JP4447531B2 - フォトニックバンドギャップファイバとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたフォトニックバンドギャップファイバに関する。本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、通常のフォトニックバンドギャップファイバに特有な表面モードを抑制することができ、ファイバの伝送帯域を広げることができるので、極低損失光伝送、ＵＶ領域から可視光領域及び遠赤外領域における光伝送、ファイバレーザ光伝送などに用いることができる。

フォトニックバンドギャップファイバ（photonic bandgap fiber：以下、ＰＢＧＦと記す。）は、空孔の周期構造をクラッドに用いることにより、そのフォトニックバンドギャップを利用して光をコアに閉じ込める。そのため、コアは空気であっても導波が可能である（非特許文献１参照。）。

しかし、クラッドに設けた空孔の周期構造がバンドギャップを形成しても、光がコア中心に集中するコアモードは、光がコアエッジ近傍の石英に集中する表面モードに結合し、大きな伝送損失をもたらすので、バンドギャップの波長帯域全域における光導波が得られない問題がある（非特許文献２参照。）。

表面モードの存在は、コア径の大小に依存する。図１は、その依存性を示す図である。図１に示す従来のＰＢＧＦは、ファイバ横断面において石英部分１０に多数の円形の空孔１１が三角格子状に設けられ、中心の空孔が空孔コア１２になっている。以下、このようにファイバ横断面において多数の円形の空孔１０が一定のピッチで三角格子の周期構造を形成している空孔構造を「通常の三角格子の周期構造」と記す。

図１中の「バルクモード」とは、空孔の周期構造がバンドギャップを構成しているときに、そのバンドギャップの下部通過帯域（バンド）内最高周波数を有するΓ点（波長ベクトルが伝搬方向成分のみを有する点）のモードを指す。
図１に示すような構造のＰＢＧＦにおいて、コア１２のエッジがバルクモードを横切る場合に表面モードが存在し、横切らない場合には表面モードが存在しないことが知られている（非特許文献３参照。）

図２及び図３は、通常の三角格子の周期構造を有する従来のＰＢＧＦにおける空孔コア１２とバルクモードとの位置関係を例示する図である。図２に示す従来のＰＢＧＦは、ファイバ横断面においてクラッドとなる石英部分１０に多数の円形の空孔１１が三角格子状に設けられ、中心の１つの空孔とそれを囲む６つの空孔を含む領域を空孔とすることによって形成された空孔コア１２を備えている。また、図３に示す従来のＰＢＧＦは、ファイバ横断面において石英部分１０に多数の円形の空孔１１が三角格子状に設けられ、中心の１つの空孔とそれを囲む２層１８個の空孔を含む領域を空孔とすることによって形成された空孔コア１２を備えている。
R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, "Single-mode photonic band gap guidance of light in air," Science, vol. 285, no. 3, pp. 1537-1539, 1999. J. A. West, C. M. Smith, N. F. Borrelli, D. C. Allan, and K. W. Koch, "Surface modes in air-core photonic band-gap fibers," Opt. Express, vol. 12, no. 8, pp. 1485-1496, 2004. H. K. Kim, J. Shin, S. Fan, M. J. F. Digonnet, and G. S. Kino, "Designing air-core photonic-bandgap fibers free of surface modes," IEEE J. Quant. Electron., vol. 40, no. 5, pp. 551-556, 2004. S. G. Johnson and J. D. Joannopoulos, "Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell's equations in planewave basis," Opt. Express, vol. 8, no. 3, pp. 173-190, 2001.

