JP2002537575A - フォトニック結晶ファイバ及びこれに係る改良 - Google Patents

フォトニック結晶ファイバ及びこれに係る改良

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Abstract

(57)【要約】 長手方向孔（１３０、１４０）および導波コア（１３５）の配列を有するバルク材料を備えたフォトニック結晶ファイバであって、ファイバは、長手方向軸線のまわりに最大で２重の回転対称を有し、その結果として対称性が欠如して、ファイバは複屈折を示す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶ファイバおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
フォトニック結晶ファイバは光ファイバの特殊形態である。光ファイバは、通
信、レーザ加工、レーザ溶接、レーザビーム伝送、レーザ出力伝送、ファイバレ
ーザ、センサ、医療診断および外科手術を含む多くの分野で使用されている。光
ファイバは、典型的にはガラスなどの透明な固体材料から全体が製造され、各フ
ァイバは典型的にはその長さに沿って同一断面構造を有している。透明材料は、
断面構造の一部分（通常は中央）での屈折率が残部の屈折率よりも高く、全反射
により光をガイドする光学的コアを形成している。その様なファイバを標準ファ
イバと称する。
【０００３】 単一モードの光ファイバは、導波性能に優れているので、多数の応用分野で好
適する。しかしながら、一般には、いわゆる単一モード光ファイバでさえ、伝搬
する光の偏光を十分に制御していない。単一モードファイバと称される理由は、
このファイバが、問題となる周波数において唯一つの横空間モードのみをサポー
トするからである。しかし、その空間モードは、２つの偏光状態すなわち直交方
向に偏光された２つの縮退モードで存在する。実際のファイバでは、欠陥により
これらのモードの縮退が破壊されて、モーダル複屈折が生じることになる。すな
わち、モード伝搬定数βは、直交モードの各々で僅かに異なる。モーダル複屈折
率はランダムな欠陥により生じるので、伝搬定数は、ファイバに沿ってランダム
に変化することになる。一般に、ファイバ内に導入される光は両モードで伝搬し
、ファイバ内で僅かに屈曲されると共に捻られると一方のモードから他方のモー
ドへ結合される。そして、直線偏光された光は、ファイバに沿って伝搬する間、
任意の偏光状態になろうとする。
【０００４】 標準ファイバでのモードの偏光を維持するべく、小さい欠陥により有意な効果
が生じないようにするため、（２つの偏光モードの有効屈折率が異なるものにな
るように、）複屈折をファイバに故意に導入することができる。ファイバの光軸
の一つに平行な方向に光が直線偏光されていれば、光はその偏光を維持すること
になる。そして、直線偏光の角度がそれとは幾分違っていれば、光がファイバを
伝搬する間に偏光がビート長ＬBとして公知の周期で変化して、直線から楕円に
また直線に（開始偏光と同等でない）更に楕円に、また、再度直線に戻る。ここ
で、ＬB＝２π／│βｘ−βｙ│であり、βｘ及びβｙは直交モードの伝搬定数
である。その変化は、モードの２つの直交成分間の位相差から生じ、位相差は両
者の伝搬定数差によるものである。ビート長が短いほど、偏光スクランブル効果
に対するファイバの弾性が大きくなる。典型的には、従来の偏光保持ファイバは
、ミリメートルのオーダのビート長を有する。複屈折の強さはパラメータＢ＝│
βｘ−βｙ│／ｋ0＝│ｎｘ−ｎｙ│により表せ、ここで、ｋ0＝２π／λ（λは
波長）であり、ｎｘ及びｎｙは直交モードの屈折率である。
【０００５】 最近の数年間において、非標準タイプの光ファイバが実施され、フォトニック
結晶ファイバ（ＰＣＦ）と呼ばれている。典型的には、これは単一の透明固体材
料から製造され、材料中に空気孔の周期配列が埋め込まれている。空気孔は、フ
ァイバ軸と平行にファイバ全長にわたって延びている。定常配列内での単一の空
気孔欠如形式の欠陥により、高屈折率領域が形成される。この領域内では、標準
ファイバでの全反射ガイドと類似の方法で光がガイドされる。別の導波機構は、
全反射ではなくてフォトニックバンドギャップ効果に基づく。フォトニックバン
ドギャップによる導波は、空気孔配列を好適に設計することにより得ることがで
きる。特定の伝搬定数を有する光は、コア内に閉じ込めることができ、コア内を
伝搬することになる。
【０００６】 フォトニック結晶ファイバは、ガラスケーンを所望形状にスタックすることに
より製造可能である。ガラスケーンの幾つかは、巨視的なスケールではキャピラ
リである。次いで、ガラスケーンを適所に保持しつつ溶融し、さらにファイバに
線引きする。ＰＣＦは、波長の非常に広い領域にわたって単一モードで光をガイ
ドする能力や比較的広いモード領域で単一モードに留まる光をガイドする能力な
どの、希な性質を有している。
【０００７】 複屈折は、幾つかの機構により作り出すことができる。複屈折は、材料の偏光
の異方性、すなわち原子レベルでの異方性により発生可能である。また、原子よ
りも大きいスケールでの材料構造要素の配列により発生可能である。その現象は
形状複屈折として公知である。また、複屈折は、機械的応力により発生可能であ
る。その現象は、応力複屈折または光弾性効果として公知である。標準ファイバ
において、形状複屈折は、ファイバの断面形状を変えることにより達成される。
例えば、コアやクラッドを楕円状にする。ガイド性の弱いファイバでの複屈折は
一般に弱い（Ｂ〜１０-6）。そして、ファイバプリフォームにおいてファイバコ
アの両側にほう珪酸ガラスのロッドを挿入することにより応力複屈折を生じさせ
ることができる。ほう珪酸ロッドの位置や形状を変化させることにより、複屈折
のレベルを異ならせることができる。応力により発生した複屈折により、Ｂ〜１
０-4が得られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
