JP4452756B2 - フォトニックバンドギャップファイバ - Google Patents
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Description
本願は、2007年03月05日に、日本に出願された特願2007−54273号、および2007年06月05日に、日本に出願された特願2007−149180号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
この従来技術には、クラッドよりも屈折率の大きな通常のコアを伝搬するモードを、ある特定の波長でのみ、コアの周囲に設けられた、同様に屈折率を上昇させた部位を伝搬するモードと結合させることで、波長フィルタ機能を持たせることが開示されている。
特許文献1においては、コアの周囲を伝搬するモードはファイバ中を同じく伝搬するため、再度コアを伝搬するモードと結合し、コアへと戻ってくる。したがって、特許文献1の方法では、遮断波長の伝搬の抑制効果は限られたものとなる。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、さらに、前記クラッドよりも屈折率が低い第2クラッドが、このクラッドの周囲に設けられ、前記第1コアが、石英ガラスに希土類元素が添加されてなるものであることが好ましい。
また、本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、第1コアと第2コアの屈折率がクラッドの屈折率以下もしくは未満であるため、フォトニックバンドギャップによる導波を原理とし、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、遮断波長における高い波長フィルタリング効果を得ることができる。
11,101,121,141,171,181,191 第1コア
12,102,122,142,171,182 第2コア
13,103,123,143,173,183,193 高屈折率部
図1は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの一実施形態を示す図である。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、クラッド10の屈折率以下の屈折率を持つ第1コア11と、この第1コア11を囲んで設けられ第1コア11の屈折率未満の屈折率を持つ第2コア12と、この第2コア12を囲むクラッド10と、このクラッド10の第2コア12近傍に設けられ、クラッド10の屈折率よりも屈折率の高い多数の高屈折率部13が島状に周期的に配置された三角格子構造になっている。
本実施形態に掛かるフォトニックバンドギャップファイバにおいて、第1コア11と第2コア12の屈折率がクラッド10の屈折率以下であるとしたが、第1コア11の屈折率は、クラッド10の屈折率より、0.1%程度まで高くてもよい。この場合、第1コア11には、この第1コア11の屈折率とクラッド10の屈折率との間の実効屈折率をもち、コアを伝搬するコアモードが存在する。このコアモードの電界は、周期構造部を伝搬する遮断波長のモードの電界と相互に結合し得るため、一旦、コアモードから周期構造部へと伝搬するモードへ結合した電界が、コアモードに再結合する現象が生じ得る。しかしながら、周期構造部を伝搬するモードであって、かつコアモードから結合し得るモードは閉じ込めが弱いために、このフォトニックバンドギャップファイバを使用する際に避けられないような非常に大きな曲げ径による曲げ損失が生じたとしても、周期構造部を伝搬するモードの閉じこめを解消することができる。これにより、一旦、コアモードから周期構造部を伝搬するモードへ結合した電界が、コアモードに再結合する現象を抑制することができる。ゆえに、第1コア11の屈折率が、クラッド10の屈折率より0.1%程度まで高くても、第1コア11と第2コア12の屈折率がクラッド10の屈折率以下である場合と同様にモードの伝搬定数がフォトニックバンドギャップの外にある波長の光に対して高いフィルタリング効果を得ることができる。
また、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、第1コアの断面形状が円形となっている。したがって、ファイバのモードフィールド形状はほぼ同心円形状となり、このファイバ同士を接続する場合に、接続損失に角度依存性が発生することがなく、また、同心円形状の屈折率分布を持つ従来型の光ファイバと低い接続損失で接続することができる。
また、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、第1コア11、第2コア12、高屈折率部13及びクラッド10がいずれも石英ガラスからなる。したがって、低損失のファイバが実現でき、また、現在広く用いられている石英ガラス製の光ファイバと容易に融着接続を行うことができる。
(1)石英ガラスからなる第1コア11の周りに、フッ素添加石英ガラスからなる低屈折率の第2コア12が設けられたコア用石英ガラスロッド。
(2)高屈折率部13となるゲルマニウムを添加して純粋石英ガラスよりも屈折率の高い石英ガラスからなる中心部との周りの純粋石英ガラスからなる外層部とを有する2層石英ガラスロッド。
(3)クラッド10となる純粋石英ガラスからなる円筒。この円筒の空洞断面は円形でも良いが、断面円形の石英ロッドを最密充填するために六角形とすることが好ましい。
一方、図1に示す周期構造部を設けた場合の、モードの損失を計算したのが図6である。図6に示す通り、バンドギャップ中においてモードの損失が非常に小さい一方、バンドギャップの端、バンドギャップ外において損失は大きい。
