JP2007163650A

JP2007163650A - 光ファイバ型励起コンバイナ、光ファイバ増幅器及び光ファイバレーザ

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Publication number: JP2007163650A
Application number: JP2005357553A
Authority: JP
Inventors: Akira Sugimoto; 亮杉本; Noriaki Shimada; 典昭島田; Tetsuya Sakai; 哲弥酒井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2025-12-12
Also published as: JP5020509B2

Abstract

【課題】多モード高出力レーザ光源が５台以下の場合においても、より高い励起光パワー密度を達成し、信号光の高出力化が可能となる光ファイバ型励起コンバイナの提供。
【解決手段】複数の多モード光ファイバと１本のシングルモード光ファイバを組み合わせて得られる光ファイバ型励起コンバイナにおいて、多モード光ファイバの本数が３〜５本であり、各光ファイバの組合せが最密構造となるように、多モード光ファイバの本数に合わせてクラッド外径を設定したシングルモード光ファイバを用いたことを特徴とする光ファイバ型励起コンバイナ。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ増幅器や光ファイバレーザ等に使用される光結合器に関し、クラッド励起光ファイバに励起光及び信号光を光結合させる場合に用いる光ファイバ型励起コンバイナ、これを用いた光ファイバ増幅器及び光ファイバレーザに関する。

光ファイバ増幅器を高出力化する手法の１つに、光増幅用ファイバとして希土類添加クラッド励起光ファイバを用いることがある。典型的な希土類添加クラッド励起光ファイバ（以下、クラッド励起光ファイバという。）を図４に示す。このクラッド励起光ファイバ１は、希土類元素が添加されたシングルモードコア２と該コア２の外周を囲む内部クラッド層３と、この内部クラッド層３の外周を囲む外部クラッド層４とから構成されている。このクラッド励起光ファイバ１は、多モード高出力レーザ光源からの励起光を、コア２を含む内部クラッド層３の領域に光結合させることで、コア２内を伝搬するシングルモード信号光を増幅し、高出力化できるようになっている。

信号光出力をより高出力化するためには、励起光強度を高くする必要がある。そのため、複数の多モード高出力レーザを用いて、高い励起強度で希土類イオンを励起する手法が一般に用いられている。

光ファイバ増幅器において、信号光、及び複数の多モードレーザ光源からの出力光をクラッド励起光ファイバに光結合させる手段として、光ファイバ型励起コンバイナを用いる場合がある。図５にその一例を示す。この光ファイバ型励起コンバイナ１０は、１本のシングルモード光ファイバ１１を中心として、周囲に複数の多モード光ファイバ１２を配置し、溶融して一体化した溶融部１３を形成し、該溶融部１３をクラッド励起光ファイバの内部クラッド層と同程度の直径になるまで延伸した延伸部１４とからなっている。光ファイバ型励起コンバイナ１０を構成するシングルモード光ファイバ１１を信号入力用光ファイバと融着接続し、且つ多モード光ファイバ１２を多モード高出力レーザ光源からの口出し用多モード光ファイバと融着接続することで、光ファイバ型励起コンバイナ１０の延伸部１４の先端面１５において中心に位置するコアからは信号光が出力され、且つコアの周囲からは多モード励起光が出力される。この光ファイバ型励起コンバイナ１０と前述したクラッド励起光ファイバ１を融着接続により光結合させることで、複数の多モード高出力レーザ光と信号光とを同時にクラッド励起光ファイバ１に入射し、信号光を高く増幅することができる（例えば、特許文献１，２参照。）。

図６は、図５に示す光ファイバ型励起コンバイナ１０の先端面１５のファイバ配置状態を示す図であり、この光ファイバ型励起コンバイナ１０では、中心に１本のシングルモード光ファイバ１１と、それを囲む６本の多モード光ファイバ１２とが最密構造となっている。この場合、シングルモード光ファイバ１１と多モード光ファイバ１２とは、それぞれ等しいクラッド外径のファイバを用いて構成されている。

前述したクラッド励起光ファイバを用いた光ファイバ増幅器の増幅効率を上げるためには、クラッド励起光ファイバの内部クラッド層内の励起光パワー密度を上げることが望ましい。光ファイバ型励起コンバイナにおいては、溶融延伸部での励起光パワー密度を上げる必要がある。そのためには、溶融延伸部を構成する多モード光ファイバ数を減らし、溶融延伸部の断面積を小さくする方が良い。
特許第３４１５４４９号公報特表２００２−５０６２２５号公報

