JPS6311902A - 結晶質光フアイバ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （７）技術分野 この発明は、コア・クラッド構造を持つ赤外光用の結晶
質光ファイバとその製造方法に関する。

光通信用の光ファイバとしては、石英ガラスファイバが
広く用いられており、既に十分な実績がある。

石英ガラスファイバはステップインデックス型とグレー
ディッドインデックス型とがある。

ステップインデックス型は、中心のコアと、周辺のクラ
ッドの二層構造からなっている。

石英ガラスファイバは極めて低損失であって優れた特性
を持っている。しかし、可視光や近赤外光（〜１．５μ
ｍ）にしか使えない。これより長い波長の光を通す事が
できない。

ＣＯ２レーザの光は、強力なパワーを得やすいので、医
療用、工業用に広い用途を持っている。しかし、波長が
１０．６μｍと長いため、これ全十分に低損失で通すこ
とのできるガラスファイバは存在しな゛い。

ＣＯ２レーザ光用に開発されているファイバはいくつか
存在する。いずれもかなり大きい損失があり、短い距離
でのみ使用される。１ｍ〜数ｍまでの長さのファイバが
使用される。

しかし、もともとＣ０２レーザの光はパワー源として利
用する事が多いので、短い光ファイバであっても十分有
用である。

ＣＯ２レーザ光を通すことのできるファイバとして、ガ
ラスファイバと結晶質ファイバがある。

ガラスファイバとしては、カルコゲナイドガラス、フッ
化物ガラスなどがある。

結晶質光ファイバには、金属ハライド結晶と呼ばれるも
のがある。

これには、大別して３種類のものがある。

（１）　　銀ハライド結晶 ＡｇＢｒ　、　ＡｇＣｌ、Ａｇｒ及びこれらの混晶（１
１］　　タリウムハライド結晶 ＴｌＢｒ、ＴβＣβ、ＴβＩ及びこれらの混晶０１Ｄ　
　アルカリハライド結晶 ＣｓＩ、ＣｓＢｒ及びこれらの混晶 これらの他に、Ｚｎ５ｅ　５ＺｎＳ　Ｚどの結晶質光フ
ァイバも赤外光ファイバとして用いられる。

本発明は、これらのファイバの材料のうち、銀ハライド
結晶の光ファイバの改良に関する。

結晶質ファイバの製造方法は、プリフォームから出発す
る押し出し法、融液から出発する引上げ法、引下げ法な
どがある。

押し出し法は、単結晶のプリフォーム全ダイに入れ、加
熱して軟らかくし、圧縮して細い穴から押し出すことに
より細いファイバとするものである。

これにより多結晶のファイバを作る事ができる。

これに反して、るつぼに結晶材料を入れ、ヒータによっ
て加熱し、融かして液体にする方法もある。この液体を
原料融液という。るつぼ上面から種結晶を原料融液に漬
けて引上げてゆく方法が引上げ法である。通常の結晶成
長法と同じ手法である。

原料融液を入れるべきるつぼ下底に穴を穿っておき、穴
から結晶を引下げてゆくのが引下げ法である。

原料融液から出発するものは、単結晶のファイバ全得や
すい。しかし、成長速度が遅くて生産性が悪い。

プリフォームから出発する押し出し法は、押し出し速度
がかなり速いので生産性が良い。

従来の結晶質ファイバの押し出し加工に於て、金型温度
は２５０℃以上であった。特に３００℃以上であること
が殆どであった。

押し出し速度は１０１分以下、特に５４分以下であるこ
とが多かった。

本発明は、結晶質光ファイバを押し出し法で製造する場
合の改良に関する。

ピ）従来技術 これらの赤外光用光ファイバは、通常コアのみからなる
。クラッドに相当する部分を欠いている。

コア材料が、単にポリマーチューブに挿入されたものが
光ファイバとして使われている。従って、コア結晶とチ
ューブの間に存在する空気がクラッドの働きをする。

コアと空気には屈折率の差がある。このため、界面で全
反射しながら、赤外光がコアの中に伝搬してゆく。エア
クラッド構造という。

空気がクラッドの役割を果すというが、これは極めて不
安定なりラッドである。

光伝送において極めて重要な役割に果たすコア表面が、
光ファイバの置かれている環境や条件によって、汚染さ
れたり、損傷全骨けたりする。

コア表面が汚染された場合、水滴などが付いた場合、コ
ア・クラッド間の屈折率差が変わるので、ここで強い吸
収が起こる。

Ｃ０２レーザの光は強力な光であるので、吸収によって
強く発熱する。ときには、光ファイバが破壊されること
もある。

特に、光ファイバの出射端、入射端に於て、光の漏れが
著しく、端部に熱損傷が発生しやすい。

このように、エアクラッド構造には、いくつかの難点が
ある。

赤外光ファイバにクラッドを付ける事ができればよいわ
けである。

クラッドを有する赤外光ファイバについて概観する。

赤外光ファイバコアの外周に金属被膜を真空蒸着し、こ
れによって光フアイバコアを保護し、表面からの赤外光
の洩れを防止する、という提案がなされた（特開昭５６
−１３２３０１．昭和５６年１０月２６日公開）。

