JP2006285278A

JP2006285278A - 微細構造光ファイバ

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Publication number: JP2006285278A
Application number: JP2006164810A
Authority: JP
Inventors: Jinendra Kumar Ranka; クーマーランカジネンドラ; Robert Scott Windeler; スコットウィンデラーロバート
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2006-10-19
Also published as: JP2000356719A; EP1054273A2; US6097870A; EP1054273A3; EP1054273B1; JP4112777B2

Abstract

【課題】可視および近赤外(vis-nir)波長で比較的大きい非線形相互作用を示すデバイスを実現する。
【解決手段】適当に設計した光導波路は、vis-nir波長の連続体にわたり異常（正）分散を示し、一実施例によるファイバ１０は、可視波長（例えば約７６０ｎｍ）でゼロ分散を示す。これらの特性は、コア領域１２と、コア１２とクラッド１４の間の屈折率差とを相互に適合させる（コア領域１２を比較的小さくし、屈折率差を比較的高くする）ことによって達成される。好ましい実施例では、ゼロ分散点はvis-nir波長で生じる。例えば、光導波路は、コア１２内の屈折率導波を可能にする複数の毛管空孔１４．１を有する比較的薄い内側クラッド１４により包囲されたシリカコア１２を有する微細構造ファイバ１０である。空孔の断面のパターンは、例えば六角形や三角形である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路に関し、特に、このような導波路を利用する物品（デバイス、装置およびシステム）に関する。

米国特許第５，８０２，２３６号（発行日：１９９８年９月１日、発明者：D. J. DiGiovanni et al.）（以下「DiGiovanni米国特許」という）には、屈折率導波により放射を導波する非周期的微細構造光ファイバが記載されている。DiGiovanni米国特許によれば、コア領域およびクラッド領域を適当に選択することにより、コア領域とクラッド領域の有効屈折率差△を大きくすることが可能であり、一般に５％以上にすることが可能であり、また、１０％や２０％にすることも可能である。このような高い△により、基本導波モードのモードフィールド径を小さくし（通常２．５μｍ未満）、その結果、コア領域において高い放射強度が得られる。例えば、ファイバは、内側クラッド領域および外側クラッド領域により包囲された固体シリカコア領域を有する。一実施例では、クラッド領域は、ファイバ軸方向に延びる毛管ボイド(capillary void)を有し、外側クラッド領域のボイドの直径は、内側クラッド領域のボイドの直径より大きいため、外側クラッド領域の有効屈折率は、内側クラッド領域の有効屈折率より大きくなる。また、DiGiovanni米国特許によれば、このタイプの非周期的微細構造ファイバは、潜在的に多くの使用法（例えば、分散補償ファイバ（分散勾配補償のあるものおよびないもの）、増幅ファイバ、レーザ、可飽和吸収体、ファイバグレーティング、および非線形素子）がある。

分散補償に関しては、DiGiovanni米国特許の図６と、第５欄第６１行以下の関連する記載には、約１５１５〜１６００ｎｍの赤外波長における例示的な微細構造ファイバの群速度分散スペクトルの計算値がある。図５に示すように、ファイバは、シリカコアと、空気毛管クラッド構造とを有する。このファイバの負分散スペクトル（実線６１）が、市販の５Ｄ^(R)伝送ファイバの正分散スペクトル（破線６２）と比較される。２０ｎｍ以上（例えば約５０ｎｍ）のスペクトルレンジにわたり、約１ｋｍのDiGiovanni米国特許のファイバは、９４ｋｍの通常のシングルモード伝送ファイバの正分散をほぼ完全に補償する。

しかし、DiGiovanni米国特許には、さらに短い波長における微細構造ファイバのファイバ分散については記載されておらず、特に、可視および近赤外波長において動作するこのようなファイバについては記載されていない。他方、標準的なシングルモードファイバは、可視波長領域で大きい常（負）群速度分散を示すため、電磁スペクトルのこの部分における非線形光相互作用を極度に制限する。さらに、従来、可視および近赤外波長で比較的大きい非線形相互作用を示すデバイスおよびシステムが必要とされている。以下、vis-nir波長という用語は、紫から赤までの可視スペクトル（すなわち、約３００〜９００ｎｍ）と、近赤外スペクトル（すなわち、シリカでは約９００ｎｍ〜約１２７０ｎｍ）を含む波長を指すものとする。vis-nir領域の上限は、他の材料では異なることもある。

