JPH11314940A

JPH11314940A - 光ファイバ

Info

Publication number: JPH11314940A
Application number: JP11001273A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sonoda; 健二園田; Tsuneyoshi Kamae; 常好釜江
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-01-06
Filing date: 1999-01-06
Publication date: 1999-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】受光角が大きく、集光効率の高い光ファイバ
を提供する。【解決手段】コア材と、このコア材の外面を覆う、コ
ア材より屈折率の低いクラッド材とにより形成される光
ファイバであって、前記コア材の略全てを覆うクラッド
材が、１．００８〜１．１８の屈折率を有する、シリカ
の多孔質骨格からなるシリカエアロゲルである。前記シ
リカエアロゲルの外面が、被覆材によって被覆されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クラッド材とし
て、シリカの多孔質骨格からなるエアロゲルを用いた光
ファイバに関し、詳しくは、太陽光の伝送、医療用機器
照明、顕微鏡照射、自動車部品等の照明関係、パンチカ
ード読み取り、マーク読み取り等の情報システム関係、
遠隔モニター、自動検査等のプロセスコントロール関
係、その他装飾品、玩具等におけるライトガイド、紫外
線ファイバ、赤外線ファイバ、イメージファイバ、ウェ
ーブガイド、アクティブファイバ等に適用でき、高い伝
送効率を得ることができる光ファイバに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ファイバのコア材としては、石
英系ガラスや多成分系ガラス等のガラス類、メチルメタ
クリレート等のアクリル系やスチロール系のプラスチッ
ク類、あるいはテトラクロルエチレン等の透明な液体類
が用いられている。また、クラッド材としては、コア材
よりも屈折率の低いソーダライム系やホウケイ酸ガラス
系等のガラス類、塩化ビニル、アリルジグリコールカー
ボネートやフッ素を添加して屈折率を低下させたアクリ
ル系のプラスチック類等が用いられている。

【０００３】ここで、クラッド材の屈折率はコア材の屈
折率よりも小さくなるように構成されているが、それら
の屈折率の差の大小により光ファイバの受光角及びコア
材とクラッド材との境界面における光の全反射角が異な
ってくる。

【０００４】一般的にコア材とクラッド材の屈折率の差
を表す指標として比屈折率差が用いられており、次式で
表される。

【０００５】比屈折率差＝（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₁ ここで、ｎ₁はコア材の屈折率、ｎ₂はクラッド材の屈
折率を示している。

【０００６】また、光ファイバの開口数及び受光角θ
（図１参照）は次式で表される。開口数＝ｎ・ｓｉｎθ＝（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）^1/2 ここで、ｎは光ファイバの外界の屈折率であり、通常は
空気でｎ＝１．０である。したがって、光ファイバの受
光角は、コア材とクラッド材との屈折率の差が大きいほ
ど、すなわち、比屈折率差が大きいほど大きくなる。つ
まり、光ファイバの集光効率を高めるためには、比屈折
率差を大きくする必要がある。このことは、コア材の屈
折率を高くし、クラッド材の屈折率を低くすることで達
成され得る。

【０００７】ガラス光ファイバに用いられる純粋な石英
ガラスは光損失が小さく、耐熱性、耐薬品性に優れてい
ることから、コア材として多用されている。しかしなが
ら、石英ガラスの屈折率は１．４９と低く、これよりも
屈折率が低いクラッド材の選定が問題となる。クラッド
材にガラスを用いる場合には、純粋な石英ガラスよりも
屈折率を低下させるために、Ｂ₂Ｏ₃やフッ素等の屈折
率低下成分を添加する方法等がある。また、石英ガラス
に屈折率上昇用ドーパントを添加することにより、光損
失を低く維持した状態で屈折率を上昇させる方法もあ
る。このようなドーパントとしては、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂
Ｏ₅、ＳｎＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、Ｙｂ₂Ｏ₃、
Ｌａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃等が挙げられる。この場合に
は、クラッド材として純粋な石英ガラス、あるいはより
低屈折率のドープト石英ガラスが用いられる。また、ク
ラッド材としてプラスチックを用いる場合には、ポリシ
ロキサンやシリコンゴム等のケイ素樹脂や、フッ化エチ
レンプロピレン、フッ化ビニリデン等のフッ素含有樹脂
等が挙げられる。これらの屈折率は低いもので１．２９
〜１．３３程度である。

