WO2010001858A1 - ホーリーファイバ - Google Patents

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WO2010001858A1
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武笠　和則
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古河電気工業株式会社
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    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
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    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
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    • G02B6/02009—Large effective area or mode field radius, e.g. to reduce nonlinear effects in single mode fibres
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    • G02B6/02214—Optical fibres with cladding with or without a coating tailored to obtain the desired dispersion, e.g. dispersion shifted, dispersion flattened
    • G02B6/02219—Characterised by the wavelength dispersion properties in the silica low loss window around 1550 nm, i.e. S, C, L and U bands from 1460-1675 nm
    • G02B6/02266—Positive dispersion fibres at 1550 nm

Definitions

  • the present invention relates to a holey fiber.
  • a holey fiber or photonic crystal fiber includes a core portion located in the center and a clad portion located around the core portion and having a plurality of holes arranged around the core portion.
  • This is a new type of optical fiber that lowers the average refractive index of the cladding part through holes and propagates light to the core part using the principle of total reflection of light.
  • This holey fiber uses holes to control the refractive index, so that it has unique characteristics such as endlessly single mode (ESM) that cannot be achieved with conventional optical fibers and zero-dispersion wavelength shifted to the very short wavelength side. Is feasible.
  • ESM endlessly single mode
  • Note that ESM means that there is no cut-off wavelength, and light of all wavelengths is transmitted in a single mode, and is a characteristic that enables high-speed optical transmission over a wide band.
  • Non-Patent Document 1 discloses a holey fiber (photonic crystal fiber) in which the diameter of the core portion is expanded to 20 ⁇ m or more and the effective core area is 500 ⁇ m 2 or more.
  • the conventional holey fiber when the effective core area is increased, the optical nonlinearity is reduced, but the ESM characteristic may not be realized, and the single hole mode is not surely operated. Therefore, the conventional holey fiber having a large effective core cross-sectional area has a problem that the quality of the transmitted light may be deteriorated due to the multi-mode operation. Further, when the effective core cross-sectional area is increased, there is a problem that the bending loss increases accordingly.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a holey fiber having a single mode operation characteristic and a practical bending loss characteristic while having low nonlinearity.
  • the holey fiber according to the present invention is formed in a layered manner around the core portion, the core portion located in the center, and the outer periphery of the core portion.
  • a clad portion having holes, and the holes are arranged to form a triangular lattice, and the hole diameter of the holes is d [ ⁇ m], and the lattice constant of the triangular lattice is ⁇ [ ⁇ m].
  • D / ⁇ is in the range of 0.43 ⁇ 0.03
  • ⁇ is 20 to 24 ⁇ m, operates in a single mode at a wavelength of 1550 nm, and has an effective core area of 500 ⁇ m 2 or more at a wavelength of 1550 nm.
  • the holey fiber according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the d / ⁇ is within a range of 0.43 ⁇ 0.02.
  • the holey fiber according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the number of layers of the holes is four or more.
  • the holey fiber according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the confinement loss at a wavelength of 1650 nm or less is 0.001 dB / km or less.
  • the holey fiber according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the absolute value of chromatic dispersion at a wavelength of 1550 nm is 24 ps / nm / km or less.
  • the ⁇ is 23 ⁇ m or less
  • the d / ⁇ is 0.43 or more
  • the number of layers is 5 or more
  • the wavelength is 1550 nm at a diameter of 100 mm.
  • the bending loss is 10 dB / m or less.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an HF according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between ⁇ and the V value at a wavelength of 1550 nm when the ratio d / ⁇ is changed in the HF having the same structure as that of the HF shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between ⁇ , effective core area at a wavelength of 1550 nm, and bending loss when d / ⁇ is fixed to 0.43 in the HF shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a field distribution of light having a wavelength of 1550 nm when the HF shown in FIG. 1 is bent at a diameter of 100 mm.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an HF according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between ⁇ and the V value at a wavelength of 1550 nm when the ratio d / ⁇ is changed in the HF
  • FIG. 5 shows the number of vacancies and the wavelength when ⁇ is changed in the HF shown in FIG. 1 and an HF having the same structure as that of HF but having 3 or 4 vacancies. It is a figure which shows the relationship with the confinement loss in 1550 nm.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the wavelength and the confinement loss in the HF shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the number of holes, the effective core area at a wavelength of 1550 nm, and chromatic dispersion when ⁇ is changed in the HF shown in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing HF design parameters and optical characteristics of each HF according to Calculation Examples 1 to 13 calculated using FEM simulation.
