(57)【要約】      （修正有） 【課題】製作過程中の汚染を抑制し、短い母材長さ及びエアホール配列の単純性を克服することができ、また光ファイバーを引き出す際に発生するエアホールの変形及びサイズ縮小の問題を解決することができるフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法を提供する。【解決手段】  単量体と二量体とが混合されたシリカスラリーをシリンダー形状に成形した後に、乾燥させてシリンダー形状の乾燥ゲルを生成する第１の工程と、前記シリンダー形状の乾燥ゲルに所望のサイズ及び配列のエアホールを形成する第２の工程と、を含む構成とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単量体と二量体とが混合されたシリカスラリーをシリンダー形状に成形した後に、乾燥させてシリンダー形状の乾燥ゲルを生成する第１の工程と、
前記シリンダー形状の乾燥ゲルに所望のサイズ及び配列のエアホールを形成する第２の工程と、
を含むことを特徴とするフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項２】
前記第１の工程は、
脱イオン水に単量体と二量体とを混合して混合水溶液を生成する混合水溶液生成工程と、
前記混合水溶液に発煙シリカ及び分散剤を投入してゾルを生成する分散工程と、
前記ゾルに含まれる気泡を除去して熟成させる熟成工程と、
前記熟成工程を行ったゾルを一定な形状を有する型に注入して、重合開始剤及び触媒を添加してゲル化させるモールディング工程と、
前記ゲルを熟成してゲルの強度を増進させるゲル熟成工程と、
前記熟成された湿潤ゲルを型から分離するデモールディング工程と、
前記型から分離した湿潤ゲルを乾燥させて乾燥ゲルを生成するゲル乾燥工程と、を含むことを特徴とする請求項１記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項３】
前記第２の工程は、ドリルリングなどの機械的な穿孔により行われること
を特徴とする請求項１記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項４】
前記エアホールが形成された乾燥ゲルを焼結させてガラス化する第３の工程をさらに含むこと
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項５】
前記混合水溶液生成工程の単量体は、アクリルアミド(Acrylamide)、メタクリルアミド(methacrylamide)及び1-Vinyl-2-pyrrolidinoneの中のいずれか一つからなること
を特徴とする請求項２記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項６】
前記混合水溶液生成工程の二量体は、Ｎ、Ｎ´- メチレンビスアクリルアミド(Ｎ、Ｎ´-methylenebissacrylamide)からなること
を特徴とする請求項２記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項７】
前記分散工程の発煙シリカの混合比は、４０重量％〜６０重量％であること
を特徴とする請求項２記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項８】
前記分散工程の分散剤は、混合水溶液の酸性度(ｐＨ）が１１〜１３になるように調整すること
を特徴とする請求項２記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項９】
前記モールディング工程の重合開始剤は、過硫酸アンモニウム水溶液(ammonium persulfate water solution)からなること
を特徴とする請求項２記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項１０】
前記モールディング工程の触媒は、Ｎ、Ｎ、Ｎ´、Ｎ´― テトラメチルエチレンジアミン(ＴＥＭＥＤ：tetramethylethylenediamine)からなること
を特徴とする請求項２記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項１１】
前記エアホールを形成した後、前記乾燥ゲルに含有された水分及び不純物を除去するための熱処理工程をさらに含むこと
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項１２】
前記熱処理工程は、同一チャンバ内(in-situ)で行われること
を特徴とする請求項１１記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項１３】
脱イオン水に単量体と二量体とを混合して混合水溶液を生成する混合水溶液生成工程と、
前記混合水溶液に発煙シリカと分散剤とを投入してゾルを生成する分散工程と、 
前記ゾルに含まれる気泡を除去して熟成させる熟成工程と、
前記熟成工程を行なったゾルを一定の形状を有する型に注入して、重合開始剤及び触媒を添加してゲル化させるモールディング工程と、
前記ゲルを熟成してゲルの強度を増進させるゲル熟成工程と、
前記熟成された湿潤ゲルを型から分離するデモールディング工程と、
前記型から分離した湿潤ゲルを乾燥させて乾燥ゲルを生成するゲル乾燥工程と、
前記乾燥ゲルに予定とするサイズ及び配列のエアホールを穿孔するエアホール形成工程と、
