JP5916943B2 - フォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法、フォトニックバンドギャップファイバの製造方法、フォトニックバンドギャップファイバ用母材、及び、フォトニックバンドギャップファイバ - Google Patents

フォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法、フォトニックバンドギャップファイバの製造方法、フォトニックバンドギャップファイバ用母材、及び、フォトニックバンドギャップファイバ Download PDF

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Description

本発明は、容易に製造することができ導波可能な光の波長帯域を大きくすることができるフォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法、フォトニックバンドギャップファイバの製造方法、フォトニックバンドギャップファイバ用母材、及び、フォトニックバンドギャップファイバに関する。
光ファイバの一つとしてフォトニックバンドギャップファイバが知られている。フォトニックバンドギャップファイバは、コア領域がクラッド内のバンドギャップ領域により囲まれた構造をしており、低損失特性、低非線形光学特性を実現可能な光ファイバとして期待されている。フォトニックバンドギャップファイバとしては、空孔から成るコア領域と当該中空のコア領域の周りに多数の空孔が周期的に配置されて成るバンドギャップ領域とを有する中空コアフォトニックバンドギャップファイバや、ガラス体で埋められた中実のコア領域と当該中実のコア領域の周りに高屈折率のガラス体が周期的に配置されて成るバンドギャップ領域とを有する中実コアフォトニックバンドギャップファイバを挙げることができる。このうち中空コアフォトニックバンドギャップファイバは、超低非線形光学特性や2μmの波長帯域における超低損失特性を実現可能な光ファイバとして期待されている。
下記非特許文献1には、このような中空コアフォトニックバンドギャップファイバの例が記載されている。このフォトニックバンドギャップファイバでは、バンドギャップ領域が多数の空孔が形成されたハニカム状の形状とされ、それぞれの空孔は、六角形の各頂点上に配置される柱状ガラス体と、隣り合う柱状ガラス体の間を結ぶように配置される板状ガラス体とにより囲まれて形成されている。従って、各空孔の断面における形状は、概ね六角形の形状であるが、正確には六角形の各頂点が当該六角形内に向かって円弧状に隆起した形状とされている。この様なフォトニックバンドギャップファイバは、スタックアンドドロー法を用いて製造されることが通常であり、製造過程において、バンドギャップ領域の一部を形成するバンドギャップ用キャピラリが三角格子状に配置され、3つのバンドギャップ用キャピラリで囲まれる各領域にバンドギャップ領域の他の一部を形成するバンドギャップ用ロッドが配置される工程を経て製造される。つまりバンドギャップ用キャピラリ及びバンドギャップ用ロッドが配置された状態では、それぞれのバンドギャップ用キャピラリは6つのバンドギャップ用ロッドで囲まれる。このバンドギャップ用ロッドのそれぞれが上記のそれぞれの柱状ガラス体となり、バンドギャップ用キャピラリが上記の板状ガラス体となる。下記非特許文献1によれば、このようなフォトニックバンドギャップファイバは、それぞれの空孔が板状ガラス体で囲まれ、空孔の形状が正六角形状とされたフォトニックバンドギャップファイバと比べて導波可能な光の波長帯域を広くすることができるという特質を有している。
また、下記非特許文献2には、中空コアフォトニックバンドギャップファイバの他の例が記載されている。このフォトニックバンドギャップファイバでは、バンドギャップ領域に多数の空孔が形成されており、それぞれの空孔は、三角形の各頂点上に配置される柱状ガラス体と、隣り合う柱状ガラス体の間を結ぶように配置される板状ガラス体とにより、囲まれて形成されている。従って、各空孔は概ね三角形の形状であるものの正確には三角形の各頂点が当該三角形内に向かって円弧状に隆起した形状とされている。下記非特許文献2には、このフォトニックバンドギャップファイバが上記非特許文献1に記載のフォトニックバンドギャップファイバよりも更に導波可能な光の波長帯域を広くすることができるという計算結果が記載されている。
Optics Letters, Vol.30, No.15, pp. 1920−1922(2005) Optics Letters, Vol.30, No.17, pp. 2837−2839(2010)
上記非特許文献2に記載のフォトニックバンドギャップファイバでは、上記のように三角格子状に配置された柱状ガラス体とこれら柱状ガラス体を結ぶ板状ガラス体とによりバンドギャップ領域が形成されている。しかし、このような形状のバンドギャップ領域を形成することは非常に困難であり、少なくともスタックアンドドロー法を用いてフォトニックバンドギャップファイバを製造しようとする場合に、バンドギャップ用キャピラリ及びバンドギャップ用ロッドを如何に配置しても、これらバンドギャップ用キャピラリ及びバンドギャップ用ロッドを安定して配置することができない。従って、現実に製造できるか否かが不明である。
一方、上記特許文献1に記載のフォトニックバンドギャップファイバは、スタックアンドドロー法を用いてフォトニックバンドギャップファイバを製造する場合に、バンドギャップ用キャピラリ及びバンドギャップ用ロッドを安定して配置することができ、現実に製造することが可能である。しかし、導波可能な光の波長帯域を当該フォトニックバンドギャップファイバよりも大きくしたいという要請がある。
そこで、本発明は、容易に製造することができ導波可能な光の波長帯域を大きくすることができるフォトニックバンドギャップファイバを実現可能なフォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法、フォトニックバンドギャップファイバの製造方法、及び、フォトニックバンドギャップファイバ用母材、及び、フォトニックバンドギャップファイバを提供することを目的とする。
