JPWO2016167083A1 - フォトニッククリスタルファイバ - Google Patents
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Abstract
Description
使用するフォトニッククリスタルファイバ(PCF)のファイバ損失及びラマン利得係数、伝搬する光の使用波長、前記PCF伝搬後のビーム品質M2、レーザ出力値、伝搬距離、最小曲げ半径を決定する仕様値決定ステップと、
数1を用いて伝搬可能な最多伝搬モード数nを算出する最多伝搬モード数算出ステップと、
数2を用いてファイバ損失及びラマン利得係数から実効コア断面積Aeffを算出する実効コア断面積算出ステップと、
前記Aeffを満たすPCFの空孔の直径dと間隔Λを計算するファイバ構造算出ステップと、
前記ファイバ構造算出ステップで計算した構造のPCFで最小曲げ半径での曲げ損失を計算し、前記伝搬距離から伝搬長の曲げ損失を計算する曲げ損失計算ステップと、
前記伝搬長の曲げ損失が所定値未満であることを確認し、前記ファイバ構造算出ステップで計算したPCFの構造を確定する確認ステップと、
前記確認ステップで前記伝搬長の曲げ損失が所定値以上である場合、モード数を1つ増やして前記ファイバ構造算出ステップ、前記曲げ損失計算ステップ、及び前記確認ステップを、モード数が最多伝搬モード数nに達するまで繰り返すモード増加ステップと、
を行う。
数1と数2については後述する。
すなわち、本発明に係る光ファイバ設計方法は、
使用するフォトニッククリスタルファイバ(PCF)のファイバ損失及びラマン利得係数、伝搬する光の使用波長、前記PCF伝搬後のビーム品質M2、レーザ出力値、伝搬距離、最小曲げ半径を決定する仕様値決定ステップと、
数1を用いて伝搬可能な最多伝搬モード数nを算出する最多伝搬モード数算出ステップと、
数2を用いてファイバ損失及びラマン利得係数から実効コア断面積Aeffを算出する実効コア断面積算出ステップと、
前記Aeff以上となるPCFの空孔の直径dと間隔Λを計算し、横軸d/Λ、縦軸Λのグラフに前記Aeff以上となる点をプロットするファイバ構造算出ステップと、
PCFの空孔の直径dと間隔Λから該PCFでカットオフさせる最小の高次モードの最小曲げ半径での曲げ損失を計算し、横軸d/Λ、縦軸Λのグラフに該曲げ損失が1dB/m以上となる点をプロットする曲げ損失計算ステップと、
前記ファイバ構造算出ステップでグラフにプロットした点の領域と前記曲げ損失計算ステップでグラフにプロットした点の領域とが重複する重複範囲を検出し、前記重複範囲にある直径dと間隔Λの空孔を持つPCF構造に決定する構造決定ステップと、
を行う。
数1と数2については後述する。
当該PCFは、光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する1cell構造のフォトニッククリスタルファイバ(PCF)であって、
実効コア断面積Aeffが160μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A1(0.42,16.88)
B(0.42,10.94)
C(0.75,14.24)
D(0.75,12.10)
E(0.79,20.00)
F(0.85,30.00)
G(0.85,41.58)
H(0.89,50.00)
I(0.89,58.95)
J(0.90,60.0)
K(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域(図19(c))にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることを特徴とする。
第4高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A1(0.42,16.88)
B(0.42,10.94)
C1(0.75,15.00)
D1(0.75,20.00)
C2(0.78,35.00)
D2(0.80,35.93)
E(0.80,45.63)
F(0.83,51.56)
C3(0.90,54.38)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図19(b))にあれば、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることができる。
第3高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A1(0.42,16.88)
B(0.42,10.94)
C1(0.60,15.63)
C2(0.69,31.88)
D(0.74,43.12)
E(0.75,44.38)
C3(0.76,47.81)
F(0.81,60.63)
G(0.85,60.63)
H(0.85,77.50)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図19(a))にあれば、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、出力光の品質M2が2以下を可能とすることができる。
第1高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
当該PCFは、光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する1cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが800μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A2(0.48,25.31)
F1(0.85,36.37)
G(0.85,41.58)
H(0.89,50.00)
I(0.89,58.95)
J(0.90,60.0)
K(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域(図20(c))にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、伝搬モード数が4以下を可能とすることができる。
第4高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A2(0.47,25.31)
C2(0.78,35.00)
C3(0.90,54.38)
D2(0.80,35.93)
E(0.80,45.63)
F(0.83,51.56)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図20(b))にあり、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることができる。
