(57)【要約】  本発明は、１μｍを上回る赤外線波長領域、特に１μｍから２０μｍまでの波長領域、有利には９μｍから１２μｍまでの波長領域の電磁放射を伝送するためのフォトニック結晶ファイバ、特にシングルモードファイバに関し、フォトニック結晶ファイバは、光導性の中空コア、特に所定の直径Ｄを有している中空コアと、光導性の中空コアの周囲に配置されている複数の中空体、特にカルコゲン化物ガラスから成る複数の中空管と、を備えている。本発明は、光導性の中空コアの直径Ｄが、伝送すべき最小の波長よりも大きくなるように、有利には少なくとも２０μｍ、有利には少なくとも５０μｍ、特に有利には少なくとも１００μｍであるように、有利には１００μｍから５００μｍまでの範囲、特に１５０μｍから３５０μｍまでの範囲にあるように中空体（１０，２０）が配置されており、電磁放射の伝送に関する減衰量が、２ｄＢ／ｍを下回る、有利には１ｄＢ／ｍを下回る、有利には０．３ｄＢ／ｍを下回る、特に０．１ｄＢ／ｍを下回る、ことを特徴とする。
2017511897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１μｍを上回る赤外線波長領域、特に１μｍから２０μｍまでの波長領域、有利には９μｍから１２μｍまでの波長領域の電磁放射を伝送するためのフォトニック結晶ファイバ、特にシングルモードファイバであって、
光導性の中空コア（５）、特に所定の直径を有している中空コアと、
前記光導性の中空コア（５）の周囲に配置されている複数の中空体（１０，２０）、特にカルコゲン化物ガラスから成る複数の中空管と、
を備えているフォトニック結晶ファイバにおいて、
前記中空体（１０，２０）は、前記光導性の中空コア（５）の直径Ｄが、伝送すべき最小の波長よりも大きくなるように、有利には少なくとも２０μｍ、特に有利には少なくとも５０μｍ、とりわけ有利には少なくとも１００μｍであるように、有利には１００μｍから５００μｍまでの範囲、特に１５０μｍから３５０μｍまでの範囲にあるように配置されており、
前記電磁放射の伝送に関する減衰量は、２ｄＢ／ｍを下回る、有利には１ｄＢ／ｍを下回る、有利には０．３ｄＢ／ｍを下回る、特に０．１ｄＢ／ｍを下回る、
ことを特徴とする、フォトニック結晶ファイバ。
【請求項２】
前記光導性の中空コアの周囲に配置されている中空体、特にカルコゲン化物ガラスから成る中空管は、前記中空コアの周囲において、構造体リング（５０．１，５０．２）として配置されている、
請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項３】
前記中空コアの周囲には、複数の中空体、特に複数の中空管から成る、少なくとも４個、有利には少なくとも６個、特に有利には少なくとも８個、極めて有利には４個から２０個の構造体リングが配置されている、
請求項２に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項４】
前記中空体、特に中空管は、所定の断面を有しており、前記断面の直径は、有利には５μｍから２０μｍまでの範囲、特に８μｍから１４μｍまでの範囲にある、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項５】
前記中空体（１０，２０）の前記断面は、円形又は六角形の断面である、
請求項４に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項６】
前記中空体の配置構成によって、前記中空体の距離ａ及び／又は前記中空体の断面によって決定される構造体が形成される、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項７】
種々の中空体に関して、前記中空体の前記距離ａの偏差及び／又は前記断面の偏差は、１０％未満、有利には４％未満、特に１％未満である、
請求項６に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項８】
１μｍから２０μｍまで、特に９μｍから１２μｍまでの波長に対する、前記カルコゲン化物ガラスの屈折率は、１．８から３までの範囲、特に２．０から２．７までの範囲にある、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項９】
前記フォトニック結晶ファイバは、モード保持型の結晶ファイバである、
請求項１乃至８のいずれ１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１０】
前記中空体（１０，２０）は、実質的に円形の内側断面を有している中空管の形態であり、且つ、前記中空体の間隙は閉じられている、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１１】
前記中空体（１０，２０）は、実質的に円形の内側断面及び外側断面を有している中空管の形態であり、且つ、前記中空体の間隙は開かれている、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１２】
前記中空体（１０，２０）は、六角形の複数の中空管が密に束ねられたものであり、前記六角形の中空管の面が相互に接続されている、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１３】
前記中空体（１０，２０）は、六角形の中空管として形成されており、且つ、前記中空体の間隙は閉じられている、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１４】
光導性のコア、特に前記中空コア（５）は、非円形の断面、特に六角形の断面を有している、
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１５】
前記中空体（１０，２０）は、相互に距離ａを有しており、
前記距離ａは、伝送すべき前記波長λに対する前記距離ａの比である幾何学的係数、即ちａ／λが１以上であるように選定されている、
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１６】
前記中空体（１０，２０）は、直径ｄ＝２ｒを有しており、
前記直径ｄは、０．９８ａから０．９０ａまでの範囲にあり、ａは、前記中空体相互間の距離である、
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１７】
前記カルコゲン化物ガラスは、以下の元素、即ち、
−ゲルマニウム（Ｇｅ）
−ヒ素（Ａｓ）
−セレン（Ｓｅ）
−テルル（Ｔｅ）
−アンチモン（Ｓｂ）
のうちの少なくとも１つ又は複数を含んでいる、
請求項１乃至１６のいずれ１項に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバを製造するための方法において、
−複数の中空体から成り、且つ、有利には断面が六角形である、プリプリフォームを製造するステップと、
−前記プリプリフォームの中心にある中空体を除去し、前記光導性のコア、特に中空コアを形成するステップと、
−前記プリプリフォームを、１回目の線引きステップにおいて、ガラス材料の軟化点を上回る２０Ｋから６０Ｋまでの温度に加熱しながら第１の直径まで先細りさせ、光導性のコアを備えている固体の構造化されたロッドの形態のプリフォームを形成するステップと、
−前記１回目の線引きステップにおいて得られた前記プリフォームに、有利には被覆管を、有利には前記プリフォームと同じガラスから成る被覆管を被覆させるステップと、
−２回目の線引きステップにおいて、第１の加熱素子を用いて、被覆された前記プリフォームの外側構造を、また、第２の加熱素子を用いて、前記光導性のコアを、特に前記プリフォームの中空コアを、線引き温度まで加熱することによって、被覆された前記プリフォームを、１０から２００までの比で先細りさせ、少なくとも２０μｍ、有利には少なくとも５０μｍ、特に有利には少なくとも１００μｍの直径の前記光導性のコア、特に前記中空コアを備えている、前記フォトニック結晶ファイバを形成するステップと、
を備えていることを特徴とする、方法。
【請求項１９】
線引きプロセス中の前記プリフォームの温度を、温度測定装置、特にパイロメータによって恒常的に検出し、前記第１の加熱装置及び前記第２の加熱装置の出力を調整し、所定の線引き温度を常に維持する、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記プリプリフォームの前記中心にある中空体を除去して、前記光導性のコア、特に中空コアを形成した後に、支持体、特に壁厚の薄い支持体を挿入して前記中空コアを安定させる、
請求項１８又は１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記フォトニック結晶ファイバは、前記中空体の所定の距離ａ及び／又は前記中空体の所定の断面を備えている構造の前記中空体の配置構成を含み、
種々の中空体に関して、前記中空体の前記距離ａの偏差及び／又は前記断面の偏差は、１０％未満、有利には４％未満、特に１％未満である、
請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶ファイバを少なくとも１つ含んでいる、１μｍを上回る波長を有している赤外線波長領域の電磁放射、特に１μｍから２０μｍまでの範囲、有利には９μｍから１２μｍまでの範囲の電磁放射を形成するためのレーザ装置、特にＣＯ2レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶ファイバ、特に赤外線波長領域用のシングルモードファイバと、線引き法によりフォトニック結晶ファイバを製造するための方法と、に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの文献、例えば「Lexikon der Optik」の第２１３頁から第２１４頁に記載されているような、光導用のガラスファイバは通常の場合、屈折率の異なる２種類の材料が組み合わされたもの、即ち、比較的高い屈折率で光を導くコア材料が、その屈折率よりも低い屈折率を有している材料によって被覆されているものを含んでいる。一般的に、材料はガラス材料であり、光導性のコアガラスのためのガラス材料は、比較的低い屈折率を有している被覆ガラスのガラス材料とは異なっている。その種の構造を用いることによって、光が被覆部を通過して外部に漏れることなく、コアと被覆部との間の境界面における全反射によって、光をファイバの軸線に沿ってコア内で誘導することができる。この種のファイバは、ステップインデックス型ファイバと称される。
【０００３】
