JP2010181795A - 光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】クラッド領域における高屈折率領域に閉じ込められて伝搬してファイバ端面から外部へ出射される光を低減することができる光ファイバを提供する。
【解決手段】光ファイバ１Ｂは、コア領域１１と、このコア領域１１を取り囲むクラッド領域２１Ｂとを備え、ファイバ軸に沿って一様な屈折率分布を有する。クラッド領域２１Ｂは、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域３２に高屈折率領域３１Ｂが周期的に配列された二次元周期構造を有する。コア領域１１は、断面の中央部における二次元周期構造のうちの少なくとも１つの格子点において高屈折率領域が取り除かれた周期構造欠陥によって形成されている。クラッド領域２１Ｂにおいて周期的に配列された高屈折率領域３１Ｂに光吸収剤が添加されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバ（特にフォトニック結晶ファイバ）に関するものである。

フォトニック結晶ファイバは、コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを有し、ファイバ軸に沿って一様である屈折率分布を有する光ファイバである。そして、フォトニック結晶ファイバでは、クラッド領域は、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域に高屈折率領域が周期的に配列された二次元周期構造を有し、コア領域は、断面の中央部における二次元周期構造の欠陥によって形成されている。

このようなフォトニック結晶ファイバは、クラッド領域における二次元周期構造に由来する透過帯域および遮断帯域を有しており、遮断帯域内の波長の光に対して大きな損失を与える一方、透過帯域内の波長の光を低損失でコア領域に閉じ込めて伝搬させることができる。

フォトニック結晶ファイバは例えば特許文献１に開示されている。この文献に開示されたフォトニック結晶ファイバは、クラッド領域における低屈折率背景領域に対する高屈折率領域の比屈折率差が２.５％以上とされていて、これにより小径化および低損失化を図るものである。

特開２００７-３１６５２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたフォトニック結晶ファイバのように、クラッド領域において低屈折率背景領域に高屈折率領域が周期的に配列された二次元周期構造を有する場合、コア領域に閉じ込められて伝搬する透過帯域内の波長の光の一部は、ファイバの曲げや構造に揺らぎに因り高屈折率領域に結合する場合があり、その光は高屈折率領域に閉じ込められて伝搬してファイバ端面から外部へ出射される。また、外部から一方のファイバ端面に光が結合された場合、その光の一部は高屈折率領域に閉じ込められて伝搬し、その光は他方のファイバ端面から外部へ出射される。このように高屈折率領域に閉じ込められて伝搬してファイバ端面から外部へ出射される光は、用途によってはノイズ光となる場合がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、クラッド領域における高屈折率領域に閉じ込められて伝搬してファイバ端面から外部へ出射される光を低減することができる光ファイバを提供することを目的とする。

本発明に係る光ファイバは、コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを備え、ファイバ軸に沿って一様な屈折率分布を有し、クラッド領域が、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域に高屈折率領域が周期的に配列された二次元周期構造を有し、コア領域が、断面の中央部における二次元周期構造のうちの少なくとも１つの格子点に対応した欠陥によって形成され、クラッド領域において周期的に配列された高屈折率領域のうち少なくとも一部の高屈折率領域に光吸収剤が添加されていることを特徴とする。

ここで、「欠陥」とは、高屈折領域の径が小さくなった状態、または、高屈折率領域の屈折率が小さくなった状態（低屈折率背景領域に等しい屈折率となった状態を含む）を意味する。加えて、各高屈折率領域の全体に光吸収剤が添加されてもよいし、各高屈折率領域の一部に光吸収剤が添加されてもよいし、また、各高屈折率領域と低屈折率背景領域との界面に光吸収剤が添加されてもよい。また、クラッド領域に含まれる全ての高屈折率領域に光吸収剤が添加されてもよいし、一部の高屈折率領域に光吸収剤が添加されてもよい。

