JP2010014893A

JP2010014893A - ホーリーファイバ

Info

Publication number: JP2010014893A
Application number: JP2008173632A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Mukasa; 和則武笠
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2010-01-21
Also published as: EP2293126A1; US20100135628A1; WO2010001858A1

Abstract

【課題】低非線形性を有しながらシングルモード動作特性と実用的な曲げ損失特性とを有するホーリーファイバを提供すること。
【解決手段】中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、を備え、前記空孔は、三角格子を形成するように配置され、該空孔の孔径をｄ［μｍ］、該三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、ｄ／Λは０．４３±０．０３の範囲内であり、Λは２０〜２４μｍであり、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード動作するとともに波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が５００μｍ^２以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホーリーファイバに関するものである。

ホーリーファイバ（ＨｏｌｅｙＦｉｂｅｒ）、あるいはフォトニッククリスタルファイバは、中心に位置するコア部と、コア部の外周に位置し、コア部の周囲に配置した複数の空孔を有するクラッド部とを備え、空孔によってクラッド部の平均屈折率を下げ、光の全反射の原理を利用してコア部に光を伝搬させる新しいタイプの光ファイバである。このホーリーファイバは、空孔を用いて屈折率を制御することによって、従来の光ファイバでは実現不可能なＥｎｄｌｅｓｓｌｙＳｉｎｇｌｅＭｏｄｅ（ＥＳＭ）や、きわめて短波長側にシフトした零分散波長等の特異な特性を実現可能である。なお、ＥＳＭとは、カットオフ波長が存在せず、全ての波長の光がシングルモードで伝送することを意味し、広帯域にわたって高伝送速度の光伝送を可能にする特性である。

一方、ホーリーファイバは、有効コア断面積を大きくして光学非線形性を低くすることができるため、低非線形伝送媒体として、光通信用、あるいはハイパワー光を伝送するデリバリー用への応用も期待されている。特に、ホーリーファイバを用いれば、従来の光ファイバでは実現が難しい５００μｍ^２以上の有効コア断面積を実現することができる。たとえば、非特許文献１では、コア部の直径を２０μｍ以上に拡大し、有効コア断面積を５００μｍ^２以上としたホーリーファイバ（フォトニッククリスタルファイバ）が開示されている。

M.D. Neilsen et al., "Predicting macrobending loss for large-mode area photonic crystal fibers", OPTICS EXPRESS, Vol.12, No.8, pp.1775-1779(2004)

しかしながら、従来のホーリーファイバは、有効コア断面積を大きくすると、光学非線形性が低下するものの、ＥＳＭ特性が実現されなくなり、確実にシングルモード動作するものではなかった。したがって、従来の有効コア断面積を大きくしたホーリーファイバは、マルチモード動作するものとなって伝送する光の品質が劣化するおそれがあるという問題があった。また、有効コア断面積を大きくするとこれに応じて曲げ損失も大きくなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低非線形性を有しながらシングルモード動作特性と実用的な曲げ損失特性とを有するホーリーファイバを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るホーリーファイバは、中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、を備え、前記空孔は、三角格子を形成するように配置され、該空孔の孔径をｄ［μｍ］、該三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、ｄ／Λは０．４３±０．０３の範囲内であり、Λは２０〜２４μｍであり、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード動作するとともに波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が５００μｍ^２以上であることを特徴とする。

また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記ｄ／Λが０．４３±０．０２の範囲内であることを特徴とする。

また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記空孔の層数は４層以上であることを特徴とする。

また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、１６５０ｎｍ以下の波長における閉じ込め損失が０．００１ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、波長１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記Λが２３μｍ以下であり、前記ｄ／Λが０．４３以上であり、前記層数が５以上であり、波長１５５０ｎｍにおいて直径１００ｍｍにおける曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、低非線形性を有しながらシングルモード動作特性と実用的な曲げ損失特性とを有するホーリーファイバを実現できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係るホーリーファイバの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下ではホーリーファイバをＨＦと記載する。また、本明細書において特に定義しない用語については、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るＨＦの断面概略図である。図１に示すように、このＨＦ１０は、中心に位置するコア部１１と、コア部１１の外周に位置するクラッド部１２とを備える。なお、コア部１１とクラッド部１２とは、いずれも屈折率調整用のドーパントが添加されていない純シリカガラスからなる。

