JP4904241B2

JP4904241B2 - ホーリーファイバ

Info

Publication number: JP4904241B2
Application number: JP2007265663A
Authority: JP
Inventors: 勝徳今村
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: US20090097810A1; US7693379B2; JP2009093070A

Description

本発明は、中心に位置するコア部と、コア部の外周に位置し、該コア部の周囲に三角格子状に配置された空孔を有するクラッド部とを備えたホーリーファイバに関するものである。

ホーリーファイバ（ＨｏｌｅｙＦｉｂｅｒ）、あるいはフォトニッククリスタルファイバは、中心に位置するコア部と、コア部の外周に位置し、コア部の周囲に配置した複数の空孔を有するクラッド部とを備え、空孔によってクラッド部の平均屈折率を下げ、光の全反射の原理を利用してコア部に光を伝搬させる新しいタイプの光ファイバである。このホーリーファイバは、空孔を用いて屈折率を制御することによって、従来の光ファイバでは実現不可能な特性を実現できる。

一方、光ファイバ中の非線形光学現象を利用して、きわめて広い波長帯域を有するＳＣ光を発生するＳＣ光源が広く検討されている。ＳＣ光源用光ファイバの開発は、波長１５５０ｎｍを中心とする通信波長領域において使用するものについて、盛んに行なわれてきた。最近ではＹｂドープ光増幅器を利用可能な１０５０ｎｍ帯や、半導体レーザを利用可能な８５０ｎｍ帯において使用するＳＣ光源用光ファイバについても検討が開始されている。

ＳＣ光源用光ファイバは、使用する波長の近傍において、波長分散がゼロである必要がある。しかし、通常の石英系光ファイバは、１２７０ｎｍ以下の波長領域において材料分散が負であり、かつ構造分散を正にすることができないので、１２７０ｎｍ以下の波長領域において波長分散をゼロにすることは不可能である。そこで、ホーリーファイバにおいて、正に大きな構造分散を持つように構造を最適化することによって、１０５０ｎｍ、８５０ｎｍ、あるいはそれ以下のゼロ分散波長を実現することが検討されてきている（非特許文献１〜３参照）。

しかしながら、ホーリーファイバにおいて、正に大きな構造分散を持つように構造を最適化すると、コア部への光の閉じ込めがきわめて強くなり、ゼロ分散波長における伝搬モードとして、基底モードに加えて高次モードが存在するようになり、マルチモード光ファイバとなる。

たとえば、非特許文献１においては、ゼロ分散波長が５６５ｎｍときわめて短波長のホーリーファイバが報告されているが、このホーリーファイバはゼロ分散波長においてマルチモード動作するものである。また、非特許文献２においては、ゼロ分散波長が７００ｎｍより小さいホーリーファイバが報告されているが、それらのホーリーファイバは、カットオフ波長がゼロ分散波長より大きく、マルチモード動作するものである。

なお、非特許文献１においては、ゼロ分散波長が７００ｎｍであって、ゼロ分散波長においてシングルモード動作するホーリーファイバも報告されている。また、非特許文献２においては、ゼロ分散波長が７５０ｎｍであって、ゼロ分散波長においてシングルモード動作するホーリーファイバが報告されている。また、非特許文献３においては、ゼロ分散波長が７６５ｎｍであるホーリーファイバが報告されている。このホーリーファイバは、ゼロ分散波長において高次モードが存在しているものの、それらの高次モードは基底モードとの実効屈折率差が大きいため、実質的なシングルモード動作が可能であると報告されている。

J. C. Knight et al., "Anomalous Dispersion in Photonic Crystal Fiber" IEEE Photonics Technology Letters, vol. 12, pp. 807 (2000) CRYSTAL FIBRE A/S、"NONLINEAR PHOTONIC CRYSTAL FIBERS SELECTED DATASHEETS 800NM FIBERS NL-800 List"、[online]、[平成１９年９月２６日検索]、インターネット（URL: http://www.crystal-fibre.com/products/nonlinear.shtm） J. K. Ranka et al., "Optical properties of high-delta air-silica microstructure optical fiber" Optics Letters, vol. 25, pp. 796 (2000)

