JP4272130B2 - フォトニックバンドギャップ光ファイバ - Google Patents

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Description

本発明はフォトニックバンドギャップ光ファイバに係り、さらに詳しくは複数のバンドギャップを形成するフォトニック結晶構造を使用して、多重バンドガイドの可能なフォトニックバンドギャップ光ファイバに関する。
一般に、光ファイバは低い屈折率を有するガラスやプラスチック材質の内側に高い屈折率を有するガラスやプラスチック材質で内部コアを構成する。光は内部全反射によって内側のコア-に沿って伝播され、これを通して情報を伝送することができる。ファイバは軽薄なので、空間を広く占めなく極めて高い伝送速度と低いエラー率を提供する。従って、光ファイバは高速データの送受信と高信頼度を必要とするデータ伝送分野において多用されるが、光ファイバは固体コアを通して光を伝播するので、コア物質による散乱や分散、または吸収消失のためその効率は制限的であった。
これにより、コアの屈折率がクラッドより少いがフォトニックバンドギャップによって光がガイドされるフォトニックバンドギャップ光ファイバに対する関心が高まっている。フォトニックバンドギャップ光ファイバではフォトニックバンドギャップを形成するためにフォトニック結晶が使用される。フォトニック結晶は使用周波数帯域によって数百ｎｍないし数百μｍの構造を有し、屈折率が相異なる物質を規則的に配列することによって形成される。フォトニック結晶を用いれば特定偏光の光を透過させない完全バンドギャップを形成でき、また偏光を問わず光を透過させない絶対バンドギャップを形成することもできる。このような特性によってフォトニック結晶を使用して分岐フィルタ、光導波管、光遅延素子、光ファイバなどのような光機能素子を作製することができる。
一方、フォトニック結晶は周期性を有する方向の数によって１次元、２次元、３次元など３種類の構造を有しうる。現在それぞれの次元について各種の具体的な構造が提案されている。例えば、２次元フォトニック結晶の場合、適切な構造を選択すれば格子(grid)定数の２倍程度の波長の光が周期構造内のいずれの方向へも伝播できない完全バンドギャップを有しうる。フォトニック結晶の特性を決める要素には格子形状、格子定数、挿入された柱の形態などがある。また、挿入された柱が円形の場合、その半径、背景物質の誘電率、挿入された柱の誘電率などがフォトニック結晶の特性を決める。
図１は２次元構造を有するフォトニック結晶構造の一例を示した図である。図１に示されたフォトニック結晶は、ｘ-ｙ断面が２次元のフォトニック結晶であって、第１誘電率を有する第１媒質１３内に第２誘電率を有し半径がＲの円筒形の第２媒質１５が周期的に配列されている構造である。マクスウェル方程式を解くと、図１に示したようなフォトニック結晶構造に対する波動ベクトルと周波数関係を求められる。
図２は図１に示したフォトニック結晶構造において光の伝達方向であるｚ方向の伝播ベクトルがβ、そして格子定数がｐの場合のバンドギャップを示している。この際、第１媒質１３が屈折率１．４５のシリカであり、ファイリングファクタが０．７の場合を示している。
図３は従来のフォトニックバンドギャップ光ファイバの断面を示した図である。図３に示したように、従来のフォトニックバンドギャップ光ファイバ３０は、図１に示したようなフォトニック結晶を使って、第１誘電率を有する第１媒質３３、及び第１媒質内に円筒形の第２媒質３５が配置される。そして、中心には第２媒質３５の周期性を崩す局所的な空洞３７が形成されている。中心に形成された空洞３７は欠陥モードを生成して、光が光ファイバの中心に伝播できるようにする。
図４は図３の従来のフォトニックバンドギャップ光ファイバの伝送モードを示した図である。図４に示した通り、フォトニックバンドギャップ光ファイバの中心周辺に光が集中されており、周囲にはバンドギャップによって光が遮断されることを電気場の強度を測定することによって分かる。従って、このようなフォトニックバンドギャップ光ファイバを通じて光を伝播でき、一般の光ファイバに比べて周波数帯域も拡大することができる。
ところが、従来のフォトニックバンドギャップ光ファイバは、前述したようにスケール媒介変数の変化によって特定な波動ベクトルに対して１つのバンドギャップだけが形成されるフォトニック結晶構造を使用している。従って、従来のフォトニックバンドギャップ光ファイバは伝送の可能な基本モードが１つのバンド領域でだけ存在するようになるので、相異なるバンド値を有する複数個の光を同時に伝送できないという問題点がある。
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的は複数のバンドギャップを形成するフォトニック結晶を用いて相異なるバンドの複数の光を同時に伝送しうるフォトニックバンドギャップ光ファイバを提供するところにある。
前述した目的を達成するために、本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバは、第１誘電率を有する第１媒質と、第２誘電率を有する複数の第２媒質と、第３誘電率を有する複数の第３媒質と、を備え複数のバンドギャップを形成するフォトニック結晶を含むフォトニックバンドギャップ光ファイバであって、下記の構成を有している。
・前記光ファイバの断面を貫通する方向に光を伝播するための、前記複数の第２媒質及び前記複数の第３媒質のうち２つ以上を欠如させるように生成された空洞が形成されており、
・前記第２媒質は、前記光ファイバの断面上で少なくとも１つの方向に対して第１周期で配置され、
・前記第３媒質は、前記断面上で前記方向に対して第２周期で配置され、前記複数の第２媒質と共に前記方向に対して第３周期で配置され、かつ第２媒質によって形成され前記方向に対して前記第３周期を有する単位セル内に配置されている。
