WO2024084818A1 - ゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバ - Google Patents

ゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバ Download PDF

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cladding
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Inventor
実 吉田
聡人 鈴木
Original Assignee
学校法人近畿大学
湖北工業株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
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    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/036—Optical fibres with cladding with or without a coating core or cladding comprising multiple layers

Definitions

  • the present invention relates to a photonic crystal fiber having a plurality of holes extending along the fiber axis.
  • the zero-dispersion, dispersion-flat photonic crystal fiber of the present invention can achieve characteristics of a chromatic dispersion value close to zero over a wide bandwidth and a zero dispersion slope.
  • photonic crystal fibers can achieve optical properties that are not possible with conventional optical fibers by changing the spacing and size of the holes arranged in the cladding.
  • photonic crystal fibers can shift the zero dispersion wavelength to shorter wavelengths than conventional optical fibers due to the large waveguide dispersion caused by the air holes arranged in the cladding.
  • Non-Patent Document 1 suggests that in a holey fiber (photonic crystal fiber) with a hole diameter d and an adjacent hole distance ⁇ , a region of flat dispersion exists when ⁇ is 2.3 ⁇ m and d/ ⁇ is around 0.3.
  • optical fibers with zero dispersion and dispersion flatness around the wavelength of 1.55 ⁇ m by using a ring core structure.
  • Such optical fibers are known to be effective in generating supercontinuum light using a 1.55 ⁇ m wavelength light source as a seed light source.
  • Patent Document 1 states that, as a fiber for a supercontinuum light source, "the center-to-center spacing of the cladding features/holes is referred to as the pitch ( ⁇ ), and the microstructured fiber is characterized by the core dimensions and the ratio of the cladding feature dimensions to the spacing or pitch ( ⁇ ) of the cladding features.
  • ZDW zero dispersion wavelength
  • Such photonic crystal fibers have a zero dispersion wavelength that is shorter than that of conventional optical fibers, and also have a small core diameter and high nonlinearity, so they are known to be effective in generating supercontinuum light with a seed light source at a wavelength of 1.06 ⁇ m.
  • fibers for generating supercontinuum light either have zero dispersion on the short wavelength side, or zero dispersion and flat dispersion around a wavelength of 1.55 ⁇ m.
  • no optical fiber has been realized that has near-zero chromatic dispersion and zero dispersion slope over a broad band from 1.1 ⁇ m to 1.9 ⁇ m.
  • photonic crystal fiber can shift the zero-dispersion wavelength to the shorter wavelength side and can achieve dispersion flatness in a narrow band
  • the present invention has discovered that by shifting the zero dispersion wavelength to 1.1 ⁇ m toward the short wavelength side by using the holes in the first layer of the photonic crystal fiber and making the quartz part around the holes in the second layer function as a ring core, it is possible to realize dispersion flat over a wide band around 1.55 ⁇ m, and to realize an optical fiber with a chromatic dispersion value near zero and a zero dispersion slope from 1.1 ⁇ m to 1.9 ⁇ m.
  • the inventors have also discovered an appropriate relationship between the hole spacing and the hole diameters of the first and second layers to realize a photonic crystal fiber with zero dispersion at a wavelength of 1.55 ⁇ m and dispersion flat from 1.1 ⁇ m to 1.9 ⁇ m. Furthermore, the inventors have discovered that in the above relationship, it is important that the hole diameter of the cladding region of the first layer falls within a certain range with regard to the manufacturing variation of such zero dispersion and dispersion flat photonic crystal fiber.
  • the zero-dispersion, dispersion-flattened photonic crystal fiber according to the present invention has the following features: In a cross section perpendicular to the axis of the fiber body, A solid portion disposed at the center; The solid portion has three clad layers, namely, a first clad layer, a second clad layer, and a leakage prevention clad layer, which are successively formed from the center of the solid portion toward the outside in the radial direction, each cladding layer having a hole aligned along the axis of the fiber body;
  • the first cladding layer has six holes each having a diameter d1
  • the second cladding layer has 12 holes each having a diameter d2 ,
  • the distance between adjacent holes in each of the first cladding layer and the second cladding layer, and the distance between the holes in the second cladding layer adjacent to the holes in the first cladding layer are both ⁇ B , and are characterized in that they satisfy the conditions of formulas (1) to (3).
