JP5057639B2 - フォトニックバンドギャップファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、広く、フォトニックバンドギャップファイバに関し、より詳しくは、フォトニックバンドギャップファイバの製造方法に関する。

もともと、光導波路ファイバは、光信号を伝搬させるために、内部全反射を使用していた。光信号の伝送のために内部全反射に依存する光導波路ファイバは、一般に、コア領域およびクラッド領域を有する。コア領域は、その内部を光信号が伝搬する光導波路ファイバの部分である。一般に、光信号を伝搬させるために、全反射に依存する光導波路ファイバのコア領域は、周りのクラッド領域よりも高い屈折率を持つ。

光信号を伝搬させるために内部全反射に依存する光導波路ファイバには、固有の制限がある。これら制限の中に、光信号の比較的高い分散および減衰、並びに光信号のパワーへの比較的低い上限がある。

フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）ファイバは、屈折率が二次元（ｚ座標がファイバの縦軸である、ｘ−ｙ平面）で周期的に変動しており、周期がほぼ光の波長である構造を持つフォトニック結晶である。フォトニックバンドギャップファイバは、分散、減衰および信号パワーに関して、内部全反射の光導波路ファイバよりも良好な性能を提供するであろう。

フォトニック結晶は、誘電率が周期的に変動している構造である。この結晶の周期構造は、一次元、二次元または三次元であってもよい。フォトニック結晶は、特定の波長の光をその結晶に通過させ、その他の波長を持つ光の通過を妨げる。それゆえ、フォトニック結晶は、光波長帯域および結晶から排除される波長帯域を定義するバンドギャップを可能にしたと言われている。フォトニック結晶の構造および機能の概説が非特許文献１に見られる。

特定の幾何学形状および実効屈折率を持つ二次元フォトニック結晶は、光信号が空気中または真空中のいずれでも伝搬するフォトニックバンドギャップファイバを生成するであろう。光ファイバとしての二次元フォトニック結晶の使用が非特許文献２に論じられている。これらの構造体は、ブラッグ回折により、一連の光共鳴、バンドギャップおよび許容状態を立証できる。

光信号が空気中または真空中で伝搬する光導波路ファイバは、通信分野において関心の高いものである。光信号が空気中または真空中で伝搬する光導波路ファイバは、伝搬される光信号のより低い分散、より低い減衰を与え、ゼロに近い非線形屈折率を有するので、このような関心が生じている。空気伝搬（air guiding）フォトニックバンドギャップファイバと比較して、現行の内部全反射ファイバでは、作動体系が制限されている。

最近の理論的研究により、フォトニックバンドギャップ効果を用いて低屈折率コア中に光を伝搬させる光導波路ファイバには、大きな空隙率が必要とされることが示された。低屈折率コアは、典型的に、光が案内される真空通路または空気充填通路を備えている。空隙率は、通路の中心から中心の間隔、すなわちピッチに対する、通路の直径の比の関数である。方程式１は、フォトニックバンドギャップファイバの空隙率ｖｆの数学的表示である：

ここで、ｖｆは空隙率であり、
ｄは内部通路の直径であり、
Λは隣接する通路の中心間の距離、すなわちピッチである。

空隙率が０．４２であるフォトニックバンドギャップ空気伝搬ファイバが、積重および線引きプロセスを用いて製造された。この積重および線引きプロセスの詳細な説明が非特許文献３に見られるであろう。

大きな空隙率を持つ光導波路ファイバは、従来の光導波路ファイバ製造技法を用いて、大きな空隙率を持つフォトニック結晶プリフォームを光導波路ファイバに線引きすることにより得られる。