たとえば、１μｍ厚みの金を光ファイバのまわりに真空
蒸着する。金は赤外光をよく反射するので、コアの中に
赤外光全効果的に閉じこめる事ができる。

しかし、金コーティング元ファイバには次のような欠点
がある。

円形断面をもつ光ファイバの外周に、金を均等に蒸着す
るのが難しい。金材料の無駄も多い。

さらに、金層を厚く付ける事ができない。せいぜい１μ
ｍ程度の薄いものしかできない。このように薄いと、物
理的にコア全保護するという機能に乏しい。コア内に光
全閉じこめる効果も不十分である。

金は赤外光に対して透明でない。このため金層に入った
赤外光は強く吸収され、発熱する。このため、金層全あ
まり厚くできない、という欠点もある。

石英ガラスファイバなどの場合と同じく、クラッドは、
その波長の光をよく通す材料であるべきである。

また、赤外用結晶材料のコアとクラッドからなる結晶質
ファイバを作製する方法が提案されているが、工数が多
く、製造工程が煩雑である、という欠点があった。

（ロ）　　目　　　　　　　的 予め作製されたコアの外側に、次工程でクラッド全被覆
形成するというのでは’ｘ　（、押し出し法により、−
挙にコア・クラッド構造の結晶質光ファイバを製造する
方法を提供する事が本発明の第１の目的である。

ＡｇＢｒ−ＡｇＣｌ混晶系のファイバの改良であって、
コア・クラッドの界面を二重に備えており、ＣＯ□レー
ザの光線を、より一層強くコアに閉じこめる事のできる
ファイバを提供する事が本発明の第２の目的である。

に）本発明の方法 本発明は、　ＡｇＢｒとＡｇＣｌとを組み合わせ、２重
のクラッドとコアとよりなる三重構造の赤外用光ファイ
バを与える。

１０．６μｍの波長の光に対して、ＡｇＢｒの方がＡｇ
Ｃ［よりも屈折率が高い。そこで、ＡｇＢｒとＡｇ（Ｊ
をコア・クラッドに適合するように組合わせる。

ただし、後に述べるように、コアの材料が押し出し条件
によって、コアと内クラツドに分かれる。

こうなるなめに、コアの材料が制限される。

コアは純粋のＡｇＢｒであってはならない。

しかし、クラッド材料は２層に分離したりしないので、
そのような制限がす＜、１０軽のＡｇＣｄであってもよ
い。

コアとクラッドの要求される特性には、このような非対
称性がある。このため、ＡｇＢｒ　、　ＡｇＣｌの選択
に関して、非対称性がある。複雑な組合わせと選択しな
ければならない。

第１図は本発明の製造方法を行なうための結晶質ファイ
バ押し出し装置の断面図である。

プリフォーム１は、コア１ｂと、クラッド１ａとよりな
る良質の単結晶である。コア・クラッドともにＡｇＢｒ
とＡｇ（Ｊとを組合わせな成分をもつ結晶である。しか
し、組成比が異なるのでコアとクラッドという差異が生
ずる。

コア材料とクラッド材料の組合わせについては、次の５
つの場合が可能である。

（Ｉ）：１７はＡｇＢｒ　ｆ主体として、ＡｇＣｌを０
．１〜１０Ｗ＃添加した混晶である。添加量をｘ　ｖ筋
とする。

クラッドはＡｇＧｇ　１００％の混晶である。簡単に書
くと、 コア　ＡｇＢｒ　：　ＡｇＣｌ＝　１　：　ｘクラッド
　ＡｇＢｒ　　：　　ＡｇＣｌ＝　Ｏ：　　１０．１１
彬≦Ｘ≦ｌＱｉ泌 （１）：！７はＡｇＢｒ　＠主体とし、ＡｇＣｌ＝ｚ　
０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％添加した混晶である。

クラッドはＡｇＣｌを主体とし、　ＡｇＢｒ　ｆ　Ｏｗ
筋〜１０ｍｍ／分の添加した混晶である。ＡｇＢｒの添
加量全ｙと書く。簡単シζ書くと、 コア　ＡｇＢｒ　：　ＡｇＣｌ＝　１　：　ｘクラッド
　ＡｇＢｒ　　：　　ＡｇＣ［＝　ｙ　　：　　ＩＱ、
ｌ■彬≦Ｘ≦ｔｏ”＝ｒｔｓ ｏ＜ｙ≦ＬＯＷ筋 ｘ、ｙの大小関係は任意である。

