(57)【要約】【課題】  高い機械的強度を有する光導波材料を提供することにある。【解決手段】  本発明の光導波材料は、光を導波するコア部とクラッド部からなり、ファイバ形状又はロッド形状を有し、コア部及び／又はクラッド部に、複数の空孔が導波方向と平行に且つ周期的に又はランダムに形成されてなる光導波材料において、１価又は２価の陽イオンを含有するガラスからなり、外表面がイオン交換されてなることを特徴とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を導波するコア部とクラッド部からなり、ファイバ形状又はロッド形状を有し、コア部及び／又はクラッド部に、複数の空孔が導波方向と平行に且つ周期的に又はランダムに形成されてなる光導波材料において、１価又は２価の陽イオンを含有するガラスからなり、外表面がイオン交換されてなることを特徴とする光導波材料。
【請求項２】
外表面に圧縮応力が付与されてなることを特徴とする請求項１に記載の光導波材料。
【請求項３】
１価又は２価の陽イオンを含有するガラスがアルカリイオン含有ガラスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波材料。
【請求項４】
アルカリイオンがＮａイオン又はＫイオンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光導波材料。
【請求項５】
質量％で、ＳｉＯ2を５５〜９５％、Ｎａ2Ｏを０．１〜２０％含有するガラスからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光導波材料。
【請求項６】
質量％で、ＳｉＯ2を５５〜９５％、Ｎａ2Ｏを０．１〜２０％及びＫ2Ｏを０．１〜１５％含有するガラスからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光導波材料。
【請求項７】
質量％で、ＳｉＯ2  ５５〜９５％、Ｎａ2Ｏ  ０．１〜２０％、Ｋ2Ｏ  ０．１〜１５％及びＢ2Ｏ3  ０〜３０％の組成を有するガラスからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光導波材料。
【請求項８】
質量％で、ＳｉＯ2  ５５〜９５％、Ｎａ2Ｏ  ０．１〜２０％、Ｋ2Ｏ  ０．１〜１５％、Ｂ2Ｏ3  ０〜３０％及びＡｌ2Ｏ3  ０〜１０％の組成を有するガラスからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光導波材料。
【請求項９】
外径が０．３〜４ｍｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光導波材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
例えば、フォトニッククリスタルファイバ、ホーリーファイバ、フォトニックバンドギャップファイバ等の光導波材料は、光を導波するコア部とクラッド部からなり、ファイバ形状又はロッド形状を有し、コア部及び／又はクラッド部に、複数の空孔が導波方向と平行に且つ周期的にもしくはランダムに形成されている。このような光導波材料は、優れた光伝播特性を有するために、将来の光通信システムにおいて、重要な材料として注目されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特表２００２−５０６５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
特許文献１に記載のシリカガラス製ファイバ形状の光導波材料は、実使用時、被覆などの保護が必要となり、被覆等の保護の無い状態で使用すると容易に破損することが予想される。そのため保護のない状態で使用することはできず、光接続部品として使用する場合、キャピラリなどへの装填が必要である。
【０００３】
本発明の目的は、高い機械的強度を有する光導波材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の光導波材料は、光を導波するコア部とクラッド部からなり、ファイバ形状又はロッド形状を有し、コア部及び／又はクラッド部に、複数の空孔が導波方向と平行に且つ周期的に又はランダムに形成されてなる光導波材料において、１価又は２価の陽イオンを含有するガラスからなり、外表面がイオン交換されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の光導波材料は、１価又は２価の陽イオンを含有するガラスからなるため、外表面のイオン交換処理が可能である。ガラス中の１価又は２価の陽イオンとそれよりもイオン半径の大きい陽イオンをイオン交換すれば、外表面のイオン交換層には、圧縮応力が付与され、光導波材料の機械的強度が向上する。そのため、本発明の光導波材料は、被覆などの保護もしくはキャピラリへの装填を行わなくても光導波部品として使用可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
