JP2007220779A - マルチモードファイバ、光増幅器及びファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】光増幅器等においてＬＤ側に戻ってくる反射光によりＬＤが破壊されず、装置の長寿命化が可能なマルチモードファイバ、光増幅器及びファイバレーザの提供。
【解決手段】片端にレーザダイオードが直接又は間接的に接続されており、かつ片端には光発振器又は光増幅器が直接又は光結合器を介して接続されているマルチモードファイバであって、コアの一部に、レーザダイオード側に戻る反射光を反射する回折格子が設けられていることを特徴とするマルチモードファイバ。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射光の基本モードを反射する回折格子が設けられたマルチモードファイバ、それを用いた光増幅器及びファイバレーザに関する。

高出力光ファイバ増幅器、ファイバレーザなどでは、クラッドポンプ構造が一般に採用されている。これは、光ファイバ中のコアを伝搬する光を増幅するために必要な励起光をクラッド中を伝搬させるというものである。このクラッドポンプ構造が広く採用されるようになるのと同時に、マルチモードファイバ出力のハイパワーレーザダイオード（以下、ＬＤと記す。）が使われるようになった。これらの増幅器では利得のレベルで２０ｄＢ以上、最高出力で１Ｗ〜１ｋＷに達することもある。

このようなハイパワー増幅媒体を有する光増幅器、ファイバレーザでは、以下のような問題があった。
・光増幅器の利得が極端に大きいため、出射部付近で発生した微小な反射光が光増幅器内部で大幅に増幅され入射部に戻ってくる。
・光増幅器の中で信号光が大きなパワーを持ち、その結果、後方へ大きな散乱光を発生する。この散乱光は、光増幅器内でさらに増幅され、大きな反射光となって現れる。
・光増幅器内で発生した自然放出光、コアから放射された信号光の漏れ光などが後方へ向かって放射される。
そして、これらの反射光が光増幅器内部の部品を直接破壊したり、この反射光が元になって光増幅器が発振し、結果として部品を破壊することがあった。これらの部品の中でも、特に励起光源用のＬＤは、内部にレンズを有しており、反射光がＬＤのチップ端面上に結像するため、もっとも破壊されやすい部品である。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、光増幅器等においてＬＤ側に戻ってくる反射光によりＬＤが破壊されず、装置の長寿命化が可能なマルチモードファイバ、光増幅器及びファイバレーザの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、片端にＬＤが直接又は間接的に接続されており、かつ片端には光発振器又は光増幅器が直接又は光結合器を介して接続されているマルチモードファイバであって、コアの一部に、ＬＤ側に戻る反射光を反射する回折格子が設けられていることを特徴とするマルチモードファイバを提供する。

本発明のマルチモードファイバにおいて、前記回折格子の格子定数である周期が、光発振器又は光増幅器からの反射光の波長においてその基本モードを反射するように定められたことが好ましい。

本発明のマルチモードファイバにおいて、前記回折格子の占める断面積がコアの断面積の２５％〜７５％の範囲内であることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係るマルチモードファイバ及びＬＤの組と、該マルチモードファイバの出力側に接続された増幅用希土類添加ファイバとを有することを特徴とする光増幅器を提供する。

本発明の光増幅器において、マルチモードファイバ及びＬＤの組を２個以上有し、これらの組が全て一つの光結合器に接続さ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マルチモードファイバ及びＬＤの組と、該マルチモードファイバの出力側に接続された増幅用希土類添加ファイバとを有することを特徴とするファイバレーザを提供する。

本発明のファイバレーザにおいて、マルチモードファイバ及びＬＤの組を２個以上有し、これらの組が全て一つの光結合器に接続されていることが好ましい。

本発明のマルチモードファイバは、コアの一部にＬＤ側に戻る反射光を反射する回折格子を設けた構成としたので、このマルチモードファイバを光増幅器やファイバレーザに適用した際に、ＬＤ側に向けて戻る反射光が回折格子で反射され、この反射光がＬＤに入るのを防ぎ、反射光又はその増幅光によってＬＤが破壊又は性能低下を生じることが少なくなり、ＬＤの長寿命化を図ることができる。
本発明の光増幅器は、前述した本発明に係るマルチモードファイバ及びＬＤの組と、マルチモードファイバの出力側に接続された増幅用希土類添加ファイバとを有する構成としたので、ＬＤ側に向けて戻る反射光が回折格子で反射され、この反射光がＬＤに入るのを防ぎ、反射光又はその増幅光によってＬＤが破壊又は性能低下を生じることが少なくなり、装置の長寿命化を図ることができる。
本発明のファイバレーザは、前述した本発明に係るマルチモードファイバ及びＬＤの組と、マルチモードファイバの出力側に接続された増幅用希土類添加ファイバとを有する構成としたなので、ＬＤ側に向けて戻る反射光が回折格子で反射され、この反射光がＬＤに入るのを防ぎ、反射光又はその増幅光によってＬＤが破壊又は性能低下を生じることが少なくなり、装置の長寿命化を図ることができる。

