JP3842659B2 - 単一モードフォトニックバンドギャップファイバおよびそのガラス母材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信ネットワークに用いられる単一モード光ファイバに関し、特にクラッド部にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を有する単一モードフォトニックバンドギャップファイバおよびそのガラス母材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１８はクラッド部にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を有する従来の光ファイバの断面構造を示す。ここで、３１は光ファイバの中心部に位置するコア、３２はコアの周囲を取り巻くフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を有するフォトニックバンドギャップクラッド、３３は外側の保護用のジャケットである。
【０００３】
図１９は上記フォトニックバンドギャップクラッド３２の詳細構成を示す。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１９に示すように、回折格子の格子定数ｄを、伝搬する媒質内光波長程度に設定することで実現される。
【０００４】
フォトニックバンドギャップを構成する結晶格子の構成としては、図１９の実現例に示したような三角形状の格子以外にもいくつかの構成が考えられる。図２０はフォトニックバンドギャップを構成する結晶格子の構成例を示す。図２０の（Ａ）は、屈折率の低い媒質中に埋め込まれた屈折率の高い正方形状の格子構造を示す。図２０の（Ｂ）は、屈折率の高い媒質中に埋め込まれた屈折率の低い正方形状の格子構造を示す。図２０の（Ｃ）は、屈折率の低い媒質中に埋め込まれた屈折率の高い三角形状の格子構造を示す。図２０の（Ｄ）は、屈折率の高い媒質中に埋め込まれた屈折率の低い三角形状の格子構造を示す。図２０の（Ｅ）は、屈折率の低い媒質中に埋め込まれた屈折率の高いハニカム状（蜂の巣状、亀甲模様状）の格子構造を示す。
【０００５】
また、格子の形状として、図１９や図２０では、円柱または円孔の格子構造を仮定しているが、これも円柱や円孔に限定されることはなく、三角柱または三角孔、四角柱または四角孔、六角柱または六角孔などの形状を有する格子構造においてもフォトニックバンドギャップを実現することが可能である。
【０００６】
参考文献［１］： J. D. Joannopoulous et al., Photonic Crystals, Princeton University Press, pp. 122-126, 1995によれば、これら格子構造では，フォトニックバンドギャップが存在していて、そのために光の閉じ込めが行われることが示されている。
【０００７】
実際に、フォトニックバンドギャップ構造をコアの周囲に設けてクラッドとすると、光はコアに強く閉じ込められる。従って、光をある構造中を導波させたい時には、図１９に示すように、その構造の周囲３２をフォトニックバンドギャップ構造とすることによって、光をその構造内に閉じこめて伝搬させることができる。つまり、このフォトニックバンドギャップ構造３２を光ファイバのコア３１の周囲に配置して、これにより光ファイバのコア３１の中心から半径方向に光が伝搬しないように閉じ込めを行う。
【０００８】
この場合は、図１８に示すように、この光ファイバの断面を見た場合には、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。すなわち、この光ファイバの断面は、（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。
【０００９】
特に、コア部分３１の屈折率を周囲３２の屈折率よりも低くした場合には、光はフォトニックバンドギャップ構造によるブラッグ回折のみによって、コア３１内に閉じ込められる。これは、現在実用に用いられている単一モード光ファイバではコア部分の屈折率がその周囲の屈折率よりも高い構造であり、光は屈折率差による全反射によってコア内に閉じ込められるのと、異なる原理である。
【００１０】
ブラッグ回折を利用した上記原理に基づく光ファイバの実現例は、
参考文献［２］：R. F. Cregan et al., "Single-mode photonic band gap guidance of light in air," Science, vol. 285, pp. 1537-1539, 1999、および参考文献［３］：J. A. West et al., "Demonstration of an IR-optimized air-core photonic band-gap fiber, " Tech. Digest of ECOC 2000, vol. 4, pp. 41-42, 2000で報告されている。
【００１１】
このようなフォトニックバンドギャップ構造をクラッドに用いた光ファイバにおいては、従来の全反射による光ファイバよりもより効果的に高次モードの抑圧を行うことが可能であり、また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などの優れた利点がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなフォトニックバンドギャップを有する従来の光ファイバを実際に高速光通信に用いようとする場合には、以下に示すような課題が発生する。
【００１３】
上記の参考文献［２］の図２０の（Ｄ）および参考文献［３］の図１８に示すファイバの構造においては、ガラスに正三角形状に配列された空孔格子を形成し、コア部分の７個の空孔を取り除いて、この部分を空気コアとした形状となっている。ここで問題は、この構造の光ファイバに光を導波させる場合に、基底モードがコア中心にピークを有する同心円状のモードではないという点である。下記の表１は有限要素法を用いてこの構造に存在可能な光電界分布の固有モードを固有値が高い順に示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】
上記の表１の中で、Ｅで定義される量は、
Ｅ＝（コア中心部の光強度）／（ファイバ全体中で光強度最大となる光強度）…（１）
である。すなわち、Ｅ＝１となるモードはコア中心にピークを有する同心円状のモードである。
【００１６】
表１を見ると、基底モードのコア中心部の光強度は、ファイバ幅で最大にはならない。現在実用に用いられている単一モード光ファイバでは、基底モードはコアの中心をピークとする同心円状のモードであるのに対して、表１は異なったモード分布となっている。通常、単一モード光ファイバなどの光導波路に光信号を伝搬させる場合には、モードの安定性の観点から、基底モードが用いられる。これは、基底モードがエネルギー的に最も安定であり、かつ光強度の導波路内分布が単純であるために接続などが容易であるからである。この基底モードのみが伝搬可能な導波路構造にすることによって、安定な光信号の伝搬が可能である。
【００１７】
ところが、従来例のフォトニックバンドギャップを有する光ファイバにおいては、コアの中心をピークとする同心円状のモードは高次モードとなるため（表１では、第１２高調波）、このモードが伝搬可能なファイバは必然的に多モードファイバとならざるを得ない。多モードファイバ中に高速光信号を伝搬させると、多モード分散による光信号波形の劣化が生じて、信号の速度を上げることができない、およびファイバの接続損失が増加するなどの点が生じていた。
【００１８】
一方、基底モードがコアの中心をピークとする同心円状のモードであるフォトニックバンドギャップを有する光ファイバの構造が、参考文献［４］：牛島他；「フォトニック結晶ファイバの導波モード評価」１９９８年電子情報通信学会総合大会Ｎo. C-3-121、ｐ287 で提案されている。
【００１９】
図２１は参考文献［４］で提案された光ファイバの断面構造を示す。この光ファイバは、空気穴状の中空のコアと、ガラスロッドを格子状に配置したクラッドとからなる。
【００２０】
しかしながら、図２１に示す構造のものは、空気中にガラスロッドが浮いた状態の構造のものであり、ガラスロッドを格子位置に保持する機構を有しない、あくまでシミュレーション用の架空の構造であって、現実に本構造を実現することはできない。
【００２１】
本発明は、上述の従来技術の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、既存の光通信網への接続が容易となり、従来のガラスコアでは光の伝搬が困難である波長領域や、入力光強度に対する緩和などが得られる単一モードフォトニックバンドギャップファイバおよびそのガラス母材を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記参考文献［４］の格子構造の特徴である、基底モードがコアの中心をピークとする同心円状のモードであるフォトニックバンドギャップを有する光ファイバの構造を現実に実現する手段として、その各格子位置に存在するブラック回折格子を形成するための空孔群を設けたことを特徴とする。
