JP2001201649A

JP2001201649A - 同軸周期構造光導波路およびそれを用いた光フィルタ

Info

Publication number: JP2001201649A
Application number: JP2000008335A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kawanishi; 哲也川西
Original assignee: Communications Research Laboratory
Current assignee: Communications Research Laboratory
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2001-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】単純な構造でありながら、非線形効果にたい
する光強度の許容度が高い同軸周期構造光導波路および
それを用いた光フィルタを提供することを目的とする。【解決手段】同軸周期構造光導波路で、真空、気体、
液体、固体、固溶体のいずれかであるかを問わない概略
円柱あるいは線状のコア部分と、該コア部分の同軸の周
りに概略均一に形成されたクラッド部分とからなる光導
波路で、クラッド部分に比較的高屈折率部分と比較的低
屈折率部分の複数回の繰返し持たせて、コア部分を伝搬
する光をクラッド層でブラッグ反射することにより、光
の閉じ込めを行なうものである。この構造は、フィルタ
としても用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光信号の遠方へ
の伝送や、特に光エネルギーの大きなレーザ光の伝送、
あるいは、特定の波長や偏波の成分のみを選択的に伝搬
させることに用いる同軸周期構造光導波路およびそれを
用いた光フィルタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光信号あるいは光エネルギーの伝
送には、伝送能力の高い光ファイバーが一般に使われて
いるが、この光ファイバーは、中心部に位置するコア部
分の屈折率が外側のクラッド部分より高く、その界面で
起こる光の全反射によりでコア部分への光閉じこめを実
現している。ちなみに、この光ファイバーでは、クラッ
ド層の外側には、保護のための被覆層があるが、この部
分は、光の伝搬には関与しておらず、この点において本
発明と明確に区別される。

【０００３】また、最近では、光の伝播方向に２次元の
フォトニック結晶構造を作り、これをクラッドとしたフ
ォトニック結晶光ファイバーが知られている。このフォ
トニック結晶光ファイバーには２つのタイプがある。ま
ず、コア部分の屈折率がクラッド部分より高い構造のも
のでは、従来の光ファイバーと同様に屈折率の差によっ
て光を閉じこめるものであるが、より広い波長範囲でシ
ングルモード伝搬ができるという特徴を持っている。ま
た、コア部分の屈折率がクラッド部分より低い構造のも
のでは、フォトニック結晶のバンドギャップによる光反
射で光の閉じこめをするものである。この構造のもので
は、バンドギャップに相当する波長の光のみが伝搬でき
るという特徴を持っている。これら何れのタイプのもの
でもコア径の大きなファイバーでもシングルモード伝搬
が可能であるので、高強度の光を伝送する際に、応用上
問題となる非線形現象を抑制することが期待されてい
る。この構造は、光の伝播方向に２次元のフォトニック
結晶構造を作る点において、本発明の構造と明確に区別
される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の光ファ
イバーでは、高強度の光を伝送する際に、波長多重通信
やレーザ加工などに用いる大出力レーザ光の伝送などで
応用上問題となるポッケルス効果やカー効果などの非線
形現象により多重通信のチャネル間に起こる信号の干渉
やパルス波形の乱れ等が発生するという問題があった。
また、光の伝播方向にフォトニック結晶構造を作り、こ
れをクラッドとしたフォトニック結晶光ファイバーで
は、その製造には微細加工が必要になり、製造コストが
高いという問題があった。

【０００５】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
単純な構造でありながら、上記の非線形効果にたいする
高強度の許容度が高い同軸周期構造光導波路およびそれ
を用いた光フィルタを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、同軸周期構造光導波路
で、真空、気体、液体、固体、固溶体のいずれかである
かを問わない概略円柱あるいは線状のコア部分と、該コ
ア部分の同軸の周りに概略均一に形成されたクラッド部
分とからなる光導波路において、クラッド部分は、少な
くとも３回の比較的高屈折率部分と比較的低屈折率部分
の繰返しを持った層を含む事を特徴としている。

【０００７】また、請求項２に記載の発明は、上記した
請求項１に記載の発明の構成に加えて、比較的高屈折率
部分と比較的低屈折率部分の繰返しを持った層は、概略
コア部分を伝搬する光のブラッグ反射を引き起こす事を
特徴としている。

【０００８】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
に記載の同軸周期構造光導波路を用いた光フィルタであ
り、これに入力した光の、特定の波長成分の光、あるい
は特定の偏波成分の光のみの出力を得ることを特徴とし
ている。

