(57)【要約】  石英ガラスからなるクラッドを備え、前記クラッド部は、中心軸上に形成され光を伝搬するコア空孔と、前記コア空孔の周囲に三角格子を形成するように配置された格子形成空孔とを有するフォトニックバンドギャップファイバであって、前記格子形成空孔は、前記三角格子の格子定数をΛとすると、Λは２．１μｍ以下であり、フォトニックバンドギャップの中心波長を含む所定の波長範囲において閉じ込め損失が散乱損失よりも小さい。これによって、紫外〜可視領域の光を低損失で導波できるフォトニックバンドギャップファイバを提供する。
2009040902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラスからなるクラッドを備え、前記クラッド部は、中心軸上に形成され光を伝搬するコア空孔と、前記コア空孔の周囲に三角格子を形成するように配置された格子形成空孔とを有するフォトニックバンドギャップファイバであって、
前記格子形成空孔は、前記三角格子の格子定数をΛとすると、Λは２．１μｍ以下であり、フォトニックバンドギャップの中心波長を含む所定の波長範囲において閉じ込め損失が散乱損失よりも小さい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。
【請求項２】
前記閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｋｍ以下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バンドギャップファイバ。
【請求項３】
前記中心波長は０．４μｍであり、前記Λは１．０５μｍ以下であり、前記格子形成空孔の空孔径をｄとするとｄ／Λは０．９７以下であり、前記格子形成空孔が前記コア空孔を囲むように形成する正六角形状の層の数が６以上であり、前記閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｋｍ以下となる波長範囲は２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラッド部の中心軸上に光を伝搬するコア空孔が形成され、コア空孔の周囲に周期的に配置した空孔が形成されたフォトニックバンドギャップファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
紫外光領域から可視光領域にわたる波長領域（紫外〜可視領域）の光は、医療、バイオ、センシング、計測、光記録、材料加工など、幅広い分野において利用されている。【０００３】
上記の分野のうち、たとえば放射線計測の用途として、紫外光領域の光を比較的長い距離だけ導波させる光導波路が用いられている。すなわち、原子炉などの放射線が発生する施設等においては、放射線量を測定して管理することが、人員ならびに施設の安全確保において非常に重要な課題である。特に、原子炉の定期点検時など、原子炉内に実際に人が立ち入って作業を行う必要がある場合には、あらかじめ放射線量を計測して安全を確保する必要がある。したがって、原子炉において放射線計測を行なう場合には、放射線を蛍光に変換するシンチレータを設置し、シンチレータによって発生した蛍光を光導波路によって安全な場所まで導波し、導波した蛍光の量を測定することによって放射線量を計測する。【０００４】
シンチレータが発生する蛍光の波長は０．４〜０．５５μｍ程度である。この波長領域の光を、たとえば１００ｍ程度の比較的長い距離だけ導波するための光導波路として、プラスチック光ファイバ、あるいは光通信分野で広く用いられている石英系光ファイバが用いられている。【０００５】
一方、赤外光領域の光を用いる光通信分野においては、光伝送路として、フォトニックバンドギャップファイバ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｂａｎｄ  Ｇａｐ  Ｆｉｂｅｒ；ＰＢＧＦ）が盛んに研究されている。このフォトニックバンドギャップファイバは、光ファイバの中心軸上に光を伝搬するコア空孔が形成されるとともに、コア空孔の周囲に周期的に配置した空孔が形成された光ファイバである。そして、周期的に配置した空孔によってブラッグ回折格子を形成し、この回折格子のブラッグ反射によってバンドギャップを発生させることによって、空孔コアへ光を閉じ込めて伝搬させる光ファイバである（非特許文献１、２参照）。【０００６】
【非特許文献１】P.  J.  Roberts  et  al.,  “Ultimate  low  loss  of  hollow-core  photonic  crystal  fibres”  Optics  Express,  v.  13,  no.  1,  pp.  236-244  (2004).
