JP2005301267A - シングルモードの伝送が可能なフォトニック結晶光ファイバー及びその母材 - Google Patents

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Abstract

【課題】 シングルモード伝送が可能であるように設計された屈折率調整フォトニック結晶光ファイバー及びこれを製造するためのフォトニック結晶光ファイバー母材を提供する。
【解決手段】 入射光の電場強度分布と同一の屈折率分布を有するフォトニック結晶光ファイバーを製造するためのフォトニック結晶光ファイバー母材２００であって、フォトニック格子構造で配置された複数の長手方向のホール２２０を備える略円筒状の基体２１０と、複数のホール２２０の内に配置され、その屈折率分布が入射光の電場強度分布と一致するように配列された互いに異なる屈折率を有する複数の屈折率調整物質層２２１、２２２、２２３とを含んでなる。
【選択図】 図４Ａ

Description

本発明は、フォトニック結晶光ファイバー(Photonic Crystal Fiber；ＰＣＦ)及びその母材に関し、特に、シングルモード伝送が可能であるように設計された屈折率調整フォトニック結晶光ファイバー及びこれを製造するためのフォトニック結晶光ファイバー母材に関する。
一般に、光信号の伝送のために使用される光ファイバーは、シングルモード光ファイバーとマルチモード光ファイバーとに大別される。シングルモード光ファイバーは、一つのモードのみを使用するので、マルチモード伝送の間に発生するモードの間の重畳による信号分散(mode-coupling dispersion)を防止することができる。従って、シングルモード光ファイバーは、主に長距離の信号伝送に幅広く利用されている。
フォトニック結晶光ファイバー(ＰＣＦ)は、特別な形態を有する光ファイバである。一般のシングルモード光ファイバーは、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、フォトニック結晶光ファイバーは、図１に示すように、溶融石英(fused silica) ガラス１のように、単一個体のだいたい透明な素材からなり、その内部にファイバー長に沿ってファイバー軸に平行に伸張す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との間の誘電率の差を利用してフォトニックバンドギャップを形成し、フォトニックバンドギャップは、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、フォトニックバンドギャップの条件を満足する光のみがフォトニックバンドギャップを通過することができる。
フォトニック結晶光ファイバーは、技術的に多くの重要な特性を有する。例えば、フォトニック結晶光ファイバーは、広範囲の波長範囲にわたってシングルモードを支持することができ、大きいモードフィールド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、フォトニック結晶光ファイバーは、非線形性及び／又は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フォトニック結晶光ファイバーに関する報告によって、近い将来にフォトニック結晶光ファイバーが、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ている。
フォトニック結晶光ファイバー(ＰＣＦ)の製造の時には、原型を維持しながら十分長い長さを有するフォトニック結晶光ファイバー(ＰＣＦ)を線引きするために、フォトニック結晶光ファイバー母材を円形に製造すべきである。一般的な、フォトニック結晶光ファイバー(ＰＣＦ)母材は、図２又は図３に示すような構造を有する。
図２（ａ）に示すフォトニック結晶光ファイバー(ＰＣＦ)母材は、円形の石英ガラス棒１０に複数の円形のエア層１１をフォトニック格子構造で形成した構造であり、図２（ｂ）に示すような屈折率分布を有する。
図３（ａ）に示すフォトニック結晶光ファイバー(ＰＣＦ)母材は、円形の石英ガラスチューブ２０より小さい直径を有する複数の石英ガラスチューブ２１を、フォトニック格子構造に配置して形成した構造であり、図３（ｂ）に示したような屈折率分布を有する。このとき、石英ガラスチューブ２１の配列によって形成される格子構造に基づき、多様な光伝送の特性を示す。
しかしながら、従来技術によるフォトニック結晶光ファイバー(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により伝送特性を実現するので、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、所望の設計と異なるものと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。したがって、光ファイバーのコア非対称による望ましくない偏光モード分散(polarization mode dispersion；ＰＭＤ)が現れる。さらに、シングルモード光ファイバーの場合に、入射光が実際のコアから外れた領域を通過するので、光損失及び屈折率ズレを引き起こす。したがって、光損失及び屈折率ズレによるパルス分散(pulse dispersion)が生じるというさらなる問題点がある。