フォトニック結晶プリフォームは、積重および線引き法および押出法を用いて製造されている。積重および線引き法は、ガラス毛管を、所望のマクロ断面特性を持つアレイに配列し、次いで、プリフォームの断面積を減少させる各工程を有してなる。一般に、プリフォームは、断面積を減少させるために、ダイに押し通されるかまたは線引きされる。積重および線引きプロセスにより製造されたプリフォームは、最密アレイまたは非最密アレイのいずれかに分類される。最密アレイは、毛管が互いに支持し合っている毛管のアレイである。非最密アレイは、アレイ中にスペーサすなわちジグが配置され、したがって、毛管の壁に間隔がおかれている毛管のアレイである。
Joannopoulus et al., "Photonic Crystals: putting a new twist on light", Nature vol.386, March 13, 1997, pp.143-149 Birks et al., "Full 2-D photonic band gaps in silica/air structures", Electronic Letters, Vol.31(22), October 26, 1995, pp.1941-1943 R.F.Cregan, Single-Mode Photonic Band Gap Guidance of Light in Air, SCIENCE, vol.285, pp.1537-39(1999)

ピッチが狭く、高空隙率を持つ光導波路ファイバの製造は難しい。

再現性があり、用途が広く、製造環境に適用できる、フォトニックバンドギャップファイバを製造するためのプリフォームの製造方法が必要とされている。

本発明の態様の１つは、多数の長手方向の通路を持つフォトニック結晶プリフォームを製造する工程を有してなるフォトニックバンドギャップファイバの製造方法にある。フォトニック結晶プリフォームは、次いで、エッチングされ、フォトニックバンドギャップファイバに線引きされる。本発明は、別の態様において、複数の通路を持つプリフォームをエッチングするための装置を含む。この装置は、エッチング剤を収容する貯留槽を備えている。ヒータが貯留槽に熱的に結合されている。流入管路および流出管路を持つ循環器が、流入管路が貯留槽に接続され、循環器がエッチング剤を貯留槽から引き込み、循環器の流出管路に接続されたノズルに方向付けるように配置されている。エッチング剤は、ノズルにより、プリフォームの通路中に向けられる。前記装置は、エッチング剤を、通路から排出されるときに収集するように配置された容器も備えている。回収管路がこの容器に接続されており、エッチング剤は回収管路を通って流動し、貯留槽に戻される。

本発明は、別の態様において、多数のガラス管を最初に束に束ねる工程を含む、フォトニックバンドギャップファイバの製造方法を含む。次いで、この束は、束の断面積を減少させることにより、多数の通路を持つフォトニック結晶プリフォームに形成される。次に、フォトニック結晶プリフォームの通路の内の１つが、その中にエッチング剤を流動させることにより、拡大される。エッチング剤は、所定の回数だけ通過させた後、その流れを停止する。エッチング剤が通路を流れるのを停止した後、残留する液体エッチング剤を除去するために、フォトニック結晶プリフォームを洗浄する。次いで、このエッチングされたフォトニックプリフォームからフォトニックバンドギャップファイバを製造する。一般に、フォトニックバンドギャップファイバは、従来のファイバ線引き法によりプリフォームから製造される。

本発明の利点は、空隙率が約０．８２以上となるプリフォームを製造できることである。

本発明のある実施の形態の別の利点は、大きな空隙率を持つプリフォームを製造するのに特別なジグを必要としないことである。

本発明の別の利点は、プリフォームの構造中、それゆえ、最終的に得られるフォトニックバンドギャップファイバ中に大きな通路を形成するための比較的容易な方法を提供することである。これは、内部通路またはチャンネル内において、通路の壁に関して、正の曲率を持つ任意の表面、例えば、壁表面からの突出部は、平らな表面よりも大きいエッチング速度を有するということから分かる。さらに、平らな表面のエッチング率は、負の曲率を持つ表面、例えば、凹部のエッチング速度よりも大きい。それゆえ、困難であることが立証されている作業である、大きな中央通路を持つプリフォームの製造の代わりに、残りの通路とは反対の曲率の壁を持つより小さな通路をプリフォームに形成してもよい。それらの通路がエッチング剤に同時に露出されると、残りの通路の空隙率が増しながら、所定の通路の所望の断面形状が実現される。

本発明の追加の特性および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者には容易に明らかである、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含む、ここに記載した本発明を実施することにより理解されるであろう。

