JP2007139857A - シングルモード光ファイバ及びファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】シングルモードでの導光を確保しつつ、パワー密度を十分低くできるほどモードフィールド径が大きく、ビーム品質と耐パワー性の両方共に優れたシングルモード光ファイバの提供。
【解決手段】ほぼ均一な屈折率分布を有するコアと、該コアを囲むように設けられたコアより低屈折率のクラッドとを有し、コアの比屈折率差が０．１５％以下であり、コア直径が１０μｍ以上である光ファイバであって、そのモードフィールド径が使用波長において１２μｍ以上あり、かつ１ｍ以下の条長でもカットオフ波長が使用波長以下であることを特徴とする、１Ｗ以上の高パワー光の導光に用いられるシングルモード光ファイバ。
【選択図】図２

Description

本発明は、１Ｗ以上の高パワー光の導光に好適なシングルモード光ファイバ及び該ファイバを導光用ファイバとして含むファイバレーザに関する。

近年、ＹＡＧ等の固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等で発生させた比較的高出力の光を導光する目的で光ファイバを利用するケースが増えてきている。
そのような目的に使用される光ファイバに要求される特性は、ビーム品質と耐パワー性がある。ビーム品質は、導光後のビーム集光性に関係しており、主として狭い領域にビームを照射するようなアプリケーションへの適用時に、ビーム品質が高いことが必要となる。一方、耐パワー性に関しては、それが不十分であると高パワーの導光時に導光媒体である光ファイバが損傷を受けてしまうので、より高パワーを必要とするアプリケーションへの適用時に、より重要な指標となる。この耐パワー性は、損傷しきい値で表され、媒質の材料物性と光のパワー密度の関係から決まる数値である。
導光に用いられる光ファイバの主成分は、比較的損傷しきい値の高い石英ガラスであり、媒質の材料物性は大きく変えることが難しい。故に、損傷しきい値を高めるには、光のパワー密度を下げる、即ち導光断面積（モードフィールド径）を大きくすることが有効である。

比較的高出力の光を導光するためには、ビーム品質と耐パワー性の両方共優れた光ファイバを使用することが理想的であるが、現在使用されている光ファイバにあっては、その両方を十分に高いレベルで両立し得るものは存在しない。

現在市場で入手できる光ファイバは、大別してマルチモード光ファイバとシングルモード光ファイバの２種類である。ビーム品質の観点からは、シングルモード光ファイバで導光することにメリットがあるものの、現在市販されているものでは、そのモードフィールド径が５μｍ程度しかないため、１Ｗ以上の光を損傷の恐れ無く導光するには、耐パワー性の観点から不安が残る。一方、光損傷等の耐パワー特性の観点からは、モードフィールド径が大きく（５０μｍ以上が一般的である）、よりパワー密度を低く導光可能なマルチモード光ファイバにメリットがあるものの、複数のモードを導光してしまうので、ビーム品質が低いという問題が残る。前述した従来技術に関する文献としては、例えば、非特許文献１〜３が挙げられる。
http://www.corning.com/photonicmaterials/products__services/specialty_fiber/Frame.asp?BodyURL=/photonicmaterials/pdf/pi1263%2Epdf http://www.optoscience.com/pdf/nufern/3-pdf.pdf 川添博司編、非晶質シリカ材料応用ハンドブック；６．２章

本発明は前記事情に鑑みてなされ、シングルモードでの導光を確保しつつ、パワー密度を十分低くできるほどモードフィールド径が大きく、ビーム品質と耐パワー性の両方共に優れたシングルモード光ファイバの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、ほぼ均一な屈折率分布を有するコアと、該コアを囲むように設けられたコアより低屈折率のクラッドとを有し、コアの比屈折率差が０．１５％以下であり、コア直径が１０μｍ以上である光ファイバであって、そのモードフィールド径が使用波長において１２μｍ以上あり、かつ１ｍ以下の条長でもカットオフ波長が使用波長以下であることを特徴とする、１Ｗ以上の高パワー光の導光に用いられるシングルモード光ファイバを提供する。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、少なくとも２層のクラッドを有し、その内側のクラッドの屈折率が周囲のクラッドの屈折率よりも低い低屈折率部になっていることが好ましい。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、前記低屈折率部の比屈折率差が−０．０２％〜−０．１０％の範囲であることが好ましい。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、前記低屈折率部が前記コアと接していることが好ましい。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、前記低屈折率部の直径が、前記コア直径の１．５倍以上であることが好ましい。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、前記低屈折率部と前記コアとの間に、コアの屈折率と低屈折率部の屈折率の間となる屈折率を持つ部位を有することが好ましい。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、前記低屈折率部がコア径の２倍から５倍の範囲内にあることが好ましい。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、クラッド直径が１８０μｍ以上あることが好ましい。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、使用波長におけるモードフィールド径が１５μｍ以上であることが好ましい。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、使用波長が９００〜１２００ｎｍの範囲であることが好ましい。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、使用波長が４００〜６００ｎｍの範囲であることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係るシングルモード光ファイバを構成要素の一部として含むことを特徴とするファイバレーザを提供する。

