(57)【要約】【課題】      大きな実行断面積を有し、且つ広帯域で単一モード光ファイバと逆の波長分散を実現したフォトニック結晶ファイバを提供することにある。【解決手段】  センターコア部１と、センターコア部１を包囲する内層クラッド部２と、内層クラッド部２から間隔Ｌを空けて包囲する外層クラッド部３とを有し、内層クラッド部２および外層クラッド部３に複数の空孔５，６をそれぞれ形成する一方、間隔Ｌには空孔を形成せず、内層クラッド部２の外周半径ａ1と、外層クラッド部３の内周半径ａ2と、内層クラッド部２における空孔５の空孔間隔Λ1とその空孔直径ｄ1を、ａ2−ａ1＞Λ1−ｄ1となる関係として、外層クラッド部３の光閉じ込め効果を高めて、外層クラッド部３で囲まれる領域内に光信号を伝搬させようにした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア部と、前記コア部を包囲する内層クラッド部と、前記内層クラッド部から間隔を空けて包囲する外層クラッド部とを有し、前記内層クラッド部および前記外層クラッド部に複数の空孔をそれぞれ形成する一方、前記間隔には空孔を形成せず、
前記内層クラッド部の外周半径ａ1と、前記外層クラッド部の内周半径ａ2と、前記内層クラッド部における前記空孔の空孔間隔Λ1とその空孔直径ｄ1を、
ａ2−ａ1＞Λ1−ｄ1
となる関係とした
ことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。
【請求項２】
請求項１に記載されたフォトニック結晶ファイバであって、
前記Λ1が前記外層クラッド部における前記空孔の空孔間隔以下であり、かつ前記ｄ1が前記外層クラッド部における前記空孔の空孔直径以下である
ことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載されたフォトニック結晶ファイバであって、
前記外層クラッド部の前記空孔を前記内層クラッド部の前記空孔より大きくする
ことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載されたフォトニック結晶ファイバであって、
零分散波長が波長１３００ｎｍから１３２４ｎｍの範囲内である
ことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れかに記載されたフォトニック結晶ファイバであって、
前記内層クラッド部および前記外層クラッド部における前記空孔が、円環または正多角形の格子状に周期的にそれぞれ配列される
ことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れかに記載されたフォトニック結晶ファイバであって、
前記内層クラッド部および前記外層クラッド部における前記空孔が、前記コア部の屈折率よりも低い屈折率を有する媒質でそれぞれ満たされる
ことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。
【請求項７】
１３１０ｎｍ帯にて零分散の単一モード光ファイバと、前記単一モード光ファイバに接続され、請求項１乃至請求項６の何れかに記載されたフォトニック結晶ファイバとを有し、
その出力端での残留累積分散が波長１２６０ｎｍから１６５０ｎｍの範囲内において１０００ｐｓ／ｎｍ以下となる
ことを特徴とする光伝送路。
【請求項８】
請求項７に記載された光伝送路に光信号を伝送する
ことを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶ファイバ、光伝送路および光通信システムに関し、特に分散補償機能を有するフォトニック結晶ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）は、長手方向に伸びる複数の空孔を有する構造の光ファイバである。図４に最も一般的な構造のフォトニック結晶ファイバを示す。図４に示すように、石英ガラスからなるフォトニック結晶ファイバ３０の内部には、当該フォトニック結晶ファイバ３０の軸心に沿って環状の空孔３１が当該フォトニック結晶ファイバ３０の軸心部分のコア３２を包囲するクラッド３３に複数形成されており、当該空孔３１は、その直径ｄが波長オーダであると共に、隣接する間隔Λが均等となっている。このようなフォトニック結晶ファイバ３０においては、空孔３１がクラッド３３の屈折率を下げるため、コア３２とクラッド３３の間に光の導波構造を形成する。ここで、空孔３１とガラスとの屈折率差が大きいため、空孔３１の位置や大きさを制御することによって、フレキシブルに比屈折率差やコア径を制御することができ、設計の自由度を非常に高くしている。
