(57)【要約】【課題】製造が容易で、かつ、設計自由度の高い絶対単一モード光ファイバおよびその設計方法を提供すること。【解決手段】光ファイバを構成するクラッド部１２を、このクラッド部１２の伸長方向に延在し、かつ、格子間隔Λで周期的に配置された空孔を備えるフォトニック結晶構造で構成し、この空孔を、コア部１１の中心軸の周りの軸対称性が３回未満となるように配置するとともに、コア部１１とコア部１１を近接して取り囲む空孔とが存在する領域に存在可能な複数のモードのうち、コア部１１を伝搬する光の波長に対する有効屈折率が最大となる第１モードと２番目に大きな第２モードにおいて、第１モードの有効屈折率がクラッド部の有効屈折率よりも大きく、かつ、第２モードの有効屈折率がクラッド部の有効屈折率よりも小さくなるように空孔の格子間隔Λを設定することとした。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ母材の中心領域に設けられたコア部がクラッド部により取り囲まれており、
前記クラッド部は、当該クラッド部の伸長方向に延在し、かつ、格子間隔Λで周期的に配置された空孔を備えることにより屈折率変調するフォトニック結晶構造を有し、
前記空孔は、前記コア部の中心軸の周りの軸対称性が３回未満となるように配置され、
前記コア部と当該コア部を近接して取り囲む空孔とが存在する領域に存在可能な複数のモードのうち、当該コア部を伝搬する光の波長に対する有効屈折率が最大となる第１モードと２番目に大きな第２モードにおいて、当該第１モードの有効屈折率が前記クラッド部の有効屈折率よりも大きく、かつ、当該第２モードの有効屈折率が前記クラッド部の有効屈折率よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする絶対単一モード光ファイバ。
【請求項２】
前記コア部を近接して取り囲む空孔のうち少なくとも１つの空孔の径が、前記クラッド部に配置された空孔の径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の絶対単一モード光ファイバ。
【請求項３】
前記コア部を近接して取り囲む空孔の径と前記クラッド部に配置された空孔の径とが異なることを特徴とする請求項２に記載の絶対単一モード光ファイバ。
【請求項４】
前記光ファイバ母材は、ガラスまたはプラスチックであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の絶対単一モード光ファイバ。
【請求項５】
前記空孔の内部は、真空、もしくは、前記コア部を伝搬する光に対して透明なガスまたは液体もしくは固体が充填されていることを特徴とする請求項４に記載の絶対単一モード光ファイバ。
【請求項６】
光ファイバのコア部を取り囲むクラッド部が、当該クラッド部の伸長方向に延在し、かつ、格子間隔Λで周期的に配置された空孔を備えることにより屈折率変調するフォトニック結晶構造を有する絶対単一モード光ファイバの設計方法であって、
前記空孔を、前記コア部の中心軸の周りの軸対称性が３回未満となるように配置し、
前記コア部と当該コア部を近接して取り囲む空孔とが存在する領域に存在可能な複数のモードのうち、当該コア部を伝搬する光の波長に対する有効屈折率が最大となる第１モードと２番目に大きな第２モードにおいて、当該第１モードの有効屈折率が前記クラッド部の有効屈折率よりも大きく、かつ、当該第２モードの有効屈折率が前記クラッド部の有効屈折率よりも小さくなるように前記格子間隔Λを設定することを特徴とする絶対単一モード光ファイバの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶対単一モード光ファイバおよびその設計方法に関し、より詳細には、製造が容易で、かつ、設計自由度の高い絶対単一モード光ファイバおよびその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶対単一モード光ファイバは、一般に、光ファイバ中に金属などの光吸収媒質を埋め込むことにより偏光に依存した光吸収を起こさせている。従って、絶対単一モード光ファイバを作製するに際しては、ガラス、プラスチック、各種結晶などの母材中にこれらの母材とは異質の材料を埋め込み、これをファイバ化する必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ファイバ化のためには、埋め込まれるべき材料は光ファイバの母材と同程度の融点をもつ必要があり、さらに、母材との親和性も高いことが求められる。このような条件を全て満足する埋め込み材の選択は容易ではなく、これまでは、実用的な特性を示す絶対単一モード光ファイバは作製されていなかった。
