WO2010052815A1 - フォトニックバンドギャップファイバ - Google Patents
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Definitions
- a dopant such as fluorine is added to pure quartz and adjusted to a relative refractive index on the negative side with respect to pure quartz.
- the stress applying portion 6 has a low refractive index in which a dopant such as boron is added to pure quartz and adjusted to a negative side relative refractive index with respect to pure quartz.
- Addition of germanium to the high refractive index portion 3 increases the thermal expansion coefficient, and addition of boron to the stress applying portion 6 increases the thermal expansion coefficient.
- the rate of increase of the thermal expansion coefficient is smaller than that of germanium or boron.
- Each of the coating layers 10, 11, and 13 is made of pure quartz.
- the material of each part demonstrated is an example, and is not limited only to the illustration of this embodiment.
Abstract
本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、偏波保持ファイバとして機能するフォトニックバンドギャップファイバであって、固体材料からなるコアと;このコアの周囲に設けられたクラッドと;このクラッドの前記コアの近傍部の一部分に設けられ、前記クラッドよりも高い屈折率を有する複数の高屈折率部が周期構造をなして配置された周期構造領域と;前記クラッドの前記コアの近傍部の他の部分に設けられ、前記コアよりも平均屈折率が小さい低屈折率領域と;前記低屈折率領域のうち、前記周期構造領域に近接する領域に設けられ、前記低屈折率領域の他の部分と異なる熱膨張係数を有する応力付与部と;を有する。
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、複屈折の大きな偏波保持ファイバに関する。
本願は、2008年11月05日に、日本国に出願された特願2008-284468号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2008年11月05日に、日本国に出願された特願2008-284468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。この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、この装置の冷却が容易であること、及びこの装置の小型化が可能なことなどといった特徴を有している。
このような高出力のファイバレーザに用いられている増幅用ファイバにおいては、透過させたい信号光を伝搬させるとともに、透過させたい信号光以外の波長の光、例えば、増幅された自然放出光(ASE: Amplified Spontaneous Emission)や、誘導ラマン散乱といった光の伝搬を遮断するため、波長フィルタの効果を持ったファイバが求められている。
また、高出力、超短パルスのファイバレーザにおいては、ファイバを伝搬するパルスの形状を最適化するため、特殊な波長分散特性をもつファイバが求められている。そのような特殊な特性を持ったファイバとして、コアの周りに周期構造を配置することで、この周期構造に応じたブラッグ反射により光を導波する構造のフォトニックバンドギャップファイバが知られている。
このような高出力のファイバレーザに用いられている増幅用ファイバにおいては、透過させたい信号光を伝搬させるとともに、透過させたい信号光以外の波長の光、例えば、増幅された自然放出光(ASE: Amplified Spontaneous Emission)や、誘導ラマン散乱といった光の伝搬を遮断するため、波長フィルタの効果を持ったファイバが求められている。
また、高出力、超短パルスのファイバレーザにおいては、ファイバを伝搬するパルスの形状を最適化するため、特殊な波長分散特性をもつファイバが求められている。そのような特殊な特性を持ったファイバとして、コアの周りに周期構造を配置することで、この周期構造に応じたブラッグ反射により光を導波する構造のフォトニックバンドギャップファイバが知られている。
このフォトニックバンドギャップファイバの中でも、後述する特許文献1~3や、非特許文献1~2に記載されているように、ファイバの断面が全て固体材料からなるソリッドフォトニックバンドギャップファイバが、その融着接続が比較的容易であること、及びコアに希土類を添加して増幅用ファイバとしても使用できることから、好適に用いられている。
