JP4052121B2 - 光導波体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を導波させ得る光ファイバ等の光導波体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光を導波させる光導波体である光ファイバは、例えば光通信システムにおいて光伝送路として用いられ、一般に、主成分である石英ガラス中に所定の添加物が径方向に所定の濃度分布で含有されたものであり、これにより径方向に屈折率プロファイルを有している。また、光ファイバは、組成に固有の材料分散特性を有する他、屈折率プロファイルに応じた構造分散特性を有しており、結局、これら材料分散特性と構造分散特性とを総合した波長分散特性は屈折率プロファイルに応じたものとなる。
【０００３】
そして、屈折率プロファイルを適切に設計することにより、光ファイバの波長分散特性の設計が可能となる。例えば、標準的なシングルモード光ファイバは、波長１．３μｍ付近において波長分散が０であり、波長１．５５μｍにおいて波長分散が１６〜２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度である。また、波長１．５５μｍにおいて波長分散が負であってその絶対値が数十ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである分散補償光ファイバも実現が可能である。また、波長１．５５μｍにおいて波長分散が数ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである分散シフト光ファイバも実現が可能である。
【０００４】
しかし、このような通常の光ファイバは、導波光のパワーが大きいと非線形光学現象に因り導波光の波形が劣化し、また、累積波長分散に因っても導波光の波形が劣化する。また、この通常の光ファイバは、添加物が含有されていることから、伝送損失の低減にも限界がある。
【０００５】
一方、近年では、ファイバ軸方向に延びる副媒質が主媒質中に形成された光ファイバが提案されている（例えば特許文献１を参照）。この光ファイバは、ファイバ軸に垂直な断面で見たときにクラッド領域に一定間隔で副媒質（例えば空気）からなる領域が分布しており、各々の副媒質領域が軸方向に延在していて、フォトニックバンドギャップ構造を有している。そして、この光ファイバは、クラッド領域のフォトニックバンドギャップ構造における光のブラッグ反射を利用することより、このクラッド領域に囲まれたコア領域内に導波光を閉じ込めて、該導波光を伝送することができる。このようなフォトニックバンドギャップ構造の光ファイバは、コア領域を空孔とすることができることから、伝送損失、非線形性および波長分散を低減できるものとして期待されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３５５２１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のフォトニックバンドギャップ構造の光ファイバは、コア領域や副媒質領域が軸方向に連続的に延在することから、コア領域や副媒質領域が空孔である場合に端部から該空孔内に異物が浸入して、この異物により光学特性が劣化する場合がある。それ故、この光ファイバは、異物浸入を防止するために両端を封止する必要があり、端部処理が面倒である。
【０００８】
また、このフォトニックバンドギャップ構造の光ファイバは、フォトニックバンドギャップ構造における光のブラッグ反射を利用して導波光をコア領域に閉じ込めるものであることから、フォトニックバンドギャップ構造の領域中にも導波光のエネルギが存在して、伝送損失、非線形性および波長分散を充分には低減することができない。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、伝送損失、非線形性および波長分散を低減することができ端部処理が容易な光導波体（光ファイバ等）を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光導波体は、光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質と副媒質とで構成され、主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が分布しており、微小領域は、ほぼ球形状の領域または複数の球形状の領域が連なった形状であり、光を導波させる為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが光を導波させる領域中に形成され、主媒質自身の屈折率の変化または微小領域のサイズの変化に基づいて形成されていることを特徴とする。
或いは、本発明に係る光導波体は、光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質と副媒質とで構成され、光を導波させる領域全体に主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が分布しており、微小領域は、ほぼ球形状の領域または複数の球形状の領域が連なった形状であり、光を導波させる為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが光を導波させる領域中に形成され、主媒質自身の屈折率の変化または微小領域のサイズの変化に基づいて形成されていることを特徴とする。
