JP2007041166A - Photonic band gap fiber and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたフォトニックバンドギャップファイバに関する。本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、通常のフォトニックバンドギャップファイバに特有な表面モードを抑制することができ、ファイバの伝送帯域を広げることができるので、極低損失光伝送、UV領域から可視光領域及び遠赤外領域における光伝送、ファイバレーザ光伝送などに用いることができる。 The present invention relates to a photonic band gap fiber in which a large number of holes are provided in a quartz portion along the longitudinal direction of the fiber. The photonic bandgap fiber of the present invention can suppress the surface mode peculiar to a normal photonic bandgap fiber and can widen the transmission band of the fiber. It can be used for optical transmission in the optical region and far infrared region, fiber laser light transmission, and the like.
フォトニックバンドギャップファイバ(photonic bandgap fiber:以下、PBGFと記す。)は、空孔の周期構造をクラッドに用いることにより、そのフォトニックバンドギャップを利用して光をコアに閉じ込める。そのため、コアは空気であっても導波が可能である(非特許文献1参照。)。 A photonic bandgap fiber (hereinafter referred to as PBGF) uses a periodic structure of holes as a cladding, and confines light in the core using the photonic bandgap. Therefore, even if the core is air, it can be guided (see Non-Patent Document 1).
しかし、クラッドに設けた空孔の周期構造がバンドギャップを形成しても、光がコア中心に集中するコアモードは、光がコアエッジ近傍の石英に集中する表面モードに結合し、大きな伝送損失をもたらすので、バンドギャップの波長帯域全域における光導波が得られない問題がある(非特許文献2参照。)。 However, even if the periodic structure of the holes provided in the cladding forms a band gap, the core mode in which the light is concentrated at the core center is coupled to the surface mode in which the light is concentrated on the quartz near the core edge, resulting in a large transmission loss. Therefore, there is a problem that optical waveguide cannot be obtained in the entire wavelength band of the band gap (see Non-Patent Document 2).
表面モードの存在は、コア径の大小に依存する。図1は、その依存性を示す図である。図1に示す従来のPBGFは、ファイバ横断面において石英部分10に多数の円形の空孔11が三角格子状に設けられ、中心の空孔が空孔コア12になっている。以下、このようにファイバ横断面において多数の円形の空孔10が一定のピッチで三角格子の周期構造を形成している空孔構造を「通常の三角格子の周期構造」と記す。
The presence of the surface mode depends on the size of the core diameter. FIG. 1 is a diagram showing the dependency. In the conventional PBGF shown in FIG. 1, a large number of
図1中の「バルクモード」とは、空孔の周期構造がバンドギャップを構成しているときに、そのバンドギャップの下部通過帯域(バンド)内最高周波数を有するΓ点(波長ベクトルが伝搬方向成分のみを有する点)のモードを指す。
図1に示すような構造のPBGFにおいて、コア12のエッジがバルクモードを横切る場合に表面モードが存在し、横切らない場合には表面モードが存在しないことが知られている(非特許文献3参照。)
The “bulk mode” in FIG. 1 is a Γ point having a highest frequency in the lower pass band (band) of the band gap when the periodic structure of the holes constitutes a band gap (wavelength vector is in the propagation direction). This refers to the mode having only components.
In the PBGF having the structure shown in FIG. 1, it is known that a surface mode exists when the edge of the
図2及び図3は、通常の三角格子の周期構造を有する従来のPBGFにおける空孔コア12とバルクモードとの位置関係を例示する図である。図2に示す従来のPBGFは、ファイバ横断面においてクラッドとなる石英部分10に多数の円形の空孔11が三角格子状に設けられ、中心の1つの空孔とそれを囲む6つの空孔を含む領域を空孔とすることによって形成された空孔コア12を備えている。また、図3に示す従来のPBGFは、ファイバ横断面において石英部分10に多数の円形の空孔11が三角格子状に設けられ、中心の1つの空孔とそれを囲む2層18個の空孔を含む領域を空孔とすることによって形成された空孔コア12を備えている。
しかし、図2及び図3に示すような通常の三角格子の周期構造をクラッドに用いる場合、空孔コア12のエッジが、バルクモード13の存在する領域を横切ってしまうため、表面モードを避けることが困難である。その結果、コアモードの光が表面モードに結合し、大きな伝送損失をもたらし、バンドギャップの波長帯域全域における光導波が得られず、導波帯域幅が狭くなり、また伝送損失が増加してしまう問題がある。
However, when a regular triangular lattice periodic structure as shown in FIGS. 2 and 3 is used for the cladding, the edge of the
本発明は前記事情に鑑みてなされ、導波帯域幅が広く、伝送損失が低いPBGFの提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a PBGF having a wide waveguide bandwidth and low transmission loss.
前記目的を達成するため、本発明は、石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたPBGFであって、ファイバ横断面において一定のピッチΓで六角形の多数の石英部分が三角格子状に並び、該石英部分の間が空孔とされ、前記石英部分の対向する2辺間の長さωrと、前記ピッチΓの半分の長さΛとが等しい周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするPBGFを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a PBGF in which a plurality of holes are provided in a quartz portion along the longitudinal direction of the fiber, and a plurality of hexagonal quartz portions having a constant pitch Γ in the cross section of the fiber. Arranged in a triangular lattice pattern, and a gap is formed between the quartz parts, and a periodic structure in which the length ω r between two opposing sides of the quartz part is equal to the half length Λ of the pitch Γ is used as the cladding. The PBGF is characterized by having a hollow core or a core in which a large number of hexagonal holes are arranged in a triangular lattice shape.
