JP2012068646A - リングフォトニック結晶ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバがスプライス又はテーパ化されても空気ボイドを形成する空孔の大きさが収縮したり閉じたりしないファイバを提供する。
【解決手段】ファイバ光導波路が提供される。当該ファイバ光導波路は、コア領域34及び当該コア領域を包囲するクラッド領域を含む。クラッド領域は、内側クラッド領域32及び外側クラッド領域を含む。内側クラッド領域は、リング格子構造を有する。コア領域は高屈折率材料から形成されており、また、クラッド領域は、コア領域の屈折率未満の実効屈折率を有する材料から形成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、光通信システムのためのフォトニック結晶光導波路構造に関する。より詳細には、本発明は、エンドレスシングルモード光導波路を形成するためのリングフォトニック結晶光導波路ファイバ構造に関する。

特定の光ファイバ設計の特性の研究は、高容量ロングホール導波路ファイバの高まる需要に歩調を合わせてきた。テラビットレンジのデータ伝送速度の研究がなされ、100kmを超える再生器間隔を有する通信システムが検討されている。再生器を有することなく、長距離に亘って、より大なる情報量を望む通信業界の要求によって、シングルモードファイバの屈折率の設計の再評価に至った。

光導波ファイバは、シングルモードファイバと多（マルチ）モードファイバに一般に分類することができる。これら光ファイバのいずれのタイプであっても、内部全反射（ＴＩＲ）によって、ファイバコアに沿ってフォトンをガイドする。典型的には、シングルモードファイバのコア直径は、相対的に小さい。故に、光波長の単一モードだけを導波路に沿って伝搬させることができるのである。複数の光パルスが互いに近接することが出来て、且つ、ファイバに沿った分散による影響が小であるので、シングルモードファイバは、一般に、より高い帯域幅を提供することができる。加えて、伝搬光のパワー減衰の割合は、シングルモードファイバの方がより低いのである。

より大なるコア直径を有する光ファイバは、一般的に、多モードファイバとして分類されて、導波路に沿って光波長の複数のモードを伝搬させることができる。この複数のモードは、異なる速度で伝搬する。かかるモードの群速度の差は、異なる伝搬時間となって、故に、導波路に沿って光パルス伝搬のブロードニング（広幅化）が生じるのである。この影響は、モード分散と称されており、パルスが送信され得る速度を制限し、故に、多モードファイバの帯域幅を制限するのである。（ステップ屈折率型の多モードファイバに対して、）グレーデットインデクス型の多モードファイバは、モード分散の影響を制限するために開発された。しかしながら、現行の多モード及びグレーディットインデクス型の多モードファイバ設計は、シングルモードファイバの帯域幅容量を有していない。

フォトニック結晶は、フォトン（光モード）が光導波路構造体を通ってガイドされ得る他の手段である。フォトニック結晶は、ＴＩＲを使用してフォトンをガイドするよりも、ブラッグ散乱によって光をガイドする。フォトニック結晶構造を定義する特性は、１つ以上の軸に沿った誘電材料の周期性である。すなわち、フォトニック結晶は一次元、二次元又は三次元である。これらの結晶は、光が結晶構造体内の特定方向において伝搬しないようなフォトニックバンドギャップを有するように設計されている。通常、フォトニック結晶は、誘電材料の周期格子から形成されている。格子を形成する材料の誘電率が異なっており、この材料が最小の光を吸収する場合、格子界面での散乱及びブラッグ回折の効果によって、フォトンがフォトニック結晶構造体に沿って、若しくは、これを介してガイドされ得る。

２方向に周期的であって、第３の方向に均質である典型的なフォトニック結晶10が図１に示される。より具体的には、フォトニック結晶10は、Ｚ軸方向に延在する誘電体カラム12の三角形格子からなり、これは、（中心と中心とを計測して）Ｘ軸及びＹ軸方向に周期的である。フォトニック結晶10は、Ｚ軸方向に均質であると仮定される。この構造の結果として、フォトニックバンドギャップは、周期性のある平面（Ｘ及びＹ平面）内に形成される。

典型的なフォトニック結晶10において、光モードは、結晶構造がＺ軸に沿って均質である故に、Ｚ軸方向に一般的に振動するであろう。また、通常、光モードは、ＸＹ平面内でフォトニック結晶を通って伝搬するのみであろう。フォトニック結晶10は、また、ＸＹ平面を通って反射によって変化しない。この鏡面対称によって、２つの明瞭な偏光に分類されたモード、すなわち、横電界（ＴＥ）モード及び横磁界（ＴＭ）モードに分類され得る。

