CN117546067A - 光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
本公开的目的是能够以比较容易制造的结构来实现能够在几km范围内传播高输入光的PCF。光子晶体光纤，在基本模、第一高次模、第二高次模这3个模式能够传播、具有均匀的光折射率的包层(11)中形成有多个空孔(12)的光子晶体光纤中，在所述光子晶体光纤的中心不配置空孔(12)，所述多个空孔(12)以包围所述光子晶体光纤的中心的方式配置成三角格子状；具有所述空孔(12)的直径d与所述空孔(12)的间隔∧之比d/∧，使得利用波长区域的最短波长下的第三高次模的封闭损失为1.0dB/m以上且最长波长下的封闭损失为0.001dB/km以下。
Description
技术领域
本公开涉及光子晶体光纤。
背景技术
近年来，使用光纤传输电力备受关注。在使用光纤长距离传输大功率光的过程中，需要抑制作为非线性现象的受激拉曼散射(SRS：Stimulated Raman Scattering)和抑制被称为光纤熔丝的现象，光子晶体光纤(PCF：Photonics Crystal Fiber)显示出对抑制任一现象都有效(例如，参照非专利文献1、2。)。
迄今为止，为了实现通信用良好的传输特性，提出了具有单模且低非线性的PCF(例如，参照非专利文献1。)。另外，报告了在激光加工用中也需要抑制SRS，为了大幅地扩大有效截面积，通过以在纤芯中心部具有强度峰值的第三高次模为截止，增加PCF的最内侧的空孔数的结构，能够实现有效的单模动作(例如，参照非专利文献3。)。
非专利文献1所示的PCF在最内侧和外侧的空孔直径不同，存在在制作光纤时难以维持该空孔结构的问题。另一方面，非专利文献3所示的结构，虽然截面内空孔直径一定，但存在空孔数量多，在母材的制造中需要加工时间的问题。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：T.Matsui等，“Single-mode Photonic crystal fiber designwith ultralarge effective area and low bending loss ultrahigh-speed WDMtransmission,”J.Lightwave Technol.,vol.29,no.4,2011.
非专利文献2：N.Hanzawa等，“Suppression of fiber fuse propagation inhole assisted fiber and photonic crystal fiber,”J.Lightwave Technol.,vol.28,no.15,2010.
非专利文献3：T.Mtsui等，“Effective area Enlarged photonic crystal fiberwith quasi-uniform air-hole structure for high power transmission,”IEICETrans.Commun.,vol.E103-B,no.4,2020.
发明内容
发明要解决的问题
本公开的目的是能够以比较容易制造的结构来实现能够在几km范围内传播高输入光的PCF。
解决问题所采用的手段
本公开的光子晶体光纤通过将在纤芯中心具有峰值强度的第三高次模设为截止，并设定在利用的最长波长的封闭损失对10km传输没有大的影响的范围内，即使是36个以下的空孔数也能够长距离传输高功率光。
具体地，本公开的光子晶体光纤，
在基本模、第一高次模、第二高次模这3个模式能够传播、具有均匀的光折射率的包层中形成有多个空孔的光子晶体光纤中，
在所述光子晶体光纤的中心不配置空孔，所述多个空孔以包围所述光子晶体光纤的中心的方式配置成三角格子状；
具有均匀的、所述空孔的直径d与所述空孔的间隔∧之比d/∧，使得利用波长区域的最短波长下的第三高次模的封闭损失为1.0dB/m以上且最长波长下的封闭损失为0.001dB/km以下。
发明效果
本公开能够以比较容易制造的结构来实现能够在几km范围内传播高输入光的PCF。
附图说明
图1是3层PCF的结构例。
图2A是3层PCF的结构的一例。
图2B是3层PCF的结构的一例。
图3是Aeff相对于∧和d/∧的一例。
图4是2层PCF的结构例。
图5A是2层PCF的结构的一例。
图5B是2层PCF的结构的一例。
具体实施方式
以下，将参照附图详细地说明本公开的实施方式。另外，本公开不限于以下所示的实施方式。这些实施的例子仅仅是示例，本公开能够基于本领域技术人员的知识，以实施各种改变、改良的方式来实施。另外，在本说明书以及附图中，附图标记相同的构成要素表示彼此相同的构成要素。
