JP5565088B2 - 光ファイバ結合器、ファイバレーザ、および、光ファイバ結合器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ファイバレーザの励起光、及び信号光を同時に高効率で結合させることができる光ファイバ結合器と、該光ファイバ結合器を具備したファイバレーザに関する。

二重クラッドファイバは、信号光を伝播させるコアと、そのコアの周囲にコアよりも屈折率の低い励起光を伝播させるインナークラッドと、そしてインナークラッドの周囲にインナークラッドよりも屈折率の低いアウタークラッドを有する二重クラッド構造の光ファイバである。インナークラッド内に励起光を入射すると、インナークラッドとアウタークラッドの界面で全反射を繰り返しながらインナークラッド内を伝播する。

コアにイッテルビウムのような希土類元素をドーピングした二重クラッドファイバは、クラッドポンプファイバと呼び、インナークラッド内を伝播する励起光がコアを通過する際、その光を吸収して信号光を誘導放出する。そして、信号光はコア内を伝播しながら増幅されていく。二重クラッドファイバは、大きな断面積をもつインナークラッドから励起光を入射できるので、レーザの高出力化を容易に行うことができる。

光ファイバ結合器は、励起光源から出射される励起光を二重クラッドファイバのインナークラッドへ入射し、かつ、誘導放出される信号光を二重クラッドファイバのコアと伝送用光ファイバとの間で中継伝送する役割を持つ装置である。光伝送路を融着接続で固定することができるので、レンズ等の空間結合系でしばしば必要となる光軸微調整が不要であり、信頼性が高い装置を実現できる。

一般には、励起光源は複数個あり、複数の光源から一つの二重クラッドファイバへ入射することになる。従って、光ファイバ結合器は、複数の励起光伝送用光ファイバと信号光伝送用光ファイバを束ね、二重クラッドファイバのインナークラッドの断面積まで縮径させる構造になる。また、断面積を縮径することにより、励起光の光密度が高くなるので、クラッドポンプファイバのコアに含有されている希土類元素内の電子を効率良く励起することができる。この構造は、例えば特許文献１から３に開示されている。

特許文献１では、図１２に示されるように、１本の信号光伝送用シングルモードファイバ１を中心に配置し、その周囲に複数の励起光伝送用のマルチモードファイバ２を配置して束ね、励起光をクラッドポンプファイバ３のインナークラッド内に集光するためにファイバ束の一端を一括して縮径し、縮径部先端４とクラッドポンプファイバ３の端面とを、融着接続部５で結合した構造になっている。

特許文献２では、図１３に示されるように、１本の信号光伝送用ファイバ６と複数の励起光伝送用ファイバ７を、一旦、整列用の多孔キャピラリ８に挿入して一体化させ、光ポンピング用の二重クラッドファイバ９と光伝送させるために、テーパ形状を有するブリッジファイバ１０を介して接続した構造になっている。この構造では、励起光伝送用ファイバ７はテーパ形状に延伸しないので、円形断面の形状変形がなく、高効率で励起光を光ポンピング用の二重クラッドファイバ９に入射できると記載されている。

特許文献３では、図１４に示されるように、信号光伝送機能と励起光伝送機能を共に有する二重コア光ファイバ１１を使用して、キャピラリ１２内に挿入後に一体化する構造である。中心に配置された二重コア光ファイバ１１は、中心のコアが信号光コア１３として信号光を伝送する役割を担い、その他の二重コア光ファイバ１１は励起光を伝送する役割を担う。

米国特許第５８６４６４４号明細書 特開２００８−２２６８８６号公報 特開２００９−２７１１０８号公報

光ファイバ結合器は、励起光と信号光を同時に中継伝送する装置であるが、両者を同時に高効率伝送させる構造にするのは困難であった。伝送効率が低いということは、光ファイバ結合器が低損失のガラスを用いており、吸収媒質でないので、散乱光の発生によって光ファイバ結合器から光が漏洩していることを意味する。

励起光の伝送効率が低い場合は、クラッドポンプファイバへの励起光が低下するので、当然のことながらレーザ出力が低下してしまう。信号光の伝送効率が低い場合もレーザ出力が低下するが、それに加えて、信号光の場合、信号光は高出力であるが為に漏洩光も光強度が強く、励起光伝送用ファイバを逆流伝播して励起光源に入射して破壊してしまう可能性がある。また、いずれの場合も、漏洩光は、光ファイバを被覆している樹脂にも吸収され、樹脂が発熱し、光ファイバ伝送路自体にも負荷がかかっている状態にもなりうる。

例えば、特許文献１に開示された技術は、励起光伝送用のマルチモードファイバ２と信号光伝送用のシングルモードファイバ１を一括で束ねてテーパ状に延伸されるので、励起光はスムーズに伝送路を進行して低損失で縮径部先端４まで伝送される。一方、信号光は、中心に配列された信号光伝送用のシングルモードファイバ１のコア径が、一括延伸によって先端部がかなり小さくなっていて光閉じ込め効果が低下しており、漏洩しやすくなっている。且つ、クラッドポンプファイバ３のコア径と大きく異なっている。この為、コアの細径部分、及び融着接続部５で信号光が漏洩しやすくなっている為、伝送損失が高くなる。その結果、信号光の出力低下、及び励起光源に入射して破壊する可能性が出てくる。

