JP7107840B2 - 中空コア光ファイバおよびレーザシステム - Google Patents
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Description
近年、この中空コア***振ファイバ(ARF:anti-resonant fiber)は、特に低損失かつ広いスペクトル伝送に関して、ファイバのさらなる改良を目指して集中的に研究されている。
一実施形態において、高スペクトル伝送およびHOMの高い抑制を有する中空コアPCFを提供することが目的である。
一実施形態において、少なくとも約50nmの帯域幅で、好ましくは約50dB/km未満の伝送損失の所望の低損失伝送帯域を有するように簡単に設計することのできる中空コアPCFを提供することが目的である。
本発明またはその実施形態は、以下の説明から当業者には明らかになる多数の追加の利点を有することが分かっている。
「約」という用語は、一般に、測定の不確かさ内であるものを含むために使用される。「約」いう用語が範囲で使用されるとき、本明細書においては、測定の不確かさの範囲内であるものがその範囲に含まれることを意味すると解釈するべきである。
径、厚さおよび他の構造的な値は、別の規定がなされていない限り、または文脈から明らかでない限り、中空コアPCFの断面図でみなされる。
一実施形態において、d1および/またはd2は少なくとも3本の中空管、例えば7本の中空管全てなどで、実質的に同一である。
一実施形態において、各中空管は、隣り合う中空管から実質的に等間隔に配置される。それにより、非常に高いガウシアンビーム品質が得られる。代替実施形態において、各中空管は、隣り合う中空管から異なる距離だけ離して配置される。後者の実施形態では、隣り合う中空管間の距離の差異は、管の外径d2を異ならせることによってもたらされる。中空管の内径d1および/または外径d2が異なる場合、計算が中空管の厚さである場合を除き、または別の規定がなされていない限り、内径d1、外径d2はそれぞれd1およびd2の平均値として計算される。したがって、d1/d2比はd1およびd2の平均値によって求められる。HOMの最適な抑制には、隣り合う中空管間の最小距離は比較的小さく、好ましくは中空管の外径d2の約半分未満にする必要があることが分かった。他方で、この距離を狭めすぎてもならず、それは、距離を狭めすぎると、ファイバの線引き中の表面の張力および材料の引力のために、ファイバ全長の一部またはファイバ全長に沿ってこの距離が完全になくなるリスクが生じるおそれがあるためである。このようなリスクを避けるために、隣り合う中空管間の最小距離は少なくともd2の0.01倍である。
隣り合う中空管同士の中心間距離Λは、約1.01×d2から約1.5×d2の間、例えば1.05×d2から1.2×d2の間などである。
最適なコア径Dは、中空コアPCFの伝送帯域の中心波長に合わせてスケーラブルであることが分かった。
中空管の壁厚は、中空コアPCFの1つまたは複数の低損失伝送帯域に大きく影響することが分かった。実際、関係する壁厚tは、コア中心に面した中空管の壁領域であることが分かった。
有利なことに、Ds/Dl比は、約0.5から約0.99まで、例えば約0.8から約0.99までなどである。
一実施形態において、Ds/Dl比は約0.95よりも小さく、例えば0.9よりも小さいなどで、これは比較的大きなコア径Dになり、それにより基本モードの伝送損失をさらに低減することができる。
フォトニックバンドギャップ構造は、任意の手段、例えば、屈折率の異なる同心円リングを備える屈折率格子を外側クラッド領域に設けることにより、および/または屈折率の異なる微細構造を含むことにより、提供してもよい。
一実施形態において、複数の介在物は空隙であるか、または空気などの気体から作られる。
有利なことに、複数の介在物は、最大約2.5μm、例えば最大約2μmなど、例えば約1.1μmから1.8μmの間など、例えば約1.15μmから約1.7μmの間など、例えば約1.2μmから約1.5μmの間など、例えば約1.3μmなどの平均径(dinc)を有する。
一実施形態において、レーザ光源は、少なくとも約5kW、例えば少なくとも約10kWなど、例えば少なくとも約30kWなど、例えば少なくとも約50kWなどの、レーザ光源の出口において決定されるピーク電力を有する。
一実施形態において、ファイバカップリング構造体は、米国特許出願公開第2003/0068150号明細書に記載されるもののようなグレーデッドインデックス要素(GRIN)を備える。
好適な一実施形態において、第1ファイバ端部はフェルール構造体内に取り付けられ、好ましくは「フォトニック結晶ファイバアセンブリ(PHOTONIC CRYSTAL FIBER ASSEMBLY)」の名称のデンマーク特許出願第201570876号明細書に記載されるフェルール構造体に対して取り付けられ、同出願は、本明細書で明示的に開示される主題と組み込まれる主題とに矛盾がある場合には、本明細書で明示的に開示される主題の内容を優先することを条件に、参照により本開示に組み込まれる。
一実施形態において、「細長い空孔」または単に「空孔」とも呼ばれる、プリフォームの中空管のうちの1本または複数本それぞれの圧力制御は、空孔と圧力源との間に圧力管を配置することによってもたらされる。圧力源は、中空管内の圧力を、プリフォームからファイバを線引きする間、圧力管を介して所望のレベルに制御することを確保する。
