(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の波長の数倍程度の直径をもつコアと、前記コアの周囲に配置され、フォトニックバンドギャップ構造の回折格子を少なくとも前記コアに隣接する周囲領域に設けたクラッドとを備え、前記コアの屈折率は前記クラッドの媒質の屈折率よりも低く、且つ、光は前記回折格子のブラッグ反射によってのみ波長が選択的に閉じ込められることを特徴とする単一モード光ファイバにおいて、
前記フォトニックバンドギャップ構造は、前記クラッドの径方向について少なくとも２種類以上の格子間隔を有し、且つ前記コアから前記径方向の外側になるほど格子間隔が広がる回折格子から構成されることを特徴とするフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項２】
前記クラッドにおける回折格子が、屈折率の高い媒質中に屈折率の低い材料を埋め込んだ格子構造、又は、屈折率の低い媒質中に屈折率の高い材料を埋め込んだ格子構造からな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構造光ファイバ。
【請求項３】
光の波長の数倍程度の直径をもち、且つ、中空であるコアと、前記コアの周囲に配置され、フォトニックバンドギャップ構造の回折格子を少なくとも前記コアに隣接する周囲領域に設けたクラッドとを備えたことを特徴とする単一モード光ファイバにおいて、
前記フォトニックバンドギャップ構造は、前記クラッドの径方向について少なくとも２種類以上の格子間隔を有し、且つ前記コアから前記径方向の外側になるほど格子間隔が広がる回折格子から構成されることを特徴とするフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項４】
前記クラッドにおける回折格子が、屈折率の高い媒質中に屈折率の低い材料を埋め込んだ格子構造、又は、屈折率の低い媒質中に屈折率の高い材料を埋め込んだ格子構造からなることを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項５】
光の波長の数倍程度の直径をもつコアと、前記コアの周囲に配置され、フォトニックバンドギャップ構造の回折格子を少なくとも前記コアに隣接する周囲領域に設けたクラッドとを備え、前記コアの屈折率は前記クラッドの媒質の屈折率に等しく、且つ、光は前記回折格子のブラッグ反射によってのみ波長が選択的に閉じ込められることを特徴とする単一モード光ファイバにおいて、
前記フォトニックバンドギャップ構造は、前記クラッドの径方向について少なくとも２種類以上の格子間隔を有し、且つ前記コアから前記径方向の外側になるほど格子間隔が広がる回折格子から構成されることを特徴とするフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項６】
前記クラッドにおける回折格子が、屈折率の低い媒質中に屈折率の高い材料を埋め込んだ格子構造からなることを特徴とする請求項５に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項７】
前記格子構造はマトリクス状の配列であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項８】
前記格子構造は三角形状の配列であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項９】
前記格子構造はハニカム状の配列であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項１０】
前記格子構造はマトリクス状の配列であり、且つ、円柱又は円孔の格子形状であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項１１】
前記格子構造はマトリクス状の配列であり、且つ、円柱の格子形状であることを特徴とする請求項５又は６に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項１２】
前記格子構造は三角形状の配列であり、且つ、円柱又は円孔の格子形状であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項１３】
前記格子構造は三角形状の配列であり、且つ、円柱の格子形状であることを特徴とする請求項５又は６に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項１４】
前記格子構造はハニカム形状の配列であり、且つ、円柱又は円孔の格子形状であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項１５】
前記格子構造はハニカム形状の配列であり、且つ、円柱の格子形状であることを特徴とする請求項５又は６に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【請求項１６】
