JP5888966B2

JP5888966B2 - 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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Publication number: JP5888966B2
Application number: JP2011276125A
Authority: JP
Inventors: 武笠　和則; 和則武笠
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: US20130298380A1; WO2013088795A1; EP2792648A1; EP2792648A4; JP2013127503A

Description

本発明は、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のである。

フォトニックバンドギャップファイバ（Photonic BandGap Fiber：ＰＢＧＦ）は、クラッド部に空孔を、フォトニック結晶を形成するように配列し、伝送すべき光の波長において２次元のブラッグ反射によるフォトニックバンドギャップを形成して、そこに結晶欠陥としてのコア部を導入して、光の伝送を実現するというタイプの光ファイバである。

たとえば、非特許文献１〜３には、コア部が空孔であるＡｉｒ−ｃｏｒｅ型のフォトニックバンドギャップファイバが開示されている。Ａｉｒ−ｃｏｒｅ型のフォトニックバンドギャップファイバは、Ａeffを拡大して超低非線形性を実現しつつ、非常に強い光閉じ込めによって低曲げ損失を実現できるので、通信や非通信の分野への応用について注目が高まっている。非特許文献１には、フォトニックバンドギャップファイバのプロファイルパラメータの設計を最適化する計算方法が詳細に開示されている。

K. Saitoh, et al., OPTICS EXPRESS, Vol.11, No.23, 2003，pp3100-3109 M.N. Petrovich et al., ＯＦＣ２００８，ＯＴｈＲ４武笠和則ら電子情報通信学会２００７総合大会Ｃ−３−５２

特開２００２−５５２４２号公報特開２００２−９７０３４号公報

フォトニックバンドギャップファイバを製造する場合、一般的には、孔形状および外形状がともに円形である円管状のキャピラリ管を準備し、これらを孔形状および外形状がともに円形である円管状のジャケット管に挿入してスタックして母材を形成し、この母材を線引きするという、いわゆるスタック・アンド・ドロー法を用いる。

しかしながら、従来の円管状のキャピラリ管と円管状のジャケット管とを用いたスタック・アンド・ドロー法によって、所定の光学特性を実現するために計算により求めたプロファイルパラメータ（設計パラメータ）になるようにフォトニックバンドギャップファイバを製造した場合に、そのフォトニックバンドギャップファイバの光学特性が設計値とは相違する場合があるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より確実に所望の光学特性を有するフォトニックバンドギャップファイバを製造できるフォトニックバンドギャップファイバの製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの製造方法は、コア部と、前記コア部の外周に形成され、前記コア部を結晶欠陥とするフォトニック結晶を形成するように配列された空孔を有するクラッド部とを備えるフォトニックバンドギャップファイバの製造方法であって、孔形状および外形が略六角形である六角形キャピラリ管をジャケット管内に挿入して母材を形成する母材形成工程と、前記母材を線引きする線引き工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの製造方法は、上記発明において、前記母材形成工程において、前記ジャケット管と前記六角形キャピラリ管との間の隙間に隙間調整用の棒体を挿入することを特徴とする。

また、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの製造方法は、上記発明において、前記母材形成工程において、外形が略多角形である前記棒体を用いることを特徴とする。

また、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの製造方法は、上記発明において、前記母材形成工程において、孔形状が略六角形である前記ジャケット管を用いることを特徴とする。

また、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの製造方法は、上記発明において、前記母材形成工程において、孔形状および外形が略五角形である五角形キャピラリ管を、前記ジャケット管内の内壁に沿って挿入することを特徴とする。

また、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの製造方法は、上記発明において、前記母材形成工程において、孔形状および外形が略五角形である五角形キャピラリ管を、前記コア部を形成するためのコア形成部の外周に位置するように挿入することを特徴とする。

また、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの製造方法は、上記発明において、前記母材形成工程において、前記五角形キャピラリ管または前記六角形キャピラリ管として、内周部と、前記内周部の外周に形成された前記内周部よりも粘性が低い外周部とを備えるキャピラリ管を用いることを特徴とする。

また、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの製造方法は、上記発明において、前記母材形成工程において、前記コア部を囲む空孔の層数が５層以上となるように前記五角形キャピラリ管または前記六角形キャピラリ管を挿入することを特徴とする。