【００２３】
即ち、上記目的を達成するため、本発明の単一モードフォトニックバンドギャップファイバは、伝播する光の波長の数倍程度の領域をもつコア部と、前記コア部の周囲に配置されて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前記コア部に隣接する周囲領域に設けたクラッド部とを有し、かつ前記回折格子はブラッグ回折格子を形成するために規則的に配置された複数の格子部からなり、各前記格子部は前記クラッド部に穿たれてかつ光ファイバの長手方向にのびる空孔によって構成される単一モード光ファイバであって、各前記格子部は光ファイバ断面において一辺の長さがｄである正六角形を基本格子とするハニカム形状であり、前記基本格子の一つは中空の前記コア部を有し、前記空孔として７個の空孔の集合からなる第１種の空孔群と単一の空孔とを有し、光ファイバ断面において、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた頂点にのみ前記第１種の空孔群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた頂点にのみに前記単一の空孔が配置されたことを特徴とする。
【００２８】
また、好ましくは、前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた前記基本格子の中心のみに前記第２種の空孔群が配置される。
【００２９】
また、好ましくは、前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心に前記第２種の空孔群が配置される。
【００３０】
また、好ましくは、前記空孔として７個の空孔の集合からなる第１種の空孔群と単一の空孔とを有し、光ファイバ断面において、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた中心にのみ前記第１種の空孔群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた中心にのみに前記単一の空孔が配置される。
【００３１】
また、好ましくは、前記空孔として７個の空孔の集合からなる第１種の空孔群を有し、前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心に前記第１種の空孔群が配置される。
【００３２】
また、好ましくは、前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、前記コア部を除く全ての前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた前記基本格子の頂点のみに前記第２種の空孔群が配置される。
【００３３】
また、好ましくは、前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、前記コア部を除く全ての前記基本格子の正六角形の頂点に前記第２種の空孔群が配置される。
【００３４】
また、好ましくは、前記コアと前記コアに隣接する空孔との間隙、および／または前記コアと前記第１種の空孔群および／または前記第２種の空孔群との間隙に更に空孔が配置される。
【００３５】
上記目的を達成するため、本発明の単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材は、単一モード光ファイバを形成するガラス母材であって、前記ガラス母材は、コア部に配置されたコア用中空ガラス棒と、前記コア部の周囲に前記コア用中空ガラス棒と並列に配置された複数の中空または中実のガラス棒とにより構成され、前記ガラス母材の断面において前記中空または中実のガラス棒の中心が一辺の長さがｄである正六角形の基本格子の頂点または中央に配置され、前記基本格子の一つは前記コア部を有すること、かつ７本の中空ガラス棒の集合体である中空ガラス棒群と、７本の中実ガラス棒の集合体である中実ガラス棒群とを有し、前記ガラス母材の断面において、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた頂点のみに前記中空ガラス棒群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた頂点のみに単一の中空ガラス棒が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた中心のみに前記中実ガラス棒群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた中心のみに単一の中実ガラス棒が配置されたことを特徴とする。
【００４０】
また、好ましくは、前記中実ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換える。
【００４１】
また、好ましくは、前記中空ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換える。
【００４２】
上記目的を達成するため、本発明の単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材の別の態様は、単一モード光ファイバを形成するガラス母材であって、前記ガラス母材は、コア部に配置されたコア用中空ガラス棒と、前記コア部の周囲に前記コア用中空ガラス棒と並列に配置された複数の中空または中実のガラス棒とにより構成され、前記ガラス母材の断面において前記中空または中実のガラス棒の中心が一辺の長さがｄである正六角形の基本格子の頂点または中央に配置され、前記基本格子の一つは前記コア部を有すること、かつ７本の中空ガラス棒の集合体である中空ガラス棒群と、７本の中実ガラス棒の集合体である中実ガラス棒群とを有し、前記ガラス母材の断面において、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた中心のみに前記中空ガラス棒群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた中心のみに単一の中空ガラス棒が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた頂点のみに前記中実ガラス棒群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた頂点のみに単一の中実ガラス棒が配置されたことを特徴とする。
【００４３】
また、好ましくは、７本の中空ガラス棒の集合体である中空ガラス棒群と、７本の中実ガラス棒の集合体である中実ガラス棒群とを有し、前記ガラス母材の断面において前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心に前記中空ガラス棒群が配置され、前記ガラス母材の断面において前記コア部を除く全ての前記基本格子の正六角形の頂点に前記中実ガラス棒群が配置される。
【００４４】
また、好ましくは、前記中実ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換える。
【００４５】
また、好ましくは、前記中空ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換える。
【００４６】
また、好ましくは、前記コア部に隣接する前記中空ガラス棒、および／または前記中実ガラス棒と前記コア用中空ガラス棒とに接するように、中空ガラス棒を更に配置する。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００４８】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。図２はその光ファイバの全体の外観を示す。ここで、１は単一モード光ファイバの中心部に位置するコア部である。コア部１は中空になっていて、伝播する光の波長の数倍程度の領域をもつ。４はコア部１の周囲に配置されたクラッド部である。クラッド部４には光ファイバの長手方向にのびる多数の穴（以下、空孔と称する）２が開いており、光ファイバの断面を見ると、図２に示すように、蓮根状になっている。
【００４９】
クラッド部４の空孔２の位置は無秩序ではなく、図１に示すように、一辺の長さがｄである正六角形を基本格子３とするハニカム形状であって、このような空孔２の規則的な配置によりフォトニックバンドギャップ構造のブラッグ回折格子を構成している。各基本格子３は、伝搬する光の波長の１／２に等しい格子間隔を有し、その基本格子の一つは中空のコア部１を含み、代表例としては、図１に示すように、コア部１を除く全ての基本格子３の正六角形の各頂点に空孔２が設けられている。
【００５０】
また、上記のように正六角形の各頂点に空孔２を設ける代わりに、図３に示すように、コア部１を除く全ての基本格子３の中央位置に空孔５を設けても、同様な効果が期待できる。
【００５１】
コア部１は中空であるので、その屈折率（空気であるので、１．０）はその周囲の空孔２の壁を構成するクラッド部４の屈折率（シリカの場合は、１．４５）よりも低い。これにより、光はフォトニックバンドギャップ構造によるブラッグ回折のみによって、コア部１内に閉じ込められる。そのとき、安定した基底モードを、コアの中心をピークとする同心円状のモードと一致させることができるため、現在実用されている単一モード光ファイバと同じようなモード分布およびモードの安定性で光に対する閉じ込めを行うことができる。
