(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＶＡＤ法によって光ファイバ用の母材を形成し、該母材の中心軸の周囲に該中心軸に沿って複数の気孔を形成し、該母材の線引き時に各気孔に塩素を含む窒素ガスを、塩素濃度が５％から２５％の範囲内になるように充填させながらファイバ化を行うことを特徴とするホーリーファイバ製造方法。
【請求項２】
ＶＡＤ法によって光ファイバ用の母材を形成し、該母材の中心軸の周囲に該中心軸に沿って複数の気孔を形成し、上記気孔に塩素を含む窒素ガスを、塩素濃度が５％から２５％の範囲内になるように充填し、上記石英母材の両端を溶融した後、上記石英母材のファイバ化を行うことを特徴とするホーリーファイバ製造方法。
【請求項３】
上記塩素を含む窒素ガスの圧力を線引き炉内の圧力より高くしてファイバ化を行う請求項１または２に記載のホーリーファイバ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホーリーファイバ製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光ファイバは、コアと、コアを覆うと共にコアより屈折率の低いクラッドとの２層構造を有している。これらコア及びクラッドの素材は石英がベースであり、コアはクラッドよりも屈折率を高くするためゲルマニウム等の添加物を石英に添加した組成になっている。
【０００３】
この種の光ファイバにおいては、光ファイバのコアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高いので、この屈折率差によって光ファイバに入射した光はコア内に閉じ込められて光ファイバ中を伝搬することができる。光が光ファイバ内を伝搬するとき、伝搬する光の単一モード条件を満足するためには、コアの直径を５〜１０μｍ程度にする必要がある。
【０００４】
ところが、近年、光増幅技術や波長多重（ＷＤＭ）技術の発展により光ファイバへ入射させる光のパワーが大きくなっており、種々の非線形効果現象が生じやすくなっている。例えば、非線形効果現象の１つである自己位相変調現象が生じると、光ファイバ中を伝搬するパルス信号波形が歪み伝送容量が制限されてしまう。また、同じ非線形現象の１つであるブリルアン散乱現象も生じやすくなる。このブリルアン散乱現象が生じると、光ファイバの入射パワーが飽和する。
【０００５】
また、従来のシングルモードファイバのゼロ分散波長は、１．３μｍよりも長波長側になってしまうので、波長１．３μｍで大きな異常分散（正分散）を有する光ファイバは存在していなかった。
【０００６】
ところで、上述した光ファイバの問題点を解決する新規な光ファイバとして、フォトニッククリスタル光ファイバ（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｉｂｅｒ）があり、注目を集めている。このＰＣＦとは、フォトニック結晶構造がクラッドに形成された光ファイバである。フォトニック結晶構造とは、屈折率の周期構造のことであり、具体的には蜂の巣のようなハニカム構造の空間をクラッドに形成したものである。このようなハニカム構造とすることで光の禁制帯であるフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ＢａｎｄＧａｐ）が発生する。例えば、Ｋｎｉｇｈｔ氏らはＳｃｉｅｎｃｅ２８２，１４７６，（１９９８）においてＰＣＧを導波原理とするＰＢＦ構造を報告している。
【０００７】
また、Ｃｒｅｇａｎ氏らはＳｃｉｅｎｃｅ２８５，１５７３，（１９９９）においてＰＣＧ構造を導波原理とする中空コアのＰＣＦの報告を行っている。さらに、近年完全なＰＢＧ構造を有する光ファイバではないが、従来のガラス組成の違いにより比屈折率差をもたせた光ファイバのクラッドのコア近傍に気孔を形成し、クラッドの実効的な屈折率を低下させ、コア／クラッド間の比屈折率差を拡大することで、従来得られなかった特性を有する光ファイバ（ホーリーファイバ：ＨＰ）が報告されている。
【０００８】
例えば長谷川氏らはＯＦＣ２００１ＰＤ−１において、通常のシングルモード光ファイバの構造を有する光ファイバのクラッドのコア近傍に４つの空孔を形成した空孔付加型ホーリー光ファイバであり、コア／クラッド間の実効的な比屈折率差を拡大することで波長１．２μｍ帯でシングルモード動作がある光ファイバを実現した報告を行っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したフォトニッククリスタル光ファイバやホーリーファイバはコア近傍に空気からなる気孔が存在するので、ＯＨ基による吸収損失が大きいという問題があった。
