JP2003107255A - 単一モード光ファイバ - Google Patents

単一モード光ファイバ

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JP2003107255A
JP2003107255A JP2001303740A JP2001303740A JP2003107255A JP 2003107255 A JP2003107255 A JP 2003107255A JP 2001303740 A JP2001303740 A JP 2001303740A JP 2001303740 A JP2001303740 A JP 2001303740A JP 2003107255 A JP2003107255 A JP 2003107255A
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rod
lattice
hollow
mode optical
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Satoki Kawanishi
悟基 川西
Hirokazu Kubota
寛和 久保田
Kazunobu Suzuki
和宣 鈴木
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Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 既存の光通信網への接続が容易となり、従来
のガラスコアでは光の伝搬が困難である波長領域や、入
力光強度に対する緩和などが得られる単一モード光ファ
イバを提供する。 【解決手段】 単一モード光ファイバは、中空のコア部
１、フォトニックバンドギャップ構造のブラッグ回折格
子を形成するために規則的に配置された長手方向に棒状
の格子部２、各格子部間を相互に接続して保持する薄壁
状の格子間結合部３、およびジャケット４を有する。１
つの棒状のガラスロッドを３つの中空のガラス管が支え
た配置のものを複数有する光ファイバ母材を加熱しなが
らファイバの線引きを行うことによって、棒状の格子部
２を支える中空のガラス管が溶融して一体化して薄壁状
となった格子間結合部３が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信ネットワー
クに用いられる単一モード光ファイバに関し、特にクラ
ッド部にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を
有する単一モード光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】図７はクラッド部にフォトニックバンド
ギャップ構造の回折格子を有する従来の光ファイバの断
面構造を示す。ここで、１１は光ファイバの中心部に位
置するコア、１２はコアの周囲を取り巻くフォトニック
バンドギャップ構造の回折格子を有するフォトニックバ
ンドギャップクラッド、１３は外側の保護用のジャケッ
トである。
【０００３】図８は上記フォトニックバンドギャップク
ラッド１２の詳細構成を示す。一般に、三次元のフォト
ニックバンドギャップ構造とは、光を全方向にブラッグ
反射する回折格子であり、図８に示すように、回折格子
の格子定数ｄを、伝搬する媒質内光波長程度に設定する
ことで実現される。
【０００４】フォトニックバンドギャップを構成する結
晶格子の構成としては、図８の実現例に示したような三
角形状の格子以外にもいくつかの構成が考えられる。図
９はフォトニックバンドギャップを構成する結晶格子の
構成例を示す。図９の（Ａ）は、屈折率の低い媒質中に
埋め込まれた屈折率の高い正方形状の格子構造を示す。
図９の（Ｂ）は、屈折率の高い媒質中に埋め込まれた屈
折率の低い正方形状の格子構造を示す。図９の（Ｃ）
は、屈折率の低い媒質中に埋め込まれた屈折率の高い三
角形状の格子構造を示す。図９の（Ｄ）は、屈折率の高
い媒質中に埋め込まれた屈折率の低い三角形状の格子構
造を示す。図９の（Ｅ）は、屈折率の低い媒質中に埋め
込まれた屈折率の高いハニカム状（蜂の巣状、亀甲模様
状）の格子構造を示す。
【０００５】また、格子の形状として、図８や図９で
は、円柱または円孔の格子構造を仮定しているが、これ
も円柱や円孔に限定されることはなく、三角柱または三
角孔、四角柱または四角孔、六角柱または六角孔などの
形状を有する格子構造においてもフォトニックバンドギ
ャップを実現することが可能である。
【０００６】参考文献［０］： J. D. Joannopoulous e
