JP2006044950A

JP2006044950A - 光ファイバ母材の製造方法

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Publication number: JP2006044950A
Application number: JP2004223612A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Osono; 和正大薗; Hei Yo; 兵姚; Tomonobu Kumagai; 智宣熊谷
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】空孔形状の乱れがなく、径方向に均一な空孔構造を有し、かつ長手方向にも構造が安定したＰＣＦの製造が可能な光ファイバ母材の製造方法を提供する。
【解決手段】正六角形穴２４を有するジャケット管２１に、コアとなる中実棒３３又はキャピラリ管及びその外周に配置したクラッドとなる両端封止されたキャピラリ管２２を最密状態に配列するコア外周のクラッドに複数の空孔を有する光ファイバ母材の製造方法において、前記正六角形穴２４に内接する内接円の外側に位置する領域にクラッドとなる中実棒４２を配置する光ファイバ母材の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ母材の製造方法に係り、特に、中実若しくは中空のコア外周のクラッドに複数の空孔を有する光ファイバ母材の製造方法に関する。

従来の光ファイバは、コアに添加物を入れることにより、クラッドとの屈折率の差をつけ、全反射によって光波をコア内に導波させる。そして、異なる光ファイバの屈折率プロファイルを用いることにより、様々な特性を持つ光ファイバが実現された。しかし、光通信ネットワーク及び光信号処理の高速化に伴って、更なる高容量な光ファイバが必要となる。そこで、光ファイバの新しい可能性を切り拓く技術として、フォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）が注目されている。

ＰＣＦとは、光ファイバの長手方向に一様な２次元周期構造をもつフォトニック結晶（ＰＣ：Photonic Crystal）がクラッドに設けられる光ファイバである。

ＰＣＦは、その導波原理の違いから分類すると、おおよそ２種類に大別される。

一つは、クラッドに相当する領域にフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：Photonic Band Gap）を空け、ブラック反射によって光波をコア内に閉じ込めるものである。もう一つは、従来の光ファイバと同様にコアとクラッドとの屈折率差を利用し、全反射によって光波をコア内に閉じ込めるものである。

従来の光ファイバが、コアに添加物を入れることにより、クラッドとの屈折率の差を付けていたのに対して、図６に示すようにＰＣＦ８１は、コア８２外周のクラッド８３に設けられた空孔８４を利用して実効屈折率を下げる方法で実現する。

また、クラッド８３の空孔８４のデザインにより、超広帯域単一モード伝送領域、広い実効コア断面積、High-Δ、大きな構造分散など、通常の光ファイバでは実現できない特性を備えている。

従来のＰＣＦ母材の製造方法には、研削法とキャピラリ法とがある。

研削法は、図７に示すようにドリル６２や超音波加工法によって、石英ロッド６３のコア８２外周に空孔８４を開けて、ＰＣＦ母材６１を製造する方法である。

キャピラリ法は、図８に示すように石英棒７１の周りに石英管によって形成されたキャピラリ管７２を数百本束ね、この束ねた石英棒７１とキャピラリ管７２とを石英ジャケット管７３に挿入し、ＰＣＦ母材７４を製造する方法である。

特開２００２−９７０３４号公報特開２００２−２７７６４９号公報

研削法は、ＰＣＦ母材６１における空孔径や空孔間のピッチをその機械加工精度で補償できるので、高精度な母材寸法仕上がりが可能であるが、研削法によって石英ロッド６３に開けることができる空孔８４の長さは実用的には１００ｍｍ程度が限界であるため、一本のＰＣＦ母材６１から製造できるＰＣＦが短くなり生産効率が悪い。

また、研削法は一箇所あたりの穴あけ加工費が安くないので、数百個の空孔を有するようなＰＣＦ母材６１を製造すると、その製造コストが高くなるという問題があった。

一方、キャピラリ法は、石英棒７１及びキャピラリ管７２を石英ジャケット管７３に挿入してＰＣＦ母材７４とする方法で、所望の数のキャピラリ管７２を準備することで数百個の空孔を有するＰＣＦ母材７４を比較的簡単にかつ安く製造することができるものである。