【非特許文献２】G.  Humbert  et  al.,  “Hollow  core  photonic  crystal  fibers  for  beam  delivery”  Optics  Express,  v.  12,  no.  8,  pp.  1477-1484  (2004).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、紫外〜可視領域の光の利用分野は幅広く、この波長領域の光を低損失で導波できる光導波路に対する要求は高い。しかしながら、現状の石英系光ファイバは、たとえば波長０．４μｍにおいて３０ｄＢ／ｋｍ以上の大きい伝送損失を有している。また、プラスチック光ファイバはさらに大きい伝送損失を有しており、光の導波距離に限界があるという問題があった。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、紫外〜可視領域の光を低損失で導波できる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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決し、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は、石英ガラスからなるクラッドを備え、前記クラッド部は、中心軸上に形成され光を伝搬するコア空孔と、前記コア空孔の周囲に三角格子を形成するように配置された格子形成空孔とを有するフォトニックバンドギャップファイバであって、前記格子形成空孔は、前記三角格子の格子定数をΛとすると、Λは２．１μｍ以下であり、フォトニックバンドギャップの中心波長を含む所定の波長範囲において閉じ込め損失が散乱損失よりも小さいことを特徴とする。【００１０】
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は、上記の発明において、前記閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする。【００１１】
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は、上記の発明において、前記中心波長は０．４μｍであり、前記Λは１．０５μｍ以下であり、前記格子形成空孔の空孔径をｄとするとｄ／Λは０．９７以下であり、前記格子形成空孔が前記コア空孔を囲むように形成する正六角形状の層の数が６以上であり、前記閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｋｍ以下となる波長範囲は２０ｎｍ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、紫外〜可視領域の光を低損失で導波できるフォトニックバンドギャップファイバを実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るＰＢＧＦの模式的断面とその拡大表示した中心部を示す図である。
【図２】図２は、ＰＢＧＦおよび通常の石英系光ファイバの散乱損失の波長依存性を示す図である。
【図３】図３は、計算例１に係るＰＢＧＦの断面内での光のフィールド分布を示す図である。
【図４】図４は、計算例１に係るＰＢＧＦの閉じ込め損失の波長依存性を示す図である。
【図５】図５は、計算例５に係るＰＢＧＦの断面内での光のフィールド分布を示す図である。
【図６】図６は、計算例２〜５に係るＰＢＧＦの閉じ込め損失の波長依存性を示す図である。
【図７】図７は、図１に示すＰＢＧＦ１と同様の構造を有するＰＢＧＦにおいて、バンドギャップの中心波長とそれを実現するためのΛの値との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００１４】
１    ＰＢＧＦ
１ａ  クラッド部
１ｂ  コア空孔
１ｃ  格子形成空孔
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、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ＰＢＧＦと記載する。また、紫外〜可視領域とは、波長０．２〜０．８μｍを意味するものとする。【００１６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るＰＢＧＦの模式的断面とその拡大表示した中心部を示す図である。このＰＢＧＦ１は、波長０．４μｍの光を低損失で伝送するものであり、図１に示すように、ＰＢＧＦ１の中心軸上に形成された、光を伝搬するためのコア空孔１ｂを有しており、さらに、コア空孔１ｂの周囲にクラッド部１ａを備えている。クラッド部１ａは、石英ガラスに周期的に空孔が配置された格子形成空孔１ｃと、格子形成空孔１ｃの外周を覆う石英ガラスからなる。また、クラッド部１ａの外周には図示しない紫外線硬化樹脂等からなる被覆を有する。【００１７】
