JP2004341448A - Optical device using double clad fiber - Google Patents

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JP2004341448A JP2003140913A JP2003140913A JP2004341448A JP 2004341448 A JP2004341448 A JP 2004341448A JP 2003140913 A JP2003140913 A JP 2003140913A JP 2003140913 A JP2003140913 A JP 2003140913A JP 2004341448 A JP2004341448 A JP 2004341448A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical device in which excited light is surely made incident at a high incident efficiency into a first clad 12 of a double clad fiber 1 in which a second clad 13 is composed in a porous structure. <P>SOLUTION: An incident region in which the exciting light propagates is formed, which is connected to a multimode type optical fiber stretched from an external exciting light source, at the incident end of a double clad fiber 2 having a single mode core 21 in which an amplifying medium is doped, a first clad 22 which covers the periphery of the single mode core 21 and a second clad 23 which is composed of a porous structure including a lot of fine pores 23a and covers the periphery the first clad 22. A non-tapered part which is formed with an outer diameter which is the same as the outer diameter of the multimode type optical fiber and a tapered part which is converged to the outer diameter of the first clad of the double clad fiber of the non-tapered part are formed on the incident end side of the incident region. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ファイバレーザ装置やASE光源装置として使用されるダブルクラッドファイバを備えた光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、光通信分野や光計測分野においてファイバレーザ装置やASE光源装置などが利用されている。これらの装置は、増幅媒質がドープされたコアを備えた光ファイバに励起光を入射することにより、反転分布形質を形成し、そこからの誘導放出を利用したものである。
【0003】
近年、上記増幅媒質をドープされたコアを有するダブルクラッドファイバの使用が実用化されている。ダブルクラッドファイバは、増幅媒質がドープされたシングルモードコアと、このシングルモードコアの周囲を被覆する第1クラッドと、この第1クラッドの周囲を被覆する第2クラッドとを備えている。また、上記ダブルクラッドファイバの1つに、上記第2クラッドを多数の細孔を含む多孔構造に構成したものも知られている(例えば特許文献1参照)。
【0004】
上記多孔構造に構成された第2クラッドの屈折率(実効屈折率)は、その空隙率に依存し、空隙率を大きくすれば第2クラッドの実効屈折率を小さくすることができる。このため、第2クラッドを多孔構造に構成したダブルクラッドファイバでは、上記空隙率を調整することにより、第1クラッドと第2クラッドとの比屈折率差を、従来のダブルクラッドファイバに比べて大きくすることができる。
【0005】
その結果、第2クラッドに多孔構造を有するダブルクラッドファイバは、内部を伝搬する励起光の開口数(NA:numerical aperture)を大きくすることができるという利点がある。
【0006】
このようなダブルクラッドファイバの第1クラッドに励起光を入射する方法として、第1クラッドの入射端に励起光光源装置から延設されたマルチモード型光ファイバを熱融着により、直接接続する技術が用いられていた。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−277669号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第2クラッド層に多孔構造を有するものも含めてダブルクラッドファイバを用いた光学装置では、以下のような問題があった。即ち、上記光学装置を用いて高出力のレーザ光やASE光を出力しようとする場合、入射される励起光の出力を大きくする必要がある。近年、上記光学装置の高出力化に伴い、5Wを越えるような大出力のマルチモードレーザダイオード(以下、「MMLD」という。)励起光光源も使用されている。
【0009】
MMLD励起光光源の大出力化に伴って、該光源から上記光学装置の入射端に励起光を導くためのマルチモード型光ファイバ(以下、「光源MMF」ともいう。)のコア径も大口径化している。例えば、上記5W程度の出力を有するMMLD励起光光源に使用される光源MMFのコア径は、約200μmにも達する。
【0010】
一方、上記光学装置に使用されているダブルクラッドファイバの第1クラッドの外径は、通常、100μm以下であって、例えば約75μm程度と比較的細く形成されている。これは、使用されるダブルクラッドファイバの励起光/信号光(出力光)変換効率を向上させるうえで、上記第1クラッドの断面積をできるだけ小さくする方が有利だからである。
【0011】
このため、図9に示すように、上記光源MMF81の出射端を上記ダブルクラッドファイバ80の入射端にそのまま融着接続すると、光源MMF81のコア部82とダブルクラッドファイバ80の第1クラッド83との接合面における重なりが少なく、励起光のすべてを第1クラッド83内に入射することができない。そのため、融着部において励起光にかなりのロスが生じることになる。
【0012】
そこで、図10に示すように、光源MMF91に出射端に向かって先細り状にテーパ加工を施し、出射端におけるコア92の外径を上記第1クラッド93の外径に合わせて融着接続する技術も開発されている。この技術によれば、光源MMF91のコア92を伝搬する励起光の大半を上記ダブルクラッドファイバ90の第1クラッド93内に入射できることになる。
【0013】
しかし、光源MMF91にテーパ加工を施す技術においても、以下の問題があった。即ち、テーパ加工が施された光源MMF91は、上記ダブルクラッドファイバ90の第1クラッド93と接合するために、適当な外径を有する部位で切断する必要がある。しかし、通常のファイバカッターを用いてテーパ状のファイバを切断する際、切断面を軸心に対し垂直となるように切断することが非常に困難であるという問題があった。
【0014】
また、切断面を軸心に対して垂直になるよう切断できた場合であっても、そもそも上記テーパ加工が施された光源MMF91の出射端の外径と、上記ダブルクラッドファイバ90の入射端の外径との差が大きいため、両ファイバの軸心を合わせることが困難であった。更に、大きな外径差を有する両光ファイバを融着する場合、その外径差に伴う表面張力のズレが発生し、軸ズレが発生することがある。
【0015】
また、融着時の熱により、上記第2クラッド94が入射端付近で潰れてしまうおそれがあった。その結果、ダブルクラッドファイバ90の入射端近傍に第2クラッド94の存在しない領域が形成されてしまう。このように入射端付近で第2クラッド94が潰れてしまうと、上記光源MMF91の出射端から出射された励起光の一部が第1クラッド93内に入らず、第2クラッド94の外側へ漏れてしまうといった光漏れの問題があった。
【0016】
更に、テーパ加工された光源MMF91の先端部近傍はかなり細いため、上記ダブルクラッドファイバ90の入射端と突き合わせたときに折れ曲がってしまい、接続不良による歩留まりが極端に悪くなるといった問題もあった。
【0017】
そこで本発明は、上記問題に鑑みて為されたものであり、上記大口径の光源MMFのテーパ加工を不要とすることで、先端面切断や軸心合わせの困難性を解消し、且つ、MMLD励起光光源から出射された励起光を確実に上記ダブルクラッドファイバの第1クラッド内に入射させることが可能な光学装置の実現を目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光学装置は、増幅媒質がドープされたシングルモードコアと、上記シングルモードコアの周囲を被覆する第1クラッドと、及び多数の細孔を含む多孔構造で構成され、上記第1クラッドの周囲を被覆する第2クラッドとを有するダブルクラッドファイバを用いる。上記ダブルクラッドファイバの入射端には、外部の励起光光源から延設されたマルチモード型光ファイバと接続されて、励起光を伝搬する入射領域が形成されている。該入射領域の入射端側には上記マルチモード型光ファイバと接続可能な形状に形成された非テーパ部と、上記非テーパ部から上記ダブルクラッドファイバの第1クラッドの外径に収束するようにテーパ部が形成されている。上記テーパ部の出射端側は、上記ダブルクラッドファイバの第1クラッドと光学的に接続されている。
