JP2014132287A - フォトニックバンドギャップファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバとの接続が容易で、紫外光による感受性がないフォトニックバンドギャップファイバを提供する。
【解決手段】固体であるバックグラウンド材料１１の中に、バックグラウンド材料１１と異なる屈折率の固体材料からなるコア１３が存在し、かつ、コア１３の周囲に、バックグラウンド材料１１と異なる屈折率の固体材料からなる微細構造部１２，１２，・・が離散的に複数存在する断面構造を有し、微細構造部１２，１２，・・は、いずれもバックグラウンド材料１１よりも低屈折率の固体材料のみからなり、フォトニックバンドギャップの効果によってコア１３中を長手方向にモードが伝搬可能なフォトニックバンドギャップファイバ１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトニックバンドギャップファイバに関する。

フォトニックバンドギャップ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ：ＰＢＧ）ファイバとは、光の干渉や共鳴といった現象を導波原理とする光ファイバのことである。ＰＢＧファイバは、全反射（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＴＩＲ）を導波原理とする従来型の光ファイバとは異なる、特徴的な光学特性を有することから、近年大きな注目を集めている。

ＰＢＧファイバの特徴的な光学特性の一つに、ファイバ型波長フィルタとしての機能がある。ＰＢＧファイバの導波原理が光の干渉や共鳴といった現象であることは前述したが、これらの現象は、本質的に波長に大きく依存する。そのため、ＰＢＧファイバは透過波長帯域と遮断波長帯域をもち、これらの境界で透過特性が大きく変化する。したがって、ＰＢＧファイバは、透過波長と遮断波長を適切に設計することにより、急峻な波長特性と高い遮断効果を持つファイバ型波長フィルタとして機能する。

ファイバ型波長フィルタの適用分野は多数存在するが、特に重要なのは、ファイバレーザやファイバパワーアンプといったファイバ増幅器の分野である。希土類添加ファイバ増幅器は、ファイバ増幅器の代表であり、特に近年高出力化がめざましい。そのような高出力のファイバ増幅器において、信号光と異なる波長の不要な光が増幅器の内部に蓄積することで、増幅器の動作が不安定になることが問題になっている。信号光と異なる波長の光を発生させる代表的な現象には、自然放出光（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＡＳＥ）や、誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＲＳ）等が挙げられる。

ＡＳＥやＳＲＳは、いずれも誘導放出に起因した現象であるから、増幅器の不安定性を解消するためには、増幅器の内部にファイバ型波長フィルタを挿入して、誘導放出によって発生した不要な波長を除去したり、誘導放出自体を抑えたりすることが有効である。そのための実施形態は、大きく分けて２つある。
（１）増幅機能を持つ光ファイバ（増幅用光ファイバ）に、増幅機能を持たないファイバ型波長フィルタを接続する。
（２）増幅用光ファイバ自身に、波長フィルタの機能を持たせる。

（１）の実施形態の光ファイバは比較的製造が容易であるため、簡便で実施が容易であるという利点がある。（２）の実施形態は、増幅用光ファイバでの誘導放出自体を抑えることが可能なため、（１）と比べて増幅器を安定化する効果が高いという利点がある。ＰＢＧファイバは、急峻な波長特性と高い遮断効果を持つファイバ型波長フィルタであるため、（１）と（２）のいずれの用途にも優れた効果を発揮する。

ＰＢＧファイバはいくつかの種類に分類される。歴史的に最初に注目を浴びたのは、コアが気体または真空からなるｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ ＰＢＧファイバである。しかしながら、ＰＢＧファイバを上記（１）の目的に使用する場合には、増幅用光ファイバとの接続が必要であるから、接続を容易にするためにはコアが固体材料からなることが好ましい。また、ＰＢＧファイバを上記（２）の目的に使用する場合にも、コアに希土類を添加したり、ラマン利得を大きくしたりするために、コアが固体材料からなることが好ましい。したがって、上記（１）や（２）の目的には、固体のコアを持つｓｏｌｉｄ−ｃｏｒｅ ＰＢＧ（ＳＣ−ＰＢＧ）ファイバがしばしば使用される。
ＳＣ−ＰＢＧファイバには、例えば特許文献１，２や非特許文献１，２に記載のような、低屈折率のバックグラウンド材料に高屈折率部を離散的に埋め込んだ構造（以降「高屈折率部埋め込み型」と呼ぶ。）が従来技術として存在する。

