JP6198225B2

JP6198225B2 - フォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法

Info

Publication number: JP6198225B2
Application number: JP2014139697A
Authority: JP
Inventors: 深井　千里; 千里深井; 中島　和秀; 和秀中島; 恭三辻川; 青笹　真一; 真一青笹
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2034-07-07
Also published as: JP2016017007A

Description

本発明は、複数の空孔部を有するフォトニッククリスタル光ファイバの光ファイバ母材の製造方法に関し、特に光ファイバの製造において長尺化を容易とする技術に関する。

一般に、光ファイバを用いた光通信では、コア部とクラッド部の屈折率差による全反射により、光信号がコア部に閉じ込められた状態で光ファイバ中を伝搬する。フォトニッククリスタル光ファイバは、軸心に直交する断面に複数個の空孔部を設けることにより、空気とガラスの屈折率差を利用した全反射によって、光信号を伝搬する。前記複数個の空孔部を有する光ファイバは、従来の光ファイバと比べ、コア部（に相当する部分）と空孔部を包含するクラッド部との比屈折率差を大きくすることが可能なため、従来の光ファイバでは実現不可能な特性を実現できる（例えば、特許文献１参照）。

このような空孔部を有する光ファイバの製造方法としては、キャピラリを束ねて線引きする方法（例えば、特許文献２参照）及び光ファイバの多孔質ガラス母材をガラス透明化した後に孔を開けて線引きする方法（例えば、特許文献３参照）が知られている。

しかしながら、特許文献２に記載のキャピラリを束ねて線引きする方法では、光ファイバの軸心に直交する断面において複数個形成される空孔部間の距離などを精密に制御することが困難であるという問題があった。特に、空孔部が光ファイバの軸心に直交する断面方向に積層される場合には積層数の増加とともに空孔部の配列の精度も劣化するという問題があった。また、キャピラリの表面にＯＨ基や不純物が付着し、これら不純物による吸収損失によって、低損失化が難しいという問題もあった。さらに、形成される空孔部の数が少ない場合は空孔部を含まない部分、すなわち空孔部同士の間も積層により形成する必要があり、コストの低減が困難であるという問題もあった。

他方、特許文献３に記載の光ファイバの多孔質ガラス母材をガラス透明化した後に孔を開けて線引きする方法では、石英ガラスが非常に硬いため、超音波振動研削などの特殊な方法を用いる必要があるが、孔を深く研削するために研削工具の長さを長くすると、高速回転に伴う軸ずれが生じ、研削できなくなってしまう。そのため、母材サイズの大型化、つまり光ファイバの長尺化が困難であるという問題があった。

本発明は上記の事情に鑑み提案されたものであって、複数の空孔部を有するフォトニッククリスタル光ファイバを低損失かつ長尺に製造可能な光ファイバ母材を容易に得ることができる光ファイバ母材の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、光ファイバ母材の外形を形成する石英管内部に、空孔部を形成する石英管を配置し、各石英管を加熱しながら、石英管にガラス微粒子を堆積させることを特徴とする。より具体的には、ＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法またはＰＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）法をベースとして、石英管を加熱しながらガラス粒子を堆積させて光ファイバ母材を生成する。

すなわち、
クラッド部内に複数の空孔部を包含したフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法であって、
光ファイバ母材の外形となる第１の石英管の内部に当該第１の石英管の直径よりも小さい直径の複数の第２の石英管を光ファイバ母材の各空孔部に対応するように配置する工程と、
前記第１の石英管の外部及び第２の石英管の内部にそれぞれ、当該第１の石英管及び第２の石英管を加熱するための器具を配置する工程と、
前記第１の石英管の外部から当該第１の石英管を加熱し、かつ前記第２の石英管の内部から当該第２の石英管を加熱しつつ、前記第１の石英管の内面及び第２の石英管の外面に光ファイバ母材のコア部及びクラッド部となるガラス微粒子を堆積する工程とを含む
ことを特徴とする。

なお、上記フォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法において、ガラス微粒子の堆積工程では、各石英管及び各石英管を加熱するための器具を、互いの相対的位置を維持しながら光ファイバ母材の中心を軸として相対的に同期回転させると好適である。

本発明に係るフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法によれば、光ファイバ断面に複数の空孔部を有するフォトニッククリスタル光ファイバを低損失かつ長尺に製造可能な光ファイバ母材を容易に得ることができる。

