(57)【要約】【課題】光のフィールドと空孔とのオーバーラップが大きく、かつ製造が容易なホーリーファイバおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】コア部と、前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された複数の内側空孔を有する内側クラッド部と、前記内側クラッド部の外周に位置し、前記内側クラッド部の周囲に層状に形成された複数の外側空孔を有する外側クラッド部とを備え、前記内側空孔は、格子定数Λ１が３．０μｍ以下の三角格子を形成し、かつ２層以上の層を形成するように配置され、前記外側空孔は、格子定数Λ２が前記Λ１より大きくかつ３．０μｍ以上の三角格子を形成し、かつ２層以上の層を形成するように配置されているホーリーファイバ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア部と、
前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された複数の内側空孔を有する内側クラッド部と、
前記内側クラッド部の外周に位置し、前記内側クラッド部の周囲に層状に形成された複数の外側空孔を有する外側クラッド部と
を備え、前記内側空孔は、格子定数Λ１が３．０μｍ以下の三角格子を形成し、かつ２層以上の層を形成するように配置され、前記外側空孔は、格子定数Λ２が前記Λ１より大きくかつ３．０μｍ以上の三角格子を形成し、かつ２層以上の層を形成するように配置されていることを特徴とするホーリーファイバ。
【請求項２】
前記Λ１は２．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のホーリーファイバ。
【請求項３】
前記Λ１は２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のホーリーファイバ。
【請求項４】
前記内側空孔の層数は３層以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のホーリーファイバ。
【請求項５】
前記内側空孔の層数は４層以上であることを特徴とする請求項４に記載のホーリーファイバ。
【請求項６】
当該ホーリーファイバを伝搬する光のフィールドと前記内側空孔とのオーバーラップ指数が０．５％以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のホーリーファイバ。
【請求項７】
前記オーバーラップ指数が１．０％以上であることを特徴とする請求項６に記載のホーリーファイバ。
【請求項８】
前記オーバーラップ指数が２．０％以上であることを特徴とする請求項７に記載のホーリーファイバ。
【請求項９】
前記外側空孔の層数は３層以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のホーリーファイバ。
【請求項１０】
前記外側空孔の層数は４層以上であることを特徴とする請求項９に記載のホーリーファイバ。
【請求項１１】
閉じ込め損失が１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載のホーリーファイバ。
【請求項１２】
閉じ込め損失が１ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載のホーリーファイバ。
【請求項１３】
前記内側空孔の空孔径をｄ１［μｍ］、前記外側空孔の空孔径をｄ２［μｍ］とすると、ｄ１／Λ１およびｄ２／Λ２は０．６以下であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載のホーリーファイバ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一つに記載のホーリーファイバを、スタックアンドドロー法を用いて製造することを特徴とするホーリーファイバの製造方法。
【請求項１５】
スタックアンドドロー法を用いて前記コア部と前記内側クラッド部とを形成するための第１母材を形成し、前記第１光ファイバ母材の外周に前記外側空孔を有する前記外側クラッド部を形成するためのガラス管を配置して第２母材を形成し、前記第２母材から前記ホーリーファイバを線引きすることを特徴とする請求項１４に記載のホーリー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、ホーリーファイバおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、空孔構造を有するホーリーファイバはセンサへの応用が期待されてきた。たとえば、ホーリーファイバをガスセルとして用いると、ガスが存在する場合には空孔内がガスで満たされる。ホーリーファイバでは、伝搬する光のフィールドと空孔とがオーバーラップするので、空孔内に漏れ出した光の一部がガスに吸収される。たとえば、メタンガスの場合には、１４９１ｎｍの波長の光が吸収される。このガスの吸収を検知することで、ガスセンサとして利用することができる。このようなガスセンサに関しては数多くの論文が存在する。
【０００３】
一方、金融マーケットの分野では、処理要求に対する待ち時間が短い、いわゆる低レイテンシ（Ｌａｔｅｎｃｙ）で大量の処理をおこなうことが要求されており、将来の重要な課題として注目されてきている。例えば、非特許文献１では、低レイテンシシステムのために、様々なアプローチで信号伝送の遅延を抑制する手法が提案されているが、光のフィールドと空孔とのオーバーラップを増大させた光ファイバ伝送路が、極めて重要な伝送路として挙げられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J.A.Jay,  “Low  Signal  Latency  in  Optical  Fiber  Networks”  Proceeding  of  60th  IWCS,  pp.429-437,  (2011).