また本発明は、石英部分に多数の空孔がファイバ長手方向に沿って設けられたPBGFであって、ファイバ横断面において第1のピッチΛで多数の六角形の空孔が隔壁を介して一列に並べられた第1の空孔列と、前記第1のピッチの2倍である第2のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分を介して並べられ、該空孔と前記第1の空孔列の空孔とが三角格子を形成するように配置された第2の空孔列とが交互に多数重ねられ、前記石英部分の対向する2辺間の長さωrと前記第1のピッチΛとが実質的に等しい拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするPBGFを提供する。 The present invention also provides a PBGF in which a large number of holes are provided in a quartz portion along the longitudinal direction of the fiber, and a large number of hexagonal holes are arranged in a row through a partition wall at a first pitch Λ in the cross section of the fiber. A plurality of hexagonal holes are arranged through a hexagonal quartz portion at a first hole array arranged in a row and at a second pitch Γ that is twice the first pitch. And a plurality of second hole arrays in which the holes of the first hole array are arranged so as to form a triangular lattice, and a length ω between two opposing sides of the quartz portion is overlapped. a core having an extended triangular lattice-shaped hole periodic structure in which r and the first pitch Λ are substantially equal in the cladding, and a hole core or a plurality of hexagonal holes arranged in a triangular lattice shape A PBGF characterized by comprising:
前記PBGFにおいて、前記空孔を囲む石英の隔壁の厚さωbは、0.005Λ≦ωb≦0.2Λの範囲であることが好ましい。 In the PBGF, the thickness ω b of the quartz partition wall surrounding the hole is preferably in the range of 0.005Λ ≦ ω b ≦ 0.2Λ.
本発明のPBGFにおいて、前記コアの直径Dは、ピッチΛに対し、0.7Λ≦D≦3.3Λの関係であることが好ましい。 In the PBGF of the present invention, the core diameter D is preferably in a relation of 0.7Λ ≦ D ≦ 3.3Λ with respect to the pitch Λ.
本発明のPBGFにおいて、前記コアの直径Dは、ピッチΛに対し、4.7Λ≦D≦7.3Λの関係としてもよい。 In the PBGF of the present invention, the diameter D of the core may have a relationship of 4.7Λ ≦ D ≦ 7.3Λ with respect to the pitch Λ.
本発明のPBGFにおいて、前記コアの直径Dは、ピッチΛに対し、8.7Λ≦D≦11.3Λの関係としてもよい。 In the PBGF of the present invention, the diameter D of the core may have a relationship of 8.7Λ ≦ D ≦ 11.3Λ with respect to the pitch Λ.
本発明のPBGFにおいて、前記クラッドに設けられた拡張三角格子状の空孔周期構造がコアの外側に3層以上設けられていることが好ましい。 In the PBGF of the present invention, it is preferable that three or more layers of the extended triangular lattice-shaped hole periodic structure provided in the cladding are provided outside the core.
本発明のPBGFにおいて、伝搬パワーの60%以上が空孔コアの領域に集中するコアモードであり、且つ表面モードが実質的に存在しない光学特性を有していることが好ましい。 The PBGF of the present invention preferably has a core mode in which 60% or more of the propagation power is concentrated in the hole core region, and has an optical characteristic that substantially does not have a surface mode.
本発明のPBGFにおいて、単一のコアモード(ただし、縮退する全てのモードはモード数1とする)のみが存在する光学特性を有していることが好ましい。 The PBGF of the present invention preferably has an optical characteristic in which only a single core mode (however, all modes that degenerate have a mode number of 1) exist.
本発明のPBGFにおいて、波長λが、0.6≦Γ/λ≦1.5を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることが好ましい。 The PBGF of the present invention preferably has an optical characteristic in which the core mode exists within a range where the wavelength λ satisfies 0.6 ≦ Γ / λ ≦ 1.5.
本発明のPBGFにおいて、波長λが、1.4≦Γ/λ≦2.3を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。 The PBGF of the present invention may have an optical characteristic in which the core mode exists within a range where the wavelength λ satisfies 1.4 ≦ Γ / λ ≦ 2.3.
本発明のPBGFにおいて、波長λが、2.2≦Γ/λ≦3.2を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。 The PBGF of the present invention may have an optical characteristic in which a core mode exists within a range where the wavelength λ satisfies 2.2 ≦ Γ / λ ≦ 3.2.