複数のバンドギャップを形成するフォトニック結晶構造を使って、相異なるバンドを有する複数個の光を同時に伝送する多重バンドガイドの可能なフォトニックバンドギャップ光ファイバを実現できる。
前記フォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて、前記空洞は、前記複数の第２媒質及び前記複数の第３媒質がそれぞれ形成する前記第１周期及び前記第２周期を崩すよう形成されていることが好ましい。
前記フォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて、前記第３媒質の中心から最外郭までの距離は、前記第３媒質の中心から最も近接した前記第２媒質の最外郭までの距離より小さいことが好ましい。
前記フォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて、前記第２誘電率は前記第１誘電率より小さい値を有することが好ましい。
前記フォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて、前記第３誘電率は前記第２誘電率と同じ値を有することが好ましい。
前記フォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて、前記第３媒質は前記複数の第２媒質によって形成される単位セルの境界線に配置されることが好ましい。
本発明によれば、複数のバンドギャップを形成するフォトニック結晶を使用して複数のバンドギャップ内に相異なる伝送モードを生成でき、これによって相異なるバンドを有する複数個の光を同時に伝送できるようになる。
以下、添付した図面を参照して本発明をさらに詳述する。
図５は本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバに使用されるフォトニック結晶構造を示した図である。図５を参照すれば、フォトニック結晶構造は第１誘電率を有する第１媒質５３と、第２誘電率を有し第１媒質５３によって形成される平面上で少なくとも１つの方向に対して第１周期で配置される複数の第２媒質５５と、第３誘電率を有し第１媒質５３によって形成される平面上で第２周期で配置される複数の第３媒質５７とを含む。第３媒質５７は、第２媒質５５と共に少なくとも１つの方向に対して第３周期を有するよう第２媒質５５によって形成された単位セル内に配置され複数のフォトニックバンドギャップを形成する。
図６は図５に示したフォトニック結晶構造におけるバンドギャップを示した図である。図６において、ｘ軸は光の伝播方向であるｚ軸伝播ベクトルに格子定数ｐをかけた値であり、ｙ軸は周波数を示す。この際、第１媒質５３は屈折率１．４５のシリカであり、第２媒質５５は空気であり半径が内挿前半径Ｒ(ファイリングファクタは０．７)の０．８倍である。第３媒質５７も空気であり、半径が内挿前には‘０'であったが、内挿後は第２媒質５５の内挿前半径Ｒの０．２倍の場合である。また、内挿前第２媒質５５が形成する第１周期の格子間隔は２ｐであり、内挿後第２媒質５５及び第３媒質５７が形成する第３周期の格子間隔はｐである。
本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバで使用されるフォトニック結晶構造に対しては、‘フォトニック結晶構造'という発明の名称として本願出願人が出願した韓国出願番号１０-２００２-００２４７６１に詳しく説明されており、これは本明細書に参照され本発明の一部をなす。
図７は本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバの断面を示した図である。本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバは、図５に示したようなフォトニック結晶を使用する。本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバは、図５において説明した通り、ｘ-ｙ平面上から見れば、第１誘電率を有する第１媒質７３、第１媒質７３内に第１周期に配置される複数の第２媒質７５及び第２周期に配置される複数の第３媒質７７を含み、中心には複数の第２媒質７５及び第３媒質７７の周期性を崩しながら形成される空洞７９が形成されている。この際、第２媒質７５及び第３媒質７７はそれぞれ第２誘電率及び第３誘電率を有し、第２誘電率は第１誘電率より大きく、第３誘電率は第2誘電率と同じ値を有するようにする。
第３媒質７７は、その配置において中心から最外郭までの長さが中心から最近接位置に存する第２媒質７５との距離よりは少なく配置する。すなわち、第３媒質７７は複数の第２媒質７５によって形成される単位セル内に内挿されるほどのサイズを有しながら、第２媒質７５と互いに重なり合わないよう配置される。また、第３媒質７７は複数の第２媒質７５によって形成された単位セル内に配置されているが、第２誘電体１２０によって形成された各単位セル間の境界線上に位置させ利用することもできる。
空洞７９は、周期的に配置された複数の第２媒質７５及び複数の第３媒質７７のうち１つあるいは複数個を欠如させ生成することができる。図７では図５と対比し、第２媒質７５を７個含む空洞コアを形成した場合に該当する。空洞７９はこのように第２媒質７５及び第３媒質７７の欠如を通して形成することができるが、その他周期性を有する１つ以上の第２媒質７５及び第３媒質７７のサイズ及び形状を変更させ形成することも可能である。
