JPH055807A - 単結晶光フアイバの製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 結晶ファイバ母材の位置ずれを補正しながら
単結晶光ファイバを製造する。 【構成】 結晶ファイバ母材１１の一端をレーザ光によ
り加熱溶融せしめ、その溶融部１００に種結晶１５を接
触させ、結晶ファイバ母材１１を加熱溶融部の方向に移
動させながら種結晶１５を結晶ファイバ母材１１の移動
方向と同一方向に移動させることにより単結晶光ファイ
バを作製するにあたり、溶融部１００から放射される光
パワーを光検出器１０１〜１０４少なくとも２方向から
検出し、検出された光強度の所定の方向同士の光強度比
を強度比計算部１０５，１０６により求め、求められた
所定の方向同士の光強度比が所定の値になるように位置
フィードバック装置１０７，１０８により結晶ファイバ
母材１１の移動方向に対しほぼ直交する面内の位置を移
動させる。これにより、結晶ファイバ母材１１の位置ず
れを補正しながら単結晶光ファイバを製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光伝送，光記憶などの
分野で使用される光波長変換素子，光増幅素子，光記憶
素子を実現するのに用いられる単結晶光ファバの製造方
法および装置に関し、特に歩留まりが高くかつ細径単結
晶光ファイバの安定的作製を実現しうる単結晶光ファイ
バの製造方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の単結晶光ファイバは図５に示すよ
うな装置を用いて製造されている。ここで、加熱用の炭
酸ガスレーザ光４０は図示されていない集光ミラー系に
より集光され、その集光点近傍に結晶ファイバ母材４１
の一端が設置され、このレーザ光４０により結晶ファイ
バ母材４１の端部が溶融されて溶融部４２を形成してい
る。種結晶４３は、溶融部４２に接触した後、所望の速
度で引き上げられ、結晶ファイバ母材の引き上げ速度の
比に応じて、単結晶光ファイバ４４の外径が定まる。

【０００３】このような単結晶光ファイバの作製におい
て重要な点は、溶融部４２の形状をほぼ一定に保つとい
うことであり、溶融部４２の形状が一定に保たれなけれ
ば作製される単結晶光ファイバの外径が不均一となった
り、結晶成長が順調になされず、単結晶光ファイバが切
断される状況が生じる。溶融部４２の形状は、溶融部４
２に照射される加熱用炭酸ガスレーザ光４０のパワー，
結晶ファイバ母材４１の太さと送り速度，作製される単
結晶光ファイバの外径と引き上げ速度などにそれぞれ依
存しており、これらのパラメータを安定させる必要があ
る。

【０００４】この中で従来問題となっているのは、結晶
ファイバ母材４１の水平方向の軸ずれに伴う溶融部に照
射される加熱用炭酸ガスレーザのパワーのずれである。
単結晶光フィイバの作製の際、あらかじめ結晶ファイバ
母材４１はその長手方向が送り方向にほぼ平行になるよ
うに調整されるが、完全に平行に揃えるのはきわめて難
しい。

【０００５】図６に模式的に示すように単結晶光ファイ
バ作製の当初段階（図６の（ａ）の状態）においては、
結晶ファイバ母材４１の一端は炭酸ガスレーザ光４０の
集光点６１に対し、好適な位置に調整され、そして移動
方向６２に沿って移動され、溶融が行われ、単結晶光フ
ァイバの作製が開始される。しかしながら、図６の
（ｂ）に示すように、結晶ファイバ母材４１が送り方向
６２に対して完全に平行でない場合、結晶ファイバ母材
４１が移動するにしたがい溶融部４２の水平位置にずれ
が生じてくる。炭酸ガスレーザ光４０の集光点は、ほぼ
直径１ｍｍ以下のきわめて微少な領域であるため、溶融
部４２のわずかな水平方向の位置ずれに対しても、溶融
部４２に照射される加熱用炭酸ガスレーザ光４０のパワ
ーに変化が生じ、安定な単結晶光ファイバの作製ができ
なくなるという問題点があった。この問題点は、比較的
細い結晶ファイバ母材から外径５０μｍ以下の細い単結
晶光ファイバを作製する場合や、長さ１０ｃｍ以上の比
較的長尺の単結晶光ファイバを作製する際に顕著であ
り、歩留まりの低い主因となっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、単結晶光
ファイバ作製においては、作製中の結晶ファイバ母材の
集光点からの位置ずれが問題となり、比較的細い結晶フ
ァイバ母材から外径５０μｍ以下の細い単結晶光ファイ
バを作製する場合や、長さ１０ｃｍ以上の比較的長尺の
単結晶光ファイバを作製する際の歩留まりの低さの原因
となっていた。

