JP2004335772A - 光増幅用フォトニッククリスタルファイバ - Google Patents
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Abstract
【課題】ＰＣＦに他のファイバと接続した際の接続損失を低減する。
【解決手段】光伝搬領域１４に希土類元素からなる添加物が添加されたコア部１２を形成する。コア部１２とコア部周囲の光伝搬領域１４との比屈折率差をΔ（％）とし、多孔部１６の細孔ピッチをΛ（μｍ）としたときに、細孔ピッチΛは９μｍ以下であり、且つ比屈折率差Δと細孔ピッチΛとは以下の２つの関係式
Δ≦０．２６５Λ２−２．３５Λ＋５．２０
Δ≦０．０５Λ２−０．４６Λ＋０．９３
を満足している。
【選択図】図２
【解決手段】光伝搬領域１４に希土類元素からなる添加物が添加されたコア部１２を形成する。コア部１２とコア部周囲の光伝搬領域１４との比屈折率差をΔ（％）とし、多孔部１６の細孔ピッチをΛ（μｍ）としたときに、細孔ピッチΛは９μｍ以下であり、且つ比屈折率差Δと細孔ピッチΛとは以下の２つの関係式
Δ≦０．２６５Λ２−２．３５Λ＋５．２０
Δ≦０．０５Λ２−０．４６Λ＋０．９３
を満足している。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅用フォトニッククリスタルファイバおよび光増幅器に関し、特に、他のファイバと接続した際の接続損失を低減する対策に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば特許文献１に開示されているように、ファイバ中心軸の周囲に該ファイバ中心軸方向に延びる多数の細孔を有する多孔部が形成され、この多孔部により囲まれるファイバ中心側（内側）を中実状に形成して該多孔部の内側に光を閉じ込めて伝搬させる、いわゆるフォトニッククリスタルファイバ（以下、ＰＣＦという）が公知となっている。このＰＣＦでは、上記多孔部の内側の領域が光伝搬領域とされる。そして、上記文献に開示されたＰＣＦでは、光増幅作用又は非線形光学効果を高めるべく、光伝搬領域の中央部に希土類元素をドープして、この希土類元素のドープ領域をコア部としており、このコア部を光が伝搬することにより、誘導放出を利用した光増幅作用を起こさせるようになっている。
【０００３】
一方、例えば非特許文献１には、ＰＣＦにおいて、コア部の直径をｄ、空孔間隔をΛとしたときに、ｄ／Λを調整することにより、光の波長によらず、光を単一モードで伝搬させることができることが示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−５５２３９号公報
【非特許文献１】
Ｎｉｅｌｓ Ａｓｇｅｒ Ｍｏｒｔｅｎｓｅｎ、Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒｓ、ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ、８ Ａｐｒｉｌ ２００２、Ｖｏｌ．１０、Ｎｏ．７、ｐｐ．３４１−３４８
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のものでは、いずれも他の光ファイバと接続した場合についてまで考慮しているわけではなく、例えば他の光ファイバと融着接続した際には、従来のＰＣＦでは、細孔が潰れてしまう等、接続損失が大きくなる虞があるという問題が生じる。
【０００６】
そこで、本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＰＣＦに他のファイバと接続した際の接続損失を低減しようとすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、接続する相手方の光ファイバのモードフィールドと同じ大きさのモードフィールドを有するＰＣＦとすると、接続損失を低減できることに着目してなされたもので、コア部と該コア部周囲の光伝搬領域との比屈折率差Δと、細孔ピッチΛとの関係を所定の関連性を持つように規定したものである。
【０００８】
具体的に、請求項１の発明は、シングルモード光ファイバ（以下、ＳＭＦという）に接続するための光増幅用フォトニッククリスタルファイバを前提として、ファイバ中心軸の周囲に、該ファイバ中心軸方向に延びる多数の細孔を有する多孔部が形成され、上記多孔部のファイバ中心側は、光が伝搬する光伝搬領域とされ、上記光伝搬領域には、希土類元素からなる添加物が添加されたコア部が形成され、上記コア部と該コア部周囲の光伝搬領域との比屈折率差をΔ（％）とし、上記多孔部の細孔ピッチをΛ（μｍ）としたときに、細孔ピッチΛは９μｍ以下であり、且つ上記比屈折率差Δと細孔ピッチΛとは以下の関係式（１）
Δ≦０．２６５Λ２−２．３５Λ＋５．２０ ・・・（１）
を満足している。
【０００９】
また、請求項２の発明は、分散シフト光ファイバ（以下、ＤＳＦという）に接続するための光増幅用フォトニッククリスタルファイバを前提として、ファイバ中心軸の周囲に、該ファイバ中心軸方向に延びる多数の細孔を有する多孔部が形成され、上記多孔部のファイバ中心側は、光が伝搬する光伝搬領域とされ、上記光伝搬領域には、希土類元素からなる添加物が添加されたコア部が形成され、上記コア部と該コア部周囲の光伝搬領域との比屈折率差をΔとし、上記多孔部の細孔ピッチをΛとしたときに、細孔ピッチが９μｍ以下であり、且つ上記比屈折率差Δと細孔ピッチΛとは以下の関係式（７）
Δ≦−０．１１９Λ２＋２．３７Λ−６．９９ ・・・（７）
を満足している。
【００１０】
また、請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、コア部と該コア部周囲の光伝搬領域との比屈折率差はゼロとされている。
【００１１】
また、請求項４の発明は、請求項１から３の何れか１項の発明において、細孔ピッチに対する細孔の直径の比は０．４５未満とされている。
【００１２】
また、請求項５の発明は、請求項１から３の何れか１項の発明において、コア部は、光伝搬領域の中央部のみに形成されている。
【００１３】
また、請求項６の発明は、請求項１から３の何れか１項の発明において、入力されたポンプ光は、シングルモードで伝搬される。
【００１４】
また、請求項７の発明は、請求項１から６の何れか１項の光増幅用フォトニッククリスタルファイバを備え、上記光増幅用フォトニッククリスタルファイバは、信号光及びポンプ光が入力される一方、増幅された信号光が出力される光増幅器である。
【００１５】
すなわち、請求項１の発明では、ＳＭＦに接続するための光増幅用ＰＣＦにおいて、多孔部の細孔ピッチを９μｍ以下としているので、曲げ損失が大きくなるのを防止することができる。つまり、光ファイバの曲げ損失は、該光ファイバを曲げたときに生ずる曲げ応力の影響を受ける。そして、ＰＣＦを同じ曲率半径に曲げた場合には、細孔ピッチが大きなものほど曲げ応力が大きくなるために、曲げ損失は細孔ピッチが大きいほど大きくなり、特に細孔ピッチが９μｍを越えると顕著となる。したがって、細孔ピッチを９μｍ以下とすることにより、曲げ損失の低い光増幅用ＰＣＦとすることができる。
【００１６】
また、上記細孔ピッチΛと、コア部及び光伝搬領域の比屈折率差Δとが、上記関係式（１）を満足するようにＰＣＦを構成しているので、ＳＭＦと接続した際の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない程度に抑えることができるとともに、信号光の増幅を高効率で行うことができる。つまり、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（１）を満足しているときには、上記接続損失が０．９ｄＢ以下の範囲内で比屈折率差Δを大きくすることができるために、増幅効率を高くすることができる。これにより、ＳＭＦと接続した際に、実用化する上で支障にならない程度の接続損失に抑えつつ、信号光の増幅を高効率で行うことができる。
【００１７】
したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとの関係が上記関係式（１）を満足するように設定することにより、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＳＭＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００１８】
また、請求項２の発明では、ＤＳＦに接続するための光増幅用ＰＣＦにおいて、多孔部の細孔ピッチΛを９μｍ以下としているので、曲げ損失が大きくなるのを防止することができる。つまり、光ファイバの曲げ損失は、該光ファイバを曲げたときに生ずる曲げ応力の影響を受ける。そして、同じ曲率半径にＰＣＦを曲げた場合には、細孔ピッチΛが大きなものほど曲げ応力が大きくなるために、曲げ損失は細孔ピッチが大きいほど大きくなり、特に細孔ピッチが９μｍを越えると顕著となる。したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下とすることにより、曲げ損失の低い光増幅用ＰＣＦとすることができる。
【００１９】
