(57)【要約】【課題】  一本一本孤立したカーボンナノチューブが、光軸方向への長い距離に亘って多数存在する構造を有する光機能素子を提供すること。【解決手段】  中空コア部１２と、空気孔が中空コア部１２の周囲に格子配列したクラッド１１とを有するフォトニックバンドギャップファイバを形成する。中空コア部の内壁１３に微粒子触媒を分散させ、その微粒子触媒からカーボンナノチューブ１４を成長させる。フォトニックバンドギャップファイバの空孔１５の格子配置および空孔１５間の間隔と中空コア部１２の直径とは、中空コア部１２に閉じ込められる光の波長帯と、中空コア部１２に存在するカーボンナノチューブ１４に非線形光学効果を発現させる光の波長帯とが一致するように決められる。微粒子触媒の分散濃度は、カーボンナノチューブ１４の各々が束状構造を形成せずに孤立した状態で成長するように調整する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の波長の数倍程度の領域をもつ中空コア部と、長手方向に延びる空孔によって構成されるフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を前記中空コア部に隣接する領域に設けたクラッド部とからなるフォトニックバンドギャップ光ファイバであって、
前記中空コア部の内壁に配置された複数のカーボンナノチューブを備え、
前記回折格子は、前記中空コア部に特定の波長帯の光を閉じ込めるように前記空孔が配置され、
前記カーボンナノチューブは、前記特定の波長帯の光に対して非線形光学効果を発現する電子構造を有することを特徴とする光ファイバ機能素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光ファイバ機能素子であって、前記複数のカーボンナノチューブは、各々が孤立して互いに接触せず、および束状構造を形成しないことを特徴とする光ファイバ機能素子。
【請求項３】
請求項２に記載の光ファイバ機能素子であって、前記カーボンナノチューブを成長させる微粒子触媒が、前記中空コア部の内壁に分散されていることを特徴とする光ファイバ機能素子。
【請求項４】
請求項２に記載の光ファイバ機能素子であって、前記カーボンナノチューブは、ミセル化されたことを特徴とする光ファイバ機能素子。
【請求項５】
光の波長の数倍程度の領域をもつ中空コア部と、長手方向に延びる空孔によって構成される前記中空コア部の周囲に配置されたフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を有するクラッドとからなり、前記回折格子が、特定の波長帯の光を前記中空コア部に閉じ込めるように形成されたフォトニックバンドギャップ光ファイバであって、前記中空コア部の内壁に前記特定の波長帯の光に対して非線形光学効果を発現する電子構造を有する複数のカーボンナノチューブを形成するステップを備えたことを特徴とする光ファイバ機能素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光ファイバ機能素子の製造方法であって、
前記カーボンナノチューブを形成するステップは、
前記カーボンナノチューブの電子構造がフォトニックバンドギャップに対応するように直径を調整された、前記カーボンナノチューブを成長させる微粒子触媒を前記中空コア部の内壁に分散するステップであって、前記分散は前記カーボンナノチューブの各々が孤立して互いに接触せず、および束状構造を形成しないように前記微粒子触媒の分散濃度を調整して行うステップと、
化学気相成長法を用いて前記中空コア部の内壁に前記カーボンナノチューブを形成するステップとを含み、
前記フォトニックバンドギャップ光ファイバは、前記カーボンナノチューブの長手方向の長さと略等しくなるような直径を有する前記中空コア部を有する
ことを特徴とする光ファイバ機能素子の製造方法。
【請求項７】
請求項５に記載の光ファイバ機能素子の製造方法であって、
前記カーボンナノチューブを形成するステップは、
前記カーボンナノチューブをミセル化するステップと、
前記カーボンナノチューブを前記中空コア部に充填するステップとを含む
ことを特徴とする光ファイバ機能素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学特性を有する光機能素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、これまでエレクトロニクス応用を中心に多彩な機能が開拓されてきたが、光学的応用についても大きな非線形光学特性の発現が期待されており、研究が盛んに行われている。ＣＮＴとは、グラファイトの１層あるいは数層が丸まって円筒状の構造をとったものであり、グラファイトを構成する炭素原子の六方格子の配列方向や円筒状構造の径によって電子構造が変化するという特徴がある。