【００５２】
このように、本発明における基本的な光の閉じ込め効果は参考文献［４］について説明した従来技術と同じである。本発明の内容の主要部分は、フォトニックバンドギャップクラッドの格子の構成にある。
【００５３】
（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。図５はその光ファイバの要部の外観を示す。本実施形態では、クラッド部４の穴（空孔）の直径が大小２種類ある。即ち、大きい空孔２は単独でクラッドに穿たれ、小さい空孔２１は７つ集まってクラッドに穿たれる。この小さな７つの空孔２１の集合２２を、本願では第１種の空孔群と呼ぶ。大きい空孔２は図１で示した第１の実施形態と同様な配置で穿たれる。しかし、図４に示すように、その一部が、または、図６に示すように、その全部が、第１種の空孔群２２で置き換えられる。
【００５４】
さらに詳しくは、第１種の空孔群２２は、一辺の長さがｄである正六角形を基本格子３とするその正六角形の頂点であって、コア部１の中心から２×ｄ以上離れた頂点のみに配置される。そして、図４は、コア部を１除く基本格子の頂点のうちコア部１の中心から２×ｄ離れた頂点のみに第１種の空孔群２２が配置された例を示し、図６はコア部１を除く全て基本格子の頂点に第１種の空孔群２２が配置された例を示している。
【００５５】
（第３の実施形態）
図７および図８はそれぞれ本発明の第３の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。本実施形態では、７つの小さな空孔２１の集合である上記の第１種の空孔群２２の他に、６つの小さな空孔２１の集合２３も用いる。この６つの小さな空孔２１の集合を本願では第２種の空孔群と呼ぶ。大きい空孔２は図１で示した第１の実施形態と同様な配置で穿たれる。しかし、図７に示すように、その一部が、または、図８に示すように、その全部が、第１種の空孔群２２と第２種の空孔群２３の組み合わせで置き換えられる。
【００５６】
さらに詳しくは、第２種の空孔群２３は、第１種の空孔群２２と同様に、一辺の長さがｄである正六角形を基本格子３とするその正六角形の頂点であって、コア部１の中心から２×ｄ以上離れた頂点のみに配置される。そして、図７は、コア部を１除く基本格子の頂点のうちコア部１の中心から２×ｄ離れた頂点のみに第１種の空孔群２２と第２種の空孔群２３とが交互に配置された例を示し、図８はコア部１を除く全て基本格子の頂点に、第１種の空孔群２２と第２種の空孔群２３とが交互に配置された例を示している。
【００５７】
（第４の実施形態）
図９および図１０はそれぞれ本発明の第４の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。図９は、前述の図３に示した、コア部１を除く全ての基本格子３の中央位置に大きな空孔５を設けた構成において、コア部を１除く基本格子の中心のうちコア部１の中心から２×ｄ離れた中心のみに第１種の空孔群２２を置き換えた例を示している。第１種の空孔群２２の代わりに、第２種の空孔群２３を配置してもよい。
【００５８】
図１０は、同じく前述の図３に示した、コア部１を除く全ての基本格子３の中央位置に大きな空孔５を設けた構成において、コア部を１除く基本格子３の中心と頂点のうちコア部１の中心から２×ｄ離れた中心と頂点のみに第１種の空孔群２２と第２種の空孔群２３を配置した例を示している。図１０の例では、第１種の空孔群２２は基本格子３の中心に配置し、第２種の空孔群２３は基本格子３の頂点に配置しているが、この配置関係を入れ替えてもよい。
【００５９】
（第５の実施形態）
図１１および図１２はそれぞれ本発明の第５の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。図１３はその光ファイバのガラス母材の外観を示す。本実施形態はガラス母材により本発明に係る単一モードフォトニックバンドギャップファイバを形成する場合を例示している。ここで、１１はコア部に配置されたコア用中空ガラス棒（コア用ガラス管）である。２４はコア部のコア用中空ガラス棒１１の周囲に並列に配置された複数の中空のガラス棒（ガラス管）である。２５はコア部のコア用中空ガラス棒１１の周囲に並列に配置された複数の中実のガラス棒（ガラスロッド）である。
【００６０】
これらガラス棒２４、２５の配置は無秩序ではなく、図１１〜図１３に示すように、ガラス母材の断面において中空または中実のガラス棒２４、２５の中心が、一辺の長さがｄである正六角形の基本格子とするハニカム構造を成すように配置され、その基本格子の一つはコア部のコア用中空ガラス棒１１を含んでいる。
【００６１】
図１１の構成では、コア部を除く全ての基本格子の頂点に中空のガラス棒２４を配置し、コア部を除く全ての基本格子の中心に中実のガラス棒２５を配置している。
【００６２】
図１２の構成では、図１１の構成とは逆に、コア部を除く全ての基本格子の頂点に中実のガラス棒２５を配置し、コア部を除く全ての基本格子の中心に中空のガラス棒２４を配置している。
【００６３】
（第６の実施形態）
図１４および図１５はそれぞれガラス母材を用いた本発明の第６の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。ここで、２６は小さな７つの中空のガラス棒からなる中空ガラス棒群であり、２７は小さな７つの中実のガラス棒からなる中実ガラス棒群である。
【００６４】
図１４では、コア部のコア用中空ガラス棒１１の中心から一辺の長さがｄである正六角形を基本格子３とするその正六角形の頂点であって、コア用中空ガラス棒１１の中心から２×ｄ離れた頂点のみに中空ガラス棒群２６が配置され、その正六角形の中心であって、コア用中空ガラス棒１１の中心から２×ｄ離れた中心のみに中実ガラス棒群２７が配置されている例を示している。
【００６５】
それ以外のコア用中空ガラス棒１１の中心から２×ｄよりも離れた基本格子３の頂点と中心には、図１１の配置構成と同様に、全ての基本格子の頂点に中空のガラス棒２４を配置し、全ての基本格子の中心に中実のガラス棒２５を配置している。これに代えて、図１２の配置構成と同様に、全ての基本格子の中心に中空のガラス棒２４を配置し、全ての基本格子の頂点に中実のガラス棒２５を配置してもよい。
【００６６】
これに対し、図１５の構成では、コア部を除く全て基本格子の頂点に中空のガラス棒群２６を配置し、コア部を除く全て基本格子の中心に中実のガラス棒群２７を配置している。
【００６７】
また、図示していないが、コア部を除く全て基本格子の中心に中空のガラス棒群２６を配置し、コア部を除く全て基本格子の頂点に中実のガラス棒群２７を配置してもよい。つまり、前述の図１２の配置構成で、中空のガラス棒２４を中空のガラス棒群２６に置き換え、中実のガラス棒２５を中実のガラス棒群２７に置き換えることができる。
【００６８】
（第７の実施形態）
図１６および図１７はそれぞれガラス母材を用いた本発明の第７の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。ここで、２８は中心に小さな１個の中実ガラス棒とその周囲に小さな６個の中空ガラス棒とで構成した混合ガラス棒群である。
【００６９】
図１６の構成は前述の図１４の配置構成において中実ガラス棒群２７を混合ガラス棒群２８で置き換えたものである。
【００７０】
また、図１７の構成は前述の図１５の配置構成において中実ガラス棒群２７を混合ガラス棒群２８で置き換えたものである。
【００７１】
（その他の実施形態）
上述した本発明の実施形態の構造の光ファイバは、たとえば、内径の大きいガラス管の内側に、細いガラス管を多数充填する方法によって作製することが出来る。また、たとえばガラス母材の所定の位置に穴を穿つ方法によっても作製できるが、もちろんその組み合わせやその他の方法によって作製してもかまわない。
【００７２】
また、上述した本発明の第５〜第７の実施形態において、コア部に隣接する中空ガラス棒または中実ガラス棒とコア用中空ガラス棒とに接するように、中空ガラス棒（図示しない）を更に配置してもよい。
【００７３】
また、第２〜第４の実施形態において、コアとコアに隣接する空孔との間隙、および／またはコアと第１種の空孔群および／または第２種の空孔群との間隙に更に空孔を配置してもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安定した基底モードを、コアの中心をピークとする同心円状のモードと一致させることができるため、現在実用されている単一モード光ファイバと同じようなモード分布およびモードの安定性で光に対する閉じ込めを行うことができる。
【００７５】
このため、本発明によれば、既存の光通信網への接続が容易になることに加えて、コアが中空であるため、ガラスコアでは光の伝搬が困難である波長領域や、入力光強度の緩和などが期待でき、光通信や光機能部品に用いられることによって極めて大きな効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コア部を除く全ての基本格子の各頂点に空孔を設けた本発明の第１の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図２】図１の光ファイバの全体の外観を示す概略斜視図である。
