JP4194908B2 - 光伝送方法及び光伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、マルチモード光ファイバを用いてセカンドモード領域で光信号の伝送を行うようにした光伝送方法及び光伝送システムに関するものである。

高出力のレーザーなどに用いられる光ファイバでは、光パワー密度の増大とともに非線形効果による影響が発生しやすくなり、光信号の増幅や変換効率の低下など光の伝送速度を向上させる際の大きな制約要因となっている。ここで、非線形効果とは、光ファイバに入射する光信号のパワーが大きくなると、伝送後の光信号のパワーとの間の光学的な応答が線形性を失う現象のことである。

これを解決する手段の一つとして、光ファイバのモードフィールド径を大きくすることで非線形効果による影響を効果的に抑えるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
特開平１０−２０６６６９号公報 岡本勝就著，「光導波路の基礎」，コロナ社，１９９２年１０月，ｐ．１６７−１６８

光信号の伝送手段としてシングルモードファイバを用いた場合、モードフィールド径を大きくするためには光ファイバのコアの比屈折率差を下げる必要がある。ここで、比屈折率差ΔとはΔ＝（ｎ_１ ^２−ｎ_０ ^２）／２ｎ_１ ^２で定義され、ｎ_１、ｎ_０はそれぞれコアの屈折率、クラッドの屈折率を表す。

ところが、比屈折率差を下げると光ファイバが曲げに弱くなってしまうばかりでなく、偏波保持に関してはモード複屈折率の低下につながるといった別の問題が発生する。また、光ファイバのコアのＧｅ以外のドーパント（Ｅｒ等の希土類、Ａｌ）を添加する場合、比屈折率差を下げることは難しくなる。

本発明は、上述の課題を解決するものであり、光信号の伝送手段としてマルチモード光ファイバを用い、さらに光信号を伝送する際にモードを限定することにより、比屈折率差を下げることなくモードフィールド径を拡大することができ、また、光ファイバの非線形効果による影響を抑えることのできる光伝送方法及び光伝送システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題に対して、マルチモード光ファイバの一般にＶ値と呼ばれる規格化周波数を、該光ファイバがセカンドモードで動作する範囲に設定するようにした。

すなわち、請求項１に係る発明は、マルチモード光ファイバを用いて加工対象物にレーザー光を照射する光伝送方法であって、
上記マルチモード光ファイバをセカンドモードで動作させるように、波長λ＝１．０６［μｍ］、波長λでのカットオフ波長λ_ｃ＝１．４１〜１．５６［μｍ］、規格化周波数Ｖ_λ＝３．０〜３．５と設定することにより、該マルチモード光ファイバに、セカンドモードとファーストモードとが混在するセカンドモード領域でレーザー光を照射させることで、その出射モードをセカンドモードとファーストモードとの合成モードとすることを特徴とする。

従って、本発明によれば、マルチモード光ファイバを用いることで比屈折率差を下げることなくモードフィールド径を拡大することができ、さらにセカンドモード領域で光信号の伝送を行うことで、光ファイバの非線形効果を抑える上で有利となる。これは、セカンドモード領域ではセカンドモードとファーストモードとが混在しており、その出射モードがセカンドモードとファーストモードとの合成モードとなりトップハットと呼ばれるエネルギー分布の一様なビーム形状に変換され、光パワー密度のピーク値を比較的小さく保って非線形効果の影響を抑えつつ、光の伝送エネルギーを拡大することができるからである。

さらに、セカンドモード領域の中でも特にモードが安定していて光ファイバに対する曲げによる損失を少なくすることのできる、規格化周波数が３．０〜３．５の範囲でマルチモード光ファイバ内に光信号を伝送させるから、光ファイバの非線形効果を抑える上でさらに有利となる。

請求項２に係る発明は、マルチモード光ファイバを用いて加工対象物にレーザー光を照射する光伝送システムであって、
上記マルチモード光ファイバをセカンドモードで動作させるように、波長λ＝１．０６［μｍ］、波長λでのカットオフ波長λ_ｃ＝１．４１〜１．５６［μｍ］、規格化周波数Ｖ_λ＝３．０〜３．５と設定することにより、該マルチモード光ファイバに、セカンドモードとファーストモードとが混在するセカンドモード領域でレーザー光を照射させることで、その出射モードをセカンドモードとファーストモードとの合成モードとするように構成されていることを特徴とする。

