JP2006041191A - Holey fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバレーザ光源に利用することができるホーリーファイバに関するものである。 The present invention relates to a holey fiber that can be used in an optical fiber laser light source.
近年、光ファイバレーザ光源として、例えば、ダブルクラッド型の光ファイバを利用したレーザ光源が開発されている。ダブルクラッド型の光ファイバは、例えば、特許文献1に記載されているように、光増幅剤が添加されたコア領域(第1コア)と、コア領域の周りに設けられコア領域より低い屈折率を有する第1クラッド領域(第2コア)と、その第1クラッド領域の周囲に設けられ第1クラッド領域より低い屈折率を有する第2クラッド領域とを含んで構成されている。そして、この光ファイバでは、光増幅剤を励起するための励起光が、コア領域及び第1クラッド領域内に閉じ込められて伝播しコア領域内の光増幅剤を励起する。励起された光増幅剤は、自然放出光を出力するので、上記光ファイバと光共振器とを組み合わせることで、誘導放出現象を利用してレーザ光を生成できる。
In recent years, for example, a laser light source using a double clad type optical fiber has been developed as an optical fiber laser light source. For example, as described in
したがって、レーザ光の出力を上げるためには光増幅剤から誘導放出現象によって出力される誘導放出光の強度を高くすればよいが、この誘導放出光の強度は、コア領域及び第1クラッド領域内を伝播する励起光の強度が高い方が高くなる。そこで、コア領域及び第1クラッド領域内を伝播する励起光の強度を上げるために、励起光に対して高い開口数(NA)を有する光ファイバが求められている。 Accordingly, in order to increase the output of the laser light, the intensity of the stimulated emission light output from the optical amplifying agent by the stimulated emission phenomenon may be increased. The intensity of the stimulated emission light is increased in the core region and the first cladding region. The higher the intensity of the excitation light propagating through the light, the higher. Therefore, in order to increase the intensity of the pumping light propagating in the core region and the first cladding region, an optical fiber having a high numerical aperture (NA) with respect to the pumping light is required.
光ファイバのNAを大きくするためには、光を伝播させるべき領域とその周囲との屈折率差を大きくすれば良い。そこで、光軸方向に延びる空孔を有する光ファイバ(ホーリーファイバ)を利用することが提案されており、例えば、非特許文献1には、励起光を閉じ込めて伝播させるべき中実領域の周囲に複数の空孔が、光軸方向に直交する断面において2層構造で配置されたホーリーファイバが開示されている。
上述した非特許文献1に記載されたホーリーファイバでは、励起光を閉じ込めて伝播させるべき中実領域の周囲に複数の空孔を形成して、NAの向上を図っている。しかしながら、これらの複数の空孔は、中実領域の周囲に2層からなる層構造で形成されているので、空孔の数が多くなり製造コストが高くなるという問題点がある。
In the holey fiber described in
そこで、本発明は、中実領域を伝播させる励起光に対して高い開口数(NA)を実現可能であって製造コストの低減が図られたホーリーファイバを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a holey fiber capable of realizing a high numerical aperture (NA) with respect to excitation light propagating in a solid region and reducing the manufacturing cost.
ホーリーファイバでは、中実領域の周囲に複数の空孔を含んで構成されるクラッド領域を設け、そのクラッド領域内での空気の占める割合が90%程度であれば、理論的には開口数(NA)が1になることが期待されるが、実際には理論値より小さなNAとなっている。この理論値と実側値との違いが生じる原因として、本発明者らは、光軸方向に直交する断面において、中実領域の周囲に複数の空孔を配置しても、空孔間にガラス層が残っていることに着目した。そして、空孔間のガラス層を通して中実領域を伝播する励起光が漏れ出ることによってNAが低下することを見いだし、本発明に至った。 In a holey fiber, a clad region including a plurality of holes is provided around a solid region, and if the proportion of air in the clad region is about 90%, the numerical aperture ( NA) is expected to be 1, but actually, the NA is smaller than the theoretical value. As a cause of the difference between the theoretical value and the actual side value, the present inventors, even if a plurality of holes are arranged around the solid region in the cross section orthogonal to the optical axis direction, Focused on the remaining glass layer. And it discovered that NA fell because the excitation light which propagates a solid area | region through the glass layer between void | holes leaked, and came to this invention.