或いは、本発明に係る光導波体は、光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質で構成され、光を導波させる領域全体に主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が軸方向及び径方向に分布しており、光を導波させる為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが主媒質中に形成され、微小領域の分布密度の変化に基づいて形成され、微小領域のサイズが導波光の波長に対して１／１０以下であることを特徴とする。
或いは、本発明に係る光導波体は、光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質で構成され、光を導波させる領域全体に主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が軸方向及び径方向に分布した中間体を形成した後、主媒質自身の屈折率を変化させることにより光導波の為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが付与されて製造されたことを特徴とする。
この光導波体は、多数の低屈折率の副媒質からなる微小領域が主媒質中に軸方向および径方向に分布していて、光を導波させる為の径方向の平均屈折率プロファイルが主媒質の屈折率分布または微小領域の分布密度もしくはサイズに基づいて形成されているので、伝送損失、非線形性および波長分散を低減することができ、また、端部処理が容易である。
【００１１】
本発明に係る光導波体は、主媒質がガラスまたは樹脂であるのが好適であり、また、副媒質が気体であるのが好適である。微小領域のサイズが導波光の波長に対して１／１０以下であるのが好適である。また、本発明に係る光導波体は、ファイバ形態を有していれば、長尺化が容易となり、光伝送路として用いるのに好適である。
【００１２】
本発明に係る光導波体製造方法は、光を軸方向に導波させ得る光導波体を製造する方法であって、光を導波させる領域が主媒質で構成され、光を導波させる領域全体に主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が軸方向及び径方向に分布した中間体を作成する第１工程と、この中間体に対して主媒質自身の屈折率を変化させることにより光導波の為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルを付与する第２工程と、を備えることを特徴とする。また、第１工程で、中間体が繊維状物とされているのが好ましい。この製造方法によれば、第１工程および第２工程を順に経て上記の本発明に係る光導波体が製造され得る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１４】
先ず、本発明に係る光導波体の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光導波体（光ファイバ）１０の断面図である。同図（ａ）はファイバ軸Ｃに垂直な断面を示し、同図（ｂ）はファイバ軸Ｃを含む断面を示す。この図に示されるように、この光ファイバ１０は、外観上は従来の光ファイバと同様の形態を有していて、軸Ｃに垂直な断面の外形が円形で、軸Ｃ方向に長い。
【００１５】
この光ファイバ１０は、主媒質１１中に多数の副媒質からなる微小領域１２が軸Ｃ方向および径方向に分布したものである。すなわち、各微小領域１２は、軸Ｃ方向に延在していない。主媒質１１の屈折率より副媒質１２の屈折率の方が小さい。主媒質１１は例えば石英ガラスからなる。各微小領域１２中の副媒質は、真空であり、または、不活性ガスや空気などの気体である。各微小領域１２は、ほぼ球形状の領域である。また、微小領域１２は、複数の球形状の領域が連なった（一部重なった）形状である場合もある。
【００１６】
各微小領域１２のサイズ（直径）は、この光ファイバ１０を導波する光の波長に対して１／１０以下（好適には１／１００以下、更に好適には１／１０００以下）である。例えば、導波光の波長が１．５５μｍ帯であれば、各微小領域１２のサイズは１５０ｎｍ以下（好適には１５ｎｍ以下、更に好適には数ｎｍ程度）である。
【００１７】
また、主媒質１１中の微小領域１２の分布は、主媒質１１中で軸方向および径方向に略均一となっている。また、軸Ｃからの径方向の距離ｒに応じて主媒質１１の屈折率は変化しており、例えば、距離ｒが大きくなるに従い主媒質１１の屈折率は小さくなる。そして、この主媒質１１の屈折率分布に基づいて、光ファイバ１０の径方向の平均屈折率プロファイルが形成されている。この平均屈折率プロファイルは、光を導波させることができる形状となっている。なお、平均屈折率は、主媒質１１および微小領域１２中の副媒質それぞれの屈折率、ならびに、主媒質１１および微小領域１２それぞれの容積分率から、計算により得られる。
【００１８】
図２は、第１実施形態に係る光ファイバ１０の平均屈折率プロファイルの説明図である。同図（ａ）〜（ｃ）それぞれにおいて、横軸は径方向位置を示し、縦軸は平均屈折率を示す。光ファイバ１０の平均屈折率プロファイルは、同図（ａ）に示されるようにステップインデックス型であってもよいし、同図（ｂ）に示されるようにグレーディドインデックス型であってもよいし、或いは、同図（ｃ）に示されるように径方向距離ｒが大きくなるに従い平均屈折率が連続的に漸減する型であってもよい。また、この平均屈折率プロファイルは、例えば、ガウス関数またはラゲール関数で表される径方向の光エネルギ分布を与えるものが好適である。
【００１９】
このように第１実施形態に係る光ファイバ１０は、多数の低屈折率の副媒質からなる微小領域１２が主媒質１１中に軸方向および径方向に分布していて、光を導波させる為の径方向の平均屈折率プロファイルが主媒質１１の屈折率分布に基づいて形成されている。光ファイバ１０は、以上のように構成されていることで、伝送損失、非線形性および波長分散を低減することができ、また、端部処理が容易である。また、この光ファイバ１０は材料分散も小さい。
【００２０】