【００１０】
図９は従来のホーリーファイバの損失波長特性を示す図であり、横軸は波長軸であり、縦軸は損失を示している。
【００１１】
同図より、波長１．３９μｍ近傍にＯＨ基に起因する４０ｄＢ／ｋｍの吸収ピークがある。この値は現在工業的に生産されている通常のシングルモード光ファイバの場合のピーク値０．４〜２．０ｄＢ／ｋｍに比べて２０〜１００倍の値であり、その吸収損失のテールは、通信用に最も多用されている１．３μｍ帯はもとより、長距離系で使用している１．５５μｍ帯の伝送損失を増大させる。また、気孔内の空気に含まれる水分は、石英母材の線引き時に気孔から光ファイバの表面にわたり微細なクラックを発生させるために光ファイバ強度が通常の光ファイバに比べて弱いという問題があった。
【００１２】
図１０は従来のホーリーファイバと通常のシングルモード光ファイバの破断ワイブル分布強度を示す図であり、横軸が張力を示し、縦軸が不良率（破断確率）を示す。
【００１３】
通常のシングルモード光ファイバの強度は６０〜７０Ｎの領域に分布しているのに対し、従来のホーリーファイバの強度は３５〜６９Ｎとなり、シングルモード光ファイバに比べて強度が弱いという問題があった。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＯＨ吸収損失が低く、強度を向上させたホーリーファイバ製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、ＶＡＤ法によって光ファイバ用の母材を形成し、該母材の中心軸の周囲に該中心軸に沿って複数の気孔を形成し、該母材の線引き時に各気孔に塩素を含む窒素ガスを、塩素濃度が５％から２５％の範囲内になるように充填させながらファイバ化を行うホーリーファイバ製造方法である。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、ＶＡＤ法によって光ファイバ用の母材を形成し、該母材の中心軸の周囲に該中心軸に沿って複数の気孔を形成し、上記気孔に塩素を含む窒素ガスを、塩素濃度が５％から２５％の範囲内になるように充填し、上記石英母材の両端を溶融した後、上記石英母材のファイバ化を行うホーリーファイバ製造方法である。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、上記塩素を含む窒素ガスの圧力を線引き炉内の圧力より高くしてファイバ化を行う請求項１または２に記載のホーリーファイバ製造方法である。
【００１９】
本発明によれば、光ファイバ用の母材に形成された気孔内に充填される気体には塩素が存在するので、母材を線引きする際に気孔部内に残留している水分が分解して発生するＯＨ基が塩素と化学反応を起こして低減する。また、気孔には空気の代わりに塩素を含有した気体が充填されるので、水分による光ファイバの微細クラックの成長が抑制される。この結果、低ＯＨ吸収損失で高強度のホーリーファイバが得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
図１は本発明のホーリーファイバ製造方法を適用した製造装置の概念図であり、図２は図１に示した製造装置で線引きされる石英母材の断面図である。
【００２２】
図１に示す石英母材（石英プリフォームともいう。）１０の一端（図では上端）１０ａに石英ダミー管１１の一端（図では下端）１１ａが固定され、石英ダミー管１１の他端（図でＨ上端）１１ｂにガス投入器１２が取り付けられている。石英プリフォーム１０及び石英ダミー管（若しくはガス投入器１２）１１は図示しないチャックにより鉛直に保持されると共に矢印１３方向に降下若しくは矢印１４方向に上昇できるようになっている。
【００２３】
ガス投入器１２には可撓性を有する配管１５の一端（図では左端）が接続されている。配管１５は３方向に分岐されており、分岐された配管１６−１〜１６−３は開閉バルブ１７、１８、１９を介して排ガス処理装置２０、ガス流量制御器２１及び真空ポンプ２２にそれぞれ接続されている。
【００２４】
石英プリフォーム１０の下端１０ｂには略筒状の電気炉２３が配置され、石英プリフォーム１０が通過できるようになっている。
【００２５】
電気炉２３の下側には樹脂被覆部２４が配置され、樹脂被覆部２４の出口側にはファイバ引き取り機２５が配置されている。
【００２６】
一方、石英プリフォーム１０は図２に示すように石英からなりコアになる部分１０ｃｒと、コアになる部分１０ｃｒの近傍に複数（図では４つであるが限定されない。）の気孔１０ｈを有し、コアになる部分１０ｃｒよりも屈折率が低くコアになる部分１０ｃｒを覆うクラッドになる部分１０ｃｌとで構成されている。
【００２７】
