(57)【要約】【課題】自然放出光を抑えて効率を高めた、特に光ファイバ増幅器やファイバレーザなどに好適なフォトニックバンドギャップファイバを提供する。【解決手段】希土類元素がドープされ中実で線状のコア部と、コア部の周囲に、コア部と平行に延びる線状の空孔からなるフォトニックバンドギャップ構造の格子が配置されたクラッド部とを有するフォトニックバンドギャップファイバ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中実で線状のコア部と、コア部の周囲に、コア部と平行に延びる線状の空孔からなるフォトニックバンドギャップ構造の格子が配置されたクラッド部とを有するフォトニックバンドギャップファイバであって、前記コア部には希土類元素がドープされてい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】
前記希土類元素は、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ、ＴｍおよびＰｒの少なくとも１つ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】
前記空孔が、コア部と直交する平面において正三角形状または正方形状の格子点に配置されていることを特徴とする請求項１または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】
前記空孔の直径ｄが０．１μｍ≦ｄ≦１μｍであり、かつｄと前記正三角形状または正方形状の一辺の長さΛとの比ｄ／Λが、０．２≦ｄ／Λ＜１であることを特徴とする請求項３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】
前記クラッド部が、モル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３：２０〜８０％、ＳｉＯ２：５〜７０％、Ｂ２Ｏ３：０〜３０％、Ｉｎ２Ｏ３：０〜２０％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３：０〜４５％、ＷＯ３：０〜３０％、Ｔａ２Ｏ５：０〜３０％、ＴｅＯ２：０〜３０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３：０〜１５％、ＧｅＯ２：０〜３０％、ＴｉＯ２：０〜３０％、ＳｎＯ２：０〜３０％、ＣｅＯ２：０〜２％からなるＢｉ２Ｏ３系ガラスであり、かつ、前記コア部が、前記Ｂｉ２Ｏ３系ガラスをマトリクスガラスとし、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ、ＴｍおよびＰｒの少なくとも１種の酸化物を０．１〜１０％の割合で含有することを特徴とする請求項１、３または４に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニックバンドギャップ構造の格子が配置されたクラッド部を有するフォトニックバンドギャップファイバ、特にコア部に希土類元素がドープされたフォトニックバンドギャップファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信において、減衰した信号光の再生増幅には、ファイバのコアにエルビウム（Ｅｒ）などの希土類元素をドープした希土類ドープ光ファイバ増幅器が一般的に用いられている。信号光としては、伝送用シリカファイバの低損失領域である１．５３〜１．６３μｍの波長の光が用いられる。また、Ｅｒドープ光ファイバを増幅器に応用する場合、Ｅｒイオンの基底準位と第一励起準位との間で反転分布を形成し、誘導放出を起こすための励起光源として、０．９８μｍまたは１．４８μｍの発振波長を持つ半導体レーザが用いられている。
【０００３】
また、近年、加工用レーザとして、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）ドープ光ファイバレーザの開発が進められており、レーザ発振波長の１μｍにおいて高い出力が求められている。このイッテルビウム（Ｙｂ）ドープ光ファイバレーザでは、Ｙｂイオンの基底準位と第一励起準位との間で反転分布を形成し、誘導放出を起こすための励起光源として、０．９８μｍの発振波長を持つ半導体レーザなどが用いられている。
【０００４】
上記希土類元素ドープ光ファイバは、コア部およびクラッド部が共に中実であり、励起された希土類イオンが一定の割合で自然放出を起こし、自然放出光となって漏洩するため、〔（増幅信号出力パワー）−（信号入力パワー）／（励起入力パワー）〕で表されるパワー変換効率や、増幅利得には限界があり、高い信号出力や増幅利得を得たい場合には、より高出力の励起レーザを使用しなければならず、励起レーザのコスト増は避けられない。光ファイバ通信の普及に伴い、通信網を構成する各デバイスの低コスト化が求められている中で、このような問題は重要課題になっている。