【０００８】前述したように、コア材とクラッド材との
比屈折率差により光ファイバの受光角が変化する。例え
ば、ライトガイドにおいて、コア材としてフリント系の
Ｆ２ガラス（屈折率１．６２）、クラッド材としてソー
ダライム系ガラス（屈折率１．５２）を用いた場合に
は、開口数が０．５６、受光角θが３４度となる。ま
た、プラスチック光ファイバにおいても、コア材として
メタクリル樹脂（屈折率１．５８）、クラッド材として
フッ素樹脂（屈折率１．３９）を用いた場合には、開口
数が０．７５、受光角θが４８．７度となる。このよう
に、従来のコア材及びクラッド材を用いた場合には、受
光角は３０〜５０度程度であり、高効率で集光すること
が困難であった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記の事実に
鑑みてなされたもので、その目的とするところは、受光
角が大きく、集光効率の高い光ファイバを提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
光ファイバは、コア材と、このコア材の外面を覆う、コ
ア材より屈折率の低いクラッド材とにより形成される光
ファイバであって、前記コア材の略全てを覆うクラッド
材が、１．００８〜１．１８の屈折率を有する、シリカ
の多孔質骨格からなるシリカエアロゲルであることを特
徴とする。

【００１１】本発明の請求項２に係る光ファイバは、請
求項１記載の光ファイバにおいて、前記シリカエアロゲ
ルが、アルコキシシランを加水分解重合させた後に、超
臨界乾燥して得られることを特徴とする。

【００１２】本発明の請求項３に係る光ファイバは、請
求項１又は請求項２記載の光ファイバにおいて、前記シ
リカエアロゲルの外面が、被覆材によって被覆されてい
ることを特徴とする。

【００１３】本発明の請求項４に係る光ファイバは、請
求項１乃至請求項３ずれか記載の光ファイバにおいて、
前記シリカエアロゲルが疎水化処理されていることを特
徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。

【００１５】本発明に係る光ファイバは、図１に示すよ
うに、コア材１と、このコア材１の外面を覆う、コア材
１より屈折率の低いクラッド材２とにより形成される。
前記コア材１として、例えば、石英系ガラス若しくは多
成分系ガラス等のガラス類、ポリメチルメタクリレート
（ＰＭＭＡ）等のアクリル系若しくはスチロール系等の
プラスチック類、又は、テトラクロルエチレン等の透明
な液体類等が用いられる。

【００１６】前記クラッド材２としては、１．００８〜
１．１８の屈折率を有する、シリカの多孔質骨格からな
るシリカエアロゲルである。このシリカエアロゲルのク
ラッド材２の屈折率は、シリカエアロゲルの原料配合比
によって１．００８〜１．１８まで変化させることがで
きるため、種々のコア材１に応じて比屈折率差を飛躍的
に大きくできるので、特に、コア材１として純粋な石英
ガラス（屈折率１．４９）を用いる場合には有効であ
る。この場合、シリカエアロゲルのクラッド材２の屈折
率が約１．１で受光角は最大の９０度となり、広い受光
角で集光することが可能となり、集光効率が向上する。
また、出射端における光の出射角も大きくすることがで
きる。

【００１７】このシリカエアロゲルとは、ＵＳＰ４４０
２９２７号、同４４３２９５６号、同４６１０８６３号
に述べられているように、アルコキシシラン（シリコン
アルコキシド、アルキルシリケートとも称される）の加
水分解、重合反応によって得られたシリカ骨格からなる
湿潤状態のゲル状化合物を、アルコールあるいは二酸化
炭素等の溶媒（分散媒）の存在下で、この溶媒の臨界点
以上の超臨界状態で乾燥することによって製造できる。
また、ＵＳＰ５１３７２９７号、同５１２４３６４号の
ように、ケイ酸ナトリウムを原料として同様に製造する
ことができる。ここで、特開平５−２７９０１１号公
報、特開平７−１３８３７５号公報に開示されているよ
うに、アルコキシシランの加水分解、重合反応によって
得られたゲル状化合物を疎水化処理することによりシリ
カエアロゲルに疎水性を付与することが好ましい。すな
わち、疎水性を付与した疎水性シリカエアロゲルは、湿
気や水等が侵入し難く、屈折率や光透過性等の性能が劣
化し難い。

【００１８】次に、本発明に係る光ファイバの形状につ
いて説明する。図２（ａ）に示すように、クラッド材２
がコア材１の略全てを覆う。図２（ｂ）に示すように、
前記シリカエアロゲルのクラッド材２の機能を保持する
ため、シリカエアロゲルの外面が、被覆材３によって被
覆されていることが好ましい。この被覆材３としては、
例えば、ポリエチレン、架橋ポリエチレン、ポリ塩化ビ
ニル若しくはポリオレフィンエラストマー等の樹脂又は
ステンレス等の金属類等が挙げられる。なお、これらの
被覆材３がアルコールや疎水化処理剤を透過させること
ができるような膜状のものであれば、クラッド材２を被
覆材３と一体化した状態で疎水化処理及び超臨界乾燥が
できるため、生産性の面から好ましい。