この種のファイバでは、ファイバ内の吸収損失を可能な限り低く抑えられるようにするために、コアガラスが案内すべき放射の所望の波長に対して可能な限り高い透過率を有していなければならない。従って、ＣＯ2レーザ放射の伝送のためには、例えば９μｍから１２μｍまでの波長のレーザ波長領域において可能な限り高い透過率を有している材料が使用されなければならない。上記の波長領域において十分な透過率を有している、唯一公知の材料クラスは、いわゆるカルコゲン化物である。このカルコゲン化物からコア−クラッドファイバを製造することができるが、しかしながらこのファイバは５ｄＢ／ｍの比較的高い吸収率を示す。つまり、１ｍの区間では、入力された放射の３０％しかファイバの出口に到達しない。
【０００４】
しかしながら、この種のファイバには、数ワットの極めて低いレーザ出力での負荷しか掛けられない。何故ならば、比較的高い出力に対しては非常に高い吸収率を示すので、それによって高い熱が発生し、従ってファイバが破壊されてしまうからである。つまりこのファイバは、工業的な用途に適していない。
【０００５】
上述のファイバとは異なり、ＣＯ2レーザ放射のより良い伝送のために、石英ガラス管の内側に銀をコーティングして、ＣＯ2レーザ放射を反射させること、従って、１ｍから数ｍまでのある程度の区間にわたり、このガラス管内で放射を伝送させることも可能である。この場合の典型的な吸収率は、１ｄＢ／ｍを超える範囲にある。代替的な手段として、ガラス管の内側を、ポリマーから成る層と、カルコゲン化物ガラスから成る層とを交互に４０個まで設けた干渉層でもってコーティングすることも考えられる。これによって、１０μｍの波長において所定の反射率が達成され、その結果、ＣＯ2レーザ放射は内壁において反射され、従ってその種のファイバ管内で伝送される。典型的な吸収率乃至減衰量は、１ｄＢ／ｍを超える範囲にある。
【０００６】
これらのファイバ管では、いずれもモードが保持されず、従って、これらのファイバ管はマルチモードファイバである。
【０００７】
管の内側がコーティングされているいずれのヴァリエーションも、高い吸収率に起因して、低レーザ出力でのパルスレーザモードしか実現できない、という欠点を有している。つまり、レーザ出力を低くしなければ、そのような高い吸収率に基づきファイバが過熱されてしまし、それによってファイバが破壊される虞が生じる。低出力であっても、その種のファイバの寿命は短い稼働時間でしかない。従ってその種のファイバは、大抵の場合は使い捨てで、例えば医学用途に関してはレーザ手術において使用される。更に、それらのファイバ管は、１ｍｍにまで達する非常に大きい内径乃至外径を有しているので、非常に大きい曲げ半径しか許容されない。
【０００８】
別の種類の光ファイバとして、ＰＣＦ（photonic-crystal-fibre）とも称される、いわゆるフォトニック結晶ファイバが挙げられる。この種のガラスファイバでは、光導が、異なる材料の屈折率を介して、例えば異なるガラスの屈折率を介して行われるのではなく、気体によって、特に空気によって形成される、材料内の有効屈折率の差を介して行われる。この種のファイバについては、例えば、P. St. J. Russelの「Photonic Crystal Fibres」，Science 299，358-362 (2003)並びにP. St. J. Russel の「Photonic Crystal Fibres」，J. Light Wave Technology，24(12)，4729-4749 (2006)を参照されたい。それらの開示内容全体は本願に含まれるものとする。気体、特に空気によって形成される、ガラス内に有効屈折率の差は、光導性のコアの周囲に配置されている孔構造体によって達成される。光導性のコアは中実材料であっても良いし、気体、特に空気、又はアルゴンのような希ガスであっても良い。
【０００９】
フォトニック結晶ファイバにおける有効屈折率の差は、光導性のコアの周囲に配置されている周期的な孔構造体によって達成される。通常の場合、フォトニック結晶ファイバは石英ガラスから製造される。この製造においては、適切な複数のガラス管が統合されることによってプリフォーム（Pre-Form）が形成され、その際、中心において１つの管が、後に光導性のコアを形成する、同じサイズのロッドに置換される。その種のプリフォームは、数百個に及ぶ個々の管を含んでおり、また通常の場合、５０ｍｍの直径を有している。後続の１段階又は２段階の線引きプロセスにおいて、プリフォームが先細りされて１２５μｍファイバが形成されるが、その際に、孔構造体の縮尺通りの縮小が達成されなければならない。択一的に、上記の構造体の中心におけるロッドを、ファイバの線引きの際に除去することもでき、その場合には、中空コアファイバが形成される。ファイバにおけるマイクロ構造体の対称性及び精度が十分に良好であれば、そのファイバにおいては、いわゆるバンドギャップ効果（ここでは詳細な説明は省略する）に基づき、古典的なコア−クラッドファイバと同様の放射の伝送が行われる。この中空コアファイバでは中心に吸収性の媒体は存在しないので、従って、原理上はＣＯ2レーザ放射を伝送させることができる。しかしながら、石英ガラスから成る従来の構造化中空コアファイバでは、波長が５μｍを超えると、もはや透過性ではなくなり、従って、バンドギャップ効果を達成するためには、ＣＯ2レーザ放射を中空コア外のマイクロ構造体と相互作用させなければならない。ＣＯ2レーザ放射が石英ガラスに入射すると、そのＣＯ2レーザ放射が吸収されるので、バンドギャップ効果は発生せず、その代わりに、ファイバの破壊が生じるほどファイバが加熱される。
【００１０】
中国特許出願公開第１０  ２９８  １２１２号明細書からは、３μｍから５μｍまでの波長領域において透過性である、テルルガラスから成るフォトニック結晶ファイバが公知となっている。この中国特許出願公開第１０  ２９８  １２１２号明細書に記載されているフォトニック結晶ファイバは、シングルモードファイバとして説明されているが、もっともこの中国特許出願公開第１０  ２９８  １２１２号明細書においては、中空コアの直径の大きさについては何ら言及されておらず、また減衰量も開示されていない。細いファイバを線引きするための方法も開示されていない。更に、線引きプロセス後のファイバの大きさについても何ら言及されていない。
【００１１】
従来の線引きプロセスでは、ファイバのプリフォーム（母材）が、特にマイクロ構造化ファイバの母材が、中空空間に起因して非常に複雑になっていることから、フォトニック結晶ファイバの製造に際し、多くの問題が発生する。中空空間は、温度が上昇した際に、また構造体の大きさが比較的小さい場合に、表面張力に起因して圧潰される傾向がある。
【００１２】
個々の構造体部分が圧潰されることによって、母材全体も圧潰される虞があり、最悪の場合には、ファイバの完全な構造体が圧潰されてしまう。
【００１３】
FR 2 606 866からは、２つの加熱装置を使用して、線引きプロセスによってファイバを製造するための方法が公知となっている。FR 2 606 866による方法では、並んで配置されている別個の２つの加熱ゾーンにおいて加熱が行われる。FR 2 606 866による装置を用いて加熱される材料としてポリマー、特にＰＭＭＡが挙げられている。
【００１４】
FR 2 606 866に記載されている２段階の加熱は、プリフォーム乃至母材の外側の部分と内側の部分の同時の加熱を阻止する。その結果、FR 2 606 866による方法及び装置を用いる加熱は不均一になり、従って、プリフォームの内側の構造体が圧潰される。
【００１５】
ガラスファイバの製造に関する別の刊行物として、US 7,374,714及びUS 2005/0274149が挙げられるが、もっともこれらの刊行物では加熱装置が１つしか用いられていない。
【００１６】
DE 37 04 054からは、ガラス管を圧潰するための方法が公知となっている。ＣＯ2放射によって何らかの作用が惹起される前に、ガラス管を先ず圧潰する必要があるので、つまり、ガラス管を既に加熱する必要があるので、このDE 37 04 054において言及されているＣＯ2レーザ放射を、複数の加熱装置による同時的な加熱に使用することはできない。
【００１７】
更に、DE 37 04 054においては、ガラス管の内側領域が内側から加熱され、しかも上側が開放されたガラス管を介して、（ＣＯ2レーザの）放射でもって加熱されるが、この放射はガラスを外側から透過することができない。
【００１８】
ガラスファイバ又はファイバの製造を対象とする別の刊行物として、DE 698 27 630及びUS 6,861 ,148が挙げられる。
【００１９】
独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０３  ６８６号明細書からは、マイクロ構造化ファイバ、即ちＰＣＦファイバを製造するための方法が公知となっており、この方法においては、マイクロ構造化ファイバが線引きされることによって、極めて好適なフォトニック結晶ファイバを製造することができる。その開示内容全体が本願に含まれるものとする、独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０３  ６８６号明細書によれば、ファイバ材料が、ファイバの母材からの、特にマイクロ構造化ファイバの母材からの線引きプロセスによって、少なくとも１つの第１の加熱装置及び少なくとも１つの第２の加熱装置を用いて、線引き温度に加熱される。第１の加熱装置は、ファイバ材料の軟化温度を上回る温度を提供する加熱装置である。粘性ηが１０4ｄＰａｓから１０7.6ｄＰａｓまでの範囲になる温度が有利である。従って、温度は、ファイバ材料の軟化温度を上回る、有利には１０Ｋから１００Ｋまでの温度、特に２０Ｋから６０Ｋまでの温度となる。独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０３  ６８６号明細書によれば、第２の加熱装置は、その開示内容全体が本願に含まれるものとするWO 00/56674に開示されているような、１，３００Ｋを上回る温度、特に１，５００Ｋを上回る温度、特に２，０００Ｋを上回る温度、有利には２，５００Ｋを上回る温度を有している赤外線加熱装置である。第１の加熱装置及び第２の加熱装置は、実質的に一斉に乃至同時に、単一の加熱ゾーンにおいて作用を及ぼす。１段階の加熱においては、ファイバの母材が有利には外側から加熱される。
【００２０】
１つの加熱ゾーンにおいて２つの加熱装置を用いる、独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０３  ６８６号明細書による１段階の加熱によって、プリフォームの外側の部分と内側の部分の同時的な加熱が達成され、内側の構造体の圧潰が回避される。
【００２１】
異なるファイバ材料に関する軟化点は、ファイバ材料のクラスに応じて種々の粘性において定義されている。一般的に、軟化点ηは１０4から１０8ｄＰａｓまでの粘性範囲にある。