また本発明は、石英製のキャピラリと石英ロッドとを、多数のキャピラリが一列に並べられた第1の空孔列と、前記キャピラリと石英ロッドとを交互に並べた第2の空孔列とが交互に重なって横断面のキャピラリ配置が拡張三角格子状となるように組み合わせ、且つ中央の石英ロッド又は中央の石英ロッドとその周りのキャピラリ及び石英ロッドを無くして空孔コア領域とし、又は石英ロッドをキャピラリに置換してキャピラリコア領域とした石英ロッド入りキャピラリ束を作製し、次いでキャピラリ周囲の空間の圧力よりもキャピラリ内部空間の圧力を高く保持したまま、該石英ロッド入りキャピラリ束を加熱一体化してファイバ紡糸用母材を作製し、次いで該ファイバ紡糸用母材を紡糸して本発明に係る前記PBGFを得ることを特徴とするPBGFの製造方法を提供する。 The present invention also includes a first capillary array in which a plurality of capillaries and quartz rods are arranged in a line, and a second hole array in which the capillaries and quartz rods are alternately arranged. Are combined so that the capillary arrangement of the cross section becomes an expanded triangular lattice, and the central quartz rod or the central quartz rod and the surrounding capillary and quartz rod are eliminated to form a hole core region, or quartz Capillary bundles with quartz rods are made by replacing the rods with capillaries to form capillary core regions, and then the capillary bundles with quartz rods are heated and integrated while maintaining the pressure in the capillary inner space higher than the pressure in the space around the capillaries. To produce a fiber spinning base material, and then spin the fiber spinning base material to obtain the PBGF according to the present invention. To provide a process for the preparation of that PBGF.
本発明のPBGFの製造方法において、前記キャピラリが断面円環状であり、前記石英ロッドが、キャピラリと外径の等しい断面円形状であることが好ましい。 In the method for producing PBGF of the present invention, it is preferable that the capillary has an annular cross section, and the quartz rod has a circular cross section having the same outer diameter as the capillary.
本発明のPBGFの製造方法において、前記石英ロッド入りキャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化してファイバ紡糸用母材を作製することが好ましい。 In the method for producing PBGF of the present invention, it is preferable to produce a fiber spinning base material by integrating the capillary bundle containing quartz rods while being inserted into a hole of a quartz tube.
前記の製造方法において、石英管の孔内に挿入したキャピラリ束のうち、キャピラリ内部空間のみを大気圧又はそれ以上の圧力に保持し、キャピラリ内部空間以外の空間部分を減圧状態として前記一体化を行うことが好ましい。 In the manufacturing method described above, in the bundle of capillaries inserted into the holes of the quartz tube, only the internal space of the capillaries is maintained at atmospheric pressure or higher, and the space portion other than the internal space of the capillaries is decompressed to perform the integration. Preferably it is done.
本発明のPBGFの製造方法において、前記石英ロッド入りキャピラリ束の横断面の中心にある1つの石英ロッドを無くして空孔コア領域を形成することが好ましい。 In the method for producing PBGF of the present invention, it is preferable to form a hole core region by eliminating one quartz rod at the center of the cross section of the capillary bundle containing the quartz rods.
本発明のPBGFの製造方法において、前記石英ロッド入りキャピラリ束の横断面の中心にある1つの石英ロッドとその周りを囲む1層以上5層以下のキャピラリ及び石英ロッドを無くして空孔コア領域を形成してもよい。 In the method for producing PBGF according to the present invention, the hollow core region is formed by eliminating one quartz rod at the center of the cross section of the capillary bundle containing the quartz rods and one to five layers of capillaries and quartz rods surrounding the quartz rod. It may be formed.
本発明のPBGFの製造方法において、前記石英ロッド入りキャピラリ束の横断面の中心にある1つの石英ロッドをキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成してもよい。 In the method for producing PBGF of the present invention, a capillary core region may be formed by replacing one quartz rod at the center of the cross section of the capillary bundle containing the quartz rods with a capillary.
本発明のPBGFの製造方法において、前記石英ロッド入りキャピラリ束の横断面の中心にある1つの石英ロッドとその周りを囲む石英ロッドをキャピラリに置換してキャピラリコア領域を形成してもよい。 In the method for producing PBGF of the present invention, the capillary core region may be formed by replacing one quartz rod at the center of the cross section of the capillary bundle with quartz rods and the surrounding quartz rod with a capillary.
本発明のPBGFの製造方法において、前記石英ロッド入りキャピラリ束は、コア領域を囲む拡張三角格子状の空孔周期構造が、径方向外方に向けて3層以上の石英ロッドを有するように設けられることが好ましい。 In the method for producing PBGF of the present invention, the capillary bundle with quartz rods is provided such that an extended triangular lattice-shaped hole periodic structure surrounding the core region has three or more layers of quartz rods radially outward. It is preferred that
本発明のPBGFは、拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有するものなので、コアエッジがバルクモードを横切らずに空孔コア又はキャピラリコアを構成でき、表面モードが発生せずにコアモードのみが存在する光学特性が得られ、導波帯域幅を広くすることができ、伝送損失を下げることができる。
本発明のPBGFの製造方法は、キャピラリの一部を石英ロッドに置換して組み合わせること以外は、従来のキャピラリを用いた方法と同様にして、簡単に拡張三角格子状の空孔周期構造を有するPBGFを製造できるので、従来のPBGFよりも優れた光学特性を有するPBGFを従来のPBGFと同様の方法によって簡単且つ安価に製造することができる。
Since the PBGF of the present invention has an extended triangular lattice-like hole periodic structure in the cladding, the core edge can constitute a hole core or a capillary core without traversing the bulk mode, and only the core mode does not generate a surface mode. Can be obtained, the waveguide bandwidth can be widened, and the transmission loss can be reduced.
