(57)【要約】【課題】  従来の空気クラッド光ファイバはコアを空中で支えるためにコア支持体がコアに接触してコアと保護管の間に挿入されていた。このため、接触箇所で光が漏れ光ファイバ伝送特性を低下させる問題があった。また、光ファイバ両端部は外界に対して開放されているため空気クラッドされたコア部分にゴミ、埃、研磨材、水などが浸入し伝送特性や信頼性を悪化させる問題があった。【解決手段】  コアの形状を光ファイバ両端部でコアサイズが大きくなるように円錐形にして両端部でのみ保護管に接触させ保護管と一体化させることによりコアを何等の支持体無し空中に保持させ、しかも両端部は閉じられて、空気クラッドされたコア部分が外界に直接接触しないようにした。【選択図】図10
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明体のコア部分と空気をクラッド部とする空気クラッド光ファイバにおいて、前記コア部分は、前記コアの長手方向の大部分において前記コア外周部と接触していない保護管で覆われており、前記コア部分の両先端部は光ファイバの長手方向外側に向けてコア形状が拡大しており、前記コアは前記両最先端部分でのみ前記保護管と接して一体化されており、少なくとも前記コアが前記保護管と接して一体化されている部分のコアの断面形状が円形であることを特徴とする空気クラッド光ファイバおよびその製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のコアの断面形状は、コアが前記保護管と接しない箇所では多角形をしていることを特徴とする空気クラッド光ファイバおよびその製造方法。
【請求項３】
請求項2に記載の多角形は四角形であることを特徴とする空気クラッド光ファイバおよびその製造方法。
【請求項４】
請求項1に記載の空気クラッド光ファイバを作製するに際して使用するコア用母材は柱状であり、前記コア用母材の外周部は直径が大の箇所と小の箇所が交互に形成されており、前記コア用母材を保護管に挿入したものを線引きして光ファイバを得ることを特徴とする空気クラッド光ファイバおよびその製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空気をクラッドとする光ファイバに関するものであり、紫外から赤外波長域の光を低損失に伝送可能で、信頼性に優れた光ファイバを提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバの材料としては通信用途には石英ガラス、それ以外の用途には石英ガラスのみでなく多成分ガラスやプラスティックが使用される。いずれのばあいにおいても従来の光ファイバは屈折率が高いコアとなる物質の周りをそれよりも屈折率が低いクラッドとなる物質で囲んだ構造になっている。特に石英ガラスからなる光ファイバではコアとクラッドの材料や形状により概略以下のように分類できる。
【０００３】
（１）ドープト石英光ファイバ
コア部分に、クラッド部分よりも屈折率を高くする物質であるGeO2、P2O5、TiO2などを1〜20wt%程度少量添加し、光がコア中を伝播できるようにしたもの。ドープト石英光ファイバの断面模式図を図1に示す。図2はドープト石英光ファイバの屈折率分布を示す。１はドープト石英コア、２は石英クラッドである。
【０００４】
（２）フッ素クラッド光ファイバ
コア部分には石英ガラスそのものを用い、クラッド部分にフッ素、B2O5などを添加してクラッド部分の屈折率を低下させて、光がコア中を伝播できるようにしたもの。フッ素クラッド光ファイバの断面模式図を図３に示す。図4はフッ素クラッド光ファイバの屈折率分布を示す。３はフッ素クラッド用石英コア、４はフッ素クラッドである。
【０００５】
（３）空気クラッド光ファイバ
コア部分にガラスなどの透明体を用い、クラッド部分は空気とし、その空気クラッドを取囲むように保護管で保護したものである。コアと保護管の間にコアを空中で支持するための支持体を挿入する場合もある。空気クラッド光ファイバの斜視図を図５に示す。図6は空気クラッド光ファイバの屈折率分布を示す。５はコア、6は保護管、7は空気である。
【０００６】
これらの光ファイバは光通信に使用される場合が最もよく知られている。しかし光通信以外にも、3次元物体検査用の照明、半導体プロセス中でのクリーンな照明、紫外線照射用、医療用の照明、あるいはレーザ加工機での光分配用、など多くの産業分野でも使用されている。
【０００７】
