JP2024059170A - ゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】波長１．１μｍから１．９μｍ付近の広帯域に渡って波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープを実現する光ファイバ。
【解決手段】第１クラッド層２２には、直径ｄ_１の６個の空孔を有し、第２クラッド層２４には、直径ｄ_２の１２個の空孔を有し、第１クラッド層と第２クラッド層の各クラッド層内で隣接する空孔間の距離と、第１クラッド層中の空孔に隣接する第２クラッド層中の空孔間との距離は共にΛ_Ｂであり、下記式の条件を満たす。

【選択図】図２

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り 掲載年月日：２０２２年８月３１日 掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｊｏｕｒｎａｌ／ｏｐｔｉｃａｌ－ｆｉｂｅｒ－ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

本発明は、ファイバ軸に沿って伸びる複数の空孔を備えるフォトニック結晶ファイバに関するものである。本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバは、広帯域に渡って波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープという特性を達成できる。

フォトニック結晶ファイバは、クラッドに配置した空孔の間隔や大きさを変えることにより、従来の光ファイバでは不可能な光学特性を実現できることが知られている。

例えば、フォトニック結晶ファイバは、クラッドに配置した空孔によるその大きな導波路分散により従来の光ファイバよりも短波長側にゼロ分散波長をシフトできることが知られている。

また例えば、非特許文献１では空孔径ｄ、隣接間空孔距離Λのホーリーファイバー（フォトニック結晶ファイバ）において、Λを２.３μｍ、ｄ／Λを０．３付近とすることで、分散フラットの領域が存在することが示唆されている。

一方、従来の光ファイバでも、リングコア構造とすることにより波長１．５５μｍ付近においてゼロ分散かつ分散フラットな光ファイバが実現できることが知られている。このような光ファイバは波長１．５５μｍの光源を種光源とするスーパーコンティニウム光の発生に有効であることが知られている。

一方、特許文献１では、スーパーコンティニウム光源用のファイバとして、「クラッド特徴部／孔の中心から中心までの間隔はピッチ（Λ）と称され、微細構造ファイバは、コアの寸法と、クラッド特徴部の間隔もしくはピッチ（Λ）に対するクラッド特徴部の寸法の割合とによって特徴づけられる。クラッド特徴部の寸法およびピッチを調節することによって、ファイバのゼロ分散波長（ＺＤＷ）を調節できる。」との記載がある。このような、フォトニック結晶ファイバはゼロ分散波長が従来の光ファイバよりも短波長側にあり、なおかつコア径が小さく非線形性が高いため、波長１．０６μｍを種光源とするスーパーコンティニウム光の発生に有効であることが知られている。

このようにスーパーコンティニウム光用の発生ファイバは、短波長側でゼロ分散あるいは、波長１．５５μｍ付近でゼロ分散かつ分散フラットなもののどちらかであり、波長１．１μｍから波長１．９μｍの広帯域に渡って、波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープという光ファイバはこれまでに実現されていなかった。

特開２０２０－７４０４５号公報（特許第６９７４５１８号）

Ｔａｎｙａ Ｍ．Ｍｏｎｒｏ ｅｔ ａｌ，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．１７，ＮＯ．６，ＪＵＮＥ １９９９

従来、フォトニック結晶ファイバは、ゼロ分散波長を短波長側にシフトできる点や狭い帯域で分散フラットが実現できる点は認められていたものの、実際に波長１．１μｍから１．９μｍ付近の広帯域に渡って、波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープを実現する光ファイバは存在せず、またそのための光ファイバを実現するためのフォトニック結晶ファイバの構造に関する指針はなかった。

本発明は上記のような課題に鑑み、フォトニック結晶ファイバの第１層の空孔により短波長側にゼロ分散波長を１．１μｍまでシフトし、第２層の空孔の周囲の石英部をリングコアとして機能させることで、波長１．５５μｍ付近の広帯域に渡り分散フラットが実現でき、波長１．１μｍから１．９μｍにおいて波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープな光ファイバを実現できることを見出した。また、発明者らは、波長１．５５μｍでゼロ分散かつ波長１．１μｍから１．９μｍで分散フラットなフォトニック結晶ファイバを実現するための、空孔間隔および第１層と第２層の空孔径の適切な関係を見出した。さらに発明者らは、上記関係において、このようなゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバの製造ばらつきについて、第１層目のクラッド領域の空孔径が一定の範囲に入ることが重要であることを見出した。