上記課題を達成するため本発明のフォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法は、コア用キャピラリと、複数のバンドギャップ用キャピラリと、複数のバンドギャップ用ロッドと、クラッド用キャピラリと、を準備する準備工程と、前記クラッド用キャピラリの孔内において、前記複数のバンドギャップ用キャピラリが前記コア用キャピラリを囲んで三角格子状に配置されるように前記コア用キャピラリ及びそれぞれの前記バンドギャップ用キャピラリを配置すると共に、それぞれの前記バンドギャップ用キャピラリが3つの前記バンドギャップ用ロッドにより等間隔で囲まれるようにそれぞれの前記バンドギャップ用ロッドを3つの前記バンドギャップ用キャピラリで囲まれる領域に配置する配置工程と、前記クラッド用キャピラリの前記孔内の隙間を潰して、前記クラッド用キャピラリと前記複数のバンドギャップ用キャピラリと前記複数のバンドギャップ用ロッドと前記コア用キャピラリとを一体化する一体化工程と、を備えることを特徴とするものであり、本発明のフォトニックバンドギャップファイバ用母材は、これらの工程を経て製造されることを特徴とするものである。
また、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法の一側面は、上記のフォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法を経て製造されるフォトニックバンドギャップファイバ用母材を線引きする線引工程を備えることを特徴とするものであり、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの一側面は、当該線引工程を経て製造されることを特徴とするものである。
或いは、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法の他の側面は、コア用キャピラリと、複数のバンドギャップ用キャピラリと、複数のバンドギャップ用ロッドと、クラッド用キャピラリと、を準備する準備工程と、前記クラッド用キャピラリの孔内において、前記複数のバンドギャップ用キャピラリが前記コア用キャピラリを囲んで三角格子状に配置されるように前記コア用キャピラリ及びそれぞれの前記バンドギャップ用キャピラリを配置すると共に、それぞれの前記バンドギャップ用キャピラリが3つの前記バンドギャップ用ロッドにより等間隔で囲まれるようにそれぞれの前記バンドギャップ用ロッドを3つの前記バンドギャップ用キャピラリで囲まれる領域に配置する配置工程と、前記クラッド用キャピラリの前記孔内の隙間を潰して、前記クラッド用キャピラリと前記複数のバンドギャップ用キャピラリと前記複数のバンドギャップ用ロッドと前記コア用キャピラリとを一体化しながら線引きする線引工程と、を備えることを特徴とするものであり、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの他の側面は、これらの工程を経て製造されることを特徴とするものである。
本発明者らは、非特許文献1に記載のフォトニックバンドギャップファイバよりも導波可能な光の波長帯域を大きくすることができ、かつ、容易に製造することができるフォトニックバンドギャップファイバの構成について鋭意検討をした。その結果、非特許文献1に記載のフォトニックバンドギャップファイバのようにバンドギャップ領域において空孔を囲む六角形の各頂点上に柱状ガラス体が配置されるのではなく、空孔を囲む六角形の1つおきの3つの頂点上に柱状ガラス体が配置され、柱状ガラス体と六角形の他の1つおきの3つの頂点とを結ぶ線上に板状ガラス体が配置され、この結果、柱状ガラス体が三角格子状に配置されれば、非特許文献1に記載のフォトニックバンドギャップファイバよりも導波可能な光の波長帯域を大きくすることができるという結果を得ることができた。しかも、このような構成あれば、スタックアンドドロー法により安定して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結論に達した。具体的には、スタックアンドドロー法を用いたフォトニックバンドギャップファイバの製造過程において、バンドギャップ領域を形成するための複数のバンドギャップ用キャピラリを三角格子状に配置して、3つのバンドギャップ用キャピラリで囲まれる領域にバンドギャップ用ロッドを配置する。このとき互いに隣り合う当該領域の一方のみにバンドギャップ用ロッドを配置することで、バンドギャップ用キャピラリが3つのバンドギャップ用ロッドにより等間隔に囲まれて支えられ、バンドギャップ用ロッドが3つのバンドギャップ用キャピラリにより等間隔に囲まれて支えられる。こうして、バンドギャップ用キャピラリとバンドギャップ用ロッドとが互いに支え合い安定する。従って、スタックアンドドロー法を用いて、安定してフォトニックバンドギャップファイバを製造できるのである。
従って、上記のようなフォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法に製造されるフォトニックバンドギャップファイバ用母材及びそれを用いたフォトニックバンドギャップファイバによれば、容易に製造することができ導波可能な光の波長帯域を大きくすることができるフォトニックバンドギャップファイバを実現可能であり、上記のように母材を経ることなく線引きされて製造されるフォトニックバンドギャップファイバも同様のフォトニックバンドギャップファイバとすることができる。
また、上記のフォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法及びそれを経て製造されるフォトニックバンドギャップファイバ用母材や、上記のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法及びそれを経て製造されるフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記複数のバンドギャップ用キャピラリは、最密配置されることが好ましい。
複数のバンドギャップ用キャピラリが最密配置されることで、バンドギャップキャピラリが6つのバンドギャップキャピラリに囲まれて、たがいに隣り合うバンドギャップ用キャピラリが互いに支え合う。従って、上記のフォトニックバンドギャップファイバ用母材やフォトニックバンドギャップファイバの製造過程において、バンドギャップ用キャピラリやバンドギャップ用ロッドをより安定させることができる。
また、上記のフォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法及びそれを経て製造されるフォトニックバンドギャップファイバ用母材や、上記のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法及びそれを経て製造されるフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記クラッド用ロッドの半径は、前記バンドギャップ用キャピラリの肉厚よりも大きいことが好ましい。
