(57)【要約】【課題】微細構造光ファイバプリフォーム、あるいは偏波保持光ファイバプリフォームなど長さ方向の空洞を含む構成によく適合する光ファイバプリフォーム、およびそれを製造する方法を提供する。【解決手段】長さ方向の複数の空洞を含む光ファイバプリフォームを熱処理（即ち加熱）し、全体のプリフォーム構造を所望の大きさに圧縮するために当該加熱されたプリフォームの一端に圧縮力を加える。熱圧縮処理は、ガラス表面の粗さを平滑にし、プリフォーム合成工程で形成されるであろう微小クラックを除去する。それは、本質的にはガラス材料を互いにくっつけ、従来の微細構造プリフォームを凌駕する改良された品質のプリフォームを形成する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細構造光ファイバプリフォームの内部の空気−ガラス境界面の欠陥を除去する方法であって、
微細構造プリフォームの長さ方向の選択した部分を加熱する段階と、
空気−ガラス境界面の欠陥を修復するために十分な力を用いて前記プリフォームの加熱された選択部分を前記微細構造光ファイバプリフォームに沿って長さ方向に圧縮する段階とを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記方法がさらに、圧縮され修復された前記プリフォームを、その後に引き続いて微細構造光ファイバに線引きするために適切な直径まで長さ方向に引き伸ばす段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法が、一組の支持ハンドルの間に前記微細構造プリフォームを配置する段階を最初に含み、そして前記プリフォームの加熱された選択部分を長さ方向に圧縮する段階が前記それぞれの支持ハンドルに圧縮力を加える段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記方法がさらに、加熱および圧縮段階の間、前記微細構造プリフォームを回転させる段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記方法がさらに、加熱および圧縮段階の間、前記微細構造プリフォームに沿って長さ方向に加熱源を移動させることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記加熱源がおおよそ２ｃｍ／分の割合で移動させられることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記加熱段階の間、加熱を行うためにプラズマトーチが使われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記加熱段階の間、加熱を行うために酸水素炎トーチが使われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記加熱段階の間、加熱を行うために加熱炉が使われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記加熱段階の遂行において、粘性流動が始まるために十分な温度まで前記プリフォームが加熱されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
既定の温度が約２０００℃であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法がさらに、前記微細構造プリフォーム内の長さ方向の空洞の直径を増加させるために、前記長さ方向の空洞を通して正圧のガスを流すことを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法がさらに、前記微細構造プリフォーム内の長さ方向の空洞の直径を減少させるために、前記長さ方向の空洞を通して負圧のガスを流すことを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１の方法を用いて形成されることを特徴とする光ファイバプリフォーム。
【請求項１５】
前記プリフォームが微細構造光ファイバプリフォームを含むことを特徴とする請求項１４に記載の光ファイバプリフォーム。
【請求項１６】
前記プリフォームが７５％よりも大きい空気／充填比を示すことを特徴とする請求項１５に記載の光ファイバプリフォーム。
【請求項１７】
前記プリフォームが偏波保持光ファイバプリフォームを含むことを特徴とする請求項１４に記載の光ファイバプリフォーム。
【請求項１８】
前記プリフォームがさらに、複数の長さ方向の空洞から選択された空洞を通って伸びる複数のガラス棒を含むことを特徴とする請求項１７に記載の光ファイバプリフォーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改良された品質の光ファイバプリフォーム、特に微細構造形態において空気／ガラス境界面の品質を改良するために熱圧縮技法を用いて形成された微細構造プリフォームに関する。
【背景技術】
【０００２】