また、欠陥は、平面伝搬特性を変化させ且つ光モードを局在化する結晶構造に導かれ得ることが公知である。例えば、フォトニック結晶10は、他の周期カラム12とは異なる誘電材料からなる中央カラム14（黒いカラムとして示されている）を含む。その上、中央カラム14の大きさ及び形状は、単一の格子サイトを攪乱するように変更され得る。その結果、単一の局在化モード又は近接して離間されたモードのセットがバンドギャップの範囲内の周波数を有するようになされる。

結晶構造の特性は、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を生じる。結晶構造の欠陥によって、結晶を伝搬する光のための通路が与えられる。実質的に、中央カラム14は、反射壁によって囲まれた中央キャビティを形成する。（Ｚ軸方向に沿った）中央カラム14による光伝搬は、結果として生じるフォトニックバンドギャップの範囲内に閉じこめられて、周囲の周期カラム12に逃げることができない。すなわち、パルス光か連続光で有るかどうかに関わらず、光がフォトニックバンドギャップ結晶のこのタイプを通ってガイドされ得ることを示している。

従来技術の範囲内で公知であるフォトニックバンドギャップ結晶クラッド領域を有する光導波ファイバが図２に示される。フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）16は、多孔質クラッド層18を含み、クラッド層18の実効屈折率を変化させる空気ボイド20の配列を含む。また、これは、例えばモード電磁界直径又は全分散の如き、ファイバ16の特性を変化させるのに役立つ。クラッド層18を画定する空気ボイド20は、通常、シリカから形成される中央ファイバコア22の周囲に周期的なマトリックスを形成する。導波路を横切る光パワーの分布（モードパワー分布）は、光導波路の特性を実効的に決定する。クラッド層18の実効屈折率を変化させることは、ＰＣＦ光導波路16のモードパワー分布を変化させて、故に特性を変化させる。

有孔率体積及び分布がプリフォーム内で制御されなければならないので、図示されたボイド又は空孔20の配列を有する多孔性クラッドＰＣＦ16の製造は困難である。さらに、ＰＣＦクラッド層の有孔率の制御は、導波路ファイバ（例えばＰＣＦ16）の外形寸法を減じるプリフォームの線引きの間において、維持されていなければならない。線引きステップは、非常に高温度で行われ、最終的なファイバの直径は、約125μmと小さい。故に、線引きステップは、相対的に厳しい条件であって、空孔20を包囲する材料の粘性力に対抗して空孔20内の圧力の正確なバランスを維持するステップを含まなければならない。

他の問題は、例えば、図３において図示されるＰＣＦ16の如き、多孔性クラッドＰＣＦに関する。より具体的には、図３は溶融スプライシング若しくはテーパー付け後にクラッド層18を形成する空気ボイド20の最終的な構造を示している。図示するように、各空気ボイド20を形成する空孔の大きさが収縮して又は閉じており、スプライス又はテーパ化領域でのファイバ16の特性に影響を及ぼすのである。したがって、ＰＣＦ16は、ファイバがスプライス若しくはテーパー化されなければならないアプリケーションのためには適さないのである。

しかしながら、これらの構造によって生じるコア及びクラッド実効屈折率の間での大なる差が、大なる実効面積を提供するために使用され得て、故に、伝送信号の保全性に対する非線形の影響を緩和するといった、ＰＣＦ構造を介して実現される利点が存在する。フォトニック結晶ファイバ構造に関する利点の観点から、従来のフォトニック結晶ファイバ設計での上記及び公知の追加の問題を解決するとともに、ファイバスプライシング領域内の「閉じた」エアーギャップの問題を減じる光導波路ＰＣＦを提供することが望まれた。

本発明の教示に従って、ファイバ光導波路が開示される。ファイバ光導波路は、コア領域及び当該コア領域を包囲するクラッド領域を含む。クラッド領域は、内側クラッド領域及び外側クラッド領域を含む。内側クラッド領域は、格子を形成する複数のリング構造を含む。コア領域は、ファイバ光導波路内で光をガイドするためのリング構造の格子における欠陥として機能する。コア領域は、高屈折率材料から形成されることが好ましく、内側クラッド領域は、コア領域の屈折率未満の屈折率を有する材料から形成されることが好ましい。外側クラッド領域は、内側クラッド領域の屈折率以下の屈折率を有する材料から形成される。

