JP2006509253A - High power low loss fiber waveguide - Google Patents

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Abstract

一般に1態様では本発明が、導波路軸(199)に沿って延びるコア(120)を取り囲むポリマー(130)およびガラス(140)という異なる誘電材料(130、140)の互層からなる高パワー低損失ファイバ導波路(100)を含む物品を特徴とする。In general, in one aspect, the present invention provides high power and low loss consisting of alternating layers of different dielectric materials (130, 140) of polymer (130) and glass (140) surrounding a core (120) extending along a waveguide axis (199). Features an article that includes a fiber waveguide (100).

Description

本出願は、2002年12月10日に出願された米国特許仮出願第60/432059号の優先権を主張するものである。上記出願の内容は本願明細書に援用される。
本発明はファイバ導波路および導波路を製造するための方法に関する。
This application claims the priority of US Provisional Application No. 60/432059 filed on Dec. 10, 2002. The contents of the above application are incorporated herein by reference.
The present invention relates to a fiber waveguide and a method for manufacturing the waveguide.

導波路は数多くの産業で重要な役割を演じている。例えば光導波路は電気通信網で広く使用されており、このような電気通信網では、異なる位置と位置との間で情報を光信号として伝えるために、光ファイバなどのファイバ導波路が使用されている。このような導波路は光信号を、好ましい1つ以上の経路に沿った伝搬に実質的に限定する。光導波路の他の用途には、内視鏡、光検出応用などの撮像の用途が含まれる。   Waveguides play an important role in many industries. For example, optical waveguides are widely used in telecommunications networks. In such telecommunications networks, fiber waveguides such as optical fibers are used to transmit information as optical signals between different positions. Yes. Such waveguides substantially limit the optical signal to propagation along one or more preferred paths. Other uses of the optical waveguide include imaging uses such as endoscopes and light detection applications.

最も一般的なタイプのファイバ導波路は、屈折率による導光を利用して光信号を好ましい経路に限定する光ファイバである。このようなファイバは、導波路軸に沿って延びるコア領域と、導波路軸を中心にコアを取り囲み、コア領域の屈折率よりも小さな屈折率を有するクラッド領域とを含む。この屈折率差のため、相対的に屈折率の高いコアの中を実質的に導波路軸に沿って伝搬する光線は、コア−クラッド界面で全反射(TIR)を受け得る。その結果、光ファイバは、1つ以上の電磁(EM)放射モードを、コアの中を導波路軸に沿って伝搬するように導く。このような導波モードの数はコア径の増大とともに増加する。特に屈折率による導光機構は、導波路軸に平行な所与の波ベクトルに対する最低周波数導波モードよりも下の一切のクラッド・モードの存在を排除する。商業的に使用されている屈折率によってガイドされたほとんど全ての光ファイバは、屈折率差を生み出しコア−クラッド界面を生じさせるためにコアまたはクラッドあるいはその両方に不純物が添加されたシリカ・ベースのファイバである。例えば一般に使用されているシリカ光ファイバの屈折率は約1.45、屈折率差は、1.5ミクロンの範囲の波長に対して用途により約0.2%から3%である。   The most common type of fiber waveguide is an optical fiber that utilizes a light guide by refractive index to limit the optical signal to a preferred path. Such a fiber includes a core region extending along the waveguide axis and a cladding region surrounding the core about the waveguide axis and having a refractive index smaller than the refractive index of the core region. Because of this refractive index difference, light rays propagating substantially along the waveguide axis through a relatively high refractive index core can undergo total internal reflection (TIR) at the core-cladding interface. As a result, the optical fiber directs one or more electromagnetic (EM) radiation modes to propagate through the core along the waveguide axis. The number of such guided modes increases as the core diameter increases. In particular, the index guiding mechanism eliminates the presence of any cladding modes below the lowest frequency guided mode for a given wave vector parallel to the waveguide axis. Nearly all optical fibers guided by the refractive index used commercially are silica-based with impurities in the core and / or cladding to create a refractive index difference and create a core-cladding interface. Fiber. For example, a commonly used silica optical fiber has a refractive index of about 1.45 and a refractive index difference of about 0.2% to 3% depending on the application for wavelengths in the range of 1.5 microns.

プリフォームからファイバを線引きする方法は、ファイバ導波路を製造するために最も一般的に使用されている方法である。プリフォームは、所望のファイバの正確な形状および組成を有する短い(例えば長さ25から50cm(10から20インチ)の)棒である。しかし、プリフォームの直径はファイバの直径よりもはるかに大きい(例えば100倍から1000倍)。一般に、光ファイバを線引きするとき、プリフォームの材料組成は、コアの屈折率をクラッドの屈折率よりも大きくするために、プリフォームのコアに添加されたさまざまな濃度の1種または数種のドーパントを有する単一のガラスからなる。このことは、コアおよびクラッドを形成している材料がレオロジー的、化学的に同じように線引きされることを保証し、同時に、コア内での導波モードをサポートするのに十分な屈折率差を提供する。プリフォームからファイバを形成するためには、炉の中でプリフォームを、ガラスの粘度が、プリフォームからファイバを線引きできる十分に低い粘度(例えば108ポアズ未満)となる温度まで加熱する。線引きすると、プリフォームは、プリフォームと同じ断面組成および構造を有するファイバになる。ファイバの直径は、ファイバの特定のレオロジー的特性および線引き速度によって決まる。   The method of drawing a fiber from a preform is the most commonly used method for manufacturing fiber waveguides. A preform is a short (eg, 10 to 20 inches long) rod having the exact shape and composition of the desired fiber. However, the preform diameter is much larger than the fiber diameter (eg, 100 to 1000 times). In general, when drawing an optical fiber, the material composition of the preform is such that one or several of the various concentrations added to the core of the preform are made to make the refractive index of the core greater than the refractive index of the cladding. It consists of a single glass with a dopant. This ensures that the material forming the core and cladding is drawn in the same rheological and chemical manner, while at the same time providing a refractive index difference sufficient to support guided modes within the core. I will provide a. To form the fiber from the preform, the preform is heated in a furnace to a temperature at which the viscosity of the glass is low enough to draw the fiber from the preform (eg, less than 108 poise). When drawn, the preform becomes a fiber having the same cross-sectional composition and structure as the preform. The fiber diameter depends on the specific rheological properties of the fiber and the draw speed.

プリフォームは、化学蒸着(MCVD)、外付け蒸着(OVD)、プラズマ活性化化学蒸着(PCVD)および軸付け蒸着(VAD)を含む当業者に周知の多くの技法を使用して製造され得る。これらの方法はそれぞれ一般に、事前に製作しておいた管または棒の壁に気化させた原料の層をすすの形で付着させることを含む。付着の直後にそれぞれのすす層は融合する。これによってプリフォーム管を得、続いてこれをつぶして中実の棒とし、
外側を覆い、次いで線引きしてファイバにする。
The preform can be manufactured using a number of techniques well known to those skilled in the art including chemical vapor deposition (MCVD), external deposition (OVD), plasma activated chemical vapor deposition (PCVD) and axial deposition (VAD). Each of these methods generally involves depositing a vaporized layer of raw material in the form of soot on a prefabricated tube or bar wall. Immediately after deposition, each soot layer fuses. This gives a preform tube, which is then crushed into a solid rod,
Cover the outside, then draw to fiber.

光ファイバの用途は波長および信号電力によって制限される。ファイバは、導かれる波長でのエネルギー吸収が小さい材料から形成され、欠陥が最小限であることが好ましい。吸収が大きい場合には、長いファイバ上での伝送の間に、信号強度をノイズと区別がつかないレベルにまで低減する可能性がある。比較的に吸収の小さい材料であっても、コアおよび/またはクラッドによる吸収によってファイバが加熱される。欠陥によって、導かれた放射がコアの外に散乱する可能性があり、これによってファイバが加熱する可能性もある。あるパワー密度を超えると、この加熱は、修復できないほどの損傷をファイバに与える。したがって高パワー放射源を利用する多くの用途は、放射源からその目的地へ放射を導くのに光ファイバ以外の装置を使用する。   Optical fiber applications are limited by wavelength and signal power. The fiber is preferably formed from a material that absorbs less energy at the guided wavelength and has minimal defects. If the absorption is large, the signal strength may be reduced to a level indistinguishable from noise during transmission over long fibers. Even with a relatively low absorption material, the fiber is heated by absorption by the core and / or cladding. Defects can scatter directed radiation out of the core, which can also heat the fiber. Beyond a certain power density, this heating causes irreparable damage to the fiber. Thus, many applications that utilize high power radiation sources use devices other than optical fibers to direct radiation from the radiation source to its destination.

ある態様では本発明は、ポリマー部分およびガラス部分(例えばカルコゲン・ガラス部分)を含むフォトニック結晶導波路(例えばブラッグ・ファイバ)を特徴とする。いくつかの実施形態ではこのフォトニック結晶導波路は中空コアを含む。ポリマーとガラスからなる複数の互層(例えば渦巻形に巻かれた連続するポリマー層と連続するガラス層)によって確定されたフォトニック・バンドギャップによって、中空コアの中に放射が閉じ込められる。一般に、ガラスの層は高い屈折率を有し、ポリマー層は低い屈折率を有する。互層の光学的厚さによって基本および高次スペクトル透過窓が決定され、可視放射(例えば波長0.35から0.75ミクロンを有する放射)から赤外放射(例えば波長0.75から約15ミクロンまたはそれ以上の放射)にスケーリングすることが可能である。   In one aspect, the invention features a photonic crystal waveguide (eg, a Bragg fiber) that includes a polymer portion and a glass portion (eg, a chalcogen glass portion). In some embodiments, the photonic crystal waveguide includes a hollow core. Radiation is confined within the hollow core by a photonic band gap defined by a plurality of alternating layers of polymer and glass (eg, a continuous polymer layer wound in a spiral and a continuous glass layer). In general, glass layers have a high refractive index and polymer layers have a low refractive index. The optical thickness of the alternating layers determines the fundamental and higher order spectral transmission windows, from visible radiation (eg radiation having a wavelength of 0.35 to 0.75 microns) to infrared radiation (eg wavelength 0.75 to about 15 microns or It is possible to scale to more radiation).

本発明はさらに、ファイバ・フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法を特徴とする。ポリマー基板をガラスの層でコーティングして平面多層フィルムを形成する。次いでこの多層フィルムを丸めて、渦巻線断面を有する中空多層管を得る。続いてこの中空管を加熱によって合着して、渦巻層を融合させ、中空ファイバ・プリフォームを得る。これを線引きしてファイバ導波路とする。   The invention further features a method for manufacturing a fiber photonic crystal fiber waveguide. A polymer substrate is coated with a layer of glass to form a planar multilayer film. The multilayer film is then rolled to obtain a hollow multilayer tube having a spiral cross section. Subsequently, the hollow tubes are bonded together by heating, and the spiral layers are fused to obtain a hollow fiber preform. This is drawn to obtain a fiber waveguide.

フォトニック結晶導波路の異なる部分間の屈折率差が大きくなるように材料を選択することが可能である。屈折率差を大きくすることによって、大きなフォトニック・バンドギャップおよび全方向性反射能を有するファイバを提供することができる。フォトニック・バンドギャップが大きいと、導波路のコアを取り囲む部分への侵入深度が浅くなり、ファイバによって導かれる放射の放射損および吸収損が低減する。   The material can be selected so that the refractive index difference between different parts of the photonic crystal waveguide is large. By increasing the refractive index difference, a fiber having a large photonic band gap and omnidirectional reflectivity can be provided. When the photonic band gap is large, the penetration depth into the portion surrounding the core of the waveguide becomes shallow, and the radiation loss and absorption loss of the radiation guided by the fiber are reduced.

ファイバ材料の熱機械的、レオロジー的および物理化学的特性が両立するときに光学的に異なるファイバ材料を一緒に線引きすると、欠陥密度の小さいファイバを得ることができる。したがってある態様では本発明が、一緒に線引きすることが可能なガラスとポリマーの組合せ、ならびに一緒に線引きすることが可能なガラスとポリマーを選択する基準を特徴とする。   If fiber materials that are optically different are drawn together when the thermomechanical, rheological and physicochemical properties of the fiber material are compatible, a fiber with a low defect density can be obtained. Thus, in one aspect, the invention features a combination of glass and polymer that can be drawn together, as well as criteria for selecting a glass and polymer that can be drawn together.

低損失、低欠陥密度のファイバを使用して、ファイバにほとんど損傷を与えることなく高パワー放射を導くことが可能である。
一般に第1の態様では本発明が、多層構造を丸めて渦巻構造にしてファイバ導波路を形成することを含み、ファイバ導波路を形成することは、渦巻構造から得られたファイバ・プリフォームを線引きする方法を特徴とする。
A low loss, low defect density fiber can be used to guide high power radiation with little damage to the fiber.
In general, in a first aspect, the invention includes rolling a multilayer structure into a spiral structure to form a fiber waveguide, and forming the fiber waveguide includes drawing a fiber preform derived from the spiral structure. It features a method to do.

この方法の実施形態は、以下の特徴および/または他の態様の特徴のうちの1つ以上の特徴を含み得る。
この多層構造は、異なる屈折率を有する材料からなる少なくとも2つの層を含み得る。これらの層は、第1の材料の層と、この第1の材料層を間にはさむ一対の第2の材料の層
とを含み得る。これらの層を実質的に平らな層とすることが可能である。これらの異なる材料は、ガラスを含む第1の材料と、ポリマーを含む第2の材料とを含み得る。いくつかの実施形態では、異なる材料が高屈折率材料および低屈折率材料を含み、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比が1.5よりも大きい(例えば1.8よりも大きい)。
Embodiments of this method may include one or more of the following features and / or features of other aspects.
The multilayer structure can include at least two layers of materials having different refractive indices. These layers may include a first material layer and a pair of second material layers sandwiching the first material layer. These layers can be substantially flat layers. These different materials may include a first material that includes glass and a second material that includes a polymer. In some embodiments, the different materials include a high refractive index material and a low refractive index material, and the ratio of the refractive index of the high refractive index material to the refractive index of the low refractive index material is greater than 1.5 (eg, 1 Greater than .8).

この方法はさらに、少なくとも第1の材料(例えばカルコゲン・ガラスなどのガラス)の第1の層を、第1の材料のそれとは異なる第2の材料(例えばPES、PEIなどのポリマー)の第2の層上に配置して、多層構造を形成することを含み得る。第1の材料は、第2の層の両面に配置することができる。この配置はスパッタリングまたは蒸着からなり得る。第1および第2の層上に追加の層を配置して多層物品を形成することが可能である。   The method further includes at least a first layer of a first material (eg, glass such as chalcogen glass) and a second material of a second material (eg, a polymer such as PES, PEI) that is different from that of the first material. Disposed on a plurality of layers to form a multilayer structure. The first material can be disposed on both sides of the second layer. This arrangement can consist of sputtering or evaporation. Additional layers can be disposed on the first and second layers to form a multilayer article.

この多層構造を棒(例えば中空棒)に巻き付けて、渦巻構造を形成し得る。この方法は、渦巻構造を合着してプリフォームを形成し得る。合着は、渦巻構造を加熱することを含む。いくつかの実施形態では合着が、真空条件下で渦巻構造を加熱することを含む。この方法は、線引きの前にプリフォームから棒を(例えば化学エッチングによって)取り去ることを含む。   This multilayer structure can be wound around a rod (eg, a hollow rod) to form a spiral structure. This method can fuse the spiral structure to form a preform. The coalescence includes heating the spiral structure. In some embodiments, coalescence includes heating the spiral structure under vacuum conditions. This method includes removing the rod from the preform (eg, by chemical etching) prior to drawing.

この渦巻構造は、多層構造の互層によって取り囲まれたコアを含み得る。このファイバ導波路は、多層構造に対応する複数の層によって取り囲まれた中空コアを含み得る。
一般に他の態様では本発明が、導波路軸に沿って延びるコアを取り囲む異なる材料の互層を含むファイバ導波路を含み、互層が渦巻構造を画定する物品を特徴とする。
This spiral structure may include a core surrounded by alternating layers of a multilayer structure. The fiber waveguide may include a hollow core surrounded by multiple layers corresponding to a multilayer structure.
In general, in another aspect, the invention features an article that includes a fiber waveguide that includes alternating layers of different materials surrounding a core extending along the waveguide axis, the alternating layers defining a spiral structure.

