JP2006017775A - フォトニッククリスタルファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】 短波長であってもシングルモード動作可能であり且つ曲げ損失の少ないフォトニッククリスタルファイバを提供する。
【解決手段】 フォトニッククリスタルファイバ１０のクラッド１２に、コア１１を中心としてファイバ径方向に第１〜第４空孔層１５〜１８を形成する。このとき、第１空孔層１５をなす空孔１２ａの直径をｄ₁とした場合、第２〜第４空孔層１６〜１８をなす空孔１２ａのうち少なくとも１つを直径ｄ₁よりも小さな直径ｄ₂で形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、フォトニッククリスタルファイバに関し、特にファイバの性能向上を図るための技術に関するものである。

フォトニッククリスタルファイバとは、光ファイバの中心軸周辺に多数の空孔を規則的に配置することにより、空孔が配置された領域の内部に、入射光を伝搬する領域（コア）を形成したものである（例えば、特許文献１参照）。

このフォトニッククリスタルファイバによれば、クラッドに配置された空孔の径とその間隔とを適当に設定することにより、入射光の零分散波長を長波長側、又は短波長側に容易にシフトさせることができる。
特開２００２−２４３９７２号公報

このようなフォトニッククリスタルファイバに求められる特性の１つとして、広範囲な波長におけるシングルモード動作が挙げられるが、この特性を得る条件として、空孔の直径をｄ、互いに隣接する空孔の中心間の距離（ピッチ）をΛとした場合、ｄ／Λ＜０．４５を満たす必要がある。

例えば、図９は、上記条件を満たすように作製したフォトニッククリスタルファイバであり、ｄ／Λ＝０．３８となるように設定されている。この場合、短波長４０５ｎｍでシングルモード動作を実現することができるが、ｄ／Λの値が小さいため曲げ損失が大きくなるという問題が発生する。

これに対し、図１０は、曲げ損失が出ないように作成したフォトニッククリスタルファイバであり、ｄ／Λ＝０．６３となるように設定されている。この場合、曲げ損失はほとんどないが、短波長４０５ｎｍでシングルモード動作できなくなるという問題が発生する。

本発明は、か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、短波長でシングルモード動作可能であり且つ曲げ損失の少ないフォトニッククリスタルファイバを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明では、クラッドに配置される空孔の直径を不均一にするようにした。

すなわち、請求項１の発明は、ファイバ中心軸方向に延びるコアと、該コアの周囲に配置され該コアに沿って延びる複数の空孔を有するクラッドとを備えたフォトニッククリスタルファイバであって、
上記複数の空孔は、上記コアを中心としてファイバ半径方向に少なくとも２層以上の空孔層を形成するように規則的に配置されており、
上記コアに隣接する空孔層が互いに同じ直径ｄ₁の空孔により形成され、他の空孔層をなす複数の空孔のうち少なくとも１つが、ｄ₁＞ｄ₂を満たす直径ｄ₂の空孔からなることを特徴とする。

従って、本発明では、コアに隣接する空孔層をなす空孔の直径ｄ₁よりも小さな直径ｄ₂の空孔が他の空孔層に形成されているため、空孔の直径を均一にしてクラッドに配置した場合に比べて様々な特性を持ったファイバを自由に構成することができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載されたフォトニッククリスタルファイバにおいて、
互いに隣接する上記空孔の中心間の距離Λに対し、ｄ₂／ｄ₁＜０．８且つｄ₁／Λ＞０．４５であることを特徴とする。

すなわち、上記ｄ₁／Λはクラッドの空隙率であって、この値が大きいほどクラッドに占める空孔の割合が大きいことを示しており、ｄ₁／Λ＞０．４５であればクラッドの伝搬光をコアへ閉じ込める効果が強くなる。その結果、クラッドの曲げ損失が小さくなる。さらに、ｄ₂／ｄ₁＜０．８であれば、短波長の入射光をシングルモード伝搬させることができる。

以上説明したように、請求項１の発明によれば、ファイバのコアに隣接し大径の空孔からなる空孔層により曲げ損失を低減させるとともに、この空孔層をなす空孔の直径ｄ₁よりも小さな直径ｄ₂の空孔が含まれるように他の空孔層を形成したので、短波長でのシングルモード動作を実現することができる。

請求項２の発明によれば、ファイバのコアに隣接する空孔層をなす空孔の直径ｄ₁と隣接孔の中心間の距離Λとに基づくクラッドの空隙率ｄ₁／Λが、曲げ損失を出さないための条件である０．４５よりも大きな値に設定されるから、曲げ損失を低減する上で有利となる。また、周りの空孔層をなす空孔の一部を、ｄ₂／ｄ₁＜０．８となる直径ｄ₂の空孔で形成することで、短波長でのシングルモード動作を容易に実現することができる。

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。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係るフォトニッククリスタルファイバ１０（以下、ＰＣファイバという）の概略構成図である。このＰＣファイバ１０は、ファイバ中心をその軸方向に延びる中実のコア１１と、該ファイバ中心軸Ｐ方向に延び該コア１１の周囲に規則的に配置された多数の空孔１２ａを有するクラッド１２と、該クラッド１２を覆うように設けられたオーバークラッド部１２ｂとを備えている。