■　コアはＡｇＢｒ　ｆ主体として、ＡｇＣｌを０　、
１ｗｔ％〜１０ｗｔ％添加しに混晶である。クラッドも
ＡｇＢｒを主体として、ＡｇＣｌを０　、１ｗｔ１〜１
０１％添加した混晶である。しかし、コアに於けるＡｇ
Ｃｌの含有率が、クラッドに於けるＡｇＣ，５の含有率
より低い。簡単に書くと コア　ＡｇＢｒ　：　ＡｇＣ［＝　１　：　Ｘクラッド
　ＡｇＢｒ　　：　　ＡｇＣｌ＝　１　　：　　ｕＱ、
１ｗｔ％≦ｘ　＜　ｕ≦ｌ０ｗｔｉ（皿）コアはＡｇＣ
ｌを主体とし、ＡｇＢｒ　ｆ：Ｑ　。１ｗｔ％　〜１０
Ｗ筋添加した混晶である。クラッドはＡｇＣｌを主体と
し、ＡｇＢｒ　ｔ−Ｑｖ＃〜ｌＱｗ＃添加した混晶であ
る。ただし、コアに於けるＡｇＢｒの含有量がクラッド
に於けるＡｇＢｒの含有量よりも大きい。

：２７　　ＡｇＢｒ　：　ＡｇＣｌ＝Ｚ　：　１クラツ
ド　ＡｇＢｒ　　：　　ＡｇＣｌ１＝　７　　：　　１
ｏ＜ｙ≦ｌ０ｗｔ％ ０．１ｗ筋≦２≦Ｉ　Ｑｖｒ筋 ｙ　（ｚ （Ｖ）　　：ｔアはＡｇＣ＃　を主体とし、ＡｇＢｒ　
ｆ　Ｑ、１ｗｔ％〜１０Ｗｔ／ｉ添加した混晶である。

クラッドはＡｇＣｌ１００％である。

コア　　ＡｇＢｒ　：　ＡｇＣｌ＝ｚ　：　１クラツド
　ＡｇＢｒ　　：　　ＡｇＣｌ＝　Ｏ：　　１Ｏ−ＩＷ
筋≦２≦ｌ　０ＷＶＪ このように、　ＡｇＢｒ　、　ＡｇＣｌのコア、クラッ
ド成分組合わせに於て、５つの場合がある。

極めて分りに（いので、組成図によって説明する。

第４図はコア・クラッドの組成比グラフである。

これは通常よく用いられる相図ではない。本発明を的確
に表現するため、本発明者が特別に考案した組成比グラ
フである。

正方形０ＰＱＲよりなる。横軸方向がコアの組成上水す
。縦軸方向がクラッドの組成を示す。

コア、クラッドともにＡｇＢｒが１００％のものを基準
とし、ＡｇＣｌの比が増えるごとに座標η、この値が増
えるものとしている。

原点Ｏは、コア、クラッドともに１００％ＡｇＢｒを表
現している。点ＰはコアがＡｇＣｌ１００％、クラッド
がＡｇＢｒ　１００％を示す。

つまり、コアについていえば、直線ＯＲは、ＡｇＢｒ１
００％を示し、直線ＰＱはＡｇＣｌ１００％を示してい
る。コアの組成比変数をηとする。ηは０から１の間の
値をとる。直線ＯＲでηは０．直線ＰＱでηは１とする
。

つまり、ηはコアの、ＡｇＣ２が全体に占める重量比で
ある。

１、ｌ、ｌ［に於る変数Ｘは、ηに対してη　＝（１） １＋Ｘ の関係がある。

皿、■に於る変数２は、ηに対して η　＝　　−（２） １＋ｚ の関係がある。これは比の表現を分数表現に書き換えた
だけの事である。

１、Ｌ　ｌに於て、コア組成に関し、ｘ　＝　００１ｗ
筋と１０Ｗ筋とが境界を与える。皿、■に於て、ｚ＝０
，１ｗｔ％と１（ｌｖｔ％　　とが境界を与えている。

これらは（１）、（２）式からそれぞれηの下記の値に
対応する。

！　＝　０．１Ｗ％Ｊ　　　７７　＝　０．００１　（
直線ａ）！　＝　１０ｗｔ％　　　　７７　＝　０．０
９１　（直線ｂ）”　＝ＩＱｖ姉７７　＝＝　０−９１
　　（直線Ｃ）ｚ　＝　０．１ｖｔ％　　　７７　＝　
０．９９９　（直線ｄ）第４図に於て縦直線ａ、ｂ、ｃ
、ｄはηのこれらの値に対応している。　コア組成に関
しては、１％ｌ、Ｈについてはａ　Ｎｂにあり、皿、■
についてはｃ　Ｎｄにある。

