JP4554199B2 - テラヘルツ波伝送のためのプラスチック・フォトニック結晶ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

テラヘルツ波伝送のためのプラスチック・フォトニック結晶ファイバ及びその製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）波の伝送のためのプラスチック・フォトニック結晶ファイバ［Plastic Photonic Crystal Fiber］（以下、ＰＰＣＦと呼ぶ）、及びその製造方法に係り、特に、テラヘルツ波またはフォトンを伝送する導波路として使用するための低損失特性を有し、容易に製造することができるプラスチック・フォトニック結晶ファイバ、及びその製造方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
＜背景＞
フォトニック結晶［Photonic Crystal］とは、フォトニック・バンドギャップを形成するように誘電体を周期的に配列し、それによって、特定の波長を有する電磁波を選択的に通過または遮断するようにした構造である。
【０００３】
近年、遠赤外線領域内にある約０．１テラヘルツから１０テラヘルツまでの周波数帯域で使用するための、低損失の導波路に対する関心が高まっている。しかしながら、従来のテラヘルツ素子または測定システムは、テラヘルツの周波数帯域のための適切なテラヘルツ導波路を有していないので、一般的に大きな体積を有し高価なミラーやレンズを用いて、テラヘルツ波を空気中に伝送している。このため、低損失のテラヘルツ導波路を開発するために、幾つかの研究が実施されている。そこでは、金属（G. gallot et al., J. Opt. Soc., vol. 17, p.851, 2000）、サファイア・ファイバ（S. P. Jamison et al., Appl. Phys. Lett., vol.76, p.1987, 2000)、及びプラスチック・リボン（R. Mendis et al., J. Appl. Phys., vol.88, p.4449, 2000）などが使用されている。
【０００４】
一方、近年、シリカで作られたフォトニック結晶ファイバ［Photonic Crystal Fiber］（以下、ＰＣＦと呼ぶ）を使用する新しい導波路についての研究が、世界中で進められている。このＰＣＦは、従来の光ファイバでは実現が困難な新しい特性を有するように設計される。そのような新しい特性には、例えば、広い周波数帯域に渡る単一モード特性［single mode characteristic］（T. A. Birks et al., Opt. Lett., Vol.22, p.961, 1997）、及び非常に小さな伝送損失を備えた空気導波特性［air guiding characteristic］（R. F. Cregan, Science, vol.285, p.1537, 1999）（WO 00／37974, WO 99/64903）などが含まれる。
【０００５】
しかしながら、上記の金属製、サファイア製またはプラスチックリボン製の導波路は、まだ大きな損失を備え、更に、これらの材料を用いて物理的にフレキシブルなテラヘルツ導波路を製造することは非常に困難である。シリカＰＣＦの場合もまた、テラヘルツ周波数帯域に合うように設計された場合、同等な問題を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、このような従来技術の欠点を克服し、且つテラヘルツ波帯域における低損失特性を改善することができるプラスチックＰＣＦ（以下、ＰＰＣＦと呼ぶ）の開発が要望されている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
＜発明の開示＞
従って、本発明の目的は、テラヘルツ帯域で使用されるフレキシブルな導波路を製造するために適切な低損失特性を有し、製造が容易で、且つコスト効率に優れたプラスチック・フォトニック結晶ファイバ（ＰＰＣＦ）を提供することにあり、また、その製造方法を提供することにある。更に、本発明の目的は、光通信で使用されるＰＰＣＦを製造するためのプリフォームを提供することにある。
【０００８】
本発明の一つの実施形態によれば、本発明のプラスチック・フォトニック結晶ファイバは下記特徴を備える：
長手方向の軸を有する結晶欠陥部と、前記結晶欠陥部を取り囲むフォトニック結晶部とを備え；
前記フォトニック結晶部は、長手方向の軸を有し二次元フォトニック結晶構造を構成する複数のプラスチック要素からなるアレイを備え；
当該二次元フォトニック結晶構造の前記長手方向の軸に対して垂直な断面は、所定の格子定数を有している。
【０００９】
本発明の他の実施形態によれば、本発明のプラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法は、下記ステップを備える：
（ａ）長手方向の軸を有し、所定の直径を有する少なくとも一つの結晶欠陥部要素を準備するステップ；
（ｂ）長手方向の軸を有し、所定の直径を有する複数のプラスチック要素を準備するステップ；
