(57)【要約】  固体材料からなるコアと、該コアの周囲に設けられた第１クラッドと、前記第１クラッドのコア近傍部の一部に設けられ、前記コアよりも平均屈折率が小さい低屈折率領域と、前記第１クラッドのコア近傍部の他部に設けられ、前記第１クラッドよりも高い屈折率を持つ多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。本発明に拠れば、ダブルクラッド構造にした際に、励起光により効率的に信号光を励起させることができるソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバの提供が可能である。
2008126472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体材料からなるコアと、
該コアの周囲に設けられた第１クラッドと、
前記第１クラッドのコア近傍部の一部に設けられ、前記コアよりも平均屈折率が小さい低屈折率領域と、
前記第１クラッドのコア近傍部の他部に設けられ、前記第１クラッドよりも高い屈折率を持つ多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。
【請求項２】
コアの屈折率が第１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。
【請求項３】
前記周期構造は、多数の高屈折率部が一次元周期構造、三角格子構造、ハニカム格子構造、正方格子構造、又は長方格子構造のいずれか１つを少なくとも含む
請求項１又は２に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項４】
前記第１クラッドには、空孔が存在しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項５】
断面構造が２回以下の回転対称性しか持たず、偏波保持ファイバまたは単一偏波ファイバとして機能することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項６】
前記第１クラッドのコア近傍部に応力付与部が設けられ、このフォトニックバンドギャップファイバが偏波保持ファイバまたは単一偏波ファイバとして機能することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項７】
請求項６において、前記高屈折率部が応力付与部として機能し、別途応力付与部を持たない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。
【請求項８】
断面構造が３回以上の回転対称性を持ち、複屈折が存在しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項９】
前記コアに希土類元素が添加されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１０】
前記第１クラッドよりも低屈折率の材料からなる第２クラッドが前記第１クラッドを囲んで設けられたことを特徴とする請求項９に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１１】
周期構造をなす高屈折率部の最大比屈折率差が、０．５％〜４．０％の間であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１２】
コアにファイバグレーティングが形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１３】
クラッドの高屈折率部は感光性を有していないことを特徴とする請求項１２に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項１４】
請求項９〜１３のいずれかに記載のフォトニックバンドギャップファイバを光増幅媒体として用いたことを特徴とするファイバ増幅器。
【請求項１５】
励起光を増幅用ファイバの端面から導入する、端面励起であることを特徴とする請求項１４に記載のファイバ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、光増幅用のダブルクラッドファイバとして使用した場合に、励起光の利用効率を高めることができるファイバ及びそれを用いたファイバ増幅器に関する。
本願は、２００７年４月６日に日本国に出願された特願２００７−１００４９５号に基づき優先権を主張し、２００７年７月２７日に日本国に出願された特願２００７−１９６０２１号に基づき優先権を主張し、２００７年１２月3日に日本国に出願された特願２００７−３１２８６９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
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。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、励起された希土類イオンにより信号光が増幅される構成となっており、運転時の冷却が容易であり、装置を小型化できるなどの利点を持つ。【０００３】
そのような高出力のファイバレーザ用の増幅用ファイバにおいては、ファイバ内にハイパワーの励起光を導入するため、ダブルクラッド構造が用いられる。図１は、ダブルクラッド構造を有するファイバの一例を示す断面図である。図１のダブルクラッドファイバ１は、コア１１の周りに第１クラッド１２と第２クラッド１３の２層構造のクラッドが設けられた構造になっている。この第１クラッド１２は、信号光が導波するコアに対するクラッドとして働き、第２クラッド１３は、励起光が第１クラッド１２全体をマルチモード導波する際のクラッドとして働く。第１クラッド１２は、通常１００μｍ以上の直径を持つため、励起光の取り込み効率を高くすることができる。【０００４】
