JP2007286622A - バンドギャップ微小構造光ファイバの横断モードの抑制 - Google Patents

Abstract

【課題】空気コアファイバの損失を低減するべく比較的大きなコア寸法を持ち、かつＨＯＭを抑制するバンドギャップＭＯＦを提供する。
【解決手段】光ファイバがコア領域中の光（あるいは放射）の伝播をガイドするように構成されるコアとクラッド領域とからなる。クラッド領域はバンドギャップ閉じ込めによってガイドする光を生成するように構成された周期的構造を含む。コア領域の高次モード（ＨＯＭ）を抑制するためにクラッド領域はクラッド領域のモードがコア領域のＨＯＭと共振的であるように構成される少なくとも一つの摂動領域を含む。本発明の好ましい実施例において、摂動領域はクラッド領域の基本モードがコア領域のＨＯＭと共振的であるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は微小構造光ファイバに関し、特にそのようなファイバのあらかじめ選択された横断モードの抑制に関わる。

微小構造光ファイバ（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｉｂｅｒ：ＭＯＦ）は、周期的な屈折率のクラッド領域に囲まれたコア領域（つまり、空気コア）中で光を導く。具体的には、クラッド領域は空気孔の周期的な配列を規定するマトリクス（あるいは格子）を含む。適切に設計されるとき、ＭＯＦはバンドギャップの閉じ込めを示すように作られる。それは、光を伝播させない波長範囲に制約される光のモードの伝播をサポートし、これを導く波長の範囲ということである。そのようなファイバはしばしばバンドギャップファイバと言われ、通常、クラッド領域の屈折率よりも低い屈折率のコア領域を有している。それに対し、ＭＯＦは、より伝統的な屈折率の導光を示すように設計が可能であり、その場合コア領域はクラッド領域よりも高い屈折率を有する。

空気コアおよびその他のバンドギャップファイバの進歩は、多くの材料と標準的なファイバ線引プロセスの製造上の利点を標準のファイバでは不可能な独特の可能性に結びつける。空気コアファイバはデータ伝送において特に興味深い可能性を持っており、空気コアファイバの非線形性が標準のファイバよりもはるかに小さいので、伝送リンクのコストと能力を劇的に変化させる。しかしながら、いずれの長距離伝送ファイバも標準ファイバの極めて低い損失と競争しなければならない。急速な改善にもかかわらず、空気コアファイバの損失は本質的な限界に近づきつつあり、コア寸法を大きくするか、改良された材料を発見することによってのみさらに改善されると言われている（ここに引用するＰ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ外の「Ｕｌｔｉｍａｔｅ ｌｏｗ ｌｏｓｓ ｏｆ ｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｒｅｓ」（Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１３、第２３６頁（２００５）を参照のこと）。結果として大きなコア寸法にすることが望ましいが、大きなコアは一般に高次横断モード（Ｈｉｇｈｅｒ−Ｏｒｄｅｒ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍｏｄｅｓ：ＨＯＭ）を持ち、したがってそのようなモードに付随するよく知られた問題に悩まされる。
以後、モードという用語は単一あるいは複数の横断モードを意味する。
Ｐ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ外、「Ｕｌｔｉｍａｔｅ ｌｏｗ ｌｏｓｓ ｏｆ ｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｒｅｓ」（Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１３、第２３６頁（２００５）） Ｓ．Ｇｕｏ外、「Ｌｏｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｆｉｂｅｒｓ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ」（Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１２、第３３４１頁（２００４）） Ｈ．Ｋ．Ｋｉｍ外、「Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｉｒ−ｃｏｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｂａｎｄｇａｐ ｆｉｂｅｒｓ ｆｒｅｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｅｓ」（Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｖｏｌ．４０、Ｎｏ．５、第５５１頁（２００４）） Ｒ．Ａｍｅｚｃｕａ−Ｃｏｒｒｅａ外、「Ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃａ ｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｆｉｂｅｒｓ ｆｒｅｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｅｓ」（ＯＦＣ論文Ｎｏ．ＯＦＣ１、１−３ページ、２００６年３月、アナハイム、ＣＡ）

したがって、技術的に比較的大きなコア寸法を持ち、かつＨＯＭを抑制するバンドギャップＭＯＦの必要性がいまだにある。

本発明の一実施例によれば、バンドギャップＭＯＦのＨＯＭ抑制の方法はコアモードとクラッドモードとの間の屈折率を整合させた結合（共振）に基づいている。コア近傍の適切なクラッド特性は、ＨＯＭの光をコアとクラッドの間で共振的に結合させ、それに対して基本モードの光はコア内に良好に閉じ込められる。これらの（その他の周期的なクラッドの）クラッド特性は基本モードの閉じ込めに本質的に影響を与えることなくＨＯＭの損失を顕著に増加させ、大コアのシングルモードバンドギャップＭＯＦの開発における重大な障害を取り除く。

より一般的な意味で、かつ本発明の一面によれば、光ファイバは一次コアモードのコア領域中の光（あるいは放射）の伝播を導くように構成されるコアとクラッド領域とからなる。クラッド領域は、バンドギャップ閉じ込めによって光を導くように構成される周期構造を含む。少なくとも１つの二次コアモードを抑制するために、コア領域は、摂動モードを少なくとも１つの二次コアモードと共振的に結合させるように構成される少なくとも１つの摂動領域を含む。

好ましい実施例において、コアと摂動領域は、相当量の摂動モードのエネルギーが二次コアモードに再結合されることを防ぐように構成される。

さらに本発明の好ましい実施例において、コアと摂動領域は、摂動領域の基本モードをコア領域のＨＯＭと共振的に結合させ、コア領域の基本モードの伝播をサポートするように構成される。