（ｃ）前記複数のプラスチック要素を、前記少なくとも一つの結晶欠陥部要素を取り囲むように配置し、それによって、所定の格子定数を有する二次元フォトニック結晶構造を構成するステップ；
（ｄ）所定の温度以上の温度で熱処理を行い、それによって、前記複数のプラスチック要素の中で互いに隣接する要素を互いに接着するステップ。
【００１０】
ここで、好ましくは、本発明のプラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法は、更に、（ｅ）前記結晶欠陥部要素を取り除くステップを備え、前記ステップ（ｄ）において、前記熱処理は所定の温度以下の温度で行われ、それによって、前記結晶欠陥部要素とその周囲の前記プラスチック要素は互いに接着されない。
【００１１】
更に好ましくは、前記結晶欠陥部要素は、低接着性及び低摩損性を有する表面を備え、前記ステップ（ｅ）は、表面の前記低接着性及び低摩損性を利用して、前記結晶欠陥部要素をその一端から引き抜く段階を備える。
【００１２】
更に好ましくは、前記結晶欠陥部要素は、ポリテトラフルオロエチレン・チューブ及びポリテトラフルオロエチレン・フィラメントの内の少なくとも一つを備える。
【００１３】
本発明の更に他の実施形態によれば、本発明のプラスチック・フォトニック結晶ファイバを使用するテラヘルツ波の伝送方法は、下記の特徴を備える：
長手方向の軸を有する結晶欠陥部と、前記結晶欠陥部を取り囲むフォトニック結晶部とを備えたプラスチック・フォトニック結晶ファイバを準備し；
このプラスチック・フォトニック結晶ファイバの中を使用してテラヘルツ帯域にある電磁波を伝送する；
ここで、前記フォトニック結晶部は複数のプラスチック要素からなるアレイを備え、当該プラスチック要素は二次元フォトニック結晶構造を構成し、当該二次元フォトニック結晶構造の前記長手方向の軸に対して垂直な断面は、所定の格子定数を有している。
【００１４】
ここで、好ましくは、前記フォトニック結晶部の前記複数のプラスチック要素は、テラヘルツ波領域において１０−２以下の吸光係数を有するプラスチックで作られる。
【００１５】
更に好ましくは、前記フォトニック結晶部の前記複数のプラスチック要素は、高密度ポリエチレンで作られる。
【００１６】
更に好ましくは、前記フォトニック結晶部の前記複数のプラスチック要素は、複数のプラスチック・チューブ及び複数のプラスチック・フィラメントの内の少なくとも一つを備える。
【００１７】
更に好ましくは、前記フォトニック結晶部の前記二次元フォトニック結晶構造の前記所定の格子定数は、数ｍｍ以下である。
【００１８】
更に好ましくは、前記フォトニック結晶部の前記二次元フォトニック結晶構造は、三角形格子タイプ、正方形格子タイプ、ハニカム格子タイプまたはカゴメ格子タイプの内のいずれかである。
【００１９】
更に好ましくは、前記フォトニック結晶部は、前記格子構造を構成している前記複数のプラスチック要素とは半径または厚さが異なる補助プラスチック要素［extra plastic element］を更に備え、
当該補助プラスチック要素は、前記格子構造の各割込み位置［interstitial positions］に挿入され、それによって、変形された二次元フォトニック結晶構造が構成される。
【００２０】
更に、前記結晶欠陥部は、前記フォトニック結晶部と比べて低い屈折率を有する。
【００２１】
更に好ましくは、相対的に低い屈折率を有する前記結晶欠陥部の断面のサイズは、前記二次元フォトニック結晶構造の中で、少なくとも一つの中心プラスチック要素とそれを取り囲む６つの周囲プラスチック要素とを含むユニットの断面のサイズと、同一またはそれ以上である。
【００２２】
更にまた、前記結晶欠陥部は、前記フォトニック結晶部と比べて高い屈折率を有していても良い。
【００２３】
更に好ましくは、相対的に高い屈折率を有する前記結晶欠陥部は、テラヘルツ波領域で約１０−２以下の吸光係数を有する少なくとも一つのプラスチック要素を備えている。
【００２４】
更に好ましくは、前記結晶欠陥部を構成する前記プラスチック要素は、少なくとも一つの高密度ポリエチレン・チューブまたはフィラメントである。
【００２５】
本発明の更に他の実施形態によれば、本発明のプラスチック・フォトニック結晶用プリフォームは下記の特徴を備える：
長手方向の軸を有する結晶欠陥部と、前記結晶欠陥部を取り囲むフォトニック結晶部とを備え；
前記フォトニック結晶部は、長手方向の軸を有し二次元フォトニック結晶構造を構成する複数のプラスチック要素からなるアレイを備え；
当該二次元フォトニック結晶構造の前記長手方向の軸に対して垂直な断面は、所定の格子定数を有している。
【００２６】
ここで、好ましくは、前記フォトニック結晶部の前記複数のプラスチック要素は、４００ｎｍから８００ｎｍまでの周波数帯域で約１０００ｄＢ／ｋｍ以下の減衰係数を有するプラスチックで作られている。
【００２７】
更に、好ましくは、前記フォトニック結晶部の前記複数のプラスチック要素は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリスチレンまたはポリカーボネイトのいずれかで作られている。
【００２８】
更に、好ましくは、前記結晶欠陥部は、前記フォトニック結晶部と比べて高い屈折率を有している。
【００２９】
