CN107924022B - 光纤和光传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于解决如下问题：提高输出光束质量和增加输出光功率或延长传播距离是折衷选择的关系，不能得到高输出且高质量的大功率光。本发明的光纤是沿光纤的长边方向配置有多个空孔的光子晶体光纤，该光纤具有规定的弯曲半径(R)，该规定的弯曲半径(R)根据光纤的传输距离(L)和从光纤输出的光功率确定，该光纤具有传输预先确定的模数的光且使规定的弯曲半径(R)下的基本模式的光的弯曲损失在规定值以下的空孔间距离(Λ)和空孔直径(d)与空孔间距离(Λ)的比(d/Λ)。

Description

光纤和光传输系统
技术领域
本发明涉及一种使用光纤进行的大功率光传输。
背景技术
伴随高输出激光器的发展，将其广泛地用于利用激光进行的焊接等工业加工。特别是近年来，开发出了输出达到10kW的高输出光纤激光器，并期待在医疗和工业上应用。在这种高输出光纤激光器中，例如，如非专利文献1所示，通过在数m以下的短的光纤中扩大芯面积，缓和因非线性产生的输出功率限制。此外，在激光加工中，出射光的光束质量对加工效率影响较大。由于光束质量在很大程度上依存于出射光的模式状态，所以在光纤激光器中使用能够进行单模传输的光纤。
此外，如非专利文献2所示，在所述高输出激光器的出射端连接光纤，也能够应用于远程的焊接加工。在这种情况下，连接的光纤中的高阶模式的激励状态影响出射端的光束质量。因此，虽然如果将芯面积大的多模光纤作为传输用光纤连接，能够将像数kW那样的大功率光传输数十m以上，但是出射端的光束质量下降。为了提高光束质量，需要降低传播模数，但是一般来说在光纤的结构设计中，降低传播模数和扩大芯面积是折衷选择的关系，因此限制了能够传输的功率。
现有技术文献
非专利文献1：姬野，“高输出光纤激光器的基础和特征”，藤仓技报，Vol.1、pp.1-6、2014年1月
非专利文献2：山崎等，“10kW激光传输用8芯长电缆”，三菱电线工业时报，第105号、pp.24-27、2008年10月
如上所述，在以往的光纤中存在如下课题，提高输出光束质量和增大输出光功率或延长传输距离是折衷选择的关系，因此不能得到高输出且高质量的大功率光。
发明内容
本发明的光纤使用光子晶体光纤，使能够传播的模数在LP21模式以下，并且使激光振荡部的中心轴与光子晶体光纤的中心轴的轴偏移量在一定量以下，通过设定任意的输出光功率和相对于传输距离设定规定的弯曲半径，解决上述课题。
在此，如公式(2)所示，防止受激拉曼散射的最大输出光功率Pth与有效相互作用长度Leff具有反比关系。在光纤在1km以下的比较短的传输距离情况下，Leff与传输距离L是同等的值。在这种情况下，输出光功率性能可以由输出光功率与传输距离的积(kW·m)来表示。另外传输距离并不限于1km以下，在视为Leff与L同等的范围内，能够同样适用。
[数2]
Figure BDA0001583816000000021
其中，
Pth：SRS阈值
Leff：有效相互作用长度
Figure BDA0001583816000000022
α：传输损失，
Figure BDA0001583816000000023
gR：拉曼增益系数
具体地说，本发明提供一种光纤，沿光纤的长边方向配置有多个空孔，将被所述多个空孔包围的区域作为芯区域，所述光纤具有规定的弯曲半径，所述规定的弯曲半径根据所述光纤的传输距离和从所述光纤输出的光功率确定，所述光纤具有传输预先确定的模数的光且使所述规定的弯曲半径下的基本模式的光的弯曲损失在规定值以下的所述多个空孔的空孔间距离以及所述多个空孔的空孔直径与空孔间距离的比。
所述光纤的有效断面面积Aeff与所述规定的弯曲半径R可以具有如下公式(1)的关系。其中，系数a可以在6.6以上、6.9以下，系数b在0.97以上。
可以是所述规定的弯曲半径在500mm以下，在所述多个空孔中具有构成芯区域的一个空孔大小的空孔缺陷，所述多个空孔的空孔间距离在60μm以下，所述多个空孔的空孔直径与空孔间距离的比在0.78以下。
可以是所述规定的弯曲半径在500mm以下，在所述多个空孔中具有构成芯区域的七个空孔大小的空孔缺陷，所述多个空孔的空孔间距离在28.5μm以下，所述多个空孔的空孔直径与空孔间距离的比在0.55以下。