  • FIG. 9 is a view showing a photograph of a cross-sectional structure of the manufactured HF according to Example 1.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram illustrating HF design parameters and measured optical characteristics according to Examples 1 and 2.
  • FIG. 9 is a view showing a photograph
  • HF holey fiber
  • ITU-T International Telecommunication Union
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an HF according to an embodiment of the present invention.
  • the HF 10 includes a core part 11 located at the center and a clad part 12 located on the outer periphery of the core part 11.
  • the core part 11 and the clad part 12 are both made of pure silica glass to which no dopant for adjusting the refractive index is added.
  • the clad part 12 has holes 13 formed in a layer around the core part 11.
  • the number of the holes 13 in the HF 10 is five.
  • the holes 13 are formed in a layered manner and are arranged so as to form a triangular lattice L.
  • the diameters of the holes 13 are all d, and the lattice constant of the triangular lattice L, that is, the distance between the centers of the holes 13 is ⁇ .
  • d / ⁇ which is the ratio of d to ⁇ , is 0.43 ⁇ 0.03, ⁇ is 20 to 24 ⁇ m, operates in a single mode at a wavelength of 1550 nm, and has an effective core area at a wavelength of 1550 nm. Is 500 ⁇ m 2 or more.
  • the HF 10 has single mode operation characteristics while having low nonlinearity at a wavelength of 1550 nm.
  • the HF 10 has a bending loss of 100 dB / m or less at a diameter of 100 mm, and is practical enough to transmit light when wound on a bobbin for winding an optical fiber usually used for optical communication or the like. Has bending loss characteristics.
  • the confinement loss which is a loss generated when light leaks from the core portion 11 to the gap between the holes 13, is 0.001 dB / km or less at a wavelength of 1650 nm or less, which is a transmission loss. It is small enough that there is almost no effect on it.
  • the bending loss means a bending loss at a diameter of 100 mm.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between ⁇ and the V value at a wavelength of 1550 nm when the ratio d / ⁇ is changed in the HF having the same structure as that of the HF 10 shown in FIG.
  • the V value is a normalized frequency of the optical fiber.
  • the V value of the optical fiber is 2.405 or less, the optical fiber theoretically operates in a single mode.
  • the V value is 2.5 or less, the single mode operation is substantially performed.
  • the calculation method of V value in HF is as follows. K.Saitoh and M.Koshiba, “Empirical relation for simple design of photonic crystal fibers”, OPTICS EXPRESS, Vol. (2005) was used.
  • the V value is 2.405 or less, so that the HF 10 reliably operates in a single mode. . If d / ⁇ is 0.46 or less, the V value is 2.5 or less, and the HF 10 substantially operates in a single mode. If d / ⁇ is smaller than 0.43, the HF 10 is surely operated in a single mode. However, if d / ⁇ is decreased, bending loss increases when attempting to realize the same effective core area. Or the effective core cross-sectional area is reduced when trying to achieve the same bending loss.
  • d / ⁇ is 0.43 ⁇ 0.03 and ⁇ is 20 to 24 ⁇ m
  • single-mode operation characteristics are realized at a wavelength of 1550 nm, and low nonlinearity is achieved. It is possible to achieve both a preferable effective core cross-sectional area and bending loss. Further, it is preferable that d / ⁇ is 0.43 ⁇ 0.02, since the single mode operation characteristic can be realized more reliably.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between ⁇ and the effective core area and bending loss at a wavelength of 1550 nm when d / ⁇ is fixed at 0.43 in the HF 10 shown in FIG.
  • “Aeff” means the effective core area
  • line L1 indicates the relationship between ⁇ and effective core area
  • line L2 indicates the relationship between ⁇ and bending loss.
  • the effective core area is 504.5 ⁇ m 2 when ⁇ is 20 ⁇ m, and increases as ⁇ increases.
  • the bending loss increases as ⁇ increases, and becomes 178 dB / m when ⁇ is 24 ⁇ m. That is, the HF 10 has an effective core area of 504.5 ⁇ m 2 or more and a bending loss of 178 dB / m or less when d / ⁇ is 0.43.
