JP3640943B2

JP3640943B2 - Photonic crystal fiber

Info

Publication number: JP3640943B2
Application number: JP2002239310A
Authority: JP
Inventors: 哲也山本; 真也山取; 盛行藤田; 和宣鈴木; 寛和久保田; 悟基川西
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2022-08-20
Also published as: JP2004077891A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長手方向に延びるコアと、そのコアを覆うように設けられコアに沿って延びる複数の細孔によりファイバ横断面において所定格子パターンが形成されてファイバ半径方向にフォトニック結晶構造が構成されたクラッドと、を備えたフォトニッククリスタルファイバ（以下「ＰＣファイバ」という）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダブルクラッドファイバは、希土類元素がドープされた光導波路をなすコアと、そのコアを被覆するように設けられた第１クラッドと、その第１クラッドを被覆するように設けられた第２クラッドとを備え、第１クラッドに入射された励起光が第１クラッドと第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら第２クラッドで囲まれた領域内を伝播し、励起光がコアを通過する際にコアの希土類元素を活性化させ、その活性化された希土類元素がコアを導波する光を増幅するように構成されたものであり、高出力化が可能であるという観点から近年よく使われている。
【０００３】
ダブルクラッドファイバの場合、コアと第１クラッドとの励起光のカップリングが重要であるが、第１クラッドの外径が大きいほどコアとのカップリングが悪くなる。そのため、第１クラッドの外径は小さいことが好ましいが、そうすると励起光入射が効率よく行えないという問題が生じる。但し、開口数（ＮＡ）が大きければ、その問題は解決されることとなる。従って、一般に、０．３５程度といった大きな開口数（ＮＡ）を得るべく、第２クラッドとして石英よりも低い屈折率を有する樹脂が用いられている。しかしながら、樹脂製の第２クラッドは、耐久性が劣り、また、高い伝送損失を生じるという欠点がある。
【０００４】
また、石英に屈折率を低めるフッ素（Ｆ）やボロン（Ｂ）をドープしたもので第２クラッドを形成することも可能であるが、それでは０．２以上の開口数（ＮＡ）を得ることが困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特開平１１−１４２６７２号公報には、図８に示すように、希土類元素がドープされた光導波路をなすコア１１’と、そのコア１１’を被覆するように設けられた第１クラッド１２’と、その第１クラッド１２’を被覆するように設けられた第２クラッド１３’と、を備えたダブルクラッドファイバ１０’であって、第２クラッド１３’を、コア１１’に沿って延びる複数の孔１３ａ’が第１クラッド１２’を囲うように形成された石英で構成したものが開示されている。
【０００６】
上記のような構造であれば、第２クラッド１３’の大半が低屈折率である空気で占められるため、第２クラッド１３’で囲まれた部分で大きな開口数（ＮＡ）を得ることができることが期待された。しかしながら、本発明者らの追試によれば、かかる構造のダブルクラッドファイバでは、波長６３０ｎｍの光に対するその開口数（ＮＡ）が０．１４であった。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大きな開口数（ＮＡ）を有するＰＣファイバを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、第２クラッドに孔が形成されたダブルクラッドファイバにおいて、大きな開口数（ＮＡ）を得るためには、孔径を大きくして第２クラッドで空間が占める割合を大きくするということだけでは不十分であり、孔ピッチを小さくすることも必要であることを見出して本発明に想到した。
【０００９】
具体的には、本発明のＰＣファイバは、光増幅成分がドープされた光導波路をなすコアと、該コアを被覆するように設けられた第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられ該コアに沿って延びる複数の細孔によりファイバ横断面において三角格子パターンが形成されてファイバ半径方向にフォトニック結晶構造が構成された第２クラッドとを備え、該第１クラッドに入射された励起光が該第１クラッドと該第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら該第２クラッドで囲まれた領域内を伝播し、励起光が該コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させ、該活性化された光増幅成分が該コアを導波する光を増幅するように構成されたダブルクラッドファイバ型のものであって、ファイバ長５ｍ以上で上記第２クラッドで囲まれた部分の波長（λ）６３０ｎｍの光に対する開口数（ＮＡ）が０．５以上となるように、ファイバ横断面における孔ピッチ（Λ）に対する孔径（ｄ）の比（ｄ／Λ）が０．５以上、且つ、波長（λ）６３０ｎｍに対する孔ピッチ（Λ）の比（Λ／λ）が４以下にそれぞれ設定されていることを特徴とする。
【００１０】
ＰＣファイバの細孔を有するクラッドの実効屈折率は、伝送させる光の波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）と孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）との関数であることが知られている。従って、クラッドで囲まれた部分の伝送させる光の波長（λ）に対する開口数（ＮＡ）もまた、それらの２つの比の関数となる。そこで、所定波長に対する開口数（ＮＡ）がある一定値（下限値）以上のものを得ようとする場合、その所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）及び孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）の組み合わせと開口数（ＮＡ）との関係マップにおいて、その下限値以上の開口数（ＮＡ）が得られる領域を求め、その領域内の１つの所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）と孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）との組み合わせに基づいて孔径（ｄ）及び孔ピッチ（Λ）をそれぞれ決定するようにすればよい。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、クラッドの細孔の孔径及び孔ピッチがそれぞれ適正に設定されることによって従来では得られなかった大きな開口数（ＮＡ）を有するＰＣファイバを得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るＰＣファイバ１０を示す。このＰＣファイバ１０は、光を増幅させるために用いられるダブルクラッドファイバ型のものである。
【００１４】
このＰＣファイバ１０は、石英製のものであり、ファイバ中心をなすコア１１と、コア１１を被覆するように設けられた第１クラッド１２と、第１クラッド１２を被覆するように設けられた第２クラッド１３と、第２クラッド１３を被覆するように設けられた被覆部１４と、を備えている。
【００１５】
コア１１は、エルビウム（Ｅｒ）等の光増幅成分がドープされた石英で形成されており、増幅対象の光が伝播する光導波路をなす。
【００１６】
第１クラッド１２は、純石英で中実に形成されており、光増幅用の励起光が入射されて伝播する光導波領域をなす。
【００１７】
第２クラッド１３は、コア１１に沿って延びる複数の細孔１３ａによりファイバ横断面において三角格子パターンが形成されてファイバ半径方向にフォトニック結晶構造が構成された純石英で形成されており、実効屈折率が純石英よりも低いものとなって励起光をその内部に閉じ込める。この第２クラッド１３の三角格子パターンにより、第２クラッド１３で囲まれた部分の開口数（ＮＡ）がファイバ長５ｍ以上において０．５以上となるように、ファイバ横断面における孔ピッチ（Λ）に対する孔径（ｄ）の比（ｄ／Λ）が０．５以上、且つ、波長（λ）６３０ｎｍに対する孔ピッチ（Λ）の比（Λ／λ）が４以下にそれぞれ設定されている。かかる開口数（ＮＡ）は、従来、石英のみで形成されたダブルクラッドファイバ型のＰＣファイバでは得られなかったものである。
【００１８】
被覆部１４は、純石英で中実に形成されており、コア１１、第１及び第２クラッド１３を保護する。
【００１９】
このＰＣファイバ１０は、第１クラッド１２に入射された励起光が第１クラッド１２と第２クラッド１３との界面で反射を繰り返しながら第２クラッド１３で囲まれた領域内を伝播し、励起光がコア１１を通過する際にコア１１の光増幅成分を活性化させ、活性化された光増幅成分がコア１１を伝播する光を増幅する。
【００２０】
次に、本発明の実施形態に係るＰＣファイバ１０の設計方法について説明する。
【００２１】
まず、ＰＣファイバ１０の第２クラッド１３で囲まれた部分の所定波長（λ）、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光の波長である６３０ｎｍに対する所定ファイバ長（例えば、ファイバ長が５ｍ）での開口数（ＮＡ）の下限値（ＮＡ_min）を例えば０．５と設定する。
【００２２】
次いで、所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）及び孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）の組み合わせと開口数（ＮＡ）との関係マップにおいて開口数（ＮＡ）が下限値（ＮＡ_min）以上となる領域を求める。具体的には、例えば図３に示すように、孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）を０．１、０．２、０．３・・・０．９としたときのそれぞれについて、所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）と所定波長に対する開口数（ＮＡ）との関係を求める。このとき、開口数（ＮＡ）は、ビーム伝搬法等に基づいた計算により下記式より算出する。なお、ｎ₁は第１クラッド１２の屈折率であり、、ｎ₂（λ）は第２クラッド１３の実効屈折率である。
【００２３】
【数３】

