JP2007316526A - フォトニックバンドギャップファイバ及びファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバ径が小さく、損失の小さなフォトニックバンドギャップファイバの提供。
【解決手段】石英ガラスからなるファイバ本体と、該ファイバ本体内に設けられた該ファイバ本体よりも高屈折率の石英ガラスからなる多数の微小なロッドとを有し、ファイバ本体の横断面中央に前記ロッドが存在しないコアが形成され、該コアを囲んで前記ロッドがファイバ本体の横断面においてピッチΛの三角格子状に配列されたクラッドが形成されてなるフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記ファイバ本体の屈折率に対する前記ロッドの比屈折率差が２．５％以上であることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバ。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトニックバンドギャップファイバ及びそれを用いたファイバレーザに関する。本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、低損失な光伝送用光ファイバ、希土類元素を添加してファイバレーザや光増幅器における光増幅用ダブルクラッドファイバなどとして用いられる。

フォトニックバンドギャップファイバのなかでも、コアが石英ガラスからなるソリッドコアタイプのフォトニックバンドギャップファイバ（ＳＣ−ＰＢＧファイバ）は、通常の光ファイバとの接続が容易である、通常の光ファイバと比較して曲げ損失を小さく保ったままモードフィールド径を大きくすることができ、非線形性を小さくすることができる（非特許文献１）、コアに希土類元素を添加することで光増幅媒体として使用することができる（非特許文献２）、といった特徴があるため、非常に有用である。その中でもファイバ全体を石英ガラスで構成したソリッドフォトニックバンドギャップファイバは、低損失であるため、特に有用である。従来、この種のフォトニックバンドギャップファイバに関して、例えば非特許文献１〜４に記載された技術が知られている。
G. Bouwmans, et al., "Fabrication and characterization of an all-solid 2D photonic bandgap fiber with a low-loss region (<20dB/km) around 1550nm", 17 October 2005 / Vol. 13, No. 21 / OPTICS EXPRESS 8452-8459 L. Lavoute, et al., "Design of microstructured single-mode fiber combining large mode area and high rare earth ion concentration", 3 April 2006 / Vol. 14, No. 7 / OPTICS EXPRESS 2994-2999 A. Argyros, et al., "Photonic bandgap with an index step of one percent", 10 January 2005 / Vol. 13, No. 1 / OPTICS EXPRESS 309-314 F. Luan, et al., "All-solid photonic bandgap fiber", October 15, 2004 / Vol. 29, No. 20 / OPTICS LETTERS 2369-2371

フォトニックバンドギャップファイバは、屈折率の異なる領域を周期的に配置させることで作製することができ、石英系のフォトニックバンドギャップファイバの場合、ＧｅやＦなどを石英に添加することで、純粋石英に対する比屈折率を変化させる。ここで、周期構造の比屈折率差が小さいと、フォトニックバンドギャップファイバが短波長側にシフトするため、同じ透過帯域を得るためには、周期の長さを長くする必要がある。
この結果、同じ層数では、周期構造の占める領域が大きくなって、ファイバ径が大きくなる問題がある。このため、比屈折率差の小さな構造を使用すると、ファイバ径が大きくなり、光ファイバの曲げに対する機械特性が悪化するという問題が生じる。
また、ダブルクラッドファイバを作製するときに、高屈折率のロッドが広い領域に存在すると、励起光のうち、高屈折率のロッドに閉じ込められる光の割合が多くなり、励起効率が低下してしまうなどの問題が生じる。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、ファイバ径が小さく、損失の小さなフォトニックバンドギャップファイバの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、石英ガラスからなるファイバ本体と、該ファイバ本体内に設けられた該ファイバ本体よりも高屈折率の石英ガラスからなる多数の微小なロッドとを有し、ファイバ本体の横断面中央に前記ロッドが存在しないコアが形成され、該コアを囲んで前記ロッドがファイバ本体の横断面においてピッチΛの三角格子状に配列されたクラッドが形成されてなるフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記ファイバ本体の屈折率に対する前記ロッドの比屈折率差が２．５％以上であることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバを提供する。

本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、ファイバ横断面においてファイバ中心から直径Λの範囲に前記ロッドが存在しない構造であること、又はファイバ横断面においてファイバ中心から直径３Λの範囲に前記ロッドが存在しない構造であること、又はファイバ横断面においてファイバ中心から直径５Λの範囲に前記ロッドが存在しない構造であることが好ましい。

