(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニッククリスタル光ファイバ用のプリフォームに、線引き後に中空のコアとなるコア用穴と、線引き後にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を構成するクラッドの複数の空孔となる複数のクラッド用穴とを形成し、これらコア用穴と複数のクラッド用穴に、あらかじめＨｅガスを充填して密閉封止した後、プリフォームを線引きしてファイバ化を行い、線引き後のファイバに真空処理を行って前記Ｈｅガスを抜き取り、前記中空のコア内およびクラッドの複数の空孔内とを真空に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の製造方法。
【請求項２】
前記中空のコアの線引き後の外径を光の波長の数倍程度とし、前記クラッドは前記中空のコアの周囲に形成され、少なくともコアに隣接することを特徴とする請求項１記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法。
【請求項３】
プリフォームのコア用穴と複数のクラッド用穴にＨｅガスを充填する前に、プリフォーム内を真空状態にすることを特徴とする請求項１または２記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法。
【請求項４】
プリフォームの一端を封止し、プリフォームの他端に石英管を接続し、プリフォーム内を真空状態にし、プリフォームのコア用穴と複数のクラッド用穴にＨｅガスを充填し、前記石英管を封止切断し、プリフォームを線引きしてファイバ化を行い、線引き後のファイバに真空処理を行うことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法。
【請求項５】
前記プリフォーム内のＨｅガス圧力は大気圧程度であることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニックバンドギャップ構造を備えたフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法に係り、特に、中空コアとクラッドの空孔内とを真空にして低損失化を図ったフォトニッククリスタル光ファイバ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、コアよりもわずかに屈折率が低いクラッドとの２層構造をなし、その素材のベースは石英である。コアは、クラッドに比べわず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程度と小さい。
【０００４】
ところが、近年、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、種々の非線形効果現象が生じやすくなっている。
【０００５】
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、同じく非線形現象の一つであるブリュリアン散乱現象も生じやすく、この現象が起きると光ファイバ径の入射パワーが飽和する。
【０００６】
これら非線形効果現象が生じると、光ファイバ中を伝搬する伝送特性の劣化を招く。また、現状の光ファイバの伝送損失は最良のものでも０．１６ｄＢ／ｋｍ程度であり、その主要因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であるが、大陸間長距離伝送等で用いる光ファイバには、より一層の低損失化が望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の光ファイバの問題点を解決する光ファイバとして、フォトニッククリスタル光ファイバ（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｉｂｅｒ）が最近注目を集めている。ＰＣＦとは、フォトニック結晶構造がクラッド部に設けてあるファイバである。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（ＰＢＧ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｂａｎｄ  Ｇａｐ）が発生する。
【０００８】
例えば、Ｋｎｉｇｈｔらは、Ｓｃｉｅｎｃｅ２８２，１４７６，（１９９９）において、ＰＢＧを導波原理とするＰＣＦを報告しており、また、Ｃｒｅｇａｎらは、Ｓｃｉｅｎｃｅ２８５，１５３７，（１９９９）において、ＰＢＧ構造を導波原理とする中空コアのＰＣＦの報告を行っている。中空コアのＰＣＦは、光が伝搬するコアに石英媒質がないため、損失の主要因となるレイリー散乱が非常に小さくなる超低損失ファイバの可能性を示すものである。
