JP3798984B2 - フォトニッククリスタル光ファイバの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニックバンドギャップ構造を備えたフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法に係り、特に、中空コアとクラッドの空孔内とを真空にして低損失化を図ったフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の光ファイバは、屈折率の高いコアと、コアよりもわずかに屈折率が低いクラッドとの2層構造をなし、その素材のベースは石英である。コアは、クラッドに比べわずかに屈折率を高くするために、石英にゲルマニウム等の添加物を加えた組成となっている。
【0003】
従来の光ファイバにおいては、光ファイバのコアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高いため、この屈折率差によって光ファイバに入射した光がコア内に閉じこめられて光ファイバ中を伝搬することができる。伝搬する光の単一モード条件を満足するために、コアの直径は5〜10μm程度と小さい。
【0004】
ところが、近年、光増幅技術や、波長多重(WDM)技術の発展により光ファイバへ入射させる光のパワーが大きくなってきており、種々の非線形効果現象が生じやすくなっている。
【0005】
例えば、非線形効果現象の一つである自己位相変調現象が生じると、光ファイバ中のパルス信号波形が歪み、伝送容量が制限される。また、同じく非線形現象の一つであるブリュリアン散乱現象も生じやすく、この現象が起きると光ファイバ径の入射パワーが飽和する。
【0006】
これら非線形効果現象が生じると、光ファイバ中を伝搬する伝送特性の劣化を招く。また、現状の光ファイバの伝送損失は最良のものでも0.16dB/km程度であり、その主要因は光が伝搬するコアやコア近傍のクラッド部の組成密度揺らぎによるレイリー散乱損失であるが、大陸間長距離伝送等で用いる光ファイバには、より一層の低損失化が望まれている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の光ファイバの問題点を解決する光ファイバとして、フォトニッククリスタル光ファイバ(PCF:Photonic Crystal Fiber)が最近注目を集めている。PCFとは、フォトニック結晶構造がクラッド部に設けてあるファイバである。フォトニック結晶構造とは、屈折率の周期構造のことであり、具体的には蜂の巣のようなハニカム構造の空間をクラッド部に設けることで、光のエネルギー禁制帯であるフォトニックバンドギャップ(PBG:Photonic Band Gap)が発生する。
【0008】
例えば、Knightらは、Science282,1476,(1999)において、PBGを導波原理とするPCFを報告しており、また、Creganらは、Science285,1537,(1999)において、PBG構造を導波原理とする中空コアのPCFの報告を行っている。中空コアのPCFは、光が伝搬するコアに石英媒質がないため、損失の主要因となるレイリー散乱が非常に小さくなる超低損失ファイバの可能性を示すものである。
【0009】
また、特許第3072842号明細書においても、中空コアのPCFについて開示されており、0.01dB/km程度の低損失化が期待できると記載されている。
【0010】
しかしながら、これら従来のPCFにおいては、光が伝搬するコアおよびその近傍域がレイリー散乱の小さい空間になっているが、空間内に存在する気体(この場合、空間内は通常空気で満たされている。)の純度が悪い。つまり、空間内に不純物が存在すると、その不純物に対する吸収損失が発生するという問題がある。
【0011】
例えば、光ファイバ用プリフォームの製造工程では、酸水素火炎による成形加工作業を頻繁に行うため、酸素と水素の反応による水分がプリフォーム内に残留し、PCFの中空部の空気内に含まれる可能性がある。この水分の一部はプリフォームの線引き中にガラス内に拡散し、OH基の分子振動による吸収損失を増加させる原因となるという問題がある。
【0012】