次に、本発明に係る光導波体の第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係る光導波体（光ファイバ）２０の断面図である。同図（ａ）はファイバ軸Ｃに垂直な断面を示し、同図（ｂ）はファイバ軸Ｃを含む断面を示す。この図に示されるように、この光ファイバ２０は、外観上は従来の光ファイバと同様の形態を有していて、軸Ｃに垂直な断面の外形が円形で、軸Ｃ方向に長い。
【００２１】
この光ファイバ２０は、主媒質２１中に多数の副媒質からなる微小領域２２が軸Ｃ方向および径方向に分布したものである。すなわち、各微小領域２２は、軸Ｃ方向に延在していない。主媒質２１の屈折率より副媒質２２の屈折率の方が小さい。主媒質２１は例えば石英ガラスからなる。各微小領域２２中の副媒質は、真空であり、または、不活性ガスや空気などの気体である。各微小領域２２は、ほぼ球形状の領域である。また、微小領域２２は、複数の球形状の領域が連なった（一部重なった）形状である場合もある。
【００２２】
各微小領域２２のサイズ（直径）は、この光ファイバ２０を導波する光の波長に対して１／１０以下（好適には１／１００以下、更に好適には１／１０００以下）である。例えば、導波光の波長が１．５５μｍ帯であれば、各微小領域１２のサイズは１５０ｎｍ以下（好適には１５ｎｍ以下、更に好適には数ｎｍ程度）である。
【００２３】
また、主媒質２１中の微小領域２２の分布密度またはサイズは、主媒質２１中で径方向に変化している。そして、この微小領域２２の分布密度およびサイズに基づいて、光ファイバ２０の径方向の平均屈折率プロファイルが形成されている。この平均屈折率プロファイルは、光を導波させることができる形状となっている。なお、平均屈折率は、主媒質２１および微小領域２２中の副媒質それぞれの屈折率、ならびに、主媒質２１および微小領域２２それぞれの容積分率から、計算により得られる。
【００２４】
例えば、軸Ｃからの距離ｒが大きくなるに従い、微小領域２２の分布密度は次第に大きくなっていき、平均屈折率は次第に小さくなっていく。そして、光ファイバ２０の径方向の平均屈折率プロファイルは、図２に示されたように、ステップインデックス型、グレーディドインデックス型、または、径方向距離ｒが大きくなるに従い平均屈折率が連続的に漸減する型であってもよい。また、この平均屈折率プロファイルは、例えば、ガウス関数またはラゲール関数で表される径方向の光エネルギ分布を与えるものが好適である。
【００２５】
このように第２実施形態に係る光ファイバ２０は、多数の低屈折率の副媒質からなる微小領域２２が主媒質２１中に軸方向および径方向に分布していて、光を導波させる為の径方向の平均屈折率プロファイルが微小領域２２の分布密度またはサイズに基づいて形成されている。光ファイバ２０は、以上のように構成されていることで、伝送損失、非線形性および波長分散を低減することができ、また、端部処理が容易である。また、この光ファイバ２０は材料分散も小さい。このような光ファイバ２０は、フェムト秒パルスレーザのように波長帯域の広い光源に好適である。
【００２６】
なお、上記の実施形態の光ファイバ１０，２０は、フェムト秒パルスレーザ光を伝送する光伝送路として好適に用いられ得る。すなわち、フェムト秒パルスレーザ光は広帯域で高パワーであるが、光ファイバ１０，２０は、伝送損失、非線形性および波長分散が低減されたものであるので、そのような伝送損失、非線形性および波長分散を高品質に伝送することができる。
【００２７】
次に、本実施形態に係る光ファイバの製造方法の例について説明する。本実施形態に係る光ファイバは、主媒質中に多数の副媒質からなる微小領域が分布した繊維状の物（中間体）を作成する第１工程と、この繊維状の物に対して光導波の為の屈折率プロファイルを付与する第２工程と、を含む製造方法により製造される。例えば、第１工程として、ゾル・ゲル法を用いる工程が挙げられる。また、第２工程として、高パワーのレーザ光（例えばＹＡＧレーザ光やフェムト秒パルスレーザ光）の非線形性に因る自己収束性を利用して主媒質に屈折率分布を付与する工程、または、外部の側方からＸ線，紫外線または粒子線などのエネルギ線を中央部に部分的に照射することで主媒質の材料改質を所定の分布で行なう工程が挙げられる。
【００２８】
ゾル・ゲル法に拠る第１工程では、先ず、軸中心を含み軸方向に延在する中空領域を有するガラスからなる繊維状物が用意される。この中空領域の外形は１０μｍ以上であるのが好適である。また、この繊維状物では、側面に接する空間と中空領域との間を繋ぐ複数の貫通領域も形成されている。これら複数の貫通領域を介して中空領域に、ガラス微細粉末を含む溶液が浸透される。中空領域に浸透されて充填された溶液は、ゾル・ゲル法を経て、主媒質（ガラス）中に多数の副媒質（空孔）が分布したものとなる。そして、第２工程において、高パワーレーザ光の自己収束またはエネルギ線の照射により、主媒質に屈折率分布が付与されて、光ファイバの径方向の屈折率プロファイルが形成される。さらに、光ファイバの機械的強度を補強するために、この光ファイバの外周表面に紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂を塗布して硬化させるのが好適である。或いは、この光ファイバの外周表面に、ガラス，カーボン，結晶性樹脂等の繊維を接着性樹脂で固めた物質を塗布するのも好適である。
【００２９】