本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、ファイバ横断面においてファイバ中心から直径１００μｍの範囲外には前記ロッドが存在しないこと、又はファイバ横断面においてファイバ中心から直径１５０μｍの範囲外には前記ロッドが存在しないこと、又はファイバ横断面においてファイバ中心から直径２００μｍの範囲外には前記ロッドが存在しないことが好ましい。

本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、コアに希土類元素が添加されている構造とすることもできる。
コアに希土類元素が添加されている前記ファイバにおいて、クラッドを囲んで該クラッド外周部の屈折率よりも低屈折率の媒質からなる外側クラッド層が設けられたダブルクラッド構造になっていることが好ましい。あるいは、クラッド外周に１層以上の被覆をもち、その最も内周の被覆の屈折率が、クラッド外周部の屈折率よりも低い材料からなることが好ましい。

また本発明は、コアに希土類元素が添加されている前記フォトニックバンドギャップファイバと、該フォトニックバンドギャップファイバのクラッド部分に励起光の少なくとも一部が注入されるように結合された励起光源とを備えていることを特徴とするファイバレーザを提供する。
本発明のファイバレーザは、励起光の波長において、最低次のコアモードの損失が１００ｄＢ／ｋｍ以上であることが好ましい。

本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、石英ガラスからなるファイバ本体と、該ファイバ本体内に設けられた該ファイバ本体よりも高屈折率の石英ガラスからなる多数の微小なロッドとを有し、ファイバ本体の横断面中央にロッドが存在しないコアが形成され、該コアを囲んでロッドがファイバ本体の横断面においてピッチΛの三角格子状に配列されたクラッドが形成され、ファイバ本体の屈折率に対する前記ロッドの比屈折率差を２．５％以上としたものなので、クラッドの周期構造の数が同じ場合、バンドギャップを形成する際の、ロッドの占める領域を小さくすることができ、その結果、ファイバ径が小さく、損失の小さなフォトニックバンドギャップファイバを提供することができる。
また、コアに希土類元素を添加して本発明のフォトニックバンドギャップファイバを構成した場合には、このフォトニックバンドギャップファイバを用いて出力の大きなファイバレーザを提供することができる。
また、本発明のダブルクラッドファイバレーザは、前述した本発明のフォトニックバンドギャップファイバを励起用ファイバとして用いたものなので、励起光のスキューモードを抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの第１実施形態を示す図である。本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ１０Ａは、石英ガラス、例えば純粋石英ガラスからなるファイバ本体１１と、該ファイバ本体１１内に設けられた該ファイバ本体１１よりも高屈折率の石英ガラス、例えばＧｅをドープした石英ガラスからなる多数の微小なロッド１２とを有し、ファイバ本体１１の横断面中央に前記ロッド１２が存在しないコア１３が形成され、該コア１３を囲んで前記ロッド１２がファイバ本体１１の横断面においてピッチΛの三角格子状に配列されたクラッド１４が形成されてなり、ファイバ本体１１の屈折率に対する前記ロッド１２の比屈折率差が２．５％以上であることを特徴としている。

石英ガラス系のソリッドフォトニックバンドギャップファイバにおいて、周期構造の比屈折率差を２．５％以上にすることによって、同じ層数の周期構造でも、周期構造の領域が小さくなり、小さなファイバ径で作製でき、曲げに対する機械特性を向上させることができる。また、石英ガラス系のソリッドフォトニックバンドギャップファイバのコアに希土類元素を添加してファイバレーザ、増幅器を作製する際、高屈折率部に閉じ込められる光の割合を小さくすることで、効率的に励起を行うことができるようになる。特に、ダブルクラッド構造のファイバ増幅器、レーザーにおいて、効率的に励起を行うことができる。

図２に示す周期構造を用いて説明を行う。図２は、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ１０Ａにおけるクラッド１４の周期構造を示す図である。このクラッド１４の周期構造は、図２のように、ファイバ横断面において、純粋石英からなるファイバ本体１１の中に、黒丸で示される高屈折率の石英ガラスからなる多数のロッド１２が三角格子状に周期的に配置された構造となっている。各ロッドの間隔をΛ、直径をｄとしたとき、ｄ／Λは０．５である。