本発明のよりよい理解のために、添付の図、および添付の請求の範囲とにより以下に説明する。なお、これらの図面中の構成要素は必ずしも寸法通りではない。

ＨＯＭ抑制の一般的な理論
図１および２Ｂにおいて、バンドギャップＭＯＦ１０は、コア領域１０．１、コア領域１０．１を取り囲む内側クラッド領域１０．２、および内側クラッド領域１０．２を取り囲む外側クラッド領域１０．３からなる。コアおよびクラッド領域はコア領域の長手方向の軸１０．７に沿う光（あるいは放射）の伝播をサポートし、ガイドするように構成される。用語「バンドギャップファイバ」をここで使われるように適合させるために、内側クラッド領域１０．２は、例えば孔１０．５のアレイを形成する固体マトリクスあるいは格子１０．６の方法により周期的に変化する屈折率を生じるように構成される。コア領域１０．１は内側のクラッド領域１０．２の有効屈折率よりも低い屈折率を持つ。（重要な意味を持つわけではないが、一般に外側のクラッド領域１０．３は内側のクラッド領域１０．２よりも高い屈折率を持っている。）コア領域１０．１を伝播する光は内側のクラッド領域１０．２の共振反射条件（バンドギャップ条件としても知られている）によってその中に導かれる。この条件は「バンドギャップ閉じ込め」としても知られている。

図１および２Ｂに示されるように、本発明の一面によれば、内側のクラッド領域１０．２は屈折率の周期性が乱れている摂動領域（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）１０．４を含んでいる。摂動領域１０．４は少なくともそのモードの１つがコア領域１０．１の少なくとも１つのＨＯＭと共振的に結合するように構成される。図２Ａに示されるように、好ましくは、コア領域１０．１のＨＯＭ１２（１次モードとして図示される）は摂動領域１０．４の基本モード１４と共振関係にあるが、それに対してコア領域の基本モード１６は摂動領域のいずれのモードとも共振しない。「共振関係」、あるいは「共振的に結合する」という用語は、コア領域のモードの有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）は基本的に摂動領域のモードの有効屈折率に等しいことを意味する。こうしてコア領域の１次モード１２のｎ_ｅｆｆ１２．１は基本的に摂動領域の基本モード１４のｎ_ｅｆｆ１４．１と等しく、それはＨＯＭ１２のエネルギーがコア領域から摂動領域の基本モード１４に移行あるいは結合し（矢印１８）、そこから外側のクラッド領域１０．３の内部に放射することを可能にする。（矢印２０は漏れやすいクラッドモードを経るそのような放射を示していて、それは一般的にあり得ることである。）この共振による移行および放射のプロセスがコア領域のＨＯＭ１２を効果的に抑制している。反対に、コア領域の基本モード１６のｎ_ｅｆｆ１６．１は摂動領域のいずれのモードのｎ_ｅｆｆにも対応しない。結果として基本モード１６はコア領域を効果的に伝播し、摂動領域中へのそのエネルギー（矢印２２）の共振による移行は生じない。

コアモード（ｃｏｒｅ ｍｏｄｅ）と摂動モード（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）が基本的に等しい屈折率を持つという条件は、例えば、コアＨＯＭの屈折率１２．１と摂動基本モードの屈折率１４．１はこれらのモード間の光の結合が顕著に妨げられるほどには異なっていないということを意味する。本発明の好ましい実施例において、屈折率１２．１と１４．１の間の差はコア基本モードの屈折率１６．１と摂動基本モードの屈折率１４．１の間の差よりも小さい。

抑制されるべきコアモードと共振摂動モードとの間の適切な結合は、後者の摂動モードが前者のコアモードに再結合することを抑制する必要性をも考慮に入れるべきである。この目的のために数多くの関連するファイバの寸法が関わってくる。定性的には以下のように考える。（１）コア領域の中心から内側クラッド領域の外側エッジまでの距離Ｄ_１。この距離はコア領域から外側クラッド領域への自由な放射への光エネルギーの直接的な漏れの割合を支配する。この漏れの割合は距離Ｄ_１が増加すると減少する。（２）摂動領域の中心から内側クラッド領域の外側エッジまでの距離Ｄ_２。この距離は摂動領域から外側クラッド領域への自由な放射への光エネルギーの直接的な漏れの割合を支配する。この漏れの割合は距離Ｄ_２が増加すると増加する。（３）コア領域から摂動領域までの中心−中心の距離Ｄ_３。この距離は共振的に結合したコアと摂動領域の間の光結合を支配する。この寸法はコアと摂動モードとの間の空間的な重なりを支配していると理解することが出来る。結合は距離Ｄ_３が増加すると減少する。そして（４）コア領域の寸法Ｄ_ＣＯに対する相対的な摂動領域の寸法Ｄ_Ｐ。（コアと摂動領域の屈折率と同様に）相対的な寸法が、結合したコアと摂動モードとの間の共振の度合いを支配する。

一般に、上記の寸法は好ましくないコアモードが摂動モードを抜けて効率よく漏れるように選ばれるべきである。より具体的には、摂動領域の漏れの割合はコア領域から外側クラッドの放射への直接的な漏れの割合よりも大きくあるべきである。この条件は摂動領域から外側クラッドまでの距離は、コア領域から外側クラッド領域までの距離よりも小さくあるべきということになる。さらに、コア領域と摂動領域との間の結合は、所望のコアモードが乱されるほどに大きくてはならない。それに対して、コア領域と摂動領域との間の結合は、望ましくないコアモードが抑制されるべき摂動モードに十分に結合しないほどに小さすぎてはならない。次に、摂動モードの漏れの割合は、コアと摂動領域との間の結合が妨げられる（つまり不十分）ほど大きくてはならない。最後に、摂動モードの漏れの割合は、望ましくないコアモードが効果的に抑制されるにはあまりにも損失が少ないほどに小さくてはならない。