光ファイバ増幅器のコストの低下を図るためには、使用する多モード高出力レーザ光源の台数は少ない方が良い。特許文献１によれば、光ファイバ型励起コンバイナ溶融部は１本のシングルモード光ファイバを中心に６本の多モード光ファイバを配置した構成となっている。このような構成は、多モード高出力レーザ光源を６台使用する場合には最密構造となり、高い励起光パワー密度を実現できるが、多モード高出力レーザ光源が５台以下の場合には最密構造とならず、励起光パワー密度が低下してしまい、増幅効率は最大とならない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、多モード高出力レーザ光源が５台以下の場合においても、より高い励起光パワー密度を達成し、信号光の高出力化が可能となる光ファイバ型励起コンバイナの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、複数の多モード光ファイバと１本のシングルモード光ファイバを組み合わせて得られる光ファイバ型励起コンバイナにおいて、
多モード光ファイバの本数が３〜５本であり、各光ファイバの組合せが最密構造となるように、多モード光ファイバの本数に合わせてクラッド外径を設定したシングルモード光ファイバを用いたことを特徴とする光ファイバ型励起コンバイナを提供する。

本発明の光ファイバ型励起コンバイナにおいて、１本のシングルモード光ファイバの周囲に複数の多モード光ファイバを配置した構造を有することが好ましい。

本発明の光ファイバ型励起コンバイナにおいて、クラッド外径がＸμｍである多モード光ファイバ５本を円状に配置し、それに囲まれた領域にクラッド外径が０．６９６Ｘμｍ以下であるシングルモード光ファイバ１本を配置した構造を有することが好ましい。

本発明の光ファイバ型励起コンバイナにおいて、クラッド外径がＸμｍである多モード光ファイバ４本を円状に配置し、それに囲まれた領域にクラッド外径が０．４０８Ｘμｍ以下であるシングルモード光ファイバ１本を配置した構造を有することが好ましい。

本発明の光ファイバ型励起コンバイナにおいて、クラッド外径がＸμｍである多モード光ファイバ３本を円状に配置し、それに囲まれた領域にクラッド外径が０．１５２Ｘμｍ以下であるシングルモード光ファイバ１本を配置した構造を有することが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る光ファイバ型励起コンバイナを有することを特徴とする光ファイバ増幅器又は光ファイバレーザを提供する。

本発明の光ファイバ型励起コンバイナは、多モード高出力レーザ光源が５台以下の場合においても、より高い励起光パワー密度を達成し、信号光の高出力化が可能となる。
さらに、溶融部において生じる光ファイバ間の隙間についても、従来よりも製造マージンを多く確保することができ、製造歩留まりを上げる効果も得られる。

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、本発明の光ファイバ型励起コンバイナの第１実施形態を示し、光ファイバ型励起コンバイナ先端面のファイバ配置状態を示す概略正面図である。本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａは、中心に設けた１本のシングルモード光ファイバ２１Ａと、この周囲に円状に配置された５本の多モード光ファイバ２２とを有し、各光ファイバの組合せが最密構造となるように、多モード光ファイバ２２のクラッド外径よりも細いクラッド外径を持ったシングルモード光ファイバを用いた構成になっている。

本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａにおいて、中心のシングルモード光ファイバ２１Ａは、多モード光ファイバ２２のクラッド外径をＸμｍとしたとき、クラッド外径が０．６９６Ｘμｍ以下のシングルモード光ファイバを用いて構成されている。すなわち、５本の多モード光ファイバ２２の外径が、例えば１２５μｍであるとき、中心のシングルモード光ファイバ２１Ａのクラッド外径は８７μｍ以下になっている。シングルモード光ファイバ２１Ａのクラッド外径が０．６９６Ｘμｍ（前記例示では８７μｍ）を超えると、その周囲に配置される５本の多モード光ファイバ２２間に隙間を生じ、最密構造が得られなくなり、励起光パワー密度が減少し、信号光の増幅効率低下を招いてしまう。