  • the zero-dispersion, dispersion-flattened photonic crystal fiber according to the present invention has at least n cladding regions (n ⁇ 3), the holes in the first cladding layer shift the zero-dispersion wavelength to the short wavelength side, and the ring core of the quartz part around the holes in the second cladding layer makes it possible to flatten dispersion over a wide band around a wavelength of 1.55 ⁇ m.
  • the distance ⁇ B between the holes in the first cladding layer and the second cladding layer within a certain range, it is possible to almost uniquely determine the hole diameters of the first cladding layer and the second cladding layer of the fiber having a chromatic dispersion value near zero and a zero dispersion slope characteristic at wavelengths of 1.1 ⁇ m to 1.9 ⁇ m.
  • the holes in the third cladding layer and subsequent layers make it possible to prevent light with a long wavelength from spreading and leaking into the cladding region outside the holes in the second cladding layer.
  • Such zero-dispersion, dispersion-flat photonic crystal fibers have a dispersion value close to zero and are dispersion-flat in the wavelength range from 1.1 ⁇ m to 1.9 ⁇ m, and can use any wavelength, such as 1.06 ⁇ m or 1.55 ⁇ m, as a seed light source.
  • the dispersion is flat over a wide bandwidth, the supercontinuum light has excellent spread during propagation through the optical fiber.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross section of a zero-dispersion, dispersion-flattened photonic crystal fiber according to the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the cladding region.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the distance between holes and the hole diameter of each cladding layer.
  • 1 is a graph showing the relationship between ⁇ B and d 2 / ⁇ B.
  • Fig. 1 shows a cross-sectional view of a zero-dispersion, dispersion-flattened photonic crystal fiber 1 (hereinafter also referred to simply as "photonic crystal fiber 1") according to the present invention.
  • the axis of this photonic crystal fiber 1 runs perpendicularly from the front side to the back side of the page. Therefore, Fig. 1 shows a cross-section perpendicular to the axis of the photonic crystal fiber 1.
  • the photonic crystal fiber 1 has a solid portion 20 disposed at the center of the glass material 12, with a cladding region 10 provided around it.
  • the width 12w of the glass material 12 outside the cladding region 10 may be any size.
  • FIG 2 shows an enlarged view of the cladding region 10.
  • the photonic crystal fiber 1 (see Figure 1) has a solid portion 20 at the center of the glass material 12.
  • the solid portion 20 is a fiber that has a circular cross section and extends in the axial direction.
  • a first cladding layer 22, a second cladding layer 24, and a leakage prevention cladding layer 40 are formed around the solid portion 20.
  • Figure 2 shows that the leakage prevention cladding layer 40 is composed of three layers: a third cladding layer 26, a fourth cladding layer 28, and a fifth cladding layer 30.
  • the cladding layers here refer to regions that are sequentially formed from the center of the solid portion 20 toward the outside in the radial direction so as to encase the inner cladding layers, and each cladding layer has holes that are arranged along the axis of the photonic crystal fiber 1 (fiber body). In other words, it can be said that the cladding layers are sequentially formed from the center of the solid portion 20 toward the outside in the radial direction.
  • each cladding layer refers to the holes in that cladding layer, but when referring to the holes themselves, an alphabetical subscript is added.
  • the holes in the first cladding layer 22 are referred to as holes 22a, 22b, etc.
  • the number of holes provided in the first cladding layer 22 and the second cladding layer 24 is fixed, six and twelve respectively.
  • the holes in the first cladding layer 22 are arranged at the vertices of a regular hexagon, and the holes in the second cladding layer 24 are arranged at the vertices and the centers of the sides of the regular hexagon. Therefore, the distance between adjacent holes in the first cladding layer 22 and between adjacent holes in the second cladding layer 24 is equal.
  • the distance between holes refers to the distance between the centers of the holes.
  • adjacent refers to holes that are in a relationship that results in the shortest distance between the holes.
  • the inter-hole distance between adjacent holes in the first cladding layer 22 is equal to the inter-hole distance between adjacent holes in the second cladding layer 24. This inter-hole distance is designated as ⁇ B .