これらの設計理論を遵守すると、例えばコア領域１０．１では基本モード１６が効果的に伝播され、それに対してＨＯＭ１２は効果的に抑制される。ＨＯＭが抑制（あるいは遮断）されるために必要な度合いは個々の用途に依存する。すべての、あるいは完全な抑制は多くの用途で要求されてはおらず、かなり弱い強度のＨＯＭが引き続き存在することは許容されるということを意味する。どのような事象の場合でもＨＯＭを抑制することは、例えば全挿入損失を低減し、信号モードの雑音を低下することによってシステムの能力を改善する。この説明の残りの部分では本発明によるＭＯＦは「ＨＯＭ抑制ファイバ」として参照される。

これまでの共振結合（屈折率整合）の理論は、それぞれのコアモードが別々の摂動モードと共振的である複数の好ましくないコアモードを摂動領域のシングルモードに共振的に結合、あるいはそれらを１つあるいは複数の摂動領域の異なるモードに共振的に結合することによりそれらの抑制にも適用できる。

他の実施例
ＭＯＦの設計および製造は技術の面でよく知られている。図２Ｂに示される円形の孔１０．５の特に六角形をしたシリカのマトリクスは一例に過ぎない。コア、孔およびマトリクスの他の幾何学的形状が適切かもしれない。シリカ以外の材料が使われてもよい。コア領域１０．１および／あるいは摂動領域１０．５は中空あるいは固体でもよい。もし中空ならそれがガス（例えば汚染大気）あるいは液体で満たされていてもよく、もし固体であるならばそれがドープされる、あるいはドープされていなくてもよいが、一般に固体材料はマトリクスとは異なる屈折率を持っているであろう。コア領域と摂動領域とは異なる材料あるいは同一の材料で満たされていてもよい。さらにコア領域１０．１は図１および３−５に示されるようにＭＯＦ１０の縦軸の中心に位置する、あるいは中心を外れて位置してもよい（図示しない）。クラッド領域の孔１０．５は中空でも固体でもよい。それらが液体あるいはガスで満たされてもよい。それらが孔を取り巻くマトリクスの材料よりも高い屈折率、あるいは低い屈折率の材料を含んでもよい。コア、クラッドの中空領域、あるいは摂動領域が望ましくない材料を除去するために真空にされてもよい。

コア領域１０．１および摂動領域１０．４の実際の形状は、顕微鏡レベルで詳細に見ると不規則で、製造中のマトリクスの欠落部分によって生じる波型の境界をともなっている。しかしコア領域の刻まれた仮想的な境界は既知の幾何学的な形状で近似できる。例えば、図２Ｂ、５Ｂにおいてコア領域１０．１、９０．１は本質的に六角形であるが、摂動領域１０．４、９０．４は内接したダイヤモンド形状である。図３Ａ、および３Ｂにおいてコア領域３０．１、４０．１は基本的に円形であるが、摂動領域３０．４、４０．４は基本的に六角形である。図３Ｃにおいてコア領域５０．１は正方形であるが、摂動領域５０．４は基本的に長方形である。図３Ｄにおいてコア領域６０．１は基本的に円形であるが、摂動領域６０．４は基本的に輪状、あるいは環状である。そして図５Ａにおいてコア領域８０．１は基本的に六角形であるが、摂動領域８０．４は基本的に楕円形である。

図３は種々の異なる形状のＭＯＦへの本発明によるＨＯＭ抑制方式の適用を図示している。図３Ａは、中空で空気が満たされている基本的に円形のコア領域３０．１と、コア領域の周囲に対称的に位置する４つの基本的に六角形の摂動領域３０．４とを有するＭＯＦ３０の内側クラッドを示す。図３Ｂは固体で基本的に円形のコア領域４０．１と、コア領域の周囲に対称的に位置する３つの基本的に六角形の摂動領域４０．４とを有するＡＲＲＯＷ ＭＯＦ４０の基本的に三角形の内側クラッドを示す。例としてコア領域４０．１はドープされているが、摂動領域４０．４はドープされていない。図３Ｃは中空の基本的に正方形のコア領域５０．１と、コア領域の周囲に対称的に位置する４つの基本的に長方形の摂動領域５０．４とを有するＭＯＦ５０の正方形の内側クラッドを示す。コア領域５０．１と摂動領域５０．４とは例えば流体（例えば、ガスあるいは液体）で満たされている。最後に、図３ＤはＭＯＦ６０の内側クラッドを示す。基本的に円形のコア領域と半径方向のバンドギャップ構造（すなわち、必須である周期的な屈折率の変化を生じる屈折率の異なる材料からなる輪状、あるいは環状の領域）および輪状、あるいは環状の摂動領域６０．４を有するＭＯＦ６０の内側クラッドを示す。

これまでの議論は一般的にいろいろな規則的形状を有するコアおよび摂動領域を例示しているが、それらは不規則な形状であってもよい。さらに、摂動領域の形は（図３Ａ−３Ｄ、および５Ａ−５Ｂのように）対称形あるいは（図１および２Ｂのように）非対称形を示してもよい。

コアおよび摂動領域の相対的な寸法はそれらの最小の断面寸法により決定されるように、以下の解析により容易に理解できる。もしコアおよび摂動領域が同一のあるいは本質的に同一の屈折率を持つ材料で満たされているならば、摂動領域はコア領域よりも小さい寸法であり、一般的にはコア領域のおよそ半分の最小寸法である。より一般的にはコアおよび摂動領域は異なる有効屈折率であってもよく、その場合、（抑制されるべきコアモードの有効屈折率（ｎ_{ｅｆｆ，ｃｏｍ}）を漏れ摂動モード（ｎ_{ｅｆｆ、ｐ}）と整合させる）共振条件はおおよそ以下によって理解できる：

