WO2023139794A1 - Multicore fiber and optical transmission system - Google Patents
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Abstract
The purpose of the present invention is to provide an optical transmission system that makes it possible to perform sterilization and viral inactivation of a subject by using ultraviolet light without requiring the complete absence of humans and that makes it possible to prevent humans from touching the subject by mistake during ultraviolet irradiation, as well as a multicore fiber provided in the optical transmission system. An optical transmission system according to the present invention is provided with a multicore fiber (12) characterized in that: in a fiber cross section, the center of each peripheral core (21) lies on a circle concentric with a center core (19) and having a radius (Rcore) greater than the radius (ac) of the center core (19); the radius (ao) of the peripheral core (21) is less than the radius (ac) of the center core (19); and the refractive index of the center core (19) in relation to the wavelength of light propagated through the center core (19) differs from the refractive index of the peripheral core (21) in relation to the wavelength of light propagated through the peripheral core (21). Either ultraviolet light or visible light is introduced to the center core (19), and the other is introduced to the peripheral core (21).
Description
本開示は、紫外帯域の光(電磁波)を伝送するためのマルチコアファイバ及びそれを備える光伝送システムに関する。
The present disclosure relates to a multi-core fiber for transmitting light (electromagnetic waves) in the ultraviolet band and an optical transmission system including the same.
細菌及びウィルスを含む地球上の多くの生物において、DNAと呼ばれる遺伝情報の継承と発現を担う高分子生体物質を持つ。このDNAは260nm付近に吸収スペクトルがあるが、この波長の光を吸収するとDNAの配列に異常を生じる。260nm帯の光は紫外光である。この紫外光を細菌やウィルスに照射すると、DNAの正常な複製が抑制されるため、殺菌やウィルス不活性化が行われる。
Many organisms on earth, including bacteria and viruses, have a macromolecular biological substance called DNA that is responsible for the inheritance and expression of genetic information. This DNA has an absorption spectrum near 260 nm, and absorption of light of this wavelength causes abnormalities in the DNA arrangement. Light in the 260 nm band is ultraviolet light. When bacteria and viruses are irradiated with this ultraviolet light, the normal replication of DNA is inhibited, resulting in sterilization and virus inactivation.
紫外光による殺菌ないしウィルス不活性化の効果は、感染症予防対策の一つの手段として活用されている。例えば、非特許文献1には、エレベータボタンやドアノブなどの殺菌やウィルス不活性化による接触感染予防の方法として、紫外光を照射する自律移動型ロボットが開示される。
The effect of sterilization or virus inactivation by ultraviolet light is used as a means of preventing infectious diseases. For example, Non-Patent Document 1 discloses an autonomous mobile robot that irradiates ultraviolet light as a method for preventing contact infection by sterilizing elevator buttons and doorknobs and deactivating viruses.
紫外光は、細菌やウィルスだけでなく、人体のDNAにも影響を与える。このため、紫外光を用いて接触感染を予防する場合、人に向かって紫外光を照射しない工夫が必要である。非特許文献1に記載の紫外光照射ロボットでは、広い範囲に紫外光が照射されるため、無人となった夜間の建物内で紫外光を照射して殺菌及びウィルス不活性化を行う必要がある。このため、非特許文献1に記載の紫外光照射ロボットには、エレベータボタンやドアノブなどの対象物に人が接触した直後に殺菌及びウィルス不活性化することが困難という課題があった。
Ultraviolet light affects not only bacteria and viruses, but also the DNA of the human body. Therefore, when ultraviolet light is used to prevent contact infection, it is necessary to devise ways to avoid irradiating people with ultraviolet light. Since the ultraviolet light irradiation robot described in Non-Patent Document 1 is irradiated with ultraviolet light over a wide range, it is necessary to irradiate ultraviolet light to sterilize and inactivate viruses in an unmanned building at night. Therefore, the ultraviolet light irradiation robot described in Non-Patent Document 1 has a problem that it is difficult to sterilize and inactivate viruses immediately after a person touches an object such as an elevator button or a doorknob.
非特許文献1に記載の全方位的な紫外光照射ロボットに対して、紫外光を光ファイバで伝送し、光ファイバの先端から紫外光を出射させて対象物にピンポイントに照射とする紫外光照射システムもある。この紫外光照射システムは、完全な無人とすることなく対象物を紫外光で殺菌及びウィルス不活性化を行うことができる。しかしながら、紫外光は人の目で感知できない波長であり、人が紫外光による照射を避けた行動をとることができない。このため、光ファイバを用いた紫外光照射システムには、紫外光照射中に人が対象物を誤って触ってしまうことを回避することが困難という課題があった。
For the omnidirectional ultraviolet light irradiation robot described in Non-Patent Document 1, there is also an ultraviolet light irradiation system that transmits ultraviolet light through an optical fiber, emits the ultraviolet light from the tip of the optical fiber, and irradiates the target with a pinpoint. This UV light irradiation system is capable of sterilizing and virus inactivating objects with UV light without being completely unmanned. However, ultraviolet light has a wavelength that cannot be detected by the human eye, and people cannot avoid being exposed to ultraviolet light. For this reason, the ultraviolet light irradiation system using an optical fiber has a problem that it is difficult to prevent a person from accidentally touching an object during ultraviolet light irradiation.
そこで、本発明は、前記課題を解決するために、完全な無人とすることなく対象物を紫外光で殺菌及びウィルス不活性化を行うことができ、且つ紫外光照射中に人が対象物を誤って触ってしまうことを回避することができる光伝送システム及びそれが備えるマルチコアファイバを提供することを目的とする。
Therefore, in order to solve the above problems, the object of the present invention is to provide an optical transmission system capable of sterilizing an object with ultraviolet light and inactivating viruses without making the object completely unattended, and of avoiding a person accidentally touching the object during ultraviolet light irradiation, and a multi-core fiber provided therein.