本発明によれば、より確実に所望の光学特性を有するフォトニックバンドギャップファイバを製造できるという効果を奏する。

図１は、フォトニックバンドギャップファイバの一例の模式的な断面図である。図２は、計算したフォトニックバンドギャップファイバのフィールド分布の一例を示す図である。図３は、計算した閉じ込め損失の波長特性を示す図である。図４は、実施の形態１に係る製造方法において用いる母材の模式的な断面図である。図５は、実施の形態２に係る製造方法において用いる母材の模式的な断面図である。図６は、実施の形態３に係る製造方法において用いる母材の模式的な断面図である。図７は、実施の形態４に係る製造方法において用いる母材の模式的な断面図である。図８は、実施の形態５に係る製造方法において用いる母材の模式的な一部拡大断面図である。図９は、従来の製造方法において用いる母材の模式的な断面図である。図１０は、従来の製造方法によって製造したフォトニックバンドギャップファイバの模式的な断面図である。

以下に、図面を参照して本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下では、フォトニックバンドギャップファイバを適宜ＰＢＧＦと記載する。

図１は、ＰＢＧＦの一例の模式的な断面図である。図１に示すように、このＰＢＧＦ１０は、空孔からなるコア部１１と、コア部１１の外周に形成され、規則的に配列された空孔１２ａを有するクラッド部１２とを備える。クラッド部１２はたとえば石英系のガラスからなるものであり、特に屈折率調整用のドーパントを含まない純石英ガラスからなるものが好ましい。

このＰＢＧＦ１０は、所望の波長でフォトニックバンドギャップを形成するためのフォトニック結晶を形成するように空孔１２ａを三角格子状に配置し、かつ、その三角格子の中央部の１個の空孔１２ａおよびその周囲の６個の空孔１２ａが配置されるべき領域を、結晶欠陥としてのコア部１１となる空孔に置き換えた構造を有する。このＰＢＧＦ１０は、上記構造によって、コア部１１に光を強く閉じ込めて伝送するものである。なお、このような７個の空孔の領域をコア部に置き換えた構造のものは７−ｃｅｌｌ型ＰＢＧＦと呼ばれることがある。また、さらにこの７つの空孔の周囲の１２個の空孔の領域、すなわち合計１９個の空孔の領域をコア部に置き換えた構造のものは１９−ｃｅｌｌ型ＰＢＧＦと呼ばれることがある。なお、７−ｃｅｌｌ型ＰＢＧＦであれば、よりシングルモード動作し易いＰＢＧＦとなるので好ましい（非特許文献２参照）。

図１に示すＰＢＧＦ１０は、コア部１１を囲む空孔１２ａが形成する六角形状の層の層数が５である。また、空孔１２ａの空孔の直径（以下、空孔径とする）をｄ、隣接する空孔１２ａの中心間距離（以下、空孔間距離とする）をΛとすると、ｄ／Λが０．９以上のたとえば０．９７に設定されている。なお、非特許文献１に開示されるように、空孔層数を５層以上とし、ｄ／Λを０．９以上とすることによって、閉じ込め損失が低減されるので好ましい。なお、７−ｃｅｌｌ型ＰＢＧＦの場合、コア径は、おおよそ空孔間距離の２倍である２Λとなる。また、１９−ｃｅｌｌ型ＰＢＧＦの場合、コア径はおおよそ３Λとなる。

図２は、計算したＰＢＧＦのフィールド分布の一例を示す図である。図３は、計算したＰＢＧＦの閉じ込め損失の波長特性を示す図である。なお、図２、３では、有限要素法（ＦＥＭ）によるシミュレーション計算を用いている。また、ＰＢＧＦの構成材料は純石英ガラスとしている。また、ｄ／Λは０．９７、Λは、４．０５μｍとしている。この４．０５μｍという値は、非特許文献３において、光通信で用いられている１．５μｍ波長帯においてフォトニックバンドギャップを形成できると報告されている値である。

