JP2004191947A - 空孔ファイバの線引き方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 容易に孔径を調節することができ、長手方向に孔形状及び孔径の安定した空孔ファイバの線引き方法を提供する。
【解決手段】 軸方向に、全長にわたって複数の孔があいた光ファイバの製造方法であって、軸方向に複数の空孔２が設けられたガラス母材１を加熱し軟化させて線引きする際、該ガラス母材１の空孔内部と大気圧との差圧を制御することを特徴とし、ガラス母材１の空孔内部と大気圧との差圧を制御するに際し、軸方向に複数の空孔２が設けられたガラス母材１の開放端に、空孔部分の外接円の径よりも大きな内径を有するガラス管３を接続し、該ガラス管３に差圧調整手段を設けて制御するのが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、全長にわたって複数の孔があいた光ファイバ（以下、単に空孔ファイバと称する）の孔形状及び孔径が、長手方向に安定した空孔ファイバの線引き方法に関する。

通常広く使用されている光ファイバは、石英ガラス等の中心部にコアと称される屈折率の高い領域を持つ、中実の構造を有している。これに対し、フォトニック結晶ファイバやホーリーファイバといった、長手方向に孔の設けられた光ファイバが最近注目されている。フォトニック結晶ファイバは、規則正しく配列した孔をファイバ中に設けることにより、フォトニックバンドギャップを形成し、これに欠陥を付与することで光を導波するものである。

また、ホーリーファイバは、クラッド中に孔を設け、クラッドの実効屈折率を低下させてコアとの間に屈折率差を与えるものであり、その導波原理には、従来の光ファイバと同様に全反射が用いられている（特許文献１参照）。また、従来の光ファイバのコア周辺に孔を開けた、空孔付加型ファイバも提案されている。
これらのファイバが有する孔は、その形状、大きさ及び配列等がその伝送特性に大きな影響を与える。

米国特許第5,802,236号

このようなファイバの製造には、一般的にガラス細管を束ねたものを線引きするという手法が採られているが、この方法では、ガラス細管同士の間隙が埋まる際に、孔が変形するという問題があった。ガラス細管同士の間隙を残さずに埋めるためには、特許文献１に記載されているように、キャピラリの上端を封止して、キャピラリ内部の圧を保持するという方法があるが、この方法は、線引きが進行するにつれてキャピラリ内部の圧と孔径が変化するため、長手方向への孔形状の安定性及び制御性が悪い。

また、ガラス細管同士の間隙を孔として残す場合、この孔を潰さないためには、できるだけガラスの粘度を小さく保ちながら線引きする必要があるため、通常の光ファイバの線引きに比べ、高張力で低温かつ低速で線引きを行っており、生産性が悪く、また、破断する確立が高いという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑み、容易に孔径を調節することができ、長手方向に孔形状及び孔径の安定した空孔ファイバの線引き方法を提供することを目的としている。

本発明の空孔ファイバの線引き方法は、軸方向に、全長にわたって複数の孔があいた光ファイバの製造方法であって、軸方向に複数の空孔が設けられたガラス母材を加熱し軟化させて線引きする際、該ガラス母材の空孔内部と大気圧との差圧を制御することを特徴としている。

ガラス母材の空孔内部と大気圧との差圧は、軸方向に複数の空孔が設けられたガラス母材の開放端に、空孔部分の外接円の径よりも大きな内径を有するガラス管を接続し、該ガラス管に差圧調整手段を設けることにより、制御することができる。
また、接続したガラス管の内部を仕切り、仕切られた各室にそれぞれ差圧調整手段を設け、線引き中、各室毎に該室に通じるガラス母材の空孔内部と大気圧との差圧を制御するようにしてもよい。

差圧調整手段は、空孔内部の圧力測定手段、加圧ガス供給装置及びガス排出ポートからなる構成、あるいは、空孔内部の圧力測定手段、シリンダ及びピストンからなる構成としてもよく、さらには、安全弁で構成してもよい。
光ファイバの孔径は、差圧調整手段の設定圧力を変化させることによって、あるいは加熱炉の温度を変化させることによって、もしくは線引き速度を変化させることによっても、調節することができる。線引き速度で孔径を調節する場合は、50m/min以上とするのが好ましい。なお、空孔の内圧、温度及び線引き速度のなかから適宜組み合わせて、あるいはこれらを同時に制御して孔径を調節するようにしてもよい。