また、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの更なる他の側面は、中空のコア領域と、前記コア領域を囲みガラス体に複数の空孔が形成されるハニカム状のバンドギャップ領域と、を備え、前記バンドギャップ領域の前記空孔は、六角形における1つおきの3つの頂点上に配置される柱状ガラス体、及び、前記柱状ガラス体と前記六角形の他の3つの頂点とを結ぶように配置される板状ガラス体により囲まれ、前記柱状ガラス体は三角格子状に配置されることを特徴とするものである。
このようなフォトニックバンドギャップファイバであれば、上記のように容易に製造することができ、上記のように非特許文献1に記載のフォトニックバンドギャップファイバよりも導波可能な光の波長帯域を大きくすることができる。
以上のように、本発明によれば、容易に製造することができ導波可能な光の波長帯域を大きくすることができるフォトニックバンドギャップファイバを実現可能なフォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法、フォトニックバンドギャップファイバの製造方法、及び、フォトニックバンドギャップファイバ用母材、及び、フォトニックバンドギャップファイバが提供される。
本発明の実施形態におけるフォトニックバンドギャップファイバの長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。 図1の円形の破線で囲まれた領域の拡大図である。 フォトニックバンドギャップファイバを伝播する波長と損失との関係を示す図である。 第1比較例のフォトニックバンドギャップファイバのバンドギャップ領域の様子を示す図である。 第2比較例のフォトニックバンドギャップファイバのバンドギャップ領域の様子を示す図である。 第3比較例のフォトニックバンドギャップファイバのバンドギャップ領域の様子を示す図である。 フォトニックバンドギャップファイバの空孔の中心間距離と空孔の径との比と、規格化帯域との関係を示す図である。 図1のフォトニックバンドギャップファイバを製造する工程の第1の例を示すフローチャートである。 配置工程後の様子を示す図である。 一体化工程後の様子を示すフォトニックバンドギャップファイバ用母材の断面図である。 線引工程の様子を示す図である。 図1のフォトニックバンドギャップファイバを製造する工程の第2の例を示すフローチャートである。
以下、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法、フォトニックバンドギャップファイバの製造方法、及び、フォトニックバンドギャップファイバ用母材、及び、フォトニックバンドギャップファイバについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、理解の容易のため、それぞれの図のスケールと、以下の説明に記載のスケールとが異なる場合がある。
図1は、 本実施形態におけるフォトニックバンドギャップファイバの長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。図1に示すように、フォトニックバンドギャップファイバ1は、コア領域10と、コア領域10の外周を囲むクラッド20と、クラッド20を被覆する第1被覆層31と、第1被覆層31を被覆する第2被覆層32とを主な構成として備える。
フォトニックバンドギャップファイバ1の中心には空孔が形成されており、当該空孔がコア領域10とされる。
また、クラッド20はガラス体22から成り、クラッド20のコア領域10を囲む領域には多数の空孔21が形成されており、これら多数の空孔21が形成されている領域がバンドギャップ領域27とされ、バンドギャップ領域27を囲む領域には空孔が形成されておらず、この領域がジャケット領域28とされる。
図2は、図1の円形の破線で囲まれた領域の拡大図であり、バンドギャップ領域27の構造を説明するための図である。図2に示すように、バンドギャップ領域27の空孔21は、柱状ガラス体25と板状ガラス体26とにより囲まれている。具体的には、図2において破線で示す六角形HEXにおける1つおきの3つの頂点上に配置される柱状ガラス体25と、これら柱状ガラス体25と六角形HEXの他の3つの頂点とを結ぶように配置される6つの板状ガラス体26とにより、空孔21は囲まれている。柱状ガラス体25は、直径が板状ガラス体26の厚さよりも大きく構成されており、その断面の形状は、円形であることが好ましいが円形以外であっても良い。六角形HEXのそれぞれの辺上に板状ガラス体26が配置されるため、それぞれの空孔21は断面の形状が概ね六角形とされるが、六角形HEXの1つおきの頂点上に柱状ガラス体25が配置されるため、それぞれの空孔21の断面の形状は、正確には六角形の各頂点のうち1つおきの3つの頂点が当該六角形の内側に円弧状に隆起した形状とされている。なお、この六角形HEXは、正六角形であることが理想であるが、各内角の大きさが180°より小さい六角形であればよい。例えば、バンドギャップ領域27における殆どの空孔21を囲む六角形HEXは正六角形に近い形状であるが、最内周側の空孔21の一部は六角形HEXが潰れて一部の頂点が180°に非常に近い角度となる場合がある。
また、それぞれの柱状ガラス体25には3つの板状ガラス体26が放射状に接続されている。そして、それぞれの柱状ガラス体25が三角格子状に配置され、柱状ガラス体25に接続された板状ガラス体26の縁と他の柱状ガラス体25に接続された板状ガラス体26の縁とが接続されている。従って、1つの板状ガラス体は互いに隣り合う2つの空孔21を仕切り、1つの柱状ガラス体25は隣り合う3つの空孔21を仕切っている。こうして、断面の形状が概ね六角形の多数の空孔21は、それぞれ柱状ガラス体25や板状ガラス体26を介して6つの空孔で囲まれるように形成され、バンドギャップ領域27はハニカム状とされる。
クラッド20を被覆する第1被覆層31、及び、第1被覆層31を被覆する第2被覆層32は、例えば互いに異なる種類の樹脂から構成される。
このようなフォトニックバンドギャップファイバ1は、バンドギャップ領域27における空孔21の間隔等によって、コア領域10を伝播する光の波長が定められ、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ1によれば、柱状ガラス体25が配置されず、板状ガラス体26のみでそれぞれの空孔が形成されている場合と比べて、コア領域10を伝播する光の波長帯域を大きくすることができる。
以下、フォトニックバンドギャップファイバのコア領域を伝播する光の波長帯域について説明する。