The PBGF production method of the present invention has an expanded triangular lattice-like hole periodic structure in the same manner as the method using the conventional capillary except that a part of the capillary is replaced with a quartz rod and combined. Since PBGF can be manufactured, PBGF having optical properties superior to those of conventional PBGF can be manufactured easily and inexpensively by the same method as that of conventional PBGF.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図4は、本発明のPBGFのクラッド部分に用いた拡張三角格子(ETL:extended triangular lattice)状の空孔周期構造の一例を示す図であり、この図中、符号20は石英部分、21は六角形の空孔、22は第1の空孔列、23は第2の空孔列である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 4 is a diagram showing an example of an extended triangular lattice (ETL) extended hole periodic structure used for the cladding portion of the PBGF of the present invention. In this figure,
この拡張三角格子状の空孔周期構造は、ファイバ横断面において第1のピッチΛで多数の六角形の空孔21が隔壁25を介して一列に並べられた第1の空孔列22と、前記第1のピッチΛの2倍である第2のピッチΓ(Γ=2Λ)で多数の六角形の空孔21が六角形の石英部分20を介して並べられ、該空孔21と前記第1の空孔列22の空孔21とが三角格子を形成するように配置された第2の空孔列23とを交互に多数重ねた周期構造(以下、六角形空孔拡張三角格子又は六角形空孔拡張三角格子構造と記す。)になっている。
This extended triangular lattice-shaped hole periodic structure includes a
図5は、この六角形空孔拡張三角格子のユニットセル構造を示す図である。このユニットセルにおいて、隣接する空孔21の中心間の距離(第1のピッチ)をΛとし、石英部分20の対向する2辺間の長さωrと前記第1のピッチΛとが等しく(ωr=Λ)なっている。また、格子の周期性を表す基本ベクトルであるa1,a2は、それぞれx軸に対して30度と−30度に傾き、第2のピッチΓは2Λである。
FIG. 5 is a diagram showing a unit cell structure of the hexagonal hole expanded triangular lattice. In this unit cell, the distance (first pitch) between the centers of adjacent air holes 21 is Λ, and the length ω r between two opposing sides of the
この六角形空孔拡張三角格子構造をPBGFのクラッドに用いる場合、適切にコア領域を設計すると、コアとクラッド間に空孔層を設けることができる。その結果、表面モードを避けることができ、広い伝送帯域が実現できる(非特許文献3参照。)。 When this hexagonal hole expanded triangular lattice structure is used for the cladding of PBGF, if a core region is appropriately designed, a hole layer can be provided between the core and the cladding. As a result, the surface mode can be avoided and a wide transmission band can be realized (see Non-Patent Document 3).
また、本発明では、六角形の空孔21と六角形の石英部分20とを組み合わせた六角形空孔拡張三角格子構造を採用したことで、図6に示すような円形の空孔10を用いた拡張三角格子状の空孔周期構造(以下、円形空孔拡張三角格子構造と記す。)とは異なる光学特性を得ることができる。
Further, in the present invention, a hexagonal hole expanded triangular lattice structure in which the
図6は、円形空孔拡張三角格子構造を例示する図であり、また図7はこの円形空孔拡張三角格子のバンド構造を示すグラフである。図6に示す周期構造は、空孔直径dが第1のピッチΛに等しく、円形空孔拡張三角格子構造の中で最も石英部分10が少ない構造になっている。図6において、黒色部分が石英部分10であり、白丸が空孔11である。また、図7のバンド構造は、非特許文献4に記載されている平面波展開法を用いて計算した。図7において、βは伝搬方向(周期構造と垂直な方向)の波数、Γ=2Λは拡張三角格子の格子定数、ωは角周波数、cは光速を表す。また、ライトラインは光が真空媒質中で伝搬するときの分散曲線を表し、バンドで囲まれる領域は、周期構造断面内にどの方向にも光が伝搬できない領域、すなわちバンドギャップを表す。ファイバのクラッドにこの周期構造を用い、コアに空孔を用いた場合、ファイバのコアに光が導波可能になる領域はライトラインに隣接し、その上部に存在するバンドギャップとなる。この場合、Γ/λ(=ωΓ/2πc)が0.77〜1.10の範囲で第1導波領域、1.54〜1.80で第2導波領域が存在する。ここで、λは波長を表す。
FIG. 6 is a diagram illustrating a circular hole expanded triangular lattice structure, and FIG. 7 is a graph showing a band structure of this circular hole expanded triangular lattice structure. The periodic structure shown in FIG. 6 has a structure in which the hole diameter d is equal to the first pitch Λ and the
一方、図8に示す本発明に係る六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図9に示す。図8に示す六角形空孔拡張三角格子構造は、ファイバ横断面において一定のピッチΓで六角形の多数の石英部分20が三角格子状に並び、該石英部分20の間が空孔21とされ、前記石英部分の対向する2辺間の長さωrと、前記ピッチΓの半分の長さΛとが等しい周期構造になっている。換言すれば、図8に示す六角形空孔拡張三角格子構造は、図4及び図5に示す六角形空孔拡張三角格子構造において、隔壁25の厚さωb=0とした場合の六角形空孔拡張三角格子構造を例示している。ただし、実際には石英部分20を保持するために、図示していない断続的な隔壁や結合部等があってよい。
On the other hand, FIG. 9 shows a band structure of the hexagonal hole expanded triangular lattice structure according to the present invention shown in FIG. In the hexagonal hole expanded triangular lattice structure shown in FIG. 8, a large number of
この場合、図9に示すように、Γ/λが0.82〜1.30の範囲で第1導波領域、1.58〜2.13で第2導波領域、さらに2.38〜3.00で第3導波領域が存在し、図6に示す円形空孔拡張三角格子構造に比べると、広いバンドギャップが存在することがわかる。 In this case, as shown in FIG. 9, the first waveguide region in the range of Γ / λ of 0.82 to 1.30, the second waveguide region in the range of 1.58 to 2.13, and 2.38 to 3 It can be seen that there is a third waveguiding region at .00 and there is a wide band gap as compared to the circular hole extended triangular lattice structure shown in FIG.