更に、好ましくは、前記結晶欠陥部は、４００ｎｍから８００ｎｍまでの周波数帯域で約１０００ｄＢ／ｋｍ以下の減衰係数を有する少なくとも一つのプラスチック要素を備えている。
【００３０】
更に、好ましくは、前記プラスチック要素は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリスチレンまたはポリカーボネイトのいずれかで作られた、少なくとも一つのチューブまたはフィラメントを備えている。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の上記及び他の目的及び特徴は、好ましい実施形態についての以下の説明及び図面によって明らかになるであろう。
【００３２】
図１Ａに、本発明の第一の好ましい実施形態によるプラスチック・フォトニック結晶ファイバ（ＰＰＣＦ）を示す。このＰＰＣＦは結晶欠陥部１００及びフォトニック結晶部２００を備えている。フォトニック結晶部２００は、所定の格子定数を有する二次元フォトニック結晶構造を有している。
【００３３】
図１Ｂに、結晶欠陥部１００を取り囲んでいるフォトニック結晶部２００を示す。単一の伝送ルートは、図１Ａに示すように、ファイバの中心部に配置された単一の結晶欠陥部１００により構成されるが、複数のフィラメントを用いて結晶欠陥部１００を構成することも可能である。実際、結晶欠陥部１００の数は、本発明の技術的な本質部分ではなく、必要に応じて変えることができる。更に、結晶欠陥部１００を、フィラメントの代わりに、フォトニック結晶部２００を構成するチューブよりも厚いチューブで作ることも可能である。即ち、このＰＰＣＦの構造に対して要求される唯一の要件は、結晶欠陥部１００がフォトニック結晶部２００よりも高い屈折率を有していることであるので、この要件が満たされる限り、種々の変形が可能である。
【００３４】
図１Ａに示すように、フォトニック結晶部２００は複数のプラスチック要素３０から構成され、それらは、所定の格子定数２０によって周期的に配列されている。図１Ａに示した第一の好ましい実施形態では、プラスチック要素３０は、三角形格子構造に配列されたプラスチック・チューブである。しかしながら、格子構造の相違は本発明の技術的な本質部分ではなく、三角形格子の構造の代わりに、他のフォトニック結晶の格子構造、例えば、二次元の正方形格子構造、ハニカム格子構造（J. Broeng et al., WO 99/64903）、カゴメ格子構造（J. B. Nielson et al., Electronics Letters 35, pp1736〜1737, 1999）などを用いることもできる。
【００３５】
図３Ａには三角形格子構造を、図３Ｂには正方形格子構造を、図３Ｃにはハニカム格子構造を、図３Ｄにはカゴメ格子構造を、それぞれ示す。図３Ａの三角形格子構造及び図３Ｂの正方形格子構造は、複数のプラスチック・チューブまたは複数のプラスチック・フィラメントで構成することができる。これに対して、図３Ｃのハニカム格子構造及び図３Ｄのカゴメ格子構造は、異なる厚さの複数のプラスチック・チューブの組み合せ、または、複数のプラスチック・フィラメント４０と複数のプラスチック・チューブ３０の組み合せによって構成することができる。
【００３６】
更に、図３Ｅ及び図３Ｆに示すように、主格子構造の各割込み位置に、主格子構造を構成しているチューブおよび／またはフィラメントとは異なる直径及び厚さを有する要素を付け加えることによって、変形された二次元フォトニック結晶構造を得ることも可能である。好ましくは、それらの付け加えられた要素によって、ハニカム格子構造またはカゴメ格子構造が構成される（WO 99/64903参照）。
【００３７】
図１Ａ及び図１Ｂに示された構造と、光伝送のための従来の光ファイバとを比較すると、結晶欠陥部１００及びフォトニック結晶部２００は、それぞれ、従来の光ファイバのコア部及びクラッド部に該当している。ここで、コア部は、光信号を閉じ込めて伝送するために寄与し、クラッド部は、コア部を取り囲むように配置されている。
【００３８】
好ましくは、フォトニック結晶部２００を構成するプラスチック要素は、テラヘルツ波の低損失での伝送に適した導波路を形成するために、テラヘルツ波領域において約１０−２以下の吸光係数を有するプラスチック材料で作られる。従って、使用されるプラスチック材料の吸収係数または吸光係数が小さければ小さい程、導波路の効率が高くなる。そのようなプラスチック材料には、例えば、テラヘルツ領域で使用されるレンズの製造に広く用いられている透過性光学材料［transmissive optical material］が該当し、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンタン（ＴＰＸ）、ポリテトラフルオロエチレン（Teflon）及びポリスチレンなどの無極性ポリマーがある［G. W. Chantry et al., Chemical Phys. Lett., vol. 10, p. 473(1971), G. Gruner(ed.) : Millimeter and submillimeter wave spectroscopy of soＬＩＤs, Topics in Applied Physics, vol. 74, p. 77 (Springer, Berlin, Heidelberg, New York 1998)参照］。