より具体的に本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバは、
ファイバ本体の軸に垂直な断面において、
中心に配置された中実部と、
前記中実部の中心から半径方向外側に向かって順次形成された第１クラッド層、第２クラッド層、漏洩防止クラッド層の３つのクラッド層を有し、
前記各クラッド層は、前記ファイバ本体の軸に沿った空孔を有し、
前記第１クラッド層には、直径ｄ_１の６個の前記空孔を有し、
前記第２クラッド層には、直径ｄ_２の１２個の前記空孔を有し、
前記第１クラッド層と前記第２クラッド層の前記各クラッド層内で隣接する前記空孔間の距離と、前記第１クラッド層中の前記空孔に隣接する前記第２クラッド層中の前記空孔間との距離は共にΛ_Ｂであり、（１）式から（３）式の条件を満たすことを特徴とする。

本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバは、少なくともｎ層以上のクラッド領域を備え（ｎ≧３）、第１クラッド層の空孔によりゼロ分散波長を短波長側にシフトし、第２クラッド層の空孔の周囲の石英部のリングコアにより波長１．５５μｍ付近の広帯域に渡り分散フラットにすることが可能となる。また、第１クラッド層および第２クラッド層の空孔間距離Λ_Ｂを一定の範囲で決めれば、波長１．１μｍから１．９μｍにおいて波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープの特性を有するファイバの第１クラッド層および第２クラッド層の空孔径をほぼ一意に決めることができる。また、第３クラッド層以降の空孔により長い波長の光が第２クラッド層の空孔より外側のクラッド領域に広がって漏れるのを防ぐことが可能となる。

このようなゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバは、波長１．１μｍから１．９μｍにおいて、分散値の値がゼロ付近かつ分散フラットであり、波長１．０６μｍや波長１．５５μｍなどのいずれの波長を種光源としても良く、また広帯域に分散フラットであるため、光ファイバ伝搬中のスーパーコンティニウム光の広がり具合に優れる。

さらに、このようなゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバの製造ばらつきについて、第１層目のクラッド領域の空孔径が一定の範囲に入ればよく、実際のファイバの製造時の冗長性を高めることができる。このため、より製造しやすいゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバを提供することができるという効果を奏する。

本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバの断面を示す模式図である。 クラッド領域の拡大図である。 各クラッド層の空孔間距離および空孔径を説明する図である。 Λ_Ｂ＝２．０μｍで、ｄ_１／Λ_Ｂ＝０．２の時にｄ_２／Λ_Ｂの値を変えながら波長分散特性をシミュレーションした結果を表す図である。 Λ_Ｂ＝２．０μｍで、ｄ_１／Λ_Ｂ＝０．３の時にｄ_２／Λ_Ｂの値を変えながら波長分散特性をシミュレーションした結果を表す図である。 Λ_Ｂ＝２．０μｍで、ｄ_１／Λ_Ｂ＝０．４の時にｄ_２／Λ_Ｂの値を変えながら波長分散特性をシミュレーションした結果を表す図である。 Λ_Ｂ＝２．０μｍで、ｄ_１／Λ_Ｂ＝０．５の時にｄ_２／Λ_Ｂの値を変えながら波長分散特性をシミュレーションした結果を表す図である。 各Λ_Ｂの時のゼロ分散（Ｄ＝０）と分散フラット（Ｓ＝０）の線を表示した図である。 Λ_Ｂとｄ_２／Λ_Ｂの関係を示したグラフである。

以下に本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバについて図面および実施例を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態および一実施例を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。また、異なる実施形態及び実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態及び実施例についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、本明細書中に記載された文献の全てが、本明細書中において参考文献として援用される。本明細書中、数値範囲に関して「Ａ～Ｂ」と記載した場合、当該記載は「Ａ以上Ｂ以下」を意図する。

＜ファイバ構成＞
図１に本発明に係るゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバ１（以下単に「フォトニック結晶ファイバ１」とも呼ぶ。）の断面図を示す。このフォトニック結晶ファイバ１の軸は紙面表側から裏側に垂直に向かう。従って図１はフォトニック結晶ファイバ１の軸に垂直な断面である。

