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WO2024171282A1 - 光ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

光ファイバ及びその製造方法 Download PDF

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WO2024171282A1
WO2024171282A1 PCT/JP2023/004935 JP2023004935W WO2024171282A1 WO 2024171282 A1 WO2024171282 A1 WO 2024171282A1 JP 2023004935 W JP2023004935 W JP 2023004935W WO 2024171282 A1 WO2024171282 A1 WO 2024171282A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical fiber
etching
etching amount
holes
stretching
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/004935
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
航平 大本
隆 松井
和秀 中島
Original Assignee
日本電信電話株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01—Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/012—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments

Definitions

  • This disclosure relates to optical fibers and methods for manufacturing the same.
  • Optical fibers with holes such as hole-assisted fiber (HAF) and photonic crystal fiber (PCF), as well as PANDA fiber and multicore fiber (MCF), are manufactured by forming holes in the base material of the optical fiber through a process of heating and stretching, followed by drawing.
  • a drill is used to drill holes in the base material, and during the drilling process, a non-homogeneous fracture layer containing minute cracks is formed at the base material's hole-hole interface.
  • Non-Patent Document 1 In optical fibers generally manufactured through such processes of drilling holes in a base material and stretching, transmission loss occurs due to scattering loss in the fractured layer at the hole interface, but it has been reported that etching the holes with hydrofluoric acid is effective in reducing the effect of scattering loss in the fractured layer (see Non-Patent Document 1). The relationship between the amount of etching of the holes and scattering loss due to the fractured layer at the hole interface is not clear. In addition, it is thought that the effect of reducing the fractured layer by etching the holes differs before and after the process of stretching the base material (see Non-Patent Documents 2 and 3).
  • optical fibers manufactured by drilling holes in a base material and stretching it as described above it is necessary to reduce scattering loss due to the fractured layer at the air hole interface in order to reduce transmission loss.
  • the present disclosure has been proposed in light of the above-mentioned circumstances, and aims to provide an optical fiber and a manufacturing method thereof that reduces scattering loss due to a fractured layer at the air hole interface in an optical fiber manufactured by drilling holes in a base material and stretching the optical fiber.
  • the method of manufacturing an optical fiber disclosed herein involves drilling holes in a base material to form holes extending in the axial direction, etching the holes, stretching the base material with the etched holes formed therein, and etching the holes in the base material after stretching, with the first amount of etching before stretching and the second amount of etching after stretching being controlled so as to reduce the scattering loss of light due to the interface of the holes.
  • the optical fiber disclosed herein is manufactured by stretching a base material in which axially extending holes are formed, and the first etching amount for etching the holes before the base material is stretched and the second etching amount for etching the holes after the base material is stretched are each controlled so as to reduce scattering loss due to the surface of the holes in the optical fiber.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a series of steps in a method for manufacturing an optical fiber according to the present embodiment.
  • 2 is a perspective view illustrating the manufacturing process of the optical fiber according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an optical fiber showing the amount of etching of holes.
  • FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of the fractured layer showing changes due to stretching and etching of the fractured layer of pores.
  • 1 is a cross-sectional view of an optical fiber according to an embodiment of the present invention taken along an axial direction. 2 is a radial cross-sectional view of the optical fiber of the present embodiment.
  • FIG. 1 is a radial cross-sectional view of an optical fiber used to evaluate scattering loss. 1 is a graph showing the relationship between the amount of etching before stretching and scattering loss.
  • a hole-assisted optical fiber will be described as an optical fiber manufactured through a process of drilling holes in a base material and drawing.
  • the present invention can be applied to optical fibers with holes such as photonic crystal fibers, PANDA fibers, multicore fibers (MCFs), and other optical fibers manufactured through a process of drilling holes in a base material and drawing.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a series of steps in the method for manufacturing an optical fiber according to this embodiment.
  • FIG. 2 is an overhead view illustrating the steps in the manufacturing of an optical fiber according to this embodiment.
  • the method for manufacturing an optical fiber according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • step S1 holes 23 of a predetermined diameter extending in the axial direction of the optical fiber preform 20 are formed at predetermined positions in the cladding 22 surrounding the core 21 of the optical fiber preform 20.
