JP2007311412A - 光活性デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】励起光源の破壊を防止することができる光活性デバイスを提供すること。
【解決手段】光活性デバイス１は、入力コネクタ１１から出力コリメータ１２へ向かって順に、光アイソレータ２１、光カプラ３１、ＹｂＤＦ４１、光アイソレータ２２、バンドパスフィルタ５０、光カプラ３２、ＹｂＤＦ４２、光アイソレータ２３、光カプラ３３、コンバイナ６０およびＹｂＤＦ４３を備える。また、この光活性デバイス１は、光カプラ３１，３２に接続された光カプラ３４および励起光源７１、ならびに、コンバイナ６０に接続された複数の励起光源７２をも備える。光カプラ３３は、波長多重ファイバカプラであって、励起光源７１と増幅用光ファイバ４３との間に設けられており、光アイソレータ２３から到達した被増幅光をコンバイナ６０へ出力するとともに、光コンバイナ６０から到達した光のうち励起光波長のものをＡＳＥ透過出力ポート３３ａへ出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光活性物質を添加された増幅用光ファイバを備える光活性デバイスに関するものである。

光活性物質を添加された増幅用光ファイバを備える光活性デバイスは、例えば、ファイバレーザ光源や光ファイバ増幅器などであり、電子・機械関係の加工用途、医療用途、測長等の計測用途、光通信用途など、様々な用途に広く普及している。殊に、レーザ加工などハイパワーを要する用途では、励起光とレーザ出力光との間の光子エネルギの差異により無駄になり熱となるエネルギを低減する観点から、励起光およびレーザ出力光それぞれの波長が互いに近いことが望まれる。この理由で、増幅用光ファイバに添加される光活性物質として希土類元素の一種であるＹｂの使用が増えている。

図７に示されるように、Ｙｂの吸収および誘導放出それぞれの特性から、Ｙｂイオンが利得を有する１０３０〜１１００ｎｍ程度の波長域にレーザ出力光波長が存在するのが普通であり、その一方で、励起光波長として０.９２μｍ帯（０.９０〜０.９３μｍ）や０.９８μｍ帯（０.９７〜０.９８μｍ）が用いられるのが一般的である。殊に、上記のレーザ出力光および励起光それぞれの波長を互いに近づけるという目的の上では、励起光波長として０.９８μｍ帯が望ましい。

ところが、ハイパワー用途でよく用いられるクラッド励起方式では、多モード励起レーザダイオード（ＬＤ）が励起光源として用いられるが、励起パワーは数Ｗにも及び、ＬＤチップの温度調整は容易ではない。その結果、ＬＤチップの温度が変動して、励起光波長が変化する可能性が出てくる。Ｙｂの吸収スペクトルにおいて０.９８μｍ帯のピークは尖鋭であり、励起光波長の変化次第では、この吸収ピークから励起光波長が外れて、励起光が殆どＹｂに吸収されず、Ｙｂ添加光ファイバ（ＹｂＤＦ）を透過する事態が発生する。

この点からは、クラッド励起では励起光波長として０.９２μｍ帯の使用が望まれる。しかし、単一モード励起ＬＤを用いるコア励起方式では、通信用として温度調整素子を内蔵した０.９８μｍ帯励起ＬＤモジュールは広く市販されており、０.９８μｍ帯励起を行うのに何の支障も無い。

ところで、Ｙｂのように励起光波長とレーザ出力波長とが互いに近接していると、励起光波長でもＹｂＤＦから発生するＡＳＥが顕著である場合が生じる。その結果、励起光源が破壊される危険性がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、励起光源の破壊を防止することができる光活性デバイスを提供することを目的とする。

本発明に係る光活性デバイスは、２段以上に縦続配置され、光活性物質が添加された増幅用光ファイバと、増幅用光ファイバのうち前段の増幅用光ファイバに対し合波器を介し光活性物質を励起するための励起光を出力する励起光源とを有し、増幅用光ファイバのうち後段の増幅用光ファイバからの逆方向ＡＳＥ光が、励起光波長（励起光源の励起光と同じ波長）の光を含み、前段の増幅用光ファイバへ入射される光デバイスであって、逆方向ＡＳＥ光が合波器を介して励起光源へ直接入射しない構成、または、励起光波長の逆方向ＡＳＥ光が合波器へ入射する前にそのパワーを問題ないレベルに減衰する防止手段を有することを特徴とする。

