(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高屈折率の領域を有し、周期性のクラッディングによって包囲されている一様な低屈折率の領域を有するフォトニック結晶ファイバにおいて、低屈折率の領域は、クラッディングの単一の最も短い周期よりも少なくとも１．５倍長い最長横方向寸法を有し、低屈折率の領域は、光をクラッディング材料のフォトニックバンドギャップによって低屈折領域中に閉じ込めるのに十分なほど大きい最長横方向寸法を有し、閉じ込めた状態でファイバに沿って誘導でき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】
低屈折率の領域は、ガス又は真空から成ることを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項３】
周期性のクラッディング材料は、３角形の格子構造を有していることを特徴とする請求項１又は２記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項４】
３角形の格子は、中実のマトリックス中の空気穴から成ることを特徴とする請求項３記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項５】
高屈折率の領域は、二酸化珪素から成ることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項６】
クラッディング中の空気の割合は、クラッディングの体積を基準として少なくとも１５体積％であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項７】
低屈折率の領域は、空気から成ることを特徴とする請求項６記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項８】
低屈折率の領域は、低圧領域であることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか一に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項９】
低屈折率の領域は、非線形光レスポンスを有する材料から成り、光を非線形法により低屈折率領域中に発生させることができることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか一に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１０】
低屈折率の領域は、少なくとも１つの横モードを維持するのに十分広いことを特徴とする請求項１記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１１】
単一モードファイバであることを特徴とする請求項１０記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちいずれか一に記載のフォトニック結晶ファイバを有する光学素子。
【請求項１３】
スペクトル濾過素子であることを特徴とする請求項１２記載の光学素子。
【請求項１４】
光増幅器であることを特徴とする請求項１２記載の光学素子。
【請求項１５】
レーザであることを特徴とする請求項１２記載の光学素子。
【請求項１６】
低屈折率の領域を構成するガスの性状を検出することができるセンサであることを特徴とする請求項１２記載の光学素子。
【請求項１７】
請求項１〜１１のうちいずれか一に記載のフォトニック結晶ファイバを有する通信システム。
【請求項１８】
請求項１２〜１６のうちいずれか一に記載の光学素子を有する通信システム。
【請求項１９】
請求項１７又は１８記載の通信システムを有する通信ネットワーク。
【請求項２０】
請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバの製造方法であって、（ａ）管材のスタックを形成する工程を有し、前記スタックは、スタック内にキャビティを構成する少なくとも７つの切断管材を有し、（ｂ）スタックを細長いキャビティを有するファイバに引き伸ばす工程を更に有していることを特徴とする方法。
【請求項２１】
キャビティは、管材のうちの任意の管材の対応する横方向寸法よりも大きい横方向寸法を有していることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
