(57)【要約】【課題】ＧＶＤを高精度に制御可能はフォトニッククリスタルファイバを提供する。【解決手段】本発明では、酸化ビスマス系ガラスで構成されたコア１（コアロッド２０２）と、前記コア１の周りに、各層間が等間隔となるように同心円状に各層６ｎ本、ｎ層(ｎ≧３)の空孔２を具備してなる空孔形成クラッド３と、空孔形成クラッド３の周りに配された第２クラッド４（３００）とを有する。この構成により、わずかな寸法ばらつきが生じても１つ１つの空孔が小さいため、特性変化を抑制することができ、高精度のＧＶＤを得ることができる。また、このようなフォトニッククリスタルファイバと、石英系光ファイバなどの光伝送部と融着接続する際、空孔が小さいため、接続対象となる領域が空孔のまわりに分散することになる。このため、融着時における接続強度が増大し、信頼性の高い融着部を得ることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ビスマス系ガラスで構成されたコアと、
前記コアの周りを覆い、ｎを３以上の整数として同心円状に空孔をｎ層有する空孔形成クラッドを具備したフォトニッククリスタルファイバであって、
前記空孔形成クラッドのｎ層の空孔は、各層間が等間隔であり、最も内側の層を１番目の層としてｍ番目の層は６ｍ本の空孔からなるフォトニッククリスタルファイバ。
【請求項２】
請求項１に記載のフォトニッククリスタルファイバであって、
さらに前記空孔形成クラッドの外側に、前記空孔形成クラッドを囲むように形成された第２クラッドを具備し、
最近接空孔間隔Δに対する前記空孔径ｄの比（ｄ／Δ）が０．２以上であるフォトニッククリスタルファイバ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のフォトニッククリスタルファイバであって、
前記酸化ビスマス系ガラスは、酸化ビスマスを２０から８０モル％含有するフォトニッククリスタルファイバ。
【請求項４】
請求項１に記載のフォトニッククリスタルファイバであって、
前記空孔の中心のうち最も近接する３個の中心を結ぶ線分は正三角形を構成するフォトニッククリスタルファイバ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバであって、
前記コアを構成する酸化ビスマス系ガラスの屈折率は、前記空孔形成クラッドを構成する酸化ビスマス系ガラスの屈折率よりも高いフォトニッククリスタルファイバ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバであって、
前記コアを構成する酸化ビスマス系ガラスと、前記空孔形成クラッドを構成する酸化ビスマス系ガラスは異なるフォトニッククリスタルファイバ。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバであって、
前記コアを構成する酸化ビスマス系ガラスと、前記空孔形成クラッドを構成する酸化ビスマス系ガラスは同一であるフォトニッククリスタルファイバ。
【請求項８】
酸化ビスマス系ガラスで構成されたコアと、
前記コアの周りを覆い、ｎを３以上の整数として同心円状に空孔をｎ層有する空孔形成クラッドと、
前記空孔形成クラッドを囲むように形成された第２クラッドとを具備し、
前記空孔形成クラッドのｎ層の空孔は、各層間が等間隔であり、最も内側の層を１番目の層としてｍ番目の層は６ｍ本の空孔からなるフォトニッククリスタルファイバを製造する方法であって、
溶融ガラスを用いてキャピラリを形成する工程と、
コアを構成する酸化ビスマス系ガラスを延伸線引きしてガラスロッドを用意し、前記ガラスロッドの周りに、同心円状に各層間の間隔が等間隔で各層６ｍ本、ｎ層の前記キャピラリを複数束ねて、第２クラッドを構成する外管内に、挿入し、加熱延伸することにより、
複数の空孔を有するファイバプリフォームを得る工程と、
前記ファイバプリフォームから、フォトニッククリスタルファイバを得る線引き工程とを含むフォトニッククリスタルファイバの製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載のフォトニッククリスタルファイバの製造方法であって、
前記キャピラリを形成する工程は、５００μｍ径以下のキャピラリを、1０ｃｍ以上形成する工程であるフォトニッククリスタルファイバの製造方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のフォトニッククリスタルファイバの製造方法であって、
前記キャピラリを形成する工程は、
酸化ビスマス系ガラスを溶融して形成した溶融ガラスを成型し、ガラスチューブ母材を形成する工程と、
前記ガラスチューブ母材を延伸し、ガラスチューブを形成する延伸工程と、
前記ガラスチューブを線引きしキャピラリを形成する線引き工程と
を含むフォトニッククリスタルファイバの製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のフォトニッククリスタルファイバの製造方法であって、
前記延伸工程は、前記ガラスチューブ母材を延伸し、外径が１ｍｍ未満、空孔径が１００μｍ以上、連続する長さ１ｍ以上であるガラスチューブを形成する方法であるフォトニッククリスタルファイバの製造方法。
【請求項１２】
請求項８乃至１１のいずれかに記載のフォトニッククリスタルファイバの製造方法であって、
前記ファイバプリフォームを得る工程は、
前記キャピラリを複数結束し、ガラス結束体を形成する工程と、
