JP3072842B2 - 単一モード光ファイバ - Google Patents
単一モード光ファイバInfo
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Description
し、詳しくは、光通信ネットワークおよび光信号処理に
用いられる伝送媒体に関する。
断面図である。図1において、11はコア、12はクラ
ッド、13はジャケットである。
屈折率分布を示す。2a´、2b´、2cはそれぞれコ
ア、クラッド、ジャケットの直径を表し、実用ファイバ
の代表的な値としてはそれぞれ4μm、15.9μm、
125μmである。
ャケット13の屈折率差およびクラッド12とジャケッ
ト13の屈折率差を表し、両者の代表的な値は0.75
%および0.11%である。
ッドともに主として石英ガラスによって構成されてお
り、コアにGeO2やP2O5などの添加物を加えること
でコアの屈折率を上昇させてコア部に光パワーを集中さ
せて光ファイバ中の光を伝搬させる構造となっている。
バのコア11の屈折率がクラッド12の屈折率よりも高
いため、この屈折率差によって光ファイバに入射した光
はファイバのコア11に閉じ込められて光ファイバ中を
伝搬する。この屈折率差による光の閉じ込めを行う場
合、伝搬する光の単一モード条件を満たすためにはコア
径は4μm程度と小さい。しかしながら、光通信ネット
ワークおよび光信号処理の高度化に伴って、容量の高い
光ファイバの提供が所望されている。
photonic crystal fiber", OpticsLetters, vol. 22, N
o. 13, pp. 961-963, 1997および"Single-mode photoni
c crystal fiber with an indefinitely large core",
Technical Digest of the 1998 Conference on Lasers
and Electro-optics, CWE4, pp. 226-227において、空
孔を設けないコア部分と、空孔を六角形に配列したクラ
ッド部分とを具えた石英ガラスから成る光ファイバを開
示した。これによれば、コア径が従来の光ファイバより
も大きいが、単一モード特性を保つことができる。この
光ファイバにおいても、クラッドの屈折率はコアの屈折
率より小さく、したがって、空孔を有しない従来の光フ
ァイバと同様に、光は全反射により導かれる。
スや、高出力光信号を伝搬させる際には、コアが石英ガ
ラスで構成されているため、種々の欠点がある。すなわ
ち、石英ガラス中の不純物による吸収および散乱、さら
にはコア内に閉じこめられた光信号のピークパワーが1
0mW程度を超えると、石英ガラスの光非線形光学効果
によって、自己位相変調効果により光信号のスペクトル
幅が増加し、およびブリュアン散乱により入射パワーが
飽和する。その結果、光波形の歪みや光ファイバへの入
射パワーの飽和が生じる。したがって、光ファイバ中を
伝搬する光信号の伝送特性の劣化を招く。現在、最も低
損失な光ファイバでも、0.2dB/km程度の損失を
生じるため、光の減衰が一層少ない光ファイバの開発が
望まれている。
り、光の伝搬特性が根本的に影響される多次元周期構造
体、いわゆるフォトニック結晶が知られている。J. D.
Joannopoulousらは、 Photonic Crystals, Princeton U
niversity Press, pp. 122-126, 1995において、フォト
ニック結晶の格子構造を開示し、また、米国特許第5,
784,400号において、フォトニックバンドギャッ
プを利用した共振空胴を開示する。さらにまた、Ulrike
Gruningらは、WO97/04340において、フォト
ニックバンドギャップを用いた光学構造物を開示する。
しかしながら、コアの屈折率に依存せず、フォトニック
バンドギャップを有するクラッドを具えた構造の光ファ
イバについて開示しているものはない。
線形現象の影響や材料分散の影響を避けることができ、
したがって、高速、高パワー光の伝送に大きな効果があ
る光ファイバを提供することにある。
課題を解決するために、光の波長の数倍程度の領域をも
つコアと、フォトニックバンドギャップ構造を有するク
ラッドを具え、コアの屈折率をクラッドの屈折率よりも
低下させ、光は回折格子のブラッグ反射によってのみ波
長が選択的に閉じ込められることにより、高速、高パワ
ー光の伝送に大きな効果がある光ファイバを提供できる
ことを見出した。
モード光ファイバは、光の波長の数倍程度の領域をもつ
