JP2006319219A - 多モード光ファイバ及びその利用 - Google Patents

Abstract

【課題】 高パワー光を出射する光ファイバレーザ等において使用することにより、励起光源の劣化や損傷の可能性を顕著に低下させることが可能な多モード光ファイバの提供。
【解決手段】 波長λ_１の信号光を増幅する媒体としての希土類元素を添加した希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを励起する波長λ_２の励起光源との接続に用いられる多モード光ファイバであって、波長λ_１における損失が波長λ_２における損失よりも大きく、且つその差が０．１ｄＢ／ｍ以上であることを特徴とする多モード光ファイバ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバ増幅器、光ファイバレーザ装置、レーザモジュールなどの増幅用光ファイバとして用いる多モード光ファイバに関し、特に、高いパワーの光を伝送する光ファイバレーザなどに好適な多モード光ファイバとそれを用いた光ファイバカプラ、光ファイバモジュール、光ファイバ増幅器、光ファイバレーザ、レーザモジュールに関する。

近年、希土類添加光ファイバを用いたファイバレーザが注目を集めている。
ファイバレーザに関しては、既に多くの提案が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、複数の励起光源からの出力を効率よくクラッドポンピングファイバに接続する方法としては、例えば特許文献２に開示されている。
特開平５−２７５７９２号公報 特開平１１−７２６２９号公報

しかしながら、このような高いパワーの光を光ファイバを用いて伝送する場合、高いパワーを持った光が励起光源に入り、励起光源を劣化あるいは損傷させるという問題があった。図２〜図４は、従来の光ファイバレーザや光ファイバ増幅器などにおける励起光源の劣化、損傷の発生原理を説明する構成図である。これらの図中、符号１１は励起光源、１２は希土類添加光ファイバである。
図２は、前方励起の場合を示しており、この装置では複数の励起光源１１からの励起光が希土類添加光ファイバ１２の入射側から入射され、希土類添加光ファイバ１２内の希土類元素イオンが励起され、入射側から信号光が入射されると、増幅された高パワー光が希土類添加光ファイバ１２の出射側から出射されるように構成されている。
図３は、後方励起の場合を示しており、この装置では希土類添加光ファイバ１２の出射側に複数の励起光源１１を接続して励起光を入射しておき、希土類添加光ファイバ１２の入射側から信号光が入射されると、増幅された高パワー光が希土類添加光ファイバ１２の出射側から出射されるように構成されている。
図４は双方向励起の場合を示しており、この装置では希土類添加光ファイバ１２の入射側と出射側のそれぞれに複数の励起光源１１を接続して励起光を入射しておき、希土類添加光ファイバ１２の入射側から信号光が入射されると、増幅された高パワー光が希土類添加光ファイバ１２の出射側から出射されるように構成されている。

前方励起の場合、図２に示すように、出射側の光ファイバの端面で反射した戻り光が、希土類添加光ファイバ１２内で増幅されパワーが高くなった後、励起光源１１に戻り、励起光源１１を劣化、あるいは損傷させることがある。
また、後方励起の場合、図３に示すように、希土類添加光ファイバ１２内で増幅されパワーが高くなった光が直接励起光源１１に入り、励起光源１１を劣化、あるいは損傷させることがある。
さらに図４に示す双方向励起の場合は、前記前方励起の場合と、後方励起の場合との双方に記した現象が起こり、やはり励起光源１１を劣化、あるいは損傷させることがある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、高パワー光を出射する光ファイバレーザ等において使用することにより、励起光源の劣化や損傷の可能性を顕著に低下させることが可能な多モード光ファイバの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、波長λ_１の信号光を増幅する媒体としての希土類元素を添加した希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを励起する波長λ_２の励起光源との接続に用いられる多モード光ファイバであって、波長λ_１における損失が波長λ_２における損失よりも大きく、且つその差が０．１ｄＢ／ｍ以上であることを特徴とする多モード光ファイバを提供する。

本発明の多モード光ファイバにおいて、コアとクラッドの少なくともいずれか一方に、ツリウム、サマリウム、イッテルビウム、エルビウム、ジスプロシウム、ネオジム、プラセオジム、ホルミウム、コバルト、ニッケルからなる群から選択された少なくとも１種類の元素がドープされたものであることが好ましい。