そこで、本発明の目的は、PCFの不純物による損失を低減することで低損失化を図ったPCFの製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項1の発明は、フォトニッククリスタル光ファイバ用のプリフォームに、線引き後に中空のコアとなるコア用穴と、線引き後にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を構成するクラッドの複数の空孔となる複数のクラッド用穴とを形成し、これらコア用穴と複数のクラッド用穴に、あらかじめHeガスを充填して密閉封止した後、プリフォームを線引きしてファイバ化を行い、線引き後のファイバに真空処理を行って前記Heガスを抜き取り、前記中空のコア内およびクラッドの複数の空孔内とを真空にするフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法である。
【0014】
請求項2の発明は、前記中空のコアの線引き後の外径を光の波長の数倍程度とし、前記クラッドは前記中空のコアの周囲に形成され、少なくともコアに隣接する請求項1記載の フォトニッククリスタル光ファイバの製造方法である。
【0015】
請求項3の発明は、プリフォームのコア用穴と複数のクラッド用穴にHeガスを充填する前に、プリフォーム内を真空状態にすることを特徴とする請求項1または2記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法である。
【0016】
請求項4の発明は、プリフォームの一端を封止し、プリフォームの他端に石英管を接続し、プリフォーム内を真空状態にし、プリフォームのコア用穴と複数のクラッド用穴にHeガスを充填し、前記石英管を封止切断し、プリフォームを線引きしてファイバ化を行い、線引き後のファイバに真空処理を行う請求項1〜3いずれかに記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法である。
【0017】
請求項5の発明は、前記プリフォーム内のHeガス圧力は大気圧程度である請求項1〜4いずれかに記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法である。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【0019】
図1は、本発明の好適実施の形態であるフォトニッククリスタル光ファイバ(PCF)の製造方法を用いて作製したPCFの断面図である。
【0020】
図1に示すように、本発明に係るPCF1は、中心に配置され、外径φcが5〜50μmである中空のコア2と、コア2の周囲に形成され、PCF1の外径φよりやや小さい径に亘って複数の空孔3がハニカム状に配列されてフォトニックバンドギャップ(PBG)構造の回折格子を構成するクラッド4と、クラッド4の外周に被覆されるジャケット5とからなり、中空のコア2内とクラッド4の複数の空孔3内とを真空にしたものである。PCF1の外径φは、80〜150μmである。
【0021】
中空のコア2は、PCF1の長手方向に沿って断面六角形状の空孔が形成されたものであり、その内部が真空状態に保たれていることから、屈折率が1となっている。中空かつ真空状態に保たれたコア2は、光の散乱要因およびOH基の分子振動による光の吸収損失がないため、光ファイバの低損失化には最も望ましい形態である。
【0022】
クラッド4は、全体の断面が略六角形状に形成されている。このクラッド4は、PCF1の長手方向に沿って形成される断面円形状の複数の空孔3を、コア2の周囲にハニカム状に配列することで、PBG構造の回折格子を構成している。複数の空孔3の内部も真空状態に保たれているので、クラッド4の屈折率も1である。
【0023】
PCF1は、信号光エネルギーが最も集中するコア2が中空かつ真空のため光の損失要因が少なく、従来の光ファイバの損失レベル0.2dB/kmよりも格段に低損失が図れることが予想され、0.01dB/km台の可能性がある。
【0024】
PCF1のクラッド4はPBG構造を有するので、回折格子のブラッグ反射により、光はファイバの半径方向に漏洩することなく、コア2内に閉じこめられて光ファイバの長手方向に伝搬する。
【0025】
PCF1では、中空ハニカム構造のクラッド4も真空状態に保っている。そのため、光がクラッド4内をブラッグ反射を繰り返しながら伝搬する際の損失要因も低減している。
【0026】
次に、本発明に係るPCF1の製造方法を説明する。
【0027】
PCF1を製造するにあたり、まず、PCF用のプリフォームとなる部材として、例えば、純度の高い純粋石英母材をVAD(Vapor Phase Axial Deposition)法により製造する。通常の光ファイバをVAD法で製造する際は、コアとなる部分の屈折率を上げるために、石英に添加物としてゲルマニウム等をドープするが、本発明に係るPCF1では、PBG構造により光を伝搬させるので、屈折率を上げるための添加物は使用していない。ただし、PBG構造といえども、光が伝搬するコア近傍領域に石英ガラス部も存在するので、石英中に残留するOH基対策は行った。
