JP4772732B2 - バンドギャップ微小構造光ファイバの横断モードの抑制 - Google Patents
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Description
以後、モードという用語は単一あるいは複数の横断モードを意味する。
P.J.Roberts外、「Ultimate low loss of hollow−core photonic crystal fibres」(Opt.Express、Vol.13、第236頁(2005)) S.Guo外、「Loss and dispersion analysis of microstructured fibers by finite−difference method」(Opt.Express、Vol.12、第3341頁(2004)) H.K.Kim外、「Designing air−core photonic−bandgap fibers free of surface modes」(J.Quantum Electron.Vol.40、No.5、第551頁(2004)) R.Amezcua−Correa外、「Realistic designs of silica hollow−core photonic bandgap fibers free of surface modes」(OFC論文No.OFC1、1−3ページ、2006年3月、アナハイム、CA)
図1および2Bにおいて、バンドギャップMOF10は、コア領域10.1、コア領域10.1を取り囲む内側クラッド領域10.2、および内側クラッド領域10.2を取り囲む外側クラッド領域10.3からなる。コアおよびクラッド領域はコア領域の長手方向の軸10.7に沿う光(あるいは放射)の伝播をサポートし、ガイドするように構成される。用語「バンドギャップファイバ」をここで使われるように適合させるために、内側クラッド領域10.2は、例えば孔10.5のアレイを形成する固体マトリクスあるいは格子10.6の方法により周期的に変化する屈折率を生じるように構成される。コア領域10.1は内側のクラッド領域10.2の有効屈折率よりも低い屈折率を持つ。(重要な意味を持つわけではないが、一般に外側のクラッド領域10.3は内側のクラッド領域10.2よりも高い屈折率を持っている。)コア領域10.1を伝播する光は内側のクラッド領域10.2の共振反射条件(バンドギャップ条件としても知られている)によってその中に導かれる。この条件は「バンドギャップ閉じ込め」としても知られている。
MOFの設計および製造は技術の面でよく知られている。図2Bに示される円形の孔10.5の特に六角形をしたシリカのマトリクスは一例に過ぎない。コア、孔およびマトリクスの他の幾何学的形状が適切かもしれない。シリカ以外の材料が使われてもよい。コア領域10.1および/あるいは摂動領域10.5は中空あるいは固体でもよい。もし中空ならそれがガス(例えば汚染大気)あるいは液体で満たされていてもよく、もし固体であるならばそれがドープされる、あるいはドープされていなくてもよいが、一般に固体材料はマトリクスとは異なる屈折率を持っているであろう。コア領域と摂動領域とは異なる材料あるいは同一の材料で満たされていてもよい。さらにコア領域10.1は図1および3−5に示されるようにMOF10の縦軸の中心に位置する、あるいは中心を外れて位置してもよい(図示しない)。クラッド領域の孔10.5は中空でも固体でもよい。それらが液体あるいはガスで満たされてもよい。それらが孔を取り巻くマトリクスの材料よりも高い屈折率、あるいは低い屈折率の材料を含んでもよい。コア、クラッドの中空領域、あるいは摂動領域が望ましくない材料を除去するために真空にされてもよい。
neff,com = neff,p (1)
neff,com = nco−(1/2)(C1λ/2Dco)2 (2)
neff,p = np−(1/2)(C2λ/2Dp)2 (3)
nco−(1/2)(C1λ/2Dco)2 = np−(1/2)(C2λ/2Dp)2(4)
