JP5307558B2 - コア間カップリングを備えたマルチコアフォトニックバンドギャップファイバ - Google Patents

Description

優先権主張
この出願は、引用によってその全体が本願明細書に援用される、２００６年３月２日に出願された米国仮特許出願第６０／７７８，２２９号の利益を主張する。

発明の背景
発明の分野
この出願は、概してフォトニックバンドギャップファイバを利用する光学装置に関する。

関連技術の説明
フォトニック結晶ファイバは近年大きな関心を集め、開発の主題であった。（たとえば、「光ファイバ技術（Optical Fiber Technology）」の５巻（１９９９年）３０５−３３０頁、Ｊ．ブロエン（Ｊ．Ｂｒｏｅｎｇ）らの「フォトニック結晶ファイバ：新しいクラスの光導波路（Photonic crystal fibers：A new class of optical waveguides）、「光学材料（Optical Materials）」１１巻（１９９９年）１４３−１５１頁、Ｊ．Ｃ．ナイト（Ｊ．Ｃ． Ｋｎｉｇｈｔ）らの「光ファイバ物理学としてのフォトニック結晶および応用例（Photonic crystals as optical fibers-physics and applications）」、カリフォルニア州サンディエゴ（San Diego, CA）での「光ファイバ通信会議（Optical Fiber Communications conference）」（１９９９年）のＲ．Ｓ．ウィンドラー（Ｒ．Ｓ．Ｗｉｎｄｅｌｅｒ）らの「シリカ／空気のマイクロ構造化したファイバ：特性と応用例（Silica-air microstructured fibers: Properties and applications）」など参照）。光学非線形性が低く温度安定度が十分であることを含む独特の特性のために、中空コアフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＦ）には、センサおよび運搬システムとして興味ある応用例がある。（たとえば、「光学エキスプレス」（Optics Express）１３巻（２００５年）６６６９−６６８４頁のＶ．ダンギ（Ｖ．Ｄａｎｇｕｉ）らの「空気ガイド型フォトニックバンドギャップファイバにおける基本モードの温度に対する位相感度（Phase sensitivity to temperature of the fundamental mode in air-guiding photonic-bandgap fibers）」、「ＳＰＩＥの進行（Proceeding of SPIE）−光ファイバセンサに関する国際光工学協会第１７回国際会議（The International Society for Optical Engineering, 17th International Conference on Optical Fibre Sensor）」ＯＦＳ−１７の５８５５巻（２００３年）１９８−２００頁のＨ．Ｋ．キム（Ｈ．Ｋ．Ｋｉｍ）らの「エアコア型フォトニックバンドギャップファイバを用いる光ファイバジャイロスコープ（Fiber-optic gyroscope using an air-core photonic-bandgap fiber）など参照）。さらに、中空コアのＰＢＦにおける伝搬ロスはコア材料によって限定されず、伝搬ロスが極めて低くなり得ることが期待される。中空コアは、所望の光と物質の相互作用を生成するように、空気もしくは他の気体または気体の組合せによって満たされることができる。より進んだ研究および改善において、中空コアのＰＢＦは、光通信リンクにおいて従来のファイバを十分に置換することができる。

これらの応用例のファイバ回路の中で最も重要な部品の一つは、光ファイバカプラである。中空コアのＰＢＦを利用するファイバ回路は、従来の（すなわちソリッドコアの）ファイバカプラを用いて容易に組立てることができ、それは中空コアのＰＢＦに突合せ結合（butt-coupled）されるか、または接合される（spliced）ことができる。しかしながら、この手法はさまざまな欠点を有する。突合せ接合される接合点はしばしば十分な機械的
安定性を与えず、異なるファイバの接合は著しい量の後方反射および関連の損失を導入しかねず、また製作が幾分困難である。さらに、従来のファイバカプラを使用することにより、ある長さのソリッドコアファイバが中空コアのファイバ回路に導入され、それによって、ファイバ回路に再び分散と非線形性とを導入し、中空コアのＰＢＦを用いる利益のいくらかが否定される。

これらの効果が不利益になり得る応用例には、蛍光画像のためのパルス歪みがない高ピークの電力パルスの中空コアのＰＢＦによる送信（たとえば「光学エキスプレス（Optics
Express）」１１巻（２００３年）２８３２−２８３７頁のＴ．Ｐ．ハンゼンらによる「極めて分散的なエアコア型フォトニックバンドギャップファイバを用いた全ファイバチャープパルス増幅（All-fiber chirped pulse amplification using highly-dispersive air-core photonic bandgap fiber）」参照）を含むがこれに限定されず、中空コアのＰＢＦジャイロスコープにおいては、（たとえば、「エレクトロニクスレター（Electronics Letters）」１６巻（１９８０年）２６０−２６１頁のＲ．Ａ．ベール（Ｒ．Ａ．Ｂｅｒｇｈ）らによる「単一モードの光ファイバ方向性カプラ（Single-mode Fibre Optic Directional Coupler）、「エレクトロニクスレター（Electronics Letters）」２１巻（１９８５年）１０６４−１０６５頁のＪ．Ｖ．ライト（Ｊ．Ｖ．Ｗｒｉｇｈｔ）の「融合されたテーパ状カプラの変分解析（Variational Analysis of Fused Tapered Couplers）」参照）カー効果（Kerr effect）が有利に最小限にされ、ソリッドコアファイバの付加的な長さが回避される。

発明の概要
一定の実施例ではオプティカルカプラが与えられる。オプティカルカプラは、第１の光学ポート、第２の光学ポート、第３の光学ポートおよび第４の光学ポートを含む。オプティカルカプラはさらに、クラッドと、第１のコアと、第２のコアとを含むフォトニックバンドギャップファイバを含む。クラッドは、クラッド内に第１の屈折率を備えた材料および領域を含む。領域は第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する。第１のコアは実質的にクラッドに囲まれる。第１のコアは第１の光学ポートおよび第２の光学ポートに光学的に結合される。第２のコアは実質的にクラッドに囲まれる。第２のコアは第３の光学ポートおよび第４の光学ポートに光学的に結合される。第１のコアの少なくとも一部は、第１のコアが第２のコアに光学的に結合されるように、第２のコアの少なくとも一部にほぼ平行であってそこから間隔を置かれる。第１のコア、第２のコアまたは第１のコアおよび第２のコアのいずれもが中空である。