【００２２】
ガラス材料及びガラスセラミック材料に関して、軟化温度ＴEWは、ガラスが周囲雰囲気においてη＝１０7.6ｄＰａｓの粘性を有している温度である。これに関しては、Heinz G. Pfaenderによる「Schott-Guide to Glass」Chapman & Hall，1996の第２１頁、特に表２．１を参照されたい。この文献の開示内容全体は本願に含まれるものとする。同様に、Heinz G. Pfaenderによる「Schott-Guide to Glass」，Chapman & Hall，1996の第２１頁の図２．３に示されているように、温度にわたる粘性の経過は種々のガラス毎に異なる。従って、種々のガラス毎に、種々の軟化点乃至軟化温度ＴEWが生じる。独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０３  ６８６号明細書における、低軟化温度を有するガラスの例は、重フリントガラス、例えばＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社（本社Ｍａｉｎｚ）のガラスＳＦ６であり、このガラスはＴEW＝５１９℃（η＝１０7.6ｄＰａｓ）の軟化温度を有している。
【００２３】
２つの加熱装置が使用されることによって、独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０３  ６８６号明細書による方法では、中空構造体が制御されずに変形することが阻止される。
【００２４】
米国特許出願公開第２００５／００２５９６５号明細書からは、カルコゲン化物ガラスから成る中空コアを有している光学ガラスファイバが公知となっている。この米国特許出願公開第２００５／００２５９６５号明細書から公知となっているガラスファイバは、フォトニックバンドギャップを有しているガラスファイバである。この米国特許出願公開第２００５／００２５９６５号明細書からは、２ｄＢ／ｍを下回る減衰量、有利には１ｄＢ／ｍを下回る減衰量、特に０．３ｄＢ／ｍを下回る減衰量を生じさせる中空体の構成は開示されていない。更に、米国特許出願公開第２００５／００２５９６５号明細書においては、結晶ファイバがモード保持型の結晶ファイバであることは開示されていない。
【００２５】
米国特許出願公開第２０１２／０１４１０８０号明細書においてもまた、フォトニックバンドギャップ、いわゆる「フォトニックギャップ」と、カルコゲン化物ガラスから成る中空コアと、を備えているガラスファイバが開示されている。米国特許出願公開第２００５／００２５９６５号明細書と同様に、この米国特許出願公開第２０１２／０１４１０８０号明細書においても、低い減衰量を生じさせるか、又は伝送時にモードを保持する中空管の構成は開示されていない。
【００２６】
米国特許出願公開第２００８／０１９９１３５号明細書には、カルコゲン化物ガラスから形成することができるクラッドが光導性のコアを包囲しているガラスファイバが開示されている。クラッド自体は、複数の孔を有しており、それらの孔が六角形のセルに配置されており、またそれらのセル自体はアルキメデス格子を形成している。上記の刊行物と同様に、低い減衰量を生じさせるコアの周囲の中空管の構成については何ら開示されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明の課題は、従来技術の欠点を克服し、赤外線波長領域の電磁放射の伝送を低損失で実現する光ファイバを提供することである。更に、その種のファイバを製造するための方法も提供されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明によれば、この課題は、光導性の中空コアと、その光導性の中空コアの周囲に配置されており、且つ、ガラス材料、特にカルコゲン化物ガラスから形成されている複数の中空体、特に複数の中空管と、を備えている、１μｍを上回る波長を有している赤外線波長領域、特に１μｍから１４μｍまでの波長領域、有利には９μｍから１２μｍまでの波長領域の電磁放射の伝送を実現するフォトニック結晶ファイバによって、特にシングルモードファイバとして設計されているフォトニック結晶ファイバによって解決される。本発明によれば、上記のフォトニック結晶ファイバは、このフォトニック結晶ファイバの中空コアの直径Ｄが、伝送すべき最小の波長よりも大きくなるように、有利には少なくとも２０μｍ、有利には少なくとも５０μｍ、特に有利には少なくとも１００μｍであるように、有利には１００μｍから５００μｍまでの範囲、特に１５０μｍから３５０μｍまでの範囲にあるように中空体が配置されており、また、電磁放射の伝送に関する減衰量は２ｄＢ／ｍを下回る、有利には１ｄＢ／ｍを下回る、有利には０．３ｄＢ／ｍを下回る、特に０．１ｄＢ／ｍを下回る、ことを特徴としている。
【００２９】
そのような低い減衰量を有しているフォトニック結晶ファイバは、従来技術からは知られておらず、特に、従来技術において開示されているファイバ及び製造法は、９μｍから１２μｍまでの波長の伝送領域に対して、低減衰でモードを保持するファイバを提供することには適していない。
【００３０】
本発明の１つの特に有利な実施の形態においては、光導性の中空コアの周囲に配置されている、カルコゲン化物ガラスから成る個々の中空体、特に中空管が、中空コアの周囲においてリング状にいわゆる構造体リングとして配置されている。
【００３１】
驚くべきことに、本発明者は、中空コアの周囲の構造体（孔）リングの数が所定数を超えたときに初めて、例えば２ｄＢ／ｍ以下の低い減衰量が達成されることを発見した。
【００３２】
従来技術からは、良好な放射の誘導を達成するためには、中空コアの周囲に少数の構造体リング、例えば２個、最大で３個の構造体リングが配置されれば十分であると考えられていたので、この発見は更に驚くべきものであった。この仮定は、誘導すべき電磁放射の波長が１０μｍの範囲にあるということに根ざしている。つまり、バンドギャップ効果を生じさせるためには、構造体の大きさ、即ち中空コアの周囲の構造体の大きさ、即ち孔の大きさも、直径１０μｍの範囲であることが必要とされる。放射は中空コア内でのみ誘導されるべきものであるので、放射場が孔構造体内に過度に深く「侵入」して、吸収又は出力結合されることがあってはならない。従って当業者は、放射の誘導を保証するためには、構造体の幅が波長を上回れば、即ち少なくとも２つの構造体リングが中空コアの周囲に設けられていれば十分であると仮定した。
【００３３】
驚くべきことに、本発明者は、少なくとも６個の構造体リングによって、例えば２ｄＢを下回る減衰量を達成できることを確認した。８個の構造体リングでは、１ｄＢ／ｍ以下の減衰量が達成され、また１０個の構造体リングでは、０．５ｄＢ／ｍ以下の減衰量が達成された。このことは、古典的な物理法則によって説明することができるものよりも深く媒体に侵入する放射のエバネッセント場によって説明することができる。
【００３４】
このことは、本発明によるファイバの種々の誘導機構に起因すると考えられる。半導体及びその電子的な構造におけるドーパント原子の量子力学的な説明と同様に、ここで考察するファイバでは、光子（光）が欠陥状態／欠陥モードによってバンドギャップにおいて誘導される。
【００３５】
コアの周囲において、ここでは孔の周囲において無限長に伸びる完璧なフォトニック構造体とは異なることから、欠陥モード場とその周囲との結合が生じる。この結合は、リングの数に過剰なまでに依存するので、リングが１つ減っただけでも、損失は急激に上昇する。
【００３６】
カルコゲン化物ガラスとは、そのネットワークにおいてガラス形成元素であるケイ素及び酸素がゲルマニウム、ヒ素及び比較的重いカルコゲン硫黄、セレン及びテルルに置換されているガラスである。元素が比較的重く、また化学的な結合が比較的弱いために、カルコゲン化物ガラスの光透過性は、可視スペクトル領域から赤外線スペクトル領域へとシフトされている。通常の場合、カルコゲン化物ガラスは半導体であり、機械的な強度及び熱耐性は比較的低いが、しかしながら、熱膨張は可視スペクトル領域用のガラスに比べて遙かに大きい。
【００３７】
上記のフォトニック結晶ファイバは、一方では、カルコゲン化物ガラスが使用されることに基づき、高い赤外線透過率を有しており、他方では、中空コアの直径が少なくとも２０μｍ、有利には少なくとも５０μｍ、特に有利には少なくとも１００μｍと非常に大きいにもかかわらず、非常に低い減衰量を有しており、有利には１μｍを超える赤外線波長領域において、有利には１μｍから１４μｍまでの範囲、特に９μｍから１２μｍまでの範囲の赤外線波長領域において、２ｄＢ／ｍを下回る減衰量、有利には１ｄＢ／ｍを下回る減衰量、有利には０．３ｄＢ／ｍを下回る減衰量、特に０．１ｄＢ／ｍを下回る減衰量を有していることを特徴としている。驚くべきことに、中空コアが１００μｍを超えた場合であっても、単一のモード、いわゆるシングルモードでの伝送を実現することができる。これは予想もしていない結果であった。何故ならば、従来技術におけるシングルモードファイバはいずれも、ファイバのコア直径乃至中空コアが伝送すべき波長よりも極僅かに大きいか、又はその波長と同じである場合にしか得られなかったからである。コア直径が伝送すべき波長よりも遙かに大きく選定された場合、例えば２倍の大きさに選定された場合には、自動的にマルチモードでの伝送が行われる。しかしながら、本発明によるファイバは、コア直径が１０倍以上の大きさであるにもかかわらず、１μｍから１４μｍまでの波長領域、特に９μｍから１２μｍまでの波長領域の赤外線放射において、２ｄＢ／ｍを下回る減衰量でのシングルモードの伝送を実現することができる。
【００３８】
低い値の減衰量は、驚くべきことに、特に中空管が所定の幾何学を有している場合に達成される。つまり本発明者は、驚くべきことに、このことから中空体は円形又は六角形の断面を有していることを発見した。
【００３９】
驚くべきことに、２ｄＢ／ｍを下回る非常に低い減衰量、有利には１ｄＢ／ｍを下回る減衰量、特に０．３ｄＢ／ｍを下回る減衰量、特に有利には０．１ｄＢ／ｍを下回る減衰量は、中空コアが従来技術のように円形の構造を有しているのではなく、四角形の断面、特に六角形の断面を有している場合に達成されることが分かった。六角形の中空コアでは、０．０１ｄＢ／ｍ以下の減衰量を達成することができる。極めて有利には、中空コアの六角形の断面を、管の六角形の断面と組み合わせることができる。これに関しては、０．０１ｄＢ／ｍを下回る損失を達成することができる。
【００４０】
減衰量が低い点において優れているフォトニック結晶ファイバは、以下の構成のうちの１つを示す：
−各中空体は、実質的に円形の内側断面を有している中空管として形成されており、且つ、それら中空体の間隙は閉じられている、
−各中空体は、実質的に円形の内側断面及び外側断面を有している中空管として形成されており、それら中空体の間隙は開かれている、