ｎ_{ｅｆｆ，ｃｏｍ} ＝ ｎ_{ｅｆｆ，ｐ} （１）
ｎ_{ｅｆｆ，ｃｏｍ} ＝ ｎ_ｃｏ−(１／２)(Ｃ_１λ／２Ｄ_ｃｏ)^２ （２）
ｎ_{ｅｆｆ，ｐ} ＝ ｎ_ｐ−(１／２)(Ｃ_２λ／２Ｄ_ｐ)^２ （３）
ｎ_ｃｏ−(１／２)(Ｃ_１λ／２Ｄ_ｃｏ)^２ ＝ ｎ_ｐ−(１／２)(Ｃ_２λ／２Ｄ_ｐ)^２(４）

ここでｎ_ｃｏおよびｎ_ｐはそれぞれコアおよび摂動領域の屈折率、λは光の波長、Ｄ_ｃｏはコア領域の最小の断面寸法、Ｄ_ｐは摂動領域の最小断面寸法である。Ｃ_１およびＣ_２はそれぞれコア領域の寸法Ｄ_ｃｏおよび摂動領域の寸法Ｄ_ｐにわたるモードの横振動の（次数１の）数を基本的に表す。一般的にＣ_１〜２Ｃ_２＞Ｃ_２である。したがってｎ_ｃｏ＝ｎ_ｐであるとき、式（４）は以下のようになる。

Ｄ_ｐ／Ｄ_ｃｏ〜Ｃ_２／Ｃ_１〜(１／２)＜１ （５）

これは摂動領域の寸法はコア領域の寸法よりも小さいことを述べている。逆に、コア領域の屈折率よりも大きいあるいは等しい屈折率の材料で摂動領域を満たすと一般に摂動領域はコア領域よりも小さくなければならない。しかし摂動領域の屈折率がより低いと摂動領域を式（５）で規定される寸法よりも大きくすることが出来る。

式（２）および（３）は本発明により意図される多くのＭＯＦ設計に対してよい近似を与えるが、導波路設計に共通するその他の実験に基づく解析的あるいは数値計算による方法が、式（１）の解を求めるために、特に式（２）および（３）が当てはまらない場合に使用できる。

シミュレーションの結果
Ｇｕｏによって記述されたものに非常によく似た有限差分モードソルバ（a finite difference mode solver）を用いてシミュレーションが行われた。（ここに引用するＳ．Ｇｕｏ外の「Ｌｏｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｆｉｂｅｒｓ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ」（Ｏｐｔ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１２、Ｐ３３４１（２００４））を参照のこと。）

本発明の有効性を数値的に示すために、従来の技術において実験的かつ理論的に研究された最も一般的なＭＯＦ（つまり図４の空気コアＭＯＦ７０）を前提とし、コア領域（例えばそれぞれ図５Ａおよび５ＢのＭＯＦ８０および９０）のＨＯＭを抑制するために上に述べた共振モード理論による摂動領域を組み入れた。こうしてシミュレーションで内側クラッドのＨＯＭ抑制特性（摂動領域）のあるもの、および無いものについて、しかしそれ以外は同一である空気コアＭＯＦの設計を比較した。空気コアＭＯＦ設計はバンドギャップを示し、１．５μｍ波長領域で低損失の空気コア導波モードを有していた。摂動領域は同じ波長範囲にわたって空気で導波されたモードを有し、コア領域の空気に導かれたＨＯＭと共振するように設計された。

本発明のＭＯＦはコアおよび内側クラッド領域の表面モードを抑制するように設計された。これらの領域のいずれかで表面モードを抑制することはそれらがスペクトルを劣化させるために重要である。特に、コアおよび摂動領域を形成するときにそれぞれの頂点（３つあるいはそれ以上に入れ子になった孔の交点におけるマトリクス材料）が完全に除去されることを確実にするために注意が払われた（ここに引用するＨ．Ｋ．Ｋｉｍ外の「Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｉｒ−ｃｏｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｂａｎｄｇａｐ ｆｉｂｅｒｓ ｆｒｅｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｅｓ」（Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｖｏｌ．４０、Ｎｏ．５、ページ５５１（２００４））を参照のこと）。あるいは、表面モードは内側クラッド領域とコアおよび摂動領域の外側周辺との間にマトリクス材料の薄い層を形成することにより抑制できる（同じくここに引用するＲ．Ａｍｅｚｃｕａ−Ｃｏｒｒｅａ外の「Ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃａ ｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｆｉｂｅｒｓ ｆｒｅｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｅｓ」（ＯＦＣ論文Ｎｏ．ＯＦＣ１、１−３ページ、２００６年３月、アナハイム、ＣＡ）を参照のこと）。

