JPH01297874A - 光ファイバレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザ共振器への戻り光の影響の極めて少な
く、滑らかな光スペクトラムを有するレーザ出力の提供
可能な光ファイバレーザ装置に関するものである。

（従来の技術） 近年、Ｎｄ　（ネオジウム）　、Ｅｒ　（エルビウム）
、Ｐｒ　（プラセオジミウム）　、Ｙｂ　（インテリビ
ウム）等の希土類元素を添加した光ファイバ（以下、希
土類元素添加光ファイバという。）をレーザ活性物質と
した、単一モード光ファイバレーザまたは光増幅器が、
光センサや光通信の分野で多くの利用の可能性を有する
ことが報告され、その応用が期待されている。

希土類元素添加光ファイバを用いた光ファイハレーザと
しては、Ｎｄを添加した石英系光ファイバをレーザ活性
物質として用い、半導体レーザまたはＡｒレーザ励起Ｃ
Ｗ　（連続波）色素レーザを励起光源として、波長１．
０８８　μｍで吐発振、Ｑスイッチ発振、モードロック
発振等を確認した例、また、Ｐｒ添加またはＥｒ添加し
た光ファイバをレーザ活性物質とし、Ａｒレーザを励起
光源として、各々波長１．０６μｍ　、１．５４μｍの
舖発振を確認した例が、アール、ジェー、メアーズ等（
Ｊ、Ｍｅａｒｓ他、ＯＦＧ’８６゜ＴＵＬ１５等）によ
って報告されている。

第２図は、上述のような光ファイバレーザを発振するた
めの従来装置の構成を概略的に示す図である。

すなわち、この装置は、レーザ活性物質である所定長の
希土類添加光ファイバ１の両端に１対の反射鏡２ａ、　
２ｂを配置するとともに、この光フアイバ１内に励起光
を注入する手段を備えている。４は光学系レンズ、４ａ
、　４ｂ、　４ｃは光学系を構成するための集光レンズ
である。

すなわち、この装置は、レーザ活性物質である所定長の
光ファイバ１の両端に１対の反射鏡２ａ。

２ｂを配置するとともに、この光フアイバ１内に励起光
を注入する手段を備えている。第２図に示す構成では、
反射鏡２ａの側方に設けた半導体レーザ素子３がそれで
あり、半導体レーザ素子３から１組の光学系レンズ４を
介して、光ファイバ１のコアに励起用レーザ光を集光し
て注入するように構成されている。反射鏡２ａ、　２ｂ
としては、１対の誘電体多層膜が用いられており、これ
らが光学的共振器を形成している。

ところで、第２図に示すような従来装置においては、光
ファイバレーザの出射光は、レンズ４ｃにおいてその一
部が反射され、レーザ、共振器内に戻って光が入るので
、レーザ動作の不安定性を引き起こす。

このような戻り光によるレーザ不安定現象は、あらゆる
レーザ装置に共通の問題としてよく知られているところ
である。従来、このような現象を防ぐため、ＹＴＧ　（
Ｙ３Ｆ−５０１２）やＢｉ置換ガーネット（Ｂｔｘ（Ｇ
ｄＬｕ）３−ｘＦｅｓｏ＋ｚ）などの結晶のファラーデ
ー効果を応用した光アイソレータが用いられている。し
かるに、こうしたアイソレータを使用した場合、結晶内
で光が吸収されるので、２〜５ｄＢの光損失を生じると
いう問題があった。

一方、光ファイバレーザの場合、戻り光がない状態では
、例えばＮｄファイバレーザでは、第３図に示すように
、スペクトル半値幅が６０〜７０人のブロードな発振特
性が得られるので、ＳＬＤ　（ＳｕｐｅｒＬｕｍｉｎｅ
ｓｃｅｎｔ　Ｄｉｏｄｅ）に替わる光源としての利用が
期待されている。

しかるに、第２図に示すように、レーザ出力端に例えば
集光用ロッドレンズ４Ｃを使用した場合、そのレンズか
らの戻り光がある場合、光ファイバレーザの出射端とレ
ンズの間に複合共振器が形成され、その出力スペクトラ
ムは、例えば第４図に示すような縦モード特性が出てし
まい、干渉を利用した計測システム用の光源などへの応
用ができなくなるという問題があった。

