(57)【要約】【課題】カーボンナノチューブの非線形光学特性を、光通信分野に適用する。【解決手段】非線形光伝送媒体に光学的非線形特性を有するカーボンナノチューブを含有させて得られた光伝送媒体１２を、一般的な光伝送媒体（１４ａ，１４ｂ）間に組み込むとともに光サーキュレータ１６と組み合わせて用いることによって、正常な信号光Ａは透過させる一方で、不所望に発生した異常強度光の透過は遮断する、光ヒューズ（ブレーカ）として使用することができる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光伝送媒体に光学的非線形特性を有するカーボンナノチューブが含有されていることを特徴とする光伝送媒体。
【請求項２】
請求項１に記載の光伝送媒体において、前記非線形光伝送媒体は単一モード光ファイバであることを特徴とする光伝送媒体。
【請求項３】
請求項２に記載の光伝送媒体において、前記光ファイバのコア部は、酸化ビスマス、酸化ビスマスが含有された合成樹脂、酸化ビスマスが含有されたガラス系成分及び酸化ビスマスが含有されたフッ化物系成分の材料のうちのいずれかで構成されていることを特徴とする光伝送媒体。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光伝送媒体において、前記非線形光伝送媒体の融点は、１２００℃以下であることを特徴とする光伝送媒体。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光伝送媒体において、前記光伝送媒体は光ヒューズであることを特徴とする光伝送媒体。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光伝送媒体において、前記光伝送媒体は分散補償素子であることを特徴とする光伝送媒体。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光伝送媒体において、前記カーボンナノチューブは有機溶媒に対して可溶性を有することを特徴とする光伝送媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信分野に用いて好適な光伝送媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、カーボンナノチューブを利用した新たな材料開発が盛んに行われている。
【０００３】
特に、カーボンナノチューブが有する光学的非線形特性は、今後、新たな機能材料を開発するに当たりその適用が期待される特性の一つである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、信号光を中継する光増幅器の誤動作や、光伝送媒体を伝播する信号光の偶発的な偏り等が発生すると、異常に強い強度を持つ光が光伝送媒体中に発生することが知られている。
【０００５】
このような現象が光伝送媒体中で発生すると、この異常に強い強度を持つ光によって、この光伝送媒体と結合されている通信デバイスが破壊されてしまい、その結果、正常な光伝送を継続できないという問題があった。
【０００６】
そこで、この出願に係る発明者は、鋭意検討を行ったところ、カーボンナノチューブの光学的非線形特性を光学分野、特に、光通信分野に適用させることより、カーボンナノチューブを含有した光伝送媒体に種々の独特な機能を発揮させることが出来ることを見出した。
【０００７】
その機能の一つとして、カーボンナノチューブを非線形光伝送媒体に含有させて得られる光伝送媒体を光非相反回路（例えば、光サーキュレータ）と組み合わせて用いることにより、この光伝送媒体が異常に強い強度を持つ光の透過を遮断する一方で、正常な光強度を持つ信号光を透過させる光ヒューズ（光ブレーカ）として機能させることが出来ることを発見した。
【０００８】
また、カーボンナノチューブ及びこのカーボンナノチューブを含有する非線形光伝送媒体がもつ分散特性の差異を利用することにより、この非線形光伝送媒体にカーボンナノチューブを含有させて得られる光伝送媒体を分散補償素子として機能させることが出来ることを発見した。
【０００９】
そこで、この発明の第１の目的は、カーボンナノチューブを非線形光伝送媒体に含有させて得られる光伝送媒体を提供することにある。
【００１０】
