フォトニックバンドギャップファイバとその製造方法
【課題】 導波帯域幅が広く、伝送損失が低いフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＧＦ）の提供。
【解決手段】 石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたＰＢＧＦであって、ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔２１が隔壁２５を介して一列に並べられた第１の空孔列２２と、前記第１のピッチの２倍である第２のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分２０を介して並べられた第２の空孔列２３とが交互に多数重ねられ、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが前記第１のピッチΛよりも小さい拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするＰＢＧＦ。
【解決手段】 石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたＰＢＧＦであって、ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔２１が隔壁２５を介して一列に並べられた第１の空孔列２２と、前記第１のピッチの２倍である第２のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分２０を介して並べられた第２の空孔列２３とが交互に多数重ねられ、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが前記第１のピッチΛよりも小さい拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするＰＢＧＦ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたフォトニックバンドギャップファイバに関する。本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、通常のフォトニックバンドギャップファイバに特有な表面モードを抑制することができ、ファイバの伝送帯域を広げることができるので、極低損失光伝送、ＵＶ領域から可視光領域及び遠赤外領域における光伝送、ファイバレーザ光伝送などに用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
フォトニックバンドギャップファイバ（photonic bandgap fiber：以下、ＰＢＧＦと記す。）は、空孔の周期構造をクラッドに用いることにより、そのフォトニックバンドギャップを利用して光をコアに閉じ込める。そのため、コアは空気であっても導波が可能である（非特許文献１参照。）。
【０００３】
しかし、クラッドに設けた空孔の周期構造がバンドギャップを形成しても、光がコア中心に集中するコアモードは、光がコアエッジ近傍の石英に集中する表面モードに結合し、大きな伝送損失をもたらすので、バンドギャップの波長帯域全域における光導波が得られない問題がある（非特許文献２参照。）。
【０００４】
表面モードの存在は、コア径の大小に依存する。図１は、その依存性を示す図である。図１に示す従来のＰＢＧＦは、ファイバ横断面において石英部分１０に多数の円形の空孔１１が三角格子状に設けられ、中心の空孔が空孔コア１２になっている。以下、このようにファイバ横断面において多数の円形の空孔１０が一定のピッチで三角格子の周期構造を形成している空孔構造を「通常の三角格子の周期構造」と記す。
【０００５】
図１中の「バルクモード」とは、空孔の周期構造がバンドギャップを構成しているときに、そのバンドギャップの下部通過帯域（バンド）内最高周波数を有するΓ点（波長ベクトルが伝搬方向成分のみを有する点）のモードを指す。
図１に示すような構造のＰＢＧＦにおいて、コア１２のエッジがバルクモードを横切る場合に表面モードが存在し、横切らない場合には表面モードが存在しないことが知られている（非特許文献３参照。）
【０００６】
図２および図３は、通常の三角格子の周期構造を有する従来のＰＢＧＦにおける空孔コア１２とバルクモードとの位置関係を例示する図である。図２に示す従来のＰＢＧＦは、ファイバ横断面においてクラッドとなる石英部分１０に多数の円形の空孔１１が三角格子状に設けられ、中心の１つの空孔とそれを囲む６つの空孔を含む領域を空孔とすることによって形成された空孔コア１２を備えている。また、図３に示す従来のＰＢＧＦは、ファイバ横断面において石英部分１０に多数の円形の空孔１１が三角格子状に設けられ、中心の１つの空孔とそれを囲む２層１８個の空孔を含む領域を空孔とすることによって形成された空孔コア１２を備えている。
【非特許文献１】R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, “Single-mode photonic band gap guidance of light in air,” Science, vol. 285, no. 3, pp. 1537-1539, 1999.
【非特許文献２】J. A. West, C. M. Smith, N. F. Borrelli, D. C. Allan, and K. W. Koch, “Surface modes in air-core photonic band-gap fibers,” Opt. Express, vol. 12, no. 8, pp. 1485-1496, 2004.
【非特許文献３】H. K. Kim, J. Shin, S. Fan, M. J. F. Digonnet, and G. S. Kino, “Designing air-core photonic-bandgap fibers free of surface modes,” IEEE J. Quant. Electron., vol. 40, no. 5, pp. 551-556, 2004.
【非特許文献４】S. G. Johnson and J. D. Joannopoulos, “Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell's equations in planewave basis,” Opt. Express, vol. 8, no. 3, pp. 173-190, 2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、図２および図３に示すような通常の三角格子の周期構造をクラッドに用いる場合、空孔コア１２のエッジが、バルクモード１３の存在する領域を横切ってしまうため、表面モードを避けることが困難である。その結果、コアモードの光が表面モードに結合し、大きな伝送損失をもたらし、バンドギャップの波長帯域全域における光導波が得られず、導波帯域幅が狭くなり、また伝送損失が増加してしまう問題がある。
【０００８】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、導波帯域幅が広く、伝送損失が低いＰＢＧＦの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたＰＢＧＦであって、ファイバ横断面において一定のピッチΓで六角形の多数の石英部分が三角格子状に並び、該石英部分の間が空孔とされ、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが前記ピッチΓの半分の長さΛよりも小さい周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするＰＢＧＦを提供する。
【００１０】
また本発明は、石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたＰＢＧＦであって、ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔が隔壁を介して一列に並べられた第１の空孔列と、前記第１のピッチの２倍である第２のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分を介して並べられた第２の空孔列とが交互に多数重ねられ、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが前記第１のピッチΛよりも小さい拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするＰＢＧＦを提供する。
【００１１】
前記ＰＢＧＦにおいて、前記空孔を囲む石英の隔壁の厚さωｂが０．００５Λ≦ωｂ≦０．２Λの範囲であることが好ましい。
【００１２】
前記ＰＢＧＦにおいて、前記空孔を囲む石英の隔壁の厚さωｂが０．０５Λ≦ωｂ≦０．５Λの範囲であることが好ましい。
【００１３】
本発明のＰＢＧＦにおいて、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが０．４Λ≦ωｒ＜Λの範囲であることが好ましい。
【００１４】
本発明のＰＢＧＦにおいて、前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、０．７Λ≦Ｄ≦３．３Λの関係であることが好ましい。
【００１５】
本発明のＰＢＧＦにおいて、前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、４．７Λ≦Ｄ≦７．３Λの関係としてもよい。
【００１６】
本発明のＰＢＧＦにおいて、前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、８．７Λ≦Ｄ≦１１．３Λの関係としてもよい。
【００１７】
本発明のＰＢＧＦにおいて、前記クラッドに設けられた拡張三角格子状の空孔周期構造がコアの外側に３層以上設けられていることが好ましい。
【００１８】
本発明のＰＢＧＦにおいて、伝搬パワーの６０％以上が空孔コアの領域に集中するコアモードであり、且つ表面モードが実質的に存在しない光学特性を有していることが好ましい。
【００１９】
本発明のＰＢＧＦにおいて、単一のコアモード（ただし、縮退する全てのモードはモード数１とする）のみが存在する光学特性を有していることが好ましい。
【００２０】
本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、０．６≦Γ／λ≦１．７を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることが好ましい。
【００２１】
本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、１．５≦Γ／λ≦２．４を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。
【００２２】
本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、２．１≦Γ／λ≦３．５を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。
【００２３】
本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、０．７≦Γ／λ≦２．４を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。
【００２４】
また本発明は、石英製の多数のキャピラリが一列に並べられた第１の空孔列と、前記キャピラリとそれよりも肉厚の中空石英管とを交互に並べた第２の空孔列とが交互に重なって横断面のキャピラリ配置が拡張三角格子状となるように組み合わせ、且つ中央の中空石英管又は中央の中空石英管とその周りのキャピラリ及び中空石英管を無くして空孔コア領域とし、又は中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域としたキャピラリ束を作製し、次いでキャピラリ内部空間の圧力を高く中空石英管内部空間の圧力を低く保持したまま、該キャピラリ束を加熱一体化し、中空石英管の内部空間が潰れると共にキャピラリの空孔が六角形状となって維持されたファイバ紡糸用母材を作製し、次いで該ファイバ紡糸用母材を紡糸して本発明に係る前記ＰＢＧＦを得ることを特徴とするＰＢＧＦの製造方法を提供する。
【００２５】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリが断面円環状であり、前記中空石英管がキャピラリと外径が等しく肉厚の断面円環状であることが好ましい。
【００２６】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化してファイバ紡糸用母材を作製することが好ましい。
【００２７】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記石英管の孔内に挿入したキャピラリ束のうち、キャピラリ内部空間のみを大気圧又はそれ以上の圧力に保持し、中空石英管の内部空間を含むキャピラリ内部空間以外の空間部分を減圧状態として前記一体化を行うことが好ましい。
【００２８】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管を無くして空孔コア領域を形成してもよい。
【００２９】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管とその周りを囲む１層以上５層以下のキャピラリ及び中空石英管を無くして空孔コア領域を形成してもよい。
【００３０】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成してもよい。
【００３１】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管とその周りを囲む中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成してもよい。
【００３２】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束は、コア領域を囲む拡張三角格子状の空孔周期構造が、径方向外方に向けて３層以上の中空石英管を有するように設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明のＰＢＧＦは、拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有するものなので、中心にコアを形成する場合にコアエッジがバルクモードを横切らずに構成でき、表面モードが発生せずにコアモードのみが存在する光学特性が得られ、導波帯域幅を広くすることができ、伝送損失を下げることができる。
また、前記周期構造において六角形の石英部分を六角形の空孔のピッチΛより小さくしたことで、石英部分と空孔のピッチΛとが等しい周期構造と比べ、バンドギャップが広くなり、バンドギャップの位置が上昇するので、同じ波長通過帯域を実現するために必要となるファイバの寸法が大きくなり、製造が容易になる。
