JP5488157B2 - 空間モードフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、光部品に用いられる空間モードフィルタに関する。

従来、光部品において、特定のモードを取り出すために空間モードフィルタが用いられている。このうち、基本モードを取り出す空間モードフィルタは種々あり、たとえば通常の単一モードファイバは高次モードが伝搬しないため、基本モードのみを取り出す空間モードフィルタであるといえる。

これに対して、高次モードのみを取り出す方法は少なく、たとえば、空間光学系を用いて基本モードの強度分布であるガウス分布を減衰させ、高次モードの強度分布を強調するような空間モードフィルタがあるが、強度分布に重なりがあるため、高次モードのみを完全に分離することは現状困難である。
また、量子通信で空間モードを分離する方法が提案されているが、量子状態が混在している通常の光通信への応用は難しい。

関連する従来技術として、特許文献１に記載の横モード分離装置がある。この装置では、まず二次元に配列した受光素子等で強度分布として受光してから、信号処理技術を用いてモードの分離を行っている。

特許第３８５５００１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、中継するためには光−電気−光と変換する必要があり、また信号処理のために時間遅延も発生するという問題がある。
一つの導波路において複数の伝搬モードを用いて同時に伝送を行う空間モード多重通信では、簡便に所望の高次モードを分離できるフィルタが必要になる。特に、光ファイバ型の部品は光通信への適合性が高いため、好適であると考えられる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡単に所望の高次モードを分離できる空間モードフィルタを提供することを目的とする。

本発明の空間モードフィルタは、中空又は低屈折率媒体からなるコア部と、誘電体からなり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を形成する回折格子を設けたクラッド部とを有し、前記回折格子は、規則的に配置された、自身の長手方向にのびて周囲と屈折率の異なる複数の領域からなる空間モードフィルタにおいて、前記低屈折率媒体は、前記クラッド部の等価屈折率よりも低い屈折率を有し、前記回折格子の格子間隔は、前記コア部および前記クラッド部の構造から使用波長域における基本モードおよび高次モードを求め、前記高次モードのみが前記フォトニックバンドギャップ内に位置するように設定されていることを特徴とする。

本発明の空間モードフィルタにおいては、前記クラッド部が前記コア部を略同心状に取り囲むように配置され、フォトニックバンドギャップファイバとして形成されてもよい。

本発明の他の空間モードフィルタは、上記空間モードフィルタであり、第１の範囲の導波モードを有する第１の空間モードフィルタと、上記空間モードフィルタであり、前記第１の範囲と異なる第２の範囲の導波モードを有する第２の空間モードフィルタとを備え、前記第１の空間モードフィルタと前記第２の空間モードフィルタとは、一方の端部から入射された光が前記第１の空間モードフィルタおよび前記第２の空間モードフィルタを通って他方の端部から出射されるように光学的に接続されていることを特徴とする。

本発明の空間モードフィルタによれば、簡単に所望の高次モードを分離できる空間モードフィルタを構成することができる。

本発明の空間モードフィルタである第１実施例のフォトニックバンドギャップファイバにおけるクラッド部の構造を示す模式図である。 設定クラッド部におけるバンドギャップ構造を示すグラフである。 同フォトニックバンドギャップファイバにおけるコア部の形成方法を示す模式図である。 図２の部分拡大図であり、同バンドギャップ構造内における伝搬モードの態様と、これにもとづいた格子間隔の設定例を示すグラフである。 第２実施例のフォトニックバンドギャップファイバにおけるコア部およびその周辺の構造を示す模式図である。 同フォトニックバンドギャップファイバのバンドギャップ構造内における伝搬モードの態様と、これにもとづいた格子間隔の設定例を示すグラフである。 本発明のフォトニックバンドギャップファイバを組み合わせた空間モードフィルタの例を示す模式図である。

以下、本発明の空間モードフィルタについて、実施例を交えつつ、図１から図７を参照して説明する。本明細書では、空間モードフィルタの具体的な一例としてフォトニックバンドギャップファイバを用いて説明するが、その原理はファイバ型でない導波路にも同様に適用可能である。

