JPWO2008108269A1 - フォトニックバンドギャップファイバ - Google Patents

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Abstract

このフォトニックバンドギャップファイバは、クラッドの屈折率以下の屈折率を持つ第1コアと、この第1コアを囲んで設けられ、第1コアの屈折率未満の屈折率を持つ第2コアと、この第2コアを囲むクラッドと、このクラッドの第2コア近傍に設けられ、クラッドの屈折率よりも屈折率が高い高屈折率部が周期構造をなして構成された周期構造部と、を備える。前記周期構造部が波長フィルタとして機能することで、透過波長の伝搬損失を小さく、遮断波長の伝搬損失を大きくすることができる。

Description

本発明は、フォトニックバンドギャップファイバに関し、特に、波長フィルタ機能を持つフォトニックバンドギャップファイバに関する。
本願は、2007年03月05日に、日本に出願された特願2007−54273号、および2007年06月05日に、日本に出願された特願2007−149180号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、希土類添加光ファイバを用いた高出力のファイバレーザが脚光を浴びている。高出力ファイバレーザは、励起光と信号光とがファイバ中を伝搬しながら、励起光により信号光が増幅される構成となっており、冷却が容易、装置が小型化できるなどの利点を持っている。
そのような高出力のファイバレーザにおいては、増幅された誘導放出光(ASE)や、誘導ラマン散乱といった非線形効果を抑制するため、波長フィルタ効果を持ったファイバが求められている。
波長フィルタ効果を持ったファイバの従来技術として、例えば、特許文献1に開示された技術が提案されている。
この従来技術には、クラッドよりも屈折率の大きな通常のコアを伝搬するモードを、ある特定の波長でのみ、コアの周囲に設けられた、同様に屈折率を上昇させた部位を伝搬するモードと結合させることで、波長フィルタ機能を持たせることが開示されている。
米国特許出願公開第2006/257071号明細書
しかしながら、前述した従来技術には、次のような問題があった。
特許文献1においては、コアの周囲を伝搬するモードはファイバ中を同じく伝搬するため、再度コアを伝搬するモードと結合し、コアへと戻ってくる。したがって、特許文献1の方法では、遮断波長の伝搬の抑制効果は限られたものとなる。
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、波長フィルタ効果を持つファイバにおいて、透過波長の伝搬損失を小さく、遮断波長の伝搬損失を大きくすることができるファイバの提供を目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、クラッドの屈折率以下の屈折率を持つ第1コアと、この第1コアを囲んで設けられ第1コアの屈折率未満の屈折率を持つ第2コアと、この第2コアを囲むクラッドと、このクラッドの第2コア近傍に設けられ、クラッドの屈折率よりも屈折率が高い高屈折率部が周期構造をなして構成された周期構造部と、を備え、前記周期構造部が、波長フィルタとして機能するフォトニックバンドギャップファイバを提供する。
また、クラッドの屈折率に対して、比屈折率差が0%〜0.1%である屈折率を持つ第1コアと、この第1コアを囲んで設けられ前記第1コアの屈折率未満の屈折率を持つ第2コアと、この第2コアを囲むクラッドと、このクラッドの第2コア近傍に設けられ、クラッドの屈折率よりも屈折率が高い高屈折率部が周期構造をなして構成された周期構造部と、を備え、前記周期構造部が、波長フィルタとして機能するフォトニックバンドギャップファイバを提供する。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記周期構造が2回以下の回転対称性を有し、偏波保持ファイバもしくは単一偏波ファイバとして機能することが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記周期構造は、多数の前記高屈折率部が少なくとも三角格子構造、ハニカム格子構造、正方格子構造、長方格子構造のいずれかを含み配置されてなるものが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記第1コアが断面円形であることが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記周期構造の内部、前記第1コア、及び前記第2コアに空孔が存在していないことが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記第1コアの前記クラッドに対する比屈折率差が0.1%〜−1.0%の範囲であり、前記第2コアの前記クラッドに対する比屈折率差が−0.01〜−1.5%の範囲であることが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記高屈折率部における前記クラッドに対する最大比屈折率差が、0.5%〜4.0%の範囲であることが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記クラッドは、このクラッドよりも小さい屈折率の媒質で囲まれていることが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記周期構造が、前記第1コアを中心軸としてらせん状に配置されていることが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記周期構造の少なくとも一部にファイバグレーティングが形成され、ファイバの長手方向に屈折率が変調されていることが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、第1、第2コアの周囲に周期構造を設けることによって、波長フィルタとして機能させることができる。