【図３】コア部を除く全ての基本格子の中央位置に空孔を設けた本発明の第１の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図４】図１の空孔のうちコア部に近い空孔をそれぞれ７つの小さな空孔からなる第１種の空孔群に置き換えた本発明の第２の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図５】図４の光ファイバの要部の外観を示す概略斜視図である。
【図６】コア部を除く全ての基本格子の頂点に第１種の空孔群を配置した本発明の第２の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図７】図４の構成に加えて、コア部の基本格子に隣接したそれぞれの基本格子の中心に６つの小さな空孔からなる第２種の空孔群を配置した本発明の第３の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図８】図６の第１種の空孔群の一部を第２種の空孔群に置き換えた本発明の第３の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図９】図３の空孔のうちコア部を除くコア部に近い基本格子の中心の空孔を、第１種の空孔群に置き換えた本発明の第４の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１０】図９の構成に第２種の空孔群を加えた本発明の第４の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１１】コア部を除く全て基本格子の頂点に中空ガラス棒、それら基本格子の中央位置に中実ガラス棒を配置した本発明の第５の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１２】コア部を除く全て基本格子の中央位置に中空ガラス棒、またそれら基本格子の頂点に中実ガラス棒を配置した本発明の第５の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１３】図１１、図１２に示す光ファイバのガラス母材の外観を示す斜視図である。
【図１４】図１１の一部を、複数の小径の中空ガラス棒からなる中空ガラス棒群と複数の小径の中実ガラス棒からなる中実ガラス群で置き換えた本発明の第６の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１５】図１１の全ての中空ガラス棒を複数の小径の中空ガラス棒からなる中空ガラス棒群に、全ての中実ガラス棒を複数の小径の中実ガラス棒からなる中実ガラス群に置き換えた本発明の第６の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１６】図１４の中実ガラス棒群を小径の中空ガラス棒と小径の中実ガラス棒の混合からなる混合ガラス棒群に置き換えた本発明の第７の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１７】図１５の中実ガラス棒群を混合ガラス棒群に置き換えた本発明の第７の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１８】クラッド部にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を有する従来の光ファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１９】従来の光ファイバのフォトニックバンドギャップの構成を示す拡大図である。
【図２０】フォトニックバンドギャップを構成する結晶格子の構成例を示す概略図である。
【図２１】基底モードがコアの中心をピークとする同心円状のモードであるフォトニックバンドギャップを有する光ファイバの構造を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 中空のコア部
２ 空孔（大きな空孔）
３ 基本格子
４ フラッド部
５ 空孔（大きな空孔）
１１ コア用中空ガラス棒（コア用ガラス管）
２１ 小さな空孔
２２ 第１種の空孔群
２３ 第２種の空孔群
２４ 中空のガラス棒（ガラス管）
２５ 中実のガラス棒（ガラスロッド）
２６ 中空のガラス棒群
２７ 中実のガラス棒群
２８ 混合ガラス棒群
３１ コア
３２ フォトニックバンドギャップクラッド
３３ 保護用のジャケット
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信ネットワークに用いられる単一モード光ファイバに関し、特にクラッド部にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を有する単一モードフォトニックバンドギャップファイバおよびそのガラス母材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１８はクラッド部にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を有する従来の光ファイバの断面構造を示す。ここで、３１は光ファイバの中心部に位置するコア、３２はコアの周囲を取り巻くフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を有するフォトニックバンドギャップクラッド、３３は外側の保護用のジャケットである。
【０００３】
図１９は上記フォトニックバンドギャップクラッド３２の詳細構成を示す。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１９に示すように、回折格子の格子定数ｄを、伝搬する媒質内光波長程度に設定することで実現される。
【０００４】
フォトニックバンドギャップを構成する結晶格子の構成としては、図１９の実現例に示したような三角形状の格子以外にもいくつかの構成が考えられる。図２０はフォトニックバンドギャップを構成する結晶格子の構成例を示す。図２０の（Ａ）は、屈折率の低い媒質中に埋め込まれた屈折率の高い正方形状の格子構造を示す。図２０の（Ｂ）は、屈折率の高い媒質中に埋め込まれた屈折率の低い正方形状の格子構造を示す。図２０の（Ｃ）は、屈折率の低い媒質中に埋め込まれた屈折率の高い三角形状の格子構造を示す。図２０の（Ｄ）は、屈折率の高い媒質中に埋め込まれた屈折率の低い三角形状の格子構造を示す。図２０の（Ｅ）は、屈折率の低い媒質中に埋め込まれた屈折率の高いハニカム状（蜂の巣状、亀甲模様状）の格子構造を示す。
【０００５】
また、格子の形状として、図１９や図２０では、円柱または円孔の格子構造を仮定しているが、これも円柱や円孔に限定されることはなく、三角柱または三角孔、四角柱または四角孔、六角柱または六角孔などの形状を有する格子構造においてもフォトニックバンドギャップを実現することが可能である。
【０００６】
参考文献［１］： J. D. Joannopoulous et al., Photonic Crystals, Princeton University Press, pp. 122-126, 1995によれば、これら格子構造では，フォトニックバンドギャップが存在していて、そのために光の閉じ込めが行われることが示されている。
【０００７】
実際に、フォトニックバンドギャップ構造をコアの周囲に設けてクラッドとすると、光はコアに強く閉じ込められる。従って、光をある構造中を導波させたい時には、図１９に示すように、その構造の周囲３２をフォトニックバンドギャップ構造とすることによって、光をその構造内に閉じこめて伝搬させることができる。つまり、このフォトニックバンドギャップ構造３２を光ファイバのコア３１の周囲に配置して、これにより光ファイバのコア３１の中心から半径方向に光が伝搬しないように閉じ込めを行う。
【０００８】
この場合は、図１８に示すように、この光ファイバの断面を見た場合には、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。すなわち、この光ファイバの断面は、（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。
【０００９】
特に、コア部分３１の屈折率を周囲３２の屈折率よりも低くした場合には、光はフォトニックバンドギャップ構造によるブラッグ回折のみによって、コア３１内に閉じ込められる。これは、現在実用に用いられている単一モード光ファイバではコア部分の屈折率がその周囲の屈折率よりも高い構造であり、光は屈折率差による全反射によってコア内に閉じ込められるのと、異なる原理である。
【００１０】
ブラッグ回折を利用した上記原理に基づく光ファイバの実現例は、
参考文献［２］：R. F. Cregan et al., "Single-mode photonic band gap guidance of light in air," Science, vol. 285, pp. 1537-1539, 1999、および参考文献［３］：J. A. West et al., "Demonstration of an IR-optimized air-core photonic band-gap fiber, " Tech. Digest of ECOC 2000, vol. 4, pp. 41-42, 2000で報告されている。