この物品の実施形態は、以下の特徴および/または他の態様の特徴のうちの1つ以上の特徴を含み得る。
この渦巻構造は、コアを複数回取り巻く異なる材料の少なくとも2つの層を含む多層構造を含み得る。異なる材料は高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料を含むことが可能であり、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比が1.5よりも大きい(例えば1.8よりも大きい)。これらの異なる材料は、ポリマー(例えばPES)およびカルコゲン・ガラス(例えばAsSe)を含み得る。
Embodiments of the article may include one or more of the following features and / or features of other aspects.
The spiral structure may include a multilayer structure including at least two layers of different materials that surround the core multiple times. The different materials can include a high refractive index dielectric material and a low refractive index dielectric material, where the ratio of the refractive index of the high refractive index material to the refractive index of the low refractive index material is greater than 1.5 (eg, 1 Greater than .8). These different materials can include polymers (eg PES) and chalcogen glasses (eg As 2 Se 3 ).

互層の最も内側の層は、同じ材料の以降の層の厚さよりも小さな厚さを有することができる。互層の厚さは、約8〜12ミクロンの範囲の波長(例えば波長約10.6ミクロン)のEM放射を導波路軸に沿って導くように選択することが可能である。いくつかの実施形態では互層の厚さが、約2〜5ミクロンの範囲の波長のEM放射を導波路軸に沿って導くように選択される。   The innermost layers of the alternating layers can have a thickness that is less than the thickness of subsequent layers of the same material. The alternating layer thickness can be selected to direct EM radiation along the waveguide axis at a wavelength in the range of about 8-12 microns (eg, a wavelength of about 10.6 microns). In some embodiments, the alternating layer thickness is selected to direct EM radiation with a wavelength in the range of about 2-5 microns along the waveguide axis.

コアは中空とすることが可能である。まっすぐなファイバについて、このファイバ導波路は、選択された波長(例えば約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長)で約1dB/mよりも小さな伝送損を示すことが可能である。いくつかの実施形態ではこの選択された波長が約10.6ミクロンである。   The core can be hollow. For straight fibers, this fiber waveguide can exhibit a transmission loss of less than about 1 dB / m at selected wavelengths (eg, wavelengths in the range of about 0.75 to about 10.6 microns). . In some embodiments, the selected wavelength is about 10.6 microns.

約4〜10cmの範囲の任意の曲げ半径で90度曲げたときに、ファイバ導波路は、選択された波長(例えば約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長)で約1.5dBよりも小さな伝送損を示すことが可能である。   When bent 90 degrees with any bend radius in the range of about 4-10 cm, the fiber waveguide is about 1. at the selected wavelength (eg, in the range of about 0.75 to about 10.6 microns). It is possible to show a transmission loss smaller than 5 dB.

このファイバ導波路は、約300W/cm以上のパワー密度の選択された波長(例えば約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長)のEM放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。いくつかの実施形態ではこの選択された波長が約1
0.6ミクロンである。ファイバ導波路が少なくとも0.3mの曲げ長さで滑らかに90度に曲げられているときでも、このファイバ導波路は、約300W/cm以上のパワー密度の選択された波長のEM放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。
This fiber waveguide is capable of directing EM radiation along the waveguide axis at selected wavelengths (eg, wavelengths in the range of about 0.75 to about 10.6 microns) with a power density of about 300 W / cm 2 or higher. It is possible to have In some embodiments, the selected wavelength is about 1
0.6 microns. Even when the fiber waveguide is smoothly bent at 90 degrees with a bending length of at least 0.3 m, the fiber waveguide conducts EM radiation at selected wavelengths with a power density of about 300 W / cm 2 or more. It is possible to have the ability to guide along the waveguide axis.

このファイバ導波路は、約25W以上のパワーの選択された波長(例えば約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長)のEM放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。いくつかの実施形態ではこの選択された波長が約10.6ミクロンである。   The fiber waveguide may have the ability to direct EM radiation along the waveguide axis at selected wavelengths (eg, wavelengths ranging from about 0.75 to about 10.6 microns) with a power of about 25 W or greater. Is possible. In some embodiments, the selected wavelength is about 10.6 microns.

一般に他の態様では本発明が、導波路軸に沿って延びるコアを取り囲むポリマーおよびガラスを含む異なる誘電材料の互層を含む高パワー低損失ファイバ導波路を含む物品を特徴とする。   In general, in another aspect, the invention features an article that includes a high power, low loss fiber waveguide that includes alternating layers of different dielectric materials including a polymer and glass surrounding a core that extends along the waveguide axis.

この物品の実施形態は、以下の特徴および/または他の態様の特徴のうちの1つ以上の特徴を含み得る。
互層は渦巻構造を画定することが可能である。渦巻構造は、コアを複数回取り巻く異なる材料の少なくとも2つの層からなる多層構造を含み得る。異なる材料は高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料を含むことが可能であり、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比は1.5よりも大きい。異なる材料は高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料を含むことが可能であり、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比は1.8よりも大きい。ガラスはカルコゲン・ガラス(例えばAsSe)を含み得る。ポリマーはPESまたはPEIを含み得る。互層の最も内側の層は、同じ材料の以降の層の厚さよりも小さな厚さを有することが可能である。互層の厚さは、約8〜12ミクロンの範囲の波長(例えば波長約10.6ミクロン)のEM放射を導波路軸に沿って導くように選択することが可能である。いくつかの実施形態では互層の厚さが、約2〜5ミクロンの範囲の波長のEM放射を導波路軸に沿って導くように選択される。
Embodiments of the article may include one or more of the following features and / or features of other aspects.
The alternating layers can define a spiral structure. The spiral structure may include a multilayer structure consisting of at least two layers of different materials that surround the core multiple times. The different materials can include a high index dielectric material and a low index dielectric material, wherein the ratio of the refractive index of the high index material to the index of refraction of the low index material is greater than 1.5. The different materials can include a high index dielectric material and a low index dielectric material, and the ratio of the refractive index of the high index material to the index of refraction of the low index material is greater than 1.8. The glass can include chalcogen glass (eg, As 2 Se 3 ). The polymer can comprise PES or PEI. The innermost layers of the alternating layers can have a thickness that is less than the thickness of subsequent layers of the same material. The thickness of the alternating layers can be selected to direct EM radiation along the waveguide axis at wavelengths in the range of about 8-12 microns (eg, a wavelength of about 10.6 microns). In some embodiments, the alternating layer thickness is selected to direct EM radiation with a wavelength in the range of about 2-5 microns along the waveguide axis.

コアは中空でもよい。
まっすぐなファイバ導波路について、このファイバ導波路は、選択された波長(例えば約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長)で約1dB/mよりも小さな伝送損を示すことが可能である。この選択された波長を約10.6ミクロンとすることが可能である。
The core may be hollow.
For straight fiber waveguides, the fiber waveguide can exhibit transmission losses of less than about 1 dB / m at selected wavelengths (eg, wavelengths in the range of about 0.75 to about 10.6 microns). It is. This selected wavelength can be about 10.6 microns.

約4〜10cmの範囲の任意の曲げ半径で90度曲げたときに、ファイバ導波路は、選択された波長(例えば約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長)で約1.5dBよりも小さな伝送損を示すことが可能である。この選択された波長を約10.6ミクロンとすることが可能である。   When bent 90 degrees with any bend radius in the range of about 4-10 cm, the fiber waveguide is about 1. at the selected wavelength (eg, in the range of about 0.75 to about 10.6 microns). It is possible to show a transmission loss smaller than 5 dB. This selected wavelength can be about 10.6 microns.

このファイバ導波路は、約300W/cm以上のパワー密度の選択された波長(例えば約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長)のEM放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。この選択された波長を約10.6ミクロンとすることが可能である。 This fiber waveguide is capable of directing EM radiation along the waveguide axis at selected wavelengths (eg, wavelengths in the range of about 0.75 to about 10.6 microns) with a power density of about 300 W / cm 2 or higher. It is possible to have This selected wavelength can be about 10.6 microns.

ファイバ導波路が少なくとも0.3mの曲げ長さで滑らかに90度に曲げられているときでも、このファイバ導波路は、約300W/cm以上のパワー密度の選択された波長のEM放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。 Even when the fiber waveguide is smoothly bent at 90 degrees with a bending length of at least 0.3 m, the fiber waveguide conducts EM radiation at selected wavelengths with a power density of about 300 W / cm 2 or more. It is possible to have the ability to guide along the waveguide axis.

このファイバ導波路は、約25W以上のパワーの選択された波長(例えば約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長)のEM放射を導波路軸に沿って導く能力を有す
ることが可能である。この選択された波長を約10.6ミクロンとすることが可能である。
The fiber waveguide may have the ability to direct EM radiation along the waveguide axis at selected wavelengths (eg, wavelengths ranging from about 0.75 to about 10.6 microns) with a power of about 25 W or greater. Is possible. This selected wavelength can be about 10.6 microns.

本発明の実施形態は以下の1つ以上の利点を有することができる。
フォトニック結晶ファイバ導波路は、まっすぐなファイバと曲がったファイバの両方で低い伝送損を有することが可能である。フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して高パワーEM放射を導くことができる。フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、高パワー密度を有するEM放射を導くことが可能である。フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、IR波長(例えば波長0.75から約12ミクロンまたはそれ以上)のEM放射を導くことができる。
Embodiments of the invention can have one or more of the following advantages.
Photonic crystal fiber waveguides can have low transmission loss with both straight and bent fibers. Photonic crystal fiber waveguides can be used to direct high power EM radiation. A photonic crystal fiber waveguide can be used to direct EM radiation having a high power density. A photonic crystal fiber waveguide can be used to direct EM radiation at IR wavelengths (eg, wavelengths from 0.75 to about 12 microns or more).

本発明の1つ以上の実施形態の詳細が、添付図面および以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的および利点は、以下の説明および図面ならびに請求項から明らかとなろう。   The details of one or more embodiments of the invention are set forth in the accompanying drawings and the description below. Other features, objects, and advantages of the invention will be apparent from the description and drawings, and from the claims.

図面の同じ符号は同じ要素を指す。
米国特許出願第10/121452号 米国特許第6130780号
Like reference numerals in the drawings denote like elements.
US patent application Ser. No. 10/121452. US Pat. No. 6,130,780

図1Aを参照すると、フォトニック結晶ファイバ導波路100は、導波路軸に沿って延びるコア120と、コアを取り囲む誘電閉じ込め領域110(例えば高屈折率層と低屈折率層の互層)とを含む。閉じ込め領域110は、閉じ込め領域に機械的支持を提供する支持層150によって取り囲まれている。   Referring to FIG. 1A, a photonic crystal fiber waveguide 100 includes a core 120 extending along the waveguide axis, and a dielectric confinement region 110 (eg, an alternating layer of a high refractive index layer and a low refractive index layer) surrounding the core. . The confinement region 110 is surrounded by a support layer 150 that provides mechanical support to the confinement region.

閉じ込め領域110は、異なる屈折率を有する誘電材料(例えばポリマー、ガラス)の連続層130および140を含み、それに対して他の実施形態では、閉じ込め領域を形成する同心の複数の不連続層を含む。連続層130および140は、それに沿ってフォトニック結晶ファイバ導波路が電磁放射を導く軸199を中心とした渦巻線を形成する。一方の層、例えば層140は屈折率n、厚さdの高屈折率層であり、層、例えば層130は屈折率n、厚さdの低屈折率層である。ただしn>n(n−nは例えば0.01以上、0.05以上、0.1以上、0.2以上、0.5以上とすることが可能である)。層130および140は軸199を中心に渦巻線を描くので、軸199から延びる半径方向の断面160はそれぞれの層と2回以上交差し、高屈折率層と低屈折率層の互層を含む半径方向プロファイルを提供する。 The confinement region 110 includes continuous layers 130 and 140 of dielectric material (eg, polymer, glass) having different refractive indices, whereas in other embodiments, it includes a plurality of concentric discontinuous layers that form the confinement region. . Continuous layers 130 and 140 form spirals about axis 199 along which the photonic crystal fiber waveguide guides electromagnetic radiation. One layer, for example, the layer 140 is a high refractive index layer having a refractive index n H and a thickness d H , and the layer, for example, the layer 130 is a low refractive index layer having a refractive index n L and a thickness d L. However n H> n L (n H -n L , for example 0.01 or more, 0.05 or more, 0.1 or more, 0.2 or more, it is possible to 0.5 or higher). Since layers 130 and 140 draw a spiral around axis 199, radial cross section 160 extending from axis 199 intersects each layer more than once, and includes a radius that includes alternating layers of high and low refractive index layers. Provide a direction profile.

図1Bを参照すると、渦巻線を描くこれらの層は光学的に、層130および層140の光学的厚さに対応する周期を有する、半径方向断面160に沿った周期的な屈折率変動を提供する。すなわち、閉じ込め領域110は2重層光学周期n+nを有する。「R」は軸199から測った半径方向の位置を指す。 Referring to FIG. 1B, the layers depicting the spirals optically provide periodic refractive index variations along the radial cross section 160 having a period corresponding to the optical thickness of layers 130 and 140. To do. That is, the confinement region 110 has a double layer optical period n H d H + n L d L. “R” refers to the radial position measured from axis 199.

層130および140の厚さ(dおよびd)および光学的厚さ(nおよびn)は変更することが可能である。いくつかの実施形態では、層130の光学的厚さと層140の光学的厚さが同じである。層の厚さは通常、ファイバの所望の光学性能に基づいて(例えば導波する波長に従って)選択される。層の厚さと光学性能との間の関係については後に論じる。層の厚さは一般にサブミクロン・サイズから数十ミクロンである。例えば、層130および140の厚さを約0.1μmから20μm(例えば約0.5から5μm)とすることが可能である。 The thickness (d H and d L ) and optical thickness (n H d H and n L d L ) of layers 130 and 140 can be varied. In some embodiments, the optical thickness of layer 130 and the optical thickness of layer 140 are the same. The layer thickness is usually selected based on the desired optical performance of the fiber (eg, according to the waveguiding wavelength). The relationship between layer thickness and optical performance will be discussed later. The layer thickness is generally from submicron size to tens of microns. For example, the thickness of layers 130 and 140 can be about 0.1 μm to 20 μm (eg, about 0.5 to 5 μm).

図1Aに示した実施形態では、閉じ込め領域110の厚さが2重層として5つ分である
。しかし実際には、閉じ込め領域110がそれよりも多くの2重層(例えば2重層として約8個分超、10個分超、15個分超、20個分超、25個分超、例えば40個分以上)を含むことができる。
In the embodiment shown in FIG. 1A, the confinement region 110 has a thickness of five double layers. In practice, however, the confinement region 110 has more double layers (for example, more than about 8 as double layers, more than 10, more than 15, more than 20, more than 25, for example 40, etc. Minutes or more).

層140は、カルコゲン・ガラスなど屈折率の高い材料を含む。層130は、層140の高屈折率材料よりも屈折率が低い材料からなり、一般に機械的に柔軟である。例えば層130はしばしばポリマーからなる。層130および層140を形成する材料は一緒に線引きすることが可能な材料であることが好ましい。一緒に線引きすることが可能な材料を選択する基準については以下で論じる。   The layer 140 includes a material having a high refractive index such as chalcogen glass. Layer 130 is made of a material having a lower refractive index than the high refractive index material of layer 140 and is generally mechanically flexible. For example, layer 130 is often made of a polymer. The material forming layer 130 and layer 140 is preferably a material that can be drawn together. The criteria for selecting materials that can be drawn together are discussed below.

この実施形態ではコア120が中空である。任意選択で、気体(例えば空気、窒素および/または希ガス)、液体(例えば等方性液体または液晶)などの流体を中空コアに満たすことが可能である。あるいはコア120が、閉じ込め領域110を形成する材料とレオロジー的に両立する任意の材料または材料の組合せからなることも可能である。ある実施形態ではコア120が、本願明細書に援用する2002年4月12日に出願され、現在、公告番号US−2003−0044158−A1として公告されている「HIGH INDEX−CONTRAST FIBER WAVEGUIDES AND APPLICATIONS」という名称の米国特許出願第10/121452号に記載されている材料などの、1種または数種のドーパント材料を含む。   In this embodiment, the core 120 is hollow. Optionally, the hollow core can be filled with a fluid such as a gas (eg, air, nitrogen and / or noble gas), a liquid (eg, an isotropic liquid or a liquid crystal). Alternatively, the core 120 can be composed of any material or combination of materials that is rheologically compatible with the material forming the confinement region 110. In one embodiment, the core 120 is “HIGH INDEX-CONTRAST FIBER WAVEGUIDES AND APPLICATIONS”, filed on Apr. 12, 2002, which is incorporated herein by reference, and is now published as publication number US-2003-0044158-A1. One or several dopant materials, such as those described in US patent application Ser. No. 10 / 121,452.

