JPH10139462A

JPH10139462A - 屈折率分布型のコア・クラッド２層構造体の製造方法および紡糸炉

Info

Publication number: JPH10139462A
Application number: JP8308619A
Authority: JP
Inventors: Kiyosumi Fujii; 清澄藤井; Takeshi Yamane; 剛山根; Masami Kitano; 雅己北野
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1996-11-06
Filing date: 1996-11-06
Publication date: 1998-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】理想的な２乗分布の屈折率分布を有する屈折
率分布型のロッドレンズを２重るつぼ法により製造す
る。【解決手段】２重るつぼから引き出された溶融コアガ
ラスおよび溶融クラッドガラスよりなる２層構造のファ
イバに、熱相互拡散により屈折率分布を形成する工程
と、屈折率分布が適正でない前記溶融クラッドガラスの
周辺部を連続的に剥ぎ取る工程とを含んでいる。周辺部
の剥ぎ取りは、ファイバを流下するメインノズル１０の
直下に、メインノズルと同心状に設けられたナイフリン
グ・ノズル１２により行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コア・クラッド２
層構造よりなり、屈折率分布型のロッドレンズまたは光
ファイバの２重るつぼ法による製造方法、特に、屈折率
が理想的な２乗分布の屈折率分布型のロッドレンズまた
は光ファイバを製造する方法に関するものである。本発
明は、また、屈折率分布型のロッドレンズまたは光ファ
イバの製造方法に用いられる紡糸炉に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半径方向に屈折率分布を有したロッドレ
ンズは、屈折率分布型ロッドレンズと呼ばれており、フ
ァクシミリ，複写機，プリンタなどの光学機器の内部に
は、等倍結合光学系として、屈折率分布型ロッドレンズ
が２枚の黒色基板の間に一列あるいは複数列配列され、
その両端面が研磨された複合レンズが使用されている。
この複合レンズは、一般に屈折率分布型ロッドレンズ・
アレイと呼ばれ、帯状の像をイメージセンサあるい感光
ドラム上に結合させる働きをする。

【０００３】また、半径方向に屈折率分布を有した光フ
ァイバは、グレーデッドインデックス光ファイバあるい
は集束型光ファイバと呼ばれており、多モードの光伝送
に適している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】屈折率分布型のロッド
レンズを、コア・クラッド二相（層）の熱相互拡散によ
り作製した（２重るつぼ法による紡糸）場合、図１に示
すように、屈折率分布は軸の中心部付近では理想的な２
乗分布に近づくが、周辺に近づく程、理想分布から外れ
る。この外れた部分がレンズの解像力（結像性能）を著
しく低下させる。なお、図１において、横軸はロッドレ
ンズの半径ｒ_O とロッドレンズの中心からの距離ｒとの
比を、縦軸は屈折率ｎ_d を表している。

【０００５】同様に、屈折率分布型の光ファイバにおい
て、周辺部の屈折率分布が２乗分布から外れると、その
周辺部に広がりを有して伝搬する高次のモードは、大き
な進みの遅延量を生ずる。したがって、高次までの多モ
ード伝送を行うと、広帯域性が損なわれるという問題が
ある。

【０００６】特開平７−３３３４０７号公報「ロッドレ
ンズとその製造方法」には、ＶＡＤ法により作製したロ
ッドレンズにおいて、屈折率分布が不正規であるロッド
レンズの周辺部を取り去ることが開示されている。これ
によると、周辺部の除去は、スートプリフォームの段階
では、機械的に除去され、プリフォームの段階では、機
械的除去，ファイヤーポリッシング，エッチングなどで
除去され、溶融延伸後、ロッドレンズになった段階で
は、エッチング，またはレーザによる側面の蒸散により
除去される。

【０００７】また、特開平６−１７４９４４号公報「プ
ラスチックファイバ外周研削方法」には、プラスチック
ファイバの外周を研削する技術が開示されている。これ
によると、プラスチックファイバをそれを可溶なもしく
は膨潤可能な第１の溶剤中に所定時間浸積してその外周
部を膨潤させ、次いでプラスチックファイバをその外径
に比して充分小さい内径の穴を有する弾性部材の穴を通
過させて膨潤したプラスチックファイバの外周部分を取
り除き、さらにプラスチックファイバが難溶であり、か
つ、第１の溶剤が易溶な第２の溶剤中を通過させること
により除去している。