  • the distance between adjacent holes in the first cladding layer 22 and the second cladding layer 24 is also equal to ⁇ B. That is, in any combination, three adjacent holes in the first cladding layer 22 and the second cladding layer 24 are located at the vertices of an equilateral triangle.
  • the diameters of the holes in the first cladding layer 22 and the second cladding layer 24 are d1 and d2 , respectively.
  • the diameters of the holes in the first cladding layer 22 and the second cladding layer 24 are equal to each other. That is, the diameters of the six holes (diameters of the holes) in the first cladding layer 22 are all d1 , and the diameters of the twelve holes in the second cladding layer 24 are all d2 .
  • the leakage prevention cladding layer 40 is provided to prevent the light passing through the fiber from leaking outside the cladding region 10, or to minimize leakage. Therefore, as long as this objective is achieved, there are no particular limitations on the distance between holes and the diameter of the holes.
  • 6k holes are arranged in the kth (1 ⁇ k ⁇ n: k is a natural number) cladding layer, where n is the total number of cladding layers including the cladding layers in the leakage prevention cladding layer 40.
  • n is the total number of cladding layers including the cladding layers in the leakage prevention cladding layer 40.
  • the holes are also arranged at the vertices and sides of a hexagon.
  • the hole diameters of each layer are d1 to d5 as described above ( d3 and d4 are omitted in Fig. 2).
  • the hole diameters are all the same. That is, in Fig. 2, d3 to d5 are all the same hole diameter. Moreover, d3 to d5 are formed for the purpose of confining light that spreads outward from the second cladding layer 24 as the wavelength becomes longer and leaks, and have almost no effect on the dispersion characteristics of the photonic crystal fiber 1. It is sufficient that the holes have a size sufficient to prevent light leakage. For example, it is sufficient to satisfy the relationship of formula (4).
  • the zero dispersion wavelength is shifted to the short wavelength side by adjusting the hole diameter d1 in the first cladding layer 22, and the ring core of the surrounding quartz part (glass material 12) by adjusting the hole diameter d2 in the second cladding layer 24 realizes a chromatic dispersion value near zero and a zero dispersion slope over a wide band near a wavelength of 1.55 ⁇ m.
  • the cladding layers after the third cladding layer 26 confine light that spreads outward beyond the second cladding layer 24 as the wavelength becomes longer. For example, light leakage can be prevented by satisfying the relationship in formula (4).
  • FIG. 3 shows a partially enlarged view of FIG. 2.
  • the holes in the first cladding layer 22 to the fifth cladding layer 30 are shown with the solid portion 20 at the center.
  • the distance ⁇ B between adjacent holes belonging to the same cladding layer is shown in L mm (1 ⁇ m ⁇ n-1: m is a natural number).
  • n is the total number of cladding layers.
  • the adjacent hole distance ⁇ B between holes belonging to the cladding layer one layer outside is shown as L mm+1.
  • L11, L22, L33, L44, and L55 are adjacent hole distances belonging to the same cladding layer
  • L12, L23, L34, and L45 are adjacent hole distances belonging to adjacent cladding layers.
  • all of these adjacent hole distances are the same ⁇ B.
  • ⁇ Numerical simulator> a numerical simulation is used to determine the characteristics of the photonic crystal fiber 1 according to the present invention.
  • the numerical simulator is commercially available software, BeamPROP, formerly available from Rsoft Inc.
  • the scalar wave equation is solved by the imaginary axis beam propagation method assuming that the horizontal and vertical directions are degenerate.
  • a chromatic dispersion value near zero means that the dispersion value is between -5 (ps/(nm ⁇ km)) and 5 (ps/(nm ⁇ km)), and a zero dispersion slope means that the average dispersion slope in the target wavelength range is 0.01 (ps/(nm ⁇ km)) or less.
  • the dispersion slope at each wavelength between 1.1 ⁇ m and 1.9 ⁇ m in 0.05 ⁇ m increments was calculated and the average value was used.
  • the intersection of the solid line and the dashed line is the point where zero dispersion and zero dispersion slope can be formed. This is called the zero point.
  • the zero point is a point where the dispersion value is zero at a wavelength of 1.55 ⁇ m and the average dispersion slope from wavelengths of 1.1 ⁇ m to 1.9 ⁇ m is zero.
  • ⁇ B that satisfies the relationship d 1 >d 2 is sufficiently large, resulting in a large core diameter, and therefore excellent connectivity with conventional optical fibers.