キャビティは、管材のうち任意の２本の対応の寸法の合計よりも大きな横方向寸法を有していることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
管材のスタックは、毛管である管材から成ることを特徴とする請求項２０〜２２のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項２４】
毛管は、３角形の配列体を形成していることを特徴とする請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
毛管は、空気以外の物質で満たされていることを特徴とする請求項２３又は２４記載の方法。
【請求項２６】
フォトニック結晶ファイバに沿って光を伝送する方法であって、前記ファイバは、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載のファイバであることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶ファイバ、フォトニック結晶ファイバの製造方法及びフォトニック結晶ファイバに沿って光を伝送する方法に関する。
【０００２】
光ファイバは、光をある場所から別の場所へ伝送するために用いられている。通常、光ファイバは２以上の材料で作られる。第１の材料は、コアと呼ばれているファイバの中心の光伝搬部分を形成するために用いられ、第２の材料は、第１の材料を包囲し、クラッディングと呼ばれるファイバの一部を形成する。光はコアとクラッディングのインタフェースのところで全反射によりコア内に閉じ込められるようになることができる。一般に、全反射が行われると、物質それ自体と関連した基礎（固有）吸収及び散乱損失以外の損失は生じない。従来型であって市販されている低損失光ファイバは代表的には、全反射構造をしているが、導波路作用機構（これは、「インデックスガイディング（index guiding）」と呼ばれている）の一問題点は、コアを形成する材料の屈折率を全反射を達成するためにはクラッディングを形成する材料の屈折率よりも大きくしなければならないということである。例えクラッディングが空気（空気の屈折率は、ほぼ１）であっても、コア材料は依然として、有用であるファイバが得られるようにするためには固体材料でなければならない。実際問題として、クラッディング材料として空気を用いることは通常は推奨できない。というのは、これは、導波路作用コアの十分な機械的又は光学的保護をもたらさないからである。かくして、従来型光ファイバは、固体クラッディングによって包囲された固体又は液体コア材料から成っている。
【０００３】
従来型光ファイバの構造とは著しく異なる構造を持っていて、単一の微細構造物質がファイバのコア及びクラッディングを形成するために用いられている光ファイバ導波路が実証された。代表的にはファイバの長さに沿って延びる小さな穴の配列体（アレイ）の形態をした形態学的微細構造をファイバ中に導入することにより、ファイバの局所光学的性質を変更させ、それにより極めて特異な性質をもつ複雑な導波路作用構造を設計製作することができる。かかるファイバは、フォトニック結晶ファイバの一例である。
【０００４】
フォトニック結晶ファイバの一タイプでは、断面に空気穴の周期的配列体（アレイ）を有し、中心に１つの空気穴が欠けた状態（結晶構造中の「欠陥（又は、欠点）」）のファイバが、二酸化珪素（シリカ）の伝送窓内にすべての波長についてモノモード（monomode）のままである低損失全二酸化珪素光学導波路を形成する。この場合の導波路作用機構は、従来型光ファイバのものと密接に関連していて、純粋な二酸化珪素の屈折率よりも見掛け上小さな屈折率の材料からの全反射の形態をしている。
【０００５】
別の形式の導波路作用もまた、空気穴の周期的配列体を備えたフォトニック結晶ファイバにおいて実証されている。光は、もしフォトニック結晶が「フォトニックバンドギャップ」を呈するよう適切に設計されていれば、フォトニック結晶格子内の余分な空気穴（即ち、「低屈折率」格子欠陥）の付近で閉じ込められるようになることができる。フォトニックバンドギャップは、ある範囲のパラメータ、例えば、光が数字をクラッディング材料中を伝搬すると予想されるが、微細構造の細部に起因して伝搬モードがないような周波数又は波数ベクトルの範囲である。今日までに実証されたこのタイプのファイバ（これについては例えば、J. C. Knybhp、J. Broeng 、T. A. Dirks 及び P. St. J. Russell“Thotonic Band Gap Guidance in Optical Fidres”，Science 282 1476（1998）を参照されたい）では、ファイバに沿って伝搬する光は、空気穴のハニカム配列体を備えたファイバ内で低屈折率期間の付近に閉じ込められるが、それにもかかわらず、微細構造材料の高屈折率相に強力に閉じ込められる。光は、空気中ではエバネッセントであり、したがって観察された誘導モードは、コアのところの余分の空気穴を包囲する二酸化珪素中に集中している。