上記背景に鑑みて、本発明の目的は、広い波長領域にわたってシングルモードを提供し、シングルモード信号を長距離に伝送するように設計されたシングルモード伝送が可能なフォトニック結晶光ファイバー及びその母材を提供することにある。
本発明の他の目的は、母材の製造及び光ファイバデザインの実現が容易であるフォトニック結晶光ファイバー及びその母材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、本発明は、複数の軸方向のホールを備えるフォトニック結晶光ファイバーであって、光ファイバーの屈折率分布は、光ファイバーを通じて伝送しようとする入射光の電場強度分布と同一であることを特徴とする。
望ましくは、フォトニック結晶光ファイバーの屈折率分布は、光ファイバーの中心点での屈折率が一番大きく、外周に行くほど次第に小さくなってガウシアン分布を有することを特徴とする。
また、本発明は、入射光の電場強度分布と同一の屈折率分布を有するフォトニック結晶光ファイバーを製造するためのフォトニック結晶光ファイバー母材であって、フォトニック格子構造で配置された複数の軸方向のホールを備える略円筒状の基体と、複数のホールの中に配置され、その屈折率分布が入射光の電場強度分布と一致するように配列された互いに異なる屈折率を有する複数の屈折率調整物質層とを有することを特徴とする。
望ましくは、それぞれの屈折率調整物質層は、棒状又はチューブ形状で形成され、ホールの中に挿入されることを特徴とする。
さらに望ましくは、屈折率調整物質層の屈折率は、光ファイバー母材の中心から外周向かって次第に減少し、ガウシアン分布を有することを特徴とする。
本発明は、フォトニック格子構造の光ファイバーの屈折率分布が、入射光の電場強度分布と一致するようにする。これによって、実際のコアから外れた領域を通過する入射光による光損失や、屈折率ズレによって発生する光損失及び屈折率ズレによるパルス分散を最小化することができる。従って、光損失及び光非線形性が非常に低く、特に、シングルモード信号を長距離で伝送可能な優れた伝送特性を有するフォトニック結晶光ファイバーの製造が容易になる。
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。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭するために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。
図４Ａは、本発明の実施形態によるフォトニック結晶光ファイバー母材の断面を示す図である。図４Ｂは、図４Ａに示した光ファイバー母材のＡ−Ａ’断面の屈折率分布及び入射光の電場強度分布を示すグラフである。
本発明の理解を助けるために、光ファイバーへの入射光は、コア直径で定義される領域でなく、モードフィールド直径(mode field diameter)で定義される領域を通過するものとする。モードフィールドは、入射光の電場強度(electric field power)が、最高値から０．３７*１/ｅだけ減少する地点までの間の領域として定義され、ガウシアン分布を有する。したがって、図４に示すように、光ファイバー母材の基体１０１にそれぞれ配置される屈折率調整物質１０２の屈折率分布を、入射光の電場強度分布１０３とほぼ一致させた場合に、実際のコアから外れた領域を通過する入射光による光損失及び屈折率ズレによって発生するパルス分散を最小化することができる。
図５は、本発明の一つの実施形態によるフォトニック結晶光ファイバー母材２００の構造を示す断面図である。図５を参照すると、フォトニック結晶光ファイバー母材２００は、フォトニック格子構造で配置された複数の軸方向のホール２２０を備える略円筒状の基体(substrate)２１０と、複数のホール２２０の中に配置され、屈折率分布が入射光の電場強度分布(electric field power distribution)と一致するように配列された互いに異なる屈折率を有する複数の屈折率調整物質層２２１、２２２、２２３を含んで構成される。
屈折率調整物質層は、母材のホールに屈折率調整のための物質を満たしたものであって、製造工程において液状の屈折率調整物質層を流し込んで固形化させたものである。
フォトニック格子構造で配置された複数のホール２２０は、一定間隔で離隔配置されて、全体的に六角形構造のパターンを形成し、互いに異なる屈折率を有する屈折率調整物質層２２１、２２２、２２３で満たされる。フォトニック結晶光ファイバー母材２００の屈折率分布は、屈折率調整物質層２２１、２２２、２２３の屈折率によって決定される。それゆえ、フォトニック結晶光ファイバー母材２００の屈折率分布が入射光の電場強度分布と一致するように、屈折率調整物質層２２１、２２２、２２３を選択して各ホール２２０に配置する。このとき、一番大きい屈折率を有する屈折率調整物質層２２１は、中心点に位置し、屈折率が次第に小さくなる他の屈折率調整物質層は、外周の方に配置される。