t al., Photonic Crystals, Princeton University Pre
ss, pp. 122-126, 1995によれば、これら格子構造で
は，フォトニックバンドギャップが存在していて、その
ために光の閉じ込めが行われることが示されている。
【０００７】実際に、フォトニックバンドギャップ構造
をコアの周囲に設けてクラッドとすると、光はコアに強
く閉じ込められる。従って、光をある構造中を導波させ
たい時には、図８に示すように、その構造の周囲１２を
フォトニックバンドギャップ構造とすることによって、
光をその構造内に閉じこめて伝搬させることができる。
つまり、このフォトニックバンドギャップ構造１２を光
ファイバのコア１１の周囲に配置して、これにより光フ
ァイバのコア１１の中心から半径方向に光が伝搬しない
ように閉じ込めを行う。
【０００８】この場合は、図７に示すように、この光フ
ァイバの断面を見た場合には、格子状の構造を有し、長
さ方向には同一の構造を維持する。すなわち、この光フ
ァイバの断面は、（光ファイバの作成プロセスによる形
状のゆらぎを無視すれば）、至る所同じ構造であり、光
ファイバの長さ方向に直交または斜交するような構造は
存在しない。
【０００９】特に、コア部分１１の屈折率を周囲１２の
屈折率よりも低くした場合には、光はフォトニックバン
ドギャップ構造によるブラッグ回折のみによって、コア
１１内に閉じ込められる。これは、現在実用に用いられ
ている単一モード光ファイバではコア部分の屈折率がそ
の周囲の屈折率よりも高い構造であり、光は屈折率差に
よる全反射によってコア内に閉じ込められるのと、異な
る原理である。
【００１０】ブラッグ回折を利用した上記原理に基づく
光ファイバの実現例は、 参考文献［１］：R. F. Cregan et al., "Single-mode
photonic band gap guidance of light in air," Scien
ce, vol. 285, pp. 1537-1539, 1999、および 参考文献［２］：J. A. West et al., "Demonstration
of an IR-optimized air-core photonic band-gap fibe
r, " Tech. Digest of ECOC 2000, vol. 4, pp.41-42,
2000で報告されている。
【００１１】このようなフォトニックバンドギャップ構
造をクラッドに用いた光ファイバにおいては、従来の全
反射による光ファイバよりもより効果的に高次モードの
抑圧を行うことが可能であり、またコア径を拡大しても
単一モード条件の維持が可能であるなどの優れた利点が
ある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ようなフォトニックバンドギャップを有する従来の光フ
ァイバを実際に高速光通信に用いようとする場合には、
以下に示すような課題が発生する。
【００１３】上記の参考文献［１］の図３の（Ａ），
（Ｂ）および参考文献［２］の図１の（ａ）に示すファ
イバの構造においては、ガラスに正三角形状に配列され
た空孔格子を形成し、コア部分の７個の空孔を取り除い
て、この部分を空気コアとした形状となっている。ここ
で問題は、この構造の光ファイバに光を導波させる場合
に、基底モードがコア中心にピークを有する同心円状の
モードではないという点である。下記の表１は有限要素
法を用いてこの構造に存在可能な光電界分布の固有モー
ドを固有値が高い順に示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】上記の表１の中で、Ｅで定義される量は、 Ｅ＝（コア中心部の光強度）／（ファイバ全体中で光強度最大となる光強度） …（１） である。すなわち、Ｅ＝１となるモードはコア中心にピ
ークを有する同心円状のモードである。
【００１６】表１を見ると、基底モードのコア中心部の
光強度は、ファイバ幅で最大にはならない。現在実用に
用いられている単一モード光ファイバでは、基底モード
はコアの中心をピークとする同心円状のモードであるの
に対して、表１は異なったモード分布となっている。通
常、単一モード光ファイバなどの光導波路に光信号を伝
搬させる場合には、モードの安定性の観点から、基底モ
ードが用いられる。これは、基底モードがエネルギー的
に最も安定であり、かつ光強度の導波路内分布が単純で
あるために接続などが容易であるからである。この基底
モードのみが伝搬可能な導波路構造にすることによっ
て、安定な光信号の伝搬が可能である。
【００１７】ところが、従来例のフォトニックバンドギ