【０００８】これら２つの従来技術は、いずれも２重る
つぼ法により製造されるロッドレンズあるいは光ファイ
バについてのものではない。

【０００９】本発明の目的は、２重るつぼ法により屈折
率分布型のロッドレンズまたは光ファイバを製造するに
際し、理想的な２乗分布の屈折率分布を有する屈折率分
布型のロッドレンズまたは光ファイバを製造することの
できる方法を提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的は、上記屈折率分布型の
ロッドレンズまたは光ファイバの製造に用いる紡糸炉を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、半径方向に屈
折率分布を有するコア・クラッド２層構造体を２重るつ
ぼ法により製造する方法において、２重るつぼから引き
出された溶融コアガラスおよび溶融クラッドガラスより
なる２層構造のファイバに、熱相互拡散により屈折率分
布を形成する工程と、屈折率分布が適正でない前記溶融
クラッドガラスの周辺部を連続的に剥ぎ取る工程とを含
むことを特徴とする。周辺部の剥ぎ取りは、２層構造の
ファイバを流下するメインノズルの直下に、メインノズ
ルと同心状に設けられたナイフリング・ノズルにより行
う。この場合、ファイバの外径比率で３５〜２５％に相
当する分だけ剥ぎ取るのが好適である。

【００１２】このような製造方法は、本発明の紡糸炉に
より実施される。本発明によれば、２重るつぼ法による
屈折率分布型のコア・クラッド２層構造体の製造に用い
られる紡糸炉において、内ポットおよび外ポットよりな
る２重るつぼと、内ポットからの溶融コアガラスと、外
ポットからの溶融クラッドガラスとが合流された層流を
引き出すメインノズルと、メインノズルの直下に、メイ
ンノズルと同心状に設けられたナイフリング・ノズルと
を備えている。

【００１３】

【発明の実施の形態】図２に、本発明の紡糸炉の一実施
例の断面図を示す。

【００１４】加熱用電気炉２内に、内ポット４と外ポッ
ト６とからなる２重るつぼを備え、内ポットの底部には
ノズル８が、外ポットの底部にはノズル８を同心円状に
含むメインノズル１０が設けられている。内ポット４に
は、コアガラス投入機（図示せず）から溶融したコアガ
ラスが投入され（矢印Ｘで示す）、外ポット６には、ク
ラッドガラス投入機（図示せず）から溶融したクラッド
ガラスが投入される（矢印Ｙで示す）。

【００１５】加熱用電気炉は、２重るつぼを加熱する部
分と、ノズルを加熱する部分とから構成されている。ノ
ズルを加熱する部分は、さらに、６つのゾーン（＃１〜
＃６）に分けられている。

【００１６】加熱ゾーン＃６において、メインノズル１
０の下側には、差し込みタイプのナイフリング・ノズル
１２が設けられている。図３に、ナイフリング・ノズル
の模式図を示す。ナイフリング・ノズル１２は、メイン
ノズル１０の内径より小さい内径を有し、メインノズル
１０より流下する溶融ガラスの周辺部（クラッドガラス
部分）を剥ぎ取るナイフリング１４を有するノズル部１
６と、このナイフリングにより剥ぎ取られた溶融クラッ
ドガラスを排出するドレイン部１８とから構成されてい
る。図４に、差し込みタイプのナイフリング・ノズルの
一例を示す。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ
線断面図である。ノズル部１６がドレイン部１８に差し
込まれた構造となっている。例えば、ノズル部の内径は
８ｍｍ、外径は１１ｍｍである。なお、ノズル部の内径
は、コアとクラッドの比率に応じて適宜設定することが
できる。ドレイン部１８は、剥ぎ取られたクラッドガラ
スを排出する排出口１７を有している。

【００１７】図５に、ナイフリング・ノズルの他の例と
して、受け口タイプのナイフリング・ノズル２０を示
す。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図
である。ノズル部とドレイン部とが一体的に形成された
構造となっている。この場合、ノズル部の内径は１０ｍ
ｍ、外径は１３ｍｍであり、図４のタイプよりも径が大
きくなるように形成されている。両タイプともに、ノズ
ル部は、好ましくは、白金Ｐｔにより作られる。