【０００７】そこで、本発明の目的は、作製中に結晶フ
ァイバ母材の位置ずれを補正することのできる単結晶光
ファイバの製造方法および装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、第１の発明は、結晶ファイバ母材の一端をレ
ーザ光により加熱溶融せしめ、それにより形成される溶
融部に種結晶を接触させ、前記結晶ファイバ母材を前記
溶融部の方向に移動させながら種結晶を結晶ファイバ母
材の移動方向と同一方向に移動させることにより単結晶
光ファイバを作製する製造方法において、前記溶融部か
ら放射される光パワーを前記移動方向に対しほぼ直交す
る面内の少なくとも２方向において検出し、その検出さ
れた少なくとも２方向の光強度のうちの所定の方向同士
の光強度の比を求め、その強度比の計算により求められ
た所定の方向同士の光強度比が所定の値になるように、
前記移動方向に対しほぼ直交する面内において前記結晶
ファイバ母材の位置を移動させることを特徴とする。

【０００９】第２の発明は、第１の発明において、前記
種結晶の移動方向に対しほぼ直交する面内において前記
種結晶の位置をも移動させて、前記強度比の計算により
求められた所定の方向同士の光強度比が所定の値になる
ようにすることを特徴とする。

【００１０】第３の発明は、結晶ファイバ母材の一端を
レーザ光により加熱溶融せしめ、それにより形成される
溶融部に種結晶を接触させ、前記結晶ファイバ母材を前
記溶融部の方向に移動させながら種結晶を結晶ファイバ
母材の移動方向と同一方向に移動させることにより単結
晶光ファイバを作製する単結晶光ファイバの製造装置に
おいて、前記溶融部から放射される光パワーを前記移動
方向に対しほぼ直交する面内の少なくとも２方向におい
て検出する光検出手段と、該光検出手段により検出され
た少なくとも２方向の光強度のうちの所定の方向同士の
光強度の比を求める光強度計算手段と、前記結晶ファイ
バ母材を、前記移動方向に対しほぼ直交する面内におい
て移動させる母材移動手段と、前記光強度比計算手段に
より求められた所定の方向同士の光強度比に応じて前記
母材移動手段を制御し、前記光強度比が所定の比になる
ようにする母材位置フィードバック手段とを具えたこと
を特徴とする。

【００１１】第４の発明は、第３の発明において、前記
種結晶を、その移動方向に対しほぼ直交する面内におい
て移動させる種結晶移動手段と、前記光強度比計算手段
により求められた所定の方向同士の光強度比に応じて前
記種結晶移動手段をも制御し、前記母材位置フィードバ
ック手段と協働して前記光強度比が所定の比になるよう
にする種結晶位置フィードバック手段とをさらに具えた
ことを特徴とする。

【００１２】

【作用】単結晶光ファイバ作製における溶融部の形状
は、結晶ファイバ母材の集光点からの位置ずれに応じて
変化する。このため、溶融部からの加熱にともなう放射
光強度の方向分布も位置ずれに応じて変化することにな
る。そこで、本発明では、溶融部から放射される光パワ
ーを光検出器により少なくとも２方向から検出し、かか
る光検出器により検出される光強度の所定の方向同士の
光強度比を算出することにより、位置ずれの方向，大き
さが検出でき、その値が所定の値になるように位置フィ
ードバック機構により結晶ファイバ母材の移動方向に対
しほぼ直交する面内の位置またはかかる位置に加えて種
結晶の移動方向に対しほぼ直交する面内の位置を移動さ
せることにより、結晶ファイバ母材の位置ずれを単結晶
光ファイバ作製中に補正する。本発明によれば、以上の
ようにして結晶ファイバ母材の位置ずれを単結晶光ファ
イバの作製中に補正できるので、所望の特性を持つ単結
晶光ファイバを安定にかつ高歩留まりに作製できる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１４】本発明による単結晶光ファイバの製造方法
を実現するための本発明製造装置の一実施例を図１に示
す。図１に示すように、符号１２は結晶ファイバ母材１
１を垂直上向きに支持する母材支持装置を示し、この母
材支持装置１２を水平２方向（図中に示したｘおよびｙ
方向）に移動させる母材移動装置１３上に設置する。母
材移動装置１３は母材支持アーム１４上に設置されてい
る。他方、符号１６は種結晶１５を垂直下向きに支持す
るファイバ支持装置を示し、このファイバ支持装置１６
を水平２方向（図中に示したｘおよびｙ方向）に移動さ
せるファイバ移動装置１７に設置する。ファイバ移動装
置１７はファイバ支持アーム１８に設置されている。

【００１５】結晶ファイバ母材１１の一端は、図示され
ていない炭酸ガスレーザより出射され、図示されていな
いミラーシステムにより図中破線で示した形で集光され
た炭酸ガスレーザ光１０により加熱溶融され、溶融部１
００を形成する。この溶融部１００より種結晶１５に付
着した単結晶光ファイバ１９が作製される。

