特許 6446140 光ファイバ及び光伝送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6446140

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】光ファイバ及び光伝送システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/02 20060101AFI20181217BHJP

   G02B 6/032 20060101ALI20181217BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20181217BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/02 451

   G02B6/032 Z

   G02B6/42

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-540526(P2017-540526)

(86)(22)【出願日】2016年3月3日

(86)【国際出願番号】JP2016056659

(87)【国際公開番号】WO2017047128

(87)【国際公開日】20170323

【審査請求日】2017年9月20日

(31)【優先権主張番号】特願2015-185252(P2015-185252)

(32)【優先日】2015年9月18日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】松井 隆

(72)【発明者】

【氏名】辻川 恭三

(72)【発明者】

【氏名】山本 文彦

(72)【発明者】

【氏名】半澤 信智

【審査官】 吉田 英一

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／０５１２９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 笠原基幹、齊藤晋聖、坂本泰志、半澤信智、松井隆、辻川恭三、小柴正則，大Ａｅｆｆ型２モードホーリーファイバに関する検討，２０１３年電子情報通信学会総合大会講演論文集，日本，一般社団法人電子情報通信学会，２０１３年 ３月 ５日，通信２，pp. 476

【文献】 実務に役立つ光ファイバ技術２００のポイント，日本，社団法人電気通信協会，１９９８年 ７月１０日，改訂版３刷，pp. 225

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／０２

Ｇ０２Ｂ ６／０３２

Ｇ０２Ｂ ６／４２

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ファイバの長手方向に沿って複数の空孔が配置され、前記複数の空孔に囲まれる領域がコア領域として構成されている光ファイバであって、
前記光ファイバの伝送距離に対する伝送可能な最大出力光パワーで定められる１４０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の許容曲げ半径を有し、
モード数３以下の光を伝送しかつ前記許容曲げ半径における基本モードの光の曲げ損失が１ｄＢ以下になるような、前記複数の空孔の空孔間距離及び前記複数の空孔の空孔直径と空孔間距離の比を有し、
前記複数の空孔の空孔数が１２であり、
前記複数の空孔の空孔間距離が５０μｍ以上７０μｍ以下であり、
前記複数の空孔の空孔直径の空孔間距離に対する比が０．７９以上０．９０以下である、
光ファイバ。

【請求項2】

光ファイバの長手方向に沿って複数の空孔が配置され、前記複数の空孔に囲まれる領域がコア領域として構成されている光ファイバであって、
前記光ファイバの伝送距離に対する伝送可能な最大出力光パワーで定められる１４０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の許容曲げ半径を有し、
モード数３以下の光を伝送しかつ前記許容曲げ半径における基本モードの光の曲げ損失が１ｄＢ以下になるような、前記複数の空孔の空孔間距離及び前記複数の空孔の空孔直径と空孔間距離の比を有し、
ａ及びｂを係数とすると、前記光ファイバの実効断面積Ａ_ｅｆｆと前記許容曲げ半径Ｒが次式の関係を有し、
係数ａは、６．６以上６．９以下であり、
係数ｂは、０．９７以上１．０以下である、
光ファイバ。
（式Ｃ１）
Ａ_ｅｆｆ≦ａＲ^ｂ

【請求項3】

光ファイバの長手方向に沿って複数の空孔が配置され、前記複数の空孔に囲まれる領域がコア領域として構成されている光ファイバであって、
前記光ファイバの伝送距離に対する伝送可能な最大出力光パワーで定められる１４０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の許容曲げ半径を有し、
モード数３以下の光を伝送しかつ前記許容曲げ半径における基本モードの光の曲げ損失が１ｄＢ以下になるような、前記複数の空孔の空孔間距離及び前記複数の空孔の空孔直径と空孔間距離の比を有し、
前記複数の空孔中にコア領域を構成する空孔１つ分の空孔欠陥を有し、かつ
前記複数の空孔の空孔間距離が３２μｍ以上６０μｍ以下であり、かつ
前記複数の空孔の空孔直径と空孔間距離の比が０．７２以上０．７８以下である、
ことを特徴とする、光ファイバ。

