JP4252005B2 - 空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法、空孔ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

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）の純度を高めた空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法、空孔ファイバ及びその製造方法に関する。

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たせた、中実の構造を有している。これに対し、特許文献１で開示されている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、内部に空孔を有する光ファイバが現在注目されている。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。

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る。その他、従来の光ファイバのコア周辺に孔を開けた形状を有する空孔付加型ファイバも提案されている。
これらのファイバはいずれも空孔を有しており、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。

これらのファイバの製造には、特許文献２で開示されているようなガラス細管（キャピラリー）を束ねたものを線引きする方法（キャピラリー法、又はスタックアンドドロー法）と、特許文献３，４で開示されているようなガラスロッドに孔を開けて線引きする方法（孔開け法）とがある。なお、フォトニック結晶ファイバ、ホーリーファイバ、空孔付加型ファイバ等の空孔を有する光ファイバを、以下、空孔ファイバと総称する。
孔開け法は、図１に示すように、多孔質ガラス母材を合成し、透明化した後に孔開け加工を行うものである。

特表２００２−５０６５３３号公報 特開２００２−９７０３４号公報 特開２００２−２９３５６２号公報 特開２００２−１４５６３４号公報

しかしながら、キャピラリー法には、線引きする際に、空隙がファイバ中に残ったり、孔の形状が崩れやすい問題がある。さらに、キャピラリを用いるために、その外表面でＯＨ基／不純物汚染が起こりやすく、低損失化が難しいという問題がある。

他方、孔開け法では、非常に硬い石英ガラスに細い深孔を開けること自体が難しく、超音波振動研削などの特殊な方法を用いねばならない。さらに、多数の孔が開いたファイバを製造するには、加工コストがきわめて高くなり、かつ長い加工時間を要する。また、石英ガラスは難削材であるため、研削工具を高速回転させる必要があるが、孔を深く研削するために研削工具の長さを長くすると、高速回転にともない軸振れが生じ、加工できなくなるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、空孔ファイバの製造に好適な、大型で不純物の少ない空孔ファイバ用ガラス母材を、低コストでの製造を可能とする空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法、空孔ファイバ及びその製造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用ガラス母材の製造方法は、軸方向に、全長にわたって複数の孔があいた光ファイバ用ガラス母材の製造方法において、ガラス微粒子を回転する出発部材棒に堆積させて多孔質ガラス母材を形成し、該多孔質ガラス母材の端部から軸方向へ複数の孔を開け、塩素又はフッ素含有雰囲気下で加熱処理、好ましくは７００〜１２００℃で加熱処理した後、多孔質ガラス母材が透明化する温度に加熱することを特徴としている。また、出発部材棒に堆積させて多孔質ガラス母材を形成し、該多孔質ガラス母材の端部から軸方向へ複数の孔を開け、塩素による脱水処理、フッ素による処理後に透明化する温度に加熱してもよい。

出発部材棒には、高純度石英ガラスやドーパントを含む石英ガラスが用いられ、これにガラス原料とともにドーパント原料を供給して生成したガラス微粒子が堆積される。
ガラス微粒子の堆積は、出発部材棒の先端から軸方向に向かって、又は出発部材棒の側面に沿って軸方向に、あるいは出発部材棒の側面に該出発部材棒の軸と垂直方向に向かって行われるが、いずれの方向に向かって堆積するものであってもよい。

また、複数の孔を開ける工程に先立って、１１００〜１４５０℃で加熱処理し、多孔質ガラス母材の密度を０．２５〜０．８０g/cm³に調整する工程を設けるとよい。この密度の調整は、塩素又はフッ素含有雰囲気下で行うのが好ましい。
さらに、複数の孔を開ける工程に先立って、多孔質ガラス母材の端部を切除し、該端面を中心軸に垂直な平面に加工してから孔を開けるとよい。

多孔質ガラス母材の透明化は、ドーパントを含む雰囲気下で行うようにしてもよい。その他、透明化されたガラス母材の孔の内面を、鏡面研磨するのが好ましい。
このようにして製造された空孔ファイバ用ガラス母材を、加熱し線引きすることで空孔ファイバが得られる。