ここでncoおよびnpはそれぞれコアおよび摂動領域の屈折率、λは光の波長、Dcoはコア領域の最小の断面寸法、Dpは摂動領域の最小断面寸法である。C1およびC2はそれぞれコア領域の寸法Dcoおよび摂動領域の寸法Dpにわたるモードの横振動の(次数1の)数を基本的に表す。一般的にC1〜2C2>C2である。したがってnco=npであるとき、式(4)は以下のようになる。
Dp/Dco〜C2/C1〜(1/2)<1 (5)
これは摂動領域の寸法はコア領域の寸法よりも小さいことを述べている。逆に、コア領域の屈折率よりも大きいあるいは等しい屈折率の材料で摂動領域を満たすと一般に摂動領域はコア領域よりも小さくなければならない。しかし摂動領域の屈折率がより低いと摂動領域を式(5)で規定される寸法よりも大きくすることが出来る。
Guoによって記述されたものに非常によく似た有限差分モードソルバ(a finite difference mode solver)を用いてシミュレーションが行われた。(ここに引用するS.Guo外の「Loss and dispersion analysis of microstructured fibers by finite−difference method」(Opt Express、Vol.12、P3341(2004))を参照のこと。)
10.1、30.1 コア領域
10.2 内側クラッド領域
10.3 外側クラッド領域
10.4、30.4 摂動領域
10.5、30.5 孔
10.6 マトリクス
10.7 縦軸
12 HOM
14 摂動領域の基本モード
16 コア領域の基本モード
30、40、50、60、70、80、90 MOF
100 通信システム
101、131 放射/光源
103 利用機器
114 波長分割マルチプレクサ(WDM)
116 信号光源
118 励起光源
124 従来型の光ファイバ
130 センサシステム
133 検知器
135 空気コアを持つMOF
Claims (24)
- バンドギャップ微小構造光ファイバであって、
縦軸を有するコア領域と、
前記コア領域を取り囲むクラッド領域とを含み、前記コア領域とクラッド領域とは、前記縦軸の方向に前記コア領域の少なくとも基本モードと高次モードの光の伝播をサポートし導波するように構成されており、
前記クラッド領域は内側クラッド領域を含み、前記縦軸に直角な前記内側クラッド領域の断面は、バンドギャップ閉じ込めによって前記光を導波するよう構成される屈折率の周期的空間的変化を有し、そして、
前記内側クラッド領域は、前記屈折率の周期性を摂動する少なくとも一つの摂動領域を含み、前記少なくとも一つの摂動領域が、前記コア領域の前記基本モードを除く少なくとも前記高次モードを前記少なくとも一つの摂動領域の少なくとも一つのモードと共振的に結合させるように構成される、ことを特徴とするバンドギャップ微小構造の光ファイバ。 - 前記コア領域の前記高次モードの有効屈折率と前記少なくとも一つの摂動領域の前記少なくとも一つのモードの有効屈折率とが実質的に互いに等しい、ことを特徴とする請求項1に記載のファイバ
- 前記内側クラッド領域は複数の摂動領域を含み、そのうちの少なくとも2つが前記コア領域の反対側に対称的に位置する、ことを特徴とする請求項1に記載のファイバ。
- 前記複数の摂動領域の前記縦軸に直角なそれぞれの断面が実質的に楕円形である、ことを特徴とする請求項3に記載のファイバ。
- 前記複数の摂動領域の前記縦軸に直角なそれぞれの断面が、それぞれ実質的にダイヤモンド形である、ことを特徴とする請求項3に記載のファイバ。
- 前記複数の摂動領域の前記縦軸に直角なそれぞれの断面が、それぞれ実質的に六角形である、ことを特徴とする請求項3に記載のファイバ。
- 前記少なくとも一つの摂動領域が、前記コア領域の前記高次モードを前記少なくとも一つの摂動領域の基本モードと共振的に結合させるように構成される、ことを特徴とする請求項1に記載のファイバ。
- 前記コア領域が中空である、ことを特徴とする請求項1に記載のファイバ。
- 前記コア領域が流体で満たされている、ことを特徴とする請求項8に記載のファイバ。
- 前記流体が空気である、ことを特徴とする請求項9に記載のファイバ。
- 前記コア領域が固形物で満たされている、ことを特徴とする請求項1に記載のファイバ。
- 前記固形物がドーパントを含む、ことを特徴とする請求項11に記載のファイバ。
- 前記縦軸に直角な前記コア領域の断面寸法が前記少なくとも一つの摂動領域の断面寸法よりも大きい、ことを特徴とする請求項1のファイバ。
