WO2016167080A1 - 光ファイバ設計方法 - Google Patents

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松井　隆
恭三 辻川
山本　文彦
信智 半澤
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    • G02B6/02347—Longitudinal structures arranged to form a regular periodic lattice, e.g. triangular, square, honeycomb unit cell repeated throughout cladding

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber design method for propagating light with high output and high quality.
  • a single mode optical fiber used in laser processing it is generally considered that the value of M 2 , which is a measure of beam quality, is 2 or less. Accordingly, propagation of the emitted light from the fiber laser using a single mode optical fiber has a higher processing quality because the beam quality is better than that of a multimode optical fiber.
  • the output power and the propagation distance are limited by nonlinear optical phenomena, particularly stimulated Raman scattering (SRS). For example, when propagating a light wave of 1 kW or more, the propagation distance is limited to several m. End up.
  • SRS stimulated Raman scattering
  • Non-Patent Document 1 a single-mode fiber laser that can obtain an output of about 10 kW has been realized, but the length of the delivery fiber (feeding fiber) is limited to several tens of meters. ing.
  • a eff effective core area
  • the optical fiber proposed in the prior art document defines the value of A eff , the propagation distance that can be used for the output power is not clarified. Whether it is possible to propagate several tens to several hundreds of meters is not clear. Furthermore, the fiber design flow and the range of the optical fiber outer diameter considering the practicality have not been clarified.
  • the fiber structure is provisionally determined by calculating A eff from the desired specification of the optical fiber, and the fiber structure is modified in consideration of the relationship with the bending loss values of the fundamental mode and higher-order modes. I decided to go.
  • the optical fiber design method includes: Determination of specification values for determining fiber loss and Raman gain coefficient of photonic crystal fiber (PCF) to be used, wavelength used for propagating light, beam quality M 2 after propagation of PCF, laser output value, propagation distance, and minimum bending radius Steps, A maximum propagation mode number calculating step for calculating the maximum propagation mode number n that can be propagated using Equation 1, An effective core area calculating step for calculating an effective core area A eff from the fiber loss and the Raman gain coefficient using Equation 2, A fiber structure calculating step of calculating a diameter d and a distance ⁇ of PCF holes satisfying the A eff ; A bending loss calculating step of calculating a bending loss at a minimum bending radius with the PCF of the structure calculated in the fiber structure calculating step, and calculating a bending loss of a propagation length from the propagation distance; Confirming that the bending loss of the propagation length is less than a predetermined value, and confirming the structure of the PCF
  • the optical fiber design method calculates the required A eff of the optical fiber from the required conditions, temporarily sets the structure of the photonic crystal fiber (PCF) that satisfies this requirement, and the bending loss is less than the specified value.
  • the structure of the PCF is finely adjusted so that
  • the fiber structure can also be determined by the following method. That is, the optical fiber design method according to the present invention is: Specification value determining step for determining a fiber loss and a Raman gain coefficient of a photonic crystal fiber (PCF) to be used, a wavelength used for propagating light, a beam quality M2 after propagation of the PCF, a laser output value, a propagation distance, and a minimum bending radius.
  • PCF photonic crystal fiber
  • a maximum propagation mode number calculating step for calculating the maximum propagation mode number n that can be propagated using Equation 1 An effective core area calculating step for calculating an effective core area A eff from the fiber loss and the Raman gain coefficient using Equation 2
  • the bending loss at the minimum bending radius of the minimum higher-order mode to be cut off by the PCF is calculated from the hole diameter d and the interval ⁇ of the PCF, and the bending loss is shown in the graph of the horizontal axis d / ⁇ and the vertical axis ⁇ .
  • the present invention can provide an optical fiber design method that can satisfy the requirements of desired output power, propagation distance, and beam quality.
  • the PCF is a 1-cell PCF in which holes having a diameter d are arranged at intervals ⁇ in the light propagation direction,
  • It has a feature of having a hole with a diameter d and an interval ⁇ in a region surrounded by a polygon having a vertex.
  • a eff can be made as large as possible while sufficiently cutting off the first higher-order mode or higher.
  • the PCF is a 1-cell PCF in which holes having a diameter d are arranged at intervals ⁇ in the light propagation direction,
  • It has a feature of having a hole with a diameter d and an interval ⁇ in a region surrounded by a polygon having a vertex.
  • a eff can be made as large as possible while sufficiently cutting off the third and higher modes.
  • the PCF is a 7-cell PCF in which holes having a diameter d are arranged at intervals ⁇ in the light propagation direction,
  • A1 (0.20, 10.98)
  • B (0.20, 4.95)
  • C1 (0.25, 5.27)
  • D (0.29, 9.87)
  • E (0.40, 12.25)
  • F (0.40, 13.52)
  • G (0.49, 14.15)
  • H (0.49, 15.74)
  • I (0.50, 18.12)
  • J 0.58, 18.12) K (0.58, 19.86) C3 (0.60, 20.34)
  • L (0.60, 23.03)
  • M (0.68, 23.99)
  • N (0.68, 31.60)
  • O (0.79, 48.73)
  • P (0.80, 50.00)
  • It has a feature of having a hole with a diameter d and an interval ⁇ in a region surrounded by a polygon having a vertex.
  • a eff can be made as
  • the PCF is a 7-cell PCF in which holes having a diameter d are arranged at intervals ⁇ in the light propagation direction,
  • A1 (0.20, 10.98)
  • B (0.20, 5.11)
  • C1 (0.40, 5.90)
  • D (0.40, 10.03)
  • E (0.50, 11.93)
  • F (0.50, 14.47)
  • C3 (0.60, 20.18)
  • G (0.69, 22.08) H (0.68, 23.67,)
  • I (0.70, 24.30)
  • J (0.70, 32.87) K (0.80, 50.00
  • It has a feature of having a hole with a diameter d and an interval ⁇ in a region surrounded by a polygon having a vertex.
  • a eff can be made as large as possible while sufficiently cutting off the third and higher modes.
  • the PCF is a 7-cell PCF in which holes having a diameter d are arranged at intervals ⁇ in the light propagation direction,
  • A1 (0.20, 10.98)
  • B (0.20, 5.11) C (0.50, 6.23)
  • D (0.50, 10.00)
  • E (0.60, 15.18)
  • F (0.60, 17.76)
  • G (0.65, 20.12)
  • H (0.70, 20.35)
  • I (0.79, 25.06)
  • J (0.79, 29.53)
  • K (0.78, 29.76)
  • L (0.78, 38.29)
  • M (0.80, 40.12)
  • N (0.80, 50.00
  • It has a feature of having a hole with a diameter d and an interval ⁇ in a region surrounded by a polygon having a vertex.
  • Aeff can be made as large as possible while sufficiently cutting off the fourth and higher modes.
  • This beam propagation method is a beam propagation method in which light of 1 kW or more from a laser is propagated by 10 m or more and output from the output end, From the laser to the output end is connected by a two-mode fiber having a propagation mode number of 2 at the wavelength of the light, The light is propagated by setting the excitation ratio of the first higher-order mode of the two-mode fiber to 50% or less.
  • a 2-mode fiber has a larger A eff than a single-mode fiber. For this reason, since SRS can be suppressed, the transmission distance of high output light can be extended. Furthermore, since the excitation ratio of the first higher-order mode of the two-mode fiber can be adjusted by the optical axis of the laser and the optical fiber, high-power light can be transmitted with a desired beam quality.
  • the beam propagation method according to the present invention is a beam propagation method in which light of 1 kW or more from a laser is propagated by 10 m or more and output from an output end, From the laser to the output end, a four-mode fiber having a propagation mode number of 4 or less at the wavelength of the light is connected, The light is propagated by setting the excitation rate of the third higher-order mode of the four-mode fiber to 30% or less.
  • the 4-mode fiber has a larger A eff than the single-mode fiber. For this reason, since SRS can be suppressed, the transmission distance of high output light can be extended. Furthermore, the excitation ratio of the first higher-order mode and the second higher-order mode of the four-mode fiber is reduced at the optical axis of the laser and the optical fiber, and the excitation ratio of the third higher-order mode is reduced to the mode field diameter of the optical fiber and the optical fiber. Since it can be adjusted by the spot size of light coupled to the fiber, high-power light can be transmitted with a desired beam quality.
  • the present invention can provide an optical fiber design method for designing an optical fiber that can satisfy the requirements of desired output power, propagation distance, and beam quality, and the optical fiber.
  • ⁇ and A eff (1600 ⁇ m 2 or more).
  • the area indicated by diagonal lines is an area where 1000 W output and 300 m transmission are possible.
  • d / ⁇ satisfying (a) M 2 ⁇ 2.0, (b) M 2 ⁇ 3.3, and (c) the number of propagation modes is 4 or less.
  • ⁇ and A eff (3200 ⁇ m 2 or more).
  • the area indicated by diagonal lines is an area where 2000 W output and 300 m transmission are possible.
  • the feature of the present invention is to improve the output power and extend the transmission distance by enlarging A eff .
  • the major difference from the prior art of the present invention is that the optical fiber has a structure capable of propagating a plurality of modes.
  • the present invention clarifies a region where M 2 can be set to a sufficiently small value by sufficiently reducing the efficiency with which higher-order modes are excited in the input unit, and a value that A eff cannot be realized in the past. Made it possible to
  • the M 2 value of each waveguide mode of the optical fiber is 1.1 for the fundamental mode, 3.3 for the first higher-order mode, and for the second higher-order mode. 3.3, it is shown to be 3.1 for the third higher order mode. Further, when the fundamental mode and the first higher-order mode coexist, it is shown that the M 2 value changes depending on the phase relationship between the excitation ratio of the first higher-order mode and the fundamental mode. It can be seen that when the excitation ratio of the next mode is less than about 50%, the M 2 value is 2.0 or less.
  • the first beam propagation method of the present embodiment is a beam propagation method in which light of 1 kW or more from a laser is propagated by 10 m or more and output from an output end, From the laser to the output end is connected by a two-mode fiber having a propagation mode number of 2 at the wavelength of the light, The light is propagated by setting the excitation ratio of the first higher-order mode of the two-mode fiber to 50% or less.
  • the excitation ratio changes according to the amount of axial deviation from the center of the optical fiber.
  • the reduction of the excitation ratio of the first higher-order mode to 50% or less can be sufficiently realized by the existing alignment (optical axis alignment) technique related to optical input / output.
  • the second higher-order mode is cut off and a two-mode fiber having only the fundamental mode and the first higher-order mode is used, it is impossible to realize the conventional multi-mode fiber by appropriately controlling the excitation ratio.
  • high-quality beam transmission with an M 2 value of 2.0 or less is possible, and a fiber design that greatly exceeds A eff, which has not been possible with conventional single-mode fibers, can be realized.
  • the worst value of the M 2 value of the two-mode fiber in which only the fundamental mode and the first higher-order mode exist is 3.3, which enables relatively high-quality beam propagation compared to the multi-mode optical fiber. Fiber design is possible.
  • the basis of the worst value of the M 2 value of the two-mode fiber is shown in FIG.
  • LP01 fundamental mode
  • LP11 mode M 2 is shown with respect to the excitation ratio of the LP11 mode when the (first higher order mode) are mixed
  • alpha LP11 mode of the excitation ratio
  • M is 0.0
  • M 2 is 3.3. Since the LP11 mode is not excited 100% unless the LP11 mode is intentionally excited, the worst value of the M 2 value of the two-mode fiber is 3.3.
  • the second beam propagation method of this embodiment is a beam propagation method in which light of 1 kW or more from a laser is propagated by 10 m or more and output from the output end, From the laser to the output end is connected by a 4-mode fiber having a propagation mode number of 4 at the wavelength of the light, The light is propagated by setting the excitation rate of the third higher-order mode of the four-mode fiber to 30% or less.
  • Non-Patent Document 6 also shows the M 2 value when the basic mode and the third higher-order mode coexist. If the excitation ratio of the third higher-order mode falls below approximately 30%, the M 2 value becomes 2 It turns out that it becomes the following.
  • the fundamental mode and the third higher-order mode are modes having an electric field peak at the center of the fiber, and the coupling efficiency changes depending on the spot size (MFD2) of light input to the fiber having the mode field diameter (MFD1).
  • the vertical axis represents the efficiency with which the third higher-order mode is excited
  • the horizontal axis represents the MFD difference ((MFD2 ⁇ MFD1) / MFD1) input to the fiber, and the third higher-order mode with respect to the MFD difference is excited. It is the figure which showed the relationship with the efficiency (occurrence rate of a 3rd higher mode).
  • the third higher-order mode is generated according to the distance between the optical fibers (corresponding to the difference in beam diameter between the input light and the fundamental mode of the four-mode optical fiber), the fiber laser and the four-mode optical fiber And adjust the distance.
  • the first higher-order mode and the second higher-order mode are higher-order modes that are generated due to the axis deviation of the fiber laser and the optical fiber, and can be sufficiently suppressed from the results of the axis deviation and the excitation amount of the first higher-order mode. is there.
  • This design method determines the fiber loss and Raman gain coefficient of the photonic crystal fiber (PCF) to be used, the wavelength used for propagating light, the beam quality M2 after the PCF propagation, the laser output value, the propagation distance, and the minimum bending radius.