フォトニック結晶ファイバ１は硝材１２の中心に中実部２０が配置され、その周囲にクラッド領域１０が設けられている。クラッド領域１０の外側の硝材１２の幅１２ｗは任意の大きさで良い。

図２にクラッド領域１０の拡大図を示す。フォトニック結晶ファイバ１（図１参照）は硝材１２の中心に中実部２０が設けられている。中実部２０は断面が円形で軸方向に延びるファイバである。中実部２０の周囲には、第１クラッド層２２、第２クラッド層２４，漏洩防止クラッド層４０が形成される。図２では、漏洩防止クラッド層４０は、第３クラッド層２６、第４クラッド層２８、第５クラッド層３０の３層で構成されている状態を示している。

ここでクラッド層とは、中実部２０の中心から半径方向外側に向かって内側のクラッド層を包み込むように順次設けられた領域で、各クラッド層は、フォトニック結晶ファイバ１（ファイバ本体）の軸に沿って設けられた空孔を有する。つまり、クラッド層は、中実部２０の中心から半径方向外側に向かって順次形成されていると言える。

以降の説明において、各クラッド層の符号は、各クラッド層の空孔を示しているが、空孔自体を示す際は、さらにアルファベットの添え字をつける。例えば、第１クラッド層２２の空孔は空孔２２ａ、２２ｂ等と表す。

第１クラッド層２２と第２クラッド層２４に設けられる空孔は数が決まっており、それぞれ６個と１２個である。第１クラッド層２２の空孔は正六角形の頂点に配置され、第２クラッド層２４の空孔は、正六角形の頂点と辺の中央に配置される。したがって、第１クラッド層２２中の隣接する空孔同士、および第２クラッド層２４中の隣接する空孔同士の空孔間距離は等しい。ここで空孔間距離とは、空孔の中心同士の距離をいう。また「隣接する」とは、空孔間距離が最も短くなる関係にある空孔同士をいう。

そして本発明のフォトニック結晶ファイバ１では、第１クラッド層２２中の隣接する空孔同士の空孔間距離と、第２クラッド層２４中の隣接する空孔同士の空孔間距離も等しい。この空孔間距離をΛ_Ｂとする。

さらに、本発明のフォトニック結晶ファイバ１では、第１クラッド層２２中の空孔と、第２クラッド層２４中の空孔で、隣接するもの同士の空孔間距離もΛ_Ｂと等しい。すなわち、第１クラッド層２２と第２クラッド層２４中の隣接する３つの空孔は、いずれの組み合わせでも、正三角形の頂点に位置する関係にある。

上記のようにクラッド領域１０には、少なくとも３層以上のクラッド層が存在し、ｎ番目のクラッド層に属する空孔の直径をｄ_ｎとする（ｎは自然数）。したがって、第１クラッド層２２と第２クラッド層２４中の空孔の直径はそれぞれｄ_１、ｄ_２となる。本発明のフォトニック結晶ファイバ１では、第１クラッド層２２と第２クラッド層２４中の空孔同士の直径はそれぞれ等しい。つまり、第１クラッド層２２中の空孔径（空孔の直径）は６個ともｄ_１であり、第２クラッド層２４中の空孔径は１２個ともｄ_２である。

漏洩防止クラッド層４０中の空孔間距離および空孔径については、特に限定されるものではない。漏洩防止クラッド層４０は、ファイバ中を通過する光がクラッド領域１０より外側に漏れないように、若しくは漏れをできるだけ少なくするために設けられる。したがって、この目的を達成されるのであれば、空孔間距離および空孔径について、限定されない。

なお、図２に示す様に、漏洩防止クラッド層４０を３つのクラッド層で形成するのは、漏洩防止クラッド層４０の構成として好ましい形態の１つであると言える。以下図２の構成について詳説する。

図２で示した構成では、ｋ番目（１≦ｋ≦ｎ：ｋは自然数）のクラッド層には、６ｋ個の空孔が配置される。ここでｎは漏洩防止クラッド層４０中のクラッド層を含め、クラッド層の総数である。図２では第３クラッド層２６以降のクラッド層においても、各空孔は六角形の頂点およびその辺上に配置される。また、第３クラッド層２６以降のクラッド層においても、各層の空孔径は上記に記載したようにｄ_１～ｄ_５となる（図２ではｄ_３およびｄ_４の指示は省略している。）。