第3高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A2(0.48,25.31)
C2(0.69,31.88)
D(0.74,43.12)
E(0.75,44.38)
F(0.81,60.63)
G(0.85,60.63)
H(0.85,77.50)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図20(a))にあり、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることができる。
第1高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する1cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが1600μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A3(0.57,40.00)
H1(0.89,54.37)
I(0.89,58.95)
J(0.90,60.0)
K(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域(図21(c))にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることができる。
第4高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A3(0.56,40.00)
C3(0.90,54.38)
F(0.83,51.56)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図21(b))にあり、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることができる。
第3高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A3(0.57,40.00)
C3(0.76,47.81)
F(0.81,60.63)
G(0.85,60.63)
H(0.85,77.50)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図21(a))にあり、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることができる。
第1高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する1cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが3200μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A4(0.75,68.36)
J1(0.90,77.07)
K(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域(図22(c))にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について600kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることができる。
第4高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する7cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが160μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A1(0.20,10.98)
B(0.20,5.11)
C(0.50,6.23)
D(0.50,10.00)
E(0.60,15.18)
F(0.60,17.76)
G(0.65,20.12)
H(0.70,20.35)
I(0.79,25.06)
J(0.79,29.53)
K(0.78,29.76)
L(0.78,38.29)
M(0.80,40.12)
N(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域(図23(c))にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることができる。
第4高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A1(0.20,10.98)
B(0.21,5.11)
C1(0.40,5.90)
D(0.40,10.03)
E(0.50,11.93)
F(0.50,14.47)
C3(0.60,20.18)
G(0.69,22.08)
H(0.68,23.67)
I(0.70,24.30)
J(0.70,32.87)
K(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図23(b))にあり、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることができる。
第3高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A1(0.20,10.98)
B(0.21,4.95)
C1(0.25,5.27)
D(0.29,9.87)
E(0.40,12.25)
F(0.40,13.52)
G(0.49,14.15)
H(0.49,15.74)
I(0.50,18.12)
J(0.58,18.12)
K(0.58,19.86)
C3(0.60,20.34)
L(0.60,23.03)
M(0.68,23.99)
N(0.68,31.60)
O(0.79,48.73)
P(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図23(a))にあり、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることができる。
第1高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する7cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが800μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A2(0.21,11.77)
E(0.60,15.18)
F(0.60,17.76)
G(0.65,20.12)
H(0.70,20.35)
I(0.79,25.06)
J(0.79,29.53)
K(0.78,29.76)
L(0.78,38.29)
M(0.80,40.12)