  • PCF photonic crystal fiber
  • a specification value determining step A maximum propagation mode number calculating step for calculating the maximum propagation mode number n that can be propagated using Equation 1
  • An effective core area calculating step for calculating an effective core area A eff from the fiber loss and the Raman gain coefficient using Equation 2
  • the bending loss at the minimum bending radius of the minimum higher-order mode to be cut off by the PCF is calculated from the hole diameter d and the interval ⁇ of the PCF, and the bending loss is shown in the graph of the horizontal axis d / ⁇ and the vertical axis ⁇ .
  • the optical fiber according to the present embodiment has a core part and a clad part surrounding the core part, and the core part and the clad part are made of a medium having a uniform optical refractive index.
  • This is a 1-cell structure photonic crystal fiber (PCF: Photonic Crystal Fiber) in which a plurality of uniform holes 2 are formed along the longitudinal direction.
  • the 1-cell structure in the present invention refers to a structure of a photonic crystal having one defect in which only the central hole of the photonic crystal formed of holes arranged in a triangular lattice pattern is made of quartz. .
  • FIG. 5 shows the range of A eff of the PCF in the region where the bending loss of the fundamental mode with a bending radius of 140 mm is 1.0 dB / m or less, where the horizontal axis is d / ⁇ and the vertical axis is ⁇ .
  • the bending radius and the bending loss value in the fundamental mode are not limited to the definition or specified value of the present invention, and parameters used in the design can be determined according to necessary characteristics.
  • a eff is obtained using the following equation.
  • E is the electric field of light
  • x and y are coordinates in the fiber cross section (assuming x and y planes), respectively.
  • FIG. 6 shows the bending loss of the first higher-order mode when the horizontal axis is d / ⁇ and the vertical axis is ⁇ , and the bending radius is 140 mm of the 1-cell structure PCF in light having a wavelength of 1070 nm.
  • the plot range in the figure indicates a range where the bending loss in the first higher-order mode is 1 dB / m or more (a range in which the cut-off occurs).
  • a (0.42, 16) B (0.42, 10) C (0.53, 10) D (0.80, 56) are set to d and ⁇ in a region surrounded by a polygon having four vertices as vertices. More specifically, when d / ⁇ is 0.724 in FIG. 6 and ⁇ is about 45 ⁇ m, Aeff is 1400 ⁇ m 2 , and the bending loss of the first higher-order mode is 40 dB / m or more, which is effectively a single mode. It turns out that it is the structure which becomes.
  • FIG. 8 shows the third higher-order mode bending loss (1 dB / m or more) with a bending radius of 140 mm of the 1-cell structure PCF in light with a wavelength of 1070 nm, where the horizontal axis is d / ⁇ and the vertical axis is ⁇ . It is a thing.
  • d / ⁇ and ⁇ that overlap the range shown in FIG. 5 and the range shown in FIG. 8, it is possible to sufficiently cut off the third higher mode and select a region where A eff is large. It becomes possible.
  • FIG. 9 shows the fourth higher-order mode bending loss (1 dB / m or more) with a bending radius of 140 mm of the 1-cell structure PCF in the light of wavelength 1070 nm with the horizontal axis d / ⁇ and the vertical axis ⁇ . It is a thing.
  • d / ⁇ and ⁇ that overlap the range shown in FIG. 5 and the range shown in FIG. 9, it is possible to select a region where the fourth higher-order mode or higher is sufficiently cut off and A eff is large. It becomes possible.
  • the second higher-order mode or higher overlaps the range shown in FIG. 7, FIG. 8, or FIG. 9, the second higher-order mode or higher, the third higher-order mode or higher, The fourth higher-order mode or higher is sufficiently cut off, and it is possible to select a region where A eff is large.
  • FIG. 10 shows the wavelength dependence of the bending loss of a 1-cell PCF.
  • the solid line (white circle) indicates the dependence of the fundamental mode bending loss on the gap interval ⁇ , with the wavelength of 1050 nm and the broken line (black circle) indicates the value of wavelength 7070 nm.
  • the value of ⁇ is shown.
  • PCF is generally known to have a characteristic that A eff is almost the same value regardless of the transmission wavelength, and the bending loss increases as the wavelength becomes shorter.
  • the structure shown in FIG. 10 shows that the fundamental mode bending loss is 0.1 dB / m or less at any wavelength of 1050 nm, and that this design is effective at wavelengths of 1050 nm or more. Show.
  • the optical fiber according to the present embodiment has a core part and a clad part surrounding the core part, and the core part and the clad part are made of a medium having a uniform optical refractive index.
  • the PCF has a 7-cell structure in which a plurality of uniform holes 2 are formed along the longitudinal direction.
  • the 7-cell structure in the present invention refers to 7 defects in which one hole in the central portion of the photonic crystal formed of holes arranged in a triangular lattice and six holes around it are made of quartz.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating A eff in a region where the horizontal axis is d / ⁇ , the vertical axis is ⁇ , and the bending loss of the fundamental mode at a bending radius of 140 mm is 1.0 dB / m or less.
  • the PCF of this example has a 7-cell structure, it is advantageous in that the outer diameter of the fiber can be reduced in a region where A eff is 1000 ⁇ m 2 or more, compared with the three-layer structure of the 1-cell structure of Example 1.
  • the cladding diameter needs to be 500 ⁇ m, whereas in the four-layer 7-cell structure, it can be realized with an outer diameter of about 200 ⁇ m.
  • the definition of the bending loss value and the cut-off in the basic mode is not limited to the definition or specified value of the present invention, and parameters used for the design can be determined according to necessary characteristics.
  • FIG. 13 shows the bending loss of the first higher-order (LP11) mode at a bending radius of 140 mm of the 7-cell structure PCF in light with a wavelength of 1070 nm, where the horizontal axis is d / ⁇ and the vertical axis is ⁇ .
  • the plot range in the figure indicates a range where the bending loss in the first higher-order mode is 1 dB / m or more (a range in which the cut-off occurs).
  • a (0.20, 7.80) B (0.34, 10.82) C (0.78, 48.42) are set to d / ⁇ and ⁇ in a region surrounded by a triangle having three vertices as vertices. More specifically, when d / ⁇ is 0.68 and ⁇ is about 40 ⁇ m, A eff is 5700 ⁇ m 2 , and the bending loss of the first higher-order mode is 20 dB / m or more, effectively becoming a single mode. It turns out that it is a structure.
  • FIG. 14 is a graph showing the second higher-order mode bending loss (1 dB / m or more) at a bending radius of 140 mm of the 7-cell structure PCF in light of wavelength 1070 nm, where the horizontal axis is d / ⁇ and the vertical axis is ⁇ . It is.
  • d / ⁇ and ⁇ that overlap the range shown in FIG. 12 and the range shown in FIG. 14, it is possible to sufficiently cut off the second higher-order mode and select a region where A eff is large. It becomes possible.
  • FIG. 15 shows the third higher-order mode bending loss (1 dB / m or more) with a bending radius of 140 mm of the 1-cell structure PCF in light with a wavelength of 1070 nm, where the horizontal axis is d / ⁇ and the vertical axis is ⁇ . It is a thing.
  • d / ⁇ and ⁇ that overlap the range shown in FIG. 12 and the range shown in FIG. 15, it is possible to sufficiently cut off the third higher-order mode and select a region where A eff is large. It becomes possible.
  • FIG. 16 shows the fourth higher-order mode bending loss (1 dB / m or more) when the horizontal axis is d / ⁇ and the vertical axis is ⁇ , and the bending radius is 140 mm of the 1-cell structure PCF in light having a wavelength of 1070 nm. It is a thing.
  • d / ⁇ and ⁇ that overlap the range shown in FIG. 12 and the range shown in FIG. 16, it is possible to select a region where the fourth higher-order mode or higher is sufficiently cut off and A eff is large. It becomes possible.
  • the second higher-order mode or higher overlaps the range shown in FIG. 14, FIG. 15, or FIG. 16, the second higher-order mode or higher, the third higher-order mode or higher, The fourth higher-order mode or higher is sufficiently cut off, and it is possible to select a region where A eff is large.
  • FIG. 17 shows the wavelength dependence of the bending loss of a 7-cell PCF.
  • the solid line (white circle) indicates the dependence of the fundamental mode bending loss on the gap interval ⁇ , with the wavelength of 1050 nm and the broken line (black circle) indicates the value of wavelength 7070 nm.
  • the value of ⁇ is shown.
  • PCF is generally known to have a characteristic that A eff is almost the same value regardless of the transmission wavelength, and the bending loss increases as the wavelength becomes shorter.
  • the structure shown in FIG. 17 shows that the fundamental mode bending loss is 0.1 dB / m or less at any wavelength of 1050 nm, and that this design is effective at wavelengths of 1050 nm or more. Show.
  • the optical fiber design method of this embodiment is Determination of specification values for determining fiber loss and Raman gain coefficient of photonic crystal fiber (PCF) to be used, wavelength used for propagating light, beam quality M 2 after propagation of PCF, laser output value, propagation distance, and minimum bending radius Steps, A maximum propagation mode number calculating step for calculating the maximum propagation mode number n that can be propagated using Equation 1, An effective core area calculating step for calculating an effective core area A eff from the fiber loss and the Raman gain coefficient using Equation 2, A fiber structure calculating step for calculating the diameter and interval of the holes of the PCF satisfying the A eff ; A bending loss calculating step of calculating a bending loss at a minimum bending radius with the PCF of the structure calculated in the fiber structure calculating step, and calculating
  • FIG. 18 is a flowchart showing the procedure of the optical fiber design method of the present embodiment.
  • step S01 specifically value determining step determines the beam quality to use wavelength and the target (M 2 value).
  • step S02 largest propagation mode number calculation step
  • step S04 calculates the largest number propagation mode which can satisfy M 2 value of step S01 from Equation (1) (wherein the non-patent document 6 (17))
  • the most propagation mode number n is determined.
  • the output power and propagation distance used in step S03 are determined, and in step S04 (effective core area calculation step), equation (2) (shown in Non-Patent Document 7).
  • the required effective core area (A eff ) is calculated using the SRS threshold definition formula (8.1.13)).
  • step S05 the number of modes that can be propagated (1 + k) is determined.
  • step S08 bending loss calculation step
  • the bending loss of the fundamental mode at the minimum bending radius used in the fiber structure designed in step S07 is calculated.
  • step S09 If the specified value in step S09 is exceeded, the process returns to step S05 and the propagation possible mode The number is incremented by 1 and the procedure up to step S09 is repeated (mode increasing step). At this time, if the number of modes 1 + k exceeds the maximum number of propagation modes n in step S06, there is no solution of the fiber structure that satisfies the set beam quality with the output power and propagation distance, so the process returns to step S01 to return the beam quality (M review the specification value of 2 values) and the like, to determine the fiber structure by repeating the steps S02 follows.
  • a specification value is determined as step S01. here, Fiber loss: 1 dB / km (fiber transmission loss at the following wavelengths)
  • Raman gain coefficient g R 8.79 ⁇ 10 ⁇ 12 (cm / W)
  • Wavelength ⁇ used for propagating light 1070 nm
  • Beam quality M 2 1.5 or less
  • Laser output value 100 W
  • Propagation distance 300m
  • Minimum bending radius 140m
  • the Raman gain coefficient gR was calculated using Equation (4) (Equation (36) shown in Non-Patent Document 8).
  • step S04 the required A eff is calculated as approximately 160 ⁇ m 2 from the equation (2) (Note that the SRS threshold used in the equation (2) is the output power determined in step S03). Since the SRS threshold value calculated from Equation (2) varies depending on the fiber loss and g R , the required A eff also varies. For this reason, the fiber loss and g R are not limited to the present contents, but are appropriately changed depending on the fiber material to be used.
  • step S05 fiber structure design is performed in a single mode (the number of modes that can be propagated is 1).
  • the structural design of the PCF can be performed by the structural analysis by the finite element method shown in Non-Patent Document 9 or the approximate analysis shown by Non-Patent Document 10, and in this embodiment, the structural analysis by the finite element method is performed. Using.
  • the analysis method is not limited to the present embodiment, and a technique capable of analyzing the structure of the fiber may be used as appropriate.
  • the analysis was performed using the finite element method.
  • the minimum bending radius is 140 mm
  • the bending loss of the fundamental mode is calculated as 1 ⁇ 10 ⁇ 4 dB / m at R140 mm in the above structure. Since the propagation distance is 300 m, the total bending loss is 0.03 dB.
  • step S09 it is confirmed whether the bending loss value at the propagation length is 0.1 dB or less. As described above, since the bending loss after 300 m propagation is 0.03 dB, the requirement of Step S09 is satisfied, and the fiber structure is determined by this structure (Step S10).
  • the confinement loss of the first higher-order mode is 6 dB / m or more, this structure operates in a single mode, causing a slight axis shift, and even after the first higher-order mode is excited, after 300 m propagation.
  • the first higher-order mode has a sufficiently small excitation ratio due to bending loss.
  • the above description is an example of the structure calculated using the design flow of FIG. 18, and the fiber parameters may be appropriately determined using this design flow according to the target beam quality, output power, and propagation distance.
  • the maximum output power (SRS threshold) and the Leff interaction length are inversely related.
  • the optical fiber of the present invention assumes a relatively short transmission distance of 1 km or less, and Leff and propagation distance L are equivalent. Therefore, in this specification, the output power performance is described as the product of output power and propagation distance (kW ⁇ m). Note that the transmission distance is not limited to 1 km or less, and can be similarly applied as long as Leff and L can be regarded as equivalent.
