JP2007199516A - ダブルクラッドファイバ、結合構造、ファイバアンプ及びファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ポンピング媒体に信号光と励起光を効果的に導入可能なファイバとそれを用いた結合構造、ファイバアンプ及びファイバレーザの提供。
【解決手段】コアと、該コアの外周を囲む内側クラッドとを有し、信号光と励起光を導光するダブルクラッドファイバであって、該ダブルクラッドファイバの２つの端Ａ，Ｂは、信号光に対するモードフィールド径がＡ＜Ｂ、かつ内側クラッド径がＡ＞Ｂの関係になっていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。このダブルクラッドファイバの一方の端に信号光導光ファイバ及び励起光導光ファイバを接続するとともに、他方の端にポンピング媒体を接続し、ポンピング媒体に信号光と励起光を導入する結合構造であって、ダブルクラッドファイバのモードフィールド径の小さい側の端に信号光導光ファイバ及び励起光導光ファイバを接続したことを特徴とする結合構造。
【選択図】図４

Description

本発明は、ファイバアンプやファイバレーザにおいて、希土類添加ダブルクラッドファイバ等のポンピング媒体に高い効率で信号光と励起光を導光することが可能なダブルクラッドファイバ、それを用いた結合構造、ファイバアンプ及びファイバレーザに関する。

近年、高出力のファイバアンプやファイバレーザでは、励起光によるコアの損傷を避けるために、増幅部でクラッドポンピングを用いることが増えてきている。クラッドポンピングにおいては、信号光はコア、励起光はクラッドを伝搬させる。クラッドポンピングによる増幅の効率を決める要素の一つとして、励起光源から増幅部である希土類添加ファイバへの励起光結合効率がある。そのため、結合部の構造は、これらの製品にとって、非常に重要な機構となる。

この結合部の構造として、従来、特許文献１に開示されている傾斜ファイバ束が提案されている。この傾斜ファイバ束は、一定の長さのクラッドポンピングファイバと、ともに束ねられ、減少した断面積領域まで傾斜した複数のマルチモードファイバとが含まれ、前記減少した断面積領域は、前記クラッドポンピングファイバに溶融接続された構造になっている。
特許第３４１５４４９号公報

特許文献１に記載された傾斜ファイバ束は、効率よく光結合できる反面、複数本のファイバを束ねる関係上、励起ポート形状を、最も効率良く希土類添加ファイバに結合できる円形状とした場合、励起光源を導入するポートの数が、７個（信号光導光用のシングルモード光ファイバが存在する場合には６個）や１９個（信号光導光用のシングルモード光ファイバが存在する場合には１８個）等、構造的に決められた配置数しか取れないという欠点があった。構造的に決められた配置数しか取れないということは、励起光源の数が制限される、あるいは使用しない空きポートが出来てしまって励起光密度が低くなってしまうことを意味する。ここで、励起光密度とは、励起光量を光の通過する断面積で除したもので、これも増幅効率に影響を与える。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、ポンピング媒体に高い効率で信号光と励起光を導入可能なファイバとそれを用いた結合構造、ファイバアンプ及びファイバレーザの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、コアと、該コアの外周を囲む内側クラッドとを有し、信号光と励起光を導光するダブルクラッドファイバであって、該ダブルクラッドファイバの２つの端Ａ，Ｂは、信号光に対するモードフィールド径がＡ＜Ｂ、かつ内側クラッド径がＡ＞Ｂの関係になっていることを特徴とするダブルクラッドファイバを提供する。

本発明のダブルクラッドファイバにおいて、２つの端Ａ，Ｂの信号光に対するモードフィールド径の比率Ｂ／Ａが１．７以上であり、且つ２つの端Ａ，Ｂの内側クラッド径の比率Ｂ／Ａが０．６７以下であることが好ましい。

本発明のダブルクラッドファイバにおいて、モードフィールド径が小さい側の端は、使用波長におけるモードフィールド径が６μｍ以下であることが好ましい。

本発明のダブルクラッドファイバにおいて、モードフィールド径が大きい側の端は、使用波長におけるモードフィールド径が１２μｍ以上であることが好ましい。

本発明のダブルクラッドファイバにおいて、長手方向に渡り、コア径の変化率が１ｍｍあたり１００％以下であることが好ましい。

本発明のダブルクラッドファイバにおいて、内側クラッド径の小さい側の端は、内側クラッド径が４００μｍ以下であることが好ましい。

本発明のダブルクラッドファイバにおいて、内側クラッド径の小さい側の端は、開口数が０．７０以下であることが好ましい。

本発明のダブルクラッドファイバにおいて、内側クラッド径の小さい側の端は、開口数が０．５０以下であることが好ましい。

本発明のダブルクラッドファイバにおいて、内側クラッドの外周を囲む外側クラッドが、内側クラッドよりも屈折率の低いガラス、ポリマー、大気又はクラッドに空けられた空孔であることが好ましい。

