JPWO2009034995A1

JPWO2009034995A1 - ホーリーファイバ

Info

Publication number: JPWO2009034995A1
Application number: JP2009532197A
Authority: JP
Inventors: 武笠　和則; 和則武笠
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2010-12-24
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: US20090180746A1; JP5379689B2; EP2071369A4; WO2009034995A1; EP2071369A1

Abstract

中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、を備え、前記空孔は、三角格子を形成するように配置され、該空孔の孔径をｄ［μｍ］、該三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、Λは２〜５μｍであるとともに、ｄ／Λは、０．３〜０．７５の範囲内において、波長１０５０ｎｍにおける波長分散値が−１０〜１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとなる値である。これによって、１．０μｍ波長帯における長距離光伝送用の光伝送路として適するホーリーファイバを提供する。

Description

本発明は、ホーリーファイバに関するものである。

ホーリーファイバ（ＨｏｌｅｙＦｉｂｅｒ）、あるいはフォトニッククリスタルファイバは、中心に位置するコア部と、コア部の外周に位置し、コア部の周囲に配置した複数の空孔を有するクラッド部とを備え、空孔によってクラッド部の平均屈折率を下げ、光の全反射の原理を利用してコア部に光を伝搬させる新しいタイプの光ファイバである。このホーリーファイバは、空孔を用いて屈折率を制御することによって、従来の光ファイバでは実現不可能なＥｎｄｌｅｓｓｌｙＳｉｎｇｌｅＭｏｄｅ（ＥＳＭ）や、きわめて短波長側にシフトした零分散波長等の特異な特性を実現可能である。なお、ＥＳＭとは、カットオフ波長が存在せず、全ての波長の光がシングルモードで伝送することを意味し、広帯域にわたって高伝送速度の光伝送を可能にする特性である。

一方、近年、波長１０５０ｎｍを中心とする１．０μｍ波長帯（たとえば、１０００〜１１００ｎｍ）において増幅光ファイバとして利用できるイットリビウム添加光ファイバ（ＹＤＦ）の技術が成熟してきている。これにともない、１．０μｍ波長帯用のファイバレーザ、ＳＣ光源用光ファイバ、あるいは光伝送路等に適用できる光ファイバに対する要求が高まっている。ホーリーファイバはこの要求に応えることができるものと期待されている。たとえば、非特許文献１は、ホーリーファイバを光伝送路として用い、波長１０６４ｎｍを含む広帯域での光伝送を行なった実験の結果を報告している。

K.Ieda et al., "Visible to Infrared WDM transmission over PCF", ECOC2006-Tu3.3.4(2006)

しかしながら、従来のホーリーファイバは、１．０μｍ波長帯における波長分散値がたとえば−２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、その絶対値が大きかった。したがって、これを光伝送路として１．０μｍ波長帯の光信号を長距離伝送した場合に、光信号を著しく歪ませるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、１．０μｍ波長帯における長距離光伝送用の光伝送路として適するホーリーファイバを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るホーリーファイバは、中心に位置するコア部と、前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、を備え、前記空孔は、三角格子を形成するように配置され、該空孔の孔径をｄ［μｍ］、該三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、Λは２〜５μｍであるとともに、ｄ／Λは、０．３〜０．７５の範囲内において、波長１０５０ｎｍにおける波長分散値が−１０〜１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとなる値であることを特徴とする。

また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、Λは２．５〜４．５μｍであるとともに、ｄ／Λは０．４〜０．６の範囲内であり、前記空孔の層数は７以下であり、波長１０５０ｎｍにおける閉じ込め損失は０．１ｄＢ／ｋｍ以下であり、波長１０００ｎｍにおいてシングルモード動作することを特徴とする。

また、本発明に係るホーリーファイバは、上記の発明において、波長１０５０ｎｍにおける有効コア断面積が１０μｍ^２以上であることを特徴とする。

本発明によれば、１．０μｍ波長帯における長距離光伝送用の光伝送路として適するホーリーファイバを実現できるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態に係るＨＦの断面概略図である。図２は、図１に示すＨＦの空孔間距離Λおよび空孔径ｄと空孔間距離Λとの比ｄ／Λを変化させた場合の、波長１０５０ｎｍにおける波長分散値の変化について示す図である。図３は、図１に示すＨＦの空孔間距離Λおよび比ｄ／Λを変化させた場合の、波長１０５０ｎｍにおける有効コア断面積の変化について示す図である。図４は、空孔を三角格子状に配置した場合の空孔の層数と総空孔数との関係を示す図である。図５は、計算例１〜１３に係るＨＦの設計パラメータおよび波長１０５０ｎｍにおける光学特性を示す図である。図６は、本発明の実施例に係るＨＦの断面構造写真を示す図である。図７は、計算例７と本発明の実施例とについてＨＦの光学特性を対比させて示す図である。図８は、図１に示すＨＦにおいて、ｄ／Λを０．５０に設定してΛを２．０μｍから１０．０μｍまで変化させた場合の波長分散特性を示す図である。図９は、図１に示すＨＦにおいて、ｄ／Λを０．５０に設定してΛを２．０μｍから１０．０μｍまで変化させた場合の、波長１０５０ｎｍと１５５０ｎｍにおける特性を示す図である。