光通信では光信号を可能な限り歪なく数kmから数10kmの遠方まで送ることに主眼が置かれる。光通信以外の用途では出射光の明るさや光強度が問題となるため、高強度の光をどれだけ高いエネルギのまま伝えられるかが重要となる。また、光エネルギ伝送用の光ファイバは通常その単長は短く、数10cmから数10m程度である。
【０００８】
光通信用の光ファイバについてはこれまで多くの改良が加えられ既に実用的には問題なく使用されている。一方、光をエネルギとして伝播させるための光ファイバについては未だ以下に述べるような問題があった。
【０００９】
まず（１）の種類の光ファイバでは、1のドープト石英コア部分に石英ガラス以外の元素が含有されているため、Si−O−Siの正規の結合以外に、例えばＳｉ−Ｏ−Ｇｅなどの結合箇所があり、Ｇｅと酸素の結合が高エネルギの光または紫外光によって切断されることによってカラーセンタが形成され、このカラーセンタによって透過光が吸収されるために伝送特性が劣化する。
【００１０】
また、コアに添加するGeO2などの量には上限がありコアとクラッドの屈折率差は通常2%〜3%程度までである。従ってコアの屈折率を高くするにも上限が存在し、このためコアとクラッドとの屈折率差で決定される光ファイバの開口数NAは0.35程度に留まり、光の入射効率が悪くなる欠点があった。これは、可能な限り多くの光を光ファイバ中に入射させ伝播させることが必要な照明用や高エネルギ伝送用光ファイバにとって好ましくない事項である。
【００１１】
さらにＧｅなどの元素は中心部に集中しやすく周辺部は屈折率が低くなり完全な階段状の屈折率分布を持たせることは難しい。このため、光ファイバ中のエネルギはドープト石英コアの中でも特に中心部に集中しやすくその箇所で非線形効果が発生しそのことによって伝送損失が劣化し、効率良く光を伝えることも難しい状況であった。
【００１２】
（１）の種類の光ファイバの欠点を補うものとして（２）の種類の光ファイバがある。（２）の種類の光ファイバはコア部分には別の元素を添加する必要がないため、（１）の種類の光ファイバとは違って高エネルギの光によってカラーセンタが生じることはない。しかしながら、フッ素などでクラッドの屈折率を下げたとしてもGeO2の含有量に限界があるのと同じようにクラッドガラスへのフッ素含有量にも限界があり、やはりコアとクラッドの屈折率差比は通常2.7%以下であり、NAは０．２６以下に留まる。
【００１３】
また、クラッドにフッ素を含有させるためにはプラズマCVD法等の製造方法によらなければならず、製造技術は高度で製造装置も高価であり、また母材は特殊であるためこの種光ファイバを経済的に入手し使用することは極めて困難であった。
【００１４】
純粋石英ガラスをコア材としながらもNAが大きく、経済的な光ファイバとして（３）の種類の空気クラッド光ファイバがある。石英ガラスの屈折率はn1=1.45847（波長587.6nm）である。石英ガラスの屈折率はガラスの中では最も低く、これよりも低いガラスでクラッドを形成することは、フッ素、ボロン含有ガラスなどを除けば一般には困難である。
【００１５】
一方空気の屈折率は真空の屈折率に近くn2=1.00029（0℃、1気圧）であり石英ガラスよりは大幅に低い。従って石英ガラスをコアだけに使用し空気の層をクラッドとすれば原理的には高NAの光ファイバ構造を作ることができる。この場合コアとクラッドの屈折率差比Δは、Δ＝(n1-n2)/n1＝46%になる。通常の光通信などで使用される光ファイバのΔは、Δ＝0.2%〜1%、それ以外の用途の光ファイバにおいてもΔは10%以下である。
【００１６】
Δが46%の場合、光ファイバの受光角2θmax は、2θmax ＞180になり、実際には光ファイバ端面に向かう全ての方向の光を入射させ伝播させることが可能となる。通常の光ファイバにおける受光角が、2θmax＝16度〜30度程度であるのに対して極めて大きい。これは、光のエネルギをできるだけ多く伝播させる用途には極めて有利なことである。
【００１７】
単に石英ガラスを細い繊維状にしたものも空気クラッドファイバの一種と言えるが、この構造ではコアが直接外界に接しているため、コア部表面に僅かな水滴やゴミ、傷がついただけでも光がコアから漏れてしまい、コア中を伝播しなくなる。または特に高エネルギ光ではその箇所で破壊が生じる場合もある。従ってこの種光ファイバでは、通常は空気をクラッドとしながらもコアが可能な限り直接外界と接触しない光ファイバ構造とするのが一般的である。
【００１８】