また本発明は、前記本発明に係るブルクラッドファイバの一方の端に信号光導光ファイバ及び励起光導光ファイバを接続するとともに、該ダブルクラッドファイバの他方の端にポンピング媒体を接続し、ポンピング媒体に信号光と励起光を導入する結合構造であって、ダブルクラッドファイバのモードフィールド径の小さい側の端に信号光導光ファイバ及び励起光導光ファイバを接続したことを特徴とする結合構造を提供する。

本発明の結合構造において、ダブルクラッドファイバのモードフィールド径の小さい側の端と、信号光導光ファイバ及び励起光導光ファイバとを、マルチコアファイバを介して接続したことが好ましい。

本発明の結合構造において、ポンピング媒体が、希土類添加ダブルクラッドファイバであることが好ましい。

また本発明は、前記本発明に係る結合構造を有することを特徴とするファイバアンプを提供する。

また本発明は、前記本発明に係る結合構造を有することを特徴とするファイバレーザを提供する。

本発明のダブルクラッドファイバは、その２つの端Ａ，Ｂが、信号光に対するモードフィールド径がＡ＜Ｂ、かつ内側クラッド径がＡ＞Ｂの関係となる構成としたので、クラッドポンピングを行うようなファイバアンプやファイバレーザにおいて、信号光導光ファイバ及び励起光導光ファイバと、希土類添加ダブルクラッドファイバ等のポンピング媒体との結合部に該ファイバを用いる場合に、信号光および励起光の高効率結合に適するように、該ファイバの２つの端Ａ，Ｂのモードフィールド径及び内側クラッド径を設定することができるようになり、その結果、ポンピング媒体に信号光と励起光を高い効率で導入することができる。また励起光源の数に応じて最良の励起光密度が得られるように、該ファイバの入射側の端の径を設定することができるので、励起光源の数の制限を無くすことができる。
本発明の結合構造は、前記本発明に係るダブルクラッドファイバのモードフィールド径の小さい一方の側の端に信号光導光ファイバ及び励起光導光ファイバを接続するとともに、該ダブルクラッドファイバの他方の端にポンピング媒体を接続したものなので、ポンピング媒体に信号光と励起光を高い効率で導入することができる。また励起光源の数に応じて最良の励起光密度が得られるように、該ファイバの入射側の端の径を設定することができるので、励起光源の数の制限を無くすことができる。さらに、通常の光ファイバや市販品のポンピング媒体を用いて装置を構成した場合でも、信号光と励起光を高い効率でポンピング媒体に導入することができる。
本発明のファイバアンプ及びファイバレーザは、前記本発明に係る結合構造を有する構成としたので、ポンピング媒体に信号光と励起光を高い効率で導入することができ、増幅効率を向上することができる。また励起光源の数に応じて最良の励起光密度が得られるように、該ファイバの入射側の端の径を設定することができるので、励起光源の数の制限を無くすことができ、設計の自由度を拡げることができる。さらに、通常の光ファイバや市販品のポンピング媒体を用いて装置を構成した場合でも、信号光と励起光を高い効率でポンピング媒体に導入することができるので、安価な汎用ファイバや市販ファイバ等を用いて低コスト化を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１及び図２は、本発明のダブルクラッドファイバの第１実施形態を示す図であり、図１はダブルクラッドファイバの径方向断面図、図２は同じダブルクラッドファイバの長手方向断面図である。

本実施形態のダブルクラッドファイバ１０は、ＧｅＯ_２等のドーパントを添加して屈折率を高めた石英ガラスからなる中心のコア１１と、コア１１よりも低屈折率の石英ガラスからなり、コア１１の外周を囲む内側クラッド１２と、内側クラッドよりも低屈折率の透明材料からなり、内側クラッド１２の外周を囲む外側クラッド１３と、外側クラッド１３の外周に必要に応じて設けられた樹脂製の保護層１４とから構成され、このダブルクラッドファイバ１０の２つの端Ａ，Ｂは、信号光に対するモードフィールド径がＡ＜Ｂ、かつ内側クラッド径がＡ＞Ｂの関係になっている。