何種類かの光ファイバは、最終的にファイバに線引きされるプリフォーム中に長さ方向に形成された空洞を必要とする。例えば、微細構造光ファイバは、長さ方向に配列された空洞を含むプリフォームから形成される。偏波保持光ファイバプリフォームは、線引きされたファイバ中を伝播する偏波状態を制御するために、後に応力付与棒で充填される長さ方向の孔を含んでいる。これらの長さ方向の孔は、ドリルによる穴あけ、突き通し（穿孔）、鋳造、あるいは引抜（しかしこれに限定されるものではないが）を含むいろいろな従来技術によって光ファイバプリフォームに形成されてよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
長さ方向の孔を含む光ファイバプリフォーム内の空気／ガラス境界面の品質は、しばしば表面の粗さに起因する問題があり、その粗さはいくつかの異なる原因の結果である。例えば、ガラス表面は、長さ方向の孔をあけるために用いられる機械加工工程、鋳造で使われる鋳型および棒との初期状態の表面、あるいは従来のゾル−ゲル鋳造にともなう鋳型を外す操作によって、損傷を受けるかもしれない。
【０００４】
粗さの原因に関係なく、粗さとそれにともなう微小クラックは、線引きされた光ファイバ中の信号損失の増加の原因であることがわかっている。特に、微細構造光ファイバ（あるいは長さ方向に配された要素、例えばガラス棒を含むいずれのファイバ）中の粗さおよび微小クラックの存在が、線引きされたファイバの光信号の散乱および不揃いな孔寸法にともなう損失につながる。さらに、プリフォームがフッ酸（ＨＦ）溶液（従来から行われている処理工程）中でエッチングされると、エッチング液の存在が既にある微小クラックの伝播を助長する。線引き中のプリフォームの加圧も微小クラックが伝播することを助長する。もし、微小クラックの存在が極めて多いと、内部の空洞がつながり、ファイバの形状を損ない、ファイバがかなり大きな空気／充填比構成となる可能性を制約してしまう。（例えば、＞５０％）。
【０００５】
偏波保持光ファイバに関しては、表面粗さが、泡の形成と応力付与棒の歪の原因となることが解っており、そのいずれもが偏光クロストークパラメータを悪化させる。孔あけされ、その孔が磨かれたプリフォームを引き伸ばすと、表面欠陥が長さ方向に引き伸ばされ、その結果「ファイバの空気列」として知られる欠陥になって線引きファイバの融着接続性を低下させる。
【０００６】
上記の観点から、微細構造のファイバプリフォーム、あるいは偏波保持光ファイバプリフォームなど長さ方向の空洞を含む構成によく適合する光ファイバプリフォームの技術にはニーズがいまだにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従来技術において残る改善の必要性が本発明により扱われており、発明は改良された品質の光ファイバプリフォームに関わるものであり、特に、微細構造形態において空気／ガラス境界面の品質を改良するために、ファイバを線引きする前に熱圧縮処理を用いて形成された微細構造プリフォームに関するものである。
【０００８】
本発明によって、複数の長さ方向の空洞を包含する光ファイバプリフォームは、熱処理（すなわち加熱）され、同時に全プリフォーム構造を所定量圧縮するために加熱されたプリフォームのどちらかの端部に圧縮力が加えられる。圧縮に続いてプリフォームは引き伸ばされ、それから最終的にファイバに線引きされる。熱処理は粗いガラス表面を滑らかにし、プリフォーム製造工程の間に形成され得る微小クラックを修復し、本質的にガラス材料を「くっつけ」、従来技術による微細構造プリフォームを超える改良された品質のプリフォームを形成することが見出された。
【０００９】
本発明の一実施例において、プリフォームの長さ方向に沿って伸びる空洞の直径を増加あるいは減少させるために正または負の空気圧が熱処理の間に長さ方向の空洞を通して加えられる（吹き流される）。
【００１０】
添付の図を参照した以下の議論により、本発明の他の実施例や特徴を明らにする。なお、これらの図面中の構成要素は必ずしも寸法通りではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、従来技術による一般的な微細構造型光ファイバプリフォーム１０を等角図で示している。プリフォーム１０の上面断面図が図２に示される。微細構造プリフォーム１０は内側領域１２と外側領域１４を含む。内側領域１２は、適切な光ファイバ材料（例えば、石英など）で形成され、複数の長さ方向の空洞１８を含む。図１の特定の配列は空洞コア領域２０をも含む。光プリフォーム１０が偏波保持ファイバの製造に利用される実施例においては、内側領域１２は、その配列に長さ方向の機械的強度を与えるために使われる選択された空洞１８の内部に配された複数のガラス棒をさらに含んでもよい。外側領域１４は、内側領域１２の構造を支えるスリーブとして利用される。以下の議論は、簡単にプリフォームを「微細構造プリフォーム」のこととして参照する。この言葉は偏波保持光プリフォームに同様に当てはまり、当該プリフォームもまた工程中に長さ方向の空洞を含むように形成され、それ故、同じ表面粗さ問題を生じるということが理解されよう。
