JP2005227779A - 多孔光ファイバー及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract


【課題】 光ファイバー製作過程中の汚染を防止し、エアホールを形成するためにガラスチューブ及びロッドをスタッキングする工程の複雑さが解消できる多孔光ファイバー及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の一実施形態による多孔光ファイバーは、第１の屈折率を有し、長さ方向に伸張されたコア１０３と、コア１０３を囲むように形成され、第２の屈折率を有する外側クラッド１０１と、前記１０３コアと外側クラッド１０１との間に形成され、複数のエアホールが散在された、第３の屈折率を有する内側クラッド１０２と、を具備する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、エアホール(air hole)を有する多孔光ファイバー(holey fiber)及びその製造方法に関する。
一般に、単一モード光ファイバーは、ガラスにゲルマニウム(Germanium)又はリン(Phosphorus)を添加してコアとしたものが使用される。一方、光ファイバーの特別な一形態として、光子クリスタル光ファイバー(ＰＣＦ：photonic crystal fiber)などの多孔光ファイバーが知られている。
図１は、一般的な多孔光ファイバーの構造及び屈折率分布を示す図である。
一方、多孔光ファイバーは、図１に示されるように、融合された石英ガラス１のような単一固体状の実質的に透明な素材で作られ、その内部には、ファイバー全体の長さ方向に沿って規則的に配列されたエアホール２が、ファイバー軸に平行に延びるように形成されている。
多孔光ファイバーでは、空気層と石英ガラス層との間の誘電率(dielectric constant)の差を用いて光子転移層が作られる。このような光子転移層は、半導体における電子転移層(electronic band-gap)と同様に、特定波長や光波進行方向に対する光阻止帯域(Photonic stop band)を有している。すなわち、光子転移層の条件を満足する光だけが、この光子転移層を通過することができる。
換言すると、多孔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効果(Photonic Band-gap Effect)と有効屈折率効果(Effective Index Effect)によって行われるものであり、これに関しては、公開された下記非特許文献１及び非特許文献２等の論文に詳しく開示されている。
このような多孔光ファイバーは、技術的に多くの重要な特性を有している。例えば、多孔光ファイバーは、広い波長範囲に亘って単一モードを支援することが出来、広いモード領域を持つことが出来る。したがって、この多孔光ファイバーは、高い光パワー(Optical Power)を伝送することが出来、１.５５?の遠隔通信波長で大きい相分散を示すことができる。また、多孔光ファイバーは、非線形性の増加/減少及び偏光調節などのための素子として重要になって来ている。したがって、このように多くの機能を持っている光子クリスタル光ファイバーについての特性が続々と報告されながら近い将来に光子クリスタル光ファイバーが光通信及び光産業に広く適用されることが期待されている。
多孔光ファイバーを製造するための従来技術としては、細管ガラスチューブ(capillary glass tube)とガラス棒(glass rod)を所望の形状にスタッキング(stacking)してバンドル(Bandle)で母材を製造し、これを引き出して光ファイバーを製造する方法が知られている。
しかしながら、かかる従来の工法は、作業者の手作業により組み立てられるので、組み立て過程で汚染などが発生し易く、汚染部分の洗浄のような作業を繰り返し行う必要がある。
また、ガラスチューブ及び棒が積み重ねられ、束ねられて製作されるので、母材内のエアホールの配列は、全体で六角形(hexagonal)状のシンプルな模様となる。しかしながら、多孔構造の光ファイバーは、母材から光ファイバーを引き出すときに、光ファイバー母材の内側と外側の熱伝導率差のために、外側の管形部材の溶ける速度が内側の管形部材の溶ける速度よりも速いので、外側のエアホールが内側のエアホールよりも著しく小くなる或いは塞がってしまい、このため、相対的に大きくなった内側エアホールが楕円形に変形される。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により、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となる。
T.A.Birks et al., Electronic Letters、Vol.31(22) p.1941(October 1995) J.C.Knight et al., OFC、Vol.4p.114(February、1999)
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、光ファイバー製作過程中の汚染を防止し、エアホールを形成するためにガラスチューブ及びロッドをスタッキングする工程の複雑さが解消できる多孔光ファイバー及びその製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するための本発明の一側面による多孔光ファイバーは、第１の屈折率を有し、長さ方向に伸張されたコアと、前記コアを囲むように形成され、第２の屈折率を有する外側クラッドと、前記コアと外側クラッドとの間に形成され、複数のエアホールが散在された、第３の屈折率を有する内側クラッドと、を具備することを特徴とする。
