WO2017022546A1 - マルチコア光ファイバおよびマルチコア光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

マルチコア光ファイバであって、少なくともフッ素がドープされた石英ガラスから構成されるとともに、石英の屈折率を基準とした比屈折率差が－０．３０％～－０．１０％であるコアと、少なくともフッ素がドープされた石英ガラスから構成されるとともに、前記コアの外周を囲む第１クラッドおよび前記第１クラッドの外部に設けられた第２クラッドを含むクラッドと、を備え、前記第１クラッドと前記コアとの比屈折率差が０．８％以上であり、前記第２クラッドの屈折率は、前記第１クラッドの屈折率より高く、前記コアの屈折率より低い。

Description

マルチコア光ファイバおよびマルチコア光ファイバの製造方法

　本発明は、マルチコア光ファイバおよびマルチコア光ファイバの製造方法に関する。
　本願は、２０１５年８月４日に、日本に出願された特願２０１５－１５４２１２号、および２０１６年４月１１日に、日本に出願された特願２０１６－０７８９５９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　放射線環境下において石英系マルチコア光ファイバを用いた画像観察には、主に、近赤外光領域（約８００ｎｍ～約１１００ｎｍ）の近赤外光に感度を持つカメラが用いられている。当該カメラで得られる画像は、色情報を持たないモノクロ画像である。

　特許文献１には、イメージファイバを構成する個々の画素がコア、クラッド、サポート層の３層構造からなり、コアは屈折率を高める塩素（Ｃｌ）を含み、クラッドはフッ素（Ｆ）を含み、サポート層はハロゲンがドープされた高純度石英ガラスもしくは純粋石英ガラスからなるイメージファイバが記載されている。

日本国特開平５－２２９８４２号公報

　放射線環境下において、可視光領域の伝送損失増加量は、近赤外光領域の伝送損失増加量よりも大きい。そのため、従来の石英系マルチコア光ファイバを放射線環境下に設置して可視光領域において観察を行うと、比較的短時間で画像が暗くぼやけるため、可視光領域における従来の石英系マルチコア光ファイバの画像観測は困難となっていた。

　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、可視光領域の画像観察に好適なマルチコア光ファイバおよびマルチコア光ファイバの製造方法を提供することを課題とする。

　前記課題を解決するため、本発明の第一態様に係るマルチコア光ファイバは、少なくともフッ素がドープされた石英ガラスから構成されるとともに、石英の屈折率を基準とした比屈折率差が－０．３０％～－０．１０％であるコアと、少なくともフッ素がドープされた石英ガラスから構成されるとともに、前記コアの外周を囲む第１クラッドおよび前記第１クラッドの外部に設けられた第２クラッドを含むクラッドと、を備え、前記第１クラッドと前記コアとの比屈折率差が０．８％以上であり、前記第２クラッドの屈折率は、前記第１クラッドの屈折率より高く、前記コアの屈折率より低い。

　前記コアおよび前記クラッドのうち少なくとも１つに水素がドープされていてもよい。
　前記コアのフッ素濃度が０．４～１．２ｗｔ％であってもよい。
　前記コアの直径が１．０～１０μｍであり、隣り合うコアの中心間距離が３．０～１５μｍであってもよい。
　照射線量２ＭＧｙのときの伝送損失の増加量が、波長４００ｎｍにおいて２ｄＢ／ｍ以下であってもよい。
　開口数が０．１以上０．４５以下であってもよい。

　また、本発明の第二態様に係るマルチコア光ファイバの製造方法は、上記マルチコア光ファイバの製造方法であって、コアと、前記コアの外周を囲む第１クラッドおよび前記第１クラッドの外周を囲む第２クラッドを含むクラッドと、を有し、かつ、前記第２クラッドが最外層であるシングルコア光ファイバを用意し、複数の前記シングルコア光ファイバを用意して、前記複数の前記シングルコア光ファイバをジャケット管内に配置し、前記複数の前記シングルコア光ファイバと前記ジャケット管との溶融および延伸により、前記複数の前記シングルコア光ファイバにおける各クラッドを一体化してマルチコア光ファイバを得る。

