JP2009211066A - フォトニックバンドギャップ光ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高屈折率の領域の変形を抑制することができるフォトニックバンドギャップ光ファイバ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 フォトニックバンドギャップ光ファイバ１０は、クラッド領域１０１により囲まれたコア領域９０を備えている。クラッド領域１０１は、第１屈折率を有する低屈折率の領域１１０と、第１屈折率より高い第２屈折率を有する光学材料からなる高屈折率の領域１００とを含む。高屈折率の領域１００は、低屈折率の領域１１０中に周期的に配列されている。光ファイバの線引き温度において、低屈折率の領域１１０の粘度は高屈折率の領域１００の光学材料の粘度より低い。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光ファイバ、特にフォトニックバンドギャップ光ファイバに関し、またその製造方法に関する。

近年、フォトニックバンドギャップ材料の開発に関心が集中してきた。通常、これらの材料は、２又は３次元的な周期を持つ誘電体構造を備える。この構造及び配列の誘電体的な特性は、その材料の光透過特性を決める。周期的な構造中での多数ビームの干渉は、所定の波長の光又は所定の入射角の光をその材料から排除することができる。排除されて伝搬されない光の波長は、フォトニックバンドギャップとして知られている。フォトニックバンドギャップは、電子ではなくフォトンに適用されること以外には固体材料のバンドギャップに類似する。

フォトニックバンドギャップ構造を組み込んだ光ファイバは進歩してきた。これらの構造は伝搬方向に垂直な面において二次元的な周期性を有するが、その構造は伝搬方向において均一に延在する。

従来の光ファイバにおいては、クラッドはコアより低い屈折率を有する。光は全反射によりコアにおいてとどまるように強いられる。フォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて、コアはクラッドより低い屈折率を有する。光閉じ込めは、クラッドにおける伝搬を妨げるフォトニックバンドギャップにより生じる。

近年まで、真のフォトニックバンドギャップ効果を現わす光ファイバは、空孔−シリカ構造により実現されてきた（図１参照）。そのような構造においては、空孔がクラッド中に組み込まれる。しかし、これらのフォトニックバンドギャップ光ファイバの製造においては、空孔の形状を制御することが困難である。

最近、フォトニックバンドギャップ光ファイバの分野における発展は、空孔を包含する必要なしに、低い屈折率差の適正な光バンドギャップを備える光ファイバをもたらした。そのようなオールソリッドフォトニックバンドギャップファイバは、ドープされたガラスの周期的な配列を含む。例えば、図２は、シリカクラッド２０４中に形成されておりゲルマニウム（Ｇｅ）がドープされたロッド２０２の周期的な配列を備えるフォトニックバンドギャップ光ファイバを概略的に示す。光ファイバのコア２０６もシリカからなる。図２の例においては、フォトニックバンドギャップ光ファイバは、共に積み重ねられた複数のロッドから製造されている。コア２０６は純シリカロッドからなり、クラッド２０４はゲルマニウムがドープされたコアを有すると共にマルチモードである複数のファイバプリフォームロッドからなる。マルチモードのファイバプリフォームロッドは、純シリカロッドからなるコア２０６の周囲に積み重ねられる。積み重ねられたロッドを加熱してコラプスし、又はそのガラスが柔らかい間に線引きすることによりフォトニックバンドギャップ光ファイバを製造することができる。下記の特許文献１においては、図２に示されているものに類似するオールソリッド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。

米国特許公開第２００４/０１７５０８４号公報

しかしながら、上記において用いられる方法又は材料では、ソリッドフォトニックバンドギャップ光ファイバの製造を困難にする数々の問題を避けられない。

すなわち、現在の製造技術では、周期的な構造を製造する際に、高屈折率の領域が変形してしまう。また、その変形によって、ファイバの光学特性が変わる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、高屈折率の領域の変形を抑制することができるフォトニックバンドギャップ光ファイバ及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、クラッド領域により囲まれたコア領域を備えており、線引きにより得られたフォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて、クラッド領域は、第１屈折率を有する背景光学材料と、第１屈折率より高い第２屈折率を有する光学材料からなると共に背景光学領域中に周期的に配列された複数の要素と、を有し、フォトニックバンドギャップ光ファイバのための線引き温度において、背景光学材料の粘度は複数の要素の光学材料の粘度より低いフォトニックバンドギャップ光ファイバを提供する。