標準ファイバでの複屈折の発生に用いられる方法、従って、標準の偏光保持フ
ァイバを作るのに用いられる方法は、一般には、フォトニック結晶ファイバでの
使用には直接には好適しない。 本発明の目的は、ファイバを偏光保持ファイバとして使用可能とするような複
屈折性のフォトニック結晶ファイバを提供することにある。本発明の別の目的は
、その様なファイバを製造する方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、長手方向孔とガイドコアとの配列を有したバルク材料を備え
るフォトニック結晶ファイバが提供され、ここで、ファイバは、長手方向軸線（
すなわち任意の長手方向軸線）のまわりに最大で２重の回転対称を有し、対称の
欠如の結果としてファイバが複屈折性を示す。
【００１０】 孔の配列は、コアの存在を除き実質的に周期的で良い。 好ましくは、複屈折は、ファイバ内を伝搬する１．５ミクロンの波長の光が１
ｃｍ未満のビート長を有するようなものである。より好ましくは、複屈折は、フ
ァイバを伝搬する１．５ミクロンの波長の光が５ｍｍ未満のビート長を有するも
のである。より好ましくは、複屈折は、ファイバ内を伝搬する１．５ミクロンの
波長の光が１ｍｍ未満、好ましくは０．５ｍｍ未満のビート長を有するようなも
のである。そのような短いビート長は、標準ファイバでは一般には得ることがで
きない。勿論、特定のファイバは、１．５ミクロンの波長で光をガイドしないこ
とがある。その様な場合、導波波長でのビート長は、１．５ミクロンでの等価ビ
ート長に容易に増減可能である。例えば、１．５５ミクロンの波長における１ｍ
ｍのビート長は、６３３ｎｍの波長での０．４１ｍｍのビート長と等価である。
また、１．５５ミクロンの波長での０．５ｍｍのビート長は、６３３ｎｍの波長
での０．２１ｍｍのビート長と等価である。
【００１１】 実際のファイバにおいて、構造中の僅かな異常は不可避であることが分かり、
これは、如何なる観点においても完全な対称性を有するファイバが存在しないこ
とを意味する。しかしながら、容易に分かるように、従来のフォトニック結晶フ
ァイバでは、実際のファイバが相当度合の回転対称（最も通常には６重の回転対
称）を有するものとなっており、また、完全な対称を有する理論的なファイバの
ものと類似の挙動をファイバがなすようにするためその対称は十分に強いものに
なっている。同様に、最大で２重の回転対称を有するファイバについてみた場合
、ファイバが高い対称性を厳密には有しないばかりでなく、対称性の高いファイ
バのようには挙動しないものになっていることが分かる。
【００１２】 最も広い観点において、本発明は、ファイバの如何なる観点においても高い回
転対称性を欠くものになっている。最も典型的には、対称性の欠如は、ファイバ
の内部的な微細構造の幾つかの特徴、通常は孔の配列の特徴によるもので良く、
一方、ファイバの全体的な断面形状は円形で良く、従って円形対称になっている
。本発明の範囲内において、孔の配列は３重以上の回転対称を有するが、その他
の観点ではファイバは３重以上の回転対称を欠く。その様な配列の例を以下に述
べる。
【００１３】 好ましくは、ファイバは２重の回転対称を有する。 好ましくは、回転対称は、コアを通る軸線についての対称性である。 ファイバが３重以上の回転対称を有する場合、直線偏光された光は、２以上の
軸（直交する必要はない）に対して平行に偏光されたときには同一の伝搬定数β
を有する。回転対称を備えた実際のファイバの場合のように、ファイバ内の欠陥
により、これらの軸の各々に平行に偏光されたモード間で電力伝送が生じる。結
局、最初に直線偏光された光は、追加のモードを励起し、また速やかにランダム
に偏光されることになる。
【００１４】 コアは孔を含むものでよい。この孔は、空気以外の材料で充填されても良い。
或いは、コアは孔を含まなくても良い。 孔の配列は、ファイバの長手方向軸線に平行な軸線に関して最大で２重の回転
対称を有しても良い。これに代えて、孔の配列は、ファイバの長手方向軸線に平
行な軸のまわりに３重以上の回転対称を有しても良い。回転対称は、コアを通る
軸線のまわりでの対称性で良い。
【００１５】 より高い回転対称の欠如は、少なくとも部分的には、コアの微小構造、孔の直
径、バルク材料、孔内に含まれる材料または孔の形状のうちの一つ以上の、ファ
イバ断面方向におけるバラツキ（変化や相違）から生じるもので良い。形状のバ
ラツキは、ファイバの線引き中にファイバに生じる応力に起因する変形によるも
ので良い。より高い回転対称の欠如は、コアの微小構造、孔の直径、バルク材料
、孔に含まれる材料および孔の形状のうちの一つとこれらのパラメータの一つ以
上との組合せにおけるファイバ断面方向でのバラツキから生じるもので良く、ま
たは、これらのパラメータの一つと別のパラメータのバラツキとの組合せにおけ
るファイバ断面方向でのバラツキから生じるもので良い。
【００１６】 複屈折ファイバは、形状複屈折およびまたは応力複屈折を有するものでよい。
標準ファイバにおける形状複屈折は所望の短いビート長を与えるには不十分であ
るが、フォトニック結晶ファイバには潜在的により大きい屈折率差があり、これ
により、強い形状複屈折を発生することができる。線引きプロセス中でのファイ
バ内の応力パターンにより、ファイバコアを包囲する空気孔の幾つかが一つの軸
線に沿って歪みを生じた場合に、標準ファイバによっては不可能な新たな効果が
現出し、これにより追加の複屈折が付与される。
【００１７】 本発明によれば、複屈折フォトニック結晶ファイバの製造方法が提供される。 この方法は、（ａ）ケーンのスタックを形成する工程と、（ｂ）ケーンのスタ
ックを複屈折ファイバに線引きする工程とを備え、工程（ａ）において、ケーン
の少なくとも幾つかはキャピラリであり、前記スタックは、ファイバ内にコア領
域を形成するように配されたケーンとファイバ内にクラッド領域を形成するよう
