JP2011033991A - フォトニック結晶ファイバおよび光伝送路 - Google Patents

Abstract

【課題】通常の光ファイバと融着接続した場合の接続損失を低減することができるフォトニック結晶ファイバを提供する
【解決手段】フォトニック結晶ファイバ１は、石英ガラスからなり、コア領域１１と、このコア領域１１を取り囲むクラッド領域１２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１２は、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域１４中に高屈折率領域１３が三角格子状に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、断面の中央部において二次元周期構造の欠陥（すなわち、二次元周期構造の中央部の或る格子点における高屈折率領域の不存在）の位置にあり、高屈折率コア領域１５および低屈折率コア領域１６を有する、コア導波モードの実効屈折率は低屈折率背景領域１４の屈折率より高い。
【選択図】図９

Description

本発明は、フォトニック結晶ファイバおよび光伝送路に関するものである。

特許文献１や非特許文献１に開示された光ファイバは、コア領域と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する。このような光ファイバは、通常の光ファイバが有し得ない特性を有することができ、様々な用途が期待されている。

特開２００７−３１６５２６号公報

A. Argyros, et al., "Photonic bandgap with an index step of onepercent", OPTICS EXPRESS, Vol.13, No.1, pp.309-314 (2005).

しかしながら、特許文献１や非特許文献１に開示されたような光ファイバは、通常の光ファイバと融着接続した場合に、接続損失が大きいという問題を有している。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、通常の光ファイバと融着接続した場合の接続損失を低減することができるフォトニック結晶ファイバ、および、このようなフォトニック結晶ファイバを含む光伝送路を提供することを目的とする。

本発明に係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、低屈折率背景領域の屈折率より高い屈折率の高屈折率コア領域を断面の中央部に有し、低屈折率背景領域の屈折率以下の屈折率で径方向幅が二次元周期構造の周期より大きい低屈折率コア領域を高屈折率コア領域の周囲に有し、コア導波モードの実効屈折率が低屈折率背景領域の屈折率より高い、ことを特徴とする。

本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、低屈折率コア領域の径方向幅が二次元周期構造の周期の２倍以上であるのが好適である。また、本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、コア領域と低屈折率背景領域との屈折率差で規定されるＮＡが０.０５と０.３０との間の値をとるのが好適である。

本発明に係る光伝送路は、上記の本発明に係るフォトニック結晶ファイバと他の光ファイバとが融着接続されていて、フォトニック結晶ファイバのコア領域の屈折率および径が、フォトニック結晶ファイバと他の光ファイバとの接続損失が０.５ｄＢ以下になるように設定されていることを特徴とする。

本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、通常の光ファイバと融着接続した場合の接続損失を低減することができる。

フォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造を示す断面図である。 図１に示されたフォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造における屈折率分布を示す図である。 図１および図２に示されたフォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造に由来する光の状態密度を示す図である。 第１比較例の光ファイバ２の構造を示す断面図である。 第１比較例の光ファイバ２のコア導波モードの光強度分布を示す図である。 第１比較例の光ファイバ２のコア導波モードの光の電界分布を示す図である。 第２比較例の光ファイバ３の構造を示す断面図である。 第２比較例の光ファイバ３の屈折率分布を示す図である。 本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の構造を示す断面図である。 本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の屈折率分布を示す図である。 本実施例のフォトニック結晶ファイバ１の断面写真である。 第２比較例の光ファイバ３の断面写真である。 本実施例のフォトニック結晶ファイバ１および第２比較例の光ファイバ３それぞれを通常の光ファイバと融着接続して光伝送路を構成したときの該光伝送路の透過特性を示す図である。 本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１と他の光ファイバ４とが融着接続されてなる光伝送路の構成を示す図である。

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。

図１は、フォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造を示す断面図である。同図に示されるように、フォトニック結晶ファイバのクラッド領域は、複数の高屈折率領域４３が低屈折率背景領域４４中に三角格子状に周期的に配列されて二次元周期構造をなしている。この図面に垂直な方向（ファイバ軸方向）には一様な屈折率分布を有している。

