JP3770889B2 - フォトニッククリスタルファイバの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ファイバの中心軸方向に延びる多数の細孔が最密状に配列された多孔部と、該多孔部の中心に中実状又は中空状に形成されたコア部とを備えたフォトニッククリスタルファイバの製造方法に関する。
近年、コア及びクラッドからなる通常の光ファイバでは得ることのできない大きな波長分散を発現するものとしてフォトニッククリスタルファイバが注目されつつある。このものは、ファイバの中心軸方向に延びる多数の細孔が最密状に配列された多孔部と、該多孔部の中心に中実状又は中空状に形成されたコア部とを備えている。
ところで、上記フォトニッククリスタルファイバは、細孔が全て同一径に形成されているため、その断面において隣り合う一対の細孔の中心間距離（格子定数ｃ（図７参照））は全て同一になっている。このように上記フォトニッククリスタルファイバはその断面において軸対称に形成されているため、上記ファイバの断面における光の入射角度（偏波軸の角度）に拘わらず伝播可能な波長は一定であってかつ入射光の波長に対する分散値も一定である。
また、上記フォトニッククリスタルファイバは、中心軸方向に対して各細孔の径が一定に保たれかつ上記格子定数も一定となるように形成されているため、上記中心軸方向に対しても伝播可能な波長及び分散値が一定である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、伝播可能な波長及び分散値が変化し得るフォトニッククリスタルファイバを提供することにある。
本発明の製造方法は、ファイバの中心軸方向に延びる多数の細孔が最密状に配列された多孔部と、該多孔部の中心に中実状又は中空状に形成されたコア部とを備えたフォトニッククリスタルファイバの製造方法である。
上記フォトニッククリスタルファイバは、上記多孔部の各細孔が、楕円形状の断面を有しており、上記多孔部の各細孔の中心間距離が、上記ファイバの中心軸に直交する平面内において三角形の各辺に対応する２方向で互いに異なるファイバである。
そして、上記製造方法は、筒状のサポート管の孔内に、円形状の孔を有する複数の筒状キャピラリを並列に並べて層状にすると共に、当該層において相隣接する一対の筒状キャピラリの間に別のキャピラリを配置して別の層を作成することを繰り返すことにより、上記サポート管の孔の横断面において最密状に上記キャピラリを充填すると共に、上記中実状のコア部となる棒状コア部材を上記サポート管の中心部に配設する又は上記中空状のコア部となる空間を該サポート管の中心部に形成することによってプリフォームを作製するプリフォーム作製工程と、上記プリフォームを加熱してキャピラリとサポート管とを互いに融着させる仮融着工程と、上記仮融着されたプリフォームを径方向に圧縮して、最密状の配列のまま上記各キャピラリの外周及び孔が楕円形状となるように変形させる圧縮工程と、上記変形されたプリフォームを加熱・延伸してファイバ状に線引きする線引き工程とを備える。
上記フォトニッククリスタルファイバは、各細孔の断面形状が楕円形状であり、それによって各細孔の中心間距離、つまり格子定数がファイバの断面において該ファイバの中心軸に直交する平面内において三角形の各辺に対応する２方向に対して互いに異なる。このため、上記中心軸に対して非対称なフォトニッククリスタルファイバである。
このため、上記ファイバの断面における光の入射角度に応じて格子定数が変化して、伝播可能な波長が変更されると共に分散値も変更される。
そして、本発明の製造方法によると、円形状の孔を有するキャピラリをサポート管の孔内に最密に充填させると共に、コア部材を配設する又は空間を形成することによって、円形状の孔が最密状に配列されかつコア部材が配設された又は空間が形成されたプリフォームが作製される。そして、上記プリフォームを加熱してキャピラリとサポート管とを互いに融着させ、該仮融着されたプリフォームを径方向に圧縮することによって、各キャピラリの外周及び孔が楕円形状に変形される。このため、該各キャピラリが変形されたプリフォームを線引きすることによって、楕円形状の細孔が最密状に配列された多孔部と中実又は中空のコア部を有するフォトニッククリスタルファイバが製造される。このように、細孔の形状が楕円形状とされるため、各細孔の中心間距離が、ファイバの断面において該ファイバの中心軸に直交する平面内において三角形の各辺に対応する２方向に対して互いに異なったフォトニッククリスタルファイバとなる。
