JP4046054B2 - Photonic crystal fiber and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、空孔を有するフォトニッククリスタルファイバとその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a photonic crystal fiber having holes and a method for manufacturing the same.
フォトニッククリスタルファイバ(PCF:Photonic Crystal Fiber)とは、光ファイバの長手方向に一様な2次元周期構造をもつフォトニック結晶がクラッドに設けられる光ファイバである。PCFはその導波原理の違いから2種類に大別される。一方は、クラッドに相当する領域にフォトニックバンドギャップを形成し、ブラック反射によって光波をコア内に閉じ込める構造をしており、もう一方は、従来の光ファイバと同様に、コアとクラッドの屈折率差を利用し、全反射によって光波をコア内に閉じ込める構造をしている。このPCFは、従来の光ファイバがコアに添加物をドープすることにより、クラッドと屈折率差をつけているのに対し、クラッド部空孔を利用して実効屈折率を下げる方法で光閉じ込めを実現している。 A photonic crystal fiber (PCF) is an optical fiber in which a photonic crystal having a uniform two-dimensional periodic structure in the longitudinal direction of an optical fiber is provided in a clad. PCFs are roughly classified into two types based on the difference in wave guiding principle. One has a structure in which a photonic band gap is formed in the region corresponding to the clad and the light wave is confined in the core by black reflection, and the other has a refractive index of the core and the clad as in the conventional optical fiber. Using the difference, it is structured to confine the light wave in the core by total reflection. In contrast to the conventional optical fiber, which has a refractive index difference from that of the clad by doping the core with an additive in the core, the optical confinement is performed by lowering the effective refractive index using the clad holes. Realized.
PCFは、PCF内の空孔のデザインにより、超広帯域単一モード伝送領域、大きな実効コア断面積、高い比屈折率差、大きな構造分散など、通常の光ファイバでは実現できない特性を備えている。 The PCF has characteristics that cannot be realized by a normal optical fiber, such as an ultra-wideband single mode transmission region, a large effective core area, a high relative refractive index difference, and a large structural dispersion due to the design of the holes in the PCF.
空孔が形成されたPCF用プリフォームの製造方法は、特許文献1に示すような研削法と、特許文献2に示すような細径石英管配列法とが主な製造方法である。
The manufacturing method of the PCF preform in which the holes are formed is mainly a grinding method as shown in
研削法は、VAD法やMCVD法といった公知の方法で通常のプリフォームを作製し、そのプリフォームをドリル等で穿孔した後、通常の光ファイバと同様な線引加工をすることでPCFを得る方法である。 The grinding method is to produce a normal preform by a known method such as VAD method or MCVD method, drill the preform with a drill or the like, and then draw the same as a normal optical fiber to obtain a PCF Is the method.
細径石英管配列法は、複数の細径石英管の一端をそれぞれ封止し、これらを高密装填配置に束ね、中心の細径石英管を細石英棒に置換してから、石英ジャケット管に挿入し、通常の光ファイバと同様な線引工程により細径石英管の一端を非封止端から加熱して石英ジャケット管と石英ジャケット管内の石英管を融着一体化させながら線引してPCFを得る方法である。 In the small-diameter quartz tube array method, one end of each of a plurality of small-diameter quartz tubes is sealed, bundled in a high-density loading arrangement, the central thin-diameter quartz tube is replaced with a thin quartz rod, and then the quartz jacket tube is formed. Insert and draw one end of the small-diameter quartz tube from the non-sealed end by the same drawing process as a normal optical fiber while fusing and integrating the quartz jacket tube and the quartz tube in the quartz jacket tube. This is a method for obtaining PCF.