また、この発明の第２の目的は、カーボンナノチューブを非線形光伝送媒体に含有させて得られる光伝送媒体を用いて構成した光ヒューズを提供することにある。
【００１１】
また、この発明の第３の目的は、カーボンナノチューブを非線形光伝送媒体に含有させて得られる光伝送媒体を用いた分散補償素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の光伝送媒体は、光学的非線形特性を有する光伝送媒体中に光学的非線形特性を有するカーボンナノチューブを含有している。
【００１３】
このような構成とすることにより、光伝送媒体がもつ光学的非線形特性が顕著になる。例えば、非線形光伝送媒体の特性である非線形屈折率特性が、光学的非線形特性を有するカーボンナノチューブの非線形屈折率特性と相俟ってより一層顕著になり、その結果、この光伝送媒体の光学的非線形特性を高め、高非線形屈折率特性を付与することができる。
【００１４】
また、好ましくは、非線形光伝送媒体は単一モード光ファイバであるのが良い。
【００１５】
光通信の光伝送路として用いられる光ファイバが単一モード光ファイバであることから、非線形光伝送媒体を単一モード光ファイバとすることで、光通信の光伝送路を構成する光ファイバとの整合性を確保できるという利点がある。仮に非線形光伝送媒体が多モード光ファイバであれば、光通信の光伝送路として用いられる光ファイバとの接続は容易でない上、非線形光伝送媒体を光通信の光伝送路の一部に組み込むことは事実上不可能である。
【００１６】
また、好ましくは、非線形光伝送媒体の融点は、１２００℃以下であるのが良い。
【００１７】
このようにすると、非線形光伝送媒体を溶融する際、この溶融温度を１２００℃以下とすることができるので、１２００℃程度の加熱でその組成やその機能が破壊される可能性のあるカーボンナノチューブを、この非線形光伝送媒体中に含有させて形成する工程を懸念なく実施することができる。
【００１８】
また、好ましくは、光ファイバのコア部を、酸化ビスマス、酸化ビスマスが含有された合成樹脂、酸化ビスマスが含有されたガラス系成分及び酸化ビスマスが含有されたフッ化物系成分の材料のうちのいずれかで構成するのが良い。
【００１９】
また、好ましくは、光伝送媒体を光ヒューズとするのが良い。
【００２０】
このようにすると、光伝送媒体が異常に強い強度を有する光の透過を遮断する一方で、正常な光強度を有する信号光を透過させる光ヒューズ（光ブレーカ）として機能させることが出来る。
【００２１】
また、好ましくは、光伝送媒体を分散補償素子とするのが良い。
【００２２】
このようにすることで、高速でかつ伝送距離が長い光通信において、伝送路の分散に起因する光信号パルス形状の変化による、通信エラー等の発生を防ぐことができる。
【００２３】
また、好ましくは、カーボンナノチューブは有機溶媒に対して可溶性を有するのが良い。
【００２４】
このようにすると、不溶性のカーボンナノチューブを用いて光ファイバを作製した場合に比べて、光伝送媒体中における不所望な散乱光の発生を抑制できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。尚、各図は、この発明が理解できる程度に各構成成分の大きさ、形状及び配置関係を概略的に示してあるに過ぎない。従って、この発明は、図示例のみに限定されるものではない。
【００２６】
（１）　カーボンナノチューブの作製
この実施の形態では、炭素原子（Ｃ）の六員環構造によって形成された１枚のグラフェン（ｇｒａｐｈｅｎ）がチューブ構造となっている、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ：Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌ　ｃａｒｂｏｎ　ＮａｎｏＴｕｂｅ、以下、ＳＷＮＴと称する。）を用いる。
尚、カーボンナノチューブはＳＷＮＴに限定されるものではなく、多層構造のグラフェンがチューブ構造となっている多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ：Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌ　ｃａｒｂｏｎ　ＮａｎｏＴｕｂｅ、以下、ＭＷＮＴと称する。）であってもこの発明を適宜適用できる。
【００２７】
（１−１）　一般的なカーボンナノチューブの作製