１価又は２価の陽イオンを含有するガラスとして、種々の多成分ガラスが使用可能であるが、特に、１価の陽イオンとしてアルカリイオンを含有したガラスを用いると、イオン交換を効率よく容易に進行させることができるため好ましい。ガラス中に含有するアルカリイオンをさらにイオン半径の大きなアルカリイオンで置換すれば、機械的強度が高い光導波材料を得ることができる。例えば、アルカリイオンとしてＮａ+イオンを含有するガラスを用いて光導波材料を作製する場合、この光導波材料の表面層のＮａ+イオンをＫ+イオン又はＣｓ+イオンと交換すると、そのイオン交換層に圧縮応力が発生し、化学強化される。
【０００７】
本発明の光導波材料は、具体的に質量％で、ＳｉＯ2を５５〜９５％及びＮａ2Ｏを０．１〜２０％含有するガラス、好ましくは、質量％で、ＳｉＯ2  ５５〜９５％、Ｂ2Ｏ3  ０〜３０％、Ｎａ2Ｏ  ０．１〜２０％、Ｋ3Ｏ  ０．１〜１５％及びＡｌ2Ｏ3  ０〜１０％の組成を有するガラスからなることが望ましい。
【０００８】
以下に使用するガラスの組成を上記のように限定した理由を述べる。
【０００９】
ＳｉＯ2はガラスの骨格を構成する成分であり、その含有量は５５〜９５％、特に６０〜９０％、さらには６５〜８０％であると好ましい。ＳｉＯ2が９５％よりも多いとガラスの粘度が高くなり、光導波材料を延伸成形によって製造する際の成形温度が非常に高温になりやすい。５５％より少ないと、耐酸性、耐水性等の耐候性が著しく悪化するため好ましくない。
【００１０】
Ｎａ2Ｏは容易にイオン交換が進行する成分であり、その含有量は０．１〜２０％、特に０．５〜１８％であると好ましい。Ｎａ2Ｏが２０％よりも多いと、耐候性が著しく悪化し、高温多湿状態において、光導波材料の表面の変質が顕著となり好ましくない。０．１％よりも少ないと、イオン交換による効果が著しく低下してしまう。
【００１１】
Ｋ2Ｏは、Ｎａ2Ｏと同様にイオン交換が進行しやすい成分であり、その含有量は０．１〜１５％、好ましくは０．５〜１０％である。０．１％より少ないとイオン交換による効果が顕著に低下する。１５％よりも多量に含有するとガラスの製造時に失透が発生し、生産性が低下する。
【００１２】
Ｂ2Ｏ3はガラスの粘度を低下させる効果を有し、その含有量は０〜３０％、特に１〜２５％、さらには２〜２０％であると好ましい。Ｂ2Ｏ3が３０％よりも多いと耐候性が著しく悪化する。
【００１３】
Ａｌ2Ｏ3はＳｉＯ2と共にガラスの骨格を構成する成分であり、耐候性を向上させる効果を有する。その含有量は０〜１０％、特に０．５〜８％であると好ましい。Ａｌ2Ｏ3が１０％よりも多くなると分相しやすくなり、ガラスの製造時に失透が発生してしまう。また、アルミノ珪酸塩ガラスにおいて、Ａｌ2Ｏ3は非架橋酸素を減少させ、アルカリイオンを動きやすくすることから、イオン交換を促進する効果を有する。
【００１４】
本発明の光導波材料は、その直径を従来よりも大きくすれば（フォトニッククリスタルロッド）、フェルール等の保持部材を使用せずに光導波部品として使用可能となり好ましい。その外径は０．３〜４ｍｍであると好ましい。すなわち、外径が０．３ｍｍ以上であれば、端面を研磨する際、フェルール等の固定冶具が無くても研磨が可能とある。特に、外径が１ｍｍ以上であれば、フェルール等の固定冶具（位置決め部材）が無くても、他のデバイスや光ファイバーと付き合わせることが可能となるため好ましい。外径の好ましい範囲は、０．６〜４ｍｍ、さらに好ましくは１〜４ｍｍである。
【００１５】
また、本発明の光導波材料は、空孔内表面がイオン交換されてなると、イオン交換するイオン種及びイオン交換層の厚みをコントロールすれば、イオン交換層の屈折率が前記ガラスの屈折率と異なり、ガラス材質や空孔の数、サイズ、配列が同じであっても、種々のクラッド層の実効屈折率を有する光導波材料となるため好ましい。
【００１６】
この場合、ガラス中に含有するアルカリイオンをさらに質量数の大きい陽イオン又は質量数の小さい陽イオンで置換すれば、イオン交換層の屈折率が変化して、クラッド部の実効屈折率を変化させることができる。例えば、ガラス中のＬｉ+イオン又はＮａ+イオンを、Ｋ+イオン、Ｃｓ+イオン、Ａｇ+イオン、Ｃｕ+イオン等でイオン交換した場合には、イオン交換層の屈折率は高くなり、ガラス中のＫ+イオン又はＮａ+イオンを、Ｌｉ+イオン又はＨ+イオンでイオン交換した場合には、イオン交換層の屈折率は低くなる。
【００１７】
特に、ガラス中のアルカリイオンをそれよりも質量数の小さいイオン、例えば、ガラス中のＫ+イオンをＮａ+イオン又はＨ+イオンでイオン交換すると、イオン交換層の屈折率が、１価又は２価の陽イオンを含有するガラスの屈折率よりも低くなる。その結果、クラッド部の実効屈折率が低くなり、コア部との屈折率差が増大する。これにより導波光のコア部への閉じ込め効果が向上し、クラッド部への光の漏洩による導波光の損失を抑制できる。
