(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバ軸を中心とする同心円で囲まれる平均屈折率が高い円環領域と平均屈折率が低い円環領域とが断面内に交互に配置されている円柱波反射鏡によって前記ファイバ軸が囲まれ、前記円柱波反射鏡における半径方向の平均屈折率分布は円柱波をブラッグ反射するように規則的構造を有し、前記円柱波反射鏡を構成する少なくとも一つの前記円環領域の主媒質中には副媒質からなる断面が円孔状の複数の微細構造が設けられ、前記円柱波反射鏡と前記微細構造はファイバ軸に沿って伸びる光ファイバにおいて、
前記複数の微細構造が前記円柱波反射鏡の断面内で並進対称性を有さないように分布していることを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記各円環領域の平均屈折率及び径方向の厚さは、所定モードの光波に対して擬似４分の１波長条件を満たすことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記主媒質がシリカガラスであり、前記副媒質が気体又は真空のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記円柱波反射鏡で囲まれた領域は空洞であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記円柱波反射鏡で囲まれた領域はシリカガラスで形成されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記円柱波反射鏡で囲まれた領域は利得媒質で形成されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記円柱波反射鏡で囲まれた領域は導波構造を備えることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項８】
漏洩による光伝送損失が所定の波長帯でのみ所定の値よりも低くなるように設計された請求項１記載の光ファイバを備えた、帯域透過型光フィルタ。
【請求項９】
漏洩による光伝送損失が所定の波長依存性を有するように設計された請求項１記載の光ファイバを備えた、光パワー等化器。
【請求項１０】
請求項１記載の光ファイバと、前記光ファイバと逆符号の波長分散を有する光ファイバを含むことを特徴とする光伝送路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送路、分散補償器、光フィルタ、光パワー等化器、及び光アンプとして好適な光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、以下のような光ファイバが知られている。例えば、Ｊ．Ｍａｒｃｏｕ，ｅｔ  ａｌ．，ＥＣＯＣ’９９，Ｉ−ｐｐ．２４−２５，（１９９９）及び、Ｙ．Ｆｉｎｋ，ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  ｖ．１７，ｐｐ２０３９−２０４１，（１９９９）には、屈折率の異なる２種類の均一媒質からなる円環領域が半径方向に交互に積重ねられた構造を有する円柱波反射鏡を有する光ファイバが開示されている。ここでは、この光ファイバを「同心円型ブラッグ反射鏡光ファイバ」と呼ぶ。
【０００３】
同心円型ブラッグ反射鏡光ファイバでは、円柱波反射鏡によって囲まれた部分がコアとなり、ここに光が閉じ込められる。円柱波反射鏡は２種類の媒質によって構成されるが、コアの屈折率は、これらの媒質の各屈折率よりも低い。従って、この光ファイバにおける光閉じ込めの機構は、全反射ではなく、半径方向の屈折率分布が持つ規則的構造によるブラッグ反射である。すなわち、ファイバ軸に沿って伝搬し、ファイバ軸を中心として外側に放射している円柱波は、半径方向の屈折率分布が持つ規則的構造によって反射されるため、コアに光が閉じ込められる。
【０００４】
なお、半径方向に積重ねられる媒質の層の厚さは、必ずしも各層において同一ではない。Ｊ．Ｍａｒｃｏｕ，ｅｔ  ａｌ．，ＥＣＯＣ’９９，Ｉ−ｐｐ．２４−２５，（１９９９）によれば、Ｂｅｓｓｅｌ関数の周期性の意味で周期的な屈折率分布を有し、また、Ｙ．Ｆｉｎｋ，ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  ｖ．１７，ｐｐ２０３９−２０４１，（１９９９）によれば、Ｂｅｓｓｅｌ関数のゼロ点に従って層の厚さが決定される。
【０００５】
また、Ｒ．Ｆ．Ｃｒｅｇａｎ，ｅｔ  ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ｖ．２８５，ｐｐ．１５３７−１５３９，（１９９９）には、２次元の並進対称性を有する屈折率周期構造中に欠陥が導入された断面構造を有する光ファイバが開示されている。ここでは、この光ファイバを「完全ＰＢＧ導波型光ファイバ」と呼ぶ。２次元の並進対称性を有する屈折率周期構造では、所定の屈折率分布を有する小領域（セル）が規則的に配列されている。このとき、いくつかのセルが、異なる屈折率分布を有するセルで置換されると、周期構造が乱される。このような周期構造を乱すセルは、欠陥と呼ばれる。
【０００６】
屈折率の２次元周期構造は、所定の波長帯において任意の方向に伝搬する光を反射する。このような波長帯は、完全ＰＢＧ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｂａｎｄ  Ｇａｐ）と呼ばれる。完全ＰＢＧ内の波長を有する光は、周期構造によって囲まれた欠陥に閉じ込められる。周期構造と欠陥とはファイバ軸に沿って伸びているので、光は欠陥に沿ってファイバ中を導かれる。
【０００７】
