JPWO2009034995A1 - ホーリーファイバ - Google Patents

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Abstract

中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、を備え、前記空孔は、三角格子を形成するように配置され、該空孔の孔径をd[μm]、該三角格子の格子定数をΛ[μm]とすると、Λは2〜5μmであるとともに、d/Λは、0.3〜0.75の範囲内において、波長1050nmにおける波長分散値が−10〜10ps/nm/kmとなる値である。これによって、1.0μm波長帯における長距離光伝送用の光伝送路として適するホーリーファイバを提供する。

Description

本発明は、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(Holey Fiber)、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Endlessly Single Mode(ESM)や、きわめて短波長側にシフトした零分散波長等の特異な特性を実現可能である。なお、ESMとは、カットオフ波長が存在せず、全ての波長の光がシングルモードで伝送することを意味し、広帯域にわたって高伝送速度の光伝送を可能にする特性である。
一方、近年、波長1050nmを中心とする1.0μm波長帯(たとえば、1000〜1100nm)において増幅光ファイバとして利用できるイットリビウム添加光ファイバ(YDF)の技術が成熟してきている。これにともない、1.0μm波長帯用のファイバレーザ、SC光源用光ファイバ、あるいは光伝送路等に適用できる光ファイバに対する要求が高まっている。ホーリーファイバはこの要求に応えることができるものと期待されている。たとえば、非特許文献1は、ホーリーファイバを光伝送路として用い、波長1064nmを含む広帯域での光伝送を行なった実験の結果を報告している。
K.Ieda et al., "Visible to Infrared WDM transmission over PCF", ECOC2006-Tu3.3.4(2006)
しかしながら、従来のホーリーファイバは、1.0μm波長帯における波長分散値がたとえば−20ps/nm/km以下であり、その絶対値が大きかった。したがって、これを光伝送路として1.0μm波長帯の光信号を長距離伝送した場合に、光信号を著しく歪ませるという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、1.0μm波長帯における長距離光伝送用の光伝送路として適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、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、を備え、前記空孔は、三角格子を形成するように配置され、該空孔の孔径をd[μm]、該三角格子の格子定数をΛ[μm]とすると、Λは2〜5μmであるとともに、d/Λは、0.3〜0.75の範囲内において、波長1050nmにおける波長分散値が−10〜10ps/nm/kmとなる値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、Λは2.5〜4.5μmであるとともに、d/Λは0.4〜0.6の範囲内であり、前記空孔の層数は7以下であり、波長1050nmにおける閉じ込め損失は0.1dB/km以下であり、波長1000nmにおいてシングルモード動作す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、波長1050nmにおける有効コア断面積が10μm以上であることを特徴とする。
本発明によれば、1.0μm波長帯における長距離光伝送用の光伝送路として適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。
図1は、本発明の実施の形態に係るHFの断面概略図である。 図2は、図1に示すHFの空孔間距離Λおよび空孔径dと空孔間距離Λとの比d/Λを変化させた場合の、波長1050nmにおける波長分散値の変化について示す図である。 図3は、図1に示すHFの空孔間距離Λおよび比d/Λを変化させた場合の、波長1050nmにおける有効コア断面積の変化について示す図である。 図4は、空孔を三角格子状に配置した場合の空孔の層数と総空孔数との関係を示す図である。 図5は、計算例1〜13に係るHFの設計パラメータおよび波長1050nmにおける光学特性を示す図である。 図6は、本発明の実施例に係るHFの断面構造写真を示す図である。 図7は、計算例7と本発明の実施例とについてHFの光学特性を対比させて示す図である。 図8は、図1に示すHFにおいて、d/Λを0.50に設定してΛを2.0μmから10.0μmまで変化させた場合の波長分散特性を示す図である。 図9は、図1に示すHFにおいて、d/Λを0.50に設定してΛを2.0μmから10.0μmまで変化させた場合の、波長1050nmと1550nmにおける特性を示す図である。