【００２４】
次に、図３より同一開口数（ＮＡ）が得られるときの所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）及び孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）の組み合わせを読み取る。次に、例えば図４に示すように、横軸を所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）及び縦軸を孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）とした関係マップ上にそれらの組み合わせをプロットし、開口数（ＮＡ）が同一である組み合わせについてそれらを結ぶラインを設ける。図４に示す例では、簡便のために、開口数（ＮＡ）が同一である組み合わせについて下記に示すそれぞれの補間曲線の式を導出し、その補間曲線を描いている。
【００２５】
開口数（ＮＡ）＝０．７のとき、
【００２６】
【数４】

【００２７】
開口数（ＮＡ）＝０．６のとき、
【００２８】
【数５】

【００２９】
開口数（ＮＡ）＝０．５のとき、
【００３０】
【数６】

【００３１】
開口数（ＮＡ）＝０．４のとき、
【００３２】
【数７】

【００３３】
開口数（ＮＡ）＝０．３のとき、
【００３４】
【数８】

【００３５】
開口数（ＮＡ）＝０．２のとき、
【００３６】
【数９】

【００３７】
図４の横軸に沿って見てみると、所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）が小さいほど開口数（ＮＡ）が大きくなっている。つまり、これは、孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）が同一である場合には、所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）が小さいほど開口数（ＮＡ）が大きいことを意味する。また、図４の縦軸に沿って見てみると、孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）が大きいほど開口数（ＮＡ）が大きくなっている。つまり、これは、所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）が同一である場合には、孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）が大きいほど開口数（ＮＡ）が大きいことを意味する。従って、所定波長（λ）に対する開口数（ＮＡ）の下限値（ＮＡ_min）が得られるラインを含んでそれよりも上側の領域における組み合わせによれば、所定波長（λ）に対する開口数（ＮＡ）が下限値（ＮＡ_min）以上のものを得ることができる。
【００３８】
次いで、孔ピッチ（Λ）から孔径（ｄ）を減じた細孔１３ａ間の壁厚の最小値（Ｔ_min）を設定する。これによって下記関係式が成立する。
【００３９】
【数１０】