以上説明したように、本発明におけるフォトニッククリスタルファイバの製造方法によれば、伝播可能な波長及び分散値が変更するような、断面において中心軸に対し非対称に形成されているフォトニッククリスタルファイバを製造することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るフォトニッククリスタルファイバ１を示し、このフォトニッククリスタルファイバ１は、各細孔１２ａの中心間距離（格子定数）が上記ファイバ１の中心軸Ｚ１に直交する２方向で互いに異なるように構成されているものである。
すなわち、上記フォトニッククリスタルファイバ１は、ファイバ中心を中心軸Ｚ１方向に延びかつ中実状に形成されたコア部１１と、該コア部１１の外周部を囲むように設けられ、該コア部１１に沿って延びる多数の細孔１２ａが最密に配列された多孔部１２と、これらを被覆するように設けられたサポート部１３とを備えている。
そして、第１実施形態に係るフォトニッククリスタルファイバ１は、図２に示すように、各細孔１２ａが楕円形状に形成されており、これにより、隣り合う一対の細孔１２ａ，１２ａの中心間距離がＸ方向及びＹ方向で互いに異なるようになっている（同図のａ，ｂ参照）。
上記フォトニッククリスタルファイバ１の製造方法を図３により説明する。
先ず、ＳｉＯ2製の円柱体の中心部に断面正６角形の孔２２ａを中心軸に沿って設けたサポート管２２と、互いに同一径を有する複数本の円筒状のＳｉＯ2製キャピラリ３２と、これらキャピラリ３２と同一径を有する１本の円柱状のＳｉＯ2製コア部材４２とを準備する。
上記キャピラリ３２を、上記サポート管２２の正６角形状孔２２ａ内に最密に充填していく。このとき、この正６角形状孔２２ａの内壁における一つの面に対してキャピラリ３２を並列に並べるようにして第１層を形成し、該形成された第１層における相隣接する一対のキャピラリ３２，３２の間に新たなキャピラリ３２を載置していくようにして、続く第２層を形成する。このようなキャピラリ３２の載置を繰り返すことによって上記正６角形状孔２２ａ内にキャピラリ３２を最密に充填するが、上記正６角形状孔２２ａの中心位置にはキャピラリ３２ではなくてコア部材４２を配置しておく。
以上の工程により、サポート管２２の正６角形状孔２２ａ内にキャピラリ３２が最密に充填されかつその中心位置にコア部材４２が配置されたフォトニッククリスタルファイバのプリフォーム５２が完成する（プリフォーム作製工程）。
そして、上記プリフォーム５２に対し線引き加工を施す前に、該プリフォーム５２を加熱して上記隣接するキャピラリ３２，３２同士、上記キャピラリ３２とサポート管２２、及びキャピラリ３２とコア部材４２とを互いに仮融着させる（仮融着工程）。
次いで、上記各キャピラリ３２の外周及び孔が楕円形状に変形するまで上記仮融着したプリフォーム５２を径方向に圧縮する（圧縮行程）。
この変形させたプリフォーム５２は、図４に示すように、線引き装置６によって線引き加工を施して細径化（ファイバ化）する。
上記線引き装置６は、上記プリフォーム５２の上端部分を把持する把持部材６１と、該プリフォーム５２を加熱する筒状の線引き炉６２とを備えていて、該線引き炉６２には上記プリフォーム５２を加熱する環状のヒータ６２ａが配設されている。
そして、上記把持部材６１に把持されたプリフォーム５２の下端部を線引き炉６２内に挿入して、上記ヒータ６２ａによって上記プリフォーム５２の下端部を加熱しファイバ状に線引きする。この線引き加工の際に隣接するキャピラリ３２，３２同士、上記キャピラリ３２とサポート管２２、及びキャピラリ３２とコア部材４２とは互いに融着して一体化される。
以上の工程を経て、図１に示すように、ファイバ中心で中心軸方向に延びかつ中実に形成されたコア部１１と、該コア部１１の外周囲で上記コア部１１に沿って延びる多数の細孔１２ａが最密に配列された多孔部１２と、これらを被覆するサポート部１３とを備えかつ上記各細孔１２ａが楕円形状に形成されたフォトニッククリスタルファイバ１が完成する。
次に、上記第１実施形態の作用・効果を説明する。
各細孔１２ａが楕円形状であってかつ最密に配列されているため、その格子定数がＸ方向及びＹ方向で互いに異なる（図２のａ，ｂ参照）。すなわち、中心軸Ｚ１に対して非対称なフォトニッククリスタルファイバ１となる。