本発明の多モード光ファイバにおいて、コアとクラッドの少なくともいずれか一方に窒素が１０ｐｐｍ以上含まれていることが好ましい。

本発明の多モード光ファイバにおいて、コアとクラッドの少なくともいずれか一方にＯＨ基が１００ｐｐｍ以上含まれていることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る多モード光ファイバを２本以上融着、延伸してなることを特徴とする光ファイバカプラを提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る１本以上の多モード光ファイバと、信号光伝送用のシングルモード光ファイバとを溶融、延伸してなることを特徴とする光ファイバカプラを提供する。

また本発明は、波長λ_１の信号光を増幅する媒体としての希土類元素を添加した希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを励起する波長λ_２の励起光源とを有する光ファイバモジュールであって、前記希土類添加光ファイバと前記励起光源とを結ぶ経路の一部又は全部に前述した本発明に係る多モード光ファイバを用いていることを特徴とする光ファイバモジュールを提供する。

この光ファイバモジュールにおいて、前記希土類添加光ファイバは、コア部とその周囲に設けられコア部よりも低屈折率の第１クラッド部と、該第１クラッド部の周囲に設けられ第１クラッド部よりも低屈折率の第２クラッド部を有してなるものであることが好ましい。

また本発明は、波長λ_１の信号光を増幅する媒体としての希土類元素を添加した希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを励起する波長λ_２の励起光源とを有する光ファイバ増幅器であって、前記希土類添加光ファイバと前記励起光源とを結ぶ経路の一部又は全部に前述した本発明に係る多モード光ファイバを用いていることを特徴とする光ファイバ増幅器を提供する。

また本発明は、波長λ_１の信号光を増幅する媒体としての希土類元素を添加した希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを励起する波長λ_２の励起光源とを有する光ファイバレーザであって、前記希土類添加光ファイバと前記励起光源とを結ぶ経路の一部又は全部に前述した本発明に係る多モード光ファイバを用いていることを特徴とする光ファイバレーザを提供する。

また本発明は、波長λ_１の信号光を増幅することが可能な波長λ_２の光を発する、ピグテールファイバを有するレーザモジュールであって、前述した本発明に係る多モード光ファイバを該ピグテールファイバとして使用していることを特徴とするレーザモジュールを提供する。

本発明の多モード光ファイバを用いることによって、励起光のパワーを下げることなく、増幅された信号光が励起光源に戻り光として戻る場合のパワーを小さくすることができるので、励起光源の劣化や損傷の可能性を著しく低下させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る多モード光ファイバを用いた光ファイバレーザを例示する構成図である。本例による光ファイバレーザは、Ｙｂなどの希土類元素がドープされた希土類添加光ファイバ２３とその入射側に本発明の多モード光ファイバ２２を介して接続された複数の励起光源２１とを備え、希土類添加光ファイバ２３の入射側から波長λ_２（例えば波長波長９７６ｎｍ）の励起光を入射し、該入射側から入射される波長λ_１（例えば波長１０６４ｎｍ）の信号光を前方励起によって増幅し、希土類添加光ファイバ２３の出射側から高パワーのレーザ光を出射する構成になっている。

前記希土類添加光ファイバ２３としては、Ｙｂなどの希土類元素がドープされたコア部と、その周囲に設けられコア部よりも低屈折率の第１クラッド部と、該第１クラッド部の周囲に設けられ第１クラッド部よりも低屈折率の第２クラッド部を有してなるダブルクラッドファイバを用いることが好ましい。この種のダブルクラッドファイバを用いる場合、光源（図示せず）より出射された波長λ_１の信号光は、ダブルクラッドファイバのコア部に入射され、励起光源２１から出射された波長λ_２の励起光は多モード光ファイバ２２を通って該ダブルクラッドファイバのクラッド部から入射され、コア部に送られることで、信号光が増幅される。増幅された信号光は、図示しないコリメータ等を介して高パワーレーザ光として出射される。