一定の実施例では、フォトニックバンドギャップファイバを用いる方法が与えられる。この方法は、クラッドと、第１のコアと、第２のコアとを含むフォトニックバンドギャップファイバを与えるステップを含む。クラッドはクラッド内に第１の屈折率を備えた材料および領域を含む。領域は第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する。第１のコアは実質的にクラッドに囲まれる。第２のコアは実質的にクラッドに囲まれる。第１のコアは、第１のコアが第２のコアに光学的に結合されるように第２のコアから間隔を置かれる。この方法はさらに、第１のコアと第２のコアとの間で光を結合するステップを含む。

好ましい実施例の詳細な説明
図１Ａは、本願明細書に記載された一定の実施例に従う例としてのオプティカルカプラ１００を概略的に示す。オプティカルカプラ１００は、第１の光学ポート１１０、第２の光学ポート１２０、第３の光学ポート１３０および第４の光学ポート１４０を含む。オプティカルカプラ１００はさらに、クラッド１６０と、第１のコア１７０と、第２のコア１
８０とを含む、２コアのフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＦ）１５０を含む。第１のコア１７０は、第１の光学ポート１１０および第２の光学ポート１２０に光学的に結合される。第２のコア１８０は、第３の光学ポート１３０および第４の光学ポート１４０に光学的に結合される。一定の実施例では、第１の光学ポート１１０は第１のコア１７０の第１の部分を含み、第２の光学ポート１２０は第１のコア１７０の第２の部分を含む。一定の実施例では、第３の光学ポート１３０は第２のコア１８０の第１の部分を含み、第４の光学ポート１４０は第２のコア１８０の第２の部分を含む。当業者は、本願明細書に記載した実施例に従って２コアのＰＢＦを光学システムの他の部分に接合したり突合せ結合したりするための適切な手段または技術を特定することができる。

２つの中空コアのフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＦ）は、ソリッドコアファイバを結合するために開発されたのと同じ技術を用いることにより、互いに結合されることができる。たとえば、一定の実施例において、より完全に下記に記載されるように、２コアのＰＢＦカプラは２つの中空コアで製作することができ、各々が実質的にクラッドに囲まれる。一定の他の実施例では、中空の２コアのＰＢＦカプラを製作するために他の技術を用いることができる。他の技術とは、磨いた中空コアＰＢＦを並べて結合すること（side-by-side coupling）、２つの中空コアＰＢＦをともに融合すること、およびマイクロ光学ビームスプリッタを利用することを含むが、これらに限定されない。図１Ｂは、シリカブロック上に取付けられた２つの中空コアのＰＢＦ１０２、１０４をサイドポリッシュ（side polish）することによって形成される例としてのファイバカプラ１００を概略的に示す。中空コアＰＢＦ１０２、１０４の両方をともに位置決めするためにマイクロポジショナを用いることができ、ＰＢＦ１０２、１０４の距離および／または角度の制御によって調整可能な装置を製作することができる。

図１Ｃは、２コアのＰＢＦ１５０の長手軸にほぼ直交する面における２コアのＰＢＦ１５０の断面図を概略的に示す。クラッド１６０はクラッド１６０内に第１の屈折率を備えた材料１６２および領域１６４を含む。領域１６４は、第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する。図１Ｂが領域１６４のすべてを示すわけではない。一定の実施例では、第１のコア１７０および第２のコア１８０は実質的に互いに同一である（たとえば双子コアのＰＢＦ）。

一定の実施例では材料１６２はシリカを含む一方で、一定の他の実施例では材料１６２は別の固形材料または複数の固形材料（たとえばカルコゲニドなどの高屈折率ガラス、またはＰＭＭＡなどのポリマ）を含む。一定の実施例では、第１のコア１７０および第２のコア１８０の少なくとも１つまたは両方が中空である。一定の実施例では領域１６４が中空である。本願明細書で用いられるように、用語「中空」は、空の、またはガス状材料で満たされた、という意味を含む、最も広い意味で用いられる。たとえば、一定の実施例の第１のコア１７０、第２のコア１８０および領域１６４は、ガス状の第２の材料（たとえば空気）で満たされ、それは、気圧でも、より高圧でも、またはより低圧（たとえば真空）でもよい。

クラッド１６０の領域１６４のさまざまな形状およびパターンは、本願明細書に記載された一定の実施例と互換性を有する。図１Ｂによって概略的に示されるように、領域１６４は円形の断面（半径ρ）を有し得るが、これらの領域１６４は他の形状（たとえば、楕円、六角形、非幾何学的形状、非対称形状）もまた本願明細書に記載された一定の実施例と互換性を有する。図１Ｂによって概略的に示されるように、領域１６４は各々それぞれの中心を有し、隣接する領域１６４同士は中心間距離Λだけ離れて間隔を置かれる。一定の実施例では、クラッド１６０の領域１６４は、２コアのＰＢＦ１５０の長手軸に沿って円筒状に延在する。一定の実施例では、領域１６４は互いにほぼ同一であり、周期的な三角形のパターンになっている。さらに、領域１６４は、他のパターン（たとえば六角形の
パターン、正方形のパターン、非周期的なパターンなど）になっていてもよい。

一定の実施例では、図１Ｂによって概略的に示されるように、コア１７０、１８０の１つまたは両方が円形の断面（半径Ｒ）を有する。しかしながら、第１のコア１７０および第２のコア１８０の他の断面の形状もまた、本願明細書に記載された一定の実施例と互換性を有する。一定の実施例では、第１のコア１７０および第２のコア１８０は各々それぞれの中心を有し、これらの中心は、クラッド１６０の領域１６４の格子ベクトルに沿って隔たっている。コア１７０、１８０が２つの領域１６４の中心にあるような一定の実施例において、コアからコアへの隔たりｄは結晶空間周期Λの倍数であり、すなわちｄ＝ｍΛ、ここでｍは整数である。一定のこのような実施例において、整数ｍは偶数である一方、一定の他の実施例では整数ｍは奇数である。