本実施形態のダブルクラッドファイバ１０は、その２つの端Ａ，Ｂが、信号光に対するモードフィールド径がＡ＜Ｂ、かつ内側クラッド径がＡ＞Ｂの関係となる構成としたので、クラッドポンピングを行うようなファイバアンプやファイバレーザにおいて、信号光導光ファイバ及び励起光導光ファイバと、希土類添加ダブルクラッドファイバなどのポンピング媒体（以下、希土類添加ダブルクラッドファイバと記す。）との結合部にこのダブルクラッドファイバ１０を用いる場合に、信号光および励起光の高効率結合に適するように、該ダブルクラッドファイバ１０の２つの端Ａ，Ｂのモードフィールド径及び内側クラッド径を設定することができるようになり、その結果、希土類添加ダブルクラッドファイバに信号光と励起光を高い効率で導入することができる。また励起光源の数に応じて最良の励起光密度が得られるように、該ファイバの入射側の端の径を設定することができるので、励起光源の数の制限を無くすことができる。

本実施形態のダブルクラッドファイバ１０において、２つの端Ａ，Ｂの信号光に対するモードフィールド径の比率Ｂ／Ａが１．７以上であり、且つ２つの端Ａ，Ｂの内側クラッド径の比率Ｂ／Ａが０．６７以下であることが好ましい。これにより、現在一般的に使用されている入射側の励起光導光ファイバや信号光導光ファイバおよび出射側の希土類添加ダブルクラッドファイバとさらに効率的に結合できるので、信号光と励起光とをより効率的に希土類添加ダブルクラッドファイバに導入できる。

一般に、入射側の信号光導光ファイバのモードフィールド径と、出射側の希土類添加ダブルクラッドファイバのモードフィールド径とは大きな差があり、ダブルクラッドファイバ１０の両端のモードフィールド径の差が１．７倍未満であると、入射端部もしくは出射端部での接続において、大きな接続損失が信号光に発生してしまい、効率的に信号光を希土類添加ダブルクラッドファイバに導入できない。さらに、入射側の励起光導光ファイバと出射側の希土類添加ダブルクラッドファイバとのクラッド外径も大きく異なっており、同様にダブルクラッドファイバ１０の両端のクラッド外径の差が小さいと、同じく入射端部もしくは出射端部での接続（通常は出射端部）において、大きな接続損失が励起光に発生してしまい、効率的に励起光を希土類添加ダブルクラッドファイバに導入できない。

本実施形態のダブルクラッドファイバ１０において、モードフィールド径が小さい側の端Ａは、使用波長におけるモードフィールド径が６μｍ以下であることが好ましい。これにより、一般に信号光の導光に用いられる信号光導光ファイバと本実施形態のダブルクラッドファイバ１０との接続損失を低減できるので、より効率的に信号光を希土類添加ダブルクラッドファイバに導入できる。

一般に信号光の導光に用いられる信号光導光ファイバのモードフィールド径は、４〜６μｍ程度であるので、このダブルクラッドファイバ１０の入射側とする端Ａのモードフィールド径が６μｍを超えると、モードフィールド差を起因とした信号光の接続損失が大きくなり、効率的に信号光を希土類添加ダブルクラッドファイバに導入できなくなるので好ましくない。

本実施形態のダブルクラッドファイバ１０において、モードフィールド径が大きい側の端Ｂは、使用波長におけるモードフィールド径が１２μｍ以上であることが好ましい。これにより、クラッドポンピングに用いられる一般的なポンピング媒体である希土類添加ダブルクラッドファイバと、ダブルクラッドファイバ１０との接続損失を低減できるので、より効率的に信号光を希土類添加ダブルクラッドファイバに導入できる。

一般的な希土類添加ダブルクラッドファイバのモードフィールド径は、１４〜２０μｍ程度であるので、ダブルクラッドファイバ１０の希土類添加ダブルクラッドファイバと接続する側の端Ｂのモードフィールド径が１２μｍ未満であると、モードフィールド差を起因とした信号光の接続損失が大きくなり、効率的に信号光を希土類添加ダブルクラッドファイバに導入できなくなるので好ましくない。

本実施形態のダブルクラッドファイバ１０において、コア径の変化率が１ｍｍあたり１００％以下であることが好ましい。これにより、コア径の変化が緩やかになるので、ダブルクラッドファイバ１０内での信号光の漏洩を避けることができ、ダブルクラッドファイバ１０内での信号光の損失が抑制され、より効率的に信号光を希土類添加ダブルクラッドファイバに導入できる。このコア径の変化率が１ｍｍあたり１００％を超えて変化してしまうと、そこで信号光の漏洩が発生し、導光損失が高くなるので好ましくない。

