JP2008262199A - フォトニックバンドギャップ光ファイバ、光伝送システム及びそのシステムにおける誘導ラマン散乱抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＳＲＳを抑制することができると共に、実用的な利用において無作為的な曲がりに対して安定な特性を維持することができるフォトニックバンドギャップ光ファイバ、光伝送システム及び誘導ラマン散乱抑制方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 光伝送システム１は、周波数ωを有する光Ｃ２を出射するように設計されたレーザ光源３１と、その光Ｃ２を導波するため採用された光伝送線路３７と、を備え、光伝送線路３７は、周波数ωでコア導波モードを有すると共に、周波数ω−１３ＴＨｚで減衰帯域を有するように設計されたフォトニックバンドギャップ光ファイバを含む。光伝送システム１は、ラマン散乱光を抑制することで、高い光パワーが光伝送線路３７を通じて伝搬されるようにする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、フォトニックバンドギャップ光ファイバ、光伝送システム及びそのシステムにおける誘導ラマン散乱抑制方法に関し、特に高い光パワーを伝送するように設計されたフォトニックバンドギャップ光ファイバ、光伝送システム及びそのシステムにおける誘導ラマン散乱抑制方法に関する。

高い光パワーが光ファイバ中を伝搬されると、非線形プロセスにより光ファイバ内のピーク光パワーが減衰される。そのような非線形プロセスの一つとしては、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）がある。ＳＲＳでは、入射光のエネルギーの一部が入射光のエネルギーと異なる周波数に変換される。変換されたエネルギーは、主に入射光より低い周波数を有するストークス光になる。ストークス光のパワーが十分に高いと、２次又は高次のストークス光が生成される。

シリカベースの光ファイバにおいては、入射光と１次のストークス光との周波数の差は一般的に約１３ＴＨｚである。例えば、波長１０６４ｎｍの光が通常の光ファイバを通って伝搬すると、約１１２０ｎｍの１次のストークス光が発生する。

ストークス光の抑制又は除去は、高い光パワーがしばしば用いられるレーザプロセス産業において重要である。ＳＲＳに起因するエネルギー変換は、入射光のピークパワーの減少及びレーザプロセス能力の低下という結果を引き起こし得る。

空気のコア中に光を伝搬することができる中空コアフォトニックバンドギャップファイバ（中空コアＰＢＧＦ）は、ＳＲＳを含む非線形プロセスの抑制用として提案されてきた（非特許文献１）。代替的な手段としては、デュアル空孔アシスト光ファイバ（非特許文献２）、フィルタファイバ（非特許文献３）、及びW型ファイバ（非特許文献４）が提示されてきた。
Ｊ．Ｄ． Ｓｈｅｐｈａｒｄ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ， １２（２００４）， ７１７ Ｌ．Ａ．Ｚｅｎｔｅｎｏ ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ， １３（２００５）， ８９２１ Ｊ．Ｍ．Ｆｉｎｉ ｅｔ ａｌ．， Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ， ３１（２００６）， ２５５０ Ｊ．Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ， １４（２００６）， ５１０３

しかしながら、中空コアＰＢＧＦの場合は、現在、それらの複雑な構造が、商業的な製造を実現するのに障壁となっている。また、デュアル空孔アシスト光ファイバ、フィルタファイバ及びW型ファイバは、コア導波モードと損失のあるクラッドモードとの間でのモードカップリングを利用し、望まないストークス光を除去する。クラッドモードにおける光強度は、クラッドモードの損失されやすい性質により減衰する。一般的に、コアモードからクラッドモードへのカップリングの強度は、これらの光ファイバにおける曲がりによって影響を受ける。更に、もし光ファイバが無作為に曲げられると、光がコアからクラッドにカップリングされるバンド幅が変化する。そのため、このようなＳＲＳ抑制様式を伝送用の光ファイバに応用することは実用的ではない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、ＳＲＳを抑制することができると共に、実用的な利用において無作為的な曲がりに対して安定な特性を維持することができるフォトニックバンドギャップ光ファイバ、光伝送システム及びそのシステムにおける誘導ラマン散乱抑制方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る光伝送システムは、周波数ωを有する光を出射するように設計されたレーザ光源と、前記光を導波するため採用された光伝送線路と、を備え、前記光伝送線路は、周波数ωで光を導波し、ω−１３ＴＨｚの周波数で光を減衰させるフォトニックバンドギャップ光ファイバを含む。伝送周波数から１３ＴＨｚずれた周波数での減衰帯域又は高損失帯域は、ラマンゲイン又はＳＲＳから生じる光を抑制するのに用いられる。