　本発明の上記態様によれば、放射線環境下において可視光領域における伝送損失の増加が低いため、可視光領域における画像観察に好適なマルチコア光ファイバおよびマルチコア光ファイバの製造方法を提供することができる。

マルチコア光ファイバの一例を示す断面図である。 図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るマルチコア光ファイバの一例を示す部分断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に対応する屈折率分布の一例を示すグラフである。 図３（ａ）は、シングルコア光ファイバの一例を示す断面図であり、図３（ｂ）は、当該シングルコア光ファイバの屈折率分布の一例を示すグラフである。 マルチコア光ファイバの製造方法の一例を示す斜視図である。 実施例１および比較例１のマルチコア光ファイバの照射線量２ＭＧｙのときの伝送損失の増加量を示すグラフである。 実施例２および比較例２のマルチコア光ファイバの照射線量１８０ｋＧｙのときの伝送損失の増加量を示すグラフである。

　以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るマルチコア光ファイバ１０の一例を示す断面図である。マルチコア光ファイバ１０は、画像伝送ファイバ（イメージファイバ）の一例であり、イメージサークル１２と、イメージサークル１２の外周を覆うジャケット部１４と、ジャケット部１４の外周を覆う被覆層１６とを有する。

　イメージサークル１２は、略円形の画素領域であり、図１の部分拡大部（二点鎖線で囲む範囲）に示すように、共通のクラッド２の内部に複数のコア１がマルチコア光ファイバ１０の長手方向に貫通する構成である。共通のクラッド２は、複数のコア１に共有されている。コア１の直径ｄおよび隣接する２つのコア間の中心間距離Ｄは、イメージサークル１２の全域にわたって略一定である。

　複数のコア１のそれぞれは、光の伝搬を許容し、イメージファイバの画素として機能する。イメージサークル１２の直径は、特に限定されないが、例えば８００～２０００μｍ程度である。イメージサークル１２の中には、５０００～３００００個程度のコア１が形成されている。このような構成により、マルチコア光ファイバ１０の一方の端面（第一端面）に結像された画像が、空間的に分割されて各画素を構成するコア１により伝送され、他方の端面（第二端面）に画像を構成することができる。マルチコア光ファイバ１０の開口数（ＮＡ）は、０．１以上０．４５以下であることが好ましい。

　コア１は、少なくともフッ素がドープされた石英ガラスから構成されている。石英（ＳｉＯ_２）の屈折率を基準としたコア１の比屈折率差としては、例えば－０．３０％～－０．１０％が挙げられる。コア１のフッ素濃度としては、０．４～１．２ｗｔ％程度が好ましい。コア１には、フッ素以外のドーパント、例えば０．０１ｐｐｍ以上の塩素が含まれてもよい。塩素は、ＳｉＣｌ_４等の塩化物を原料として多孔質石英ガラスを製造する際、あるいは、ＳＯＣｌ_２等の塩素化合物を多孔質石英ガラスの脱水・焼結に用いる際などに、石英ガラス中に含まれることがある。

　コア１がフッ素を含有することにより、放射線環境下でも石英ガラス中に欠陥が生じにくくなり、伝送損失の増加を抑制することができる。フッ素を含有しない石英ガラスに放射線を照射すると、放射線の作用により石英ガラス中に欠陥が生じ、特に可視光領域において伝送損失の増加が大きくなるため、可視光領域における画像観察が困難となる。フッ素は、石英ガラスの欠陥を埋める作用を持つため、フッ素がドープされた石英ガラスを用いることにより、伝送損失の増加を抑制できる。例えば、照射線量２ＭＧｙ（メガグレイ）のときに、マルチコア光ファイバ１０の伝送損失の増加量が、波長４００ｎｍにおいて２ｄＢ／ｍ以下であることが好ましい。