【００１９】また、単線のコア材１に対するものだけで
なく、図３（ａ）に示すように、このコア材１を複数本
束ねて使用することもできる。例えば、予め必要とする
コア材１の本数だけ穴があいたクラッド材２を用いれば
よい。また、図３（ｂ）に示すように、前記シリカエア
ロゲルのクラッド材２の機能を保持するため、シリカエ
アロゲルの外面が、被覆材３によって被覆されているこ
とが好ましい。

【００２０】前記シリカエアロゲルのクラッド材２は、
コア材１、１同志、あるいは、コア材１と被覆材３とが
接することがないような厚みを有したものである。な
お、複数のコア材１・・１を束ねて用いる場合には、コ
ア材１・・１同志は接していてもかまわない。

【００２１】本発明に係る光ファイバは、図４に示すよ
うに、光ファイバ４の端面４ａにおける受光角θを容易
に９０度とすることが可能であり、優れた集光効率を有
している。光ファイバ４の端面４ａに光を全方向（３６
０度）から照射した場合の集光効率は受光角θを用いて
次式で表せる。

【００２２】集光効率（％）＝１００（１−ＣＯＳθ）／２受光角θが９０度の場合には光ファイバ４の端面４ａよ
り上部の光は全て集光でき、集光効率は５０％となる。
なお、種々の受光角θにおける集光効率を表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】ここで、太陽光等の集光については、例え
ば、図４に示すような形状の魚眼レンズ等の集光レンズ
５、あるいは図５に示すような放物鏡６等を用いること
によって、より効率よく集光できる。

【００２５】放物鏡６を用いる場合は、図６に示すよう
に、例えば、ｙ＝（１／２）・ｘ² で表される曲線６ａをｙ軸のまわりに回転させた放物鏡
６を用いた場合、太陽の視直径を３２’として、放物鏡
に入る光の焦点（面）の半径は、焦点（面）半径＝(1/2) ・（ユニット半径）・（π/18
0) ・(16 ’/ 60’) で表される。すなわち、放物鏡６のユニット半径を例え
ば、１０ｃｍとした場合、焦点（面）半径は０．２３ｍ
ｍとなる。すなわち、直径２０ｃｍの放物鏡内に降り注
ぐ太陽光を、直径０．４６ｍｍのコア材１を有する光フ
ァイバ４で全てトラップすることができる。

【００２６】図５（ａ）に示すように、放物鏡６と集め
られた光を光ファイバ４内に入射させるための平面鏡７
とを用いることによって、より効率よく集光できる。一
般的に、放物鏡６及び平面鏡７によって光が反射する
際、光の一部が熱に変換され、集光効率が低下する。こ
れを防ぐためには、例えば、放物鏡６及び平面鏡７にア
ルミ蒸着等の表面処理を施す等して光の反射率を高めた
ものを用いることが好ましい。このアルミ蒸着板の反射
率は９０〜９２％程度である。なお、図５（ｂ）に示す
ように、集光した光を出射する場合にも同様に放物鏡６
を用いることにより、広角度で出射できる。この場合、
平板鏡７が放物鏡６の焦点の位置にあれば平行な光束を
得ることができ、焦点よりも光ファイバ４に近い位置に
あれば広がっていく光束を得ることができる。

【００２７】しかも、前述したように、本発明に係る光
ファイバに用いるシリカエアロゲルはシリカの多孔質骨
格から形成されているので、優れた耐熱性を有してお
り、このため、集光レンズ５や放物鏡６により高密度化
された光エネルギーによってコア材１及びクラッド材２
自身が高温になった場合であっても劣化することがな
い。さらにシリカエアロゲルの極めて低い熱伝導率によ
り、光ファイバ４の外部に熱が伝達されにくいため、被
覆材３への熱的な損傷を低減できる。

【００２８】本発明に係る光ファイバはクラッド材とし
て、非常に微細なシリカ粒子からなるシリカエアロゲル
を使用している。その粒子径及び粒子間空隙は光の波長
よりもはるかに小さいために、多孔体であるにもかかわ
らず透光性を有し、かつ空気に近い屈折率を有する。こ
のエアロゲルの屈折率は原料配合比により適宜変化させ
ることができるため、種々の屈折率を有するコア材に対
して適用可能であり、その受光角及び出射角を増大させ
ることが可能となる。その結果、高い集光効率を実現で
きる。さらに、疎水化処理を施しているため、エアロゲ
ルの収縮がなく、さらに水分吸着による性能劣化が起こ
り難い。

