JP2004352607A - 光子結晶光ファイバ母材及びこれを利用した光子結晶光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】広い波長領域にわたって単一モードを提供し、容易な格子構造設計を通じて伝送方式及び損失特性を向上させる光子結晶光ファイバ母材及びこれを利用した光子結晶光ファイバを提供する。
【解決手段】本発明の光子結晶光ファイバ母材は、光子格子構造で配置された多数の長手方向のホールを備える棒状の基体１１０と、多数のホール内に形成された少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の物質層１２０，１３０，１４０と、を含み、その物質層の配列によって当該光子結晶光ファイバ母材の屈折率分布を調節することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光子結晶光ファイバ（Photonic Crystal Fiber：ＰＣＦ）母材及びこれを利用した光子結晶光ファイバに関する。

光子結晶光ファイバ（ＰＣＦ）は、光ファイバの特別な形態である。一般の単一モード光ファイバは、ガラスにゲルマニウム（Germanium）またはリン（Phosphorus）を添加した物質をコアとして使用する。一方、光子結晶光ファイバは、図１に示すように、融合された石英ガラス１のように単一個体の実質的に透明な素材からなり、その内部にファイバ長に沿ってファイバ軸に平行に延長されている周期的配列のエアホール（air hole）２が挿入されている。石英ガラス１と周期的に配列されたエアホール２との間の誘電定数差を利用して光子バンドギャップを形成し、この光子バンドギャップは、半導体の電子バンドギャップ（electronic band-gap）のように特定方向への光の進行を防止する役割を有する。つまり、光子バンドギャップの条件を満足する光のみが光子バンドギャップを通過することができる。

光子結晶光ファイバは、技術的に多くの重要な特性を有する。例えば、光子結晶光ファイバは、広範囲の波長範囲にわたって単一モードを支援することができ、大きいモード領域を有することができるので、高い光パワー（Optical Power）を伝送することができ、１．５５μｍの遠隔通信波長において大きい位相分散を提供することができる。さらに、光子結晶光ファイバは、非線形性または／及び偏光を調節する素子としてますます利用されている。従って、このような多くの機能性を有する光子結晶光ファイバに関する報告によって、近い将来に光子結晶光ファイバが光通信及び光産業に広範囲に適用されるようになると期待される。

この光子結晶光ファイバ（ＰＣＦ）の製造の時、原型を維持しながら十分長い長さを有する光子結晶光ファイバ（ＰＣＦ）を線引きするためには、光子結晶光ファイバ母材を円形に製作すべきであるが、一般的に、光子結晶光ファイバ（ＰＣＦ）母材は、図２に示すような構造を有する。

図２の（ａ）に示す光子結晶光ファイバ（ＰＣＦ）母材は、円形の石英ガラス棒１０に多数の円形のエアホール１１を光子格子構造で形成した構造であり、図２の（ｂ）に示すような屈折率分布を有する。

しかしながら、従来技術による光子結晶光ファイバ（ＰＣＦ）母材の場合は、空気（air）及び純粋石英を利用した格子構造を通じて伝送特性を具現するので、設計に制約があり、エアホールが母材内に存在するので、線引きの時にエアホールが歪むことによって希望する設計と異なる可能性があるという問題がある。さらに、コアを構成する物性に制限があるので、光ファイバのデザインに制約がある。

本発明の目的は、母材の製造及び光ファイバデザインの具現が容易である光子結晶光ファイバ母材及びこれを利用した光子結晶光ファイバを提供することにある。

本発明の他の目的は、広い波長領域にわたって単一モードを提供し、容易な格子構造設計を通じて伝送方式及び損失特性を向上させる光子結晶光ファイバ母材及びこれを利用した光子結晶光ファイバを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明による光子結晶光ファイバ母材は、光子格子構造で配置された多数の長手方向のホールを備える棒状の基体と、多数のホール内に形成された少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の物質層（longitudinal material members）と、を含み、その物質層の配列によって当該光子結晶光ファイバ母材の屈折率分布を調節することを特徴とする。それぞれの物質層は、棒状に形成され、ホール内に挿入される構造を有するか、または、円筒状に形成され、ホール内に挿入される構造を有することができる。物質層の屈折率は、光ファイバ母材の中心から外側に次第に減少する、物質層の屈折率は、光ファイバ母材の中心から外側に次第に増加する、あるいは、光ファイバ母材の中心から外側に次第に減少してから増加するか、または、増加してから減少する特徴をもたせることができる。基体は、純粋石英を含む物質、あるいは、石英に一定屈折率を有するドーパントが添加された物質から構成可能である。この場合、各物質層は、純粋石英の屈折率に対比した相対屈折率を有する。