図3は、フォトニックバンドギャップファイバを伝播する波長と損失との一般的な関係を示す図である。図3では、横軸が波長を示し、縦軸が光の透過損失を示す。図3に示すようにフォトニックバンドギャップファイバは所定の波長帯域の光を非常に低損失で伝播することができるが、当該所定の波長帯域から外れると急激に透過損失が大きくなり、その波長の光を実質的に伝播することができない。この所定の波長帯域を透過帯域BWで示している。このとき規格化帯域Wは、透過帯域BWの中心波長をλcenterとすると、次の式で示される。
Figure 0005916943
規格化帯域Wは、それぞれの空孔の直径dと板状ガラス体を介して互いに隣り合う空孔の中心間距離Λとの比d/Λに依存して変化することが知られており、一般的に当該比d/Λが大きくなるほど規格化帯域Wが大きくなる。当該比d/Λが1になるとそれぞれの空孔を仕切るガラス体が無くなってしまいフォトニックバンドギャップファイバとしての物理的形状を保つことができない。当該比d/Λの範囲が0.95〜0.97とされる場合、一般的なフォトニックバンドギャップファイバでは、規格化帯域Wが10%〜20%とされる。ところで透過帯域BWは、1550nm帯の通信波長帯域をカバーする場合に150nm〜200nmとなる。従って、透過帯域BWを大きくすることで通信に用いることができる光の波長帯域を大きくすることができるのみならず、フェムト秒パルスデリバリーや測定関係の光ファイバへの応用が広がると予想される。
上記規格化帯域Wについて、本発明のフォトニックバンドギャップファイバのバンドギャップ領域と本発明と異なるバンドギャップ領域とを比較して説明する。
図4は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバ1のバンドギャップ領域27と異なる第1比較例のバンドギャップ領域の様子を示す図である。図4に示すバンドギャップ領域では、それぞれの空孔211の形状や互いに隣り合う空孔を仕切るガラス体の形状がフォトニックバンドギャップファイバ1のバンドギャップ領域27の空孔21の形状やガラス体22の形状と異なる。具体的には、第1比較例のバンドギャップ領域では、破線で示す六角形HEXにおける互いに隣り合う頂点上に配置される柱状の柱状ガラス体251と、互いに隣り合う柱状ガラス体251を結ぶように配置され、厚みが柱状ガラス体251の直径よりも小さい6つの板状ガラス体261とにより、空孔211は囲まれている。従って、それぞれの空孔211の断面の形状は、六角形のそれぞれの頂点が当該六角形の内側に円弧状に隆起した形状とされる。なお、本例では六角形HEXが正六角形である場合について示している。
図5は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバ1のバンドギャップ領域27と異なる第2比較例のバンドギャップ領域の様子を示す図である。図5に示すバンドギャップ領域においても、それぞれの空孔212の形状や互いに隣り合う空孔を仕切るガラス体の形状がフォトニックバンドギャップファイバ1のバンドギャップ領域27の空孔21の形状やガラス体22の形状と異なる。具体的には、図5において破線で示す四角形SQUの各頂点上に配置される4つの柱状ガラス体252と、互いに隣り合う柱状ガラス体252を結ぶように配置され、厚みが柱状ガラス体252の直径よりも小さい4つの板状ガラス体262とにより、空孔212は囲まれている。このような構成により、それぞれの空孔212の断面の形状は、四角形のそれぞれの頂点が当該四角形の内側に向かって円弧状に隆起した形状とされる。なお、本例では四角形SQUが正方形である場合について示している。
図6は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバ1のバンドギャップ領域27と異なる第3比較例のバンドギャップ領域の様子を示す図である。図6に示すバンドギャップ領域においても、それぞれの空孔213の形状や互いに隣り合う空孔を仕切るガラス体の形状がフォトニックバンドギャップファイバ1のバンドギャップ領域27の空孔21の形状やガラス体22の形状と異なる。具体的には、図6において破線で示す三角形TRIの各頂点上に配置される柱状の柱状ガラス体253と、互いに隣り合う柱状ガラス体253を結ぶように配置され、厚みが柱状ガラス体253の直径よりも小さい3つの板状ガラス体263とにより、空孔213は囲まれている。このような構成により、それぞれの空孔213の断面の形状は、三角形の各頂点が当該三角形の内側に円弧状に隆起した形状とされている。なお、本例では三角形TRIが正三角形である場合について示している。
図7は、図2のバンドギャップ領域27を有するフォトニックバンドギャップファイバ1、及び、図4〜図6に示すバンドギャップ領域を有するフォトニックバンドギャップファイバについて、互いに隣り合う空孔の中心間距離とそれぞれの空孔の径との比と、規格化帯域との関係をシミュレーションにより示す図である。なお、本図を示すにあたり、それぞれのフォトニックバンドギャップファイバにおいて、バンドギャップ領域内での構成は上記の様に互いに異なるが、バンドギャップ領域の大きさ等といったバンドギャップ領域内の構成以外の構成はそれぞれのフォトニックバンドギャップファイバで同様とされている。
また、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバをシミュレーションするに当たり、図2に示す六角形HEXは正六角形とされ、空孔21の直径dは対辺に配置される板状ガラス体26の内壁同士を垂直に結ぶ線の長さとされる。また、柱状ガラス体25の直径2rは柱状ガラス体の内接円の直径とされる。また、図4に示す空孔211の直径dは対辺に配置される板状ガラス板261の内壁同士を垂直に結ぶ線の長さとされる。また、図5に示す空孔212の直径dは対辺に配置される板状ガラス体262の内壁同士を垂直に結ぶ線の長さとされ、柱状ガラス体252の直径2rは柱状ガラス体の内接円の直径とされる。また、図6に示す空孔213の直径dは三角形TRIの1つの頂点上配置される柱状ガラス体253の内壁と当該頂点の対辺上に配置される板状ガラス体263の内壁同士を垂直に結ぶ線の長さとされ、柱状ガラス体253の直径2rは柱状ガラス体の内接円の直径とされる。