図２は、図１に示されたフォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造における屈折率分布を示す図である。図１中の点線に沿った屈折率分布が示されている。高屈折率領域４３の比屈折率差を３.１５％とし、低屈折率背景領域４４の比屈折率差を−０.３６％とする。また、クラッド領域における高屈折率領域４３の配列の周期をΛとし、高屈折率領域４３の径をｄとして、比（ｄ／Λ）を０.６とした。なお、本明細書において「比屈折率差」とは、ドーパントを含まないシリカガラスの屈折率ｎ_ＳｉＯ２に対する値、すなわち、「Δｎ＝（ｎ−ｎ_ＳｉＯ２）／ｎ」を言う。

図３は、図１および図２に示されたフォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造に由来する光の状態密度を示す図である。横軸は、光の波数ｋ_０と高屈折率領域４３の配列周期Λとの積であり、縦軸は、フォトニック結晶ファイバ中の光の実効屈折率である。図中で、ハッチ領域は光が存在できない領域であり、その他の領域（白〜黒の領域）は光が存在できる領域である。その他の領域（白〜黒の領域）において、白色に近いほど光の状態密度が高いことを示している。低屈折率背景領域４４の屈折率は１.４４５である。

図４は、第１比較例の光ファイバ２の構造を示す断面図である。この図は、ファイバ軸に垂直な断面を示している。光ファイバ２は、石英ガラスからなり、コア領域２１と、このコア領域２１を取り囲むクラッド領域２２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２２は、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域２４中に高屈折率領域２３が三角格子状に周期的に配列された二次元周期構造を有する。コア領域２１は、二次元周期構造の欠陥（すなわち、二次元周期構造の中央部の或る格子点における高屈折率領域の不存在）により形成されていて、低屈折率背景領域２４の屈折率と同じ屈折率を有する。

図５は、第１比較例の光ファイバ２のコア導波モードの光強度分布を示す図である。また、図６は、第１比較例の光ファイバ２のコア導波モードの光の電界分布を示す図である。図６に示される光ファイバ２のコア導波モードの光の電界分布Ｅｘは、図４および図５においてコア領域２１の中心を通るｘ方向に沿った電界分布（ｘ方向振動成分）を示す。また、図６には、通常のステップインデックス型の屈折率分布を有するシングルモード光ファイバのコア導波モードの光の電界分布（ガウシアン分布）も示されている。

図６に示されるように、第１比較例の光ファイバ２のコア導波モードの光の電界分布Ｅｘは、通常の光ファイバのコア導波モードの光の電界分布（ガウシアン）と大きく異なっている。このことから、第１比較例の光ファイバ２は、通常の光ファイバと融着接続した場合に接続損失が大きい。

なお、第１の光ファイバのコア導波モードの光の電界分布をＥ_１(ｒ)とし、第２の光ファイバのコア導波モードの光の電界分布をＥ_２(ｒ)とすると、第１および第２の光ファイバを互いに融着接続した場合の光結合効率η_１２は以下の式で表される。ｒは径方向の位置を表す変数である。この式からも判るように、電界分布Ｅ_１，Ｅ_２の相違が大きいほど、融着接続した場合の接続損失が大きい。

図７は、第２比較例の光ファイバ３の構造を示す断面図である。第２比較例の光ファイバ３は、石英ガラスからなり、コア領域３１と、このコア領域３１を取り囲むクラッド領域３２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３２は、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域３４中に高屈折率領域３３が三角格子状に周期的に配列された二次元周期構造を有する。コア領域３１は、断面の中央部において二次元周期構造の欠陥（すなわち、二次元周期構造の中央部の或る格子点における高屈折率領域の不存在）の位置にあり、低屈折率背景領域３４の屈折率より高い屈折率を有する。また、コア導波モードの実効屈折率は低屈折率背景領域３４の屈折率より高い。

