JP2019050537A - Photonic crystal fiber - Google Patents
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Description
本発明は、ファイバ軸に沿って伸びる複数の空孔を備えるフォトニック結晶ファイバに関する。 The present invention relates to a photonic crystal fiber comprising a plurality of air holes extending along a fiber axis.
現在テラヘルツ(THz)波帯において電気部品間の信号のやりとりや伝搬には、一般的に金属導波管が使われている。しかし、金属導波管には次の3つの課題が存在する。第1に、金属導波管は伝搬損失が大きいことが問題である。長距離伝搬が困難な点である。第2に、金属導波管は、金属から構成されているために可撓性がなく、部品間の接続のフレキシビリティが失われることが問題である。第3に、金属導波管はシングルモード帯域が狭く、広帯域信号が伝搬できないことに問題がある。 At present, metal waveguides are generally used to exchange and propagate signals between electrical components in the terahertz (THz) band. However, the following three problems exist in metal waveguides. First, metal waveguides suffer from high propagation losses. Long distance propagation is a difficult point. Second, metal waveguides are not flexible because they are made of metal, and there is a problem that the flexibility of connection between parts is lost. Third, metal waveguides have a narrow single-mode band, and can not propagate broadband signals.
これらの問題を解決するために、フォトニック結晶ファイバ(PCF)が提案されている(非特許文献1参照)。PCFは、図4に示すように、ファイバ本体201の断面中央部に、誘電性材料が一様に詰まっているコア部202を備え、この周囲に、クラッド部203を備える。クラッド部203には、ファイバ軸に沿って伸びる複数の空孔204が、断面視において周期的に配置されている。 In order to solve these problems, photonic crystal fibers (PCF) have been proposed (see Non-Patent Document 1). As shown in FIG. 4, the PCF includes a core portion 202 uniformly filled with a dielectric material at the center of the cross section of the fiber body 201, and a cladding portion 203 around the core portion 202. In the cladding portion 203, a plurality of holes 204 extending along the fiber axis are periodically arranged in a sectional view.
PCFは、誘電性材料を用いるため、導体損がなく、誘電正接(tandδ)が低い材料を用いれば低い伝搬損失を実現できる。また、非金属材料なので柔軟性を持たせることが可能である。更に、PCF特有のエンドレスシングルモードを発現できるため、広帯域なシングルモード帯域を実現可能である。なお、誘電正接とは、誘電体内での電気エネルギー損失の度合いを表すものである。 Since PCF uses a dielectric material, low propagation loss can be realized if a material with no conductor loss and a low dielectric loss tangent (tand δ) is used. In addition, since it is a nonmetallic material, it is possible to have flexibility. Furthermore, since a PCF-specific endless single mode can be expressed, a wide band single mode band can be realized. The dielectric loss tangent indicates the degree of electrical energy loss in the dielectric.
しかしながら、従来のPCFは、伝搬損失とシングルモード帯域との間に、トレードオフの関係があった。図5のシミュレーション結果に示すように、空孔の径が小さい場合[図5の(a)]、コアへのエネルギーの閉じ込めが弱いために伝搬損失が大きいが、コア−クラッド間の実効誘電率差が小さいのでシングルモード帯域は広い[図5の(b)]。なお、高次モードは、500GHz以上で立つため、図5の(b)のスケールでは、高次モードの透過損失については示されない。 However, the conventional PCF has a trade-off relationship between the propagation loss and the single mode band. As shown in the simulation results in FIG. 5, when the diameter of the holes is small [(a) in FIG. 5], the propagation loss is large because the energy confinement in the core is weak, but the effective dielectric constant between core and cladding Because the difference is small, the single mode band is wide [Fig. 5 (b)]. In addition, since the high-order mode stands above 500 GHz, the transmission loss of the high-order mode is not shown in the scale of FIG. 5 (b).