【０００４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、製造が容易で、かつ、設計自由度の高い絶対単一モード光ファイバおよびその設計方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、絶対単一モード光ファイバであって、光ファイバ母材の中心領域に設けられたコア部がクラッド部により取り囲まれており、前記クラッド部は、当該クラッド部の伸長方向に延在し、かつ、格子間隔Λで周期的に配置された空孔を備えることにより屈折率変調するフォトニック結晶構造を有し、前記空孔は、前記コア部の中心軸の周りの軸対称性が３回未満となるように配置され、前記コア部と当該コア部を近接して取り囲む空孔とが存在する領域に存在可能な複数のモードのうち、当該コア部を伝搬する光の波長に対する有効屈折率が最大となる第１モードと２番目に大きな第２モードにおいて、当該第１モードの有効屈折率が前記クラッド部の有効屈折率よりも大きく、かつ、当該第２モードの有効屈折率が前記クラッド部の有効屈折率よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の絶対単一モード光ファイバにおいて、前記コア部を近接して取り囲む空孔のうち少なくとも１つの空孔の径が、前記クラッド部に配置された空孔の径よりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の絶対単一モード光ファイバにおいて、前記コア部を近接して取り囲む空孔の径と前記クラッド部に配置された空孔の径とが異なることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の絶対単一モード光ファイバにおいて、前記光ファイバ母材は、ガラスまたはプラスチックであることを特徴とする。
【０００９】
さらに、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の絶対単一モード光ファイバにおいて、前記空孔の内部は、真空、もしくは、前記コア部を伝搬する光に対して透明なガスまたは液体もしくは固体が充填されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項６に記載の発明は、光ファイバのコア部を取り囲むクラッド部が、当該クラッド部の伸長方向に延在し、かつ、格子間隔Λで周期的に配置された空孔を備えることにより屈折率変調するフォトニック結晶構造を有する絶対単一モード光ファイバの設計方法であって、前記空孔を、前記コア部の中心軸の周りの軸対称性が３回未満となるように配置し、前記コア部と当該コア部を近接して取り囲む空孔とが存在する領域に存在可能な複数のモードのうち、当該コア部を伝搬する光の波長に対する有効屈折率が最大となる第１モードと２番目に大きな第２モードにおいて、当該第１モードの有効屈折率が前記クラッド部の有効屈折率よりも大きく、かつ、当該第２モードの有効屈折率が前記クラッド部の有効屈折率よりも小さくなるように前記格子間隔Λを設定することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
（実施例１）
図１は、本発明の絶対単一モード光ファイバの第１の構造例を説明するための断面図で、この絶対単一モード光ファイバは、光ファイバ材料１３の中心領域に設けられたコア部１１が、多数の空孔を有するクラッド部１２で取り囲まれた構造を有している。
【００１３】
図２は、図１に示した断面図のコア部１１近傍を詳細に説明するための図で、クラッド部に存在する多数の空孔２３は格子間隔Λで周期的に配置されてコア部２１を取り囲み、コア部２１とこのコア部２１を最近接で取り囲む空孔とで「コアとコアを取り囲む空孔を合わせた領域」２２が形成され、いわゆる「フォトニック結晶構造」を利用して光ファイバが形成されている。
【００１４】
フォトニック結晶は、誘電体周期構造を有する結晶であり、図１および図２に示した本発明の絶対単一モード光ファイバでは、ファイバ材料中に空孔が蜂の巣状（六方最密構造）に周期的に配置されて屈折率変調構造を構成している。このようなフォトニック結晶構造を有する光ファイバは、その空孔の配置状態により光伝搬特性を自由に設計することが可能である。
【００１５】