図7に示すように本発明者等のシミュレーションによれば、いずれのフォトニックバンドギャップファイバであってもd/Λが1に近づくほど規格化帯域Wが大きくなることが分かる。また、規格化帯域Wについて、第3比較例のバンドギャップ領域を有するフォトニックバンドギャップファイバが最も大きな値を示し、次に本発明によるフォトニックバンドギャップファイバが大きな値を示し、次に第2比較例のバンドギャップ領域を有するフォトニックバンドギャップファイバが大きな値を示し、第1比較例のバンドギャップ領域を有するフォトニックバンドギャップファイバが最も小さな規格化帯域Wを示した。光の中心波長が同じ場合、透過帯域BWと規格化帯域Wとは比例関係にあるため、本発明によるフォトニックバンドギャップファイバは、第3比較例に次いで、大きな透過帯域BWを有する結果となった。ただし、第3比較例のバンドギャップ領域を有するフォトニックバンドギャップファイバは製造が困難である。なお、特に図示しないが、第1比較例のフォトニックバンドギャップファイバであっても、柱状ガラス体が配置されずに6つの板状ガラス体のみでそれぞれの空孔が囲まれて、それぞれの空孔が正六角形状に形成されている場合と比べて、コア領域を伝播する光の波長帯域を大きくすることができることは、上記特許文献1により示されたている。このようにして一般に製造可能なフォトニックバンドギャップファイバにおいて、本発明のフォトニックバンドギャップファイバによれば、導波可能な光の波長帯域を大きくすることができる結果となった。
ここで下記表に本発明のフォトニックバンドギャップファイバ1における比d/Λと、規格化帯域W及び規格化柱状ガラス体半径r/Λ及び透過帯域BWとの関係を示す。なお、rは柱状ガラス体の半径であり、規格化柱状ガラス体半径r/Λとは、柱状ガラス体の半径を空孔の中心間距離Λにて除した値を示す。規格化周波数は、波長1550nmにおける値である。下記表に示すように、本発明のフォトニックバンドギャップファイバ1によれば、比d/Λが0.95の場合であっても400nmを超える透過帯域BWを実現することができ、比d/Λを0.99まで拡大することができれば、850nmを超える透過帯域BWを実現することができる。
Figure 0005916943
次にフォトニックバンドギャップファイバ1の製造方法について説明する。
図8は、図1のフォトニックバンドギャップファイバを製造する工程の第1の例を示すフローチャートである。図8に示すようにフォトニックバンドギャップファイバ1の製造方法は、準備工程P1と、配置工程P2と、一体化工程P3と、線引工程P4とを備え、準備工程P1と、配置工程P2と、一体化工程P3とにより、フォトニックバンドギャップファイバ用母材が製造される。
<準備工程P1>
まず、コア用キャピラリと、複数のバンドギャップ用キャピラリと、複数のバンドギャップ用ロッドと、クラッド用キャピラリとを準備する。
コア用キャピラリは、ガラス体から成り、円筒状の形状をしている。また、複数のバンドギャップ用キャピラリは、ガラス体から成り、互いに同じ大きさ同じ肉厚の円筒状の形状をしている。バンドギャップ用キャピラリは、図1のフォトニックバンドギャップファイバ1の空孔21と同じ数準備され、コア用キャピラリを幾重にも囲むことができる数とされる。また、本実施形態では、バンドギャップ用キャピラリの内径がコア用キャピラリの内径よりも小さく、バンドギャップ用キャピラリの外径がコア用キャピラリの外径よりも小さく設定されている。また、複数のバンドギャップ用ロッドは、それぞれガラス体から成り、円柱状の形状をしている。バンドギャップ用ロッドは、後述の様にバンドギャップ用キャピラリの間に必要なだけ配置できる数準備される。また、クラッド用キャピラリは、ガラス体から成り、貫通孔にコア用キャピラリとそれぞれのバンドギャップ用キャピラリとそれぞれのバンドギャップ用ロッドとを整理して配置することができる内径を有しており、所定の肉厚とされる。
<配置工程P2>
次に、コア用キャピラリ及び複数のバンドギャップ用キャピラリ及び複数のバンドギャップ用ロッドをクラッド用キャピラリの貫通孔内に配置する。図9は本工程後の様子を示す図である。
図9に示すように本工程では、クラッド用キャピラリ28cの貫通孔28h内の中心にコア用キャピラリ10cが配置され、更に複数のバンドギャップ用キャピラリ26cがコア用キャピラリ10cを囲んで三角格子状に配置される。なお、本実施形態では、バンドギャップ用キャピラリ26cは最密配置とされる。また更にそれぞれのバンドギャップ用キャピラリ26cが3つのバンドギャップ用ロッド25rにより等間隔で囲まれるようにそれぞれのバンドギャップ用ロッド25rを3つのバンドギャップ用キャピラリ26cで囲まれる領域に配置する。つまりそれぞれのバンドギャップ用キャピラリ26cの周りには、3つのバンドギャップ用キャピラリ26cで囲まれる領域が6か所できるが、1つおきの3つの当該領域にそれぞれ1つずつバンドギャップ用ロッド25rを配置する。クラッド用キャピラリ28cの貫通孔28h内にコア用キャピラリ10c及び複数のバンドギャップ用キャピラリ26c及び複数のバンドギャップ用ロッド25rが配置された状態となる。
この状態においてそれぞれのバンドギャップ用キャピラリ26cは、3つのバンドギャップ用ロッド25rにより支えられて動きが規制され、それぞれのバンドギャップ用ロッド25rは、3つのバンドギャップ用キャピラリ26cにより支えられて動きが規制される。特に本実施形態では、上記の様にバンドギャップ用キャピラリ26cが最密配置されるため、互いに隣り合うバンドギャップ用キャピラリ26c同士が支え合って、それぞれのバンドギャップ用キャピラリ26cの動きがより一層規制されている。このようにバンドギャップ用キャピラリ26c及びバンドギャップ用ロッド25cの動きが規制されることで、コア用キャピラリの動きも規制され、この結果、コア用キャピラリ10c及びバンドギャップ用キャピラリ26c及びバンドギャップ用ロッド25cが安定する。
なお、特に図示しないが、クラッド用キャピラリ28cとバンドギャップ用キャピラリ26cとの間や、コア用キャピラリ10cとバンドギャップ用キャピラリ26cとの間といった、バンドギャップ用キャピラリ26c同士の間以外の隙間には他のガラスロッドが配置されても良い。
<一体化工程P3>
次にクラッド用キャピラリ28cの貫通孔28h内の隙間を潰して、クラッド用キャピラリ28cと複数のバンドギャップ用キャピラリ26cと複数のバンドギャップ用ロッド25rとコア用キャピラリ10cとを一体化する。本工程では、バンドギャップ用キャピラリ26cの孔やコア用キャピラリ10cの孔が潰れないようにするために、バンドギャップ用キャピラリ26cの孔及びコア用キャピラリ10cの孔には所定の圧力が加わるようにされ、それ以外の空間が真空引きされる。そして、クラッド用キャピラリ28c全体が加熱されて、貫通孔28h内の隙間が潰される。