  • a design having the relationships of equations (1) to (3) can achieve zero dispersion at a wavelength of 1.55 ⁇ m and zero dispersion slope characteristics over the wavelength range from 1.1 ⁇ m to 1.9 ⁇ m.
  • An example of a cladding layer that belongs to the leakage prevention cladding layer 40 can be realized by satisfying formula (4).
  • the photonic crystal fiber of the present invention can be suitably used as a fiber for a supercontinuum light source.

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Abstract

波長１．１μｍから１．９μｍ付近の広帯域に渡って波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープを実現する光ファイバはなかった。　ファイバ本体の軸に垂直な断面において、中心に配置された中実部と、前記中実部の中心から半径方向外側に向かって順次形成された第１クラッド層、第２クラッド層、漏洩防止クラッド層の３つのクラッド層を有し、前記各クラッド層は、前記ファイバ本体の軸に沿った空孔を有し、前記第１クラッド層には、直径ｄ１の６個の前記空孔を有し、前記第２クラッド層には、直径ｄ２の１２個の前記空孔を有し、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層の前記各クラッド層内で隣接する前記空孔間の距離と、前記第１クラッド層中の前記空孔に隣接する前記第２クラッド層中の前記空孔間との距離は共にΛＢであり、（１）式から（３）式の条件を満たすことを特徴とするゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバ。

Description

ゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバ
　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ものである。本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバは、広帯域に渡って波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープという特性を達成できる。
　フォトニック結晶ファイバは、クラッドに配置した空孔の間隔や大きさを変えることにより、従来の光ファイバでは不可能な光学特性を実現できることが知られている。
　例えば、フォトニック結晶ファイバは、クラッドに配置した空孔によるその大きな導波路分散により従来の光ファイバよりも短波長側にゼロ分散波長をシフトできることが知られている。
　また例えば、非特許文献１では空孔径ｄ、隣接間空孔距離Λのホーリーファイバー（フォトニック結晶ファイバ）において、Λを２．３μｍ、ｄ／Λを０．３付近とすることで、分散フラットの領域が存在することが示唆されている。
　一方、従来の光ファイバでも、リングコア構造とすることにより波長１．５５μｍ付近においてゼロ分散かつ分散フラットな光ファイバが実現できることが知られている。このような光ファイバは波長１．５５μｍの光源を種光源とするスーパーコンティニウム光の発生に有効であることが知られている。
　一方、特許文献１では、スーパーコンティニウム光源用のファイバとして、「クラッド特徴部／孔の中心から中心までの間隔はピッチ（Λ）と称され、微細構造ファイバは、コアの寸法と、クラッド特徴部の間隔もしくはピッチ（Λ）に対するクラッド特徴部の寸法の割合とによって特徴づけられる。クラッド特徴部の寸法およびピッチを調節することによって、ファイバのゼロ分散波長（ＺＤＷ）を調節できる。」との記載がある。このような、フォトニック結晶ファイバはゼロ分散波長が従来の光ファイバよりも短波長側にあり、なおかつコア径が小さく非線形性が高いため、波長１．０６μｍを種光源とするスーパーコンティニウム光の発生に有効であることが知られている。
　このようにスーパーコンティニウム光用の発生ファイバは、短波長側でゼロ分散あるいは、波長１．５５μｍ付近でゼロ分散かつ分散フラットなもののどちらかであり、波長１．１μｍから波長１．９μｍの広帯域に渡って、波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープという光ファイバはこれまでに実現されていなかった。