−中空体は、六角形の複数の中空管が密に束ねられたものであり、それら六角形の中空管の面が相互に接続されている、又は、
−各中空体は六角形の中空管であって、それら中空体の間隙は閉じられている。
【００４１】
中空体が相互に距離ａを有しており、また、伝送すべき波長が１μｍから１４μｍまでの範囲にあるときに、距離ａが５μｍよりも大きく、特に１０μｍよりも大きく、有利には５μｍから５０μｍまでの範囲にあり、有利には１０μｍから２０μｍまでの範囲にある場合には非常に有利である。この絶対値は、距離ａと伝送すべき波長λとの比によって定義される幾何学条件が、次式
ａ／λ≧１
を満たす場合に、つまり例えば、伝送すべき波長が９μｍであるときに中空ファイバの距離が９μｍ以上である場合に、十分に損失のない伝送にとって有利である、ということを本発明者が発見したことから明らかになった。
【００４２】
中空体がｄ＝２ｒの内径を有しており、且つ直径ｄが０．９８×ａから０．９０×ａ（但し、ａは中空体相互の距離である）までの範囲にある場合には、管の壁厚が可能な限り薄くなり、それによってバンドギャップ効果が顕著に表れることから、極めて有利である。
【００４３】
更に驚くべきことに、本発明者は、減衰量が中空コアの周囲にある孔構造体の精度に依存することを発見した。このことは、符号ａで表した２つの孔間の距離にも、孔の直径自体にも該当する。ここではまた、幾何学が維持されていること、即ち、構造体がどのような外観であるべきかに応じて、孔が真円であるか又は正六角形であるかも重要である。楕円形の孔又は隣接する孔間の直径の差異は回避されるべきである。構造体の精度の偏差が４％を超えただけで、減衰量が増大する。孔の直径が１０μｍである円形の孔での４％とは、孔が９．６μｍ又は１０．４μｍの大きさであって良いことを意味している。このことは更に全てのサイズ（距離、直径、隣接する孔に対する変化）に該当する。偏差が１０％を超えると、５０ｃｍを超える長さのファイバを介しては放射をもはや効率的に伝播させることができなくなるほど、減衰量は大きくなる。孔の半径が１０％未満、例えば９．５％変化すると、球形のモードからの著しい偏差並びに損失が認識される。
【００４４】
更に本発明者は、ファイバ内の誘導特性が材料の屈折率、特にガラス材料の屈折率にも依存することを認識した。所定の値の屈折率ｎに関して十分に良好な誘導を示す構造体が特定されている場合、約１０％の僅かな偏差によって、既に減衰量が著しく増大することになる。つまり例えば、屈折率ｎ1を有している特定の材料に関するフォトニック結晶ファイバの設計を、屈折率ｎ2を有している材料に転用することは不可能である。減衰量は、構造体とガラスタイプとの組み合わせによって、つまり屈折率と、関心の対象となる波長領域におけるバルクガラスの透過率との組み合わせによって影響を受ける。
【００４５】
ファイバ構造体が２．０から２．７までの屈折率ｎを有しているガラスタイプを含んでおり、それによってファイバが１０μｍの波長で基本モードを有してる場合には特に有利である。ｎ＜２の屈折率によって、構造体における放射の放出が大きくなり、これによって減衰量も大きくなる。
【００４６】
フォトニック結晶ファイバが、以下の元素のうちの少なくとも１つを含有しているカルコゲン化物ガラスから形成されている場合には特に有利である：
ゲルマニウム  （Ｇｅ）
ヒ素          （Ａｓ）
セレン        （Ｓｅ）
テルル        （Ｔｅ）
アンチモン    （Ｓｂ）
【００４７】
特に有利なカルコゲン化物ガラスは、ＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社（本社Ｍａｉｎｚ）のカルコゲン化物赤外線ガラスである。このガラスは、例えば、ＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社（本社Ｍａｉｎｚ）のガラスＩＧ２、３μｍから５μｍまで、及び８μｍから１２μｍまでの範囲にある赤外線放射に対する、Ｇｅ33.Ａｓ12.Ｓｅ55赤外線透過性のカルコゲン化物ガラスである。これに代わるガラスとして、ＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社（本社Ｍａｉｎｚ）のガラスＩＧ３、Ｇｅ30.Ａｓ13.Ｓｅ32.Ｔｅ25ガラス、又は、ＶＩＴＲＯＮ  Ｓｐｅｚｉａｌｗｅｒｋｓｔｏｆｆｅ  ＧｍｂＨ社のガラスＩＧ４、Ｇｅ10.Ａｓ40.Ｓｅ50ガラスが挙げられる。また択一的に、ＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社（本社Ｍａｉｎｚ）のガラスＩＧ５、Ｇｅ28.Ｓｂ12.Ｓｅ60ガラス、又は、ＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社（本社Ｍａｉｎｚ）のガラスＩＧ６、Ａｓ40.Ｓｅ60ガラスも、本発明の実施例において使用することができるカルコゲン化物ガラスである。
【００４８】
本発明のファイバによって、初めて、少なくとも２０μｍの直径、有利には少なくとも５０μｍの直径、特に有利には１００μｍの直径の中空コアを有しているファイバが、シングルモードでのレーザ放射の伝播のために提供される。従来技術から公知の構造体は、２０μｍ未満の大きさの中空コアを有しており、これは実際の使用には十分なものではない。本発明は、２０μｍよりも大きい中空コア、有利には少なくとも５０μｍの大きさ、特に有利には少なくとも１００μｍの大きさの中空コアと、２ｄＢ／ｍ未満の低い減衰量でのシングルモードの伝播とが組み合わされたものを、フォトニック結晶ファイバに対して初めて開示するものである。本発明は、赤外線波長領域においてｎ＞２の好適な屈折率を有しているカルコゲン化物ガラスの材料クラスと、マイクロ構造化中空コアファイバとの組み合わせを特徴としており、この構造体は、２０μｍを上回る直径、有利には少なくとも５０μｍの直径、特に有利には少なくとも１００μｍの直径の中空コアを有しており、また、シングルモードレーザ放射の伝播を２ｄＢ／ｍ未満の減衰量で実現する。驚くべきことに、このために、幾何学的なマイクロ構造の限定的な選択が非常に適していることが分かった。
【００４９】
包囲材料を熱的な影響及び反応による障害から保護するために、中空コア内の空気の他に、中空コア内の他の気体も考えられる。高屈折率のガラスを複雑な幾何学のマイクロ構造体と組み合わせ、また、その構造体を高精度で製造することによって、初めて、２０μｍを上回る直径、有利には少なくとも５０μｍの直径、特に有利には少なくとも１００μｍの直径の中空コアでの、５μｍを上回るシングルモードレーザ放射の伝播が実現された。驚くべきことに、複数のガラス小管を単純にスタッキングし、続いて更に線引きすることによってファイバの構造が得られる、文献から公知であるような公知の幾何学は、その種のフォトニック結晶ファイバに対してのみ限定的に適していることが分かった。
【００５０】
本発明は、フォトニック結晶ファイバの他に、その種のフォトニック結晶ファイバを製造するための方法も提供する。
【００５１】
つまり、この種のファイバは、独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０３  ６８６号明細書に記載されているような特別な線引き法によってのみ、十分な精度で製造することができる。極僅かな偏差でもシングルモードの損失又は僅かな減衰量の増大が発生する可能性があり、これによって、上記においても述べたように、最終的にはファイバが破壊される可能性がある。
【００５２】
更に、ファイバの外側からの（例えば水又はガス流による）冷却、又は内側からの（構造体内乃至中空コア内のガス流による）冷却は、機能にとって有利であると考えられる。
【００５３】
独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０３  ６８６号明細書とは異なり、慣例の電気ヒータ（例えば第１の加熱装置であって良い）を１つだけ用いて、高温の炉雰囲気から中空体を表す母材の表面へと熱が伝達されることによって、母材の外側から内側に熱が伝達され、そこから更に熱伝導によって中空構造体の内部に熱が伝達されると、中空構造体は特に高い熱抵抗を示し、また母材のその領域においては温度勾配が大幅に上昇する。この場合、中空構造体の内部の温度を線引き温度に到達させるために、外側の構造体の表面を、本来必要とされる線引き温度を超えて加熱することが必要になる。これによって構造体の外周では温度が上昇し、それによって、その外周に設けられている中空構造体は、温度の上昇及び構造体の縮小と共に増加する表面張力に起因して、その形状が変化するか、又はそれどころか圧潰される。その結果、形状が変化した孔又は既に圧潰された孔に起因して熱抵抗は外側から低くなり、従って残存する構造体への熱注入が上昇するので、更に内側に位置する、隣接する孔の形状も同様に変化する。このドミノ効果は、構造体全体の形状が変化するまで、又は、構造体全体が圧潰されるまで続く。従って、単一の加熱装置による、例えば電気ヒータとして設計されている第１の加熱装置による母材の加熱だけで安定した線引きプロセスを実施することは不可能である。
【００５４】
また、局所的な赤外線放射を放出する赤外線ヒータを実質的に基礎としている第２の加熱装置を単独で使用することも不可能である。確かに、赤外線放射は妨害されることなく構造体の外面を通過できるが、しかしながら、中空構造体の個々の表面において何度も反射されることによって、赤外線放射は中空構造体を何度も通過することになるので、吸収される赤外線放射の割合が局所的に高まり、それによって、構造体の外面に比べて中空構造体が強く加熱されることになる。従って、構造体の外側領域が線引き温度に到達すると、中空構造体では温度が既に著しく高まっており、その結果、粘性が比較的低くなるので、構造体の形状が変化するか、又は構造体が圧潰される。
【００５５】