このために特許文献１及び図７に示すようにコア5の外側を保護管6で覆い、保護管がコアとできるだけ接触しないように光ファイバ長手方向の3箇所に支持体8を入れて空気のクラッド7を形成する方法がある。この場合、空気クラッドを形成することはできるが、支持体8がコア5に長手方向で接触しているため接触箇所で光が散乱したり、コア5から支持体8側に光が漏れ出し伝送特性が低下する欠点がある。
【００１９】
またこの構造では、光ファイバ両端部が支持体によって外界に開かれた構造にならざるを得ず、その隙間からゴミやホコリが進入しこの点でも伝送特性を劣化させる欠点があった。さらに端面を研磨した場合には研磨材や水が端面の開放部を通じて空気クラッド部分に浸入し伝送特性を極端に悪くするなどの欠点もあった。
【００２０】
別の特許文献２では図８に示すようにコアを四角形状にしてその四角形に外接する内径を有す保護管を用いて四角形コアの4隅を保護管に接触させ支持体を用いなくても空気層を形成する方法もある。ここで9は四角形コアである。しかし、この方法においても4隅ではあるが四角形コア9は長手方向には空気クラッドではない保護管6に線状に接触しており伝送特性の低下を招く事態は図７の場合と同様である。また同じく光ファイバの両端面は外界に開放されており、ゴミなどの侵入はもとより研磨することもできない。特に高エネルギ伝送用光ファイバは端面が完全に鏡面に研磨でなければ端面での破壊現象が生じ、このことは重大な欠点となる。
【００２１】
また特許文献３に記載されているように、ドーナツリング状の支持体等を保護管の内側に設けて空気クラッド層を形成したり、疎水性で、屈折率がガラスよりも小さいシリカエアロゲルを端面に支持体としてリング状に挿入し水などの侵入を防止できる空気クラッド光ファイバとした例もある。しかし、いずれにしても光が伝播するコアの側面に支持体が直接接触する構造では、コアと支持体との接触による伝送特性の劣化は避けられない。特に高エネルギ伝送用光ファイバに対してはコアとは異物のシリカエアロゲルが接触した状態では、高エネルギの光で光ファイバが破壊される可能性もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】USP3,901,674
【特許文献２】USP3,712,705
【特許文献３】特開平9−258053
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
空気クラッド光ファイバは最もNAが大きく構造が簡単で経済的であるにもかかわらず、支持体が無ければコア外周表面と保護管内周表面との接触が避けられず安定な空気層を形成することができないないという課題があった。このため支持体を用いる限りは伝送特性の低下や、端面の信頼性などの問題が避けられず実際にはほとんど使用されていないのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
何らの支持体を使用せずに空気クラッド光ファイバを実現するために、コアそのものを局部的にテーパ状になるように加工しテーパ部最大径の箇所で保護管と一体になるようにした。またコアをテーパ状に加工する工程を光ファイバ製造後に新たに導入するのではなく、光ファイバ製造と同時に自然にテーパ形状になるような線引き方法を用いた。
【００２５】
そのようなテーパ形状はコアとなる光ファイバ母材の石英ロッド外周部に断面が山型の三角形状をした周期的な凸部を形成しそのロッドをロッド径よりも僅かに大きな内径を有する石英管に挿入した後これを母材として、光ファイバに線引きすることによって達成される。
【００２６】
光ファイバは両テーパ部が保護管と一体となる近傍で切断し研磨すれば先端部が閉じた空気クラッド光ファイバを得ることができる。また、この空気クラッド光ファイバの両端部はコアそのものであり、保護管に同じ石英ガラスを用いれば端面全体がコアになっている。その外側は空気であり、光の入射、出射ともに空気クラッドされたコア部分にて行うことができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の空気クラッド光ファイバはコアと保護管のみで形成されている。したって、従来の空気クラッド光ファイバの欠点である支持体を用いることがないため支持体とコアの接触による伝送損失の低下を生じない。
【００２８】
また端面がコアのみであり、内部の空気クラッド層は外界には通じていないため、端面からゴミ、埃、研磨材、水などが光ファイバ中に進入するのを防ぐ効果もある。従って本発明によってはじめてNAが大きく、経済的で量産可能、高信頼でかつ高エネルギ伝送においてもカラーセンタを生じることのない光ファイバを実現できることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ドープト石英光ファイバの断面模式図。