【０００３】
図５に、基板上にＣＮＴを堆積させた従来の光機能素子の断面を示す。この光機能素子は、ガラス基板４１と、その上に堆積するＣＮＴ４２とから構成される。ガラス基板４１に垂直に光を照射してＣＮＴ４２に光を当てることにより、ＣＮＴ４２に非線形光学効果を発現させる。
【０００４】
ＣＮＴは、お互いに引き付け合う性質を有する。そのため、ガラス基板４１に堆積するＣＮＴ４２は、通常、束状の構造を形成する。このような束状構造を有するＣＮＴの光学特性は、単独の孤立したＣＮＴの光学特性よりも著しく劣化することが知られている（非特許文献１参照）。
【０００５】
そこで従来、ＣＮＴによる束状構造の形成を抑制するために、ＳＤＳなどの表面活性剤を用いてＣＮＴをミセル化し、そのミセル化したＣＮＴを基板に堆積させる方法がとられてきた。
【０００６】
【非特許文献１】Michael J. O' Connell et al., “Band Gap Fluorescence from Individual Single-Walled Carbon Nanotubes”, Science, 26 July 2002, Vol297, p.593-596
【非特許文献２】S. Y. Set et al., “Mode-locked Fiber Lasers based on a Saturable Absorber Incorporating Carbon Nanotubes”, Proc. Optical Fiber Communications Conference, 2003, PD44-1-PD44-3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながらこの従来技術には以下に示すような問題点があった。
１） ＣＮＴ層の薄さ
ガラス基板上にＣＮＴを堆積させる場合、ミセル化したＣＮＴを分散する方法では、ＣＮＴの厚さが高々１ミクロン程度（非特許文献２参照）である。化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いても、厚さは高々１００ミクロン程度である。どちらも実用的な光機能素子を形成するには十分な距離ではない。
２） 束状構造
ＣＶＤは、ミセル化したＣＮＴを分散する方法に比べてより厚くＣＮＴを形成することができる。しかし、ＣＶＤによって作成されたＣＮＴは、多数が絡み合った束状の構造となっており、孤立したＣＮＴ本来の機能を発揮することができない。
【０００８】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、光軸方向に長い距離に亘ってＣＮＴが多数存在する構造を有し、各ＣＮＴが孤立して束状構造を形成せず、効率良く非線形光学効果を発現させる光機能素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光の波長の数倍程度の領域をもつ中空コア部と、長手方向に延びる空孔によって構成されるフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を中空コア部に隣接する領域に設けたクラッド部とからなるフォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて、中空コア部の内壁に配置された複数のＣＮＴを備え、回折格子は、中空コア部に特定の波長帯の光を閉じ込めるように空孔が配置され、ＣＮＴは、特定の波長帯の光に対して非線形光学効果を発現する電子構造を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光ファイバ機能素子において、複数のＣＮＴは、各々が孤立して互いに接触せず、および束状構造を形成しないことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光ファイバ機能素子において、ＣＮＴを成長させる微粒子触媒は、中空コア部の内壁に分散されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の光ファイバ機能素子において、ＣＮＴは、ミセル化されたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、光の波長の数倍程度の領域をもつ中空コア部と、長手方向に延びる空孔によって構成される中空コア部の周囲に配置されたフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を有するクラッドとからなり、前記回折格子が、特定の波長帯の光を前記中空コア部に閉じ込めるように形成されたフォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて、中空コア部の内壁に特定の波長帯の光に対して非線形光学効果を発現する電子構造を有する複数のＣＮＴを形成するステップと