好ましくは、前記複数のエアホールは、不規則的に散在される。
好ましくは、前記内側クラッドは、複数のエアホールが設けられたシリカガラスからなる。また、好ましくは、前記コア及び外側クラッドは、エアホールが存しないシリカガラスとする。
より好ましくは、前記第１の屈折率は、前記第２又は第３屈折率より高い。
また、前記目的を達成するための本発明は、多孔光ファイバー(holey fiber)の製造方法であって、外側チューブと、内側チューブと、中心棒と、を含むチューブ形態のモールドを準備する第１過程と、前記外側チューブに非晶質シリカ粒子が含有されたスラリーを注入し、ゲル化させて外側クラッドを形成する第２過程と、前記外側クラッドと中心棒との間に、後の熱処理で気泡を形成するための気泡形成物質が添加されたシリカスラリーを注入し、該スラリーを成型して内側クラッドを形成する第３過程と、前記中心棒を除去した後に、中心棒が除去された領域にコア物質を注入し、ゲル化させてコアを形成する第４過程と、前記第１乃至第４過程により成形された多孔光ファイバー用母材を熱処理し、該母材から光ファイバーを引き出す第５過程と、を具備することを特徴とする。
好ましくは、前記気泡形成物質の添加量により多孔光ファイバーの光特性を調節する。
本発明によれば、光ファイバーの製作過程中に光ファイバーのクラッドに気泡が形成されるようにすることにより、既存の多孔光ファイバー製作工程と比較して工程が簡素化される。
また、本発明によれば、工程中の汚染の虞なく大型の母材を製造することが可能であり、また、クラッドを成形するときに添加される気泡形成物質の添加量によって、様々な光特性を持たせることができる利点がある。
以下、添付図面を参照して、本発明による好ましい実施形態について詳細に説明する。 本発明の説明において、関連する公知の機能や構成についての具体的な説明は、本発明の要旨を不要にぼかすと判断される場合には省略する。
まず、本発明は、従来のエアホールの規則的な配列によるクラッド部分の修正された全反射(modified total internal refraction)による光伝送ではなく、内部・外部のクラッドの同一の全反射による光伝送が可能な構造の多孔光ファイバーを製造することに特徴がある。
図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明を適用した多孔光ファイバーの構造及び屈折率分布を示す図である。
図２（ａ）に示すように、本実施形態の多孔光ファイバー１００は、シリカガラスにより形成されエアホールが無い外側クラッド１０１と、シリカガラスにより形成され、かつエアホールが不規則的に散在された内側クラッド１０２と、シリカガラスにより形成されエアホールが無い中心部としてのコア１０３と、を具備する。
内側クラッド１０２は、エアホールが無作為に分布されており、このために、光子バンドギャップの特性を有していない。それにもかかわらず、クラッド１０２内でのエアホールの体積が比較的大きいために、クラッド１０２の平均的な屈折率はシリカ棒によるコア１０３に比べて低くなり、これによって、コア１０３を通じて光を導波させることができる(図２（ｂ）参照)。
さらに、本実施形態の多孔光ファイバー１００は、一般的なシリカ光ファイバーが備えている大部分の必要な特性を持っている。
図３は、本発明に適用されたモールドの構成を概略的に示す斜視図であり、これを参照して本発明による多孔光ファイバー１００の製造工程について説明すると、以下の通りである。
上記のように構成された多孔光ファイバー１００は、下記のように３段階の成形を経て製作される。
まず、第１の段階では、希望するサイズのチューブ(tube)形態のモールド(mold)２００を準備して、準備されたモールド及びその附属物を組立てる。ここで、モールド２００は、外側チューブ２０１と、内側チューブ２０２と、中心棒(central rod)２０３と、を含む。ここで、中心棒２０３は、内側チューブ２０２の中心に配置される。そして、予め準備された非晶質シリカ粒子が含有されたスラリー(slurry)をモールド２００の外側チューブ２０１と内側チューブ２０２との間に注入し、このスラリーをゲル(gel)化させることで、最外郭層を形成する。このときに、シリカ含有スラリー内に気泡(bubble)が生成されないように、該スラリーに予め真空（vacuum）処理などを施しておく。このように、気泡の無いスラリーをモールド２００に注入してゲル化させた後に、外側チューブ２０１を除去する。
第２の段階では、第１の段階で成形された最外郭層と中心棒２０３との間に、以後の熱処理工程により気泡を形成するような気泡形成物質が添加されたシリカスラリーを注入して、次にこれを成型させる。ここで、気泡形成物質としては、有機発泡剤、或いは水への不溶性を有し乳状液(emulsion)を形成する各種オイル類から成るグループより選択して用いることが可能である。また、気泡形成物質の添加量は、シリカスラリー全体の１〜５０％程度である。すなわち、オイル又はポリマーの粒子は、エアホールを作るためにシリカスラリーに加えられて分散し、また、これら添加されたオイル又はポリマーは、後述の熱処理工程で燃やされ、除去されることによって、シリカスラリー内に気泡を形成する。