図3は、従来のソリッドフォトニックバンドギャップファイバBの一例を示す断面図である。図3において、21がコア、22がクラッド、23がクラッド22よりも屈折率の高い高屈折率部である。このようなフォトニックバンドギャップファイバBにあっては、クラッド22よりも屈折率の高い高屈折率部23が周期構造をなす微細構造クラッドとなることで、ブラッグ反射によって光が導波される。
図3は、従来のソリッドフォトニックバンドギャップファイバBの一例を示す断面図である。図3において、21がコア、22がクラッド、23がクラッド22よりも屈折率の高い高屈折率部である。このようなフォトニックバンドギャップファイバBにあっては、クラッド22よりも屈折率の高い高屈折率部23が周期構造をなす微細構造クラッドとなることで、ブラッグ反射によって光が導波される。
この種のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、ある波長でフォトニックバンドギャップファイバ中のコアを伝搬するモード(コアモード)が遮断されるか伝搬するかは、コアモードの実効屈折率と等しい実効屈折率を持つモードが、微細構造クラッド中に存在するか否かによって決定される。
コアモードの実効屈折率と等しい実効屈折率を持つモードが、微細構造クラッド中に存在する場合、コアモードが、その実効屈折率と等しい実効屈折率を持つ微細構造クラッド中のモードヘとモード結合し、コア中の光パワーが減少してその伝搬が遮断される。反対に、コアモードの実効屈折率と等しい実効屈折率を持つモードが微細構造クラッド中に存在しない場合、コアモードが微細構造クラッド中のモードヘとモード結合しないため、コア中を伝搬可能である。
コアモードの実効屈折率と等しい実効屈折率を持つモードが、微細構造クラッド中に存在する場合、コアモードが、その実効屈折率と等しい実効屈折率を持つ微細構造クラッド中のモードヘとモード結合し、コア中の光パワーが減少してその伝搬が遮断される。反対に、コアモードの実効屈折率と等しい実効屈折率を持つモードが微細構造クラッド中に存在しない場合、コアモードが微細構造クラッド中のモードヘとモード結合しないため、コア中を伝搬可能である。
このようなフォトニックバンドギャップファイバにおいては、コアと微細構造クラッドとの構造やこれらの屈折率分布を変更することにより、コアモードの実効屈折率と等しい実効屈折率を持つモードの、微細構造クラッド中に存在する波長を制御することが可能である。このため、フォトニックバンドギャップファイバにより、ファイバ型の所望の特性の波長フィルタを実現することができる。
このようなフォトニックバンドギャップファイバにおいて、以下の特許文献1~3、及び非特許文献1~2に記載されているように、その断面構造に2回以下の回転対称性のみを持たせたり、さらに別途応力付与部を設けることで、構造複屈折や、熱応力により複屈折を発生させ、偏波保持ファイバとして機能させることができる。偏波保持ファイバとしての性能を表す重要な指標のひとつに、ファイバ中を光が伝搬中に、一方の偏波からもう一方の偏波へどれだけのエネルギーが漏洩したかを表す偏波クロストークがある。偏波クロストークの値が小さいほど偏波保持ファイバとしての機能が高く、また、複屈折が大きいほどこの偏波クロストークが小さくなる。そのため、フォトニックバンドギャップファイバにおいても、大きな複屈折を生じさせる各種構造が検討されている。従来型の偏波保持ファイバにおいては、1.0×10-4以上の複屈折が一般的である。したがって、これらのフォトニックバンドギャップファイバも少なくとも、1.0×10-4以上の複屈折を持つことが好ましい。さらに、フォトニックバンドギャップファイバのコアに希土類を添加して、このフォトニックバンドギャップファイバをファイバ増幅器として使用する場合、励起光強度と信号光強度との差に相当するエネルギー差が熱となる。この場合、この熱によってファイバの温度が上昇してファイバ中の熱応力が緩和されると複屈折が低下し、偏波ストロークの悪化が生じる。そのため、ファイバレーザやその他の機器に搭載されたファイバが高温下で使用されるような場合、フォトニックバンドギャップファイバが常温ではより大きな複屈折、たとえば3.0×10-4以上の複屈折を持つことが好ましい。
このようなフォトニックバンドギャップファイバにおいて、以下の特許文献1~3、及び非特許文献1~2に記載されているように、その断面構造に2回以下の回転対称性のみを持たせたり、さらに別途応力付与部を設けることで、構造複屈折や、熱応力により複屈折を発生させ、偏波保持ファイバとして機能させることができる。偏波保持ファイバとしての性能を表す重要な指標のひとつに、ファイバ中を光が伝搬中に、一方の偏波からもう一方の偏波へどれだけのエネルギーが漏洩したかを表す偏波クロストークがある。偏波クロストークの値が小さいほど偏波保持ファイバとしての機能が高く、また、複屈折が大きいほどこの偏波クロストークが小さくなる。そのため、フォトニックバンドギャップファイバにおいても、大きな複屈折を生じさせる各種構造が検討されている。従来型の偏波保持ファイバにおいては、1.0×10-4以上の複屈折が一般的である。したがって、これらのフォトニックバンドギャップファイバも少なくとも、1.0×10-4以上の複屈折を持つことが好ましい。さらに、フォトニックバンドギャップファイバのコアに希土類を添加して、このフォトニックバンドギャップファイバをファイバ増幅器として使用する場合、励起光強度と信号光強度との差に相当するエネルギー差が熱となる。この場合、この熱によってファイバの温度が上昇してファイバ中の熱応力が緩和されると複屈折が低下し、偏波ストロークの悪化が生じる。そのため、ファイバレーザやその他の機器に搭載されたファイバが高温下で使用されるような場合、フォトニックバンドギャップファイバが常温ではより大きな複屈折、たとえば3.0×10-4以上の複屈折を持つことが好ましい。
Photonic crystal fibers confining light by both index-guiding and bandgap-guiding. hybrid PCFs Limin Xiao. Wei Jin, and M. S. Demokan Optics Express, Vol. 15, Issue 24, pp.15637-15647(2007)