  • the holes 23 are formed by mechanically grinding the optical fiber preform 20 with a drill 30, and a non-uniform fractured layer 24 with large surface roughness and including cracks is formed at the interface of the holes 23.
  • the optical fiber preform 20 may be based on, for example, quartz glass.
  • step S2 the fractured layer 24 at the interface of the holes 23 in the optical fiber preform 20 formed in step S1 is etched.
  • the etching is performed by wet etching using an etching solution such as hydrofluoric acid, and the fractured layer 24 at the interface of the holes 23 in the optical fiber preform 20 is etched by a predetermined amount to reduce the thickness of the fractured layer 24.
  • the etching in step S2 is called pre-stretching etching because it is performed before the preform stretching process in the subsequent step S3.
  • the fractured layers 24 of all the holes 23 in the optical fiber preform 20 are etched in the same way, so the etching amount of the optical fiber preform 20 by the pre-stretching etching is the same for the fractured layers 24 of all the holes 23.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an optical fiber showing the amount of etching by etching of the holes 23. If the diameter of the holes 23 of the optical fiber preform 20 before etching is d and the diameter after etching is d+ ⁇ , the amount of etching is ⁇ .
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing the change due to etching and stretching of the crushed layer of the holes. The left column of FIG. 4 shows the change due to etching of the crushed layer 24 of the holes 23 before stretching. The crushed layer 24 is a heterogeneous layer having a large surface roughness and including cracks. As the etching proceeds from FIG. 4(a) to FIG.
  • the first etching amount by the pre-stretching etching is referred to as the pre-stretching etching amount r a .
  • the pre-stretching etching amount r a is set to an appropriate range based on the formula (1) described later.
  • step S3 the optical fiber preform 20 that was subjected to pre-stretching etching in step S2 is stretched, and the optical fiber preform 20 is processed into the optical fiber 10.
  • the optical fiber preform 20 is heated and stretched, and processed into the optical fiber 10 having an appropriate outer diameter and length.
  • the core 21, cladding 22, air holes 23, and crushed layer 24 of the optical fiber preform 20 correspond to the core 11, cladding 12, air holes 13, and crushed layer 14 of the optical fiber 10 after the stretching process, respectively.
  • step S4 the fractured layers 14 at the interfaces of the holes 13 of the optical fiber 10 formed by stretching the optical fiber preform 20 in step S3 are etched.
  • the etching in step S4 is called post-stretching etching because it is performed after the stretching process in step S3.
  • the post-stretching etching is performed by wet etching using an etching solution such as hydrofluoric acid, and the fractured layers 14 at the interfaces of the holes 13 of the optical fiber 10 are etched by a predetermined amount.
  • the fractured layers 14 of all the holes 13 of the optical fiber 10 are etched in the same way, so the amount of etching of the optical fiber 10 by the pre-stretching etching is the same for the fractured layers 14 of all the holes 13.
  • the amount of etching is ⁇ .
  • the crushed layer 24 in the hole 23 of the optical fiber preform 20 before stretching shown in Fig. 4(a) is changed to the crushed layer 14 in the hole 13 of the optical fiber 10 in Fig. 4(d) by the stretching process of step S3. It is observed that the thickness of the crushed layer 14 in the optical fiber 10 corresponding to the crushed layer 24 in the optical fiber preform 20 is reduced by the stretching process, and the surface roughness is also reduced.
  • the second etching amount by the post-extension etching will be referred to as a post-extension etching amount r b .
  • the post-extension etching amount r b is set to an appropriate range together with the pre-extension etching amount r a based on the formula (1) described later.
  • step S5 the drawing process is performed.
  • step S8 the optical fiber that has been stretched and etched is drawn, coated with a protective resin, and wound onto a bobbin to produce an optical fiber strand.
  • FIG. 5 is a radial cross-sectional view of the optical fiber 10 of this embodiment.
  • FIG. 6 is an axial cross-sectional view of the optical fiber 10 of this embodiment.
  • the optical fiber 10 of this embodiment is manufactured by the series of steps shown in FIG. 1 above.