前記ガラス結束体を、第２クラッドを構成する外管内に挿入してロッドインチューブ法で加熱延伸し、ファイバプリフォームを形成する工程とを含むフォトニッククリスタルファイバの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニッククリスタルファイバおよびその製造方法に係り、特に、光通信、光情報処理の分野に用いられる高光非線形デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信において、伝送されてきた光信号は一旦電気信号に変換され、電気的に信号処理を行った後、再び光信号として伝送路に送り出される。しかしながら、光通信の伝送容量は年々増加しており、従来方式である電気による信号処理は、電子デバイスの動作速度の本質的な上限により、いずれ限界に到達することが予想されている。
【０００３】
電気信号処理よりもさらに高速な信号処理が可能なデバイスとして、非線形光ファイバが知られている。
【０００４】
これら非線形光ファイバの中で、フォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）が注目されている。フォトニッククリスタルファイバとは、光ファイバの長手方向に一様な２次元周期構造をもつフォトニック結晶がクラッドに設けられる光ファイバである。そして、ＰＣＦ内の空孔のデザインにより、超広帯域単一モード伝送、大きな実効コア断面積、高い比屈折率差、及び大きな構造分散を得ることができる等通常の光ファイバでは実現できない特性を備えている。
本発明におけるＰＣＦは、従来の光ファイバと同様に、コアとクラッドの屈折率差を利用し、全反射によって光波をコア内に閉じ込める構造をしている。従来の光ファイバがコアに添加物をドープするなどの方法により、クラッドと屈折率差をつけているのに対し、本発明におけるＰＣＦはクラッド部空孔を利用して実効屈折率を下げる方法で光閉じ込めを実現している。
【０００５】
ところでＰＣＦ用プリフォームの作製方法は、研削法と、細径石英管配列法とに大別される。
これらのうち、研削法を用いたＰＣＦの製造は、以下のようにして行なわれる。すなわち、ＶＡＤ（Vapor-phase Axial Deposition）法やＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapour Deposition）法などの公知の方法で通常のプリフォームを作製し、そのプリフォームをドリル等で穿孔した後、空孔内を洗浄し、通常の光ファイバと同様な線引き加工をすることでＰＣＦが得られる。
【０００６】
一方、細径石英管配列法は、以下のようにして行なわれる。まず細径石英管の一端を封止し、細径石英棒を中心とし、その周囲に細径石英管を高密充填配置に束ねて石英ジャケット管に挿入する。次に、通常の光ファイバ線引き工程により細径石英管の一端を非封止端から加熱して石英ジャケット管内の細径石英管を融着一体化させながら線引きしてフォトニッククリスタルファイバを得る。
【０００７】
ところで、酸化ビスマス系ガラスからなるステップインデックス型ファイバの非線形定数はγ＝−１１００ｋｍ−１Ｗ−１であって、広く用いられている石英系非線形ファイバのγ＝−１０ｋｍ−１Ｗ−１に比べ、およそ１１０倍であり、すなわち、この酸化ビスマス系ガラスで形成したガラス高非線形光ファイバは従来の石英系非線形ファイバの１１０分の１という短さで同等の非線形性を示すことができる。
【０００８】
しかしながら、酸化ビスマス系ガラスのような高光非線形ガラスは、屈折率が高いことに起因するガラスとしての高光非線形性を利用しているがゆえに、屈折率の波長依存性に起因するところの、群速度分散（Ｇｒｏｕｐ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ、以下ＧＶＤ）の絶対値が大きくなってしまう傾向がある。
【０００９】
たとえば、通常のステップインデックス型構造である酸化ビスマス系ガラスファイバでは、材料に起因する材料分散がおよそ−２１０ｐｓ/ｎｍ/ｋｍであり、構造に起因する導波路分散−９０ｐｓ/ｎｍ/ｋｍとあわせて、およそ−３００ｐｓ/ｎｍ/ｋｍのＧＶＤを示すことが知られている。
【００１０】
一方、分散シフト型石英系高非線形光ファイバのＧＶＤは、典型的にＧＶＤ＜｜１｜ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。
【００１１】
そのため、たとえ、ステップインデックス型の酸化ビスマス系ガラスファイバが短尺で非線形デバイスとして動作し得たとしても、群遅延に相当する全分散値（ＧＶＤ×長さ）の絶対値は分散シフト型石英系高非線形光ファイバより大きくなってしまう。
【００１２】
ＧＶＤや群遅延は、超高速光通信に用いられる、典型的には１０ｐｓ以下のパルス幅を有する短パルス光を変形させてしまうため、ＧＶＤの大きなステップインデックス型のビスマス系高非線形光ファイバは、超高速光信号処理には不向きである。
【００１３】
そこで、超高速光信号処理に用いるために、すでに、酸化ビスマス系ガラスファイバにおいて、クラッド部に大きな空孔部分を設け、ＧＶＤの低減を測ったフォトニッククリスタルファイバが作製されている（特許文献１）。
【００１４】
ところで、石英系フォトニッククリスタルファイバの作製においては、多数のガラスチューブを機械的成型によって用意し、それらの外周を研削研磨によって加工し、しかるのちにそれらを束ね、加熱延伸することによって、フォトニッククリスタルファイバを得ている。