【請求項4】

光ファイバの長手方向に沿って複数の空孔が配置され、前記複数の空孔に囲まれる領域がコア領域として構成されている光ファイバであって、
前記光ファイバの伝送距離に対する伝送可能な最大出力光パワーで定められる１４０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の許容曲げ半径を有し、
モード数３以下の光を伝送しかつ前記許容曲げ半径における基本モードの光の曲げ損失が１ｄＢ以下になるような、前記複数の空孔の空孔間距離及び前記複数の空孔の空孔直径と空孔間距離の比を有し、
前記複数の空孔中に、コア領域を構成する空孔７つ分の空孔欠陥を有し、かつ
前記複数の空孔の空孔間距離が１３μｍ以上２８．５μｍ以下であり、かつ
前記複数の空孔の空孔直径と空孔間距離の比が０．３７以上０．５５以下である、
ことを特徴とする、光ファイバ。

【請求項5】

前記光ファイバの伝送距離が、５０ｍ以上５００ｍ以下である、
請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバ。

【請求項6】

請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバと、
前記光ファイバの伝送する光を出射する光源と、
前記光源からの出射光の中心軸と前記コア領域の中心軸の軸ずれ量を、前記光ファイバのモードフィールド半径に対して０．９５以下にする結合部と、
を備える光伝送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ファイバを用いたハイパワー光伝送に関する。

【背景技術】

【0002】

高出力レーザーの進展に伴い、レーザー光を用いた溶接など工業加工への応用が広く利用されている。特に近年では、出力が１０ｋＷに及び高出力なファイバレーザーが開発されており、医療・工業への利用が期待されている。このような高出力ファイバレーザーでは、例えば非特許文献１に示すように、数ｍ以下の短尺の光ファイバにおいてコア面積を拡大することにより、非線形性による出力パワー制限を緩和している。またレーザー加工では、出射光のビーム品質が加工効率に大きく影響する。ビーム品質は出射光のモード状態に強く依存するため、単一モード伝送が可能な光ファイバがファイバレーザー中で使用される。

【0003】

さらに非特許文献２に示すように、前記の高出力レーザーの出射端に光ファイバを接続し、遠隔からの溶接加工にも応用されている。この場合、出射端のビーム品質は接続した光ファイバにおける高次モードの励振状態が影響する。そのため、コア面積の大きいマルチモード光ファイバを伝送用光ファイバとして接続すれば、数ｋＷのようなハイパワー光を数十ｍ以上伝送することができるが、出射端におけるビーム品質は低くなる。ビーム品質を高くするためには伝搬モード数を低減する必要があるが、一般に光ファイバの構造設計において、伝搬モード数の低減とコア面積の拡大はトレードオフの関係にあり、伝送可能なパワーは制限される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】姫野、「高出力ファイバレーザの基礎と特徴」、フジクラ技報、Ｖｏｌ．１、ｐｐ．１−６、２０１４年１月

【非特許文献2】山崎ら、「１０ｋＷレーザ伝送用８芯長尺ケーブル」、三菱電線工業時報、第１０５号、ｐｐ．２４−２７、２００８年１０月

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の通り、従来の光ファイバでは出力ビーム品質の向上と出力光パワーの増大若しくは伝送距離の長延化とがトレードオフの関係にあり、高出力かつ高品質なハイパワー光が得られないといった課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の光ファイバは、フォトニック結晶ファイバを用いて伝搬可能なモード数をＬＰ２１モード以下とし、かつレーザー発振部の中心軸とフォトニック結晶ファイバの中心軸との軸ずれ量を一定量以下にし、任意の出力光パワーおよび伝送距離に対し所定の曲げ半径を設定することにより、課題を解決する。

【0007】

ここで、式（２）に示されるように、誘導ラマン散乱を防ぐ最大出力光パワーＰ_ｔｈと有効相互作用長Ｌ_ｅｆｆは反比例の関係ある。光ファイバが１ｋｍ以下と比較的短い伝送距離の場合、Ｌ_ｅｆｆと伝送距離Ｌは同等の値となる。その場合、出力光パワー性能は、出力光パワーと伝送距離の積（ｋＷ・ｍ）で表すことができる。なお伝送距離は１ｋｍ以下に限定されず、Ｌ_ｅｆｆとＬが同等とみなせる範囲であれば同様に適用できる。