【００３９】
特に、上記の様々なプラスチック材料の中で、ポリエチレンは、テラヘルツ周波数領域の全体で約１０−３以下の吸光係数を有しており、従って、非常に小さな損失特性を備えている。換言すれば、ポリエチレンは１テラヘルツで０．２ｃｍ−１よりも小さい吸収係数を有している［G. W. Chantry et al., Chemical Phys. Lett., vol. 10, p. 473(1971)］。従って、本発明の実施は高密度ポリエチレンを用いて行われた。
【００４０】
テラヘルツ周波数領域の電磁波を伝送するためにフォトニック・バンドギャップ効果が用いられる場合、フォトニック結晶部２００が適切な格子定数［lattice constant］を有していることが要求される。例えば、仮に、波長の変化によって屈折率がほとんど変化しないとすれば、格子定数は波長に比例して決定されることになる。結果として、テラヘルツ波領域の全体に渡って使用されるためには、格子定数は数ｍｍより小さい値であることが好ましい。
【００４１】
従って、仮に、同じ格子構造を備えた二つのＰＣＦが、光通信周波数帯域（波長約１．３〜１．６μm）及びテラヘルツ周波数帯域でそれぞれ用いられるとすれば、そして、仮に、光通信周波数帯域で用いられる第一のＰＣＦの屈折率が、テラヘルツ周波数帯域で用いられる第二のＰＣＦの屈折率と同様であるとすれば、第二のＰＣＦの格子定数は、第一のＰＣＦの格子定数の数十から数千倍程度大きくなければならない。その理由は、０．１〜１０テラヘルツの周波数は、３０〜３０００μｍの波長に該当するからである。
【００４２】
上記の説明から分かるように、テラヘルツ周波数帯域で用いられるＰＣＦは、現在の光通信システム用の周波数帯域で使用されている先行技術によるＰＣＦ（PCT／DK 99／00279）の直径と比べて、数十倍から数千倍程度大きな直径を有していなければならない。従って、テラヘルツ領域で用いられるフレキシブルな導波路を製造するためには、ポリエチレンのようなフレキシブルな材料を用いることが適切である。
【００４３】
これまでに説明した本発明の第一の実施形態において、結晶欠陥部１００のサイズについては制限がない。その理由は、結晶欠陥部領域に光を閉じ込めるための機構が、従来の誘電体導波路の場合と同様に内部全反射［total internal reflection］であって、フォトニック・バンドギャップ効果ではないからである。但し、唯一要求されることは、結晶欠陥部を構成する材料の屈折率が、その周りを取り囲んでいるクラッド領域の屈折率と比べて高いことである。
【００４４】
図２に、本発明の第二の好ましい実施形態によるＰＰＣＦを示す。第二の実施形態のＰＰＣＦもまた、結晶欠陥部１００及びフォトニック結晶部２００を備え、フォトニック結晶部２００は、所定の格子定数を有する二次元フォトニック結晶構造を構成するように配列されている。
【００４５】
第二の実施形態におけるフォトニック結晶部２００は、図１に示した第一の好ましい実施形態において説明されたものと同一である。従って、フォトニック結晶部２００についての詳細な説明は省略する。しかしながら、第二の実施形態における結晶欠陥部１００は、第一の好ましい実施形態において使用されたものと幾つかの点で異なっている。先ず、光伝送を行うために、第一の実施形態とは異なり、フォトニック・バンドギャップ効果を利用した導波機構が使用されている。次に、光伝送のための導波モードを実現するために、好ましくは、結晶欠陥部１００は、結晶格子構造から少なくとも一つの要素及びそれに隣接する６つの要素（即ち、少なくとも７つの要素）を取り除くことによって形成される。
【００４６】
そのような場合、結晶欠陥部１００は、フォトニック結晶部２００を構成している各プラスチック要素３０（第二の実施形態ではプラスチック・チューブ）の内部１０のように、空気で満たすことができる。水分の無い空気中での損失係数は極めて低いので、本発明の第二の実施形態によって、高度に改善された低損失特性を有するテラヘルツ導波路を実現することができる。
【００４７】
前記結晶欠陥部１００、またはプラスチック・チューブ（フォトニック結晶部２００のためにプラスチック要素３０として使用されている）の内部は、空気の代わりに気体、液体または固体で満たすこともできる。ここで、前記気体、液体及び固体は、適用の対象に応じて特定の光学的特性を有し、固体としては、例えば、ポリマーを用いることができる。
【００４８】
図４に、本発明の第三の実施形態によるＰＰＣＦを製造するプロセスについて説明するブロック図を示す。先ず、所定の直径を有する結晶欠陥部１００を一時的に満たすために、結晶欠陥部要素が準備される（ステップ１０）。そのような結晶欠陥部要素は、例えば、チューブまたはフィラメントである。次に、所定の直径を有する複数のプラスチック要素３０が準備され（ステップ２０）、次いで、これらのプラスチック要素３０は結晶欠陥部要素（即ち、前記チューブまたはフィラメント）の周りを取り囲むように配置される。その結果、所定の格子定数を有する二次元フォトニック結晶構造が構成される（ステップ３０）。その後、互いに隣接するプラスチック要素３０は互いに接着されるが結晶欠陥部１００とその周囲のプラスチック要素３０は互いに接着されないような条件で、熱処理が行われる（ステップ４０）。次いで、結晶欠陥部１００を一時的に満たすために用いられていた結晶欠陥部要素が取り除かれる（ステップ５０）。
