JP2013033106A

JP2013033106A - ホーリーファイバ

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Publication number: JP2013033106A
Application number: JP2011168683A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Mukasa; 和則武笠
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2031-08-01
Also published as: JP5356466B2; US20140133816A1; WO2013018523A1

Abstract

【課題】Ａeffを拡大しながら、従来よりも曲げ損失の増大を抑制したホーリーファイバを提供すること。
【解決手段】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複数の空孔と、前記コア部における光のモードフィールド半径の４倍以上の内径を有し前記コア部よりも屈折率が低い低屈折率層とを有するクラッド部と、を備える。好ましくは、前記低屈折率層は、前記複数の空孔が形成された領域よりも外側に形成されている。
【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（Holey Fiber：ＨＦ）、あるいはフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）は、クラッドに空孔を規則的に配列することにより、クラッドの平均屈折率を下げ、全反射の原理を用いて、光の伝送を実現する新しいタイプの光ファイバである。ホーリーファイバは、光ファイバの屈折率制御に空孔を用いることにより、従来の光ファイバでは実現不可能なEndlessly Single Mode（ＥＳＭ）特性や、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しないことを意味し、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（非特許文献１参照）。

一方、ホーリーファイバは、通信用や光ファイバレーザー用の低非線形(大コア)伝送媒体としての応用も期待されている。例えば、非特許文献２では、コア径を２０μｍ以上に拡大したフォトニッククリスタルファイバの特性を報告している。

K. Saitoh, Y. Tsuchida, M. Koshiba, and N.A. Mortensen, "Endlessly single-mode holey fiber: the influence of core design," Optics Express, vol. 13, pp. 10833-10839 (2005). 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) K. Saitoh et al., "Empirical relations for simple design of photonic crystal fibers", OPTICS EXPRESS, Vol.13, No.1, pp.267-274(2005)

しかしながら、コア径、あるいは有効コア断面積（Ａeff）を拡大したホーリーファイバでは、短波長側での曲げ損失が増大してしまう、と言う問題が報告されている。

たとえば、従来型のホーリーファイバでは、波長１．５５μｍでの曲げ損失が増大してしまうと、それよりも短波長での曲げ損失はさらに増大してしまう。したがって、折角ＥＳＭという特性を有していても、Ａeffを拡大すると広波長帯域での使用が困難になるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、Ａeffを拡大しながら、従来よりも曲げ損失の増大を抑制した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、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配置された複数の空孔と、前記コア部における光のモードフィールド半径の４倍以上の内径を有し前記コア部よりも屈折率が低い低屈折率層とが形成されたクラッド部と、を備える。

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、前記低屈折率層は、前記複数の空孔が形成された領域よりも外側に形成されている。

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、前記低屈折率層の厚さが０μｍよりも大きく、前記クラッド部に対する比屈折率差Δが０％より小さく−１．０％以上である。

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、前記低屈折率層の厚さが３μｍ〜１０μｍである。

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における曲げ損失が、当該ホーリーファイバにおいて前記低屈折率層が無い場合の曲げ損失よりも小さい。

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、前記複数の空孔は、三角格子を形成するように配置され、該空孔の直径をｄ［μｍ］、該三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、ｄ／Λは０．４５±０．２の範囲内であり、該空孔の層数は２層以上である。

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は０．４５±０．０５の範囲内である。

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は５μｍ〜２５μｍである。

本発明によれば、Ａeffを拡大しながら、従来よりも曲げ損失の増大を抑制できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態に係るホーリーファイバの模式的な断面図である。図２は、計算例に係るホーリーファイバの構造パラメータと光学特性とを示す図である。図３は、比屈折率差Δと曲げ損失との関係を示す図である。図４は、ΛとＶ値との関係を示す図である。図５は、Λと閉じ込め損失との関係を示す図である。図６は、Λとｄ／ΛとＡeffとの関係を示す図である。図７は、ディプレスト層が無い場合の波長と曲げ損失との関係を示す図である。