【数2】

【0008】

具体的には、本発明に係る光ファイバは、
光ファイバの長手方向に沿って複数の空孔が配置され、前記複数の空孔で囲まれた領域がコア領域として構成されている光ファイバであって、
前記光ファイバの伝送距離に対する伝送可能な最大出力光パワーで定められる１４０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の許容曲げ半径を有し、
モード数３以下の光を伝送しかつ前記許容曲げ半径における基本モードの光の曲げ損失が１ｄＢ以下になるような、前記複数の空孔の空孔間距離及び前記複数の空孔の空孔直径と空孔間距離の比を有する。
ここで、前記光ファイバの伝送距離は、５０ｍ以上５００ｍ以下である。

【0009】

前記光ファイバの実効断面積Ａ_ｅｆｆと前記許容曲げ半径Ｒが次式（１）の関係を有していてもよい。ここで、係数ａは、６．６以上６．９以下であり、係数ｂは、０．９７以上１．０以下とすることができる。

【0010】

前記複数の空孔中にコア領域を構成する空孔１つ分の空孔欠陥を有し、かつ
前記複数の空孔の空孔間距離が３２μｍ以上６０μｍ以下であり、かつ
前記複数の空孔の空孔直径と空孔間距離の比が０．７２以上０．７８以下であってもよい。

【0011】

前記複数の空孔中に、コア領域を構成する空孔７つ分の空孔欠陥を有し、かつ
前記複数の空孔の空孔間距離が１３μｍ以上２８．５μｍであり、かつ
前記複数の空孔の空孔直径と空孔間距離の比が０．３７以上０．５５以下であってもよい。

【0012】

前記複数の空孔の空孔数が１８以下であってもよい。
たとえば、前記複数の空孔の空孔数が１２であり、
前記複数の空孔の空孔間距離が５０μｍ以上７０μｍ以下であり、かつ
前記複数の空孔の空孔直径の空孔間距離に対する比が０．７９以上０．９０以下であってもよい。

【0013】

前記予め定められたモード数の光は、ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード及びＬＰ２１モードを含みかつＬＰ０２モードを含まない光であってもよい。

【0014】

前記予め定められたモード数の光は、ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを含みかつＬＰ２１モード以上のモードを含まない光であってもよい。

【0015】

前記所定値は、１ｄＢ／ｋｍであってもよい。

【0016】

具体的には、本発明に係る光ファイバは、
本発明に係る光ファイバと、
前記光ファイバの伝送する光を出射する光源と、
前記光源からの出射光の中心軸と前記コア領域の中心軸の軸ずれ量を、前記光ファイバのモードフィールド半径に対して０．９５以下にする結合部と、
を備える。

【0017】

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明の光ファイバでは、フォトニック結晶ファイバにおいて曲げ半径を所定の値に設定することにより、従来の光ファイバと比較して、高いビーム品質かつ高出力な出力光を得られる、といった効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバの第１の構造例を表す概略図である。

【図2】実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバの第２の構造例を表す概略図である。

【図3】実施形態に係る光ファイバケーブルを表す概略図である。

【図4】実施形態に係るハイパワー光伝送システムの一例を表す。

【図5】ＭＦＤ不整合による高次モードに対する結合効率の一例を表す特性図である。

【図6】軸ずれによるモード間パワー比の一例を表す特性図である。

【図7】実施形態のハイパワー光伝送システムにおける結合部の拡大図の一例を表す。

【図8】実施形態のハイパワー光伝送用光ファイバの第１の構造例に係るＰＣＦの構造条件の一例を表す。

【図9】実施形態のハイパワー光伝送用光ファイバの第２の構造例に係るＰＣＦの構造条件の一例を表す。

【図10】実施形態のハイパワー光伝送用光ファイバに係る、許容曲げ半径と実効断面積の関係の一例を表す特性図である。

【図11】実施形態のハイパワー光伝送用光ファイバに係る、許容曲げ半径と最大出力光パワーの関係の一例を表す特性図である。

【図12】実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバの第３の構造例を表す概略図である。

【図13】実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバの第４の構造例を表す概略図である。

【図14】実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバの第４の構造例に係る、ＰＣＦの第１の特性図である。