コアおよび閉じ込め領域120および110は、異なる屈折率を有する複数の誘電材料を含むことができる。このような場合には、所与の領域の「平均屈折率」を考えることができる。これは、その領域の諸成分の重み付けされた屈折率の和を表し、それぞれの屈折率は、その領域内でその成分が占める面積によって重み付けされている。しかし、層130と140の間の境界は屈折率の変化によって画定される。この変化は、2種類の異なる誘電材料の界面によって、または同じ誘電材料内の異なるドーパント濃度(例えばシリカ内の異なるドーパント濃度)によって生じさせることができる。   The core and confinement regions 120 and 110 can include a plurality of dielectric materials having different refractive indices. In such cases, the “average refractive index” of a given region can be considered. This represents the sum of the weighted refractive indices of the components in the region, with each refractive index being weighted by the area occupied by that component in the region. However, the boundary between layers 130 and 140 is defined by a change in refractive index. This change can be caused by the interface of two different dielectric materials, or by different dopant concentrations within the same dielectric material (eg, different dopant concentrations within silica).

誘電閉じ込め領域110は、第1の波長範囲に含まれるEM放射が誘電コア120の中を導波路軸199に沿って伝搬するように導く。閉じ込め機構は、第1の波長範囲を含むバンドギャップを形成する領域110のフォトニック結晶構造に基づく。この閉じ込め機構は屈折率カイド型ではないので、コアの屈折率が、コアに隣接した閉じ込め領域の屈折率よりも高い必要はない。反対に、コア120の平均屈折率を、閉じ込め領域110の平均屈折率よりも低くすることもできる。例えばコア120を空気、他の気体、例えば窒素、または実質的に真空にすることができる。このような場合、このコアの中を導かれるEM放射は、多くの気体がシリカまたは他のこのような固体材料よりも小さな吸収および非線形相互作用定数を有することを反映して、シリカ・コアの中を導かれるEM放射よりもはるかに小さい損失およびはるかに小さい非線形相互作用を有する。追加の実施形態では例えば、周囲の閉じ込め領域の構造的な支持となり、その一方で空気を主とするコアを画定する多孔質誘電材料をコア120が含む。したがってコア120は均一な屈折率プロファイルを有する必要がない。   The dielectric confinement region 110 directs EM radiation included in the first wavelength range to propagate through the dielectric core 120 along the waveguide axis 199. The confinement mechanism is based on the photonic crystal structure of the region 110 that forms the band gap including the first wavelength range. Since this confinement mechanism is not a refractive index guide type, the refractive index of the core need not be higher than the refractive index of the confinement region adjacent to the core. Conversely, the average refractive index of the core 120 may be lower than the average refractive index of the confinement region 110. For example, the core 120 can be air, other gases, such as nitrogen, or substantially vacuum. In such cases, the EM radiation that is directed through the core reflects the absorption of the silica core and nonlinear interaction constants, which is less than that of silica or other such solid materials. It has much less loss and much less nonlinear interaction than EM radiation guided through it. In additional embodiments, for example, the core 120 includes a porous dielectric material that provides structural support for the surrounding confinement region while defining an air-based core. Thus, the core 120 need not have a uniform refractive index profile.

閉じ込め領域110の層130と140はブラッグ・ファイバ(Bragg fiber)として知られているファイバを形成する。渦巻線形に巻かれたこれらの層の周期的な光学構造は、(ブラッグ・ミラーとしても知られている)平面誘電スタック反射器の互層に似ている。閉じ込め領域110の層および誘電スタック反射器の平らな互層はともにフォトニック結晶構造の例である。フォトニック結晶構造は、ジョン D.ジョナポラス(John D.Joannopoulos)他著「Photonic Crystals」(プリンストン・ユニバーシティ・プレス(Princeton University Press)、米ニュージャージー州プリンストン(Princeton)、199
5年)に全般的に説明されている。
The layers 130 and 140 of the confinement region 110 form a fiber known as a Bragg fiber. The periodic optical structure of these layers wound in a spiral is similar to the alternating layers of planar dielectric stack reflectors (also known as Bragg mirrors). Both the confinement region 110 layer and the flat stack of dielectric stack reflectors are examples of photonic crystal structures. The photonic crystal structure is described by John D. John D. Joanopoulos et al. “Photonic Crystals” (Princeton University Press), Princeton, NJ, 199
5 years).

本願明細書で使用するとき、フォトニック結晶は、フォトニック結晶中にフォトニック・バンドギャップを生み出す屈折率変調を有する誘電体構造である。本願明細書で使用するフォトニック・バンドギャップは、誘電体構造中にアクセス可能な拡張された(すなわち伝搬、非局在化)状態がない波長(または逆数をとれば周波数)範囲である。一般に、この構造は周期的な誘電体構造だが、例えばより複雑な「準結晶」を含むこともできる。フォトニック結晶を、バンドギャップ構造から外れた「欠陥」領域と組み合わせることによって、このバンドギャップを使用して、光を閉じ込め、導き、かつ/または局在化することが可能である。さらに、このギャップの上下の波長には、アクセス可能な拡張状態が存在し、低屈折率領域にも光を閉じ込めることができる(先に説明したものなどの屈折率ガイドされたTIR構造とは対照的である)。用語「アクセス可能な」状態は、系のある対称性または保存則によって結合が禁止されない状態を意味する。例えば2次元系では、偏光が保存され、そのため同様の偏光の状態だけをバンドギャップから排除すればよい。(一般的なファイバなどの)均一な断面を有する導波路では、波数ベクトルβが保存され、そのためフォトニック結晶導波モードをサポートするためには、所与のβを有する状態だけをバンドギャップから排除すればよい。さらに、円柱対称性を有する導波路では、「角運動量」インデックスmが保存され、そのため同じmを有するモードだけをバンドギャップから排除すればよい。要するに、高対称系では、対称性に関係なく全ての状態が排除される完全なバンドギャップに比べてフォトニック・バンドギャップに対する要件がかなり緩和される。   As used herein, a photonic crystal is a dielectric structure having a refractive index modulation that creates a photonic band gap in the photonic crystal. As used herein, a photonic bandgap is a wavelength (or frequency if reciprocal) range where there is no extended (ie, propagation, delocalization) state accessible in a dielectric structure. In general, this structure is a periodic dielectric structure, but can also include, for example, more complex “quasicrystals”. By combining photonic crystals with “defect” regions that deviate from the bandgap structure, this bandgap can be used to confine, direct, and / or localize light. In addition, wavelengths above and below this gap have accessible extended states that can confine light even in the low index region (as opposed to index guided TIR structures such as those previously described). ) The term “accessible” state means a state in which binding is not prohibited by some symmetry or conservation law of the system. For example, in a two-dimensional system, the polarization is preserved, so that only the same polarization state need be excluded from the band gap. For waveguides with a uniform cross-section (such as a common fiber), the wave vector β is conserved, so that to support a photonic crystal guided mode, only the state with a given β is removed from the band gap. It can be eliminated. Furthermore, in a waveguide with cylindrical symmetry, the “angular momentum” index m is preserved, so only modes with the same m need be excluded from the band gap. In short, in a highly symmetric system, the requirements for the photonic band gap are considerably relaxed compared to a complete band gap where all states are excluded regardless of symmetry.

したがって、EM放射はこの誘電スタック反射器の中を伝搬し得ないので、フォトニック・バンドギャップにおいてこの誘電スタック反射器の反射性は高い。同様に、閉じ込め領域110の層は、バンドギャップの入射光線に対する反射性が高いので、この層は閉じ込めを提供する。厳密に言えば、フォトニック結晶がバンドギャップで完全に反射性であるのは、フォトニック結晶内の屈折率変調が無限の広がりを有するときだけである。そうでない場合には、フォトニック結晶の両側の伝搬モードを結合する一過性モードを通して入射放射がフォトニック結晶を「トンネル」することが可能である。しかし実際には、このようなトンネリングのレートは、フォトニック結晶の厚さ(例えば互層の数)とともに指数関数的に低下する。これはさらに、閉じ込め領域の屈折率差の大きさとともに低下する。   Therefore, since EM radiation cannot propagate through the dielectric stack reflector, the reflectivity of the dielectric stack reflector is high in the photonic band gap. Similarly, the layer of confinement region 110 provides confinement because it is highly reflective to incident light in the band gap. Strictly speaking, the photonic crystal is completely reflective in the band gap only when the refractive index modulation in the photonic crystal has an infinite extent. Otherwise, incident radiation can “tunnel” the photonic crystal through a transient mode that couples the propagation modes on both sides of the photonic crystal. In practice, however, the rate of such tunneling decreases exponentially with the photonic crystal thickness (eg, the number of alternating layers). This further decreases with the magnitude of the refractive index difference in the confinement region.

さらに、フォトニック・バンドギャップは伝搬ベクトルの比較的に小さな領域の上でだけ広がることができる。例えば、誘電スタックは垂直入射光線に対する反射性は高いが、斜めに入射した光線に対する反射性は部分的でしかない。「完全フォトニック・バンドギャップ」は、全ての可能な波数ベクトルおよび全ての偏光の上に及ぶバンドギャップである。一般に、完全フォトニック・バンドギャップは、3つの次元に沿った屈折率変調を有するフォトニック結晶とだけ関連している。しかし、隣接する誘電材料からフォトニック結晶に入射するEM放射の文脈では、隣接する誘電材料が伝搬EMモードをサポートする全ての可能な波数ベクトルおよび偏光に対するフォトニック・バンドギャップである「全方向性フォトニック・バンドギャップ」を定義することが可能である。同じ意味で、全方向性フォトニック・バンドギャップを、ライト・ライン(light line)よりも上の全てのEMモードに対するフォトニック・バンドギャップと定義することも可能である。このライト・ラインは、フォトニック結晶に隣接する材料によってサポートされた最低周波数伝搬モードを定義する。例えば空気中ではライト・ラインがおおよそω=cβによって与えられる。上式でωは放射の角周波数、βは波数ベクトル、cは光速である。全方向性平面反射器の説明が、本願明細書に援用する米国特許第6130780号に開示されている。さらに、誘電体の互層を使用して、円柱形の導波路幾何形状に(平面限界の)全方向反射を提供することが、本願明細書に援用する「OMNIDIRECTIONAL
MULTILAYER DEVICE FOR ENHANCED OPTICAL WAVEGUIDING」という名称のヨエル・フィンク(Yoel Fink)他の米国特許第6463200号に開示されている。
Furthermore, the photonic band gap can only widen over a relatively small region of the propagation vector. For example, a dielectric stack is highly reflective to normal incident light, but is only partially reflective to obliquely incident light. A “perfect photonic bandgap” is a bandgap that spans over all possible wave vectors and all polarizations. In general, a complete photonic bandgap is only associated with photonic crystals with refractive index modulation along three dimensions. However, in the context of EM radiation incident on a photonic crystal from an adjacent dielectric material, the `` omnidirectional '' where the adjacent dielectric material is a photonic bandgap for all possible wave vectors and polarizations that support propagating EM modes. It is possible to define a “photonic band gap”. In the same sense, an omnidirectional photonic bandgap can be defined as a photonic bandgap for all EM modes above the light line. This light line defines the lowest frequency propagation mode supported by the material adjacent to the photonic crystal. For example, in air, the light line is approximately given by ω = cβ. In the above equation, ω is the angular frequency of radiation, β is a wave vector, and c is the speed of light. A description of omnidirectional planar reflectors is disclosed in US Pat. No. 6,130,780, which is incorporated herein by reference. In addition, using dielectric alternating layers to provide omnidirectional reflection (planar limit) to a cylindrical waveguide geometry is incorporated herein by reference.
U.S. Pat. No. 6,463,200 to Yoel Fink et al. Entitled "MULTILAYER DEVICE FOR ENHANCED OPTICAL WAVEGUIDING".

閉じ込め領域110の互層130および140がコア120に関して全方向バンドギャップを生み出すとき、コアから閉じ込め領域に入射するEM放射は原理上完全に反射されるので、導波モードは強く閉じ込められる。しかし、このような完全な反射が起こるのは層の数が無限であるときだけである。層の数が有限(例えば2重層として約10個)のときには、全方向フォトニック・バンドギャップは例えば、0°から80°までの全ての入射角および全方向バンドギャップに周波数を有するEM放射の全ての偏光に対して、平面幾何形状で少なくとも95%の反射に対応する。さらに、フォトニック結晶ファイバ導波路100が、全方向性でないバンドギャップを有する閉じ込め領域を有するときであっても、この導波路は依然として強い導波モード、例えばバンドギャップの周波数範囲について0.1dB/km未満の放射損を有するモードをサポートする。一般に、バンドギャップが全方向性であるか否かは、互層によって生み出されるバンドギャップのサイズ(一般に2つの層の屈折率差とともに変化する)およびフォトニック結晶の屈折率が最も小さい成分によって決まる。   When the alternating layers 130 and 140 of the confinement region 110 create an omnidirectional band gap with respect to the core 120, the guided mode is strongly confined because, in principle, EM radiation incident on the confinement region from the core is completely reflected. However, such complete reflection only occurs when the number of layers is infinite. When the number of layers is finite (eg, about 10 as a double layer), the omnidirectional photonic bandgap is, for example, of EM radiation having frequencies at all incident angles from 0 ° to 80 ° and omnidirectional bandgap. For all polarizations, the planar geometry corresponds to at least 95% reflection. Furthermore, even when the photonic crystal fiber waveguide 100 has a confinement region with a band gap that is not omni-directional, this waveguide is still 0.1 GHz / dB for the frequency range of the strong waveguide mode, eg, the band gap. Supports modes with radiation loss of less than km. In general, whether a bandgap is omnidirectional depends on the size of the bandgap created by the alternating layers (generally varying with the refractive index difference between the two layers) and the component with the smallest refractive index of the photonic crystal.

ブラッグ構成に似た構成では、高屈折率層の屈折率および厚さを変更することができ、かつ/または低屈折率層の屈折率および厚さを変更することができる。閉じ込め領域はさらに、1周期当たり3つ以上の層(例えば1周期当たり3つまたはそれ以上の層)を含む周期構造を含むことができる。さらに、屈折率変調はファイバ半径の関数として閉じ込め領域の中で連続的にまたは不連続的に変更することができる。一般に、閉じ込め領域は、フォトニック・バンドギャップを生み出す任意の屈折率変調に基づくことができる。   In a configuration similar to the Bragg configuration, the refractive index and thickness of the high refractive index layer can be changed and / or the refractive index and thickness of the low refractive index layer can be changed. The confinement region can further include a periodic structure including three or more layers per period (eg, three or more layers per period). Furthermore, the refractive index modulation can be changed continuously or discontinuously in the confinement region as a function of the fiber radius. In general, the confinement region can be based on any refractive index modulation that creates a photonic band gap.

多層構造110は半径方向の軸に関して周期的な屈折率変動を有するため、この実施形態では多層構造110がブラッグ反射器を形成する。適当な屈折率変動は約1/4波長条件である。垂直入射では、それぞれの層が等しい光学的厚さλ/4を有し、または同じことだがd/d=n/nである「1/4波長」スタックに対して最大バンドギャップが得られることがよく知られている。dおよびnは高屈折率および低屈折率層の厚さおよび屈折率を指す。これらはそれぞれ層240および230に対応する。垂直入射はβ=0に対応する。円柱形導波路では、所望のモードが一般にライト・ラインω=cβの近くにある(大きなコア半径限界では、最も低い次数のモードが実質上、z軸すなわち導波路軸に沿って伝搬する平面波である)。この場合、1/4波長条件は下式のようになる。 Since the multilayer structure 110 has a periodic refractive index variation with respect to the radial axis, the multilayer structure 110 forms a Bragg reflector in this embodiment. Appropriate refractive index variation is about a quarter wavelength condition. For normal incidence, the maximum bandgap for a “¼ wavelength” stack where each layer has equal optical thickness λ / 4 or the same but d H / d L = n L / n H It is well known that d and n refer to the thickness and refractive index of the high and low refractive index layers. These correspond to layers 240 and 230, respectively. Normal incidence corresponds to β = 0. In a cylindrical waveguide, the desired mode is generally near the light line ω = cβ (at the large core radius limit, the lowest order mode is essentially a plane wave propagating along the z-axis or waveguide axis. is there). In this case, the 1/4 wavelength condition is as shown in the following equation.

Figure 2006509253
Figure 2006509253

この1/4波長条件は円柱形幾何形状によって修正されるため、厳密に言えば、この式は必ずしも最適ではない。円柱形幾何形状では、それぞれの層の光学的厚さがその半径方向の座標とともに滑らかに変化する必要がある。それにもかかわらずこの式は、特に中央バンドギャップ波長よりも大きなコア半径に対して、多くの望ましい特性を最適化するための優れた指針となることが分かっている。   Strictly speaking, this equation is not necessarily optimal because this quarter wavelength condition is modified by a cylindrical geometry. In a cylindrical geometry, the optical thickness of each layer needs to change smoothly with its radial coordinates. Nevertheless, this equation has been found to be an excellent guide for optimizing many desirable characteristics, especially for core radii that are larger than the central bandgap wavelength.