この光活性デバイスでは、励起光源から出力された励起光は、光活性物質を添加された増幅用光ファイバに供給され、この光活性物質を励起する。そして、この増幅用光ファイバに被増幅光が入力されると、その被増幅光は光増幅されて出力される。また、この増幅用光ファイバで広帯域のＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光が発生する。このＡＳＥ光の波長域に励起光波長が含まれる場合があっても、励起光と同じ波長のＡＳＥ光は防止手段により励起光源に戻ることが防止されるので、励起光源の破壊が防止される。

本発明に係る光活性デバイスは、光活性物質がイットリビウム（Ｙｂ）であり、励起光の波長の少なくとも一部が０.９８μｍ帯であるのが好適である。光活性物質としてＹｂを添加された増幅用光ファイバでは、高パワーのＡＳＥ光が発生し、また、このＡＳＥ光の波長域に励起光波長が含まれる。このＡＳＥ光が励起光源に戻ると励起光源が破壊される危険性が高いが、ＡＳＥ光が励起光源に戻ることを防止する防止手段が設けられていることにより、励起光源の破壊が防止される。

本発明に係る光活性デバイスでは、防止手段は、前段の増幅用光ファイバと後段の増幅用光ファイバとの間に設けられた波長分割型波長多重ファイバカプラであって、励起光波長のＡＳＥ光をＡＳＥ透過出力ポートへ出力し、励起光波長と異なる波長のＡＳＥ光を前段の増幅器からの光が入力する入力ポートへ出力するのが好適である。この場合には、防止手段としての波長多重ファイバカプラは、挿入損失が小さく、安全上でも有利である。

本発明に係る光活性デバイスは、波長多重ファイバカプラにおけるＡＳＥ透過出力ポートが、放熱機構を有する無反射終端とされているのが好適である。この場合には、迷光を除去する上で好適である。

本発明に係る光活性デバイスでは、後段の増幅用光ファイバは、二重クラッド構造を具備し、クラッド励起され、励起光源は単一横モードの励起光を出力するのが好適である。この場合には、励起光源から出力された単一横モードの励起光は、増幅用光ファイバのクラッドを伝搬して、光活性物質を励起する。

本発明に係る光活性デバイスでは、防止手段は、励起光源から出力された励起光を増幅用光ファイバに結合する手段と比べて同等またはそれよりも低い透過ロスを有するのが好適である。この場合には、励起光源へのＡＳＥ光の入射が更に効果的に防止される。

本発明によれば、励起光源の破壊を防止することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

先ず、本発明に係る光活性デバイスの第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光活性デバイス１の構成図である。この図に示される光活性デバイス１は、入力コネクタ１１に入力した光を光増幅して出力コリメータ１２からコリメートして出力する光増幅器である。この光活性デバイス１は、入力コネクタ１１から出力コリメータ１２へ向かって順に、光アイソレータ２１、光カプラ３１、ＹｂＤＦ４１、光アイソレータ２２、バンドパスフィルタ５０、光カプラ３２、ＹｂＤＦ４２、光アイソレータ２３、光カプラ３３、コンバイナ６０およびＹｂＤＦ４３を備える。また、この光活性デバイス１は、光カプラ３１，３２に接続された光カプラ３４および励起光源７１、ならびに、コンバイナ６０に接続された複数の励起光源７２をも備える。

ＹｂＤＦ４１〜４３それぞれは、石英ガラスをホストガラスとし、光活性物質としてＹｂ元素を光導波領域に添加された増幅用光ファイバである。最後段に設けられたＹｂＤＦ４３は、特に、Ｙｂ元素を添加されていて被増幅光を導波するコアと、このコアを取り囲み励起光を導波する内側クラッドと、この内側クラッドを取り囲む外側クラッドとを備えている。励起光源７１は、ＹｂＤＦ４１，４２へ供給すべき励起光（波長９７５ｎｍ帯）を出力する単一モード励起ＬＤである。複数の励起光源７２は、ＹｂＤＦ４３へ供給すべき励起光（波長９１５ｎｍ帯）を出力する多モード励起ＬＤである。これらＹｂＤＦ４１〜４３それぞれは、波長１０６４ｎｍ帯の被増幅光を光増幅することができる。

光アイソレータ２１〜２３それぞれは、入力コネクタ１１から出力コリメータ１２へ向かう順方向に光を通過させる。光カプラ３４は、励起光源７１から出力された励起光を２分岐して光カプラ３１，３２へ出力する。光カプラ３１は、光カプラ３４から到達した励起光をＹｂＤＦ４１へ出力するととともに、光アイソレータ２１から到達した被増幅光をもＹｂＤＦ４１へ出力する。光カプラ３２は、光カプラ３４から到達した励起光をＹｂＤＦ４２へ出力するととともに、光アイソレータ２１から到達した被増幅光をもＹｂＤＦ４２へ出力する。

