JP5202820B2 - 光結合器、ファイバレーザ及び光ファイバ増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、希土類添加光ファイバを発振媒質とするファイバレーザ及び光ファイバ増幅器において、多数の励起光源からの励起光を効率よく希土類添加光ファイバに入射することが可能な光結合器と、該光結合器を備えたファイバレーザ及び光ファイバ増幅器に関する。

レーザ光は、加工機や医療機関、測定器など様々な分野で利用されている。加工機の分野においては、レーザが集光性に優れ、パワー密度の高い小さなビームスポットが得られるため精密加工が可能なこと、また、非接触加工であり、かつレーザ光の吸収可能な硬い物質への加工も可能であること、などの利点から、急速にその用途が拡大している。特に、ファイバレーザは、希土類添加光ファイバをレーザ発振媒質と伝播媒質とに兼用できるといった特徴を有していることで利用が拡大している。最近では、非常に高出力なｋＷ級のファイバレーザも開発されている。

ファイバレーザにおいて、このような非常に高い出力を実現するためには、希土類添加光ファイバに如何にして多くの励起光を投入できるかが重要となる。通常の希土類添加光ファイバの場合は、コアに励起光を投入するコア励起を行うことになるが、コア直径は数μｍ〜１０μｍと極小であるため、多くの励起光をコアに投入するのは技術的に難しい。そこで、ファイバレーザを構成する際には、ダブルクラッド構造の光ファイバを用いたクラッド励起がよく用いられる。ダブルクラッド構造の光ファイバは、クラッドが第１クラッドと第２クラッドの二層構造になっており、第１クラッドはコアに対するクラッドとして働くだけでなく、第１クラッド自身も第２クラッドをクラッドとしてコアの働きもする。また、第１クラッドは通常１００μｍ以上の直径を有するので、比較的容易に多くの励起光を投入することが可能となる。

第１クラッドに励起光を投入する手段としては、主に希土類添加ダブルクラッドファイバの端面から励起光を入射する方法と、希土類添加ダブルクラッドファイバの側面から励起光を入射する方法に大別される。希土類添加ダブルクラッドファイバの端面から励起光を入射する方法としては、例えば特許文献１に開示されているような光結合器を用いる方法がある。

特許文献１に開示されている光結合器を使用したファイバレーザの構造例を図１に示す。光結合器１０３は、マルチモード光ファイバからなる７つの励起ポート１０２とこれらを溶融延伸して一体化することにより形成された１つの出射ポート１０４とを有している。各励起ポート１０２には励起光源１０１が接続されており、励起光源１０１から出射された励起光は、出射ポート１０４から出射される。
この光結合体１０３の出射ポート１０４の直径が、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の第１クラッドの直径と同じか又はそれ以下であり、かつ出射ポートの開口数（以下、ＮＡと記す）が希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５のＮＡより小さければ、出射ポート１０４から出射される励起光を低損失で希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の第１クラッドへと入射することが可能となる。

このようにして希土類添加ダブルクラッドファイバの第１クラッドに投入された励起光は、第１クラッド内を伝播しながらコアを横切ることになるが、その際にコアに添加された希土類イオンに吸収される。励起光を吸収した希土類イオンは、励起光とは異なる波長の自然放出光を放出し、この自然法放出光のうちコアを伝播する光は伝播しながら増幅されてＡＳＥ（増幅された自然放出光）として出射されることになる。
一方、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５の両端には、ファイバグレーティングが設けられている。レーザ出射側に設けられているファイバグレーティングは、出力カプラ１０７であり、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５から放出される自然放出光のうちの一部の波長の光を反射する特性を有するが、その反射率は１００％ではなく、所望の出力が得られるように適当な反射率を有している。その他端に設けられているファイバグレーティングは高反射ミラー１０６であり、出力カプラ１０７と同じ反射波長を有するがその反射率はほぼ１００％であり、かつ励起光波長に対しては何の作用も及ぼさずに透過させる。
これら高反射ミラー１０６と出力カプラ１０７とで共振器が構成されており、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５から出射されたＡＳＥは、このミラーで反射されて共振器内を往復し、希土類添加ダブルクラッドファイバ１０５を通過するたびに増加され、やがてはレーザ発振し、レーザ光の一部は出力カプラ１０７を通過し、アイソレータを介してレーザ光として出力される。
米国特許第５８６４６４４号明細書