に配されたケーンとを含み、工程（ｂ）において、複屈折ファイバは任意の長手
方向軸線に関して最大で２重の回転対称を有する。
【００１８】 複屈折は、フォトニック結晶ファイバのプリフォームを製造するのに用いられ
る方法を変形した方法により導入される。製造手順の変形は、プリフォームを備
える、ケーンの周期的スタックでの材料の対称を最大で２重の対称に減じること
からなるもので良い。一般に、その様な構造は、導波モードの形状およびフォト
ニック結晶構造内の応力パターンの双方を変化させることになる。
【００１９】 複屈折を導入可能とする一つの方法は、格子サイトの２重対称対において、異
なるキャピラリをプリフォーム中に含めることによる。これらの含有物は、導波
モードの形状（「形状複屈折」）を変えるようにコアの近くに配置可能であり、
或いは、コアから幾らか離れて配置可能であるが、異なる性質を有する材料で構
成する必要があり、これによりファイバコア内の応力パターン（「応力複屈折」
）を変化させる。このプリフォームは、異なるタイプのキャピラリからファイバ
プリフォームの実質的な部分を形成することにより、複屈折を導入するように構
成可能であり、これは応力複屈折および形状複屈折の双方を導入するものである
。導波クラッドを形成する基礎的な周期的格子は、名目上は同一の外径を有する
キャピラリを密接にパックした配列であることがあり、或いは、一般には異なる
形態的特性を備えて異なる周期構造を形成するキャピラリの配列であることがあ
る。正方格子は、キャピラリと異なる直径を有するロッドとから形成可能である
。正方格子または長方形格子は、クラッド用の本来複屈折性の結晶構造を作るた
めに使用でき、偏光保持フォトニック結晶ファイバの設計を簡易にする。
【００２０】 キャピラリの内径、ケーンの構成材料、キャピラリ内に充填される材料および
またはケーンの外径をスタック断面方向にばらつかせることにより、より高い回
転対称の欠如を少なくとも部分的に生じさせても良い。 ケーンは、コアを形成するように配されたケーンの中心に関して最大で２重の
回転対称を有するクラッド格子の頂点に設けても良い。選択された内径を有した
キャピラリを、コアを形成するように配されたケーンの中心に関して最大で２重
の回転対称を有するクラッド格子の頂点に設けても良く、クラッド格子の頂点に
設けられるキャピラリの、選択された直径は、その他の場所にあるキャピラリの
直径と異なる。
【００２１】 コアを形成するように配されたケーンの近くで、クラッドケーンの実質的な数
は、異なっても良い。 複屈折は、ファイバの線引き中にファイバ内に形成される応力から少なくとも
部分的に生じるもので良い。この応力は、最大で２重の回転対称を有する場所に
、ケーンを含有させることにより導入可能であり、このケーンは、格子内のその
他のケーンの少なくとも幾つかの構成材料と異なる材料で構成される。また、応
力は、最大で２重の回転対称を有する場所に、その他のキャピラリの少なくとも
幾つかが有するキャピラリ壁厚と異なる壁厚を有するキャピラリを含めることに
より導入可能である。
【００２２】 応力は、線引きしたファイバのコアを包囲する孔の変形を生じるもので良く、
その変形により複屈折が生じる。 応力は、線引きしたファイバのコア内に応力を生じるものでよく、これらの応
力は複屈折を生じさせることになる。 より高い回転対称の欠如は、スタックの線引き中にキャピラリの少なくとも一
つを予圧およびまたは排気することにより、少なくとも部分的に生じるものでよ
い。
【００２３】 上記方法のいずれかにおいて、ケーンのスタックの回転対称は好ましくは２重
の回転対称である。 本発明によれば、フォトニック結晶ファイバの製造方法が提供され、この方法
は、（ａ）各々が長手方向軸線、第１端および第２端を有した複数の細長いケー
ンを設ける工程と、（ｂ）ケーンのスタックを形成する工程と、（ｃ）少なくと
も一つのキャピラリの孔を流体源と第１圧力で連通した状態に維持すると共に前
記キャピラリの回りの圧力を前記第１圧力と異なる第２圧力に維持しつつ、前記
スタックをファイバに線引きする工程とを備え、工程（ａ）において、前記ケー
ンの少なくとも幾つかは、ケーンの前記長手方向軸線と平行に前記ケーンの前記
第１端から前記第２端へ延びる孔を各々有したキャピラリであり、工程（ｂ）に
おいて、これらのケーンはこれらの長手方向軸線が互いに実質的に平行で且つ前
記スタックの長手方向軸線に平行になるように配され、工程（ｃ）において、前
記線引きプロセス中、前記第１圧力にある孔は、圧力差がない場合にとる寸法と
異なる寸法になることを特徴とする。
【００２４】 この新規な方法において、ファイバ構造の線引き中、このファイバ構造には実
質的でかつ制御された変化が発生可能である。例えば、線引き中に空気孔の制御
された膨張が生じることがある。先行技術に係るフォトニック結晶ファイバにお
いて、所要の微細構造が巨視的スケールで作られ、次に、これをファイバに線引
きすることによりスケールが低減される。
【００２５】 好ましくは、ケーンのスタックの少なくとも部分長にわたってチューブがケー
ンのスタックを包囲し、このチューブの内部は第２圧力に維持される。 「空気孔の膨張」との語句が、圧力差がない場合にとり得るサイズよりも（キ
ャピラリの長手方向軸線に対して垂直な断面で）サイズの大きい空気孔の生成を
指していることが後で明らかになる。実際、線引きにより作られたファイバは、
ファイバ製造のためのプリフォーム（ここではケーンのスタック）よりも全断面
積が極めて小さい。また、本発明での空気孔は、一般には、絶対的な語義におい
て、「膨張」するものではない。
【００２６】 従って、線引き中の変化は主に２つの方法で制御可能である。すなわち、好ま
しくは壁が厚く且つシリカからなり、最終的なファイバと共に細く引き延ばされ
て最終的なファイバの一部分を形成するチューブでは、或る特定の孔に圧力差を
加えたり、プリフォーム全体を包囲するという方法を用いる。好ましくは、チュ
ーブは、圧力差なしの場合に生じる変形と大きく異なるような変形を来さない。