ここまでは、光ファイバの透過波長特性がファイバ増幅器にとって重要であること、そして、ＳＣ−ＰＢＧファイバを用いて光ファイバの透過波長特性を変化させることは、ファイバ増幅器にとって有用であることを述べた。
一方、光ファイバの偏波保持特性もまた、ファイバ増幅器にとって重要な特性の一つである。ファイバ増幅器の適用分野の一部、特に非線形現象を利用した波長変換の分野においては、単一直線偏波出力が求められることが一般的である。そのためには、ファイバ増幅器をすべて、直線偏波を保持可能な光ファイバ（偏波保持ファイバ）で構成することが必要である。

高屈折率部埋め込み型のＳＣ−ＰＢＧファイバを偏波保持ファイバとする場合は、コア近傍の高屈折率部の一部を、空孔、バックグラウンド材料よりも低屈折率の固体、または応力付与部で置換し、ファイバ断面の屈折率分布や応力分布に２回以下の回転対称性（２回回転対称と１回回転対称のことを指す。１回回転対称はすなわち回転対称性なし）のみを持たせる方法がしばしば用いられる。この方法を用いると、応力複屈折や構造複屈折によって、コアを伝搬する２つの直線偏波モードの縮退が解け、偏波保持ファイバとして機能する。このようなＳＣ−ＰＢＧファイバは、例えば特許文献３，４や非特許文献３〜５などで知られるように、透過波長特性と偏波保持特性がともに優れたファイバ増幅器を実現することができる。
また、非特許文献６には、高屈折率部を、リン（Ｐ）が添加された石英ガラスとすることで、紫外光に対する感光性を低減し、高屈折率部の屈折率変化を抑制する方法が報告されている。

米国特許第７３４９６１１号明細書 米国特許第８０４５２５９号明細書 特許第４２４３３２７号公報 米国特許第６４０４９６６号明細書

Ａ．Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．， "Ｔｈｒｅｅ−ｌｅｖｅｌ ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｆｉｂｅｒ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００６年、第３１巻、第１０号、ｐ．１３８８−１３９０ Ｖ．Ｐｕｒｅｕｒ ｅｔ ａｌ．， "Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｓｏｌｉｄ ｃｏｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｆｉｂｅｒ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｒｏｕｎｄ ９８０ ｎｍ"， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００８年、第９２巻、第６号、ｐ．０６１１１３ Ｔ．Ｔ．Ａｌｋｅｓｋｊｏｌｄ， "Ｌａｒｇｅ−ｍｏｄｅ−ａｒｅａ ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｎａｒｒｏｗ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｅｎｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００９年、第１７巻、第１９号、ｐ．１６３９４−１６４０５ Ｊ．Ｋ．Ｌｙｎｇｓｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ ｉｎ ｈｙｂｒｉｄ ＴＩＲ／ＰＢＧ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｏｌｉｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒｓ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１０年、第１８巻、第１３号、ｐ．１４０３１−１４０４０ Ｃ．Ｂ．Ｏｌａｕｓｓｏｎ ｅｔ ａｌ．， "１６７ Ｗ， ｐｏｗｅｒ ｓｃａｌａｂｌｅ ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｔ １１７８ ｎｍ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１０年、第１８巻、第１６号、ｐ．１６３４５−１６３５２０００−０００ Ｌ．Ｂｉｇｏｔ ｅｔ ａｌ．， "Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｉｎ ２Ｄ ａｌｌ−ｓｏｌｉｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ ｆｉｂｅｒ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００９年、第１７巻、第１２号、ｐ．１０１０５−１０１１２