可以是所述多个空孔的空孔数在18以下。
例如，可以是所述多个空孔的空孔数是12，所述多个空孔的空孔间距离在50μm以上、65μm以下，所述多个空孔的空孔直径相对于空孔间距离的比在0.79以上、0.88以下。
所述预先确定的模数的光可以是包含LP01模式、LP11模式和LP21模式、且不包含LP02模式的光。
所述预先确定的模数的光可以是包含LP01模式和LP11模式、且不包含LP21模式以上的模式的光。
所述规定值可以是1dB/km。
具体地说，本发明还提供一种光传输系统，其包括：本发明的光纤；光源，射出所述光纤传输的光；以及耦合部，使来自所述光源的出射光的中心轴与所述芯区域的中心轴的轴偏移量相对于所述光纤的模场半径在0.95以下。
另外，能够尽可能地组合上述各发明。
在本发明的光纤中，通过在光子晶体光纤中将弯曲半径设定为规定值，可以起到如下效果：与以往的光纤相比，能够得到高光束质量且高输出的输出光。
附图说明
图1是表示实施方式的大功率光传输用光纤的第一结构例的示意图。
图2是表示实施方式的大功率光传输用光纤的第二结构例的示意图。
图3是表示实施方式的光纤电缆的示意图。
图4表示实施方式的大功率光传输系统的一例。
图5是表示MFD不匹配引起的相对于高阶模式的耦合效率的一例的特性图。
图6是表示由轴偏移引起的模式间功率比的一例的特性图。
图7表示实施方式的大功率光传输系统中的耦合部的放大图的一例。
图8表示实施方式的大功率光传输用光纤的第一结构例的PCF结构条件的一例。
图9表示实施方式的大功率光传输用光纤的第二结构例的PCF结构条件的一例。
图10是表示实施方式的大功率光传输用光纤的容许弯曲半径和有效断面面积的关系的一例的特性图。
图11是表示实施方式的大功率光传输用光纤的容许弯曲半径和最大输出光功率的关系的一例的特性图。
图12是表示实施方式的大功率光传输用光纤的第三结构例的示意图。
图13是表示实施方式的大功率光传输用光纤的第四结构例的示意图。
图14是实施方式的大功率光传输用光纤的第四结构例的PCF的第一特性图。
图15是实施方式的大功率光传输用光纤的第四结构例的第二特性图。
图16是实施方式的大功率光传输用光纤的第四结构例的第三特性图。
图17是实施方式的大功率光传输用光纤的第四结构例的第四特性图。
图18是表示图14和图17的重合范围的特性图。
图19表示空孔缺陷为一个时的弯曲损失的波长依存性的一例。
图20表示空孔缺陷为七个时的弯曲损失的波长依存性的一例。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，本发明并不限于如下所示的实施方式。这些实施例只是举例说明，能够以基于本领域技术人员的知识进行各种变更、改良的方式来实施本发明。另外，在本说明书和附图中，附图标记相同的结构要素表示相同的结构要素。
图1～图3表示实施方式的大功率光传输用光纤的结构例。本实施方式的大功率光传输用光纤使用以图1或图2为代表的沿光纤的长边方向有多个空孔的光子晶体光纤(PCF)。图1和图2分别表示本实施方式的大功率光传输用光纤的第一结构例和第二结构例。实施方式的光纤电缆83具有两根以上的光纤，两根以上的光纤中的至少一根是如图3所示的本实施方式的大功率光传输用光纤。
在图1和图2中，在均匀的材料(例如纯石英)中将多个空孔配置成六方密排，并且在中心配置空孔缺陷，由此将具有空孔缺陷的区域作为光波传播的芯区域。图1表示在中心配置一个空孔缺陷的例子，图2表示在中心配置七个空孔缺陷的例子。
此外，为了避免伴随芯区域扩大而导致传播模数增加(即输出光的光束质量下降)，如图3所示，本实施方式的大功率光传输用光纤91将电缆化时的弯曲半径设为规定值。由此，本实施方式的大功率光传输用光纤同时实现芯区域扩大和传播模数的限制，并且实现输出光的高质量化和大功率化。
另外，虽然在应用上可以将弯曲半径的设定规定为规定的下限值，但是优选的是，光纤电缆83的外包材料选择具有不会弯曲成规定的弯曲半径以下的刚性的材料。此时，优选的是，大功率光传输用光纤91的弯曲半径为，在光纤电缆83自身的弯曲半径R的基础上，还考虑光纤电缆83内的弯曲。在这种情况下，需要留意的是相对光纤电缆83的外径D，成为R+D/2。
