JP5191982B2 - 光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバに関するものである。

フォトニックバンドギャップファイバ（photonic bandgap fiber、以下「ＰＢＧＦ」という場合がある。）は、コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域と、このクラッド領域を取り囲むジャケット領域とを有し、クラッド領域は、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域に高屈折率領域が三角格子状に配列された二次元周期構造を有し、コア領域は、断面の中央部における二次元周期構造の欠陥によって形成されている光ファイバである。なお、屈折率分布はファイバ軸に沿って一様である。

ＰＢＧＦのコア領域は、断面における二次元周期構造のうちの或る１つの格子点において高屈折率領域が取り除かれることで形成される場合（以下「１セルコア型」という。）の他、二次元周期構造の周期構造のうちの或る１つの格子点と、この格子点の周囲にある直近の６つの格子点とにおいて、高屈折率領域が取り除かれることで形成される場合（以下「７セルコア型」という。）がある。また、ＰＢＧＦのコア領域は、これら７つの格子点の周囲にある直近の１２個の格子点においても高屈折率領域が取り除かれることで形成される場合（以下「１９セルコア型」という。）がある。

このようなＰＢＧＦは、クラッド領域における二次元周期構造に由来する透過帯域および遮断帯域を有している。ＰＢＦＧにおいて最も長波長側にある透過帯域である第１フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）は、高次のＰＢＧと比較して、帯域幅が広く、バンドエッジの底が深い。したがって、高次のＰＢＧに含まれる波長の光を伝搬させる場合と比較して、第１ＰＢＧに含まれる波長の光を伝搬させる場合には、曲げ損失を低減することができるとともに、製造誤差による特性劣化を抑制することができることが予想される。

特開２００７−３１０１３５号公報 特表２００７−５２２４９７号公報

１セルコア型のものと比較して、７セルコア型のＰＢＧＦは、クラッド領域における二次元周期構造における高屈折率領域の配置の周期（ピッチ）Λを小さくすることができる。クラッド領域における二次元周期構造によるフォトニックバンドダイアグラムを考慮すると、一般に、周期構造のピッチΛを小さくするほど、バンドギャップを深くすることができ、曲げ損失を小さくする設計が可能である。さらに、第１ＰＢＧによる光伝搬を行う場合、１セルコア型のＰＢＧＦでは閉じ込め損失が大きい問題があるが、７セルコア型のＰＢＧＦは第１ＰＢＧであっても閉じ込め損失を低減させることが可能である。

しかし、１セルコア型のものと比較して、７セルコア型のＰＢＧＦは、高次モードが出現し易く、シングルモード動作を維持するのは困難である。７セルコア型のＰＢＧＦでシングルモード性を維持するには、ｄ/Λパラメータを１セル型より小さく調整すれば良いが、これはバンドギャップを浅くすることになり、曲げ損低減の効果がなくなる。つまり、７セルコア型でバンドギャップを深く維持したまま、シングルモード性を維持することは困難であり、結局、１セルコア型に対する優位性は実現され難かった。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、曲げ損失を低く抑えながら、シングルモード動作と大きな実効断面積とを両立させることが容易な光ファイバを提供することを目的とする。

本発明に係る光ファイバは、コア領域と、このコア領域を取り囲む第１クラッド領域と、この第１クラッド領域を取り囲む第２クラッド領域と、この第２クラッド領域を取り囲むジャケット領域とを備え、ファイバ軸に沿って一様な屈折率分布を有し、第１クラッド領域および第２クラッド領域は、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域に複数の高屈折率領域が設けられており、第１クラッド領域は、断面において三角格子状の二次元周期構造の各格子点に高屈折率領域が設けられ、第２クラッド領域は、断面において二次元周期構造のうちの特定の格子点を除いたハニカム状周期構造の各格子点に高屈折率領域が設けられ、コア領域は、断面の中央部における二次元周期構造のうちの１つの格子点と、この格子点の周囲にある直近の６つの格子点とにおいて、高屈折率領域が取り除かれた周期構造欠陥によって形成されている、ことを特徴とする。本発明に係る光ファイバは、コア領域の周囲に上記のような第１クラッド領域および第２クラッド領域を有することにより、容易にシングルモード動作と大きな実効断面積とを両立させることができる。

本発明に係る光ファイバでは、第２クラッド領域は、断面において特定の格子点に高屈折率領域より低い屈折率を有する領域が設けられているのも好適である。この場合には、高次モード抑圧機能を高めることができ、或いは、基底モードの閉じ込め損失を低減することができる。

