(57)【要約】【課題】低コストかつ短時間で複雑な断面構造を持つ光ファイバを製作可能な光ファイバ製作方法を提供する．【解決手段】プリフォーム製作工程と線引き工程からなる光ファイバ製作方法であって，前記プリフォーム製作工程内において薄層を積層させて実体形状物の形状を造形する立体造形法を用いることを特徴とする．前記プリフォームを加熱することにより，プリフォームの充填密度を高める高密度化工程を有する．前記立体造形法によるプリフォーム造形の工程中または工程後に，プリフォームに添加物または添加物に変換し得る化合物を含有する溶液を含浸した後に乾燥することにより，添加物を添加する．【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリフォーム製作工程と線引き工程からなる光ファイバ製作方法であって，前記プリフォーム製作工程内において薄層を積層させて実体形状物の形状を造形する立体造形法を用いることを特徴とする光ファイバ製作方法．
【請求項２】
前記立体造形法が，粉末焼結法，インクジェット法の何れかまたはその組み合わせであることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ製作方法．
【請求項３】
前記プリフォームを加熱することにより，プリフォームの充填密度を高める高密度化工程を有することを特徴とする請求項2に記載の光ファイバ製作方法．
【請求項４】
前記立体造形法によるプリフォーム造形の工程中または工程後に，プリフォームに添加物または添加物に変換し得る化合物を含有する溶液を含浸した後に乾燥することにより，添加物を添加することを特徴とする請求項3に記載の光ファイバ製作方法．
【請求項５】
前記立体造形法によるプリフォーム造形の工程中に，前記薄層の形成と前記溶液の添加を交互に繰り返すことにより添加物を添加することを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ製作方法．
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，光ファイバ製作方法に関するものであり，特に断面内に微細構造断面を有する光ファイバの製作方法に関するものである．
【背景技術】
【０００２】
現在のガラス光ファイバ製作方法は，化学気相堆積法（CVD法）によりプリフォームと呼ばれる母材を形成し，該プリフォームを加熱延伸する線引き法により長尺なファイバを形成するのが主流である（特許文献１）．CVD法は製作工程において添加物を添加することにより，屈折率や利得の分布を形成することが可能であり，現在，石英を主原料とする光ファイバのほとんどがこの方法により製作されている．また，断面に複数の空孔を有する微細構造光ファイバは，通常，複数の母材ガラスキャピラリを束ねる方法や，母材ロッドの断面にドリル等により空孔を形成する方法により複雑な断面構造を有するプリフォームを製作し，線引き法により長尺なファイバを形成している（特許文献２）．また，加熱と加圧により液化した材料をダイスと呼ばれる金型を介して押し出す押し出し形成法によるプリフォームの製作（非特許文献１）も提案されており，一部のソフトガラスとプラスチックによるファイバ製作に成功している．
【０００３】
一方，薄層を積層させて実体形状物の形状を造形する立体造形法は，コンピュータ上で設計した電子データから直接的に立体形状物を造形可能であるため，あらゆる３次元構造を迅速に造形することが可能である．これまでに提案された立体造形法は，光造形法，粉末焼結法，インクジェット法，シート積層法，押し出し法，及びその他造形方法に大別され，それぞれに特徴を有する（非特許文献2）．光造形法は液体樹脂に光を照射して薄層を形成する技術であり，立体造形法の中で最も高精度な造形が可能である．粉末焼結法は，粉末にレーザ光などを照射することにより薄層を形成する技術であり，比較的精密でかつ材料選択の自由度が高いという特徴を持つ．インクジェット法は液化した材料をノズルによって堆積させる技術であり，比較的小型の装置で精度の高い造形が可能である．シート堆積法は，シート状にした材料を必要な形状に加工してから接着，積層させる技術であり，紙や金属などあらゆる材料の造形が可能であるという特徴を持つ．押し出し法は，流動性のある半固体状の材料をノズルにより細い糸状に押し出して一筆書きの要領で造形する技術で，コストパフォーマンスの高い技術である．その他の造形法には，例えば，発砲性の材料を順次発砲させながら造形する方法や，溶融した材料を盛りつけて造形する方法などがある．
【特許文献１】特開２００７−１１３６６
【特許文献２】特開２００７−５１０２４
【非特許文献１】X. Feng, et at., Electron. Lett., vol. 41, pp. 835-837 (2005) .
