JP2008171985A - 残留光除去用ファイバ、これを用いた残留光除去構造及び光増幅器並びにファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ダブルクラッドファイバを用いた光増幅システムにおいて、低コストで確実に残留光を除去可能な残留光除去用ファイバの提供。
【解決手段】増幅媒質が添加されたコアと、該コアを囲む第１クラッドと、該第１クラッドを囲む第２クラッドとを有し、前記第１クラッドに入射した励起光でコアの増幅媒質を励起して信号光の増幅を行うダブルクラッドファイバの出力端に一端を接続し、増幅媒質の励起に使用されずにダブルクラッドを伝播してきた励起光の一部の残留光を除去する残留光除去用ファイバであって、コアがシングルモードであり、該コアを囲むクラッドに、前記ダブルクラッドファイバのクラッドを伝播してきた残留光を吸収可能な吸収媒質が添加されていることを特徴とする残留光除去用ファイバ。
【選択図】図２

Description

この発明は、光増幅用のダブルクラッドファイバの出力端に接続し、このダブルクラッドファイバの励起に使用されずに伝播してきた励起光の一部の残留光を除去する機能を有する残留光除去用ファイバ、これを用いた残留光除去構造及び光増幅器並びにファイバレーザに関する。

コアに希土類元素を添加し、該コアを囲む第１クラッドと、該第１クラッドを囲む第２クラッドとを有し、前記第１クラッドに入射した励起光でコアの増幅媒質を励起して信号光の増幅を行う光増幅用のダブルクラッドファイバは、光増幅器やファイバレーザの光増幅媒体として用いられる。近年、光増幅器やファイバレーザにおける増幅光の高出力化が強く要望され、そのための研究が進められている。ダブルクラッドファイバを光増幅媒体とし、その第１クラッドに励起光を入射する場合、励起光の一部は、増幅媒体の励起に使用されずに第１クラッドを伝播し、残留光となって出射端面に伝搬される。残留光は接続されたファイバとの接続点でコアに伝播されないため、接続点で放射されることになる。接続点で放射された光は、光ファイバ被覆樹脂に吸収され、熱劣化、光劣化を起こす。熱が適切に放熱されない場合は、被覆が燃えてしまうということが起こってしまう。

従来、ダブルクラッドファイバから出射される励起光の対策に関し、例えば、特許文献１に開示された技術が提案されている。
特許文献１には、増幅媒質がドープされたコア、該増幅媒質を励起する励起光が伝播する第１クラッド、及び第２クラッドを有するダブルクラッドファイバと、コア、及び該コアを囲みかつ多数の細孔を含むエアクラッド層を有するフォトニック結晶ファイバと、を備え、上記ダブルクラッドファイバの出射端面に、フォトニック結晶ファイバの入射端面が光学的に接続されて、上記ダブルクラッドファイバの第１クラッドから出射された励起光が、上記フォトニック結晶ファイバのエアクラッド層に入射されるように構成されていることを特徴とする光学装置が開示されている。
特開２００４−２７２０２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来技術には、次のような問題があった。
特許文献１では、フォトニック結晶ファイバを用いているが、フォトニック結晶ファイバは製造が難しく、コストが高く、部品として使用するとコスト高になる問題がある。
また、ダブルクラッドファイバとフォトニック結晶ファイバとを接続した構造になっているが、空孔を持つフォトニック結晶ファイバとダブルクラッドファイバとの接続が難しく、接続方法が複雑であり、コスト高になる問題がある。
さらに、ダブルクラッドファイバとフォトニック結晶ファイバとを接続した場合、ダブルクラッドファイバとフォトニック結晶ファイバの接続部でフレネル反射がおこり（ダブルクラッドファイバの第１クラッド層（ガラス層）とフォトニック結晶ファイバの空孔層（空気）による反射）、反射光（戻り光）が励起光源（レーザダイオード、以下、ＬＤと記す。）へと戻り、ＬＤが壊れる可能性がある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、希土類元素などの増幅媒質をコアに添加したダブルクラッドファイバを用いた光増幅システムにおいて、低コストで確実に残留光を除去可能な残留光除去用ファイバ、これを用いた残留光除去構造及び光増幅器並びに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、増幅媒質が添加されたコアと、該コアを囲む第１クラッドと、該第１クラッドを囲む第２クラッドとを有し、前記第１クラッドに入射した励起光でコアの増幅媒質を励起して信号光の増幅を行うダブルクラッドファイバの出力端に一端を接続し、増幅媒質の励起に使用されずにダブルクラッドを伝播してきた励起光の一部の残留光を除去する残留光除去用ファイバであって、
コアがシングルモードであり、該コアを囲むクラッドに、前記ダブルクラッドファイバのクラッドを伝播してきた残留光を吸収可能な吸収媒質が添加されていることを特徴とする残留光除去用ファイバを提供する。

