JP2004527775A - 分散補償フォトニック結晶ファイバ - Google Patents

Abstract

ファイバ光導波路が開示される。当該ファイバ光導波路は、コア領域と当該コア領域を包囲するモート領域とを含む。クラッド領域は、モート領域及びコア領域を包囲する。クラッド領域は、ソリッドバックグラウンドマトリクス内に配置されたコラム構造体の格子を含む。コア領域の直径はモート領域と接する大きさになされて、より長波長で拡張されたコア領域を形成する。コア領域、モート領域、クラッド領域は負の分散及び正の分散を含む固有の分散特性を生じるように作用する。コア領域は高屈折率材料から形成され得て、モート領域はコア領域の屈折率未満の屈折率を有する材料から形成され得る。クラッド領域は、モート領域の屈折率よりも高く且つコア領域の屈折率未満の屈折率を有する材料から形成される。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システム用のフォトニック結晶光導波路構造体に関する。より詳細には、本発明は、分散補償特性を生じるフォトニック結晶特性を有する光ファイバミクロ構造体に関する。
【０００２】
【背景技術】
光導波路ファイバは、一般的にシングルモードファイバ及びマルチモードファイバに分類され得る。このいずれのタイプの光ファイバも全反射（ＴＩＲ）によってファイバコアに沿ってフォトンを導く。典型的には、シングルモードファイバのコア直径は相対的に小さく、故に、光波長のシングルモードだけを導波路に沿って伝播させることができる。シングルモードファイバは、光パルス同士を互いにより近接させることができて、ファイバに沿った分散による影響を光パルスがそれほど受けないので、一般的に、より広い（高い）帯域幅を与え得る。更に、伝播光のパワー減衰率は、シングルモードファイバではより小さくなる。全ての波長に対してこれらのシングルモード特性を維持する光ファイバは、エンドレスシングルモードファイバとして定義される。
【０００３】
より大なるコア直径を有する光ファイバは、マルチモードファイバとして一般的に分類され、光波長の複数のモードを導波路に沿って伝播させることができる。複数のモードは、異なる速度で伝播する。このモード群速度の差が搬送時間差を生じさせて、導波路に沿って伝播する光パルスを拡幅する。この作用はモード分散と称されており、パルスが送信され得る速度を制限する。すなわちマルチモードファイバの帯域幅を制限している。グレーデッドインデックスマルチモードファイバは、（ステップ屈折率マルチモードファイバに対して）モード分散の影響を制限するために開発された。しかしながら、現行のマルチモード及びグレーデッドインデックスマルチモードファイバ設計では、未だシングルモードファイバの帯域幅の性能を有しない。
【０００４】
フォトニック結晶は光導波路構造体を通ってフォトン（光モード）をガイドし得る他の媒体である。フォトニック結晶は、ＴＩＲを利用してフォトンをガイドするよりもブラッグ散乱に依存して光をガイドする。フォトニック結晶構造体を定義する特徴は、１つ以上の軸に沿った誘電材料の周期構造である。つまり、フォトニック結晶は一次元、二次元及び三次元となり得る。これらの結晶は、光が結晶構造体内で特定方向へと伝播することを防止するフォトニックバンドギャップを有するように設計されている。通常、フォトニック結晶は誘電物質の周期格子から形成される。この格子を形成する材料の誘電率が異なるとともに、この材料が最小の光を吸収するとき、格子界面での散乱及びブラッグ回折の作用によって、フォトンがフォトニック結晶構造体に沿って若しくはこれを通ってガイドされ得る。
【０００５】
二方向に周期的で且つ第３の方向に均一な典型的なフォトニック結晶１０が図１に示される。より詳細には、フォトニック結晶１０は、Ｚ軸方向に伸長し、（中心と中心とを計測して）Ｘ軸及びＹ軸方向に周期的である誘電コラム１２の三角形の格子を含む。フォトニック結晶１０は、Ｚ軸方向に均一であると仮定する。欠陥が結晶構造に導入されて平面伝播特性が交互に変化して、光モードを局在化させ得ることが公知である。例えば、フォトニック結晶１０は、他の周期コラム１２とは異なる誘電材料を含む中央コラム１４（黒塗りのコラムとして示されている）を含む。加えて、中央コラム１４の大きさ及び形状は、１つの格子サイトを摂動するようにモディファイされ得る。