高損失帯域は、周波数ωと周波数ω−１３ＴＨｚとの間にバンドエッジを有するフォトニックバンドギャップファイバにより提供され得る。そのバンドエッジは、フォトニックバンドギャップファイバの伝送帯域の低周波側エッジにより提供され得る。

フォトニックバンドギャップファイバは、周波数ω−１３ＴＨｚでの伝送損失が周波数ωでの伝送損失より１０ｄＢ以上大きくてもよい。

フォトニックバンドギャップファイバは、空孔でない中実の複数の要素の周期的な配列を有するクラッドを含むオールソリッドフォトニックバンドギャップファイバ（ａｌｌ−ｓｏｌｉｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｆｉｂｅｒ）であり、各要素は周囲の背景材料より大きい屈折率を有していてもよい。その複数の要素は、背景材料の屈折率に対して、３％の比屈折率差を有するピーク屈折率を有していてもよい。複数の要素は、直径ｄの高い屈折率の複数のロッドで構成されていると共に背景材料中にピッチΛで互いに離れて配置されており、ｄ／Λが０．６以上であってもよい。随意的に、周波数ωは波長１０６４ｎｍの光の周波数であってもよい。

本発明は、また、誘導ラマン散乱光を抑制するために用いられるフォトニックバンドギャップ光ファイバであって、周波数ωで光を導波し、且つ周波数ω−１３ＴＨｚで光を減衰させるため採用されたコア、を備えるフォトニックバンドギャップ光ファイバを提供する。フォトニックバンドギャップ光ファイバは、周波数ω−１３ＴＨｚでの伝送損失が周波数ωでの伝送損失より１０ｄＢ以上大きくてもよい。

本発明は、また、レーザ光源から周波数ωを有する光を出射するステップと、出射された光を光伝送線路内にカップリングさせるステップと、を備え、光伝送線路内では、周波数ωでコア導波モードを有し、且つω−１３ＴＨｚの周波数で高損失帯域を有するフォトニックバンドギャップファイバを含む光伝送システムにおける誘導ラマン散乱抑制方法を提供する。

本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバ、光伝送システム及びそのシステムにおける誘導ラマン散乱抑制方法によれば、ＳＲＳを抑制することができると共に、実用的な利用において無作為的な曲がりに対して安定な特性を維持することができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素には同一の符号を用い、重複する説明を省略する。

中空フォトニックバンドギャップファイバと比較して、シリカをベースとするオールソリッドＰＢＧＦは、安価な商業的製造の可能性を提供する。これは、オールソリッドＰＢＧＦが、設計と実験とがよく一致し、所望の特性を有するファイバを実現するために正確に制御され得る構造を有するからである。また、オールソリッドＰＢＧＦは、設計の柔軟性を提供し、低損失を達成することができる。

更に、オールソリッドＰＢＧＦは、バンドギャップファイバの固有の特性である強い減衰帯域を有する。その減衰帯域は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を抑制するのに用いることができる。

図１は、その中にＳＲＳが存在する標準ファイバ１０に比較して、オールソリッドＰＢＧＦ２０がどのようにＳＲＳを抑制するかを模式的に示している。いずれの場合においても、高パワーレーザ光Ｃ１がそのファイバにカップリングされる（図１（ａ）及び図１（ｄ））。カップリングされたレーザ光Ｃ１は、図１（ｂ）及び図１（ｅ）に示されている透過率を有する標準ファイバ１０及びオールソリッドＰＢＧＦ２０を伝搬して透過する。それぞれの透過後のパワースペクトルは図１（ｃ）及び図１（ｆ）において示されている。標準ファイバ１０では、ファイバ材料のラマンシフトに起因して多重ＳＲＳ（ＭＳＲＳ）が観察される（図１（ｃ））。オールソリッドＰＢＧＦ２０は、ストークス波長λ_Ｓで高い減衰を提供するが、レーザ周波数では減衰させない（図１（ｆ））。