図１のように構成されたファイバレーザにおいて、ファイバレーザの出力を高くするためには、希土類添加ダブルクラッドファイバの第１クラッドに、より多くの励起光を投入することが重要である。上述の光結合器を使用する場合、光結合器の各入射ポートにシングルエミッタの励起用半導体レーザ（励起ＬＤ）を接続して励起光を希土類添加ダブルクラッドファイバに入射する。各ポートに入射できる励起光パワーは、使用する励起ＬＤにより決定されるが、一般的には励起ＬＤ１個あたり５Ｗ程度である。一方、マルチポートカプラの入射ポート数は、数ポートから２０ポート程度であり、投入できる励起光パワーは最大でも１００Ｗ程度に制限されてしまう問題があった。投入できる励起光パワーを高くするためには、入射ポート数の多い光結合器を作製することが必要である。また、非常に高い励起光パワーが投入されるために、わずかな損失であってもその損失による発熱が原因で光結合器が焼損する可能性もある。
したがって、すべてのポートが極めて低損失な光結合器でなければ使用することができず、製造の歩留まりが非常に悪くなるという問題点があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、希土類添加光ファイバを発振媒質とするファイバレーザ及び光ファイバ増幅器において、多数の励起光源からの励起光を効率よく希土類添加光ファイバに入射することが可能な光結合器の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、少なくとも２つ以上の励起光入射ポートと、該入射ポートの光ファイバを溶融一体化して、延伸せずに形成された１つの出射ポートとを有し、励起光入射ポートに入射された励起光が出射ポートのコアから出射される第１の光結合器と、少なくとも２つ以上の励起光入射ポートと、該入射ポートの光ファイバを溶融一体化してさらに延伸して形成された１つの出射ポートとからなり、該出射ポートのコア直径及び開口数が第１の光結合器の入射ポートのコア直径及び開口数よりも小さい第２の光結合器とを有し、第１の光結合器の励起光入射ポートに複数の第２の光結合器の各出射ポートが接続されてなることを特徴とする光結合器を提供する。

また本発明は、光ファイバ増幅器に用いる光結合器であって、励起光源から出射された、光ファイバ増幅器の増幅媒体である光ファイバのコアに添加された希土類イオンのエネルギー準位を励起する励起光が入射する、少なくとも２つ以上の励起光入射ポートと、信号光源から出射され、光ファイバ増幅器によって増幅される信号光が入射する１つの信号光入射ポートと、これらの各ポートの光ファイバを溶融一体化して、延伸せずに形成された出射ポートとを有し、各励起光入射ポートに入射された励起光が出射ポートの第１クラッドから出射され、前記信号光入射ポートから入射された信号光が出射ポートのコアから出射される第１の光結合器と、少なくとも２つ以上の、前記励起光入射ポートと、該入射ポートの光ファイバを溶融一体化してさらに延伸して形成された１つの出射ポートとからなり、該出射ポートのコア直径及び開口数が第１の光結合器の入射ポートのコア直径及び開口数よりも小さい第２の光結合器とを有し、第１の光結合器の前記励起光入射ポートに複数の第２の光結合器の各出射ポートが接続されてなることを特徴とする光結合器を提供する。

本発明の光結合器において、第１の光結合器の出射ポートの開口数が０．４５以下であり、コア直径が４００μｍ以下であることが好ましい。

また本発明は、前記本発明に係る光結合器と、その第２の光結合器の励起光入射ポートに励起光を入射可能に接続された励起光源と、第２の光結合器の出射ポートに接続された希土類添加光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。

また本発明は、前記本発明に係る光結合器と、その第２の光結合器の励起光入射ポートに励起光を入射可能に接続された励起光源と、第２の光結合器の出射ポートに接続された希土類添加光ファイバとを有することを特徴とする光ファイバ増幅器を提供する。