本実施形態のダブルクラッドファイバ１０において、内側クラッド径の小さい側の端Ｂは、内側クラッド径が４００μｍ以下であることが好ましい。これにより、希土類添加ダブルクラッドファイバへ導入される励起光の光密度が高くなり、希土類添加ダブルクラッドファイバでの励起効率をより高めることが可能になる。一般的な希土類添加ダブルクラッドファイバのクラッド外径は４００μｍもしくはそれより小さいので、希土類添加ダブルクラッドファイバと接続する、ダブルクラッドファイバ１０の出射側の端Ｂの内側クラッド径が４００μｍより大きいと、断面積差を起因とした励起光の接続損失が大きくなり、効率的に励起光を希土類添加ダブルクラッドファイバに導入できなくなるので好ましくない。

本実施形態のダブルクラッドファイバ１０において、内側クラッド径の小さい側の端Ｂは、内側クラッド１２の開口数が０．７０以下であることが好ましい。これにより、一般に想定されるいかなる希土類添加ダブルクラッドファイバの開口数よりも小さいので、開口数差を起因とした励起光の接続損失を抑制することができ、効率的に励起光を希土類添加ダブルクラッドファイバに導入できる。

本実施形態のダブルクラッドファイバ１０において、内側クラッド径の小さい側の端Ｂは、内側クラッド１２の開口数が０．５０以下であることが好ましい。この開口数は、最も一般的な希土類添加ダブルクラッドファイバの開口数よりも小さいので、開口数差を起因とした励起光の接続損失を抑制することができ、より効率的に励起光を希土類添加ダブルクラッドファイバに導入できる。そのため、市販品として安価に入手できる希土類添加ダブルクラッドファイバを用いてファイバアンプやファイバレーザを構成した場合でも、開口数の差を起因とした励起光の接続損失を抑制できるので、効率的に励起光を希土類添加ダブルクラッドファイバに結合できるファイバアンプやファイバレーザを安価に提供することができる。

本実施形態のダブルクラッドファイバ１０は、まず、従来公知の石英ガラス製ダブルクラッドファイバの製造と同様にコアとそれを囲むダブルクラッド構造を持つファイバ母材を作製し、次にこの母材を、太い側の端の径となるように紡糸し、次に、得られたファイバの一部を溶融延伸し、端部の径の異なるダブルクラッドファイバを作製する方法により製造することができる。ファイバの片側を溶融延伸する時、内側クラッド径とコア径を所望の径にするため、延伸時に外径を測定しながら延伸するか、予め定めた延伸条件にて延伸することにより、所望の特性のダブルクラッドファイバを得ることができる。

図６は、本発明のダブルクラッドファイバの第２実施形態を示す図である。本実施形態のダブルクラッドファイバ３０は、ＧｅＯ_２等のドーパントを添加して屈折率を高めた石英ガラスからなる中心のコア３１と、コア３１よりも低屈折率の石英ガラスからなり、コア３１の外周を囲む内側クラッド３２と、内側クラッド３２よりも低屈折率のポリマーからなり、内側クラッド３２の外周を囲む外側クラッド３３とから構成されている。なお、図示していないがこのダブルクラッドファイバ３０の２つの端Ａ，Ｂは、前記第１実施形態と同じく、信号光に対するモードフィールド径がＡ＜Ｂ、かつ内側クラッド径がＡ＞Ｂの関係になっている。

図７は、本発明のダブルクラッドファイバの第３実施形態を示す図である。本実施形態のダブルクラッドファイバ４０は、ＧｅＯ_２等のドーパントを添加して屈折率を高めた石英ガラスからなる中心のコア４１と、コア４１よりも低屈折率の石英ガラスからなり、コア４１の外周を囲む内側クラッド４２とから構成されている。本実施形態のダブルクラッドファイバ４０は、内側クラッド４２の周りの大気４３（エア）がクラッドとして機能し、ダブルクラッド構造として機能するようになっている。なお、図示していないがこのダブルクラッドファイバ４０の２つの端Ａ，Ｂは、前記第１実施形態と同じく、信号光に対するモードフィールド径がＡ＜Ｂ、かつ内側クラッド径がＡ＞Ｂの関係になっている。

図８は、本発明のダブルクラッドファイバの第４実施形態を示す図である。本実施形態のダブルクラッドファイバ５０は、ＧｅＯ_２等のドーパントを添加して屈折率を高めた石英ガラスからなる中心のコア５１と、コア５１よりも低屈折率の石英ガラスからなり、コア５１の外周を囲む内側クラッド５２と、内側クラッド５２を囲んで設けられた外側クラッドとして機能する空孔５３とを備えた構成になっている。なお、図示していないがこのダブルクラッドファイバ３０の２つの端Ａ，Ｂは、前記第１実施形態と同じく、信号光に対するモードフィールド径がＡ＜Ｂ、かつ内側クラッド径がＡ＞Ｂの関係になっている。