【００１１】
このようなフォトニックバンドギャップ構造をクラッドに用いた光ファイバにおいては、従来の全反射による光ファイバよりもより効果的に高次モードの抑圧を行うことが可能であり、また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などの優れた利点がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなフォトニックバンドギャップを有する従来の光ファイバを実際に高速光通信に用いようとする場合には、以下に示すような課題が発生する。
【００１３】
上記の参考文献［２］の図２０の（Ｄ）および参考文献［３］の図１８に示すファイバの構造においては、ガラスに正三角形状に配列された空孔格子を形成し、コア部分の７個の空孔を取り除いて、この部分を空気コアとした形状となっている。ここで問題は、この構造の光ファイバに光を導波させる場合に、基底モードがコア中心にピークを有する同心円状のモードではないという点である。下記の表１は有限要素法を用いてこの構造に存在可能な光電界分布の固有モードを固有値が高い順に示す。
【００１４】
【表１】
上記の表１の中で、Ｅで定義される量は、
Ｅ＝（コア中心部の光強度）／（ファイバ全体中で光強度最大となる光強度）…（１）
である。すなわち、Ｅ＝１となるモードはコア中心にピークを有する同心円状のモードである。
【００１６】
表１を見ると、基底モードのコア中心部の光強度は、ファイバ幅で最大にはならない。現在実用に用いられている単一モード光ファイバでは、基底モードはコアの中心をピークとする同心円状のモードであるのに対して、表１は異なったモード分布となっている。通常、単一モード光ファイバなどの光導波路に光信号を伝搬させる場合には、モードの安定性の観点から、基底モードが用いられる。これは、基底モードがエネルギー的に最も安定であり、かつ光強度の導波路内分布が単純であるために接続などが容易であるからである。この基底モードのみが伝搬可能な導波路構造にすることによって、安定な光信号の伝搬が可能である。
【００１７】
ところが、従来例のフォトニックバンドギャップを有する光ファイバにおいては、コアの中心をピークとする同心円状のモードは高次モードとなるため（表１では、第１２高調波）、このモードが伝搬可能なファイバは必然的に多モードファイバとならざるを得ない。多モードファイバ中に高速光信号を伝搬させると、多モード分散による光信号波形の劣化が生じて、信号の速度を上げることができない、およびファイバの接続損失が増加するなどの点が生じていた。
【００１８】
一方、基底モードがコアの中心をピークとする同心円状のモードであるフォトニックバンドギャップを有する光ファイバの構造が、参考文献［４］：牛島他；「フォトニック結晶ファイバの導波モード評価」１９９８年電子情報通信学会総合大会Ｎo. C-3-121、ｐ287 で提案されている。
【００１９】
図２１は参考文献［４］で提案された光ファイバの断面構造を示す。この光ファイバは、空気穴状の中空のコアと、ガラスロッドを格子状に配置したクラッドとからなる。
【００２０】
しかしながら、図２１に示す構造のものは、空気中にガラスロッドが浮いた状態の構造のものであり、ガラスロッドを格子位置に保持する機構を有しない、あくまでシミュレーション用の架空の構造であって、現実に本構造を実現することはできない。
【００２１】
本発明は、上述の従来技術の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、既存の光通信網への接続が容易となり、従来のガラスコアでは光の伝搬が困難である波長領域や、入力光強度に対する緩和などが得られる単一モードフォトニックバンドギャップファイバおよびそのガラス母材を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記参考文献［４］の格子構造の特徴である、基底モードがコアの中心をピークとする同心円状のモードであるフォトニックバンドギャップを有する光ファイバの構造を現実に実現する手段として、その各格子位置に存在するブラック回折格子を形成するための空孔群を設けたことを特徴とする。
【００２３】
即ち、上記目的を達成するため、本発明の単一モードフォトニックバンドギャップファイバは、伝播する光の波長の数倍程度の領域をもつコア部と、前記コア部の周囲に配置されて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前記コア部に隣接する周囲領域に設けたクラッド部とを有し、かつ前記回折格子はブラッグ回折格子を形成するために規則的に配置された複数の格子部からなり、各前記格子部は前記クラッド部に穿たれてかつ光ファイバの長手方向にのびる空孔によって構成される単一モード光ファイバであって、各前記格子部は光ファイバ断面において一辺の長さがｄである正六角形を基本格子とするハニカム形状であり、前記基本格子の一つは中空の前記コア部を有し、前記空孔として７個の空孔の集合からなる第１種の空孔群と単一の空孔とを有し、光ファイバ断面において、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた頂点にのみ前記第１種の空孔群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた頂点にのみに前記単一の空孔が配置されたことを特徴とする。
【００２８】
また、好ましくは、前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた前記基本格子の中心のみに前記第２種の空孔群が配置される。
【００２９】
また、好ましくは、前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心に前記第２種の空孔群が配置される。
【００３０】
また、好ましくは、前記空孔として７個の空孔の集合からなる第１種の空孔群と単一の空孔とを有し、光ファイバ断面において、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた中心にのみ前記第１種の空孔群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた中心にのみに前記単一の空孔が配置される。
【００３１】
また、好ましくは、前記空孔として７個の空孔の集合からなる第１種の空孔群を有し、前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心に前記第１種の空孔群が配置される。
【００３２】
また、好ましくは、前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、前記コア部を除く全ての前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた前記基本格子の頂点のみに前記第２種の空孔群が配置される。
【００３３】
また、好ましくは、前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、前記コア部を除く全ての前記基本格子の正六角形の頂点に前記第２種の空孔群が配置される。
【００３４】
また、好ましくは、前記コアと前記コアに隣接する空孔との間隙、および／または前記コアと前記第１種の空孔群および／または前記第２種の空孔群との間隙に更に空孔が配置される。
【００３５】
上記目的を達成するため、本発明の単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材は、単一モード光ファイバを形成するガラス母材であって、前記ガラス母材は、コア部に配置されたコア用中空ガラス棒と、前記コア部の周囲に前記コア用中空ガラス棒と並列に配置された複数の中空または中実のガラス棒とにより構成され、前記ガラス母材の断面において前記中空または中実のガラス棒の中心が一辺の長さがｄである正六角形の基本格子の頂点または中央に配置され、前記基本格子の一つは前記コア部を有すること、かつ７本の中空ガラス棒の集合体である中空ガラス棒群と、７本の中実ガラス棒の集合体である中実ガラス棒群とを有し、前記ガラス母材の断面において、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた頂点のみに前記中空ガラス棒群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた頂点のみに単一の中空ガラス棒が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた中心のみに前記中実ガラス棒群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた中心のみに単一の中実ガラス棒が配置されたことを特徴とする。
【００４０】
また、好ましくは、前記中実ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換える。
