(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＯ2で構成されるコアの周りにクラッド部を有し、かつ、クラッド部のコア近傍にフォトニック結晶構造を有するフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法において、ＳｉＯ2で構成される円板部材の中央部近傍に少なくとも１つの貫通孔を形成し、その円板部材を複数枚積層して積層体を形成すると共に、各円板部材の貫通孔を連通させ、その積層体に焼結処理を施して各円板部材を一体に形成することを特徴とするフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法。
【請求項２】
ＳｉＯ2で構成されるコアの周りにクラッド部を有し、かつ、クラッド部のコア近傍にフォトニック結晶構造を有するフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法において、ＳｉＯ2で構成される円板部材の中央部近傍に少なくとも１つの貫通孔を形成し、その貫通孔に円板部材と同じ材料で構成したガイド管を嵌合挿通し、そのガイド管に貫通孔の位置を合わせて円板部材を複数枚積層して積層体を形成し、その積層体に焼結処理を施して各円板部材及びガイド管を一体に形成することを特徴とするフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大陸間長距離伝送などに用いられるフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法に係り、特に、母材長が長いフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光ファイバは、屈折率の高いコアと、コアよりも僅かに屈折率が低いクラッドとの２層構造であり、そのベース素材として石英を用いている。コアは、クラッドよりも僅かに屈折率を高くするために、石英にゲルマニウム等の添加物を加えた組成となっている。
【０００３】
従来の光ファイバにおいては、光ファイバのコアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高いため、この屈折率差によって、光ファイバに入射した光がコア内に閉じこめられて光ファイバ中を伝搬することができる。伝搬する光の単一モード条件を満足するために、コアの直径は５〜１０μｍ程度に形成される。
【０００４】
ところが、近年の光増幅技術や波長多重（ＷＤＭ）技術の発展により、光ファイバへ入射させる光のパワーが大きくなってきており、その結果、種々の非線形効果現象が生じ易くなっている。例えば、非線形効果現象の一つである自己位相変調現象が生じると、光ファイバ中のパルス信号波形が歪み、伝送容量が制限される。また、同じく非線形効果現象の一つであるブリュリアン散乱現象も生じ易くなっており、この現象が生じると光ファイバに対する光入射パワーが飽和する。つまり、これらの非線形効果現象が生じると、光ファイバ中を伝搬する光信号の伝送特性の劣化を招くことになる。
【０００５】
また、現状の光ファイバの伝送損失は、伝送損失が最も小さいもので０．１６ｄＢ／ｋｍ程度であるが、大陸間長距離伝送等で用いる光ファイバにおいては、より一層の低損失化が望まれている。伝送損失の主要因としては、光が伝搬するコアやコア近傍のクラッド部の組成密度揺らぎによるレイリー散乱損失が挙げられる。
【０００６】
そこで、近年、低伝送損失の光ファイバとして、フォトニッククリスタル光ファイバ（Photonic Crystal Fiber（以下、ＰＣＦと示す））が注目を集めている。このＰＣＦとは、クラッド部にフォトニック結晶構造を有する光ファイバである。フォトニック結晶構造とは、屈折率の周期構造のことであり、具体的には蜂の巣のようなハニカム構造の空間をクラッド部に設けることで、光のエネルギー禁制帯であるフォトニックバンドギャップ（Photonic Band Gap（以下、ＰＢＧと示す））が発生する。ＰＢＧ構造を導波原理とするＰＣＦとして、例えば、ＫｎｉｇｈｔらのＰＣＦがある（Knight etc.，Science282，1476，(1998)参照）。