背景光学材料は、フッ素（Ｆ）がドープされていてもよい。背景光学材料中のフッ素の濃度は、１．５ｗｔ％以上であってもよく、随意的に約２．７ｗｔ％であってもよい。

本発明は、クラッド領域により囲まれたコア領域を備えており、線引きにより得られたフォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて、クラッド領域は、第１屈折率を有する背景光学材料と、第１屈折率より高い第２屈折率を有する光学材料からなると共に背景光学領域中に周期的に配列された複数の要素と、を有し、背景光学材料はフッ素がドープされたシリカからなり、複数の要素はゲルマニウムがドープされたシリカからなるフォトニックバンドギャップ光ファイバを提供する。複数の要素は、光の伝搬方向に直交して規則的な間隔で配置されており、光の伝搬方向に延びている。

本発明は、クラッド領域により囲まれたコア領域を備え、クラッド領域は周期的に配列された高屈折率の特徴を持つ背景光学材料を含むフォトニックバンドギャップ光ファイバの製造方法において、低屈折率のコアを有するロッドを中央にして高屈折率のコアを有する複数のロッドを規則的な周期配列で積み重ねるステップと、積み重ねられた複数のロッドをプロセス温度まで加熱するステップと、加熱された積み重ねられた複数のロッドを線引きして光ファイバを生成するステップと、を備え、周期的に配列された複数のロッドのコアの粘度は背景光学材料の粘度以上であるフォトニックバンドギャップ光ファイバの製造方法を更に提供する。

周期的に配列されており高屈折率のコアを有する複数のロッドは、クラッドを含み、クラッドはフッ素がドープされ得る。クラッド中のフッ素の濃度は、約２．７ｗｔ％であってもよい。

本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバ及びその製造方法によれば、高屈折率の領域の変形が抑制される。

従来技術として知られている空孔を有するフォトニックバンドギャップ光ファイバのＳＥＭ像を示す図である。 従来技術のフォトニックバンドギャップファイバの説明図である。このファイバのクラッドはゲルマニウムがドープされた複数のコアを有するマルチモードのファイバプリフォームから作られたものである。 フッ素がドープされたフォトニックバンドギャップ光ファイバの説明図である。 本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバの製造のためのフローチャートである。 その（ａ）はファイバ線引きのために準備された積み重ねられた複数のロッドを示す図である。その（ｂ）はシリカチューブジャケットに囲まれている図５（ａ）の配列構造を概略的に示す図である。その（ｃ）は、線引き後にファイバ中に高屈折率の領域が形成されていることを示す図である。 ドープされていないシリカガラス、及びゲルマニウム又はフッ素がドープされたシリカガラスに対して、温度による粘度の変化を示す図である。 その（ａ）は、シリカガラスコアと、クラッドにゲルマニウムドープの高屈折率の領域とを有するフォトニックバンドギャップ光ファイバ（従来技術）の断面図である。その（ｂ）は、フッ素がドープされたシリカガラスと、フッ素がドープされたシリカの背景光学材料中にゲルマニウムがドープされた高屈折率の領域とを有する本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバの断面図である。 １９５０℃のプロセス温度において、図７（ａ）の光ファイバ中に形成される気泡を示す図である。 本発明の代替的な実施形態を示す図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る実施形態を説明する。図３は、光ファイバにおける光の伝搬方向に直交する断面で見たとき、本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバ１０の構造を概略的に示す説明図である。その光ファイバ１０は、コア領域９０とクラッド領域１０１とを有する。コア領域９０は低屈折率の領域である。周囲のクラッド領域１０１のうち、領域（背景光学材料）１１０は低屈折率を有するが、領域（要素）１００は高屈折率を有する。高屈折率の領域１００は中央のコア領域９０の周囲に周期的に配列されている。周期的な配列は、六角形、三角形又はその他の最密充填形状に基づくものであることができる。

高屈折率の領域１００はゲルマニウムがドープされたシリカガラスからなる。一方、低屈折率の領域１１０はフッ素がドープされたシリカガラスからなる。ここで、低屈折率の領域１１０のために、他の材料系、例えばホウ素（Ｂ）ドープのシリカガラスが代替的に用いられ得る。代替的には、フォトニックバンドギャップ光ファイバの形成のためのベース材料としてシリカガラス以外のガラスが用いられ得る。

低屈折率の領域１１０のためのドーパントとしてフッ素を使用すると、所定の利点が得られる。すなわち、フッ素を使用すると、フォトニックバンドギャップ光ファイバ１０の製造がより容易となると共に、結果として生じる光ファイバ１０における構造的な規則性が向上される。以下、フォトニックバンドギャップ光ファイバ１０の製造方法を詳細に説明する。