【０００６】
フォトニックバンドギャップを形成するためには結晶構造の特性が利用され得る。中央コラム１４によって形成される結晶構造の欠陥によって、光が結晶を通って伝播し得る。すなわち、中央コラム１４は、壁で反射される中央キャビティを形成する。（Ｚ軸方向に沿って）中央コラム１４を伝播する光は、結果として生じるフォトニックバンドギャップ内に閉じ込められて環状周期コラム１２に漏れ出すことはできない。つまり、パルス光か連続光かに関わらず、光がこの種のフォトニックバンドギャップ結晶を通ってガイドされ得ることが証明された。これらと同じ構造は、欠陥が全反射によって光をガイドするための高屈折率コア領域として作用する場所である実効屈折率構造として使用され得る。
【０００７】
従来技術において公知のフォトニック結晶クラッド領域を有する光導波路ファイバが図２に示される。フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）１６は、ポーラスクラッド層１８を含み、クラッド層１８の実効屈折率を変化させる役割を担う空気ボイド２０の配列を含む。これは、例えばモードフィールド直径又は全分散の如きファイバ１６の特性を変化させる役割を担う。クラッド層１８を画定する空気ボイド２０は、中央ファイバコア２２の周囲の周期マトリクスを形成し、一般的にはソリッドシリカから形成される。
【０００８】
フォトニック結晶構造を有する光ファイバは、固有の分散特性を与えるようにも設計され得る。これらの特性は、正及び負の両方の分散を含む。正の分散（Ｄ＞０）では、光パルスはより高い周波数（青色）成分光パルスと比較して、より低い周波数（赤色）成分光パルスを遅延させて拡幅され得る。この種の光パルスは、負のチャープを引き起こすとされている。逆に、負の分散（Ｄ＜０）では、光パルスはより低い周波数（赤色）成分と比較して、より高い周波数（青色）成分を遅延させることで拡幅され得る。この種の光パルスは、正のチャープを引き起こすとされている。双方のケースにおいて、パルスがより拡幅されるように現れるだろう。チャープ化されたパルスは、チャープを反転させる光学系を通した伝送によって、それら本来の幅に狭められ得る。例えば、Ｄ１＞０及び長さＬ１を有する光ファイバの伝送の後に、負にチャープされた通信パルスは、Ｄ２＜０及びＬ２＝−Ｌ１＊（Ｄ１／Ｄ２）の光ファイバを通過させる伝送によって非チャープ化され得る。この種のファイバは、分散補償モジュールでの使用の可能性を有し、すでに古くなったロングホール通信ネットワークをアップグレードするための好適な構成部品である。分散補償モジュール内の分散補償ファイバは、既存の通信リンクのクロマチック分散を補償して、異なる波長での通信リンクの動作を可能にする。すなわち、例えば、分散補償モジュールにおいて使用され得る特有の分散特性を生じ得て、信頼性が高く且つ再現性の良い光ファイバを開発するインセンティブが存在するのである。
【０００９】
図３Ａは、典型的な実効屈折率光ファイバの典型的な屈折率分布を示しているす。該グラフは、光ファイバ内の位置に対する屈折率の関係を示している。より詳細には、該光ファイバは低屈折率クラッド領域２６によって包囲された高屈折率コア領域２４を有することをこの屈折率分布は示している。図３Ａのグラフは、図２に示されるＰＣＦ１６の屈折率分布の典型例である。図３Ａは、主として、図３Ｂ及び３Ｃの屈折率分布との比較のために与えられたものである。図３Ｂは、典型的な分散補償光ファイバの屈折率分布を示す。この屈折率分布グラフは、低屈折率モート領域３０に包囲された高屈折率コア領域２８を有するファイバを示している。低屈折率モート領域３０は、それから中間屈折率クラッド領域３２によって包囲される。図３Ｃは、図３Ｂの屈折率分布と同様の典型的な他の分散補償ファイバのための屈折率分布を示す。図３Ｃのファイバもまた、高屈折率コア領域２８、低屈折率モート領域３０及びモート領域３０を包囲する中間屈折率クラッド領域３２を含む。図３Ｃのファイバは、モート領域３０を包囲する追加のより高い屈折率の特徴３４を含み、光ファイバのカットオフ波長をシフトさせる。大なる負の分散を得るために、光ファイバのコア領域は一般的に小さくなければならず、コア領域及びクラッド領域間の屈折率コントラストが高くなければならない。