独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０３  ６８６号明細書による、フォトニック結晶ファイバを製造するために使用される方法では、上記において個別に説明した２つの加熱方式、つまり、慣例の加熱方式と赤外線による加熱方式とが組み合わされる。それらの加熱方式をそれぞれ単独で実施した場合には、構造体の制御不能な又は影響を及ぼすことができない形状変化乃至圧潰が生じる。驚くべきことに、各方式を単独で考察した場合には構造体の制御不能な又は影響を及ぼすことができない形状変化乃至圧潰を回避できないにもかかわらず、それらを組み合わせることによって、そのような構造体の形状変化乃至圧潰を回避することができる。何故、独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０３  ６８６号明細書による方法用いることによって、構造体の制御不能な又は影響を及ぼすことができない形状変化乃至圧潰が生じることなく、フォトニック結晶ファイバの製造時に使用されるような中空の母材を加熱できるかは、慣例の加熱装置を用いることによって、即ち、第１の加熱装置を用いることによって、中空管とも称される構造体の外側のみが加熱され、またそれと同時に赤外線加熱を用いることによって、専ら内側の中空構造体が加熱されることから説明が付く。この場合、外側の構造体及び内側の構造体の各温度を相互にほぼ独立して調整することも可能である。特に、第１の加熱装置を介して、即ち、通常の場合は慣例の加熱素子を介して、外側の構造体の温度を、特に中空管の温度を、後続の線引きプロセスのために正確に線引き温度にするために必要とされる程度の熱エネルギだけを、構造体の外側に注入する必要がある。中空構造体の熱抵抗が大きいことに起因して、内側の構造体を加熱させることになる比較的大きい付加的なエネルギが注入されることはあってはならない。反対に、赤外線放射を用いる加熱時には、内側の構造体の領域において、その構造体を正確に線引き温度まで加熱するために必要とされる程度のエネルギだけを内側の構造体に伝達乃至注入することが必要となる。本発明による方法の更に好適な効果として、外側の構造体と中空構造体とが相互的に影響を及ぼし、ある程度の熱交換が行われる。これによって、２つの加熱方式と協働して、母材の断面全体にわたり温度が均一化される。本発明の方法によって、有利には、線引きプロセスにおける母材の温度レベルを低下させることができる。何故ならば、正確に線引き温度に到達するために局所的に必要とされる程度のエネルギだけを局所的に注入すれば良いからである。これによって、線引きプロセスを可能な限り高い粘性で実施することができる。線引き温度は、有利には、ファイバ材料の粘性ηが１０4ｄＰａｓから１０8ｄＰａｓまでの範囲になる温度範囲にある。ガラス材料の場合、粘性ηは有利には、１０4ｄＰａｓから１０7.6ｄＰａｓまでの範囲にある。つまり、ガラス材料の線引き温度は、軟化点におけるガラス材料の温度を常に上回り、従って軟化温度ＴEWを常に上回る。独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０３  ６８６号明細書による方法を用いて、粘性が非常に高いレベルに維持されるので、中空構造体の孔における表面張力を低く維持することができ、また形状変化、特に完全な圧潰が阻止される。ガラスの表面張力に起因して線引きの際に孔構造が僅かに縮小することも回避するために、本発明の１つの有利な実施の形態においては、中空構造体の孔に内部過圧を加えることによって、その種の現象を阻止することができる。その際、圧力の高さは、表面張力の絶対値が正確に補償され、それによって所望の大きさの構造体が得られるように選択されるべきである。特に、過圧を加えることによって、構造体を所期のように設定することができる。
【００５６】
有利には、この方法によって、空間温度からの加熱が２つの加熱装置を用いて同時に共通の１つの加熱ゾーンにおいて行われ、従って均一な温度場が形成される。これによって、DE 37 04 054による方法とは異なり、内側のマイクロ構造の幾何学的な変化が回避される。即ち、DE 37 04 054による方法では、ガラス管の内側領域が内側から、上側が開放されたガラス管を介して、ガラスを外側から透過することができない（ＣＯ2レーザの）放射で加熱されることによって、ガラス管が圧潰される虞がある。
【００５７】
本発明に従い線引きされるガラス材料は、カルコゲン化物ガラスであり、有利にはＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社（本社Ｍａｉｎｚ）のカルコゲン化物ガラスＩＧ６である。
【００５８】
母材を得て、その母材からマイクロ構造化ファイバを線引きできるようにするために、複数の個々の中空管が統合され、それによって、例えば５０ｍｍの直径及び１ｍまでの長さの母材が形成される。コアが光導性で中実材料から作製されるファイバが製造されるべきか、又は、光導のために中空コアが使用されるファイバが製造されるべきかに応じて、ファイバの線引きの前に、母材のちょうど中心にある管が、後に光導性のコアを形成する同じ直径を有しているロッドに置換されるか、又は、中央に位置する内側の複数の管、例えば７個の管が除去され、それによって後に光導性の部分を形成する中空コアが得られる。続いて、そのようにして統合された成形体が、慣例の電気ヒータを用いる１回目の線引きステップにおいて、例えばファイバ線引きタワーを使用して先細りされる。これによって、本発明による線引き法において、マイクロ構造化ファイバの線引きに使用されるような母材が得られる。
【００５９】
また１つの発展形態においては、管を取り除いた後でも、壁厚が薄く、且つ、内側において中空コアに接触する支持管を挿入することによって、中空コアを安定させることができる。管の壁厚が薄い場合、バンドギャップ効果に影響は及ぼされず、従ってバンドギャップ効果が妨害されることはない。
【００６０】
材料に応じて、線引きに必要とされるガラス温度は種々の温度にある。上記の成形体から、後続の線引きにおける基礎となる母材へと線引きするために必要とされるガラス温度は、線引きされるべきファイバの直径に依存して、軟化点を上回る１０Ｋから１００Ｋまでの温度、特に２０Ｋから６０Ｋまでの温度であり、また粘性は１０7.6ｄＰａｓである。この１回目の線引きステップにおいて、慣例の電気加熱装置を使用することも可能である。１回目の線引きステップによって、構造の軸線に沿って、個々の管の表面が相互に接着されるので、その結果、孔構造体を備えている固体のロッドが得られる。構造化されたロッドにおける個々の管の構造は縮尺通りに縮小される。しかしながら、１回目の線引きステップにおいて達成される孔の直径は依然として大きいので、表面張力に起因する圧潰は発生しない。
【００６１】
本発明によれば、所望の大きさの孔を有している最終的なファイバを得るために、２つの加熱装置を用いる２回目の線引きプロセスが実施される。この際、相応の延伸比、即ち、ファイバの直径に対する母材の直径の比が調整されることが保証されなければならない。
【００６２】
有利には、その種の直径は、１回目の線引きステップにおいて得られたロッドを、同じ材料から成る壁厚の厚い被覆管で包囲することによって達成される。
【００６３】
２つの加熱装置を用いることによって本発明による第２の線引きプロセスが実施される際の温度は、軟化点、即ち線引きされるべきファイバ材料、特にガラス材料の軟化温度ＴEWを上回る１０Ｋから１００Ｋまでの範囲、特に１０Ｋから８０Ｋまでの範囲、特に２０Ｋから６０Ｋまでの範囲にある。
【００６４】
線引きプロセスにおける温度を決定するために、有利には、温度測定装置が使用される。有利には、温度測定装置としてパイロメータが使用される。パイロメータを用いることによって、ボディから放出される熱放射を検出及び評価することができる。熱放射の強度は温度に依存するので、パイロメータを用いることによって温度を決定することができる。
【００６５】
パイロメータを用いて母材の内部の温度を決定するために、有利には、パイロメータは材料の種類に応じて、特に例えば、測定箇所までの材料乃至ガラスがパイロメータによって使用される放射に対して透過性であるガラスの種類に応じて使用される。
【００６６】
有利には、温度測定装置を用いて、特にパイロメータを用いて決定された温度は、加熱装置の加熱出力に影響を及ぼすために、特に加熱出力を調整するために使用される。パイロメータを用いた測定でもって、母材の加熱に関する情報を提供することができ、また、所望の線引き温度が達成されるように加熱装置を相応に制御することができる。
【００６７】
上記において説明した方法を用いて、複数の中空体が相互に距離ａを置くように、及び／又は、中空体が所定の断面を有するように構造体内に複数の中空体が配置されている、フォトニック結晶ファイバを製造することができる。この方法は、種々の中空体に関して、中空体の距離ａの偏差及び／又は断面の偏差が１０％未満、有利には４％未満、特に１％未満であることを特徴としている。
【００６８】
単一の光導性のコアを備えているマイクロ構造化ファイバの製造する以外に、母材に複数のコアを含めて、その母材を線引きすることによって、マルチコア型のマルチ構造化ファイバを形成することも可能である。
【００６９】
ファイバの強度を高めるために、本発明による線引きプロセスの直後に、例えばプラスチック層によってファイバをコーティングすることができる。
【００７０】
その際、特に有利には、紫外線硬化型のアクリラートがコーティング材料として使用される。
【００７１】
フォトニック結晶ファイバ及びその製造方法の他に、本発明は、その種の結晶ファイバを用いるレーザ装置も提供する。
【００７２】
以下では、複数の実施例に基づき本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明によるフォトニック結晶ファイバの断面図を示す。
【図２ａ】フォトニック結晶ファイバの１つの実施の形態の断面図を示す。
【図２ｂ】フォトニック結晶ファイバの１つの実施の形態の断面図を示す。
【図２ｃ】フォトニック結晶ファイバの１つの実施の形態の断面図を示す。
【図２ｄ】フォトニック結晶ファイバの１つの実施の形態の断面図を示す。
【図２ｅ】フォトニック結晶ファイバの１つの実施の形態の断面図を示す。
【図３】ａ−ｅは、フォトニック結晶ファイバに関する種々の構造タイプを示し、ｆ−ｊは、所定の幾何学形状及び／又は屈折率でのファイバ内のモードを示す。
【図４】ａは、１回目の線引きステップのためのベースとしての、マイクロ構造化ファイバのプリプリフォーム（Pre-Pre-Form）を示し、ｂは、１回目の線引きステップの実施後の、２つの加熱装置を用いる２回目の線引きステップのためのプリフォームとしてのマルチファイバロッドを示す。
【図５】２つの加熱装置を用いる２回目の線引きステップ後の線引きされたファイバを示す。
【図６】２つの加熱装置を用いてプリフォームからファイバを線引きするための装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
図面は原理図であるので、この原理図から中空コア並びに中空コアを包囲する個々の中空管の正確な寸法を導き出せるものではない。
【００７５】
図１には、フォトニック結晶ファイバとしての、本発明による中空コアファイバの断面図が示されている。ファイバ全体に参照番号１を付している。
【００７６】
２重の線引きプロセス後のファイバが被覆管３を有している。被覆管３は通常の場合、１回目の線引きステップ後にプリフォームに被着され、例えば２００の延伸比での２回目の線引きステップの際に、ファイバを安定させるために使用される。被覆管はクラッドとも称される。被覆管によって決定される、ファイバ全体のファイバ外径ＤFaserは４５０μｍから１，０００μｍまでである。