第１および第２の屈折率は、一定の実施例において、コア１７０、１８０の各々がフォトニックバンドギャップの効果を介して導波モードをサポートするように選択されている。これは、領域１６４の第２の屈折率が材料１６２の第１の屈折率より小さく、これらの屈折率の差異が導波モードをサポートするのに十分に大きいことを示唆する。一定の実施例ではコア１７０、１８０のいずれもがコアリングを含まない一方で、一定の他の実施例では第１のコア１７０および第２のコア１８０の１つまたは両方がコアリングを含む。

第１のコア１７０と第２のコア１８０との間のカップリングは一般に、結合モードまたは正規モード理論（normal-mode theory）のいずれかによって記載することができる。結合モード理論では、光が第１のコア１７０の基本モード（fundamental mode）に入ると、光のエバネセントフィールド（evanescent field）は隣接した第２のコア１８０に延在して第２のコア１８０の基本モードを励起し、それが結果として第２のコア１８０に徐々に伝わる光のエネルギを生じる。

正規モード理論では、構造は２コアの導波管として見られ、それは４つの非縮退の固有モード（non-degenerate eigenmodes）をサポートする：２つの直交する直線偏光の各々についての偶数（または対称）モードおよび奇数（または非対称）モードである。所与の偏光の光がコア１７０、１８０のうち１つに入ると、それはこの偏光の偶数モードおよび奇数モードをほとんど等しいパワーで励起する。これらの非縮退の２つのモードはファイバに沿って伝搬しながら異なる位相速度を有するので、位相シフトを蓄積する。結合長またはビート長と呼ばれる一定の長さの後、この位相シフトはπラジアンに達するので、２つのモードは互いから位相がずれて、元のコアにおいて弱め合い干渉し、かつ他方のコアにおいて強め合い干渉する。このように、ビート長においては、光のエネルギは１つのコアから別のコアに結合される。ビート長が偶数モードと奇数モードとの間の実効屈折率不一致の逆数に比例することが示され得る。

２コアのＰＢＦ構造のカップリング特性をモデル化するために、数値シミュレータを用いて、２つのコア１７０および１８０にサポートされる２つの基本固有モードの実効屈折率を計算することができる。スタンフォードフォトニックバンドギャップファイバ（Stanford Photonic Bandgap Fiber）（ＳＰＢＦ）コードを用いて実行されるこのような数値シミュレーションは、より完全に下記に記載される。数値シミュレーションは、任意の屈折率プロフィールのファイバの４つの基本固有モードの実効屈折率、電界および磁界を素早く正確に計算するために、行列形式のベクトルの横軸磁界方程式を解くための有限差分法を用いた。（たとえば、カリフォルニア州アナハイム（Anaheim, CA）（２００５年）の「光ファイバ会議技術要説（Optical Fiber Conference Technical Digest）」のＶ．ダンギ（Ｖ．Ｄａｎｇｕｉ）らによる「フォトニックバンドギャップファイバのモード特性をモデル化するための高速かつ正確な数値ツール（A fast and accurate numerical tool to model the mode properties of photonic-bandgap fibers）参照）。２コアのＰＢ
Ｆ構造の四分円の１つのみがモデル化され、他の四分円におけるフィールドが対称に再構築された。コードの境界条件としては、すべてのフィールドがシミュレーション領域外でゼロであることを課した。コードは、Λ／５０のステップサイズおよび（１つの四分円について）１１Λ×１１Λのウィンドウサイズ（１０列のクラッド領域プラス約Λ／２の厚さの固体シリカの外部クラッド）で実行された。３．２ＧＨｚのパーソナルコンピュータにおいては、図１Ｂで特定の波長において概略的に示された２コアのＰＢＦ構造について８０モード（コアモード、表面モードおよびクラッドモード）をモデル化するのに計算に約２０分かかった。

三角形のクラッド格子については、単一コアのＰＢＦのモードは点群Ｃ_6vの対称性を有する。しかしながら、双子コアのファイバ構造は２つの対称軸を有する。両方のコア中心を連結する線に沿った軸（ｙ軸と名付ける）、そして両方のコア中心を連結する線に直角の線に沿い（ｘ軸と名付ける）、両方のコア中心から等距離の点によって形成される他方の軸である。したがって、２コアのＰＢＦのモードはＣ_2v点群に属し、それらのモードはすべて次のように規定される４つの表示のうちの１つに分類することができる。
表示Ａ１：ｘ偏光された、奇数モード；
表示Ａ２：ｙ偏光された、奇数モード；
表示Ｂ１：ｘ偏光された、偶数モード；
表示Ｂ２：ｙ偏光された、偶数モード。

２コアのＰＢＦファイバ１５０の４つの基本コアモードはバンドギャップにわたって計算することができ、各偏光の偶数モードと奇数モードとの間の結合長は対応する表示間の実効屈折率差によって決定され得る：