また、ＵＳＰ５，８０２，２３６には、コアとクラッドとを有し、コアの実効屈折率はクラッドの実効屈折率よりも高く、クラッドは非周期的に配置されたクラッド特徴構造を有する光ファイバが開示されている。ここでは、この光ファイバを「全反射型微細構造光ファイバ」と呼ぶ。この光ファイバの導波機構は、全反射である。コアの実効屈折率がクラッドの実効屈折率よりも高いため、全反射によって光がコアに閉じ込められる。なお、実効屈折率とは、屈折率変化を有する不均一領域を、光学特性を同一に保持したまま屈折率が一定の均一領域に置換したと仮定して、この均一領域の屈折率を意味する概念である。
【０００８】
また、例えば、吉田貞史、矢嶋弘義、「薄膜・光デバイス」、東京大学出版会、（１９９４）に記載されているように、屈折率の異なる媒質で構成される平面状の薄膜を規則的に積重ねることによりブラッグ反射鏡が得られ、高い反射率を得る条件の１つとして、４分の１波長条件が知られている。
【０００９】
図７は、屈折率ｎi、厚さｔiを有する薄膜がＮ層重ねられた多層膜を示す。ｎ0とｎN+1は外部の媒質の屈折率である。この多層膜において、第ｉ層における電磁界の接線成分は、次式で表される。
【００１０】
【数１】
0004211194.tif 000002
ただし、Ｚ0は真空のインピーダンス、ｋ0は真空における波数である。電磁界は、時間ｔと位置ｚに対してｅｘｐ［ｊωｔ−ｊβgｚ］なる依存性を持つと仮定し、上式ではこの係数を省略した。このとき、単層膜の特性マトリックス［Ｍi］は、次式で表される。
【００１１】
【数２】
0004211194.tif 000003
ただし、δi＝κiｔiは、第ｉ層の光学膜厚である。電磁界の接線成分は連続であるから、単層膜を積層して得られる多層膜の特性マトリックス［Ｍmul］は、［Ｍi］の積で与えられる。さらに、
【００１２】
【数３】
0004211194.tif 000004
とおくと、多層膜のエネルギー反射率Ｒは、次式で与えられる。
【００１３】
【数４】
0004211194.tif 000005
ただし、ｄｅｔ［Ｍmul］＝（ｄｅｔ［Ｍi］）N＝１を用いた。
【００１４】
特に、屈折率ｎHとｎL（ｎH＞ｎL）を有する２種類の薄膜が交互に積層され、各薄膜の光学膜厚が等しい場合、積層数Ｎ＝２ｑの多層膜の特性マトリックス［Ｍmul］は、次式で与えられる。
【００１５】
【数５】
0004211194.tif 000006
ただし、基本２層膜の特性マトリックスを［Ｍ(2)］、その固有値をα、β（｜α｜≧｜β｜）と表す。また、［Ｅ］は単位行列である。ｄｅｔ［Ｍmul］＝１より、｜α｜≧１≧｜β｜であるから、ｑが大きい場合、上式においてβは無視できる。その結果、数式（７）で与えられるエネルギー反射率Ｒは、｜α｜の増大と共に大きくなることがわかる。ここで、
【００１６】
【数６】
0004211194.tif 000007
とおくと、
【００１７】
【数７】
0004211194.tif 000008
であるから、｜ｔ2｜が大きいほど、｜α｜が大きくなり、反射率Ｒが大きくなる。
【００１８】
２種類の薄膜の光学膜厚が１／４波長に等しいとき、すなわち、δH＝δL＝π／２であるとき、
【００１９】
【数８】
0004211194.tif 000009
となる。このとき｜ｔ2｜は最大値をとるため、反射率も最大となる。この条件、すなわち、「δH＝δL＝π／２」は、４分の１波長条件と呼ばれる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｊ．Ｍａｒｃｏｕ，ｅｔ  ａｌ．，ＥＣＯＣ’９９，Ｉ−ｐｐ．２４−２５，（１９９９）に記載されている同心円型ブラッグ反射鏡光ファイバでは、ブラッグ反射鏡を構成する屈折率の規則的構造における屈折率変化が小さい。これは、屈折率を変化させる手段として、石英系ガラスにＧｅを添加する手段を用いているためである。この同心円型ブラッグ反射鏡光ファイバにおける比屈折率差は、０．５％と小さい。そのため、ブラッグ反射鏡の反射率が小さくなり、コアへの光閉じ込めの度合いが弱くなる。その結果、ファイバ外へ光パワーが漏洩することによる伝送損失、特にファイバの曲げによる伝送損失が増大してしまう。
【００２１】
一方、Ｙ．Ｆｉｎｋ，ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  ｖ．１７，ｐｐ２０３９−２０４１，（１９９９）に記載されている同心円型ブラッグ反射鏡光ファイバでは、テルリウム（屈折率４．６）とポリスチレン（屈折率１．５９）を用いて同心円型ブラッグ反射鏡を構成している。反射鏡を構成する媒質間での屈折率差が大きいため、高い反射率が得られていると考えられる。しかし、この同心円型ブラッグ反射鏡光ファイバの製造は困難である。この同心円型ブラッグ反射鏡光ファイバは、直径１．９２ｍｍのガラス管の外周に、厚さ約０．８μｍのテルリウム膜と、厚さ約１．６μｍのポリスチレン膜を交互に堆積して得られる。このようにファイバに直接多層膜を堆積する方法は、長尺かつ長手方向に均一なファイバの製造が難しい。ファイバをコイル状に巻いた状態で堆積を行うと、均一な厚さでの堆積が困難である。一方、ファイバをコイル状に巻かないと堆積工程中にファイバを安置しておくのに要する空間が大きくなり、空間的制約によって堆積を行えるファイバ長が制限される。例えば、上記文献で報告されているファイバ長は、１０ｃｍと短い。また、通常の平面薄膜とは異なり、円柱面の上に堆積を行うので、通常の薄膜形成に比べて膜厚制御が困難であるという点も、長手方向に均一なファイバの製造を難しくする。
【００２２】
また、Ｒ．Ｆ．Ｃｒｅｇａｎ，ｅｔ  ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ｖ．２８５，ｐｐ．１５３７−１５３９，（１９９９）に記載されている完全ＰＢＧ導波型光ファイバは、その断面構造において、２次元の並進対称性を有する屈折率周期構造に欠陥を導入したものである。欠陥はコアの機能を有し、欠陥に光が閉じ込められる。しかし、欠陥の大きさは周期構造におけるセルの大きさの整数倍に限られる。そのため、コアの大きさもセルの大きさの整数倍に限られる。コア径は、導波されるモードの数や、導波されるモードの光閉じ込めの程度に影響を及ぼす。従って、コア径を選択できる範囲が狭いということは、光ファイバの特性を制御できる範囲が狭いことを意味する。その結果、単一モード動作帯域や、曲げに対する耐性を広い範囲で制御することが困難となる。