また、高出力のファイバレーザにおいては、透過させたい信号光を伝搬させるとともに、信号光以外の波長、例えば、増幅された自然放出光（ASE: Amplified Spontaneous Emission）、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。そのような効果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ブラッグ反射により所定の波長帯域の光のみ導波するフォトニックバンドギャップファイバが提案されている。その中でも、特許文献１，２及び非特許文献１に開示されているように、コアが全て固体材料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は、融着接続が比較的容易であること、コアに希土類元素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、好適に用いることができる。図２は、従来のソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバの一例を示す断面図であり、図中符号２はソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバ、２１はコア、２２はクラッド、２３はクラッドよりも屈折率の高い高屈折率部である。このソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバ２は、コア２１の領域を囲んで多数の高屈折率部２３が周期構造をなして配置されていることで、ブラッグ反射によって光が導波される。
【特許文献１】特許第３０７２８４２号公報
【特許文献２】ＷＯ０２／１０１４２９号パンフレット
【非特許文献１】“Design of microstructured single-mode fiber combining large mode area and high rare earth ion concentration,”Optics express, Vol. 14, No. 7, pp. 2994, 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバをダブルクラッド構造にして第１クラッドに励起光を導入した場合、以下のような問題が発生する。【０００６】
ソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバをダブルクラッド構造とすると、第１クラッドの屈折率よりも屈折率が大きな媒質による周期構造が第１クラッド内に存在するため、第１クラッドに導入した励起光のうちの一部は、第１クラッド中の周期構造中を屈折率導波により導波してしまい、コアに透過しない。そのため、励起光がコア中の信号光を増幅するために利用できなくなってしまう。
特に、コア全体には増幅媒体が存在せずコアの中心部のみに増幅媒体が存在するような場合には、第１クラッド中の周期構造中を屈折率導波により導波する光のうちコア付近へとしみ出した一部の光がコアへと吸収されることもないため、第１クラッド中の周期構造中を屈折率導波により導波する光は全く増幅に使用されなくなる。【０００７】
また、励起光の波長や第１クラッドへの入射角度が、フォトニックバンドギャップの効果が発生する波長や入射角度である場合には、事態は更に深刻である。第１クラッドの周期構造の外側から入射した励起光のうちの一部は、フォトニックバンドギャップの効果により第１クラッドからコアへと到達することができず、励起光がコア中の信号光を増幅するために利用できなくなってしまう。【０００８】
したがって、従来のソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバをダブルクラッド構造にした場合に、励起光が効率的に信号光を励起するために利用されなくなってしまうという問題がある。
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、ダブルクラッド構造にした際に、励起光により効率的に信号光を励起させることができるソリッドコア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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、固体材料からなるコアと、
該コアの周囲に設けられた第１クラッドと、
前記第１クラッドのコア近傍部の一部に設けられ、前記コアよりも平均屈折率が小さい低屈折率領域と、
前記第１クラッドのコア近傍部の他部に設けられ、前記第１クラッドよりも高い屈折率を持つ多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を提供する。【００１０】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、コアの屈折率が第１クラッドの屈折率以下であることが好ましい。【００１１】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記周期構造は、多数の高屈折率部が一次元周期構造、三角格子構造、ハニカム格子構造、正方格子構造、又は長方格子構造のいずれか1つを少なくとも含むことが好ましい。【００１２】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記第１クラッドには、空孔が存在しないことが好ましい。【００１３】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、断面構造が２回以下の回転対称性しか持たず、偏波保持ファイバまたは単一偏波ファイバとして機能することが好ましい。【００１４】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記第１クラッドのコア近傍部に応力付与部が設けられ、このフォトニックバンドギャップファイバが偏波保持ファイバまたは単一偏波ファイバとして機能することが好ましい。