【図２】ドープト石英光ファイバ断面の屈折率分布。
【図３】フッ素クラッド光ファイバの断面模式図。
【図４】フッ素クラッド光ファイバ断面の屈折率分布。
【図５】空気クラッド光ファイバの斜視図。
【図６】空気クラッド光ファイバ断面の屈折率分布。
【図７】支持体挿入した空気クラッド光ファイバの断面模式図。
【図８】四角形コア空気クラッド光ファイバの断面模式図。
【図９】本発明による空気クラッド光ファイバコア用母材の縦断面模式図。（実施例１）
【図１０】本発明による空気クラッド光ファイバの縦断面模式図。（実施例１）
【図１１】本発明による空気クラッド光ファイバ端面の断面模式図。（実施例１）
【図１２】本発明による空気クラッド光ファイバの中央部断面模式図。（実施例１）
【図１３】本発明による空気クラッド光ファイバの別の端面断面模式。（実施例１）
【図１４】本発明による空気クラッド光ファイバコア用母材の縦断面模式図。（実施例2）
【図１５】本発明による空気クラッド光ファイバの縦断面模式図。（実施例2）
【図１６】本発明による空気クラッド光ファイバ端面の断面模式図。（実施例2）
【図１７】本発明による空気クラッド光ファイバの中央部断面模式図。（実施例2）
【図１８】本発明による空気クラッド光ファイバの別の端面断面模式図。（実施例2）
【実施例１】
【００３０】
図９に示すように、空気クラッド光ファイバ母材であるコア用石英ロッド10の外周部に断面が山型の三角形状をした周期的な凸部分11を複数箇所形成しそのロッドをロッド径よりも僅かに大きな内径を有する保護管用石英管に挿入しこれを最終的な母材として、光ファイバに線引きした。
【００３１】
光ファイバにおいて空気クラッド層が形成される部分は母材段階においては隣接する2個の山型の三角形状で挟まれて凹となった平坦部分12である。この平坦部12の直径は一定である。コアがテーパ状になる部分は凸部分11であり、光ファイバにおいてテーパ状になったコアの最大径の箇所でコアが保護管に熱的に融着され一体となる部分は、母材段階においては凸部分11の中でも山型三角形状の頂上部分である。
【００３２】
このような母材を線引きすれば、テーパ状になったコア部と直径が一定なコア部が周期的に交互にくりかえす光ファイバが製造されることになる。
その結果として、コアと保護管の間には間隙が形成されこれが結果として空気クラッドとしての作用をすることになる。
【００３３】
空気クラッドされた光ファイバの長さは母材段階での凹部の幅によって決まる。
光ファイバの直径をｒ、母材の直径（保護管を含む）をR、母材の凹部の幅をW0とすれば、空気クラッドされた光ファイバの長さ、t0は、t0＝(R/r)2 ｘW0となる。また母材の凸部の幅をW1とすれば、光ファイバのテーパ部の長さ、t1は、t1＝(R/r)2ｘW1となる。
【００３４】
具体的には、直径10mm、長さ1000mmの純粋石英ロッドをコア用母材に用いた。このコア用母材を回転させながらその外周部を切削加工した。その結果底辺の幅1mm、高さ0.86mmの山型三角形状を10.3mm間隔で母材の円周状に形成できた。このように加工されたコア用母材を内径10.1mm外径11mm、長さ1000mmの保護管となる石英管に挿入した後、片方の端のみを加熱して溶かしコア用母材と石英管を一体にして最終的な母材とした。
【００３５】
この母材を通常の光ファイバ線引き装置で線引きし外径500μの光ファイバを得た。この光ファイバは空気クラッドされた部分の長さ約5m、テーパ部の長さ片側約240mmになった。空気クラッドの厚さは片側約230μ、テーパ部以外のコア径は約380μであった。
【００３６】
本発明による空気クラッド光ファイバの縦断面模式図を図10に示す。実際にはこのような長手方向断面形状が周期的に繰り返された光ファイバが得られた。ここで51、52はコア５がテーパになった部分であり、テーパの直径が最大になった直径最大箇所53、54で６の保護管と一体になっていた。この一体となっている部分の光ファイバでの長さは約3cm程度であった。13、１4は光ファイバの端面である。図１１に光ファイバの端面14から見た、本発明による空気クラッド光ファイバ端面の断面模式図を示す。図12は本発明による空気クラッド光ファイバの中央部断面模式図を示す。図13は光ファイバの端面15から見た、本発明による空気クラッド光ファイバの別の端面断面模式図を示す。