【0019】
この構成によれば、外部の励起光光源から延設されたマルチモード型光ファイバは、その出射端にテーパ加工を施すことなく、上記光学装置のダブルクラッドファイバと良好に接続することができる。即ち、上記ダブルクラッドファイバに入射領域を形成し、該入射領域の入射端側には上記マルチモード型光ファイバと接続可能な形状に形成された非テーパ部を形成し、上記光源MMFの出射端と接続する。入射領域の入射端側を上記マルチモード型光ファイバに合わせて形成することにより、上記光源MMFの出射端にテーパ加工を施す必要がなくなるため、光源MMFの出射端面の切断加工が容易になる。
【0020】
更に上記非テーパ部の出射端側から上記ダブルクラッドファイバの第1クラッドの外径に収束するようにテーパ部が形成されていることにより、上記光源MMFから非テーパ部に入射された励起光は、テーパ部内を伝搬しながら絞り込まれて確実に上記第1クラッド内に入射される。テーパ部から第1クラッド内に入射された励起光は、全反射を繰り返しながら第1クラッド内を伝搬する。励起光は第1クラッド内のシングルモードコアを透過する度に、ドープされている増幅媒質を励起して誘導放出を生起させ、その結果、ダブルクラッドファイバの出射端から所望のレーザ光を得ることができる。
【0021】
また、本発明に係る光学装置は、増幅媒質がドープされたシングルモードコアと、上記シングルモードコアの周囲を被覆する第1クラッドと、及び多数の細孔を含む多孔構造で構成され、上記第1クラッドの周囲を被覆する第2クラッドとを有するダブルクラッドファイバを用いる。上記ダブルクラッドファイバの入射端には、外部の励起光光源から延設されたマルチモード型光ファイバと接続されて、励起光を伝搬する入射領域が形成されている。該入射領域の入射端側には上記マルチモード型光ファイバの外径と同径に形成された非テーパ部と、上記非テーパ部から上記ダブルクラッドファイバの第1クラッドの外径に収束するようにテーパ部が形成されている。上記テーパ部の出射端側は、上記ダブルクラッドファイバの第1クラッドと光学的に接続されている。
【0022】
この構成によれば、外部の励起光光源から延設されたマルチモード型光ファイバは、その出射端にテーパ加工を施すことなく、上記光学装置のダブルクラッドファイバと良好に接続することができる。即ち、上記ダブルクラッドファイバに入射領域を形成し、該入射領域の入射端側には上記マルチモード型光ファイバの外径と同径に形成された非テーパ部を形成し、上記マルチモード型光ファイバの出射端と接続する。上記入射領域の入射端側を上記マルチモード型光ファイバの出射端にテーパ加工を施す必要がなくなる。そのため、上記マルチモード型光ファイバの出射端面の切断加工が容易になる。また、上記マルチモード型光ファイバの出射端の外径と上記非テーパ部の外径が一致しているため、融着時に加熱ムラを少なくすることができ、軸ズレを小さくすることができる。
【0023】
更に上記非テーパ部の出射端側から上記ダブルクラッドファイバの第1クラッドの外径に収束するようにテーパ部が形成されていることにより、上記光源MMFから非テーパ部に入射された励起光は、テーパ部内を伝搬しながら絞り込まれて確実に上記第1クラッド内に入射される。テーパ部から第1クラッド内に入射された励起光は、全反射を繰り返しながら第1クラッド内を伝搬する。励起光は第1クラッド内のシングルモードコアを透過する度に、ドープされている増幅媒質を励起して誘導放出を生起させ、その結果、ダブルクラッドファイバの出射端から所望のレーザ光を得ることができる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学装置によれば、大口径の光源MMFにテーパ加工を施すことなくダブルクラッドファイバの入射領域に融着接続することができるため、ファイバの先端面の切断や軸心合わせの困難性を解消することができ、歩留まりよく光源MMFとダブルクラッドファイバとを接続することができる。
【0025】
また、本発明の光学装置によれば、上記入射領域の非テーパ部に入射された励起光を、入射領域のテーパ部を介して確実にダブルクラッドファイバの第1クラッド内に伝搬させることができる。従って、上記光学装置は低損失で励起光光源と接続することができ、励起光を有効に利用することにより高効率で所望の出力光を得ることができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。本実施形態に係る光学装置1は、ファイバレーザ装置やASE光源装置等に使用される。
【0027】
図1は、本実施形態の光学装置に用いられるダブルクラッドファイバ1を示している。このダブルクラッドファイバ2は、ファイバの軸心部に軸方向に延びるシングルモードコア21と、このシングルモードコア21の周囲を被覆する第1クラッド22と、この第1クラッド22の周囲を被覆する第2クラッド23と、この第2クラッド23の周囲を被覆するサポート層24と、サポート層24の外周囲を被覆する被覆層25とを備えている。
【0028】
このダブルクラッドファイバ2では、伝搬光が上記シングルモードコア21内を伝搬する一方、励起光が第1クラッド22内を伝搬する。
【0029】
本実施形態において、上記シングルモードコア21、第1クラッド22、第2クラッド23、及びサポート層24はそれぞれ石英製であるのに対し、被覆層25は樹脂製である。被覆層25に使用される樹脂としては、例えば紫外線硬化型樹脂等が用いられる。
【0030】
上記シングルモードコア21は、第1クラッド22の屈折率よりも高くなるようにGe等がドープされていると共に、増幅媒質がドープされている。該増幅媒質は、上記第1クラッド22内を伝搬する励起光によって励起され反転分布形質を形成し、そこから誘導放出光を発する。本発明に係る光学装置は、上記シングルモードコア21内に生じた誘導放出光を利用するものである。増幅媒質としては、例えば、Er、Nd,Yb等の希土類元素の中から適宜選択される。
【0031】
上記第1クラッド22は、上記シングルモードコア21の周囲を囲みながら、ファイバ軸方向に延びるように形成されており、その断面形状が円形状とされている。尚、本実施形態では、第1クラッド22の断面形状を円形状とするが、この断面形状は円形状に限らず、例えば六角形状、三角形状、矩形状等の多角形状や、楕円形状等に形成してもよい。また、円形の一部を切り欠いた形状とすることも可能である。
【0032】
上記第2クラッド23は、上記第1クラッド22の周囲を囲みながら、ファイバ軸方向に延びて形成されている。本発明の第2クラッド23は、ファイバ軸方向に延びる多数の細孔23aを含んだ多孔構造に構成されている。この各細孔23aは、ファイバ断面において周方向に略均一に配設されている。
【0033】
上記多孔構造を有する第2クラッド23の屈折率(実効屈折率)は、空隙率、つまり、第2クラッド23領域の全体積に対する孔23aの体積の割合に依存し、空隙率が大きい程、第2クラッド23の実効屈折率は小さくなる。この第2クラッド23の外側にサポート層が形成されている場合、サポート層によってファイバの機械的強度を担保することができるため、上記空隙率をかなり大きくすることができる。そのため、第2クラッド23を多孔構造にすることで、この第2クラッド23を中実構造で構成する場合に比べて、励起光に対する開口数(NA)を大幅に大きくすることができる。
【0034】
上記サポート層24は、上記第2クラッド23の周囲を囲むように形成されており、このサポート層24によって、多孔構造の第2クラッド23を保護すると共に、ダブルクラッドファイバ2の機械的強度を向上するようにしている。
【0035】
このように、第2クラッド23が多孔構造に構成されたダブルクラッドファイバ2は、プリフォームを加熱・延伸してファイバ状に延伸することによって製造される。具体的に、プリフォームは、次の手順に従って作成される。
【0036】
先ず、断面略円形状の円管状のサポート管を1本用意すると共に、コア用ロッド(中実棒)を1本、多数本の第1クラッド用ロッド及び第2クラッド用キャピラリ(中空棒)とをそれぞれ用意する。これら各部材はすべて石英で形成されており、上記コア用ロッドには、上記増幅媒質がドープされている。
【0037】
そして、上記サポート管内の中心位置に上記コア用ロッドを配置し、このコア用ロッドの周囲に、複数本の第1クラッド用ロッドを規則的に配置する。このとき、成形後の第1クラッド部が、断面略円形状となるように、第1クラッド用ロッドを上記コア用ロッドの周囲に略最密に配設することが好ましい。
【0038】
次に、上記第1クラッド用キャピラリと上記サポート管の内周面との間に、多数本の第2クラッド用キャピラリを規則的に配置する。尚、コア及び第1クラッド用ロッド、並びに第2クラッド用キャピラリを配置する順序は、適宜変更してもよい。
【0039】
このようにサポート管に各ロッドとキャピラリが充填された状態で、全体を加熱する。加熱温度が所定温度以上になると各ロッド、キャピラリ、及びサポート管が溶着し、各部材間の間隙が緻密化されてプリフォームが完成する。このプリフォームを、線引き炉で加熱・延伸してファイバ化する。
【0040】
上記プリフォームのコア用ロッドに対応する部分が、ダブルクラッドファイバのシングルモードコアを、プリフォームの第1クラッド用ロッドに対応する部分が、ダブルクラッドファイバの第1クラッドを、プリフォームの第2クラッド用各キャピラリに対応する部分が、ダブルクラッドファイバの細孔を備えた第2クラッドを、サポート管に対応する部分が、ダブルクラッドファイバのサポート層を、それぞれ形成する。そして、このファイバの外周囲に被覆材を塗布することで、ダブルクラッドファイバ2の被覆層を形成する。この被覆層の形成は、線引きの際に行ってもよい。