- 前記縦軸に直角な前記コア領域の断面寸法が前記少なくとも一つの摂動領域の断面寸法のおおよそ2倍大きい、ことを特徴とする請求項13に記載のファイバ。
- 前記複数の摂動領域が前記縦軸を中心とする環状に配列されている、ことを特徴とする請求項3に記載のファイバ。
- 前記少なくとも一つの摂動領域が、前記少なくとも1つの摂動領域の前記1つのモードへの前記高次モードの前記結合を介して前記コア領域の少なくとも前記高次モードの抑制が生じるように構成される、ことを特徴とする請求項1に記載のファイバ。
- 前記クラッド領域は、前記内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域を含み、前記コア領域と前記少なくとも一つの摂動領域とが、前記少なくとも一つの摂動領域から前記外側クラッド領域へ光エネルギーを漏出させるように構成される、ことを特徴とする請求項16に記載のファイバ。
- 前記ファイバが一連の波長範囲にわたって動作するように構成され、前記コア領域および前記摂動領域の前記モード有効屈折率は前記範囲内の複数の波長で実質的に等しい、ことを特徴とする請求項2に記載のファイバ。
- 前記ファイバが、一連の波長範囲にわたって前記共振的な結合を達成するように構成され、前記摂動領域の前記少なくとも1つのモードについての波長に関する有効屈折率の微分(dneff/dλ)が、前記波長範囲内での前記コア領域の前記高次モードのdneff/dλに実質的に互いに等しい、ことを特徴とする請求項1に記載のファイバ。
- 前記少なくとも一つの摂動領域が、前記コア領域の複数の高次モードを前記少なくとも一つの摂動領域の少なくとも一つのモードと共振的に結合させるように構成される、ことを特徴とする請求項1に記載のファイバ。
- 伝送システムであって、
光放射源と、
前記放射を受け取る利用機器と、
前記光放射源からの放射を前記利用機器に結合する光ファイバとを含み、前記ファイバが請求項1に記載の前記バンドギャップファイバを含む、ことを特徴とする伝送システム。 - センサシステムであって、
光放射源と、
前記放射のパラメータの変化を検知する利用機器と、
前記光放射源からの放射を前記利用機器に結合する光ファイバとを含み、前記ファイバが請求項1に記載のバンドギャップファイバを含み、少なくとも前記コア領域が前記放射の前記パラメータを変化させる流体を含み、前記利用機器が前記変化したパラメータを検知するように構成される、ことを特徴とするセンサシステム。 - 光増幅器であって、
コア領域が加えられるポンプエネルギーに応じてその中を伝播する光信号を増幅する利得物質を含む請求項1に記載のバンドギャップ光ファイバと、
前記ポンプエネルギー源と、
前記ポンプエネルギーと前記光ファイバに入る前記光信号とを結合させるカプラとを含む、ことを特徴とする光増幅器。 - 微小構造光ファイバであって、
縦軸を有するコア領域と、
前記コア領域を取り囲むクラッド領域とを含み、前記コア領域と前記クラッド領域とは、前記縦軸の方向に前記コア領域の少なくとも基本モードと高次モードの光の伝播をサポートし導波するように構成されており、
前記クラッド領域は内側クラッド領域と外側クラッド領域とを含み、前記縦軸に直角な前記内側クラッド領域の断面は、バンドギャップ閉じ込めによって前記光を導波するよう構成される屈折率の周期的空間的変化を有し、そして、
前記内側クラッド領域は、前記屈折率の周期性を摂動する少なくとも一つの摂動領域を含み、前記少なくとも一つの摂動領域が、前記コア領域の前記基本モードを除く少なくとも前記高次モードを前記少なくとも一つの摂動領域の少なくとも一つのモードと共振的に結合させるように構成されており、
前記少なくとも一つの摂動領域が、前記少なくとも1つの摂動領域の前記1つのモードへの前記高次モードの前記結合を介して少なくとも前記高次モードの抑制が生じるように構成され、そして、
前記コア領域と前記少なくとも一つの摂動領域とが、前記少なくとも一つの摂動領域から前記外側クラッド領域へ光エネルギを漏出させるように構成される、ことを特徴とする微小構造光ファイバ。
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