【００２３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来の同心円型ブラッグ反射鏡光ファイバよりも大きな反射率を実現すると共に、長尺かつ長手方向に均一な光ファイバの製造を容易にし、従来の完全ＰＢＧ光ファイバよりも広い範囲でコア径の選択を可能にし、導波されるモード数及び導波モードの光閉じ込めの程度を広い範囲で制御することができる光ファイバを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバは、ファイバ軸を中心とする同心円で囲まれる平均屈折率が高い円環領域と平均屈折率が低い円環領域とが断面内に交互に配置されている円柱波反射鏡によってファイバ軸が囲まれ、円柱波反射鏡における半径方向の平均屈折率分布は円柱波をブラッグ反射するように規則的構造を有し、円柱波反射鏡を構成する少なくとも一つの円環領域の主媒質中には副媒質からなる断面が円孔状の複数の微細構造が設けられ、円柱波反射鏡と微細構造はファイバ軸に沿って伸びる光ファイバにおいて、複数の微細構造が円柱波反射鏡の断面内で並進対称性を有さないように分布していることを特徴とする。
【００２５】
本発明において、円柱波反射鏡は、円環形状の断面を有してファイバ軸に沿って伸びる領域であり、断面内での半径方向の平均屈折率分布が、円柱波をブラッグ反射（以下、単に「反射」という）するような規則的構造を有する領域である。本発明では、円柱波反射鏡への断面が円孔状の微細構造の導入により、平均屈折率の変化の幅を大きくでき、その結果、大きなブラッグ反射率（以下、単に「反射率」という）を実現することが可能となる。複数の微細構造によって反射鏡を構成するという点では、従来の完全ＰＢＧ光ファイバに類似しているが、本発明では、複数の微細構造が円柱波反射鏡の断面内で並進対称性を有さないように分布している点で著しく異なる。反射によってコアに光を閉じ込めるためには、半径方向の平均屈折率の規則的構造があれば十分であり、２次元の並進対称性を有する屈折率分布は必要ない、すなわち複数の微細構造が円柱波反射鏡の断面内で並進対称性を有するように分布している必要はないという発明者の知見に、本発明は基づいている。屈折率分布が、並進対称性を有さないことによって、コア径を選択する範囲が大きくなる。その結果、導波されるモード数及び導波モードの光閉じ込めの程度を広い範囲で制御することが可能となる。なお、ある屈折率分布が並進対称性を有するとは、その屈折率分布を、所定の方向に所定の距離だけ平行移動して得られる屈折率分布が、元の屈折率分布と実質的に同一であることを意味する。このとき、平行移動の方向と距離を表すベクトルを格子ベクトルと呼ぶ。さらに、屈折率分布が２次元の並進対称性を有するとは、線形独立な２つの格子ベクトルが存在することを意味する
【００２６】
本発明においては、以下のように定義される平均屈折率という概念を用いる。すなわち、断面内の２次元領域Ωにおける屈折率分布がｎ（ｒ）で与えられるとき、領域Ωにおける平均屈折率ｎavgは、次式で定義される。但し、ｒは、断面内の位置を表すベクトルである。
【００２７】
【数９】
0004211194.tif 000010
また、本発明においては、「平均屈折率」という用語は、平均屈折率の半径方向の分布、あるいは円環領域の平均屈折率という形で用いる。厚さが無限小の円環領域をΩとすると、径方向に分布する平均屈折率は、次式で定義される。ただし、ｒとθは、断面内の極座標である。
【００２８】
【数１０】
0004211194.tif 000011
また、円環領域の内半径と外半径をａとｂとすると、円環領域の平均屈折率は、次式で定義される。
【００２９】
【数１１】
0004211194.tif 000012
また、本発明において、光ファイバは主媒質と副媒質によって構成され、主媒質とは、その媒質だけで光ファイバを構成することが現実的に可能な媒質である。また、互いに連結していない主媒質領域が、１本の光ファイバ中に存在してはならない。一方、副媒質は、その媒質だけでは光ファイバを構成することが現実的に不可能な媒質であっても良い。また、互いに連結していない複数の副媒質領域が１本の光ファイバ中に存在しても良い。
【００３０】
例えば、シリカガラスは主媒質にも副媒質にもなり得るのに対し、気体や液体は副媒質にしかなり得ない。また、シリカガラスによって分割された互いに連結していない複数の気体領域が１本の光ファイバ中に存在することは許されるのに対し、気体によって分割された互いに連結していない複数のシリカガラス領域が１本の光ファイバ中に存在することは許されない。
【００３１】
また、本発明において、半径方向とは、ファイバ軸と直交する断面内で、断面の中心から外側に向かう方向を意味する。
【００３３】
この構成により、微細構造が複数設けられた円環領域とその他の円環領域との平均屈折率差を大きくすることができるため、円柱波に対する大きな反射率を実現することが可能となる。
【００３５】
このように、平均屈折率が高い円環領域と平均屈折率が低い円環領域とを径方向に交互に配置することによって、外向きの円柱波と内向きの円柱波との間でモード結合が生じるため、外向き円柱波を高い反射率で反射して内向き円柱波とすることが可能となる。
【００３６】
また、各円環領域の平均屈折率及び径方向の厚さは、所定モードの光波に対して擬似４分の１波長条件を満たす構成を採ることが好適である。
【００３７】