【００１６】また、溶融部１００を含むほぼ同一の水平
面上に４個の光検出器１０１，１０２，１０３，１０４
を配設する。光検出器１０１，１０２は溶融部１００を
はさんで図中に示したｘ軸上に、光検出器１０３，１０
４は溶融部１００をはさんでｙ軸上に配設している。溶
融部１００と光検出器１０１〜１０４との位置関係は、
上面から見ると、図２に示すような配置となっている。
本実施例で使用した光検出器１０１〜１０４は、シリコ
ン（Ｓｉ）からなる光検出器であり、光の波長０．４μ
ｍから１．１μｍの範囲の可視域から近赤外域に検出感
度を持つ。このため、加熱に用いる炭酸ガスレーザ光
（波長１０．４μｍ）の影響をほとんど受けず、溶融部
１００からの熱放射光を検出することができる。

【００１７】光検出器１０１，１０２で検出された溶融
部１００からの放射光パワーは、電圧に変換されて光強
度比計算部１０５に入力され、光検出器１０１，１０２
で検出した放射光パワーの比が算出される。算出された
放射光パワーの比はｘ軸方向位置フィードバック装置１
０７に入力され、あらかじめ設定した所定の値と比較さ
れ、所定の値となる方向へ母材移動装置１３中のｘ軸方
向移動機構を通じて、結晶ファイバ母材１１のｘ軸方向
位置の補正が行われる。同様に、ｙ軸方向に関しては、
光検出器１０３，１０４で検出された溶融部１００から
の放射光パワーは、電圧に変換されて光強度比計算部１
０６に入力され、光検出器１０３，１０４で検出した放
射光パワーの比が算出される。算出された放射光パワー
の比はｙ軸方向位置フィードバック装置１０８に入力さ
れ、あらかじめ設定した所定の値と比較され、所定の値
となる方向へ母材移動装置１３中のｙ軸方向移動機構を
通じて、結晶ファイバ母材１１のｙ軸方向位置の補正が
行われる。

【００１８】放射光強度比と位置ずれとの方向の関係に
つき、以下にｘ軸方向のずれを例にとって説明する。図
３の状態（ａ）に示すように、結晶ファイバ母材１１が
所定の位置よりｘ軸の負方向にずれた場合、炭酸ガスレ
ーザの集光点３１は溶融部１００のｘ軸正側にあるた
め、溶融部１００はｘ軸正側が大きく溶融し、ｘ軸負側
が小さく溶融するという非対称な形状となる。このた
め、溶融部１００からの放射光もｘ軸の正側と負側とで
非対称となり、光検出器１０１，１０２でそれぞれ検出
する放射光パワーＰ１，Ｐ２の比Ｐ１／Ｐ２は当初設定
した所定の値より小さくなる。この場合、位置補正方向
としてはｘ軸正方向が選択される。逆に、図３の状態
（ｂ）に示すように、結晶ファイバ母材１１が所定の位
置よりｘ軸の負方向にずれた場合、Ｐ１／Ｐ２は当初設
定した値より大きくなるため、位置補正方向としてはｘ
軸負方向が選択される。このように、設定した値と測定
された放射光パワー比の大小比較により位置補正方向を
決定することができる。ｙ軸方向についても同様であ
る。

【００１９】放射光パワー比の結晶ファイバ母材位置ず
れ依存性は、結晶材料，結晶ファイバ母材の外径などに
より異なるが、ニオブ酸リチウム材料で外径２００μｍ
の結晶ファイバ母材を使用した際の、各放射光パワーＰ
１，Ｐ２の合計パワーで規格化したＰ１の位置ずれ依存
性の測定結果を図４に示す。図４によれば５μｍ以下程
度の位置ずれが十分検出できることが示されている。

【００２０】本実施例の構成を用いて、ニオブ酸リチウ
ム単結晶光ファイバの作製を行ったところ、従来構成で
は長さ１０ｍｍ程度が限界であり、歩留まりも１０％以
下と低かった外径２０μｍ単結晶光ファイバ作製におい
て、長さ１００ｍｍ以上のニオブ酸リチウム単結晶光フ
ァイバを８０％以上の高歩留まりで作製できることを確
認した。さらに、従来構成では長さ１００ｍｍ程度が限
界であった外径１００μｍ単結晶光ファイバ作製におい
て、長さ４００ｍｍ以上の単結晶光ファイバが容易に作
製できることを確認した。

【００２１】なお、本発明の方法はニオブ酸リチウム単
結晶光ファイバの作製に限定されるものではなく、他の
材料による単結晶光ファイバの作製にも有効であること
は勿論である。

【００２２】本実施例においては、位置補正のフィード
バックを結晶ファイバ母材にのみ加えたが、結晶ファイ
バ母材の位置補正とほぼ同様の位置補正を同時に種結晶
に加える構成も同様に有効である。