【非特許文献２】W.  Belardi  et  al.,  “A  10GBIT/S  TUNEABLE  WAVELENGTH  CONVERTER  BASED  ON  FOUR-WAVE  MIXING  IN  HIGHLY  NONLINEAR  HOLEY  FIBRE”  ECOC  2002,  PD1.2,  (2002).
【非特許文献３】K.Mukasa  et  al.,  “Novel  fabrication  method  of  highly-nonlinear  silica  holey  fibres”  CLEO-US  2006,  CMC5,  (2006).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光のフィールドと空孔とのオーバーラップを増大させたホーリーファイバとしては、非特許文献２、３に開示されるものが提案されている。
【０００６】
しかしながら、非特許文献２、３に開示されるホーリーファイバは、断面積の小さなコアの周りに空孔径が大きい空孔を配置し、光を十分に閉じ込めながらも空孔内に漏れてくるフィールドを増やしてオーバーラップが大きくなるように設計されている。このような設計では、空孔やコアの断面形状が歪やすいため、良好な構造を作製するのが困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光のフィールドと空孔とのオーバーラップが大きく、かつ製造が容易なホーリーファイバおよびそ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】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るホーリーファイバは、コア部と、前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された複数の内側空孔を有する内側クラッド部と、前記内側クラッド部の外周に位置し、前記内側クラッド部の周囲に層状に形成された複数の外側空孔を有する外側クラッド部とを備え、前記内側空孔は、格子定数Λ１が３．０μｍ以下の三角格子を形成し、かつ２層以上の層を形成するように配置され、前記外側空孔は、格子定数Λ２が前記Λ１より大きくかつ３．０μｍ以上の三角格子を形成し、かつ２層以上の層を形成するように配置されていることを特徴と。
【０００９】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記Λ１は２．５μｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記Λ１は２．０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記内側空孔の層数は３層以上であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記内側空孔の層数は４層以上であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、当該ホーリーファイバを伝搬する光のフィールドと前記内側空孔とのオーバーラップ指数が０．５％以上であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記オーバーラップ指数が１．０％以上であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記オーバーラップ指数が２．０％以上であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記外側空孔の層数は３層以上であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記外側空孔の層数は４層以上であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、閉じ込め損失が１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、閉じ込め損失が１ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記内側空孔の空孔径をｄ１［μｍ］、前記外側空孔の空孔径をｄ２［μｍ］とすると、ｄ１／Λ１およびｄ２／Λ２は０．６以下であることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明に係るホーリーファイバの製造方法は、上記の発明のホーリーファイバを、スタックアンドドロー法を用いて製造することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係るホーリーファイバの製造方法は、上記の発明において、スタックアンドドロー法を用いて前記コア部と前記内側クラッド部とを形成するための第１母材を形成し、前記第１光ファイバ母材の外周に前記外側空孔を有する前記外側クラッド部を形成するためのガラス管を配置して第２母材を形成し、前記第２母材から前記ホーリーファイバを線引きすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、光のフィールドと空孔とのオーバーラップが大きく、かつ製造が容易なホーリーファイバを実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、実施の形態に係るホーリーファイバの断面構造を示す模式図である。