【非特許文献２】D.T.Pham, et al., International Journal of Machine Tools and Manufacture,  vol. 38, 1257-1287 (1998).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし，特許文献1に開示されているCVD技術を基礎としたファイバプリフォーム製作技術は，添加物を添加することにより，屈折率や利得の分布を自由に形成することが可能であるが，複雑な屈折率分布や，大きな屈折率差を持つファイバ構造の製作が困難であった．一方，特許文献２に開示されている微細構造光ファイバの製作法では，空孔の配置パターンにより特許文献２に開示されている手法よりも複雑な屈折率分布を持つファイバの製作が可能であるが，製作可能な空孔の形状と相対的配置には制限がある．すなわち，キャピラリを束ねる場合，空孔の形状は円形に限られ，六角格子状の配置となり，ドリルによる空孔形成では，配置の制限はなくなるが，空孔の形状は円形に限られる．さらに，複雑な断面構造の製作には製作者の熟練が必要となる問題があった．また，非特許文献２に開示されている押し出し形成による製作法では，金型のパターンを設計することにより，自由度の高い造形が可能であるが，構造ごとにダイスから製作しなければならないため，新しい微細構造光ファイバの開発に多大な費用と時間を有する問題があった．
【０００５】
また，前述の方法で製作できるファイバは，通常，長手方向には均一であるため，長手方向に特性を変化させるためには，融着接続等により多種類のファイバを繋げ合せなければならず，接続損失が問題となる場合があった．さらに，前述した公知の光ファイバ製作技術は，ファイバプリフォームの製作に多くの時間を要するため，新規な構造への対応は必ずしも迅速ではなかった．
【０００６】
また，非特許文献２に開示されている立体造形法を上記特許文献１と特許文献２と非特許文献１の光ファイバプリフォーム製作工程の代わりとして適用しようとすると，立体造形法により造形される形状物は，一般に散乱が強いため，形状物自体に光学的な機能を持たせることは困難なことが予想される．
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み，本発明の光ファイバ製作方法は，プリフォーム製作工程と線引き工程からなる光ファイバ製作方法であって，前記プリフォーム製作工程内において薄層を積層させて実体形状物の形状を造形する立体造形法を用いることを特徴とする光ファイバ製作方法である．
【０００８】
前記立体造形法は，粉末焼結法，インクジェット法の何れかまたはその組み合わせである．
【０００９】
また，前記プリフォームを加熱することにより，プリフォームの充填密度を高める高密度化工程を有する．
【００１０】
更に，前記立体造形法によるプリフォーム造形の工程中または工程後に，プリフォームに添加物または添加物に変換し得る化合物を含有する溶液を含浸した後に乾燥することにより，添加物を添加する．
【００１１】
前記添加物の添加は，前記立体造形法によるプリフォーム造形の工程中に，前記薄層の形成と前記溶液の添加を交互に繰り返すことにより行う．
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の光ファイバ製作法によれば，立体造形法は，設計したデータから直接的に立体形状物を造形することができるので，あらゆる断面構造を持つ光ファイバのプリフォームを低コスト，短時間で製作することが可能である． 
【００１３】
請求項２に記載の光ファイバ製作法によれば，熱可塑性材料によるプリフォームの造形が可能であるため，該プリフォームの加熱延伸による光ファイバの製作が可能である．また，多孔質のプリフォームを形成可能であることから，液相を用いて添加物を添加する際に，添加物の分散が容易である．
【００１４】
請求項３に記載の光ファイバ製作法によれば，プリフォーム中に含まれるガスとプリフォームを形成する材料の屈折率差により引き起こされる散乱が低減されるため，低損失な光ファイバを製作することができる．
【００１５】
請求項４に記載の光ファイバ製作法によれば，ファイバ断面中に屈折率や利得の分布を与えることができるため，断面構造と添加物分布による多様なファイバ設計が可能となる．
【００１６】
請求項５に記載の光ファイバ製作法によれば，設計したデータから直接的に多様な断面構造と添加物分布を有するプリフォームを造形することが可能であることから，あらゆる断面構造と添加物分布を有する光ファイバを低コスト，短時間で製作することができる．
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