すなわち、本発明に係るホーリーファイバは、光軸方向に延びており少なくとも一部に光増幅剤が添加された中実領域と、光軸方向に延びる複数の空孔を有すると共に中実領域の周囲に設けられたクラッド領域と、を備え、光増幅剤を励起する励起光を中実領域で伝播させるホーリーファイバであって、光軸方向に略直交する断面において、複数の空孔は、中実領域の外周に沿って1層構造で配置されており、複数の空孔のうち互いに隣り合う空孔の間の最短距離が1.0μm以下であることを特徴とする。 That is, the holey fiber according to the present invention has a solid region extending in the optical axis direction and having a light amplifying agent added to at least a part thereof, and a plurality of holes extending in the optical axis direction and surrounding the solid region. A hollow region that propagates excitation light that excites the optical amplifying agent in the solid region, and in the cross section substantially perpendicular to the optical axis direction, the plurality of holes are solid It is arranged in a one-layer structure along the outer periphery of the region, and the shortest distance between adjacent holes among the plurality of holes is 1.0 μm or less.
この場合、少なくとも一部に光増幅剤が添加された中実領域の周囲に設けられたクラッド領域は、光軸方向に直交する断面において、中実領域の外周に沿って配置された複数の空孔を有しているので、上記励起光は、中実領域とクラッド領域との屈折率差によって中実領域内に閉じ込められて伝播する。そして、その断面において、空孔と空孔との間の最短距離が1.0μm以下であることから、空孔と空孔との間から励起光が漏れ出しにくく、励起光に対して高NAを実現できる。また、複数の空孔は、上記断面において1層構造で配置されているので、例えば、複数の空孔を2層構造で配置する場合に比べて空孔の数を少なくでき、製造コストの低減が図れる。 In this case, the cladding region provided around the solid region to which at least a part of the optical amplifying agent is added has a plurality of voids arranged along the outer periphery of the solid region in a cross section orthogonal to the optical axis direction. Since it has a hole, the excitation light is confined in the solid region and propagates due to a difference in refractive index between the solid region and the cladding region. In the cross section, since the shortest distance between the holes is 1.0 μm or less, the excitation light hardly leaks between the holes and the NA is high with respect to the excitation light. Can be realized. In addition, since the plurality of holes are arranged in a single layer structure in the cross section, for example, the number of holes can be reduced compared to the case where the plurality of holes are arranged in a two layer structure, and the manufacturing cost is reduced. Can be planned.
更に、本発明に係るホーリーファイバでは、上記最短距離が0.5μm以下であることが好ましい。この場合、励起光が空孔と空孔との間から更に漏れ出しにくいので、励起光に対して高NAの実現に有効である。 Furthermore, in the holey fiber according to the present invention, the shortest distance is preferably 0.5 μm or less. In this case, since the excitation light is less likely to leak from between the holes, it is effective for realizing a high NA with respect to the excitation light.
更にまた、本発明に係るホーリーファイバでは、上記最短距離が0.1μm以上であることが好ましい。この構成によれば、ホーリーファイバの強度が保て、ホーリーファイバが破断することが抑制される。 Furthermore, in the holey fiber according to the present invention, the shortest distance is preferably 0.1 μm or more. According to this configuration, the strength of the holey fiber can be maintained, and the holey fiber can be prevented from breaking.
また、本発明に係るホーリーファイバにおける中実領域は、光増幅剤が添加された第1領域と、第1領域の周囲に設けられ、第1領域の屈折率よりも低い屈折率を有する第2領域とを有することが好ましい。 The solid region in the holey fiber according to the present invention includes a first region to which an optical amplifying agent is added and a second region having a refractive index lower than the refractive index of the first region. It is preferable to have a region.
この場合、中実領域が有する第1領域に光増幅剤が添加されており、第1領域の周囲の第2領域の屈折率が第1領域の屈折率よりも小さいので、励起光によって励起された光増幅剤から出力される光を第1領域内に閉じ込めて伝播させることができる。 In this case, since the optical amplifying agent is added to the first region of the solid region and the refractive index of the second region around the first region is smaller than the refractive index of the first region, it is excited by the excitation light. The light output from the optical amplifying agent can be confined and propagated in the first region.