オールソリッドＰＢＧＦ２０は、図２（ａ）に示されるように作られた。オールソリッドＰＢＧＦ２０は、高インデックス要素２１をその中に有する背景材料２３からなるクラッド２７を備える。背景材料２３はドーパントを有しないシリカガラスからなる。高インデックス要素２１は、ドーパントとしてＧｅＯ_２を含むシリカガラスからなる。オールソリッドＰＢＧＦ２０は、周期的な配列で積み重なったロッドにより構成されている。複数の高インデックス要素２１は、高屈折率コアを有する複数のロッドで形成されている。ロッドの外側の領域は、背景材料２３からなる。オールソリッドＰＢＧＦ２０のコア２５は、高屈折率のロッドを除去してそれをクラッド２７の背景材料２３と同一材料、すなわちドーパントを有しないシリカガラスで作られたロッドで代替することにより、形成することができる。周期構造の形成には、例えば、スタックアンドドロー（ｓｔａｃｋ ａｎｄ ｄｒａｗ）法が用いられ得る。すなわち、積み重ねられたロッドをジャケットとなるパイプ内に挿入し、これを中実化してから線引、あるいは直接線引することによりオールソリッドＰＢＧＦが得られる。本実施形態において、高インデックス要素２１の屈折率のピーク値とシリカガラスの背景材料２３の屈折率との差は、約３％である。

図２（ｂ）に示されるように、高インデックス要素２１の直径はｄであり、高インデックス要素２１間のピッチはΛである。ｄ／Λ比は、フォトニックバンドギャップを深くしてファイバの曲がりに対する感受性が低い減衰帯域を提供することが知られている。これは、深いフォトニックバンドギャップが、最隣接する他のモードを励起するために非常に大きなファイバの変形が要求されることを意味するからである。その観点から、曲がりに対する感受性を低く抑えるには、ｄ／Λ比を大きくすることが好ましい。本実施形態のオールソリッドＰＢＧＦ２０では、ｄ／Λ比が約０．６になるように設計されている。

プリフォームから、異なる実施形態を表す２つのファイバ１，２が作られた。ファイバ１，２それぞれのパラメータは、表１に挙げられている。

ファイバ１，２は１０６４ｎｍで動作するレーザ光源と共に用いるように設計された。シリカファイバにおいて、ラマンシフトは約１３ＴＨｚであるため、1次のストークス光は約１１２０ｎｍ（λ_ｓ）で現れることとなる。製造の際に、ファイバ１，２の直径は、ストークス光の波長λ_Ｓに近いバンドギャップエッジλ_ｅ１，λ_ｅ２を与えるように調整された。ファイバ１は、１６５μｍの外径及び９．７μｍのコア径を有するように調節され、１１００ｎｍに位置する長波長側バンドギャップエッジλ_ｅ１を提供する。ファイバ２においては、ファイバの外径は１７２μｍであって、コア径は１０．１μｍであり、１１４０ｎｍに位置する長波長側バンドギャップエッジλ_ｅ２を提供する。

ファイバ１，２のバンドギャップエッジλ_ｅ１, λ_ｅ２の位置は、ファイバの透過スペクトルが６００ｎｍから１６００ｎｍまで示されている図３においてより詳細に示されている。透過スペクトルは、直径１６０ｍｍのスプールに巻かれている５０ｍのファイバを通じて測定された。ファイバを用いたスーパーコンティニウム光源が、透過スペクトル測定において、広帯域光源として用いられた。ファイバ１及びファイバ２の両方の３次のバンドギャップエッジλ_ｅ１, λ_ｅ２は明確に示されている。３次のバンドギャップの長波長側エッジλ_ｅ１，λ_ｅ２は、ファイバ１においては１１００ｎｍ（λ_ｅ１）にあり、ファイバ２においては１１４０ｎｍ（λ_ｅ２）にある。ファイバ１は、３次のバンドギャップエッジの長波長側エッジλ_ｅ１領域で、伝送帯域と高損失帯域との間で４０ｄＢ以上のアイソレーションを示している。このアイソレーションの程度は、他のＳＲＳ抑制方法と比べて顕著に大きく、伝送帯域に対して顕著に鋭いカットオフを与える。

