JP6603779B1 - 光ファイバ母材の製造方法および光ファイバの製造方法 - Google Patents
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Description
本工程は、測定用光ファイバ母材を準備する工程である。図3は、測定用光ファイバ母材を示す断面図である。図3に示すように測定用光ファイバ母材1Pは、コア部11Pと、コア部11Pの外周面を隙間なく囲むクラッド部12Pとを備える。この測定用光ファイバ母材1Pのコア部11Pは光ファイバ1のコア11に相当し、クラッド部12Pは光ファイバ1のクラッド12に相当する。従って、測定用光ファイバ母材1Pのコア部11Pには、アルミニウムとリンとが所定の濃度差となるように添加されており、希土類元素としてのイッテルビウムが所定の濃度となるように添加されている。アルミニウムとリンとの所定の濃度差およびイッテルビウムの所定の濃度は、例えば、必要となる誘導ラマン散乱の発生の閾値とイッテルビウムの励起光の吸収量から算出することができる。この誘導ラマン散乱の発生の閾値は、光ファイバ1の長さと光ファイバ1を伝搬する光の実効断面積から求められる。光ファイバ1の長さが短い程、若しくは実効断面積が大きい程、上記閾値は高くなる。また、イッテルビウムの濃度は、光ファイバ1の長さとイッテルビウムの励起光の吸収量とにより求められる。また、イッテルビウムの濃度と上記実効断面積とにより、アルミニウムとリンとの濃度差を求めることができる。また、上記のようにアルミニウムとリンとの濃度差によりイッテルビウムの励起光の吸収スペクトルが変化するため、例えば、励起光源から出射する励起光のパワースペクトルに応じて最適なアルミニウムとリンとの濃度差を求めることができる。
次に、測定工程SP2について説明する。まず、測定工程SP2に用いられるドーパント濃度差測定装置について説明する。図4は、ドーパント濃度差測定装置に測定用光ファイバ母材がセットされた図である。図4に示すように、ドーパント濃度差測定装置は、照射部21と、照射側レンズ22と、NDフィルタ23と、セル24と、受光側レンズ25と、分光器26と、計算部30と、メモリ35とを主な構成として備える。
本工程は、測定用光ファイバ母材1Pのコア部11Pに添加される希土類元素が吸収する波長帯域の測定光Lをコア部11Pに照射する工程である。なお、測定光Lは、希土類元素が吸収する波長帯域の光であれば、希土類元素が吸収し得る光の全ての波長帯域のうち一部の波長帯域の光でも良く、希土類元素が吸収し得る光の全ての波長帯域を含む光でも良い。本工程では、照射部21から測定光Lを出射する。上記のように本実施形態では、コア部11Pにイッテルビウムが添加されるので、照射部21は、例えば、850nmから1100nmの波長帯域を含む測定光Lを出射する。出射する測定光Lは、照射側レンズ22でコリメートされて、NDフィルタ23で所定のパワーとされて、セル24にウィンドウ24wから入射する。このとき、セル24に入射する測定光Lの直径はコア部11Pの直径よりも小さいことが好ましい。セル24内にて測定光Lが測定用光ファイバ母材1Pに入射し、当該測定光Lは、コア部11Pを透過して、透過光として測定用光ファイバ母材1Pから出射する。このとき、測定光Lの一部はコア部11Pに添加されているイッテルビウムに吸収される。従って、測定用光ファイバ母材1Pから出射する透過光の波長スペクトルは、コア部11Pに入射する前の波長スペクトルと異なる。測定用光ファイバ母材1Pから出射する透過光は、セル24から出射する。セル24から出射した透過光は、受光側レンズ25で集光されて、分光器26に入射する。
本工程は、コア部11Pを透過する測定光Lの一部である透過光のスペクトルに基づいて、コア部11Pに吸収される光の吸収スペクトルを取得する工程である。透過光が分光器26に入射すると分光器26は、透過光のそれぞれの波長における光のパワーにかかる情報を含む電気信号を出力する。出力された電気信号は、計算部30に入力する。当該電気信号が計算部30に入力すると、取得部31では、透過光のスペクトルにかかる情報に基づいてコア部11Pに吸収される光の吸収スペクトルにかかる情報を計算する。本実施形態では、上記のように、標準母材をセットした場合の透過光のスペクトルにかかる情報がメモリ35に記憶されており、取得部31は、メモリ35に記憶された情報と分光器26から入力する情報とを比較して、コア部11Pにおける吸収スペクトルにかかる情報を計算する。具体的には、取得部31は、メモリ35に記憶された標準母材をセットした場合の透過光のパワーと、測定用光ファイバ母材1Pの測定時における分光器26から入力する透過光のパワーとの差分を波長ごとに計算する。こうして、コア部11Pに吸収される光の吸収スペクトルが取得部31により取得される。