このとき、コア用キャピラリ10cの孔10hは、フォトニックバンドギャップファイバ1のコア領域10に相当するフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pの中空のコア領域10pとなる。また、コア用キャピラリ10cは、フォトニックバンドギャップファイバ1のクラッド20の最内周側の領域に相当するフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pのクラッド20pの最内周側の領域を形成する。また、バンドギャップ用キャピラリ26cは、一部がフォトニックバンドギャップファイバ1の板状ガラス体26に相当するフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pの板状ガラス体26pとなり、他の一部がフォトニックバンドギャップファイバ1の柱状ガラス体25の外周側の一部に相当するフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pの柱状ガラス体25pの外周側の一部となる。また、バンドギャップ用ロッド25rは、フォトニックバンドギャップファイバ1の柱状ガラス体25の中心側の一部に相当するフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pの柱状ガラス体25pの中心側の一部となる。つまり、フォトニックバンドギャップファイバ1の柱状ガラス体25に相当するフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pの柱状ガラス体25pは、バンドギャップ用ロッド25rとバンドギャップ用キャピラリ26cの一部とから構成されているのである。そして、クラッド用キャピラリ28cの貫通孔28h内の隙間が潰されることで、三角格子状に配置された複数のバンドギャップ用キャピラリ26cが変形して、バンドギャップ用キャピラリ26cの孔21hは、六角形の各頂点のうち1つおきの3つの頂点が当該六角形の内部に向かって円弧状に隆起した形状となり、フォトニックバンドギャップファイバ1の空孔21に相当するフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pの空孔21pとなる。こうしてフォトニックバンドギャップファイバ用1のバンドギャップ領域27に相当するフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pのバンドギャップ領域27pが形成される。また、クラッド用キャピラリ18cは、フォトニックバンドギャップファイバ1のジャケット領域28に相当するフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pのジャケット領域28pとなる。
こうして、図10に示すように、断面の形状がフォトニックバンドギャップファイバ1のコア領域10pとクラッド20から成る領域の形状と相似であるフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pが製造される。
<線引工程P4>
図11は、線引工程P4の様子を示す図である。
まず、線引工程P4を行う準備段階として、準備工程P1から一体化工程P3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用母材1Pを紡糸炉110に設置する。そして、フォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pの中空のコア領域10pおよび各空孔21pに所定の圧力を加えながら、紡糸炉110の加熱部111を発熱させて、フォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pを加熱する。このときフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pの下端は、例えば2000℃に加熱され溶融状態となる。そして、フォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pからガラスが溶融して、ガラスが線引きされる。線引きされた溶融状態のガラスは、紡糸炉110から出るとすぐに固化して、フォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pの中空のコア領域10pがフォトニックバンドギャップファイバのコア領域10となり、フォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pのバンドギャップ領域27pがフォトニックバンドギャップファイバ1のバンドギャップ領域27となり、フォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pのジャケット領域28pがフォトニックバンドギャップファイバ1のジャケット領域28となる。こうして第1被覆層31、第2被覆層32で被覆されていない状態のフォトニックバンドギャップファイバとなる。その後、このフォトニックバンドギャップファイバは、冷却装置120を通過して、適切な温度まで冷却される。冷却装置120に入る際、フォトニックバンドギャップファイバの温度は、例えば1800℃程度であるが、冷却装置120を出る際には、フォトニックバンドギャップファイバの温度は例えば40℃〜50℃となる。
次に、フォトニックバンドギャップファイバは、第1被覆層31となる紫外線硬化性樹脂が入ったコーティング装置131を通過し、この紫外線硬化性樹脂で被覆される。更に紫外線照射装置132を通過し、紫外線が照射されることで、紫外線硬化性樹脂が硬化して第1被覆層31が形成される。次に第1被覆層31被覆されたフォトニックバンドギャップファイバは、第2被覆層32となる紫外線硬化性樹脂が入ったコーティング装置133を通過し、この紫外線硬化性樹脂で被覆される。更に紫外線照射装置134を通過し、紫外線が照射されることで、紫外線硬化性樹脂が硬化して第2被覆層32が形成され、図1に示すフォトニックバンドギャップファイバ1となる。
そして、フォトニックバンドギャップファイバ1は、ターンプーリー141により方向が変換され、リール142により巻取られる。
本実施形態によるフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pの製造方法及びフォトニックバンドギャップファイバ1の製造方法は、スタックアンドドロー法を用いて安定してフォトニックバンドギャップファイバを製造できる。具体的には、上記製造過程において、フォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pのバンドギャップ領域27pを形成するために配置された複数のバンドギャップ用キャピラリ26cが3つのバンドギャップ用ロッド25rにより囲まれて支えられ、バンドギャップ用ロッド25rが3つのバンドギャップ用キャピラリ26cにより囲まれて支えられる。こうして、バンドギャップ用キャピラリ26cとバンドギャップ用ロッド25rとが互いに支え合い安定する。従って、スタックアンドドロー法を用いて、安定してフォトニックバンドギャップファイバを製造できる。従って、上記のような製造方法によれば、導波可能な光の波長帯域を大きくすることができるフォトニックバンドギャップファイバ1を容易に製造することができるのである。