このシミュレーションにおいては、空孔については、以下のような形状とした。すなわち、コア部は各頂点に丸みを加えた八角形とした。その直ぐ外周の空孔については、各頂点に丸みを加えた六角形と五角形とを交互に合計１２個配列させた。また、それよりさらに外周の空孔については、各頂点に丸みを加えた六角形を配列させて、コア部の外周に７層の空孔を配置するようにした。そして、それぞれの形状の空孔に対して近似円の直径を空孔径ｄとして設定し、隣接する空孔の六角形または五角形の形状の重心から重心までの距離を空孔間距離Λに設定した。このように、図２および図３のシミュレーションでは、空孔は五角形または六角形とされている。

図２に示すように、上記構造に設定して計算したＰＢＧＦは、五角形または六角形状の空孔形上に設定したことで、その中心のコア部に殆どの光のフィールドが閉じ込められていた。また、波長λに対する閉じ込め損失についても、図３に示すように、波長１．５μｍ近傍において０．００００１ｄＢ／ｍ（０．０１ｄＢ／ｋｍ）と低い値となり、フォトニックバンドギャップが形成されることが確認された。

このようなＰＢＧＦを製造する場合は、従来は、図９に示すように、孔１０２０ａの形状および外形が円形である円管状のキャピラリ管１０２０をジャケット管１０１０に挿入してスタックし、その後コア部となる領域のキャピラリ管１０２０を引き抜いて母材１０００を形成し、この母材１０００を線引きしていた。

しかしながら、このように円管状のキャピラリ管１０２０を用いて母材１０００を構成した場合は、母材１０００の断面積に占める、キャピラリ管間の隙間の割合が高くなるので、線引きの際にキャピラリ管１０２０が変形し易くなり、孔構造の変形が大きくなる。ＰＢＧＦの光学特性は、断面の孔構造に大きな影響を受けるため、従来の方法で製造したＰＢＧＦの光学特性は、所望の光学特性にならない場合があった。

たとえば、図１０は、従来の製造方法によって製造したＰＢＧＦの模式的な断面図である。図１０に示すように、製造したＰＢＧＦ１１００は、六角形の空孔が格子状に並んだ理想的な形状と比べ、空孔１１０２がひずんでおり、また、コア部１１０１の形状もひずんでいる。その結果、空孔間のガラスには、厚さの薄いところと厚いところができてしまい、不均一になる場合があった。このような断面の構造的な乱れによって、ＰＢＧＦの伝送損失は数１０〜数１００ｄＢ／ｋｍと大きくなる場合があった。

また、特許文献１、２には、外径が六角形のキャピラリ管を用いる方法が開示されている。しかしながら、外径が六角形のキャピラリ管を用いた場合は、空孔の変形は抑制されたとしても、閉じ込め損失が十分に低減されるような、０．９以上という大きさの好ましいｄ／Λを得ることは困難であった。

これに対して、以下に説明する本実施の形態１に係る製造方法では、孔形状および外径が六角形である中空のキャピラリ管を中空のジャケット管内に挿入して母材を形成し、この母材を線引きするので、空孔の変形の抑制および所望のｄ／Λの形成が同時に実現される。その結果、より確実に所望の光学特性を有するＰＢＧＦを製造できる。

（実施の形態１）
図４は、実施の形態１に係る製造方法において用いる母材の模式的な断面図である。図４に示すように、母材１００は、孔１２０ａの形状が六角形であり、かつ外形も六角形である六角形キャピラリ管１２０を用いて形成されている。すなわち、母材１００は、六角形キャピラリ管１２０を円管状のジャケット管１１０に挿入してスタックし、その後コア部となる領域の六角形キャピラリ管１２０を引き抜いて、コア形成部１４０を形成することによって形成したものである。なお、母材１００を形成する際には、さらにジャケット管１１０と六角形キャピラリ管１２０との間の隙間に隙間調整用の棒体１３１〜１３３を挿入している。棒体１３１〜１３３は円形状であり、隙間の大きさに合わせた直径を有するものである。棒体１３１〜１３３は中実のものが好ましいが、中空のものでもよい。

ジャケット管１１０、六角形キャピラリ管１２０、および棒体１３１〜１３３は、たとえば石英系のガラスからなるものであり、特に屈折率調整用のドーパントを含まない純石英ガラスからなるものが好ましい。六角形キャピラリ管１２０の外形および孔１２０ａの形状は、正六角形であることが好ましいが、略正六角形であればよく、たとえば角が丸みを帯びた形状であってもよい。