【0041】
このようにして、第2クラッド23が多孔構造に構成されたダブルクラッドファイバ2が製造される。
【0042】
尚、プリフォームは、コア用ロッド及び第1クラッド用ロッドを用いて作成する代わりに、コア部とクラッド部(第1クラッド部)とを有する第1プリフォームを作成し、この第1プリフォームを用いて作成してもよい。
【0043】
即ち、上記第1プリフォームを、例えばVAD法、OVD法、ロッドインチューブ法等の公知の方法により作成し、この第1プリフォームをサポート管内の略中心位置に配設する。次いで、この第1プリフォームとサポート管の内周面との間に、多数の第2クラッド用キャピラリを配設する。こうすることでも、コア部、第1及び第2クラッド部を有するプリフォームを形成することができる。
【0044】
図2は、実施形態に係る光学装置1を示している。
【0045】
この光学装置1は、上記ダブルクラッドファイバ2を有し、該ダブルクラッドファイバ2の入射端26側には、入射領域3が形成されてなる。
【0046】
上記入射領域3は、外部の励起光光源(図2では図示せず。)から延設された光源MMF(図2では図示せず。)と接続される。入射領域3は、ダブルクラッドファイバ2と同様、石英材料で形成されている。
【0047】
該入射領域3には、上記光源MMFの外径と同径に形成された非テーパ部3aが形成されている。また、上記非テーパ部3aから上記ダブルクラッドファイバ2の第1クラッド22の外径に収束するようにテーパ部3bが形成されている。該テーパ部3bの形状について、テーパの角度は軸心に対して約10°以下の滑らかなテーパ状となることが好ましい。テーパの角度があまり大きすぎると、テーパ部を伝搬する励起光のテーパ部の内壁面への入射角が臨界角以下となり、励起光がテーパ部内で全反射せずに外部へ放出されてしまうおそれがある。
【0048】
上記テーパ部3bは、上記ダブルクラッドファイバ2の第1クラッド22と光学的に接続されている。上記入射領域3は、後に説明する製造方法により、該第1クラッド22と一体に形成されることが好ましい。
【0049】
上記第1クラッド22の周囲には、多孔構造を有する第2クラッド23が形成されており、第2クラッド23の周囲には、サポート層24が形成されている。
【0050】
また、サポート層24の周囲には、紫外線硬化型樹脂などからなる被覆層25が形成されている。上記ダブルクラッドファイバ2の他端は、出射端27とされている。
【0051】
次に、本実施形態に係る光学装置の製造方法について説明する。
【0052】
図3の(a)に示すように、上記方法で形成された全長にわたって均一なダブルクラッドファイバ2を用意する。このダブルクラッドファイバ1の長さは、特に限定させるものではなく、光学装置の用途や要求される性能に応じて決定される。
【0053】
図3の(b)に示すように、上記ダブルクラッドファイバ2の中間部において、適当な長さの範囲にわたり被覆層25を除去する。除去する方法は特に限定されるものではないが、内部のファイバに傷等を付けないような適当な方法が選択される。
【0054】
図3の(c)に示すように、上記被覆層が除去された領域にコラプス処理を施して、上記第2クラッド23を構成する上記細孔23aをすべて潰してしまう。
【0055】
具体的には、この領域をバーナ等の適当な加熱手段により加熱する。これにより、ダブルクラッドファイバ2を構成する石英材料全体が半溶融状態となり、界面張力により上記細孔23aが押しつぶされる。これにより、上記サポート層24、第2クラッド23の細孔23a以外の部位、及び第1クラッド22が一体化する。上記シングルモードコア21は中実であるため、何ら変化することはない。
【0056】
このように、コラプス処理により、ダブルクラッドファイバ2の一部にシングルモードファイバ型構造を備えた領域4(以下、「コラプス領域4」ともいう。)が形成される。コラプス領域4は、その両端部に若干テーパ状の領域が残るが、全域にわたり概ね同径に形成される。コラプス領域4は、接続される光源MMFの外径と同径になるように形成される。
【0057】
次に、図3の(d)に示すように、上記コラプス領域4の出射端側にテーパ加工を施す。該テーパ加工は、フッ化水素などによりエッチング処理を用いることが好適である。
【0058】
具体的には、図4に示すように、一部を切り欠いたフッ素樹脂製チューブ5の略軸心上であって、上記コラプス領域4とダブルクラッドファイバ2の出射端側との境界部が該フッ素樹脂製チューブ5の長手方向の略中央に位置するようにファイバを固定する。この状態で、切欠部5aからフッ化水素をフッ素樹脂製チューブ5内に注入する。表面張力の作用により、フッ素樹脂製チューブ5の中央部には、その両端部と比較して相対的に多量のフッ化水素が貯留される。
【0059】
この状態で静置すると、上記石英製の光ファイバは、外周面から軸心に向かって溶解してゆく。光ファイバの移動やフッ化水素の対流が少ない状態において、相対的に貯留量に少ない両端部から中央部にかけて、フッ化水素と石英の反応が順次飽和状態に達して停止する。その結果、上記コラプス領域において、入射端側からダブルクラッドファイバ2との境界部に向かって先細りの平滑なテーパ部3bが形成される。ここで形成されるテーパ部3bの出射端側の外径は、上記第1クラッド22の外径と等しいか、あるいはそれよりも小さいことが必要である。
【0060】
図3の(e)に示すように、上記非テーパ部3aを形成するため、上記コラプス領域4の上記テーパ加工が施されていない領域で切断する。テーパ加工が施されていない領域は外径部が軸線と平行であるため、切断面を軸線に対して垂直に切断する。
【0061】
このように形成された光学装置1の入射領域3に、光源MMF32の出射端が溶融接続される。
【0062】
図3の(f)に示すように、上記入射領域3の非テーパ部3bの外径と、光源MMF32の外径がほぼ一致しているため、軸心合わせが容易であり、且つ、加熱時の径の違いによって生じる表面張力による捻れが生じないため、軸ズレが生じることもない。光源MMF32もテーパ加工を施す必要がなく、出射端の切断の困難性等従来の問題を解決することができる。
【0063】
【実施例】
以下、本発明に係る光学装置の具体的な実施例について、図面を用いて説明する。
【0064】
<実施例1>
図5は、本発明に係る光学装置1を用いたファイバレーザ装置30の構成図である。
【0065】
本実施例のファイバレーザ装置30は、上記本発明に係る光学装置1、MMLD励起光光源31、光源MMF32、励起光透過/戻り光反射フィルタ33、シングルモードファイバ34、アイソレータ35等から構成されている。
【0066】
MMLD31は、光源MMF32を介して上記光学装置1に励起光を供給する。光源MMF32は、大きなコア径を有する大口径マルチモードファイバであって、本実施例のコア径は200μm程度である。このように、光源MMF32に大口径マルチモードファイバを使用することにより、MMLD励起光光源31の出力を大きくすることができる。
【0067】
光源MMF32は、励起光透過/戻り光反射フィルタ33を介して上記光学装置1の入射領域に接続されている。励起光透過/戻り光反射フィルタ33は、上記光源MMF32から出射される励起光を上記光学装置1の入射領域3へ透過するが、入射領域3から光源MMF32に向かって出射される特定波長の戻り光は、透過させずに反射する機能を有する。
【0068】
本実施例において戻り光は、次のような原理で発生する。図8に示すように、ダブルクラッドファイバの第1クラッド22に入射された励起光6は、第2クラッド23との界面で全反射を繰り返しながら伝搬してゆく。励起光6がシングルモードコア21を横切って透過する際、ドープされている増幅媒質において電子が励起される。本実施例に係るファイバレーザ装置30では、シングルモードコア、励起光透過/戻り光反射フィルタ33及びファイバグレーティング36で共振器が形成されているため、上記ダブルクラッドファイバ中では双方向に信号光が発生しており、双方向に自然放出光を誘導放出される。
【0069】
この入射端方向への自然放出光は、戻り光として上記MMLD励起光光源31に入射され、MMLD励起光光源31に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、上記励起光透過/戻り光反射フィルタ33で、自然放出光を出射端側に反射する必要がある。
【0070】
本実施例において、励起光透過/戻り光反射フィルタ33は、ダブルクラッドファイバ2のシングルモードコア21内で励起された広い波長帯域を有する光を完全に反射させるために、広い反射波長帯域を有することが好ましい。
【0071】
例えば、本実施例において使用される励起光透過/戻り光反射フィルタ33では、すべての戻り光を1mW以下にするものが望ましく、また、励起光透過/戻り光反射フィルタ33が透過させるのは、励起光波長の±20nm程度であることが望ましい。これにより戻り光をほぼ100%反射することができる。
【0072】
上記励起光透過/戻り光反射フィルタ33の出射端側には、上記光学装置1の入射領域3が接続されている。該光学装置1の出射端27側には、シングルモードファイバ34が接続されている。該シングルモードファイバ34のコアは、上記ダブルクラッドファイバ2のシングルモードコア21と光学的に接続されている。
【0073】
上記シングルモードファイバ34のコアには、ファイバグレーティング36が形成されている。ファイバグレーティング36は、シングルモードファイバ34のコアの屈折率を周期的に変化させて形成する。ファイバグレーティング36は、屈折率の変調周期に対応した波長の光を選択的に反射する機能を有する。
【0074】