また、上記細孔ピッチΛと、コア部及び光伝搬領域の比屈折率差Δとが、上記関係式（７）を満足するようにＰＣＦを構成しているので、ＤＳＦと接続した際の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない程度に抑えることができるとともに、信号光の増幅を高効率で行うことができる。つまり、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（７）を満足しているときには、上記接続損失が０．９ｄＢ以下の範囲内で比屈折率差Δを大きくすることができるために、増幅効率を高くすることができる。これにより、ＤＳＦと接続した際に、実用化する上で支障にならない程度の接続損失に抑えつつ、信号光の増幅を高効率で行うことができる。
【００２０】
したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとの関係が上記関係式（７）を満足するように設定することにより、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＤＳＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ、安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００２１】
また、請求項３の発明では、コア部とその周囲の光伝搬領域との比屈折率差Δをゼロとしたので、比屈折率差Δによる光の閉じ込めが行われず、多孔部の細孔のみによる光の閉じ込めが行われる。したがって、コア部による光の増幅を行うことができるＰＣＦを細孔の配列等のみで容易に設計することができる。
【００２２】
また、請求項４の発明では、細孔ピッチに対する細孔の直径の比を０．４５未満としているので、波長の短い信号光でもシングルモードで伝搬させることができる。このため、シングルモードで伝搬する信号光を増幅することで、より高効率な光増幅作用を行うことができる。
【００２３】
また、請求項５の発明では、光伝搬領域の中央部のみにコア部を形成するようにしたので、光強度の強い中央部で信号光の増幅作用を起こさせることができる。この結果、信号光の増幅を効率よく行うことができる。
【００２４】
また、請求項６の発明では、ポンプ光がシングルモードで伝搬するようにしたので、高効率な光増幅作用を起こさせることができる。
【００２５】
また、請求項７の発明では、請求項１から６の何れか１項記載の増幅用ＰＣＦを備えた光増幅器に構成しているので、このＰＣＦでの信号光の増幅を行うことにより、高効率な光増幅を実現できる光増幅器を得ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る光増幅用ＰＣＦ１０はＳＭＦに接続するためのＰＣＦである。この光増幅用のＰＣＦ１０は、多数の細孔１６ａが形成された多孔部１６を備え、全体として石英からなる。
【００２８】
上記多孔部１６の各細孔１６ａは、ファイバ横断面内における中央部及び周縁部を除くこれらの中間部に形成されており、上記各細孔１６ａはファイバ中心軸方向に沿ってその全体に亘って連続して延びている。つまり、多孔部１６は、ファイバ中心軸の周囲に形成されている。これら各細孔１６ａは、図２（ａ）にも示すように、ファイバ横断面内において一定間隔の細孔ピッチΛをおいて規則的に、具体的には、互いに隣接する各細孔１６ａが正三角形をなすように三角格子パターンに配列されている。このように細孔１６ａが三角格子パターンに配置されることでフォトニック結晶構造が形成されている。
【００２９】
上記多孔部１６では、細孔ピッチΛが９μｍ以下に設定されている。すなわち、細孔ピッチΛは、０＜Λ≦９とされている。また、細孔ピッチΛに対する細孔１６ａの直径ｄの比ｄ／Λが０．４５よりも小さくなるように細孔ピッチΛ及び細孔１６ａの直径ｄが設定されている。例えば、ｄ／Λ＝０．４とすることができる。尚、この細孔ピッチΛとは、互いに隣接する細孔１６ａの中心間距離を表している。
【００３０】
上記多孔部１６の周囲、即ちファイバ横断面における周縁部には、中実状に形成された被覆部１８が設けられている。この被覆部１８は、多孔部１６を被覆保護する機能を果たす。
【００３１】
上記多孔部１６の内側、即ちファイバ横断面内における中央部は中実状に形成されており、この部位が光伝搬領域１４として形成されている。つまり、上記光伝搬領域１４は、上記多孔部１６によって囲まれたファイバ中心軸上に形成されるものである。そして、上記多孔部１６は、フォトニック結晶構造に形成されることで、その実効屈折率が純石英のそれよりも低いものとなっており、このことで、多孔部１６によって囲まれた光伝搬領域１４に光が閉じ込められるようになっている。
【００３２】
上記光伝搬領域１４の中央部には、ファイバ中心軸上に位置するようにコア部１２が形成されおり、このコア部１２は、光伝搬領域１４のおよそ３分の１の面積を占める横断面形状が円形に形成されている。コア部１２には、光増幅作用を起こさせるための添加物（第１の添加物）としてエルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素がドープされている。また、このコア部１２には、屈折率を調整するための添加物（第２の添加物）として、ボロン等がドープされている。このように、第２の添加物をドープするのは、Ｅｒ等の添加による比屈折率差Δの上昇を抑制するためである。特に、Ｅｒ等をより多くドープすべくアルミニウム（Ａｌ）等をドープすることがあり、この場合にはＡｌのドープによってさらに比屈折率差Δが上昇してしまうので、第２の添加物のドープが必要となる。そして、図２（ｂ）に示すように、本実施形態では、光伝搬領域１４におけるコア部１２の周囲に対するコア部１２の比屈折率差Δは約０％とされている。尚、上記第１の添加物としては、ネオジウム（Ｎｄ）、イッテリビウム（Ｙｂ）等であってもよく、またこれらとＥｒとを組み合わせたものであってもよい。
【００３３】
上記比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛは、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以内の範囲において以下の関係式、
Δ≦０．２６５Λ２−２．３５Λ＋５．２０ ・・・（１）
を満足するように設定されている。この関係式（１）は、図３に示す等高線図から導出されたものである。
【００３４】
ここで、この図３の説明をする。この図は、本実施形態に係るＰＣＦ１０にＳＭＦを接続したときの接続損失を比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛに対して示したものであり、図中の各境界線は接続損失の等高線を示している。この等高線図は、後述する接続損失を測定する実験により得られたデータを基に作成したものである。
【００３５】
同図には、接続損失が０．１ｄＢ以下、０．２ｄＢ以下、…、０．９ｄＢ以下であることを示す境界線が等高線として描かれている。これら接続損失の等高線は、いずれも同図において右肩上がりの曲線となっている。すなわち、一定の細孔ピッチΛに対し、比屈折率差Δが大きくなるほど接続損失が大きくなるということを示している。これは、比屈折率差Δが高いほど光の閉じ込めが強いために、ＳＭＦのモードフィールドと差ができることで接続損失が大きくなるものと考えられる。一方、一定の比屈折率差Δに対しては、細孔ピッチΛが小さくなるほど接続損失が大きくなるということを示している。これは、細孔ピッチΛが小さいほど光の閉じ込めが強いために、ＳＭＦのモードフィールドとの差ができることで接続損失が大きくなるものと考えられる。
【００３６】
そして、同図における左上側に現れている接続損失が０．１ｄＢ以下の領域では、ＳＭＦのモードフィールドと同じモードフィールドがＰＣＦ１０に形成されているものと推測される。つまり、ＰＣＦ１０には、これに接続されたＳＭＦのモードフィールドと同じモードフィールドが形成されることで、接続損失が低減されるものと考えられる。
【００３７】
同図において、接続損失が０．９ｄＢ以下となる範囲を示す境界線Ａ上の３点（Δ，Λ）＝ａ１（０，４．７）、ａ２（１．０，６．４）、ａ３（２．０，７．２）を通る２次曲線を導出したところ、この２次曲線はΔ＝０．２６５Λ２−２．３５Λ＋５．２０であったので、比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛが上記関係式（１）を満足しているときには、同図における境界線Ａよりも左上側の領域に属することとなる。したがって、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以下の範囲で、細孔ピッチΛが９μｍ以下のときには、接続損失が０．９ｄＢ以下となることが分かる。
【００３８】
また、上記比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛは、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以内の範囲で、細孔ピッチΛが９μｍ以下のときにおいて以下の関係式