【００４０】
このＰＣファイバ１０は、後述するように、サポート管１１４にコアロッド１１１、石英ロッド１１２及び石英キャピラリ１１３を充填してプリフォーム１００を作製し、そのプリフォーム１００を線引き加工して製造されるものである。ここで、例えば、細孔１３ａ間の壁厚の最小値（Ｔ_min）を０．２μｍと設定すれば、線引き加工時に石英キャピラリ１１３の管壁の破裂して孔が潰れるのを抑止することができ、安定したＰＣファイバ１０の製造が可能となり、また、細孔１３ａ間の壁厚の最小値（Ｔ_min）を０．５μｍと設定すれば、線引き加工時に石英キャピラリ１１３の孔がガラスの表面張力により潰れるのを抑止することができ、より安定したＰＣファイバ１０の製造が可能となる。
【００４１】
図４は、所定波長の長さ如何によらず同一の関係マップとなるように一般化したものであることから、λ＝１（μｍ）としたときにも同一の関係マップが成立する。そこで、例えば図５に示すように、λ＝１（μｍ）とした関係マップに上記関係式を描き入れると（図５ではＴ_min＝０．２（μｍ）及び０．５（μｍ）について図示している。）、細孔１３ａ間の壁厚が最小値（Ｔ_min）以上となる領域が区画される。従って、上記関係式の領域における組み合わせによれば、細孔１３ａ間の壁厚が最小値（Ｔ_min）以上であるものを得ることができる。
【００４２】
そして、上記の両領域が重なるところにおける１つの所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）及び孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）の組み合わせを選定し、それに基づいて孔径（ｄ）及び孔ピッチ（Λ）をそれぞれ決定する。
【００４３】
以上のような設計方法によって、開口数（ＮＡ）の大きいものから小さいものまで任意の開口数（ＮＡ）のＰＣファイバ１０を設計することができる。
【００４４】
次に、本発明の実施形態に係るＰＣファイバ１０の製造方法について説明する。
【００４５】
まず、エルビウム（Ｅｒ）等の光増幅成分がドープされた石英製のコアロッド１１１を１本と、それと外径である純石英製の石英ロッド１１２及び石英キャピラリ１１３を多数本ずつと、純石英製の円筒状のサポート管１１４を１本と、を準備する。このとき、石英キャピラリ１１３については、上記のＰＣファイバ１０の設計で決定した孔径（ｄ）及び孔ピッチ（Λ）に対応したものを準備する。
【００４６】
次いで、コアロッド１１１、石英ロッド１１２及び石英キャピラリ１１３をサポート管１１４内に充填する。このとき、横断面において、コアロッド１１１を中心としてその周りに石英ロッド１１２を最密状に配設し、さらにその周りに石英キャピラリ１１３を最密状に配設する。以上のようにして、図６に示すように、コアロッド１１１、石英ロッド１１２及び石英キャピラリ１１３の束がサポート管１１４で保持されたプリフォーム１００が構成される。なお、サポート管１１４への石英キャピラリ１１３の充填時における変形や破損を回避するためには、外径が１５０μｍ以上の石英キャピラリ１１３を用いることが好ましい。
【００４７】
そして、プリフォーム１００を線引き加工機にセットし、プリフォーム１００に線引き炉で加熱延伸する線引き加工を施すことにより細径化（ファイバー化）する。このとき、コアロッド１１１、石英ロッド１１２、石英キャピラリ１１３及びサポート管１１４が軟化し、相互に融着すると共に縮径され、コアロッド１１１がコア１１に、石英ロッド１１２が第１クラッド１２に、石英キャピラリ１１３が第２クラッド１３に、そして、サポート管１１４が被覆部１４にそれぞれ形成される。また、プリフォーム１００は所定の縮径比で縮径されることとなるが、石英キャピラリ１１３もまたほぼ同一の縮径比（通常、プリフォーム１００の縮径比の１．０〜１．５倍の縮径比）で縮径されるので、石英キャピラリ１１３の肉厚の２倍に縮径比を乗じたものが第２クラッド１３の細孔１３ａ間の壁厚となる。従って、石英キャピラリ１１３としては、肉厚の２倍に縮径比を乗じたものが細孔１３ａ間の壁厚となるものが用いられる。
【００４８】
（実施形態２）
図７は、実施形態２に係るＰＣファイバ２０を示す。
【００４９】
このＰＣファイバ２０は、全体が純石英製のものであり、ファイバ中心をなすコア２１と、コア２１を被覆するように設けられたクラッド２３と、クラッド２３を被覆するように設けられた被覆部２４と、を備えている。
【００５０】
クラッドは、コア２１に沿って延びる複数の細孔２３ａによりファイバ横断面において三角格子パターンが形成されてファイバ半径方向にフォトニック結晶構造が構成されており、実効屈折率が純石英よりも低いものとなっている。クラッド２３の三角格子パターンは、クラッド２３で囲まれた部分の開口数（ＮＡ）が０．２以上となるように、細孔２３ａの孔径（ｄ）及び孔ピッチ（Λ）が設定されている。かかる開口数（ＮＡ）は、従来のＰＣファイバでは得られなかったものである。
【００５１】
このＰＣファイバの設計及び製造は実施形態１と同一である。
【００５２】
【実施例】
（例１）
上記実施形態１と同様の製造方法により、コアロッド、石英ロッド、外径が２５０μｍで且つ肉厚が６０μｍである石英キャピラリ、及び、外径が２４．０ｍｍであるサポート管を用い、縮径比１／１００としてファイバ径２４０μｍのＰＣファイバを作製した。
【００５３】
製造されたＰＣファイバは、コア径が１００μｍ、第２クラッドの細孔の孔径（ｄ）が２．０μｍ及び孔ピッチ（Λ）が２．５μｍのものであった。
【００５４】
所定波長（λ）が６３０ｎｍであるとすると、波長６３０ｎｍに対する孔ピッチの比（Λ／λ）が２．５／０．６３≒４．０であり、また、孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）が２．０／２．５＝０．８であることから、図４より、波長６３０ｎｍの光に対する開口数（ＮＡ）が０．３８であることを推定した。
【００５５】
このＰＣファイバの第２クラッドで囲まれた部分の波長６３０ｎｍの光に対する開口数（ＮＡ）をファイバ長１０ｍでファーフィールドパターンパワー分布の５％となる径より算出したところ、開口数（ＮＡ）が０．４４であり、推定値に近いものであった。
【００５６】
（例２）
上記実施形態１と同様の製造方法により、コアロッド、石英ロッド、外径が２５０μｍで且つ肉厚が８０μｍである石英キャピラリ、及び、外径が２５．０ｍｍであるサポート管を用い、縮径比１／１００としてファイバ径２５０μｍのＰＣファイバを作製した。
【００５７】
製造されたＰＣファイバは、コア径が１００μｍ、第２クラッドの細孔の孔径（ｄ）が１．０μｍ及び孔ピッチ（Λ）が２．４μｍのものであった。
【００５８】
所定波長（λ）が６３０ｎｍであるとすると、波長６３０ｎｍに対する孔ピッチの比（Λ／λ）が２．４／０．６３≒３．８であり、また、孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）が１．０／２．４＝０．４２であることから、図４より、波長６３０ｎｍの光に対する開口数（ＮＡ）が０．１５であることを推定した。
【００５９】
このＰＣファイバの第２クラッドで囲まれた部分の波長６３０ｎｍの光に対する開口数（ＮＡ）をファイバ長１０ｍでファーフィールドパターンパワー分布の５％となる径より算出したところ、開口数（ＮＡ）が０．１５であり、推定値に一致した。
【００６０】
（例３）
上記実施形態１と同様の製造方法により、コアロッド、石英ロッド、外径が３０００μｍで且つ肉厚が２００μｍである石英キャピラリ、及び、外径が２５．０ｍｍであるサポート管を用い、縮径比１／１００としてファイバ径２５０μｍのＰＣファイバを作製した。
【００６１】
製造されたＰＣファイバは、コア径が１００μｍ、第２クラッドの細孔の孔径（ｄ）が２６μｍ及び孔ピッチ（Λ）が３１μｍのものであった。
【００６２】
所定波長（λ）が６３０ｎｍであるとすると、波長６３０ｎｍに対する孔ピッチの比（Λ／λ）が３１／０．６３≒４９．２であり、また、孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）が２６／３１＝０．８４であることから、波長６３０ｎｍに対する孔ピッチの比（Λ／λ）が大きいために波長６３０ｎｍの光に対する開口数（ＮＡ）が０．２以下であることを推定した（図４からは読み取れず）。
【００６３】
このＰＣファイバの第２クラッドで囲まれた部分の波長６３０ｎｍの光に対する開口数（ＮＡ）をファイバ長１０ｍでファーフィールドパターンパワー分布の５％となる径より算出したところ、開口数（ＮＡ）が０．１５であり、推定したとおりであった。
【００６４】
（例４）
上記実施形態１と同様の製造方法により、コアロッド、石英ロッド、外径が２００μｍで且つ肉厚が５０μｍである石英キャピラリ、及び、外径が５０．０ｍｍであるサポート管を用い、縮径比１／２００としてファイバ径２５０μｍのＰＣファイバを作製した。
【００６５】
製造されたＰＣファイバは、コア径が１００μｍ、第２クラッドの細孔の孔径（ｄ）が０．７μｍ及び孔ピッチ（Λ）が１．０μｍのものであった。
【００６６】
所定波長（λ）が６３０ｎｍであるとすると、波長６３０ｎｍに対する孔ピッチの比（Λ／λ）が１．０／０．６３≒１．６であり、また、孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）が０．７／１．０＝０．７であることから、図４より、波長６３０ｎｍの光に対する開口数（ＮＡ）が０．５２であることを推定した。
【００６７】
このＰＣファイバの第２クラッドで囲まれた部分の波長６３０ｎｍの光に対する開口数（ＮＡ）をファイバ長１０ｍでファーフィールドパターンパワー分布の５％となる径より算出したところ、開口数（ＮＡ）が０．５０であり、推定値に近いものであった。
【００６８】
（例５〜７）
上記実施形態１と同様の製造方法により、コアロッド、石英ロッド、外径が２５０μｍで且つ肉厚が１５μｍである石英キャピラリ、及び、外径が２４．０ｍｍであるサポート管を用い、縮径比１／１００としてファイバ径２４０μｍのＰＣファイバを作製した（例５）。
【００６９】
上記実施形態１と同様の製造方法により、コアロッド、石英ロッド、外径が２５０μｍで且つ肉厚が６０μｍである石英キャピラリ、及び、外径が２４．０ｍｍであるサポート管を用い、縮径比１／５００としてファイバ径４８μｍのＰＣファイバを作製した（例６）。
【００７０】
上記実施形態１と同様の製造方法により、コアロッド、石英ロッド、外径が５００μｍで且つ肉厚が１５μｍである石英キャピラリ、及び、外径が２４．０ｍｍであるサポート管を用い、縮径比１／１００としてファイバ径２４０μｍのＰＣファイバを作製した（例７）。
【００７１】
これらのいずれの場合も、線引き加工の際にキャピラリ孔が潰れて第２クラッドに細孔が形成されなかった。これは、石英キャピラリの肉厚の２倍に縮径比を乗じて求められる細孔間の壁厚が非常に薄くなるためであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るＰＣファイバの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るＰＣファイバの第２クラッド部分の拡大断面図である。
【図３】所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）と開口数（ＮＡ）との関係を示すグラフである。
【図４】所定波長に対する孔ピッチの比（Λ／λ）及び孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）の組み合わせと開口数（ＮＡ）との関係マップを示すグラフである。
【図５】孔ピッチ（Λ）及び孔ピッチに対する孔径の比（ｄ／Λ）の組み合わせと開口数（ＮＡ）との関係マップを示すグラフである。