光波長分割多重伝送において、零分散近傍における2つ以上の異なる波長の光の混合によって、新たな別の波長の光が発生する四光波混合(FWM:Four-Wave Mixing)が起きる。FWMは、信号光間の非線形相互作用で新たな干渉光が発生する現象で、信号光へのクロストークとなり伝送特性を劣化させる。よって、四光波混合による伝送品質劣化を抑制するために、局所的な波長分散の絶対値を所定の値より大きくし、残留分散による伝送品質劣化を抑制するために、伝送路全体での波長分散の絶対値を小さくした伝送路が用いられるが、このような伝送路を構成するには波長分散を長手方向に変化させる必要がある。そこで、特許文献1に示された線引工程では、プリフォーム内の空孔の圧力調整により、孔径が長手方向に変化した光ファイバを製造できる。PCFの波長分散などの特性は、空孔のサイズや位置により決定され、孔径を長手方向に変化させると、波長分散等の光学特性を長手方向に変化させることができ、多重化された信号光の位相を同調させることなく、そのパルスの波長分散を抑制することができる。
In optical wavelength division multiplexing transmission, four-wave mixing (FWM: Four-Wave Mixing) in which light having a different wavelength is generated by mixing light having two or more different wavelengths near zero dispersion occurs. FWM is a phenomenon in which new interference light is generated due to nonlinear interaction between signal light, and it becomes crosstalk to the signal light and degrades transmission characteristics. Therefore, in order to suppress transmission quality degradation due to four-wave mixing, the absolute value of local chromatic dispersion is made larger than a predetermined value, and in order to suppress transmission quality degradation due to residual dispersion, chromatic dispersion over the entire transmission line Although a transmission line with a smaller absolute value is used, in order to construct such a transmission line, it is necessary to change the chromatic dispersion in the longitudinal direction. Therefore, in the drawing process disclosed in
しかしながら、孔径が長手方向に変化するPCFの製造には、PCF用プリフォームを線引する際、プリフォーム内の空孔の径を内圧制御によって長手方向を変化させると同時に、光ファイバの外径も変化させてしまうという問題点がある。 However, in the manufacture of PCF in which the hole diameter changes in the longitudinal direction, when drawing the PCF preform, the diameter of the pores in the preform is changed by controlling the internal pressure, and at the same time the outer diameter of the optical fiber. There is also a problem that it changes.
さらに、ファイバの外径制御を行うと、線引張力と線引速度等の線引条件が変化するので、空孔の径や位置が所望のPCFを製造することが困難である。 Further, when the outer diameter control of the fiber is performed, the drawing conditions such as the drawing tension and the drawing speed change, so that it is difficult to manufacture a PCF having a desired hole diameter and position.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、外径の変動がなく、かつ長手方向に波長分散特性が変化するPCFとその製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and provide a PCF in which the outer diameter does not vary and the chromatic dispersion characteristics change in the longitudinal direction, and a manufacturing method thereof.
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、コアと、コアを中心とする円周上に等間隔に、長手方向に延びる複数の空孔を設けたフォトニッククリスタルファイバにおいて、ファイバ断面上におけるファイバ中心からの空孔の位置を長手方向に沿って変化させたものである。 To achieve the above object, a first aspect of the present invention is a photonic crystal fiber comprising a core and a plurality of holes extending in the longitudinal direction at equal intervals on a circumference centered on the core. The position of the hole from the center of the fiber is changed along the longitudinal direction.
請求項2の発明は、前記空孔の中心軸はフォトニッククリスタルファイバの中心軸と所定の角度で傾斜してもよい。 According to a second aspect of the present invention, the central axis of the hole may be inclined at a predetermined angle with respect to the central axis of the photonic crystal fiber.
請求項3の発明は、フォトニッククリスタルファイバ用プリフォームの中心軸に対して空孔の中心軸が所定の角度をもつようにクラッド部に孔開け加工を行い、そのフォトニッククリスタルファイバ用プリフォームの線引きを行う方法である。 According to a third aspect of the present invention, the photonic crystal fiber preform is formed by perforating the cladding so that the central axis of the air hole has a predetermined angle with respect to the central axis of the photonic crystal fiber preform. This is a method of drawing a line.
本発明によるフォトニッククリスタルファイバは、ファイバ外径の変化を防ぐと共に、長手方向に波長分散変化をもつといった優れた効果を発揮するものである。 The photonic crystal fiber according to the present invention exhibits excellent effects such as preventing a change in the outer diameter of the fiber and having a chromatic dispersion change in the longitudinal direction.
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1に本実施の形態のフォトニッククリスタルファイバを作製するためのPCF用プリフォーム本体11の断面図を示す。 FIG. 1 shows a cross-sectional view of a PCF preform body 11 for producing the photonic crystal fiber of the present embodiment.