【００４１】
また、好ましくは、前記中空ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換える。
【００４２】
上記目的を達成するため、本発明の単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材の別の態様は、単一モード光ファイバを形成するガラス母材であって、前記ガラス母材は、コア部に配置されたコア用中空ガラス棒と、前記コア部の周囲に前記コア用中空ガラス棒と並列に配置された複数の中空または中実のガラス棒とにより構成され、前記ガラス母材の断面において前記中空または中実のガラス棒の中心が一辺の長さがｄである正六角形の基本格子の頂点または中央に配置され、前記基本格子の一つは前記コア部を有すること、かつ７本の中空ガラス棒の集合体である中空ガラス棒群と、７本の中実ガラス棒の集合体である中実ガラス棒群とを有し、前記ガラス母材の断面において、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた中心のみに前記中空ガラス棒群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた中心のみに単一の中空ガラス棒が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた頂点のみに前記中実ガラス棒群が配置され、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた頂点のみに単一の中実ガラス棒が配置されたことを特徴とする。
【００４３】
また、好ましくは、７本の中空ガラス棒の集合体である中空ガラス棒群と、７本の中実ガラス棒の集合体である中実ガラス棒群とを有し、前記ガラス母材の断面において前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心に前記中空ガラス棒群が配置され、前記ガラス母材の断面において前記コア部を除く全ての前記基本格子の正六角形の頂点に前記中実ガラス棒群が配置される。
【００４４】
また、好ましくは、前記中実ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換える。
【００４５】
また、好ましくは、前記中空ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換える。
【００４６】
また、好ましくは、前記コア部に隣接する前記中空ガラス棒、および／または前記中実ガラス棒と前記コア用中空ガラス棒とに接するように、中空ガラス棒を更に配置する。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００４８】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。図２はその光ファイバの全体の外観を示す。ここで、１は単一モード光ファイバの中心部に位置するコア部である。コア部１は中空になっていて、伝播する光の波長の数倍程度の領域をもつ。４はコア部１の周囲に配置されたクラッド部である。クラッド部４には光ファイバの長手方向にのびる多数の穴（以下、空孔と称する）２が開いており、光ファイバの断面を見ると、図２に示すように、蓮根状になっている。
【００４９】
クラッド部４の空孔２の位置は無秩序ではなく、図１に示すように、一辺の長さがｄである正六角形を基本格子３とするハニカム形状であって、このような空孔２の規則的な配置によりフォトニックバンドギャップ構造のブラッグ回折格子を構成している。各基本格子３は、伝搬する光の波長の１／２に等しい格子間隔を有し、その基本格子の一つは中空のコア部１を含み、代表例としては、図１に示すように、コア部１を除く全ての基本格子３の正六角形の各頂点に空孔２が設けられている。
【００５０】
また、上記のように正六角形の各頂点に空孔２を設ける代わりに、図３に示すように、コア部１を除く全ての基本格子３の中央位置に空孔５を設けても、同様な効果が期待できる。
【００５１】
コア部１は中空であるので、その屈折率（空気であるので、１．０）はその周囲の空孔２の壁を構成するクラッド部４の屈折率（シリカの場合は、１．４５）よりも低い。これにより、光はフォトニックバンドギャップ構造によるブラッグ回折のみによって、コア部１内に閉じ込められる。そのとき、安定した基底モードを、コアの中心をピークとする同心円状のモードと一致させることができるため、現在実用されている単一モード光ファイバと同じようなモード分布およびモードの安定性で光に対する閉じ込めを行うことができる。
【００５２】
このように、本発明における基本的な光の閉じ込め効果は参考文献［４］について説明した従来技術と同じである。本発明の内容の主要部分は、フォトニックバンドギャップクラッドの格子の構成にある。
【００５３】
（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。図５はその光ファイバの要部の外観を示す。本実施形態では、クラッド部４の穴（空孔）の直径が大小２種類ある。即ち、大きい空孔２は単独でクラッドに穿たれ、小さい空孔２１は７つ集まってクラッドに穿たれる。この小さな７つの空孔２１の集合２２を、本願では第１種の空孔群と呼ぶ。大きい空孔２は図１で示した第１の実施形態と同様な配置で穿たれる。しかし、図４に示すように、その一部が、または、図６に示すように、その全部が、第１種の空孔群２２で置き換えられる。
【００５４】
さらに詳しくは、第１種の空孔群２２は、一辺の長さがｄである正六角形を基本格子３とするその正六角形の頂点であって、コア部１の中心から２×ｄ以上離れた頂点のみに配置される。そして、図４は、コア部を１除く基本格子の頂点のうちコア部１の中心から２×ｄ離れた頂点のみに第１種の空孔群２２が配置された例を示し、図６はコア部１を除く全て基本格子の頂点に第１種の空孔群２２が配置された例を示している。
【００５５】
（第３の実施形態）
図７および図８はそれぞれ本発明の第３の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。本実施形態では、７つの小さな空孔２１の集合である上記の第１種の空孔群２２の他に、６つの小さな空孔２１の集合２３も用いる。この６つの小さな空孔２１の集合を本願では第２種の空孔群と呼ぶ。大きい空孔２は図１で示した第１の実施形態と同様な配置で穿たれる。しかし、図７に示すように、その一部が、または、図８に示すように、その全部が、第１種の空孔群２２と第２種の空孔群２３の組み合わせで置き換えられる。
【００５６】
さらに詳しくは、第２種の空孔群２３は、第１種の空孔群２２と同様に、一辺の長さがｄである正六角形を基本格子３とするその正六角形の頂点であって、コア部１の中心から２×ｄ以上離れた頂点のみに配置される。そして、図７は、コア部を１除く基本格子の頂点のうちコア部１の中心から２×ｄ離れた頂点のみに第１種の空孔群２２と第２種の空孔群２３とが交互に配置された例を示し、図８はコア部１を除く全て基本格子の頂点に、第１種の空孔群２２と第２種の空孔群２３とが交互に配置された例を示している。
【００５７】
（第４の実施形態）
図９および図１０はそれぞれ本発明の第４の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。図９は、前述の図３に示した、コア部１を除く全ての基本格子３の中央位置に大きな空孔５を設けた構成において、コア部を１除く基本格子の中心のうちコア部１の中心から２×ｄ離れた中心のみに第１種の空孔群２２を置き換えた例を示している。第１種の空孔群２２の代わりに、第２種の空孔群２３を配置してもよい。
【００５８】
図１０は、同じく前述の図３に示した、コア部１を除く全ての基本格子３の中央位置に大きな空孔５を設けた構成において、コア部を１除く基本格子３の中心と頂点のうちコア部１の中心から２×ｄ離れた中心と頂点のみに第１種の空孔群２２と第２種の空孔群２３を配置した例を示している。図１０の例では、第１種の空孔群２２は基本格子３の中心に配置し、第２種の空孔群２３は基本格子３の頂点に配置しているが、この配置関係を入れ替えてもよい。
【００５９】
（第５の実施形態）
図１１および図１２はそれぞれ本発明の第５の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。図１３はその光ファイバのガラス母材の外観を示す。本実施形態はガラス母材により本発明に係る単一モードフォトニックバンドギャップファイバを形成する場合を例示している。ここで、１１はコア部に配置されたコア用中空ガラス棒（コア用ガラス管）である。２４はコア部のコア用中空ガラス棒１１の周囲に並列に配置された複数の中空のガラス棒（ガラス管）である。２５はコア部のコア用中空ガラス棒１１の周囲に並列に配置された複数の中実のガラス棒（ガラスロッド）である。
【００６０】
これらガラス棒２４、２５の配置は無秩序ではなく、図１１〜図１３に示すように、ガラス母材の断面において中空または中実のガラス棒２４、２５の中心が、一辺の長さがｄである正六角形の基本格子とするハニカム構造を成すように配置され、その基本格子の一つはコア部のコア用中空ガラス棒１１を含んでいる。