上記ファイバグレーティング36は、上記励起光透過/戻り光反射フィルタ33に比較して狭い反射波長帯域を有している。例えば、本実施例において使用されるファイバグレーティング36は、0.1〜1.0(nm)となるよう設定されることが好ましい。ファイバグレーティング36の反射波長帯域によって、出力されるレーザ光の発振波長が決定される。
【0075】
上記ファイバグレーティング36の先には、アイソレータが接続されている。
【0076】
アイソレータ35は、上記光学装置1の出射端27から出射されたレーザ光は透過するが、外部から光学装置1に向かって入射される光を遮断し、上記励起光透過/戻り光反射フィルタ33及びファイバグレーティング36以外の反射による発振を抑制する。
【0077】
このように構成されたファイバレーザ装置30は、以下のようにレーザ光を発生する。
【0078】
上記MMLD励起光光源31から出射された励起光は、光源MMF32を伝搬してゆき、励起光透過/戻り光反射フィルタ33を透過して光学装置1の入射領域3に入射される。本実施例では、光源MMF32と入射領域3の上記非テーパ部3aとの外径がほぼ一致しているため、上記励起光の略100%が入射領域3に入射され接続損失がほとんどない。
【0079】
入射領域3に入射した励起光は、入射領域内を非テーパ部3aからテーパ部3bへと伝搬してゆき、絞り込まれて上記ダブルクラッドファイバ2の第1クラッド22内に入射される。本発明において、上記非テーパ部3aから上記ダブルクラッドファイバ2の第1クラッド22の外径に収束するようにテーパ部3bが形成されているため、入射領域3に入射された励起光は、第2クラッド23やサポート層24に漏れることなく確実に第1クラッド22に入射される。
【0080】
上記説明したとおり、第1クラッド22内に入射された励起光は、第2クラッド23との界面で全反射を繰り返しながら伝搬してゆく。励起光6がシングルモードコア21を横切って透過する際、該シングルモードコア21にドープされている増幅媒質から励起光6と異なる波長を有する自然放出光が発生する。
【0081】
自然放出光は、光学装置1のダブルクラッドファイバ2の出射端27からシングルモードファイバ34のコアに出射される。誘導放出光の戻り光も上記励起光透過/戻り光反射フィルタ33で反射され、上記シングルモードファイバ34のコアに入射される。
【0082】
シングルモードファイバ34のコアに入射された上記自然放出光は、コア内を伝搬してゆき、ファイバグレーティング36に達する。自然放出光のうち、該ファイバグレーティング36の反射波長帯に含まれる波長を持つものは反射され、再びダブルクラッドファイバ2のシングルモードコア21に入射される。
【0083】
このファイバグレーティング36と上記励起光透過/戻り光反射フィルタ33との間に共振器が形成されており、反射された自然放出光によっても誘導放出される。つまり、本実施例に係るファイバレーザ装置では、上記ファイバグレーティング36と励起光透過/戻り光反射フィルタ33との間で共振が生じ、繰り返し誘導放出されることによりレーザ発振し、高出力レーザ光が取り出される。
【0084】
本実施例によれば、MMLD励起光光源31の励起光はほとんど損失せずに増幅媒質を励起することができるため、高い効率で高出力レーザ光を取り出すことができる。
【0085】
具体的に本実施例に係るファイバレーザ装置において、Ybがドープされた長さ20mの上記ダブルクラッドファイバを使用し、出力3Wで波長980nmの励起光を入射した場合、ファイバレーザ装置の出力端からは出力2Wで波長1085nmのファイバレーザ出力が得られた。また、本実施例に係るファイバレーザ装置において、上記励起光は、約95%という高い利用効率で利用されていることがわかった。
【0086】
<実施例2>
図6は、本発明に係る光学装置1を用いたASE光源装置40の構成図である。
【0087】
本実施例のASE光源装置40は、上記実施例1のファイバレーザ装置と基本的に同じ構成を有する。実施例1のファイバレーザ装置と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。上記ファイバレーザ装置と異なる点として、シングルモードファイバ34にファイバグレーティングが入っていないこと、上記励起光透過/戻り光反射フィルタ33がファイバの軸心方向に対してθの角度で傾いている場合があることが挙げられる。
【0088】
MMLD励起光光源31で発生した励起光は、本発明に係る上記光学装置1により、効率よく上記ダブルクラッドファイバ2の第1クラッドに入射される。第1クラッドに入射された励起光は、ドープされている増幅媒質を励起することにより、自然放出光を発生させる。
【0089】
励起光透過/戻り光反射フィルタ33は、通常、6°以上の角度θを持って設置されている場合が多い。つまり、戻り光が励起光透過/戻り光反射フィルタ33で反射され、シングルモードコアに再入射されることによる発振を防ぐためである。これにより、本実施例に係るASE光源装置の出力端からは、上記シングルモードコアで発生する広い波長帯を有する自然放出光のみを取り出すことができる。
【0090】
具体的に本実施例に係るASE光源装置において、Ybがドープされた長さ20mのダブルクラッドファイバ2使用し、出力3Wで波長980nmの励起光を入射した場合、ASE光源装置の出力端からは、波長帯域が1010〜1130(nm)で800mWの自然放出光が得られた。また、本実施例に係るASE光源装置において、上記励起光は、約95%という高い利用効率で利用されていることがわかった。
【0091】
<実施例3>
図6は、本発明に係る光学装置1を用いた光アンプ装置50の構成図である。
【0092】
本実施例の光アンプ装置50は、上記実施例1のファイバレーザ装置と基本的に同じ構成を有する。実施例1のファイバレーザ装置と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。上記ファイバレーザ装置と異なる点として、上記ファイバグレーティングを備えていないこと、上記アイソレータに代えて入射ポート37aと出射ポート37bを備えたサーキュレータ37を備えていることが挙げられる。
【0093】
MMLD励起光光源31で発生した励起光は、本発明に係る上記光学装置1により、効率よく上記ダブルクラッドファイバ2のシングルモードコアに入射される。
【0094】
一方、上記サーキュレータ37の入射ポート37aへは、伝送路からの信号光が入射される。信号光は上記シングルモードファイバ34からダブルクラッドファイバ2のシングルモードコアに入射される。該シングルモードコア内に入射された信号光は、ドープされた増幅媒質とMMLD励起光光源31からの励起光の作用を受けて増幅される。増幅されて励起光透過/戻り光反射フィルタ33に到達した信号光は、反射されてシングルモードコアに再入射される。シングルモードコア内に再入射された信号光は、再び、増幅媒質と励起光の作用を受けて増幅され、上記シングルモードファイバ34に入射される。増幅されてシングルモードファイバ34を伝搬する信号光は、上記サーキュレータ37の出射ポート37bから出力され、再び伝送路で伝送される。このように本発明に係る光学装置1は、光アンプ装置として使用することができる。
【0095】
具体的に本実施例に係る光アンプ装置において、Ybがドープされた長さ20mのダブルクラッドファイバ2使用し、出力3Wで波長980nmの励起光を入射した場合、上記サーキュレータ37の入射ポート37aから入射された0.1mWの信号光は、上記サーキュレータ37の出射ポート37bから100Wに増幅された信号光として出力することができた。また、本実施例に係る光アンプ装置において、上記励起光は、約95%という高い利用効率で利用されていることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るダブルクラッドファイバの構成図である。
【図2】本発明に係る光学装置の構成を示す概念図である。
【図3】本発明に係る光学装置の製造工程を示す概念図である。
【図4】エッチング処理の概要を示す概略図である。
【図5】本発明の実施例に係るファイバレーザ装置の構成図である。
【図6】本発明の実施例に係るASE光源装置の構成図である。
【図7】本発明の実施例に係る光アンプ装置の構成図である。
【図8】戻り光の発生の原理を示す概念図である。
【図9】従来のダブルクラッドファイバの接続状態を示す概念図である。
【図10】従来のダブルクラッドファイバの接続状態を示す概念図である。
【符号の説明】
1 光学装置
2 ダブルクラッドファイバ
21 シングルモードコア
22 第1クラッド
23 第2クラッド
24 サポート層
25 被覆層
3 入射領域
3a 非テーパ部
3b テーパ部
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical device having a double clad fiber used as, for example, a fiber laser device or an ASE light source device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, fiber laser devices, ASE light source devices, and the like have been used in the optical communication field and the optical measurement field. In these devices, an excitation light is incident on an optical fiber having a core doped with an amplification medium, thereby forming a population inversion characteristic and utilizing stimulated emission therefrom.