  • the optical fiber 10 has a core 11 and a cladding 12 surrounding the core 11, and the cladding 12 has holes 13 extending in the axial direction formed in a predetermined arrangement. Note that FIGS. 5 and 6 do not show the protective resin coating formed on the optical fiber 10 in the drawing process of step S5.
  • FIG. 6 the distribution of the electric field strength caused by light propagating through the core 11 of the optical fiber 10 is also shown in the axial cross section of the optical fiber 10.
  • the electric field strength shown by the curve 30 is maximum in the core 11, but spreads to the cladding 12 surrounding the core 11 and reaches the fracture layer 14 at the interface of the air hole 13. Since the fracture layer 14 is heterogeneous, including large surface roughness and cracks, scattering loss occurs when the electric field of the light propagating through the optical fiber 10 is superimposed on the fracture layer 14 (see Non-Patent Document 1).
  • the scattering loss ⁇ h due to the crushed layer 14 at the interface of the hole 13 of the optical fiber 10 is given as a function ⁇ h (r a , r b ) of the etching amount before elongation r a and the etching amount after elongation r b by the cubic function described in the following formula (1).
  • the scattering loss ⁇ h (r a , r b ) is given as a cubic function of two variables, the etching amount before elongation r a and the etching amount after elongation r b .
  • the unit of the scattering loss ⁇ h is dB/km
  • the unit of the etching amount before elongation r a and the etching amount after elongation r b are ⁇ m. The derivation of formula (1) will be described later.
  • the pre-elongation etching amount ra and the post-elongation etching amount rb are controlled so that the scattering loss ⁇ h (ra, rb) is equal to or less than a desired value based on the formula (1).
  • the pre-elongation etching amount ra and the post-elongation etching amount rb may be controlled so that the scattering loss ⁇ h is equal to or less than 0.01 dB/km.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view in the radial direction of the optical fiber 10 used for evaluating the scattering loss ⁇ h .
  • the optical fiber 10 used for evaluating the scattering loss ⁇ h has a core 11 diameter 2a of 8.3 ⁇ m, a relative refractive index difference ⁇ of 0.35%, a radius R in of the inscribed circle of the hole 13 of 8 ⁇ m, and a diameter d of the hole 13 of 5 ⁇ m.
  • the structure of the optical fiber 10 for evaluation is merely an example for easily evaluating the scattering loss ⁇ h , and the effect of the scattering loss ⁇ h on the etching amount of the hole 13 is relatively the same even in other optical fibers 10 involving drilling of the optical fiber preform 20. Therefore, the formula (1) is applicable to other optical fibers 10 involving drilling of the optical fiber preform 20.
  • Such an optical fiber 10 was produced according to the series of steps shown in Fig. 1.
  • An optical fiber preform 20 for a single mode fiber with an outer diameter of 80 mm was subjected to a drilling process in step S1, and in the preform elongation process in step S3, the drilled optical fiber preform 20 was elongated to an outer diameter of 26 mm, and further drawn to produce a hole-assisted optical fiber (HAF) with a length of 1 km.
  • HAF hole-assisted optical fiber
  • the pre-elongation etching amount r a was changed in five levels from 0.0 mm to 0.4 mm at 0.1 mm intervals.
  • the post-elongation etching amount r b was changed in four levels from 0.0 mm to 0.3 mm at 0.1 mm intervals.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the amount of etching before elongation r a and the scattering loss ⁇ h .
  • This graph shows the results of evaluating the scattering loss ⁇ h using a bidirectional OTDT (optical time domain reflectometer) method with a measurement wavelength ⁇ of 1.55 ⁇ m and a pulse width of 50 nm for the optical fiber 10 produced as described above.
  • the horizontal axis in the figure is the amount of etching before elongation r a
  • the vertical axis of the scattering loss a h is a value normalized by the loss value of a reference optical fiber without holes.
  • the plots of circle ⁇ , triangle ⁇ , cross ⁇ , and square ⁇ in the figure represent the results when the amount of etching after elongation r b is 0.0 ⁇ m, 0.1 ⁇ m, 0.2 ⁇ m, and 0.3 ⁇ m, respectively.
  • the error bars indicate the maximum and minimum values of the measurement deviation.
