JP3909014B2 - 単一モードフォトニック結晶光ファイバ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一モードフォトニック結晶光ファイバに関し、より詳細には、曲げ光損失の少ない単一モードフォトニック結晶光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
単一モード光ファイバは伝搬モードが１つもしくは縮退した複数のモードであるため、モード分散による伝搬中の波形歪がなく、また、各種光部品とのモードの整合性がよいことから、各種光部品や光伝送路などとして広く利用されている。
【０００３】
特に、フォトニック結晶構造の単一モード光ファイバ（単一モードフォトニック結晶光ファイバ）は、そのクラッド部に設けられた空孔をどのように配置するかによって特性設計が可能であり、例えば、空孔を六方最密に配置した構造は、最も製造が容易な光ファイバの構造である。すなわち、同一外径の円柱を隙間なく配列させると、その断面は自然に六方最密構造をとることとなるが、このような状態で、光ファイバのクラッド部に相当する円柱状のガラス母材の中心に母線方向に所望の径の孔を設けて配列させると、任意の径の空孔がクラッド部に空間的に分布した構造の光ファイバが得られる。また、一部の空孔の径を、他の空孔の径と異なるものとすることで、光ファイバの局所的な有効屈折率を変化させることも可能となる。更に、フォトニック結晶構造の光ファイバは、その特性が、空気とガラスの間の大きな屈折率の差に依存するため、上述した空孔の配列を変えることで特性の波長依存性を大きく変化させることも可能である。
【０００４】
従来の単一モードフォトニック結晶光ファイバは、通常の単一モード光ファイバと同様に、正規化周波数Vの値が２．４以下、もしくは、次式によって与えられる実効正規化周波数Vｅｆｆの値が４以下であることが必要であるとされていた（非特許文献１参照）。
【０００５】
【数２】
【０００６】
ここで、Λは空孔の中心の平均間隔、λは伝搬光の波長、ｎｃｏｒｅはコア部の屈折率、そして、ｎｅｆｆはクラッド部の有効屈折率である。
【０００７】
【非特許文献１】
T.Bricks et al., Opt. Lett., vol.22, p.961, 1997.
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、光ファイバを曲げた際の光漏れ（曲げ光損失）を抑制する構造とするためにはＶ値は大きいほうが好ましいが、従来の単一モードフォトニック結晶光ファイバではＶ値を充分大きくとることができず、曲げ光損失を抑制することが困難であった。また、低損失化した際に取り得るＶ値の範囲も狭く、分散特性などの光学特性範囲が狭くなってしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光学的特性の設計自由度が高く、かつ、曲げ光損失の少ない単一モードフォトニック結晶光ファイバを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、単一モードフォトニック結晶光ファイバであって、幾何学的半径ρのコア部の周囲に、ファイバの伸長方向に延在する直径ｄの複数の円柱状空孔が中心間隔Λで周期的に配置されたクラッド部を備え、前記コア部および前記クラッド部はガラスもしくはプラスチックからなり、前記幾何学的半径ρは前記空孔に内接する多角形の対向する辺相互間の距離の半分であり、前記空孔の中心間隔Λは伝搬光の波長λの１．５倍以上とされるとともに、ｄ／Λが０．３以上０．８以下であるときに次式により求められる正規化周波数Ｖが２．４より大きくかつ３．３未満となるように設計されていることを特徴とする。
【００１１】
【数３】
【００１２】
（ｎｅｆｆ：クラッド部の有効屈折率、ｎｃｏｒｅ：コア部の屈折率）