ャップを有する光ファイバにおいては、コアの中心をピ
ークとする同心円状のモードは高次モードとなるため
（表１では、第１２高調波）、このモードが伝搬可能な
ファイバは必然的に多モードファイバとならざるを得な
い。多モードファイバ中に高速光信号を伝搬させると、
多モード分散による光信号波形の劣化が生じて、信号の
速度を上げることができない、およびファイバの接続損
失が増加するなどの点が生じていた。
【００１８】一方、基底モードがコアの中心をピークと
する同心円状のモードであるフォトニックバンドギャッ
プを有する光ファイバの構造が、参考文献［３］：牛島
他；「フォトニック結晶ファイバの導波モード評価」１
９９８年電子情報通信学会総合大会Ｎo. C-3-121、ｐ28
7 で提案されている。
【００１９】図１０は参考文献［３］で提案された光フ
ァイバの断面構造を示す。この光ファイバは、空気穴状
の中空のコアと、ガラスロッドを格子状に配置したクラ
ッドとからなる。
【００２０】しかしながら、図１０に示す構造のもの
は、空気中にガラスロッドが浮いた状態の構造のもので
あり、ガラスロッドを格子位置に保持する機構を有しな
い、あくまでシミュレーション用の架空の構造であっ
て、現実に本構造を実現することはできない。
【００２１】本発明は、上述の従来技術の課題に鑑みて
なされたもので、その目的は、既存の光通信網への接続
が容易となり、従来のガラスコアでは光の伝搬が困難で
ある波長領域や、入力光強度に対する緩和などが得られ
る単一モード光ファイバを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記参考文献
［３］の格子構造の特徴である、基底モードがコアの中
心をピークとする同心円状のモードであるフォトニック
バンドギャップを有する光ファイバの構造を現実に実現
する手段として、その各格子位置に存在するブラック回
折格子を形成するためのガラスロッドをファイバ内に固
定するための、これらガラスロッドを相互に接続する接
続構造を設けたことを特徴とする。
【００２３】即ち、上記目的を達成するため、本発明の
単一モード光ファイバは、中空のコア部の周囲にクラッ
ド部を有する単一モード光ファイバであって、前記クラ
ッド部にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を
有し、前記回折格子はブラッグ回折格子を形成するため
に規則的に配置された長手方向に棒状の複数の格子部か
らなり、各前記棒状の格子部は薄壁で相互に接続される
とともに、各棒状の格子部間に中空部を有することを特
徴とする。
【００２４】ここで、前記薄壁は光ファイバ断面におい
てハニカム形状であり、前記ハニカム形状はその六角形
の頂点のうち１つおきの３つの頂点部分に前記棒状の格
子部をそれぞれ配置した単位形状を含むことを特徴とす
ることができる。
【００２５】また、前記薄壁は光ファイバ断面において
ハニカム形状であり、前記ハニカム形状はその六角形の
各頂点部分に前記棒状の格子部をそれぞれ配置した単位
形状を含むことを特徴とすることができる。
【００２６】また、前記薄壁は、１つの棒状の格子部を
３つの中空の管が支えた配置のものを複数有する光ファ
イバ母材を加熱しながら、ファイバの線引きを行うこと
によって、前記棒状の格子部を支える前記中空の管が溶
融して一体化して形成された薄壁であることを特徴とす
ることができる。
【００２７】また、前記中空のコア部は、前記棒状の格
子部を支える前記中空の管よりも径の大きな中空の管か
ら形成されたものであることを特徴とすることができ
る。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
【００２９】（第１の実施形態）図１は本発明の第１の
実施形態の単一モード光ファイバの断面構造を示す。こ
こで、１は光ファイバの中心部に位置する中空のコア
部、２は中空のコア部１の周囲を取り巻くフォトニック
バンドギャップ構造のブラッグ回折格子を形成するため
に規則的に配置された長手方向に棒状の格子部、３は各
格子部２間を相互に接続して保持する薄壁状の格子間結
合部、４は外側の保護用のジャケットである。
【００３０】格子部２と格子間結合部３とでコア部１を
取り巻くフォトニックバンドギャップクラッドを構成し
ており、各格子部２間には中空部を有する。薄壁状の格
子間結合部３は、単一モード光ファイバの断面でハニカ
ム形状をしており、このハニカム形状の六角形の頂点の
うち、１つおきの３つの頂点部分に棒状の格子部２を配
置している。棒状の格子部２としては、例えばガラスロ
ッドを用いることができる。また、回折格子の格子定
数、すなわち各格子部２間の距離（格子間隔）ｄは、伝