したがって、一実施形態において、方法は、圧力管の第1端部をプリフォームの第1端部でプリフォームの空孔に挿入する工程と、線引き中、圧力管を介してプリフォームの空孔を制御圧力にさらす工程とを含む。有利なことに、少なくとも、圧力管の第1端部を含む圧力管長さ区間をプリフォームの細長い空孔に挿入する。圧力管長さ区間は、好ましくは少なくとも約0.5mm、例えば約1mmから約20cmまでなど、例えば約2mmから約5cmまでなど、例えば約0.5から1cmまでなどの長さを有するべきである。
一実施形態において、圧力管の供給区間は、空孔内の圧力を制御するために、圧力源と気体接続されている供給開口を有する。
圧力管は、原則として、任意の材料から作ることができる。一実施形態において、圧力管は熱成形可能な材料、例えばファイバ線引き塔で成形または線引きできる材料から作られる。有利なことに、圧力管は、オプションでポリマーコーティングを含むシリカから作られる。一実施形態において、圧力管の少なくとも供給区間は外側ポリマーコーティングを有し、オプションで、圧力管長さ区間にはポリマーコーティングがない。ポリマーコーティングは圧力管の柔軟性を高めるとともに、圧力管の破断のリスクを低減する。
上記説明した本発明および本発明の実施形態のすべての特徴は、範囲および好適な範囲を含め、かかる特徴を組み合わせるべきではない特別の理由がない限り、本発明の範囲内で様々な形で組み合わせることができる。
図1に示す本発明の中空コアPCFは、外側クラッド領域1と、前記外側クラッド領域に取り囲まれる7本の中空管2とを備える。中空管2はそれぞれ溶融点3で外側クラッド1に溶融されて、内側クラッド領域を画定するリングと、内側クラッド領域に取り囲まれるとともにコア径Dを有する中空コア領域4とを形成する。
図12に図示するプリフォームは、本明細書で説明する中空コアファイバの一実施形態のためのプリフォームである。
前述したように、介在物は空隙であるか、または気体から作られ、比較的小さな径を有し、所望の波長または波長の範囲の閉じ込め損失を最適化(最小化)するために短く配置するのが好ましい。
実施例1
図1に図示する構造を有する中空コアPCFは、スタックアンドロー製法を使用して製作した。図示する製作したファイバはコア径が約30μm、d2 約17μmで、d2/D 約0.57である。1064nmで測定したモードフィールド径は2μmである。管にはわずかな寸法の差が存在するが、それでもファイバは、極めて低い損失および曲げ損失、および優れたモード品質を示している。製作したファイバのモード品質係数は、1064nmの波長のレーザと5mのFUTを用いて、カメラベースのM2測定システム(Spiricon M2-2OOS)でモード品質係数を測定した。標準的な8cmのスプールに巻いたファイバで、それ以上のコイルなしで測定を行った。この結果を表Iにまとめ、図14に図示する。ファイバ出力ビームは、無視できる非点収差と不平衡を示し、M2は1.2である。
Claims (32)
- 外側クラッド領域と、前記外側クラッド領域に取り囲まれる7本の中空管とを備える中空コアフォトニック結晶ファイバ(PCF)であって、前記中空管の各々は前記外側クラッド領域に溶融されて、内側クラッド領域を画定するリングと、前記内側クラッド領域に取り囲まれる中空コア領域とを形成し、前記中空管は互いに接触しておらず、前記中空管は入れ子状の小管を備えておらず、前記中空管の各々は、コア中心に面した壁厚tの領域を備え、前記壁厚は最大約2.1μmであり、前記中空管の少なくとも1本は、前記中空管の少なくとも他の1本のものとは異なる壁厚tを有する、中空コアフォトニック結晶ファイバ(PCF)。
- 前記中空管の各々は平均外径d2および平均内径d1を有し、d1/d2が約0.8以上である、請求項1に記載の中空コアPCF。
- 前記中空管は、隣り合う中空管同士の中心間距離Λを有し、前記距離Λは約1.01×d2から約1.5×d2の間である、請求項1または請求項2に記載の中空コアPCF。
- 前記中空管は実質的に平行な中心軸を有する、請求項1~3のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- 前記中空コア領域は、約10μmから約100μmのコア径Dを有する、請求項1~4のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- 前記コア径に対する前記管の外径の平均d2/Dは、約0.5から約0.75までである、請求項5に記載の中空コアPCF。
- 前記中空管の3本が、所定の壁厚を有し、残り4本の前記中空管が、別の壁厚を有する、請求項1に記載の中空コアPCF。
- 前記中空管の少なくとも1本は、前記中空管の少なくとも他の1本の壁厚よりも少なくとも約5%大きな壁厚を有し、好ましくは、前記中空管のうちの少なくとも1本は、前記中空管の少なくとも他の1本の前記壁厚よりも少なくとも約10%大きな壁厚を有する、請求項7に記載の中空コアPCF。