本発明によれば、シングルモードでの導光を確保しつつ、パワー密度を十分低くできるほどモードフィールド径が大きいものなので、ビーム品質と耐パワー性の両方共に優れたシングルモード光ファイバを提供することができる。

従来技術の問題点で指摘したように、本ファイバの適用領域においては、高いビーム品質と耐パワー性が求められる。ビーム品質は、導光後のビーム集光性に関係しており、主として狭い領域にビームを照射するようなアプリケーションへの適用の際に、ビーム品質が良い必要が生じる。一方、耐パワー性に関しては高パワーの導光時に導光媒体である光ファイバが損傷を受けてしまうことになるので、より高パワーを必要とするアプリケーションへの適用の際に、より重要な指標となる。耐パワー性は、損傷しきい値で表され、媒質の材料物性と光のパワー密度の関係から決まる数値である。一般的に導光に用いられる光ファイバの主成分は材質としては比較的損傷しきい値が高い石英ガラスであることが普通なので、損傷しきい値を高めるには、光のパワー密度を下げる、即ち導光断面積（指標としてモードフィールド径が挙げられる）を大きくすることが有効である。この両者を高いレベルで兼ね備えた導光ファイバを提供することが本発明の目的である。

まず、耐パワー性に関して、本発明の新規性ならびに効果を述べる。
前述したように、石英ガラス製の光ファイバにおいて耐パワー性を向上させるには、モードフィールド径を大きくすることが有効である。なお、モードフィールド径の定義、並びに説明は、例えば、ＩＴＵ−Ｔ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ Ｇ．６５０．１等に記載されている。

一般に、モードフィールド径を大きくすることは、光ファイバのコア径を大きくすることで実現できる。そのため、本発明のシングルモード光ファイバにおいては、コア直径を１０μｍ以上としている。

しかしながら、ただ単に、コア直径を大きくしただけでは、コアの導光モードとして、基本モードの他に、高次モードと呼ばれるモードが存在するようになり、導光モードが複数存在してしまう。導光モードの数が増えると、導光中のビームの断面パワー分布形状がガウス形状から大きく逸脱してしまう。なお、光ファイバの導光モードのパワー分布等に関しては、例えば、大越ら、“光ファイバ”、オーム社等に記載されている。これは高次モード導光中のビームの品質を下げることにつながるため、好ましくない。そのため、何らかの方法で、導光モードが一つ（シングルモード）となるようにすることができれば、ビーム品質の劣化を防いで、高いビーム品質のまま導光することが可能になる。

本発明では、光ファイバのシングルモード導光を実現するために、コアの比屈折率差を実質的に０．１５％以下に制限した。コアの屈折率を低く（クラッドの屈折率と近く）することで、高次モードは放射モードとなり、導光しないようになる。

また、コアの屈折率分布をほぼ均一とすることにより、コア内での光パワー分布がガウス分布に近づくため、これもビーム品質を高める効果がある。ほぼ均一とは、実質的にコアが均一と見なすことができる程度の製造時のゆらぎを含み、例えば（例示であって限定ではない）次のような場合である。