Polarization maintaining hybrid TIR / bandgap all-solid photonic crystal fiber J. K. Lyngso, B. J. Mangan, and P. J. Roberts Proceedings ofCLEO2008, CThV1
しかし、従来のフォトニックバンドギャップファイバにおいては以下のような問題があった。
石英系ガラスからなるソリッドフォトニックバンドギャップファイバにおいては、高屈折率部にはゲルマニウムやアルミニウムといった、熱膨張係数を大きく高めるドーパントが添加されている。例えば特許文献3にあるように、高屈折率部からの熱応力により2回以下の回転対称性のみを持つ応力複屈折を発生させ、偏波保持ファイバとして機能させることができる。しかしながら、このようなファイバにおいて、別途応力付与部を設けてさらに大きな複屈折を得ようとした場合、応力付与部の配置によっては、高屈折率部からの熱応力と相殺されて、十分な複屈折が発生しない虞がある。
本発明は、従来の上述の問題に鑑みなされたもので、応力付与部により効率的に複屈折を発生させられるフォトニックバンドギャップファイバの提供を目的とする。
石英系ガラスからなるソリッドフォトニックバンドギャップファイバにおいては、高屈折率部にはゲルマニウムやアルミニウムといった、熱膨張係数を大きく高めるドーパントが添加されている。例えば特許文献3にあるように、高屈折率部からの熱応力により2回以下の回転対称性のみを持つ応力複屈折を発生させ、偏波保持ファイバとして機能させることができる。しかしながら、このようなファイバにおいて、別途応力付与部を設けてさらに大きな複屈折を得ようとした場合、応力付与部の配置によっては、高屈折率部からの熱応力と相殺されて、十分な複屈折が発生しない虞がある。
本発明は、従来の上述の問題に鑑みなされたもので、応力付与部により効率的に複屈折を発生させられるフォトニックバンドギャップファイバの提供を目的とする。
本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下の手段を採用した。
(1)本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、偏波保持ファイバとして機能するフォトニックバンドギャップファイバであって、固体材料からなるコアと;このコアの周囲に設けられたクラッドと;このクラッドの前記コアの近傍部の一部分に設けられ、前記クラッドよりも高い屈折率を有する複数の高屈折率部が周期構造をなして配置された周期構造領域と;前記クラッドの前記コアの近傍部の他の部分に設けられ、前記コアよりも平均屈折率が小さい低屈折率領域と;前記低屈折率領域のうち、前記周期構造領域に近接する領域に設けられ、前記低屈折率領域の他の部分と異なる熱膨張係数を有する応力付与部と;を有する。
(1)本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、偏波保持ファイバとして機能するフォトニックバンドギャップファイバであって、固体材料からなるコアと;このコアの周囲に設けられたクラッドと;このクラッドの前記コアの近傍部の一部分に設けられ、前記クラッドよりも高い屈折率を有する複数の高屈折率部が周期構造をなして配置された周期構造領域と;前記クラッドの前記コアの近傍部の他の部分に設けられ、前記コアよりも平均屈折率が小さい低屈折率領域と;前記低屈折率領域のうち、前記周期構造領域に近接する領域に設けられ、前記低屈折率領域の他の部分と異なる熱膨張係数を有する応力付与部と;を有する。
(2)上記(1)に記載のフォトニックバンドギャップファイバでは、前記コアの屈折率が前記クラッドの屈折率以下であってもよい。
(3)上記(1)に記載のフォトニックバンドギャップファイバでは、前記周期構造領域は、複数の高屈折率部が直線構造、三角格子構造、ハニカム格子構造、正方格子構造、または長方格子構造のいずれかで配置された構造領域であってもよい。
(3)上記(1)に記載のフォトニックバンドギャップファイバでは、前記周期構造領域は、複数の高屈折率部が直線構造、三角格子構造、ハニカム格子構造、正方格子構造、または長方格子構造のいずれかで配置された構造領域であってもよい。
(4)上記(1)に記載のフォトニックバンドギャップファイバでは、前記周期構造領域と前記応力付与部とがそれぞれ、前記コアを中心として対称位置に配置されていてもよい。
(5)上記(1)に記載のフォトニックバンドギャップファイバでは、前記高屈折率部と前記低屈折率領域と前記応力付与部とにドーパントが添加されてそれぞれの屈折率が調整され;前記ドーパントの添加により前記高屈折率部と前記応力付与部との熱膨張係数の増加率よりも前記低屈折率領域の熱膨張係数の増加率が低くされ;非軸対称の熱応力が前記コアに付加されて、前記コアに複屈折が導入されていてもよい。
(5)上記(1)に記載のフォトニックバンドギャップファイバでは、前記高屈折率部と前記低屈折率領域と前記応力付与部とにドーパントが添加されてそれぞれの屈折率が調整され;前記ドーパントの添加により前記高屈折率部と前記応力付与部との熱膨張係数の増加率よりも前記低屈折率領域の熱膨張係数の増加率が低くされ;非軸対称の熱応力が前記コアに付加されて、前記コアに複屈折が導入されていてもよい。
上記(1)に記載のフォトニックバンドギャップファイバは、クラッドのコア近傍部に設けられた周期構造領域と;クラッドのコア近傍部の他の部分に設けられコアよりも平均屈折率が小さい低屈折率領域と;低屈折率領域のうち、周期構造領域に近接する領域に設けられ低屈折率領域の他の部分と異なる熱膨張係数を有する応力付与部と;を具備するので、この応力付与部により効率的に複屈折を発生させることができる。ゆえに、偏波保持型の複屈折の大きなフォトニックバンドギャップファイバとして機能する光ファイバを提供できる。また、上記(1)に記載のフォトニックバンドギャップファイバでは、フォトニックバンドギャップファイバが本来有するフィルタ効果や特殊な波長分散特性も有する。
