WO2023012879A1 - フォトニック結晶ファイバ - Google Patents

Abstract

本開示は、高入力光を数ｋｍにわたって伝搬可能なＰＣＦを、比較的製造しやすい構造で実現可能にすることを目的とする。　本開示は、基本モード、第１高次モード、第２高次モードの３つのモードが伝搬可能な、均一な光屈折率を有するクラッド（１１）中に複数の空孔（１２）が形成されているフォトニック結晶ファイバにおいて、前記フォトニック結晶ファイバの中心に空孔（１２）が配置されておらず、前記フォトニック結晶ファイバの中心を取り囲むように、前記複数の空孔（１２）が三角格子状に配置され、利用波長域の最短波長における第３高次モードの閉じ込め損失が１．０ｄＢ／ｍ以上であり、最長波長における閉じ込め損失が０．００１ｄＢ／ｋｍ以下であるような、前記空孔（１２）の直径ｄと前記空孔（１２）の間隔Λとの比ｄ／Λを有する、フォトニック結晶ファイバである。

Description

フォトニック結晶ファイバ

　本開示は、フォトニック結晶ファイバに関する。

　近年、光ファイバを用いて電力を伝送することが注目されている。光ファイバを用いてハイパワー光を長距離伝送する上では、非線形現象である誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　Ｒａｍａｎ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）の抑圧とファイバヒューズと呼ばれる現象を抑えることが必要であり、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｆｉｂｅｒ）は、いずれの現象も抑えることに有効であることが示されている［例えば、非特許文献１、２参照。］。

　これまで、通信用に良好な伝送特性を実現するため単一モードかつ低非線形性を有するＰＣＦが提案されている［例えば、非特許文献１参照。］。また、レーザ加工用においてもＳＲＳの抑圧が必要であり、実効断面積を大幅に拡大するため、コア中心部に強度のピークをもつ第３高次モードをカットオフとし、ＰＣＦの最内側の空孔数を増やす構造により実効的な単一モード動作が実現できることが報告されている［例えば、非特許文献３参照。］。

　非特許文献１に示されているＰＣＦは最内側と外側で空孔直径が異なり、ファイバ作製時にその空孔構造を維持することが難しいという課題がある。一方で、非特許文献３に示される構造は、断面内で空孔直径は一定であるが、空孔数が多く母材の製造において加工時間を要するという課題がある。

Ｔ．　Ｍａｔｓｕｉ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｉｔｈ　ｕｌｔｒａｌａｒｇｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｒｅａ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｌｏｓｓ　ｕｌｔｒａｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　ＷＤＭ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，"　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　ｖｏｌ．２９，　ｎｏ．４，　２０１１． Ｎ．　Ｈａｎｚａｗａ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　ｆｕｓｅ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈｏｌｅ　ａｓｓｉｓｔｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ，"Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　ｖｏｌ．２８，　ｎｏ．１５，２０１０． Ｔ．　Ｍｔｓｕｉ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｒｅａ　Ｅｎｌａｒｇｅｄ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｗｉｔｈ　ｑｕａｓｉ－ｕｎｉｆｏｒｍ　ａｉｒ－ｈｏｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，"　ＩＥＩＣＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｃｏｍｍｕｎ．，　ｖｏｌ．Ｅ１０３－Ｂ，　ｎｏ．４，　２０２０．

　本開示は、高入力光を数ｋｍにわたって伝搬可能なＰＣＦを、比較的製造しやすい構造で実現可能にすることを目的とする。

　本開示のフォトニック結晶ファイバは、コア中心にピーク強度を有する第３高次モードをカットオフとし、利用する最長波長の閉じ込め損失が１０ｋｍ伝送する上で大きく影響しない範囲に設定することにより、３６個以下の空孔数であってもハイパワー光を長距離伝送可能にする。

　具体的には、本開示のフォトニック結晶ファイバは、
　基本モード、第１高次モード、第２高次モードの３つのモードが伝搬可能な、均一な光屈折率を有するクラッド中に複数の空孔が形成されているフォトニック結晶ファイバにおいて、
　前記フォトニック結晶ファイバの中心に空孔が配置されておらず、前記フォトニック結晶ファイバの中心を取り囲むように、前記複数の空孔が三角格子状に配置され、
　利用波長域の最短波長における第３高次モードの閉じ込め損失が１．０ｄＢ／ｍ以上であり、最長波長における閉じ込め損失が０．００１ｄＢ／ｋｍ以下であるような、均一な、前記空孔の直径ｄと前記空孔の間隔Λとの比ｄ／Λを有する。

