートである。ここでは、断面矩形状のコア部の左右両側に調芯用導波路が配置された方形コアファイバを製造する。
図６において、まず図５（ａ）に示すように、断面矩形状のコア材１１と、２本の断面正方形状の調芯用導波路材２０と、複数本の断面円形状のロッドクラッド材２と、２本の断面矩形状のコア補強用クラッド材１２Ａと、２本の断面矩形状のコア補強用クラッド材１２Ｂと、２本の断面円形状のスペーサ用クラッド材２１と、ジャケットチューブ３とを準備する（ステップＳ１２１）。調芯用導波路材２０は、コア材１１と同じ材料で形成されている。また、調芯用導波路材２０の断面寸法（各辺の長さ）は、コア材１１の厚み（高さ）と等しくなっている。なお、スペーサ用クラッド材２１としては、断面正方形状を有するものでも良い。
続いて、ジャケットチューブ３内にコア材１１、調芯用導波路材２０、コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂ及びスペーサ用クラッド材２１を挿入して収容する（ステップＳ１２２）。このとき、コア材１１の左右両側にスペーサ用クラッド材２１を介して調芯用導波路材２０を配置し、その状態で２本のコア補強用クラッド材１２Ａでコア材１１及び各調芯用導波路材２０を上下方向に挟むと共に２本のコア補強用クラッド材１２Ｂでコア材１１及び各調芯用導波路材２０を左右方向に挟むように、各コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂを配置する。
具体的には、一方のコア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂをジャケットチューブ３内に挿入して所定位置に配置した後、ジャケットチューブ３を回転させて当該コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂを傾ける。その状態で、一方の調芯用導波路材２０、一方のスペーサ用クラッド材２１、コア材１１、もう一方のスペーサ用クラッド材２１、もう一方の調芯用導波路材２０を順にジャケットチューブ３内に挿入して所定位置に配置し、更にもう一方のコア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂをジャケットチューブ３内に挿入して所定位置に配置する。
続いて、図５（ａ）に示すように、ジャケットチューブ３と各コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂとの間の空間に複数本のロッドクラッド材２を充填して、集成体２２を形成する（ステップＳ１２３）。
続いて、その集成体２２を所定時間加熱した（ステップＳ１２４）後、ジャケットチューブ３、ロッドクラッド材２、コア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂをコラプスする（ステップＳ１２５）。これにより、図５（ｂ）に示すようなプリフォーム２３が形成される。プリフォーム２３は、断面矩形状のコア部１５と、このコア部１５の左右両側に配置された１対の調芯用導波路２４と、コア部１５及び各調芯用導波路２４の周囲を覆う断面円形状のクラッド部２５とからなっている。
続いて、そのようなプリフォーム２３を線引きして、方形コアファイバを形成する（ステップＳ１２６）。
ところで、方形コアファイバのコア部の厚み（高さ）が十分小さい場合には、方形コアファイバへの光の導入に光ファイバアレイを使用することがある。この場合、方形コアファイバのコア部の幅寸法が大きいため、光ファイバアレイと方形コアファイバとを調芯したときに、所望の調芯精度が得られないことがある。
本実施形態では、方形コアファイバのコア部の左右両側に調芯用導波路が配置されるので、これらの調芯用導波路を利用して、光ファイバアレイと方形コアファイバとを調芯することができる。具体的には、各調芯用導波路に光を入射し、この時に各調芯用導波路から出射される光強度をパワーメータで計測する。これにより、光ファイバアレイと方形状コアファイバとの所望の調芯精度を確保することができる。
なお、調芯用導波路のサイズとしては、接続される光ファイバアレイのファイバコア径と同程度であるのが望ましい。
図７は、図５に示したプリフォームの作製工程の変形例を示す断面図である。同図において、コア材１１の厚みは、調芯用導波路材２０の断面寸法（各辺の長さ）よりも大きくなっている。この場合には、例えば４本の断面矩形状のスペーサ用クラッド材３０を別途準備し、これらのスペーサ用クラッド材３０を各調芯用導波路材２０の下側及び上側に配置すれば良い。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図３、図５及び図７に示す実施形態では、集成体の形成時に、断面矩形状のコア補強用クラッド材１２Ａ，１２Ｂを断面矩形状のコア材１１に面接触させるようにしたが、コア補強用クラッド材としては、特に断面矩形状のものには限られず、平坦部を有するコア補強用クラッド材を用い、そのコア補強用クラッド材の平坦部を断面矩形状のコア材１１に面接触させても良い。
１…コア材、２…ロッドクラッド材、３…ジャケットチューブ、４…集成体、５…プリフォーム、１１…コア材、１２Ａ，１２Ｂ…コア補強用クラッド材、１３…集成体、１４…プリフォーム、１５…コア部、２０…調芯用導波路材、２２…集成体、２３…プリフォーム、２４…調芯用導波路、２５…クラッド部。

Claims (6)

  1. 断面方形状のコア材と、前記コア材よりも低い屈折率を有する複数本のクラッド材と、前記クラッド材と同等の屈折率を有するジャケットチューブとを準備するステップと、
    前記コア材を前記ジャケットチューブ内に収容すると共に、前記コア材と前記ジャケットチューブとの間に前記複数本のクラッド材を充填することにより、集成体を形成するステップと、
    前記ジャケットチューブ及び前記クラッド材をコラプスして、プリフォームを形成するステップとを含み、
    前記集成体を形成するステップにおいては、更に前記コア材の側方に調芯用導波路材を配置することを特徴とするプリフォームの作製方法。
  2. 前記コア材の軟化点は、前記ジャケットチューブ及び前記クラッド材の軟化点よりも高く、
    前記プリフォームを形成するステップにおいては、前記コア材の軟化点よりも低く且つ前記ジャケットチューブ及び前記クラッド材の軟化点よりも高い温度で前記集成体を加熱して、前記ジャケットチューブ及び前記クラッド材をコラプスすることを特徴とする請求項１記載のプリフォームの作製方法。
  3. 前記複数本のクラッド材のうち一部のクラッド材は、平坦部を有しており、
    前記集成体を形成するステップにおいては、前記クラッド材の前記平坦部が前記コア材に面接触するように、前記コア材と前記ジャケットチューブとの間に前記複数本のクラッド材を充填することを特徴とする請求項１または２記載のプリフォームの作製方法。
  4. 前記調芯用導波路材の厚みが前記コア材の厚みと同等であることを特徴とする請求項１記載のプリフォームの作製方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項記載のプリフォームの作製方法を実施した後、前記プリフォームを線引きして、断面方形状のコア部を有する光ファイバを形成することを特徴とする光ファイバの製造方法。
  6. 断面方形状のコア部と、
    前記コア部の側方に配置された調芯用導波路と、
    前記コア部及び前記調芯用導波路を覆うクラッド部とを備えることを特徴とする光ファイバ。
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