【００４９】
本発明の第三の好ましい実施形態は、図２に示した構造を有するフォトニック結晶ファイバを製造することを目的としている。結晶欠陥部要素の周りにプラスチック要素（即ち、第三の好ましい実施形態ではプラスチック・チューブ）を配置するステップ３０において、プラスチック要素３０は、先に説明したフォトニック結晶構造の内の一つ（例えば、三角形格子構造）を有するように配置される。
【００５０】
導波路として用いられるフォトニック結晶ファイバを製造するために、結晶欠陥部１００は必須の要素である。結晶欠陥部１００は、屈折率によって二つのタイプに分類することができる。その一方は高屈折率欠陥タイプ（以下、ＨＩＤと呼ぶ）であり、周囲と比べて高い屈折率を有しており、もう一方は低屈折率欠陥タイプ（以下、ＬＩＤと呼ぶ）であり、周囲と比べて低い屈折率を有している。
【００５１】
本発明の第三の実施形態では、結晶欠陥部１００はＬＩＤタイプとして作られている。先ず、フィラメントまたはチューブが、結晶欠陥部１００が配置されるべき位置に挿入される（ステップ３０）。ここで、フィラメントまたはチューブは、プラスチック・チューブ（例えば、高密度ポリエチレン（以下、ＨＤＰＥと呼ぶ）のチューブ）よりも高い融点を有する材料（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（Teflon））から作られている。
【００５２】
次いで、ＨＤＰＥチューブは、熱溶融プロセスを経て、部分的に溶融され、互いに接着される。なお、この熱溶融プロセスでは、構造の全体が、例えば、電気炉の中で約１３７℃で約１時間加熱される（ステップ４０）。熱溶融プロセスの後、ポリテトラフルオロエチレンのフィラメントまたはチューブが、結晶欠陥部１００の位置から取り除かれる（ステップ５０）。その結果、結晶欠陥部１００として機能する空気孔を中心に有するＬＩＤタイプのフォトニック結晶構造が得られる。
【００５３】
ポリテトラフルオロエチレンのフィラメントまたはチューブを、前記結晶構造から容易に取り除くことができる理由は、ポリテトラフルオロエチレンが非常に滑らかな表面を有し、且つＨＤＰＥと比べて遥かに高い融点（約３００℃以上）を有しているからである。ここで、滑らかな表面とは低接着性及び低摩損性を意味する。
【００５４】
第三の実施形態ではポリテトラフルオロエチレンの場合を例に挙げて説明したが、ポリテトラフルオロエチレンの代わりに他の材料を使用することも可能であることが分かる。しかしながら、注意すべきことは、代替え材料に対しても、以下に述べる幾つかの特性を満足することが要求されることである。
【００５５】
１）代替え材料が、ステップ４０での熱溶融プロセスの間に溶融することがないように、代替え材料の融点は、フォトニック結晶部２００の中でプラスチック要素３０を構成している材料（例えば、第三の実施形態ではポリエチレン）よりも高くなければならない。
【００５６】
２）ステップ５０で、前記結晶構造から容易に取り除くことが可能であり、それによって良好な結晶欠陥部１００が得られるように、代替え材料は低接着性及び低摩損性の特性を有していなければならない。仮に、フィラメントを前記結晶構造から取り除くために、フィラメント（例えば、第三の実施形態ではポリテトラフルオロエチレンのフィラメント）自身の引張強度よりも大きな力が必要になるとすれば、取り除く際にフィラメントが切れてしまうことになる。更に、強調すべきことは、フィラメントを取り除く際にフォトニック結晶構造２００のプラスチック要素または結晶構造を損傷しないように、注意深い取り扱いが要求されることである。
【００５７】
図５に、本発明の第四の好ましい実施形態によるＰＰＣＦの製造プロセスを表すブロック図を示す。先ず、所定の直径を有する結晶欠陥部１００を形成するために使用される結晶欠陥部要素が準備される（ステップ１０）。次いで、所定の格子定数を有する複数のプラスチック要素３０が準備される（ステップ２０）。次に、これらの複数のプラスチック要素３０は、結晶欠陥部要素の周りを取り囲むように配置され、それによって、所定の格子定数を有する二次元フォトニック結晶構造が構成される（ステップ３０）。その後、互い隣接するプラスチック要素３０が互い接着されるように、所定の温度で熱処理が行われる（ステップ４０）。
【００５８】
本発明の第四の好ましい実施形態は、図１に示した構造を備えたＨＩＤタイプのフォトニック結晶ファイバを製造することを目的としている。
【００５９】
結晶欠陥部１００（ＨＩＤ及びＬＩＤなど）のサイズ及び形状は、挿入される結晶欠陥部要素（例えば、ＨＤＰＥフィラメントまたはチューブ、ポリテトラフルオロエチレンのフィラメントまたはチューブ）の数に依存するので、様々なサイズ及び形状を備えた結晶欠陥部１００を有するＰＰＣＦを製造することができる。
【００６０】
以上において説明した製造プロセスは、光通信システム用の４００ｎｍから８００ｎｍまでの周波数帯域で使用されるＰＣＦのためのプラスチック・プリフォームの製造に対しても、適用することができる。