本発明によれば、適当に設計した光導波路は、vis-nir波長の連続体にわたり異常（正）分散を示し、一実施例では、本発明によるファイバは、可視波長（例えば約７６０ｎｍ）でゼロ分散を示す。一般に、これらの特性は、コア領域と、コアとクラッドの間の屈折率差とを相互に適合させる（すなわち、コア領域を比較的小さくし、屈折率差を比較的高くする）ことによって達成される。好ましい実施例では、ゼロ分散点はvis-nir波長で生じる。ここでは、材料の常（負）分散は比較的高く、コアとクラッドの間の有効屈折率差は十分に大きいため、導波路の異常（正）分散が材料の常分散を補償する。

例えば、光導波路は、コア内の屈折率導波を可能にする複数の毛管空孔を有する比較的薄い内側クラッドにより包囲されたシリカコアを有する微細構造ファイバである。空孔の断面によって形成されるパターン（通常は円）は、密に充填された六角形や三角形のようなさまざまな幾何形状をとることが可能である。あるいは、空孔の断面は、１対の放射状ウェブによって支持されるコアの両側の、２つの対になるほぼ半円形の領域を形成することも可能である。

本発明の微細構造ファイバの新規な分散特性を比較的小さい有効面積のコアと組み合わせた結果として、本発明のいくつかの応用例では、従来の標準的なシリカファイバでは約１３００ｎｍ以上の波長でしか可能ではなかったこと、例えば、パルス圧縮、明るいソリトン伝搬、基本モード間第２高調波発生、および、vis-nir領域におけるブロードバンド連続体発生が、可能である。

以上述べたごとく、本発明によれば、可視および近赤外波長で比較的大きい非線形相互作用を示すデバイスおよびシステムが実現される。

以下の説明は３つのセクションに分かれる。第１に、vis-nir波長で異常分散を発生するのに適した微細構造ファイバ（ＭＳＦ：microstructured fiber）の設計について説明する。第２に、このようなファイバのさまざまな応用例について説明する。最後に、実験結果に基づいて例を示す。以下の説明では主としてＭＳＦに注目するが、本発明の原理は、他のタイプの導波路にも適用可能であると期待される。例えば、下部クラッドとして作用する低屈折率基板上に配置されたＬｉＮｂＯ₃コアにより形成されるようなプレーナ導波路にも適用可能である。上部クラッドは、コアと空気との界面によって、または、コア上に配置される相対的に低い屈折率の層によって、形成されることが可能である。

一般に、本発明のさまざまな特徴による光導波路は、vis-nir波長においてゼロ分散を有する。この波長では、コアの材料の常（負）分散は比較的大きく（すなわち、−５０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以下）、コアとクラッドの間の有効屈折率差は十分に大きい（すなわち、５％以上）ため、導波路の異常（正）分散は材料の常分散を補償する。材料分散が負で絶対値が大きくなるほど、導波路で設計される屈折率差は大きくなる。その結果、vis-nir波長の範囲にわたる異常分散と、その範囲内でのゼロ分散が得られる。さらに、導波路内の非線形効果を増大させるために、有効コア面積が比較的小さく（すなわち、４０μｍ²以下）なる。

［微細構造ファイバの設計］
図１は、本発明の一実施例によるＭＳＦ１０の概略断面図である。コア１２は、内側クラッド１４および外側クラッド１６によって包囲される。コアは、ドープすることも非ドープとすることも可能であり、固体とすることも液体とすることも可能であり、複屈折を有することも非複屈折性とすることも可能である。コアは、さまざまな形状（例えば、ほぼ円形、または、楕円形）をとることが可能である。ファイバの長軸に沿って伝搬する放射の屈折率導波を実現するために、内側クラッド１４の有効屈折率はコアの有効屈折率より低い。他方、外側クラッド１６は、ファイバに強度を与える。本発明の１つの特徴によれば、内側クラッド１４は、内側クラッドの有効屈折率を低下させてコア中を伝搬する放射の屈折率導波を実現するように作用する複数の比較的低い屈折率のクラッド構造１４．１を有する。例えば、これらの構造は、円形断面を有し例えばガラスの高屈折率マトリクス中に形成された毛管空孔からなる。通常、コアおよび外側クラッドもまたガラスからなり、さらに、ガラスはシリカである。しかし、外側クラッドは、内側クラッド中に設計されるタイプの構造を有する必要はない。