【０００９】また、請求項４に記載の発明は、請求項３
に記載の光フィルタにおいて、同軸周期構造光導波路の
コア部分は、比較的低屈折率材料により形成されている
事を特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】先ず、本発明の原理を、本発明の
単純化された例により、図１を用いて説明する。図１に
示す様に、中心部に円柱状の半径＝ｒ₀のコアを持ち、
その周囲に同軸状の周期構造部分をクラッドとする導波
構造を考える。この構造の一部を拡大したものを図２に
示す。図２は、この周期構造部分が半径方向に周期的構
造であることを示す図である。なお、これらの図中で、
概略同一の機能をもった構成要素は、同一の符号を付し
ている。この周期的構造は、以下の数１に示す位置で２
種類の層が繰り返す構造からなっているものとする。

【数１】また、第ｉ層（ｒ_i-1＜ｒ＜ｒ_i）における誘電率は、

【数２】であるとする。さらに、この第ｉ層での電界（Ｅｚ）磁
界（Ｈｚ）のｚ方向成分を第一種のベッセル関数Ｊｍお
よび第二種のベッセル関数Ｙｍを用いて

【数３】とする。数３においては、ｚ方向の因子ｅｘｐ（ｊωｔ
−ｊβｚ）は省略した。ｍ＝０の場合には軸対称モード
を表わす。ここで、ｚ、ｒ、φ、は円筒座標であり、ｚ
は光の伝搬方向を、ｒは光導波路の半径方向を、φは光
の伝搬方向を軸とする角度を表わす。また、θｍは、任
意の実数である。また、

【数４】である。ここで、μは透磁率であり、βは伝搬定数であ
る。ここで、ｉ＝０の場合はコア部分（０＜ｒ＜ｒ₀）
での電磁界を表わすものとするが、原点においても有限
な値を持つためには、Ｂ₀＝Ｄ₀＝０となる必要がある。
ｒ方向成分やφ方向成分を行列形式で記述すれば

【数５】と表現できる。ここで、

【数６】および、

【数７】である。また、ｒ＝ｒ₀における境界条件（電界磁界の
接線成分の連続）は、

【数８】となる。

【００１１】コア部分では、Ｂ₀＝Ｄ₀＝０となるので、
Ａ₀、Ｃ₀に初期値を与えて、数８を順次用いれば導波路
内の電磁界がえられる。一方クラッド部分では数値計算
誤差により指数的に減少する解を求めるのは困難であ
る。そこで、一般に、周期構造において指数的に減少す
る解が存在する場合、指数的に増大する解も存在するこ
とが分かっており、これを利用して解を得ることにな
る。このために、初期値によらない増大解が得られる性
質を利用し、ｒが波長に比べて充分大きい外側での初期
値を与え、より内側の層の電磁界を逐次求めることで、
半径ｒに関して指数的に減少する解を得る。

【００１２】この方法により同軸周期構造導波路のコア
部分に電磁界が閉じ込められるようなモードを求める。
この計算では、具体的には、自由空間での波数ｋ＝ωε
₀μ₀とβ／ｋを変化させながらＡ_n、Ｂ_n、Ｃ_n、Ｄ_n、
（ｎ＝１００）を適当な値に設定し、