【００６１】
図６に、本発明の第五の好ましい実施形態によるＰＰＣＦを使用するテラヘルツ波の伝送方法のブロック図を示す。ＰＰＣＦは、長手方向の軸を有する結晶欠陥部１００、及び結晶欠陥部１００を取り囲むフォトニック結晶部２００を備えている。ここで、フォトニック結晶部２００は二次元フォトニック結晶構造を有し、軸に対して垂直なその断面は所定の格子定数を有している。
【００６２】
テラヘルツ波はＰＰＣＦの中を下記のように伝送される。先ず、長手方向の軸を有する複数のプラスチック要素３０の配列から構成されるＰＰＣＦが準備される。上記の複数のプラスチック要素３０は、二次元フォトニック結晶構造（例えば、図１または図２に示したような）を構成するように配列される（ステップ３１０）。次いで、テラヘルツ周波数帯域内の電磁波が、準備されたＰＰＣＦを通って伝送される（ステップ３２０）。
【００６３】
図７に、本発明の好ましい実施形態の内の一つにより製造されたＰＰＣＦの断面図を示す。このＰＰＣＦは、外径が約５００μｍ、厚さが約５０μｍの複数の高密度ポリエチレン・チューブ、及び外径が５００μｍの一つの高密度ポリエチレン・フィラメントを備えている。このＰＰＣＦはＨＩＤタイプである。
【００６４】
図８に、ＬＩＤタイプのＰＰＣＦの断面図を示す。このＰＰＣＦは、外径が約５００μｍ、厚さが５０μｍの複数の高密度ポリエチレン・チューブにより構成され、７つの空気孔を有している。
【００６５】
図９に、図７に示したＰＰＣＦファイバの二次元三角形構造での基礎の導波モード［fundamental guided mode］の電界分布を表す図を示す。この図は数値解析を用いて計算されたものである。ここで、図９に示されたデータは１テラヘルツの周波数に対して計算されたものである。テラヘルツ波の大部分が、高い屈折率を有する結晶欠陥部の周りに集中していることが分かる。
【００６６】
図１０に、図７に示したＰＰＣＦを使用したテラヘルツ波の伝送テストの結果を示す。この測定では、約１ｐｓのパルス幅を有するテラヘルツ波パルスが入射波として用いられた。図１０のメインのグラフの中の小さなグラフはこのパルスの波形を示している。図１０から分かるように、入射波のパルス波形は、ＰＣＦを通過した後で変形されている。これは、高密度ポリエチレンの物質分散［material dispersion］及び導波路分散［waveguide dispersion］によるものである。
【００６７】
更に、図１０は、実測値（図１０の中に点で表示されている）が、ＰＰＣＦに対する数値解析に基づいて予想された理論値（図１０の中に実線で表示されている）と一致していることを示している。
【００６８】
図１１に、図７に示したＰＰＣＦによって伝送されたテラヘルツ・パルスのスペクトルを示す。図１１から明確に分かるように、スペクトルのレベルが予想値と比べると小さいが、テラヘルツ波が０．２テラヘルツから３テラヘルツまでの周波数帯域の広いレンジに渡って良好に伝送されている。ここで、テストにおいて観測されたテラヘルツ波の損失は、主として、モード不一致及び入射したテラヘルツ波が導波路モードに変換される際に発生する反射に起因するものと考えられる。かくして、ＰＰＣＦ中を伝送される際に発生するテラヘルツ波の純損失は、テストで観測された損失と比べて小さいと考えられる。
【００６９】
ＰＰＣＦの製造に用いられた高密度ポリエチレンは、ポリエチレンの一種である。一般的に、テラヘルツ波に対する吸収率は、使用されたポリエチレンの種類によって異なる。ポリエチレンは、０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚまでのテラヘルツ周波数帯域において、１０−３以下の吸光係数を有していることが知られている（Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids. ed by G. Gruner）。この吸収率の値は、他のプラスチック材料と比べて遥かに低い。従って、ＰＰＣＦを高密度ポリエチレンを用いて製造した場合、ＰＰＣＦは従来のテラヘルツ導波路と比べて遥かに小さい伝送損失を有することになる。特に、空気のＬＩＤを備えた高密度ポリエチレンのフォトニック結晶ファイバ（本発明の好ましい実施形態の一つとして記載されたもの）を使用することによって、損失が極めて低い導波路を製造することができる。
【００７０】
図１２に、テラヘルツ帯域周波数におけるＨＩＤフォトニック結晶ファイバ（のＰＣＦの有効屈折率［effective index］（図１２中の円い点）及びグループ屈折率［group index］（図１２中の三角の点）を表す図を示す。図１２から分かるように、測定値は数値解析の結果（図１２中で鎖線及び実線で表されている）と一致しており、周波数の増加に伴い測定値が１．５の屈折率（この値は、高密度ポリエチレンの屈折率である）に近付いて行くことが分かる。このような傾向は、周波数が大きくなるにつれてテラヘルツ波が結晶欠陥部に更に良く閉じ込められるという理論上の予想と良く一致している。
【００７１】
テスト結果についての以上の説明から分かるように、テラヘルツ周波数帯域で使用するための高度に改善された低損失特性を有する導波路を、高密度ポリエチレンのフォトニック結晶ファイバを用いて実現することができる。更に、上記のテスト結果は、本発明によるＰＰＣＦをテラヘルツ素子またはシステムの間のフレキシブルな連結用導波路として使用することができることも示している。