  • the scattering loss ⁇ h can be approximated by a cubic function for the etching amount before elongation ra
  • the scattering loss ⁇ h can be approximated by equations (2) to (5) as a function ⁇ h ( ra , rb ) of the etching amount before elongation ra and the etching amount after elongation rb .
  • the calculation results of equations (2) to (5) are shown by dashed lines in Fig. 8.
  • the coefficient of determination R2 of equations (2) to (5) is 0.821 or more, and it can be seen that the measured values can be roughly approximated by a cubic function.
  • the scattering loss due to the crushed layer 14 of the hole 13 in the optical fiber 10 can be reduced based on the pre-elongation etching amount r a and the post-elongation etching amount r b by a cubic function such as equation (1), and the transmission loss of the optical fiber 10 can be reduced.

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Abstract

光ファイバの製造方法は、母材２０を穿孔して軸方向に延びる空孔２３を形成し、空孔２３をエッチングし、エッチングされた空孔２３が形成された２０母材を延伸し、延伸後の母材１０の空孔１３をエッチングし、延伸前の延伸前エッチング量ｒａと、延伸後の延伸後エッチング量ｒｂとは、空孔１３の界面による光の散乱損失が低減するように制御され、散乱損失は、延伸前エッチング量ｒａ及び延伸後エッチング量ｒｂを変数とした３次関数によって近似的に与えられ、延伸前エッチング量ｒａ及び延伸後エッチング量ｒｂは３次関数に基づいて制御される。

Description

光ファイバ及びその製造方法
　本開示は、光ファイバ及びその製造方法に関する。
　空孔アシスト光ファイバ（hole-assisted fiber：ＨＡＦ）やフォトニック結晶ファイバ（photonic crystal fiber：ＰＣＦ）等の空孔付き光ファイバや、ＰＡＮＤＡファイバ、マルチコアファイバ（multicore fiber：ＭＣＦ）などは、光ファイバの母材に穿孔により空孔を形成し、加熱して延伸し、さらに線引きする工程を経て製造されている。母材の穿孔加工にはドリルが用いられ、穿孔の際に母材の空孔界面に微小なクラック等を含む不均質な破砕層が形成される。
　このような母材への穿孔加工及び延伸の工程を経て作製される光ファイバ全般において、空孔界面の破砕層での散乱損失による伝送損失が発生するが、破砕層における散乱損失の影響を低減するためにはフッ酸により空孔のエッチングが有効であることが報告されている（非特許文献１を参照）。空孔のエッチング量と空孔界面の破砕層による散乱損失との関係は明らかでない。また、空孔をエッチングすることにより破砕層を低減する効果は、母材を延伸する工程の前後で異なると考えられる（非特許文献２，３を参照）。
L. Ma et al., "Design and Fabrication of Low Loss Hole-Assisted Few-Mode Fibers With Consideration of Surface Imperfection of Air Holes," J. Lightwave Technol., vol. 34, no. 22, pp. 5164-5169, (2016) L. Wong, et al., "The effect of HF/NH4F etching on the morphology of surface fracture on fused silica," J. Non-Crystalline Solids, vol. 355, no. 13, pp. 797-810, (2009) 関口ほか，"ガラス研削加工におけるサブサーフェスダメージのエッチング評価法，"2015年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, M44, pp. 829-830, (2015)