本発明に係る光ファイバは、クラッド領域において周期的に配列された高屈折率領域のうち、コア領域側から数えて第１層の高屈折率領域に光吸収剤が添加されておらず、第２層から最外層までの高屈折率領域に光吸収剤が添加されているのが好適である。また、クラッド領域において周期的に配列された高屈折率領域のうち、コア領域側から数えて第１層から第ｎ層までの高屈折率領域に光吸収剤が添加されておらず、第(ｎ＋１)層から最外層までの高屈折率領域に光吸収剤が添加されているのも好適である。ただし、ｎは２以上の整数である。

本発明に係る光ファイバは、クラッド領域における高屈折率領域に閉じ込められて伝搬してファイバ端面から外部へ出射される光を低減することができる。

第１比較例の光ファイバ１Ａの断面図である。 第１実施形態の光ファイバ１Ｂの断面図である。 第１実施形態の第１変形例の光ファイバ１Ｃの断面図である。 第１実施形態の第２変形例の光ファイバ１Ｄの断面図である。 第１実施形態の第３変形例の光ファイバ１Ｅの断面図である。 第２比較例の光ファイバ２Ａの断面図である。 第２実施形態の光ファイバ２Ｂの断面図である。 第２実施形態の第１変形例の光ファイバ２Ｃの断面図である。 第２実施形態の第２変形例の光ファイバ２Ｄの断面図である。 第２実施形態の第３変形例の光ファイバ２Ｅの断面図である。 光ファイバ評価システムの第１構成例を示す図である。 光ファイバ評価システムの第２構成例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下では、比較例の光ファイバの構成と対比しつつ本実施形態の光ファイバの構成について説明する。

（第１実施形態）

先ず、第１比較例の光ファイバの構成について説明し、この第１比較例の光ファイバの構成と対比しつつ第１実施形態の光ファイバの構成について説明し、また、第１実施形態の光ファイバの変形例の構成についても説明する。図１は、第１比較例の光ファイバ１Ａの断面図である。図２は、第１実施形態の光ファイバ１Ｂの断面図である。図３は、第１実施形態の第１変形例の光ファイバ１Ｃの断面図である。図４は、第１実施形態の第２変形例の光ファイバ１Ｄの断面図である。また、図５は、第１実施形態の第３変形例の光ファイバ１Ｅの断面図である。これらの図は、光ファイバのファイバ軸に垂直な断面を示している。これらの光ファイバは、オールソリッドのものであって、空孔を有しない。

図１に示される第１比較例の光ファイバ１Ａは、コア領域１１と、このコア領域１１を取り囲むクラッド領域２１Ａとを有し、ファイバ軸に沿って一様である屈折率分布を有するフォトニック結晶ファイバである。また、光ファイバ１Ａは、クラッド領域２１Ａを取り囲むジャケット領域をも有するのが好適である。

光ファイバ１Ａのクラッド領域２１Ａは、ファイバ軸に垂直な断面において、低屈折率背景領域３２に高屈折率領域３１Ａが三角格子状に配列された二次元周期構造を有する。コア領域１１は、断面の中央部における二次元周期構造の１つの格子点に対応した欠陥によって形成されている。また、光ファイバ１Ａは、クラッド領域２１Ａの断面における屈折率分布の二次元周期構造に由来する透過帯域および遮断帯域を有する。

具体的には、光ファイバ１Ａのクラッド領域２１Ａの断面における屈折率分布の二次元周期構造は、二次元三角格子の各格子点上に配置された高屈折率領域３１Ａと、略均一の屈折率を有する低屈折率背景領域３２とからなる。断面の中央部において高屈折率領域が欠けている領域がコア領域１１となる。

光ファイバ１Ａのクラッド領域２１Ａの高屈折率領域３１Ａの屈折率は、低屈折率背景領域３２の屈折率と比べて高い。例えば、高屈折率領域３１Ａは、Ｇｅ，Ｃｌ，Ｔｉ，Ａｌのうち少なくとも１種の元素が添加されたシリカガラスからなる。また、低屈折率背景領域３２は、純シリカガラスまたはＦ，Ｂ，Ｃｌのうち少なくとも１種の元素が添加されたシリカガラスからなる。あるいは、高屈折率領域および低屈折領域の双方に共通の元素を添加して各領域での添加量を調整することで、所望の屈折率を得ることも可能である。更に、一方または双方の領域に複数の元素を共添加して所望の屈折率を得ることも可能である。コア領域１１は、低屈折率背景領域３２と同じ媒質からなる。