【０００７】
ところが、このＰＣＦにおいて光を伝搬させるには、精度良くＰＢＧ構造を形成する必要があるため、僅かながらでも構造的な揺らぎがあると、光の伝播条件を維持できなくなってしまい、いわゆる構造不正損失が生じてしまう。
【０００８】
そこで、完全なＰＢＧ構造を有したＰＣＦではないものの、構造不正損失を防ぐために、ガラス組成の違いにより比屈折率差を持たせた従来の光ファイバにおいて、クラッドにおけるコア近傍に長軸方向の貫通孔を形成してクラッドの実効的な屈折率を下げ、コア／クラッド間の比屈折率差を大きくすることで、従来の光ファイバでは得られなかった特性を得ている。例えば、通常のシングルモードファイバの構造を有する光ファイバの、コアの周りのクラッド部に、長手方向全長に亘って４つの空孔を形成してなる空孔付加型ホーリーファイバ（Holey Fiber）では、コア／クラッド間の実効的な比屈折率差を拡大することで、０．８μｍ帯にゼロ分散とシングルモード動作が得られる（長谷川 etc.，OFC2001PD5-1参照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題  】
このようなＰＣＦは、ＶＡＤ法などで作製した石英ガラス母材の中央部近傍に長軸方向の貫通孔を形成したものをＰＣＦ母材として用いることで得られる。
【００１０】
ところで、φ５μｍの貫通孔を有するφ１２５μｍのＰＣＦを得るためのＰＣＦ母材は、ＰＣＦ母材の外径が５０ｍｍの場合、貫通孔の径が２ｍｍとなる。このφ２ｍｍの貫通孔をドリルを用いて形成する場合、ドリル長があまり長くなるとドリルにたわみが生じるため、貫通孔に要求される加工精度を満足できなくなる。よって、加工精度を満足できるドリル長は、最大でも２００ｍｍ未満となってしまう。このため、ＰＣＦ母材の両端面から、中心軸を合わせて貫通孔を形成したとしても、貫通孔の長さは最大でも４００ｍｍ未満である。ここで、ＰＣＦ母材の外径が２００ｍｍの場合、貫通孔の径は８ｍｍとなるが、φ８ｍｍの貫通孔を形成可能なドリルの最大長は、φ２ｍｍの貫通孔を形成可能なドリルの最大長よりもやや長くなるものの、ドリルのたわみは本質的に避けれらないことから、それ程大きな差異はない。
【００１１】
つまり、ＰＣＦ母材の最大長は、貫通孔形成のために用いるドリルの長さによって制約を受けるため、全長が４００ｍｍを超えるような長尺のＰＣＦ母材を製造することは困難であった。
【００１２】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、長尺で、かつ、ＰＢＧ構造の精度が高いフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係るフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法は、ＳｉＯ2で構成されるコアの周りにクラッド部を有し、かつ、クラッド部のコア近傍にフォトニック結晶構造を有するフォトニッククリスタル光ファイバ母材の製造方法において、ＳｉＯ2で構成される円板部材の中央部近傍に少なくとも１つの貫通孔を形成し、その円板部材を複数枚積層して積層体を形成すると共に、各円板部材の貫通孔を連通させ、その積層体に焼結処理を施して各円板部材を一体に形成するもの、また、ＳｉＯ2で構成される円板部材の中央部近傍に少なくとも１つの貫通孔を形成し、その貫通孔に円板部材と同じ材料で構成したガイド管を嵌合挿通し、そのガイド管に貫通孔の位置を合わせて円板部材を複数枚積層して積層体を形成し、その積層体に焼結処理を施して各円板部材及びガイド管を一体に形成するものである。
【００１４】
以上の製造方法によれば、長尺で、かつ、ＰＢＧ構造の精度が高いフォトニッククリスタル光ファイバ母材を容易に得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００２１】