また、第３クラッド層２６以降のクラッド層では、空孔径は全て同じである。つまり、図２では、ｄ_３～ｄ_５は全て同じ空孔径である。また、ｄ_３～ｄ_５は、長波長になるにつれて第２クラッド層２４より外側に広がって漏れる光を閉じ込める目的で形成され、フォトニック結晶ファイバ１の分散特性にはほとんど関与しない。光の漏れを防ぐための十分な穴の大きさを有しておれば良い。例えば（４）式の関係を満たせばよい。

本発明に係るフォトニック結晶ファイバ１では、第１クラッド層２２の空孔径ｄ_１により、ゼロ分散波長を短波長側にシフトし、第２クラッド層２４の空孔径ｄ_２を調節することでその周囲の石英部（硝材１２）によるリングコアにより、波長１．５５μｍ付近の広帯域に渡って波長分散の値がゼロ付近かつゼロ分散スロープを実現する。また、第３クラッド層２６以降のクラッド層は、長波長になるにつれて第２クラッド層２４より外側に広がって漏れる光を閉じ込める。例えば、（４）式の関係を満たせば光の漏れを防止することができる。

図３には、図２の一部拡大図を示す。中実部２０を中心に第１クラッド層２２から第５クラッド層３０の空孔が示されている。ここで同一クラッド層に属する隣接空孔同士の距離Λ_ＢをＬｍｍ（１≦ｍ≦ｎ－１：ｍは自然数）で示す。ここでｎはクラッド層の総数である。また１つ外側のクラッド層に属する空孔との隣接空孔距離Λ_ＢをＬｍｍ＋１で表す。図３では、Ｌ１１、Ｌ２２、Ｌ３３、Ｌ４４、Ｌ５５は同一クラッド層に属する隣接空孔距離であり、Ｌ１２、Ｌ２３、Ｌ３４、Ｌ４５は隣り合うクラッド層に属する隣接空孔距離である。本発明に係るフォトニック結晶ファイバ１の一例では、これらの隣接空孔間距離が全て同じΛ_Ｂである。

＜数値シミュレーター＞
次に本発明に係るフォトニック結晶ファイバ１の特性を決めるには数値シミュレーションを用いている。数値シミュレーターは市販のソフトであり、旧Ｒｓｏｆｔ社のＢｅａｍＰＲＯＰである。また、横方向と縦方向は縮退しているとしてスカラー波動方程式を虚軸ビーム伝搬法により解いた。

まず、数値シミュレーターの妥当性を検討するため、通常のシングルモードファイバの波長分散特性の計算を行った。計算で得られた分散値は波長１．５５μｍで１７ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）であり、実測値と一致しており、数値シミュレーターの計算結果は妥当であると言える。

＜計算結果＞
上記の数値シミュレーターを用いて図１～図３で示した条件で数値シミュレーションを行った。

Λ_Ｂは２．０μｍ、ｄ_３／Λ_Ｂ＝０．８とし、ｄ_１／Λ_Ｂ、ｄ_２／Λ_Ｂをそれぞれ変化させながら、フォトニック結晶ファイバ１の断面における光の波長（μｍ）に対する分散値（ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ））を求めてプロットした。結果の一部を図４～図７に示す。

図４は、ｄ_１／Λ_Ｂ＝０．２、図５は、ｄ_１／Λ_Ｂ＝０．３、図６はｄ_１／Λ_Ｂ＝０．４、図７はｄ_１／Λ_Ｂ＝０．５の場合であり、それぞれｄ_２／Λ_Ｂ＝０．２～０．８までについて算出したものである。

図６を参照して、ｄ_２／Λ_Ｂ＝０．３の時（符号Ａで示した。）に波長１．１μｍから１．９μｍまでの広い範囲にわたって、分散は－１．４～４．８（ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ））であり、この波長帯域で波長分散の値がゼロ付近が実現できていた。また、波長１．１μｍから１．９μｍの間の０．０５μｍ刻みの各波長における平均の分散スロープは０．００６６（ｐｓ/（ｎｍ・ｋｍ））でありゼロ分散スロープが実現できていた。