【００３７】
次いで光ファイバのコアが空気クラッドで覆われている箇所と保護管と融着して一体になっている境界部分で切断した。この境界部分は光ファイバの片方からヘリウムネオンレーザ等を入射させ、石英ガラスよりも屈折率が高いマッチングオイルを微量に滴下すれば外部に光が漏れ出てくる箇所として容易に識別できた。切断された光ファイバの両端面を光学研磨して最終的な空気クラッド光ファイバを得た。
【実施例２】
【００３８】
断面形状が一定のコア部分が四角形で、コアのテーパ部と保護管と一体となった光ファイバ先端部の断面形状が円形の光ファイバを得る実施例を以下に示す。
【００３９】
図14に、本発明による空気クラッド光ファイバコア用母材の縦断面模式図を示す。15は四角コアになる部分、16は凸状リング部である。
実施例１と同様にまず直径10mm、長さ1000mmのコア用石英ロッドを用いた。このコア用母材を切削によって母材の長さ方向に周期的に9.3mmの長さだけが1辺の長さ6mmの四角形になるように加工した。次に周期的に残された幅1mmの凸状のリング部の頂辺両側を切削により加工し図１４に示す断面形状にした。
【００４０】
このように加工されたコア用母材を内径10.1mm外径11mm、長さ1000mmの保護管となる石英管に挿入した後、片方の端のみを加熱して溶かしコア用母材と石英管を一体にして最終的な母材とした。この母材を通常の光ファイバ線引き装置で線引きし外径500μの光ファイバを得た。
【００４１】
実施例2として図15に、本発明による空気クラッド光ファイバの縦断面模式図を示す。この光ファイバの四角形コア部分17はその断面形状が一辺約270μであり、空気クラッドされた部分の長さ約5m、四角形から徐々に円形にテーパ状に変化しているテーパ部分、171、172の長さは片側約240mmであった。テーパ部171、172は四角形コアが円形に変化しており、図15において、テーパの直径が最大となり保護管6と一体になっているテーパ直径最大箇所の173、174の部分では完全に円形として観察された。空気クラッドの厚さは最大で片側約90μであった。
【００４２】
図１6は端面18から見た本発明による空気クラッド光ファイバ端面の断面模式図を示す。図17は本発明による空気クラッド光ファイバの中央部断面模式図を示す。図18は端面19から見た本発明による空気クラッド光ファイバの別の端面断面模式図を示す。
【００４３】
次いで光ファイバのコアが空気クラッドで覆われている箇所と保護管と融着して一体になっている境界部分で切断した。この境界部分は光ファイバの片方からヘリウムネオンレーザ等を入射させ、石英ガラスよりも屈折率が高いマッチングオイルを微量に滴下すれば外部に光が漏れ出てくる箇所として容易に識別できた。切断された光ファイバの両端面を光学研磨して最終的な空気クラッド光ファイバを得た。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明による空気クラッド光ファイバは経済的で高信頼であり、高エネルギ伝送にも適しているため、高輝度照明用のライトガイド、半導体プロセスなどで用いられるクルーンルーム用照明、紫外線樹脂硬化用ライトガイド、内視鏡用の照明ライトガイドをはじめ、レーザ加工用のライトガイド、装飾用のライトガイドなど多くの産業分野で利用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１        ドープト石英コア
２        石英クラッド
３        フッ素クラッド用石英コア
４        フッ素クラッド
５        コア
６        保護管
７        空気クラッド
８        支持体
９        四角形コア
10       コア石英ロッド
11        凸部分
12        平坦部分
51、52    テーパ部
53、54    直径最大箇所
13、14    光ファイバの端面
15        四角コアになる部分
16        凸状リング部
17        四角形コア部分
171、172  円形に変化しているテーパ部分
173,174    テーパ直径最大箇所
18、19    端面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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