多くの場合において、高屈折率部埋め込み型のＳＣ−ＰＢＧファイバのバックグラウンド材料は純粋石英であり、高屈折率部の材料はゲルマニウム（Ｇｅ）が添加された石英ガラスである。Ｇｅは、石英中に高濃度に添加して屈折率を大幅に上昇させても光ファイバの損失を低く保つことができる点で優れたドーパントである。しかし、ＳＣ−ＰＢＧファイバの高屈折率部に用いる場合、Ｇｅが紫外光に対して大きな感光性を持つという点が問題となる場合がある。この場合の感光性とは、紫外線の照射によって屈折率が変化する性質のことを指す。紫外光の照射によってＳＣ−ＰＢＧファイバの高屈折率部の屈折率が変化すると、干渉や共鳴が発生する条件が変化するために、透過波長と遮断波長が変化する。これは、紫外光の伝送や、ファイバ側面からの紫外光照射によってコアにファイバブラッググレーティングを描画する場合に、大きな問題となる。
上記の非特許文献６のように、高屈折率部にＰを添加する場合、Ｐを高濃度に添加するにあたっての技術的課題により、低損失のＰＢＧファイバを作製することは困難である。アルミニウム（Ａｌ）についても同様である。

また、前述の方法によって偏波保持ファイバとした高屈折率部埋め込み型のＳＣ−ＰＢＧファイバにおいては、別の問題が発生する。バックグラウンド材料に純粋石英を用いて偏波保持型のＳＣ−ＰＢＧファイバを作製する場合、コアの周囲に、空孔、フッ素（Ｆ）が添加された石英ガラス、またはホウ素（Ｂ）が添加された石英ガラスを配置することによって断面の屈折率分布や応力分布に２回以下の回転対称性のみを持たせ、応力複屈折や構造複屈折によって偏波保持ファイバとする方法が一般的であるが、上記の３つの材料はすべて純粋石英よりも低屈折率の材料である。高屈折率部埋め込み型のＳＣ−ＰＢＧファイバにおいては、これらの低屈折率部はＰＢＧではなくＴＩＲによる導波を与える。ＴＩＲによる導波はＰＢＧによる導波と異なり、波長依存性がほとんどないために、断面中ＴＩＲによる導波が起こっている箇所では波長フィルタとしての機能が失われる。したがって、遮断波長における光の遮断量が減少し、波長フィルタの機能が低下する。

加えて、断面屈折率分布が２回以下の回転対称性のみを有するＳＣ−ＰＢＧファイバにおいては、さらに別の問題が発生する。断面円形の光ファイバをコイル状に巻いて収納する場合、曲げる方向と光ファイバの断面屈折率分布とはあらゆる角度をとり得る（すなわちランダムである）。そのため、断面屈折率分布が２回以下の回転対称性のみを有するＳＣ−ＰＢＧファイバをコイル状に収納すると、光ファイバを曲げる方向によって曲げ損失の波長依存性が大きく変化する。その結果、光ファイバがランダムに巻かれると、長手方向に波長フィルタ特性が大きく変化してしまうという問題が発生する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上記の問題を解決することが可能なフォトニックバンドギャップファイバを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、固体であるバックグラウンド材料の中に、前記バックグラウンド材料と異なる屈折率の固体材料からなるコアが存在し、かつ、前記コアの周囲に、前記バックグラウンド材料と異なる屈折率の固体材料からなる微細構造部が離散的に複数存在する断面構造を有し、前記微細構造部は、いずれも前記バックグラウンド材料よりも低屈折率の固体材料のみからなり、フォトニックバンドギャップの効果によって前記コア中を長手方向にモードが伝搬可能な光ファイバであることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバを提供する。
前記断面構造において離散的に存在する微細構造部の中心間距離が、前記コア中を長手方向に伝搬可能な光の波長の長さよりも長いことが好ましい。
前記バックグラウンド材料の屈折率ｎ_０と、前記微細構造部の屈折率ｎ_ｒｏｄとの比屈折率差Δ_ｒｏｄ＝（ｎ_ｒｏｄ−ｎ_０）／ｎ_０が、−０．０４＜Δ_ｒｏｄ＜０．００の関係を満たすことが好ましい。
前記微細構造部が、少なくともフッ素が添加された石英ガラスからなることが好ましい。
前記微細構造部が、少なくともホウ素が添加された石英ガラスからなることが好ましい。
前記微細構造部が、少なくともフッ素が添加された石英ガラスからなる第１の微細構造部と、少なくともホウ素が添加された石英ガラスからなる第２の微細構造部とからなり、前記第１の微細構造部と前記第２の微細構造部との熱膨張係数の差に起因して、２回以下の回転対称性のみをもつ断面応力分布が発生し、偏波保持光ファイバとして機能することが好ましい。

