(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッド領域、該クラッド領域に比較して高屈折率であるコア領域、及び前記クラッド領域内に形成され前記コア領域に並行して延びるとともに該コア領域を中心として等間隔もしくは対称に配置されている二以上の空孔を有する空孔付き光ファイバと、前記空孔付き光ファイバに超音波を励振する超音波励振手段とから構成され、
前記空孔付き光ファイバの空孔の直径が所望の帯域幅に応じて設定され、
前記超音波励振手段に付与する超音波周波数を変化させることによって、中心波長を変化させる波長可変光フィルタであって、
前記コア領域の直径が９．０μｍ、前記コア領域と前記クラッド領域の比屈折率差が０．３５％、前記コア領域の中心から前記空孔までの距離が９．０μｍであり、
前記空孔付き光ファイバの空孔の直径ｄが下記の範囲を満足することを特徴とする波長可変光フィルタ。
【数１】
0004949997.tif 000007
但し、θは下式にて定義される値、ｒは前記コア領域の直径、ｃは前記空孔の内接円の直径、Ｎは前記内接円に内接する前記空孔の数である。
【数２】
0004949997.tif 000008
【請求項２】
前記空孔付き光ファイバの長手方向と直交する平面内の任意の直交する二軸における実効的な屈折率分布が互いに異なる
ことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光伝送又は光回路における音響光学効果を利用した波長可変光フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
光フィルタは任意の波長の光波の遮断または透過を行う光デバイスであり、光通信、光回路など幅広い分野で利用されている。光フィルタは適用される状況に応じて柔軟に対応できるように、その動作波長を任意に制御できることが望まれる。
【０００３】
従来、動作波長を任意に制御できる光フィルタとして、例えば非特許文献１に示される音響光学効果を利用した波長可変光フィルタが提案されている。このような音響光学効果を用いた波長可変光フィルタによれば、光ファイバまたは音響光学結晶と呼ばれる光学結晶に与える超音波振動の周波数を変化させることで、動作波長を変化させることができる。
【０００４】
特に光ファイバを用いた上述の光フィルタは入出力の光ファイバとの接続性に優れ、挿入損失を低減できるといった利点を有する。
【０００５】
【非特許文献１】D.Ostling, H.Engan著「Narrow-band acousto-optic tunablefiltering in a two-mode fiber」、Optics Letters, vol. 20, no. 11、1995年6月、p.1247-1249
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したような従来の音響光学効果を用いた波長可変光フィルタにおいては、光フィルタを実現する帯域幅を変化させることは困難であり、またその帯域幅は数nm程度に限られるといった問題があった。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するものであって、帯域幅を広帯域に制御することが可能な波長可変光フィルタ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】
本発明の空孔付き光ファイバを用いた波長可変光フィルタでは、超音波振動を与える媒体として空孔付き光ファイバを用い、該空孔付き光ファイバの空孔構造によって帯域幅を制御することによって課題を解決する。
【０００９】
即ち、上記の課題を解決するための第１の発明に係る波長可変光フィルタは、クラッド領域、該クラッド領域に比較して高屈折率であるコア領域、及び前記クラッド領域内に形成され前記コア領域に並行して延びるとともに該コア領域を中心として等間隔もしくは対称に配置されている二以上の空孔を有する空孔付き光ファイバと、前記空孔付き光ファイバに超音波を励振する超音波励振手段とから構成され、前記空孔付き光ファイバの空孔の直径が所望の帯域幅に応じて設定され、前記超音波励振手段に付与する超音波周波数を変化させることによって、中心波長を変化させる波長可変光フィルタであって、前記コア領域の直径が９．０μｍ、前記コア領域と前記クラッド領域の比屈折率差が０．３５％、前記コア領域の中心から前記空孔までの距離が９．０μｍであり、前記空孔付き光ファイバの空孔の直径ｄが下記の範囲を満足することを特徴とする。
