JPWO2017098878A1 - フォトニック結晶ファイバ及びハイパワー光伝送システム - Google Patents
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Abstract
Description
断面において、単位面積当たりの前記空孔の面積である空孔比率はクラッドに相当する部分で外側より中心側が大きく、
全ての前記空孔の間隔がΛであり、中心側の前記空孔の直径d1が外側の前記空孔の直径dよりも大きく、Λを横軸、d1/dを縦軸としたときに、Λ、d1及びdが数C1に記載する各領域が重複する領域にあり、
曲げ半径500mm以下で基本モードの曲げ損失が1dB/kmとなることを特徴とする。
断面において、単位面積当たりの前記空孔の面積である空孔比率はクラッドに相当する部分で外側より中心側が大きく、
全ての前記空孔の直径がdであり、中心側の前記空孔の間隔Λ1が外側の前記空孔の間隔Λよりも小さく、Λを横軸、d/Λを縦軸としたときに、Λ及びdが数C2に記載する各領域が重複する領域にあり、
曲げ半径500mm以下で基本モードの曲げ損失が1dB/kmとなることを特徴とする。
断面において、単位面積当たりの前記空孔の面積である空孔比率はクラッドに相当する部分で外側より中心側が大きく、
前記空孔比率が互いに異なる層が同心円状に3層以上あり、中心に近い層ほど前記空孔比率が大きく
全ての前記空孔の直径dが等しく、最も中心に近い中心層の空孔と前記中心層に隣接する隣接層の空孔との間隔Λを横軸、縦軸をd/Λとしたときに、Λ及びdが数C3に記載する各領域が重複する領域にあり、
曲げ半径500mm以下で基本モードの曲げ損失が1dB/kmとなることを特徴とする。
断面において、単位面積当たりの前記空孔の面積である空孔比率はクラッドに相当する部分で外側より中心側が大きく、
前記空孔比率が互いに異なる層が同心円状に3層以上あり、中心に近い層ほど前記空孔比率が大きく
全ての前記空孔の直径dが等しく、最も中心に近い中心層の空孔と前記中心層に隣接する隣接層の空孔との間隔Λを横軸、縦軸をd/Λとしたときに、Λ及びdが数C4に記載する各領域が重複する領域にあり、
曲げ半径500mm以下で基本モードの曲げ損失が1dB/kmとなることを特徴とする。
前記結合部は、前記レーザ発振部からの出射光の中心軸と前記フォトニック結晶ファイバの中心軸のずれ量を、前記フォトニック結晶ファイバのモードフィールド半径に対する相対値で0.95以下とし、前記フォトニック結晶ファイバのモードフィールド半径に対する前記レーザ発振部からの光のビーム半径が0.5以上であることを特徴とする。
図1は、ハイパワー光伝送用光ファイバにおける実効的な屈折率分布の一例である。本光ファイバでは、コア領域の周囲に外部クラッド領域よりも屈折率が低い層を配することにより、コア面積の拡大とモード数の低減のトレードオフを改善し、ハイパワー光伝送において出力光の高品質化と高パワー化の両立を実現する。特に本実施形態では微細な屈折率差の制御を実現するため均一な石英ガラス中に複数の空孔を配置し、空孔の配置または大きさまたはその両方を層ごとに制御することにより、図1に示した実効的な屈折率分布を実現する。
なお一般的にPCFの曲げ損失は短波長側ほど増大することが知られており、1.07μmよりも長波長側では更に小さい曲げ損失となることは明らかである。
本実施形態のPCFは、空孔11の比率が互いに異なる層が同心円状に3層以上あり、中心に近い層ほど空孔11の比率が大きく、伝搬可能な伝搬モード数が4以下であることを特徴とする。
図16に、本発明のハイパワー光伝送用光ファイバの構造例を示す。図16の構造では、全ての空孔の直径が等しく、コア領域に隣接する空孔層から外側に向かって段階的に屈折率が高くなるよう空孔を配置している。これにより基本モードに対する曲げ損失を低減しつつ高次モードの漏洩損失を増加させ、コア面積拡大とモード数低減のトレードオフを更に改善することができる。図16では空孔間隔Λで1層目、2層目、3層目に空孔を配置し、各空孔層における空孔密度を中心に近いほど高くすることにより、前記の屈折率分布を実現する。これにより、図3に示した構造よりも少ない空孔数でコア面積拡大と伝搬モード数低減のトレードオフを更に改善でき、かつ空孔の大きさが一定であることから、製造性の難易度を低減でき好ましい。
図23は本発明のハイパワー光伝送用光ファイバの設計手順の一例を表すフローチャートである。本実施形態のフォトニック結晶ファイバ設計方法は、