文献「寺境、"超臨界二酸化炭素抽出による芳香族ポリアミドエアロゲルの作成"、日本化学会秋季年会２００１年９月２０日〜２３日、２Ｐ５Ａ−０９」に記載されているように、繊維状物の中空領域に充填される溶液は、例えば、p-フェニレンジアミン（ＰＤ）または 4,4'-ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）と、トリメシン酸（ＴＭＡ）と、縮合剤としての亜リン酸トリフェニルおよびピリジンと、重合溶媒としてのN-メチルピロリドン（ＮＭＰ）と、を含むものが用いられる。この溶液が繊維状物の中空領域に浸透され充填されて、重合溶媒であるＮＭＰがエタノールで溶媒置換された後、超臨界二酸化炭素抽出によりポリアミドエアロゲルが作成される。溶媒置換により８０％〜９０％程度までゲルが収縮し、超臨界乾燥後のゲルのサイズはゲル調整時の７０％〜７６％程度となる。また、溶媒置換後に自然乾燥させると、４７％程度までゲルが収縮する。これにより形成される細孔（微小領域）の半径は１０ｎｍ程度であり、微小領域の占有割合は９０％以上となり得る。
【００３０】
或いは、本実施形態に係る光ファイバは、以下の製造方法によっても製造され得る。例えば、主媒質（例えば石英ガラス）中に多数のダミー媒質からなる微小領域が分布した繊維状の物を分相法により作成して、このダミー媒質をリーチング法により除去する。その後、高パワーのレーザ光（例えばＹＡＧレーザ光やフェムト秒パルスレーザ光）の非線形性に因る自己収束性を利用して主媒質に屈折率分布を付与することで、または、外部の側方からＸ線，紫外線または粒子線などのエネルギ線を中央部に部分的に照射することで主媒質の材料改質を所定の分布で行なうことで、光ファイバの径方向の屈折率プロファイルを形成する。このようにして製造される光ファイバの副媒質領域は、ダミー媒質が除去された領域となる。
【００３１】
或いは、主媒質（例えば石英ガラス）中に多数の高分子からなる微小領域が分布した繊維状の物を作成して、この高分子を焼却により除去する。その後、この繊維状の物に発泡剤を所定の分布で注入し、この発泡剤を加熱により発泡させることにより、光ファイバの径方向の屈折率プロファイルを形成する。このようにして製造される光ファイバの副媒質領域は、発泡剤が膨らんだ領域となる。
【００３２】
或いは、主媒質中に多数の副媒質からなる微小領域が分布した繊維状の物を粒子焼結・内部抽出法により作成する。その後に、高パワーのレーザ光（例えばＹＡＧレーザ光やフェムト秒パルスレーザ光）の非線形性に因る自己収束性を利用して主媒質に屈折率分布を付与することで、または、外部の側方からＸ線，紫外線または粒子線などのエネルギ線を中央部に部分的に照射することで主媒質の材料改質を所定の分布で行なうことで、光ファイバの径方向の屈折率プロファイルを形成してもよい。
【００３３】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、光導波体は、上記実施形態ではファイバ形態のものであったが、平面基板上に形成された光導波路であってもよい。また、光導波体の主媒質は、上記実施形態では石英ガラスであったが、他のガラスであってもよいし、樹脂であってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る光導波体は、多数の低屈折率の副媒質からなる微小領域が主媒質中に軸方向および径方向に分布していて、光を導波させる為の径方向の平均屈折率プロファイルが主媒質の屈折率分布または微小領域の分布密度もしくはサイズに基づいて形成されているので、伝送損失、非線形性および波長分散を低減することができ、また、端部処理が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る光導波体（光ファイバ）１０の断面図である。
【図２】第１実施形態に係る光ファイバ１０の平均屈折率プロファイルの説明図である。
【図３】第２実施形態に係る光導波体（光ファイバ）２０の断面図である。
【符号の説明】
１０…光ファイバ、１１…主媒質、１２…副媒質からなる微小領域、２０…光ファイバ、２１…主媒質、２２…副媒質からなる微小領域。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を導波させ得る光ファイバ等の光導波体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光を導波させる光導波体である光ファイバは、例えば光通信システムにおいて光伝送路として用いられ、一般に、主成分である石英ガラス中に所定の添加物が径方向に所定の濃度分布で含有されたものであり、これにより径方向に屈折率プロファイルを有している。また、光ファイバは、組成に固有の材料分散特性を有する他、屈折率プロファイルに応じた構造分散特性を有しており、結局、これら材料分散特性と構造分散特性とを総合した波長分散特性は屈折率プロファイルに応じたものとなる。
【０００３】
そして、屈折率プロファイルを適切に設計することにより、光ファイバの波長分散特性の設計が可能となる。例えば、標準的なシングルモード光ファイバは、波長１．３μｍ付近において波長分散が０であり、波長１．５５μｍにおいて波長分散が１６〜２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度である。また、波長１．５５μｍにおいて波長分散が負であってその絶対値が数十ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである分散補償光ファイバも実現が可能である。また、波長１．５５μｍにおいて波長分散が数ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである分散シフト光ファイバも実現が可能である。
【０００４】
しかし、このような通常の光ファイバは、導波光のパワーが大きいと非線形光学現象に因り導波光の波形が劣化し、また、累積波長分散に因っても導波光の波形が劣化する。また、この通常の光ファイバは、添加物が含有されていることから、伝送損失の低減にも限界がある。
【０００５】