【００２７】 好ましくは、このチューブは、第１内圧にある少なくとも一つの孔の膨張を制
限する。 好ましくは、ケーンのスタックは、任意の長手方向軸線のまわりに最大で２重
の回転対称を有する。その様なスタックは、複屈折ファイバの線引きに使用可能
である。
【００２８】 好ましくは、線引きプロセス中、 チューブは、排気可能構造の第１端にシールされ、同チューブの第２端は排気
可能構造内にあり、 キャピラリの少なくとも幾つかは排気可能構造を通り、また、その第２端にシ
ールされ、 第２内圧を発生させるため前記排気可能構造は実質的に排気される。 好ましくは、排気可能構造は金属チューブである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、単に例示として本発明の一実施形態を添付図面を参照して説明する。 図１に例示するような標準ファイバは、最も簡易な形式では、円筒状コア１０
と同心の円筒状クラッド２０とを備える。典型的には、コア及びクラッドの双方
は同一の材料、通常はシリカから形成されるが、コア１０の屈折率を増大させる
と共にクラッド２０の屈折率を低減させるために各々にその他の材料がドープさ
れる。好適な波長の光は、コア１０内に限定され、コア・クラッド境界１５での
全反射によりコア内でガイドされる。
【００３０】 図２に示す典型的なフォトニック結晶ファイバは、透明なバルク材料３０（例
えばシリカ）を備え、円筒状孔４０の格子を有している。円筒孔は長さ方向に延
びている。これらの孔は、正六角形の頂点および中心に配されている。これらの
孔は一定周期を有するが、ファイバ中心付近の一つの孔が除去されることにより
、この周期が壊されている。除去された孔の場所を包囲するファイバの領域５０
は、バルク材料３０の屈折率を有する。ファイバの残部の屈折率は、バルク材料
３０の屈折率と孔４０内の空気の屈折率とによる。空気の屈折率は、例えばシリ
カの屈折率よりも小さく、この結果、孔を有した材料の「有効屈折率」は除去さ
れた孔を包囲する領域５０の屈折率よりも小さい。従って、ファイバは、標準フ
ァイバにおける全反射による導波に類似の方法で、光を領域５０内に略閉じ込め
ることになる。従って、領域５０を、フォトニック結晶ファイバの「コア」と称
する。
【００３１】 別の態様のフォトニック結晶ファイバでは、フォトニックバンドギャップによ
る導波が、光をファイバ「コア」内に閉じ込めるように作用する。図３に示した
その様なファイバの例において、バルク材料３０には孔７０のマトリックスがあ
る。これらの孔は、正六角形の頂点（中心ではない。図２と比較のこと）に配さ
れ。正六角形は６重の回転対称を有している。このマトリックスの規則性がここ
でも欠陥により壊されるが、図示例において、ファイバの中心近くにある格子六
角形の一つの中心にある追加の孔６０が欠陥を構成している。追加の孔６０を包
囲する領域をファイバのコアと称することができる。（しばらく）孔６０を無視
すると、ファイバ内の孔の周期性により、ファイバ内を伝搬可能な光の伝播定数
にバンドギャップが生じる。孔６０を追加することにより、ファイバの残部でサ
ポートされる伝搬定数と異なる伝搬定数をサポート可能な領域が有効に形成され
る。孔６０の領域内でサポートされる伝搬定数の幾つかが、ファイバの残部で禁
止される伝搬定数のバンドギャップ内に入るものであれば、その様な伝搬定数を
有した光は、コア内に閉じ込められてコア内を伝搬することになる。孔６０が低
屈折率欠陥（欠陥がなければバルク材料が占める場所に欠陥があると空気が存す
ることになる）であるので、図示例では全反射効果による導波が行われないこと
に留意のこと。
【００３２】 フォトニック結晶ファイバは、図４に一つのステージを示すプロセスにより製
造可能である。そのプロセス（図示略）の第１ステージでは、バルク材料（たと
えばシリカ）のシリンダが、同シリンダが六角断面になるように加工され、その
中心に沿って孔がドリル加工される。次いで、このロッドは、ファイバ線引き塔
を用いてケーンに線引きされる。このケーンは、適宜の長さに切断され、その結
果得た短いケーン８０がスタックされて図４に示すようにケーン配列を形成する
。図示した配列の中心にあるケーン１００はキャピラリではない。すなわち、こ
のケーンは孔を有していない。図示の配列は、有効屈折率導波型のファイバを形
成することになる。ケーン８０の配列は互いに溶融され、次いで、最終的なフォ
トニック結晶ファイバ１１０に線引きされる。
【００３３】 図５に示したファイバは、孔の格子１２０を有している。これらの孔は、正方
形ではない矩形の頂点に配されている。ファイバ断面の中心の近くの領域１２５
内の孔を除去することにより、格子の周期性が壊されている。軸ｘ（ピッチΛｘ
）と平行な方向における孔の中心間距離（ピッチ）は、軸ｙに平行な方向でのピ
ッチ（Λｙ）と異なる。図５に示したファイバは、矩形断面を有するように加工
されたケーンを用いて製造可能である。図５の格子は２重の回転対称を有し、従
って複屈折を示す。
【００３４】 図６及び図７は、図２のファイバのものと同様の六方格子を有する有効屈折率
導波型ファイバであるフォトニック結晶ファイバを示す。その様な格子は、本来
は複屈折性を呈しない。しかしながら、図６及び図７の格子において、孔１４０
は孔１３０よりも直径が大きい。格子における異方性により、格子から孔が除去
された領域１３５に関して孔の２重回転対称パターンが作り出される。
【００３５】 図６における大きい孔１４０のパターンは、標準ファイバにおける形状複屈折
のものに類似の効果を有している。「コア」１３５の近くでの孔径のバラツキす
なわち相違は、導波モードにより見られる有効屈折率のバラツキすなわち相違を
直接に作り出す。 図７における大きい孔１４０のパターンは、標準ファイバでの複屈折の発生と
同様な方法で複屈折を発生させる応力をコア内に作り出す。標準ファイバでは不
可能な新たな効果は、ファイバ内の応力パターンが、線引きプロセス中に、ファ