【００１２】
【数１】
0004949997.tif 000002
【００１３】
但し、θは下式を満足する係数、ｒは前記コア領域の直径、ｃは前記空孔の内接円の直径、Ｎは前記内接円に内接する前記空孔の数である。
【００１４】
【数２】
0004949997.tif 000003
【００１６】
上記の課題を解決するための第２の発明に係る波長可変光フィルタは、第１の発明において、前記空孔付き光ファイバの長手方向と直交する平面内の任意の直交する二軸における実効的な屈折率分布が互いに異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、超音波を励振する光ファイバを空孔付き光ファイバとすることにより、動作波長を任意の値に制御することができるといった効果を奏する。さらに、空孔付き光ファイバを用いることによって、光フィルタの帯域幅を、数十〜数百nmといった非常に広帯域な帯域幅とすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
〔第１の実施形態〕  
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。図１は光ファイバに超音波振動を与えることによって実現する光フィルタの構成例を表す概略図、図２は超音波周波数の変化による等価スペクトルの変化を示すグラフ、図３は光ファイバにおける基本モードおよび第１高次モード間のビート長Ｌbの波長依存性を表す特性図、図４は本実施形態に係る波長可変光フィルタに用いる空孔付き光ファイバ(hole-assisted fiber：ＨＡＦ)の断面図、図５は空孔付き光ファイバにおけるモード間ビート長Ｌbの微係数ｄＬb/ｄλおよび帯域幅の空孔構造依存性を表すグラフ、図６は光ファイバに超音波を励振したときの透過スペクトルを表すグラフである。
【００１９】
図１に示すように、空孔付き光ファイバ１の一端に光源２が接続され、空孔付き光ファイバ１の他端に受光器３が接続されるとともに、超音波励振手段としての超音波励振装置４が設けられて空孔付き光ファイバ１に超音波を励振するようになっている。なお、超音波励振装置４は、高周波電源４ａ及び超音波励振部４ｂから構成されている。
【００２０】
本実施形態において空孔付き光ファイバ１は、図４に示すようにコア領域１１ａと該コア領域の周囲に複数（ここでは６箇所）の空孔１１ｃが形成されたクラッド領域１１ｂとからなる構造のものを用いた。空孔１１ｃはコア領域１１ａに並行して延びるとともに該コア領域１１ａを中心として等間隔に配置されている。なお、コア領域１１ａはクラッド領域１１ｂに比較して高屈折率であるものとする。
【００２１】
図１に示す波長可変光フィルタにおいて、超音波励振装置４から空孔付き光ファイバ１に超音波振動を与えると、該空孔付き光ファイバ１の超音波励振部４ｂ付近には、超音波の波長を周期としたグレーティングが形成される。このグレーティング部では、光源２から入力される光波の実効屈折率ｎ0と光ファイバの高次モードの実効屈折率ｎmとが次式（１）を満たすとき、入力された光波がｍ次の高次モードに変換される。
【００２２】
【数３】
0004949997.tif 000004
【００２３】
ここで、λは光波の波長、Λは超音波の波長、ｆは超音波の周波数を表す。また、Ｌbは入力光とｍ次の高次モードとの間のビート長（以下、モード間ビート長ともいう）を表し、式（１）の右辺の項で定義される。光ファイバに超音波を励振することによって生じた高次モードは、単一モードファイバでは伝搬できないため、図１に示すように光ファイバ中で漏洩する。
【００２４】