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の単一モードフォトニック結晶光ファイバにおいて、前記空孔のクラッド部における幾何学的配置、または、前記クラッド部もしくは前記コア部の光学定数分布の少なくとも一方が、前記コア部の中心軸に対して３回対称性未満となるように設定され、伝搬光の偏波モード縮退が解かれていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の単一モードフォトニック結晶光ファイバの構造例を説明するための図で、図１（ａ）はこの光ファイバの断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のコア部近傍の拡大図である。
【００１６】
この光ファイバは、ガラスもしくはプラスチックを材料とする光ファイバであって、クラッド部１２の中心に幾何学的半径ρのコア部１１を有し、クラッド部１２の外表面はファイバ材料１３で覆われている。クラッド部１２には、直径ｄの多数の空孔１４が中心間隔Λで周期的に配置され光の伝搬方向に沿って延在している。コア部１１には空孔が配置されておらず、クラッド部１２の空孔１４によって取り囲まれている。
【００１７】
本発明の単一モード光ファイバにおいては、空孔の中心間隔Λは伝搬光の波長λの１．５倍以上とされるとともに、クラッド部１２の有効屈折率ｎｅｆｆとコア材質の屈折率ｎｃｏｒｅから、次式により求められるＶ値が２．４より大きくかつ３．３未満となるように設計されている。
【００１８】
【数４】
【００１９】
なお、ある伝搬光の波長におけるクラッド部の有効屈折率ｎｅｆｆは、クラッド部と同じ構造をもつ無限大の平面に電磁波が入射したときの屈折率であり、ＦＤＴＤ法や有限要素法などの電磁界解析により求めることができる。また、コア部の屈折率ｎｃｏｒｅはコア材質により定まる。さらに、コア部１１の幾何学的半径ρは、空孔１４に内接する多角形の対向する辺相互間の距離の半分で定義され、図１に示した空孔配列の場合には、内接多角形は６角形であり、ρ＝（２Λ−ｄ）／２となる。
【００２０】
単一モードフォトニック結晶光ファイバをこのように構成することは、以下のような着想に基づくものである。
【００２１】
一般に、フォトニック結晶構造を有する光ファイバは、その空孔の配置により光学特性を設計することが可能であるが、フォトニック結晶光ファイバは従来の一般的な光ファイバのような弱導波近似が成立しないために、その特性評価には電磁界解析を行う必要がある。発明者がフォトニック結晶光ファイバについて行った精密な計算によれば、フォトニック結晶光ファイバにおいては、空孔の中心の平均間隔Λが使用する光の波長λに比較して大きい場合には、Ｖ値が３．３未満であれば単一モード動作することを見出した。
【００２２】
表１は、波長１．５５μｍにおいて計算したＶ値を纏めたもので、横行の数字はΛ／λの値を意味し、縦列の数字はｄ／Λの値を意味しており、波長１．５５μｍにおける有効屈折率ｎｅｆｆをＦＤＴＤ法による電磁界解析により求めた結果に基づいて算出したものである。
【００２３】
【表１】
【００２４】
なお、この計算は、単一モードフォトニック結晶光ファイバの構造を、同じ外径のガラス円柱管を束ね中心の一本をガラス棒で置換した最も単純な構造とし、クラッド部は、空孔のある構造が無限に広がっているものとして実行している。
【００２５】
表１において、斜体で示した部分が単一モードとなる領域であり、高次モードがコア部により閉じ込められていない場合（すなわち漏れ出している場合）を単一モード領域であると判定している。
【００２６】
図２は、フォトニック結晶光ファイバ中での高次モードの電磁界の強度分布を説明するための光ファイバの断面図で、図２（ａ）は単一モード光ファイバの場合、図２（ｂ）は単一モード光ファイバでない場合の電磁界強度分布の例である。光ファイバの中心領域にコア部がありその周りにクラッド部の空孔が配置され、黒く示された領域が光が集中している領域に対応している。
【００２７】
表１から、空孔の中心間隔Λが伝搬光の波長λの１．５倍以上である場合（Λ／λが１．５以上である場合）には、Ｖ値が３．３未満となり単一モード動作することがわかる。
【００２８】
