(57)【要約】【課題】有効コア断面積がきわめて大きいホーリーファイバを提供すること。【解決手段】コア部と、前記コア部の外周に位置し、該コア部の周囲に三角格子を形成するように配置された空孔を有するクラッド部と、を備え、前記空孔は、該空孔の孔径をｄ［μｍ］、該三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、ｄ／Λが０．４２以下であり、当該ホーリーファイバの直径が５８０μｍ以上であり、波長１０６４ｎｍにおいて有効コア断面積が１５０００μｍ２以上であるとともに閉じ込め損失が０．１ｄＢ／ｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア部と、
前記コア部の外周に位置し、該コア部の周囲に三角格子を形成するように配置された空孔を有するクラッド部と、
を備え、前記空孔は、該空孔の孔径をｄ［μｍ］、該三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、ｄ／Λが０．４２以下であり、当該ホーリーファイバの直径が５８０μｍ以上であり、波長１０６４ｎｍにおいて有効コア断面積が１５０００μｍ２以上であるとともに閉じ込め損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とするホーリーファイバ。
【請求項２】
前記Λが１２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のホーリーファイバ。
【請求項３】
前記クラッド部の外周面が外部に露出していることを特徴とする請求項１または２に記載のホーリーファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホーリーファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ホーリーファイバ（Ｈｏｌｅｙ  Ｆｉｂｅｒ）は、コア部と、コア部の外周に位置し、コア部の周囲に配置した複数の空孔を有するクラッド部とを備え、空孔によってクラッド部の平均屈折率を下げ、光の全反射の原理を利用してコア部に光を伝搬させる新しいタイプの光ファイバである。このホーリーファイバは、空孔を用いて屈折率を制御することによって、従来の光ファイバでは実現不可能なＥｎｄｌｅｓｓｌｙ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ（ＥＳＭ）や、きわめて短波長側にシフトした零分散波長等の特異な特性を実現可能である（たとえば非特許文献１参照）。なお、ＥＳＭとは、カットオフ波長が存在せず、全ての波長の光がシングルモードで伝送することを意味し、広帯域にわたって高伝送速度の光伝送を可能にする特性である。
【０００３】
一方、ホーリーファイバは、有効コア断面積を大きくして光学非線形性を低くすることができるため、低非線形伝送媒体として、光通信用、あるいはハイパワー光を伝送するデリバリー用への応用も期待されている。特に、ホーリーファイバを用いれば、従来の光ファイバでは実現が難しい５００μｍ２以上の有効コア断面積を実現することができる。たとえば、非特許文献２では、有効コア断面積を５００μｍ２以上としたホーリーファイバ（フォトニッククリスタルファイバ）が開示されている。
【０００４】
一方、ホーリーファイバを含むシングルモード光ファイバにおいては、有効コア断面積の拡大と曲げ損失の低減とにはトレードオフの関係があることが開示されている（たとえば非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】K.  Saitoh  et  al.,  “Empirical  relations  for  simple  design  of  photonic  crystal  fibers”,  OPTICS  EXPRESS,  Vol.13,  No.1,  pp.267-274(2005)
【非特許文献２】M.D.  Neilsen  et  al.,  "Predicting  macrobending  loss  for  large-mode  area  photonic  crystal  fibers",  OPTICS  EXPRESS,  Vol.12,  No.8,  pp.1775-1779(2004)