しかしながら、ファイバ化後の空孔の整列具合は、ＰＣＦ母材７４製造時のキャピラリ管配列精度によるところが大きく、いかに高精度にキャピラリ管を六方最密状態に配列できるかが重要なポイントになる。

通常、キャピラリ法においては、キャピラリ管の配列を保持するために石英ジャケット管７３にキャピラリ管７２を詰めながら配列する。その際、石英ジャケット管７３内管の形状が図８に示したように円であると、キャピラリ管７２の最外層部領域において六方最密構造を保ってキャピラリ管７２を配列することが困難となるので、配列が乱れたり、また最外層部領域の配列が乱れ易いために、キャピラリ管７２を石英ジャケット管７３内に隙間なく配列することも難しい。

その結果、コアとなるキャピラリ中心位置が不確定となり、中実な石英棒７１を挿入してコアとする位置がＰＣＦ母材７４（ファイバ）の中心になりにくく、ファイバ化後にコアの偏心が生じるという問題があった。

また、上記問題の対策としてあらかじめ正六角形に加工された六角内管を持ったジャケット管にキャピラリ管を挿入、配列する方法が用いられている。この方法によれば、最外層部際まで高精度にキャピラリ管を六方最密構造で配列することが可能になるので、キャピラリ管の配列の乱れやコアの偏心といった問題も解消される。

しかしながらキャピラリ法においては、以下のような問題が発生した。

それは図９に示すように、ファイバ化後のＰＣＦの空孔径、空孔形状が均一でなく、特にジャケット管六角内管の各角近傍領域の空孔１の形状の変化・乱れが顕著で、最悪の状態では空孔形状の変化がファイバ外周構造にも影響を与え、非円形状となる場合もある。その傾向は、発明者らの実験によると、ジャケット管の肉厚が薄くなると現れやすくなるので、空孔部領域が広い構造を必要とするＰＣＦにおいては、そのファイバ化後のファイバ外径形状が非円になるという問題があった。

ファイバ外径形状が非円化すると、ファイバ外径値がファイバ周方向で一定とならず、通常光ファイバの製造で多く用いられている線引き時のファイバ外径をレーザ外測器で測定し、その径変動に応じて線引きの制御を掛ける手法が使用できず、ファイバの外径及び形状を長手方向に安定化させることが困難になる。

そこで、本発明の目的は、空孔形状の乱れがなく、径方向に均一な空孔構造を有し、かつ長手方向にも構造が安定したＰＣＦの製造が可能な光ファイバ母材の製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、第１の発明は、正六角形穴を有するジャケット管に、コアとなる中実棒又はキャピラリ管及びその外周に配置したクラッドとなる両端封止されたキャピラリ管を最密状態に配列するコア外周のクラッドに複数の空孔を有する光ファイバ母材の製造方法において、前記正六角形穴に内接する内接円の外側に位置する領域にクラッドとなる中実棒を配置する光ファイバ母材の製造方法である。

第２の発明は、前記内接円で分割される内外の断面積を比較し、外側の断面積が大きいとき内接円の外側であるとして前記クラッドとなる中実棒を配置する光ファイバ母材の製造方法である。

第３の発明は、正六角形穴を有するジャケット管に、コアとなる中実棒又はキャピラリ管及びその外周に配置したクラッドとなる両端封止されたキャピラリ管を最密状態に配列するコア外周のクラッドに複数の空孔を有する光ファイバ母材の製造方法において、前記正六角形穴に内接する内接円の外側に位置する領域にクラッドとなる両端開放されたキャピラリ管を配置する光ファイバ母材の製造方法である。

第４の発明は、前記内接円で分割される内外の断面積を比較し、外側の断面積が大きいとき内接円の外側であるとして前記両端開放されたキャピラリ管を配置する光ファイバ母材の製造方法である。

本発明によれば、空孔形状の乱れがなく、径方向に均一な空孔構造を有し、かつ長手方向にも構造が安定したＰＣＦの製造が可能な光ファイバ母材の製造方法を得られる。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