この擬似４分の１波長条件は、円柱波に対する高い反射率を与える条件であり、平面波に対する４分の１波長条件に相当する。円柱波に対する高い反射率を得るために、円環領域の厚さと平均屈折率は次のように選択される。すなわち、図６に示すように、光ファイバの断面を、Ｎ個の円環領域で分割する。第ｉ円環領域の内径をａi-1とし、外径をａi＝ａi-1＋ｔiとする（ｉ＝１・・・Ｎ）。各円環領域は、均一な媒質で構成されていると仮定して、第ｉ円環領域の屈折率をｎiとする。各円環領域が副媒質からなる微細構造を含む場合は、ｎiとして平均屈折率を用いる。
【００３８】
第ｉ円環領域における電磁界の接線成分は、次式で表される。
【００３９】
【数１２】
0004211194.tif 000013
ＴＥモードでは、
【００４０】
【数１３】
0004211194.tif 000014
であり、ＴＭモードでは、
【００４１】
【数１４】
0004211194.tif 000015
であり、ＬＰ０１モードでは、近似的に、
【００４２】
【数１５】
0004211194.tif 000016
である。ＬＰ０１モードでは、Ｈθの不連続性が無視されている。より厳密な解析は、上式（１２）において、電磁界の接線方向の４成分（Ｅθ、ＥZ，Ｈθ、ＨZ）からなるベクトルを左辺とする式を導くことによって行う。なお、伝搬定数をβ、真空における波数をｋ0とすると、
【００４３】
【数１６】
0004211194.tif 000017
である。
【００４４】
各円環領域の特性マトリックス［Ｍi］は、位置ｒ＝ａi-1における電磁界成分を、位置ｒ＝ａi＝ａi-1＋ｔiにおける電磁界接線成分で展開するための行列である。すなわち、
【００４５】
【数１７】
0004211194.tif 000018
であり、上式（１２）より、
【００４６】
【数１８】
0004211194.tif 000019
となる。ただし、Ｊν（ａi）＝Ｊν（ｉ）のように表記する。
【００４７】
また、次式（１９）は、上式（１７）における係数であるが、特性マトリックス［Ｍi］の行列式が１となるように定められている。
【００４８】
【数１９】
0004211194.tif 000020
平面多層膜における４分の１波長条件は、特性マトリックスの対角成分が零となるような光学膜厚を定めた条件である。一方、上式（１８）の２つの対角成分を同じく零とするのは一般的にはできない。そこで、行列の（１１）成分が零となるような光学膜厚を有する円環領域と、行列の（２２）成分が零となるような光学膜厚を有する円環領域が、径方向に交互に存在するように、各円環領域の光学膜厚δi＝κiｔiを定める。この光学膜厚を定める条件を、擬似４分の１波長条件と呼ぶ。この擬似４分の１波長条件が成立することにより、高い反射率が得られ、光閉じ込めの度合いが向上する。
【００４９】
また、主媒質がシリカガラスであり、副媒質が気体又は真空のいずれかである構成を採ることが好適である。
【００５０】
このように透明度の高い材料を用いることにより、円柱波反射鏡における光損失を低減し、低い伝送損失を実現することが可能となる。また、気体又は真空に対する石英系ガラスの比屈折率差が約３５％と大きいので、従来技術に比べて半径方向の平均屈折率変化の幅を大きくすることができ、それによって円柱波反射鏡の反射率を高め、光伝送損失を低減することができる。しかも、この構成により、線引によってファイバを製造することができるので、長尺かつ長手方向に均一な光ファイバを従来技術に比べて容易に製造できる。
【００５１】
また、円柱波反射鏡で囲まれた領域は空洞である構成を採ることが好適である。
【００５２】
この構成により、空洞部に空気や不活性気体（Ａｒ等）を充填するか、又は真空とすることができるため、伝送損失の低い光伝送路を実現することが可能となる。また、光ファイバのコアとして通常用いられる石英系ガラスではなく、非線型光学効果の発生が無視できる媒質、すなわち、空気、不活性気体、又は真空を空洞部に用いることができるため、非線型光学効果による伝送品質劣化を抑制し、長距離の大容量光通信に好適な光伝送路を実現することが可能となる。さらに、光ファイバのコアとして通常用いられる石英系ガラスでなく、材料の群速度分散が無視できる媒質、すなわち、空気、不活性気体、又は真空を空洞部に用いることができるため、絶対値の小さな波長分散を実現することができ、長距離の大容量光通信に適した光伝送路を実現することが可能となる。なお、石英系ガラスをコアとする通常の光ファイバでは、波長分散の絶対値が小さい場合、４光波混合による伝送品質劣化のため、波長分割多重が困難となる。これに対し、本発明に係る光ファイバでは、非線型性が低いため、波長分散の絶対値が小さい場合でも４光波混合による伝送品質の劣化が発生せず、波長多重分割を行うことができ、大容量の光通信を行うことができる。
【００５３】
また、円柱波反射鏡で囲まれた領域はシリカガラスで形成されている構成を採ることが好適である。
【００５４】
このように、円柱波反射鏡によって囲まれたコア領域を光損失が低いシリカガラスで形成することによって、低損失の光伝送路を実現することができる。
【００５５】
また、円柱波反射鏡で囲まれた領域は利得媒質で形成されている構成を採ることが好適である。
【００５６】
一般に、利得媒質における光パワー利得は波長依存性を有するが、本発明では、円柱波反射鏡の反射率の波長依存性を利用して、波長依存性を有する光損失を実現することができるため、利得の波長依存性を打ち消すように損失の波長依存性を設計することによって、波長依存性の少ない利得特性を得ることが可能となる。その結果、長距離の大容量光通信に好適な、波長依存性の小さい利得特性を持つ光増幅器を実現できる。
【００５７】
また、円柱波反射鏡で囲まれた領域は導波構造を備える構成を採ることが好適である。
【００５８】
このように導波路を円柱波反射鏡で囲むことによって光閉じ込め特性が向上し、曲げ損失を抑制することができる。また、導波路を低屈折率媒質で囲んだ場合は、高次モードのカットオフ特性が劣化するのに対し、本発明に係る光ファイバでは、円柱波反射鏡の反射率がモード選択性を有するため、高次モードのカットオフ特性を劣化させることなく、基本モードの曲げ損失を低減することが可能となる。