在此，如图4所示，本实施方式的大功率光传输系统包括：激光振荡部92；耦合部94，使来自激光振荡部92的出射光射入大功率光传输用光纤91；以及大功率光传输用光纤91，对射入的光波进行导波。此外，为了在耦合部94中提高耦合效率，可以在激光振荡部92和耦合部94之间插入控制入射角的透镜93。
图5表示入射光与光子晶体光纤的模场直径(MFD)不匹配引起的耦合效率。纵轴表示从作为基本模式的LP01模式到LP11、LP21、LP02模式的耦合效率。横轴表示入射光的光束直径相对于光子晶体光纤的MFD的比例。无MFD不匹配时，即，在横轴的值为“1”时且不存在角度偏移等其他干扰的理想条件下，全部与LP01模式耦合，所以不产生光束质量下降。但是，一般来说，入射光的光束直径和光子晶体光纤的MFD完全一致的情况非常少。存在MFD不匹配时，对LP11、LP21模式的耦合效率在0.05以下而非常小。这是因为LP11模式和LP21模式的电场分布，在光纤的中心附近没有成分，所以是不产生与入射光的耦合的结果。
另一方面，在具有与基本模式类似的电场分布的LP02模式中，因MFD不匹配而使耦合效率增加，从而成为使光束质量下降的主要原因。因此，在本实施方式的大功率光传输用光纤91和传输系统中，为了避免输出光的光束质量下降，采用不传播LP02模式的结构的光子晶体光纤。由此，本实施方式的大功率光传输用光纤91和传输系统能够不依存于来自激光振荡部92的入射光与传输用光纤91的MFD不匹配的程度，稳定地得到高质量的输出光。
图6表示由轴偏移引起的模式间功率比和表示出射光的光束质量的M2的变化。横轴是入射光的中心距光纤的中心的轴偏移量。在此，由相对于LP01模式的模场半径的相对值来表示。模式间功率比表示LP11模式或LP21模式相对于LP01的功率比、即模式间的耦合效率。
由于LP11和LP21模式在偏离光纤中心的位置上具有峰值，所以因轴偏移，上述高阶模式的耦合效率增加，其结果导致光束质量下降。为了避免由这些高阶模式引起的输出光的光束质量下降(M2的增加)，例如为了使M2在2.0以下，需要使相对轴偏移量在0.95以下。
因此，在本实施方式的大功率光传输系统中，如图7所示，在耦合部94中，激光振荡部92的中心轴、即激光振荡部92的输出光的光轴与大功率光传输用光纤91的芯区域的中心轴的轴偏移量，相对于大功率光传输用光纤91的模场半径，在0.95以下。由此，本实施方式的大功率光传输系统能够得到M2成为2.0以下的极高质量的输出光。
图8和图9表示本实施方式的大功率光传输用光纤的PCF的结构条件的一例。图8和图9分别表示如图1和图2所示空孔缺陷为一个和七个的情况。图中是波长1060nm的结构条件。实线表示相对于LP02模式的损失成为0.1dB/m的结构条件，在比实线靠左下的区域中LP02模式不传播。虚线表示在图中所示的弯曲半径R上，基本模式的弯曲损失成为1dB/km的结构条件，在比虚线靠左的区域中使相对于基本模式的弯曲损失非常小，能够得到损失小的大功率光传输用光纤和光纤电缆83。在此，输出光功率的最大值可以通过扩大基本模式的有效断面面积而增加，有效断面面积可以通过使PCF的空孔间间隔Λ变大而扩大。因此，在实线和虚线的交点上，能够同时防止LP02模式的传播和弯曲损失的增大，并且能够在与虚线对应的弯曲半径上使有效断面面积极大。
例如，在图8中，能够同时防止LP02模式的传播和弯曲损失的增大、且在与虚线对应的弯曲半径上使有效断面面积极大的条件如下。R＝500mm以下时，Λ在60μm以下，d/Λ在0.78以下。R＝400mm以下时，Λ在55.5μm以下，d/Λ在0.775以下。R＝300mm以下时，Λ在51μm以下，d/Λ在0.77以下。R＝200mm以下时，Λ在44μm以下，d/Λ在0.755以下。R＝140mm以下时，Λ在32μm以下，d/Λ在0.72以下。
例如，图9中，能够同时防止LP02模式的传播和弯曲损失的增大、且在与虚线对应的弯曲半径上使有效断面面积极大的条件如下。R＝500mm以下时，Λ在28.5μm以下，d/Λ在0.55以下。R＝400mm以下时，Λ在23μm以下，d/Λ在0.48以下。R＝300mm以下时，Λ在20μm以下，d/Λ在0.45以下。R＝200mm以下时，Λ在15μm以下，d/Λ在0.38以下。R＝140mm以下时，Λ在13μm以下，d/Λ在0.37以下。