光ファイバ母材の一例を示す断面図第１の実施の形態に係る光ファイバ母材の製造工程の一例を示す概略図第１の実施の形態に係る光ファイバ母材の製造工程の一例を示す概略図第１の実施の形態に係る光ファイバ母材の製造工程の一例を示す概略図第２の実施の形態に係る光ファイバ母材の製造工程の一例を示す概略図第２の実施の形態に係る光ファイバ母材の製造工程の一例を示す概略図第２の実施の形態に係る光ファイバ母材の製造工程の一例を示す概略図

以下、本発明に係るフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法について図面を参照して説明する。

まず、本発明において製造対象となるフォトニッククリスタル光ファイバ用の光ファイバ母材について図１を参照して説明する。図１は光ファイバ母材の一例を示す断面図である。

光ファイバ母材１０は、図１に示すように、全体が断面円形となっており紙面を貫く方向に延在している。なお、光ファイバ母材の外形は、所望の光ファイバの外形を形成する形状であれば円形でなくても良い。光ファイバ母材１０は、複数（図１では６０個）の空孔部１１を有するクラッド部１２と、光ファイバ母材の中心部に位置する空孔が配置されないガラス部分から成るコア部１３とからなる。

光ファイバ母材１０の外形はクラッド部１２の外形を形成する。空孔部１１はコア部１３の周囲に配置されている。図１では複数の空孔部１１は、それぞれコア部１３を囲むように、隣り合う空孔部１１は互いに等間隔をとるように配置されている。換言すれば、６０個の空孔部１１は、六方最密形状に４層設けられて光ファイバ母材１０は対称構造となっている。なお、空孔部１１は六方最密形状に限らず、所望の特性を実現する位置に配置されれば良い。また、空孔部１１は４層に限らず、所望の特性を実現する層数配置されれば良い。

石英を主成分として用いる光ファイバにおいて、コア部１３及びクラッド部１２を形成するガラス部分において、ドーパントを添加しても良い。なお、代表的なドーパントとしては酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）やフッ素（Ｆ）が挙げられるが、これら以外の化学物質をドーパントとすることも可能である。

本発明はこのような光ファイバ母材１０の製造方法に係るものである。以下にその実施の形態を詳述する。

第１の実施の形態

本発明の第１の実施の形態に係るフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法について、図２〜図４を参照して説明する。図２〜図４は第１の実施の形態に係る光ファイバ母材の製造工程の一例を示す概略図である。

本実施の形態に係る光ファイバの製造方法は、ＭＣＶＤ法をベースとした光ファイバ母材の製造方法である。まず最初に、光ファイバ母材とほぼ同じ大きさ（外径、長さ）である第１の石英管２１を１本用意し、光ファイバ母材とほぼ同じ大きさ（長さ）であり、光ファイバ母材の空孔部をなす第２の石英管２２を６０本用意する。第２の石英管２２は、第１の石英管２１の直径よりも小さい直径を有する。

図２に示すように、第１の石英管２１及び６０本の第２の石英管２２を、その長手方向が軸心Ｃ２と平行となるように配置する。具体的には、第２の石英管２２は、図１で示した光ファイバ母材１０の各空孔部１１の形成位置に対応するよう、第１の石英管２１の軸心Ｃ２を囲むように六方最密形状に４層配置される。

複数の第２の石英管２２は、六方最密形状に配置される、また、４層配置されるものに限らず、光ファイバ母材を線引きして最終的に得られるフォトニッククリスタル光ファイバの所望の特性を実現する位置に配置されれば良い。また、第２の石英管２２の数量は光ファイバ母材の空孔部と同等の数量であり、６０本に限らず、光ファイバ母材を線引きして最終的に得られるフォトニッククリスタル光ファイバの所望の特性を実現する数量であれば良い。また、複数の第２の石英管２２の直径は同一のものに限らず、光ファイバ母材を線引きして最終的に得られるフォトニッククリスタル光ファイバの各空孔径に合うように、異なる直径の第２の石英管２２を用いても良い。さらに、第１の石英管２１の端部と第２の石英管２２の端部とが略同一平面上に配置される。また、各石英管２１及び２２は、軸心Ｃ２を中心として石英管２１及び２２の相対的位置を維持しながら軸心Ｃ２の周りに同期回転できるよう所定の支持具（図示省略）により支持される。