【００７７】
１回目の線引きステップにおいては、個々の複数の管乃至チューブ１０が統合される。それらは、図示の実施の形態において円形の断面を有しているが、本発明はこの形状に限定されるものではない。個々の管１０の断面は、図２ｃから図２ｅに示されているように、六角形であっても良い。個々の複数の管１０が、被覆管３によって包囲される１つの構造体４０を形成している。
【００７８】
個々の複数の中空管１０から成る構造体４０の直径は、この実施例では３５０μｍである。構造体４０の直径には、参照符号ＤStrukturを付している。
【００７９】
個々の複数の管１０から成る構造体４０の中央には中空コア５が配置されており、この中空コア５は、構造体４０とは異なり、六角形の輪郭を有しており、また２回目の線引きプロセス後の最終的なファイバでは１３０μｍの直径ＤHohlを有している。中空コア５の六角形の外側輪郭により、図示のファイバ１の非常に良好な減衰特性が得られる。ファイバの減衰量は０．２〜０．０１ｄＢ／ｍの範囲にある。ガラス（ここではカルコゲン化物ガラス、例えばＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社のガラスＩＧ６）の屈折率は、提示した赤外線波長領域においてｎは約２．５である。
【００８０】
更に図１においては、中空コアの周囲に配置されている複数の構造体リングのうちの２つ、即ち、第１の構造体リング５０．１及び第２の構造体リング５０．２が例示的に示されている。更なる構造体リング、例えば第３の構造体リングは図示していないが、同様に続いている。この実施の形態に関して、構造体リング５０．１，５０．２の形状は六角形であるが、本発明はこの形状に限定されるものではない。本発明者は、減衰量が構造体リングの数によって決定的な影響を受けることを発見した。つまり、例えば６個の構造体リングによって、減衰量を２ｄＢ／ｍ以下にすることができ、８個の構造体リングによって減衰量を１ｄＢ／ｍ以下にすることができ、また１０個の構造体リングによって減衰量を０．５ｄＢ／ｍ以下にすることができる。
【００８１】
二段階の線引きプロセスを介することによって、構造体を、１回目の線引きプロセスにおいて、クラッド又は被覆管が設けられる、より小さい直径の構造化されたロッドへと線引き、また続く第２の線引きプロセスにおいて、例えばダウンドロー（Down Draw）法によって、下記において説明するように、図１に示したような最終的なファイバへと線引きすることができる。被覆管３に埋設されるフォトニックファイバの総直径ＤFaserは、４５０μｍから１，０００μｍの間にある。
【００８２】
ダウンドロー法以外にも、ファイバをアップドロー（Up Draw）法によって２段階で線引きすることも考えられる。この方法は、特に、プリフォームが重くて大きく、重力に反する自然的又は強制的な対流を利用する場合には有利である。
【００８３】
図２ａから図２ｅには、管１０の種々の構造タイプに関して、種々の中空コア５を備えているフォトニック結晶ファイバが図示されている。
【００８４】
図２ａからは、中空コア５の六角形の外側輪郭がはっきりと見て取れる。ここでは直径ＤHohlが１３０μｍである。
【００８５】
個々の管１０のガラス材料の屈折率ｎは約２．５である。個々の管１０間のガラス材料には参照番号１１を付している。空気が使用されている場合、中空空間５の屈折率はｎ＝１である。しかしながら、中空コア５において別の気体を使用することも可能である。個々のガラス管間又は構造体４０の孔間の距離ａは、ａ＝１０μｍであり、個々の孔の半径は０．４４×ａである。波長λが１０．６μｍであり、且つ、個々の孔の距離ａが均一に１０．６μｍの場合には、幾何学的条件に関して約１の値が得られる。図２ａに示した構成を用いることによって、実質的に六角形の外側輪郭と、１３０μｍの直径ＤHohlを有している中空コア５に基づき、減衰量が０．０１ｄＢ／ｍ未満のフォトニック結晶ファイバが提供される。個々の中空管間の空間は、ガラス材料１１によって形成されている。
【００８６】
図２ｂには、図２ａとは異なる、構造化部の代替的な構成が示されている。個々の中空管１０の断面は、ここでもまた円形であるが、しかしながら個々の中空管間の中間空間１４はガラス材料では充填されておらず、その代わりに、ｎ＝２．５の屈折率を有しているガラス材料が中空管１０の外壁１２だけを形成している。ここでもまた、実質的に六角形の外形を備えた中空コア５が提供されるように、複数の中空管１０が統合される。図２ｂに示した構造体４０の中空コア５の直径ＤHohlは、約１１７μｍである。個々の中空管１０間の距離ａは１１．２８μｍである。これは、λ＝１０．６μｍの光の波長ではａ／λ＝１．０６４の幾何学的係数に相当する。図２ａにおける構成とは異なり、図２ｂにおいては、中空管１０間の中間空間１４がガラス材料によって充填されておらず、ガラス材料は中空管の壁部にのみ設けられている。ガラス材料の屈折率は、図２ａの実施例と同様に、ｎは約２．５である。図２ｂにおける構造の減衰量は約０．０１ｄＢ／ｍである。図２ａにおける構造のように、個々の中空管１０間をガラス材料で充填することによって、より良好な減衰値が達成される。
【００８７】
図２ｃには、本発明の１つの別のヴァリエーションが示されている。図２ｃによる構成では、六角形の断面を有している中空管２０を相互に嵌め合わされることによって、構造体が得られる。この場合、中空コア５は円形の形状を有しておらず、角のある六角形の輪郭を有している。
【００８８】
実質的に六角形の中空管の外壁２２の屈折率は、上記のように、ｎ＝２．５であり、また六角形の断面を有している個々の中空管間の距離はａ＝１６．４３μｍである。λ＝１０．６μｍの波長では、幾何学的条件ａ／λ＝１．５５が得られる。六角形のハニカムの直径は０．４８×ａであり、また中空コア５の直径ＤHohlは約１１５μｍである。中空コア５の非常に不規則な形状に基づき、図２ｃに示されているような構造体の減衰損失は約０．２ｄＢ／ｍと比較的高い。
【００８９】
図２ｄに示した構造もやはり高い減衰量を示す。この図２ｄに示した構造においては、個々の中空管２０がやはり六角形の断面を有しているが、しかしながら、相互に直接的には接続されておらず、その代わりに、六角形の断面を有している個々の中空管２０間には、図２ｂに示した構成と同様にガラス材料の存在しない中間空間２４が設けられている。
【００９０】
図２ｄにおける材料の屈折率はｎ＝２．５である。実質的に六角形の外側輪郭を有している中空コア５の直径ＤHohlは約１０９μｍである。個々の構造体要素間の距離ａは１５．５８μｍである。これは、λ＝１０．６μｍの波長ではａ／λ＝１．４７の幾何学的条件に相当する。図２ｄに示した構造体に関しては、１ｄＢ／ｍ未満の減衰量が測定される。
【００９１】
図２ｅには、図２ｄとは異なり、実質的に六角形の断面を有している個々の中空管２０間において、中間空間２４がガラス材料で充填されている構造体が示されている。ここでもまた、中空管２０は六角形の断面を有しているが、しかしながら中間空間２４には、図２ａに示した構成のように、ガラス材料２１が充填されている。中空コア５は、ここでもまた実質的に六角形の形状を有しており、また中空空間の直径ＤHohlは約１２２μｍである。実質的に六角形の中空管間に設けられるガラス材料２１は、ｎ＝２．５の屈折率を有している。断面が六角形の個々の中空管間の孔距離ａは１１．１５μｍである。これによって、λ＝１０．６μｍの波長ではａ／λ＝１．０５２の幾何学的条件が得られる。６つの角を有する個々の中空管の断面の幾何学、図２ｅによる充填された中間空間２４、並びに、ガスが充填されている六角形の内側の中空空間５を備えた構成によって、極めて低い、０．００１ｄＢ／ｍを下回る損失が得られる。この種の低い損失は、特に単一モードとの組み合わせにおいて、つまり９から１２μｍまでの赤外線波長領域の電磁波をシングルモードで伝送することとの組み合わせにおいて、当業者にとって驚くべきものであり、また予測できないものであった。
【００９２】
図２ａから図２ｅに示した種々の構造タイプを、改めて図３のａからｅにおいて、種々の構造タイプ、中空コアの直径、屈折率並びに減衰量について表としてまとめた。
【００９３】
図３のａ，ｂ，ｃ及びｅによる配置構成でもって、本発明による低い減衰量、即ち１ｄＢ／ｍ未満、特に０．３ｄＢ／ｍ未満の減衰量を実現することができる。図３のａには、実質的に円形の内側断面を有している中空管の形態の複数の中空体から成り、且つ、それら中空体の間隙が閉じられている構成が示されている。
【００９４】
図３のｂには、実質的に円形の内側断面及び外側断面を有している中空管の形態の中空体を有しており、且つ、それら中空体の間隙が開かれている、フォトニック結晶ファイバが示されている。
【００９５】
図３のｃには、六角形の複数の中空管が密に束ねられている形態の中空体を有しており、且つ、それら六角形の中空管の外面が相互に接続されている、フォトニック結晶ファイバが示されている。
【００９６】
最後に、図３ｅには、中空体が六角形の中空管として形成されており、且つ、それらの間隙が充填されて閉じられている、フォトニック結晶ファイバが示されている。
【００９７】
図３ｆから図３ｈには、孔構造体の精度に依存する、結晶ファイバにおける基本モードの減衰量が示されている。
【００９８】
本発明者は、減衰量が中空コアの周囲にある孔構造体の精度にも依存することを発見した。このことは、２つの孔間の距離（参照符号ａで表されている）にも、孔の直径自体にも該当する。また、構造体がどのような外観であるべきかに応じて、孔が真円であるか又は正六角形であるかも決定的に重要である。孔が楕円形である場合、又は孔の直径が隣接する孔の直径から偏差する場合、構造体の精度の偏差が４％を上回ると、減衰量が上昇する。孔の直径が１０μｍである場合、４％の偏差では、孔の寸法が９．６μｍ又は１０．４μｍになると考えられる。このことは全てのサイズ（距離、直径、隣接する孔に対する変化）に該当する。偏差が１０％を超えると、５０ｃｍを超える長さのファイバを介しては放射をもはや効率的に伝播させることができなくなるほど、減衰量は大きくなる。このことは図３ｆから図３ｈに示されている。
【００９９】
図３ｆには、良好なガイドでの基本モードが示されている。これに対し、図３ｇには、幾何学形状が９．５％偏差した場合の基本モードが示されている。モードのガイドはもはや見て取ることができない。図３ｈには、偏差が４．５％である場合のモードが示されている。既にこの偏差で非球形のモードが生じ、このようなモードは既に著しい損失を含んでいる。
【０１００】