【０００６】
ガラス毛管の形態をした真空ファイバ中の光の誘導方式が実証されたが、かかる装置は本来的に非常に漏れが多い。
【０００７】
本出願人の研究の長期的目的は、光が空気穴又は低屈折率の他のある領域内で閉じ込められ、低屈折率のその領域ではそれほどの漏れを生じないで誘導されるバンドギャップ誘導ファイバを開発することであった。ファイバクラッディング材料に起因する損失は、かかる構成では大幅に回避できる。しかしながら、この目的は、本発明を提供することによって初めて達成された。
【０００８】
本発明によれば、高屈折率の領域を有し、実質的に周期性のクラッディングによって実質的に包囲されている実質的に一様な低屈折率領域を有するフォトニック結晶ファイバにおいて、低屈折率の領域は、クラッディングの単一の最も短い周期よりも長い最も長い横方向寸法を有し、光をクラッディング材料のフォトニックバンドギャップによって低屈折領域中に実質的に閉じ込めることができ、閉じ込めた状態でファイバに沿って誘導できることを特徴とするフォトニック結晶ファイバが提供される。
【０００９】
本発明者は、比較的広い低屈折率領域を用いることにより誘導を低屈折率の領域内で達成することができることを発見し、光を中空コア内で実質的に漏れなく誘導するファイバを製造した。「低」屈折率の領域は、高い屈折率の領域の屈折率よりも大きさが小さい屈折率を有していることは理解されよう。
【００１０】
かかるファイバは他の光ファイバと比べて利点を持っており、例えば、伝搬している光とファイバの構成材料との相互作用（吸収又は非線形）による性能の制限がいっそう少ない。幾分かの光は高屈折率材料を相当な程度まで貫通する場合があるが、大部分の光は例えば空気穴である低屈折率領域に制限される。本発明のファイバは例えば通信、環境検知及びモニタリング、高出力レーザ伝送、長波長伝送及び他の光学素子に有用である。
【００１１】
ファイバの出力取扱い容量は、構成材料の非線形過程（non-linear processes）によって制限を受ける。光が空気中に集中し、その出力のほんの僅かな割合がガラス内にあるファイバでは、出力伝送能力は、従来型ファイバの場合よりも非常に大きい。
【００１２】
二酸化珪素ガラスによって強く吸収される光、場合によっては例えばＣＯ2レーザからの光の超高出力単一モード伝送方式は、かかるファイバの考えられる用途である。高出力レーザ光の送出は、もう１つの用途であり、これは、かかるファイバが従来型ファイバよりも非常に高い出力を伝送することができるということを利用しており、大型フレームレーザからの機械加工ヘッドへの１００Ｗ〜１ｋＷの送出が例えば繰り返し必要である。高出力レーザは、広範な用途の分野があり、例えば、高速印刷、材料のレーザ加工、場合によっては外科手術で用いられ、ファイバを用いるレーザは効率的であって、１kg当たり高い出力を生じさせる。これらはコンパクトであって、発生するビームの品質が高いので、これらレーザは、あらゆる種類の携帯可能なレーザ装置において非常に魅力的である。
【００１３】
本発明のファイバの別の用途は、通信分野である。ファイバは高出力を伝搬することができるので、いっそう多くの光を通信リンクの一断面中へ送り込むことができる。したがって、リンクは長くてもよく、この場合、信号を検出不可能にするほど小さくする光学的減衰は生じない。利得（エルビウムをドープすることによって得られる）を持つかかるファイバを、かかるリンクの連鎖のためのリピータとして働く高出力増幅器として用いることができる。
【００１４】
別の用途は、原子誘導法であり、かかる誘導法では、個々の原子は強力な光ビーム「に沿って伝搬される」ことにより壁に当たらないで、中空コアに沿って搬送される。
単一の横方向モードを有するガスを通る光の極めて長い光路長は、高分解能分光学及び検出用途向きの機会を相当程度もたらす。
【００１５】