  • Embodiments 5 to 8 will be described with reference to FIGS.
  • the figure shows a region where the desired PCF parameter is d / ⁇ on the horizontal axis and ⁇ on the vertical axis.
  • (a) coordinates under the condition of M 2 ⁇ 2.0 are A1 (0.42, 16.88) A2 (0.48, 25.31) A3 (0.57, 40.00) B (0.42, 10.94) C1 (0.60, 15.63) C2 (0.69, 31.88) C3 (0.76, 47.81) D (0.74, 43.12) E (0.75, 44.38) F (0.81, 60.63) G (0.85, 60.63) H (0.85, 77.50) I (0.90, 91.88), (B) The coordinates under the condition of M 2 ⁇ 3.3 are A1 (0.42, 16.88) A2 (0.47, 25.31) A3 (0.56, 40.00) B (0.42, 10.94) C1 (0.75, 15.00) C
  • FIG. 19 shows that when light having a wavelength of 1070 nm is propagated, d / ⁇ and ⁇ satisfying (a) M 2 ⁇ 2.0, (b) M 2 ⁇ 3.3, and (c) the number of propagation modes is 4 or less. It is a figure explaining the relationship of Aeff (160 micrometers 2 or more).
  • the plotted area (area shown by diagonal lines) has a structure capable of transmitting 30 kW ⁇ m in a 1-cell PCF.
  • FIG. 20 shows that when light having a wavelength of 1070 nm is propagated, (a) M 2 ⁇ 2.0, (b) M 2 ⁇ 3.3, and (c) d / ⁇ and ⁇ satisfying the number of propagation modes of 4 or less. It is a figure explaining the relationship of Aeff (800 micrometers 2 or more).
  • the plotted area (area shown by hatching) has a structure capable of 150 kW ⁇ m in a 1-cell PCF.
  • FIG. 21 shows that when light having a wavelength of 1070 nm is propagated, (a) M 2 ⁇ 2.0, (b) M 2 ⁇ 3.3, and (c) d / ⁇ and ⁇ satisfying a propagation mode number of 4 or less. It is a figure explaining the relationship of Aeff (1600 micrometers 2 or more).
  • the plotted area (area shown by diagonal lines) has a structure capable of 300 kW ⁇ m transmission in a 1-cell PCF.
  • FIG. 22 shows that when propagating light having a wavelength of 1070 nm, (a) M 2 ⁇ 2.0, (b) M 2 ⁇ 3.3, and (c) d / ⁇ and ⁇ satisfying a propagation mode number of 4 or less. It is a figure explaining the relationship of Aeff (3200 micrometers 2 or more).
  • the plotted area (the area shown by hatching) has a structure capable of transmitting 600 kW ⁇ m in a 1-cell PCF.
  • d / ⁇ and ⁇ are set in a region surrounded by polygons with A4, J1, and K as vertices.
  • Embodiments 9 to 13 will be described with reference to FIGS.
  • the figure shows a region where the desired PCF parameter is d / ⁇ on the horizontal axis and ⁇ on the vertical axis.
  • (a) coordinates in M 2 ⁇ 2.0 are A1 (0.20, 10.98) A2 (0.21, 11.77) A3 (0.27, 16.06) A4 (0.40, 24.46) A5 (0.53, 32.87) B (0.20, 4.95) C1 (0.25, 5.27) C2 (0.40, 12.88) C3 (0.60, 20.34) C4 (0.68, 29.56) C5 (0.72, 36.35) D (0.29, 9.87) E (0.40, 12.25) F (0.40, 13.52) G (0.49, 14.15) H (0.49, 15.74) I (0.50, 18.12) J (0.58, 18.12) K (0.58, 19.86) L (0.60, 23.03) M (0.68, 23.99) N
  • A2 (0.21, 11.77) A3 (0.27, 16.06) A4 (0.40, 24.78) A5 (0.53, 32.87) B (0.20, 5.11) C (0.50, 6.23) D (0.50, 10.00) E (0.60, 15.18) F (0.60, 17.76) G (0.65, 20.12) H (0.70, 20.35) I (0.79, 25.06) J (0.79, 29.53) K (0.78, 29.76) K1 (0.78, 30.66) L (0.78, 38.29) M (0.80, 40.12) N (0.80, 50.00) Will be described.
  • FIG. 23 shows that when light having a wavelength of 1070 nm is propagated, (a) M 2 ⁇ 2.0, (b) M 2 ⁇ 3.3, (c) d / ⁇ and ⁇ satisfying the number of propagation modes of 4 or less. It is a figure explaining the relationship of Aeff (160 micrometers 2 or more).
  • the plotted area (area shown by slanting lines) has a structure capable of transmitting 30 kW ⁇ m in a 7-cell PCF.
  • Embodiment 12 [7cell structure 600kW ⁇ m transmission]
  • the range of PCF parameters ( ⁇ and d) of the 7-cell structure in FIG. 11 that enables 600 kW ⁇ m transmission will be described.
  • FIG. 26 when propagating light having a wavelength of 1070 nm, (a) M 2 ⁇ 2.0, (b) M 2 ⁇ 3.3, and (c) d / ⁇ and ⁇ satisfying the number of propagation modes of 4 or less. It is a figure explaining the relationship of Aeff (3200 micrometers 2 or more).
  • the plotted area (area shown by diagonal lines) has a structure capable of transmitting 600 kW ⁇ m in a 7-cell PCF.
  • FIG. 28 shows a structural example of the PCF of this embodiment.
  • the PCF of this embodiment shows an optical fiber structure configured with fewer holes than the PCF of FIG.
  • the core region is one vacancy defect and the number of vacancies is 12, as in FIG.
  • the accuracy of the position and size of each hole affects the optical characteristics, and as the number of holes increases, the difficulty of manufacture and the deterioration of the structure yield become more prominent.
  • the structure shown in FIG. 28 is preferable because light wave guiding is realized with a simple structure having 12 or less holes, so that mass productivity is high and controllability at the time of manufacturing optical characteristics is improved.
  • the PCF structure shown in FIG. 28 can transmit high-quality and kW-class high-power light having an M2 of 2.0 or less within a predetermined design range.
  • FIG. 29 shows a structural range in which the bending loss with respect to the fundamental mode is 0.1 dB / m or less.
  • FIG. 31 and FIG. 32 show bending loss values for the LP11 mode, LP21 mode, and LP02 mode, respectively, and the loss of the target mode becomes sufficiently large in the region surrounded by the frame (bending loss of 1 dB / m or more). Can be leaked.
  • the LP02 mode is cut off, and the amount of misalignment between the laser oscillation unit and the PCF is kept below a certain level, so that high quality and high power output light can be obtained. Therefore, the object can be achieved in the overlapping range of FIG. 29 and FIG. 32 shown in FIG. That is, a structure in which ⁇ is 50 ⁇ m to 65 ⁇ m and d / ⁇ is 0.79 to 0.88, or ⁇ is 50 ⁇ m and d / ⁇ is 0.7 to 0.79 is preferable. At this time, since the number of vacancies is as small as 12, the manufacturing yield and accuracy are extremely good, and M2 of 2.0 or less and kW-class output light can be obtained, which is preferable.
  • the predetermined number of modes is 3, and the basic modes LP01, LP11, and LP21 are propagated and the LP02 is not propagated.
  • the present invention is not limited to this.
  • the predetermined number of modes may be 2, and the LP01 mode and the LP11 mode may be propagated, and the mode higher than the LP21 mode may not be propagated. As a result, the same effect as in the present embodiment can be obtained.
  • FIGS. 30 and 32 show a structure in which the LP11 mode and the LP21 mode leak, and the number of modes is set to 2 using the overlapping region of FIGS. 29 and 30, and the overlapping region of FIGS. 29 and 32 is used.
  • the number of modes can be set to 3. That is, ⁇ is 30 ⁇ m to 55 ⁇ m and d / ⁇ is 0.70 to 0.79, or ⁇ is 55 ⁇ m to 65 ⁇ m and d / ⁇ is 0.79 to 0.83, or ⁇ is 57 ⁇ m to 65 ⁇ m.
  • the number of modes is set to 2 by adopting a structure in which d / ⁇ is 0.83 or more and 0.88 or less, or ⁇ is 59 ⁇ m or more and 68 ⁇ m or less and d / ⁇ is 0.88 or more and 0.89 or less. be able to. Further, by setting ⁇ to 52 ⁇ m or more and 65 ⁇ m or less and d / ⁇ being 0.79 to 0.88, or ⁇ being 52 ⁇ m or less and d / ⁇ being 0.7 to 0.77, Can be set to 3.
  • the present invention uses the definition formula of the SRS threshold for the required output power and propagation distance, and the required beam quality (when the propagation mode is uniformly excited from the bending loss and the number of modes that can be propagated).
  • a fiber structure that satisfies the threshold value can be designed using the M 2 value of N.
  • the specific structure of a high-quality high-power transmission optical fiber can be clarified using the design flow.
  • An example of the structure of the PCF is shown as a specific design example.
  • the optical fiber and the optical fiber design method according to the present invention it is possible to secure the output power with respect to the propagation length at a desired beam quality that cannot be realized by the conventional design. It becomes possible to provide a possible optical fiber.
  • the fiber structure designed using the design flow used in the present invention can satisfy the required output power, propagation distance, and beam quality.
  • the beam quality can be improved. It is possible to realize use of light with a good propagation distance.
  • the present invention can be applied to the field of laser processing using a fiber laser.