上記目的を達成するために、本発明に係る光伝送システムは、マルチコアファイバのコアを紫外光を伝送する紫外用コアと可視光を伝送する可視用コアに分け、それぞれの照射領域直径が一致するようにコアの配置及び屈折率を調整することとした。
In order to achieve the above objectives, the optical transmission system according to the present invention divides the core of the multi-core fiber into an ultraviolet core that transmits ultraviolet light and a visible core that transmits visible light, and the arrangement and refractive index of the cores are adjusted so that the diameters of the respective irradiation areas match.
具体的には、本発明に係るマルチコアファイバは、中心コアと複数の周辺コアを備えるマルチコアファイバであって、断面において、
前記周辺コアの中心は、前記中心コアの半径ac[m]より大きい半径Rcore[m]の同心円上にあること、
前記周辺コアの半径ao[m]は、前記中心コアの半径ac[m]より小さいこと、及び
前記中心コアを伝搬する光の波長に対する前記中心コアの屈折率と前記周辺コアを伝搬する光の波長に対する前記周辺コアの屈折率とが異なること、
を特徴とする。 Specifically, the multi-core fiber according to the present invention is a multi-core fiber comprising a central core and a plurality of peripheral cores, the cross-section comprising:
the center of the peripheral core is on a concentric circle with a radius R core [m] greater than the radius ac [m] of the central core;
the radius ao [m] of the peripheral core is smaller than the radius ac [m] of the central core;
characterized by
前記周辺コアの中心は、前記中心コアの半径ac[m]より大きい半径Rcore[m]の同心円上にあること、
前記周辺コアの半径ao[m]は、前記中心コアの半径ac[m]より小さいこと、及び
前記中心コアを伝搬する光の波長に対する前記中心コアの屈折率と前記周辺コアを伝搬する光の波長に対する前記周辺コアの屈折率とが異なること、
を特徴とする。 Specifically, the multi-core fiber according to the present invention is a multi-core fiber comprising a central core and a plurality of peripheral cores, the cross-section comprising:
the center of the peripheral core is on a concentric circle with a radius R core [m] greater than the radius ac [m] of the central core;
the radius ao [m] of the peripheral core is smaller than the radius ac [m] of the central core;
characterized by
マルチコアファイバの先端から出射した紫外光と可視光は、同じ領域を照射する。このため、人は紫外光が照射されている領域を視認することができる。本マルチコアファイバを使用すれば、完全な無人とすることなく対象物を紫外光で殺菌及びウィルス不活性化を行うことができ、且つ紫外光照射中に人が対象物を誤って触ってしまうことを回避することができる。
The ultraviolet light and visible light emitted from the tip of the multi-core fiber irradiate the same area. Therefore, a person can visually recognize the region irradiated with the ultraviolet light. By using this multi-core fiber, it is possible to perform sterilization and virus inactivation on an object with ultraviolet light without leaving the object completely unmanned, and it is possible to avoid accidental touching of the object by a person during irradiation with ultraviolet light.
具体的には、次のように設計する。
本発明に係るマルチコアファイバは、光軸方向に一端からL[m]離れた、前記光軸に垂直な面において、前記中心コアから出射する紫外光のビーム径Duv[m]と、全ての前記周辺コアから出射する可視光のビームを内包する最小の外接円の半径Dvis[m]との関係が
Duv≦Dvis
であることを特徴とする。
ただし、
ncore_uvは前記紫外光の帯域における前記中心コアの屈折率、
nclad_uvは前記紫外光の帯域におけるクラッドの屈折率、
ncore_visは前記可視光の帯域における前記周辺コアの屈折率、及び
nclad_visは前記可視光の帯域における前記クラッドの屈折率である。 Specifically, it is designed as follows.
In the multi-core fiber according to the present invention, the relationship between the diameter D uv [m] of the ultraviolet light emitted from the central core and the radius D vis [m] of the minimum circumscribed circle enclosing the beams of visible light emitted from all the peripheral cores is D uv ≦D vis on a plane perpendicular to the optical axis, which is L [m] away from one end in the optical axis direction.
It is characterized by
however,
n core_uv is the refractive index of the central core in the ultraviolet band;
n clad_uv is the refractive index of the clad in the ultraviolet band;
n core_vis is the refractive index of the peripheral core in the visible band, and n clad_vis is the refractive index of the cladding in the visible band.
本発明に係るマルチコアファイバは、光軸方向に一端からL[m]離れた、前記光軸に垂直な面において、前記中心コアから出射する紫外光のビーム径Duv[m]と、全ての前記周辺コアから出射する可視光のビームを内包する最小の外接円の半径Dvis[m]との関係が
Duv≦Dvis
であることを特徴とする。
ただし、
nclad_uvは前記紫外光の帯域におけるクラッドの屈折率、
ncore_visは前記可視光の帯域における前記周辺コアの屈折率、及び
nclad_visは前記可視光の帯域における前記クラッドの屈折率である。 Specifically, it is designed as follows.
In the multi-core fiber according to the present invention, the relationship between the diameter D uv [m] of the ultraviolet light emitted from the central core and the radius D vis [m] of the minimum circumscribed circle enclosing the beams of visible light emitted from all the peripheral cores is D uv ≦D vis on a plane perpendicular to the optical axis, which is L [m] away from one end in the optical axis direction.
It is characterized by
however,
n clad_uv is the refractive index of the clad in the ultraviolet band;
n core_vis is the refractive index of the peripheral core in the visible band, and n clad_vis is the refractive index of the cladding in the visible band.
