WO2023012879A1 - フォトニック結晶ファイバ - Google Patents
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- the present disclosure can enable a PCF capable of propagating high-input light over several kilometers with a relatively easy-to-manufacture structure.
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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
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。
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。
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Aeff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Aeff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Aeffは約300μm2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Pth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)
Pth=16Aeff/gRLeff (1)
(数1)
Pth=16Aeff/gRLeff (1)
ここで、gR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、gR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)
gR=0.94×10-11(1+80×Δ)/λ (2)
(数2)
gR=0.94×10-11(1+80×Δ)/λ (2)
またLeffは相互作用長であり、式(3)で表される。
Leff={1-exp(-α×L)}/α (3)
Leff={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Aeffの値はほぼ同じであるため、Aeff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。
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Aeffの値はほぼ同じであるため、Aeff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Aeff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Aeffは約320μm2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Pth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Aeffが300μm2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。
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
12:空孔
Claims (6)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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