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、本発明のマルチモードファイバ（以下、ＭＭファイバと略記する。）の一実施形態を示す図であり、図１（ａ）はＭＭファイバの斜視図、図１（ｂ）はＭＭファイバの断面図である。

このＭＭファイバ１０は、図示していないＬＤからの光（励起光）を導光する部分に設けられ、一端側はＬＤに接続され、出力側となる他端側は希土類添加ファイバの入力側に接続されている。このＭＭファイバ１０は、図１（ａ）に示すように、中心にあるＧｅがドープされたコア領域１２と、このコア領域１２の外周を囲んで設けられたＧｅを含まないコア領域１３と、このコア領域１３の外側を囲んで設けられ、コア領域１３よりも低屈折率の材料からなるクラッド１４とを備え、コア領域１２の一部に、図１（ｂ）に示すような回折格子１１（以下、グレーティングと記すことがある。）が設けられた構成になっている。このＭＭファイバ１０は、コアの一部分にＧｅがドープされたコア領域１２を設け、その領域にだけグレーティングを形成できるようになっている。

この回折格子１１は、励起光は透過するが、増幅された信号光の基本モードは反射するように周期（格子定数）を定めて形成されている。本実施形態にあっては、ＬＤからの励起光の波長が９８０ｎｍ、増幅された信号光の波長が１０６４ｎｍの場合を例示しており、形成した回折格子１１は、波長１０６４ｎｍの光に対し、基本モードのみに高い反射率を有し、高次モードには反射を示さない。一方、波長９８０ｎｍの光に対しては、全てのモードに殆ど反射を示さない。

図２は、本実施形態において用いた回折格子１１の機能を説明する概略図であり、図２（ａ）はこの回折格子１１に波長１０６４ｎｍの信号光を通した場合、図２（ｂ）は波長９８０ｎｍの励起光を通した場合をそれぞれ示している。図２に示すΔβは、伝搬モードと反射されるモードの伝搬定数差を表す。このΔβは、回折格子１１のグレーティング周期Λによって決定される。グレーティング周期をΛとすれば、Δβ＝２π／Λを満たす場合にのみ反射が起こる。

この回折格子１１に波長１０６４ｎｍの信号光を通した場合、図２（ａ）に示すように、信号光の基本モードから反射の基本モードへ結合する周期のグレーティングになっているため、波長１０６４ｎｍの信号光の基本モードは反射される。
一方、波長９８０ｎｍの励起光を通した場合、図２（ｂ）に示すように、基本モード−高次モード、又は高次モード−高次モード間の結合が発生するが、これらは非常に小さく、波長９８０ｎｍの励起光の基本モードは反射されない。

図３は、ＭＭファイバ１０の回折格子１１が形成されている領域と基本モード、高次モードの電界分布を例示するグラフであり、図３（ａ）は基本モードの電界分布を示すグラフ、（ｂ）は高次モードの電界分布を示すグラフである。
また図４は、回折格子１１を持ったＭＭファイバ１０による透過スペクトルを例示するグラフである。図４に示すように、このＭＭファイバ１０では、波長９８０ｎｍの励起光は殆ど損失無く透過するが、波長１０６４ｎｍの信号光は反射されることがわかる。

光ファイバ中の回折格子は、ファイバグレーティングと呼ばれ、波長フィルタとして利用されている。このフィルタを利用すれば、信号光だけを反射して励起光を通すことは可能である。しかし、現実にはファイバグレーティングを利用する場合、以下の制約を受けることになる。
１．シングルモードファイバであること、
２．信号光波長が励起光よりも短波長であるか、又は十分に（できれば１００ｎｍ以上）離れていること。