【０００９】
また、特許第３０７２８４２号明細書においても、中空コアのＰＣＦについて開示されており、０．０１ｄＢ／ｋｍ程度の低損失化が期待できると記載されている。
【００１０】
しかしながら、これら従来のＰＣＦにおいては、光が伝搬するコアおよびその近傍域がレイリー散乱の小さい空間になっているが、空間内に存在する気体（この場合、空間内は通常空気で満たされている。）の純度が悪い。つまり、空間内に不純物が存在すると、その不純物に対する吸収損失が発生するという問題がある。
【００１１】
例えば、光ファイバ用プリフォームの製造工程では、酸水素火炎による成形加工作業を頻繁に行うため、酸素と水素の反応による水分がプリフォーム内に残留し、ＰＣＦの中空部の空気内に含まれる可能性がある。この水分の一部はプリフォームの線引き中にガラス内に拡散し、ＯＨ基の分子振動による吸収損失を増加させる原因となるという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、ＰＣＦの不純物による損失を低減することで低損失化を図ったＰＣＦ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】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、フォトニッククリスタル光ファイバ用のプリフォームに、線引き後に中空のコアとなるコア用穴と、線引き後にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を構成するクラッドの複数の空孔となる複数のクラッド用穴とを形成し、これらコア用穴と複数のクラッド用穴に、あらかじめＨｅガスを充填して密閉封止した後、プリフォームを線引きしてファイバ化を行い、線引き後のファイバに真空処理を行って前記Ｈｅガスを抜き取り、前記中空のコア内およびクラッドの複数の空孔内とを真空にするフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法である。
【００１４】
請求項２の発明は、前記中空のコアの線引き後の外径を光の波長の数倍程度とし、前記クラッドは前記中空のコアの周囲に形成され、少なくともコアに隣接する請求項１記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法である。
【００１５】
請求項３の発明は、プリフォームのコア用穴と複数のクラッド用穴にＨｅガスを充填する前に、プリフォーム内を真空状態にすることを特徴とする請求項１または２記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法である。
【００１６】
請求項４の発明は、プリフォームの一端を封止し、プリフォームの他端に石英管を接続し、プリフォーム内を真空状態にし、プリフォームのコア用穴と複数のクラッド用穴にＨｅガスを充填し、前記石英管を封止切断し、プリフォームを線引きしてファイバ化を行い、線引き後のファイバに真空処理を行う請求項１〜３いずれかに記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法である。
【００１７】
請求項５の発明は、前記プリフォーム内のＨｅガス圧力は大気圧程度である請求項１〜４いずれかに記載のフォトニッククリスタル光ファイバの製造方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１９】
図１は、本発明の好適実施の形態であるフォトニッククリスタル光ファイバ（ＰＣＦ）の製造方法を用いて作製したＰＣＦの断面図である。
【００２０】
図１に示すように、本発明に係るＰＣＦ１は、中心に配置され、外径φｃが５〜５０μｍである中空のコア２と、コア２の周囲に形成され、ＰＣＦ１の外径φよりやや小さい径に亘って複数の空孔３がハニカム状に配列されてフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）構造の回折格子を構成するクラッド４と、クラッド４の外周に被覆されるジャケット５とからなり、中空のコア２内とクラッド４の複数の空孔３内とを真空にしたものである。ＰＣＦ１の外径φは、８０〜１５０μｍである。
【００２１】
中空のコア２は、ＰＣＦ１の長手方向に沿って断面六角形状の空孔が形成されたものであり、その内部が真空状態に保たれていることから、屈折率が１となっている。中空かつ真空状態に保たれたコア２は、光の散乱要因およびＯＨ基の分子振動による光の吸収損失がないため、光ファイバの低損失化には最も望ましい形態である。