【００１０】
世界中の光通信システムオペレータは、ネットワーク容量への絶えず伸び続ける要求に対応するために１０Ｇｂ／ｓ伝送速度へ向けて進んでいる。この移行の一部として、１３１０ｎｍ動作に対して最適化された何百万マイルもの既存の標準のシングルモード光ファイバが１５５０ｎｍ窓の動作に対して最適化されるようにアップグレードされなければならない。光学システム及びネットワークがより高い伝送速度にアップグレードされたとき、クロマチック分散がしばしば特性を制限する要因となる。シングルモード光ファイバに特有の分散波長は、分散が実質的に１３１０ｎｍの波長でゼロであって、波長が１３１０ｎｍから長くなるか若しくは短くなると分散が増加する。１５５０ｎｍの波長では大なる正の分散が形成され得る。したがって、１３１０ｎｍの波長で送信されるように設計されたシングルモード光ファイバから形成された既存の通信リンクに亘って、１５５０ｎｍの波長を有する光が送信されるときに、波形はクロマチック分散の作用により変形する。
【００１１】
クロマチック分散は光周波数が変化するときの光ファイバ内を進行する光の群速度の変化によって生じる。データパルスは、常に波長スペクトルを含む。パルスがファイバに沿って進行するとき、より短い波長成分はより長い波長成分よりも速く伝播する。この作用は、パルスを拡幅させる故に、隣接するパルスと干渉して伝送信号を変形させてしまう。
【００１２】
非常に低い分散を有するファイバ設計が利用できるが、この種のファイバを利用するシステムは四光波混合の如き非線形効果によって一般的に制限されてしまう。既存設備の分散の影響を防止するために好適な解決策は、スパン・バイ・スパンベースの分散効果をキャンセルする分散補償モジュールをインストールすることである。これらのモジュールにおいては、（通常、正に対して負の）非常に高い分散、相対的に低損失、且つ、更に最近は分散傾斜補償としても参照されるブロードバンド特性をも必要とされる。フォトニック結晶ファイバが分散補償の使用のために開発されることを示唆されている。
【００１３】
クロマチック分散の作用に対抗する１つの技術は、光ファイバリンクに沿ったポイントに分散補償モジュール（例えば、コーニング社の登録商標ＰｕｒｅＧａｉｎ ＤＣＭなるモジュール）をインストールすることである。この種の分散補償モジュールは、分散補償ファイバを利用している。１つの実施例は、米国特許Ｎｏ．５，３６１，３１９において開示され、これは本発明の譲受人であるコーニング社に譲渡された。分散補償ファイバは、相対的に短い長さに亘って分散の高いレベルを導入し、これにより標準のシングルモードファイバで光学的に増幅されたシステムを介して伝搬するパルスによって蓄積される分散を相殺するか若しくはキャンセルする。
【００１４】
フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）構造によって実現される効果は、これらの構造によって与えられるコア及びクラッド実効屈折率間の大なるコントラストが特有の分散特徴を生じさせ得ることである。ＰＣＦ構造と関連する効果の観点から、相対的に高い負又は正の信号の分散特性を生じる光導波路ＰＣＦを提供されることが望ましい。光ファイバ通信ネットワークのための分散補償モジュールにおける構成部品として使用され得るＰＣＦ構造を有する光ファイバを提供することが更に望まれる。
【００１５】
【発明の概要】
本発明の多彩な利点は、当業者であれば、以下の詳細な説明及び請求の範囲の記載から明らかになるであろう。