ここで、上述した「コアとコアを取り囲む空孔を合わせた領域」に存在可能な複数のモードのうち、光ファイバ中を伝搬する光の波長に対する伝搬定数（もしくは有効屈折率）の最も大きなモードを「第１モード」、その次に大きなモードを「第２モード」と定義する。
【００１６】
なお、図２においては、後述する計算の便宜のために、コア部２１とこのコア部２１を最近接で取り囲む空孔２３とで形成される六角形の内側の領域を「コアとコアを取り囲む空孔を合わせた領域」２２として定義したが、この領域の定義の仕方はこれに限定されるものではない。
【００１７】
また、空孔の配置の仕方も図２に示したものに限定されるものではなく、所望する光ファイバの特性に応じて自由に設計が可能であるが、図２に示すような六方最密構造のフォトニック結晶とする場合には、同一外径の円柱を隙間無く並べるだけで自然にその横断面が六方最密構造をとることからその製造は極めて容易となるという利点がある。
【００１８】
さらに、クラッド部に存在する多数の空孔のうちの一部の空孔の位置や大きさを他の空孔とは異なるように設計することとすれば、光ファイバ中心軸の周りの対称性を低くして偏波の縮退を解くことも可能となり、偏波保持光ファイバが実現できる。
【００１９】
図３は、図１および図２に示した構造の本発明の絶対単一モード光ファイバの設計方法を説明するための図で、横軸は伝搬光の波長λを空孔格子間隔Λで除した値、縦軸は有効屈折率であり、各波長に対して、第１モードおよび第２モードならびにクラッド部のモードの有効屈折率を計算して求めた結果を概念的に示したものである。なお、この図は、図２に示すように、コア部を取り囲む６つの空孔のうちの２つの空孔の径（ｄ２）を他の空孔の径（ｄ１）よりも大きくし、２回の軸対称性を有する場合について計算を実行した場合を仮定している。
【００２０】
この構造のファイバは３回未満の軸対称性を有するため、第１モードには偏波による縮退はなく、このモードのみが伝搬する光ファイバは真の単一モード光ファイバ（絶対単一モード光ファイバ）となる。
【００２１】
第１モードおよび第２モードの有効屈折率がクラッドのモードの有効屈折率より低くなると、これらのモードはコア部からクラッド部へと漏れ出してゆくようになり、その結果、光ファイバ中を伝搬することができなくなる。
【００２２】
そこで、第１モードは伝搬可能とする一方、第２モードの伝搬が不可となるように設計すれば、上述した「第１モード」および「第２モード」の定義から明らかのように、これらのモード以外のモードは第２モードよりも有効屈折率が低いために光ファイバ中を伝搬することができず、第１モードのみを伝搬させるようにすることが可能となる。
【００２３】
図３において、光ファイバが絶対単一モードで動作する波長領域は、図中に白抜きの矢印で示した領域であり、この領域は、第１モードの有効屈折率がクラッド部の有効屈折率よりも大きく、かつ、第２モードの有効屈折率がクラッド部の有効屈折率よりも小さい波長範囲に対応する。
【００２４】
このように、特定の波長の光を絶対単一モード動作させる光ファイバを設計するためには、その波長λを図３で得られる「波長／空孔格子間隔（λ／Λ）」の値で除して得られた格子間隔Λとすればよい。
【００２５】
図４は、図１および図２に示した構造の本発明の絶対単一モード光ファイバの設計方法を実際の計算により実行した結果を説明するための図で、横軸は伝搬光の波長λを空孔格子間隔Λで除した値、縦軸は有効屈折率（ｎ／ｎ０）であり、空孔格子間隔Λ、クラッド部の空孔径ｄ１、他の空孔よりも径の大きな空孔の径をｄ２とし、ｄ１／Λ＝０．３８、ｄ２／Λ＝１．０４の条件下で求めている。なお、ここでは、ファイバの母材は石英ガラス、空孔の中は真空（もしくは空気）としているが、ファイバの母材は他のガラスやプラスチックであっても良く、また、空孔の内部は、コア中を伝搬する光に対して透明なガスまたは液体もしくは固体が充填されていてもよい。
【００２６】
この図において、実線はクラッド部の有効屈折率、点線が第１モードの有効屈折率、そして、１点鎖線が第２モードの有効屈折率である。この図に示した結果から、この光ファイバの絶対単一動作する波長領域は、λ／Λ＝０．４〜０．４９であることが読み取れる。
【００２７】
図５は、図２に示した構造を有する実際の光ファイバの損失の波長依存性を説明するための図で、この光ファイバの各パラメータは、Λ＝２．６μｍ、ｄ１＝１μｍ、ｄ２＝２．７μｍである。この図において、各モードの損失が増加し始める波長が各モードの有効屈折率がクラッド部のモードの有効屈折率と等しくなる波長に対応する。
【００２８】