特開２０２０－７４０４５号公報（特許第６９７４５１８号）
Ｔａｎｙａ　Ｍ．Ｍｏｎｒｏ　ｅｔ　ａｌ，ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．１７，ＮＯ．６，ＪＵＮＥ　１９９９
　従来、フォトニック結晶ファイバは、ゼロ分散波長を短波長側にシフトできる点や狭い帯域で分散フラットが実現できる点は認められていたものの、実際に波長１．１μｍから１．９μｍ付近の広帯域に渡って、波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープを実現する光ファイバは存在せず、またそのための光ファイバを実現するためのフォトニック結晶ファイバの構造に関する指針はなかった。
　本発明は上記のような課題に鑑み、フォトニック結晶ファイバの第１層の空孔により短波長側にゼロ分散波長を１．１μｍまでシフトし、第２層の空孔の周囲の石英部をリングコアとして機能させることで、波長１．５５μｍ付近の広帯域に渡り分散フラットが実現でき、波長１．１μｍから１．９μｍにおいて波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープな光ファイバを実現できることを見出した。また、発明者らは、波長１．５５μｍでゼロ分散かつ波長１．１μｍから１．９μｍで分散フラットなフォトニック結晶ファイバを実現するための、空孔間隔および第１層と第２層の空孔径の適切な関係を見出した。さらに発明者らは、上記関係において、このようなゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバの製造ばらつきについて、第１層目のクラッド領域の空孔径が一定の範囲に入ることが重要であることを見出した。
　より具体的に本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバは、
　ファイバ本体の軸に垂直な断面において、
　中心に配置された中実部と、
　前記中実部の中心から半径方向外側に向かって順次形成された第１クラッド層、第２クラッド層、漏洩防止クラッド層の３つのクラッド層を有し、
　前記各クラッド層は、前記ファイバ本体の軸に沿った空孔を有し、
　前記第１クラッド層には、直径ｄ１の６個の前記空孔を有し、
　前記第２クラッド層には、直径ｄ２の１２個の前記空孔を有し、
　前記第１クラッド層と前記第２クラッド層の前記各クラッド層内で隣接する前記空孔間の距離と、前記第１クラッド層中の前記空孔に隣接する前記第２クラッド層中の前記空孔間との距離は共にΛＢであり、（１）式から（３）式の条件を満たすことを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバは、少なくともｎ層以上のクラッド領域を備え（ｎ≧３）、第１クラッド層の空孔によりゼロ分散波長を短波長側にシフトし、第２クラッド層の空孔の周囲の石英部のリングコアにより波長１．５５μｍ付近の広帯域に渡り分散フラットにすることが可能となる。また、第１クラッド層および第２クラッド層の空孔間距離ΛＢを一定の範囲で決めれば、波長１．１μｍから１．９μｍにおいて波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープの特性を有するファイバの第１クラッド層および第２クラッド層の空孔径をほぼ一意に決めることができる。また、第３クラッド層以降の空孔により長い波長の光が第２クラッド層の空孔より外側のクラッド領域に広がって漏れるのを防ぐことが可能となる。
　このようなゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバは、波長１．１μｍから１．９μｍにおいて、分散値の値がゼロ付近かつ分散フラットであり、波長１．０６μｍや波長１．５５μｍなどのいずれの波長を種光源としても良く、また広帯域に分散フラットであるため、光ファイバ伝搬中のスーパーコンティニウム光の広がり具合に優れる。
　さらに、このようなゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバの製造ばらつきについて、第１層目のクラッド領域の空孔径が一定の範囲に入ればよく、実際のファイバの製造時の冗長性を高めることができる。このため、より製造しやすいゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバを提供することができるという効果を奏する。