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第1実施形態を示す断面図である。本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAは、固体材料からなるコア1と;このコア1の周囲に設けられたクラッド2と;このクラッド2のコア近傍部の一部分に設けられ、クラッド2よりも高い屈折率を有する多数の高屈折率部3が周期構造をなして配置された周期構造領域4と;クラッド2のコア近傍部の他の部分に設けられ、コア1よりも平均屈折率が小さい低屈折率領域5と;この低屈折率領域5のうち、周期構造領域4に近接する領域に設けられ、低屈折率領域5の他の部分と異なる熱膨張係数を有する応力付与部6と;を有する。
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第1実施形態を示す断面図である。本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAは、固体材料からなるコア1と;このコア1の周囲に設けられたクラッド2と;このクラッド2のコア近傍部の一部分に設けられ、クラッド2よりも高い屈折率を有する多数の高屈折率部3が周期構造をなして配置された周期構造領域4と;クラッド2のコア近傍部の他の部分に設けられ、コア1よりも平均屈折率が小さい低屈折率領域5と;この低屈折率領域5のうち、周期構造領域4に近接する領域に設けられ、低屈折率領域5の他の部分と異なる熱膨張係数を有する応力付与部6と;を有する。
図1の構造において、より詳細には、フォトニックバンドギャップファイバAの長手方向に垂直な断面(横断面)の中心部分には、断面円形のコア1が設けられ、このコア1の周囲が被覆層10で覆われている。また、フォトニックバンドギャップファイバAにおいて、その中心に位置するコア1の両側(フォトニックバンドギャップファイバAの径方向両側)には、断面円形の高屈折率部3が複数、図1の例では6つずつ1列に等間隔に配置されて周期構造とした周期構造領域4が形成されている。各高屈折率部3の周囲は、被覆層11で覆われている。
また、図1において、コア1の両側に一列に配置された高屈折率部3に対し、これらの列をそれらの両側から挟む位置に、低屈折率の応力付与部6がそれぞれ設けられている。これらの応力付与部6は、コア1を中心とする対称位置に設けられている。これらの応力付与部6は、この例では断面円形の低屈折率部12を先の一列に配置した高屈折率部3に対して三角格子位置に配列できるように2列ずつ、列毎にジグザグ状に配置されている。各低屈折率部12の周囲が被覆層13で覆われている。即ち、本実施形態では、高屈折率部3と低屈折率部12とがいずれも三角格子状に配列されるように、コア1の周囲に配置されている。
この実施形態では、周期構造領域4が6つの高屈折率部3を一列に並べて構成されているので、その列に近接する各第1列目の低屈折率部12が5つずつ配置され、各第2列目の低屈折率部12が4つずつ配置されているが、これらの配置数や列構成は、これらを構成する材料や、フォトニックバンドギャップファイバを導波させる光の波長に応じて適宜選択される。
コア1の両側に一列に配置された高屈折率部3の最外端の部分とそれらに隣接する低屈折率部12の最外端の部分とは、いずれもクラッド2の内層部分に配置される。
コア1の周囲側において、その他の部分側、すなわち高屈折率部3と低屈折率部12とが配置されていない領域、及び、応力付与部6の周囲側には、クラッド2の内層側の部分まで拡がる低屈折率領域5が形成されている。
この低屈折率領域5は、本実施形態では横断面における外形が概形6角形状とされ、横断面円形状のクラッド2の内部中央に配置されている。低屈折率領域5の中心にコア1が配置され、横断面における外形が概形6角形状とされた低屈折率領域5の横断面左右両側部分内に、低屈折領域5の横断面積の数分の一程度の面積を占めるように、周期構造領域4と応力付与部6とそれらの周囲に位置する被覆層10、11、13とが組み込まれている。これら周期構造領域4と、応力付与部6と、被覆層10、11、13と、が設けられた部分には低屈折率領域5が設けられていない。
この実施形態の構造において被覆層11は必要であるが、本発明の目的を達成するために被覆層10と被覆層13とは必ずしも必要な構成要素ではなく、被覆層10はコア1と同じ媒質で代用し、被覆層13は応力付与部6と同じ媒質で代用し、これらの被覆層10、13を省略しても差し支えない。
また、図1において、コア1の両側に一列に配置された高屈折率部3に対し、これらの列をそれらの両側から挟む位置に、低屈折率の応力付与部6がそれぞれ設けられている。これらの応力付与部6は、コア1を中心とする対称位置に設けられている。これらの応力付与部6は、この例では断面円形の低屈折率部12を先の一列に配置した高屈折率部3に対して三角格子位置に配列できるように2列ずつ、列毎にジグザグ状に配置されている。各低屈折率部12の周囲が被覆層13で覆われている。即ち、本実施形態では、高屈折率部3と低屈折率部12とがいずれも三角格子状に配列されるように、コア1の周囲に配置されている。
この実施形態では、周期構造領域4が6つの高屈折率部3を一列に並べて構成されているので、その列に近接する各第1列目の低屈折率部12が5つずつ配置され、各第2列目の低屈折率部12が4つずつ配置されているが、これらの配置数や列構成は、これらを構成する材料や、フォトニックバンドギャップファイバを導波させる光の波長に応じて適宜選択される。