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、本明細書では、曲げ損失とは、直径（曲げ径）２０ｍｍで曲げたときのマクロの曲げ損失を意味する。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。また、以下ではホーリーファイバを適宜ＨＦと記載する。

（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、ほぼ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には、コア部１１の周囲に層状に配置された複数の空孔１３が形成されている。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４である。また、この空孔１３は、層状に配置されるとともに、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。

さらに、クラッド部１２には、コア部１１およびクラッド部１２よりも屈折率が低い低屈折率層であるディプレスト層１４が形成されている。ディプレスト層１４は、たとえば屈折率を低めるドーパントであるフッ素（Ｆ）を添加したシリカガラスからなる。ディプレスト層１４はコア部１１の中心軸を中心とした内半径がＲ、厚さがＷのリング状に形成されている。また、ディプレスト層１４は空孔１３が形成された領域よりも外側に形成されている。これによって、ディプレスト層１４と空孔１３とは重ならないように配置されている。なお、クラッド部１２のうち、ディプレスト層１４よりも外側の部分の厚さについては、５μｍ以上であることが好ましい。

ここで、図７は、図１に示すＨＦ１０において、仮にディプレスト層１４が無く、その部分をクラッド部１２と同じ純シリカガラスで置き換えた場合の、波長と曲げ損失との関係を示す図である。なお、ｄ／Λを０．４３に固定し、Λを４μｍから１０μｍまで変化させている。図７に示すように、曲げ損失は、Λが大きくなるにつれて、すなわちコア部１１のＡeffを拡大するにつれて短波長側において大きくなる。たとえば、Λが１０μｍの場合は、波長１．５５μｍでの曲げ損失が約５ｄＢ／ｍであっても、波長１．３１μｍでの曲げ損失は１００ｄＢ／ｍ以上に大きくなる。曲げ損失が１００ｄＢ／ｍを超えると、コア部からの光の漏れが大きくなるため、光学特性が不安定になる。

これに対して、本実施の形態に係るＨＦ１０では、ディプレスト層１４を形成したことによって曲げ損失の増大が抑制される。特に、ＨＦ１０では、コア部１１における光のモードフィールド半径の４倍以上の内径のディプレスト層１４を形成することによって、ディプレスト層１４は光のフィールドにあまり影響を与えない。その結果、ＨＦ１０の他の光学特性を殆ど変化させずに、曲げ損失の増大だけを抑制することができる。また、このようにディプレスト層１４をモードフィールドよりも十分に大きくすることによって、ディプレスト層１４による高次伝搬モードの閉じ込め、伝搬が起こらないので好ましい。

つぎに、図１に示す本実施の形態に係るＨＦ１０において、ディプレスト層の内半径と厚さとを変化させた場合のＨＦ１０の光学特性について説明する。

図２は、計算例に係るＨＦの構造パラメータと光学特性とを示す図である。図２において、計算例のたとえば「Ｎｏ．１２０／１２２−１」は、ディプレスト層の内径が１２０μｍ、外径が１２２μｍである計算例であることを示している。ただし、「Ｎｏ．１２０／１２２−０」は、比較としてのディプレスト層がないＨＦの計算例を示す。また、「Δ」は、コア部およびクラッド部に対するディプレスト層の比屈折率差を示す。「Ｒ−Ｗ」は、ディプレスト層の内半径Ｒと厚さＷとの組み合わせを示す。たとえば、「６０−１」はＲが６０μｍ、Ｗが１μｍであることを示している。ｎeffはコア部の実効屈折率を示す。「ＭＦＤ」はモードフィールド径を示す。ｎeff、Ａeff、ＭＦＤ、および曲げ損失は、波長１５５０ｎｍでの値である。