本工程は、吸収スペクトルに基づいてコア部11Pに添加されるアルミニウムの濃度とリンの濃度との差を推定する工程である。本工程について詳細に説明する。図5は、イッテルビウムの吸収スペクトルを示す図である。図5において、横軸は波長を示しており、縦軸はイッテルビウムの光の吸収量を波長915nm近傍におけるピーク値を基準に規格化して示すものである。また、図5において、実線はアルミニウムとリンとの添加量が同じ濃度の場合におけるイッテルビウムの光の吸収スペクトルを示しており、破線はアルミニウムの濃度がリンの濃度よりも高い場合におけるイッテルビウムの光の吸収スペクトルを示し、点線はリンの濃度がアルミニウムの濃度よりも高い場合におけるイッテルビウムの光の吸収スペクトルを示す。
本工程は、濃度差推定工程SP23で推定されたコア部11Pに添加されるアルミニウムの濃度とリンの濃度との差と、希土類元素が吸収する測定光Lの吸収量に基づいて、コア部11Pに添加される希土類元素の濃度を推定する工程である。希土類元素濃度推定部33は、取得部31が取得する吸収スペクトルから所定の波長における測定光Lの吸収量を抽出する。本実施形態では、波長915nm近傍にける吸収スペクトルのピークにおける吸収量を抽出する。そして、濃度差推定部32から出力される濃度差にかかる情報と、上記吸収量にかかる情報とに基づいて、コア部11Pに添加される希土類元素の濃度を推定する。以下、具体的に説明する。
本工程は、濃度差推定工程SP23で推定されたアルミニウムとリンとの濃度差よりも、コア11に添加されるアルミニウムとリンとの濃度差を所定の濃度差に近づくように光ファイバ母材の製造条件を決定する工程である。また、本実施形態では、さらに本工程において、希土類元素濃度推定工程で推定されたイッテルビウムの濃度よりも、コア11に添加されるイッテルビウムの所定の濃度に近づくように光ファイバ母材の製造条件を決定する。本決定工程SP3で決定される内容については、製造工程SP4についての理解が必要である。そこで、以下の製造工程SP4の説明後に本決定工程SP3で決定される内容について説明する。
本工程は、決定工程SP3で決定された製造条件で光ファイバ母材を製造する工程である。本実施形態では、本工程が改良型化学気相成長(MCVD)法により行われる例について説明する。本実施形態では、上記のように、製造工程SP4は、ガラス管準備工程SP41と、ガラス微粒子結合体形成工程SP42と、溶液浸透工程SP43と、リン含有ガス流通工程SP44と、コラプス工程SP45とを含む。
本工程は、中心に中空部20Hを有するシリカガラス管20を準備する工程である。図13は、本工程で準備されるシリカガラス管20を示す斜視図である。
本工程は、光ファイバ母材のコア部となるガラス体であるガラス微粒子の結合体を形成する工程である。図14は、本工程の様子を示す図である。図14に示すように、本工程では、酸素(O2)からなるキャリアガスと、四塩化ケイ素(SiCl4)とを含むガスをシリカガラス管20の中空部20H内に流通させる。このとき、シリカガラス管20を軸中心に回転させながら加熱する。この加熱は、例えば、酸水素バーナBAで行われる。このときのシリカガラス管20の温度、及び、中空部20H内に流通されるガスの温度は、例えば、1600〜1800℃とされる。
本工程は、シリカガラス微粒子結合体13のガラス微粒子間にアルミニウム及び希土類元素であるイッテルビウムを含有する溶液を浸透させる工程であり、液浸工程とも呼ばれる。本工程により、シリカガラス微粒子結合体13のシリカガラス微粒子にイッテルビウム及びアルミニウムが添加される。なお、アルミニウムを含有する上記溶液はアルミニウム含有媒体と理解でき、希土類元素であるイッテルビウムを含有する上記溶液は希土類元素含有媒体とも理解できる。このため、本実施形態では、アルミニウムを含有するアルミニウム含有媒体を用いて、光ファイバ母材のコア部となるガラス体であるシリカガラス微粒子にアルミニウムを添加するアルミニウム添加工程と、希土類元素含有する希土類元素含有媒体を用いて、光ファイバ母材のコア部となるガラス体であるシリカガラス微粒子に希土類元素を添加する希土類元素添加工程とを同時に行っている。