[0003]
In recent years, the use of a double-clad fiber having a core doped with the amplification medium has been put to practical use. The double-clad fiber has a single mode core doped with an amplification medium, a first clad covering the periphery of the single mode core, and a second clad covering the periphery of the first clad. Further, as one of the double-clad fibers, a fiber in which the second clad has a porous structure including a large number of pores is also known (for example, see Patent Document 1).
[0004]
The refractive index (effective refractive index) of the second clad having the porous structure depends on its porosity, and the larger the porosity, the smaller the effective refractive index of the second clad. For this reason, in the double clad fiber in which the second clad has a porous structure, by adjusting the porosity, the relative refractive index difference between the first clad and the second clad is larger than that of the conventional double clad fiber. can do.
[0005]
As a result, a double-clad fiber having a porous structure in the second clad has an advantage that the numerical aperture (NA) of pump light propagating inside can be increased.
[0006]
As a method of injecting excitation light into the first clad of such a double-clad fiber, a technique of directly connecting a multi-mode optical fiber extended from an excitation light source device to the incident end of the first clad by thermal fusion. Was used.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-277669
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, optical devices using double-clad fibers, including those having a porous structure in the second clad layer, have the following problems. That is, when it is desired to output high-power laser light or ASE light using the optical device, it is necessary to increase the output of incident excitation light. In recent years, with the increase in output of the optical device, a multi-mode laser diode (hereinafter, referred to as “MMLD”) excitation light source having a large output exceeding 5 W has been used.
[0009]
As the output of the MMLD pumping light source increases, the core diameter of a multimode optical fiber (hereinafter, also referred to as “light source MMF”) for guiding the pumping light from the light source to the incident end of the optical device also increases. Is becoming For example, the core diameter of the light source MMF used for the MMLD pumping light source having an output of about 5 W reaches about 200 μm.
[0010]
On the other hand, the outer diameter of the first clad of the double clad fiber used in the optical device is usually 100 μm or less, and is relatively thin, for example, about 75 μm. This is because it is advantageous to reduce the cross-sectional area of the first clad as much as possible in order to improve the conversion efficiency of pump light / signal light (output light) of the double clad fiber used.
[0011]
For this reason, as shown in FIG. 9, when the emission end of the light source MMF81 is fusion-bonded to the incidence end of the double clad fiber 80 as it is, the core 82 of the light source MMF81 and the first clad 83 of the double clad fiber 80 are connected. The overlap at the bonding surface is small, and all of the excitation light cannot enter the first clad 83. Therefore, a considerable loss occurs in the excitation light at the fusion joint.
[0012]
Therefore, as shown in FIG. 10, a technique of tapering the light source MMF 91 toward the emission end so that the outer diameter of the core 92 at the emission end matches the outer diameter of the first clad 93 and fusion-spliced. Has also been developed. According to this technique, most of the pumping light propagating through the core 92 of the light source MMF 91 can enter the first clad 93 of the double clad fiber 90.
[0013]
However, the following problem also occurs in the technique of performing the taper processing on the light source MMF91. That is, the tapered light source MMF 91 needs to be cut at a portion having an appropriate outer diameter in order to join the light source MMF 91 to the first clad 93 of the double clad fiber 90. However, when cutting a tapered fiber using a normal fiber cutter, there is a problem that it is very difficult to cut the cut surface so as to be perpendicular to the axis.
[0014]
Further, even if the cut surface can be cut perpendicular to the axis, the outer diameter of the light-emitting end of the light source MMF 91 that has been subjected to the taper processing and the incident end of the double-clad fiber 90 in the first place. Because of the large difference from the outer diameter, it was difficult to align the axes of both fibers. Furthermore, when both optical fibers having a large difference in outer diameter are fused, a deviation in surface tension occurs due to the difference in outer diameter, and an axial deviation may occur.
[0015]
Further, the second clad 94 may be crushed near the incident end due to heat at the time of fusion. As a result, a region where the second clad 94 does not exist is formed near the incident end of the double clad fiber 90. When the second clad 94 is crushed in the vicinity of the incident end, a part of the excitation light emitted from the emission end of the light source MMF 91 does not enter the first clad 93 and leaks to the outside of the second clad 94. There was a problem of light leaking.
[0016]
Furthermore, since the vicinity of the tip of the light source MMF 91 which has been tapered is very thin, it is bent when the light source MMF 91 is brought into contact with the incident end of the double clad fiber 90, resulting in a problem that the yield is extremely deteriorated due to poor connection.
[0017]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and eliminates the need for tapering of the large-diameter light source MMF, thereby eliminating the difficulty of cutting the front end face and aligning the axis. It is an object of the present invention to realize an optical device capable of reliably causing the excitation light emitted from the excitation light source to enter the first clad of the double clad fiber.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
An optical device according to the present invention includes a single mode core doped with an amplification medium, a first clad that covers the periphery of the single mode core, and a porous structure including a large number of pores. And a second clad covering the periphery. The input end of the double clad fiber is connected to a multi-mode optical fiber extending from an external pump light source to form an input region for transmitting the pump light. A non-tapered portion formed in a shape connectable to the multi-mode optical fiber on the incident end side of the incident region, and converged from the non-tapered portion to the outer diameter of the first clad of the double clad fiber. A tapered portion is formed. The output end side of the tapered portion is optically connected to the first clad of the double clad fiber.
[0019]
According to this configuration, the multimode optical fiber extended from the external pumping light source can be satisfactorily connected to the double clad fiber of the optical device without tapering the emission end. That is, an incident region is formed in the double clad fiber, and a non-tapered portion formed in a shape connectable to the multi-mode optical fiber is formed on the incident end side of the incident region. Connect with By forming the incident end side of the incident region in accordance with the multi-mode optical fiber, it is not necessary to taper the exit end of the light source MMF, so that the exit end face of the light source MMF can be easily cut.
[0020]
Furthermore, since the tapered portion is formed so as to converge to the outer diameter of the first clad of the double-clad fiber from the emission end side of the non-tapered portion, the excitation light incident on the non-tapered portion from the light source MMF is The laser beam is narrowed down while propagating in the tapered portion, and is reliably incident on the first clad. Excitation light that has entered the first cladding from the tapered portion propagates through the first cladding while repeating total reflection. Each time the pumping light passes through the single mode core in the first cladding, it stimulates the doped amplification medium to generate stimulated emission, and as a result, obtains a desired laser beam from the emitting end of the double cladding fiber. Can be.
[0021]
Further, the optical device according to the present invention is configured by a single mode core doped with an amplification medium, a first clad covering the periphery of the single mode core, and a porous structure including a large number of pores. A double clad fiber having a first clad and a second clad surrounding the periphery is used. The input end of the double clad fiber is connected to a multi-mode optical fiber extending from an external pump light source to form an input region for transmitting the pump light. A non-tapered portion having the same diameter as the outer diameter of the multi-mode optical fiber is formed on the incident end side of the incident region, and converges from the non-tapered portion to the outer diameter of the first clad of the double clad fiber. Is formed with a tapered portion. The output end side of the tapered portion is optically connected to the first clad of the double clad fiber.
[0022]
According to this configuration, the multimode optical fiber extended from the external pumping light source can be satisfactorily connected to the double clad fiber of the optical device without tapering the emission end. That is, an incident area is formed in the double-clad fiber, and a non-tapered portion having the same diameter as the outer diameter of the multi-mode optical fiber is formed on the incident end side of the incident area. Connect to the output end of the fiber. There is no need to taper the exit end of the incident region to the exit end of the multimode optical fiber. Therefore, the cutting process of the emission end face of the multimode optical fiber becomes easy. In addition, since the outer diameter of the emission end of the multimode optical fiber is equal to the outer diameter of the non-tapered portion, uneven heating during fusion can be reduced, and axial misalignment can be reduced.