以上はコアの組成ηに関する横軸の説明であった。次に
クラッドの組成ζについて説明する。

横直線ＯＰは、クラッドが１００％ＡｇＢｒである事を
示す。横直線ＲＱは、クラッドが１００％ＡｇＣｌであ
る事を示す。クラッドの組成変数ζは、クラブト全体に
占めるＡｇＣＡの重量比として定義する。

ζ＝０がＯＰに、ζ＝１がＲＱに対応している。

ＩとＶに於てクラッドはＡｇＣｔが１００％である。

これはぐ＝１という事であり、ζ；ｌの直線をｉという
と、Ｉ、Ｖは直線ｉ（直線ＲＱに同じ）にある、という
事ができる。

Ｉはコア組成に関してａ　Ｎｂ間にあり、クラッドに関
してはｉ上にある。結局、■は線分ＡＢで示される領域
に等価である。

■はコア組成に関してｃＮｄ間にあり、クラッドに関し
てはｉ上にある。結局、■は線分ＭＮで示される領域に
等価である。

■はクラッド中の、ＡｇＣｔのＡｇＢｒに対する重量比
Ｕが０．１ｗ姉〜ｔｏｖｒ埒であるといっている。■と
皿はクラッド中の、　ＡｇＢｒのＡｇＣｔに対する重量
比ｙが０ｗｔ％〜ｌ０ｗｔ％であるといっている。これ
らは、 ζ　＝　　−（３） １＋ｕ という式によって、ＡｇＣＡの全体に対する重量比ζに
書き換える事ができる。それぞれの限界値は下記に対応
する。

ｕ＝＝Ｑ、ｌ４崇　　　ζ＝０．００１　　（直線ｅ）
ｕ　＝＝　１０Ｗ筋　　　　ζ＝０．０９１　　（直線
の）’　＝　１０！＃　　　　ζ＝０．９１　　（直線
ｇ）第４図に於て横に引いた直線ｅ１ｆ１ｇはこの上記
の値に対応している。

ｌについては、”、’／の範囲が限定され、ｘ。

ｙ自体の大小関係は規定されていない。つまり、コアに
関してはａＮｂ間に、クラッドに関してはｇＮｉ間にあ
ればよい。結局、目は長方形ＣＤＢＡで示される領域に
対応する。

■については、より複雑である。コアについてはａ　Ｎ
ｂ間、クラッドについては＋５　Ｎｆ’間にある。

その上、Ｘ（ｕという不等式がある。これは式（１）、
（３）から、ηくこという事である。η＝このグラフが
直線ＯＱである。ηくζは、ＯＱの左上という事を意味
する。従って、■は三角形ＩＧＨで囲まれる（線分ＩＧ
が除かれる）領域に対応する、という事が分る。

皿については、同様に複雑な点がある。コアに関しては
ｃｗｄ間にあり、クラッドに関しては８〜１間にある。

さらにｙ＜ｚという条件がある。

これはζくηという事である。直線ＯＱの左上である。

結局、皿は不等脚台形ＪＫＮＭで示される領域に対応す
る。

１〜Ｖのコア・クラッド組成を、η、ζで書くと、次の
ようになる。これは第４図の表現と等価である。

１　０．００１≦η≦０．０９１　　ζ＝１１　０．０
０１≦η≦０．０９１　０．９１≦ζくｌｌ１ｌ　Ｏ，
００１≦ηくζ６０．０９１皿　　０．９１　≦η　≦
　０．９９９　　　　ドζ　　０．９１≦ζくＩＶ　　
Ｏ，９１≦η≦０．９９９　　ζ＝１となる。ただしＩ
、Ｉｆはひとつにまとめる事ができる。■に於てクラッ
ドは「混晶」だといっており、ＩでクラッドがＡｇＣｌ
１００％の結晶だと表現しているから、このように、２
つに分けられる。

しかし、混晶比ＡｇＢｒ　：　ＡｇＣｌ＝　ｙ　：　１
を定義したとき、０≦ｙ≦ｌＱＷ七％とすれば、Ｉ、ｌ
を含むことになる。ｙ　＝　Ｑ　ｗｔ％を混晶というの
は変であるが、これも混晶と呼ぶことにすれば、Ｉとｌ
をひとつにまとめる事ができる。