本工程は、リンを含有するリン含有ガスをガラス微粒子結合体13のガラス微粒子間に流す工程である。本工程により、シリカガラス微粒子結合体13のシリカガラス微粒子にリンが添加される。なお、リンを含有するガスはリン含有媒体と理解できる。従って、本工程は、リンを含有するリン含有媒体を用いて、光ファイバ母材のコア部となるガラス体であるガラス微粒子にリンを添加するリン添加工程と理解できる。まず、上記溶液浸透工程SP43が完了したシリカガラス管20をガラス微粒子結合体形成工程SP42と同様に不図示の旋盤にセットする。図16は、本工程を示す図である。図16に示すように、本工程では、旋盤にセットされたシリカガラス管20の中空部20H内に酸素(O2)からなるキャリアガスと、オキシ塩化リン(POCl3)とを含むリン含有ガスを流通させる。このリン含有ガスが上記リン含有媒体である。このガスは、シリカガラス微粒子間の隙間にも流通する。このとき、図16に示すようにシリカガラス管20を加熱する。この加熱は、例えば、酸水素バーナBAで行われる。このときのシリカガラス管20の温度は、及び、中空部20H内に流通されるガスの温度は、例えば、1900〜2200℃とされる。
本工程は、シリカガラス管20の中空部20Hを潰して中実化する工程である。図17は、本工程を示す図である。図17に示すように、本工程では、シリカガラス管20を軸心周りに回転させながら外周面側から例えば酸水素バーナBAによって2000℃程度に加熱することで、シリカガラス管20を縮径すると共に中実化することができる。酸水素バーナBAをシリカガラス管20の長手方向に沿って相対的に移動させながらシリカガラス管20を加熱することにより、シリカガラス管20の全体を徐々に縮径させて中実化する。このとき、シリカガラス微粒子結合体13のシリカガラス微粒子間の隙間も潰される。こうして、シリカガラス管20がクラッド部となり、アルミニウム、リン及びイッテルビウムが添加されたシリカガラス微粒子がコア部となり、図3に示す測定用光ファイバ母材1Pと同様の光ファイバ母材が得られる。
本工程は、製造工程SP4で製造された光ファイバ母材を線引きして光ファイバを製造する工程である。図18は、本工程の様子を示す図である。上記のように、製造工程SP4で製造される光ファイバ母材は、測定用光ファイバ母材1Pと同様の構成であるため、そこで、図2の測定用光ファイバ母材1Pを製造工程SP4で製造された光ファイバ母材とみなして、以下の説明をする。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。
本実施形態のガラス管準備工程SP41aは、第1実施形態のガラス管準備工程SP41と同様にして行われる。従って、図13に示すシリカガラス管20が準備される。シリカガラス管20が準備できたら、第1実施形態と同様にして、シリカガラス管20を不図示の旋盤にセットする。この旋盤は、第1実施形態で説明した旋盤と同様の旋盤である。
本工程は、光ファイバ母材のコア部となるガラス体であるガラス層の結合体を形成する工程である。図20は、本工程の様子を示す図である。図20に示すように、本実施形態では、四塩化ケイ素と、Yb(DPM)3(β−ジケトン金属錯体)或いはYbCl3と、三塩化アルミニウムと、オキシ塩化リンとが加熱されて気化されたガスと、酸素からなるキャリアガスとを含むガスをシリカガラス管20の中空部20H内に流通させる。このとき、シリカガラス管20を軸中心に回転させながら、例えば酸水素バーナBAで加熱する。このときのシリカガラス管20の温度、及び、中空部20H内に流通されるガスの温度は、例えば、1800〜2200℃とされる。このシリカガラス管20の中空部20H内に流通されるガスは、イッテルビウムを含有するため希土類元素含有媒体と理解でき、またアルミニウムを含有するためアルミニウム含有媒体とも理解でき、またリンを含有するためリン含有媒体とも理解できる。
