JP7453259B2 - 中空コアファイバの製造方法および中空コアファイバ用プリフォームの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ファイバの長手方向軸に沿って延びる中空コアと、複数の反共振要素を含み、かつ中空コアを取り囲むクラッド領域とを有する反共振中空コアファイバの製造方法に関し、この製造方法は、
(a) 中空コアファイバのための一次プリフォームを提供する工程であって、中空コアファイバは、中空コア領域およびクラッド領域を有し、クラッド領域は、少なくとも1つの被覆管を含み、被覆管は、被覆管内部孔および被覆管長手方向軸を有し、被覆管長手方向軸に沿って、内側クラッド面及び外側クラッド面によって画定された被覆管壁が延び、クラッド領域には、管状および/または中空チャネル状の複数の反共振要素プリフォーム体が配置されている、工程と、
(b) 一次プリフォームを二次プリフォームにさらに加工する工程であって、さらに加工する工程は、
(i) 延伸
(ii) コラップスおよび同時延伸、
(iii) 追加のクラッド材料のコラップスとそれに続く延伸、
(iv) 追加のクラッド材料のコラップスおよび同時延伸、
のうち1つ以上の熱成形プロセスが1回または反復して実行されることを含む、工程と、
(c) 二次プリフォームから中空コアファイバを線引きする工程と、
を備える。
さらに本発明は、ファイバの長手方向軸に沿って延びる中空コアと、複数の反共振要素を含む、中空コアを取り囲むクラッド領域とを有する反共振中空コアファイバのプリフォームの製造方法に関し、この製造方法は、
(a) 中空コアファイバのための一次プリフォームを提供する工程であって、中空コアファイバは、中空コア領域およびクラッド領域を有し、クラッド領域は、少なくとも1つの被覆管を含み、被覆管は、被覆管内部孔および被覆管長手方向軸を有し、被覆管長手方向軸に沿って、内側クラッド面及び外側クラッド面によって画定された被覆管壁が延び、クラッド領域には、管状および/または中空チャネル状の複数の反共振要素プリフォーム体が配置されている、工程と、
(b) 一次プリフォームを二次プリフォームにさらに加工する工程であって、さらに加工する工程は、
(i) 延伸
(ii) コラップスおよび同時延伸、
(iii) 追加のクラッド材料のコラップスとそれに続く延伸、
(iv) 追加のクラッド材料のコラップスおよび同時延伸、のうち1つ以上の熱成形プロセスが1回または反復して実行されることを含む、工程と、
を備える。
中実材料から作製される従来のシングルモード光ファイバは、低屈折率のガラスからなるクラッド領域により取り囲まれたガラス製のコア領域を有している。このとき、光の伝搬は、コア領域とクラッド領域間の全反射に基づいている。しかし、導波光と中実材料の相互作用は、データ伝送時の遅延時間の増大や、エネルギー放射線に対する損傷のしきい値の相対的低下に結びついている。
反共振中空コアファイバや、特に入れ子になっている構造要素を持つそのようなファイバは複雑な内部形状を有するため、これを正確かつ再現可能に製造することは困難である。さらに、共振条件または反共振条件を満たすには伝搬させる光の動作波長の大きさに僅かな寸法許容差があっても許されないため、このことは一層困難なものとなる。目標形状からの逸脱は、ファイバプリフォームの構成時にその原因が作られるおそれがあるが、ファイバ線引きプロセス時にも縮尺に沿わない不適切な変形によって生じる可能性がある。
反共振中空コアファイバの製造方法に関して、上述の課題は、冒頭で述べたような方法から出発して、本発明によれば、30~90mmの範囲の外径を有する二次プリフォームが形成され、上述の工程(c)による中空コアファイバの線引きの前に、反共振要素プリフォーム体の端面側端部のうちの少なくとも1つが閉じられることによって解決される。
II. プリフォームの外径は少なくとも30mm、好適には少なくとも40mmである。壁厚の偏差が約4μmの反共振要素プリフォーム体を実現できることが分かった。プリフォームの外径が30mmよりも小さい場合、前記プリフォーム体でのこの絶対的な誤差は、完成した中空コアファイバ内の反共振要素において、3.5%より大きい壁厚の相対的な誤差を生じさせる。
III. すべての反共振要素プリフォーム体またはその少なくとも一部は、中空チャネルを形成し、通常の場合、両側が開かれている。中空チャネルの自由内径は小さく、プリフォームにおいては、典型的には、数ミリメートルの範囲である。熱成形プロセスでは、プリフォームが外部から加熱されるので、プリフォーム体積内には半径方向に温度勾配が生じる。この温度勾配は、その他のプロセス条件が同じであれば、プリフォームが厚くなるほど大きくなる。中空チャネルは、表面張力に起因して、また局所的な温度に応じて、異なる収縮を示す危険がある。半径方向の温度勾配が大きいほど、またプリフォームが厚くなるほど、この危険は大きくなる。これに対して、温度勾配は中央の中空コアには実質的な作用を及ぼさない。
これまでに述べた説明の個々の工程と用語について、以下に補足的に定義する。これらの定義は本発明の説明の構成要素である。以下の定義のいずれかと他の説明との間で事実上矛盾がある場合、他の説明の中で言及していることが優先される。