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Abstract

所望の出力パワー、伝搬距離、及びビーム品質の要求条件を満たすことができるビーム伝搬方法及び光ファイバの構造を設計する光ファイバ設計方法を提供することを目的とする。本発明は、所望の仕様値に基づき実効コア断面積Ａｅｆｆを算出し、これを満たす光ファイバの構造と伝搬させるモード数と適宜調整することで、光ファイバの構造を確定させる。そのように設計された光ファイバにレーザ光を結合する際に高次モードの励振比率を制御することで高出力レーザの光をビーム品質を維持して長距離伝搬可能とする。

Description

光ファイバ設計方法
　本発明は、高出力かつ高品質に光を伝搬する光ファイバの設計方法に関するものである。
　現在、ファイバレーザーを用いたレーザー加工の分野で用いられている光ファイバにはシングルモードとマルチモードの２種類がある。レーザー加工で用いるシングルモード光ファイバでは、一般にビーム品質の尺度であるＭ２の値が２以下であることが目安とされている。従って、シングルモード光ファイバを用いてファイバレーザーの出射光を伝搬させる方が、マルチモード光ファイバと比較してビーム品質が良いため加工上のメリットは大きい。しかし、出力パワーと伝搬可能距離は非線形光学現象、特に誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　Ｒａｍａｎ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）によって制限され、例えば１ｋＷ以上の光波を伝搬させる場合には伝搬可能な距離が数ｍに制限されてしまう。そのためファイバレーザーの出力パワーをマルチモード光ファイバを用いて数１０ｍから数１００ｍ伝搬させてレーザー加工に用いる場合がある。しかし、マルチモードのファイバレーザーでは必然的にビーム品質、その尺度であるＭ２の値がシングルモードのファイバレーザーよりも劣化する。
　加えて、非特許文献１に示すようにシングルモードのファイバレーザーでも１０ｋＷ程度の出力を得られるものが実現されているが、そのデリバリー用ファイバ（フィーディングファイバ）の長さは数１０ｍに制限されている。これは、前記のＳＲＳをシングルモード光ファイバで抑制するには、後述するように実効コア断面積（Ａｅｆｆ）の拡大が必要になるが、同時に曲げ損失の増加とトレードオフになり、更に大きなＡｅｆｆを実現するためには、デリバリー用光ファイバの外径をｍｍオーダーに拡大する必要が生じる。このように外径が太くなると、光ファイバの可とう性が失われ、光ファイバを曲げることが困難になり、破断や破損が生じやすく、長距離のデリバリーに適さないという問題がある。
　上記をまとめると、先行技術ではｋＷ級の高パワー光をシングルモードの光ファイバおよびファイバレーザーで数１０ｍから数１００ｍ伝搬させることが非常に困難である。
　その解決のために光ファイバのパラメータのひとつである実効コア断面積Ａｅｆｆ（一般にモードフィールド径の２乗に比例する）の拡大が有効であり、例えば、非特許文献２から５に示す各種の屈折率分布のシングルモード光ファイバの設計が検討されている。
　しかしながら、先行技術文献では提案されている光ファイバはＡｅｆｆの値は規定されているものの、出力パワーに対して使用できる伝搬距離などについては明確化されておらず、ｋＷ級の高パワー光を数１０～数１００ｍ伝搬させることができるか否か、明らかではない。さらにはそのファイバ設計のフローや実用性を考慮した光ファイバ外径の範囲なども明確にされていない。
市毛　他．，"低曲げ損失かつ大きな実効コア断面積を有するオールソリッドフォトニックバンドギャップファイバ"，信ソ大，Ｂ－１３－２３，２０１２． Ｗ．Ｓ．Ｗｏｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔ　ｏｆ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｒｅａ　ｆｏｒ　ｒｏｂｕｓｔ　ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｓ"，Ｏｐｔ．　Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３０，ｎｏ．２１，ｐｐ．２８５５－２８５７，２００５． Ｍ．　Ｎａｐｅｉｒａｌａ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｌａｒｇｅ－ｍｏｄｅ－ａｒｅａ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｒｅ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｌｏｓｓ"，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１８，ｎｏ．１５，ｐｐ．１５４０８－１５４１８，２０１０． Ｍ．Ｋａｓｈｉｗａｇｉ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ　ａｌｌ－ｓｏｌｉｄ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｂａｎｄｇａｐ　ｆｉｂｅｒ　ｗｉｔｈ　ｌａｒｇｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｒｅａ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｌｏｓｓ　ｆｏｒ　ｃｏｍｐａｃｔ　ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ　ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ　ｌａｓｅｒｓ"，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．２０，ｎｏ．１４，ｐｐ．１５０６１－１５０７０，２０１２． Ｍ．Ｃ．Ｓｗａｎ　ｅｔ　ａｌ．，"３３μｍ　Ｃｏｒｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ　ｃｈｉｒａｌｌｙ－ｃｏｕｐｌｅｄ－ｃｏｒｅ　ｆｉｂｅｒ　ｌａｓｅｒ　ａｔ　１０６４－ｎｍ"，ＯＦＣ２００８，ＯＷＵ２，２００８． Ｈ．Ｙｏｄａ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｂｅａｍ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｈｉｇｈｅｒ　ｏｒｄｅｒ　ｍｏｄｅｓ　ｉｎ　ａ　ｓｔｅｐ－ｉｎｄｅｘ　ｆｉｂｅｒ"，Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．２４，ｎｏ．３，ｐｐ．１３５０－１３５５，２００６． Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ，"Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃｓ"，ＡＣＡＤＥＭＩＣ　ＰＲＥＳＳ． Ｆ．Ａ．Ｏｇｕａｍａ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒａｍａｎ　ｇａｉｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｓ：　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ"，Ｊ．　Ｏｐｔ．　Ｓｏｃ．　Ａｍ．Ｂ，ｖｏｌ．２２，ｎｏ．２，ｐｐ．４２６－４３６，２００５． Ｋｕｎｉｍａｓａ　Ｓａｉｔｏｈ，Ｍａｓａｎｏｒｉ　Ｋｏｓｈｉｂａ，"Ｆｕｌｌ－ｖｅｃｔｏｒｉａｌ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｂｅａｍ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｉｔｈ　ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ　ｍａｔｃｈｅｄ　ｌａｙｅｒｓ　ｆｏｒ　ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ"，ＩＥＥＥ　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．１９，ｎｏ．３，ｐｐ．４０５－４１３，２００１． Ｋｕｎｉｍａｓａ　Ｓａｉｔｏｈ，Ｍａｓａｎｏｒｉ　Ｋｏｓｈｉｂａ，"Ｅｍｐｒｉｃａｌ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｓｉｍｐｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒｓ"，Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ，Ｏｐｔｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ，１０　Ｊａｎｕａｒｙ　２００５，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．１，ｐｐ．２６７－２７４．
　前記の通り、従来の検討例においては要求される出力パワー、伝搬距離、及びビーム品質の要求条件に対してそれらを満たすことができる光ファイバの構造が明確にされていなかった。
　そこで、本発明は、所望の出力パワー、伝搬距離、及びビーム品質の要求条件を満たすことができる光ファイバを設計する光ファイバ設計方法及びその光ファイバを提供することを目的とする。
　前記目的を達成するために、光ファイバの所望仕様からＡｅｆｆを算出してファイバ構造を仮決めし、基本モードや高次モードの曲げ損失値との関係を考慮してファイバ構造を修正していくこととした。
　具体的には、本発明に係る光ファイバ設計方法は、
　使用するフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）のファイバ損失及びラマン利得係数、伝搬する光の使用波長、前記ＰＣＦ伝搬後のビーム品質Ｍ２、レーザ出力値、伝搬距離、最小曲げ半径を決定する仕様値決定ステップと、
　数１を用いて伝搬可能な最多伝搬モード数ｎを算出する最多伝搬モード数算出ステップと、
　数２を用いてファイバ損失及びラマン利得係数から実効コア断面積Ａｅｆｆを算出する実効コア断面積算出ステップと、
　前記Ａｅｆｆを満たすＰＣＦの空孔の直径ｄと間隔Λを計算するファイバ構造算出ステップと、
　前記ファイバ構造算出ステップで計算した構造のＰＣＦで最小曲げ半径での曲げ損失を計算し、前記伝搬距離から伝搬長の曲げ損失を計算する曲げ損失計算ステップと、
　前記伝搬長の曲げ損失が所定値未満であることを確認し、前記ファイバ構造算出ステップで計算したＰＣＦの構造を確定する確認ステップと、
　前記確認ステップで前記伝搬長の曲げ損失が所定値以上である場合、モード数を１つ増やして前記ファイバ構造算出ステップ、前記曲げ損失計算ステップ、及び前記確認ステップを、モード数が最多伝搬モード数ｎに達するまで繰り返すモード増加ステップと、
を行う。
　数１と数２については後述する。
　本発明に係る光ファイバ設計方法は、要求条件から光ファイバの必要Ａｅｆｆを算出し、これを満たすフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｆｉｂｅｒ）の構造を仮設定し、曲げ損失が規定値未満になるようにＰＣＦの構造を微調整する。
　また、次の手法でファイバ構造を決定することもできる。
　すなわち、本発明に係る光ファイバ設計方法は、
　使用するフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）のファイバ損失及びラマン利得係数、伝搬する光の使用波長、前記ＰＣＦ伝搬後のビーム品質Ｍ２、レーザ出力値、伝搬距離、最小曲げ半径を決定する仕様値決定ステップと、
　数１を用いて伝搬可能な最多伝搬モード数ｎを算出する最多伝搬モード数算出ステップと、
　数２を用いてファイバ損失及びラマン利得係数から実効コア断面積Ａｅｆｆを算出する実効コア断面積算出ステップと、
　前記Ａｅｆｆ以上となるＰＣＦの空孔の直径ｄと間隔Λを計算し、横軸ｄ／Λ、縦軸Λのグラフに前記Ａｅｆｆ以上となる点をプロットするファイバ構造算出ステップと、
　ＰＣＦの空孔の直径ｄと間隔Λから該ＰＣＦでカットオフさせる最小の高次モードの最小曲げ半径での曲げ損失を計算し、横軸ｄ／Λ、縦軸Λのグラフに該曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上となる点をプロットする曲げ損失計算ステップと、
　前記ファイバ構造算出ステップでグラフにプロットした点の領域と前記曲げ損失計算ステップでグラフにプロットした点の領域とが重複する重複範囲を検出し、前記重複範囲にある直径ｄと間隔Λの空孔を持つＰＣＦ構造に決定する構造決定ステップと、
を行う。
　数１と数２については後述する。
　ＰＣＦの設計において、横軸ｄ／Λ、縦軸Λのグラフ上で所望値以上のＡｅｆｆの領域と所望の高次モードのカットオフ領域との重複領域にある直径ｄと間隔Λの空孔を持つＰＣＦ構造とすることで、所望の高次モード以上のモードを十分にカットオフでき、Ａｅｆｆが大きい領域を選定することが可能になる。
　従って、本発明は、所望の出力パワー、伝搬距離、及びビーム品質の要求条件を満たすことができる光ファイバ設計方法を提供することができる。
　上記光ファイバ設計方法で設計したＰＣＦの１例である。
　当該ＰＣＦは、光の伝搬方向に直径ｄの空孔が間隔Λで配列する１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦであって、
　座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ１（０．４２，１６．８８）
Ｂ（０．４２，１０．９４）
Ｃ１（０．６０，１５．６３）
Ｃ２（０．６９，３１．８８）
Ｄ（０．７４，４３．１２）
Ｅ（０．７５，４４．３８）
Ｃ３（０．７６，４７．８１）
Ｆ（０．８１，６０．６３）
Ｇ（０．８５，６０．６３）
Ｈ（０．８５，７７．５０）
Ｉ（０．９０，９１．８８）
を頂点とする多角形で囲まれる領域にある直径ｄと間隔Λの空孔を持つことを特徴とする。
　第１高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Ａｅｆｆをできるだけ大きくすることができる。
　上記光ファイバ設計方法で設計したＰＣＦの１例である。
　当該ＰＣＦは、光の伝搬方向に直径ｄの空孔が間隔Λで配列する１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦであって、
　座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ１（０．４２，１６．８８）
Ｂ（０．４２，１０．９４）
Ｃ１（０．７５，１５．００）
Ｄ１（０．７５，２０．００）
Ｃ２（０．７８，３５．００）
Ｄ２（０．８０，３５．９３）
Ｅ（０．８０，４５．６３）
Ｆ（０．８３，５１．５６）
Ｃ３（０．９０，５４．３８）
Ｉ（０．９０，９１．８８）
を頂点とする多角形で囲まれる領域にある直径ｄと間隔Λの空孔を持つことを特徴とする。
　第３高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Ａｅｆｆをできるだけ大きくすることができる。
　上記光ファイバ設計方法で設計したＰＣＦの他の例である。
　当該ＰＣＦは、光の伝搬方向に直径ｄの空孔が間隔Λで配列する1ｃｅｌｌ構造のＰＣＦであって、
　座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ１　（０．４２，１６．８８）
Ｂ　（０．４２，１０．９４）
Ｃ　（０．７５，１４．２４）
Ｄ　（０．７５，１２．１０）
Ｅ　（０．７９，２０．００）
Ｆ　（０．８５，３０．００）
Ｇ　（０．８５，４１．５８）
Ｈ　（０．８９，５０．００）
Ｉ　（０．８９，５８．９５）
Ｊ　（０．９０，６０．０）
Ｋ　（０．９０，９１．８８）
を頂点とする多角形で囲まれる領域にある直径ｄと間隔Λの空孔を持つことを特徴とする。
　第４高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Ａｅｆｆをできるだけ大きくすることができる。
　上記光ファイバ設計方法で設計したＰＣＦの他の例である。
　当該ＰＣＦは、光の伝搬方向に直径ｄの空孔が間隔Λで配列する７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦであって、
　座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ１（０．２０，１０．９８）
Ｂ（０．２０，４．９５）
Ｃ１（０．２５，５．２７）
Ｄ（０．２９，９．８７）
Ｅ（０．４０，１２．２５）
Ｆ（０．４０，１３．５２）
Ｇ（０．４９，１４．１５）
Ｈ（０．４９，１５．７４）
Ｉ（０．５０，１８．１２）
Ｊ（０．５８，１８．１２）
Ｋ（０．５８，１９．８６）
Ｃ３（０．６０，２０．３４）
Ｌ（０．６０，２３．０３）