ところで、波長が７００ｎｍより小さい可視光領域にゼロ分散波長を有し、ゼロ分散波長においてシングルモード動作するホーリーファイバが実現できれば、可視光領域のＳＣ光源が容易に実現できるので、たとえば各種光センシング用の光源として利用価値が高いと考えられる。しかしながら、従来のホーリーファイバは、ゼロ分散波長が７００ｎｍより小さいものについては、ゼロ分散波長においてマルチモード動作するため、モード間干渉やモード分散が生じてしまい、ＳＣ光源をはじめとする高い分散制御性が必要とされるアプリケーションにおいては問題となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、７００ｎｍより小さいゼロ分散波長を有し、ゼロ分散波長においてシングルモード動作するホーリーファイバを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るホーリーファイバは、中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し該コア部の周囲に三角格子状に配置された空孔を有するクラッド部と、を備え、基底モードのゼロ分散波長が７００ｎｍより小さく、前記ゼロ分散波長において高次モードを有し、前記ゼロ分散波長において、前記基底モードの閉じ込め損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であるとともに前記高次モードの閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記空孔の孔径をｄ［μｍ］、前記三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、ｄ／Λが０．７〜０．９７であり、Λが０．５５〜１．２μｍであり、前記空孔が前記コア部を囲むように形成する正六角形状の層の数が２であることを特徴とする。

本発明によれば、７００ｎｍより小さいゼロ分散波長を有し、ゼロ分散波長においてシングルモード動作するホーリーファイバを実現できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係るホーリーファイバの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、本明細書において特に定義しない用語については、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るホーリーファイバの模式的な断面図である。図１に示すように、このホーリーファイバ１０は、中心に位置するコア部１１と、コア部１１の外周に位置するクラッド部１２とを備える。コア部１１とクラッド部１２とは、いずれも屈折率調整用のドーパントが添加されていない純シリカガラスからなる。

クラッド部１２は、コア部１１の周囲に形成された空孔１３を有する。この空孔１３は、三角格子Ｌを形成するように配置している。空孔１３の直径はいずれもｄであり、三角格子Ｌの格子定数、すなわち空孔１３の中心間距離はΛである。また、空孔１３は、コア部１１を囲むように正六角形状の層を形成している。ホーリーファイバ１０の場合は、空孔１３の配置は２層構造になっている。

ホーリーファイバ１０は、ＨＥ１１モードである基底モードのゼロ分散波長が７００ｎｍより小さく、ゼロ分散波長において１以上の高次モードを有している。しかしながら、ホーリーファイバ１０は、ゼロ分散波長において、基底モードの閉じ込め損失が０．１ｄＢ／ｍ以下と十分に小さいとともに、各高次モードの閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｍ以上と十分に大きくなっている。したがって、ホーリーファイバ１０において高次モードの光が励振されたとしても、わずかな距離を伝搬するだけで直ぐに漏洩し、その強度が急激に減衰する。その結果、ホーリーファイバ１０は、ゼロ分散波長の光を実質的にシングルモードで伝搬できる。

なお、空孔１３の孔径ｄと、三角格子Ｌの格子定数Λについて、ｄ／Λが０．７〜０．９７であり、Λが０．５５〜１．２μｍであれば、このように基底モードのゼロ分散波長が７００ｎｍより小さく、ゼロ分散波長において高次モードを有し、ゼロ分散波長において、基底モードの閉じ込め損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であるとともに、高次モードの閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｍ以上であるというホーリーファイバ１０を実現できる。たとえば、ｄ／Λが０．９７であり、Λが０．５５μｍであれば、ゼロ分散波長は約５１０ｎｍとなり、波長５１０ｎｍにおける基底モードの閉じ込め損失が約０．０３ｄＢ／ｍと小さくなり、高次モードのうちのＴＥ０１モードの閉じ込め損失が約１１ｄＢ／ｍとなる。なお、ＴＥ０１モード以外の高次のモードについては、閉じ込め損失はさらに大きくなる。

