JP2007127930A - Photonic bandgap fiber and its manufacturing method - 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、絶対単一偏波を示し、あるいは偏波を保持する偏波保持型フォトニックバンドギャップファイバとなる。このファイバは、低非線形性を示し、偏光子、偏波分離素子、カプラー、フィルター、偏波コントローラ等の光学機器や光学部品等に広く使用される。単一偏波ファイバとは単一偏波のみが伝搬可能なファイバであり、偏波モードの結合、偏波モード分散を排除することができるので、偏波保持ファイバの理想形である。 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 is a polarization maintaining photonic bandgap fiber that exhibits absolute single polarization or maintains polarization. This fiber exhibits low nonlinearity, and is widely used in optical devices and optical parts such as polarizers, polarization separation elements, couplers, filters, and polarization controllers. A single polarization fiber is a fiber capable of propagating only a single polarization, and can eliminate polarization mode coupling and polarization mode dispersion, and is an ideal form of polarization maintaining fiber.
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。
2 and 3 are diagrams illustrating the positional relationship between the
さらに、空孔コア(エアコア)を有するPBGFであって、偏波保持機能を持ったファイバも提案されている(例えば、非特許文献4参照。)。
この偏波保持型のPBGFは、一般的に、コア形状を非対称にすることにより、偏波保持特性を実現している。
This polarization maintaining type PBGF generally achieves polarization maintaining characteristics by making the core shape asymmetric.
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
また、非特許文献4に開示された従来の偏波保持型PBGFは、コア断面形状が変形しているため、実用上使用し難い問題がある。 Further, the conventional polarization maintaining type PBGF disclosed in Non-Patent Document 4 has a problem that it is difficult to use practically because the core cross-sectional shape is deformed.
本発明は前記事情に鑑みてなされ、製造が容易で偏波保持特性に優れた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 that is easy to manufacture and excellent in polarization maintaining characteristics.
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第1のピッチΛで多数の円形の空孔が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で多数の円形の空孔が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た長方形超格子状の空孔周期構造(但し、該格子の周期性を表す基本ベクトルa1,a2はそれぞれx軸とy軸方向に向き、それぞれの長さは2Λ、√3Λである。)をクラッドに有し、且つファイバ中心部に空孔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 large number of vacancies are provided in a quartz portion along a longitudinal direction of a fiber, and a plurality of circular vacancies are formed at a first pitch Λ in a fiber cross section. A plurality of circular holes are arranged through a quartz portion at a first hole array arranged in a line and at a second pitch Γ that is twice the first pitch, and the holes and the first holes are arranged. A rectangular superlattice-shaped hole periodic structure in which holes in one hole array and a plurality of second hole arrays arranged so as to form a triangular lattice are alternately stacked (however, the period of the lattice) The basic vectors a 1 and a 2 representing the characteristics are respectively oriented in the x-axis and y-axis directions, the lengths of which are 2Λ and √3Λ, respectively, in the cladding, and the hollow core in the center of the fiber PBGF characterized by the above is provided.
前記PBGFにおいて、空孔コアの直径Dが0.5Λ≦D≦2.5Λを満たす範囲内であることが好ましい。 In the PBGF, the diameter D of the hollow core is preferably in a range satisfying 0.5Λ ≦ D ≦ 2.5Λ.
前記PBGFにおいて、クラッドに設けられた空孔の直径dが0.85Λ≦d≦Λの範囲内であることが好ましい。 In the PBGF, the diameter d of the holes provided in the cladding is preferably in the range of 0.85Λ ≦ d ≦ Λ.
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で多数の円形の空孔が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で多数の円形の空孔が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た長方形超格子状の空孔周期構造(但し、該格子の周期性を表す基本ベクトルa1,a2はそれぞれx軸とy軸方向に向き、それぞれの長さは2Λ、√3Λである。)をクラッドに有し、且つファイバ中心の1個の空孔とそれを囲む1層以上の空孔層とからなるコアを有することを特徴とするPBGFを提供する。 Further, the present invention is a PBGF in which a large number of holes are provided in a quartz portion along the longitudinal direction of the fiber, and a plurality of circular holes are arranged in a row at a first pitch Λ in the cross section of the fiber. A plurality of circular holes are arranged through a quartz portion at one hole array and a second pitch Γ that is twice the first pitch, and the holes and the first hole array A rectangular superlattice-shaped hole periodic structure in which a plurality of second hole arrays arranged so that the holes form a triangular lattice are alternately stacked (however, a basic vector a representing the periodicity of the lattice) 1 and a 2 are oriented in the x-axis and y-axis directions, respectively, and their lengths are 2Λ and √3Λ), respectively, and one hole or more surrounding the hole in the center of the fiber There is provided a PBGF characterized by having a core composed of a plurality of pore layers.