特許文献２に開示された技術は、励起光伝送用ファイバ７を整列用の多孔キャピラリ８に挿入して一体化させているので、接続するブリッジファイバ１０の入射端の断面積が光ファイバを束ねただけの通過断面積よりも大きくなってしまう。この状態では、励起光がテーパ形状部分を伝播していくと、伝播ＮＡがより多く増大するので、縮径率を小さくできず、励起光の密度を大きく向上させることができない。縮径率を大きくした場合は、ブリッジファイバ１０の許容ＮＡを超える光が多く発生し、伝送効率の低下を招いてしまう。

一方、信号光に関しては、テーパ形状を有するブリッジファイバ１０のクラッドだけをテーパ状に除去してコア径を変えない構造にすれば、光ポンピング用の二重クラッドファイバ９との融着接続部では低損失で信号光を伝送することが可能になるが、整列用多孔キャピラリ８に挿入して一体化させた端面と二重クラッドファイバ９との融着接続部１４で、コア同士の軸ズレによる接続損失が大きくなると考えられる。

一般に、テーパ形状の縮径領域があるマルチモード光伝送路に関しては、伝送路の断面形状が円形の場合、伝送路に入射する光の伝播開口数をＮＡｉｎ、伝送路の入射側の径をＤｉｎ、出射側の径をＤｏｕｔ、出射する光の伝播開口数をＮＡｏｕｔとすると、おおよそ次の（１）式の関係が成り立つ。

ＮＡｏｕｔ＝Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ×ＮＡｉｎ （１）
一般的に二重クラッドファイバの最大開口数は、使用する光学被覆樹脂の屈折率によって定まり、現状は、最大でＮＡは０．４６程度である。一方、励起に用いる高出力マルチモード半導体レーザの出射ＮＡは一般的に０．１５程度であり、理論的には入力側と出力側の径の比が３倍以下であれば、ＮＡが０．４６を超えず、ＮＡの増加が原因となる損失は発生しないと考えられる。しかし、実際は、光伝送路表面の平滑性や、ファイバの曲がり等の形状不整合による光散乱等によって、ＮＡが０．４６を超える光が何％か発生して漏洩光となるので、伝送効率が低下する。

一方、信号光に関しては、一般に融着接続部位での構造不整合によって、伝送損失が低下する。具体的には、コア同士の軸ズレが発生している場合、また、コア径の大きさの違いによる場合がある。また、テーパ状に加工している場合は、融着接続部だけでなく、コア径が小さくなっている部分で光閉じ込め効果がなくなって、信号光が漏洩する場合がある。

特許文献３に開示された技術では、各々の二重コア光ファイバ１１とキャピラリ１２の間の隙間が大きく、また固定がなされていないので、溶融一体化時に中心に配置される二重コア光ファイバ１１の信号コア１３が、断面中心に配置される可能性が少なく、軸ズレによる接続損失が大きいと考えられる。

上記課題を解決するために、本発明の光ファイバ結合器は、一端側の内径が他端側の内径よりも小さくなるようにテーパ状に縮径した励起光集光パイプと、前記励起光集光パイプ内に配置された信号光伝送用ファイバと、前記励起光集光パイプと前記信号光伝送用ファイバとの間に設けられた複数の励起光伝送用ファイバとを備え、加熱溶融前の前記励起光集光パイプの内径が縮径した前記一端側の縮径先端部の断面積を前記信号光伝送用ファイバの断面積よりも小さく設定し、前記励起光集光パイプのテーパ形状の途中まで前記励起光伝送用ファイバが配列され、前記励起光集光パイプの内径が小さい側の縮径先端部では前記励起光集光パイプと前記信号光伝送用ファイバのみが加熱溶融により一体化されて当該縮径部先端が融着接続部を介して別のファイバと結合したものである。

この構成によれば、複数の励起光源から出射された励起光は、励起光伝送用ファイバを伝播し、一体化している励起光集光パイプもしくは信号光伝送用ファイバに出射される。あらかじめテーパ形状にした先細り構造の励起光集光パイプによって、励起光は集光されながら伝播していき、光密度が増大される。また、具備されている励起光伝送用ファイバは、信号光伝送用ファイバに隣接して配列させているので、元々の励起光の伝播する部分の断面積が小さくなっており、テーパ部を伝播する際のＮＡ増加も抑制することができ、高効率で二重クラッドファイバへと光を伝達することが可能である。

一方、信号光は、先端部分を縮径していなければ、信号用コアの径を同じに保ったままであるので低損失で伝達できる。たとえ、先端形状をテーパ形状にしても、先端部の外径が元々小さい状態であるので、従来技術の光ファイバ結合器よりもテーパ形状部分の縮径率を小さくすることができ、コア径の縮径率も小さく、低損失であり、ファイバ同士の接続が可能である。且つ、この構造を用いた場合、テーパ縮径先端部分のコアの配置をガラスの中心位置に容易に配列することが可能であるので、低損失接続に寄与する。

本発明の光ファイバ結合器、この光ファイバ結合器を具備したファイバレーザシステムは、高効率で励起光と信号光の中継伝達を行うことが可能であるので、装置の高出力化が期待できる。また、漏洩した信号光が励起光伝送用ファイバを伝播し励起光源に入射することを抑制するので、励起光源の破壊を抑制することが可能なことから、信頼性の向上に繋がる。