しかしながら、前述したように酸化ビスマス系ガラスが石英に比べ、強度が弱いため、酸化ビスマス系ガラスを用いて、多数のガラスチューブを機械加工によって用意することは、困難を伴う。また、ＶＡＤ法で安価大量に生産される石英とは異なり、従来的な溶解方法でのみガラス母材が作られるため、このようなチューブ作製方法は高コストである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００７−３０８３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
以上のように、特許文献１のガラスファイバの製造方法で得られたガラスファイバは、有効ではあるが、加工性においては、十分ではなく、またさらなるＧＶＤの制御性の向上が求められている。
【００１７】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、ＧＶＤの制御性の高いフォトニッククリスタルファイバを提供することを目的とする。
また本発明は、加工性が良好なフォトニッククリスタルファイバの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、酸化ビスマス系ガラスで構成されたコアと、
前記コアの周りを覆い、ｎを３以上の整数として同心円状に空孔をｎ層有する空孔形成クラッドとを具備したフォトニッククリスタルファイバであって、
前記空孔形成クラッドのｎ層の空孔は、各層間が等間隔であり、最も内側の層を１番目の層としてｍ番目の層は６ｍ本の空孔からなることを特徴とする。
この構成によれば、酸化ビスマス系ガラスで構成されたコアを用い、そのコアの周りに、各層間が等間隔となるように同心円状に各層６ｍ本、ｎ層と、微細な空孔が３層以上設けられた空孔形成クラッド（以下、第１クラッドという。）を具備しているため、空孔による分散制御効果を得ることが出来る。
また、空孔は以下に述べる本発明の作製工程により、その径を精密に制御できるため、高精度のＧＶＤを得ることができる。すなわち、最近接空孔間隔Δに対する空孔径ｄの比ｄ／Δをある特定の値とすることにより所望のＧＶＤが得られる。本発明者がビーム伝搬法により得られた実効屈折率の波長依存性から算出するシミュレーション計算を行ったところ、ｄ／Δが０．５であればＧＶＤは−６２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、ｄ／Δが０．５６であればＧＶＤは−５５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、ｄ／Δが０．６３であればＧＶＤは−４５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであった。  
また、このようなフォトニッククリスタルファイバと、石英系光ファイバなどの光伝送部とを融着接続する際、空孔が小さいため、接続対象となる領域が空孔のまわりに分散することになる。このため、融着時における接続強度が増大し、信頼性の高い融着部を得ることが可能となる。
【００１９】
また、本発明は、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、さらに前記第１クラッドの外側に、前記第１クラッドを囲むように第２クラッドを具備し、最近接空孔間隔（以下、単に空孔間隔ということがある。）に対する前記空孔径の比が０．２以上であるものを含む。
この構成によれば、十分に大きなエアクラッドとしての特性を得ることができ、伝送特性の良好なフォトニッククリスタルファイバを得ることができるという効果を奏功する。なお第１クラッドおよび第２クラッドとしては、熱膨張係数がほぼ等しくかつガラス転移点Ｔｇがほぼ等しいことが望ましい。
【００２０】
また、本発明は、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記酸化ビスマス系ガラスは、典型的には酸化ビスマスを２０から８０モル％含有する。
この構成によれば、ガラスの高非線形性を利用できるという効果を奏功する。
【００２１】
また、本発明は、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記空孔の中心のうち最も近接する３個の中心を結ぶ線分は正三角形を構成するものを含む。
この構成によれば、六方最密構造を有し、変形の少ない構造を得ることができる。
また、このように対称性よく並んでいることにより偏波依存性を減少させるまたはなくすことが可能になる。
【００２２】
また、本発明は、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記コアを構成する酸化ビスマス系ガラスの屈折率は、前記第１クラッドを構成するガラスの屈折率よりも高いものを含む。
この構成によれば、コアは第１クラッドを構成するガラスの屈折率よりも高いため、融着接続に際し、空孔が消失しても、光の閉じ込め効果を発揮し得る。
【００２３】
また、本発明は、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記コアを構成する酸化ビスマス系ガラスと、前記第１クラッドを構成するガラスは異なるものを含む。
この構成によれば、所望の伝送特性を得るための材料の選択自由度が高くなり、設計自由度が増大する。ここでコアを構成する酸化ビスマス系ガラスと、第１クラッドを構成するガラスは組成が異なる場合も、ガラス化状態が異なる場合をも含むものとする。