符号の説明

１０ＨＦ
１１コア部
１２クラッド部
１３空孔
Ｌ三角格子

以下に、図面を参照して本発明に係るホーリーファイバの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下ではホーリーファイバをＨＦと記載する。また、本明細書において特に定義しない用語については、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るＨＦの断面概略図である。図１に示すように、このＨＦ１０は、中心に位置するコア部１１と、コア部１１の外周に位置するクラッド部１２とを備える。なお、コア部１１とクラッド部１２とは、いずれも屈折率調整用のドーパントが添加されていない純シリカガラスからなる。

クラッド部１２は、コア部１１の周囲に層状に形成された空孔１３を有する。なお、コア部１１を中心とする正六角形の各頂点に配置した空孔１３の組み合わせを１層とする。ここで、この空孔１３は、層状に形成されるとともに、三角格子Ｌを形成するように配置されている。空孔１３の直径はいずれもｄであり、三角格子Ｌの格子定数、すなわち空孔１３の中心間距離はΛである。

このＨＦ１０においては、Λが２〜５μｍであるとともに、ｄ／Λが、０．３〜０．７５の範囲内において、波長１０５０ｎｍにおける波長分散値が−１０〜１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとなる値となっている。したがって、このＨＦ１０は、１．０μｍ波長帯における波長分散値の絶対値が十分に小さくなるので、１．０μｍ波長帯における長距離光伝送用の光伝送路として適するものとなる。なお、たとえば光信号の伝送速度を４０Ｇｂｐｓとする場合は、１スパンあたりの光伝送路の累積波長分散の絶対値を１００ｐｓ／ｎｍ以下程度とする必要がある。したがって、このＨＦ１０を用いれば、１スパンあたり１０ｋｍ以上の長距離の光伝送路を構築することができる。

なお、このＨＦ１０は、１．０μｍ波長帯における波長分散値の絶対値が十分に小さいので、たとえばＳＣ光源用光ファイバやファイバレーザ等の、１．０μｍ波長帯用の光ファイバとして好適に用いることができる。

また、このＨＦ１０は、従来のＨＦと同様に、同一の空孔径を有する空孔１３が三角格子Ｌを形成するように配置されているので、従来のスタック＆ドロー法を用いて容易に製造できる。

以下、有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションを用いた計算結果を参照して、本発明についてより具体的に説明する。

図２は、図１に示すＨＦ１０において空孔間距離Λおよび空孔径ｄと空孔間距離Λとの比ｄ／Λを変化させた場合の、波長１０５０ｎｍにおける波長分散値の変化について示す図である。図２に示すように、Λが２〜５μｍ、ｄ／Λが０．３〜０．７の範囲において、ＨＦ１０の波長分散値を−１０〜１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとすることができる。

また、図３は、ＨＦ１０の空孔間距離Λおよび比ｄ／Λを変化させた場合の、波長１０５０ｎｍにおける有効コア断面積Ａｅｆｆの変化について示す図である。図３に示すように、Λが２〜５μｍ、ｄ／Λが０．３〜０．７５の範囲において、ＨＦ１０の有効コア断面積を１０μｍ^２以上とすることができる。なお、ＨＦ１０の有効コア断面積が１０μｍ^２以上であれば、従来の光ファイバと融着接続する際の接続性が高くなるので好ましい。

なお、図２、３において、波長１０５０ｎｍにおける波長分散値が−１０〜１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとなり、かつ有効コア断面積が１０μｍ^２以上となるΛとｄ／Λの組み合わせのいずれにおいても、ＨＦ１０の閉じ込め損失は０．１ｄＢ／ｋｍ以下であり、ＨＦ１０の全体的な伝送損失にほとんど影響を与えない程度の小さな値であった。

また、ｄ／Λを小さくすると、空孔１３による光の閉じ込め効果が弱くなるので、閉じ込め損失を０．１ｄＢ／ｋｍ以下に保つためには、空孔１３の層数を増やす必要がある。しかしながら、空孔１３を三角格子状に配置しながら層数を増やすと、空孔１３の総空孔数が急激に増大する。図４は、空孔１３を三角格子状に配置した場合の空孔１３の層数と総空孔数との関係を示す図である。図４に示すように、空孔１３の層数を増やすと空孔１３の総空孔数が急激に増大する。したがって、たとえばスタック＆ドロー法を用いてＨＦ１０を製造する場合に必要なガラスキャピラリーの数が急激に増大するので、製造が煩雑になる。従来のＨＦはほとんど空孔の層数が７層以下であることを考慮すると、空孔１３の層数は７以下であることが好ましい。なお、空孔１３の層数が７以下の場合に０．１ｄＢ／ｋｍ以下の閉じ込め損失を実現するために、ｄ／Λを０．４以上とすることが好ましい。