図６は、図５での点線の部分を詳細に示す図である。円筒状の基体２１０は、屈折率が１である物質で構成され、例えば、複数のホール２２０のそれぞれは、屈折率が５である屈折率調整物質層２２１、屈折率が３である屈折率調整物質層２２２、屈折率が２である屈折率調整物質層２２３で満たされる。基体２１０は、純粋石英(pure-silica)を含む物質、又は、石英(silica)に一定屈折率を有するドーパント(dopant)が添加された物質から構成することができ、屈折率調整物質層２２１、２２２、２２３は、純粋石英の屈折率を基準とした相対屈折率を有する物質で構成することができる。
図７は、図６でのＢ−Ｂ'断面の入射光の電場強度分布を０から１まで相対的に示す図である。複数のホール２２０に配置される屈折率調整物質層２２１〜２２３が、屈折率が光ファイバー母材２００の中心から外周側に次第に減少するように配列されることによって、光ファイバー母材２００の屈折率も光ファイバー母材２００の中心から外周側に次第に減少することが分かる。
図８は、本発明の他の実施形態によるフォトニック結晶光ファイバー母材の構造を示す断面図である。
図８を参照すると、フォトニック結晶光ファイバー母材３００は、フォトニック格子構造で配置された複数の軸方向のホール３２０を備える略円筒状の基体３１０と、ホール３２０に挿入可能に形成された互いに異なる屈折率を有する複数の屈折率調整チューブ３２１、３２２、３２３と、を含んで構成される。
チューブは、棒形状であり、製造工程において母材に形成されたホールに挿入され、格子構造の保持のために母材と近似した膨張係数を有している。
図５を参照して上述したように、フォトニック結晶光ファイバー母材３００の屈折率分布は、基体３１０に挿入される屈折率調整チューブ３２１、３２２、３２３の屈折率によって決定される。それゆえ、屈折率調整チューブ３２１、３２２、３２３は、フォトニック結晶光ファイバー母材３００の屈折率分布が入射光の電場強度分布と一致するように選択的に配置される。このとき、一番大きい屈折率を有するチューブ３２１は、フォトニック結晶光ファイバー母材３００の中心点に位置し、フォトニック結晶光ファイバー母材３００の外周へ向かって、屈折率が次第に小さくなる他のチューブが配置される。
図９は、本発明の他の実施形態によるフォトニック結晶光ファイバー母材の構造を示す断面図である。
図９を参照すると、フォトニック結晶光ファイバー母材４００は、２つの異なる屈折率を有する基体、例えば、純粋石英管及び所定の相対屈折率を有する物質で形成された略中空円筒状の外周基体４１０と、外周基体４１０の内に形成され純粋石英管から構成される内周基体４２０と、を含んで構成される。外周基体４１０及び内周基体４２０のそれぞれは、フォトニック格子構造で配置された複数の軸方向のホールを備え、複数のホールには、互いに異なる屈折率を有するチューブ４１１、４２１、４２２が挿入されるか、又は互いに異なる屈折率を有する物質で満たされる。上述したように、フォトニック結晶光ファイバー母材４００の屈折率分布は、外周基体４１０及び外周基体４１０に形成されたチューブ４１１、４２１、４２２の屈折率及び外周基体４１０に含まれた物質の屈折率によって決定される。それゆえ、チューブ４１１、４２１、４２２は、フォトニック結晶光ファイバー母材４００の屈折率分布と入射光の電場強度分布とが一致するように選択的に配置される。
上述したような構成を有する本発明の各実施形態に従うフォトニック結晶光ファイバー母材から製造されるフォトニック結晶光ファイバーは、対応するフォトニック結晶光ファイバー母材と同一の構造及び屈折率分布を有することとなる。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たが、本発明の範囲は前述の実施形態によって限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で様々な変形が可能なことは、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。
一般的なフォトニック結晶光ファイバーの断面を概略的に示す図である。 従来のフォトニック結晶光ファイバー母材の断面及び屈折率分布を示す概略図である。 従来のフォトニック結晶光ファイバー母材の断面及び屈折率分布を示す概略図である。 本発明の実施形態によるフォトニック結晶光ファイバー母材の断面を示す図である。 図４Ａに示した光ファイバー母材のＡ−Ａ’断面の屈折率分布及び入射光の電場強度分布を示すグラフである。 本発明の一つの実施形態によるフォトニック結晶光ファイバー母材の構造を示す断面図である。 図５での点線の部分を詳細に示す図である。 図６でのＢ−Ｂ'断面の入射光の０から１までの相対電場強度分布を示す図である。 本発明の他の実施形態によるフォトニック結晶光ファイバー母材の構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態によるフォトニック結晶光ファイバー母材の構造を示す断面図である。
符号の説明
１０１：基体
１０２：屈折率調整物質
１０３：電場強度分布
２００：光ファイバー母材
２１０：基体
２２０：ホール
２２１：屈折率調整物質層
２２２：屈折率調整物質層
２２３：屈折率調整物質層

Claims (16)

  1. 複数の軸方向のホールを備えるフォトニック結晶光ファイバーであって、