フォトニックバンドギャップファイバ（以下、「ＰＢＦ」と称することがある。）とは、コア部が中空ないし低屈折率で透明な媒質からなり、その周囲をクラッド部で同心状（略同心状を含む。）に囲んだ構造のファイバである。ＰＢＦにおいては、コア部の屈折率はクラッド部の等価屈折率よりも低く、屈折率差による光の閉じ込め機構は存在しない。ＰＢＦで光の閉じ込めを実現するのは、クラッド部の構造により生じるフォトニックバンドギャップ（以下、「ＰＢＧ」と称することがある。）と呼ばれる現象である。

ＰＢＧは、クラッド部内に周期的に配置された、屈折率の異なる複数の領域によって形成される。屈折率の異なる領域としては、空孔のように屈折率が周囲より低いものと、液晶や高屈折率ガラスなど、屈折率が周囲より高いものとがあるが、以下、「低屈折率部」という用語でこの領域を総称する。
低屈折率部はＰＢＦの長手方向に対しては一定の形状を保持している。ＰＢＦの横断面内において低屈折率部の格子配置や低屈折率部間の間隔を適当に設定すると、ある波長を中心波長とし、ある程度の帯域を有するＰＢＧがＰＢＦに生成される。その結果、ＰＢＧの範囲内の波長の光はＰＢＧの効果でコア部分に閉じ込められ、ＰＢＦ内を伝搬することが可能となる。

ＰＢＦの製造においては、通常の光ファイバと同様に、まず直径数センチメートル（ｃｍ）から十数ｃｍの母材を作製し、それを溶融延伸によりファイバ化する。母材の形成方法には細い円筒形の誘電体を束ねるキャピラリー法、誘電体にドリルで削孔するドリル法などがある。良好なＰＢＧを形成するためには、クラッド部の低屈折率部は幾何学的に整列している必要があり、広いバンドギャップを生じる六方最密の格子配列が広く使用される。

図１は第１実施例のＰＢＦ１のクラッド部２０の構造を、ＰＢＦ１の延在方向に見た状態を示す模式図である。図１において白い円形に示されているのは、延在方向に延びる空孔２１ａからなる低屈折率部２１であり、黒で示された低屈折率部２１間の領域は、誘電体からなる間隙部２２である。間隙部２２を形成する誘電体としては、例えば石英系ガラスやプラスチック、アルミナ等、使用する波長において透明な任意の媒質を使用する事が可能である。本実施形態では石英ガラスで間隙部２２が形成されている。

低屈折率部２１は、いわゆる六方最密構造のブラッグ回折格子を形成している。このような構造は上述のドリル法やキャピラリー法等により作製することができる。ドリルであけた孔やガラス管の中に高屈折率のガラスを挿入すると、低屈折率部２１の屈折率を高めることができる。また、ファイバ
化後、空孔２１ａ内に液晶やマッチングオイル等の高屈折率の液体を充填することによっても低屈折率部２１の屈折率を高めることができる。

低屈折率部２１及び間隙部２２からなるクラッド部２０が、ＰＢＦ１の径方向において、使用される光の波長に対して５倍以上と十分広い範囲に広がっている場合には、クラッド部２０の構造が無限に連続した場合のバンドギャップの計算を行なうことで、作製されるＰＢＦのバンドギャップ構造を計算する事が出来る。
所定のバンドギャップ構造を有する媒質に様々な伝搬ベクトルをもつ光の平面波を入射し、その伝搬定数をグラフ化していくと、ある範囲の伝搬定数を持つ光がその媒質中に存在できない領域が現れる。図２は、当該光が存在できない領域をグラフ化した例を示すものである。
図２のグラフにおいて、横軸はクラッド部２０の格子間隔Λであり、縦軸は伝搬定数から換算した有効屈折率ｎ_ｅｆｆである。なお、本発明における格子間隔Λとは、図１に示すように、隣接する低屈折率部２１（本実施形態においては空孔２１ａ）の中心間距離を意味する。