コア外周のクラッドの長手方向に一様な複数の空孔を有する光ファイバ母材を製造する場合に、従来よりキャピラリ法が用いられており、このキャピラリ法による代表的な製造方法としてあらかじめ断面が正六角形に加工された六角内管を持ったジャケット管にキャピラリ管を挿入、配列する方法が用いられている。

本発明の実施の形態においては、図１に示すように、所定の正六角形穴２４を設けたジャケット管２１を形成しておき、この正六角形穴２４に複数本のキャピラリ管２２を充填しながら六方最密状態に配列し、その後このジャケット管２１の正六角形穴２４に充填されたキャピラリ管２２の内、コアとなる中心位置のキャピラリ管２２を石英などにより形成された中実棒（以下、石英棒という）３３に置き換え、また、正六角形穴２４に内接する内接円（図２の内接円３１参照）を描いたときにその内接円の外側に位置するキャピラリ管２２に替えてクラッドとなる中実棒４２を配し、光ファイバ母材とするためのＰＣＦ母材２５を形成している。

クラッドとなるキャピラリ管２２は、両端を封止して形成された管であり、例えば石英管を用いる。

ジャケット管２１は、ジャケット管２１の内管断面が正六角形に成型されて正六角形穴２４が形成され、かつこの正六角形穴２４がジャケット管２１断面の中央に位置している。

この正六角形穴２４に充填される石英棒３３及びキャピラリ管２２並びに中実棒４２の置き換えについて、図２、図３により詳細を説明する。

先ず、従来技術同様に正六角形穴２４を設けたジャケット管２１を形成しておき、この正六角形穴２４に複数本のキャピラリ管２２を充填しながら六方最密状態に配列して、配列されたキャピラリ管２２の内、コアとなる中心位置のキャピラリ管２２を石英棒３３に置き換えたＰＣＦ母材２５ａの状態を図２に示す。

図示したように、キャピラリ管２２及び石英棒３３が充填されたジャケット管２１の正六角形穴２４に内接するように、内接円３１を描く。内管をジャケット管２１の中心に正六角形穴２４により形成したことから、内接円３１の中心と正六角形穴２４の中心とは一致しており、さらにこの中心がコア中心である石英棒３３の中心位置と一致するとよい。

この内接円３１によりキャピラリ管２２が充填された正六角形穴２４は、内接円３１の円周を境にして、内接円３１の外側と内接円３１の内側とに分割される。

この正六角形穴２４の分割により、正六角形穴２４に充填されたキャピラリ管２２には、内接円３１の内側の領域に位置するキャピラリ管３２ｉがあり、内接円３１の外側の領域に位置するキャピラリ管３２ｅがあり、また内接円３１の円周上に位置するキャピラリ管３２ｍがあることが分かる。

また、内接円３１の円周上に位置するキャピラリ管３２ｍの内、内接円３１の円周によって内側と外側に分割されるキャピラリ管３２ｍの外径の円の断面積を比較し、内接円３１の外側の断面積が広いキャピラリ管３２ｗは、キャピラリ管３２ｅと同様に内接円３１の外側に位置するものと分類する。

以下、この内接円３１の外側に占める断面積が広いキャピラリ管３２ｗもこの分類にしたがいキャピラリ管３２ｅと記す。

このキャピラリ管３２ｅは、従来技術で述べたようにジャケット管２１の正六角形穴２４の各角近傍領域に位置しており、これらキャピラリ管３２ｅにより形成される空孔の形状の変化・乱れが顕著であることが分かっている。

そこで、この位置のキャピラリ管３２ｅを中実棒に替える。

図３は、図２で示したキャピラリ管３２ｅを中実棒４２に替えたことにより、石英棒３３とキャピラリ管２２（ここでは、内接円３１の内側にあるキャピラリ管３２ｉ）と中実棒４２とがジャケット管２１に六方最密充填され、ＰＣＦ母材２５を形成した状態を示す構造断面図である。