【０００５】
効率が高く、かつ、雑音特性に優れた光ファイバ増幅器およびファイバレーザを実現するファイバとして、希土類元素などの機能性材料をコア部にドープし、その周囲に、コア部と平行に延びる多数の細孔部を備えるフォトニッククリスタルファイバが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このフォトニッククリスタルファイバでは、コア部の光パワー密度を高くすることにより、効率を高めることを図っている。しかし、細孔部の構造については規定されていないため、自然放出光の抑制には改善の余地がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−５５２３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、自然放出光を抑えて効率を高めた、特に光ファイバ増幅器やファイバレーザなどに好適なフォトニックバンドギャップ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】
上記目的を達成するために、本発明は以下のフォトニックバンドギャップファイバを提供する。
（１）中実で線状のコア部と、コア部の周囲に、コア部と平行に延びる線状の空孔からなるフォトニックバンドギャップ構造の格子が配置されたクラッド部とを有するフォトニックバンドギャップファイバであって、前記コア部には希土類元素がドープされてい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。
（２）前記希土類元素は、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ、ＴｍおよびＰｒの少なくとも１つであることを特徴とする上記（１）に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
（３）前記空孔が、コア部と直交する平面において正三角形状または正方形状の格子点に配置されていることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
（４）前記空孔の直径ｄが０．１μｍ≦ｄ≦１μｍであり、かつｄと前記正三角形状または正方形状の一辺の長さΛとの比ｄ／Λが、０．２≦ｄ／Λ＜１であることを特徴とする上記（３）に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
（５）前記クラッド部が、モル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３：２０〜８０％、ＳｉＯ２：５〜７０％、Ｂ２Ｏ３：０〜３０％、Ｉｎ２Ｏ３：０〜２０％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３：０〜４５％、ＷＯ３：０〜３０％、Ｔａ２Ｏ５：０〜３０％、ＴｅＯ２：０〜３０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３：０〜１５％、ＧｅＯ２：０〜３０％、ＴｉＯ２：０〜３０％、ＳｎＯ２：０〜３０％、ＣｅＯ２：０〜２％からなるＢｉ２Ｏ３系ガラスであり、かつ、前記コア部が、前記Ｂｉ２Ｏ３系ガラスをマトリクスガラスとし、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ、ＴｍおよびＰｒの少なくとも１種の酸化物を０．１〜１０％の割合で含有することを特徴とする上記（１）、（３）または（４）に記載のフォトニックバンドギャップファイバ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のコア部に希土類元素をドープしたフォトニックバンドギャップファイバは、クラッド部のフォトニックバンドギャップ構造により光パワー密度が高まるとともに、自然放出光をより効果的に抑制することにより高効率のファイバとなり、特に光ファイバ増幅器やファイバレーザとして好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、中実で線状のコア部と、コア部の周囲に、コア部と平行に延びる線状の空孔によってフォトニックバンドギャップ構造の格子が配置されたクラッド部とを有している。
【００１１】