【００５９】
また、本発明に係る帯域透過型フィルタの発明は、漏洩による光伝送損失が所定の波長帯でのみ所定の値よりも低くなるように設計された上記の本発明に係る光ファイバを備えた構成を採ることが好適である。
【００６０】
本発明に係る光ファイバでは、擬似４分の１波長条件が満たされない波長の光は、円柱波反射鏡によって反射されない。反射されない波長の光は、漏洩による大きな伝送損失を被る。このため、本発明に係る光ファイバを、擬似４分の１波長条件を満たすことができる波長帯域、すなわち反射波長帯域にある光だけを透過する光フィルタとして用いることができる。
【００６１】
また、本発明に係る光パワー等化器の発明は、漏洩による光伝送損失が所定の波長依存性を有するように設計された上記の本発明に係る光ファイバを備えた構成を採ることが好適である。
【００６２】
擬似４分の１波長条件は、円柱波反射鏡の反射率が大きくなる条件である。従って、擬似４分の１波長条件を満たさない光でも、円環領域の光学膜厚が４分の１波長に近い場合、円柱波反射鏡は小さな反射率を有する。光波長が反射波長帯域から離れるに従って反射率は低下し、漏洩による光損失が増大する。この性質を用いて波長依存性を有する光損失特性を実現することができる。波長依存性を有する光損失特性は、波長多重分割光通信において、波長チャネル間の光パワー偏差を縮小するのに用いることが可能である。これにより、波長帯域を拡大して大容量光通信を実現することができる。
【００６３】
また、本発明に係る光伝送路の発明は、上記の本発明に係る光ファイバと、光ファイバと逆符号の波長分散を有する光ファイバを含む構成を採ることが好適である。
【００６４】
光波長が反射波長帯域から離れるに従って、円柱波反射鏡への光パワーのしみ出し度合いが大きくなる。一方、モード群屈折率ｎgは、近似的に次式で与えられることが知られている。
【００６５】
【数２０】
0004211194.tif 000021
ここで、ｘとｙは断面内における座標であり、ｎ（ｘ，ｙ）は断面内屈折率分布であり、Ｅ（ｘ，ｙ）は光電界の主成分の断面内分布である。また、積分は断面全体にわたって行う。
【００６６】
一方、波長分散Ｄは、モード群屈折率の波長微分で与えられる。
【００６７】
【数２１】
0004211194.tif 000022
ただし、ｃは真空中の光速である。
【００６８】
光波長が反射波長帯域から離れ、反射鏡への光パワーのしみ出しが大きくなるに従って、上式（２０）で与えられるモード群屈折率は、コア屈折率から円柱波反射鏡の平均屈折率へと近づく。従って、上式（２１）より、絶対値の大きな波長分散が実現される。反射波長帯域の両側で波長分散の符号は異なるので、正負の波長分散を実現することができる。これにより、光伝送路の分散補償を行うことが可能となる。
【００６９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の本発明の実施形態において、反射及び反射率はそれぞれ、ブラッグ反射及びブラッグ反射率を意味する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバの断面図である。図１に示すように、実施の形態１に係る光ファイバ１は、ファイバ軸を中心とする半径Ｒk（ｋ＝０・・・Ｍ）の同心円上に、直径ｄkの円孔２がＮk個、等間隔で配列された断面構造を有する。図１では、ｋ＝０・・・５の範囲が示されている。実施の形態１では、径方向の円孔２の数Ｍは、Ｍ＝９であり、Ｒk、ｄk、Ｎkは、いずれも表１に示す値をとる。ファイバの中心に位置する直径ｄ0＝６．０５μｍの空孔がコア３である。コア３の周囲の領域は、シリカガラス４と空孔２とから構成される。この部分は、ファイバ軸に沿って伝搬し、ファイバ軸を中心として外側に放射していく円柱波を反射する円柱波反射鏡を構成する。以下に示すように、円柱波反射鏡５は、平均屈折率の高い円環領域と平均屈折率の低い円環領域が径方向に交互に積み重ねられた構造を有する。シリカガラス４及び空孔２の屈折率は、波長１５５０ｎｍにおいて、それぞれ１．４４４及び１である。
【００７０】
ファイバ軸を中心とする同心円周上に配置された複数の空孔２により、反射鏡５では、平均屈折率の高い円環領域と、平均屈折率の低い円環領域が径方向に交互に存在する。径方向の座標をｒとして、第ｉ円環領域ａi-1＜ｒ＜ａiを、表２のように定義する。第ｉ円環領域に含まれる空孔２の直径ｄiと個数Ｎiは、表２に示す通りである。その結果、平均屈折率ｎavg、及び特性マトリックスの対角成分ｍ11、ｍ22の値は、表２に示す通りとなる。
【００７１】
【表１】
0004211194.tif 000023
【表２】
0004211194.tif 000024
表１は、実施の形態１に係る光ファイバの構造パラメータを示す。また、表２は、実施の形態１における各円環領域の特性，すなわち、平均屈折率ｎavg、径方向伝搬係数κi、光学膜厚δi、特性マトリックスの対角成分ｍ11、ｍ22を示す。
【００７２】
特性マトリックスの対角成分の値は、奇数番目の層でｍ22がほぼ零となり、偶数番目の層でｍ11がほぼ零となるので、擬似４分の１波長条件が満たされている。
【００７３】
このように擬似４分の１波長条件が成立することにより、高い反射率が得られ、光閉じ込めの度合いが向上する。
【００７４】
また、本発明では、微細構造が複数設けられた円環領域とその他の円環領域との平均屈折率差を６．７％と大きくすることができるため、大きな反射率を実現することが可能となる。
【００７５】
さらに、本発明では、主媒質がシリカガラス、副媒質が空気である。そのため、約２０ｍｍの径を有するファイバ母材の一端を加熱して、約１００μｍの径を有するファイバを線引する線引工程によってファイバを製造することができる。その結果、従来技術に比べて、長尺で長手方向に均一な光ファイバを容易に製造することができる。
【００７６】