本公开的光子晶体光纤，在基本模、第一高次模、第二高次模这3个模式能够传播的、具有均匀的光折射率的包层中形成有多个空孔的1cell结构的光子晶体光纤中，在利用波长区域的最短波长下的第三高次模的封闭损失为1.0dB/m以上。其中，1cell结构是指仅在光纤中心部填充有玻璃材料作为纤芯而不是一个空孔的结构。本公开通过将第三高次模设定为截止，允许利用d/∧较大的区域，从而即使是36个以下的空孔数，也能够满足弯曲损失以及封闭损失的规定值。
在本公开中，关于多个空孔被配置为三角格子状的1cell结构，提出了一种结构，即使在空孔数为36个以及18个的情况下，也能满足弯曲损失以及封闭损失的规定值。本公开示出了利用波长区域为1530nm以上1625nm以下的例子和1460nm以上1625nm以下的例子这2个例子。
(实施方式例一)
本实施方式例涉及空孔数量为36个的3层结构的PCF的结构。图1是对本实施方式的3层PCF的截面结构进行说明的图。如图1所示，3层PCF是如下的1Cell结构：具有芯部和包围芯部的包层部11，芯部以及包层部11由具有均匀的光折射率的介质构成，并且在包层部11中沿长度方向形成有36个均匀的空孔12。
在本公开中，设包层11的直径为D(μm)、空孔直径为d(μm)、空孔间隔为∧(μm)，以下对结构参数进行说明。接着，以第三高次模为截止，对弯曲损失以及封闭损失满足规定值的结构参数的选定方法进行说明。
图2A以横轴为∧、纵轴为d/∧，示出了利用波长区域为1530nm以上1625nm以下的情况下弯曲损失以及封闭损失的边界条件的一例。用实线表示的曲线Lb_0.5表示在波长1530nm下的弯曲半径30mm的弯曲损失为0.5dB/100turn以下的边界。点划线表示的Lc表示波长1625nm的封闭损失为0.001dB/km以下的边界。虚线表示的C3表示波长1530nm下的第三高次模的封闭损失为1dB/m以上的边界。
Lb_0.5、Lc以及C3这3条曲线包围的区域是满足规定值的结构。例如，∧为19μm的情况下，则通过使d/∧为0.65，能够满足弯曲损失以及封闭损失的规定值。根据图2A可知，是d/∧为0.52至0.76的范围且Λ为9μm至22μm的范围的结构。
如ITU-TG.652D所示的一般的单模光纤的弯曲损失的规定值在半径30mm下为0.1dB/100turn以下，示于图2A中的虚线表示的曲线Lb_0.1。需要接近0.5dB/100turn的曲线Lb_0.5，并稍微减小空孔间隔∧。优选根据利用用途，使用必要的弯曲损失规定值。
图2B是表示与图2A相同的结构的图，是对第三高次模的截止波长、弯曲损失进行规定的波长为1460nm的情况下的计算结果。根据利用的波段，选择图2A或图2B等的结构。由图2B可知，是d/∧为0.54至0.75的范围且∧为9μm至22μm的范围的结构。
图3是以横轴为∧，纵轴为d/∧，表示相对于其结构的波长1530nm下的有效截面积Aeff的值的图。例如，设包层11的直径D为125μm，根据图2A，选择满足规定值的结构中Aeff为最大的结构时，∧＝18μm，d/∧＝0.60，此时的Aeff约为300μm2。
根据该结构，假设传输损失为0.2dB/km，则根据式(1)，传输10km时的SRS的阈值Pth为9.88W。因此，本实施方式的PCF能够进行约10W的光输入。
(数学式1)
Pth＝16Aeff/gRLeff (1)
其中，gR是拉曼增益系数。如非专利文献4所示的式(2)，gR取决于添加到光纤的芯部的掺杂剂。
(数学式2)
gR＝0.94×10-11(1+80×Δ)/λ (2)
另外，Leff是相互作用长度，由式(3)表示。
Leff＝{1-exp(-α×L)}/α (3)
在式(2)以及式(3)中，Δ表示光纤的纤芯和包层的相对折射率差，在纯石英的PCF中为0。λ是输入到光纤的波长，α表示该波长下的传输损失，L表示光纤长度。
(实施方式例二)
本实施方式例涉及空孔数量为18个的2层结构的PCF的结构。图4是对本实施方式的2层PCF的截面结构进行说明的图。即使是2层结构的PCF，由于由Λ和d/∧实现的Aeff的值大致相同，因此Aeff的值参照图3的值。图5A表示与实施方式例1同样的波长1530nm下的弯曲损失Lb_0.5及Lb_0.1、波长1625nm的封闭损失Lc以及波长1530nm下的第三高次模的封闭损失C3满足规定值的2层结构的边界。由图5A可知，大致是d/∧为0.66至0.75的范围且∧为6.5μm至22μm的范围的结构。
