JP6783730B2 - フォトニック結晶ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、ファイバ軸に沿って伸びる複数の空孔を備えるフォトニック結晶ファイバに関する。

現在テラヘルツ（ＴＨｚ）波帯において電気部品間の信号のやりとりや伝搬には、一般的に金属導波管が使われている。しかし、金属導波管には次の３つの課題が存在する。第１に、金属導波管は伝搬損失が大きいことが問題である。長距離伝搬が困難な点である。第２に、金属導波管は、金属から構成されているために可撓性がなく、部品間の接続のフレキシビリティが失われることが問題である。第３に、金属導波管はシングルモード帯域が狭く、広帯域信号が伝搬できないことに問題がある。

これらの問題を解決するために、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）が提案されている（非特許文献１参照）。ＰＣＦは、図４に示すように、ファイバ本体２０１の断面中央部に、誘電性材料が一様に詰まっているコア部２０２を備え、この周囲に、クラッド部２０３を備える。クラッド部２０３には、ファイバ軸に沿って伸びる複数の空孔２０４が、断面視において周期的に配置されている。

ＰＣＦは、誘電性材料を用いるため、導体損がなく、誘電正接（ｔａｎｄδ）が低い材料を用いれば低い伝搬損失を実現できる。また、非金属材料なので柔軟性を持たせることが可能である。更に、ＰＣＦ特有のエンドレスシングルモードを発現できるため、広帯域なシングルモード帯域を実現可能である。なお、誘電正接とは、誘電体内での電気エネルギー損失の度合いを表すものである。

M. GOTO et al., "Teflon Photonic Crystal Fiber as Terahertz Waveguide", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 43, no. 2B, pp. L317-L319, 2004.

しかしながら、従来のＰＣＦは、伝搬損失とシングルモード帯域との間に、トレードオフの関係があった。図５のシミュレーション結果に示すように、空孔の径が小さい場合［図５の（ａ）］、コアへのエネルギーの閉じ込めが弱いために伝搬損失が大きいが、コア−クラッド間の実効誘電率差が小さいのでシングルモード帯域は広い［図５の（ｂ）］。なお、高次モードは、５００ＧＨｚ以上で立つため、図５の（ｂ）のスケールでは、高次モードの透過損失については示されない。

一方、図６に示すように、空孔の径が大きい場合［図６の（ａ）］、コアへのエネルギーの閉じ込めが強いために伝搬損失は小さいが、コア−クラッド間の実効誘電率差が大きいためにシングルモード帯域は狭い［図６の（ｂ）］。

上述したように、従来のＰＣＦでは、低い伝搬損失で広いシングルモード帯域とすることが困難であるという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、フォトニック結晶ファイバの伝搬損失を低くした状態でシングルモード帯域を広くすることを目的とする。

本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、ファイバ本体と、ファイバ本体の中央部に配置されたコア領域と、コア領域を取り囲むクラッド領域と、クラッド領域に形成されたファイバ軸に沿って伸びる複数の空孔とを備え、クラッド領域のファイバ軸に垂直な断面において、周期的に配置された複数の空孔による２次元周期構造を有し、複数の空孔は、コア領域に隣接する第１クラッド領域に配置された６個の第１空孔と、第１クラッド領域を囲む第２クラッド領域に配置された複数の第２空孔とを備え、ファイバ軸に垂直な断面において、６個の第１空孔の各々は、コア領域の中心部を中心とする正六角形の頂点に配置され、ファイバ軸に垂直な断面において、６個の第１空孔および複数の第２空孔の各々の中心は、三角格子の格子点に配列され、ファイバ軸に垂直な断面において、三角格子の格子間距離をλとすると、コア領域の直径は１．２４４λとされ、第１空孔の直径は０．７５６λとされ、第２空孔の直径は０．４２λとされている。

