(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドであって、光を前記コアに閉じ込めるように所定の間隔をあけて配列した格子孔を有するクラッドとを備えた偏波保持光ファイバであって、
前記格子孔のうちの、前記コアを挟んで対向する前記コア近傍の一対の格子孔の径は、前記格子孔のうちの他のものの径よりも大きく、かつ前記所定の格子間隔よりも大きいことを特徴とする偏波保持光ファイバ。
【請求項２】
前記クラッドは、フォトニック結晶構造クラッドであることを特徴とする請求項１に記載の偏波保持光ファイバ。
【請求項３】
前記一対の格子孔の径と、前記格子孔のうちの他のものの径との和は、前記所定の格子間隔の２倍よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の偏波保持光ファイバ。
【請求項４】
コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドであって、光を前記コアに閉じ込めるように所定の間隔をあけて配列した格子孔を有するクラッドとを備えた絶対単一偏波光ファイバであって、
前記格子孔のうちの、前記コアを挟んで対向する前記コア近傍の一対の格子孔の径は、前記格子孔のうちの他のものの径よりも大きく、かつ前記所定の格子間隔よりも大きく、前記一対の格子孔の一方または両方の内側に、金属膜層を配していることを特徴とする絶対単一偏波光ファイバ。
【請求項５】
コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドであって、光を前記コアに閉じ込めるように所定の間隔をあけて配列した格子孔を有するクラッドとを備えた絶対単一偏波光ファイバであって、
前記格子孔のうちの、前記コアを挟んで対向する前記コア近傍の一対の格子孔の径は、前記格子孔のうちの他のものの径よりも大きく、かつ前記所定の格子間隔よりも大きく、前記一対の格子孔の一方または両方の内側に、屈折率の異なる２種類の媒質が交互に重ねられた多層膜を配していることを特徴とする絶対単一偏波光ファイバ。
【請求項６】
前記クラッドは、フォトニック結晶構造クラッドであることを特徴とする請求項４または５に記載の絶対単一偏波光ファイバ。
【請求項７】
前記一対の格子孔の径と、前記格子孔のうちの他のものの径との和は、前記所定の格子間隔の２倍よりも小さいことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の絶対単一偏波光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は伝送媒体および光デバイスに関し、より具体的には、光通信ネットワークおよび光信号処理に用いられ、偏波状態を保持したまま光の伝送ならびに合流および分岐を行う偏波保持光ファイバおよび絶対単一偏波光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
偏波保持光ファイバは、単一モード光ファイバ中の応力分布に異方性を持たせることにより、コア内で直交する２方向に偏波したモードの縮退を解いて、両モードの伝搬定数に差を持たせるものである。これにより、２つのモードが区別されるため、ある偏波に一致した光が光ファイバに入射されると、その偏波のみが保持されたまま伝搬する。
【０００３】
この偏波保持光ファイバの代表的なものとしては、PANDAファイバが知られている。しかし、PANDAファイバは、製造過程で光ファイバの母材（クラッド）のコア部直近の２箇所に孔をあけ、さらにその孔に応力付与材を押し込んでファイバを生成するという高度な技術を必要とする。特に、母材に応力付与材を押し込む過程が偏波保持光ファイバの生産性を妨げる大きな要因となっている。このような理由から、PANDAファイバの価格は通常の単一モードファイバの１００倍以上にもなっている。また、PANDAファイバ構造によって生じる直交偏波モードの伝搬定数差はそれほど大きくはなく、両モード間のクロストークを−３０ｄＢ以上とするのは困難である。
【０００４】
従って、PANDAファイバは、信号パルスを長距離にわたって単一偏波を保持したまま伝送することが困難であることから、単一偏波の伝送路としては用いられていない。このようなPANDAファイバにおける製造の困難性に鑑み、現在、様々な構造のクラッドを有する光ファイバの開発が行われている。
【０００５】
図４は、フォトニック結晶構造による従来の偏波保持光ファイバの構造を示す断面図である。この偏波保持光ファイバは、コア部４１、フォトニック結晶構造クラッド４２およびジャケット部４３から構成されている。本図において、フォトニック結晶構造クラッド４２は、中心から外周へ向かう破線により４つの分割部分４２ａ、４２ｂ、４２ｃおよび４２ｄに分割されている。
【０００６】
この分割部分４２ａ、４２ｂ、４２ｃおよび４２ｄにおいて、図中○印で示す格子孔からなる回折格子の格子間隔Λは全て同一である。但し、第１の対向する分割部分４２ａおよび４２ｃにおける各格子孔の径ｄ２は、これに隣接する第２の対向する分割部分４２ｂおよび４２ｄにおける各格子孔の径ｄ１よりも大きい（ｄ２＞ｄ１）。このような構造とすることで、ｘ方向とｙ方向に伝搬定数差を生じさせ、偏波保持機能が実現できる。