図４においては、フォトニックバンドギャップ材料の製造における重要なステップが示されている。ステップＳ４１０においては、ゲルマニウムがドープされたガラスからなるロッドを、フッ素がドープされたガラスチューブ内に挿入する。そのロッドとガラスチューブとの間に真空を生成し、その後にガラスチューブがロッド上でコラプスするまでロッド及びチューブを加熱してガラス本体を形成する。なお、この方法は、この分野においてコラプス法として知られている。

上記のガラスロッド中の二酸化ゲルマニウム濃度は約３０ｍｏｌ％であることができ、この場合には純シリカガラスの屈折率より２．３％高い屈折率が生じる。上記のガラスチューブ中のフッ素濃度は約２．７ｗｔ％であることができ、この場合にはシリカガラスの屈折率より０．７％低い屈折率が生じる。本説明において、屈折率はＳｉＯ_２の屈折率ｎ_silicaglassを基準とした比屈折率差Δｎ、すなわち

として表される。

ステップＳ４２０においては、ガラス本体を延伸して切断し、複数のロッドを製造する。

ステップＳ４３０においては、図５（ａ）に示すように、複数のロッドをスタッキング治具５００の内側に配置する。ステップ４２０からのゲルマニウム／フッ素がドープされた複数のロッド５１０をフッ素だけがドープされた別の単一のロッド５２０に沿って積み重ねる。この単一のロッド５２０は、ステップ４２０からの複数のロッド５１０と同一の直径を有し、ステップ４１０におけるガラスチューブと同じ濃度で、すなわち、２．７ｗｔ％でフッ素がドープされており、その結果、純シリカガラスより０．７％低い屈折率を有する。ゲルマニウム／フッ素がドープされた複数のロッド５１０とフッ素がドープされたロッド５２０とは六角形の構造の断面を有するように積み重ねられ、六角形の配列構造２０が形成される。フッ素ドープのロッド５２０は六角形の配列構造２０の中央に位置される。

図５（ａ）に模式的に示されているように、一旦六角形の配列構造２０に積み重ねられると、ステップＳ４４０において、図５（ｂ）に示されているように、配列構造２０はフッ素ドープのシリカチューブ５３０内に運ばれる。シリカチューブ５３０は、複数のロッド５２０及び５１０からなる配列構造２０の周囲のジャケットとして機能する。

また、配列構造２０とシリカチューブ５３０とのすべての空間には、フッ素がドープされた様々な直径、特にロッド５１０及び５２０の直径より小さな様々な直径を有するロッド５４０を充填してプリフォーム体３０を形成する。隣接するロッドの間、配列構造２０とジャケットとの間には小さな空間が残ることとなる。これらの空間は、線引きプロセス中に用いられるシリカチューブ５３０内の圧力を低くして加熱することにより、その線引きプロセス中に充填されることとなる。その後、プリフォーム体３０を線引きする（ステップＳ４４０）ことで、図５（ｃ）に示されているように、フォトニックバンドギャップ光ファイバ１０が得られる（ステップＳ４５０）。

線引きプロセスはガラスからなるロッド５１０，５２０，５４０が軟化されるのに十分な高温の下で行われるが、ガラス中に気泡が発生することもあるのでその温度が高すぎてはならない。図６及び下記の表１において、上述した様々なガラス種類の粘度η[Pa・s]が、温度に対して表されている。

フォトニックバンドギャップ光ファイバを得るためのプリフォーム体３０の線引きは、ｌｏｇη＜５．０を満たす粘度で最適に行われる。ｌｏｇηが５．０を越えると、線引きするために必要な引っ張り力が大きいので、これに伴い、得られた光ファイバが折れたり、割れたりする。

表１から分かるように、純シリカファイバは、必要な粘度に至るのにゲルマニウムがドープされたファイバより高い温度が必要である。ゲルマニウムがドープされた高屈折率の領域を有するシリカファイバのような従来技術の例においては、必要な粘度に達するのに、プリフォーム体は約２０００℃で加熱されなければならない。この温度において、ゲルマニウムがドープされた高屈折率の領域は周囲のシリカの粘度より低い粘度を有し、それ故光ファイバを線引きするプロセス中に正円形の形状から変形される（図７（ａ））。更に、図８に示されているように、ゲルマニウムが高濃度でドープされた高屈折率のコアを複数有すると共に純シリカからなる背景光学材料では、１９５０℃以上の温度で気泡が形成される傾向がある。