本母材を作製する際、クラッド140を構成する管の内部に、周期構造部を構成する周辺部材が周期的に配置され、その中心に、第1コア141と第2コア142を構成する中心部材が配置される。この際、中心部材は周辺部材と直径が異なるため、中心部材と周辺部材との間に隙間が発生する。この隙間をあけたまま線引きを行うと、線引き工程で一体化される際にコアが変形したり、周期構造に乱れが生じたりして好ましくない。
そのため、図15のように、中心部材と周辺部材との間の隙間にさらに中間部材156を配置することで、コアの変形や周期構造の乱れを防ぐことができるが、この中間部材156の屈折率を第1コア141の屈折率と等しいか、もしくは高くすると、コアを導波するモードと、中間部材156に対応する箇所を導波するモードとのモード結合が生じ、フォトニックバンドギャップの効果による透過帯域の中において、コアモードに損失が生じる場合があり、好ましくない場合がある。
本実施例においては、中間部材156の屈折率を第2コア142の屈折率と等しくすることで、フォトニックバンドギャップの効果による透過帯域の中で、モード結合による不要な損失が発生することを防いでいる。ただし、中間部材156の屈折率は、本実施例の実施範囲に限らず、第1コア141の屈折率よりも小さな範囲において、適宜変更することが可能である。
また、高屈折率部の比屈折率差Δhが1%程度のフォトニックバンドギャップファイバにおいては、ファイバの曲げ損失による透過帯域の現象がしばしば問題となるが、本実施例のフォトニックバンドギャップファイバは、光屈折率部の比屈折率差Δhが最大2.8%と大きい値であるため、レーザ光を加工対象物まで導光する間に直径50mm程度の曲げが加わっても、曲げ損失による透過帯域の減少を十分に小さくすることができ、加工対象物まで安定して導光することができた。
図17は、本発明に係る別の実施例のファイバの構造を示す図である。本実施例のファイバは、断面構造は実施例4のファイバと同等であるが、第1コア171にイッテルビウムを添加し、クラッド170aの周囲に屈折率1.38のフッ素系樹脂からなる第2クラッド170bを被覆した、ダブルクラッド構造の増幅用ファイバとなっている。ここで、第1コア171にはイッテルビウムが添加してあるため、純粋石英との比屈折率差は0.05%となっている。また、ファイバ線引き時に、溶融された状態でねじりが加えられており、高屈折率部173は、らせん状となって、実質的に長手方向に曲げが加えられた状態となっている。そのため、高屈折率部173を伝搬する光に対しては、マクロベント、マイクロベントといった損失が発生する。一方、第1コア171はファイバ断面の中心にあり、長手方向の曲げは発生しない。
本実施例のファイバは、第1コア171の屈折率がクラッド170aと比較してわずかに大きいが、その比屈折率差は0.05%とわずかであるため、実施例4のファイバとほぼ同じ透過特性、遮断特性を持つ。したがって、本実施例のファイバを、波長1.08μmのレーザ光を増幅するためのファイバとして使用した際に、波長1.14μm付近の1次の誘導ラマン散乱を抑制することができる。
Θ(z)=A×sin(2π×z/P)
実施例5においては、0.25cmの間にファイバに約3回転のねじれが加えられており、これは、ファイバが固化した後に加えるのは非常に困難なねじれの量である。
本発明にかかる別の実施例として、図18Aに示す構造のフォトニックバンドギャップファイバを作製した。屈折率1.45の純粋石英ガラスのクラッド180の中に、クラッド180との比屈折率差Δ1が0.0%で、直径d1が28.6μmである純粋石英ガラスの第1コア181があり、第1コア181の周囲に、クラッド180との比屈折率差Δ2が−0.15%で、コアを囲むクラッド180の内接円の直径d2が34.4μmとなる、純粋石英にフッ素を添加した第2コア182が存在する。そしてその周囲に、第2コア182の屈折率と同じ屈折率を持つ、純粋石英にフッ素を添加した低屈折率部位と、クラッドの屈折率よりも屈折率の高い、純粋石英にゲルマニウムを添加した高屈折率部183をもつ周期構造とが、2回の回転対称性を有して配置された構成となっている。また、ファイバの外径は215μmである。
周期構造は、クラッドとの比屈折率差Δhが最大2.8%で、およそ放物線形状の屈折率分布を持つ、半径5.1μの高屈折率部183が、周期8.1μmの三角格子構造の周期構造をなして配置された構成となっている。周期構造部は、コアを配置するため、中心から3層が存在せず、5層の周期構造である。
高屈折率部183は、純粋石英にゲルマニウムが添加されており、純粋石英からなるクラッド180や、純粋石英にフッ素が添加された低屈折率部位と熱膨張係数が大きく異なるため、図18Aに示すように、断面構造が2回以下の回転対称性しか持たない場合、熱応力による複屈折が発生する。そのため、応力付与部を別途設けることなく、偏波保持ファイバとして機能させることができる。作製したファイバの基本モードの複屈折を測定したところ、波長1.08μmで1×10−4以上の複屈折を持ち、偏波保持ファイバとして機能させることができた。また、フォトニックバンドギャップの効果による波長フィルタ効果も有していた。
また、本発明のファイバの第1コア181は円形であり、電界分布はおもに第1コア181の形状によって決定されるため、電界分布は同心円状であり、モード複屈折は発生せず、応力起因の複屈折のみが発生する。さらに、同心円状の電界分布を持つ従来型の光ファイバと接続する際、モードフィールド形状の差異による接続損失を低減させることができ、従来型のファイバとの低損失な接続が可能となる。