一方、図6に示すように、空孔の径が大きい場合[図6の(a)]、コアへのエネルギーの閉じ込めが強いために伝搬損失は小さいが、コア−クラッド間の実効誘電率差が大きいためにシングルモード帯域は狭い[図6の(b)]。 On the other hand, as shown in FIG. 6, when the diameter of the hole is large [(a) in FIG. 6], the propagation loss is small because the energy confinement in the core is strong, but the effective dielectric constant difference between core and cladding The single mode band is narrow because of large [Figure 6 (b)].
上述したように、従来のPCFでは、低い伝搬損失で広いシングルモード帯域とすることが困難であるという問題があった。 As described above, in the conventional PCF, there is a problem that it is difficult to obtain a wide single mode band with low propagation loss.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、フォトニック結晶ファイバの伝搬損失を低くした状態でシングルモード帯域を広くすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to widen a single mode band in a state where the propagation loss of the photonic crystal fiber is lowered.
本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、ファイバ本体と、ファイバ本体の中央部に配置されたコア領域と、コア領域を取り囲むクラッド領域と、クラッド領域に形成されたファイバ軸に沿って伸びる複数の空孔とを備え、クラッド領域のファイバ軸に垂直な断面において、周期的に配置された複数の空孔による2次元周期構造を有し、複数の空孔は、コア領域に隣接する第1クラッド領域に配置された6個の第1空孔と、第1クラッド領域を囲む第2クラッド領域に配置された複数の第2空孔とを備え、ファイバ軸に垂直な断面において、6個の第1空孔の各々は、コア領域の中心部を中心とする正六角形の頂点に配置され、ファイバ軸に垂直な断面において、6個の第1空孔および複数の第2空孔の各々の中心は、三角格子の格子点に配列され、ファイバ軸に垂直な断面において、三角格子の格子間距離をλとすると、コア領域の直径は1.244λとされ、第1空孔の直径は0.756λとされ、第2空孔の直径は0.42λとされている。 A photonic crystal fiber according to the present invention comprises a fiber body, a core region disposed at a central portion of the fiber body, a cladding region surrounding the core region, and a plurality of hollows extending along a fiber axis formed in the cladding region. And a two-dimensional periodic structure of a plurality of periodically arranged holes in a cross section perpendicular to the fiber axis of the cladding region, the plurality of holes being a first cladding region adjacent to the core region And six first holes disposed in the first cladding region and a plurality of second holes disposed in the second cladding region surrounding the first cladding region, the first Each of the holes is disposed at the apex of a regular hexagon centered on the central portion of the core region, and the center of each of the six first holes and the plurality of second holes is a cross section perpendicular to the fiber axis , On the grid points of the triangular grid In the cross section perpendicular to the fiber axis, assuming that the lattice distance of the triangular lattice is λ, the diameter of the core region is 1.244 λ, the diameter of the first air hole is 0.756 λ, and the second air hole is Has a diameter of 0.42λ.
上記フォトニック結晶ファイバにおいて、複数の第2空孔は、30個以上とされていればよい。 In the photonic crystal fiber, the plurality of second holes may be 30 or more.
上記フォトニック結晶ファイバにおいて、ファイバ本体は、フッ素樹脂から構成されていればよい。 In the above-mentioned photonic crystal fiber, the fiber main body may be made of fluorine resin.
以上説明したように、本発明によれば、空孔が配置されている三角格子の格子間距離λに対し、コア領域の直径を1.244λとし、第1空孔の直径を0.756λとし、第2空孔の直径を0.42λとしたので、フォトニック結晶ファイバの伝搬損失を低くした状態でシングルモード帯域を広くすることができるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the diameter of the core region is 1.244 λ and the diameter of the first hole is 0.756 λ with respect to the lattice distance λ of the triangular lattice in which the holes are disposed. Since the diameter of the second hole is 0.42 λ, an excellent effect can be obtained that the single mode band can be broadened in a state where the propagation loss of the photonic crystal fiber is lowered.
