JPH0687089B2 - 単結晶フアイバ−の作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はLiNbO₃等の酸化物材料を、原料融液から直接、
直径50μｍφ以下の極細径なファイバー状単結晶に育成
する方法に関する。

［従来の技術］ 近年、単結晶体に特有な純粋且つ異方的な物性と形状に
由来する特異な効果を結び付けた『単結晶ファイバー』
なる結晶材料の新しい利用が主に光学分野に於て提案さ
れ、今日までに微小固体レーザーを目指したNd:YAGやN
d:Al₂O₃等の単結晶ファイバーや、可撓性のある赤外線
伝送路を目的としたアルカリハライド等の単結晶ファイ
バーが盛んに育成されてきた。しかし最近、特にLiNbO₃
など非線形光学材料の単結晶ファイバー化が新しく注目
を集めるようになってきた。

ファイバーのような細い導波路中を進行する光波は、導
波路に特有なモード、高い光電界密度、導波路物質との
強い相互作用などの特異な伝播特性を持つ。従ってもし
非線形光学材料の単結晶ファイバーが作製出来れば、低
い光パワー入力で大きな非線形効果をファイバー内に発
生させることができ、ファイバー自身に機能を持たせ
た、いわゆる機能ファイバーの実現が可能で、各種の新
しい光デバイスへの応用も期待できる。例えば、非線形
光学効果による光逓倍や光混合は、小型な可視短波長レ
ーザーの実現を約束しており、非線形光学材料の短結晶
ファイバー化が特に待望されている。

従来、単結晶ファイバーの育成を目的とする公知の作製
方法には、押し出し法（T.J.Bridges et al.:Opt. Let
t. Vol.5, p85, 1980）、引き下げ法（Y.Mimura et a
l.:Jpn J. Appl. Phys. Vol.19, pL267,1980）、EFG法
（H.E.Labelle,Jr.et al.:Mat.Res.Bull.Vol.6, p571,
1971）、レーザーペデスタル法（例えばC.A.Burrus et
al.: Appl. Phys.Lett. Vol.26, p318, 1975）、マイク
ロ引き上げ法（大西：特願61-024763）等があり、ファ
イバー作製が目的ではないが本発明と関連する単結晶育
成法に引き上げ法（例えばP.Hartman:Crystal Growth
1, p212, North-Holland Pub. Co., 1973）がある。

これらの中で、押し出し法および引き下げ法は主に赤外
ファイバーを育成する目的で考案された方法で、扱う材
料は一般に低融点で、得られるファイバー径は数100-10
00μｍφと比較的太い。

EFG法は、円柱、円筒、角柱など特定な形状を有する単
結晶を融液から直接育成する方法で、毛細管を持ったダ
イを用いることを特徴とする。すなわち、ルツボ中で融
解した原料融液にダイの下端を浸して毛管現象に依り融
液をダイの上端面へ運び、上端面のエッジで融液を規定
しがなら引き上げ、上端面と同一な断面形状に結晶化さ
せる。ダイ上端面の形に依り、様々な形状の結晶が育成
できる。この方法で径250μｍφのサファイヤの単結晶
ファイバーを育成した例が報告されている。（J.T.A.Po
llock:J. Mater. Sci. Vol.7, p631,1972） マイクロ引き上げ法は、特にLiNbO₃やLiTaO₃のファイバ
ー化を想定して考案された方法で、微小突起を持つ発熱
体で原料を融解してその表面を濡らし、突起部に於て融
液を微小規模に引き上げることにより単結晶ファイバー
を育成するものである。現在迄のところ100μｍφまで
細径化されたファイバーが育成されている。

レーザーペデスタル法は、レーザー光を棒状原料の先端
部に集光してその微小領域を融解し、融液に種結晶を浸
して微小規模な引き上げを行う方法である。この方法
は、ルツボやダイ材質からの汚染や、それらの融点によ
る制限もなく、幅広い材料に適用可能で、特に高融点材
料の端結晶ファイバー化に有力である。この方法を用い
て、微小固体レーザーを目指したNd:YAGやNd:Al₂O₃など
の径35〜250μｍφの単結晶ファイバーや、非線形光学
効果を指向した径20μｍφのLiNbO₃のファイバーが育成
されている。（例えばM.M.Fejer et al.:Rev. Sci. Ins
trum. Vol.55, p1791,1984） ［発明が解決しようとする問題点］ 非線形光学効果の利用を目的とする単結晶ファイバーに
は、育成温度とファイバー径に関した技術的な難しさが
ある。LiNbO₃など非線形光学材料は一般に酸化物で、そ
の単結晶は酸化雰囲気中、1000℃以上の高温溶融液から
育成される。こうした育成条件で使えるルツボやダイ等
の材料には白金の他二三しか無く、それも温度範囲、加
工性、高温での機械的強度、腐食性等の点でその使用は
大きな制約を受け、このことがファイバーの作製法を大
きく限定している。その上、非線形光学ファイバーで
は、伝播モードを単一化したり、低光パワー入力での大
きな非線形効果が求められる為に、特に50μｍφ以下の
極細径化された単結晶ファイバーが要求される。