以下、本実施の形態に係るホーリーファイバ１０を実現するための設計パラメータ、およびその設計パラメータによって得られる諸特性について、有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションを用いた計算結果を用いて具体的に説明する。なお、以下の説明においては、高次モードとは、ホーリーファイバ１０中に存在する全ての高次モードのうち、実効屈折率が最も高い、すなわち閉じ込め損失が最も小さいＴＥ０１モードを意味するものとする。

図２は、ｄ／Λを０．９７に固定してΛを変化させたときの基底モードの波長分散特性を示す図である。図２に示すように、ゼロ分散波長は、Λを小さくするにつれて短波長側にシフトし、Λが０．５５μｍの場合にもっとも短波長の約５１０ｎｍになり、さらにΛを小さくするとゼロ分散波長は長波長側にシフトする。したがって、Λを０．５５μｍとすれば、ゼロ分散波長を最も短くできる。

図３は、ｄ／Λが０．９７、０．９５、０．９０の場合のゼロ分散波長λ０とΛとの関係を示す図である。図３に示すように、同一のΛであれば、ｄ／Λを大きくするにつれてゼロ分散波長が短波長側にシフトする。なお、ｄ／Λが０．９５ならびに０．９０の場合には、Λを０．５μｍとすると、７００ｎｍ以下の全ての波長領域において波長分散が負となるため、ゼロ分散波長が存在しないこととなる。

図４、５はそれぞれ、ｄ／Λが０．９７、０．９５、０．９０の場合のゼロ分散波長λ０と高次モードの閉じ込め損失、または基底モードの閉じ込め損失との関係を示す図である。なお、図４、５における各点は、図３に示す各点と対応しており、例えばゼロ分散波長が約５７０ｎｍである点はｄ／Λが０．９でありΛが０．８μｍである。図４に示すように、ｄ／Λが０．９７において、ゼロ分散波長が約５１０ｎｍすなわちΛが０．５５μｍの場合、高次モードの閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｍ以上となり、実質的なシングルモード動作が可能となる。また、図５に示すように、ｄ／Λが０．９７においてΛが０．５５μｍの場合、基底モードの閉じ込め損失は０．１ｄＢ／ｍ以下となり、光損失の少ない、良好な光伝搬を実現することが可能である。

さらに、高次モードの閉じ込め損失が大きく、基底モードの閉じ込め損失が小さいということは、すなわち、高次モードと基底モードとの実効屈折率差が大きいということを意味する。したがって、ｄ／Λが０．９７においてΛが０．５５μｍの場合、モード間干渉による伝搬光の品質の劣化も十分に抑制される。

ｄ／Λが０．９７、Λが０．５５μｍの場合のホーリーファイバ１０の特性についてさらに説明する。図６は、ｄ／Λが０．９７、Λが０．５５μｍの場合の基底モードの波長分散特性を示す図である。図６に示すように、短波長側のゼロ分散波長が約５１０ｎｍとなっており、波長５１０ｎｍ近傍のＳＣ光発生用の光ファイバとして適する特性となっている。

また、図７は、ｄ／Λが０．９７、Λが０．５５μｍの場合の基底モードおよび高次モードの閉じ込め損失の波長依存性を示す図である。図７に示すように、基底モードの閉じ込め損失が０．１ｄＢ／ｍ以下かつ高次モードの閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｍ以上となる波長帯域Δλは、約５１０ｎｍから約５４０ｎｍにわたっている。

さらに、図８は、ｄ／Λが０．９７、Λが０．５５μｍの場合の有効コア断面積Ａｅｆｆの波長依存性を示す図である。図８に示すように、有効コア断面積はたとえばゼロ分散波長である約５１０ｎｍにおいて約０．２５μｍ^２程度と非常に小さく、光学非線形性が高くなっており、ＳＣ光の発生に適した特性となっている。