図８は、第２比較例の光ファイバ３の屈折率分布を示す図である。第２比較例の光ファイバ３では、コア領域３１の比屈折率差を１.００％とし、高屈折率領域３３の比屈折率差を３.１５％とし、低屈折率背景領域３４の比屈折率差を−０.３６％とする。また、高屈折率領域３３の配列の周期をΛとし、高屈折率領域３３の径をｄとする。

第１比較例の光ファイバ２の場合と比較して、第２比較例の光ファイバ３のコア導波モードの光の電界分布Ｅｘは、通常の光ファイバのコア導波モードの光の電界分布（ガウシアン）に近い形状となる。このことから、第２比較例の光ファイバ３は、通常の光ファイバと融着接続した場合に接続損失が小さい。しかし、接続損失の更なる低減が望まれる。

図９は、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の構造を示す断面図である。本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、石英ガラスからなり、コア領域１１と、このコア領域１１を取り囲むクラッド領域１２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１２は、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域１４中に高屈折率領域１３が三角格子状に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、断面の中央部において二次元周期構造の欠陥（すなわち、二次元周期構造の中央部の或る格子点における高屈折率領域の不存在）の位置にあり、高屈折率コア領域１５および低屈折率コア領域１６を有する、高屈折率コア領域１５は、低屈折率背景領域１４の屈折率より高い屈折率を有し、断面におけるコア領域１１の中央部に位置する。また、低屈折率コア領域１６は、高屈折率コア領域１５の周囲に位置しており、低屈折率背景領域１４の屈折率以下の屈折率を有し、径方向幅が二次元周期構造の周期Λより大きい。低屈折率コア領域１６の径方向幅は二次元周期構造の周期Λの２倍以上であるのが好適である。また、コア導波モードの実効屈折率は低屈折率背景領域１４の屈折率より高い。

図１０は、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の屈折率分布を示す図である。本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１では、高屈折率コア領域１５の比屈折率差を１.００％とし、低屈折率コア領域１６の比屈折率差を−０.３６％とし、高屈折率領域１３の比屈折率差を３.１５％とし、低屈折率背景領域１４の比屈折率差を−０.３６％とする。また、高屈折率領域１３の配列の周期をΛとし、高屈折率領域１３の径をｄとする。 すなわち、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、第２比較例の光ファイバ３において最も内側にある６個の高屈折率領域が取り除かれた構造に相当する。

第２比較例の光ファイバ３の場合と比較して、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１のコア導波モードの光の電界分布Ｅｘは、通常の光ファイバのコア導波モードの光の電界分布（ガウシアン）に更に近い形状となる。このことから、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、通常の光ファイバと融着接続した場合に接続損失が更に小さい。

本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１および第２比較例の光ファイバ３それぞれのサンプルが作製されて評価された。本実施例のフォトニック結晶ファイバ１および第２比較例の光ファイバ３それぞれの長さは０.５ｍであった。図１１は、本実施例のフォトニック結晶ファイバ１の断面写真である。図１２は、第２比較例の光ファイバ３の断面写真である。

図１３は、本実施例のフォトニック結晶ファイバ１および第２比較例の光ファイバ３それぞれを通常の光ファイバと融着接続して光伝送路を構成したときの該光伝送路の透過特性を示す図である。本実施例のフォトニック結晶ファイバ１において、高屈折率コア領域１５の径は４.０μｍであり、高屈折率領域１３の径ｄは４.２μｍであり、周期Λは７.０μｍであった。第２比較例の光ファイバ３において、コア領域３１の径は４.０μｍであり、高屈折率領域３３の径ｄは４.２μｍであり、周期Λは７.０μｍであった。図１３から判るように、第２比較例の光ファイバ３の場合と比較して、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、通常の光ファイバと融着接続した場合に接続損失が更に小さい。特に、コア導波モードの光の電界分布が広がり易い長波長側において、融着損失の低減の効果が顕著に見られる。

図１４は、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１と他の光ファイバ４とが融着接続されてなる光伝送路の構成を示す図である。光ファイバ４は、通常のステップインデックス型の屈折率分布を有するシングルモード光ファイバである。フォトニック結晶ファイバ１のコア領域の屈折率および径は、フォトニック結晶ファイバ１と光ファイバ４との接続損失が０.５ｄＢ以下になるように設定されている。