中実棒４２は、キャピラリ管２２、３２ｅと同じ外径寸法であると、キャピラリ管２２及び中実棒４２の配列精度が向上するので望ましく、ジャケット管２１と同じ材質のものを用いるとよい。

次に、図１、３で得られたＰＣＦ母材２５を通常の線引き工程でファイバ化する。この線引き工程において、中実棒４２はジャケット管２１と同一材質のためジャケット管２１と同時に溶融・軟化し、中実棒４２はジャケット管２１と一体になり、光ファイバ母材が形成される。

ジャケット管２１と一体となった中実棒４２は内接円３１の外側を占めており、中実棒４２がある部分及び中実棒４２がない部分いずれの円周方向でも、ジャケット管２１の外径と内接円３１との間でほぼ同じ距離を保っている。

これは、中実棒４２がジャケット管２１と一体になった結果、光ファイバ母材中のキャピラリ管２２を取り囲むジャケット管２１の肉厚が円周方向のいずれでも均一化されることを意味する。

このジャケット管２１の均一の肉厚のため、線引き時にＰＣＦ母材２５に加えられるヒータの加熱によって膨張しようとするキャピラリ管２２に対して、ジャケット管２１から均一な反発力（拘束力）がはたらく。この拘束力はキャピラリ管２２の膨張を抑制し、ヒータ加熱前のキャピラリ管２２の形状を保つようにはたらく。

このため、キャピラリ管２２で形成されるファイバ化時の空孔径が均一化され、その結果従来に比べて安定した形状のＰＣＦが得られる。

なお、中実棒４２の材質は、ジャケット管２１と同一である方が、融点等の熱的性質が揃い、キャピラリ管２２に対して均一な拘束力を生み易くなるので望ましい。

また、光ファイバ母材の中心を形成するコアのための石英棒３３は、中実構造のものを用いてもよいし、この代わりに中空構造のキャピラリ管を用いてもよい。

以上説明したように、本実施の形態による光ファイバ母材の製造方法によれば次の効果を得られる。

（１）ジャケット管の内管を正六角形の穴として、この正六角形穴にキャピラリ管を充填して六方最密状態にし、その後正六角形穴に内接する円の外側に位置するキャピラリ管を中実棒に替えるため、従来のように内管が円周状のジャケット管を用いた場合（図８参照）に比べて、キャピラリ管及び中実棒の充填作業時間が大幅に短縮できる。

（２）ジャケット管の正六角形穴に内接する円の外側に位置する部分にはキャピラリ管の代わりに中実棒を充填することで、中実棒とジャケット管が一体化し、ジャケット管の肉厚がいずれの方向でも均一化されるため、充填されたキャピラリ管に均一な力が加わり、キャピラリ管により得られた光ファイバ母材の空孔の形状はその長手方向、径方向共に均一で、設計どおりの形状となる。

（３）ジャケット管の肉厚が円周のいずれの方向でも均一化されるため、充填されたキャピラリ管に均一な力が加わり、従来技術で問題であった光ファイバの非円化を解消し、略円に近い外径の光ファイバを形成できる光ファイバ母材を得られる。

（４）キャピラリ管が六方最密状態に充填され、その六方最密の中心にあるキャピラリ管をコアとなる石英棒に置き換えるため、従来技術のような充填によるコアの偏心が生じにくく、コアに偏心のない光ファイバを形成できる光ファイバ母材が得られる。

（５）研削法に比して、長い空孔を有する光ファイバ母材を得られるため、生産効率が上がり、また空孔を形成するための穴あけ加工作業も不要のため安価な製造コストを実現できる。

次に、第２の実施の形態について説明する。

図４に示すように、所定の正六角形穴２４を設けたジャケット管２１を形成しておき、この正六角形穴２４に複数本の封止されたキャピラリ管２２を充填しながら六方最密状態に配列し、その後このジャケット管２１の正六角形穴２４に充填されたキャピラリ管２２の内、コアとなる中心位置のキャピラリ管２２を石英などにより形成された中実棒（以下、石英棒という）３３に置き換え、また、正六角形穴２４に内接する内接円（図５の内接円３１参照）を描いたときにその内接円の外側に位置するキャピラリ管２２に替えてクラッドとなる両端開放された（すなわち、両端を封止しない）キャピラリ管５２を配し、光ファイバ母材とするためのＰＣＦ母材４５を形成している。