本発明によれば、低屈折率部として空孔を有する場合に比べて、光ファイバの接続などの取り扱いが容易である。また、Ｇｅを添加した高屈折率部を有する場合に比べて、紫外光に対する感光性の問題を抑制できる。
特に、フッ素が添加された石英ガラスを低屈折率部に用いた場合には、材料による損失が低く、かつ、クラッド部の微細構造部の紫外光による感受性がなく、ファイバグレーティングの描画に適している。

低屈折率の応力付与部を設けて、偏波保持光ファイバを構成する場合には、微細構造部も低屈折率であるのでＰＢＧ導波が阻害されず、波長フィルタの遮断特性が悪化しない。また、応力分布の回転対称性は減少しても、屈折率分布の回転対称性は減少しないので、曲げる方向によって曲げ損失の波長依存性が変化しにくい。

本発明のＰＢＧファイバの一例を示す断面図である。 クラッド部の微細構造部の構造を示す部分拡大図である。 コアに接する箇所の構造を示す部分拡大図である。 実施例１のＰＢＧファイバの透過特性を示すグラフである。 実施例１のＰＢＧファイバの伝送損失を示すグラフである。 応力付与部を有するＰＢＧファイバの一例を示す断面図である。

以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、本発明のＰＢＧファイバの一例を示す。このＰＢＧファイバ１０は、固体であるバックグラウンド材料１１の中に、バックグラウンド材料１１よりも低屈折率の固体材料からなる微細構造部１２，１２，・・が離散的に複数存在する断面構造を有する。微細構造部１２，１２，・・は、固体のコア１３の周囲（クラッド部）に配置され、これによりクラッド部に生じるＰＢＧを用いて、固体のコアを持つＳＣ−ＰＢＧファイバを構成する。

従来、低屈折率材料を離散的に埋め込むことでＰＢＧを形成し、コア中にモードを伝播させる場合、低屈折率材料としては空孔（気体または真空）が用いられてきた。空孔とバックグラウンド材料との屈折率差は、バックグラウンド材料が石英系ガラスの場合、４０％以上あり、ＰＢＧを形成することが可能であることは実証されている。また、バックグラウンド材料との比屈折率差Δが−０．０４＜Δ＜０．００といった程度の微細構造を離散的に埋め込むことでＴＩＲによる導波が可能であることも実証されている。しかしながら、−０．０４＜Δ＜０．００といった程度の比屈折率差ΔでＰＢＧが形成され、ＰＢＧによるモードの導波が可能であることは知られていなかった。実際、ＳＣ−ＰＢＧファイバを、空孔を用いずに作製する場合は、高屈折率材料を離散的に埋め込む構造のＰＢＧファイバが実証されているのみである。ここで、バックグラウンド材料の屈折率ｎ_０と、微細構造部の屈折率ｎ_ｒｏｄとの比屈折率差Δ_ｒｏｄは、Δ_ｒｏｄ＝（ｎ_ｒｏｄ−ｎ_０）／ｎ_０と定義する。

ＰＢＧファイバ１０は、ＰＢＧの効果によってコア１３中を長手方向にモードが伝搬可能である。光ファイバの断面構造において離散的に存在する微細構造部１２，１２，・・・の中心間距離が、コア１３中を長手方向に伝搬可能な光の波長の長さよりも長いことが好ましい。また、バックグラウンド材料１１に対する微細構造部１２，１２，・・の比屈折率差Δ_ｒｏｄは、−０．０４＜Δ_ｒｏｄ＜０．００の関係を満たすことが好ましい。微細構造部は、バックグラウンド材料よりも低屈折率であることから、Δ_ｒｏｄは負（Δ_ｒｏｄ＜０．００）とされる。Δ_ｒｏｄが−０．０４程度、又はそれ以下でもよいが、一般的にフッ素やホウ素を添加した石英ガラスの屈折率の範囲内であることが好ましい。

複数の微細構造部１２を構成する固体材料としては、少なくともフッ素が添加された石英ガラスや、少なくともホウ素が添加された石英ガラスが挙げられる。フッ素のみが添加された石英ガラスや、ホウ素のみが添加された石英ガラスであってもよい。
複数の微細構造部１２は、一次元周期構造、三角格子構造、ハニカム格子構造、正方格子構造、長方格子構造などのいずれか１つの周期構造を含むことが好ましい。微細構造部１２の断面形状は、特に限定されるものではないが、三角形、四角形、六角形の多角形や、円形等が挙げられる。隣接する微細構造部１２の間には、バックグラウンド材料１１が配置される。微細構造部１２の断面形状が多角形の場合、多角形の辺に沿ってバックグラウンド材料１１の支柱部が配置され、多角形の頂点にはバックグラウンド材料１１の交点部が配置されてもよい。