しかし、図２及び図３に示すような通常の三角格子の周期構造をクラッドに用いる場合、空孔コア１２のエッジが、バルクモード１３の存在する領域を横切ってしまうため、表面モードを避けることが困難である。その結果、コアモードの光が表面モードに結合し、大きな伝送損失をもたらし、バンドギャップの波長帯域全域における光導波が得られず、導波帯域幅が狭くなり、また伝送損失が増加してしまう問題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、導波帯域幅が広く、伝送損失が低いＰＢＧＦの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたフォトニックバンドギャップファイバであって、ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔が隔壁を介して一列に並べられた第１の空孔列と、前記第１のピッチの２倍である第２のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分を介して並べられ、該空孔と前記第１の空孔列の空孔とが三角格子を形成するように配置された第２の空孔列とが交互に多数重ねられ、前記石英部分の対向する２辺間の長さω_ｒと前記第１のピッチΛとが等しい拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有し、且つ多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有し、前記コアのエッジがバルクモードを横切らずに構成され、前記コア及びクラッドにおける空孔を囲む石英の隔壁の厚さω_ｂが０．００５Λ≦ω_ｂ≦０．２Λの範囲であることを特徴とするＰＢＧＦを提供する。

本発明のＰＢＧＦにおいて、前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、０．７Λ≦Ｄ≦３．３Λの関係であることが好ましい。

本発明のＰＢＧＦにおいて、前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、４．７Λ≦Ｄ≦７．３Λの関係としてもよい。

本発明のＰＢＧＦにおいて、前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、８．７Λ≦Ｄ≦１１．３Λの関係としてもよい。

本発明のＰＢＧＦにおいて、前記クラッドに設けられた拡張三角格子状の空孔周期構造がコアの外側に３層以上設けられていることが好ましい。

本発明のＰＢＧＦにおいて、伝搬パワーの６０％以上が空孔コアの領域に集中するコアモードであり、且つ表面モードが実質的に存在しない光学特性を有していることが好ましい。

本発明のＰＢＧＦにおいて、単一のコアモード（ただし、縮退する全てのモードはモード数１とする）のみが存在する光学特性を有していることが好ましい。

本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、０．６≦Γ／λ≦１．５を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることが好ましい。

本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、１．４≦Γ／λ≦２．３を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。

本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、２．２≦Γ／λ≦３．２を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。

また本発明は、石英製のキャピラリと石英ロッドとを、多数のキャピラリが一列に並べられた第１の空孔列と、前記キャピラリと石英ロッドとを交互に並べた第２の空孔列とが交互に重なって横断面のキャピラリ配置が拡張三角格子状となるように組み合わせ、且つ石英ロッドをキャピラリに置換してキャピラリコア領域とした石英ロッド入りキャピラリ束を作製し、次いでキャピラリ周囲の空間の圧力よりもキャピラリ内部空間の圧力を高く保持したまま、該石英ロッド入りキャピラリ束を加熱一体化してファイバ紡糸用母材を作製し、次いで該ファイバ紡糸用母材を紡糸して本発明に係る前記ＰＢＧＦを得ることを特徴とするＰＢＧＦの製造方法を提供する。

本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリが断面円環状であり、前記石英ロッドが、キャピラリと外径の等しい断面円形状であることが好ましい。

本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記石英ロッド入りキャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化してファイバ紡糸用母材を作製することが好ましい。

前記の製造方法において、石英管の孔内に挿入したキャピラリ束のうち、キャピラリ内部空間のみを大気圧又はそれ以上の圧力に保持し、キャピラリ内部空間以外の空間部分を減圧状態として前記一体化を行うことが好ましい。

本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記石英ロッド入りキャピラリ束の横断面の中心にある１つの石英ロッドをキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成してもよい。

本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記石英ロッド入りキャピラリ束の横断面の中心にある１つの石英ロッドとその周りを囲む石英ロッドをキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成してもよい。

本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記石英ロッド入りキャピラリ束は、コア領域を囲む拡張三角格子状の空孔周期構造が、径方向外方に向けて３層以上の石英ロッドを有するように設けられることが好ましい。