この他に、本発明の光子結晶光ファイバ母材は、円筒状の基体と、円筒状の基体内に光子格子構造で配置され、少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の長手方向の物質層と、を含み、その物質層の配列によって当該光子結晶光ファイバ母材の屈折率分布を調節することを特徴とする。それぞれの物質層は、棒状に形成される、または、基体の直径より小さい直径を有する円筒状とすることができる。物質層の屈折率は、光ファイバ母材の中心から外側に次第に減少する、光ファイバ母材の中心から外側に次第に増加する、あるいは、光ファイバ母材の中心から外側に次第に減少してから増加するか、または、増加してから減少するものとすることができる。

この他に、本発明の光子結晶光ファイバ母材は、多数の長手方向の第１ホールを備える円筒状の外周基体と、外周基体内に挿入され、多数の第１ホールと共に光子格子構造で配置された多数の長手方向の第２ホールを有する棒形態の内周基体と、多数の第１ホール及び第２ホール内に形成された、少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の物質層と、を含み、その物質層の配列によって当該光子結晶光ファイバ母材の屈折率分布を調節することを特徴とする。それぞれの物質層は、棒状に形成される、または、棒状であり、ホール内に挿入された構造を有する、あるいは、基体の直径より小さい直径を有する円筒状とすることができる。

また、本発明の光子結晶光ファイバは、光子格子構造で配置された多数の長手方向のホールを備える棒状の基体と、多数のホールを充填する少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の物質層と、を含み、当該光ファイバの屈折率分布はその物質層の配列によって決定されることを特徴とする。それぞれの物質層は、棒状に形成される、あるいは、円筒状に形成されることができる。物質層の屈折率は、光ファイバの中心から外側に次第に減少する、光ファイバの中心から外側に次第に増加する、あるいは、光ファイバの中心から外側に次第に減少してから増加するか、または、増加してから減少するようにできる。基体は、純粋石英を含む物質、又は、石英に一定屈折率を有するドーパントが添加された物質から構成できる。この場合の各物質層は、純粋石英の屈折率に対比した相対屈折率を有する。

この他に、本発明の光子結晶光ファイバは、円筒状の基体と、円筒状の基体内に光子格子構造で配置された少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の長手方向の物質層と、を含み、当該光子結晶光ファイバの屈折率分布は、その物質層の配列によって決定されることを特徴とする。それぞれの物質層は、棒状に形成される、または、基体の直径より小さい直径を有する円筒状とすることができる。物質層の屈折率は、光ファイバの中心から外側に次第に減少する、光ファイバの中心から外側に次第に増加する、あるいは、光ファイバの中心から外側に次第に減少してから増加するか、または、増加してから減少するものとすることができる。

この他に、本発明の光子結晶光ファイバにおいて、多数の長手方向の第１ホールを備える円筒状の外周基体と、外周基体内に挿入され、多数の第１ホールと共に光子格子構造で配置された多数の長手方向の第２ホールを備える棒状の内周基体と、多数の第１ホール及び第２ホール内に形成された少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の物質層と、を含み、当該光子結晶光ファイバの屈折率分布はその物質層の配列によって決定されることを特徴とする。それぞれの物質層は、棒状に形成される、または、基体の直径より小さい直径を有する円筒状とすることができる。

本発明は、光子格子構造で配置された少なくとも２つの屈折率を有する多数の物質層の配列によって、光子結晶光ファイバ母材及びこれを利用した光ファイバの屈折率分布を調節することができる。従って、光損失及び光非線形性が低く、優れた伝送特性を有する光ファイバの製造が容易であり、格子構造によって多様な特性を有する光ファイバを具現することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。