クラッド部１２は、コア部１１の周囲に層状に形成された空孔１３を有する。なお、コア部１１を中心とする正六角形の各頂点および各辺上に配置した空孔１３の組み合わせを１層とすると、このＨＦ１０においては、空孔１３の層数は５である。また、この空孔１３は、層状に形成されるとともに、三角格子Ｌを形成するように配置されている。空孔１３の直径はいずれもｄであり、三角格子Ｌの格子定数、すなわち空孔１３の中心間距離はΛである。

このＨＦ１０においては、ｄとΛとの比であるｄ／Λは０．４３±０．０３であり、Λは２０〜２４μｍであり、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード動作するとともに波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が５００μｍ^２以上である。その結果、このＨＦ１０は、波長１５５０ｎｍにおいて低非線形性を有しながらシングルモード動作特性を有するものとなる。さらに、このＨＦ１０は、直径１００ｍｍにおける曲げ損失が２５０ｄＢ／ｍ以下であり、光通信用等に通常用いられている光ファイバ巻き付け用のボビンに巻き付けた場合に、光を伝送できる程度の実用的な曲げ損失特性を有している。

さらに、このＨＦ１０においては、コア部１１から空孔１３間の隙間へ光が漏洩することによって発生する損失である閉じ込め損失が、１６５０ｎｍ以下の波長において０．００１ｄＢ／ｋｍ以下であり、伝送損失に対してほとんど影響がないくらい十分に小さい。

以下、有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションを用いた計算結果を参照して、本発明についてより具体的に説明する。なお、以下では、曲げ損失とは、直径１００ｍｍにおける曲げ損失を意味するものとする。

はじめに、シングルモード動作特性について説明する。図２は、図１に示すＨＦ１０と同様の構造を有するＨＦにおいて、比ｄ／Λを変化させた場合の、Λと波長１５５０ｎｍにおけるＶ値との関係を示す図である。ここで、Ｖ値とは、光ファイバの規格化周波数のことであり、光ファイバのＶ値が２．４０５以下の場合にその光ファイバは理論的にシングルモード動作する。また、Ｖ値が２．４０５を越える光ファイバであっても、実際に使用される長さである１００ｍ程度以上の長さにおいては、高次モードの光は伝送の途中で漏洩して消失するため、Ｖ値が２．５以下であれば実質的にシングルモード動作することが知られている。図２においては、ＨＦにおけるＶ値の計算方法として、K.Saitoh and M.Koshiba, "Empirical relation for simple design of photonic crystal fibers", OPTICS EXPRESS, Vol.13, No.1, pp.267-274(2005)に記載の方法を使用した。

図２に示すように、Λが５〜２４μｍの範囲において、ｄ／Λが０．４３以下であれば、Ｖ値は２．４０５以下となるため、ＨＦ１０は確実にシングルモード動作するものとなる。また、ｄ／Λが０．４６以下であれば、Ｖ値は２．５以下となるため、ＨＦ１０は実質的にシングルモード動作するものとなる。なお、ｄ／Λが０．４３より小さければ、ＨＦ１０は確実にシングルモード動作するものとなるが、ｄ／Λが小さくなると、同じ有効コア断面積を実現しようとする場合に曲げ損失が増大し、または同じ曲げ損失を実現しようとする場合に有効コア断面積が減少する。

したがって、本実施の形態に係るＨＦ１０のように、ｄ／Λが０．４３±０．０３であり、Λが２０〜２４μｍであれば、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード動作特性を実現しつつ、好ましい有効コア断面積と曲げ損失とを両立できる。また、ｄ／Λが０．４３±０．０２であれば、シングルモード動作特性をより確実に実現できるので好ましい。

つぎに、有効コア断面積および曲げ損失について説明する。図３は、図１に示すＨＦ１０において、ｄ／Λを０．４３に固定した場合の、Λと波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積および曲げ損失との関係を示す図である。なお、図３において、「Ａｅｆｆ」とは有効コア断面積を意味し、線Ｌ１がΛと有効コア断面積との関係を示し、線Ｌ２がΛと曲げ損失との関係を示している。図３においては、有効コア断面積はΛが２０μｍの場合に５０４．５μｍ^２であり、Λの増加に応じて増大する。一方、曲げ損失もΛの増加に応じて増大し、Λが２４μｍの場合に１７８ｄＢ／ｍとなる。すなわち、ＨＦ１０は、ｄ／Λが０．４３の場合において、５０４．５μｍ^２以上の有効コア断面積と、１７８ｄＢ／ｍ以下の曲げ損失とを有するものとなる。