従って、請求項２に係る発明によれば、マルチモード光ファイバにセカンドモード領域で光信号を伝送させるように構成された光伝送システムを形成することにより、例えば、この光ファイバをレーザー加工機の出射部に接続し、該光ファイバ内を通過して出射モードがトップハット形状に変換された光信号を出射光として用いることで、レーザー加工機側で光を整合させるためのレンズ等の変換器が不要となり、システム全体として大幅なコストダウンを実現することができる。

上述のように形成されたレーザー加工機を用いて加工対象物にレーザー光を照射すると、その照射面がレーザー光の出射モードのトップハット形状に対応した凹凸の少ない均一な加工切断面に加工できるため、高精度のレーザー加工を行う上で有利となる。

好ましくは、セカンドモード領域の中でも特にモードが安定している、規格化周波数が３．０〜３．５の範囲でマルチモード光ファイバに光信号を伝送するように構成された光伝送システムを形成することであり、さらに効果を高めることができる。

以上のように、請求項１に係る発明によれば、マルチモード光ファイバを用いることで比屈折率差を下げることなくモードフィールド径を拡大することができ、さらにセカンドモード領域で光信号の伝送を行うことで、光ファイバの非線形効果を抑える上で有利となる。

さらに、セカンドモード領域の中でも特にモードが安定していて光ファイバに対する曲げによる損失を少なくすることのできる、規格化周波数が３．０〜３．５の範囲でマルチモード光ファイバ内に光信号を伝送させるから、光ファイバの非線形効果を抑える上でさらに有利となる。

請求項２に係る発明によれば、マルチモード光ファイバにセカンドモード領域で光信号を伝送させるように構成された光伝送システムを形成することにより、例えば、この光ファイバをレーザー加工機の出射部に接続し、該光ファイバ内を通過して出射モードがトップハット形状に変換された光信号を出射光として用いることで、レーザー加工機側で光を整合させるためのレンズ等の変換器が不要となり、システム全体として大幅なコストダウンを実現することができる。

上述のように形成されたレーザー加工機を用いて加工対象物にレーザー光を照射すると、その照射面がレーザー光の出射モードのトップハット形状に対応した凹凸の少ない均一な加工切断面に加工できるため、高精度のレーザー加工を行う上で有利となる。

好ましくは、セカンドモード領域の中でも特にモードが安定している、規格化周波数が３．０〜３．５の範囲でマルチモード光ファイバに光信号を伝送するように構成された光伝送システムを形成することであり、さらに効果を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係るマルチモード光ファイバ１０を示す。この光ファイバ１０は、ファイバ中心をなす石英製のコア１１と、このコア１１を被覆するように設けられたクラッド１２と、このクラッド１２を被覆するように設けられた被覆部１３とを備えている。

上記コア１１は、光の伝送路としての機能を果たしている。

上記クラッド１２は、その屈折率がコア１１をなす石英よりも低い材質のものから構成されており、これによってクラッド１２で囲まれたコア１１に光を閉じこめる機能を果たしている。

さらに、被覆部１３は、コア１１及びクラッド１２を被覆保護する機能を果たしている。

そして、本実施形態では、上記マルチモード光ファイバ１０の規格化周波数（Ｖ値）Ｖ_λを、例えば光ファイバ１０の外径を変化させることによりセカンドモード領域、特にＶ_λ＝３．０〜３．５の範囲で設定することでこの光ファイバ１０に光信号を伝送させ、その光信号の伝送をセカンドモードで行うようにしている。

なお、サードモード以上の領域では、その帯域が狭くなっており、所定の特性を有する光ファイバ１０を設計・製造することが難しく品質が安定しないため、セカンドモード領域のみに限定して光信号の伝送を行っている。

