JP2010272636A - 光ファイバ増幅モジュールおよび光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力変動を抑制することができる光ファイバ増幅モジュールおよび光源装置を提供する。
【解決手段】光源装置１は、種光源１０、プリアンプ２０、プリアンプ３０およびブースタアンプ４０を備える。ブースタアンプ４０は、光アイソレータ４１、光コンバイナ４２、増幅用光ファイバ４３、光ファイバ４４、励起光源４５_１〜４５_３および冷却部４６を備える。増幅用光ファイバ４３は、偏波保持機能を有し、二重クラッド構造のものである。冷却部４６は、増幅用光ファイバ４３と光ファイバ４４との融着接続部を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ増幅モジュールおよび光源装置に関するものである。

レーザ加工、医療および計測など多くの分野において、可視光や紫外光を発生することは重要である。ところが、これらの短い波長域で直接発光することができる光源は少ない。可視光や紫外光を発生する方法として、ＮｄやＹｂなどの希土類元素から近赤外（１.０６μｍ帯など）で発光させ、この近赤外光をＬＢＯ、ＰＰＬＮ、ＰＰＬＴなどの非線形光学結晶で１／２または１／３に波長変換する方法が一般的である。非線形光学結晶は最適な結晶方位を持つので、波長変換のためには非線形光学結晶に入射する近赤外光の偏波を一定偏波とする必要がある。また、同時に非線形光学結晶内部の位相整合条件を満たす為に、入射光のスペクトル幅を狭くする必要もある。

光学結晶にＮｄやＹｂの希土類元素を添加した光増幅媒体（ＹＡＧやＹＶＯなど）を用いる固体レーザ光源では、元々出力される近赤外の光は、狭スペクトルで且つ一定偏波である。しかし、希土類元素を添加したガラス（特に光ファイバ）を光増幅媒体とした光ファイバ増幅器またはファイバレーザでは、通常では出力光の偏波はランダムとなる。また、光ファイバ増幅器またはファイバレーザでは、光増幅媒体がガラスであるので、利得スペクトルは連続で且つ広帯域となり、出力される光のスペクトルも広くなる傾向がある。

光ファイバ増幅器またはファイバレーザの出力光を一定偏波とするために、コアの両脇に応力付与部が設けられた増幅用光ファイバを用いることが一般的である。このような増幅用光ファイバは、応力付与部によりコアに応力が付与されて、偏波状態を保持して光を導波させることができる。

特開２００５-１８１５０９号公報

発明者らは、被増幅光を単一偏波シングルモードとして光増幅する光ファイバとして、大きなコアのＬＭＡ（Large Mode Area）ファイバであり、励起光をマルチモード伝搬する２重クラッド構造であり、内クラッドに応力付与部材を配置し単一偏波とする増幅用光ファイバを使用することを考えた。この増幅用光ファイバと増幅された被増幅光を入力し移送するデリバリー用光ファイバを接続し、高パワーの励起光を増幅用光ファイバに注入すると、接続部が異常に高温となった。接続部の温度の上昇とともに接続損失が増加し、被増幅光が少数のモードで伝搬し得る状態となり被増幅光のシングルモードとしての回折限界が損なわれた。温度上昇により、増幅用光ファイバとデリバリー用光ファイバの屈折率分布（コア径、ＮＡ）のマッチング状態の変動し、接続損失への影響としていると考えられる。また、もともとコアが大きいＬＭＡファイバということで、コアに応力を一様にかける応力付与が難しい状況下の上に、温度上昇で応力付与状態がさらに変化し、単一偏波の状態保持が難しくなっているという問題もある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、出力変動を抑制することができる光ファイバ増幅モジュールおよび光源装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光ファイバ増幅モジュールは、偏波保持機能を有する二重クラッド構造の増幅用光ファイバと、増幅用光ファイバの一端に融着接続された単一クラッド構造の光ファイバと、二重クラッド構造の増幅用光ファイバと単一クラッド構造の光ファイバとの融着接続部を冷却する冷却部とを備えることを特徴とする。また、冷却部が融着接続部に対して送風するファンを含むのが好適である。

本発明に係る光源装置は、励起光が供給されることにより光増幅を行う偏波保持機能を有する二重クラッド構造の増幅用光ファイバと、増幅用光ファイバの一端に融着接続された単一クラッド構造の光ファイバと、二重クラッド構造の増幅用光ファイバと単一クラッド構造の光ファイバとの融着接続部を冷却する冷却部と、二重クラッド構造の増幅用光ファイバに対して励起光を供給する励起光供給手段と、を備え、二重クラッド構造の増幅用光ファイバで増幅した光を、単一クラッド構造の光ファイバを経て出力し、非線形光学効果を有する媒質に増幅した光を通過させることで可視光または紫外光の光を発生することを特徴とする。