コア１３は、バックグラウンド材料１１より高屈折率でもよいが、低屈折率であることが好ましい。コア１３の屈折率がバックグラウンド材料１１の屈折率以下の場合、コア１３を通る光は、周期構造に囲まれた方向には純粋にフォトニックバンドギャップの効果により導波されるため、コアを伝搬するモードの電界が周期構造を伝搬するモードと結合して伝搬した後、コアを伝搬するモードと再結合する現象が原理的に発生せず、高い遮断波長のフィルタリング効果を得ることができる。
コア１３を構成する固体材料としては、少なくともフッ素が添加された石英ガラスや、少なくともホウ素が添加された石英ガラスが挙げられる。フッ素のみが添加された石英ガラスや、ホウ素のみが添加された石英ガラスであってもよい。
また、増幅用光ファイバを構成するため、希土類元素が添加されたガラスをコアに用いることもできる。
コアには、ファイバブラッググレーティングが形成されてもよい。

バックグラウンド材料１１は、フッ素やホウ素等のドーパントが添加された石英ガラスであってもよく、純粋石英であってもよく、フッ素のみが添加された石英ガラスや、ホウ素のみが添加された石英ガラスであってもよい。

また、複数の微細構造部１２，１２，・・が、少なくともフッ素が添加された石英ガラスからなる、１つまたは２つ以上の第１の微細構造部と、少なくともホウ素が添加された石英ガラスからなる、１つまたは２つ以上の第２の微細構造部とからなってもよい。第１の微細構造部と第２の微細構造部との熱膨張係数の差に起因して、２回以下の回転対称性のみをもつ断面応力分布を発生させることにより、偏波保持光ファイバとして機能する。「２回以下の回転対称性のみをもつ」とは、「３回以上の回転対称性を有しない」ことを意味する。

以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
作製したＰＢＧファイバの断面図を図１に示す。純粋石英（屈折率ｎ_０）のバックグラウンド材料１１中に、純粋石英にフッ素を添加することで屈折率を低下させた石英ガラス（屈折率ｎ_ｒｏｄ）を三角格子状に離散的に配置し、クラッド部の微細構造を形成した。離散的に配置された低屈折率の微細構造部１２によってバックグラウンド材料１１は網目構造（Ｗｅｂ構造）となる。ｎ_ｒｏｄのｎ_０に対する比屈折率差Δ_ｒｏｄは、Δ_ｒｏｄ＝（ｎ_ｒｏｄ−ｎ_０）／ｎ_０＝−０．６％＝−０．００６であった。
コア１３も同様に、純粋石英にフッ素を添加することで屈折率を低下された石英ガラス（屈折率ｎ_ｃｏｒｅ）を使用した。ｎ_ｃｏｒｅのｎ_０に対する比屈折率差Δ_ｃｏｒｅは、Δ_ｃｏｒｅ＝（ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_０）／ｎ_０＝−０．５％＝−０．００５であった。
図１では、コア１３の周囲に６個の微細構造部１２を配置し、その外側に１２個の微細構造部１２を配置し、その外側に１８個の微細構造部１２を配置し、その外側に２４個の微細構造部１２を配置した。

図２に、クラッド部のＷｅｂ構造を模式的に示す。Ｗｅｂ構造の周期（微細構造部の中心間距離。各微細構造部１２の中心１２ｃの位置を「×」で示す。）はΛである。また、２つの微細構造部１２に挟まれる支柱（ｓｔｒｕｔ）１２ｓの厚さはＤ_{ｓｔｒｕｔ}であり、３つの微細構造部１２に囲まれる交点（ａｐｅｘ）１２ａの厚さはＤ_ａｐｅｘであり、それぞれの微細構造部１２の厚さはＤ_ｒｏｄである。そして、次の関係が成立している。