【００１８】図６に、受け口タイプのナイフリング・ノ
ズル２０を紡糸炉に装着した状態を示す。ナイフリング
・ノズル２０の下側には、アルミナ磁性管２２と、この
アルミナ磁性管２２を囲む透明石英チューブ２４と、剥
ぎ取られた溶融クラッドガラスを排出するアルミナ磁性
管２６が設けられている。

【００１９】本願発明者らの考察によれば、メインノズ
ル１０の先端に対してナイフリング・ノズルのノズル部
の相対的な配置，形状，径を決定するには、以下の点を
考慮すべきことが明らかとなった。なお、以下の説明に
おいて、メインとはナイフリング部による剥ぎ取りによ
り残った部分を、ドレインとはナイフリング部により剥
ぎ取られる部分を意味する。（１）メイン，ドレイン分離面積比は、ノズル部の内径
によって決まる。（２）ノズル部のナイフリングをメインノズルに挿入す
ることにより、メイン重量比は増加する。（３）メイン，ドレイン分離面積比の制御性は、ノズル
部の外径に依存する。（４）メインとドレインの合計流量は、ノズル部の内径
が大きいほど多く、ナイフリングのメインノズルへの挿
入量が多いほど少ない。すなわち、ノズル部は、プラン
ジャ弁の働きをする。

【００２０】以上のような構成の紡糸装置を用いて、屈
折率分布型ロッドレンズを製造する例について説明す
る。内ポット４内には、屈折率の増大に対する寄与度の
大きなリチウムイオンを含む溶融コアガラスを、外ポッ
ト６内には、屈折率に対する寄与度の小さなイオン（例
えば、ナトリウムイオンおよび／またはカリウムイオ
ン）を含む溶融クラッドガラスが投入機からそれぞれ投
入される。

【００２１】溶融コアガラスは、ノズル８から引き出さ
れ、溶融クラッドガラスと合流し層流をなして流下し、
メインノズル１０から引き出される。以下、メインノズ
ルから引き出される層流をファイバと言うものとする。
ファイバがメインノズルから引き出されるまでの間、電
気炉２で加熱されており、両ガラスの接触界面を経て、
リチウムイオンとナトリウムイオンおよび／またはカリ
ウムイオンとを熱相互拡散させる。

【００２２】このように熱相互拡散されたガラスの組成
（ｍｏｌ％）を、表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】メインノズル１０から引き出されたファイ
バは、ナイフリング・ノズル１２を通過するときにナイ
フリング１４で周辺部が連続的に剥ぎ取られる。周辺部
を約３０％（ファイバの外径に対する比率）剥ぎ取った
ときの屈折率分布を、図７に示す。図１の周辺の屈折率
分布のダレた部分が剥ぎ取られた結果、屈折率分布はス
ムーズな２乗分布に近くなった。このように周辺部が剥
ぎ取られたファイバは、所定の外径となるまで紡糸され
た後、切断されて屈折率分布型ロッドレンズに加工さ
れ、さらには屈折率分布型ロッドレンズ・アレイが作製
される。

【００２５】ナイフリング・ノズルのナイフリングの内
径の調整で、ファイバの周辺部剥ぎ取り量を４段階に変
化させて、そのロッドレンズで作った屈折率分布型ロッ
ドレンズ・アレイの性能を測定した。

【００２６】ロッドレンズ・アレイは、次のようにして
作製した。すなわち、屈折率分布型ロッドレンズ５０〜
６０本を一列に並べて、エポキシ系接着剤、例えばアラ
ルダイト（商品名）で両端を固定する。これを５ｍｍ厚
フロートガラス２枚の間に挟んで、アラルダイトで仮止
めを行う。このとき、スペーサーはロッドレンズ外径よ
り２０〜３０μｍ薄いものを使用する。間隙を黒色シリ
コン樹脂で充填する。樹脂が硬化した後に、レンズ長が
目標値の３．３４ｍｍとなるように両端面を研磨して屈
折率分布型ロッドレンズ・アレイを作製する。

【００２７】このようにして作製された屈折率分布型ロ
ッドレンズ・アレイＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの光学特性、す
なわちＭＴＦ（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅ
ｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）と明るさを実測した結果を図８に
示す。（Ａ）はＭＴＦの測定値を、（Ｂ）は明るさ（ア
レイＡの明るさに対する比）を示す。グラフ（Ａ），
（Ｂ）ともに、横軸は、アレイＡのファイバ外径に対す
る比を示している。