イバコア１３５を包囲する空気孔の幾つかを一つの軸線に沿って歪ませて、追加
の複屈折を与えるというものである。
【００３６】 図８に図示した別の代替策は、（孔が異なる誘電率を有するように）空気以外
の材料を孔１５０の幾つかに充填するというものである。ここでも、格子の６重
の回転対称が２重の回転対称に減じられる。 図９に示したケーンのスタックは、キャピラリである大径のケーン１６０、小
径の固体ケーン１７０および大径の固体ケーン１８０という３つのタイプを有し
ている。ケーンは、大径のケーン１６０が正方格子を構成するように配され、正
方格子は、中央部位にある欠陥により壊される。この欠陥は、大径の固体ケーン
１８０である。ケーン１６０の円形断面の非格子性状から生じる隙間ギャップに
は、小径のケーン１７０が充填される。
【００３７】 ２重の対称を有するフォトニック結晶ファイバを図１０に示す。このファイバ
は、図９のスタックに類似の方法で配されたケーンのスタックから構成可能な格
子構造を有している。固体ケーン１８０は欠陥２１０に類似の欠陥を生じる。こ
の場合、しかしながら、一列おきの孔（１９０、２００）の直径はそれぞれ大お
よび小である。その様な効果は、内径が大および小であるケーン１６０（但し外
径は一定）を一列おきに設けることにより図９の格子により達成可能である。
【００３８】 図１１のファイバが、図９のスタックから作り得るような略正方格子を有する
ことが分かるであろう。 図１２は、キャピラリであるケーン２２０のスタックを示す。これらのケーン
は六方格子上に配され、この六方格子の構成上の周期性は固体ケーン２４０によ
り壊される。注目すべきは、写真の中央に示した一列のケーンが、その他のキャ
ピラリの壁２３０よりも厚い壁２５０を有したキャピラリであることである。フ
ァイバをケーンのスタックから線引きする場合、その様な配列により、図１３に
示すもののように、ファイバ中のその他の孔よりも直径が小さい一列の孔２６０
を有したファイバが生じる。
【００３９】 各種パラメータが変化したキャピラリおよびケーンのその他の多数のパターン
を本発明の範囲内で種々に創案可能である。 図１４及び図１５には別のファイバ製造方法が図示されている。キャピラリ３
００の定常配列のスタックが、壁厚の厚いシリカガラスチューブ３１０の内側に
配される（図１４）。シリカガラスチューブ３１０は、線引き後のファイバの一
部を構成し、機械強度を与えるジャケットとして作用する。線引きプロセス中（
図１５）、チューブ３１０を排気可能構造内に封止することによりチューブの内
部が排気され、一方、キャピラリ３００は、例えば、雰囲気に対して開放された
ままにされるので、キャピラリ３００の幾つかまたは全ての内部は異なる圧力す
なわち高圧に保持される。
【００４０】 排気可能構造は真鍮シリンダ３２０である。最初、真鍮シリンダの両端は開い
ている。次いで、真鍮シリンダはその一端がチューブ３１０に封止される。チュ
ーブは、真鍮シリンダ３２０内で終端をなす。キャピラリ３００の幾つかまたは
全ては、真鍮シリンダ３２０を貫通し、真鍮シリンダは、頂面においてシリンダ
を貫通するこれらのキャピラリのまわりで封止される。真鍮シリンダ３２０は、
線引きプロセス中に排気される。
【００４１】 線引きプロセス中、チューブ３１０及びキャピラリ３００は真鍮チューブから
下向きに引き延ばされ、外側チューブ３１０は壁厚が厚いので、排気されるが壊
されない。これとは反対に、キャピラリ３００はより小さくて、キャピラリの壁
により規定される境界部分が比較的薄いので、キャピラリ間の隙間孔は急速に崩
壊し、最終的なファイバには存在しない（これは好ましい）。排気されるキャピ
ラリは、キャピラリまわりに高圧が存在すると、完全に崩壊することになる。一
方、雰囲気圧力空気が充填されたキャピラリは膨張する。
【００４２】 上述の方法を採用することにより、非常に規則的で且つ壁厚の薄い構造を形成
することができ、また、非常に小さい導波コアを備えたファイバを作ることがで
きる。図１６は、線引き後のチューブ３１０を備えた外側クラッド３３０とキャ
ピラリ３００を備えた内側クラッド３４０とを有するその様なファイバを示す。
内側クラッドはおおよそ１０μｍの半径を有し、また、膨張した孔のハニカム構
造を備える。これらの孔は、おおよそ１μｍ直径でかつキャピラリでない細長い
ケーンから形成された導波コア３５０を包囲している。図１６に示したファイバ
は、全てのキャピラリ３００をしてシリンダ３２０内を貫通させることにより形
成されるものであり、また、多重回転対称を有することが分かるであろう。従っ
て、このファイバは殆ど複屈折を示さない。
【００４３】 これとは反対に、図１７（ａ）は、壁厚の厚いキャピラリを或る特定の場所で
スタックすることにより高い複屈折を示すように作成されたファイバを示す。よ
り小さい空気孔３６０がこれらの場所に形成されている。別のファイバ製造方法
は、シリンダ３２０内で４つの選択されたキャピラリを終端させるものであって
もよい。これらの選択されたキャピラリ３００内の孔は、線引き中に膨張せず、
４つの小さい孔３６０を提供することになる。図１７（ａ）のファイバは、コア
の両側に、内側クラッドの直径方向に配された４つの小さい孔３６０から生じた
２重対称を有するものであるので、高い複屈折性を示す。
【００４４】 図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のファイバの偏光ビートデータを示す。このデ
ータから、ファイバのビート長は１５５０ｎｍの波長において０．９２ｍｍであ
ることが分かる。その様なビート長は、偏光保持、単一モードフォトニック結晶
ファイバとして作用するファイバにとって十分に短いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 標準ファイバの一例の概略図である。
【図２】 高屈折率のコア欠陥を有した従来のフォトニック結晶ファイバの概略図である
。