なお、この解析においてはＶ値を指標として用いている。これは、Ｖｅｆｆの値はＶ値に比較して簡単に求めることが可能であるものの、Ｖｅｆｆ値を用いたのでは空孔の大きさの影響を考慮することができないためである。また、クラッド部の空孔の配置や数はここで示したものに限定される必要はなく、径を異にする空孔をクラッド部に配置するようにしてもよい。さらに、コア部の幾何学的半径も適宜自由に設定可能である。
【００２９】
このような構造の単一モードフォトニック結晶光ファイバは、コア部を形成するための円柱状ガラス棒と、空孔を有するクラッド部を形成するための複数の円筒状ガラス管とを束ねることにより作製可能である。すなわち、円柱状ガラス棒と円筒状ガラス管とを束ねて母材とし、これを加熱・延伸すると、円柱状ガラス棒と円筒状ガラス管の隙間及び円筒状ガラス管相互の隙間が延伸過程で消失し、その結果、図１で示したような断面構造を有する単一モードフォトニック結晶光ファイバが得られることとなる。
【００３０】
フォトニック結晶光ファイバは外径が数１０〜数１００μｍであり、空孔の径は波長と同程度であるが、その作製においては、通常の光ファイバの作製と同様に、断面形状がほぼ相似形で、外径が数ｃｍ〜数１０ｃｍの母材を作製し、線引き工程によってファイバ化するため、所望する断面形状をもつ母材を作製すればよく、微細加工は必要ない。例えば、同じ外径の円柱を隙間無く並べた場合、その横断面は六方最密構造をとるため、六方最密構造は製造が容易であるという利点がある。この円柱を中空のガラス円柱管とすればフォトニック結晶構造となり、これをクラッド部とし、中心の１本若しくは複数本をガラス棒とすればコア部を形成でき、光ファイバの母材を作製できる。また、ガラスの塊に孔をあける方法によれば、任意の配列の空孔をもつ光ファイバ母材を作製できる。もちろん、母材の作製方法はこれに限定されるものではない。
【００３１】
さらに、一部の空孔の位置や大きさを変えることによって中心軸周りの対称性を３回対称性未満とし、偏波の縮退を解いて偏波保持光ファイバを作製することも可能である。
【００３２】
図３は、コア部に隣接する６つの空孔のうちの２つの空孔の径を他の空孔径と異なるように設定してコア部の中心に対する回転対称性を２回対称とした場合の本発明の偏波保持単一モードフォトニック結晶光ファイバの構造例を説明するための図で、光ファイバのコア部近傍を拡大した図である。なお、軸対称性の落とし方はこの方法に限られず、例えば、空孔２３の配置の仕方によってもよく、もしくは、コア部２１やクラッド部２２の屈折率分布を軸対称からずらすことによってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、空孔の中心間隔Λを伝搬光の波長λの１．５倍以上とするとともにＶ値を２．４より大きくかつ３．３未満となるように設計したので、光学的特性の設計自由度が高くかつ曲げ光損失の少ない単一モードフォトニック結晶光ファイバを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単一モードフォトニック結晶光ファイバの構造例を説明するための図で、（ａ）はこの光ファイバの断面図、（ｂ）は（ａ）のコア部近傍の拡大図である。
【図２】フォトニック結晶光ファイバ中での高次モードの電磁界の強度分布を説明するための図で、（ａ）は単一モード光ファイバの場合、（ｂ）は単一モード光ファイバでない場合の電磁界強度分布の例である。
【図３】本発明の偏波保持単一モードフォトニック結晶光ファイバの構造例を説明するための図である。
【符号の説明】
１１、２１ コア部
１２、２２ クラッド部
１３ ファイバ材料
１４、２３ 空孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一モードフォトニック結晶光ファイバに関し、より詳細には、曲げ光損失の少ない単一モードフォトニック結晶光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
単一モード光ファイバは伝搬モードが１つもしくは縮退した複数のモードであるため、モード分散による伝搬中の波形歪がなく、また、各種光部品とのモードの整合性がよいことから、各種光部品や光伝送路などとして広く利用されている。
【０００３】