図４はシリカマトリクスあるいは格子７０．６内に形成された円形の孔７０．５（上記のＫｉｍで使われるように、ｄ／Λ＝０．９４、孔の間隔Λ＝２．５μｍ）の規則性のある周期性内側クラッドを有する標準的な従来技術による空気コアＭＯＦを示す。コア領域７０．１は基本的に中心部にある直径＝Ｄ_ｃｏ＝９μｍの円形領域内のすべてのシリカを除去することによって形成される（上記のＫｉｍを参照のこと）。図５Ａおよび５Ｂは本発明によるＨＯＭを抑制したＭＯＦ設計の２つの具体例を示す。余分なシリカがＭＯＦ８０（図５Ａ）およびＭＯＦ９０（図５Ｂ）の内側クラッド領域から除去され、それによってコア領域８０．１の上下に対称的に配される２つの楕円形の摂動領域８０．４（図５Ａ）と、コア領域９０．１の左右に対称的に配される２つのダイヤモンド形の摂動領域９０．４（図５Ｂ）を形成する。ＭＯＦ８０においてマトリクスを形成する１０個のガラスの頂点が２つの摂動領域８０．４のそれぞれから除去される。ＭＯＦ９０では８つのガラスの頂点が２つの摂動領域９０．４のそれぞれから除去される。特定の楕円およびダイヤモンド形が選ばれたのはそのような領域の基本モードが抑制されるべきコア領域のＨＯＭにきわめて近い有効屈折率を持っているからである。さらに摂動領域８０．４、９０．４の最小断面寸法は対応するコア領域８０．１、９０．１（つまり、Ｄｐ＝４．５μｍ）の直径のおおよそ半分であり、それぞれについてコア領域のＨＯＭと摂動領域の基本モードとの間の共振を起こさせる。さらにＭＯＦ８０および９０の両方について距離Ｄ１＝２０．６μｍであり、一方ＭＯＦ８０および９０のそれぞれに対して距離Ｄ２＝７．６および８．７５μｍ、距離Ｄ３＝１３．０および１２．５μｍである。

図５Ａおよび５ＢのＭＯＦ設計を用いる屈折率整合が図７Ａ−７Ｃのｎ_ｅｆｆ対波長のグラフで示されている。これらのグラフのそれぞれで、（ｉ）それぞれの波長のバンドギャップは下部の縦にハッチングした領域７．１の頂点と上部の縦にハッチングした領域７．２の底部との間の距離で表され、そして（ｉｉ）点線の曲線はＭＯＦのいろいろなモードのｎ_ｅｆｆの波長感度を示す。したがって標準的なＭＯＦ７０（図４）の特性を示す図７Ａにおいて、曲線７．３はコア領域の基本モードを表し、曲線７．４は抑制されるべきＨＯＭを表していて、それは曲線７．４を指す矢印７．５で示される。一方、ＭＯＦ８０（図５Ａ）の特性を示す図７Ｂにおいて、曲線７．６は摂動領域８０．４の基本モードを表し、ＭＯＦ９０（図５Ｂ）の特性を示す図７Ｃにおいて曲線７．７は摂動領域９０．４の基本モードを表す。ここで曲線７．４、７．６および７．７のすべてがほとんど同じｎ_ｅｆｆを持ち、したがってＭＯＦ８０、９０のコア領域８０．１、９０．１のＨＯＭのｎ_ｅｆｆはそれぞれ摂動領域８０．４、９０．４の基本モードと共振しやすいということに注目することが重要である。結果として、コア領域のＨＯＭは、以下の閉じ込め損失のプロットに示されるように、屈折率整合がよければいずれかの形式の摂動領域によって抑制されうる。有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）対波長（λ）の曲線７．４、７．６および７．７のすべてが動作波長の範囲内で基本的に同じ勾配（ｄｎ_ｅｆｆ／ｄλ）を持つということも重要である。その結果、屈折率整合した結合とＨＯＭの抑制はかなり広い範囲の波長にわたって達成される（例えば１．４と１．６μｍの間）。

ＨＯＭ抑制の立証がモード閉じ込め損失対波長のプロット（図８Ａ−８Ｂ）に見られる。図８Ａは標準的な従来技術による空気コアＭＯＦ７０（図４）の計算上の閉じ込め損失を示し、図８Ｂはコア領域８０．１（図５Ａ）の上下に１組の基本的に楕円形の摂動領域８０．４を有するＨＯＭを抑制したＭＯＦ８０の同様の損失を示している。図８Ａにおいて、曲線８．１は標準的なＭＯＦ７０（図４）のコア領域の基本モードを表し、曲線８．２は同じコア領域の最小損失のＨＯＭを表している。同様に、図８Ｂにおいて、曲線８．３はＨＯＭを抑制したＭＯＦ８０（図５Ａ）のコア領域の基本モードを表し、曲線８．４は同じコア領域の最小損失のＨＯＭを表している。両方の場合において、基本モード（曲線８．１、８．３）は１．４〜１．５５μｍの範囲で損失が最小である。図８Ａは標準的なＭＯＦ７０（曲線８．２）の最小のＨＯＭ損失はこの範囲のほとんどで基本モードの損失とほぼ同じ低さであることを示し、それはＨＯＭが十分に閉じ込められ、潜在的に標準的なＭＯＦは大いに問題であるということを意味する。それに対して、図８Ｂは基本モード損失に対するＨＯＭの比率は大幅に増加することを示している。事実、広い波長範囲にわたって摂動領域８０．４の導入は同時に基本モード損失を減少させ、ＨＯＭ損失を増加させる。これらの効果は望ましいことであるが、従来技術においては一般に他方の支出によってのみ一方が達成される。

同様のシミュレーションが図９と合わせて以下に説明されるようにＭＯＦ９０の設計を用いて行われ、それはコア領域の直径＝Ｄｃｏ＝１０μｍ（９μｍではない）であるやや異なる標準的な空気コアＭＯＦ７０（図４、および９Ａ）をコア領域９０．１の左右に１組のダイヤモンド形の摂動領域９０．４を持つＨＯＭを抑制したＭＯＦ９０（図５Ｂおよび９Ｂ）と比較している。図９Ａにおいて、曲線９．１は標準的なＭＯＦ７０（図４）のコア領域の基本モードを表し、曲線９．２は同じコア領域の最小損失のＨＯＭを表している。同様に、図９Ｂにおいて、曲線９．３はＨＯＭを抑制したＭＯＦ９０（図５Ａ）のコア領域の基本モードを表し、曲線９．４は同じコア領域の最小損失のＨＯＭを表している。両方の場合において、基本モード（曲線９．１、９．３）は１．４〜１．５５μｍの範囲で損失が最小である。図９Ａは標準的なＭＯＦ７０（曲線９．２）の最小のＨＯＭ損失はこの範囲のほとんどの基本モードの損失とほぼ同じ低さであることを示し、それはＨＯＭが十分に閉じ込められ、潜在的に標準的なＭＯＦは大いに問題であるということを意味する。それに対して、図９ＢはＨＯＭ対基本モード損失の比が増加していることを示している。繰り返しであるが、結果は摂動領域９０．４を組み入れることは関連するＨＯＭの損失を実質的に増加させ、基本の損失をわずかに減少させるということを示している。