前述の概要及び以下の詳細な説明は、単に本発明の典型例に過ぎず、請求された本発明の性質及び特性を理解するための概要若しくは枠組みを与えることを意図していると理解されるであろう。添付の図面は、本発明の更なる理解を与えるために含まれており、本願明細書中に組み入れられて、この一部を構成する。

図面は、本発明のさまざまな特徴及び実施例を図示して、説明と共に本発明の原理及び操作を説明するのに役立つ。

本発明のさまざまな利点は、当業者であれば、以下の発明の詳細な説明及び特許請求の範囲の記載を読むことで、また図面を参照することで明らかになるであろう。

典型的な二次元フォトニック結晶構造の透視図である。 従来技術によるフォトニック結晶ファイバの断面図である。 溶融スプライス又はテーパリング後の空孔の圧壊を示す図２のフォトニック結晶ファイバの断面図である。 本発明の好適な実施例による環状リング構造を使用して形成されたフォトニックバンドギャップ結晶ファイバの断面図である。 クラッド領域の一部を形成する環状リング構造を示す図４のファイバの拡大図である。 本発明の他の好適な実施例によるセル状リング構造を使用して形成されるフォトニックバンドギャップ結晶構造の断面図である。 溶融スプライス又はテーパリングの結果として、空孔のリングの収縮又は圧壊後のセル状リング構造の断面図である。 Λ（ラムダ）を格子を形成する環状リング構造の間隔とすると、波長の逆数の関数としての実効Ｖ値（Veff）を示す図５の光ファイバ構造と関連するグラフである。 Λ（ラムダ）を格子を形成するセル状リング構造の間隔とすると、波長の逆数の関数としての実効Ｖ値（Veff）を示す図６の光ファイバ構造と関連するグラフである。 固体シリンダを有する図１のフォトニック結晶構造に対して計算されたフォトニックバンド構造を示すグラフである。 環状リングを有する図１のフォトニック結晶構造に対して計算されたフォトニックバンド構造を示すグラフである。

引例は、現時点での本発明の好適な実施例を詳細にするであろう。本発明の実施例は、添付の図面において図示される。可能な限り、同じ参照番号が、同じ又は同様の部分を参照するために図面の全体に亘って使用されるであろう。

図４を参照すると、本発明の好適な実施例によるフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）30の断面図が示されている。ＰＣＦ30は、高屈折率のファイバコア領域34の周囲に形成された低屈折率の内側クラッド領域32を含む。しかしながら、ブラッグ散乱の効果を増やすために、僅かに高い屈折率の内側クラッド領域32によって包囲された低屈折率ファイバコア領域34を含むＰＣＦ30を製造することが可能である。内側クラッド領域32は、リング構造36の周期格子からなる。ＰＣＦ30の特定の特徴は、コア領域34がリング構造36を含まないことである。その結果、コア領域32は、格子構造における欠陥として機能して、導波路を通る光をガイドする。ファイバコア領域34は、好ましくは、シリカから形成され、ｎ＝約1.45の屈折率（ｎ）を有する。しかしながら、コア領域34は、屈折率特性を交互に変化させるために添加されたシリカから形成されてもよい。外側クラッド領域42は、好ましくは添加されたシリカから形成され、少なくとも内側クラッド領域32の屈折率よりも高い屈折率を有して、内側クラッド領域32を包囲する。具体的には図示されないが、吸収ポリマーコーティングがファイバ30の外表面に与えられる。

図５に関して、各々のリング構造36は、内部コア40を包囲する環状リング38によって画定される。各々の環状リング38は、低屈折率ガラスのような固体（中実）材料の環状カラムによって形成されることが好ましい。好ましくは、各々の内部コア40は、環状リング38の屈折率未満の屈折率を有する。各内部コア40に好適な組成は、空気又は低屈折率材料、例えばフッ素又はチタンを添加したシリカである。しかしながら、当業者は様々な材料が内部コア40の格子のために使用され得ることを認識するであろう。環状リング38の材料は、リング38を包囲する材料よりも高い温度でより安定なリングとなるように選択され得る。認識されるように、この特徴は、内部コア40が空気のカラムであるとき、各環状リング38をその形状に維持することを補助して、溶融スプライシング又はテーパリングの間での各内部コア40の圧壊を防止する。