　本実施形態に係るマルチコア光ファイバ１０は、ガラス中（少なくともコア１およびコア１の周辺部）に水素がドープされていてもよい。ガラスに放射線を照射すると、ガラス中に欠陥が生じて、可視光領域における伝送損失の増加の原因となる。水素がガラスの欠陥を埋める作用を持つため、ガラスに水素をドープすることにより、可視光領域における伝送損失の増加を抑制できる。水素のドープ方法としては、マルチコア光ファイバ１０を高濃度の水素（Ｈ_２）雰囲気中で処理する方法が挙げられる。マルチコア光ファイバ１０中に水素が浸透すると、コア１およびクラッド２を含むガラス中に水素がドープされる。

　コア１の直径ｄとしては、例えば１．０～１０μｍの範囲が挙げられる。隣り合うコア１の中心間距離Ｄとしては、例えば３．０～１５μｍの範囲が挙げられる。Ｄ／ｄの比の値は、例えば約１．０２～約５．０程度である。イメージサークル１２におけるコア１の配置は、１つのコア１の六方にコア１が規則的に隣接する配列（六方配列）、１つのコア１の四方にコア１が規則的に隣接する配列（正方配列）などが挙げられる。クロストークを抑制する観点からは、コア１がランダムに配置されることが好ましい。

　クラッド２は、コア１よりも低い屈折率を有する。石英ガラスの屈折率を低下させるドーパントとしては、フッ素（Ｆ）、ホウ素（Ｂ）などが挙げられる。クラッド２は、少なくともフッ素がドープされた石英ガラスから構成されることが好ましい。また、クラッド２のフッ素濃度は、コア１のフッ素濃度より高いことが好ましい。

　しかし、クラッド２のフッ素濃度が高すぎると、フッ素は加熱により拡散やガス化を起こしやすいため、マルチコア光ファイバ１０の製造時に、イメージサークル１２に気泡が発生して、画素の欠陥の原因となるおそれがある。そこで、本実施形態では、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、クラッド２が、コア１の外周を囲む第１クラッド４と、第１クラッド４の外側（外部）に設けられた第２クラッド３とを含む２層構造とし、第２クラッド３の屈折率は、第１クラッド４の屈折率より高く、コア１の屈折率より低い構成とした。

　第１クラッド４は、コア１の導波構造に必要な比屈折率差を確保するために設けられる。第１クラッド４とコア１との比屈折率差（Δ）としては、例えば０．８％以上が挙げられる。石英（ＳｉＯ_２）の屈折率を基準とした第１クラッド４の比屈折率差としては、例えば－１．２％～－０．９％が挙げられる。第１クラッド４のフッ素濃度としては、３．６～５．０ｗｔ％程度が挙げられる。

　第２クラッド３は、コア１およびクラッド２を構成するフッ素がドープされた石英ガラスが加熱された際に、フッ素の拡散を抑制するバリア層として機能する。第２クラッド３とコア１との比屈折率差（Δ）としては、例えば０．５％以上が挙げられる。石英（ＳｉＯ_２）の屈折率を基準とした第２クラッド３の比屈折率差としては、例えば－０．９％～－０．６％が挙げられる。第２クラッド３のフッ素濃度は、第１クラッド４のフッ素濃度より低いことが好ましい。第２クラッド３のフッ素濃度としては、２．４～３．５ｗｔ％程度が挙げられる。

　本実施形態に係るマルチコア光ファイバ１０は、例えば、次の方法により製造することができる。

　まず、ＶＡＤ（気相軸付）法、ＣＶＤ（化学気相蒸着）法などにより、コアと、コアの外周を囲む第１クラッドと、第１クラッドの外周を囲む第２クラッドとを有する光ファイバ母材を作製する。この光ファイバ母材は、断面に単一のコアを有する。光ファイバ母材において、コアの直径に対する第１クラッドの直径の比は、１．０１～３．０程度、コアの直径に対する第２クラッドの直径の比は、１．０２～５．０程度が挙げられる。