次に、図３に示すように、第１の石英管２１及び第２の石英管２２をそれぞれ加熱するための器具として、第１の石英管２１の外部及び第２の石英管２２の内部に、それぞれ第１の酸水素バーナー２３及び電熱線２４を配置する。

ここで、第１の石英管２１及び第２の石英管２２をそれぞれ加熱するための器具は、酸水素バーナーや電熱線でなくても良い。このとき、第１の酸水素バーナー２３により第１の石英管２１に対して火炎研磨処理を行っても良い。ここで、第１の酸水素バーナー２３を矢印Ｌ２の方向に移動させても良い。また、予め火炎研磨処理を施した石英管を第１の石英管２１及び第２の石英管２２として用いても良い。

続いて、図４に示すように、第１の石英管２１の軸方向端部側近傍に第２の酸水素バーナー（コア部及びクラッド部原料供給手段）２５を配置する。続いて、第１の石英管２１、６０本の第２の石英管２２及び６０本の電熱線２４を、第１の石英管２１の軸心Ｃ２を中心として軸心Ｃ２周りに同期回転させる一方、第２の酸水素バーナー２５により、第１の石英管２１の内部及び６０本の第２の石英管２２の外部に光ファイバ母材のコア部及びクラッド部２６となるガラス微粒子２５ａを堆積させる。

上述したように第１の酸水素バーナー２３及び電熱線２４により第１の石英管２１及び第２の石英管２２が加熱されているため、熱酸化により光ファイバ母材のコア部及びクラッド部２６のガラス層が形成される。ここで、第１の酸水素バーナー２３により第１の石英管２１が加熱されるとともに、電熱線２４により第２の石英管２２が加熱されることによって、ガラス微粒子２５ａを第１の石英管２１の内面及び第２の石英管２２の外面へ均一かつ高速に堆積することが可能となる。

この際、第２の石英管２２の内部２２ａに光ファイバ母材のコア部及びクラッド部２６となるガラス微粒子２５ａが堆積することを防ぐため、第２の酸水素バーナー２５が配置される第２の石英管２２の端部を、電熱線２４を挿入した際に封止しておくことも可能である。

そして、第１の石英管２１の内部及び第２の石英管２２の外部にコア部及びクラッド部２６となるガラス微粒子２５ａを所定量堆積させることにより、コア部及びクラッド部が形成された複数個の空孔部を包含するフォトニッククリスタル光ファイバを製造するための光ファイバ母材（例えば、図１参照）が得られる。この光ファイバ母材を線引きすることにより、断面内に複数個のコア部を包含する光ファイバを得ることができる。

このように本実施の形態に係るフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法によれば、光ファイバ母材の外形となる第１の石英管の内部に当該第１の石英管の直径よりも小さい直径の複数の第２の石英管を光ファイバ母材の各空孔部に対応するように配置し、前記第１の石英管の外部及び第２の石英管の内部にそれぞれ当該第１の石英管及び第２の石英管を加熱するための器具を配置し、前記第１の石英管の外部及び第２の石英管の内部から当該第１の石英管及び第２の石英管を加熱しながら、前記第１の石英管の内面及び第２の石英管の外面に前記光ファイバ母材のコア部及びクラッド部となるガラス微粒子を堆積することにより光ファイバ母材を製造することとしたため、フォトニッククリスタル光ファイバを製造する際にキャピラリを束ねて線引きする方法における光ファイバの軸心に直交する断面において複数個形成される空孔部間の距離などの加工精度の劣化、低損失化の困難性を低減できるといった効果を奏する。また、空孔部を形成する第２の石英管の直径を任意に設定することができるため、異なる空孔径を有するフォトニッククリスタル光ファイバ用の母材を容易に作製することが可能となるといった効果を奏する。

また、孔開け作業が不要であるため、複数の空孔部を包含する光ファイバを低損失かつ長尺に製造するための光ファイバ母材を母材サイズの制限を受けることなく製造することが可能になり、複数の空孔部を包含するフォトニッククリスタル光ファイバの大量生産が可能となるといった効果を奏する。