反共振要素は、中空コアファイバの単純な構造要素または入れ子構造要素であってよい。これは、中空コアの方向から見て負の曲率(凸部)を持つか、曲率を持たない(平面、直線)少なくとも2つの壁を有している。通常、反共振要素は動作光に対して透明な材料、例えばガラス(特にドープしたSiO2またはドープしないSiO2)、プラスチック(特にポリマー)、複合材料または結晶材料からなる。
反共振要素プリフォーム体とは、実質的にファイバ線引きプロセスにおける単純な線引きによって中空コアファイバ内で反共振要素になるプリフォームの構成部品または成分を呼ぶ。反共振要素前駆体とは、変形によって初めて反共振要素プリフォーム体または直接的に反共振要素になるプリフォームの構成部品または成分を呼ぶ。反共振要素プリフォーム体は、単純な構成部品または入れ子になっている構成部品であってよく、これに追加的に位置決め補助を固定することができる。反共振要素プリフォーム体は、もともと一次プリフォームの中に存在する。
プリフォームは、反共振中空コアファイバが線引きされる構成部品である。これには、一次プリフォームまたは一次プリフォームのさらなる加工によって作製される二次プリフォームがある。一次プリフォームは、少なくとも1本の被覆管と、その中に緩く収容されたまたは堅固に固定された、反共振要素のためのプリフォーム体または前駆体とからなる集合体であってよい。一次プリフォームを、中空コアファイバが線引きされる二次プリフォームにさらに加工することは、
(i) 延伸、
(ii) コラップス、
(iii) コラップスおよび同時延伸、
(iv) 追加のクラッド材料のコラップス、
(v) 追加のクラッド材料のコラップスとそれに続く延伸、
(vi) 追加のクラッド材料のコラップスおよび同時延伸、
のうち1つ以上の熱成形プロセスが一回または反復して実行されることを含む。
延伸では、一次プリフォームが長く伸ばされる。この延伸は、同時コラップスなしで行ってよい。延伸は一定の縮尺に従って行うことができるため、例えば一次プリフォームの構成部品または成分の形状および配置は延伸した最終製品に反映されている。しかし、延伸では、一次プリフォームが寸法どおりに線引きされず、幾何形状が変化する可能性もある。
少なくとも1つの被覆管と、その中に緩く収容されたまたは堅固に固定された反共振要素のプリフォーム体または前駆体とからなる集合体を、ここでは「一次プリフォーム」とも呼ぶ。この一次プリフォームは、中空コアとクラッド領域とを含む。このクラッド領域は、例えば集合体へのコラップスによって形成された「外部クラッド領域」も存在しており、これらのクラッド領域を区別する必要がある場合は、「内部クラッド領域」とも呼ばれる。「内部クラッド領域」と「外部クラッド領域」という名称は、中空コアファイバや一次プリフォームのさらなる加工によって得られる中間製品の該当する領域に対しても使用される。
切削加工は、加工物を分離加工するための分離する機械的製造方式であり、特に旋盤加工、切断加工、穴あけ加工、鋸加工、フライス加工または研削加工を意味する。この加工により、被覆管長手方向軸の方向に延びる長手方向構造が得られ、これは反共振要素プリフォーム体の位置決め補助として用いられる。長手方向構造は被覆管内側から到達できるようになっており、被覆管壁全体を通って外側まで延びていてもよい。
SiO2粒子の粒度および粒度分布は、D50値に基づき特徴付けられる。この値は、SiO2粒子の累積容積を粒度に応じて示す粒度分布曲線から読み取られる。粒度分布は、それぞれのD10値、D50値、D90値に基づき特徴付けられることが多い。このとき、D10値はSiO2粒子の累積容積の10%に達しない粒度を示し、対応して、D50値およびD90はSiO2粒子の累積容積の50%または90%に達しない粒度を示す。粒度分布は、ISO13320に準拠した散乱光およびレーザー回折分光法によって求められる。
以下に、実施例に基づき、図を用いて本発明を詳しく説明する。詳細は図に概略的に示されている。
Claims (13)
- ファイバの長手方向軸に沿って延びる中空コアと、複数の反共振要素を含み、かつ前記中空コアを取り囲むクラッド領域とを有する反共振中空コアファイバの製造方法であって、
(a) 前記中空コアファイバのための一次プリフォームを提供する工程であって、前記中空コアファイバは、中空コア領域およびクラッド領域を有し、前記クラッド領域は、少なくとも1つの被覆管(1)を含み、前記被覆管(1)は、被覆管内部孔および被覆管長手方向軸を有し、前記被覆管長手方向軸に沿って、内側クラッド面及び外側クラッド面によって画定された被覆管壁(2)が延び、前記クラッド領域には、管状および/または中空チャネル状の複数の反共振要素プリフォーム体(4)が配置されている、工程と、
(b) 一次プリフォームを二次プリフォームにさらに加工する工程であって、さらに加工する工程は、
(i) 延伸
(ii) コラップスおよび同時延伸、
(iii) 追加のクラッド材料のコラップスとそれに続く延伸、
(iv) 追加のクラッド材料のコラップスおよび同時延伸、のうち1つ以上の熱成形プロセスが1回または反復して実行されることを含む、工程と、
(c) 前記二次プリフォームから前記中空コアファイバを線引きする工程と、を備える製造方法において、