【図15】実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバの第４の構造例の第２の特性図である。

【図16】実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバの第４の構造例の第３の特性図である。

【図17】実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバの第４の構造例の第４の特性図である。

【図18】図１４および図１７の重なる範囲を示す特性図である。

【図19】空孔欠陥が１つの場合の曲げ損失の波長依存性の一例を示す。

【図20】空孔欠陥が７つの場合の曲げ損失の波長依存性の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明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、本発明は、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、本発明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。

【0021】

図１〜図３に、実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバの構造例を示す。本実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバは、図１又は図２に代表されるように、光ファイバの長手方向に沿った複数の空孔を有するフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を用いる。図１及び図２は、それぞれ、本実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバの第１の構造例及び第２の構造例を示す。実施形態に係る光ファイバケーブル８３は、２以上の光ファイバを備え、２以上の光ファイバのうちの少なくとも１つが、図３に示すように、本実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバである。

【0022】

図１及び図２では、均一な材料（例えば純石英）中に複数を空孔を六方最密上に配置し、中心に空孔欠陥を配置することで、空孔欠陥を有する領域を光波が伝搬するコア領域としている。図１では中心に１つ分の空孔欠陥を、図２では中心に７つ分の空孔欠陥を配置する例を示す。

【0023】

また本実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバ９１は、コア領域拡大に伴う伝搬モード数の増加（すなわち出力光ビーム品質の低下）を避けるため、図３に示すようにケーブル化したときの曲げ半径を所定の値とする。これにより、本実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバは、コア領域拡大と伝搬モード数の制限を同時に実現し、出力光の高品質化およびハイパワー化を実現する。

【0024】

なお曲げ半径の設定は、運用上において所定の下限値を定めてもよいが、光ファイバケーブル８３の外被を所定の曲げ半径以下に曲がらない剛性を有する材料を選定することが好ましい。このとき、ハイパワー光伝送用光ファイバ９１の曲げ半径は、光ファイバケーブル８３自体の曲げ半径Ｒに加え、光ファイバケーブル８３内の曲げを考慮することが好ましい。この場合、光ファイバケーブル８３の外径Ｄに対してＲ＋Ｄ／２となることに留意する。

【0025】

ここで、本実施形態におけるハイパワー光伝送システムは、図４に示すように、レーザー発振部９２、レーザー発振部９２からの出射光をハイパワー光伝送用光ファイバ９１に入射する結合部９４と、入射した光波を導波するハイパワー光伝送用光ファイバ９１を含む。また結合部９４において結合効率を高めるため、レーザー発振部９２と結合部９４との間に入射角を制御するレンズ９３を入れることができる。

【0026】

図５に、入射光とフォトニック結晶ファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）不整合による結合効率を示す。縦軸は、基本モードであるＬＰ０１モードからＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードへの結合効率を示す。横軸は、フォトニック結晶ファイバのＭＦＤに対する入射光のビーム直径の割合を示す。ＭＦＤ不整合がない場合、すなわち、横軸の値が「１」の場合、角度ずれ等他の外乱のない理想条件下では全てＬＰ０１モードに結合するためビーム品質の低下が生じない。しかし、一般的に入射光のビーム径とフォトニック結晶ファイバのＭＦＤが完全に一致することは極めて稀である。ＭＦＤ不整合がある場合、ＬＰ１１、ＬＰ２１モードに対する結合効率は０．０５以下と非常に小さい。これは、ＬＰ１１モード及びＬＰ２１モードの電界分布が光ファイバの中心付近に成分を有さないため、入射光との結合が生じない結果である。