モード間ビート長Ｌbは波長依存性を有するため、図２に示すように、ある波長（例えば、図２では中心波長λ1）のみで損失を有する光フィルタとして機能する。超音波励振装置４によって空孔付き光ファイバ１に励振する超音波の周波数ｆを変化させることによって、式（１）を満たす光波の波長λが変化するので、超音波周波数ｆを制御することで、例えば図２に示す実線で表す動作波長から破線で表す動作波長に変化させる等、光波の動作波長を任意の波長λで動作させることができる。
【００２５】
音響光学効果を用いた光フィルタでは、動作波長は式（１）に示したとおり、超音波の波長Λとモード間ビート長Ｌbで決定される。また動作時の波長可変光フィルタの帯域幅Δλは、次式（２）で表される。
【００２６】
【数４】
0004949997.tif 000005
【００２７】
ここでＬはモード変換時の相互作用長を表す。式（２）に示されるように、波長可変光フィルタの帯域幅Δλはモード間ビート長Ｌbの光波の波長λに対する１階微分に反比例する。したがって、モード間ビート長Ｌbが波長に対して急峻なほど波長可変光フィルタの帯域幅Δλは狭くなり、緩やかに変化するほど波長可変光フィルタの帯域幅Δλは大きくなる。
【００２８】
図３を用いて本実施形態に係る波長可変光フィルタのモード間ビート長Ｌbの波長依存性について説明する。図３中、破線および点線で示す値は図１に示す本実施形態に係る波長可変光フィルタ、即ち、空孔付き光ファイバ１を用いた場合のモード間ビート長Ｌbの波長依存性を示しており、破線は空孔１１ｃの直径ｄを４．５μｍとした場合、点線は空孔１１ｃの直径ｄを１３．５μｍとした場合のものである。また、比較のため、図１に示す波長可変光フィルタの空孔付き光ファイバ１に代えて１．３１μｍ帯零分散単一モードファイバ(single-mode fiber：ＳＭＦ)を用いた場合の値を実線で示す。
【００２９】
図３に示すように、空孔付き光ファイバ１のモード間ビート長Ｌbは１．３１μｍ帯零分散単一モードファイバに比べて、モード間ビート長Ｌbの波長依存性が小さいことが分かる。したがって上述した式（２）の関係から、空孔付き光ファイバ１を用いることによって、１．３１μｍ帯零分散単一モードファイバに比べて波長可変光フィルタの帯域幅Δλを大きくすることができることが分かる。
【００３０】
また、図３に破線および点線で表される値を比較すると、空孔付き光ファイバ１の構造が異なることによって、モード間ビート長Ｌbの波長依存性が異なっていることが確認できる。このことから、空孔付き光ファイバ１の空孔構造を調整することでモード間ビート長Ｌbの１階微分を制御することができ、波長可変光フィルタの帯域幅Δλを制御することができることが分かる。
【００３１】
図５を用いて本実施形態の空孔付き光ファイバ１におけるモード間ビート長Ｌbの微係数ｄＬb/ｄλおよび帯域幅Δλの空孔構造依存性について説明する。図５中、実線および破線はそれぞれ空孔付き光ファイバ１におけるモード間ビート長Ｌbの微係数ｄＬb（λ）/ｄλおよび規格化帯域幅（１．３１μｍ帯零分散単一モード光ファイバの帯域幅に対する空孔付き光ファイバの帯域幅の比率ΔλHAF／ΔλSMF）を表し、それぞれ左縦軸および右縦軸に対応する。
【００３２】
なお、図５に示す値は、有限要素法による数値計算および式（１）、式（２）を用いて算出した理論値である。具体的には、有限要素法によって式（１）中のｎ0及びｎm（ここでは、ｍ＝１）を求め、得られたｎ0及びｎmの値と式（２）とから得た結果である。具体的には、コア領域１１ａの直径を９．０μｍ、コア領域１１ａとクラッド領域１１ｂの比屈折率差を０．３５％、コア領域１１ａの中心から空孔１１ｃまでの距離を９．０μｍとして算出した値である。
【００３３】
図５中実線で示すように、空孔１１ｃの直径ｄを大きくすることで微係数ｄＬb（λ）/ｄλを低減させることができることが確認できる。式（２）から、モード間ビート長Ｌbの微係数が小さくなるほど波長可変光フィルタの帯域幅Δλは大きくなるため、空孔１１ｃの直径ｄを大きくすることで波長可変光フィルタの帯域幅Δλを拡大することができることがわかる。
【００３４】