前記コア部には、希土類元素をドープすることが必須である。ドープする希土類元素としては、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ、ＴｍおよびＰｒの少なくとも１つであることが好ましい。また、希土類元素は目的とする光の波長に応じて選択され、例えば、１．５３μｍの波長の光を含む光の誘導放出を行いたい場合はＥｒを、１μｍの波長の光を含む光の誘導放出を行いたい場合はＹｂをドープすることが特に好ましい。それぞれのコア部における濃度は、Ｅｒは０．０１〜４モル％とすることが好ましく、０．０１モル％未満では十分な光増幅が得られないおそれがあり、４モル％超では濃度消光が発生して所望の光増幅が得られないおそれがある。Ｙｂは０．１〜１０モル％とすることが好ましく、０．１モル％未満では十分な光増幅が得られないおそれがあり、１０モル％超では濃度消光が発生して所望の光増幅が得られないおそれがある。その他の希土類元素をドープする場合も、必要なパワー変換効率と濃度消光とを考慮してそれぞれのドープ量を調整する。
【００１２】
コア部およびクラッド部を形成する材料は、特に制限されることはなく、周知のＳｉＯ２系ガラスやＢｉ２Ｏ３系ガラスで形成することができる。クラッド部はこれらのガラスで形成し、コア部については、これらのガラスをマトリクスガラスとし希土類元素をドープする。
【００１３】
Ｂｉ２Ｏ３系ガラスの中では、モル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３：２０〜８０％、ＳｉＯ２：５〜７０％、Ｂ２Ｏ３：０〜３０％、Ｉｎ２Ｏ３：０〜２０％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３：０〜４５％、ＷＯ３：０〜３０％、Ｔａ２Ｏ５：０〜３０％、ＴｅＯ２：０〜３０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３：０〜１５％、ＧｅＯ２：０〜３０％、ＴｉＯ２：０〜３０％、ＳｎＯ２：０〜３０％、ＣｅＯ２：０〜２％のガラスが好ましく、コア部については、このガラスをマトリクスとし、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ、ＴｍおよびＰｒの少なくとも１種の酸化物を０．１〜１０％の割合となるように含有させる。
【００１４】
Ｂｉ２Ｏ３系ガラスとして、その他にも、特開２００１−１４４３５８号公報に記載されているような、モル％表示で、Ｂｉ2Ｏ3：２０〜８０％、Ｂ2Ｏ3：０〜７４．８９％、ＳｉＯ2：０〜７９．９９％、ＣｅＯ2：０．０１〜１０％、Ｌｉ2Ｏ：０〜５０％、ＴｉＯ2：０〜５０％、ＺｒＯ2：０〜５０％、ＳｎＯ2：０〜５０％、ＷＯ3：０〜３０％、ＴｅＯ2：０〜３０％、Ｇａ2Ｏ3：０〜３０％、Ａｌ2Ｏ3：０〜１０％で、かつ、Ｂ2Ｏ3およびＳｉＯ2の少なくとも一方を含有するガラスを使用できる。また、特開２００３−１８３０４９号公報に記載されているような、Ｂｉ２Ｏ３と、Ｂ２Ｏ３およびＳｉＯ２の少なくとも一方と、Ｇａ２Ｏ３、ＷＯ３およびＴｅＯ２からなる群の１種以上と、Ｌａ２Ｏ３とを含有し、モル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３：２０〜８０％、Ｂ２Ｏ３＋ＳｉＯ２：５〜７５％、Ｇａ２Ｏ３＋ＷＯ３＋ＴｅＯ２：０．１〜３５％、Ｌａ２Ｏ３：０．０１〜１５％であるガラスも使用できる。これらのＢｉ２Ｏ３系ガラスを用いてコア部を形成する場合は、上記のように、必要なパワー変換効率と濃度消光とを考慮して希土類元素のドープ量を調整する。
【００１５】
上記のＳｉＯ２系ガラスの１．５５μｍにおける屈折率は、典型的には１．４〜１．５である。また、Ｂｉ２Ｏ３系ガラスの１．５５μｍにおける屈折率は、典型的には１．８〜２．２である。
【００１６】
また、コア部を形成する材料の屈折率をｎ１、クラッド部を形成する材料の屈折率をｎ２とした場合、次式で表される関係が成立することが好ましい。
０．０００１≦（ｎ１−ｎ２）／ｎ１≦０．１
【００１７】
（ｎ１−ｎ２）／ｎ１が０．０００１未満では光をコア部に閉じ込めることが困難になる。好ましくは０．００１以上、より好ましくは０．００３以上である。０．１超では、光を単一モードで伝搬させるのが困難であり、モードの数が多くなりすぎる。
【００１８】
図１および図２はフォトニックバンドギャップファイバのコア部と直交する断面を模式的に示す図であるが、クラッド部のフォトニックバンドギャップ格子構造は、四角形（図１）または三角形（図２）をなす格子点に空孔が配置された基本格子を有することが好ましい。基本格子が四角を超える多角形の場合、格子構造が複雑化してフォトニックバンドギャップファイバの作製が困難になる。また、基本格子において、隣接する空孔間の距離はどれも等しいこと、即ち一辺の長さがΛである正方形状または正三角形状の格子点に空孔を配置することが好ましい。隣接する空孔間の距離が異なる場合、特定の波長でのフォトニックバンドギャップの形成、制御が困難になる。
【００１９】