　上述のような母材への穿孔及び延伸を経て製造される光ファイバにおいては、伝送損失を低減するために、空孔界面の破砕層による散乱損失を低減することが求められている。
　本開示は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、母材への穿孔加工及び延伸を経て製造される光ファイバにおいて、空孔界面の破砕層による散乱損失を低減するような光ファイバ及びその製造方法を提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するために、本開示の光ファイバの製造方法は、母材を穿孔して軸方向に延びる空孔を形成し、空孔をエッチングし、エッチングされた空孔が形成された母材を延伸し、延伸後の母材の空孔をエッチングし、延伸前の第１エッチング量と、延伸後の第２エッチング量とは、空孔の界面による光の散乱損失が低減するように制御されたものである。
　本開示の光ファイバは、軸方向に延びる空孔が形成された母材が延伸されて製造されたものであって、母材を延伸する前の空孔をエッチングする第１エッチング量と、母材を延伸した後の空孔をエッチングする第２エッチング量とが、それぞれ光ファイバの空孔の表面による散乱損失を低減するように制御されたものである。
　本開示によると、光ファイバの空孔界面の破砕層による散乱損失を低減するようにすることができる。
本実施の形態の光ファイバの製造方法の一連の工程を示すフローチャートである。 本実施の形態の光ファイバの製造工程を説明する俯瞰図である。 空孔のエッチングによるエッチング量を示す光ファイバの断面図である。 空孔の破砕層の延伸及びエッチングによる変化を示す破砕層の拡大断面図である。 本実施の形態の光ファイバの軸方向の断面図である。 本実施の形態の光ファイバの径方向の断面図である。 散乱損失の評価に用いる光ファイバの径方向の断面図である。 延伸前のエッチング量と散乱損失との関係を示すグラフである。
　以下、本開示の光ファイバ及びその製造方法の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、母材への穿孔加工及び延伸工程を経て製造される光ファイバとして空孔アシスト光ファイバ（hole-assisted fiber：ＨＡＦ）について説明するが、フォトニック結晶ファイバ等の空孔付き光ファイバや、ＰＡＮＤＡファイバ、マルチコアファイバ（multicore fiber：ＭＣＦ）など母材への穿孔加工の及び延伸の工程を経て作製される光ファイバ全般に適用することができる。
　なお、本開示は、以下に示す実施の形態に限定されるものではない。これらの実施の形態は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
　図１は、本実施の形態の光ファイバの製造方法の一連の工程を示すフローチャートである。図２は、本実施の形態の光ファイバの製造工程を説明する俯瞰図である。図１及び図２を参照して、本実施の形態の光ファイバの製造方法を説明する。ステップＳ１では、光ファイバ母材２０のコア２１を取り囲むクラッド２２の所定の位置に、光ファイバ母材２０の軸方向に延びる所定の径の空孔２３を形成する。空孔２３は、光ファイバ母材２０をドリル３０により機械的に研削して形成され、空孔２３の界面に表面粗さが大きく、亀裂を含むような不均質な破砕層２４が形成される。光ファイバ母材２０は、例えば石英ガラスをベースとするものであってもよい。
　ステップＳ２では、ステップＳ１で形成された光ファイバ母材２０の空孔２３の界面の破砕層２４をエッチングする。エッチングは、エッチング液にフッ酸などを用いたウェットエッチングによって行われ、光ファイバ母材２０の空孔２３の界面の破砕層２４は所定のエッチング量だけエッチングされて破砕層２４の厚さが低減される。ステップＳ２のエッチングは、後段のステップＳ３の母材延伸処理の前に行われるため、延伸前エッチングと称される。光ファイバ母材２０のすべての空孔２３の破砕層２４には同様のエッチングが施されるので、延伸前エッチングによる光ファイバ母材２０のエッチング量はすべての空孔２３の破砕層２４で同じである。