本発明の残留光除去用ファイバにおいて、残留光の波長が９００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲であることが好ましい。

本発明の残留光除去用ファイバにおいて、この残留光除去用ファイバがダブルクラッド構造を有し、前記吸収媒質が、ダブルクラッドファイバのクラッドを伝播してきた残留光を吸収可能なクラッド領域に設けられたことが好ましい。

本発明の残留光除去用ファイバにおいて、クラッドに添加されている吸収媒質による吸収量は、励起光の波長において１０〜３０ｄＢ／ｍの範囲であることが好ましい。

本発明の残留光除去用ファイバにおいて、コアのモードフィールド径の外側のクラッド領域にのみ吸収媒質が添加されていることが好ましい。

本発明の残留光除去用ファイバにおいて、クラッドに添加された吸収媒質は、クラッドの外側の領域になるほど添加量が多く、吸収量が大きくなっていることが好ましい。

本発明の残留光除去用ファイバにおいて、シングルモードコア径は、接続するダブルクラッドファイバのコアのモードフィールド径と同じかそれ以上であることが好ましい。

本発明の残留光除去用ファイバにおいて、接続するダブルクラッドファイバの第１クラッド径よりも大きい第１クラッド径を有することが好ましい。

本発明の残留光除去用ファイバにおいて、クラッドに添加されている吸収媒質がコバルトであることが好ましい。

また本発明は、コアに増幅媒質が添加されたコアと、該コアを囲む第１クラッドと、該第１クラッドを囲む第２クラッドとを有し、前記第１クラッドに入射した励起光でコアの増幅媒質を励起して信号光の増幅を行うダブルクラッドファイバの出力端に、本発明に係る前記残留光除去用ファイバの一端を接続したことを特徴とする残留光除去構造を提供する。

本発明の残留光除去構造において、残留光除去用ファイバを放熱構造体と接続して残留光除去時に発生する熱を該ファイバから放熱させることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る残留光除去構造を有する光増幅器を提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る残留光除去構造を有するファイバレーザを提供する。

本発明の残留光除去用ファイバは、クラッドに、ダブルクラッドファイバのクラッドを伝播してきた残留光を吸収可能な吸収媒質を添加したものなので、光増幅用のダブルクラッドファイバの出力端に該残留光除去用ファイバを接続した際に、ダブルクラッドファイバのコアを通して伝搬する増幅光は、該残留光除去用ファイバのコアを伝播して低損失で出力される一方、ダブルクラッドファイバのクラッドを伝播した残留光は、該残留光除去用ファイバのクラッドに入射され、ここに添加した吸収媒質に吸収されることで除去される。従って、本発明の残留光除去用ファイバを用いることにより、ダブルクラッドファイバのクラッドを伝播した残留光を確実に除去することができ、この残留光による出力側ファイバ被覆の破損・燃焼などの不具合を防止できる。
また、コアがシングルモードであり、該コアを囲むクラッドに、ダブルクラッドファイバのクラッドを伝播してきた残留光を吸収可能な吸収媒質を添加したものなので、低コストで提供できる。
本発明の残留光除去用ファイバは、エアクラッド層がないため、ダブルクラッドファイバとの接続点でフレネル反射が発生せず、戻り光によってＬＤにダメージを受け難くなり、ＬＤの長寿命化が可能となる。
また、本発明の残留光除去用ファイバは、フォトニック結晶ファイバではないため、光増幅用のダブルクラッドファイバとの接続が容易である。
また、コアのモードフィールド径より大きい領域のクラッドにのみ吸収媒質を添加することで、コアを伝播してくる光は減衰せずに、クラッドを伝播してくる残留光のみ除去することができる。