格子形成空孔１ｃは、空孔を三角格子を形成するように配置している。格子形成空孔１ｃの空孔径はｄであり、三角格子の格子定数はΛである。一方、コア空孔１ｂは、正六角形の角と辺とが丸みを帯びた形状をしており、その大きさは、格子形成空孔１ｃのうちの１つとこれに最も近接する６個の空孔とが占める大きさとほぼ同等の大きさとなっている。また、格子形成空孔１ｃは、コア空孔１ｂを囲むように複数の正六角形状の層を形成しており、本実施の形態においては、格子形成空孔１ｃの配置は７層構造になっている。【００１８】
ここで、ＰＢＧＦ１は、Λが１．０５μｍ、ｄ／Λが０．９７に設定されており、その結果、波長０．４μｍを中心波長とするバンドギャップが形成され、波長０．４μｍを含む４０ｎｍの波長範囲にわたって閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｋｍ以下となっている。また、このＰＢＧＦ１は、図１に示す構造を有するので、光のほとんどが中空のコア空孔１ｂに閉じ込められて伝搬する。その結果、光が伝搬中に石英ガラスから受ける散乱損失が、上述した４０ｎｍの波長範囲において、１３ｄＢ／ｋｍ程度に低くなっている。すなわち、閉じ込め損失が散乱損失より低くなっている。また、石英ガラス中の電子遷移に起因する吸収損失も非常に低くなっている。したがって、このＰＢＧＦ１は、波長０．４μｍを含む４０ｎｍの波長範囲にわたって、閉じ込め損失、散乱損失、および吸収損失を合わせた伝送損失が低く、上記波長範囲の光を低損失で導波することができる。【００１９】
なお、非特許文献１によれば、ＰＢＧＦの伝送損失は、主に各空孔表面における散乱損失に起因しており、散乱損失の波長依存性は、波長をλとして、１／λ３に比例することが理論的、実験的に実証されている。また、現在存在するＰＢＧＦは、波長１．６２μｍにおいて１．２ｄＢ／ｋｍという低い伝送損失を実現しているが、コアの構造を最適化することにより、この伝送損失を０．２ｄＢ／ｋｍ程度まで低減することが可能であることが示されている。一方、コアとクラッドとが石英ガラスからなる通常の石英系光ファイバにおいては、コアを構成する石英ガラスによるレイリー散乱損失が発生するが、このレイリー散乱損失は１／λ４の波長依存性を示すことが知られている。【００２０】
そこで、本発明者は、ＰＢＧＦにおける散乱損失と通常の石英系光ファイバにおける散乱損失の特性の違いに着目し、両者の散乱損失の波長依存性について検討した。図２は、ＰＢＧＦおよび通常の石英系光ファイバの散乱損失の波長依存性を示す図である。なお、線Ｌ１は、ＰＢＧＦの空孔表面における散乱損失を示し、線Ｌ２は、通常の石英系光ファイバの石英ガラスからなるコアにおけるレイリー散乱損失を示す。なお、線Ｌ１において、波長１．６２μｍにおける散乱損失は約０．２ｄＢ／ｋｍである。図２に示すように、波長０．８μｍよりも短波長領域、すなわち可視光領域以下の波長領域においては、線Ｌ１のほうが線Ｌ２よりも低い値を示しており、ＰＢＧＦの伝送損失が石英系光ファイバの伝送損失を下回る可能性がある。【００２１】
また、石英ガラス中においては、電子遷移を伴う紫外光吸収が発生するため、光の損失が増加する。本発明者は、通常の石英系光ファイバの場合は、この吸収損失の影響が極めて大きいが、ＰＢＧＦの場合には、導波する光の９９％以上がコア空孔中を伝搬し、石英ガラス中を伝搬する光は１％程度と小さいことから、電子遷移に起因する吸収損失の影響も非常に小さいと考えた。【００２２】
さらに、前述の放射線計測用途の場合、放射線照射の環境下で長期間光ファイバを使用すると、その放射線自体によって石英ガラス中に欠陥が発生して光損失が増加するといった問題も発生することが予想される。しかし、空孔コア中を光が伝搬するＰＢＧＦの場合は、このような欠陥に起因する光損失の増加の影響も小さいことが予想されるため、通常の石英系光ファイバに対してさらなる低損失化のメリットを有していると考えられる。また、放射線による被覆の劣化を防ぐためには、被覆をシリコンとすることが好ましい。【００２３】
そこで、本発明者は、ＰＢＧＦが、上述した理由により紫外〜可視領域の光をより低損失で導波できる可能性に着目し、鋭意研究を重ねた結果、本発明に至ったものである。【００２４】
以下、本実施の形態に係るＰＢＧＦについて、有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ，ＦＥＭ）を用いたシミュレーション計算結果に基づいて、より具体的に説明する。【００２５】