次に、本発明に係る結合構造の実施形態を説明する。
図４は、本発明に係る結合構造の第１実施形態を示す図である。本実施形態の結合構造２０は、信号光光源２１と、該信号光光源２１からの信号光を導光する信号光導光ファイバ２２と、多数の励起光光源２３と、各励起光光源２３からの励起光を導光する励起光導光ファイバ２４と、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｇｄ，Ｅｕなどの希土類元素が添加された石英ガラスからなるコアを２層のクラッドで囲んだ構造を有するポンピング媒体としての希土類添加ダブルクラッドファイバ２５と、２つの端のうち内側クラッド径が大きい側の端Ａに前記信号光導光ファイバ２２と多数の励起光導光ファイバ２４とを接続するとともに、内側クラッド径が小さく、モードフィールド径が大きい側の端Ｂに前記希土類添加ダブルクラッドファイバ２５の一端を接続して設けられた本発明のダブルクラッドファイバ１０とを備えて構成されている。

信号光導光ファイバ２２は、ダブルクラッドファイバ１０の端Ａのコア１１に信号光を導入できるように融着接続され、多数の励起光導光ファイバ２４は、ダブルクラッドファイバ１０の端Ａの内側クラッド１２に励起光を導入できるように融着接続されている。また、希土類添加ダブルクラッドファイバ２５と、ダブルクラッドファイバ１０の端Ｂとは、それぞれのコアが同軸となり、且つそれぞれの内側クラッドが一致するように融着接続されている。信号光導光ファイバ２２と励起光導光ファイバ２４の種類等は限定されないが、例えば、信号光導光ファイバ２２としてはシングルモード光ファイバ、励起光導光ファイバ２４としてはマルチモード光ファイバを用いることができる。また、信号光光源２１や励起光光源２３についても特に限定されず、レーザダイオード（ＬＤ）やファイバアンプを用いることができる。信号光は、パルス光であっても連続光であってもよい。

このように構成された結合構造２０は、信号光光源２１と励起光光源２３とを駆動させることで、信号光導光ファイバ２２を導光した信号光がダブルクラッドファイバ１０のコア１１に導入され、コア１１内を導光し、端Ｂに接続された希土類添加ダブルクラッドファイバ２５のコアに導入される。また励起光導光ファイバ２４を導光した励起光は、ダブルクラッドファイバ１０の内側クラッド１２に導入され、内側クラッド１２内を導光し、端Ｂに接続された希土類添加ダブルクラッドファイバ２５の内側クラッドに導入される。希土類添加ダブルクラッドファイバ２５に内側クラッドに導入された励起光は、コアに添加された希土類イオンを励起し、コアを導光する信号光を増幅し、高パワーの増幅光が希土類添加ダブルクラッドファイバ２５の他端から出力される。

本発明の結合構造２０は、励起光をポンピング媒体に導入するための、径を傾斜させる結合部分を、ファイバ束ではなく、信号光を導光するコアと、励起光を導光する内側クラッドを有するダブルクラッドファイバ構造とし、そのダブルクラッドファイバ１０の径が長手方向に沿って変化する構造とすることで、特許文献１の欠点を解決している。即ち、励起導光のファイバと、径変化を担う部位とを分離することで、構造的に決められた配置数以外の個数の励起光源を自由に接続できるという効果を得ることができる。

さらに本発明の結合構造２０に用いているダブルクラッドファイバ１０は、信号光を導光するコア１１を具備し、そのコア１１のモードフィールド径が、ファイバ径が大きい端Ａで小さく、逆にファイバ径が小さい端Ｂで大きくなっているという特徴を有する。これによる効果を説明するために、まずダブルクラッドファイバ１０へ信号光を入射する光ファイバと、ダブルクラッドファイバ１０によって結合されるクラッドポンピング機能を有する希土類添加ダブルクラッドファイバ２５に求められる性能について説明する。

前記ダブルクラッドファイバ１０へ信号光を入射する信号光導光ファイバ２２は、比較的弱いパワーの信号光を導光する。また、増幅前には、変調器等の光部品を接続することも多い。そのため、比較的コアへの閉じ込めが強く、また曲げに強い、モードフィールド径の小さなファイバが用いられる。そのようなファイバの例として、コーニング社（Corning Incorporated）のＨＩ１０６０ファイバが挙げられる。このＨＩ１０６０ファイバのモードフィールド径は約５．４μｍである（例示であり発明を限定するものではない）。一方、クラッドポンピング機能を有する希土類添加ダブルクラッドファイバ２５は、そこで増幅が行われるため、非常に強いパワーの光を導光する必要がある。そのようなファイバの例として、ニューファン社（Nufern）の２０／４００ＬＭＡファイバがある。この２０／４００ＬＭＡファイバのモードフィールド径は、およそ２０μｍである（例示であり発明を限定するものではない）。