本発明の残留光除去構造は、コアに増幅媒質が添加されたコアと、該コアを囲む第１クラッドと、該第１クラッドを囲む第２クラッドとを有し、前記第１クラッドに入射した励起光でコアの増幅媒質を励起して信号光の増幅を行うダブルクラッドファイバの出力端に、本発明に係る前記残留光除去用ファイバの一端を接続した構造なので、ダブルクラッドファイバのクラッドを伝播した残留光を確実に除去することができ、この残留光による出力側ファイバ被覆の破損・燃焼などの不具合を、低コストで確実に防止できる。
本発明の光増幅器及びファイバレーザは、前記残留光除去構造を有するものなので、残留光を確実に除去することができ、この残留光による出力側ファイバ被覆の破損・燃焼などの不具合を、低コストで確実に防止でき、安全性、耐久性に優れたものとなる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
まず、比較例において、光増幅用のダブルクラッドファイバ１の出力端に、通常のシングルモードファイバ２を融着接続した接続構造における残留光の挙動を説明する。図１は、比較例として、光増幅用のダブルクラッドファイバ１の出力端に、通常のシングルモードファイバ２を融着接続した接続構造を例示する概略縦断面図である。

ダブルクラッドファイバ１は、希土類元素、例えば、エルビウム、イッテルビウム、ツリウムなどの１種又は２種以上からなる増幅媒質が添加され、信号光が伝播するコア３と、該コア３を囲んで設けられ、励起光が伝播する第１クラッド４と、該第１クラッド４を囲んで設けられた第２クラッド５とを有している。各部の屈折率は、コア＞第１クラッド＞第２クラッドの関係になっている。このダブルクラッドファイバ１は、第１クラッド４に入射した励起光によりコア３を伝播する光が増幅され、増幅光はコア３を伝播して出力端から出射される。

このダブルクラッドファイバ１の出力端に接続されたシングルモードファイバ１は、コア６とそれを囲むクラッド７と該クラッド７を囲む被覆８とからなっている。ダブルクラッドファイバ１の出力端とシングルモードファイバ２の一端とは、接続点Ｃで融着接続されている。

前記の通り、ダブルクラッドファイバ１の図示していない入射端側から、第１クラッドにＬＤから励起光を入射すると、この励起光によってコア３の増幅媒質が励起され、このコア３に信号光を伝播させると、増幅媒質が信号光を増幅するが、一方、第１クラッド４に入射した励起光の一部は、励起されずに第１クラッド４内を伝播し、残留光９となり、出射端面に伝播される。接続されたシングルモードファイバ２との接続点Ｃにおいて、コア６に伝播されない残留光９は、接続点Ｃで放射されることになる。接続点Ｃで放射された光は、シングルモードファイバ２の合成樹脂製の被覆８で吸収され、その結果、被覆８は熱劣化、光劣化を起こす。さらに、熱が適切に放熱されない場合は、その被覆８が燃えてしまう可能性がある。本発明は、この残留光９による不具合の発生を防止するための残留光除去用ファイバと残留光除去構造を提供する。

図２は、本発明に係る残留光除去用ファイバと残留光除去構造の一実施形態を示す概略縦断面図であり、図３（ａ）は同じ残留光除去構造に用いたダブルクラッドファイバ１の横断面図、（ｂ）は残留光除去用ファイバ１０の横断面図である。
なお、本実施形態では、ダブルクラッド構造の残留光除去用ファイバ１０を例示しているが、残留光除去用ファイバ１０の構造は本例示に限定されず、シングルクラッド構造等としてもよい。

図２に示す残留光除去構造は、前述した光増幅用のダブルクラッドファイバ１の出力端に、本発明に係る残留光除去用ファイバ１０の一端を、接続点Ｃにおいて融着接続した構成になっている。

この残留光除去用ファイバ１０は、シングルモードのコア１１と、該コア１１を囲む第１クラッド１２と、該第１クラッド１２を囲む第２クラッド１３とからなるダブルクラッド構造を有し、第１クラッド１２に、残留光を吸収可能な吸収媒質が添加された構成になっている。この残留光除去用ファイバ１０の各部の屈折率は、コア＞第１クラッド＞第２クラッドの関係になっている。

本実施形態において、この残留光除去用ファイバ１０の第１クラッド１２は、コア１１に接して吸収媒質を添加していない非ドープ領域１４と、その外側の吸収媒質を添加したドープ領域１５とからなっている。また、ドープ領域１５は、コア１１のモードフィールド径よりも外側に設けられている。さらに、このドープ領域１５は、第１クラッド１２の外側の領域になるほど吸収媒質の添加量が多く、残留光の吸収量が大きくなっている。