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記高屈折率部が応力付与部として機能し、別途応力付与部を持たないことが好ましい。【００１５】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、断面構造が３回以上の回転対称性を持ち、複屈折が存在しないことが好ましい。【００１６】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記コアに希土類元素が添加されていることが好ましい。【００１７】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、前記第１クラッドよりも低屈折率の材料からなる第２クラッドが前記第１クラッドを囲んで設けられたことが好ましい。【００１８】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、周期構造をなす高屈折率部の最大比屈折率差が、０．５％〜４．０％の間であることが好ましい。【００１９】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、コアにファイバグレーティングが形成されていることが好ましい。【００２０】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、クラッドの高屈折率部は感光性を有していないことが好ましい。【００２１】
また本発明は、前記本発明に係るフォトニックバンドギャップファイバを光増幅媒体として用いたことを特徴とするファイバ増幅器を提供する。【００２２】
本発明のファイバ増幅器において、励起光を増幅用ファイバの端面から導入する、端面励起であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、第１クラッドのコア近傍部に、コアよりも平均屈折率が小さい低屈折率領域と、第１クラッドよりも高い屈折率を持つ多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を有するので、ダブルクラッド構造にした際に、第１クラッドに入射した励起光が低屈折領域を介してコアに到達し、コアに添加された希土類イオンを励起させることができることから、本ファイバによれば、周期構造領域によって波長フィルタの効果を有しつつ、励起光により効率的に信号光を励起させることができる。【００２４】
また、本発明のファイバ増幅器は、コアに希土類元素が添加され、ダブルクラッド構造にした前記本発明のフォトニックバンドギャップファイバを光増幅媒体として用いたものなので、励起光の利用効率を高めることができる。また、フォトニックバンドギャップの効果による透過帯域に自然放出光のうち増幅させたくない波長を含まないように、第１クラッド３２の屈折率に対する高屈折率部３３媒質の屈折率並びに高屈折率部３３の大きさ及び配置を設定することで、不要な自然放出光が増幅されることを抑制して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ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来のダブルクラッドファイバの一例を示す断面図である。
【図２】従来のフォトニックバンドギャップファイバの一例を示す断面図である。
【図３】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。
【図４】本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第２実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第３実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第４実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第５実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明のファイバ増幅器の一例であるファイバレーザを例示する構成図である。
【図９】本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第６実施形態を示す断面図である。
【図１０】本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第７実施形態を示す断面図である。
【図１１】本発明に係る実施例で作製したフォトニックバンドギャップファイバの構造を示す断面図である。
【図１２】図１１のフォトニックバンドギャップファイバにおける透過スペクトルの測定結果を示すグラフである。
【図１３】コアの周囲が全て高屈折率部で囲まれたフォトニックバンドギャップファイバの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
３…フォトニックバンドギャップファイバ、３１…コア、３２…第１クラッド、３３…高屈折率部、３４…低屈折率領域、３５…第２クラッド、３６…応力付与部、８１，８２…ファイバグレーティング、８３…マルチモードレーザ、８４…ビームコンバイナ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図３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３は、固体材料からなるコア３１と、コア３１の周囲に設けられた第１クラッド３２と、第１クラッド３２のコア近傍部の一部に設けられ、前記コアよりも平均屈折率が小さい低屈折率領域３４と、第１クラッド３２のコア近傍部の他部に設けられ、第１クラッド３２よりも高い屈折率を持つ多数の高屈折率部３３が周期構造をなして配置された周期構造領域と、第１クラッド３２を囲んで設けられた、第１クラッド３２よりも低屈折率の材料からなる第２クラッド３５とから構成されている。
図３において、コア３１の屈折率が第１クラッド３２の屈折率以下の場合、コア３１を通る光は、周期構造に囲まれた方向には純粋にフォトニックバンドギャップの効果により導波されるため、コアを伝搬するモードの電界が周期構造を伝搬するモードと結合して伝搬した後、コアを伝搬するモードと再結合する現象が原理的に発生せず、高い遮断波長のフィルタリング効果を得ることができる。