つぎに、この母材１００を公知の方法で線引きする。線引きの際には、母材１００の下端を溶融してコラプスし、下端を封鎖したものを、公知の線引き炉に設置する。そして、母材１００の上端にガス加圧装置を接続する。つぎに、母材１００の下端をヒータで加熱溶融し、ＰＢＧＦ１０を線引きする。線引きの際には、ガス加圧装置によって、空孔がつぶれないように六角形キャピラリ管１２０の孔１２０ａ内を加圧する。この母材１００を用いれば、線引き時に空孔（孔１２０ａ、および孔１２０ａから形成された空孔１２ａ）の変形が抑制され、かつ０．９以上という大きさの好ましいｄ／Λを得ることが容易であり、閉じ込め損失やその他の光学特性が好ましい値であるＰＢＧＦ１０をより確実に製造することができる。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る製造方法において用いる母材の模式的な断面図である。図５に示すように、母材２００は、孔２１０ａの形状が六角形であり、外径が円形のジャケット管２１０を用いて形成されている。すなわち、母材２００は、図４と同様の六角形キャピラリ管１２０を、ジャケット管２１０に挿入してスタックし、その後コア部となる領域の六角形キャピラリ管１２０を引き抜いて、コア形成部２４０を形成することによって形成したものである。なお、母材２００を形成する際には、さらにジャケット管２１０と六角形キャピラリ管１２０との間の隙間に隙間調整用の棒体２３０を挿入している。棒体２３０は円形状であり、隙間の大きさに合わせた直径を有するものである。棒体２３０は中実のものが好ましいが、中空のものでもよい。ジャケット管２１０、および棒体２３０も、たとえば石英系のガラスからなるものであり、特に屈折率調整用のドーパントを含まない純石英ガラスからなるものが好ましい。

つぎに、この母材１００を公知の方法で線引きすることによって、空孔の変形が抑制され、０．９以上という大きさの好ましいｄ／Λを得ることが容易であり、閉じ込め損失やその他の光学特性が好ましい値であるＰＢＧＦ１０をより確実に製造することができる。

特に、本実施の形態２では、孔２１０ａの形状が六角形のジャケット管２１０を用いることによって、ジャケット管２１０と六角形キャピラリ管１２０との間の隙間がより狭くなる。その結果、空孔の変形はより抑制される。また、隙間調整用の棒体２３０の直径を小さくできるので、棒体２３０に掛かる材料コストを削減できる。また、ジャケット管２１０の内径に対して六角形キャピラリ管１２０の内径が比較的小さい場合は、適宜棒体２３０を使用しないようにしてもよい。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係る製造方法において用いる母材の模式的な断面図である。図６に示すように、母材３００は、実施の形態２に係る母材２００と同様に、六角形キャピラリ管１２０を、六角形の孔２１０ａを有するジャケット管２１０に挿入してスタックし、その後コア形成部３４０を形成することによって形成したものである。但し、母材３００では、ジャケット管２１０と六角形キャピラリ管１２０との間の隙間に隙間調整用の棒体３３１、３３２を挿入している。棒体３３１、３３２は三角形状であり、実施の形態２における棒体２３０よりも、隙間を埋める効果が高い。したがって、線引きの際の空孔の変形をより一層抑制することができる。なお、棒体として三角形以外の多角形状のものを用いてもよい。

（実施の形態４）
図７は、実施の形態４に係る製造方法において用いる母材の模式的な断面図である。図６に示すように、母材４００は、実施の形態２に係る母材２００と同様に、六角形キャピラリ管１２０を、六角形の孔２１０ａを有するジャケット管２１０に挿入してスタックし、その後コア形成部４４０を形成することによって形成したものである。但し、母材４００では、孔４２１ａ、４２２ａの形状がそれぞれ略五角形あり、外形もそれぞれ略五角形である中空の五角形キャピラリ管４２１、４２２を、ジャケット管２１０内の内壁に沿って挿入している。これによって、五角形キャピラリ管４２１、４２２とジャケット管２１０との間の隙間は殆ど無くなるので、線引きの際の空孔の変形をさらに抑制することができるとともに、隙間調整用の棒体を使用しなくてもよくなるので、材料コストを削減できる。