本発明に係るマルチコアファイバは、光軸方向に一端からL[m]離れた、前記光軸に垂直な面において、前記中心コアから出射する可視光のビーム径Dvis[m]と、全ての前記周辺コアから出射する紫外光のビームを内包する最小の外接円の半径Duv[m]との関係が
Duv≦Dvis
であることを特徴とする。
ただし、
ncore_uvは前記紫外光の帯域における前記周辺コアの屈折率、
nclad_uvは前記紫外光の帯域におけるクラッドの屈折率、
ncore_visは前記可視光の帯域における前記中心コアの屈折率、及び
nclad_visは前記可視光の帯域における前記クラッドの屈折率である。 In the multi-core fiber according to the present invention, in a plane perpendicular to the optical axis, which is L [m] away from one end in the optical axis direction, the relationship between the beam diameter D vis [m] of the visible light emitted from the central core and the radius D uv [m] of the minimum circumscribed circle enclosing the beams of ultraviolet light emitted from all the peripheral cores is D uv ≤ D vis .
It is characterized by
however,
n core_uv is the refractive index of the peripheral core in the ultraviolet band;
n clad_uv is the refractive index of the clad in the ultraviolet band;
n core_vis is the refractive index of the central core in the visible band, and n clad_vis is the refractive index of the cladding in the visible band.
Duv≦Dvis
であることを特徴とする。
ただし、
nclad_uvは前記紫外光の帯域におけるクラッドの屈折率、
ncore_visは前記可視光の帯域における前記中心コアの屈折率、及び
nclad_visは前記可視光の帯域における前記クラッドの屈折率である。 In the multi-core fiber according to the present invention, in a plane perpendicular to the optical axis, which is L [m] away from one end in the optical axis direction, the relationship between the beam diameter D vis [m] of the visible light emitted from the central core and the radius D uv [m] of the minimum circumscribed circle enclosing the beams of ultraviolet light emitted from all the peripheral cores is D uv ≤ D vis .
It is characterized by
however,
n clad_uv is the refractive index of the clad in the ultraviolet band;
n core_vis is the refractive index of the central core in the visible band, and n clad_vis is the refractive index of the cladding in the visible band.
本発明に係るマルチコアファイバは、石英ファイバであって、前記中心コアと前記周辺コアにドープされるゲルマニウムのドープ量が異なることを特徴とすることを特徴とする。ゲルマニウムのドープ量でコアの屈折率を調整することができる。
A multi-core fiber according to the present invention is a quartz fiber, characterized in that the central core and the peripheral core are doped with different amounts of germanium. The refractive index of the core can be adjusted by the doping amount of germanium.
本発明に係る伝送システムは、中心コアと複数の周辺コアを備えるマルチコアファイバと、紫外光と可視光のいずれか一方を前記中心コアに入射し、他方を前記周辺コアに入射する光入射部と、を備える。ここで、前記マルチコアファイバを、前述のマルチコアファイバとすれば、マルチコアファイバの先端から出射した紫外光と可視光は、同じ領域を照射する。このため、人は紫外光が照射されている領域を視認することができる。
A transmission system according to the present invention includes a multi-core fiber having a central core and a plurality of peripheral cores, and a light incidence section for injecting one of ultraviolet light and visible light into the central core and the other into the peripheral core. Here, if the multi-core fiber is the multi-core fiber described above, the ultraviolet light and visible light emitted from the tip of the multi-core fiber irradiate the same region. Therefore, a person can visually recognize the region irradiated with the ultraviolet light.
従って、本発明は、完全な無人とすることなく対象物を紫外光で殺菌及びウィルス不活性化を行うことができ、且つ紫外光照射中に人が対象物を誤って触ってしまうことを回避することができる光伝送システムを提供することができる。
Therefore, the present invention can provide an optical transmission system that can sterilize an object with ultraviolet light and inactivate viruses without being completely unmanned, and that can prevent a person from accidentally touching the object while it is being irradiated with ultraviolet light.
本発明は、完全な無人とすることなく対象物を紫外光で殺菌及びウィルス不活性化を行うことができ、且つ紫外光照射中に人が対象物を誤って触ってしまうことを回避することができる光伝送システム及びそれが備えるマルチコアファイバを提供することができる。
The present invention can provide an optical transmission system capable of sterilizing an object with ultraviolet light and deactivating viruses without making the object completely unattended, and preventing a person from accidentally touching the object while the object is being irradiated with ultraviolet light, and a multi-core fiber provided therein.
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In addition, in this specification and the drawings, constituent elements having the same reference numerals are the same as each other.
図1は、本実施形態の紫外光伝送システム301を説明するブロック図である。紫外光伝送システムは、中心コアと複数の周辺コアを備えるマルチコアファイバ12と、紫外光と可視光のいずれか一方を前記中心コアに入射し、他方を前記周辺コアに入射する光入射部17と、を備える。
FIG. 1 is a block diagram illustrating the ultraviolet light transmission system 301 of this embodiment. The ultraviolet light transmission system includes a multi-core fiber 12 having a central core and a plurality of peripheral cores, and a light incidence section 17 for injecting one of ultraviolet light and visible light into the central core and the other into the peripheral core.
光入射部17は、紫外帯域と可視帯域を含む光を発生する光源10と、光源10の出力を制御する制御装置15と、光源10から発生した光を伝送するマルチコアファイバ12に結合する光結合部11と、を備える。マルチコアファイバ12の出射端12-2から出射した出射光13は照射対象物14に照射される。紫外光伝送システム301は、可視光によって照射領域を人に認識させつつ殺菌またはウィルス不活化を実施できる。
The light input unit 17 includes a light source 10 that generates light including the ultraviolet band and the visible band, a control device 15 that controls the output of the light source 10, and an optical coupling unit 11 that couples the light generated from the light source 10 to the multi-core fiber 12 that transmits the light. The emitted light 13 emitted from the emitting end 12-2 of the multi-core fiber 12 is applied to the irradiation object . The ultraviolet light transmission system 301 can carry out sterilization or virus inactivation while allowing humans to recognize the irradiated area with visible light.
ここで、紫外光伝送システム301は、制御装置15を遠隔で操作する遠隔操作装置16を備えてもよい。また、紫外光伝送システム301は、センサなどと組み合わせ、照射対象物14近傍に人がいる場合には光源10から光を出射しない安全装置(不図示)を備えてもよい。
Here, the ultraviolet light transmission system 301 may include a remote control device 16 that remotely controls the control device 15 . Further, the ultraviolet light transmission system 301 may be combined with a sensor or the like and provided with a safety device (not shown) that does not emit light from the light source 10 when there is a person near the irradiation object 14 .