N(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域(図24(c))にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることができる。
第4高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A2(0.21,11.77)
C2(0.50,13.68)
C3(0.60,20.18)
F(0.50,14.47)
G(0.69,22.08)
H(0.68,23.67)
I(0.70,24.30)
J(0.70,32.87)
K(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることができる。
第3高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A2(0.21,11.77)
C2(0.40,12.88)
C3(0.60,20.34)
F(0.40,13.52)
G(0.49,14.15)
H(0.49,15.74)
I(0.50,18.12)
J(0.58,18.12)
K(0.58,19.86)
L(0.60,23.03)
M(0.68,23.99)
N(0.68,31.60)
O(0.79,48.73)
P(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることができる。
第1高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する7cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが1600μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A3(0.27,16.06)
G(0.65,20.12)
H(0.70,20.35)
I(0.79,25.06)
J(0.79,29.53)
K(0.78,29.76)
L(0.78,38.29)
M(0.80,40.12)
N(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域(図25(c))にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることができる。
第4高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A3(0.27,16.06)
C3(0.60,20.18)
G(0.69,22.08)
H(0.68,23.67)
I(0.70,24.30)
J(0.70,32.87)
K(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図25(b))にあり、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることができる。
第3高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A3(0.27,16.06)
C3(0.60,20.34)
L(0.60,23.03)
M(0.68,23.99)
N(0.68,31.60)
O(0.79,48.73)
P(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図25(a))にあり、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることができる。
第1高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する7cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが3200μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A4(0.40,24.78)
K1(0.78,30.66)
L(0.78,38.29)
M(0.80,40.12)
N(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域(図26(c))にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について600kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とする
ことができる。
第4高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A4(0.40,24.78)
C4(0.70,30.01)
J(0.70,32.87)
K(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図26(b))にあり、
波長1050nm以上の光について600kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることができる。
第3高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A4(0.40,24.46)
C4(0.68,29.56)
N(0.68,31.60)
O(0.79,48.73)
P(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図26(a))にあり、
波長1050nm以上の光について600kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることができる。
第1高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する7cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが4800μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A5(0.53,32.87)
L(0.78,38.29)
M(0.80,40.12)
N(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域(図27(c))にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について900kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることができる。
第4高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A5(0.53,32.87)
C5(0.73,37.00)