また、本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、第1コアと第2コアの屈折率がクラッドの屈折率以下もしくは未満であるため、フォトニックバンドギャップによる導波を原理とし、コアを伝搬するモードの電界が、周期構造を伝搬するモードと結合して伝搬した後、コアを伝搬するモードと再結合する現象が原理的に発生せず、遮断波長における高い波長フィルタリング効果を得ることができる。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバの一実施形態を示す断面図である。 実施例1で作製したフォトニックバンドギャップファイバのバンド図である。 周期構造を持たないファイバにおけるモードの分散曲線である。 図2と図3の結果を重ねたバンド図である。 実施例1において、周期構造を持たないファイバの損失を計算した結果を示すグラフである。 実施例1において、周期構造を設けたファイバの損失を計算した結果を示すグラフである。 実施例1で作製したフォトニックバンドギャップファイバの透過帯域の測定結果を示すグラフである。 実施例1で作製したフォトニックバンドギャップファイバの第1コアを伝搬するモードを示す図である。 実施例1で作製したフォトニックバンドギャップファイバの第2コアと周期構造との間の部位を伝搬するモードを示す図である。 実施例2で作製したフォトニックバンドギャップファイバの断面図である。 実施例2で作製したフォトニックバンドギャップファイバの透過帯域の測定結果を示すグラフである。 実施例3で作製したフォトニックバンドギャップファイバの断面図である。 実施例3で作製したフォトニックバンドギャップファイバの透過帯域の測定結果を示すグラフである。 実施例4で作製したフォトニックバンドギャップファイバの断面図である。 実施例4で作製したフォトニックバンドギャップファイバの断面図である。 実施例4で作製したフォトニックバンドギャップファイバの透過帯域の測定結果を示すグラフである。 実施例5で作製したフォトニックバンドギャップファイバの斜視断面図である。 実施例6で作製したフォトニックバンドギャップファイバの断面図である。 実施例6で作製したフォトニックバンドギャップファイバの断面図である。 実施例6で作製したフォトニックバンドギャップファイバの断面図である。 実施例6で作製したフォトニックバンドギャップファイバの断面図である。 実施例6で作製したフォトニックバンドギャップファイバの断面図である。 実施例7で作製したフォトニックバンドギャップファイバの長手方向における断面図において、導波する励起光の進行を模式的に示した図である。 実施例7で作製したフォトニックバンドギャップファイバの長手方向における断面図において、導波する励起光の進行を模式的に示した図である。 実施例7で作製したフォトニックバンドギャップファイバの長手方向における断面図において、導波する励起光の進行を模式的に示した図である。 実施例7で作製したフォトニックバンドギャップファイバの長手方向における断面図において、導波する励起光の進行を模式的に示した図である。
符号の説明
10,100,120,140,170,180,190 クラッド
11,101,121,141,171,181,191 第1コア
12,102,122,142,171,182 第2コア
13,103,123,143,173,183,193 高屈折率部
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの一実施形態を示す図である。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、クラッド10の屈折率以下の屈折率を持つ第1コア11と、この第1コア11を囲んで設けられ第1コア11の屈折率未満の屈折率を持つ第2コア12と、この第2コア12を囲むクラッド10と、このクラッド10の第2コア12近傍に設けられ、クラッド10の屈折率よりも屈折率の高い多数の高屈折率部13が島状に周期的に配置された三角格子構造になっている。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、透過波長では、モードの伝搬定数は周期構造によって決まるフォトニックバンドギャップ中にあり、遮断波長でのモードの伝搬定数はフォトニックバンドギャップの外にある。このとき、フォトニックバンドギャップは、透過波長におけるモードの閉じ込めを強める働きがある一方、遮断波長におけるモードに対しては、閉じ込めを強める作用を持たない。
したがって、周期構造がない場合には、透過波長および遮断波長において伝搬損失が大きい基本構造のファイバに周期構造を加えることで、透過波長を選択的に低い伝搬損失で伝搬させることができる。
また、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、第1コア11と第2コア12の屈折率がクラッド10の屈折率以下であるため、フォトニックバンドギャップによる導波を原理とし、コアを伝搬するモードの電界が、周期構造を伝搬するモードと結合して伝搬した後、コアを伝搬するモードと再結合する現象が原理的に発生しない。このため、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、モードの伝搬定数がフォトニックバンドギャップの外にある波長の光に対して、高いフィルタリング効果を得ることができる。