本発明のＰＢＧＦの製造方法は、キャピラリの一部をそれよりも肉厚の中空石英管に置換して組み合わせること以外は、従来のキャピラリを用いた方法と同様にして、簡単に拡張三角格子状の空孔周期構造を有するＰＢＧＦを製造できるので、従来のＰＢＧＦよりも優れた光学特性を有するＰＢＧＦを従来のＰＢＧＦと同様の方法によって簡単且つ安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図４は、本発明のＰＢＧＦのクラッド部分に用いた拡張三角格子（ＥＴＬ：extended triangular lattice）状の空孔周期構造の一例を示す図であり、この図中、符号２０は石英部分、２１は六角形の空孔、２２は第１の空孔列、２３は第２の空孔列、２５は隔壁である。
【００３５】
この拡張三角格子状の空孔周期構造は、図４（ａ）に示すように、ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔２１が隔壁２５を介して一列に並べられた第１の空孔列２２と、前記第１のピッチΛの２倍である第２のピッチΓ（Γ＝２Λ）で多数の六角形の空孔２１が六角形の石英部分２０を介して並べられた第２の空孔列２３とを交互に多数重ねた周期構造（以下、六角形空孔拡張三角格子又は六角形空孔拡張三角格子構造と記す。）になっている。本例示において、六角形の空孔２１は、正六角形ではなく、石英部分２０と接する２辺が他の２辺よりも短く、且つ石英部分２０と接する２辺間の長さが他の二辺間の長さ（Λ）よりも長い六角形状となっている。
【００３６】
図４（ｂ）は、この六角形空孔拡張三角格子のユニットセル構造を示す図である。このユニットセルにおいて、石英部分２０の対向する２辺間の長さωｒは、前記第１のピッチΛよりも小さい（ωｒ＜Λ）。また、格子の周期性を表す基本ベクトルであるａ１，ａ２は、それぞれｘ軸に対して３０度と−３０度に傾き、第２のピッチΓは２Λである。
【００３７】
本発明において、石英部分２０は、隔壁２５を含む空孔２１よりも小さいことが好ましい。石英部分２０の対向する２辺間の長さωｒと前記第１のピッチΛとは、０．４Λ≦ωｒ＜Λの関係、好ましくは０．５Λ≦ωｒ＜Λの関係であることが好ましい。
【００３８】
この拡張三角格子状の空孔周期構造をＰＢＧＦのクラッドに用いる場合、適切にコア領域を設計すると、コアとクラッド間に空孔層を設けることができる。その結果、表面モードを避けることができ、広い伝送帯域が実現できる（非特許文献３参照。）。
【００３９】
また、本例示の六角形空孔拡張三角格子は、石英部分２０を空孔２１よりも小さくしたこと、即ち、ωｒ＜Λの関係としたことによって、ωｒ＝Λである六角形空孔拡張三角格子とは異なる光学特性を得ることができる。
【００４０】
図５は、参考例として、ωｒ＝Λである六角形空孔拡張三角格子構造を例示する図であり、また図６はそのバンド構造を示すグラフである。ただし、図５は、ωｒ＝Λであると共に、隔壁厚さωｂ＝０とした六角形空孔拡張三角格子構造である。図５において六角形の黒色部分が石英部分２０であり、白色部分が空孔２１である。また、図６のバンド構造は、非特許文献４に記載されている平面波展開法を用いて計算した。図６において、βは伝搬方向（周期構造と垂直な方向）の波数、Γ＝２Λは拡張三角格子の格子定数、ωは角周波数、ｃは光速を表す。また、ライトラインは光が真空媒質中で伝搬するときの分散曲線を表し、バンドで囲まれる領域は、周期構造断面内にどの方向にも光が伝搬できない領域、すなわちバンドギャップを表す。ファイバのクラッドにこの周期構造を用い、コアに空孔を用いた場合、ファイバのコアに光が導波可能になる領域はライトラインに隣接し、その上部に存在するバンドギャップとなる。この場合、Γ／λ（＝ωΓ／２πｃ）が０．８２〜１．３０の範囲で第１導波領域、１．５８〜２．１３で第２導波領域が存在する。ここで、λは波長を表す。
【００４１】
一方、図７に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図８に示す。図７は、ファイバ横断面において一定のピッチΓで六角形の多数の石英部分２０が三角格子状に並び、該石英部分２０の間が空孔２１とされ、石英部分２０の対向する２辺間の長さωｒを前記ピッチΓの半分の長さΛよりも小さく（ωｒ／Λ＝０．９）し、隔壁厚さωｂ＝０とした六角形空孔拡張三角格子構造を示す図である。ただし、実際には石英部分２０を保持するために、図示していないが、断続的な隔壁等があってよい。
【００４２】
この場合、図８に示すように、Γ／λが０．８５〜１．４５の範囲で第１導波領域、１．８２〜２．３８の範囲で第２導波領域が存在する。ωｒ＝Λ（ωｒ／Λ＝１）である六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造と比べると、本例示の六角形空孔拡張三角格子構造は、バンドギャップが広くなり、さらにバンドギャップの位置が上昇している。これは、同じ波長通過帯域を実現するために必要となるファイバの寸法が大きいことを意味するので、製造面においても有利である。
【００４３】
また、図９に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図１０に示す。本例示は、ωｒ／Λ＝０．８、ωｂ＝０とした六角形空孔拡張三角格子構造を示すものである。この場合、図１０に示すように、Γ／λが０．９０〜１．６５の範囲で第１導波領域、２．０２〜２．６２の範囲で第２導波領域が存在する。ωｒ／Λ＝１である六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造と比べ、本例示のファイバは、バンドギャップが広くなり、さらにバンドギャップの位置が上昇している。
【００４４】
空孔２１を囲む隔壁２５が存在する実際のファイバにおいても同じ傾向がある。
図１１は、参考例として、ωｒ／Λ＝１、ωｂ／Λ＝０．０６とした六角形空孔拡張三角格子構造を示す図であり、また図１２はそのバンド構造を示すグラフである。この場合、Γ／λが０．７９〜１．１３の範囲で第１導波領域、１．６０〜１．８３で第２導波領域が存在する。
【００４５】
一方、図１３に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図１４に示す。図１３に示す六角形空孔拡張三角格子は、図４（ａ），（ｂ）と同じく、ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔２１が隔壁を介して一列に並べられた第１の空孔列２２と、第１のピッチの２倍である第２のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分２０を介して並べられた第２の空孔列２３とが交互に多数重ねられ、前記石英部分２０の対向する２辺間の長さωｒが前記第１のピッチΛよりも小さくなっており、本例示では、ωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０．０６である。
【００４６】
この場合、Γ／λが０．８６〜１．２５の範囲で第１導波領域、１．８２〜１．９４で第２導波領域が存在する。図７に示すωｂ＝０の理想的なファイバと同じように、このファイバは、ωｒ／Λ＝１である図１１のファイバと比べ、バンドギャップが広くなり、バンドギャップの位置が上昇している。
【００４７】
また、石英部分２０を更に小さくした図１５に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図１６に示す。本例示は、ωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．０６とした六角形空孔拡張三角格子構造を示すものである。この場合、Γ／λが０．８９〜１．３３の範囲で第１導波領域が存在する。ωｒ／Λ＝１である六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造と比べると、本例示のファイバは、バンドギャップがさらに広くなり、バンドギャップの位置がさらに上昇している。
【００４８】
また、石英部分２０を更に小さくした図１７に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図１８に示す。本例示は、ωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．０６とした六角形空孔拡張三角格子構造を示すものである。この場合、Γ／λが０．９７〜１．４６の範囲で第１導波領域、１．９３〜２．１８の範囲で第２導波領域が存在する。ωｒ／Λ＝１である六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造と比べると、本例示のファイバは、バンドギャップがさらに広くなり、またバンドギャップの位置がさらに上昇している。
【００４９】
本発明のＰＢＧＦは、前述した拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有すると共に、中心に空孔コア、又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコア２４を有している。なお、本発明のＰＢＧＦにおいて、石英部分２０の材質は、ファイバ全体で同一とすることができ、例えば、純粋石英（ＳｉＯ２）などが好適に用いられるが、フッ素や酸化ゲルマニウムなどの屈折率調整用ドーパントを添加した石英ガラスなどを用いることもできる。
【００５０】
本発明の好ましい実施形態において、隔壁２５を設ける構成とした場合、その隔壁の厚さωｂは０．００５Λ≦ωｂ≦０．２Λの範囲、またはωｂが０．０５Λ≦ωｂ≦０．５Λの範囲であることが好ましい。
隔壁２５を薄く形成する場合には、図７及び図９に示す隔壁の無いＰＢＧＦと同様の光学特性が得られ、バンドギャップが広くなり、広い伝送帯域を確保することができる。
一方、隔壁２５を比較的厚く形成する場合には、非常に広い伝送帯域を確保することができ、また、伝送帯域を短波長側にシフトさせることができる。また、隔壁２５を比較的厚く形成する場合には、ＰＢＧＦの製造が容易になるメリットが得られる。
【００５１】
本発明の好ましい実施形態において、石英部分２０の対向する２辺間の長さωｒは、０．４Λ≦ωｒ＜Λの範囲であることが好ましい。長さωｒが前記範囲より小さいとバンドギャップが狭くなり、ファイバの動作範囲が狭くなるので、好ましくない。
【００５２】
本発明の好ましい実施形態において、コア２４の直径Ｄは、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の範囲となるように設定することが望ましい。
（Ａ） ０．７Λ≦Ｄ≦３．３Λの範囲。
（Ｂ） ４．７Λ≦Ｄ≦７．３Λの範囲。
（Ｃ） ８．７Λ≦Ｄ≦１１．３Λの範囲。
コア２４の直径Ｄを前記範囲内に設定することで、表面モードを有しないＰＢＧＦを提供することができる。コア２４の直径Ｄを小さくすることで、コアモードを単一モードとすることができ、一方、コア２４の直径Ｄを大きくすることで、マルチモードとすることができる。
【００５３】
また、クラッドに設けられた拡張三角格子状の空孔周期構造は、コア２４の外側に３層以上設けられていることが好ましい。クラッドに設けられた拡張三角格子の層数が２層以下であると光の閉じ込みが不十分になり、損失が大きくなる可能性がある。
【００５４】
本発明のＰＢＧＦは、伝搬パワーの６０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上がコアの領域に集中するコアモードであり、且つ表面モードが実質的に存在しない光学特性を有していることが好ましい。前記コアモードの割合が６０％未満であると光が石英中に伝わるようになるので好ましくない。
【００５５】
本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、０．６≦Γ／λ≦１．７を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることが好ましい。前記Γ／λが０．６未満であるとバンドギャップが存在しなくなり、光が伝わらなくなり、またΓ／λが１．７を超えると同様にバンドギャップが存在せず光が伝わらなくなってしまう。
【００５６】
また、ＰＢＧＦが高次バンドギャップで動作する場合、前記Γ／λは、１．５≦Γ／λ≦２．４の範囲内が好ましい。前記Γ／λが１．５未満であると高次バンドギャップ外にあり、動作しなくなり、またΓ／λが２．４を超えると高次バンドギャップの外にあり、動作しなくなってしまう。
また、波長λが、２．１≦Γ／λ≦３．５を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。
さらに、波長λが、０．７≦Γ／λ≦２．４を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。
【００５７】
次に、本発明のＰＢＧＦの製造方法の一例を説明する。本例では、図４（ａ）に示す六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、且つ中心の石英部分２０のみが空孔２１に置換されたコア２４（キャピラリコア）を備えた図１９に示すＰＢＧＦを製造する場合を説明する。
本製造方法では、まず、石英製のキャピラリと、それよりも肉厚の中空石英管とを用意し、多数のキャピラリが一列に並べられた第１の空孔列と、キャピラリと中空石英管とを交互に並べた第２の空孔列とが交互に重なって横断面のキャピラリ配置が拡張三角格子状となるように組み合わせ、且つ中央の中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域としたキャピラリ束を作製する。本製造方法で用いるキャピラリは、断面円環状であり、また中空石英管は、キャピラリと外径が等しい肉厚の断面円環状であることが好ましい。この中空石英管は、中空部分を潰して石英部分とすることから、その肉厚は製造するＰＢＧＦにおけるωｒ／Λの値に応じて適宜選択可能である。
【００５８】
なお、本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記コア領域の形成方法は前記の例にのみ限定されず、製造するＰＢＧＦのコア構造に応じて適宜変更可能である。例えば、図３３に示すＰＢＧＦを製造する場合には、六角形空孔拡張三角格子構造の中心の中空石英管とそれを囲む６つの中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成している。また、空孔コアを形成する場合には、六角形空孔拡張三角格子構造の中心の中空石英管を無くすか、あるいは中心の中空石英管とその周りを囲む１層以上５層以下のキャピラリ及び中空石英管を無くして空孔コア領域を形成することが好ましい。
【００５９】
次に、前記キャピラリ束を加熱一体化してファイバ紡糸用母材を作製する。この加熱一体化工程は、前記キャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化してファイバ紡糸用母材とすることが望ましい。このようにキャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化する場合、中空石英管内部を含むキャピラリ周囲の空間内とキャピラリ内部空間との圧力やガス組成を個別に調整することができる。