Δ≦０．０５Λ２−０．４６Λ＋０．９３ ・・・（２）
を満足するように設定するのが好ましい。この関係式（２）は、同図において接続損失が０．２ｄＢ以下となる範囲を示す境界線Ｂ上の３点（Δ，Λ）＝ｂ１（０，６．２）、ｂ２（０．５２，８．２）、ｂ３（０．８４，９．０）を通る２次曲線を導出したところ、その２次方程式はΔ＝０．０５Λ２−０．４６Λ＋０．９３であったので、比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛが上記関係式（２）を満足しているときには、同図における境界線Ｂよりも左上側の領域に属することとなる。したがって、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以下の範囲で、細孔ピッチΛが９μｍ以下のときには、接続損失が０．２ｄＢ以下となることが分かる。
【００３９】
また、比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛは、以下の関係式
Δ＜１００×０．５×（２．４０４８×λｐ×Ｃ／（π×Λ×１．４５））２・・・（３）
を満足するように設定するのが好ましい。ここで、λｐはポンプ光の波長（μｍ）であり、Ｃは、Ｃ＝Λ／２ｂである。但し２ｂはコア部の直径である。この関係式（３）は、単一モードの条件式
【数１】
から導かれるものである。ここで、υｃは正規化周波数のカットオフ値、ｎ１はコアの屈折率である。そして、上記条件式（４）にυｃとして２．４０４８、ｎ１として石英の屈折率１．４５を代入することにより、上記関係式（３）が得られる。したがって、比屈折率差Δ、細孔ピッチΛ及びコア部１２の直径が上記関係式（３）を満足しているときには、入射した波長λｐのポンプ光を単一モードで伝搬させることができる。
【００４０】
以上説明したように本実施形態に係るＰＣＦ１０によれば、多孔部１６の細孔ピッチΛを９μｍ以下としているので、曲げ損失が大きくなるのを防止することができる。つまり、ＰＣＦ１０の曲げ損失は、該ＰＣＦ１０を曲げたときに生ずる曲げ応力の影響を受ける。そして、ＰＣＦ１０を同じ曲率半径に曲げた場合には、細孔ピッチΛが大きなものほど曲げ応力が大きくなるために、曲げ損失は細孔ピッチΛが大きいほど大きくなり、特に細孔ピッチが９μｍを越えると顕著となる。したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下とすることにより、曲げ損失の低いＰＣＦとすることができる。
【００４１】
また、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが、上記関係式（１）を満足するようにＰＣＦ１０を構成しているので、ＳＭＦと接続した際の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない程度に抑えることができるとともに、信号光の増幅を高効率で行うことができる。つまり、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（１）を満足しているときには、上記接続損失が０．９ｄＢ以下の範囲内で比屈折率差Δを大きくすることができるために、増幅効率を高くすることができる。
【００４２】
したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（１）を満足するように設定することにより、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＳＭＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００４３】
また、比屈折率差Δと細孔ピッチΛとが、さらに上記関係式（２）を満足するようにすると、ＳＭＦと接続した際の接続損失を０．２ｄＢ以下に抑えることができる。したがって、この場合には、ＳＭＦと同等の大きさのモードフィールドを有するＰＣＦ１０とすることができ、この結果、ＳＭＦに接続した際の接続損失を、ＳＭＦに従来の増幅用ＳＭＦを接続した際の接続損失と同等以下に抑えることができる。
【００４４】
また、本実施形態では、コア部１２とその周囲の光伝搬領域１４との比屈折率差Δをゼロとしたので、比屈折率差Δによる光の閉じ込めが行われず、多孔部１６の細孔１６ａのみによる光の閉じ込めが行われる。したがって、コア部１２による光の増幅を行うことができるＰＣＦ１０を細孔１６ａの配列等のみで容易に設計することができる。
【００４５】
また、本実施形態では、細孔ピッチΛに対する細孔１６ａの直径ｄの比ｄ／Λを０．４５未満としているので、波長の短い信号光でもシングルモードで伝搬させることができる。このため、シングルモードで伝搬する信号光を増幅することで、より高効率な光増幅作用を行うことができる。
【００４６】
また、本実施形態では、光伝搬領域１４の中央部のみにコア部１２を形成するようにしたので、光強度の強い中央部で信号光の増幅作用を起こさせることができる。この結果、信号光の増幅を効率よく行うことができる。
【００４７】
また、本実施形態に係るＰＣＦ１０を備えた光増幅器とすることにより、このＰＣＦ１０での信号光の増幅を行うことができて、高効率な光増幅を実現できる光増幅器を得ることができる。
【００４８】
【実施例】
次に、具体的に行った実験及び解析について説明する。
【００４９】
＜実験１＞
実験１に用いた光増幅用ＰＣＦ１０は、上記実施形態のものと同様の構成、即ちコア部１２にＥｒ及びボロンがドープされていて、比屈折率差Δがゼロに設定されている構成とした。また、細孔孔ピッチに対する細孔１６ａの直径ｄ／Λを、ｄ／Λ＝０．４とした。そして、このＰＣＦ１０に１．５５μｍの波長の光を伝送させた。
【００５０】
このとき、出射端面において図４に示すようなニアフィールドパターンが観測された。この図４に示すニアフィールドパターンは基本モードのものである。これはシングルモード動作していることを意味しているので、上記実施形態に係るＰＣＦ１０では、多孔部１６の細孔１６ａによって光が閉じ込められ、且つシングルモード動作することがわかる。したがって、上記実施形態によれば、シングルモードで伝搬する信号光を増幅することができ、これにより高効率な光増幅作用を発揮させることができる。
【００５１】
＜実験２＞
次に、上記実験１に用いたＰＣＦ１０をＳＭＦと接続し、このときの接続損失を測定する実験を行った。この実験では、まず図５（ａ）に示すように、長さ１ｍのＰＣＦ１０を、波長１．５５μｍの光を出射する光源２１と、この光のパワーを測定する光パワーメータ２３とに接続し、この光のパワーを参照光のパワーとして測定した。このとき光パワーメータ２３によって検出された参照光のパワーをＰ１とする。次に、図５（ｂ）に示すように、上記ＰＣＦ１０とＳＭＦ２５とを融着接続し、この融着接続された光ファイバ１０，２５を上記光源２１と光パワーメータ２３とに接続した。そして、上記同様に波長１．５５μｍの光を出射した。このとき、モニタ（図示省略）による側面観察により、図６に模式的に示すように、融着接続部において多孔部１６の細孔１６ａが潰れているにもかかわらず、両光ファイバ１０，２５間でそのコア部を光が伝搬している様子を確認した。また、光パワーメータ２３により光のパワーを検出し、このパワーをＰ２とした。そして、このパワーＰ２と参照光のパワーＰ１とから接続損失Ｌｏｓｓを以下の関係式
Ｌｏｓｓ＝Ｐ１−Ｐ２−ＳＭＦ（１ｍ）のロス ・・・（６）
を用いて導出した。
【００５２】
そして、比屈折率差Δ、細孔ピッチΛの異なる多数のＰＣＦについて同様に接続損失Ｌｏｓｓを測定し、これら多数のデータを用いて図３に示す等高線図を作成した。なお、この等高線図は、ｄ／Λ＝０．４の条件下で測定された結果から得られたものである。
【００５３】
＜実験３＞
次に、光増幅用ＰＣＦ１０をＤＳＦに接続し、上記同様に接続損失を測定する実験を行い、この実験結果を基に等高線図を作成した。この作成した等高線図を図７に示す。なお、この等高線図は、ｄ／Λ＝０．４の条件下で測定された結果から得られたものである。
【００５４】
上記等高線図では、接続損失が０．１ｄＢ以下、０．２ｄＢ以下、…、０．９ｄＢ以下であることを示す境界線が等高線として描かれている。これら接続損失の等高線は、いずれも同図において右肩上がりの曲線となっている。図中の中央上側に位置する領域は、接続損失が０．１ｄＢ以下の領域であり、この領域から左上側又は右下側に向かって次第に接続損失が増大している。上記接続損失が０．１ｄＢ以下の領域では、ＤＳＦのモードフィールドと同じモードフィールドがＰＣＦ１０に形成されているものと推測される。
【００５５】
同図において、接続損失が０．９ｄＢ以下となる範囲を示す境界線Ｃ上の３点（Δ，Λ）＝ｃ１（０，３．６）、ｃ２（１．０，４．３）、ｃ３（２．０，５．１）を通る２次曲線を導出したところ、この２次曲線はΔ＝−０．１１９Λ２＋２．３７Λ−６．９９であったので、比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛが以下の関係式
Δ≦−０．１１９Λ２＋２．３７Λ−６．９９ ・・・（７）