K(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図27(b))にあり、
波長1050nm以上の光について900kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることができる。
第3高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
A5(0.53,32.87)
C5(0.72,36.35)
O(0.79,48.73)
P(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域(図27(a))にあり、
波長1050nm以上の光について900kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることができる。
第1高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Aeffをできるだけ大きくすることができる。
本ビーム伝搬方法は、レーザからの1kW以上の光を10m以上伝搬させて出力端から出力させるビーム伝搬方法であって、
前記レーザから前記出力端までを、前記光の波長において伝搬モード数が2である2モードファイバで接続し、
前記2モードファイバの第1高次モードの励振比率を50%以下として光を伝搬させることを特徴とする。
前記レーザから前記出力端までを、前記光の波長において伝搬モード数が4以下である4モードファイバで接続し、
前記4モードファイバの第3高次モードの励振率を30%以下として光を伝搬させることを特徴とする。
本発明の特徴は、Aeffを拡大することによる出力パワーの向上および伝送距離の長延化を図ることである。本発明の従来技術との大きな違いは、光ファイバが複数モードが伝搬可能な構造である点である。本発明は、入力部で高次モードが励振される効率を十分に低減し、M2を十分に小さい値にすることが可能な領域を明らかにして、Aeffを従来では実現できなかった値にすることを可能とした。
前記レーザから前記出力端までを、前記光の波長において伝搬モード数が2である2モードファイバで接続し、
前記2モードファイバの第1高次モードの励振比率を50%以下として光を伝搬させることを特徴とする。
前記レーザから前記出力端までを、前記光の波長において伝搬モード数が4である4モードファイバで接続し、
前記4モードファイバの第3高次モードの励振率を30%以下として光を伝搬させることを特徴とする。
本実施形態は、図4に示す空孔2を有する1cellコア構造のPCFにおいて、実効コア断面積Aeffの拡大と既定の曲げ損失αbを実現するための構造パラメータ(空孔2の直径dと空孔2の間隔Λ)の設計方法に関する。本実施例では、基本モードの最小曲げ半径、及び高次モードの実効カットオフを規定する曲げ半径を140mmで説明をしているが、本方法はこれに制限されるものではない。
数1を用いて伝搬可能な最多伝搬モード数nを算出する最多伝搬モード数算出ステップと、
数2を用いてファイバ損失及びラマン利得係数から実効コア断面積Aeffを算出する実効コア断面積算出ステップと、
前記Aeff以上となるPCFの空孔の直径dと間隔Λを計算し、横軸d/Λ、縦軸Λのグラフに前記Aeff以上となる点をプロットするファイバ構造算出ステップと、
PCFの空孔の直径dと間隔Λから該PCFでカットオフさせる最小の高次モードの最小曲げ半径での曲げ損失を計算し、横軸d/Λ、縦軸Λのグラフに該曲げ損失が1dB/m以上となる点をプロットする曲げ損失計算ステップと、
前記ファイバ構造算出ステップでグラフにプロットした点の領域と前記曲げ損失計算ステップでグラフにプロットした点の領域とが重複する重複範囲を検出し、前記重複範囲にある直径dと間隔Λの空孔を持つPCF構造に決定する構造決定ステップと、
を行う。
数1と数2については後述する。
A(0.42,16)
B(0.42,10)
C(0.53,10)
D(0.80,56)
の4点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のd及びΛに設定する。
さらに具体的には、図6でd/Λが0.724とし、Λが45μm程度にするとAeffが1400μm2、第1高次モードの曲げ損失が40dB/m以上になり実効的に単一モードになる構造であることがわかる。
A(0.42,16)
B(0.42,10)
C(0.76,10)
D(0.80,56)
の4点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のd及びΛに設定する。
A(0.42,16)
B(0.42,10)
C(0.76,10)
D(0.80,56)
の4点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のd及びΛに設定する。
A(0.42,16)
B(0.42,10)
C(0.76,10)
D(0.80,56)
の4点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のd及びΛに設定する。
本実施形態は、図11に示すような複数の空孔2を有する7cellコア構造のPCFにおいて、Aeffの拡大と既定の曲げ損失αbを実現するための構造パラメータ(空孔2の直径dと空孔2の間隔Λ)の設計方法に関する。本設計方法も実施形態2で説明した設計方法を利用する。
A(0.20,7.80)
B(0.34,10.82)
C(0.78,48.42)
の3点を頂点とする三角形で囲まれる領域内のd/Λ及びΛに設定する。
さらに具体的には、d/Λが0.68とし、Λが40μm程度にするとAeffが5700μm2、第1高次モードの曲げ損失が20dB/m以上になり実効的に単一モードになる構造であることがわかる。
A(0.20,7.80)
B(0.20,4.00)
C(0.80,4.00)
D(0.80,50.0)
の4点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のd/Λ及びΛに設定する。
A(0.20,7.80)
B(0.20,4.00)
C(0.80,4.00)
D(0.80,50.0)
の4点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のd/Λ及びΛに設定する。
A(0.20,7.80)
B(0.20,4.00)
C(0.80,4.00)
D(0.80,50.0)
の4点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のd/Λ及びΛに設定する。
本実施形態では、実施形態1〜3で説明した2モードファイバや4モードファイバを、レーザー加工システム等の光伝送媒体としての仕様に基づいて設計する他の設計方法を説明する。本実施形態の光ファイバ設計方法は、