光がファイバから取り出され、次に、変調又は増幅後に注入されるファイバ素子における問題であるフレネル反射はファイバ中では非常に小さい。というのは、外界とファイバモードとの間の屈折率の不連続性が取るに足りない程小さいからである。これの示唆するところは、挿入損失がほぼ０のバルク光学素子を最初の時点で採用できるということである。これとは逆に、従来型ファイバと空気との間の屈折率の相違は常に、幾分かの光をファイバの端面のところで反射させる。これにより光の損失が生じるだけでなく、望ましくない反射によって、これらが再び入るレーザ源が非常に不安定になる場合があると共に光増幅器がレーザとして振動するようになる（これは非常に望ましくないことである）。
【００１６】
低屈折領域中の誘導が可能である。というのは、ファイバクラッディングのフォトニックバンドギャップ材料が、ある状況下では全反射を行う完全な金属と或る点においては類似した方法で挙動できるからであるが、本物の金属とは異なり、かかる疑似金属は、光周波数のところでは損失は非常に小さい。フォトニックバンドギャップ材料は、完全な２次元フォトニックバンドギャップを呈する場合、即ち、特定の波数ベクトル成分を含んだ状態でファイバに沿って且つ特定な周波数で伝搬する光があらゆる方位角においてバンドギャップを持つ材料を見た場合、金属のように挙動する。ある波長バンドだけが閉じ込められてファイバに沿って誘導され、これらバンドは、フォトニック結晶クラッディング中の全２次元バンドギャップの存在に対応している。
【００１７】
導波路に沿う波数ベクトル成分（これは、電波路係数βとして知られている）は、光が誘導の任意の部分内で伝搬しているか、或いはエバネッセントであるかどうかを判定する。β＜ｋｎであれば、光は屈折率ｎの材料中では軸線に対し角度θをなして伝搬し、ここで、β＝ｋｎｃｏｓθ、ｋは真空波係数である。もしβ＞ｋｎであれば、θは、虚数であり、光はエバネッセントである。コアの屈折率ｎ1がクラッディングの屈折率ｎ2よりも大きい場合の従来の全反射は、光がコア中を伝搬しながらクラッディング内でエバネッセントであるβの範囲の存在を保証している。
【００１８】
これとは対照的に、光を任意の屈折率のコア内に設けられた２つの多層誘電体スタック相互間に閉じ込めることができる。ただし、スタックが、所与の光学的周波数においてβの範囲についてフォトニックバンドギャップを有していることを条件とする。本発明者は、フォトニックバンドギャップの誘導に関し２つの明確に区分された形態があることを確認した。第１の形態では、光は高屈折率ｎ1の層中で伝搬する（β＜ｋｎ1）が、低屈折率ｎ2の層中ではエバネッセント（β＞ｋｎ2）である。高屈折率層は、個々の全反射導波路として作用し、β＝βmの特定の値ではバウンドモードを維持する。隣り合う高屈折率層相互間の共鳴トンネル効果により、これらを通って光の漏れを生じさせることができる。ただし、ほぼ各βmを開くパスバンド内に位置していることを条件とする。パスバンドの幅は、層相互間の結合の強度で決まる。パスバンド相互間にはバンドギャップが存在し、もし異なる幅（おそらくは小さい）を持つ高屈折率コア層がバンドギャップ内部でβをもつモードを維持すれば、これは、他の層とは共鳴せず、トンネル効果による光の漏れが減衰する。かくして、このモードは、フォトニックバンドギャップ誘導の減衰トンネル効果形態によって厳密に誘導される。
【００１９】
フォトニックバンドギャップ誘導の第２の方式では、光は全ての層内を伝搬することができる（β＜ｋｎ2）。バンドギャップは、多数回散乱及び干渉の結果としてブラッグ（Bragg）条件で生じ、フォトニックバンドギャップ誘導のブラッグ形式をもたらす。
【００２０】
フォトニックバンドギャップ誘導の両方の形式において、コアの屈折率を、全反射誘導方式の場合よりもいっそう自由に選択することができる。というのは、フォトニックバンドギャップ条件は、クラッディングのスタックの性質だけで決まるからである。誘導モードは、スタックの「平均」屈折率よりも低い（減衰トンネル効果誘導方式の場合）又はスタックの最も低い屈折率よりも低い（ブラッグ誘導方式の場合）モードインデックスβ／ｋで存在することができ、全反射誘導方式に余分の設計上の自由度をもたらすと共に中空コア内への閉じ込めを可能にする。
【００２１】
実質的に周期性のクラッディングは、３角形の格子構造を有するのがよい。３角形の格子は、中実マトリックス中の空気穴から成るのがよい。
【００２２】