本実施形態に掛かるフォトニックバンドギャップファイバにおいて、コア３１の屈折率がクラッド３２の屈折率以下であるとしたが、コア３１の屈折率は、第１クラッド３２の屈折率より、０．１％程度まで高くても良い。この場合、コア３１には、このコア３１の屈折率以下の等価屈折率を持つコアモードが存在する。そして、遮断波長における前記コアモードの等価屈折率がクラッドの屈折率よりも大きい場合には、このコアモードの電界は、周期構造を伝搬する遮断波長のモードの電界と相互に結合し得るため、一旦、コアモードから周期構造を伝搬するモードへ結合した電界が、コアモードに再結合する現象が生じ得る。しかしながら、周期構造を伝搬するモードであって、コアモードから結合し得るモードは、モードの等価屈折率がクラッドの屈折率と０．１％程度の差しかなく閉じこめが弱いため、こ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避けられないような非常に大きな曲げ径における曲げ損失であっても、周期構造を伝搬するモードの閉じこめを解消することができ、実質的には高い遮断波長のフィルタリング効果を得ることができる。具体的には、コアの屈折率が０．０％〜０．１％程度であれば、高い遮断波長のフィルタリング効果を得ることができる。【００２８】
本実施形態において、コア３１、低屈折率領域３４、周期構造領域及び第１クラッド３２の各部は、純粋石英ガラスや、それにフッ素、酸化ゲルマニウム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おり、また第２クラッド３５は、低屈折率の合成樹脂からなっている。なお、本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、各部の材質は本例示にのみ限定されない。
例えば、第２クラッド３５の材質として、米国特許第５９０７６５２号明細書に示されているように空気等を用いることもできる。第２クラッドの材質として空気を用いた構造（以下、エアクラッド構造と呼ぶ）においては、第１クラッド全体は、非常に薄いガラスによって支えられる構造となり、側方から励起光を導入する側方励起を行うことが難しく、多くの場合、端面励起が用いられる。しかし、従来のソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバを端面励起のダブルクラッド構造で用いる場合には、第１クラッドに導入した励起光のうちの一部は、第１クラッド中の周期構造中を屈折率導波により導波してしまい、コアに透過しない。従って、効率よく励起光を利用することが出来ない。本発明のソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバは、第１クラッド中の周期構造がコア周囲の一部分にしか存在しないため、端面励起を用いた際にも、励起光を効率よく利用することが出来、好ましい。また、本発明のソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバは、エアクラッド構造と組み合わせることが好ましい。【００２９】
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、コア３１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り、このコア３１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。【００３０】
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３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３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、低損失で融着接続できるなどの利点がある。なお、本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、コア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。【００３１】
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、第１クラッド３２のコア近傍部に、コア３１の左右に帯状に延びる周期構造領域と、該周期構造領域を挟んで２つの半円状の低屈折率領域３４とを設けた構成になっている。なお、本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、周期構造領域と低屈折率領域３４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。【００３２】
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３において、周期構造領域は、第１クラッド３２と同じか又は同等の屈折率を有する部分に、この第１クラッド３２よりも高い屈折率を持つ断面小円形の多数の高屈折率部３３が、所定のピッチで三角格子状に配置された構造になっている。なお、本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、周期構造領域の高屈折率部３３の配置構造は本例示に限定されない。【００３３】
このように、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、第１クラッド３２のコア近傍部に、コア３１の屈折率より小さい平均屈折率を持つことにより屈折率導波を実現する低屈折率領域３４と、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との両者が配置された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。コア近傍部の一定の領域を、コア３１の屈折率より小さい平均屈折率を持つ低屈折率領域３４によって囲むことで、屈折率差による導波構造を設けている。低屈折率領域３４には高屈折率部３３の周期構造が存在しないため、第１クラッド３２に入射された励起光は、この低屈折率領域３４を介して、容易にコア３１に到達し、コア３１に添加された希土類イオンを励起することができる。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３は、励起光により効率的に信号光を増幅させることができる。【００３４】