コアと、コアの周囲に配置され、フォトニックバンドギ
ャップ構造の回折格子を少なくともコアに隣接する周囲
領域に設けたクラッドとを具え、コアの屈折率はクラッ
ドの媒質の屈折率よりも低く、および光は回折格子のブ
ラッグ反射によってのみ波長が選択的に閉じ込められ
る。
ド光ファイバは、光の波長の数倍程度の領域をもち、お
よび中空であるコアと、コアの周囲に配置され、フォト
ニックバンドギャップ構造の回折格子を少なくともコア
に隣接する周囲領域に設けたクラッドとを具える。
一モード光ファイバは、光の波長の数倍程度の領域をも
つコアと、コアの周囲に配置され、フォトニックバンド
ギャップ構造の回折格子を少なくともコアに隣接する周
囲領域に設けたクラッドとを具え、コアの屈折率とクラ
ッドの媒質の屈折率とが等しく、およびクラッドにおけ
る回折格子は、屈折率の低い媒質中に屈折率の高い材料
を埋め込んだ格子構造を有する。
程度、好ましくは10〜50ミクロンの領域である。コ
アを光の波長の数倍程度にすることにより、光ファイバ
の許容入射光パワーを大きくすることができる。
に示す。図3において、コア1は空孔であり、中に空気
が入っている。コア1は空孔であるときに屈折率が最も
低くなり、その屈折率は空気の屈折率に等しくほぼ1で
ある。中空孔で構成したコアは、光の散乱要因がないた
め、最も好ましい。2はクラッドである。このクラッド
2は、マトリクス状に空孔を配列することにより形成さ
れた回折格子を有するフォトニックバンドギャップ構造
を有する。3はクラッドの外側に設けたジャケットであ
る。
ギーが最も集中するコア1が中空であるため、光の散乱
要因がない。したがって、本実施例の光ファイバでは、
コアが石英ガラスから成る従来の光ファイバの損失より
もはるかに少ない0.01dB/km程度の損失特性が
期待できる。
は、その断面方向において、格子状の構造を有し、長さ
方向には同一の構造を維持する。つまり、三次元のフォ
トニックバンドギャップは、格子状の点が三次元的に分
布しているのではなく、長手方向に均一に存在する。し
たがって、本ファイバの断面は、光ファイバの作成プロ
セスによる形状のゆらぎを無視すれば、至る所同じ構造
であり、光ファイバの長さ方向に直交または斜交するよ
うな構造は存在しない。つまり、図3のフォトニックバ
ンドギャップクラッド2の中にある格子状の点は、長手
方向に連続して延在しており、長手方向の何れの箇所で
切断しても同一の切断面となる。
は、コア11の屈折率がクラッド12よりも高く(屈折
率差:Δn3−Δn2)、光はコア部分に比較的強く閉
じ込められるため、コア11のコア径2a´のみを単に
拡大するとコア11中の単一モード条件が満たされなく
なる。
であるが、コア径2a´を拡大するにつれ、高次モード
であるHE12またはHE21モードが発生してコア11中
に複数のモードが存在するいわゆる、多モードファイバ
となり、伝送特性が劣化する。
屈折率よりも低くしただけでは、光のエネルギーをコア
11に閉じ込めることはできない。
長の1/2に等しい格子間隔を有する回折格子を少なく
ともコアに隣接する周囲領域に設ける。すなわち、クラ
ッド2のうち少なくともコア1に隣接する周囲領域に直
径2bにわたってフォトニックバンドギャップ構造を設
ける。フォトニックバンドギャップ構造は、クラッド2
の全領域に設けてもよい。クラッド2は、石英ガラスな
どのクラッドに対する慣用の材料から構成できる。
を示す図である。一般に三次元のフォトニックバンドギ
ャップ構造とは、光を全方向にブラッグ反射する回折格
子であり、図4に示すように回折格子の格子間隔を、伝
搬する媒質内光波長の1/2に設定することで実現され
る。
ドギャップ構造をコア1の周囲に直径2bにわたって設
けると、光ファイバのコア1の中心から半径方向に光が
伝搬しないようにコア1に光を閉じ込めて伝搬させるこ
とができる。
トニックバンドギャップを構成する回折格子のブラッグ
反射によって波長が選択的に閉じ込められる。したがっ
て、従来技術よりも効果的に高次モードの抑圧を行うこ
とが可能であり、コア径を拡大しても単一モード条件の
維持が可能である。
ていてもよい。ジャケットは、ジャケットに対する慣用
の材料から構成できる。
従来のファイバのコア径2a´よりも大きく、光の波長
の数倍程度とする。クラッド2は、マトリクス状に空孔
を配列することにより形成された回折格子を有するフォ
トニックバンドギャップ構造を有する。クラッド2の媒
質の屈折率を、クラッド2のフォトニック結晶の回折格
子の格子部分の屈折率よりも高く設定し、両者の屈折率
差をΔn1とする。3は、クラッド2の外側に設けた直
径2cのジャケットである。