以上のようなマルチモード光ファイバ１０にセカンドモード領域で光信号を伝送させれば、比屈折率差を下げることなくモードフィールド径を拡大することができ、光ファイバ１０の非線形効果を抑える上で有利となる。これは、セカンドモード領域では図２に示すようにセカンドモードとファーストモードとが混在しており、その出射モードがセカンドモードとファーストモードとの合成モードとなりトップハットと呼ばれるエネルギー分布の一様なビーム形状に変換され、光パワー密度のピーク値を比較的小さく保って非線形効果の影響を抑えつつ、光の伝送エネルギーを拡大することができるからである。

また、セカンドモード領域とは、具体的には規格化周波数Ｖ_λ＝２．４０５〜３．８の範囲であるが、本実施形態では、この中でも特にモードが安定していて光ファイバ１０に対する曲げによる損失を少なくすることのできる、規格化周波数が３．０〜３．５の範囲でマルチモード光ファイバ１０内に光信号を伝送させることにより、光ファイバ１０の非線形効果を抑える上でさらに有利となる。

＜光伝送システムについて＞
以上のように、光の伝送をセカンドモード領域に限定して行うことで、その出射モードがトップハットと呼ばれるエネルギー分布の一様なビーム形状となり光パワー密度のピーク値を比較的小さく抑えることができるという利点があるため、上記光伝送方法によりセカンドモード領域でマルチモード光ファイバ１０に光信号を伝送させるように構成された光伝送システムを形成することが考えられる。

上記光伝送システムの一例として、レーザー加工機２０（図３に図示）に本発明を適用した場合について、従来の光伝送システムと比較して以下に説明する。

−従来の光伝送システム−
図３（ａ）に示す従来の光伝送システム２５について説明する。なお、本図では、図の左側に光伝送システム２５の構成を模式的に表し、図の右側にそのときの出射モードの形状を表している。この光伝送システム２５では、レーザー加工機２０から出力された出射光２１に対してモード変換を行わずに、そのまま加工対象物３０（図４に図示）に照射するようにしている。このときの出射光２１の出射モードは、その中心部のエネルギーが周辺部に比べて大きくなったガウス形状をしている。この出射光を図４（ａ）に示す加工対象物３０に照射すると、その照射面が出射モードのガウス形状に対応したすり鉢状の断面形状に加工される。従って、この加工面は加工精度が悪く不均一であり、また加工対象物３０に内部損傷が発生していた。

そこで、図３（ｂ）に示すように、強度変換レンズや位相整合レンズ等からなる変換器２２をレーザー加工機２０の出射部に配設することにより、その出射モードをトップハット形状に変換するようにした光伝送システム２６が考案された。この出射光２３を加工対象物３１に照射すると、図４（ｂ）に示すように、その照射面が出射モードのトップハット形状に対応した凹状の断面形状に加工され、凹凸の少ない均一な加工面を形成することができる。

−本発明の光伝送システム−
以下、図３（ｃ）に示す本発明の光伝送システム２７について説明する。この光伝送システム２７は、レーザー加工機２０の出射部にマルチモード光ファイバ１０を接続し、セカンドモード領域で光ファイバ１０に光信号を伝送することにより、その出射モードをトップハット形状に変換するように構成されている。この出射光２３を加工対象物３１に照射すると、図４（ｂ）に示すように、その照射面が出射モードのトップハット形状に対応した凹状の断面形状に加工され、凹凸の少ない均一な加工面を形成することができる。

以上より、従来の光伝送システム２６と本発明の光伝送システム２７とを比較すると、両者は出射光２３の出射モードをトップハット形状に変換することで凹凸の少ない均一な加工面を形成することができ、高精度のレーザー加工を行う上で有利な構成となっている点で一致しているが、本発明の光伝送システム２７では、出射モードを変換するためのレンズ等の変換器２２が不要であるため、システム全体として大幅なコストダウンを実現することができるという格別の効果を奏する。

＜実験＞
次に、具体的に行った実験について説明する。

本実験に用いたマルチモード光ファイバ１０は、上記実施形態のものと同様の構成であり、また比屈折率差Δ＝０．４％のものである。そして、光ファイバ１０の外径を変化させることにより規格化周波数Ｖ_λを適宜設定している。本実験では、Ｙｂファイバレーザによる光信号の伝送を想定して、波長λ＝１．０６［μｍ］でのカットオフ波長λ_ｃ［μｍ］を測定し、そのときの規格化周波数Ｖ_λを（１）式より求めた。ここで、Ｖ_ｃ＝２．４０５、λ＝１．０６である。