皿とＶも０≦ｙ≦ｌＱＷ筋とすればひとつにまとめられ
る。

このような組成のプリフォームを作製する事は、本発明
を実施するための準備として必要である。

まず、引上げ法又はポート法でコアの部分を単結晶とし
て成長させる。これを円柱研削し円柱形の単結晶とする
。

クラッドについても、同様に単結晶を成長させる。内部
を除去し円筒形に研削する。このクラッドとコアとを組
合わせてプリフォームとする。

このようにプリフォームは、ＡｇＢｒとＡｇＣｔの混晶
であって、コアとなりクラッドとなる部分を予め形成し
たものである。

さらに、光学的特性を損なわない程度に、機械的特性を
改善するためなどの目的で、その他の微量元素を添加し
てもよい。

こうしてプリフォームが準備されるので、本発明は、こ
れを出発原料として用いる。

プリフォームが本発明に従って押し出し加工されると、
コアの部分がコアと内クラツドになる。

この部分をコア・内クラツド部分と呼ぶ。

クラッドの部分は最外方に位置するクラッドになる。こ
の部分を外クラッド部分と呼ぶ。

第１図に於て、金型４．４は、プリフォーム１の入るべ
き円柱状の空間を形成している。

この空間の先端には、細い穴を有する押し出しダイス２
が設けである。軟化したプリフォームは、ここから外部
へ押し出される。

金型４．４の周囲には、金型とプリフォームを均一に加
熱するためのヒータ５が設けられている。

金型の温度をモニタするため、金型内に熱電対（図示せ
ず）を設け℃いる。これの温度測定値に帰りで　１−’
　　Ｊ７７’ｌパｑ−朱１１舖冬粁外へ−７へ１て金型
、プリフォームを所定の温度に保持する。

ラム３は前記の円柱状空間を進退可能に設けられる。こ
れは、プリフォーム１を、押し出しダイス、２から押し
出すものである。

第１図に示すような押し出し装置の構成は公知である。

本発明は、既に述べたプリフォームの組成と、プリフォ
ームの押し出し温度、押し出し速度に特徴がある。これ
らの条件を特別に設定することνζより、コア材が、コ
アと内クララＹの２層に分かれるのである。

既に述べたように、従来の結晶質光ファイバの押し出し
加工に於て、金型温度は２５０℃以上で、３００℃以上
である事が殆どであった。押し出し速度は１０ｍ／分以
下、特に５ＩＩＩＩＩＺ分以下であることが多かった。

ところが本発明では、 （１）金型温度　　　　８０℃〜２００℃（１１）　　
押し出し速度　　　　５〜３０ｇ＋ｍ／分従来の方法に
比べて、本発明の押し出し条件は、温度域が低く、押し
出し速度が速い。

前述したような銀ハライド混晶である二重構造プリフォ
ームを、金型４の円柱状内部空間に入れ、ラム３で封じ
、ヒータ５によって、８０℃〜２００℃に加熱する。こ
の温度でプリフォームは融けないが、軟化する。

ラム３に適当な機械力を加えて、押し出しダイス２から
、多結晶ファイバ６を５〜３０ｍ／分　　の速さで押し
出す。

そうすると、細い多結晶ファイバ６が連続的に製造され
てゆくことになる。

製造された多結晶ファイバの拡大断面図を第２図（ｂ）
に示している。

太線で示した部分がコア・クラッドの界面である。プリ
フォームがコア・クラッドの二重構造を持っており、こ
の界面がファイバに形成した後に残ったものである。し
たがって、この界面Ｙは、プリフォームの中にもともと
存在したものである。

断面図に於て、細線は結晶粒界を示している。

ファイバ断面に現われる結晶粒の大きさが一様でない。

本発明の最大の特徴がここにある。結晶粒は中心部で極
めて小さく、周辺部では極めて太きい。コアの部分でこ
のような差異が歴然として生ずるのである。

実測によると、中心部の結晶粒の直径Ｄ２　と、周辺部
の結晶粒の直径Ｄｌ　との比ＤＩ／Ｄ２は５倍以上であ
る。

結晶粒の形状、寸法は不定であるが、中心部と周辺部の
結晶粒の大きさには、轄然とした差異がある。

しかも、結晶粒の大きさの差異が、連続的に或はランダ
ムに起こるのではす＜、はぼ同一円上にそって、この変
化が起こっている。これが重要な点である。

結晶粒の大きさの差異により、新たな界面Ｘが発生する
。この界面Ｘは押し出し成型を経る事により、自然に発
生するのである。この界面又は、ファイバ外周に対して
、はぼ同心円状である。

このようにして、本発明の方法により、光ファイバには
、２つの界面が生じる。結晶粒径の違いによる界面Ｘと
、組成の違いによる界面Ｙとである。

界面Ｙの内外では、結晶粒が概して大きく、粒径の差異
はない。しかし、プリフォームを製造する際に組成を変
えているから、組成の相違が界面Ｙの内外に存在してい
る。

同じプリフォームを押し出し成形しても、温度が２００
℃を越えると、結晶粒径は中心でも周辺でもほぼ同じ大
きさになる。粒径に於て殆ど差がない。大きい粒径の一
様な結晶粒の集まりとなり、第２図（ａ）に示すような
断面になる。