  • FIG. 4 is a diagram showing a field distribution of light having a wavelength of 1550 nm when the HF 10 shown in FIG. 1 is bent at a diameter of 100 mm.
  • the upper diagram shows a case where the bending loss is about 10 dB / m
  • the lower diagram shows a case where the bending loss is about 100 dB / m.
  • the intensity of the field at the center in the upper figure is 1.0, and the hatching is different for each range in which the intensity is attenuated by 0.1 from the center.
  • portions having the same field intensity are indicated by the same hatching. As shown in FIG.
  • the bending loss when the bending loss is about 10 dB / m, the light field is concentrated in the core portion, and the light power can be transmitted so that the loss is sufficiently small.
  • the bending loss when the bending loss is about 100 dB / m, although the light field is dispersed in the HF, it is also present in the core part, so that it is practical for optical communication or high-power light delivery. The optical power can be transmitted. Even when the bending loss is about 250 dB / m, practical light power transmission is possible as in the case of 100 dB / m.
  • FIG. 5 shows the vacancy of the HF 10 when ⁇ is changed between the HF 10 shown in FIG. 1 and the HF having the same structure as the HF 10 but having 3 or 4 vacancies. It is a figure which shows the relationship between the number of layers and the confinement loss in wavelength 1550nm.
  • d / ⁇ of each HF is fixed to 0.43.
  • the confinement loss does not change much even when ⁇ is changed.
  • the confinement loss decreases as the number of vacancies increases.
  • the confinement loss is as small as about 10 ⁇ 6 dB / km for the HF 10 having 5 hole layers.
  • the transmission loss of a conventional silica glass optical fiber operating in a single mode is at least about 0.195 dB / km.
  • the confinement loss is so small as to be negligible with respect to the transmission loss, and thus does not affect the transmission loss.
  • the HF having the same structure as that of the HF 10 if the number of holes is 4 or more, the confinement loss becomes 10 ⁇ 3 dB / km, that is, 0.001 dB / km or less. This is preferable because it is sufficiently small so as not to affect the loss.
  • the number of pore layers may be more than 5, but if it is 7 or less, the total number of pores to be formed is 200 or less.
  • FIG. 5 shows the confinement loss at a wavelength of 1550 nm.
  • the confinement loss depends on the wavelength.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the wavelength and the confinement loss in the HF shown in FIG.
  • the line L3 indicates the case where the number of holes is 4 and ⁇ is 22 ⁇ m
  • the line L4 indicates the case where the number of holes is 4 and ⁇ is 23 ⁇ m.
  • Lines L5 and L6 show the case of HF10 having 5 layers of holes, respectively.
  • Line L5 shows a case where ⁇ is 22 ⁇ m
  • line L6 shows a case where ⁇ is 23 ⁇ m. As shown in FIG.
  • the confinement loss is 0.001 dB / km or less in the wavelength range of 1450 to 1650 nm, not limited to the wavelength of 1550 nm, and C used in optical communication.
  • the value is sufficiently small in a wide wavelength range including a band (about 1530 to 1565 nm) and an L band (about 1565 to 1630 nm).
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the number of holes, the effective core area at a wavelength of 1550 nm, and chromatic dispersion when ⁇ is changed in the HF shown in FIG.
  • the notation in the legend indicates the characteristic corresponding to the value of ⁇ .
  • the notation “20-Aeff” in the legend means that ⁇ is an effective core area at 20 ⁇ m
  • the notation “20-dispersion” means that ⁇ is chromatic dispersion at 20 ⁇ m. is doing.
  • the effective core area and chromatic dispersion do not change much even when ⁇ is changed.
  • the absolute value of chromatic dispersion is 24 ps / nm / km or less, which is a suppressed value comparable to that of a standard single mode optical fiber for optical communication.
  • FIG. 8 is a diagram showing d / ⁇ , ⁇ , the number of hole layers, and optical characteristics of each HF, which are design parameters of HF according to Calculation Examples 1 to 13 calculated using FEM simulation.
  • the optical characteristics shown in FIG. 8 are all values at a wavelength of 1550 nm.
  • any of the HFs according to Calculation Examples 1 to 13 has an effective core area of 500 ⁇ m 2 or more, a bending loss of 250 dB / m or less, a confinement loss of 0.001 dB / m or less, and an absolute value of 24 ps / nm. / Km or less wavelength dispersion is realized.