また、図10は、第1のピッチΛに対する隔壁25の厚さωbの割合が0.06(ωb/Λ=0.06)である六角形空孔拡張三角格子構造を例示する図であり、図11はそのバンド構造を示すグラフである。この場合、Γ/λが0.79〜1.13の範囲で第1導波領域、1.60〜1.83で第2導波領域が存在し、d/Λ=1とした図6に示す円形空孔拡張三角格子構造と同等なバンドギャップが存在することがわかる。
FIG. 10 is a diagram illustrating a hexagonal hole expanded triangular lattice structure in which the ratio of the thickness ω b of the
本発明のPBGFは、前述した六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有すると共に、中心に空孔コア、又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコア24を有している。なお、本発明のPBGFにおいて、空孔以外の石英部分20の材質は、ファイバ全体で同一とすることができ、例えば、純粋石英(SiO2)などが好適に用いられるが、フッ素や酸化ゲルマニウムなどの屈折率調整用ドーパントを添加した石英ガラスなどを用いることもできる。
The PBGF of the present invention has the above-described hexagonal hole expanded triangular lattice structure in the cladding, and has a core 24 in which a hollow core or a large number of hexagonal holes are arranged in a triangular lattice at the center. Yes. In the PBGF of the present invention, the material of the
本発明の好ましい実施形態において、前記コア24の直径Dは、ピッチΛに対し、0.7Λ≦D≦3.3Λの関係、4.7Λ≦D≦7.3Λの関係、又は8.7Λ≦D≦11.3Λの関係とすることが望ましい。コア24の直径Dを前記範囲内に設定することで、表面モードを有しないPBGFを提供することができる。
In a preferred embodiment of the present invention, the diameter D of the
また、図10に示すように、空孔を囲む石英の隔壁25が存在する場合、隔壁25の厚さωbは、第1のピッチΛに対し、0.005Λ≦ωb≦0.2Λの範囲であることが好ましい。隔壁25の厚さが前記範囲未満であると空孔構造を維持することが困難となる。また隔壁25の厚さが前記範囲を超えるとバンドギャップが狭くなる。
Further, as shown in FIG. 10, when there is a
また、クラッドに設けられた六角形空孔拡張三角格子構造は、コア24の外側に3層以上設けられていることが好ましい。クラッドに設けられた六角形空孔拡張三角格子の層数が2層以下であると光の閉じ込みが不十分になり、損失が大きくなる可能性がある。
In addition, the hexagonal hole expanded triangular lattice structure provided in the cladding is preferably provided in three or more layers outside the
本発明のPBGFは、伝搬パワーの60%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは80%以上がコアの領域に集中するコアモードであり、且つ表面モードが実質的に存在しない光学特性を有していることが好ましい。前記コアモードの割合が60%未満であると光が石英中に伝わるようになるので好ましくない。 The PBGF of the present invention is a core mode in which 60% or more, preferably 70% or more, more preferably 80% or more of the propagation power is concentrated in the core region, and has an optical characteristic that the surface mode does not substantially exist. It is preferable. If the ratio of the core mode is less than 60%, light is transmitted into the quartz, which is not preferable.
本発明のPBGFにおいて、波長λが、0.6≦Γ/λ≦1.5を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していることが好ましい。前記Γ/λが0.6未満であるとバンドギャップが存在しなくなり、光が伝わらなくなり、またΓ/λが1.5を超えると同様にバンドギャップが存在せず光が伝わらなくなってしまう。 The PBGF of the present invention preferably has an optical characteristic in which the core mode exists within a range where the wavelength λ satisfies 0.6 ≦ Γ / λ ≦ 1.5. If Γ / λ is less than 0.6, no band gap exists and light cannot be transmitted. If Γ / λ exceeds 1.5, no band gap exists and light cannot be transmitted.