そして、上記クラッド１２が、二次元的に屈折率が周期的に変動したフォトニッククリスタル構造を構成し、入射光は、そのフォトニッククリスタル構造で囲われたコア１１に閉じ込められて伝搬されることとなる。

図２は、本実施形態１に係るＰＣファイバ１０におけるクラッド１２の空孔１２ａの配置を拡大して示す図である。具体的に、上記クラッド１２のファイバ径方向の最もファイバ中心軸Ｐに近い部分には、ファイバ中心軸Ｐを挟んで対向する６つの空孔１２ａ，１２ａ，…が正六角形状をなすように配置されている。これら６つの空孔１２ａ，１２ａ，…は略環状の第１空孔層１５を形成しており、この第１空孔層１５に囲まれた内部の領域がコア１１となる。

上記クラッド１２における空孔１２ａ，１２ａ，…の配置は、隣り合う空孔１２ａ，１２ａの中心間が全て同じ距離Λ（ピッチ）であって、隣接する３つの空孔１２ａが正三角形をなす周期的な配置であり、この周期でコア１１の周囲に配置されている。このような配置により、本実施形態１では、コア１１を中心にファイバ半径方向に向かう第１〜第４空孔層１５〜１８という４つの層が形成されている。

ここで、第１空孔層１５は全て直径ｄ₁の空孔１２ａで形成されている。次に、第２空孔層１６は、直径ｄ₁の空孔１２ａと、この直径ｄ₁よりも小さな直径ｄ₂の空孔１２ｃとが交互に並ぶように配置されることで形成されている。

そして、第３空孔層１７は、全て直径ｄ₂の空孔１２ｃで形成されており、第４空孔層１８は、第２空孔層１６の場合と同様に、直径ｄ₁の空孔１２ａと直径ｄ₂の空孔１２ｃとが交互に並ぶように配置されることで形成されている。

以上により、本発明の実施形態１に係るフォトニッククリスタルファイバによれば、クラッド１２の第１空孔層１５をなす空孔１２ａの直径ｄ₁よりも小さな直径ｄ₂の空孔１２ｃを第２空孔層１６以降の層に形成することで、曲げ損失を低減させるとともに、入射光が短波長であってもシングルモード動作させることができる。

また、ＰＣファイバ１０の製造方法として、キャピラリを多数積み重ねて線引きするキャピラリ法が一般的であるが、本発明の実施形態１に係るＰＣファイバ１０においては、隣り合う空孔１２ａ，１２ａの中心間が一定の距離Λとなるように設定しているので、外径が同じで内径のみ異なるキャピラリを並べてキャピラリ法により作製することで、非常に正確で規則的な空孔の配置を実現したＰＣファイバ１０を得ることができる。

＜実施形態２＞
図３は、本発明の実施形態２に係るフォトニッククリスタルファイバ１０である。上記実施形態１との違いは、直径の異なる空孔の配置のみであるため、以下、実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する（実施形態３，４も同様とする）。

まず、第１、第２及び第４空孔層１５，１６，１８の空孔の直径やその配置は、上記実施形態１と同様であるためその説明を省略する。

そして、第３空孔層１７は、第２空孔層１６の場合と同様に、直径ｄ₁の空孔１２ａと直径ｄ₂の空孔１２ｃとが略交互に並ぶように配置されることで形成されている。

従って、この実施形態２でも、上記実施形態１と同様の作用効果が得られる。

＜実施形態３＞
図４は、本発明の実施形態３に係るフォトニッククリスタルファイバ１０である。上記実施形態１又は２との違いは、直径の異なる空孔の配置のみである。

まず、第１、第２及び第４空孔層１５，１６，１８の空孔の直径やその配置は、上記実施形態１又は２と同様であるため、その説明を省略する。

ここで、第１空孔層１５の空孔１２ａの直径ｄ₁よりも小さく且つ直径ｄ₂の空孔１２ｃよりも大きな空孔１２ｄの直径をｄ₃とすると、第３空孔層１７は、直径ｄ₃の空孔１２ｄが複数連続してグループをなし、そのグループの間に直径ｄ₂の空孔１２ｃが１つ配置されることで形成されている。