【０００７】
図５は、上述した偏波保持光ファイバの空孔の径の比を変えた場合における、モード複屈折率の変化を計算した図である。なお、この計算の詳細は、「偏波保持機能を有する空孔光ファイバ」（川西、岡本、２０００年電子情報通信学会通信ソサイティ大会Ｎｏ．Ｂ−１０−１５３）に示されている。
【０００８】
モード複屈折率Ｂは、ファイバ内の直交する２つの偏波モード（ＨＥ１１ｘモードおよびＨＥ１１ｙモード）に対応する伝搬定数をβｘ、βｙとしたとき、
Ｂ＝（βｘ−βｙ）／ｋ        （ｋは波数）
で表される。ここで、計算には有限要素法を用いた。
【０００９】
本図に示すように、偏波保持特性の指標であるモード複屈折率Ｂの大きさは、（ｄ２／ｄ１）が大きいほど大きくなることがわかる。また、（ｄ２／ｄ１）を２以上とすることで、従来のPANDA型偏波保持光ファイバと同等以上の複屈折性（PANDA型で５×１０−４程度）を実現可能である。なお、（ｄ２／ｄ１）の値を大きくする方法としては、径ｄ２を大きくする方法、および径ｄ１を小さくする方法がある。
【００１０】
このような構造の偏波保持光ファイバについては、以下の２文献に試作または計算例が開示されている。
（１）A.Ortigosa-Blanch, J.C.Knight, W.J.Wadsworth, J.Arriaga, B.J.Mangan, T.A.Birks, P.St.Russell "Highly birefringent photonic crystal fibers"Optics Letters, Vol.25, pp.1325-1327 (2000)
（２）S.B.Libori, J.Broeng, E.Knudsen, A.Bjarklev, "High-birefringent photonic crystal fiber "OFC 2001, TuM2, Anaheim (2001)
上記文献に記載された偏波保持光ファイバの断面構造を、それぞれ図６および７に示す。このうち、図６は実際に作製されたものの写真を、また図７は計算値に基づいて描かれた構造を示す。
【００１１】
図６および図７に示す例では、回折格子に含まれる全ての格子孔の径ｄ２が、格子間隔Λよりも小さい値となっている。また、格子孔の径の大きさは、コアを挟んで対向する分割部分の一方の対と他方の対とで異なっており、これにより偏波保持特性が発現している。
【００１２】
図６および７に示す偏波保持光ファイバにおいて、波長１５５０ｎｍにおけるモード複屈折率Ｂの大きさ（計算値）は、それぞれ２．８×１０−３および１．５×１０−３である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６および図７に示すように径ｄ１が格子間隔より小さい場合、この分割部分における光の閉じ込めが弱くなり、光がコア部分から本分割部分にしみ出して、光の強度パタンが変化してしまう。そして、最悪の場合、光強度が主としてコア以外の部分に分布するようになる恐れがある。結果として、ファイバの曲げ損失が生じやすくなり、ファイバとして使用に適さない。このため、現実には径ｄ１を一定の値以下にすることができない。
【００１４】
また、図７に示す例では、径の大きな格子孔が周囲の回折格子の配列から外れてコア部分に接近した構造となっているが、現実にはこのような偏波保持光ファイバを作製することは困難である。
【００１５】
このように、従来の偏波保持光ファイバは、信号光の偏光状態の保持、長距離での伝送、および作製の容易性を同時に実現することが困難であるという問題があった。
【００１６】
更に、従来の偏波保持光ファイバは、直交する２つの偏波が両方存在することが可能であるが、このファイバ内を光が長距離伝搬すると、偏波保持光ファイバに複屈折が設けられていたとしても、わずかながら直交する偏波にクロストークが生じる。従って、入射時にファイバの片方の主軸に光が入射しても、出射時には偏波クロストークによって直交成分が発生してしまうという問題があった。現に、PANDA型ファイバでは、伝搬距離が２０ｋｍ以上になるとこの偏波クロストークが問題になり始める。
【００１７】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、信号光の偏光状態を保持したまま、長距離での伝送が可能な偏波保持光ファイバおよび絶対単一偏波光ファイバを提供することにある。
【００１８】