图10和图11表示有效断面面积和最大输出光功率相对于光纤的容许弯曲半径的关系。图10中，纵轴是有效断面面积，□是图9所示的空孔缺陷为七个的情况，○是图8所示的空孔缺陷为一个的情况。图11中，纵轴是各传输距离的最大输出光功率，L是传输距离(m)。此外，图中的结果对应于在图8和图9中的实线与虚线的交点上得到的结构。
按照图10，通过缓和容许弯曲半径R，可以扩大得到的有效断面面积Aeff，例如，如果将容许弯曲半径作为200mm以上，则有效断面面积可以在1000μm2以上。
此外，由图10可以看出有效断面面积Aeff和容许弯曲半径R具有一定的相关关系。例如，利用比例系数a和b，将有效断面面积Aeff表示为，
(数1)
Aeff≤aRb (1)
则得到高的相关性。另外，比例系数b在1以下。
在图10中，空孔缺陷为一个时a＝6.9、b＝0.97，空孔缺陷为七个时a＝6.6、b＝0.97。此外，在图10中，容许弯曲半径R在500mm以下的区域内，相对于规定的弯曲半径得到的最大的有效断面面积与容许弯曲半径大体成比例关系。可以看出，针对各个，表示近似精度的相关系数在0.98以上，所以公式(1)的近似在大功率光传输用光纤91中的PCF的设计上是有效的。因此，通过利用公式(1)，可以相对于任意的输出光功率即有效断面面积来设计所需要的弯曲半径。
另外，按照图10，容许弯曲半径与有效断面面积的关系相对于空孔缺陷数依存性小，如上所述，公式(1)的a是6.6～6.9，b大体是1.0。此外，按照图11，通过利用由上述结构设计而得到的PCF，例如在考虑50m程度的传输距离时，即使在容许弯曲半径50mm以下那样严格的条件下，也能够得到1kW以上的输出，如果将容许弯曲半径扩大至500mm，则能够得到接近10kW的输出。此外，通过使容许弯曲半径为300mm左右，可以确认到能够将1kW以上的大功率光传输300m以上的长距离。
图12和图13表示本实施方式的大功率光传输用光纤的第三结构例和第四结构例。第三结构例和第四结构例表示由较少的空孔数构成的光纤结构。在图12和图13的结构中，与图1同样，芯区域为一个空孔缺陷，图12中空孔数为18，图13中空孔数为12。在光子晶体光纤中，各空孔的位置和大小的精度影响光学特性，空孔数越多，制造难度和结构的良品率下降越显著。在图12和图13所示的结构中，由于以空孔数在18以下的简单结构来实现对光波的导波，所以量产性高且制造时光学特性的控制性良好，是优选的。另外，在图12所示的结构的情况下，在图8所示的设计范围内能够传输M2在2.0以下的高质量且kW级的大功率光。
图14～图17表示将本实施方式的大功率光传输用光纤中的空孔数作为12孔时的设计例。图14表示相对于基本模式的弯曲损失在0.1dB/m以下的结构范围。图15、图16和图17分别表示相对于LP11模式、LP21模式和LP02模式的损失值，在包围在框内的区域内，作为对象的模式的损失非常大，可能发生泄漏。
在此，如图5和图6所示，通过屏蔽LP02模式，并且使激光振荡部92与大功率光传输用光纤91的轴偏移量在一定以下，能够得到高质量且大功率的输出光。因此，在图18所示的图14和图17的重合范围内，能够达成上述目的。即，适合于如下结构：Λ在50μm以上、65μm以下、且d/Λ在0.79以上、0.88以下，或者是Λ在50μm以下、且d/Λ在0.7以上、且在0.79以下。此时，由于空孔数为12而较少，所以制造的良品率和制造精度非常高，并且能够得到M2在2.0以下且kW级的输出光，是优选的。
另外，在本实施方式中虽然是预先确定的模数是3，传播作为基本模式的LP01、LP11和LP21而不传播LP02的结构，但是本发明并不限于此。例如，也可以是预先确定的模数是2，传播LP01模式和LP11模式而不传播LP21模式以上的模式的结构。由此，能够得到与本实施方式同样的效果。