本発明の好ましい実施例では、内側クラッド構造の少なくとも１つの比較的薄い「層」が、コアの周囲に配置され、密に充填された多角形を形成する。ここで「薄い」とは、この構造の最も外側の周囲境界が、コアの最も外側の周囲境界から約１０〜３０μｍ以下にあることを意味する。約１０〜３０μｍを超える構造は、vis-nir波長における放射モードの屈折率導波にはほとんど何の役割も果たさない。単一層の構造の場合、２つの境界の間の距離は、この構造のサイズ（例えば直径）にほぼ等しい。図２に、この構造が空孔であり、その断面によって形成されるパターンが六角形である場合の単一層設計を示す。コアは、空孔どうしの間の間隙とともに、シリカからなる。例えば、空孔およびコアはほぼ円形であり、有効コア直径は約０．５〜７μｍ（例えば、１．７μｍ）であり、有効コア面積は約０．２〜４０μｍ²であり、空孔の直径は０．５〜７μｍ（例えば、０．７μｍ）であり、空孔の中心間間隔は０．５〜７μｍ（例えば、１．６μｍ）である。ファイバの通常の外径は約１２５μｍであるが、他のサイズも適当である。△は比較的大きく、例えば、約１％〜３０％であり、好ましくは５％以上である。ただし、△＝（ｎ_eff,core−ｎ_eff,clad）／ｎ_eff,coreを百分率で表したものである。このタイプのＭＳＦはシングルモードとすることが可能である。しかし、マルチモードＭＳＦもまた、本発明のいくつかの応用例には適している。

本発明によるＭＳＦ設計の代替実施例を図３〜図５に示す。図３および図４の外側の円は最も外側のクラッドの外側境界を表すが、図５の外側の円は内側クラッドの外側境界を表す。（図１と比較すると、図３および図４の外側クラッドは、図におけるスペースを節約するために圧縮されている。）図４では、追加の空孔を内側クラッドに含めている。例えば、第２「層」の空孔１４．２は、第１層の空孔１４．１の周りに密に充填され、空孔のネストされた配置を形成する。前述のように、第２層の空孔の外側境界は、コアの外側境界から約１０〜３０μｍ以下とすべきである。同様に、空孔またはその他の構造のさらに多くの層を含める場合、同じ条件を満たすべきである。他方、図３および図５では、より少ない空孔が内側クラッドに含められている。すなわち、図３は、３個の空孔の密に充填された配置を示す。これらの断面のパターンは三角形を形成する。これに対して、図５は、コア１２の両側にほぼ半円の空孔１４．３の対を示している。コア１２は、１対の放射状リブ１８によって支持される。

すべての光ファイバは、標準的なファイバもＭＳＦも、ファイバに沿って伝搬する光信号の品質と、ファイバを含む装置やシステムの性能に悪影響を及ぼす可能性のある群速度分散（ＧＶＤ）を示す。ＧＶＤは２つの部分（導波路分散および材料分散）を有する。導波路分散は、コアとクラッドの間の放射の分布の関数である。材料分散は、ファイバコアを構成する材料に固有であり、波長の既知関数である。標準的なシングルモードシリカファイバでは、vis-nir領域では材料分散が支配的である。vis-nir領域では、△が比較的低い（例えば、１％以下）ため、導波路分散は比較的低い。このようなファイバは一般に約１２７０ｎｍでゼロ分散を示し、それより長波長では異常（正）のＧＶＤを示す。このようなファイバにおけるゼロ分散点は、△を増大させ、コアサイズを縮小することによって、長波長側（例えば、１３１０〜１５５０ｎｍ）にシフトすることができることが知られているが、一般に、ゼロ分散点を１２７０ｎｍ以下にどのようにして生成するかは知られていない。

ＭＳＦのような標準的でないファイバでは、△が非常に大きい（例えば、５％異常）ために導波路分散がずっと重要な役割を果たすので、状況は全く異なる。例えば、D. Mogilevtsev et al., Optics Lett., Vol.23, No.21, pp.1662-1664 (Nov. 1998)、では、フォトニック結晶ファイバは１２７０ｎｍより短い波長でゼロ分散を有することが可能であろうと予想されているが、ＭＳＦがそのような短波長でゼロ分散を有することが可能であるという予想や実験的検証をした文献は、発明者の知る限り存在しない。前掲のDiGiovanni米国特許でも、ＭＳＦについてはこの問題を扱っておらず、この米国特許における分散についての記載（図６）は、約１５１５〜１６００ｎｍの狭い範囲に集中している。そして、本発明で実現された顕著な結果、すなわち、適切に設計されたＭＳＦはvis-nir波長の範囲にわたり異常分散を有し、同じ範囲内のある波長でゼロ分散を有することは、従来全く予想されていない。以下、異常分散範囲(anomalous dispersion range)をＡＤＲという。