第２図（ａ）の断面をもつものを、以後、従来法による
比較例として説明する。これには、組成の相異によるコ
ア・クラッド界面Ｙ（太線で示す）のみが存在する。

金型温度を下げて、２００℃になるとはじめて、ファイ
バ中心部に、結晶粒の小さい部分が現われる。

温度をさらに下げてゆくと、中心部の小さい結晶粒の部
分が拡大してくる。つまり、中心のコアに当たる部分が
拡大してくる。反対にクラッドの部分が減少してくるの
である。

簡単に言えば、温度が低いとクラッドが薄くなり、温度
が高いとクラッドが厚くなる。ここでクラッドというの
は、界面Ｘの外側の事である。コアというのは界面Ｘの
内側の事である。

そして、８０℃以下になると、ファイバ断面の全体が微
細な結晶になる。つまり、第２図（ｂ）の界面Ｘの内部
にある部分が全体に拡がったような構造になる。このた
め、界面Ｘによって規定されるコア・クラッド構造が’
ｌ＜７ｘる。

図式的にいえば、２００℃以上になるとコアが消失し、
８０℃以下になるとクラッドが消失する。このため、８
０℃以下又は２００℃以上の押し出し温度では、二重構
造が’ｌｘ＜７２るのである。

既に述べたとおり、内クラツド部の結晶粒の大きさＤｌ
と、コア部の結晶粒の大きさＤ２の比の値ＤＩ／Ｄ２は
５以上であることが望ましい。

このように、粒径の差がある時、コア部と内りラッド部
の、Ｃ０２レーザ光に対する屈折率差が、約２％以上に
なる。

屈折率差により、コアに光を閉じこめることができる。

コアが有効に光を閉じこめる事ができるためには、クラ
ッドの厚みは、かなり厚（すくてはならない。少なくと
もコア径の５％以上の厚みを持たなければならない。

顕微鏡観察によって粒径を実測しな。中心部の結晶粒の
大きさは数μｍであった。周辺部の結晶粒の大きさは３
０〜１００μｍ程度であった。

結晶粒径は、ファイバ径の大小にもよる。

ファイバ径が１ｍである時、周辺の結晶粒の大きさは約
５０〜１００μｍであった。。

ファイバ径が０．７ｍである時、周辺の結晶粒の大きさ
は約４０〜７０μｍであった。

本発明は、Ａｇ、Ｂｒ　−ＡｇＣｔ混晶による結晶材料
、押し出し温度８０℃〜２００℃、押し出し速度５ｍ／
分〜３０閣／分　という特定の条件の組合わせにより、
結晶粒径が中心と周辺で異なり、界面Ｘによって特徴づ
けられるコア・クラッド二重構造となる結晶質ファイバ
を押し出し加工により製作するものである。

二重構造となる理由は、以下のように推測される。

強い圧力で押されて、プリフォームがダイスから細いフ
ァイバとなって出て（る時、ファイバを構成する結晶粒
が微細化する。ダイスを通過した後、微細な結晶粒が大
きく統合されてゆく再結晶化が起こる。

再結晶化の際、ファイバ押し出し加工時のファイバ内の
応力の不均一により、ファイバ中心部と周辺部の微細な
結晶粒が再結晶化する速度が異なる。この中心と周辺の
結晶粒径の差異と、ファイバ内応力分布による屈折率の
差異とを生じるものではないか、と推測されるのである
。

重要なことは、このコア・クラッド構造が屈折率差を生
じ、光をコアに閉じこめる作用を持っている、という事
である。

コアの組成は、Ａ、ＨＢｒとＡｇＣｔの混晶であって、
ＡｇＣｌの混晶比率ηが０．００１〜０．０９１と、０
．９１〜０．９９９のものに限られる。これ以外の組成
であると、コア、内クラツドの２重構造が発生しない。

ＡｇＢｒが１００％のコアであると、２重構造が生じな
い。それで１００％ＡｇＢｒコアが除外される。

なぜ、押し出し成形に於て、コア・内クラツドの２重構
造ができるのか？というと、次のように考えられる。

強い圧力で押されて、プリフォームがダイスから細いフ
ァイバとなって出てくる時、ファイバを構成する結晶粒
は微細化する。ダイスを通過した後、微細な結晶粒が大
きく統合されてゆく再結晶化が起こる。この際、ファイ
バ押し出し加工時の７フイハ内の応力の不均一シーより
、ファイバ中心部および周辺部の微細な結晶粒が再結晶
する速度が異なる。周辺部の方がひずみ応力が大きいの
で、再結晶が速い。