本実施形態に掛かるフォトニックバンドギャップファイバにおいて、第1コア11と第2コア12の屈折率がクラッド10の屈折率以下であるとしたが、第1コア11の屈折率は、クラッド10の屈折率より、0.1%程度まで高くてもよい。この場合、第1コア11には、この第1コア11の屈折率とクラッド10の屈折率との間の実効屈折率をもち、コアを伝搬するコアモードが存在する。このコアモードの電界は、周期構造部を伝搬する遮断波長のモードの電界と相互に結合し得るため、一旦、コアモードから周期構造部へと伝搬するモードへ結合した電界が、コアモードに再結合する現象が生じ得る。しかしながら、周期構造部を伝搬するモードであって、かつコアモードから結合し得るモードは閉じ込めが弱いために、このフォトニックバンドギャップファイバを使用する際に避けられないような非常に大きな曲げ径による曲げ損失が生じたとしても、周期構造部を伝搬するモードの閉じこめを解消することができる。これにより、一旦、コアモードから周期構造部を伝搬するモードへ結合した電界が、コアモードに再結合する現象を抑制することができる。ゆえに、第1コア11の屈折率が、クラッド10の屈折率より0.1%程度まで高くても、第1コア11と第2コア12の屈折率がクラッド10の屈折率以下である場合と同様にモードの伝搬定数がフォトニックバンドギャップの外にある波長の光に対して高いフィルタリング効果を得ることができる。
また、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、第1コアの断面形状が円形となっている。したがって、ファイバのモードフィールド形状はほぼ同心円形状となり、このファイバ同士を接続する場合に、接続損失に角度依存性が発生することがなく、また、同心円形状の屈折率分布を持つ従来型の光ファイバと低い接続損失で接続することができる。
また、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、前記周期構造の内部及びコアに空孔が存在していない中実構造になっている。したがって、このファイバ同士、又はこのファイバと別の光ファイバとを融着接続する場合に、空孔が存在する場合のような加熱による空孔収縮が起こらず、融着接続部のファイバ端面構造が変化しないため、低損失で融着接続することができる。
また、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、第1コア11、第2コア12、高屈折率部13及びクラッド10がいずれも石英ガラスからなる。したがって、低損失のファイバが実現でき、また、現在広く用いられている石英ガラス製の光ファイバと容易に融着接続を行うことができる。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、周知のフォトニックバンドギャップファイバの製造方法と同様の方法を用いて作製することができる。次に、その一例を説明する。
本例では、まず、次の材料を用意する。
(1)石英ガラスからなる第1コア11の周りに、フッ素添加石英ガラスからなる低屈折率の第2コア12が設けられたコア用石英ガラスロッド。
(2)高屈折率部13となるゲルマニウムを添加して純粋石英ガラスよりも屈折率の高い石英ガラスからなる中心部との周りの純粋石英ガラスからなる外層部とを有する2層石英ガラスロッド。
(3)クラッド10となる純粋石英ガラスからなる円筒。この円筒の空洞断面は円形でも良いが、断面円形の石英ロッドを最密充填するために六角形とすることが好ましい。
次に、(3)の円筒の内部に、中心に(1)のコア用石英ロッド、その周囲に(2)の2層石英ガラスロッドを多層に充填する。図1は、(2)の2層石英ガラスロッドを5層に配置した例を示している。
次に、前記充填体を真空加熱炉内に入れて充填体全体をヒータ等で加熱するか、あるいは、円筒の両端にキャップを装着して密封し、キャップを通して円筒内を真空排気しながら、円筒外部を酸水素火炎で加熱し、石英ガラスを軟化させて円筒内部の隙間を埋め、図1に示す構造の光ファイバ母材を作製する。
次に、得られた光ファイバ母材を、周知の光ファイバ紡糸装置(線引き装置)にセットし、通常の光ファイバ製造の場合と同様にして線引きし、図1のフォトニックバンドギャップファイバを得る。なお、線引き時、得られた光ファイバ裸線の外側に紫外線硬化型樹脂液を塗布し、直後に紫外線を照射して樹脂液を硬化させて被覆層を設けることが好ましい。
なお、前記製造方法は一例にすぎず、これに限定されず、種々変更可能である。例えば、(2)の2層石英ガラスロッドに代えて、純粋石英ガラスよりも屈折率の高い石英ガラスからなる高屈折率石英ガラスロッドと、純粋石英ガラスロッドとを用意し、円筒内にこれらを交互に充填する方法であってもよい。
本発明に係る実施例として、図1に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバを作製した。屈折率1.45の純粋石英ガラスからなるクラッド10の中に、クラッド10との比屈折率差Δ1が0%で、直径d1が17.8μmである第1コア11があり、第1コア11の周囲に、クラッド10との比屈折率差Δ2が−0.36%で、直径d2が25μmである第2コア12が存在する。そしてその周囲に、クラッド10との比屈折率差Δhが1.6%で、直径dhが5.6μmである高屈折率部13が周期14.0μmの三角格子構造の周期構造をなして配置されている。周期構造は、コアを配置するため、中心から2層が存在せず、5層の周期構造である。