一般に、本発明によれば、ＭＳＦにおける導波路分散は、材料分散を補償するように変更可能であり、その結果、vis-nir波長範囲の少なくとも一部でＧＶＤが小さくなる。本発明のＭＳＦのこの特性により、位相整合が容易に実現され、非線形周波数変換が効率的に行われるようになる。具体的には、本発明によるシリカＭＳＦは、１２７０ｎｍより十分に低い波長で（例えば、７００〜９１０ｎｍの範囲で、特に、７６０ｎｍで）ゼロ分散を有することが可能であり、同じ範囲においてＧＶＤは異常（正）となることが可能である。例えば、この範囲における最大ＧＶＤは、約９１０ｎｍにおいて約＋８０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍである。これに対して、標準的なステップインデックスシングルモードファイバは、７６０ｎｍで約−１３０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍの負の分散を有し、９１０ｎｍでは約−８０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍの負の分散を有する。さらに詳細には図６に示す通りである。さらに、本発明のＭＳＦは、近赤外波長（例えば、９１０〜１２７０ｎｍ）でも同様の分散特性を示すように形成可能であることが期待される。ゼロ分散点は、コアの有効直径、コアの材料および組成、空孔のサイズおよび間隔、あるいは、空孔の層の数を変えることによって変更することができる。

さらに、このようなＭＳＦは、vis-nir領域内で、ＡＤＲの両端に１つずつ、２つのゼロ分散波長を示すことも可能である。

これらの新規な分散特性は、コアの小さい有効面積とともに、本発明のさらに他の特徴を示す新規な応用例につながる。このような応用例は、通信システム、ブロードバンドvis-nir光発生器、パルス圧縮方式、非線形周波数変換器、およびファイバレーザを含む。これらについて、次のセクションで説明する。

［応用例］
図８に示すように、通信システム８０は、光送信器８２と利用デバイス８４の間の通信リンクを提供するシングルモード光ファイバを有する。利用デバイスは、端末機器、光受信器、光検出器、光増幅器などとすることが可能である。リンクは、光増幅器、カプラ、マルチプレクサ、アイソレータなどのような、第１ファイバセクション（セグメント）８６を第２ファイバセクション（セグメント）８９に結合する当業者に周知の１つ以上の光デバイス８８を含むことが可能である。本発明の一実施例によれば、セグメント８６および８９の少なくとも一方は、上記のようにvis-nir波長λ_oでゼロ分散を有するＭＳＦを含み、送信器は、ＡＤＲ内のある波長λ_sの信号を発生する光源（例えばレーザ）を有する。

図８のシステムは、いくつかの方法で、パルス圧縮用にすることが可能である。いずれの場合にも、送信器８２は、ファイバセクション８６に結合されるパルス光信号を発生する光源（例えば半導体レーザ）を有する。ソリトンによる圧縮の場合、光源は、λ_sはＡＤＲ内にあるがλ_oに近い（例えば、λ_s＝７８０ｎｍ、λ_o＝７６０ｎｍ）ように、かつ、ピークパルスパワーが十分に高くなるように設計され、ＭＳＦセグメントの非線形性がＭＳＦの異常分散を補償するように（すなわち、ソリトン伝搬が起こるように）される。光源自体が負にチャープした（すなわち、短波長成分が長波長成分に比べて遅延した）パルスを発生するようなシステムでは、ＭＳＦセグメントの異常分散がパルスの負チャープを補償することにより、（ＭＳＦセグメントがない場合のシステムに比べて）パルスを圧縮する。他のシステムでは、光源自体は必ずしも負にチャープしたパルスを発生しないが、常（負）分散を有する標準的なファイバセクション８６のような、システム内の他のコンポーネントをパルスが伝搬するときにそのパルスに負のチャープが引き起こされる。さらに、十分に高いパワーでは、このようなコンポーネントを伝搬するパルスは自己位相変調により広がることがあることは周知である。このようなシステムでは、他方のファイバセクション８９は、常分散／自己位相変調コンポーネントによって引き起こされる広がりを補償する異常（正）分散を有するＭＳＦとなるように設計されることによって、（そのＭＳＦセグメントがない場合のシステムに比べて）パルスを圧縮する。