さらに、本実施形態において、コア径はｄ0＝６．０５μｍであるが、このコア径は円柱波反射鏡における平均屈折率の半径方向の規則的構造による制約を受けない。そのため、コア径がセル径の整数倍に制限される従来の完全ＰＢＧ導波型光ファイバに比べて、コア径の選択範囲が広い。その結果、モード数が閉じ込めの強さに関して、従来技術よりも広い範囲で制御することができる。
【００７７】
また、平均屈折率が高い円環領域と平均屈折率が低い円環領域とを径方向に交互に配置することによって、外向きの円柱波と内向きの円柱波との間でモード結合が生じるため、外向き円柱波を高い反射率で反射して内向き円柱波とすることが可能となる。
【００７８】
次に、実施の形態１に係る光ファイバについてのシミュレーション結果を図２に示す。この光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて導波モードを有し、導波モードのモード屈折率は、ｎeq＝βg／ｋ0＝０．９５０７である。また、導波モードの電界分布は、ステップインデックス型光ファイバにおけるＴＥモード電界分布に類似している。すなわち、電界ベクトルは、ファイバ軸を中心とする円周方向に沿っている。図２では、光パワーの半径方向の分布を、平均屈折率の分布と共に示している。平均屈折率の規則的構造によって、光パワーがコアに閉じ込められている。実施の形態１に係る光ファイバは、コア３が空洞であるため、低い光損失、低い非線型性、低い材料分散という特徴を有する。また、反射鏡５が石英系ガラス４と空孔２で形成されているため、反射鏡５における光損失も小さい。
【００７９】
このように光損失の低い材料を用いることにより、反射鏡における光損失を低減することが可能となる。
【００８０】
また、コア３を空洞とすることによって、空洞部に空気や不活性気体（Ａｒ等）を充填するか、又は真空とすることができるため、伝送損失の低い光伝送路を実現することが可能となる。また、コア３として通常用いられる石英系ガラスではなく、非線型光学効果の発生が無視できる媒質、すなわち、空気、不活性気体、又は真空を空洞部に用いることができるため、非線型光学効果による伝送品質劣化を抑制し、長距離の大容量光通信に好適な光伝送路を実現することが可能となる。さらに、コア３として通常用いられる石英系ガラスでなく、材料の群速度分散が無視できる媒質、すなわち、空気、不活性気体、又は真空を空洞部に用いることができるため、絶対値の小さな波長分散を実現することができ、長距離の大容量光通信に適した光伝送路を実現することが可能となる。なお、石英系ガラスをコアとする通常の光ファイバでは、波長分散の絶対値が小さい場合、４光波混合による伝送品質劣化のため、波長分割多重が困難となる。これに対し、本発明にかかる光ファイバでは、非線型性が低いため、波長分散の絶対値が小さい場合でも４光波混合による伝送品質の劣化が発生せず、波長多重分割を行うことができ、大容量の光通信を行うことができる。
【００８１】
また、円柱波反射鏡を光損失が低いシリカガラスで形成することによって、低損失の光伝送路を実現することができる。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る光ファイバについて説明する。実施の形態２では、図１に示す実施の形態１と同様に、ファイバ軸を中心とする半径Ｒk（ｋ＝０・・・Ｍ）の同心円上に、直径ｄkの円孔２がＮk個、等間隔で配列された断面構造を有する。しかし、実施の形態２は、各構造パラメータが実施の形態１とは異なる。すなわち、実施の形態２では、径方向の円孔２の数Ｍは、Ｍ＝９であり、Ｒk、ｄk、Ｎkは、いずれも表３に示す値をとる。ファイバの中心に位置する直径ｄ0＝８．４１μｍの空孔がコア３である。コア３の周囲の領域は、シリカガラス４と空孔２とから構成される反射鏡５となる。シリカガラス４及び空孔２の屈折率は、波長１５５０ｎｍにおいて、それぞれ１．４４４及び１である。
【００８２】
ファイバ軸を中心とする同心円周上に配置された複数の空孔２により、反射鏡５では、平均屈折率の高い円環領域と平均屈折率の低い円環領域が径方向に交互に存在する。径方向の座標をｒとして、第ｉ円環領域ａi-1＜ｒ＜ａiを、表４のように定義する。第ｉ円環領域に含まれる空孔２の直径ｄiと個数Ｎiは、表４に示す通りである。その結果、平均屈折率ｎavg、及び特性マトリックスの対角成分ｍ11、ｍ22の値は、表４に示す通りとなる。
【００８３】
【表３】
0004211194.tif 000025
【表４】
0004211194.tif 000026
表３は、実施の形態２に係る光ファイバの構造パラメータを示す。また、表４は、実施の形態２における各円環領域の特性，すなわち、平均屈折率ｎavg、径方向伝搬係数κi、光学膜厚δi、特性マトリックスの対角成分ｍ11、ｍ22を示す。
【００８４】
特性マトリックスの対角成分の値は、奇数番目の層でｍ11がほぼ零となり、偶数番目の層でｍ22がほぼ零となるので、擬似４分の１波長条件が満たされている。
【００８５】
このように擬似４分の１波長条件が成立することにより、高い反射率が得られ、光閉じ込めの度合いが向上する。
【００８６】
次に、実施の形態２に係る光ファイバについてのシミュレーション結果を図３に示す。この光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて導波モードを有し、導波モードのモード屈折率は、ｎeq＝０．９８９９である。また、導波モードの電界分布は、ステップインデックス型光ファイバにおけるＬＰ０１モード電界分布に類似している。すなわち、断面内の電界はほぼ一定の方向を向いている。この方向に向かってｙ座標を、断面内でこれに垂直な方向にｘ座標をとる。図３では、光パワーの径方向の分布を、平均屈折率の分布と共に示している。平均屈折率の規則的構造によって、光パワーがコアに閉じ込められている。
【００８７】