また、単純な形状の部材で構成できるので、光ファイバの製造装置がなくても、市販品の部材で製作することができる。

本発明の光ファイバ結合器の一例の側面図 （ａ）本発明の光ファイバ結合器における励起光集光パイプがテーパ形状になっていない領域の断面図（ｂ）本発明の光ファイバ結合器における励起光集光パイプが縮径している領域の断面図（ｃ）本発明の光ファイバ結合器における縮径先端部を示す図 ガラスパイプの延伸加工工程の一例を示す図 テーパ形状を有する環状配置の光ファイバ束の一例を示す図 （ａ）信号光伝送用ファイバの一例の断面図（ｂ）励起光伝送用ファイバの一例の断面図 本発明の光ファイバ結合器の製作工程の一例を示す図 （ａ）励起光集光パイプ先端へ信号光伝送用ファイバを挿入する前の状態の一例を示す図（ｂ）励起光集光パイプ先端へ信号光伝送用ファイバ挿入した後の状態の一例を示す図 本発明の光ファイバ結合器の配列構造の一例を示す断面図 本発明の光ファイバ結合器の製作工程の一例を示す図 溶融一体化工程前後の一例の図 本発明の光ファイバ結合器を用いたファイバレーザの一例を示す構成図 従来技術の光ファイバ結合器を示す図 従来技術の光ファイバ結合器を示す図 従来技術の光ファイバ結合器を示す図

本発明の光ファイバ結合器、ファイバレーザの実施形態について図面を参照して説明する。

図１と図２（ａ）から図２（ｃ）に示されるように、光ファイバ結合器２０は、一端をテーパ形状に引き伸ばした薄肉の縮径領域２１を有する励起光集光パイプ２２の内部に信号光伝送用ファイバ２３の一端を配置し、複数の励起光伝送用ファイバ２４の一端を信号光伝送用ファイバ２３と励起光集光パイプ２２の間にある隙間２５の中で配列させた後、溶融一体化した構造である。そして、縮径部先端２６は、融着接続部２７を介して二重クラッドファイバ３１と結合する。二重クラッドファイバはコア内に希土類元素を含んでいる二重クラッドファイバ（クラッドポンプファイバ３２）でも、コア内に希土類元素を含まない二重クラッドファイバ３３のどちらでも構わない。

励起光集光パイプ２２は、励起光を集光させる目的と、信号光伝送用ファイバ２３のコア位置をガラスでできた断面形状の中心に配置させる目的で使用している。また、後述するが、漏洩信号光を励起光源に逆流することを抑制する働きもある。励起光集光パイプ２２は、一般に販売されている合成石英ガラスでできた円柱形状のガラスパイプ４１を使用することができる。

ガラスパイプ４１の内径は、図２（ａ）に示されるように、励起光伝送用ファイバ２４が必要数挿入できる径が必要であるが、隙間２５が最小になるような寸法精度の良いガラスパイプ４１でなくても良く、若干大きい径で隙間に余裕があっても構わない。これは、ガラスパイプ４１をテーパ形状にすることによって、図２（ｂ）に示されるように、テーパ形状の途中で自然に励起光伝送用ファイバ２４が整然配列になっていく利点があるためである。また、縮径先端部２６では、図２（ｃ）のように励起光集光パイプ２２と信号光伝送用ファイバ２３のみが一体化している。

励起光集光パイプ２２の製作方法は、図３に示されるように、ガラスパイプ４１の溶融設定部分を洗浄した後、両端を把持装置４２で把持し、溶融設定部分を火炎、または電気ヒータ等の加熱源４３で加熱溶融しながら、ガラスパイプ４１の両端に張力４４を付加して延伸加工する。延伸加工時の加熱源の温度は摂氏１４００度〜１８００度程度である。ガラスパイプ４１は溶融延伸部の外径が縮小して、長手方向になだらかなくびれ形状４５を有するガラスパイプ４１となる。この延伸加工方法は通常の光ファイバ型ＷＤＭカプラなどを製作する方法と同様である。

くびれ形状４５の内径、及び肉厚を制御したい場合は、ガラスパイプ４１内の圧力を調整することによって容易に行うことができる。圧力の調整は、例えば、ガラスパイプの片端にエアーポンプ等の圧力装置を接続して、パイプ内にガスを送り込むことによって行われる。くびれ形状４５の最小部分の肉厚は薄い方が好ましい。

この縮径領域２２を有する励起光集光部材は、ガラスパイプ４１でなくても良く、ガラスパイプ４１の代わりに同径の励起光伝送用ファイバ２４を複数本使用してテーパ形状を有する環状配列のファイバ束４６を構成しても構わないが、この場合には以下の短所がある。ひとつは、信号光伝送用ファイバ２３が貫通する環状部分の内径は、延伸加工後の縮径を考えて、一回り大きなファイバ径の励起光伝送用ファイバ２４を使用するか、もしくは、図４に示されるように、励起光伝送用ファイバ２４の本数を多くする必要があり、前述した（１）式のＤｉｎが大きくなることを意味するので、ＮＡｏｕｔが増加することになる。もう一つの短所は、光ファイバ間に隙間があるので、ガラスパイプ４１のように圧力による寸法調整ができないことである。

ガラスパイプ４１は延伸加工後冷却し、ガラスパイプ４１のくびれ形状４５の最小外径位置にカッターで傷をつけ、両端から張力４４を付加して劈開する。劈開することで１個のガラスパイプ４１からテーパ形状の縮径領域２１を有する２個の励起光集光パイプ２２ができる。先端部分の寸法は、内径が信号光伝送用ファイバ２３のクラッド径と同等が望ましく、且つ、断面積は、信号光伝送用ファイバ２３と比較して小さければ小さい程良い。