また、本発明の別の目的は、一方の偏波に対して、これを吸収する構造を設けることによって、ファイバ内に唯一の偏波を伝搬可能とする絶対単一偏波光ファイバを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドであって、光を前記コアに閉じ込めるように所定の間隔をあけて配列した格子孔を有するクラッドとを備えた偏波保持光ファイバであって、前記格子孔のうちの、前記コアを挟んで対向する前記コア近傍の一対の格子孔の径は、前記格子孔のうちの他のものの径よりも大きく、かつ前記所定の格子間隔よりも大きいことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の偏波保持光ファイバにおいて、前記クラッドは、フォトニック結晶構造クラッドであることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の偏波保持光ファイバにおいて、前記一対の格子孔の径と、前記格子孔のうちの他のものの径との和は、前記所定の格子間隔の２倍よりも小さいことを特徴とする。
【００２２】
これにより、最も効果的にモード複屈折率を大きくすることが可能となる。
【００２３】
また、請求項４に記載の発明は、コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドであって、光を前記コアに閉じ込めるように所定の間隔をあけて配列した格子孔を有するクラッドとを備えた絶対単一偏波光ファイバであって、前記格子孔のうちの、前記コアを挟んで対向する前記コア近傍の一対の格子孔の径は、前記格子孔のうちの他のものの径よりも大きく、かつ前記所定の格子間隔よりも大きく、前記一対の格子孔の一方または両方の内側に、金属膜層を配していることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項５に記載の発明は、コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドであって、光を前記コアに閉じ込めるように所定の間隔をあけて配列した格子孔を有するクラッドとを備えた絶対単一偏波光ファイバであって、前記格子孔のうちの、前記コアを挟んで対向する前記コア近傍の一対の格子孔の径は、前記格子孔のうちの他のものの径よりも大きく、かつ前記所定の格子間隔よりも大きく、前記一対の格子孔の一方または両方の内側に、屈折率の異なる２種類の媒質が交互に重ねられた多層膜を配していることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の絶対単一偏波光ファイバにおいて、前記クラッドは、フォトニック結晶構造クラッドであることを特徴とする。
【００２６】
更に、請求項７に記載の発明は、請求項４〜６のいずれかに記載の絶対単一偏波光ファイバにおいて、前記一対の格子孔の径と、前記格子孔のうちの他のものの径との和は、前記所定の格子間隔の２倍よりも小さいことを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明を適用した偏波保持光ファイバの構造を示す断面図である。本発明を適用した偏波保持光ファイバは、コア部１１、フォトニック結晶構造クラッド１２、およびジャケット部１３から構成されている。
【００２９】
フォトニック結晶構造クラッド１２は、光を前記コアに閉じ込めるように所定の間隔Λをあけて配列した格子孔を有しており、上述した従来技術と同様に、中心から外周へ向かう破線により分割された４つの分割部分１２ａ、１２ｂ、１２ｃおよび１２ｄからなる。ここで、コア部１１を挟んで対向する一対の分割部分１２ａおよび１２ｃが有する複数の格子孔のうち、コア部１１近傍の格子孔１４ａおよび１４ｃの径ｄ２は、コア部１１を挟んで対向する他の一対の分割部分１２ｂおよび１２ｄが有する格子孔の径ｄ１よりも大きく形成されている。更に、分割部分１２ａおよび１２ｃが有する格子孔の径ｄ２は、格子間隔Λよりも大きく形成されている。
【００３０】
コア部１１近傍の格子孔１４ａおよび１４ｃの直径ｄ２が、格子間隔Λよりも大きく形成されていることは、本発明の最大の特徴であり、このような構造をとることにより、ｘ方向およびｙ方向に関するモード複屈折率Ｂを増加させることが可能となる。
【００３１】
格子間隔Λよりも大きな直径を有する格子孔１４ａおよび１４ｃを形成する場合、他の格子孔の直径との関係を決める必要がある。図１に示す例では、
ｄ１＋ｄ２＜２Λ
の関係が満たされている。この条件を満たすことにより、全体として格子間隔Λを維持することが可能となり、従って格子の配列（中心位置）を変えることなく、コア部に直近の２つの格子孔の直径を格子間隔Λよりも大きくすることができる。
【００３２】
このような偏波保持光ファイバは、例えば"Low-loss, 2-km-long photonic crystal fiber with zero GVD in the near IR suitable for picosecond pulse propagation at the 800 nm band," (H. Kubota, K. Suzuki, S. Kawanishi, M. Nakazawa, M. Tanaka, and M. Fujita, Tech. Digest of Conference on Lasers and Electro-optics (CLEO), CPD3, 2001)に記載されているような、周知のフォトニック結晶構造偏波保持光ファイバの製造方法により製造することができる。
【００３３】