さて、第２図の例で、レーザの出射端とレンズ４０間の
間隙をｄ（μｍ）とすると、第４図に現われる縦モード
間隔Δλ（μｍ）は、一般に次式で与えられる。

ここに、λ０；レーザの発振波長、ｎｏ；間隙ｄの媒体
の屈折率である。

第２図の例では、λ、　＝１．０９μｍ、ｎｏ＝１（空
気）　、　　ｄ　＝０．６（ｍｍ）であるから、Δλ−
９，９Ｘｌ０−’μｍ−９，９人を得る。この計算値は
、実測値９．８人によく一致することが確認できた。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、レーザ共振器への戻り光の影響が極めて少な
く、滑らかな光スペクトラムが得られ、干渉を利用した
計測システム用の光源などへの応用可能な光ファイバレ
ーザ装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前述のような反射による影響を防止する方法として、本
発明では、（１）式に着目し、レーザ出射端とレンズ間
の間隙ｄを極端に狭めることにより、複合共振器に伴な
う縦モード間隔Ａλを充分に広くすることにより、レー
ザ出力スペクトラムの縦モードを除去するとともに、効
率よくレーザ光を外部へ取り出す手法を考案したもので
ある。

すなわち、光ファイバレーザの発振スペクトラムΔλ。

−約６５人に比較し、２桁以上広いＡλの条件Δλ〉〉
Δλ。として Δλ〉Δλ。ｘｌＯ２＝６５００　（Ａ）　　　（２）
を得る。

（１）、　（２）式より ｎ。

の条件式を得る。

さらに、ｄを極限まで狭めれば、ｄ＝０の条件が与えら
れる。結局、レーザ出力として滑らかなスペクトラムを
得る条件式として、 が得られた。具体例としてλ。−１，０９μｍに発振波
長を有する光ファイバレーザでは、（４）式は０≦ｄ　
＜５．９（μｍ　）　　　　　　　　　　　　（５）と
なり、その間隙は数μｍ以下であることが必要であるこ
とになる。

本発明のもう一つの要点である［効率よくレーザ出力を
取り出す点」については、端面が鏡面研磨され無反射コ
ーティングされた光ファイバを光学的に結合することに
より解決される。

この際、高精度の光コネクタを用いることにより、（４
）式の間隙の条件は、容易に満足させることができる。

また、両端面での反射をさらに減少させるため、間隙に
光学的に透明な媒体を充填することも可能である。

このようにして接続された光ファイバのもう一方の端面
からの反射による影響については、接続されたファイバ
の長さｌを一定以上の長さとすることにより、回避する
ことができる。

すなわち、接続された光ファイバの他端からの反射によ
る縦モード間隔Δλば で与えられる。ここにＮは接続された光ファイバの群屈
折率である。レーザの出力光を、接続された光ファイバ
を用いて自由に利用するには、少なくとも数十０ｍ以上
の長さが必要である。一方、２が極端に短い場合は、新
たな複合共振器が形成され、不要な縦モードが生じるこ
とになる。

そこで、！をある程度長くとることにより、Δλを十分
狭くし、実効的に連続的な発振スペクトラムを得る条件
を求める。第４図に示した各縦モードの発振線幅（半値
幅）は、１〜２人程程度あるから、これらが完全に重な
るためには、２λ〈〈１人　　　　　　　　　　　（７
）の条件が必要である。そこでΔλを各発振線幅より２
桁以上率さな値、すなわちΔλ＜０．０１人とすれば、 の条件式を得る。

例えば、発振波長λ。−１，０９μｍの光ファイバレー
ザでは、Ｎ＝１．４６６　とすると、１！　＞３．９８
Ｘ１０Ｓ（μｍ　）　　−３９，８ｃｍ　　　　　（９
）となる。

以上のように、本発明では、光ファイバレーザの出力端
に（４）式および（８）式で律則される光ファイバを接
続することにより、滑らかな発振スペクトラムを有する
光ファイバレーザ装置を提供できる。

以下、具体的な実施例について詳細に説明する。

（実施例） 尖旌炎二上 第１図は本発明の一実施例を示す構成図であって、１は
Ｎｄ添加単一モード光ファイバ、２ａ、　２ｂは光フア
イバ端面に直接形成された誘電体多層膜ミラー、３ａ、
　３ｂ、　３ａ’　、　３ｂ’　は光コネクタ、５ａ、
　５ｂは波長１．０９μｍに対する無反射誘電体多層膜
、６は希土類を含まない通常の単一モード光ファイバで
ある。