【００２８】ＭＴＦは、ロッドレンズ・アレイによって
結像した矩形波格子パターンの像をＣＣＤイメージセン
サで受光し、その光量レベルからロッドレンズ・アレイ
のレスポンス関数ＭＴＦを次式にて算出したものであ
る。

【００２９】

【数１】

【００３０】ここで、ｉ（ｗ）_max ，ｉ（ｗ）_min は、
空間周波数ｗ（Ｌｐ／ｍｍ）における矩形波応答の極大
値および極小値である。すなわち、ＭＴＦが１００％に
近いほど原画に忠実な像が形成されていることになる。
ここでの測定は、ハロゲン光を波長５７０ｎｍの光学フ
ィルタに通した単色光を用い、テストチャートの空間周
波数は４（Ｌｐ／ｍｍ）の条件で行うことにする。

【００３１】上述のロッドレンズ・アレイの光学性能の
指標の一つであるＭＴＦは、一般に、ロッドレンズ・ア
レイを構成する個々のロッドレンズの結像のコントラス
トが反映されるものであり、高いＭＴＦ値は、そのロッ
ドレンズ・アレイを構成する個々のロッドレンズの解像
力が良好であることを示し、逆に低いＭＴＦ値は解像力
が悪いことを示す。

【００３２】アレイＡは周辺部をそのまま残した屈折率
分布型ロッドレンズ、アレイＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅはナイフリ
ング・ノズルによって周辺部を剥ぎ取った屈折率分布型
ロッドレンズである。表２に、各アレイについての寸法
および測定値を示す。

【００３３】

【表２】

【００３４】表２から、次のことがわかる。（１）周辺部をナイフリング・ノズルで剥ぎ取ると、Ｍ
ＴＦが著しく向上する。（２）ただし、レンズ有効径が減少するので明るさは減
少する。（３）ＭＴＦと明るさのバランスを考えると、ナイフリ
ング・ノズルで約３５〜２５％、好ましくは約３０％剥
ぎ取るアレイＤがもっとも実用的である。

【００３５】またガラス組成が、以下の表３に示す例の
場合について、ナイフリング・ノズルの有無による解像
力の比較を示す。

【００３６】

【表３】

【００３７】ナイフリング・ノズルにより周辺部を剥ぎ
取らなかった場合のロッドレンズ・アレイＦと、周辺部
を剥ぎ取った場合のロッドレンズ・アレイＧとの解像力
の比較を、以下の表４に示す。

【００３８】

【表４】

【００３９】屈折率分布型ロッドレンズ・アレイＦは、
１段積みとし、マウントは透明石英板（厚さｔ＝２ｍ
ｍ）、接着剤は日本合成ゴム（株）製ＵＶ硬化樹脂ＫＺ
２５１１（物性表による硬化時ｎ_D ＝１．５７４）にカ
ーボンブラックを１０重量％添加した。

【００４０】また、屈折率分布型ロッドレンズ・アレイ
Ｇは、１段積みとし、マウントは黒色ＦＲＰ（厚さｔ＝
５ｍｍ）、接着剤はエポキシ接着剤、例えばセメダイン
１５８６（商品名）（硬化時の実測ｎ_d ＝１．５８１
１）にカーボンブラックを５重量％添加した。

【００４１】表４の実測結果から、周辺部をナイフリン
グ・ノズルで剥ぎ取ると、ＭＴＦが著しく向上すること
がわかる。

【００４２】図９（（Ａ）は写真、（Ｂ）はレンズ部分
をトレースした図）に、本発明により製造された屈折率
分布型ロッドレンズ・アレイにより結像した例を示す。
左側の図はＳＬＡという文字を、右側の図はグリッドパ
ターンを結像している。いずれも、ロッドレンズの周辺
部にまでわたって解像力が維持されていることがわか
る。

【００４３】屈折率分布型ロッドレンズあるいは屈折率
分布型ロッドレンズ・アレイにおいて、不所望なフレア
光を生じないようにすることが要求される場合には、溶
融クラッドガラスに着色ガラス（例えばＣｏ着色）を用
い、周辺部を剥ぎ取る工程において、着色クラッドガラ
スを少し残すことにより、フレア光を吸収させる構造と
することができる。