図２の周期構造において、純粋石英と高屈折率ロッドの比屈折率差△を変えた場合のバンドギャップの変化を、図３と図４に示すバンド図を用いて説明する。図３、図４において、△はそれぞれ２．８％と１．５％である。純粋石英の屈折率は１．４５とした。
図３と図４において、１次のバンドギャップと２次のバンドギャップの領域を矢印で示す。

図３と図４を比較すると、比屈折率が大きいほど、バンドキャップが大きなλ／Λへとシフトすることが分かる。つまり、比屈折率Δが大きければ、同じバンドキャップの中心波長を得るために、小さなΛを用いることができ、結果として、周期構造の数が同じ場合、バンドキャップを形成する際の、高屈折率のロッドが占める領域を小さくすることができる。

図２の周期構造の高屈折率ロッドのうちいくつかを純粋石英で置き換えることでフォトニックバンドギャップファイバのコア１３が形成され、コア１３を導波するモードが出現する。コアモードの透過屈折率は、コア１３を形成する材料（本例では、ファイバ本体１１及びコア１３が純粋石英なので１．４５）の屈折率付近にあるため、１次のバンドキャップを使用したソリッドフォトニックバンドギャップファイバの場合、透過帯域の中心は、△＝２．８％の場合λ／Λ＝０．３１周辺であり、△＝１．５％の場合λ／Λ＝０．２２周辺である。よって、△＝２．８％の場合、△＝１．５％の場合と比べて、同じ中心透過波長を得るのに、約２／３の大きさのΛで済むことになり、ファイバに占めるロッド１２の領域の面積を約４／９にすることができる。

図５は、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの第２実施形態を示す図である。本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ１０Ｂは、図１に示す第１実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ１０Ａと同じ構成要素を備えて構成されているが、コア１３の直径を小さくした構成になっている。

図６は、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの第３実施形態を示す図である。本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ１０Ｃは、希土類元素が添加されたコア１３を囲んで、高屈折率のロッド１２が三角格子状に並べられた周期構造を備えた内側クラッド１５と、その外周を囲んで内側クラッド１５の外周部の屈折率よりも低屈折率の媒質からなる外側クラッド層１６とを備えたダブルクラッド構造になっている。

外側クラッド１６に用いられる媒質としては、例えば、フッ素樹脂などの透明な樹脂などが挙げられる。
コア１３に添加される希土類元素としては、例えば、イッテルビウム、ツリウム、エルビウム、プラセオジム、ネオジム、ホルミウムなどが挙げられ、使用する波長に応じて適宜選択することができる。

図７は、本発明に係るファイバレーザの一実施形態を示す構成図である。このファイバレーザ２０は、コアに希土類元素が添加されたダブルクラッド型フォトニックバンドギャップファイバ２１と、該フォトニックバンドギャップファイバ２１のクラッド部分に励起光が注入されるように結合された励起光源２２と、ダブルクラッド型フォトニックバンドギャップファイバ２１の励起光入射側とレーザ出力側とにそれぞれ介在されたファイバグレーティング２３，２４とを備えた構成になっている。

［実施例１］
図１のように、０層から１０層の周期構造のうち、０層目から３層目までの高屈折率ロッドを純粋石英ガラスで置き換えたフォトニックバンドギャップファイバを次のように作製した。まず、高屈折率コアの周りに純粋石英ガラスが形成された母材を作製し、これを直径２ｍｍのガラス棒へと線引きした。続いて該ガラス棒を、三角格子を形成するように束ねた後、純粋石英ガラスの管に詰め込み、これを紡糸した。

このファイバの構造パラメータは、△＝２．８％、ｄ／Λ＝０．５％、Λ＝３．０μｍ、ファイバの直径は１２５μｍであった。
このファイバの片方の端面から、コアのみを照射するように波長１．０６μｍの光を入射し、ファイバの導波モードを観察したところ、ファイバ長が１ｍの場合には高次のコアモードが観測された。しかし、最低次のモードに比べて高次の損失は高く、ファイバ長が１０ｍの場合には、高次モードは消失し、最低次のモードしか観測されなかった。つまり、このファイバは、ファイバが１０ｍ以上なら、実効的にはシングルモードファイバとして機能する。