次に、図９（当面、グレーティング９６．１および９６．２は無視する）に、ＭＳＦ９６に結合したポンプ光源９２を有するコヒーレントvis-nir光発生器９０を示す。ファイバ（シングルモードとすることも、マルチモードとすることも可能である）の出力は、利用デバイス９４に送られる。アプリケーションに応じて、デバイス９４は、例えば、光検出器、ディスプレイ、または光記憶媒体とすることが可能である。通常、ポンプ光源９２は、数百ワット以上のピーク光パワーを有する光パルスを発生するレーザであるが、より低いピークポンプパワーでの動作も実現可能である。ポンプ光源出力の波長λ_pは、ゼロ分散点付近になるように選択される。すなわち、λ_o−△λ₁＜λ_p＜λ_o＋△λ₂であり、△λ₁および△λ₂は必ずしも相等しくない。例えば、△λ₂および△λ₁は、ＧＶＤが下限で負（例えば、−７５ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ）であり、上限で正（例えば、＋５３５ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ）となるように選択される。例えば、シリカＭＳＦの場合、６９０ｎｍ＜λ_p＜１２７０ｎｍである。次のセクションでさらに詳細に説明するように、ＭＳＦにおける非線形効果（すなわち、位相整合４波混合、自己位相変調、ラマン散乱および和周波数発生）の組合せに基づいて、光発生器９０は、ピークパワーが数キロワットのパルスを発生するとき、青（例えば、３９０ｎｍ）から近赤外（例えば、１６００ｎｍ）のvis-nir波長の範囲にわたる光の広い連続体を放出する。これに対して、従来技術では、ピークパワーが数メガワットの光パルス（このパワーレベルはガラスファイバを損傷する）によってポンピングされるバルクガラスでのみ、可視光出力を発生することができるだけである。例えば、G. Sucha et al., Optics Lett., Vol.16, No.15, pp.1177-1179 (1991)、を参照。発生器９０は、ポンプパワーあるいはポンプ波長を変えることによって、この波長範囲にわたり出力波長を調整する（それにより、非線形メカニズムがさまざまな波長成分を生成する程度に影響を及ぼす）ことが可能である。

観測されるいくつかの効果は、ファイバにどのくらい損失があるか、および、ポンプ信号がどのくらい長くファイバに沿って伝搬するかに依存する。もちろん、ほとんどの実用的な通信アプリケーションでは、損失のあるファイバは一般に好ましくないが、発明者のいくつかの実験用ファイバでは、このような損失が存在することにより、このようなＭＳＦが娯楽あるいは玩具産業に応用例を見出す可能性を示唆する非常に興味深い観測があった。まず、ファイバにかなりの損失があり、ポンプ信号がかなり急速に（例えば、最初の数センチメートルで）減衰する場合、ファイバ全体が見かけ上同じ色で（すなわち、ほぼ単一波長で）輝く（すなわち、裸眼に対する可視光を放出する）ようにすることができる。また、ファイバの損失が小さく、ポンプ信号がファイバに沿って長く伝搬する場合、１本のＭＳＦ（例えば、５０〜７５ｃｍ）は、見かけ上、同時に広いスペクトルの波長を、ファイバの長さに沿って順に異なる位置で放出するようにすることができる。この場合、観察者には、ＭＳＦの長さに沿ってきれいな虹の形が見える。例えば、ファイバは、ポンプの最も近くでは赤色に輝き、ファイバの長さに沿ってすぐ隣のセクションはオレンジ色に輝き、ファイバに沿ってさらに後のセクションでは順に、黄色、緑色および青色に輝く。実際には、ファイバはすべての位置で複数の色を放出し、ポンプからの伝搬距離とともにスペクトルは広がっているが（例えば、ポンプの最も近くではほとんど赤色であるが、ポンプから最も遠くではほとんど紫色である）、人間の目の感度（これは緑色で高い）により、ファイバから出る可視光は虹効果を示す。