また、PBGFが高次バンドギャップで動作する場合、前記Γ/λは、1.4≦Γ/λ≦2.3の範囲内が好ましい。前記Γ/λが1.4未満であると高次バンドギャップ外にあり、動作しなくなり、またΓ/λが2.3を超えると高次バンドギャップの外にあり、動作しなくなってしまう。
さらに、波長λが、2.2≦Γ/λ≦3.2を満たす範囲内でコアモードが存在する光学特性を有していてもよい。
When PBGF operates in a high-order band gap, the Γ / λ is preferably in the range of 1.4 ≦ Γ / λ ≦ 2.3. If Γ / λ is less than 1.4, it is outside the high-order band gap and does not operate, and if Γ / λ exceeds 2.3, it is out of the high-order band gap and does not operate.
Furthermore, it may have an optical characteristic in which the core mode exists within a range where the wavelength λ satisfies 2.2 ≦ Γ / λ ≦ 3.2.
次に、本発明のPBGFの製造方法の一例を説明する。本例では、図10に示す六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、且つ中心の石英部分20が空孔21に置換されたコア24(キャピラリコア)を備えた図12に示すPBGFを製造する場合を説明する。
本製造方法では、まず、石英製のキャピラリと石英ロッドとを、多数のキャピラリが一列に並べられた第1の空孔列と、前記キャピラリと石英ロッドとを交互に並べた第2の空孔列とが交互に重なって横断面のキャピラリ配置が拡張三角格子状となるように組み合わせ、且つ中央の石英ロッドをキャピラリに置換してキャピラリコア領域とした石英ロッド入りキャピラリ束を作製する。本製造方法で用いるキャピラリは、断面円環状であり、また石英ロッドは、キャピラリと外径の等しい断面円形状であることが好ましい。
Next, an example of the manufacturing method of PBGF of this invention is demonstrated. In this example, the PBGF shown in FIG. 12 is provided with a core 24 (capillary core) having the hexagonal hole expanded triangular lattice structure shown in FIG. 10 in the clad and the
In this manufacturing method, first, a first capillary array in which a large number of capillaries are arranged in a row, and a second cavity in which the capillaries and quartz rods are alternately arranged are made of quartz capillaries and quartz rods. A capillary bundle containing quartz rods is produced by combining the columns so that the columns are alternately overlapped so that the capillary arrangement in the cross section is an expanded triangular lattice, and the central quartz rod is replaced with a capillary. It is preferable that the capillary used in the manufacturing method has an annular cross section, and the quartz rod has a circular cross section having the same outer diameter as the capillary.
なお、本発明のPBGFの製造方法において、前記コア領域の形成方法は前記の例にのみ限定されず、製造するPBGFのコア構造に応じて適宜変更可能である。例えば、図18に示すPBGFを製造する場合には、六角形空孔拡張三角格子構造の中心の石英ロッドとそれを囲む6つの石英ロッドをキャピラリに置換して直径Dの大きなキャピラリコア領域を形成している。また、空孔コアを形成する場合には、六角形空孔拡張三角格子構造の中心の石英ロッドを無くすか、あるいは中心の石英ロッドとその周りを囲む1層以上5層以下のキャピラリ及び石英ロッドを無くして空孔コア領域を形成する。 In the method for producing PBGF of the present invention, the method for forming the core region is not limited to the above example, and can be appropriately changed according to the core structure of the PBGF to be produced. For example, when the PBGF shown in FIG. 18 is manufactured, a capillary core region having a large diameter D is formed by substituting the quartz rod at the center of the hexagonal hole expanded triangular lattice structure and the six quartz rods surrounding it with a capillary. is doing. Further, when forming a hole core, the quartz rod at the center of the hexagonal hole expanded triangular lattice structure is eliminated, or the center quartz rod and the capillaries and quartz rods of 1 to 5 layers surrounding it are surrounded. The void core region is formed by eliminating
次に、前記石英ロッド入りキャピラリ束を加熱一体化してファイバ紡糸用母材を作製する。この加熱一体化工程は、従来のキャピラリ束を用いるPBGFの製造方法における加熱一体化と同様の装置及び方法を用いて実施することができる。 Next, the fiber bundle is produced by heating and integrating the quartz rod-containing capillary bundle. This heat integration step can be carried out using the same apparatus and method as the heat integration in the conventional method for producing PBGF using a capillary bundle.
また、前記石英ロッド入りキャピラリ束は、石英管の孔内に挿入した状態で一体化してファイバ紡糸用母材とすることが望ましい。このように石英ロッド入りキャピラリ束を石英管の孔内に挿入した状態で一体化する場合には、キャピラリ周囲の空間内とキャピラリ内部空間との圧力やガス組成を個別に調整することが可能となり、キャピラリ周囲の空間の圧力よりもキャピラリ内部空間の圧力を高く保持し、キャピラリ同士間又はキャピラリと石英ロッド間の隙間を埋めることができる。この一体化の際にキャピラリ内部空間の圧力を高めることで、キャピラリの空孔の断面形状を六角形に近づけることができる。 Further, it is desirable that the capillary bundle containing a quartz rod is integrated into a fiber spinning preform while being inserted into a hole of a quartz tube. In this way, when integrating a bundle of capillary rods containing quartz rods while being inserted into a hole of a quartz tube, it becomes possible to individually adjust the pressure and gas composition in the space around the capillary and the internal space of the capillary. The pressure in the internal space of the capillary can be kept higher than the pressure in the space around the capillary, and the gap between the capillaries or between the capillaries and the quartz rod can be filled. By increasing the pressure in the capillary internal space during this integration, the cross-sectional shape of the capillary holes can be made closer to a hexagon.