前記ダブルクラッドファイバ１０は、このように、モードフィールド径と、クラッド外径とが異なるファイバを、各端に接続する必要がある。信号光においても、励起光においても、希土類添加ダブルクラッドファイバ２５に効率よく導光する必要があるため、これらの端での接続損失は出来得る限り低めることが望ましい。励起光の接続損失に関しては、導光断面積の相対関係（サイズ、重なり等）と開口数、接続角度等が関係する。入射側の径が受け側の径と同じか又は大きく、開口数が入射側で同じか又は小さく、入射側のコア中心と受け手側のコア中心との軸ができるだけ一致していると低損失で接続できる。信号光に関しては、モードフィールド径の相対関係（サイズ、重なり、形状等）や接続角度等が関係する。フィールド分布が近いファイバ同士を、できるだけ軸を一致させて接続すると低損失となる。これらのことは、例えば、“ファイバ・光通信（J. C. Palais原著、佐藤平八訳、森北出版）”等に記載されている。

この結合構造２０においては、入射側と出射側のクラッド外径及びモードフィールド径が各々異なるために、これらのファイバと効率よく（即ち、接続損失を小さく）結合するためには、本発明に係るダブルクラッドファイバ１０のモードフィールド径をそれぞれの端Ａ，Ｂで接続対象物のモードフィールド径に近づけることが必要となる。つまり、入射側ではモードフィールド径が小さく、出射側ではモードフィールド径が大きい方が良い。本発明の結合構造にあっては、これらのことを勘案して、信号光と励起光とを効率よく希土類添加ダブルクラッドファイバ２５に導入するために効果的な構造として、前記ダブルクラッドファイバ１０を用いている。

また、前記例示の通り、具体的に接続対象物を想定すると、本接続構造２０に用いるダブルクラッドファイバ１０は、その入射側のモードフィールド径と出射側のモードフィールド径の差は１．７倍以上あることが望ましい。
さらに内側クラッド径は、入射側に比べて出射側は２／３以下であることが望ましい。ここで、内側クラッド径を十分小さくすることで、励起光のパワー密度を高めることができ、そのため、ポンピング媒体である希土類添加ダブルクラッドファイバ２５での増幅効率を高めることができる。なお、このとき、接続される希土類添加ダブルクラッドファイバ２５の内側クラッド径は、該ダブルクラッドファイバ１０の端Ｂの内側クラッド径とほぼ同じか、若干大きいと、より効果的である。また、内側クラッド径は、励起光密度の観点から、あまり大きすぎると好ましくない。ダブルクラッドファイバ１０の端Ｂの内側クラッド径は、４００μｍ以下であることが望ましいし、実際に市販されている希土類添加ダブルクラッドファイバの内側クラッド径は、４００μｍのものが多く、本サイズを目標とすることで、市販の希土類添加ダブルクラッドファイバを使用することができるので、安価な製品を提供することが可能になる。

通常、クラッド径を小さくしていくと、コアのモードフィールド径は小さくなる。しかしながら、本発明者らは、コアの構造を鋭意検討することで、クラッド径を小さくしていったときに、コアのモードフィールド径が大きくなるよう工夫をし、本発明を実現するに至った。例として、クラッド径の変化と、コアのモードフィールド径の変化との計算結果を図３に示す（例示であり発明を限定するものではない）。

また、ダブルクラッドファイバ１０の入射側（端Ａ）のモードフィールド径を６μｍ以下に限定することは、前述したように、入射側の光ファイバ（信号光導光ファイバ２２）との接続損失を低減する上で重要である。
同様に、ダブルクラッドファイバ１０の出射側（端Ｂ）のモードフィールド径を１２μｍ以上に限定することは、前述したように、出射側の希土類添加ダブルクラッドファイバ２５との接続損失を低減する上で重要である。