慣用の材料から構成でき、コア1にフッ素を添加するこ
とによってコアの屈折率を0.5%程度下げることがで
きる。
くなり、その屈折率は空気の屈折率に等しくほぼ1であ
る。中空孔で構成したコアは、光の散乱要因がないた
め、最も好ましい。
ギャップ構造は、クラッド2の全領域に設けてもよい。
クラッド2は、石英ガラスなどのクラッドに対する慣用
の材料から構成できる。
てもよい。ジャケットは、ジャケットに対する慣用の材
料から構成できる。
りかつ高められた許容入射光パワーを有していた。
す。
ド2の媒質とを同一の屈折率、すなわち同一の材質とし
た。クラッド2におけるフォトニック結晶の回折格子の
格子部分を空孔とせずに、クラッドを構成する媒質中に
屈折率がΔn3だけ高い材料を格子構造の形態で埋め込
む。
ックバンドギャップ構造を実現することができる。
た。ジャケットはどのような屈折率を有していてもよ
く、慣用の材料から構成できる。
りかつ高められた許容入射光パワーを有していた。
ャップを構成する格子が空孔ではなく、屈折率が周囲よ
りも高い材料で充填されているため、ファイバ全体の機
械的強度が増すと同時にプリフォームからファイバを線
引きする工程において格子の形状が空孔の場合よりも一
定の形状に保ちやすいという利点を有する。
ォトニック結晶の回折格子は、光ファイバのコア1の中
心から半径方向に光が伝搬しないようにコア1内に閉じ
込めることができる格子構造であれば、特に限定されな
い。
い材料をマトリクス状に配列して埋め込んだ格子構造で
ある。
低い材料をマトリクス状に配列して埋め込んだ格子構造
である。
高い材料を三角形状に配列して埋め込んだ格子構造であ
る。
低い材料を三角形状に配列して埋め込んだ格子構造であ
る。
高い材料をハニカム状に配列して埋め込んだ格子構造で
ある。
た場合には、次のような方法によって屈折率を高くした
り低くしたりすることができる。
GeO2を添加するか(屈折率差0.33〜2%)、ま
たはP2O5を添加する(屈折率差0.33〜1%)。
F(フッ素)を添加するか(屈折率差0.5%)、また
は空孔とする(屈折率差44%)。
を高くしたり低くしたりする方法と、純粋な石英ガラス
とを含む3つの選択肢のうち2つを組み合わせることに
よってフォトニックバンドギャップの格子を構成するこ
とができる。
ることはなく、三角柱(三角孔)、四角柱(四角孔)、
六角柱(六角孔)などの形状としてもよく、いずれの形
状でもフォトニックバンドギャップを実現することがで
きる。
埋め込んで回折格子を構成する場合には、コアの屈折率
を、クラッドの媒質の屈折率と等しくしてもよい。
り、クラッドの外側にさらにジャケットを設けてもよい
が、フォトニックバンドギャップ構造のクラッドがコア
を保護するに十分な強度であれば、ジャケットを特に設
ける必要がなく、十分な強度を有するようにフォトニッ
クバンドギャップ構造のクラッド自体を厚くしてもよ
い。そのような構造とした場合には、コアを除くファイ
バの全ての部分がフォトニックバンドギャップ構造とな
る。
ァイバ製造技術を応用することによって製造可能であ
る。図14に偏波保持ファイバの構造を示す。図14に
おいて、A1はコア、A2は応力付与部、A3はクラッ
ドである。まず、ファイバを線引きする前の光ファイバ
のプリフォームの応力付与部A2に相当する部分に予め
空孔を設ける。次にこの空孔部分に応力付与のための材
料を充填し、その後、プリフォームを線引きすることに
より偏波保持ファイバを製造できる。
法でフォトニックバンドギャップ構造のクラッドを製造
することができる。本発明の場合には、プリフォームの
段階でフォトニックバンドギャップに相当する部分に設
けた空孔を残しておいたまま、次にファイバを線引きす
る。
六角形状のガラス棒を用いて製造する。まず、図15に
示すように、中心部分が空孔であるかまたは屈折率の異
なる物質を充填した六角形状のガラス棒を用意し、次に
このガラス棒を図16に示すように複数本束ねて、断面
をちょうど蜂の巣状にする。そして、蜂の巣状に束ねた
ガラス棒の束を引き延ばすことによって本発明の光ファ
イバを製造することができる。
クラッドの屈折率よりも高くすることによって、入射し
た光をコアに閉じ込めて伝搬する従来の光ファイバとは
異なり、コアの屈折率に依存することなく、フォトニッ
クバンドギャップ構造を有するクラッドを具えた構造に
することによって、光非線形現象の影響や材料分散の影
響を避けることができ、したがって、高速、高パワー光
の伝送に対応することができる。
る。
図である。
図である。
面図である。
る。
面図である。
る。
る。
である。