上記目的を達成するため，本発明の一実形態による光ファイバ製作方法は，光ファイバのプリフォームを製作し，該プリフォームを線引きして光ファイバを製作する方法であって，前記プリフォームを薄層を積層させて実体形状物の形状を造形する立体造形法により製作することを特徴とする．製作工程のブロック図を図1に示す．造形したプリフォームの微小構造（表面粗さや内部の気泡など）が目的波長よりも充分に小さい場合，プリフォーム造形後，直ちに製作したプリフォームを線引きすることができる．一方，造形したプリフォームの微小構造が目的波長と同等か大きい場合，造形したプリフォームを加熱により高密度化する高密度化処理が必要である．プリフォーム造形後またはプリフォーム造形中には，添加物の添加を行うことができる．以下，各工程について詳細を述べる．
（プリフォーム造形）
【００１８】
本発明に用いられる材料は，使用する光の波長領域で透明性が高いあらゆる熱可塑性材料を用いることができる．例えば，ガラス材料，プラスチック材料であり，紫外領域では，石英ガラス，可視から近赤外領域では，石英ガラス，BK7等の光学ガラス，アクリルやポリカーボネート，ポリスチレン等のプラスチック，中赤外から遠赤外領域では，硫化ヒ素，セレン化ヒ素などのカルコゲナイドガラス，ポリエチレンやフッ素樹脂等のプラスチックが好適に用いられる．
【００１９】
上記光ファイバ製作方法において，プリフォームを製作するための立体造形法は，熱可塑性材料に適した造形法を用いる．例えば，材料粉末をレーザ光により焼結させて薄層を形成しこれを積層させる粉末焼結法や，液化した材料をノズルにより必要箇所に噴射することにより薄層を形成しこれを積層させるインクジェット法を用いることができる．プリフォーム内に金属などの混入物が混入すると，ファイバの損失を著しく上昇させるため，前記立体造形法における造形装置は，密閉系または真空系で構成されることが望ましい．
【００２０】
プリフォームの構造は，あらゆる３次元構造を想定することができる．例えば，円柱状のプリフォームにおいて，長手方向に均一な空孔101を有するプリフォーム（図2 (a)）からは，空気と構成材料の屈折率差により光を閉じ込める微細構造光ファイバを形成することができる．また，本製作法によれば，プリフォームの片面における空孔パターンと，反対側の面における空孔パターンを異なるパターンに設計し，これを連続的に結合した断熱変形型プリフォーム（図2 (b)）の形成も容易である．該プリフォームから形成されるファイバは，長手方向に分散特性，非線形特性，モード径等を変化させることが可能であるため，パルス圧縮，周波数変調，モード径変換等に応用することができる．
（高密度化処理）
【００２１】
上記のように造形したプリフォームは固体内に空気や水分を多量に含むため，造形後，プリフォームを加熱することにより，乾燥，高密度化する高密度化処理工程を具備することが望ましい．この時の加熱温度は，材料のガラス転移温度以上融点以下であり，ガラス転移温度に近いほどプリフォームの形状変化を抑制することができる．また，真空環境下で加熱処理を行うことにより，より緻密で透明度の高いプリフォームを形成することができる．
（添加物添加）
【００２２】
プリフォームの造形中または造形後に添加物を添加することにより，ファイバ内に屈折率，利得などの分布を持たせることが可能である．例えば，粉末焼結法を基礎としたプリフォーム造形法においては，プリフォームの長手方向に空孔を有する構造を持たせ，造形後該空孔内に添加物を注入し所定時間放置することによって添加物を添加することができる．また，粉末焼結法の工程中に添加物を添加することにより，さらに複雑な屈折率や利得の分布を与えることができる．例えば，粉末焼結法で粉末をレーザ光により焼結させ薄層を形成した後，インクジェット等のプリント技術を用いて，添加物を含む溶液を必要箇所に噴射することを繰り返すことにより添加物を添加する．添加物を添加した後，自然乾燥を行いガラス転移温度近傍で加熱する．該加熱工程は，前記高密度化処理工程と同時に行ってもよい．前記添加物は，光ファイバの材料，設計により適したものを使用することができる．例えば，石英ガラスに希土類を添加して利得の分布を与える場合，ErCl3，NdCl3，TmCl3，PrCl3，YbCl3，AlCl3などの水溶液，アルコール溶液を用いることができる．また，石英ガラスにゲルマニウムを添加して，屈折率の分布を与える場合，ゲルマニウムのアルコキシドに水あるいはアルコールを加えて加水分解させた溶液を用いることができる．また，ポリマーに利得の分布を与える場合，希土類キレート化合物，ローダミン色素類，シアニン色素，チオフェン誘導体オリゴマーまたはポリチオフェン誘導体等をポリマー材料と共に溶媒に希釈した溶液を用いることができる．
【００２３】
一方，インクジェット法を基礎としたプリフォーム造形法においては，予め複数のインクカートリッジ内に，各種添加物を添加した各種液体材料を用意しておき，必要箇所に必要量の液体材料を噴射することにより屈折率や利得の分布を形成することができる．
（線引き）