使用するフォトニッククリスタルファイバ(PCF)のファイバ損失及びラマン利得係数、伝搬する光の使用波長、前記PCF伝搬後のビーム品質M2、レーザ出力値、伝搬距離、最小曲げ半径を決定する仕様値決定ステップと、
数1を用いて伝搬可能な最多伝搬モード数nを算出する最多伝搬モード数算出ステップと、
数2を用いてファイバ損失及びラマン利得係数から実効コア断面積Aeffを算出する実効コア断面積算出ステップと、
前記Aeffを満たすPCFの空孔の直径と間隔を計算するファイバ構造算出ステップと、
前記ファイバ構造算出ステップで計算した構造のPCFで最小曲げ半径での曲げ損失を計算し、前記伝搬距離から伝搬長の曲げ損失を計算する曲げ損失計算ステップと、
前記伝搬長の曲げ損失が例えば0.1dB未満であることを確認し、前記ファイバ構造算出ステップで計算したPCFの構造を確定する確認ステップと、
前記確認ステップで前記伝搬長の曲げ損失が例えば0.1dB以上である場合、モード数を1つ増やして前記ファイバ構造算出ステップ、前記曲げ損失計算ステップ、及び前記確認ステップを、モード数が最多伝搬モード数nに達するまで繰り返すモード増加ステップと、
を行う。
その後に、ステップS03(仕様値決定ステップ)にて使用する出力パワー、伝搬距離を決定し、ステップS04(実効コア断面積算出ステップ)において、数式(2)(非特許文献7に示されているSRS閾値定義式(8.1.13))を用いて必要な実効コア断面積(Aeff)を算出する。
まず、ステップS01として仕様値を決定する。ここでは、
ファイバ損失:1dB/km(下記波長におけるファイバの伝送損失)
ラマン利得係数gR:8.79×10−12(cm/W)
伝搬する光の使用波長λ:1070nm
ビーム品質M2:1.5以下
レーザ出力値:100W
伝搬距離:300m
最小曲げ半径:140m
とする。なお、ラマン利得係数gRは数式(4)(非特許文献8に示される式(36))を用いて算出した。
実施形態5から8を図19から図22を用いて説明する。当該図は、所望性のPCFのパラメータを横軸にd/Λ、縦軸にΛとしたときの領域を示している。ここで、(a)M2≦2.0の条件における座標を
A1(0.42,16.88)
A2(0.48,25.31)
A3(0.57,40.00)
B(0.42,10.94)
C1(0.60,15.63)
C2(0.69,31.88)
C3(0.76,47.81)
D(0.74,43.12)
E(0.75,44.38)
F(0.81,60.63)
G(0.85,60.63)
H(0.85,77.50)
I(0.90,91.88)とし、
(b)M2≦3.3の条件における座標を
A1(0.42,16.88)
A2(0.47,25.31)
A3(0.56,40.00)
B(0.42,10.94)
C1(0.75,15.00)
C2(0.78,35.00)
C3(0.90,54.38)
D1(0.75,20.00)
D2(0.80,35.93)
E(0.80,45.63)
F(0.83,51.56)
I(0.90,91.88)
(c)伝搬モード数が4以下の条件における座標を
A1(0.42,16.88)
A2(0.48,25.31)
A3(0.57,40.00)
A4(0.75,68.36)
B(0.42,10.94)
C(0.75,14.24)
D(0.75,12.10)
E(0.79,20.00)
F(0.85,30.00)
F1(0.85,36.37)
G(0.85,41.58)
H(0.89,50.00)
H1(0.89,54.37)
I(0.89,58.95)
J(0.90,60.0)
J1(0.90,77.07)
K(0.90,91.88)
として説明する。
[1cell構造 30kW・m伝送]
本実施形態は、30kW・m伝送を可能とする図4の1cell構造のPCFパラメータ(Λとd)の範囲を説明する。図19は、波長1070nmの光を伝搬させるとき、(a)M2≦2.0、(b)M2≦3.3、(c)伝搬モード数が4以下を満たすd/ΛとΛとAeff(160μm2以上)の関係を説明する図である。プロットされた領域(斜線で示した領域)は、1cell構造のPCFにおいて30kW・m伝送できる構造になる。
[1cell構造 150kW・m伝送]
本実施形態は、150kW・m伝送を可能とする図4の1cell構造のPCFパラメータ(Λとd)の範囲を説明する。図20は、波長1070nmの光を伝搬させるとき、(a)M2≦2.0、(b)M2≦3.3、(c)伝搬モード数が4以下を満たすd/ΛとΛとAeff(800μm2以上)の関係を説明する図である。プロットされた領域(斜線で示した領域)は、1cell構造のPCFにおいて150kW・mできる構造になる。
[1cell構造 300kW・m伝送]
本実施形態は、300kW・m伝送を可能とする図4の1cell構造のPCFパラメータ(Λとd)の範囲を説明する。図21は、波長1070nmの光を伝搬させるとき、(a)M2≦2.0、(b)M2≦3.3、(c)伝搬モード数が4以下を満たすd/ΛとΛとAeff(1600μm2以上)の関係を説明する図である。プロットされた領域(斜線で示した領域)は、1cell構造のPCFにおいて300kW・m伝送できる構造になる。
[1cell構造 600kW・m伝送]
本実施形態は、600kW・m伝送を可能とする図4の1cell構造のPCFパラメータ(Λとd)の範囲を説明する。図22は、波長1070nmの光を伝搬させるとき、(a)M2≦2.0、(b)M2≦3.3、(c)伝搬モード数が4以下を満たすd/ΛとΛとAeff(3200μm2以上)の関係を説明する図である。プロットされた領域(斜線で示した領域)は、1cell構造のPCFにおいて600kW・m伝送できる構造になる。
実施形態9から13を図23から図27を用いて説明する。当該図は、所望性のPCFのパラメータを横軸にd/Λ、縦軸にΛとしたときの領域を示している。ここで、(a)M2≦2.0における座標を
A1(0.20,10.98)
A2(0.21,11.77)
A3(0.27,16.06)
A4(0.40,24.46)
A5(0.53,32.87)
B(0.20,4.95)
C1(0.25,5.27)
C2(0.40,12.88)
C3(0.60,20.34)
C4(0.68,29.56)
C5(0.72,36.35)
D(0.29,9.87)
E(0.40,12.25)
F(0.40,13.52)
G(0.49,14.15)
H(0.49,15.74)
I(0.50,18.12)
J(0.58,18.12)
K(0.58,19.86)
L(0.60,23.03)
M(0.68,23.99)
N(0.68,31.60)
O(0.79,48.73)
P(0.80,50.00)とし、
(b)M2≦3.3における座標を
A1(0.20,10.98)
A2(0.21,11.77)
A3(0.27,16.06)
A4(0.40,24.78)
A5(0.53,32.87)
B(0.20,5.11)
C1(0.40,5.90)
C2(0.50,13.68)