環状リング構造36の結果として生じる周期格子は、ファイバコア領域34よりも低い屈折率を有する内側クラッド領域32を生じる。これは、環状リング38を形成している材料がファイバコア領域34を形成しているシリカ又は添加されたシリカ材料未満の平均屈折率を生じる理由である。コアとクラッドの間の屈折率の差は、しばしば屈折率デルタと称される。図示されるように、内側クラッド領域32は、リング構造36の三角形の格子である。しかしながら、当業者は、四角形又は他の適切な構造を含むが、これに限定されることなく、リング構造36が様々な構造にアレンジされ得ることを認識するであろう。

ここで、図６に戻って、本発明の他の好適な実施例による内側クラッド領域44の部分断面図が示される。内側クラッド領域44は、内側クラッド領域32についてＰＣＦ30（図４）と置換されてもよい。内側クラッド領域44は、セル状リング構造46をモディファイした屈折率の三角形格子としても図示される。セル状リング構造46をモディファイした各屈折率は、コアを囲む屈折率モディファイ殻を形成する複数のカラム構造50によって包囲された内部コア48を含む。図示するように、６つのカラム50は、各内部コア48の周囲にセル状リングを形成する。カラム50は、好ましくは、ファイバ30に沿って空気カラムを形成するボイドである。あるいは、カラム50は、カラム50又はファイバコア領域34を包囲する外側クラッド領域の基板シリカとは異なる固体材料であることが好ましい。好ましくは、各内部コア48は、低屈折率材料、例えばフッ素又はチタンを添加されたシリカから形成される。好適な組み合わせにおいて、各内部コア48は、外側クラッド領域42の周囲のシリカ基板よりも低い屈折率を有する材料である。しばしば、より低い屈折率を有する当該材料を、マイナスのデルタ材料と称する。

図７は、ファイバ30が溶融スプライス若しくはテーパー付けされた後のクラッド領域44を示す。より具体的には、スプライシング又はテーパリング工程によって、内部コア48の格子を残して、収縮若しくは完全に圧壊して、セル状リング構造46が生じる。圧壊されたリング構造は、52として一般に図示される。セル状リング構造46を形成する空気リング又はカラム50が圧壊するときに、圧壊領域の範囲内の屈折率コントラストは、セル状リング構造46が損なわれていないそれらの領域ほど高くないであろう。-0.5%のデルタであっても、ショートスプライス又はテーパー距離に亘って光をガイドするだろうことを実験は示している。

内側クラッド領域32若しくは44のいずれかを有する結果として生じるファイバ30は、以下の動作特性を有する。短波長では、モードは実質的に環状リング構造36又はセル状リング構造46から締め出され、これらのクラッド領域のいずれかを有する導波路ファイバ30は実質的に同じ動作をなす。より長い波長では、モードはリング構造の外径によるファイバ特性の変化を生じさせる環状リング構造36又はセル状リング構造46を通過する。

実験工程の一部として、環状リング構造36及びセル状リング構造46は、平面波展開（ＰＷＥ）コンピューターコードを使用してモデル化された。図８は、半径を変化させた環状リング38を含む構造でのスケールフリーの空間波長の逆数の関数として、実効Ｖ値（Veff）のコンピュータ計算された変化を示す。

参照破線54は、例えば、図２に示されるＰＣＦ16の如き、典型的な多孔質クラッド光ファイバでの波長の逆数スケールの関数としてＶeffを表したものである。図４及び５について上記した如く、多孔質クラッド層18は、環状リング構造36の周期格子と置換された。図８において、Λ（ラムダ）は、環状リング構造36の間の中心と中心の間隔である。破線54では、空気カラム20の各々は、半径ｒ＝0.25Λを有する。他の実線56、58、60、62及び64は、それぞれ、Δr＝0.01Λ、Δr＝0.02Λ、Δr＝0.03Λ、Δr＝0.04Λ及びΔr＝0.05Λのリング厚さを有する環状リング38を表す。

図８のグラフィックデータから、短波長では曲線が同一になることが明らかになる。しかしながら、長波長では曲線は異なり、クラッド領域32を有する光ファイバの間で僅かに異なる特性が環状リング構造36から形成されることを示す。より小さな半径の環状リング38であっても、モードは閉じ込まれたままである。しかしながら、より短波長では、かかる構造は、より低い開口数（ＮＡ）を有し、曲げ損失に対してより影響されやすくなるであろう。