【図６】プリフォームの断面図である。
【図７】実施形態２に係るＰＣファイバの斜視図である。
【図８】従来技術のダブルクラッドファイバの断面図である。
【符号の説明】
１０，２０ＰＣファイバ
１０’ ダブルクラッドファイバ
１１，１１’，２１コア
１２，１２’ 第１クラッド
１３，１３’ 第２クラッド
１３ａ，２３ａ細孔
１３ａ’ 孔
１４，２４被覆部
２３クラッド
１１０プリフォーム
１１１コアロッド
１１２石英ロッド
１１３石英キャピラリ
１１４サポート管[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, a predetermined lattice pattern is formed in the cross section of the fiber by a core extending in the longitudinal direction and a plurality of pores extending along the core so as to cover the core, thereby forming a photonic crystal structure in the fiber radial direction. And a photonic crystal fiber (hereinafter referred to as “PC fiber”).
[0002]
[Prior art]
The double clad fiber includes a core forming an optical waveguide doped with a rare earth element, a first clad provided so as to cover the core, and a second clad provided so as to cover the first clad. The excitation light incident on the first cladding propagates in the region surrounded by the second cladding while repeating reflection at the interface between the first cladding and the second cladding, and the excitation light passes through the core when passing through the core. These rare earth elements are activated, and the activated rare earth elements are configured to amplify the light guided through the core, and are frequently used in recent years from the viewpoint that high output is possible. .
[0003]
In the case of a double clad fiber, coupling of excitation light between the core and the first clad is important. However, the larger the outer diameter of the first clad, the worse the coupling with the core. For this reason, it is preferable that the outer diameter of the first cladding is small, but this causes a problem that the excitation light cannot be incident efficiently. However, if the numerical aperture (NA) is large, the problem will be solved. Therefore, in general, in order to obtain a large numerical aperture (NA) of about 0.35, a resin having a refractive index lower than that of quartz is used as the second cladding. However, the second clad made of resin has disadvantages that durability is inferior and high transmission loss occurs.
[0004]
In addition, it is possible to form the second cladding with quartz doped with fluorine (F) or boron (B), which lowers the refractive index, but in this case, a numerical aperture (NA) of 0.2 or more can be obtained. Have difficulty.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-142672, as shown in FIG. 8, a core 11 ′ forming an optical waveguide doped with a rare earth element and a first clad 12 provided so as to cover the core 11 ′ are provided. And a second cladding 13 ′ provided so as to cover the first cladding 12 ′, and the second cladding 13 ′ extends along the core 11 ′. A structure in which a plurality of holes 13a ′ are made of quartz formed so as to surround the first cladding 12 ′ is disclosed.
[0006]
With the structure as described above, since the majority of the second cladding 13 ′ is occupied by air having a low refractive index, a large numerical aperture (NA) can be obtained at the portion surrounded by the second cladding 13 ′. Was expected. However, according to a further test by the present inventors, the numerical aperture (NA) for light having a wavelength of 630 nm was 0.14 in the double-clad fiber having such a structure.
[0007]
The present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to provide a PC fiber having a large numerical aperture (NA).
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to obtain a large numerical aperture (NA) in a double clad fiber in which holes are formed in the second clad, the present inventors increase the hole diameter and increase the proportion of space occupied by the second clad. The inventors have found that it is not sufficient, and it is necessary to reduce the hole pitch, and have arrived at the present invention.
[0009]
Specifically, the PC fiber of the present invention has a core that forms an optical waveguide doped with an optical amplification component, a first clad that is provided to cover the core, and a core that covers the first clad. A second clad having a triangular lattice pattern formed in a cross section of the fiber by a plurality of pores extending along the core and having a photonic crystal structure configured in the fiber radial direction, and is incident on the first clad The pumping light propagates in the region surrounded by the second cladding while being repeatedly reflected at the interface between the first cladding and the second cladding, and when the pumping light passes through the core, the optical amplification of the core component to activate the, there is activating light amplification component of a double clad fiber type that is configured to amplify the light guided through the core, said second cladding at least fiber length 5m As the wavelength of the portion surrounded by (lambda) aperture for 630nm light (NA) is 0.5 or more, the ratio of the hole diameter (d) for the hole pitch (lambda) in the fiber cross section (d / lambda) is The ratio (Λ / λ) of the hole pitch (Λ) to 0.5 or more and the wavelength (λ) of 630 nm is set to 4 or less, respectively .