図2は、一般的な光ファイバ50の一端54から出射する光の状態を説明する模式図である。当該光の一端54からの距離L[m]における照射領域の直径Dは式(1)で表すことができる。
[数1]
D=2Ltanθmax+2a (1)
ここで、θmax[°]、及びa[m]は、それぞれ光ファイバ50から出射することができる最大の出射角、及びコア半径である。また、開口数NAはθmaxを用いて式(2)で表すことができる。
ここで、n、ncore、並びにncladはそれぞれファイバ外周の媒体の屈折率、ファイバコアの屈折率、並びにクラッドの屈折率であり、ファイバ外周が空気の場合はn=1である。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the state of light emitted from one end 54 of a general optical fiber 50. As shown in FIG. The diameter D of the irradiation area at the distance L [m] from the one end 54 of the light can be expressed by Equation (1).
[Number 1]
D=2L tan θ max +2a (1)
Here, θmax[°] and a[m] are the maximum output angle and core radius that can be output from theoptical fiber 50, respectively. Also, the numerical aperture NA can be expressed by Equation (2) using θmax.
where n, n core , and n clad are the refractive indices of the medium, fiber core, and cladding around the fiber circumference, respectively, and n=1 when the fiber circumference is air.
[数1]
D=2Ltanθmax+2a (1)
ここで、θmax[°]、及びa[m]は、それぞれ光ファイバ50から出射することができる最大の出射角、及びコア半径である。また、開口数NAはθmaxを用いて式(2)で表すことができる。
[Number 1]
D=2L tan θ max +2a (1)
Here, θmax[°] and a[m] are the maximum output angle and core radius that can be output from the
したがって、照射領域の直径D[m]は、L、ncore、nclad、並びにa[m]を用いて式(3)で表すことができる。
Therefore, the diameter D[m] of the irradiated area can be expressed by Equation (3) using L, n core , n clad and a[m].
人が紫外光の照射領域を確認可能とするためには、式(4)に示すように、紫外帯域における照射領域の直径Duv[m]が可視帯域における照射領域の直径Dvis[m]と等しいまたはそれ以下となる必要がある。すなわち、式(3)と(4)を考慮し、紫外帯域におけるコアとクラッドの屈折率と可視帯域におけるコアとクラッドの屈折率は異なるので、コアとクラッドの屈折率を調整して式(4)を満たす必要がある。
[数4]
Duv≦Dvis (4) In order for a person to be able to confirm the irradiation region of ultraviolet light, as shown in formula (4), the diameter D uv [m] of the irradiation region in the ultraviolet band must be equal to or less than the diameter D vis [m] of the irradiation region in the visible band. That is, considering equations (3) and (4), since the refractive index of the core and clad in the ultraviolet band and the refractive index of the core and clad in the visible band are different, it is necessary to adjust the refractive index of the core and clad to satisfy equation (4).
[Number 4]
D uv ≦D vis (4)
[数4]
Duv≦Dvis (4) In order for a person to be able to confirm the irradiation region of ultraviolet light, as shown in formula (4), the diameter D uv [m] of the irradiation region in the ultraviolet band must be equal to or less than the diameter D vis [m] of the irradiation region in the visible band. That is, considering equations (3) and (4), since the refractive index of the core and clad in the ultraviolet band and the refractive index of the core and clad in the visible band are different, it is necessary to adjust the refractive index of the core and clad to satisfy equation (4).
[Number 4]
D uv ≦D vis (4)
(実施例1)
図3は、マルチコアファイバ12の断面を説明する模式図である。マルチコアファイバ12は、中心コア19と複数の周辺コア21を備えるマルチコアファイバであって、断面において、
周辺コア21の中心は、中心コア19の半径ac[m]より大きい半径Rcore[m]の同心円上にあること、
周辺コア21の半径ao[m]は、中心コア19の半径ac[m]より小さいこと、及び
中心コア19を伝搬する光の波長に対する中心コア19の屈折率と周辺コア21を伝搬する光の波長に対する周辺コア21の屈折率とが異なること、
を特徴とする。
それぞれのコアの周囲はクラッド20である。 (Example 1)
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a cross section of themulticore fiber 12. FIG. The multicore fiber 12 is a multicore fiber comprising a central core 19 and a plurality of peripheral cores 21, and in cross section:
the center of theperipheral core 21 is on a concentric circle with a radius R core [m] larger than the radius ac [m] of the central core 19;
the radius ao [m] of theperipheral core 21 is smaller than the radius ac [m] of the central core 19;
characterized by
Surrounding each core is acladding 20 .
図3は、マルチコアファイバ12の断面を説明する模式図である。マルチコアファイバ12は、中心コア19と複数の周辺コア21を備えるマルチコアファイバであって、断面において、
周辺コア21の中心は、中心コア19の半径ac[m]より大きい半径Rcore[m]の同心円上にあること、
周辺コア21の半径ao[m]は、中心コア19の半径ac[m]より小さいこと、及び
中心コア19を伝搬する光の波長に対する中心コア19の屈折率と周辺コア21を伝搬する光の波長に対する周辺コア21の屈折率とが異なること、
を特徴とする。
それぞれのコアの周囲はクラッド20である。 (Example 1)
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a cross section of the
the center of the
the radius ao [m] of the
characterized by
Surrounding each core is a
本実施例では、中心コア19に紫外光を伝搬させ、周辺コア21に可視光を伝搬させる例を説明する。以下で説明する屈折率及び半径の条件を満たせば、中心コア19に可視光を伝搬させ、周辺コア21に紫外光を伝搬させてもよい。
図3に示すように周辺コア21のコア中心が光ファイバ12の中心に対してコア配置半径Rcoreの円の円周上に配置されていることを特徴とする。図3では8心の周辺コア21がコア配置半径Rcore上に均等に配置された例を挙げているが、中心コア19と周辺コア21がクラッド20を介して配置されていればよく、コア数及び配置間隔はこれに限らない。 In this embodiment, an example in which ultraviolet light is propagated through thecentral core 19 and visible light is propagated through the peripheral core 21 will be described. Visible light may be propagated through the central core 19 and ultraviolet light may be propagated through the peripheral core 21 provided that the refractive index and radius conditions described below are satisfied.