・実際に製造した光ファイバにおいて、そのコアの屈折率の平均が理想的なプロファイルでの屈折率分布条件を満たしており、その光学特性が前記特性を満たしている。
・実質的に単峰型であればよく、意図的に単峰型でない屈折率分布を作製していない場合は全て当てはまる。
例１：そのコアの屈折率の平均が理想的なプロファイルでの屈折率分布条件を満たしており、コアの径方向の屈折率の変動が平均値に対し、±２５％以内であるものは本例に当てはまる。
例２：そのコアの屈折率の平均が理想的なプロファイルでの屈折率分布条件を満たしており、コアの中心直径２μｍ以下の範囲で急峻な屈折率の変動がある場合は本例にあてはまる。
例１は、ＶＡＤ法等でコアを作製した場合に現れる製造上の変動を例示したものであり、例２は、ＭＣＶＤ法やＰＣＶＤ法でコラプスする際に現れる製造上の意図しない屈折率変動を例示したものである。
・コアの外径は、そのコアの屈折率の平均に対し理想的なプロファイル（矩形状のプロフィル）において、外径が前記範囲にあり、その光学特性が前記特性を満たしていれば当てはまる。実質的には、コアの平均の屈折率の２０％〜８０％にあたる屈折率をもつ部分の径のいずれかが前記範囲内にあって前記光学特性を満たしていれば当てはまる。
図５（ａ），（ｂ）に屈折率分布のゆらぎの例を示す。

さらに、本発明者らは、１Ｗ以上の高パワー光を、ビーム品質をＭ^２で１．５以下で導光するための条件について、いろいろな光ファイバを試作し、その限界を検討した。その結果、コア径とコアの比屈折率差の制限のほかに、モードフィールド径が使用波長において１２μｍ以上、かつ使用条長においてカットオフ波長が使用波長以下であることが、前記条件での導光には必要な条件であることがわかった。ここで、使用条長は一般的に１ｍ以上である。

図１及び図２は、本発明によるシングルモード光ファイバの第１実施形態を示す図であり、図１はシングルモード光ファイバ１の断面図、図２はシングルモード光ファイバ１の径方向の屈折率分布を示す図である。

本実施形態のシングルモード光ファイバ１は、ほぼ均一な屈折率分布を有するコア２と、その周囲に設けられたクラッド３とを有し、クラッド３に対するコア２の比屈折率差が０．１５％以下であり、コア直径が１０μｍ以上であり、そのモードフィールド径が使用波長において１２μｍ以上あり、かつ１ｍ以下の条長でもカットオフ波長が使用波長以下であることを特徴とする、１Ｗ以上の高パワー光の導光を行うシングルモード光ファイバである。

本実施形態のシングルモード光ファイバ１は、ほぼ均一な屈折率分布を有するコアを持ち、かつコアの比屈折率差を０．１５％以下、コア直径を１０μｍ以上とすることにより、導光する光のパワー密度をほぼ一律に下げつつ、シングルモードでの導光が使用波長において実現でき、その結果、１Ｗ以上の高パワー光を導光した場合にも損傷せずに、高いビーム品質を維持しつつ導光可能である。１Ｗ以上の光を導光するためには、モードフィールド径は１２μｍ以上である必要があり、また、ビーム品質をＭ^２で１．５以下で導光するには、想定される使用条長（１ｍ以上）にて、カットオフ波長が使用波長以下である必要がある。

また、ここでは具体的には開示しないが、一般的に、シングルモードでの導光の場合、他にも、曲げ損失やマイクロベンド損失等にも注意を払う必要があり、屈折率分布の設定は、慎重に進めるべきである。
ここで、具体的な屈折率分布について開示する。

第１実施形態のシングルモード光ファイバ１は、図２に示す屈折率分布を持ち、かつコアの比屈折率差が０．１５％以下、コア直径が１０μｍ以上である光ファイバである。表１中にその得られた光学特性と共に光ファイバの構造を示す。なお、比屈折率差が０．１０％以下であると、モードフィールド径が大きくなるので、実質的には比屈折率差が０．１０％以下の構造で用いられることが多い。

図３は、本発明によるシングルモード光ファイバの第２実施形態における屈折率分布を示す図である。本実施形態では、図３に示すように、コア２の外周にクラッド３よりも屈折率の低い低屈折率部４が設けられた構造になっている。
図３に示す屈折率分布を持つ場合にも、図２の場合と同様の効果を示す。さらには、コア２の外周に低屈折率部４を持つことにより、図２の構造に比して、高次モードの損失が大きくなるため、シングルモード導光により好適な構造となる。そのため、同じモードフィールド径でも曲げ損失を低減できたり、よりモードフィールド径が大きい構造でも、シングルモード導光が可能になるという特徴をもつ。表１中にその得られた光学特性と共に光ファイバの構造を示す。このとき、低屈折率部４の比屈折率差は、−０．０２％より低くないと効果が期待できず、−０．１０％より低いと製造性の観点から、コスト対効果の面で望ましくない。