気孔１０ｈの内径は約７μｍであり、気孔１０ｈは、コアになる部分１０ｃｒの中心から半径１２μｍの円周上に位置している。気孔１０ｈの内部には塩素を含んだガスが充填されるようになっており、ガス充填時の屈折率は１である。
【００２８】
次に本発明のホーリーファイバ製造方法について説明する。
【００２９】
（準備段階）
本ホーリーファイバを製造するにあたり、まず、ホーリーファイバとなる石英プリフォーム１０をＶＡＤ法（Ｖａｐｏｕｒ  ａｘｉａｌ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ：気相軸付け法）により作製する。
【００３０】
具体的には、通常のシングルモード光ファイバ用のプリフォームを製造する要領で、直径φ１が約１２０ｍｍであり、長さＬが約１ｍのスートプリフォーム（図示せず。）を作製する。
【００３１】
スートプリフォームを作製する際には、通常のシングルモード光ファイバではコアとなるスート領域に屈折率を高くするためゲルマニウム等の添加物を添加するが、ホーリーファイバではコアの周囲に気孔を形成してクラッドの実効的な屈折率を下げることで導波構造を形成するので、添加物を必要としない。但し、コアに相当するスート領域（図示せず。）に屈折率を高くするための添加物を添加してもよい。
【００３２】
このようなスートプリフォームを塩素等の脱水効果のある雰囲気で焼結し、外径φ６０ｍｍ、長さ４０ｃｍの高純度透明ガラス化母材（図示せず。）を得る。
【００３３】
次にこの高純度透明ガラス化母材の中心軸に対して対称となるように直径φ２．５ｍｍの４つの気孔１０ｈを研削法を用いて加工して石英プリフォーム１０とする。
【００３４】
図３（ａ）は研削加工後の石英母材の側面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示した石英母材の３ｂ−３ｂ線断面図である。
【００３５】
研削後の石英プリフォーム１０の一端１０ｂを封止加工し、石英プリフォーム１０の他端１０ａに外径φ６０ｍｍ、内径φ５０ｍｍの石英ダミー管１１を接続し、線引き用プリフォームとする。
【００３６】
（線引き段階）
まず、開閉バルブ１７を開けると共に開閉バルブ１８、１９を閉めて石英プリフォーム１０の気孔１０ｈ内に残留している空気を真空ポンプ２２の作動により真空引きして除去する。気孔１０ｈ内の空気の除去処理後、開閉バルブ１７を閉めると共に開閉バルブ１８、１９を開けて塩素を含む窒素ガスの流量をガス流量制御器２１により制御して気孔１０ｈ内に塩素を含む窒素ガス雰囲気にする。
【００３７】
ここで、石英プリフォーム１０の気孔１０ｈ内の圧力が低すぎると線引き時に気孔１０ｈが潰れ、ファイバ化後に気孔１０ｈの無い光ファイバになってしまう。また、石英プリフォーム１０の気孔１０ｈ内の圧力が高すぎると線引き後の光ファイバ２６内の気孔１０ｈの占める割合が大きくなり、線引き張力及び線引き速度から決まる内圧の限界点を超えると、線引き中に気孔１０ｈが破裂し、ファイバ形成が不可能となる。
【００３８】
そこで、本発明者らは気孔の内径と線引き時の内圧との関係について調べた。
【００３９】
図４は本発明者らの実験による気孔の内径と線引き時の内圧との関係を示す図であり、横軸が内圧を示し、縦軸が気孔径を示す。
【００４０】
同図より、光ファイバに所望の径の気孔を形成する場合、最適な内圧が必要であることが分かる。本実施の形態では気孔の内圧を１．５ｋＰａとし、ファイバ化時に内径φ５μｍとなるような気孔１０ｈを形成した。このため、ガス流量制御器２１は圧力制御機能を備えているのが好ましい。また、圧力制御を行うためには、塩素・窒素混合の排気ガスが生じるので、本製造装置には排ガス処理装置２０を備えた。
【００４１】
次に本発明者らは線引き時の石英プリフォーム１０内に充填するガスの塩素濃度とファイバＯＨ基吸収損失性及びファイバ強度の関係について調べた。
【００４２】
図５は塩素ガス濃度とファイバＯＨ吸収損失との関係示す図であり、横軸は塩素濃度を示し、縦軸は１．３９μｍＯＨ吸収ピーク損失を示す。
【００４３】
同図より、塩素濃度が高いほどＯＨ吸収損失が低くなり、５％以上で１．３９μｍの吸収ピーク値は２ｄＢ／ｋｍ以下となる。この吸収ピーク値は現在工業的に製造されている光ファイバの上限値レベルであり、この値以下ならば特殊な用途以外の実用上問題の無い特性であると言える。
【００４４】
図６は線引き時の塩素濃度と５０％ワイブル破断加重との関係を示す図であり、横軸が塩素濃度を示し、縦軸がワイブル５０％破断加重強度を示す。
【００４５】