前記励起光源２１と前記希土類添加光ファイバ２３とを結ぶ経路の一部または全部には、本発明に係る多モード光ファイバ２２が用いられている。この多モード光ファイバ２２は、信号光の波長λ_１における損失が、励起光の波長λ_２における損失よりも大きく、且つその差が０．１ｄＢ／ｍ以上であることを特徴としている。

本発明の好ましい実施形態において、多モード光ファイバ２２は、信号光の波長λ_１における損失が励起光の波長λ_２における損失よりも大きくなるように、コアとクラッドの少なくともいずれか一方に、ツリウム、サマリウム、イッテルビウム、エルビウム、ジスプロシウム、ネオジム、プラセオジム、ホルミウム、コバルト、ニッケルからなる群から選択された少なくとも１種類の元素がドープされているものが好ましい。前述した元素のドープ量は、信号光の波長λ_１における損失が励起光の波長λ_２における損失よりも０．１ｄＢ／ｍ以上大きくなる最低値（ドープ量下限値）から、ドープ元素濃度に起因する励起光の損失が実用上問題となる直前の上限値（ドープ量上限値）までの範囲内で任意に設定することができる。

この多モード光ファイバ２２は、コアとクラッドの少なくともいずれか一方に窒素が１０ｐｐｍ以上含まれ、および／またはＯＨ基が１００ｐｐｍ以上含まれていてもよい。

この多モード光ファイバ２２のより具体的な例として、コアにツリウムを１００００質量ｐｐｍドープした多モード光ファイバが挙げられる。この多モード光ファイバの損失波長特性は図５に示す通りであり、波長９７６ｎｍにおける損失は０．１ｄＢ／ｍ程度であるのに対し、波長１０６４ｎｍにおける損失は２０ｄＢ／ｍ以上となっている。

本発明において、多モード光ファイバ２２の信号光の波長λ_１と励起光の波長λ_２における損失の差が０．１ｄＢ／ｍ以上あれば、戻り光減衰効果は得られるが、この損失の差が大きければ、より短い光ファイバで戻り光減衰効果を得ることができる。したがって、特に多くの励起光源２１を使用する場合は、信号光の波長λ_１と励起光の波長λ_２における損失の差が大きい多モード光ファイバ２２を用いる方が、装置全体の大きさを小型化できる面から有利である。本発明の多モード光ファイバ２２において、信号光の波長λ_１と励起光の波長λ_２における損失の差は、好ましくは３ｄＢ／ｍ以上、さらに好ましくは１７ｄＢ／ｍ以上あることが望ましい。

前述したコアにツリウムを添加した多モード光ファイバ２２を用い、信号光の波長λ_１が１０６４ｎｍであり、励起光の波長λ_２が９７６ｎｍである場合、図１に示す光ファイバレーザでは、それぞれの励起光源２１から多モード光ファイバ２２を通して希土類添加光ファイバ２３へ波長９７６ｎｍの励起光が伝送される。なお、多モード光ファイバ２２と希土類添加光ファイバ２３との接続は、例えば特開平１１−７２６２９号公報などに記載されている公知の方法などを用いて接続することができる。この多モード光ファイバ２２は、波長９７６ｎｍの励起光に対する損失が十分に小さいため、励起光は希土類添加光ファイバ２３へ、大きくパワーが低下することなく伝送される。

一方、希土類添加光ファイバ２３で増幅される信号光の波長は１０６４ｎｍであるため、励起光源への戻り光の波長は１０６４ｎｍとなる。そして、前記多モード光ファイバ２２は、波長１０６４ｎｍの光に対する損失が大きいため、戻り光は励起光源２１に到達する前に減衰され、そのパワーが大きく低下することになる。その結果、高いパワーの戻り光が励起光源２１に到達することはなく、励起光源２１が劣化あるいは損傷することを防ぐことが可能となる。

なお、前述した例示は本発明の一例に過ぎず、本発明はこれに限定されることなく、種々の修正や変更が可能である。前述した信号光、励起光の波長は、前述した例以外の場合でも、当業者が調整可能な範囲でドーパントの種類や濃度を適宜変えることで、同様の効果を得ることができる。