以下、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバついて図1を参照して説明する。このフォトニック結晶ファイバは、ファイバ本体101と、ファイバ本体101の中央部に配置されたコア領域102と、コア領域102を取り囲むクラッド領域103とを備える。フォトニック結晶ファイバは、よく知られているように、コア領域102とクラッド領域103とを備え、クラッド領域103に形成されたファイバ軸に沿って伸びる複数の空孔を備えることでファイバ軸に沿って一様な屈折率分布を有するものである。複数の空孔は、 クラッド領域103のファイバ軸に垂直な断面において、周期的に配置された2次元周期構造を有している。 Hereinafter, the photonic crystal fiber in the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The photonic crystal fiber comprises a fiber body 101, a core region 102 disposed at the center of the fiber body 101, and a cladding region 103 surrounding the core region 102. As is well known, a photonic crystal fiber comprises a core region 102 and a cladding region 103, and comprises a plurality of holes extending along the fiber axis formed in the cladding region 103, along the fiber axis. It has a uniform refractive index distribution. The plurality of holes have a two-dimensional periodic structure periodically arranged in a cross section perpendicular to the fiber axis of the cladding region 103.
本発明におけるフォトニック結晶ファイバは、コア領域102に隣接する第1クラッド領域に配置された6個の第1空孔104と、第1クラッド領域を囲む第2クラッド領域に配置された複数の第2空孔105とを備える。全ての第1空孔104は、各々同じ径とされ、全ての第2空孔105は、各々同じ径とされている。なお、図1において、一点破線の円の内側が、第1クラッド領域であり、この外側が、第2クラッド領域である。 The photonic crystal fiber according to the present invention comprises six first holes 104 disposed in the first cladding region adjacent to the core region 102 and a plurality of the first cladding regions disposed in the second cladding region surrounding the first cladding region. And 2 holes 105 are provided. All the first holes 104 have the same diameter, and all the second holes 105 have the same diameter. In FIG. 1, the inside of the dashed dotted circle is the first cladding region, and the outside is the second cladding region.
また、ファイバ軸に垂直な断面において、6個の第1空孔104の各々は、コア領域102の中心部を中心とする正六角形の頂点に配置されている。また、ファイバ軸に垂直な断面において、6個の第1空孔104および複数の第2空孔105の各々の中心は、三角格子の格子点に配列されている。フォトニック結晶ファイバの断面において、互いに隣接する3つの空孔の各々の中心により、正三角形が形成されている。 In the cross section perpendicular to the fiber axis, each of the six first holes 104 is arranged at the apex of a regular hexagon centered on the central portion of the core region 102. In the cross section perpendicular to the fiber axis, the centers of the six first holes 104 and the plurality of second holes 105 are arranged at lattice points of the triangular lattice. In the cross section of the photonic crystal fiber, an equilateral triangle is formed by the center of each of three adjacent holes.
なお、実施の形態において、最も内側に6個の第1空孔104による輪状部が形成され、この外側に隣接して12個の第2空孔105による輪状部が形成され、この外側に隣接して18個の第2空孔105による輪状部が形成されている。実施の形態では、複数の第2空孔105は、30個とされている。なお、18個の第2空孔105による輪状部の外側に、24個の第2空孔105による輪状部が形成されていてもよい。同様に、24個の第2空孔105による輪状部の外側に、30個の第2空孔105による輪状部が形成されていてもよい。 In the embodiment, a ring-shaped portion is formed by the six first holes 104 at the innermost side, a ring-shaped portion by the twelve second holes 105 is formed adjacent to the outer side, and adjacent to the outer side. An annular portion is formed of eighteen second holes 105. In the embodiment, the number of second holes 105 is set to thirty. A ring-shaped portion formed of 24 second holes 105 may be formed outside the ring-shaped portion formed of 18 second holes 105. Similarly, a ring of 30 second holes 105 may be formed on the outside of the ring of 24 second holes 105.