好ましくは、高屈折率の領域は本質的には二酸化珪素から成る。二酸化珪素以外の材料を用いることもでき、かかる材料としては、異なる組成の他の二酸化珪素ガラス及び軟質ガラスが挙げられる。ファイバのこの部分中の空気の割合は、十分に広いバンドギャップを呈するのに比較的大きいことが必要である。有利には、クラッディング中の空気の割合は、クラッディングの体積を基準として少なくとも１５体積％であり、３０体積％以上であるのがよい。
【００２３】
細長い横断面形状のものである低屈折率の領域を設けることは本発明の範囲に属するが、一般的には、この領域が全体として丸い断面のものであることが好ましい。
ファイバは、低屈折率の領域を２以上有するのがよい。
【００２４】
好ましくは、低屈折率の領域は、ガス又は真空からなり、低屈折率の領域は、大気圧状態にあるのがよい（或いは、これよりも高い圧力状態）が、低圧領域であってもよい。ガスは好ましくは空気である。低屈折の領域への光の実質的な閉じ込めは、フォトニック結晶ファイバが、光を、従来型ファイバでは光を伝送することができない出力及び（又は）波長で伝送できるということを意味している。
【００２５】
以下に説明する本発明の一例では、低屈折率の領域は、実質的に丸い断面のものであり、クラッディングの最も短い周期の約２．５倍の直径を有している。しかしながら、これよりも大きい又は小さい直径を用いてもよい。好ましくは、低屈折率の領域は、クラッディングの最も短い単一周期よりも少なくとも１．５倍長く、好ましくは、少なくとも２倍長い最も長い横方向寸法を有している。
【００２６】
低屈折率の領域の実際の横断面寸法は、ファイバに沿って誘導される光の波長、クラッディングの周期、及び場合によっては、低屈折率領域の屈折率で決まることになる。以下に説明する本発明の一例では、低屈折率の領域は、全体として丸い断面のものであり、直径が約１５μｍである。通常、低屈折率の領域は、少なくとも９μｍ、好ましくは少なくとも１２μｍの最も長い横方向寸法を有していることが好ましいであろう。
【００２７】
誘導モードの光と流体との間の強い相互作用が考えられ、これは低屈折率導波路作用コアを形成し、この相互作用は、例えばガス検出及びモニタリングの場合には有用である。低屈折率領域は、非線形レスポンス（光学的応答）を有する材料からなるのがよく、それにより、光を低屈折領域中で非線形方法により派生させ又は変調させることができる。
【００２８】
ファイバの光学的性質を、ファイバのサイズをいったん決めると正確に計算することができる。周期性ファイバクラッディングのフォトニックバンドギャップは、広い周波数範囲にわたることができるが、一般には、モードは、比較的狭い周波数範囲でのみ低屈折領域中で誘導されることになる。ファイバの狭いバンド性能をもっていることが示唆するところによれば、これはスペクトル濾過素子として役立つということである。
【００２９】
変形例として、本発明のフォトニック結晶ファイバを少なくとも１つの誘導横モードを維持するのに十分大きな低屈折率の領域の観点で定義することができる。かくして、本発明によれば、高屈折率の領域を有し、実質的に周期性のクラッディングによって実質的に包囲されている実質的に一様な低屈折率の領域を有するフォトニック結晶ファイバにおいて、低屈折率の領域は、少なくとも１つの横モードを維持するのに十分広いことを特徴とするフォトニック結晶ファイバが提供される。
【００３０】
好ましくは、フォトニック結晶ファイバは、単一モードファイバである。
本発明のフォトニック結晶ファイバを有する多種多様な光学素子を想到できる。上述したように、かかる素子は例えば、低屈折領域を構成するガスの性質を検出することができるセンサであり、或いは、これは、スペクトル濾過素子であってもよい。かかるファイバを有することができる他の光学素子としては例えば、光増幅器又はレーザが挙げられる。
【００３１】
光ファイバは通信産業において広く用いられている。通信システムは、本発明の光ファイバを有することができ、かかる通信システムを通信ネットワーク中に組み込むことができる。
【００３２】
また、本発明によれば、フォトニック結晶ファイバの製造方法であって、（ａ）管材のスタックを形成する工程を有し、前記スタックは、スタック内にキャビティを構成する少なくとも１つの切断管材を有し、（ｂ）スタックを細長いキャビティを有するファイバ中に引き込む工程を更に有していることを特徴とする方法が提供される。
【００３３】