本発明では、結合構造２０に用いるダブルクラッドファイバ１０の径の減縮率に関しても注目して検討を行った。信号光を導光するコア１１の長手方向のモードフィールド径の変化率が大きいと、導光中にコア１１から信号光が漏れ出してしまって伝送損失が大きくなってしまう可能性がある。本発明者らが検討したところによれば、コア１１の長手方向のモードフィールド径の変化率が１ｍｍあたり１００％以下（つまり１ｍｍあたりモードフィールド径の変化が２倍以下）でないと、信号光の漏れ出しが問題となることがわかった。コアの屈折率分布構造によって変化するので一概には言えないが、本発明者らの検討したコア１１の屈折率分布では、減縮率を８０％／ｍｍのもので損失が０．１ｄＢ程度であったのに対し、減縮率１３５％／ｍｍでは損失が１．２ｄＢ程度に増大し、およそ１００％／ｍｍ近辺を境にして損失が増大していた（例示であり発明を限定するものではない）。屈折率分布を変更しても、大凡１００％／ｍｍ近辺で損失が急激に変化する点があることも知見として得られている（ただし損失の絶対値は屈折率分布によって異なる）。故に、本発明のダブルクラッドファイバ１０において損失を低減するには、長手方向に渡りコア径の変化率が１ｍｍあたり１００％以下とすることが望ましい。

ダブルクラッドファイバ１０のクラッドに関して考慮しなければならないことは、励起光のパワー密度と、励起光の結合損失である。パワー密度に関しては、前述のように、より高い方が望ましい。故に内側クラッド径は、４００μｍ以下であることが望ましい。励起光の結合損失に影響する因子としては、開口数（ＮＡ）と内側クラッド径である。ＮＡは、ＮＡが小さいファイバから大きいファイバに接続する場合に接続損失が小さい。現在市販もしくは学会等で開示されているクラッドポンピング用の希土類添加ダブルクラッドファイバの内側クラッドのＮＡは、最も大きいものでも約０．７０以下であるので、このような希土類添加ダブルクラッドファイバに接続する、本発明のダブルクラッドファイバ１０のＮＡは０．７０以下であることが望ましい。市販されている希土類添加ダブルクラッドファイバに限ると、ＮＡは約０．５０以下であり、これに対応させる場合、本発明の接続構造２０に用いるダブルクラッドファイバ１０の出射側（端Ｂ）の内側クラッドのＮＡは０．５０以下であることがさらに望ましい。内側クラッド径は、前述の４００μｍ以下であれば、接続対象となる希土類添加ダブルクラッドファイバ２５の内側クラッド径よりも小さいので、接続損失には影響が無く、問題ない。

図５は、本発明に係る結合構造の第２実施形態を示す図である。本実施形態の結合構造２６は、前述した図４に示す第１実施形態の結合構造２０と同じ構成要素を備え、さらにダブルクラッドファイバ１０のモードフィールド径の小さい側の端Ａと、信号光導光ファイバ２２及び励起光導光ファイバ２４とを、マルチコアファイバ２７を介して接続した構成になっている。本実施形態の結合構造２６は、前述した図４に示す第１実施形態の結合構造２０と同様の効果を得ることができる。

ここまで述べてきたように、本発明の結合構造にあっては、ダブルクラッドファイバ１０を効果的に用いるために、信号光及び励起光をダブルクラッドファイバ１０のモードフィールド径の小さい側から入射するように接続し、使用することが望ましい。

さらに、前述した結合構造２０，２６を用いてファイバアンプやファイバレーザを構成することは、励起光や信号光の損失が小さいので、入射する励起光や信号光の光量を小さくできるという利点がある。これによって、安全面やコスト面で有利なファイバアンプやファイバレーザを提供することができる。

（実施例１〜１０）
図６に示す構造を持つダブルクラッドファイバを作製した。
まず、コアとそれを囲む内側クラッドの作製用の石英ガラス製のファイバ母材を作製した。各実施例のファイバ母材のうち、実施例４，７の母材はコア付近をＶＡＤ法により作製し、それ以外の実施例のファイバ母材はコア付近をＭＣＶＤ法で作製した。その後、外付け法を用いて、必要なコア／内側クラッド比になるまで石英ガラスを堆積させ、焼結炉に入れて透明ガラス化してファイバ母材を作製した。
次に、得られたファイバ母材を紡糸装置にセットし、表１に示す端Ａの内側クラッド径なるように紡糸してファイバを作製した。
次に、得られたファイバの一部を溶融延伸し、内側クラッド径の細い側の端を形成した。次に、内側クラッドの外周に低屈折率のポリマー液を塗布し硬化させて外側クラッドを形成し、実施例１〜１０のダブルクラッドファイバを製造した。
製造した実施例１〜１０のダブルクラッドファイバの諸元、及び入射ファイバと出射ファイバの挿入損失等の評価結果を表１に示す。