第１クラッド１２のドープ領域１５に添加される吸収媒質としては、残留光を吸収可能な材料であれば良く、特に限定されないが、一般の光増幅器やファイバレーザで使用する励起光の波長（即ち、残留光の波長）が９００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲であり、この波長領域の残留光を効率よく吸収できるものが好ましく、例えば、コバルトなどが挙げられる。第１クラッド１２のドープ領域１５で吸収される光は、残留光のみで、信号光の波長の光は吸収しないことが望ましい。

このドープ領域１５に添加される吸収媒質による吸収量は、励起光の波長において１０〜３０ｄＢ／ｍの範囲であることが好ましい。本実施形態の残留光除去構造は、ダブルクラッドファイバ１からの残留光９を残留光除去用ファイバ１０の第１クラッド１２に吸収させて放熱することを目的とした構造なので、吸収量が前記範囲よりも大きいと、局所的に残留光除去用ファイバ１０の温度が上昇して放熱に問題が生じる。一方、吸収量が前記範囲未満であると、吸収して放熱するのに長いファイバが必要となり、大きな構造となってしまうため、好ましくない。

本実施形態において、ダブルクラッドファイバ１と残留光除去用ファイバ１０との接続点Ｃにおける接続損失を低減し、且つ戻り光の発生を抑制するために、残留光除去用ファイバ１０のコア径は、接続するダブルクラッドファイバ１のコア３のモードフィールド径と同じかそれ以上であることが好ましい。また、残留光除去用ファイバ１０は、接続するダブルクラッドファイバ１の第１クラッド径４よりも大きい第１クラッド径１２を有することが好ましい。

本実施形態の残留光除去構造は、光増幅用のダブルクラッドファイバ１の出力端に、本発明に係る残留光除去用ファイバ１０の一端を、接続点Ｃにおいて融着接続した構成としたので、ダブルクラッドファイバ１のクラッドを伝播した残留光を確実に除去することができ、この残留光によるファイバ被覆の破損・燃焼などの不具合を、低コストで確実に防止できる。

本実施形態の残留光除去構造において、残留光除去用ファイバ１０の少なくとも一部を放熱構造体と接続し、残留光除去時に発生する熱を該ファイバから放熱させることが好ましい。この放熱構造体としては、空冷式或いは液冷（水冷）式の従来周知の各種放熱機器、熱交換器の中から適宜選択して用いることができる。

本実施形態の残留光除去構造は、従来周知の各種光増幅器及びファイバレーザに適用することができる。本実施形態の残留光除去構造を適用した本発明に係る光増幅器及びファイバレーザは、残留光を確実に除去することができ、この残留光による出力側ファイバ被覆の破損・燃焼などの不具合を、低コストで確実に防止でき、安全性、耐久性に優れたものとなる。

［実施例］
ダブルクラッドファイバを２種類用意した。
ダブルクラッドファイバ（Ａ）は、コアにエルビルム、イッテルビウムを添加してあり、モードフィールド径（以下、ＭＦＤと記す）７μｍ、第１クラッド径１２５μｍ、第２クラッド径２５０μｍ（第２クラッドは低屈折率樹脂）のファイバである。
ダブルクラッドファイバ（Ｂ）は、ＭＦＤ７．５μｍ、第１クラッド径１３０μｍ、第２クラッド径２５０μｍであり、第１クラッドに吸収媒質としてコバルトを添加したファイバである。コバルトはコア中心から７．５μｍ以上の領域の第１クラッドに添加した。

８ｍのダブルクラッドファイバ（Ａ）の出力端に、２ｍのダブルクラッドファイバ（Ｂ）の一端を融着接続し、このダブルクラッドファイバ（Ｂ）の出力端にシングルモードファイバを融着接続した。使用したシングルモードファイバは、ＭＦＤ９．４μｍ、第１クラッド径１２５μｍ、ファイバ径２５０μｍである。融着部分はダブルクラッドファイバ（Ｂ）の第２クラッドと同じ低屈折率樹脂でリコートを行った。融着箇所とダブルクラッドファイバ（Ｂ）をヒートシンクに密着させた。

ダブルクラッドファイバ（Ａ）に波長９１５μｍの励起光１４Ｗを入射させたところ、出力側の光ファイバの焼損は起こらなかった。ダブルクラッドファイバ（Ａ）からの残留光はダブルクラッドファイバ（Ｂ）の第１クラッドに添加された吸収媒質で吸収され、熱に変わり、第１クラッドから第２クラッド、第２クラッドからヒートシンクと放熱され、除去される。ダブルクラッドファイバ（Ｂ）の出力端の第１クラッドには残留光が伝播しないため、シングルモードファイバと接続しても、そのファイバ被覆が焼損を起こすことはなかった。