【0028】
具体的には、VAD法で製造したスート母材を焼結透明ガラス化する際に塩素ガス雰囲気で行うことで、OH基含有量0.1ppm以下の純粋石英母材とする。
【0029】
図2に示すように、この純粋石英母材を外径φ21が80mmとなるように延伸した後、長さが200mmとなるように切断してPCF用のプリフォーム21とする。
【0030】
このプリフォーム21の断面中心部に、プリフォーム21を線引きしてファイバ化を行った際、中空のコアとなる外径φ22が5mmのコア用穴22を、超音波ドリルにより、くり貫き加工を施して形成する。同様に、コア用穴22の周囲に、プリフォーム21を線引きしてファイバ化を行った際、PBG構造の回折格子を構成するように、外径φ23が2mmの複数のクラッド用穴23を、超音波ドリルにより、くり貫き加工を施してハニカム状に形成する。この後、線引き加工を容易にするために、プリフォーム21を、外径φ21が40mm程度となるように延伸加工を行う。
【0031】
次に、延伸加工後のプリフォーム21のコア用穴22と複数のクラッド用穴23に、Heガスを充填するための加工を施す。
【0032】
具体的には、図3(a)に示すように、プリフォーム21の一端21aを封止し、他端21bには、プリフォーム21と同じ外径の石英管30を接続し、石英管30に接続した真空ポンプ31により、プリフォーム21のコア用穴と複数のクラッド用穴に存在している空気を吸引し、プリフォーム21内を真空状態にする。
【0033】
真空状態となったコア用穴22と複数のクラッド用穴23に、図3(b)に示すように、同じ石英管30を使ってコア用穴と複数のクラッド用穴にHeガスを充填させ、その後、石英管30の一部を封止切断する。
【0034】
このとき、プリフォーム21内のHeガス圧力は、大気圧程度であることが望ましい。その理由は、プリフォーム21内部が初めから真空状態にあると、次工程の線引き時にプリフォーム21内部のコア用穴と複数のクラッド用穴がつぶれ、PBG構造を実現できないからである。また、反対に、Heガスを高圧状態でプリフォーム21内に残留させると、線引き時にHeガスの膨張によるガス圧力にファイバのジャケット層が耐えきれずに外径変動をきたしたり、ジャケット層をHeガスが突き破ってファイバを損傷したりする場合があるからである。
【0035】
ここで、プリフォーム21内に充填させるガスとして、Heガスを選択した理由は、その拡散速度が他のガスに比べて圧倒的に大きく、石英ガラス層を容易に通過することが可能なガスだからである。同様に拡散速度が大きいガスとして水素が存在するが、水素は石英ガラス中に拡散する際、ガラス中の欠陥と結びついて新たな損失要因を発生させる可能性があり、また、引火性、爆発性の強いガスで取り扱いにくいガスのため使用ガスとして選択しなかった。
【0036】
Heガスを充填したプリフォーム21を、通常の光ファイバ線引き作業によってファイバ化を行う。具体的には、外径φが125μmの線引き後のPCFとしたが、必要に応じて外径φが80〜150μm程度に線引き加工することもできる。
【0037】
次に、図4に示すように、線引き後のPCF41を、圧力が1.33Pa(0.01Torr)以下の高真空下の処理槽40に入れ、73時間の真空処理を行って線引き後のPCF41からHeガスを抜き取り、中空のコア内とクラッドの複数の空孔内とを真空にすると、図1に示したPCF1が完成する。このPCF1内、すなわち、中空のコア内とクラッドの複数の空孔内の残留ガス分析をラマン分光法により行った結果、Heガス成分は検出限界以下となり、残留していないことが確かめられた。
【0038】
以上のようにして作製した本発明に係るPCF1と、コア内およびクラッド内に空気が残った従来のPCFとの特性を比較した。本発明に係るPCF1の損失特性は、波長が0.8μm、1.3μm、1.55μmでそれぞれ3.98dB/km、3.57dB/km、3.53dB/kmであった。また、従来のPCFの損失特性は、波長0.8μm、1.3μm、1.55μmでそれぞれ4.01dB/km、4.68dB/km、3.55dB/kmであった。
【0039】
これら損失レベルは、通常の光ファイバに比べてまだ大きいが、損失要因を調べたところ、PCF用のプリフォームの製造精度に起因する構造不整損失が大きく支配的であることが分かった。しかし、この結果より求めたレイリー散乱係数は、本発明に係るPCF1および従来のPCFが約0.2であり、いずれも、従来の光ファイバの中で最も小さいレイリー散乱係数である0.6程度に比べて著しく低かった。
【0040】