第2コア12の周囲に周期構造部が存在しない基本構造において、コアを導波するモードの分散曲線を図3に示す。続いて、周期構造のバンド図を図2に示す。このバンド図中で点が存在しない領域がバンドギャップである。また、コアが周期構造部に囲まれた図1のような構造のファイバでは、コアを導波するモードの分散曲線がバンドギャップ中に存在する波長である場合、フォトニックバンドギャップの効果によりモードに対して閉じ込めの効果が発生する。コアを導波するモードの分散曲線と周期構造のバンド図との両者を重ねたものを図4に示す。これらの図から明らかなように、コアを導波するモードの分散曲線は波長1.0μm〜1.1μmにおいてはバンドギャップ中に存在し、その一方で、波長1.2μmにおいては、コアモードの分散曲線はバンドギャップ中には存在しない。そのため、波長1.0μm〜1.1μmにおいてコアを導波するモードは周期構造部により閉じ込められない。したがって、図1のフォトニックバンドギャップファイバは、波長フィルタとして機能することができる。
第2コア12の周囲に周期構造部がない基本構造のファイバにおいて、コアを導波するモードの損失を計算したのが図5である。波長によらず、損失は大きい。
一方、図1に示す周期構造部を設けた場合の、モードの損失を計算したのが図6である。図6に示す通り、バンドギャップ中においてモードの損失が非常に小さい一方、バンドギャップの端、バンドギャップ外において損失は大きい。
したがって、本発明に係るファイバは、不要なASE光や誘導ラマン散乱といった、信号光以外の波長の光を取り除く効果を持つ。例えば、ファイバレーザを波長1.08μmで発振させた場合、誘導ラマン散乱は波長1.14μm付近に現れるが、波長1.14μmでは基本モードの損失は30dB/m以上であり、誘導ラマン散乱を効果的に抑圧することができる。
実際に図1の構造のフォトニックバンドギャップファイバを作製し、ファイバを1m取り出して、コア部のみを白色光で励起して透過帯域を測定した結果を図7に示す。曲げ径は180mmφから120mmφまで変化させた。曲げ径が180mmφから160mmφのとき、波長1.08μmの光は伝搬するが、波長1.14μmの光は約30dB減衰していることが分かる。したがって、このファイバは、波長1.08μmで高出力のファイバレーザを発振させた際の、波長1.14μmの誘導ラマン散乱光の発生を効果的に抑圧できる。
また、曲げ径を180mmφから120mmφに変更することで、1.0μmから1.05μmにおける透過特性が大きく変化していることがわかる。これは、曲げを加えることで、第1コアを伝搬する図8のようなモードが、主に第2コアと周期構造との間の部位を伝搬する、例えば図9のようなモードと結合し、第1コアから漏れだしていくためである。第2コアと周期構造との間の部位を伝搬するモードは閉じ込めが弱く、曲げ等で容易に光がクラッドへ放射されるため、伝搬損失となる。したがって、ファイバの曲げ径を適宜設定することにより、波長1.0μmから1.05μmでのASEや寄生発振等、ファイバレーザでしばしば問題となる不要な光を減衰させることができる。
本発明にかかる別の実施例として、図10に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバを作製した。屈折率1.45の純粋石英ガラスのクラッド100の中に、クラッドとの比屈折率差Δ1が0.0%で、直径d1が12.0μmである第1コア101があり、第1コア101の周囲に、クラッドとの比屈折率差Δ2が−0.36%で直径d2が22.0μmである第2コア102が存在する。そしてその周囲に、クラッドとの比屈折率差Δhが1.6%で、直径dhが3.2μmである高屈折率部103が、周期9.0μmの三角格子構造の周期構造をなして配置されている。周期構造は、コアを配置するため、中心から2層が存在せず、5層の周期構造である。
作製したファイバを2m取り出し、直径200mmφに巻いた状態で、コア部のみを白色光で励起して透過帯域を測定した結果を図11に示す。この図に示すように、波長1.13μm付近で急激に透過光強度が低下している。そのため、波長1.06μmのレーザ光を入射したときに、波長1.12μm付近の1次の誘導ラマン散乱は発生するが、波長1.18μm付近の2次以降の誘導ラマン散乱を抑制することができる。従ってこのファイバは、1次の誘導ラマン散乱を効率的に発生させることができるファイバとして機能する。
また、このファイバと、同心円状の屈折率分布を有し、類似のモードフィールド径を有する従来型のファイバとを融着接続したところ、波長1.06μmにおいて、0.1dB以下の融着接続損失を安定して得ることができた。これは、このファイバの第1コアは円形であり、電界分布は主に第1コアの形状によって決定されるため、電界分布は同心円状であり、モードフィールド形状の差異による接続損失を低減させることができるためである。このように、本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、従来型のファイバとの接続損失を低減させることができる。
本発明にかかる別の実施例として、図12に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバを作製した。屈折率1.45の純粋石英ガラスのクラッド120の中に、クラッドとの比屈折率差Δ1が0.0%で、直径d1が29.0μmである第1コア121があり、第1コア121の周囲に、クラッドとの比屈折率差Δ2が−0.36%で直径d2が35.0μmである第2コア122が存在する。そしてその周囲に、クラッドとの比屈折率差Δhが1.6%で、直径dhが5.8μmである高屈折率部123が、周期14.5μmの三角格子構造の周期構造をなして配置されている。周期構造は、コアを配置するため、中心から2層が存在せず、5層の周期構造である。
作製したファイバを2m取り出し、直径280mmφに巻いた状態で、コア部のみを白色光で励起して透過帯域を測定した結果を図13に示す。この図に示すように、波長1.13μm付近で急激に透過光強度が低下している。そのため、波長1.08μmのレーザ光を入射したときに、波長1.14μm付近の1次の誘導ラマン散乱を抑制することができる。