本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバの断面を示す模式図である。 クラッド領域の拡大図である。 各クラッド層の空孔間距離および空孔径を説明する図である。 ΛＢ＝２．０μｍで、ｄ１／ΛＢ＝０．２の時にｄ２／ΛＢの値を変えながら波長分散特性をシミュレーションした結果を表す図である。 ΛＢ＝２．０μｍで、ｄ１／ΛＢ＝０．３の時にｄ２／ΛＢの値を変えながら波長分散特性をシミュレーションした結果を表す図である。 ΛＢ＝２．０μｍで、ｄ１／ΛＢ＝０．４の時にｄ２／ΛＢの値を変えながら波長分散特性をシミュレーションした結果を表す図である。 ΛＢ＝２．０μｍで、ｄ１／ΛＢ＝０．５の時にｄ２／ΛＢの値を変えながら波長分散特性をシミュレーションした結果を表す図である。 各ΛＢの時のゼロ分散（Ｄ＝０）と分散フラット（Ｓ＝０）の線を表示した図である。 ΛＢとｄ２／ΛＢの関係を示したグラフである。
　以下に本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバについて図面および実施例を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態および一実施例を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。また、異なる実施形態及び実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態及び実施例についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、本明細書中に記載された文献の全てが、本明細書中において参考文献として援用される。本明細書中、数値範囲に関して「Ａ～Ｂ」と記載した場合、当該記載は「Ａ以上Ｂ以下」を意図する。
　＜ファイバ構成＞
　図１に本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバ１（以下単に「フォトニック結晶ファイバ１」とも呼ぶ。）の断面図を示す。このフォトニック結晶ファイバ１の軸は紙面表側から裏側に垂直に向かう。従って図１はフォトニック結晶ファイバ１の軸に垂直な断面である。
　フォトニック結晶ファイバ１は硝材１２の中心に中実部２０が配置され、その周囲にクラッド領域１０が設けられている。クラッド領域１０の外側の硝材１２の幅１２ｗは任意の大きさで良い。
　図２にクラッド領域１０の拡大図を示す。フォトニック結晶ファイバ１（図１参照）は硝材１２の中心に中実部２０が設けられている。中実部２０は断面が円形で軸方向に延びるファイバである。中実部２０の周囲には、第１クラッド層２２、第２クラッド層２４，漏洩防止クラッド層４０が形成される。図２では、漏洩防止クラッド層４０は、第３クラッド層２６、第４クラッド層２８、第５クラッド層３０の３層で構成されている状態を示している。
　ここでクラッド層とは、中実部２０の中心から半径方向外側に向かって内側のクラッド層を包み込むように順次設けられた領域で、各クラッド層は、フォトニック結晶ファイバ１（ファイバ本体）の軸に沿って設けられた空孔を有する。つまり、クラッド層は、中実部２０の中心から半径方向外側に向かって順次形成されていると言える。
　以降の説明において、各クラッド層の符号は、各クラッド層の空孔を示しているが、空孔自体を示す際は、さらにアルファベットの添え字をつける。例えば、第１クラッド層２２の空孔は空孔２２ａ、２２ｂ等と表す。
　第１クラッド層２２と第２クラッド層２４に設けられる空孔は数が決まっており、それぞれ６個と１２個である。第１クラッド層２２の空孔は正六角形の頂点に配置され、第２クラッド層２４の空孔は、正六角形の頂点と辺の中央に配置される。したがって、第１クラッド層２２中の隣接する空孔同士、および第２クラッド層２４中の隣接する空孔同士の空孔間距離は等しい。ここで空孔間距離とは、空孔の中心同士の距離をいう。また「隣接する」とは、空孔間距離が最も短くなる関係にある空孔同士をいう。
　そして本発明のフォトニック結晶ファイバ１では、第１クラッド層２２中の隣接する空孔同士の空孔間距離と、第２クラッド層２４中の隣接する空孔同士の空孔間距離も等しい。この空孔間距離をΛＢとする。
　さらに、本発明のフォトニック結晶ファイバ１では、第１クラッド層２２中の空孔と、第２クラッド層２４中の空孔で、隣接するもの同士の空孔間距離もΛＢと等しい。すなわち、第１クラッド層２２と第２クラッド層２４中の隣接する３つの空孔は、いずれの組み合わせでも、正三角形の頂点に位置する関係にある。
　上記のようにクラッド領域１０には、少なくとも３層以上のクラッド層が存在し、ｎ番目のクラッド層に属する空孔の直径をｄｎとする（ｎは自然数）。したがって、第１クラッド層２２と第２クラッド層２４中の空孔の直径はそれぞれｄ１、ｄ２となる。本発明のフォトニック結晶ファイバ１では、第１クラッド層２２と第２クラッド層２４中の空孔同士の直径はそれぞれ等しい。つまり、第１クラッド層２２中の空孔径（空孔の直径）は６個ともｄ１であり、第２クラッド層２４中の空孔径は１２個ともｄ２である。