上述した一般的な説明および以下の詳細な説明は、本発明の単なる例示であり、請求の範囲に記載した本発明の性質および特徴を理解するための概要または構成を与えることを意図したものであることが理解すべきである。添付の図面は、本発明をさらに理解するために包含されており、この明細書に含められ、その一部を構成する。図面は、本発明の様々な実施の形態を示しており、前記説明と共に、本発明の原理および動作を説明するように働く。

ここで、その実施例が添付の図面に示されている本発明の現在好ましい実施の形態を詳細に参照する。同じか同様の部材を称するのに、できる限り、全図面に亘り同じ参照番号が用いられる。本発明のフォトニック結晶プリフォームをエッチングするための装置の具体例が図６に示されており、全図面に亘り参照番号１０で示されている。

本発明は、プリフォーム１２をエッチングすることによるフォトニックバンドギャップファイバの製造に関する。プリフォーム１２をエッチングすることにより、プリフォーム１２、したがって、それから製造されるフォトニックバンドギャップファイバが、他のフォトニックバンドギャップファイバ製造技法により得られるものよりもずっと大きい空隙率を有することができる。図２および４は、プリフォーム１２の可能な部分断面図を示している。

プリフォーム１２は、典型的に、プリフォーム１２の長手方向に延在する多数の平行な内部通路１４を有する長いガラス体である。プリフォーム１２に選択されるガラスは、高い屈折率を有するものである。プリフォームをそれから製造してもよいガラスの例としては、シリカガラス、ケイ酸鉛ガラス、ケイ酸ゲルマニウムガラス、カルコゲナイドガラス、ゲルマニウム酸塩ガラス、フッ化物ガラスおよびリン酸塩ガラスが挙げられる。プリフォーム１２は、例えば、マルチセルラガラス体の押出し、および毛管１６のマルチセル構造体への組立てを含む、様々な様式で製造してよい。プリフォーム１２の構造は、選択されたガラスの屈折率および最終的に得られるフォトニックバンドギャップファイバにより伝搬されるべき光信号の波長に依存する。

プリフォーム１２は、ある直径ｄおよびピッチΛを持つ内部通路１４の格子構造を持つ。内部通路１４の直径ｄおよびピッチΛは、プリフォーム１２全体に亘り実質的に均一であることが好ましい。

図１は、フォトニックバンドギャップファイバを製造するための方法１００の実施の形態を示している。本発明の実施の形態の方法１００を、図６に示した方の実施の形態の装置１０を参照して説明する。

方法１００は、エッチングされたプリフォーム１２の所望の空隙率を決定する工程１１０を含む。空隙率は、得られるフォトニックバンドギャップファイバにより示されるべき特定のフォトニックバンドギャップ効果により決定される。

本発明の方法１００はさらに、エッチング剤１８の温度を安定化させる工程１１２を含む。エッチング剤１８の安定化温度は、エッチング剤１８およびプリフォーム１２の組成による。例えば、エッチング剤１８がＮＨ₄Ｆ・ＨＦの場合、エッチング剤１８の温度を約５８℃に安定化するために、ヒータ３０が用いられる。

本発明の方法１００は、エッチング装置１０内にプリフォームを配置する工程１１４も含む。本発明が具体化されているエッチング装置の例が図６に示されており、これを以下詳細に説明する。

方法１００はさらに、供給管路４０および回収管路５０をプリフォーム１２に接続する工程１１６を含む。図６は、ノズル４４および回収管路５０に接続された供給管路４０が容器４６に取り付けられているエッチング装置１０を示している。ノズル４４および容器４６はプリフォーム１２の反対の端部に接続されている。

方法１００はさらに、プリフォーム１２が所望の空隙率を持つようになるまで、プリフォーム１２の内部通路１４にエッチング剤１８を流動させる工程１１８を含む。一旦プリフォームが所望の空隙率を持てば、プリフォームを通してのエッチング剤１８の流動は停止させる。

方法１００はさらに、プリフォーム１２からエッチング剤１８を洗い流す工程１２０を含む。例えば、残留するエッチング剤１８を除去し、エッチングプロセスを停止させるために、プリフォーム１２の内部通路１４の中に水などのフラッシング剤２０を流動させる。