Ｍ（０．６８，２３．９９）
Ｎ（０．６８，３１．６０）
Ｏ（０．７９，４８．７３）
Ｐ（０．８０，５０．００）
を頂点とする多角形で囲まれる領域にある直径ｄと間隔Λの空孔を持つことを特徴とする。
　第１高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Ａｅｆｆをできるだけ大きくすることができる。
　上記光ファイバ設計方法で設計したＰＣＦの他の例である。
　当該ＰＣＦは、光の伝搬方向に直径ｄの空孔が間隔Λで配列する７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦであって、
　座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ１（０．２０，１０．９８）
Ｂ（０．２０，５．１１）
Ｃ１（０．４０，５．９０）
Ｄ（０．４０，１０．０３）
Ｅ（０．５０，１１．９３）
Ｆ（０．５０，１４．４７）
Ｃ３（０．６０，２０．１８）
Ｇ（０．６９，２２．０８）
Ｈ（０．６８，２３．６７，）
Ｉ（０．７０，２４．３０）
Ｊ（０．７０，３２．８７）
Ｋ（０．８０，５０．００）
を頂点とする多角形で囲まれる領域にある直径ｄと間隔Λの空孔を持つことを特徴とする。
　第３高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Ａｅｆｆをできるだけ大きくすることができる。
　上記光ファイバ設計方法で設計したＰＣＦの他の例である。
　当該ＰＣＦは、光の伝搬方向に直径ｄの空孔が間隔Λで配列する７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦであって、
　座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ１　（０．２０，１０．９８）
Ｂ　（０．２０，５．１１）
Ｃ　（０．５０，６．２３）
Ｄ　（０．５０，１０．００）
Ｅ　（０．６０，１５．１８）
Ｆ　（０．６０，１７．７６）
Ｇ　（０．６５，２０．１２）
Ｈ　（０．７０，２０．３５）
Ｉ　（０．７９，２５．０６）
Ｊ　（０．７９，２９．５３）
Ｋ　（０．７８，２９．７６）
Ｌ　（０．７８，３８．２９）
Ｍ　（０．８０，４０．１２）
Ｎ　（０．８０，５０．００）
を頂点とする多角形で囲まれる領域にある直径ｄと間隔Λの空孔を持つことを特徴とする。
　第４高次モード以上を十分にカットオフしつつ、Ａｅｆｆをできるだけ大きくすることができる。
　上述したＰＣＦを用いるビーム伝搬方法を説明する。
　本ビーム伝搬方法は、レーザからの１ｋＷ以上の光を１０ｍ以上伝搬させて出力端から出力させるビーム伝搬方法であって、
　前記レーザから前記出力端までを、前記光の波長において伝搬モード数が２である２モードファイバで接続し、
　前記２モードファイバの第１高次モードの励振比率を５０％以下として光を伝搬させることを特徴とする。
　２モードファイバは、シングルモードファイバに比べてＡｅｆｆが大きい。このため、ＳＲＳを抑制できるため、高出力の光の伝送距離を伸ばすことができる。さらに、２モードファイバの第１高次モードの励振比率をレーザと光ファイバとの光軸で調整することができるため、高出力の光を所望のビーム品質で伝送することができる。
　具体的には、本発明に係るビーム伝搬方法は、レーザからの１ｋＷ以上の光を１０ｍ以上伝搬させて出力端から出力させるビーム伝搬方法であって、
　前記レーザから前記出力端までを、前記光の波長において伝搬モード数が４以下である４モードファイバで接続し、
　前記４モードファイバの第３高次モードの励振率を３０％以下として光を伝搬させることを特徴とする。
　４モードファイバは、シングルモードファイバに比べてＡｅｆｆが大きい。このため、ＳＲＳを抑制できるため、高出力の光の伝送距離を伸ばすことができる。さらに、４モードファイバの第１高次モードと第２高次モードの励振比率をレーザと光ファイバとの光軸で低減し、第３高次モードの励振比率を光ファイバのモードフィールド径と光ファイバへ結合する光のスポットサイズとで調整することができるため、高出力の光を所望のビーム品質で伝送することができる。
　従って、本発明に係る光ファイバ設計方法で設計したＰＣＦにて、所望の出力パワー、伝搬距離、及びビーム品質の要求条件を満たすことができるビーム伝搬方法を実現することができる。
　本発明は、所望の出力パワー、伝搬距離、及びビーム品質の要求条件を満たすことができる光ファイバを設計する光ファイバ設計方法及びその光ファイバを提供することができる。
光ファイバの導波モードの例を示す図である。 ＬＰ０１からＬＰ１１への軸ずれに対する励振効率を説明する図である。 光ファイバのＭＦＤ差と基本モードから第３高次モードが励振される効率との例を示す図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦの断面の例を示す図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を基本モードで伝搬させるとき、曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆの関係を説明する図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光の第１高次（ＬＰ１１）モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上になる領域（カットオフされる領域）を説明する図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光の第２高次（ＬＰ２１）モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上になる領域（カットオフされる領域）を説明する図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光の第３高次（ＬＰ０２）モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上になる領域（カットオフされる領域）を説明する図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光の第４高次（ＬＰ３１）モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上になる領域（カットオフされる領域）を説明する図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦの基本モード曲げ損失の１０５０ｎｍと１０７０ｎｍの構造依存性を説明する図である。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦの断面の例を示す図である。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を基本モードで伝搬させるとき、曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆの関係を説明する図である。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光の第１高次（ＬＰ１１）モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上になる領域（カットオフされる領域）を説明する図である。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光の第２高次（ＬＰ２１）モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上になる領域（カットオフされる領域）を説明する図である。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光の第３高次（ＬＰ０２）モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上になる領域（カットオフされる領域）を説明する図である。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光の第４高次（ＬＰ３１）モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上になる領域（カットオフされる領域）を説明する図である。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦの基本モード曲げ損失の１０５０ｎｍと１０７０ｎｍの構造依存性を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ設計方法を説明するフロー図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下、を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（１６０μｍ２以上）の関係を説明する図である。斜線で示す領域は、１００Ｗ出力且つ３００ｍ伝送が可能になる領域である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下、を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（８００μｍ２以上）の関係を説明する図である。斜線で示す領域は、５００Ｗ出力且つ３００ｍ伝送が可能になる領域である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下、を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（１６００μｍ２以上）の関係を説明する図である。斜線で示す領域は、１０００Ｗ出力且つ３００ｍ伝送が可能になる領域である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下、を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（３２００μｍ２以上）の関係を説明する図である。斜線で示す領域は、６００ｋＷｍ伝送が可能になる領域である。条件（ａ）と（ｂ）を満たす領域は存在しない。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下、を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（１６０μｍ２以上）の関係を説明する図である。斜線で示す領域は、１００Ｗ出力且つ３００ｍ伝送が可能になる領域である。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下、を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（８００μｍ２以上）の関係を説明する図である。斜線で示す領域は、５００Ｗ出力且つ３００ｍ伝送が可能になる領域である。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下、を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（１６００μｍ２以上）の関係を説明する図である。斜線で示す領域は、１０００Ｗ出力且つ３００ｍ伝送が可能になる領域である。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下、を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（３２００μｍ２以上）の関係を説明する図である。斜線で示す領域は、２０００Ｗ出力且つ３００ｍ伝送が可能になる領域である。 ７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下、を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（４８００μｍ２以上）の関係を説明する図である。斜線で示す領域は、３０００Ｗ出力且つ３００ｍ伝送が可能になる領域である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦの断面の他の例を示す図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆの関係を説明する図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光の第１高次（ＬＰ１１）モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上になる領域（カットオフされる領域）を説明する図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光の第２高次（ＬＰ２１）モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上になる領域（カットオフされる領域）を説明する図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光の第３高次（ＬＰ０２）モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上になる領域（カットオフされる領域）を説明する図である。 １ｃｅｌｌ構造のＰＣＦで波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、Ｍ２≦２．０を満たすｄ／ΛとΛの関係を説明する図である。
　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。
（実施形態１）
　本発明の特徴は、Ａｅｆｆを拡大することによる出力パワーの向上および伝送距離の長延化を図ることである。本発明の従来技術との大きな違いは、光ファイバが複数モードが伝搬可能な構造である点である。本発明は、入力部で高次モードが励振される効率を十分に低減し、Ｍ２を十分に小さい値にすることが可能な領域を明らかにして、Ａｅｆｆを従来では実現できなかった値にすることを可能とした。
　そこで、まずビーム品質の指標であるＭ２値について以下に示す。本発明の実施形態においては、図１に示す各導波モードをもとに説明する。
　光ファイバの各導波モードのＭ２値は、非特許文献６において基本モードに対しては１．１、第１高次モードに対しては３．３、第２高次モードに対しては３．３、第３高次モードに対しては３．１になることが示されている。また、基本モードと第１高次モードが混在している場合には、第１高次モードの励振比率と基本モードとの位相関係によってＭ２値が変化することが示されており第１高次モードの励振比率がおよそ５０％を下回れば、Ｍ２値は２．０以下になることがわかる。
　本実施形態の第１のビーム伝搬方法は、レーザからの１ｋＷ以上の光を１０ｍ以上伝搬させて出力端から出力させるビーム伝搬方法であって、
　前記レーザから前記出力端までを、前記光の波長において伝搬モード数が２である２モードファイバで接続し、
　前記２モードファイバの第１高次モードの励振比率を５０％以下として光を伝搬させることを特徴とする。
　第１高次モードは、一般に光ファイバに光を入力する際に光ファイバの中心からの軸ずれ量に応じて励振比率が変化する。そして、第１高次モードの励振比率を５０％以下に低減することは、既存の光入出力に関するアライメント（光軸調心）技術で十分に実現可能である。
　従って、第２高次モードをカットオフにし、基本モードと第１高次モードのみが存在する２モードファイバを用いれば、励振比率を適切に制御することで、従来のマルチモードファイバでは実現不可能だったＭ２値が２．０以下の高品質なビーム伝送が可能になり、かつ従来のシングルモードファイバでは実現不可能だったＡｅｆｆを大きく超えるファイバ設計が可能になる。加えて、基本モードと第１高次モードのみが存在する２モードファイバのＭ２値の最悪値は３．３であり、マルチモード光ファイバと比較して比較的高品質なビーム伝搬を可能とするファイバ設計が可能である。
　なお、２モードファイバのＭ２値の最悪値の根拠は非特許文献６の図４である。この図にＬＰ０１（基本モード）とＬＰ１１モード（第１高次モード）が混在する場合のＬＰ１１モードの励振比率に対してのＭ２が示されており、α（ＬＰ１１モードの励振比率）が１．０の時にＭ２が３．３となっている。そして、意図的にＬＰ１１モードを励振しない限り、ＬＰ１１モードが１００％励振されることはないため、２モードファイバのＭ２値の最悪値は３．３である。
　本実施形態の第２のビーム伝搬方法は、レーザからの１ｋＷ以上の光を１０ｍ以上伝搬させて出力端から出力させるビーム伝搬方法であって、
　前記レーザから前記出力端までを、前記光の波長において伝搬モード数が４である４モードファイバで接続し、
　前記４モードファイバの第３高次モードの励振率を３０％以下として光を伝搬させることを特徴とする。