本発明に係る光ファイバは、容易にシングルモード動作と大きな実効断面積とを両立させることができる。

比較例の光ファイバ（ＰＢＧＦ）１の断面図である。 本実施形態の光ファイバ（ＰＢＧＦ）２の断面図である。 三角格子状およびハニカム状それぞれの二次元周期構造を説明する図である。 比較例の光ファイバ（ＰＢＧＦ）１の閉じ込め損失の波長依存性を示す図である。 本実施形態の光ファイバ（ＰＢＧＦ）２の閉じ込め損失の波長依存性を示す図である。 比較例の光ファイバ（ＰＢＧＦ）１のフォトニックバンド図である。 本実施形態の光ファイバ（ＰＢＧＦ）２のフォトニックバンド図である。 変形例の光ファイバ（ＰＢＧＦ）３の断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、比較例の光ファイバと対比しつつ、本実施形態の光ファイバについて説明する。

図１は、比較例の光ファイバ（ＰＢＧＦ）１の断面図である。図２は、本実施形態の光ファイバ（ＰＢＧＦ）２の断面図である。これらの図は、ＰＢＧＦ１，２それぞれのファイバ軸に垂直な断面を示している。ＰＢＧＦ１，２それぞれは、オールソリッドのものであって、空孔を有しない。また、ＰＢＧＦ１，２それぞれは７セルコア型のものである。

図１に示される比較例のＰＢＧＦ１は、コア領域１０と、このコア領域１０を取り囲むクラッド領域２０Ａと、このクラッド領域２０Ａを取り囲むジャケット領域３０とを有し、ファイバ軸に沿って一様である屈折率分布を有する光ファイバである。

ＰＢＧＦ１のクラッド領域２０Ａは、ファイバ軸に垂直な断面において、低屈折率背景領域２２に高屈折率領域２１が三角格子状に配列された二次元周期構造を有する。コア領域１０は、断面の中央部における二次元周期構造の７つの格子点の欠陥によって形成されている。また、ＰＢＧＦ１は、クラッド領域２０Ａの断面における屈折率分布の二次元周期構造に由来する透過帯域および遮断帯域を有する。

具体的には、ＰＢＧＦ１のクラッド領域２０Ａの断面における屈折率分布の二次元周期構造は、二次元三角格子の各格子点上に配置された高屈折率領域２１と、略均一の屈折率を有する低屈折率背景領域２２とからなる。断面の中央部において高屈折率領域２１が欠けている領域がコア領域１０となる。

ＰＢＧＦ１のクラッド領域２０Ａの高屈折率領域２１の屈折率は、低屈折率背景領域２２の屈折率と比べて高い。例えば、高屈折率領域２１は、Ｇｅ，Ｃｌ，Ｔｉ，Ａｌのうち少なくとも１種の元素が添加されたシリカガラスからなる。また、低屈折率背景領域２２は、純シリカガラスまたはＦ，Ｂ，Ｃｌのうち少なくとも１種の元素が添加されたシリカガラスからなる。あるいは、高屈折率領域と低屈折率領域の両方に共通の元素を添加して各領域での添加量を調整することで、所望の屈折率を得ることも可能である。さらに一方または両方の領域に複数の元素を共添加して所望の屈折率を得ることも可能である。

図２に示される実施形態のＰＢＧＦ２は、コア領域１０と、このコア領域１０を取り囲む第１クラッド領域２０Ａと、この第１クラッド領域２０Ａを取り囲む第２クラッド領域２０Ｂと、この第２クラッド領域２０Ｂを取り囲むジャケット領域３０とを有し、ファイバ軸に沿って一様である屈折率分布を有する光ファイバである。

ＰＢＧＦ２の第１クラッド領域２０Ａおよび第２クラッド領域２０Ｂは、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域２２に複数の高屈折率領域２１が設けられている。第１クラッド領域２０Ａは、断面において三角格子状の二次元周期構造の各格子点に高屈折率領域２１が設けられている。第２クラッド領域２０Ｂは、断面において三角格子状の二次元周期構造のうちの特定の格子点を除いたハニカム状周期構造の各格子点に高屈折率領域２１が設けられている。コア領域１０は、断面の中央部における二次元周期構造のうちの１つの格子点と、この格子点の周囲にある直近の６つの格子点とにおいて、高屈折率領域が取り除かれた周期構造欠陥によって形成されている。

図１に示された比較例のＰＢＧＦ１と比較すると、図２に示される本実施形態のＰＢＧＦ２は、第１クラッド領域２０Ａの外側に第２クラッド領域２０Ｂが設けられていて、この第２クラッド領域２０Ｂの断面においてハニカム状周期構造の各格子点に高屈折率領域２１が設けられている点で相違する（図３（ｂ））。なお、図２に示される本実施形態のＰＢＧＦ２の第１クラッド領域２０Ａは、図１に示された比較例のＰＢＧＦ１のクラッド領域２０Ａと同じく、断面において三角格子状の二次元周期構造の各格子点に高屈折率領域２１が設けられている（図３（ａ））。