図３（ａ）は、本発明の好適な第１実施例による光子結晶光ファイバ母材の構造を示す断面図である。

光子結晶光ファイバ母材１００は、棒（rod）状の基体（substrate）１１０から構成され、棒状基体１１０は、光子格子形態で配置された多数の棒状（または、円筒状）のホールを含む。各ホールは、円形の断面を有し、各ホールの直径は、棒状の基体１１０の直径より小さい。これらホールは、等間隔で配置されて六角構造のパターンを形成し、少なくとも２つの異なる屈折率を有する物質１２０、１３０、１４０で充填されている。光子結晶光ファイバ母材１００の屈折率分布は、光子格子形態で配置されたホールに充填された物質の屈折率によって決定される。

この実施例において、棒状基体１１０は、純粋石英（Pure-silica）から構成され、多数の棒状のホールは、それぞれ純粋石英との相対屈折率が−１％である物質１２０、純粋石英との相対屈折率が０．３％である物質１３０、純粋石英との相対屈折率が１％である物質１４０で充填される。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’方向に沿う光子結晶光ファイバ母材の屈折率分布を示す図である。図３（ｂ）の横軸は、光子結晶光ファイバ母材の半径を示し、図３（ｂ）の縦軸は、光子結晶光ファイバ母材の屈折率を示す。多数のホールを充填する物質層（longitudinal material members or material layers）について、屈折率が光ファイバ母材の中心から外側に次第に減少するように配列することによって、光ファイバ母材の屈折率も光ファイバ母材の中心から外側に次第に低くなる。あるいは、多数のホールを充填する物質層について、屈折率が光ファイバ母材の中心から外側に次第に増加するように配列することによって、光ファイバ母材の屈折率も光ファイバ母材の中心から外側に次第に増加する。さらに、必要に応じて、屈折率が増加してから減少するか、または、減少してから増加するように物質層を配列することによって、光ファイバ母材の屈折率も増加してから減少するか、または、減少してから増加するようにすることができる。

図４は、本発明の好適な第２実施例による光子結晶光ファイバ母材の構造を示す図である。

光子結晶光ファイバ母材２００は、光子格子形態で配置された多数の棒状の（または、円筒状）のホールを含む棒状基体２１０、少なくとも２つの屈折率を有する物質からなる棒２２０、２３０、２４０から構成される。棒２２０、２３０、２４０は、それぞれ多数のホールに挿入される。光子結晶光ファイバ母材２００の屈折率分布は、基体２１０に挿入された棒２２０、２３０、２４０の屈折率によって決定される。

図５（ａ）は、本発明の好適な第３実施例による光子結晶光ファイバ母材の構造を示す断面図である。

光子結晶光ファイバ母材３００は、２つの異なる屈折率を有する基体を使用し、純粋石英との所定の相対屈折率を有する円筒状外周基体３１０と、外周基体３１０内に形成された棒状の内周基体３２０とから構成される。棒状内周基体３２０は、純粋石英からなる。

外周基体３１０は、それぞれ円形の断面図を有する多数のホールを備える。同様に、内周基体３２０のホールも円形の断面を有する。基体３１０、３２０内のホールは、光子格子形態で配置され、これらホールには、少なくとも２つの異なる屈折率を有する棒３１１、３２１、３２２が挿入されるか、少なくとも２つの異なる屈折率を有する物質が挿入される。光子結晶光ファイバ母材３００の屈折率分布は、外周基体３１０及び内周基体３２０に形成された棒３１１、３２１、３２２の屈折率及び外周基体３１０の構成物質の屈折率によって決定される。

この実施例において、円筒状の外周基体３１０は、純粋石英との相対屈折率が０．５％である物質から構成され、外周基体３１０に形成された棒状のホールには純粋石英との相対屈折率が１．５％である物質が充填される。内周基体３２０は、純粋石英から構成され、内周基体３２０に形成された棒状のホールは、純粋石英との相対屈折率が−０．５％である物質３２１及び純粋石英との相対屈折率が１％である物質３２２で充填される。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ’方向に沿う光子結晶光ファイバ母材の屈折率分布を示す図である。図６（ｂ）の横軸は、光子結晶光ファイバ母材の半径を示し、図６（ｂ）の縦軸は、光子結晶光ファイバ母材の屈折率を示す。図６（ｂ）に示すように、光ファイバ母材の屈折率分布は、内周基体及び外周基体に形成された多数のホールを充填する物質層の屈折率によって決定される。