Λ＝Ｄ_ｒｏｄ＋Ｄ_{ｓｔｒｕｔ}

作製したＰＢＧファイバにおいては、Λ＝２１．３μｍ、Ｄ_{ｓｔｒｕｔ}／Λ＝０．０６、Ｄ_ａｐｅｘ／Λ＝０．１８、Ｄ_ｒｏｄ／Λ＝０．９４であった。一般的に、Ｄ_ａｐｅｘがＤ_{ｓｔｒｕｔ}よりも大きい方がＰＢＧによる閉じ込め効果が大きくなり、曲げ損失の低減や、伝送損失の低減、透過波長帯域の広帯域化にとっては好ましい。

図３に、コア１３に接する箇所のＷｅｂ構造を模式的に示す。Ｗｅｂ構造の周期（コアと隣接する微細構造部との中心間距離。微細構造部１２及びコア１３の中心１２ｃ，１３ｃの位置を「×」で示す。）は、クラッド部と同じく、Λである。また、コア１３と隣接する１つの微細構造部１２とに挟まれる支柱１３ｓの厚さはＤ_{ｓｔｒｕｔ−ｃｏｒｅ}であり、コア１３と隣接する２つの微細構造部１２に囲まれる交点（ａｐｅｘ）１３ａの厚さはＤ_{ａｐｅｘ−ｃｏｒｅ}であり、コア１３の厚さはＤ_ｃｏｒｅである。Ｄ_{ｓｔｒｕｔ−ｃｏｒｅ}、Ｄ_{ａｐｅｘ−ｃｏｒｅ}、Ｄ_ｃｏｒｅは、クラッド部と若干異なる。作製したＰＢＧファイバにおいては、

Ｄ_{ｓｔｒｕｔ−ｃｏｒｅ}＝Ｄ_{ｓｔｒｕｔ}／２，
Ｄ_{ａｐｅｘ−ｃｏｒｅ}＝Ｄ_ａｐｅｘ−Ｄ_{ｓｔｒｕｔ}／２，
Ｄ_ｃｏｒｅ＝Ｄ_ｒｏｄ＋Ｄ_{ｓｔｒｕｔ}，

であった。ただし、この差異は、本発明にとって本質的なことではなく、例えばコア部とクラッド部のＷｅｂ構造を同様にして、

Ｄ_{ｓｔｒｕｔ−ｃｏｒｅ}＝Ｄ_{ｓｔｒｕｔ}，
Ｄ_{ａｐｅｘ−ｃｏｒｅ}＝Ｄ_ａｐｅｘ，
Ｄ_ｃｏｒｅ＝Ｄ_ｒｏｄ，

としても、本発明の効果は何ら変わることはない。なお、コア部におけるΛでは、Ｄ_ｃｏｒｅがＤ_ｒｏｄと等しいかどうかにかかわらず、次の関係が成立している。

Λ＝Ｄ_ｒｏｄ／２＋Ｄ_{ｓｔｒｕｔ−ｃｏｒｅ}＋Ｄ_ｃｏｒｅ／２＝Ｄ_ｒｏｄ＋Ｄ_{ｓｔｒｕｔ}

図４に、実施例１で作製したＰＢＧファイバの透過特性（長さ１．７ｍ）を示す。本ＰＢＧファイバは、波長１２００〜２１００ｎｍの範囲で光を透過させ、急峻な波長特性と高い遮断効果を持つファイバ型バンドパス波長フィルタとして機能する。
図５に、実施例１で作製したＰＢＧファイバの伝送損失の測定結果を示す。１５００〜１５５０ｎｍにおいて伝送損失が最低となり、その値は６〜７ｄＢ／ｋｍと低かった。
なお、ここで光の波長は、媒質内の波長ではなく、真空中の波長を意味する。

なお、特許文献４には、バックグラウンド材料に低屈折率の固体材料を埋め込むことでＰＢＧ構造を実現する光ファイバについての記載がある。しかし、ＰＢＧによる導波が可能なパラメータについては「ａ ｇｒａｔｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ｅｑｕａｌ ｔｏ １／２ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ」（波長の１／２に等しい回折周期）以上の具体的な教唆がない。特許文献４に記載の「ｇｒａｔｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ」とは本明細書中の「Ｗｅｂ構造の周期Λ」に相当するが、本実施例においてΛ（２１．３μｍ）は透過波長（１２００〜２１００ｎｍ）のおよそ１０〜１８倍となっている。このことから、本実施例のＰＢＧファイバは、特許文献４において示されている「Λが波長の１／２倍」である構造とは全く異なるものである。すなわち、本実施例は、特許文献４では全く予期されていない構造を用いてＰＢＧ導波が可能であることを示している。