フォトニック結晶ファイバ導波路のいくつかの実施形態が、2002年1月25日に出願され、現在、公告番号US−2002−0164137−A1として公告されている本
願明細書に援用するスティーブン G.ジョンソン(Steven G.Johnson)他の「LOW−LOSS PHOTONIC CRYSTAL FIBER HAVING LARGE CORE RADIUS」という名称の米国特許出願第10/057258号に記載されている。
Some embodiments of photonic crystal fiber waveguides have been filed on January 25, 2002 and are now incorporated by reference in this application, which is published as publication number US-2002-0164137-A1. It is described in US patent application Ser. No. 10/057258, entitled “LOW-LOSS PHOTOTONIC CRYSTAL FIBER HAVING LARGE CORE RADIUS” by Steven G. Johnson et al.

コア120の半径は、ファイバ120の最終用途に応じて変更できる。コアの半径は、ファイバによって導波されるエネルギーの波長または波長範囲によって、およびファイバがシングル・モード・ファイバなのかまたはマルチモード・ファイバなのかによって変わってくる。例えばファイバが可視波長(例えば波長約400nmから800nm)を導くシングル・モード・ファイバである場合には、コア半径は、サブミクロンから数ミクロン程度(例えば約0.5μmから5μm)となる。しかしファイバがIR波長(約2μmから15μm、例えば10.6μm)を導くマルチモード・ファイバである場合には、コア半径は、数十から数千ミクロン程度(例えば約10μmから2,000μm、例えば500μmから1,000μm)となる。コア半径は約5λ超(例えば約10λ超、20λ超、30λ超、50λ超、100λ超)である。ただしλは導かれるエネルギーの波長である。   The radius of the core 120 can be changed depending on the end use of the fiber 120. The radius of the core depends on the wavelength or wavelength range of the energy guided by the fiber and whether the fiber is a single mode fiber or a multimode fiber. For example, if the fiber is a single mode fiber that guides visible wavelengths (eg, wavelengths from about 400 nm to 800 nm), the core radius is on the order of sub-microns to several microns (eg, about 0.5 μm to 5 μm). However, if the fiber is a multimode fiber that guides IR wavelengths (about 2 μm to 15 μm, eg 10.6 μm), the core radius will be on the order of tens to thousands of microns (eg about 10 μm to 2,000 μm, eg 500 μm). To 1,000 μm). The core radius is greater than about 5λ (eg, greater than about 10λ, greater than 20λ, greater than 30λ, greater than 50λ, greater than 100λ). Where λ is the wavelength of the energy to be introduced.

以前に論じたとおり、支持層150は閉じ込め領域110に機械的支持を提供する。支持層150の厚さは希望に応じて変更することが可能である。いくつかの実施形態では、支持層150が閉じ込め領域110よりもかなり厚い。例えば支持層150の厚さを、閉じ込め領域110の厚さの約10倍以上(例えば20倍超、30倍超、50倍超)とすることが可能である。   As previously discussed, the support layer 150 provides mechanical support to the confinement region 110. The thickness of the support layer 150 can be changed as desired. In some embodiments, the support layer 150 is significantly thicker than the confinement region 110. For example, the thickness of the support layer 150 can be about 10 times or more (for example, more than 20 times, more than 30 times, more than 50 times) the thickness of the confinement region 110.

支持層150の組成は通常、閉じ込め領域110に対して所望の機械的支持および保護が提供されるように選択される。多くの実施形態では、支持層150が、閉じ込め領域110と一緒に線引きすることが可能な材料から形成される。一緒に線引きするのに適した材料を選択するための基準については後に論じる。いくつかの実施形態では、閉じ込め領域110の形成に使用される材料と同じ材料から支持層を形成する。例えば、層130がポリマーから形成される場合、支持層150を同じポリマーから形成することが可能である。   The composition of the support layer 150 is typically selected to provide the desired mechanical support and protection for the confinement region 110. In many embodiments, the support layer 150 is formed from a material that can be drawn with the confinement region 110. Criteria for selecting materials suitable for drawing together will be discussed later. In some embodiments, the support layer is formed from the same material that is used to form the confinement region 110. For example, if layer 130 is formed from a polymer, support layer 150 can be formed from the same polymer.

次に、閉じ込め領域110の層130および140の組成について説明する。高屈折率部分(例えば層140)を形成するのに適当な高さの屈折率を有する材料には、カルコゲン・ガラス(例えば硫黄、セレンおよび/またはテルルなどのカルコゲン元素を含んだガラス)、重金属酸化物ガラス、アモルファス合金およびこれらの組合せが含まれる。   Next, the composition of the layers 130 and 140 in the confinement region 110 will be described. Materials having a refractive index suitable for forming a high refractive index portion (eg, layer 140) include chalcogen glass (eg, glass containing a chalcogen element such as sulfur, selenium and / or tellurium), heavy metals Oxide glasses, amorphous alloys and combinations thereof are included.

カルコゲン元素の他に、カルコゲン・ガラスは以下の1つ以上の元素を含むことができる:ホウ素、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、インジウム、スズ、アンチモン、タリウム、鉛、ビスマス、カドミウム、ランタンおよびハロゲン化物(フッ素、塩素、臭化物、ヨウ素)。   In addition to chalcogen elements, chalcogen glasses can contain one or more of the following elements: boron, aluminum, silicon, phosphorus, sulfur, gallium, germanium, arsenic, indium, tin, antimony, thallium, lead, bismuth , Cadmium, lanthanum and halides (fluorine, chlorine, bromide, iodine).

カルコゲン・ガラスは2成分または3成分ガラス、例えばAs−S、As−Se、Ge−S、Ge−Se、As−Te、Sb−Se、As−S−Se、S−Se−Te、As−Se−Te、As−S−Te、Ge−S−Te、Ge−Se−Te、Ge−S−Se、As−Ge−Se、As−Ge−Te、As−Se−Pb、As−S−Tl、As−Se−Tl、As−Te−Tl、As−Se−Ga、Ga−La−S、Ge−Sb−Se、あるいはこれらの元素に基づくAs−Ga−Ge−S、Pb−Ga−Ge−Sなどの複合多成分ガラスとすることが可能である。カルコゲン・ガラスの中のそれぞれの元素の比率は変更可能である。適当な高さの屈折率を有するカルコゲン・ガラスは例えば、ヒ素5〜30モル%、ゲルマニウム20〜40モル%、セレン30〜60モル%から形成される。   The chalcogen glass is a two-component or three-component glass, such as As-S, As-Se, Ge-S, Ge-Se, As-Te, Sb-Se, As-S-Se, S-Se-Te, As-. Se-Te, As-S-Te, Ge-S-Te, Ge-Se-Te, Ge-S-Se, As-Ge-Se, As-Ge-Te, As-Se-Pb, As-S- Tl, As-Se-Tl, As-Te-Tl, As-Se-Ga, Ga-La-S, Ge-Sb-Se, or As-Ga-Ge-S, Pb-Ga- based on these elements A composite multicomponent glass such as Ge—S can be used. The ratio of each element in chalcogen glass can be changed. A chalcogen glass having an appropriate refractive index is formed of, for example, arsenic 5 to 30 mol%, germanium 20 to 40 mol%, and selenium 30 to 60 mol%.

高屈折率を有する重金属酸化物ガラスの例には、Bi含有ガラス、PbO含有ガラス、Tl含有ガラス、Ta含有ガラス、TiO含有ガラスおよびTeO含有ガラスが含まれる。 Examples of heavy metal oxide glasses having a high refractive index include Bi 2 O 3 containing glass, PbO containing glass, Tl 2 O 3 containing glass, Ta 2 O 3 containing glass, TiO 2 containing glass and TeO 2 containing glass. It is.

適当な高さの屈折率を有するアモルファス合金には、Al−Te、R−Te(Se)が含まれる(R=アルカリ)。
低屈折率部分(例えば層130)を形成するのに適当な低さの屈折率を有する材料には、酸化物ガラス、ハロゲン化物ガラス、ポリマーおよびこれらの組合せが含まれる。炭酸エステル(例えばポリカーボネート(PC))、スルホン(例えばポリ(エーテルスルホン)(PES))、エーテルイミド(例えばポリ(エーテルイミド)(PEI))、およびアクリル酸エステル(例えばポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA))類のポリマー、ならびにフルオロポリマーを含むポリマーも釣り合いのよい候補である。
Amorphous alloys having an appropriate refractive index include Al-Te and R-Te (Se) (R = alkali).
Materials having a low refractive index suitable for forming the low refractive index portion (eg, layer 130) include oxide glasses, halide glasses, polymers, and combinations thereof. Carbonate esters (eg polycarbonate (PC)), sulfones (eg poly (ether sulfone) (PES)), ether imides (eg poly (ether imide) (PEI)), and acrylate esters (eg poly (methyl methacrylate) ( PMMA)) polymers, as well as polymers containing fluoropolymers, are also good candidates.

適当な酸化物ガラスには例えば、以下の1種または数種の化合物を含むガラスが含まれる:MO 0〜40モル%(MはLi、Na、K、RbまたはCs);M’O 0〜40モル%(M’はMg、Ca、Sr、Ba、ZnまたはPb);M” 0〜40モル%(M”はB、Al、Ga、In、SnまたはBi);P 0〜60モル%;およびSiO 0〜40モル%。 Suitable oxide glasses include, for example, glasses containing one or several of the following compounds: M 2 O 0-40 mol% (M is Li, Na, K, Rb or Cs); M′O 0-40 mol% (M ′ is Mg, Ca, Sr, Ba, Zn or Pb); M ″ 2 O 3 0-40 mol% (M ″ is B, Al, Ga, In, Sn or Bi); P 2 O 5 0 to 60 mole%; and SiO 2 0 to 40 mol%.

フォトニック結晶ファイバ導波路の部分は任意選択で他の材料を含み得る。例えば、任意の部分が、自体の屈折率を変化させる1種または数種の材料を含み得る。部分は、自体の屈折率を増大させる材料を含み得る。このような材料には例えば、ホウケイ酸ガラスを含んでいる部分の屈折率を増大させる酸化ゲルマニウムが含まれる。あるいは、部分は、自体の屈折率を低下させる材料を含むことも可能である。例えば酸化ホウ素は、ホウケイ酸ガラスを含んでいる部分の屈折率を低下させる。   The portion of the photonic crystal fiber waveguide can optionally include other materials. For example, any portion may include one or several materials that change their refractive index. The portion can include a material that increases its refractive index. Such materials include, for example, germanium oxide that increases the refractive index of the portion containing borosilicate glass. Alternatively, the portion can include a material that reduces its refractive index. For example, boron oxide reduces the refractive index of the portion containing borosilicate glass.

高屈折率差ファイバ導波路の部分は均質または不均質とすることが可能である。例えば、1つ以上の部分が、不均質部分を形成するためにホスト材料に埋め込まれた1種類の材料のナノ粒子(例えば導波波長の光の散乱を最小限に抑える十分に小さな粒子)を含み得る。この1例が、高屈折率カルコゲン・ガラスのナノ粒子をポリマー・ホストの中に埋め込むことによって形成された高屈折率ポリマー複合材料である。他の例には、無機ガラス・マトリックス中のCdSeおよび/またはPbSeナノ粒子などがある。   The portion of the high index difference fiber waveguide can be homogeneous or inhomogeneous. For example, one or more parts of one type of material nanoparticles embedded in a host material to form inhomogeneous parts (eg, sufficiently small particles that minimize light scattering at the guided wavelength). May be included. An example of this is a high refractive index polymer composite formed by embedding high refractive index chalcogen glass nanoparticles in a polymer host. Other examples include CdSe and / or PbSe nanoparticles in an inorganic glass matrix.

ファイバ導波路の部分は、自体の機械的、レオロジー的および/または熱力学的ふるまいを変化させる材料を含み得る。例えば、1つ以上の部分が可塑剤を含み得る。部分は、結晶化またはファイバ内での他の望ましくない相的ふるまいを抑える材料を含むことができる。例えばポリマーの結晶化は、架橋剤(例えば感光性架橋剤)を含めることによって抑えることができる。他の例として、ガラス・セラミック材料が望ましい場合には、TiO、ZrOなどの核生成剤を材料に含めることが可能である。 The portion of the fiber waveguide may include materials that change its own mechanical, rheological and / or thermodynamic behavior. For example, one or more portions can include a plasticizer. The portion can include materials that suppress crystallization or other undesirable phase behavior within the fiber. For example, crystallization of the polymer can be suppressed by including a crosslinking agent (eg, a photosensitive crosslinking agent). As another example, if a glass-ceramic material is desired, a nucleating agent such as TiO 2 , ZrO 2 can be included in the material.

部分はさらに、ファイバの隣接する部分間(例えば低屈折率層と高屈折率層の間)の界面に影響を及ぼすように設計された化合物を含み得る。このような化合物には接着促進剤、相溶化剤などがある。例えば、シリカ・ベースのガラス部分とポリマー部分の間の接着を促進するためにオルガノシラン化合物を使用することが可能である。例えば、リンまたはPは、カルコゲニド・ガラスと酸化物ガラスの両方と両立し、これらのガラスから形成された部分間の接着を促進することができる。 The portion can further include a compound designed to affect the interface between adjacent portions of the fiber (eg, between the low and high refractive index layers). Such compounds include adhesion promoters and compatibilizers. For example, organosilane compounds can be used to promote adhesion between silica-based glass portions and polymer portions. For example, phosphorus or P 2 O 5 can be compatible with both chalcogenide and oxide glasses, and promote adhesion between parts formed from these glasses.

ファイバ導波路は、特定のファイバ導波路応用に固有の追加の材料を含むことができる。例えばファイバ増幅器では、ファイバ内の光信号と相互作用してファイバによる1つ以
上の光波長の吸収または発光を増強する能力を有する任意のドーパントまたはドーパントの組合せ、例えばエルビウム・イオン、イッテルビウム・イオン、ネオジム・イオン、ホルミウム・イオン、ジスプロシウム・イオンおよび/またはツリウム・イオンなどの少なくとも1種の希土類イオンから任意の部分を形成することが可能である。
The fiber waveguide can include additional materials that are specific to a particular fiber waveguide application. For example, in a fiber amplifier, any dopant or combination of dopants that has the ability to interact with an optical signal in the fiber to enhance absorption or emission of one or more light wavelengths by the fiber, such as erbium ions, ytterbium ions, Any portion can be formed from at least one rare earth ion, such as neodymium ions, holmium ions, dysprosium ions and / or thulium ions.

高屈折率差導波路の部分は、1種または数種の非線形材料を含み得る。非線形材料は、導波路の非線形応答を増強する材料である。具体的には非線形材料はシリカよりも大きな非線形応答を有する。例えば非線形材料は、シリカのカー非線形インデックス(Kerr
nonlinear index)よりも大きい(すなわち3.5×10−20/W超、例えば5×10−20/W超、10×10−20/W超、20×10−20/W超、100×10−20/W超、200×10−20/W超の)カー非線形インデックスn(2)を有する。
The portion of the high index difference waveguide may include one or several nonlinear materials. A nonlinear material is a material that enhances the nonlinear response of the waveguide. Specifically, nonlinear materials have a greater nonlinear response than silica. For example, the nonlinear material is the Kerr nonlinear index of silica (Kerr).
Nonlinear index) greater than (i.e. 3.5 × 10 -20 m 2 / W, such as more than 5 × 10 -20 m 2 / W greater, 10 × 10 -20 m 2 / W , greater than 20 × 10 -20 m 2 / W, over 100 × 10 −20 m 2 / W, over 200 × 10 −20 m 2 / W ) .

線引き工程を使用して頑丈なファイバ導波路を製造するときには、所望の光学特性を有する材料の組合せの全てが適当というわけではない。一般に、レオロジー的、熱機械的および物理化学的に両立する材料を選択しなければならない。両立する材料を選択するためのいくつかの基準について次に論じる。   When manufacturing a rugged fiber waveguide using a drawing process, not all material combinations with the desired optical properties are suitable. In general, a material that is compatible rheologically, thermomechanically and physicochemically must be selected. Some criteria for selecting compatible materials are discussed next.

第1の基準は、レオロジー的に両立する材料を選択することである。言い換えると、ファイバの線引きおよび動作のさまざまな段階で遭遇する温度に対応する幅広い温度範囲にわたって同様の粘度を有する材料を選択しなければならない。粘度は、加えられたせん断応力下での流動に対する流体の抵抗である。本願明細書ではポアズを単位として粘度を表す。レオロジー的両立性に関して詳しく述べる前に、所与の材料に対する一組の特性温度を定義しておくことは有用である。この特性温度は所与の材料が特定の粘度を有する温度である。   The first criterion is to select materials that are rheologically compatible. In other words, materials with similar viscosities must be selected over a wide temperature range corresponding to the temperatures encountered at various stages of fiber drawing and operation. Viscosity is the resistance of a fluid to flow under applied shear stress. In the present specification, the viscosity is expressed in units of poise. Before elaborating on rheological compatibility, it is useful to define a set of characteristic temperatures for a given material. This characteristic temperature is the temperature at which a given material has a certain viscosity.