本発明によるファイバ光導波路が開示される。ファイバ光導波路は、コア領域及びコア領域を包囲するモート領域を含む。クラッド領域は、モート領域及びコア領域を包囲する。クラッド領域は、ソリッドバックグラウンドマトリクス内に配置されたコラム構造体の格子を含む。ファイバコア領域の直径はモート領域と接するように設定されており、より長い波長においてファイバコア領域の直径と比較して、拡張された拡張コア領域を形成する。コア領域、モート領域及びクラッド領域が負の分散及び正の分散を含む固有の分散補償特性を生じる役割を果たす。コア領域は高い屈折率の材料から形成され得て、モート領域はこのコア領域の屈折率未満の屈折率を有する材料から形成され得る。クラッド領域は、モート領域の屈折率よりも高く且つコア領域の屈折率未満の屈折率を有する材料から形成されている。
【００１６】
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、単に本発明の典型例にすぎず、請求される本発明の性質及び特徴を理解するための概要若しくは骨格を与えることを意図するものであることを理解されるであろう。添付の図面は、本発明の更なる理解を与えるために含まれており、ここに取り入れられて本願明細書の一部を構成する。図面は、本発明のさまざまな特徴及び実施例を例示して、説明と共に本発明の原理及び動作の説明を与える。
【００１７】
【発明の実施の形態】
説明は、現時点での本発明の好適な実施例を詳細にするとともに、本発明の実施例は添付図面に示される。可能な限り同じ参照番号が同じ若しくは類似のパーツを参照するために図面の全体に亘って使用されるであろう。
図４を参照して、分散補償ファイバ４０の断面図は本発明の好適な実施例によって示される。ファイバ４０は、高屈折率ファイバコア又はファイバコア領域４４の周囲に形成された低屈折率クラッド領域４２を含む。クラッド領域４２は、ソリッドバックグラウンドマトリクス４８を含む。
【００１８】
好ましくは高屈折率ガラスから形成されるコア領域４４は空気コラム５２のリングによって形成される低屈折率モート領域５０によって包囲されている。図示されるように、モート領域５０はコア領域４４の周囲にあって、コア領域４４とクラッド領域４２の間に直接的に配置される。６個の空気コラム５２のリングが好適であるが、当業者であれば、３個の空気コラムから１２個の空気コラムまで個数を変えた空気コラムを含んでもよいと認識するであろう。更に、モート領域５０は、低屈折率のソリッド材料から形成され得る。モート領域５０の特定の特徴は、空気コラム５２がコア領域４４を形成するコラム構造体の外周に接しているということである。
【００１９】
また、図４に示されるように、コラム５６の周期的な格子は、モート領域５０を包囲している。好ましくは、コラム５６の格子はガラスからなるが、これに限定されずソリッド材料から形成される。図５は図４の分散補償ファイバ４０の他の好適な実施例を示す。より詳細には、ファイバ４０’は、コラム５６の周期格子を置換したソリッドリング５８を含む。好ましくは、コラムの格子５６及びソリッドリング５８は、ファイバコア４４とバックグラウンドマトリクス４８の間の屈折率を有する材料から形成される。
【００２０】
図４及び５に関して、モート領域５０を含む目的は、ファイバコア領域４４の直径と比較して、より長波長で低屈折率拡張コア領域５４を実質的に生じることである。例えば、コア領域４４が２ミクロンの直径の場合、より長波長とは２ミクロンよりも長い波長のことである。故に、低屈折率拡張コア領域５４は、より長い波長でコア領域４４及びモート領域５０を含む。これは、クラッド領域４２、特に、分散補償ファイバ構造のコラムの格子５６若しくはソリッドリング５８の導波路としての作用を防止する。波長が拡張コア領域５４の構造を解析するのに十分に短いとき、光ファイバ４０が光をガイドし始め、基本モードのターンオンが非常に高い分散特性、好ましくは非常に高い負の分散特性を示す。
【００２１】