【００６１】
図１１の構成では、コア部を除く全ての基本格子の頂点に中空のガラス棒２４を配置し、コア部を除く全ての基本格子の中心に中実のガラス棒２５を配置している。
【００６２】
図１２の構成では、図１１の構成とは逆に、コア部を除く全ての基本格子の頂点に中実のガラス棒２５を配置し、コア部を除く全ての基本格子の中心に中空のガラス棒２４を配置している。
【００６３】
（第６の実施形態）
図１４および図１５はそれぞれガラス母材を用いた本発明の第６の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。ここで、２６は小さな７つの中空のガラス棒からなる中空ガラス棒群であり、２７は小さな７つの中実のガラス棒からなる中実ガラス棒群である。
【００６４】
図１４では、コア部のコア用中空ガラス棒１１の中心から一辺の長さがｄである正六角形を基本格子３とするその正六角形の頂点であって、コア用中空ガラス棒１１の中心から２×ｄ離れた頂点のみに中空ガラス棒群２６が配置され、その正六角形の中心であって、コア用中空ガラス棒１１の中心から２×ｄ離れた中心のみに中実ガラス棒群２７が配置されている例を示している。
【００６５】
それ以外のコア用中空ガラス棒１１の中心から２×ｄよりも離れた基本格子３の頂点と中心には、図１１の配置構成と同様に、全ての基本格子の頂点に中空のガラス棒２４を配置し、全ての基本格子の中心に中実のガラス棒２５を配置している。これに代えて、図１２の配置構成と同様に、全ての基本格子の中心に中空のガラス棒２４を配置し、全ての基本格子の頂点に中実のガラス棒２５を配置してもよい。
【００６６】
これに対し、図１５の構成では、コア部を除く全て基本格子の頂点に中空のガラス棒群２６を配置し、コア部を除く全て基本格子の中心に中実のガラス棒群２７を配置している。
【００６７】
また、図示していないが、コア部を除く全て基本格子の中心に中空のガラス棒群２６を配置し、コア部を除く全て基本格子の頂点に中実のガラス棒群２７を配置してもよい。つまり、前述の図１２の配置構成で、中空のガラス棒２４を中空のガラス棒群２６に置き換え、中実のガラス棒２５を中実のガラス棒群２７に置き換えることができる。
【００６８】
（第７の実施形態）
図１６および図１７はそれぞれガラス母材を用いた本発明の第７の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す。ここで、２８は中心に小さな１個の中実ガラス棒とその周囲に小さな６個の中空ガラス棒とで構成した混合ガラス棒群である。
【００６９】
図１６の構成は前述の図１４の配置構成において中実ガラス棒群２７を混合ガラス棒群２８で置き換えたものである。
【００７０】
また、図１７の構成は前述の図１５の配置構成において中実ガラス棒群２７を混合ガラス棒群２８で置き換えたものである。
【００７１】
（その他の実施形態）
上述した本発明の実施形態の構造の光ファイバは、たとえば、内径の大きいガラス管の内側に、細いガラス管を多数充填する方法によって作製することが出来る。また、たとえばガラス母材の所定の位置に穴を穿つ方法によっても作製できるが、もちろんその組み合わせやその他の方法によって作製してもかまわない。
【００７２】
また、上述した本発明の第５〜第７の実施形態において、コア部に隣接する中空ガラス棒または中実ガラス棒とコア用中空ガラス棒とに接するように、中空ガラス棒（図示しない）を更に配置してもよい。
【００７３】
また、第２〜第４の実施形態において、コアとコアに隣接する空孔との間隙、および／またはコアと第１種の空孔群および／または第２種の空孔群との間隙に更に空孔を配置してもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安定した基底モードを、コアの中心をピークとする同心円状のモードと一致させることができるため、現在実用されている単一モード光ファイバと同じようなモード分布およびモードの安定性で光に対する閉じ込めを行うことができる。
【００７５】
このため、本発明によれば、既存の光通信網への接続が容易になることに加えて、コアが中空であるため、ガラスコアでは光の伝搬が困難である波長領域や、入力光強度の緩和などが期待でき、光通信や光機能部品に用いられることによって極めて大きな効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コア部を除く全ての基本格子の各頂点に空孔を設けた本発明の第１の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図２】図１の光ファイバの全体の外観を示す概略斜視図である。
【図３】コア部を除く全ての基本格子の中央位置に空孔を設けた本発明の第１の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図４】図１の空孔のうちコア部に近い空孔をそれぞれ７つの小さな空孔からなる第１種の空孔群に置き換えた本発明の第２の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図５】図４の光ファイバの要部の外観を示す概略斜視図である。
【図６】コア部を除く全ての基本格子の頂点に第１種の空孔群を配置した本発明の第２の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図７】図４の構成に加えて、コア部の基本格子に隣接したそれぞれの基本格子の中心に６つの小さな空孔からなる第２種の空孔群を配置した本発明の第３の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図８】図６の第１種の空孔群の一部を第２種の空孔群に置き換えた本発明の第３の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図９】図３の空孔のうちコア部を除くコア部に近い基本格子の中心の空孔を、第１種の空孔群に置き換えた本発明の第４の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１０】図９の構成に第２種の空孔群を加えた本発明の第４の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１１】コア部を除く全て基本格子の頂点に中空ガラス棒、それら基本格子の中央位置に中実ガラス棒を配置した本発明の第５の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１２】コア部を除く全て基本格子の中央位置に中空ガラス棒、またそれら基本格子の頂点に中実ガラス棒を配置した本発明の第５の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１３】図１１、図１２に示す光ファイバのガラス母材の外観を示す斜視図である。
【図１４】図１１の一部を、複数の小径の中空ガラス棒からなる中空ガラス棒群と複数の小径の中実ガラス棒からなる中実ガラス群で置き換えた本発明の第６の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１５】図１１の全ての中空ガラス棒を複数の小径の中空ガラス棒からなる中空ガラス棒群に、全ての中実ガラス棒を複数の小径の中実ガラス棒からなる中実ガラス群に置き換えた本発明の第６の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１６】図１４の中実ガラス棒群を小径の中空ガラス棒と小径の中実ガラス棒の混合からなる混合ガラス棒群に置き換えた本発明の第７の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１７】図１５の中実ガラス棒群を混合ガラス棒群に置き換えた本発明の第７の実施形態の単一モードフォトニックバンドギャップファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１８】クラッド部にフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を有する従来の光ファイバの断面構造を示す縦断面図である。
【図１９】従来の光ファイバのフォトニックバンドギャップの構成を示す拡大図である。
【図２０】フォトニックバンドギャップを構成する結晶格子の構成例を示す概略図である。
【図２１】基底モードがコアの中心をピークとする同心円状のモードであるフォトニックバンドギャップを有する光ファイバの構造を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 中空のコア部
２ 空孔（大きな空孔）
３ 基本格子
４ フラッド部
５ 空孔（大きな空孔）
１１ コア用中空ガラス棒（コア用ガラス管）
２１ 小さな空孔
２２ 第１種の空孔群
２３ 第２種の空孔群
２４ 中空のガラス棒（ガラス管）
２５ 中実のガラス棒（ガラスロッド）
２６ 中空のガラス棒群
２７ 中実のガラス棒群
２８ 混合ガラス棒群
３１ コア
３２ フォトニックバンドギャップクラッド
３３ 保護用のジャケット
Claims (16)