一方、近年では、ファイバ軸方向に延びる副媒質が主媒質中に形成された光ファイバが提案されている（例えば特許文献１を参照）。この光ファイバは、ファイバ軸に垂直な断面で見たときにクラッド領域に一定間隔で副媒質（例えば空気）からなる領域が分布しており、各々の副媒質領域が軸方向に延在していて、フォトニックバンドギャップ構造を有している。そして、この光ファイバは、クラッド領域のフォトニックバンドギャップ構造における光のブラッグ反射を利用することより、このクラッド領域に囲まれたコア領域内に導波光を閉じ込めて、該導波光を伝送することができる。このようなフォトニックバンドギャップ構造の光ファイバは、コア領域を空孔とすることができることから、伝送損失、非線形性および波長分散を低減できるものとして期待されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３５５２１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のフォトニックバンドギャップ構造の光ファイバは、コア領域や副媒質領域が軸方向に連続的に延在することから、コア領域や副媒質領域が空孔である場合に端部から該空孔内に異物が浸入して、この異物により光学特性が劣化する場合がある。それ故、この光ファイバは、異物浸入を防止するために両端を封止する必要があり、端部処理が面倒である。
【０００８】
また、このフォトニックバンドギャップ構造の光ファイバは、フォトニックバンドギャップ構造における光のブラッグ反射を利用して導波光をコア領域に閉じ込めるものであることから、フォトニックバンドギャップ構造の領域中にも導波光のエネルギが存在して、伝送損失、非線形性および波長分散を充分には低減することができない。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、伝送損失、非線形性および波長分散を低減することができ端部処理が容易な光導波体（光ファイバ等）を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光導波体は、光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質と副媒質とで構成され、主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が分布しており、微小領域は、ほぼ球形状の領域または複数の球形状の領域が連なった形状であり、光を導波させる為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが光を導波させる領域中に形成され、主媒質自身の屈折率の変化または微小領域のサイズの変化に基づいて形成されていることを特徴とする。
或いは、本発明に係る光導波体は、光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質と副媒質とで構成され、光を導波させる領域全体に主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が分布しており、微小領域は、ほぼ球形状の領域または複数の球形状の領域が連なった形状であり、光を導波させる為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが光を導波させる領域中に形成され、主媒質自身の屈折率の変化または微小領域のサイズの変化に基づいて形成されていることを特徴とする。
或いは、本発明に係る光導波体は、光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質で構成され、光を導波させる領域全体に主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が軸方向及び径方向に分布しており、光を導波させる為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが主媒質中に形成され、微小領域の分布密度の変化に基づいて形成され、微小領域のサイズが導波光の波長に対して１／１０以下であることを特徴とする。
或いは、本発明に係る光導波体は、光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質で構成され、光を導波させる領域全体に主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が軸方向及び径方向に分布した中間体を形成した後、主媒質自身の屈折率を変化させることにより光導波の為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが付与されて製造されたことを特徴とする。
この光導波体は、多数の低屈折率の副媒質からなる微小領域が主媒質中に軸方向および径方向に分布していて、光を導波させる為の径方向の平均屈折率プロファイルが主媒質の屈折率分布または微小領域の分布密度もしくはサイズに基づいて形成されているので、伝送損失、非線形性および波長分散を低減することができ、また、端部処理が容易である。
【００１１】
本発明に係る光導波体は、主媒質がガラスまたは樹脂であるのが好適であり、また、副媒質が気体であるのが好適である。微小領域のサイズが導波光の波長に対して１／１０以下であるのが好適である。また、本発明に係る光導波体は、ファイバ形態を有していれば、長尺化が容易となり、光伝送路として用いるのに好適である。
【００１２】
本発明に係る光導波体製造方法は、光を軸方向に導波させ得る光導波体を製造する方法であって、光を導波させる領域が主媒質で構成され、光を導波させる領域全体に主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が軸方向及び径方向に分布した中間体を作成する第１工程と、この中間体に対して主媒質自身の屈折率を変化させることにより光導波の為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルを付与する第２工程と、を備えることを特徴とする。また、第１工程で、中間体が繊維状物とされているのが好ましい。この製造方法によれば、第１工程および第２工程を順に経て上記の本発明に係る光導波体が製造され得る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１４】