一方、コア近傍部の別の領域には、フォトニックバンドキャップによる導波を実現する周期構造領域が設けられているため、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、フォトニックバンドギャップファイバの特徴であるフィルタ効果も依然として有する。したがって、フォトニックバンドギャップの効果による透過帯域を、自然放出光のうち増幅させたくない波長を含まないように、第１クラッド３２の屈折率に対する高屈折率部３３媒質の屈折率並びに高屈折率部３３の大きさ及び配置を設定することで、不要な自然放出光が増幅されることを抑制して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ことができる。
これによって、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ことができる。【００３５】
前述したように、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３によれば、波長フィルタの効果を有しつつ、ダブルクラッド構造にした際に、励起光が効率的に信号光を励起することができるソリッドコア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。【００３６】
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３においては、断面構造が３回以上の回転対称性を持たないため、構造複屈折が存在する。さらに、高屈折率部３３を構成する媒質の熱膨張係数が、第１クラッド３２や低屈折率領域３４を構成する媒質の熱膨張係数と異なる場合には、応力起因の複屈折が発生する。これらの複屈折により、別途応力付与部を設けることなく、偏波保持ファイバ、もしくは単一偏波ファイバとして機能する。【００３７】
図４は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第２実施形態を示す断面図である。図４において、図３に示す第１実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３と同様の構成要素には、同一符号を付してある。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、第１クラッド３２のコア近傍部の一部に、多数の低屈折率領域３４を三角格子状に配置し、低屈折率領域が配置された第１クラッド領域をそれと等価な均一媒質とみなした際の等価屈折率を、コアよりも低くしたことを特徴としている。なお等価屈折率は、第１クラッドを形成する主媒質の屈折率と、主媒質中に配置された低屈折率領域の屈折率、大きさ、形状等によって決まる。【００３８】
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、前記第１実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３と同様の効果を得ることができる。
さらに本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、均質な屈折率の媒質で囲む場合に比べ、コアを伝搬するモード数やモードフィールド径、波長分散などの光学特性の設計自由度が上がるため、好ましい。また、低屈折領域３４は、空孔を設けたり、屈折率の低い固体材料を用いたりすることができる。その際、屈折率の低い固体材料を使えば、コアを取り囲む第１クラッド部に空孔が存在しないため、融着接続時のコア部の変形を低減することができ、接続損失を低減できることから好ましい。【００３９】
図５は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第３実施形態を示す断面図である。図５において、図３に示す第１実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３と同様の構成要素には、同一符号を付してある。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、低屈折率領域３４に、コア３１を挟むようにして２つの応力付与部３６を設けたことを特徴としている。この応力付与部３６は、従来周知の応力付与型偏波保持ファイバにおける応力付与部と同様の材質、例えば、石英ガラスに酸化硼素などを添加した材料から形成することができる。【００４０】
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、前記第１実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３と同様の効果を得ることができる。
さらに本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、コア３１の近傍に応力付与部３６を配置したことで、偏波保持ファイバとして機能させたり、単一偏波ファイバとして機能させたりすることもできる。【００４１】
図６は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第４実施形態を示す断面図である。図６において、図３〜図５に示すフォトニックバンドギャップファイバ３と同様の構成要素には、同一符号を付してある。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、応力付与部３６の屈折率がコア３１よりも低く、この応力付与部３６自体を、低屈折率領域３４の一部として使用できる構造になっている。
本実施形態において、高屈折率部３３は、コア３１の両側に一次元周期構造を成すように配列されている。【００４２】
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、前記第１実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３と同様の効果を得ることができる。