また、空孔の直径ｄは０．１μｍ≦ｄ≦１μｍであることが好ましい。ｄが０．１μｍより小さい場合、および１μｍを超える場合、自然放出光の波長でフォトニックバンドギャップが形成できないおそれがある。したがって、ｄの最適値は希土類元素に応じて設定される。また、ｄとΛとの比ｄ／Λは、０．２≦ｄ／Λ＜１であることが好ましい。ｄ／Λが０．２より小さい場合、自然放出光の波長でフォトニックバンドギャップが形成できないおそれがある。ｄ／Λは０．３≦ｄ／Λ＜０．９５がより好ましい。尚、ｄ／Λ＝１のときは、空孔同士が接触することになり、実質的にフォトニックバンドギャップファイバの作製は困難である。
【００２０】
一方、コア部の直径ｄ１は１〜３００μｍ、ファイバの外径ｄ２は４０〜１５００μｍであることが好ましい。ｄ１が１μｍ未満では、ｄ１／ｄ２が小さくなりすぎ、ファイバ化が困難になるおそれがある。より好ましくは２μｍ以上である。本発明のフォトニックバンドギャップファイバを通信用光ファイバとして使用する場合、１．４５〜１．６４μｍの波長の光を単一モードで伝搬させる目的から、ｄ１は１０μｍ以下であることが好ましい。ファイバ外径ｄ２が４０μｍ未満では、ファイバ化または取り扱いが困難になるおそれがある。好ましくは４５μｍ以上、特に好ましくは８０μｍ以上である。ｄ２が１５００μｍ超ではファイバが曲がりにくくなる、または取り扱いが困難になるおそれがある。本発明のフォトニックバンドギャップファイバを通信用光ファイバとして使用する場合、ｄ２は規格に適合した１２２〜１２８μｍの範囲にあることが特に好ましい。
【００２１】
フォトニックバンドギャップファイバには、破壊強度を高くするために樹脂コートを行うことが好ましい。被覆樹脂の厚さは２〜１０００μｍの範囲にあることが好ましい。２μｍ未満では、破壊強度を高くする効果が得られないおそれがある。１０００μｍ超では、一様な樹脂被覆が困難になるおそれがある。樹脂は、クラッド部との密着性が良好であり、またクラッド部への被覆が容易なものであれば特に限定されないが、光のクラッドモード伝搬を抑制するために、樹脂の屈折率はクラッド部の屈折率よりも大きいことが好ましい。また、樹脂のヤング率は１ＭＰａ以上であることが好ましい。１ＭＰａ未満では、樹脂が損傷しやすくなり破壊強度が高くならないおそれがある。より好ましくは４．９ＭＰａ以上、特に好ましくは９８ＭＰａ以上である。このような要件を満足する樹脂として、熱硬化性シリコーン樹脂、ＵＶ硬化性シリコーン樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、などが挙げられる。
【００２２】
本発明のフォトニックバンドギャップファイバを作製するには、例えは、次の工程に従うことができる。Ｂｉ２Ｏ３系ガラスを用いる場合は、先ず、コア用ガラス原料およびクラッド用ガラス原料をそれぞれ秤量、混合してアルミナるつぼ、石英るつぼ、白金るつぼまたはイリジウムるつぼ中に入れ、８００〜１３００℃にて空気中で溶融し、得られた融液を所定のモールドにキャストすることにより、コア用ガラスおよびクラッド用ガラスを作製する。次に、コア用ガラスとクラッド用ガラスとを重ねて、周知の押出し法により４００〜６００℃で押出し成形し、共に忠実のコア部とクラッド部とを有するプリフォームを作製する。次いで、プリフォームのクラッド部に、超音波加工機などを用いて円柱状の穴を正三角形状または正方形状の格子点に空ける。このとき、穴の外径は、プリフォームの外径ｄ３、目的とする空孔の外径ｄおよびファイバ外径ｄ２から逆算して決定する。そして、プリフォームを加熱下で延伸することでフォトニックバンドギャップファイバが得られる。
【００２３】
また、ＳｉＯ２系ガラスを用いる場合は、先ず、ＳｉＣｌ４などの蒸気を酸水素炎中で火炎加水分解して石英ガラス微粒子を得るＶＡＤ（Ｖａｐｏｒ−ｐｈａｓｅ  Ａｘｉａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などにより、ＳｉＯ２組成物からなるスートを形成する。次に、スートを、希土類元素を含んだ溶液に浸漬する。ここで、スートのかさ密度は、０．０５〜０．５ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。かさ密度が０．０５ｇ／ｃｍ３未満では、溶液浸漬後にスートが崩壊するおそれがあり、０．５ｇ／ｃｍ３超ではスート内部まで溶液が浸透しないおそれがある。溶液は、例えば希土類塩化物、希土類硝酸塩化合物などを水、アルコール、ノルマルヘキサンなどの溶媒中に溶かすことによって調製する。含浸時間は、溶質の濃度によって適宜選ばれるが、好ましくは４時間以上である。４時間未満では、スート内部まで溶液が浸透せず、得られるガラスが不均質になるおそれがある。含浸は、常圧または減圧下で行えばよい。減圧下で含浸すると、ガラス体内部まで溶液を浸透させる時間を短縮することができる。減圧する場合は、１３０００Ｐａ以下とすることが好ましい。溶媒を脱離させる温度は、溶媒の種類によって適宜選ばれるが、１００℃以上であることが好ましい。また、溶媒の脱離は、常圧または減圧下で行えばよい。減圧する場合は、１３０００Ｐａ以下とすることが好ましい。次いで、希土類元素を含む溶液を含浸させたスートを脱水、焼結することにより、コアガラスを得る。焼結温度は、通常は１４００〜１８５０℃であり、特に１４５０〜１８００℃であることが好ましい。次いで、コアガラスの周りにＶＡＤ法によりＳｉＯ２組成物からなるスートを堆積させ、その後上記の脱水、焼結処理を施すことで、共に中実のコア部およびクラッド部を有するプリフォームを作製する。そして、Ｂｉ２Ｏ３系ガラスを用いる場合と同様にして、クラッド部の穴空け、延伸を行うことでフォトニックバンドギャップファイバが得られる。