次に、励起光集光パイプ２２内に具備する光ファイバについて述べる。図５（ａ）は、信号光伝送用ファイバ２３の一例の断面図を示している。円形断面のクラッド５１の中心部に信号光を伝送させる為のコア５２が配置されている。コア５２の材質は、石英ガラスに、例えば、ゲルマニウムなどの屈折率を上昇させる材料をドーピングして、純粋石英ガラスから構成されるクラッド５１よりも屈折率を高くする。通常、被覆樹脂５３はクラッド５１よりも屈折率の高い樹脂で構成される。二重クラッドファイバ３１の場合はこの逆で、被覆樹脂５３がクラッド５１よりも屈折率が低い樹脂で構成される。通常市販されている信号光伝送用ファイバ２３のクラッド径は、一般に、直径１２５μｍφである。

図５（ｂ）は、励起光伝送用ファイバ２４の一例の断面図を示している。励起光源は高出力な半導体レーザで、この出力光は一般にマルチモードであるので、励起光伝送用ファイバ２４は励起光源に合わせてマルチモードファイバを使用するのが一般的である。信号光伝送用ファイバ２３と同じく円形断面のクラッド５１の中心部分にコア５２があり、コア５２の材質が純粋石英ガラスでクラッド５１の材質が石英ガラスにフッ素をドープしたものと、コアの材質が純粋石英でクラッド５１を低屈折率の樹脂で被覆したものがある。耐熱性を考えて、前者のガラス材質のクラッド５１を有する光ファイバを使用するのが好ましい。市販されているマルチモードファイバのクラッド径は、一般に、直径１２５μｍである。

励起光集光パイプ２２を製作後、その内部に具備する信号光伝送用ファイバ２３と励起光伝送用ファイバ２４を準備する。信号光伝送用ファイバ２３は、被覆樹脂５３を励起光集光パイプ２２の長さよりも長く除去する。除去した先端部を励起光集光パイプ２２の延伸していない側から挿入し、縮径部先端２６から貫通させて外側に出す。

そして、図６に示されるように、突き出した信号光伝送用ファイバ２３に同じクラッド径かそれ以上のクラッド径を有する把持用光ファイバ６１を準備して、先端同士を融着接続する。この把持用光ファイバ６１は、製作する上で必要なもので、光ファイバ結合器２０の構造には含まれない。

励起光集光パイプ２２の縮径部先端２６の内径が、信号光伝送用ファイバ２３のクラッド径よりも大きい場合、縮径部先端２６から信号光伝送用ファイバ２３を貫通させることができる。そして、両者の間の隙間が小さい場合、断面積の大きい側の信号光伝送用ファイバ２３の方が剛性は高く、励起光集光パイプ２２がそれに倣うようにして一体化するので、円形ガラス断面の中央部にコア５２を配置することが可能である。

しかしながら、両者の隙間が大きい場合、励起光集光パイプが倣うように一体化したとしても、両者を溶融一体化した後にコア５２の位置が円形断面の中心からずれる可能性が高い。両者の間の隙間が全くない状態に延伸できれば良いが、励起光集光パイプ２２や信号光伝送用光ファイバ２３の製作公差などの影響があるので、毎回両者の隙間の全くない状態に延伸加工することは極めて難しい。

薄肉のテーパ形状の縮径領域２１を有する構造に加工したガラスパイプ４１を使用する場合、通常とは異なる延伸方法を用いて信号光伝送用ファイバ２３を組み込むことができる。通常の延伸加工は部材両端を把持しておき、中央部を加熱溶融して、部材両端に張力を付加してくびれ形状４５に加工する。しかし、図７（ａ）、（ｂ）に示される方法は、把持装置４２は加熱源４３の片側だけのみに設置する。

すなわち、まず、信号光伝送用ファイバ２３のクラッド径よりも小さい内径を有する励起光集光パイプ２２を作製しておく。その後、信号光伝送用ファイバ２４の被覆樹脂５３を除去し、ファイバクリーバで端面を直角端面に加工して励起光集光パイプ２２に挿入する。当然のことながら縮径部の途中で引っかかって貫通できなくなる。次に、この部分を加熱源４３で加熱溶融しながら、信号光伝送用ファイバ２３を先細り方向に押し込んでいくと、信号光伝送用ファイバ２３には圧縮応力が加わるが、励起光集光パイプ２２には引張応力が加わるので、励起光集光パイプ２２は延伸されると共に、信号光伝送用ファイバ２３を励起光集光パイプ２２に組み込むことができる。

ここで重要なことは、元々の励起光集光パイプ２２の先端部分２６断面積が、信号光伝送用ファイバ２３よりも小さくしていることである。断面積が大きい材料の方が剛性は高いので、同じ粘性状態でも材料の変形が少ない。もし、励起光集光パイプ２２の先端部分の断面積の方が大きいと、先に信号光伝送用ファイバ２３が圧縮応力で変形してしまい、縮径先端部２６に挿入できず、挿入できたとしても縮径先端部２６が大きく変形することが予想される。延伸加工後、縮径先端部２６は前述したのと同様に、把持用光ファイバ６１を融着接続する。