２コアのＰＢＦ１５０の例としての実施例は、コア半径Ｒ＝０．８Λ、領域１６４の穴半径ρ＝０．４７Λ、および、コアの隔たりｄがΛのインクリメントでΛから６Λまで及ぶコアを用いて、モデル化された。このコア半径Ｒは、隔離された各コア１７０、１８０が表面モードを有さない構造に対応する（たとえば、米国特許番号第７，１１０，６５０号、米国特許出願公報第２００５／０２８１５２２Ａ１号、「IEEE J. Quant. Electron」４０巻（２００４年）５５１−５５６頁のＨ．Ｋ．キム（Ｈ．Ｋ．Ｋｉｍ）らによる「表面モードを有さないエアコア型フォトニックバンドギャップファイバの設計（Designing air-core photonic-bandgap fibers free of surface modes）」参照。いずれも引用によってその全体が本願明細書に援用される）。その対称類（symmetry class）に従って強調された、バンドギャップ内にあるすべてのコアモードの計算された分散曲線が、ｄ＝３Λのコアの隔たりについて図２にプロットされる。この２コアのＰＢＦは、０．５６Λから０．６４Ａまで延在するバンドギャップを示し、これは単一コアのＰＢＦのバンドギャップと同一である。２コアのＰＢＦの第１のコア１７０も第２のコア１８０も表面モードをサポートせず、それによって、「光学エキスプレス（Optics Express）」１２巻（２００４年）１８６４−１８７２頁にＭ．Ｊ．Ｆ．ディゴネ（Ｍ．Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ）らによって「エアコア型フォトニックバンドギャップファイバにおける表面モードの存在を予測するための簡単な幾何学的な基準（Simple geometric criterion to predict the existence of surface modes in air-core photonic-bandgap fibers）」で示された存在基準によって予測されるように、コア半径の適切な選択の結果として、単一コア構造の表面モードがないという特性を保持する。

図２に示されるように、いずれの偏光も奇数モードと偶数モードとの間で著しい複屈折を示す。たとえば、λ＝０．６Λの波長において、屈折率差Δｎはｘ偏光について約６×１０^-4、ｙ偏光について約４×１０^-4である。偶数モードは奇数モードが有するよりも（このコア間隔ｄ＝３Λについて）高い実効屈折率を有し、それはソリッドコアファイバ（そこでは偶数モードは奇数モードよりも遅い位相速度を有する）において一般的な状況と同様である。Λ＝２．５ミクロンの典型的な結晶周期については、これらの屈折率差から計算される結合長はＬ_c.x＝１．２ミリメートルおよびＬ_c.y＝１．９ミリメートルである。

これらの値は、同様のコア間隔を備えた従来の屈折率ガイド型の２コアのファイバの結合長に匹敵する。基本モードのクラッドフィールドは従来の単一モードファイバにおいてよりもエアコア型ファイバにおいてはるかに弱いので、この結果は幾分驚くべきものであり、したがって結果的に結合長が実質的にさらに長いことが予想された。この結果の直接の成果は、２コアのＰＢＦのコアの間で１ミリメートルのオーダの長さにわたって完全なカップリング（たとえば約１ミリメートルから約１．９センチメートルの範囲の結合長）を達成することができることであり、それは中空コアのファイバにおいて実用的な長さのオプティカルカプラが製作できることを意味する。

図２に示された２コアのＰＢＦの別の特性は、カップリングが偏光にかなり強く依存し得ることである。この特徴は、入来信号の偏光が、概して未知であって時間依存する状態の偏光である一定の実施例においては、概して望ましくない。しかしながら、この強い依存性の側面的利益として、より完全に下記に説明されるように、２コアのＰＢＦを波長依存かつ偏光依存するフィルタとして用い得ることがある。

図３Ａ−３Ｈは、λ＝０．６Λにおける２コアのＰＢＦ（ｄ＝３Λ）の４つの基本モードの計算された強度プロフィールを示す。各表示はコア中心の近辺において疑似ガウスであり、それは各コアに最も近いクラッド材料（たとえばシリカ）のより厚い領域に局在する小さな副ローブを示す。主ローブは２つの偶数モードについて同じサインを有し、２つの奇数モードについて反対のサインを有する。ｄ＝３Λ、λ＝０．６Λ、かつΛ＝２．５ミクロンについて、ｘ偏光された光の結合長は約１．１８ミリメートルであり、ｙ偏光された光については約１．５９ミリメートルである。

ｘ偏光された偶数モードおよびｙ偏光された偶数モードのいずれもが、コア間の中点のまわりに局在するいくらかのエネルギを示す。この特性は図３Ｃおよび図３Ｇに示されるが、図３Ｄおよび図３Ｈの対数目盛プロットにおいてより容易に見られる。両方のコアについて、最も近い対向する副ローブは図３Ｄおよび図３Ｈでともにリンクされて示され、結果として偶数モードについて、より大きい実効屈折率および減じられた結合長を生じている。この特性は中点における固体膜の存在に起因し、それは両側の中空の領域に囲まれるので、屈折率ガイド型の局所的な導波管を構成する。

対照的に、図３Ａおよび図３Ｅに示されるように、奇数モードはコア間の中点において事実上エネルギを運ばない。したがって、偶数モードは固体膜においてより大きなエネルギ量を有し、奇数モードに相対して実効屈折率が上昇する。この現象が、予測されるカップリングが驚くべき大きさとなる起源である。コア間の中点における固体膜の存在によって奇数モードに相対して偶数モードの実効屈折率が上昇し、その上昇は中空の領域と固形材料（たとえばシリカ）との間の屈折率差が大きいために相当な量となる。この現象はまた、なぜこの２コアのＰＢＦ（ｄ＝３Λ）の偶数モードが奇数モードが有するよりも高い実効屈折率を有するかを説明する。

この物理的な説明に基いて、ファイバの中心に固体膜ではなく中空の領域がある場合に
は、結合強さは相当により小さくなり得る。この構成はコア間隔を奇数からΛの倍数の偶数に変更することにより達成することができる。図４Ａ−図４Ｄは、同じ２コアのＰＢＦの同じ波長における４つの基本モードではあるが、ｄ＝４Λの場合についての輪郭強度プロフィールを示す。両方のコア間の中点は今度はクラッドの中空の領域の中心に位置し、奇数モードおよび偶数モードの強度プロフィールの差異ははるかに目立たない。したがって４つのモードの分散曲線は、図５に示されるように、ｄ＝３Λの間隔についての場合よりもはるかに互いに接近している。高屈折率の中点固体膜はより低屈折率の材料（たとえば空気）と置換されており、すべてのモードの複屈折が顕著に減じられる。ｄ＝４Λについて、ｘ偏光については、奇数モードおよび偶数モードの分散曲線の相対的位置は、図２と図５との比較によって示されるように、ｄ＝３Λについての場合の状態の反転である。奇数モードおよび偶数モードの分散曲線のオーダは、ｙ偏光について、ｄ＝３Λからｄ＝４Λへの変更によっては変わらない。