　本開示は、高入力光を数ｋｍにわたって伝搬可能なＰＣＦを、比較的製造しやすい構造で実現可能にすることができる。

３層ＰＣＦの構成例である。 ３層ＰＣＦの構造の一例である。 ３層ＰＣＦの構造の一例である。 Λとｄ／Λに対するＡ_ｅｆｆの一例である。 ２層ＰＣＦの構成例である。 ２層ＰＣＦの構造の一例である。 ２層ＰＣＦの構造の一例である。

　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。

　本開示のフォトニック結晶ファイバは、基本モード、第１高次モード、第２高次モードの３つのモードが伝搬可能な、均一な光屈折率を有するクラッド中に複数の空孔が形成されている１ｃｅｌｌ構造のフォトニック結晶ファイバにおいて、利用波長域の最短波長での第３高次モードの閉じ込め損失を１．０ｄＢ／ｍ以上にする。ここで、１ｃｅｌｌ構造とはファイバの中心部にだけ、１個分の空孔の代わりにガラス材料がコアとして充填された構造のことを指す。本開示は、第３高次モードをカットオフに設定することにより、ｄ／Λの大きい領域を利用可能にし、これによって、３６個以下の空孔数であっても、曲げ損失および閉じ込め損失の規定値を満たすことを可能にした。

　本開示では、複数の空孔が三角格子状に配置されている１ｃｅｌｌ構造について、空孔数が３６個及び１８個の場合であっても、曲げ損失および閉じ込め損失の規定値を満たす構造を提案する。本開示では、利用波長域が１５３０ｎｍ以上１６２５ｎｍ以下である例と、１４６０ｎｍ以上１６２５ｎｍ以下である例と、の２つの例を示す。

（実施形態例１）
　本実施形態例は、空孔数が３６個ある３層構造のＰＣＦの構造に関する。図１は、本実施形態の３層ＰＣＦの断面構造を説明する図である。図１に示すように、３層ＰＣＦはコア部とコア部を包囲するクラッド部１１とを有し、コア部およびクラッド部１１が均一な光屈折率を有する媒質からなるとともに、クラッド部１１に長手方向に沿って均一な空孔１２が３６個形成された１ｃｅｌｌ構造である。

　本開示では、クラッド１１の直径をＤ［μｍ］、空孔直径をｄ［μｍ］、空孔間隔をΛ［μｍ］として、以下構造パラメータについて説明する。続いて、第３高次モードをカットオフとし、曲げ損失および閉じ込め損失が規定値を満たす構造パラメータの選定方法を説明する。

　図２Ａは、横軸をΛ、縦軸をｄ／Λとして、利用波長域が１５３０ｎｍ以上１６２５ｎｍ以下の場合の曲げ損失および閉じ込め損失の境界条件の一例を示す。実線で表される曲線Ｌｂ＿０．５は、波長１５３０ｎｍにおける曲げ半径３０ｍｍの曲げ損失が０．５ｄＢ／１００ｔｕｒｎ以下になる境界を示す。一点鎖線で表されるＬｃは、波長１６２５ｎｍの閉じ込め損失が０．００１ｄＢ／ｋｍ以下になる境界を示す。破線で表されるＣ３は、波長１５３０ｎｍにおける第３高次モードの閉じ込め損失が１ｄＢ／ｍ以上となる境界を示している。

　Ｌｂ＿０．５、Ｌｃ及びＣ３の３つの曲線で囲まれた領域が規定値を満たす構造である。例えば、Λが１９μｍの場合、ｄ／Λを０．６５にすることで、曲げ損失および閉じ込め損失の規定値を満たすことができる。図２Ａより、ｄ／Λが０．５２から０．７６の範囲かつΛが９μｍから２２μｍの範囲の構造であることがわかる。

　ＩＴＵ－ＴＧ．６５２Ｄに示されるような一般的な単一モード光ファイバの曲げ損失の規定値は、半径３０ｍｍで０．１ｄＢ／１００ｔｕｒｎ以下であり、図２Ａ中の点線で表される曲線Ｌｂ＿０．１に示している。０．５ｄＢ／１００ｔｕｒｎの曲線Ｌｂ＿０．５に近く、若干空孔間隔Λを小さくする必要がある。利用用途に合わせて、必要な曲げ損失規定値を用いることが好ましい。