前記エアホールが形成された乾燥ゲルを焼結させてガラス化する焼結工程と、
を含むことを特徴とするフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項１４】
前記ゲルの強度を増進させるゲル熟成工程は、常温で行われること
を特徴とする請求項１３記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【請求項１５】
前記エアホールを穿孔するエアホール形成工程は、旋盤及び機械的な穿孔により行われること
を特徴とする請求項１３記載のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニッククリスタル光ファイバー(photonic crystal fiber；ＰＣＦ)用母材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニッククリスタル光ファイバー(ＰＣＦ)は、光ファイバーの特別な一形態である。一般の単一モード光ファイバーは、ガラスにゲルマニウム(Germanium)またはリン(Phosphorus)を添加して製造される。
【０００３】
図１は、一般的なフォトニッククリスタル光ファイバー用母材（予備的形成品も含む）の構造を示す図である。
【０００４】
フォトニッククリスタル光ファイバーは、例えば図１に図示されるように、融合された石英ガラスのような単一固体状の実質的に透明な材料（透明部材）１で形成されている。その内部には、ファイバーの長さ方向に沿って、このファイバー軸に平行に伸びる規則的な配列のエアホール(air hole)２が形成されている。
【０００５】
フォトニッククリスタル光ファイバーでは、規則的な配列形態内において、空気層と石英ガラス層との間の誘電率差を利用して光子転移層（フォトニックバンドギャップ）を作成する。この光子転移層は、半導体での電子バンドギャップ(electronic band-gap)と同じように、特定の波長や光波進行方向に対する光阻止バンド(Photonic stop band)を有している。即ち、光子転移層の設定条件を満足する光だけが当該光子転移層を通過することができる。
【０００６】
言い換えれば、フォトニッククリスタル光ファイバー内での光の進行は、フォトニックバンドギャップ效果(Photonic Band-gap Effect)及び有効屈折率効果(Effective Index Effect)の作用により達成される。これについては公開された論文T.A.Birks et al., Electronic Letters、Vol.31(22) p.1941(October 1995)及びJ.C.Knight et al., OFC、Vol.4p.114(February、1999)などに詳しく開示されている。
【０００７】
このようなフォトニッククリスタル光ファイバーは、光通信分野にて使用される多くの重要な技術特性を有している。例えば、フォトニッククリスタル光ファイバーは、広い波長範囲にわたって単一モードを支援することができると共に、高い光パワー(Optical Power)を伝送することができ、１.５５μｍの波長で高い相分離を示す光信号を伝送することのできる広いモード領域を有している。また、フォトニッククリスタル光ファイバーは、非線形性の増加/減少を行なって、極性化された光を規制する装置として使用することができる。したがって、このように多くの機能を有するフォトニッククリスタル光ファイバーは、近い未来に光通信及び光産業に広く適用されることが期待される。
【０００８】
一方、フォトニッククリスタル光ファイバー用母材を製造するための従来の技術は、その多くが細管ガラスチューブ(capillary glass tube)とガラス棒(glass rod)とを所望の形状となるように組み合せ(stacking)、縛って束(Bundle)にして母材を作成し、これを引き出して形成している。
【０００９】
しかしながら、前記従来の製造手法は、作業者の手作業により組み立てられるので、組み立て工程で汚染を誘発させて洗浄などの作業を反復的に行うことを要する。
【００１０】
また、ガラスチューブ及びガラス棒を組み合せて束にして作成するので、エアホールの配列の大部分は六角形(hexagonal)模様と単純である。それに、多孔質構造の光ファイバーは、母材から引き出す際に、光ファイバー用母材の内側領域と外側領域との間の熱伝導率差により、外側の管形部材が溶ける速度が内側の管形部材が溶ける速度よりも速いので、外側領域にあるエアホールが内側領域にあるエアホールよりも径がめっきり小くなるかあるいは塞がってしまうようになる。また相対的に径の大きくなったエアホール例えば内側領域にあるエアホールは楕円形に変形してしまうことがある。このように、光ファイバー母材から光ファイバーを引き出す際に発生するエアホールの変形が生じるため、従来においては大量の多孔構造光ファイバーを連続的に生産することが困難である。
【００１１】
また、従来における他の方法として、円筒型（シリンダー型）シリカガラスにエアホールを形成する方法が知られている。
【００１２】