As shown in FIG. 3, the core center of theperipheral core 21 is arranged on the circumference of a circle having a core arrangement radius R core with respect to the center of the optical fiber 12 . FIG. 3 shows an example in which the eight peripheral cores 21 are evenly arranged on the core arrangement radius R core , but the central core 19 and the peripheral cores 21 may be arranged with the clad 20 interposed therebetween, and the number of cores and the arrangement interval are not limited to this.
図3に示すように周辺コア21のコア中心が光ファイバ12の中心に対してコア配置半径Rcoreの円の円周上に配置されていることを特徴とする。図3では8心の周辺コア21がコア配置半径Rcore上に均等に配置された例を挙げているが、中心コア19と周辺コア21がクラッド20を介して配置されていればよく、コア数及び配置間隔はこれに限らない。 In this embodiment, an example in which ultraviolet light is propagated through the
As shown in FIG. 3, the core center of the
前記中心コア19及び前記周辺コア21は、それぞれクラッド20よりも屈折率が高く、屈折率差による光の閉じ込め効果によって光が伝送する。例えば、純石英によってクラッドを形成し、純石英にゲルマニウムをドープすることでクラッドよりも屈折率の高いコアを形成することができる。また、図4に示すように各コアを囲むように複数の空孔22を配置しても良い。
The central core 19 and the peripheral core 21 each have a higher refractive index than the clad 20, and light is transmitted by the light confinement effect due to the refractive index difference. For example, it is possible to form a core with a higher refractive index than the clad by forming a clad with pure silica and doping the pure silica with germanium. Also, as shown in FIG. 4, a plurality of holes 22 may be arranged so as to surround each core.
図5は、光源10からの光をマルチコアファイバ12の入力端12-1に結合する光結合部11の形態の一例を説明する図である。光源10から出射した紫外帯域と可視帯域を含む光23は、ビームスプリッタ24で透過光30と反射光31に分けられる。透過光30は紫外帯域のみを透過する波長フィルタ26によって紫外帯域のみの光28となりレンズ32で中心コア19に結合される。一方、反射光31は反射板25でさらに反射された後に可視帯域のみを透過する波長フィルタ27によって可視帯域のみの光29となりレンズ33で周辺コア21に結合される。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the form of the optical coupling section 11 that couples the light from the light source 10 to the input end 12-1 of the multicore fiber 12. FIG. Light 23 including the ultraviolet band and the visible band emitted from the light source 10 is split into transmitted light 30 and reflected light 31 by the beam splitter 24 . The transmitted light 30 becomes light 28 of only the ultraviolet band by a wavelength filter 26 that transmits only the ultraviolet band, and is coupled to the central core 19 by the lens 32 . On the other hand, the reflected light 31 is further reflected by the reflector 25 , becomes light 29 only in the visible band by the wavelength filter 27 that transmits only the visible band, and is coupled to the peripheral core 21 by the lens 33 .
レンズ32及びレンズ33は紫外帯域のみの光28及び可視帯域のみの光29をそれぞれ中心コア19及び周辺コア21に結合するように集光レンズや拡散レンズを組み合わせることが可能である。
The lenses 32 and 33 can be combined with condensing lenses and diffusing lenses to couple the ultraviolet band-only light 28 and the visible band-only light 29 into the central core 19 and the peripheral core 21, respectively.
ここで、透過光を可視帯域のみを透過する波長フィルタによって可視帯域のみの光として中心コア19に結合しても良い。この場合、反射光を紫外帯域のみを透過する波長フィルタによって紫外帯域のみの光として周辺コア21に結合される。
Here, the transmitted light may be coupled to the central core 19 as light of only the visible band by a wavelength filter that transmits only the visible band. In this case, the reflected light is coupled to the peripheral core 21 as light only in the ultraviolet band by a wavelength filter that transmits only the ultraviolet band.
また、前記ビームスプリッタ24をダイクロイックミラーで構成することにより、透過光30と反射光31をそれぞれ紫外帯域のみの光28及び可視帯域のみの光30に分けることも可能である。この場合、紫外帯域のみを透過するフィルタ26及び可視帯域のみを透過するフィルタ27は不要となる。
Further, by configuring the beam splitter 24 with a dichroic mirror, it is possible to split the transmitted light 30 and the reflected light 31 into light 28 only in the ultraviolet band and light 30 only in the visible band, respectively. In this case, the filter 26 that transmits only the ultraviolet band and the filter 27 that transmits only the visible band are unnecessary.
また、図6に示すように光源10が紫外帯域のみを出射する光源34と可視帯域のみを出射する光源35からなる構成とし、紫外帯域のみの光28をレンズ32で中心コア19に、可視帯域のみの光29をレンズ33で周辺コア21に、それぞれ結合することとしても良い。
Alternatively, as shown in FIG. 6, the light source 10 may be configured with a light source 34 that emits only the ultraviolet band and a light source 35 that emits only the visible band, and the light 28 only in the ultraviolet band may be coupled to the central core 19 by the lens 32, and the light 29 only in the visible band may be coupled to the peripheral core 21 by the lens 33.