コア1の両側に一列に配置された高屈折率部3の最外端の部分とそれらに隣接する低屈折率部12の最外端の部分とは、いずれもクラッド2の内層部分に配置される。
コア1の周囲側において、その他の部分側、すなわち高屈折率部3と低屈折率部12とが配置されていない領域、及び、応力付与部6の周囲側には、クラッド2の内層側の部分まで拡がる低屈折率領域5が形成されている。
この低屈折率領域5は、本実施形態では横断面における外形が概形6角形状とされ、横断面円形状のクラッド2の内部中央に配置されている。低屈折率領域5の中心にコア1が配置され、横断面における外形が概形6角形状とされた低屈折率領域5の横断面左右両側部分内に、低屈折領域5の横断面積の数分の一程度の面積を占めるように、周期構造領域4と応力付与部6とそれらの周囲に位置する被覆層10、11、13とが組み込まれている。これら周期構造領域4と、応力付与部6と、被覆層10、11、13と、が設けられた部分には低屈折率領域5が設けられていない。
この実施形態の構造において被覆層11は必要であるが、本発明の目的を達成するために被覆層10と被覆層13とは必ずしも必要な構成要素ではなく、被覆層10はコア1と同じ媒質で代用し、被覆層13は応力付与部6と同じ媒質で代用し、これらの被覆層10、13を省略しても差し支えない。
図1に示す実施形態において、コア1、低屈折率領域5、周期構造領域4、クラッド2、及び被覆層10、11、13の各部は、純粋石英ガラスや、それにフッ素(F)、ゲルマニウム(Ge)、アルミニウム(Al)、ボロン(B)などの屈折率調整用ドーパントを添加してなる石英系ガラスから構成されている。
より具体的に例示すると、コア1とクラッド2とは純粋石英からなる。高屈折率部3は、ゲルマニウムなどのドーパントが純粋石英に添加されて、純粋石英に対して+数%の比屈折率差となっている。低屈折率領域5は、フッ素などのドーパントが純粋石英に添加されて、純粋石英に対して-側の比屈折率に調整されている。応力付与部6は、ボロンなどのドーパントが純粋石英に添加されて、純粋石英に対して-側の比屈折率に調整した低屈折率とされている。高屈折率部3にゲルマニウムを添加すると熱膨張係数が増大し、応力付与部6にボロンを添加すると熱膨張係数が増大する。一方、低屈折率領域5にフッ素が添加されていても、熱膨張係数の増大する割合はゲルマニウムやボロンに比べて小さい。各被覆層10、11、13は、いずれも純粋石英からなる。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAにおいて、説明した各部の材質は一例であり、本実施形態の例示にのみ限定されるものではない。
より具体的に例示すると、コア1とクラッド2とは純粋石英からなる。高屈折率部3は、ゲルマニウムなどのドーパントが純粋石英に添加されて、純粋石英に対して+数%の比屈折率差となっている。低屈折率領域5は、フッ素などのドーパントが純粋石英に添加されて、純粋石英に対して-側の比屈折率に調整されている。応力付与部6は、ボロンなどのドーパントが純粋石英に添加されて、純粋石英に対して-側の比屈折率に調整した低屈折率とされている。高屈折率部3にゲルマニウムを添加すると熱膨張係数が増大し、応力付与部6にボロンを添加すると熱膨張係数が増大する。一方、低屈折率領域5にフッ素が添加されていても、熱膨張係数の増大する割合はゲルマニウムやボロンに比べて小さい。各被覆層10、11、13は、いずれも純粋石英からなる。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAにおいて、説明した各部の材質は一例であり、本実施形態の例示にのみ限定されるものではない。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAは、コア1の周囲に、周期構造によりフォトニックバンドギャップによる導波を実現する周期構造領域4と、コア1の屈折率以下の平均屈折率を持つことにより屈折率導波を実現する領域(低屈折率領域5)と、の両者が配置されたフォトニックバンドギャップファイバである。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAにおいて、低屈率折領域5のうち、高屈折率部3に近接する領域(応力付与部6)は、前記低屈折率領域5の部分よりも高い熱膨張係数を持ち、コア1に対して対称に配置されている。ガラス母材を高温にて加熱延伸して光ファイバとした後に、この光ファイバが常温まで冷却されると、これらの応力付与部6からコア1に向かって応力が付与される。この応力によりコア1にて複屈折が発生し、偏波保持特性が得られる。ゆえに、上記構造のフォトニックバンドギャップファイバAは、偏波保持ファイバとして機能することができる。この場合、低屈折率領域5により発生する熱応力の向きは、高屈折率部3により発生する熱応力と同方向である。そのため、両者の熱応力が相殺し合って複屈折が減少することがない。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAにおいて、低屈率折領域5のうち、高屈折率部3に近接する領域(応力付与部6)は、前記低屈折率領域5の部分よりも高い熱膨張係数を持ち、コア1に対して対称に配置されている。ガラス母材を高温にて加熱延伸して光ファイバとした後に、この光ファイバが常温まで冷却されると、これらの応力付与部6からコア1に向かって応力が付与される。この応力によりコア1にて複屈折が発生し、偏波保持特性が得られる。ゆえに、上記構造のフォトニックバンドギャップファイバAは、偏波保持ファイバとして機能することができる。この場合、低屈折率領域5により発生する熱応力の向きは、高屈折率部3により発生する熱応力と同方向である。そのため、両者の熱応力が相殺し合って複屈折が減少することがない。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAにおいて、コア1の周囲の別の領域には、フォトニックバンドギャップによる導波を実現する周期構造領域4が存在する。ゆえに、フォトニックバンドギャップファイバAの特徴である、フィルタ効果や特殊な波長分散特性も依然として有する。そのため、増幅された自然放出光を抑制することで、ファイバレーザの発振波長を容易に変更したり、誘導ラマン散乱を抑制したりする事ができる。また、ファイバ中を伝搬するパルスの形状を最適化することが出来る。