本発明によれば、出力変動を抑制することができる光ファイバ増幅モジュールおよび光源装置を提供することができる。

本実施形態に係る光源装置１の構成を示す図である。 本実施形態に係る光源装置１に含まれるプリアンプ２０の構成を示す図である。 光源装置から出力される光のビームプロファイルを示す図である。 本実施形態に係る光源装置１から出力される光のビームプロファイルを示す図である。 増幅用光ファイバ４３と光ファイバ４４との融着接続部との構造を示す図である。 光源装置から出力される光のパワーの時間的変化の様子を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る光源装置１の構成を示す図である。この図に示される光源装置１は、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）式のファイバレーザであって、種光源１０、プリアンプ２０、プリアンプ３０およびブースタアンプ４０を備える。種光源１０は、定偏波の光を出力するものであって、好適にはレーザダイオードを含む。プリアンプ２０およびプリアンプ３０は、共通の構成を有し、種光源１０から出力された光を増幅して出力する。ブースタアンプ４０は、プリアンプ２０およびプリアンプ３０により増幅された光を更に増幅して出力する。この光源装置１では、種光源１０から出力された光は、プリアンプ２０、プリアンプ３０およびブースタアンプ４０により順次に光増幅されて出力される。エンドキャップ４４ａより出力された光は、非球面レンズ６１などで径１.０ｍｍΦ程度のコリメートビームとなり、反射を防止する為の自由空間型アイソレータ６２を通過する。その後、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＰＰＬＮ、ＰＰＬＴなどの非線形光学結晶６４に最適なスポット径となる様に集光レンズ６３を介して注入され、１／２波長成分の光（高調波）を出力する。非線形光学結晶６４から出力された基本波および高調波は、レンズ６５によりコリメートされ、ダイクロイックミラー６６により分波される。

ブースタアンプ４０は、光アイソレータ４１、光コンバイナ４２、増幅用光ファイバ４３、光ファイバ４４、励起光源４５_１〜４５_３および冷却部４６を備える。増幅用光ファイバ４３、光ファイバ４４および冷却部４６は、本実施形態に係る光ファイバ増幅モジュールを構成する。

光アイソレータ４１は、プリアンプ３０から出力された光を光コンバイナ４２へ通過させるが、逆方向には光を通過させない。光コンバイナ４２は、偏波保持機能を有し、光アイソレータ４１から到達した被増幅光を入力するとともに、励起光源４５_１〜４５_３それぞれから到達した励起光をも入力して、これら被増幅光および励起光を合波して増幅用光ファイバ４３へ出力する。

増幅用光ファイバ４３は、光コンバイナ４２から到達した被増幅光および励起光を入力して導波させ、被増幅光を光増幅して、その増幅した光を光ファイバ４４へ出力する。光ファイバ４４の一端は、融着接続部５０で、増幅用光ファイバ４３と融着接続され、光ファイバ４４の他端はエンドキャップ４４ａとなっている。光ファイバ４４は、増幅用光ファイバ４３から到達した光を一端に入力して導波させて、他端のエンドキャップ４４ａから外部へ出力する。冷却部４６は、増幅用光ファイバ４３と光ファイバ４４との融着接続部５０を冷却するものであり、好適には、融着接続部に対して送風するファン４６を含む。

増幅用光ファイバ４３は、偏波保持機能を有し、二重クラッド構造のものである。すなわち、増幅用光ファイバ４３は、希土類元素が添加され被増幅光を導波させるコア領域と、このコア領域を取り囲み励起光を導波させる内側クラッド領域と、この内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域を含む。また、増幅用光ファイバ４３は、コア領域を挟んで内側クラッド領域内に１対の応力付与部を有し、この応力付与部によりコア領域に応力が付与されて、偏波状態を保持して光を導波させることができる。一方、光ファイバ４４は、光ファイバ４３と同等のコア径およびＮＡを有する単一クラッド構造ファイバである。

図２は、本実施形態に係る光源装置１に含まれるプリアンプ２０の構成を示す図である。この図に示されるプリアンプ２０は、光アイソレータ２１、光カプラ３３、増幅用光ファイバ２３、バンドパスフィルタ２４および励起光源２５を備える。光アイソレータ２１は、種光源１０から出力された光を光カプラ２２へ通過させるが、逆方向には光を通過させない。光カプラ２２は、光アイソレータ２１から到達した被増幅光を入力するとともに、励起光源２５から到達した励起光をも入力して、これら被増幅光および励起光を合波して増幅用光ファイバ２３へ出力する。増幅用光ファイバ２３は、希土類元素が添加され被増幅光を導波させるコア領域を有し、光カプラ２２から到達した被増幅光および励起光を入力して導波させ、被増幅光を光増幅して、その増幅した光をバンドパスフィルタ２４へ出力する。バンドパスフィルタ２４は、増幅用光ファイバ２３において光増幅されて出力された光を選択的に透過させ、励起光を遮断する。なお、プリアンプ３０の構成も、図２のプリアンプ２０と同様の構成である。