[0010]
It is known that the effective refractive index of a clad having a PC fiber pore is a function of the ratio of the hole pitch to the wavelength of transmitted light (Λ / λ) and the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Λ). ing. Therefore, the numerical aperture (NA) with respect to the wavelength (λ) of the light transmitted in the portion surrounded by the cladding is also a function of the ratio of these two. Therefore, when trying to obtain a numerical aperture (NA) with respect to a predetermined wavelength that is greater than a certain value (lower limit), the ratio of the hole pitch to the predetermined wavelength (Λ / λ) and the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Λ) in the relationship map between the numerical aperture (NA) and the numerical aperture (NA), a region where the numerical aperture (NA) equal to or higher than the lower limit is obtained, and the ratio of the hole pitch to one predetermined wavelength in the region (Λ / The hole diameter (d) and the hole pitch (Λ) may be determined based on the combination of λ) and the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Λ).
[0011]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a PC fiber having a large numerical aperture (NA) that has not been obtained conventionally by appropriately setting the hole diameter and hole pitch of the pores of the cladding. it can.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0013]
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a PC fiber 10 according to Embodiment 1 of the present invention. The PC fiber 10 is of a double clad fiber type used for amplifying light.
[0014]
The PC fiber 10 is made of quartz, and includes a core 11 that forms the center of the fiber, a first cladding 12 that is provided so as to cover the core 11, and a first cladding that is provided so as to cover the first cladding 12. 2 clad 13 and a covering portion 14 provided so as to cover the second clad 13.
[0015]
The core 11 is made of quartz doped with an optical amplification component such as erbium (Er), and forms an optical waveguide through which light to be amplified propagates.
[0016]
The first cladding 12 is made of pure quartz and forms an optical waveguide region in which excitation light for optical amplification is incident and propagates.
[0017]
The second cladding 13 is made of pure quartz in which a triangular lattice pattern is formed in the cross section of the fiber by a plurality of pores 13a extending along the core 11, and a photonic crystal structure is formed in the fiber radial direction. The refractive index is lower than that of pure quartz, and the excitation light is confined inside. Due to the triangular lattice pattern of the second cladding 13, the hole pitch (Λ) in the fiber cross section is such that the numerical aperture (NA) of the portion surrounded by the second cladding 13 is 0.5 or more when the fiber length is 5 m or more. The ratio (d / Λ) of the hole diameter (d) to λ is 0.5 or more, and the ratio (Λ / λ) of the hole pitch (Λ) to the wavelength (λ) 630 nm is 4 or less. Such a numerical aperture (NA) has not been obtained conventionally with a double clad fiber type PC fiber formed only of quartz.
[0018]
The covering portion 14 is made of pure quartz and protects the core 11 and the first and second claddings 13.
[0019]
The PC fiber 10 propagates in the region surrounded by the second cladding 13 while the excitation light incident on the first cladding 12 repeats reflection at the interface between the first cladding 12 and the second cladding 13, and the excitation light Activates the light amplification component of the core 11 when passing through the core 11, and the activated light amplification component amplifies the light propagating through the core 11.
[0020]
Next, a design method of the PC fiber 10 according to the embodiment of the present invention will be described.
[0021]
First, a numerical aperture (for example, a fiber length of 5 m) with respect to a predetermined wavelength (λ) of the portion surrounded by the second cladding 13 of the PC fiber 10, for example, 630 nm which is the wavelength of the He—Ne laser light ( The lower limit value (NA _min ) of NA) is set to 0.5, for example.
[0022]
Next, the numerical aperture (NA) is the lower limit (NA _min ) in the relationship map between the numerical aperture (NA) and the combination of the ratio of the hole pitch to the predetermined wavelength (Λ / λ) and the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Λ). ) Find the above region. Specifically, for example, as shown in FIG. 3, a predetermined ratio is set for each of the ratios (d / Λ) of the hole diameter to the hole pitch of 0.1, 0.2, 0.3. The relationship between the ratio of the hole pitch to the wavelength (Λ / λ) and the numerical aperture (NA) for the predetermined wavelength is obtained. At this time, the numerical aperture (NA) is calculated from the following equation by calculation based on the beam propagation method or the like. Note that n ₁ is the refractive index of the first cladding 12, and n ₂ (λ) is the effective refractive index of the second cladding 13.
[0023]
[Equation 3]