【０００３】
これまでに、フォトニック結晶ファイバの広帯域にわたる波長分散の制御性に着目して、分散フラットファイバや分散補償ファイバへの応用に向けた検討がなされている。例えば、上述したフォトニック結晶ファイバにおいて、空孔間隔、および空孔の大きさを最適化することによって、広帯域にわたって１３１０ｎｍ帯単一モード光ファイバの分散補償を実現している（非特許文献１を参照）。また、特殊な空孔配列にすることによって、波長１５５０ｎｍ帯で大きな負の分散および負の分散スロープが得られる分散補償フォトニック結晶ファイバ、および分散補償ファイバが開示されている（特許文献１、および特許文献２を参照）。
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５２７７７５号公報
【特許文献２】特開２００４−１０１５６５号公報
【非特許文献１】L.P.Shen et al.,「Design and Optimization of Photonic Crystal Fibers for Broad-Band Dispersion Compensation」，IEEE Photonics Technology Letters，vol.15，No.4，2003年4月
【非特許文献２】ITU-T、勧告Ｇ．６５２（２００３年３月改訂版）（Table 1/G.652、p.12）
【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、非特許文献１に記載のフォトニック結晶ファイバでは、広帯域な分散補償が得られるものの、その実効断面積が１μｍ2程度と非常に小さくなっているため、接続損失や非線形効果が大きくなってしまう、という問題があった。また、特許文献１に記載の分散補償フォトニック結晶ファイバ、および特許文献２に記載の分散補償ファイバでは、ある波長で大きな負の分散を得ることができるものの、補償できる波長は数十ｎｍと狭い範囲に限られてしまう、といった課題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、大きな実効断面積を有し、且つ広帯域で単一モード光ファイバと逆の波長分散を実現したフォトニック結晶ファイバ、光伝送路および光通信ステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決する第１の発明に係るフォトニック結晶ファイバは、コア部と、前記コア部を包囲する内層クラッド部と、前記内層クラッド部から間隔を空けて包囲する外層クラッド部とを有し、前記内層クラッド部および前記外層クラッド部に複数の空孔をそれぞれ形成する一方、前記間隔には空孔を形成せず、前記内層クラッド部の外周半径ａ1と、前記外層クラッド部の内周半径ａ2と、前記内層クラッド部における前記空孔の空孔間隔Λ1とその空孔直径ｄ1を、ａ2−ａ1＞Λ1−ｄ1となる関係としたことを特徴とする。
【０００８】
上述した課題を解決する第２の発明に係るフォトニック結晶ファイバは、第１の発明に記載されたフォトニック結晶ファイバであって、前記Λ1が前記外層クラッド部における前記空孔の空孔間隔以下であり、かつ前記ｄ1が前記外層クラッド部における前記空孔の空孔直径以下であることを特徴とする。
【０００９】
上述した課題を解決する第３の発明に係るフォトニック結晶ファイバは、第１の発明または第２の発明に記載されたフォトニック結晶ファイバであって、前記外層クラッド部の前記空孔を前記内層クラッド部の前記空孔より大きくすることを特徴とする。
【００１０】
上述した課題を解決する第４の発明に係るフォトニック結晶ファイバは、第１の発明乃至第３の発明の何れかに記載されたフォトニック結晶ファイバであって、零分散波長が波長１３００ｎｍから１３２４ｎｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１１】
上述した課題を解決する第５の発明に係るフォトニック結晶ファイバは、第１の発明乃至第４の発明の何れかに記載されたフォトニック結晶ファイバであって、前記内層クラッド部および前記外層クラッド部における前記空孔が、円環または正多角形の格子状に周期的にそれぞれ配列されることを特徴とする。
【００１２】