図２では、図１に示したような形状のクラッド部２０を有し、低屈折率部２１は空孔２１ａからなり、間隙部２２が石英ガラスからなるクラッド部（以下、図２に示したクラッド部を「設定クラッド部」と称する。）のバンドギャップ構造を示している。設定クラッド部において、格子間隔Λと空孔の径ｄ（図１参照）の比ｄ／Λは０．９５に設定されている。使用波長λは１．５５マイクロメートル（μｍ）としている。
設定クラッド部においては、斜線部で示した領域Ａ１が最も広いフォトニックバンドギャップの存在する領域であることが図２からわかる。

本実施例のＰＢＦにおいては、ＰＢＧ内における基本モードおよび高次モードの各伝搬モードの存在態様を考慮してクラッド部２０を適切に設計することにより、所望の高次モードのみを透過する空間モードフィルタとして機能するＰＢＦを実現する。伝搬モードの存在態様は、クラッド部における低屈折率部の径および配置で決まるクラッド部の有効屈折率によって変化するが、コア部の径等によっても変化するため、以下にＰＢＦ１におけるコア部の作製手順について説明する。

図３は、本発明のＰＢＦ１におけるコア部１０の形成方法を示す模式図である。キャピラリー法で作製したＰＢＦ１の母材１Ａの中心付近において、ガラス管２を複数本除去することにより、中空のコア部１０となる空間を形成することができる。キャピラリー法の場合に、キャピラリーとキャピラリーの間に生じる小さな空隙３は、溶融延伸過程でつぶれて消失し、誘電体からなる間隙部２２を形成する。ＰＢＦ１においては、シングルモードファイバとの接続性を考慮し、コア部１０の径を１０μｍに設定している。

通常のシングルモードファイバ（ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２）のモードフィールド径は約１０μｍであるため、例えば、格子間隔Λが３μｍの場合は、図３に点線で示す領域Ｂ１内に位置する１２本のガラス管２を除去してコア部１０を形成すると、コア部１０の幾何学的な直径（コア部１０の径方向の断面形状において、中心を通り最も短い直線の長さ）Ｄ１が、ほぼ格子間隔Λの３．３倍となり、コア部１０の径をシングルモードファイバのモードフィールド径とほぼ等しくすることができる。このように、コア部１０を形成するために母材１Ａから除去するガラス管２の数や配置は、格子間隔Λとコア部１０の径の設定値にもとづいて適宜増減されて最適化されればよい。

また、コア部１０を形成する際、断面形状が３回回転対称性もしくは６回回転対称性を維持するようにガラス管を除去する事でＰＢＦ１は偏波依存性のないファイバとなり、逆に２回回転対称もしくは回転対称性を有さないようにガラス管を除去した場合にはＰＢＦ１は偏波保持ファイバとなる。
なお、ここではキャピラリー法でＰＢＦを形成する例について説明したが、ドリル法を用いる場合は、母材１Ａにおいて領域Ｂ１等の内側の誘電体をドリルで切削すればよい。

図４は、図２のうち格子間隔Λが３μm前後の部分を拡大したものである。ここでは、図３で示したように中心のガラス管１２本を除去して径が約１０μｍの中空のコア部１０を形成したＰＢＦであるとしてモードを計算し、その有効屈折率を図４に示している。このＰＢＦには、図２および図４に示すように、伝搬モードとして破線Ｌ１で示す基底モードであるＬＰ０１モードが存在する。さらに、このＰＢＦには、これに加えて高次モードが伝搬モードとして存在し、これが一点鎖線Ｌ２で示すＬＰ１１モードである。図４に示すように、本例では格子間隔Λが２．８７μm から３μmの範囲Ｒ１において、使用波長λが１．５５μmのときに、ＬＰ１１モードがＰＢＧ内に存在し、ＬＰ０１モードがＰＢＧ内に存在しない条件となる。すなわち、格子間隔Λが範囲Ｒ１内の値に設定されている場合に、波長１．５５μmの光のＬＰ０１モードはＰＢＧによる光閉じ込め効果を得られないため、伝搬モードとはならず、高次モードのＬＰ１１モードのみを透過する空間モードフィルタが実現できる。

