(57)【要約】【課題】通常の光ファイバと融着接続した場合の接続損失を低減することができるフォトニック結晶ファイバを提供する。【解決手段】フォトニック結晶ファイバ１は、石英ガラスからなり、コア領域１１と、このコア領域１１を取り囲むクラッド領域１２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。クラッド領域１２は、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域１４中に高屈折率領域１３が三角格子状に周期的に配列された二次元周期構造を有する。コア領域１１は、断面の中央部において二次元周期構造の欠陥（すなわち、二次元周期構造の中央部の或る格子点における高屈折率領域の不存在）の位置にあり、低屈折率背景領域１４の屈折率より高い屈折率を有する。コア導波モードの実効屈折率は低屈折率背景領域１４の屈折率より高い。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア領域と該コア領域を取り囲むクラッド領域とを備え、ファイバ軸に沿って一様な屈折率分布を有するフォトニック結晶ファイバであって、
前記クラッド領域が、前記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周期的に配列された二次元周期構造を有し、
前記コア領域の屈折率が前記低屈折率背景領域の屈折率より高い、
ことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。
【請求項２】
コア導波モードの実効屈折率が前記低屈折率背景領域の屈折率より高いことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項３】
前記クラッド領域における前記高屈折率領域の配列の周期および前記高屈折率領域の径が、コア導波モードをＬＰ21またはＬＰ02のクラッドモードに結合させるように選択され、不要な波長の光を遮断することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項４】
前記クラッド領域における前記高屈折率領域の配列の周期および前記高屈折率領域の径が、コア導波モードをＬＰ11のクラッドモードに結合させるように選択され、不要な波長の光を遮断することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【請求項５】
前記コア領域と前記低屈折率背景領域との屈折率差で規定されるＮＡが０.０５と０.３０との間の値をとることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示された光ファイバは、コア領域とクラッド領域とを備え、ファイバ軸に沿って一様な屈折率分布を有し、クラッド領域が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周期的に配列された二次元周期構造を有する。このような光ファイバは、通常の光ファイバが有し得ない特性を有することができ、様々な用途が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１６５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されたような光ファイバは、通常の光ファイバと融着接続した場合に、接続損失が大きいという問題を有している。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、通常の光ファイバと融着接続した場合の接続損失を低減することができるフォトニック結晶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】
【０００５】
本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、コア領域と該コア領域を取り囲むクラッド領域とを備え、ファイバ軸に沿って一様な屈折率分布を有するフォトニック結晶ファイバであって、クラッド領域が、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周期的に配列された二次元周期構造を有し、コア領域の屈折率が低屈折率背景領域の屈折率より高いことを特徴とする。本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、コア導波モードの実効屈折率が低屈折率背景領域の屈折率より高いのが好適である。
【０００６】
本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、クラッド領域における高屈折率領域の配列の周期および高屈折率領域の径が、コア導波モードをＬＰ21またはＬＰ02のクラッドモードに結合させるように選択され、不要な波長の光を遮断するのが好適である。本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、クラッド領域における高屈折率領域の配列の周期および高屈折率領域の径が、コア導波モードをＬＰ11のクラッドモードに結合させるように選択され、不要な波長の光を遮断するのも好適である。また、本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、コア領域と低屈折率背景領域との屈折率差で規定されるＮＡが０.０５と０.３０との間の値をとるのが好適である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、通常の光ファイバと融着接続した場合の接続損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】フォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造を示す断面図である。
【図２】図１に示されたフォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造における屈折率分布を示す図である。
【図３】図１および図２に示されたフォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造に由来する光の状態密度を示す図である。
【図４】比較例の光ファイバ２の構造を示す断面図である。
【図５】比較例の光ファイバ２のコア導波モードの光強度分布を示す図である。
【図６】比較例の光ファイバ２のコア導波モードの光の電界分布を示す図である。
【図７】本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の構造を示す断面図である。