図９に戻り、光発生器９０は、線形光キャビティ共振器を形成する周知のファイバグレーティング９６．１および９６．２を設け、ＭＳＦのコア（例えばシリカ）（または、ＭＳＦと直列に結合した標準的なファイバのセクションのコア）に適当な活性媒質（例えば、ＹｂやＮｄのような希土類）をドーピングをすることによって、ＭＳＦをシングルモードとして設計することにより、レーザとして機能することも可能である。グレーティング９６．１は、ポンプ波長で透過的であり、レーザ発振波長（例えば、活性媒質に応じて９２０〜１１１６ｎｍ）では高度に反射的であるように設計され、一方、グレーティング９６．２は、レーザ発振波長では部分的に透過的であり、共振器からレーザ放射の一部が利用デバイス９４へ出て行くように設計される。このようなレーザは、ＣＷ光源またはパルス（例えばソリトン）光源として機能することが可能である。あるいは、共振器は、線形共振器としてではなく、周知のリング共振器として形成することも可能である。この場合、入力ファイバおよび出力ファイバが、４ポート光カプラの２つのポートに接続され、リング（ループ）ファイバが他の２つのポートに接続される。リング（ループ）は、ＭＳＦファイバのセクションを含み、リング（ループ）の少なくとも一部には、本発明の特徴に従って、活性媒質がドープされる。

第２高調波発生および和周波数発生のいずれでも、出力波長はポンプ波長より短い。標準的なシリカ光ファイバでは、２次の非線形性がないために、これらのプロセスは非効率的である（ほとんど存在しない）ことが知られている。従来技術では、さまざまなアプローチにより、２次の非線形性を引き起こそうとしている。１つのアプローチ（分極）では、一般に、ファイバの長軸に沿った周期的なセグメントに、横断方向の電界をかける。この電界は、電極の下のファイバ分子を電気力線の方向に沿って整列させる（すなわち、分子は分極する）ことにより、所望の２次の非線形性を引き起こす。周期的分極が必要であるのは、標準的なファイバのＧＶＤにより、相互作用するポンプ波と発生される（ＳＨＧまたは和周波数）波とが互いに位相がずれるためである。この効果を低減するため、隣り合う周期的電極どうしの間の領域では分極電界をファイバにかけない。１５５０ｎｍでの動作の場合、ファイバの分極セクションは通常長さ約１ｃｍであり、約５５μｍの周期の複数の直列電極を含み、各電極は長さ約５０μｍである。例えば、V. Pruneri et al., Optics Lett., Vol.24, No.4, pp.208-210 (Feb 1999)、を参照。これに対して、本発明のもう１つの実施例によれば、図１０に示すように、ポンプ波と発生波の間の位相ずれを補償するために周期的分極は不要である。代わりに、vis-nir領域におけるＭＳＦ１０６中の分散への導波路の寄与が比較的大きく、位相整合相互作用を実現することができるということを利用する。具体的には、ＭＳＦ１０６（より長いファイバの一部（セクション）であることも可能である）は、ポンプ光源１０２を利用デバイス１０４に接続する。矢印１０８で示すように、分極は、ファイバの所定の長さに沿って横断方向の非周期的電界をかけることにより、ＭＳＦ１０６中に引き起こされる。長い、ほぼ連続的な長さ（例えば、１ｃｍのオーダー）にわたり、ファイバ分子は所望の２次の非線形性を引き起こす。（バルクシリカの分散プロファイルに比べて）分散プロファイルが十分に変化するため、ポンプとの位相整合が容易になる。

以下の例では、本発明のいくつかの実施例によるＭＳＦに対して実行した実験について説明する。さまざまな材料、寸法および動作条件は、特に断らない限り単なる例示であり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

［例１］
この例では、ＭＳＦの設計は図４に示したものと類似しているが、５個の薄層構造が、内側クラッド内の、コア領域の外側境界から約３０μｍ以内に含まれる点で異なる。内側クラッド構造１４．１はほぼ円形であり、毛管空孔（ｎ＝１）はそれぞれ直径が約１．７μｍである。コア１２および外側クラッド１６はシリカ（ｎ＝１．４５）からなる。ほぼ円形のコアは、直径約２．２５μｍであり、有効面積は約４μｍ²であり、空孔の中心間間隔は約２．０μｍである。外側クラッドの直径は約１２５μｍであり、ファイバ長は約７５ｃｍである。内側クラッドの材料は主として空気（ｎ＝１）であるが、一部シリカ（ｎ＝１．４５）を含み、△は３１％以下であり、約１０〜２０％以上であると推定される。

Ｔｉ−サファイアポンプレーザ（約７００〜１０００ｎｍの範囲にわたり同調可能）をファイバの一端に接続した。このレーザは、約１Ｗまでの平均パワーおよび数ｋＷまでのピークパワーを有する１００ｆｓパルスを発生した。