本発明の光結合器は、第１の光結合器の入射ポートにさらに別の第２の光結合器の出射ポートがタンデムに接続され、且つ第２の光結合器の出射ポートのコア径、ＮＡのそれぞれが第１の光結合器の入射ポートファイバ径、ＮＡよりも小さい構成としたので、第２の光結合器の出射ポートから出射された光を損失なく第１の光結合器に入射することができ、希土類添加光ファイバに多数の励起光源からの励起光を効率よく入射でき、第１の光結合器の出射ポートから高パワーの励起光を出射することができる。
本発明のファイバレーザ及び光ファイバ増幅器は、本発明に係る光結合器と、その第２の光結合器の励起光入射ポートに励起光を入射可能に接続された励起光源と、第２の光結合器の出射ポートに接続された希土類添加光ファイバとを有するものなので、多数の励起光源からの励起光を効率よく希土類添加光ファイバに入射することが可能となり、低損失で高パワーの増幅光を出射することができる。

本発明の光結合器は、第１の光結合器の入射ポートにさらに別の第２の光結合器の出射ポートがタンデムに接続され、且つ第２の光結合器の出射ポートのコア径、ＮＡのそれぞれが第１の光結合器の入射ポートファイバ径、ＮＡよりも小さい構成としたことを特徴としている。これによって、第２の光結合器の出射ポートから出射された光を損失なく第１の光結合器に入射することができ、希土類添加光ファイバに多数の励起光源からの励起光を効率よく入射することができ、第１の光結合器の出射ポートから高パワーの励起光を出射することができる。

入射ポートの光ファイバのコア径（ｒ_ｉｎ）、ＮＡ（ＮＡ_ｉｎ）と、出射ポートの光ファイバのコア径（ｒ_ｏｕｔ）、ＮＡ（ＮＡ_ｏｕｔ）との関係は、
ＮＡ_ｉｎ×ｒ_ｉｎ＝ＮＡ_ｏｕｔ×ｒ_ｏｕｔ
で表されるので、この関係に従って第１および第２の光結合器の入射ポートおよび出射ポートの光ファイバを選択する。これにより、製造の容易な入射ポート数の少ない光結合器を使用し、容易に入射ポート数を多くすることができ、多くの励起光を投入できるようになる。
また、入射ポート数の少ない光結合器だけを使用するので、全てのポートが低損失光結合器でも歩留まりよく作製することができる。

図２は、本発明に係る光結合器の実施例１を示す構成図である。図２中、符号２００は第２の光結合器、２０１は励起光源、２０２は第２の光結合器の入射ポート、２０３は第２の光結合器の出射ポート、２１０は第１の光結合器、２１２は第１の光結合器の入射ポート、２１３は第１の光結合器の出射ポートである。

第１の光結合器２１０は、７つの入射ポート２１２と１つの出射ポート２１３を有する。第１の光結合器２１０の出射ポート２１３は、希土類添加ダブルクラッドファイバに接続して使用される。一般に、希土類添加ダブルクラッドファイバは、第１クラッドが石英ガラス、第２クラッドが低屈折率ポリマーから構成され、その場合の第１クラッドはＮＡが０．４５程度、直径が４００μｍ程度である。したがって、出射ポート２１３から出射される励起光を低損失で第１クラッドに入射するためには、出射ポート２１３のＮＡを０．４５以下、コア直径を４００μｍ以下とするのが好ましい。

また、希土類添加ダブルクラッドファイバの代わりに、ホーリーファイバが使用される場合もある。この場合には第１クラッドのＮＡは０．７程度となるので、出射ポート２１３のＮＡは０．７以下であればよい。

上式から、出射ポート２１３のＮＡが０．４５，コア直径４００μｍを満たすための入射ポート２１２のコア径とＮＡとの関係は、図３に示す通りである。

本実施例では、入射ポート２１２にコア直径３００μｍ、ＮＡ０．２２のマルチモードファイバを使用して第１の光結合器２１０を作製したところ、出射ポート２１３のコア直径が４００μｍ、ＮＡ０．４３の光結合器を得ることができた。