このため、上記フォトニッククリスタルファイバ１の断面における光の入射角度に応じて格子定数ａ，ｂが変化するため、伝播可能な波長が変更されると共に分散値も変更される。
また、Ｘ方向に平行な偏波と、Ｙ方向に平行な偏波との間に伝搬定数差が生じるため、上記ファイバ１は、偏波保持機能を有することとなる。
＜第１参考例＞
尚、上記フォトニッククリスタルファイバ１は次の方法によって製造してもよい。
先ず、図５に示すように、ＳｉＯ2製の円柱体の中心部に断面６角形状の孔２１ａを中心軸に沿って設けたサポート管２１と、互いに同一の楕円形状を有する複数本の筒状のＳｉＯ2製キャピラリ３１と、これらキャピラリ３１と同一形状である楕円形状を有する１本の棒状のＳｉＯ2製コア部材４１とを準備する。
そして、上記キャピラリ３１を上記サポート管２１の６角形状孔２１ａ内に最密に充填していくと共に、上記６角形状孔２１ａの中心位置にコア部材４１を配置する。
以上の工程により、サポート管２１の６角形状孔２１ａ内に楕円形状のキャピラリ３１が最密に充填されかつその中心位置に楕円形状のコア部材４１が配置されたフォトニッククリスタルファイバ１のプリフォーム５１が完成する。
上記プリフォーム５１を線引き装置６によって線引き加工を施して細径化する。
この方法によっても、各細孔１２ａが楕円形状に形成されたフォトニッククリスタルファイバ１を製造することができる。
＜第２参考例＞
上記第１実施形態では、各細孔１２ａを楕円形状とすることによって格子定数をＸ方向及びＹ方向で互いに異ならせるようにしているが（図２参照）、格子定数をＸ方向及びＹ方向で互いに異ならせたフォトニッククリスタルファイバ１は、これに限らず、例えば図６に示すものでもよい。
すなわち、図６に示すフォトニッククリスタルファイバ９においては、各細孔９２ａは円形状に形成されているが、各細孔９２ａの中心間距離がＸ方向及びＹ方向で互いに異なるように各細孔９２ａを配設して多孔部９２が構成されている（同図のｅ及びｆ参照）。尚、同図における９３はサポート部である。
このようなフォトニッククリスタルファイバ９は、プリフォーム作製工程及び線引き工程によって製造すればよいが、上記プリフォームの作製の際に、キャピラリとして、断面が略長方形状であってその中心位置に円形状の孔を有するものを用いる。また、コア部材としては、上記キャピラリと同一の断面形状を有するものであってその中心位置に孔が形成されていない中実のものを用いればよい。そして、このキャピラリ及びコア部材をサポート管の孔内に最密に充填してプリフォームを作製すれば、このプリフォームにおける隣合うキャピラリの孔の中心間距離は、該キャピラリの断面における長辺の方向（図６におけるＸ方向）には長くなる一方、短辺の方向（同図におけるＹ方向）には短くなる。このため、上記プリフォームを線引きすることによって、図６に示すように、格子定数がＸ方向及びＹ方向で互いに異なるフォトニッククリスタルファイバ９を製造することができる。
＜第１参考形態＞
図７は本発明の第１参考形態に係るフォトニッククリスタルファイバ７を示していて、この第１参考形態に係るフォトニッククリスタルファイバ７は、各細孔７２ａの径Ｄ（図８参照）がファイバ７の中心軸Ｚ１方向に対して変化していると共に、格子定数ｃも中心軸Ｚ１方向に対して変化している。
すなわち、上記フォトニッククリスタルファイバ７は、ファイバ中心で中心軸Ｚ１方向に延びかつ中実状に形成されたコア部７１と、該コア部７１の外周部を囲むように設けられ、該コア部７１に沿って延びる多数の細孔７２ａが最密に配列された多孔部７２と、これらを被覆するように設けられたサポート部７３とを備えていて、該各細孔７２ａが、上記フォトニッククリスタルファイバ７の一端から他端に向けてその径Ｄが拡大するように形成されている。このため、格子定数ｃが上記フォトニッククリスタルファイバ７の一端から他端に向けて大きくなっている。
上記フォトニッククリスタルファイバ７は、プリフォーム５２を作製するプリフォーム作製工程と該プリフォーム５２を線引きする線引き工程とを経て製造されるが、上記プリフォーム作製工程は、上記第１実施形態に係るものと同様であるので、その説明は省略する（図３参照）。