本発明にかかる別の実施例として、図14に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバを作製した。屈折率1.45の純粋石英ガラスのクラッド140の中に、クラッド140との比屈折率差Δ1が0.0%で、直径d1が28.6μmである第1コア141があり、第1コア141の周囲に、クラッド140との比屈折率差Δ2が−0.15%で、コアを囲むクラッド140の内接円の直径d2が34.4μmとなる第2コア142が存在する。そしてその周囲に、クラッド140との比屈折率差Δhが最大2.8%で、およそ放物線形状の屈折率部分布を持つ、半径5.1μmの高屈折率部143が、周期8.1μmの三角格子構造の周期構造をなして配置されている。周期構造部は、コアを配置するため、中心から3層が存在せず、5層から6層の周期構造である。また、ファイバの外径は215μmである。
本母材を作製する際、クラッド140を構成する管の内部に、周期構造部を構成する周辺部材が周期的に配置され、その中心に、第1コア141と第2コア142を構成する中心部材が配置される。この際、中心部材は周辺部材と直径が異なるため、中心部材と周辺部材との間に隙間が発生する。この隙間をあけたまま線引きを行うと、線引き工程で一体化される際にコアが変形したり、周期構造に乱れが生じたりして好ましくない。
そのため、図15のように、中心部材と周辺部材との間の隙間にさらに中間部材156を配置することで、コアの変形や周期構造の乱れを防ぐことができるが、この中間部材156の屈折率を第1コア141の屈折率と等しいか、もしくは高くすると、コアを導波するモードと、中間部材156に対応する箇所を導波するモードとのモード結合が生じ、フォトニックバンドギャップの効果による透過帯域の中において、コアモードに損失が生じる場合があり、好ましくない場合がある。
本実施例においては、中間部材156の屈折率を第2コア142の屈折率と等しくすることで、フォトニックバンドギャップの効果による透過帯域の中で、モード結合による不要な損失が発生することを防いでいる。ただし、中間部材156の屈折率は、本実施例の実施範囲に限らず、第1コア141の屈折率よりも小さな範囲において、適宜変更することが可能である。
作製したファイバを2m取り出し、直径280nmφに巻いた状態で、基本モードのみ選択的に白色光で励起して透過帯域を測定した結果を図16に示す。図16に示すように、波長1.13μm付近で急激に透過強度が低下しており、波長1.08μmのレーザ光を入射した際に、波長1.14μm付近の1次の誘導ラマン散乱を抑制することができる。
次に、作製したファイバを6m取り出し、中心波長1.08μm、ピークパワー18kW、平均出力30Wの加工用パルスファイバレーザからの光を、加工対象物まで導光するファイバとして用いた。本実施例のフォトニックバンドギャップファイバの波長フィルタ効果により、波長1.14μmにおける誘導ラマン散乱は発生せず、加工用パルスファイバレーザ本体から出射する高出力の光を、誘導ラマン散乱による波長スペクトルの変化の影響を受けずに、加工対象物まで安定して導光することができた。
また、高屈折率部の比屈折率差Δhが1%程度のフォトニックバンドギャップファイバにおいては、ファイバの曲げ損失による透過帯域の現象がしばしば問題となるが、本実施例のフォトニックバンドギャップファイバは、光屈折率部の比屈折率差Δhが最大2.8%と大きい値であるため、レーザ光を加工対象物まで導光する間に直径50mm程度の曲げが加わっても、曲げ損失による透過帯域の減少を十分に小さくすることができ、加工対象物まで安定して導光することができた。
(スピンを入れたダブルクラッドファイバ)
図17は、本発明に係る別の実施例のファイバの構造を示す図である。本実施例のファイバは、断面構造は実施例4のファイバと同等であるが、第1コア171にイッテルビウムを添加し、クラッド170aの周囲に屈折率1.38のフッ素系樹脂からなる第2クラッド170bを被覆した、ダブルクラッド構造の増幅用ファイバとなっている。ここで、第1コア171にはイッテルビウムが添加してあるため、純粋石英との比屈折率差は0.05%となっている。また、ファイバ線引き時に、溶融された状態でねじりが加えられており、高屈折率部173は、らせん状となって、実質的に長手方向に曲げが加えられた状態となっている。そのため、高屈折率部173を伝搬する光に対しては、マクロベント、マイクロベントといった損失が発生する。一方、第1コア171はファイバ断面の中心にあり、長手方向の曲げは発生しない。
本実施例のファイバは、第1コア171の屈折率がクラッド170aと比較してわずかに大きいが、その比屈折率差は0.05%とわずかであるため、実施例4のファイバとほぼ同じ透過特性、遮断特性を持つ。したがって、本実施例のファイバを、波長1.08μmのレーザ光を増幅するためのファイバとして使用した際に、波長1.14μm付近の1次の誘導ラマン散乱を抑制することができる。
本実施例のファイバは、ダブルクラッド構造の増幅器用ファイバとして好適に使用することができる。ねじりが加えられていない場合は、ダブルクラッド構造の増幅器用ファイバとして使用した際に、クラッド170aで励起された励起光が高屈折率部173を導波して信号光の増幅に使われなくなる現象が発生し、増幅器の励起光利用率が低下する。しかし、本実施例のフォトニックバンドギャップファイバを用いれば、高屈折率部173を導波する励起光はマクロベント、マイクロベント等の損失により高屈折率部173から放射され、コアに吸収されて信号光の増幅に利用される。したがって、本実施例のフォトニックバンドギャップファイバを、ダブルクラッド構造の増幅器用ファイバとして使用すると、増幅器の励起光利用効率を上げることができる。