はじめに、計算例１として、図１に示すＰＢＧＦ１と同様の構造を有し、Λが１．０５μｍ、ｄ／Λが０．９７であるが、格子形成空孔を３層としたＰＢＧＦの閉じ込め損失の波長依存性について計算した結果を説明する。図３は、計算例１に係るＰＢＧＦの断面内での光のフィールド分布（Ｅｘ分布）を示す図である。図３において、明るい色で示した領域ほどフィールドの強度が高いことを意味している。図３に示すように、この計算例１に係るＰＢＧＦにおいては、中心に位置するコア空孔に多くの光が閉じ込められているが、光の一部がコア空孔から漏洩している。【００２６】
図４は、計算例１に係るＰＢＧＦの閉じ込め損失の波長依存性を示す図である。図４に示すように、計算例１に係るＰＢＧＦは、Λを１．０５μｍ、ｄ／Λを０．９７にすることによって、波長０．４μｍ近傍で閉じ込め損失が最も低くなり、バンドギャップが形成されていることが確認される。しかしながら、計算例１に係るＰＢＧＦは、格子形成空孔が３層と少ないので、図３に示すように光がコア空孔から漏洩し、バンドギャップ内においても閉じ込め損失が１０００ｄＢ／ｋｍ以上ときわめて高い値である。【００２７】
つぎに、計算例２〜５として、図１に示すＰＢＧＦ１と同様の構造を有し、Λが１．０５μｍ、ｄ／Λが０．９７であるが、格子形成空孔をそれぞれ４〜７層としたＰＢＧＦの閉じ込め損失の波長依存性について計算した結果を説明する。図５は、計算例５に係る層数が７のＰＢＧＦの断面内での光のフィールド分布（Ｅｘ分布）を示す図である。図５に示すように、この計算例５に係るＰＢＧＦにおいては、中心に位置するコア空孔にほとんどの光が閉じ込められている。【００２８】
図６は、計算例２〜５に係るＰＢＧＦの閉じ込め損失の波長依存性を示す図である。図６に示すように、空孔の層数が増加するにつれて閉じ込め損失が低下している。ここで、図２に示すように、波長０．４μｍにおけるＰＢＧＦの散乱損失は１３ｄＢ／ｋｍ程度であるから、閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｋｍ以下であれば、散乱損失に対して許容される値と考えられる。したがって、図６に示すように、格子形成空孔が６層以上であれば、バンドギャップの中心波長を含む波長範囲において閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｋｍ以下となり、許容できる閉じ込め損失を実現できる。なお、閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｋｍ以下となる波長範囲は、層数が６の場合は２５ｎｍであり、実施の形態１に係るＰＢＧＦと同様に層数が７の場合は４０ｎｍである。また、層数を７とすれば、０．１ｄＢ／ｋｍ程度のきわめて低い閉じ込め損失を実現できる。また、計算例２〜５に係るＰＢＧＦの有効コア断面積については、波長０．４μｍにおいて３．５μｍ２程度であり、層数によらずほぼ一定であった。【００２９】
ところで、上記において、Λを１．０５μｍ、ｄ／Λを０．９７としたのは、バンドギャップの中心波長を０．４μｍにするためであり、Λ、ｄ／Λは、中心波長が所望値になるように適宜設定することができる。【００３０】
図７は、図１に示すＰＢＧＦ１と同様の構造を有するＰＢＧＦにおいて、バンドギャップの中心波長とそれを実現するためのΛの値との関係を示した図である。なお、ｄ／Λは、０．９７、０．９５、０．９としている。図７に示すように、Λを２．１μｍ以下とすれば、中心波長を可視光領域よりも短波長、すなわち０．８μｍ以下にできる。なお、ｄ／Λを大きくすると、空孔間のガラスの厚さが薄くなるので、ｄ／Λは０．９７以下であることが好ましい。
また、ｄ／Λを０．９７以下とした場合、バンドギャップの中心波長を０．４μｍにするためにはΛは１．０５μｍ以下とする必要がある。【００３１】
なお、本実施の形態に係るＰＢＧＦは、公知のスタック＆ドロー法を用いて容易に製造できる。すなわち、石英ガラス製ジャケット管内に、格子形成空孔を形成するための石英ガラス製キャピラリー管を三角格子状に配置し、その後ジャケット管の中心軸付近に位置する１本のキャピラリー管およびその周囲の６本のキャピラリー管を抜き出し、コア空孔となる正六角形状の中空部を形成して母材を作製し、この母材を線引きし、ＰＢＧＦを製造する。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバは、医療、バイオ、センシング、計測、光記録、材料加工などの幅広い分野において、紫外〜可視領域の光を導波する導波路として好適に利用できる。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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【図５】
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【国際調査報告】
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