C3(0.60,20.18)
C4(0.70,30.01)
C5(0.73,37.00)
D(0.40,10.03)
E(0.50,11.93)
F(0.50,14.47)
C3(0.60,20.18)
G(0.69,22.08)
H(0.68,23.67)
I(0.70,24.30)
J(0.70,32.87)
K(0.80,50.00)
(c)伝搬モード数が4以下の条件における座標を
A1(0.20,10.98)
A2(0.21,11.77)
A3(0.27,16.06)
A4(0.40,24.78)
A5(0.53,32.87)
B(0.20,5.11)
C(0.50,6.23)
D(0.50,10.00)
E(0.60,15.18)
F(0.60,17.76)
G(0.65,20.12)
H(0.70,20.35)
I(0.79,25.06)
J(0.79,29.53)
K(0.78,29.76)
K1(0.78,30.66)
L(0.78,38.29)
M(0.80,40.12)
N(0.80,50.00)
として説明する。
[7cell構造 30kW・m伝送]
本実施形態は、30kW・m伝送を可能とする図10の7cell構造のPCFパラメータ(Λとd)の範囲を説明する。図23は、波長1070nmの光を伝搬させるとき、(a)M2≦2.0、(b)M2≦3.3、(c)伝搬モード数が4以下を満たすd/ΛとΛとAeff(160μm2以上)の関係を説明する図である。プロットされた領域(斜線で示した領域)は、7cell構造のPCFにおいて30kW・m伝送できる構造になる。
[7cell構造 150kW・m伝送]
本実施形態は、150kW・m伝送を可能とする図11の7cell構造のPCFパラメータ(Λとd)の範囲を説明する。図24は、波長1070nmの光を伝搬させるとき、(a)M2≦2.0、(b)M2≦3.3、(c)伝搬モード数が4以下を満たすd/ΛとΛとAeff(800μm2以上)の関係を説明する図である。プロットされた領域(斜線で示した領域)は、7cell構造のPCFにおいて150kW・m伝送できる構造になる。
[7cell構造 300kW・m伝送]
本実施形態は、300kW・m伝送を可能とする図11の7cell構造のPCFパラメータ(Λとd)の範囲を説明する。図25は、波長1070nmの光を伝搬させるとき、(a)M2≦2.0、(b)M2≦3.3、(c)伝搬モード数が4以下を満たすd/ΛとΛとAeff(1600μm2以上)の関係を説明する図である。プロットされた領域(斜線で示した領域)は、7cell構造のPCFにおいて300kW・m伝送できる構造になる。
[7cell構造 600kW・m伝送]
本実施形態は、600kW・m伝送を可能とする図11の7cell構造のPCFパラメータ(Λとd)の範囲を説明する。図26は、波長1070nmの光を伝搬させるとき、(a)M2≦2.0、(b)M2≦3.3、(c)伝搬モード数が4以下を満たすd/ΛとΛとAeff(3200μm2以上)の関係を説明する図である。プロットされた領域(斜線で示した領域)は、7cell構造のPCFにおいて600kW・m伝送できる構造になる。
[7cell構造 900kW・m伝送]
本実施形態は、900kW・m伝送を可能とする図11の7cell構造のPCFパラメータ(Λとd)の範囲を説明する。図27は、波長1070nmの光を伝搬させるとき、(a)M2≦2.0、(b)M2≦3.3、(c)伝搬モード数が4以下を満たすd/ΛとΛとAeff(4800μm2以上)の関係を説明する図である。プロットされた領域(斜線で示した領域)は、7cell構造のPCFにおいて900kW・m伝送できる構造になる。
本発明は、要求される出力パワーと伝搬距離に関してはSRS閾値の定義式を用いて、要求されるビーム品質に関しては(曲げ損失および伝搬可能なモード数から、伝搬モードが均一に励振された場合のM2値を閾値として用いて、それを満たすファイバ構造を設計することができる。さらにその設計フローを用いて高品質なハイパワー伝送用光ファイバの具体的な構造を明確にすることができる。具体的な設計例としてPCFの構造例を示した。
本発明で用いる設計フローを用いて設計したファイバ構造は、必要とされる出力パワー、伝搬距離、ビーム品質を満たすことができる。これまでは、M2値が8以上のマルチモードファイバでしか実現されていなかったファイバレーザーの出力パワーの領域についても、M2値が8未満の光ファイバをファイバレーザーに用いることで、ビーム品質の良い光を所望の伝搬距離で使用することを実現できる。
2:空孔
Claims (25)
- 光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する1cell構造のフォトニッククリスタルファイバ(PCF)であって、
実効コア断面積Aeffが160μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A1(0.42,16.88)
B(0.42,10.94)
C(0.75,14.24)
D(0.75,12.10)
E(0.79,20.00)
F(0.85,30.00)
G(0.85,41.58)
H(0.89,50.00)
I(0.89,58.95)
J(0.90,60.0)
K(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることを特徴とするPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A1(0.42,16.88)
B(0.42,10.94)
C1(0.75,15.00)
D1(0.75,20.00)
C2(0.78,35.00)
D2(0.80,35.93)
E(0.80,45.63)
F(0.83,51.56)
C3(0.90,54.38)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることを特徴とする請求項1に記載のPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A1(0.42,16.88)
B(0.42,10.94)
C1(0.60,15.63)
C2(0.69,31.88)
D(0.74,43.12)
E(0.75,44.38)
F(0.81,60.63)
G(0.85,60.63)
H(0.85,77.50)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることを特徴とする請求項1に記載のPCF。 - 光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する1cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが800μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A2(0.48,25.31)