前記クラッドの全領域は、フォトニックバンドギャップ構造の回折格子からなることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のフォトニック結晶構造光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフォトニック結晶構造光ファイバに関し、特に光通信ネットワークや光信号処理の光伝送媒体として用いられる光ファイバに適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来のフォトニック結晶構造光ファイバの構成を示す横断面図、図４は図３に示す光ファイバのコア及びクラッドの部分の拡大図、図５は従来のフォトニックバンドギャップを構成する結晶構造格子の構成例を示す図である。
【０００３】
図３において、１１は光の波長の数倍程度の直径をもつコア、１２はコア１１の周囲に設けたフォトニックバンドギャップクラッド、１３はクラッド１２の周囲に設けたジャケットである。以下に本フォトニック結晶構造光ファイバによる光の導波原理を説明する。
【０００４】
一般に三次元のフォトニックバンドギャップ構造とは、光を全方向にブラッグ反射する回折格子であり、図４に示すように回折格子の格子定数を、伝搬する媒質内光波長程度に設定することで実現される。フォトニックバンドギャップを構成する結晶構造格子の構成としては、マトリクス状の配列（クラッドの横断面に相当する２次元空間上の配列）とするが、具体的には図５に示すように正方形状の配列の格子以外にもいくつかの構成が考えられる。
【０００５】
図５（ａ）には屈折率の低い媒質１４Ａ中に屈折率の高い材料１５Ｂを正方形状に配列して埋め込んだ格子構造を、図５（ｂ）には屈折率の高い媒質１４Ｂ中に屈折率の低い材料１５Ｂを正方形状に配列して埋め込んだ格子構造を、図５（ｃ）には屈折率の低い媒質１４Ｃ中に屈折率の高い材料１５Ｃを三角形状に配列して埋め込んだ格子構造を、図５（ｄ）には屈折率の高い媒質１４Ｄ中に屈折率の低い材料１５Ｄを三角形状に配列して埋め込んだ格子構造を、図１５（ｅ）には屈折率の低い媒質１４Ｅ中に屈折率の高い材料１５Ｅをハニカム形状に配列して埋め込んだ格子構造をそれぞれ示している。なお、図５（ｂ）や図５（ｄ）のように屈折率の高い媒質中に屈折率の低い材料を埋め込んだ格子構造の場合には、円柱状の材料を埋め込むだけでなく、円孔（横断面形状が円形の空孔）を形成してもよい。この場合には円孔の中に空気が入ることになり、最も屈折率が低くなる。
【０００６】
参考文献「J.D.Joannopoulous et al.,Photonic Crystals,Princeton University Press,pp.122-126,1995 」によれば、これらの構造ではフォトニックバンドギャップが存在して光の閉じ込めが行われることが示されている。また、格子の形状として、ここでは円柱又は円孔の格子形状を仮定しているが、これも円柱や円孔に限定されることはなく、三角柱又は三角孔、四角柱又は四角孔、六角柱又は六角孔などの形状を有する格子を配列した格子構造においても、フォトニックバンドギャップを実現することが可能である。
【０００７】
これらのフォトニックバンドギャップ構造の回折格子をコアの周囲に設けてクラッドとすると、光はコア部分に強く閉じ込められる。つまり、光をある構造中を導波させたいときには、図４に示すようにその構造の周囲をフォトニックバンドギャップ構造の回折格子とすることによって、光をその構造内に閉じ込めて伝搬させることができる。
【０００８】
そこで、このフォトニックバンドギャップ構造の回折格子を少なくとも光ファイバのコアに隣接する周囲領域に設けたクラッドを、前記コアの周囲に配置することによって、前記コアの中心から半径方向に光が伝搬しないように光の閉じ込めを行う。即ち、本光ファイバの横断面を見た場合には図３に示すように格子状の構造を有し、光ファイバの長さ方向には同一の構造を維持する。つまり、本光ファイバの横断面は光ファイバの長さ方向の何れの箇所で切断しても、（光ファイバの作成プロセスによる形状のゆらぎを無視すれば）至る所同じ格子構造であり、前記長さ方向に対して直交又は斜交するような構造は存在しない。
【０００９】
そして、特にコア部分の屈折率をその周囲の屈折率よりも低くした場合、光はフォトニックバンドギャップ構造によるブラッグ回折のみによってコア内に閉じ込められる。この原理は、現在実用化されている単一モード光ファイバではコア部分の屈折率がその周囲の屈折率よりも高い構造であり、光はこれらの屈折率差による全反射によってコア内に閉じ込められるのと、異なる原理である。なお、フォトニックバンドギャップ構造によるブラッグ回折のみによってコア内に光を閉じ込めるには、コアの周囲領域の平均屈折率よりもコアの屈折率が低ければよいため、屈折率の低いクラッドの媒質中に屈折率の高い材料を埋め込んだ格子構造の場合には、コアの屈折率をクラッドの媒質の屈折率に等しくしてもよい。また、フォトニックバンドギャップ構造はクラッドの全領域に設けてもよい。
【００１０】