符号の説明
10 HF
11 コア部
12 クラッド部
13 空孔
L 三角格子
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、以下ではホーリーファイバをHFと記載する。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HFの断面概略図である。図1に示すように、このHF10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。なお、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の周囲に層状に形成された空孔13を有する。なお、コア部11を中心とする正六角形の各頂点に配置した空孔13の組み合わせを1層とする。ここで、この空孔13は、層状に形成されるとともに、三角格子Lを形成するように配置されている。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。
このHF10においては、Λが2〜5μmであるとともに、d/Λが、0.3〜0.75の範囲内において、波長1050nmにおける波長分散値が−10〜10ps/nm/kmとなる値となっている。したがって、このHF10は、1.0μm波長帯における波長分散値の絶対値が十分に小さくなるので、1.0μm波長帯における長距離光伝送用の光伝送路として適するものとなる。なお、たとえば光信号の伝送速度を40Gbpsとする場合は、1スパンあたりの光伝送路の累積波長分散の絶対値を100ps/nm以下程度とする必要がある。したがって、このHF10を用いれば、1スパンあたり10km以上の長距離の光伝送路を構築することができる。
なお、このHF10は、1.0μm波長帯における波長分散値の絶対値が十分に小さいので、たとえばSC光源用光ファイバやファイバレーザ等の、1.0μm波長帯用の光ファイバとして好適に用いることができる。
また、このHF10は、従来のHFと同様に、同一の空孔径を有する空孔13が三角格子Lを形成するように配置されているので、従来のスタック&ドロー法を用いて容易に製造できる。
以下、有限要素法(FEM)シミュレーションを用いた計算結果を参照して、本発明についてより具体的に説明する。
図2は、図1に示すHF10において空孔間距離Λおよび空孔径dと空孔間距離Λとの比d/Λを変化させた場合の、波長1050nmにおける波長分散値の変化について示す図である。図2に示すように、Λが2〜5μm、d/Λが0.3〜0.7の範囲において、HF10の波長分散値を−10〜10ps/nm/kmとすることができる。
また、図3は、HF10の空孔間距離Λおよび比d/Λを変化させた場合の、波長1050nmにおける有効コア断面積Aeffの変化について示す図である。図3に示すように、Λが2〜5μm、d/Λが0.3〜0.75の範囲において、HF10の有効コア断面積を10μm以上とすることができる。なお、HF10の有効コア断面積が10μm以上であれば、従来の光ファイバと融着接続する際の接続性が高くなるので好ましい。
なお、図2、3において、波長1050nmにおける波長分散値が−10〜10ps/nm/kmとなり、かつ有効コア断面積が10μm以上となるΛとd/Λの組み合わせのいずれにおいても、HF10の閉じ込め損失は0.1dB/km以下であり、HF10の全体的な伝送損失にほとんど影響を与えない程度の小さな値であった。
また、d/Λを小さくすると、空孔13による光の閉じ込め効果が弱くなるので、閉じ込め損失を0.1dB/km以下に保つためには、空孔13の層数を増やす必要がある。しかしながら、空孔13を三角格子状に配置しながら層数を増やすと、空孔13の総空孔数が急激に増大する。図4は、空孔13を三角格子状に配置した場合の空孔13の層数と総空孔数との関係を示す図である。図4に示すように、空孔13の層数を増やすと空孔13の総空孔数が急激に増大する。したがって、たとえばスタック&ドロー法を用いてHF10を製造する場合に必要なガラスキャピラリーの数が急激に増大するので、製造が煩雑になる。従来のHFはほとんど空孔の層数が7層以下であることを考慮すると、空孔13の層数は7以下であることが好ましい。なお、空孔13の層数が7以下の場合に0.1dB/km以下の閉じ込め損失を実現するために、d/Λを0.4以上とすることが好ましい。