ＭＳＦのＧＶＤは、空気パスを基準とするマイケルソン干渉計で１メートルのファイバセクションの群遅延を測定することによって決定した。ポンプの中心波長は約７７０ｎｍ〜約９１０ｎｍに合わせた。図６に、ＭＳＦ（正方形のデータ点）と、標準的なシングルモードステップインデックスファイバ（円形のデータ点）のＧＶＤの測定値を示す。標準的なファイバは、主としてバルクシリカの材料分散（７７０〜９１０ｎｍの範囲では約−１３５〜−７６ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ）に類似の材料分散による常（負）ＧＶＤを示し、ゼロ分散波長は約１２７０ｎｍであったが、本発明のＭＳＦは、このスペクトル範囲全体にわたり異常（正）分散を示し、計算されたゼロ分散波長は約７６０ｎｍであった。本発明のシリカＭＳＦの材料分散は、上記の標準的なシリカファイバの材料分散と同様であった。

本発明のＭＳＦの新規な分散特性を小さい有効面積のコアと組み合わせた結果、多くの非線形効果を約８００ｎｍで観測した。このような非線形効果は、われわれの知る限り、従来は約１３００ｎｍ以上の波長でしか可能でなかったものである。これらの非線形効果には、パルス圧縮、明るいソリトン伝搬、基本モード間第２高調波発生、およびブロードバンド連続体発生がある。例えば、図７に、７８０ｎｍにおける、ピークパワー８．０ｋＷの１００ｆｓパルスを上記の長さ７５ｃｍのＭＳＦに注入することによって発生された白色光シングルモード連続体のスペクトルを示す。このＭＳＦセグメントの出力を、標準的なファイバピグテールを通じて、周知の光スペクトラムアナライザに接続した。これらのデータは、約３１％の変換効率（ポンプ光から、約３５０〜７００ｎｍの範囲の可視光への）を示している。

［例２］
例１で説明したのと同様の実験で、ＭＳＦの代わりに、図１および図２に示したものに対応するＭＳＦファイバを用いた。この例では、内側クラッド構造１４．１はほぼ円形であり、毛管空孔（ｎ＝１）はそれぞれ直径が約２．９μｍである。コア１２および外側クラッド１６はシリカ（ｎ＝１．４５）からなる。コアはほぼ楕円形である（長径は約４．４μｍであり、短径は約３．３μｍであり、有効コア面積は約１１μｍ²である）。空孔の中心間間隔は約６．６μｍである。外側クラッドの直径は約１２５μｍであり、ファイバ長は約２ｍである。内側クラッドの材料は主として空気（ｎ＝１）であるが、一部シリカ（ｎ＝１．４５）を含み、△は３１％以下であり、約１０〜２０％以上であると推定される。このファイバはマルチモードになりそうなため、このファイバの分散特性は測定していないが、同じタイプの白色光連続体を観測した。このことから、このファイバは、例１で説明したＭＳＦと同様の分散特性を有すると合理的に推論することができる。

［例３］
この例では、例１で説明したタイプのＭＳＦにおけるパルス伝搬特性を測定するように実験を設計した。ファイバの長さは２０ｍであり、例１で説明したタイプのポンプレーザと干渉計自己相関装置の間に接続した。ファイバに結合されるポンプレーザの出力は、波長が７８０ｎｍ、継続時間が１１０ｆｓ、および、ピークパワー７が９Ｗの光パルスであった。比較的低いポンプパワーでは、このファイバは主として異常分散を示し、継続時間約４００ｆｓの出力パルスを発生する。しかし、十分に高いポンプパワーでは、ＭＳＦにおける非線形性がこの異常分散を補償した。その結果、ＭＳＦは、図１１に示すように、約１７５ｆｓのみの光パルスを発生した。これらのデータは、パルスがファイバ内をソリトンとして伝搬したことを示唆する。

［例４］
この例では、例１で説明したタイプのＭＳＦにおける基本横モード間第２高調波発生を測定するように実験を設計した。ファイバの長さは１０ｃｍであり、ポンプレーザと周知の光スペクトラムアナライザの間に接続した。ファイバに結合されるポンプレーザの出力は、波長が約８９０ｎｍ、継続時間が約１１０ｆｓ、および、ピークパワーが約２００Ｗの光パルスであった。８９６ｎｍの２個のフォトンが相互作用して第２高調波における１個のフォトンを発生した。図１２に示すように、ＭＳＦの出力スペクトルは、ほぼポンプ波長（約８９６ｎｍ）および第２高調波（約４４８ｎｍ）にピークを示した。