【００２４】
また、本発明は、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記コアを構成する酸化ビスマス系ガラスと、前記第１クラッドを構成するガラスは同一であるものを含む。
この構成によれば、コアと第１クラッドとの接合性が高く、かつ温度変化に際してもクラックの発生などもなく、信頼性の高いものとなる。
【００２５】
また、本発明は、酸化ビスマス系ガラスで構成されたコアと、前記コアの周りを覆い、ｎを３以上の整数として同心円状に空孔をｎ層有する第１クラッドと、前記第１クラッドを囲む第２クラッドを具備したフォトニッククリスタルファイバであって、前記第１クラッドのｎ層の空孔は、各層間が等間隔であり、最も内側の層を１番目の層としてｍ番目の層は６ｍ本の空孔からなフォトニッククリスタルファイバを製造する方法であって、溶融ガラスを用いてキャピラリを形成する工程すなわちガラスを溶融してキャピラリを形成する工程と、コアを構成する酸化ビスマス系ガラスを延伸線引きしてガラスロッドを用意し、前記ガラスロッドの周りに、同心円状に各層間の間隔が等間隔で各層６ｍ本、ｎ層の前記キャピラリを複数束ねて、第２クラッドを構成する外管内に、挿入し、加熱延伸することにより、複数の空孔を有するファイバプリフォームを得る工程と、前記ファイバプリフォームから、フォトニッククリスタルファイバを得る線引き工程とを含むものを含む。
この構成によれば、切削法を用いることなくフォトニッククリスタルファイバを形成することができるため、製造が容易で、またＧＶＤの制御が極めて高精度に実現可能である。
【００２６】
また、本発明は、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記キャピラリを形成する工程は、５００μｍ径以下のキャピラリを、１０ｃｍ以上形成する工程であるものを含む。
この構成によれば、同心円状にｎ層のキャピラリを配列することができ、また、この配列状態がそのまま維持されるように延伸されるため、従来得られなかった高精度のＧＶＤ制御が可能となる。
【００２７】
また、本発明は、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記キャピラリを形成する工程は、酸化ビスマス系ガラスからなる溶融ガラスを成型し、ガラスチューブ母材を形成する工程と、前記ガラスチューブ母材を延伸し、ガラスチューブを形成する延伸工程と、ガラスチューブを線引きしキャピラリを得る線引き工程とを含む。
この構成によれば、酸化ビスマス系ガラスからなる溶融ガラスを成型して、ガラスチューブ母材を形成し、このガラスチューブ母材を延伸し、ガラスチューブを形成し、更にこれを線引きしてキャピラリを形成しているため、製造が容易でかつ高い寸法精度のガラスチューブを提供することが可能となる。
【００２８】
また、本発明は、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記延伸工程は、前記ガラスチューブ母材を延伸し、外径が１ｍｍ未満、空孔径が１００μｍ以上、連続する長さ１ｍ以上であるガラスチューブを形成する方法であるものを含む。
この構成によれば、所望のガラスチューブを得ることが出来る。
【００２９】
また、本発明は、上記フォトニッククリスタルファイバの製造方法において、前記ファイバプリフォームを得る工程は、前記ガラスチューブを複数結束し、ガラス結束体を形成する工程と、前記ガラス結束体を第２クラッドを構成する外管内にロッドインチューブ法で加熱延伸し、ファイバプリフォームを形成する工程とを含む。
この構成によれば、製造が容易でかつ高精度のＧＶＤ制御が可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明により、規則的な周期構造を持ったフォトニッククリスタルファイバを、高非線形ガラスである酸化ビスマス系ガラスを用いて、安定的に容易に製造することができる。
【００３１】
ステップインデックス型ビスマスガラスファイバでは得ることのできなかったＧＶＤの絶対値を制御性良く低下させることができる。これにより、超高速光非線形信号処理への適用が可能となる。
【００３２】
また、融着接合に際し、信頼性が高く高歩留まりの接合が可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００３４】
本発明では、酸化ビスマス系ガラスを用いて、周期構造をもった空孔を多数形成し、ＧＶＤの制御容易かつ作製容易なフォトニッククリスタルファイバの作製方法を提供する。
製造に際しては、はじめに適当な内径外径比の細いガラスチューブを、たとえばリドロー成型法により、その形状が安定したまま数ｍの長さで供給し、そのガラスチューブから、適当な長さに切断した短いガラスチューブ（以下キャピラリ）を作製する。キャピラリを複数本束ね結束し、しかるのち、ロッドインチューブ法などの方法を用いて加熱延伸し、ファイバプリフォームを作製する。結束されたキャピラリの中心は空孔の無いガラス棒が挿入され、コアの役割を果たす。得られたファイバプリフォームを加熱、線引きし、適切な間隔、空孔径を持った空孔が周期配列しているフォトニッククリスタルファイバを得る。空孔配列を形成するキャピラリの本数が、ｍＮを正の整数として、６×ｍＮ本である場合に、ｎＮ層の周期構造を持った６回対称の周期構造が得られる。ここでコアはキャピラリと共に結束してもよいしキャピラリを結束した後中心に挿入してもよい。