　図２Ｂは、図２Ａと同様の構造を示す図であり、第３高次モードのカットオフ波長、曲げ損失を規定する波長が１４６０ｎｍの場合の計算結果である。利用する波長帯に合わせて、図２Ａか図２Ｂなどの構造を選択する。図２Ｂより、ｄ／Λが０．５４から０．７５の範囲かつΛが９μｍから２２μｍの範囲の構造であることがわかる。

　図３は、横軸をΛ、縦軸をｄ／Λとしてその構造に対する波長１５３０ｎｍにおける実効断面積Ａ_ｅｆｆの値を示す図である。例えば、クラッド１１の直径Ｄが１２５μｍとして、図２Ａから規定値を満たす構造の中でＡ_ｅｆｆが最大となる構造を選択するとΛ＝１８μｍ、ｄ／Λ＝０．６０であり、その時のＡ_ｅｆｆは約３００μｍ^２になる。

　この構造から伝送損失が０．２ｄＢ／ｋｍと仮定すると、１０ｋｍを伝送する際のＳＲＳの閾値Ｐ_ｔｈは、式（１）より９．８８Ｗとなる。このため、本実施形態のＰＣＦは、約１０Ｗの光入力が可能になる。
（数１）
Ｐ_ｔｈ＝１６Ａ_ｅｆｆ／ｇ_ＲＬ_ｅｆｆ　　（１）

　ここで、ｇ_Ｒはラマン利得係数である。非特許文献４に示される式（２）の通り、ｇ_Ｒは光ファイバのコア部に添加されるドーパントに依存する。
（数２）
ｇ_Ｒ＝０．９４×１０^－１１（１＋８０×Δ）／λ　　　（２）

　またＬ_ｅｆｆは相互作用長であり、式（３）で表される。
Ｌ_ｅｆｆ＝｛１－ｅｘｐ（－α×Ｌ）｝／α　　　（３）

　式（２）及び式（３）において、Δは光ファイバのコアとクラッドの比屈折率差を表し、純石英のＰＣＦにおいては０となる。λは光ファイバに入力される波長であり、αはその波長での伝送損失、Ｌはファイバ長を示す。

（実施形態例２）
　本実施形態例は、空孔数が１８個ある２層構造のＰＣＦの構造に関する。図４は、本実施形態の２層ＰＣＦの断面構造を説明する図である。２層構造のＰＣＦであってもΛとｄ／Λから実現されるＡ_ｅｆｆの値はほぼ同じであるため、Ａ_ｅｆｆの値は図３の値を参照する。図５Ａは、実施形態例１と同様に波長１５３０ｎｍにおける曲げ損失Ｌｂ＿０．５及びＬｂ＿０．１、波長１６２５ｎｍの閉じ込め損失Ｌｃ、および波長１５３０ｎｍにおける第３高次モードの閉じ込め損失Ｃ３が規定値を満たす２層構造の境界を示している。図５Ａより、おおよそｄ／Λが０．６６から０．７５の範囲かつΛが６．５μｍから２２μｍの範囲の構造であることがわかる。

　実施形態例の１と同様に、図５Ｂは波長１４６０ｎｍにおいて、第３高次モードのカットオフ、曲げ損失を計算した結果であり、利用する波長帯および必要な曲げ損失から構造を選択するのが好ましい。図５Ｂより、ｄ／Λが０．６５から０．７５の範囲かつΛが６．５μｍから２２μｍの範囲の構造であることがわかる。

　クラッド直径を１２５μｍとして、図５Ａ及び図５Ｂの構造の中でＡ_ｅｆｆが最大となる構造を選択すると、Λ＝２０μｍ、ｄ／Λ＝０．６８であり、その時のＡ_ｅｆｆは約３２０μｍ^２になる。この構造から伝送損失が０．２ｄＢ／ｋｍと仮定すると、１０ｋｍを伝送する際のＳＲＳの閾値Ｐ_ｔｈは、式（１）より１０．５Ｗとなる。このため、本実施形態のＰＣＦは、１０Ｗを超える光入力が可能になる。

　本実施形態では、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、１０．０≦Λ≦１８．０、かつ０．５６≦ｄ／Λ≦０．７２の場合、３層構造であってもクラッドの直径が１２５μｍ以内になる。このため、被覆径など一般的な光ファイバの紡糸設備を利用して作製可能であり、コネクタのアセンブリなど既存の光ファイバ部品との整合性を担保して、高入力光を伝搬可能な光ファイバが実現できる。