【0027】

一方、基本モードと類似した電界分布を有するＬＰ０２モードについては、ＭＦＤ不整合により結合効率が増加し、ビーム品質を低下させる要因となる。したがって、本実施形態のハイパワー光伝送用光ファイバ９１および伝送システムでは、出力光ビーム品質の低下を避けるため、ＬＰ０２モードが伝搬しない構造となるフォトニック結晶ファイバを採用する。これにより、本実施形態のハイパワー光伝送用光ファイバ９１および伝送システムは、レーザー発振部９２からの入射光と伝送用光ファイバ９１のＭＦＤ不整合の度合いに依存せず、安定して高品質な出力光を得ることができる。

【0028】

図６に、軸ずれによるモード間パワー比および出射光のビーム品質を表すＭ^２の変化を示す。横軸は、入射光の中心のファイバの中心からの軸ずれ量である。ここでは、ＬＰ０１モードのモードフィールド半径に対する相対値で表している。モード間パワー比は、ＬＰ０１に対するＬＰ１１モード又はＬＰ２１モードのパワー比、すなわちモード間の結合効率を示す。

【0029】

ＬＰ１１およびＬＰ２１モードはファイバ中心からずれた位置でピークを有するため、軸ずれによりこれらの高次モードの結合効率が増加し、結果としてビーム品質を低下させる。これらの高次モードによる出力光ビーム品質の低下（Ｍ^２の増加）を避けるため、例えばＭ^２を２．０以下とするためには、相対軸ずれ量を０．９５以下とする必要がある。

【0030】

そのため本実施形態のハイパワー光伝送システムでは、図７に示すように、結合部９４において、レーザー発振部９２の中心軸、すなわちレーザー発振部９２の出力光の光軸と、ハイパワー光伝送用光ファイバ９１のコア領域の中心軸との軸ずれ量が、ハイパワー光伝送用光ファイバ９１のモードフィールド半径に対して０．９５以下にする。これにより、本実施形態のハイパワー光伝送システムは、Ｍ^２が２．０以下となる極めて高品質な出力光を得ることができる。

【0031】

図８及び図９に、本実施形態に係るハイパワー光伝送用光ファイバのＰＣＦの構造条件の一例を示す。図８および図９は、それぞれ、図１及び図２に示すように、空孔欠陥が１つおよび７つの場合を示す。図では波長１０６０ｎｍにおける構造条件である。実線は、ＬＰ０２モードに対する損失が０．１ｄＢ／ｍとなる構造条件を示し、実線より左下の領域でＬＰ０２モードが伝搬しないこととなる。破線は、図中に示した曲げ半径Ｒにおいて、基本モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｋｍとなる構造条件を示し、破線より左の領域で基本モードに対する曲げ損失を十分低下し、低損失なハイパワー光伝送用光ファイバおよび光ファイバケーブル８３を得ることができる。ここで出力光パワーの最大値は基本モードの実効断面積の拡大によって増加することができ、実効断面積はＰＣＦの空孔間間隔Λを大きくすることで拡大できる。したがって、実線と破線の交点において、ＬＰ０２モードの伝搬および曲げ損失の増大を同時に防ぎ、破線に対応する曲げ半径において実効断面積を極大とできる。

【0032】

例えば、図８において、ＬＰ０２モードの伝搬および曲げ損失の増大を同時に防ぎ、破線に対応する曲げ半径において実効断面積を極大とできる条件は、以下のとおりである。Ｒ＝５００ｍｍ以下の場合、Λが６０μｍ以下であり、ｄ／Λが０．７８以下である。Ｒ＝４００ｍｍ以下の場合、Λが５５．５μｍ以下であり、ｄ／Λが０．７７５以下である。Ｒ＝３００ｍｍ以下の場合、Λが５１μｍ以下であり、ｄ／Λが０．７７以下である。Ｒ＝２００ｍｍ以下の場合、Λが４４μｍ以下であり、ｄ／Λが０．７５５以下である。Ｒ＝１４０ｍｍ以下の場合、Λが３２μｍ以下であり、ｄ／Λが０．７２以下である。