従って、本実施形態の構造によれば、偏波保持型の複屈折の大きなソリッドフォトニックバンドギャップファイバAを実現できる。
従って、本実施形態の構造によれば、偏波保持型の複屈折の大きなソリッドフォトニックバンドギャップファイバAを実現できる。
高屈折率部に高濃度のドーパントが添加されている場合、この高屈折率部が応力付与部と同等、もしくはそれ以上の熱膨張係数を持ち得る。そのため、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAの応力付与部6を高屈折率部で置き換えた構造においても、同様に複屈折が発生しうる。しかしこの場合、より多数の高屈折率部がフォトニックバンドギャップファイバAの断面構造内に存在することになる。その結果、このファイバをダブルクラッドファイバとして用いた場合に、励起光が屈折率導波によって高屈折率部に閉じこめられ、コアに吸収されなくなる励起光の割合が増加して、ファイバ増幅器やファイバレーザの励起効率が低下する。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、少ない数の高屈折率部3で、大きな複屈折を持つフォトニックバンドギャップファイバAを提供することができるため、特にダブルクラッドファイバに好適に用いることができる。
さらに、高屈折率部3のクラッド2に対する比屈折率差が比較的小さかったり、高屈折率部3の断面積が小さかったりして、高屈折率部3によりコア1に発生する熱応力が、低屈折率領域5により発生する熱応力と比較して十分に大きくない場合においても、本発明のフォトニックバンドギャップファイバAの構造を用いれば、偏波保持型の複屈折の大きなフォトニックバンドギャップファイバを実現することができる。また、その複屈折は、応力付与部を高屈折率部の配列に直交する方向に並べて配置した場合と比べて大きい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、少ない数の高屈折率部3で、大きな複屈折を持つフォトニックバンドギャップファイバAを提供することができるため、特にダブルクラッドファイバに好適に用いることができる。
さらに、高屈折率部3のクラッド2に対する比屈折率差が比較的小さかったり、高屈折率部3の断面積が小さかったりして、高屈折率部3によりコア1に発生する熱応力が、低屈折率領域5により発生する熱応力と比較して十分に大きくない場合においても、本発明のフォトニックバンドギャップファイバAの構造を用いれば、偏波保持型の複屈折の大きなフォトニックバンドギャップファイバを実現することができる。また、その複屈折は、応力付与部を高屈折率部の配列に直交する方向に並べて配置した場合と比べて大きい。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAは、コア1が固体材料(石英系ガラス)からなるソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバである。このコア1には、イッテルビウム、エルビウムなどの希土類元素を添加することができる。
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Aは、空孔が無い完全中実構造になっている。したがって、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAは、他の光ファイバと融着接続する際に、空孔が潰れて構造が変化してしまうことが無く、低損失で他の光ファイバ等と融着接続できるなどの利点がある。また、コア1が円形であり、低屈折領域5が均質であるため、コア1と低屈折率領域5とにおいて、コアモードの電界分布は、円形コアを持つ従来型のファイバと類似している。従って、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAは、従来型のファイバとの接続損失を低減できる利点がある。
なお、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバAにおいて、コア1を除くいずれかの部位に空孔を設けた構成とすることもできる。
更に、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバAにおいて、周期構造領域4と低屈折率領域5と応力付与部6との配置構造は、本例示に限定されず、適宜変更可能である。また、周期構造領域4の高屈折率部3の配置は、直線構造に限るものではなく、フォトニックバンドギャップ構造となる三角格子構造、ハニカム格子構造、正方格子構造、長方格子構造等のいずれかで配置された構造でも良いのは勿論である。
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Aは、空孔が無い完全中実構造になっている。したがって、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAは、他の光ファイバと融着接続する際に、空孔が潰れて構造が変化してしまうことが無く、低損失で他の光ファイバ等と融着接続できるなどの利点がある。また、コア1が円形であり、低屈折領域5が均質であるため、コア1と低屈折率領域5とにおいて、コアモードの電界分布は、円形コアを持つ従来型のファイバと類似している。従って、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバAは、従来型のファイバとの接続損失を低減できる利点がある。