そして、上記のようなフォトニックバンドギャップ構造をクラッドに用いた光ファイバにおいては、全反射による光ファイバよりも効果的に高次モードの抑圧を行うことが可能であり、コア径を拡大しても単一モード条件の維持が可能であるなどのメリットがある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のフォトニックバンドギャップ構造をクラッドに用いた光ファイバを高速光通信に用いようとする場合、以下に示すような問題点が発生する。
【００１２】
即ち、クラッド部がフォトニックバンドギャップ構造である場合、光の閉じ込めはブラッグ回折格子による光の回折によって行われるが、回折を受ける光の波長は主として回折格子の格子間隔によって決まる。このため、回折格子の格子間隔が一定である場合、光の閉じ込めを行うことができる波長範囲（帯域）は４０ｎｍ程度である。この内容については、文献「J.Broeng,S.E.Barkou,T.Sondergaad,and A.Bjarklev,"Analysis of air-guiding photonic bandgap fibers,"Optics Letters,vol.25,pp.96-98,2000 」に詳しく述べられている。４０ｎｍの波長範囲は現在実用化されている光ファイバの波長帯域（約１００ｎｍ）に比べると小さい。従って、このままの構成では、クラッド部がフォトニックバンドギャップ構造の光ファイバ（フォトニック結晶構造光ファイバ）によって大容量の光信号を伝送させることは難しい。
【００１３】
本発明はこのような上記のような事情に鑑み、クラッド部がフォトニックバンドギャップ構造の単一モード光ファイバ（フォトニック結晶構造光ファイバ）であって、しかも、大容量の光信号を伝送させることができるフォトニック結晶構造光ファイバを提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、光の波長の数倍程度の直径をもつコアと、前記コアの周囲に配置され、フォトニックバンドギャップ構造の回折格子を少なくとも前記コアに隣接する周囲領域に設けたクラッドとを備え、前記コアの屈折率は前記クラッドの媒質の屈折率よりも低く、且つ、光は前記回折格子のブラッグ反射によってのみ波長が選択的に閉じ込められることを特徴とする単一モード光ファイバにおいて、
前記フォトニックバンドギャップ構造は、前記クラッドの径方向について少なくとも２種類以上の格子間隔を有し、且つ前記コアから前記径方向の外側になるほど格子間隔が広がる回折格子から構成されることを特徴とする。
【００１５】
また、第２発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第１発明のフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記クラッドにおける回折格子が、屈折率の高い媒質中に屈折率の低い材料を埋め込んだ格子構造、又は、屈折率の低い媒質中に屈折率の高い材料を埋め込んだ格子構造からなることを特徴とする。
【００１６】
また、第３発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、光の波長の数倍程度の直径をもち、且つ、中空であるコアと、前記コアの周囲に配置され、フォトニックバンドギャップ構造の回折格子を少なくとも前記コアに隣接する周囲領域に設けたクラッドとを備えたことを特徴とする単一モード光ファイバにおいて、
前記フォトニックバンドギャップ構造は、前記クラッドの径方向について少なくとも２種類以上の格子間隔を有し、且つ前記コアから前記径方向の外側になるほど格子間隔が広がる回折格子から構成されることを特徴とする。
【００１７】
また、第４発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第３発明のフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記クラッドにおける回折格子が、屈折率の高い媒質中に屈折率の低い材料を埋め込んだ格子構造、又は、屈折率の低い媒質中に屈折率の高い材料を埋め込んだ格子構造からなることを特徴とする。
【００１８】
また、第５発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、光の波長の数倍程度の直径をもつコアと、前記コアの周囲に配置され、フォトニックバンドギャップ構造の回折格子を少なくとも前記コアに隣接する周囲領域に設けたクラッドとを備え、前記コアの屈折率は前記クラッドの媒質の屈折率に等しく、且つ、光は前記回折格子のブラッグ反射によってのみ波長が選択的に閉じ込められることを特徴とする単一モード光ファイバにおいて、
前記フォトニックバンドギャップ構造は、前記クラッドの径方向について少なくとも２種類以上の格子間隔を有し、且つ前記コアから前記径方向の外側になるほど格子間隔が広がる回折格子から構成されることを特徴とする。
【００１９】
また、第６発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第５発明のフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記クラッドにおける回折格子が、屈折率の低い媒質中に屈折率の高い材料を埋め込んだ格子構造からなることを特徴とする。