- 伝播する光の波長の数倍程度の領域をもつコア部と、前記コア部の周囲に配置されて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前記コア部に隣接する周囲領域に設けたクラッド部とを有し、かつ前記回折格子はブラッグ回折格子を形成するために規則的に配置された複数の格子部からなり、各前記格子部は前記クラッド部に穿たれてかつ光ファイバの長手方向にのびる空孔によって構成される単一モード光ファイバであって、
各前記格子部は光ファイバ断面において一辺の長さがｄである正六角形を基本格子とするハニカム形状であり、
前記基本格子の一つは中空の前記コア部を有し、
前記空孔として７個の空孔の集合からなる第１種の空孔群と単一の空孔とを有し、
光ファイバ断面において、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた頂点にのみ前記第１種の空孔群が配置され、
前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた頂点にのみに前記単一の空孔が配置された
ことを特徴とする単一モードフォトニックバンドギャップファイバ。 - 前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、
前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた前記基本格子の中心のみに前記第２種の空孔群が配置されたこと
を特徴とする請求項１に記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバ。 - 前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、
前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心に前記第２種の空孔群が配置されたこと
を特徴とする請求項１に記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバ。 - 前記空孔として７個の空孔の集合からなる第１種の空孔群と単一の空孔とを有し、
光ファイバ断面において、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた中心にのみ前記第１種の空孔群が配置され、
前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた中心にのみに前記単一の空孔が配置されたこと
を特徴とする請求項１に記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバ。 - 前記空孔として７個の空孔の集合からなる第１種の空孔群を有し、
前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心に前記第１種の空孔群が配置されたこと
を特徴とする請求項１に記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバ。 - 前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、
前記コア部を除く全ての前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた前記基本格子の頂点のみに前記第２種の空孔群が配置されたこと
を特徴とする請求項４に記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバ。 - 前記空孔として６個の空孔の集合からなる第２種の空孔群を更に有し、
前記コア部を除く全ての前記基本格子の正六角形の頂点に前記第２種の空孔群が配置されたこと
を特徴とする請求項５に記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバ。 - 前記コアと前記コアに隣接する空孔との間隙、および／または前記コアと前記第１種の空孔群および／または前記第２種の空孔群との間隙に更に空孔を配置したこと
を特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバ。 - 単一モード光ファイバを形成するガラス母材であって、
前記ガラス母材は、
コア部に配置されたコア用中空ガラス棒と、
前記コア部の周囲に前記コア用中空ガラス棒と並列に配置された複数の中空または中実のガラス棒とにより構成され、
前記ガラス母材の断面において前記中空または中実のガラス棒の中心が一辺の長さがｄである正六角形の基本格子の頂点または中央に配置され、
前記基本格子の一つは前記コア部を有すること、かつ
７本の中空ガラス棒の集合体である中空ガラス棒群と、７本の中実ガラス棒の集合体である中実ガラス棒群とを有し、
前記ガラス母材の断面において、前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた頂点のみに前記中空ガラス棒群が配置され、
前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた頂点のみに単一の中空ガラス棒が配置され、
前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた中心のみに前記中実ガラス棒群が配置され、
前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた中心のみに単一の中実ガラス棒が配置されたこと
を特徴とする単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材。 - 前記中実ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換えたことを特徴とする請求項９に記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材。
- 前記中空ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換えたことを特徴とする請求項９に記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材。
- 単一モード光ファイバを形成するガラス母材であって、
前記ガラス母材は、
コア部に配置されたコア用中空ガラス棒と、
前記コア部の周囲に前記コア用中空ガラス棒と並列に配置された複数の中空または中実のガラス棒とにより構成され、
前記ガラス母材の断面において前記中空または中実のガラス棒の中心が一辺の長さがｄである正六角形の基本格子の頂点または中央に配置され、
前記基本格子の一つは前記コア部を有すること、かつ
７本の中空ガラス棒の集合体である中空ガラス棒群と、７本の中実ガラス棒の集合体である中実ガラス棒群とを有し、
前記ガラス母材の断面において、前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた中心のみに前記中空ガラス棒群が配置され、
前記コア部を除く前記基本格子の中心のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた中心のみに単一の中空ガラス棒が配置され、
前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄ以下離れた頂点のみに前記中実ガラス棒群が配置され、
前記コア部を除く前記基本格子の正六角形の頂点のうち前記コア部の中心から２×ｄよりも離れた頂点のみに単一の中実ガラス棒が配置されたこと
を特徴とする単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材。 - ７本の中空ガラス棒の集合体である中空ガラス棒群と、７本の中実ガラス棒の集合体である中実ガラス棒群とを有し、
前記ガラス母材の断面において前記コア部を除く全ての前記基本格子の中心に前記中空ガラス棒群が配置され、
前記ガラス母材の断面において前記コア部を除く全ての前記基本格子の正六角形の頂点に前記中実ガラス棒群が配置されたこと
を特徴とする請求項９に記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材。 - 前記中実ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換えたことを特徴とする請求項１２または１３に記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材。
- 前記中空ガラス棒群を、１本の中実ガラス棒の周囲を６本の中空ガラス棒で取り巻いた集合体である混合ガラス棒群でそれぞれ置き換えたことを特徴とする請求項１２または１３に記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材。
- 前記コア部に隣接する前記中空ガラス棒、および／または前記中実ガラス棒と前記コア用中空ガラス棒とに接するように、中空ガラス棒を更に配置したこと
を特徴とする請求項９ないし１５のいずれかに記載の単一モードフォトニックバンドギャップファイバのガラス母材。
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