石英管の孔内に石英ロッド入りキャピラリ束を挿入して一体化を行う場合、挿入した石英ロッド入りキャピラリ束のうち、キャピラリ内部空間のみを大気圧又はそれ以上の圧力に保持し、キャピラリ内部空間以外の空間部分を減圧状態として前記一体化を行うことが好ましい。 When a capillary bundle containing quartz rods is inserted into a hole of a quartz tube for integration, only the capillary inner space of the inserted capillary bundle containing quartz rods is maintained at atmospheric pressure or higher, and the capillary inner space is maintained. It is preferable to perform the integration by setting a space portion other than that in a reduced pressure state.
次に、前記のように作製したファイバ紡糸用母材を紡糸することによって、図12に示すPBGFを得る。この紡糸工程は、キャピラリ周囲の空間の圧力よりもキャピラリ内部空間の圧力を高く保持し、キャピラリ空孔同士間の圧力がバランスをとった状態で行うことが望ましい。この圧力調整により、キャピラリの空孔が断面六角形になり、且つ石英ロッドの断面も六角形となる。 Next, the PBGF shown in FIG. 12 is obtained by spinning the preform for fiber spinning produced as described above. This spinning process is preferably performed in a state where the pressure in the capillary internal space is kept higher than the pressure in the space around the capillary and the pressure between the capillary cavities is balanced. By this pressure adjustment, the pores of the capillary become hexagonal in cross section, and the cross section of the quartz rod also becomes hexagonal.
本例によるPBGFは、前述した六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有するものなので、その中心にコアを形成する場合にコアエッジがバルクモードを横切らずに空孔コア又はキャピラリコアを構成でき、表面モードが発生せずにコアモードのみが存在する光学特性が得られ、導波帯域幅を広くすることができ、伝送損失を下げることができる。
また本例によるPBGFの製造方法は、キャピラリの一部を石英ロッドに置換して組み合わせること以外は、従来のキャピラリを用いた方法と同様にして、簡単に拡張三角格子状の空孔周期構造を有するPBGFを製造できるので、従来のPBGFよりも優れた光学特性を有するPBGFを従来のPBGFと同様の方法によって簡単且つ安価に製造することができる。
Since the PBGF according to the present example has the above-described hexagonal hole expanded triangular lattice structure in the clad, when the core is formed at the center thereof, the core edge can constitute the hole core or the capillary core without crossing the bulk mode, Optical characteristics in which only the core mode exists without surface mode being generated can be obtained, the waveguide bandwidth can be widened, and transmission loss can be reduced.
In addition, the PBGF manufacturing method according to the present example can easily form an extended triangular lattice-like hole periodic structure in the same manner as the conventional method using a capillary except that a part of the capillary is replaced with a quartz rod. Therefore, PBGF having optical properties superior to those of conventional PBGF can be easily and inexpensively manufactured by the same method as that of conventional PBGF.
[実施例1]
図12に示すような、第1のピッチΛに対する隔壁25の厚さωbの割合が0.06(ωb/Λ=0.06)である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英部分20を空孔21に置換したコア24(キャピラリコア)を有するPBGFを製造し、コアモードの分散を調べた。図13はこのPBGFの第1バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図13において、βは伝搬方向(周期構造と垂直な方向)の波数、Γ=2Λは拡張三角格子の格子定数、ωは角周波数、cは光速を表す。また、ライトラインは光が真空媒質中で伝搬するときの分散曲線を表し、バンドで囲まれる領域は、周期構造断面内にどの方向にも光が伝搬できない領域、すなわちバンドギャップを表す。図13に示すように、Γ/λ(=ωΓ/2πc)=0.82〜1.16のバンドギャップ内では、コアモードのみが存在し、表面モードが存在しない。
[Example 1]
As shown in FIG. 12, the cladding has a hexagonal hole expanded triangular lattice structure in which the ratio of the thickness ω b of the
図14は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す図である。また、図15はファイバの誘電率を図12と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、コア直近の石英部分20にわずかに分布しているだけで、ほとんど全部がコア24内に分布していることがわかる。
FIG. 14 is a diagram showing a typical power distribution in the core mode at that time. FIG. 15 shows the dielectric constant of the fiber on the same scale as FIG. As shown in the figure, it can be seen that the power of the core mode is slightly distributed in the
図16は、本実施例のPBGFにおける第2バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のようにΓ/λ=1.64〜1.85でコアモードが存在するが、表面モードは存在しない。この場合もコアモードが単一モードである(縮退モードを含む)。 FIG. 16 is a graph showing the dispersion within the second band gap in the PBGF of this example. As shown in the figure, the core mode exists at Γ / λ = 1.64 to 1.85, but the surface mode does not exist. Also in this case, the core mode is a single mode (including a degenerate mode).