上記フォトニック結晶ファイバにおいて、複数の第２空孔は、３０個以上とされていればよい。

上記フォトニック結晶ファイバにおいて、ファイバ本体は、フッ素樹脂から構成されていればよい。

以上説明したように、本発明によれば、空孔が配置されている三角格子の格子間距離λに対し、コア領域の直径を１．２４４λとし、第１空孔の直径を０．７５６λとし、第２空孔の直径を０．４２λとしたので、フォトニック結晶ファイバの伝搬損失を低くした状態でシングルモード帯域を広くすることができるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバの構成を示す断面図である。 図２は、実施の形態のフォトニック結晶ファイバの周波数特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。 図３は、実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバと、金属導波管との比較をした結果を示す説明図である。 図４は、従来のフォトニック結晶ファイバの構成を示す断面図である。 図５は、従来のフォトニック結晶ファイバの周波数特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。 図６は、従来のフォトニック結晶ファイバの周波数特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバついて図１を参照して説明する。このフォトニック結晶ファイバは、ファイバ本体１０１と、ファイバ本体１０１の中央部に配置されたコア領域１０２と、コア領域１０２を取り囲むクラッド領域１０３とを備える。フォトニック結晶ファイバは、よく知られているように、コア領域１０２とクラッド領域１０３とを備え、クラッド領域１０３に形成されたファイバ軸に沿って伸びる複数の空孔を備えることでファイバ軸に沿って一様な屈折率分布を有するものである。複数の空孔は、 クラッド領域１０３のファイバ軸に垂直な断面において、周期的に配置された２次元周期構造を有している。

本発明におけるフォトニック結晶ファイバは、コア領域１０２に隣接する第１クラッド領域に配置された６個の第１空孔１０４と、第１クラッド領域を囲む第２クラッド領域に配置された複数の第２空孔１０５とを備える。全ての第１空孔１０４は、各々同じ径とされ、全ての第２空孔１０５は、各々同じ径とされている。なお、図１において、一点破線の円の内側が、第１クラッド領域であり、この外側が、第２クラッド領域である。

また、ファイバ軸に垂直な断面において、６個の第１空孔１０４の各々は、コア領域１０２の中心部を中心とする正六角形の頂点に配置されている。また、ファイバ軸に垂直な断面において、６個の第１空孔１０４および複数の第２空孔１０５の各々の中心は、三角格子の格子点に配列されている。フォトニック結晶ファイバの断面において、互いに隣接する３つの空孔の各々の中心により、正三角形が形成されている。

なお、実施の形態において、最も内側に６個の第１空孔１０４による輪状部が形成され、この外側に隣接して１２個の第２空孔１０５による輪状部が形成され、この外側に隣接して１８個の第２空孔１０５による輪状部が形成されている。実施の形態では、複数の第２空孔１０５は、３０個とされている。なお、１８個の第２空孔１０５による輪状部の外側に、２４個の第２空孔１０５による輪状部が形成されていてもよい。同様に、２４個の第２空孔１０５による輪状部の外側に、３０個の第２空孔１０５による輪状部が形成されていてもよい。

また、ファイバ軸に垂直な断面において、三角格子の格子間距離（正三角形の１辺の長さ）をλとすると、コア領域１０２の直径は１．２４４λとされ、第１空孔１０４の直径は０．７５６λとされ、第２空孔１０５の直径は０．４２λとされている。これにより、シングルモード帯域が中心周波数に対して１００％以上の比帯域を持たせながら、低損失が実現できるようになる。

例えば、ファイバ本体１０１は、フッ素樹脂から構成され、格子間距離は、１．５ｍｍとされ、コア領域１０２の直径は、１．８６６ｍｍとされ、第１空孔１０４の直径は、１．１３４ｍｍとされ、第２空孔１０５の直径は、０．６３ｍｍとされていればよい。また、ファイバ本体１０１の直径は、１５ｍｍとされていればよい。

上述した実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバによれば、以下に説明するように、伝搬損失を低くした状態でシングルモード帯域を広くすることができる。

上述した各寸法とし、また第２空孔１０５を３０個とした実施の形態のフォトニック結晶ファイバについて、周波数特性をシミュレーションした結果について説明する。図２の（ｂ）に示すように、最小損失が−０．０３１ｄＢ／２ｍｍ、シングルモード帯域が３００ＧＨｚとなった。一方で、図６を用いて説明した従来のフォトニック結晶ファイバの最小損失は、−０．０２４ｄＢ／２ｍｍ、シングルモード帯域は１００ＧＨｚ程度である。従来のフォトニック結晶ファイバは、全ての空孔の直径を１．１３４ｍｍとしたもので、他の条件は同じである。

シミュレーション結果からわかるように、実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバによれば、伝搬損失を従来のフォトニック結晶ファイバと同程度に維持しつつ、シングルモード帯域を３倍以上拡張できている。なお、フォトニック結晶ファイバの特性上、第２空孔１０５が３０個以上とされていれば、上述した効果が充分に得られるものと考えられる。