また、差圧調整手段の設定圧力を変化させるには、先に線引きされた光ファイバの断面形状、分散特性、伝送損失、光パワー分布のうち、少なくとも１つを測定し、この測定結果にもとづき設定圧力を変化させるのが好ましい。
ガラス母材に接続したガラス管の内圧と大気圧との差圧Ｐ[Pa]は、ガラス母材の最も大きい空孔の半径をＲ[m]、ガラス母材の表面張力をＴ[N/m]としたときに、Ｐ≦Ｔ/Ｒとされる。
ガラス母材は、実質的に純粋な石英ガラスからなり、ドーパントを含んでいてもよい。また、多成分系ガラスからなるものであっても良い。このようにして、本発明の空孔ファイバが製造される。

本発明の線引き方法によれば、容易に光ファイバの孔径を調節することができ、長手方向に孔形状及び孔径の安定した空孔ファイバが得られる。

本発明の空孔ファイバの製造方法について、図に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの形態に限定されず、様々な態様が可能である。
図１は、本発明の空孔ファイバの製造方法を示す概略説明図であり、図１（ａ）は、ガラス母材を線引き装置にセットした状態を示し、図１（ｂ）は、空孔ファイバの線引き状態を示している。

ガラス母材１の開放端には、複数の空孔２が設けられている空孔部分の外径よりも大きな内径を有するガラス管３が接続され、ガラス管３の上部には差圧調整手段４が取り付けられている。このガラス管３は、昇降装置５で保持されている。ガラス母材１の下端には引き落とし部６が形成され、これを加熱炉７で加熱すると、粘度が低下し、引き落とし部６が自重で落下し、線引きが開始される。
ガラス母材１の下方には、コーティング装置８及び引き取り装置９が配設されている。

ガラス管３の内部及び空孔２内の内圧と、大気圧との差圧Ｐは、線引き中、差圧調整手段４により自在に変化させることができる。さらに、ガラス管３は、二重管を使用する等の方法によってその内部をさらに分室し、各分室に差圧調整手段４を設けるようにしてもよい。
線引きは、空孔ファイバ10の外径を測定しながら昇降装置５の下降速度と引き取り装置９の引き取り速度を調節することで、空孔ファイバ10の外径を一定に保つことができる。なお、空孔ファイバ10は、コーティング装置８を通る間にコーティングが施される。

空孔ファイバに形成される孔の径は、線引き時の空孔の内圧、表面張力及び粘度によって決まるため、温度と線引き速度を一定に保ちつつ、ガラス母材の空孔の内圧を調整することで、空孔ファイバの孔径を制御することができる。また、粘度は温度によって決まるため、空孔の内圧を一定にした状態で線引き温度を調整することで、孔径を制御することもできる。その他、線引き速度を変化させても、加熱領域での滞在時間が変化するため、孔径を制御することができる。もちろん、空孔の内圧、温度及び線引き速度のなかから適宜組み合わせて、あるいはこれら全てを同時に制御してもよい。

また、差圧調整手段は、特には限定されないが、０〜数千Paの範囲内で制御できるものが好ましく、例えば、空孔内部の圧力測定手段とガス排出ポート及び加圧ガス供給装置からなるもの、あるいは、空孔内部の圧力測定手段とシリンダ及びピストンからなるもの等が挙げられる。
なお、圧力を一定に制御するだけが目的であれば、線引きが進むにつれて、大きな容積を持つガラス管内のガスが暖められて圧力が増加する傾向にあるため、単に安全弁を用いるだけでもよい。

また、制御する空孔の内圧が高すぎる場合、内圧が表面張力に勝ってしまい、ガラス母材の加熱部分が膨れてはじける。このため、内圧を高くし過ぎないことが重要であり、その制御範囲は、大気圧と内圧の差をＰ[Pa]、ガラス母材の最も大きい空孔の半径をＲ[m]、表面張力をＴ[N/m]としたときに、Ｐ≦Ｔ/Ｒとすることで、ガラス母材を膨らませることなく線引きすることができる。例えば、石英ガラスの場合は、表面張力Ｔが約0.3
N/mであるので、空孔の半径が0.3 mmの場合、Ｐを1,000 Pa未満に設定する。なお、ガラス母材は、ゲルマニウム、フッ素、リン等のドーパントを含む実質的に純粋な石英ガラスからなっている。ガラス母材には、その他に多成分系ガラスが挙げられ、製造された空孔ファイバを様々な用途に供することができる。

図２に示したように、外径30 mmφ、長さ400 mmで、石英ガラスロッド10の長手方向に、三角格子状に直径1.4 mmφの孔11を２mmピッチで60個開けて、空孔ファイバ用ガラス母材を作製した。
このガラス母材に、この空孔部分の外接円12の径よりも大きな内径を有する石英ガラス管（外径30 mmφ、内径20 mmφ）を接続し、さらに、この石英ガラス管に圧力測定手段とガス排出ポート及び加圧ガス供給装置からなる差圧調整装置を取り付けた。