本発明のＰＢＧＦは、拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有するものなので、コアエッジがバルクモードを横切らずに空孔コア又はキャピラリコアを構成でき、表面モードが発生せずにコアモードのみが存在する光学特性が得られ、導波帯域幅を広くすることができ、伝送損失を下げることができる。
本発明のＰＢＧＦの製造方法は、キャピラリの一部を石英ロッドに置換して組み合わせること以外は、従来のキャピラリを用いた方法と同様にして、簡単に拡張三角格子状の空孔周期構造を有するＰＢＧＦを製造できるので、従来のＰＢＧＦよりも優れた光学特性を有するＰＢＧＦを従来のＰＢＧＦと同様の方法によって簡単且つ安価に製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図４は、本発明のＰＢＧＦのクラッド部分に用いた拡張三角格子（ＥＴＬ：extended triangular lattice）状の空孔周期構造の一例を示す図であり、この図中、符号２０は石英部分、２１は六角形の空孔、２２は第１の空孔列、２３は第２の空孔列である。

この拡張三角格子状の空孔周期構造は、ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔２１が隔壁２５を介して一列に並べられた第１の空孔列２２と、前記第１のピッチΛの２倍である第２のピッチΓ（Γ＝２Λ）で多数の六角形の空孔２１が六角形の石英部分２０を介して並べられ、該空孔２１と前記第１の空孔列２２の空孔２１とが三角格子を形成するように配置された第２の空孔列２３とを交互に多数重ねた周期構造（以下、六角形空孔拡張三角格子又は六角形空孔拡張三角格子構造と記す。）になっている。

図５は、この六角形空孔拡張三角格子のユニットセル構造を示す図である。このユニットセルにおいて、隣接する空孔２１の中心間の距離（第１のピッチ）をΛとし、石英部分２０の対向する２辺間の長さω_ｒと前記第１のピッチΛとが等しく（ω_ｒ＝Λ）なっている。また、格子の周期性を表す基本ベクトルであるａ_１，ａ_２は、それぞれｘ軸に対して３０度と−３０度に傾き、第２のピッチΓは２Λである。

この六角形空孔拡張三角格子構造をＰＢＧＦのクラッドに用いる場合、適切にコア領域を設計すると、コアとクラッド間に空孔層を設けることができる。その結果、表面モードを避けることができ、広い伝送帯域が実現できる（非特許文献３参照。）。

また、本発明では、六角形の空孔２１と六角形の石英部分２０とを組み合わせた六角形空孔拡張三角格子構造を採用したことで、図６に示すような円形の空孔１０を用いた拡張三角格子状の空孔周期構造（以下、円形空孔拡張三角格子構造と記す。）とは異なる光学特性を得ることができる。

図６は、円形空孔拡張三角格子構造を例示する図であり、また図７はこの円形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。図６に示す周期構造は、空孔直径ｄが第１のピッチΛに等しく、円形空孔拡張三角格子構造の中で最も石英部分１０が少ない構造になっている。図６において、黒色部分が石英部分１０であり、白丸が空孔１１である。また、図７のバンド構造は、非特許文献４に記載されている平面波展開法を用いて計算した。図７において、βは伝搬方向（周期構造と垂直な方向）の波数、Γ＝２Λは拡張三角格子の格子定数、ωは角周波数、ｃは光速を表す。また、ライトラインは光が真空媒質中で伝搬するときの分散曲線を表し、バンドで囲まれる領域は、周期構造断面内にどの方向にも光が伝搬できない領域、すなわちバンドギャップを表す。ファイバのクラッドにこの周期構造を用い、コアに空孔を用いた場合、ファイバのコアに光が導波可能になる領域はライトラインに隣接し、その上部に存在するバンドギャップとなる。この場合、Γ／λ（＝ωΓ／２πｃ）が０．７７〜１．１０の範囲で第１導波領域、１．５４〜１．８０で第２導波領域が存在する。ここで、λは波長を表す。

一方、図８に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図９に示す。図８に示す六角形空孔拡張三角格子構造は、ファイバ横断面において一定のピッチΓで六角形の多数の石英部分２０が三角格子状に並び、該石英部分２０の間が空孔２１とされ、前記石英部分の対向する２辺間の長さω_ｒと、前記ピッチΓの半分の長さΛとが等しい周期構造になっている。換言すれば、図８に示す六角形空孔拡張三角格子構造は、図４及び図５に示す六角形空孔拡張三角格子構造において、隔壁２５の厚さω_ｂ＝０とした場合の六角形空孔拡張三角格子構造を例示している。ただし、実際には石英部分２０を保持するために、図示していない断続的な隔壁や結合部等があってよい。