実施例5のファイバには、ねじれの周期Pが1cmで、ねじれの最大角度Aが20πラジアンである、おおよそ正弦波型のねじれが加えられている。正弦波型のねじれとは、ファイバの長手方向の距離Zにおけるファイバのねじれの角度Θ(z)が、ファイバのねじれの周期Pと、最大ねじれの角度Aの関数として以下のように表されることをいう。
Θ(z)=A×sin(2π×z/P)
実施例5においては、0.25cmの間にファイバに約3回転のねじれが加えられており、これは、ファイバが固化した後に加えるのは非常に困難なねじれの量である。
実施例5のファイバのクラッド全面を、波長915nmの光で励起したとき、コアに添加されたイッテルビウムによる吸収量は0.4dB/mであった。また、高屈折率部173に入射した励起光は、曲げ損失によりクラッドへ放射された後、コアに添加されたイッテルビウムにより吸収され、高屈折率部173に残留する励起光は観測されなかった。また、波長1.08μmのレーザ光を増幅するためのファイバとして使用した場合、波長1.14μm付近の1次の誘導ラマン散乱を抑制することができた。
非特許文献(J.D.Love,et al.,‘Radiation from single−mode helical fibers,’Electronics letters,vol.23,No.21,pp.1109−1110,1987)には、コアが長手方向にらせん状になったファイバの損失について記述があり、実施例4のフォトニックバンドギャップにおいて、高屈折率部173へと漏れ出した光が損失を受けるためにはどの程度のねじれが必要かを知る指針とすることができる。実際には、コアの形状、モードの次数、らせんの半径等によって損失は異なるが、非特許文献には、一般的な石英系光ファイバで実現可能な屈折率分布の範囲において1dB/m以下の損失を得るためには、おおよそ5mmに1回転程度のねじれが必要であることが示されている。また、非特許文献ではファイバに一方向のねじれを加えているが、正弦波型のねじれや、その他のねじれ形状であっても、平均しておおよそ5mmに最低1回転のねじれが入っていれば、高屈折率部173へと漏れ出た光は損失を受ける。また、ねじれ量は多ければ多いほど、高屈折率部173へと漏れ出た光の損失を大きくすることができる。
(偏波保持ファイバ)
本発明にかかる別の実施例として、図18Aに示す構造のフォトニックバンドギャップファイバを作製した。屈折率1.45の純粋石英ガラスのクラッド180の中に、クラッド180との比屈折率差Δ1が0.0%で、直径d1が28.6μmである純粋石英ガラスの第1コア181があり、第1コア181の周囲に、クラッド180との比屈折率差Δ2が−0.15%で、コアを囲むクラッド180の内接円の直径d2が34.4μmとなる、純粋石英にフッ素を添加した第2コア182が存在する。そしてその周囲に、第2コア182の屈折率と同じ屈折率を持つ、純粋石英にフッ素を添加した低屈折率部位と、クラッドの屈折率よりも屈折率の高い、純粋石英にゲルマニウムを添加した高屈折率部183をもつ周期構造とが、2回の回転対称性を有して配置された構成となっている。また、ファイバの外径は215μmである。
周期構造は、クラッドとの比屈折率差Δhが最大2.8%で、およそ放物線形状の屈折率分布を持つ、半径5.1μの高屈折率部183が、周期8.1μmの三角格子構造の周期構造をなして配置された構成となっている。周期構造部は、コアを配置するため、中心から3層が存在せず、5層の周期構造である。
高屈折率部183は、純粋石英にゲルマニウムが添加されており、純粋石英からなるクラッド180や、純粋石英にフッ素が添加された低屈折率部位と熱膨張係数が大きく異なるため、図18Aに示すように、断面構造が2回以下の回転対称性しか持たない場合、熱応力による複屈折が発生する。そのため、応力付与部を別途設けることなく、偏波保持ファイバとして機能させることができる。作製したファイバの基本モードの複屈折を測定したところ、波長1.08μmで1×10−4以上の複屈折を持ち、偏波保持ファイバとして機能させることができた。また、フォトニックバンドギャップの効果による波長フィルタ効果も有していた。
また、本発明のファイバの第1コア181は円形であり、電界分布はおもに第1コア181の形状によって決定されるため、電界分布は同心円状であり、モード複屈折は発生せず、応力起因の複屈折のみが発生する。さらに、同心円状の電界分布を持つ従来型の光ファイバと接続する際、モードフィールド形状の差異による接続損失を低減させることができ、従来型のファイバとの低損失な接続が可能となる。
なお、本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、本実施例に限らず、図18B、図18C、図18Dのように、熱応力によりコアに複屈折を発生させる高屈折率部位183が、2回以下の回転対称性で配置されていればよい。
石英系光ファイバにおいて、偏波保持ファイバを形成するための応力付与部材としては、ホウ素を添加した石英ガラスが一般的であり、図18Eのように、応力付与部185を別途設ける構造も考えられるが、ホウ素を添加した純粋石英の屈折率は純粋石英よりも低いため、応力付与部185は、高屈折率部183とは別途設ける必要がある。そのため、波長フィルタ特性の効果を得るために高屈折率部183を適切な配置に配する必要が生じ、設計自由度が減少する。さらに、図18Eのような構造において、高屈折率部183の屈折率差がたとえば1.5%以上となるようにゲルマニウムを多量に添加した場合などには、高屈折率部183による熱応力と、別途設けた応力付与部185による熱応力が相殺してしまい、複屈折が小さくなる場合や発生しない場合がある。したがって、特に高屈折率部183に起因する熱応力が大きい場合には、別途応力付与部を設けずに、高屈折率部183による熱応力のみによって複屈折を発生させる方がより好ましい。