F1(0.85,36.37
G(0.85,41.58)
H(0.89,50.00)
I(0.89,58.95)
J(0.90,60.0)
K(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることを特徴とするPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A2(0.47,25.31)
C2(0.78,35.00)
C3(0.90,54.38)
D2(0.80,35.93)
E(0.80,45.63)
F(0.83,51.56)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることを特徴とする請求項4に記載のPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A2(0.48,25.31)
C2(0.69,31.88)
D(0.74,43.12)
E(0.75,44.38)
F(0.81,60.63)
G(0.85,60.63)
H(0.85,77.50)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることを特徴とする請求項4に記載のPCF。 - 光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する1cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが1600μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A3(0.57,40.00)
H1(0.89,54.37)
I(0.89,58.95)
J(0.90,60.0)
K(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることを特徴とするPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A3(0.56,40.00)
C3(0.90,54.38)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることを特徴とする請求項7に記載のPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A3(0.57,40.00)
C3(0.76,47.81)
F(0.81,60.63)
G(0.85,60.63)
H(0.85,77.50)
I(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることを特徴とする請求項7に記載のPCF。 - 光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する1cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが3200μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A4(0.75,68.36)
J1(0.90,77.07)
K(0.90,91.88)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について600kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることを特徴とするPCF。 - 光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する7cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが160μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A1(0.20,10.98)
B(0.20,5.11)
C(0.50,6.23)
D(0.50,10.00)
E(0.60,15.18)
F(0.60,17.76)
G(0.65,20.12)
H(0.70,20.35)
I(0.79,25.06)
J(0.79,29.53)
K(0.78,29.76)
L(0.78,38.29)
M(0.80,40.12)
N(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることを特徴とするPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A1(0.20,10.98)
B(0.21,5.11)
C1(0.40,5.90)
D(0.40,10.03)
E(0.50,11.93)
F(0.50,14.47)
C3(0.60,20.18)
G(0.69,22.08)
H(0.68,23.67)
I(0.70,24.30)
J(0.70,32.87)
K(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることを特徴とする請求項11に記載のPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A1(0.20,10.98)
B(0.21,4.95)
C1(0.25,5.27)
D(0.29,9.87)
E(0.40,12.25)
F(0.40,13.52)
G(0.49,14.15)
H(0.49,15.74)
I(0.50,18.12)
J(0.58,18.12)
K(0.58,19.86)
C3(0.60,20.34)
L(0.60,23.03)
M(0.68,23.99)
N(0.68,31.60)
O(0.79,48.73)
P(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について30kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることを特徴とする請求項11に記載のPCF。 - 光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する7cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが800μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A2(0.21,11.77)
E(0.60,15.18)
F(0.60,17.76)
G(0.65,20.12)
H(0.70,20.35)
I(0.79,25.06)
J(0.79,29.53)
K(0.78,29.76)
L(0.78,38.29)
M(0.80,40.12)