また、本発明に係るホーリーファイバにおける光増幅剤としては、例えば、金属イオンが挙げられる。 Moreover, as an optical amplifying agent in the holey fiber which concerns on this invention, a metal ion is mentioned, for example.
本発明のホーリーファイバによれば、製造コストの低減を図りつつ高NAを実現できる。 According to the holey fiber of the present invention, it is possible to realize a high NA while reducing the manufacturing cost.
以下、図面を参照しながら本発明によるホーリーファイバの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of a holey fiber according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are used for the same elements, and duplicate descriptions are omitted.
図1に示す本実施形態のホーリーファイバ(以下、単に、ファイバという)1は、線状の石英ガラスからなっており、このファイバ1は、光増幅剤及び光増幅補助剤として、例えば、Er3+、Yb3+、Bi3+、Al3+などの金属イオンがドープされたコア領域(第1領域)3を有している。このコア領域3は、励起光により励起された光増幅剤から出力される光を伝播させるための領域である。このコア領域3の周囲には、光増幅剤から出力される光をコア領域3内に閉じ込めて伝播させるために、コア領域3の屈折率よりも小さい屈折率を有する第1クラッド領域(第2領域)5が設けられている。
A holey fiber (hereinafter, simply referred to as a fiber) 1 of the present embodiment shown in FIG. 1 is made of linear quartz glass. The
このコア領域3及び第1クラッド領域5からなる中実領域7は、光増幅剤を励起するための励起光をマルチモードで伝播させるためのポンピングガイドとして機能し、中実領域7の周囲には、石英ガラスからなっており、励起光を中実領域7内に閉じ込めて伝播させるための第2クラッド領域(クラッド領域)9が設けられている。
The
この第2クラッド領域9は、第1クラッド領域5の周囲に設けられファイバ1の光軸Lの方向に沿って延びた複数の空孔9Aを含んで構成される。第2クラッド領域9は、複数の空孔9Aを有していることからその平均屈折率が第1クラッド領域5の屈折率よりも小さくなる結果、励起光が中実領域7に閉じ込められる。そして、第2クラッド領域9の周囲には、この第2クラッド領域9をサポートするために石英ガラスからなる第3クラッド領域11が設けられている。
The second
図2は、ファイバ1の光軸Lに直交する断面図である。図2に示すように、ファイバ1の光軸Lに直交する断面であるファイバ断面13の形状は直径D1の円形形状である。そして、このファイバ断面13において、中実領域7の形状は直径D2の円形形状であって、複数の空孔9Aは、第1クラッド領域5の外周に沿って環状に1層構造で配置されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view orthogonal to the optical axis L of the
図3は、第2クラッド領域9の拡大断面図である。各空孔9Aの形状は、ファイバ1の半径方向における空孔9Aの厚みd1が周方向の厚みd2より長い長円形状であり、複数の空孔9Aのうち互いに隣り合う空孔9A,9A間の最短距離tは、1.0μm以下となっている。この最短距離tは、中実領域7を伝播させる励起光に対する開口数(NA)を高める観点から0.5μm以下が更に好ましい一方、ファイバ1が破断しないようにファイバ1の強度を保つために、0.1μm以上であることが好適である。そして、複数の空孔9Aは、上記のような配置関係を満たすと共に、ファイバ1において、第2クラッド領域9内での全空孔9Aの空孔体積比率が90%以上となるように、その大きさ及び数が調整されている。なお、本明細書において、ファイバ1のNAとは、上述したように中実領域7を伝播させる励起光に対するNAを意味するものである。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the
上記構成から理解されるように、ファイバ1は、2つのクラッド領域、すなわち、第1クラッド領域5及び第2クラッド領域9を有するダブルクラッド型と呼ばれるファイバである。
As understood from the above configuration, the
次に、このファイバ1の動作について説明する。なお、以下の説明では、コア領域3内の光増幅剤を励起可能な波長を有する励起光が光源(不図示)から出力され、ファイバ1の端面から入射するものとして説明する。光増幅剤として例えば、Yb3+を利用した時は、励起光としては波長0.98μmの光である。
Next, the operation of the