プリアンプ２０，３０に含まれる増幅用光ファイバ２３の具体例は以下のとおりである。増幅用光ファイバ２３は、単一クラッド構造を有し、コア領域にＹｂおよびＡｌが共添加された石英系のＹｂＤＦ（Yb-Doped Fiber）である。Ａｌ濃度は１wt％であり、コア径は６μｍであり、クラッド径は１２５μｍである。９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収は８５ｄＢ／ｍであり、９７５ｎｍ帯励起光非飽和吸収ピークは２５０ｄＢ／ｍである、長さは７ｍである。

ブースタアンプ４０に含まれる増幅用光ファイバ４３の具体例は以下のとおりである。増幅用光ファイバ４３は、二重クラッド構造を有し、コア領域にＹｂおよびＡｌが共添加された石英系ＹｂＤＦである。Ａｌ濃度は１.５wt％であり、コア径は１５μｍであり、内側クラッド平均径は１２５μｍ程度であり、内側クラッドの断面は８角形である。９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収は１.９ｄＢ／ｍであり、長さは４ｍである。

これら増幅用光ファイバ２３，４４は、波長９８０ｎｍ帯の励起光が供給されて、波長１０６４ｎｍ帯の光を増幅することができる。したがって、励起光源２５，４５_１〜４５_３は波長９８０ｎｍ帯の励起光を出力する。また、種光源１０は波長１０６４ｎｍ帯の光を出力する。

種光源１０、バンドパスフィルタ２４および励起光源２５，４５_１〜４５_３の具体例は以下のとおりである。種光源１０は、中心波長１０６０ｎｍの種光源を出力する。プリアンプ２０，３０に含まれるバンドパスフィルタ２４は、半値全幅が３ｎｍであり、その中心波長が１０６０ｎｍに一致して設定される。プリアンプ２０，３０に含まれる励起光源２５は、単一横モードで出力５００ｍＷ級の０.９８μｍ帯励起ＬＤであり、出力が４００ｍＷに設定される。また、ブースタアンプ４０に含まれる励起光源４５_１〜４５_３それぞれは、マルチ横モードで出力５Ｗ級の９７５ｎｍ励起ＬＤモジュールであり、出力が４.５Ｗに設定される。

ブースタアンプ４０に含まれる増幅用光ファイバ４３は、二重クラッド構造のものであり、内側クラッド領域内部を励起光が伝搬する。そして、増幅用光ファイバ４３の出力端に、コア領域に添加されたＹｂに吸収されなかった残留励起光が到達する。ここで、増幅用光ファイバ４３の下流に接続された光ファイバとして仮に二重クラッド構造の光ファイバを用いると、その光ファイバの先端のエンドキャップまで残留励起光が到達し発熱原因となる。また、エンドキャップからのビームプロファイルは図に示されるとおり顕著に劣化する。

このような問題を回避するため、本実施形態では、増幅用光ファイバ４３の下流に接続される光ファイバ４４として単一クラッド構造のものが用いられる。このようにすることにより、エンドキャップ４４ａから出射される光のビームプロファイルは、回折限界ではないにせよ、図４に示されるとおり、図３と比べて改善される。

しかし、残留励起光は、増幅用光ファイバ４３と光ファイバ４４との融着接続部で光ファイバ４４には伝播できないので、熱エネルギに変換されてしまう。その結果、融着接続部の温度が運転開始後１０分間で６０℃まで上昇する。

なお、図５に示されるように、増幅用光ファイバ４３と光ファイバ４４との融着接続部は、融着点Ａを含む一定の長手方向範囲において熱融解チューブ５１および熱収縮チューブ５２で覆われ、熱収縮チューブ５２内に銅線５３が通っていて、これらが銅テープ５４によりアルミニウムのヒートシンクに固定されているのが好適である。このように放熱機構が設けられていても、融着接続部の温度は運転開始後１０分間で６０℃まで上昇する。

図６は、光源装置から出力される光のパワーの時間的変化の様子を示すグラフである。この図中の比較例のグラフは、上記のような放熱機構を有する比較例の場合の出力光パワーの時間的変化を示す。