このような疑似シングルモードファイバ光ファイバを使用する際の別の問題は、モード間の結合によるモード形状の劣化、損失の増加である。そのため、モード結合性についても測定を行った。
具体的には、このファイバに曲げを加えてモード結合を与え、最低次モードから高次モードへの結合によるモード形状の劣化、損失について測定した。
まず、１．０６μｍの光を入射し、実施例のファイバをシングルモードで励振したところ、このファイバから出射されたモード形状は、最低次のモードの形状であった。
その後、このファイバを半径５ｃｍで１０回巻き、波長１．０６μｍで、曲げを入れた箇所の直後のモード形状と、損失増加を測定した。
その結果、最低次のモードから高次モードへの結合によるモード形状の劣化は測定されず、損失の増加もなかった。
また、３００ｍのファイバを用いて光ファイバの損失測定を行ったところ、１．０６μｍで１５ｄＢ／ｍ以下であり、０．８μｍ付近から１．３μｍ付近までの領域で、損失は４０ｄＢ／ｋｍ以下であった。

［実施例２］
図５のように、０層から１０層の周期構造のうち、０層から２層目までの高屈折率ロッドを純粋石英で置き換えたフォトニックバンドギャップファイバを実施例１と同様に作製した。
このファイバの構造パラメータは、△＝２．８％、ｄ／Λ＝０．５，Λ＝３０μｍであった。
ファイバの導波モードを観察したところ、ファイバ長が１ｍでも、最低次のモードしか観測されず、シングルモードファイバとして機能した。
また、３００ｍのファイバを用いて光ファイバの損失測定を行ったところ、１．０６μｍで２０ｄＢ／ｋｍ以下であり、０．８μｍ付近から１．３μｍ付近までの領域で、損失は５０ｄＢ／ｋｍ以下であった。半径２０ｍｍに曲げても、１．０６μｍにおいて曲げ損失は発生しなかった。

［実施例３］
図６のように、０層から１０層の周期構造のうち、０層目から３層目までの高屈折率ロッドを、イッテルビウムを添加したロッドで置き換えたフォトニックバンドギャップファイバを作製した。
このファイバの構造パラメータは、△＝２．８％、ｄ／Λ＝０．５、Λ＝３．０μｍ、ファイバの直径は３００μｍであった。このファイバは、屈折率１．４０の樹脂によって被覆されており、ダブルクラッド構造となっている。
このファイバを用いて、図７のように、波長１．０６μｍで発振するファイバレーザを作製した。ファイバレーザの構成は、波長９７６ｎｍの即起光源、共振器を構成する２つの１．０６μｍで発振するファイバグレーティングと、その間に配置された、本実施例のファイバから構成されている。
このような構成のファイバレーザにおいて、クラッド部を含めたファイバの全領域を、９７６ｎｍの励起光を用いて励起したところ、レーザ発振を得ることができた。
また、高屈折率ロッドが配置されているため、クラッド励起したところ、レーザ発振を得ることができた。また、高屈折率ロッドが配置されているため、クラッドの励起のファイバレーザで問題となる、スキューモードを抑制することができた。

［比較例］
純粋石英の屈折率に対する比屈折率差Δが１．５％であるロッドを用い、実施例３と同様のダブルクラッドファイバを作製した。
図８のように、０層から１０層の周期構造のうち、０層から２層までの高屈折率ロッドを、実施例３で用いたのと同じ、イッテルビウムを添加したロッドで置き換えたフォトニックバンドギャップファイバ１０Ｄを作製した。
このファイバの構造パラメータは、△＝１．５％、ｄ／Λ＝０．５，Λ＝４．５μｍ、ファイバの直径は３００μｍであった。
波長１．０６μｍにおいて導波モードを得るため、実施例３のファイバよりΛが１．５倍大きくなっているが、イッテルビウムを添加したロッドで置き換える層数が１層少ないため、イッテルビウムが添加されているコア領域の大きさは等しくなっている。このファイバは、屈折率１．４０の樹脂によって被覆されており、ダブルクラッド構造となっている。
このファイバを用いて、実施例３と同じ構造のファイバレーザを作製した。実施例３と同じくレーザを発振したが、その出力は、実施例３の場合よりも小さかった。
これは、高屈折率ロッドの領域が増えたため、高屈折率ロッドの中を導波して、光の増幅に使われない励起光の割合が増えたためである。実施例３と比較例のファイバについて、同じ長さの光ファイバを用いて励起光の吸収量を比較したところ、実施例３のほうが吸収量が良く、実施例３のファイバのほうがより効率的にコア部を励起できていることがわかった。