【図３】 低屈折率のコア欠陥を有した従来のフォトニック結晶ファイバ（フォトニック
バンドギャップファイバ）の概略図である。
【図４】 部分的にファイバに線引きされたフォトニック結晶ファイバプリフォームの概
略図である。
【図５】 クラッド孔が長方形格子を形成している、本発明の第１の偏光保持フォトニッ
ク結晶ファイバの概略断面図である。
【図６】 コアに近いクラッド孔のパターンが２重対称を有している本発明の第２の偏光
保持フォトニック結晶ファイバの概略断面図である。
【図７】 コアから離れたクラッド孔のパターンが２重対称である本発明の第３の偏光保
持フォトニック結晶ファイバの概略断面図である。
【図８】 格子コア内の誘電性含有物のパターンが２重対称を有している本発明の第４の
偏光保持フォトニック結晶ファイバの概略断面図である。
【図９】 正方格子を有するフォトニック結晶ファイバを形成するためのケーン配列の概
略断面図である。
【図１０】 各々が２つの異なる直径の一方を有した孔の正方格子を有するフォトニック結
晶ファイバの一部分の概略断面図である。
【図１１】 正方格子を有するフォトニック結晶ファイバを示す。
【図１２】 フォトニック結晶ファイバを形成するためのスタックの一部分を形成するケー
ンを示す。
【図１３】 図１２に示したようなスタックから形成されたフォトニック結晶ファイバを示
す。
【図１４】 本発明の別の方法での使用に好適なキャピラリのスタックを概略的に示す。
【図１５】 図１４のスタックと共に使用される装置を概略的に示す。
【図１６】 図１４に示したものに類似のプリフォームから図１５の装置を用いて作られる
フォトニック結晶ファイバを示し、（ａ）はファイバの切断端面を示し、（ｂ）
はファイバのコアの近くの構造の詳細を示す。
【図１７】 （ａ）は図１５の装置を用いて作られ複屈折性の高いファイバを示し、（ｂ）
はこのファイバにおいて１５５０ｎｍの波長で観察された偏光ビートを示す。
【符号の説明】 １０ コア １５ コア・クラッド境界 ２０、３３０、３４０ クラッド ３０ バルク材料 ４０、６０、７０、１３０、１４０、１５０、１９０、２００、３６０ 孔 ５０ 孔を包囲するファイバ領域 ８０、１００、１６０、１７０、１８０、２２０、２４０ ケーン １１０ ファイバ １２０ 孔の格子 １２５ ファイバ断面中心近くの領域 １３５ 孔が除去された領域 ２１０ 欠陥 ２３０、２５０ キャピラリの壁 ３００ キャピラリ ３１０ チューブ ３２０ シリンダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (71)出願人 Ｆｉｎａｎｃｅ Ｏｆｆｉｃｅ， Ｕｎｉ ｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｂａｔｈ， Ｔｈ ｅ Ａｖｅｎｕｅ Ｃｌａｖｅｒｔｏｎ Ｄｏｗｎ， Ｂａｔｈ ＢＡ２ ７ＡＹ Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ (72)発明者 ラッセル，フィリップ セイント ジョン イギリス国 バス ＢＡ２ ７ＥＢ，サウ スストーク，シェプァーズ ミード （番 地なし) (72)発明者 バークス，ティモシー アダム イギリス国 バス ＢＡ２ ５ＱＹ，クー ム ダウン，ホースクーム ブロウ 14 (72)発明者 ナイト，ジョナサン ケイヴ イギリス国 バス ＢＡ２ ８ＰＹ，ウェ ロー，キャンティーン レーン，キャンテ ィーン コテージ （番地なし) Ｆターム(参考） 2H050 AA05 AB04Z AC09 AC62 AC64 AC71 AD00

Claims (43)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 長手方向孔とガイドコアとの配列を有したバルク材料を備え、ま
    た、長手方向軸線のまわりに最大で２重の回転対称を有し、対称の欠如の結果と
    して複屈折性を示すことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。
  2. 【請求項２】 前記孔の配列が、前記コアの存在を除き実質的に周期的であるこ
    とを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。
  3. 【請求項３】 複屈折が、前記ファイバ内を伝搬する１．５ミクロンの波長の光
    が５ｍｍ未満のビート長を有するようなものである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結晶ファイバ。
  4. 【請求項４】 ２重の回転対称を有することを特徴とする請求項１ないし３のい
    ずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  5. 【請求項５】 前記回転対称が、前記コアを通る軸線についての対称性であるこ
    とを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ
    。
  6. 【請求項６】 前記コアが孔を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれ
    かに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  7. 【請求項７】 前記孔が、空気以外の材料で充填されていることを特徴とする請
    求項６に記載のフォトニック結晶ファイバ。
  8. 【請求項８】 前記コアが孔を含まないことを特徴とする請求項１ないし５のい
    ずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  9. 【請求項９】 前記孔の配列が、前記ファイバの長手方向軸線に平行な軸線に関
    して最大で２重の回転対称を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれ
    かに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  10. 【請求項１０】 前記孔の配列が、前記ファイバの長手方向軸線に平行な軸線の
    まわりに３重以上の回転対称を有することを特徴とする請求項１ないし８のいず
    れかに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  11. 【請求項１１】 より高い回転対称の欠如は、少なくとも部分的には、前記ファ
    イバの断面方向における前記コアの微小構造のバラツキにより生じることを特徴
    とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  12. 【請求項１２】 より高い回転対称の欠如は、少なくとも部分的には、前記ファ
    イバの断面方向における前記孔の直径のバラツキにより生じることを特徴とする
    請求項１ないし１１のいずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  13. 【請求項１３】 より高い回転対称の欠如は、少なくとも部分的には、前記ファ
    イバの断面方向における前記バルク材料のバラツキにより生じることを特徴とす
    る請求項１ないし１２のいずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  14. 【請求項１４】 より高い回転対称の欠如は、少なくとも部分的には、前記ファ
    イバの断面方向における前記孔内に含まれる材料のバラツキにより生じることを
    特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  15. 【請求項１５】 より高い回転対称の欠如は、少なくとも部分的には、前記ファ
    イバの断面方向における前記孔の形状のバラツキにより生じることを特徴とする
    請求項１ないし１４のいずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  16. 【請求項１６】 前記形状のバラツキが、前記ファイバの線引き中に前記ファイ
    バに生じる応力に起因する変形によるものであることを特徴とする請求項１５に
    記載のフォトニック結晶ファイバ。
  17. 【請求項１７】 より高い回転対称の欠如は、前記コアの微小構造、前記孔の直
    径、前記バルク材料、前記孔に含まれる材料および前記孔の形状のうちの一つと
    これらのパラメータの一つ以上との組合せ、または、これらのパラメータの一つ
    と別のパラメータのバラツキとの組合せにおける、前記ファイバの断面方向にお
    けるバラツキにより生じるものであることを特徴とする請求項１ないし１６のい
    ずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  18. 【請求項１８】 形状複屈折を有することを特徴とする請求項１ないし１７のい
    ずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  19. 【請求項１９】 応力複屈折を有することを特徴とする請求項１ないし１８のい
    ずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ。
  20. 【請求項２０】 （ａ）ケーンのスタックを形成する工程と、（ｂ）前記ケーン
    のスタックを複屈折ファイバに線引きする工程とを含み、前記工程（ａ）におい
    て、前記ケーンの少なくとも幾つかはキャピラリであり、前記スタックは、前記
    ファイバ内にコア領域を形成するように配されたケーンと前記ファイバ内にクラ
    ッド領域を形成するように配されたケーンとを含み、前記工程（ｂ）において、
    前記複屈折ファイバは任意の長手方向軸線に関して最大で２重の回転対称を有す
    ることを特徴とする複屈折フォトニック結晶ファイバの製造方法。
  21. 【請求項２１】 前記ケーンのスタックが、前記スタックの長手方向軸線のまわ
    りで最大で２重の回転対称を有するように配されることを特徴とする請求項２０
    に記載の複屈折フォトニック結晶ファイバの製造方法。
  22. 【請求項２２】 より高い回転対称の欠如が、少なくとも部分的には、前記スタ
    ックの断面方向における、前記キャピラリの内径のバラツキにより生じることを
    特徴とする請求項２０または２１に記載の複屈折フォトニック結晶ファイバの製
    造方法。
  23. 【請求項２３】 より高い回転対称の欠如が、少なくとも部分的には、前記スタ
    ックの断面方向における、前記ケーンの構成材料のバラツキにより生じることを
    特徴とする請求項２０ないし２２のいずれかに記載の複屈折フォトニック結晶フ
    ァイバの製造方法。
  24. 【請求項２４】 より高い回転対称の欠如が、少なくとも部分的には、前記スタ
    ックの断面方向における、前記キャピラリ内に充填される材料のバラツキにより
    生じることを特徴とする請求項２０ないし２３のいずれかに記載の複屈折フォト
    ニック結晶ファイバの製造方法。
  25. 【請求項２５】 より高い回転対称の欠如が、少なくとも部分的には、前記スタ
    ックの断面方向における、前記ケーンの外径のバラツキにより生じることを特徴
    とする請求項２０ないし２４のいずれかに記載の複屈折フォトニック結晶ファイ
    バの製造方法。
  26. 【請求項２６】 前記ケーンが、コアを形成するように配されたケーンの中心に
    関して最大で２重の回転対称を有するクラッド格子の頂点に設けられることを特
    徴とする請求項２０ないし２５のいずれかに記載の複屈折フォトニック結晶ファ
    イバの製造方法。