かかる方法は、フォトニック結晶ファイバについて上述した製造方法を設計変更したものであり、公知の方法では、スタック内には切断管材は設けられない。しかしながら、管材をかかるスタックの中間から取り除く場合、特に、互いに隣接して位置した２又は３以上の管材を取り除く場合、その結果得られる予備形成物はもはや安定ではなく、自立形でもない。しかしながら、例え１本の管材を取り除いても、問題が生じる。本発明の方法では、最終の穴を得るのに必要な寸法形状の管材の長さ又は管材の束を、スタックの反対側の端のところで管材のスタック内に埋め込む。これら埋め込まれた管材の長さは、これらがスタックの中間内で当たらないようなものである。その代わり、予備成形物の両端の中間の長さ（約１５cmである）は、各端部から安定した態様で支持された状態で所要の大きな空気穴を備えた状態でそのままになる（完全な）予備成形物をファイバ内へ引き入れた後（１又は２以上の工程で）、予備成形物の中央部分からファイバだけを保持する。
【００３４】
本発明の方法は、もし本発明の特徴を用いないとすれば製造が困難であろう多種多様なファイバ構造を構成するのに役立つ。かくして、本発明の方法は、本発明のフォトニック結晶ファイバを製造する方法だけには限定されない。
【００３５】
本発明の方法は、スタック中に２以上のキャビティを構成する管材のスタックを形成する方法を含む。このようにすると、２以上の細長いキャビティを持つファイバを成形することができる。
【００３６】
好ましくは、キャビティは、管材のうち任意の対応の横方向寸法よりも大きな横方向寸法を有している。キャビティは、管材のうち任意の２本の対応の寸法の合計よりも大きな横方向寸法を有するのがよい。
【００３７】
好ましくは、管材のスタックは、毛管である管材から成り、これは３角形の配列体を形成するのがよい。毛管を空気又は空気以外の材料で満たすのがよく、毛管を部分的又は完全に排気するのがよい。キャビティは、１束が４本、より好ましくは１束が７本の管材の横断面に実質的に等しい又はこれよりも大きな横断面積を有するのがよい。
また、本発明によれば、フォトニック結晶ファイバに沿って光を伝送する方法が提供され、このファイバは、上述のファイバである。
【００３８】
次に、本発明の実施形態を添付の図面を参照して例示として説明する。
光を、例えば図１に示すようなファイバ導波路中の穴内で「空気モード」で誘導することができる。ファイバは、互いに融着された細長い管１の３角形配列体によって形成されたクラッディングを有し、これら細長い管は、二酸化珪素毛管から延伸さていて、長手方向空気穴２を有している。これら毛管は、円形横断面のものであり、その結果、管１相互間には穴が生じている。ファイバは、その中心に大きな空気穴４の形態をしたコアをさらに有している。空気穴４はこの実施形態では以下に説明するように、即ち、ファイバの予備成形物の一部から７本の毛管の形を省くことによって形成され、したがって、クラッディング材料の７つ分のユニットセルのサイズであり、空気穴４はしたがって、融着管１内の穴２よりも非常に大きく、しかも、管間穴３よりも極めて大きい。管材を１本だけ省くことによって形成されたファイバは、空気穴中でモードを誘導することはないものとして観察された。
【００３９】
互いに類似したクラッディングパラメータを備えるが、毛管を１本だけ省くことによって形成された欠陥を持つフォトニック結晶ファイバが、誘導モードを維持することが判明しなかった理由を考えることが通例である。従来型ファイバが維持できる誘導モードの数は、コアとクラッディングの屈折率の差及びコアのサイズによって定められる。これは根本的には、固体物理学の周知の状態密度計算法（density-of-states calculations）に非常によく似た位相−空間に関する議論からわかり、これにより、従来のファイバ中の空間モードのおおよその数は次式で得られるという結果になる。
【００４０】
【数１】
Ｎconv＝｛ｒco2ｋ2（ｎ12−ｎ22）｝／４          （１）
上式（１）においてｒcoは、コアの半径、ｎ1及びｎ2はコア及びクラッディングの屈折率、ｋは真空波数ベクトルである（当然のことながら、空間モードごとに２つの偏光状態がある）。中空コア形フォトニック結晶ファイバでは、中空コア内に存在する空間モードのおおよその数について上記と類似した表現を導くことができる。
【数２】
ＮPBG＝｛ｒco2（βH2−βL2）｝／４
又は
ＮPBG＝｛ｒco2（ｋ2ｎ12−βL2）｝／４          （２）
【００４１】