ＨＯＭを抑制することに加えて、本発明によるＨＯＭ設計は実質的にファイバの利用可能帯域を増加させる。図６でモード損失対標準的なＭＯＦ７０（図４）およびＨＯＭを抑制したＭＯＦ９０（図５Ｂ）の波長を比較している。曲線６．１および６．２は標準的なＭＯＦ７０の基本およびＨＯＭモードに対応し、曲線６．３および６．４はＨＯＭを抑制したＭＯＦ９０の基本およびＨＯＭモードに対応する。曲線６．１および６．３は基本モード損失は基本的に両方のＭＯＦについて同じであることを示しているが、曲線６．２および６．４はＨＯＭ損失は標準的なＭＯＦ７０（曲線６．２）よりもＨＯＭを抑制したＭＯＦ９０（曲線６．４）の方がより大きいことを示している。

曲線６．４は部分的なピークで分離された二重のくぼみ（ｄｉｐ）を見せていて、それは以下のように説明できることに留意されたい。ファイバは数多くのＨＯＭを持っているが、損失が最低のＨＯＭだけが図６（図８−９でも同様に）の各波長でプロットされている。二重のくぼみは２つの異なるＨＯＭに起因し、少なくともその一つはコア領域内で抑制されている。より長い波長でこれらの一方のＨＯＭ損失が最低であり、より短い波長では他方の損失が最低である。

例示したシステムは１０ｄＢ／ｋｍよりも小さい基本モード損失と２００ｄＢ／ｋｍよりも大きいＨＯＭ損失を要求し、これらの条件の下でＨＯＭを抑制されたＭＯＦ９０の９１ｎｍ（図６、広い矩形６．６）と比較して標準的なＭＯＦ７０の利用可能な帯域幅はわずか２５ｎｍ（図６、狭い矩形６．５）であることを考慮されたい。

ＭＯＦ７０（図４）および９０（図５Ｂ）のＨＯＭの強度プロットが図５Ｃに示されている。より具体的には、図５Ｃは１．５３８μｍにおけるＨＯＭを抑制したＭＯＦ９０のモードの強度プロットを示し、ＨＯＭ抑制の原因となるモード結合のメカニズムを強調している。したがって、標準的なＭＯＦ７０（図４）に対して図５Ｃの点線の曲線はＨＯＭがコア領域に十分に閉じ込められ、クラッドを通してわずかしか漏れないことを示している。それに対して、ＨＯＭを抑制されたＭＯＦ９０（図５Ｂ）について図５Ｃの実線の曲線は摂動領域の小さなピークを示している。これらのピークはコア領域から内側のクラッド領域に結合する共振光と、それに続く放射への漏れがあることを示している。

上に述べた構成は、本発明の原理の応用を明示するために工夫され得る多くの可能な具体例の単なる例示であることが理解されるべきである。本発明の精神と範囲とから逸脱することなく、当業者によってこれらの原理にしたがって数多くの異なる他の構成が工夫され得る。特にどのように異なるファイバ寸法が閉じ込め損失に影響を与え、それによって摂動領域からコア領域への戻り結合によるわずかな光損失も防ぐかを上に説明したが、同じ結果を得るために他の方法、例えば吸収、散乱、ファイバの曲げ、モード結合、あるいは利得の利用があることは当業者には明らかであろう。さらにこれらの技術は別々に、あるいは互いに組み合わせて使われてもよい。

さらに、上に説明されたＭＯＦは通信システム、あるいは非通信システムを含むいろいろな応用に採用され得ることも当業者には明らかであろう。通信システム１００の例が図１０に示されている。ここで伝送ＭＯＦ１０５は図１０に示すように放射／光源１０１を利用機器１０３に結合する。非通信システムの例（例えばセンサシステム１３０）が図１１に示される。ここで少なくとも中空のコアを有するＭＯＦ１３５は注入孔１３２を経て流体を詰められる。流体は、例えばガスを含む汚染物質である。光源１３１が光路１３７（図示しない、よく知られた適当なカプラ、レンズなどを含んでもよい）を経てＭＯＦ１３５に結合され、汚染物質に吸収される。汚染物質による光の吸収は、例えば汚染物質と関連する波長の光の強度の変化として検出器１３３によって検知される。ＭＯＦ１３５の中の流体は静止状態であるいは動的（流れている）状態でＭＯＦ１３５の中に保持されてもよい。いずれの場合でも流体は出口の孔１３４を経てファイバから流れ出てもよい。

