JP2012073389A - ソリッドフォトニックバンドギャップファイバおよび該ファイバを用いたファイバモジュールおよびファイバアンプ、ファイバレーザ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ファイバ長手方向に対する断面の中心部分のコア領域を、低屈折率の固体物質により形成し、そのコア領域を取り囲むクラッド領域の母材を、低屈折率の固体物質で形成するとともに、そのクラッド領域の母材中に、高屈折率の固体物質からなる多数の微細な高屈折率散乱体を、コア領域を取り囲むように分散配置してなるソリッドフォトニックバンドギャップファイバであって、所定の曲げ半径で曲げられた状態で、曲げによって生じる基本モードと高次モードの曲げ損失の差により高次モードでの伝搬を規制して、実質的に基本モードのみを伝搬するように構成した
【選択図】図1
Description
一方、近年のファイバアンプやファイバレーザの高出力化の進展はめざましいものがある。これらの高出力化が進むに従い、ファイバアンプやファイバレーザに用いられる希土類添加ファイバをはじめとする光ファイバ型部品においては、高パワー光に対する耐性を有する必要が生じてきている。光ファイバとして留意しなければならない光パワーに関する特性としては、一般的には光損傷と非線形光学効果が知られている。光損傷と非線形光学効果は、いずれも光のパワー密度(単位導光断面積あたりの光パワー)が高いと生じる現象である。したがって、これらの望ましくない現象の発現を避けつつ高出力光を得るためには、光のパワー密度を下げればよく、また出力パワーを下げずにパワー密度を下げるためには、光の通る断面積を大きくすれば良い。ここで、一般的に光の導光断面積の指標としては、実効コア断面積という定義が使用されている。この実効コア断面積Aeffは、次の(1)式によって定義される。
ソリッドフォトニックバンドギャップファイバは、***鳴反射を利用してある波長域内の光がコア領域の外に漏洩するのを遮断し、コア領域内に光を閉じ込めることで導波構造としている(ARROW型導波路と呼ばれる)。このARROW型導波路では、低屈折率のコアが実現可能であるとともに、一般的な屈折率導波型のファイバでは実現不可能な光学特性を実現できる。
そして本発明では、ソリッドフォトニックバンドギャップファイバにおける、高次モードと基本モードの曲げ損失の差が大きいことを利用して、該ソリッドフォトニックバンドギャップファイバを適切な曲げ径にして高次モードを曲げ損失により除去し、実質的に基本モードのみがコア内を伝搬するようにしている。
光ファイバにおいては、実効コア断面積の拡大とシングルモード動作であることのほかに、伝搬光の損失が小さくなければならない。ここでの損失とは、材料損失、閉じ込め損失、曲げ損失を含むが、本発明において損失を小さくするべき対象となるモードは、伝搬したいモードのみ、すなわち基本モードのみであり、高次モードについては、逆に損失を大きくすることが必要である。また、本ファイバを適用する対象として有望なものは、ファイバレーザやファイバアンプであり、これらが使用されるシチュエーションを想定すれば、ファイバをコイル化して、コンパクトに収納できるようにしたモジュールとすることが望ましい。これらの要求条件に対しては、さまざまなトレードオフが存在する。
ソリッドフォトニックバンドギャップファイバで低い閉じ込め損失を得るためには、使用波長における基本モードの実効屈折率(伝搬定数)と、当該波長における面内方向伝搬禁則帯(バンドギャップ帯)の実効屈折率下限(面内方向伝搬禁則を維持できる実効屈折率(伝搬定数)の下限)の差を大きくすることが有効であるとされているが、一方で、その差を大きくすれば、高次モードも伝搬してしまい、シングルモード伝搬を維持しつつ実効コア断面積を拡大するには設計上制限が生じてしまう。
そこで、本発明では、基本モードの実効屈折率と面内方向伝搬禁則帯の実効屈折率下限の差を大きくして高次モードが存在するような条件下でも、高次モードの曲げ損失を利用して高次モードを積極的に漏洩させ、これにより実質的にシングルモード伝搬を行うことができるファイバを提供している。