PCF用プリフォーム本体11はVAD法により円柱状に形成されており、ゲルマニウム(Ge)が添加された石英からなるコア12と、純石英からなりコア12よりわずかに屈折率の低いクラッド13とを有する。コア12の周囲にはコア12中心を中心軸15として円周方向に等間隔に空孔14が形成されている。この空孔14に沿って長手方向に延びる空孔14の中心軸(空孔軸)16の角度が中心軸15に対して0.3度傾斜している。PCF用プリフォーム本体11の長さは200mmで、外径は50mmである。PCF用プリフォーム本体11のコア12の径は3.0mm、比屈折率差Δは0.375%である。
The PCF preform body 11 is formed in a cylindrical shape by the VAD method, and includes a
図2(a)に、プリフォーム本体11の2a−2a線断面図を示すように、空孔14の断面は円形をしており、その径は2mmである。PCF用プリフォーム11の一方の端面ではコア12を中心として外径4mmの正六角形の頂点に空孔14の中心が位置している。図2(b)に、プリフォーム本体11の2b−2b線断面図を示すように、他方の端面ではコア12を中心として外径6mmの正六角形の頂点に空孔14の中心が位置している。
As shown in FIG. 2A, a cross-sectional view of the preform main body 11 taken along line 2a-2a, the cross section of the
次に、PCF用プリフォーム本体11の製造工程について説明する。 Next, the manufacturing process of the PCF preform body 11 will be described.
孔開け装置(図示せず)の中心軸とプリフォーム本体11の中心軸15との角度を0.3°に設定し、穴開け加工する。本実施の形態ではPCF中心軸15と空孔の空孔軸16との角度を0.3°に設定し、孔開け加工により、プリフォーム本体11内に空孔14を形成した。
The angle between the central axis of the punching device (not shown) and the central axis 15 of the preform body 11 is set to 0.3 °, and drilling is performed. In the present embodiment, the angle between the PCF central axis 15 and the
また、本実施の形態において形成した空孔14の数は6個であるが、それに限らず、空孔14の数は3つ以上であればいずれの数でもよく、好ましくは4つ以上の偶数個が望ましい。空孔14はファイバ断面で見たとき、コア12を中心とし、そのコア12を中心とする同心円状に、そして円周方向に等間隔に配置されるよう形成される。
In addition, the number of
孔開け加工後、表面に付着している汚れやゴミを除去するために、流水でファイバ破片等の大きいゴミを洗い流した後、エチルアルコールとトリクロロエチレン等の有機溶媒で超音波洗浄し、次に、濃度5%の薄いフッ酸を用いて洗浄する。洗浄したPCF用プリフォーム本体11を乾燥用の容器に入れ蒸発乾燥する。上記洗浄工程に用いる溶液はそれらに限らず、他の溶液を用いても良く、また洗浄方法も超音波洗浄に限らず、他の方法で洗浄してもよい。 After drilling, in order to remove dirt and debris adhering to the surface, after washing large debris such as fiber fragments with running water, ultrasonically wash with an organic solvent such as ethyl alcohol and trichlorethylene, Wash with 5% dilute hydrofluoric acid. The washed PCF preform body 11 is placed in a drying container and evaporated to dryness. The solution used in the cleaning step is not limited to these, and other solutions may be used, and the cleaning method is not limited to ultrasonic cleaning, and may be cleaned by other methods.