この場合、図９に示すように、Γ／λが０．８２〜１．３０の範囲で第１導波領域、１．５８〜２．１３で第２導波領域、さらに２．３８〜３．００で第３導波領域が存在し、図６に示す円形空孔拡張三角格子構造に比べると、広いバンドギャップが存在することがわかる。

また、図１０は、第１のピッチΛに対する隔壁２５の厚さω_ｂの割合が０．０６（ω_ｂ／Λ＝０．０６）である六角形空孔拡張三角格子構造を例示する図であり、図１１はそのバンド構造を示すグラフである。この場合、Γ／λが０．７９〜１．１３の範囲で第１導波領域、１．６０〜１．８３で第２導波領域が存在し、ｄ／Λ＝１とした図６に示す円形空孔拡張三角格子構造と同等なバンドギャップが存在することがわかる。

本発明のＰＢＧＦは、前述した六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有すると共に、中心に空孔コア、又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコア２４を有している。なお、本発明のＰＢＧＦにおいて、空孔以外の石英部分２０の材質は、ファイバ全体で同一とすることができ、例えば、純粋石英（ＳｉＯ_２）などが好適に用いられるが、フッ素や酸化ゲルマニウムなどの屈折率調整用ドーパントを添加した石英ガラスなどを用いることもできる。

本発明の好ましい実施形態において、前記コア２４の直径Ｄは、ピッチΛに対し、０．７Λ≦Ｄ≦３．３Λの関係、４．７Λ≦Ｄ≦７．３Λの関係、又は８．７Λ≦Ｄ≦１１．３Λの関係とすることが望ましい。コア２４の直径Ｄを前記範囲内に設定することで、表面モードを有しないＰＢＧＦを提供することができる。

また、図１０に示すように、空孔を囲む石英の隔壁２５が存在する場合、隔壁２５の厚さω_ｂは、第１のピッチΛに対し、０．００５Λ≦ω_ｂ≦０．２Λの範囲であることが好ましい。隔壁２５の厚さが前記範囲未満であると空孔構造を維持することが困難となる。また隔壁２５の厚さが前記範囲を超えるとバンドギャップが狭くなる。

また、クラッドに設けられた六角形空孔拡張三角格子構造は、コア２４の外側に３層以上設けられていることが好ましい。クラッドに設けられた六角形空孔拡張三角格子の層数が２層以下であると光の閉じ込みが不十分になり、損失が大きくなる可能性がある。

本発明のＰＢＧＦは、伝搬パワーの６０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上がコアの領域に集中するコアモードであり、且つ表面モードが実質的に存在しない光学特性を有していることが好ましい。前記コアモードの割合が６０％未満であると光が石英中に伝わるようになるので好ましくない。

本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、０．６≦Γ／λ≦１．５を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることが好ましい。前記Γ／λが０．６未満であるとバンドギャップが存在しなくなり、光が伝わらなくなり、またΓ／λが１．５を超えると同様にバンドギャップが存在せず光が伝わらなくなってしまう。

また、ＰＢＧＦが高次バンドギャップで動作する場合、前記Γ／λは、１．４≦Γ／λ≦２．３の範囲内が好ましい。前記Γ／λが１．４未満であると高次バンドギャップ外にあり、動作しなくなり、またΓ／λが２．３を超えると高次バンドギャップの外にあり、動作しなくなってしまう。
さらに、波長λが、２．２≦Γ／λ≦３．２を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。