[0024]
Next, the combination of the ratio of the hole pitch to the predetermined wavelength (Λ / λ) and the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Λ) when the same numerical aperture (NA) is obtained is read from FIG. Next, for example, as shown in FIG. 4, the horizontal axis represents the ratio of the hole pitch to the predetermined wavelength (Λ / λ) and the vertical axis represents the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Λ). And a line connecting them is provided for the combinations having the same numerical aperture (NA). In the example shown in FIG. 4, for the sake of simplicity, the following interpolation curve formulas are derived for the combinations having the same numerical aperture (NA), and the interpolation curves are drawn.
[0025]
When the numerical aperture (NA) = 0.7,
[0026]
[Expression 4]

[0027]
When the numerical aperture (NA) = 0.6
[0028]
[Equation 5]

[0029]
When the numerical aperture (NA) = 0.5,
[0030]
[Formula 6]

[0031]
When the numerical aperture (NA) = 0.4
[0032]
[Expression 7]

[0033]
When the numerical aperture (NA) = 0.3,
[0034]
[Equation 8]

[0035]
When the numerical aperture (NA) = 0.2,
[0036]
[Equation 9]

[0037]
As seen along the horizontal axis of FIG. 4, the numerical aperture (NA) increases as the ratio of the hole pitch to the predetermined wavelength (Λ / λ) decreases. That is, this means that when the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Λ) is the same, the smaller the ratio of the hole pitch to the predetermined wavelength (Λ / λ), the larger the numerical aperture (NA). . Further, when viewed along the vertical axis of FIG. 4, the numerical aperture (NA) increases as the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Λ) increases. That is, this means that when the ratio of the hole pitch to the predetermined wavelength (Λ / λ) is the same, the larger the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Λ), the larger the numerical aperture (NA). . Therefore, the numerical aperture for a given wavelength (lambda) the lower limit of (NA) (NA _min) According to the combination of definitive to realm of the upper than include lines obtained, the numerical aperture for a given wavelength (lambda) ( It is possible to obtain one having an NA) equal to or greater than the lower limit (NA _min ).
[0038]
Next, the minimum value (T _min ) of the wall thickness between the pores 13a obtained by subtracting the pore diameter (d) from the pore pitch (Λ) is set. As a result, the following relational expression is established.
[0039]
[Expression 10]