また、ファイバ軸に垂直な断面において、三角格子の格子間距離(正三角形の1辺の長さ)をλとすると、コア領域102の直径は1.244λとされ、第1空孔104の直径は0.756λとされ、第2空孔105の直径は0.42λとされている。これにより、シングルモード帯域が中心周波数に対して100%以上の比帯域を持たせながら、低損失が実現できるようになる。 In the cross section perpendicular to the fiber axis, assuming that the lattice distance of the triangular lattice (length of one side of an equilateral triangle) is λ, the diameter of the core region 102 is 1.244 λ, and the diameter of the first hole 104 Is set to 0.756λ, and the diameter of the second holes 105 is set to 0.42λ. As a result, low loss can be realized while the single mode band has a relative band of 100% or more with respect to the center frequency.
例えば、ファイバ本体101は、フッ素樹脂から構成され、格子間距離は、1.5mmとされ、コア領域102の直径は、1.866mmとされ、第1空孔104の直径は、1.134mmとされ、第2空孔105の直径は、0.63mmとされていればよい。また、ファイバ本体101の直径は、15mmとされていればよい。 For example, the fiber body 101 is made of a fluorocarbon resin, the inter-grating distance is 1.5 mm, the diameter of the core region 102 is 1.866 mm, and the diameter of the first holes 104 is 1.134 mm. The diameter of the second holes 105 may be 0.63 mm. Also, the diameter of the fiber body 101 may be 15 mm.
上述した実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバによれば、以下に説明するように、伝搬損失を低くした状態でシングルモード帯域を広くすることができる。 According to the photonic crystal fiber in the above-described embodiment, as described below, the single mode band can be broadened in a state in which the propagation loss is reduced.
上述した各寸法とし、また第2空孔105を30個とした実施の形態のフォトニック結晶ファイバについて、周波数特性をシミュレーションした結果について説明する。図2の(b)に示すように、最小損失が−0.031dB/2mm、シングルモード帯域が300GHzとなった。一方で、図6を用いて説明した従来のフォトニック結晶ファイバの最小損失は、−0.024dB/2mm、シングルモード帯域は100GHz程度である。従来のフォトニック結晶ファイバは、全ての空孔の直径を1.134mmとしたもので、他の条件は同じである。 About the photonic crystal fiber of the embodiment which set it as each dimension mentioned above and made the 2nd cavity 105 30 pieces, the result of having simulated the frequency characteristic is explained. As shown in (b) of FIG. 2, the minimum loss was −0.031 dB / 2 mm, and the single mode band was 300 GHz. On the other hand, the minimum loss of the conventional photonic crystal fiber described with reference to FIG. 6 is -0.024 dB / 2 mm, and the single mode band is about 100 GHz. In the conventional photonic crystal fiber, the diameter of all the holes is 1.134 mm, and the other conditions are the same.
シミュレーション結果からわかるように、実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバによれば、伝搬損失を従来のフォトニック結晶ファイバと同程度に維持しつつ、シングルモード帯域を3倍以上拡張できている。なお、フォトニック結晶ファイバの特性上、第2空孔105が30個以上とされていれば、上述した効果が充分に得られるものと考えられる。 As can be seen from the simulation results, according to the photonic crystal fiber in the embodiment, the single mode band can be extended by three times or more while maintaining the propagation loss at the same level as the conventional photonic crystal fiber. From the characteristics of the photonic crystal fiber, it is considered that if the number of the second holes 105 is 30 or more, the above-mentioned effect can be sufficiently obtained.