前記PBGFにおいて、コアが、ファイバ中心の1個の空孔とそれを囲む1層6個の合計7個の空孔からなることが好ましい。 In the PBGF, it is preferable that the core includes a total of seven holes including one hole at the center of the fiber and six layers surrounding the hole.
前記PBGFにおいて、クラッド及びコアに設けられた空孔の直径dが0.85Λ≦d≦Λの範囲内であることが好ましい。 In the PBGF, the diameter d of the holes provided in the cladding and the core is preferably in the range of 0.85Λ ≦ d ≦ Λ.
本発明のPBGFにおいて、特定の波長領域で5×10−4を超える複屈折を有することが好ましい。 The PBGF of the present invention preferably has a birefringence exceeding 5 × 10 −4 in a specific wavelength region.
本発明のPBGFにおいて、特定の波長領域で単一偏波のみが伝搬可能であることが好ましい。 In the PBGF of the present invention, it is preferable that only a single polarized wave can propagate in a specific wavelength region.
本発明のPBGFにおいて、クラッドの空孔と石英部分とからなる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 a periodic structure composed of cladding holes and a quartz portion are provided outside the core.
本発明のPBGFにおいて、波長λが0.7≦Γ/λ≦1.2を満たす範囲内で偏波が保存される光学特性を有することが好ましい。 The PBGF of the present invention preferably has an optical characteristic that preserves polarization within a range where the wavelength λ satisfies 0.7 ≦ Γ / λ ≦ 1.2.
本発明のPBGFにおいて、波長λが1.4≦Γ/λ≦2.0を満たす範囲内で偏波が保存され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 polarization is preserved within a range where the wavelength λ satisfies 1.4 ≦ Γ / λ ≦ 2.0.
本発明のPBGFにおいて、石英部分が、純粋石英又はリン、フッ素、ゲルマニウムからなる群から選択される1種又は2種以上のドーパントが添加された石英で構成されていることが好ましい。 In the PBGF of the present invention, the quartz portion is preferably composed of pure quartz or quartz to which one or more dopants selected from the group consisting of phosphorus, fluorine, and germanium are added.
本発明のPBGFにおいて、空孔内に、石英よりも誘電率の低い材料が充填された構成としても良い。 In the PBGF of the present invention, the pores may be filled with a material having a dielectric constant lower than that of quartz.
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長方形超格子状の空孔周期構造(但し、該格子の周期性を表す基本ベクトルa1,a2はそれぞれx軸とy軸方向に向き、それぞれの長さは2Λ、√3Λである。)となるように組み合わせ、且つ中央の1個の石英ロッドとそれを囲むキャピラリを取り除いて空孔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、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 alternately stacked, and the capillary arrangement in the cross section is a rectangular superlattice-shaped hole periodic structure (however, the basic vectors a 1 and a 2 representing the periodicity of the lattice are respectively directed in the x-axis and y-axis directions, The length is 2Λ, √3Λ), and a capillary bundle containing quartz rods is prepared by removing one central quartz rod and the surrounding capillary to form a hollow core region, There is provided a method for producing PBGF, characterized in that a capillary bundle containing quartz rods is heated and integrated to produce a fiber spinning preform, and then the fiber spinning preform is spun to obtain PBGF.
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長方形超格子状の空孔周期構造(但し、該格子の周期性を表す基本ベクトルa1,a2はそれぞれx軸とy軸方向に向き、それぞれの長さは2Λ、√3Λである。)となるように組み合わせ、且つ中央の1個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し、次いで、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 alternately stacked, and the capillary arrangement in the cross section is a rectangular superlattice-shaped hole periodic structure (however, the basic vectors a 1 and a 2 representing the periodicity of the lattice are respectively directed in the x-axis and y-axis directions, The length is 2Λ, √3Λ.) A capillary bundle containing quartz rods is produced by replacing the single quartz rod in the center with a capillary to form a capillary core region. A method for producing PBGF is provided, wherein a bundle of bundles of capillaries is heated and integrated to produce a fiber spinning base material, and then the fiber spinning base material is spun to obtain 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.