このように構成される第１比較例の光ファイバ１Ａは、遮断帯域内の波長の光に対して大きな損失を与える一方、透過帯域内の波長の光を低損失でコア領域に閉じ込めて伝搬させることができる。しかし、この光ファイバ１Ａでは、コア領域１１に閉じ込められて伝搬する透過帯域内の波長の光の一部は、ファイバの曲げや構造に揺らぎに因り高屈折率領域３１Ａに結合する場合があり、その光は高屈折率領域３１Ａに閉じ込められて伝搬してファイバ端面から外部へ出射される。また、外部から一方のファイバ端面に光が結合された場合、その光の一部は高屈折率領域３１Ａに閉じ込められて伝搬し、その光は他方のファイバ端面から外部へ出射される。

このように光ファイバ１Ａの高屈折率領域３１Ａに閉じ込められて伝搬してファイバ端面から外部へ出射される光は、用途によってはノイズ光となる場合がある。コア領域１１を伝搬する光と高屈折率領域３１Ａを伝搬するノイズ光とは空間的に互いに異なる位置を伝搬するので、ファイバ端面から出射された後にピンホールでノイズ光を除去することができるが、光ファイバの調芯をしなくてはならず、光学部品の数が多くなる。また、光ファイバ１Ａに別のファイバを融着して用いる場合には、ノイズ光を除去することができない。

このような第１比較例の光ファイバ１Ａが有する問題点を解消すべく、図２に示される第１実施形態の光ファイバ１Ｂは、クラッド領域２１Ａに替えてクラッド領域２１Ｂを有する。そのクラッド領域２１Ｂは、低屈折率背景領域３２に高屈折率領域３１Ｂが三角格子状に配列された二次元周期構造を有する。そして、高屈折率領域３１Ｂは、光吸収剤が添加されていて、高屈折率領域３１Ａより光吸収が大きい。

高屈折率領域３１Ｂに添加される光吸収剤としては、特定の帯域に光吸収特性を有するＮｉやＦｅなどの遷移金属が用いられる。例えばＮｉやＦｅは波長０.７μｍ付近に吸収をもつ。これらの金属は、拡散係数が小さく、ファイバの特定の部分に添加することが比較的容易である。例えば、温度１７００℃において、Ｎｉの拡散係数は１×１０^−１０ｃｍ^２／ｓであり、Ｆｅの拡散係数は３×１０^−１４ｃｍ^２／ｓである。これらの光吸収剤が高屈折率領域３１Ｂの内部や高屈折率領域３１Ｂと低屈折率背景領域３２との界面に添加されることで、高屈折率領域３１Ａに結合して高屈折率領域３１Ａを伝搬する光は、損失が大きくなって、ファイバ端面から外部へ出射される該光の強度が低減される。

図２に示された第１実施形態の光ファイバ１Ｂは、クラッド領域２１Ｂに含まれる全ての高屈折率領域３１Ｂが光吸収剤を添加されたものである。しかし、以下に示す変形例のように、クラッド領域に含まれる全ての高屈折率領域が光吸収剤を添加されたものでなくてもよい。

図３に示される第１変形例の光ファイバ１Ｃは、クラッド領域２１Ｃにおいて周期的に配列された高屈折率領域のうち、コア領域１１側から数えて第１層の高屈折率領域３１Ａに光吸収剤が添加されておらず、第２層から最外層までの高屈折率領域３１Ｂに光吸収剤が添加されている。

図４に示される第２変形例の光ファイバ１Ｄは、クラッド領域２１Ｄにおいて周期的に配列された高屈折率領域のうち、コア領域１１側から数えて第１層および第２層の高屈折率領域３１Ａに光吸収剤が添加されておらず、第３層から最外層までの高屈折率領域３１Ｂに光吸収剤が添加されている。