本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａは、多モード光ファイバ２２の本数と、中心のシングルモード光ファイバ２１Ａを最密構造が得られるようなクラッド外径に設定したこと以外は、図５に示す光ファイバ型励起コンバイナ１０と同様に構成することができる。例えば、クラッド外径を細くしたシングルモード光ファイバ２１Ａを中心に、５本の多モード光ファイバ２２を最密構造になるように組み合わせ、これらを融着して融着部を形成すると共に、該融着部の一方を延伸し、クラッド励起光ファイバに融着接続するための先端面を有する延伸部を形成した構成とすることができる。

本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａは、５本の多モード光ファイバ２２をそれぞれ多モード高出力レーザ光源（図示せず）の口出し用多モード光ファイバと融着接続し、且つ中心のシングルモード光ファイバ２１Ａを信号入力用光ファイバ（図示せず）と融着接続し、さらに光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａ先端面をクラッド励起光ファイバの入射端に融着接続し、光ファイバ増幅器又は光ファイバレーザを構成するために好適に用いられる。

このように構成された光ファイバ増幅器又は光ファイバレーザにあっては、光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａの先端面において中心に位置するコアからは信号光が出力され、且つコアの周囲からは多モード励起光が出力される。この光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａと前述したクラッド励起光ファイバ１を融着接続により光結合させることで、複数の多モード高出力レーザ光と信号光とを同時にクラッド励起光ファイバ１に入射し、信号光を高く増幅することができる。

本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａは、前記のファイバ配置構造としたことにより、多モード高出力レーザ光源が５台の場合でも、光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａの先端面において各ファイバを最密構造で配置でき、高い光パワー密度を実現することができる。
シングルモード光ファイバの周囲に多モード光ファイバを配置して溶融する際、光ファイバ同士が密着せず、隙間が生じることがある。この隙間が生じると、溶融部の断面積が大きくなり、励起光パワー密度が低下してしまうため、隙間はできるだけ小さくしなければならない。本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａは、細径型のシングルモード光ファイバ２１Ａを使用することにより、励起光パワー密度をより高くすることができるため、従来の多モード光ファイバを６本用いた光ファイバ型励起コンバイナよりも隙間に対する製造マージンを多くとることができ、製造歩留まりを上げる効果も得られる。
本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａは、多モード高出力レーザ光源からの出射光とシングルモード信号光とを同時にクラッド励起光ファイバに光結合する機構を有し、例えば、クラッド励起光ファイバを光増幅媒体とする高出力の光ファイバ増幅器や光ファイバレーザなどに適用することができる。

図２は、本発明の光ファイバ型励起コンバイナの第２実施形態を示し、光ファイバ型励起コンバイナ先端面のファイバ配置状態を示す概略正面図である。本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ｂは、多モード光ファイバ２２の本数を４本とし、中心のシングルモード光ファイバ２１Ｂのクラッド外径を各光ファイバの組合せが最密構造となるような外径に設定したこと以外は、前述した第１実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａと同様に構成することができる。

本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ｂにおいて、中心のシングルモード光ファイバ２１Ｂは、多モード光ファイバ２２のクラッド外径をＸμｍとしたとき、クラッド外径が０．４０８Ｘμｍ以下のシングルモード光ファイバを用いて構成されている。すなわち、４本の多モード光ファイバ２２の外径が、例えば１２５μｍであるとき、中心のシングルモード光ファイバ２１Ｂのクラッド外径は５１μｍ以下になっている。シングルモード光ファイバ２１Ａのクラッド外径が０．４０８Ｘμｍ（前記例示では５１μｍ）を超えると、その周囲に配置される４本の多モード光ファイバ２２間に隙間を生じ、最密構造が得られなくなり、励起光パワー密度が減少し、信号光の増幅効率低下を招いてしまう。

本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ｂは、前記のファイバ配置構造としたことにより、多モード高出力レーザ光源が４台の場合でも、光ファイバ型励起コンバイナ２０Ｂの先端面において各ファイバを最密構造で配置でき、高い光パワー密度を実現することができるなど、前述した第１実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａとほぼ同様の効果を得ることができる。

図３は、本発明の光ファイバ型励起コンバイナの第２実施形態を示し、光ファイバ型励起コンバイナ先端面のファイバ配置状態を示す概略正面図である。本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ｃは、多モード光ファイバ２２の本数を３本とし、中心のシングルモード光ファイバ２１Ｃのクラッド外径を各光ファイバの組合せが最密構造となるような外径に設定したこと以外は、前述した第１実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ａと同様に構成することができる。