実効クラッド屈折率がコア領域４４の屈折率とモート領域５０の屈折率の間となるように、コア領域４４を包囲するバックグラウンドマトリクス４８が選択される。これは、時に、中間屈折率クラッド領域と称する。バックグラウンドマトリクス４８及びクラッド領域４２がソリッド純シリカ材料から形成されることが好ましいが、フッ素添加シリカやゲルマニウム添加シリカの如き他のソリッド材料が使用され得る。具体的には図示しないが、吸収ポリマーコーティングがクラッド領域４２及び光ファイバ４０の外面に典型的には与えられる。
【００２２】
分散補償ファイバ４０の１つの特徴は、モート領域５０を形成しているコラム構造体よりも実質的に大なるコア領域４４があることである。ファイバコア領域４４は、他の屈折率特性及びｎ＝１．４８と同程度の屈折率に上昇させるために添加されたシリカから好ましくは形成される。しかしながら、コア領域４４は、またソリッドシリカから形成されてもよく、ｎ＝１．４５の屈折率を有する。このように、分散補償ファイバ４０はフォトニック結晶ファイバと同様の構造を有するが、実効屈折率特性に依存して主としてその特有な分散特性を達成する。
【００２３】
図６は、分散補償ファイバ４０に好適な屈折率分布を示す。より詳細には、高屈折率コア領域４４の屈折率分布が参照番号６０で示される。モート領域５０を形成する空気コラム５２の屈折率分布は参照番号６２で示され、ｎ＝１．０（空気の屈折率）に近い屈折率値を定義することを認識するであろう。ソリッドバックグラウンドマトリクス４８の屈折率分布は、参照番号６４で示される。コラムの周期的な格子５６若しくはモート領域５０を包囲するソリッドリング５８の屈折率分布が参照番号６６で示される。
【００２４】
分散量は、３つの屈折率（コア、モート及びクラッド）間の比率、コア領域４４及びモート５０の直径の比率、及び、コア領域の分布によって制御される。ファイバの正確な設計は、図７で示す典型的な分散曲線によって意図するアプリケーションに依存する。認識されるように、モート領域５０のより大なる空気コラム５２は分散を増加させるが、図７に示すように、分散傾斜をも大きく増加させ、より困難な傾斜補償を得る。
【００２５】
前述の議論は、本発明の典型的な実施例を開示及び記載している。上記した議論及び添付の図面、特許請求の範囲の記載から、また、当業者であれば、請求項で限定された本発明の本来の精神と範囲から逸脱することなく、様々な修正と応用とがなされ得ることを直ちに認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な二次元フォトニック結晶構造体の斜視図である。
【図２】従来技術による公知のフォトニック結晶ファイバの断面図である。
【図３Ａ】光ファイバの屈折率分布を示すグラフである。
【図３Ｂ】光ファイバの屈折率分布を示すグラフである。
【図３Ｃ】光ファイバの屈折率分布を示すグラフである。
【図４】本発明の好適な実施例によるフォトニック結晶タイプ構造を有する分散補償ファイバの断面図である。
【図５】本発明の好適な実施例による他のフォトニック結晶タイプ構造を有する分散補償ファイバの断面図である。
【図６】図４及び５の分散補償ファイバの屈折率分布を示すグラフである。
【図７】図４及び５の光ファイバ構造体の分散特性を示すグラフである。

Claims (20)

1. コア領域と、前記コア領域を包囲するモート領域と、前記モート領域及び前記コア領域を包囲するクラッド領域と、を含むファイバ光導波路であって、
   前記クラッド領域はソリッドバックグラウンドマトリクス内に配置されたコラム構造体の格子を含み、前記コア領域の直径は前記モート領域と接する大きさであることを特徴とするファイバ光導波路。
2. 前記コア領域は、高屈折率ガラスから形成されていることを特徴とする請求項１記載の導波路。
3. 前記モート領域は、低屈折率を有する材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載の導波路。
4. 前記モート領域は、ソリッド材料から形成された低屈折率コラムのリングから形成されていることを特徴とする請求項１記載の導波路。