つぎに、ｄ／Λをさらに変化させた場合のホーリーファイバ１０の特性について説明する。図９は、ｄ／Λを０．８に固定してΛを変化させたときの基底モードの波長分散特性を示す図である。図９に示すように、ゼロ分散波長は、Λを小さくするにつれて短波長側にシフトし、Λが０．８μｍの場合にもっとも短波長の約６００ｎｍになる。しかし、さらにΛを小さくすると、波長分散曲線の最大値がゼロにまで到達しなくなり、ゼロ分散波長が存在しなくなる。

また、図１０は、ｄ／Λを０．９に固定してΛを変化させたときの基底モードの波長分散特性を示す図である。図１０に示すように、この場合も、ゼロ分散波長は、Λを小さくするにつれて短波長側にシフトし、Λが０．６μｍの場合にもっとも短波長の約５５０ｎｍになり、さらにΛを小さくするとゼロ分散波長が存在しなくなる。

図１１〜１３は、ｄ／Λが０．７、０．８、０．９の場合の、ゼロ分散波長λ０とΛとの関係、ゼロ分散波長λ０と高次モードの閉じ込め損失との関係、ゼロ分散波長λ０と基底モードの閉じ込め損失との関係をそれぞれ示す図である。なお、図１２、１３における各点は、図１１に示す各点と対応している。図１１に示すように、同一のΛであれば、ｄ／Λを大きくするにつれてゼロ分散波長が短波長側にシフトする。また、図１２に示すように、同一のゼロ分散波長あるいはΛであれば、ｄ／Λを小さくするにつれて高次モードの閉じ込め損失が大きくなる。また、図１３に示すように、同一のゼロ分散波長あるいはΛであれば、ｄ／Λを大きくするにつれて基底モードの閉じ込め損失が小さくなる。

以上、図２〜１３に示した結果を含む鋭意検討の結果、本発明者が見出したところによれば、図１に示すホーリーファイバ１０において、空孔１３の孔径ｄと、三角格子Ｌの格子定数Λについて、ｄ／Λが０．７〜０．９７であり、Λが０．５５〜１．２μｍであれば、基底モードのゼロ分散波長が７００ｎｍより小さく、ゼロ分散波長において高次モードを有し、ゼロ分散波長において、基底モードの閉じ込め損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であるとともに、高次モードの閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｍ以上であるという条件を実現できる。図１４は、代表的な設計パラメータと、対応する諸特性の計算結果とを計算例１〜５として示した図である。

なお、上記では、おもにｄ／Λ、およびΛとホーリーファイバ１０の特性との関係について説明した。つぎに、空孔の層数とホーリーファイバの特性との関係について説明する。以下では、図１に示すホーリーファイバ１０を、空孔が２層のホーリーファイバと呼ぶ。また、ホーリーファイバ１０のコア部１１側から２層目の空孔の外側に、さらに３層目の空孔を形成したホーリーファイバを、３層のホーリーファイバと呼ぶ。さらに、ホーリーファイバ１０のコア部１１側から２層目の空孔を形成せず、空孔を最内層の１層のみとしたホーリーファイバを、１層のホーリーファイバと呼ぶ。

図１５は、上記の１〜３層のホーリーファイバにおいて、ｄ／Λを０．９７とした場合の、ゼロ分散波長λ０とΛとの関係を示す図である。図１５に示すように、ゼロ分散波長は、層数を変えてもほとんど変化しない。

一方、図１６、１７は、１〜３層のホーリーファイバにおいて、ｄ／Λを０．９７とした場合の、ゼロ分散波長λ０と高次モードの閉じ込め損失との関係、ゼロ分散波長と基底モードの閉じ込め損失との関係をそれぞれ示す図である。なお、図１６、１７における各点は、図１５に示す各点と対応している。層数を３層とした場合には、図１６に示すように、高次モードの閉じ込め損失が小さくなってしまうため、高次モードの光も減衰することなくホーリーファイバ中を伝搬してしまい、モード間干渉による伝搬光の品質の劣化が生じる。一方、層数を１層とした場合には、図１７に示すように、基底モードの閉じ込め損失が大きくなってしまうため、良好な光伝搬を実現することが困難となる。そして、層数を２層とした場合には、基底モードの閉じ込め損失が小さいとともに、高次モードの閉じ込め損失が大きくなり、シングルモード動作が好適に実現される。