また、ファイバ１が小さい直径のマンドレルの周囲に巻回されている場合においても、透過スペクトルが測定された。直径２０ｍｍ及び３０ｍｍのマンドレルが用いられており、その透過スペクトルが図４に示されている。より小さい巻回直径においても、１１００ｎｍでのバンドギャップエッジλ_ｅ１は、移動しないことが分かる。これは、実際の使用時において、ファイバ１のバンドギャップエッジの波長が安定であることを表す。また、この結果は、ｄ／Λが０．６以上であれば、曲がりに対する感受性を十分低く抑えられることを示している。

ファイバ１がＳＲＳを抑制、すなわちストークス光の光パワーを低減することができることを確認する実験を以下記述する。図５に、その実験装備が示されている。光源３１から出射された波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｃ２は、ミラー３３によりその光軸を調心し、製造された長さ５０ｍのオールソリッドＰＢＧＦ３７のコア内に、倍率３０倍のレンズ３５によりカップリングされる。そのレーザ光Ｃ２は６．５ｋＨｚの周波数でパルス発振されており、それぞれのパルスは９．５μＪのエネルギーを有する。そのパルス幅は、約０．６ｎｓであった。レーザ光源３１の平均光パワーは６０ｍＷであった。また、レーザ光Ｃ２のピークパワーは１６ｋＷであった。オールソリッドＰＢＧＦ３７からの出力光Ｃ３は倍率６０倍を有するレンズ３９により平行化された。平行化された光Ｃ４は、意図されていないクラッドモード光を除去するために絞り４１を通って、結合用レンズ４３を介してマルチモードファイバ（ＭＭＦ）４５に結合された。そのマルチモードファイバ４５は、出力スペクトルをモニターするために光スペクトル分析器（ＯＳＡ）４７につなげられた。その結果は図６に示されている。なお、図６は、波長１０６４ｎｍの光が伝搬するときにおける、標準ファイバと図３のファイバ１，２との透過スペクトルのグラフを示す図である。

ファイバ２はレファレンスファイバとして用いられており、１１４０ｎｍでバンドエッジλ_ｅ２を有する。従って、これはそのファイバの伝送帯域内にあるため、１次のストークス光は約１１２０ｎｍ（λ_ｓ）に見られる。ファイバ１は１１００ｎｍにバンドエッジλ_ｅ１を有する。ファイバ１においては、１１２０ｎｍ（λ_ｓ）付近の１次のストークス光は顕著に抑制される。ファイバ１において、若干のスペクトル広がりが見られるが、これはＳＲＳとは別の現象で弱いコンティニウムによる可能性がある。ファイバ１，２において、３次のバンドギャップの長波長側エッジλ_ｅ１，λ_ｅ２付近の出力スペクトルは図３に示されたスペクトルに一致する。これは、そのオールソリッドＰＢＧＦの高い減衰帯域により、ラマンゲインが顕著に抑制されたことを示す。

上記の実験は、光伝送システム１においてオールソリッドＰＢＧＦ３７がラマンゲインを抑制するのに用いられることが可能であることを裏づける。上記のオールソリッドＰＢＧＦ３７は、そのコアが、１次のストークス光の波長λ_ｓでの光モードをサポートしないように製造されている。従って、１次のストークス光はコアモードからクラッドモードに結合される。クラッドモードは、本質的に非常に損失が大きいため、クラッドモードにおけるすべてのストークス光を急激に減衰させる。オールソリッドＰＢＧＦ３７は、バンドギャップエッジλ_ｅ１がより安定的であると共に特にファイバの曲がりに対する耐性を有するため、従来のＳＲＳ抑制技術に対して有利である。

いわゆる当業者により、上記に説明された発明は、クレームの範囲を離れることなく、様々な方法で変更されてもよい。例えは、異なる構造パラメータ（コア及び背景材料の屈折率、屈折率プロファイル、周期構造の大きさ、ｄ／Λ比）、異なるファイバ及び異なるファイバ材料が用いられてもよく、コア導波モードの波長が変更されてもよい。