背景技術で示した特許文献２の方法では、例えば、クラッド径が直径１２５μｍ、コア径が直径約５．５μｍでシングルモードの信号光伝送用ファイバ６を使用しているが、この光ファイバを挿入する多孔キャピラリ８は、その穴径の直径が１３５μｍであり、外径が直径４４０μｍである。信号光伝送用ファイバ６を挿入後、この部分を加熱溶融すると、多孔キャピラリ１３の方が剛性ははるかに高いので、信号光伝送用ファイバ６は多孔キャピラリ８の穴の内壁に接してから一体化される。上記サイズの場合、理想の中心位置から最大（１３５μｍ−１２５μｍ）／２＝５μｍずれることになる。この値はコア径とほぼ同等であり、融着接続するコア同士の軸ズレによる接続損失が大きいと考えられる。

また、背景技術で示した特許文献３の構造は、キャピラリ１２の断面積が大きく、また、中心に配置される二重コア光ファイバ１１が固定されていないので、溶融一体化工程で隙間が埋まる際、信号コア１３の位置がガラス断面中心からずれる可能性が高い。

本発明で用いている励起光集光パイプ２２は、縮径先端部２６の寸法を薄肉に加工でき、信号光伝送用ファイバの方が断面積を大きくできるので、コア５２をガラス断面中心に容易に配置できる。

次に、励起光伝送用ファイバ２４を加工する。励起光伝送用ファイバ２４は、被覆樹脂５３を除去し、ファイバクリーバで不純物の付着していない端面を出して、おおむね信号光伝送用ファイバ２３が配列中心になるように挿入していく。

多少配列がずれて挿入されても、縮径部先端２６で信号光伝送用ファイバ２３が中心に配置され、また、励起光集光パイプ２２の縮径領域２１で励起光伝送用ファイバ２４が断面の中心方向に向かって力が加わるので、信号光伝送用ファイバ２３の周囲に励起光伝送用ファイバ２４が自然と配列されるようになる。

テーパ形状のガラスパイプ４１を用いていることで整然と配列できる利点がある。適切な内径のガラスパイプ４１を入手できず、ガラスパイプ４１内の隙間２５が大きい場合は、図８のように、細径の石英ガラス棒６２をスペーサとして挿入しても良い。

また、励起光伝送用ファイバ２４の先端形状は、ファイバクリーバで直角に端面カットするだけでなく、励起光集光パイプ２２の製作と同じ延伸加工方法を用いてテーパ形状になるように延伸し、先端部を先細り構造にしたものを使用しても良い。この先細り構造の励起光伝送用ファイバ２４を挿入すると、励起光集光パイプ２２の縮径領域で、先端部が信号光伝送用ファイバ２３の方向に向くので、励起光が中心方向に向かって励起光伝送用ファイバ２４から出射されることになり、伝送効率が向上する。しかしながら、テーパ先端部まで全ての励起光が導波する訳ではなく、前述の（１）式の関係から、励起光伝送用ファイバ２４のコアＮＡを超える光は漏洩して励起光集光パイプ２２、もしくは、信号光伝送用ファイバ２３に入射する。

次に、励起光集光パイプ２２に信号光伝送用ファイバ２３と励起光伝送用ファイバ２４を挿入した後、加熱溶融で一体化させる工程を行う。先程、信号光伝送用ファイバ２３の先端部分に把持用光ファイバ６１を融着接続したので、図９のように、信号光伝送用ファイバ２３と把持用光ファイバ６１を把持装置４２で引っ張りながら把持して直線状になるように固定する。

把持後、励起光集光パイプ２２の縮径先端部２６から、励起光伝送用ファイバ２４の出射部分までを加熱源４３で加熱溶融し、ガラス部材同士を溶融一体化させる。溶融したガラスは、図１０に示されるように表面張力６３によって、中心軸の方向に向かっていき、隙間が閉じていくことになる。励起光集光パイプ２２の延伸していない側の隙間２５からエアーポンプなどの吸気装置を用いて吸気して、励起光集光パイプ２２内を負圧にしておけば、表面張力だけでなく気圧も加わるので短時間で一体化することができる。

また、励起光伝送用ファイバ２４と励起光集光パイプ２２の間の隙間に余裕がある場合、図８に示したような石英ガラス棒６２のスペーサの代わりに吸気用ガラスパイプ６４を挿入して固定し、他端を吸気装置に接続する構成にして、励起光集光パイプ２２を負圧にして一体化しても良い。なお、吸気用ガラスパイプ６４はスペーサとしての役割も果たす。吸気用ガラスパイプ６４ともに一体化しても構わないが、励起光集光パイプ２２よりもはみ出た部分は不要なので切除する。

システムの設計によっては、クラッドポンプファイバ３２のインナークラッド径の方が一体化した縮径先端部２６の外径よりも小さい場合があるが、前述の一体化する工程で、把持装置４２で張力を付加しながら励起光集光パイプ２２の先端領域（励起光集光パイプ２２と信号光伝送用ファイバ２３のみが存在する部分）を溶融延伸加工して、縮径先端部２６の外径をインナークラッド径まで縮径している構成でも良い。この場合、信号光伝送用ファイバ２３のコア５２も縮径されるが、あらかじめ励起光導光部はテーパ形状にして縮径しているので、背景技術で説明した特許文献１と比較して、縮径先端部２６を同じ外径まで延伸したとしても、コア５２の縮径率が少ない。

すべての部材を溶融一体化後、縮径領域２１の所望の断面積の部分にカッターで傷をつけ、張力を付加すると、傷をつけた部分で劈開することができる。この劈開した部分が光ファイバ結合器２０の縮径先端部２６となり、光伝送路の製作が完了する。