【００６０】
石英管の孔内に前記キャピラリ束を挿入して一体化を行う場合、挿入したキャピラリ束のうち、キャピラリ内部空間のみを大気圧又はそれ以上の圧力に保持し、一方、中空石英管の中空部分とキャピラリ同士間の隙間を減圧状態に保持しながら加熱し、中空石英管の中空部分を潰しながら、キャピラリ同士間の隙間を無くして一体化することが望ましい。
【００６１】
次に、前記のように作製したファイバ紡糸用母材を紡糸することによって、図１９に示すＰＢＧＦを得る。この紡糸工程は、キャピラリ周囲の空間の圧力よりもキャピラリ内部空間の圧力を高く保持し、キャピラリ空孔同士間の圧力がバランスをとった状態で行うことが望ましい。この圧力調整により、キャピラリの空孔が断面六角形になり、且つ石英部分の断面も六角形となる。
【００６２】
本例によるＰＢＧＦは、前述した六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有するものなので、中央に空孔コア又はキャピラリコアを形成する場合にコアエッジがバルクモードを横切らずに構成でき、表面モードが発生せずにコアモードのみが存在する光学特性が得られ、導波帯域幅を広くすることができ、伝送損失を下げることができる。
また、前記構造において六角形の石英部分を六角形の空孔のピッチΛより小さくしたことで、石英部分と空孔のピッチΛとが等しい周期構造と比べ、バンドギャップが広くなり、バンドギャップの位置が上昇するので、同じ波長通過帯域を実現するために必要となるファイバの寸法が大きくなり、製造が容易になる。
本例によるＰＢＧＦの製造方法は、キャピラリの一部をそれよりも肉厚の中空石英管に置換して組み合わせること以外は、従来のキャピラリを用いた方法と同様にして、簡単に拡張三角格子状の空孔周期構造を有するＰＢＧＦを製造できるので、従来のＰＢＧＦよりも優れた光学特性を有するＰＢＧＦを従来のＰＢＧＦと同様の方法によって簡単且つ安価に製造することができる。
【実施例】
【００６３】
［実施例１］
図１９に示すような、ピッチΛに対する石英部分２０の２辺間の長さωｒの割合が０．９（ωｒ／Λ＝０．９）であり、ピッチΛに対する隔壁２５の厚さωｂの割合が０．０６（ωｂ／Λ＝０．０６）である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、コアモードの分散を調べた。図２０はこのＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図２０において、βは伝搬方向（周期構造と垂直な方向）の波数、Γ＝２Λは拡張三角格子の格子定数、ωは角周波数、ｃは光速を表す。また、ライトラインは光が真空媒質中で伝搬するときの分散曲線を表し、バンドで囲まれる領域は、周期構造断面内にどの方向にも光が伝搬できない領域、すなわちバンドギャップを表す。図２０に示すように、Γ／λ（＝ωΓ／２πｃ）＝０．８９〜１．３０のバンドギャップ内では、コアモードのみが存在し、表面モードが存在しない。また、この場合のコアモードは単一モードである（縮退モードを含む）。
【００６４】
図２１は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す図である。また、図２２はファイバの誘電率を図１９と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、コア直近の石英部分２０にわずかに分布しているだけで、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。
【００６５】
図２３は、本実施例のＰＢＧＦにおける第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のようにΓ／λ＝１．８３〜１．９６でコアモードが存在するが、表面モードは存在しない。この場合もコアモードが単一モードである（縮退モードを含む）。
【００６６】
図２４は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。
【００６７】
［実施例２］
図２５に示すような、ωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、コアモードの分散を調べた。図２６はこのＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のように、Γ／λ＝０．９６〜１．４０のバンドギャップ内では、コアモードのみが存在し、表面モードが存在しない。また、この場合のコアモードは単一モードである（縮退モードを含む）。
【００６８】
図２７は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す図である。また、図２８はファイバの誘電率を図２５と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。
【００６９】
［実施例３］
図２９に示すような、ωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、コアモードの分散を調べた。図３０はこのＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のように、Γ／λ＝１．０５〜１．５７のバンドギャップ内では、コアモードのみが存在し、表面モードが存在しない。また、この場合のコアモードは単一モードである（縮退モードを含む）。
【００７０】
図３１は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す図である。また、図３２はファイバの誘電率を図２９と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。
【００７１】
［実施例４］
図３３に示すような、ωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０とその外側の１層６個の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、コアモードの分散を調べた。図３４はこのＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のように、Γ／λ＝０．９６〜１．２６でコアモード１、Γ／λ＝０．９２〜１．２７でコアモード２が存在し、表面モードは存在しない。ただし、各コアモードは縮退モードを含む。
【００７２】
図３５は、そのときのコアモード１の典型的なパワー分布を示す図である。また、図３６はファイバの誘電率を図３３と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。
【００７３】
また、図３７は、本実施例のＰＢＧＦにおける第１バンドギャップ内のコアモード２の典型的なパワー分布を示す図である。
【００７４】
図３８は、本実施例のＰＢＧＦにおける第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のようにΓ／λ＝１．８５〜２．００でコアモード１、Γ／λ＝１．８３〜１．９７でコアモード２が存在するが、表面モードは存在しない。ただし、各コアモードには縮退モードを含む。また、コアモードの分散がライトライン以下の領域にも存在しているのは、コア２４内に隔壁としてわずかに石英が残っているからである。
【００７５】
図３９は、そのときのコアモード１の典型的なパワー分布を示す図である。また図４０は、そのときのコアモード２の典型的なパワー分布を示す図である。
【００７６】
［実施例５］
図４１に示すような、ωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１である六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を図４２に示す。ただし、石英の屈折率ｎ＝１．４５とした。図４１において、黒色の六角形部分が石英部分２０、白色の六角形部分が空孔２１、空孔２１を区画する実線が隔壁２５である。また、バンド構造は平面波展開法（非特許文献４参照）を用いて計算した。図４２において、βは伝搬方向（周期構造と垂直な方向）の波数、Γ＝２Λは拡張三角格子の格子定数、ωは角周波数、ｃは光速を表す。また、ライトライン（ｎ＝１）は光が真空媒質中で伝搬するときの分散曲線を表し、バンドで囲まれる領域は、周期構造断面内にどの方向にも光が伝搬できない領域、すなわちバンドギャップを表す。ファイバのクラッドにこの周期構造を用い、コアに空孔を用いた場合、ファイバのコアに光が導波可能になる帯域はｎ＝１のライトラインに隣接し、その上部に存在するバンドギャップとなる。この場合、Γ／λ（＝ωΓ／２πｃ）が０．９３〜１．１６の範囲で導波領域が存在する。ここで、λは波長を表す。しかし、キャピラリコアを用いると、コアの透過屈折率が上昇するので、前記真空媒質中で伝搬するライトラインの替わりに、誘電体中で伝搬するライトラインが適用される。この場合、コアの平均屈折率は、式（１）で近似することができる。
【００７７】
【数１】
【００７８】
ただし、ｎｅｆｆ，ｎａｉｒ，ｎｓｉｌｉｃａはそれぞれ、コアの平均屈折率、空気の屈折率、石英の屈折率を表し、Ｓａｉｒ，Ｓｓｉｌｉｃａはそれぞれ、空気がコア中に占める面積、石英がコア中に占める面積を表す。キャピラリコアは図４３に示すように、多数のほぼ正六角形状の空孔２１が隔壁２５を介して三角格子状に配置された構造になるので、各面積は式（２）及び式（３）で与えられる。
【００７９】
【数２】
【００８０】
【数３】
【００８１】
この例では、ｎｅｆｆ＝１．０９になる。図４２中、ライトライン（ｎ＝１．０９）に示されるように、キャピラリコアを有するファイバは、Γ／λが１．１１〜２．０２の範囲で導波領域が存在し、空孔コア（エアコア）の場合と比べ、はるかに広い導波帯域をもつとともに、波長帯域が短波長側にシフトする。これによって広帯域化が実現できるのみならず、ファイバの製造において微細構造の寸法への制限を緩くする、すなわちファイバ製造を容易化できることにも繋がる。
【００８２】
本発明者らは、端面が図４４及び図４５で示されるような、キャピラリコアを有する六角形空孔拡張三角格子型ＰＢＧＦを製造した。なお、図４５においては黒色部分が空孔であり、白色部分が石英部分になっている。このＰＢＧＦは、Λ＝０．７５μｍ、ωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１である。このＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を図４６に示す。図４６に示すように、このＰＢＧＦの第１バンドギャップ内には、Γ／λ＝１．１５〜１．９１の範囲でモード１が存在し、Γ／λ＝１．０６〜１．７４の範囲でモード２が存在する。この場合のモードは縮退モードを含み、モード１が２重縮退し、モード２が４重縮退している。
【００８３】
図４７は、前記のように製造したＰＢＧＦ（長さ１ｍ）の透過特性を測定した結果を示すグラフである。図４７中で実線は測定値であり、斜線領域は計算により算出した帯域を示す。短波長側の二つの伝送帯域は、高次のバンドギャップに対応している。波長１５５０ｎｍ以上の伝送帯域は第１バンドギャップに対応している。測定値が約２１５０ｎｍまでしかないのは測定機器の限界による。また、測定値の波長１９００ｎｍ付近に見られる落ち込みは、ファイバ中の残存ＯＨ基の損失によるものである（P. Kaiser, A. R. Tynes, H. W. Astle, A. D. Pearson, W. G. French, R. E. Jaeger, and A. H. Cherinet,“Spectral losses of unclad vitreous silica and soda-lime-silicate fibers”, J. Opt. Soc. Amer., vol. 63, pp.1141-1148, Sept. 1973）。
【００８４】
図４８と図４９はそれぞれ、前記ＰＢＧＦのモード１とモード２の典型的なパワー分布を示す図である。
また、図５０は、前記ＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【００８５】
［実施例６］
図５１に示すような、ωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．１である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０とその外側の１層６個の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、伝搬モードの分散を計算した。図５２は、このＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【００８６】
図５２に示すように、コア２４が完全な空孔コア（エアコア）である場合には、空気中を伝搬するライトライン（ｎ＝１）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得るので、Γ／λ＝０．９０〜１．１２の範囲で伝搬モードが存在するのに対して、キャピラリコアの場合には、誘電体中のライトライン（ｎ＝１．０９）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得ることになるので、Γ／λ＝１．００〜１．７９の範囲で伝搬モードが存在し、伝送帯域が大幅に広くなるとともに、短波長側にシフトする。実際には、Γ／λ＝１．０５〜１．７５の範囲でモード１、Γ／λ＝１．００〜１．５８の範囲でモード２が存在する。ただし、各モードには縮退モードを含む。
【００８７】
図５３は、そのときのモード１の典型的なパワー分布を示す図である。図５４は、そのときのモード２の典型的なパワー分布を示す図である。
また、図５５は、ファイバの誘電率分布を図５１と同スケールで示す図である。
【００８８】
［実施例７］
図５６に示すような、ωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、伝搬モードの分散を計算した。図５７は、このＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【００８９】
図５７に示すように、コア２４が完全な空孔コア（エアコア）である場合、空気中を伝搬するライトライン（ｎ＝１）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得るので、Γ／λ＝０．９３〜１．１６の範囲で伝搬モードが存在するのに対して、キャピラリコアの場合には、誘電体中のライトライン（ｎ＝１．０９）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得ることになるので、Γ／λ＝１．０１〜１．７３の範囲で伝搬モードが存在する。この場合、コア直径Ｄが小さいため、単一モードとなっている。ただし、このモードは２重縮退している。このように、空孔コアファイバと比べキャピラリコアファイバは伝送帯域が大幅に広くなるとともに、短波長側にシフトする。
【００９０】
図５８は、そのときのモードの典型的なパワー分布を示す図である。
また、図５９は、ファイバの誘電率分布を図５６と同スケールで示す図である。