【実施例】
【００２４】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。
（比較例）
モル％表示でＢｉ２Ｏ３：４２．６％、ＳｉＯ２：３５．５％、Ａｌ２Ｏ３：３．５％、Ｇａ２Ｏ３：１７．７％、ＣｅＯ２：０．２％、Ｅｒ２Ｏ３：０．５％からなるコア用ガラスと、Ｂｉ２Ｏ３：４２．９％、ＳｉＯ２：３５．７％、Ａｌ２Ｏ３：７．１％、Ｇａ２Ｏ３：１４．３％、ＣｅＯ２：０．２％からなるクラッド用ガラスとを複合化してプリフォームを作製し、このプリフォームを延伸してコア径が４．７μｍ、クラッド径が１２５μｍである光ファイバを得た。光ファイバのコア部およびクラッド部は、ともに中実である。また、光ファイバのコア部の屈折率ｎ１は２．０３、クラッド部の屈折率ｎ２は２．０２、ファイバ長は２２．４ｃｍ、１．３１μｍにおける伝送損失は０．８ｄＢ／ｍであった。
【００２５】
光ファイバの両端を、それぞれＳｉＯ２系光ファイバと融着し、２台の励起レーザ（波長：９８０ｎｍ、光パワー：各１５０ｍＷ）を用いて双方向から励起した。１．３１μｍにおける、２箇所の融着点の損失と伝送損失との合計は２．１ｄＢであった。また、光ファイバを積分球の中に入れ、光ファイバから散乱する自然放出光のパワーを積分球内に設置された受光素子で検出し、光ファイバの出射端からの信号出力パワーを光スペクトラムアナライザで検出したところ、０．０１ｍＷの信号を入力したときの信号出力パワーは２．１ｍＷであり、自然放出光のパワーは４．８ｍＷであった。すなわち、この光ファイバでは、信号出力パワーに対して自然放出光のパワーの方が大きく、大きな信号出力が得られていないことが確認された。
【００２６】
（実施例）
正三角形状の基本格子を有し、屈折率を２．０としたクラッド部を想定し、フォトニックバンドギャップ構造が得られるかを、第一ブリルアンゾーン付近の電磁波モード（ＴＥモード）を平面波展開法により数値解析した。図３は、基本格子においてｄ＝０．９９μｍ、ｄ／Λ＝０．９９としたときのバンド構造を示すが、光の波長をλとし、ｆ＝ｄ／λの関係を満たすような規格化周波数をｆとするとき、０．４２＜ｆ＜０．４４の範囲（ハッチング部分）では第一ブリルアルゾーン全域にフォトニックバンドギャップが形成されることがわかる。実用上は、目的の波長の光がコアの最中心からファイバの外端部に向かう方向（図３中のΓ→ＸまたはΓ→Ｍ）のみに伝搬しないようにすればよく、Γ→ＸまたはΓ→Ｍの領域でフォトニックバンドギャップが形成されるようによればよい。このような手法を用いて種々のｄ、ΛにおいてΓ→ＸまたはΓ→Ｍの領域でフォトニックバンドギャップが形成される波長範囲λｐを計算した結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
2007149766.tif 000003
【００２８】
表１において、例えばｄ＝０．６０μｍ、ｄ／Λ＝０．８５の場合、１．４〜１．６μｍの波長範囲で、コアの最中心からファイバの外端部へ向かう光が伝搬しないフォトニックバンドギャップが得られることを示している。したがって、比較例のＥｒドープＢｉ２Ｏ３ガラス系光ファイバを用いてこのような構造を有するフォトニックバンドギャップファイバを作製すれば、比較例と同条件で励起したときに、４．８ｍＷの強度であった自然放出光の伝搬が抑制され、一部が信号光の増幅に使われるようになるため、２．１ｍＷよりも大きな信号出力が得られ、より高効率なＥｒドープ光ファイバ増幅器の作成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明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り、コア部の近傍を模式的に示している。
【図２】本発明のフォトニックバンドギャップファイバの他の例を示す断面図であり、コア部の近傍を模式的に示している。
【図３】実施例において、基本格子をｄ＝０．９９μｍ、ｄ／Λ＝０．９９としたときのバンド構造を求めた図である。
【図１】
2007149766.tif 000004
【図２】
2007149766.tif 000005
【図３】
2007149766.tif 000006