図1に本発明のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ10の基本的な構造例を示す。図1において、このソリッドフォトニックバンドギャップファイバ10は、ファイバ長手方向に直交する断面の中心部分のコア領域12を、低屈折率の固体物質(以下その屈折率をnlowと記す)により形成し、そのコア領域12を取り囲むクラッド領域14の母材部分16を、低屈折率の固体物質(通常はコア領域12の屈折率nlowと同等)で形成するとともに、そのクラッド領域12の母材16中に、高屈折率の固体物質(以下その屈折率をnhighと記す)からなる多数の微細な高屈折率散乱体18を、コア領域12を取り囲むように分散配置(図1の例では三角格子状の最密状態の周期構造で、層状に配置)してなる構造とされる。ここで、コア領域12の大きさ(ファイバ横断面での広さ)については、ファイバ10の中心位置からファイバ半径方向の外方に向けて高屈折率散乱体18を三角格子状の最密状態の周期構造で配置したと仮定して、その場合に中心からn層、m本(mセル)の高屈折率散乱体18´を取り除いてコア領域12を形成したとみなし、その取り除いた層数nまたはセル数mをもって、コア領域12の大きさを表す層数またはセル数としている。したがって図1の例では、仮想線で表している中心部の2層、7セルの高屈折率散乱体18´を取り除いてコア領域12を形成しているとみなせるから、コア領域12の大きさは、2層相当分、7セル相当分と言うことができる。一方、クラッド領域14の高屈折率散乱体18の層数については、前記同様に三角格子状の最密状態の周期構造で配置した場合の、ファイバ横断面の中心からの半径方向RDに周期的に並んでいる高屈折率散乱体18の数をもって層数を表している。したがって図1の例では、クラッド領域14の高屈折率散乱体18は、5層に相当する。
本発明においては、規格化周波数V(屈折率導波路で使用される規格化周波数とは異なることに注意)なる概念を導入しており、この規格化周波数Vについて、図2に示す本発明のソリッドフォトニックバンドギャップファイバの第1の例を参照して説明する。
図2に横断面で示すソリッドフォトニックバンドギャップファイバ10の第1の例は、コア領域12が1層(1セル)で、クラッド領域14の高屈折率散乱体18が三角格子状に6層で周期的に配置されたものである。これまで、一般的に、フォトニックバンドギャップファイバにおいては、d/Λを固定し、波長を変化させてバンドギャップ構造や閉じ込め損失について議論がなされることが多かったが、これでは、いろいろなパラメータを統一的かつ公平に評価が困難である。そこで、本発明者らは、次の式(2)
図6にはΛ=12μmの時の基本モードの閉じ込め損失(漏洩損失)と規格化周波数Vの関係の計算例(計算波長λは1064nm)を示し、図7には第一バンドギャップ(1st:図6参照,V=1.6)における、曲げ半径75mmのときの基本モードの曲げ損失のΛ依存性(波長1064nm)を示す。図7から、基本モードの曲げ損失を0.1dB/m以下に規制しようとする場合、どのΔであっても、Λは9μm以上確保でき、かつΔが低ければ、よりΛを大きくできることがわかる。ここで、1セルコアの場合(図2〜図4)と異なり、7セルコアの場合、コア径は3Λ以上確保できることから、この場合、実効コア断面積は300μm2を確保でき、実効コア断面積を十分に拡大したファイバを実現できることがわかる。ここで、本発明で対象としているファイバは、基本モードの実効屈折率と面内方向伝搬禁則帯の実効屈折率下限の差を大きくしたファイバであるから、実質的にシングルモード伝搬を実現するには、上記ファイバ構造における高次モードの曲げ損失が十分に大きい必要がある。
また、クラッド領域の低屈折率部分(母材部分)およびコア領域は、必ずしも同じ材質および添加物濃度である必要はない。コア領域のみに蛍光元素をドープしても良いし、コア領域とクラッド領域の母材部分の屈折率が多少違っていてもかまわない。また、コア領域に、屈折率分布を持つこともかまわないが、重要なことは、高屈折率散乱体の屈折率とこれらクラッド領域の低屈折率部分(母材部分)およびコア領域の屈折率との差が、コア領域とクラッド領域の母材部分の屈折率との差よりも、十分に大きいことである。一般的に、コア領域とクラッド領域の母材部分の屈折率との差が、高屈折率散乱体の屈折率とこれらクラッド領域の低屈折率部分(母材部分)およびコア領域の屈折率との差の20%以下であればこの条件を満たしているとみなせる。