しかしながら、前記方法はシリカガラスの硬度が大きくてホール形成の加工が難しいという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、光ファイバー製造工程中の汚染を抑制し、短い母材長さ及びエアホール配列の単純性を克服することができるフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、光ファイバーを引き出す際に発生するエアホールの変形及びサイズ縮小を抑制することができるフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するための本発明によるフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法は、単量体と二量体とが混合されたシリカスラリーをシリンダー形状に成形した後に、乾燥させてシリンダー形状の乾燥ゲルを生成する第１の工程と、前記シリンダー形状の乾燥ゲルに所望のサイズ及び配列のエアホールを形成する第２の工程と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、前記第１の工程は、脱イオン水に単量体と二量体とを混合して混合水溶液を生成する混合水溶液生成工程と、前記混合水溶液に発煙シリカ及び分散剤を投入してゾルを生成する分散工程と、前記ゾルに含まれる気泡を除去して熟成させる熟成工程と、前記熟成工程を行ったゾルを一定な形状を有する型に注入して、重合開始剤及び触媒を添加してゲル化させるモールディング工程と、前記ゲルを熟成してゲルの強度を増進させるゲル熟成工程と、前記熟成された湿潤ゲルを型から分離するデモールディング工程と、前記型から分離した湿潤ゲルを乾燥させて乾燥ゲルを生成するゲル乾燥工程と、  を含むことを特徴とする。
【００１７】
より好ましくは、前記エアホールが形成された乾燥ゲルを焼結させてガラス化する第３の工程をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、単量体と二量体とが混合されたシリカスラリーを用いてフォトニッククリスタル光ファイバー用母材を製造することにより、エアホールのサイズ及び配列などの調節が容易であると共に、多様な模様のフォトニッククリスタル光ファイバー用母材を製造することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、製造工程中において汚染の恐れが少ない大型化されたフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の形成が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態について詳しく説明する。なお、以下の説明において、関連公知機能あるいは構成に対する具体的な説明は本発明の要旨を明確にするために省略する。
【００２１】
まず、本発明は、フォトニッククリスタル光ファイバー用母材を製造する方法において、単量体と二量体とが混合されたシリカスラリーをシリンダー形状に成形した後に、乾燥させて乾燥されたシリンダー形状の乾燥ゲルを生成し、例えばドリルリングなどの機械作業によって前記乾燥ゲルに所望のサイズ及び配列のエアホールを形成することに特徴がある。
【００２２】
図２は、本発明の第一実施形態によるフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造工程を示すフローチャートである。
【００２３】
図２に図示されるように、本実施形態によるフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造方法は、混合水溶液生成工程(preparing a premix solution )(ステップＳ１００)、分散工程(dispersion)(ステップＳ２００)、熟成工程(maturing)(ステップＳ３００)、モールディング工程(molding)(ステップＳ４００)、ゲル熟成工程(maturing a gel)(ステップＳ５００)、デモールディング工程(demolding)(ステップＳ６００)、ゲル乾燥工程(gel dry)(ステップＳ７００)、エアホール形成工程(drilling)(ステップＳ８００)、熱処理工程(ステップＳ９００)、焼結工程(sintering)(ステップＳ１０００)の順で行われる。
【００２４】
前記混合水溶液生成工程(ステップＳ１００)は、アクリルアミド(Acrylamide)、メタクリルアミド(methacrylamide)または１-ビニル−２−ピロリジノン(1-Vinyl-2-pyrrolidinone)などの単量体と、N、N´- メチレンビスアクリルアミド(N,N´-methylenebissacrylamide)のような二量体を蒸溜水に溶解させて混合水溶液(premix solution)を生成する工程である。
【００２５】
前記分散工程(ステップＳ２００)は、前記混合水溶液生成工程で製造された混合水溶液に発煙シリカ（fuming silica）２０１及び分散剤２０２を投入して混合/分散することにより、スラリーを生成する工程である。
【００２６】
前記発煙シリカ２０１(例えば、aerosil-OX50、DEGUSSA製品)の混合比は、４０〜６０重量％の範囲である。また前記分散剤２０２は、水酸化テトラメチルアンモニウム(ＴＭＡＨ：tetramethylammonium hydroxide)を使用する。前記分散剤２０２は、混合物の酸性度(ｐＨ)が１１〜１３程度になるように調節してシリカの分散を円滑に増進させる。 
【００２７】
前記熟成工程(ステップＳ３００)は、真空ポンプを利用して前記分散されたゾル内の残存空気を除去し、一定の時間(大抵は１５時間以内)熟成させて前記シリカ粒子を安定化させる工程である。
【００２８】