あるいは、本発明のＭＯＦは光の装置、例えば、図１２（原本の間違いの訂正）に示す形式の希土類をドープした光増幅器（ＲＥＤＦＡ）１１０に使われてもよい。ＲＥＤＦＡ１１０は本発明による希土類ドープＭＯＦ１１２からなり、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１１４と利用機器１２０とを光学的に結合する。同様に、ＷＤＭ１１４は光入力信号源１１６の出力と光ポンプ信号源１１８とをＭＯＦ１１２に結合する。入力信号源１１６は第１の波長の光信号を発生し、それは従来型のファイバ１２２を経てＷＤＭ１１４の入力と結合される、それに対してポンプ信号源１１８は、第２の波長のポンプ信号を発生し、それは従来型のファイバ１２４によってＷＤＭ１１４の別の入力と結合される。技術的によく知られているように、ポンプ信号はＭＯＦ１１２の中に反転分布を発生し、入力源１１６からの光信号を増幅する。増幅された信号はＭＯＦ１１２に沿って利用機器１２０まで伝播する。後者は数多くのよく知られたデバイスあるいは装置、例えば他の増幅器、光受信器、光変調器、光カプラあるいはスプリッタ、あるいは端末装置の一部などを含んでもよい。これらの各々は一般に標準のピッグテール型コネクタ（図示しない）によりＭＯＦ１１２に結合される。

最後に、本発明のバンドギャップＭＯＦは利得物質（例えば、コア領域に加えられた希土類元素）を含んでもよいことを上に例示したが、それらは複屈折させる、あるいは偏光保持性である、あるいはチューニング可能な性質を持たせるために設計されてもよいことは当業者には明らかであろう。

本発明の一実施例によるバンドギャップＭＯＦの断面模式図である。断面はコア領域の伝播軸に直角に取られている。 図２Ａは、図２Ｂに詳細に示されるコアおよび摂動領域を持つ図１に示される形式のバンドギャップＭＯＦの屈折率対半径方向の距離のグラフである。コア領域の屈折率はｎ_ｃｏと記す。コアと摂動領域は斜線で塗りつぶしたバンドギャップ領域により分離されている。バンドギャップ領域では光の伝播はクラッドの周期的な領域から排除される。図２Ｂは図１に図示される形式のバンドギャップＭＯＦの一部のコアと摂動領域をより詳細に示す断面図である。 本発明の他の実施例によるバンドギャップＭＯＦの断面模式図を示し、図３Ａは中空の本質的に円形のコア領域の周囲に（矩形の４つの角に）対称的に配された４つの本質的に６角形の空気ガイド摂動領域を示し、図３ＢはＡＲＲＯＷファイバのドープされた本質的に円形のコア領域の周囲に（三角形の３つの角に）対称的に配された３つのドープされない本質的に６角形の摂動領域を示し、図３Ｃは中空のガス充填された本質的に矩形のコア領域の周囲に（矩形の４つの角に）対称的に配された４つの中空のガス充填された本質的に矩形の摂動領域を示し、そして図３Ｄは半径方向のバンドギャップファイバの本質的に円形のコア領域を同心円状に取り囲む環状の摂動領域を示す。 標準的な（従来技術による）空気コアバンドギャップＭＯＦの断面模式図（内側クラッドの外周が矩形に見えるが、一般的には円形である）を示す。 図５Ａおよび５Ｂは本発明の２つの実施例によるバンドギャップＭＯＦの断面模式図を示す。図５Ａは２つの楕円形の摂動領域がコア領域の上下に対称的に配され流ことを示し、図５Ｂは２つのダイヤモンド型の摂動領域がコア領域の左右に対称的に配されている（内側クラッドの外周が矩形に見えるが、一般的には円形である）ことを示す。図５Ｃは図４に示される形式の標準のバンドギャップＭＯＦ（点線）と図５Ｂに示される形式のＨＯＭを抑制したＭＯＦ（実線）の両方についてＨＯＭの光強度プロファイルの比較を示す。 図５ＢのＭＯＦ９０について計算したモード損失対波長の関係を示すグラフである。 図７Ａは、図４に示される形式の標準の空気コアＭＯＦ７０のコアモードに対して計算した有効屈折率対波長の関係を示すグラフであり、図７Ｂは、図５Ａに示される形式の摂動領域８０．４のモードを示し、図７Ｃは図５Ｂに示される形式の摂動領域９０．４のモードを示す。 図８Ａは、図４に示される形式の標準の空気コアＭＯＦ７０を示し、図８Ｂは、図５Ａに示される形式のバンドギャップＭＯＦ８０のモード損失対波長の関係を示すグラフセットを示す。 図９Ａは、図４に示される形式の標準の空気コアＭＯＦ７０を示し、図９Ｂは、図５Ｂに示される形式のバンドギャップＭＯＦ９０のモード損失対波長の関係を示すグラフセットを示す。 本発明の他の実施例によるバンドギャップＭＯＦを利用する通信システムの構成模式図である。 本発明のさらに他の実施例によるバンドギャップＭＯＦを利用するセンサシステムの構成模式図である。 本発明のさらに他の実施例によるバンドギャップＭＯＦを利用する光増幅器の構成模式図である。

符号の説明

１０ バンドギャップＭＯＦ
１０．１、３０．１ コア領域
１０．２ 内側クラッド領域
１０．３ 外側クラッド領域
１０．４、３０．４ 摂動領域
１０．５、３０．５ 孔
１０．６ マトリクス
１０．７ 縦軸
１２ ＨＯＭ
１４ 摂動領域の基本モード
１６ コア領域の基本モード
３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０ ＭＯＦ
１００ 通信システム
１０１、１３１ 放射／光源
１０３ 利用機器
１１４ 波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）
１１６ 信号光源
１１８ 励起光源
１２４ 従来型の光ファイバ
１３０ センサシステム
１３３ 検知器
１３５ 空気コアを持つＭＯＦ

Claims (24)