さらに本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、コア３１の近傍に応力付与部３６を配置したことで、偏波保持ファイバとして機能させたり、単一偏波ファイバとして機能させたりすることもできる。【００４３】
図７は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第５実施形態を示す断面図である。図７において、図３〜図６に示すフォトニックバンドギャップファイバ３と同様の構成要素には、同一符号を付してある。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、低屈折率領域を別途設けることなく、コア近傍部にコア３１を挟むように設けた２つの応力付与部３６のみを低屈折率領域とした構成になっている。【００４４】
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、前記第１実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３と同様の効果を得ることができる。
さらに本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバ３は、コア３１の近傍に応力付与部３６を配置したことで、偏波保持ファイバとして機能させたり、単一偏波ファイバとして機能させたりすることもできる。
また、前述した各実施形態のファイバ構造においては、コア近傍部に低屈折率領域３４を設けることにより、ファイバ構造の対称性が乱されており、ダブルクラッドファイバでしばしば問題となるスキューモードの問題も解消することができる。【００４５】
図９は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第６実施形態を示す断面図である。図９において、図３〜図７に示すフォトニックバンドギャップファイバ３と同様の構成要素には、同一符号を付してある。
本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、高屈折率部３３による一次元周期構造が配置されている箇所は１箇所であり、コア３１の屈折率分布は、従来型の光ファイバが持つ同心円形状の屈折率分布に極めて近い。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のモードフィールド形状は従来型の光ファイバのモードフィールド形状に極めて近く、本実施形態のフォトニックバンドギャップファイバは、従来型の光ファイバとの接続損失を小さくすることができる。【００４６】
図１０は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの第７実施形態を示す断面図である。図１０において、図３〜図７、図９に示すフォトニックバンドギャップファイバと同様の構成要素には、同一符号を付してある。【００４７】
図１０のフォトニックバンドギャップファイバにおいては、ファイバの断面構造は３回以上の回転対称性を持つため、複屈折は原理上存在しない。複屈折を持つと、例えばファイバグレーティングをファイバのコアに形成した場合、反射、透過特性に偏波依存性が発生し、使用する伝送システムによっては好ましくない場合もある。したがって、用途によっては、ファイバの断面構造に３回以上の回転対称性を持たせて、複屈折を持たせないことが好ましい。【００４８】
また、前述した各実施形態のファイバ構造においては、コア近傍部に高屈折率部３３や低屈折率領域３４，応力付与部３６などを設けることにより、ファイバ構造の対称性が乱されており、ダブルクラッドファイバでしばしば問題となるスキューモードの問題も解消することができる。【００４９】
前述した各実施形態のファイバ構造において、コアにファイバグレーティングを形成してコアの長手方向に周期的な屈折率変調構造を形成することで、別途光部品を用意することなく、ファイバレーザでしばしば必要となる共振器構造を形成することができ、好ましい。石英系ガラスにおいては、コアにゲルマニウム等を添加すると屈折率が上昇するが、フッ素やホウ素等を共添加することで、感光性を維持したまま、屈折率の調整を行うことができる。【００５０】
また、コア３１に感光性を持たせてファイバグレーティングを書き込む場合、クラッドの高屈折率部３３には感光性を持たせないことができれば、コア３１にグレーティング（長さ方向に屈折率の周期構造）を形成する際に、高屈折率部３３にはグレーティングが形成されることなく、不要な反射等が発生することを防ぐことができるため、好ましい。石英系ガラスにおいては、高屈折率部３３の屈折率を上昇させるドーパントとしてアルミニウムなどを用いることで、感光性を有しない高屈折率部を作製することができる。
以下、実施例により本発明の効果を実証する。
【実施例】
【００５１】
（第１の実施例）
図３に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバ３を作製した。純粋石英ガラスとの比屈折率差Δｃが−０．０２％で、直径ｄが２５μｍであるコア３１が、純粋石英ガラスからなる直径２５０μｍの第１クラッド３２に囲まれている。そして、コア３１の周囲に、純粋石英ガラスとの比屈折率差Δｈが１．６％で、直径ｄｈが６．８μｍである高屈折率部３３が、周期１７．０μｍの三角格子構造の周期構造をなして配置されている周期構造領域と、純粋石英ガラスとの比屈折率差Δ１が−０．１％である低屈折領域３４とが存在する。
周期構造領域３４は、コア３１を配置するため、中心から２層が取り除かれており、５層の周期構造になっている。
また、第１クラッドの周囲は、純粋石英ガラスとの屈折率差が−５％であるフッ素系樹脂で被覆されており、第２クラッド３５を形成している。
コア３１には、イッテルビウムがドープされており、第１クラッド全体を波長９１５ｎｍの光で励起した時の吸収量は、０．７ｄＢ／ｍと、通常のダブルクラッドファイバとほぼ変わらない値を得ることができた。これは、コアよりも高い屈折率を持つ周期構造がない箇所がコア周辺にあるため、第１クラッドに入射した励起光が容易にコアに到達することができるためである。【００５２】