【0033】

例えば、図９において、ＬＰ０２モードの伝搬および曲げ損失の増大を同時に防ぎ、破線に対応する曲げ半径において実効断面積を極大とできる条件は、以下のとおりである。Ｒ＝５００ｍｍ以下の場合、Λが２８．５μｍ以下であり、ｄ／Λが０．５５以下である。Ｒ＝４００ｍｍ以下の場合、Λが２３μｍ以下であり、ｄ／Λが０．４８以下である。Ｒ＝３００ｍｍ以下の場合、Λが２０μｍ以下であり、ｄ／Λが０．４５以下である。Ｒ＝２００ｍｍ以下の場合、Λが１５μｍ以下であり、ｄ／Λが０．３８以下である。Ｒ＝１４０ｍｍ以下の場合、Λが１３μｍ以下であり、ｄ／Λが０．３７以下である。

【0034】

図１０及び図１１に、光ファイバの許容曲げ半径に対する実効断面積及び最大出力光パワーの関係を示す。図１０において、縦軸は実効断面積であり、□は図９に示す空孔欠陥が７の場合であり、○は図８に示す空孔欠陥が１の場合である。図１１において、縦軸は各伝送距離における最大出力光パワーであり、Ｌは伝送距離（ｍ）である。また図中の結果は、図８及び図９における実線と破線の交点で得られる構造に対応する。

【0035】

図１０より、許容曲げ半径Ｒを緩和することで得られる実効断面積Ａ_ｅｆｆを拡大でき、例えば許容曲げ半径を２００ｍｍ以上とすると、実効断面積で１０００μｍ^２以上とすることができる。

【0036】

また、図１０により、実効断面積Ａ_ｅｆｆと許容曲げ半径Ｒには一定の相関関係があることが分かる。例えば、実効断面積Ａ_ｅｆｆは、比例係数ａおよびｂを用いて
（数１）
Ａ_ｅｆｆ≦ａＲ^ｂ （１）
とすると、高い相関が得られた。なお、比例係数ｂは１以下である。

【0037】

図１０において、空孔欠陥が１の場合はａ＝６．９、ｂ＝０．９７であり、空孔欠陥が７の場合はａ＝６．６、ｂ＝０．９７であった。また、図１０において、許容曲げ半径Ｒが５００ｍｍ以下の領域において、所定の曲げ半径に対して得られる最大の実効断面積は、許容曲げ半径に対して概ね比例関係となった。それぞれに対し近似精度を表す相関係数は０．９８以上となり、式（１）の近似がハイパワー光伝送用光ファイバ９１におけるＰＣＦの設計に有効であることがわかる。したがって、式（１）を用いることにより、任意の出力光パワー、すなわち実効断面積に対して、必要な曲げ半径を設計することができる。

【0038】

なお図１０より、許容曲げ半径と実効断面積の関係は空孔欠陥数に対して依存性が小さく、記述のように式（１）のａは６．６〜６．９であり、ｂは概ね１．０である。また図１１より、上述の構造設計により得られたＰＣＦを用いることで、例えば５０ｍ程度の伝送距離を考えた場合、許容曲げ半径５０ｍｍ以下のような厳しい条件下でも１ｋＷ以上の出力が得られ、許容曲げ半径を５００ｍｍまで拡大すれば１０ｋＷ近い出力を得ることもできる。また許容曲げ半径３００ｍｍ程度とすることで、１ｋＷ以上のハイパワー光を３００ｍ以上の長距離で伝送可能なことが確認できる。

【0039】

図１２及び図１３に、本実施形態のハイパワー光伝送用光ファイバの第３の構造例及び第４の構造例を示す。第３の構造例及び第４の構造例は、少ない空孔数で構成する光ファイバ構造を示す。図１２及び図１３の構造では図１と同様にコア領域を空孔欠陥１つ分とし、図１２では空孔数を１８、図１３では空孔数を１２としている。フォトニック結晶ファイバでは、個々の空孔の位置及び大きさの精度が光学特性に影響し、空孔数が増えるほど製造の困難さや構造の歩留りの劣化が顕著となる。図１２及び図１３に示した構造では空孔数が１８以下の単純な構造で光波の導波を実現するため、量産性が高く光学特性の製造時の制御性がよくなり、好ましい。なお図１２で示した構造の場合、図８で示した設計範囲においてＭ^２が２．０以下の高品質かつｋＷ級のハイパワー光を伝送することが可能となる。