先ず、本発明に係る光導波体の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光導波体（光ファイバ）１０の断面図である。同図（ａ）はファイバ軸Ｃに垂直な断面を示し、同図（ｂ）はファイバ軸Ｃを含む断面を示す。この図に示されるように、この光ファイバ１０は、外観上は従来の光ファイバと同様の形態を有していて、軸Ｃに垂直な断面の外形が円形で、軸Ｃ方向に長い。
【００１５】
この光ファイバ１０は、主媒質１１中に多数の副媒質からなる微小領域１２が軸Ｃ方向および径方向に分布したものである。すなわち、各微小領域１２は、軸Ｃ方向に延在していない。主媒質１１の屈折率より副媒質１２の屈折率の方が小さい。主媒質１１は例えば石英ガラスからなる。各微小領域１２中の副媒質は、真空であり、または、不活性ガスや空気などの気体である。各微小領域１２は、ほぼ球形状の領域である。また、微小領域１２は、複数の球形状の領域が連なった（一部重なった）形状である場合もある。
【００１６】
各微小領域１２のサイズ（直径）は、この光ファイバ１０を導波する光の波長に対して１／１０以下（好適には１／１００以下、更に好適には１／１０００以下）である。例えば、導波光の波長が１．５５μｍ帯であれば、各微小領域１２のサイズは１５０ｎｍ以下（好適には１５ｎｍ以下、更に好適には数ｎｍ程度）である。
【００１７】
また、主媒質１１中の微小領域１２の分布は、主媒質１１中で軸方向および径方向に略均一となっている。また、軸Ｃからの径方向の距離ｒに応じて主媒質１１の屈折率は変化しており、例えば、距離ｒが大きくなるに従い主媒質１１の屈折率は小さくなる。そして、この主媒質１１の屈折率分布に基づいて、光ファイバ１０の径方向の平均屈折率プロファイルが形成されている。この平均屈折率プロファイルは、光を導波させることができる形状となっている。なお、平均屈折率は、主媒質１１および微小領域１２中の副媒質それぞれの屈折率、ならびに、主媒質１１および微小領域１２それぞれの容積分率から、計算により得られる。
【００１８】
図２は、第１実施形態に係る光ファイバ１０の平均屈折率プロファイルの説明図である。同図（ａ）〜（ｃ）それぞれにおいて、横軸は径方向位置を示し、縦軸は平均屈折率を示す。光ファイバ１０の平均屈折率プロファイルは、同図（ａ）に示されるようにステップインデックス型であってもよいし、同図（ｂ）に示されるようにグレーディドインデックス型であってもよいし、或いは、同図（ｃ）に示されるように径方向距離ｒが大きくなるに従い平均屈折率が連続的に漸減する型であってもよい。また、この平均屈折率プロファイルは、例えば、ガウス関数またはラゲール関数で表される径方向の光エネルギ分布を与えるものが好適である。
【００１９】
このように第１実施形態に係る光ファイバ１０は、多数の低屈折率の副媒質からなる微小領域１２が主媒質１１中に軸方向および径方向に分布していて、光を導波させる為の径方向の平均屈折率プロファイルが主媒質１１の屈折率分布に基づいて形成されている。光ファイバ１０は、以上のように構成されていることで、伝送損失、非線形性および波長分散を低減することができ、また、端部処理が容易である。また、この光ファイバ１０は材料分散も小さい。
【００２０】
次に、本発明に係る光導波体の第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係る光導波体（光ファイバ）２０の断面図である。同図（ａ）はファイバ軸Ｃに垂直な断面を示し、同図（ｂ）はファイバ軸Ｃを含む断面を示す。この図に示されるように、この光ファイバ２０は、外観上は従来の光ファイバと同様の形態を有していて、軸Ｃに垂直な断面の外形が円形で、軸Ｃ方向に長い。
【００２１】
この光ファイバ２０は、主媒質２１中に多数の副媒質からなる微小領域２２が軸Ｃ方向および径方向に分布したものである。すなわち、各微小領域２２は、軸Ｃ方向に延在していない。主媒質２１の屈折率より副媒質２２の屈折率の方が小さい。主媒質２１は例えば石英ガラスからなる。各微小領域２２中の副媒質は、真空であり、または、不活性ガスや空気などの気体である。各微小領域２２は、ほぼ球形状の領域である。また、微小領域２２は、複数の球形状の領域が連なった（一部重なった）形状である場合もある。
【００２２】
各微小領域２２のサイズ（直径）は、この光ファイバ２０を導波する光の波長に対して１／１０以下（好適には１／１００以下、更に好適には１／１０００以下）である。例えば、導波光の波長が１．５５μｍ帯であれば、各微小領域１２のサイズは１５０ｎｍ以下（好適には１５ｎｍ以下、更に好適には数ｎｍ程度）である。
【００２３】
また、主媒質２１中の微小領域２２の分布密度またはサイズは、主媒質２１中で径方向に変化している。そして、この微小領域２２の分布密度およびサイズに基づいて、光ファイバ２０の径方向の平均屈折率プロファイルが形成されている。この平均屈折率プロファイルは、光を導波させることができる形状となっている。なお、平均屈折率は、主媒質２１および微小領域２２中の副媒質それぞれの屈折率、ならびに、主媒質２１および微小領域２２それぞれの容積分率から、計算により得られる。
【００２４】
例えば、軸Ｃからの距離ｒが大きくなるに従い、微小領域２２の分布密度は次第に大きくなっていき、平均屈折率は次第に小さくなっていく。そして、光ファイバ２０の径方向の平均屈折率プロファイルは、図２に示されたように、ステップインデックス型、グレーディドインデックス型、または、径方向距離ｒが大きくなるに従い平均屈折率が連続的に漸減する型であってもよい。また、この平均屈折率プロファイルは、例えば、ガウス関数またはラゲール関数で表される径方向の光エネルギ分布を与えるものが好適である。