標準光ファイバにより伝送されたＳＲＳに対比されたフォトニックバンドギャップ光ファイバにおけるＳＲＳの抑制を模式的に示す図である。 その（ａ）は、本発明に用いられたオールソリッドフォトニックバンドギャップファイバを示す断面図であり、その（ｂ）は、（ａ）の光ファイバのクラッド中の複数の高インデックス要素の直径及びピッチを示す模式図である。 本発明において用いられた２つのオールソリッドＰＢＧＦについての透過スペクトルを示すグラフである。 ファイバが直径２０ｍｍ又は３０ｍｍで曲げられたときに、図３の２つのオールソリッドＰＢＧＦファイバの透過スペクトルを示すグラフである。 ＳＲＳ抑制を調べるために用いられた実験装備を示す模式図である。 波長１０６４ｎｍの光が伝搬するときにおける、標準ファイバと図３の２つのファイバとの透過スペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１…光伝送システム、２１…高インデックス要素、２３…背景材料、２５…コア、２７…クラッド、２０，３７…オールソリッドフォトニックバンドギャップファイバ、λ_ｅ１，λ_ｅ２…バンドギャップエッジ、λ_ｓ…ストークス光の波長。

Claims (14)

1. 周波数ωを有する光を出射するように設計されたレーザ光源と、
   前記光を導波するため採用された光伝送線路と、
   を備え、
   前記光伝送線路は、周波数ωでコア導波モードをサポートすると共に、周波数ω−１３ＴＨｚで減衰帯域を有するように設計されたフォトニックバンドギャップ光ファイバを含む、
   光伝送システム。
2. 前記減衰帯域は、前記周波数ωと前記周波数ω−１３ＴＨｚとの間にバンドエッジを有する前記フォトニックバンドギャップファイバにより提供される請求項１に記載の光伝送システム。
3. 前記フォトニックバンドギャップファイバは、周波数ω−１３ＴＨｚでの伝送損失が周波数ωでの伝送損失より１０ｄＢ以上大きい請求項１に記載の光伝送システム。
4. 前記フォトニックバンドギャップファイバは、複数の要素の周期的な配列を有するクラッドを含むオールソリッドフォトニックバンドギャップファイバであり、前記要素は周囲の背景材料より大きい屈折率を有する請求項１に記載の光伝送システム。
5. 前記複数の要素は、直径ｄの高い屈折率の複数のロッドで構成されていると共に前記背景材料中にピッチΛで互いに離れて配置されており、ｄ／Λが０．６以上である請求項４に記載の光伝送システム。
6. 前記周波数ωは、波長１０６４ｎｍを有する光の周波数である請求項１に記載の光伝送システム。
7. 誘導ラマン散乱光を抑制するために用いられる光ファイバであって、
   周波数ωで光モードを伝搬するために採用されたコアと、
   周波数ω−１３ＴＨｚで光モードを減衰させるため採用されたクラッドと、
   を備えるフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
8. 前記ファイバは、周波数ω−１３ＴＨｚでの伝送損失が周波数ωでの伝送損失より１０ｄＢ以上大きい請求項７に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
9. レーザ光源から周波数ωを有する光を出射するステップと、
   出射された前記光を光伝送線路内にカップリングさせるステップと、
   を備え、
   前記光伝送線路は、周波数ωでコア導波モードを有し、且つ周波数ω−１３ＴＨｚで減衰帯域を有するフォトニックバンドギャップファイバを含む、
   光伝送システムにおける誘導ラマン散乱抑制方法。
10. 前記減衰帯域は、前記周波数ωと前記周波数ω−１３ＴＨｚとの間にバンドエッジを有する前記フォトニックバンドギャップファイバにより提供される請求項９に記載の誘導ラマン散乱抑制方法。
11. 前記フォトニックバンドギャップファイバは、周波数ω−１３ＴＨｚでの伝送損失が周波数ωでの伝送損失より１０ｄＢ以上大きい請求項９に記載の誘導ラマン散乱抑制方法。
12. 前記フォトニックバンドギャップファイバは複数の要素の周期的な配列を有するクラッドを含むオールソリッドフォトニックバンドギャップファイバであり、前記要素は周囲の背景材料より大きい屈折率を有する請求項９に記載の誘導ラマン散乱抑制方法。
13. 前記複数の要素は、直径ｄの高い屈折率の複数のロッドで形成されていると共に前記背景材料中にピッチΛで互いに離れて配置されており、ｄ／Λが０．６以上である請求項１２に記載の誘導ラマン散乱抑制方法。
14. 前記周波数ωは、波長１０６４ｎｍを有する光の周波数である請求項９に記載の誘導ラマン散乱抑制方法。