  27. 【請求項２７】 前記選択された内径を有するキャピラリが、コアを形成するよ
    うに配されたケーンの中心に関して最大で２重の回転対称を有するクラッド格子
    の頂点に設けられ、前記クラッド格子の頂点にあるキャピラリの前記選択された
    直径が、その他の場所のキャピラリの直径と異なることを特徴とする請求項２０
    ないし２５のいずれかに記載の複屈折フォトニック結晶ファイバの製造方法。
  28. 【請求項２８】 前記コアを形成するように配されたケーンの近くにおけるクラ
    ッドケーンの実質的な数が、前記コアを形成するように配されたケーンの遠くに
    おけるクラッドケーンの実質的な数と異なることを特徴とする請求項２０ないし
    ２７のいずれかに記載の複屈折フォトニック結晶ファイバの製造方法。
  29. 【請求項２９】 前記複屈折が、前記ファイバの線引き中に前記ファイバ内に形
    成される応力により少なくとも部分的に生じることを特徴とする請求項２０ない
    し２８のいずれかに記載の複屈折フォトニック結晶ファイバの製造方法。
  30. 【請求項３０】 前記応力が、最大で２重の回転対称を有する場所に、ケーンを
    含有させることにより導入可能であり、前記ケーンは、格子内のその他のケーン
    の少なくとも幾つかの構成材料と異なる材料で構成されることを特徴とする請求
    項２９に記載の複屈折フォトニック結晶ファイバの製造方法。
  31. 【請求項３１】 前記応力が、最大で２重の回転対称を有する場所に、その他の
    キャピラリの少なくとも幾つかが有するキャピラリ壁厚と異なる壁厚を有するキ
    ャピラリを含めることにより導入されることを特徴とする請求項２９に記載の複
    屈折フォトニック結晶ファイバの製造方法。
  32. 【請求項３２】 前記応力が、線引きしたファイバのコアを包囲する孔の変形を
    生じさせ、この変形により複屈折が生じることを特徴とする請求項２９ないし３
    １のいずれかに記載の複屈折フォトニック結晶ファイバの製造方法。
  33. 【請求項３３】 前記応力が、線引きしたファイバのコアに応力を生じさせ、こ
    れらの応力により複屈折が生じることを特徴とする請求項２９ないし３１のいず
    れかに記載の複屈折フォトニック結晶ファイバの製造方法。
  34. 【請求項３４】 より高い回転対称の欠如が、前記スタックの線引き中に前記キ
    ャピラリの少なくとも一つを予圧することにより少なくとも部分的に生じること
    を特徴とする請求項２０ないし３３のいずれかに記載の複屈折フォトニック結晶
    ファイバの製造方法。
  35. 【請求項３５】 より高い回転対称の欠如が、前記スタックの線引き中に前記キ
    ャピラリの少なくとも一つを排気することにより少なくとも部分的に生じること
    を特徴とする請求項２０ないし３４のいずれかに記載の複屈折フォトニック結晶
    ファイバの製造方法。
  36. 【請求項３６】 前記ケーンのスタックの回転対称が２重の回転対称であること
    を特徴とする請求項２０ないし３５のいずれかに記載の複屈折フォトニック結晶
    ファイバの製造方法。
  37. 【請求項３７】 （ａ）各々が長手方向軸線、第１端および第２端を有した複数
    の細長いケーンを設ける工程と、（ｂ）前記ケーンのスタックを形成する工程と
    、（ｃ）少なくとも一つのキャピラリの孔を流体源と第１圧力で連通した状態に
    維持すると共に前記キャピラリの回りの圧力を前記第１圧力と異なる第２圧力に
    維持しつつ、前記スタックをファイバに線引きする工程とを備え、 前記工程（ａ）において、前記ケーンの少なくとも幾つかは、前記ケーンの前
    記長手方向軸線と平行に前記ケーンの前記第１端から前記第２端へ延びる孔を各
    々有したキャピラリであり、前記工程（ｂ）において、これらのケーンはこれら
    の長手方向軸線が互いに実質的に平行で且つ前記スタックの長手方向軸線に実質
    的に平行になるように配され、前記工程（ｃ）において、前記線引きプロセス中
    、前記第１圧力にある孔は、圧力差がない場合にとる寸法と異なる寸法になるこ
    とを特徴とするフォトニック結晶ファイバの製造方法。
  38. 【請求項３８】 前記ケーンのスタックの少なくとも部分長にわたってチューブ
    が前記ケーンのスタックを包囲し、このチューブの内部を前記第２圧力に維持す
    ることを特徴とする請求項２７に記載のフォトニック結晶ファイバの製造方法。
  39. 【請求項３９】 前記チューブが、前記第１内圧にある少なくとも一つの孔の膨
    張を制限することを特徴とする請求項３８に記載のフォトニック結晶ファイバの
    製造方法。
  40. 【請求項４０】 前記チューブが、圧力差がない場合の変形と相当に異なる変形
    を来さないことを特徴とする請求項３７ないし３９のいずれかに記載のフォトニ
    ック結晶ファイバの製造方法。
  41. 【請求項４１】 前記線引きプロセス中、 チューブは、排気可能構造の第１端にシールされ、同チューブの第２端は前記
    排気可能構造内にあり、 前記キャピラリの少なくとも幾つかは排気可能構造を通り、また、その第２端
    にシールされ、 前記第２内圧を発生させるため前記排気可能構造は実質的に排気される ことを特徴とする請求項３７ないし４０のいずれかに記載のフォトニック結晶
    ファイバの製造方法。
  42. 【請求項４２】 前記排気可能構造が金属チューブであることを特徴とする請求
    項４１に記載のフォトニック結晶ファイバの製造方法。
  43. 【請求項４３】 前記ケーンのスタックが、任意の長手方向軸線のまわりに最大
    で２重の回転対称を有することを特徴とする請求項３７ないし４２のいずれかに
    記載のフォトニック結晶ファイバの製造方法。
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