次に、上述した各寸法とし、また第2空孔105を30個とした実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバと、金属導波管との比較について、図3を参照して説明する。ここで、金属導波管の各寸法は、導波管規格WR3を用いた。金属導波管の最小損失が−0.24dB/cmであるのに対して、実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバ(PCF)は、−0.17dB/cmと小さい。また金属導波管のシングルモード帯域が150GHzである。これに対し、実施の形態におけるフォトニック結晶ファイバ(PCF)は、図3の(b),(c)のフォトニック結晶ファイバの電磁界分布に示すように、300GHzと2倍広い。なお、図3の(a)のフォトニック結晶ファイバの電磁界分布に示すように、周波数100GHz近傍の帯域では、光閉じ込めが弱く、シングルモードとなっていない。 Next, the comparison between the photonic crystal fiber and the metal waveguide in the embodiment in which each dimension is set to 30 and the number of second holes 105 is 30, will be described with reference to FIG. Here, each dimension of the metal waveguide used waveguide standard WR3. While the minimum loss of the metal waveguide is -0.24 dB / cm, the photonic crystal fiber (PCF) in the embodiment is as small as -0.17 dB / cm. In addition, the single mode band of the metal waveguide is 150 GHz. On the other hand, the photonic crystal fiber (PCF) in the embodiment is twice as large as 300 GHz as shown in the electromagnetic field distribution of the photonic crystal fiber in (b) and (c) of FIG. As shown in the electromagnetic field distribution of the photonic crystal fiber of (a) of FIG. 3, light confinement is weak in a band near a frequency of 100 GHz, and the single mode is not obtained.
前述したように、本発明では、フォトニック結晶ファイバのシングルモード帯域が中心周波数に対して100%以上の比帯域を持たせながら、低損失が実現できるようにすることを目的としている。このような目的に対応するフォトニック結晶ファイバの各パラメータの設計思想的には、次のようになる。まず、低周波側のカットオフ周波数(例えば図3の実線の100GHzの部分)はコア領域の直径で決定される。コア領域の直径が大きいほど、低周波側のカットオフ周波数が低周波側にシフトする、つまり、より低周波から透過するようになる。コア領域の直径はおおよそ波長程度である。 As described above, it is an object of the present invention to realize low loss while the single mode band of the photonic crystal fiber has a relative band of 100% or more with respect to the center frequency. The design concept of each parameter of the photonic crystal fiber corresponding to such purpose is as follows. First, the cutoff frequency on the low frequency side (for example, the portion of 100 GHz of the solid line in FIG. 3) is determined by the diameter of the core region. As the diameter of the core region is larger, the cutoff frequency on the low frequency side shifts to the low frequency side, that is, it transmits from the lower frequency. The diameter of the core region is about the wavelength.
一方、シングルモード帯域は、V値と呼ばれる導波路パラメータが2.4以下である必要がある。このV値は、コア領域およびクラッド領域の実効屈折率差の関数になっており、フォトニック結晶ファイバの場合、周波数特性(もしくは波長偏差)を持つ。具体的には、周波数が高くなるほどV値は大きくなり、V値が2.4を超えると高次モードが立ち始める。この時の周波数が、シングルモードの高周波側のカットオフ周波数となる。なお、この状態において、基本モードの伝搬特性が悪くなるわけではない。 On the other hand, in the single mode band, the waveguide parameter called V value needs to be 2.4 or less. This V value is a function of the effective refractive index difference of the core region and the cladding region, and in the case of a photonic crystal fiber, has frequency characteristics (or wavelength deviation). Specifically, the higher the frequency, the larger the V value, and when the V value exceeds 2.4, higher order modes begin to stand up. The frequency at this time is the cutoff frequency on the high frequency side of the single mode. In this state, the propagation characteristics of the fundamental mode do not necessarily deteriorate.
この実効屈折率差の周波数特性を決定する因子が、クラッド領域の空孔の径と間隔(格子間距離)となる。この因子に関する理論的な解析はまだ存在していないが、発明者らの鋭意の検討の結果、上述した格子間距離λと、コア領域の直径と、第1空孔の直径と、第2空孔の直径との関係を見出した。 The factors that determine the frequency characteristics of the effective refractive index difference are the diameter and spacing (interlattice distance) of the holes in the cladding region. Although theoretical analysis on this factor does not yet exist, as a result of intensive investigations by the inventors, the above-described lattice distance λ, the diameter of the core region, the diameter of the first hole, and the second space We found a relationship with the diameter of the hole.