図９は、図６に示される構造でのＶeffの計算された変化のグラフである。再度、参照破線54は、例えば、図２に示されるＰＣＦ16の如き、典型的な多孔質クラッド光ファイバでの波長の逆数スケールの関数としてＶeffを表したものである。図６において上記した如く、多孔質クラッド層18は、セル状リング構造46の周期格子と置換されてきた。図９において、Λ（ラムダ）は、セル状リング構造46の間の中心と中心の間隔である。破線54では、空気カラム20の各々は、上記した如く、ｒ＝0.25Λの半径を有する。その他の点線66及び実線68は、６つの小さいカラムの各々50が半径ｒ＝0.0518Λを有するセル状リング構造46を表す。また、各カラム50の中央は、半径ｒ＝0.198Λの円内に分布している。破線54と比較すると、６つのカラムの各グループ50は、ｒ＝0.25Λの外周の円内に含まれる。好ましくは６つのカラムであるが、３つ以上のカラムの構造50は、同様の結果を生じることが示された。更に、点線66は、0.5%のフッ素を添加したシリカから形成された内部コア48を有するセル状リング構造46を表す。実線68は、シリカから形成される内部コア48を有するセル状リング構造46を表す。更に、特性は、短波長では空気カラム20とほぼ同一であるが、長波長では異なる。

上記したように、図２、５及び６の光ファイバ構造は、２つの方向に周期的であって且つファイバの長さ方向に沿って均一な二次元フォトニック結晶を形成する。図２、５及び６の構造において、フォトニックバンドギャップは、ファイバに沿っての伝搬に対して現れる。これらの構造のいずれかのコア領域34は、周期構造中に欠陥を生成するために高屈折率又は低屈折率であり得る。光がコア領域34を形成する欠陥に導かれるとき、バンドギャップによって定義される周波数範囲内の光周波数が欠陥に沿って反射される。周期性平面内での光伝搬のために、光モードは、各々独自のバンド構造を有する２つの独立した偏光に分割され得る。

これらのバンドギャップの例として、図10は、図1に示される構造の中にあるＸＹ平面内を伝搬する光のフォトニックバンド図を示す。図10のプロットでは、図１における構造の高屈折率シリンダ12は、固体である。

図10は、横磁界（ＴＭ）モードでのフォトニックバンドギャップがそれぞれ第１及び第２のバンドを表す実線70及び72の間に存在することを示している。実線又はその束はＴＭモードを表し、点線又はその束は横電界（ＴＥ）モードを表す。すなわち、固体シリンダ構造12によって形成されるフォトニック結晶10は、第１及び第２のバンド間にあるＴＭモードに対して完全なバンドギャップを有するがＴＥモードでは有しない。

同様に、図11は、固体カラム12が高屈折率環状リングによって置換された図１のフォトニック結晶構造におけるバンドダイアグラムを示す。

図11も、横磁界（ＴＭ）モードでのフォトニックバンドギャップが第１及び第２のバンドのそれぞれを表す実線74及び76の間に存在することを示す。すなわち、環状リング構造によって形成されるフォトニック結晶構造10は、第１及び第２のバンド間でＴＭモードに対して完全なバンドギャップを有するがＴＥモードでは有しない。

上述の議論は、本発明の典型的な実施例を開示及び記載したものである。当業者であれば、さまざまな変更、改良及びバリエーションが特許請求の範囲において定義された本発明の精神と範囲から逸脱することなくなされ得ることを当該議論及び添付の図面、特許請求の範囲から直ちに認識するであろう。

Claims (4)

1. コア領域及び前記コア領域を包囲するクラッド領域からなるファイバ光導波路であって、
   前記クラッド領域は、内側クラッド領域及び外側クラッド領域を含み、前記内側クラッド領域は、リング構造の周期的格子を有し、
   前記コア領域が前記リング構造の前記周期的格子の欠陥として機能して前記ファイバ光導波路内で光をガイドし、
   前記ファイバ光導波路は所定のモードにおいて光学バンドギャップを有し、
   前記リング構造の前記周期的格子は、セル状リング構造の格子であることを特徴とする導波路。
2. 前記セル状リング構造の各々は、内部コアを包囲する複数の空気カラムによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の導波路。
3. 前記セル状リング構造の各々は、低屈折率誘電物質の固体の内部コアを包囲する６つの空気カラムによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の導波路。
4. 前記内部コアは、前記外側クラッド領域の屈折率以下の屈折率を有する固体材料からなることを特徴とする請求項３に記載の導波路。

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