本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、光ファイバ４で生じた不要な波長の光を除去する光フィルタとして用いられ得る。例えば、フォトニック結晶ファイバ１は、高出力ファイバレーザの出力段に設けられることで、出力光に含まれるラマン成分を除去できる一方、誘導ラマン散乱による光強度の低下を防ぎながら高出力のレーザ光を伝送することができる。フォトニック結晶ファイバ１は、石英ガラスのみで実現できるので高パワーにも耐えることができ、ファイバ融着接続のみで実装することができ、また、接続損失が低いので接続箇所における発熱やコアの溶融を防止することができる。この場合、フォトニック結晶ファイバ１と光ファイバ４との接続損失が０.５ｄＢ以下であることが好ましい。

本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、Ｅｒ元素やＹｂ元素などの希土類元素がコア領域１１（特に高屈折率コア領域１５）に添加されることで、増幅用光ファイバとして用いられ得る。このとき、フォトニック結晶ファイバ１は、希土類元素に起因するノイズ光を遮断することができ、高出力の場合には非線形現象に起因して発生する不要な光を遮断することができる。また、フォトニック結晶ファイバ１は、ノイズ光の増幅を抑制することで信号光の利得の向上を実現することができる。この場合、フォトニック結晶ファイバ１と光ファイバ４との接続損失が０.２ｄＢ以下であることが好ましい。

本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、通常の光ファイバ４と融着接続した際の接続損失低減の観点から、コア領域１１と低屈折率背景領域１４との屈折率差で規定されるＮＡが０.０５と０.３０との間の値であることが望ましい。これは、融着相手の光ファイバ４とＮＡをマッチングさせる必要があるためである。低ＮＡの光ファイバ４の例としては高出力ファイバレーザ用途の光ファイバが挙げられる。また、高ＮＡの光ファイバ４の例としては高非線形光ファイバが挙げられる。

また、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、高次モードのロスが大きいので、実質的にシングルモード動作しやすいという特徴をも有する。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、断面の中央部において二次元周期構造の１個の格子点およびこれに直近の周囲の６個の格子点において高屈折率領域を不存在として、この領域をコア領域１１とし、これら７個の格子点のうち中央の格子点位置に高屈折率コア領域１５を配置し、この高屈折率コア領域１５の周囲に低屈折率コア領域１６を配置した。しかし、本発明では、これら７個に加えて更に周囲の１２個の高屈折率領域を不存在として、この領域をコア領域１１とし、これら１９個の格子点のうち中央の格子点位置に高屈折率コア領域１５を配置し、この高屈折率コア領域１５の周囲に低屈折率コア領域１６を配置してもよい。また、低屈折率コア領域１６の径方向幅は更に広くてもよい。

１…フォトニック結晶ファイバ、１１…コア領域、１２…クラッド領域、１３…高屈折率領域、１４…低屈折率背景領域、１５…高屈折率コア領域、１６…低屈折率コア領域、

Claims (4)

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、前記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、前記低屈折率背景領域の屈折率より高い屈折率の高屈折率コア領域を前記断面の中央部に有し、前記低屈折率背景領域の屈折率以下の屈折率で径方向幅が前記二次元周期構造の周期より大きい低屈折率コア領域を前記高屈折率コア領域の周囲に有し、
   コア導波モードの実効屈折率が前記低屈折率背景領域の屈折率より高い、
   ことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。
2. 前記低屈折率コア領域の径方向幅が前記二次元周期構造の周期の２倍以上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結晶ファイバ。
3. 前記コア領域と前記低屈折率背景領域との屈折率差で規定されるＮＡが０.０５と０.３０との間の値をとることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のフォトニック結晶ファイバと他の光ファイバとが融着接続されていて、
   前記フォトニック結晶ファイバのコア領域の屈折率および径が、前記フォトニック結晶ファイバと前記他の光ファイバとの接続損失が０.５ｄＢ以下になるように設定されている、
   ことを特徴とする光伝送路。