これらの要求に答え得る作製法は、今までのところレー
ザーペデスタル法のみであった。然るにこの方法は、熱
源となるレーザーの出力を安定化する特別な装置や、レ
ーザー光を均一に集光させる為の複雑な光学系等を必要
とし、装置が大規模で経済的にも高価である。その上、
結晶原料を予め均一な細棒形状に準備する必要があり、
結晶育成に際しては、それを数段階に分けて逐次細径化
しなければならず、しかも途中段階での径の不均一性が
最終段階まで持ち込まれるなど、高度で複雑な育成技術
を必要とする。

非線形光学材料として具体的にLiNbO₃を想定すると、温
度的には白金が使用でき、これをルツボやダイの材質と
して用いると、引き上げ法やEFG法がファイバー育成に
も適用できそうにおもわれる。ところが、EFG法で直径5
0μｍφ以下もの細い単結晶ファイバーを育成しようと
すると、ダイの上端面をファイバー径程度に細く加工
し、しかもそのダイを貫いて毛細管を穴開けしなければ
ならないなど、極めて高度で微細な加工技術が必要とな
る。その上、毛細管が或程度以上に細径に成ると、毛管
現象による融液の輸送は抑制され、その為、結晶化速度
を極めて遅くしなければまらなくなる。この様な場合特
に細径結晶の引き上げでは、しばしば異常成長が起こっ
てファイバー形状が大きく損なわれ（大西：第47回応用
物理学会28pG2,1986）、均一なファイバーの育成は不可
能となる。一方、引き上げ法では、ルツボ内融液の熱対
流に依って場所的時間的に不規則な温度変動が常に起こ
り、何等かの工夫無くしてミクロン単位で長尺な単結晶
を育成することはやはり難しい。

現在迄のところ、LiNbO₃単結晶ファイバーの最も簡単な
育成法はマイクロ引き上げ法で、直径100μｍφ程度迄
の細径な単結晶ファイバーが比較的容易に得られてい
る。然るにこの方法を50μｍφ以下の単結晶ファイバー
へ拡張しようとすると、事態は極めて難しくなる。引き
上げ法では、通常育成される結晶の径は、引き上げ速度
と融液温度の両方に依存するが、マイクロ引き上げ法の
場合も、粘性が小さい高温融液からは引き上げは速度を
遅く、低温融液からは速い引き上げ速度で育成してい
る。ところが、結晶径が細くなるに従い、引き上げ結晶
に付着して融液面より持ち上がる融液は次第に少量にな
り、それに働く力は濡れによる付着力が支配的となる。
この為、従来の引き上げ法では経験しなかった異常な固
液界面が形成されることになり、成長する結晶の形や径
の制御は極めて困難になる。そこで制御性の改善を狙っ
て融液温度を下げて粘性を増していくと、今度は融液の
流動性が低下して融液の供給が抑えられ、育成中のファ
イバー径が細ったり切れたりし易くなり、径の均一化や
長尺化が難しくなる。結局、細径化に伴って温度条件は
厳しくなり、ファイバー育成は難しくなってくる。

本発明は上述の問題点を解決することを目的になされた
もので、結晶母材の溶融液から目的の単結晶ファイバー
を直接作製する新しい技術を提供するものである。

［問題を解決するための手段］ 上述の諸問題を解決する為に、本発明では以下の手段を
講じた。すなわち、白金撚線で通電発熱体を作り、毛細
管を有する白金パイプをその一部に立設させる。白金パ
イプの端面の一部には、予め微小な突起を形成してお
く。かく工夫した発熱体で以て原料を融解して融液でそ
の表面を濡らし、パイプの毛細管による毛管現象を利用
して融液をその上端面へ輸送し、それを上端面の形状に
規定されることなく、突起部に於て微小規模に引き上げ
ながら結晶化させる。

［作用］ 以上の手段に於て濡れを利用することにより、融液が微
少量に制限されて、熱対流即ちそれに依る不規則な温度
変動が抑圧され、しかも、融液と発熱体が密着するため
融液温度が発熱体の温度に敏感に追従し、融液温度の微
妙な調整を発熱体の通電電流の制御で行えるように成っ
た。その上、結晶化点をパイプの上端面へ移すことによ
り、発熱体回りの融液温度と結晶化点での融液温度をそ
れぞれ独立させることができ、融液の粘性がかなり自由
に選べ、育成条件が緩められる結果となった。パイプ上
端面に設けた突起は、そこへの融液の集中、熱発散効果
の促進等に加えて、ファイバー引き上げ時には表面張力
の作用により結晶化点を固定する効果を持ち、これらが
総合して細径ファイバーの育成が可能となった。