[0023]
Furthermore, since the tapered portion is formed so as to converge to the outer diameter of the first clad of the double-clad fiber from the emission end side of the non-tapered portion, the excitation light incident on the non-tapered portion from the light source MMF is The laser beam is narrowed down while propagating in the tapered portion, and is reliably incident on the first clad. Excitation light that has entered the first cladding from the tapered portion propagates through the first cladding while repeating total reflection. Each time the pumping light passes through the single mode core in the first cladding, it stimulates the doped amplification medium to generate stimulated emission, and as a result, obtains a desired laser beam from the emitting end of the double cladding fiber. Can be.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the optical device of the present invention, the large-diameter light source MMF can be fusion-spliced to the incident region of the double-clad fiber without performing taper processing. This makes it possible to eliminate the difficulty of axis alignment, and to connect the light source MMF and the double clad fiber with high yield.
[0025]
Further, according to the optical device of the present invention, the excitation light incident on the non-tapered portion of the incident region can be surely propagated into the first clad of the double clad fiber via the tapered portion of the incident region. . Therefore, the optical device can be connected to the excitation light source with low loss, and a desired output light can be obtained with high efficiency by effectively using the excitation light.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The optical device 1 according to the present embodiment is used for a fiber laser device, an ASE light source device, and the like.
[0027]
FIG. 1 shows a double clad fiber 1 used in the optical device of the present embodiment. The double-clad fiber 2 includes a single mode core 21 extending in the axial direction at the axis of the fiber, a first cladding 22 covering the periphery of the single mode core 21, and a first cladding 22 covering the periphery of the first cladding 22. A second clad 23, a support layer 24 covering the periphery of the second clad 23, and a covering layer 25 covering the outer periphery of the support layer 24 are provided.
[0028]
In the double clad fiber 2, the propagating light propagates in the single mode core 21, while the pumping light propagates in the first clad 22.
[0029]
In the present embodiment, the single mode core 21, the first cladding 22, the second cladding 23, and the support layer 24 are each made of quartz, while the coating layer 25 is made of resin. As the resin used for the coating layer 25, for example, an ultraviolet curable resin or the like is used.
[0030]
The single mode core 21 is doped with Ge or the like so as to have a refractive index higher than the refractive index of the first clad 22, and is doped with an amplification medium. The amplification medium is excited by the excitation light propagating in the first cladding 22 to form a population inversion, and emits stimulated emission light therefrom. The optical device according to the present invention utilizes stimulated emission light generated in the single mode core 21. The amplification medium is appropriately selected from rare earth elements such as Er, Nd, and Yb.
[0031]
The first cladding 22 is formed so as to extend in the fiber axis direction while surrounding the periphery of the single mode core 21, and has a circular cross section. In the present embodiment, the cross-sectional shape of the first clad 22 is circular, but the cross-sectional shape is not limited to a circular shape, and may be, for example, a hexagonal shape, a triangular shape, a polygonal shape such as a rectangular shape, an elliptical shape, or the like. It may be formed. Further, it is also possible to form a shape in which a part of a circle is cut out.
[0032]
The second cladding 23 extends in the fiber axis direction while surrounding the periphery of the first cladding 22. The second cladding 23 of the present invention has a porous structure including a large number of pores 23a extending in the fiber axis direction. The pores 23a are arranged substantially uniformly in the circumferential direction in the cross section of the fiber.
[0033]
The refractive index (effective refractive index) of the second clad 23 having the porous structure depends on the porosity, that is, the ratio of the volume of the hole 23a to the total volume of the second clad 23 region. The effective refractive index of the two claddings 23 decreases. When the support layer is formed outside the second clad 23, the mechanical strength of the fiber can be ensured by the support layer, so that the porosity can be considerably increased. Therefore, when the second clad 23 has a porous structure, the numerical aperture (NA) for the excitation light can be greatly increased as compared with the case where the second clad 23 has a solid structure.
[0034]
The support layer 24 is formed so as to surround the periphery of the second clad 23. The support layer 24 protects the second clad 23 having a porous structure and improves the mechanical strength of the double clad fiber 2. I am trying to do it.
[0035]
As described above, the double clad fiber 2 in which the second clad 23 has a porous structure is manufactured by heating and stretching a preform and stretching it into a fiber shape. Specifically, the preform is created according to the following procedure.
[0036]
First, one cylindrical support tube having a substantially circular cross section is prepared, one core rod (solid rod), a large number of first clad rods and a second clad capillary (hollow rod) are provided. Prepare each. Each of these members is formed of quartz, and the core rod is doped with the amplification medium.
[0037]
Then, the core rod is arranged at a central position in the support tube, and a plurality of first cladding rods are regularly arranged around the core rod. At this time, it is preferable to dispose the first clad rods approximately densely around the core rods so that the formed first clad portion has a substantially circular cross section.
[0038]
Next, a large number of the second clad capillaries are regularly arranged between the first clad capillary and the inner peripheral surface of the support tube. The order in which the core, the rod for the first cladding, and the capillary for the second cladding are arranged may be changed as appropriate.
[0039]
With the support tube filled with the rods and capillaries, the whole is heated. When the heating temperature is equal to or higher than a predetermined temperature, the rods, capillaries, and support tubes are welded, the gaps between the members are densified, and the preform is completed. The preform is heated and drawn in a drawing furnace to form a fiber.
[0040]
The portion corresponding to the core rod of the preform is the single mode core of the double clad fiber, the portion corresponding to the first clad rod of the preform is the first clad of the double clad fiber, and the second clad of the preform is the second clad fiber. The portion corresponding to each of the capillaries for cladding forms the second clad having the pores of the double clad fiber, and the portion corresponding to the support tube forms the support layer of the double clad fiber. Then, a coating material is applied to the outer periphery of the fiber to form a coating layer of the double clad fiber 2. The formation of the coating layer may be performed at the time of drawing.
[0041]
Thus, the double clad fiber 2 in which the second clad 23 has a porous structure is manufactured.
[0042]
In addition, instead of using the core rod and the first cladding rod, the preform is prepared as a first preform having a core part and a clad part (first clad part). It may be created by using.
[0043]
That is, the first preform is prepared by a known method such as a VAD method, an OVD method, and a rod-in-tube method, and the first preform is disposed at a substantially central position in the support tube. Next, a number of second cladding capillaries are arranged between the first preform and the inner peripheral surface of the support tube. By doing so, a preform having the core portion, the first and second cladding portions can be formed.
[0044]
FIG. 2 shows an optical device 1 according to the embodiment.
[0045]
This optical device 1 has the above-mentioned double clad fiber 2, and an incident area 3 is formed on the incident end 26 side of the double clad fiber 2.
[0046]
The incident area 3 is connected to a light source MMF (not shown in FIG. 2) extended from an external excitation light source (not shown in FIG. 2). The incident area 3 is formed of a quartz material, similarly to the double clad fiber 2.
[0047]
The incident area 3 has a non-tapered portion 3a formed to have the same diameter as the outer diameter of the light source MMF. Further, a tapered portion 3b is formed so as to converge from the non-tapered portion 3a to the outer diameter of the first clad 22 of the double clad fiber 2. Regarding the shape of the tapered portion 3b, it is preferable that the angle of the taper be a smooth tapered shape of about 10 ° or less with respect to the axis. If the angle of the taper is too large, the incident angle of the excitation light propagating through the tapered portion to the inner wall surface of the tapered portion becomes less than the critical angle, and the excitation light may be emitted to the outside without being totally reflected in the tapered portion. There is.
[0048]
The tapered portion 3b is optically connected to the first clad 22 of the double clad fiber 2. The incident region 3 is preferably formed integrally with the first clad 22 by a manufacturing method described later.
[0049]
Around the first cladding 22, a second cladding 23 having a porous structure is formed. Around the second cladding 23, a support layer 24 is formed.
[0050]
Further, a coating layer 25 made of an ultraviolet curable resin or the like is formed around the support layer 24. The other end of the double clad fiber 2 is an emission end 27.
[0051]
Next, a method for manufacturing the optical device according to the present embodiment will be described.
[0052]
As shown in FIG. 3A, a double-clad fiber 2 formed by the above method and uniform over the entire length is prepared. The length of the double clad fiber 1 is not particularly limited, and is determined according to the use of the optical device and required performance.