【図８】本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の屈折率分布を示す図である。
【図９】本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の２つのサンプルＡ，Ｂそれぞれの諸元を纏めた図表である。
【図１０】光ファイバＡのコア導波モードの光強度分布を示す図である。
【図１１】光ファイバＡのコア導波モードの光の電界分布を示す図である。
【図１２】光ファイバＡ，Ｂそれぞれの透過特性を示す図である。
【図１３】本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の他の具体例（光ファイバＣ）の諸元を纏めた図表である。
【図１４】光ファイバＣの透過特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
図１は、フォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造を示す断面図である。同図に示されるように、フォトニック結晶ファイバのクラッド領域は、複数の高屈折率領域３３が低屈折率背景領域３４中に三角格子状に周期的に配列されて二次元周期構造をなしている。この図面に垂直な方向（ファイバ軸方向）には一様な屈折率分布を有している。
【００１１】
図２は、図１に示されたフォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造における屈折率分布を示す図である。図１中の点線に沿った屈折率分布が示されている。高屈折率領域３３の比屈折率差を３.１５％とし、低屈折率背景領域３４の比屈折率差を−０.３６％とする。また、クラッド領域における高屈折率領域３３の配列の周期をΛとし、高屈折率領域３３の径をｄとして、比（ｄ／Λ）を０.６とした。なお、本明細書において「比屈折率差」とは、ドーパントを含まないシリカガラスの屈折率ｎＳｉＯ２に対する値、すなわち、「Δｎ＝（ｎ−ｎＳｉＯ２）／ｎ」を言う。
【００１２】
図３は、図１および図２に示されたフォトニック結晶ファイバのクラッド領域における基本構造に由来する光の状態密度を示す図である。横軸は、光の波数ｋ０と高屈折率領域３３の配列周期Λとの積であり、縦軸は、フォトニック結晶ファイバ中の光の実効屈折率である。図中で、ハッチ領域は光が存在できない領域であり、その他の領域（白〜黒の領域）は光が存在できる領域である。その他の領域（白〜黒の領域）において、白色に近いほど光の状態密度が高いことを示している。低屈折率背景領域３４の屈折率は１.４４５である。
【００１３】
図４は、比較例の光ファイバ２の構造を示す断面図である。この図は、ファイバ軸に垂直な断面を示している。光ファイバ２は、石英ガラスからなり、コア領域２１と、このコア領域２１を取り囲むクラッド領域２２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。クラッド領域２２は、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域２４中に高屈折率領域２３が三角格子状に周期的に配列された二次元周期構造を有する。コア領域２１は、二次元周期構造の欠陥（すなわち、二次元周期構造の中央部の或る格子点における高屈折率領域の不存在）により形成されていて、低屈折率背景領域２４の屈折率と同じ屈折率を有する。
【００１４】
図５は、比較例の光ファイバ２のコア導波モードの光強度分布を示す図である。また、図６は、比較例の光ファイバ２のコア導波モードの光の電界分布を示す図である。図６に示される光ファイバ２のコア導波モードの光の電界分布Ｅｘは、図４および図５においてコア領域２１の中心を通るｘ方向に沿った電界分布（ｘ方向振動成分）を示す。また、図６には、通常のステップインデックス型の屈折率分布を有するシングルモード光ファイバのコア導波モードの光の電界分布（ガウシアン分布）も示されている。
【００１５】
図６に示されるように、比較例の光ファイバ２のコア導波モードの光の電界分布Ｅｘは、通常の光ファイバのコア導波モードの光の電界分布（ガウシアン）と大きく異なっている。このことから、比較例の光ファイバ２は、通常の光ファイバと融着接続した場合に接続損失が大きい。
【００１６】
なお、第１の光ファイバのコア導波モードの光の電界分布をＥ１(ｒ)とし、第２の光ファイバのコア導波モードの光の電界分布をＥ２(ｒ)とすると、第１および第２の光ファイバを互いに融着接続した場合の光結合効率η１２は以下の式で表される。ｒは径方向の位置を表す変数である。この式からも判るように、電界分布Ｅ１，Ｅ２の相違が大きいほど、融着接続した場合の接続損失が大きい。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
図７は、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の構造を示す断面図である。本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、石英ガラスからなり、コア領域１１と、このコア領域１１を取り囲むクラッド領域１２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。クラッド領域１２は、ファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域１４中に高屈折率領域１３が三角格子状に周期的に配列された二次元周期構造を有する。コア領域１１は、断面の中央部において二次元周期構造の欠陥（すなわち、二次元周期構造の中央部の或る格子点における高屈折率領域の不存在）の位置にあり、低屈折率背景領域１４の屈折率より高い屈折率を有する。また、コア導波モードの実効屈折率は低屈折率背景領域１４の屈折率より高い。
【００１９】
図８は、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の屈折率分布を示す図である。本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１では、コア領域１１の比屈折率差を１.００％とし、高屈折率領域１３の比屈折率差を３.１５％とし、低屈折率背景領域１４の比屈折率差を−０.３６％とする。また、高屈折率領域１３の配列の周期をΛとし、高屈折率領域１３の径をｄとする。
【００２０】
図９は、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の２つのサンプルＡ，Ｂそれぞれの諸元を纏めた図表である。光ファイバＡは、コア領域１１の径が４.４μｍであり、高屈折率領域１３の配列の周期Λが１０.２μｍであり、高屈折率領域１３の径ｄが６.１μｍである。また、ファイバＢは、コア領域１１の径が３.９μｍであり、高屈折率領域１３の配列の周期Λが１０.５μｍであり、高屈折率領域１３の径ｄが６.３μｍである。このような光ファイバＡ，Ｂが作製され評価された。