【非特許文献３】J.M.  Fini,  “Bend-resistant  design  of  conventional  and  microstructure  fibers  with  very  large  mode  area”,  OPTICS  EXPRESS,  Vol.14,  No.1,  pp.69-81(2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、ホーリーファイバの有効コア断面積の拡大と曲げ損失の低減とにはトレードオフの関係がある。したがって、有効コア断面積の大きさは、曲げ損失が実用上好ましい程度の値、たとえば１０ｄＢ／ｍ以下になるように制限されている。一方、ハイパワー光デリバリー用光ファイバ、およびこれと組み合わせるハイパワー光源としての光ファイバレーザや光ファイバ増幅器等において、光パワーの一層の高パワー化が要求されているため、これに用いられるホーリーファイバとしては、現状よりもさらに有効コア断面積が大きく、光学非線形性が低いものが強く求められている。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、有効コア断面積がきわめて大きいホーリーファイバ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】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るホーリーファイバは、コア部と、前記コア部の外周に位置し、該コア部の周囲に三角格子を形成するように配置された空孔を有するクラッド部と、を備え、前記空孔は、該空孔の孔径をｄ［μｍ］、該三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、ｄ／Λが０．４２以下であり、当該ホーリーファイバの直径が５８０μｍ以上であり、波長１０６４ｎｍにおいて有効コア断面積が１５０００μｍ２以上であるとともに閉じ込め損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記Λが１２０μｍ以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、前記クラッド部の外周面が外部に露出していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、有効コア断面積がきわめて大きいホーリーファイバを実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施の形態１に係るホーリーファイバの模式的な断面図である。
【図２】図２は、ホーリーファイバを曲げるために必要な力の計算方法を説明する説明図である。
【図３】図３は、ホーリーファイバの直径とこれを曲げるために必要な力との関係を示す図である。
【図４】図４は、図１に示す構造のホーリーファイバの計算例１〜１１における直径ＲＣ、波長１０６４ｎｍにおける閉じ込め損失、および有効コア断面積を示す図である。
【図５】図５は、図１とは層数の異なる構造のホーリーファイバの計算例１２〜３９における直径ＲＣ、波長１０６４ｎｍにおける閉じ込め損失、および有効コア断面積を示す図である。
【図６】図６は、図１に示す構造のホーリーファイバの計算例４０〜４６における直径ＲＣと、波長１５５０ｎｍにおける閉じ込め損失および有効コア断面積を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明に係るホーリーファイバの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下では、ホーリーファイバを適宜ＨＦと記載する。また、本明細書において特に定義しない用語については、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。
【００１４】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るホーリーファイバの模式的な断面図である。図１に示すように、このＨＦ１０は、コア部１１と、コア部１１の外周に位置するクラッド部１２とを備える。コア部１１はクラッド部１２の中心近傍に位置している。なお、コア部１１とクラッド部１２とは、いずれもたとえば屈折率調整用のドーパントが添加されていない純シリカガラスからなる。
【００１５】
クラッド部１２は、コア部１１の周囲に形成された空孔１３を有する。この空孔１３は、三角格子Ｌを形成するように配置されている。空孔１３の孔径はいずれもｄ［μｍ］であり、三角格子Ｌの格子定数、すなわち空孔１３の中心間距離はΛ［μｍ］である。また、空孔１３は、コア部１１を中心として層状に配置しており、コア部１１を中心とする正六角形の各頂点および各辺上に配置した空孔１３の組み合わせを１層とすると、このＨＦ１０においては、空孔１３の層数は２である。
【００１６】