【００３５】
すなわち、本発明の実施の形態のフォトニッククリスタルファイバは、図１（ａ）および（ｂ）に拡大写真を示すように、酸化ビスマス系ガラスで構成されたコア１と、前記コア１の周りに、ｎを３以上の整数として同心円状に空孔が並んだ層をｎ層有し、各層間が等間隔であり、最も内側の層を１番目の層としてｍ番目の層は６ｍ本の空孔２を具備してなる第１クラッド３と、この第１クラッド３を囲むジャケットチューブとしての第２クラッド４とを有し、最近接の空孔２の中心を結ぶ線分が正三角形をなすことを特徴とする。すなわち、１層目には６個、２層目には１２個、３層目には１８個の空孔が規則的に配列されている。ここで、最近接の空孔２とは図５に示すように、一つの空孔に対してもっとも距離の近い２つの空孔をいい、これらを結ぶと正三角形をなす。
なお、最近接の空孔２の中心を結ぶ線分が正三角形をなし各層間が等間隔となるようにｍが内側から外側に向かって順次１，２，３というように増加する、各層６ｍ本、ｎ層(ｎ＝３)の空孔２を具備してなるとしたが、必ずしもこのとおりでなくてもよく、基本構成が図１の構造であればよく、わずかな誤差や変形のあるものも有効である。
ここでコアの直径Ｒは５．４μｍ、空孔間の間隔Δは４．０μｍ、空孔の直径ｄは２．５μｍであった。
【００３６】
また、本発明で用いられる酸化ビスマス系ガラスは典型的には、モル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３を１０〜４５％、Ｂ２Ｏ３＋ＳｉＯ２を１２〜７０％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３を７〜２５％、ＣｅＯ２を０〜３％含有するガラスであり、屈折率が１．９＜ｎ＜２．１の範囲のガラスである。なお、たとえば「Ｂ２Ｏ３＋ＳｉＯ２を１２〜７０％含有する」とはＢ２Ｏ３およびＳｉＯ２の少なくともいずれか一方を合計で１２〜７０％含有する、の意であり、「ＣｅＯ２を０〜３％含有する」とはＣｅＯ２は必須ではないが３％まで含有してもよい、の意である。
【００３７】
この組成の範囲を外れる場合には、光非線形性が低くなるか、もしくはガラスの安定形成能が不足し、ガラスチューブのプリフォーム作製に困難を来たすおそれがある。
【００３８】
さらに高光非線形性を望む場合には、モル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３を４５〜７０％、Ｂ２Ｏ３を１２〜３０％、Ｇａ２Ｏ３を７〜２０％、Ｉｎ２Ｏ３を２〜１５％、ＺｎＯを０〜１５％、ＣｅＯ２を０〜３％含有するガラスで、屈折率Ｎが２．１以上２．３未満の範囲のガラスを用いることができる。
この範囲を外れる組成では、前述と同じく、光非線形性が低くなるか、もしくはプリフォーム作製に困難を来たすおそれがある。
【００３９】
次に、このフォトニッククリスタルファイバの製造方法について説明する。
この方法では、図２乃至図４に示すように、酸化ビスマス系ガラスからなる溶融ガラスを用いてガラスチューブ母材１００、ガラスチューブ１０１を経てキャピラリ１０２（図２（ｃ））を形成するとともに、酸化ビスマス系ガラスからなるコアを構成するコアロッド２０２を用意し（図３（ｃ））、コアロッド２０２の周りに、同心円状に各層間の間隔が等間隔で６ｍ本（ｍ＝１，・・・，ｎ）、ｎ層(ｎ≧３)の前記キャピラリ１０２を複数束ねて、第２クラッドを構成する外管としてのジャケットチューブ３００内に、挿入し（図４（ａ））、加熱延伸することにより、複数の空孔を有するファイバプリフォーム４１を得る工程（図４（ｂ））と、前記ファイバプリフォームから、フォトニッククリスタルファイバ４２を得る線引き工程（図４（ｃ））とを含む。
【００４０】
すなわち、まず図２（ａ）に示すように、酸化ビスマス系ガラスからなる筒状のガラスチューブ母材１００を用意する。ガラスチューブ母材１００の大きさは、典型的に長さ１５０ｍｍ、直径１５ｍｍであって、内径は２ｍｍ〜１０ｍｍである。この筒状のガラスチューブ母材は、モールド成型したガラスに機械加工することにより得ることができる。または、筒状モールドにおいて、ローテイショナル法と呼ばれる方法を用い、主軸に回転を加えることにより遠心力を利用して作製することができる。このとき、直径、内径の比率は、最終的に得ようとするフォトニッククリスタルファイバの形状に対応して決定される。
【００４１】
このガラスチューブ母材１００を、図２（ｂ）に示すように、その粘性が１０４．５〜１０９．５ポアズになる温度まで加熱し、機械的引張りによって延伸を行う。これを典型的には１回、もしくは複数回繰り返すことにより、外径５ｍｍ以下のガラスチューブ１０１を得る。ガラスチューブ１０１の長さは典型的には５〜１５ｍｍである。
【００４２】
続いて、ガラスチューブ１０１を、リドロー成型により、直径５００μｍ以下の細いガラスチューブすなわちキャピラリ１０２に引き伸ばす（線引き工程：図２（ｃ））。このとき得られるキャピラリ１０２の長さは、リドロー成型前のガラスチューブ１０１の長さに依存し、典型的に１ｍ以上である。リドロー成型により、長手方向に直径、内径ともに安定した細いキャピラリ１０２を、きわめて短時間に得ることができる。
【００４３】
そして、キャピラリ１０２を、適切な長さに切断し、所望の本数の短いガラスチューブ（キャピラリ１０２）を得る。キャピラリの長さは、後述のロッドインチューブ用ガラスチューブの長さに依存し、典型的には５〜１５ｍｍである。
【００４４】