図３に示されているように、本発明に係る上記の実施形態では、シリカからなる背景光学材料（領域１１０）にはフッ素がドープされており、ゲルマニウムドープのシリカは周期的に配列された高屈折率の領域１００を形成する。本実施形態に係る材料系では、相対的な粘度が先行技術分野の材料系に比べて変更された。特に、３０mol％で二酸化ゲルマニウムがドープされた高屈折率の領域と、２．７％ｗｔでフッ素がドープされた低屈折率の領域とを有する材料系において、高屈折率の領域１００の粘度が低屈折率の領域の粘度より高い。この場合において、高屈折率の領域１００の形状が光ファイバ線引きプロセスを通して維持される。結果として得られるファイバが図７（ｂ）に示されている。複数のロッド間の空間を充填するために変形されたガラスは、主にフッ素がドープされた領域からのものである。これは、フッ素ドープの領域が、ゲルマニウムドープの領域より低い粘度を有するからである。

この方法及びこの材料系を用いることによって、高屈折率及び低屈折率の両方の領域１００，１１０における粘度は約１９００℃でｌｏｇη＜５．０である。従って、ファイバが線引きされ得る温度が低くなり、気泡が形成される危険が低減される。更に、上述した材料（３０mol％の二酸化ゲルマニウム、２．７％ｗｔのフッ素）を用いると、高屈折率の領域１００と低屈折率の領域１１０との間の屈折率の差を約３％にすることができる。これは、４０ｍｏｌ％で二酸化ゲルマニウムがドープされた複数の高屈折率の領域を有する純シリカガラスの低屈折率の領域系に匹敵する。このように、屈折率の差は維持される。更に、複数の高屈折率の領域１００が変形されず、且つ気泡の形成が抑制されるのでファイバ特性が向上される。

代替的な実施形態において、４０ｍｏｌ％以下の二酸化ゲルマニウム及び１．５％ｗｔ以上のフッ素のような他の濃度も利用できる。

図９に示されているように、別の代替的な実施形態では、上述した製造方法が上記と異なる粘度構成を有する光ファイバの線引きプロセス中において適用され得る。この場合において、クラッドを構成する複数のロッドは高屈折率の領域１００に亘って非均一の粘度を有する。特に、高屈折率の領域９１０の中央領域９２０は、高屈折率の領域９１０のエッジでの粘度より低い粘度を有する。また、高い粘度の領域９１０は背景光学材料より高い粘度を有する。この場合において、高粘度の中央領域９２０は、低粘度の領域９１０が変形されることを抑制する。

上記に説明された発明は、請求項の範囲から逸脱することなく様々に変化され得る。特に、用いられた材料は上記の説明において開示されたものに限定されず、他の材料、他のガラス、他のドーパントも用いられ得る。

１０…フォトニックバンドギャップ光ファイバ、９０…コア領域、１０１…クラッド領域、１００…高屈折率の領域，１１０…低屈折率の領域。

Claims (8)

1. クラッド領域により囲まれたコア領域を備えており、線引きにより得られたフォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて、
   前記クラッド領域は、
   第１屈折率を有する背景光学材料と、
   前記第１屈折率より高い第２屈折率を有する光学材料からなると共に前記背景光学領域中に周期的に配列された複数の要素と、
   を有し、
   前記フォトニックバンドギャップ光ファイバのための線引き温度において、前記背景光学材料の粘度は前記複数の要素の前記光学材料の粘度より低いフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
2. 前記背景光学材料は、フッ素がドープされたシリカからなる請求項１に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
3. 前記背景光学材料中の前記フッ素の濃度は１．５ｗｔ％以上である請求項２に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
4. 前記複数の要素は、ゲルマニウムがドープされたシリカからなる請求項１〜３のいずれか一項に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
5. 前記複数の要素中の前記二酸化ゲルマニウムの濃度は約３０ｍｏｌ％である請求項４に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
6. 前記フォトニックバンドギャップ光ファイバの前記コア領域は前記背景光学材料と同じ材料から形成されている請求項１〜５の何れか一項に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
7. クラッド領域により囲まれたコア領域を備え、前記クラッド領域は周期的に配列された高屈折率の特徴を持つ背景光学材料を含むフォトニックバンドギャップ光ファイバの製造方法において、
   低屈折率のコアを有するロッドを中央にして高屈折率のコアを有する複数のロッドを規則的な周期配列で積み重ねるステップと、
   前記積み重ねられた複数のロッドをプロセス温度まで加熱するステップと、
   加熱された前記積み重ねられた複数のロッドを線引きして光ファイバを生成するステップと、
   を備え、
   周期的に配列された前記複数のロッドの前記コアの粘度は前記背景光学材料の粘度以上であるフォトニックバンドギャップ光ファイバの製造方法。
8. 前記プロセスの温度は１９００℃未満である請求項７に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバの製造方法。