(ファイバグレーティングを書き込んだファイバ)
本実施例のファイバは、断面構造は実施例4のファイバと同等であるが、第1コアにイッテルビウムを添加し、クラッドの周囲に屈折率1.38のフッ素系樹脂からなる第2クラッドを被覆した、ダブルクラッド構造の増幅用ファイバとなっている。また、高屈折率部に長周期ファイバグレーティングが書き込まれており、クラッド励起で励起光を導入した際に、高屈折率部を導波する一部の励起光を、高屈折率部から放射させる構成となっている。
本実施例のファイバは、ダブルクラッド構造の増幅器用ファイバとして好適に使用することができる。高屈折率部に長周期ファイバグレーティングが書き込まれていない場合は、ダブルクラッド構造の増幅器用ファイバと使用した際に、図19Aに示すように、クラッドで励起された励起光の一部が高屈折率部193を導波し、第1コア191へ到達せずに、信号光の増幅に使われなくなる現象が発生する。そのため、増幅器の励起光利用効率が低下する。しかし、本実施例のフォトニックバンドギャップファイバを用いれば、高屈折率部193を導波する励起光は長周期ファイバグレーティングにより、図19Bに示すように、高屈折率部193から放射され、クラッド190と第2クラッド194の屈折率差により導波する別の導波モードと結合し、その後コアに吸収されて信号光の増幅に利用される。したがって、本実施例のフォトニックバンドギャップファイバをダブルクラッド構造の増幅器用ファイバとして使用すると、増幅器の励起光利用効率を上げることができる。
高屈折率部193を導波する励起光を結合させる導波モードは、クラッド190の屈折率より小さく、第2クラッド194の屈折率よりも大きな実効屈折率をもつ導波モードが好ましい。この場合、実効屈折率がクラッド190よりも小さいために高屈折率部には閉じ込められず、かつ、実効屈折率が第2クラッド194よりも大きいために第2クラッド194を伝搬することができる。そのため、励起光を効率よくコアに到達させることが可能である。さらに好ましくは、図19Cに示すように、コアを伝搬するモードと結合させることで、より効率よくコアに到達させることができる。
本実施例においては、長周期ファイバグレーティングを用いたが、高屈折率部193を導波する励起光を、高屈折率部193の外へ放射させて別の導波モードと結合させることができるファイバグレーティングであればよく、たとえば、スラント型ファイバグレーティングを用い、図19Dに示すように、励起光の伝搬方向と逆方向に放射させることもできる。この場合に、コアを逆方向に伝搬するモードと結合させて、効率よくコアに励起光を到達させてもよい。
また、本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいては、ファイバグレーティングにより励起光がクラッド部に放射された箇所で、クラッド部に新たな励起光が導入されることになるので、ファイバグレーティングを書き込むファイバ長手方向の位置を最適化することで、増幅用ファイバ内での励起光の長手方向分布を最適化することができる。
長周期ファイバグレーティングを用いる場合には、高屈折率部から放射された励起光は、高屈折率部を導波していた方向と導方向に伝搬するため、たとえば、放射された後コアに十分励起光吸収されるに十分なファイバ長が確保できる位置にファイバグレーティングを書き込むことが好ましい。
スラント型ファイバグレーティングを用いる場合には、高屈折率部から放射された励起光は、高屈折率部を導波していた方向と逆方向に伝搬するため、たとえば、励起光が入射されている端面とは反対側の端面に書き込むことで、励起光の一部は励起光入射端面とは反対側の端面から導入されることになり、増幅用ファイバ内での励起光の長手方向分布が均一化され、好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、第1、第2コアの周囲に周期構造を設けることによって、波長フィルタとして機能させることができる。これにより、透過波長の伝搬損失を小さく、遮断波長の伝搬損失を大きくすることができ、遮断波長における高い波長フィルタリング効果を得ることができる。
前記目的を達成するため、本発明は、第1コアと、この第1コアを囲んで設けられ第1コアの屈折率未満の屈折率を持つ第2コアと、この第2コアを囲むクラッドと、このクラッドの第2コア近傍に設けられ、クラッドの屈折率よりも屈折率が高い高屈折率部が周期構造をなして構成された周期構造部と、を備え、前記第1コアの断面形状は円形であり、この第1コアの直径に対する前記第2コアの直径の比率が1.2〜1.8であることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバを提供する。
また、本発明は、第1コアと、この第1コアを囲んで設けられ第1コアの屈折率未満の屈折率を持つ第2コアと、この第2コアを囲むクラッドと、このクラッドの第2コア近傍に設けられ、クラッドの屈折率よりも屈折率が高い高屈折率部が周期構造をなして構成された周期構造部と、を備え、前記第1コアの断面形状は円形であり、前記第2コアの厚さが2.9〜5μmであることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバを提供する。