図５に示される第３変形例の光ファイバ１Ｅは、クラッド領域２１Ｅにおいて周期的に配列された高屈折率領域のうち、コア領域１１側から数えて第１層から第３層までの高屈折率領域３１Ａに光吸収剤が添加されておらず、第４層から最外層までの高屈折率領域３１Ｂに光吸収剤が添加されている。

これらの変形例の光ファイバ１Ｃ〜１Ｅそれぞれでは、コア領域１１に閉じ込められて伝搬するコアモード光がコア領域１１周辺の高屈折率領域付近にも界分布を有する場合に、コア領域１１周辺の高屈折率領域３１Ａに光吸収剤が添加されていないことにより、そのコアモード光が光吸収剤により損失を被ることが抑制され得る。

（第２実施形態）

次に、第２比較例の光ファイバの構成について説明し、この第２比較例の光ファイバの構成と対比しつつ第２実施形態の光ファイバの構成について説明し、また、第２実施形態の光ファイバの変形例の構成についても説明する。図６は、第２比較例の光ファイバ２Ａの断面図である。図７は、第２実施形態の光ファイバ２Ｂの断面図である。図８は、第２実施形態の第１変形例の光ファイバ２Ｃの断面図である。図９は、第２実施形態の第２変形例の光ファイバ２Ｄの断面図である。また、図１０は、第２実施形態の第３変形例の光ファイバ２Ｅの断面図である。これらの図は、光ファイバのファイバ軸に垂直な断面を示している。これらの光ファイバは、オールソリッドのものであって、空孔を有しない。

図６に示される第２比較例の光ファイバ２Ａは、コア領域１２と、このコア領域１２を取り囲むクラッド領域２２Ａとを有し、ファイバ軸に沿って一様である屈折率分布を有するフォトニック結晶ファイバである。また、光ファイバ２Ａは、クラッド領域２２Ａを取り囲むジャケット領域をも有するのが好適である。

光ファイバ２Ａのクラッド領域２２Ａは、ファイバ軸に垂直な断面において、低屈折率背景領域３２に高屈折率領域３１Ａが正方格子状に配列された二次元周期構造を有する。コア領域１２は、断面の中央部における二次元周期構造の１つの格子点に対応した欠陥によって形成されている。また、光ファイバ２Ａは、クラッド領域２２Ａの断面における屈折率分布の二次元周期構造に由来する透過帯域および遮断帯域を有する。

具体的には、光ファイバ２Ａのクラッド領域２２Ａの断面における屈折率分布の二次元周期構造は、二次元正方格子の各格子点上に配置された高屈折率領域３１Ａと、略均一の屈折率を有する低屈折率背景領域３２とからなる。断面の中央部において高屈折率領域が欠けている領域がコア領域１２となる。

光ファイバ２Ａのクラッド領域２２Ａの高屈折率領域３１Ａの屈折率は、低屈折率背景領域３２の屈折率と比べて高い。例えば、高屈折率領域３１Ａは、Ｇｅ，Ｃｌ，Ｔｉ，Ａｌのうち少なくとも１種の元素が添加されたシリカガラスからなる。また、低屈折率背景領域３２は、純シリカガラスまたはＦ，Ｂ，Ｃｌのうち少なくとも１種の元素が添加されたシリカガラスからなる。あるいは、高屈折率領域および低屈折領域の双方に共通の元素を添加して各領域での添加量を調整することで、所望の屈折率を得ることも可能である。更に、一方または双方の領域に複数の元素を共添加して所望の屈折率を得ることも可能である。コア領域１２は、低屈折率背景領域３２と同じ媒質からなる。

このように構成される第２比較例の光ファイバ２Ａでも、前述の第１比較例の光ファイバ１Ａと同様に、コア領域１２に閉じ込められて伝搬する透過帯域内の波長の光の一部は、ファイバの曲げや構造に揺らぎに因り高屈折率領域３１Ａに結合する場合があり、その光は高屈折率領域３１Ａに閉じ込められて伝搬してファイバ端面から外部へ出射される。また、外部から一方のファイバ端面に光が結合された場合、その光の一部は高屈折率領域３１Ａに閉じ込められて伝搬し、その光は他方のファイバ端面から外部へ出射される。このように光ファイバ２Ａの高屈折率領域３１Ａに閉じ込められて伝搬してファイバ端面から外部へ出射される光は、用途によってはノイズ光となる場合がある。