前記の制約は、高出力増幅器を考える時には大きな問題である。なぜならば、通常クラッド励起方式ではＭＭファイバを利用したＬＤが使用されているからである。また、励起光と信号光を比較すれば、必然的に励起光が短波長であり、かつ１００ｎｍ以下しか離れていないことが多い（例えば、１５５０ｎｍと１４８０ｎｍ、１０６４ｎｍと９８０ｎｍなど）。そこで、本発明では、ＭＭファイバを利用したまま、近接した信号光を適切に遮断し、かつ励起光を通過させるフィルタを提案する。

この目的を達成するために本発明で着目したポイントは、ＭＭファイバ１０の一部にのみ回折格子１１を形成することである。
具体的には、コアの一部にＧｅがドープされている部分を形成し、この部分に回折格子１１を形成する。このとき、Ｇｅがドープされている部分を、数多く存在する導波モードの中の最低次のモード、すなわち基本モードの電界が最大になる部分を含むようにすれば、回折格子１１はこの部分にのみ形成される。

ところで、ＭＭファイバ１０中に存在する多くの伝搬モードの中で、波長一定として、どのモードがグレーティングによって反射されるかについては、グレーティングが持つ周期によって決まる。通常、グレーティング周期をΛとすれば、Δβ＝２π／Λ（Δβ＝伝搬モードと反射されるモードの伝搬定数差）を満たす場合にのみ反射される。これは位相整合条件であり、反射されるための必要条件である。

実際に光が反射されるためには、さらに電界の重なりが大きい必要がある。特に本発明は、断面で見てコアの一部分にしかグレーティングが形成されないので、グレーティングが存在する部分でのみ二つの電界の重なりが重要となる。

本発明では、反射させたい波長でグレーティングによって基本モード同士の反射が起こるように、その周期が決定されている。
そして、基本モードの電界分布が最大となる付近にのみグレーティングが存在する。この結果、反射させたい波長では、基本モードで大きな反射率が得られるが、その他の波長では、わずかにしか反射が発生しない。なぜならば、反射させたい波長よりも長波長では、グレーティングの周期によって結合条件を満たす伝搬モードが存在しないし、短波長では位相整合条件を満たす伝搬モードが存在するが、それら高次モードの電界分布が基本モードと著しく異なるために、グレーティングによる反射の大きさが小さいためである。

しかも、グレーティングの場合、吸収や散乱と異なり、導波モードへ反射するので、わずかに発生した反射光は再びＬＤに戻り、ＬＤの発振に寄与するので、ほとんどＬＤの出力低下の原因とはならない。これを示す良い例は、ファイバグレーティング付きＬＤで、これはグレーティングとＬＤで一つの共振器を形成するので、反射によって出力低下はほとんどしない。
一方で、基本モードは、ファイバ中に多数存在する伝搬パワーの中で最もパワーの比率が高いものであり、基本モードのみを反射させることによっても全体パワーに対して十分な反射率を得ることが可能である。
さらに、ＬＤのレンズで最も小さなスポットに集光される光は、基本モードであり、このモードをＬＤに戻さない効果は非常に大きい。従って、基本モードを阻止するだけで十分に本発明の目的を満たすことが可能である。

本実施形態のＭＭファイバ１０は、コアの一部にＬＤ側に戻る反射光を反射する回折格子１１を設けた構成としたので、このＭＭファイバ１０を光増幅器やファイバレーザに適用した際に、ＬＤ側に向けて戻る反射光が回折格子１１で反射され、この反射光がＬＤに入るのを防ぎ、反射光又はその増幅光によってＬＤが破壊又は性能低下を生じることが少なくなり、ＬＤの長寿命化を図ることができる。

次に、本発明の光増幅器及びファイバレーザの実施形態を説明する。本発明の光増幅器及びファイバレーザ（以下、光増幅器と略記する。）は、前述した本発明に係る回折格子付きのＭＭファイバ１０及びＬＤの組と、該ＭＭファイバ１０の出力側に接続された増幅用の希土類添加ファイバとを有することを特徴とする。

図５は、本発明の光増幅器の第１実施形態を示す図であり、本実施形態の光増幅器２０Ａは、ＭＭファイバ１０と、該ＭＭファイバ１０の一端側に接続されたＬＤ２２と、該ＭＭファイバ１０の他端側（出力側）に接続された増幅用の希土類添加ファイバ２１とを備えて構成されている。ＭＭファイバ１０の一端側には、前記ＬＤ２２と、信号光を導光するための光ファイバとが接続されている。この一端側の接続部は、適当な光結合器を用いて、ＬＤ２２からの励起光と信号光とをＭＭファイバ１０に入れる構造とすることが望ましい。