また、図５中破線で示すように、空孔構造によって帯域幅Δλを大きく変化させることができることがわかる。特に空孔１１ｃの直径ｄをコア領域の直径ｒの０．２倍以上とすることで、帯域幅Δλを１．３１μｍ帯零分散単一モードファイバの１０倍以上とすることができる。即ち、一例として空孔１１ｃの直径ｄを制御することにより所望の帯域幅Δλを得ることができる。但し、空孔１１ｃの直径ｄは、以下の式（３）、式（４）に示す条件を満たす必要がある。
【００３５】
【数５】
0004949997.tif 000006
【００３６】
ここで、ｃは空孔１１ｃの内接円の直径、Ｎは内接円に内接する空孔の数である。
【００３７】
図６を用いて本実施形態による作用効果について説明する。図６中、破線および点線で示す値は、図１に示す波長可変光フィルタに図４に示す空孔付き光ファイバ１を用いた場合に対応し、破線および点線はそれぞれ図３と同様、破線は空孔１１ｃの直径が４．５μｍ、点線は空孔１１ｃの直径が１３．５μｍの空孔付き光ファイバ１を用いた場合に対応する。また、図６中実線で示す値は図１に示す空孔付き光ファイバ１に代えて、１．３１μｍ帯零分散単一モードファイバを用いた場合に対応する。なお、図６中の実線および破線はそれぞれ異なる周波数の超音波を励振したときの透過スペクトルを表す。
【００３８】
図６から、光ファイバに励振する超音波の周波数ｆを変化させることで、光フィルタとして動作する波長が変化していることが確認できる。また実線と破線および点線を比較すると、空孔付き光ファイバ１を用いることによって、フィルタの効果が得られる帯域幅Δλが拡がっていることが確認できる。また破線で示す値と点線で示す値とを比較すると、破線で示す値のほうが点線で示す値よりも広い波長でフィルタとして動作していることが確認できる。このことから、空孔構造によって波長可変光フィルタの帯域幅Δλを制御できることが分かる。
【００３９】
〔第２の実施形態〕
図７を用いて本発明の第２の実施形態を説明する。図７は空孔付き光ファイバの構造例を示す断面図である。本実施形態は、図１に示す波長可変光フィルタの空孔付き光ファイバ１として、図７に示す空孔付き光ファイバ１を用いる例である。その他の構成は上述した第１の実施形態と概ね同様であり、重複する説明は省略する。
【００４０】
図７に示す空孔付き光ファイバ１の構造は均一な材料（ガラス等）からなるクラッド領域１２ｂ又は１３ｂ中に複数の空孔１２ｃ又は１３ｃを形成してなるものであり、空孔１２ｃ又は１３ｃの配置は、いずれも空孔付き光ファイバ１の長手方向（換言すると、軸方向）に直交する面内においてコア領域１２ａ又は１３ａを中心として正多角形状に対称性を有している。
【００４１】
図７(a)に示す構造では空孔層が平均的に屈折率を下げ、コア領域１２ａに光波を閉じ込めて伝搬する。図７(b)に示す構造では空孔層が周期的に配列され、周期配列によって生じるフォトニックバンドギャップを利用して光波を中空のコア領域１３ａに閉じ込める。
【００４２】
図７の構造はどちらも空孔構造によってモード間ビート長Ｌbを制御することができる。したがって、図７に示す構造を有する空孔付き光ファイバ１を用いても第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４３】
〔第３の実施形態〕
図８を用いて本発明の第３の実施形態を説明する。図８は偏波依存性を有する空孔付き光ファイバの構造例を示す断面図である。本実施形態は、図１に示す波長可変光フィルタの空孔付き光ファイバ１として、図８に示す空孔付き光ファイバ１を用いる例である。その他の構成は上述した第１の実施形態と概ね同様であり、重複する説明は省略する。
【００４４】
図８(a)および(b)に示す空孔付き光ファイバ１の構造はどちらもコア領域１４ａ又は１５ａの周囲のクラッド領域１４ｂ又は１５ｂに、直径の異なる２種の空孔１４ｃと１４ｄ、１５ｃと１５ｄが形成されてなるものである。
【００４５】
図８(a)に示す空孔付き光ファイバ１は、コア領域１４ａを挟んで対向するように配置された二対の空孔１４ｃと、同じくコア領域１４ａを挟んで対向するように配置された一対の空孔１４ｄとを有し、空孔１４ｃ及び１４ｄがそれぞれコア領域１４ａから略等間隔の位置に形成されたものである。なお、図８(a)に示すコア領域１４ａは、クラッド領域１４ｂに比較して高屈折率とする。
【００４６】