ここで、励起光を効率的に伝送する為に必要な縮径先端部２６の外径を見積もる。例えば、クラッド径が直径１２５μｍの信号光伝送用ファイバ２３（１本）と、クラッド径が直径１２５μｍでコア径が直径１１０μｍの励起光伝送用ファイバ２４（６本）で光ファイバ結合器２０を構成する場合、励起光の入射ＮＡｉｎを０．１５、光伝送路の最大伝播ＮＡを０．４５、テーパ形状の縮径先端部２６での径をＤｏｕｔとして前述の（１）式からＤｏｕｔを算出する。

実際の装置は、Ｄｏｕｔ未満の径で製作しても良く、この時、ＮＡが０．４５よりも大きくなった伝播光は漏洩するが、光密度は逆に増加するので、伝送効率と光密度のバランスを考えてレーザシステムの発振効率が増加するようなＤｏｕｔを選定する。

背景技術で示した特許文献１の場合は、幾何学的にＤｉｎを算出すると直径３７０μｍとなり、ＮＡ増加による損失を出さない為にはＤｏｕｔが直径約１２３μｍまで縮径できると見積もられる。

背景技術で示した特許文献２の場合は、多孔キャピラリの孔径を直径１２５μｍ、孔と孔との間はある程度肉厚がないと石英ガラスに円形孔の加工ができないので、この肉厚を例えば直径１２５μｍとすると、肉厚分を含めなければならず、ブリッジファイバ１０の入射側の径がＤｉｎ＝１２５×３＋１２５×４＝約８７５μｍとみなせるので、ＮＡｏｕｔを０．４５以下にするにはＤｏｕｔが直径２９０μｍと見積もられる。

本発明の場合は、中心にある信号光伝送用ファイバ２３に接して励起光伝送用ファイバ２４が配置されているが、その周囲にさらに励起光集光パイプ２２がある為、励起光集光パイプ２２の外径分だけ特許文献１よりもＤｉｎは大きくなる。励起光集光パイプ２２の形状を考慮して幾何学的にＤｉｎを算出すると直径約４４０μｍとなる。ＮＡを０．４５以下にするには、Ｄｏｕｔが直径１４６μｍと見積もられる。

本発明の場合は、励起光伝送用ファイバ２４のクラッド径が初めから小さいものを使用できるので、テーパ形状入射部の径をＤｉｎより小さくすることが可能である。例えば、前記の励起光伝送用ファイバ２４を直径１２５μｍでなく、半導体レーザのコア径と同等のコア径の直径１００μｍのもので、クラッド径が直径１１０μｍの励起光伝送用ファイバ２４を使用したとすると、Ｄｉｎは約３９０μｍになり、Ｄｏｕｔが１３０μｍと見積もられる。

特許文献１の場合は、信号光伝送用ファイバ２３と励起光伝送用ファイバ２４のクラッド径が異なると均等配列ができず、信号光コアを断面中心に配置することが難しいので、異径の光ファイバで構成するのが困難である。

できあがった光ファイバ結合器２０は、縮径先端部２６に二重クラッドファイバ３１を融着接続する。ガラス部の中心位置にコア５２が存在し、また、コア５２の縮径率が小さいので、二重クラッドファイバ３１と低損失な融着接続が可能である。

二重クラッドファイバ３１と融着接続後は機械的強度を保持する目的で、強固な台に固定する必要がある。例えば溝付のガラス棒を準備し、その溝内に光ファイバ結合器２０、及び融着接続した二重クラッドファイバ３１の被覆除去部分を配置して、その後、この溝に石英ガラスの屈折率よりも低い屈折率の光学樹脂を流し込み、光学樹脂を硬化させると、光ファイバ結合器２０を補強でき、機械的信頼性の懸念がなくなる。この低屈折率樹脂は石英ガラスの最大伝播ＮＡが０．４６程度になるものが市販されている。

また、全長を光学樹脂で被覆する必要はなく、例えば、前記の溝付ガラス棒の溝内に光ファイバ結合器２０、及び融着接続した二重クラッドファイバ３１を配置して、その両端部の被覆樹脂のある部分のみを光学樹脂を塗布して固定しても良い。信号光伝送用ファイバ２３と励起光伝送用ファイバ２４を束ねて一点を樹脂で固定し、もう片側は、二重クラッドファイバ３１の一点で固定する。そしてこの後さらに、固定台全長を金属管の中に挿入した後、金属管の両端を樹脂で固定して密封する方法もある。こちらの場合、樹脂で覆っていない部分は、空気との屈折率差によって最大伝播ＮＡは０．６程度となり、縮径領域２１での励起光閉じ込め効果は非常に強くなるが、二重クラッドファイバ３１の被覆樹脂のある部分まで励起光が到達すると、光学樹脂部の伝播ＮＡが最大でも０．４６であるので、伝播ＮＡが増大している励起光はこの領域から漏洩してしまう。

ファイバレーザ７０を構成する場合、図１１のように、励起光伝送用ファイバ２４の入力端に励起光源７１を接続する。励起光源はファイバピグテイル付の高出力半導体レーザを使用するのが一般的で、このファイバピグテイルの先端と励起光伝送用ファイバ２４を融着接続する。励起光源７１の発振波長はクラッドポンプファイバ３２のコアにドーピングされている希土類元素の種類によって選定する。