［比較例］
ダブルクラッドファイバ（Ａ）は、コアにエルビルム、イッテルビウムを添加してあり、ＭＦＤ７μｍ、第１クラッド径１２５μｍ、第２クラッド径２５０μｍのファイバである。
シングルモードファイバは、ＭＦＤ９．４μｍ、第１クラッド径１３０μｍ、ファイバ径２５０μｍである。

ダブルクラッドファイバ（Ａ）の出力端にシングルモードファイバの一端を融着接続し、融着部分は第２クラッドと同じ低屈折率樹脂でリコートを行った。融着点からシングルモードファイバをヒートシンクに密着させた。

ダブルクラッドファイバ（Ａ）に波長９１５μｍの励起光１４Ｗを入射させたところ、接続点付近のシングルモードファイバの被覆が燃え、被覆が燃損してしまった。

比較例のダブルクラッドファイバ−シングルモードファイバ間の接続部を示す概略縦断面図である。 本発明の留光除去用ファイバと残留光除去構造の一実施形態を示す概略縦断面図である。 図２の残留光除去構造における各ファイバを示し、（ａ）はダブルクラッドファイバの概略横断面図、（ｂ）は残留光除去用ファイバの概略横断面図である。

符号の説明

１…ダブルクラッドファイバ、３…コア、４…第１クラッド、５…第２クラッド、９…残留光、１０…残留光除去用ファイバ、１１…コア、１２…第１クラッド、１３…第２クラッド、１４…非ドープ領域、１５…ドープ領域、Ｃ…接続点。

Claims (13)

1. 増幅媒質が添加されたコアと、該コアを囲む第１クラッドと、該第１クラッドを囲む第２クラッドとを有し、前記第１クラッドに入射した励起光でコアの増幅媒質を励起して信号光の増幅を行うダブルクラッドファイバの出力端に一端を接続し、増幅媒質の励起に使用されずにダブルクラッドを伝播してきた励起光の一部の残留光を除去する残留光除去用ファイバであって、
   コアがシングルモードであり、該コアを囲むクラッドに、前記ダブルクラッドファイバのクラッドを伝播してきた残留光を吸収可能な吸収媒質が添加されていることを特徴とする残留光除去用ファイバ。
2. 残留光の波長が９００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の残留光除去用ファイバ。
3. この残留光除去用ファイバがダブルクラッド構造を有し、前記吸収媒質が、ダブルクラッドファイバのクラッドを伝播してきた残留光を吸収可能なクラッド領域に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の残留光除去用ファイバ。
4. クラッドに添加されている吸収媒質による吸収量は、励起光の波長において１０〜３０ｄＢ／ｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の残留光除去用ファイバ。
5. コアのモードフィールド径の外側のクラッド領域にのみ吸収媒質が添加されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の残留光除去用ファイバ。
6. クラッドに添加された吸収媒質は、クラッドの外側の領域になるほど添加量が多く、吸収量が大きくなっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の残留光除去用ファイバ。
7. シングルモードコア径は、接続するダブルクラッドファイバのコアのモードフィールド径と同じかそれ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の残留光除去用ファイバ。
8. 接続するダブルクラッドファイバの第１クラッド径よりも大きい第１クラッド径を有することを特徴とする請求項３に記載の残留光除去用ファイバ。
9. クラッドに添加されている吸収媒質がコバルトであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の残留光除去用ファイバ。
10. コアに増幅媒質が添加されたコアと、該コアを囲む第１クラッドと、該第１クラッドを囲む第２クラッドとを有し、前記第１クラッドに入射した励起光でコアの増幅媒質を励起して信号光の増幅を行うダブルクラッドファイバの出力端に、請求項１〜９のいずれかに記載の残留光除去用ファイバの一端を接続したことを特徴とする残留光除去構造。
11. 残留光除去用ファイバを放熱構造体と接続して残留光除去時に発生する熱を該ファイバから放熱させることを特徴とする請求項１０に記載の残留光除去構造。
12. 請求項１０又は１１に記載の残留光除去構造を有する光増幅器。
13. 請求項１０又は１１に記載の残留光除去構造を有するファイバレーザ。

Images