（実施例２）
作製したＰＢＧファイバの断面図を図６に示す。本実施例のＰＢＧファイバは、実施例１において、コア１３の左右両脇にある２つの低屈折率の微細構造部１２を、Ｆの代わりにＢをドープすることで同じ屈折率とした石英ガラスで置換した構造を有する。すなわち、コア１３の左右両脇にある２つの応力付与部１４は、純粋石英にホウ素を添加することで屈折率を低下させた石英ガラスからなり、コア１３及び微細構造部１２は、実施例１と同じく、純粋石英にフッ素を添加することで屈折率を低下させた石英ガラスからなる。

本実施例のＰＢＧファイバは、Ｆを添加した石英ガラスとＢを添加した石英ガラスの熱膨張係数が大きく異なることに起因して、２回以下の回転対称性のみをもつ断面応力分布が発生し、偏波保持光ファイバとして機能する。その一方で、屈折率分布に変化はないために、コアの全周においてＰＢＧ導波が実現されており、波長フィルタの消光比は、実施例１と同様の大きな値を得ることができる。また、屈折率分布の６回回転対称性も保たれることにより、曲げ損失の曲げ方向依存性も、屈折率分布が２回以下の回転対称性を持つ従来の偏波保持型ＳＣ−ＰＢＧファイバと比較して小さい。

なお、実施例２のＰＢＧファイバでは、２回以下の回転対称性のみをもつ大きな断面応力分布によって屈折率分布が変化しているため、厳密には屈折率分布の６回回転対称性が失われている。しかしながら、断面応力分布による屈折率変化は、ファイバに偏波保持特性を与えるには十分であるが、ＰＢＧに大きな変化を与えて波長フィルタ特性に変化を与えたり、曲げ損失の曲げ方向依存性に変化を与えたりするには不十分である。したがって、本実施例では、偏波保持特性に言及する場合を除いては、屈折率分布の６回回転対称性が保たれているとみなしている。そして、本明細書では、一般的に、「応力を考慮しない場合の屈折率分布」を単に「屈折率分布」としている。

１０，１０Ａ…ＰＢＧ（フォトニックバンドギャップ）ファイバ、１１…バックグラウンド材料、１２…微細構造部、１２ａ…交点、１２ｃ…中心、１２ｓ…支柱、１３…コア、１３ａ…交点、１３ｃ…中心、１３ｓ…支柱、１４…応力付与部。

Claims (6)

1. 固体であるバックグラウンド材料の中に、前記バックグラウンド材料と異なる屈折率の固体材料からなるコアが存在し、かつ、前記コアの周囲に、前記バックグラウンド材料と異なる屈折率の固体材料からなる微細構造部が離散的に複数存在する断面構造を有し、前記微細構造部は、いずれも前記バックグラウンド材料よりも低屈折率の固体材料のみからなり、フォトニックバンドギャップの効果によって前記コア中を長手方向にモードが伝搬可能な光ファイバであることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバ。
2. 前記断面構造において離散的に存在する微細構造部の中心間距離が、前記コア中を長手方向に伝搬可能な光の波長の長さよりも長いことを特徴とする、請求項１に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
3. 前記バックグラウンド材料の屈折率ｎ_０と、前記微細構造部の屈折率ｎ_ｒｏｄとの比屈折率差Δ_ｒｏｄ＝（ｎ_ｒｏｄ−ｎ_０）／ｎ_０が、−０．０４＜Δ_ｒｏｄ＜０．００の関係を満たすことを特徴とする、請求項１又は２に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
4. 前記微細構造部が、少なくともフッ素が添加された石英ガラスからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
5. 前記微細構造部が、少なくともホウ素が添加された石英ガラスからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
6. 前記微細構造部が、少なくともフッ素が添加された石英ガラスからなる第１の微細構造部と、少なくともホウ素が添加された石英ガラスからなる第２の微細構造部とからなり、前記第１の微細構造部と前記第２の微細構造部との熱膨張係数の差に起因して、２回以下の回転対称性のみをもつ断面応力分布が発生し、偏波保持光ファイバとして機能することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。

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