次にフォトニックバンドギャップファイバ1の他の製造方法について説明する。
図12は、図1のフォトニックバンドギャップファイバを製造する工程の第2の例を示すフローチャートである。図12に示すように本例のフォトニックバンドギャップファイバ1の製造方法は、一体化工程を有さずフォトニックバンドギャップファイバ用母材1Pを製造しない点において、上記のフォトニックバンドギャップファイバ1の製造方法と異なる。
まず、上記のフォトニックバンドギャップファイバ1の製造方法と同様にして、準備工程P1と配置工程P2とを行う。次に図9に示すように、クラッド用キャピラリ28cの貫通孔28h内にコア用キャピラリ10cと複数のバンドギャップ用キャピラリ26cと複数のバンドギャップ用ロッド25rとが配置された状態で、線引工程を行う。
本例では、線引工程を行う準備段階として、クラッド用キャピラリ28cと貫通孔28h内にコア用キャピラリ10cと複数のバンドギャップ用キャピラリ26cと複数のバンドギャップ用ロッド25rとがずれないように、これらに治具を取り付ける。そして、治具が取り付けられたクラッド用キャピラリ28cと貫通孔28h内にコア用キャピラリ10cと複数のバンドギャップ用キャピラリ26cと複数のバンドギャップ用ロッド25rとを図11に示す紡糸炉110に設置する。このとき本例では、バンドギャップ用キャピラリ26cの孔やコア用キャピラリ10cの孔が潰れないようにするために、バンドギャップ用キャピラリ26cの孔及びコア用キャピラリ10cの孔には所定の圧力が加わるようにされ、それ以外の空間が真空引きされる。そして、紡糸炉110の加熱部111を発熱させて、クラッド用キャピラリ28cと貫通孔28h内にコア用キャピラリ10cと複数のバンドギャップ用キャピラリ26cと複数のバンドギャップ用ロッド25rとを加熱する。そして、貫通孔28h内の隙間が潰されながらガラスが線引きされ、線引きされた溶融状態のガラスは、紡糸炉110から出るとすぐに固化して、第1被覆層31、第2被覆層32で被覆されていない状態のフォトニックバンドギャップファイバとなる。つまり本例では、上記第1の例の一体化工程P3と線引工程P4とを同時に行っている。
このとき、コア用キャピラリ10cの孔はフォトニックバンドギャップファイバのコア領域10となり、コア用キャピラリ10cはフォトニックバンドギャップファイバのクラッド20の最内周側の領域となり、バンドギャップ用キャピラリ26cの一部がフォトニックバンドギャップファイバの板状ガラス体26となり他の一部がフォトニックバンドギャップファイバの柱状ガラス体25の外周側の一部となり、バンドギャップ用ロッド25rはフォトニックバンドギャップファイバの柱状ガラス体25の中心側の一部となり、クラッド用キャピラリ18cはフォトニックバンドギャップファイバのジャケット領域28となる。
その後、フォトニックバンドギャップファイバは上記第1の例と同様にして第1被覆層31、第2被覆層32で被覆され、フォトニックバンドギャップファイバ1は第1の例と同様にしてリール142により巻取られる。
本例のフォトニックバンドギャップファイバ1の製造方法によっても、上記第1の例と同様の配置工程を経るため、導波可能な光の波長帯域を大きくすることができるフォトニックバンドギャップファイバ1を容易に製造することができる。
以上、本発明について、実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、上記実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ1の製造方法の配置工程P2では、バンドギャップ用キャピラリ26を最密配置したが、本発明はこれに限らず、互いに隣り合うバンドギャップ用キャピラリ26の間に隙間を空けた状態で、バンドギャップ用キャピラリ26を三角格子状に配置しても良い。この場合、バンドギャップ用キャピラリ26が最密配置される場合と比べてバンドギャップ用ロッド25rを太くすることができ、太い柱状ガラス体25を形成することができる。
以上説明したように、本発明によれば、容易に製造することができ導波可能な光の波長帯域を大きくすることができるフォトニックバンドギャップファイバを実現可能なフォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法、フォトニックバンドギャップファイバの製造方法、及び、フォトニックバンドギャップファイバ用母材、及び、フォトニックバンドギャップファイバが提供され、光通信の技術分野等においての利用が期待される。
1・・・フォトニックバンドギャップファイバ
1P・・・フォトニックバンドギャップファイバ用母材
10・・・フォトニックバンドギャップファイバのコア領域
10p・・・フォトニックバンドギャップファイバ用母材のコア領域
10c・・・コア用キャピラリ
18c・・・クラッド用キャピラリ
20・・・フォトニックバンドギャップファイバのクラッド
20p・・・フォトニックバンドギャップファイバ用母材のクラッド
21・・・フォトニックバンドギャップファイバの空孔
21p・・・フォトニックバンドギャップファイバ用母材の空孔
22・・・ガラス体
25・・・フォトニックバンドギャップファイバの柱状ガラス体
25p・・・フォトニックバンドギャップファイバ用母材の柱状ガラス体
25r・・・バンドギャップ用ロッド
26・・・フォトニックバンドギャップファイバの板状ガラス体
26c・・・バンドギャップ用キャピラリ
26p・・・フォトニックバンドギャップファイバ用母材の板状ガラス体
27・・・フォトニックバンドギャップファイバのバンドギャップ領域
27p・・・フォトニックバンドギャップファイバ用母材のバンドギャップ領域
28・・・フォトニックバンドギャップファイバのジャケット領域
28h・・・貫通孔
28c・・・クラッド用キャピラリ
28p・・・フォトニックバンドギャップファイバ用母材のジャケット領域
31・・・第1被覆層
32・・・第2被覆層
110・・・紡糸炉
111・・・加熱部
120・・・冷却装置
131・・・コーティング装置
132・・・紫外線照射装置
133・・・コーティング装置
134・・・紫外線照射装置
141・・・ターンプーリー
142・・・リール
HEX・・・六角形
P1・・・準備工程
P1・・・準備工程
P2・・・配置工程
P3・・・一体化工程
P4・・・線引工程

Claims (12)

  1. コア用キャピラリと、複数のバンドギャップ用キャピラリと、複数のバンドギャップ用ロッドと、クラッド用キャピラリと、を準備する準備工程と、