本実施形態の光ファイバ型励起コンバイナ２０Ｃにおいて、中心のシングルモード光ファイバ２１Ｃは、多モード光ファイバ２２のクラッド外径をＸμｍとしたとき、クラッド外径が０．１５２Ｘμｍ以下のシングルモード光ファイバを用いて構成されている。すなわち、多モード光ファイバ２２の外径が、例えば１２５μｍであるとき、中心のシングルモード光ファイバ２１Ｃのクラッド外径は１９μｍ以下になっている。シングルモード光ファイバ２１Ｃのクラッド外径が０．１５２Ｘμｍ（前記例示では１９μｍ）を超えると、その周囲に配置される３本の多モード光ファイバ２２間に隙間を生じ、最密構造が得られなくなり、励起光パワー密度が減少し、信号光の増幅効率低下を招いてしまう。

クラッド外径１２５μｍの多モード光ファイバ５本を用いて図１に示す光ファイバ型励起コンバイナを作製した。
中心に配置するシングルモード光ファイバとして、クラッド外径８０μｍの細径型光ファイバを用いた。作製した励起コンバイナの溶融部の外径は３４０μｍであった。
作製した光ファイバ型励起コンバイナとクラッド励起光ファイバを光結合し、光増幅効率（＝［出力信号光強度−入力信号光強度］／励起光強度）を測定したところ、増幅効率は３１．２％であった。

一方、クラッド外径１２５μｍの多モード光ファイバ６本と、クラッド外径１２５μｍのシングルモード光ファイバ１本とで構成される従来の光ファイバ型励起コンバイナ（図６）の増幅効率は２５％であった。
この結果を表１にまとめて記す。

この差は励起光パワー密度により生じており、本発明はクラッド励起光ファイバを用いた光ファイバ増幅器の高出力化に有効であることが実証された。

本発明の光ファイバ型励起コンバイナの第１実施形態を示し、光ファイバ型励起コンバイナ先端面のファイバ配置状態を示す概略正面図である。本発明の光ファイバ型励起コンバイナの第２実施形態を示し、光ファイバ型励起コンバイナ先端面のファイバ配置状態を示す概略正面図である。本発明の光ファイバ型励起コンバイナの第３実施形態を示し、光ファイバ型励起コンバイナ先端面のファイバ配置状態を示す概略正面図である。クラッド励起光ファイバの構造を例示する断面図である。従来の光ファイバ型励起コンバイナの構造を示す斜視図である。従来の光ファイバ型励起コンバイナ先端面のファイバ配置状態を示す概略正面図である。

符号の説明

２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…光ファイバ型励起コンバイナ、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ…シングルモード光ファイバ、２２…多モード光ファイバ。

Claims

複数の多モード光ファイバと１本のシングルモード光ファイバを組み合わせて得られる光ファイバ型励起コンバイナにおいて、
多モード光ファイバの本数が３〜５本であり、各光ファイバの組合せが最密構造となるように、多モード光ファイバの本数に合わせてクラッド外径を設定したシングルモード光ファイバを用いたことを特徴とする光ファイバ型励起コンバイナ。
１本のシングルモード光ファイバの周囲に複数の多モード光ファイバを配置した構造を有することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ型励起コンバイナ。
クラッド外径がＸμｍである多モード光ファイバ５本を円状に配置し、それに囲まれた領域にクラッド外径が０．６９６Ｘμｍ以下であるシングルモード光ファイバ１本を配置した構造を有することを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ型励起コンバイナ。
クラッド外径がＸμｍである多モード光ファイバ４本を円状に配置し、それに囲まれた領域にクラッド外径が０．４０８Ｘμｍ以下であるシングルモード光ファイバ１本を配置した構造を有することを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ型励起コンバイナ。
クラッド外径がＸμｍである多モード光ファイバ３本を円状に配置し、それに囲まれた領域にクラッド外径が０．１５２Ｘμｍ以下であるシングルモード光ファイバ１本を配置した構造を有することを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ型励起コンバイナ。
請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバ型励起コンバイナを有することを特徴とする光ファイバ増幅器。
請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバ型励起コンバイナを有することを特徴とする光ファイバレーザ。