Ｖ_λ＝λ_ｃ×Ｖ_ｃ／λ ・・・（１）
本実験により得られた規格化周波数（Ｖ値）の値を表１に示す。

次に、規格化周波数と光ファイバ１０の曲げ損失との関係を調べるために、光ファイバ１０を異なる曲げ直径で１回巻き、そのときのパワー変動について測定した。この結果を表２に示す。

表２より、光ファイバ１０の曲げ直径φがφ＝４０ｍｍで、規格化周波数（Ｖ値）が２．９５、３．２０の時にセカンドモードの曲げ損失が低くなっていることが確認できた。また、曲げ直径φ＝１０ｍｍ，２０ｍｍの場合には、曲げ損失が大きくなっていることが確認できたが、通常、光ファイバ１０の特性の信頼性等の観点から、光ファイバ１０を４０ｍｍ以下の直径で曲げることはないと思われるので、以下、光ファイバ１０を曲げ直径φ＝４０ｍｍで曲げた場合の測定結果のみについて考察する。

図５に、光ファイバ１０を曲げ直径φ＝４０ｍｍで曲げたときのセカンドモードの曲げ損失と規格化周波数（Ｖ値）との関係をシミュレーションにより計算した結果と、各Ｖ値でのモードフィールド径の測定値をグラフで示す。図中の各グラフ線の近傍に描かれた矢印は、各グラフ線に対応する縦軸を指し示している。ここで、Ｖ値が３以上のときの曲げ損失は、Ｖ値が３での値よりも小さくなっている。

表２及び図５より、Ｖ値が３以上のときにセカンドモードの曲げ損失が低くなっており、さらに、モードフィールド径が拡大されていることが確認できた。

本実施形態に係るマルチモード光ファイバの構造を示す斜視図である。 本実施形態に係るセカンドモード領域におけるモードの合成による出射モードのトップハット形状を示す図である。 （ａ）従来の光伝送システムを示す模式図である。（ｂ）従来の光伝送システムの他の実施例を示す模式図である。（ｃ）本実施形態に係る光伝送システムを示す模式図である。 （ａ）出射光の出射モードがガウス形状であるときの加工対象物の加工面を示す断面図である。（ｂ）出射光の出射モードがトップハット形状であるときの加工対象物の加工面を示す断面図である。 具体的実験においてマルチモード光ファイバの曲げ損失とモードフィールド径のＶ値依存性を示すグラフ図である。

符号の説明

１０ マルチモード光ファイバ
１１ コア
１２ クラッド
１３ 被覆部
２０ レーザー加工機
２１ 出射光
２２ 変換器
２７ 光伝送システム
３１ 加工対象物

Claims (2)

1. マルチモード光ファイバを用いて加工対象物にレーザー光を照射する光伝送方法であって、
   上記マルチモード光ファイバをセカンドモードで動作させるように、波長λ＝１．０６［μｍ］、波長λでのカットオフ波長λ_ｃ＝１．４１〜１．５６［μｍ］、規格化周波数Ｖ_λ＝３．０〜３．５と設定することにより、該マルチモード光ファイバに、セカンドモードとファーストモードとが混在するセカンドモード領域でレーザー光を照射させることで、その出射モードをセカンドモードとファーストモードとの合成モードとすることを特徴とする光伝送方法。
2. マルチモード光ファイバを用いて加工対象物にレーザー光を照射する光伝送システムであって、
   上記マルチモード光ファイバをセカンドモードで動作させるように、波長λ＝１．０６［μｍ］、波長λでのカットオフ波長λ_ｃ＝１．４１〜１．５６［μｍ］、規格化周波数Ｖ_λ＝３．０〜３．５と設定することにより、該マルチモード光ファイバに、セカンドモードとファーストモードとが混在するセカンドモード領域でレーザー光を照射させることで、その出射モードをセカンドモードとファーストモードとの合成モードとするように構成されていることを特徴とする光伝送システム。

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