　非特許文献６には、基本モードと第３高次モードが混在した場合のＭ２値も示されており、第３高次モードの励振比率がおよそ３０％を下回れば、Ｍ２値は２以下になることがわかる。基本モードと第３高次モードはファイバ中心に電界のピークを持つモードであり、モードフィールド径（ＭＦＤ１）のファイバへ入力する光のスポットサイズ（ＭＦＤ２）に依存してその結合効率が変化する。図３は、縦軸を第３高次モードが励振される効率、横軸をファイバへ入力されるＭＦＤ差（（ＭＦＤ２－ＭＦＤ１）／ＭＦＤ１）とし、ＭＦＤ差に対する第３高次モードが励振される効率（第３高次モードの発生率）との関係示した図である。
　図３より、ＭＦＤ差を２０％以内に抑えるか、ファイバのＭＦＤ１よりも大きなスポットサイズのビームを入力すれば、第３高次モードの発生をおよそ３０％以下に低減することが可能で、Ｍ２値を２以下にすることができる。具体的には、光ファイバ同士の距離（入力光と４モード光ファイバの基本モードとのビーム径の差に相当）に応じて第３高次モードが発生するので、ファイバレーザと４モード光ファイバとの距離を調整する。なお、第１高次モードと第２高次モードはファイバレーザと光ファイバの軸ずれにより発生する高次モードであり、第１高次モードの軸ずれと励振量の結果から十分に抑圧可能である。
　以上から、第４高次モードをカットオフにした４モードファイバを用い、励振比率を上記の手段で適切に制御することによって、Ｍ２値が２．０以下の高品質なビーム伝搬を可能とするファイバ設計が可能である。さらに、４モードファイバのＭ２値の最悪値は３．３であることから、Ｍ２値が、悪くとも３．３以下を実現する比較的高品質なビーム伝搬を可能とするファイバ設計が可能である。
　なお、２モードファイバのＭ２値の最悪値の根拠は非特許文献６の図６である。この図にＬＰ０１（基本モード）とＬＰ０２モード（第３高次モード）が混在する場合のＬＰ０２モードの励振比率に対してのＭ２が示されており、α（ＬＰ０２モードの励振比率）が０．９の時にＭ２が３．３となっている。従って、４モードファイバのＭ２値の最悪値は３．３である。
　シングルモードのみの伝搬では、Ａｅｆｆの拡大に限界があるが、本実施形態で説明したビーム伝搬方法のように、２モードファイバや４モードファイバを用いて数モードの伝搬を許容し設計範囲を広げることで従来にはないＡｅｆｆを実現できる。従って、本実施形態のビーム伝搬方法を用いることで所望の出力パワー、伝搬距離、及びビーム品質の要求条件を満たす光の伝搬が可能となる。
（実施形態２）
　本実施形態は、図４に示す空孔２を有する１ｃｅｌｌコア構造のＰＣＦにおいて、実効コア断面積Ａｅｆｆの拡大と既定の曲げ損失αｂを実現するための構造パラメータ（空孔２の直径ｄと空孔２の間隔Λ）の設計方法に関する。本実施例では、基本モードの最小曲げ半径、及び高次モードの実効カットオフを規定する曲げ半径を１４０ｍｍで説明をしているが、本方法はこれに制限されるものではない。
　本設計方法は、使用するフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）のファイバ損失及びラマン利得係数、伝搬する光の使用波長、前記ＰＣＦ伝搬後のビーム品質Ｍ２、レーザ出力値、伝搬距離、最小曲げ半径を決定する仕様値決定ステップと、
　数１を用いて伝搬可能な最多伝搬モード数ｎを算出する最多伝搬モード数算出ステップと、
　数２を用いてファイバ損失及びラマン利得係数から実効コア断面積Ａｅｆｆを算出する実効コア断面積算出ステップと、
　前記Ａｅｆｆ以上となるＰＣＦの空孔の直径ｄと間隔Λを計算し、横軸ｄ／Λ、縦軸Λのグラフに前記Ａｅｆｆ以上となる点をプロットするファイバ構造算出ステップと、
　ＰＣＦの空孔の直径ｄと間隔Λから該ＰＣＦでカットオフさせる最小の高次モードの最小曲げ半径での曲げ損失を計算し、横軸ｄ／Λ、縦軸Λのグラフに該曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上となる点をプロットする曲げ損失計算ステップと、
　前記ファイバ構造算出ステップでグラフにプロットした点の領域と前記曲げ損失計算ステップでグラフにプロットした点の領域とが重複する重複範囲を検出し、前記重複範囲にある直径ｄと間隔Λの空孔を持つＰＣＦ構造に決定する構造決定ステップと、
を行う。
　数１と数２については後述する。
　図４に示すように、本実施例に係る光ファイバは、コア部とコア部を包囲するクラッド部とを有し、コア部及びクラッド部が均一な光屈折率を有する媒質からなると共に、クラッド部に長手方向に沿って均一な空孔２が複数形成された１ｃｅｌｌ構造のフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｆｉｂｅｒ）である。なお、本発明における１ｃｅｌｌ構造とは、三角格子状に配列された空孔で形成されたフォトニック結晶の中心部分の空孔だけを石英にした、１つの欠陥を有するフォトニック結晶の構造を指す。
　図５は、横軸をｄ／Λ、縦軸をΛとし、波長１０７０ｎｍの光において、曲げ半径１４０ｍｍの基本モードの曲げ損失が１．０ｄＢ／ｍ以下になる領域のＰＣＦのＡｅｆｆの範囲を示した図である。基本モードの曲げ半径および曲げ損失値は、本発明の定義や規定値に制限されるものではなく、必要な特性に応じて設計に用いるパラメータを決定することが可能である。Ａｅｆｆは下記数式を用いて求めている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 ここで、Ｅは光の電界、ｘ、ｙはそれぞれファイバ断面（ｘ、ｙ平面と仮定）内の座標である。
　図６は、横軸をｄ／Λ、縦軸をΛとし、波長１０７０ｎｍの光において、１ｃｅｌｌ構造ＰＣＦの曲げ半径１４０ｍｍでの第１高次モードの曲げ損失を示したものである。図中のプロット範囲は第１高次モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上の範囲（カットオフとなる範囲）を示している。図５が示す範囲と図６が示す範囲との重複するｄ／Λ及びΛに設定することで、第１高次モード以上が十分にカットオフになり、Ａｅｆｆが大きい領域を選定することが可能になる。例えば、座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ（０．４２，１６）
Ｂ（０．４２，１０）
Ｃ（０．５３，１０）
Ｄ（０．８０，５６）
の４点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ及びΛに設定する。
　さらに具体的には、図６でｄ／Λが０．７２４とし、Λが４５μｍ程度にするとＡｅｆｆが１４００μｍ２、第１高次モードの曲げ損失が４０ｄＢ／ｍ以上になり実効的に単一モードになる構造であることがわかる。
　図７は、横軸をｄ／Λ、縦軸をΛとし、波長１０７０ｎｍの光において、１ｃｅｌｌ構造ＰＣＦの曲げ半径１４０ｍｍでの第２高次モードの曲げ損失（１ｄＢ／ｍ以上）を示したものである。図５が示す範囲と図７が示す範囲との重複するｄ／Λ及びΛに設定することで、第２高次モード以上が十分にカットオフになり、Ａｅｆｆが大きい領域を選定することが可能になる。例えば、座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ（０．４２，１６）
Ｂ（０．４２，１０）
Ｃ（０．７６，１０）
Ｄ（０．８０，５６）
の４点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ及びΛに設定する。
　また、図８は、横軸をｄ／Λ、縦軸をΛとし、波長１０７０ｎｍの光において、１ｃｅｌｌ構造ＰＣＦの曲げ半径１４０ｍｍでの第３高次モードの曲げ損失（１ｄＢ／ｍ以上）を示したものである。図５が示す範囲と図８が示す範囲との重複するｄ／Λ及びΛに設定することで、第３高次モード以上が十分にカットオフになり、Ａｅｆｆが大きい領域を選定することが可能になる。例えば、座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ（０．４２，１６）
Ｂ（０．４２，１０）
Ｃ（０．７６，１０）
Ｄ（０．８０，５６）
の４点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ及びΛに設定する。
　また、図９は、横軸をｄ／Λ、縦軸をΛとし、波長１０７０ｎｍの光において、１ｃｅｌｌ構造ＰＣＦの曲げ半径１４０ｍｍでの第４高次モードの曲げ損失（１ｄＢ／ｍ以上）を示したものである。図５が示す範囲と図９が示す範囲との重複するｄ／Λ及びΛに設定することで、第４高次モード以上が十分にカットオフになり、Ａｅｆｆが大きい領域を選定することが可能になる。例えば、座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ（０．４２，１６）
Ｂ（０．４２，１０）
Ｃ（０．７６，１０）
Ｄ（０．８０，５６）
の４点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ及びΛに設定する。
　上述のように図５が示す範囲と図７、図８あるいは図９が示す範囲とが重複するｄ／Λ及びΛに設定することで、第２高次モード以上、第３高次モード以上あるいは第４高次モード以上が十分にカットオフになり、Ａｅｆｆが大きい領域を選定することが可能になる。
　図１０に１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦの曲げ損失の波長依存性を示す。図中の実線（白丸）が波長１０５０ｎｍ、破線（黒丸）が波長１０７０ｎｍの値を基本モード曲げ損失の空孔間隔Λ依存性を示しており、図中の括弧内の値は各Λにおけるｄ／Λの値を示している。ＰＣＦは伝送波長によらずＡｅｆｆがほぼ同じ値で、波長が短くなるほど曲げ損失が増加するという特徴が一般的に知られている。図１０より本設計で示した構造は、波長１０５０ｎｍにおいても基本モードの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下がいずれの構造においても実現されており、波長１０５０ｎｍ以上では本設計が有効であることを示している。
（実施形態３）
　本実施形態は、図１１に示すような複数の空孔２を有する７ｃｅｌｌコア構造のＰＣＦにおいて、Ａｅｆｆの拡大と既定の曲げ損失αｂを実現するための構造パラメータ（空孔２の直径ｄと空孔２の間隔Λ）の設計方法に関する。本設計方法も実施形態２で説明した設計方法を利用する。
　図１１に示すように、本実施例に係る光ファイバは、コア部とコア部を包囲するクラッド部とを有し、コア部及びクラッド部が均一な光屈折率を有する媒質からなると共に、クラッド部に長手方向に沿って均一な空孔２が複数形成された７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦである。なお、本発明における７ｃｅｌｌ構造とは、三角格子状に配列された空孔で形成されたフォトニック結晶の中心部分の１つの空孔とその周囲６個の空孔を石英にした、７つの欠陥を有するフォトニック結晶の構造を指す。
　図１２は、横軸をｄ／Λ、縦軸をΛとし、曲げ半径１４０ｍｍにおける基本モードの曲げ損失が１．０ｄＢ／ｍ以下になる領域のＡｅｆｆを示した図である。本実施例のＰＣＦは、７ｃｅｌｌ構造のため、実施例１の１ｃｅｌｌ構造の３層構造と比較して、Ａｅｆｆが１０００μｍ２以上になる領域でファイバ外径を縮小できる点で優位である。３層の１ｃｅｌｌ構造ではＡｅｆｆが１０００μｍ２を実現するためには、クラッド径が５００μｍ必要になるのに対して、４層の７ｃｅｌｌ構造では外径２００μｍ程度で実現できる。基本モードの曲げ損失値、カットオフの定義は、本発明の定義や規定値に制限されるものではなく、必要な特性に応じて設計に用いるパラメータを決定することが可能である。
　図１３は、横軸をｄ／Λ、縦軸をΛとし、波長１０７０ｎｍの光において、７ｃｅｌｌ構造ＰＣＦの曲げ半径１４０ｍｍでの第１高次（ＬＰ１１）モードの曲げ損失を示したものである。図中のプロット範囲は第１高次モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上の範囲（カットオフとなる範囲）を示している。図１２が示す範囲と図１３が示す範囲との重複するｄ／Λ及びΛに設定することで、第１高次モード以上が十分にカットオフになり、Ａｅｆｆが大きい領域を選定することが可能になる。例えば、例えば、座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ（０．２０，７．８０）
Ｂ（０．３４，１０．８２）
Ｃ（０．７８，４８．４２）
の３点を頂点とする三角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
　さらに具体的には、ｄ／Λが０．６８とし、Λが４０μｍ程度にするとＡｅｆｆが５７００μｍ２、第１高次モードの曲げ損失が２０ｄＢ／ｍ以上になり実効的に単一モードになる構造であることがわかる。
　図１４は、横軸をｄ／Λ、縦軸をΛとし、波長１０７０ｎｍの光において、７ｃｅｌｌ構造ＰＣＦの曲げ半径１４０ｍｍでの第２高次モードの曲げ損失（１ｄＢ／ｍ以上）を示したものである。図１２が示す範囲と図１４が示す範囲との重複するｄ／Λ及びΛに設定することで、第２高次モード以上が十分にカットオフになり、Ａｅｆｆが大きい領域を選定することが可能になる。例えば、座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ（０．２０，７．８０）
Ｂ（０．２０，４．００）
Ｃ（０．８０，４．００）
Ｄ（０．８０，５０．０）
の４点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
　また、図１５は、横軸をｄ／Λ、縦軸をΛとし、波長１０７０ｎｍの光において、１ｃｅｌｌ構造ＰＣＦの曲げ半径１４０ｍｍでの第３高次モードの曲げ損失（１ｄＢ／ｍ以上）を示したものである。図１２が示す範囲と図１５が示す範囲との重複するｄ／Λ及びΛに設定することで、第３高次モード以上が十分にカットオフになり、Ａｅｆｆが大きい領域を選定することが可能になる。例えば、座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ（０．２０，７．８０）
Ｂ（０．２０，４．００）
Ｃ（０．８０，４．００）
Ｄ（０．８０，５０．０）
の４点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
　また、図１６は、横軸をｄ／Λ、縦軸をΛとし、波長１０７０ｎｍの光において、１ｃｅｌｌ構造ＰＣＦの曲げ半径１４０ｍｍでの第４高次モードの曲げ損失（１ｄＢ／ｍ以上）を示したものである。図１２が示す範囲と図１６が示す範囲との重複するｄ／Λ及びΛに設定することで、第４高次モード以上が十分にカットオフになり、Ａｅｆｆが大きい領域を選定することが可能になる。例えば、座標（ｄ／Λ，Λ）としたとき、
Ａ（０．２０，７．８０）
Ｂ（０．２０，４．００）
Ｃ（０．８０，４．００）
Ｄ（０．８０，５０．０）
の４点を頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
　上述のように図１２が示す範囲と図１４、図１５あるいは図１６が示す範囲とが重複するｄ／Λ及びΛに設定することで、第２高次モード以上、第３高次モード以上あるいは第４高次モード以上が十分にカットオフになり、Ａｅｆｆが大きい領域を選定することが可能になる。
　図１７に７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦの曲げ損失の波長依存性を示す。図中の実線（白丸）が波長１０５０ｎｍ、破線（黒丸）が波長１０７０ｎｍの値を基本モード曲げ損失の空孔間隔Λ依存性を示しており、図中の括弧内の値は各Λにおけるｄ／Λの値を示している。ＰＣＦは伝送波長によらずＡｅｆｆがほぼ同じ値で、波長が短くなるほど曲げ損失が増加するという特徴が一般的に知られている。図１７より本設計で示した構造は、波長１０５０ｎｍにおいても基本モードの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下がいずれの構造においても実現されており、波長１０５０ｎｍ以上では本設計が有効であることを示している。
（実施形態４）
　本実施形態では、実施形態１～３で説明した２モードファイバや４モードファイバを、レーザー加工システム等の光伝送媒体としての仕様に基づいて設計する他の設計方法を説明する。本実施形態の光ファイバ設計方法は、
　使用するフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）のファイバ損失及びラマン利得係数、伝搬する光の使用波長、前記ＰＣＦ伝搬後のビーム品質Ｍ２、レーザ出力値、伝搬距離、最小曲げ半径を決定する仕様値決定ステップと、
　数１を用いて伝搬可能な最多伝搬モード数ｎを算出する最多伝搬モード数算出ステップと、
　数２を用いてファイバ損失及びラマン利得係数から実効コア断面積Ａｅｆｆを算出する実効コア断面積算出ステップと、
　前記Ａｅｆｆを満たすＰＣＦの空孔の直径と間隔を計算するファイバ構造算出ステップと、
　前記ファイバ構造算出ステップで計算した構造のＰＣＦで最小曲げ半径での曲げ損失を計算し、前記伝搬距離から伝搬長の曲げ損失を計算する曲げ損失計算ステップと、
　前記伝搬長の曲げ損失が例えば０．１ｄＢ未満であることを確認し、前記ファイバ構造算出ステップで計算したＰＣＦの構造を確定する確認ステップと、
　前記確認ステップで前記伝搬長の曲げ損失が例えば０．１ｄＢ以上である場合、モード数を１つ増やして前記ファイバ構造算出ステップ、前記曲げ損失計算ステップ、及び前記確認ステップを、モード数が最多伝搬モード数ｎに達するまで繰り返すモード増加ステップと、