上述した課題を解決する第６の発明に係るフォトニック結晶ファイバであって、第１の発明乃至第５の発明の何れかに記載されたフォトニック結晶ファイバであって、前記内層クラッド部および前記外層クラッド部における前記空孔が、コア部の屈折率よりも低い屈折率を有する媒質でそれぞれ満たされることを特徴とする。
【００１３】
上述した課題を解決する第７の発明に係る光伝送路であって、１３１０ｎｍ帯にて零分散の単一モード光ファイバと、前記単一モード光ファイバに接続され、第１の発明乃至第６の発明の何れかに記載されたフォトニック結晶ファイバとを有し、その出力端での残留累積分散が波長１２６０ｎｍから１６５０ｎｍの範囲内において１０００ｐｓ／ｎｍ以下となることを特徴とする。
【００１４】
上述した課題を解決する第８の発明に係る光通信システムであって、第７の発明に記載された光伝送路に光信号を伝送することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明に係るフォトニック結晶ファイバによれば、外層クラッド部の光閉じ込め効果が高まり、外層クラッド部で囲まれる領域内を光信号が伝搬するようになるので、従来のフォトニック結晶ファイバに比べて実効断面積が拡大する。また、広帯域で単一モード光ファイバと逆の波長分散を実現できる。
【００１６】
第２の発明に係るフォトニック結晶ファイバによれば、第１の発明に記載されたフォトニック結晶ファイバと同様な作用効果を奏する他、外層クラッド部の光閉じ込め効果をさらに高めることができる。
【００１７】
第３の発明に係るフォトニック結晶ファイバによれば、第１の発明および第２の発明に記載されたフォトニック結晶ファイバと同様な作用効果を奏する他、外層クラッド部の光閉じ込め効果をより一層高めることができる。
【００１８】
第４の発明に係るフォトニック結晶ファイバによれば、第１の発明乃至第３の発明に記載されたフォトニック結晶ファイバと同様な作用効果を奏する他、１３１０ｎｍ帯零分散単一モード光ファイバと接続すると、広帯域での分散補償が可能となる。
【００１９】
第５の発明に係るフォトニック結晶ファイバによれば、第１の発明乃至第４の発明に記載されたフォトニック結晶ファイバと同様な作用効果を奏する。
【００２０】
第６の発明に係るフォトニック結晶ファイバによれば、第１の発明乃至第５の発明の何れかに記載されたフォトニック結晶ファイバと同様な作用効果を奏する。
【００２１】
第７の発明に係る光伝送路によれば、１０Ｇｂｉｔ／ｓの伝送速度の信号を伝送したとき、前記信号の歪みの発生を抑制することができる。
【００２２】
第８の発明に係る光通信システムによれば、広帯域にわたって波長分散を補償できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明に係るフォトニック結晶ファイバ、光伝送路およびそれを用いた光通信システムを実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施例に係るフォトニック結晶ファイバを示し、図１（ａ）にその概略断面、図１（ｂ）にその屈折率分布を示す。図２は、本発明の第１の実施例に係るフォトニック結晶ファイバを用いた光通信システムの模式図である。
【００２５】
本発明の第１の実施例に係るフォトニック結晶ファイバは、図１に示すように、フォトニック結晶ファイバ１０の軸心部分のセンターコア部１と、このセンターコア部１を包囲する外周半径ａ1の内層クラッド部２と、内層クラッド部２を包囲する内周半径ａ2の外層クラッド部３とを有する。
【００２６】
内層クラッド部２には、断面円形であり、空孔直径ｄ1の空孔５が複数形成され、隣接する空孔５同士の空孔間隔がΛ1となるように周期的に配置される。具体的には、これら空孔５は、六角形の頂点からなる六角形の格子状に周期的に配置される。同様に、外層クラッド部３には、断面円形であり、空孔直径ｄ2の空孔６が複数形成され、隣接する空孔６同士の空孔間隔がΛ2となるように周期的に配置される。具体的には、これら空孔６は、六角形の頂点からなる六角形の格子状に周期的に配置される。ただし、間隔Ｌには、空孔が形成されていない。
【００２７】
ここでは、内層クラッド部２における空孔５の層、即ちフォトニック結晶ファイバ１０の軸心からその外周１０ａに向かって周期的に配置される空孔５の数は、２つ形成される。外層クラッド部３における空孔６の層、即ちフォトニック結晶ファイバ１０の軸心からその外周１０ａに向かって周期的に配置される空孔６の数は、５つ形成される。
【００２８】
ここで、内層クラッド部２の外周半径ａ1と、外層クラッド部３の内周半径ａ2と、内層クラッド部２における空孔５の空孔間隔Λ1とその空孔直径ｄ1とは、下記（１）式を満たす。