　また、カットオフ波長を１４６０ｎｍに設定した図２Ｂ及び図５Ｂについては、図２Ｂに示す８．０≦Λ≦１８．０、かつ０．５８≦ｄ／Λ≦０．７２の場合にクラッドの直径が３層構造で１２５μｍ以内になり、図５Ｂに示す１０．０≦Λ≦２２．５、かつ０．６７≦ｄ／Λ≦０．７３の場合にクラッドの直径が２層構造で１２５μｍ以内になる。この場合、既存設備や部品を用いて、電力供給用の波長と信号光との波長を柔軟に使えるようになる。

　例えば、信号光を１４９０ｎｍに設定し、給電光を１５５０ｎｍに設定することで、既存のＳＦＰ（Ｓｍａｌｌ　Ｆｏｒｍ　Ｆａｃｔｏｒ　Ｐｌｕｇｇａｂｌｅ）装置などのデバイスで信号を生成し、給電光に光ファイバの低損失帯かつ高出力増幅器や高出力レーザがあるＣバンドを用いることができる。通信光を１５５０ｎｍ帯又は１６００ｎｍ帯に設定し、給電光を１４８０ｎｍに設定しても良い。通信光及び給電光の組み合わせはシステムにより変更可能である。

　さらに、本実施形態では、図２Ａ及び図２Ｂに示す１８．０≦Λ≦２１．５、かつ０．６２≦ｄ／Λ≦０．６９の場合、及び図５Ａ及び図５Ｂに示す１８．０≦Λ≦２２．５、０．６７≦ｄ／Λ≦０．７２の場合、実効断面積Ａ_ｅｆｆが３００μｍ^２以上になる。このため、ＳＲＳ閾値を考慮すると１０ｋｍのファイバ長においても１０Ｗ以上の光パワーを入力可能になる。ＰＣＦの伝送損失が０．２ｄＢ／ｋｍまでは実現できることを考えると、出力端で６Ｗ程度の光パワーが得られる。現在の給電コンバータの変換効率が３割程度であり、２Ｗ程度の電力を得ることができる。

（本開示の効果）
　以上説明したように、本開示によれば、実効断面積を大きく拡大し、高入力光を数ｋｍにわたって伝搬可能なＰＣＦを、空孔数が最大でも３６個と比較的製造しやすい構造で実現することができる。

　本開示は情報通信産業に適用することができる。

１１：クラッド
１２：空孔

Claims (6)

1. 　基本モード、第１高次モード、第２高次モードの３つのモードが伝搬可能な均一な光屈折率を有するクラッド中に複数の空孔が形成されているフォトニック結晶ファイバにおいて、
   　前記フォトニック結晶ファイバの中心に空孔が配置されておらず、前記フォトニック結晶ファイバの中心を取り囲むように、前記複数の空孔が三角格子状に配置され、
   　利用波長域の最短波長における第３高次モードの閉じ込め損失が１．０ｄＢ／ｍ以上であり、最長波長における閉じ込め損失が０．００１ｄＢ／ｋｍ以下であるような、均一な、前記空孔の直径ｄと前記空孔の間隔Λとの比ｄ／Λを有する、
   　フォトニック結晶ファイバ。
2. 　前記複数の空孔の空孔数は３６であり、
   　前記フォトニック結晶ファイバの中心を取り囲む前記複数の空孔の層が３層であり、
   　前記ｄ／Λが０．６２以上０．６９以下であり、
   　前記Λが１８．０以上２１．５以下である、
   　請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。
3. 　前記複数の空孔の空孔数は３６であり、
   　前記フォトニック結晶ファイバの中心を取り囲む前記複数の空孔の層が３層であり、
   　前記ｄ／Λが０．５８以上０．７２以下であり、
   　前記Λが８．０以上１８．０以下である、
   　請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。
4. 　前記複数の空孔の空孔数は１８であり、
   　前記フォトニック結晶ファイバの中心を取り囲む前記複数の空孔の層が２層であり、
   　前記ｄ／Λが０．６７以上０．７２以下であり、
   　前記Λが１８．０以上２２．５以下である、
   　請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。
5. 　前記複数の空孔の空孔数は１８であり、
   　前記フォトニック結晶ファイバの中心を取り囲む前記複数の空孔の層が２層であり、
   　前記ｄ／Λが０．６７以上０．７３以下であり、
   　前記Λが１０．０以上２２．５以下である、
   　請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。
6. 　利用波長域の最短波長の曲げ損失が曲げ半径３０ｍｍにおいて０．５ｄＢ／１００ｔｕｒｎ以下であるような、前記ｄ／Λを有する、
   　請求項１から５のいずれかに記載のフォトニック結晶ファイバ。

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