そして、上記線引き工程は、図４に示すように、線引き装置６を用いて行うが、この線引き工程の際に、各キャピラリ３２の上端開口から該各キャピラリ３２内にガスを注入しながら線引きを行う。このとき、該ガスの注入量を制御して上記各キャピラリ３２の内圧を徐々に高めるようにすることによって、上記キャピラリ３２の潰れ量が次第に小さくなって、一端から他端に向けて径Ｄが次第に拡大する細孔７２ａを有するフォトニッククリスタルファイバ７が製造される。
そして、上記第１参考形態の場合、各細孔７２ａの径Ｄが中心軸Ｚ１方向に対して変化しているため、格子定数ｃが中心軸Ｚ１方向に対して変更される。尚、各細孔７２ａの径Ｄは中心軸Ｚ１方向に対して同様に変化しているため、多孔部７２における最密の配列は崩れない。
このように、格子定数ｃが中心軸Ｚ１方向に対して変更されているため、フォトニッククリスタルファイバ７の中心軸Ｚ１方向に対して伝播可能な波長が変化したり、分散値が変化したりするようになる。
尚、第１参考形態では、各細孔７２ａの径Ｄが中心軸Ｚ１方向に徐々に拡大するフォトニッククリスタルファイバ７としているが、第１参考形態に係るフォトニッククリスタルファイバ７の製造方法を用いれば、例えば各細孔７２ａの径Ｄが中心軸Ｚ１方向に徐々に縮小するフォトニッククリスタルファイバを製造することができる。また、中心軸Ｚ１方向において細孔７２ａの径Ｄが局所的に拡大又は縮小したフォトニッククリスタルファイバを製造することもできる。
また、各細孔７２ａの径Ｄ及び格子定数ｃを調整することによって、ファイバの中心軸Ｚ１方向の途中位置で特定波長の光のみが選択的に伝播可能となるように中心軸方向に対し伝播可能となる波長を変更させることができると共に、中心軸Ｚ１方向に対して分散値の分布を有するフォトニッククリスタルファイバとすることもできる。特に、任意に選ばれたある波長における波長分散を、異常分散の大きな値から小さな値に変化させることにより、ソリトンパルス圧縮効果を用いて任意の波長域の光パルスを圧縮することが可能になる。
さらに、第１参考形態に係るフォトニッククリスタルファイバの製造方法は、中心軸Ｚ１方向に対して格子定数ｃが一定になるように形成されたフォトニッククリスタルファイバを製造するのにも適している。
すなわち、例えばプリフォーム５２を線引きしている間、各キャピラリ３２の内圧を常に所定の圧力となるようにガスの注入量を調整すれば、各キャピラリ３２の潰れ量がファイバの中心軸Ｚ１方向に一定となって、該中心軸Ｚ１方向に対して一定の大きさの径Ｄに形成された細孔７２ａを有するフォトニッククリスタルファイバを確実に製造することができる。
また、上記キャピラリ３２の内圧を調整して該キャピラリ３２の潰れを調整することによって、ファイバ化した際に互いに隣り合う３つの細孔７２ａ，７２ａ，…の間に形成される間隙７２ｂ（図８参照）の大きさを制御することができ、例えば上記間隙７２ｂが形成されていないフォトニッククリスタルファイバを確実に製造することができる一方、該間隙７２ｂが形成されているフォトニッククリスタルファイバを確実に製造することもできる。
＜第２参考形態＞
図９は本発明の第２参考形態に係るフォトニッククリスタルファイバ８を示していて、この第２参考形態に係るフォトニッククリスタルファイバ８は、多孔部８２が中心軸Ｚ１回りにねじられて形成されている。
すなわち、上記フォトニッククリスタルファイバ８は、ファイバ中心を中心軸Ｚ１方向に延びかつ中実状に形成されたコア部８１と、該コア部８１の外周部を囲むように設けられ、該コア部８１に沿って延びる多数の細孔８２ａを有する多孔部８２と、これらを被覆するように設けられたサポート部８３とを備えていて、上記多孔部８２がねじられて形成されている。このため、図示は省略するが各細孔８２ａは上記フォトニッククリスタルファイバ８の中心軸Ｚ１回りに螺旋状に配設されている。
上記フォトニッククリスタルファイバ８は、上記第１参考形態と同様に、プリフォーム５２を作製するプリフォーム作製工程と該プリフォーム５２を線引きする線引き工程とによって製造される。尚、プリフォーム作製工程は、上記第１実施形態に係るものと同様であるので、その説明は省略する（図３参照）。
そして、上記線引き工程は、図４に示すように、線引き装置６を用いて行うが、この線引きの際に、把持部材６１によってプリフォーム５２をその中心軸Ｚ２回りに回転させながら線引きを行う。これにより、各キャピラリ３２がプリフォーム５２の中心軸Ｚ２回りに回りながら線引きされるようになり、その結果、各細孔８２ａがファイバの中心軸Ｚ１回りに螺旋状に配設された、すなわち多孔部８２がねじられて形成されたフォトニッククリスタルファイバ８が製造される。