フォトニック結晶ファイバを伝搬する光の波長、フォトニック結晶ファイバを伝搬した光のパワーPth、及び光がフォトニック結晶ファイバを伝搬する伝搬距離Lを決定する仕様値決定ステップと、
前記仕様値決定ステップで決定したパワーPth及び伝搬距離L、並びにラマン利得係数gRに基づいて数C5でフォトニック結晶ファイバの実効断面積Aeffを算出する実効断面積算出ステップと、
フォトニック結晶ファイバの空孔の直径dと間隔ΛからAeffを計算して横軸d/Λ、縦軸Λにプロットしたグラフに基づき、前記実効断面積算出ステップで算出したAeff以上を満たす空孔の直径dと間隔Λを検出する空孔構造検出ステップと、
基本モードがフォトニック結晶ファイバを伝搬可能な許容曲げ半径の領域を決定する曲げ半径決定ステップと、
空孔の間隔Λを横軸、中心側の空孔の直径d1と該中心側の空孔の外側に隣接する空孔の直径dとの比(d1/d)を縦軸としたグラフ、もしくは中心側の空孔の外側に隣接する空孔の間隔Λを横軸、空孔の直径dと間隔Λとの比(d/Λ)を縦軸としたグラフに、LP02モード又はLP31モードが伝搬しない非伝搬領域、前記曲げ半径決定ステップで決定した許容曲げ半径の領域、及びレーザ発振部からの光のパワーと伝搬距離Lとの積に基づく領域が重複する重複領域を検出する領域検出ステップと、
前記重複領域にある間隔Λ及び比(d1/d)もしくは間隔Λ及び比(d/Λ)をフォトニック結晶ファイバの構造に決定する構造決定ステップと、
を行う。
ステップS05では、空孔構造検出ステップS03で検出した空孔構造のPCFにおいて曲げ半径決定ステップS04で設定した許容曲げ半径におけるLP01モードの曲げ損失を算出する(例えば、LP01モードの曲げ損失が1dB/km以下の範囲であり、図8、図11又は図17の破曲線の左側領域が定まる)。ここで、図9や図12で説明した出力パワー×距離を満たす領域も設定しておく。そして空孔構造検出ステップS03で検出した空孔構造が上記領域の重複部分に含まれていることを確認する。空孔構造が上記領域の重複部分に含まれている場合(ステップS05において“Yes”)、ステップS06を行う。なお、空孔構造が上記領域の重複部分に含まれていない場合(ステップS05において“No”)、て曲げ半径決定ステップS04に戻り許容曲げ半径を大きく設定し、設計フローを進める。なお本ステップで許容曲げ半径における曲げ損失の是非を判断するために、式(1)で示した実効断面積と曲げ半径の関係を用いることができる。すなわち、設定した許容曲げ半径と実効断面積が式(1)を満たす場合フローを進め、満たさない場合ステップS04に戻り許容曲げ半径を大きく設定する。
12:石英
81:ハイパワー光伝送システム
82:被加工物
91:PCF
92:レーザ発振部
93:レンズ
94:結合部
Claims (13)
- 伝搬モード数が3以下であることを特徴とする請求項1に記載のフォトニック結晶光ファイバ。
- 90kW・mの光の伝搬で誘導ラマン散乱による出力飽和を生じないことを特徴とする請求項2に記載のフォトニック結晶光ファイバ
- 伝搬モード数が3以下であることを特徴とする請求項4に記載のフォトニック結晶光ファイバ
- 90kW・mの光の伝搬で誘導ラマン散乱による出力飽和を生じないことを特徴とする請求項5に記載のフォトニック結晶光ファイバ
- 伝搬モード数が3以下であることを特徴とする請求項7に記載のフォトニック結晶光ファイバ
- 90kW・mの光の伝搬で誘導ラマン散乱による出力飽和を生じないことを特徴とする請求項8に記載のフォトニック結晶光ファイバ
- 伝搬モード数が4以下であることを特徴とする請求項10に記載のフォトニック結晶光ファイバ
- 90kW・mの光の伝搬で誘導ラマン散乱による出力飽和を生じないことを特徴とする請求項11に記載のフォトニック結晶光ファイバ
- レーザ発振部と、
請求項1から12のいずれかに記載のフォトニック結晶ファイバと、
前記レーザ発振部からの光を前記フォトニック結晶ファイバに入射する結合部と、を備えるハイパワー光伝送システムであって、
前記結合部は、前記レーザ発振部からの出射光の中心軸と前記フォトニック結晶ファイバの中心軸のずれ量を、前記フォトニック結晶ファイバのモードフィールド半径に対する相対値で0.95以下とし、
前記フォトニック結晶ファイバのモードフィールド半径に対する前記レーザ発振部からの光のビーム半径が0.5以上であること
を特徴とするハイパワー光伝送システム。
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