図6〜図8、図11に示したように、第一バンドギャップ(1st)は、低い閉じ込め損失および小さな基本モードの曲げ損失と高い高次モードの曲げ損失を有していて最適なバンドギャップであり、この第一バンドギャップを用いることが、最も望ましい。一方図12には、第三バンドギャップ(3rd)における基本モード(FM)の曲げ損失と高次モード(HOM)の曲げ損失の曲げ径依存性を示す。この図12を、第一バンドギャップ(1st)を用いた場合の計算結果(図8)と比較すれば、いずれの曲げ半径Rにおいても、基本モード(FM)の曲げ損失と高次モード(HOM)の曲げ損失の差が小さく、したがって、実用に供せないほどではないものの、この第三バンドギャップ(3rd)よりは前述の第一バンドギャップ(1st)の方が、より好適であることが分かる。
図13から図16は、それぞれ曲げ半径が150mm、100mm、75mm、50mmのときに、ΛとΔを変化させたときに実現される、基本モードの曲げ損失、高次モードの曲げ損失、実効コア断面積について示したグラフ(計算波長λは1064 nm)である。図中太い実線は高次モードの曲げ損失が3dB/mとなる設計パラメータ(BLHOM)を示しており、右上に行くほど曲げ損失が大きくなる。また図中太い破線は基本モードの曲げ損失が0.1dB/mとなる設計パラメータ(BLFM)を示しており、左下に行くほど曲げ損失が小さくなる。
ここで、基本モードの曲げ損失が0.1dB/m以下でかつ高次モードの曲げ損失が3dB/m以上であることが、実質的にシングルモード伝搬を確保するための曲げ損失についての望ましい条件であり、したがって図13〜図16の各図において、太い実線(BLHOM)と太い破線(BLFM)に囲まれた領域が、所望の曲げ損失を得られる領域(基本モードの曲げ損失が0.1dB/m以下でかつ高次モードの曲げ損失が3dB/m以上である領域)となる。なお図13〜図16には、実効コア断面積Aeffの等値線も細い破線で示している。
これらの図13〜16から理解できるように、同一の曲げ半径であれば、Δが高い場合には、Λが小さい領域で所望の曲げ損失を得ることができ、実効コア断面積Aeffも300μm2以上を確保できる。一方、Δが低い場合には、Λが大きい領域で所望の曲げ損失を得ることができ、実効コア断面積Aeffはさらに大きくできる。また、図13から図16を比較すれば、曲げ半径を小さくしていくにつれて、太い実線(BLHOM)と太い破線(BLFM)に囲まれた領域、すなわち所望の曲げ損失を得られる領域が、Λの小さな領域にシフトし、それに伴い、実現可能な実効コア断面積Aeffが小さくなることが分かる。
すなわち、先ず基本的には、第10の形態(請求項10に対応)に記載したように実効コア断面積を300μm2以上に確保しつつ、基本モードと高次モードの曲げ損失の差を利用して実質的にシングルモード伝送を可能にするためには、第9の形態(請求項9に対応)に記載したように、Λが8〜16μmの範囲内であって、Δが1.0〜3.0%の範囲内であればよい。
さらに、特に実効コア断面積の拡大を重視して、第12の形態(請求項12に対応)に記載したように実効コア断面積を450μm2以上に確保しつつ、基本モードと高次モードの曲げ損失の差を利用して実質的にシングルモード伝送を可能とするためには、第11の形態(請求項11に対応)に記載したようにΛが10〜16μmの範囲内であって、Δが1.3〜3.0%の範囲内であればよく、その場合には、曲げ半径Rが90〜200mmの範囲で実質的にシングルモード伝送となる。
逆に、省スペースで収納するために好適となるように、曲げ半径を重視して、第14の形態(請求項14に対応)に記載したように小さい曲げ半径、例えば40〜90mmの範囲内で実質的にシングルモード伝送とするには、第13の形態(請求項13に対応)に記載したように、Λが8〜11μmの範囲内であって、Δが1.5〜3.0%の範囲内であればよく、その場合には、実効コア断面積は350μm2以上を実現できる。
また、基本モードと高次モードの曲げ損失については、前述のところでは、基本モードの曲げ損失が0.1dB/m以下でかつ高次モードの曲げ損失が3dB/m以上であることが望ましいとしたが、基本モードと高次モードの曲げ損失の差は、できるだけ大きいことが、より望ましい。そのためには、例えば、高次モードの曲げ損失を10dB/m以上とすることが、より好適である。このときのΛとΔの設計範囲は適宜調整する必要があるが、概ね高次モードの曲げ損失が3dB/m以上の場合と同様の設計範囲となる。
この実施例1は、基本的には、コア領域が2層相当(7セルコア)で、透過バンドとして第一バンドギャップを用いたものである。具体的には、図5に示すように、2層相当コア型で、三角格子状に周期的に配列された高屈折率散乱体を持つ構造である。Λは11μm、Δは2.0%を狙って作製した。