  • Example 1 and 2 Next, as Examples 1 and 2 of the present invention, HF made of pure silica glass and having a structure similar to that of HF 10 shown in FIG. 1 was manufactured using a stack and draw method. Note that the design parameters d / ⁇ , ⁇ , and the number of holes are the values of Calculation Example 3 shown in FIG. 8 for Example 1 and the values of Calculation Example 4 for Example 2.
  • FIG. 9 is a diagram showing a photograph of a cross-sectional structure of the HF according to the manufactured Example 1.
  • the black portions are holes.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating design parameters and measured optical characteristics of HF according to Examples 1 and 2. The optical characteristics shown in FIG. 10 are all values at a wavelength of 1550 nm. As shown in FIG. 10, it was confirmed that the optical characteristics of HF according to Examples 1 and 2 were very close to the optical characteristics obtained by the simulation calculation shown in FIG. Further, when the field of light transmitted through the HF according to the first and second embodiments was measured, there was no mode other than the base mode, and the HF according to the first and second embodiments was operating in a single mode. It was confirmed.
  • the transmission loss of the HF according to the first and second embodiments is 8.6 dB / km and 14.9 dB / km, respectively, which is sufficiently larger than the confinement loss expected from the calculation. In the HF according to the above, it is considered that the confinement loss has almost no influence on the transmission loss.
  • the holey fiber according to the present invention is useful for optical communication or power delivery, and is particularly suitable for use in transmitting high power light.

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、ｄ／Λは０．４３±０．０３の範囲内であり、Λは２０～２４μｍであり、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード動作するとともに波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が５００μｍ２以上である。これによって、低非線形性を有しながらシングルモード動作特性と実用的な曲げ損失特性とを有するホーリーファイバを提供する。

Description

ホーリーファイバ
　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、ホーリーファイバは、有効コア断面積を大きくして光学非線形性を低くすることができるため、低非線形伝送媒体として、光通信用、あるいはハイパワー光を伝送するデリバリー用への応用も期待されている。特に、ホーリーファイバを用いれば、従来の光ファイバでは実現が難しい５００μｍ２以上の有効コア断面積を実現することができる。たとえば、非特許文献１では、コア部の直径を２０μｍ以上に拡大し、有効コア断面積を５００μｍ２以上としたホーリーファイバ（フォトニッククリスタルファイバ）が開示されている。
M.D.　Neilsen　et　al.,　"Predicting　macrobending　loss　for　large-mode　area　photonic　crystal　fibers",　OPTICS　EXPRESS,　Vol.12,　No.8,　pp.1775-1779(2004)