このファイバ1の端面から入射した励起光は、第1クラッド領域5と第2クラッド領域9との屈折率差によって中実領域7に閉じ込められて伝播するので、この励起光によって光増幅剤が励起される。その結果、光増幅剤から自然放出光が出力され、その自然放出光は、コア領域3と第1クラッド領域5との屈折率差によってコア領域3に閉じ込められてコア領域3を伝播する。
The pumping light incident from the end face of the
そして、このファイバ1と光共振器とを組み合わせることで、この自然放出光を利用して、励起光によって励起された光増幅剤から、コア領域3内を伝播する誘導放出光を生じさせることができ、その結果、レーザ光が生成される。したがって、図1〜図3に示したファイバ1を、光ファイバレーザ光源に好適に利用することができる。なお、コア領域3内を伝播する自然放出光や誘導放出光は、通常、シングルモードで伝播させるが、マルチモードで伝播させても良い。
Then, by combining the
上記ファイバ1では、隣り合う空孔9A,9A間の最短距離tを1.0μm以下とすることで、少なくとも0.3以上の高NAを実現している。これにより、光源からの光が中実領域3へ入射する際の入射効率が向上することから中実領域3内での励起光の強度は、NAが低い場合に比べて高まる。これにより、光増幅剤が効率的に励起されて誘導放出光の出力が向上する結果、高出力の光ファイバレーザ光源を実現できる。
In the
ここで、空孔9A,9A間の最短距離tが1.0μm以下となっていることから高NAを実現できることを、図4を利用して具体的に説明する。
Here, the fact that the high NA can be realized since the shortest distance t between the
図4は、隣接する空孔9A,9A間の最短距離tとNAとの関係を示したグラフである。表1に示す実施例としてのファイバAとB、及び比較例としてのファイバCのNA実測値を縦軸に、各ファイバA〜Cの空孔間最短距離tを横軸にプロットしてある。なお、NA測定用の光源としてはタングステンランプを使用した。
また、図4に示した空孔間最短距離tが0の点は計算値である。tが0というのは単なるガラスロッドが空気中に存在している状態であり、第1クラッド領域5(ガラス)の屈折率n0を1.45とし、第2クラッド領域9(空気)の屈折率n1を1.0として(1)式から計算により求めることが可能である。
表1に示すファイバA,Bの空孔体積比率はともに90%以上であり、第2クラッド領域9の平均屈折率n1は1.045以下である。従って、第2クラッド領域9の平均屈折率n1から(1)式により計算されるNAは1.0(計算上は1.0以上)である。また、ファイバCの空孔体積比率は87%であり、第2クラッド領域9の平均屈折率n1は1.0585である。従って、(1)式から求められるNAは、0.99である。しかしながら、図4に示されるように、実測されたNAは(1)式から計算された値と大きく乖離し、小さな値を示している。このことから、空孔体積比率に基づいて求められる第2クラッド領域9の平均屈折率n1以外の要因が、NAに影響していることが分かる。
The hole volume ratios of the fibers A and B shown in Table 1 are both 90% or more, and the average refractive index n 1 of the
一方、図4に示されているように、隣り合う空孔9A,9A間の最短距離tが短くなるにつれてNAが高くなって(1)式から求めた値に近づいていることに着目すると、ファイバ1のNAでは、隣り合う空孔9A,9A間の最短距離tが重要なパラメータであって、その最短距離tを小さくすることによりNAを向上させることが可能であることがわかる。これは、最短距離tが短くなるにつれて、空孔9A,9A間のガラス層の厚みが励起光の波長に対して薄くなり、その結果、そのガラス層を伝わって中実領域7から漏れ出る励起光が減少するので、励起光が中実領域7により閉じ込められやすくなるからである。
On the other hand, as shown in FIG. 4, when the shortest distance t between
そして、実施例としてのファイバA,Bは最短距離tが1.0μm以下であることから、そのNAは、実用上、高NAとして知られる約0.3以上となっており、比較例としてのファイバCよりも高くなっている。また、図4より、最短距離tが0.5μm以下では、NAが急激に増加するので、NAを高くする観点から、最短距離tは、0.5μm以下が更に好ましいことがわかる。 Since the shortest distance t of the fibers A and B as examples is 1.0 μm or less, the NA is practically about 0.3 or more, which is known as high NA. It is higher than fiber C. In addition, FIG. 4 shows that the NA increases sharply when the shortest distance t is 0.5 μm or less, so that the shortest distance t is more preferably 0.5 μm or less from the viewpoint of increasing the NA.