【００２９】以上により、本発明に係る光ファイバは、
クラッド材としてシリカエアロゲルを用いており、その
屈折率は空気に近い値を有している。しかも、原料配合
比により屈折率を適宜変化させることができるため、多
くのコア材に対して適用できるので、その受光角及び出
射角を増大させることが可能となる。特に、紫外線伝送
や太陽光の伝送、内視鏡等におけるライトガイド等にお
いて、光損失の少ない石英ガラスをコア材として用いる
ことが多いが、このような屈折率が低いコア材を使用す
る場合であっても、比屈折率を大きくすることができる
ため、高い集光効率及び光伝送効率を実現することがで
きる。また、１本又は複数本の光ファイバで光ファイバ
出射端の半球面全体をほぼ一様に照明することが可能と
なる。

【００３０】

【実施例】以下本発明を実施例により、具体的に説明す
る。

【００３１】（実施例１）図２（ａ）に示す光ファイバ
を作製した。コア材１として、直径２．０ｍｍの石英ガ
ラスを用いた。このコア材１の外面に、疎水化処理を施
した、厚み２．０ｍｍのシリカエアロゲルからなるクラ
ッド材２を層状に覆った。なお、コア材１の屈折率は、
１．４９、クラッド材２の屈折率は、１．０３であっ
た。

【００３２】この光ファイバの一端にＨｅ−Ｎｅレーザ
（波長５４３．５ｎｍ）を照射し、受光角を測定した。
その結果を表２に示した。

【００３３】（実施例２）実施例１において、クラッド
材２として、屈折率が１．１８のシリカエアロゲルを用
いた以外は、実施例１と同様にして、光ファイバを作製
し、受光角を測定した。その結果を表２に示した。

【００３４】（実施例３）図２（ｂ）に示すように、実
施例１において、クラッド材２の周囲を黒色のポリエチ
レンの被覆材３で被覆した以外は、実施例１と同様にし
て、光ファイバを作製し、受光角を測定した。その結果
を表２に示した。

【００３５】（比較例１）実施例１において、クラッド
材２として、屈折率が１．３９のフッ素樹脂を用いた以
外は、実施例１と同様にして、光ファイバを作製し、受
光角を測定した。その結果を表２に示した。

【００３６】

【表２】

【００３７】表２の結果、実施例１〜実施例３は、比較
例１に比べて、受光角が大きくなり、高効率で集光可能
であることが確認できた。

【００３８】

【発明の効果】本発明の請求項１又は請求項２に係る光
ファイバは、コア材と、このコア材の外面を覆う、コア
材より屈折率の低いクラッド材とにより形成される光フ
ァイバであって、前記コア材の略全てを覆うクラッド材
が、１．００８〜１．１８の屈折率を有する、シリカの
多孔質骨格からなるシリカエアロゲルであるので、広い
受光角で集光することが可能となり、集光効率が向上す
る。

【００３９】さらに、本発明の請求項３に係る光ファイ
バは、上記効果に加えて、シリカエアロゲルの外面が、
被覆材によって被覆されているので、シリカエアロゲル
のクラッド材２の機能をを十分に保持することができ
る。

【００４０】さらに、本発明の請求項４に係る光ファイ
バは、上記効果に加えて、シリカエアロゲルが疎水化処
理されているので、湿気や水等が侵入し難く、屈折率や
光透過性等の性能が劣化し難い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る光ファイバの概略説
明断面図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る光ファイバの概略説
明断面図であり、（ａ）は被覆材がない場合、（ｂ）は
被覆材がある場合である。

【図３】本発明の他の実施の形態に係る光ファイバの概
略説明横断面図であり、（ａ）は被覆材がない場合、
（ｂ）は被覆材がある場合である。

【図４】本発明の光ファイバと集光レンズとの概略説明
断面図である。

【図５】本発明の光ファイバと放物鏡との概略説明断面
図である。

【図６】本発明の光ファイバの集光に用いる放物鏡の概
略説明図である。

【符号の説明】

１コア材２クラッド材３被覆材４光ファイバ４ａ端面５集光レンズ６放物鏡７平面鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コア材と、このコア材の外面を覆う、コ
ア材より屈折率の低いクラッド材とにより形成される光
ファイバであって、前記コア材の略全てを覆うクラッド
材が、１．００８〜１．１８の屈折率を有する、シリカ
の多孔質骨格からなるシリカエアロゲルであることを特
徴とする光ファイバ。
【請求項２】前記シリカエアロゲルが、アルコキシシ
ランを加水分解重合させた後に、超臨界乾燥して得られ
ることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項３】前記コア材を覆うシリカエアロゲルの外
面が、被覆材によって被覆されていることを特徴とする
請求項１又は請求項２記載の光ファイバ。
【請求項４】前記シリカエアロゲルが疎水化処理され
ていることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか
記載の光ファイバ。