また、d/Λを大きくすると、空孔13による光の閉じ込め効果が強くなるので、HF10がマルチモード動作しやすくなる。HF10を波長1000nmにおいてシングルモード動作させるためには、d/Λを0.6以下とすることが好ましい。また、HF10のd/Λを0.4〜0.6とする場合は、Λを2.5〜4.5μmとすれば、波長1050nmにおける波長分散値を−10〜10ps/nm/kmとできる。
つぎに、具体的な計算例について説明する。図5は、HF10と同様の構造を有するが、設計パラメータであるd/Λ、Λ、および空孔の層数が異なるような計算例1〜13に係るHFの、設計パラメータおよび波長1050nmにおける光学特性を示す図である。なお、図5において、「モード」とは、HFの伝搬モードの状態を意味し、「SM」とはHFがシングルモード動作すること、「MM」とはマルチモード動作することを意味する。図5に示すように、計算例1〜13に係るHFは、いずれも波長分散値が−10〜10ps/nm/kmとなっており、閉じ込め損失も0.001dB/km未満と極めて小さく、有効コア断面積も10μm以上となっている。ただし、d/Λが0.4より小さい場合は、閉じ込め損失を0.001dB/km未満とするために必要な空孔の層数が8以上となり、d/Λが0.6より大きい場合はHFがマルチモード動作となる。
つぎに、本発明の実施例として、純シリカガラスからなり、図1に示すHF10と同様の構造を有するHFをスタック&ドロー法を用いて製造した。なお、設計パラメータであるd/Λ、Λ、空孔の層数は、図5に示す計算例7と同様の値とした。
図6は、本実施例に係るHFの断面構造写真を示す図である。図6に示すように、本実施例に係るHFは、空孔が三角格子状に配列され、層数は5であった。また、図6に示す写真からΛとd/Λとを推定すると、Λが約3.5μm、d/Λが約0.5であり、ほぼ計算例7の設計パラメータどおりの値となっていた。
つぎに、図7は、図5に示す計算例7と本実施例とについてHFの光学特性を対比させて示す図である。図7に示すように、本実施例に係るHFの光学特性は、シミュレーション計算で得られた光学特性にきわめて近いことが確認された。また、本実施例に係るHFを伝搬する光のフィールドの測定を行なったところ、基底モード以外のモードが存在せず、本実施例に係るHFがシングルモード動作していることが確認された。なお、本実施例に係るHFの伝送損失は2.7dB/kmであり、計算例7の閉じ込め損失よりも大きくなっているが、その理由は、ガラスの損失や、空孔表面での散乱損失の影響であると考えられる。
つぎに、図1に示す空孔の層数が5層のHFにおいて、d/Λを最適値付近と考えられる0.50に設定し、Λを変化させた場合の特性の変化について、シミュレーションを用いた計算結果をもとに説明する。図8は、図1に示すHFにおいて、d/Λを0.50に設定してΛを2.0μmから10.0μmまで変化させた場合の波長分散特性を示す図であり、図9は、波長1050nmと1550nmとにおける特性を示す図である。
図8、9に示すように、Λを小さくするにつれて、零分散波長が短波長側にシフトしていき、Λが3.5μm付近で零分散波長が1050nmになる。また、Λが3.5μmの場合の分散スロープは0.20ps/nm/km程度であり、有効コア断面積は15μm程度である。また、Λが3.5μmの場合、波長1050nmだけでなく、1550nmにおいても、閉じ込め損失が0.01dB/km以下となっており、広帯域にわたる低閉じ込め損失を実現可能であることを確認した。さらに、Λをたとえば3.0μmまたは4.0μmにすれば、波長1050nmにおける波長分散を、±10ps/nm/km以下の正または負の値の微少分散とすることも可能であることを確認した。
本発明は、1.0μm波長帯における長距離光伝送用の光伝送路において好適に利用できる。

Claims (3)

  1. 中心に位置するコア部と、
    前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、
    を備え、前記空孔は、三角格子を形成するように配置され、該空孔の孔径をd[μm]、該三角格子の格子定数をΛ[μm]とすると、Λは2〜5μmであるとともに、d/Λは、0.3〜0.75の範囲内において、波長1050nmにおける波長分散値が−10〜10ps/nm/kmとなる値であることを特徴とするホーリーファイバ。
  2. Λは2.5〜4.5μmであるとともに、d/Λは0.4〜0.6の範囲内であり、前記空孔の層数は7以下であり、波長1050nmにおける閉じ込め損失は0.1dB/km以下であり、波長1000nmにおいてシングルモード動作することを特徴とする請求項1に記載のホーリーファイバ。
  3. 波長1050nmにおける有効コア断面積が10μm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載のホーリーファイバ。
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