そして、上記第２参考形態の場合、多孔部８２を、ファイバの中心軸Ｚ１回りにねじられて形成することによって、上記ファイバの中心軸Ｚ１方向（光の伝搬する方向）において上記ねじれに起因する実質的な格子が形成される。これにより、上記伝搬方向の分散特性が変化したり、特定波長の光が伝搬できなくなったりすること等、中心軸方向に対して一定の構造に形成されたフォトニッククリスタルファイバでは得られない作用を得ることができる。
尚、上記フォトニッククリスタルファイバ８の線引き工程の際に、プリフォーム５２の回転速度を変更すれば、ファイバの中心軸Ｚ１方向において多孔部８２のねじれピッチＰが変更されたフォトニッククリスタルファイバを製造することができる。
＜他の実施形態＞
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、フォトニッククリスタルファイバ１，７，８，９のコア部１１，７１，８１を中実状としたが、上記コア部１１，７１，８１は中空状であってもよい。コア部１１，７１，８１が中空状に形成されたフォトニッククリスタルファイバを製造するには、そのプリフォームを製造する際に、コア部材４１，４２を配置しないでキャピラリ３１，３２のみをサポート管２１，２２の６角形状孔２１ａ，２２ａ内に充填するようにしてもよいし、キャピラリ３１，３２及びコア部材４１，４２を上記６角形状孔２１ａ，２２ａ内に充填した後に上記コア部材４１，２のみを６角形状孔２１ａ，２２ａ内から抜くようにしてもよい。
第１実施形態に係るフォトニッククリスタルファイバを示す斜視図である。 第１実施形態に係るフォトニッククリスタルファイバの多孔部を拡大して示す拡大断面図である。 第１実施形態に係るフォトニッククリスタルファイバの母材を示す断面図である。 線引き装置を示す概略図である。 第１実施形態の第１参考例に係るフォトニッククリスタルファイバの母材を示す図３対応図である。 第１実施形態の第２参考例に係るフォトニッククリスタルファイバを示す図２対応図である。 第１参考形態に係るフォトニッククリスタルファイバを示す斜視図である。 第１参考形態に係るフォトニッククリスタルファイバの多孔部を示す図２対応図である。 第２参考形態に係るフォトニッククリスタルファイバを示す図７対応図である。
符号の説明
１，７〜９ フォトニッククリスタルファイバ
１１，７１，８１ コア部
１２，７２〜９２ 多孔部
１２ａ，７２ａ〜９２ａ 細孔
Ｄ 細孔の径
Ｚ１ ファイバの中心軸
Ｚ２ プリフォームの中心軸
ａ〜ｃ，ｅ，ｆ 中心間距離

Claims (1)

  1. ファイバの中心軸方向に延びる多数の細孔が最密状に配列された多孔部と、該多孔部の中心に中実状又は中空状に形成されたコア部とを備えたフォトニッククリスタルファイバの製造方法であって、
    上記フォトニッククリスタルファイバは、最密状に配列された上記多孔部の各細孔が、楕円形状の断面を有しており、上記多孔部の各細孔の中心間距離が、上記ファイバの中心軸に直交する平面内において三角形の各辺に対応する２方向で互いに異なるように構成されており、
    筒状のサポート管の孔内に、円形状の孔を有する複数の筒状キャピラリを並列に並べて層状にすると共に、当該層において相隣接する一対の筒状キャピラリの間に別のキャピラリを配置して別の層を作成することを繰り返すことにより、上記サポート管の孔の横断面において最密状に上記キャピラリを充填すると共に、上記中実状のコア部となる棒状コア部材を上記サポート管の中心部に配設する又は上記中空状のコア部となる空間を該サポート管の中心部に形成することによってプリフォームを作製するプリフォーム作製工程と、
    上記プリフォームを加熱してキャピラリとサポート管とを互いに融着させる仮融着工程と、
    上記仮融着されたプリフォームを径方向に圧縮して、最密状の配列のまま上記各キャピラリの外周及び孔が楕円形状となるように変形させる圧縮工程と、
    上記変形されたプリフォームを加熱・延伸してファイバ状に線引きする線引き工程とを備えている
    ことを特徴とするフォトニッククリスタルファイバの製造方法。
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