同様に、第２の光結合器２００は、第１の光結合器に損失なく光を入射できるように、出射ポート２０３のＮＡが０．２２以下、コア直径が３００μｍ以下となるようにしなければならない。本実施例では、ファイバコア径１００μｍ、ＮＡ０．２２のマルチモードファイバを入射ポート２０２に使用して第２の光結合器２００を作製したところ、７本のマルチモードファイバを溶融一体化しただけで延伸せずに、出射ポート２０３のコア径２７５μｍ、ＮＡ０．２２の第２の光結合器２００を得ることができた。

図２に示すように、上述した第１の光結合器２１０の７つの入射ポート２１２にそれぞれ第２の光結合器２００の出射ポート２０３を接続することで、４９本の入射ポート２０２を持った光結合器となり、第１の光結合器２１０の入射ポート２１３からは非常に高い励起光パワーを得ることができる。しかも、第２の光結合器２００は延伸することなく溶融一体化するだけでよいので、製造も非常に容易となり、複数個使用する第２の光結合器２００を歩留まりよく製造できる利点がある。逆に、第１の光結合器２１０は溶融一体化のみとし、第２の光結合器２００で延伸を行ってもよい。この場合は、延伸を行わないので第１の光結合器２１０を低損失化することが可能である。このように、非常に高強度な光が入射される第１の光結合器２１０で損失を低減できることは、焼損の危険を回避する上で非常に有効である。

例えば、この入射ポート全てに、１台当たり５Ｗの励起光を出力できる励起光源２０１を接続すると、第２の光結合器２００には３５Ｗ，第１の光結合器２１０には２４５Ｗ程度の励起光が入射される。光結合器に損失があると、損失を受けた光は熱に変わるので、仮に第１の光結合器２１０が０．５ｄＢ程度の損失しかなくても約２５Ｗもの熱が発生することになる。したがって光結合器は損失が非常に小さくなければならない。本実施例で使用した第１の光結合器２１０および第２の光結合器２００の損失は、いずれも０．２ｄＢ（７つの入射ポートの平均）であり、非常に小さな損失であった。また、第１の光結合器２１０の各入射ポート２１２に、第２の光結合器２００の出射ポート２０３を接続し、さらに第２の光結合器２００の各入射ポート２０２に、１台当たり５Ｗの励起光を出力できる励起光源２０１を実際に接続したところ、第１の光結合器２１０の出射ポート２１３で２２４Ｗの励起光パワーを得ることができた。

この出射ポート２１３を、例えば図１の光結合器１０３の代わりに用いれば、ファイバレーザを構成することができる。

図４は、本発明に係る光結合器の実施例２及びそれを用いた光ファイバ増幅器（又はファイバレーザ）を示す構成図である。図４中、上述した実施例１と同一の構成要素には同一符号を付してある。図４中、符号２１４は信号光入射ポート、２１５は信号光源、２１６は希土類添加ファイバの一例としてＹｂ添加ダブルクラッドファイバである。

第１の光結合器２１０は、図２に示した７つの励起光入射ポートのうち、１つをシングルモードファイバからなる信号光入射ポート２１４とした構造になっている。第１の光結合器２１０の出射ポート２１３は、モードフィールド径２０μｍ、第１クラッド直径４００μｍ、第１クラッドＮＡ０．４３のダブルクラッド構造となっている。

励起光入射ポート２１２には、実施例１と同様に、第２の光結合器２００の出射ポート２０３が接続されている。したがって、第２の光結合器２００には合計で４２個の励起光源２０１を接続することができる。第２の光結合器２１０の励起光入射ポート２１２から入射された励起光は、第１の光結合器２１０の出射ポート２１３の第１クラッドから出力される。

第１の光結合器２１０の信号光入射ポート２１４には、信号光源２１５が接続されている。信号光源２１５から第１の光結合器２１０の信号光入射ポート２１４のコアに入射された信号光は、出射ポート２１３のコアから出力される。