なお、図１８は、１〜３層のホーリーファイバにおいて、ｄ／Λを０．９７とした場合の、Λと有効コア断面積Ａｅｆｆとの関係を示す図である。図１８に示すように、有効コア断面積も、ゼロ分散波長と同様に、層数を変えてもほとんど変化しない。

本発明の実施の形態に係るホーリーファイバの模式的な断面図である。ｄ／Λを０．９７に固定してΛを変化させたときの基底モードの波長分散特性を示す図である。ｄ／Λが０．９７、０．９５、０．９０の場合のゼロ分散波長λ０とΛとの関係を示す図である。ｄ／Λが０．９７、０．９５、０．９０の場合のゼロ分散波長λ０と高次モードの閉じ込め損失との関係を示す図である。ｄ／Λが０．９７、０．９５、０．９０の場合のゼロ分散波長λ０と基底モードの閉じ込め損失との関係を示す図である。ｄ／Λが０．９７、Λが０．５５μｍの場合の波長分散特性を示す図である。ｄ／Λが０．９７、Λが０．５５μｍの場合の基底モードおよび高次モードの閉じ込め損失の波長依存性を示す図である。ｄ／Λが０．９７、Λが０．５５μｍの場合の有効コア断面積Ａｅｆｆの波長依存性を示す図である。ｄ／Λを０．８に固定してΛを変化させたときの基底モードの波長分散特性を示す図である。ｄ／Λを０．９に固定してΛを変化させたときの基底モードの波長分散特性を示す図である。ｄ／Λが０．７、０．８、０．９の場合のゼロ分散波長λ０とΛとの関係を示す図である。ｄ／Λが０．７、０．８、０．９の場合のゼロ分散波長λ０と高次モードの閉じ込め損失との関係を示す図である。ｄ／Λが０．７、０．８、０．９の場合のゼロ分散波長λ０と基底モードの閉じ込め損失との関係を示す図である。代表的な設計パラメータと、対応する諸特性の計算結果とを計算例１〜５として示した図である。１〜３層のホーリーファイバにおいて、ｄ／Λを０．９７とした場合の、ゼロ分散波長λ０とΛとの関係を示す図である。１〜３層のホーリーファイバにおいて、ｄ／Λを０．９７とした場合の、ゼロ分散波長λ０と高次モードの閉じ込め損失との関係を示す図である。１〜３層のホーリーファイバにおいて、ｄ／Λを０．９７とした場合の、ゼロ分散波長λ０と基底モードの閉じ込め損失との関係を示す図である。１〜３層のホーリーファイバにおいて、ｄ／Λを０．９７とした場合の、Λと有効コア断面積Ａｅｆｆとの関係を示す図である。

符号の説明

１０ホーリーファイバ
１１コア部
１２クラッド部
１３空孔

Claims

中心に位置するコア部と、
前記コア部の外周に位置し該コア部の周囲に三角格子状に配置された空孔を有するクラッド部と、
を備え、前記空孔の孔径をｄ［μｍ］、前記三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、ｄ／Λが０．７〜０．９７であり、Λが０．５５〜１．２μｍであり、前記空孔が前記コア部を囲むように形成する正六角形状の層の数が２であり、基底モードのゼロ分散波長が７００ｎｍより小さく、前記ゼロ分散波長において高次モードを有し、前記ゼロ分散波長において、前記基底モードの閉じ込め損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であるとともに前記高次モードの閉じ込め損失が１０ｄＢ／ｍ以上であることを特徴とするホーリーファイバ。