[0053]
As shown in FIG. 3B, the covering layer 25 is removed over an appropriate length range in the middle part of the double clad fiber 2. The method of removing is not particularly limited, but an appropriate method is selected so as not to damage the internal fiber.
[0054]
As shown in FIG. 3C, the region from which the coating layer has been removed is subjected to a collapse treatment, so that all the pores 23a constituting the second clad 23 are crushed.
[0055]
Specifically, this region is heated by a suitable heating means such as a burner. As a result, the whole quartz material constituting the double clad fiber 2 is brought into a semi-molten state, and the pores 23a are crushed by interfacial tension. As a result, the support layer 24, the portion other than the pores 23a of the second clad 23, and the first clad 22 are integrated. Since the single mode core 21 is solid, it does not change at all.
[0056]
As described above, a region 4 having a single mode fiber type structure (hereinafter, also referred to as a “collapse region 4”) is formed in a part of the double clad fiber 2 by the collapse process. The collapsed region 4 has a slightly tapered region at both ends, but is formed to have substantially the same diameter over the entire region. The collapse region 4 is formed to have the same diameter as the outer diameter of the light source MMF to be connected.
[0057]
Next, as shown in FIG. 3D, a taper process is performed on the emission end side of the collapse region 4. It is preferable that the taper processing be performed by etching using hydrogen fluoride or the like.
[0058]
Specifically, as shown in FIG. 4, the boundary between the collapse region 4 and the emission end side of the double clad fiber 2 is substantially on the axis of the partially cut-out fluororesin tube 5. The fiber is fixed so as to be located substantially at the center of the fluororesin tube 5 in the longitudinal direction. In this state, hydrogen fluoride is injected into the fluororesin tube 5 from the notch 5a. Due to the action of the surface tension, a relatively large amount of hydrogen fluoride is stored in the central portion of the fluororesin tube 5 as compared with both end portions thereof.
[0059]
When left standing in this state, the quartz optical fiber melts from the outer peripheral surface toward the axis. In a state where the movement of the optical fiber and the convection of the hydrogen fluoride are small, the reaction between the hydrogen fluoride and the quartz sequentially reaches a saturated state and stops from both ends having a relatively small storage amount to the center. As a result, in the collapse region, a smooth tapered portion 3b tapering from the incident end side toward the boundary with the double clad fiber 2 is formed. The outer diameter of the tapered portion 3b formed here on the emission end side must be equal to or smaller than the outer diameter of the first cladding 22.
[0060]
As shown in FIG. 3E, in order to form the non-tapered portion 3a, the collapsed region 4 is cut in a region where the taper processing is not performed. Since the outside diameter portion is parallel to the axis in the region where the taper processing is not performed, the cut surface is cut perpendicular to the axis.
[0061]
The emission end of the light source MMF32 is fusion-connected to the incidence area 3 of the optical device 1 thus formed.
[0062]
As shown in FIG. 3 (f), since the outer diameter of the non-tapered portion 3b of the incident area 3 and the outer diameter of the light source MMF32 substantially coincide with each other, it is easy to align the axes and at the time of heating. No torsion occurs due to surface tension caused by the difference in diameter of the shaft, so that there is no axial displacement. The light source MMF 32 also does not need to be tapered, and can solve conventional problems such as difficulty in cutting the emission end.
[0063]
【Example】
Hereinafter, specific examples of the optical device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0064]
<Example 1>
FIG. 5 is a configuration diagram of a fiber laser device 30 using the optical device 1 according to the present invention.
[0065]
The fiber laser device 30 according to the present embodiment includes the optical device 1 according to the present invention, an MMLD excitation light source 31, a light source MMF32, an excitation light transmission / return light reflection filter 33, a single mode fiber 34, an isolator 35, and the like. I have.
[0066]
The MMLD 31 supplies excitation light to the optical device 1 via the light source MMF32. The light source MMF32 is a large-diameter multimode fiber having a large core diameter, and the core diameter in this embodiment is about 200 μm. As described above, by using a large-diameter multimode fiber for the light source MMF32, the output of the MMLD excitation light source 31 can be increased.
[0067]
The light source MMF 32 is connected to the incident area of the optical device 1 via an excitation light transmission / return light reflection filter 33. The excitation light transmission / return light reflection filter 33 transmits the excitation light emitted from the light source MMF32 to the incident area 3 of the optical device 1, but returns a specific wavelength emitted from the incident area 3 toward the light source MMF32. Light has a function of reflecting light without transmitting it.
[0068]
In this embodiment, the return light is generated according to the following principle. As shown in FIG. 8, the excitation light 6 incident on the first clad 22 of the double clad fiber propagates while repeating total reflection at the interface with the second clad 23. When the pump light 6 is transmitted across the single mode core 21, electrons are excited in the doped amplification medium. In the fiber laser device 30 according to the present embodiment, since the resonator is formed by the single mode core, the excitation light transmission / return light reflection filter 33 and the fiber grating 36, the signal light is bidirectionally transmitted in the double clad fiber. Stimulated emission of spontaneous emission occurs in both directions.
[0069]
The spontaneous emission light toward the incident end is incident on the MMLD excitation light source 31 as return light, and may adversely affect the MMLD excitation light source 31. Therefore, it is necessary to reflect the spontaneous emission light to the emission end side by the excitation light transmission / return light reflection filter 33.
[0070]
In this embodiment, the excitation light transmission / return light reflection filter 33 has a wide reflection wavelength band in order to completely reflect the light having a wide wavelength band excited in the single mode core 21 of the double clad fiber 2. Is preferred.
[0071]
For example, in the excitation light transmission / return light reflection filter 33 used in the present embodiment, it is desirable that all return light be 1 mW or less, and the excitation light transmission / return light reflection filter 33 transmits It is desirable that the wavelength is about ± 20 nm of the excitation light wavelength. Thus, almost 100% of the return light can be reflected.
[0072]
The incident area 3 of the optical device 1 is connected to the emission end side of the excitation light transmission / return light reflection filter 33. A single mode fiber 34 is connected to the emission end 27 side of the optical device 1. The core of the single mode fiber 34 is optically connected to the single mode core 21 of the double clad fiber 2.
[0073]
A fiber grating 36 is formed in the core of the single mode fiber 34. The fiber grating 36 is formed by periodically changing the refractive index of the core of the single mode fiber 34. The fiber grating 36 has a function of selectively reflecting light having a wavelength corresponding to the modulation period of the refractive index.
[0074]
The fiber grating 36 has a reflection wavelength band narrower than that of the excitation light transmission / return light reflection filter 33. For example, the fiber grating 36 used in the present embodiment is preferably set to be 0.1 to 1.0 (nm). The oscillation wavelength of the output laser light is determined by the reflection wavelength band of the fiber grating 36.
[0075]
An isolator is connected to the end of the fiber grating 36.
[0076]
The isolator 35 transmits the laser light emitted from the emission end 27 of the optical device 1 but blocks light incident from the outside toward the optical device 1, and transmits the excitation light transmission / return light reflection filter 33 and the excitation light. Oscillation due to reflection other than that of the fiber grating 36 is suppressed.
[0077]
The fiber laser device 30 configured as described above generates a laser beam as described below.
[0078]
The excitation light emitted from the MMLD excitation light source 31 propagates through the light source MMF 32, passes through the excitation light transmission / return light reflection filter 33, and enters the incident area 3 of the optical device 1. In the present embodiment, since the outer diameter of the light source MMF32 and the outer diameter of the non-tapered portion 3a of the incident area 3 are substantially the same, almost 100% of the excitation light is incident on the incident area 3 and there is almost no connection loss.
[0079]
The excitation light that has entered the incident area 3 propagates through the incident area from the non-tapered portion 3a to the tapered portion 3b, is narrowed down, and enters the first clad 22 of the double clad fiber 2. In the present invention, since the tapered portion 3b is formed so as to converge from the non-tapered portion 3a to the outer diameter of the first clad 22 of the double clad fiber 2, the excitation light incident on the incident region 3 is The light is reliably incident on the first clad 22 without leaking into the second clad 23 and the support layer 24.
[0080]
As described above, the excitation light that has entered the first cladding 22 propagates while repeating total reflection at the interface with the second cladding 23. When the pumping light 6 passes through the single mode core 21, spontaneous emission light having a wavelength different from that of the pumping light 6 is generated from the amplification medium doped in the single mode core 21.