【００２４】
上記のように形成したプリフォームを電気炉を用いて線引きすることにより，光ファイバを製作する．該線引き工程は，上記高密度化処理工程と連続的に行ってもよい．また，プリフォームと同材料または同等のガラス転移温度を有する材料から成るチューブ内に前記プリフォームを挿入し，前記チューブごとプリフォームを引きのばすことにより，外部クラッディングを形成することができる．この時，プリフォーム空孔内を加圧し，前記チューブ内を減圧するようにし，各圧力を最適に調整することにより，プリフォームの相対的形状を維持したまま線引きすることが可能である．また，プリフォームの相対的形状を維持するためには，材料のガラス転移温度以上融点以下でかつガラス転移温度に近い温度で線引きすることも有効である．
【実施例１】
【００２５】
本発明の実施例について説明する．本実施例による光ファイバ製作法では，ポリスチレン樹脂を材料とした粉末焼結法によるプリフォーム造形を行う．造形するプリフォームの構造は，15mm径の断面内に2.6 mm径の空孔が6個対称的に配置されている．空孔間の最も薄い壁厚は2.6 mmである．プリフォーム製作の過程において，長いプリフォームを製作した場合，造形後に空孔内の粉末を取り除くことが困難となるため，プリフォームの長さは50 mmとする．粉末材料として60  m径の球状ポリスチレン粒子を使用し，焼結用のレーザとして炭酸ガスレーザを用いる．ここで，光の散乱を低減するため，粉末材料の粒径は目的の光波長より充分に小さいことが望ましい．具体的には，目的波長の10分の1以下であることが望ましい．造形されたプリフォームは充填密度が約70%の白い散乱体である．
【００２６】
造形されたプリフォームは加熱により高密度化処理される．以下，図3を用いて高密度化処理工程の説明を行う．
【００２７】
プリフォーム301はガラス管302内のアルミ製ホルダ303により保持される．ホルダ303は冷却水により冷却されており，プリフォーム301の高密度化に伴う径縮小によりプリフォームが落下することを防いでいる．ガラス管302の内部を，吸引口304からポンプを用いて真空引きすることにより，プリフォーム301内のガスを積極的に排気することができる．ガラス管302は電気炉305内に水平に設置され，駆動モータ306の駆動により回転することにより，軟化したプリフォーム301が重力により変形することを防ぐことができる．回転方向を360°ごとにスイッチすることにより，真空引き用のチューブや冷却水導入用のチューブの捻じれを防止する．加熱温度140℃で20時間の処理を行うことにより，透明かつ気泡のない透明プリフォームを得ることができる．高密度化されたプリフォームはほぼ100%の充填率となり，高密度化に伴う外径の縮小率は90%程度である． 
【００２８】
図4はより長いプリフォームを高密度化するための加熱装置の概略である．プリフォーム401はホルダ402，403により真空のガラス管404内に保持される．前記ホルダ402，403はシャフト405により同調して駆動する．電気炉406を並進運動させながらガラス管404の上からプリフォーム401を加熱する．プリフォームを部分的に加熱することにより，プリフォームの大きな変形を防ぎ，ホルダ402，403を冷却することなく高密度化処理を行うことができる．
【００２９】
高密度化されたプリフォームを，160℃の電気炉で2 mm/minの低速線引きを行うことにより，断面構造を保持したまま線引きすることが可能である．図5は製作した外形480  m長さ50 cmのファイバの伝送損失の一例を示したものであり，波長1  m付近で損失が最低となっていることが分かる．
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による光ファイバ製作法を説明する図
【図２】本発明による光ファイバ製作法により製作できる微細構造光ファイバを説明する斜視図．（a）均一な空孔を有する微細構造光ファイバ．（b）長手方向に構造が変化する微細構造光ファイバ．
【図３】本発明による実施例１の光ファイバ製作法におけるプリフォームを形成するための高密度化装置の断面図．
【図４】本発明による実施例１の光ファイバ製作法における長いプリフォームを形成するための高密度化装置の断面図．
【図５】本発明による実施例１の光ファイバ製作法で製作したポリスチレン微細構造光ファイバの損失スペクトル．
【符号の説明】
【００３１】
101・・空孔
301，401・・プリフォーム
302，404・・ガラス管
303，402，403・・ホルダ
304，408・・吸引口
305，406・・電気炉
306，407・・駆動モータ
405・・シャフト
【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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