実施の形態２に係る光ファイバは、コア３が空洞であるため、低い光損失、低い非線型性、低い材料分散という特徴を有する。また、反射鏡５がシリカガラス４と空孔２で形成されているため、反射鏡５における光損失が小さく、反射率が高い。また、主媒質がシリカガラス、副媒質が空気であるため、線引によって長尺かつ長手方向に均一な光ファイバを従来に比べて容易に製造することができる。
【００８８】
図４は、実施の形態２に係る光ファイバの波長分散Ｄとモードフィールド径ＭＦＤの対波長特性を示す図である。モードフィールド系ＭＦＤが波長１６００ｎｍ付近で最も小さくなることは、反射鏡５の反射波長帯域が１６００ｎｍを中心に存在していることを示す。また、波長１５５０ｎｍより短波長側と、１７００ｎｍより長波長側の波長帯域でモードフィールド系ＭＦＤが増大していることは、これらの波長帯域では、擬似４分の１波長条件が満たされなくなることによって光閉じ込めが弱くなっていることを示す。
【００８９】
光波長が反射波長帯域から離れることによって光閉じ込めが弱くなる結果、ファイバ外部への漏洩による光損失が増大する。従って、光波長が反射波長帯域から遠ざかるのに伴って光損失が増大する。その結果、反射波長帯域を透過帯域とする光フィルタや、光損失の波長依存性を利用した利得等化器が実現される。
【００９０】
さらに、反射波長帯域から離れるに従って、波長分散の絶対値が大きくなると共に、モード群屈折率が大きくなる。その結果、波長分散及び波長分散スロープは、反射波長帯域の短波長側で負、長波長側で正となる。このような光ファイバの特性は、光伝送路の波長分散及び波長分散スロープの補償に好適である。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る光ファイバについて説明する。実施の形態３では、図１に示す実施の形態１と同様に、ファイバ軸を中心とする半径Ｒk（ｋ＝０・・・Ｍ）の同心円上に、直径ｄkの円孔２がＮk個、等間隔で配列された断面構造を有する。しかし、実施の形態３は、各構造パラメータが実施の形態１とは異なる。すなわち、実施の形態３では、径方向の円孔２の数Ｍは、Ｍ＝９であり、Ｒk、ｄk、Ｎkは、いずれも表５に示す値をとる。ファイバの中心に位置する直径ｄ0＝７．３６μｍの円環領域は、純粋石英ガラスであり、これがコア３となる。コア３の周囲の領域は、Ｇｅが３０ｍｏｌ％添加されたシリカガラス４と空孔２とから構成される反射鏡５となる。以下に示すように、反射鏡５は、平均屈折率の高い円環領域と平均屈折率の低い円環領域が径方向に交互に積み重ねられた構造を有する。純粋シリカガラス、Ｇｅが３０ｍｏｌ％添加されたシリカガラス、及び空孔の屈折率は、波長１５５０ｎｍにおいて、それぞれ１．４４４、１．４８８、及び１である。
【００９１】
ファイバ軸を中心とする同心円周上に配置された複数の空孔２により、反射鏡５では、平均屈折率の高い円環領域と平均屈折率の低い円環領域が径方向に交互に存在する。径方向の座標をｒとして、第ｉ円環領域ａi-1＜ｒ＜ａiを、表６のように定義する。第ｉ円環領域に含まれる空孔２の直径ｄiと個数Ｎiは、表６に示す通りである。その結果、平均屈折率ｎavg、及び特性マトリックスの対角成分ｍ11、ｍ22の値は、表６に示す通りとなる。
【００９２】
【表５】
0004211194.tif 000027
【表６】
0004211194.tif 000028
表５は、実施の形態３に係る光ファイバの構造パラメータを示す。また、表６は、実施の形態３における各円環領域の特性，すなわち、平均屈折率ｎavg、径方向伝搬係数κi、光学膜厚δi、特性マトリックスの対角成分ｍ11、ｍ22を示す。
【００９３】
特性マトリックスの対角成分の値は、奇数番目の層でｍ11がほぼ零となり、偶数番目の層でｍ22がほぼ零となるので、擬似４分の１波長条件が満たされている。
【００９４】
このように擬似４分の１波長条件が成立することにより、高い反射率が得られ、光閉じ込めの度合いが向上する。
【００９５】
次に、実施の形態３に係る光ファイバについてのシミュレーション結果を図５に示す。この光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて導波モードを有し、導波モードのモード屈折率は、ｎeq＝１．４３５９である。また、導波モードの電界分布は、ステップインデックス型光ファイバにおけるＬＰ０１モード電界分布に類似している。すなわち、断面内の電界はほぼ一定の方向を向いている。この方向に向かってｙ座標を、断面内でこれに垂直な方向にｘ座標をとる。図５では、光パワーの径方向の分布を、平均屈折率の分布と共に示している。平均屈折率の規則的構造によって、光パワーがコアに閉じ込められている。
【００９６】
実施の形態３に係る光ファイバは、コア３となる部分がシリカガラスであるため、低い光損失を実現できる。また、反射鏡５が石英系ガラスと空孔とで構成されるため、反射鏡５における光損失が小さく、反射率が高い。さらに、主媒質がシリカガラスであり、副媒質が空気であるため、線引によって長尺かつ長手方向に均一なファイバを従来に比べて容易に製造できる。
【００９７】
また、実施の形態３に係る光ファイバでは、コアとなる部分にＥｒなどの元素を添加することによって、コアを利得媒質とすることができる。通常、利得媒質における利得は波長依存性を有する。一方、実施の形態２で示した機構と同じ機構で実施の形態３に係る光ファイバでは、光損失の波長依存性が存在する。従って、利得の波長依存性を打ち消すように光損失の波長依存性を設計することによって、波長依存性の少ない利得特性を実現することができる。
【００９８】
このように、本発明では、波長依存性を有する光損失を実現することができるため、コア領域が利得媒質で形成される場合に、利得の波長依存性を打ち消すように損失の波長依存性を設計することによって、波長依存性の少ない利得特性を得ることが可能となる。その結果、長距離の大容量光通信に好適な波長依存性の少ない利得特性を持つ光増幅器を実現できる。
【００９９】