このために、内外で結晶粒が異なるのであろう。

それとともに、内外で屈折率差が生ずるのであろう。

これは、押し出し速度が速いことと、温度が低いことに
よる。

また、コアの混晶比にもよる。１００％ＡｇＢｒだとこ
ういう事が起こらない。粒径が大きいものばかりになる
。

ＡｇＢｒ　：　ＡｇＣＬ　＝　５０％：５０％では、全
体に結晶粒が小さくなりすぎる。それゆえ、混晶比が、
これらの中間である０　、１　ｗｔ％〜ｔｏｖｔｓであ
る領域で結晶粒径のちがう領域を作り出すことができる
ようになるのである。

外クラッドに対する組成比の制限は比較的少ない。

ただし、コア・クララＹ間（Ｙ界面）で材料にもとづ（
屈折率差がなければならないから、クラッドのＡｇＢｒ
混晶比は、コアのＡｇＢｒの混晶比より少なくなくては
ならない。

これは第４図で直線ＯＱの左上に組成比値が存在すると
いう事である。

（イ）作　用 本発明によって製造した結晶質光ファイバは三重構造を
もっている。界面Ｘより内部のコアと、界面又と界面Ｙ
の間の内クラツド、界面Ｙより外側の外クラッドの三重
構造である。

第１図に示したように、もともと二重構造を備えたプリ
フォームから出発するので、三重構造になる。

ＣＯ２レーザの光を通すと、屈折率差によって、光がコ
アの中に閉じこめられる。屈折率差が、コアと内クラツ
ドの間で、２〜１％程度生ずることが測定によって分っ
た。これだけの屈折率差があれば、光を効率的に閉じこ
めることができる。光ファイバの表面から漏れる光成分
が減少するから、実質的に透過率が高くなる。特に、赤
外ファイバの問題として深刻なものである、出射端、入
射端での光の漏れを有効に防ぐことができる。

また、ファイバの表面が傷ついても、透過率の低下がよ
り少ない。クラッドがコアを保護しているからである。

さらに、より小さいビームスポットを得やすい、という
事がある。光エネルギーがコア）；局在しているからで
ある。第３図に示すような評価装置を用いて、ビーム径
の拡がりを測定することができる。アクリルのバーンパ
ターンから、ビーム径を測定すると、本発明の光ファイ
バの方が、スポット径が小さいという事が分った。

（２）効　果 プリフォームを押し出し装置によって押し出すだけの工
程により、コア・内クラツド・外クラッド三重構造の結
晶質ファイバを製造する事ができる。

このファイバは、Ｃ０２レーザの光を中心に集めて伝搬
する作用を持つコアと、コアを被覆して機械的にこれを
保護するとともに界面に於てＣ０２レーザの光を反射す
る２重のクラッドよりなる。このため、全体として、コ
アだけからなる光ファイバに比べて透過率が高くなる。

透過率を測定すると、０．７ｓｎφ、１ｍ長さの光ファ
イバで、本発明のものが６８％であった。同径、同長の
比較例（第２図（ａ）に示す）にあっては透過率が５５
％であった。１３％もの差があったのである。この結果
から、Ｃ０２レーザの光を極めて有効に伝搬させる事が
できる、という事が分る。

また、レーザ光がより狭く局在しているから、Ｚｎ５ｅ
　７７どのレンズを使い、より小さいスポットのビーム
に絞ることができる。

第８図に示す評価装置により、Ｃ０２レーザの光のビー
ム拡がりを、本発明と比較例のファイバについて測定し
た。

結晶質光ファイバの光をＺｎ５ｅレンズで集光し、アク
リル板に当てる。アクリル板はビーム径に応じて焼損す
る。焼損した部分の形状をバーンパターンという。バー
ンパターンからビーム径を知る事ができる。

本発明の光ファイバを用いた時のバーンパターンは０．
３ｓｎφであった。比較例のバーンパターンは０．６＋
ｍφであった。

第１表は本発明と比較例（従来例）に係る結晶質ファイ
バの、ＣＯ□レーザ光を通した時のビームスポット径と
透過率の測定結果を示す表である。

第１表　本発明、従来例のファイバの ビームスポット径、透過率 比較例のファイバも、第２図（ａ）に示すように、コア
・クラッド構造をもっているから、出射面でのビーム径
がファイバ外径（０，７ｍ＝φ）より狭く、０．６１φ
となっている。また透過率もがなり良い。