この正六角形穴２４に充填される石英棒３３及びキャピラリ管２２並びにキャピラリ管５２の配列について、図２、３で説明した配列と同様とし、ジャケット管２１にクラッドとなるキャピラリ管２２及びキャピラリ管５２が充填された状態を、図５に示す。

図５は、内接円３１の外側にあるキャピラリ管２２を両端を封止していないキャピラリ管５２に替えたことにより、石英棒３３とキャピラリ管２２とキャピラリ管５２とがジャケット管２１に六方最密充填され、ＰＣＦ母材４５を形成した状態を示す構造断面図である。

次に、図５で得られたＰＣＦ母材４５を通常の線引き工程でファイバ化し、この線引き工程において、両端を封止されないキャピラリ管５２はジャケット管２１と同一材質のためジャケット管２１と同時に溶融・軟化し、キャピラリ管５２は潰れて中実棒になりながら、ジャケット管２１と一体になってキャピラリ管２２の膨張を抑制し、キャピラリ管２２の形状を保つように働き、中実棒４２を用いた際と同じ理由で線引き時にキャピラリ管５２がジャケット管２１と同化し、形状が安定した光ファイバ母材が形成される。

この光ファイバ母材も、第１の実施の形態で示した光ファイバ母材と同様の構造、効果を得られる。

本発明によるＰＣＦ母材の製造方法を示す概略図である。キャピラリ管を中実棒へ置き換える前のＰＣＦ母材を示す構造断面図である。キャピラリ管を中実棒へ置き換えた後のＰＣＦ母材を示す構造断面図である。本発明の第２の実施の形態であるＰＣＦ母材の製造方法を示す概略図である。封止したキャピラリ管を封止しないキャピラリ管へ置き換えた後のＰＣＦ母材を示す構造断面図である。従来技術のコア外周のクラッドの空孔を利用して実効屈折率を下げたＰＣＦを示す構造断面図である。従来技術である研削法によるＰＣＦ母材の製造方法を示す概略図である。従来技術であるキャピラリ法によるＰＣＦ母材の製造方法を示す概略図である。従来技術の製造方法によって形成されたＰＣＦを示す構造断面図である。

符号の説明

１空孔
２１ジャケット管
２２キャピラリ管
２４正六角形穴
２５ＰＣＦ母材
３１内接円
３２ｅキャピラリ管
３２ｉキャピラリ管
３２ｍキャピラリ管
３２ｗキャピラリ管
３３石英棒
４２中実棒
４５ＰＣＦ母材
５２キャピラリ管

Claims

正六角形穴を有するジャケット管に、コアとなる中実棒又はキャピラリ管及びその外周に配置したクラッドとなる両端封止されたキャピラリ管を最密状態に配列するコア外周のクラッドに複数の空孔を有する光ファイバ母材の製造方法において、前記正六角形穴に内接する内接円の外側に位置する領域にクラッドとなる中実棒を配置することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
前記内接円で分割される内外の断面積を比較し、外側の断面積が大きいとき内接円の外側であるとして前記クラッドとなる中実棒を配置する請求項１記載の光ファイバ母材の製造方法。
正六角形穴を有するジャケット管に、コアとなる中実棒又はキャピラリ管及びその外周に配置したクラッドとなる両端封止されたキャピラリ管を最密状態に配列するコア外周のクラッドに複数の空孔を有する光ファイバ母材の製造方法において、前記正六角形穴に内接する内接円の外側に位置する領域にクラッドとなる両端開放されたキャピラリ管を配置することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
前記内接円で分割される内外の断面積を比較し、外側の断面積が大きいとき内接円の外側であるとして前記両端開放されたキャピラリ管を配置する請求項３記載の光ファイバ母材の製造方法。