N(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることを特徴とするPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A2(0.21,11.77)
C2(0.50,13.68)
C3(0.60,20.18)
F(0.50,14.47)
G(0.69,22.08)
H(0.68,23.67)
I(0.70,24.30)
J(0.70,32.87)
K(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることを特徴とする請求項14に記載のPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A2(0.21,11.77)
C2(0.40,12.88)
C3(0.60,20.34)
F(0.40,13.52)
G(0.49,14.15)
H(0.49,15.74)
I(0.50,18.12)
J(0.58,18.12)
K(0.58,19.86)
L(0.60,23.03)
M(0.68,23.99)
N(0.68,31.60)
O(0.79,48.73)
P(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について150kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることを特徴とする請求項14に記載のPCF。 - 光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する7cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが1600μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A3(0.27,16.06)
G(0.65,20.12)
H(0.70,20.35)
I(0.79,25.06)
J(0.79,29.53)
K(0.78,29.76)
L(0.78,38.29)
M(0.80,40.12)
N(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることを特徴とするPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A3(0.27,16.06)
C3(0.60,20.18)
G(0.69,22.08)
H(0.68,23.67)
I(0.70,24.30)
J(0.70,32.87)
K(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることを特徴とする請求項17に記載のPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A3(0.27,16.06)
C3(0.60,20.34)
L(0.60,23.03)
M(0.68,23.99)
N(0.68,31.60)
O(0.79,48.73)
P(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について300kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることを特徴とする請求項17に記載のPCF。 - 光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する7cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが3200μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A4(0.40,24.78)
K1(0.78,30.66)
L(0.78,38.29)
M(0.80,40.12)
N(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について600kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることを特徴とするPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A4(0.40,24.78)
C4(0.70,30.01)
J(0.70,32.87)
K(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について600kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることを特徴とする請求項20に記載のPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A4(0.40,24.46)
C4(0.68,29.56)
N(0.68,31.60)
O(0.79,48.73)
P(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について600kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることを特徴とする請求項20に記載のPCF。 - 光の伝搬方向に直径dの空孔が間隔Λで配列する7cell構造のPCFであって、
実効コア断面積Aeffが4800μm2以上であり、
座標(d/Λ,Λ)としたとき、
A5(0.53,32.87)
L(0.78,38.29)
M(0.80,40.12)
N(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる設計領域にある直径dと間隔Λの空孔を持ち、
波長1050nm以上の光について900kW・m以下での伝送で、
伝搬モード数が4以下を可能とすることを特徴とするPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A5(0.53,32.87)
C5(0.73,37.00)
K(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について900kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が3.3以下を可能とすることを特徴とする請求項23に記載のPCF。 - 前記空孔が、前記設計領域のうち、
A5(0.53,32.87)
C5(0.72,36.35)
O(0.79,48.73)
P(0.80,50.00)
を頂点とする多角形で囲まれる領域にあり、
波長1050nm以上の光について900kW・m以下での伝送で、
出力光の品質M2が2以下を可能とすることを特徴とする請求項23に記載のPCF。
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