【００７２】
更にまた、テラヘルツ帯域用の高密度ポリエチレンのフォトニック結晶ファイバは、容易に製造し且つ分析することができるので、それらは、光通信システムで使用するためのフォトニック結晶ファイバ（相対的に製造が難しい）の設計、検証及び理論開発に寄与することが期待される。
【００７３】
更にまた、本発明による高密度ポリエチレンのフォトニック結晶ファイバの製造方法は、光通信システムで使用されるＰＰＣＦのためのプリフォームの製造に直接、適用することができる。
【００７４】
本発明によるＰＰＣＦは、光通信システム用のＰＰＣＦを製造するためのプラスチック・プリフォームとして用いることができる。従来、ローカル・エリア通信システムで使用されるプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）などから作られている。これらの材料は、４００ｎｍから８００ｎｍの帯域において、１．５〜１．６程度の屈折率と、数百ｄＢ／ｋｍ程度の減衰係数を有している（Plastic Optical Fibers, Andreas Weinert, Publicis MCD verlag, Erlagen and Munich（1999））。
【００７５】
ＰＯＦの様々な製造方法の内の一つは、上記の材料を用いて数ｃｍ以上の直径を有するプリフォームを準備し、このプリフォームを加熱炉内で加熱した後、引抜きプロセスを行うものである。
【００７６】
従って、光通信（その周波数帯域は４００ｎｍから８００ｎｍまで）で使用されるＰＰＣＦを、（上記の適切な材料を用いて）製造するためのプリフォームとして、本発明の方法に基づいて製造されたテラヘルツ帯域用のＰＰＣＦを用いることができる。この場合、フォトニック結晶構造の格子定数が約４００ｎｍから８００ｎｍまでの周波数帯域に適合するように、フォトニック結晶ファイバの全体の半径を調整する必要がある。
【００７７】
本発明に基づくテラヘルツ波の伝送のためのＰＰＣＦ及びその製造方法は、上記の好ましい実施形態のみに限定されるものではなく、様々な方法で変形することが可能である。
【００７８】
例えば、結晶欠陥部及びフォトニック結晶部の材料は、必要に応じて変更することが可能であり、同様に、フォトニック結晶部の結晶構造についても変更することができる。
【００７９】
本発明について、好適な実施形態を用いて説明したが、特許請求の範囲により規定される本発明の精神及び技術的範囲から逸脱することなく様々な変更及び変形が可能であることは、当該技術分野の当業者によって理解されるであろう。
【００８０】
【発明の効果】
以上において述べたように、本発明に基づくテラヘルツ波の伝送のためのＰＰＣＦ及びその製造方法を用いることによって、そして更に、本発明に基づくＰＰＣＦを使用するテラヘルツ波の伝送方法を用いることによって、テラヘルツ周波数帯域で使用するために高度に改善された低損失特性を備えた、製造可能で、コスト効率に優れ、フレキシブルな導波路を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 本発明の第一の好ましい実施形態によるプラスチック・フォトニック結晶ファイバ（ＰＰＣＦ）を示す図。
【図１Ｂ】 結晶欠陥部を取り囲むフォトニック結晶部を備えたフォトニック結晶ファイバの構造を示す図。
【図２】 本発明の第二の好ましい実施形態によるプラスチック・フォトニック結晶ファイバを示す図。
【図３Ａ】 三角形格子構造の一例を示す図。
【図３Ｂ】 正方形格子構造の一例を示す図。
【図３Ｃ】 ハニカム格子構造の一例を示す図。
【図３Ｄ】 カゴメ格子構造の一例を示す図。
【図３Ｅ】 変形された三角形格子構造の一例を示す図であって、この構造はハニカム格子構造の形態でその中に挿入された要素を更に備え、当該各要素は相対的に小さな径を有している。
【図３Ｆ】 変形された三角形格子構造の一例を示す図であって、この構造はカゴメ格子構造の形態でその中に挿入された要素を更に備え、当該各要素は相対的に小さな径を有している。
【図４】 本発明の第三の好ましい実施形態によるプラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法を示すプロック図。
【図５】 本発明の第四の好ましい実施形態によるプラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法を示すプロック図。
【図６】 本発明の第五の好ましい実施形態によるプラスチック・フォトニック結晶ファイバを使用するテラヘルツ波の伝送方法を示すプロック図。
【図７】 ＨＩＤ（高屈折率の欠陥部）タイプのプラスチック・フォトニック結晶ファイバを示す図であって、このファイバは、外径が約５００μｍ厚さが約５０μｍの複数の高密度ポリエチレン・チューブと、外径が５００μｍの一つの高密度ポリエチレン・フィラメントから構成されている。
【図８】 ＬＩＤ（低屈折率の欠陥部）タイプのプラスチック・フォトニック結晶ファイバを示す図であって、このファイバは、外径が約５００μｍ厚さが約５０μｍの複数の高密度ポリエチレン・チューブと、７つの空気孔から構成されている。