光カプラ３３は、波長多重ファイバカプラであって、励起光源７１と増幅用光ファイバ４３との間に設けられている。光カプラ３３は、光アイソレータ２３から到達した被増幅光をコンバイナ６０へ出力するとともに、光コンバイナ６０から到達した光のうち励起光波長（波長９１５ｎｍ帯）のものをＡＳＥ透過出力ポート３３ａへ出力する。コンバイナ６０は、光カプラ３３から到達した被増幅光をＹｂＤＦ４３へ出力するとともに、複数の励起光源７２から到達した励起光をもＹｂＤＦ４３へ出力する。バンドパスフィルタ５０は、光アイソレータ２２から到達した光のうち被増幅光を選択的に透過させて光カプラ３２へ出力する。

この光活性デバイス１は以下のように動作する。励起光源７１から出力された励起光（波長９７５ｎｍ帯）は、光カプラ３４により２分岐されて、光カプラ３１，３２へ入力される。光カプラ３１に入力された励起光は順方向からＹｂＤＦ４１へ供給される。光カプラ３２に入力された励起光は順方向からＹｂＤＦ４２へ供給される。複数の励起光源７２から出力された励起光（波長９１５ｎｍ帯）は、コンバイナ６０を経て順方向からＹｂＤＦ４３へ供給される。

入力コネクタ１１に入力した被増幅光は、光アイソレータ２１および光カプラ３１を経てＹｂＤＦ４１に入力され、このＹｂＤＦ４１において光増幅される。ＹｂＤＦ４１において光増幅されて出力された光は、光アイソレータ２２、バンドパスフィルタ５０および光カプラ３２を経てＹｂＤＦ４２に入力され、このＹｂＤＦ４２において光増幅される。ＹｂＤＦ４２において光増幅されて出力された光は、光アイソレータ２３、光カプラ３３およびコンバイナ６０を経てＹｂＤＦ４３に入力され、このＹｂＤＦ４３において光増幅される。そして、ＹｂＤＦ４３において光増幅されて出力された光は、出力コリメータ１２によりコリメートされて外部へ出力される。

すなわち、この光活性デバイス１は、入力コネクタ１１に入力した被増幅光をＹｂＤＦ４１〜４３により光増幅し、その光増幅した光を出力コリメータ１２からコリメートして外部へ出力する。例えば、パルス変調されたＹＡＧレーザやＬＤなどが入力コネクタ１１につながれ、出力コリメータ１２から出力された光は加工や計測に使われる。入力コネクタ１１にはＣＷ光が入力されてもよい、

図２は、第１実施形態に係る光活性デバイス１に含まれるＹｂＤＦ４１〜４３それぞれの諸元を纏めた図表である。ＹｂＤＦ４３のみ非飽和吸収ピークが低いが、これはコア励起ではなくクラッド励起を想定している為である。ＹｂＤＦ４３のクラッド径とは内側クラッド径を示す。この外側に屈折率の低い樹脂の被覆（外側クラッド）が設けられ、クラッド励起を可能にしている。また、バンドパスフィルタ５０の半値全幅は３ｎｍである。

図３は、第１実施形態に係る光活性デバイス１の各所におけるＡＳＥ光パワーの波長依存性を示す図である。ここでは、防止手段としての光カプラ３３が設けられていない場合について説明する。同図において、曲線Ａは、ＹｂＤＦ４３の入力端における順方向ＡＳＥ光のパワースペクトルを示し、曲線Ｂは、ＹｂＤＦ４３の入力端における逆方向ＡＳＥ光のパワースペクトルを示し、曲線Ｃは、ＹｂＤＦ４２の入力端における逆方向ＡＳＥ光のパワースペクトルを示す。

入力コネクタ１１への平均入力パワーが−５ｄＢｍであるとき、ＹｂＤＦ４３の入力端では、図３中の曲線Ａ，Ｂに示されるパワースペクトルを有するＡＳＥ光が観測される。ＹｂＤＦ４３の入力端における逆方向ＡＳＥ光（図３中の曲線Ｂ）は、時間平均トータルパワーが約３００ｍＷに達し、且つ、波長９７５ｎｍ付近にもピークを有する。この逆方向ＡＳＥ光の励起光源７１への入射はアイソレータ２３により防止される筈である。しかし、図４に示されるように、被増幅光波長（１０６４ｎｍ帯）にアイソレーションピークを有するアイソレータは、励起光波長（９７５ｎｍ帯）では２０ｄＢに満たないアイソレーションしか示さない。尚、１０６４ｎｍより短い波長域での急峻なアイソレーションの脈理は、光源の安定性に起因する雑音であり、実際のアイソレータには存在しないものと考えている。