図17は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア24内に分布していることがわかる。
FIG. 17 shows a typical power distribution in the core mode at that time. As shown in the figure, almost all of the core mode power is distributed in the
[実施例2]
図18に示すような、第1のピッチΛに対する隔壁25の厚さωbの割合が0.06(ωb/Λ=0.06)である六角形空孔拡張三角格子構造をクラッドに有し、中心の石英ロッドとその外側の1層6個の石英部分20を空孔21に置換したコア24(キャピラリコア)を有するPBGFを製造し、コアモードの分散を調べた。図19はこのPBGFの第1バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のように、Γ/λ=0.84〜1.11でコアモード1、Γ/λ=0.89〜1.16でコアモード2が存在し、表面モードが存在しない。ただし、各コアモードは縮退モードを含む。
[Example 2]
As shown in FIG. 18, the cladding has a hexagonal hole-extended triangular lattice structure in which the ratio of the thickness ω b of the
図20は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す図である。また、図21はファイバの誘電率を図18と同スケールで示す図である。図示のように、コアモードのパワーは、ほとんど全部がコア24内に分布していることがわかる。
FIG. 20 is a diagram showing a typical power distribution in the core mode at that time. FIG. 21 shows the dielectric constant of the fiber on the same scale as FIG. As shown in the figure, almost all of the core mode power is distributed in the
また、図22は、同じファイバのコアモード2のパワー分布を示す図である。
FIG. 22 is a diagram showing the power distribution of the
図23は、本実施例のPBGFにおける第2バンドギャップ内の分散を示すグラフである。図示のようにΓ/λ=1.66〜1.82でコアモード1、Γ/λ=1.65〜1.87でコアモード2が存在するが、表面モードは存在しない。ただし、各コアモードには縮退モードを含む。また、コアモードの分散がライトライン以下の領域にも存在しているのは、コア24内に隔壁としてわずかに石英が残っているからである。
FIG. 23 is a graph showing dispersion within the second band gap in the PBGF of this example. As shown,
図24は、そのときのコアモード1の典型的なパワー分布を示す図である。また図25は、そのときのコアモード2の典型的なパワー分布を示す図である。
FIG. 24 is a diagram showing a typical power distribution in the
[実施例3]
図26に示すような、第1のピッチΛに対する隔壁25の厚さωbの割合が0.12(ωb/Λ=0.12)である六角形空孔拡張三角格子構造のバンド構造を図27に示す。この場合、Γ/λ=0.81〜1.00の範囲で導波領域が存在する。
[Example 3]
A band structure of a hexagonal hole expanded triangular lattice structure in which the ratio of the thickness ω b of the
このように、隔壁25が厚くなった場合、バンドギャップは狭くなるが存在していることがわかる。また、実施例1,2と同様にキャピラリコアを形成してPBGFを作った場合、実施例1,2と同様に、表面モードが発生せずにコアモードのみが存在することが確認されている。
Thus, it can be seen that when the
20…石英部分、21…空孔、22…第1の空孔列、23…第2の空孔列、24…コア、25…隔壁。
20 ... quartz part, 21 ... hole, 22 ... first hole array, 23 ... second hole array, 24 ... core, 25 ... partition.
Claims (21)
ファイバ横断面において一定のピッチΓで六角形の多数の石英部分が三角格子状に並び、該石英部分の間が空孔とされ、前記石英部分の対向する2辺間の長さωrと、前記ピッチΓの半分の長さΛとが等しい周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバ。 A photonic bandgap fiber in which a large number of holes are provided in the quartz portion along the longitudinal direction of the fiber,
A large number of hexagonal quartz portions are arranged in a triangular lattice pattern at a constant pitch Γ in the cross section of the fiber, the space between the quartz portions is a hole, and the length ω r between two opposite sides of the quartz portion; A photonic having a periodic structure in the clad equal to half the length Λ of the pitch Γ, and a core in which a hole core or a plurality of hexagonal holes are arranged in a triangular lattice shape Bandgap fiber.
ファイバ横断面において第1のピッチΛで多数の六角形の空孔が隔壁を介して一列に並べられた第1の空孔列と、前記第1のピッチの2倍である第2のピッチΓで多数の六角形の空孔が六角形の石英部分を介して並べられ、該空孔と前記第1の空孔列の空孔とが三角格子を形成するように配置された第2の空孔列とが交互に多数重ねられ、前記石英部分の対向する2辺間の長さωrと前記第1のピッチΛとが実質的に等しい拡張三角格子状の空孔周期構造をクラッドに有し、且つ空孔コア又は多数の六角形の空孔が三角格子状に並べられたコアを有することを特徴とするフォトニックバンドギャップファイバ。 A photonic bandgap fiber in which a large number of holes are provided in the quartz portion along the longitudinal direction of the fiber,
In the fiber cross section, a first hole array in which a number of hexagonal holes are arranged in a line through a partition wall at a first pitch Λ, and a second pitch Γ that is twice the first pitch. A plurality of hexagonal holes are arranged through a hexagonal quartz portion, and the second holes are arranged so that the holes and the holes of the first hole array form a triangular lattice. A plurality of hole arrays are alternately stacked, and the cladding has an extended triangular lattice-like hole periodic structure in which the length ω r between two opposite sides of the quartz portion and the first pitch Λ are substantially equal. And a photonic bandgap fiber having a hollow core or a core in which a large number of hexagonal holes are arranged in a triangular lattice pattern.
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