ここで、図４は、図１に示すＨＦ１０に直径１００ｍｍの曲げを加えた場合の波長１５５０ｎｍの光のフィールド分布を示す図である。なお、図４において、上側の図は曲げ損失が約１０ｄＢ／ｍである場合を示し、下側の図は曲げ損失が約１００ｄＢ／ｍである場合を示している。また、図４において、明るい部分ほど光のフィールドが強く分布している。図４に示すように、曲げ損失が約１０ｄＢ／ｍの場合は、光のフィールドがコア部に集中しており、損失が十分少ないように光のパワーを伝送できる。一方、曲げ損失が約１００ｄＢ／ｍの場合は、光のフィールドはＨＦ内に分散しているものの、コア部にも存在するため、光通信用あるいはハイパワー光のデリバリー用として実用的な程度に光のパワーを伝送できるようになっている。なお、曲げ損失が２５０ｄＢ／ｍ程度の場合も、１００ｄＢ／ｍの場合と同様に実用的な光のパワー伝送が可能である。

つぎに、閉じ込め損失について説明する。図５は、図１に示すＨＦ１０と、このＨＦ１０と同様の構造を有するが空孔の層数がＨＦ１０とは異なり３または４であるＨＦとにおいて、Λを変化させた場合の、空孔の層数と波長１５５０ｎｍにおける閉じ込め損失との関係を示す図である。なお、図５においては、各ＨＦのｄ／Λを０．４３に固定している。図５に示すように、Λが２０〜２４μｍの範囲において、Λを変化させても閉じ込め損失はあまり変化しないが、空孔の層数が増加すると閉じ込め損失は小さくなる。

図５に示すように、空孔の層数が５であるＨＦ１０については、閉じ込め損失が約１０^−６ｄＢ／ｋｍと極めて小さい。一方、従来のシングルモード動作する石英ガラス系の光ファイバの伝送損失は、最低でも０．１９５ｄＢ／ｋｍ程度である。したがって、ＨＦ１０において、閉じ込め損失は、伝送損失に対して無視できる程度に小さいため、伝送損失に影響を及ぼさない。また、図５に示すように、ＨＦ１０と同様の構造を有するＨＦにおいて、空孔の層数を４以上とすれば、閉じ込め損失は１０^−３ｄＢ／ｋｍすなわち０．００１ｄＢ／ｋｍ以下となり、伝送損失にほとんど影響がないくらい十分に小さくなるので好ましい。また、空孔の層数が７以下であれば、形成すべき空孔の総数が２００以下であるため、製造が容易となり好ましい。

なお、図５は波長１５５０ｎｍにおける閉じ込め損失を示すものであるが、閉じ込め損失は波長に依存する。図６は、図５に示すＨＦにおける波長と閉じ込め損失との関係を示す図である。なお、線Ｌ３は空孔の層数が４でΛが２２μｍ、線Ｌ４は空孔の層数が４でΛが２３μｍの場合をそれぞれ示す。また、線Ｌ５、Ｌ６は空孔の層数が５であるＨＦ１０の場合をそれぞれ示し、線Ｌ５はΛが２２μｍの場合、線Ｌ６はΛが２３μｍの場合である。図６に示すように、空孔の層数が４層以上であれば、波長１５５０ｎｍに限らず、波長１４５０〜１６５０ｎｍの範囲で閉じ込め損失が０．００１ｄＢ／ｋｍ以下となり、光通信で用いられるＣバンド（約１５３０〜１５６５ｎｍ）、Ｌバンド（約１５６５〜１６３０ｎｍ）を含む広い波長範囲において十分に小さい値となる。

また、図５に示したように、ＨＦの閉じ込め損失は空孔の層数によって大きく変化する。しかしながら、有効コア断面積および波長分散値は空孔の層数による変化が小さい。図７は、図５に示すＨＦにおいて、Λを変化させた場合の、空孔の層数と波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積および波長分散との関係を示す図である。なお、図７において、凡例における表記はΛの値と対応する特性を示している。たとえば、凡例において「２０−Ａｅｆｆ」との表記は、Λが２０μｍにおける有効コア断面積であることを意味し、「２０−分散」との表記は、Λが２０μｍにおける波長分散であることを意味している。図７に示すように、Λが２０〜２４μｍの範囲において、Λを変化させても有効コア断面積および波長分散はあまり変化しない。なお、波長分散については、その絶対値が２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、光通信用の標準のシングルモード光ファイバと同程度の抑制された値となっている。