その結果、図３に示されるとおり、ＹｂＤＦ４２の入力端における逆方向ＡＳＥ光（図３中の曲線Ｃ）は、９７５ｎｍ付近にも広がったスペクトルを有する。この波長域の逆ＡＳＥ光は、光カプラ３２，３４を経て励起光源７１に達してしまう。逆ＡＳＥ光の平均トータルパワーは、１ｍＷ程度であり一般には支障ないが、パルス発振の場合などは時間的に変動が生じる。更に、ＹｂＤＦ内部の Self pulsation の影響などがあった場合、電源投入時など過渡的な場合も、瞬時的に大きなパワーが励起光源７１に注入される可能性がある。その結果、励起光源７１が破壊する危険性が出てくる。

そこで、本実施形態では、励起光源７１の破壊を防止するために、光アイソレータ２３とコンバイナ６０との間に光カプラ３３が設けられている。光カプラ３３のピグテイルのうち光アイソレータ２３およびコンバイナ６０の何れとも接続されていないピグテイルは、コアレスファイバの融着などで無反射終端されることが望ましく、また、その先端が乱反射など無きように光沢のある金属などからは十分遠ざけられることが望ましく、放熱機構を有するのも好適である。

また、光カプラ３３は、励起光源７１の励起光波長では光カプラ３２と略同等の透過特性を有することが望ましい。図５は、第１実施形態に係る光活性デバイス１に含まれる光カプラ３３の透過特性の例を示す図である。同図において、曲線Ａは、光カプラ３２の透過特性を示し、曲線Ｂは、光カプラ３３の透過特性の悪い例を示し、曲線Ｃは、光カプラ３３の透過特性の他の悪い例を示す。この図に示されるように、光カプラ３３の透過特性が光カプラ３２の透過特性とずれていると、波長９７５ｎｍを中心としたＡＳＥ成分が光カプラ３３除去しきれずに、光カプラ３２を介して励起光源７１に達してしまう。それ故、光カプラ３３は光カプラ３２と略同等の透過特性を有することが望ましい。

（第２実施形態）

次に、本発明に係る光活性デバイスの第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態に係る光活性デバイス２の構成図である。この図に示される光活性デバイス２は、入力コネクタ１１に入力した光を光増幅して出力コリメータ１２からコリメートして出力する光増幅器である。この光活性デバイス２は、入力コネクタ１１から出力コリメータ１２へ向かって順に、光アイソレータ２１、光カプラ３１、ＹｂＤＦ４１、光アイソレータ２２、バンドパスフィルタ５０、ＹｂＤＦ４２、光カプラ３２、光アイソレータ２３、コンバイナ６０およびＹｂＤＦ４３を備える。また、この光活性デバイス２は、光カプラ３１，３２に接続された光カプラ３４および励起光源７１、ならびに、コンバイナ６０に接続された複数の励起光源７２をも備える。

図１に示された第１実施形態に係る光活性デバイス１の構成と比較すると、この図６に示される第２実施形態に係る光活性デバイス２は、ＹｂＤＦ４２の後段に設けられた光カプラ３２からＹｂＤＦ４２に対し逆方向から励起光が供給される点で相違し、光カプラ３３が設けられていない点で相違する。

この光活性デバイス２は以下のように動作する。励起光源７１から出力された励起光（波長９７５ｎｍ帯）は、光カプラ３４により２分岐されて、光カプラ３１，３２へ入力される。光カプラ３１に入力された励起光は順方向からＹｂＤＦ４１へ供給される。光カプラ３２に入力された励起光は逆方向からＹｂＤＦ４２へ供給される。複数の励起光源７２から出力された励起光（波長９１５ｎｍ帯）は、コンバイナ６０を経て順方向からＹｂＤＦ４３へ供給される。

入力コネクタ１１に入力した被増幅光は、光アイソレータ２１および光カプラ３１を経てＹｂＤＦ４１に入力され、このＹｂＤＦ４１において光増幅される。ＹｂＤＦ４１において光増幅されて出力された光は、光アイソレータ２２、バンドパスフィルタ５０および光カプラ３２を経てＹｂＤＦ４２に入力され、このＹｂＤＦ４２において光増幅される。ＹｂＤＦ４２において光増幅されて出力された光は、光アイソレータ２３およびコンバイナ６０を経てＹｂＤＦ４３に入力され、このＹｂＤＦ４３において光増幅される。そして、ＹｂＤＦ４３において光増幅されて出力された光は、出力コリメータ１２によりコリメートされて外部へ出力される。