【００９１】
［実施例８］
図６０に示すような、ωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．１である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、伝搬モードの分散を計算した。図６１は、このＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【００９２】
図６１に示すように、コア２４が完全な空孔コア（エアコア）である場合、空気中を伝搬するライトライン（ｎ＝１）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得るので、Γ／λ＝０．９０〜１．１２の範囲で伝搬モードが存在するのに対して、キャピラリコアの場合には、誘電体中のライトライン（ｎ＝１．０９）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得ることになるので、Γ／λ＝０．９７〜１．５６の範囲で伝搬モードが存在する。この場合、コア直径Ｄが小さいため、単一モードとなっている。ただし、このモードは２重縮退している。このように、空孔コアファイバと比べキャピラリコアファイバは伝送帯域が大幅に広くなるとともに、短波長側にシフトする。
【００９３】
図６２は、そのときのモードの典型的なパワー分布を示す図である。
また、図６３は、ファイバの誘電率分布を図６０と同スケールで示す図である。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】通常の三角格子の周期構造をもつＰＢＧＦにおけるコア径と表面モードの関係を示す断面図である。
【図２】通常の三角格子の周期構造と空孔コアをもつＰＢＧＦにおける空孔コアとバルクモードの関係を示す断面図である。
【図３】通常の三角格子の周期構造と空孔コアをもつ別なＰＢＧＦにおける空孔コアとバルクモードの関係を示す断面図である。
【図４】本発明のＰＢＧＦに使われる六角形空孔拡張三角格子構造を例示する断面図である。
【図５】参考例として挙げたωｒ／Λ＝１、ωｂ／Λ＝０の六角形空孔拡張三角格子構造を例示する断面図である。
【図６】図５の六角形空孔拡張三角格子構造におけるバンド構造を示すグラフである。
【図７】本発明のＰＢＧＦに用いられるωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０である六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。
【図８】図７の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。
【図９】本発明のＰＢＧＦに用いられるωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０である六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。
【図１０】図９の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。
【図１１】参考例として挙げたωｒ／Λ＝１、ωｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を例示する断面図である。
【図１２】図１１の六角形空孔拡張三角格子構造におけるバンド構造を示すグラフである。
【図１３】本発明のＰＢＧＦに用いられるωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。
【図１４】図１３の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。
【図１５】本発明のＰＢＧＦに用いられるωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。
【図１６】図１５の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。
【図１７】本発明のＰＢＧＦに用いられるωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。
【図１８】図１７の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。
【図１９】実施例１で製造したωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図２０】実施例１のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図２１】実施例１のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモードのパワー分布を示す図である。
【図２２】実施例１のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図２３】実施例１のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図２４】実施例１のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内のコアモードのパワー分布を示す図である。
【図２５】実施例２で製造したωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図２６】実施例２のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図２７】実施例２のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモードのパワー分布を示す図である。
【図２８】実施例２のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図２９】実施例３で製造したωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図３０】実施例３のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図３１】実施例３のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモードのパワー分布を示す図である。
【図３２】実施例３のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図３３】実施例４で製造したωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図３４】実施例４のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図３５】実施例４のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモード１のパワー分布を示す図である。
【図３６】実施例４のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図３７】実施例４のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモード２のパワー分布を示す図である。
【図３８】実施例４のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図３９】実施例４のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内のコアモード１のパワー分布を示す図である。
【図４０】実施例４のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内のコアモード２のパワー分布を示す図である。
【図４１】実施例５で製造したωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１の六角形空孔拡張三角格子構造の断面図である。
【図４２】実施例５のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図４３】実施例５のＰＢＧＦのキャピラリコアの構造を示す断面図である。
【図４４】実施例５で製造したωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図４５】図４４の要部拡大図である。
【図４６】実施例５のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図４７】実施例５のＰＢＧＦの透過特性を示すグラフである。
【図４８】実施例５のＰＢＧＦのモード１のパワー分布を示す図である。
【図４９】実施例５のＰＢＧＦのモード２のパワー分布を示す図である。
【図５０】実施例５のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図５１】実施例６で製造したωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．１の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図５２】実施例６のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図５３】実施例６のＰＢＧＦのモード１のパワー分布を示す図である。
【図５４】実施例６のＰＢＧＦのモード２のパワー分布を示す図である。
【図５５】実施例６のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図５６】実施例７で製造したωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図５７】実施例７のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図５８】実施例７のＰＢＧＦのモードのパワー分布を示す図である。
【図５９】実施例７のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図６０】実施例８で製造したωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．１の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図６１】実施例８のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図６２】実施例８のＰＢＧＦのモードのパワー分布を示す図である。
【図６３】実施例８のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
２０…石英部分、２１…空孔、２２…第１の空孔列、２３…第２の空孔列、２４…コア、２５…隔壁。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたフォトニックバンドギャップファイバに関する。本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、通常のフォトニックバンドギャップファイバに特有な表面モードを抑制することができ、ファイバの伝送帯域を広げることができるので、極低損失光伝送、ＵＶ領域から可視光領域及び遠赤外領域における光伝送、ファイバレーザ光伝送などに用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
フォトニックバンドギャップファイバ（photonic bandgap fiber：以下、ＰＢＧＦと記す。）は、空孔の周期構造をクラッドに用いることにより、そのフォトニックバンドギャップを利用して光をコアに閉じ込める。そのため、コアは空気であっても導波が可能である（非特許文献１参照。）。
【０００３】
しかし、クラッドに設けた空孔の周期構造がバンドギャップを形成しても、光がコア中心に集中するコアモードは、光がコアエッジ近傍の石英に集中する表面モードに結合し、大きな伝送損失をもたらすので、バンドギャップの波長帯域全域における光導波が得られない問題がある（非特許文献２参照。）。
【０００４】
表面モードの存在は、コア径の大小に依存する。図１は、その依存性を示す図である。図１に示す従来のＰＢＧＦは、ファイバ横断面において石英部分１０に多数の円形の空孔１１が三角格子状に設けられ、中心の空孔が空孔コア１２になっている。以下、このようにファイバ横断面において多数の円形の空孔１０が一定のピッチで三角格子の周期構造を形成している空孔構造を「通常の三角格子の周期構造」と記す。
【０００５】
図１中の「バルクモード」とは、空孔の周期構造がバンドギャップを構成しているときに、そのバンドギャップの下部通過帯域（バンド）内最高周波数を有するΓ点（波長ベクトルが伝搬方向成分のみを有する点）のモードを指す。
図１に示すような構造のＰＢＧＦにおいて、コア１２のエッジがバルクモードを横切る場合に表面モードが存在し、横切らない場合には表面モードが存在しないことが知られている（非特許文献３参照。）
【０００６】
図２および図３は、通常の三角格子の周期構造を有する従来のＰＢＧＦにおける空孔コア１２とバルクモードとの位置関係を例示する図である。図２に示す従来のＰＢＧＦは、ファイバ横断面においてクラッドとなる石英部分１０に多数の円形の空孔１１が三角格子状に設けられ、中心の１つの空孔とそれを囲む６つの空孔を含む領域を空孔とすることによって形成された空孔コア１２を備えている。また、図３に示す従来のＰＢＧＦは、ファイバ横断面において石英部分１０に多数の円形の空孔１１が三角格子状に設けられ、中心の１つの空孔とそれを囲む２層１８個の空孔を含む領域を空孔とすることによって形成された空孔コア１２を備えている。
【非特許文献１】R. F. Cregan, B. J. Mangan, J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, P. J. Roberts, and D. C. Allan, “Single-mode photonic band gap guidance of light in air,” Science, vol. 285, no. 3, pp. 1537-1539, 1999.
【非特許文献２】J. A. West, C. M. Smith, N. F. Borrelli, D. C. Allan, and K. W. Koch, “Surface modes in air-core photonic band-gap fibers,” Opt. Express, vol. 12, no. 8, pp. 1485-1496, 2004.
【非特許文献３】H. K. Kim, J. Shin, S. Fan, M. J. F. Digonnet, and G. S. Kino, “Designing air-core photonic-bandgap fibers free of surface modes,” IEEE J. Quant. Electron., vol. 40, no. 5, pp. 551-556, 2004.