【図９】 図７に示したプラスチック・フォトニック結晶ファイバの二次元三角形構造についての基礎の導波モードの電界の分布を示す図。
【図１０】 図７に示したプラスチック・フォトニック結晶ファイバを使用したテラヘルツ波の伝送テストの結果を示す図。
【図１１】 図７に示したプラスチック・フォトニック結晶ファイバを使用して伝送されたテラヘルツ・パルスのスペクトルを示す図。
【図１２】 テラヘルツ周波数領域におけるＨＩＤタイプのプラスチック・フォトニック結晶ファイバの有効屈折率及びグループ屈折率を示す図。
【符号の説明】
１００…結晶欠陥部、２００…フォトニック結晶部、１０…プラスチック要素の内側、１２…プラスチック要素の外側、１４…プラスチック要素の外径、１６…プラスチック要素の壁の厚さ、２０…格子定数、３０…複数のプラスチック要素、４０…複数のプラスチック・フィラメント、１３０…基本格子をなすプラスチック要素、１３２…補助プラスチック要素。

Claims (8)

  1. プラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法であって：
    （ａ）長手方向の軸を有し、所定の直径を有する少なくとも一つの結晶欠陥部要素を準備するステップ；
    （ｂ）長手方向の軸を有し、所定の直径を有する複数のプラスチック要素を準備するステップ；
    （ｃ）前記複数のプラスチック要素を、前記少なくとも一つの結晶欠陥部要素を取り囲
    むように配置し、それによって、所定の格子定数を有する二次元フォトニック結晶構造を構成するステップ；
    （ｄ）所定の温度以上の温度で熱処理し、それによって、前記複数のプラスチック要素の中で互いに隣接する要素を互いに接着するステップ；
    （ｅ）前記結晶欠陥部要素を取り除くステップ；
    を有し、
    前記フォトニック結晶部のための前記複数のプラスチック要素は、テラヘルツ波領域で１０−２以下の吸光係数を有するプラスチックからなり、
    前記ステップ（ｄ）において、前記熱処理は、所定の温度以下の温度で行われ、それによって、前記結晶欠陥部要素とそれに隣接する前記周囲プラスチック要素は互いに接着されず、
    前記結晶欠陥部要素は、低接着性及び低摩損性を有する表面を備え、
    前記ステップ（ｅ）は、前記表面の低接着性及び低摩損性を利用して、前記結晶欠陥部要素をその一端から引き抜く段階を備えることを特徴とする方法。
  2. 下記特徴を備えた請求項１に記載のプラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法：前記ステップ（ｂ）において、前記複数のプラスチック要素は、高密度ポリエチレンで作られている。
  3. 下記特徴を備えた請求項１に記載のプラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法： 前記ステップ（ｂ）において、前記複数のプラスチック要素は、複数のプラスチック・チューブ及び複数のプラスチック・フィラメントの内の少なくとも一つを備える。
  4. 下記特徴を備えた請求項３に記載のプラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法：前記ステップ（ｃ）において、前記二次元フォトニック結晶構造の前記所定の格子定数は、数ｍｍ以下である。
  5. 下記特徴を備えた請求項４に記載のプラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法：前記ステップ（ｃ）において、前記二次元フォトニック結晶構造は、三角形格子構造、正方形格子構造、ハニカム格子構造及びカゴメ格子構造の内のいずれかである。
  6. 下記特徴を備えた請求項５に記載のプラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法：前記ステップ（ｃ）において、前記格子構造の各割込み位置に、補助プラスチック要素を挿入する段階を更に備え、
    当該補助プラスチック要素は、前記格子構造を構成している前記複数のプラスチック要素と半径または厚さが異なり、それによって、変形された二次元フォトニック結晶構造が構成される。
  7. 下記特徴を備えた請求項１に記載のプラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法：
    前記ステップ（ａ）において、前記少なくとも一つの結晶欠陥部要素の断面のサイズは、前記軸方向に対して垂直な断面を有する前記複数のプラスチック要素で構成される前記二次元フォトニック結晶構造の内の、少なくとも一つのプラスチック要素とそれを取り囲む６つの周囲プラスチック要素とを含むユニットの断面のサイズと、同一またはそれ以上である。
  8. 下記特徴を備えた請求項１に記載のプラスチック・フォトニック結晶ファイバの製造方法：前記結晶欠陥部要素は、ポリテトラフルオロエチレン・チューブ及びポリテトラフルオロエチレン・フィラメントの内の少なくとも一つを備える。
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