より具体的には、Vが1.6付近となるよう、dを調整(約1.8μm)した。したがって、波長1064nmで使用する場合、用いる透過バンドは第一バンドギャップとなる。光ファイバプリフォームはシリカガラスを主成分としており、高屈折率散乱体にはゲルマニウムを添加したシリカガラスを用い、スタックアンドドロー法で積層構造体のプリフォームを作成した。そしてそのプリフォームをΛが11μmとなるようにファイバ外径を制御して紡糸し、ウレタンアクリレート系のUV樹脂からなる保護被覆を施し、ファイバを得た。ファイバ外径は約210μmであった。
該ファイバを測定したところ、伝送損失は波長1064nmにおいて0.03dB/mであった。またM2測定器で、試作ファイバの出力ビーム品質を曲げ半径を変えながら測定したところ、曲げ半径約120mm以下でM2が1.2以下となった。曲げ半径を小さくする方向に曲げを印加しながら、出力光パワーも測定したが、曲げ半径が70mm程度までは、パワーの曲げ径依存性は見られず、70mmから徐々にパワーが減っていった。これは基本モードの曲げ損失が曲げ半径70mm程度以上では観測されていないことを意味し、低損失なファイバとなっていることがわかる。各曲げ半径にて実効コア断面積を測定したが、曲げ半径120mmでは約520μm2、曲げ半径100mmでは約470μm2、曲げ半径70mmでは約440μm2であった。
この実施例2は、基本的には、実施例1と同様にコア領域が2層相当(7セルコア)であるが、透過バンドとして第三バンドギャップを用いたものである。具体的には、図5に示すように、2層相当コア型で、三角格子状に周期的に配列された高屈折率散乱体を持つ構造である。
より具体的には、Λは13μm、Δは2.5%を狙って作製した。またVが4.65付近となるよう、dを調整(約4.8μm)した。したがって、波長1064nmで使用する場合、用いる透過バンドは第三バンドギャップとなる。光ファイバプリフォームはシリカガラスを主成分としており、高屈折率散乱体にはゲルマニウムを添加したシリカガラスを用い、スタックアンドドロー法で作製した。該プリフォームをΛが13μmとなるようにファイバ外径を制御して紡糸し、ウレタンアクリレート系のUV樹脂からなる保護被覆を施し、ファイバを得た。ファイバを得た。ファイバ外径は約250μmであった。
該ファイバを測定したところ、伝送損失は波長1064nmにおいて0.07dB/mであった。またM2測定器で、試作ファイバの出力ビーム品質を、曲げ半径を変えながら測定したところ、曲げ半径約100mm以下でM2が1.2以下となった。曲げ半径が小さくなる方向に曲げを印加しながら、出力光パワーも測定したが、曲げ半径が60mm程度までは、パワーの曲げ径依存性は見られず、60mmから徐々にパワーが減っていった。これは基本モードの曲げ損失が曲げ半径60mm程度以上では観測されていないことを意味し、低損失なファイバとなっていることがわかる。各曲げ半径にて実効コア断面積を測定したが、曲げ半径100mmでは約430μm2、曲げ半径60mmでは約380μm2であった。
この実施例3は、基本的には、実施例1と同様に、コア領域が2層相当(7セルコア)で、透過バンドとして第一バンドギャップを用い、高屈折率散乱体の屈折率分布が矩形でない例である。具体的には、図5に示すように、2層相当コア型で、三角格子状に周期的に配列された高屈折率散乱体を持つ構造である。Λは11μmで、しかも矩形換算でΔが2.0%となるような非矩形の屈折率分布(図17参照)を持つ高屈折率散乱体を有するファイバを作製した。
より具体的には、Vが1.6付近となるよう、dを調整(約1.8μm)した。したがって、波長1064nmで使用する場合、用いる透過バンドは第一バンドギャップである。光ファイバプリフォームはシリカガラスを主成分としており、高屈折率散乱体にはゲルマニウムを添加したシリカガラスを用い、スタックアンドドロー法で作製した。該プリフォームをΛが11μmとなるようにファイバ外径を制御して紡糸し、ウレタンアクリレート系のUV樹脂からなる保護被覆を施しファイバを得た。ファイバ外径は約240μmであった。