説明している方法１００の次の工程１２２において、プリフォーム１２はエッチング装置１０から取り出される。最後に、プリフォーム１２は、プリフォームから光導波路ファイバを製造する当業者に知られた技法を用いて、光導波路ファイバに製造される。これが図１の工程１２４として示されている。

図２は、図１に示した方法１００のエッチング工程１１８の前の六角毛管１６から製造されたプリフォーム１２の部分断面を示している。六角毛管１６を１つ抜かすことにより、空間６０が形成されている。空間６０は、工程１２４において製造されるフォトニックバンドギャップファイバの導光領域になる。

図３は、方法１００のエッチング工程１１８後の同じ部分断面を示している。空間６０の形状は、異なる曲率を持つ表面のエッチング速度に差がある結果である。

図４は、上述した本発明の実施の形態の方法１００のエッチング工程１１８前に、押出プロセスにより製造されたプリフォーム１２の部分断面を示している。このプリフォームは、負の曲率６２の領域を持つ空間６０を有している。この空間６０は、工程１２４において製造されるフォトニックバンドギャップファイバの導光領域になる。

図５は、エッチング工程１１８後の同じ部分断面を示している。空間６０の形状は、異なる曲率を持つ表面のエッチング速度に差がある結果として変わっている。

ここに具体化し、図６に示すような、本発明の追加の実施の形態において、本発明は、プリフォーム１２の内部通路１４をエッチングするためのエッチング装置１０を含む。エッチング装置１０は、プリフォーム１２の内部通路１４の内の少なくともいくつかにエッチング剤１８を通過させるための実質的に閉じたループ供給回路２２を含む。エッチング装置１０は、フラッシング剤２０のための供給装置２４および回収装置２６も備えている。フラッシング剤２０の供給装置２４は、フラッシング剤２０をプリフォーム１２に提供する。フラッシング剤２０は、プリフォーム１２を通って流動し、プリフォーム１２のエッチングが完了した後に残留するエッチング剤１８を除去する。典型的なフラッシング剤２０の例は水である。

エッチング装置１０は、エッチング剤１８を保持するための貯留槽２８を含む。この実施の形態において、エッチング剤１８は、プリフォーム１２の内部通路１４から材料を効率的かつ予測可能な様式で除去するように選択される。典型的に、エッチング剤１８は酸である。シリカガラスから製造されたプリフォームに使用するのに適した酸の例としては、ＨＦおよびＮＨ₄Ｆ・ＨＦが挙げられる。特定のプリフォーム１２に使用するのに選択されるエッチング剤１８は、エッチングすべきプリフォーム１２の化学組成による。ガラスをエッチングする当業者により、特定のガラス組成を持つプリフォーム１２にとって特定のエッチング剤１８が容易に選択されるであろう。

貯留槽２８は、腐食性材料を取り扱うための市販の貯留槽であってよい。そのような貯留槽は市販されている。そのような貯留槽２８の一例は、ナルゲン(nalgene)容器である。

貯留槽２８はヒータ３０に熱的に結合されている。ヒータ３０は、エッチング剤１８を予め選択した温度に熱的に安定化させる。ヒータ３０は、例えば、貯留槽２８の一部を取り囲むヒートシンクバスであってよい。そのようなヒートシンクバスは、市販の構成部材から組み立ててもよい。ヒートシンクバスを形成するために組み合わせてもよい市販の構成部材の例としては、ニューハンプシャー州、ポーツマス所在のネスラブ・インストルメンツ(Neslab Instruments)社から得られるGP-100浴温制御装置およびショット・ジェレイト(Schott Gerate)社により販売されているCT 050ポンプが挙げられる。ある実施の形態において、フッ化水素アンモニウム（ＮＨ₄Ｆ・ＨＦ）をエッチング剤１８として使用し、プリフォーム１２がシリカガラスから製造されている場合、ヒータ３０は、エッチング剤１８を約５８℃に維持する。