２コアのＰＢＦにおける結合長の偏光依存性は、従来の２コアのファイバにはない特徴である。後者では、屈折率プロフィールの方位角の不変性により、２つの直角に偏光された基本モードのフィールドは９０度の回転下では極めて僅かにしか異ならない。したがって、１つのファイバコアから別のコアへのモード重複は偏光に対して依存度が非常に弱い。この挙動は、κ＝π／（２Ｌ_c）として規定され、下記のように与えられる結合係数κの式で数学的に見ることができる。

図６は、ｘ偏光およびｙ偏光の両方について正規化された波長λ／Λに対して計算された正規化された結合長Ｌ_c／Λならびにコアの隔たりの増加する値を示す。モードエネルギが所与のコア中心から離れると急速に減少するので、結合長はコアの隔たりが増加するにつれて急速に（たとえばおよそ指数関数的に）増加する。結合長は、ｄにおけるΛの増加ごとにおよそ３倍から５倍増加することが分かる。たとえば、０．６λ／Λでは、ｘ偏光については、Ｌ_cはｄ＝３Λの１．２ミリメートルからｄ＝４Λの５．５ミリメートルまで増加する。この速さは、同様のパラメータの単一コアのＰＢＦにおける基本コアモードのフィールド強度の空間的な減衰と一致している。より大きなコアの隔たりについてさえ、結合長の偏光依存度がここでも顕著である。１周期の隔たり（ｄ＝Λ）について、２つのコアは互いに強く重なってｙ軸に沿って細長いほぼ「８」字形の単一のコアを形成し、それは偏光依存の減少を説明する。ｄ＝２Λについての変則的挙動もまたコア間の重複
によって引起されると考えられる。コア重複のないｙ軸に沿った可能な限り最短の隔たりであるｄ＝３Λについては、波長依存度が比較的高い。バンドギャップにわたって、結合長は約４倍ずつ異なる。

２コアのＰＢＦはまた、従来の２コアのファイバとは異なる様式の挙動を示す。屈折率ガイド型ファイバで作られた典型的なファイバカプラ構造では、偶数モードは奇数モードが有するよりも高い実効屈折率を示す。対照的に、（コアの隔たりｄに依存して）両方のファイバコア間の中点における中空の領域または固形材料のいずれかの存在により、ｄ／Λのパリティは２コアのＰＢＦ構造の様式的挙動を決定する。偶数値のｄ／Λについては、２つのコア間の中点は中空の領域にあり、奇数値のｄ／Λについては、２つのコア間の中点は固形クラッド材料に位置する。ｄ／Λのパリティに依存して、図２および図５に示されるように、２コアのＰＢＦ構造の奇数および偶数の基本コアモードの相対的位置が交換される。奇数値のｄ／Λについては、従来の屈折率ガイド型の２コアのファイバの場合のように、偏光にかかわらず、偶数の基本モードは奇数モードが有するよりも高い実効屈折率を有する。しかしながら、偶数値のｄ／Λについては、ｘ偏光については奇数基本モードが偶数モードよりも高い実効屈折率を有する一方、ｙ偏光についてはその挙動は反対である。

図３Ｃおよび図３Ｇに示されるように、表示Ａ２の偶数ｘ偏光モードは最も近い副ローブのｙ軸にわたるリンクを示す。表示Ｂ２の偶数ｙ偏光モードは、中点に位置する固体膜内に位置するいくらかのエネルギを示す。中点の固形材料と両側の中空の領域との組合せは局所的に導波管を形成し、２コアのＰＢＦ構造の偶数モードは固体膜においてより大きなエネルギ量を凝縮することができ、それにより実効屈折率を上昇させることができる。この観察は、コアからコアへの間隔パラメータｄ／Λの奇数値について奇数モードが有するよりも高い実効屈折率を有する、２コアのＰＢＦ構造の偶数モードの独特のＰＢＦ機構を説明する。コアからコアへの間隔パラメータｄ／Λの偶数値については、両方のコア間の中点は中空の領域に位置し、奇数モードおよび偶数モード間の強度プロフィール差異ははるかに小さい。

一定の実施例では、図１Ａによって概略的に示されるように、２コアのＰＢＦは４ポートのファイバカプラ１００として用いることができる。オプティカルカプラ１００は長さにおいて僅かに数ミリメートルであり得、ポート間に十分なカップリングを与えることができる。図７Ａは、バンドギャップが約１．５５ミクロンを中心とし、ｄ＝３Λ＝７．８ミクロンかつ長さＬ＝１０．５ミリメートルであるように、Λ＝２．６ミクロンの結晶周期を備えた２コアのＰＢＦ１５０の結合比（coupling ratio）をプロットすることにより、例としてのオプティカルカプラ１００の性能を示す。結合比は、ｘ偏光およびｙ偏光された光のいずれについてもプロットされる。波長依存度がかなり大きい一定の実施例では、オプティカルカプラ１００は同じ入力偏光制限を備えた波長分割マルチプレクサとして用いることができる。０から１００％カップリングの波長の隔たりは、ｘ偏光については約１８ナノメータから約３２ナノメータまで、ｙ偏光については約２６ナノメータから約４２ナノメータまで変動する。一定の実施例では、広範囲の波長にわたって使用できるように、入力偏光はたとえば偏光保持ファイバを用いた回路によって安定するよう有利に維持される。

一定の実施例では、２コアのＰＢＦ１５０は、図７Ａの２本の曲線が交差するいずれの波長においても偏光独立した方向性オプティカルカプラとして用いることができる。たとえば、２コアのＰＢＦ１５０は、１５８４ナノメータ（図７Ａの点Ａ）で約３ｄＢファイバカプラとして、また１５２２ナノメータ（図７Ａの点Ｂ）で約１００％のカプラとして、用いることができる。点Ｂの近くにおいて、結合比は約５ナノメータのバンド幅上で９０％を超える。２コアのＰＢＦ１５０の長さを適切に選択することによって、交差点にお
ける波長または結合比のいずれかを所望の値に調整することができる。