なお、上記実施の形態では各石英管２１、２２及び電熱線２４を同期回転しながらガラス微粒子を堆積させていたが、所望のガラス微粒子の堆積状態が得られる範囲内で各バーナーの個数・配置や回転形態等は不問である。例えば、上記実施の形態では各石英管２１、２２及び電熱線２４を同期回転させていたが、第１の酸水素バーナー２３及び第２の酸水素バーナー２５を軸心Ｃ２を中心として回転させるようにしても良い。さらに、上記実施の形態では第１の酸水素バーナー２３及び第２の酸水素バーナー２５をそれぞれ１つだけ用いているが、複数の第１の酸水素バーナー２３及び第２の酸水素バーナー２５を設けても良い。特に多数の第１の酸水素バーナー２３及び第２の酸水素バーナー２５を軸心Ｃ２を中心として周囲に配置すれば、各石英管、各バーナー及び各電熱線を非回転とすることもできる。

また、第２の石英管２２に電熱線２４を配置する際に第２の石英管２２の内部にガラス微粒子２５ａが堆積しないように、第２の石英管２２の内部を蓋などにより密閉することも可能である。

第２の実施の形態

本発明の第２の実施の形態に係るフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法について、図５〜図７を参照して説明する。図５〜図７は第２の実施の形態に係る光ファイバ母材の製造工程の一例を示す概略図である。

本実施の形態に係る光ファイバの製造方法は、ＰＣＶＤ法をベースとした光ファイバ母材の製造方法である。まず、上記第１の実施の形態と同様に、光ファイバ母材とほぼ同じ大きさ（外径、長さ）である第１の石英管３１を１本用意し、光ファイバ母材とほぼ同じ大きさ（長さ）であり、光ファイバ母材の空孔部をなす第２の石英管３２を６０本用意する。第２の石英管３２は、第１の石英管３１の直径よりも小さい直径を有する。

図５に示すように、第１の石英管３１及び６０本の第２の石英管３２を、その長手方向が軸心Ｃ３と平行となるように配置する。具体的には、第２の石英管３２は、図１で示した光ファイバ母材１０の各空孔部１１の形成位置に対応するよう、第１の石英管３１の軸心Ｃ３を囲むように六方最密形状に４層配置される。

複数の第２の石英管３２は、六方最密形状に配置される、また、４層配置されるものに限らず、光ファイバ母材を線引きして最終的に得られるフォトニッククリスタル光ファイバの所望の特性を実現する位置に配置されれば良い。また、第２の石英管３２の数量は光ファイバ母材の空孔部と同等の数量であり、６０本に限らず、光ファイバ母材を線引きして最終的に得られるフォトニッククリスタル光ファイバの所望の特性を実現する数量であれば良い。また、複数の第２の石英管３２の直径は同一のものに限らず、光ファイバ母材を線引きして最終的に得られるフォトニッククリスタル光ファイバの各空孔径に合うように、異なる直径の第２の石英管３２を用いても良い。さらに、第１の石英管３１の端部と第２の石英管３２の端部とが略同一平面上に配置される。また、各石英管３１及び３２は、軸心Ｃ３を中心として石英管３１及び３２の相対的位置を維持しながら軸心Ｃ３の周りに同期回転できるよう所定の支持具（図示省略）により支持される。

次に、図６に示すように、第１の石英管３１及び第２の石英管３２をそれぞれ加熱するための器具として、第１の石英管３１の外部及び第２の石英管３２の内部に、それぞれマイクロ波プラズマを発生させる第１のキャビティ３３ａ及び第２のキャビティ３３ｂを配置する。ここで、第１のキャビティ３３ａ、第２のキャビティ３３ｂ及びマイクロ波プラズマの発生源３３ｃでマイクロ波プラズマの発生器３３を構成している。

このとき、マイクロ波プラズマにより第１の石英管３１及び第２の石英管３２に対してプラズマ火炎による研磨処理を行っても良い。ここで、第１の石英管３１の外部に配置された第１のキャビティ３３ａを矢印Ｌ３の方向に移動させても良い。また、予め火炎研磨処理を施した石英管を第１の石英管３１及び第２の石英管３２として用いても良い。

続いて、図７に示すように、第１の石英管３１の軸方向端部側近傍に酸水素バーナー（コア部及びクラッド部原料供給手段）３４を配置する。続いて、第１の石英管３１、６０本の第２の石英管３２、第１のキャビティ３３ａ及び第２のキャビティ３３ｂを、第１の石英管３１の軸心Ｃ３を中心として軸心Ｃ３周りに同期回転させる一方、酸水素バーナー３４により、第１の石英管３１の内部及び６０本の第２の石英管３２の外部に光ファイバ母材のコア部及びクラッド部となるガラス微粒子３４ａを堆積させる。