次に、上述した各寸法とし、また第２空孔１０５を３０個とした実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバと、金属導波管との比較について、図３を参照して説明する。ここで、金属導波管の各寸法は、導波管規格ＷＲ３を用いた。金属導波管の最小損失が−０．２４ｄＢ／ｃｍであるのに対して、実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）は、−０．１７ｄＢ／ｃｍと小さい。また金属導波管のシングルモード帯域が１５０ＧＨｚである。これに対し、実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）は、図３の（ｂ），（ｃ）のフォトニック結晶ファイバの電磁界分布に示すように、３００ＧＨｚと２倍広い。なお、図３の（ａ）のフォトニック結晶ファイバの電磁界分布に示すように、周波数１００ＧＨｚ近傍の帯域では、光閉じ込めが弱く、シングルモードとなっていない。

前述したように、本発明では、フォトニック結晶ファイバのシングルモード帯域が中心周波数に対して１００％以上の比帯域を持たせながら、低損失が実現できるようにすることを目的としている。このような目的に対応するフォトニック結晶ファイバの各パラメータの設計思想的には、次のようになる。まず、低周波側のカットオフ周波数（例えば図３の実線の１００ＧＨｚの部分）はコア領域の直径で決定される。コア領域の直径が大きいほど、低周波側のカットオフ周波数が低周波側にシフトする、つまり、より低周波から透過するようになる。コア領域の直径はおおよそ波長程度である。

一方、シングルモード帯域は、Ｖ値と呼ばれる導波路パラメータが２．４以下である必要がある。このＶ値は、コア領域およびクラッド領域の実効屈折率差の関数になっており、フォトニック結晶ファイバの場合、周波数特性（もしくは波長偏差）を持つ。具体的には、周波数が高くなるほどＶ値は大きくなり、Ｖ値が２．４を超えると高次モードが立ち始める。この時の周波数が、シングルモードの高周波側のカットオフ周波数となる。なお、この状態において、基本モードの伝搬特性が悪くなるわけではない。

この実効屈折率差の周波数特性を決定する因子が、クラッド領域の空孔の径と間隔（格子間距離）となる。この因子に関する理論的な解析はまだ存在していないが、発明者らの鋭意の検討の結果、上述した格子間距離λと、コア領域の直径と、第１空孔の直径と、第２空孔の直径との関係を見出した。

以上に説明したように、本発明によれば、空孔が配置されている三角格子の格子間距離λに対し、コア領域の直径を１．２４４λとし、第１空孔の直径を０．７５６λとし、第２空孔の直径を０．４２λとしたので、フォトニック結晶ファイバの伝搬損失を低くした状態でシングルモード帯域を広くすることができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…ファイバ本体、１０２…コア領域、１０３…クラッド領域、１０４…第１空孔、１０５…第２空孔。

Claims (3)

1. ファイバ本体と、
   前記ファイバ本体の中央部に配置されたコア領域と、
   前記コア領域を取り囲むクラッド領域と、
   前記クラッド領域に形成されたファイバ軸に沿って伸びる複数の空孔と
   を備え、
   前記クラッド領域の前記ファイバ軸に垂直な断面において、周期的に配置された前記複数の空孔による２次元周期構造を有し、
   前記複数の空孔は、前記コア領域に隣接する第１クラッド領域に配置された６個の第１空孔と、前記第１クラッド領域を囲む第２クラッド領域に配置された複数の第２空孔とを備え、
   前記ファイバ軸に垂直な断面において、前記６個の第１空孔の各々は、前記コア領域の中心部を中心とする正六角形の頂点に配置され、
   前記ファイバ軸に垂直な断面において、前記６個の第１空孔および前記複数の第２空孔の各々の中心は、三角格子の格子点に配列され、
   前記ファイバ軸に垂直な断面において、前記三角格子の格子間距離をλとすると、前記コア領域の直径は１．２４４λとされ、前記第１空孔の直径は０．７５６λとされ、前記第２空孔の直径は０．４２λとされている
   ことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。
2. 請求項１記載のフォトニック結晶ファイバにおいて、
   前記複数の第２空孔は、３０個以上とされていることを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。
3. 請求項１または２記載のフォトニック結晶ファイバにおいて、
   前記ファイバ本体は、フッ素樹脂から構成されていることを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。