２コアのＰＢＦ１５０の偏光依存度はまた、一定の実施例において、ファイバ偏光子、離散的な波長における偏光スプリッタ、または偏光センサのいずれかとして用いられるよう活用され得る。図７Ａの曲線に基いて、１５６９ナノメータ（図７Ａの点Ｃ、図７Ｃで拡大）において、ｘ偏光された光が一方のコアまたはポートから出、ｙ偏光された光が他方のコアまたはポートから出る。１０ｄＢおよび２０ｄＢのバンド幅はそれぞれ約１０ナノメータおよび４ナノメータである。偏光の役割が切替えられていること以外は類似のバンド幅が、１５９９ナノメータ（図７Ａの点Ｄ、図７Ｄで拡大）において得られる。

一定の実施例では、カプラ長さを適切に選択することにより中心波長を調整することができる。図８Ａおよび図８Ｂは、長さがそれぞれ２ミリメートルおよび３ミリメートルの例としての２コアのＰＢＦの両方の偏光について波長の関数としての透過率をそれぞれ示す。所望のカップリング特性を備えたカプラを設計するために、他の幾何学的パラメータを調整することもできる。

一定の実施例では、片方または両方のコアがコアを囲む第１の材料（たとえばシリカ）の薄いリングを有する。厚さｔ＝０．０２５Λのコアリングを備えた２コアのＰＢＦの結合長の計算は、カップリングにおいて偏光依存した変化を示した。たとえば、ｄ＝３Λ、λ＝０．６Λ、かつΛ＝２．５ミクロンについて、コアリングを加えることによりｘ偏光の結合長は１．２ミリメートルから０．６ミリメートルまで減少した一方で、ｙ偏光の結合長は１．９ミリメートルから２．９ミリメートルへと増加した。この変化は、コアモード間の重複、またそのためにカップリングを修正する、リングが存在する場合にコアの縁部に向かうモードフィールド分布における修正に由来していることがある。同様に、ファイバの空気充填比を増大させることが結合長を増加させる。たとえば、バンドギャップの中心において、ｄ＝３Λかつλ＝１．５ミクロンであり、クラッドの中空の領域半径がρ＝０．４７Λからρ＝０．４９Λへ増加された場合（市販のＰＢＦの典型的な値）、ｘ偏光結合長は１．２ミリメートルから２．７ミリメートルへ、また、ｙ偏光結合長は１．９ミリメートルから２．９ミリメートルへと増加した。

一定の実施例において、ｘ偏光およびｙ偏光の結合長が交差する波長（たとえば２コアのＰＢＦが偏光独立した方向性カプラとして用いられ得る波長）は、コア半径の調整により選択することができる。この挙動は、さまざまな値のコア半径Ｒについて波長の関数としてｘ偏光およびｙ偏光の結合長を示す、図９によって示される。波長の関数としての結合長が勾配が０になる変曲点を有する一定の実施例では、２コアのＰＢＦはある範囲の波長にわたって広帯域偏光子として用いることができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、本願明細書に記載された一定の実施例と互換性を有する例としての２つの２コアのＰＢＦ１５０を概略的に示す。これらの構造の各々はより大きなコアの隔たりのために結合係数を増大することができる。図１０Ａは２つのコア１７０、１８０の間の点欠陥１９０を概略的に示し、図１０Ｂは２つのコア１７０、１８０の間の線欠陥１９２を概略的に示す。一定の実施例では、２コアのＰＢＦ１５０の伝搬特性は、２つのコア１７０、１８０の間の欠陥の構造によって大きく影響される。

図１１は、４つの結晶空間周期のコアの隔たりを備えた図１０Ａの点欠陥１９０の欠陥半径の関数としての複屈折を示す。２０倍ずつの結合係数の増加が可能であり、表面モードとの相互作用による不連続性が欠陥によってサポートされる。図１２は、６つの結晶空間周期のコアの隔たりを備えた図１０Ａの点欠陥１９０の欠陥半径の関数としての複屈折を示す。１０倍ずつの結合係数の増加が可能であり、表面モードとの相互作用がある場合は欠陥半径に対して感度が高い。

図１３は、６つの結晶空間周期のコアの隔たりを備えた図１０Ｂの線欠陥１９２の欠陥半径の関数としての複屈折を示す。１０００倍ずつの結合係数の増加が可能であり、特定の領域において欠陥サイズに対して感度が高い。一定の実施例では、２コアのＰＢＦは、透過率が欠陥サイズに非常に大きく依存する波長で動作している。そのような実施例における２コアのＰＢＦを通して送信された信号は、欠陥サイズの乱れに起因して大きな変動を示し、欠陥サイズを乱すあらゆる効果（たとえば圧力波）についてのセンサとして役立つことができる。

この発明のさまざまな実施例が上述された。この発明はこれらの具体的な実施例について記載されたが、説明はこの発明の例証となるように意図されており、限定するようには意図されない。添付された請求項に規定されるこの発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者はさまざまな修正および応用に想到するであろう。