【００２５】
このように第２実施形態に係る光ファイバ２０は、多数の低屈折率の副媒質からなる微小領域２２が主媒質２１中に軸方向および径方向に分布していて、光を導波させる為の径方向の平均屈折率プロファイルが微小領域２２の分布密度またはサイズに基づいて形成されている。光ファイバ２０は、以上のように構成されていることで、伝送損失、非線形性および波長分散を低減することができ、また、端部処理が容易である。また、この光ファイバ２０は材料分散も小さい。このような光ファイバ２０は、フェムト秒パルスレーザのように波長帯域の広い光源に好適である。
【００２６】
なお、上記の実施形態の光ファイバ１０，２０は、フェムト秒パルスレーザ光を伝送する光伝送路として好適に用いられ得る。すなわち、フェムト秒パルスレーザ光は広帯域で高パワーであるが、光ファイバ１０，２０は、伝送損失、非線形性および波長分散が低減されたものであるので、そのような伝送損失、非線形性および波長分散を高品質に伝送することができる。
【００２７】
次に、本実施形態に係る光ファイバの製造方法の例について説明する。本実施形態に係る光ファイバは、主媒質中に多数の副媒質からなる微小領域が分布した繊維状の物（中間体）を作成する第１工程と、この繊維状の物に対して光導波の為の屈折率プロファイルを付与する第２工程と、を含む製造方法により製造される。例えば、第１工程として、ゾル・ゲル法を用いる工程が挙げられる。また、第２工程として、高パワーのレーザ光（例えばＹＡＧレーザ光やフェムト秒パルスレーザ光）の非線形性に因る自己収束性を利用して主媒質に屈折率分布を付与する工程、または、外部の側方からＸ線，紫外線または粒子線などのエネルギ線を中央部に部分的に照射することで主媒質の材料改質を所定の分布で行なう工程が挙げられる。
【００２８】
ゾル・ゲル法に拠る第１工程では、先ず、軸中心を含み軸方向に延在する中空領域を有するガラスからなる繊維状物が用意される。この中空領域の外形は１０μｍ以上であるのが好適である。また、この繊維状物では、側面に接する空間と中空領域との間を繋ぐ複数の貫通領域も形成されている。これら複数の貫通領域を介して中空領域に、ガラス微細粉末を含む溶液が浸透される。中空領域に浸透されて充填された溶液は、ゾル・ゲル法を経て、主媒質（ガラス）中に多数の副媒質（空孔）が分布したものとなる。そして、第２工程において、高パワーレーザ光の自己収束またはエネルギ線の照射により、主媒質に屈折率分布が付与されて、光ファイバの径方向の屈折率プロファイルが形成される。さらに、光ファイバの機械的強度を補強するために、この光ファイバの外周表面に紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂を塗布して硬化させるのが好適である。或いは、この光ファイバの外周表面に、ガラス，カーボン，結晶性樹脂等の繊維を接着性樹脂で固めた物質を塗布するのも好適である。
【００２９】
文献「寺境、"超臨界二酸化炭素抽出による芳香族ポリアミドエアロゲルの作成"、日本化学会秋季年会２００１年９月２０日〜２３日、２Ｐ５Ａ−０９」に記載されているように、繊維状物の中空領域に充填される溶液は、例えば、p-フェニレンジアミン（ＰＤ）または 4,4'-ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ）と、トリメシン酸（ＴＭＡ）と、縮合剤としての亜リン酸トリフェニルおよびピリジンと、重合溶媒としてのN-メチルピロリドン（ＮＭＰ）と、を含むものが用いられる。この溶液が繊維状物の中空領域に浸透され充填されて、重合溶媒であるＮＭＰがエタノールで溶媒置換された後、超臨界二酸化炭素抽出によりポリアミドエアロゲルが作成される。溶媒置換により８０％〜９０％程度までゲルが収縮し、超臨界乾燥後のゲルのサイズはゲル調整時の７０％〜７６％程度となる。また、溶媒置換後に自然乾燥させると、４７％程度までゲルが収縮する。これにより形成される細孔（微小領域）の半径は１０ｎｍ程度であり、微小領域の占有割合は９０％以上となり得る。
【００３０】
或いは、本実施形態に係る光ファイバは、以下の製造方法によっても製造され得る。例えば、主媒質（例えば石英ガラス）中に多数のダミー媒質からなる微小領域が分布した繊維状の物を分相法により作成して、このダミー媒質をリーチング法により除去する。その後、高パワーのレーザ光（例えばＹＡＧレーザ光やフェムト秒パルスレーザ光）の非線形性に因る自己収束性を利用して主媒質に屈折率分布を付与することで、または、外部の側方からＸ線，紫外線または粒子線などのエネルギ線を中央部に部分的に照射することで主媒質の材料改質を所定の分布で行なうことで、光ファイバの径方向の屈折率プロファイルを形成する。このようにして製造される光ファイバの副媒質領域は、ダミー媒質が除去された領域となる。
【００３１】
或いは、主媒質（例えば石英ガラス）中に多数の高分子からなる微小領域が分布した繊維状の物を作成して、この高分子を焼却により除去する。その後、この繊維状の物に発泡剤を所定の分布で注入し、この発泡剤を加熱により発泡させることにより、光ファイバの径方向の屈折率プロファイルを形成する。このようにして製造される光ファイバの副媒質領域は、発泡剤が膨らんだ領域となる。
【００３２】
或いは、主媒質中に多数の副媒質からなる微小領域が分布した繊維状の物を粒子焼結・内部抽出法により作成する。その後に、高パワーのレーザ光（例えばＹＡＧレーザ光やフェムト秒パルスレーザ光）の非線形性に因る自己収束性を利用して主媒質に屈折率分布を付与することで、または、外部の側方からＸ線，紫外線または粒子線などのエネルギ線を中央部に部分的に照射することで主媒質の材料改質を所定の分布で行なうことで、光ファイバの径方向の屈折率プロファイルを形成してもよい。