図３ｉ及び図３ｊには、同一の構造体での、基礎となるガラスの屈折率とモードガイドとの関係が示されている。所定の値の屈折率ｎに関して十分に良好なガイドを示す構造が特定されている場合、約１０％の僅かな偏差によって、既に減衰量が著しく高まることになる。つまり例えば、屈折率ｎ1を有している特定の材料に関するフォトニック結晶ファイバの設計を、屈折率ｎ2を有している材料に転用することは不可能である。従って、減衰量は構造体とガラスタイプとの組み合わせ、つまり屈折率と、関心の対象となる波長領域におけるバルクガラスの透過率との組み合わせに依存する。図３ｉには、所定の幾何学的な配置構成に関して、基本モードが示されている。図３ｊにおいては、屈折率が図３ｉに示したものから変更されており、これによって、同じ波長の放射に関してガイド特性が完全に失われている。このことは、ファイバ構造体があるガラスタイプとの組み合わせにおいて、例えば２．０から２．７までの屈折率ｎについて最適化されている場合、２未満の屈折率ｎでは構造体における放射の出力結合が極めて大きくなり、その結果、光モードはもはやガイドされなくなる。
【０１０１】
以下では、本発明によるフォトニック結晶ファイバのための図６に示した装置を用いて、本発明によるファイバを製造するための方法を、図４ａから図５に基づき説明する。
【０１０２】
図４ａには、マイクロ構造化ファイバのプリプリフォームが示されており、このプリプリフォームが第１のステップにおいて線引きされてプリフォームとなり、それに続く２回目の線引きステップ又は線引きプロセスにおいて線引きされて所望のマイクロ構造化ファイバとなる。
【０１０３】
ここでは２段階の線引きステップである線引きプロセスを用いて製造されるマイクロ構造化ファイバ又はフォトニック結晶ファイバの出発点である、図４ａに示したプリプリフォームは、相互に隣接している複数の管乃至チューブ１００から形成されている。有利には、管は、完全なガラスファイバの製造に用いられるべき材料、特に工業用ガラス又は光学ガラスから成るものである。本発明によれば、管はカルコゲン化物ガラスから成るものである。管の外径ＤAUSSENは例えば４ｍｍであり、また内径ＤINNENは３ｍｍである。中実材料の場合には、円筒状のボディ又は管は４ｍｍの外径しか有していない。
【０１０４】
図示のように、プリプリフォームが相互に隣接しており、それぞれが４ｍｍの外径を有している管から形成されている場合、プリプリフォームの総直径は管の数×４ｍｍとなる。管が１５個の場合には、外径は例えば６０ｍｍとなる。
【０１０５】
１回目の線引きステップにおいて、プリプリフォームが線引きされると、例えば外径が１／１０となったプリフォーム、即ち母材が得られる。例えばプリフォームの外径ＤAUSSENは６ｍｍである。図４ｂに示されているプリフォームは、２回目の線引きステップにおいて本発明による方法を用いて更に処理される。２回目の線引きステップに関して、６ｍｍの外径ＤAUSSENを有しているプリフォームは、例えば中空の被覆管乃至クラッドへと挿入され、それによって被覆管がプリフォームを完全に包囲する。プリフォームが挿入される被覆管の開口部の直径は、プリフォームの外径にほぼ一致し、従って約６ｍｍである。被覆管自体は、例えば、直径ＤHuell＝２５ｍｍの有している。本発明による２回目の線引きステップにおいて、プリフォームが、そのプリフォームを包囲する被覆管と一緒に線引きされる。２回目の線引きステップにおける線引き後に、内部にファイバが設けられている被覆管の外径は４００μｍとなり、また、中空コアは２０μｍを超え、有利には少なくとも５０μｍ、特に有利には少なくとも１００μｍとなる。
【０１０６】
プリプリフォーム、プリフォーム及びファイバの長さＤLは、１メートル以上になる場合もある。
【０１０７】
図示の実施の形態においては、中央に位置する幾つかの内側の管、例えば７個の管が除去されており、その結果、中空コア１２０が生じ、この中空コア１２０が後に光導部分を形成する。
【０１０８】
前述のように、プリプリフォームを、１回目の線引きステップにおいて、例えば、電気的なヒータを装備させることもできるファイバ線引きタワーを用いて、図４ａに即して線引きによって６０ｍｍの直径から例えば６ｍｍの直径Ｄneuへと先細りさせることができる。線引きされて先細りされたプリフォーム１３５が図４ｂに示されている。線引きプロセスによって、形状体１１０の個々の管の表面が、図４ａに示されているように、形状体１１０の軸線１４０に沿って接着され、それによって中空コア１３０と孔構造体とを有している固体のロッドが得られる。個々の管１００は、この構造化ロッドにおいて縮尺通りに縮小される。図４ｂに示されているように、先細りされたプリフォーム１３５から出発して、本発明による線引き法においては、２つの加熱装置を用いて、図５に示されているマイクロ構造化ファイバが得られる。このために、図４ｂに示したプリフォームが、例えば２５ｍｍの外径を有している被覆管内に挿入され、続いて、本発明による第２の線引きプロセスが実施される。
【０１０９】
２つの加熱装置を用いる本発明による線引きプロセス後における、マイクロ構造化ファイバの図５に示されている最終形態においては、孔１３０の直径が典型的には５μｍから１５μｍまでの直径へと縮小される。線引き後のファイバの総直径ＤFaserは約４００μｍから１，０００μｍである。図４ｂに示されている、先細りされた直径６ｍｍのプリフォーム１３５から出発して、図５に示されているように、４００μｍから１，０００μｍまでの直径を有しているファイバへと線引きするために、有利には、上記のように、１回目の線引きステップにおいて図４ａ及び図４ｂにおいて得られたロッド、つまり６ｍｍの直径を有している、いわゆるプリフォームを、同じ材料の、壁厚の大きい被覆管又はクラッドで包囲することは有利である。この種の被覆管を備えている図示していないファイバの直径は２５ｍｍである。この種のボディから出発して、例えば５０の延伸比でもって、ファイバを５００μｍの所望の外径となるまで線引きすることができる。
【０１１０】
図５において、孔構造体を備えているコア、即ち、線引き後のコアには参照番号２１０を付しており、個々の管に参照番号２００を付しており、また中空のコアに参照番号２３０を付している。孔構造体を包囲する被覆体には参照番号２５０を付している。上記において説明したように、プリフォーム１３５の周囲には、１回目の線引きステップの後に被覆体が配置され、その結果、本発明によるファイバ線引きプロセスのための、２５ｍｍの直径を有している出発材料が得られる。
【０１１１】
図５に示した、マイクロ構造化ファイバの形状を達成するために、またプリフォームから出発して、線引きの際の個々の孔の形状変化乃至圧潰を回避するために、本発明によれば、２つの加熱装置、つまり、被覆体２５０を加熱する第１の加熱装置と、複数の孔を有している中空構造体及び光導用の中空コアを加熱する第２の加熱装置が使用される。両加熱装置は、単一の加熱ゾーンにおいてプリフォームに作用し、それによってプリフォームは実質的に一斉に乃至同時に加熱される。これによって、プリフォームは外側から１回目の影響を受ける。
【０１１２】
この種の加熱設備は、被覆体のための慣例のヒータ、また、線引きプロセスの際に赤外線放射源を用いる、被覆体によって包囲される中空の光導性のコア及び複数の孔から成る、中空構造体のヒータである。
【０１１３】
この種の装置は図６に詳細に図示されている。図６には、線引きタワー１０００が図示されており、この線引きタワーに、上記において説明したように、被覆体を備えているプリフォームが挿入される。被覆体を備えているプリフォームが、本発明による加熱装置を用いて調整される線引き温度での線引きプロセスによって、線引きされる。線引きされたファイバには参照番号１１００を付している。
【０１１４】
本発明によれば、この装置は２つの加熱装置を含んでいる。ここでは、ただ１つの加熱装置が、即ち第２の加熱装置１２００が稼働状態にあるものとして設けられている。この実施の形態においては全部で４つの赤外線放射器１２０１．１，１２０１．２，１２０１．３，１２０１．４が含まれている。使用される赤外線放射器は、有利には２，４００Ｋの色温度、並びに、２３０Ｖの電圧において２，０００Ｗの定格出力を有しているハロゲン赤外線放射器であって良い。赤外線放射器は、ウィーンの変位則に従って、１，２１０ｎｍの波長において放射極大値を有している。本発明による線引き法においては、赤外線加熱装置及び線引きされるべき素材が赤外線放射中空空間１３００に存在する。放射中空空間１３００によって、線引きされるべきガラスの加熱が一部では赤外線放射器の赤外線放射によって直接的に行われ、他方では、赤外線放射中空空間の壁部、天井部及び／又は底部によって反射乃至後方散乱された赤外線放射によって間接的に行われる。加熱されるべきガラス乃至ガラスセラミックブランク、ここでは線引きされるべきファイバ１１００に作用する間接的な放射、即ち後方散乱又は反射された放射の割合が、５０％を上回る、有利には６０％を上回る、有利には７０％を上回る、有利には８０％を上回る、特に有利には９０％を上回る、特に有利には９８％を上回る場合には、特に有利である。赤外線放射中空空間を使用することの格別な利点は、放射を非常に強く反射及び／又は後方散乱させる壁部材料、底部材料及び／又は天井部材料の使用によって、損失が少なくとも１つの無く、従って高いエネルギ利用率を補償する高品質の共振器が得られるということである。拡散性の後方散乱を行う壁部材料、天井部材料及び／又は底部材料が使用される場合には、中空空間のあらゆる体積素子の非常に均一な放射があらゆる角度で達成される。
【０１１５】
これによって、場合によっては生じるスイッチングオフ効果が回避される。後方散乱性の、即ち再放出性の壁部材料として、例えば研磨された石英プレートを使用することができる。その他の赤外線放射器及び後方散乱性の材料も、壁部材料、天井部材料及び／又は底部材料又は赤外線放射中空空間のコーティングとして考えられ、例えば以下の材料のうちの１つ又は複数が考えられる：
Ａｌ2Ｏ3；
ＢａＦ2；
ＢａＴｉＯ3；
ＣａＦ2；
ＣａＴｉＯ3；
ＭｇＯ・３．５Ａｌ2Ｏ3
ＭｇＯ；
ＳｒＦ2；
ＳｉＯ2；
ＴｉＯ3；
Ｓｒ3；
ＴｉＯ2；
スピネル；
コーディエライト；
コーディエライト−焼結ガラスセラミック
【０１１６】
赤外線放射器は、有利には１，５００Ｋを上回る色温度、有利には２，０００Ｋを上回る色温度、特に有利には２，４００Ｋを上回る色温度、とりわけ２，７００Ｋを上回る色温度、とりわけ有利には３，０００Ｋを上回る色温度を有している。
【０１１７】
赤外線放射器の過熱を回避するために、赤外線放射器が有利には冷却され、特に空冷式又は水冷式に冷却される（図示せず）。
【０１１８】