　図３は、空孔２３のエッチングによるエッチング量を示す光ファイバの断面図である。光ファイバ母材２０の空孔２３のエッチング前の径をｄ、エッチング後の径をｄ＋Δとすると、エッチング量はΔとなる。図４は、空孔の破砕層のエッチング及び延伸による変化を示す拡大断面図である。図４中の左列の図４（ａ）から図４（ｃ）が延伸前の空孔２３の破砕層２４のエッチングによる変化を示している。破砕層２４は、大きな表面粗さを有し、亀裂も含む不均質な層である。図４（ａ）から図３（ｃ）に向かってエッチングが進んでエッチング量が大きくなるに伴い、破砕層２４の厚さが次第に低減し、表面粗さも次第に小さくなっていることが観察される。以下では、延伸前エッチングによる第１エッチング量を延伸前エッチング量ｒａと称することにする。本実施の形態では、延伸前エッチング量ｒａは、後述する式（１）に基づいて適切な範囲に設定されている。
　ステップＳ３においては、ステップＳ２で延伸前エッチングが施された光ファイバ母材２０に延伸処理が施され、光ファイバ母材２０は光ファイバ１０に加工される。延伸処理では、光ファイバ母材２０は加熱して引き延ばされ、適切な外径及び長さを有する光ファイバ１０に加工される。光ファイバ母材２０のコア２１、クラッド２２、空孔２３及び破砕層２４は、延伸処理後の光ファイバ１０のコア１１、クラッド１２、空孔１３及び破砕層１４にそれぞれ対応している。
　ステップＳ４では、ステップＳ３で光ファイバ母材２０が延伸されて形成された光ファイバ１０の空孔１３の界面の破砕層１４をエッチングする。ステップＳ４のエッチングは、ステップＳ３の延伸処理の後で行われるため、延伸後エッチングと称される。延伸後エッチングも、延伸前エッチングと同様に、エッチング液にフッ酸などを用いたウェットエッチングによって行われ、光ファイバ１０の空孔１３の界面の破砕層１４は所定のエッチング量だけエッチングされる。光ファイバ１０のすべての空孔１３の破砕層１４には同様のエッチングが施されるので、延伸前エッチングによる光ファイバ１０のエッチング量はすべての空孔１３の破砕層１４で同じである。
　図３を参照すると、延伸後エッチングにおいても、延伸前エッチングと同様に、光ファイバ１０の空孔１３のエッチング前の径をｄ、エッチング後の径をｄ＋Δとすると、エッチング量はΔとなる。図４を参照すると、図４（ａ）に示す延伸前の光ファイバ母材２０の空孔２３における破砕層２４がステップＳ３の延伸処理により図４（ｄ）の光ファイバ１０の空孔１３における破砕層１４に変化している。延伸処理により、光ファイバ母材２０における破砕層２４に対応する光ファイバ１０における破砕層１４の厚さは低減し、表面粗さも小さくなっていることが観察される。図４の右列の図４（ｄ）から図４（ｆ）が延伸後の空孔１３の破砕層１４のエッチングによる変化を示している。図４（ｄ）から図４（ｆ）に向かってエッチングが進んでエッチング量が大きくなるに伴い、破砕層１４の厚さは次第に低減し、表面粗さも次第に小さくなっていることが観察される。以下では、延伸後エッチングによる第２エッチング量を延伸後エッチング量ｒｂと称することにする。本実施の形態では、延伸後エッチング量ｒｂは、延伸前エッチング量ｒａとともに後述する式（１）に基づいて適切な範囲に設定されている。
　ステップＳ５では、線引き作業を行う。ステップＳ８で延伸後エッチングを施した光ファイバを線引きして保護樹脂で被覆し、ボビンに巻き取り、光ファイバ素線とする。
　図５は、本実施の形態の光ファイバ１０の径方向の断面図である。図６は、本実施の形態の光ファイバ１０の軸方向の断面図である。本実施の形態の光ファイバ１０は、上述した図１の一連の工程によって製造されたものである。光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１を取り囲むクラッド１２とを有し、クラッド１２には軸方向に延びる空孔１３が所定の配置で形成されている。なお、図５及び図６においては、ステップＳ５の線引き工程において光ファイバ１０に形成された保護樹脂の被覆は図示していない。