を行う。
　図１８は、本実施形態の光ファイバ設計方法の手順を示したフロー図である。
　はじめに、ステップＳ０１（仕様値決定ステップ）において、使用波長および目標とするビーム品質（Ｍ２値）を決定する。次に、ステップＳ０２（最多伝搬モード数算出ステップ）において、ステップＳ０１のＭ２値を満たすことが可能な最多伝搬モード数を数式（１）（非特許文献６の式（１７））から算出し、最多伝搬モード数ｎを決定する。
その後に、ステップＳ０３（仕様値決定ステップ）にて使用する出力パワー、伝搬距離を決定し、ステップＳ０４（実効コア断面積算出ステップ）において、数式（２）（非特許文献７に示されているＳＲＳ閾値定義式（８．１．１３））を用いて必要な実効コア断面積（Ａｅｆｆ）を算出する。
　次に、ステップＳ０５において、伝搬可能モード数（１＋ｋ）を決定する。この時、ビーム品質をできる限り向上させるために、伝搬モード数１＋ｋは１（ｋ＝０）のシングルモードから設計を開始する。ステップＳ０６はｋ＝０の時には必ず満たすことが可能なので、ステップＳ０７（ファイバ構造算出ステップ）に進み、ステップＳ０４で算出したＡｅｆｆを満たすファイバ構造を計算する。ステップＳ０８（曲げ損失計算ステップ）において、ステップＳ０７で設計したファイバ構造において使用する最小曲げ半径での基本モードの曲げ損失を算出し、ステップＳ０９の規定値を超える場合、ステップＳ０５に戻り伝搬可能モード数を１つ増やしてステップＳ０９までの手順を繰り返す（モード増加ステップ）。この時に、ステップＳ０６でモード数１＋ｋが最多伝搬モード数ｎを超えた場合、設定したビーム品質を使用する出力パワー、伝搬距離で満たすファイバ構造の解はないため、ステップＳ０１に戻りビーム品質（Ｍ２値）等の仕様値を見直して、ステップＳ０２以下の手順を繰り返してファイバ構造を決定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　以下では、上記設計フローを用いたＰＣＦの設計例を示す。
　まず、ステップＳ０１として仕様値を決定する。ここでは、
　ファイバ損失：１ｄＢ／ｋｍ（下記波長におけるファイバの伝送損失）
　ラマン利得係数ｇＲ：８．７９×１０－１２（ｃｍ／Ｗ）
　伝搬する光の使用波長λ：１０７０ｎｍ
　ビーム品質Ｍ２：１．５以下
　レーザ出力値：１００Ｗ
　伝搬距離：３００ｍ
　最小曲げ半径：１４０ｍ
とする。なお、ラマン利得係数ｇＲは数式（４）（非特許文献８に示される式（３６））を用いて算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ステップＳ０２で数式（１）より、許容可能な最多伝搬モード数ｎは２になる（なお、ＬＰ１１のカットオフＶ＝２．４０５、ＬＰ２１のカットオフＶ＝３．８３２である。）。ただし、伝搬モード数が２の場合には第１高次モードの励振比率を５０％以下にする必要がある。続いてステップＳ０４で数式（２）より必要なＡｅｆｆは約１６０μｍ２と算出される（なお、数式（２）で使用するＳＲＳ閾値はステップＳ０３で決定した出力パワーである。）。ファイバ損失とｇＲにより数式（２）より算出されるＳＲＳ閾値は変化するため、必要なＡｅｆｆも変化する。そのため、ファイバ損失とｇＲは本内容に制限されるものではなく、使用するファイバの材料等によって適宜変更して使用するものである。
　次に、ステップＳ０５に進み、まずシングルモード（伝搬可能モード数を１）でのファイバ構造設計を実施する。ＰＣＦの構造設計は、非特許文献９に示される有限要素法による構造解析や非特許文献１０に示される近似解析などで行うことが可能であり、本実施例においては有限要素法による構造解析を用いた。解析方法に関しても本実施例に制限されることはなく、ファイバの構造解析ができる手法を適宜用いれば良い。
　本実施例では、有限要素法を用いて解析を行った。１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦにおいてｄ／Λ＝０．４２とし、Λ＝１２μｍとするとＡｅｆｆ＝１８４μｍ２になりステップＳ０４で算出したＡｅｆｆ値を満足する。続いて、ステップＳ０８のステップに進む。最小曲げ半径を１４０ｍｍとすると前記構造で、基本モードの曲げ損失はＲ１４０ｍｍで１×１０－４ｄＢ／ｍと計算される。伝搬距離は３００ｍなので、全体の曲げ損失は０．０３ｄＢである。ステップＳ０９では、伝搬長での曲げ損失値が０．１ｄＢ以下であるか確認する。前述のように３００ｍ伝搬後の曲げ損失は０．０３ｄＢであるのでステップＳ０９の要件を満たしており、この構造でファイバ構造を決定する（ステップＳ１０）。
　加えて、第１高次モードの閉じ込め損失は、６ｄＢ／ｍ以上になるため、本構造はシングルモードで動作し多少の軸ずれが生じ、第１高次モードが励振された場合でも３００ｍ伝搬後に第１高次モードは曲げ損失により十分に小さい励振比率になる。
　なお、ｋ＝０（基本モード）でステップＳ０９の要件を満たさない場合、ステップＳ０５に戻り、ｋを増加（モード数を増加）してステップＳ０６からステップＳ０９を行う。モード数が増えると、ステップＳ０７で算出されるファイバ構造が変わり、基本モードの曲げ損失も変わる。ステップＳ０５からステップＳ０９を繰り返し、要件を満たす曲げ損失の構造を見つけ出す。
　上記の説明は、図１８の設計フローを用いて算出した構造の例であり、目標とするビーム品質、出力パワー、伝搬距離により本設計フローを用いて適宜ファイバパラメータを決定すれば良い。
　ここで数式（２）に示されるように、最大出力パワー（ＳＲＳ閾値）とＬｅｆｆ相互作用長は反比例の関係ある。本発明の光ファイバは１ｋｍ以下と比較的短い伝送距離を想定しており、Ｌｅｆｆと伝搬距離Ｌが同等の値となる。そのため本明細書では、出力パワー性能を出力パワと伝搬距離の積（ｋＷ・ｍ）として記載している。なお伝送距離は１ｋｍ以下に限定されず、ＬｅｆｆとＬが同等とみなせる範囲であれば同様に適用できる。
（実施形態５～８）
　実施形態５から８を図１９から図２２を用いて説明する。当該図は、所望性のＰＣＦのパラメータを横軸にｄ／Λ、縦軸にΛとしたときの領域を示している。ここで、（ａ）Ｍ２≦２．０の条件における座標を
Ａ１（０．４２，１６．８８）
Ａ２（０．４８，２５．３１）
Ａ３（０．５７，４０．００）
Ｂ（０．４２，１０．９４）
Ｃ１（０．６０，１５．６３）
Ｃ２（０．６９，３１．８８）
Ｃ３（０．７６，４７．８１）
Ｄ（０．７４，４３．１２）
Ｅ（０．７５，４４．３８）
Ｆ（０．８１，６０．６３）
Ｇ（０．８５，６０．６３）
Ｈ（０．８５，７７．５０）
Ｉ（０．９０，９１．８８）とし、
（ｂ）Ｍ２≦３．３の条件における座標を
Ａ１（０．４２，１６．８８）
Ａ２（０．４７，２５．３１）
Ａ３（０．５６，４０．００）
Ｂ（０．４２，１０．９４）
Ｃ１（０．７５，１５．００）
Ｃ２（０．７８，３５．００）
Ｃ３（０．９０，５４．３８）
Ｄ１（０．７５，２０．００）
Ｄ２（０．８０，３５．９３）
Ｅ（０．８０，４５．６３）
Ｆ（０．８３，５１．５６）
Ｉ（０．９０，９１．８８）
（ｃ）伝搬モード数が４以下の条件における座標を
Ａ１（０．４２，１６．８８）
Ａ２（０．４８，２５．３１）
Ａ３（０．５７，４０．００）
Ａ４（０．７５，６８．３６）
Ｂ（０．４２，１０．９４）
Ｃ（０．７５，１４．２４）
Ｄ（０．７５，１２．１０）
Ｅ（０．７９，２０．００）
Ｆ（０．８５，３０．００）
Ｆ１（０．８５，３６．３７）
Ｇ（０．８５，４１．５８）
Ｈ（０．８９，５０．００）
Ｈ１（０．８９，５４．３７）
Ｉ（０．８９，５８．９５）
Ｊ（０．９０，６０．０）
Ｊ１（０．９０，７７．０７）
Ｋ（０．９０，９１．８８）
として説明する。
（実施形態５）
［１ｃｅｌｌ構造　３０ｋＷ・ｍ伝送］
　本実施形態は、３０ｋＷ・ｍ伝送を可能とする図４の１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦパラメータ（Λとｄ）の範囲を説明する。図１９は、波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（１６０μｍ２以上）の関係を説明する図である。プロットされた領域（斜線で示した領域）は、１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦにおいて３０ｋＷ・ｍ伝送できる構造になる。
　具体的には、（ａ）Ｍ２≦２．０の場合、Ａ１、Ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｄ、Ｅ、Ｃ３、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。また、（ｂ）Ｍ２≦３．３の場合、Ａ１、Ｂ、Ｃ１、Ｄ１、Ｃ２、Ｄ２、Ｅ、Ｆ、Ｃ３、Ｉを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。一方、（ｃ）伝搬モード数が４以下の条件の場合、Ａ１、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
（実施形態６）
［１ｃｅｌｌ構造　１５０ｋＷ・ｍ伝送］
　本実施形態は、１５０ｋＷ・ｍ伝送を可能とする図４の１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦパラメータ（Λとｄ）の範囲を説明する。図２０は、波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（８００μｍ２以上）の関係を説明する図である。プロットされた領域（斜線で示した領域）は、１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦにおいて１５０ｋＷ・ｍできる構造になる。
　具体的には、（ａ）Ｍ２≦２．０の場合、Ａ２、Ｃ２、Ｄ、Ｅ、Ｃ３、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。また、（ｂ）Ｍ２≦３．３の場合、Ａ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｅ、Ｆ、Ｃ３、Ｉを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。一方、（ｃ）伝搬モード数が４以下の条件の場合、Ａ２、Ｆ１、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
（実施形態７）
［１ｃｅｌｌ構造　３００ｋＷ・ｍ伝送］
　本実施形態は、３００ｋＷ・ｍ伝送を可能とする図４の１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦパラメータ（Λとｄ）の範囲を説明する。図２１は、波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（１６００μｍ２以上）の関係を説明する図である。プロットされた領域（斜線で示した領域）は、１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦにおいて３００ｋＷ・ｍ伝送できる構造になる。
　具体的には、（ａ）Ｍ２≦２．０の場合、Ａ３、Ｃ３、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。また、（ｂ）Ｍ２≦３．３の場合、Ａ３、Ｃ３、Ｉを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。一方、（ｃ）伝搬モード数が４以下の条件の場合、Ａ３、Ｈ１、Ｉ、Ｊ、Ｋを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
（実施形態８）
［１ｃｅｌｌ構造　６００ｋＷ・ｍ伝送］
　本実施形態は、６００ｋＷ・ｍ伝送を可能とする図４の１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦパラメータ（Λとｄ）の範囲を説明する。図２２は、波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（３２００μｍ２以上）の関係を説明する図である。プロットされた領域（斜線で示した領域）は、１ｃｅｌｌ構造のＰＣＦにおいて６００ｋＷ・ｍ伝送できる構造になる。
　具体的には、伝搬モード数が４以下の条件の場合、Ａ４、Ｊ１、Ｋを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
（実施形態９～１３）
　実施形態９から１３を図２３から図２７を用いて説明する。当該図は、所望性のＰＣＦのパラメータを横軸にｄ／Λ、縦軸にΛとしたときの領域を示している。ここで、（ａ）Ｍ２≦２．０における座標を
Ａ１（０．２０，１０．９８）
Ａ２（０．２１，１１．７７）
Ａ３（０．２７，１６．０６）
Ａ４（０．４０，２４．４６）
Ａ５（０．５３，３２．８７）
Ｂ（０．２０，４．９５）
Ｃ１（０．２５，５．２７）
Ｃ２（０．４０，１２．８８）
Ｃ３（０．６０，２０．３４）
Ｃ４（０．６８，２９．５６）
Ｃ５（０．７２，３６．３５）
Ｄ（０．２９，９．８７）
Ｅ（０．４０，１２．２５）
Ｆ（０．４０，１３．５２）
Ｇ（０．４９，１４．１５）
Ｈ（０．４９，１５．７４）
Ｉ（０．５０，１８．１２）
Ｊ（０．５８，１８．１２）
Ｋ（０．５８，１９．８６）
Ｌ（０．６０，２３．０３）
Ｍ（０．６８，２３．９９）
Ｎ（０．６８，３１．６０）
Ｏ（０．７９，４８．７３）
Ｐ（０．８０，５０．００）とし、
（ｂ）Ｍ２≦３．３における座標を
Ａ１（０．２０，１０．９８）
Ａ２（０．２１，１１．７７）
Ａ３（０．２７，１６．０６）
Ａ４（０．４０，２４．７８）
Ａ５（０．５３，３２．８７）
Ｂ（０．２０，５．１１）
Ｃ１（０．４０，５．９０）
Ｃ２（０．５０，１３．６８）
Ｃ３（０．６０，２０．１８）
Ｃ４（０．７０，３０．０１）
Ｃ５（０．７３，３７．００）
Ｄ（０．４０，１０．０３）
Ｅ（０．５０，１１．９３）
Ｆ（０．５０，１４．４７）
Ｃ３（０．６０，２０．１８）
Ｇ（０．６９，２２．０８）
Ｈ（０．６８，２３．６７，）
Ｉ（０．７０，２４．３０）
Ｊ（０．７０，３２．８７）
Ｋ（０．８０，５０．００）
（ｃ）伝搬モード数が４以下の条件における座標を
Ａ１（０．２０，１０．９８）
Ａ２（０．２１，１１．７７）
Ａ３（０．２７，１６．０６）
Ａ４（０．４０，２４．７８）
Ａ５（０．５３，３２．８７）
Ｂ（０．２０，５．１１）
Ｃ（０．５０，６．２３）
Ｄ（０．５０，１０．００）
Ｅ（０．６０，１５．１８）
Ｆ（０．６０，１７．７６）
Ｇ（０．６５，２０．１２）
Ｈ（０．７０，２０．３５）
Ｉ（０．７９，２５．０６）
Ｊ（０．７９，２９．５３）
Ｋ（０．７８，２９．７６）
Ｋ１（０．７８，３０．６６）
Ｌ（０．７８，３８．２９）
Ｍ（０．８０，４０．１２）
Ｎ（０．８０，５０．００）
として説明する。
（実施形態９）
［７ｃｅｌｌ構造　３０ｋＷ・ｍ伝送］
　本実施形態は、３０ｋＷ・ｍ伝送を可能とする図１０の７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦパラメータ（Λとｄ）の範囲を説明する。図２３は、波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（１６０μｍ２以上）の関係を説明する図である。プロットされた領域（斜線で示した領域）は、７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦにおいて３０ｋＷ・ｍ伝送できる構造になる。
具体的には、（ａ）Ｍ２≦２．０の場合、Ａ１、Ｂ、Ｃ１、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｃ３、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。また、（ｂ）Ｍ２≦３．３の場合、Ａ１、Ｂ、Ｃ１、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｃ３、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。一方、（ｃ）伝搬モード数が４以下の条件の場合、Ａ１、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
（実施形態１０）
［７ｃｅｌｌ構造　１５０ｋＷ・ｍ伝送］
　本実施形態は、１５０ｋＷ・ｍ伝送を可能とする図１１の７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦパラメータ（Λとｄ）の範囲を説明する。図２４は、波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（８００μｍ２以上）の関係を説明する図である。プロットされた領域（斜線で示した領域）は、７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦにおいて１５０ｋＷ・ｍ伝送できる構造になる。
　具体的には、（ａ）Ｍ２≦２．０の場合、Ａ２、Ｃ２、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｃ３、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。また、（ｂ）Ｍ２≦３．３の場合、Ａ２、Ｃ２、Ｆ、Ｃ３、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。一方、（ｃ）伝搬モード数が４以下の条件の場合、Ａ２、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