図7は、マルチコアファイバ12の出射端12-2近傍を側面から表した模式図である。中心コア19からの紫外帯域における照射領域の直径Duvは、式(5)で表すことができる。
ここで、ncore_uv、並びにnclad_uvはそれぞれ紫外帯域の中心コア19の屈折率、並びにクラッド20の屈折率である。また、acは中心コア19のコア半径である。
FIG. 7 is a schematic side view of the vicinity of the output end 12-2 of the multi-core fiber 12. As shown in FIG. The diameter D uv of the irradiation region in the ultraviolet band from the central core 19 can be expressed by Equation (5).
where n core_uv and n clad_uv are the refractive indices of the central core 19 and the clad 20 in the ultraviolet band, respectively. Also, ac is the core radius of the central core 19 .
一方、全ての周辺コア21からの可視帯域における照射領域(それぞれの周辺コア21からの可視光が照射する範囲を内包する最小の円)の直径Dvisは、式(6)で表すことができる。
ここで、ncore_vis、並びにnclad_visはそれぞれ可視帯域の周辺コア21の屈折率、並びにクラッド20の屈折率である。また、ao、並びにRcoreは、それぞれ周辺コア21のコア半径、並びに周辺コア21のコア配置半径である。
On the other hand, the diameter D vis of the irradiation area in the visible band from all the peripheral cores 21 (minimum circle enclosing the range irradiated by the visible light from each peripheral core 21) can be expressed by Equation (6).
where n core_vis and n clad_vis are the refractive indices of the peripheral core 21 and cladding 20 in the visible band, respectively. Also, a o and R core are the core radius of the peripheral core 21 and the core placement radius of the peripheral core 21 , respectively.
図8は、ゲルマニウムをドープした石英ファイバにおいて、紫外帯域の光における中心コアの屈折率ncore_uvと照射領域の直径Duv[m]との関係を説明する図である(紫外光の波長λuvは266nm)。ここで、ファイバ出射端12-2からの距離L、並びに中心コア19のコア半径acはそれぞれ10cm(1×10-1[m])、並びに100μm(1×10-4[m])とした。
FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the refractive index n core_uv of the central core and the diameter D uv [m] of the irradiation region for light in the ultraviolet band in a germanium-doped silica fiber (the wavelength λuv of ultraviolet light is 266 nm). Here, the distance L from the fiber output end 12-2 and the core radius a c of the central core 19 were set to 10 cm (1×10 −1 [m]) and 100 μm (1×10 −4 [m]), respectively.
図8より、中心コア19の屈折率ncore_uvが1.505~1.525の範囲において、紫外光の照射領域の直径Duvを2.5~6[cm](2、5~6×10-1[m])の範囲で変化可能である。例えば、中心コア19の屈折率ncore_uvが1.525のとき、照射領域の直径Duvは5.4cm(5.4×10-1[m])となる。
From FIG. 8, the diameter D uv of the ultraviolet light irradiation region can be changed in the range of 2.5 to 6 [cm] (2, 5 to 6×10 −1 [m]) when the refractive index n core_uv of the central core 19 is in the range of 1.505 to 1.525. For example, when the refractive index n core_uv of the central core 19 is 1.525, the diameter Duv of the irradiation area is 5.4 cm (5.4×10 −1 [m]).
なお、図9のように、石英ファイバでは、ゲルマニウムのドープ量を増減することにより、屈折率を変化させることが可能である。屈折率ncore_uvが1.505~1.525の光ファイバコアは、2.2~11.2mоl%のゲルマニウムドープ量によって実現できる。上述の屈折率ncore_uv=1.525は、11.2mоl%のゲルマニウムドープ量で実現できる。
As shown in FIG. 9, it is possible to change the refractive index of the silica fiber by increasing or decreasing the doping amount of germanium. An optical fiber core with a refractive index n core_uv of 1.505-1.525 can be achieved with a germanium doping amount of 2.2-11.2 mol %. The refractive index n core — uv =1.525 mentioned above can be achieved with a germanium doping amount of 11.2 mol %.
図10は、可視帯域における照射領域の直径Dvisが3.3、4.1、4.8、5.4cm(3.3×10-1、4.1×10-1、4.8×10-1、5.4×10-1[m])のそれぞれにおいて、可視光の波長λvisと可視帯域の光における周辺コアの屈折率ncore_visとの関係を説明する図である(可視光の波長λvisの範囲は400~600nm)。ここで、周辺コア21のコア半径ao、並びにコア配置半径Rcoreはそれぞれ5μm(5×10-6[m])、並びに115μm(1.15×10-4[m])とした。
FIG. 10 is a diagram for explaining the relationship between the wavelength λvis of visible light and the refractive index n core_vis of the peripheral core for light in the visible band when the diameter D vis of the irradiation region in the visible band is 3.3, 4.1, 4.8, and 5.4 cm (3.3×10 −1 , 4.1×10 −1 , 4.8×10 −1 , 5.4×10 −1 [m]) (wavelength λv of visible light The range of is is from 400 to 600 nm). Here, the core radius a o of the peripheral core 21 and the core arrangement radius R core were set to 5 μm (5×10 −6 [m]) and 115 μm (1.15×10 −4 [m]), respectively.
図10より、目視に使用する可視帯域の光の波長λvisに応じた周辺コア21の屈折率ncore_visを用いることで、式(4)を実現することが可能であることがわかる。具体的には、波長λvisが400~600nmの可視帯域の光を使う場合、可視帯域のファイバコアの屈折率ncore_visを1.467~1.492に調整することで、直径Dvisが3.3~5.4cmである照射領域を実現することができる。
From FIG. 10, it can be seen that the formula (4) can be realized by using the refractive index n core_vis of the peripheral core 21 corresponding to the wavelength λvis of light in the visible band used for visual observation. Specifically, when using light in the visible band with a wavelength λvis of 400 to 600 nm, an irradiation area with a diameter Dvis of 3.3 to 5.4 cm can be realized by adjusting the refractive index n core_vis of the fiber core in the visible band to 1.467 to 1.492.