【００３３】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、光導波体は、上記実施形態ではファイバ形態のものであったが、平面基板上に形成された光導波路であってもよい。また、光導波体の主媒質は、上記実施形態では石英ガラスであったが、他のガラスであってもよいし、樹脂であってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る光導波体は、多数の低屈折率の副媒質からなる微小領域が主媒質中に軸方向および径方向に分布していて、光を導波させる為の径方向の平均屈折率プロファイルが主媒質の屈折率分布または微小領域の分布密度もしくはサイズに基づいて形成されているので、伝送損失、非線形性および波長分散を低減することができ、また、端部処理が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る光導波体（光ファイバ）１０の断面図である。
【図２】第１実施形態に係る光ファイバ１０の平均屈折率プロファイルの説明図である。
【図３】第２実施形態に係る光導波体（光ファイバ）２０の断面図である。
【符号の説明】
１０…光ファイバ、１１…主媒質、１２…副媒質からなる微小領域、２０…光ファイバ、２１…主媒質、２２…副媒質からなる微小領域。
Claims (12)
- 光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質と副媒質とで構成され、前記主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する前記副媒質からなる微小領域が分布しており、前記微小領域は、ほぼ球形状の領域または複数の球形状の領域が連なった形状であり、光を導波させる為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが前記光を導波させる領域中に形成され、前記主媒質自身の屈折率の変化または前記微小領域のサイズの変化に基づいて形成されている、ことを特徴とする光導波体。
- 光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質と副媒質とで構成され、前記光を導波させる領域全体に前記主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する前記副媒質からなる微小領域が分布しており、前記微小領域は、ほぼ球形状の領域または複数の球形状の領域が連なった形状であり、光を導波させる為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが前記光を導波させる領域中に形成され、前記主媒質自身の屈折率の変化または前記微小領域のサイズの変化に基づいて形成されている、ことを特徴とする光導波体。
- 光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質で構成され、前記光を導波させる領域全体に前記主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が軸方向及び径方向に分布しており、光を導波させる為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが前記主媒質中に形成され、前記微小領域の分布密度の変化に基づいて形成され、前記微小領域のサイズが導波光の波長に対して１／１０以下である、ことを特徴とする光導波体。
- 光を軸方向に導波させ得る光導波体であって、光を導波させる領域が主媒質で構成され、前記光を導波させる領域全体に前記主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が軸方向及び径方向に分布した中間体を形成した後、前記主媒質自身の屈折率を変化させることにより光導波の為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルが付与されて製造されたことを特徴とする光導波体。
- 前記主媒質がガラスまたは樹脂であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光導波体。
- 前記副媒質が気体であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光導波体。
- 前記微小領域のサイズが導波光の波長に対して１／１０以下であることを特徴とする請求項１、２および４の何れか１項に記載の光導波体。
- ファイバ形態を有していることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光導波体。
- 前記微小領域は、ほぼ球形状の領域からなることを特徴とする請求項３に記載の光導波体。
- 平均の屈折率プロファイルが径方向の光エネルギ分布を与えるものであることを特徴とする請求項３に記載の光導波体。
- 光を軸方向に導波させ得る光導波体を製造する方法であって、
光を導波させる領域が主媒質で構成され、前記光を導波させる領域全体に前記主媒質の屈折率より小さい屈折率を有する副媒質からなる微小領域が軸方向及び径方向に分布した中間体を作成する第１工程と、
この中間体に対して前記主媒質自身の屈折率を変化させることにより光導波の為の軸方向に直角な径方向の屈折率プロファイルを付与する第２工程と、
を備えることを特徴とする光導波体製造方法。 - 前記第１工程で、前記中間体が繊維状物とされていることを特徴とする請求項１１に記載の光導波体製造方法。
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