【非特許文献４】S. G. Johnson and J. D. Joannopoulos, “Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell's equations in planewave basis,” Opt. Express, vol. 8, no. 3, pp. 173-190, 2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、図２および図３に示すような通常の三角格子の周期構造をクラッドに用いる場合、空孔コア１２のエッジが、バルクモード１３の存在する領域を横切ってしまうため、表面モードを避けることが困難である。その結果、コアモードの光が表面モードに結合し、大きな伝送損失をもたらし、バンドギャップの波長帯域全域における光導波が得られず、導波帯域幅が狭くなり、また伝送損失が増加してしまう問題がある。
【０００８】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、導波帯域幅が広く、伝送損失が低いＰＢＧＦの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたＰＢＧＦであって、ファイバ横断面において一定のピッチΓで六角形の多数の石英部分が三角格子状に並び、該石英部分の間が空孔とされ、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが前記ピッチΓの半分の長さΛよりも小さい周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするＰＢＧＦを提供する。
【００１０】
また本発明は、石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたＰＢＧＦであって、ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔が隔壁を介して一列に並べられた第１の空孔列と、前記第１のピッチの２倍である第２のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分を介して並べられた第２の空孔列とが交互に多数重ねられ、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが前記第１のピッチΛよりも小さい拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするＰＢＧＦを提供する。
【００１１】
前記ＰＢＧＦにおいて、前記空孔を囲む石英の隔壁の厚さωｂが０．００５Λ≦ωｂ≦０．２Λの範囲であることが好ましい。
【００１２】
前記ＰＢＧＦにおいて、前記空孔を囲む石英の隔壁の厚さωｂが０．０５Λ≦ωｂ≦０．５Λの範囲であることが好ましい。
【００１３】
本発明のＰＢＧＦにおいて、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが０．４Λ≦ωｒ＜Λの範囲であることが好ましい。
【００１４】
本発明のＰＢＧＦにおいて、前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、０．７Λ≦Ｄ≦３．３Λの関係であることが好ましい。
【００１５】
本発明のＰＢＧＦにおいて、前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、４．７Λ≦Ｄ≦７．３Λの関係としてもよい。
【００１６】
本発明のＰＢＧＦにおいて、前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、８．７Λ≦Ｄ≦１１．３Λの関係としてもよい。
【００１７】
本発明のＰＢＧＦにおいて、前記クラッドに設けられた拡張三角格子状の空孔周期構造がコアの外側に３層以上設けられていることが好ましい。
【００１８】
本発明のＰＢＧＦにおいて、伝搬パワーの６０％以上が空孔コアの領域に集中するコアモードであり、且つ表面モードが実質的に存在しない光学特性を有していることが好ましい。
【００１９】
本発明のＰＢＧＦにおいて、単一のコアモード（ただし、縮退する全てのモードはモード数１とする）のみが存在する光学特性を有していることが好ましい。
【００２０】
本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、０．６≦Γ／λ≦１．７を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることが好ましい。
【００２１】
本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、１．５≦Γ／λ≦２．４を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。
【００２２】
本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、２．１≦Γ／λ≦３．５を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。
【００２３】
本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、０．７≦Γ／λ≦２．４を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。
【００２４】
また本発明は、石英製の多数のキャピラリが一列に並べられた第１の空孔列と、前記キャピラリとそれよりも肉厚の中空石英管とを交互に並べた第２の空孔列とが交互に重なって横断面のキャピラリ配置が拡張三角格子状となるように組み合わせ、且つ中央の中空石英管又は中央の中空石英管とその周りのキャピラリ及び中空石英管を無くして空孔コア領域とし、又は中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域としたキャピラリ束を作製し、次いでキャピラリ内部空間の圧力を高く中空石英管内部空間の圧力を低く保持したまま、該キャピラリ束を加熱一体化し、中空石英管の内部空間が潰れると共にキャピラリの空孔が六角形状となって維持されたファイバ紡糸用母材を作製し、次いで該ファイバ紡糸用母材を紡糸して本発明に係る前記ＰＢＧＦを得ることを特徴とするＰＢＧＦの製造方法を提供する。
【００２５】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリが断面円環状であり、前記中空石英管がキャピラリと外径が等しく肉厚の断面円環状であることが好ましい。
【００２６】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化してファイバ紡糸用母材を作製することが好ましい。
【００２７】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記石英管の孔内に挿入したキャピラリ束のうち、キャピラリ内部空間のみを大気圧又はそれ以上の圧力に保持し、中空石英管の内部空間を含むキャピラリ内部空間以外の空間部分を減圧状態として前記一体化を行うことが好ましい。
【００２８】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管を無くして空孔コア領域を形成してもよい。
【００２９】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管とその周りを囲む１層以上５層以下のキャピラリ及び中空石英管を無くして空孔コア領域を形成してもよい。
【００３０】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成してもよい。
【００３１】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管とその周りを囲む中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成してもよい。
【００３２】
本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記キャピラリ束は、コア領域を囲む拡張三角格子状の空孔周期構造が、径方向外方に向けて３層以上の中空石英管を有するように設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明のＰＢＧＦは、拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有するものなので、中心にコアを形成する場合にコアエッジがバルクモードを横切らずに構成でき、表面モードが発生せずにコアモードのみが存在する光学特性が得られ、導波帯域幅を広くすることができ、伝送損失を下げることができる。
また、前記周期構造において六角形の石英部分を六角形の空孔のピッチΛより小さくしたことで、石英部分と空孔のピッチΛとが等しい周期構造と比べ、バンドギャップが広くなり、バンドギャップの位置が上昇するので、同じ波長通過帯域を実現するために必要となるファイバの寸法が大きくなり、製造が容易になる。
本発明のＰＢＧＦの製造方法は、キャピラリの一部をそれよりも肉厚の中空石英管に置換して組み合わせること以外は、従来のキャピラリを用いた方法と同様にして、簡単に拡張三角格子状の空孔周期構造を有するＰＢＧＦを製造できるので、従来のＰＢＧＦよりも優れた光学特性を有するＰＢＧＦを従来のＰＢＧＦと同様の方法によって簡単且つ安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図４は、本発明のＰＢＧＦのクラッド部分に用いた拡張三角格子（ＥＴＬ：extended triangular lattice）状の空孔周期構造の一例を示す図であり、この図中、符号２０は石英部分、２１は六角形の空孔、２２は第１の空孔列、２３は第２の空孔列、２５は隔壁である。
【００３５】
この拡張三角格子状の空孔周期構造は、図４（ａ）に示すように、ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔２１が隔壁２５を介して一列に並べられた第１の空孔列２２と、前記第１のピッチΛの２倍である第２のピッチΓ（Γ＝２Λ）で多数の六角形の空孔２１が六角形の石英部分２０を介して並べられた第２の空孔列２３とを交互に多数重ねた周期構造（以下、六角形空孔拡張三角格子又は六角形空孔拡張三角格子構造と記す。）になっている。本例示において、六角形の空孔２１は、正六角形ではなく、石英部分２０と接する２辺が他の２辺よりも短く、且つ石英部分２０と接する２辺間の長さが他の二辺間の長さ（Λ）よりも長い六角形状となっている。
【００３６】
図４（ｂ）は、この六角形空孔拡張三角格子のユニットセル構造を示す図である。このユニットセルにおいて、石英部分２０の対向する２辺間の長さωｒは、前記第１のピッチΛよりも小さい（ωｒ＜Λ）。また、格子の周期性を表す基本ベクトルであるａ１，ａ２は、それぞれｘ軸に対して３０度と−３０度に傾き、第２のピッチΓは２Λである。
【００３７】
本発明において、石英部分２０は、隔壁２５を含む空孔２１よりも小さいことが好ましい。石英部分２０の対向する２辺間の長さωｒと前記第１のピッチΛとは、０．４Λ≦ωｒ＜Λの関係、好ましくは０．５Λ≦ωｒ＜Λの関係であることが好ましい。
【００３８】
この拡張三角格子状の空孔周期構造をＰＢＧＦのクラッドに用いる場合、適切にコア領域を設計すると、コアとクラッド間に空孔層を設けることができる。その結果、表面モードを避けることができ、広い伝送帯域が実現できる（非特許文献３参照。）。
【００３９】
また、本例示の六角形空孔拡張三角格子は、石英部分２０を空孔２１よりも小さくしたこと、即ち、ωｒ＜Λの関係としたことによって、ωｒ＝Λである六角形空孔拡張三角格子とは異なる光学特性を得ることができる。
【００４０】
図５は、参考例として、ωｒ＝Λである六角形空孔拡張三角格子構造を例示する図であり、また図６はそのバンド構造を示すグラフである。ただし、図５は、ωｒ＝Λであると共に、隔壁厚さωｂ＝０とした六角形空孔拡張三角格子構造である。図５において六角形の黒色部分が石英部分２０であり、白色部分が空孔２１である。また、図６のバンド構造は、非特許文献４に記載されている平面波展開法を用いて計算した。図６において、βは伝搬方向（周期構造と垂直な方向）の波数、Γ＝２Λは拡張三角格子の格子定数、ωは角周波数、ｃは光速を表す。また、ライトラインは光が真空媒質中で伝搬するときの分散曲線を表し、バンドで囲まれる領域は、周期構造断面内にどの方向にも光が伝搬できない領域、すなわちバンドギャップを表す。ファイバのクラッドにこの周期構造を用い、コアに空孔を用いた場合、ファイバのコアに光が導波可能になる領域はライトラインに隣接し、その上部に存在するバンドギャップとなる。この場合、Γ／λ（＝ωΓ／２πｃ）が０．８２〜１．３０の範囲で第１導波領域、１．５８〜２．１３で第２導波領域が存在する。ここで、λは波長を表す。
【００４１】
一方、図７に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図８に示す。図７は、ファイバ横断面において一定のピッチΓで六角形の多数の石英部分２０が三角格子状に並び、該石英部分２０の間が空孔２１とされ、石英部分２０の対向する２辺間の長さωｒを前記ピッチΓの半分の長さΛよりも小さく（ωｒ／Λ＝０．９）し、隔壁厚さωｂ＝０とした六角形空孔拡張三角格子構造を示す図である。ただし、実際には石英部分２０を保持するために、図示していないが、断続的な隔壁等があってよい。
【００４２】
この場合、図８に示すように、Γ／λが０．８５〜１．４５の範囲で第１導波領域、１．８２〜２．３８の範囲で第２導波領域が存在する。ωｒ＝Λ（ωｒ／Λ＝１）である六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造と比べると、本例示の六角形空孔拡張三角格子構造は、バンドギャップが広くなり、さらにバンドギャップの位置が上昇している。これは、同じ波長通過帯域を実現するために必要となるファイバの寸法が大きいことを意味するので、製造面においても有利である。
【００４３】
また、図９に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図１０に示す。本例示は、ωｒ／Λ＝０．８、ωｂ＝０とした六角形空孔拡張三角格子構造を示すものである。この場合、図１０に示すように、Γ／λが０．９０〜１．６５の範囲で第１導波領域、２．０２〜２．６２の範囲で第２導波領域が存在する。ωｒ／Λ＝１である六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造と比べ、本例示のファイバは、バンドギャップが広くなり、さらにバンドギャップの位置が上昇している。
【００４４】
空孔２１を囲む隔壁２５が存在する実際のファイバにおいても同じ傾向がある。
図１１は、参考例として、ωｒ／Λ＝１、ωｂ／Λ＝０．０６とした六角形空孔拡張三角格子構造を示す図であり、また図１２はそのバンド構造を示すグラフである。この場合、Γ／λが０．７９〜１．１３の範囲で第１導波領域、１．６０〜１．８３で第２導波領域が存在する。
【００４５】
一方、図１３に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図１４に示す。図１３に示す六角形空孔拡張三角格子は、図４（ａ），（ｂ）と同じく、ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔２１が隔壁を介して一列に並べられた第１の空孔列２２と、第１のピッチの２倍である第２のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分２０を介して並べられた第２の空孔列２３とが交互に多数重ねられ、前記石英部分２０の対向する２辺間の長さωｒが前記第１のピッチΛよりも小さくなっており、本例示では、ωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０．０６である。
【００４６】
この場合、Γ／λが０．８６〜１．２５の範囲で第１導波領域、１．８２〜１．９４で第２導波領域が存在する。図７に示すωｂ＝０の理想的なファイバと同じように、このファイバは、ωｒ／Λ＝１である図１１のファイバと比べ、バンドギャップが広くなり、バンドギャップの位置が上昇している。
【００４７】
また、石英部分２０を更に小さくした図１５に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図１６に示す。本例示は、ωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．０６とした六角形空孔拡張三角格子構造を示すものである。この場合、Γ／λが０．８９〜１．３３の範囲で第１導波領域が存在する。ωｒ／Λ＝１である六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造と比べると、本例示のファイバは、バンドギャップがさらに広くなり、バンドギャップの位置がさらに上昇している。
【００４８】