例えば、紫外帯域における照射領域の直径Duvが5.4cmの時、400nmの可視帯域の光の波長λvisを用いて紫外光照射領域を目視するためには、可視帯域における照射領域の直径Dvisも5.4cmとする必要がある。この直径Dvisは、可視帯域のファイバコアの屈折率ncore_visを1.479にすることで実現可能である。
For example, when the diameter D uv of the irradiation region in the ultraviolet band is 5.4 cm, the diameter D vis of the irradiation region in the visible band must also be 5.4 cm in order to visually observe the ultraviolet light irradiation region using the wavelength λvis of light in the visible band of 400 nm. This diameter D vis can be achieved by setting the refractive index n core_vis of the fiber core in the visible band to 1.479.
図11は、屈折率ncore_visとゲルマニウムドープ量との関係を説明する図である。1.467~1.492の可視帯域における周辺コア21の屈折率ncore_visは、5.1~14.4mоl%のゲルマニウムドープ量によって実現できる。上述の屈折率ncore_vis=1.479は、13.8mоl%のゲルマニウムドープ量で実現できる。
FIG. 11 is a diagram for explaining the relationship between the refractive index n core_vis and the amount of germanium doping. The refractive index n core_vis of the peripheral core 21 in the visible band from 1.467 to 1.492 can be achieved with a germanium doping amount of 5.1 to 14.4 mol %. The refractive index n core — vis =1.479 mentioned above can be achieved with a germanium doping amount of 13.8 mol %.
すなわち、マルチコアファイバ12は、石英ファイバであって、中心コア19と周辺コア21にドープされるゲルマニウムのドープ量が異なることを特徴とする。
That is, the multi-core fiber 12 is a silica fiber, and is characterized in that the central core 19 and the peripheral core 21 are doped with different amounts of germanium.
(実施例2)
本実施例は、図3で説明したマルチコアファイバ12を用い、可視光を中心コア19で伝送し、紫外光を周辺コア21で伝送する紫外光伝送システムを説明する。本例のシステムで式(4)を満たすためには、次式を満たす必要がある。
ここで、ncore_uvは紫外帯域における周辺コア21の屈折率、nclad_uvは紫外帯域におけるクラッド20の屈折率、ncore_visは可視帯域における中心コア19の屈折率、及びnclad_visは可視帯域におけるクラッド20の屈折率である。
(Example 2)
This embodiment describes an ultraviolet light transmission system that uses themulticore fiber 12 described with reference to FIG. 3, transmits visible light through the central core 19, and transmits ultraviolet light through the peripheral core 21. In order to satisfy the expression (4) in the system of this example, the following expression must be satisfied.
where n core_uv is the refractive index of the peripheral core 21 in the ultraviolet band, n clad_uv is the refractive index of the clad 20 in the ultraviolet band, n core_vis is the refractive index of the central core 19 in the visible band, and n clad_vis is the refractive index of the clad 20 in the visible band.
本実施例は、図3で説明したマルチコアファイバ12を用い、可視光を中心コア19で伝送し、紫外光を周辺コア21で伝送する紫外光伝送システムを説明する。本例のシステムで式(4)を満たすためには、次式を満たす必要がある。
This embodiment describes an ultraviolet light transmission system that uses the
本例も、図8から図11で説明したように、各コアの屈折率をゲルマニウムのドープ量で調整することで実現可能である。
This example can also be realized by adjusting the refractive index of each core with the doping amount of germanium, as described with reference to FIGS.
(効果)
本光伝送システムは、光ファイバの中心に紫外光を伝送するコアを配置し、その中心コアの外周に可視光を伝送するコアを配置して紫外光と可視光を一緒に伝送することとしている。このため、本光伝送システムは、紫外光による殺菌及びウィルス不活性化による接触感染を予防する際、人が紫外光照射領域を可視光によって目視することが可能なため、人体への誤った照射を防止し、安全な感染予防を実現できる。 (effect)
In this optical transmission system, a core that transmits ultraviolet light is arranged at the center of an optical fiber, and a core that transmits visible light is arranged around the central core to transmit both ultraviolet light and visible light. Therefore, when preventing contact infection due to sterilization and virus inactivation by ultraviolet light, this optical transmission system can prevent erroneous irradiation of the human body and realize safe infection prevention because the person can see the ultraviolet light irradiation area with visible light.
本光伝送システムは、光ファイバの中心に紫外光を伝送するコアを配置し、その中心コアの外周に可視光を伝送するコアを配置して紫外光と可視光を一緒に伝送することとしている。このため、本光伝送システムは、紫外光による殺菌及びウィルス不活性化による接触感染を予防する際、人が紫外光照射領域を可視光によって目視することが可能なため、人体への誤った照射を防止し、安全な感染予防を実現できる。 (effect)
In this optical transmission system, a core that transmits ultraviolet light is arranged at the center of an optical fiber, and a core that transmits visible light is arranged around the central core to transmit both ultraviolet light and visible light. Therefore, when preventing contact infection due to sterilization and virus inactivation by ultraviolet light, this optical transmission system can prevent erroneous irradiation of the human body and realize safe infection prevention because the person can see the ultraviolet light irradiation area with visible light.
本開示に係る紫外光伝送システムは、感染予防対策に適用することができる。
The ultraviolet light transmission system according to the present disclosure can be applied to infection prevention measures.