該ファイバを測定したところ、伝送損失は波長1064nmにおいて0.01dB/mであった。またM2測定器で、試作ファイバの出力ビーム品質を曲げ半径を変えながら測定したところ、曲げ半径約130mm以下でM2が1.2以下となった。曲げ半径が小さくなる方向に曲げを印加しながら、出力光パワーも測定したが、曲げ半径が60mm程度までは、パワーの曲げ径依存性は見られず、60mmから徐々にパワーが減っていった。これは基本モードの曲げ損失が曲げ半径60mm程度以上では観測されていないことを意味し、低損失なファイバとなっていることがわかる。各曲げ半径にて実効コア断面積を測定したが、曲げ半径130mmでは約530μm2、曲げ半径100mmでは約510μm2、曲げ半径60mmでは約420μm2であった。
この実施例4は、基本的には、実施例1と同様に、コア領域が2層相当(7セルコア)で、透過バンドとして第一バンドギャップを用い、実効コア断面積Aeffが大きくなるようにした例である。具体的には、図5に示すように、2層相当コア型で、三角格子状に周期的に配列された高屈折率散乱体を持つ構造である。
より具体的には、Λを12.5μmとし、矩形換算でΔが1.5%となるような、図17に示す屈折率分布を持つ高屈折率散乱体を有するファイバを作製した。Vが1.6付近となるよう、dを調整(約2.1μm)した。したがって、波長1064nmで使用する場合、用いるバンドギャップは第一バンドギャップである。光ファイバプリフォームはシリカガラスを主成分としており、高屈折率部にはゲルマニウムを添加したシリカガラスを用い、スタックアンドドロー法で作製した。該プリフォームをΛが12.5μmとなるようにファイバ外径を制御して紡糸し、ポリイミドからなる保護被覆に覆われたファイバを得た。ファイバ外径は約280μmであった。
該ファイバを測定したところ、伝送損失は波長1064nmにおいて0.09dB/mであった。またM2測定器で、試作ファイバの出力ビーム品質を曲げ半径を変えながら測定したところ、曲げ半径約130mm以下でM2が1.2以下となった。曲げ半径が小さくなる方向に曲げを印加しながら、出力光パワーも測定したが、曲げ半径が80mm程度までは、パワーの曲げ径依存性は見られず80mmから徐々にパワーが減っていった。これは基本モードの曲げ損失が曲げ半径80mm程度以上では観測されていないことを意味し、低損失なファイバとなっていることがわかる。各曲げ半径にて実効コア断面積を測定したが、曲げ半径100mmでは約590μm2、曲げ半径80mmでは約480μm2であった。
この実施例5は、基本的には、実施例1と同様に、コア領域が2層相当(7セルコア)で、透過バンドとして第一バンドギャップを用い、曲げ半径を小さくして、ファイバモジュールなどとして、巻き径を小さくできるようにした例である。具体的には、図5に示すように、2層相当コア型で、三角格子状に周期的に配列された高屈折率散乱体を持つ構造である。
より具体的には、Λは9μmとし、矩形換算でΔが2.5%となるような、図17に示す屈折率分布を持つ高屈折率散乱体を有するファイバを作製した。Vが1.6付近となるよう、dを調整(約1.6μm)した。したがって、波長1064nmで使用する場合、用いるバンドギャップは第一バンドギャップである。光ファイバプリフォームはシリカガラスを主成分としており、高屈折率部にはゲルマニウムを添加したシリカガラスを用い、スタックアンドドロー法で作製した。該プリフォームをΛが9μmとなるようにファイバ外径を制御して紡糸し、ウレタンアクリレート系のUV樹脂からなる保護被覆で覆われたファイバを得た。ファイバ外径は約160μmであった。
該ファイバを測定したところ、伝送損失は波長1064nmにおいて0.01dB/mであった。またM2測定器で、試作ファイバの出力ビーム品質を曲げ半径を変えながら測定したところ、曲げ半径約70mm以下でM2が1.2以下となった。曲げ半径が小さくなる方向に曲げを印加しながら、出力光パワーも測定したが、曲げ半径が40mm程度までは、パワーの曲げ径依存性は見られず、40mmから徐々にパワーが減っていった。これは基本モードの曲げ損失が曲げ半径40mm程度以上では観測されていないことを意味し、低損失なファイバとなっていることがわかる。各曲げ半径にて実効コア断面積を測定したが、曲げ半径70mmでは約370μm2、曲げ半径40mmでは約330μm2であった。
この実施例6は、基本的には、実施例1と同様に、コア領域が2層相当(7セルコア)で、透過バンドとして第一バンドギャップを用い、かつコア領域のシリカガラスにイッテルビウム(Yb)を添加したものを用い、しかも前期外側クラッドを設けて、ダブルクラッド構造とした。具体的には、図5に示すように、2層相当コア型で、三角格子状に周期的に配列された高屈折率散乱体を持つ構造のファイバに、さらに外側クラッドを設けた構造である。