一般的なＳＷＮＴを作製するに当たり、周知の通り、レーザ蒸発法やアーク放電法等の方法を任意好適に利用できるが、ここでは、レーザ蒸発法によるＳＷＮＴの作製方法の一例を以下に簡単に述べる。
【００２８】
先ず、遷移金属元素、例えば、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）を、それぞれ数原子％（例えば、各々０．６原子％とする。）含有する（金属／炭素）コンポジット棒を作製する。
【００２９】
続いて、このコンポジット棒を電気炉中で約１２００℃の温度で加熱した後、５００Ｔｏｒｒの減圧下でアルゴン（Ａｒ）ガスを５０ｓｃｃｍで導入しながら、ネオジウム（Ｎｄ）・ヤグ（ＹＡＧ）パルスレーザ（１０Ｈｚ）等で瞬時に炭素と触媒金属とを蒸発させてＳＷＮＴを作製する。尚、こうして得られるＳＷＮＴには副生成物等の不純物が混入している場合があるので、水熱法、遠心分離法及び限外濾過法等によってＳＷＮＴを精製するのが好ましい。
【００３０】
（１−２）　可溶性カーボンナノチューブの作製
（１−１）で得られたＳＷＮＴは不溶性であるが、以下に述べる過程を更に経ることにより、例えば、有機溶媒に対して可溶性（ｓｏｌｕｂｌｅ）を呈する可溶性ＳＷＮＴ（Ｓ−ＳＷＮＴ）を作製することができる。
【００３１】
先ず、（１−１）で得られたＳＷＮＴを、例えば、酸化性の濃硫酸（純度９８％）及び濃硝酸（純度７０％）を３：１の割合で混合した混合溶液中で超音波処理することにより、当該超音波処理前の平均長が２８０ｎｍ程度であったＳＷＮＴを平均長１５０ｎｍ程度にまで切断処理する。
【００３２】
続いて、この切断処理により両端が開管されたＳＷＮＴ（長さ１００〜３００ｎｍ程度）の両端に対して、例えば、塩化チオニル（ＳＯＣｌ２）及びオクタデシルアミン（ＯＤＡ：ＣＨ３（ＣＨ２）１７ＮＨ２）による化学修飾を行い、Ｓ−ＳＷＮＴであるＳＷＮＴ−ＣＯＮＨ（ＣＨ２）１７ＣＨ３を作製する。尚、このＳ−ＳＷＮＴを作製する反応における中間体のＳＷＮＴ−ＣＯＣｌに、４−ドデシルアニリン（４−ＣＨ３（ＣＨ２）１３Ｃ６Ｈ４ＮＨ２）を反応させることにより、有機溶媒に対して更に高い溶解度を有するＳ−ＳＷＮＴであるＳＷＮＴ−ＣＯＮＨ−４−Ｃ６Ｈ４（ＣＨ２）１３ＣＨ３を作製することも可能である。また、Ｓ−ＳＷＮＴの作製方法は上述のみに限定されず、設計や目的に応じて好適なＳ−ＳＷＮＴを作製するものとする。
【００３３】
（２）　カーボンナノチューブの光学的非線形特性の検証
先ず、（１）で精製されたカーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ及びＳ−ＳＷＮＴのいずれか一方または双方）が成膜されている薄膜（単に、ＳＷＮＴ薄膜と称する。）を作製する。ＳＷＮＴ薄膜の作製には、ＳＷＮＴを分散媒に分散させて得られた分散液を透明な光学材料、すなわち、ガラス基板等の透明性の被塗布物上にスプレー塗布することにより得られる。
【００３４】
そして、このＳＷＮＴ薄膜に所定の強度を有する光を照射していったところ、ＳＷＮＴ薄膜の屈折率変化が入射光強度に対して比例することから、カーボンナノチューブの屈折率は光強度に対する非線形特性を有する材料であることが確認された。
【００３５】
（３）　非線形光伝送媒体にカーボンナノチューブを含有させて構成される光伝送媒体の作製
この実施の形態では、非線形光伝送媒体にカーボンナノチューブを含有させて光伝送媒体を作製するに当たり、非線形光伝送媒体としてコア部に酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）を含有するビスマス光ファイバを用いた例につき説明する。
【００３６】
より詳細には、光ファイバのコア部の主成分となる酸化ビスマスに、カーボンナノチューブを適量添加させることにより光伝送媒体を作製する。
【００３７】
光伝送媒体である光ファイバを作製するに当たり、周知の通り、二重るつぼ法やＭＣＶＤ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ＣＶＤ法）やＶＡＤ（ｖａｐｏｕｒ−ｐｈａｓｅ　ａｘｉａｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法を任意好適に利用できるが、ここでは、二重るつぼ法による光ファイバの作製方法の一例を以下に簡単に述べる。
【００３８】