図２に示すＨＦは、いずれもＡeffが１２０μｍ^２以上に拡大されているものである。しかしながら、曲げ損失については、Ｎｏ．１２０／１２２−０のディプレスト層がない場合と比較して、ディプレスト層がある計算例はいずれも低い値であった。また、比屈折率差Δとしては０％より小さく−１．０％以上であれば、Δが小さければ小さいほど曲げ損失を低減する効果があることが確認された。内半径Ｒとしては６０μｍ〜６５μｍであれば、Ｒが大きいほど曲げ損失を低減する効果があることが確認された。厚さＷとしては１μｍ〜１０μｍ、好ましくは３μｍ以上であれば、Ｗが大きいほど曲げ損失を低減する効果があることが確認された。

また、図２の各計算例では、ｎeff、Ａeff、ＭＦＤは、小数点以下の桁まで見ても殆ど同一である。すなわち、上記のようなΔ、Ｒ、Ｗの範囲内であれば、ディプレスト層の存在が、ＨＦの光学特性であるｎeff、Ａeff、ＭＦＤに殆ど影響を与えないことが確認された。また、図２に示すＨＦについては、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値も２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、実用的な値が得られた。また、図２に示すＨＦについては、特に高次モードの閉じ込め、伝搬は観測されなかった。

図３は、比屈折率差Δと曲げ損失との関係を示す図である。図３から更に明らかなように、比屈折率差Δとしては０％より小さく−１．０％以上であれば、Δが小さければ小さいほど曲げ損失を低減する効果があった。また、厚さＷとしては１μｍ〜１０μｍであれば、Ｗが大きいほど曲げ損失を低減する効果があり、特に３μｍ以上の場合に効果があることが確認された。

なお、比屈折率差Δが−１．０％以上であれば、使用すべきフッ素の量も低減できるので、製造上も好ましい。

図２では、Λを１０μｍ、ｄ／Λを０．４３に固定しているが、好ましいΛ、ｄ／Λはこれらの値に限られない。以下に、空孔１３に関する構造パラメータであるΛ、ｄ／Λの好ましい範囲について説明する。

まず、ＨＦ１０は、たとえば波長１５５０ｎｍの光をシングルモードで伝搬するように構成することが望ましい。以下では、非特許文献３に開示されるＶ値を用いる方法を用いて、シングルモード伝搬を実現する構造パラメータについて検討する。

図４は、ＨＦ１０において、ｄ／Λの値を様々に変化させた場合の、波長１５００ｎｍにおけるΛとＶ値との関係を示す図である。Ｖ値が２．４０５以下であれば、波長１５５０ｎｍでシングルモード伝搬が可能になる。したがって、図４より、ｄ／Λが０．４５±０．０５の範囲内であれば、Λが５μｍ〜２５μｍの範囲において、シングルモード伝搬性を実現できるので好ましい。なお、Λについては、Ａeffの拡大のためには５μｍ以上が好ましい。また、２５μｍ以下であれば、ＨＦ１０のクラッド径があまり大きくならず、取り扱い性の点から好ましい。

ただし、ｄ／Λは０．４５±０．０５の範囲内に限られない。シングルモード伝搬の条件を満たすｄ／Λの範囲は、Λや空孔の層数によって変わってくるが、ｄ／Λが大きくなるとＨＦがマルチモードで光を伝搬する場合があり、光信号を伝送した場合のペナルティーが大きくなる。一方、ｄ／Λが小さいと曲げ損失が増大する。これらの問題を勘案すると、ｄ／Λは０．４５±０．２の範囲内とすることが好ましい。なお、ＨＦ１０のクラッド径については、３００μｍ以下であれば、剛性が高くならないため取り扱いの点から好ましく、特に標準の光ファイバと同様に１２５μｍ±１０μｍの範囲であればより好ましい。

図５は、ＨＦ１０において、空孔１３の層数を様々に変化させた場合の、Λと閉じ込め損失との関係を示す図である。なお、ｄ／Λは０．４５に固定している。また、閉じ込め損失は波長１５５０ｎｍでの値である。「Ｅ」は１０のべき乗を表す記号であり、たとえば「２．９１Ｅ−０２」は「２．９１×１０^−２」を意味する。