従って、この実施形態３でも、上記実施形態１と同様の作用効果が得られる。

＜実施形態４＞
図５は、本発明の実施形態４に係るフォトニッククリスタルファイバ１０である。上記実施形態１〜３との違いは、直径の異なる空孔の配置のみである。

ここで、第１空孔層１５及び第２空孔層１６は、全て直径ｄ₁の空孔１２ａで形成されている。

そして、第３空孔層１７は、直径ｄ₃の空孔１２ｄが複数連続してグループをなし、そのグループの間に直径直径ｄ₂の空孔１２ｃが２つ配置されることで形成されている。

さらに、第４空孔層１８は、直径ｄ₂の空孔１２ｃと直径ｄ₃の空孔１２ｄとが交互に並ぶように配置されることで形成されている。

従って、この実施形態４でも、上記実施形態１と同様の作用効果が得られる。

なお、本実施形態１〜４で示した直径の異なる空孔の配置はあくまでも一例であり、その他にも様々な配置が考えられる。

次に、具体的に行った実施例について説明する。本実施例に用いたフォトニッククリスタルファイバは、上記実施形態１のものと同様の構成であり、そのファイバ径が１２５μｍ、コア径が９μｍであって、空孔の直径ｄ₁＝４．２［μｍ］、直径ｄ₁よりも小さな空孔の直径ｄ₂＝２．０［μｍ］、隣接する空孔の中心間の距離Λ＝６．５［μｍ］であった。すなわち、ｄ₂／ｄ₁＝０．４８、ｄ₁／Λ＝０．６５、ｄ₂／Λ＝０．３１となる。

また、本実施例におけるＰＣファイバの性能を確認するための比較例１として、図９に示すようなｄ／Λ＝０．３８となるＰＣファイバを用い、比較例２として、図１０に示すようなｄ／Λ＝０．６３となるＰＣファイバを用いて同じく実験を行った。

まず、入射光の波長と曲げ損失との関係を調べるために、ＰＣファイバ１０を曲げ直径６０ｍｍで１０回巻き、そのときのパワー変動について測定した。この結果を図６に示す。

図６より、比較例２及び本実施例では曲げ損失が少なく、比較例１では曲げ損失が大きくなっていることが確認できた。

次に、曲げ損失の少なかった比較例２及び本実施例で用いたＰＣファイバについてシングルモード動作の確認を行った。その結果を図７及び図８に示す。

図７（ａ）は、比較例２におけるカウント値とモードフィールド径との関係をシミュレーションにより解析して描画した平面図である。図７（ｂ）はＸ−Ｘ断面矢視図であり、図７（ｃ）はＹ−Ｙ断面矢視図である。

この結果から、比較例２では、セカンドモードが混在したためにピークが２箇所存在しており、シングルモードで動作させることができないことが確認できた。

図８（ａ）は、本実施例におけるカウント値とモードフィールド径との関係をシミュレーションにより解析して描画した平面図である。図８（ｂ）はＸ−Ｘ断面矢視図であり、図８（ｃ）はＹ−Ｙ断面矢視図である。

この結果から、本実施例では、ピークが１箇所のみであり、シングルモードで動作可能であることが確認できた。

以上説明したように、本発明は、フォトニッククリスタルファイバに対し、曲げ損失を低減しつつ短波長においてもシングルモード動作をさせることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

本発明の実施形態１に係るフォトニッククリスタルファイバの概略構成図である。 本実施形態１に係るフォトニックファイバにおけるクラッドの空孔の配置を拡大して示す図である。 本実施形態２に係るフォトニックファイバにおけるクラッドの空孔の配置を拡大して示す図である。 本実施形態３に係るフォトニックファイバにおけるクラッドの空孔の配置を拡大して示す図である。 本実施形態４に係るフォトニックファイバにおけるクラッドの空孔の配置を拡大して示す図である。 本実施例に係る入射光の波長と曲げ損失との関係を示す図である。 （ａ）比較例２におけるカウント値とモードフィールド径との関係を示す平面図である。（ｂ）Ｘ−Ｘ断面矢視図である。（ｃ）Ｙ−Ｙ断面矢視図である。 （ａ）本実施例におけるカウント値とモードフィールド径との関係を示す平面図である。（ｂ）Ｘ−Ｘ断面矢視図である。（ｃ）Ｙ−Ｙ断面矢視図である。 比較例１に係るフォトニックファイバにおけるクラッドの空孔の配置を示す図である。 比較例２に係るフォトニックファイバにおけるクラッドの空孔の配置を示す図である。

符号の説明

１０ フォトニッククリスタルファイバ
１１ コア
１２ クラッド
１２ａ 空孔
１５ 第１空孔層
１６ 第２空孔層

Claims (2)

1. ファイバ中心軸方向に延びるコアと、該コアの周囲に配置され該コアに沿って延びる複数の空孔を有するクラッドとを備えたフォトニッククリスタルファイバであって、
   上記複数の空孔は、上記コアを中心としてファイバ半径方向に少なくとも２層以上の空孔層を形成するように規則的に配置されており、
   上記コアに隣接する空孔層が互いに同じ直径ｄ₁の空孔により形成され、他の空孔層をなす複数の空孔のうち少なくとも１つが、ｄ₁＞ｄ₂を満たす直径ｄ₂の空孔からなることを特徴とするフォトニッククリスタルファイバ。
2. 請求項１に記載されたフォトニッククリスタルファイバにおいて、
   互いに隣接する上記空孔の中心間の距離Λに対し、ｄ₂／ｄ₁＜０．８且つｄ₁／Λ＞０．４５であることを特徴とするフォトニッククリスタルファイバ。
   

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