前記モールディング工程(ステップＳ４００)は、前記熟成工程(ステップＳ３００)を行ったゾルを一定の形状例えばシリンダー形状（円筒形）を有するモールド（型）に注入し、重合開始剤及び触媒４０１を添加して重合によりゾルをゲル化させる工程である。前記重合開始剤及び触媒４０１は混合水溶液に添加された単量体及び二量体を重合させるために添加されるものであり、重合開始剤としては過硫酸アンモニウム水溶液(ammonium persulfate water solution)を使用し、また触媒としては、N、N、N'、N'− テトラメチルエチレンジアミン(ＴＥＭＥＤ：tetramethylethylenediamine)を使用する。
【００２９】
前記ゲル熟成工程(ステップＳ５００)は、前記モールディング工程(ステップＳ４００)を行ったゲルを常温で熟成させてゲルの強度を増進させる工程である。
【００３０】
前記デモールディング工程(ステップＳ６００)は、前記熟成されてゲル化がなされたシリンダー形状の湿潤ゲル(wet gel)をモールドから分離する工程である。ここでは、例えばモールドの中心峰を上部または下部で除去して前記湿潤ゲルをモールドから分離する。
【００３１】
前記ゲル乾燥工程(ステップＳ７００)は、モールドから分離された湿潤ゲルを２０〜５０℃、ＲＨ７０〜９５％の範囲に調整された恒温恒湿装置(thermohydrostat)で１週間乾燥させて乾燥ゲルを形成する工程である。
【００３２】
前記エアホール形成工程(ステップＳ８００)は、生成された乾燥ゲルを旋盤及び穿孔(Drilling) 作業等を行って、所望のサイズ及び配列でエアホールを加工形成する工程である。
【００３３】
前記熱処理工程(ステップＳ９００)は、エアホールが形成された乾燥ゲルを３００〜７００℃の範囲で熱処理してゲル内に残っている水分及び添加された有機物を除去した後、さらに塩素ガスを供給しながら３００〜１２００℃の範囲で再度熱処理してゲル内に残留するＯＨ基を除去する工程である。 
【００３４】
前記焼結工程(ステップＳ１０００)は、ヘリウムガスを供給するか、または真空雰囲気下において１１００〜１６００℃の範囲で熱処理して、これにより気泡のない高純度のシリカガラスフォトニッククリスタル光ファイバー用母材を製造する工程である。
【実施例１】
【００３５】
脱イオン水２.８２５ｇに1-vinyl-2-pyrrolidinone１０８ｇとＮ、Ｎ'-メチレンビスアクリルアミド１２ｇとを混合して得た混合水溶液に２５ｗｔ％ＴＭＡＨ水溶液３７５ｃｃを混合し、aerosil-OX50(DEGUSSA製品)３０００ｇを投入した後、高剪断ミキサー内で分散させてスラリーを生成した。
【００３６】
生成されたスラリーを内部直径１２４ｍｍ、長さ５００ｍｍのＳＵＳチューブモールド内に注入させて成形した。スラリーは１時間以内にゲル化され、５時間熟成させる。熟成後に中心峰を下部で垂直に除去してＳＵＳチューブからゲルを取り出し、温度３０℃、湿度７０％の恒温恒湿装置で７日間乾燥させる。乾燥後、穿孔作業を行って直径４ｍｍのエアホールを形成した。
【００３７】
前記ゲルに含有された有機物を除去するために５０℃/ｈｒの昇温速度で５５０℃まで温度を高めて５時間それを維持する。前記残留水分及び有機物除去の工程は同一なチャンバで連続的に行われる。さらに、ゲルをガラス化させるために１００℃/ｈｒの昇温速度で１０００℃まで温度を高めて５時間それを維持する。このとき、雰囲気は塩素気体を供給してＯＨ基を除去する。次いで、ヘリウム雰囲気下で１００℃/ｈｒの昇温速度で１５００℃まで温度を高めて焼結を行い、高純度シリカガラス母材を得た。
【００３８】
ガラス化された母材は、直径８０ｍｍ、長さ２７０ｍｍで、エアホールのサイズは直径が３ｍｍ、エアホール中心の間の距離は４.５ｍｍである。
【実施例２】
【００３９】
本例は、焼結を真空雰囲気下で行ったことを除いて実施例１と同じ処理を行った実施例２である。このとき、温度は１５００℃、真空度は１Ｔｏｒｒであった。
【００４０】
本発明は、本発明の技術的思想から逸脱することなく、他の種々の形態で実施することができる。前述の実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例のみに限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と特許請求の範囲内で、種々に変更して実施することができるものである
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】一般的なフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の構造を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態によるフォトニッククリスタル光ファイバー用母材の製造工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
Ｓ１００  混合水溶液生成工程
Ｓ２００  分散工程
Ｓ３００  熟成工程
Ｓ４００  モールディング工程
Ｓ５００  ゲル熟成工程
Ｓ６００  デモールディング工程
Ｓ７００  ゲル乾燥工程
Ｓ８００  エアホール形成工程
Ｓ９００  熱処理工程
Ｓ１０００  焼結工程
【図１】
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【図２】
2005225755.tif 000004