【００１２】
上に述べたように、プリフォーム１０の内部に複数の長さ方向の空洞１８を形成するためには（技術的によく知られた）いろいろな技法がある。これらの技法は、これらに限定されるものではないが、ドリルによる穴あけ、エッチング、金型と鋳型の利用、および類似のものを含む。長さ方向の空洞を含む光ファイバプリフォーム内部の多数の空気／ガラス境界面の品質にはしばしば表面粗さに起因する問題があるが、その粗さはいくつかの異なる原因の結果である。これらの微細構造光プリフォームの多くは微小クラックも含んでおり、これらの微小クラックは、プリフォームがファイバ線引き工程の最初に「引き伸ばされる」時に、特定の空気／ガラス境界面に沿って伝播することが知られている。図３は一般的な従来技術による微細構造光プリフォーム（側面）の写真を含み、図３（ａ）は引き伸ばし前のプリフォームを示している。たくさんの微小クラック（図中「Ｍ」で示される）がこの図中にはっきりと認められる。これらの微小クラックは従来の引き伸ばし操作後の同じ光プリフォームを示す図３（ｂ）の中でより大きく、よりはっきりと示されている。
【００１３】
さらに、プリフォームがＨＦ溶液中でエッチングされると（上に述べたように一般的な処理工程）、エッチング液の存在が、特定の空気／ガラス境界面に沿う微小クラックのさらなる伝播および／あるいは拡大を助長するであろう。線引き中のプリフォームの加圧（他の一般的な製造環境）もまた微小クラックの伝播／拡大を許すであろう。もし微小クラックが極めて多いと、内部の空洞がつながり、ファイバの幾何学的形状を破壊し、かなり大きな空気／充填比構成（例えば、＞５０％）を持つファイバを形成する能力を限定してしまう。以下の議論は微小クラックを除去するための本発明の熱処理工程の能力を強調するものであるが、最も一般的な用途として本発明の方法は一般に空気／ガラス境界面の表面粗さを低減／除去するために利用され、それは即ち、長さ方向の空洞の形成にともなういろいろな表面欠陥の全てを修復することであるということが理解されよう。
【００１４】
図４−６は、本発明によって、表面粗さと微小クラックが本質的に除去され、微細構造プリフォームから最終的に線引きされる光ファイバの品質を向上させるような方法で微細構造光ファイバプリフォーム内部の空気／ガラス境界面を処理するために見出された典型的な熱処理工程を示す。特に、また以下に詳細に議論されるように、いままでにない制御された圧縮工程がプリフォーム製造工程で生じた損傷を「修復する」ことが知られている。
【００１５】
図４において、本発明の熱処理は、上に例示されたプリフォーム１０のような、微細構造光ファイバプリフォームの向かい合った端部に一組のガラスハンドル３０、３２を取り付けることから始まる。ハンドル３０、および３２が取り付けられると、その組立体が旋盤（図示しない）あるいは処理工程中その組立体を保持可能な類似の装置に取り付けられる。ガラス材料が応力下で流動する温度までプリフォーム１０を加熱するためにプラズマトーチ３４が使われる。例えば、温度約２０００℃がこの目的に適している。酸水素炎トーチ、あるいは加熱炉など他のいろいろな従来型の加熱源が本発明の方法を実施するために使われてもよい。
【００１６】
温度が所望のガラス流動温度に到達すると、図５に示されるように、圧縮力ＦＣがハンドル３０、３２に加えられる。旋盤でプリフォーム１０を回転させ、かつ回転するプリフォームに沿ってプラズマトーチ３４を移動させている間に、圧縮が好ましい状態で達成される。移動の速度は、例えば約２ｃｍ／分であってよい。移動加熱とともに、ハンドル３０、および３２は所望の量の圧縮が得られるまで互いに近づくように同時に移動させられるが、ここでプリフォームの直径が十分な圧縮の尺度として使われてもよい。図４および図５を見ると、プリフォーム１０の直径の増加は、図４においてプリフォーム１０の「初期」直径（例えば３５ｍｍ）に対して直径ｄｉとして表され、また図５においてプリフォーム１０の「圧縮」直径（例えば、４２ｍｍ）に対してｄＣとして表されている。この初期加熱段階中に圧縮を行うことが内部の微小クラックをいっしょに接合し、粘性流動によって表面粗さ（つまり、長さ方向の空洞に沿った空気／ガラス境界面）を修復することが知られている。
【００１７】
圧縮に引き続いて、プリフォーム１０は（従来のプリフォーム製造におけるように）、ファイバに引き落とされる前に引き伸ばされてもよく、この段階が矢印ＦＳで表される「引き伸ばし力」として図６に表示される。再び、プリフォーム１０が回転させられ、引き伸ばしの間、移動する、例えば、プラズマトーチ３４によって加熱される。ｄＳで表示される引き伸ばし直径は、工程が完了する時（例えば、引き延ばし直径２５ｍｍ）を決定するために使われる規定値であってもよい。引き伸ばしは単一パスで、あるいは複数パスで行われてもよい。引き伸ばし操作のために、プラズマトーチ３４の速度は、例えば、プリフォームの現在の直径をモニターするフィードバック信号を利用することによって制御できる。