次に第1実施形態のコラプス工程SP45と同様にして、コラプス工程を行う。こうして、図3に示す測定用光ファイバ母材1Pと同様の光ファイバ母材が得られる。
1P・・・(測定用)光ファイバ母材
11・・・コア
11P・・・コア部
12・・・クラッド
12P・・・クラッド部
13・・・シリカガラス微粒子結合体
20・・・シリカガラス管
21・・・照射部
24・・・セル
26・・・分光器
30・・・計算部
31・・・取得部
32・・・濃度差推定部
33・・・希土類元素濃度推定部
35・・・メモリ
SP1・・・測定用光ファイバ母材準備工程
SP2・・・測定工程
SP21・・・照射工程
SP22・・・取得工程
SP23・・・濃度差推定工程
SP24・・・希土類元素濃度推定工程
SP3・・・決定工程
SP4・・・製造工程
SP41・・・ガラス管準備工程
SP42・・・ガラス微粒子結合体形成工程
SP43・・・溶液浸透工程
SP44・・・リン含有ガス流通工程
SP5・・・線引工程
Claims (18)
- アルミニウムとリンとが所定の濃度差となるように添加され、希土類元素が所定の濃度となるように添加されたコア部を有する測定用光ファイバ母材を準備する準備工程と、
前記希土類元素が吸収する波長帯域の測定光を前記コア部に照射する照射工程と、
前記コア部を透過する前記測定光のスペクトルに基づいて前記コア部に吸収される希土類元素の光の吸収スペクトルを取得する取得工程と、
前記吸収スペクトルに基づいて前記コア部に添加されるアルミニウムとリンとの濃度差を推定する濃度差推定工程と、
前記濃度差推定工程で推定された前記濃度差よりも前記所定の濃度差に近づくように製造される光ファイバ母材の製造条件を決定する決定工程と、
前記決定工程で決定された製造条件で前記光ファイバ母材を製造する製造工程と、
を備える
ことを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。 - 前記濃度差推定工程において、前記吸収スペクトルにおけるピーク波長のシフト量に基づいてアルミニウムの濃度とリンの濃度との差を推定する
ことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 前記濃度差推定工程において、前記吸収スペクトルにおけるピークの帯域幅の変化量に基づいてアルミニウムの濃度とリンの濃度との差を推定する
ことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - アルミニウムとリンとが所定の濃度差となるように添加され、希土類元素が所定の濃度となるように添加されたコア部を有する測定用光ファイバ母材を準備する準備工程と、
前記希土類元素が吸収する波長帯域の測定光を前記コア部に照射する照射工程と、
前記コア部を透過する前記測定光のスペクトルに基づいて前記コア部に吸収される光の吸収スペクトルを取得する取得工程と、
前記吸収スペクトルに基づいて前記コア部に添加されるアルミニウムとリンとの濃度差を推定する濃度差推定工程と、
前記濃度差推定工程で推定された前記濃度差よりも前記所定の濃度差に近づくように製造される光ファイバ母材の製造条件を決定する決定工程と、
前記決定工程で決定された製造条件で前記光ファイバ母材を製造する製造工程と、
を備え、
前記濃度差推定工程において、前記吸収スペクトルにおけるピーク波長のシフト量に基づいてアルミニウムの濃度とリンの濃度との差を推定する
ことを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。 - アルミニウムとリンとが所定の濃度差となるように添加され、希土類元素が所定の濃度となるように添加されたコア部を有する測定用光ファイバ母材を準備する準備工程と、
前記希土類元素が吸収する波長帯域の測定光を前記コア部に照射する照射工程と、
前記コア部を透過する前記測定光のスペクトルに基づいて前記コア部に吸収される光の吸収スペクトルを取得する取得工程と、
前記吸収スペクトルに基づいて前記コア部に添加されるアルミニウムとリンとの濃度差を推定する濃度差推定工程と、
前記濃度差推定工程で推定された前記濃度差よりも前記所定の濃度差に近づくように製造される光ファイバ母材の製造条件を決定する決定工程と、
前記決定工程で決定された製造条件で前記光ファイバ母材を製造する製造工程と、
を備え、