先ず、白金製の二重るつぼの内側の容器に、コア部用材料である酸化ビスマス及び少量のガラス系成分を入れる。また、二重るつぼの外側の容器に、クラッド用材料としてコア部よりも屈折率が低くなるように配合を調整した酸化ビスマス及び少量のガラス系成分を入れる。
【００３９】
そして、これら材料を溶融させるとともに、更に、内側の容器には、（１）に説明した方法によって精製される、例えば、直径が概ね１．０ｎｍから１．５ｎｍの範囲内の値であるカーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ及びＳ−ＳＷＮＴのいずれか一方または双方）を所定量添加して撹拌する。その後、通常の方法によって線引き工程を行うことにより光ファイバを作製する。尚、ビスマスに添加するカーボンナノチューブ量や詳細な光ファイバの製造方法については、目的や設計に応じて任意好適に決定するものとする。
【００４０】
こうして得られるビスマス光ファイバは、コア部のビスマスが有する非線形屈折率特性にカーボンナノチューブが有する非線形屈折率特性が更に付与されるため、高非線形屈折率特性を有する。
【００４１】
また、特に、Ｓ−ＳＷＮＴを添加して光ファイバを作製すれば、有機溶媒に対して不溶性のＳＷＮＴのみで光ファイバを作製した場合に比べ、不所望な散乱光の発生を抑制することができ好適である。
【００４２】
尚、カーボンナノチューブを含有するコア部形成用の光ファイバ材料を選択するに当たり、好ましくは融点が１２００℃以下のものとするのが良い。この理由は、光ファイバを形成する際に、光ファイバ材料はその融点以上に加熱されるので、この加熱によってカーボンナノチューブの組成やその機能が破壊されることが懸念されるからである。
【００４３】
酸化ビスマスの融点（約８２４℃）は、カーボンナノチューブの組成やその機能が破壊されることが懸念される１２００℃程度の温度に比べて低いうえに、酸化ビスマスの非線形屈折率が、合成樹脂等の他のコア部用光ファイバ材料の非線形屈折率に比べて高い。したがって、酸化ビスマスは、カーボンナノチューブと組み合わせて好適な光ファイバ材料といえる。
【００４４】
しかしながら、カーボンナノチューブを含有させる非線形光伝送媒体材料は酸化ビスマスに限定されない。すなわち融点が１２００℃より低く、光ファイバ形成時に溶融するための加熱処理によってカーボンナノチューブの組成やその機能が破壊されることがなく、かつ十分な非線形屈折率を有する材料であれば、合成樹脂（プラスチック）、ガラス系材料及びフッ化物系材料であっても、これらの材料にカーボンナノチューブを含有させて構成しても良い。
【００４５】
（４）非線形光伝送媒体にカーボンナノチューブを含有させて構成される光伝送媒体の構成例
（４−ａ）光ヒューズ（ブレーカ）
図１に、この発明に係る、非線形光伝送媒体にカーボンナノチューブを含有させて構成される光伝送媒体（以下、ＳＷＮＴ含有光伝送媒体と称する場合もある。）を光ヒューズとして用いた場合の構成例を概略的に示す。
【００４６】
具体的には、（３）に説明した方法によって作製されたＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２を、図１に示すように、一般的な光伝送媒体１４ａ及び１４ｂ（ここでは、共に一般的な酸化ビスマス光ファイバとする。）間に介在されている。また、ＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２の前段に（ここでは、光伝送媒体１４ａとＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２との間とする。）、例えば、光サーキュレータ１６が配置されている。そして、この光サーキュレータ１６には、この光サーキュレータ１６から出力される光を導波する、一般的な光伝送媒体１４ｃが接続されている。
【００４７】
そして、外部から光伝送媒体１４ａを介して入射される信号光Ａは、ＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２を経た後光伝送媒体１４ｂから出射される構成である。
【００４８】