【００４４】以上の実施例では、屈折率分布型ロッドレ
ンズの製造方法について説明したが、当業者であれば、
屈折率分布型の光ファイバについても、同様の方法で製
造できることは、容易に理解できるであろう。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
屈折率分布が理想的な２乗分布となる屈折率分布型ロッ
ドレンズが得られる。このような屈折率分布型ロッドレ
ンズにより作製されたアレイは、高い解像力を有してお
り、ファクシミリ，複写機，プリンタなどの光学機器の
性能の良い等倍結合光学系を実現できる。

【００４６】また、本発明によれば、２重るつぼ法によ
り、屈折率分布型ロッドレンズを製造するので、例えば
イオン交換法によりコア・クラッドのロッド状母材を作
製し、これを紡糸して屈折率分布型ロッドレンズを製造
する方法に比べて、工程を中断することなく連続して製
造することができるという利点もある。

【００４７】さらに、本発明により製造された光ファイ
バは、屈折率分布が理想の２乗分布に従うので、高次ま
での多モード伝送が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法によらない屈折率分布型ロッドレン
ズの屈折率分布を示す図である。

【図２】本発明の紡糸炉の一実施例の断面図である。

【図３】ナイフリング・ノズルの模式図である。

【図４】差し込みタイプのナイフリング・ノズルの詳細
を示す図である。

【図５】受け口タイプのナイフリング・ノズルの詳細を
示す図である。

【図６】受け口タイプのナイフリング・ノズル２０を紡
糸炉に装着した状態を示す図である。

【図７】周辺部を約３０％剥ぎ取ったときの屈折率分布
を示す図である。

【図８】ＭＴＦおよび明るさの測定値を示すグラフであ
る。

【図９】（Ａ）は本発明の方法により製造されたロッド
レンズによる結像を示す写真、（Ｂ）はレンズ部分のみ
をトレースした図である。

【符号の説明】

４内ポット６外ポット８ノズル１０メインノズル１２ナイフリング・ノズル１４ナイフリング１６ノズル部１７排出口１８ドレイン部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ０３Ｂ 37/10 Ｃ０３Ｂ 37/10 ＡＧ０２Ｂ 6/18 Ｇ０２Ｂ 6/18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半径方向に屈折率分布を有するコア・クラ
ッド２層構造体を２重るつぼ法により製造する方法にお
いて、２重るつぼから引き出された溶融コアガラスおよび溶融
クラッドガラスよりなる２層構造のファイバに、熱相互
拡散により屈折率分布を形成する工程と、屈折率分布が適正でない前記溶融クラッドガラスの周辺
部を連続的に剥ぎ取る工程と、を含むことを特徴とする
屈折率分布型のコア・クラッド２層構造体の製造方法。
【請求項２】前記周辺部の剥ぎ取りは、前記２層構造の
ファイバを流下するメインノズルの直下に、メインノズ
ルと同心状に設けられたナイフリング・ノズルにより行
う、請求項１記載の屈折率分布型のコア・クラッド２層
構造体の製造方法。
【請求項３】前記周辺部の剥ぎ取りは、前記ファイバの
外径比率で３５〜２５％に相当する分だけ剥ぎ取る、請
求項２記載の屈折率分布型のコア・クラッド２層構造体
の製造方法。
【請求項４】前記屈折率分布型のコア・クラッド２層構
造体は、屈折率分布型ロッドレンズである、請求項３記
載の製造方法。
【請求項５】前記溶融クラッドガラスを着色ガラスと
し、前記周辺部の剥ぎ取りに際し、着色ガラスを薄く残
す、請求項４記載の製造方法。
【請求項６】前記屈折率分布型のコア・クラッド２層構
造体は、屈折率分布型光ファイバである、請求項３記載
の製造方法。
【請求項７】２重るつぼ法による屈折率分布型のコア・
クラッド２層構造体の製造に用いられる紡糸炉におい
て、内ポットおよび外ポットよりなる２重るつぼと、前記内ポットからの溶融コアガラスと、前記外ポットか
らの溶融クラッドガラスとが合流された層流を引き出す
メインノズルと、前記メインノズルの直下に、メインノズルと同心状に設
けられたナイフリング・ノズルと、を備えることを特徴
とする紡糸炉。
【請求項８】前記ナイフリング・ノズルは、前記メイン
ノズルの内径よりも小さい内径のナイフリングを有する
ノズル部と、前記ナイフリングにより剥ぎ取られた溶融
ガラスを排出するドレイン部とからなる、請求項７記載
の紡糸炉。