このような第２比較例の光ファイバ２Ａが有する問題点を解消すべく、図７に示される第２実施形態の光ファイバ２Ｂは、クラッド領域２２Ａに替えてクラッド領域２２Ｂを有する。そのクラッド領域２２Ｂは、低屈折率背景領域３２に高屈折率領域３１Ｂが正方格子状に配列された二次元周期構造を有する。そして、高屈折率領域３１Ｂは光吸収剤が添加されている。光吸収剤が高屈折率領域３１Ｂの内部や高屈折率領域３１Ｂと低屈折率背景領域３２との界面に添加されることで、高屈折率領域３１Ａに結合して高屈折率領域３１Ａを伝搬する光は、損失が大きくなって、ファイバ端面から外部へ出射される該光の強度が低減される。

図７に示された第２実施形態の光ファイバ２Ｂは、クラッド領域２２Ｂに含まれる全ての高屈折率領域３１Ｂが光吸収剤を添加されたものである。しかし、以下に示す変形例のように、クラッド領域に含まれる全ての高屈折率領域が光吸収剤を添加されたものでなくてもよい。

図８に示される第１変形例の光ファイバ２Ｃは、クラッド領域２２Ｃにおいて周期的に配列された高屈折率領域のうち、コア領域１２側から数えて第１層の高屈折率領域３１Ａに光吸収剤が添加されておらず、第２層から最外層までの高屈折率領域３１Ｂに光吸収剤が添加されている。

図９に示される第２変形例の光ファイバ２Ｄは、クラッド領域２２Ｄにおいて周期的に配列された高屈折率領域のうち、コア領域１２側から数えて第１層および第２層の高屈折率領域３１Ａに光吸収剤が添加されておらず、第３層から最外層までの高屈折率領域３１Ｂに光吸収剤が添加されている。

図１０に示される第３変形例の光ファイバ２Ｅは、クラッド領域２２Ｅにおいて周期的に配列された高屈折率領域のうち、コア領域１２側から数えて第１層から第３層までの高屈折率領域３１Ａに光吸収剤が添加されておらず、第４層から最外層までの高屈折率領域３１Ｂに光吸収剤が添加されている。

これらの変形例の光ファイバ２Ｃ〜２Ｅそれぞれでは、コア領域１２に閉じ込められて伝搬するコアモード光がコア領域１２周辺の高屈折率領域付近にも界分布を有する場合に、コア領域１２周辺の高屈折率領域３１Ａに光吸収剤が添加されていないことにより、そのコアモード光が光吸収剤により損失を被ることが抑制され得る。

第１実施形態、第２実施形態では、コア領域１１、１２を高屈折率領域３１Ａ、３１Ｂが除去された低屈折背景領域３２と同じ媒質からなる領域としたが、コア領域１１、１２には径が小さくなった高屈折領域、または、屈折率が小さくなった高屈折率領域が残っていても良い。

（評価システムの実施形態）

次に、本実施形態の光ファイバの光伝搬特性を評価する評価システムの構成について説明する。以下に説明する評価システムは、既に説明した光ファイバ１Ａ〜１Ｅ，２Ａ〜２Ｅのうちの何れの光ファイバについても光伝搬特性を評価することができる。

図１１は、光ファイバ評価システムの第１構成例を示す図である。この図に示される光ファイバ評価システム１００は、評価対象である光ファイバ３を評価するものであって、光源１１０、対物レンズ１３０、対物レンズ１４０およびＣＣＤカメラ１６０を備える。