　漏洩防止クラッド層４０中の空孔間距離および空孔径については、特に限定されるものではない。漏洩防止クラッド層４０は、ファイバ中を通過する光がクラッド領域１０より外側に漏れないように、若しくは漏れをできるだけ少なくするために設けられる。したがって、この目的を達成されるのであれば、空孔間距離および空孔径について、限定されない。
　なお、図２に示す様に、漏洩防止クラッド層４０を３つのクラッド層で形成するのは、漏洩防止クラッド層４０の構成として好ましい形態の１つであると言える。以下図２の構成について詳説する。
　図２で示した構成では、ｋ番目（１≦ｋ≦ｎ：ｋは自然数）のクラッド層には、６ｋ個の空孔が配置される。ここでｎは漏洩防止クラッド層４０中のクラッド層を含め、クラッド層の総数である。図２では第３クラッド層２６以降のクラッド層においても、各空孔は六角形の頂点およびその辺上に配置される。また、第３クラッド層２６以降のクラッド層においても、各層の空孔径は上記に記載したようにｄ１～ｄ５となる（図２ではｄ３およびｄ４の指示は省略している。）。
　また、第３クラッド層２６以降のクラッド層では、空孔径は全て同じである。つまり、図２では、ｄ３～ｄ５は全て同じ空孔径である。また、ｄ３～ｄ５は、長波長になるにつれて第２クラッド層２４より外側に広がって漏れる光を閉じ込める目的で形成され、フォトニック結晶ファイバ１の分散特性にはほとんど関与しない。光の漏れを防ぐための十分な穴の大きさを有しておれば良い。例えば（４）式の関係を満たせばよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　本発明に係るフォトニック結晶ファイバ１では、第１クラッド層２２の空孔径ｄ１により、ゼロ分散波長を短波長側にシフトし、第２クラッド層２４の空孔径ｄ２を調節することでその周囲の石英部（硝材１２）によるリングコアにより、波長１．５５μｍ付近の広帯域に渡って波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープを実現する。また、第３クラッド層２６以降のクラッド層は、長波長になるにつれて第２クラッド層２４より外側に広がって漏れる光を閉じ込める。例えば、（４）式の関係を満たせば光の漏れを防止することができる。
　図３には、図２の一部拡大図を示す。中実部２０を中心に第１クラッド層２２から第５クラッド層３０の空孔が示されている。ここで同一クラッド層に属する隣接空孔同士の距離ΛＢをＬｍｍ（１≦ｍ≦ｎ－１：ｍは自然数）で示す。ここでｎはクラッド層の総数である。また１つ外側のクラッド層に属する空孔との隣接空孔距離ΛＢをＬｍｍ＋１で表す。図３では、Ｌ１１、Ｌ２２、Ｌ３３、Ｌ４４、Ｌ５５は同一クラッド層に属する隣接空孔距離であり、Ｌ１２、Ｌ２３、Ｌ３４、Ｌ４５は隣り合うクラッド層に属する隣接空孔距離である。本発明に係るフォトニック結晶ファイバ１の一例では、これらの隣接空孔間距離が全て同じΛＢである。
　＜数値シミュレーター＞
　次に本発明に係るフォトニック結晶ファイバ１の特性を決めるには数値シミュレーションを用いている。数値シミュレーターは市販のソフトであり、旧Ｒｓｏｆｔ社のＢｅａｍＰＲＯＰである。また、横方向と縦方向は縮退しているとしてスカラー波動方程式を虚軸ビーム伝搬法により解いた。
　まず、数値シミュレーターの妥当性を検討するため、通常のシングルモードファイバの波長分散特性の計算を行った。計算で得られた分散値は波長１．５５μｍで１７ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）であり、実測値と一致しており、数値シミュレーターの計算結果は妥当であると言える。
　＜計算結果＞
　上記の数値シミュレーターを用いて図１～図３で示した条件で数値シミュレーションを行った。
　ΛＢは２．０μｍ、ｄ３／ΛＢ＝０．８とし、ｄ１／ΛＢ、ｄ２／ΛＢをそれぞれ変化させながら、フォトニック結晶ファイバ１の断面における光の波長（μｍ）に対する分散値（ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ））を求めてプロットした。結果の一部を図４～図７に示す。
　図４は、ｄ１／ΛＢ＝０．２、図５は、ｄ１／ΛＢ＝０．３、図６はｄ１／ΛＢ＝０．４、図７はｄ１／ΛＢ＝０．５の場合であり、それぞれｄ２／ΛＢ＝０．２～０．８までについて算出したものである。
　図６を参照して、ｄ２／ΛＢ＝０．３の時（符号Ａで示した。）に波長１．１μｍから１．９μｍまでの広い範囲にわたって、分散は－１．４～４．８（ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ））であり、この波長帯域で波長分散の値がゼロ付近が実現できていた。また、波長１．１μｍから１．９μｍの間の０．０５μｍ刻みの各波長における平均の分散スロープは０．００６６（ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ））でありゼロ分散スロープが実現できていた。