第３の段階では、コア部形成段階として、モールド２００から中心棒２０３を除去した後に、この中心棒２０３が除去された領域に、第１段階で使用したものと同一のシリカスラリーを注入してゲル化させる。このゲル化が完了された後に、当該得られたゲルをモールド２００の内側チューブ２０２から取り出して、乾燥させて乾燥ゲルとする。次に、シリンダー状に成形された乾燥ゲルを熱処理してガラス化させ、これにより、エアホールが散在された多孔光ファイバーを製作する。すなわち、母材から乾燥状態で光ファイバーを引き出すためには、光ファイバー用母材を高温で加熱する必要があるが、この加熱が行われることで、光ファイバーを引き出す最中に自然的に気泡が形成される。また、エアホールの密度は、光ファイバー全体で一定に維持することができる。さらに、シリカ粉末を用いて多孔光ファイバーを形成するので、この形成にあたっては実在する全ての形態の混合物が添加できる。そして、従前の多孔光ファイバーは、エアホールのサイズ、数及び配列により種々の光特性を生じさせているが、本実施形態の多孔光ファイバーでは、クラッドを成形する際にスラリーに加えられる気泡形成物質(オイル、ポリマーなど)の添加量によって、種々の光特性についての調節を行うことができる。
上述したように、本発明の詳細な説明では具体的な実施形態に則して説明したが、特許請求の範囲に記載されるような本発明の精神及び範囲を外れることなく、形式や細部等についての種々の変形が可能であることは勿論である。したがって、本発明の範囲は、上述した実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の範囲及び該記載と均等なものによって定められるべきである。
一般的な多孔光ファイバーの構造及び屈折率分布を示す図である。 本発明による多孔光ファイバーの構造及び屈折率分布を示す図である。 本発明の多孔光ファイバーを製造するためのモールドの構成を示す図である。
符号の説明
１００ 多孔光ファイバー
１０１ 外側クラッド
１０２ 内側クラッド
１０３ コア
２００ モールド
２０１ 外側チューブ
２０２ 内側チューブ
２０３ 中心棒

Claims (11)

  1. 第１の屈折率を有し、長さ方向に伸張されたコアと、
    前記コアを囲むように形成され、第２の屈折率を有する外側クラッドと、
    前記コアと外側クラッドとの間に形成され、複数のエアホールが散在された、第３の屈折率を有する内側クラッドと、
    を具備することを特徴とする多孔光ファイバー。
  2. 前記複数のエアホールは、不規則的に散在されていること
    を特徴とする請求項１記載の多孔光ファイバー。
  3. 前記内側クラッドは、複数のエアホールが設けられたシリカガラスからなること
    を特徴とする請求項２記載の多孔光ファイバー。
  4. 前記コア及び外側クラッドは、シリカガラスからなり、前記内側クラッドは、複数のエアホールが設けられたシリカガラスからなること
    を特徴とする請求項１又は２に記載の多孔光ファイバー。
  5. 前記第１の屈折率は、前記第２又は第３の屈折率よりも本質的に高いこと
    を特徴とする請求項１記載の多孔光ファイバー。
  6. 多孔光ファイバー(holey fiber)の製造方法であって、
    外側チューブと、内側チューブと、中心棒と、を含むチューブ形態のモールドを準備する第１過程と、
    前記外側チューブに非晶質シリカ粒子が含有されたスラリーを注入し、ゲル化させて外側クラッドを形成する第２過程と、
    前記外側クラッドと中心棒との間に、後の熱処理で気泡を形成するための気泡形成物質が添加されたシリカスラリーを注入し、該スラリーを成型して内側クラッドを形成する第３過程と、
    前記中心棒を除去した後に、中心棒が除去された領域にコア物質を注入し、ゲル化させてコアを形成する第４過程と、
    前記第１乃至第４過程により成形された多孔光ファイバー用母材を熱処理し、該母材から光ファイバーを引き出す第５過程と、
    を具備することを特徴とする多孔光ファイバーの製造方法。
  7. 前記気泡形成物質の添加量により前記多孔光ファイバーの光特性を調節すること
    を特徴とする請求項６記載の多孔光ファイバーの製造方法。
  8. 前記第２過程は、シリカ含有スラリー内に気泡が流入されないように真空処理したスラリーを使用し、ゲル化させた後に外側チューブを除去する過程をさらに含むこと
    を特徴とする請求項６記載の多孔光ファイバーの製造方法。
  9. 前記第３過程で使用する前記気泡形成物質は、有機発泡剤、或いは水への不溶性を有し乳状液(emulsion)を形成する各種オイル類から成るグループより選択された物質であること
    を特徴とする請求項６記載の多孔光ファイバーの製造方法。
  10. 前記第３過程で使用する前記気泡形成物質の添加量は、前記第２過程でのシリカスラリー全体の１〜５０％の範囲であること
    を特徴とする請求項６記載の多孔光ファイバーの製造方法。
  11. 前記第４過程で注入されるコア物質は、前記第２過程で注入される外側クラッド形成物質と同一であること
    を特徴とする請求項６記載の多孔光ファイバーの製造方法。
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