　次に、光ファイバ母材の紡糸（線引き）により、外径が数十～数百μｍ程度の、シングルコア光ファイバを作製する。１本の光ファイバ母材から１本のシングルコア光ファイバを紡糸した後、シングルコア光ファイバを所定の長さで切断することにより、多数本のシングルコア光ファイバを得ることができる。シングルコア光ファイバにおけるコア、第１クラッド、第２クラッドのガラス組成および直径比は、それぞれ光ファイバ母材におけるガラス組成および直径比と同様である。

　図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、シングルコア光ファイバ５は、中心にコア１、コア１の外周に第１クラッド４、最外層に第２クラッド３を有し、第２クラッド３の屈折率は、第１クラッド４の屈折率より高く、コア１の屈折率より低い構成である。

　次に、複数本のシングルコア光ファイバ５を、ジャケット部１４となるガラス管（ジャケット管）内に配置する。そして、図４に示すように、シングルコア光ファイバとジャケット管との溶融および延伸により、各シングルコア光ファイバ５のクラッド２を一体化する。延伸により得られたマルチコア光ファイバ１０は、ボビンに巻き取られて製品となる。また、マルチコア光ファイバ１０に対し、水素雰囲気処理などの後処理を行うこともできる。

　図４は、多数のシングルコア光ファイバ５が収容されたジャケット部１４が、大径部２１からテーパ部２２を経て縮径部２３と、徐々に延伸される様子を模式的に示している。模式図において、寸法比や角度などは実際と異なる場合がある。延伸は、１段階に限らず、２段階以上行うこともできる。

　得られたマルチコア光ファイバ１０のクラッド２における第１クラッド４と第２クラッド３との分布は、溶融一体化の結果として得られる場合、必ずしも一様となる必要はなく、第２クラッド３とコア１との間に第１クラッド４を介在した状態であるのが好ましい。図２（ａ）では、第１クラッド４はコア１ごとに分離して形成され、第２クラッド３が多数のコア１に共有されて連続的に形成された状態を図示しているが、これに限定されるものではない。

　縮径部２３において一体化されたマルチコア光ファイバ１０の外周には、樹脂等の被覆層１６が設けられることが好ましい。被覆層１６の材質としては、ポリイミド、シリコーン、エポキシ、アクリル等の樹脂が挙げられる。
　ジャケット部１４の材質としては、純粋石英ガラスまたは添加物（ドーパント）を含む石英ガラスが挙げられる。

　本実施形態に係るマルチコア光ファイバ１０は、耐放射線特性に優れるので、原子力発電所などの放射性物質が取り扱われる施設や、宇宙空間などの宇宙線の影響を受ける空間においても、好適に使用することができる。可視光領域における伝送損失の増加量が低いので、カラー画像の伝送も可能になる。

　以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
　多数のコアを含む画素領域の形状は、断面円形のイメージサークルに限らず、四角形、六角形、多角形、楕円形、半円形、扇型など、種々の断面形状にすることが可能である。
　画像の伝送方向とは反対方向に照明光を伝送するためのライトガイドをイメージファイバに組み込むこともできる。
　コア、第１クラッド、第２クラッドの各部分は、組成や屈折率が略均一でもよく、あるいは各部分の内部に、所定の範囲内でさらに分布を有してもよい。製造上も、コア、第１クラッド、第２クラッドの各部分を１段階で形成してもよく、あるいは１つの部分を２段階以上（２層以上）の積層により形成してもよい。

　以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
　フッ素がドープされた石英ガラスから構成され、コア、第１クラッド、第２クラッドの３層からなるシングルコア光ファイバを紡糸し、純石英ガラスのジャケット管の中に多数のシングルコア光ファイバを収容し、溶融、延伸により、シングルコア光ファイバとジャケット管とを一体化して、マルチコア光ファイバを製造した。第２クラッドの屈折率は、コアの屈折率より低く、かつ、第１クラッドの屈折率より高くなるようにマルチコア光ファイバを製造した。これらコア、第１クラッド、および第２クラッドの屈折率の差は、フッ素濃度の違いにより生じさせた。シングルコア光ファイバにおける各部の直径比は、コア：第１クラッド：第２クラッド＝１．０：１．３：１．５とした。