図４は、本発明によるシングルモード光ファイバの第３実施形態における屈折率分布を示す図である。本実施形態では、クラッド３の径方向中間部分に低屈折率部４が設けられた構造になっている。
図４に示す屈折率分布を持つ場合にも、図３の場合と同様の効果を示す。クラッド３の径方向中間部分に低屈折率部４を持つことにより、図３の構造に比して、高次モードの損失がさらに大きくなるため、シングルモード導光により好適な構造となる。そのため、同じモードフィールド径でも曲げ損失を低減できたり、よりモードフィールド径が大きい構造でも、シングルモード導光が可能になるという特徴をもつ。表１中にその得られた光学特性と共に光ファイバの構造を示す。このとき、低屈折率部４の比屈折率差は、−０．０２％より低くないと効果が期待できず、−０．１０％より低いと製造性の観点から、コスト対効果の面で望ましくない。さらに、低屈折率部４がコア径の２倍から５倍の範囲内であると、高次モードのモード分布に近い位置で低屈折率部４が配置されることになるので、本構造の効果が高い。

また、マイクロベンド損失に目を向けると、本発明のシングルモード光ファイバは、基本モードへの閉じ込めが弱い関係上、マイクロベンド特性は通常の光ファイバに比して悪い傾向にある。この問題に対しては、クラッド径を太くすることにより解決できる。本発明の構造においては、クラッド外径が１８０μｍ以上とした場合にマイクロベンド改善効果が顕著になる。

さらにモードフィールド径のサイズについて考察する。光損傷しきい値の観点から、モードフィールド径が大きい必要があるが、実用上どこにその制限が得られるかを評価した。まず、本発明では耐損傷性の高い石英を主成分とするガラスを用いており、その意味で他の光ファイバに対して高い耐パワー性を持っている。さらに、非特許文献３によると、石英ガラスの光の損傷しきい値は１００Ｗ／μｍ^２である。そこから計算すると、ピークパワーで１０ｋＷの光を導光するには、モードフィールド径は１２μｍ以上である必要がある。さらに、２０ｋＷの場合にはモードフィールド径を１５μｍ以上とする必要がある。

本発明のシングルモード光ファイバで導光される光の波長であるが、まずは従来のＹＡＧレーザの波長である１０６０ｎｍ付近が挙げられる（これは例示であって限定ではない）。また、その第２高調波である５３０ｎｍ付近の場合もある。さらには第３高調波である３５０ｎｍ付近、第４高調波である２５０ｎｍ付近の場合も考えられ、そのいずれに対しても本発明のシングルモード光ファイバは、低い損失で導光可能である。

本発明はまた、前述した前述した本発明に係るシングルモード光ファイバを構成要素の一部として含むことを特徴とするファイバレーザを提供する。
近年、ファイバレーザは、ビーム品質やメンテナンスフリー性、アラインメントフリー性等の観点から注目を浴びている。そのようなシステムでは当然、高パワー光の導光部が必要となる。そのようなシステムに本発明のシングルモード光ファイバを用いることにより、高パワー・高品質ファイバレーザの実現に大きく寄与する。

表１に示す通り、屈折率分布のタイプ、コア径、コアの比屈折率差、低屈折率部の径及びその比屈折率差、クラッド外径の異なる試作Ｎｏ．１〜１０の光ファイバ（本発明に係る実施例）を試作し、それぞれの光ファイバの特性を調べた。
また、比較例１として市販品のシングルモード光ファイバ（Ｃｏｒｎｉｎｇ社製ＨＩ１０６０）及び比較例２として市販のマルチモードファイバを用い、試作Ｎｏ．１〜１０の光ファイバと同様に特性を調べた。これらの結果を表１にまとめて記す。
なお、表１中「耐パワー」とは、所定光量の光をファイバに入射し、入射した光量でファイバが損傷を生じる光量（単位：Ｗ）であり、「＞５」は実験に用いた最大光量である５Ｗでも損傷を起こさなかった場合を示している。
また、Ｍ^２の実験結果において「＜１．１」とあるのは、測定精度の観点で１．１未満が測定不可能であるため、１．１より低い場合を＜１．１と記している。