より具体的には、Λを11μmとし、矩形換算でΔが2.0%となるような、図17に示す屈折率分布を持つ高屈折率散乱体を有するファイバを作製した。Vが1.6付近となるよう、dを調整(約1.8μm)した。したがって、波長1064nmで使用する場合、用いるバンドギャップは第一バンドギャップである。光ファイバプリフォームはシリカガラスを主成分としており、コア領域にあたる中心2層相当部分には、イッテルビウムを酸化イッテルビウム(Yb2O3)換算で約1mol%添加したシリカガラスを用いた。高屈折率散乱体には、ゲルマニウムを添加したシリカガラスを用い、スタックアンドドロー法で作製した。該プリフォームをΛが11μmとなるようにファイバ外径を制御して紡糸し、ファイバの外側に、前記外側クラッドとして、ポリマークラッドを付与し、さらにその外側がウレタンアクリレート系のUV樹脂からなる保護被覆で覆われたファイバを得た。ファイバ外径は約180μm、外側クラッド外径は240μmであった。
該ファイバを測定したところ、伝送損失は波長1200nmにおいて0.1dB/mであった。なお、使用波長である1064nmでは、イッテルビウムの吸収が存在するため、伝送損失の測定ができない。976nmでのコアの吸収量は約1100dB/mであった。M2測定器で、試作ファイバの出力ビーム品質を曲げ半径を変えながら測定したところ、曲げ半径約180mm以下でM2が1.2以下となった。曲げ半径が小さくなる方向に曲げを印加しながら、出力光パワーも測定したが、曲げ半径が70mm程度までは、パワーの曲げ径依存性は見られず、70mmから徐々にパワーが減っていった。これは基本モードの曲げ損失が曲げ半径70mm程度以上では観測されていないことを意味し、低損失なファイバとなっていることがわかる。各曲げ半径にて実効コア断面積を測定したが、曲げ半径180mmでは約590μm2、曲げ半径120mmでは約520μm2、曲げ半径70mmでは約440μm2であった。本ファイバを用い、両端にファイバグレーティングを用いて共振器を構成してファイバレーザを作製した。本ファイバレーザにクラッドポンプ方式を用いてレーザ発振させたところ、M2は1.0であった。
この実施例7は、基本的には、実施例1と同様に、コア領域が2層相当(7セルコア)で、透過バンドとして第一バンドギャップを用い、実効コア断面積Aeffが大きくなるようにした例である。具体的には、図5に示すように、2層相当コア型で、三角格子状に周期的に配列された高屈折率散乱体を持つ構造である。
より具体的には、Λは15μmとし、矩形状換算でΔが1.0%となるような、図17に示す屈折率分布を持つ高屈折率散乱体を有するファイバを作製した。Vが1.6付近となるよう、dを約2.6μmに調整した。したがって、波長1064nmで使用する場合、用いるバンドギャップは第一バンドギャップである。光ファイバプリフォームはシリカガラスを主成分としており、高屈折率散乱体にはゲルマニウムを添加したシリカガラスを用い、スタックアンドドロー法で作製した。該プリフォームを、Λが15μmとなるようにファイバ外径を制御して紡糸し、ウレタンアクリレート系のUV樹脂からなる保護被覆で覆われたファイバを得た。ファイバ外径は約250μmであった。
該ファイバを測定したところ、伝送損失は波長1064nmにおいて0.07dB/mであった。またM2測定器で、試作ファイバの出力ビーム品質を曲げ半径を変えながら測定したところ、曲げ半径約200mm以下でM2が1.2以下となった。曲げ半径が小さくなる方向に曲げを印加しながら、出力光パワーも測定したが、曲げ半径が120mm程度までは、パワーの曲げ径依存性は見られず、120mmから徐々にパワーが減っていった。これは、基本モードの曲げ損失が曲げ半径120mm程度以上では観測されていないことを意味し、低損失なファイバとなっていることがわかる。各曲げ半径にて実効コア断面積を測定したが、曲げ半径200mmでは約760μm2、曲げ半径120mmでは約670μm2であった。
この実施例8は、基本的には、実施例1と同様に、コア領域が2層相当(7セルコア)で、透過バンドとして第一バンドギャップを用い、実効コア断面積Aeffが大きくなるようにした例である。具体的には、図5に示すように、2層相当コア型で、三角格子状に周期的に配列された高屈折率散乱体を持つ構造である。