[0081]
The spontaneous emission light is emitted from the emission end 27 of the double clad fiber 2 of the optical device 1 to the core of the single mode fiber 34. The return light of the stimulated emission light is also reflected by the excitation light transmission / return light reflection filter 33 and enters the core of the single mode fiber 34.
[0082]
The spontaneous emission light incident on the core of the single mode fiber 34 propagates through the core and reaches the fiber grating 36. Of the spontaneous emission light, those having a wavelength included in the reflection wavelength band of the fiber grating 36 are reflected and incident again on the single mode core 21 of the double clad fiber 2.
[0083]
A resonator is formed between the fiber grating 36 and the excitation light transmission / return light reflection filter 33, and stimulated emission is also performed by reflected spontaneous emission light. That is, in the fiber laser device according to the present embodiment, resonance occurs between the fiber grating 36 and the excitation light transmission / return light reflection filter 33, and the laser is oscillated by repeated stimulated emission, and high output laser light is emitted. Taken out.
[0084]
According to the present embodiment, since the pumping light of the MMLD pumping light source 31 can pump the amplification medium with little loss, it is possible to extract high-output laser light with high efficiency.
[0085]
Specifically, in the fiber laser device according to the present embodiment, when the Yb-doped double-clad fiber having a length of 20 m is used and excitation light having a wavelength of 980 nm is incident at an output of 3 W, the output end of the fiber laser device is As a result, a fiber laser output with a wavelength of 1085 nm was obtained at an output of 2 W. Further, in the fiber laser device according to the present example, it was found that the pumping light was used with a high utilization efficiency of about 95%.
[0086]
<Example 2>
FIG. 6 is a configuration diagram of the ASE light source device 40 using the optical device 1 according to the present invention.
[0087]
The ASE light source device 40 according to the present embodiment has basically the same configuration as the fiber laser device according to the first embodiment. The same members as those of the fiber laser device of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The difference from the fiber laser device is that the single mode fiber 34 has no fiber grating and the excitation light transmission / return light reflection filter 33 is inclined at an angle θ with respect to the axis of the fiber. There is something.
[0088]
The pump light generated by the MMLD pump light source 31 is efficiently incident on the first clad of the double clad fiber 2 by the optical device 1 according to the present invention. Excitation light incident on the first cladding generates spontaneous emission light by exciting the doped amplification medium.
[0089]
The excitation light transmission / return light reflection filter 33 is usually installed with an angle θ of 6 ° or more. In other words, this is to prevent oscillation due to the return light being reflected by the excitation light transmission / return light reflection filter 33 and re-entering the single mode core. As a result, only the spontaneous emission light having a wide wavelength band generated in the single mode core can be extracted from the output end of the ASE light source device according to the present embodiment.
[0090]
Specifically, in the ASE light source device according to the present embodiment, when the Yb-doped double-clad fiber 2 having a length of 20 m is used and the pump light having the output of 3 W and the wavelength of 980 nm is incident, the output end of the ASE light source device is In a wavelength band of 1010 to 1130 (nm), 800 mW of spontaneous emission light was obtained. Further, in the ASE light source device according to the present example, it was found that the excitation light was used with a high utilization efficiency of about 95%.
[0091]
<Example 3>
FIG. 6 is a configuration diagram of an optical amplifier device 50 using the optical device 1 according to the present invention.
[0092]
The optical amplifier device 50 according to the present embodiment has basically the same configuration as the fiber laser device according to the first embodiment. The same members as those of the fiber laser device of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The difference from the fiber laser device is that the fiber laser device is not provided with the fiber grating, and is provided with a circulator 37 having an input port 37a and an output port 37b instead of the isolator.
[0093]
The excitation light generated by the MMLD excitation light source 31 is efficiently incident on the single mode core of the double clad fiber 2 by the optical device 1 according to the present invention.
[0094]
On the other hand, the signal light from the transmission path is incident on the incident port 37a of the circulator 37. The signal light enters the single mode core of the double clad fiber 2 from the single mode fiber 34. The signal light incident into the single mode core is amplified by the action of the doped amplification medium and the pumping light from the MMLD pumping light source 31. The signal light that has been amplified and reached the excitation light transmission / return light reflection filter 33 is reflected and re-enters the single mode core. The signal light re-entered into the single-mode core is amplified again by the action of the amplification medium and the pump light, and is incident on the single-mode fiber 34. The signal light that has been amplified and propagates through the single mode fiber 34 is output from the output port 37b of the circulator 37, and transmitted again through the transmission path. Thus, the optical device 1 according to the present invention can be used as an optical amplifier device.
[0095]
Specifically, in the optical amplifier device according to the present embodiment, when the Yb-doped double-clad fiber 2 having a length of 20 m is used and the pump light having the output of 3 W and the wavelength of 980 nm is incident, the incident port 37a of the circulator 37 is used The input signal light of 0.1 mW was able to be output from the output port 37b of the circulator 37 as signal light amplified to 100W. In addition, in the optical amplifier device according to the present embodiment, it was found that the pumping light was used with a high utilization efficiency of about 95%.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a double clad fiber according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a configuration of an optical device according to the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a manufacturing process of the optical device according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing an outline of an etching process.
FIG. 5 is a configuration diagram of a fiber laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of an ASE light source device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of an optical amplifier device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the principle of generation of return light.
FIG. 9 is a conceptual diagram showing a connection state of a conventional double clad fiber.
FIG. 10 is a conceptual diagram showing a connection state of a conventional double clad fiber.
[Explanation of symbols]
1 Optical device
2 Double clad fiber
21 Single mode core
22 First cladding
23 Second cladding
24 Support layer
25 Coating layer
3 Incident area
3a Non-tapered part
3b taper part

Claims (2)

増幅媒質がドープされたシングルモードコアと、
上記シングルモードコアの周囲を被覆する第1クラッドと、
多数の細孔を含む多孔構造に構成され、上記第1クラッドの周囲を被覆する第2クラッドとを有するダブルクラッドファイバを用いた光学装置であって、
上記ダブルクラッドファイバの入射端には、外部の励起光光源から延設されたマルチモード型光ファイバと接続されて、励起光を伝搬する入射領域が形成されており、
該入射領域の入射端側には上記マルチモード型光ファイバと接続可能な形状に形成された非テーパ部と、
上記非テーパ部から上記ダブルクラッドファイバの第1クラッドの外径に収束するようにテーパ部が形成され、
上記テーパ部は、上記ダブルクラッドファイバの第1クラッドと光学的に接続されていることを特徴とする。
A single mode core doped with an amplification medium;
A first cladding that covers the periphery of the single mode core;
An optical device using a double-clad fiber configured to have a porous structure including a large number of pores and having a second clad covering the periphery of the first clad,
At the incident end of the double clad fiber, an incident region for transmitting the excitation light is formed, which is connected to a multi-mode optical fiber extending from an external excitation light source,
A non-tapered portion formed in a shape connectable to the multimode optical fiber on the incident end side of the incident region;
A tapered portion is formed so as to converge from the non-tapered portion to the outer diameter of the first clad of the double-clad fiber,
The tapered portion is optically connected to a first clad of the double clad fiber.
増幅媒質がドープされたシングルモードコアと、
上記シングルモードコアの周囲を被覆する第1クラッドと、
多数の細孔を含む多孔構造に構成され、上記第1クラッドの周囲を被覆する第2クラッドとを有するダブルクラッドファイバを用いた光学装置であって、
上記ダブルクラッドファイバの入射端には、外部の励起光光源から延設されたマルチモード型光ファイバと接続されて、励起光を伝搬する入射領域が形成されており、
該入射領域の入射端側には上記マルチモード型光ファイバの外径と同径に形成された非テーパ部と、
上記非テーパ部から上記ダブルクラッドファイバの第1クラッドの外径に収束するようにテーパ部が形成され、
上記テーパ部は、上記ダブルクラッドファイバの第1クラッドと光学的に接続されていることを特徴とする。
A single mode core doped with an amplification medium;
A first cladding that covers the periphery of the single mode core;
An optical device using a double-clad fiber configured to have a porous structure including a large number of pores and having a second clad covering the periphery of the first clad,
At the incident end of the double clad fiber, an incident region for transmitting the excitation light is formed, which is connected to a multi-mode optical fiber extending from an external excitation light source,
On the incident end side of the incident area, a non-tapered portion formed to have the same diameter as the outer diameter of the multimode optical fiber,
A tapered portion is formed so as to converge from the non-tapered portion to the outer diameter of the first clad of the double-clad fiber,
The tapered portion is optically connected to a first clad of the double clad fiber.
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