焼なまし点Tは、材料の粘度が1013ポアズとなる温度である。Tは、オートン・セラミック・ファウンデーション(Orton Ceramic Foundation)社(米オハイオ州ウェスタービル(Westerville))のModel SP−2A Systemを使用して測定することが可能である。Tは一般に、ガラス片の粘度が残留応力の解放を許す十分に低い粘度になる温度である。 Annealing point T a is the temperature at which the viscosity of the material is 10 13 poise. T a may be measured using a Model SP-2A System of Orton Ceramic Foundation (Orton Ceramic Foundation), Inc. (Ohio Westerville (Westerville)). T a is generally the temperature at which the viscosity of the glass piece is low enough to allow the residual stress to be released.

軟化点Tは、材料の粘度が107.65ポアズとなる温度である。Tは、軟化点計測器、例えばオートン・セラミック・ファウンデーション(Orton Ceramic
Foundation)社(米オハイオ州ウェスタービル(Westerville))のModel SP−3Aを使用して測定することが可能である。軟化点は、材料の流動の性質が可塑性から粘性に変化する温度に関係する。
The softening point T s is the temperature at which the viscosity of the material is 10 7.65 poise. T s is a softening point measuring instrument such as Orton Ceramic Foundation (Orton Ceramic Foundation).
Measurements can be made using Model SP-3A from Foundation (Westerville, Ohio). The softening point is related to the temperature at which the flow properties of the material change from plastic to viscous.

加工点Tは、材料の粘度が10ポアズとなる温度である。Tは、ガラス粘度計、例えばオートン・セラミック・ファウンデーション(Orton Ceramic Foundation)社(米オハイオ州ウェスタービル(Westerville))のModel SP−4Aを使用して測定することが可能である。加工点は、ガラスを容易にファイバに線引きすることが可能な温度に関係する。例えば材料が無機ガラスであるいくつかの実施形態では、材料の加工点温度が250℃超、例えば約300℃,400℃、500℃またはそれ以上であり得る。 Working point T w is the temperature at which the viscosity of the material is 10 4 poise. T w can be measured using a glass viscometer, such as a Model SP-4A from Orton Ceramic Foundation (Westerville, Ohio). The processing point relates to the temperature at which the glass can be easily drawn into a fiber. For example, in some embodiments where the material is inorganic glass, the processing point temperature of the material can be greater than 250 ° C., such as about 300 ° C., 400 ° C., 500 ° C. or higher.

融点Tは、材料の粘度が10ポアズとなる温度である。Tも、ガラス粘度計、例えばオートン・セラミック・ファウンデーション(Orton Ceramic Foundation)社(米オハイオ州ウェスタービル(Westerville))のModel SP−4Aを使用して測定することが可能である。融点は、ガラスが液体になり
、ファイバの幾何学的形状の維持に関してファイバの線引き工程の制御が非常に難しくなる温度に関係する。
Melting point T m is the temperature at which the viscosity of the material is 10 2 poise. T m can also be measured using a glass viscometer, such as a Model SP-4A from Orton Ceramic Foundation (Westerville, Ohio). The melting point is related to the temperature at which the glass becomes liquid and the fiber drawing process becomes very difficult to control with respect to maintaining the fiber geometry.

レオロジー的に両立するためには、幅広い温度範囲、例えばファイバを線引きする温度から、ファイバが識別可能な速度では応力をもはや解放し得ない温度(例えばT)までの温度範囲にわたって、2種類の材料が同様の粘度を有していなければならない。したがって、線引きされたときにこの2種類の材料が似通った速度で流動するように、両立する2種類の材料の加工温度は同様でなければならない。例えば、第1の材料の粘度η(T)を第2の材料の加工温度Tw2で測定した場合、η(Tw2)は少なくとも10ポアズ、例えば10ポアズまたは10ポアズであり、かつ10ポアズ以下でなければならない。さらに、線引きしたファイバが冷却するにつれて、両方の材料のふるまいは同様の温度で粘性から弾性に変化しなければならない。言い換えると、この2種類の材料の軟化温度は同様でなければならない。例えば、第2の材料の軟化温度Tsで、第1の材料の粘度η(Ts2)は少なくとも10ポアズ、例えば10ポアズまたは10のポアズであり、かつ10ポアズ以下でなければならない。好ましい実施形態では、両方の材料を一緒に焼きなますことが可能でなければならず、そのため、第2の材料の焼なまし温度Ta2での第1の材料の粘度η(Ta2)は、少なくとも10ポアズ(例えば少なくとも10ポアズ、少なくとも1010ポアズ、少なくとも1011ポアズ、少なくとも1012ポアズ、少なくとも1013ポアズ、少なくとも1014ポアズ)でなければならない。 In order to be rheologically compatible, there are two types of temperatures over a wide temperature range, for example, the temperature at which the fiber is drawn, to the temperature at which the fiber can no longer release stress at a discernable rate (eg, T a ). The material must have a similar viscosity. Therefore, the processing temperatures of the two compatible materials must be similar so that the two materials flow at similar rates when drawn. For example, when the viscosity η 1 (T) of the first material is measured at the processing temperature T w2 of the second material, η 1 (T w2 ) is at least 10 3 poise, such as 10 4 poise or 10 5 poise. And no more than 10 6 poise. Furthermore, as the drawn fiber cools, the behavior of both materials must change from viscous to elastic at similar temperatures. In other words, the softening temperatures of the two materials must be similar. For example, at the softening temperature Ts 2 of the second material, the viscosity η 1 (T s2 ) of the first material must be at least 10 6 poise, such as 10 7 poise or 10 8 poise, and not more than 10 9 poise. I must. In a preferred embodiment, it must be possible to anneal both materials together, so that the viscosity η 1 (T a2 ) of the first material at the annealing temperature T a2 of the second material Must be at least 10 8 poise (eg, at least 10 9 poise, at least 10 10 poise, at least 10 11 poise, at least 10 12 poise, at least 10 13 poise, at least 10 14 poise).

レオロジー的に両立するためにはさらに、温度に対する両方の材料の粘度変化(すなわち粘度の傾き)ができるだけ一致していることが好ましい。
第2の選択基準は、焼なまし温度と室温の間の温度でそれぞれの材料の熱膨張率(TEC)が似通っていなければならないことである。言い換えると、ファイバが冷却し、そのレオロジーが液体状から固体状に変化するときに、両方の材料の体積が同様の量だけ変化しなければならない。2種類の材料のTECの一致が十分でない場合には、2つのファイバ部分間の大きな体積変化の差の結果、大量の残留応力が発生する可能性があり、それによって1つ以上の部分に亀裂が入り、かつ/または剥離が生じる可能性がある。材料の破壊応力よりも十分に低い応力であっても残留応力が遅れ破壊を引き起こす可能性もある。
In order to achieve rheological compatibility, it is further preferred that the change in viscosity of both materials with respect to temperature (i.e., the slope of the viscosity) match as much as possible.
The second selection criterion is that the coefficient of thermal expansion (TEC) of each material must be similar at temperatures between the annealing temperature and room temperature. In other words, as the fiber cools and its rheology changes from liquid to solid, the volume of both materials must change by a similar amount. If the TEC match between the two materials is not sufficient, a large volume change difference between the two fiber sections can result in a large amount of residual stress, thereby cracking one or more sections. And / or peeling may occur. Even if the stress is sufficiently lower than the fracture stress of the material, the residual stress may cause delayed fracture.

TECは、温度変化に伴う試料の長さのごくわずかな変化の尺度である。このパラメータは、所与の材料に対して、温度−長さ曲線(またはこれと等価の温度−体積曲線)の傾きから計算することが可能である。材料の温度−長さ曲線は、例えば、オートン・セラミック・ファウンデーション(Orton Ceramic Foundation)社(米オハイオ州ウェスタービル(Westerville))のModel 1200D膨張計などの膨張計を使用して測定することが可能である。TECは、選択された温度範囲にわたって、または所与の温度での瞬時変化として測定することが可能である。この量の単位は℃−1である。 TEC is a measure of the very slight change in sample length with temperature change. This parameter can be calculated from the slope of the temperature-length curve (or equivalent temperature-volume curve) for a given material. The temperature-length curve of the material can be measured, for example, using an dilatometer such as the Model 1200D dilatometer from Orton Ceramic Foundation (Westerville, Ohio). Is possible. The TEC can be measured over a selected temperature range or as an instantaneous change at a given temperature. The unit of this amount is ° C- 1 .

多くの材料で、温度−長さ曲線には異なる傾きを有する2つの直線領域が存在する。曲線が第1の直線領域から第2の直線領域に変化する遷移領域が存在する。この領域は、ガラス試料のふるまいが、固体材料に通常関連したふるまいから、粘性流体に通常関連したふるまいに遷移するガラス転移に関連する。これは連続的な遷移であり、傾きの不連続な変化とは対称的に、温度−体積曲線の傾きの緩やかな変化によって特徴づけられる。ガラス転移温度Tは、外挿したガラス固体の線と粘性流体の線とが交差する温度と定義される。ガラス転移温度は、ぜい性固体から流動可能な固体への材料レオロジーの変化に関連した温度である。物理的にはガラス転移温度は、材料の中の分子のさまざまな平行移動モードおよび回転モードを励起するのに必要な熱エネルギーに関係する。ガラス転移温度はしばしば、粘度が1013ポアズとなるおおよその焼なまし点とされるが、実際には、測
定されるTgは相対的な値であり、測定法に左右される。
For many materials, there are two linear regions with different slopes in the temperature-length curve. There is a transition region where the curve changes from the first linear region to the second linear region. This region is associated with a glass transition where the behavior of the glass sample transitions from the behavior normally associated with solid materials to the behavior typically associated with viscous fluids. This is a continuous transition and is characterized by a gradual change in the slope of the temperature-volume curve as opposed to a discontinuous change in the slope. The glass transition temperature Tg is defined as the temperature at which the extrapolated glass solid line and the viscous fluid line intersect. The glass transition temperature is the temperature associated with the change in material rheology from a brittle solid to a flowable solid. Physically, the glass transition temperature is related to the thermal energy required to excite various translational and rotational modes of molecules in the material. The glass transition temperature is often the approximate annealing point at which the viscosity is 10 13 poise, but in practice the measured Tg is a relative value and depends on the measurement method.

膨張計を使用して膨張計軟化点Tdsを測定することも可能である。膨張計は、試料に小さな圧縮荷重をかけその試料を加熱することによって機能する。試料の温度が十分に高くなると材料は軟化し始め、圧縮荷重が、体積または長さの低減として観察される試料の曲がりを引き起こす。この相対値を膨張計軟化点と呼び、これは通常、材料の粘度が1010から1012.5ポアズであるときに生じる。材料の正確なTds値は通常、装置および測定パラメータに依存する。同様の装置および測定パラメータが使用されるときには、この温度は、この粘度範囲におけるさまざまな材料のレオロジー的両立性の有用な尺度を提供する。 It is also possible to measure the dilatometer softening point T ds using a dilatometer. The dilatometer works by applying a small compressive load to the sample and heating the sample. When the temperature of the sample becomes high enough, the material begins to soften and the compressive load causes the sample to bend as observed in volume or length reduction. This relative value is called the dilatometer softening point, which usually occurs when the material has a viscosity of 10 10 to 10 12.5 poise. The exact T ds value of the material usually depends on the instrument and measurement parameters. When similar equipment and measurement parameters are used, this temperature provides a useful measure of the rheological compatibility of various materials in this viscosity range.

先に述べたとおり、TECを一致させることは、線引き工程中のファイバに発生する過大な残留応力を持たないファイバを得るための重要な考慮事項である。一般に、2つの材料のTECが十分には一致していないとき、残留応力は弾性応力として生じる。弾性応力成分は、ガラス転移温度から室温(例えば25℃)まで冷却されるときのファイバのさまざまな材料間の体積収縮の差から生じる。体積変化は、TECおよび温度変化によって決定される。線引き工程中にファイバの材料が任意の界面で融合されまたは接合される実施形態では、材料のTECの違いによって界面に応力が生じる。一方の材料は引っ張られ(正の応力)、もう一方の材料は圧縮され(負の応力)、そのため全体の応力はゼロになる。穏やかな圧縮応力は通常、ガラス・ファイバにとって大きな問題ではないが、引張応力は望ましくなく、時間がたつと破損につながる可能性がある。したがって、線引き時にファイバに生じる弾性応力を最小化するために成分材料のTECの差を最小化することが望ましい。例えば、2つの異なる材料から形成された複合ファイバでは、膨張計を用いて加熱速度3℃/分で測定したTと室温との間のそれぞれのガラスのTECの絶対差が、5×10−6−1以下(例えば4×10−6−1以下、3×10−6−1以下、2×10−6−1以下、1×10−6−1以下、5×10−7−1以下、4×10−7−1以下、3×10−7−1以下、2×10−7−1以下)でなければならない。 As previously mentioned, matching the TECs is an important consideration for obtaining a fiber that does not have excessive residual stresses that occur in the fiber during the drawing process. In general, when the TECs of the two materials are not well matched, the residual stress occurs as an elastic stress. The elastic stress component results from the difference in volume shrinkage between the various materials of the fiber as it cools from the glass transition temperature to room temperature (eg, 25 ° C.). Volume change is determined by TEC and temperature change. In embodiments where the fiber materials are fused or joined at any interface during the drawing process, differences in the TECs of the materials cause stress at the interface. One material is pulled (positive stress) and the other material is compressed (negative stress), so the total stress is zero. Mild compressive stress is usually not a major problem for glass fibers, but tensile stress is undesirable and can lead to failure over time. Therefore, it is desirable to minimize the TEC difference of the component materials in order to minimize the elastic stresses that occur in the fiber during drawing. For example, in a composite fiber formed from two different materials, the absolute difference in TEC of each glass between Tg measured at a heating rate of 3 ° C./min using a dilatometer and room temperature is 5 × 10 − 6 ° C. −1 or less (eg 4 × 10 −6 ° C. −1 or less, 3 × 10 −6 ° C. −1 or less, 2 × 10 −6 ° C. −1 or less, 1 × 10 −6 ° C. −1 or less, 5 × 10 −7 ° C.- 1 or less, 4 × 10 −7 ° C −1 or less, 3 × 10 −7 ° C −1 or less, 2 × 10 −7 ° C −1 or less).

同様のTECを有する材料を選択することによって弾性応力成分を最小化することが可能だが、残留応力は粘弾性応力成分からも発生し得る。粘弾性応力成分は、成分材料のひずみ点温度またはガラス転移温度に十分な差があるときに生じる。Tよりも低い温度に冷却されると、材料はかなりの大きさの体積収縮を受ける。冷却時のこの遷移で粘度が変化すると、応力を緩和するために必要な時間はゼロ(瞬時)から数分まで増大する。例えば異なるガラス転移範囲(および異なるT)を有するガラスおよびポリマーでできた複合プリフォームを考える。線引きの初期、ガラスおよびポリマーは粘性流体としてふるまい、線引きひずみに起因する応力はすぐに緩和される。線引き炉の最も熱い部分を出ると、ファイバは急速に熱を失い、ファイバ材料の粘度および応力緩和時間を指数関数的に増大させる。Tまで冷却させると、ガラスおよびポリマーは事実上それ以上の応力を解放することができない。応力緩和時間が線引き速度に比べて非常に大きくなっているためである。そのため、成分材料が異なるT値を有しているとすると、Tまで冷却した第1の材料はもはや応力を低減させることができず、第2の材料は依然としてそのTよりも高く、材料間で発生した応力を解放することが可能である。第2の材料がTまで冷却されると、材料間に生じた応力はもはや効果的には緩和されない。さらにこの時点で、第2のガラスの体積収縮は、(温度がそのTよりも低く、ぜい性固体としてふるまっている)第1の材料の体積収縮よりもはるかに大きい。このような状況の結果、ガラスとポリマーの間には十分な応力が発生し、その結果、一方または両方の部分が機械的に破損する。このことから、線引き時にファイバに生じる粘弾性応力を最小化するためには成分材料間のTの差を最小化することが望ましいという、ファイバ材料を選択するための第3の選択基準が導かれる。第1の材料のガラス転移温度Tg1は、第2の材料のガラス転移温度Tg2から100℃以内であることが好ましい(例えば|Tg1−Tg2|が90℃未満
、80℃未満、70℃未満、60℃未満、50℃未満、40℃未満、30℃未満、20℃未満、10℃未満でなければならない)。
While it is possible to minimize the elastic stress component by selecting a material with a similar TEC, residual stress can also be generated from the viscoelastic stress component. Viscoelastic stress components occur when there is a sufficient difference in strain point temperature or glass transition temperature of the component materials. When cooled to a temperature below the T g, the material is subjected to considerable size of the volume contraction. As the viscosity changes during this transition during cooling, the time required to relieve stress increases from zero (instantaneous) to several minutes. For example, consider a composite preform made of glass and polymer having different glass transition ranges (and different T g ). At the beginning of drawing, glass and polymer behave as viscous fluids, and the stress due to drawing strain is immediately relieved. Upon exiting the hottest part of the draw furnace, the fiber quickly loses heat and exponentially increases the viscosity and stress relaxation time of the fiber material. When allowed to cool to T g, the glass and the polymer can not be released virtually more stress. This is because the stress relaxation time is much longer than the drawing speed. Thus, if the component materials have different T g values, the first material cooled to T g can no longer reduce the stress and the second material is still higher than its T g , It is possible to release the stress generated between the materials. When the second material is cooled to T g, stress generated between the material will not be relaxed longer effective. Further at this time, volume shrinkage of the second glass (temperature below its T g, behaving as a brittle solid) much larger than the volume shrinkage of the first material. This situation results in sufficient stress between the glass and the polymer, resulting in mechanical failure of one or both parts. This leads to a third selection criterion for selecting the fiber material that it is desirable to minimize the Tg difference between the component materials in order to minimize the viscoelastic stress that occurs in the fiber during drawing. It is burned. The glass transition temperature T g1 of the first material is preferably within 100 ° C. from the glass transition temperature T g2 of the second material (for example, | T g1 −T g2 | is less than 90 ° C., less than 80 ° C., 70 Less than 60 ° C, less than 60 ° C, less than 50 ° C, less than 40 ° C, less than 30 ° C, less than 20 ° C, less than 10 ° C).