また、実施の形態３に係る光ファイバでは、コアとなる部分を、内部コアと、この内部コアを包囲し内部コアよりも低い屈折率を有する外部コアで構成することにより、導波路を円柱波反射鏡で包囲した構造を実現することができる。波長分散や実効コア断面積などの導波路特性の実現可能な範囲は、曲げ損失によって制限される場合が多いが、そのような場合、導波路を反射鏡で包囲することによって曲げ損失を低減し、より広い範囲の導波路特性を実現することができる。さらに、導波路を低屈折率媒質で包囲した場合は、高次モードのカットオフ特性が劣化するのに対し、この光ファイバでは、円柱波反射鏡の反射率がモード選択性を有するので、円柱波反射鏡が基本モードを選択的に反射するように設計することにより、高次モードのカットオフ特性を劣化させることなく、基本モードの曲げ損失を低減することが可能である。
【０１００】
なお、本発明に係る光ファイバを用いて帯域透過型フィルタを構成することが可能である。本発明に係る光ファイバでは、擬似４分の１波長条件が満たされない波長の光は、円柱波反射鏡によって反射されないため、漏洩による大きな伝送損失を被る。このため、本発明に係る光ファイバを、擬似４分の１波長条件を満たすことができる波長帯域、すなわち反射波長帯域にある光だけを透過する光フィルタとして用いることができる。
【０１０１】
また、本発明に係る光ファイバを用いて利得等化器を構成することが可能である。擬似４分の１波長条件は、円柱波反射鏡の反射率が大きくなる条件である。従って、擬似４分の１波長条件を満たさない光でも、円環領域の光学膜厚が４分の１波長に近い場合、円柱波反射鏡は小さな反射率を有する。光波長が反射波長帯域から離れるに従って反射率は低下し、漏洩による光損失が増大する。この性質を用いて波長依存性を有する光損失特性を実現することができる。波長依存性を有する光損失特性は、波長多重分割光通信において、波長チャネル間の光パワー偏差を縮小するのに用いることが可能である。これにより、波長帯域を拡大して大容量光通信を実現することができる。
【０１０２】
また、本発明に係る光ファイバ及びそれと逆符号の波長分散を有する光ファイバを組み合わせて光伝送路を構成することができる。本発明の光ファイバでは、反射波長帯域の端の近傍において、大きな波長分散が実現でき、反射波長帯域の両側で波長分散の符号は異なるので、正負の波長分散を実現することができる。これにより、光伝送路が持つ正負いずれの分散も補償することが可能となる。そのため、逆符号の波長分散を持つ光ファイバと組み合わせて累積波長分散が小さく、伝送容量が大きい光伝送路を実現することができる。
【０１０３】
以上のように、本発明によれば、大きな平均屈折率差が得られると共に、大きな反射率を実現することが可能となる。複数の微細構造によって反射鏡を構成するという点では、従来の完全ＰＢＧ光ファイバに近似しているが、複数の微細構造が円柱波反射鏡の断面内で並進対称性を有さないように分布しているという点で著しく異なる。本発明では、並進対称性を有さないことによって、コア径を選択する範囲が大きくなる。その結果、導波されるモード数及び導波モードの光閉じ込めの程度を広い範囲で制御することが可能となる。また、主媒質としてシリカガラス、副媒質として気体又は真空を選ぶことにより、線引によって長尺かつ長手方向に均一な光ファイバを、従来に比べて容易に製造することができる。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光ファイバは、ファイバ軸を中心とする同心円で囲まれる平均屈折率が高い円環領域と平均屈折率が低い円環領域とが断面内に交互に配置されている円柱波反射鏡によってファイバ軸が囲まれ、円柱波反射鏡における半径方向の平均屈折率分布は円柱波をブラッグ反射するように規則的構造を有し、円柱波反射鏡を構成する少なくとも一つの円環領域の主媒質中には副媒質からなる断面が円孔状の複数の微細構造が設けられ、円柱波反射鏡と微細構造はファイバ軸に沿って伸びる光ファイバにおいて、複数の微細構造が円柱波反射鏡の断面内で並進対称性を有さないように分布している構成を採る。
【０１０５】
これにより、大きな屈折率差が得られると共に、大きな反射率を実現することが可能となる。複数の微細構造によって反射鏡を構成するという点では、従来の完全ＰＢＧ光ファイバに近似しているが、本発明では、複数の微細構造が円柱波反射鏡の断面内で並進対称性を有さないように分布しているという点で著しく異なる。本発明では、並進対称性を有さないことによって、コア径を選択する範囲が大きくなる。その結果、導波されるモード数及び導波モードの光閉じ込めの程度を広い範囲で制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光ファイバの断面図である。
【図２】上記実施の形態１に係る光ファイバについてのシミュレーション結果を示す図である。
【図３】実施の形態２に係る光ファイバについてのシミュレーション結果を示す図である。
【図４】実施の形態２に係る光ファイバの波長分散Ｄとモードフィールド径ＭＦＤの対波長特性を示す図である。
【図５】実施の形態３に係る光ファイバについてのシミュレーション結果を示す図である。
【図６】本発明に係る光ファイバにける円環領域の厚さと平均屈折率とを示す図である。
【図７】屈折率ｎi、厚さｔiを有する多層膜を示す図である。
【符号の説明】
１…光ファイバ、２…空孔、３…コア、４…シリカガラス、５…円柱波反射鏡。
【図１】
0004211194.tif 000029
【図２】
0004211194.tif 000030
【図３】
0004211194.tif 000031
【図４】
0004211194.tif 000032
【図５】
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【図６】
0004211194.tif 000034
【図７】
0004211194.tif 000035