エッチング装置１０はさらに循環器３２を備えている。循環器３２は流入ポート３４および流出ポート３６を含む。流入ポート３４は流入管路３８により貯留槽２８に接続されている。循環器３２は、エッチング剤１８を貯留槽２８から流入管路３８を通して引き込む。流入管路３８は、エッチング剤１８の腐食効果に耐性のある材料から製造されていることが好ましい。流入ポート３４に進入するエッチング剤１８は、循環器３２から流出ポート３６を通って流出する。循環器３２は、エッチング剤１８が供給回路２２を通って循環されるようにエッチング剤１８の動態的圧力を増加させる。循環器の流出ポート３６は供給管路４０に接続されている。供給管路４０の他方の端部は弁４２に接続されている。

弁４２は、プリフォーム１２を通るエッチング剤１８の流動を調節するように構成されている。フラッシング剤２０のための供給装置３６も弁４２に接続され、弁４２は少なくとも３つの切換を持つように構成されていることが好ましい。第１の切換では、循環器３２から来るエッチング剤１８をノズル４４に向ける。第２の切換では、フラッシング剤２０をノズル４４に向け、第３の切換では、エッチング剤１８およびフラッシング剤２０の両方がノズル４４に進入しないように遮断する。

ノズル４４は、プリフォーム１２の一方の端部に係合し、任意の材料が、そこを通ってプリフォーム１２の内部通路１４中に向けられるように構成されている。当業者に知られた技法を用いて、ノズルは、エッチング剤１８およびフラッシング剤２０をプリフォーム１２の内部通路１４の内の全てまたはいくつかに向けるように構成されていてもよい。ノズル４４は、エッチング剤１８がプリフォーム１２の外面に作用できないような様式でプリフォーム１２に係合していることが好ましい。

プリフォーム１２は、支持体５２により、エッチングプロセス中ずっとほぼ垂直位置に固定されることが好ましい。

容器４６はプリフォーム１２の他方の端部に係合している。容器４６は、エッチング剤１８およびフラッシング剤２０を収集し、そのような薬剤の流れを方向弁４８に向けるように構成されいる。方向弁４８には少なくとも２つの切換がある。容器４６がエッチング剤１８を収集しているときには、方向弁４８は、エッチング剤１８を回収管路５０に向けるように設定される。エッチング剤１８は、回収管路５０を通って流れ、貯留槽２８中に再度導入される。容器４６がフラッシング剤２０を収集しているときには、方向弁４８は、フラッシング剤２０を、フラッシング剤２０のための回収装置４２に向けるように設定される。

上述したように、エッチング剤１８がプリフォーム１２を通って循環する期間は、内部通路１４のエッチング前の寸法およびプリフォームの所望のエッチング後の空隙率により決まる。

図７は、エッチング期間を決定するために用いてもよいグラフの一例である。図７のグラフは、内部通路１４の所望のエッチング後の直径を決定し、縦軸にその値を見つけることにより用いられる。その値から、線ｃと交差するまで水平線を描く。次いで、対応する時間が横軸から読みとられる。

図７に示したようなグラフの作成は、ガラスをエッチングする当業者によく知られている。これらのグラフは、特定の材料へのエッチング剤１８の効果の数学的モデルを用いて作成してもよい。そのようなグラフは、直径ｄを持つ内部通路１４および特定のガラス組成を有するプリフォーム１２を特定のエッチング剤１８でエッチングすることにより収集した実験により得られたデータを用いて作成してもよい。