- 前記中空管の各々は実質的に円形である、請求項1~8のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- 前記中空管の各々は、長い内径Dlと、前記長い内径Dlに対して垂直な短い内径Dsとを有し、Dlは半径方向において決定される、請求項1~9のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- 前記中空管の少なくとも1本は、前記中空管の1以上のコア中心に面した領域に配置される1以上のノジュールを備え、好ましくは、前記ノジュールは前記中空コア領域の境界に配置され、前記ノジュールは、好ましくは、動作波長で***振になるように配置されて、基本モードの光が前記ノジュールから実質的に除外されるようにする、請求項1~10のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- 隣り合う中空管間の最小距離は少なくとも約0.1μmである、請求項1~11のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- 前記中空コア領域および前記中空管は互いに独立して、空気、アルゴン、窒素または前述の気体のいずれかを含む混合気体から選択される気体を含み、オプションで、前記中空コア領域および前記中空管は互いに独立して、真空引きされ、または加圧気体が充填される、請求項1~12のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- 前記外側クラッド領域は少なくとも約125μmの外径を有する、請求項1~13のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- 前記外側クラッド領域および前記中空管の両方または一方はソリッドガラス材料を備え、好ましくは、前記ソリッドガラス材料は、オプションで屈折率修正ドーパントが添加された、シリカから作られる、請求項1~14のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- 前記外側クラッド領域は、前記内側クラッド領域を取り囲むフォトニックバンドギャップ構造を備える、請求項1~15のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- 前記外側クラッド領域は、屈折率Nocを有する外側背景材料と、前記背景材料の前記屈折率とは異なる屈折率を有する複数の介在物とを備え、前記外側背景材料内の前記複数の介在物は、好ましくは、前記内側クラッド領域を取り囲む2つ以上の介在物のリングを含む断面パターンで配置される、請求項16に記載の中空コアPCF。
- 前記外側背景材料内の前記複数の介在物は、実質的に六角形パターンで配置される、請求項17に記載の中空コアPCF。
- 前記複数の介在物は、ソリッド材料から作られる、請求項17または請求項18に記載の中空コアPCF。
- 前記複数の介在物は空隙であるか、または気体から作られる、請求項17または請求項18に記載の中空コアPCF。
- 前記複数の介在物は、最大約2.5μmの平均径(dinc)を有する、請求項17~20のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- 前記複数の介在物は、最大約6μmのピッチ(Λinc)で配置される、請求項17~21のいずれか1項に記載の中空コアPCF。
- ユーザ装置にレーザ光を伝送するレーザシステムであって、レーザ光源と、前記レーザ光源から前記ユーザ装置に光を伝送するファイバ伝送ケーブルとを備え、前記ファイバ伝送ケーブルは請求項1~22のいずれか1項に記載の中空コアPCFを備える、レーザシステム。
- 前記レーザ光源はレーザ光パルスを生成するように構成されて、前記ファイバ伝送ケーブルに光学的に接続され、好ましくは、前記レーザ光源はフェムト秒レーザ源である、請求項23に記載のレーザシステム。
- 前記レーザ光源は約30fsから約30psまでのポンプ持続時間を有する、請求項23に記載のレーザシステム。
- 前記レーザ光源は、少なくとも約5kWの、前記レーザ光源の出口において決定されるピーク電力を有する、請求項23または請求項24に記載のレーザシステム。
- 前記レーザ光源は、モード同期レーザであり、前記モード同期レーザは、好ましくは、1以上の増幅器を備える、請求項23~26のいずれか1項に記載のレーザシステム。
- 前記中空コアPCFは、約200nmから約4.5μmまでの範囲の少なくとも1つの波長、好ましくは1000nmから約1100nmまでの範囲の少なくとも1つの波長のシングルモードを案内するように構成される、請求項23~27のいずれか1項に記載のレーザシステム。
- 前記中空コアPCFは、少なくとも約0.1μmの帯域幅の光の波長の連続波を誘導するように構成される、請求項23に記載のレーザシステム。
- 前記中空コアPCFは、前記ユーザ装置に接続されるように構成された第1ファイバ端部と、ファイバカップリング構造体を介して前記レーザ光源の出力ファイバに光学的に接続される第2ファイバ端部とを有する、請求項23~29のいずれか1項に記載のレーザシステム。
- 前記ファイバカップリング構造体は、
集光レンズ、
グレーデッドインデックス要素(GRIN)、
保護要素、および、
フェルール構造体、
のうちの少なくとも1つを備える、請求項30に記載のレーザシステム。 - 前記第1ファイバ端部はフェルール構造内に取り付けられる、請求項30または請求項31に記載のレーザシステム。
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