上式において、βH及びβLは、一定の光波長でフォトニックバンドギャップの上縁と下縁であり、第２の表現は、もしフォトニックバンドギャップの上縁が最大コア波数ベクトルを越えていても、即ち、ｋ2ｎ12＜βＨ2であっても当てはまる。理論の教示するところによれば、二酸化珪素中の空気穴の代表的な３角形の配列体の場合、フォトニックバンドギャップの幅Δβ＝βH−βLが、その平均位置、即ちβav＝（βH＋βL）／２のほんの何分の一かである。例えば、βavΛ＝９、Δβ＝Λ＝０．２の場合、スタックの管材１本を欠いた場合においてｒco＝Λ／２をとると（Λは、穴の間隔である）、空間モードの予想数は０．２３であり、空気誘導モードが見られることはほとんどない。他方、もしスタック中の管材を７本取り除くと、中空高面積は、７倍になり、コア半径は、√（７）倍であり、空間モードの予想数は、１．６１になる。これの示唆するところは、管材が７本分の中空コアが、少なくとも単一横モード（２つの偏光状態）及びおそらくは第２の横モードを維持することになろう。これらの予想は、管材１本分の空気穴を備えた状態で製造されたファイバが空気誘導モードを維持せず、管材７本分の穴を備えたファイバが１又は２のモードで光を誘導するという本発明者の見解と一致している。
【００４２】
クラッディング領域のピッチ、格子及び充填フラクション（又は、充填率）は、２次元フォトニックバンドギャップを示すよう選択される（これについては例えば、P. A. Dirks 、T. J. Roberts 、T. St. J. Russell 、J. M. Apkin 及びT. J. Shetherd“Full E-D Thotonic.Bandgape an silica/air structures ”，Electron. Lett. 31 1941 (1995)を参照されたい）。穴４内の光は、周囲の材料のフォトニックバンドギャップによって捕捉される。その結果、光は、ファイバコアから離れて伝搬することができず、誘導モードとしてコアに実質的に制限された状態でファイバ軸線に沿って伝搬するよう閉じ込められる。
【００４３】
フォトニック結晶ファイバについて従来技術において開示された製造方法では、数百本の管材（このうち少なくとも何割かは毛管であるのがよい）は肉眼的規模で所要の結晶構造を形成する。これら管材は代表的には、１mm台の外径を有している。次に、スタック全体を溶融させながら互いに結合して光ファイバ延伸塔を用いてファイバの状態に延伸する。この標準化手順を用いたのでは、もし中央に所要の大きな空気穴を持っていると、安定であり又は自立形の予備成形物を得ることができない。
【００４４】
図２に一部を示す予備成形物は、この問題に対する解決策を提供する。積み重ね（スタック）状態の管材の２つの切断長６を管材でのスタック内に入れ込む。切断管材６は、予備成形物の両端部のところに位置しているが、スタックの中央では当たっていない。その代わり、これらは短いキャビティ７を構成している。最も内側の管材５（もしそうでなければ、キャビティ内に潰れることになる）はかくして、両端部から安定状態で支持される。かくして、予備成形物全体及びキャビティ７の横断面は、図１の概略的形態と形状が類似した形を有する。予備成形物を通常の方法でファイバの状態に延伸する（１又は２以上の段階で）。ファイバをいったん延伸すると、予備成形物の中央部分から見たファイバだけが保持される。
【００４５】
図３のファイバは、この方法を用いて製造されたものである。延伸方法では穴４の構造的健全性は維持されていることが分かる。一般に、図３のファイバの格子の高品質は、顕著であり、ファイバの横断面は、図１の概略形態に非常に似ている。幾つかの欠陥９が見えるが、これらの影響は、ファイバ中の空気モード誘導を阻止するほど有害なものではない。
【００４６】
本発明の特定の実施形態では、ファイバは、各々が円形横断面のものであって、外径が０．８mm、内径が約０．７mmの３３１本の二酸化珪素製毛管から作られている。毛管を、図２を参照して説明したように配置し、配列体の中心部の７本の毛管をこれらの長さの中間部分にわたって省いて長さ１５cmのキャビティを構成する。予備成形物を上述したように延伸してファイバの状態にし、その結果得られるファイバの外径は９０μｍ、中央穴４の直径は１５μｍであった。
【００４７】