そして、フォトニッククリスタルファイバのコアに相当するコアロッド２０２を、キャピラリ１０２と同じ直径となるように用意する。作業上の容易のため、長さはキャピラリ１０２と同じかそれ以上が好ましい。コアロッド２０２の成分はキャピラリ１０２と同じか、または比屈折率差が上限を４％として、屈折率がキャピラリ１０２より高いビスマスガラスを用いるのが好ましい。それ以外の屈折率差で形成した場合、コアが光を導波しないか、もしくはマルチモード伝播になるおそれがある。すなわち図３（ａ）に示すように、前記キャピラリ１０２を構成するガラスと同じガラスを用いて、コア母材２００を形成し、図３（ｂ）に示すように、これを延伸してガラスロッド２０１を形成し、更に線引きして図３（ｃ）に示すように、コアロッド２０２を形成する。
【００４５】
次いで、図４（ａ）に示すように、コアロッド２０２を中心に据え、周囲をキャピラリ１０２で囲み、最密充填になるようにそれらを結束しガラス結束体４０を得る。このガラス結束体４０の断面図を図６に示す。キャピラリ１０２の直径安定性により、キャピラリ１０２の周期配列は六方最密充填構造をとる。キャピラリ１０２の直径安定性が悪い場合、周期構造をとることができない。
【００４６】
そして図４（ｂ）に示すように、これらガラス結束体４０をジャケットチューブ３００に挿入し、しかる後加熱により、図５（ａ）に示すように、これらを融着し一体となったファイバプリフォーム４１を得る。ファイバプリフォーム４１は典型的には直径３〜１５ｍｍである。ロッドインチューブ工程では、キャピラリ１０２とジャケットチューブ３００の間の空隙を確実に埋め融着させるために、隙間部分に減圧をすることが好ましい。この場合、キャピラリ１０２内の空気を封止するためにキャピラリ１０２の端部は封じられていることが好ましい。このようにして図５（ｂ）に示すように、更に加熱延伸しファイバプリフォーム４１を得たのち、線引き工程を経て図５（ｃ）に示すように最終径のフォトニッククリスタルファイバを得ることができる。図７はこのフォトニッククリスタルファイバの断面を示す模式図である。
【００４７】
そして、最終的なフォトニッククリスタルファイバのコア径、空孔径、空孔間隔は前項加熱延伸時の結束されたキャピラリ１０２の外周径、および、ジャケットチューブ３００の外径、内径に依存して決定される。１回のロッドインチューブ工程で所望の構造を得ることができない場合は、複数回のロッドインチューブ工程を経るものとする。
【００４８】
ファイバプリフォーム４１を、延伸した後リドロー成型可能な温度まで加熱し、フォトニッククリスタルファイバ４２の形状に線引きを行う。このとき、空孔は典型的には１０μｍ以下の小径になるため、空孔の消失を防ぐために、ファイバプリフォーム４１上端より加圧を行う。このときの加圧圧力は、ガラスの粘性、線引き速度、空孔径によって決定され、１〜１００ｋＰaである。このようにして図１に示したフォトニッククリスタルファイバが形成される。
なお、前記実施の形態では３層構造の空孔を有するフォトニッククリスタルファイバについて説明したが、必ずしも３層でなくてもよく、更なる多層とすることも可能である。
【００４９】
なおこのようにして形成されたフォトニックスクリスタルファイバのＧＶＤを測定した結果を図８に示す。図中Ｓは計算値、ａはこのフォトニッククリスタルファイバのＧＶＤの測定結果を示す。ここでｒは比較例として従来のステップインデックス型ファイバのＧＶＤを測定した結果を示す。この図からわかるように、フォトニックスクリスタルファイバのＧＶＤは−４５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度であった。この値は同じ酸化ビスマス系ガラスで形成したステップインデックス型ファイバの−３００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍに比べて大幅に向上していることがわかる。
なおここでは、測定器の測定誤差が±１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍで、その範囲内には収まっている。
このように、本発明の実施の形態１のフォトニッククリスタルファイバによれば、わずかな寸法ばらつきが生じても１つ１つの空孔が小さいため、特性変化を抑制することができ、高精度のＧＶＤを得ることができるものと考えられる。
【００５０】
さらにまた、このようなフォトニッククリスタルファイバと、石英系光ファイバなどの光伝送部とを融着接続する際、空孔が小さいため、接続対象となる領域が空孔のまわりに分散することになる。従って、融着時における接続強度が増大し、信頼性の高い融着構造を得ることが可能となる。
【００５１】
次に、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記空孔間隔に対する前記空孔径の比を変化させて、光閉じ込めについて考察した。ここで空孔径ｄ、空孔間隔Δが適正であるかどうかの判断は、基本モードが発散せずファイバコアに閉じ込められて伝搬するかどうかで判断した。基本モードとは、一般的な光通信で用いられる光強度分布を有する光で、基本モードのみが伝搬できるファイバを「シングルモードファイバ」と呼ぶ。ｄ／Δを変化させた場合の、基本モード閉じ込めの可否について計算した結果を、閉じ込め不可能を「０」、閉じ込め可能を「１」として第１表に示す。おおよそ、Δ（間隔）が小さい場合は閉じ込めが弱く、空孔径を大きくする（より稠密な構造）にしなければならない。ここではΔ＝４μｍであるファイバを作成した。ｄ／Δ＞０．２であれば閉じ込めＯＫであることがわかる。また、Δ＞５μｍの場合はｄ／Δ＞０．１でも計算上は閉じ込め可能（おそらく閾値はｄ／Δ＞０．０５となるが、非線形性、ＧＶＤ制御性が悪くなる場合がある。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