なお、本発明のフォトニック結晶ファイバ１において、波長分散の値がゼロ付近とは、分散値の値が－５（ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ））～５（ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ））であり、ゼロ分散スロープとは対象となる波長範囲で分散スロープの平均値が０．０１（ｐｓ/（ｎｍ・ｋｍ））以下であることを差す。

図８を参照する。図８は図４～図７で示した計算結果に対して隣接空孔間距離Λ_Ｂを１．７５μｍ、１．５μｍ、１．２５μｍと変化させた場合の計算結果である（Λ_Ｂ＝２．０μｍも掲載した。）。また、実線は波長１．５５μｍにおける分散値がゼロ（「Ｄ＝０」と記載した。）のラインであり、破線は、波長１．１μｍ～１．９μｍの平均の分散スロープがゼロ（「Ｓ＝０」と記載した。）のラインである。なお、平均の分散スロープの算出に当たっては、波長１．１μｍから１．９μｍの間の０．０５μｍ刻みの各波長における分散スロープを求めて、その平均値とした。実線と破線の交点が、ゼロ分散かつゼロ分散スロープが形成できる点である。これをゼロ点と呼ぶ。ゼロ点は、波長１．５５μｍにおいて分散値がゼロかつ波長が１．１μｍから１．９μｍの平均の分散スロープがゼロとなる点である。

このグラフを見ると、ｄ_１／Λ_Ｂが０．４から０．４２の範囲でゼロ点が並んでいるのがわかる。つまり（２）式のように表される。

図９は、このゼロ点を横軸Λ_Ｂ（隣接間空孔距離）、縦軸をｄ_２／Λ_Ｂとしてプロットしたグラフである。この点は（３）式の関係でまとめることができた。

なお、Λ_Ｂの範囲を検討すると、（１）式の範囲でゼロ点を確認することができた。

また、ｄ_１＝０．４Λ_Ｂの場合は、Λ_Ｂが１．７９以上でｄ_１＞ｄ_２となる。同様にｄ_１＝０．４２Λ_Ｂの場合は、Λ_Ｂが１．８３以上でｄ_１＞ｄ_２となる。したがって、少なくともΛ_Ｂが１．７９以上であれば、ｄ_１＞ｄ_２の関係を満たし、ゼロ分散および分散スロープフラットの特性を得ることができる。ｄ_１＞ｄ_２の関係を満たすようなΛ_Bは、Λ_Bが十分大きく、結果としてコア径が大きくなるため、従来光ファイバとの接続性に優れる。

以上のことから、図１～図３の構成を有するフォトニック結晶ファイバ１において、（１）式から（３）式の関係を有する設計で波長１．５５μｍで分散ゼロ、波長１．１μｍから１．９μｍに渡りゼロ分散スロープの特性を実現することができる。

なお、漏洩防止クラッド層４０内に属するクラッド層の一例としては（４）式を満たすことで実現できる。

本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、スーパーコンティニウム光源用のファイバとして好適に利用することができる。

１ ゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバ
１ フォトニック結晶ファイバ
１０ クラッド領域
１２ 硝材
１２ｗ （硝材の）幅
２０ 中実部
２２ 第１クラッド層
２４ 第２クラッド層
２６ 第３クラッド層
２８ 第４クラッド層
３０ 第５クラッド層
４０ 漏洩防止クラッド層

Claims (1)

1. ファイバ本体の軸に垂直な断面において、
   中心に配置された中実部と、
   前記中実部の中心から半径方向外側に向かって順次形成された第１クラッド層、第２クラッド層、漏洩防止クラッド層の３つのクラッド層を有し、
   前記各クラッド層は、前記ファイバ本体の軸に沿った空孔を有し、
   前記第１クラッド層には、直径ｄ_１の６個の前記空孔を有し、
   前記第２クラッド層には、直径ｄ_２の１２個の前記空孔を有し、
   前記第１クラッド層と前記第２クラッド層の前記各クラッド層内で隣接する前記空孔間の距離と、前記第１クラッド層中の前記空孔に隣接する前記第２クラッド層中の前記空孔間との距離は共にΛ_Ｂであり、（１）式から（３）式の条件を満たすことを特徴とするゼロ分散・分散フラットフォトニック結晶ファイバ。