イッテルビウムをドープしたクラッドポンプファイバ３２を用いる場合、波長が０．９８μｍ、または０．９２μｍの半導体レーザを用いるのが望ましい。光ファイバ結合器２０の縮径先端部２６には、二重クラッドファイバ３１を融着接続する。融着接続する二重クラッドファイバ３１は、コアに希土類元素が含まれているクラッドポンプファイバ３２を融着接続してもよいし、コアに希土類元素が含まれていない二重クラッドファイバ３３を融着接続し、その二重クラッドファイバ３３のもう一方の端にクラッドポンプファイバ３２を融着接続するようにして、間接的にクラッドポンプファイバ３２に結合している構成にしても良い。また、クラッドポンプファイバ３２の両端に信号光を反射する部品であるＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）を接続して、共振器構造にしても良いし、ＦＢＧを用いず、光増幅構造にしても良い。

光の伝播状態は、まず、励起光源７１より出射された励起光７２は光ファイバ結合器２０の励起光伝送用ファイバ２４を介して、励起光集光パイプ２２で集光された後、接続しているクラッドポンプファイバ３２のインナークラッドまで伝送される。その後、励起光７２はクラッドポンプファイバ３２のコアに入射し誘導放出で信号光７３に変換され、信号光７３を増幅しながらコア内を伝播する。

そして、接続されている光ファイバ結合器２０の信号光伝送用ファイバ２３を介して外部に取り出される。信号光伝送用ファイバ２３をシングルモードファイバとした場合は、非常にビーム品質の良いファイバレーザ装置が実現できる。

信号光７３がクラッドポンプファイバ３２から光ファイバ結合器２０に進行する場合、融着接続部２７などで発生する漏洩光７４が励起光伝送用ファイバ２４を逆流して励起光源７１に入射し、励起光源７１を破壊する可能性がある。本発明の場合、励起光集光パイプ２２が存在することによって、特許文献１と比較すると、漏洩光が励起光集光パイプ２２にも分散されるので、励起光源７１に入射する光強度を少なくすることができる。

本発明の光ファイバ結合器２０は、例えば、以下のような構造のものができる。

クラッドポンプファイバ３２として、コアにイッテルビウムをドープしたコア径が直径５．６μｍ、インナークラッド径が直径１２５μｍのものを使用し、励起光源７１は６個使用するとする。励起光源７１は、ピグテイルファイバ付高出力半導体レーザを使用する。この半導体レーザの波長は、クラッドポンプファイバ３２のコアにイッテルビウムが含有されていることから、吸収効率高い波長、例えば０．９８μｍを選定することができる。通常、市販されている半導体レーザは、例えば、ピグテイルファイバのコア径が直径１００μｍで、コアＮＡが約０．１５、クラッド径が直径１２５μｍ、出力が５Ｗ以上である。

信号光伝送用ファイバ２３は、クラッドポンプファイバ３２のコア径、コアＮＡと同等のものを使用するのが望ましい。クラッド径は通常の直径１２５μｍである。励起光伝送用ファイバ２４は、ピグテイルファイバのコア径、コアＮＡと同等のもの使用することが望ましい。コア径、コアＮＡは、信号光の場合と違い、一方向にしか伝送させないので、ピグテイルファイバよりも大きくても特に問題にはならない。

クラッド径に関しては、クラッド径を拡大してしまうと一体化部分での径Ｄｉｎが大きくなり、縮径領域２１で損失が大きくなってしまうので、同等もしくはそれ以下のサイズが望ましい。例えば、コア径が直径１００μｍ、クラッド径が直径１１０μｍ程度のものが市販されている。

励起光集光パイプ２２となるガラスパイプ４１の初期内径は、この場合、信号光伝送用ファイバ２３と励起光伝送用ファイバ２４の配列状態から１１０×２＋１２５＝３２５μｍが必要な最小寸法となる。部材の寸法公差、及び挿入しやすさを考えて最小寸法よりも余裕のある寸法のものを用い、例えば、内径が直径５００μｍのものを使用する。このガラスパイプ４１を１００ｍｍ程度の長さに切断し、両端を把持して中央部を加熱溶融しながら両端を引っ張って縮径領域をもった構造に延伸加工する。縮径領域の寸法はガラスパイプ４１に圧力をかけることで調整でき、最小部分での寸法が、内径１２８μｍ、外径１４５μｍ程度のものが作製できる。延伸後、最小寸法位置にカッターで傷をつけ、両端を引っ張って劈開することで、２つの励起光集光パイプ２２ができる。この時の信号光伝送用ファイバ２３と励起光集光パイプ２２の先端部の断面積比は３．３：１である。

次に、信号光伝送用ファイバ２３を励起光集光パイプ２２に挿入して先端部から突き出した後、直径１５０μｍのクラッド径の把持用光ファイバ６１を融着接続する。励起光伝送用ファイバ２４は、励起光集光パイプ２２と同様に延伸加工し、テーパ形状の先端部分を製作する。３本の光ファイバから、６本のテーパ形状の先端部を持つ励起光伝送用ファイバ２４ができることになる。そして、励起光伝送用ファイバ２４を励起光集光パイプ２２に信号光伝送用ファイバ２３が中心になるように配列させながら６本挿入して、加熱溶融して一体化する。

この状態では、縮径先端部２６の径が直径約１４５μｍであるので、クラッドポンプファイバ３２のインナークラッド径が直径１２５μｍになるまでの延伸加工工程も付加する。あらかじめ励起光伝播部分はテーパ形状に縮径されているので、コア径の縮径率は８６％で、特許文献１の技術で製作するよりも減少率が０．８６／（１２５／３７５）＝約２．５倍小さくなる。