本願明細書に記載された一定の実施例に従う例としてのオプティカルカプラを概略的に示す図である。 シリカブロック上に取付けられた２つの中空コアのフォトニックバンドギャップファイバをサイドポリッシュすることによって形成される例としてのファイバカプラを概略的に示す図である。 本願明細書に記載された一定の実施例に従う例としての２コアのフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＦ）の断面図を概略的に示す図である。 Ｒ＝０．８Λ、ρ＝０．４７Λ、ｄ＝３Λである例としての２コアのＰＢＦ構造の４つの基本モードの分散曲線を示す図である。 λ＝０．６Λにおける２コアのＰＢＦ（ｄ＝３Λ）の、奇数モードのｘ偏光された強度プロフィールの輪郭プロットを示す図である。 λ＝０．６Λにおける２コアのＰＢＦ（ｄ＝３Λ）の、奇数モードのｘ偏光された強度プロフィールの対数目盛プロットを示す図である。 λ＝０．６Λにおける２コアのＰＢＦ（ｄ＝３Λ）の、偶数モードのｘ偏光された強度プロフィールの輪郭プロットを示す図である。 λ＝０．６Λにおける２コアのＰＢＦ（ｄ＝３Λ）の、偶数モードのｘ偏光された強度プロフィールの対数目盛プロットを示す図である。 λ＝０．６Λにおける２コアのＰＢＦ（ｄ＝３Λ）の、奇数モードのｙ偏光された強度プロフィールの輪郭プロットを示す図である。 λ＝０．６Λにおける２コアのＰＢＦ（ｄ＝３Λ）の、奇数モードのｙ偏光された強度プロフィールの対数目盛プロットを示す図である。 λ＝０．６Λにおける２コアのＰＢＦ（ｄ＝３Λ）の、偶数モードのｙ偏光された強度プロフィールの輪郭プロットを示す図である。 λ＝０．６Λにおける２コアのＰＢＦ（ｄ＝３Λ）の、偶数モードのｙ偏光された強度プロフィールの対数目盛プロットを示す図である。 λ＝０．６Λにおけるｄ＝４Λについて、（ｉ）奇数の、ｘ偏光されたモードの輪郭強度プロフィールを示す図である。 λ＝０．６Λにおけるｄ＝４Λについて、（ｉｉ）偶数の、ｘ偏光されたモードの輪郭強度プロフィールを示す図である。 λ＝０．６Λにおけるｄ＝４Λについて、（ｉｉｉ）偶数の、ｘ偏光されたモードの輪郭強度プロフィールを示す図である。 λ＝０．６Λにおけるｄ＝４Λについて、（ｉｖ）偶数の、ｙ偏光されたモードの輪郭強度プロフィールを示す図である。 Ｒ＝０．８Λ、ρ＝０．４７Λ、かつｄ＝４Λである別の例としての２コアのＰＢＦ構造の４つの基本モードの分散曲線を示す図である。 Ｒ＝０．８Λ、ρ＝０．４７Λ、かつｄがΛから６Λまで変わる、例としての２コアのＰＢＦの波長の関数としての正規化された結合長Ｌ_c／Λを示す図である。 結晶周期Λ＝２．６ミクロン、バンドギャップは１．５５ミクロンを中心とし、ｄ＝３Λ＝７．８ミクロン、長さＬ＝１０．５ミリメートルの、例としての２コアのＰＢＦのためのｘ偏光およびｙ偏光の結合比を示す図である。 １５２２ナノメータの領域で図７Ａの結合比を示す図である。 １５６９ナノメータの領域で図７Ａの結合比を示す図である。 １５９９ナノメータの領域で図７Ａの結合比を示す図である。 ２ミリメートルの長さの例としての２コアのＰＢＦにおける両方の偏光について波長の関数としての透過率を示す図である。 ３ミリメートルの長さの例としての２コアのＰＢＦにおける両方の偏光について波長の関数としての透過率を示す図である。 波長の関数としてのコア半径Ｒのさまざまな値についてのｘ偏光およびｙ偏光の結合長を示す図である。 本願明細書に記載された一定の実施例と互換性をもつ２つの例としての２コアのＰＢＦを概略的に示す図である。 本願明細書に記載された一定の実施例と互換性をもつ２つの例としての２コアのＰＢＦを概略的に示す図である。 ４つの結晶空間周期のコアの隔たりを備えた図１０Ａの点欠陥のための欠陥半径の関数としての複屈折を示す図である。 ６つの結晶空間周期のコアの隔たりを備えた図１０Ａの点欠陥のための欠陥半径の関数としての複屈折を示す図である。 ６つの結晶空間周期のコアの隔たりを備えた図１０Ｂの点欠陥のための欠陥半径の関数としての複屈折を示す図である。

Claims (38)