また、本発明の多モード光ファイバは、前述した光ファイバレーザに限らず、増幅用の希土類添加光ファイバと励起光源とを備えた各種装置、例えば、光ファイバモジュール、光ファイバ増幅器、レーザモジュールなどにおいて、励起光源と希土類添加光ファイバとを結ぶ経路の一部又は全部に用いることができ、あるいはレーザモジュールのピグテールファイバとして使用することができる。本発明の多モード光ファイバを用いることで、これらモジュールなどにおいても、戻り光減衰効果によって励起光源の劣化や損傷を防ぎ、光源の長寿命化を図ることができる。

さらに、本発明の多モード光ファイバは、２本以上の多モード光ファイバ同士、あるいは、本発明の多モード光ファイバと別の光ファイバとを融着、延伸して光ファイバカプラを作製することもできる。このようにして得られた光ファイバカプラは、励起光源と希土類添加光ファイバとを接続するための光ファイバカプラなどに用いることができ、前記例示と同様に戻り光減衰効果によって励起光源の劣化や損傷を防ぎ、光源の長寿命化を図ることができる。

［実施例１］
図１に示した系を用い、信号光の波長を１０６４ｎｍ、励起光の波長を９７６ｎｍとして、励起光源から希土類添加光ファイバまでの経路に用いる光ファイバを、本発明による多モード光ファイバを用いた場合と、従来の多モード光ファイバを使用した場合について、励起光源の劣化、あるいは損傷の様子を比較した。
本発明の多モード光ファイバとしては、コアにツリウムを１００００質量ｐｐｍドープしたものを使用した。その損失波長特性は図５に示す通りである。また、従来の多モード光ファイバとしては、コアにツリウムをドープしていない以外は本発明の多モード光ファイバと等しいものを用いた。
それぞれ１０の系（１つの系につき励起光源は６つ）を作製し、３ヶ月間の動作試験を行ったところ、本発明の光ファイバを用いた系では、励起光源の劣化、損傷は確認できなかったが、従来の光ファイバを用いた系では、励起光源の出力が半分以下に低下していたものが７つあり、その内の１つは、出力がほとんどゼロになっていた。

［実施例２］
図１に示した系を用い、信号光の波長を１０６４ｎｍ、励起光の波長を９１５ｎｍとして、励起光源から希土類添加光ファイバまでの経路に用いる光ファイバを、本発明の多モード光ファイバを用いた場合と、従来の多モード光ファイバを使用した場合について、励起光源の劣化、あるいは損傷の様子を比較した。
本発明の多モード光ファイバとしては、コアにツリウムを１００００質量ｐｐｍドープしたものを使用した。その損失波長特性は図５に示す通りである。また、従来の多モード光ファイバとしては、コアにツリウムをドープしていない以外は本発明の多モード光ファイバと等しいものを用いた。
それぞれ１０の系（１つの系につき励起光源は６つ）を作製し、３ヶ月間の動作試験を行ったところ、本発明の光ファイバを用いた系では、励起光源の劣化、損傷は確認できなかったが、従来の光ファイバを用いた系では、励起光源の出力が半分以下に低下していたものが７つあり、その内の１つは、出力がほとんどゼロになっていた。

［実施例３］
表１に示す通り、ツリウムのドープ濃度を変えたＮｏ．１〜４の多モード光ファイバを作製した。

図１に示した系を用い、その効果を確認した。信号光の波長は１０６４ｎｍ、励起光の波長は９７６ｎｍとした。
表１に示す通り、信号光の波長と、励起光の波長の損失の差によって、適宜使用する多モード光ファイバの長さを変えた。
それぞれの多モード光ファイバについて、実施例１と同様の動作試験を行ったところ、全ての多モード光ファイバについて実施例１と同様の結果が得られた。

［実施例４］
コアにサマリウムを２０００質量ｐｐｍ添加した多モード光ファイバを用い、図１に示した系を用い、その効果を確認した。信号光の波長は１０６４ｎｍ、励起光の波長は９７６ｎｍとした。この多モード光ファイバの損失波長特性を図６に示す。
この多モード光ファイバを用い、実施例１と同様の動作試験を行ったところ、実施例１と同様の効果が得られた。