また第５図は光コネクタ３ｂと３ａ’のフェルール結合
部分を拡大し、模式的に示したもので、５ａ’は無反射
誘電体多層膜、７ａ、　７ｂはジルコニア製フェルール
、８ａ、　８ｂは単一モード光ファイバのコア、９は光
フアイバ接続部分の間隙、１′は希土類添加単一モード
光ファイバ素線、６′は通常の単一モード光ファイバ素
線である。また、Ｎｄの添加量は１８０ｐｐｍ、光ファ
イバｌの長さは１５．５ｍであった。

第５図において、各光フアイバ端面ば以下の手順で作製
された。まず、ジルコニア類２．５ｍｍφのフェルール
の中心に直径１２７　μｍφの小孔をあけ、これに光フ
ァイバを挿入して接着剤で固定した後、端面を鏡面加工
した。ついで、この端面をさらにパフ研磨により、ジル
コニアと光フアイバ素線の硬度差を利用し、第５図に示
すようにガラス端面部分をアルミナフェルール面よりへ
こむように加工した。

第７図は研磨を終了した後、表面粗さ計により、研磨端
面を中心軸に沿って測定した結果を示す。

パフ研磨によるへこみは０．２μｍであった。これに誘
電体多層膜ミラーを蒸着し、ＦＣコネクタを装着した。

これら二つのコネクタを光学的結合効率が最大になるよ
うに調整し、端面（ジルコニア部分）を互いに接触する
よう圧着固定した。このときの結合損失は０．１ｄＢ以
下であった。

また第５図の光フアイバ端面間の間隙ｄは、第７図に示
す測・定から約０．４　ｇｍであった。このような構成
により、レーザ共振ミラーを傷めず、安定な光ファイバ
レーザを構成することができた。

つぎに、接続された光ファイバの他の一方の端面の加工
について説明する。

第６図のフェルールは、第５図に示すものと同様の構造
であるが、無反射誘電体多層膜５ｄの端面からの反射を
防止するため、端面をθ−８°傾斜させて研磨したもの
である。端面を鏡面研磨した後、λに１．０９μｍで反
射率０．５％以下の誘電体多層膜無反射コーティングを
行った。また単一モード光ファイバ６の長さを２ｍとし
た。

以上の工程を経て、第１図に示すような光ファイバレー
ザ装置が構成された。

なおレーザ共振ミラー２ａ、　２ｂの特性は、下記の表
１の通りである。

表１ 第１図の装置を動作させるには、まず、ＧａＡ　Ｉ！、
Ａｓ半導体レーザを駆動し、集光レンズ４ｄを用いて光
ファイバ１に入射する。ここに、入射効率が最大となる
ように十分な位置調整を行う。この実施例では、ＧａＡ
　４２　Ａｓレーザ出力８０ｍ−のうち、最大２８％の
２２．４ｍＷが結合できた。波長１．０９μｍの発振出
力は１１．６篩であった。

第８図は、得られた光スペクトラムであり、半値幅は８
２Ａであった。第４図に示したような縦モード光は、観
測されず極めて滑らかな光スペクトラムが得られ、第１
図の光ファイハロの付加効果が確認できた。

実ｌ」（−１ 第２の実施例は第１図と同様の実験系で実験を行った。

この実施例では、第５図の光フアイバ接続部分の間隙９
に屈折率１．４７のエポキシ接着剤を充填し、フェルー
ル７ａ、　７ｂを圧着固定した。接着部を約８０°Ｃで
加熱硬化した後、第１の実施例と同一の工程でレーザ発
振実験を行った。光ファイハロの長さは１．２ｍとした
。得られた出力は１２．１ｍＷで、スペクトル幅は８２
人であった。出力スペクトラムは、第８図と同様の滑ら
かな発振スペクトラム特性が得られた。出力特性が改善
されたのは、間隙９での反射が軽減されたためである。

ル較皿上 第１の実施例において、間隙ｄを２５０μｍとし、同様
の発振実験を行った。その結果、２λ−２２人の縦モー
ドが観測され、所要の滑らかな出力光スペクトラムは得
られなかった。

ス１」トニ影 第３の実施例も、第１図の基本構成で実施した。

第９図は光ファイバレーザの出射端とこれに接続された
光ファイバの光学的結合部分の拡大図である。７ａ’　
＋　７ｂ’はジルコニア製フェルールであリ、その端面
ば曲率半径Ｒ＝６０＋ｎｍで鏡面研磨され、その鏡面上
に誘電体多層膜ミラーが蒸着されている。