　図６には、光ファイバ１０の軸方向の断面図に光ファイバ１０のコア１１を伝搬する光による電界の強度の分布も併せて示されている。曲線３０で示す電界の強度はコア１１で最大であるが、コア１１の周囲のクラッド１２にも広がり空孔１３の界面の破砕層１４にも達している。破砕層１４は大きな表面粗さや亀裂を含み不均質であるため、光ファイバ１０を伝搬する光の電界が破砕層１４に重畳することより散乱損失が発生する（非特許文献１を参照）。このように、空孔アシスト光ファイバ（ＨＡＦ）ではコア１１の電界の破砕層１４への重畳というメカニズムが明らかであるため、伝搬する光が集中するコアが存在しないフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）と比べると、散乱損失の原因となる電界分布と空孔１３の破砕層１４との関係を比較的制御しやすいと考えられる。
　本実施の形態では、光ファイバ１０の空孔１３の界面の破砕層１４による散乱損失αｈは次の式（１）に記載された３次関数により延伸前エッチング量ｒａ及び延伸後エッチング量ｒｂの関数αｈ（ｒａ，ｒｂ）として与えられることを想定している。式（１）において、散乱損失αｈ（ｒａ，ｒｂ）は、延伸前エッチング量ｒａ及び延伸後エッチング量ｒｂという２変数についての３次関数として与えられている。式（１）において散乱損失αｈの単位はｄＢ／ｋｍ、延伸前エッチング量ｒａ及び延伸後エッチング量ｒｂの単位はμｍである。なお、式（１）の導出については後述する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　本実施の形態では、数（１）に基づいて散乱損失αｈ（ｒａ，ｒｂ）が所望値より以下になるように、延伸前エッチング量ｒａ及び延伸後エッチング量ｒｂが制御されている。例えば、散乱損失αｈが０．０１ｄＢ／ｋｍ以下になるように、延伸前エッチング量ｒａ及び延伸後エッチング量ｒｂを制御してもよい。
　ここで、散乱損失αｈを延伸前エッチング量ｒａ及び延伸後エッチング量ｒｂの関数αｈ（ｒａ，ｒｂ）として与える式（１）について説明する。図７は、散乱損失αｈの評価に用いる光ファイバ１０の径方向の断面図である。散乱損失αｈの評価に用いる光ファイバ１０は、一例として、コア１１の径２ａを８．３μｍ、比屈折率差Δを０．３５％、空孔１３の内接円の半径Ｒｉｎを８μｍｍ、空孔１３の径ｄを５μｍに設定した。評価用の光ファイバ１０の構造は、あくまで散乱損失αｈを簡易に評価するための一例であり、光ファイバ母材２０への穿孔加工を伴う他の光ファイバ１０でも空孔１３のエッチング量に対する散乱損失αｈの効果は相対的に同等である。そのため、式（１）は光ファイバ母材２０への穿孔加工を伴う他の光ファイバ１０に適応可能である。
　このような光ファイバ１０を図１に示した一連の工程にしたがい作製した。外径８０ｍｍのシングルモードファイバ用の光ファイバ母材２０にステップＳ１の穿孔加工を施し、ステップＳ３の母材延伸処理では穿孔加工した光ファイバ母材２０を外径２６ｍｍに延伸し、さらに線引きして長さ１ｋｍの空孔アシスト光ファイバ（ＨＡＦ）を作製した。ステップＳ２の延伸前エッチングでは延伸前エッチング量ｒａを０．０ｍｍから０．４ｍｍまで０．１ｍｍ間隔の５水準で変化させた。また、ステップＳ４の延伸後エッチングでは延伸後エッチング量ｒｂを０．０ｍｍから０．３ｍｍまで０．１ｍｍ間隔の４水準で変化させた。
　図８は、延伸前エッチング量ｒａと散乱損失αｈとの関係を示すグラフである。このグラフは、上述のように作製した光ファイバ１０について測定波長λを１．５５μｍ、パルス幅５０ｎｍとして双方向ＯＴＤＴ（optical time domain reflectometer）法を用いて散乱損失αｈを評価した結果を示すものである。図中の横軸は延伸前エッチング量ｒａであり、縦軸の散乱損失ａｈは空孔のない参照光ファイバの損失値で規格化した値である。図中の丸〇、三角△、クロス×、及び四角□のプロットは、延伸後のエッチング量ｒｂを、それぞれ０．０μｍ、０．１μｍ、０．２μｍ、及び０．３μｍとしたときの結果を表している。また、エラーバーは測定偏差の最大値及び最小値を示している。
　図８を参照すると、丸〇プロットで示す延伸後にエッチングを行わない場合、すなわち延伸後エッチング量ｒｂが０．０ｍｍの場合、延伸前エッチング量ｒａが０．１ｍｍで全サンプル中最大の０．８ｄＢ／ｋｍの散乱損失αｈが観測された。延伸前エッチング量ｒａを増やすと、散乱損失αｈは減少傾向になることが分かる。一方、延伸前エッチングを行わない場合、すなわち延伸前エッチング量ｒａが０．０ｍｍの場合、延伸後エッチング量ｒｂに対する散乱損失αｈの推移に着目すると、延伸前エッチング量ｒａが０．２ｍｍまでは散乱損失αｈが減少傾向にあるもの、延伸後エッチング量ｒｂが０．３ｍｍでは初期状態を上回る散乱損失αｈが生じていることが確認できる。また、延伸前エッチング量ｒａが０．３ｍｍ以上の領域では、すべてのサンプルで散乱損失αｈの劣化傾向が認められた。