【００１８】
また、光導波材料の横断面において、コア部を中心に対称となるクラッド部の領域に存在する空孔の内表面がイオン交換されてなると、前記領域とその他の領域とに実効屈折率差ができることで複屈折が生じ、偏波保持型の光導波材料となる。例えば、前記領域の実効屈折率が高くなる場合には、その他領域間方向において偏波は保持され、前記領域の実効屈折率が低くなる場合には、前記領域間方向において偏波は保持される。
【００１９】
次に、本発明の光導波材料を製造する方法を説明する。
【００２０】
まず、所望の組成を有するガラスキャピラリ及びガラスロッドを用意する。これらガラスキャピラリ及びガラスロッドを外筒管内に充填してプリフォームを作製する。このプリフォームをガラスが軟化変形する温度で線引きし、所望の寸法の光導波材料を得る。その後、得られた光導波材料をアルカリ溶融塩中に浸漬しイオン交換処理を行う。
【００２１】
尚、イオン交換処理を行う際に、光導波材料の両端部を封止して、空孔内にアルカリ溶融塩が入り込まないようにすると、光導波材料の光導波特性を変更することなく化学強化できる。また、光導波材料の両端部を封止せずにイオン交換すれば、外表面と空孔内表面とが共にイオン交換された光導波材料を得ることができる。外表面と空孔内表面とで、イオン交換種が異なる場合は、空孔内表面のイオン交換を先に行い、後で外表面のイオン交換を行うと、外表面の圧縮応力層が緩和することがないため好ましい。
【実施例】
【００２２】
以下実施例に基づいて本発明を説明する。
【００２３】
表１は、実施例１〜３及び比較例１〜３を示す。
【００２４】
【表１】
2004280091.tif 000002
【００２５】
＜実施例１＞
先ず、質量％で、ＳｉＯ2  ７０．５％、Ａｌ2Ｏ3  ６．０％、Ｂ2Ｏ3  １２．６％、ＣａＯ  ０．７％、ＢａＯ  ２．１％、Ｎａ2Ｏ  ６．６％、Ｋ2Ｏ  １．３％、Ｓｂ2Ｏ3  ０．２％の組成を有するガラス外筒管１本、ガラスキャピラリ２３８本及びガラスロッド１本を準備した。尚、各部品の寸法形状は次の通りである。ガラス外筒管は、円筒状で、底部が封止され、外径３０ｍｍφ、内径２４ｍｍφである。ガラスキャピラリは、端部が封止され、外径１ｍｍφ、内径１２５μｍφである。ガラスロッドは、外径１ｍｍφである。
【００２６】
次にガラス外筒管の内部の略中心部に１本のガラスロッドを配置し、その周囲に２３８本のガラスキャピラリを、隙間がほぼなくなるように配置した。
【００２７】
次いでガラスキャピラリ及びガラスロッドを充填したガラス外筒管の内部を、真空ポンプを用いて−７５０ｍｍＨｇに減圧し、その気圧に保ったまま、ガラス外筒管を底部から開口端に向かって順次７３０℃まで加熱し収縮させた。ガラス外筒管を開口端まで加熱収縮させた後、室温まで徐冷した後常圧に戻し、ガラスプリフォームを作製した。次に、上記したガラスプリフォームを、電気炉に挿入し、ローラーで引っ張り、線引き成形することによって、外径０．６ｍｍφの光導波材料を作製した。
【００２８】
得られた光導波材料の両端部を封止し、３８０℃の硝酸カリウム溶融塩に、２０時間浸し、Ｋ+イオンによるイオン交換処理を行った。
【００２９】
＜実施例２＞
実施例２は、ＳｉＯ2  ７９．５％、Ａｌ2Ｏ3  ２．５％、Ｂ2Ｏ3  １３．４％、Ｎａ2Ｏ  ４．４％、Ｋ2Ｏ  ０．１％、Ｓｂ2Ｏ3  ０．１％の組成を有するガラスを用いた以外は、実施例１と同様にしてイオン交換処理がなされた光導波材料を作製した。
【００３０】
＜実施例３＞
実施例３は、作製した光導波材料の外径が１．２５ｍｍφである以外は、実施例１と同様にしてイオン交換処理がなされた光導波材料を作製した。
【００３１】
＜比較例１＞
比較例１は、イオン交換処理を行わなかった以外は、実施例１と同様にして光導波材料を作製した。
【００３２】
＜比較例２＞
比較例２は、イオン交換処理を行わなかった以外は、実施例２と同様にして光導波材料を作製した。
【００３３】
＜比較例３＞
比較例３は、イオン交換処理を行わなかった以外は、実施例３と同様にして光導波材料を作製した。
【００３４】
実施例及び比較例の光導波材料について、３点曲げ強度試験を行った。３点曲げ強度試験は、島津製作所製小型卓上試験機  ＥＺ  Ｔｅｓｔ−５００Ｎを用いて行った。
【００３５】
表１に示すように、実施例１〜３は、高い曲げ強度を示した。
【００３６】
これに対し、比較例１〜３は、曲げ強度が低かった。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上説明したように、本発明の光導波材料は、１価又は２価の陽イオンを含有するガラスを用い、イオン交換処理を行うことで、化学強化による機械的強度を向上させることができるため、被覆などの保護もしくはキャピラリへの装填を行わなくても光導波部品として使用可能となる。