なおこれには、図３（ａ）のように、流量調節弁13,14を手動で差圧計16が設定値を示すように調節してもよく、あるいは図３（ｂ）のように、自動流量調節弁（又はマスフローコントローラ）17を差圧計19の検出圧力が設定値となるようにコントローラ20を介して、差圧を自動調整するようにしてもよい。なお、符号15，18は閉止弁である。

ガラス母材の空孔に通じている石英ガラス管内の圧と大気圧との差圧を430 Paに設定し、ヒーター温度2,030℃、線引き速度100 m/minで、直径125μmφの光ファイバに線引きしたところ、光ファイバ中に形成された孔はいずれも直径5.6μmφで、長手方向でも安定していた。このときの石英ガラスロッドの表面張力Ｔは0.3
N/mで、Ｔ/Ｒ＝0.3［N/ｍ］/0.0007［ｍ］≒430［Pa］であり、穴径/外径はプリフォームで0.047、光ファイバで0.045であり、ほぼプリフォームの径比が維持された。

実施例１と同じガラス母材と石英ガラス管を使用し、この石英ガラス管に圧力測定手段とシリンダ及びピストンからなる差圧調整装置を接続し、差圧を300 Paに設定した。差圧の調整は、図４（ａ）に示すように、シリンダ21のピストン22を、差圧計23が設定値を示すように手動で調節してもよく、あるいは図４（ｂ）のように、差圧計26の検出圧力が設定値となるようにコントローラ27を介して、シリンダ24に接続されたモータ25を制御することにより、差圧を自動調整するようにしてもよい。
ヒーター温度2,030℃、線引き速度100 m/minで、直径125μmφの光ファイバに線引きしたところ、光ファイバ中に形成された孔はいずれも直径2.9μmφで、長手方向でも安定していた。P＝300，Ｔ/Ｒ＝430でＰ≦Ｔ/Ｒとなっている。

実施例１と同じガラス母材と石英ガラス管を使用し、この石英ガラス管に差圧調整装置として200 Paで動作する安全弁を設けた。この安全弁には、例えば、図５に示す構成のものが挙げられる。なお、符号28は加圧ばね、符号29は弁であり、符号30はシール材である。
ヒーター温度2,030℃、線引き速度100 m/minで、直径125μmφの光ファイバに線引きしたところ、光ファイバ中に形成された孔はいずれも直径1.1μmφで、長手方向でも安定していた。P＝200，Ｔ/Ｒ＝430でＰ≦Ｔ/Ｒとなっている。

実施例１と同じガラス母材と石英ガラス管を使用し、差圧を300 Paに設定して、ヒーター温度2,130℃、線引き速度100 m/minとした以外は、実施例１と同じ条件で、直径125μmφの光ファイバに線引きしたところ、光ファイバ中に形成された孔はいずれも直径2.4μmφで、長手方向でも安定していた。P＝300，Ｔ/Ｒ＝430でＰ≦Ｔ/Ｒとなっている。

実施例１と同じガラス母材と石英ガラス管を使用し、差圧を300 Paに設定して、ヒーター温度2, 030℃、線引き速度150 m/minとした以外は、実施例１と同じ条件で、直径125μmφの光ファイバに線引きしたところ、光ファイバ中に形成された孔はいずれも直径3.2μmφで、長手方向でも安定していた。P＝300，Ｔ/Ｒ＝430でＰ≦Ｔ/Ｒとなっている。

実施例１と同じガラス母材と石英ガラス管を使用し、ヒーター温度を2, 030℃に設定して、直径125μmφの光ファイバに線引きした。線引き中、先に線引きされた光ファイバの断面形状を測定し、穴径が5.6μmであることを確認した。また、圧力を400Paに下げたところ、5.0μmになった。この測定結果にもとづき、所望の断面形状、穴径4.8μmが得られるように、差圧調整手段の設定圧力を392 Paに変化させたところ、穴径4.8μmの空孔ファイバが得られた。
上記実施例１〜6の結果を、以下の比較例１〜３の結果と併せて表１にまとめて示した。
［比較例１］

実施例１と同じガラス母材と石英ガラス管を使用し、差圧調整機構を設けずに、差圧０ Paでヒーター温度2,030℃、線引き速度100 m/minで直径125μmφの光ファイバに線引きしたところ、光ファイバ中に孔が残存しなかった。
［比較例２］

実施例１と同じガラス母材と石英ガラス管を使用し、差圧を500 Paに設定して、ヒーター温度2, 030℃、線引き速度150 m/minで直径125μmφの光ファイバに線引きしようとしたが、ガラス母材が加熱炉内で膨らみ、光ファイバに線引きすることができなかった。このときのＴ/Ｒ〜430であり、Ｐ＞Ｔ/Ｒとなっていた。
［比較例３］