［実施例５］
コアにコバルトを１００質量ｐｐｍ添加した多モード光ファイバを用い、図１に示した系を用い、その効果を確認した。信号光の波長は１０６４ｎｍ、励起光の波長は９１５ｎｍとした。この多モード光ファイバの損失波長特性を図７に示す。
この多モード光ファイバを用い、実施例１と同様の動作試験を行ったところ、実施例１と同様の効果が得られた。

本発明に係る多モード光ファイバを用いた光ファイバレーザを示す構成図である。 従来装置における励起光源の劣化、損傷の発生原理を説明するであり、前方励起の場合を示す構成図である。 従来装置における励起光源の劣化、損傷の発生原理を説明するであり、後方励起の場合を示す構成図である。 従来装置における励起光源の劣化、損傷の発生原理を説明するであり、双方向励起の場合を示す構成図である。 本発明に係る実施例１で作製した多モード光ファイバの損失波長特性を示すグラフである。 本発明に係る実施例４で作製した多モード光ファイバの損失波長特性を示すグラフである。 本発明に係る実施例５で作製した多モード光ファイバの損失波長特性を示すグラフである。

符号の説明

２１…励起光源、２２…多モード光ファイバ、２３…希土類添加光ファイバ。

Claims (11)

1. 波長λ_１の信号光を増幅する媒体としての希土類元素を添加した希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを励起する波長λ_２の励起光源との接続に用いられる多モード光ファイバであって、波長λ_１における損失が波長λ_２における損失よりも大きく、且つその差が０．１ｄＢ／ｍ以上であることを特徴とする多モード光ファイバ。
2. コアとクラッドの少なくともいずれか一方に、ツリウム、サマリウム、イッテルビウム、エルビウム、ジスプロシウム、ネオジム、プラセオジム、ホルミウム、コバルト、ニッケルからなる群から選択された少なくとも１種類の元素がドープされたことを特徴とする請求項１に記載の多モード光ファイバ。
3. コアとクラッドの少なくともいずれか一方に窒素が１０ｐｐｍ以上含まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の多モード光ファイバ。
4. コアとクラッドの少なくともいずれか一方にＯＨ基が１００ｐｐｍ以上含まれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多モード光ファイバ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の多モード光ファイバを２本以上融着、延伸してなることを特徴とする光ファイバカプラ。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の１本以上の多モード光ファイバと、信号光伝送用のシングルモード光ファイバとを溶融、延伸してなることを特徴とする光ファイバカプラ。
7. 波長λ_１の信号光を増幅する媒体としての希土類元素を添加した希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを励起する波長λ_２の励起光源とを有する光ファイバモジュールであって、前記希土類添加光ファイバと前記励起光源とを結ぶ経路の一部又は全部に請求項１〜４のいずれかに記載の多モード光ファイバを用いていることを特徴とする光ファイバモジュール。
8. 前記希土類添加光ファイバは、コア部とその周囲に設けられコア部よりも低屈折率の第１クラッド部と、該第１クラッド部の周囲に設けられ第１クラッド部よりも低屈折率の第２クラッド部を有してなることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバモジュール。
9. 波長λ_１の信号光を増幅する媒体としての希土類元素を添加した希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを励起する波長λ_２の励起光源とを有する光ファイバ増幅器であって、前記希土類添加光ファイバと前記励起光源とを結ぶ経路の一部又は全部に請求項１〜４のいずれかに記載の多モード光ファイバを用いていることを特徴とする光ファイバ増幅器。
10. 波長λ_１の信号光を増幅する媒体としての希土類元素を添加した希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバを励起する波長λ_２の励起光源とを有する光ファイバレーザであって、前記希土類添加光ファイバと前記励起光源とを結ぶ経路の一部又は全部に請求項１〜４のいずれかに記載の多モード光ファイバを用いていることを特徴とする光ファイバレーザ。
11. 波長λ_１の信号光を増幅することが可能な波長λ_２の光を発する、ピグテールファイバを有するレーザモジュールであって、請求項１〜４のいずれかに記載の多モード光ファイバを該ピグテールファイバとして使用していることを特徴とするレーザモジュール。

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