【図２】図２は、Λと、ＥＳＭ条件を満たすｄ／Λの最大値との関係を示す図である。
【図３】図３は、異なるΛに対する、ｄ／Λとオーバーラップ指数との関係を示す図である。
【図４】図４は、異なる層数に対する、Λとオーバーラップ指数との関係を示す図である。
【図５】図５は、異なる層数に対する、Λと閉じ込め損失との関係を示す図である。
【図６】図６は、異なる層数に対する、Λと有効コア断面積との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、図面を参照して本発明に係るホーリーファイバおよびその製造方法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、本明細書において特に定義しない用語については、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。
【００２６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るホーリーファイバの断面構造を示す模式図である。図１に示すように、ホーリーファイバ１０は、内側クラッド部１２と、内側クラッド部１２の外周に位置する外側クラッド部１３とを備えている。内側クラッド部１２の拡大図が示すように、ホーリーファイバ１０はさらにコア部１１を備え、内側クラッド部１２は、コア部１１の外周に位置する。コア部１１、内側クラッド部１２、外側クラッド部１３は、いずれも屈折率調整用のドーパントが添加されていない純シリカガラスからなる。
【００２７】
コア部１１は、内部に空孔が形成されていない中実構造を有する。内側クラッド部１２は、コア部１１の周囲に形成された複数の内側空孔１４を有する。内側空孔１４は、三角格子Ｌ１を形成するように配置され、かつコア部１１を中心とする正六角形の各頂点および各辺上に配置した内側空孔１４を１層として層状に形成されている。このホーリーファイバ１０では、内側空孔１４は５層構造を形成している。
【００２８】
内側空孔１４の空孔径をｄ１、三角格子Ｌ１の格子定数（すなわち空孔間距離）をΛ１とすると、ｄ１／Λ１は０．４５に設定されている。また、Λ１は２．０μｍに設定されている。
【００２９】
外側クラッド部１３は、内側クラッド部１２の周囲に形成された複数の外側空孔１５を有する。外側空孔１５は、三角格子Ｌ２を形成するように配置され、かつコア部１１を中心とする正六角形の各頂点および各辺上に配置した外側空孔１５を１層として層状に形成されている。このホーリーファイバ１０では、外側空孔１５は５層構造を形成している。      
【００３０】
外側空孔１５の空孔径をｄ２、三角格子Ｌ２の格子定数をΛ２とすると、ｄ２／Λ２は０．４５に設定されている。また、Λ２は４．０μｍに設定されている。
【００３１】
このホーリーファイバ１０では、内側空孔１４のｄ１／Λ１、および外側空孔１５のｄ２／Λ２がいずれも０．４５であるため、ＥＳＭ（Endlessly  Single  Mode）条件を満たすものである。なお、ＥＳＭとは、カットオフ波長が存在せず、広い波長帯域においてシングルモードでの光伝搬が実現されることを意味する。
【００３２】
また、このホーリーファイバ１０では、内側空孔１４のΛ１が比較的小さい２．０μｍであり、かつ層数は比較的多い５層構造であるため、ホーリーファイバ１０のコア部１１を主に伝搬する光のフィールドと、コア部１１の周囲に配置された内側空孔１４とのオーバーラップが大きい。したがって、ホーリーファイバ１０は、センサや低レイテンシシステム用の光ファイバとして適するものである。
【００３３】
ここで、このようにΛ１を小さくしてオーバーラップを大きくすると、内側空孔１４による光の閉じ込めは弱くなるため、閉じ込め損失が大きくなる。
【００３４】
これに対して、このホーリーファイバ１０では、内側空孔１４の外周に外側空孔１５を配置している。外側空孔１５は、Λ２が４．０μｍとΛ１より大きく、さらに５層構造と層数が多いため、外側空孔１５によって光が十分に閉じ込められる。その結果、ホーリーファイバ１０の閉じ込め損失は、たとえば１×１０−２ｄＢ／ｋｍ以下程度に小さくなる。
【００３５】
また、このホーリーファイバ１０は、空孔が三角格子を形成する構造であるため、公知のスタックアンドドロー法や穿孔法を用いて、構造の精度が高いものを容易に製造することができる。
【００３６】
たとえば、公知のスタックアンドドロー法を用いる場合には、まず、スタックアンドドロー法を用いて、コア部１１と内側クラッド部１２とを形成するための第１母材（コアＣａｎｅともいう）を形成する。つぎに、第１光ファイバ母材の外周に、外側空孔１５を有する外側クラッド部１３を形成するためのガラス管を配置（スタック）して第２母材を形成する。そして、この第２母材から光ファイバを線引きすることで、ホーリーファイバ１０を製造することができる。
【００３７】