また、石英部分２０を更に小さくした図１７に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図１８に示す。本例示は、ωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．０６とした六角形空孔拡張三角格子構造を示すものである。この場合、Γ／λが０．９７〜１．４６の範囲で第１導波領域、１．９３〜２．１８の範囲で第２導波領域が存在する。ωｒ／Λ＝１である六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造と比べると、本例示のファイバは、バンドギャップがさらに広くなり、またバンドギャップの位置がさらに上昇している。
【００４９】
本発明のＰＢＧＦは、前述した拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有すると共に、中心に空孔コア、又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコア２４を有している。なお、本発明のＰＢＧＦにおいて、石英部分２０の材質は、ファイバ全体で同一とすることができ、例えば、純粋石英（ＳｉＯ２）などが好適に用いられるが、フッ素や酸化ゲルマニウムなどの屈折率調整用ドーパントを添加した石英ガラスなどを用いることもできる。
【００５０】
本発明の好ましい実施形態において、隔壁２５を設ける構成とした場合、その隔壁の厚さωｂは０．００５Λ≦ωｂ≦０．２Λの範囲、またはωｂが０．０５Λ≦ωｂ≦０．５Λの範囲であることが好ましい。
隔壁２５を薄く形成する場合には、図７及び図９に示す隔壁の無いＰＢＧＦと同様の光学特性が得られ、バンドギャップが広くなり、広い伝送帯域を確保することができる。
一方、隔壁２５を比較的厚く形成する場合には、非常に広い伝送帯域を確保することができ、また、伝送帯域を短波長側にシフトさせることができる。また、隔壁２５を比較的厚く形成する場合には、ＰＢＧＦの製造が容易になるメリットが得られる。
【００５１】
本発明の好ましい実施形態において、石英部分２０の対向する２辺間の長さωｒは、０．４Λ≦ωｒ＜Λの範囲であることが好ましい。長さωｒが前記範囲より小さいとバンドギャップが狭くなり、ファイバの動作範囲が狭くなるので、好ましくない。
【００５２】
本発明の好ましい実施形態において、コア２４の直径Ｄは、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の範囲となるように設定することが望ましい。
（Ａ） ０．７Λ≦Ｄ≦３．３Λの範囲。
（Ｂ） ４．７Λ≦Ｄ≦７．３Λの範囲。
（Ｃ） ８．７Λ≦Ｄ≦１１．３Λの範囲。
コア２４の直径Ｄを前記範囲内に設定することで、表面モードを有しないＰＢＧＦを提供することができる。コア２４の直径Ｄを小さくすることで、コアモードを単一モードとすることができ、一方、コア２４の直径Ｄを大きくすることで、マルチモードとすることができる。
【００５３】
また、クラッドに設けられた拡張三角格子状の空孔周期構造は、コア２４の外側に３層以上設けられていることが好ましい。クラッドに設けられた拡張三角格子の層数が２層以下であると光の閉じ込みが不十分になり、損失が大きくなる可能性がある。
【００５４】
本発明のＰＢＧＦは、伝搬パワーの６０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上がコアの領域に集中するコアモードであり、且つ表面モードが実質的に存在しない光学特性を有していることが好ましい。前記コアモードの割合が６０％未満であると光が石英中に伝わるようになるので好ましくない。
【００５５】
本発明のＰＢＧＦにおいて、波長λが、０．６≦Γ／λ≦１．７を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることが好ましい。前記Γ／λが０．６未満であるとバンドギャップが存在しなくなり、光が伝わらなくなり、またΓ／λが１．７を超えると同様にバンドギャップが存在せず光が伝わらなくなってしまう。
【００５６】
また、ＰＢＧＦが高次バンドギャップで動作する場合、前記Γ／λは、１．５≦Γ／λ≦２．４の範囲内が好ましい。前記Γ／λが１．５未満であると高次バンドギャップ外にあり、動作しなくなり、またΓ／λが２．４を超えると高次バンドギャップの外にあり、動作しなくなってしまう。
また、波長λが、２．１≦Γ／λ≦３．５を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。
さらに、波長λが、０．７≦Γ／λ≦２．４を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。
【００５７】
次に、本発明のＰＢＧＦの製造方法の一例を説明する。本例では、図４（ａ）に示す六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、且つ中心の石英部分２０のみが空孔２１に置換されたコア２４（キャピラリコア）を備えた図１９に示すＰＢＧＦを製造する場合を説明する。
本製造方法では、まず、石英製のキャピラリと、それよりも肉厚の中空石英管とを用意し、多数のキャピラリが一列に並べられた第１の空孔列と、キャピラリと中空石英管とを交互に並べた第２の空孔列とが交互に重なって横断面のキャピラリ配置が拡張三角格子状となるように組み合わせ、且つ中央の中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域としたキャピラリ束を作製する。本製造方法で用いるキャピラリは、断面円環状であり、また中空石英管は、キャピラリと外径が等しい肉厚の断面円環状であることが好ましい。この中空石英管は、中空部分を潰して石英部分とすることから、その肉厚は製造するＰＢＧＦにおけるωｒ／Λの値に応じて適宜選択可能である。
【００５８】
なお、本発明のＰＢＧＦの製造方法において、前記コア領域の形成方法は前記の例にのみ限定されず、製造するＰＢＧＦのコア構造に応じて適宜変更可能である。例えば、図３３に示すＰＢＧＦを製造する場合には、六角形空孔拡張三角格子構造の中心の中空石英管とそれを囲む６つの中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成している。また、空孔コアを形成する場合には、六角形空孔拡張三角格子構造の中心の中空石英管を無くすか、あるいは中心の中空石英管とその周りを囲む１層以上５層以下のキャピラリ及び中空石英管を無くして空孔コア領域を形成することが好ましい。
【００５９】
次に、前記キャピラリ束を加熱一体化してファイバ紡糸用母材を作製する。この加熱一体化工程は、前記キャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化してファイバ紡糸用母材とすることが望ましい。このようにキャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化する場合、中空石英管内部を含むキャピラリ周囲の空間内とキャピラリ内部空間との圧力やガス組成を個別に調整することができる。
【００６０】
石英管の孔内に前記キャピラリ束を挿入して一体化を行う場合、挿入したキャピラリ束のうち、キャピラリ内部空間のみを大気圧又はそれ以上の圧力に保持し、一方、中空石英管の中空部分とキャピラリ同士間の隙間を減圧状態に保持しながら加熱し、中空石英管の中空部分を潰しながら、キャピラリ同士間の隙間を無くして一体化することが望ましい。
【００６１】
次に、前記のように作製したファイバ紡糸用母材を紡糸することによって、図１９に示すＰＢＧＦを得る。この紡糸工程は、キャピラリ周囲の空間の圧力よりもキャピラリ内部空間の圧力を高く保持し、キャピラリ空孔同士間の圧力がバランスをとった状態で行うことが望ましい。この圧力調整により、キャピラリの空孔が断面六角形になり、且つ石英部分の断面も六角形となる。
【００６２】
本例によるＰＢＧＦは、前述した六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有するものなので、中央に空孔コア又はキャピラリコアを形成する場合にコアエッジがバルクモードを横切らずに構成でき、表面モードが発生せずにコアモードのみが存在する光学特性が得られ、導波帯域幅を広くすることができ、伝送損失を下げることができる。
また、前記構造において六角形の石英部分を六角形の空孔のピッチΛより小さくしたことで、石英部分と空孔のピッチΛとが等しい周期構造と比べ、バンドギャップが広くなり、バンドギャップの位置が上昇するので、同じ波長通過帯域を実現するために必要となるファイバの寸法が大きくなり、製造が容易になる。
本例によるＰＢＧＦの製造方法は、キャピラリの一部をそれよりも肉厚の中空石英管に置換して組み合わせること以外は、従来のキャピラリを用いた方法と同様にして、簡単に拡張三角格子状の空孔周期構造を有するＰＢＧＦを製造できるので、従来のＰＢＧＦよりも優れた光学特性を有するＰＢＧＦを従来のＰＢＧＦと同様の方法によって簡単且つ安価に製造することができる。
【実施例】
【００６３】
［実施例１］
図１９に示すような、ピッチΛに対する石英部分２０の２辺間の長さωｒの割合が０．９（ωｒ／Λ＝０．９）であり、ピッチΛに対する隔壁２５の厚さωｂの割合が０．０６（ωｂ／Λ＝０．０６）である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、コアモードの分散を調べた。図２０はこのＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図２０において、βは伝搬方向（周期構造と垂直な方向）の波数、Γ＝２Λは拡張三角格子の格子定数、ωは角周波数、ｃは光速を表す。また、ライトラインは光が真空媒質中で伝搬するときの分散曲線を表し、バンドで囲まれる領域は、周期構造断面内にどの方向にも光が伝搬できない領域、すなわちバンドギャップを表す。図２０に示すように、Γ／λ（＝ωΓ／２πｃ）＝０．８９〜１．３０のバンドギャップ内では、コアモードのみが存在し、表面モードが存在しない。また、この場合のコアモードは単一モードである（縮退モードを含む）。
【００６４】
図２１は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す図である。また、図２２はファイバの誘電率を図１９と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、コア直近の石英部分２０にわずかに分布しているだけで、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。
【００６５】
図２３は、本実施例のＰＢＧＦにおける第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のようにΓ／λ＝１．８３〜１．９６でコアモードが存在するが、表面モードは存在しない。この場合もコアモードが単一モードである（縮退モードを含む）。
【００６６】
図２４は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。
【００６７】
［実施例２］
図２５に示すような、ωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、コアモードの分散を調べた。図２６はこのＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のように、Γ／λ＝０．９６〜１．４０のバンドギャップ内では、コアモードのみが存在し、表面モードが存在しない。また、この場合のコアモードは単一モードである（縮退モードを含む）。
【００６８】
図２７は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す図である。また、図２８はファイバの誘電率を図２５と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。
【００６９】
［実施例３］
図２９に示すような、ωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、コアモードの分散を調べた。図３０はこのＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のように、Γ／λ＝１．０５〜１．５７のバンドギャップ内では、コアモードのみが存在し、表面モードが存在しない。また、この場合のコアモードは単一モードである（縮退モードを含む）。
【００７０】
図３１は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す図である。また、図３２はファイバの誘電率を図２９と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。
【００７１】
［実施例４］
図３３に示すような、ωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０とその外側の１層６個の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、コアモードの分散を調べた。図３４はこのＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のように、Γ／λ＝０．９６〜１．２６でコアモード１、Γ／λ＝０．９２〜１．２７でコアモード２が存在し、表面モードは存在しない。ただし、各コアモードは縮退モードを含む。
【００７２】
図３５は、そのときのコアモード１の典型的なパワー分布を示す図である。また、図３６はファイバの誘電率を図３３と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア２４内に分布していることがわかる。
【００７３】
また、図３７は、本実施例のＰＢＧＦにおける第１バンドギャップ内のコアモード２の典型的なパワー分布を示す図である。
【００７４】
図３８は、本実施例のＰＢＧＦにおける第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のようにΓ／λ＝１．８５〜２．００でコアモード１、Γ／λ＝１．８３〜１．９７でコアモード２が存在するが、表面モードは存在しない。ただし、各コアモードには縮退モードを含む。また、コアモードの分散がライトライン以下の領域にも存在しているのは、コア２４内に隔壁としてわずかに石英が残っているからである。
【００７５】
図３９は、そのときのコアモード１の典型的なパワー分布を示す図である。また図４０は、そのときのコアモード２の典型的なパワー分布を示す図である。
【００７６】
［実施例５］
図４１に示すような、ωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１である六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を図４２に示す。ただし、石英の屈折率ｎ＝１．４５とした。図４１において、黒色の六角形部分が石英部分２０、白色の六角形部分が空孔２１、空孔２１を区画する実線が隔壁２５である。また、バンド構造は平面波展開法（非特許文献４参照）を用いて計算した。図４２において、βは伝搬方向（周期構造と垂直な方向）の波数、Γ＝２Λは拡張三角格子の格子定数、ωは角周波数、ｃは光速を表す。また、ライトライン（ｎ＝１）は光が真空媒質中で伝搬するときの分散曲線を表し、バンドで囲まれる領域は、周期構造断面内にどの方向にも光が伝搬できない領域、すなわちバンドギャップを表す。ファイバのクラッドにこの周期構造を用い、コアに空孔を用いた場合、ファイバのコアに光が導波可能になる帯域はｎ＝１のライトラインに隣接し、その上部に存在するバンドギャップとなる。この場合、Γ／λ（＝ωΓ／２πｃ）が０．９３〜１．１６の範囲で導波領域が存在する。ここで、λは波長を表す。しかし、キャピラリコアを用いると、コアの透過屈折率が上昇するので、前記真空媒質中で伝搬するライトラインの替わりに、誘電体中で伝搬するライトラインが適用される。この場合、コアの平均屈折率は、式（１）で近似することができる。
【００７７】
【数１】
【００７８】
ただし、ｎｅｆｆ，ｎａｉｒ，ｎｓｉｌｉｃａはそれぞれ、コアの平均屈折率、空気の屈折率、石英の屈折率を表し、Ｓａｉｒ，Ｓｓｉｌｉｃａはそれぞれ、空気がコア中に占める面積、石英がコア中に占める面積を表す。キャピラリコアは図４３に示すように、多数のほぼ正六角形状の空孔２１が隔壁２５を介して三角格子状に配置された構造になるので、各面積は式（２）及び式（３）で与えられる。
【００７９】
【数２】
【００８０】
【数３】
【００８１】
この例では、ｎｅｆｆ＝１．０９になる。図４２中、ライトライン（ｎ＝１．０９）に示されるように、キャピラリコアを有するファイバは、Γ／λが１．１１〜２．０２の範囲で導波領域が存在し、空孔コア（エアコア）の場合と比べ、はるかに広い導波帯域をもつとともに、波長帯域が短波長側にシフトする。これによって広帯域化が実現できるのみならず、ファイバの製造において微細構造の寸法への制限を緩くする、すなわちファイバ製造を容易化できることにも繋がる。
【００８２】