上述したように第１のキャビティ３３ａ及び第２のキャビティ３３ｂにより第１の石英管３１及び第２の石英管３２が加熱されているため、熱酸化により光ファイバ母材のコア部及びクラッド部３５のガラス層が形成される。ここで、第１のキャビティ３３ａだけでなく、第２のキャビティ３３ｂを用いて、第１の石英管３１及び第２の石英管３２を加熱することによって、ガラス微粒子３４ａを第１の石英管３１の内面及び第２の石英管３２の外面へ均一かつ高速に堆積することが可能となる。

この際、第２の石英管３２の内部３２ａに光ファイバ母材のコア部及びクラッド部３５となるガラス微粒子３４ａが堆積することを防ぐため、第２のキャビティ３３ｂが配置される第２の石英管３２の端部を、第２のキャビティ３３ｂを挿入した際に封止しておくことも可能である。

そして、第１の石英管３１の内部及び第２の石英管３２の外部にコア部及びクラッド部３６となるガラス微粒子３４ａを所定量堆積させることにより、コア部及びクラッド部が形成された複数個の空孔部を包含するフォトニッククリスタル光ファイバを製造するための光ファイバ母材（例えば、図１参照）が得られる。この光ファイバ母材を線引きすることにより、断面内に複数個のコア部を包含する光ファイバを得ることができる。

このように本実施の形態に係るフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法によれば、第１の実施の形態に係るフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法と同様、複数個の空孔部を包含する光ファイバを低損失かつ長尺に製造可能な光ファイバ母材を容易に得ることができる。

なお、上記実施の形態では各石英管３１、３２、各キャビティ３３ａ及び３３ｂを同期回転しながらガラス微粒子を堆積させていたが、所望のガラス微粒子の堆積状態が得られる範囲内で各バーナーの個数・配置や回転形態等は不問である。例えば、上記実施の形態では各石英管３１、３２、各キャビティ３３ａ及び３３ｂを同期回転させていたが、酸水素バーナー３４を軸心Ｃ３を中心として回転させるようにしても良い。さらに、上記実施の形態では酸水素バーナー３４を１つだけ用いているが、複数の酸水素バーナー３４を設けても良い。特に多数の酸水素バーナー３４を軸心Ｃ３を中心として周囲に配置すれば、各石英管や各キャビティを非回転とすることもできる。

また、第２の石英管３２に第２のキャビティ３３ｂを配置する際に第２の石英管３２の内部にガラス微粒子３４ａが堆積しないように、第２の石英管３２の内部を蓋などにより密閉することも可能である。

本発明に係るフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法によれば、複数個の空孔部を包含するフォトニッククリスタル光ファイバを精度良く長尺に製造可能な光ファイバ母材を得ることができる。その結果、通信産業などで有益に利用することができる。

１０：光ファイバ母材、１１：空孔部、１２：クラッド部、１３：コア部
２１：第１の石英管、２２：第２の石英管、２３：第１の酸水素バーナー、２４：電熱線、２５：第２の酸水素バーナー、２６：クラッド部
３１：第１の石英管、３２：第２の石英管、３３：マイクロ波プラズマの発生器、３４：酸水素バーナー、３５：クラッド部

特開２０１２−４２６３２号公報特開２００２−９７０３４号公報特開２００３−２０６１４９号公報

Claims

クラッド部内に複数の空孔部を包含したフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法であって、
光ファイバ母材の外形となる第１の石英管の内部に当該第１の石英管の直径よりも小さい直径の複数の第２の石英管を光ファイバ母材の各空孔部に対応するように配置する工程と、
前記第１の石英管の外部及び第２の石英管の内部にそれぞれ、当該第１の石英管及び第２の石英管を加熱するための器具を配置する工程と、
前記第１の石英管の外部から当該第１の石英管を加熱し、かつ前記第２の石英管の内部から当該第２の石英管を加熱しつつ、前記第１の石英管の内面及び第２の石英管の外面に光ファイバ母材のコア部及びクラッド部となるガラス微粒子を堆積する工程とを含む
ことを特徴とするフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法。
前記ガラス微粒子の堆積工程では、前記第１の石英管及び第２の石英管、並びに前記第２の石英管の内部に配置した当該第２の石英管を加熱するための器具を、互いの相対的位置を維持しながら光ファイバ母材の中心を軸として相対的に同期回転させる
ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法。