    前記光ファイバーの屈折率分布は、前記光ファイバーを通じて伝送しようとする入射光の電場強度分布(electric field power distribution)と同一であることを特徴とするシングルモード伝送が可能なフォトニック結晶光ファイバー。
  2. 前記フォトニック結晶光ファイバーの屈折率分布は、
    前記光ファイバーの中心点での屈折率が一番大きく、外周に行くほど次第に小さくなって、ガウシアン分布(gaussian distribution)を有することを特徴とする請求項１記載のシングルモード伝送が可能なフォトニック結晶光ファイバー。
  3. 入射光の電場強度分布と同一の屈折率分布を有するフォトニック結晶光ファイバーを製造するためのフォトニック結晶光ファイバー母材であって、
    フォトニック格子構造で配置された複数の軸方向のホールを備える略円筒状の基体と、
    前記複数のホールの中に配置され、前記フォトニック結晶光ファイバー母材の屈折率分布が入射光の電場強度分布と一致するように配列された、互いに異なる屈折率を有する複数の屈折率調整物質層と、
    を有することを特徴とするフォトニック結晶光ファイバー母材。
  4. 前記各屈折率調整物質層は、棒状又はチューブ形状で形成され、前記ホールの中に挿入されることを特徴とする請求項３記載のフォトニック結晶光ファイバー母材。
  5. 前記複数のホールの中に配置される前記各屈折率調整物質層の屈折率は、前記フォトニック結晶光ファイバー母材の屈折率分布が、前記フォトニック結晶光ファイバー母材の中心から外周に向かうにつれ次第に減少するように設定されることを特徴とする請求項３記載のフォトニック結晶光ファイバー母材。
  6. 前記複数のホールの中に配置される前記各屈折率調整物質層の屈折率は、前記フォトニック結晶光ファイバー母材の屈折率分布が、ガウシアン分布(gaussian distribution)を有するように設定されることを特徴とする請求項５記載のフォトニック結晶光ファイバー母材。
  7. 前記基体(substrate)は、純粋石英(pure-silica)を含む物質から構成されることを特徴とする請求項３記載のフォトニック結晶光ファイバー母材。
  8. 前記基体は、石英に所定の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ことを特徴とする請求項３記載のフォトニック結晶光ファイバー母材。
  9. 前記各屈折率調整物質層は、前記純粋石英の屈折率を基準とした相対屈折率を有することを特徴とする請求項７記載のフォトニック結晶光ファイバー母材。
  10. フォトニック結晶光ファイバー母材であって、
    略円筒状の基体と、
    前記略円筒状の基体内にフォトニック格子構造で配置され、前記フォトニック結晶光ファイバー母材の屈折率分布が入射光の電場強度分布(electric field power distribution)と一致するように配列された互いに異なる屈折率を有する複数の屈折率調整物質層と、を有し、
    前記屈折率調整物質層の配列によって、前記フォトニック結晶光ファイバー母材の屈折率分布を調節することを特徴とするフォトニック結晶光ファイバー母材。
  11. 前記各屈折率調整物質層は、前記基体の半径より小さい半径の棒状またはチューブ形状であることを特徴とする請求項１０記載のフォトニック結晶光ファイバー母材。
  12. 前記複数のホールの中に配置される前記各屈折率調整物質層の屈折率は、前記フォトニック結晶光ファイバー母材の屈折率分布が、前記フォトニック結晶光ファイバー母材の中心から外周に向かうにつれ次第に減少するように設定されることを特徴とする請求項１０記載のフォトニック結晶光ファイバー母材。
  13. 前記複数のホールの中に配置される前記各屈折率調整物質層の屈折率は、前記フォトニック結晶光ファイバー母材の屈折率分布が、ガウシアン分布(gaussian distribution)を有するように設定されることを特徴とする請求項１２記載のフォトニック結晶光ファイバー母材。
  14. フォトニック結晶光ファイバー母材であって、
    複数の第１のホールを備える略中空円筒状の外周基体と、
    前記外周基体の中に挿入され、前記複数の第１のホールと共にフォトニック格子構造を成すように配置された複数の第２のホールを備える略円筒状の内周基体と、
    前記複数の第１のホール及び複数の第２のホールの中に配置され、前記フォトニック結晶光ファイバー母材の屈折率分布が、入射光の電場強度分布(electric field power distribution)と一致するように配列された、互いに異なる屈折率を有する複数の屈折率調整物質層と、を有し、
    前記屈折率調整物質層の配列によって、前記フォトニック結晶光ファイバー母材の屈折率分布を調節することを特徴とするフォトニック結晶光ファイバー母材。
  15. 前記各屈折率調整物質層は、棒状に形成されることを特徴とする請求項１４記載のフォトニック結晶光ファイバー母材。
  16. 前記各屈折率調整物質層は、チューブ形状に形成され、前記ホールの中に挿入されることを特徴とする請求項１４記載のフォトニック結晶光ファイバー母材。
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