【数９】を用いてＡ₀、Ｂ₀、Ｃ₀、Ｄ₀、を求め、Ｂ₀＝Ｄ₀＝０、
かつｒに関して指数的に減少する解がモードを表すもの
とすると言う手順で計算を行なった。

【００１３】この結果を図３および図４に示す。ここ
で、解は、Ａ₀ ＝１またはＣ₀＝１となる様に規格化し
た。ｋ₀を任意の基準となる波数とするとき、周期構造
の層の厚さ、ａおよびｂを、ｋ₀ａ＝ｋ₀ｂ＝１．０、に
より決め、屈折率は（ε_II／ε _I）²＝２．０を満足する
として、コアの半径、ｃは、ｋ₀ｃ＝１を満たす場合
（図３）とｋ₀ｃ＝５を満たす場合（図４）に、軸対称
なモード（ｍ＝０）の存在する点を、それぞれの図に示
した。ＴＭモードはＢ₀＝０を、またＴＥモードはＤ₀＝
０を満たすものを解とした。図３および４の横軸はｋ／
ｋ₀で、縦軸はβ／ｋであり、ｋは用いる光の真空中で
の波数である。この例では、コア径が大きいのでモード
の存在する点の集合は同軸周期構造が指数的に減衰する
解を持つ領域、すなわち図５に示したストップバンドに
ほぼ一致すると考えられる。比較のために一次元周期構
造におけるストップバンドを計算した結果を図６に示し
た。β／ｋ〜１以外の部分ではこれらの図は酷似してい
ることが分かる。また、ＴＭ波のストップバンドは、Ｔ
Ｅ波のストップバンドに含まれていることも確認でき
る。図７にｋ＝１．２ｋ₀とした場合、また、図８には
ｋ＝５．０ｋ₀とした場合の電界ないし磁界分布を示
す。図７あるいは図８のハッチ部分が高屈折率材料から
なる層（２ｎ＋１層）である。層の界面での電磁界のｒ
方向微分が不連続となっていることが確認できる。この
不連続は、数６から分かる様にβ／ｋが大きい場合に顕
著になっている。

【００１４】次に、第一の実施形態として、二酸化ケイ
素（ＳｉＯ２）でできた中空のパイプ状構造をもつ誘電
体を用いた例で、特に真空中での波長１．５５μｍの光
をＴＭモードで用いる場合を説明する。クラッド層の周
期構造は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と真空でできてい
るものとする。このとき、中心の中空部分の直径が、
１．４８μｍで、厚さ０．７４μｍの二酸化ケイ素（Ｓ
ｉＯ２）層でできた中空のパイプの回りに厚さ０．７４
μｍの真空層を同心円状に交互に複数層形成する事によ
って、同軸周期構造光導波路を形成するものである。こ
の場合、真空の屈折率は、１．０であるのに対し、二酸
化ケイ素（ＳｉＯ２）層の屈折率は１．４５であり、β
／ｋ₀は０．２６程度である。このとき、中心部の真空
層に６０．６％の光エネルギーが、またその近くの真空
層に概略９．５％の光エネルギーが分布し、都合約７０
％の光が真空層に分布することになる。真空層では、波
長多重通信やレーザ加工などに用いる大出力レーザ光の
伝送などで応用上問題となるポッケルス効果やカー効果
などの非線形現象により多重通信のチャネル間に起こる
信号の干渉やパルス波形の乱れ等が発生するという問題
がないので、これらの非線形効果を低減できることが、
本実施形態の利点である。

【００１５】また、上記の例では、二酸化ケイ素（Ｓｉ
Ｏ２）と真空層を用いる例を説明したが、この真空層の
代わりに、空気や不活性ガスなどの気体層を用いても、
ほぼ同様の効果が得られることは明らかである。

【００１６】次に、固体物質によりコア部分とクラッド
部分を構成した例を、第二の実施形態として具体的に説
明する。ヘリウムネオンレーザーによる波長０．６３３
ミクロン光での屈折率は、リチウムナイオベイト（Ｌｉ
ＮｂＯ３）では、２．２９で、二酸化ケイ素では、１．
４３である。従って、波長０．６３３μｍ光の光導波路
として用いることができる同軸周期構造は、低屈折材料
として直径０．４８４μｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）
の細線をコアとし、その回りに高屈折率材料として厚さ
０．１２１μｍのリチウムナイオベイト（ＬｉＮｂＯ
３）層と厚さ０．１２１μｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ
２）層を同心円状に交互に堆積した層をクラッドとする
ことにより実現することができる。実用的には、それぞ
れ８層程度堆積させるが、より損失の少ない光導波路と
するには、さらに多くの層数をもった構造とすることが
望ましい。このような構造は、既に良く知られた堆積技
術を用いて容易に製造することができる。ＴＭモードの
場合、β／ｋ₀は０．２４程度である。

【００１７】また、この実施形態では、コア部分に低屈
折率材料を用いる例を示したが、コア部分に高屈折率材
料を用いて、クラッド層には上記と同様な周期構造を形
成することによっても、高い光閉じ込め効果が得られる
ことは明らかである。

【００１８】さらに第一の実施形態のようにコアの部分
が真空あるいは気体の場合は、固体の場合に比べて、一
般にコア径を大きく取れるので、このような光導波路を
光の入出力部分で用い、中間ではコアが固体で構成され
た光導波路を用いるることにより、容易に高い光エネル
ギーを伝送することができる。