（比較例１）
　純石英ガラスから構成されるコアと、フッ素がドープされた石英ガラスから構成されるクラッドとの２層から構成されるシングルコア光ファイバを紡糸し、純石英ガラスのジャケット管の中に多数のシングルコア光ファイバを収容し、溶融、延伸により、シングルコア光ファイバとジャケット管とを一体化して、マルチコア光ファイバを製造した。クラッドの屈折率は、コアの屈折率より低くなるようにマルチコア光ファイバを製造した。

（耐放射線特性：実施例１および比較例１）
　実施例１のマルチコア光ファイバと比較例１のマルチコア光ファイバに、照射線量が２ＭＧｙとなるまで放射線を照射した。放射線を照射する前と、放射線を照射した後とにそれぞれ測定した伝送損失の差をとり、放射線照射による伝送損失の増加量を求めた。図５に、波長（Wavelength）に対する伝送損失の増加量（Induced loss）のグラフを示す。
　比較例１のマルチコア光ファイバでは、波長が約７００ｎｍ以下の可視光領域全域において、伝送損失の増加量が約２０ｄＢ／２０ｍ以上（約１ｄＢ／ｍ以上）と高かった。また、波長４００ｎｍにおいて、比較例１のマルチコア光ファイバの伝送損失の増加量は、４０ｄＢ／２０ｍ以上（約２ｄＢ／ｍ以上）であった。
　これに対し、実施例１のマルチコア光ファイバは、約４００～９００ｎｍの波長領域において、伝送損失の増加量が約３０ｄＢ／２０ｍ以下（約１．５ｄＢ／ｍ以下）と低く、波長４００ｎｍにおいて３０ｄＢ／２０ｍ以下（約１．５ｄＢ／ｍ以下）であった。このため、実施例１のマルチコア光ファイバは、照射線量２ＭＧｙの放射線照射後でも、可視光領域での画像伝送が可能であった。

（参考例）
　フッ素がドープされた石英ガラスから構成されるコアと、フッ素がドープされた石英ガラスから構成されるクラッド（実施例１の第１クラッドに相当）との２層から構成されるシングルコア光ファイバを紡糸し、純石英ガラスのジャケット管の中に多数のシングルコア光ファイバを収容し、溶融、延伸により、シングルコア光ファイバとジャケット管とを一体化して、マルチコア光ファイバを製造した。クラッドの屈折率は、コアの屈折率より低くなるようにマルチコア光ファイバを製造した。
　参考例のマルチコア光ファイバの製造において、シングルコア光ファイバとジャケット管とを一体化する際に、フッ素の拡散とガス化に起因して発泡が起こり、画素欠陥が生じた。しかし、実施例１と同様に、コアおよびクラッドの双方が、少なくともフッ素がドープされた石英ガラスから構成されるマルチコア光ファイバであることにより、耐放射線特性には優れており、照射線量２ＭＧｙの放射線照射後でも、可視光領域での画像伝送が可能であった。

（実施例２）
　実施例１と同様にして、コアおよびクラッドの双方にフッ素がドープされたマルチコア光ファイバを製造した。さらに、水素濃度１００％、温度６０℃、圧力５ａｔｍ、時間１６８ｈｏｕｒの条件で、マルチコア光ファイバのガラス中に水素をドープした。水素ドープ前のマルチコア光ファイバを実施例２Ａとし、水素ドープ後のマルチコア光ファイバを実施例２Ｂとし、実施例２Ａおよび実施例２Ｂの両方を総称して実施例２とする。