5. 前記モート領域は、前記コア領域を包囲する空気コラムのリングから形成されていることを特徴とする請求項１記載の導波路。
6. 前記空気コラムのリングは、６個の空気コラムを含むことを特徴とする請求項５記載の導波路。
7. 前記クラッド領域は、前記モート領域の屈折率よりも高く且つ前記コア領域の屈折率よりも小さい屈折率を有する材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載の導波路。
8. 前記コラムの格子内の各々の前記コラムは、ソリッド材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載の導波路。
9. 前記ソリッド材料のコラムは、ガラスであることを特徴とする請求項８記載の導波路。
10. 前記ソリッド材料のコラムは、低屈折率材料であることを特徴とする請求項８記載の導波路。
11. 得られる前記ファイバ光導波路は、特性を交互に変化させる分散を生じることを特徴とする請求項１記載の導波路。
12. 前記コア領域は、前記コラムの格子の欠陥として機能して前記ファイバ光導波路内で光をガイドすることを特徴とする請求項１記載の導波路。
13. 前記コラム構造体の格子は、前記モート領域を包囲するコラム構造体のリングからなり、且つ、前記材料は前記クラッド領域の屈折率よりも高い屈折率を有することを特徴とする請求項８記載の導波路。
14. 導波路に沿って搬送される信号の分散特性を交互に変化させるファイバ光導波路であって、
    高屈折率のコア領域と、
    前記コア領域を包囲する低屈折率のモート領域と、
    前記モート領域及び前記コア領域を包囲するクラッド領域と、を含み、
    前記クラッド領域はソリッドバックグラウンドマトリクス内に配置されたソリッド材料コラムの格子を含み、前記クラッド領域は前記モート領域の屈折率よりも高く且つ前記コア領域の屈折率未満の屈折率を有する材料から形成されており、前記コア領域の直径は前記モート領域と接する大きさであって長波長で拡張コア領域を形成し、得られるファイバ光導波路が交互に変化する分散特性を生じることを特徴とするファイバ光導波路。
15. 前記モート領域は、前記コア領域を包囲する空気コラムのリングから形成されることを特徴とする請求項１４記載の導波路。
16. 前記空気コラムのリングは、少なくとも６つの空気コラムを含むことを特徴とする請求項１５記載の導波路。
17. 導波路に沿って搬送される信号の分散特性を交互に変化させるファイバ光導波路であって、
    高屈折率のコア領域と、
    前記コア領域を包囲する少なくとも６つの空気コラムのリングを含み前記コア領域を包囲する低屈折率のモート領域と、
    前記モート領域及び前記コア領域を包囲するクラッド領域と、を含み、
    前記クラッド領域はソリッドバックグラウンドマトリクス内に配置されたソリッド材料コラムの格子を含み、前記クラッド領域は前記モート領域の屈折率よりも高く且つ前記コア領域の屈折率未満の屈折率を有する材料から形成され、前記コア領域の直径は前記モート領域と接する大きさであって長波長で拡張コア領域を形成し、得られるファイバ光導波路が導波路に沿って搬送される信号を分散させることを特徴とするファイバ光導波路。
18. コア領域と、前記コア領域を包囲するモート領域と、前記モート領域及び前記コア領域とを包囲するクラッド領域と、を含むファイバ光導波路であって、
    前記クラッド領域は、前記モート領域を包囲しソリッドバックグラウンドマトリクス内に配置されたソリッド材料のリングを含み、前記コア領域の直径は前記モート領域と接する大きさであることを特徴とするファイバ光導波路。
19. 前記モート領域は、ソリッド材料から形成された低屈折率コラムのリングから形成されていることを特徴とする請求項１８記載の導波路。
20. 前記モート領域は、前記コア領域を包囲する空気コラムのリングから形成されていることを特徴とする請求項１９記載の導波路。

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