本発明のPBGFの製造方法において、前記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 method for producing PBGF of the present invention, in the capillary bundle inserted into the hole of the quartz tube, only the capillary internal space is maintained at atmospheric pressure or higher, and the space other than the capillary internal space is in a reduced pressure state. It is preferable to perform the integration.
本発明のPBGFは、長方形超格子状の空孔周期構造をクラッドに有し、且つファイバ中心部に空孔コア又は多数の空孔が三角格子状に並べられたコアを有する構成なので、クラッドの異方性によって優れた偏波保持性能が得られる。
また、本発明のPBGFは、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。
The PBGF of the present invention has a rectangular superlattice-shaped hole periodic structure in the cladding, and has a structure in which a hollow core or a core in which a large number of holes are arranged in a triangular lattice shape at the center of the fiber. Excellent polarization maintaining performance is obtained by anisotropy.
Further, the PBGF of the present invention can obtain optical characteristics in which only the core mode exists without generating the surface mode, can widen the waveguide bandwidth, and can reduce the transmission loss.
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の第1実施形態を示す図である。図4中、符号20AはPBGF、21は空孔、22は石英部分、23Aは空孔コア(エアコア)、24はクラッド、25は第1の空孔列、26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 a first embodiment of the PBGF of the present invention. In FIG. 4, 20A is PBGF, 21 is a hole, 22 is a quartz part, 23A is a hole core (air core), 24 is a cladding, 25 is a first hole array, and 26 is a second hole array. is there.
本実施形態のPBGF20Aは、石英部分22に多数の空孔21がファイバ長手方向に沿って設けられ、ファイバ横断面において第1のピッチΛで多数の円形の空孔21が一列に並べられた第1の空孔列25と、前記第1のピッチの2倍である第2のピッチΓで多数の円形の空孔21が石英部分22を介して並べられ、該空孔21と前記第1の空孔列25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26とが交互に多数重ねられた長方形超格子状の空孔周期構造をクラッド24に有し、且つファイバ中心部に空孔コア23Aを有する構成になっている。
In the
図5は、クラッド24に設けられた長方形超格子状の空孔周期構造のユニットセルを示す図である。本発明で用いるこの長方形超格子状の空孔周期構造は、格子の周期性を表す基本ベクトルa1,a2がそれぞれx軸方向とy軸方向に向き、それぞれの長さは2Λ、√3Λ(=31/2・Λ)になっている。 FIG. 5 is a view showing a unit cell having a rectangular superlattice-shaped hole periodic structure provided in the clad 24. In this rectangular superlattice-like hole periodic structure used in the present invention, basic vectors a 1 and a 2 representing the periodicity of the lattice are directed in the x-axis direction and the y-axis direction, respectively, and their lengths are 2Λ and √3Λ. (= 3 1/2 · Λ).
この長方形超格子状の空孔周期構造をクラッド24に用いることで、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。
さらに、図示のように、この超格子は、xとy方向に異なる構造をしており、それぞれの方向の偏波に対して異なるバンドギャップを有する。従って、この長方形超格子状の空孔周期構造をクラッド24に用いると、通常の空孔コア(エアコア)であっても、xとy方向の偏波は異なるバンドギャップを感じるため、偏波を保持する能力(偏波保持特性)、あるいは単一偏波特性を示すようになる。
By using this rectangular superlattice-shaped hole periodic structure for the clad 24, the surface mode can be avoided and a wide transmission band can be realized.
Further, as shown in the figure, this superlattice has a different structure in the x and y directions, and has different band gaps for the polarization in each direction. Accordingly, when this rectangular superlattice-shaped hole periodic structure is used for the clad 24, the polarization in the x and y directions feels different band gaps even in the case of a normal hole core (air core). The ability to hold (polarization holding characteristic) or single polarization characteristic is exhibited.