なお、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバAにおいて、コア1を除くいずれかの部位に空孔を設けた構成とすることもできる。
更に、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバAにおいて、周期構造領域4と低屈折率領域5と応力付与部6との配置構造は、本例示に限定されず、適宜変更可能である。また、周期構造領域4の高屈折率部3の配置は、直線構造に限るものではなく、フォトニックバンドギャップ構造となる三角格子構造、ハニカム格子構造、正方格子構造、長方格子構造等のいずれかで配置された構造でも良いのは勿論である。
以下に本発明の実施例について説明するが、本発明が以下の実施例に限定されるものでないことは明らかである。
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。純粋石英からなり、直径dが7.3μmであるコアが、純粋石英からなるクラッドに囲まれて配置されている構造であって、コアの周囲に、純粋石英との比屈折率差△hが+2.8%で、直径dhが4μmである高屈折率部を周期7.3μmで一列に並べた周期構造が形成されている領域と;純粋石英との比屈折率差△hが-0.5%で、直径dhが5μmである低屈折率の応力付与部が三角格子構造で配置されている領域と;純粋石英との比屈折率差△1が-0.35%である低屈折率領域と;が形成されている構造を作製した。高屈折率部と応力付与部とは、いずれも周囲を純粋石英の被覆層で囲む構造とした。
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。純粋石英からなり、直径dが7.3μmであるコアが、純粋石英からなるクラッドに囲まれて配置されている構造であって、コアの周囲に、純粋石英との比屈折率差△hが+2.8%で、直径dhが4μmである高屈折率部を周期7.3μmで一列に並べた周期構造が形成されている領域と;純粋石英との比屈折率差△hが-0.5%で、直径dhが5μmである低屈折率の応力付与部が三角格子構造で配置されている領域と;純粋石英との比屈折率差△1が-0.35%である低屈折率領域と;が形成されている構造を作製した。高屈折率部と応力付与部とは、いずれも周囲を純粋石英の被覆層で囲む構造とした。
この実施例のフォトニックバンドギャップファイバの複屈折を測定したところ、波長1200nmにおいて3.8×10-4の複屈折であり、波長1400nmにおいて6.7×10-4の複屈折であり、偏波保持ファイバとして十分な複屈折を有していた。これは、高屈折率部のドーパントとして用いたゲルマニウム(Ge)と、低屈折率の応力付与部のドーパントとして用いたボロン(B)とが、ともに石英の熱膨張係数を大きく高めたのに対して、低屈折率領域のドーパントとして用いたフッ素(F)が石英の熱膨張係数をわずかに高める効果しか持たなかったため、非軸対称の大きな熱応力がコアに発生して、応力起因の複屈折が発生したためである。
次に、このフォトニックバンドギャップファイバを1m取り出し、コアに白色光を照射して透過波長を測定した。この結果を、図2に示す。
図2に示す如く、本実施例では、750nm~950nm、及び1150nm~1450nmの波長の光が透過し、それ以外の波長の光が遮断されていた。よって、この実施例のファイバが、フォトニックバンドギャップファイバ特有の、波長フィルタ特性を有していた。
一方、前記構造のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、低屈折率の応力付与部を低屈折領域で置換した構造においては、波長1200nmにおいて2.1×10-4の複屈折であり、波長1400nmにおいて0.78×10-5の複屈折であった。さらに、前記構造のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、低屈折率の応力付与部を高屈折率部の配列に直交する方向に並べて配置した場合、高屈折率部と低屈折率の応力付与部からの熱応力が相殺し合い、得られた複屈折は、波長1200nm、1400nmにおいて共に1.0×10-4未満であった。
図2に示す如く、本実施例では、750nm~950nm、及び1150nm~1450nmの波長の光が透過し、それ以外の波長の光が遮断されていた。よって、この実施例のファイバが、フォトニックバンドギャップファイバ特有の、波長フィルタ特性を有していた。
一方、前記構造のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、低屈折率の応力付与部を低屈折領域で置換した構造においては、波長1200nmにおいて2.1×10-4の複屈折であり、波長1400nmにおいて0.78×10-5の複屈折であった。さらに、前記構造のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、低屈折率の応力付与部を高屈折率部の配列に直交する方向に並べて配置した場合、高屈折率部と低屈折率の応力付与部からの熱応力が相殺し合い、得られた複屈折は、波長1200nm、1400nmにおいて共に1.0×10-4未満であった。
本実施例の構造において、コアのクラッドに対する比屈折率差が0%以下の場合、コアモードの実効屈折率は、高屈折率部によって構成される微細構造の外周に設けられている均質なクラッドの屈折率以下である。そのため、コアモードの伝搬が遮断される波長において、コアモードからモード結合する微細構造クラッド中のモードは、漏洩モードである。従って、コアから微細構造クラッドヘとモード結合した光は、直ちに均質なクラッドヘと漏れ出し、結果として遮断波長におけるコアモードの遮断効果が高くなる。