を満足しているときには、同図における境界線Ｃよりも左上側の領域に属することとなる。したがって、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以下の範囲で、細孔ピッチΛが９μｍ以下のときには、接続損失が０．９ｄＢ以下となることが分かる。
【００５６】
また、上記比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛは、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以内の範囲で、細孔ピッチΛが９μｍ以下のときにおいて以下の関係式
Δ≦０．１５９Λ２−１．２２Λ＋２．２４ ・・・（８）
Δ≧−０．０６０６Λ２＋１．２３Λ−５．７９ ・・・（９）
を満足するように設定するのが好ましい。上記関係式（８）は、同図における右下側において接続損失が０．２ｄＢ以下となる範囲を示す境界線Ｄ上の３点（Δ，Λ）＝ｄ１（０，４．７）、ｄ２（１．０，６．５）、ｄ３（２．０，７．５）を通る２次曲線の方程式から得られるものであり、また、上記関係式（５）は、同図における左上側において接続損失が０．２ｄＢ以下となる範囲を示す境界線Ｅ上の３点（Δ，Λ）＝ｅ１（０，７．４）、ｅ２（０．３８，９．０）、ｅ３（０．４６，１０．０）を通る２次曲線の方程式から得られるものである。したがって、比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛが上記関係式（８）又は（９）を満足しているときには、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以下の範囲であり、さらに細孔ピッチΛが９μｍ以下のときには、接続損失が０．２ｄＢ以下となることが分かる。
【００５７】
そして、多孔部１６の細孔ピッチΛを９μｍ以下とすることにより、曲げ損失が大きくなるのを防止することができる。つまり、ＰＣＦ１０を同じ曲率半径に曲げた場合には、細孔ピッチΛが大きくなものほど曲げ応力が大きくなるために、曲げ損失は細孔ピッチΛが大きいほど大きくなり、特に細孔ピッチが９μｍを越えると顕著となる。したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下とすることにより、曲げ損失の低いＰＣＦとすることができる。
【００５８】
また、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが、上記関係式（７）を満足するようにＰＣＦ１０を構成すると、ＤＳＦと接続した際の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない程度に抑えることができるとともに、信号光の増幅を高効率で行うことができる。つまり、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（７）を満足しているときには、上記接続損失が０．９ｄＢ以下の範囲内で比屈折率差Δを大きくすることができるために、増幅効率を高くすることができる。
【００５９】
したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（７）を満足するように設定することにより、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＤＳＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００６０】
また、比屈折率差Δと細孔ピッチΛとが、さらに上記関係式（８）及び（９）を満足するようにすると、ＤＳＦと接続した際の接続損失を０．２ｄＢ以下に抑えることができる。この場合には、ＤＳＦと同等の大きさのモードフィールドを有するＰＣＦ１０にすることができ、この結果、ＤＳＦに接続した際の接続損失を、ＤＳＦに従来の増幅用ＤＳＦを接続した際の接続損失と同等以下に抑えることができる。
【００６１】
その他の構成、作用及び効果は上記実施形態と同様とすることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次のような効果が得られる。すなわち、請求項１の発明のＰＣＦでは、光伝搬領域に希土類元素からなる添加物が添加されたコア部を形成し、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが関係式、Δ≦０．２６５Λ２−２．３５Λ＋５．２０を満足しているので、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＳＭＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００６３】
また、請求項２の発明によれば、光伝搬領域に希土類元素からなる添加物が添加されたコア部を形成し、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが関係式、Δ≦−０．１１９Λ２＋２．３７Λ−６．９９を満足しているので、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＤＳＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００６４】
また、請求項３の発明によれば、コア部とその周囲の光伝搬領域との比屈折率差Δをゼロとしたので、比屈折率差Δによる光の閉じ込めが行われず、多孔部の細孔のみによる光の閉じ込めが行われる。したがって、コア部による光の増幅を行うＰＣＦを細孔の配列等のみで容易に設計することができる。
【００６５】
また、請求項４の発明によれば、細孔ピッチに対する細孔の直径の比を０．４５未満としているので、波長の短い信号光でもシングルモードで伝搬させることができる。このため、シングルモードで伝搬する信号光を増幅することで、より高効率な光増幅作用を行うことができる。
【００６６】
また、請求項５の発明によれば、光伝搬領域の中央部のみにコア部を形成するようにしたので、光強度の強い中央部で信号光の増幅作用を起こさせることができる。この結果、信号光の増幅を効率よく行うことができる。
【００６７】
また、請求項６の発明によれば、ポンプ光がシングルモードで伝搬するようにしたので、高効率な光増幅作用を起こさせることができる。
【００６８】
また、請求項７の発明によれば、請求項１から６の何れか１項記載の増幅用ＰＣＦを備えた光増幅器に構成しているので、このＰＣＦでの信号光の増幅を行うことにより、高効率な光増幅を実現できる光増幅器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＰＣＦの構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、本発明の実施形態に係るＰＣＦの端面の要部を拡大して示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面における屈折率分布を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るＰＣＦにＳＭＦを接続したときの接続損失を示す等高線図である。
【図４】実験１で観測されたニアフィールドパターンを示す図である。
【図５】接続損失を測定する実験装置を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＰＣＦとＳＭＦとを融着接続した状態で観察された導波状況を示す概念図である。
【図７】ＰＣＦにＤＳＦを接続した場合における図３相当図である。
【符号の説明】
１２ コア部
１４ 光伝搬領域
１６ 多孔部
１６ａ 細孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅用フォトニッククリスタルファイバおよび光増幅器に関し、特に、他のファイバと接続した際の接続損失を低減する対策に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば特許文献１に開示されているように、ファイバ中心軸の周囲に該ファイバ中心軸方向に延びる多数の細孔を有する多孔部が形成され、この多孔部により囲まれるファイバ中心側（内側）を中実状に形成して該多孔部の内側に光を閉じ込めて伝搬させる、いわゆるフォトニッククリスタルファイバ（以下、ＰＣＦという）が公知となっている。このＰＣＦでは、上記多孔部の内側の領域が光伝搬領域とされる。そして、上記文献に開示されたＰＣＦでは、光増幅作用又は非線形光学効果を高めるべく、光伝搬領域の中央部に希土類元素をドープして、この希土類元素のドープ領域をコア部としており、このコア部を光が伝搬することにより、誘導放出を利用した光増幅作用を起こさせるようになっている。
【０００３】
一方、例えば非特許文献１には、ＰＣＦにおいて、コア部の直径をｄ、空孔間隔をΛとしたときに、ｄ／Λを調整することにより、光の波長によらず、光を単一モードで伝搬させることができることが示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−５５２３９号公報
【非特許文献１】