（実施形態１１）
［７ｃｅｌｌ構造　３００ｋＷ・ｍ伝送］
　本実施形態は、３００ｋＷ・ｍ伝送を可能とする図１１の７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦパラメータ（Λとｄ）の範囲を説明する。図２５は、波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（１６００μｍ２以上）の関係を説明する図である。プロットされた領域（斜線で示した領域）は、７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦにおいて３００ｋＷ・ｍ伝送できる構造になる。
　具体的には、（ａ）Ｍ２≦２．０の場合、Ａ３、Ｃ３、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。また、（ｂ）Ｍ２≦３．３の場合、Ａ３、Ｃ３、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。一方、（ｃ）伝搬モード数が４以下の条件の場合、Ａ３、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
（実施形態１２）
［７ｃｅｌｌ構造　６００ｋＷ・ｍ伝送］
　本実施形態は、６００ｋＷ・ｍ伝送を可能とする図１１の７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦパラメータ（Λとｄ）の範囲を説明する。図２６は、波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（３２００μｍ２以上）の関係を説明する図である。プロットされた領域（斜線で示した領域）は、７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦにおいて６００ｋＷ・ｍ伝送できる構造になる。
　具体的には、（ａ）Ｍ２≦２．０の場合、Ａ４、Ｃ４、Ｎ、Ｏ、Ｐを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。また、（ｂ）Ｍ２≦３．３の場合、Ａ４、Ｃ４、Ｊ、Ｋを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。一方、（ｃ）伝搬モード数が４以下の条件の場合、Ａ４、Ｋ１、Ｌ、Ｍ、Ｎを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
（実施形態１３）
［７ｃｅｌｌ構造　９００ｋＷ・ｍ伝送］
　本実施形態は、９００ｋＷ・ｍ伝送を可能とする図１１の７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦパラメータ（Λとｄ）の範囲を説明する。図２７は、波長１０７０ｎｍの光を伝搬させるとき、（ａ）Ｍ２≦２．０、（ｂ）Ｍ２≦３．３、（ｃ）伝搬モード数が４以下を満たすｄ／ΛとΛとＡｅｆｆ（４８００μｍ２以上）の関係を説明する図である。プロットされた領域（斜線で示した領域）は、７ｃｅｌｌ構造のＰＣＦにおいて９００ｋＷ・ｍ伝送できる構造になる。
　具体的には、（ａ）Ｍ２≦２．０の場合、Ａ５、Ｃ５、Ｏ、Ｐを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。また、（ｂ）Ｍ２≦３．３の場合、Ａ５、Ｃ５、Ｋを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。一方、（ｃ）伝搬モード数が４以下の条件の場合、Ａ５、Ｋ、Ｍ、Ｎを頂点とする多角形で囲まれる領域内のｄ／Λ及びΛに設定する。
（実施形態１４）
　図２８に、本実施形態のＰＣＦの構造例を示す。本実施形態のＰＣＦは、図４のＰＣＦより少ない空孔数で構成する光ファイバ構造を示す。図２８のＰＣＦ構造は図４と同様にコア領域を空孔欠陥１つ分とし、空孔数を１２としている。ＰＣＦ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２８に示した構造では空孔数が１２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２８のＰＣＦの構造でも、所定設計範囲においてＭ２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。
　図２９～図３２に、空孔数を１２孔としたＰＣＦの設計例を示す。図２９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３０、図３１及び図３２はそれぞれＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モードに対する曲げ損失値を示し、枠内に囲まれる領域（曲げ損失１ｄＢ／ｍ以上）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。
　ここでＬＰ０２モードを遮断し、レーザー発振部とＰＣＦ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３３に示す、図２９および図３２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Ｍ２が２．０以下かつｋＷ級の出力光が得られ、好ましい。
　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。
　たとえば図３０および図３２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２９と図３０の重なる領域を用いてモード数を２に、図２９と図３２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。
（発明の効果）
　本発明は、要求される出力パワーと伝搬距離に関してはＳＲＳ閾値の定義式を用いて、要求されるビーム品質に関しては（曲げ損失および伝搬可能なモード数から、伝搬モードが均一に励振された場合のＭ２値を閾値として用いて、それを満たすファイバ構造を設計することができる。さらにその設計フローを用いて高品質なハイパワー伝送用光ファイバの具体的な構造を明確にすることができる。具体的な設計例としてＰＣＦの構造例を示した。
　そして、以上に述べたように本発明に係る光ファイバ、光ファイバの設計方法によれば、従来の設計では実現できなかった所望のビーム品質において、出力パワーを伝搬長に対して担保することが可能な光ファイバを提供することが可能になる。
（作用）
　本発明で用いる設計フローを用いて設計したファイバ構造は、必要とされる出力パワー、伝搬距離、ビーム品質を満たすことができる。これまでは、Ｍ２値が８以上のマルチモードファイバでしか実現されていなかったファイバレーザーの出力パワーの領域についても、Ｍ２値が８未満の光ファイバをファイバレーザーに用いることで、ビーム品質の良い光を所望の伝搬距離で使用することを実現できる。
　本発明は、ファイバレーザーを用いたレーザー加工の分野に適用できる。
１：ＰＣＦ
２：空孔

Claims (2)

  1. 　使用するフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）のファイバ損失及びラマン利得係数、伝搬する光の使用波長、前記ＰＣＦ伝搬後のビーム品質Ｍ２、レーザ出力値、伝搬距離、最小曲げ半径を決定する仕様値決定ステップと、
    　数１を用いて伝搬可能な最多伝搬モード数ｎを算出する最多伝搬モード数算出ステップと、
    　数２を用いてファイバ損失及びラマン利得係数から実効コア断面積Ａｅｆｆを算出する実効コア断面積算出ステップと、
    　前記Ａｅｆｆを満たすＰＣＦの空孔の直径と間隔を計算するファイバ構造算出ステップと、
    　前記ファイバ構造算出ステップで計算した構造のＰＣＦで最小曲げ半径での曲げ損失を計算し、前記伝搬距離から伝搬長の曲げ損失を計算する曲げ損失計算ステップと、
    　前記伝搬長の曲げ損失が所定値未満であることを確認し、前記ファイバ構造算出ステップで計算したＰＣＦの構造を確定する確認ステップと、
    　前記確認ステップで前記伝搬長の曲げ損失が所定値以上である場合、モード数を１つ増やして前記ファイバ構造算出ステップ、前記曲げ損失計算ステップ、及び前記確認ステップを、モード数が最多伝搬モード数ｎに達するまで繰り返すモード増加ステップと、
    を行う光ファイバ設計方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  2. 　使用するフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）のファイバ損失及びラマン利得係数、伝搬する光の使用波長、前記ＰＣＦ伝搬後のビーム品質Ｍ２、レーザ出力値、伝搬距離、最小曲げ半径を決定する仕様値決定ステップと、
    　数１を用いて伝搬可能な最多伝搬モード数ｎを算出する最多伝搬モード数算出ステップと、
    　数２を用いてファイバ損失及びラマン利得係数から実効コア断面積Ａｅｆｆを算出する実効コア断面積算出ステップと、
    　前記Ａｅｆｆ以上となるＰＣＦの空孔の直径ｄと間隔Λを計算し、横軸ｄ／Λ、縦軸Λのグラフに前記Ａｅｆｆ以上となる点をプロットするファイバ構造算出ステップと、
    　ＰＣＦの空孔の直径ｄと間隔Λから該ＰＣＦでカットオフさせる最小の高次モードの最小曲げ半径での曲げ損失を計算し、横軸ｄ／Λ、縦軸Λのグラフに該曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以上となる点をプロットする曲げ損失計算ステップと、
    　前記ファイバ構造算出ステップでグラフにプロットした点の領域と前記曲げ損失計算ステップでグラフにプロットした点の領域とが重複する重複範囲を検出し、前記重複範囲にある直径ｄと間隔Λの空孔を持つＰＣＦ構造に決定する構造決定ステップと、
    を行う光ファイバ設計方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2021205697A1 (ja) * 2020-04-08 2021-10-14
US20220131609A1 (en) * 2019-01-24 2022-04-28 Sony Group Corporation Optical communication apparatus, optical communication method, and optical communication system

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109103741B (zh) * 2018-09-04 2019-11-26 武汉光迅科技股份有限公司 一种拉曼光纤放大器的增益动态控制方法、装置和系统
CA3203610A1 (en) * 2020-12-11 2022-06-16 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Evaluation method and evaluation device for multi-core fiber

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010129886A (ja) * 2008-11-28 2010-06-10 Hitachi Cable Ltd ファイバレーザ用光ファイバ及びファイバレーザ
JP2010541006A (ja) * 2007-09-26 2010-12-24 イムラ アメリカ インコーポレイテッド ガラス大コア光ファイバ

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1310045C (zh) * 2002-10-01 2007-04-11 古河电气工业株式会社 光纤、光传送线路以及光纤的制造方法
US7787729B2 (en) * 2005-05-20 2010-08-31 Imra America, Inc. Single mode propagation in fibers and rods with large leakage channels
CN101082686A (zh) * 2007-05-29 2007-12-05 电子科技大学 新型光纤参数确定方法
EP2549306A1 (en) 2010-03-16 2013-01-23 Furukawa Electric Co., Ltd. Holey fiber
JP5416059B2 (ja) * 2010-09-03 2014-02-12 古河電気工業株式会社 光ファイバ
CN103890623B (zh) * 2010-12-03 2017-08-29 Ofs菲特尔有限责任公司 具有弯曲补偿的大模式面积光纤
JPWO2013051295A1 (ja) * 2011-10-04 2015-03-30 古河電気工業株式会社 光ファイバおよび光伝送システム
US9366810B2 (en) 2012-08-29 2016-06-14 Ofs Fitel, Llc Double-clad, gain-producing fibers with increased cladding absoroption while maintaining single-mode operation
JP5843366B2 (ja) 2012-12-14 2016-01-13 日本電信電話株式会社 光ファイバ
US9335466B2 (en) * 2012-12-21 2016-05-10 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Waveguide apparatuses and methods

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010541006A (ja) * 2007-09-26 2010-12-24 イムラ アメリカ インコーポレイテッド ガラス大コア光ファイバ
JP2010129886A (ja) * 2008-11-28 2010-06-10 Hitachi Cable Ltd ファイバレーザ用光ファイバ及びファイバレーザ

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HIDEHIKO YODA ET AL.: "Beam quality factor of higher order modes in a step-index fiber", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, vol. 24, no. 3, March 2006 (2006-03-01), pages 1350 - 1355, XP055321552 *
JENS LIMPERT ET AL.: "The Rising Power of Fiber Lasers and Amplifiers", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol. 13, no. 3, June 2007 (2007-06-01), pages 537 - 545, XP011185693 *
MICHALIS N. ZERVAS; ET AL.: "High Power Fiber Lasers: A Review", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol. 20, no. 5, October 2014 (2014-10-01), XP011549864 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220131609A1 (en) * 2019-01-24 2022-04-28 Sony Group Corporation Optical communication apparatus, optical communication method, and optical communication system
US11658747B2 (en) * 2019-01-24 2023-05-23 Sony Group Corporation Optical communication apparatus, optical communication method, and optical communication system
JPWO2021205697A1 (ja) * 2020-04-08 2021-10-14
WO2021205697A1 (ja) * 2020-04-08 2021-10-14 株式会社フジクラ 光ファイバ及びファイバレーザ装置
JP7317220B2 (ja) 2020-04-08 2023-07-28 株式会社フジクラ 光ファイバ及びファイバレーザ装置

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