ａ2−ａ1  ＞  Λ1−ｄ1            （１）
したがって、外層クラッド部３の光閉じ込め効果が高められて、外層クラッド部３で囲まれる領域内に光信号が伝搬するようになる。よって、間隔Ｌ、即ち外層クラッド部３と内層クラッド部２との間に位置し、距離ａ2と距離ａ1との間の領域を、第２コア部４とする。
【００２９】
内層クラッド部２における空孔５の空孔間隔Λ1は、外層クラッド部３における空孔６の空孔間隔Λ2以下とし、かつ内層クラッド部２の空孔５の空孔直径ｄ1は、外層クラッド部３における空孔６の空孔直径ｄ2以下とする。このような形状とすることにより、外層クラッド部３の光閉じ込め効果がさらに高められる。
【００３０】
内層クラッド部２における空孔５の層数をＮ1とすると、内層クラッド部２の外周半径ａ1は、下記（２）式を満たす。
ａ1  ＝  Ｎ1Λ1＋ｄ1／２          （２）
なお、フォトニック結晶ファイバ１０では、Ｎ1＝２となる。
【００３１】
外層クラッド部３における空孔６の欠陥層数をＭ2とすると、外層クラッド部３の内周半径ａ2は、下記（３）式を満たす。
ａ2  ＝  （Ｍ2＋１）Λ2−ｄ2／２          （３）
欠陥層数Ｍ2は、空孔６が無くなった層の数を示す。なお、フォトニック結晶ファイバ１０では、１層目の空孔６が無いので、Ｍ2＝１となる。
【００３２】
このフォトニック結晶ファイバ１０では、図１（ｂ）に示すように、センターコア部１と第２コア部４とは、同じ屈折率ｎcoを有する。外層クラッド部３の実効屈折率ｎcl2は、センターコア部１および第２コア部４の屈折率ｎcoよりも低くなる。内層クラッド部２の実効屈折率ｎcl3は、外層クラッド部３の実効屈折率ｎcl2よりも低くなる。よって、フォトニック結晶ファイバ１０では、外層クラッド部３で囲まれる領域内を光信号が伝搬することになるので、従来のフォトニック結晶ファイバに比べて、その実効断面積が拡大する。
【００３３】
外層クラッド部３の空孔６は内装クラッド部２の空孔５よりも大きく形成される。よって、フォトニック結晶ファイバ１０によれば、外層クラッド部３の光閉じ込め効果がより一層高められる。
【００３４】
ここで、光通信システム２０は、図２に示すように、図示しない信号源からの電気信号を変換して光信号を送信する送信機２１と、光信号を受信し、電気信号に変換する受信機２２と、送信機２１と受信機２２とに接続され、光信号を伝送する光伝送路２４として、１３１０ｎｍ帯にて零分散の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ：Single Mode optical Fiber）２３と、単一モード光ファイバ２３に連結されたフォトニック結晶ファイバ１０とを有し、送信機２１と受信機２２との間で光信号の送受信（伝送）が行われる。
【００３５】
フォトニック結晶ファイバ１０では、広帯域にわたって１３１０ｎｍ帯零分散単一モード光ファイバ２３と異符号の波長分散特性を有しており、広帯域での分散補償を可能としている。したがって、フォトニック結晶ファイバ１０の零分散波長は、１３１０ｎｍ帯零分散単一モード光ファイバ２３の零分散波長と等しくなっている。ここで、１３１０ｎｍ帯零分散単一モード光ファイバ２３の零分散波長は、１３００ｎｍから１３２４ｎｍの範囲と勧告されている（非特許文献２を参照）。よって、内層クラッド部２の空孔５の大きさ、その空孔間隔Λ1、およびその空孔直径ｄ1、外層クラッド部３の空孔６の大きさ、その空孔間隔Λ2、およびその空孔直径ｄ2などの設計条件を適宜変更することで、フォトニック結晶ファイバ１０の零分散波長を１３００ｎｍから１３２４ｎｍの範囲内としている。
【００３６】
フォトニック結晶ファイバ１０と１３１０ｎｍ帯零分散単一モード光ファイバ２３とを接続して光信号を伝送する場合、通信バンド帯である波長１２６０ｎｍから１６５０ｎｍの範囲内において、残留累積分散が１０００ｐｓ／ｎｍ以下となっており、１０Ｇｂｉｔ／ｓの伝送速度の光信号を光伝送路２５を通して伝送したとき、信号の歪みの発生を抑制することができる。
【００３７】
図３は、本発明の第１の実施例に係るフォトニック結晶ファイバにおける波長分散特性、およびそれと単一モード光ファイバとを接続した光伝送路における波長分散特性を示す図であり、図３中の実線はフォトニック結晶ファイバ１０単体の波長分散特性を示し、図３中の破線はフォトニック結晶ファイバ１０と単一モード光ファイバ２３とを接続したときの実効波長分散特性を示す。同図において、Λ1を１．５６μｍとし、ｄ1／Λ1を０．５とし、Λ2を２．９μｍとし、ｄ2／Λ2を０．６４とした。（２）式からａ1を３．５１μｍとし、（３）式からａ2を４．８７μｍとした。