次に、本発明のＰＢＧＦの製造方法の一例を説明する。本例では、図１０に示す六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、且つ中心の石英部分２０が空孔２１に置換されたコア２４（キャピラリコア）を備えた図１２に示すＰＢＧＦを製造する場合を説明する。
本製造方法では、まず、石英製のキャピラリと石英ロッドとを、多数のキャピラリが一列に並べられた第１の空孔列と、前記キャピラリと石英ロッドとを交互に並べた第２の空孔列とが交互に重なって横断面のキャピラリ配置が拡張三角格子状となるように組み合わせ、且つ中央の石英ロッドをキャピラリに置換してキャピラリコア領域とした石英ロッド入りキャピラリ束を作製する。本製造方法で用いるキャピラリは、断面円環状であり、また石英ロッドは、キャピラリと外径の等しい断面円形状であることが好ましい。

なお、本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記コア領域の形成方法は前記の例にのみ限定されず、製造するＰＢＧＦのコア構造に応じて適宜変更可能である。例えば、図１８に示すＰＢＧＦを製造する場合には、六角形空孔拡張三角格子構造の中心の石英ロッドとそれを囲む６つの石英ロッドをキャピラリに置換して直径Ｄの大きなキャピラリコア領域を形成している。また、空孔コアを形成する場合には、六角形空孔拡張三角格子構造の中心の石英ロッドを無くすか、あるいは中心の石英ロッドとその周りを囲む１層以上５層以下のキャピラリ及び石英ロッドを無くして空孔コア領域を形成する。

次に、前記石英ロッド入りキャピラリ束を加熱一体化してファイバ紡糸用母材を作製する。この加熱一体化工程は、従来のキャピラリ束を用いるＰＢＧＦの製造方法における加熱一体化と同様の装置及び方法を用いて実施することができる。

また、前記石英ロッド入りキャピラリ束は、石英管の孔内に挿入した状態で一体化してファイバ紡糸用母材とすることが望ましい。このように石英ロッド入りキャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化する場合には、キャピラリ周囲の空間内とキャピラリ内部空間との圧力やガス組成を個別に調整することが可能となり、キャピラリ周囲の空間の圧力よりもキャピラリ内部空間の圧力を高く保持し、キャピラリ同士間又はキャピラリと石英ロッド間の隙間を埋めることができる。この一体化の際にキャピラリ内部空間の圧力を高めることで、キャピラリの空孔の断面形状を六角形に近づけることができる。

石英管の孔内に石英ロッド入りキャピラリ束を挿入して一体化を行う場合、挿入した石英ロッド入りキャピラリ束のうち、キャピラリ内部空間のみを大気圧又はそれ以上の圧力に保持し、キャピラリ内部空間以外の空間部分を減圧状態として前記一体化を行うことが好ましい。

次に、前記のように作製したファイバ紡糸用母材を紡糸することによって、図１２に示すＰＢＧＦを得る。この紡糸工程は、キャピラリ周囲の空間の圧力よりもキャピラリ内部空間の圧力を高く保持し、キャピラリ空孔同士間の圧力がバランスをとった状態で行うことが望ましい。この圧力調整により、キャピラリの空孔が断面六角形になり、且つ石英ロッドの断面も六角形となる。

本例によるＰＢＧＦは、前述した六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有するものなので、その中心にコアを形成する場合にコアエッジがバルクモードを横切らずに空孔コア又はキャピラリコアを構成でき、表面モードが発生せずにコアモードのみが存在する光学特性が得られ、導波帯域幅を広くすることができ、伝送損失を下げることができる。
また本例によるＰＢＧＦの製造方法は、キャピラリの一部を石英ロッドに置換して組み合わせること以外は、従来のキャピラリを用いた方法と同様にして、簡単に拡張三角格子状の空孔周期構造を有するＰＢＧＦを製造できるので、従来のＰＢＧＦよりも優れた光学特性を有するＰＢＧＦを従来のＰＢＧＦと同様の方法によって簡単且つ安価に製造することができる。