［実施例４］
０層から１０層の周期構造のうち、０層目から３層目までの高屈折率ロッドを、実施例３と同じ、イッテルビウムを添加したロッドで置き換えたフォトニックバンドギャップファイバを作製した。このファイバの構造パラメータのうち、△＝２．８％、ｄ／Λ＝０．５は実施例３と同じであるが、Λ＝３．５μｍとした。ファイバの直径は３００μｍであった。ファイバは、屈折率１．４０の樹脂によって被覆されており、ダブルクラッド構造となっている。
このファイバを用いて、実施例３と同じ構造のファイバレーザを作製したが、同じくレーザを発振し、その出力は、実施例３よりも大きかった。これは、励起光の波長では、高屈折率ロッドによるフォトニックバンドギャップによる閉じ込め効果が小さいため、周期構造の外から入射された光のうち、より多くがコアに到達し、光の増幅に使われたためである。Λが大きくなることによって、高屈折率ロッドの中を導波する光の量は実施例３より多くなったが、前者の効果のほうが大きかったため、レーザ出力は大きくなった。実施例３と実施例５のファイバについて、同じ長さの光ファイバを用いて励起光の吸収量を比較したところ、実施例５のほうが吸収量は大きく、実施例５のファイバのほうがより効果的にコアを励起できていることが分かった。

本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの第１実施形態を示す図である。 同じファイバのクラッドの周期構造を示す拡大図である。 Δ＝２．８％、ｄ／Λ＝０．５の時の、フォトニックバンドギャップファイバのクラッドのバンド図である。 Δ＝１．５％、ｄ／Λ＝０．５の時の、フォトニックバンドギャップファイバのクラッドのバンド図である。 本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの第２実施形態を示す図である。 本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバの第３実施形態を示す図である。 本発明に係るファイバレーザの一実施形態を示す構成図である。 比較例で作製したフォトニックバンドギャップファイバを示す図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…フォトニックバンドギャップファイバ、１１…ファイバ本体、１２…ロッド、１３…コア、１４…クラッド、１５…内側クラッド、１６…外側クラッド、２０…ファイバレーザ、２１…ダブルクラッド型フォトニックバンドギャップファイバ、２２…励起光源、２３，２４…ファイバグレーティング。

Claims (12)

1. 石英ガラスからなるファイバ本体と、該ファイバ本体内に設けられた該ファイバ本体よりも高屈折率の石英ガラスからなる多数の微小なロッドとを有し、ファイバ本体の横断面中央に前記ロッドが存在しないコアが形成され、該コアを囲んで前記ロッドがファイバ本体の横断面においてピッチΛの三角格子状に配列されたクラッドが形成されてなるフォトニックバンドギャップファイバにおいて、
   前記ファイバ本体の屈折率に対する前記ロッドの比屈折率差が２．５％以上であることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバ。
2. ファイバ横断面においてファイバ中心から直径Λの範囲に前記ロッドが存在しない構造であることを特徴とする請求項１に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
3. ファイバ横断面においてファイバ中心から直径３Λの範囲に前記ロッドが存在しない構造であることを特徴とする請求項１に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
4. ファイバ横断面においてファイバ中心から直径５Λの範囲に前記ロッドが存在しない構造であることを特徴とする請求項１に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
5. ファイバ横断面においてファイバ中心から直径１００μｍの範囲外には前記ロッドが存在しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
6. ファイバ横断面においてファイバ中心から直径１５０μｍの範囲外には前記ロッドが存在しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
7. ファイバ横断面においてファイバ中心から直径２００μｍの範囲外には前記ロッドが存在しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
8. コアに希土類元素が添加されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
9. クラッドを囲んで該クラッド外周部の屈折率よりも低屈折率の媒質からなる外側クラッド層が設けられたダブルクラッド構造になっていることを特徴とする請求項８に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
10. クラッド外周に１層以上の被覆をもち、その最も内周の被覆の屈折率が、クラッド外周部の屈折率よりも低い材料からなることを特徴とする請求項８に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
11. 請求項９又は１０に記載のフォトニックバンドギャップファイバと、該フォトニックバンドギャップファイバのクラッド部分に励起光の少なくとも一部が注入されるように結合された励起光源とを備えていることを特徴とするファイバレーザ。
12. 励起光の波長において、最低次のコアモードの損失が１００ｄＢ／ｋｍ以上であることを特徴とする請求項１１に記載のファイバレーザ。
    

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