初期特性化を、長さ３cmのサンプルを垂直方向に保持し、これらに下から白色光を照明し（タングステンハロゲンランプを用いて）、光学顕微鏡でこれらを透過した光を観察することによって実施した。中央空気コアは、着色光の単一のローブ（lobe）で満たされており、その横方向プロフィールは、滑らかであって、中心にピークがあり、ガラスと空気の境界部のところで非常に小さな強度まで落ちている。相当な量の白色光が周囲クラッディング中に存在し、これが、コア中に閉じ込められたモードと比較していかに無色に見えるかは顕著であった。真空誘導モードの互いに異なる色が、ファイバの全体サイズ及び用いた延伸条件に応じて見えた。正確な色は、目で分かりにくい場合があり、事実、場合によっては、例えば赤と青の互いに異なる色の混合であるように見えた。白色光源による適当な励起の場合、数個のサンプルが、同様に着色された２ローブモード（two-lobed mode）を維持し、本発明者はこれが原因で第２の誘導モードが第１のものと同一のバンドギャップに落ちると考えている。
【００４８】
顕微鏡を従来型マルチモードファイバを介して光スペクトル検光子に連結することによりファイバの長さの空気コアの伝送スペクトルを測定した。空気穴中の導波路作用のスペクトル依存性は、幾つかの十分に規定された伝送バンドが存在し、可視スペクトル全体をカバーすると共に赤外線中へ延びていることを実証した。これらバンドは各々、２次元フォトニックバンドギャップ全体に相当し、フォトニック結晶クラッディング中の高次ブラッグ（Bragg ）条件に関連している。結晶のピッチは波長と比較して大きかったので、誘導の要因であるフォトニックバンドギャップは高次のものであった。誘導モードを適当な波長で維持するように示されたファイバの長さを選択することにより、レーザ源を用いてこのモードを励起した。各伝送バンド内において、損失は、数cmのファイバ長さにわたって小さく又は０であり、これに対し、これらバンド相互間における損失はフォトニックバンドギャップ効果がない場合に予想されたように非常に大きかった。長さは、ファイバパラメータの変動によって限定され、それにより、誘導モードの波長はファイバの長さに沿って様々であった。その波長では誘導モードを維持しない他のファイバでは、レーザ光は１cmのほんの１／４が伝搬した後クラッディング内へ完全に漏れた。
【００４９】
空気中を誘導されたレーザ光は、遠視野において安定で滑らかに漸変する単一ローブパターン（single lobed pattern）を形成した。ファイバの誘導長さをマッハ・ツェンダー干渉計の一方のアーム内に組み込むことにより、誘導コア中を伝送されたレーザ光は、高い度合の空間コヒーレンスを有し、干渉計の出力に高可視度（ビジビリティ）の縞を生じさせた。これは、ファイバコア中で励起される導波モードは多い場合にはそうではなかった。
【００５０】
ファイバの光伝送スペクトルを検査し、これらは図４及び図５に示されており、これら図の各々において、伝送強度が波長に対してプロットされている。図４及び図５に示す光伝送スペクトルの示すところによれば、ファイバは多数の波長で空気モードを維持し、４９０nm、６１０nm及び８１０nmのあたりで強い伝送ピークがある。また、図４においては、４４０nmの紫外線伝送の証拠があるように見える。伝送パスバンドは、従来の光フィバーの伝送パスバンドと比較して狭いことが注目される。
【００５１】
図面を参照して説明した本発明の実施形態では、低屈折率の領域は空気であり、ファイバは、管材のスタック（積重ね体）を形成することによって形成され、かかる管材のスタックは、その中にキャビティを成形するよう切断管材を有している。スタック内のキャビティを部分的に又は全部を空気以外の材料及び（又は）クラッディングを形成するのに用いられる管材よりも屈折率の低い１又は２以上の管材で満たすことは本発明の範囲に属する。
【００５２】
本明細書において、「光」という場合、この「光」という用語は、可視スペクトルの範囲外の周波数の電磁線を含むことは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  光ファイバの概略断面図である。
【図２】  図１の光ファイバの製造に適した予備成形物の部分図である。
【図３】  図１に概略的に示した種類の実際のファイバの走査電子顕微鏡による写真である。
【図４】  例えば図３に示すファイバから記録された発光スペクトルを示す図である。
【図５】  例えば図３に示すファイバから記録された別の発光スペクトルを示す図であって、この場合のスペクトルは赤のスペクトル領域についてのみ記録されている図である。
【図１】
0004886932.tif 000002
【図２】
0004886932.tif 000003
【図３】
0004886932.tif 000004
【図４】
0004886932.tif 000005
【図５】
0004886932.tif 000006