特に、フォトニック結晶構造の単一モード光ファイバ（単一モードフォトニック結晶光ファイバ）は、そのクラッド部に設けられた空孔をどのように配置するかによって特性設計が可能であり、例えば、空孔を六方最密に配置した構造は、最も製造が容易な光ファイバの構造である。すなわち、同一外径の円柱を隙間なく配列させると、その断面は自然に六方最密構造をとることとなるが、このような状態で、光ファイバのクラッド部に相当する円柱状のガラス母材の中心に母線方向に所望の径の孔を設けて配列させると、任意の径の空孔がクラッド部に空間的に分布した構造の光ファイバが得られる。また、一部の空孔の径を、他の空孔の径と異なるものとすることで、光ファイバの局所的な有効屈折率を変化させることも可能となる。更に、フォトニック結晶構造の光ファイバは、その特性が、空気とガラスの間の大きな屈折率の差に依存するため、上述した空孔の配列を変えることで特性の波長依存性を大きく変化させることも可能である。
【０００４】
従来の単一モードフォトニック結晶光ファイバは、通常の単一モード光ファイバと同様に、正規化周波数Vの値が２．４以下、もしくは、次式によって与えられる実効正規化周波数Vｅｆｆの値が４以下であることが必要であるとされていた（非特許文献１参照）。
【０００５】
【数２】
ここで、Λは空孔の中心の平均間隔、λは伝搬光の波長、ｎｃｏｒｅはコア部の屈折率、そして、ｎｅｆｆはクラッド部の有効屈折率である。
【０００７】
【非特許文献１】
T.Bricks et al., Opt. Lett., vol.22, p.961, 1997.
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、光ファイバを曲げた際の光漏れ（曲げ光損失）を抑制する構造とするためにはＶ値は大きいほうが好ましいが、従来の単一モードフォトニック結晶光ファイバではＶ値を充分大きくとることができず、曲げ光損失を抑制することが困難であった。また、低損失化した際に取り得るＶ値の範囲も狭く、分散特性などの光学特性範囲が狭くなってしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光学的特性の設計自由度が高く、かつ、曲げ光損失の少ない単一モードフォトニック結晶光ファイバを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、単一モードフォトニック結晶光ファイバであって、幾何学的半径ρのコア部の周囲に、ファイバの伸長方向に延在する直径ｄの複数の円柱状空孔が中心間隔Λで周期的に配置されたクラッド部を備え、前記コア部および前記クラッド部はガラスもしくはプラスチックからなり、前記幾何学的半径ρは前記空孔に内接する多角形の対向する辺相互間の距離の半分であり、前記空孔の中心間隔Λは伝搬光の波長λの１．５倍以上とされるとともに、ｄ／Λが０．３以上０．８以下であるときに次式により求められる正規化周波数Ｖが２．４より大きくかつ３．３未満となるように設計されていることを特徴とする。
【００１１】
【数３】
（ｎｅｆｆ：クラッド部の有効屈折率、ｎｃｏｒｅ：コア部の屈折率）
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の単一モードフォトニック結晶光ファイバにおいて、前記空孔のクラッド部における幾何学的配置、または、前記クラッド部もしくは前記コア部の光学定数分布の少なくとも一方が、前記コア部の中心軸に対して３回対称性未満となるように設定され、伝搬光の偏波モード縮退が解かれていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の単一モードフォトニック結晶光ファイバの構造例を説明するための図で、図１（ａ）はこの光ファイバの断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のコア部近傍の拡大図である。
【００１６】