（比較例２）
　比較例１と同様にして、純石英コアを有するマルチコア光ファイバを製造した。

（耐放射線特性：実施例２および比較例２）
　実施例２Ａのマルチコア光ファイバ、実施例２Ｂのマルチコア光ファイバ、および比較例２のマルチコア光ファイバのそれぞれに、Ｃｏ６０を線源として、線量率１０ｋＧｙ／ｈ、照射時間１８ｈｏｕｒ、総線量１８０ｋＧｙの条件で、ガンマ（γ）線を照射した。ガンマ線の照射前と照射後にそれぞれ測定した各マルチコア光ファイバの伝送損失の差をとり、放射線照射による伝送損失の増加量を求めた。図６に、波長（Wavelength）に対する伝送損失の増加量（Induced loss）のグラフを示す。
　比較例２のマルチコア光ファイバでは、波長が約７００ｎｍ以下の可視光領域全域において、伝送損失の増加量が約２０ｄＢ／２０ｍ以上（約１ｄＢ／ｍ以上）と高かった。波長４００ｎｍにおいて、比較例２のマルチコア光ファイバの伝送損失の増加量は４０ｄＢ／２０ｍ以上（約２ｄＢ／ｍ以上）であった。
　これに対し、フッ素ドープコアを用いた実施例２Ａのマルチコア光ファイバは、約４００～９００ｎｍの波長領域において、伝送損失の増加量が少なく、耐放射線特性に優れることが分かる。
　さらに、水素をドープした実施例２Ｂのマルチコア光ファイバは、約４００～９００ｎｍの波長領域において、伝送損失の増加量が極めて少なく、耐放射線特性に優れることが分かる。

１…コア、２…クラッド、３…第２クラッド、４…第１クラッド、５…シングルコア光ファイバ、１０…マルチコア光ファイバ、１２…イメージサークル、１４…ジャケット部、１６…被覆層、２１…大径部、２２…テーパ部、２３…縮径部。

Claims (7)

1. 　マルチコア光ファイバであって、
   　少なくともフッ素がドープされた石英ガラスから構成されるとともに、石英の屈折率を基準とした比屈折率差が－０．３０％～－０．１０％であるコアと、
   　少なくともフッ素がドープされた石英ガラスから構成されるとともに、前記コアの外周を囲む第１クラッドおよび前記第１クラッドの外部に設けられた第２クラッドを含むクラッドと、を備え、
   　前記第１クラッドと前記コアとの比屈折率差が０．８％以上であり、
   　前記第２クラッドの屈折率は、前記第１クラッドの屈折率より高く、前記コアの屈折率より低い、
   　マルチコア光ファイバ。
2. 　前記コアおよび前記クラッドのうち少なくとも１つに水素がドープされている、請求項１に記載のマルチコア光ファイバ。
3. 　前記コアのフッ素濃度が０．４～１．２ｗｔ％である、請求項１または２に記載のマルチコア光ファイバ。
4. 　前記コアの直径が１．０～１０μｍであり、隣り合うコアの中心間距離が３．０～１５μｍである、請求項１～３のいずれか１項に記載のマルチコア光ファイバ。
5. 　照射線量２ＭＧｙのときの伝送損失の増加量が、波長４００ｎｍにおいて２ｄＢ／ｍ以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載のマルチコア光ファイバ。
6. 　開口数が０．１以上０．４５以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載のマルチコア光ファイバ。
7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載のマルチコア光ファイバの製造方法であって、
   　コアと、前記コアの外周を囲む第１クラッドおよび前記第１クラッドの外周を囲む第２クラッドを含むクラッドと、を有し、かつ、前記第２クラッドが最外層であるシングルコア光ファイバを用意し、
   　複数の前記シングルコア光ファイバを用意して、前記複数の前記シングルコア光ファイバをジャケット管内に配置し、
   　前記複数の前記シングルコア光ファイバと前記ジャケット管との溶融および延伸により、前記複数の前記シングルコア光ファイバにおける各クラッドを一体化してマルチコア光ファイバを得る、マルチコア光ファイバの製造方法。

Images