図８は本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて伝送ベクトルによる伝送モード周波数の変化を示した図である。すなわち、本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて光の進行方向であるｚ方向の伝播ベクトルのサイズによるバンドギャップの変化及びこれに対応する伝送モードを示した図であって、幾つかの基本モードとセカンドモードが示されている。
図９及び図１０は本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバで表れる伝送モードを説明するための図である。図９では、伝送ベクトルのサイズが４．３５４５２の場合にスーパーセル方法を用いて計算したモード、すなわち電気場の強度に対する断面を示した図である。ここでは１４*１４セルを使用している。伝送周波数はバンドギャップ内に存在することが分かる。
同様に、図１０では伝送ベクトルのサイズが７．０７２１７の場合にスーパーセル方法を用いて計算したモードの断面を示す。ここでは１２*１２セルを使用している。伝送周波数はバンドギャップ内に存在することが分かる。図９及び図１０に示した通り、セルのサイズを大きくするほどモードの限定精度はさらに良くなり、１２*１２セルでもモードが限定されることが分かる。
図１１は本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて相異なるバンドを有する二つの光を伝送する場合を示した図である。図１１において、赤色と青色で示した光は相異なるバンドを有する光を示し、前述したように相異なるバンドを有する光を同時に伝送できるようになる。
また、以上では本発明の好ましい実施例について示しかつ説明したが、本発明は前述した特定の実施例に限らず、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せず当該発明の属する技術分野において通常の知識を持つ者によって多様な変形実施が可能なことは勿論、このような変形実施は本願発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはいけない。
本発明は複数のバンドギャップを形成するフォトニック結晶構造を使って、相異なるバンドを有する複数個の光を同時に伝送できる多重バンドガイドの可能なフォトニックバンドギャップ光ファイバに使用できる。
２次元構造を有するフォトニック結晶構造の一例を示した図 図１に示されたフォトニック結晶構造に対するバンドギャップを示した図 従来のフォトニックバンドギャップ光ファイバの断面を示した図 図３の従来のフォトニックバンドギャップ光ファイバの伝送モードを示した図 本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバで使用されるフォトニック結晶構造を示した図 図５のフォトニック結晶構造のバンドギャップを示した図 本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバの断面を示した図 本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバにおいて伝送ベクトルによる伝送モード周波数の変化を示した図 本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバの伝送モードを説明するための図 本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバの伝送モードを説明するための図 本発明に係るフォトニックバンドギャップ光ファイバを通じて相異なるバンドギャップを有する光を同時に伝送することを示した図
５３，７３: 第１媒質
５５，７５: 第２媒質
５７，７７: 第３媒質
７９: 空洞

Claims (6)

  1. 第１誘電率を有する第１媒質と、第２誘電率を有する複数の第２媒質と、第３誘電率を有する複数の第３媒質と、を備え複数のバンドギャップを形成するフォトニック結晶を含むフォトニックバンドギャップ光ファイバであって、
    前記光ファイバの断面を貫通する方向に光を伝播するための、前記複数の第２媒質及び前記複数の第３媒質のうち２つ以上を欠如させるように生成された空洞が形成されており、
    前記第２媒質は、前記光ファイバの断面上で少なくとも１つの方向に対して第１周期で配置され、
    前記第３媒質は、前記断面上で前記方向に対して第２周期で配置され、前記複数の第２媒質と共に前記方向に対して第３周期で配置され、かつ第２媒質によって形成され前記方向に対して前記第３周期を有する単位セル内に配置されている、
    フォトニックバンドギャップ光ファイバ。
  2. 前記空洞は、前記複数の第２媒質及び前記複数の第３媒質がそれぞれ形成する前記第１周期及び前記第２周期を崩すよう形成される、請求項１に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
  3. 前記第３媒質の中心から最外郭までの距離は、前記第３媒質の中心から最も近接した前記第２媒質の最外郭までの距離より小さい、請求項１に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
  4. 前記第２誘電率は前記第１誘電率より小さい値を有する、請求項１に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
  5. 前記第３誘電率は前記第２誘電率と同じ値を有する、請求項４に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
  6. 前記第３媒質は前記複数の第２媒質によって形成される単位セルの境界線に配置される、請求項１に記載のフォトニックバンドギャップ光ファイバ。
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