同図より、塩素濃度が２５％と超えると、５０％ワイブル破断加重が通常の光ファイバの最低レベルである６０Ｎよりも小さくなることが分かる。これは、線引きのような高温化において塩素濃度が高いと化１式のような反応が促進され、クリストバライト相が石英ガラスの表面に生じ、石英ガラスの表面を凹凸状に荒らすためである。
【００４６】
【化１】
ＳｉＯ2＋Ｃｌ2→ＳｉＣｌ4＋Ｏ2
ここで、塩素濃度１０％の窒素混合ガスを用い、本発明によるホーリーファイバを１０ｋｍ作製した。
【００４７】
図７は図１に示した装置を用いて作製したホーリーファイバの損失特性を示す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が損失を示す。
【００４８】
同図より、波長１．３９μｍのＯＨ吸収損失は１．５ｄＢ／ｋｍと通常のシングルモード光ファイバと同等のレベルであった。
【００４９】
図８は図１に示した装置を用いて作成したホーリーファイバのワイブル強度分布を示す図であり、横軸が張力を示し、縦軸が不良率を示している。
【００５０】
同図より、ワイブル強度も６０〜７０Ｎと通常の光ファイバと同等のレベルの結果が得られたことが分かる。
【００５１】
また、分散特性について測定を行ったところ、ゼロ分散波長が８６０ｎｍと通常のシングルモード光ファイバでは得られない領域で分散がゼロとなる特性が得られた。なお、ゼロ分散領域においてシングルモード動作になっていることも確認している。
【００５２】
本発明の他の実施の形態としては、研削加工後の石英母材を塩素及び窒素ガス供給可能なガス系を備えたガラス旋盤（図示せず。）を用い、塩素濃度が５〜２５％の塩素・窒素混合ガスを石英ダミー管を介して石英母材の気孔に流しながら、終端を封止する。その後ダミー管終端も封止し、塩素・窒素混合ガスを石英母材の気孔及びダミー管に封入しプリフォームとする。このプリフォームは予め脱ＯＨ基効果のある塩素・窒素混合ガスをプリフォーム内に封入するので、線引き時に排気装置が必要なく、従来の線引き装置をそのまま流用できる利点がある。また、線引き時にプリフォーム加熱部のガスは膨張するが、その膨張分は石英ダミー管で吸収するように、ダミー管サイズと線引き前、初期プリフォーム内の圧力を調整する。
【００５３】
具体的には、外径φ６０ｍｍ、長さ４０ｃｍの孔開け加工母材に対して、外径φ６０ｍｍ、内径φ５０ｍｍ、長さ６０ｃｍの石英管を接続し、プリフォーム内の圧力を大気圧に対して０．５ｋＰａ高くなるように、塩素・窒素混合ガスを封入し、線引きを行う。このようにしても前述と同様の効果が得られた。
【００５４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、ＯＨ吸収損失が低く、強度を向上させたホーリーファイバ製造方法の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のホーリーファイバ製造方法を適用した製造装置の概念図である。
【図２】図１に示した製造装置で線引きされる石英母材の断面図である。
【図３】（ａ）は研削加工後の石英母材の側面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した石英母材の３ｂ−３ｂ線断面図である。
【図４】本発明者らの実験による気孔の内径と線引き時の内圧との関係を示す図である。
【図５】塩素ガス濃度とファイバＯＨ吸収損失との関係示す図である。
【図６】線引き時の塩素濃度と５０％ワイブル破断加重との関係を示す図である。
【図７】図１に示した装置を用いて作製したホーリーファイバの損失特性を示す図である。
【図８】図１に示した装置を用いて作成したホーリーファイバのワイブル強度分布を示す図である。
【図９】従来のホーリーファイバの損失波長特性を示す図である。
【図１０】従来のホーリーファイバと通常のシングルモード光ファイバの破断ワイブル分布強度を示す図である。
【符号の説明】
１０  母材（石英母材、石英プリフォーム）
１１  石英ダミー管
１２  ガス投入器
１５、１６−１〜１６−３  配管
１７〜１９  開閉バルブ
２０  排ガス処理装置
２１  ガス流量制御器
２２  真空ポンプ
２３  電気炉
２４  樹脂被覆部
２５  ファイバ引き取り機
【図１】
0003978071.tif 000002
【図２】
0003978071.tif 000003
【図３】
0003978071.tif 000004
【図４】
0003978071.tif 000005
【図５】
0003978071.tif 000006
【図６】
0003978071.tif 000007
【図７】
0003978071.tif 000008
【図８】
0003978071.tif 000009
【図９】
0003978071.tif 000010
【図１０】
0003978071.tif 000011