フェルール７ａ’　、　７ｂ’の先端は、相互に接触す
る形で結合効率が最大となるよう配置されている。

レーザミラーの反射率は、下記の表２の通りとした。

表２ また光ファイバ１の長さは１２ｍ、光ファイバ６の長さ
は２．５ｍ、光ファイバ１のＮｄの添加量は２２０ｐｐ
ｍであった。光ファイバ１はパンダ構造をしており、コ
アとクラッドの屈折率差は０．５２％、複屈折率は２．
５ＸＩＯ−’であった。

その他の実験条件は、第１の実施例と同様である。

ＧａＡ　ｊ２　Ａｓレーザの光ファイバレーザへの結合
効率は４１％が得られ、３２．８ｍＷが結合した。波長
１．０９μｍでの発振出力は１７ｍＷ、レーザのしきい
値（吸収量）は１．８１であった。反射による縦モード
光は観測されず、半値幅７７人の滑らかな出力光スペク
トラムが得られた。なおこの実施例では、Ｎｄの例につ
いて記述したが、他の希土類元素添加光ファイバにも応
用できることは当然である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の光ファイバレーザ装置は
、光ファイバレーザへの戻り光による出力光スペクトラ
ルの乱れを効果的に抑制できるので、極めて滑らかな出
力光スペクトラムを得られるから、干渉を利用した各種
計測や光フアイバジャイロなどの光センサーに、高出力
の低コヒーレント光源を提供できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を説明するための光ファ
イバレーザの構成図、 第２図は従来装置の構成図、 第３図は戻り光が無い場合の光ファイバレーザ出力スペ
クトラムの例を示す図、 第４図は戻り光がある場合の光ファイバレーザの出力ス
ペクトラムの例を示す図、 第５図は第１、第２の実施例における光ファイバレーザ
出射端とこれに接続された光ファイバの端面の結合部分
の拡大図、 第６図は第１〜第３の実施例に用いた、接続された光フ
ァイバ６のもう一方の端面状態を説明する拡大図、 第７図は第１、第２の実施例に用いた光ファイバレーザ
出射側のフェルール端面およびこれに接続された光ファ
イバのフェルール端面の研磨状態の測定例を示す図、 第８図は第１の実施例で得られた光ファイバレーザの出
力スペクトラムを示す図、 第９図は光ファイバレーザの出射端とこれに接続された
光ファイバの光学的結合部の拡大図である。 １・・・希土類添加光ファイバ １′・・・希土類添加単一モード光ファイバ素線、２ａ
＋　２ｂ＋　２ｂ’・・・誘電体多層膜ミラー３ａ、３
ｂ、３ａ′、３ｂ′・・・光コネクタ５ａ、　５ｂ、　
５ａ’・・・無反射誘電体多層膜６・・・単一モード光
ファイバ ６′・・・単一モード光ファイバ素線 ７ａ＋　７ｂ＋　７ａ’　＋　７ｂ’・・・ジルコニア
製フェルール８ａ、　８ｂ・・・単一モード光ファ、イ
ハのコア９・・・光フアイバ端面間の間隙 特許出願人　　　日本電信電話株式会社代理人弁理士　
　　杉　　利　　暁　　六回　　弁理士　　　　杉　　
　村　　　興　　　作（畢■団）肥　　４ フェルｉダレ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、希土類元素を添加した単一モード光ファイバからな
   るレーザ発振媒体およびレーザ共振を生ぜしめる共振ミ
   ラーを備えた共振器系と、該発振媒体の希土類元素を励
   起するための光源とから構成される光ファイバレーザ装
   置であって、前記光ファイバの出射端に希土類を含まな
   い光ファイバが光学的に接続されており、該レーザ出射
   端と該光ファイバの受光端との間隙ｄが、光ファイバレ
   ーザの発振波長をλ＿０（μｍ）、前記間隙ｄに充填さ
   れた透明材料の屈折率をｎ＿０とし、 Ｏ≦ｄ＜０．７７×〈λ＿０＾２〉／〈ｎ＿０〉（μｍ
   ）の条件を満足するように配置され、光ファイレーザに
   接続された光ファイバの群屈折率をＮとし、該光ファイ
   バの長さｌが少なくともｌ＞５×１０＾４×〈λ＿０＾
   ２〉／〈Ｎ〉（μｍ）なる条件を満足させて構成したこ
   とを特徴とする光ファイバレーザ装置。