【００２３】本実施例においては、光検出器を４個使用
したが、放射光パワー比と位置ずれの関係を把握するこ
とにより、位置フィードバック精度は本実施例構成に比
べて劣るものの、２個ないしは３個の光検出器の使用で
も本発明の効果を得ることができる。また、必要に応じ
て、５個以上の光検出器を使用する構成も可能である。

【００２４】

【発明の効果】本発明の単結晶光ファイバの製造方法に
よれば、結晶ファイバ母材の位置ずれを溶融部からの放
射光パワーの方向分布から検出し、作製中に位置ずれを
補正するので、従来、位置ずれのために作製の歩留まり
の低かった細径単結晶光ファイバおよび長尺単結晶光フ
ァイバの作製にあたって、作製の歩留まり，再現性が大
幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による単結晶光ファイバの製造装置の一
実施例を示す構成図である。

【図２】図１における溶融部に対する光検出器の配置例
を示す平面図である。

【図３】結晶ファイバ母材の位置ずれと放射光パワーと
の関係の説明図である。

【図４】規格化した放射光パワーの位置ずれ距離依存性
を示す特性図である。

【図５】従来の製造方法による製造装置の一例を示す図
である。

【図６】従来例における結晶母材位置ずれの要因の説明
図である。

【符号の説明】

１０，４０ 炭酸ガスレーザ光 １１，４１ 結晶ファイバ母材 １２ 母材支持装置 １３ 母材移動装置 １４ 母材支持アーム １５，４３ 種結晶 １６ ファイバ支持装置 １７ ファイバ移動装置 １８ ファイバ支持アーム １９，４４ 単結晶光ファイバ ３１ 集光点 ４２，１００ 溶融部 ６１ 集光点 ６２ 結晶ファイバ母材移動方向 １０１，１０２，１０３，１０４ 光検出器 １０５，１０６ 光強度比計算部 １０７ ｘ軸方向位置フィードバック装置 １０８ ｙ軸方向位置フィードバック装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 結晶ファイバ母材の一端をレーザ光によ
   り加熱溶融せしめ、それにより形成される溶融部に種結
   晶を接触させ、前記結晶ファイバ母材を前記溶融部の方
   向に移動させながら種結晶を結晶ファイバ母材の移動方
   向と同一方向に移動させることにより単結晶光ファイバ
   を作製する製造方法において、前記溶融部から放射され
   る光パワーを前記移動方向に対しほぼ直交する面内の少
   なくとも２方向において検出し、その検出された少なく
   とも２方向の光強度のうちの所定の方向同士の光強度の
   比を求め、その強度比の計算により求められた所定の方
   向同士の光強度比が所定の値になるように、前記移動方
   向に対しほぼ直交する面内において前記結晶ファイバ母
   材の位置を移動させることを特徴とする単結晶光ファイ
   バの製造方法。 【請求項２】 前記種結晶の移動方向に対しほぼ直交す
   る面内において前記種結晶の位置をも移動させて、前記
   強度比の計算により求められた所定の方向同士の光強度
   比が所定の値になるようにすることを特徴とする請求項
   １に記載の単結晶光ファイバの製造方法。 【請求項３】 結晶ファイバ母材の一端をレーザ光によ
   り加熱溶融せしめ、それにより形成される溶融部に種結
   晶を接触させ、前記結晶ファイバ母材を前記溶融部の方
   向に移動させながら種結晶を結晶ファイバ母材の移動方
   向と同一方向に移動させることにより単結晶光ファイバ
   を作製する単結晶光ファイバの製造装置において、前記
   溶融部から放射される光パワーを前記移動方向に対しほ
   ぼ直交する面内の少なくとも２方向において検出する光
   検出手段と、該光検出手段により検出された少なくとも
   ２方向の光強度のうちの所定の方向同士の光強度の比を
   求める光強度計算手段と、前記結晶ファイバ母材を、前
   記移動方向に対しほぼ直交する面内において移動させる
   母材移動手段と、前記光強度比計算手段により求められ
   た所定の方向同士の光強度比に応じて前記母材移動手段
   を制御し、前記光強度比が所定の比になるようにする母
   材位置フィードバック手段とを具えたことを特徴とする
   単結晶光ファイバの製造装置。 【請求項４】 前記種結晶を、その移動方向に対しほぼ
   直交する面内において移動させる種結晶移動手段と、前
   記光強度比計算手段により求められた所定の方向同士の
   光強度比に応じて前記種結晶移動手段をも制御し、前記
   母材位置フィードバック手段と協働して前記光強度比が
   所定の比になるようにする種結晶位置フィードバック手
   段とをさらに具えたことを特徴とする請求項３に記載の
   単結晶光ファイバの製造装置。