本発明者らは、端面が図４４及び図４５で示されるような、キャピラリコアを有する六角形空孔拡張三角格子型ＰＢＧＦを製造した。なお、図４５においては黒色部分が空孔であり、白色部分が石英部分になっている。このＰＢＧＦは、Λ＝０．７５μｍ、ωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１である。このＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を図４６に示す。図４６に示すように、このＰＢＧＦの第１バンドギャップ内には、Γ／λ＝１．１５〜１．９１の範囲でモード１が存在し、Γ／λ＝１．０６〜１．７４の範囲でモード２が存在する。この場合のモードは縮退モードを含み、モード１が２重縮退し、モード２が４重縮退している。
【００８３】
図４７は、前記のように製造したＰＢＧＦ（長さ１ｍ）の透過特性を測定した結果を示すグラフである。図４７中で実線は測定値であり、斜線領域は計算により算出した帯域を示す。短波長側の二つの伝送帯域は、高次のバンドギャップに対応している。波長１５５０ｎｍ以上の伝送帯域は第１バンドギャップに対応している。測定値が約２１５０ｎｍまでしかないのは測定機器の限界による。また、測定値の波長１９００ｎｍ付近に見られる落ち込みは、ファイバ中の残存ＯＨ基の損失によるものである（P. Kaiser, A. R. Tynes, H. W. Astle, A. D. Pearson, W. G. French, R. E. Jaeger, and A. H. Cherinet,“Spectral losses of unclad vitreous silica and soda-lime-silicate fibers”, J. Opt. Soc. Amer., vol. 63, pp.1141-1148, Sept. 1973）。
【００８４】
図４８と図４９はそれぞれ、前記ＰＢＧＦのモード１とモード２の典型的なパワー分布を示す図である。
また、図５０は、前記ＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【００８５】
［実施例６］
図５１に示すような、ωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．１である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０とその外側の１層６個の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、伝搬モードの分散を計算した。図５２は、このＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【００８６】
図５２に示すように、コア２４が完全な空孔コア（エアコア）である場合には、空気中を伝搬するライトライン（ｎ＝１）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得るので、Γ／λ＝０．９０〜１．１２の範囲で伝搬モードが存在するのに対して、キャピラリコアの場合には、誘電体中のライトライン（ｎ＝１．０９）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得ることになるので、Γ／λ＝１．００〜１．７９の範囲で伝搬モードが存在し、伝送帯域が大幅に広くなるとともに、短波長側にシフトする。実際には、Γ／λ＝１．０５〜１．７５の範囲でモード１、Γ／λ＝１．００〜１．５８の範囲でモード２が存在する。ただし、各モードには縮退モードを含む。
【００８７】
図５３は、そのときのモード１の典型的なパワー分布を示す図である。図５４は、そのときのモード２の典型的なパワー分布を示す図である。
また、図５５は、ファイバの誘電率分布を図５１と同スケールで示す図である。
【００８８】
［実施例７］
図５６に示すような、ωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、伝搬モードの分散を計算した。図５７は、このＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【００８９】
図５７に示すように、コア２４が完全な空孔コア（エアコア）である場合、空気中を伝搬するライトライン（ｎ＝１）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得るので、Γ／λ＝０．９３〜１．１６の範囲で伝搬モードが存在するのに対して、キャピラリコアの場合には、誘電体中のライトライン（ｎ＝１．０９）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得ることになるので、Γ／λ＝１．０１〜１．７３の範囲で伝搬モードが存在する。この場合、コア直径Ｄが小さいため、単一モードとなっている。ただし、このモードは２重縮退している。このように、空孔コアファイバと比べキャピラリコアファイバは伝送帯域が大幅に広くなるとともに、短波長側にシフトする。
【００９０】
図５８は、そのときのモードの典型的なパワー分布を示す図である。
また、図５９は、ファイバの誘電率分布を図５６と同スケールで示す図である。
【００９１】
［実施例８］
図６０に示すような、ωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．１である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分２０を空孔２１に置換したコア２４（キャピラリコア）を有するＰＢＧＦを製造し、伝搬モードの分散を計算した。図６１は、このＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【００９２】
図６１に示すように、コア２４が完全な空孔コア（エアコア）である場合、空気中を伝搬するライトライン（ｎ＝１）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得るので、Γ／λ＝０．９０〜１．１２の範囲で伝搬モードが存在するのに対して、キャピラリコアの場合には、誘電体中のライトライン（ｎ＝１．０９）の上のバンドギャップ内に伝搬モードが存在し得ることになるので、Γ／λ＝０．９７〜１．５６の範囲で伝搬モードが存在する。この場合、コア直径Ｄが小さいため、単一モードとなっている。ただし、このモードは２重縮退している。このように、空孔コアファイバと比べキャピラリコアファイバは伝送帯域が大幅に広くなるとともに、短波長側にシフトする。
【００９３】
図６２は、そのときのモードの典型的なパワー分布を示す図である。
また、図６３は、ファイバの誘電率分布を図６０と同スケールで示す図である。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】通常の三角格子の周期構造をもつＰＢＧＦにおけるコア径と表面モードの関係を示す断面図である。
【図２】通常の三角格子の周期構造と空孔コアをもつＰＢＧＦにおける空孔コアとバルクモードの関係を示す断面図である。
【図３】通常の三角格子の周期構造と空孔コアをもつ別なＰＢＧＦにおける空孔コアとバルクモードの関係を示す断面図である。
【図４】本発明のＰＢＧＦに使われる六角形空孔拡張三角格子構造を例示する断面図である。
【図５】参考例として挙げたωｒ／Λ＝１、ωｂ／Λ＝０の六角形空孔拡張三角格子構造を例示する断面図である。
【図６】図５の六角形空孔拡張三角格子構造におけるバンド構造を示すグラフである。
【図７】本発明のＰＢＧＦに用いられるωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０である六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。
【図８】図７の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。
【図９】本発明のＰＢＧＦに用いられるωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０である六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。
【図１０】図９の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。
【図１１】参考例として挙げたωｒ／Λ＝１、ωｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を例示する断面図である。
【図１２】図１１の六角形空孔拡張三角格子構造におけるバンド構造を示すグラフである。
【図１３】本発明のＰＢＧＦに用いられるωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。
【図１４】図１３の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。
【図１５】本発明のＰＢＧＦに用いられるωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。
【図１６】図１５の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。
【図１７】本発明のＰＢＧＦに用いられるωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．０６である六角形空孔拡張三角格子構造を示す断面図である。
【図１８】図１７の六角形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。
【図１９】実施例１で製造したωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図２０】実施例１のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図２１】実施例１のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモードのパワー分布を示す図である。
【図２２】実施例１のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図２３】実施例１のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図２４】実施例１のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内のコアモードのパワー分布を示す図である。
【図２５】実施例２で製造したωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図２６】実施例２のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図２７】実施例２のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモードのパワー分布を示す図である。
【図２８】実施例２のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図２９】実施例３で製造したωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図３０】実施例３のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図３１】実施例３のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモードのパワー分布を示す図である。
【図３２】実施例３のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図３３】実施例４で製造したωｒ／Λ＝０．９、ωｂ／Λ＝０．０６の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図３４】実施例４のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図３５】実施例４のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモード１のパワー分布を示す図である。
【図３６】実施例４のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図３７】実施例４のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内のコアモード２のパワー分布を示す図である。
【図３８】実施例４のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図３９】実施例４のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内のコアモード１のパワー分布を示す図である。
【図４０】実施例４のＰＢＧＦの第２バンドギャップ内のコアモード２のパワー分布を示す図である。
【図４１】実施例５で製造したωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１の六角形空孔拡張三角格子構造の断面図である。
【図４２】実施例５のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図４３】実施例５のＰＢＧＦのキャピラリコアの構造を示す断面図である。
【図４４】実施例５で製造したωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図４５】図４４の要部拡大図である。
【図４６】実施例５のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図４７】実施例５のＰＢＧＦの透過特性を示すグラフである。
【図４８】実施例５のＰＢＧＦのモード１のパワー分布を示す図である。
【図４９】実施例５のＰＢＧＦのモード２のパワー分布を示す図である。
【図５０】実施例５のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図５１】実施例６で製造したωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．１の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図５２】実施例６のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図５３】実施例６のＰＢＧＦのモード１のパワー分布を示す図である。
【図５４】実施例６のＰＢＧＦのモード２のパワー分布を示す図である。
【図５５】実施例６のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図５６】実施例７で製造したωｒ／Λ＝０．７、ωｂ／Λ＝０．１の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図５７】実施例７のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図５８】実施例７のＰＢＧＦのモードのパワー分布を示す図である。
【図５９】実施例７のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【図６０】実施例８で製造したωｒ／Λ＝０．８、ωｂ／Λ＝０．１の六角形空孔拡張三角格子構造を用いるＰＢＧＦの断面図である。
【図６１】実施例８のＰＢＧＦの第１バンドギャップ内の分散を示すグラフである。
【図６２】実施例８のＰＢＧＦのモードのパワー分布を示す図である。
【図６３】実施例８のＰＢＧＦの誘電率分布を示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
２０…石英部分、２１…空孔、２２…第１の空孔列、２３…第２の空孔列、２４…コア、２５…隔壁。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたフォトニックバンドギャップファイバであって、
ファイバ横断面において一定のピッチΓで六角形の多数の石英部分が三角格子状に並び、該石英部分の間が空孔とされ、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが前記ピッチΓの半分の長さΛよりも小さい周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項２】
石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたフォトニックバンドギャップファイバであって、
ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔が隔壁を介して一列に並べられた第１の空孔列と、前記第１のピッチの２倍である第２のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分を介して並べられた第２の空孔列とが交互に多数重ねられ、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが前記第１のピッチΛよりも小さい拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項３】