成分材料間の差に起因する線引きしたファイバの永久応力を発生させる2つの機構(すなわち弾性および粘弾性)が存在するため、これらの機構を使用して互いを相殺することができる。例えば、材料のTの不一致が反対の符号の応力を生み出す場合、ファイバを構成している材料は、熱膨張の不一致によって引き起こされる応力を自然に相殺することができる。反対に、材料の熱膨張が全体の永久応力を低減させる場合には、材料間のTのより大きな差は許容される。熱膨張とガラス転移温度差の併用効果を評価する1つの方法は、それぞれの成分材料の温度−長さ曲線を比較する方法である。上記の傾き−接線法を使用してそれぞれの材料のTを見つけた後に、低いほうのT温度値のところで曲線が一致するように一方の曲線を縦軸に沿って移動させる。室温でのy切片の差は、ガラスが結合されなかった場合に予想されるひずみεを与える。Tから室温までの温度範囲でより大きな量の収縮を示す材料の予想される引張応力σは、下式から単純に計算することが可能である。 Since there are two mechanisms (i.e., elastic and viscoelastic) that generate permanent stresses in the drawn fiber due to differences between the component materials, these mechanisms can be used to cancel each other. For example, if the mismatch of the material T g of that produces opposite signs of stress, the material constituting the fibers, the stress caused by the thermal expansion mismatch can be canceled naturally. Conversely, if the thermal expansion of the material reduces the overall permanent stress greater difference in T g of the inter-material it is acceptable. One method for evaluating the combined effect of thermal expansion and glass transition temperature difference is a method of comparing the temperature-length curves of the respective component materials. After finding the T g of each material using the slope-tangent method described above, one curve is moved along the vertical axis so that the curves match at the lower T g temperature value. The difference in the y-intercept at room temperature gives the expected strain ε when the glass is not bonded. The expected tensile stress σ of a material that exhibits a greater amount of shrinkage in the temperature range from T g to room temperature can be simply calculated from the following equation:

σ=E・ε
上式でEはその材料の弾性率である。一般に、100MPa未満(例えば50MPa未満、30MPa未満)の残留応力値は、2つの材料が両立することを示すのに十分な小ささである。
σ = E · ε
Where E is the elastic modulus of the material. In general, residual stress values below 100 MPa (eg below 50 MPa, below 30 MPa) are small enough to show that the two materials are compatible.

第4の選択基準は候補材料の熱安定性が一致することである。熱安定性の尺度は温度間隔(T−T)によって与えられる。上式でTは、それぞれの分子がその最も低いエネルギー状態を見つけることが可能な程度に材料をゆっくりと冷却したときに結晶化が始まる温度である。したがって、結晶相は、材料にとってガラス相よりもエネルギー的により有利な状態である。しかし、ファイバ導波路応用に関して言えば材料のガラス相は一般に、結晶相に優る性能および/または製造利点を有する。結晶化温度がガラス転移温度に近いほど、材料は線引き中に結晶化されやすく、このことはファイバにとって有害である(例えば伝送損を増大させ得る光学的不均一性をファイバに導入する)。通常は、熱安定性間隔(T−T)が少なくとも80℃(例えば少なくとも100℃)あれば、プリフォームからファイバを線引きすることによって材料をファイバにするのに十分である。好ましい実施形態では、熱安定性間隔が少なくとも120℃、例えば150℃、200℃またはそれ以上である。Tは、示差熱分析計(DTA)、示差走査熱量計(DSC)などの熱分析機器を使用して測定することが可能である。 The fourth selection criterion is that the thermal stability of the candidate materials is consistent. A measure of thermal stability is given by the temperature interval (T x -T g ). Where T x is the temperature at which crystallization begins when the material is cooled slowly enough to allow each molecule to find its lowest energy state. Thus, the crystalline phase is an energetically more favorable state for the material than the glass phase. However, for fiber waveguide applications, the glass phase of the material generally has performance and / or manufacturing advantages over the crystalline phase. The closer the crystallization temperature is to the glass transition temperature, the easier the material will crystallize during drawing, which is detrimental to the fiber (eg, introduces optical inhomogeneities into the fiber that can increase transmission loss). Typically, a thermal stability interval (T x -T g ) of at least 80 ° C. (eg, at least 100 ° C.) is sufficient to draw the material from the preform into a fiber. In a preferred embodiment, the thermal stability interval is at least 120 ° C, such as 150 ° C, 200 ° C or higher. T x can be measured using a thermal analysis instrument such as a differential thermal analyzer (DTA) or a differential scanning calorimeter (DSC).

一緒に線引きすることが可能な材料を選択するときに考慮すべき他の事項は、材料の融解温度Tである。融解温度では、材料の粘度が低くすぎて、ファイバの線引き工程中に正確なジオメトリーをうまく維持することができない。したがって好ましい実施形態では、一方の材料の融解温度が、レオロジー的に両立する第2の材料の加工温度よりも高い。言い換えると、プリフォームを加熱したときに、プリフォームのいずれかの材料が融解する前に、プリフォームの温度が、プリフォームをうまく線引きすることが可能な温度に達する。 Another matter to consider when selecting materials that can be drawn together is the melting temperature T m of the material. At the melting temperature, the viscosity of the material is too low to maintain the correct geometry well during the fiber drawing process. Thus, in a preferred embodiment, the melting temperature of one material is higher than the processing temperature of a second material that is rheologically compatible. In other words, when the preform is heated, the temperature of the preform reaches a temperature at which the preform can be successfully drawn before any material of the preform melts.

一緒に線引きすることが可能であり、閉じ込め領域の層間の高い屈折率差を有するフォトニック結晶ファイバ導波路を提供する1対の材料の1例は、AsSeとポリマーPESである。AsSeのガラス転移温度(T)は約180℃、熱膨張率(TEC)は約24×10−6/℃である。10.6μmでAsSeの屈折率は2.7775、吸収係数αは5.8dB/mである。この屈折率は、Proc.SPIE、505、11(1984)に記載されているハルトウニ(Hartouni)らの測定により、吸収係数、「Physics and Applications of Non−Cryst
alline Semiconductors in Optoelectronics」、A.アンドリーシュ(A.Andriesh)およびM.ベルトロッチ(M.Bertolotti)編、NATO ASI Series、3、High Technology、36巻、155ページ(1996)に記載されているボイト(Voigt)およびリンケ(Linke)の測定による。これらの参考文献はともに本願明細書に援用される。PESのTECは約55×10−6/℃、屈折率は約1.65である。
One example of a pair of materials that can be drawn together and provide a photonic crystal fiber waveguide with a high index difference between the layers of the confinement region is As 2 Se 3 and polymer PES. As 2 Se 3 has a glass transition temperature (T g ) of about 180 ° C. and a coefficient of thermal expansion (TEC) of about 24 × 10 −6 / ° C. At 10.6 μm, As 2 Se 3 has a refractive index of 2.7775 and an absorption coefficient α of 5.8 dB / m. This refractive index is calculated according to Proc. The absorption coefficient, “Physics and Applications of Non-Cryst” was determined by the measurement of Hartouni et al. Described in SPIE, 505, 11 (1984).
alline Semiconductors in Optical Electronics, "A. A. Andriesh and M.C. By measurement of Voitt and Linke described in the edition of M. Bertolotti, NATO ASI Series, 3, High Technology, Vol. 36, p. 155 (1996). Both of these references are incorporated herein by reference. The TEC of PES is about 55 × 10 −6 / ° C., and the refractive index is about 1.65.

いくつかの実施形態では、導波路100などのフォトニック結晶ファイバ導波路を、平面多層物品を丸めて渦巻構造にし、この渦巻構造から得られたプリフォームからファイバを線引きすることによって製造する。   In some embodiments, a photonic crystal fiber waveguide, such as waveguide 100, is manufactured by rolling a planar multilayer article into a spiral structure and drawing the fiber from a preform resulting from the spiral structure.

図2Aを参照する。プリフォームを調製するため、ポリマー・フィルム210の表面211にガラスを付着させる220。このガラスは、熱蒸着、化学蒸着またはスパッタリングを含むいくつかの方法によって付着させることが可能である。図2Bを参照する。この付着工程によって、ポリマー・フィルム210上のガラス層230からなる多層物品240を得る。   Refer to FIG. 2A. To prepare the preform, glass is deposited 220 on the surface 211 of the polymer film 210. The glass can be deposited by several methods including thermal evaporation, chemical vapor deposition or sputtering. Refer to FIG. 2B. This attachment process yields a multilayer article 240 comprising a glass layer 230 on the polymer film 210.

図2Cを参照する。この付着工程に続き、心棒255(例えばホウケイ酸ガラスなどの中空ガラスまたはポリマー管)に多層フィルム240を巻き付けて、渦巻管を形成する。次いでこの渦巻管に、数枚(例えば約3枚から10枚)のポリマー・フィルムを巻き付けてプリフォーム・ラップを形成する。いくつかの実施形態では、このポリマー・フィルムが、多層物品を形成するのに使用されたものと同じポリマーまたはガラスから作られる。真空条件下でこのプリフォーム・ラップを、多層フィルム240および渦巻管に巻き付けられたフィルムを形成しているポリマーおよびガラスのガラス転移温度よりも高い温度まで加熱する。プリフォーム・ラップは、渦巻管の層が互いに融合し、渦巻管が渦巻管に巻き付けられたポリマー・フィルムと融合するのに十分な時間加熱する。加熱温度および加熱時間は、プレフォーム・ラップの組成に依存する。例えばこの多層がAsSeとPESからなり、ラッピング・フィルムがPESからなる場合には一般に、200〜300℃(例えば約250℃)で15〜20分(例えば約18分)加熱すれば十分である。この加熱はさまざまな層を互いに融合させ、渦巻管とラッピング・フィルムとを合着させる。合着後の構造が図2Dに示されている。渦巻管は合着して、丸められた多層フィルム240に対応する多層領域260になっている。巻き付けたポリマー・フィルムは合着して単一の支持クラッド270となっている。この合着後の構造は心棒255の中空コア250を保持している。 Refer to FIG. 2C. Following this attachment step, the multilayer film 240 is wrapped around a mandrel 255 (eg, a hollow glass or polymer tube such as borosilicate glass) to form a spiral tube. The spiral tube is then wrapped with several (eg, about 3 to 10) polymer films to form a preform wrap. In some embodiments, the polymer film is made from the same polymer or glass used to form the multilayer article. Under vacuum conditions, the preform wrap is heated to a temperature above the glass transition temperature of the polymer and glass forming the multilayer film 240 and the film wrapped around the spiral tube. The preform wrap is heated for a time sufficient for the layers of the vortex tube to fuse together and the vortex tube to fuse with the polymer film wrapped around the vortex tube. The heating temperature and heating time depend on the composition of the preform wrap. For example, when this multilayer is composed of As 2 Se 3 and PES and the wrapping film is composed of PES, it is generally sufficient to heat at 200 to 300 ° C. (eg about 250 ° C.) for 15 to 20 minutes (eg about 18 minutes). It is. This heating fuses the various layers together and fuses the spiral tube and wrapping film. The structure after coalescence is shown in FIG. 2D. The spiral tubes are joined together to form a multilayer region 260 corresponding to the rolled multilayer film 240. The wrapped polymer film is fused into a single support cladding 270. This bonded structure holds the hollow core 250 of the mandrel 255.

渦巻管にポリマー・フィルムを巻き付けて支持クラッド270とする代わりに、渦巻管の外径に一致した内径を有する中空管に渦巻管を挿入することも可能である。
合着後の構造から心棒255を取り去って中空プリフォームを得る。次いでこれを線引きしてファイバにする。プリフォームは、最終的なファイバと同じ組成および同じ相対寸法(例えば閉じ込め領域の層の厚さに対するコア半径)を有する。ファイバの絶対寸法は使用する線引き比に依存する。(例えば数千メートルの)長いファイバを線引きすることができる。次いで線引きしたファイバを所望の長さに切断することが可能である。
Instead of winding the polymer film around the spiral tube to form the support cladding 270, the spiral tube can be inserted into a hollow tube having an inner diameter that matches the outer diameter of the spiral tube.
The mandrel 255 is removed from the bonded structure to obtain a hollow preform. This is then drawn into a fiber. The preform has the same composition and the same relative dimensions as the final fiber (eg, core radius to confinement region layer thickness). The absolute dimensions of the fiber depend on the draw ratio used. Long fibers (eg thousands of meters) can be drawn. The drawn fiber can then be cut to the desired length.

心棒が渦巻管の堅固な支持となるように、合着は、心棒のガラス転移よりも低い温度で実施されることが好ましい。このことは多層フィルムが真空条件下でつぶれないことを保証する。心棒の組成は、合着後に多層管の最も内側の層から外れるように選択することが可能である。あるいは、合着時に心棒が多層管の最も内側の層に接着する場合、心棒は例えばエッチングによって化学的に除去することもできる。例えば、心棒がガラス毛管である実施形態では、例えばフッ化水素酸を使用して心棒をエッチングしてプリフォームを得ることが可能である。   The coalescence is preferably performed at a temperature lower than the glass transition of the mandrel so that the mandrel provides a solid support for the spiral tube. This ensures that the multilayer film does not collapse under vacuum conditions. The composition of the mandrel can be selected to deviate from the innermost layer of the multilayer tube after coalescence. Alternatively, if the mandrel adheres to the innermost layer of the multilayer tube at the time of coalescence, the mandrel can also be removed chemically, for example by etching. For example, in embodiments where the mandrel is a glass capillary, the mandrel can be etched to obtain a preform using, for example, hydrofluoric acid.

中実のコアが望ましい実施形態では、ファイバの他の部分と一緒に線引きされる中実の心棒の周りに多層管を合着することが可能である。あるいは他の実施形態では、心棒を用いずに多層フィルムを丸めて自己支持型の渦巻管を得ることも可能である。   In embodiments where a solid core is desired, it is possible to fuse the multi-layer tube around a solid mandrel that is drawn together with other portions of the fiber. Alternatively, in other embodiments, it is possible to roll a multilayer film without using a mandrel to obtain a self-supporting spiral tube.

いくつかの実施形態では、ポリマー・フィルム210の両面をガラスでコーティングすることが可能である。それぞれのガラス層の厚さが、片面だけに付着させたガラス層の厚さの半分でよいため、この方法は有利である。薄いガラス層は一般に、丸める間に起こり得る機械的応力損傷を受けにくい。   In some embodiments, both sides of the polymer film 210 can be coated with glass. This method is advantageous because the thickness of each glass layer may be half the thickness of the glass layer deposited on only one side. Thin glass layers are generally less susceptible to mechanical stress damage that can occur during rolling.