【００２２】
クラッド４は、全体の断面が略六角形状に形成されている。このクラッド４は、ＰＣＦ１の長手方向に沿って形成される断面円形状の複数の空孔３を、コア２の周囲にハニカム状に配列することで、ＰＢＧ構造の回折格子を構成している。複数の空孔３の内部も真空状態に保たれているので、クラッド４の屈折率も１である。
【００２３】
ＰＣＦ１は、信号光エネルギーが最も集中するコア２が中空かつ真空のため光の損失要因が少なく、従来の光ファイバの損失レベル０．２ｄＢ／ｋｍよりも格段に低損失が図れることが予想され、０．０１ｄＢ／ｋｍ台の可能性がある。
【００２４】
ＰＣＦ１のクラッド４はＰＢＧ構造を有するので、回折格子のブラッグ反射により、光はファイバの半径方向に漏洩することなく、コア２内に閉じこめられて光ファイバの長手方向に伝搬する。
【００２５】
ＰＣＦ１では、中空ハニカム構造のクラッド４も真空状態に保っている。そのため、光がクラッド４内をブラッグ反射を繰り返しながら伝搬する際の損失要因も低減している。
【００２６】
次に、本発明に係るＰＣＦ１の製造方法を説明する。
【００２７】
ＰＣＦ１を製造するにあたり、まず、ＰＣＦ用のプリフォームとなる部材として、例えば、純度の高い純粋石英母材をＶＡＤ（Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ａｘｉａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により製造する。通常の光ファイバをＶＡＤ法で製造する際は、コアとなる部分の屈折率を上げるために、石英に添加物としてゲルマニウム等をドープするが、本発明に係るＰＣＦ１では、ＰＢＧ構造により光を伝搬させるので、屈折率を上げるための添加物は使用していない。ただし、ＰＢＧ構造といえども、光が伝搬するコア近傍領域に石英ガラス部も存在するので、石英中に残留するＯＨ基対策は行った。
【００２８】
具体的には、ＶＡＤ法で製造したスート母材を焼結透明ガラス化する際に塩素ガス雰囲気で行うことで、ＯＨ基含有量０．１ｐｐｍ以下の純粋石英母材とする。
【００２９】
図２に示すように、この純粋石英母材を外径φ２１が８０ｍｍとなるように延伸した後、長さが２００ｍｍとなるように切断してＰＣＦ用のプリフォーム２１とする。
【００３０】
このプリフォーム２１の断面中心部に、プリフォーム２１を線引きしてファイバ化を行った際、中空のコアとなる外径φ２２が５ｍｍのコア用穴２２を、超音波ドリルにより、くり貫き加工を施して形成する。同様に、コア用穴２２の周囲に、プリフォーム２１を線引きしてファイバ化を行った際、ＰＢＧ構造の回折格子を構成するように、外径φ２３が２ｍｍの複数のクラッド用穴２３を、超音波ドリルにより、くり貫き加工を施してハニカム状に形成する。この後、線引き加工を容易にするために、プリフォーム２１を、外径φ２１が４０ｍｍ程度となるように延伸加工を行う。
【００３１】
次に、延伸加工後のプリフォーム２１のコア用穴２２と複数のクラッド用穴２３に、Ｈｅガスを充填するための加工を施す。
【００３２】
具体的には、図３（ａ）に示すように、プリフォーム２１の一端２１ａを封止し、他端２１ｂには、プリフォーム２１と同じ外径の石英管３０を接続し、石英管３０に接続した真空ポンプ３１により、プリフォーム２１のコア用穴と複数のクラッド用穴に存在している空気を吸引し、プリフォーム２１内を真空状態にする。
【００３３】
真空状態となったコア用穴２２と複数のクラッド用穴２３に、図３（ｂ）に示すように、同じ石英管３０を使ってコア用穴と複数のクラッド用穴にＨｅガスを充填させ、その後、石英管３０の一部を封止切断する。
【００３４】
このとき、プリフォーム２１内のＨｅガス圧力は、大気圧程度であることが望ましい。その理由は、プリフォーム２１内部が初めから真空状態にあると、次工程の線引き時にプリフォーム２１内部のコア用穴と複数のクラッド用穴がつぶれ、ＰＢＧ構造を実現できないからである。また、反対に、Ｈｅガスを高圧状態でプリフォーム２１内に残留させると、線引き時にＨｅガスの膨張によるガス圧力にファイバのジャケット層が耐えきれずに外径変動をきたしたり、ジャケット層をＨｅガスが突き破ってファイバを損傷したりする場合があるからである。
【００３５】
ここで、プリフォーム２１内に充填させるガスとして、Ｈｅガスを選択した理由は、その拡散速度が他のガスに比べて圧倒的に大きく、石英ガラス層を容易に通過することが可能なガスだからである。同様に拡散速度が大きいガスとして水素が存在するが、水素は石英ガラス中に拡散する際、ガラス中の欠陥と結びついて新たな損失要因を発生させる可能性があり、また、引火性、爆発性の強いガスで取り扱いにくいガスのため使用ガスとして選択しなかった。