さらに、第１の光結合器２１０の出射ポート２１３には、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ２１６が接続されている。これらは、第１の光結合器２１０の出射ポート２１３のコアから出射された信号光及び第１クラッドから出射された励起光が、それぞれＹｂ添加ダブルクラッドファイバ２１６のコア及び第１クラッドに入射されるように接続されている。このような構成とすることで、信号光源２１５から出射された信号光をＹｂ添加ダブルクラッドファイバ２１６で増幅することが可能になる。

本実施例では、励起光源２０１として波長９１５ｎｍ、励起光パワー５Ｗの半導体レーザ（ＬＤ）を用い、信号光源２１５として波長１０６４ｎｍ、信号パワー１００ｍＷのＹｂ添加光ファイバリングレーザを用い、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ２１６として、クラッドＮＡ０．４６，クラッド直径４００μｍ、コア直径２０μｍ、波長９１５ｎｍにおけるクラッド吸収量０．６ｄＢ／ｍのものを使用することで、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ２１６の出射端から８２Ｗの出力を得た。

従来のファイバレーザの構造を例示する構成図である。 本発明に係る光結合器の実施例１を示す構成図である。 実施例１において第１の光結合器の出射ポートのＮＡが０．４５，コア直径４００μｍを満たすための入射ポートのコア径とＮＡとの関係を示すグラフである。 本発明に係る光結合器の実施例２及びそれを用いた光ファイバ増幅器（又はファイバレーザ）を示す構成図である。

符号の説明

２００…第２の光結合器、２０１…励起光源、２０２…入射ポート、２０３…出射ポート、２１０…第１の光結合器、２１２…入射ポート、２１３…出射ポート、２１４…信号光入射ポート、２１５…信号光源、２１６…Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバ（希土類添加ファイバ）。

Claims (5)

1. 少なくとも２つ以上の励起光入射ポートと、該入射ポートの光ファイバを溶融一体化して、延伸せずに形成された１つの出射ポートとを有し、励起光入射ポートに入射された励起光が出射ポートのコアから出射される第１の光結合器と、
   少なくとも２つ以上の励起光入射ポートと、該入射ポートの光ファイバを溶融一体化してさらに延伸して形成された１つの出射ポートとからなり、該出射ポートのコア直径及び開口数が第１の光結合器の入射ポートのコア直径及び開口数よりも小さい第２の光結合器とを有し、
   第１の光結合器の励起光入射ポートに複数の第２の光結合器の各出射ポートが接続されてなることを特徴とする光結合器。
2. 光ファイバ増幅器に用いる光結合器であって、
   励起光源から出射された、光ファイバ増幅器の増幅媒体である光ファイバのコアに添加された希土類イオンのエネルギー準位を励起する励起光が入射する、少なくとも２つ以上の励起光入射ポートと、信号光源から出射され、光ファイバ増幅器によって増幅される信号光が入射する１つの信号光入射ポートと、これらの各ポートの光ファイバを溶融一体化して、延伸せずに形成された出射ポートとを有し、各励起光入射ポートに入射された励起光が出射ポートの第１クラッドから出射され、前記信号光入射ポートから入射された信号光が出射ポートのコアから出射される第１の光結合器と、
   少なくとも２つ以上の、前記励起光入射ポートと、該入射ポートの光ファイバを溶融一体化してさらに延伸して形成された１つの出射ポートとからなり、該出射ポートのコア直径及び開口数が第１の光結合器の入射ポートのコア直径及び開口数よりも小さい第２の光結合器とを有し、
   第１の光結合器の前記励起光入射ポートに複数の第２の光結合器の各出射ポートが接続されてなることを特徴とする光結合器。
3. 第１の光結合器の出射ポートの開口数が０．４５以下であり、コア直径が４００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の光結合器。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光結合器と、その第２の光結合器の励起光入射ポートに励起光を入射可能に接続された励起光源と、第２の光結合器の出射ポートに接続された希土類添加光ファイバとを有することを特徴とするファイバレーザ。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の光結合器と、その第２の光結合器の励起光入射ポートに励起光を入射可能に接続された励起光源と、第２の光結合器の出射ポートに接続された希土類添加光ファイバとを有することを特徴とする光ファイバ増幅器。

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