表１の結果より、図２に示す屈折率分布を持ったＮｏ．１〜３の光ファイバは、コア直径を１５μｍ以上とし、かつコアの比屈折率差を０．１０％未満としたことで、モードフィールド径が大きくなり、高いビーム品質（Ｍ^２が１．１未満）を維持しつつ、高い耐パワー性（耐パワーが５Ｗ以上）を達成することができた。
また、図３に示す屈折率分布を持ったＮｏ．４〜６の光ファイバは、Ｎｏ．１〜３の光ファイバと同様に、高いビーム品質（Ｍ^２が１．１未満）を維持しつつ、高い耐パワー性（耐パワーが５Ｗ以上）を達成することができた。さらに、Ｎｏ．４〜６の光ファイバは、コアの外周に低屈折率部を持つことにより、図２の構造に比して、高次モードの損失が大きくなるため、シングルモード導光により好適な構造となる。そのため、同じモードフィールド径でも曲げ損失を低減できたり、よりモードフィールド径が大きい構造でも、シングルモード導光が可能になるという特徴をもつ。
また、図４に示す屈折率分布を持ったＮｏ．７〜１０の光ファイバは、Ｎｏ．１〜３の光ファイバと同様に、高いビーム品質（Ｍ^２が１．１未満）を維持しつつ、高い耐パワー性（耐パワーが５Ｗ以上）を達成することができた。さらに、Ｎｏ．７〜１０の光ファイバは、クラッドの径方向中間部分に低屈折率部を持つことにより、図３の構造に比して、高次モードの損失がさらに大きくなるため、シングルモード導光により好適な構造となる。そのため、同じモードフィールド径でも曲げ損失を低減できたり、よりモードフィールド径が大きい構造でも、シングルモード導光が可能になるという特徴をもつ。

一方、比較例１の市販シングルモード光ファイバは、ビーム品質は良好であるが、耐パワーは１．８Ｗであり、実施例のＮｏ．１〜１０の光ファイバと比べて耐パワー性に劣っていた。なお、比較例１の市販シングルモード光ファイバにおいても耐パワーが１．８Ｗであることから、一見すると１Ｗ以上の高パワー光の導光に使用可能と思えるが、ここでの耐パワーは、ファイバが壊れる入射光量を示したものであり、この耐パワー値では安全率が低く、また使用条件や製造ばらつき等を考慮すると、１Ｗ以上の高パワー光の導光には不向きであると言える。
また、比較例２のマルチモードファイバは、コア直径及びモードフィールド径が大きいことから、耐パワー性に関しては十分な性能を有するが、ビーム品質に関しては実施例のＮｏ．１〜１０の光ファイバと比べて劣っている。

本発明のシングルモード光ファイバの第１実施形態の断面図である。 本発明のシングルモード光ファイバの第１実施形態の屈折率分布を示す図である。 本発明のシングルモード光ファイバの第２実施形態の屈折率分布を示す図である。 本発明のシングルモード光ファイバの第３実施形態の屈折率分布を示す図である。 屈折率分布のゆらぎを例示する図である。

符号の説明

１…シングルモード光ファイバ、２…コア、３…クラッド。

Claims (12)

1. ほぼ均一な屈折率分布を有するコアと、該コアを囲むように設けられたコアより低屈折率のクラッドとを有し、コアの比屈折率差が０．１５％以下であり、コア直径が１０μｍ以上である光ファイバであって、そのモードフィールド径が使用波長において１２μｍ以上あり、かつ１ｍ以下の条長でもカットオフ波長が使用波長以下であることを特徴とする、１Ｗ以上の高パワー光の導光に用いられるシングルモード光ファイバ。
2. 少なくとも２層のクラッドを有し、その内側のクラッドの屈折率が周囲のクラッドの屈折率よりも低い低屈折率部になっていることを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光ファイバ。
3. 前記低屈折率部の比屈折率差が−０．０２％〜−０．１０％の範囲であることを特徴とする請求項２に記載のシングルモード光ファイバ。
4. 前記低屈折率部が前記コアと接していることを特徴とする請求項２又は３に記載のシングルモード光ファイバ。
5. 前記低屈折率部の直径が、前記コア直径の１．５倍以上であることを特徴とする請求項４に記載のシングルモード光ファイバ。
6. 前記低屈折率部と前記コアとの間に、コアの屈折率と低屈折率部の屈折率の間となる屈折率を持つ部位を有することを特徴とする請求項２又は３に記載のシングルモード光ファイバ。
7. 前記低屈折率部がコア径の２倍から５倍の範囲内にあることを特徴とする請求項６に記載のシングルモード光ファイバ。
8. クラッド直径が１８０μｍ以上あることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
9. 使用波長におけるモードフィールド径が１５μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
10. 使用波長が９００〜１２００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
11. 使用波長が４００〜６００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載のシングルモード光ファイバを構成要素の一部として含むことを特徴とするファイバレーザ。
    

Images