　しかしながら、従来のホーリーファイバは、有効コア断面積を大きくすると、光学非線形性が低下するものの、ＥＳＭ特性が実現されなくなる場合があり、確実にシングルモード動作するものではなかった。したがって、従来の有効コア断面積を大きくしたホーリーファイバは、マルチモード動作するものとなって伝送する光の品質が劣化するおそれがあるという問題があった。また、有効コア断面積を大きくするとこれに応じて曲げ損失も大きくな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、低非線形性を有しながらシングルモード動作特性と実用的な曲げ損失特性とを有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、ｄ／Λは０．４３±０．０３の範囲内であり、Λは２０～２４μｍであり、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード動作するとともに波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が５００μｍ２以上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、前記ｄ／Λが０．４３±０．０２の範囲内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、前記空孔の層数は４層以上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、１６５０ｎｍ以下の波長における閉じ込め損失が０．００１ｄＢ／ｋｍ以下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、波長１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下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、前記Λが２３μｍ以下であり、前記ｄ／Λが０．４３以上であり、前記層数が５以上であり、波長１５５０ｎｍにおいて直径１００ｍｍにおける曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする。
　本発明によれば、低非線形性を有しながらシングルモード動作特性と実用的な曲げ損失特性とを有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と同様の構造を有するＨＦにおいて、比ｄ／Λを変化させた場合の、Λと波長１５５０ｎｍにおけるＶ値との関係を示す図である。 図３は、図１に示すＨＦにおいて、ｄ／Λを０．４３に固定した場合の、Λと波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積および曲げ損失との関係を示す図である。 図４は、図１に示すＨＦに直径１００ｍｍの曲げを加えた場合の波長１５５０ｎｍの光のフィールド分布を示す図である。 図５は、図１に示すＨＦと、このＨＦと同様の構造を有するが空孔の層数が３または４であるＨＦとにおいて、Λを変化させた場合の、空孔の層数と波長１５５０ｎｍにおける閉じ込め損失との関係を示す図である。 図６は、図５に示すＨＦにおける波長と閉じ込め損失との関係を示す図である。 図７は、図５に示すＨＦにおいて、Λを変化させた場合の、空孔の層数と波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積および波長分散との関係を示す図である。 図８は、ＦＥＭシミュレーションを用いて計算した計算例１～１３に係るＨＦの設計パラメータと各ＨＦの光学特性とについて示す図である。 図９は、製造した実施例１に係るＨＦの断面構造写真を示す図である。 図１０は、実施例１、２に係るＨＦの設計パラメータと測定した光学特性について示す図である。
　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および各辺上に配置した空孔１３の組み合わせを１層とすると、このＨＦ１０においては、空孔１３の層数は５である。また、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、ｄとΛとの比であるｄ／Λは０．４３±０．０３であり、Λは２０～２４μｍであり、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード動作するとともに波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が５００μｍ２以上である。その結果、このＨＦ１０は、波長１５５０ｎｍにおいて低非線形性を有しながらシングルモード動作特性を有するものとなる。さらに、このＨＦ１０は、直径１００ｍｍにおける曲げ損失が２５０ｄＢ／ｍ以下であり、光通信用等に通常用いられている光ファイバ巻き付け用のボビンに巻き付けた場合に、光を伝送できる程度の実用的な曲げ損失特性を有している。
　さらに、このＨＦ１０においては、コア部１１から空孔１３間の隙間へ光が漏洩することによって発生する損失である閉じ込め損失が、１６５０ｎｍ以下の波長において０．００１ｄＢ／ｋｍ以下であり、伝送損失に対してほとんど影響がないくらい十分に小さい。
　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。なお、以下では、曲げ損失とは、直径１００ｍｍにおける曲げ損失を意味するものとする。