より具体的には、Λは12.5μmとし、矩形状換算でΔが1.4%となるような、図17に示す屈折率分布を持つ高屈折率散乱体を有するファイバを作製した。Vが1.6付近となるよう、dを約2.2μmに調整した。したがって、波長1064nmで使用する場合、用いるバンドギャップは第一バンドギャップである。光ファイバプリフォームはシリカガラスを主成分としており、高屈折率散乱体にはゲルマニウムを添加したシリカガラスを用い、スタックアンドドロー法で作製した。該プリフォームをΛが12.5μmとなるようにファイバ外径を制御して紡糸し、ウレタンアクリレート系のUV樹脂からなる保護被覆で覆われたファイバを得た。ファイバ外径は約210μmであった。
該ファイバを測定したところ、伝送損失は波長1064nmにおいて0.04dB/mであった。またM2測定器で、試作ファイバの出力ビーム品質を曲げ半径を変えながら測定したところ、曲げ半径約150mm以下でM2が1.2以下となった。曲げ半径が小さくなる方向に曲げを印加しながら、出力光パワーも測定したが、曲げ半径が90mm程度までは、パワーの曲げ径依存性は見られず、90mmから徐々にパワーが減っていった。これは基本モードの曲げ損失が曲げ半径90mm程度以上では観測されていないことを意味し、低損失なファイバとなっていることがわかる。各曲げ半径にて実効コア断面積を測定したが、曲げ半径150mmでは約640μm2、曲げ半径90mmでは約580μm2であった。
12 コア領域
14 クラッド領域
16 クラッド領域の母材部分
18 高屈折率散乱体
Claims (25)
- ファイバ長手方向に対する断面の中心部分のコア領域を、低屈折率の固体物質により形成し、そのコア領域を取り囲むクラッド領域の母材を、低屈折率の固体物質で形成するとともに、そのクラッド領域の母材中に、高屈折率の固体物質からなる多数の微細な高屈折率散乱体を、コア領域を取り囲むように分散配置してなるソリッドフォトニックバンドギャップファイバであって、所定の曲げ半径で曲げられた状態で、曲げによって生じる基本モードと高次モードの曲げ損失の差により高次モードでの伝搬を規制して、実質的に基本モードのみを伝搬するように構成したことを特徴とする、ソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記高屈折率散乱体が、コア領域を取り囲むクラッド領域に層状の周期構造で配置されてなることを特徴とする、請求項1に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記高屈折率散乱体が、コア領域を取り囲むクラッド領域に三角格子状に周期的に配置されており、かつその高屈折率散乱体の周期構造がファイバの半径方向に少なくとも4層以上であって、しかもコア領域を、ファイバの横断面の中心位置から半径方向外方に向けて高屈折率散乱体を三角格子状に周期的に配置したと仮定してその中心から高屈折率散乱体を2層以上除去した広さに相当する領域としたことを特徴とする、請求項2に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記コア領域と、クラッド領域の母材とが、シリカガラスを主成分とする物質で構成され、高屈折率散乱体が、ゲルマニウムを添加したシリカガラスで構成されていることを特徴とする、請求項1〜請求項3のいずれか1の請求項に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記所定の曲げ半径で曲げられた状態での基本モードの曲げ損失が0.1dB/m以下であって、かつ高次モードの曲げ損失が3dB/m以上であることを特徴とする、請求項1〜請求項4のいずれか1の請求項に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 実効コア断面積が200μm2以上であることを特徴とする、請求項1〜請求項5のいずれか1の請求項に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 使用波長帯を、ソリッドフォトニックバンドギャップファイバの第一透過バンド内とすることを特徴とする、請求項1〜請求項6のいずれか1の請求項に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記所定の曲げ半径が40〜200mmの範囲内にあることを特徴とする、請求項3に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記高屈折率散乱体の三角格子状の周期間隔が8〜16μmの範囲内であって、かつ高屈折率散乱体とクラッド領域母材との比屈折率差が1.0〜3.0%の範囲内であることを特徴とする、請求項3に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 