乾燥後、図3に示すように、PCF用プリフォーム本体11の一端に枝石英管17を取り付け、これをPCF用プリフォーム10とする。この取り付けの際、酸水素バーナ18によってPCF用プリフォーム10内にゴミや水分が混入しないように、枝石英管17を取り付ける端とは反対側の端のプリフォーム本体11にフィルタ19を設け、そのフィルタ19を通した窒素ガスを空孔14に流して行った。PCF用プリフォーム内10に流入させるガスはN2に限らず、Ar,Cl2,He等のいずれでもよい。
After drying, as shown in FIG. 3, a
図4に、上述の製造方法により得られたプリフォーム10を線引きする工程を説明する概略図を示す。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a process of drawing the
PCF用プリフォーム10は、線引炉25内に固定され、その線引炉25は炉内圧を制御でき、加熱装置26によりプリフォーム10を加熱溶融する。プリフォーム10の枝石英管17側(図では上端側)は、プリフォーム10内を外気と遮断するためのキャップ21が設けられ、そのキャップ21には圧力装置20がガスライン22を介して接続されている。圧力装置20は、線引炉内圧とプリフォーム内圧との関係に、空孔の径が依存するので、その圧力差を制御するためにある。
The PCF
線引炉に固定されたプリフォーム10を圧力調整しながら加熱溶融し、キャプスタン等でプリフォーム10を長手方向(図4では下方向)に引っ張って線引を行い、PCF30が得られる。
The
PCF用プリフォーム10を線引工程により外径125μmに線引したPCF30を10km製作し、そのPCF30を2km毎に5つに分け、各々のPCFの伝送損失と分散特性を調べた。その結果を表1に示す。 A PCF 30 having a PCF preform 10 drawn to an outer diameter of 125 μm by a drawing process was manufactured to 10 km, and the PCF 30 was divided into 5 parts every 2 km, and the transmission loss and dispersion characteristics of each PCF were examined. The results are shown in Table 1.
表1に示すように、波長1.55μmにおける伝送損失はどの区間でも1.6dB/km以下であり非常に低損失である。 As shown in Table 1, the transmission loss at a wavelength of 1.55 μm is 1.6 dB / km or less in every section, which is very low loss.
波長分散は、その絶対値が長手方向に単調増加または単調減少している。 The absolute value of the chromatic dispersion is monotonously increased or decreased monotonously in the longitudinal direction.
長手方向に変化する波長分散は、伝送特性を劣化させる四光波混合を抑制し、かつ、長手方向に残る分散の累積値を打ち消すことができる。よって、PCF全体の波長分散の絶対値が小さくなる。 The chromatic dispersion changing in the longitudinal direction can suppress four-wave mixing that degrades the transmission characteristics, and can cancel the accumulated dispersion remaining in the longitudinal direction. Therefore, the absolute value of the chromatic dispersion of the entire PCF becomes small.
本実施形態のPCF30は、プリフォームを作製するに際して、プリフォーム10内の空孔14をコア中心軸15と所定の角度をもつように形成した。それで線引するだけで、空孔の中心軸がファイバ中心軸に対して長手方向に変化させたPCF30が得られる。その結果、PCF外径の変動がなく、かつ、PCF30の長手方向に波長分散が変化するPCF30が得られた。
In the PCF 30 of this embodiment, when producing a preform, the
ここで、前述した特許文献1記載のPCFを本実施の形態のPCF30の比較例として作製した。このPCFの製造方法は上述した本実施の形態と同様であるが、プリフォーム内の空孔に沿って延びる軸の角度が、ファイバ中心軸に対して0度であり、空孔の径を長手方向に変化させた点が異なる。
Here, the PCF described in
作製したプリフォームは、外径が125μmとなるよう線引を行った。プリフォーム内の空孔の内圧制御により、空孔の径をPCF長手方向に変化させると、PCFの外径も変動してしまう。このPCFの外径の変動を抑制するために、ファイバ外径の制御を行うと、線引張力と線引速度等の線引条件が変化してしまい、所望のPCFを得ることが困難であった。 The produced preform was drawn so that the outer diameter was 125 μm. When the hole diameter is changed in the longitudinal direction of the PCF by controlling the internal pressure of the holes in the preform, the outer diameter of the PCF also changes. If the fiber outer diameter is controlled in order to suppress fluctuations in the outer diameter of the PCF, drawing conditions such as the drawing tension and the drawing speed change, and it is difficult to obtain a desired PCF. It was.
10 フォトニッククリスタルファイバ用プリフォーム
12 コア
14 空孔
15 ファイバ中心軸
16 空孔の中心軸
30 フォトニッククリスタルファイバ
10 Photonic
Claims (3)
The cladding is drilled so that the central axis of the hole has a predetermined angle with respect to the central axis of the preform for the photonic crystal fiber, and the preform for the photonic crystal fiber is drawn. A photonic crystal fiber manufacturing method.
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