この希土類添加ファイバ２１としては、コアにＹｂ，Ｅｒ，Ｔｍなどの希土類元素の１種又は２種以上をドープしてなる石英ガラス系光ファイバの中から、適宜選択して用いることができる。

本実施形態の光増幅器２０は、ＬＤ２２を駆動させて励起光（例えば、波長９８０ｎｍの光）をＭＭファイバ１０を通して希土類添加ファイバ２１に入射し、コアにドープされた希土類イオンを励起しておく。そしてＭＭファイバ１０を通して希土類添加ファイバ２１に信号光（例えば、波長１０６４ｎｍ）を入射することで、信号光が増幅されて希土類添加ファイバ２１の出力側から増幅された信号光が出力される。

そして、図１（ｂ）に示すように、何らかの原因によって出力された信号光が反射され、その反射光がＭＭファイバ１０に入ると、ＭＭファイバ１０に設けられた回折格子１１によって反射される。このように、本実施形態の光増幅器２０は、回折格子付きのＭＭファイバ１０を希土類添加ファイバ２１の入射側に接続したことにより、反射光がＬＤ２２に入るのを防ぎ、反射光又はその増幅光によってＬＤ２２が破壊又は性能低下を生じることが少なくなり、装置の長寿命化を図ることができる。

図６は、本発明の光増幅器の第２実施形態を示す図であり、本実施形態の光増幅器２０Ｂは、ＬＤ２２が接続されたＭＭファイバ１０の組を複数用い、これらの複数の組のＭＭファイバ１０の出力側と、信号光導光用に光ファイバとを、それぞれ光結合器２３を介して希土類添加ファイバ２１の入射側に接続した構成になっている。

本実施形態ではクラッドポンプ構造を採用しており、希土類添加ファイバ２１として、コアの周囲に２層以上のクラッドが設けられたダブルクラッドファイバを用い、信号光をコアに入射し、励起光を最内層のクラッドに入射する構成になっている。
本実施形態の光増幅器２０Ｂは、前述した第１実施形態の光増幅器２０Ａと同様に、反射光がＬＤ２２に入るのを防ぎ、反射光又はその増幅光によってＬＤ２２が破壊又は性能低下を生じることが少なくなり、装置の長寿命化を図ることができる。

図７は、本発明の光増幅器の第３実施形態を示す図であり、本実施形態の光増幅器２０Ｃは、希土類添加ファイバ２１に、光結合器２４を介してＬＤ２２が接続されたＭＭファイバ１０が接続され、且つアイソレータ２５を介在させた構成になっている。
本実施形態の光増幅器２０Ｂは、前述した第１実施形態の光増幅器２０Ａと同様に、反射光がＬＤ２２に入るのを防ぎ、反射光又はその増幅光によってＬＤ２２が破壊又は性能低下を生じることが少なくなり、装置の長寿命化を図ることができる。

なお、前述した各実施形態は例示にすぎず、本発明はこれらの各実施形態に限定されることなく、種々変更や改変が可能である。
例えば、本発明の光増幅器で用いるファイバはＹｂドープファイバに限定する必要はなく、Ｙｂ−Ｅｒドープファイバ、Ｅｒドープファイバ、Ｔｍドープファイバなど、光増幅媒体として使用可能な希土類添加ファイバに適用できる。
また、本発明の光増幅器は、双方向励起を行う際の後方励起側に用いることができる。
また本発明は、光増幅器のみならず、光発振器の励起用光源に使用することもできる。
また、ファイバグレーティングは長周期タイプでも可能である（図８参照）。この場合、伝搬光の成分のうち、基本モードの成分が相対的に小さくなるために、ＬＤの結像系によってＬＤ端面に集光する効果が薄れ、効果的にＬＤの損傷を防ぐことができる。
さらに本発明は、ＭＭファイバではなく、シングルモードファイバにグレーティングを形成しても勿論可能である。
また、ファイバグレーティングではなく、誘電体多層膜を用いた、波長フィルターでも適用できる場合がある。