前記空孔を囲む石英の隔壁の厚さωｂが０．００５Λ≦ωｂ≦０．２Λの範囲であることを特徴とする請求項２に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項４】
前記空孔を囲む石英の隔壁の厚さωｂが０．０５Λ≦ωｂ≦０．５Λの範囲であることを特徴とする請求項２に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項５】
前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが０．４Λ≦ωｒ＜Λの範囲であることを特徴とする請求項２に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項６】
前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、０．７Λ≦Ｄ≦３．３Λの関係であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項７】
前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、４．７Λ≦Ｄ≦７．３Λの関係であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項８】
前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、８．７Λ≦Ｄ≦１１．３Λの関係であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項９】
前記クラッドに設けられた拡張三角格子状の空孔周期構造がコアの外側に３層以上設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１０】
伝搬パワーの６０％以上が空孔コアの領域に集中するコアモードであり、且つ表面モードが実質的に存在しない光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１１】
単一のコアモード（ただし、縮退する全てのモードはモード数１とする）のみが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１２】
波長λが、０．６≦Γ／λ≦１．７を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１３】
波長λが、１．５≦Γ／λ≦２．４を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１４】
波長λが、２．１≦Γ／λ≦３．５を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１５】
波長λが、０．７≦Γ／λ≦２．４を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１６】
石英製の多数のキャピラリが一列に並べられた第１の空孔列と、前記キャピラリとそれよりも肉厚の中空石英管とを交互に並べた第２の空孔列とが交互に重なって横断面のキャピラリ配置が拡張三角格子状となるように組み合わせ、且つ中央の中空石英管又は中央の中空石英管とその周りのキャピラリ及び中空石英管を無くして空孔コア領域とし、又は中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域としたキャピラリ束を作製し、次いでキャピラリ内部空間の圧力を高く中空石英管内部空間の圧力を低く保持したまま、該キャピラリ束を加熱一体化し、中空石英管の内部空間が潰れると共にキャピラリの空孔が六角形状となって維持されたファイバ紡糸用母材を作製し、次いで該ファイバ紡糸用母材を紡糸して請求項１〜１５のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバを得ることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項１７】
前記キャピラリが断面円環状であり、前記中空石英管がキャピラリと外径が等しく肉厚の断面円環状であることを特徴とする請求項１６に記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項１８】
前記キャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化してファイバ紡糸用母材を作製することを特徴とする請求項１６又は１７に記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項１９】
前記石英管の孔内に挿入したキャピラリ束のうち、キャピラリ内部空間のみを大気圧又はそれ以上の圧力に保持し、中空石英管の内部空間を含むキャピラリ内部空間以外の空間部分を減圧状態として前記一体化を行うことを特徴とする請求項１８に記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項２０】
前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管を無くして空孔コア領域を形成することを特徴とする請求項１６〜１９のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項２１】
前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管とその周りを囲む１層以上５層以下のキャピラリ及び中空石英管を無くして空孔コア領域を形成することを特徴とする請求項１６〜１９のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項２２】
前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成することを特徴とする請求項１６〜１９のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項２３】
前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管とその周りを囲む中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成することを特徴とする請求項１６〜１９のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項２４】
前記キャピラリ束は、コア領域を囲む拡張三角格子状の空孔周期構造が、径方向外方に向けて３層以上の中空石英管を有するように設けられることを特徴とする請求項１６〜２３のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項１】
石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたフォトニックバンドギャップファイバであって、
ファイバ横断面において一定のピッチΓで六角形の多数の石英部分が三角格子状に並び、該石英部分の間が空孔とされ、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが前記ピッチΓの半分の長さΛよりも小さい周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項２】
石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたフォトニックバンドギャップファイバであって、
ファイバ横断面において第１のピッチΛで多数の六角形の空孔が隔壁を介して一列に並べられた第１の空孔列と、前記第１のピッチの２倍である第２のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分を介して並べられた第２の空孔列とが交互に多数重ねられ、前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが前記第１のピッチΛよりも小さい拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項３】
前記空孔を囲む石英の隔壁の厚さωｂが０．００５Λ≦ωｂ≦０．２Λの範囲であることを特徴とする請求項２に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項４】
前記空孔を囲む石英の隔壁の厚さωｂが０．０５Λ≦ωｂ≦０．５Λの範囲であることを特徴とする請求項２に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項５】
前記石英部分の対向する２辺間の長さωｒが０．４Λ≦ωｒ＜Λの範囲であることを特徴とする請求項２に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項６】
前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、０．７Λ≦Ｄ≦３．３Λの関係であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項７】
前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、４．７Λ≦Ｄ≦７．３Λの関係であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項８】
前記コアの直径Ｄは、ピッチΛに対し、８．７Λ≦Ｄ≦１１．３Λの関係であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項９】
前記クラッドに設けられた拡張三角格子状の空孔周期構造がコアの外側に３層以上設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１０】
伝搬パワーの６０％以上が空孔コアの領域に集中するコアモードであり、且つ表面モードが実質的に存在しない光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１１】
単一のコアモード（ただし、縮退する全てのモードはモード数１とする）のみが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１２】
波長λが、０．６≦Γ／λ≦１．７を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１３】
波長λが、１．５≦Γ／λ≦２．４を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１４】
波長λが、２．１≦Γ／λ≦３．５を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１５】
波長λが、０．７≦Γ／λ≦２．４を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１６】
石英製の多数のキャピラリが一列に並べられた第１の空孔列と、前記キャピラリとそれよりも肉厚の中空石英管とを交互に並べた第２の空孔列とが交互に重なって横断面のキャピラリ配置が拡張三角格子状となるように組み合わせ、且つ中央の中空石英管又は中央の中空石英管とその周りのキャピラリ及び中空石英管を無くして空孔コア領域とし、又は中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域としたキャピラリ束を作製し、次いでキャピラリ内部空間の圧力を高く中空石英管内部空間の圧力を低く保持したまま、該キャピラリ束を加熱一体化し、中空石英管の内部空間が潰れると共にキャピラリの空孔が六角形状となって維持されたファイバ紡糸用母材を作製し、次いで該ファイバ紡糸用母材を紡糸して請求項１〜１５のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバを得ることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項１７】
前記キャピラリが断面円環状であり、前記中空石英管がキャピラリと外径が等しく肉厚の断面円環状であることを特徴とする請求項１６に記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項１８】
前記キャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化してファイバ紡糸用母材を作製することを特徴とする請求項１６又は１７に記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項１９】
前記石英管の孔内に挿入したキャピラリ束のうち、キャピラリ内部空間のみを大気圧又はそれ以上の圧力に保持し、中空石英管の内部空間を含むキャピラリ内部空間以外の空間部分を減圧状態として前記一体化を行うことを特徴とする請求項１８に記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項２０】
前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管を無くして空孔コア領域を形成することを特徴とする請求項１６〜１９のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項２１】
前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管とその周りを囲む１層以上５層以下のキャピラリ及び中空石英管を無くして空孔コア領域を形成することを特徴とする請求項１６〜１９のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項２２】
前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成することを特徴とする請求項１６〜１９のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項２３】
前記キャピラリ束の横断面の中心にある１つの中空石英管とその周りを囲む中空石英管をキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成することを特徴とする請求項１６〜１９のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【請求項２４】
前記キャピラリ束は、コア領域を囲む拡張三角格子状の空孔周期構造が、径方向外方に向けて３層以上の中空石英管を有するように設けられることを特徴とする請求項１６〜２３のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
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【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
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【図１５】
【図１６】
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【図２０】
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【図２４】
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【図２６】
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【図２８】
【図２９】
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【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
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【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
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【図５１】
【図５２】
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【図５４】
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【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
【公開番号】特開２００７−４１１６７（Ｐ２００７−４１１６７Ａ）
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２２３４６９（Ｐ２００５−２２３４６９）
【出願日】平成１７年８月１日（２００５．８．１）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１日（２００５．８．１）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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