続いて、本発明の第２実施例のＰＢＦについて、図６および図７を参照して説明する。第２実施例のＰＢＦでは、低屈折率部の屈折率が、周囲よりも高く設定されている。
図５は、本実施例のＰＢＦ３１の径方向断面を示す拡大図である。クラッド部３２の間隙部２２は、第１実施例同様、例えば石英ガラスで形成されているが、黒く示した低屈折率部３３は、石英ガラスよりも屈折率の高い材料、例えば高屈折率ガラスで形成されている。

ＰＢＦ３１はキャピラリー法で形成することを想定した。石英ガラスからなる中空のガラス管を束ね、図５に破線で示す１９本のガラス管２を棒状の石英ガラスで置換し、クラッド部３２を形成する中空のガラス管の内腔に高屈折率ガラスを充填して溶融延伸することにより形成するものとした。したがって、コア部３４は、間隙部２２と同一の材料で形成されており、低屈折率部３３よりも低い屈折率を有する。ＰＢＦ３１の設定クラッド部において、格子間隔と低屈折率部３３の径との比ｄ／Λは０．５であり、低屈折率部３３の屈折率は１．８７としている。

図６は、使用波長λ＝１．５５μｍにおけるＰＢＦ３１の設定クラッド部におけるＰＢＧのシミュレーション結果を示すグラフであり、格子間隔Λが１μｍ前後の範囲を拡大して示している。
図６に示すように、ＰＢＦ３１は、格子間隔Λが概略１μｍ以上２μｍ以下のときにフォトニックバンドギャップファイバとして使用可能である。

上記設定のＰＢＦ３１のＰＢＧには、第１実施例のＰＢＦ１に存在したＬＰ０１モードＬ１およびＬＰ１１モードＬ２に加え、一点鎖線Ｌ３で示すＬＰ２１モードが存在している。また、より高次のモードも存在するが、図示を省略している。このほか、ＰＢＦ３１にはＬＰ０２モードも存在しているが、通常の光ファイバにおいてＬＰ０２モードはＬＰ２１モードと縮退しているために図示を省略している。

本例においては格子間隔Λを１．２から１．２４μｍの範囲Ｒ２内に設定することにより、ＬＰ０１モードを透過せず、ＬＰ１１モードおよびそれより高次のモードを透過する空間モードフィルタとすることができる。また格子間隔Λを１．１２から１．２μｍの範囲Ｒ３内に設定することにより、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードを透過せず、ＬＰ２１モードおよびそれより高次のモードを透過する空間モードフィルタとすることができる。

以上説明したように、本発明の空間モードフィルタであるＰＢＦ１およびＰＢＦ３１によれば、コア部およびクラッド部の基本構成および使用波長を固定した条件下におけるシミュレーション結果にもとづき格子間隔Λを適切に設定することにより、あるモードよりも高次のモードのみが伝搬する空間モードフィルタを容易に実現することができる。その結果、簡単に所望の高次モードを分離できる空間モードフィルタを提供することができる。
一般に、コア部の径を大きくすると、より高次のモードがＰＢＧ内に存在できるようになり、ＰＢＧ内により多くの伝搬モードが存在するようになる。また、クラッド部において、低屈折率部と、間隙部を構成する誘電体との屈折率差を高めるほどより高次のモードがＰＢＧ内に存在できるようになる。したがって、これらの傾向を考慮しつつ、所望の特性を発揮するように本発明の空間モードフィルタを設計すればよい。