[0040]
As will be described later, the PC fiber 10 is manufactured by filling a support tube 114 with a core rod 111, a quartz rod 112, and a quartz capillary 113 to produce a preform 100, and drawing the preform 100. is there. Here, for example, if the minimum value (T _min ) of the wall thickness between the pores 13a is set to 0.2 μm, the tube wall of the quartz capillary 113 can be prevented from being ruptured and crushing the holes during the drawing process. This makes it possible to manufacture the PC fiber 10 stably, and if the minimum value (T _min ) of the wall thickness between the pores 13a is set to 0.5 μm, the hole of the quartz capillary 113 is formed on the surface of the glass during the drawing process. Crushing due to tension can be suppressed, and the PC fiber 10 can be manufactured more stably.
[0041]
Since FIG. 4 is generalized so that the same relationship map is obtained regardless of the length of the predetermined wavelength, the same relationship map is established even when λ = 1 (μm). Therefore, for example, as shown in FIG. 5, when the above relational expression is drawn in a relation map in which λ = 1 (μm) (in FIG. 5, T _min = 0.2 (μm) and 0.5 (μm) are shown. The region where the wall thickness between the pores 13a is equal to or greater than the minimum value (T _min ) is defined. Therefore, according to the combination of definitive to realm of the relational expression, it can wall thickness between the pores 13a to obtain what is the minimum value (T _min) or more.
[0042]
Then, select the combination of the ratio of the hole diameter (d / lambda) for one ratio of hole pitch for a given wavelength (lambda / lambda) and hole pitch definitive where both realm of the overlap, pore size based on it (d ) And hole pitch (Λ), respectively.
[0043]
By the design method as described above, the PC fiber 10 having an arbitrary numerical aperture (NA) from a large numerical aperture (NA) to a small numerical aperture (NA) can be designed.
[0044]
Next, a method for manufacturing the PC fiber 10 according to the embodiment of the present invention will be described.
[0045]
First, one quartz core rod 111 doped with an optical amplification component such as erbium (Er), and a number of pure quartz quartz rods 112 and quartz capillaries 113, each of which is made of pure quartz. A cylindrical support tube 114 is prepared. At this time, a quartz capillary 113 corresponding to the hole diameter (d) and hole pitch (Λ) determined by the design of the PC fiber 10 is prepared.
[0046]
Next, the support rod 114 is filled with the core rod 111, the quartz rod 112 and the quartz capillary 113. At this time, in the cross section, the quartz rod 112 is arranged in the most dense manner around the core rod 111, and the quartz capillary 113 is arranged in the most dense surrounding. As described above, as shown in FIG. 6, the preform 100 in which the bundle of the core rod 111, the quartz rod 112, and the quartz capillary 113 is held by the support tube 114 is configured. In order to avoid deformation and breakage when filling the quartz capillary 113 into the support tube 114, it is preferable to use the quartz capillary 113 having an outer diameter of 150 μm or more.
[0047]
Then, the preform 100 is set on a drawing machine, and the preform 100 is subjected to a drawing process in which the preform 100 is heated and stretched in a drawing furnace, so that the diameter is reduced (fiberized). At this time, the core rod 111, the quartz rod 112, the quartz capillary 113, and the support tube 114 are softened, fused to each other and reduced in diameter, the core rod 111 becomes the core 11, the quartz rod 112 becomes the first cladding 12, and the quartz capillary. 113 is formed on the second cladding 13, and the support tube 114 is formed on the covering portion 14. Further, the preform 100 is reduced in diameter by a predetermined reduction ratio, but the quartz capillary 113 is also substantially the same in reduction ratio (usually 1.0 to 1.5 of the reduction ratio of the preform 100). Therefore, the wall thickness between the pores 13a of the second cladding 13 is obtained by multiplying the wall thickness of the quartz capillary 113 by the diameter reduction ratio. Therefore, as the quartz capillary 113, the one having the wall thickness between the pores 13a obtained by multiplying the wall thickness by twice the thickness is used.
[0048]
(Embodiment 2)
FIG. 7 shows a PC fiber 20 according to the second embodiment.
[0049]
The PC fiber 20 is entirely made of pure quartz, and includes a core 21 that forms the center of the fiber, a cladding 23 that is provided so as to cover the core 21, and a covering portion that is provided so as to cover the cladding 23. 24.
[0050]
The clad has a triangular lattice pattern formed in a cross section of the fiber by a plurality of pores 23a extending along the core 21 to form a photonic crystal structure in the fiber radial direction, and has an effective refractive index lower than that of pure quartz. It has become. In the triangular lattice pattern of the clad 23, the hole diameter (d) and the hole pitch (Λ) of the fine holes 23a are set so that the numerical aperture (NA) of the portion surrounded by the clad 23 is 0.2 or more. . Such a numerical aperture (NA) is not obtained with conventional PC fibers.
[0051]
The design and manufacture of this PC fiber is the same as in the first embodiment.
[0052]
【Example】
(Example 1)
By a manufacturing method similar to that of the first embodiment, a core rod, a quartz rod, a quartz capillary having an outer diameter of 250 μm and a wall thickness of 60 μm, and a support tube having an outer diameter of 24.0 mm are used. PC fiber with a fiber diameter of 240 μm was prepared as / 100.
[0053]
The manufactured PC fiber had a core diameter of 100 μm, a pore diameter (d) of the pores of the second cladding of 2.0 μm, and a pore pitch (Λ) of 2.5 μm.
[0054]
If the predetermined wavelength (λ) is 630 nm, the ratio of the hole pitch to the wavelength of 630 nm (Λ / λ) is 2.5 / 0.63≈4.0, and the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Since Λ) is 2.0 / 2.5 = 0.8, it was estimated from FIG. 4 that the numerical aperture (NA) for light with a wavelength of 630 nm was 0.38.
[0055]
When the numerical aperture (NA) for light having a wavelength of 630 nm in the portion surrounded by the second clad of the PC fiber is calculated from the diameter of the fiber length of 10 m and 5% of the far field pattern power distribution, the numerical aperture (NA) is calculated. It was 0.44, which was close to the estimated value.
[0056]
(Example 2)
Using the same manufacturing method as in the first embodiment, a core rod, a quartz rod, a quartz capillary having an outer diameter of 250 μm and a wall thickness of 80 μm, and a support tube having an outer diameter of 25.0 mm, and a reduction ratio of 1 PC fiber with a fiber diameter of 250 μm was prepared as / 100.
[0057]
The manufactured PC fiber had a core diameter of 100 μm, a hole diameter (d) of the pores of the second cladding of 1.0 μm, and a hole pitch (Λ) of 2.4 μm.
[0058]
If the predetermined wavelength (λ) is 630 nm, the ratio of the hole pitch to the wavelength of 630 nm (Λ / λ) is 2.4 / 0.63≈3.8, and the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Since Λ) was 1.0 / 2.4 = 0.42, it was estimated from FIG. 4 that the numerical aperture (NA) for light with a wavelength of 630 nm was 0.15.
[0059]
When the numerical aperture (NA) for light having a wavelength of 630 nm in the portion surrounded by the second cladding of the PC fiber is calculated from the diameter of 5% of the far field pattern power distribution at the fiber length of 10 m, the numerical aperture (NA) is calculated. It was 0.15, which agreed with the estimated value.
[0060]
(Example 3)
Using the same manufacturing method as in the first embodiment, a core rod, a quartz rod, a quartz capillary having an outer diameter of 3000 μm and a wall thickness of 200 μm, and a support tube having an outer diameter of 25.0 mm, and a reduction ratio of 1 PC fiber with a fiber diameter of 250 μm was prepared as / 100.
[0061]
The manufactured PC fiber had a core diameter of 100 μm, a hole diameter (d) of the pores of the second cladding of 26 μm, and a hole pitch (Λ) of 31 μm.
[0062]
If the predetermined wavelength (λ) is 630 nm, the ratio of the hole pitch to the wavelength of 630 nm (Λ / λ) is 31 / 0.63≈49.2, and the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Λ) Is 26/31 = 0.84, it is estimated that the numerical aperture (NA) for light with a wavelength of 630 nm is 0.2 or less because the ratio of the hole pitch to the wavelength of 630 nm (Λ / λ) is large. (Cannot be read from FIG. 4).
[0063]
When the numerical aperture (NA) for light having a wavelength of 630 nm in the portion surrounded by the second cladding of the PC fiber is calculated from the diameter of 5% of the far field pattern power distribution at the fiber length of 10 m, the numerical aperture (NA) is calculated. It was 0.15, as estimated.
[0064]
(Example 4)
Using the same manufacturing method as in the first embodiment, a core rod, a quartz rod, a quartz capillary having an outer diameter of 200 μm and a wall thickness of 50 μm, and a support tube having an outer diameter of 50.0 mm are used. PC fibers with a fiber diameter of 250 μm were prepared as / 200.
[0065]
The manufactured PC fiber had a core diameter of 100 μm, a pore diameter (d) of the pores of the second cladding of 0.7 μm, and a pore pitch (Λ) of 1.0 μm.
[0066]
If the predetermined wavelength (λ) is 630 nm, the ratio of the hole pitch to the wavelength of 630 nm (Λ / λ) is 1.0 / 0.63≈1.6, and the ratio of the hole diameter to the hole pitch (d / Since Λ) was 0.7 / 1.0 = 0.7, it was estimated from FIG. 4 that the numerical aperture (NA) for light with a wavelength of 630 nm was 0.52.
[0067]
When the numerical aperture (NA) for light having a wavelength of 630 nm in the portion surrounded by the second clad of the PC fiber is calculated from the diameter of the fiber length of 10 m and 5% of the far field pattern power distribution, the numerical aperture (NA) is calculated. It was 0.50, which was close to the estimated value.
[0068]
(Examples 5-7)
By a manufacturing method similar to that of the first embodiment, a core rod, a quartz rod, a quartz capillary having an outer diameter of 250 μm and a wall thickness of 15 μm, and a support tube having an outer diameter of 24.0 mm, and a reduction ratio of 1 PC fiber having a fiber diameter of 240 μm was prepared as / 100 (Example 5).
[0069]
By a manufacturing method similar to that of the first embodiment, a core rod, a quartz rod, a quartz capillary having an outer diameter of 250 μm and a wall thickness of 60 μm, and a support tube having an outer diameter of 24.0 mm are used. PC fiber with a fiber diameter of 48 μm was prepared as / 500 (Example 6).
[0070]
Using the same manufacturing method as in the first embodiment, a core rod, a quartz rod, a quartz capillary having an outer diameter of 500 μm and a wall thickness of 15 μm, and a support tube having an outer diameter of 24.0 mm, and a reduction ratio of 1 PC fiber having a fiber diameter of 240 μm was prepared as / 100 (Example 7).
[0071]
In any of these cases, the capillary hole was crushed during the drawing process, and no pore was formed in the second cladding. This is presumably because the wall thickness between the pores, which is obtained by multiplying the wall thickness of the quartz capillary by twice the diameter reduction ratio, becomes very thin.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a PC fiber according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a second cladding portion of the PC fiber according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the ratio (Λ / λ) of the hole pitch to the predetermined wavelength and the numerical aperture (NA).
FIG. 4 is a graph showing a relationship map between a numerical aperture (NA) and a combination of a ratio of a hole pitch to a predetermined wavelength (Λ / λ) and a ratio of a hole diameter to a hole pitch (d / Λ).
FIG. 5 is a graph showing a relationship map between a combination of a hole pitch (Λ) and a ratio of a hole diameter to the hole pitch (d / Λ) and a numerical aperture (NA).
FIG. 6 is a cross-sectional view of a preform.
7 is a perspective view of a PC fiber according to Embodiment 2. FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a prior art double clad fiber.
[Explanation of symbols]
10, 20 PC fiber 10 'double