また、図８(b)に示す空孔付き光ファイバ１は、コア領域１５ａに対してほぼ対称に配置された複数（ここでは５８個）の空孔１５ｃと、コア領域１５ａを挟んで対向するように配置された一対の空孔１５ｄとを有している。
【００４７】
図８(a)および(b)に示す空孔付き光ファイバ１は、長手方向に直交する面内において、いずれも空孔の配列が正多角形状（図８では正六角形状）に対称性を有する配列に対して一部変化しているため、空孔付き光ファイバ１の長手方向に直交する平面内の任意の直交する２軸で実効的な屈折率分布が異なり、上記２軸のそれぞれを主軸とする偏波の間で光学特性が変化している。これにより、モード間ビート長Ｌbの波長依存性についても偏波によって変化する。
【００４８】
従って、図８に示すような構造の空孔付き光ファイバ１を用いて音響光学効果を利用した波長可変光フィルタを構成すれば、入力偏波によって特性が変化する波長可変光フィルタを提供することができる。
【００４９】
なお、上述した実施形態においては図１に示す波長可変光フィルタに用いる空孔付き光ファイバ１として、図４、図７及び図８に示す構造を有する空孔付き光ファイバを適用する例を示したが、空孔付き光ファイバの構造は図４、図７及び図８に示すものに限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の構造の空孔付き光ファイバを用いることが可能であることはいうまでもない。
【００５０】
例えば、コア領域の直径を可変として他のパラメータを固定した場合、また、比屈折率差を可変として他のパラメータを固定した場合、空孔間隔を可変として他のパラメータを固定した場合、空孔数を可変として他のパラメータを固定した場合等、それぞれの条件によって帯域幅が所望の幅になるように空孔付き光ファイバの構造を設定すれば好適である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
光通信および光回路における波長可変光フィルタに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係る音響光学効果を用いた波長可変光フィルタの構成例を表す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る音響光学効果を用いた波長可変光フィルタによる超音波周波数の変化による等価スペクトルの変化を示すグラフである。
【図３】本発明の波長可変光フィルタに関わる、基本モードおよび第１高次モード間のビート長を表す特性図である。
【図４】本発明の波長可変光フィルタに関わる、空孔付き光ファイバの構造例を示す概略断面図である。
【図５】空孔付き光ファイバにおけるモード間ビート長Ｌbの微係数ｄＬb/ｄλおよび帯域幅の空孔構造依存性を表すグラフである。
【図６】本発明の波長可変光フィルタに関わる、空孔付き光ファイバのビート長の微係数および帯域幅の空孔構造依存性を表す特性図である。
【図７】本発明の波長可変光フィルタに関わる、空孔付き光ファイバの構造例を示す概略断面図である。
【図８】本発明の波長可変光フィルタに関わる、偏波依存性を有する空孔付き光ファイバの構造例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  光ファイバ
２  光源
３  受光部
４  超音波励振装置
４ａ  高周波電源
４ｂ  超音波励振部
１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ  コア領域
１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ  クラッド領域
１１ｃ，１２ｂ，１３ｃ，１４ｃ，１４ｄ，１５ｃ，１５ｄ  空孔
【図１】
0004949997.tif 000009
【図２】
0004949997.tif 000010
【図３】
0004949997.tif 000011
【図４】
0004949997.tif 000012
【図５】
0004949997.tif 000013
【図６】
0004949997.tif 000014
【図７】
0004949997.tif 000015
【図８】
0004949997.tif 000016