このフォトニックバンドギャップファイバ３を用いて、図８に示すようなファイバレーザ８を作製した。フォトニックバンドギャップファイバ３の両側に、波長１１６０ｎｍの光を９９％以上反射するファイバグレーティング８１と、波長１１６０ｎｍの光を３０％反射するファイバグレーティング８２を融着接続した。ファイバグレーティング８１が形成された光ファイバは、純粋石英ガラスとの比屈折率差が−５％であるフッ素系樹脂で被覆されており、ダブルクラッド構造となっている。そして、ファイバグレーティング８１の手前に、波長９１５ｎｍで出力が５Ｗのマルチモードレーザ８３を５台配置して、ビームコンバイナ８４を用いて端面励起によりファイバレーザを発振させたところ、波長１１６０ｎｍで１３Ｗの出力を安定して得ることができた。【００５３】
通常、イッテルビウム添加ファイバレーザの利得ピークは波長１０４０ｎｍ〜１０６０ｎｍに存在するため、波長１０４０ｎｍ〜１０６０ｎｍ付近での寄生発振を抑えて波長１１６０ｎｍで安定して発振させることは非常に困難であるが、実施例のフォトニックバンドギャップファイバは、コア中を導波する１０００ｎｍ〜１１００ｎｍ以下の波長の光をフォトニックバンドギャップによるフィルタ効果で取り除く効果があるため、波長１１６０ｎｍで安定して発振させることができた。また、コア３１周辺のうち、高屈折率部３３を含む周期構造領域以外の部分に、高屈折率部３３を含まない低屈折領域３４が設けられているため、端面励起を行った場合でも、第１クラッド３２に入射した励起光が容易にコア３１に到達することができ、励起光の利用効率も５０％以上と高い値を得ることができた。【００５４】
（第２の実施例）
図１１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。純粋石英ガラスとの比屈折率差Δｃが０％で、直径ｄが７．３μｍであるコア３１が、純粋石英ガラスからなる直径１３５μｍの第１クラッド３２に囲まれている。そして、第１クラッド３２には、コア３１の周囲に、純粋石英ガラスにゲルマニウムを添加し、純粋石英ガラスとの最大比屈折率差Δｈが２．８％で、直径ｄｈが３．７μｍである高屈折率部３３が、周期７．３μｍで一列に配置されている周期構造領域と、純粋石英ガラスにフッ素が添加され、純粋石英ガラスとの比屈折率差Δ１が−０．３５％である低屈折率領域３４とが存在する。
周期構造領域は、コア３１を配置するため、中心の１層が存在せず、６層の周期構造になっている。
また、第１クラッド３２の周囲は、純粋石英ガラスとの比屈折率差が−５％であるフッ素系樹脂で被覆されており、第２クラッド３５を形成している。
コア３１には、イッテルビウムがドープされており、第１クラッド３２全体を波長９１５ｎｍの光で励起した時の吸収量は、０．４ｄＢ／ｍと、通常のダブルクラッドファイバとほぼ変わらない値を得ることができた。これは、コア３１よりも高い屈折率で構成された周期構造が、コア３１周辺からファイバの外周方向に向かって存在しない領域があるため、端面励起を行っても、第１クラッド３２に入射した励起光が容易にコア３１に到達することができるためである。【００５５】
また、図１１に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバとは別に、このフォトニックバンドギャップファイバと構造は同じで、コアにイッテルビウムが添加されておらず、また、第１クラッドの周囲が、第１クラッドの屈折率よりも大きな紫外線硬化型樹脂で被覆されたフォトニックバンドギャップファイバを試作した。このファイバを２ｍ取り出し、直径６０ｍｍに巻いた後、コアを白色光源で端面励起した際の透過スペクトルを図１２に示す。
フォトニックバンドギャップファイバは、ファイバに曲げを加えることにより透過帯域の短波長端、長波長端の両側に曲げ損失が発生する。そのため、ファイバに適切な曲げを加えることで、透過帯域を狭くするとともに、遮断波長の損失を大きくすることができる。本実施例においては、直径６０ｍｍに巻くことで１１００ｎｍ以下の波長の遮断効果を高めているが、曲げ径を大きくすることで、数十ｎｍ程度短波長まで透過帯域としたり、曲げ径をさらに小さくすることで、数十ｎｍ程度長波長まで遮断波長とすることなどもできる。
図１２に示す測定結果を見ると、たとえ図１１のように高屈折率部３３による周期構造が一列しか存在しなくても、１１００ｎｍ以下で２０dＢ／ｍという非常に優れた波長の遮断効果を持つことが分かる。ダブルクラッド構造において励起光の利用効率を高めるためにはファイバの断面構造において、コア部３１を中心とした円周のうち、高屈折率部３３が存在する領域の割合は少なければ少ないほど良いため、図１１のように、高屈折率部３３による周期構造は最低限とし、低屈折領域をできるだけ増やした構造が好ましいと言える。具体的には、コア部の周囲３６０度に対して１８０度以上、より好ましくは２４０度以上、さらに好ましくは３００度以上が低屈折率領域によって囲まれている構造とすることで、ダブルクラッド構造における励起光の利用効率を高めることができる。【００５６】
図１２より、波長１１００ｎｍ以下の光の通過は遮断される一方、波長１１００ｎｍ以上の光は通過している。従って、この図１１に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバは、コア中を導波する波長１０００〜１１００ｎｍのＡＳＥ光をフォトニックバンドギャップによるフィルタ効果で取り除き、１１００ｎｍ以上の波長で安定して発振させることを可能にする。【００５７】
また、この図１１に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバの高屈折率部３３には、第１クラッド３２、低屈折領域３４と比較して多くのゲルマニウムが添加されているため、高屈折率部３３の熱膨張係数と、第１クラッド３２、低屈折領域３４の熱膨張係数が大きく異なる。また、断面構造が２回以下の回転対称性しか持たないため、別途応力付与部を設けなくても、高屈折率部３３によりコアに発生する非対称な熱応力により、波長１１８０ｎｍにおいて１×１０−４以上の複屈折を持ち、偏波保持ファイバとして機能した。