搬する媒質内光波長程度ないし、その数倍程度に設定す
る。
【００３１】コア部１は中空であるので、その屈折率
（空気であるので、１．０）はその周囲のガラスロッド
等の格子部２の屈折率（シリカの場合は、１．４５）よ
りも低い。これにより、光はフォトニックバンドギャッ
プ構造によるブラッグ回折のみによって、コア部１内に
閉じ込められる。そのとき、安定した基底モードを、コ
アの中心をピークとする同心円状のモードと一致させる
ことができるため、現在実用されている単一モード光フ
ァイバと同じようなモード分布およびモードの安定性で
光に対する閉じ込めを行うことができる。
【００３２】このように、本発明における基本的な光の
閉じ込め効果は参考文献［３］について説明した従来技
術と同じである。本発明の内容の主要部分は、フォトニ
ックバンドギャップクラッドの格子の構成にある。図１
の構成は、参考文献［１］、および参考文献［２］に示
す従来技術における格子配列（ガラスに格子孔が配置さ
れている）とは異なり、中空のコア、クラッドを有する
光ファイバであって、クラッド部分の格子点の位置にガ
ラスなど中実の格子部２が配置されている点である。こ
れは参考文献［３］に示されている構造と同様の格子の
配置であるが、さらに本発明の構造では、格子部２を光
ファイバ内に固定するため、格子間結合部３で格子部２
を支える構成となっている。この格子間結合部３を例え
ばガラスで形成して格子部２を支えることによって、フ
ォトニックバンドギャップを形成する回折格子を作り出
すことができる。
【００３３】格子間結合部３は、例えばガラス管を利用
することによって容易に実現できる。具体的には、後述
のように、１つの棒状のガラスロッドを３つの中空のガ
ラス管が支えた配置のものを複数有する光ファイバ母材
を加熱しながらファイバの線引きを行うことによって、
棒状の格子部２を支える中空のガラス管が溶融して一体
化して薄壁状となった格子間結合部３が形成される。
【００３４】なお、図１では３のガラス管部はコア部１
から二層形成されているが、この層数は３以上であって
もよい。
【００３５】また、図１において、格子部２は六角形格
子状をした格子間結合部３の格子点の一つおきづつに配
置されているが、図２に示すように、この配置を各格子
点すべてに格子部２を配置した六角形配列としてもよ
い。
【００３６】（第２の実施形態）図３は本発明の第２の
実施形態の単一モード光ファイバの断面構造を示す。本
構成ではコア部１が、中心の二層の格子がない、中空の
領域となっている。本構成においても、コア部１の周囲
にフォトニックバンドギャップを形成する図１と同様な
構造の回折格子を設けることによって単一モード光ファ
イバを実現することができる。
【００３７】なお、図３において、格子部２は六角形格
子状をした格子間結合部３の格子点の一つおきづつに配
置されているが、図４に示すように、この配置を各格子
点すべてに格子部２を配置した六角形配列としてもよ
い。
【００３８】（第３の実施形態）図５は本発明の単一モ
ード光ファイバの作成方法を説明するための断面図であ
る。ここで、５はコア用ガラス管、６はガラスロッド、
７はガラス管、８はジャケット管である。本発明の構造
ではブラッグ回折格子を形成するためのガラスロッド６
をジャケット管８内に固定するため、コア用ガラス管５
およびガラス管部７でガラスロッド６を支える構成とな
っている。図５を見るとわかるように、ガラスロッド６
は、３個のガラス管７が接する間隙に配置されている。
また、コア直近のガラスロッドを支えるため、コア部に
はガラス管７に用いられるものよりも径の大きなガラス
管５を挿入している。ガラスロッド６によって回折格子
を構成する際には、ガラス管５および７は強度上問題の
ない範囲でできるだけ肉薄のものを用いた方がより参考
文献［３］に示す構成に近い格子が実現できる。
【００３９】このようにしてジャケット管８の内部にコ
ア用ガラス管５、ガラスロッド６、ガラス管７を配置し
て母材とし、この母材を加熱しながらファイバの線引き
（加工）を行うことによって、ガラス管５および７とガ
ラスロッド６は溶融して一体化し、図１に示すような構
造の光ファイバを作成することができる。
【００４０】なお、図５において、ガラスロッド６はガ
ラス管７が接する間隙の１つおきに配置された三角形配
列となっているが、図６に示すように、この配置をガラ
ス管７が接する間隙の全てにガラスロッド６を配置した
六角形配列としてもよい。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
安定した基底モードを、コアの中心をピークとする同心