である。
である。
である。
る。
部分が空孔であるかまたは屈折率の異なる物質を充填し
た六角形状のガラス棒の断面図である。
ラス棒の断面図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 光の波長の数倍程度の領域をもつコア
と、 前記コアの周囲に配置され、フォトニックバンドギャッ
プ構造の回折格子を少なくともコアに隣接する周囲領域
に設けたクラッドとを具え、前記コアの屈折率は前記クラッドの媒質の屈折率よりも
低く、および光は回折格子のブラッグ反射によってのみ
波長が選択的に閉じ込められる ことを特徴とする単一モ
ード光ファイバ。 - 【請求項2】 前記クラッドにおける回折格子が、屈折
率の低い媒質中に屈折率の高い材料を埋め込んだ格子構
造から成ることを特徴とする請求項1に記載の単一モー
ド光ファイバ。 - 【請求項3】 前記クラッドにおける回折格子が、屈折
率の高い媒質中に屈折率の低い材料を埋め込んだ格子構
造から成ることを特徴とする請求項1に記載の単一モー
ド光ファイバ。 - 【請求項4】 光の波長の数倍程度の領域をもち、およ
び中空であるコアと、 前記コアの周囲に配置され、フォトニックバンドギャッ
プ構造の回折格子を少なくともコアに隣接する周囲領域
に設けたクラッドとを具えたことを特徴とする単一モー
ド光ファイバ。 - 【請求項5】 前記クラッドにおける回折格子が、屈折
率の低い媒質中に屈折率の高い材料を埋め込んだ格子構
造から成ることを特徴とする請求項4に記載の単一モー
ド光ファイバ。 - 【請求項6】 前記クラッドにおける回折格子が、屈折
率の高い媒質中に屈折率の低い材料を埋め込んだ格子構
造から成ることを特徴とする請求項4に記載の単一モー
ド光ファイバ。 - 【請求項7】 光の波長の数倍程度の領域をもつコア
と、 前記コアの周囲に配置され、フォトニックバンドギャッ
プ構造の回折格子を少なくともコアに隣接する周囲領域
に設けたクラッドとを具え、 前記コアの屈折率と前記クラッドの媒質の屈折率とが等
しく、および前記クラッドにおける前記回折格子を、屈
折率の低い媒質中に屈折率の高い材料を埋め込んだ格子
構造で構成することを特徴とする単一モード光ファイ
バ。 - 【請求項8】 前記格子構造はマトリクス状の配列であ
ることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の単
一モード光ファイバ。 - 【請求項9】 前記格子構造は三角形状の配列であるこ
とを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の単一モ
ード光ファイバ。 - 【請求項10】 前記格子構造はハニカム形状の配列で
あることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の
単一モード光ファイバ。 - 【請求項11】 前記格子構造はマトリクス状の配列で
あり、および円柱または円孔の格子形状であることを特
徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の単一モード光
ファイバ。 - 【請求項12】 前記格子構造は三角形状の配列であ
り、および円柱または円孔の格子形状であることを特徴
とする請求項1〜7のいずれかに記載の単一モード光フ
ァイバ。 - 【請求項13】 前記格子構造はハニカム形状の配列で
あり、および円柱または円孔の格子形状であることを特
徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の単一モード光
ファイバ。 - 【請求項14】 前記クラッドの全領域は、フォトニッ
クバンドギャップ構造の回折格子から成ることを特徴と
する請求項1〜7のいずれかに記載の単一モード光ファ
イバ。
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JP10-132825 | 1998-05-15 | ||
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ID=27313135
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JP11116360A Expired - Lifetime JP3072842B2 (ja) | 1998-05-07 | 1999-04-23 | 単一モード光ファイバ |
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