実効コア断面積が300μm2以上であることを特徴とする、請求項9に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記高屈折率散乱体の三角格子状の周期間隔が10〜16μmの範囲内であって、高屈折率散乱体とクラッド領域母材との比屈折率差が1.3〜3.0%の範囲内であることを特徴とする、請求項3に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記所定の曲げ半径が90〜200mmの範囲内にあり、実効コア断面積が450μm2以上であることを特徴とする、請求項11に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記高屈折率散乱体の三角格子状の周期間隔が8〜11μmの範囲内であって、高屈折率散乱体とクラッド領域母材との比屈折率差が1.5〜3.0%の範囲内であることを特徴とする、請求項3に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記所定の曲げ半径が40〜90mmの範囲内にあり、実効コア断面積が350μm2以上であることを特徴とする、請求項13に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 40〜200mmの範囲内の曲げ半径で曲げられた状態で、基本モードの曲げ損失が0.1dB/m以下であってかつ高次モードの曲げ損失が10dB/m以上であることを特徴とする、請求項6〜14のいずれか1の請求項に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 規格化周波数Vが1.2〜2.0の範囲の波長で使用することを特徴とする、請求項7〜14のいずれか1の請求項に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記クラッド領域の外側に、低屈折率の外側クラッド層を有することを特徴とする、請求項1〜16のいずれか1の請求項に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記外側クラッド層が、ポリマークラッドであることを特徴とする、請求項17に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記外側クラッド層が、エアクラッドもしくはホーリークラッドであることを特徴とする、請求項17に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 蛍光元素を前記コア領域に含むことを特徴とする、請求項1〜19いずれかの請求項に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記蛍光元素が希土類であることを特徴とする、請求項20に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 前記希土類蛍光元素がイッテルビウムであることを特徴とする、請求項21に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバ。
- 請求項1〜22のいずれか1の請求項に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバの少なくとも一部が、所定の曲げ半径で曲げられてなることを特徴とする、光ファイバモジュール。
- 請求項1〜22のいずれか1の請求項に記載のソリッドフォトニックバンドギャップファイバが、所定の径で巻かれてコイル状とされていることを特徴とする、光ファイバモジュール。
- 請求項1〜24のいずれか1の請求項に記載されたソリッドフォトニックバンドギャップファイバもしくは光ファイバモジュールを構成要素として含むことを特徴とする、ファイバレーザもしくはファイバアンプ。
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