図４は、比較例の光ファイバ（ＰＢＧＦ）１の閉じ込め損失の波長依存性を示す図である。図５は、本実施形態の光ファイバ（ＰＢＧＦ）２の閉じ込め損失の波長依存性を示す図である。図６は、比較例の光ファイバ（ＰＢＧＦ）１のフォトニックバンド図である。また、図７は、本実施形態の光ファイバ（ＰＢＧＦ）２のフォトニックバンド図である。図６および図７それぞれにおいて、横軸は規格化周波数Ｖであり、ハッチ領域は光が存在できない遮断帯域である。

何れの場合においても、クラッド領域２０Ａの断面における高屈折率領域２１の配置周期Λを７.０μｍとし、高屈折率領域２１の直径ｄと高屈折率領域２１の配置周期Λとの比（ｄ／Λ）の値を０.４とした。また、高屈折率領域２１をステップインデックス型とし、低屈折率背景領域２２の屈折率ｎ_lowを１.４５とし、高屈折率領域２１の屈折率ｎ_highを１.４８とし、径方向の高屈折率領域２１の層数を６とした。

図４に示されるように、比較例のＰＢＧＦ１では、基底モードと高次モードとの閉じ込め損失の差は最大でも２桁程度である。これに対して、図５に示されるように、本実施形態のＰＢＧＦ２では、基底モードと高次モードとの閉じ込め損失の差は５桁以上が可能である。すなわち、比較例のＰＢＧＦ１と比較して、本実施形態のＰＢＧＦ２は、より実効的なシングルモード動作が可能である。また、本実施形態のＰＢＧＦ２は、７セルコア型であるので、大きな実効断面積を有することが可能である。

図６と図７とを対比して判るように、比較例のＰＢＧＦ１と比較すると、本実施形態のＰＢＧＦ２は、第１クラッド領域２０Ａの外側に第２クラッド領域２０Ｂが設けられていて、この第２クラッド領域２０Ｂの断面においてハニカム状周期構造の各格子点に高屈折率領域２１が設けられていることにより、ハニカム状周期構造の格子点に囲まれた領域に光が局在できるようになる。この光が局在できる領域に高次モードを結合させることで、高次モードを効果的に漏洩させることができる。

このことから、本実施形態のＰＢＧＦ２は、基底モードの閉じ込め損失が小さい一方で、高次モードの閉じ込め損失を大きくすることができるので、より実効的なシングルモード動作が可能となる。これに対して、比較例のＰＢＦＧ１は、高次モードの閉じ込め損失も小さいので、実効的なシングルモード動作が困難である。

図８は、変形例の光ファイバ（ＰＢＧＦ）３の断面図である。この図に示されるＰＢＧＦ３は、コア領域１０と、このコア領域１０を取り囲む第１クラッド領域２０Ａと、この第１クラッド領域２０Ａを取り囲む第２クラッド領域２０Ｃと、この第２クラッド領域２０Ｃを取り囲むジャケット領域３０とを備え、ファイバ軸に沿って一様な屈折率分布を有する。

ＰＢＧＦ３の第２クラッド領域２０Ｃは、断面において三角格子状の二次元周期構造のうちの特定の格子点を除いたハニカム状周期構造の各格子点に高屈折率領域２１が設けられ、加えて、上記特定の格子点に高屈折率領域２１より低い屈折率を有する第３屈折率領域２３が設けられている。このような構成のＰＢＧＦ３は、基底モードの閉じ込め損失の増加と引き換えに高次モード抑圧機能を高めることができ、或いは、高次モード抑圧機能の低下と引き換えに基底モードの閉じ込め損失を低減することができる。

１〜３…光ファイバ（ＰＢＧＦ）、１０…コア領域、２０Ａ…第１クラッド領域、２０Ｂ，２０Ｃ…第２クラッド領域、２１…高屈折率領域、２２…低屈折率背景領域、２３…第３屈折率領域、３０…ジャケット領域。

Claims (2)

1. コア領域と、このコア領域を取り囲む第１クラッド領域と、この第１クラッド領域を取り囲む第２クラッド領域と、この第２クラッド領域を取り囲むジャケット領域とを備え、
   ファイバ軸に沿って一様な屈折率分布を有し、
   前記第１クラッド領域および前記第２クラッド領域は、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域に複数の高屈折率領域が設けられており、
   前記第１クラッド領域は、前記断面において三角格子状の二次元周期構造の各格子点に高屈折率領域が設けられ、
   前記第２クラッド領域は、前記断面において前記二次元周期構造のうちの特定の格子点を除いたハニカム状周期構造の各格子点に高屈折率領域が設けられ、
   前記コア領域は、前記断面の中央部における前記二次元周期構造のうちの１つの格子点と、この格子点の周囲にある直近の６つの格子点とにおいて、高屈折率領域が取り除かれた周期構造欠陥によって形成されている、
   ことを特徴とする光ファイバ。
2. 前記第２クラッド領域は、前記断面において前記特定の格子点に前記高屈折率領域より低い屈折率を有する第３屈折率領域が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
   

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