このＨＦ１０においては、ｄとΛとの比であるｄ／Λは０．４２であり、Λは１２０μｍである。このＨＦ１０は、このようにｄ／Λを０．４２としたことによって、非特許文献１に記載のように、波長１０６４ｎｍを含む全ての波長においてシングルモード光ファイバとなる。また、このＨＦ１０は、Λを１２０μｍとしたことにより、波長１０６４ｎｍにおける有効コア断面積が１７７１０μｍ２ときわめて大きい値となる。また、このＨＦ１０は、波長１０６４ｎｍにおける閉じ込め損失が０．１ｄＢ／ｍ以下の２．８６×１０−４ｄＢ／ｍであり、３ｍ以下程度の条長での使用の際に十分小さい閉じ込め損失を有している。なお、波長１０６４ｎｍとは、１．０μｍ波長帯を用いた光通信やハイパワー光デリバリー等の用途で使用される代表的な波長である。
【００１７】
また、このＨＦ１０の直径をＲＣとすると、ＲＣは５８３μｍである。また、空孔１３が配置されている領域を、空孔１３の最外層の外接円で規定すると、この外接円の直径ＲＨは５３０μｍである。
【００１８】
ここで、このＨＦ１０は、上述したように有効コア断面積をきわめて大きくしているので、そのトレードオフとして、ＨＦ１０を曲げたときに発生する曲げ損失が、曲げの曲率半径を５ｍとした場合に約２０ｄＢ／ｍと極めて大きくなる。
【００１９】
しかしながら、その一方で、このＨＦ１０は、上述したようにその直径Ｒｃが５８３μｍと、通常の光ファイバの直径である１２５μｍと比較してきわめて大きくなっている。したがって、このＨＦ１０は、剛性が高くなり、３ｍ以下程度の条長での使用の際に容易に曲がらないようになっている。その結果、このＨＦ１０は、使用時にも曲げ損失が発生しなくなり、低損失で光を伝送できるものとなる。
【００２０】
本発明についてさらに具体的に説明する。はじめに、本発明において容易に曲がらないようなＨＦの直径について説明し、つぎに、容易に曲がらない直径を有し、かつ有効コア断面積がきわめて大きいＨＦについて、有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションを用いた計算結果を用いて説明する。
【００２１】
はじめに、容易に曲がらないようなＨＦの直径について検討するために、ＨＦの直径と、このＨＦを曲げるために必要な力との関係について計算した。
【００２２】
図２は、ＨＦを曲げるために必要な力の計算方法を説明する説明図である。この計算では、図１に示すＨＦ１０と同様の断面構造を有する長さ１ｍのＨＦ２０の片方の端部２０ａを固定し、もう一方の端部２０ｂに、ＨＦ２０の長さ方向と垂直に力Ｆを加えた場合に、端部２０ｂが力Ｆの方向に１ｃｍだけ変位するようにＨＦ２０が曲がるのに必要な力を計算した。なお、ＨＦ２０が全長にわたって同じ曲率で曲がると仮定すると、その曲率半径は約５０ｍとなる。
【００２３】
ここで、ＨＦ２０の直径をＲＣ１［μｍ］とすると、ＨＦ２０にかかる曲げによる歪みεは式（１）で表される。
ε＝ＲＣ１／（５０×２）×１０−６  ・・・  （１）
【００２４】
つぎに、ＨＦ２０に歪みεを印加するのに必要な力σ［Ｎ］は式（２）で与えられる。
σ＝εＥ×π{（ＲＣ１／２）２-（ｄ／２）２×ｎ}×１０−１２  ・・・  （２）
ここで、ＥはＨＦ２０を構成するガラスのヤング率を示す。また、ｎは空孔数を示す。
【００２５】
つぎに、ガラスのヤング率を７４［ＧＰａ］とすると、式（１）、（２）より、式（３）が導かれる。
σ＝１．８５ＲＣ１（ＲＣ１２−ｄ２×ｎ）π×１０−１０  ・・・  （３）
【００２６】
ここで、ＨＦ１０のように三角格子状に空孔１３を配置したＨＦでは、空孔１３の最外層の外接円の直径ＲＨは、ｄ／Λが０．４２の場合に、以下の式（４）で表される。
ＲＨ＝（２Ｎ＋０．４２）Λ  ・・・  （４）
ただし、Ｎは空孔１３の層数を示す。
【００２７】
また、たとえば機械的強度の確保や、製造上の制約等により、直径ＲＣは直径ＲＨの１．１０倍以上とする。したがって、以下の式（５）が成り立つ。
ＲＣ≧１．１０ＲＨ  ・・・  （５）
式（４）と、式（５）を等式としたものとから、式（３）は、
σ＝１．８５×１．１０｛（２Ｎ＋０．４２）Λ｝[｛１．１０（２Ｎ＋０．４２）Λ｝２−（０．４２Λ）２×ｎ]π×１０−１０  ・・・  （６）
となる。この式（６）はＨＦ２０に対しても適用できるものである。
【００２８】
つぎに、図３は、式（６）をもとに計算した、ＨＦ２０の直径とこれを曲げるために必要な力との関係を示す図である。図３に示すように、ＨＦ２０の直径が５８３μｍであればこれを１ｃｍ曲げるために必要な力は０．１０［Ｎ］である。かかる大きさの力は、ＨＦを床面や機器等の内部に設置する場合には、意図的に加えなければ加わらない程度の大きさである。したがって、ＨＦ２０の直径を５８３μｍ以上、さらに好ましくは１０００μｍ以上とすれば、使用時に容易に曲がらないものになる。
【００２９】
したがって、本実施の形態１に係るＨＦ１０は、上述したようにその直径Ｒｃが５８３μｍであるため、有効コア断面積がきわめて大きいにもかかわらず、使用時にも曲げ損失が発生せず、低損失で光を伝送できるものとなる。
【００３０】