実施例１と同じガラス母材を使用し、この上端を封止し、引き落とし部の先端を切って、空孔内の空気が外へ逃げるようにし、ヒーター温度2, 030℃、線引き速度100
m/minで直径125μmφの光ファイバに線引きしたところ、光ファイバの孔径が長手方向で、5.9〜7.2μmφの範囲で変動していた。

本発明によれば、長手方向に孔径及び孔形状が安定し、伝送特性に優れた空孔ファイバ、例えば、フォトニック結晶ファイバやホーリーファイバが得られる。

本発明の空孔ファイバの製造方法を説明する図であり、図１（ａ）は、ガラス母材を線引き装置にセットした状態を示し、図１（ｂ）は、空孔ファイバの線引き状態を示す概略説明図である。 本発明の空孔ファイバを示す概略断面図である。 （ａ），（ｂ）は、実施例１で使用した差圧調整装置を備えた線引き装置を示す概略図である。 （ａ），（ｂ）は、実施例２で使用した差圧調整装置を備えた線引き装置を示す概略図である。 実施例３で使用した差圧調整装置を備えた線引き装置を示す概略図である。

符号の説明

１．…ガラス母材、
２．…空孔、
３．…ガラス管、
４．…差圧調整手段、
５．…昇降装置、
６．…引き落とし部、
７．…加熱炉、
８．…コーティング装置、
９．…引き取り装置、
１０．…石英ガラスロッド、
１１．…孔、
１２．…空孔部分の外接円、
１３．…流量調節弁、
１４．…流量調節弁、
１５，１８．…閉止弁、
１６，１９，２３，２６．…差圧計、
１７．…自動流量調節弁（又はマスフローコントローラ）、
２０，２７．…コントローラ、
２１，２４．…シリンダ、
２２．…ピストン、
２５．…モータ、
２８．…加圧ばね、
２９．…弁、
３０．…シール材。

Claims (17)

1. 軸方向に、全長にわたって複数の孔があいた光ファイバの製造方法であって、軸方向に複数の空孔が設けられたガラス母材を加熱し軟化させて線引きする際、該ガラス母材の空孔内部と大気圧との差圧を制御することを特徴とする空孔ファイバの線引き方法。
2. ガラス母材の空孔内部と大気圧との差圧を制御するに際し、軸方向に複数の空孔が設けられたガラス母材の開放端に、空孔部分の外接円の径よりも大きな内径を有するガラス管を接続し、該ガラス管に差圧調整手段を設けて制御する請求項１に記載の空孔ファイバの線引き方法。
3. ガラス管の内部を仕切り、仕切られた各室にそれぞれ差圧調整手段を設け、線引き中、各室毎に該室に通じるガラス母材の空孔内部と大気圧との差圧を制御する請求項１又は２に記載の空孔ファイバの線引き方法。
4. 差圧調整手段が、空孔内部の圧力測定手段、加圧ガス供給装置及びガス排出ポートからなる請求項１乃至３のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法。
5. 差圧調整手段が、空孔内部の圧力測定手段、シリンダ及びピストンからなる請求項１乃至３のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法。
6. 差圧調整手段が、安全弁である請求項１乃至３のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法。
7. 差圧調整手段の設定圧力を変化させることにより、光ファイバの孔径を調節する請求項１乃至６のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法。
8. 先に線引きされた光ファイバの断面形状、分散特性、伝送損失、光パワー分布のうち、少なくとも１つを測定し、この測定結果にもとづき差圧調整手段の設定圧力を変化させる請求項７に記載の空孔ファイバの線引き方法。
9. ガラス母材に接続したガラス管の内圧と大気圧との差圧Ｐ[Pa]が、ガラス母材の最も大きい空孔の半径をＲ[m]、ガラス母材の表面張力をＴ[N/m]としたときに、Ｐ≦Ｔ/Ｒとする請求項１乃至７のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法。
10. 加熱炉の温度を変化させることにより、光ファイバの孔径を調節する請求項１乃至９のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法。
11. 線引き速度を変化させることにより、光ファイバの孔径を調節する請求項１乃至９のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法。
12. 線引き速度が、50m/min以上である請求項１１に記載の空孔ファイバの線引き方法。
13. 空孔の内圧、温度及び線引き速度のなかから適宜組み合わせて、又はこれらを同時に制御して、光ファイバの孔径を調節する請求項１乃至１２のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法。
14. ガラス母材が、実質的に純粋な石英ガラスからなる請求項１乃至１３のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法。
15. ガラス母材が、ドーパントを含む石英ガラスからなる請求項１乃至１３のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法。
16. ガラス母材が、多成分系ガラスからなる請求項１乃至１３のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法。
17. 請求項１乃至１６のいずれかに記載の空孔ファイバの線引き方法を用いて製造してなる空孔ファイバ。
    
    

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