なお、本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、本実施例に限らず、図18B、図18C、図18Dのように、熱応力によりコアに複屈折を発生させる高屈折率部位183が、2回以下の回転対称性で配置されていればよい。
本実施例のファイバは、断面構造は実施例4のファイバと同等であるが、第1コアにイッテルビウムを添加し、クラッドの周囲に屈折率1.38のフッ素系樹脂からなる第2クラッドを被覆した、ダブルクラッド構造の増幅用ファイバとなっている。また、高屈折率部に長周期ファイバグレーティングが書き込まれており、クラッド励起で励起光を導入した際に、高屈折率部を導波する一部の励起光を、高屈折率部から放射させる構成となっている。
本実施例のファイバは、ダブルクラッド構造の増幅器用ファイバとして好適に使用することができる。高屈折率部に長周期ファイバグレーティングが書き込まれていない場合は、ダブルクラッド構造の増幅器用ファイバと使用した際に、図19Aに示すように、クラッドで励起された励起光の一部が高屈折率部193を導波し、第1コア191へ到達せずに、信号光の増幅に使われなくなる現象が発生する。そのため、増幅器の励起光利用効率が低下する。しかし、本実施例のフォトニックバンドギャップファイバを用いれば、高屈折率部193を導波する励起光は長周期ファイバグレーティングにより、図19Bに示すように、高屈折率部193から放射され、クラッド190と第2クラッド194の屈折率差により導波する別の導波モードと結合し、その後コアに吸収されて信号光の増幅に利用される。したがって、本実施例のフォトニックバンドギャップファイバをダブルクラッド構造の増幅器用ファイバとして使用すると、増幅器の励起光利用効率を上げることができる。
高屈折率部193を導波する励起光を結合させる導波モードは、クラッド190の屈折率より小さく、第2クラッド194の屈折率よりも大きな実効屈折率をもつ導波モードが好ましい。この場合、実効屈折率がクラッド190よりも小さいために高屈折率部には閉じ込められず、かつ、実効屈折率が第2クラッド194よりも大きいために第2クラッド194を伝搬することができる。そのため、励起光を効率よくコアに到達させることが可能である。さらに好ましくは、図19Cに示すように、コアを伝搬するモードと結合させることで、より効率よくコアに到達させることができる。
長周期ファイバグレーティングを用いる場合には、高屈折率部から放射された励起光は、高屈折率部を導波していた方向と導方向に伝搬するため、たとえば、放射された後コアに十分励起光吸収されるに十分なファイバ長が確保できる位置にファイバグレーティングを書き込むことが好ましい。
スラント型ファイバグレーティングを用いる場合には、高屈折率部から放射された励起光は、高屈折率部を導波していた方向と逆方向に伝搬するため、たとえば、励起光が入射されている端面とは反対側の端面に書き込むことで、励起光の一部は励起光入射端面とは反対側の端面から導入されることになり、増幅用ファイバ内での励起光の長手方向分布が均一化され、好ましい。
Claims (6)
- 第1コアと、この第1コアを囲んで設けられ第1コアの屈折率未満の屈折率を持つ第2コアと、この第2コアを囲むクラッドと、このクラッドの第2コア近傍に設けられ、クラッドの屈折率よりも屈折率が高い高屈折率部が周期構造をなして構成された周期構造部と、を備え、
前記第1コアの断面形状は円形であり、この第1コアの直径に対する前記第2コアの直径の比率が1.2〜1.8であり、前記第2コアの厚さが2.9〜5μmであり、
前記第1コアの前記クラッドに対する比屈折率差が0.1%〜−1.0%であり、
前記第2コアの前記クラッドに対する比屈折率差が−0.01〜−1.5%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。 - 前記第1コアの前記クラッドに対する比屈折率差が0%であり、
前記第2コアの前記クラッドに対する比屈折率差が−0.36〜−0.15%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バンドギャップファイバ。 - 前記周期構造が2回以下の回転対称性を有し、前記高屈折率部は、前記クラッドと熱膨張係数が異なり、熱応力によって発生する複屈折に起因して、偏波保持ファイバもしくは単一偏波ファイバとして機能する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。
- さらに、前記第2コアと屈折率が同じである低屈折率部位が、この第2コアの周囲に設けられ、前記高屈折率部が、純粋石英にゲルマニウムが添加されてなり、前記クラッドが純粋石英からなり、前記低屈折率部位が、純粋石英にフッ素が添加されてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
- さらに、前記クラッドよりも屈折率が低い第2クラッドが、このクラッドの周囲に設けられ、前記第1コアが、石英ガラスに希土類元素が添加されてなるものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記周期構造が、前記第1コアを中心軸としてらせん状に配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一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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