前記濃度差推定工程において、前記吸収スペクトルにおけるピークの帯域幅の変化量に基づいてアルミニウムの濃度とリンの濃度との差を推定する
ことを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。 - 前記照射工程において、前記測定光は前記測定用光ファイバ母材の一方の端面から入射される
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 前記照射工程において、前記測定光は前記測定用光ファイバ母材の側面から入射されることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の光ファイバ母材の製造方法。
- 前記照射工程において、前記測定光は前記測定用光ファイバ母材の長手方向に沿って移動しながら入射される
ことを特徴とする請求項7に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 前記測定光の直径は前記測定用光ファイバ母材の前記コア部の直径よりも小さい
ことを特徴とする請求項7または8に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 前記製造工程は、アルミニウムを含有するアルミニウム含有媒体を用いて、製造される前記光ファイバ母材の前記コア部となるガラス体にアルミニウムを添加するアルミニウム添加工程を含み、
前記決定工程では、前記アルミニウム含有媒体中のアルミニウムの濃度を決定する
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 前記製造工程は、前記ガラス体を形成するガラス体形成工程を含み、
前記アルミニウム添加工程は、前記ガラス体形成工程と同時に行われる
ことを特徴とする請求項10に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 前記製造工程は、リンを含有するリン含有媒体を用いて、製造される前記光ファイバ母材の前記コア部となるガラス体にリンを添加するリン添加工程を含み、
前記決定工程では、前記リン含有媒体中のリンの濃度を決定する
ことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 前記製造工程は、前記ガラス体を形成するガラス体形成工程を含み、
前記リン添加工程は、前記ガラス体形成工程と同時に行われる
ことを特徴とする請求項12に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 前記濃度差推定工程で推定された前記コア部に添加されるアルミニウムの濃度とリンの濃度との差と、前記希土類元素が吸収する前記測定光の吸収量に基づいて、前記測定用光ファイバ母材の前記コア部に添加される前記希土類元素の濃度を推定する希土類元素濃度推定工程を更に備える
ことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 前記決定工程では、前記希土類元素濃度推定工程で推定された前記濃度よりも前記所定の濃度に近づくように製造される前記光ファイバ母材の製造条件を決定する
ことを特徴とする請求項14に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 前記製造工程は、前記希土類元素を含有する希土類元素含有媒体を用いて、製造される前記光ファイバ母材の前記コア部となるガラス体に前記希土類元素を添加する希土類元素添加工程を含み、
前記決定工程では、前記希土類元素含有媒体中の前記希土類元素の濃度を決定する
ことを特徴とする請求項15に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 前記製造工程は、前記ガラス体を形成するガラス体形成工程を含み、
前記希土類元素添加工程は、前記ガラス体形成工程と同時に行われる
ことを特徴とする請求項16に記載の光ファイバ母材の製造方法。 - 請求項1から17のいずれか1項に記載の光ファイバ母材の製造方法で製造された前記光ファイバ母材を線引きする線引工程を備える
ことを特徴とする光ファイバの製造方法。
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