光ファイバ構造においては、伝搬モード以外のモードの損失は、通常１００ｄｂ／m以上ときわめて大きいため、上述したようなＰＢＦ１やＰＢＦ３１のような特性を有するＰＢＦを軸線方向の長さにして数センチメートル（ｃｍ）程度使用すれば、空間モードフィルタとして問題なく使用することができる。使用するファイバが直線状である場合は、中心軸線に沿ってまっすぐに抜けてくる光が存在するため、ＰＢＦ１やＰＢＦ３１のようなファイバを、例えばＳ字状に屈曲させたり９０°以上折り曲げたりすることで漏れ出る不要の低次モードを抑制することができる。
また、光ファイバ構造以外の導波路形状等の場合も、同様に屈曲部等を設ける事により、まっすぐに抜けて漏れ出る光を除去する事ができる。

また、図７に示すように、ある伝搬モード、例えばＬＰ１１モード以上の高次モードを透過する導波モードを有する本発明の空間モードフィルタ（第１の空間モードフィルタ）４１と、ＬＰ１１モード以下の高次モードを透過する導波モードを有する本発明の空間モードフィルタ（第２の空間モードフィルタ）４２とを光学的に接続し、一方の端部からマルチモードの光を入射すると、空間モードフィルタ４１でＬＰ１１モードよりも低次のモードが除去され、空間モードフィルタ４１でＬＰ１１モードよりも高次のモードが除去される結果、他方の端部からは、ＬＰ１１モードのみが抽出されて取り出される。このように、異なる導波モードを有する本発明の空間モードフィルタを複数組み合わせることにより、所望の次数かつ所望の数の横モードを抽出する空間モードフィルタを自在に構成することができる。
また、本発明の空間モードフィルタは、低次のモードのみを透過するフィルタ、たとえばコア径を拡大した単一モードファイバ等と組み合わせることで、ある次数の横モードのみを抽出するモードフィルタを実現することもできる。

以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において各実施形態の構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。
例えば、上述の各実施例では、低屈折率部の径方向における断面形状が正円のものを示した。通常ＰＢＦにおいては、低屈折率部は円形の断面形状を有するため、このような例としたが、これに代えて、楕円や正方形などの他の形状に低屈折率部が形成されてもよい。

１、３１ フォトニックバンドギャップファイバ（空間モードフィルタ）
１０、３４ コア部
２０、３２ クラッド部
２１、３３ 低屈折率部
４１ 空間モードフィルタ（第１の空間モードフィルタ）
４２ 空間モードフィルタ（第２の空間モードフィルタ）

Claims (3)

1. 中空又は低屈折率媒体からなるコア部と、誘電体からなり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を形成する回折格子を設けたクラッド部とを有し、前記回折格子は、規則的に配置された、自身の長手方向にのびて周囲と屈折率の異なる複数の領域からなる空間モードフィルタにおいて、
   前記低屈折率媒体は、前記クラッド部の等価屈折率よりも低い屈折率を有し、
   前記回折格子の格子間隔は、
   前記コア部および前記クラッド部の構造から使用波長域における基本モードおよび高次モードを求め、
   前記高次モードのみが前記フォトニックバンドギャップ内に位置するように設定されていることを特徴とする空間モードフィルタ。
2. 請求項１に記載の空間モードフィルタにおいて、前記クラッド部は、前記コア部を取り囲むように配置されており、フォトニックバンドギャップファイバとして形成されていることを特徴とする空間モードフィルタ。
3. 請求項１又は２に記載の空間モードフィルタであり、第１の範囲の導波モードを有する第１の空間モードフィルタと、
   請求項１又は２に記載の空間モードフィルタであり、前記第１の範囲と異なる第２の範囲の導波モードを有する第２の空間モードフィルタと、
   を備え、
   前記第１の空間モードフィルタと前記第２の空間モードフィルタとは、一方の端部から入射された光が前記第１の空間モードフィルタおよび前記第２の空間モードフィルタを通って他方の端部から出射されるように光学的に接続されていることを特徴とする空間モードフィルタ。

Images