ＳｉＯ2母材の斜視外観図を図１に、円板部材の斜視外観図を図２に、円板部材を固定治具で固定した状態を示す断面図を図３に、第１の実施の形態に係る製造方法により得られたフォトニッククリスタル光ファイバ母材の斜視外観図を図４に示す。
【００２２】
第１の実施の形態に係るＰＣＦ母材の製造方法は、先ず、図１に示すように、ＶＡＤ法などで製造したＳｉＯ2母材１１を所定の厚さにスライスし、１つのＳｉＯ2母材１１から複数枚（図１中では５枚）の円板部材２１を作製する。その後、図２に示すように、各円板部材２１の中央部２３の周りに、少なくとも１つ（図２中では、同心円上に、かつ、等間隔に４つ）の貫通孔２５を形成する。
【００２３】
次に、図３に示すように、円盤状の底部材３２ａ，蓋部材３２ｃ及び円筒状の側壁部材３２ｂからなる固定治具３２を用意し、複数枚（図３中では１０枚）の円板部材２１を側壁部材３２ｂ内に配置・積層させて積層体３１を作製する。この時、円板部材２１の配置・積層枚数は、ＳｉＯ2母材１１から円板部材２１を切り出す枚数よりも多くすることは言うまでもない。また、各円板部材２１の貫通孔２５が連通すべく、各円板部材２１の貫通孔２５の位置を合わせて配置・積層する。
【００２４】
その後、固定治具３２ごと積層体３１を加熱炉内に配置すると共に、所定の温度、時間の焼結処理を施し、各円板部材２１を一体に形成する。これによって、図４に示すように、ＳｉＯ2で構成されるコア４３の周りにクラッド部４４を有し、かつ、クラッド部４４におけるコア４３の周りに４つの貫通孔４５からなるフォトニック結晶構造を有する第１の実施の形態のＰＣＦ母材４１が得られる。ここで、得られたＰＣＦ母材４１において、各貫通孔４５に軸ズレや変形があった場合、各貫通孔４５の内面に、適宜、研削加工を施してもよい。
【００２５】
このＰＣＦ母材４１をプレフォームとし、ＰＣＦ母材４１に対して所定の張力を付与した状態で線引き加工を施すことで、コアの周りのクラッド部に長手方向全長に亘る４つの貫通路を有するＰＣＦが得られる。この時、ＰＣＦの貫通路の径が所望の径となるように、ＰＣＦ母材４１における各貫通孔４５内の圧力を調整して最適化を図り、その後、線引き加工を行う。
【００２６】
円板部材２１の軸方向厚さは特に限定するものではないが、２０〜１００ｍｍが好ましく、特に５０ｍｍ前後が好ましい。
【００２７】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
【００２８】
本実施の形態の製造方法によれば、中央部２３の周りに少なくとも１つの貫通孔２５を有した円板部材２１を複数枚積層して積層体３１を形成すると共に、各円板部材２１の貫通孔２５を連通させ、その積層体３１に焼結処理を施して各円板部材２１が一体に形成されたＰＣＦ母材４１を製造しているため、得られるＰＣＦ母材４１の長さの調整は、円板部材２１の積層枚数を増減するだけで自在に調整可能であり、その調整が容易である。すなわち、従来のＰＣＦ母材のように、貫通孔形成のために用いるドリルの長さによって母材長さが制限されるということはなく、長尺のＰＣＦ母材４１の形成が容易である。
【００２９】
また、円板部材２１の軸方向厚さは最大でも約１００ｍｍであるため、円板部材２１に貫通孔２５を形成する形成手段として、ドリルの他に、より高精度な加工が可能な研削装置を用いることができる。
【００３０】
さらに、外径が大きなＰＣＦ母材４１を製造する場合、その貫通孔４５の径も大きく形成する必要がある。このため、ＰＣＦ母材４１の製造に用いる円板部材２１の外径及びその貫通孔２５の径も大きく形成する必要がある。しかし、円板部材２１の軸方向厚さは最大でも約１００ｍｍであるため、径の大きな貫通孔２５であっても高精度に、かつ、容易に形成することができる。よって、外径が大きなＰＣＦ母材４１を製造する場合であっても、加工精度の高い貫通孔４５を形成することができる。
【００３１】
また、各貫通孔４５の加工精度が高く、かつ、長尺のＰＣＦ母材４１を容易に得ることができるため、このＰＣＦ母材４１を用いてＰＣＦを製造すれば、従来のＰＣＦ母材を用いてＰＣＦを製造する場合と比較して、一工程で得られるＰＣＦの長さが著しく長くなり、その結果、ＰＣＦの製造コストの低減を図ることができる。