なお、この母材４００では、さらに五角形キャピラリ管４２１を、コア形成部４４０の外周に位置するように挿入している。これによって、コア形成部４４０の外周では六角形キャピラリ管１２０と五角形キャピラリ管４２１とが交互に並ぶように配置している。これによって、製造するＰＢＧＦ１０のコア部１１の変形がより一層抑制される。

（実施の形態５）
図８は、実施の形態５に係る製造方法において用いる母材の模式的な一部拡大断面図である。本実施の形態５に係る母材５００では、ジャケット管に挿入する六角形キャピラリ管として、孔５２０ａの形状が六角形であり、内周部５２０ｂと、内周部５２０ｂの外周に形成された外周部５２０ｃとを備えた六角形キャピラリ管５２０を用いている。なお、符号５４０はコア形成部である。

ここで、六角形キャピラリ管５２０の外周部５２０ｃは、内周部５２０ｂよりも粘性が低い材料からなる。たとえば、内周部５２０ｂは純石英ガラスからなり、外周部５２０ｃは塩素、フッ素またはゲルマニウムを添加した石英ガラスからなる。

この母材５００を線引きした場合は、線引きの際の加熱によって、各六角形キャピラリ管５２０の外周部５２０ｃがはじめに溶融し、周囲の六角形キャピラリ管５２０の外周部５２０ｃと一体になるため、当初六角形キャピラリ管５２０に存在した隙間が埋まる。一方、内周部５２０ｂは外周部５２０ｃよりも溶融しにくいため、孔５２０ａの形状を維持する効果が高い。

したがって、この母材５００を用いた場合は、外周部５２０ｃが溶融して隙間を早期に埋める効果と、内周部５２０ｂが空孔の形状を維持する効果とによって、より一層空孔の変形が抑制される。

なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。たとえば、上記実施の形態では、ＰＢＧＦは７−ｃｅｌｌ型のものであるが、１９−ｃｅｌｌ型のものや、他の構造のコア部を有するＰＢＧＦでもよい。また、空孔の配列についても、三角格子状に限らず、フォトニックバンドギャップを形成できる配列であればよい。

また、上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態１において、実施の形態４のようにコア形成部の周囲に五角形キャピラリ管を配置しても良いし、実施の形態５のような内周部と外周部を有する六角形キャピラリ管を用いても良い。また、実施の形態４において、内周部と、内周部よりも粘性が低い材料からなる外周部とを備える五角形キャピラリ管を用いてもよい。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１０ＰＢＧＦ
１１コア部
１２クラッド部
１２ａ空孔
１００、２００、３００、４００、５００母材
１１０、２１０ジャケット管
１２０、５２０六角形キャピラリ管
１２０ａ、２１０ａ、４２１ａ、４２２ａ、５２０ａ孔
１３１、１３２、１３３、３３１、３３２棒体
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０コア形成部
４２１、４２２五角形キャピラリ管
５２０ｂ内周部
５２０ｃ外周部

Claims

コア部と、前記コア部の外周に形成され、前記コア部を結晶欠陥とするフォトニック結晶を形成するように配列された空孔を有するクラッド部とを備えるフォトニックバンドギャップファイバの製造方法であって、
孔形状および外形が略六角形である六角形キャピラリ管をジャケット管内に挿入して母材を形成する母材形成工程と、
前記母材を線引きする線引き工程と、
を含み、
前記母材形成工程において、前記ジャケット管と前記六角形キャピラリ管との間の隙間に、隙間調整用の、外形が略多角形である棒体を挿入する
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。
前記母材形成工程において、孔形状が略六角形である前記ジャケット管を用い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の製造方法。
前記母材形成工程において、孔形状および外形が略五角形である五角形キャピラリ管を、前記ジャケット管内の内壁に沿って挿入することを特徴とする請求項２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。
前記母材形成工程において、孔形状および外形が略五角形である五角形キャピラリ管を、前記コア部を形成するためのコア形成部の外周に位置するように挿入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つ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。
前記母材形成工程において、前記五角形キャピラリ管または前記六角形キャピラリ管として、内周部と、前記内周部の外周に形成された前記内周部よりも粘性が低い外周部とを備えるキャピラリ管を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つ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。
前記母材形成工程において、前記コア部を囲む空孔の層数が５層以上となるように前記五角形キャピラリ管または前記六角形キャピラリ管を挿入することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つ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。