【００２０】
また、第７発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第１〜第６発明の何れか一つのフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記格子構造はマトリクス状の配列であることを特徴とする。
【００２１】
また、第８発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第１〜第６発明の何れか一つのフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記格子構造は三角形状の配列であることを特徴とする。
【００２２】
また、第９発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第１〜第６発明の何れか一つのフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記格子構造はハニカム状の配列であることを特徴とする。
【００２３】
また、第１０発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第１〜第４発明の何れか一つのフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記格子構造はマトリクス状の配列であり、且つ、円柱又は円孔の格子形状であることを特徴とする。
【００２４】
また、第１１発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第５又は第６発明のフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記格子構造はマトリクス状の配列であり、且つ、円柱の格子形状であることを特徴とする。
【００２５】
また、第１２発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第１〜第４発明の何れか一つのフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記格子構造は三角形状の配列であり、且つ、円柱又は円孔の格子形状であることを特徴とする。
【００２６】
また、第１３発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第５又は第６発明のフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記格子構造は三角形状の配列であり、且つ、円柱の格子形状であることを特徴とする。
【００２７】
また、第１４発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第１〜第４発明の何れか一つのフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記格子構造はハニカム形状の配列であり、且つ、円柱又は円孔の格子形状であることを特徴とする。
【００２８】
また、第１５発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第５又は第６発明のフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記格子構造はハニカム形状の配列であり、且つ、円柱の格子形状であることを特徴とする。
【００２９】
また、第１６発明のフォトニック結晶構造光ファイバは、第１〜第６発明の何れか一つのフォトニック結晶構造光ファイバにおいて、前記クラッドの全領域は、フォトニックバンドギャップ構造の回折格子からなることを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。なお、本発明のフォトニック結晶構造光ファイバの基本的な構成やその光の閉じ込め効果については先に述べた従来技術と同様であり、本発明のフォトニック結晶構造光ファイバの主要部分はそのクラッドを構成するフォトニックバンドギャップ構造の回折格子の格子間隔にある。従って、以下では、この格子間隔について詳述し、その他の構成については従来と同様であるため詳細な説明は省略する（従来の技術の欄の記載及び図３〜図５を参照）。
【００３１】
＜第１の実施例＞
図１は本発明の第１の実施例に係るフォトニック結晶構造光ファイバの構成を示す横断面図である。図１において、１は光の波長の数倍程度の直径のをもつコア、２はコア１の周囲に設けたフォトニックバンドギャップクラッド、３はクラッド２の周囲に設けたジャケットである。そして、本第１の実施例の光ファイバにおいては、以下に示すようフォトニックバンドギャップ構造を有している。
【００３２】