この光ファイバは、ガラスもしくはプラスチックを材料とする光ファイバであって、クラッド部１２の中心に幾何学的半径ρのコア部１１を有し、クラッド部１２の外表面はファイバ材料１３で覆われている。クラッド部１２には、直径ｄの多数の空孔１４が中心間隔Λで周期的に配置され光の伝搬方向に沿って延在している。コア部１１には空孔が配置されておらず、クラッド部１２の空孔１４によって取り囲まれている。
【００１７】
本発明の単一モード光ファイバにおいては、空孔の中心間隔Λは伝搬光の波長λの１．５倍以上とされるとともに、クラッド部１２の有効屈折率ｎｅｆｆとコア材質の屈折率ｎｃｏｒｅから、次式により求められるＶ値が２．４より大きくかつ３．３未満となるように設計されている。
【００１８】
【数４】
なお、ある伝搬光の波長におけるクラッド部の有効屈折率ｎｅｆｆは、クラッド部と同じ構造をもつ無限大の平面に電磁波が入射したときの屈折率であり、ＦＤＴＤ法や有限要素法などの電磁界解析により求めることができる。また、コア部の屈折率ｎｃｏｒｅはコア材質により定まる。さらに、コア部１１の幾何学的半径ρは、空孔１４に内接する多角形の対向する辺相互間の距離の半分で定義され、図１に示した空孔配列の場合には、内接多角形は６角形であり、ρ＝（２Λ−ｄ）／２となる。
【００２０】
単一モードフォトニック結晶光ファイバをこのように構成することは、以下のような着想に基づくものである。
【００２１】
一般に、フォトニック結晶構造を有する光ファイバは、その空孔の配置により光学特性を設計することが可能であるが、フォトニック結晶光ファイバは従来の一般的な光ファイバのような弱導波近似が成立しないために、その特性評価には電磁界解析を行う必要がある。発明者がフォトニック結晶光ファイバについて行った精密な計算によれば、フォトニック結晶光ファイバにおいては、空孔の中心の平均間隔Λが使用する光の波長λに比較して大きい場合には、Ｖ値が３．３未満であれば単一モード動作することを見出した。
【００２２】
表１は、波長１．５５μｍにおいて計算したＶ値を纏めたもので、横行の数字はΛ／λの値を意味し、縦列の数字はｄ／Λの値を意味しており、波長１．５５μｍにおける有効屈折率ｎｅｆｆをＦＤＴＤ法による電磁界解析により求めた結果に基づいて算出したものである。
【００２３】
【表１】
なお、この計算は、単一モードフォトニック結晶光ファイバの構造を、同じ外径のガラス円柱管を束ね中心の一本をガラス棒で置換した最も単純な構造とし、クラッド部は、空孔のある構造が無限に広がっているものとして実行している。
【００２５】
表１において、斜体で示した部分が単一モードとなる領域であり、高次モードがコア部により閉じ込められていない場合（すなわち漏れ出している場合）を単一モード領域であると判定している。
【００２６】
図２は、フォトニック結晶光ファイバ中での高次モードの電磁界の強度分布を説明するための光ファイバの断面図で、図２（ａ）は単一モード光ファイバの場合、図２（ｂ）は単一モード光ファイバでない場合の電磁界強度分布の例である。光ファイバの中心領域にコア部がありその周りにクラッド部の空孔が配置され、黒く示された領域が光が集中している領域に対応している。
【００２７】
表１から、空孔の中心間隔Λが伝搬光の波長λの１．５倍以上である場合（Λ／λが１．５以上である場合）には、Ｖ値が３．３未満となり単一モード動作することがわかる。
【００２８】
なお、この解析においてはＶ値を指標として用いている。これは、Ｖｅｆｆの値はＶ値に比較して簡単に求めることが可能であるものの、Ｖｅｆｆ値を用いたのでは空孔の大きさの影響を考慮することができないためである。また、クラッド部の空孔の配置や数はここで示したものに限定される必要はなく、径を異にする空孔をクラッド部に配置するようにしてもよい。さらに、コア部の幾何学的半径も適宜自由に設定可能である。
【００２９】
このような構造の単一モードフォトニック結晶光ファイバは、コア部を形成するための円柱状ガラス棒と、空孔を有するクラッド部を形成するための複数の円筒状ガラス管とを束ねることにより作製可能である。すなわち、円柱状ガラス棒と円筒状ガラス管とを束ねて母材とし、これを加熱・延伸すると、円柱状ガラス棒と円筒状ガラス管の隙間及び円筒状ガラス管相互の隙間が延伸過程で消失し、その結果、図１で示したような断面構造を有する単一モードフォトニック結晶光ファイバが得られることとなる。