与实施方式例1一样，图5B是在波长1460nm下计算第三高次模的截止、弯曲损失的结果，优选根据使用的波长带以及必要的弯曲损失来选择结构。由图5B可知，是d/∧为0.65至0.75的范围且∧为6.5μm至22μm的范围的结构。
设包层直径为125μm，在图5A和图5B的结构中选择Aeff为最大的结构时，Λ＝20μm，d/Λ＝0.68，此时的Aeff约为320μm2。根据该结构，假设传输损失为0.2dB/km，则根据式(1)，传输10km时的SRS的阈值Pth为10.5W。因此，本实施方式的PCF能够进行超过10W的光输入。
在本实施方式中，在图2A以及图2B中，在10.0≤Λ≤18.0且0.56≤d/Λ≤0.72的情况下，即使是3层结构，包层的直径也在125μm以内。因此，能够利用包覆直径等普通光纤的纺丝设备来制作，能够确保与连接器组件等现有光纤部件的匹配性，实现能够传播高输入光的光纤。
另外，关于将截止波长设定为1460nm的图2B以及图5B，在图2B所示的8.0≤Λ≤18.0且0.58≤d/Λ≤0.72的情况下，包层的直径以3层结构而为125μm以内，在图5B所示的10.0≤Λ≤22.5且0.67≤d/Λ≤0.73的情况下，包层的直径以2层结构而为125μm以内。在该情况下，使用现有设备和部件，能够灵活地使用供电用的波长和信号光的波长。
例如，通过将信号光设定为1490nm并将供电光设定为1550nm，利用现有的SFP(Small Form Factor Pluggable，小型可插拔)装置等设备生成信号，供电光中能够使用光纤低损耗带且有高功率放大器和高功率激光器的C波段。也可以将通信光设定为1550nm波段或者1600nm波段，将供电光设定为1480nm。通信光以及供电光的组合可以随系统变更。
此外，在本实施方式中，在图2A和图2B所示的18.0≤Λ≤21.5且0.62≤d/Λ≤0.69的情况下、以及图5A和图5B所示的18.0≤Λ≤22.5、0.67≤d/∧≤0.72的情况下，有效截面积Aeff达到300μm2以上。因此，考虑到SRS阈值，在10km的光纤长度下也能够输入10W以上的光功率。考虑到PCF的传输损失可以达到0.2dB/km，在输出端可以得到6W左右的光功率。现在的供电转换器的转换效率为3成左右，能够得到2W左右的电力。
(本公开的效果)
如以上说明地，根据本公开，能够以空孔数量最大为36个和相对容易地制造的结构，来实现极大地扩大有效截面积并在几km范围内传播高输入光的PCF。
产业上的可应用性
本公开能够应用于信息通信产业。
附图标记说明
11：包层
12：空孔。
Claims (6)
1.光子晶体光纤，在基本模、第一高次模、第二高次模这3个模式能够传播、具有均匀的光折射率的包层中形成有多个空孔的光子晶体光纤中，
在所述光子晶体光纤的中心不配置空孔，所述多个空孔以包围所述光子晶体光纤的中心的方式配置成三角格子状；
具有均匀的、所述空孔的直径d与所述空孔的间隔Λ之比d/Λ，使得利用波长区域的最短波长下的第三高次模的封闭损失为1.0dB/m以上且最长波长下的封闭损失为0.001dB/km以下。
2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，所述多个空孔的空孔数量为36；
包围所述光子晶体光纤的中心的所述多个空孔的层为3层；
所述d/Λ为0.62以上0.69以下；
所述Λ为18.0以上21.5以下。
3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，所述多个空孔的空孔数量为36；
包围所述光子晶体光纤的中心的所述多个空孔的层为3层；
所述d/Λ为0.58以上0.72以下；
所述Λ为8.0以上18.0以下。
4.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，所述多个空孔的空孔数量为18；
包围所述光子晶体光纤的中心的所述多个空孔的层为2层；
所述d/Λ为0.67以上0.72以下；
所述Λ为18.0以上22.5以下。
5.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，所述多个空孔的空孔数量为18；
包围所述光子晶体光纤的中心的所述多个空孔的层为2层；
所述d/Λ为0.67以上0.73以下；
所述Λ为10.0以上22.5以下。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光子晶体光纤，具有所述d/Λ，使得利用波长区域的最短波长的弯曲损失在弯曲半径30mm时为0.5dB/100turn以下。
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