つぎに、ＦＥＭシミュレーションを用いたさらに具体的な計算結果を示す。図８は、ＦＥＭシミュレーションを用いて計算した計算例１〜１３に係るＨＦの設計パラメータであるｄ／Λ、Λ、空孔の層数と各ＨＦの光学特性とについて示す図である。なお、図８に示す光学特性は、いずれも波長１５５０ｎｍにおける値である。図８に示すように、計算例１〜１３に係るＨＦは、ｄ／Λが０．４３±０．０３、Λが２０〜２４μｍであるから、いずれも図２に示したＶ値が２．５以下のものであって、実質的にシングルモード動作するものである。また、計算例１〜１３に係るＨＦのいずれも、５００μｍ^２以上の有効コア断面積と、２５０ｄＢ／ｍ以下の曲げ損失と、０．００１ｄＢ／ｍ以下の閉じ込め損失と、絶対値が２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の波長分散とを実現している。特に、Λが２３μｍ以下であり、ｄ／Λが０．４３以上であり、層数が５以上である計算例１〜４、９〜１１に係るＨＦは、１０ｄＢ／ｍ以下の曲げ損失を実現している。

（実施例１、２）
つぎに、本発明の実施例１、２として、純シリカガラスからなり、図１に示すＨＦ１０と同様の構造を有するＨＦをスタック＆ドロー法を用いて製造した。なお、設計パラメータであるｄ／Λ、Λ、空孔の層数は、実施例１については図８に示す計算例３の値とし、実施例２については計算例４の値とした。

図９は、製造した実施例１に係るＨＦの断面構造写真を示す図である。図９において黒い部分が空孔である。また、図１０は、実施例１、２に係るＨＦの設計パラメータと測定した光学特性について示す図である。なお、図１０に示す光学特性は、いずれも波長１５５０ｎｍにおける値である。図１０に示すように、本実施例１、２に係るＨＦの光学特性は、図８に示すシミュレーション計算で得られた光学特性にきわめて近いことが確認された。また、本実施例１、２に係るＨＦを伝送する光のフィールドの測定を行なったところ、基底モード以外のモードが存在せず、本実施例１、２に係るＨＦがシングルモード動作していることが確認された。なお、本実施例１、２に係るＨＦの伝送損失はそれぞれ８．６ｄＢ／ｋｍ、１４．９ｄＢ／ｋｍであり、計算から予想される閉じ込め損失よりも十分に大きいため、本実施例１、２に係るＨＦにおいて、閉じ込め損失は伝送損失に対してほとんど影響がないと考えられる。

本発明の実施の形態に係るＨＦの断面概略図である。図１に示すＨＦと同様の構造を有するＨＦにおいて、比ｄ／Λを変化させた場合の、Λと波長１５５０ｎｍにおけるＶ値との関係を示す図である。図１に示すＨＦにおいて、ｄ／Λを０．４３に固定した場合の、Λと波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積および曲げ損失との関係を示す図である。図１に示すＨＦに直径１００ｍｍの曲げを加えた場合の波長１５５０ｎｍの光のフィールド分布を示す図である。図１に示すＨＦと、このＨＦと同様の構造を有するが空孔の層数が３または４であるＨＦとにおいて、Λを変化させた場合の、空孔の層数と波長１５５０ｎｍにおける閉じ込め損失との関係を示す図である。図５に示すＨＦにおける波長と閉じ込め損失との関係を示す図である。図５に示すＨＦにおいて、Λを変化させた場合の、空孔の層数と波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積および波長分散との関係を示す図である。ＦＥＭシミュレーションを用いて計算した計算例１〜１３に係るＨＦの設計パラメータと各ＨＦの光学特性とについて示す図である。製造した実施例１に係るＨＦの断面構造写真を示す図である。実施例１、２に係るＨＦの設計パラメータと測定した光学特性について示す図である。

符号の説明

１０ＨＦ
１１コア部
１２クラッド部
１３空孔
Ｌ三角格子
Ｌ１〜Ｌ６線

Claims

中心に位置するコア部と、
前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、
を備え、前記空孔は、三角格子を形成するように配置され、該空孔の孔径をｄ［μｍ］、該三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、ｄ／Λは０．４３±０．０３の範囲内であり、Λは２０〜２４μｍであり、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード動作するとともに波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が５００μｍ^２以上であることを特徴とするホーリーファイバ。
前記ｄ／Λが０．４３±０．０２の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のホーリーファイバ。
前記空孔の層数は４層以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のホーリーファイバ。
１６５０ｎｍ以下の波長における閉じ込め損失が０．００１ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のホーリーファイバ。
波長１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のホーリーファイバ。
前記Λが２３μｍ以下であり、前記ｄ／Λが０．４３以上であり、前記層数が５以上であり、
波長１５５０ｎｍにおいて直径１００ｍｍにおける曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のホーリーファイバ。