本実施形態のPBGF20Aの空孔コア23A(エアコア)は、前述した長方形超格子において、ファイバ中心の1個の石英部分22とそれを囲む6個の空孔21を含む領域を一つの空孔とすることによって形成されている。この空孔コア23Aは、石英ロッドとキャピラリを組み合わせて長方形超格子状の空孔周期構造を持った石英ロッド入りキャピラリ束を形成し、その中央の1個の石英ロッドとそれを囲む6個のキャピラリを取り除くことにより形成することができる。
The
前記空孔コア23Aの大きさは、本例示に限定されるものではなく、増減可能である。本実施形態のPBGF20Aにおいて、空孔コア23Aの直径Dは、0.5Λ≦D≦2.5Λを満たす範囲内であることが好ましい。
The size of the
図6は、本発明のPBGFの第2実施形態を示す図である。本実施形態のPBGF20Bは、前記第1実施形態によるPBGF20Aと同じく長方形超格子状の空孔周期構造のクラッド24を有しているが、空孔コア23Aに代えて、ファイバ中心の1個の空孔とそれを囲む1層6個の合計7個の空孔21からなるコア23B(キャピラリコア)を有する構成としたことを特徴としている。
FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of the PBGF of the present invention. The
第2実施形態のPBGF20Bにおいて、コア23Bは、石英ロッドとキャピラリを組み合わせて長方形超格子状の空孔周期構造を持った石英ロッド入りキャピラリ束を形成し、その中央の1個の石英ロッドとそれを囲む6個のキャピラリを取り除くことにより形成することができる。
In the
前記各実施形態において、クラッド24の空孔21又はクラッド24空孔21とコア23Bの空孔21の直径dは、0.85Λ≦d≦Λの範囲内であることが好ましい。空孔直径dが前記範囲であれば、ファイバ全体にわたりほぼ均一な空孔21を有する長方形超格子状の空孔周期構造を構築でき、良好な光学特性を得ることができる。
In each of the embodiments described above, the diameter d of the
本発明のPBGF20A,20Bにおいて、特定の波長領域(使用波長領域)で5×10−4を超える複屈折Bを有することが好ましい。5×10−4を超える複屈折を有することで、このPBGFを偏波保持ファイバとして用いることができ、このPBGFを用いて、例えば、ファイバ偏光子、偏波分離素子、カプラー、フィルター、偏波コントローラ等の各種の光学部品を製造することができる。
The
また、本発明のPBGF20A,20Bは、特定の波長領域で単一偏波のみが伝搬可能である単一偏波ファイバを構成することができる。単一偏波ファイバとは単一偏波のみが伝搬可能なファイバであり、偏波モードの結合、偏波モード分散を排除することができるので、偏波保持ファイバの理想形である。
Further, the
本発明のPBGF20A,20Bにおいて、クラッド24の空孔21と石英部分22とからなる周期構造が空孔コア23A又はキャピラリコア23Bの外側に3層以上設けられていることが好ましい。この層数が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とともに、十分な偏波保持特性が得られなくなる。
In the
本発明のPBGF20A,20Bにおいて、波長λが0.7≦Γ/λ≦1.2を満たす範囲内で偏波が保存される光学特性を有することが好ましい。前記Γ/λが0.7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1.2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
また、このPBGF20A,20Bが高次バンドギャップで動作する場合、波長λが1.4≦Γ/λ≦2.0を満たす範囲内で偏波が保存される光学特性を有していてもよい。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2.0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。
Further, when the
本発明のPBGF20A,20Bにおいて、石英部分22は、純粋石英(SiO2)又はリン(P)、フッ素(F)、ゲルマニウム(Ge)からなる群から選択される1種又は2種以上のドーパントが添加された石英で構成されていることが好ましい。
In the
本発明のPBGF20A,20Bにおいて、空孔21内に、石英(SiO2)よりも誘電率の低い材料が充填された構成とすることもできる。石英(SiO2)よりも誘電率の低い材料としては、透明プラスチックやオイルなどが挙げられる。
In the
本発明のPBGF20A,20Bは、長方形超格子状の空孔周期構造をクラッド24に有し、且つファイバ中心部に空孔コア20A又は多数の空孔が三角格子状に並べられたコア23Bを有する構成なので、クラッド24の異方性によって優れた偏波保持性能が得られる。
また、本発明のPBGF20A,20Bは、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。
The
Further, the
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6に示すように、長方形超格子状の空孔周期構造をクラッド24に有し、且つファイバ中心の1個の空孔とそれを囲む1層6個の合計7個の空孔21からなるコア23B(キャピラリコア)を備えたPBGF20Bを製造する場合を説明する。
Next, an example of the manufacturing method of PBGF of this invention is demonstrated. In this example, as shown in FIG. 6, the
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長方形超格子状の空孔周期構造(但し、該格子の周期性を表す基本ベクトルa1,a2はそれぞれ短軸方向(x軸方向)と長軸方向(y軸方向)に向き、それぞれの長さは2Λ、√3Λである。)となるように組み合わせ、且つ中央の1個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。 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. The columns are alternately overlapped and the cross-sectional capillary arrangement is a rectangular superlattice-shaped hole periodic structure (however, the basic vectors a 1 and a 2 representing the periodicity of the lattice are the short axis direction (x-axis direction) and Quartz that is combined in the long axis direction (y-axis direction and the length is 2Λ, √3Λ), and the central one quartz rod is replaced with a capillary to form a capillary core region A capillary bundle with rods is prepared. 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4に示すPBGF20Aを製造する場合には、ファイバ中心の1個の石英ロッドとそれを囲む6個のキャピラリを取り外すことにより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
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、キャピラリ内部空間の圧力を適当に調整しながら、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適宜調整することで、キャピラリの空孔の断面形状をほぼ円形状に維持することができる。 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 gap between the capillaries or between the capillaries and the quartz rod can be filled while appropriately adjusting the pressure inside the capillaries. By appropriately adjusting the pressure in the capillary internal space during the integration, the cross-sectional shape of the capillary holes can be maintained in a substantially circular shape.