ここで、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記空孔間隔に対する前記空孔径の比が０．２以上であるのが望ましい。０．２に満たないとエアクラッドとしての作用を奏功し得ず光閉じ込めが弱まり、所望のＧＶＤを得ることができないが、０．２以上であると、十分に大きなエアクラッドとしての特性を得ることができ、伝送特性の良好なフォトニッククリスタルファイバを得ることができるという効果を奏功する。
【００５４】
また、フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記ガラスは、酸化ビスマスを２０から８０モル％の範囲であったが、２０モル％に満たないと非線形性が不足し、８０モル％を越えると安定したガラスを得にくくなる。
【００５５】
また、空孔の中心のうち最も近接する３個の中心を結ぶ線分が正三角形を構成することで、六方最密構造を有し、変形の少ない構造を得ることができる。
【００５６】
また、フォトニッククリスタルファイバにおいて、コアを構成するガラスと第１クラッドを構成するガラスは同一であってもよい。
同一のガラスで構成することで、コアと第１クラッドとの接合性が高く、かつ温度変化に際してもクラックが生じたりすることはない。ここではガラスの組成も物理的状態も同じであることをいう。
さらにまた、本発明は、上記フォトニッククリスタルファイバにおいて、前記コアを構成するガラスの屈折率を、前記第１クラッドを構成するガラスの屈折率よりも高いものとすれば、コアは第１クラッドを構成するガラスの屈折率よりも高いため、融着接続に際し、空孔が消失しても、光の閉じ込め効果を発揮しうる。
【００５７】
なお、コアを構成するガラスと、第１クラッドを構成するガラスは必ずしも同一でなくてもよい。この構成によれば、所望の伝送特性を得るためのガラスの選択自由度が高くなり、設計自由度が増大する。なおコア、第１クラッド、第２クラッドはほぼ同一の熱膨張率で、ほぼ同一の軟化点をもつガラスであればよいがより望ましくは、コアの部分で屈折率がより大きいものが望ましい。
【００５８】
また、本発明のフォトニッククリスタルファイバの製造方法によれば、切削法を用いることなくフォトニッククリスタルファイバを形成することができるため、信頼性が高く、またＧＶＤの制御が極めて高精度に実現可能である。
【００５９】
なお、前記実施の形態において、ガラスチューブを形成する工程は、５００μｍ径以下のガラスチューブを、１０ｃｍ以上形成するようにするのが望ましい。この構成により、規則的な同心円状にｎ層のガラスチューブを精度よく配列することができ、この配列状態がそのまま維持されるように延伸されるため、従来得られなかった高精度のＧＶＤ制御が可能となる。
【００６０】
また、ガラスチューブを形成するに際し、ガラスチューブ母材を、外径が１ｍｍ未満、空孔径が１００μｍ以上、連続する長さ１ｍ以上となるように延伸するのが望ましい。連続する長さがこれより短い場合、所望の結束体を得るために必要なキャピラリを、多数回にわたり作製する必要があり、その場合、外径を安定して揃えることが困難になるおそれがある。
【００６１】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２について説明する。
前記実施の形態１では、すべての空孔の大きさを同じとなるように形成したが、本実施の形態としては、図９に模式的断面図を示すように空孔２のうち、対角線上で相対向する空孔２Ｌの大きさが異なるように構成してもよい。
このように相対する２個の空孔径を他の孔と変えることで、偏波保持性を得ることができる。
【００６２】
また、前記実施の形態では酸化ビスマス系ガラスについて説明したが、テルライトガラス、カルコゲンガラスなどにも適用可能である。
【実施例】
【００６３】
以下に本発明の実施例について説明する。
【００６４】
モル表示でＢｉ２Ｏ３  ４２．８％、ＳｉＯ２  ３４．２％、Ｇａ２Ｏ３  １４．３％、Ａｌ２Ｏ３  ７．１％、Ｌａ２Ｏ３  １．４％、ＣｅＯ２  ０．２％となるように原料を調合、溶解しビスマスガラスを得た。このガラスは波長１．５５μｍでの屈折率Ｎが１．９８であった。
【００６５】
溶解した酸化ビスマス系ガラスをＳＵＳ製円筒モールドにて成型し、長さ１５０ｍｍ、直径１５ｍｍのコア母材２００を得た。コア母材２００を５６９℃にて加熱延伸し（延伸されたガラスロッド２０１）、直径５００μｍのコアロッド２０２を得た。
【００６６】
一方溶解した酸化ビスマス系ガラスを、ローテイショナル法にて成型し、長さ１５０ｍｍ、直径１５ｍｍ、内径６ｍｍのガラスチューブ母材１００を得た。
【００６７】
ガラスチューブ母材１００を５６９℃にて加熱延伸し、直径５ｍｍのガラスチューブ１０１を得た。
【００６８】
ガラスチューブ１０１を５８５℃にて加熱リドローして線引きし、長さ１０ｍの細いガラスチューブとしてキャピラリ１０２を得た。細いキャピラリ１０２の直径は平均で５００μｍ、最大径は５０４μｍ、最小径は４９３μであった。図１０に得られたキャピラリ１０２の直径の場所依存性を示す。横軸はガラス長（ｍ）、縦軸は線形（ｍｍ）を示す。この図からわかるように、場所依存性はなく均一であった。同様の方法により、長さ１０ｍの細いキャピラり１０２をさらに２本作製した。