［実施例１］
図１２に示すような、第１のピッチΛに対する隔壁２５の厚さω_ｂの割合が０．０６（ω_ｂ／Λ＝０．０６）である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、コアモードの分散を調べた。図１３はこのＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図１３において、βは伝搬方向（周期構造と垂直な方向）の波数、Γ＝２Λは拡張三角格子の格子定数、ωは角周波数、ｃは光速を表す。また、ライトラインは光が真空媒質中で伝搬するときの分散曲線を表し、バンドで囲まれる領域は、周期構造断面内にどの方向にも光が伝搬できない領域、すなわちバンドギャップを表す。図１３に示すように、Γ／λ（＝ωΓ／２πｃ）＝０．８２〜１．１６のバンドギャップ内では、コアモードのみが存在し、表面モードが存在しない。

図１４は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す図である。また、図１５はファイバの誘電率を図１２と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、コア直近の石英部分２０にわずかに分布しているだけで、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。

図１６は、本実施例のＰＢＧＦにおける第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のようにΓ／λ＝１．６４〜１．８５でコアモードが存在するが、表面モードは存在しない。この場合もコアモードが単一モードである（縮退モードを含む）。

図１７は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。

［実施例２］
図１８に示すような、第１のピッチΛに対する隔壁２５の厚さω_ｂの割合が０．０６（ω_ｂ／Λ＝０．０６）である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英ロッドとその外側の１層６個の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、コアモードの分散を調べた。図１９はこのＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のように、Γ／λ＝０．８４〜１．１１でコアモード１、Γ／λ＝０．８９〜１．１６でコアモード２が存在し、表面モードが存在しない。ただし、各コアモードは縮退モードを含む。

図２０は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す図である。また、図２１はファイバの誘電率を図１８と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。

また、図２２は、同じファイバのコアモード２のパワー分布を示す図である。

図２３は、本実施例のＰＢＧＦにおける第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のようにΓ／λ＝１．６６〜１．８２でコアモード１、Γ／λ＝１．６５〜１．８７でコアモード２が存在するが、表面モードは存在しない。ただし、各コアモードには縮退モードを含む。また、コアモードの分散がライトライン以下の領域にも存在しているのは、コア２４内に隔壁としてわずかに石英が残っているからである。

図２４は、そのときのコアモード１の典型的なパワー分布を示す図である。また図２５は、そのときのコアモード２の典型的なパワー分布を示す図である。

［実施例３］
図２６に示すような、第１のピッチΛに対する隔壁２５の厚さω_ｂの割合が０．１２（ω_ｂ／Λ＝０．１２）である六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図２７に示す。この場合、Γ／λ＝０．８１〜１．００の範囲で導波領域が存在する。

このように、隔壁２５が厚くなった場合、バンドギャップは狭くなるが存在していることがわかる。また、実施例１，２と同様にキャピラリコアを形成してＰＢＧＦを作った場合、実施例１，２と同様に、表面モードが発生せずにコアモードのみが存在することが確認されている。

通常の三角格子の周期構造をもつＰＢＧＦにおけるコア径と表面モードの関係を示す断面図である。 通常の三角格子の周期構造と空孔コアをもつＰＢＧＦにおける空孔コアとバルクモードの関係を示す断面図である。 通常の三角格子の周期構造と空孔コアをもつ別なＰＢＧＦにおける空孔コアとバルクモードの関係を示す断面図である。 本発明のＰＢＧＦに使われる拡張三角格子の空孔周期構造を例示する断面図である。 図４の拡張三角格子のユニットセルを示す拡大断面図である。 参考例として挙げた円形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。 図６の円形空孔拡張三角格子構造におけるバンド構造を示すグラフである。 本発明のＰＢＧＦに用いられる六角形空孔拡張三角格子構造の第１の例としてω_ｂ＝０の六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。 図８の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。 本発明のＰＢＧＦに用いられる六角形空孔拡張三角格子構造の第２の例としてω_ｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。 図１０の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。 実施例１で製造したω_ｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。 実施例１のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。 実施例１のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモードのパワー分布を示す図である。 実施例１のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。 実施例１のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。 実施例１のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内のコアモードのパワー分布を示す図である。 実施例２で製造したω_ｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。 実施例２のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。 実施例２のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモード１のパワー分布を示す図である。 実施例２のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。 実施例２のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモード２のパワー分布を示す図である。 実施例２のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。 実施例のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内のコアモード１のパワー分布を示す図である。 実施例のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内のコアモード２のパワー分布を示す図である。 実施例３で製造したω_ｂ／Λ＝０．１２の六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。 実施例３の六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を示すグラフである。