本発明によれば、多孔質ガラス母材の密度を削孔に適した密度に調整してから孔開けを行うので、硬いガラスロッドに孔を開ける方法に比べて深い孔を容易に開けることができ、低コストで大型の空孔ファイバ用ガラス母材を容易に製造することができる。さらに、多孔質ガラス母材の段階で孔開け加工を施した後、高純度化処理を施すため、空孔ファイバ用ガラス母材の純度を向上することができる。

本発明の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法は、例えば、ガラス原料の火炎加水分解反応で生成したガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス母材を製造し、得られた多孔質ガラス母材を必要に応じて脱水処理時、又は脱水処理後に１１００〜１４５０℃で加熱して多孔質ガラス母材を収縮させ、その嵩密度が削孔に適した０．２５〜０．８０g/cm³となるように調整した後に、多孔質ガラス母材をその軸方向に孔開け加工した後、脱水・高純度化処理及び透明化処理を行うものである。

本発明において、空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法は、図２に示すように、（１）多孔質ガラス母材の製造工程、（２）密度調整工程、（３）孔開け加工工程、（４）脱水・高純度化工程、（５）透明化工程、の５つの工程からなっている。なお、必要に応じて（６）孔研磨工程が加えられる。その後、（７）線引き工程で空孔ファイバが製造される。
以下、これらの工程について順に説明する。

先ず、（１）多孔質ガラス母材の製造工程は、多孔質ガラス母材を従来から知られている気相軸付け法（ＶＡＤ法）、外付けＶＡＤ法、外付け法（ＯＶＤ法）といった方法を用いて製造するものであり、これらの方法は、いずれもガラス原料をバーナ火炎中で火炎加水分解させることでガラス微粒子を合成し、これを回転する出発部材棒上に堆積させるものである。

ＶＡＤ法は、出発部材棒の先端からその軸方向に向けて堆積・成長させる方法である。外付けＶＡＤ法は、バーナを出発部材棒の軸端部からこれと平行に一方向に移動させつつ、出発部材棒の側面にガラス微粒子を堆積させることにより、出発部材棒の側面に沿って母材を成長させる。ＯＶＤ法では、出発部材棒の側面に向けてガラス微粒子を堆積させつつ、バーナを出発部材棒の軸と平行に往復移動させて、出発部材棒の側面にこの軸と垂直方向に向けて母材を成長させる。

堆積に際して、ガラス原料と共にドーパント原料を供給することで、あるいは出発部材棒に高純度石英ガラスやドーパントを含む石英ガラスを用いることにより、ガラスの屈折率や光感受性などの様々な特性を変化させることができる。

このようにして得られた多孔質ガラス母材は、孔開け加工に先立ち、切削加工に適した密度に調整するため、１１００〜１４５０℃に加熱された炉内で熱処理され、０．２５〜０．８０g/cm³の密度に調整される。なお、密度が０．２５g/cm³未満では、脆過ぎて切削加工時に破損しやすく、他方、０．８０g/cm³を超えると硬くなり過ぎて、切削加工時にクラックが入りやすく加工が困難となるため、密度は上記範囲に調整される。特に好ましい範囲は、０．４近傍であり、塩素による脱水を効率よく行うことができ、なおかつ加工性も良いためである。

多孔質ガラス母材の密度調整の際、ガラス微粒子が僅かに溶融して互いに溶着するため、主にガラス微粒子の表面に存在するＯＨ基や不純物がガラス内部に取り込まれる可能性がある。これを防ぐには、密度調整工程において塩素又はフッ素化合物を含む雰囲気中で加熱することにより、ＯＨ基や不純物を取り除くことができる。なお、多孔質ガラス母材の製造工程で密度を調整し、予め上記範囲内に納めておくことで、密度調整工程を省略することもできる。

次に、加工に適した密度に調整された多孔質ガラス母材は、機械研削により孔開け加工が行われる。孔開け加工は、超硬ドリルやダイヤモンドドリルなどの難削材用のものを用いると、工具寿命が長いため刃の交換間隔を長くすることができ、作業性や加工精度が向上する。このときの加工速度は、孔径や深さ、嵩密度などによっても異なるが、０．１ｍｍ〜数十ｍｍ／秒以上とすることができ、硬い透明ガラスの孔開け加工に比べて遥かに速い速度で孔開けできる。