　はじめに、シングルモード動作特性について説明する。図２は、図１に示すＨＦ１０と同様の構造を有するＨＦにおいて、比ｄ／Λを変化させた場合の、Λと波長１５５０ｎｍにおけるＶ値との関係を示す図である。ここで、Ｖ値とは、光ファイバの規格化周波数のことであり、光ファイバのＶ値が２．４０５以下の場合にその光ファイバは理論的にシングルモード動作する。また、Ｖ値が２．４０５を越える光ファイバであっても、実際に使用される長さである１００ｍ程度以上の長さにおいては、高次モードの光は伝送の途中で漏洩して消失するため、Ｖ値が２．５以下であれば実質的にシングルモード動作することが知られている。図２においては、ＨＦにおけるＶ値の計算方法として、K.Saitoh　and　M.Koshiba,　"Empirical　relation　for　simple　design　of　photonic　crystal　fibers",　OPTICS　EXPRESS,　Vol.13,　No.1,　pp.267-274(2005)に記載の方法を使用した。
　図２に示すように、Λが５～２４μｍの範囲において、ｄ／Λが０．４３以下であれば、Ｖ値は２．４０５以下となるため、ＨＦ１０は確実にシングルモード動作するものとなる。また、ｄ／Λが０．４６以下であれば、Ｖ値は２．５以下となるため、ＨＦ１０は実質的にシングルモード動作するものとなる。なお、ｄ／Λが０．４３より小さければ、ＨＦ１０は確実にシングルモード動作するものとなるが、ｄ／Λが小さくなると、同じ有効コア断面積を実現しようとする場合に曲げ損失が増大し、または同じ曲げ損失を実現しようとする場合に有効コア断面積が減少する。
　したがって、本実施の形態に係るＨＦ１０のように、ｄ／Λが０．４３±０．０３であり、Λが２０～２４μｍであれば、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード動作特性を実現しつつ、低非線形性となる好ましい有効コア断面積と曲げ損失とを両立できる。また、ｄ／Λが０．４３±０．０２であれば、シングルモード動作特性をより確実に実現できるので好ましい。
　つぎに、有効コア断面積および曲げ損失について説明する。図３は、図１に示すＨＦ１０において、ｄ／Λを０．４３に固定した場合の、Λと波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積および曲げ損失との関係を示す図である。なお、図３において、「Ａｅｆｆ」とは有効コア断面積を意味し、線Ｌ１がΛと有効コア断面積との関係を示し、線Ｌ２がΛと曲げ損失との関係を示している。図３においては、有効コア断面積はΛが２０μｍの場合に５０４．５μｍ２であり、Λの増加に応じて増大する。一方、曲げ損失もΛの増加に応じて増大し、Λが２４μｍの場合に１７８ｄＢ／ｍとなる。すなわち、ＨＦ１０は、ｄ／Λが０．４３の場合において、５０４．５μｍ２以上の有効コア断面積と、１７８ｄＢ／ｍ以下の曲げ損失とを有するものとなる。
　ここで、図４は、図１に示すＨＦ１０に直径１００ｍｍの曲げを加えた場合の波長１５５０ｎｍの光のフィールド分布を示す図である。なお、図４において、上側の図は曲げ損失が約１０ｄＢ／ｍである場合を示し、下側の図は曲げ損失が約１００ｄＢ／ｍである場合を示している。また、図４において、上側の図における中心部のフィールドの強度を１．０とし、中心から強度が０．１だけ減衰する範囲ごとに異なるハッチングで示している。また、上下の図において同じフィールド強度の部分は同じハッチングで示している。図４に示すように、曲げ損失が約１０ｄＢ／ｍの場合は、光のフィールドがコア部に集中しており、損失が十分少ないように光のパワーを伝送できる。一方、曲げ損失が約１００ｄＢ／ｍの場合は、光のフィールドはＨＦ内に分散しているものの、コア部にも存在するため、光通信用あるいはハイパワー光のデリバリー用として実用的な程度に光のパワーを伝送できるようになっている。なお、曲げ損失が２５０ｄＢ／ｍ程度の場合も、１００ｄＢ／ｍの場合と同様に実用的な光のパワー伝送が可能である。
　つぎに、閉じ込め損失について説明する。図５は、図１に示すＨＦ１０と、このＨＦ１０と同様の構造を有するが空孔の層数がＨＦ１０とは異なり３または４であるＨＦとにおいて、Λを変化させた場合の、空孔の層数と波長１５５０ｎｍにおける閉じ込め損失との関係を示す図である。なお、図５においては、各ＨＦのｄ／Λを０．４３に固定している。図５に示すように、Λが２０～２４μｍの範囲において、Λを変化させても閉じ込め損失はあまり変化しないが、空孔の層数が増加すると閉じ込め損失は小さくなる。
　図５に示すように、空孔の層数が５であるＨＦ１０については、閉じ込め損失が約１０－６ｄＢ／ｋｍと極めて小さい。一方、従来のシングルモード動作する石英ガラス系の光ファイバの伝送損失は、最低でも０．１９５ｄＢ／ｋｍ程度である。したがって、ＨＦ１０において、閉じ込め損失は、伝送損失に対して無視できる程度に小さいため、伝送損失に影響を及ぼさない。また、図５に示すように、ＨＦ１０と同様の構造を有するＨＦにおいて、空孔の層数を４以上とすれば、閉じ込め損失は１０－３ｄＢ／ｋｍすなわち０．００１ｄＢ／ｋｍ以下となり、伝送損失にほとんど影響がないくらい十分に小さくなるので好ましい。また、空孔の層数は５より多くても良いが、７以下であれば、形成すべき空孔の総数が２００以下であるため、製造が容易となり好ましい。
　なお、図５は波長１５５０ｎｍにおける閉じ込め損失を示すものであるが、閉じ込め損失は波長に依存する。図６は、図５に示すＨＦにおける波長と閉じ込め損失との関係を示す図である。なお、線Ｌ３は空孔の層数が４でΛが２２μｍ、線Ｌ４は空孔の層数が４でΛが２３μｍの場合をそれぞれ示す。また、線Ｌ５、Ｌ６は空孔の層数が５であるＨＦ１０の場合をそれぞれ示し、線Ｌ５はΛが２２μｍの場合、線Ｌ６はΛが２３μｍの場合である。図６に示すように、空孔の層数が４層以上であれば、波長１５５０ｎｍに限らず、波長１４５０～１６５０ｎｍの範囲で閉じ込め損失が０．００１ｄＢ／ｋｍ以下となり、光通信で用いられるＣバンド（約１５３０～１５６５ｎｍ）、Ｌバンド（約１５６５～１６３０ｎｍ）を含む広い波長範囲において十分に小さい値となる。