この比較例では、出力光パワーは、当初３.２Ｗから１.８Ｗまで２／３以下にまで１時間かけて経時的に劣化する。増幅用光ファイバ４３は、コア径１５μｍのＬＭＡファイバであり、伝搬可能なモード数が複数となる。その結果、たとえ光ファイバ４３がコア径とＮＡとが増幅用光ファイバ４３と整合していても、増幅用光ファイバ４３において温度上昇（例えば、表面温度が４０℃を超える）による応力付与部からコア領域に付与される応力が変化する結果、増幅用光ファイバ４３から光ファイバ４４に伝搬する過程で、実際の伝搬モードの数および各伝搬モードへのパワー配分が変動する。その結果、図６中の比較例のようにエンドキャップ４４ａから出射される光のパワーが低下すると考えられる。

このとき、たとえ応力付与部のサイズ、位置および組成が増幅用光ファイバ４３と光ファイバ４４とで整合していたとしても、両光ファイバの間の融着条件を各コアの接続ロス低減を優先して決定している以上、応力付与部同士の融着を何らかの不連続部分無しにできる可能性は低い。また、内側クラッドの断面形状は前者が多角形で後者が円であるので、このような問題の発生は不可避であると考えられる。

そこで、本実施形態では、出射光パワーの低下を抑制するために、増幅用光ファイバ４３と光ファイバ４４との融着接続部を冷却する冷却部４６が設けられる。例えばＤＣ１２Ｖで駆動されるファンが冷却部４６として用いられて、融着接続部が強制空冷される。その結果、図６中の実施例のグラフのように、エンドキャップ４４ａから出射される光のパワーは３.１５±０.１Ｗの範囲に安定化する。

なお、特許文献１に記載された発明は、波長変換後の出力の安定化を意図して偏光比の変動を防ぐ為に、偏波保持光ファイバの温度一定制御を行うもので、図６に示した波長変換前の出射光パワーの安定化を図る本実施形態とは全くの別物である。また、本実施形態では、増幅用光ファイバ４３の出射端の融着部の温度上昇を防ぐことができればよく、必ずしも温度一定制御までは必要ない。

但し、増幅用光ファイバ４３と光ファイバ４４との融着接続部における温度を安定化しても良く、ファンによる強制空冷だけでなく、水冷を行っても良いし、ペルチエ素子による自動温度制御を行っても良い。ただし、配管が不要で消費電力が低くて済む点では、ファンによる強制空冷が実用的である。

尚、偏波保持機構を有しない通常の光増幅用ファイバであって上記と同じコア径のＹｂＤＦを用いても、図６中の比較例のグラフのようなエンドキャップからの出力光のパワーの経時的な劣化は観測されず、これは偏波保持機構を有する増幅用光ファイバを含む光ファイバ増幅モジュール独特の症状である。

また、上記実施形態では、増幅用光ファイバ２３，４３に添加される希土類元素がＹｂである場合を示したが、用途に応じて添加される希土類元素はＮｄやＥｒであっても良い。

１…光源装置、１０…種光源、２０…プリアンプ、２１…光アイソレータ、２２…光カプラ、２３…増幅用光ファイバ、２４…バンドパスフィルタ、２５…励起光源、３０…プリアンプ、４０…ブースタアンプ、４１…光アイソレータ、４２…光コンバイナ、４３…増幅用光ファイバ、４４…光ファイバ、４４ａ…エンドキャップ、４５_１〜４５_３…励起光源、４６…冷却部、５０…融着接続部。

Claims (3)

1. 偏波保持機能を有する二重クラッド構造の増幅用光ファイバと、
   前記増幅用光ファイバの一端に融着接続された単一クラッド構造の光ファイバと、
   前記二重クラッド構造の増幅用光ファイバと前記単一クラッド構造の光ファイバとの融着接続部を冷却する冷却部と
   を備えることを特徴とする光ファイバ増幅モジュール。
2. 前記冷却部が前記融着接続部に対して送風するファンを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅モジュール。
3. 励起光が供給されることにより光増幅を行う偏波保持機能を有する二重クラッド構造の増幅用光ファイバと、
   前記増幅用光ファイバの一端に融着接続された単一クラッド構造の光ファイバと、
   前記二重クラッド構造の増幅用光ファイバと前記単一クラッド構造の光ファイバとの融着接続部を冷却する冷却部と、
   前記二重クラッド構造の増幅用光ファイバに対して前記励起光を供給する励起光供給手段と
   を備え、
   前記二重クラッド構造の増幅用光ファイバで増幅した光を、前記単一クラッド構造の光ファイバを経て出力し、
   非線形光学効果を有する媒質に前記増幅した光を通過させることで可視光または紫外光の光を発生する
   ことを特徴とする光源装置。