ここで、図８を参照すると、本発明のエッチング装置１０の代わりの実施の形態が示されている。

エッチング装置１０は、エッチング剤１８をプリフォーム１２の内部通路１４の内の少なくともいくつかに通過させるための実質的に閉じたループ供給回路である。

エッチング装置１０は、エッチング剤１８を保持するための貯留槽２８を含む。この実施の形態において、エッチング剤１８は、プリフォーム１２の内部通路から材料を効率的かつ予測可能な様式で除去するように選択される。エッチング剤１８は酸であってよい。シリカガラスから製造されたプリフォーム１２に使用するのに適した酸の例としては、ＨＦおよびＮＨ₄Ｆ・ＨＦが挙げられる。特定のプリフォーム１２に使用するのに選択されるエッチング剤１８は、エッチングすべきプリフォーム１２の化学組成による。ガラスをエッチングする当業者により、特定のガラス組成を有するプリフォーム１２にとって特定のエッチング剤１８を容易に選択されるであろう。貯留槽２８はヒータ３０に熱的に結合されている。ヒータ３０はエッチング剤１８を熱平衡状態に維持する。ヒータ３０は、図６に示した実施の形態にあるエッチング装置１０に関して上述したような、貯留槽２８の一部を取り囲むヒートシンクバスであってよい。エッチング剤１８としてＮＨ₄Ｆ・ＨＦを使用し、プリフォーム１２がシリカガラスから製造されている場合には、ヒータ３０は、エッチング剤１８を約５８℃に維持する。

エッチング装置１０はさらに循環器３２を備えている。循環器３２は流入ポート３４および流出ポート３６を含む。流入ポート３４は流入管路３８により貯留槽２８に接続されている。循環器３２は、エッチング剤１８を貯留槽２８から流入管路３８を通して引き込む。流入管路３８は、エッチング剤１８の腐食効果に耐性のある材料から製造されていることが好ましい。流入ポート３４に進入するエッチング剤１８は、循環器３２から流出ポート３６を通して流出する。循環器３２は、エッチング剤１８が供給回路を通って循環されるようにエッチング剤１８の動態的圧力を増加させる。循環器の流出ポート３６は供給管路４０に接続されている。供給管路４０の他方の端部はプリフォーム１２に接続されている。

供給管路４０は、プリフォーム１２の一方の端部に係合し、エッチング剤１８をプリフォーム１２の内部通路１４中に向けるように構成されている。供給管路４０は、エッチング剤１８がプリフォーム１２の外面に使用しないような様式でプリフォーム１２に係合していることが好ましい。プリフォーム１２は、支持体５２によりエッチングプロセス中ずっとほぼ垂直位置に固定されていることが好ましい。

戻り管路５０がプリフォーム１２の他方の端部に係合している。エッチング剤１８は、戻り管路５０を通って流れ、貯留槽２８中に再度導入される。

上述したように、エッチング剤１８がプリフォーム１２を通って循環する期間は、内部通路１４のエッチング前の寸法およびプリフォームの所望のエッチング後の空隙率により決まる。

本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明に様々な改変および変更を行っても差し支えないことが当業者には明らかであろう。それゆえ、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの同等物に含まれる限り、本発明の改変および変更を包含することが意図されている。

本発明が具体化されているプロセスの流れ図 エッチング前のプリフォームの断面図 エッチング後の図２に示したプリフォームの断面図 エッチング前のプリフォームの断面図 エッチング後の図４に示したプリフォームの断面図 本発明が具体化されている装置の概略図 材料の除去とエッチング剤への露出との関係を示すグラフ 本発明が具体化されている装置の概略図

符号の説明

１０ エッチング装置
１２ プリフォーム
１８ エッチング剤
２０ フラッシング剤
２８ 貯留槽
３２ 循環器
４２，４８ 弁
５２ 支持体

Claims (5)

1. フォトニックバンドギャップファイバを製造する方法であって、
   複数の長手方向の通路を有するフォトニック結晶プリフォームを製造し、
   前記複数の長手方向の通路から材料を除去することにより、所定の量だけ前記複数の長手方向の通路を拡大して、前記フォトニック結晶プリフォームの空隙率が０．８２またはそれ以上の制御された値になるように、前記フォトニック結晶プリフォームをエッチングし、
   エッチングされた前記フォトニック結晶プリフォームからフォトニックバンドギャップファイバを製造する、
   各工程を有してなることを特徴とする方法。
2. 前記フォトニック結晶プリフォームをエッチングする工程が、
   エッチング剤を前記複数の長手方向の通路に通して流動させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記フォトニックバンドギャップファイバを製造する工程が、
   前記エッチングされたフォトニック結晶プリフォームをフォトニックバンドギャップファイバに線引きする工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記フォトニック結晶プリフォームを製造する工程が、
   複数の中空コアガラス棒材を所定の配列に配置する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法により製造されたフォトニックバンドギャップファイバを有してなる光導波路ファイバ。

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