符号の説明

２０…石英部分、２１…空孔、２２…第１の空孔列、２３…第２の空孔列、２４…コア、２５…隔壁。

Claims (17)

1. 石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたフォトニックバンドギャップファイバであって、
   ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔が隔壁を介して一列に並べられた第１の空孔列と、前記第１のピッチの２倍である第２のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分を介して並べられ、該空孔と前記第１の空孔列の空孔とが三角格子を形成するように配置された第２の空孔列とが交互に多数重ねられ、前記石英部分の対向する２辺間の長さω_ｒと前記第１のピッチΛとが等しい拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有し、且つ多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有し、
   前記コアのエッジがバルクモードを横切らずに構成され、
   前記コア及びクラッドにおける空孔を囲む石英の隔壁の厚さω_ｂが０．００５Λ≦ω_ｂ≦０．２Λの範囲であることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバ。
2. 前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、０．７Λ≦Ｄ≦３．３Λの関係であることを特徴とする請求項１に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
3. 前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、４．７Λ≦Ｄ≦７．３Λの関係であることを特徴とする請求項１に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
4. 前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、８．７Λ≦Ｄ≦１１．３Λの関係であることを特徴とする請求項１に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
5. 前記クラッドに設けられた拡張三角格子状の空孔周期構造がコアの外側に３層以上設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
6. 伝搬パワーの６０％以上が空孔コアの領域に集中するコアモードであり、且つ表面モードが実質的に存在しない光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
7. 単一のコアモード（ただし、縮退する全てのモードはモード数１とする）のみが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
8. 波長λが、０．６≦Γ／λ≦１．５を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
9. 波長λが、１．４≦Γ／λ≦２．３を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
10. 波長λが、２．２≦Γ／λ≦３．２を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
11. 石英製のキャピラリと石英ロッドとを、多数のキャピラリが一列に並べられた第１の空孔列と、前記キャピラリと石英ロッドとを交互に並べた第２の空孔列とが交互に重なって横断面のキャピラリ配置が拡張三角格子状となるように組み合わせ、且つ石英ロッドをキャピラリに置換してキャピラリコア領域とした石英ロッド入りキャピラリ束を作製し、次いでキャピラリ周囲の空間の圧力よりもキャピラリ内部空間の圧力を高く保持したまま、該石英ロッド入りキャピラリ束を加熱一体化してファイバ紡糸用母材を作製し、次いで該ファイバ紡糸用母材を紡糸して請求項１〜１０のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバを得ることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
12. 前記キャピラリが断面円環状であり、前記石英ロッドが、キャピラリと外径の等しい断面円形状であることを特徴とする請求項１１に記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
13. 前記石英ロッド入りキャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化してファイバ紡糸用母材を作製することを特徴とする請求項１１又は１２に記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
14. 前記石英管の孔内に挿入したキャピラリ束のうち、キャピラリ内部空間のみを大気圧又はそれ以上の圧力に保持し、キャピラリ内部空間以外の空間部分を減圧状態として前記一体化を行うことを特徴とする請求項１３に記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
15. 前記石英ロッド入りキャピラリ束の横断面の中心にある１つの石英ロッドをキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
16. 前記石英ロッド入りキャピラリ束の横断面の中心にある１つの石英ロッドとその周りを囲む石英ロッドをキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
17. 前記石英ロッド入りキャピラリ束は、コア領域を囲む拡張三角格子状の空孔周期構造が、径方向外方に向けて３層以上の石英ロッドを有するように設けられることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。

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