以上に論じた技法を使用して調製したフォトニック結晶ファイバ導波路は低い欠陥密度を有する。導波路は例えば、ファイバ10メートル当たり約1個未満(例えばファイバ20メートル当たり約1個未満、ファイバ50メートル当たり約1個未満、ファイバ100メートル当たり約1個未満)の欠陥を有する。欠陥には、材料欠陥(例えば不純物)と構造欠陥(例えば層間剥離、層の亀裂)の両方が含まれ、これらはともに、導かれた放射をコアから散乱させて信号損失を引き起こし、ファイバの局部加熱を生じさせ得る。したがって、信号損失に敏感な応用(例えばファイバによって吸収された放射によってファイバが損傷する可能性がある高パワー応用)ではファイバ欠陥を低減させることが望ましい。   Photonic crystal fiber waveguides prepared using the techniques discussed above have a low defect density. For example, the waveguide has less than about 1 defect per 10 meters of fiber (eg, less than about 1 per 20 meters of fiber, less than about 1 per 50 meters of fiber, less than about 1 per 100 meters of fiber). Defects include both material defects (eg, impurities) and structural defects (eg, delamination, layer cracks), both of which cause scattered radiation to scatter from the core, causing signal loss and localizing the fiber. Heating can occur. Therefore, it is desirable to reduce fiber defects in applications that are sensitive to signal loss (eg, high power applications where the fiber can be damaged by radiation absorbed by the fiber).

基板の両面を覆うガラス・フィルムから形成されたフォトニック結晶ファイバ導波路は、ガラス・フィルムが片面だけを覆うファイバ導波路とは少し異なる屈折率プロファイルを提供する。例えば図3Aおよび3Bを参照すると、両面がコーティングされた多層フィルムから形成されたファイバの閉じ込め領域310は、連続した渦巻ポリマー層330/ガラス層340を有する。ガラス層340の最も内側の領域340Aおよび最も外側の領域340Bはポリマーを覆う単一のガラス層に対応し、それに比べて他の領域は2倍の層厚を有する。半径方向の断面360でとったその屈折率プロファイルが図3Bに示されている。   A photonic crystal fiber waveguide formed from a glass film covering both sides of the substrate provides a slightly different refractive index profile than a fiber waveguide where the glass film covers only one side. For example, referring to FIGS. 3A and 3B, a confinement region 310 of fiber formed from a multilayer film coated on both sides has a continuous spiral polymer layer 330 / glass layer 340. FIG. The innermost region 340A and the outermost region 340B of the glass layer 340 correspond to a single glass layer covering the polymer, while the other regions have twice the layer thickness. Its refractive index profile taken at radial cross section 360 is shown in FIG. 3B.

いくつかの実施形態では、丸める前に2枚以上の多層フィルムを調製し重ね合わせる。このようにすると、フィルムのサイズを増大させることなく閉じ込め領域の層の数を増やすことが可能になる。   In some embodiments, two or more multilayer films are prepared and superimposed before rolling. In this way, it is possible to increase the number of layers in the confinement region without increasing the size of the film.

先に論じたとおり、フォトニック結晶ファイバ導波路を使用してIR放射を導くことが可能である。IR放射は、約0.7ミクロンから20ミクロン(例えば約2から5ミクロン、または約8から12ミクロン)の波長を有する。いくつかの実施形態では、フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、約6.5ミクロンまたは10.6ミクロンの波長を有する放射を発射するCOレーザなどのIRレーザからの放射を導くことが可能である。IRエネルギーを発射することが可能なレーザにはこの他、Nd:YAGレーザ(例えば波長1.064ミクロン)、Er:YAGレーザ(例えば波長2.94ミクロン)、Er,Cr:YSGG(エルビウム、クロムをドープしたイットリウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット)レーザ(例えば波長2.796ミクロン)、Ho:YAGレーザ(例えば波長2.1ミクロン)、自由電子レーザ(例えば波長6から7ミクロン)、量子カスケード・レーザ(例えば波長3から5ミクロン)などがある。 As discussed above, photonic crystal fiber waveguides can be used to direct IR radiation. The IR radiation has a wavelength of about 0.7 to 20 microns (eg, about 2 to 5 microns, or about 8 to 12 microns). In some embodiments, a photonic crystal fiber waveguide may be used to direct radiation from an IR laser such as a CO 2 laser that emits radiation having a wavelength of about 6.5 microns or 10.6 microns. Is possible. Other lasers capable of emitting IR energy include Nd: YAG laser (for example, wavelength 1.064 microns), Er: YAG laser (for example, wavelength 2.94 microns), Er, Cr: YSGGG (erbium, chromium). Doped yttrium scandium gallium garnet) laser (eg 2.796 microns wavelength), Ho: YAG laser (eg 2.1 microns wavelength), free electron laser (eg 6 to 7 microns wavelength), quantum cascade laser (For example, wavelength 3 to 5 microns).

いくつかの実施形態では、フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、極めて高いパワー密度を有する放射を導くことが可能である。例えば導波路を使用して、約100W/cmを超えるパワー密度(例えば約300W/cm超、500W/cm超、1kW/cm超、例えば約10kW/cm以上のパワー密度)を有する放射を導くことが可能である。コアの中を導かれる放射の吸収が小さいため、特に中空コア導波路はこのような応用によく適している。導波波長の吸収が小さい材料を導波路の閉じ込め領域の材料に
選択することによって、吸収損をさらに軽減することが可能である。先に論じたとおり、例えばカルコゲン・ガラスはIR波長での吸収が小さく、高パワーIR導波路によく適している。導波路性能を低下させるだけでなく導波路に損傷を与える可能性もある放射損は、高い屈折率差を有する材料を閉じ込め領域の材料として選択することによってさらに低減させることが可能である。
In some embodiments, a photonic crystal fiber waveguide can be used to direct radiation having a very high power density. For example using a waveguide, a power density of greater than about 100W / cm 2 (e.g. about 300 W / cm 2, greater than 500 W / cm 2, greater than 1 kW / cm 2, such as more than about 10 kW / cm 2 or more power density) of It is possible to guide radiation having. In particular, hollow core waveguides are well suited for such applications because of the low absorption of radiation directed through the core. The absorption loss can be further reduced by selecting a material having a small absorption at the waveguide wavelength as the material for the confinement region of the waveguide. As discussed above, for example, chalcogen glass has low absorption at IR wavelengths and is well suited for high power IR waveguides. Radiation loss that not only degrades waveguide performance but can also damage the waveguide can be further reduced by selecting a material with a high index difference as the material of the confinement region.

高パワー・レーザからの放射をファイバに結合することによってファイバ導波路中に高パワー密度を生み出すことが可能である。例えば、先に挙げたいくつかのレーザなどの高パワーIRレーザからの放射をフォトニック結晶ファイバ導波路を使用して導くことが可能である。レーザの出力パワーは約1ワット超(例えば約5ワット、10ワット、25ワットまたはそれ以上)とすることが可能である。いくつかの応用では、レーザの出力エネルギーを約100ワット超、例えば数百ワット(例えば約200ワット超、300ワット超、500ワット超、1キロワット超)とすることが可能である。   It is possible to create a high power density in a fiber waveguide by coupling radiation from a high power laser into the fiber. For example, radiation from high power IR lasers, such as some of the lasers listed above, can be directed using photonic crystal fiber waveguides. The output power of the laser can be greater than about 1 watt (eg, about 5 watts, 10 watts, 25 watts or more). In some applications, the output energy of the laser can be greater than about 100 watts, such as several hundred watts (eg, greater than about 200 watts, greater than 300 watts, greater than 500 watts, greater than 1 kilowatt).

いくつかの実施形態では、フォトニック結晶ファイバ導波路が比較的に小さい伝送損を有する。例えば、伝送損を約2dB/m未満(例えば約1dB/m未満、0.5dB/m未満、例えば0.2dB/m以下)とすることが可能である。このファイバ導波路はIR波長、例えば約3〜5ミクロン(例えば約3.5ミクロン)または約10〜12ミクロン(例えば約10.6ミクロン)のある波長でで、低い伝送損を有することが可能である。同様の材料から作られたTIR光ファイバに比べて伝送損を大幅に(例えば1〜3桁以上)低くすることが可能である。例えば中空コアとカルコゲン・ガラス/ポリマーの閉じ込め領域とを有するフォトニック結晶ファイバ導波路は、カルコゲン・ガラス・コアとポリマー・クラッドとを有するTIRファイバよりもかなり低い伝送損を有する。例えばAsSeでの損失は10.6ミクロンで約7〜10dB/mと報告されており、PESでの損失は10.6ミクロンで約100,000dB/mである。これとは対照的に、AsSe/PES閉じ込め領域を有するフォトニック結晶ファイバ導波路の損失は約1dB/m未満とすることが可能である。この比較的に低い損失は、導かれた電磁波のファイバの閉じ込め領域への侵入深度が浅いことによって可能になると考えられる。したがってたとえ閉じ込め領域の材料が導波波長で比較的に高い吸収を有するとしても、導かれる放射と材料の間の相互作用は最小限にとどまる。 In some embodiments, the photonic crystal fiber waveguide has a relatively low transmission loss. For example, the transmission loss can be less than about 2 dB / m (eg, less than about 1 dB / m, less than 0.5 dB / m, eg, 0.2 dB / m or less). This fiber waveguide can have low transmission loss at certain wavelengths, such as IR wavelengths, eg about 3-5 microns (eg about 3.5 microns) or about 10-12 microns (eg about 10.6 microns) It is. It is possible to significantly reduce transmission loss (for example, 1 to 3 digits or more) as compared with TIR optical fibers made of similar materials. For example, a photonic crystal fiber waveguide having a hollow core and a chalcogen glass / polymer confinement region has significantly lower transmission loss than a TIR fiber having a chalcogen glass core and a polymer cladding. For example, the loss at As 2 Se 3 is reported to be about 7-10 dB / m at 10.6 microns and the loss at PES is about 100,000 dB / m at 10.6 microns. In contrast, the loss of a photonic crystal fiber waveguide with an As 2 Se 3 / PES confinement region can be less than about 1 dB / m. This relatively low loss is thought to be possible due to the shallow penetration depth of the guided electromagnetic wave into the confinement region of the fiber. Thus, even if the confinement region material has a relatively high absorption at the guided wavelength, the interaction between the directed radiation and the material is minimal.

フォトニック結晶ファイバ導波路はさらに、ファイバの曲がりに起因する比較的に小さい損失を受ける。例えば、曲率半径約10cm未満(例えば約5cm未満、例えば4cm以下)でファイバを90度曲げても、損失は約2dB未満(例えば1.5dB、1dB、0.5dBまたはそれ以下)である。曲げに関連した損失が比較的に小さいことは、使用中にファイバが曲がっても伝送信号の相対強度があまり変化しないことが好ましい多くのファイバ用途において有利である。   Photonic crystal fiber waveguides also suffer from relatively small losses due to fiber bending. For example, if the fiber is bent 90 degrees with a radius of curvature less than about 10 cm (eg, less than about 5 cm, eg, 4 cm or less), the loss is less than about 2 dB (eg, 1.5 dB, 1 dB, 0.5 dB or less). The relatively small loss associated with bending is advantageous in many fiber applications where it is desirable that the relative strength of the transmitted signal does not change significantly when the fiber bends during use.

伝送損(例えば固有損失および/または曲がりに起因する損失)が小さいことは一般に高パワー応用でも有利である。高パワー応用では、ファイバに沿って失われるパワーによって放射源からその目的地に送達されるパワーが低減することに加えて、ファイバの損傷も起こり得る。   A low transmission loss (eg, loss due to intrinsic loss and / or bending) is generally advantageous even in high power applications. In high power applications, in addition to reducing the power delivered from the radiation source to its destination due to power lost along the fiber, fiber damage can also occur.

厚さ25〜50ミクロンのPESフィルムに熱蒸着を使用して厚さ5〜10ミクロンのAsSeを付着させ、続いてこのコーティングされたフィルムを中空ガラス心棒に巻き付けることによって、さまざまなファイバを製造した。この管を厚いPESの外層で覆い、これを真空条件下で加熱して合着させた。合着後、心棒の中空コアにフッ化水素酸を導入することによって心棒をエッチングして除去した。このエッチングによって多層プリフォームを得た。これをそれぞれを光ファイバ線引き塔に入れ、線引きして数十から数百
メートルのファイバにした。
Various fibers were prepared by depositing 5-10 micron thick As 2 Se 3 using thermal evaporation on a 25-50 micron thick PES film, followed by wrapping the coated film around a hollow glass mandrel. Manufactured. The tube was covered with an outer layer of thick PES, which was heated and coalesced under vacuum conditions. After coalescence, the mandrel was etched away by introducing hydrofluoric acid into the hollow core of the mandrel. A multilayer preform was obtained by this etching. Each of these was put into an optical fiber drawing tower and drawn into a fiber of several tens to several hundreds of meters.

線引き工程中にファイバの外径(OD)を監視することによってそれぞれのファイバのフォトニック・バンドギャップの名目位置を求めた。フォトニック・バンドギャップ位置は、OD測定によって提供される線引き比から求めた。ファイバODの一般的な標準偏差はファイバODの約1パーセントであった。   The nominal position of the photonic band gap of each fiber was determined by monitoring the outer diameter (OD) of the fiber during the drawing process. The photonic band gap position was determined from the draw ratio provided by the OD measurement. The typical standard deviation of the fiber OD was about 1 percent of the fiber OD.

図4Aおよび4Bを参照する。ファイバの1断面の走査型電子顕微鏡(SEM)分析によれば、線引きしたファイバは比例した層厚比を概ね維持し、製造工程に関連した熱サイクリングおよび伸長の間にPESとAsSeフィルムはよく接着した。図4Aおよび4Bに示した多層構造では、PES層(灰色)の厚さが約900nm、AsSe層(明色)の厚さが約270nmであった(最初および最後のAsSe層を除く。これらの層の厚さは135nmであった)。 Reference is made to FIGS. 4A and 4B. According to scanning electron microscope (SEM) analysis of a single section of the fiber, the drawn fiber generally maintains a proportional layer thickness ratio, and PES and As 2 Se 3 film during thermal cycling and stretching associated with the manufacturing process. Adhered well. In the multilayer structure shown in FIGS. 4A and 4B, the thickness of the PES layer (gray) was about 900 nm, and the thickness of the As 2 Se 3 layer (light color) was about 270 nm (first and last As 2 Se 3). Excluding the layers, the thickness of these layers was 135 nm).

フーリエ変換赤外線(FTIR)分光計(Nicolet Magna 860)を用い、ファイバに光を結合する放物面鏡および外部検出器を使用して、広帯域ファイバ透過スペクトルを測定した。2つの異なる層構造を有するファイバに対するこれらの測定の結果を図5に示す。スペクトルごとに、基本および高次フォトニック・バンドギャップの光が導かれた。   Broadband fiber transmission spectra were measured using a Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer (Nicolet Magna 860) using a parabolic mirror that couples light to the fiber and an external detector. The results of these measurements for fibers having two different layer structures are shown in FIG. For each spectrum, fundamental and higher order photonic bandgap light was derived.

直径700〜750ミクロンの中空コアを有し、ODが1300〜1400ミクロンであり、10〜11ミクロン波長にまたがる基本フォトニック・バンドギャップを有するいくつかのファイバを調製した。図6Aは、長さ約30cmのまっすぐなファイバを使用して測定した、これらのファイバのうちの1つのファイバのFTIR透過スペクトルを示している。   Several fibers were prepared having a hollow core with a diameter of 700-750 microns, an OD of 1300-1400 microns, and a basic photonic band gap spanning 10-11 micron wavelengths. FIG. 6A shows the FTIR transmission spectrum of one of these fibers, measured using a straight fiber about 30 cm long.

これらのファイバの伝送損を定量するため、ファイバ・カットバック測定を実施した。これらの測定は、約4メートルのまっすぐなファイバを通して伝送される放射の強度を、より短い長さに切断された同じファイバを通して伝送される強度と比較することを含む(図6B参照)。この試験は、複数のファイバに対して実施し、その結果は、異なる試験ファイバに関してほぼ同じであることが分かった。測定は、25ワットのCOレーザ(GEM−25、Coherent−DEOS)および高パワー検出器(818T−10検出器、ニューポート(Newport)社)を使用して実施した。ファイバ切断中の入力結合条件および伝搬条件の変動を低減させるために、ファイバはまっすぐに保持し、ファイバの両端および両端間の複数の箇所で固定した。レーザ・ビームは、集束レンズおよび直径500ミクロンのピンホール開口を通してからファイバに結合した。さらに、不良位置合せによる偶発性のレーザ損傷を低減させるため、ファイバの入力端面を金属フィルムでコーティングした。 In order to quantify the transmission loss of these fibers, fiber cutback measurements were performed. These measurements include comparing the intensity of radiation transmitted through an approximately 4 meter straight fiber to the intensity transmitted through the same fiber cut to a shorter length (see FIG. 6B). This test was performed on multiple fibers and the results were found to be about the same for different test fibers. Measurements were performed using 25 watt CO 2 laser (GEM-25, Coherent-DEOS ) and a high power detector (818T-10 detector, Newport (Newport), Inc.). In order to reduce variations in input coupling and propagation conditions during fiber cutting, the fiber was held straight and fixed at both ends of the fiber and at multiple locations between the ends. The laser beam was coupled to the fiber through a focusing lens and a 500 micron diameter pinhole aperture. Furthermore, the input end face of the fiber was coated with a metal film to reduce accidental laser damage due to poor alignment.