　ここで、散乱損失αｈが延伸前エッチング量ｒａについて３次関数で近似できると仮定すると、図８のデータに基づいて、散乱損失αｈは延伸前エッチング量ｒａ及び延伸後エッチング量ｒｂの関数αｈ（ｒａ，ｒｂ）として式（２）から（５）によって近似することができる。図８中には、式（２）から（５）の計算結果を破線で示す。式（２）から（５）の決定係数Ｒ２は０．８２１以上であり，測定値は３次関数で概ね近似できていることがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　さらに、式（２）から（５）の３次関数の係数が延伸後エッチング量ｒｂついても３次関数で近似できると仮定すると、散乱損失，αｈ（ｒａ，ｒｂ）は式（６）によって近似することができる。この式（６）は、前記の式（１）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　本実施の形態によると、空孔アシスト光ファイバ（ＨＡＦ）のような穿孔加工を伴う光ファイバ１０においても、式（１）のような３次関数によって延伸前エッチング量ｒａ及び延伸後エッチング量ｒｂに基づいて光ファイバ１０の空孔１３の破砕層１４による散乱損失を低減することができ、光ファイバ１０の伝送損失を低減することができる。
　１０　光ファイバ
　１３　空孔
　１４　破砕層
　２０　光ファイバ母材
　２３　空孔
　２４　破砕層

Claims (8)

  1. 　光ファイバの製造方法であって、
    　母材を穿孔して軸方向に延びる空孔を形成し、
    　前記空孔をエッチングし、
    　エッチングされた空孔が形成された母材を延伸し、
    　前記延伸後の母材の空孔をエッチングし、
    　延伸前の第１エッチング量と、延伸後の第２エッチング量とは、空孔の界面による光の散乱損失が低減するように制御された光ファイバの製造方法。
  2. 　前記散乱損失は、前記第１エッチング量及び前記第２エッチング量を変数とした３次関数によって近似的に与えられ、前記第１エッチング量及び前記第２エッチング量は前記３次関数に基づいて制御される請求項１に記載の光ファイバの製造方法。
  3. 　前記散乱損失αｈｄＢ／ｋｍは、前記第１エッチング量ｒａμｍ及び前記第２エッチング量ｒｂμｍについて、次の３次関数（１）
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     によって近似的に与えられる請求項２に記載の光ファイバの製造方法。
  4. 　前記第１エッチング量ｒａｋｍ及び第２エッチング量ｒｂｋｍは、前記３次関数（１）によって与えられる散乱損失αｈｄＢ／ｋｍが０．０１ｄＢ／ｋｍ以下になるように制御される請求項３に記載の光ファイバの製造方法。
  5. 　前記光ファイバは、空孔アシスト光ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、ＰＡＮＤＡファイバ及びマルチコアファイバのいずれか一つである請求項１から４のいずれか一項に記載の光ファイバの製造方法。
  6. 　軸方向に延びる空孔が形成された母材が延伸されて製造された光ファイバであって、
    　母材を延伸する前の空孔をエッチングする第１エッチング量と、前記母材を延伸した後の空孔をエッチングする第２エッチング量とが、それぞれ光ファイバの空孔の表面による散乱損失を低減するように制御された光ファイバ。
  7. 　前記散乱損失αｈｄＢ／ｋｍは、前記第１エッチング量ｒａμｍ及び前記第２エッチング量ｒｂμｍについて、次の３次関数（２）
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     によって近似的に与えられ、前記第１エッチング量ｒａｋｍ及び前記第２エッチング量ｒｂｋｍは、前記３次関数（２）で与えられる前記散乱損失αｈｄＢ／ｋｍに基づいて制御された請求項６に記載の光ファイバ。
  8. 　前記第１エッチング量ｒａｋｍ及び前記第２エッチング量ｒｂｋｍは、前記３次関数（２）によって与えられる散乱損失αｈが０．０１ｄＢ／ｋｍ以下になるように制御された請求項７に記載の光ファイバ。
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