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6に示すPBGF20Bを得る。
本製造方法では、ファイバ中心の1個石英ロッドをキャピラリで置き換えることによってキャピラリコアを構成することができるので、従来のエアコアファイバのように一つの大きな空孔でエアコアを形成しているファイバに比べると、ファイバ全体の空孔が同一の形状となるので、格段に製造しやすくなる。
Next, the base material for fiber spinning produced as described above is spun to obtain
In this manufacturing method, the capillary core can be configured by replacing one quartz rod at the center of the fiber with a capillary, so that a fiber that forms an air core with one large hole like a conventional air core fiber is used. In comparison, since the holes of the entire fiber have the same shape, it is much easier to manufacture.
[実施例1]
図7に示す長方形超格子のバンド構造を図8に示す。ただし、周期構造は、空孔直径dが空孔のピッチΛと等しく、石英の屈折率n=1.45とした。図7において黒色部分が石英部分22、白色部分が空孔21を表す。また、バンド構造は、平面波展開法(非特許文献5参照)を用いて計算した。図8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、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帯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0.83〜1.10の範囲で第1導波領域、1.63〜1.78で第2導波領域が存在する。ここでλは波長を表す。
[Example 1]
The band structure of the rectangular superlattice shown in FIG. 7 is shown in FIG. However, in the periodic structure, the hole diameter d is equal to the hole pitch Λ, and the refractive index n of quartz is 1.45. In FIG. 7, the black portion represents the
図9に示すような、d/Λ=1の長方形超格子構造のクラッド24と、その中心に設けられた空孔コア23AとからなるPBGF20Aについて、伝搬モードの分散を計算した。図10は第1バンドギャップ内の分散を示す。図示のように、Γ/λ=0.88〜1.08のバンドギャップ内では、コアモードが存在する。このモードは単一偏波であり、縮退モードを含まない。また、これ以外のモード、偏波は存在しない。すなわち、絶対単一偏波のみが伝搬可能である。
Propagation mode dispersion was calculated for a
図11は、そのときのコアモードの典型的なパワー分布を示す。また、図12はファイバの誘電率分布を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縦方向に分布している。これは横方向の格子定数が短く、横方向の閉じ込め効果が強いためである。 FIG. 11 shows a typical power distribution in the core mode at that time. FIG. 12 is a diagram showing the dielectric constant distribution of the fiber on the same scale. As shown in the figure, the power of the core mode is distributed in the vertical direction. This is because the lateral lattice constant is short and the lateral confinement effect is strong.
図13は、本実施例のPBGF20Aにおける第2バンドギャップ内の分散を示す図である。図示のように、Γ/λ=1.62〜1.78のバンドギャップ内でコアモードのみが存在する。ただし、この場合もコアモードは単一偏波であり、縮退モードを含んでいない。
FIG. 13 is a diagram illustrating dispersion in the second band gap in the
図14は、本実施例のPBGF20Aにおける第2バンドギャップ内のコアモードのパワー分布を示す図である。
FIG. 14 is a diagram illustrating the power distribution of the core mode within the second band gap in the
[実施例2]
図15に示すような、d/Λ=1の長方形超格子構造のクラッド24と、その中心の空孔とそれを囲む6個の空孔(合計7個の空孔)からなるコア23B(キャピラリコア)とからなるPBGF20Bについて、コアモードの分散を計算した。図16は第1バンドギャップ内の分散を示す。図示のように、Γ/λ=0.83〜1.09のバンドギャップ内では伝搬モードが存在する。このモードは単一偏波であり、縮退モードを含まない。また、これ以外の伝搬モード、偏波は存在しない。すなわち、絶対単一偏波のみが伝搬可能である。
[Example 2]
A
図17は、そのときのモードの典型的なパワー分布を示す図である。また、図18はファイバの誘電率分布を同スケールで示す図である。図示のように、伝搬モードのパワーは縦方向に分布している。これは横方向の格子定数が短く、横方向の閉じ込め効果が強いためである。 FIG. 17 is a diagram showing a typical power distribution in the mode at that time. FIG. 18 is a diagram showing the dielectric constant distribution of the fiber on the same scale. As illustrated, the power of the propagation mode is distributed in the vertical direction. This is because the lateral lattice constant is short and the lateral confinement effect is strong.