clad fiber

11, 11', 21 core 12, 12 'first clad 13, 13' second clad 13a, 23a pore 13a '

hole

14, 24 coating 23 clad 110 preform 111 Core rod 112 Quartz rod 113 Quartz capillary 114 Support tube

Claims

A core forming an optical waveguide doped with an optical amplification component, a first clad provided to cover the core, and a plurality of pores provided to cover the first clad and extending along the core And a second clad having a triangular lattice pattern formed in the cross section of the fiber and having a photonic crystal structure in the radial direction of the fiber, and excitation light incident on the first clad is incident on the first clad and the second clad. Propagating in the region surrounded by the second cladding while repeating reflection at the interface with the cladding, and when the excitation light passes through the core, the optical amplification component of the core is activated, and the activated light A double-clad fiber-type photonic crystal fiber configured to amplify light guided by the amplification component through the core;
As the numerical aperture (NA) of 0.5 or more or more fiber length 5m for light with a wavelength (lambda) 630 nm of the portion surrounded by the said second cladding, pore size for pores pitch (lambda) in the fiber cross section ( d) the ratio (d / Λ) of d) is 0.5 or more, and the ratio (Λ / λ) of the hole pitch (Λ) to the wavelength (λ) of 630 nm is set to 4 or less, respectively. Nick crystal fiber.