図５の結果より、この光ファイバの絶対単一動作する波長領域は１．１〜１．３μｍであることが読み取れ、図４に示した計算結果で得られる絶対単一動作領域（１．０４〜１．２７μｍ）と良い一致を示し、ほぼ設計どうりの動作を行っていることが理解される。
【００２９】
（実施例２）
本発明の絶対単一モード光ファイバでは、クラッド部の有効屈折率を変化させて絶対単一動作領域を所望の波長に設定するようにすることも可能である。
【００３０】
図６は、本発明の絶対単一モード光ファイバの第２の構造例を説明するための断面図で、この絶対単一モード光ファイバも図２に示したのと同様に、クラッド部に存在する多数の空孔６３は格子間隔Λで周期的に配置されてコア部６１を取り囲み、コア部６１とこのコア部６１を最近接で取り囲む空孔とで「コアとコアを取り囲む空孔を合わせた領域」６２が形成され、いわゆる「フォトニック結晶構造」を利用して光ファイバが形成されているが、「コアとコアを取り囲む空孔を合わせた領域」６２内の空孔の径（ｄ１´、ｄ２´）を実施例１のように取る一方、クラッド部の空孔の径（ｄ３´）をこれらの空孔の径とは異なる大きさとしている点において図２に示す構造と異なっている。
【００３１】
図７は、ｄ１´／Λ＝０．５、ｄ２´／Λ＝１．２５とし、クラッド部の空孔の径ｄ３´をｄ３´／Λ＝０．４７５、０．５、０．５２５、０．５５と変化させた場合の絶対単一動作領域の計算結果を説明するための図である。なお、この計算を実行するに際しても、ファイバの母材は石英ガラス、空孔の中は真空（もしくは空気）としている。
【００３２】
この図において、実線はクラッド部の有効屈折率、点線が第１モードの有効屈折率、そして、１点鎖線が第２モードの有効屈折率である。この図に示した結果から、この光ファイバの絶対単一動作する波長領域は、ｄ３´／Λ＝０．４７５の場合にλ／Λ＝０．３７〜０．５３、ｄ３´／Λ＝０．５の場合にλ／Λ＝０．５８〜０．７２、ｄ３´／Λ＝０．５２５の場合にλ／Λ＝０．６７〜０．８６、そして、ｄ３´／Λ＝０．５５の場合にλ／Λ＝０．８２〜１．０３であることが読み取れる。
【００３３】
ここで示した例では、クラッド部の空孔径ｄ３´を僅か１割程度変化させただけであるが、絶対単一動作領域を倍の波長まで変化させることが可能であり、ｄ３´／Λの値をパラメータとして変化させることで所望の絶対単一動作領域を容易に実現できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光ファイバを構成するクラッド部を、このクラッド部の伸長方向に延在し、かつ、格子間隔Λで周期的に配置された空孔を備えるフォトニック結晶構造で構成し、この空孔を、コア部の中心軸の周りの軸対称性が３回未満となるように配置するとともに、コア部とコア部を近接して取り囲む空孔とが存在する領域に存在可能な複数のモードのうち、コア部を伝搬する光の波長に対する有効屈折率が最大となる第１モードと２番目に大きな第２モードにおいて、第１モードの有効屈折率がクラッド部の有効屈折率よりも大きく、かつ、第２モードの有効屈折率がクラッド部の有効屈折率よりも小さくなるように空孔の格子間隔Λを設定することとしたので、製造が容易で、かつ、設計自由度の高い絶対単一モード光ファイバおよびその設計方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の絶対単一モード光ファイバの第１の構造例を説明するための断面図である。
【図２】図１に示した本発明の絶対単一モード光ファイバのコア部近傍を詳細に説明するための図である。
【図３】図１および図２に示した構造の本発明の絶対単一モード光ファイバの設計方法を説明するための概念図である。
【図４】図１および図２に示した構造の本発明の絶対単一モード光ファイバの設計方法を実際の計算により実行した結果を説明するための図である。
【図５】実際の光ファイバの損失の波長依存性を説明するための図である。
【図６】本発明の絶対単一モード光ファイバの第２の構造例を説明するための断面図である。
【図７】図６に示す構造の本発明の絶対単一モード光ファイバにおいて、クラッド部の空孔の径を変化させた場合の絶対単一動作領域の計算結果を説明するための図である。
【符号の説明】
１１　コア部
１２　クラッド部
１３　光ファイバ材料
２１、６１　コア部
２２、６２　コアとコアを取り囲む空孔を合わせた領域
２３、６３　空孔
【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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