このように、第２実施形態では、第１実施形態の如く光カプラ３３を設けることなく、ＹｂＤＦ４２を逆方向励起することにより、ＹｂＤＦ４３からの励起波長域の逆ＡＳＥ光および Self pulsation などの出力成分は、光カプラ３２を通過し、ＹｂＤＦ４２へ入射し、光カプラ３２から光カプラ３４へは入射しない。

ただし、このような構成とした場合、通常、市販の０.９８μｍ帯励起ＬＤは光カプラ３４から見て１０ｄＢ程度の反射率があるので、ＹｂＤＦ４１，４２の部分だけで共振してしまい、光ファイバ増幅器にならない。勿論、反射率の低い励起ＬＤモジュールを用いるか、励起光源７１の直後に０.９８μｍ帯アイソレータを挿入した場合はこの限りではない。

（他の実施形態）

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では光増幅媒体としてＹｂＤＦを挙げたが、本発明は１.５３μｍ帯でＥｒ添加光ファイバ（ＥＤＦ）を励起するなどの場合にも適用できる。

また、励起光源７１へのＡＳＥ光の入射を防止する防止手段は、溶融型ＷＤＭファイバカプラでなくとも、０.９８μｍ帯にロスピークを有し、励起光源７１の励起光と同じ波長の光をクラッドモードして除去することができ、被増幅光の波長では伝送損失が小さな長周期ファイバグレーティングでもよい。いずれにせよ挿入損を抑え、更にデバイス自体の光損傷を防ぐ観点から、ファイバ型デバイスが望ましい。溶融型ＷＤＭファイバカプラとして、誘電体多層膜フィルタ型であっても良い。

第１実施形態に係る光活性デバイス１の構成図である。 第１実施形態に係る光活性デバイス１に含まれるＹｂＤＦ４１〜４３それぞれの諸元を纏めた図表である。 第１実施形態に係る光活性デバイス１の各所におけるＡＳＥ光パワーの波長依存性を示す図である。 光アイソレータの透過損失スペクトルを示す図である。 第１実施形態に係る光活性デバイス１に含まれる光カプラ３３の透過特性の例を示す図である。 第２実施形態に係る光活性デバイス２の構成図である。 規格化した非飽和吸収係数の波長依存性を示す図である。

符号の説明

１，２…光活性デバイス、１１…入力コネクタ、１２…出力コリメータ、２１〜２３…光アイソレータ、３１〜３４…光カプラ、４１〜４３…ＹｂＤＦ、５０…バンドパスフィルタ、６０…コンバイナ、７１，７２…励起光源。

Claims (6)

1. ２段以上に縦続配置され、光活性物質が添加された増幅用光ファイバと、
   前記増幅用光ファイバのうち前段の増幅用光ファイバに対し合波器を介し前記光活性物質を励起するための励起光を出力する励起光源と を有し、
   前記増幅用光ファイバのうち後段の増幅用光ファイバからの逆方向ＡＳＥ光が、励起光波長（前記励起光源の励起光と同じ波長）の光を含み、前記前段の増幅用光ファイバへ入射される光デバイスであって、
   前記逆方向ＡＳＥ光が前記合波器を介して前記励起光源へ直接入射しない構成、または、前記励起光波長の前記逆方向ＡＳＥ光が前記合波器へ入射する前にそのパワーを問題ないレベルに減衰する防止手段を有する
   ことを特徴とする光活性デバイス。
2. 前記光活性物質がイットリビウム（Ｙｂ）であり、
   前記励起光の波長の少なくとも一部が０.９８μｍ帯である
   ことを特徴とする請求項１記載の光活性デバイス。
3. 前記防止手段が、前記前段の増幅用光ファイバと前記後段の増幅用光ファイバとの間に設けられた波長分割型波長多重ファイバカプラであって、前記励起光波長のＡＳＥ光をＡＳＥ透過出力ポートへ出力し、前記励起光波長と異なる波長のＡＳＥ光を前記前段の増幅器からの光が入力する入力ポートへ出力することを特徴とする請求項１記載の光活性デバイス。
4. 前記波長多重ファイバカプラにおけるＡＳＥ透過出力ポートが、放熱機構を有する無反射終端とされている
   ことを特徴とする請求項３記載の光活性デバイス。
5. 前記後段の増幅用光ファイバは、二重クラッド構造を具備し、クラッド励起され、
   前記励起光源は単一横モードの励起光を出力する
   ことを特徴とする請求項１記載の光活性デバイス。
6. 前記防止手段が、前記励起光源から出力された励起光を前記増幅用光ファイバに結合する手段と比べて同等またはそれよりも低い透過ロスを有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の光活性デバイス。
   
   

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