Ｎｉｅｌｓ Ａｓｇｅｒ Ｍｏｒｔｅｎｓｅｎ、Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒｓ、ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ、８ Ａｐｒｉｌ ２００２、Ｖｏｌ．１０、Ｎｏ．７、ｐｐ．３４１−３４８
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のものでは、いずれも他の光ファイバと接続した場合についてまで考慮しているわけではなく、例えば他の光ファイバと融着接続した際には、従来のＰＣＦでは、細孔が潰れてしまう等、接続損失が大きくなる虞があるという問題が生じる。
【０００６】
そこで、本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＰＣＦに他のファイバと接続した際の接続損失を低減しようとすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、接続する相手方の光ファイバのモードフィールドと同じ大きさのモードフィールドを有するＰＣＦとすると、接続損失を低減できることに着目してなされたもので、コア部と該コア部周囲の光伝搬領域との比屈折率差Δと、細孔ピッチΛとの関係を所定の関連性を持つように規定したものである。
【０００８】
具体的に、請求項１の発明は、シングルモード光ファイバ（以下、ＳＭＦという）に接続するための光増幅用フォトニッククリスタルファイバを前提として、ファイバ中心軸の周囲に、該ファイバ中心軸方向に延びる多数の細孔を有する多孔部が形成され、上記多孔部のファイバ中心側は、光が伝搬する光伝搬領域とされ、上記光伝搬領域には、希土類元素からなる添加物が添加されたコア部が形成され、上記コア部と該コア部周囲の光伝搬領域との比屈折率差をΔ（％）とし、上記多孔部の細孔ピッチをΛ（μｍ）としたときに、細孔ピッチΛは９μｍ以下であり、且つ上記比屈折率差Δと細孔ピッチΛとは以下の関係式（１）
Δ≦０．２６５Λ２−２．３５Λ＋５．２０ ・・・（１）
を満足している。
【０００９】
また、請求項２の発明は、分散シフト光ファイバ（以下、ＤＳＦという）に接続するための光増幅用フォトニッククリスタルファイバを前提として、ファイバ中心軸の周囲に、該ファイバ中心軸方向に延びる多数の細孔を有する多孔部が形成され、上記多孔部のファイバ中心側は、光が伝搬する光伝搬領域とされ、上記光伝搬領域には、希土類元素からなる添加物が添加されたコア部が形成され、上記コア部と該コア部周囲の光伝搬領域との比屈折率差をΔとし、上記多孔部の細孔ピッチをΛとしたときに、細孔ピッチが９μｍ以下であり、且つ上記比屈折率差Δと細孔ピッチΛとは以下の関係式（７）
Δ≦−０．１１９Λ２＋２．３７Λ−６．９９ ・・・（７）
を満足している。
【００１０】
また、請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、コア部と該コア部周囲の光伝搬領域との比屈折率差はゼロとされている。
【００１１】
また、請求項４の発明は、請求項１から３の何れか１項の発明において、細孔ピッチに対する細孔の直径の比は０．４５未満とされている。
【００１２】
また、請求項５の発明は、請求項１から３の何れか１項の発明において、コア部は、光伝搬領域の中央部のみに形成されている。
【００１３】
また、請求項６の発明は、請求項１から３の何れか１項の発明において、入力されたポンプ光は、シングルモードで伝搬される。
【００１４】
また、請求項７の発明は、請求項１から６の何れか１項の光増幅用フォトニッククリスタルファイバを備え、上記光増幅用フォトニッククリスタルファイバは、信号光及びポンプ光が入力される一方、増幅された信号光が出力される光増幅器である。
【００１５】
すなわち、請求項１の発明では、ＳＭＦに接続するための光増幅用ＰＣＦにおいて、多孔部の細孔ピッチを９μｍ以下としているので、曲げ損失が大きくなるのを防止することができる。つまり、光ファイバの曲げ損失は、該光ファイバを曲げたときに生ずる曲げ応力の影響を受ける。そして、ＰＣＦを同じ曲率半径に曲げた場合には、細孔ピッチが大きなものほど曲げ応力が大きくなるために、曲げ損失は細孔ピッチが大きいほど大きくなり、特に細孔ピッチが９μｍを越えると顕著となる。したがって、細孔ピッチを９μｍ以下とすることにより、曲げ損失の低い光増幅用ＰＣＦとすることができる。
【００１６】
また、上記細孔ピッチΛと、コア部及び光伝搬領域の比屈折率差Δとが、上記関係式（１）を満足するようにＰＣＦを構成しているので、ＳＭＦと接続した際の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない程度に抑えることができるとともに、信号光の増幅を高効率で行うことができる。つまり、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（１）を満足しているときには、上記接続損失が０．９ｄＢ以下の範囲内で比屈折率差Δを大きくすることができるために、増幅効率を高くすることができる。これにより、ＳＭＦと接続した際に、実用化する上で支障にならない程度の接続損失に抑えつつ、信号光の増幅を高効率で行うことができる。
【００１７】
したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとの関係が上記関係式（１）を満足するように設定することにより、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＳＭＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００１８】
また、請求項２の発明では、ＤＳＦに接続するための光増幅用ＰＣＦにおいて、多孔部の細孔ピッチΛを９μｍ以下としているので、曲げ損失が大きくなるのを防止することができる。つまり、光ファイバの曲げ損失は、該光ファイバを曲げたときに生ずる曲げ応力の影響を受ける。そして、同じ曲率半径にＰＣＦを曲げた場合には、細孔ピッチΛが大きなものほど曲げ応力が大きくなるために、曲げ損失は細孔ピッチが大きいほど大きくなり、特に細孔ピッチが９μｍを越えると顕著となる。したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下とすることにより、曲げ損失の低い光増幅用ＰＣＦとすることができる。
【００１９】
また、上記細孔ピッチΛと、コア部及び光伝搬領域の比屈折率差Δとが、上記関係式（７）を満足するようにＰＣＦを構成しているので、ＤＳＦと接続した際の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない程度に抑えることができるとともに、信号光の増幅を高効率で行うことができる。つまり、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（７）を満足しているときには、上記接続損失が０．９ｄＢ以下の範囲内で比屈折率差Δを大きくすることができるために、増幅効率を高くすることができる。これにより、ＤＳＦと接続した際に、実用化する上で支障にならない程度の接続損失に抑えつつ、信号光の増幅を高効率で行うことができる。
【００２０】
したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとの関係が上記関係式（７）を満足するように設定することにより、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＤＳＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ、安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００２１】
また、請求項３の発明では、コア部とその周囲の光伝搬領域との比屈折率差Δをゼロとしたので、比屈折率差Δによる光の閉じ込めが行われず、多孔部の細孔のみによる光の閉じ込めが行われる。したがって、コア部による光の増幅を行うことができるＰＣＦを細孔の配列等のみで容易に設計することができる。
【００２２】
また、請求項４の発明では、細孔ピッチに対する細孔の直径の比を０．４５未満としているので、波長の短い信号光でもシングルモードで伝搬させることができる。このため、シングルモードで伝搬する信号光を増幅することで、より高効率な光増幅作用を行うことができる。
【００２３】
また、請求項５の発明では、光伝搬領域の中央部のみにコア部を形成するようにしたので、光強度の強い中央部で信号光の増幅作用を起こさせることができる。この結果、信号光の増幅を効率よく行うことができる。
【００２４】
また、請求項６の発明では、ポンプ光がシングルモードで伝搬するようにしたので、高効率な光増幅作用を起こさせることができる。
【００２５】
また、請求項７の発明では、請求項１から６の何れか１項記載の増幅用ＰＣＦを備えた光増幅器に構成しているので、このＰＣＦでの信号光の増幅を行うことにより、高効率な光増幅を実現できる光増幅器を得ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る光増幅用ＰＣＦ１０はＳＭＦに接続するためのＰＣＦである。この光増幅用のＰＣＦ１０は、多数の細孔１６ａが形成された多孔部１６を備え、全体として石英からなる。