［例５］
この例では、例１で説明したタイプのＭＳＦにおける４波混合を測定するように実験を設計した。ファイバの長さは１０ｃｍであり、ポンプレーザと周知の光スペクトラムアナライザの間に接続した。ファイバに結合されるポンプレーザの出力は、波長が約８５５ｎｍ、継続時間が約８０ｆｓ、および、ピークパワーが約１２００Ｗの光パルスであった。約８５５ｎｍの２個のフォトンが相互作用して約５３０ｎｍにおける１個のフォトンおよび約２４２７ｎｍにおける１個のフォトンを発生した。図１３に示すように、ＭＳＦの出力スペクトルは、ほぼポンプ波長（約８５５ｎｍ）および約５３０ｎｍにピークを示した。２４２７ｎｍにおける信号は、われわれが利用可能な装置では測定することができなかったが、存在することは確実であると考えられる。

単一層の空孔が、密に充填された六角形を形成する、本発明の一実施例による微細構造光ファイバの概略断面図である。明確化および単純化のため、正しい縮尺では図示していない。図１のファイバのコアおよび空孔領域の拡大図である。明確化および単純化のため、正しい縮尺では図示していない。単一層の空孔が、密に充填された三角形を形成する、本発明の代替実施例による微細構造光ファイバの概略断面図である。明確化および単純化のため、正しい縮尺では図示していない。２層の空孔が、密に充填された六角形を形成する、本発明のもう１つの実施例による微細構造光ファイバの概略断面図である。明確化および単純化のため、正しい縮尺では図示していない。空孔がコアの両側に半円形領域を形成する、本発明のさらにもう１つの実施例による微細構造光ファイバの概略断面図である。明確化および単純化のため、正しい縮尺では図示していない。標準的な伝送ファイバ（円のデータ点）の群速度分散（ＧＶＤ：group velocity dispersion）と比較した、シングルモード微細構造ファイバ（正方形のデータ点）のＧＶＤの測定値のグラフを示す図である。図１および図２に示したタイプの微細構造ファイバの７５ｃｍ切片（セクション）を、継続時間１００ｆｓ、ピークパワー８．０ｋＷ（エネルギー０．８ｎＪ）、波長７８０ｎｍという特性の光パルスでポンピングした場合に発生される光スペクトル連続体（実線）のグラフを示す図である。ポンプパルスのスペクトル（点線）も示す。本発明のさらにもう１つの実施例による光通信システムの概略ブロック図である。明確化および単純化のため、正しい縮尺では図示していない。本発明のさらにもう１つの実施例によるファイバ光発生器（例えばレーザ）の概略ブロック図である。明確化および単純化のため、正しい縮尺では図示していない。本発明のさらにもう１つの実施例による第２高調波発生または和周波数発生のための分極ファイバ装置の概略ブロック図である。明確化および単純化のため、正しい縮尺では図示していない。本発明の一実施例によるパルス圧縮（ソリトン伝搬）実験による、微細構造光ファイバからの出力パルスの自己相関測定の図である。本発明のもう１つの実施例による第２高調波発生実験による、微細構造光ファイバからの光出力パルスのスペクトルを示すグラフの図である。本発明のさらにもう１つの実施例による４波混合実験による、微細構造光ファイバからの光出力のスペクトルを示すグラフの図である。

符号の説明

１０微細構造ファイバ（ＭＳＦ）
１２コア
１４内側クラッド
１６外側クラッド
１８放射状リブ
８０通信システム
８２光送信器
８４利用デバイス
８６第１ファイバセクション
８８光デバイス
８９第２ファイバセクション
９０コヒーレントvis-nir光発生器
９２ポンプ光源
９４利用デバイス
９６ＭＳＦ
９６．１ファイバグレーティング
９６．２ファイバグレーティング
１０２ポンプ光源
１０４利用デバイス
１０６ＭＳＦ

Claims

光放射が伝搬することが可能なコア領域と、
前記コア領域を包囲し、前記コア領域よりも有効屈折率が低い内側クラッド領域と、
前記内側クラッド領域を包囲する外側クラッド領域とを有する微細構造光ファイバにおいて、
前記内側クラッド領域は、前記コア領域の周りの少なくとも１つの比較的薄い層として配置された複数の構造を有し、該構造は、光放射の屈折率導波に有効であり、前記コア領域および前記内側クラッド領域は、前記ファイバがvis-nir波長範囲にわたり異常群速度分散（以下「ＡＤＲ」という）を示すとともに同じ範囲にゼロ分散波長を有するように相互に適合されることを特徴とする微細構造光ファイバ。