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光ファイバ機能素子の製造方法において、ＣＮＴを形成するステップは、ＣＮＴの電子構造がフォトニックバンドギャップに対応するように直径を調整された、ＣＮＴを成長させる微粒子触媒を中空コア部の内壁に分散するステップであって、分散はＣＮＴの各々が孤立して互いに接触せず、および束状構造を形成しないように微粒子触媒の分散濃度を調整して行うステップと、ＣＶＤを用いて中空コア部の内壁にＣＮＴを形成するステップとを含み、フォトニックバンドギャップ光ファイバは、ＣＮＴの長手方向の長さと略等しくなるような直径を有する中空コア部を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の光ファイバ機能素子の製造方法であって、ＣＮＴを形成するステップは、ＣＮＴをミセル化するステップと、ＣＮＴを中空コア部に充填するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、空気コアを有するフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＦ）の中空コア部に孤立して互いに接触しない複数のＣＮＴを配置することが可能であり、そのＣＮＴにＰＢＦ中を伝播する光に対して非線形光学効果を発現させることが可能である。その結果、効果的にＣＮＴによる非線形光学効果を発生する全光信号処理回路が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
（実施形態１）
図１に、本発明の一実施形態にかかる光ファイバ機能素子の光軸に垂直な断面を示す。中空コア部１２と、空気孔が中空コア部１２の周囲に格子配列したクラッド１１とを有するＰＢＦを形成する。中空コア部の内壁１３に微粒子触媒を分散させ、その微粒子触媒からＣＮＴ１４を成長させる。ＰＢＦの空孔１５の格子配置および空孔１５間の間隔と中空コア部１２の直径とは、中空コア部１２に閉じ込められる光の波長帯と、中空コア部１２に存在するＣＮＴ１４に非線形光学効果を発現させる光の波長帯とが一致するように決められる。微粒子触媒の分散濃度は、ＣＮＴ１４の各々が束状構造を形成せずに孤立した状態で成長するように調整する。
【００１９】
ＰＢＦとは、コア部分が中空で、周囲をブラッグ回折格子で囲んだ構造のファイバである。屈折率は周囲部分の等価屈折率よりも低く、屈折率差による光の閉じ込め機構は存在しない。
【００２０】
ＰＢＦで光の閉じ込めを実現するのは、中空コア部の周囲を囲むように配置されたブラッグ回折格子によって生じるフォトニックバンドギャップと呼ばれる現象である。このフォトニックバンドギャップを生じさせるブラッグ回折格子は、中空コア部の周囲に周期的に配置された空孔１５によって形成される。
【００２１】
この空孔１５は、ＰＢＦの長手方向に対しては一定の形状を保持しているが、空孔１５の格子配置および空孔１５間の間隔には自由度を有する。ＰＢＦは、この空孔１５の格子配置および空孔１５間の間隔を適当に選ぶことにより、フォトニックバンドギャップを任意の波長帯に生じさせることができる。フォトニックバンドギャップが生じる波長帯と同じ波長帯の光は、フォトニックバンドギャップの効果により中空コア部に閉じ込められ、ＰＢＦ内を伝播することが可能となる。
【００２２】
図２に、ＰＢＦの光軸に垂直な断面の電子顕微鏡写真を示す。中空コアの直径は、１０ミクロン程度とすることができる。また、周囲の空孔１５の直径を変えることにより、中空コアの直径を変えることも可能である。
【００２３】
実施形態１では、化学気相成長法（ＣＶＤ）により、中空コア部の内壁１３からＣＮＴ１４を成長させる。図１に示すように、ＣＮＴ１４は、中空コア部の内壁１３間を架橋するように中空コア部１２に存在する。ＣＮＴ１４の成長にあたっては、事前にＰＢＦの中空コア部の内壁１３に鉄あるいはコバルトを成分とする微粒子触媒を薄く分散させておく。微粒子触媒の分散濃度は、ＣＮＴ１４の各々が束状構造を形成せずに孤立した状態で成長するように調整する。また、各ＣＮＴの直径は、合成において直接作用した微粒子触媒の各々の直径にほぼ等しくなるため、ＣＮＴ１４の電子構造がフォトニックバンドギャップに対応するように微粒子触媒の直径を調整する。
【００２４】
本発明の実施形態におけるＣＮＴ１４の電子構造とは、光の吸収または発光において重要となるバンドギャップの大きさを意味する。このＣＮＴ１４の電子構造は、ＣＮＴ１４の直径の逆数にほぼ比例することが計算と実験との両面から確かめられている。このことから、ＣＮＴに非線形光学効果を発現させる光の波長帯は、ＣＮＴの直径に依存する。
【００２５】