【００３６】
Ｈｅガスを充填したプリフォーム２１を、通常の光ファイバ線引き作業によってファイバ化を行う。具体的には、外径φが１２５μｍの線引き後のＰＣＦとしたが、必要に応じて外径φが８０〜１５０μｍ程度に線引き加工することもできる。
【００３７】
次に、図４に示すように、線引き後のＰＣＦ４１を、圧力が１．３３Ｐａ（０．０１Ｔｏｒｒ）以下の高真空下の処理槽４０に入れ、７３時間の真空処理を行って線引き後のＰＣＦ４１からＨｅガスを抜き取り、中空のコア内とクラッドの複数の空孔内とを真空にすると、図１に示したＰＣＦ１が完成する。このＰＣＦ１内、すなわち、中空のコア内とクラッドの複数の空孔内の残留ガス分析をラマン分光法により行った結果、Ｈｅガス成分は検出限界以下となり、残留していないことが確かめられた。
【００３８】
以上のようにして作製した本発明に係るＰＣＦ１と、コア内およびクラッド内に空気が残った従来のＰＣＦとの特性を比較した。本発明に係るＰＣＦ１の損失特性は、波長が０．８μｍ、１．３μｍ、１．５５μｍでそれぞれ３．９８ｄＢ／ｋｍ、３．５７ｄＢ／ｋｍ、３．５３ｄＢ／ｋｍであった。また、従来のＰＣＦの損失特性は、波長０．８μｍ、１．３μｍ、１．５５μｍでそれぞれ４．０１ｄＢ／ｋｍ、４．６８ｄＢ／ｋｍ、３．５５ｄＢ／ｋｍであった。
【００３９】
これら損失レベルは、通常の光ファイバに比べてまだ大きいが、損失要因を調べたところ、ＰＣＦ用のプリフォームの製造精度に起因する構造不整損失が大きく支配的であることが分かった。しかし、この結果より求めたレイリー散乱係数は、本発明に係るＰＣＦ１および従来のＰＣＦが約０．２であり、いずれも、従来の光ファイバの中で最も小さいレイリー散乱係数である０．６程度に比べて著しく低かった。
【００４０】
さらに、本発明に係るＰＣＦ１は、波長が１．３μｍにおける損失が従来のＰＣＦよりも低損失になっている。これは、波長が１．３９μｍにおけるＯＨ基の分子振動による吸収ピークの影響をより低く抑制しているからである。本発明に係るＰＣＦ１は、散乱損失と吸収損失の低減を両立することが可能であることがわかる。
【００４１】
このように、本発明のＰＣＦは、中空のコア内とクラッドの複数の空孔内とを真空にしているので、光の散乱要因および不純物による光の吸収損失がないため、従来の光ファイバでは達成できなかったレイリー散乱損失の低減が可能で、しかも、不純物による吸収損失を低くすることができるので、非常に低損失である。
【００４２】
本発明のＰＣＦの製造方法においては、ＰＣＦ用のプリフォーム製造時、コア用穴と複数のクラッド用穴に、拡散係数の大きいガスであるＨｅガスを大気圧程度で充填して密封封止し、その状態で線引き加工するので、プリフォーム内の圧力を大気圧と同程度にすることで、コア用穴と複数のクラッド用穴がつぶれることを防ぎ、ファイバ内にフォトニックバンドギャップ構造を実現することができる。
【００４３】
また、線引き終了後得られたＰＣＦを真空処理することで、ファイバ内部に存在するＨｅガスをその拡散係数が大きいことを利用して抜き取っているので、ＰＣＦの中空のコア内とクラッドの複数の空孔内とを真空にし、ファイバを伝搬する光の散乱損失と不純物による吸収損失を低減し、低損失なＰＣＦを実現することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の製造方法を用いて作製したＰＣＦは、従来の光ファイバでは達成できなかったレイリー散乱損失の低減が可能で、しかも、不純物による吸収損失を低くすることができるので、非常に低損失である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の好適実施の形態であるＰＣＦの製造方法を用いて作製したＰＣＦの断面図である。
【図２】  ＰＣＦ用のプリフォームの断面図である。
【図３】  図３（ａ）は、ＰＣＦ用のプリフォームを真空処理する方法を説明する概略図である。図３（ｂ）は、ＰＣＦ用のプリフォームにＨｅガスを充填する方法を説明する概略図である。
【図４】  線引き後のＰＣＦからＨｅガスを抜き取る方法を説明する概略図である。
【符号の説明】
１  フォトニッククリスタル光ファイバ（ＰＣＦ）
２  中空のコア
３  空孔
４  クラッド
５  ジャケット
φｃ  中空コアの外径
φ  ＰＣＦの外径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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