【００２１】
図１０は、光ファイバＡのコア導波モードの光強度分布を示す図である。図１１は、光ファイバＡのコア導波モードの電界分布を示すグラフである。図１１において、実線Ｅｘは、光ファイバＡのコア領域１１の中心を通り、図７、図１０のｘ方向に延びる直線上の各位置における電界のｘ方向成分である。破線は、通常のステップインデックス型のシングルモード光ファイバにおける電界分布である。
【００２２】
光ファイバＡのコア導波モードの電界分布Ｅｘは、通常の光ファイバのコア導波モードの電界分布（ガウシアン）に近い形状となっている。このことから、光ファイバＡ，Ｂを含む本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、通常の光ファイバと融着接続した場合に接続損失が小さい。
【００２３】
図１２は、光ファイバＡ，Ｂそれぞれの透過特性を示すグラフである。同図において、横軸は波長であり、縦軸は透過率である。透過率は、光ファイバＡ，Ｂの両端での接続損失による減衰を含んだ値である。光ファイバＡ，Ｂそれぞれの長さは０.５ｍである。光ファイバＡ，Ｂともに、コア領域１１の屈折率分布が汎用ファイバの屈折率分布に近づいたことにより、モードフィールドのマッチングが改善され、融着損失（遮断帯域以外の波長における損失）が０.５ｄＢ以下にまで低減されている。
【００２４】
フォトニック結晶ファイバ１は、コア領域１１の屈折率が低屈折率背景領域１４の屈折率より高いことに加えて、コア導波モードの実効屈折率がクラッド領域１２の低屈折率背景領域１４の屈折率より高くなっている。この場合、コアモード導波原理はフォトニックバンドギャップ導波ではなく屈折率導波である。コア導波モードの実効屈折率が大きくなると、結合先のクラッドモードの波長幅が減少するので、従来の光ファイバ構造に比べ狭い遮断帯域が実現され得る。図１２に見られる遮断帯域は、コア導波モードがクラッドモード（ＬＰ21，ＬＰ02）に結合することに因るものであり、従来の光ファイバ構造に比べ狭くなっている。
【００２５】
図１３は、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１の他の具体例（光ファイバＣ）の諸元を纏めた図表である。この光ファイバＣは、コア領域１１の比屈折率差が１.００％であり、高屈折率領域１３の比屈折率差が３.１４％であり、低屈折率背景領域１４の比屈折率差が−０.３６％である。コア領域１１の径が２.８μｍであり、高屈折率領域１３の周期Λが５.８μｍであり、高屈折率領域１３の径ｄが３.５μｍである。
【００２６】
図１４は、光ファイバＣの透過特性を示すグラフである。同図において、横軸は波長であり、縦軸は透過率である。透過率は、光ファイバＣの両端での接続損失による減衰を含んだ値である。光ファイバＣの長さは０.４ｍである。同図は、クラッド領域１２の二次元周期構造に起因する遮断帯域が得られていることを示している。同図に見られる遮断帯域は、コア導波モードがクラッドモード（ＬＰ11）に結合することに因る。コア導波モードからの結合先クラッドモードがＬＰ11である場合、遮断帯域の幅が広いというメリットがある。また、コア導波モードからの結合先クラッドモードが高次（ＬＰ31，ＬＰ12など）である場合、フィルタ特性のキレがよくなり、遮断帯域の幅が狭くなる。
【００２７】
本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、不要な波長の光を除去する光フィルタとして用いられ得る。例えば、フォトニック結晶ファイバ１は、高出力ファイバレーザの出力段に設けられることで、高パワーの出力を得ることができる一方で、出力光に含まれるラマン成分を除去することができる。フォトニック結晶ファイバ１は、石英ガラスのみで実現できるので高パワーにも耐えることができ、ファイバ融着接続のみで実装することができ、また、接続損失が低いので接続箇所における発熱やコアの溶融を防止することができる。
【００２８】
本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、Ｅｒ元素やＹｂ元素などの希土類元素がコア領域１１に添加されることで、増幅用光ファイバとして用いられ得る。このとき、フォトニック結晶ファイバ１は、希土類元素に起因するノイズ光を遮断することができ、高出力の場合には非線形現象に起因して発生する不要な光を遮断することができる。また、フォトニック結晶ファイバ１は、ノイズ光の増幅を抑制して信号光の利得の向上を実現することができ、高出力ファイバレーザにおいて誘導ラマン散乱による出力の低下を防ぐことができ、また、接続損失の低減により利得向上効果を損なうことなく誘導ラマン散乱による出力低下を防ぐことができる。
【００２９】
本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、通常の光ファイバと融着接続した際の接続損失低減の観点から、コア領域１１と低屈折率背景領域１４との屈折率差で規定されるＮＡが０.０５と０.３０との間の値であることが望ましい。これは、融着相手の光ファイバとＮＡをマッチングさせる必要があるためである。低ＮＡの光ファイバの例としては高出力ファイバレーザ用途の光ファイバが挙げられる。また、高ＮＡの光ファイバの例としては高非線形光ファイバが挙げられる。
【００３０】
また、本実施形態に係るフォトニック結晶ファイバ１は、高次モードのロスが大きいので、実質的にシングルモード動作しやすいという特徴をも有する。
【００３１】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、断面の中央部において二次元周期構造の１個の格子点において高屈折率領域を不存在として、その領域をコア領域１１とした。しかし、本発明では、断面の中央部において二次元周期構造の複数個（例えば７個）の格子点において高屈折率領域を不存在として、その領域をコア領域としてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１…フォトニック結晶ファイバ、１１…コア領域、１２…クラッド領域、１３…高屈折率領域、１４…低屈折率背景領域。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図３】
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【図５】
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【図１０】
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