［実施例］ 図は本発明の一実施例を説明する為のもので、第１図に
その主要部である発熱体構造の側面図、第２図にファイ
バー育成中の白金パイプ部分の拡大図を示す。直径0.4
−0.77mmφの白金線１で25cm程度の白金撚線２を形成
し、その中程５−9mmをメインヒーター３として直状に
使用し、その残り両端の白金撚線をメインヒーター３の
上下にそれぞれ縦型コイル状に巻いてサブヒーター４と
する構造を採った。メインヒーター３のほぼ中央には外
径200μｍφ、内径100μｍφ、長さ500μｍ程度の白金
パイプ５を白金細線６で縛り立設する。パイプは切り出
しの際、円周の一部を残して切り目を入れ、それを引っ
張って切断することで切断面上に微小な突起７（第２図
示）を形成し、パイプの取り付けに際しては、両面開口
で突起７を上に、しかも融液12がメインヒーター３を濡
らした時、パイプの下端がそれに浸るよう撚線の溝に充
分接近させて立設させた。かく構成した発熱体14は、第
３図に示すように耐熱材８で周囲を保温した育成炉９内
に格納し、それを0.01−3mm/minの移動速度を有する上
下駆動機構10に加設した。

次に、具体的な単結晶ファイバーの育成について、以下
説明する。まず、LiNbO₃の原料を上下駆動機構10の先端
に取り付け、通電加熱中のメインヒーター３に接触させ
て融解し、その表面を濡らす。次いで原料に替えて所望
の結晶方位を持つLiNbO₃の種結晶11を取り付け、その先
端をパイプの上端面に接触し、一部メルトバックさせて
突起部７を濡らし、毛管現象に依り吸い上げられた原料
融液12と融合させる。然る後、温度条件を望みのファイ
バー径に設定し、突起部７に於て引き上げらなが結晶化
させた。

本作製法はファイバー径をパイプ径と全く独立に、充分
に細く引き上げると言う点でEFG法と異なり、パイプ端
面もダイ上端面の様な平面精度を必要としない。特に、
直径が50μｍφ程度もの充分細いファイバーの育成に
は、微小突起の替わりにパイプ端面に残る僅かな凸状部
や、傾いて取り付けられたパイプのエッジ等をむしろ積
極的に利用することができた。また、パイプに替えて、
白金箔板の重ね合わせや撚線等、毛管現象を有する他の
構造も利用可能である。

発熱体やパイプの材質は、原料融液と化学反応せず、原
料よりも充分に高い融点を持つ金属で、しかも、融液で
濡れるものならば何等制約を受けず、また逆に言えば、
結晶原料も上述の条件に沿うものならばLiNbO₃以外の材
料が適用可能である。

［発明の効果］ 上述の方法により、LiNbO₃の場合、直径50μｍφ程度迄
に細径化した単結晶ファイバーが融液から直接、しかも
比較的容易に育成可能となった。この方法は従来法に比
して、技術的経済的に大きな利点を持つものである。本
発明の主要部である発熱体構造には本発明の原理を満た
す幅広い構造が可能で、育成される単結晶ファイバーも
上下駆動機構の性能を向上させることで、50μｍφ以下
の細径化も可能と考えられ、しかも、育成条件を満足す
るLiNbO₃以外の幅広い材料に応用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一実施例の発熱体構造の側面図、
第２図は本発明により単結晶ファイバー育成中の白金パ
イプ部分の拡大図、第３図は発熱体と連合するファイバ
ー育成装置の断面図である。 図中、１は白金線、２は白金線撚線、３はメインヒータ
ー部、４はサブヒーター部、５は白金パイプ、６は白金
細線、７は微小突起、８は耐熱材、９は育成炉、10は上
下駆動機構、11は種結晶、12は原料の溶融液、13は毛管
現象により輸送された融液、14は発熱体、15は監視用の
拡大鏡、16は電源である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】毛細管を有するパイプの上端面一部に微小
   突起を設け、該パイプを両端開口に通電発熱体の一部に
   立設させ、該発熱体で結晶原料を直接融解して溶融液で
   前記発熱体の表面を濡らし、該融液を毛管現象に依り前
   記パイプ上端部へ輸送させて前記融液の一部を前記微小
   突起部に於て引き上げること特徴とする単結晶ファイバ
   ーの作製方法