この評価システム１００では、光源１１０から出力された光は、対物レンズ１３０により集光されて光ファイバ３の一方のファイバ端面に入射される。また、光ファイバ３の他方のファイバ端面から出射される光は対物レンズ１４０に入射される。光ファイバ３の出射端面における光のニアフィールドパターンが、対物レンズ１４０によりＣＣＤカメラ１６０の撮像面に結像されて、ＣＣＤカメラ１６０により撮像される。

そして、ＣＣＤカメラ１６０による撮像によって得られた光ファイバ３の出射端面における光のニアフィールドパターンに基づいて、光ファイバ３におけるコア領域および高屈折率領域それぞれを伝搬して出射される光の強度比が求められ、これにより光ファイバ３の光伝搬特性が評価され得る。

図１２は、光ファイバ評価システムの第２構成例を示す図である。この図に示される光ファイバ評価システム２００は、評価対象である光ファイバ３を評価するものであって、光源２１０、汎用光ファイバ２２０、対物レンズ２３０、対物レンズ２４０、汎用光ファイバ２５０、パワーメータ２６０およびピンホール２７０を備える。

この評価システム２００では、光源２１０から出力された光は、汎用光ファイバ２２０により伝搬された後、その汎用光ファイバ２２０の出射端に融着接続された光ファイバ３に入射される。また、光ファイバ３の他方のファイバ端面から出射される光は、対物レンズ２３０および対物レンズ２４０を経て、更に汎用光ファイバ２５により伝搬されてパワーメータ２６０により受光される。

対物レンズ２４０と対物レンズ２５０との間の光路上には、ピンホール２７０が挿入または待避される。この光路上からピンホール２７０が待避された状態（図１２（ａ））では、パワーメータ２６０により受光される光のパワーは、光ファイバ３のファイバ端から出射された光のパワーに応じたものとなる。一方、この光路上にピンホール２７０が挿入された状態（図１２（ｂ））では、パワーメータ２６０により受光される光のパワーは、光ファイバ３のファイバ端のコア領域から出射された光のパワーに応じたものとなる。

そして、対物レンズ２４０と対物レンズ２５０との間の光路上からピンホール２７０が待避された状態（図１２（ａ））でパワーメータ２６０により受光される光のパワーと、この光路上にピンホール２７０が挿入された状態（図１２（ｂ））でパワーメータ２６０により受光される光のパワーとの比に基づいて、光ファイバ３の光伝搬特性が評価され得る。

１Ａ〜１Ｅ，２Ａ〜２Ｅ…光ファイバ、１１，１２…コア領域、２１Ａ〜２１Ｅ，２２Ａ〜２２Ｅ…クラッド領域、３１Ａ，３１Ｂ…高屈折率領域、３２…低屈折率背景領域、１００…光ファイバ評価システム、１１０…光源、１３０，１４０…対物レンズ、１６０…ＣＣＤカメラ、２００…光ファイバ評価システム、２１０…光源、２２０…汎用光ファイバ、２３０，２４０…対物レンズ、２５０…汎用光ファイバ、２６０…パワーメータ、２７０…ピンホール。

Claims (3)

1. コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを備え、
   ファイバ軸に沿って一様な屈折率分布を有し、
   前記クラッド領域が、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域に高屈折率領域が周期的に配列された二次元周期構造を有し、
   前記コア領域が、前記断面の中央部における前記二次元周期構造のうちの少なくとも１つの格子点に対応した欠陥によって形成され、
   前記クラッド領域において周期的に配列された高屈折率領域のうち少なくとも一部の高屈折率領域に光吸収剤が添加されている、
   ことを特徴とする光ファイバ。
2. 前記クラッド領域において周期的に配列された高屈折率領域のうち、前記コア領域側から数えて第１層の高屈折率領域に光吸収剤が添加されておらず、第２層から最外層までの高屈折率領域に光吸収剤が添加されている、ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記クラッド領域において周期的に配列された高屈折率領域のうち、前記コア領域側から数えて第１層から第ｎ層までの高屈折率領域に光吸収剤が添加されておらず、第(ｎ＋１)層から最外層までの高屈折率領域に光吸収剤が添加されている、ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ（ただし、ｎは２以上の整数）。

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