なお、図4で示した結果は、空孔9A,9A間の最短距離tとNAとの関係を説明するための、1つの例であり、本実施形態のファイバ1が、例えば、表1に示したファイバA,Bに限定されるものではない。
The result shown in FIG. 4 is one example for explaining the relationship between the shortest distance t between the
ところで、光軸L方向に延びる複数の空孔9Aを有するファイバ1は、例えば、次のようにして製造される。すなわち、先ず、中実の光ファイバ母材を用意し、その光ファイバ母材に、その長手方向に延びる複数の空孔を形成する。続いて、その複数の空孔が形成された光ファイバ母材を、その空孔を加圧しながら線引きする。この線引き時に、空孔9Aが所望の大きさであって且つ隣り合う空孔9A,9A間の最短距離tが1.0μm以下になるように、光ファイバ母材に加える圧力を制御しながらファイバ1を製造する。このファイバ1の製造においては、空孔の数は少ない方が、ファイバ1を製造し易く、製造コストの低減が図れる。
By the way, the
本実施形態のファイバ1では、ファイバ断面13において複数の空孔9Aは、第1クラッド領域5の外周に沿って1層構造で形成しているので、例えば、複数の空孔を2層以上の層構造で形成する場合よりも、空孔の数の減少が図られる結果、製造コストを低減できる。すなわち、図1〜図3に示したファイバ1では、製造コストを低減しつつ高NAが実現できている。
In the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、中実領域7は、コア領域3と、そのコア領域3の屈折率よりも低い屈折率を有する第1クラッド領域5との2つの領域からなるが、この場合に限定されない。中実領域は、光増幅剤を励起する励起光を閉じ込めて伝播させることができ、その光増幅剤から出力された光を伝播できる構造であればよい。なお、式(1)では、n0は、第1クラッド領域5の屈折率としたが、中実領域7がコア領域3及び第1クラッド領域5からなる場合以外では、例えば、中実領域のうち最も外側であって第2クラッド領域(クラッド領域)9と接する領域の屈折率とすればよい。
As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the said embodiment. For example, the
また、上記実施形態では、ホーリーファイバ1は、光ファイバレーザ光源に利用されるものとして説明したが、例えば、励起光と共に信号光を入射することで光増幅器としても利用することも可能である。
In the above-described embodiment, the
1…ホーリーファイバ、3…コア領域(第1領域)、5…第1クラッド領域(第2領域)、7…中実領域、9…第2クラッド領域(クラッド領域)、9A…空孔、L…光軸。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記光軸方向に略直交する断面において、前記複数の空孔は、前記中実領域の外周に沿って1層構造で配置されており、前記複数の空孔のうち互いに隣り合う空孔の間の最短距離が1.0μm以下であることを特徴とするホーリーファイバ。 A solid region extending in the optical axis direction to which an optical amplifying agent is added at least in part, a clad region having a plurality of holes extending in the optical axis direction and provided around the solid region; A holey fiber that propagates excitation light for exciting the light amplification agent in the solid region,
In the cross-section substantially orthogonal to the optical axis direction, the plurality of holes are arranged in a single layer structure along the outer periphery of the solid region, and among the plurality of holes, between the adjacent holes. The shortest distance is 1.0 μm or less.
前記光増幅剤が添加された第1領域と、
前記第1領域の周囲に設けられ、前記第1領域の屈折率よりも低い屈折率を有する第2領域と
を有することを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のホーリーファイバ。 The solid region is
A first region to which the light amplification agent is added;
The first region according to any one of claims 1 to 3, further comprising a second region provided around the first region and having a refractive index lower than that of the first region. Holy fiber.
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