図２は、コア直近の格子孔の大きさが異なる偏波保持光ファイバに関する、波長に対するモード複屈折率Ｂの計算結果を示す図である。本図に示す例では、格子間隔Λを４μｍとし、分割部分１２ｂおよび１２ｄ内の格子孔の径ｄ１を１．９μｍとした。また、径ｄ２を３．６μｍ、４．０μｍ、４．４μｍおよび４．７μｍと変えて計算を行った。この計算結果は、それぞれ図中の曲線２０１、２０２、２０３および２０４に示されている。分割部分１２ａおよび１２ｃにおけるコア近傍の格子孔の径ｄ２が大きくなるほど、モード複屈折率Ｂが大きくなることがわかる。
【００３４】
図３は、本発明を適用した偏波保持光ファイバの、波長に対するモード複屈折率Ｂの実測値を示すグラフである。本図に示す例ではサンプルファイバとして、格子間隔Λが４μｍ、分割部分１２ｂおよび１２ｄ内の格子孔の径ｄ１が１．９μｍ、分割部分１２ａおよび１２ｃにおけるコア近傍の格子孔の径ｄ２が４．７μｍの偏波保持光ファイバを用いて測定を行った。
【００３５】
図２および図３の比較から明らかなように、実験結果は計算値と良く一致している。また、波長１５５０ｎｍにおけるモード複屈折率Ｂは１．４×１０−３であり、従来技術よりも大きな値が得られていることがわかる。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、他の種々の形態でも実施できることはいうまでもない。
【００３７】
例えば、図１に示す格子孔の分割部分１２ａおよび１２ｃにおけるコア１１近傍の格子孔１４ａおよび１４ｃの一方または両方の内側に、アルミニウムや金などの金属を配してもよい。格子孔１４ａおよび１４ｃに金属を付着することにより、金属面に垂直な電界成分を持つ偏波が吸収され、金属面に水平な電界成分を持つ偏波のみが光ファイバを伝搬する。
【００３８】
また、図８に示すように、コア１１近傍の格子孔１４ａおよび１４ｃの内側に、屈折率が互いに異なる２種類の媒質８０１および８０２を交互に重ねた多層膜を付着してもよい。このような構造にすると、多層膜に入射する光の反射率、透過率が入射光の偏光方向によって異なるため、片方の偏波のみの吸収損失を増加させることが可能となる。従って、一方の偏波のみが本発明にかかる光ファイバを伝搬する。
【００３９】
なお、図８は格子孔１４ａおよび１４ｃの両方の内側に多層膜を配した例を示しているが、格子孔１４ａおよび１４ｃのいずれか一方の内側に多層膜を配することとしてもよい。
【００４０】
これらの場合、本発明にかかる光ファイバは、１つの偏波のみが伝搬可能な絶対単一偏波ファイバとなる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コア近傍のフォトニック結晶構造に極めて大きなモード複屈折率を与えることとしたので、偏波クロストークの抑圧などが可能となることから、信号光の安定化が図れる。結果として、信号光の偏光状態を保持したまま、従来の偏波保持光ファイバよりも長距離伝送することが可能となる。
【００４２】
また、所定間隔の回折格子を有するフォトニック結晶構造クラッドを採用したので、モード複屈折率が大きな光ファイバを極めて容易に製造できるという効果が得られる。
【００４３】
更に、本発明により、一方の偏波に対してこれを吸収する構造を設けることによって、光ファイバ内に唯一の偏波成分のみを長距離にわたり伝搬させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した偏波保持光ファイバの構造を示す断面図である。
【図２】コア近傍の格子孔の径の大きさを変えた場合における、波長に対するモード複屈折率Ｂの計算結果を示す図である。
【図３】本発明を適用した偏波保持光ファイバを実際に作製して、モード複屈折率Ｂを測定した結果を示す図である。
【図４】従来の偏波保持光ファイバの構造を示す断面図である。
【図５】従来の偏波保持光ファイバにおける、空孔の径の比とモード複屈折率Ｂとの関係を示す図である。
【図６】文献（１）に記載された偏波保持光ファイバの構造を示す断面図である。
【図７】文献（２）に記載された偏波保持光ファイバの構造を示す断面図である。
【図８】本発明を適用した絶対単一偏波ファイバの断面の一部を示す図である。
【符号の説明】
１１  コア部
１２  フォトニック結晶構造クラッド
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  分割部分
１３  ジャケット部
１４ａ、１４ｃ  格子孔
４１  コア部
４２  フォトニック結晶構造クラッド
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ  分割部分
４３  ジャケット部
８０１、８０２  多層膜
Λ  格子間隔
Ｂ  モード複屈折率
ｄ１、ｄ２  径
【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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【図８】
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