しかし、本発明の光ファイバは、スポット径、透過率に
おいて、それよりもなお優れている。

Ｃ０２レーザの光を効率よ（伝搬させることができ、出
射端に於てより細いビームに絞る事ができる。

従って、Ｃ０２レーザの光を導くために本発明の光ファ
イバを用いれば、加工対象物の上に、強いエネルギー密
度の光を集中させる事ができる。

本発明の光ファイバを利用する事により、ＣＯ２レーザ
を用いた工業用加工機、医療用治療機は、より一層有用
性を高める事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の結晶質光ファイバの製造装置の縦断面
図。 第２図（ａ）は結晶粒径がファイバ全断面に於てほぼ同
一である従来例の結晶質ファイバの断面図。 第２図中）は本発明による結晶質ファイバの断面図。 第３図はビームを評価するための装置の構成図。 第４図はコア、クラッドの混晶比率を示すグラフ。 １　・・・・・・　プリフォーム １ａ　・・・　プリフォームのクラッド１ｂ　・・・　
プリフォームのコア ２　・・・・・・　押し出しダイス ３　　・・・・・・　　ラ　　　　　　　　ム４・・・
・・・金　　型 ５　　・・・・・・　　ヒ　　　−　　　タロ　・・・
・・・　多結晶ファイバ 発　　明　　者　　　　　　　　　高　　橋　　謙　　
−葭　　１）　典　　之

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＡｇＢｒ：ＡｇＣｌ＝１：ｘの混晶であつてコア
   と内クラツドとよりなり、中心部のコアの結晶粒径が周
   辺部の内クラツドの結晶粒径よりも微小であつてコアと
   内クラッドの間に界面Ｘが存在するコア・内クラッド部
   分と、ＡｇＢｒ：ＡｇＣｌ＝ｙ：１の混晶であるか或は
   ＡｇＢｒ：ＡｇＣｌ＝１：ｕの混晶であつて前記コア・
   内クラッド部の外側に界面Ｙに於て接する外クラツドと
   よりなり、０．１ｗｔ％≦ｘ≦１０ｗｔ％、０ｗｔ％≦
   ｙ≦１０ｗｔ％、０．１ｗｔ％≦ｕ≦１０ｗｔ％、ｘ＜
   ｕである事を特徴とする結晶質光ファイバ。
2. （２）結晶質内クラツドの厚さが、コアの直径の５％以
   上である事を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載
   の結晶質光ファイバ。
3. （３）結晶質コアの粒径が、結晶質内クラツドの結晶粒
   径の１／５以下である事を特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項又は第（２）項記載の結晶質光ファイバ。
4. （４）ＡｇＢｒ：ＡｇＣｌ＝ｚ：１の混晶であつてコア
   と内クラツドとよりなり中心部のコアの結晶粒径が周辺
   部の内クラツドの結晶粒径よりも微小であつて、コアと
   内クラツドの間に界面Ｘが存在するコア・内クラツド部
   分と、ＡｇＢｒ：ＡｇＣｌ＝ｙ：１の混晶であつて前記
   コア・内クラツド部の外側に界面Ｙに於て接する外クラ
   ッドとよりなり、０ｗｔ％≦ｙ≦１０ｗｔ％、０．１ｗ
   ｔ％≦ｚ≦１０ｗｔ％、ｙ＜ｚである事を特徴とする結
   晶質光ファイバ。
5. （５）結晶質内クラツドの厚さが、コアの直径の５％以
   上である事を特徴とする特許請求の範囲第（４）項記載
   の結晶質光ファイバ。
6. （６）結晶質コアの粒径が、結晶質内クラッドの結晶粒
   径の１／５以下である事を特徴とする特許請求の範囲第
   （４）項又は第（５）項に記載の結晶質光ファイバ。
7. （７）ＡｇＢｒ：ＡｇＣｌ＝１：ｘの混晶であるコアと
   、ＡｇＢｒ：ＡｇＣｌ＝ｙ：１の混晶であるか或はＡｇ
   Ｂｒ：ＡｇＣｌ＝１：ｕの混晶であるクラッドとを組合
   わせたプリフオームであつて、０．１ｗｔ％≦ｘ≦１０
   ｗｔ％、０．１ｗｔ％≦ｕ≦１０ｗｔ％、０ｗｔ％≦ｙ
   ≦１０ｗｔ％、ｘ＜ｕである組成のプリフオームを、８
   ０℃〜２００℃に加熱し、５〜３０ｍｍ／分の加工速度
   で押し出し加工する事を特徴とする結晶質光ファイバの
   製造方法。
8. （８）ＡｇＢｒ：ＡｇＣｌ＝ｚ：１の混晶であるコアと
   、ＡｇＢｒ：ＡｇＣｌ＝ｙ：１の混晶であるクラッドと
   を組合わせたプリフオームであつて、０ｗｔ％≦ｙ≦１
   ０ｗｔ％、０．１ｗｔ％≦ｚ≦１０ｗｔ％、ｙ＜ｚであ
   る組成のプリフオームを、８０℃〜２００℃に加熱し、
   ５〜３０ｍｍ／分の加工速度で押し出し加工する事を特
   徴とする結晶質光ファイバの製造方法。