即ち、図１に示すように本第１の実施例の光ファイバでは、クラッド２を構成するフォトニックバンドギャップ構造の回折格子の格子間隔が、コア１に近い部分ではａ、それ以外の周囲部分ではｂとなっている。但し、ｂ＞ａである。つまり、本光ファイバでは、クラッド２において２種類の異なる格子間隔ａ，ｂを有する回折格子を有し、しかも、小さい格子間隔ａの格子をコア１の直近に配置し、その外側に大きい格子間隔ｂの格子を配置している。このため、本光ファイバでは次のような理由により、長短両波長の光に対してフォトニックバンドギャップによる光の閉じ込めを実現することができる。
【００３３】
即ち、まず、短波長の光に対しては、格子間隔がａの領域で光の閉じ込めが行われる。これは従来と同じである。次に、格子間隔がａの領域に閉じ込められる光の波長よりも長い波長の光に対しては、外側の格子間隔がｂの領域で光の閉じ込めを行うことになるが、このとき波長の長い光は波長の短い光よりも光の強度分布の範囲が広く、コア１から離れた領域まで光強度の分布が広がる。従って、格７間隔がａの領域の大きさを適当にとることによって、格子間隔がａの領域に閉じ込められる波長の短い光と、格子間隔がｂの領域に閉じ込められる波長の長い光との両方に対して光の閉じ込めを実現することが可能となる。なお、格子間隔は２種類の限らず、３種類以上であってもよい。
【００３４】
本第１の実施例のフォトニック結晶構造光ファイバによれば、クラッド部分の回折格子の格子間隔を２種類以上にすることによって、各回折格子が有する異なる波長閉じ込め範囲を合わせることにより、１種類の格子間隔のブラッグ回折格子の場合よりも広帯域にわたる波長の光に対して閉じ込めを行うことができる。このため、超高速・広帯域の光信号の伝送が可能となり、光ファイバ伝送の伝送容量を増加させることができる。
【００３５】
＜第２の実施例＞
図２は本発明の第２の実施例に係るフォトニック結晶構造光ファイバの構成を示す横断面図である。図２において、４は光の波長の数倍程度の直径のをもつコア、５はコア４の周囲に設けたフォトニックバンドギャップクラッド、６はクラッド５の周囲に設けたジャケットである。そして、本第２の実施例の光ファイバにおいては、以下に示すようフォトニックバンドギャップ構造を有している。
【００３６】
即ち、図２に示すように本第２の実施例の光ファイバでは、クラッド５を構成するフォトニックバンドギャップ構造の回折格子が、コア４の周囲を囲む多角形状（図示例では６角形状）で且つ層状の格子構造となっており、そして、コア４の直近の部分（層）の格子の格子間隔がａであり、外側の層に行くにしたがって各層ごとに格子間隔がΔａずつ増加している。なお、図示例では格子が２層になっているが、３層以上であってもよい。つまり、コア４の直近の層の格子間隔はａ、その１つ外側の層の格子間隔はａ＋Δａ、その次の層の格子間隔はａ＋２Δａ、・・・、というように外側の層に行くにしたがって格子間隔が順次増加する格子構造とする。
【００３７】
本第２の実施例のフォトニック結晶構造光ファイバにおいても、上記第１の実施例のフォトニック結晶構造光ファイバと同様に短い波長の光はコア４付近の格子間隔が短い格子によって閉じ込められ、順次、波長の長い光は外側の格子間隔が広い格子によって閉じ込められるため、広い波長範囲にわたる光に対して閉じ込めを実現することが可能となる。このため、超高速・広帯域の光信号の伝送が可能となり、光ファイバ伝送の伝送容量を増加させることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上、実施例とともに具体的に説明したように、本発明のフォトニック結晶構造光ファイバによれば、フォトニックバンドギャップ構造は、クラッドの径方向について少なくとも２種類以上の格子間隔を有し、且つコアから前記径方向の外側になるほど格子間隔が広がる回折格子から構成されることによって、１種類の格子間隔のブラッグ回折格子の場合よりも広帯域にわたる波長の光に対して閉じ込めを行うことができるため、超高速・広帯域の光信号の伝送が可能となり、光ファイバ伝送の伝送容量の増加に対して大きな効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係るフォトニック結晶構造光ファイバの構成を示す横断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係るフォトニック結晶構造光ファイバの構成を示す横断面図である。
【図３】従来のフォトニック結晶構造光ファイバの構成を示す横断面図である。
【図４】図３に示す光ファイバのコア及びクラッドの部分の拡大図である。
【図５】従来のフォトニックバンドギャップを構成する結晶構造格子の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１  コア
２  クラッド
３  ジャケット
４  コア
５  クラッド
６  ジャケット
１１  コア
１２  クラッド
１３  ジャケット
１４Ａ〜１４Ｅ  媒質
１５Ａ〜１５Ｅ  媒質中に埋め込んだ材料
【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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