　また、図５に示したように、ＨＦの閉じ込め損失は空孔の層数によって大きく変化する。しかしながら、有効コア断面積および波長分散値は空孔の層数による変化が小さい。図７は、図５に示すＨＦにおいて、Λを変化させた場合の、空孔の層数と波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積および波長分散との関係を示す図である。なお、図７において、凡例における表記はΛの値と対応する特性を示している。たとえば、凡例において「２０－Ａｅｆｆ」との表記は、Λが２０μｍにおける有効コア断面積であることを意味し、「２０－分散」との表記は、Λが２０μｍにおける波長分散であることを意味している。図７に示すように、Λが２０～２４μｍの範囲において、Λを変化させても有効コア断面積および波長分散はあまり変化しない。なお、波長分散については、その絶対値が２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、光通信用の標準のシングルモード光ファイバと同程度の抑制された値となっている。
　つぎに、ＦＥＭシミュレーションを用いたさらに具体的な計算結果を示す。図８は、ＦＥＭシミュレーションを用いて計算した計算例１～１３に係るＨＦの設計パラメータであるｄ／Λ、Λ、空孔の層数と各ＨＦの光学特性とについて示す図である。なお、図８に示す光学特性は、いずれも波長１５５０ｎｍにおける値である。図８に示すように、計算例１～１３に係るＨＦは、ｄ／Λが０．４３±０．０３、Λが２０～２４μｍであるから、いずれも図２に示したＶ値が２．５以下のものであって、実質的にシングルモード動作するものである。また、計算例１～１３に係るＨＦのいずれも、５００μｍ２以上の有効コア断面積と、２５０ｄＢ／ｍ以下の曲げ損失と、０．００１ｄＢ／ｍ以下の閉じ込め損失と、絶対値が２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の波長分散とを実現している。特に、Λが２３μｍ以下であり、ｄ／Λが０．４３以上であり、層数が５以上である計算例１～４、９～１１に係るＨＦは、１０ｄＢ／ｍ以下の曲げ損失を実現している。
（実施例１、２）
　つぎに、本発明の実施例１、２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、実施例１については図８に示す計算例３の値とし、実施例２については計算例４の値とした。
　図９は、製造した実施例１に係るＨＦの断面構造写真を示す図である。図９において黒い部分が空孔である。また、図１０は、実施例１、２に係るＨＦの設計パラメータと測定した光学特性について示す図である。なお、図１０に示す光学特性は、いずれも波長１５５０ｎｍにおける値である。図１０に示すように、本実施例１、２に係るＨＦの光学特性は、図８に示す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１、２に係るＨＦを伝送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１、２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１、２に係るＨＦの伝送損失はそれぞれ８．６ｄＢ／ｋｍ、１４．９ｄＢ／ｋｍであり、計算から予想される閉じ込め損失よりも十分に大きいため、本実施例１、２に係るＨＦにおいて、閉じ込め損失は伝送損失に対してほとんど影響がないと考えられる。
　以上のように、本発明に係るホーリーファイバは、光通信用、あるいはパワーデリバリー用等に有用であり、特に、ハイパワー光を伝送する用途に適している。
　１０　ＨＦ
　１１　コア部
　１２　クラッド部
　１３　空孔
　Ｌ　三角格子
　Ｌ１～Ｌ６　線

Claims (6)

  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、ｄ／Λは０．４３±０．０３の範囲内であり、Λは２０～２４μｍであり、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモード動作するとともに波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が５００μｍ２以上であることを特徴とするホーリーファイバ。
  2. 　前記ｄ／Λが０．４３±０．０２の範囲内であ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. 　前記空孔の層数は４層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。
  4. 　１６５０ｎｍ以下の波長における閉じ込め損失が０．００１ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のホーリーファイバ。
  5. 　波長１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載のホーリーファイバ。
  6. 　前記Λが２３μｍ以下であり、前記ｄ／Λが０．４３以上であり、前記層数が５以上であり、
    　波長１５５０ｎｍにおいて直径１００ｍｍにおける曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載のホーリーファイバ。
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