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記第1コアの前記クラッドに対する比屈折率差が0.1%〜−1.0%であり、前記第2コアの前記クラッドに対する比屈折率差が−0.01〜−1.5%であることが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記第1コアの前記クラッドに対する比屈折率差が0%であり、前記第2コアの前記クラッドに対する比屈折率差が−0.36〜−0.15%であることが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記周期構造が2回以下の回転対称性を有し、前記高屈折率部は、前記クラッドと熱膨張係数が異なり、熱応力によって発生する複屈折に起因して、偏波保持ファイバもしくは単一偏波ファイバとして機能することが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、さらに、前記第2コアと屈折率が同じである低屈折率部位が、この第2コアの周囲に設けられ、前記高屈折率部が、純粋石英にゲルマニウムが添加されてなり、前記クラッドが純粋石英からなり、前記低屈折率部位が、純粋石英にフッ素が添加されてなることが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、さらに、前記クラッドよりも屈折率が低い第2クラッドが、このクラッドの周囲に設けられ、前記第1コアが、石英ガラスに希土類元素が添加されてなるものであることが好ましい。
前記目的を達成するため、本発明は、第1コアと、この第1コアを囲んで設けられ第1コアの屈折率未満の屈折率を持つ第2コアと、この第2コアを囲むクラッドと、このクラッドの第2コア近傍に設けられ、クラッドの屈折率よりも屈折率が高い高屈折率部が周期構造をなして構成された周期構造部と、を備え、前記第1コアの断面形状は円形であり、この第1コアの直径に対する前記第2コアの直径の比率が1.2〜1.8であり、前記第2コアの厚さが2.9〜5μmであり、前記第1コアの前記クラッドに対する比屈折率差が0.1%〜−1.0%であり、前記第2コアの前記クラッドに対する比屈折率差が−0.01〜−1.5%であることを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバを提供する。
発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記第1コアの前記クラッドに対する比屈折率差が0%であり、前記第2コアの前記クラッドに対する比屈折率差が−0.36〜−0.15%であることが好ましい。

Claims (11)

  1. クラッドの屈折率以下の屈折率を持つ第1コアと、
    この第1コアを囲んで設けられ第1コアの屈折率未満の屈折率を持つ第2コアと、
    この第2コアを囲むクラッドと、
    このクラッドの第2コア近傍に設けられ、クラッドの屈折率よりも屈折率が高い高屈折率部が周期構造をなして構成された周期構造部と、を備え、
    前記周期構造部が、波長フィルタとして機能するフォトニックバンドギャップファイバ。
  2. クラッドの屈折率に対して、比屈折率差が0%〜0.1%である屈折率を持つ第1コアと、
    この第1コアを囲んで設けられ前記第1コアの屈折率未満の屈折率を持つ第2コアと、
    この第2コアを囲むクラッドと、
    このクラッドの第2コア近傍に設けられ、クラッドの屈折率よりも屈折率が高い高屈折率部が周期構造をなして構成された周期構造部と、を備え、
    前記周期構造部が、波長フィルタとして機能するフォトニックバンドギャップファイバ。
  3. 前記周期構造が2回以下の回転対称性を有し、偏波保持ファイバもしくは単一偏波ファイバとして機能する請求項1又は2に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
  4. 前記周期構造は、多数の前記高屈折率部が少なくとも三角格子構造、ハニカム格子構造、正方格子構造、長方格子構造のいずれかを含み配置されてなるものである請求項1又は2に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
  5. 前記第1コアが断面円形である請求項1又は2に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
  6. 前記周期構造の内部、前記第1コア、及び前記第2コアに空孔が存在していない請求項1又は2に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
  7. 前記第1コアの前記クラッドに対する比屈折率差が0.1%〜−1.0%の範囲であり、前記第2コアの前記クラッドに対する比屈折率差が−0.01〜−1.5%の範囲である請求項1又は2に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
  8. 前記高屈折率部における前記クラッドに対する最大比屈折率差が、0.5%〜4.0%の範囲である請求項1又は2に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
  9. 前記クラッドは、このクラッドよりも小さい屈折率の媒質で囲まれている請求項1又は2に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
  10. 前記周期構造が、前記第1コアを中心軸としてらせん状に配置されている請求項1又は2に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
  11. 前記周期構造の少なくとも一部にファイバグレーティングが形成され、ファイバの長手方向に屈折率が変調されている請求項1又は2に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
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