図３に、ＣＶＤによって生成されるＣＮＴが有する直径の分布を示す。縦軸はＣＮＴの数を示し、横軸はＣＮＴの直径（太さ）を示す。ＣＮＴを中空コアに架橋させる際、架橋距離が長いほど、架橋可能なＣＮＴの直径が太くなる。そこで、中空コア部の直径を、特定の波長帯の光に対して非線形光学効果を発現する所望の電子構造に対応する直径（太さ）を有するＣＮＴが架橋可能な距離とする。これにより、所望の電子構造に対応する直径よりも細いＣＮＴ（図３のＡ）は架橋することができなくなる。
【００２６】
また、微粒子触媒の直径を制御することによっても生成されるＣＮＴの直径を制御できる。微粒子触媒が直接作用して合成されたＣＮＴは、直接作用した微粒子触媒の直径以上の大きさの直径を有することができない。そこで、微粒子触媒の直径を調整することによって、所望の電子構造に対応する直径よりも太いＣＮＴ（図３のＣ）は成長することができなくなる。
【００２７】
中空コアの直径を制御することにより、コア中心に存在するＣＮＴの直径は、所望の電子構造に対応する直径（図３のｄ）以上の距離を有する。つまり、所望の電子構造に対応する直径よりも細い直径を有するＣＮＴを排除する。また、微粒子触媒の直径を制御することにより、コア中心に存在するＣＮＴの直径は、所望の電子構造に対応する直径（図３のｄ）以下の距離を有する。つまり、所望の電子構造に対応する直径よりも太い直径を有するＣＮＴを排除する。このように、所望の電子構造に対応する直径近傍のＣＮＴ（図３のＢ）を選択的に成長させることができる。
【００２８】
その結果、光の強いコア中心において、所望の電子構造に対応する直径を有するＣＮＴの存在確立を高めることができる。よって、架橋可能な距離を直径とする前記中空コア部を形成することによって、特定の波長帯の光に対して非線形光学効果を発現する電子構造に対応するＣＮＴを生成することができる。
【００２９】
中空コア部１２に閉じ込められた光によってＣＮＴ１４に非線形光学効果を発現させるためには、中空コア部１２に閉じ込められた光の波長帯と、ＣＮＴ１４に非線形光学効果を発現させる光の波長帯とを一致させる必要がある。そこで、この２つの光の波長帯が一致するように、つまり、ＣＮＴ１４の電子構造がフォトニックバンドギャップに対応するように、空孔１５の格子配置および空孔１５間の間隔と、中空コア部１２の直径および微粒子触媒の直径とをそれぞれ調整する。本発明の一実施形態では、通信用に用いられる波長１．５５μｍ帯の光を用いることが可能である。
【００３０】
このようにして、中空コア部の内壁１３から成長したＣＮＴ１４は、中空コア部１２に閉じ込められたＰＢＦ内を伝播する光によって非線形光学効果を発現する。加えて、各々が孤立した形態で中空コア部１２に存在するため、ＣＮＴ同士が接触して光学特性が劣化せず、高性能な光機能素子を構築できる。
【００３１】
図４に、ＰＢＦを伝播する光（固有モード）の光強度分布を示す。等高線は、強度がピーク値から１０％低下する毎に描かれている。図３から、ＰＢＦ中を伝播する基底モード光の強度分布は、コアの中心部分の光強度が最も大きいことが分かる。したがって、本発明を非線形光学素子として利用し、効率よく非線形光学効果を発現させるためには、光強度が最も大きいコア中心部に孤立状態のＣＮＴが高密度で存在していることが望ましい。
【００３２】
本発明の実施形態ではＣＮＴが内壁間を橋渡しするように存在し、コア中心部においてＣＮＴの密度が高いため、非線形光学効果を発現する効率は高い。
【００３３】
（実施形態２）
実施形態１では、ＣＶＤを用いてＰＢＦの中空コア部内にＣＮＴを配置したが、予めフォトニックバンドギャップ構造に対応した電子構造を有するＣＮＴをミセル化しておき、そのＣＮＴを中空コア部内に充填しても同様の効果が得られる。また、特定の波長帯、例えば通信波長帯である１．５５μｍの光に対して透明なゼラチン等の材料で、上記ＣＮＴを保持し、中空コア部分に充填しても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光ファイバ機能素子の光軸に垂直な断面を示す図である。
【図２】ＰＢＦの顕微鏡写真を示す図である。
【図３】ＣＶＤによって生成されるＣＮＴが有する直径の分布を示す図である。
【図４】ＰＢＦを伝播する光（固有モード）の光強度分布を示す図である。
【図５】基板上にＣＮＴを堆積させた従来の光機能素子の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１  クラッド
１２  中空コア部
１３  中空コア部の内壁
１４  ＣＮＴ
１５  空孔
４１  ガラス基板
４２  ＣＮＴ
【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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