以上に説明したように、本発明によれば、空孔が配置されている三角格子の格子間距離λに対し、コア領域の直径を1.244λとし、第1空孔の直径を0.756λとし、第2空孔の直径を0.42λとしたので、フォトニック結晶ファイバの伝搬損失を低くした状態でシングルモード帯域を広くすることができるようになる。 As described above, according to the present invention, the diameter of the core region is 1.244 λ and the diameter of the first hole is 0.756 λ with respect to the lattice distance λ of the triangular lattice in which the holes are disposed. Since the diameter of the second air holes is 0.42 λ, it is possible to widen the single mode band in a state in which the propagation loss of the photonic crystal fiber is lowered.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be made by those skilled in the art within the technical concept of the present invention. It is clear.
101…ファイバ本体、102…コア領域、103…クラッド領域、104…第1空孔、105…第2空孔。 101 ... fiber body, 102 ... core region, 103 ... cladding region, 104 ... first hole, 105 ... second hole.
Claims (3)
前記ファイバ本体の中央部に配置されたコア領域と、
前記コア領域を取り囲むクラッド領域と、
前記クラッド領域に形成されたファイバ軸に沿って伸びる複数の空孔と
を備え、
前記クラッド領域の前記ファイバ軸に垂直な断面において、周期的に配置された前記複数の空孔による2次元周期構造を有し、
前記複数の空孔は、前記コア領域に隣接する第1クラッド領域に配置された6個の第1空孔と、前記第1クラッド領域を囲む第2クラッド領域に配置された複数の第2空孔とを備え、
前記ファイバ軸に垂直な断面において、前記6個の第1空孔の各々は、前記コア領域の中心部を中心とする正六角形の頂点に配置され、
前記ファイバ軸に垂直な断面において、前記6個の第1空孔および前記複数の第2空孔の各々の中心は、三角格子の格子点に配列され、
前記ファイバ軸に垂直な断面において、前記三角格子の格子間距離をλとすると、前記コア領域の直径は1.244λとされ、前記第1空孔の直径は0.756λとされ、前記第2空孔の直径は0.42λとされている
ことを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。 A fiber body,
A core region located at the center of the fiber body;
A cladding region surrounding the core region;
A plurality of holes extending along a fiber axis formed in the cladding region;
In a cross section perpendicular to the fiber axis of the cladding region, it has a two-dimensional periodic structure by the plurality of holes periodically arranged,
The plurality of vacancies are six first vacancies disposed in a first cladding region adjacent to the core region, and a plurality of second vacancies disposed in a second cladding region surrounding the first cladding region. Equipped with holes and
In a cross section perpendicular to the fiber axis, each of the six first holes is arranged at an apex of a regular hexagon centered on a central portion of the core region;
In a cross section perpendicular to the fiber axis, centers of each of the six first holes and the plurality of second holes are arranged at lattice points of a triangular lattice;
In the cross section perpendicular to the fiber axis, assuming that the lattice distance of the triangular lattice is λ, the diameter of the core region is 1.244 λ, and the diameter of the first air hole is 0.756 λ. The diameter of the air holes is 0.42 λ. A photonic crystal fiber characterized in that
前記複数の第2空孔は、30個以上とされていることを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。 In the photonic crystal fiber according to claim 1,
30. A photonic crystal fiber, wherein the plurality of second holes are 30 or more.
前記ファイバ本体は、フッ素樹脂から構成されていることを特徴とするフォトニック結晶ファイバ。 In the photonic crystal fiber according to claim 1 or 2,
A photonic crystal fiber, wherein the fiber body is made of a fluorocarbon resin.
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