図５〜図７に示す装置を試作した。これら３つの例では、いずれも励起媒体としてＹｂドープファイバを使用している。図５と図７は、コアポンプタイプの光増幅器で、図６はクラッドポンプタイプの光増幅器である。
いずれの場合でも、励起用ＬＤは、結合器を通してＹｂドープファイバに接続されており、この結合器から反射して戻ってくる光を、ＬＤの直近に配置したマルチモードグレーティングによって反射する。

図２に本実施例を波数で見た結果を示す。グレーティング周期Λで決まるΔβの大きさを満たすのが、波長１０６４ｎｍ（信号波長）では基本モード同士だけであるのに対し、波長９８０ｎｍ（励起波長）では基本モード−高次モード、又は高次モード−高次モードであることがわかる。

図３に基本モードと高次モードの電界分布の様子を示す。高次モードは無数に存在するが、どの場合においても基本モードとの結合は非常に小さい。このとき用いたファイバは、コア径１００μｍ、クラッド径１２５μｍとなっている。

図４に、本実施例における透過スペクトルを示す。信号光の帯域では反射によって大きな透過損失が発生しているが、励起光の波長では実質的に無視できるような損失しか発生していないのがわかる。

本実施例ではコアに占める回折格子部分の断面積比は５０％であったが、この断面積比が７５％を超えると高次モードの反射率が大きくなるために、例えば図４中の励起波長における損失が大きくなり２ｄＢ以上となることがある。こうなるとＬＤ出力にはっきりとした低下が認められるため望ましくない。一方で断面積比が２５％未満であると、基本モードの反射率が低下し、例えば図４中の信号波長における損失が−１６ｄＢから−４ｄＢ程度まで変化することがある。こうなるとＬＤ保護の観点から十分な減衰を反射光に与えることが出来ず望ましくない。

本発明のＭＭファイバの一実施形態を示し、（ａ）はＭＭファイバの斜視図、（ｂ）はＭＭファイバの断面図である。 本発明のＭＭファイバに設ける回折格子の機能を説明する概略図であり、（ａ）はこの回折格子に波長１０６４ｎｍの信号光を通した場合、（ｂ）は波長９８０ｎｍの励起光を通した場合を示す。 ＭＭファイバの回折格子が形成されている領域と基本モード、高次モードの電界分布を例示するグラフであり、（ａ）は基本モードの電界分布を示すグラフ、（ｂ）は高次モードの電界分布を示すグラフである。 本発明のＭＭファイバによる透過スペクトルを例示するグラフである。 本発明の光増幅器の第１実施形態を示す構成図である。 本発明の光増幅器の第２実施形態を示す構成図である。 本発明の光増幅器の第３実施形態を示す構成図である。 長周期グレーティングを用いた場合の効果を示す概略図である。

符号の説明

１０…ＭＭファイバ、１１…回折格子、１２…コア領域（Ｇｅがドープされたコア領域）、１３…コア領域（Ｇｅを含まないコア領域）、１４…クラッド、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…光増幅器、２１…希土類添加ファイバ、２２…ＬＤ、２３，２４…光結合器、２５…アイソレータ。

Claims (7)

1. 片端にレーザダイオードが直接又は間接的に接続されており、かつ片端には光発振器又は光増幅器が直接又は光結合器を介して接続されているマルチモードファイバであって、コアの一部に、レーザダイオード側に戻る反射光を反射する回折格子が設けられていることを特徴とするマルチモードファイバ。
2. 前記回折格子の格子定数である周期が、光発振器又は光増幅器からの反射光の波長においてその基本モードを反射するように定められたことを特徴とする請求項１に記載のマルチモードファイバ。
3. 前記回折格子の占める断面積がコアの断面積の２５％〜７５％の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチモードファイバ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のマルチモードファイバ及びレーザダイオードの組と、該マルチモードファイバの出力側に接続された増幅用希土類添加ファイバとを有することを特徴とする光増幅器。
5. 前記マルチモードファイバ及びレーザダイオードの組を２個以上有し、これらの組が全て一つの光結合器に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の光増幅器。
6. 請求項１〜３のいずれかに記載のマルチモードファイバ及びレーザダイオードの組と、該マルチモードファイバの出力側に接続された増幅用希土類添加ファイバとを有することを特徴とするファイバレーザ。
7. 前記マルチモードファイバ及びレーザダイオードの組を２個以上有し、これらの組が全て一つの光結合器に接続されていることを特徴とする請求項６に記載のファイバレーザ。
   

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