10:光源
11:光結合部
12:マルチコアファイバ
12-1:入力端
12-2:出射端
13:出射光
14:照射対象物
15:制御装置
16:遠隔装置
17:光入射部
19:中心コア
20:クラッド
21:周辺コア
22:空孔
23:紫外帯域と可視帯域を含む光
24:ビームスプリッタ
25:反射板
26:紫外帯域のみを透過する波長フィルタ
27:可視帯域のみを透過する波長フィルタ
28:紫外帯域のみの光
29:可視帯域のみの光
30:透過光
31:反射光
32:レンズ
33:レンズ
34:紫外帯域のみを出射する光源
35:可視帯域のみを出射する光源
50:光ファイバ
51:コア
52:クラッド
54:一端
301:紫外光伝送システム 10: Light source 11: Optical coupler 12: Multi-core fiber 12-1: Input end 12-2: Output end 13: Output light 14: Irradiation target 15: Control device 16: Remote device 17: Light input unit 19: Central core 20: Cladding 21: Peripheral core 22: Hole 23: Light including ultraviolet band and visible band 24: Beam splitter 25: Reflector 26:Wavelength filter 27 that transmits only ultraviolet band: Only visible band Wavelength filter 28 for transmitting: light only in the ultraviolet band 29: light only in the visible band 30: transmitted light 31: reflected light 32: lens 33: lens 34: light source that emits only the ultraviolet band 35: light source that emits only the visible band 50: optical fiber 51: core 52: cladding 54: one end 301: ultraviolet light transmission system
11:光結合部
12:マルチコアファイバ
12-1:入力端
12-2:出射端
13:出射光
14:照射対象物
15:制御装置
16:遠隔装置
17:光入射部
19:中心コア
20:クラッド
21:周辺コア
22:空孔
23:紫外帯域と可視帯域を含む光
24:ビームスプリッタ
25:反射板
26:紫外帯域のみを透過する波長フィルタ
27:可視帯域のみを透過する波長フィルタ
28:紫外帯域のみの光
29:可視帯域のみの光
30:透過光
31:反射光
32:レンズ
33:レンズ
34:紫外帯域のみを出射する光源
35:可視帯域のみを出射する光源
50:光ファイバ
51:コア
52:クラッド
54:一端
301:紫外光伝送システム 10: Light source 11: Optical coupler 12: Multi-core fiber 12-1: Input end 12-2: Output end 13: Output light 14: Irradiation target 15: Control device 16: Remote device 17: Light input unit 19: Central core 20: Cladding 21: Peripheral core 22: Hole 23: Light including ultraviolet band and visible band 24: Beam splitter 25: Reflector 26:
Claims (6)
- 中心コアと複数の周辺コアを備えるマルチコアファイバであって、
断面において、
前記周辺コアの中心は、前記中心コアの半径ac[m]より大きい半径Rcore[m]の同心円上にあること、
前記周辺コアの半径ao[m]は、前記中心コアの半径ac[m]より小さいこと、及び
前記中心コアを伝搬する光の波長に対する前記中心コアの屈折率と前記周辺コアを伝搬する光の波長に対する前記周辺コアの屈折率とが異なること、
を特徴とするマルチコアファイバ。 A multicore fiber comprising a central core and a plurality of peripheral cores,
In cross section,
the center of the peripheral core is on a concentric circle with a radius R core [m] greater than the radius ac [m] of the central core;
the radius ao [m] of the peripheral core is smaller than the radius ac [m] of the central core;
A multicore fiber characterized by: - 光軸方向に一端からL[m]離れた、前記光軸に垂直な面において、前記中心コアから出射する紫外光のビーム径Duv[m]と、全ての前記周辺コアから出射する可視光のビームを内包する最小の外接円の半径Dvis[m]との関係が
Duv≦Dvis
であることを特徴とする請求項1に記載のマルチコアファイバ。
ただし、
nclad_uvは前記紫外光の帯域におけるクラッドの屈折率、
ncore_visは前記可視光の帯域における前記周辺コアの屈折率、及び
nclad_visは前記可視光の帯域における前記クラッドの屈折率である。 In a plane perpendicular to the optical axis, which is L [m] away from one end in the optical axis direction, the relationship between the diameter D uv [m] of the ultraviolet light emitted from the central core and the radius D vis [m] of the minimum circumscribed circle containing the beams of visible light emitted from all the peripheral cores is D uv ≦D vis
The multicore fiber according to claim 1, characterized in that:
however,
n clad_uv is the refractive index of the clad in the ultraviolet band;
n core_vis is the refractive index of the peripheral core in the visible band, and n clad_vis is the refractive index of the cladding in the visible band. - 光軸方向に一端からL[m]離れた、前記光軸に垂直な面において、前記中心コアから出射する可視光のビーム径Dvis[m]と、全ての前記周辺コアから出射する紫外光のビームを内包する最小の外接円の半径Duv[m]との関係が
Duv≦Dvis
であることを特徴とする請求項1に記載のマルチコアファイバ。
ただし、
nclad_uvは前記紫外光の帯域におけるクラッドの屈折率、
ncore_visは前記可視光の帯域における前記中心コアの屈折率、及び
nclad_visは前記可視光の帯域における前記クラッドの屈折率である。 In a plane perpendicular to the optical axis, which is L [m] away from one end in the optical axis direction, the relationship between the beam diameter D vis [m] of the visible light emitted from the central core and the radius D uv [m] of the minimum circumscribed circle containing the beams of ultraviolet light emitted from all the peripheral cores is D uv ≦D vis
The multicore fiber according to claim 1, characterized in that:
however,
n clad_uv is the refractive index of the clad in the ultraviolet band;
n core_vis is the refractive index of the central core in the visible band, and n clad_vis is the refractive index of the cladding in the visible band. - 前記マルチコアファイバは、石英ファイバであって、
前記中心コアと前記周辺コアにドープされるゲルマニウムのドープ量が異なることを特徴とすることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のマルチコアファイバ。 The multi-core fiber is a quartz fiber,
4. The multi-core fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein the central core and the peripheral core are doped with different amounts of germanium. - 中心コアと複数の周辺コアを備えるマルチコアファイバと、
紫外光と可視光のいずれか一方を前記中心コアに入射し、他方を前記周辺コアに入射する光入射部と、
を備える光伝送システム。 a multicore fiber comprising a central core and a plurality of peripheral cores;
a light incident part that makes one of ultraviolet light and visible light incident on the central core and the other on the peripheral core;
An optical transmission system comprising: - 前記マルチコアファイバは、請求項1から4のいずれかに記載のマルチコアファイバであることを特徴とする請求項5に記載の光伝送システム。 The optical transmission system according to claim 5, wherein the multicore fiber is the multicore fiber according to any one of claims 1 to 4.
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Legal Events
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---|---|---|---|
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