円状のモードと一致させることができるため、現在実用
されている単一モード光ファイバと同じようなモード分
布およびモードの安定性で光に対する閉じ込めを行うこ
とができる。
【００４２】このため、本発明によれば、既存の光通信
網への接続が容易になることに加えて、コアが中空であ
るため、ガラスコアでは光の伝搬が困難である波長領域
や、入力光強度の緩和などが期待でき、光通信や光機能
部品に用いられることによって極めて大きな効果が期待
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の単一モード光ファイ
バの断面構造を示す縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の変形例を示す縦断面
図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の単一モード光ファイ
バの断面構造を示す縦断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の変形例を示す縦断面
図である。
【図５】本発明の単一モード光ファイバの作成方法を説
明するための縦断面図である。
【図６】本発明の単一モード光ファイバの作成方法の変
形例を示す縦断面図である。
【図７】クラッド部にフォトニックバンドギャップ構造
の回折格子を有する従来の光ファイバの断面構造を示す
縦断面図である。
【図８】従来の光ファイバのフォトニックバンドギャッ
プの構成を示す拡大図である。
【図９】フォトニックバンドギャップを構成する結晶格
子の構成例を示す概略図である。
【図１０】基底モードがコアの中心をピークとする同心
円状のモードであるフォトニックバンドギャップを有す
る光ファイバの構造を示す概念図である。
【符号の説明】
１ コア部 ２ 格子部 ３ 格子間結合部 ４ ジャケット ５ コア用ガラス管 ６ ガラスロッド ７ ガラス管 ８ ジャケット管 １１ コア １２ フォトニックバンドギャップクラッド １３ ジャケット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 和宣 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 2H050 AA01 AB03Y AC09 AC34 AC64 AD16 4G021 BA00

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 中空のコア部の周囲にクラッド部を有す
    る単一モード光ファイバであって、 前記クラッド部にフォトニックバンドギャップ構造の回
    折格子を有し、 前記回折格子はブラッグ回折格子を形成するために規則
    的に配置された長手方向に棒状の複数の格子部からな
    り、 各前記棒状の格子部は薄壁で相互に接続されるととも
    に、各棒状の格子部間に中空部を有することを特徴とす
    る単一モード光ファイバ。
  2. 【請求項２】 前記薄壁は光ファイバ断面においてハニ
    カム形状であり、 前記ハニカム形状はその六角形の頂点のうち１つおきの
    ３つの頂点部分に前記棒状の格子部をそれぞれ配置した
    単位形状を含むことを特徴とする請求項１に記載の単一
    モード光ファイバ。
  3. 【請求項３】 前記薄壁は光ファイバ断面においてハニ
    カム形状であり、前記ハニカム形状はその六角形の各頂
    点部分に前記棒状の格子部をそれぞれ配置した単位形状
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の単一モード光
    ファイバ。
  4. 【請求項４】 前記薄壁は、１つの棒状の格子部を３つ
    の中空の管が支えた配置のものを複数有する光ファイバ
    母材を加熱しながら、ファイバの線引きを行うことによ
    って、前記棒状の格子部を支える前記中空の管が溶融し
    て一体化して形成された薄壁であることを特徴とする請
    求項１ないし３のいずれかに記載の単一モード光ファイ
    バ。
  5. 【請求項５】 前記中空のコア部は、前記棒状の格子部
    を支える前記中空の管よりも径の大きな中空の管から形
    成されたものであることを特徴とする請求項４に記載の
    単一モード光ファイバ。
JP2001303740A 2001-09-28 2001-09-28 単一モード光ファイバ Pending JP2003107255A (ja)

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