約10.6ミクロンにおけるファイバの基本バンドギャップの伝送損は、図6Bに示すように約0.95dB/mと測定され、推定される測定の不確かさは約0.15dB/mであった。約10.6ミクロンを中心とするバンドギャップを有するファイバの曲げ解析(次に論じる)によれば、曲げ半径4〜10cmで90度曲げたときの曲げ損失は約1.5dB/m未満であった。   The fiber fundamental bandgap transmission loss at about 10.6 microns was measured to be about 0.95 dB / m, as shown in FIG. 6B, with an estimated measurement uncertainty of about 0.15 dB / m. According to a bending analysis of a fiber with a band gap centered at about 10.6 microns (discussed next), the bending loss when bending 90 degrees with a bending radius of 4-10 cm is less than about 1.5 dB / m. It was.

曲げ損失の測定は、広帯域FTIR源および10.6ミクロンで動作するCOレーザを使用して実施した。それぞれの測定では、さまざまな半径の金属円筒に巻き付けてファイバを90度曲げた。曲げの後のファイバの量はそれぞれのケースで約15cmであった。この部分はそれぞれのケースでまっすぐに保った。図7に、FTIR分光計を使用して測定した、長さ約50cmのまっすぐなファイバとさまざまな曲げ半径で曲げた同じファ
イバの相対強度を示す。
Bend loss measurements were performed using a broadband FTIR source and a CO 2 laser operating at 10.6 microns. In each measurement, the fiber was bent 90 degrees around a metal cylinder of various radii. The amount of fiber after bending was about 15 cm in each case. This part was kept straight in each case. FIG. 7 shows the relative strength of a straight fiber about 50 cm long and the same fiber bent at various bend radii, measured using an FTIR spectrometer.

図7に示したFTIR曲げ測定は、最も大きな半径での曲げに対して1dB未満の全曲げ損失値を与える。これらの結果を補強するため、長さ約2.5mのファイバを使用したCOレーザ測定を用いて同様の試験を実施した。図8に、COレーザでの、曲げのないファイバに対する90度の曲げのdBで表した平均曲げ損失を示す。 The FTIR bend measurement shown in FIG. 7 gives a total bend loss value of less than 1 dB for the bend at the largest radius. To reinforce these results, a similar test was performed using CO 2 laser measurements using a fiber about 2.5 m long. FIG. 8 shows the average bend loss in dB for a 90 degree bend for an unbend fiber with a CO 2 laser.

このCOレーザ曲げ損失の結果は、数回の試行の平均を表し、観察された損失の変動は約0.2dB程度であった。COレーザを使用して得られた結果は、FTIR装置を使用して得られた結果と同じ定性的特性を有していた。使用したさまざまな源は、さまざまなコヒーレンシ、開口数および偏光状態を有していたことに留意されたい。したがってそれらはさまざまな損失特性を有するモードに結合することが予想された。 This CO 2 laser bending loss result represents an average of several trials, and the observed loss variation was of the order of 0.2 dB. The results obtained using the CO 2 laser had the same qualitative characteristics as those obtained using the FTIR instrument. Note that the different sources used had different coherencies, numerical apertures and polarization states. They were therefore expected to couple to modes with various loss characteristics.

COレーザからファイバに結合された最大レーザ・パワー密度は約300のW/mであり、これは、紙およびPESフィルム(ファイバの主成分)を通して穴を燃やすのに十分であった。放射が中空ファイバ・コアに適切に結合されたとき、ファイバの損傷は観察されなかった。COレーザ(GEM−25、Coherent−DEOS)はHeNeレーザを使用して位置を合わせた。HeNeレーザを使用してCOレーザの経路を追跡した。これによって比較的に低いパワーのレーザで装置の位置を合わせることができる。参照ビームを分割するためレーザとファイバの間にZnSeビームスプリッタを置いた。ビームスプリッタを透過したビームは、ファイバに結合する前に、レンズ・アセンブリを使用して集中してピンホール開口を通した。GPIB/Labviewコンピュータ・インタフェースを有するNewportデュアル・チャネル・パワー・メータを使用して、ビームスプリッタ参照ビームおよびファイバ出力からデータを同時に集めた。 The maximum laser power density coupled from the CO 2 laser to the fiber was about 300 W / m 2 , which was sufficient to burn the hole through paper and PES film (the main component of the fiber). When the radiation was properly coupled to the hollow fiber core, no fiber damage was observed. CO 2 laser (GEM-25, Coherent-DEOS ) was aligned using HeNe laser. A HeNe laser was used to track the path of the CO 2 laser. This allows the device to be aligned with a relatively low power laser. A ZnSe beam splitter was placed between the laser and the fiber to split the reference beam. The beam that passed through the beam splitter was concentrated using a lens assembly through the pinhole aperture before being coupled to the fiber. A Newport dual channel power meter with a GPIB / Labview computer interface was used to collect data simultaneously from the beam splitter reference beam and fiber output.

カットバック測定では、素速いカミソリ切断動作を使用してファイバを切断し、合理的に再現可能な切断を生み出した。切断における残留変動を考慮するため、図6Bに示したカットバック測定データの記録されたそれぞれのデータ・ポイントの周囲で短い切断(例えば1〜2mm)を実施した。切断によってパワー・レベルはあまり変化しなかったが、明らかに劣等な切断からのデータは破棄した。1つの切断長のそれぞれの切断の測定データを平均して、図6Bに示したデータを得た。さらに、それぞれの切断の後に測定した透過ビームと参照ビームの間のパワー比を数分間にわたって時間平均した。   For cutback measurements, the fiber was cut using a quick razor cutting action to produce a reasonably reproducible cut. In order to take into account residual variations in the cut, a short cut (eg, 1-2 mm) was performed around each data point where the cutback measurement data shown in FIG. 6B was recorded. The power level did not change much with the cut, but the data from the apparently inferior cut were discarded. The data shown in FIG. 6B was obtained by averaging the measurement data for each cut of one cut length. In addition, the power ratio between the transmitted beam and the reference beam measured after each cut was time averaged over several minutes.

COレーザの入力結合条件を変化させることによって、長さ約4メートル、コア径約700ミクロンのファイバで、ファイバの可変モード出力パターンも観察した。ファイバは名目上まっすぐに保持した。モーダル出力パターンは、Spiricon Pyrocam IIIを使用して出力ビームを撮像することによって観察した。さまざまなモード・パターンの撮像は、ファイバが比較的に少ない数のモードで動作することを示唆した(例えばこれらのファイバは約10以下の導波モードを有する)。 By varying the CO 2 laser input coupling conditions, a fiber variable mode output pattern was also observed for a fiber about 4 meters long and about 700 microns in core diameter. The fiber was nominally kept straight. The modal output pattern was observed by imaging the output beam using a Spiricon Pyrocam III. Imaging of various mode patterns suggested that the fibers operate in a relatively small number of modes (eg, these fibers have about 10 or fewer guided modes).

追加の実施形態
本発明のいくつかの実施形態を説明した。それでもやはり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくさまざまな変更を実施できることを理解されたい。したがって、他の実施形態は特許請求の範囲に含まれる。
Additional Embodiments Several embodiments of the invention have been described. Nevertheless, it should be understood that various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, other embodiments are within the scope of the claims.

フォトニック結晶ファイバ導波路の1実施形態の断面図。1 is a cross-sectional view of one embodiment of a photonic crystal fiber waveguide. 図1Aに示したフォトニック結晶ファイバ導波路の一部の屈折率プロファイルを示す図。The figure which shows the refractive index profile of a part of photonic crystal fiber waveguide shown to FIG. 1A. フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の1工程を示す概略図。Schematic showing one step of a method for manufacturing a photonic crystal fiber waveguide. フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の1工程を示す概略図。Schematic showing one step of a method for manufacturing a photonic crystal fiber waveguide. フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の1工程を示す概略図。Schematic showing one step of a method for manufacturing a photonic crystal fiber waveguide. フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の1工程を示す概略図。Schematic showing one step of a method for manufacturing a photonic crystal fiber waveguide. フォトニック結晶ファイバ導波路の1実施形態の閉じ込め領域の断面図。1 is a cross-sectional view of a confinement region of one embodiment of a photonic crystal fiber waveguide. 図3Aに示した閉じ込め領域の屈折率プロファイルを示す図。The figure which shows the refractive index profile of the confinement area | region shown to FIG. 3A. フォトニック結晶ファイバ導波路の1例のSEM顕微鏡写真。An SEM micrograph of an example of a photonic crystal fiber waveguide. フォトニック結晶ファイバ導波路の1例のSEM顕微鏡写真。An SEM micrograph of an example of a photonic crystal fiber waveguide. フォトニック結晶ファイバ導波路の2つの異なる例の透過スペクトルを示す図。最も高い透過ピークはそれぞれのケースの1次フォトニック・バンドギャップに対応し、矢印はより高次のバンドギャップを指示する。The figure which shows the transmission spectrum of two different examples of a photonic crystal fiber waveguide. The highest transmission peak corresponds to the primary photonic band gap in each case, and the arrows indicate higher order band gaps. フォトニック結晶ファイバ導波路の1例の透過スペクトルを示す図。The figure which shows the transmission spectrum of one example of a photonic crystal fiber waveguide. 異なる長さに切断されたフォトニック結晶ファイバ導波路の1例の、ファイバ長に対する透過パワーの対数を示す図。図の傾きはdB/mである。The figure which shows the logarithm of the transmission power with respect to fiber length of one example of the photonic crystal fiber waveguide cut | disconnected by different length. The slope of the figure is dB / m. さまざまな曲率半径で曲げられたファイバの透過スペクトルを示す図。The figure which shows the transmission spectrum of the fiber bent by various curvature radii. 損失値は、曲がったファイバを透過した全パワーを、まっすぐに保持した同じファイバと比較することによって得た、COレーザからのEM放射がフォトニック結晶ファイバ導波路を透過するときの曲げ損失を曲率の関数として示す図。The loss value is obtained by comparing the total power transmitted through the bent fiber with the same fiber held straight, and the bending loss as EM radiation from the CO 2 laser passes through the photonic crystal fiber waveguide. The figure shown as a function of curvature.

Claims (26)

導波路軸に沿って延びるコアを取り囲む、ポリマーおよびガラス等の異なる誘電材料の互層からなる高パワー低損失ファイバ導波路からなる物品。 An article comprising a high power, low loss fiber waveguide consisting of alternating layers of different dielectric materials such as polymer and glass surrounding a core extending along the waveguide axis. 前記互層が渦巻構造を形成する請求項1に記載の物品。 The article of claim 1, wherein the alternating layers form a spiral structure. 前記渦巻構造が、前記コアを複数回取り巻く、前記異なる材料の少なくとも2つの層からなる多層構造である請求項2に記載の物品。 The article according to claim 2, wherein the spiral structure is a multilayer structure composed of at least two layers of the different materials surrounding the core a plurality of times. 前記異なる材料が高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料からなり、該高屈折率材料の屈折率と該低屈折率材料の屈折率との比が1.5よりも大きい請求項1に記載の物品。 The said different material consists of a high refractive index dielectric material and a low refractive index dielectric material, The ratio of the refractive index of this high refractive index material and the refractive index of this low refractive index material is larger than 1.5. Goods. 前記異なる材料が高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料からなり、該高屈折率材料の屈折率と該低屈折率材料の屈折率との比が1.8よりも大きい請求項1に記載の物品。 The said different material consists of a high refractive index dielectric material and a low refractive index dielectric material, The ratio of the refractive index of this high refractive index material and the refractive index of this low refractive index material is larger than 1.8. Goods. 前記ガラスがカルコゲン・ガラスからなる請求項1に記載の物品。 The article of claim 1, wherein the glass comprises chalcogen glass. 前記カルコゲン・ガラスがAsSeからなる請求項6に記載の物品。 The article of claim 6, wherein the chalcogen glass comprises As 2 Se 3 . 前記ポリマーがPESまたはPEIからなる請求項6に記載の物品。 The article of claim 6, wherein the polymer comprises PES or PEI. 前記互層の最も内側の層が、同じ材料の以降の層の厚さよりも小さな厚さを有する請求項1に記載の物品。 The article of claim 1, wherein the innermost layers of the alternating layers have a thickness that is less than the thickness of subsequent layers of the same material. 前記互層の厚さが、波長約10.6ミクロンのEM放射を前記導波路軸に沿って導くように選択されている請求項1に記載の物品。 The article of claim 1, wherein the alternating layer thickness is selected to direct EM radiation at a wavelength of about 10.6 microns along the waveguide axis. 前記互層の厚さが、約8〜12ミクロンの範囲の波長のEM放射を前記導波路軸に沿って導くように選択されている請求項1に記載の物品。 The article of claim 1, wherein the thickness of the alternating layers is selected to direct EM radiation at a wavelength in the range of about 8-12 microns along the waveguide axis. 前記互層の厚さが、約2〜5ミクロンの範囲の波長のEM放射を前記導波路軸に沿って導くように選択されている請求項1に記載の物品。 The article of claim 1, wherein the alternating layer thickness is selected to direct EM radiation with a wavelength in the range of about 2-5 microns along the waveguide axis. 前記コアが中空である請求項1に記載の物品。 The article of claim 1, wherein the core is hollow. まっすぐな前記ファイバ導波路について、前記ファイバ導波路が、選択された波長で約1dB/mよりも小さな伝送損を示す請求項1に記載の物品。 The article of claim 1, wherein, for the straight fiber waveguide, the fiber waveguide exhibits a transmission loss of less than about 1 dB / m at a selected wavelength. 前記選択された波長が約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長である請求項14に記載の物品。 The article of claim 14, wherein the selected wavelength is a wavelength ranging from about 0.75 to about 10.6 microns. 前記選択された波長が約10.6ミクロンである請求項15に記載の物品。 The article of claim 15, wherein the selected wavelength is about 10.6 microns. 約4〜10cmの範囲の任意の曲げ半径で90度曲げたときに、前記ファイバ導波路が、選択された波長で約1.5dBよりも小さな伝送損を示す請求項1に記載の物品。 The article of claim 1, wherein the fiber waveguide exhibits a transmission loss of less than about 1.5 dB at a selected wavelength when bent 90 degrees at any bend radius in the range of about 4-10 cm. 前記選択された波長が約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長である請求項17に記載の物品。 The article of claim 17, wherein the selected wavelength is a wavelength ranging from about 0.75 to about 10.6 microns. 前記選択された波長が約10.6ミクロンである請求項18に記載の物品。 The article of claim 18, wherein the selected wavelength is about 10.6 microns. 前記ファイバ導波路が、約300W/cm以上のパワー密度の選択された波長のEM放射を前記導波路軸に沿って導く能力を有する請求項1に記載の物品。 The article of claim 1, wherein the fiber waveguide is capable of directing EM radiation at a selected wavelength with a power density of about 300 W / cm 2 or greater along the waveguide axis. 前記選択された波長が約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長である請求項20に記載の物品。 21. The article of claim 20, wherein the selected wavelength is a wavelength ranging from about 0.75 to about 10.6 microns. 前記選択された波長が約10.6ミクロンである請求項21に記載の物品。 The article of claim 21, wherein the selected wavelength is about 10.6 microns. 前記ファイバ導波路が少なくとも0.3mの曲げ長さで滑らかに約90度に曲げられているときでも、前記ファイバ導波路が、約300W/cm以上のパワー密度の前記選択された波長の前記EM放射を前記導波路軸に沿って導く能力を有する請求項20に記載の物品。 Even when the fiber waveguide is smoothly bent at about 90 degrees with a bending length of at least 0.3 m, the fiber waveguide has a power density of about 300 W / cm 2 or more at the selected wavelength of the selected wavelength. 21. The article of claim 20, having the ability to direct EM radiation along the waveguide axis. 前記ファイバ導波路が、約25W以上のパワーの選択された波長の前記EM放射を前記導波路軸に沿って導く能力を有する請求項1に記載の物品。 The article of claim 1, wherein the fiber waveguide is capable of directing the EM radiation at a selected wavelength with a power of about 25 W or greater along the waveguide axis. 前記選択された波長が約0.75から約10.6ミクロンまでの範囲の波長である請求項24に記載の物品。 25. The article of claim 24, wherein the selected wavelength is a wavelength ranging from about 0.75 to about 10.6 microns. 前記選択された波長が約10.6ミクロンである請求項24に記載の物品。 25. The article of claim 24, wherein the selected wavelength is about 10.6 microns.
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