この後、所望の位置でカットすることで、クラッド径が直径１２５μｍの信号光伝送用ファイバ２３を中心に配列し、クラッド径が直径１１０μｍの６本の励起光伝送用ファイバ２４を周囲に配列した、直径１２５μｍの縮径先端部２６を有する光ファイバ結合器２０が製作される。

本発明にかかる光ファイバ結合器およびファイバレーザおよび光ファイバ結合器の製造方法は、高効率で励起光と信号光の中継伝達を行うことが可能であるので、装置の高出力化が期待でき、また、漏洩した信号光が励起光伝送用ファイバを伝播し励起光源に入射することを抑制するので、励起光源の破壊を抑制することが可能なことから、信頼性の向上に繋がるものであり、ファイバレーザの励起光、及び信号光を同時に高効率で結合させることができる光ファイバ結合器と、該光ファイバ結合器を具備したファイバレーザ等において有用である。

１ シングルモードファイバ
２ マルチモードファイバ
３ クラッドポンプファイバ
４ 縮径部先端
５ 融着接続部
６ 信号伝送用ファイバ
７ 励起光伝送用ファイバ
８ 多孔キャピラリ
９ 光ポンピング用の二重クラッドファイバ
１０ ブリッジファイバ
１１ 二重コア光ファイバ
１２ キャピラリ
１３ 信号コア
１４ 融着接続部
２０ 光ファイバ結合器
２１ 縮径領域
２２ 励起光集光パイプ
２３ 信号光伝送用ファイバ
２４ 励起光伝送用ファイバ
２５ 隙間
２６ 縮径部先端
２７ 融着接続部
３１ 二重クラッドファイバ
３２ クラッドポンプファイバ
３３ コア内に希土類元素を含まない二重クラッドファイバ
４１ ガラスパイプ
４２ 把持装置
４３ 加熱源
４４ 張力
４５ くびれ形状
４６ 環状配列のファイバ束
５１ クラッド
５２ コア
５３ 被覆樹脂
６１ 把持用光ファイバ
６２ 石英ガラス棒
６３ 表面張力
６４ 吸気用ガラスパイプ
７０ ファイバレーザ
７１ 励起光源
７２ 励起光
７３ 信号光
７４ 漏洩光

Claims (9)

1. 一端側の内径が他端側の内径よりも小さくなるようにテーパ状に縮径した励起光集光パイプと、
   前記励起光集光パイプ内に配置された信号光伝送用ファイバと、
   前記励起光集光パイプと前記信号光伝送用ファイバとの間に設けられた複数の励起光伝送用ファイバとを備え、
   加熱溶融前の前記励起光集光パイプの内径が縮径した前記一端側の縮径先端部の断面積を前記信号光伝送用ファイバの断面積よりも小さく設定し、
   前記励起光集光パイプのテーパ形状の途中まで前記励起光伝送用ファイバが配列され、
   前記励起光集光パイプの内径が小さい側の縮径先端部では前記励起光集光パイプと前記信号光伝送用ファイバのみが加熱溶融により一体化されて当該縮径部先端が融着接続部を介して別のファイバと結合する光ファイバ結合器。
2. 信号光伝送用ファイバと励起光集光パイプを一体化した先端部を、この先端部に接続するファイバの径まで縮径した請求項１記載の光ファイバ結合器。
3. 励起光集光パイプと信号光伝送用ファイバとの間に設けられた複数の励起光伝送用ファイバの、前記励起光集光パイプの内径が小さい側に位置する先端部の形状を、テーパ状の先細り形状とした請求項１または２に記載の光ファイバ結合器。
4. ガラスパイプを励起光集光パイプと励起光伝送用ファイバとの間に配置して一体化した請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ結合器。
5. 信号光伝送用ファイバがシングルモードファイバである請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバ結合器。
6. 励起光集光パイプの内径が小さい側の端部に二重クラッドファイバを接続した請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバ結合器を備えたファイバレーザ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の光ファイバ結合器の製造方法であって、
   一端側の内径である第１の内径が他端側の内径である第２の内径よりも小さくなるようにテーパ状に縮径した励起光集光パイプの内部に、一端が前記励起光集光パイプのテーパ部に当接するように外径が前記励起光集光パイプの第１の内径よりも大きい信号光伝送用ファイバを配置するステップと、
   前記励起光集光パイプの内部に、一端が前記励起光集光パイプのテーパ部に当接するように複数の前記励起光伝送用ファイバを配置するステップと、
   前記励起光集光パイプの第１の内径の側を加熱しながら前記信号光伝送用ファイバを励起光集光パイプの縮径側に押し込むことで励起光集光パイプを延伸して前記信号光伝送用ファイバと一体化するステップを備えた光ファイバ結合器の製造方法。
8. 励起光集光パイプと励起光伝送用ファイバとの間にガラスパイプを配置し、励起光集光パイプの第１の内径の側を加熱しながら延伸する際に、前記ガラスパイプにより前記励起光集光パイプ内部から空気を排出して減圧した状態としながら延伸を行う請求項７に記載の光ファイバ結合器の製造方法。
9. 励起光集光パイプと信号光伝送用ファイバとの間に配置する励起光伝送用ファイバの、前記励起光集光パイプの第１の内径側に位置する先端部の形状を、テーパ状の先細り形状とした請求項７または８に記載の光ファイバ結合器の製造方法。

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