多孔質ガラス母材がＶＡＤ法、外付けＶＡＤ法、ＯＶＤ法のいずれの方法で作られたものであっても、その端部は、軸と垂直な平面になっていない。そのため、多孔質ガラス母材の端部を軸と垂直に切断して、予め端部に平面を設けておくことで、その後の孔開け加工が容易となる。これにより、孔の深さを揃えることができ、孔の位置精度が向上すると共に歩留まりが向上する。

端部の切断は、中心に透明ガラスロッドを有していない場合は、金鋸や糸鋸、木工用の鋸、回転切断砥石、ワイヤーソー、バンドソー等、金属や木材、新建材、ガラス等を切断できるものを用いることができる。中心に透明ガラスロッドがある場合には、多孔質部分をこれらの切断手段を用いて除去した後に、透明ガラスロッドを切断又は切除すればよい。

孔開け加工を施した多孔質ガラス母材は、必要に応じて塩素又はフッ素化合物を含有する雰囲気で７００〜１２００℃に加熱することで、脱水・高純度化処理がなされる。この後、透明化する温度まで昇温することにより、空孔を有する透明なガラス母材となる。
脱水・高純度化処理と透明化工程は、温度勾配を設けた加熱炉中で同時に行うこともできる。また、透明化の際にドーパントを含む雰囲気とすることで、得られるガラスの屈折率や光感受性などの様々な特性を変化させることができる。

孔開け加工前の多孔質ガラス母材の密度や孔開けの加工方法によっては、得られる透明ガラス母材の孔の内面に荒れが生じる場合がある。このような場合、研磨剤を用いて孔の内面を鏡面研磨することで、ガラス母材の光の散乱を抑制し、これから得られる空孔ファイバの伝送損失を小さくすることができる。孔の内面を鏡面研磨するには、例えば、炭化珪素や酸化セリウムの粉末といった、通常のガラスの研削・研磨に用いることができるものを使用して、研削・研磨する方法が挙げられる。

本発明の空孔ファイバ用ガラス母材を用いることにより、純度の高い空孔ファイバが低コストで得られる。

従来の孔開け加工を説明する工程フロー図である。 本発明の孔開け加工を説明する工程フロー図である。

Claims (15)

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用ガラス母材の製造方法において、ガラス微粒子を回転する出発部材棒に堆積させて多孔質ガラス母材を形成し、該多孔質ガラス母材の端部から軸方向へ複数の孔を開け、塩素又はフッ素含有雰囲気下で加熱処理した後、多孔質ガラス母材が透明化する温度に加熱することを特徴とする空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
2. 多孔質ガラス母材の透明化に先立ち、塩素又はフッ素含有雰囲気下７００〜１２００℃で加熱処理する請求項１に記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
3. 出発部材棒が、高純度石英ガラスである請求項１又は２に記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
4. 出発部材棒が、ドーパントを含む石英ガラスである請求項１又は２に記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
5. ガラス原料とともにドーパント原料を供給してガラス微粒子を生成する請求項１乃至４のいずれかに記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
6. ガラス微粒子の堆積が、出発部材棒の先端から軸方向に向かってなされる請求項１乃至５のいずれかに記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
7. ガラス微粒子の堆積が、出発部材棒の側面に沿って軸方向になされる請求項１乃至５のいずれかに記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
8. ガラス微粒子の堆積が、出発部材棒の側面に、該出発部材棒の軸と垂直方向に向かってなされる請求項１乃至５のいずれかに記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
9. 複数の孔を開ける工程に先立って、１１００〜１４５０℃で加熱処理することにより、多孔質ガラス母材の密度を０．２５〜０．８０g/cm³に調整する工程を有する請求項１乃至８のいずれかに記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
10. 密度を調整する工程が、塩素又はフッ素含有雰囲気下で行われる請求項９に記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
11. 複数の孔を開ける工程に先立って、多孔質ガラス母材の端部を切除し、該端面を中心軸に垂直な平面とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
12. 多孔質ガラス母材の透明化が、ドーパントを含む雰囲気下で行われる請求項１乃至１１のいずれかに記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
13. 透明化されたガラス母材の孔の内面を、鏡面研磨する請求項１乃至１２のいずれかに記載の空孔ファイバ用ガラス母材の製造方法。
14. 請求項１乃至１３のいずれかに記載の製造方法を用いて製造された空孔ファイバ用ガラス母材を、加熱し線引きする空孔ファイバの製造方法。
15. 請求項１４に記載の製造方法を用いて製造してなる空孔ファイバ。

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