　なお、本発明のフォトニック結晶ファイバ１において、波長分散の値がゼロ付近とは、分散値の値が－５（ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ））～５（ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ））であり、ゼロ分散スロープとは対象となる波長範囲で分散スロープの平均値が０．０１（ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ））以下であることを差す。
　図８を参照する。図８は図４～図７で示した計算結果に対して隣接空孔間距離ΛＢを１．７５μｍ、１．５μｍ、１．２５μｍと変化させた場合の計算結果である（ΛＢ＝２．０μｍも掲載した。）。また、実線は波長１．５５μｍにおける分散値がゼロ（「Ｄ＝０」と記載した。）のラインであり、破線は、波長１．１μｍ～１．９μｍの平均の分散スロープがゼロ（「Ｓ＝０」と記載した。）のラインである。なお、平均の分散スロープの算出に当たっては、波長１．１μｍから１．９μｍの間の０．０５μｍ刻みの各波長における分散スロープを求めて、その平均値とした。実線と破線の交点が、ゼロ分散かつゼロ分散スロープが形成できる点である。これをゼロ点と呼ぶ。ゼロ点は、波長１．５５μｍにおいて分散値がゼロかつ波長が１．１μｍから１．９μｍの平均の分散スロープがゼロとなる点である。
　このグラフを見ると、ｄ１／ΛＢが０．４から０．４２の範囲でゼロ点が並んでいるのがわかる。つまり（２）式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　図９は、このゼロ点を横軸ΛＢ（隣接間空孔距離）、縦軸をｄ２／ΛＢとしてプロットしたグラフである。この点は（３）式の関係でまとめることができた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　なお、ΛＢの範囲を検討すると、（１）式の範囲でゼロ点を確認することができた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　また、ｄ１＝０．４ΛＢの場合は、ΛＢが１．７９以上でｄ１＞ｄ２となる。同様にｄ１＝０．４２ΛＢの場合は、ΛＢが１．８３以上でｄ１＞ｄ２となる。したがって、少なくともΛＢが１．７９以上であれば、ｄ１＞ｄ２の関係を満たし、ゼロ分散および分散スロープフラットの特性を得ることができる。ｄ１＞ｄ２の関係を満たすようなΛＢは、ΛＢが十分大きく、結果としてコア径が大きくなるため、従来光ファイバとの接続性に優れる。
　以上のことから、図１～図３の構成を有するフォトニック結晶ファイバ１において、（１）式から（３）式の関係を有する設計で波長１．５５μｍで分散ゼロ、波長１．１μｍから１．９μｍに渡りゼロ分散スロープの特性を実現することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　なお、漏洩防止クラッド層４０内に属するクラッド層の一例としては（４）式を満たすことで実現できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、スーパーコンティニウム光源用のファイバとして好適に利用することができる。
　１　　ゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバ
　１　　フォトニック結晶ファイバ
　１０　　クラッド領域
　１２　　硝材
　１２ｗ　　（硝材の）幅
　２０　　中実部
　２２　　第１クラッド層
　２４　　第２クラッド層
　２６　　第３クラッド層
　２８　　第４クラッド層
　３０　　第５クラッド層
　４０　　漏洩防止クラッド層

Claims (1)

  1. 　ファイバ本体の軸に垂直な断面において、
    　中心に配置された中実部と、
    　前記中実部の中心から半径方向外側に向かって順次形成された第１クラッド層、第２クラッド層、漏洩防止クラッド層の３つのクラッド層を有し、
    　前記各クラッド層は、前記ファイバ本体の軸に沿った空孔を有し、
    　前記第１クラッド層には、直径ｄ１の６個の前記空孔を有し、
    　前記第２クラッド層には、直径ｄ２の１２個の前記空孔を有し、
    　前記第１クラッド層と前記第２クラッド層の前記各クラッド層内で隣接する前記空孔間の距離と、前記第１クラッド層中の前記空孔に隣接する前記第２クラッド層中の前記空孔間との距離は共にΛＢであり、（１）式から（３）式の条件を満たすことを特徴とするゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
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