図５に示すように、空孔層数が大きいほど閉じ込め損失は小さくなる。また、Λが大きいほど閉じ込め損失は小さくなる。空孔層数が２層以上であれば、閉じ込め損失を０．１ｄＢ／ｍ以下にできるので好ましい。また、空孔層数が３層以上であれば、閉じ込め損失を１×１０^−４ｄＢ／ｍ以下、すなわち長さ１ｋｍあたり０．１ｄＢ以下にできるのでさらに好ましい。

図６は、ＨＦ１０において、Λとｄ／ΛとＡeffとの関係を示す図である。Ａeffは波長１５５０ｎｍでの値である。図６に示すように、たとえばｄ／Λが０．４３の場合には、Λを１０μｍとした場合に、Ａeffを１２０μｍ^２以上に拡大できるので好ましい。なお、図２に示すように、本実施の形態に係るＨＦ１０は、ディプレスト層１４の存在によって、Λを大きくしても曲げ損失の増大を抑制できる。

以上説明したように、本実施の形態に係るホーリーファイバは、Ａeffを拡大しながら、曲げ損失の増大が抑制されたものとなる。

なお、本実施の形態に係るホーリーファイバは、たとえば以下のようにして公知のスタックアンドドロー法によって製造することができる。すなわち、はじめに、純シリカガラスからなる中空の第１ガラス管内に、外径が第１ガラス管の内径程度であり、ディプレスト層を形成するためのフッ素添加ガラスからなる中空の第２ガラス管を挿入する。つぎに、第２ガラス管内に空孔を形成するための純シリカガラスからなる中空のガラスキャピラリを多数挿入してスタックして母材を形成する。そして、この母材を線引きすることによってホーリーファイバを製造することができる。

また、上記実施の形態に係るホーリーファイバでは、ディプレスト層１４は空孔１３が形成された領域よりも外側に形成されている。しかしながら、ディプレスト層の位置はこれに限られず、コア部における光のモードフィールド半径の４倍以上の内径のディプレスト層であればよい。したがって、空孔とディプレスト層とが重なる位置に形成されてもよい。なお、このようなホーリーファイバを製造する場合は、たとえば純シリカガラスからなる中実の母材内にディプレスト層が形成されたものに、ドリル法で空孔を形成し、これを線引きすればよい。

また、空孔の配置も、三角格子状に限られず、たとえば矩形格子状でもよい。さらに、空孔の直径も均一に限られず、不均一であってもよい。

また、本発明に係るホーリーファイバで伝搬する光の波長としては、１５５０ｎｍを含む波長帯、または光ファイバ通信に信号光として使用されるたとえば１３００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長帯を使用することができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明に含まれる。

１０ＨＦ
１１コア部
１２クラッド部
１３空孔
１４ディプレスト層
Ｌ三角格子

Claims

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配置された複数の空孔と、前記コア部における光のモードフィールド半径の４倍以上の内径を有し前記コア部よりも屈折率が低い低屈折率層とが形成されたクラッド部と、
を備えることを特徴とするホーリーファイバ。
前記低屈折率層は、前記複数の空孔が形成された領域よりも外側に形成されてい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。
前記低屈折率層の厚さが０μｍよりも大きく、前記クラッド部に対する比屈折率差Δが０％より小さく−１．０％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。
前記低屈折率層の厚さが３μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のホーリーファイバ。
波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が、当該ホーリーファイバにおいて前記低屈折率層が無い場合の曲げ損失よりも小さい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。
前記複数の空孔は、三角格子を形成するように配置され、該空孔の直径をｄ［μｍ］、該三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、ｄ／Λは０．４５±０．２の範囲内であり、該空孔の層数は２層以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のホーリーファイバ。
前記ｄ／Λは０．４５±０．０５の範囲内であることを特徴とする請求項６に記載のホーリーファイバ。
前記Λは５μｍ〜２５μｍであることを特徴とする請求項６または７に記載のホーリーファイバ。