さらに、ＨＦ１０は、その直径が５８３μｍ以上であるため、クラッド部１２の外周面が外部に露出していても、十分な機械的強度を有するものとなる。したがって、ＨＦ１０の外周に樹脂の被覆を、必ずしも形成しなくてもよい。なお、ＨＦ１０に被覆を形成しない場合は、その耐熱性が被覆の耐熱性に制限されないので、被覆を形成する場合よりも耐熱性が高くなる。また、ＨＦ１０のクラッド部１２の外周面を直接水冷したりすることもできる。
【００３１】
上述したように、ＨＦ１０は、Ｎが２であり、Λが１２０μｍであるため、直径ＲＨは５３０μｍとなる。また、直径ＲＣは、式（５）において等号の場合である５８３μｍである。このように、ＨＦ１０は、有効コア断面積の拡大と曲げの防止に適した構造となっている。なお、ＨＦ１０において、直径ＲＣを５８３μｍよりも大きくしてもよい。
【００３２】
つぎに、図１に示すＨＦ１０と同様の構造のＨＦについて、Λを種々の値に設定した場合の直径、閉じ込め損失、有効コア断面積の計算結果を示し、本発明における好ましいΛの範囲について説明する。なお、以下に説明する計算例１〜４６のすべてにおいて、ｄ／Λは０．４２に固定している。
【００３３】
図４は、図１に示す構造のＨＦの各計算例１〜１１における直径ＲＣ、閉じ込め損失、および有効コア断面積を示す図である。なお、閉じ込め損失、有効コア断面積は波長１０６４ｎｍにおける値である。また、図４において、直径ＲＣは式（４）、（５）を用いて算出したものである。また、図４において、「Ｌｏｓｓ」は閉じ込め損失を示し、「Ａｅｆｆ」は有効コア断面積を示している。図４に示すように、空孔の層数が２のＨＦにおいては、計算例３〜１１のように、Λを１２０μｍ以上とすることによって、直径ＲＣを５８３μｍ以上、有効コア断面積を１５０００μｍ２以上、閉じ込め損失を０．１ｄＢ／ｍ以下とできる。
【００３４】
つぎに、図１に示すＨＦ１０と同様に空孔が三角格子状に配列しているが、空孔の層数が２以外の１、３〜５であるＨＦについて、Λを種々の値に設定した場合の直径、閉じ込め損失、有効コア断面積の計算結果を示す。なお、式（６）から明らかなように、ＨＦを１ｃｍ曲げるために必要な力が０．１０［Ｎ］となるＨＦの直径は、ＨＦの空孔数および空孔の層数によって異なる。たとえは、空孔の層数がそれぞれ１、３、４、５のＨＦの場合、空孔数はそれぞれ６、３６、６０、９０であるが、当該直径はそれぞれ５８７μｍ、５８２μｍ、５８１μｍ、５８０μｍである。
【００３５】
図５は、図１とは層数の異なる構造のＨＦの計算例１２〜３９における直径ＲＣ、閉じ込め損失、および有効コア断面積を示す図である。なお、閉じ込め損失、有効コア断面積は波長１０６４ｎｍにおける値である。図５に示すように、空孔の層数が１のＨＦにおいては、計算例１７、１８のように、Λを２２１μｍ以上とすることによって、直径ＲＣを容易に曲がらない５８７μｍ以上とでき、有効コア断面積を１５０００μｍ２以上、閉じ込め損失を０．１ｄＢ／ｍ以下とできる。
【００３６】
また、空孔の層数が３〜５のＨＦにおいては、計算例２１〜２５、２８〜３２、３５〜３９のように、Λをそれぞれ１２０μｍ以上とすることによって、直径ＲＣをそれぞれ５８２μｍ以上、５８１μｍ以上、５８０μｍ以上とできるとともに、有効コア断面積を１５０００μｍ２以上、閉じ込め損失を０．１ｄＢ／ｍ以下とできる。
【００３７】
つぎに、図１に示すＨＦ１０と同様の構造のＨＦについて、Λを種々の値に設定した場合の直径と、波長１５５０ｎｍにおける閉じ込め損失および有効コア断面積の計算結果について説明する。
【００３８】
図６は、図１に示す構造のＨＦの計算例４０〜４６における直径ＲＣと、波長１５５０ｎｍにおける閉じ込め損失および有効コア断面積を示す図である。図６に示すように、空孔の層数が２のＨＦにおいては、計算例４０〜４６のように、Λを１２０μｍ以上とすることによって、直径ＲＣを５８３μｍ以上、波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積を１５０００μｍ２以上、閉じ込め損失を０．１ｄＢ／ｍ以下とできる。このように、計算例４０〜４６のΛを有するＨＦは、光通信において最もよく使用される波長である１５５０ｎｍの波長においても、極めて大きい有効コア断面積を有し、かつ低損失で光を伝送できるものとなる。
【００３９】
なお、上記実施の形態および各計算例では、ＨＦのｄ／Λを０．４２としたが、ＥＳＭ特性を実現するためにはｄ／Λを０．４２以下とすればよい。ただし、製造時に安定した空孔構造を実現するためにはｄ／Λは０．１以上であることが望ましい。
【符号の説明】
【００４０】
１０、２０  ＨＦ
１１    コア部
１２    クラッド部
１３    空孔
２０ａ、２０ｂ  端部
Ｌ      三角格子
Ｆ      力
【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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