本実施例においては高屈折率部に添加するドーパントとしてゲルマニウムを用いたが、アルミニウム、リンなど、純粋石英と熱膨張係数が異なり、なおかつ純粋石英に添加することで屈折率上昇効果をもたらす他のドーパントを用いることもできる、また、フッ素、ホウ素など、純粋石英と熱膨張係数が異なるが、純粋石英に添加することで屈折率減少効果をもたらすドーパントは、ゲルマニウム、アルミニウム、リンなど、前述の屈折率上昇効果をもたらすドーパントと共添加する場合に限り用いることができる。
本実施例において、低屈折率領域３４にはフッ素が添加されているため厳密にはコア部と低屈折率部の熱膨張係数は異なるが、本実施例のように、比屈折率差Δ１が−０．５％に満たないようなフッ素の添加量においては、偏波保持ファイバとして機能する程度の熱応力をコアに与えることはなく、このファイバが偏波保持ファイバとして機能するために必要な熱応力は、高屈折率部３３によるものである。【００５８】
前記の通り作製した図１１に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバを１６ｍ用い、直径６０ｍｍに巻いた後、図８と同様の構成を用いて、ファイバレーザを作製した。フォトニックバンドギャップファイバの両側に、波長１１８０ｎｍの光を９９％以上反射する偏波保持ファイバグレーティング８１と、波長１１８０ｎｍの光を３０％反射する偏波保持ファイバグレーティング８２を、フォトニックバンドギャップファイバの複屈折軸と軸を合わせて融着接続した。偏波保持ファイバグレーティング８１が形成された光ファイバは、純粋石英ガラスとの比屈折率差が−５％であるフッ素系樹脂で被覆されており、ダブルクラッド構造となっている。一般的に偏波保持ファイバは、同じ波長であっても偏波により曲げ損失が異なるため、構造を最適化することで、曲げた際に単一偏波ファイバ、または偏光子として機能させることができる。本実施例において、偏波保持ファイバグレーティング８２が描き込んである偏波保持ファイバは、ファイバを直径６０ｍｍで曲げた際に波長１１８０ｎｍにおいて2つの直交する偏波のうち、いずれか一方の偏波にのみ曲げ損失が発生するような構造となっており、ファイバレーザが単一偏波で発振するための偏光子として機能する。そして、ファイバグレーティング８１の手前に、波長９１５ｎｍで出力が５Ｗのマルチモードレーザ８３を５台配置して、ビームコンバイナ８４を用いて端面励起によりファイバレーザを発振させたところ、波長１１８０ｎｍで１０Ｗの単一偏波出力を安定して得ることができた。【００５９】
また、図１１に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバとは別に、このフォトニックバンドギャップファイバと構造は同じで、コアにイッテルビウムが添加されておらず、また、第１クラッドの周囲が、第１クラッドの屈折率よりも大きな紫外線硬化型樹脂で被覆されたフォトニックバンドギャップファイバを１０ｍ用い、直径６０ｍｍに巻いた後、第１クラッド全体を、ファイバへの入射ＮＡ０．４６、波長９１５ｎｍ、出力７Ｗのレーザ光で励振した。この励振条件では、高屈折率部を導波する光以外は全て第１クラッドの周囲の紫外線硬化型樹脂へと放射されるため、高屈折率部を導波する光量を知ることができる。実験の結果、高屈折率部を導波して出力された光は０．１Ｗであった。したがって、光屈折率部を導波するためにコア部の励起に効率的に使用できない励起光の割合はわずか１．５％であり、本構造のフォトニックバンドギャップファイバが、フォトニックバンドギャップファイバをダブルクラッドファイバとして使用したときに励起光を効率的に利用できる構造であることが分かった。
一方、図１３に示すように、コアの周囲が全て高屈折率部で囲まれており、その他のパラメータは全て図１１のフォトニックバンドギャップファイバと同じとしたファイバを作製し、同様の励起条件で第１クラッド全体を励振したしたところ、高屈折率部を導波して出力された光は１．０５Ｗであり、入射した全励起光のうち１５％を占めた。したがって、図１２に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバは、図１１に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバよりも、ダブルクラッドファイバとして使用したときに励起光の利用効率が低下することが分かった。
また、本発明のフォトニックバンドギャップファイバの別の実施形態として、コア３１の純粋石英ガラスとの比屈折率差Δｃが０．１％である以外は、全て第２の実施例と同じとしたフォトニックバンドギャップファイバを作製した。この場合、コア３１には、このコア３１の屈折率以下の等価屈折率を持つコアモードが存在する。そして、遮断波長における前記コアモードの等価屈折率がクラッド３２の屈折率よりも大きい場合には、このコアモードの電界は、周期構造を伝搬する遮断波長モードの電界と相互に結合し得るため、一旦、コアモードから周期構造を伝搬するモードへ結合した電界が、コアモードに再結合する現象が生じ得る。しかしながら、周期構造を伝搬するモードであって、コアモードから結合し得るモードは、モードの等価屈折率がクラッドの屈折率と０．１％未満の差しかなく閉じこめが弱いため、こ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避けられないような非常に大きな曲げ径であっても、その曲げ損失により、周期構造を伝搬するモードの閉じこめを解消することができる。実際、本実施例のフォトニックバンドギャップファイバは、実施例２のフォトニックバンドギャップファイバと同等の光学特性を示した。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
ソリッドコアフォトニックバンドギャップファイバをダブルクラッド構造にした際に、励起光により効率的に信号光を励起させることができるソリッドコア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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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