    前記クラッド用キャピラリの孔内において、前記複数のバンドギャップ用キャピラリが前記コア用キャピラリを囲んで三角格子状に配置されるように前記コア用キャピラリ及びそれぞれの前記バンドギャップ用キャピラリを配置すると共に、それぞれの前記バンドギャップ用キャピラリが3つの前記バンドギャップ用ロッドにより等間隔で囲まれるようにそれぞれの前記バンドギャップ用ロッドを3つの前記バンドギャップ用キャピラリで囲まれる領域に配置する配置工程と、
    前記クラッド用キャピラリの前記孔内の隙間を潰して、前記クラッド用キャピラリと前記複数のバンドギャップ用キャピラリと前記複数のバンドギャップ用ロッドと前記コア用キャピラリとを一体化する一体化工程と、
    を経て製造されるフォトニックバンドギャップファイバ用母材を線引きする線引工程を備え、
    前記バンドギャップ用キャピラリによって形成される空孔の直径dと互いに隣り合う前記空孔の中心間距離Λとの比d/Λが0.95以上0.995以下とされると共に、前記バンドギャップ用ロッドによって形成される柱状ガラス体の半径と前記中心間距離Λとの比r/Λが0.21以上0.08以下とされる
    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。
  2. 前記複数のバンドギャップ用キャピラリは、最密配置される
    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造方法。
  3. 前記バンドギャップ用ロッドの半径は、前記バンドギャップ用キャピラリの肉厚よりも大きい
    ことを特徴とする請求項1または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。
  4. コア用キャピラリと、複数のバンドギャップ用キャピラリと、複数のバンドギャップ用ロッドと、クラッド用キャピラリと、を準備する準備工程と、
    前記クラッド用キャピラリの孔内において、前記複数のバンドギャップ用キャピラリが前記コア用キャピラリを囲んで三角格子状に配置されるように前記コア用キャピラリ及びそれぞれの前記バンドギャップ用キャピラリを配置すると共に、それぞれの前記バンドギャップ用キャピラリが3つの前記バンドギャップ用ロッドにより等間隔で囲まれるようにそれぞれの前記バンドギャップ用ロッドを3つの前記バンドギャップ用キャピラリで囲まれる領域に配置する配置工程と、
    前記クラッド用キャピラリの前記孔内の隙間を潰して、前記クラッド用キャピラリと前記複数のバンドギャップ用キャピラリと前記複数のバンドギャップ用ロッドと前記コア用キャピラリとを一体化しながら線引きする線引工程と、
    を備え
    前記バンドギャップ用キャピラリによって形成される空孔の直径dと互いに隣り合う前記空孔の中心間距離Λとの比d/Λが0.95以上0.995以下とされると共に、前記バンドギャップ用ロッドによって形成される柱状ガラス体の半径と前記中心間距離Λとの比r/Λが0.21以上0.08以下とされ
    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。
  5. 前記複数のバンドギャップ用キャピラリは、最密配置される
    ことを特徴とする請求項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。
  6. 前記バンドギャップ用ロッドの半径は、前記バンドギャップ用キャピラリの肉厚よりも大きい
    ことを特徴とする請求項または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。
  7. 前記コア用キャピラリに接する位置には前記バンドギャップ用ロッドが非配置とされる
    ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項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。
  8. 中空のコア領域と、
    前記コア領域を囲みガラス体に複数の空孔が形成されるハニカム状のバンドギャップ領域と、
    を備え、
    前記バンドギャップ領域の前記空孔は、六角形における1つおきの3つの頂点上に配置される柱状ガラス体、及び、前記柱状ガラス体と前記六角形の他の3つの頂点とを結ぶように配置される板状ガラス体により囲まれ、
    前記柱状ガラス体は三角格子状に配置され
    前記空孔の直径dと互いに隣り合う前記空孔の中心間距離Λとの比d/Λが0.95以上0.995以下とされると共に、前記柱状ガラス体の半径と前記中心間距離Λとの比r/Λが0.21以上0.08以下とされ
    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。
  9. 前記コア領域に接する位置には、前記柱状ガラス体が非配置とされる
    ことを特徴とする請求項8に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
  10. コア用キャピラリと、複数のバンドギャップ用キャピラリと、複数のバンドギャップ用ロッドと、クラッド用キャピラリと、を準備する準備工程と、
    前記クラッド用キャピラリの孔内において、前記複数のバンドギャップ用キャピラリが前記コア用キャピラリを囲んで三角格子状に配置されるように前記コア用キャピラリ及びそれぞれの前記バンドギャップ用キャピラリを配置すると共に、それぞれの前記バンドギャップ用キャピラリが3つの前記バンドギャップ用ロッドにより等間隔で囲まれるようにそれぞれの前記バンドギャップ用ロッドを3つの前記バンドギャップ用キャピラリで囲まれる領域に配置する配置工程と、
    前記クラッド用キャピラリの前記孔内の隙間を潰して、前記クラッド用キャピラリと前記複数のバンドギャップ用キャピラリと前記複数のバンドギャップ用ロッドと前記コア用キャピラリとを一体化する一体化工程と、
    を備え
    前記コア用キャピラリに接する位置には前記バンドギャップ用ロッドが非配置とされる
    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用母材の製造方法。
  11. 前記複数のバンドギャップ用キャピラリは、最密配置される
    ことを特徴とする請求項10に記載のフォトニックバンドギャップファイバ用母材の造方法。
  12. 前記バンドギャップ用ロッドの半径は、前記バンドギャップ用キャピラリの肉厚よりも大きい
    ことを特徴とする請求項10または11に記載のフォトニックバンドギャップファイバ用母材の製造方法。
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