【００３０】
フォトニック結晶光ファイバは外径が数１０〜数１００μｍであり、空孔の径は波長と同程度であるが、その作製においては、通常の光ファイバの作製と同様に、断面形状がほぼ相似形で、外径が数ｃｍ〜数１０ｃｍの母材を作製し、線引き工程によってファイバ化するため、所望する断面形状をもつ母材を作製すればよく、微細加工は必要ない。例えば、同じ外径の円柱を隙間無く並べた場合、その横断面は六方最密構造をとるため、六方最密構造は製造が容易であるという利点がある。この円柱を中空のガラス円柱管とすればフォトニック結晶構造となり、これをクラッド部とし、中心の１本若しくは複数本をガラス棒とすればコア部を形成でき、光ファイバの母材を作製できる。また、ガラスの塊に孔をあける方法によれば、任意の配列の空孔をもつ光ファイバ母材を作製できる。もちろん、母材の作製方法はこれに限定されるものではない。
【００３１】
さらに、一部の空孔の位置や大きさを変えることによって中心軸周りの対称性を３回対称性未満とし、偏波の縮退を解いて偏波保持光ファイバを作製することも可能である。
【００３２】
図３は、コア部に隣接する６つの空孔のうちの２つの空孔の径を他の空孔径と異なるように設定してコア部の中心に対する回転対称性を２回対称とした場合の本発明の偏波保持単一モードフォトニック結晶光ファイバの構造例を説明するための図で、光ファイバのコア部近傍を拡大した図である。なお、軸対称性の落とし方はこの方法に限られず、例えば、空孔２３の配置の仕方によってもよく、もしくは、コア部２１やクラッド部２２の屈折率分布を軸対称からずらすことによってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、空孔の中心間隔Λを伝搬光の波長λの１．５倍以上とするとともにＶ値を２．４より大きくかつ３．３未満となるように設計したので、光学的特性の設計自由度が高くかつ曲げ光損失の少ない単一モードフォトニック結晶光ファイバを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単一モードフォトニック結晶光ファイバの構造例を説明するための図で、（ａ）はこの光ファイバの断面図、（ｂ）は（ａ）のコア部近傍の拡大図である。
【図２】フォトニック結晶光ファイバ中での高次モードの電磁界の強度分布を説明するための図で、（ａ）は単一モード光ファイバの場合、（ｂ）は単一モード光ファイバでない場合の電磁界強度分布の例である。
【図３】本発明の偏波保持単一モードフォトニック結晶光ファイバの構造例を説明するための図である。
【符号の説明】
１１、２１ コア部
１２、２２ クラッド部
１３ ファイバ材料
１４、２３ 空孔
Claims (2)
- 幾何学的半径ρのコア部の周囲に、ファイバの伸長方向に延在する直径ｄの複数の円柱状空孔が中心間隔Λで周期的に配置されたクラッド部を備え、
前記コア部および前記クラッド部はガラスもしくはプラスチックからなり、
前記幾何学的半径ρは前記空孔に内接する多角形の対向する辺相互間の距離の半分であり、前記空孔の中心間隔Λは伝搬光の波長λの１．５倍以上とされるとともに、ｄ／Λが０．３以上０．８以下であるときに次式により求められる正規化周波数Ｖが２．４より大きくかつ３．３未満となるように設計されていることを特徴とする単一モードフォトニック結晶光ファイバ。
- 前記空孔のクラッド部における幾何学的配置、または、前記クラッド部もしくは前記コア部の光学定数分布の少なくとも一方が、前記コア部の中心軸に対して３回対称性未満となるように設定され、伝搬光の偏波モード縮退が解かれていることを特徴とする請求項１に記載の単一モードフォトニック結晶光ファイバ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002359871A JP3909014B2 (ja) | 2002-12-11 | 2002-12-11 | 単一モードフォトニック結晶光ファイバ |
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