図19は、本実施例のPBGF20Bにおける第2バンドギャップ内の分散を示す図である。図示のように、Γ/λ=1.62〜1.73のバンドギャップ内でモード1、Γ/λ=1.60〜1.75のバンドギャップ内でモード2が存在する。ただし、この場合も各モードは単一偏波であり、縮退モードを含んでいない。また、この場合の複屈折B=|β1−β2|/β0は、5.0×10−3〜7.1×10−3となっている。ここで、β1、β2は、それぞれモード1,モード2の伝搬定数を表し、β0=ω/c(ωは角周波数、cは高速をそれぞれ表す)である。
FIG. 19 is a diagram illustrating dispersion within the second band gap in the
図20は、本実施例のPBGF20Bにおける第2バンドギャップ内のモード1のパワー分布を示す図である。また図21は、第2バンドギャップ内のモード2のパワー分布を示す図である。図示のように、モード1のパワーは縦方向に細長く分布しているのに対して、モード2はより横方向に広く分布している。
FIG. 20 is a diagram illustrating the power distribution of
20A,20B…PBGF、21…空孔、22…石英部分、23A…空孔コア、23B…コア、24…クラッド、25…第1の空孔列、26…第2の空孔列。
20A, 20B ... PBGF, 21 ... hole, 22 ... quartz portion, 23A ... hole core, 23B ... core, 24 ... cladding, 25 ... first hole array, 26 ... second hole array.
Claims (18)
ファイバ横断面において第1のピッチΛで多数の円形の空孔が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で多数の円形の空孔が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た長方形超格子状の空孔周期構造(但し、該格子の周期性を表す基本ベクトルa1,a2はそれぞれx軸とy軸方向に向き、それぞれの長さは2Λ、√3Λである。)をクラッドに有し、且つファイバ中心部に空孔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 first hole array in which a large number of circular holes are arranged in a line at a first pitch Λ in the cross section of the fiber, and a number of circular holes at a second pitch Γ that is twice the first pitch. The holes are arranged through the quartz portion, and a plurality of second hole arrays in which the holes and the holes of the first hole array are arranged so as to form a triangular lattice are alternately stacked. A rectangular superlattice-like hole periodic structure (however, the basic vectors a 1 and a 2 representing the periodicity of the lattice are respectively directed in the x-axis and y-axis directions, and the lengths thereof are 2Λ and √3Λ, respectively. ) In the cladding and a hole core at the center of the fiber.
ファイバ横断面において第1のピッチΛで多数の円形の空孔が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で多数の円形の空孔が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た長方形超格子状の空孔周期構造(但し、該格子の周期性を表す基本ベクトルa1,a2はそれぞれx軸とy軸方向に向き、それぞれの長さは2Λ、√3Λである。)をクラッドに有し、且つファイバ中心の1個の空孔とそれを囲む1層以上の空孔層とからなる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 first hole array in which a large number of circular holes are arranged in a line at a first pitch Λ in the cross section of the fiber, and a number of circular holes at a second pitch Γ that is twice the first pitch. The holes are arranged through the quartz portion, and a plurality of second hole arrays in which the holes and the holes of the first hole array are arranged so as to form a triangular lattice are alternately stacked. A rectangular superlattice-like hole periodic structure (however, the basic vectors a 1 and a 2 representing the periodicity of the lattice are respectively directed in the x-axis and y-axis directions, and the lengths thereof are 2Λ and √3Λ, respectively. ) In the cladding, and a core composed of one hole in the center of the fiber and one or more hole layers surrounding the hole.
Of the bundle of capillaries inserted into the hole of the quartz tube, only the internal space of the capillary is held at atmospheric pressure or higher, and the space portion other than the internal space of the capillary is decompressed to perform the integration. The method for producing a photonic bandgap fiber according to claim 17.
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