【００１８】
上に述べたように、本発明の熱処理の間に長さ方向の空洞の直径を修正することが可能である。特に、圧縮段階あるいは引き伸ばし段階のいずれか（あるいは両方）の間に、空洞を通してガスが流されてもよい。正圧流は空洞の直径を増加させ、それに対して負圧流は長さ方向の空洞の直径を減少させる。
【００１９】
図７は、本発明の熱圧縮処理によるプリフォーム品質の改善を示す実際の写真を含む。図７（ａ）は、熱処理前の典型的な微細構造プリフォームの写真（側面）である。より黒い領域は長さ方向の空洞に対応し、明るい領域はプリフォームの石英材料である。図３の説明と同様に、図７（ａ）の写真にはいろいろな「微小クラック」がはっきりと認められる。図７（ｂ）の写真に示されるように、本発明の熱圧縮／引き伸ばし処理の後でこれらの微小クラックはほとんど除去されている。
【００２０】
空洞の直径を増加させるための一つの従来技術は、プリフォームをフッ酸のような酸溶液中でエッチングすることである。しかし、ＨＦエッチング操作はプリフォーム中に既に存在する微小クラックの深刻さを増加させることがわかっている。図８（ａ）は、ＨＦエッチング処理された従来技術による典型的な微細構造プリフォームを示す。この従来技術によるプリフォームのＨＦエッチングは、元のプリフォームの微小クラックに沿った選択的エッチングに拠り得るいくつかの大きな欠陥を示している。対照的に図８（ｂ）の写真により明らかなように、ＨＦエッチング前の本発明の熱処理工程の使用は、微小クラックを最小化／除去し、改善された品質のプリフォームを得る結果となる。
【００２１】
上に述べられ、また図７（ｂ）および８（ｂ）の図で示されるように、本発明の熱処理は微細構造プリフォーム中のそれぞれの空気／ガラス境界面に沿って本質的に均一な表面仕上げを生じる。結果として、図９に示される、かなり高い空気／充填比の微細構造プリフォームが作られる。例えば、図９（ａ）は７０％空気／充填比の微細構造プリフォームの断面画像を含む。図９（ｂ）の画像は８５％空気／充填比であり、図９（ｃ）は９９％空気／充填比である。そのような大きな比率は、本発明の熱圧縮処理なしに作ることが、不可能ではないとしても、困難であろう。それぞれの画像は空洞のサイズが断面全体にわたって均一であり、熱処理が空洞の幾何学的形状を変えたり、あるいは歪めたりしないことを示している。
【００２２】
熱圧縮処理の使用についての一つの懸念は、プラズマトーチの高温が空洞のいくつかを縮径あるいは歪めさせるかもしれないということである。図１０は最初に直径３５ｍｍから直径４２に圧縮され、それから１５ｍｍに引き伸ばされたプリフォームについてのプロットを含む。空洞の寸法はプリフォーム直径の関数として測定された。空洞の寸法はプリフォーム直径への一貫した直線依存性を示し、本発明の熱処理工程の間に微細構造プリフォーム内の相対的な空洞寸法に顕著な変化がないことを示している。
【００２３】
圧縮中に達成される直径、加えられた圧縮、および引張り力、空気−充填比、およびこれらに限定されない類似のものを含む独創的な熱処理工程に対して、なされ得るいろいろな修正が存在することが理解されるべきである。実際に、本発明の精神と範囲はここに添えられる特許請求の範囲によってのみ限定されるべく意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】プリフォーム製造中に粗い表面と、微小クラックが形成され得る複数の長さ方向の空洞を含む典型的なファイバプリフォームの等角図である。
【図２】複数の長さ方向の空洞を含む典型的なファイバプリフォームの上面断面図である。
【図３】従来技術による微細構造光プリフォームの側面を示し、（ａ）は引き伸ばし操作を行う前のプリフォームを、（ｂ）は引き伸ばし操作後のプリフォームを示す。
【図４】粗い表面と微小クラックを低減するためのプリフォーム熱処理工程を示す図である。
【図５】粗い表面と微小クラックを低減するためのプリフォーム熱処理工程を示す図である。
【図６】粗い表面と微小クラックを低減するためのプリフォーム熱処理工程を示す図である。
【図７】本発明による微細構造光プリフォームの側面を示し、（ａ）は熱処理前のプリフォームを、（ｂ）は熱処理後のプリフォームを示す。
【図８】フッ酸によるエッチング処理した微細構造プリフォームの比較を示し、（ａ）は従来技術によるプリフォームを、（ｂ）本発明により形成されたプリフォームを示す。
【図９】かなり大きな空気／充填比を持つ微細構造プリフォームの断面画像を示す。
【図１０】プリフォームの直径の関数として表した空洞の寸法の変化を示す。
【符号の説明】
【００２５】
１０  光ファイバプリフォーム
１２  内側領域
１４  外側領域
１８  空洞
２０  中空コア領域
３０  ガラスハンドル
３２  ガラスハンドル
３４  プラズマトーチ
【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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