光サーキュレータ１６は、光伝送媒体１４ａからＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２の方向に向かって進む信号光Ａを、図１に示すように、光伝送媒体１４ａからＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２の方向に向けて導波する機能を有している。一方、ＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２から光伝送媒体１４ａの方向に向かって進む光Ｂに対しては、図１に示すように、光伝送媒体１４ｃの方向に向けて導波する機能を有している。
【００４９】
そして、このＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２の光ヒューズとしての動作の概略は、以下の通りである。
【００５０】
先ず、光伝送媒体１４ａに入射された信号光Ａは、光サーキュレータ１６を経てＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２に入射される。
【００５１】
このとき、（３）で既に説明したように、ＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２では、当該ＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２が有する高非線形屈折率特性に起因して、以下に述べるような現象が起こる。
【００５２】
すなわち、ＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２に光伝送媒体１４ａ側から入射された信号光（入射光）Ａと、この信号光ＡがＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２と光伝送媒体１４ｂとの境界で反射された光（反射光）とが、干渉することによって定在波が形成される。
【００５３】
その結果、この定在波に対応する光強度分布の発生によって、ＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２の長手方向には周期的な屈折率分布、すなわち、回折格子が形成される。この回折格子の屈折率変調度（高屈折率部分と低屈折率部分との屈折率の差）は、このＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２への入射光強度に依存し、その入射光強度が強いほどこの屈折率変調度は大きくなる。
【００５４】
すなわち、信号光Ａの光強度が異常に高くなった場合は、上述の回折格子の屈折率変調度が大きくなるので、この異常強度光に対するこの回折格子からの反射率は大きくなる。
【００５５】
このことから、この異常強度光は、ＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２の部分に形成される回折格子によって、ほぼ１００％反射されて、ＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２を透過することができない。
【００５６】
そして、このＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２を透過できなかった異常強度光は、信号光Ａとは逆進する光（逆進光Ｂ）となって光サーキュレータ１６を介して光伝送媒体１４ｃに送出された後、この系外に排出することができる。
【００５７】
しかしながら、通常の光強度を有する信号光Ａに対しては、ＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２において非線形光学効果が顕著には現れないため、ＳＷＮＴ含有光伝送媒体１２を透過することができる。
【００５８】
このように、非線形光伝送媒体にカーボンナノチューブを含有させて構成される光伝送媒体１２を、正常な信号光Ａは透過させる一方で、不所望に発生した異常強度光の透過は遮断する、光ヒューズ（ブレーカ）として用いることができる。
【００５９】
（４−ｂ）分散補償素子
図２を参照して、カーボンナノチューブ及び一般的な光伝送媒体（ここでは、光ファイバとする。）の分散特性の一例につき説明する。同図において、縦軸は分散（単位は、ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）である。）であり、横軸は波長（単位はｎｍである。）を示している。分散の絶対値は、光ファイバの長さやカーボンナノチューブの含有量等に比例するので、縦軸には分散の絶対値そのものの値は表示していないが、縦軸の目盛りは分散の絶対値に比例する任意スケールで目盛ってある。一方、横軸は、波長１３００ｎｍから波長１７００ｎｍの範囲を示している。