実施例１〜１０のダブルクラッドファイバ製造時、内側クラッド径とコア径を所望の値にするため、延伸時に外径を測定しながら延伸した。

（比較例１〜３）
表１に示すように、端Ａと端Ｂとの関係が、信号光に対するモードフィールド径がＡ＜Ｂの関係になっていない比較例１〜３のダブルクラッドファイバを製造した。製造した比較例１〜３のダブルクラッドファイバの諸元、及び入射ファイバと出射ファイバの挿入損失等の評価結果を表１に示す。

表１の結果から、本発明に係るダブルクラッドファイバを用いて、希土類添加ダブルクラッドファイバに信号光と励起光を導入する図４に示す結合構造を構成することによって、信号光と励起光とを低損失で希土類添加ダブルクラッドファイバに導入することができ、高い効率で増幅を実行できることが分かる。

本発明のダブルクラッドファイバの第１実施形態を示す径方向の断面図及び屈折率分布を示す図である。 本発明のダブルクラッドファイバの第１実施形態を示す長手方向の断面図である。 ダブルクラッドファイバの端Ｂ／端Ａ内側クラッド径比率と、モードフィールド径（ＭＦＤ）との関係を例示するグラフである。 本発明の結合構造の第１実施形態を示す長手方向の断面図である。 本発明の結合構造の第２実施形態を示す長手方向の断面図である。 本発明のダブルクラッドファイバの第２実施形態を示す径方向の断面図である。 本発明のダブルクラッドファイバの第３実施形態を示す径方向の断面図である。 本発明のダブルクラッドファイバの第４実施形態を示す径方向の断面図である。

符号の説明

１０，３０，４０，５０…ダブルクラッドファイバ、１１．３１，４１，５１…コア、１２，３２，４２，５２…内側クラッド、１３，３３…外側クラッド、１４…保護層、２０，２６…結合構造、２１…信号光光源、２２…信号光導光ファイバ、２３…励起光光源、２４…励起光導光ファイバ、２５…希土類添加ダブルクラッドファイバ、２７…マルチコアファイバ、４３…大気（外側クラッド）、５３…空孔（外側クラッド）。

Claims (14)

1. コアと、該コアの外周を囲む内側クラッドとを有し、信号光と励起光を導光するダブルクラッドファイバであって、
   該ダブルクラッドファイバの２つの端Ａ，Ｂは、信号光に対するモードフィールド径がＡ＜Ｂ、かつ内側クラッド径がＡ＞Ｂの関係になっていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
2. ２つの端Ａ，Ｂの信号光に対するモードフィールド径の比率Ｂ／Ａが１．７以上であり、且つ２つの端Ａ，Ｂの内側クラッド径の比率Ｂ／Ａが０．６７以下であることを特徴とする請求項１に記載のダブルクラッドファイバ。
3. モードフィールド径が小さい側の端は、使用波長におけるモードフィールド径が６μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のダブルクラッドファイバ。
4. モードフィールド径が大きい側の端は、使用波長におけるモードフィールド径が１２μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のダブルクラッドファイバ。
5. 長手方向に渡り、コア径の変化率が１ｍｍあたり１００％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダブルクラッドファイバ。
6. 内側クラッド径の小さい側の端は、内側クラッド径が４００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のダブルクラッドファイバ。
7. 内側クラッド径の小さい側の端は、開口数が０．７０以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のダブルクラッドファイバ。
8. 内側クラッド径の小さい側の端は、開口数が０．５０以下であることを特徴とする請求項７に記載のダブルクラッドファイバ。
9. 内側クラッドの外周を囲む外側クラッドが、内側クラッドよりも屈折率の低いガラス、ポリマー、大気又はクラッドに空けられた空孔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ダブルクラッドファイバ。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のダブルクラッドファイバの一方の端に信号光導光ファイバ及び励起光導光ファイバを接続するとともに、該ダブルクラッドファイバの他方の端にポンピング媒体を接続し、ポンピング媒体に信号光と励起光を導入する結合構造であって、
    ダブルクラッドファイバのモードフィールド径の小さい側の端に信号光導光ファイバ及び励起光導光ファイバを接続したことを特徴とする結合構造。
11. ダブルクラッドファイバのモードフィールド径の小さい側の端と、信号光導光ファイバ及び励起光導光ファイバとを、マルチコアファイバを介して接続したことを特徴とする請求項１０に記載の結合構造。
12. ポンピング媒体が、希土類添加ダブルクラッドファイバであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の結合構造。
13. 請求項１０〜１２のいずれかに記載の結合構造を有することを特徴とするファイバアンプ。
14. 請求項１０〜１２のいずれかに記載の結合構造を有することを特徴とするファイバレーザ。
    

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