1. オプティカルカプラであって、
   第１の光学ポートと、
   第２の光学ポートと、
   第３の光学ポートと、
   第４の光学ポートと、
   フォトニックバンドギャップファイバとを含み、フォトニックバンドギャップファイバは、
   第１の屈折率を有する材料と、前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する領域とを含むクラッドを含み、
   実質的にクラッドに囲まれた第１のコアを含み、前記第１のコアは前記第１の光学ポートおよび前記第２の光学ポートに光学的に結合され、
   実質的にクラッドに囲まれた第２のコアを含み、前記第２のコアは前記第３の光学ポートおよび前記第４の光学ポートに光学的に結合され、前記第１のコアの少なくとも一部は、前記第１のコアが前記第２のコアに光学的に結合されるように、前記第２のコアの少なくとも一部にほぼ平行であってそこから間隔を置かれ、前記第１のコア、前記第２のコア、または前記第１のコアおよび前記第２のコアのいずれもが中空であり、
   実質的にクラッドに囲まれた線形欠陥を含み、前記線形欠陥は、前記第１コアおよび前記第２コアの両方から間隔をあけて形成され、前記第１のコアと前記第２のコアとの間の結合係数を増加させるように配置される、オプティカルカプラ。
2. 前記領域は中空である、請求項１に記載のオプティカルカプラ。
3. 前記領域は各々それぞれの中心を有し、隣接領域は空間周期を有する周期的なパターンで間隔を置かれる、請求項１に記載のオプティカルカプラ。
4. 前記第１のコアおよび前記第２のコアは空間周期の倍数に実質的に等しい中心間距離を有する、請求項３に記載のオプティカルカプラ。
5. 前記倍数は偶数の整数である、請求項４に記載のオプティカルカプラ。
6. 前記倍数は奇数の整数である、請求項４に記載のオプティカルカプラ。
7. 前記第１のコアは表面モードをサポートせず、前記第２のコアは表面モードをサポートしない、請求項１に記載のオプティカルカプラ。
8. 前記第１のコアと前記第２のコアとの間の光学的結合は偏光依存する、請求項１に記載のオプティカルカプラ。
9. 前記第１のコアおよび前記第２のコアのフォトニックバンドギャップファイバは、約１ミリメートルから約１．９センチメートルの範囲の結合長を有する、請求項１に記載のオプティカルカプラ。
10. 前記第１のコアおよび前記第２のコアのうち１つはコアリングを含む、請求項１に記載のオプティカルカプラ。
11. 前記第１のコアおよび前記第２のコアの各々がコアリングを含む、請求項１０に記載のオプティカルカプラ。
12. 線形欠陥は前記第１のコアと前記第２のコアとの間にある、請求項１に記載のオプティカルカプラ。
13. フォトニックバンドギャップファイバを用いる方法であって、
    前記フォトニックバンドギャップファイバを与えるステップを含み、前記フォトニックバンドギャップファイバは、
    第１の屈折率を有する材料と、前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する領域とを含むクラッドを含み、前記フォトニックバンドギャップファイバはさらに、
    実質的にクラッドに囲まれた第１のコアと、
    実質的にクラッドに囲まれた第２のコアとを含み、前記第１のコアは、前記第１のコアが前記第２のコアに光学的に結合されるように前記第２のコアから間隔を置かれ、前記第１のコア、前記第２のコア、または前記第１のコアおよび前記第２のコアのいずれもが中空であり、前記フォトニックバンドギャップファイバはさらに
    実質的にクラッドに囲まれた線形欠陥を含み、線形欠陥は、前記第１のコアおよび前記第２のコアの両方から間隔をあけて形成され、前記第１のコアと前記第２のコアとの間の結合係数を増大させるように配置され、前記方法はさらに
    前記第１のコアと前記第２のコアとの間で光を結合するステップを含む、方法。
14. 前記フォトニックバンドギャップファイバを偏光依存したオプティカルカプラとして用いるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記フォトニックバンドギャップファイバを偏光無依存のオプティカルカプラとして用いるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記フォトニックバンドギャップファイバを波長分割マルチプレクサとして用いるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記フォトニックバンドギャップファイバをファイバ偏光子として用いるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記フォトニックバンドギャップファイバを偏光スプリッタとして用いるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
19. フォトニックバンドギャップファイバであって、
    クラッドと、
    第１のコアと、
    第２のコアとを含み、前記第１のコアの少なくとも一部は、前記第１のコアが前記第２のコアに光学的に結合されるように、前記第２のコアの少なくとも一部にほぼ平行であってそこから間隔を置かれ、前記第１のコアおよび前記第２のコアの両方が中空で実質的にクラッドに囲まれており、
    実質的にクラッドに囲まれた線形欠陥を含み、線形欠陥は、前記第１のコアおよび前記第２のコアの両方から間隔をあけて形成され、前記第１のコアと前記第２のコアとの間の結合係数を増加させるように配置された、フォトニックバンドギャップファイバ。
20. 前記クラッドは前記クラッド内に第１の屈折率を備えた材料および領域を含み、前記領域は前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する、請求項１９に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
21. 前記領域は中空である、請求項２０に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
22. 前記領域は各々それぞれの中心を有し、隣接領域は空間周期を有する周期的なパターンで間隔を置かれる、請求項２０に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
23. 前記第１のコアおよび前記第２のコアは空間周期の整数の倍数に実質的に等しい中心間距離を有する、請求項２２に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
24. 前記第１のコアは表面モードをサポートせず、前記第２のコアは表面モードをサポートしない、請求項１９に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
25. 前記第１のコアと前記第２のコアとの間の光学的結合は偏光依存する、請求項１９に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
26. 前記第１のコアおよび前記第２のコアは、約１ミリメートルから約１．９センチメートルの範囲の結合長を有する、請求項１９に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
27. 前記第１のコアおよび前記第２のコアのうち少なくとも１つはコアリングを含む、請求項１９に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
28. フォトニックバンドギャップファイバを用いる方法であって、
    前記フォトニックバンドギャップファイバを与えるステップを含み、前記フォトニックバンドギャップファイバは、
    第１のコアと、
    前記第１のコアから間隔を置かれ、前記第１のコアに光学的に結合された第２のコアと、
    前記第１のコアおよび前記第２のコアの両方から間隔をあけて形成され、前記第１のコアと前記第２のコアとの間の結合係数を増大させるように構成された線形欠陥と、
    実質的に線形欠陥と前記第１のコアおよび前記第２のコアの両方とを囲むクラッドとを含み、前記方法は
    前記第１のコアと前記第２のコアとの間で光を結合するステップを含む、方法。
29. 前記フォトニックバンドギャップファイバを偏光依存したオプティカルカプラとして用いるステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記フォトニックバンドギャップファイバを偏光無依存のオプティカルカプラとして用いるステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
31. 前記フォトニックバンドギャップファイバを波長分割マルチプレクサとして用いるステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
32. 前記フォトニックバンドギャップファイバをファイバ偏光子として用いるステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
33. 前記フォトニックバンドギャップファイバを偏光スプリッタとして用いるステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
34. 前記第１のコアおよび前記第２のコアのうち少なくとも１つは中空である、請求項２８に記載の方法。
35. フォトニックバンドギャップファイバであって、
    第１のコアと、
    前記第１のコアに光学的に結合された第２のコアとを含み、前記第２のコアの少なくとも一部は前記第１のコアの少なくとも一部にほぼ平行であってそこから間隔を置かれ、前記第１のコアおよび前記第２のコアのうち少なくとも１つは中空であり、
    前記第１のコアおよび前記第２のコアの両方から間隔をあけて形成され、前記第１のコアと前記第２のコアとの間の結合係数を増大させるように配置された線形欠陥と、
    実質的に線形欠陥と前記第１のコアおよび前記第２のコアの両方を囲むクラッドとを含む、フォトニックバンドギャップファイバ。
36. 前記第１のコアは表面モードをサポートせず、前記第２のコアは表面モードをサポートしない、請求項３５に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
37. 前記第１のコアと前記第２のコアとの間の光学的結合は偏光依存する、請求項３５に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
38. 前記第１のコアおよび前記第２のコアのうち少なくとも１つは中空である、請求項３５に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。