【００６０】
図２において、曲線Ａはある直径値のカーボンナノチューブの分散特性を示しており、及び曲線Ｂは一般的な光ファイバの分散特性を示している。
【００６１】
そこで、この出願に係る発明者は、鋭意研究を行った結果、（１）に説明した方法によって精製されるカーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ及びＳ−ＳＷＮＴ）の分散特性（曲線Ａ）が、カーボンナノチューブの直径に依存して曲線Ａ’や曲線Ａ”等にシフトすることを確認している。
【００６２】
また、光通信において、伝送速度が高くなるほど、あるいは、伝送距離が長くなるほど、光ファイバの分散は小さいことが好ましい。したがって光通信に用いる光ファイバを作製する際には、広い波長域で分散がゼロ（屈折率が波長に依存しない状態）になるように設計するのが望ましい。
【００６３】
そこで、曲線Ｂで与えられる屈折率特性を発現するような光ファイバ材料に、例えば、曲線Ａで与えられる屈折率特性を発現するような所定直径を有するカーボンナノチューブを添加すれば、光ファイバの分散特性とカーボンナノチューブの分散特性とが相殺されるという状態を作り出すことができる。すなわち波長領域ａにおいて、波長領域ａにおけるカーボンナノチューブを含有する光伝送媒体の分散特性（曲線Ｃで与えられる。）を、分散値が波長に依存しないという、いわゆるフラット状態を実現できる。
【００６４】
その結果、非線形光伝送媒体に添加するカーボンナノチューブの直径を目的や設計に応じて変更して光伝送媒体を作製することにより、この光伝送媒体を、当該光伝送媒体を伝播する信号光の波長分散を補償する分散補償素子（ファイバ）として利用することができる。つまり、カーボンナノチューブの分散特性を利用することにより、波長分散の制御（コントロール）を図ることができる。
【００６５】
また、この場合のカーボンナノチューブの直径は、概ね１．０ｎｍから１．５ｎｍの範囲内の値とするのが好ましい。なぜなら、この範囲内の直径を有するカーボンナノチューブの分散特性が、概ね１１００ｎｍから１８００ｎｍの範囲内の波長の光に対して、図２で示した分散特性を示すからである。よって、例えば、現在広く利用されている光ファイバの分散特性が波長１５５０ｎｍ付近を頂点として下側に凸状であるのに対し、このカーボンナノチューブの分散特性はこれと反転した形状であるため、カーボンナノチューブの直径を調整して吸収波長を制御（シフト）することにより当該光ファイバを広範囲で分散値をゼロとすることができ有効である。
【００６６】
以上、この発明の実施の形態における条件等は、上述の組合せのみに限定されない。よって、任意好適な段階において好適な条件を組み合わせ、この発明を適用することができる。
【００６７】
【発明の効果】
上述した説明から明らかなように、この発明によれば、非線形光伝送媒体中にカーボンナノチューブを含有させて得られた光伝送媒体の非線形特性が従来の光伝送媒体より顕著に現れるため、非線形光伝送媒体中にカーボンナノチューブを含有させて得られた光伝送媒体を光通信分野等に適用させて種々の独特な機能を付与させることができる。
【００６８】
例えば、カーボンナノチューブを光通信分野に適用させて得られる新たな機能材料の一つに、高非線形屈折率特性を有する光伝送媒体があるが、この光伝送媒体を光通信の光伝送路の一部に組み込むことにより光ヒューズとして用いることができる。
【００６９】
また、所定直径を有するカーボンナノチューブを含有させて構成した光伝送媒体を、信号光の波長分散を補償する分散補償素子（ファイバ）として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態の説明に供する図である。
【図２】この発明の実施の形態の説明に供する図である。
【符号の説明】
１２：ＳＷＮＴ含有光伝送媒体
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ：光伝送媒体
１６：光サーキュレータ
【図１】
2004046084.tif 000003
【図２】
2004046084.tif 000004