前記工程(a)にしたがい、20~70mmの範囲にある外径を有する一次プリフォームを提供し、30~90mmの範囲の外径を有する二次プリフォームを形成し、前記工程(c)による前記中空コアファイバの前記線引きの前に、前記反共振要素プリフォーム体(4)の端面側端部のうちの少なくとも1つを閉じることを特徴とする、製造方法。 - 前記一次プリフォームは、前記二次プリフォーム内に、7~50mmの範囲にある外径を有する内部クラッド領域を形成することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記工程(c)による前記中空コアファイバの前記線引き時に、前記コア領域において、内圧を0.05~20mbarの範囲に調整することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記工程(b)によるプロセスの実行時に、目標温度を±0.1℃の精度で維持する、温度制御された加熱要素を使用することを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記一次プリフォームを提供する工程は、前記反共振要素プリフォーム体(4)を、前記被覆管壁(2)の内側の目標位置に配置することを含み、前記反共振要素プリフォーム体の前記配置および/または前記工程(c)による前記中空コアファイバの前記線引きは、非晶質SiO2粒子を含む封止材または接合材(5)を使用した固定措置および/または封止措置を含むことを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記工程(a)により前記一次プリフォームを提供することは、前記反共振要素プリフォーム体(4)を、前記被覆管壁(2)の内側の目標位置に配置することを含み、前記反共振要素プリフォーム体の前記配置は、被覆管内部孔に挿入される位置決めテンプレートを用いて行い、前記位置決めテンプレートは、前記反共振要素プリフォーム体を前記目標位置に位置決めする保持要素を有することを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記被覆管内部孔に突出し、かつ半径方向外側に向けられた複数の保持アームの形態の保持要素が設けられているシャフトを備えた位置決めテンプレートを使用することを特徴とする、請求項6に記載の方法。
- 前記被覆管の内側は、切削加工によって形成し、特に穴あけ加工、フライス加工、研削加工、ホーニング加工および/または研磨加工によって形成することを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記被覆管の内側に、前記目標位置の領域における切削加工によって、前記被覆管長手方向軸の方向に延びる長手方向構造を設けることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記工程(c)による前記中空コアファイバの線引き時に、シリカガラスからなる前記二次プリフォームの複数の成分を一緒に加熱および軟化させ、前記プリフォームの成分のうちの少なくとも一部のシリカガラスは、シリカガラスの粘度を低下させる少なくとも一種のドーパントを含むことを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記工程(b)にしたがい、追加のクラッド材料をコラップスし、前記被覆管(1)のシリカガラスは、1,250℃の測定温度において、(前記粘度を単位dPa・sの対数値で表す場合)前記追加されたクラッド材料のシリカガラスよりも少なくとも0.5dPa・s高い粘度を有することを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 前記工程(b)にしたがい、追加のクラッド材料をコラップスし、前記被覆管(1)のシリカガラスは、1,250℃の測定温度において、(前記粘度を単位dPa・sの対数値で表す場合)前記追加されたクラッド材料のシリカガラスよりも少なくとも0.6dPa・s高い粘度を有することを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- ファイバの長手方向軸に沿って延びる中空コアと、複数の反共振要素を含み、かつ前記中空コアを取り囲むクラッド領域とを有する反共振中空コアファイバのためのプリフォームの製造方法であって、
(a) 前記中空コアファイバのための一次プリフォームを提供する工程であって、前記中空コアファイバは、中空コア領域およびクラッド領域を有し、前記クラッド領域は、少なくとも1つの被覆管(1)を含み、前記被覆管(1)は、被覆管内部孔および被覆管長手方向軸を有し、前記被覆管長手方向軸に沿って、内側クラッド面及び外側クラッド面によって画定された被覆管壁(2)が延び、前記クラッド領域には、管状および/または中空チャネル状の複数の反共振要素プリフォーム体(4)が配置されている、工程と、
(b) 前記一次プリフォームを二次プリフォームにさらに加工する工程であって、前記さらに加工する工程は、
(i) 延伸
(ii) コラップスおよび同時延伸、
(iii) 追加のクラッド材料のコラップスとそれに続く延伸、
(iv) 追加のクラッド材料のコラップスおよび同時延伸、のうち1つ以上の熱成形プロセスが1回または反復して実行されることを含む、工程と、を有する製造方法において、
前記工程(a)にしたがい、20~70mmの範囲にある外径を有する一次プリフォームを提供し、30~90mmの範囲の外径を有する二次プリフォームを形成し、前記反共振要素プリフォーム体(4)の端面側端部のうちの少なくとも1つを閉じることを特徴とする、製造方法。
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