図示の実施の形態においては、線引きされるべき素材、ここでは線引きされるべきファイバ１１００と赤外線放射１２０１．１，１２０１．２，１２０１．３，１２０１．４との間に、開口部１６００．１，１６００．２，１６００．３，１６００．４，１６００．５，１６００．６，１６００．７，１６００．８を備えている金属シース１５００が配置されている。複数の開口部を金属シース１５００は、赤外線加熱素子と線引きされるべきファイバ１１００との間に挿入される、いわゆるビーム妨害体である。赤外線放射の作用によって、金属シース１５００乃至ビーム妨害体自体が所定の温度に加熱され、それによってそれ自体が加熱素子へと、ここでは第１の加熱素子へと、対流によって、また放射を介して、線引きされるべきファイバ１１００の方向に熱を放出する。赤外線放射素子の放射の一部は開口部を介して、例えば、中空シリンダの周囲に設けられている軸方向のスリットを介して、プリフォーム又は線引きされるべきファイバへと、またそこからプリフォームの内部へと、即ち中空構造体へと到達する。この赤外線ヒータは、第２の加熱素子と称される。第１の加熱素子及び第２の加熱素子は、一緒に、線引きされるべきガラス体を加熱する。金属ボディ１５００の適切な材料選択及び赤外線加熱素子の選択された出力によって、シリンダの温度を、線引きされるべき材料の軟化温度ＴEWを上回り、且つ、赤外線放射器温度を下回る任意の値に、ここでは有利には１０Ｋから１００Ｋまでの温度に調整することができる。２つの加熱方式を組み合わせることによって、即ち、第１の加熱素子を用いる対流による加熱と、第２の加熱素子を用いる赤外線加熱とを組み合わせることによって、線引きされるべきボディ、ここでは線引きされるべきファイバのためのプリフォームの十分に均一な加熱を達成することができる。
【０１１９】
赤外線加熱素子の出力が変化することによって、金属シース１５００の形態の第１の加熱素子の熱出力が影響を及ぼすには十分でない場合には、金属シース１５００に能動的な冷却部又は付加的なヒータを設けることができる（図示せず）。
【０１２０】
図６における実施の形態においては、複数の開口部１６００．１，１６００．２，１６００．３，１６００．４，１６００．５，１６００．６，１６００．７，１６００．８を備えている金属シース１５００内に石英ガラス管１７００が挿入されている。石英ガラス管１７００は、２００ｎｍから４，０００ｎｍまでの波長に対して、即ち紫外線領域から赤外線領域までの広範囲にわたり高透過性であり、８０％を上回る、特に９０％を上回る透過率を有している。ファイバの線引きは、石英ガラス管１７００内で、十分気密に封止された体積内で行われる。このことは、対流が発生せず、また汚染も十分に回避されるという利点を有している。更にこの管のドープ又はコーティングによって、温度の均一性を調整することができる。
【実施例】
【０１２１】
以下では、カルコゲン化物ガラスからフォトニック結晶ファイバを製造するための実施例を説明する。
【０１２２】
カルコゲン化物ガラスとして、ＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社のカルコゲン化物ガラスＩＧ６が線引きされて、フォトニック結晶ファイバが製造された。カルコゲン化物ガラスＩＧ６は、Ａｓ40Ｓｅ60ガラスであり、ゲルマニウムは含有しておらず、また１２．５μｍにおいて最小吸収率を有している。１２．３μｍの波長での屈折率は、２０度でｎ＝２．７７２１である。
【０１２３】
高赤外線透過性ガラスであるＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社のガラスＩＧ６から成るガラスブロックから、先ず、機械的な加工によって、３１ｍｍの外径及び２６ｍｍの内径を有している管と、３１ｍｍの外径を有しているロッドと、が作製される。
【０１２４】
慣例の線引きタワーにおいて更に線引きすることによって、この出発管が、３．１ｍｍの外径及び２．６ｍｍの内径を有しているプリフォーム管へと先細りされる。
【０１２５】
この段階において、３．１ｍｍの厚さの複数の管から、単純な統合によって、５０ｍｍの直径及び１ｍまで又はそれ以上の長さを有している、断面が六角形のプリフォームを製造することができる。その種のプリフォームは、複数の管から成る１５個の六角形のリングと、プリフォームの中心に位置する１つの管とを含んでいる。プリフォームの中心点における中央管を含めて、プリフォームの中心点の周囲に正確に位置している、最も内側に位置する５個のリングは、置換されずに取り除かれる。この中空空間が後に、図２ａから図２ｅにおいて参照番号５を付した光導性の中空コアを形成する。
【０１２６】
プリフォームは続いて、対流式の電気ヒータを備えているファイバ線引きタワーを用いる１回目の線引きステップにおいて、１０．５ｍｍの直径へと先細りされる。線引きに必要とされるガラス温度は、ＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社のガラス材料ＩＧ６では、線引きされるべきプリフォームの直径に依存して、軟化点（粘性η＝１０7.6ｄＰａｓ）を上回る約２０Ｋから６０Ｋまでであるので、対流式の電気加熱装置を使用する場合には約２００℃から３００℃までの炉温度で作業を行い、２００℃から２４０℃までの必要なガラス温度を達成することができる。特別に適合された線引きプロセスによって、個々の管の表面がプリフォームの軸線に沿って接着され、その結果、孔構造体を備えている固体のロッドが得られる。この構造化ロッドにおける個々の管の幾何学は、縮尺通りに縮小されたものである。しかしながら、ここで達成された孔の直径は依然として大きいので、表面張力に起因する圧潰は生じない。
【０１２７】
最終的なファイバにおいて、１１．２８μｍの所望の大きさの孔を達成し、ファイバの総直径が５００μｍとなるようにするために、相応の延伸比（ファイバの直径に対するプリフォームの直径の比）を調整しなければならない。１０．５ｍｍの直径を有している構造化プリフォームがこの実施例において必要とされる３０の延伸比で先細りされた場合には、３５０μｍの直径を有しているファイバが得られることになる。その種の個別ファイバは、固い外側のファイバ保護層を有してない、壁厚が極端に薄い複数の管からしか製造されず、また、後続の処理並びに線引きプロセス自体に対する要求も高くなる。更に、その種のファイバは５００μｍの直径を有していない。その種の所望のファイバを得るために、最終的なファイバへと線引きされる構造化ロッドは１５ｍｍの直径を有していなければならない。このことは、１回目の線引きステップにおいて得られた１０．５ｍｍのロッドを、同じ材料の被覆管で被覆することによって達成され、その内径は正確に適合されている。
【０１２８】
このようにして得られた最終的に統合されたプリフォームは、上記において説明したように、２回目の線引きステップにおいて、約２４０℃の炉温度で５００μｍの直径に先細りされる。
【０１２９】
ハイブリッド加熱技術の最も重要な結果は、上記においても述べたように、線引きプロセスにおけるプリフォームの全体の温度レベルを低下できることである。何故ならば、線引き温度を正確に達成するために必要とされる程度のエネルギだけを局所的に注入すれば良いからである。それによって、線引きプロセスを最大限に可能な粘性でもって実施することができる。この粘性は、中空構造体の孔内の表面張力によって孔が圧潰されない程度に表面張力を低く維持できる高さのレベルに保たれる。それにもかかわらず、温度変動が比較的小さいことに基づき、中空構造体の過比例の縮小を行うことができるが、しかしながらその際に、いずれの孔も全く圧潰されない。この現象は、数ｍｂａｒの範囲の過圧を中空構造体の孔の内側に所期のように掛けることによって生じると考えられる。その際の圧力の高さは、孔を圧潰させる表面張力の絶対値を正確に補償しなければならない。しかしながらこのことは、上記において既に説明したように、孔自体がいずれも全く圧潰されない程度に、構造体自体が安定している場合にのみ可能である。圧潰が生じると、不安定性及び自己補強的な物理効果に基づき、構造体全体の安定した復元を達成することはできず、またファイバにおける確実な縮尺通りの縮小を達成することはできない。
【０１３０】
線引きプロセスにおけるプリフォームの温度決定のために、上述の実施例においては８から１４μｍまでのパイロメータが使用される。このために、外部から加熱装置の内部を通り、プリフォームの表面にまで至る光学的なアクセス部が設けられていなければならない。プリフォームの内側から温度を決定したい場合には、例えば内部構造体の表面から温度を決定したい場合には、ガラスが測定箇所まで透過性である波長を有しているパイロメータを使用する必要がある。
【０１３１】
この測定された温度を、赤外線加熱素子の出力の調整を介する温度の閉ループ制御に利用することができる。
【０１３２】
上述の方法を用いて、２００ｍｍの長さ及び１５ｍｍの外径を有している被覆管と、その被覆管内に正確に嵌入されている、１０．５ｍｍの直径を有している構造化ロッドとから、ダウンドロー法で、ＳＣＨＯＴＴ  ＡＧ社のガラスＩＧ６から成る、５００μｍの外径を有するファイバを線引きすることができ、その際、プリフォームの内側にある中空構造体はファイバ内に留まり続ける。同様に、構造化ロッドの上端部に付加的に圧力を掛けることによって、縮尺通りの縮小を達成することができる。
【０１３３】
本来の線引きプロセスの直後に、強度を高めるために、プラスチック層によるファイバのコーティングが続けて行われる。このために、最終的なファイバがコーティングノズルを介して案内され、このコーティングノズルによって、ファイバには液状の５０μｍの厚さのアクリラート層がコーティングされる。その直後に、紫外線硬化型のアクリラートの紫外線照射が続けて行われ、そのためにファイバの周囲に配置されたリング状の紫外線源が使用される。紫外線区間の長さは、ファイバの線引き速度に依存して、アクリラートが完全に硬化できるように、紫外線放射ゾーンにおける滞留時間が長くなるように選定されている。続いて、例えば４００ｍｍの直径を有している適切なリールへのファイバの巻き取りが行われる。
【０１３４】
従って、本発明によって先ず、５μｍから１５μｍまでの赤外線波長領域の電磁放射を十分損失無く伝送することができる、即ち、減衰量が２ｄＢ／ｍ未満、有利には１ｄＢ／ｍ未満、特に０．１ｄＢ／ｍ未満であるフォトニック結晶ファイバが提供される。これによって、ガラスファイバが過熱されず、またそれによって破壊されることなく、高い赤外線出力の伝送が実現される。更に、フォトニック結晶ファイバは特にＣＯ2レーザ装置における使用に適している。フォトニック結晶ファイバの他に、線引きプロセスにおけるマイクロ構造体の形状変化又は圧潰が十分に回避される、プリフォームからフォトニック結晶ファイバを製造するための方法も提供される。
【図１】
2017511897.tif 000003
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
2017511897.tif 000008
【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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