前述したような構成を有する本発明の第１ないし第３実施例の光子結晶光ファイバ母材から製造される光子結晶光ファイバは、対応する光子結晶光ファイバ母材と同一の構造を有する。光ファイバ母材から光ファイバを製造する工程は、公知であるので、これに対する詳細な説明は省略する。

以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲は前述の実施形態によって限られるべきではなく、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである

一般的な光子結晶光ファイバの断面の概略図である。 （ａ）は、従来の光子結晶光ファイバ母材の断面を示し、（ｂ）は、（ａ）に示す光子結晶光ファイバ母材の屈折率分布を示す図である。 （ａ）は、本発明の好適な第１実施例による光子結晶光ファイバ母材の断面を示し、（ｂ）は、（ａ）に示す光子結晶光ファイバ母材のＡ−Ａ’方向に沿う屈折率分布を示す図である。 本発明の好適な第２実施例による光子結晶光ファイバ母材の構造を示す図である。 （ａ）は、本発明の好適な第３実施例による光子結晶光ファイバ母材の断面を示し、（ｂ）は、（ａ）に示す光子結晶光ファイバ母材のＢ−Ｂ’方向に沿う屈折率分布を示す図である。

符号の説明

１００，２００，３００ 光子結晶光ファイバ母材（フォトニック結晶ファイバ母材）
１１０，２１０ 基体
１２０，１３０，１４０ 充填物質
２２０，２３０，２４０ 棒（ロッド）
３１０ 外周基体
３２０ 内周基体
３１１，３２１，３２２ 棒又は充填物質

Claims (37)