さらに、本発明に係るPCF1は、波長が1.3μmにおける損失が従来のPCFよりも低損失になっている。これは、波長が1.39μmにおけるOH基の分子振動による吸収ピークの影響をより低く抑制しているからである。本発明に係るPCF1は、散乱損失と吸収損失の低減を両立することが可能であることがわかる。
【0041】
このように、本発明のPCFは、中空のコア内とクラッドの複数の空孔内とを真空にしているので、光の散乱要因および不純物による光の吸収損失がないため、従来の光ファイバでは達成できなかったレイリー散乱損失の低減が可能で、しかも、不純物による吸収損失を低くすることができるので、非常に低損失である。
【0042】
本発明のPCFの製造方法においては、PCF用のプリフォーム製造時、コア用穴と複数のクラッド用穴に、拡散係数の大きいガスであるHeガスを大気圧程度で充填して密封封止し、その状態で線引き加工するので、プリフォーム内の圧力を大気圧と同程度にすることで、コア用穴と複数のクラッド用穴がつぶれることを防ぎ、ファイバ内にフォトニックバンドギャップ構造を実現することができる。
【0043】
また、線引き終了後得られたPCFを真空処理することで、ファイバ内部に存在するHeガスをその拡散係数が大きいことを利用して抜き取っているので、PCFの中空のコア内とクラッドの複数の空孔内とを真空にし、ファイバを伝搬する光の散乱損失と不純物による吸収損失を低減し、低損失なPCFを実現することができる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の製造方法を用いて作製したPCFは、従来の光ファイバでは達成できなかったレイリー散乱損失の低減が可能で、しかも、不純物による吸収損失を低くすることができるので、非常に低損失である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の好適実施の形態であるPCFの製造方法を用いて作製したPCFの断面図である。
【図2】 PCF用のプリフォームの断面図である。
【図3】 図3(a)は、PCF用のプリフォームを真空処理する方法を説明する概略図である。図3(b)は、PCF用のプリフォームにHeガスを充填する方法を説明する概略図である。
【図4】 線引き後のPCFからHeガスを抜き取る方法を説明する概略図である。
【符号の説明】
1 フォトニッククリスタル光ファイバ(PCF)
2 中空のコア
3 空孔
4 クラッド
5 ジャケット
φc 中空コアの外径
φ PCFの外径
Claims (5)
- フォトニッククリスタル光ファイバ用のプリフォームに、線引き後に中空のコアとなるコア用穴と、線引き後にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を構成するクラッドの複数の空孔となる複数のクラッド用穴とを形成し、これらコア用穴と複数のクラッド用穴に、あらかじめHeガスを充填して密閉封止した後、プリフォームを線引きしてファイバ化を行い、線引き後のファイバに真空処理を行って前記Heガスを抜き取り、前記中空のコア内およびクラッドの複数の空孔内とを真空にすることを特徴とするフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法。
- 前記中空のコアの線引き後の外径を光の波長の数倍程度とし、前記クラッドは前記中空のコアの周囲に形成され、少なくともコアに隣接することを特徴とする請求項1記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法。
- プリフォームのコア用穴と複数のクラッド用穴にHeガスを充填する前に、プリフォーム内を真空状態にすることを特徴とする請求項1または2記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法。
- プリフォームの一端を封止し、プリフォームの他端に石英管を接続し、プリフォーム内を真空状態にし、プリフォームのコア用穴と複数のクラッド用穴にHeガスを充填し、前記石英管を封止切断し、プリフォームを線引きしてファイバ化を行い、線引き後のファイバに真空処理を行うことを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法。
- 前記プリフォーム内のHeガス圧力は大気圧程度であることを特徴とする請求項1〜4いずれかに記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法。
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