【００３２】
次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００３３】
円板部材とガイド管との関係を示す斜視外観図を図５に、第２の実施の形態に係る製造方法により得られたフォトニッククリスタル光ファイバ母材の斜視外観図を図６に示す。尚、図１〜図３と同様の部材には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３４】
第２の実施の形態に係るＰＣＦ母材の製造方法は、先ず、前実施の形態の製造方法と同様にして、貫通孔２５を有する円板部材２１を作製する。
【００３５】
次に、図３に示すように、円盤状の底部材３２ａ，蓋部材３２ｃ及び円筒状の側壁部材３２ｂからなる固定治具３２を用意し、複数枚（図３中では１０枚）の円板部材２１を側壁部材３２ｂ内に配置・積層させて積層体３１を作製する。この時、円板部材２１の配置・積層枚数は、ＳｉＯ2母材１１から円板部材２１を切り出す枚数よりも多くすることは言うまでもない。また、各円板部材２１の貫通孔２５が連通すべく、図５に示すように、ある円板部材２１の各貫通孔２５に、円板部材２１と同じ材料で構成したガイド管５１をそれぞれ嵌合挿通し、その後、ある円板部材２１に固定された各ガイド管５１の位置に各貫通孔２５の位置を合わせて、残りの円板部材２１を、順次、配置・積層する。
【００３６】
その後、固定治具３２ごと積層体３１を加熱炉内に配置すると共に、所定の温度、時間の焼結処理を施し、各円板部材２１及び各ガイド管５１を一体に形成する。これによって、図６に示すように、ＳｉＯ2で構成されるコア６３の周りにクラッド部６４を有し、かつ、クラッド部６４におけるコア６３の周りに４つの貫通孔６５からなるフォトニック結晶構造を有する第２の実施の形態のＰＣＦ母材６１が得られる。ここで、得られたＰＣＦ母材６１において、各ガイド管５１の内周面が、各貫通孔６５の周面を形成している。
【００３７】
このＰＣＦ母材６１をプレフォームとし、ＰＣＦ母材６１に対して所定の張力を付与した状態で線引き加工を施すことで、コアの周りのクラッド部に長手方向全長に亘る４つの貫通路を有するＰＣＦが得られる。この時、ＰＣＦの貫通路の径が所望の径となるように、ＰＣＦ母材６１における各貫通孔６５内の圧力を調整して最適化を図り、その後、線引き加工を行う。
【００３８】
ここで、円板部材２１とガイド管５１との組み合わせとしては、円板部材２１がフッ素をドープしたＳｉＯ2、ガイド管５１が純ＳｉＯ2などが挙げられる。ＳｉＯ2にフッ素をドープする等の方法により、円板部材２１の融点を純ＳｉＯ2の融点よりも低くすることができ、その結果、ガイド管５１の融点が円板部材２１の融点よりも高くなる。
【００３９】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
【００４０】
本実施の形態の製造方法においては、ガイド管５１の融点を円板部材２１の融点よりも高くしているため、積層体３１に焼結処理を施す際、各円板部材２１に収縮が生じたとしても、ガイド管５１には収縮は生じない。つまり、焼結処理の際、各円板部材２１の収縮により、各貫通孔２５の周面とガイド管５１の外周面とが強固に一体化するが、各ガイド管５１の大部分は未溶融であるため、各ガイド管５１に変形が生じることはない。よって、本実施の形態の製造方法によれば、得られたＰＣＦ母材６１において、各貫通孔６５に軸ズレや変形が生じることはなく、その結果、各貫通孔６５の内面に研削加工を施すことなく、加工精度が高い貫通孔６５を有したＰＣＦ母材６１（高精度のＰＢＧ構造を有したＰＣＦ母材６１）を得ることができる。
【００４１】
また、本実施の形態の製造方法においても、前実施の形態の製造方法と同様の作用効果が得られることは勿論のことである。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００４３】
【実施例】
（実施例１）