【００１９】次に、第三の実施形態として、同軸周期構
造光導波路により、光フィルタを構成する例を説明す
る。これには、上記した、第一ないし第二の実施形態の
構造をもった同軸周期構造光導波路を充分長くすること
により、ストップバンド以外の望ましくない波長の光を
その導波路の外部に漏洩させることができることを用い
て、フィルタとして機能させるものである。特に、コア
部分を低屈折率材料を用いて形成し、その回りに複数の
低屈折材料層と高屈折率材料層を持った繰り返し層で同
軸周期構造とした光導波路では、ストップバンド以外の
望ましくない波長の光をその導波路の外部に漏洩させる
事が容易となり、フィルタとしての特性が向上する。こ
のため、第二の実施形態のように、コア部分に二酸化ケ
イ素（ＳｉＯ２）を用いた場合の方が、コア部分にリチ
ウムナイオベイト（ＬｉＮｂＯ３）を用いた場合の方よ
りも良好な結果が得られる。同軸周期構造光導波路の長
さが長くなるに従って、その分離能力は向上するので、
光フィルタを構成するためのその長さは、目的とする光
フィルタの特性に合わせて調整する事が望ましい。

【００２０】

【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。

【００２１】請求項１に記載の発明では、同軸周期構造
を持ったクラッド部分が高い反射率を示す波長の光をコ
ア部分に伝搬させることにより、コア部分への伝搬光の
閉じ込めが起こり、低損失で光を伝搬させることができ
るようになった。

【００２２】また、請求項２に記載の発明では、コア部
分を伝搬する光は、クラッド部分でブラッグ反射がおき
るため、コア部分への伝搬光の閉じ込めが起こり、低損
失で光を伝搬させることができるようになった。

【００２３】さらに、請求項３に記載の発明では、請求
項１に記載の同軸周期構造光導波路が選択的な伝搬特性
を持つことを利用して、光フィルタが容易に実現できる
ようになった。

【００２４】また、請求項４に記載の発明では、ストッ
プバンド以外の光を積極的に漏洩させる構造とすること
により良好な光フィルタ特性を実現できる様になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示すための、同軸周期構造光導
波路の構造を示す図である。

【図２】同軸周期構造光導波路が半径方向に周期的構造
を持つことを示す図である。

【図３】周期構造の層の厚さ、ａおよびｂ、と屈折率
は、ｋ₀ａ＝ｋ₀ｂ＝１．０、（ε_II／ε_I）²＝２．０を
満足するものとし、コアの半径、ｃは、ｋ₀ｃ＝１の場
合に、横軸ｋ／ｋ₀に依存する縦軸β／ｋを示す図であ
る。

【図４】周期構造の層の厚さ、ａおよびｂ、と屈折率
は、ｋ₀ａ＝ｋ₀ｂ＝１．０、（ε_II／ε_I）²＝２．０を
満足するものとし、コアの半径、ｃは、ｋ₀ｃ＝５の場
合に、横軸ｋ／ｋ₀に依存する縦軸β／ｋを示す図であ
る。

【図５】同軸周期構造光導波路のクラッド部分のストッ
プバンドを示す図である。

【図６】一次元周期構造におけるストップバンドを示す
図である。

【図７】ｋ＝１．２ｋ₀とした場合の電界ないし磁界分
布を示す図である。

【図８】ｋ＝５．０ｋ₀とした場合の電界ないし磁界分
布を示す図である。

【符号の説明】

１コア２クラッド３低屈折率層４高屈折率層

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年２月４日（２０００．２．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空、気体、液体、固体、固溶体のいず
れかであるかを問わない概略円柱あるいは線状のコア部
分と、該コア部分の同軸の周りに概略均一に形成された
クラッド部分とからなる光導波路において、クラッド部
分は、少なくとも３回の比較的高屈折率部分と比較的低
屈折率部分の繰返しを持った層とを含む事を特徴とする
同軸周期構造光導波路。
【請求項２】請求項１に記載の同軸周期構造光導波路
において、比較的高屈折率部分と比較的低屈折率部分の
繰返しを持った層は、概略コア部分を伝搬する光のブラ
ッグ反射を引き起こす事を特徴とする同軸周期構造光導
波路。
【請求項３】請求項１に記載の同軸周期構造光導波路
に入力した光の、特定の波長成分の光、あるいは特定の
偏波成分の光のみの出力を得ることを特徴とする光フィ
ルタ。
【請求項４】請求項３に記載の光フィルタにおいて、
同軸周期構造光導波路のコア部分は、比較的低屈折率材
料により形成されている事を特徴とする光フィルタ。