以下、有限要素法によるシミュレーションを用いた計算結果を参照して、本実施の形態に係るホーリーファイバ１０の好ましい態様についてより具体的に説明する。なお、計算には、１つの空孔径ｄと１つの格子定数Λとを構造パラメータとして規定される三角格子型のホーリーファイバを用いた。また、光の波長は１５５０ｎｍとした。
【００３８】
はじめに、好ましいｄ／Λの値について説明する。ホーリーファイバ１０は、ＥＳＭ条件を満たすことが好ましい。
【００３９】
図２は、Λと、ＥＳＭ条件を満たすｄ／Λの最大値との関係を示す図である。あるΛの値において、図２に示されるｄ／Λの最大値以下のｄ／Λの場合には、ＥＳＭ条件が満たされる。図２に示すように、Λが小さい場合でも、ｄ／Λが０．６以下でないとＥＳＭ条件は満たされない。ホーリーファイバ１０においても、ｄ１／Λ１およびｄ２／Λ２を０．６以下、好ましくは０．５５以下として、ＥＳＭ条件を満たすようにすることが好ましい。
【００４０】
つぎに、空孔が５層構造の場合について、異なるΛに対する、ｄ／Λとオーバーラップ指数との関係を調べた。ここで、オーバーラップ指数とは、ホーリーファイバを伝搬する光のフィールドの全強度に対する、空孔とオーバーラップする光のフィールド強度の比として規定される。
【００４１】
図３は、異なるΛに対する、ｄ／Λとオーバーラップ指数との関係を示す図である。図３に示すように、Λがある程度大きいと、ｄ／Λの値を変化させても、オーバーラップ指数はほとんど変化しない事が分かった。
【００４２】
そこで、以下では、Λが３．０μｍ程度でもＥＳＭ条件が満たされるようなｄ／Λの値（図２参照）として、ｄ／Λを０．４５に固定して、Λとオーバーラップ指数との関係を調べた。なお、空孔の層数は２、３、４、または５層とした。
【００４３】
図４は、異なる層数に対する、Λとオーバーラップ指数との関係を示す図である。図４に示すように、Λが３．０μｍより小さくなるとオーバーラップ指数は急激に増大する。たとえば、Λが３．０μｍ以下の場合は、オーバーラップ指数は約０．５％以上となり、２．５μｍ以下の場合は約１．０％以上となり、２．０μｍ以下の場合は約２．０％以上となった。また、Λが１．０μｍの場合には、層数が４層以上の場合に１０％以上と大きくなった。
【００４４】
したがって、オーバーラップ指数を大きくするために、内側空孔１４のΛ１については、３．０μｍ以下が好ましく、２．５μｍ以下がより好ましく、２．０μｍ以下がよりいっそう好ましい。また、内側空孔１４の層数は多ければ多いほどよいが、３層以上が好ましく、４層以上がより好ましい。
【００４５】
一方、外側空孔１５について、閉じ込め損失が小さくなるようなΛ２とすることが好ましい。図５は、異なる層数に対する、Λと閉じ込め損失との関係を示す図である。なお、ｄ／Λは０．４５である。図５に示すように、Λが減少するにつれて閉じ込め損失は指数関数的に増大する。また、層数を増加させると閉じ込め損失は小さくなる。また、図６は、異なる層数に対する、Λと有効コア断面積（Ａeff）との関係を示す図である。図６においては、Λが１．５μｍ程度より減少するとＡeffが急激に増大している。その理由は、光の閉じ込めの程度が急激に弱くなったためと考えられる。
【００４６】
たとえば、ホーリーファイバをセンサ用途で使用する場合には、閉じ込め損失が１ｄＢ／ｍ（１×１０３ｄＢ／ｋｍ）以下であることが好ましい。これを実現するには、外側空孔１５についてΛ２が３．０μｍ以上であることが好ましい。また、外側空孔１５の層数は多ければ多いほどよいが、３層以上が好ましく、４層以上がより好ましい。
【００４７】
また、たとえば、ホーリーファイバを信号伝送路として使用する場合には、閉じ込め損失が１ｄＢ／ｋｍ以下であることが好ましい。これを実現するには、外側空孔１５についてΛ２が３．０μｍ以上であることが好ましく、４．０μｍ以上であればより好ましい。また、外側空孔１５の層数については、４層以上が好ましく、５層以上がより好ましい。
【００４８】
また、空孔層数を増大させると、形成すべき空孔の総数が急激に増大する。内側空孔１４および外側空孔１５のいずれについても、５層以下程度とすると、形成すべき空孔の総数を抑制できるので、ホーリーファイバの製造性が高くなるのでより好ましい。
【００４９】
本発明に係るホーリーファイバで伝搬する光の波長としては、光ファイバ伝送において信号光として使用されるたとえば１３００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長帯や、検知したいガスが吸収する光の波長に対応する波長を、目的に応じて適宜使用することができる。
【００５０】
なお、上記実施の形態では、ホーリーファイバは、ＥＳＭ条件が満たされるようにｄ／Λが設定されているが、本発明はこれに限られず、ＥＳＭ条件が満たされないｄ／Λに設定され、光が或る波長においてマルチモードで伝搬されるようにしてもよい。
【００５１】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  ホーリーファイバ
１１  コア部
１２  内側クラッド部
１３  外側クラッド部
１４  内側空孔
１５  外側空孔
Ｌ１、Ｌ２  三角格子
【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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