直径５０ｍｍの全合成ＳｉＯ2母材をＶＡＤ法により複数本作製する。各ＳｉＯ2母材をガラスカッターを用いて厚さ約５０ｍｍにスライスし、円板部材を作製する。各円板部材の両端面に端面加工を施した後、各円板部材の中央部の周りに、径２．０ｍｍの貫通孔を、同心円上に、かつ、等間隔に４つ形成する。
【００４４】
次に、固定治具を用いて、１０枚の円板部材を配置・積層して積層体を作製する（図３参照）。
【００４５】
その後、積層体が互いに離れないように固定治具で固定し、その状態で固定治具ごと電気炉内に配置し、１５００℃×６時間の焼結処理を施して、各円板部材を一体に形成する。この一体形成物における各貫通孔の内面に研削加工を施して、外径が５０ｍｍ、貫通孔径が２．０ｍｍ、全長が５００ｍｍのＰＣＦ母材（図４参照）を作製する。
【００４６】
このＰＣＦ母材に対し、約０．４９Ｎ（５×１０-2ｋｇｆ）の張力で、線引速度１００ｍ／ｍｉｎの線引き加工を施すことで、コアの周りのクラッド部に長手方向全長に亘る４つの貫通路を有し、全長が約７０ｋｍ、外径が１２５μｍ、貫通路の径が５μｍのＰＣＦが得られる。
【００４７】
得られたＰＣＦについて特性評価を行った結果、ゼロ分散波長は８１０ｎｍ、カットオフ波長は７８０ｎｍ、伝送損失は、波長８００ｎｍで１．５ｄＢ／ｋｍ、波長１５５０ｎｍで１．０ｄＢ／ｋｍであり、良好な伝送特性（低伝送損失）が得られた。
【００４８】
（実施例２）
実施例１と同様に、ＶＡＤ法による全合成過程でフッ素をドープしたフッ素ソープＳｉＯ2で作製した各円板部材の両端面に端面加工を施した後、各円板部材の中央部の周りに、径４．０ｍｍの貫通孔を、同心円上に、かつ、等間隔に４つ形成する。
【００４９】
次に、固定治具を用いて、１０枚の円板部材を配置・積層して積層体を作製する（図３参照）。ここで、円板部材を配置・積層する際、円板部材の各貫通孔に、全合成種ＳｉＯ2からなり、外径が３．８〜３．９ｍｍ、内径が２．０ｍｍのガイド管をそれぞれ嵌合挿通し、各円板部材間で貫通孔の位置を合わせる。
【００５０】
その後、積層体が互いに離れないように固定治具で固定し、その状態で固定治具ごと電気炉内に配置し、１６００℃×６時間の焼結処理を施して、各円板部材を一体に形成する。これによって、外径が５０ｍｍ、貫通孔径が２．０ｍｍ、全長が５００ｍｍのＰＣＦ母材（図６参照）を作製する。
【００５１】
実施例２のＰＣＦ母材について貫通孔を評価した結果、各円板部材を一体に形成しただけで、すなわち各貫通孔の内面に研削加工を施さなくても、実施例１のＰＣＦ母材における貫通孔と同等の精度が得られた。
【００５２】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
（１）  長尺で、かつ、ＰＢＧ構造の精度が高いフォトニッククリスタル光ファイバ母材を容易に得ることができる。
（２）  （１）のフォトニッククリスタル光ファイバ母材を用いることで、低伝送損失で、かつ、安価なフォトニッククリスタル光ファイバを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＳｉＯ2母材の斜視外観図である。
【図２】  円板部材の斜視外観図である。
【図３】  円板部材を固定治具で固定した状態を示す断面図である。
【図４】  第１の実施の形態に係る製造方法により得られたフォトニッククリスタル光ファイバ母材の斜視外観図である。
【図５】  円板部材とガイド管との関係を示す斜視外観図である。
【図６】  第２の実施の形態に係る製造方法により得られたフォトニッククリスタル光ファイバ母材の斜視外観図である。
【符号の説明】
２１  円板部材
２５  貫通孔
３１  積層体
４１，６１  ＰＣＦ母材（フォトニッククリスタル光ファイバ母材）
４３，６３  コア
４４，６４  クラッド部
４５，６５  貫通孔（フォトニック結晶構造）
５１  ガイド管
【図１】
0003962277.tif 000002
【図２】
0003962277.tif 000003
【図３】
0003962277.tif 000004
【図４】
0003962277.tif 000005
【図５】
0003962277.tif 000006
【図６】
0003962277.tif 000007