例如，图15和图16表示LP11模式和LP21模式泄漏的结构，可以通过利用图14与图15的重合区域而使模数为2，通过利用图14与图16的重合区域而使模数为3。即，Λ在30μm以上、55μm以下、且d/Λ在0.70以上、0.79以下，或者是Λ在55μm以上、65μm以下、且d/Λ在0.79以上、0.83以下，或者是Λ在57μm以上、65μm以下、且d/Λ在0.83以上、0.88以下，或者是Λ在59μm以上、68μm以下、且d/Λ在0.88以上、0.89以下，通过上述结构可以使模数为2。此外，Λ在52μm以上、65μm以下、且d/Λ在0.79以上、0.88以下，或者是Λ在52μm以下、且d/Λ在0.7以上、0.77以下，通过上述结构可以使模数为3。
图19和图20表示相对于波长的弯曲损失的一例。图19中作为一例表示如下情况：Λ是50.0μm，d/Λ是0.75或0.8，并且使空孔缺陷为一个的PCF的弯曲半径R为500mm。图20中作为一例表示如下情况：Λ是20.0μm，d/Λ是0.45或0.8，并且使空孔缺陷为七个的PCF的弯曲半径R为500mm。可以看出在波长为1060nm时和波长为1050nm时，弯曲损失未发生变化。因此，本实施方式并不限于图8和图9的结构条件下举例说明的波长1060nm，在波长1050nm以上、1070nm以下的范围内能够同样适用。
工业实用性
本发明能够应用于使用大功率光的工业加工。
附图标记说明
11：芯
12：包层
81：大功率光传输系统
82：被加工物
83：光纤电缆
91：大功率光传输用光纤
92：激光振荡部
93：透镜
94：耦合部

Claims (9)

1.一种光纤，沿光纤的长边方向配置有多个空孔，将被所述多个空孔包围的区域作为芯区域，
所述光纤的特征在于，
所述光纤具有规定的弯曲半径，所述规定的弯曲半径根据所述光纤的传输距离和从所述光纤输出的光功率确定，
所述光纤具有传输预先确定的模数的光且使所述规定的弯曲半径下的基本模式的光的弯曲损失在规定值以下的所述多个空孔的空孔间距离以及所述多个空孔的空孔直径与空孔间距离的比，
将a和b作为系数时，所述光纤的有效断面面积Aeff和所述规定的弯曲半径R具有如下公式的关系，
Aeff≤aRb
系数a在6.6以上、6.9以下，
系数b在0.97以上。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
所述规定的弯曲半径在500mm以下，
在所述多个空孔中具有构成芯区域的一个空孔大小的空孔缺陷，
所述多个空孔的空孔间距离在60μm以下，
所述多个空孔的空孔直径与空孔间距离的比在0.78以下。
3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
所述规定的弯曲半径在500mm以下，
在所述多个空孔中具有构成芯区域的七个空孔大小的空孔缺陷，
所述多个空孔的空孔间距离在28.5μm以下，
所述多个空孔的空孔直径与空孔间距离的比在0.55以下。
4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述多个空孔的空孔数在18以下。
5.根据权利要求4所述的光纤，其特征在于，
所述多个空孔的空孔数是12，
所述多个空孔的空孔间距离在50μm以上、70μm以下，
所述多个空孔的空孔直径相对于空孔间距离的比在0.79以上、0.90以下。
6.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述预先确定的模数的光是包含LP01模式、LP11模式和LP21模式、且不包含LP02模式的光。
7.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述预先确定的模数的光是包含LP01模式和LP11模式、且不包含LP21模式以上的模式的光。
8.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述规定值是1dB/km。
9.一种光传输系统，其特征在于包括：
如权利要求1至8中任意一项所述的光纤；
光源，射出所述光纤传输的光；以及
耦合部，使来自所述光源的出射光的中心轴与所述芯区域的中心轴的轴偏移量相对于所述光纤的模场半径在0.95以下。
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