一方、本実施例の構造において、コアのクラッドに対する比屈折率差が0%より大きい場合、コアモードの実効屈折率は、均質なクラッドの屈折率よりも大きくなる。そのため、コアモードの伝搬が遮断される波長において、コアモードからモード結合する、すなわち高屈折率部によって構成される微細構造クラッド中のモードは、伝搬モードである。そのため、コアモードから微細構造クラッドヘとモード結合した光は、微細構造クラッド中を伝搬し、再度コアモードヘとモード結合する。
この結果として、コアモードの遮断効果が低くなる。しかし、このような場合であっても、コアの屈折率が、均質なクラッドの屈折率と比べてあまり高くない場合は、本発明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生じる避けることのできない程度の曲げによっても、前記微細構造クラッド中のモードに大きな曲げ損失が発生する。そのため、再度コアモードヘとモード結合する現象が大きく低減される。
そのため、実質的にはコアのクラッドに対する比屈折率差が0%以下の場合と同程度のコアモードの遮断効果を得ることができる。具体的には、コアのクラッド(純粋石英)に対する比屈折率差が0%より大きく、0.1%以下程度であれば、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバにおいてコアのクラッドに対する比屈折率差が0%以下である場合と同程度の遮断効果を得ることができる。コアのクラッドに対する比屈折率差が0.1%以上の場合は、遮断効果は小さくなるが、コアの屈折率が高屈折率部よりも低ければ、遮断効果は発現する。大きな遮断効果を必要としない場合には、コアのクラッドに対する比屈折率差を0.1%以上としてもよく、その場合、希土類などの添加によるコアの屈折率上昇を、Fなど屈折率を減少させるドーパントの共添加により相殺させる必要がなくなり、作製が容易になる。
この結果として、コアモードの遮断効果が低くなる。しかし、このような場合であっても、コアの屈折率が、均質なクラッドの屈折率と比べてあまり高くない場合は、本発明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生じる避けることのできない程度の曲げによっても、前記微細構造クラッド中のモードに大きな曲げ損失が発生する。そのため、再度コアモードヘとモード結合する現象が大きく低減される。
そのため、実質的にはコアのクラッドに対する比屈折率差が0%以下の場合と同程度のコアモードの遮断効果を得ることができる。具体的には、コアのクラッド(純粋石英)に対する比屈折率差が0%より大きく、0.1%以下程度であれば、本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバにおいてコアのクラッドに対する比屈折率差が0%以下である場合と同程度の遮断効果を得ることができる。コアのクラッドに対する比屈折率差が0.1%以上の場合は、遮断効果は小さくなるが、コアの屈折率が高屈折率部よりも低ければ、遮断効果は発現する。大きな遮断効果を必要としない場合には、コアのクラッドに対する比屈折率差を0.1%以上としてもよく、その場合、希土類などの添加によるコアの屈折率上昇を、Fなど屈折率を減少させるドーパントの共添加により相殺させる必要がなくなり、作製が容易になる。
本発明によれば、偏波保持型の複屈折の大きなフォトニックバンドギャップファイバとして機能する光ファイバが得られる。
A フォトニックバンドギャップファイバ
1 コア
2 クラッド
3 高屈折率部
4 周期構造領域
5 低屈折率領域
6 応力付与部
10、11、13 被覆層
12 低屈折率部
1 コア
2 クラッド
3 高屈折率部
4 周期構造領域
5 低屈折率領域
6 応力付与部
10、11、13 被覆層
12 低屈折率部
Claims (5)
- 偏波保持ファイバとして機能するフォトニックバンドギャップファイバであって、
固体材料からなるコアと;
このコアの周囲に設けられたクラッドと;
このクラッドの前記コアの近傍部の一部分に設けられ、前記クラッドよりも高い屈折率を有する複数の高屈折率部が周期構造をなして配置された周期構造領域と;
前記クラッドの前記コアの近傍部の他の部分に設けられ、前記コアよりも平均屈折率が小さい低屈折率領域と;
前記低屈折率領域のうち、前記周期構造領域に近接する領域に設けられ、前記低屈折率領域の他の部分と異なる熱膨張係数を有する応力付与部と;
を有す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。 - 前記コアの屈折率が前記クラッドの屈折率以下であることを特徴とする請求項1に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記周期構造領域は、複数の前記高屈折率部が直線構造、三角格子構造、ハニカム格子構造、正方格子構造、または長方格子構造のいずれかで配置された構造領域であることを特徴とする請求項1に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記周期構造領域と前記応力付与部とがそれぞれ、前記コアを中心として対称位置に配置されたことを特徴とする請求項1に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記高屈折率部と前記低屈折率領域と前記応力付与部とにドーパントが添加されてそれぞれの屈折率が調整され;
前記ドーパントの添加により前記高屈折率部と前記応力付与部との熱膨張係数の増加率よりも前記低屈折率領域の熱膨張係数の増加率が低くされ;
非軸対称の熱応力が前記コアに付加されて、前記コアに複屈折が導入されてなる;
ことを特徴とする請求項1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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