【００２８】
上記多孔部１６の各細孔１６ａは、ファイバ横断面内における中央部及び周縁部を除くこれらの中間部に形成されており、上記各細孔１６ａはファイバ中心軸方向に沿ってその全体に亘って連続して延びている。つまり、多孔部１６は、ファイバ中心軸の周囲に形成されている。これら各細孔１６ａは、図２（ａ）にも示すように、ファイバ横断面内において一定間隔の細孔ピッチΛをおいて規則的に、具体的には、互いに隣接する各細孔１６ａが正三角形をなすように三角格子パターンに配列されている。このように細孔１６ａが三角格子パターンに配置されることでフォトニック結晶構造が形成されている。
【００２９】
上記多孔部１６では、細孔ピッチΛが９μｍ以下に設定されている。すなわち、細孔ピッチΛは、０＜Λ≦９とされている。また、細孔ピッチΛに対する細孔１６ａの直径ｄの比ｄ／Λが０．４５よりも小さくなるように細孔ピッチΛ及び細孔１６ａの直径ｄが設定されている。例えば、ｄ／Λ＝０．４とすることができる。尚、この細孔ピッチΛとは、互いに隣接する細孔１６ａの中心間距離を表している。
【００３０】
上記多孔部１６の周囲、即ちファイバ横断面における周縁部には、中実状に形成された被覆部１８が設けられている。この被覆部１８は、多孔部１６を被覆保護する機能を果たす。
【００３１】
上記多孔部１６の内側、即ちファイバ横断面内における中央部は中実状に形成されており、この部位が光伝搬領域１４として形成されている。つまり、上記光伝搬領域１４は、上記多孔部１６によって囲まれたファイバ中心軸上に形成されるものである。そして、上記多孔部１６は、フォトニック結晶構造に形成されることで、その実効屈折率が純石英のそれよりも低いものとなっており、このことで、多孔部１６によって囲まれた光伝搬領域１４に光が閉じ込められるようになっている。
【００３２】
上記光伝搬領域１４の中央部には、ファイバ中心軸上に位置するようにコア部１２が形成されおり、このコア部１２は、光伝搬領域１４のおよそ３分の１の面積を占める横断面形状が円形に形成されている。コア部１２には、光増幅作用を起こさせるための添加物（第１の添加物）としてエルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素がドープされている。また、このコア部１２には、屈折率を調整するための添加物（第２の添加物）として、ボロン等がドープされている。このように、第２の添加物をドープするのは、Ｅｒ等の添加による比屈折率差Δの上昇を抑制するためである。特に、Ｅｒ等をより多くドープすべくアルミニウム（Ａｌ）等をドープすることがあり、この場合にはＡｌのドープによってさらに比屈折率差Δが上昇してしまうので、第２の添加物のドープが必要となる。そして、図２（ｂ）に示すように、本実施形態では、光伝搬領域１４におけるコア部１２の周囲に対するコア部１２の比屈折率差Δは約０％とされている。尚、上記第１の添加物としては、ネオジウム（Ｎｄ）、イッテリビウム（Ｙｂ）等であってもよく、またこれらとＥｒとを組み合わせたものであってもよい。
【００３３】
上記比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛは、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以内の範囲において以下の関係式、
Δ≦０．２６５Λ２−２．３５Λ＋５．２０ ・・・（１）
を満足するように設定されている。この関係式（１）は、図３に示す等高線図から導出されたものである。
【００３４】
ここで、この図３の説明をする。この図は、本実施形態に係るＰＣＦ１０にＳＭＦを接続したときの接続損失を比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛに対して示したものであり、図中の各境界線は接続損失の等高線を示している。この等高線図は、後述する接続損失を測定する実験により得られたデータを基に作成したものである。
【００３５】
同図には、接続損失が０．１ｄＢ以下、０．２ｄＢ以下、…、０．９ｄＢ以下であることを示す境界線が等高線として描かれている。これら接続損失の等高線は、いずれも同図において右肩上がりの曲線となっている。すなわち、一定の細孔ピッチΛに対し、比屈折率差Δが大きくなるほど接続損失が大きくなるということを示している。これは、比屈折率差Δが高いほど光の閉じ込めが強いために、ＳＭＦのモードフィールドと差ができることで接続損失が大きくなるものと考えられる。一方、一定の比屈折率差Δに対しては、細孔ピッチΛが小さくなるほど接続損失が大きくなるということを示している。これは、細孔ピッチΛが小さいほど光の閉じ込めが強いために、ＳＭＦのモードフィールドとの差ができることで接続損失が大きくなるものと考えられる。
【００３６】
そして、同図における左上側に現れている接続損失が０．１ｄＢ以下の領域では、ＳＭＦのモードフィールドと同じモードフィールドがＰＣＦ１０に形成されているものと推測される。つまり、ＰＣＦ１０には、これに接続されたＳＭＦのモードフィールドと同じモードフィールドが形成されることで、接続損失が低減されるものと考えられる。
【００３７】
同図において、接続損失が０．９ｄＢ以下となる範囲を示す境界線Ａ上の３点（Δ，Λ）＝ａ１（０，４．７）、ａ２（１．０，６．４）、ａ３（２．０，７．２）を通る２次曲線を導出したところ、この２次曲線はΔ＝０．２６５Λ２−２．３５Λ＋５．２０であったので、比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛが上記関係式（１）を満足しているときには、同図における境界線Ａよりも左上側の領域に属することとなる。したがって、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以下の範囲で、細孔ピッチΛが９μｍ以下のときには、接続損失が０．９ｄＢ以下となることが分かる。
【００３８】
また、上記比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛは、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以内の範囲で、細孔ピッチΛが９μｍ以下のときにおいて以下の関係式
Δ≦０．０５Λ２−０．４６Λ＋０．９３ ・・・（２）
を満足するように設定するのが好ましい。この関係式（２）は、同図において接続損失が０．２ｄＢ以下となる範囲を示す境界線Ｂ上の３点（Δ，Λ）＝ｂ１（０，６．２）、ｂ２（０．５２，８．２）、ｂ３（０．８４，９．０）を通る２次曲線を導出したところ、その２次方程式はΔ＝０．０５Λ２−０．４６Λ＋０．９３であったので、比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛが上記関係式（２）を満足しているときには、同図における境界線Ｂよりも左上側の領域に属することとなる。したがって、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以下の範囲で、細孔ピッチΛが９μｍ以下のときには、接続損失が０．２ｄＢ以下となることが分かる。
【００３９】
また、比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛは、以下の関係式
Δ＜１００×０．５×（２．４０４８×λｐ×Ｃ／（π×Λ×１．４５））２・・・（３）
を満足するように設定するのが好ましい。ここで、λｐはポンプ光の波長（μｍ）であり、Ｃは、Ｃ＝Λ／２ｂである。但し２ｂはコア部の直径である。この関係式（３）は、単一モードの条件式
【数１】
【００４０】
以上説明したように本実施形態に係るＰＣＦ１０によれば、多孔部１６の細孔ピッチΛを９μｍ以下としているので、曲げ損失が大きくなるのを防止することができる。つまり、ＰＣＦ１０の曲げ損失は、該ＰＣＦ１０を曲げたときに生ずる曲げ応力の影響を受ける。そして、ＰＣＦ１０を同じ曲率半径に曲げた場合には、細孔ピッチΛが大きなものほど曲げ応力が大きくなるために、曲げ損失は細孔ピッチΛが大きいほど大きくなり、特に細孔ピッチが９μｍを越えると顕著となる。したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下とすることにより、曲げ損失の低いＰＣＦとすることができる。
【００４１】
また、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが、上記関係式（１）を満足するようにＰＣＦ１０を構成しているので、ＳＭＦと接続した際の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない程度に抑えることができるとともに、信号光の増幅を高効率で行うことができる。つまり、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（１）を満足しているときには、上記接続損失が０．９ｄＢ以下の範囲内で比屈折率差Δを大きくすることができるために、増幅効率を高くすることができる。