また、ｄ／Λを大きくすると、空孔１３による光の閉じ込め効果が強くなるので、ＨＦ１０がマルチモード動作しやすくなる。ＨＦ１０を波長１０００ｎｍにおいてシングルモード動作させるためには、ｄ／Λを０．６以下とすることが好ましい。また、ＨＦ１０のｄ／Λを０．４〜０．６とする場合は、Λを２．５〜４．５μｍとすれば、波長１０５０ｎｍにおける波長分散値を−１０〜１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとできる。

つぎに、具体的な計算例について説明する。図５は、ＨＦ１０と同様の構造を有するが、設計パラメータであるｄ／Λ、Λ、および空孔の層数が異なるような計算例１〜１３に係るＨＦの、設計パラメータおよび波長１０５０ｎｍにおける光学特性を示す図である。なお、図５において、「モード」とは、ＨＦの伝搬モードの状態を意味し、「ＳＭ」とはＨＦがシングルモード動作すること、「ＭＭ」とはマルチモード動作することを意味する。図５に示すように、計算例１〜１３に係るＨＦは、いずれも波長分散値が−１０〜１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとなっており、閉じ込め損失も０．００１ｄＢ／ｋｍ未満と極めて小さく、有効コア断面積も１０μｍ^２以上となっている。ただし、ｄ／Λが０．４より小さい場合は、閉じ込め損失を０．００１ｄＢ／ｋｍ未満とするために必要な空孔の層数が８以上となり、ｄ／Λが０．６より大きい場合はＨＦがマルチモード動作となる。

つぎに、本発明の実施例として、純シリカガラスからなり、図１に示すＨＦ１０と同様の構造を有するＨＦをスタック＆ドロー法を用いて製造した。なお、設計パラメータであるｄ／Λ、Λ、空孔の層数は、図５に示す計算例７と同様の値とした。

図６は、本実施例に係るＨＦの断面構造写真を示す図である。図６に示すように、本実施例に係るＨＦは、空孔が三角格子状に配列され、層数は５であった。また、図６に示す写真からΛとｄ／Λとを推定すると、Λが約３．５μｍ、ｄ／Λが約０．５であり、ほぼ計算例７の設計パラメータどおりの値となっていた。

つぎに、図７は、図５に示す計算例７と本実施例とについてＨＦの光学特性を対比させて示す図である。図７に示すように、本実施例に係るＨＦの光学特性は、シミュレーション計算で得られた光学特性にきわめて近いことが確認された。また、本実施例に係るＨＦを伝搬する光のフィールドの測定を行なったところ、基底モード以外のモードが存在せず、本実施例に係るＨＦがシングルモード動作していることが確認された。なお、本実施例に係るＨＦの伝送損失は２．７ｄＢ／ｋｍであり、計算例７の閉じ込め損失よりも大きくなっているが、その理由は、ガラスの損失や、空孔表面での散乱損失の影響であると考えられる。

つぎに、図１に示す空孔の層数が５層のＨＦにおいて、ｄ／Λを最適値付近と考えられる０．５０に設定し、Λを変化させた場合の特性の変化について、シミュレーションを用いた計算結果をもとに説明する。図８は、図１に示すＨＦにおいて、ｄ／Λを０．５０に設定してΛを２．０μｍから１０．０μｍまで変化させた場合の波長分散特性を示す図であり、図９は、波長１０５０ｎｍと１５５０ｎｍとにおける特性を示す図である。

図８、９に示すように、Λを小さくするにつれて、零分散波長が短波長側にシフトしていき、Λが３．５μｍ付近で零分散波長が１０５０ｎｍになる。また、Λが３．５μｍの場合の分散スロープは０．２０ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ程度であり、有効コア断面積は１５μｍ^２程度である。また、Λが３．５μｍの場合、波長１０５０ｎｍだけでなく、１５５０ｎｍにおいても、閉じ込め損失が０．０１ｄＢ／ｋｍ以下となっており、広帯域にわたる低閉じ込め損失を実現可能であることを確認した。さらに、Λをたとえば３．０μｍまたは４．０μｍにすれば、波長１０５０ｎｍにおける波長分散を、±１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の正または負の値の微少分散とすることも可能であることを確認した。

本発明は、１．０μｍ波長帯における長距離光伝送用の光伝送路において好適に利用できる。

Claims

中心に位置するコア部と、
前記コア部の外周に位置し、前記コア部の周囲に層状に形成された空孔を有するクラッド部と、
を備え、前記空孔は、三角格子を形成するように配置され、該空孔の孔径をｄ［μｍ］、該三角格子の格子定数をΛ［μｍ］とすると、Λは２〜５μｍであるとともに、ｄ／Λは、０．３〜０．７５の範囲内において、波長１０５０ｎｍにおける波長分散値が−１０〜１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとなる値であることを特徴とするホーリーファイバ。
Λは２．５〜４．５μｍであるとともに、ｄ／Λは０．４〜０．６の範囲内であり、前記空孔の層数は７以下であり、波長１０５０ｎｍにおける閉じ込め損失は０．１ｄＢ／ｋｍ以下であり、波長１０００ｎｍにおいてシングルモード動作することを特徴とする請求項１に記載のホーリーファイバ。
波長１０５０ｎｍにおける有効コア断面積が１０μｍ^２以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のホーリーファイバ。