【００６９】
細いキャピラリ１０２から１００ｍｍの長さで３６本のキャピラリ１０２を切り出した。また、コアロッド２０２から長さ１１ｍｍの部分を切り出した。それらを結束し、長さ１１ｍｍのコアロッドを中心とし、キャピラリ１０２が周囲で最密構造をとるようにガラス結束体４０を作製した（図４（ａ））。
【００７０】
ガラス結束体４０の端部をマイクロバーナーにより封止した。これにより、ロッドインチューブ工程において、キャピラリ内の空孔は形状を保つことが可能であった。
【００７１】
図５（ａ）に示すように、
ガラス結束体４０をジャケットチューブ３００に挿入し、５６９℃においてロッドインチューブ法で加熱延伸し、直径５ｍｍのファイバプリフォーム４１を得た（図５（ｂ））。このとき、ガラス結束体１４とジャケットチューブ３００の間の空隙は０．５気圧の減圧であった。これにより空隙無く両者を融着することができた。
【００７２】
ファイバプリフォーム４１を５６２℃にてリドロー成型することにより直径３ｍｍに延伸したのち、線引きを行いフォトニッククリスタルファイバ４２を形成した（図５（ｃ））。この線引時、ファイバプリフォームの上側よりポンプ圧力により空孔内を加圧した。この加圧時の圧力を１０ｋＰａ、２０ｋＰａ、３０ｋＰａ、４０ｋＰａ、５０ｋＰａ、６０ｋＰａ、７０ｋＰａとした。このとき３０ｋＰａの加圧で、空孔はキャピラリの外径内径比を変化させること無く線引きが可能であった。それ以下の加圧（１０ｋＰａ、２０ｋＰａ９では空孔が変形し小さくなった。それ以上の加圧（４０ｋＰａ、５０ｋＰａ、６０ｋＰａ、７０ｋＰａ）では空孔径が大きくなった。
【００７３】
線引き速度は、フォトニッククリスタルファイバの外径を１２５μｍにするよう調整された。線引き後の巻き取り装置のローラーの回転数によりこれは実現された。図８に、得られたフォトニッククリスタルファイバの直径の長さ依存性を示す。横軸はファイバ長（ｍ）、縦軸は線形（ｍｍ）を示す。この図からわかるように、直径のファイバ長依存性はなく均一であった。図１１によれば直径の平均値は１２５μｍ、最大値は１２６μｍ、最小値は１２４μｍであった。このときファイバ長は３０ｍであった。
【００７４】
得られたフォトニッククリスタルファイバ４２は、空孔径２．５μｍ、空孔間隔４μｍ、コア径５．４μｍ、周期配列した空孔の数３６個の断面構造を有していた。図１および２にフォトニッククリスタルファイバ４２の断面写真を示す。図７は要部拡大断面図である。
【００７５】
フォトニッククリスタルファイバ１８のＧＶＤを、Ａｇｉｌｅｎｔ８１９１０Ａ測定器により測定したところ、Ｄ＝−５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであった。本発明で用いられている酸化ビスマス系ガラス８の材料由来のＧＶＤはＤ＝−１３３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。したがって、フォトニッククリスタル構造の導入により、ＧＶＤを＋８３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍシフトさせることが可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明のフォトニッククリスタルファイバによれば、超高速非線形光信号処理系のうち、短尺、コンパクトであることが必要とされるデバイスへの適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態１における、最密充填構造を取ったフォトニッククリスタルファイバの断面を示す写真、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図
【図２】本発明の実施の形態１のキャピラリの製造工程図
【図３】本発明の実施の形態１のコアロッドの製造工程図
【図４】本発明の実施の形態１の結束体の製造工程図
【図５】本発明の実施の形態１のフォトニッククリスタルファイバの製造工程図
【図６】結束体の断面拡大模式図
【図７】本発明の実施の形態１のフォトニッククリスタルファイバの断面拡大模式図
【図８】本発明の実施の形態１のフォトニッククリスタルファイバのＧＶＤと波長との関係を示す図
【図９】本発明の実施の形態２のフォトニッククリスタルファイバの要部拡大断面図を示す図
【図１０】同フォトニッククリスタルファイバの細いガラスチューブの直径とその長さとの関係を示す図
【図１１】本発明において作製された、フォトニッククリスタルファイバの直径とその長さとの関係を示す図
【符号の説明】
【００７８】
１００  ガラスチューブ用プリフォーム（ガラスチューブ母材）
１０１  ガラスチューブ
１０２  キャピラリ
２００  コアロッド用プリフォーム(コア母材)
２０１  ガラスロッド
２０２  コアロッド
３００  ジャケットチューブ
４０    結束体
４１    ファイバプリフォーム
４２    フォトニッククリスタルファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010169965.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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