【００４２】
したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（１）を満足するように設定することにより、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＳＭＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００４３】
また、比屈折率差Δと細孔ピッチΛとが、さらに上記関係式（２）を満足するようにすると、ＳＭＦと接続した際の接続損失を０．２ｄＢ以下に抑えることができる。したがって、この場合には、ＳＭＦと同等の大きさのモードフィールドを有するＰＣＦ１０とすることができ、この結果、ＳＭＦに接続した際の接続損失を、ＳＭＦに従来の増幅用ＳＭＦを接続した際の接続損失と同等以下に抑えることができる。
【００４４】
また、本実施形態では、コア部１２とその周囲の光伝搬領域１４との比屈折率差Δをゼロとしたので、比屈折率差Δによる光の閉じ込めが行われず、多孔部１６の細孔１６ａのみによる光の閉じ込めが行われる。したがって、コア部１２による光の増幅を行うことができるＰＣＦ１０を細孔１６ａの配列等のみで容易に設計することができる。
【００４５】
また、本実施形態では、細孔ピッチΛに対する細孔１６ａの直径ｄの比ｄ／Λを０．４５未満としているので、波長の短い信号光でもシングルモードで伝搬させることができる。このため、シングルモードで伝搬する信号光を増幅することで、より高効率な光増幅作用を行うことができる。
【００４６】
また、本実施形態では、光伝搬領域１４の中央部のみにコア部１２を形成するようにしたので、光強度の強い中央部で信号光の増幅作用を起こさせることができる。この結果、信号光の増幅を効率よく行うことができる。
【００４７】
また、本実施形態に係るＰＣＦ１０を備えた光増幅器とすることにより、このＰＣＦ１０での信号光の増幅を行うことができて、高効率な光増幅を実現できる光増幅器を得ることができる。
【００４８】
【実施例】
次に、具体的に行った実験及び解析について説明する。
【００４９】
＜実験１＞
実験１に用いた光増幅用ＰＣＦ１０は、上記実施形態のものと同様の構成、即ちコア部１２にＥｒ及びボロンがドープされていて、比屈折率差Δがゼロに設定されている構成とした。また、細孔孔ピッチに対する細孔１６ａの直径ｄ／Λを、ｄ／Λ＝０．４とした。そして、このＰＣＦ１０に１．５５μｍの波長の光を伝送させた。
【００５０】
このとき、出射端面において図４に示すようなニアフィールドパターンが観測された。この図４に示すニアフィールドパターンは基本モードのものである。これはシングルモード動作していることを意味しているので、上記実施形態に係るＰＣＦ１０では、多孔部１６の細孔１６ａによって光が閉じ込められ、且つシングルモード動作することがわかる。したがって、上記実施形態によれば、シングルモードで伝搬する信号光を増幅することができ、これにより高効率な光増幅作用を発揮させることができる。
【００５１】
＜実験２＞
次に、上記実験１に用いたＰＣＦ１０をＳＭＦと接続し、このときの接続損失を測定する実験を行った。この実験では、まず図５（ａ）に示すように、長さ１ｍのＰＣＦ１０を、波長１．５５μｍの光を出射する光源２１と、この光のパワーを測定する光パワーメータ２３とに接続し、この光のパワーを参照光のパワーとして測定した。このとき光パワーメータ２３によって検出された参照光のパワーをＰ１とする。次に、図５（ｂ）に示すように、上記ＰＣＦ１０とＳＭＦ２５とを融着接続し、この融着接続された光ファイバ１０，２５を上記光源２１と光パワーメータ２３とに接続した。そして、上記同様に波長１．５５μｍの光を出射した。このとき、モニタ（図示省略）による側面観察により、図６に模式的に示すように、融着接続部において多孔部１６の細孔１６ａが潰れているにもかかわらず、両光ファイバ１０，２５間でそのコア部を光が伝搬している様子を確認した。また、光パワーメータ２３により光のパワーを検出し、このパワーをＰ２とした。そして、このパワーＰ２と参照光のパワーＰ１とから接続損失Ｌｏｓｓを以下の関係式
Ｌｏｓｓ＝Ｐ１−Ｐ２−ＳＭＦ（１ｍ）のロス ・・・（６）
を用いて導出した。
【００５２】
そして、比屈折率差Δ、細孔ピッチΛの異なる多数のＰＣＦについて同様に接続損失Ｌｏｓｓを測定し、これら多数のデータを用いて図３に示す等高線図を作成した。なお、この等高線図は、ｄ／Λ＝０．４の条件下で測定された結果から得られたものである。
【００５３】
＜実験３＞
次に、光増幅用ＰＣＦ１０をＤＳＦに接続し、上記同様に接続損失を測定する実験を行い、この実験結果を基に等高線図を作成した。この作成した等高線図を図７に示す。なお、この等高線図は、ｄ／Λ＝０．４の条件下で測定された結果から得られたものである。
【００５４】
上記等高線図では、接続損失が０．１ｄＢ以下、０．２ｄＢ以下、…、０．９ｄＢ以下であることを示す境界線が等高線として描かれている。これら接続損失の等高線は、いずれも同図において右肩上がりの曲線となっている。図中の中央上側に位置する領域は、接続損失が０．１ｄＢ以下の領域であり、この領域から左上側又は右下側に向かって次第に接続損失が増大している。上記接続損失が０．１ｄＢ以下の領域では、ＤＳＦのモードフィールドと同じモードフィールドがＰＣＦ１０に形成されているものと推測される。
【００５５】
同図において、接続損失が０．９ｄＢ以下となる範囲を示す境界線Ｃ上の３点（Δ，Λ）＝ｃ１（０，３．６）、ｃ２（１．０，４．３）、ｃ３（２．０，５．１）を通る２次曲線を導出したところ、この２次曲線はΔ＝−０．１１９Λ２＋２．３７Λ−６．９９であったので、比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛが以下の関係式
Δ≦−０．１１９Λ２＋２．３７Λ−６．９９ ・・・（７）
を満足しているときには、同図における境界線Ｃよりも左上側の領域に属することとなる。したがって、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以下の範囲で、細孔ピッチΛが９μｍ以下のときには、接続損失が０．９ｄＢ以下となることが分かる。
【００５６】
また、上記比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛは、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以内の範囲で、細孔ピッチΛが９μｍ以下のときにおいて以下の関係式
Δ≦０．１５９Λ２−１．２２Λ＋２．２４ ・・・（８）
Δ≧−０．０６０６Λ２＋１．２３Λ−５．７９ ・・・（９）
を満足するように設定するのが好ましい。上記関係式（８）は、同図における右下側において接続損失が０．２ｄＢ以下となる範囲を示す境界線Ｄ上の３点（Δ，Λ）＝ｄ１（０，４．７）、ｄ２（１．０，６．５）、ｄ３（２．０，７．５）を通る２次曲線の方程式から得られるものであり、また、上記関係式（５）は、同図における左上側において接続損失が０．２ｄＢ以下となる範囲を示す境界線Ｅ上の３点（Δ，Λ）＝ｅ１（０，７．４）、ｅ２（０．３８，９．０）、ｅ３（０．４６，１０．０）を通る２次曲線の方程式から得られるものである。したがって、比屈折率差Δ及び細孔ピッチΛが上記関係式（８）又は（９）を満足しているときには、比屈折率差Δが０％以上で且つ２％以下の範囲であり、さらに細孔ピッチΛが９μｍ以下のときには、接続損失が０．２ｄＢ以下となることが分かる。
【００５７】
そして、多孔部１６の細孔ピッチΛを９μｍ以下とすることにより、曲げ損失が大きくなるのを防止することができる。つまり、ＰＣＦ１０を同じ曲率半径に曲げた場合には、細孔ピッチΛが大きくなものほど曲げ応力が大きくなるために、曲げ損失は細孔ピッチΛが大きいほど大きくなり、特に細孔ピッチが９μｍを越えると顕著となる。したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下とすることにより、曲げ損失の低いＰＣＦとすることができる。
【００５８】
また、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが、上記関係式（７）を満足するようにＰＣＦ１０を構成すると、ＤＳＦと接続した際の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない程度に抑えることができるとともに、信号光の増幅を高効率で行うことができる。つまり、細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（７）を満足しているときには、上記接続損失が０．９ｄＢ以下の範囲内で比屈折率差Δを大きくすることができるために、増幅効率を高くすることができる。
【００５９】
したがって、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが上記関係式（７）を満足するように設定することにより、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＤＳＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００６０】