【0040】

図１４〜図１７に、本実施形態のハイパワー光伝送用光ファイバにおける、空孔数を１２孔とした場合の設計例を示す。図１４は基本モードに対する曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となる構造範囲を示している。図１５、図１６及び図１７はそれぞれＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モードに対する損失値を示し、枠内に囲まれる領域において対象となるモードの損失が十分大きくなり、漏洩させることができる。

【0041】

ここで図５及び図６で示した通り、ＬＰ０２モードを遮断し、レーザー発振部９２とハイパワー光伝送用光ファイバ９１の軸ずれ量を一定以下とすることで、高品質かつハイパワーな出力光を得られる。したがって、図１８に示す、図１４および図１７の重なる範囲において、その目的を達成しうる。すなわち、Λが５０μｍ以上６５μｍ以下かつｄ／Λが０．７９以上０．８８以下、またはΛが５０μｍ以下かつｄ／Λが０．７以上かつ０．７９以下の構造が好適となる。このとき、空孔数が１２と少ないため製造における歩留りや製造精度が極めてよく、かつＭ^２が２．０以下かつｋＷ級の出力光が得られ、好ましい。

【0042】

なお、本実施形態では、予め定められたモード数が３であり、基本モードであるＬＰ０１、ＬＰ１１及びＬＰ２１を伝搬し、ＬＰ０２を伝搬しない構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、予め定められたモード数が２であり、ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードを伝搬し、ＬＰ２１モード以上のモードを伝搬しない構成としてもよい。これによって、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0043】

たとえば図１５および図１６ではＬＰ１１モードおよびＬＰ２１モードが漏洩する構造が示されており、図１４と図１５の重なる領域を用いてモード数を２に、図１４と図１６の重なる領域を用いることでモード数を３にすることができる。すなわち、Λが３０μm以上５５μm以下かつｄ／Λが０．７０以上かつ０．７９以下、またはΛが５５μｍ以上６５μｍ以下かつｄ／Λが０．７９以上０．８３以下、またはΛが５７μｍ以上６５μｍ以下かつｄ／Λが０．８３以上かつ０．８８以下、またはΛが５９μｍ以上６８μｍ以下かつｄ／Λが０．８８以上かつ０．８９以下の構造にすることで、モード数を２にすることができる。また、Λが５２μｍ以上６５μｍ以下かつｄ／Λが０．７９以上０．８８以下、またはΛが５２μｍ以下かつｄ／Λが０．７以上かつ０．７７以下の構造にすることで、モード数を３にすることができる。

【0044】

図１９及び図２０に、波長に対する曲げ損失の一例を示す。図１９では、一例として、Λが５０．０μｍであり、ｄ／Λが０．７５又は０．８であり、空孔欠陥が１つであるＰＣＦの曲げ半径Ｒを５００ｍｍにした場合を示す。図２０では、一例として、Λが２０．０μｍであり、ｄ／Λが０．４５又は０．８であり、空孔欠陥が７つであるＰＣＦの曲げ半径Ｒを５００ｍｍにした場合を示す。波長が１０６０ｎｍのときと波長が１０５０ｎｍのときで曲げ損失に変化が生じないことが分かる。このため、本実施形態は、図８及び図９における構造条件で例示した波長１０６０ｎｍに限らず、波長１０５０ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下の範囲内であれば同様に適用することができる。

【産業上の利用可能性】

【0045】

本発明は、ハイパワー光を用いた工業加工に用いることができる。

【符号の説明】

【0046】

１１：コア
１２：クラッド
８１：ハイパワー光伝送システム
８２：被加工物
８３：光ファイバケーブル
９１：ハイパワー光伝送用光ファイバ
９２：レーザー発振部
９３：レンズ
９４：結合部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】