1. 光子結晶光ファイバ母材において、
   光子格子構造で配置された多数の長手方向のホールを備える棒状の基体と、
   前記多数のホール内に形成された少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の物質層と、を含み、
   前記物質層の配列によって当該光子結晶光ファイバ母材の屈折率分布を調節することを特徴とする光子結晶光ファイバ母材。
2. それぞれの物質層は、棒状に形成され、ホール内に挿入される構造を有する請求項１に記載の光子結晶光ファイバ母材。
3. それぞれの物質層は、円筒状に形成され、ホール内に挿入される構造を有する請求項１に記載の光子結晶光ファイバ母材。
4. 物質層の屈折率は、光ファイバ母材の中心から外側に次第に減少する請求項１に記載の光子結晶光ファイバ母材。
5. 物質層の屈折率は、光ファイバ母材の中心から外側に次第に増加する請求項１に記載の光子結晶光ファイバ母材。
6. 物質層の屈折率は、光ファイバ母材の中心から外側に次第に減少してから増加するか、または、増加してから減少する請求項１に記載の光子結晶光ファイバ母材。
7. 基体は、純粋石英を含む物質から構成される請求項１に記載の光子結晶光ファイバ母材。
8. 基体は、石英に一定屈折率を有するドーパントが添加された物質から構成される請求項１に記載の光子結晶光ファイバ母材。
9. 各物質層は、純粋石英の屈折率に対比した相対屈折率を有する請求項７に記載の光子結晶光ファイバ母材。
10. 光子結晶光ファイバ母材において、
    円筒状の基体と、
    前記円筒状の基体内に光子格子構造で配置され、少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の長手方向の物質層と、を含み、
    前記物質層の配列によって当該光子結晶光ファイバ母材の屈折率分布を調節することを特徴とする光子結晶光ファイバ母材。
11. それぞれの物質層は、棒状に形成される請求項１０に記載の光子結晶光ファイバ母材。
12. それぞれの物質層は、基体の直径より小さい直径を有する円筒状である請求項１０に記載の光子結晶光ファイバ母材。
13. 物質層の屈折率は、光ファイバ母材の中心から外側に次第に減少する請求項１０に記載の光子結晶光ファイバ母材。
14. 物質層の屈折率は、光ファイバ母材の中心から外側に次第に増加する請求項１０に記載の光子結晶光ファイバ母材。
15. 物質層の屈折率は、光ファイバ母材の中心から外側に次第に減少してから増加するか、または、増加してから減少する請求項１０に記載の光子結晶光ファイバ母材。
16. 光子結晶光ファイバ母材において、
    多数の長手方向の第１ホールを備える円筒状の外周基体と、
    前記外周基体内に挿入され、前記多数の第１ホールと共に光子格子構造で配置された多数の長手方向の第２ホールを有する棒形態の内周基体と、
    前記多数の第１ホール及び第２ホール内に形成された、少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の物質層と、を含み、
    前記物質層の配列によって当該光子結晶光ファイバ母材の屈折率分布を調節することを特徴とする光子結晶光ファイバ母材。
17. それぞれの物質層は、棒状に形成される請求項１６に記載の光子結晶光ファイバ母材。
18. それぞれの物質層は、棒状であり、ホール内に挿入された構造を有する請求項１６に記載の光子結晶光ファイバ母材。
19. それぞれの物質層は、基体の直径より小さい直径を有する円筒状である請求項１６に記載の光子結晶光ファイバ母材。
20. 光子結晶光ファイバにおいて、
    光子格子構造で配置された多数の長手方向のホールを備える棒状の基体と、
    前記多数のホールを充填する少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の物質層と、を含み、
    当該光ファイバの屈折率分布は前記物質層の配列によって決定されることを特徴とする光子結晶光ファイバ。
21. それぞれの物質層は、棒状に形成される請求項２０に記載の光子結晶光ファイバ。
22. それぞれの物質層は、円筒状に形成される請求項２０に記載の光子結晶光ファイバ母材。
23. 物質層の屈折率は、光ファイバの中心から外側に次第に減少する請求項２０に記載の光子結晶光ファイバ。
24. 物質層の屈折率は、光ファイバの中心から外側に次第に増加する請求項２０に記載の光子結晶光ファイバ。
25. 物質層の屈折率は、光ファイバの中心から外側に次第に減少してから増加するか、または、増加してから減少する請求項２０に記載の光子結晶光ファイバ。
26. 基体は、純粋石英を含む物質から構成される請求項２０に記載の光子結晶光ファイバ。
27. 基体は、石英に一定屈折率を有するドーパントが添加された物質から構成される請求項２０に記載の光子結晶光ファイバ。
28. 各物質層は、純粋石英の屈折率に対比した相対屈折率を有する請求項２６に記載の光子結晶光ファイバ。
29. 光子結晶光ファイバにおいて、
    円筒状の基体と、
    前記円筒状の基体内に光子格子構造で配置された少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の長手方向の物質層と、を含み、
    当該光子結晶光ファイバの屈折率分布は、前記物質層の配列によって決定されることを特徴とする光子結晶光ファイバ。
30. それぞれの物質層は、棒状に形成される請求項２９に記載の光子結晶光ファイバ。
31. それぞれの物質層は、基体の直径より小さい直径を有する円筒状である請求項２９に記載の光子結晶光ファイバ。
32. 物質層の屈折率は、光ファイバの中心から外側に次第に減少する請求項２９に記載の光子結晶光ファイバ。
33. 物質層の屈折率は、光ファイバの中心から外側に次第に増加する請求項２９に記載の光子結晶光ファイバ。
34. 物質層の屈折率は、光ファイバの中心から外側に次第に減少してから増加するか、または、増加してから減少する請求項２９に記載の光子結晶光ファイバ母材。
35. 光子結晶光ファイバにおいて、
    多数の長手方向の第１ホールを備える円筒状の外周基体と、
    前記外周基体内に挿入され、前記多数の第１ホールと共に光子格子構造で配置された多数の長手方向の第２ホールを備える棒状の内周基体と、
    前記多数の第１ホール及び第２ホール内に形成された少なくとも２つの異なる屈折率を有する多数の物質層と、を含み、
    当該光子結晶光ファイバの屈折率分布は前記物質層の配列によって決定されることを特徴とする光子結晶光ファイバ。
36. それぞれの物質層は、棒状に形成される請求項３５に記載の光子結晶光ファイバ。
37. それぞれの物質層は、基体の直径より小さい直径を有する円筒状である請求項３５に記載の光子結晶光ファイバ。

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