また、比屈折率差Δと細孔ピッチΛとが、さらに上記関係式（８）及び（９）を満足するようにすると、ＤＳＦと接続した際の接続損失を０．２ｄＢ以下に抑えることができる。この場合には、ＤＳＦと同等の大きさのモードフィールドを有するＰＣＦ１０にすることができ、この結果、ＤＳＦに接続した際の接続損失を、ＤＳＦに従来の増幅用ＤＳＦを接続した際の接続損失と同等以下に抑えることができる。
【００６１】
その他の構成、作用及び効果は上記実施形態と同様とすることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次のような効果が得られる。すなわち、請求項１の発明のＰＣＦでは、光伝搬領域に希土類元素からなる添加物が添加されたコア部を形成し、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが関係式、Δ≦０．２６５Λ２−２．３５Λ＋５．２０を満足しているので、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＳＭＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００６３】
また、請求項２の発明によれば、光伝搬領域に希土類元素からなる添加物が添加されたコア部を形成し、細孔ピッチΛを９μｍ以下にするとともに、この細孔ピッチΛと比屈折率差Δとが関係式、Δ≦−０．１１９Λ２＋２．３７Λ−６．９９を満足しているので、曲げ損失を抑えることができるとともに、ＤＳＦと接続した場合の接続損失を、ＰＣＦを実用化する上で支障にならない範囲に抑えつつ安定した高効率の光増幅を行うことができる。
【００６４】
また、請求項３の発明によれば、コア部とその周囲の光伝搬領域との比屈折率差Δをゼロとしたので、比屈折率差Δによる光の閉じ込めが行われず、多孔部の細孔のみによる光の閉じ込めが行われる。したがって、コア部による光の増幅を行うＰＣＦを細孔の配列等のみで容易に設計することができる。
【００６５】
また、請求項４の発明によれば、細孔ピッチに対する細孔の直径の比を０．４５未満としているので、波長の短い信号光でもシングルモードで伝搬させることができる。このため、シングルモードで伝搬する信号光を増幅することで、より高効率な光増幅作用を行うことができる。
【００６６】
また、請求項５の発明によれば、光伝搬領域の中央部のみにコア部を形成するようにしたので、光強度の強い中央部で信号光の増幅作用を起こさせることができる。この結果、信号光の増幅を効率よく行うことができる。
【００６７】
また、請求項６の発明によれば、ポンプ光がシングルモードで伝搬するようにしたので、高効率な光増幅作用を起こさせることができる。
【００６８】
また、請求項７の発明によれば、請求項１から６の何れか１項記載の増幅用ＰＣＦを備えた光増幅器に構成しているので、このＰＣＦでの信号光の増幅を行うことにより、高効率な光増幅を実現できる光増幅器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＰＣＦの構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、本発明の実施形態に係るＰＣＦの端面の要部を拡大して示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面における屈折率分布を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るＰＣＦにＳＭＦを接続したときの接続損失を示す等高線図である。
【図４】実験１で観測されたニアフィールドパターンを示す図である。
【図５】接続損失を測定する実験装置を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＰＣＦとＳＭＦとを融着接続した状態で観察された導波状況を示す概念図である。
【図７】ＰＣＦにＤＳＦを接続した場合における図３相当図である。
【符号の説明】
１２ コア部
１４ 光伝搬領域
１６ 多孔部
１６ａ 細孔
Claims (7)
- シングルモード光ファイバに接続するための光増幅用フォトニッククリスタルファイバであって、
ファイバ中心軸の周囲に、該ファイバ中心軸方向に延びる多数の細孔を有する多孔部が形成され、
上記多孔部のファイバ中心側は、光が伝搬する光伝搬領域とされ、
上記光伝搬領域には、希土類元素からなる添加物が添加されたコア部が形成され、
上記コア部と該コア部周囲の光伝搬領域との比屈折率差をΔ（％）とし、上記多孔部の細孔ピッチをΛ（μｍ）としたときに、細孔ピッチΛは９μｍ以下であり、且つ上記比屈折率差Δと細孔ピッチΛとは以下の関係式
Δ≦０．２６５Λ２−２．３５Λ＋５．２０
を満足している
ことを特徴とする光増幅用フォトニッククリスタルファイバ。 - 分散シフト光ファイバに接続するための光増幅用フォトニッククリスタルファイバであって、
ファイバ中心軸の周囲に、該ファイバ中心軸方向に延びる多数の細孔を有する多孔部が形成され、
上記多孔部のファイバ中心側は、光が伝搬する光伝搬領域とされ、
上記光伝搬領域には、希土類元素からなる添加物が添加されたコア部が形成され、
上記コア部と該コア部周囲の光伝搬領域との比屈折率差をΔとし、上記多孔部の細孔ピッチをΛとしたときに、細孔ピッチが９μｍ以下であり、且つ上記比屈折率差Δと細孔ピッチΛとは以下の関係式
Δ≦−０．１１９Λ２＋２．３７Λ−６．９９
を満足している
ことを特徴とする光増幅用フォトニッククリスタルファイバ。 - 請求項１又は２において、
コア部と該コア部周囲の光伝搬領域との比屈折率差はゼロとされている
ことを特徴とする光増幅用フォトニッククリスタルファイバ。 - 請求項１から３の何れか１項において、
細孔ピッチに対する細孔の直径の比は０．４５未満とされている
ことを特徴とする光増幅用フォトニッククリスタルファイバ。 - 請求項１から３の何れか１項において、
コア部は、光伝搬領域の中央部のみに形成されている
ことを特徴とする光増幅用フォトニッククリスタルファイバ。 - 請求項１から３の何れか１項において、
入力されたポンプ光は、シングルモードで伝搬される
ことを特徴とする光増幅用フォトニッククリスタルファイバ。 - 請求項１から６の何れか１項の光増幅用フォトニッククリスタルファイバを備え、
上記光増幅用フォトニッククリスタルファイバは、信号光及びポンプ光が入力される一方、増幅された信号光が出力される
ことを特徴とする光増幅器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2003130224A JP2004335772A (ja) | 2003-05-08 | 2003-05-08 | 光増幅用フォトニッククリスタルファイバ |
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|---|---|
| JP2004335772A true JP2004335772A (ja) | 2004-11-25 |
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ID=33505814
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003130224A Pending JP2004335772A (ja) | 2003-05-08 | 2003-05-08 | 光増幅用フォトニッククリスタルファイバ |
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| JP (1) | JP2004335772A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006098313A1 (ja) * | 2005-03-15 | 2006-09-21 | Omron Corporation | 光増幅器およびレーザ装置 |
| JP2007511919A (ja) * | 2003-11-19 | 2007-05-10 | コーニング インコーポレイテッド | アクティブフォトニックバンドギャップ光ファイバ |
| JP2007149766A (ja) * | 2005-11-24 | 2007-06-14 | Kyoto Univ | フォトニックバンドギャップファイバ |
| JP2011060854A (ja) * | 2009-09-07 | 2011-03-24 | Fujikura Ltd | 増幅用光ファイバ、及び、それを用いたファイバレーザ装置 |
| CN103260825A (zh) * | 2010-12-10 | 2013-08-21 | 宇部兴产株式会社 | 光转换用陶瓷复合体及其制造方法 |
-
2003
- 2003-05-08 JP JP2003130224A patent/JP2004335772A/ja active Pending
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