1. バンドギャップ微小構造光ファイバであって、
   縦軸を有するコア領域と、
   前記コア領域を取り囲むクラッド領域とを含み、前記コア領域とクラッド領域とは、前記軸の方向に前記コア領域内で光の伝播をサポートし導波するように構成されており、
   前記クラッド領域は内側クラッド領域を含み、前記軸に直角な前記内側クラッド領域の断面は、バンドギャップ閉じ込めによって前記光を導波するよう構成される屈折率の周期的空間的変化を有し、そして、
   前記内側のクラッド領域は、前記屈折率の周期性を摂動する少なくとも一つの摂動領域を含み、前記少なくとも一つの摂動領域が、前記コア領域の少なくとも一つの横断モードを前記摂動領域の少なくとも一つの横断モードと共振的に結合させるように構成されることを特徴とするバンドギャップ微小構造の光ファイバ。
2. 前記コア領域の横断モードの有効屈折率と前記少なくとも一つの摂動領域の横断モードの有効屈折率とが実質的に互いに等しいことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
3. 前記クラッド領域は多数の摂動領域を含み、そのうちの少なくとも２つが前記コア領域の反対側に対称的に位置することを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
4. 前記軸に直角な前記摂動領域のそれぞれの断面が実質的に楕円形であることを特徴とする請求項３に記載のファイバ。
5. 前記軸に直角な前記摂動領域のそれぞれの断面が、それぞれ実質的にダイヤモンド形であることを特徴とする請求項３に記載のファイバ。
6. 前記軸に直角な前記摂動領域のそれぞれの断面が、それぞれ実質的に六角形であることを特徴とする請求項３に記載のファイバ。
7. 前記少なくとも一つの摂動領域が、前記コア領域の横断高次モードを前記少なくとも一つの摂動領域の基本横断モードと共振的に結合させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
8. 前記コア領域が中空であることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
9. 前記コア領域が流体で満たされていることを特徴とする請求項８に記載のファイバ。
10. 前記流体が空気であることを特徴とする請求項９に記載のファイバ。
11. 前記コア領域が固形物で満たされていることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
12. 前記固形物がドーパントを含むことを特徴とする請求項１１に記載のファイバ。
13. 前記軸に直角な前記コア領域の断面寸法が前記少なくとも一つの摂動領域の断面寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１のファイバ。
14. 前記軸に直角な前記コア領域の断面寸法が前記少なくとも一つの摂動領域の断面寸法のおおよそ２倍大きいことを特徴とする請求項1２に記載のファイバ。
15. 前記多数の摂動領域が前記軸を中心とする環状に配列されていることを特徴とする請求項３に記載のファイバ。
16. 前記コア領域と前記少なくとも一つの摂動領域とが、前記少なくとも一つの摂動領域から前記コア領域への光エネルギーの著しい流れを妨げるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
17. 前記クラッド領域は前記内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域を含み、前記コア領域と前記少なくとも一つの摂動領域とが前記少なくとも一つの摂動領域から光エネルギーを漏出させるように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のファイバ。
18. 前記ファイバが一連の波長範囲にわたって動作するように構成され、前記コア領域および前記摂動領域の前記共振横断モード有効屈折率は前記範囲内の数多くの波長で実質的に等しいことを特徴とする請求項２に記載のファイバ。
19. 前記ファイバが一連の波長範囲にわたって動作するように構成され、前記コア領域および前記摂動領域の前記共振モードの波長に対する有効屈折率の微分が、前記範囲内で実質的に互いに等しいことを特徴とする請求項２に記載のファイバ。
20. 前記少なくとも一つの摂動領域が、前記コア領域の複数の横断モードを前記少なくとも一つの摂動領域の少なくとも一つの横断モードと共振的に結合させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
21. 伝送システムであって、
    光放射源と、
    前記放射を受け取る利用機器と、
    前記光放射源からの放射を前記利用機器に結合する光ファイバとを含み、前記ファイバが請求項１に記載の前記バンドギャップファイバを含むことを特徴とする伝送システム。
22. センサシステムであって、
    光放射源と、
    前記放射のパラメータの変化を検知する検知器と、
    前記源光放射源からの放射を前記検知器に結合する光ファイバとを含み、前記ファイバが請求項１に記載のバンドギャップファイバからなり、前記コア領域が前記放射の前記パラメータを変化させる流体を含み、前記利用機器が前記変化したパラメータを検知するように構成されることを特徴とするセンサシステム。
23. 光増幅器であって、
    コア領域が加えられるポンプエネルギーに応じてその中を伝播する光信号を増幅する利得物質を含む請求項１に記載のバンドギャップ光ファイバと、
    前記ポンプエネルギー源と、
    前記ポンプエネルギーと前記光ファイバに入る前記光信号とを結合させるカプラとを含むことを特徴とする光増幅器。
24. 微小構造光ファイバであって、
    縦軸を有するコア領域と、
    前記コア領域を取り囲むクラッド領域とを含み、前記コアとクラッド領域が前記軸の方向に前記コア領域中の光の伝播をサポートし、導波するように構成されており、
    前記クラッド領域は、内側クラッド領域と外側クラッド領域とを含み、前記軸に直角な前記内側クラッド領域の断面は、バンドギャップ閉じ込めによって前記光を案内するように構成される屈折率の周期的空間的変化を有しており、
    前記内側クラッド領域は、前記屈折率の周期性を摂動する少なくとも一つの摂動領域を含み、前記少なくとも一つの摂動領域が、前記コア領域共振の少なくとも一つの横断モードを前記少なくとも一つの摂動領域の横断モードと共振的に結合させるように構成されており、
    前記コア領域と前記少なくとも一つの摂動領域とが、前記少なくとも一つの摂動領域から前記コア領域への光エネルギーの著しい流れを妨げるように構成され、そして、
    前記コア領域と前記少なくとも一つの摂動領域とが、前記少なくとも一つの摂動領域から前記外側クラッド領域へ光エネルギを漏出させるように構成されることを特徴とする微小構造光ファイバ。

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