【００３８】
図３から分かるように、フォトニック結晶ファイバ１０単体では、波長が１３００ｎｍから１６００ｎｍに漸増すると、その波長分散が約０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍから約−８５ｐｓ／ｎｍ・ｋｍに漸減する。フォトニック結晶ファイバ１０と単一モード光ファイバ２３とを接続した光伝送路２４では、Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍ）のみならず、波長が１３００ｎｍから１６００ｎｍにわたる広い波長帯でその実効波長分散を±５ｐｓ／ｎｍ・ｋｍの範囲に低減できる。
【００３９】
したがって、本発明の第１の実施例に係るフォトニック結晶ファイバ１０によれば、外層クラッド部３の光閉じ込め効果が高まり、外層クラッド部３で囲まれる領域内を光信号が伝搬するようになるので、従来のフォトニック結晶ファイバに比べて実効有効断面積が拡大する。また、広帯域で単一モード光ファイバと逆の波長分散を実現できる。
【００４０】
上述した本発明の第１の実施例に係るフォトニック結晶ファイバ１０は一例であり、本発明はこのフォトニック結晶ファイバに限定されるものではない。すなわち、上記では、内層クラッド部２における空孔５が２層のフォトニック結晶ファイバ１０を用いて説明したが、この空孔５の層数は限定されず、空孔５の層数を１層または３層以上としても良い。また、外層クラッド部３における空孔６が５層のフォトニック結晶ファイバ１０を用いて説明したが、この空孔６の層数は限定されず、空孔６の層数を１〜４層または６層以上としても良い。
【００４１】
上記では、内層クラッド部２および外層クラッド部３における空孔５，６を正六角形の格子状に配列したフォトニック結晶ファイバ１０を用いて説明したが、空孔５，６を円環状または他の正多角形の格子状に配列しても良い。
【００４２】
内層クラッド部２および外層クラッド部３における空孔５，６は、センターコア部１および第２コア部４を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率である媒質、例えば気体や液体などで満たしても良い。すなわち、内層クラッド部２および外層クラッド部３の実効的な屈折率がセンターコア部１および第２コア部４よりも低くなっていれば良い。
【００４３】
上記では、送受信機間の光伝送路２４として、１３１０ｎｍ帯にて零分散の単一モード光ファイバ２３と、単一モード光ファイバ２３に接続されたフォトニック結晶ファイバ１０とを用いて説明したが、送信機と光信号を中継する中継機との間、受信機と前記中継機との間、および前記中継機間同士の間などに用いても良く、上記第１の実施例に係るフォトニック結晶ファイバ１０および単一モード光ファイバ２３を用いた光通信システム２０と同様な作用効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、フォトニック結晶ファイバ、光伝送路および光通信システム、特に分散補償機能を有するフォトニック結晶ファイバに利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施例に係るフォトニック結晶ファイバを示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係るフォトニック結晶ファイバを用いた光通信システムの模式図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係るフォトニック結晶ファイバにおける波長分散特性、およびそれと単一モード光ファイバとを接続した光伝送路における実効波長分散特性を示す図である。
【図４】従来のフォトニック結晶ファイバの断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１        センターコア部
２        内層クラッド部
３        外層クラッド部
４        第２コア部
５，６    空孔
１０      フォトニック結晶ファイバ
【図１】
2006243423.tif 000003
【図２】
2006243423.tif 000004
【図３】
2006243423.tif 000005
【図４】
2006243423.tif 000006