JP2008010804A - マルチポートカプラ、光増幅器及びファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】反射光による励起光源の破損を無くし、装置の長寿命化が可能なマルチポートカプラ、それを用いた光増幅器及びファイバレーザの提供。
【解決手段】中心の信号用ファイバ５とその周囲に配された複数本の励起用ファイバ４とが一体化され且つ先端側が縮径されてなり、光増幅用のクラッドポンプファイバ３に励起光源をつなぐマルチポートカプラ２において、中心に位置する信号用ファイバ５のコア６周辺に該コア６よりも大きな外径を有し、クラッド８よりも屈折率が高くコア６よりも屈折率が小さい値を持つ放射光閉じ込め導波路部７が設けられ、この放射光閉じ込め導波路部７がクラッドポンプファイバ３との接続部から複数のファイバに分岐されるカプラ部端部まで連続的に形成されていることを特徴とするマルチポートカプラ２。
【選択図】図３

Description

本発明は、光通信、特に近距離伝送システムに用いられる光ファイバ増幅器やファイバレーザ等に使用されるマルチポートカプラ、それを用いた光増幅器及びファイバレーザに関する。

高出力光増幅器、ファイバレーザなどでは、クラッドポンプ構造が一般的に採用されている。これは、光ファイバ中のコアを伝搬する光を増幅するために必要な励起光をクラッド中を伝搬させて供給する構造のものである。このクラッドポンプ構造が広く採用されるようになるのと同時にマルチモードファイバ出力のハイパワーレーザダイオード（以下、ＬＤと記す。）が使われるようになった。クラッドポンプファイバは、希土類元素がドープされたコアの外周に、複数層のクラッド層を有するダブルクラッド構造が用いられている。

ハイパワーマルチモードＬＤの光を増幅用のクラッドポンプファイバに入れるためには、マルチポートカプラを使用する。マルチポートカプラは、２本以上のマルチモードファイバの光を束ねてクラッドポンプファイバにつなぐと同時に、通常信号光を通すシングルモード光ファイバ（以下、ＳＭファイバと記す。）とクラッドポンプファイバのそれぞれのコアを接続する機能を有している。このマルチポートカプラの機能によって、ＬＤ一つの出力が数Ｗでも、いくつものＬＤをクラッドポンプファイバにつなげることによって、大きな出力が得られるようになる。このマルチポートカプラを利用した光増幅器の構成図を図１に示す。

図１の光増幅器１は、信号光及び励起光が入射されるマルチポートカプラ２と、このマルチポートカプラ２の出力端に先端が接続されたクラッドポンプファイバ３とを有して構成されている。このマルチポートカプラ２は、中心のＳＭファイバからなる信号用ファイバ５とその周囲に配された複数本のマルチモードファイバからなる励起用ファイバ４とが一体化され且つ先端側が縮径されてなり、その縮径された出力端に接続される光増幅用のクラッドポンプファイバ３に信号光と励起光が入射可能になっている。このマルチポートカプラ２の信号用ファイバ５には、図示していない信号光源が接続され、また複数本の励起用ファイバ４にはそれぞれＬＤ１０が接続されている。この光増幅器１は、マルチポートカプラ２を介して励起光（例えば、波長９１０〜９８０ｎｍ）をクラッドポンプファイバ３のクラッドに入射することによって、クラッドポンプファイバ３のコアにドープされている希土類イオンを励起しておき、マルチポートカプラ２を介してクラッドポンプファイバ３のコアに信号光を入射することによって、入射された信号光が増幅され、この増幅された信号光（高出力信号）がクラッドポンプファイバ３から出力されるようになっている。この種の光増幅器では、利得のレベルで２０ｄＢ以上、最高出力で１Ｗ〜１ｋＷに達することもある。

しかしながら、従来用いられてきたマルチポートカプラとクラッドポンプファイバを組み合わせた光増幅器では、信頼性を向上するために、ＬＤの長寿命化が課題として挙げられていた。
ＬＤの長寿命化のためには、ＬＤ自体の高信頼性設計のみならず、使用条件として温度管理なども重要である。しかし、従来の光増幅器では、ＬＤが使用条件によって突然故障することがあり、光増幅器全体の高信頼性化の大きな障害となっていた。

本発明者らが鋭意検討したところ、励起のＬＤが突然破損するのは、光増幅器から出力した高出力信号光が外部の反射点から光増幅器に戻ってくることが原因であることがわかった。この反射光がクラッドポンプファイバのコアを伝搬しながら、逆向きに増幅され、かつクラッドポンプファイバとマルチポートカプラの接続で発生する接続損失でクラッドに漏れた光が励起ＬＤにまで到達し、励起ＬＤを破壊するというのが故障の原因であった。特に、光増幅器の利得が２０ｄＢ以上の場合には、反射率が１％程度であっても、光増幅器を通過した後には１００％を超える大きな光となる。このような強い反射光が戻ってくると、特にパルスレーザでは励起ＬＤ自身の出力の１０倍近いパワーの光がＬＤに入射され、このためにＬＤが破損してしまう。

そこで、本発明者らは、この問題を解決するべく、反射光が増幅器に戻ってきても励起ＬＤの破損を起こさないような構造を探求した。
ところで、反射光そのものを抑制する従来技術としては、光アイソレータもあるが、アイソレータでは反射率を−２０ｄＢ程度にしか減衰することができない上に、数Ｗ以上の光に対応した光アイソレータは非常に高価であるという問題もある。

反射光は、増幅ファイバ中ではコアの内部を伝搬するために、コアから光が漏れない限りは励起ＬＤに反射光が放射されることはない。そこで、なぜ反射光がＬＤに入射するかという原因を調査したところ、励起ＬＤに反射光が放射されるのは、マルチポートカプラとクラッドポンプファイバの接続部分でのコア同士の接続損失が主な原因となって発生していることを発見した。

この接続部分で損失が発生するのは、二つのファイバのコア径（強度分布の大きさ）が、大きく異なるからである。一般的にハイパワーのクラッドポンプファイバは直径２０μｍ以上のコア径を有している。一方で信号伝搬用に用いられているＳＭファイバのコア径は５μｍ程度（波長）である。このため、特に反射光が伝搬する方向では、接続部での損失の大きさは５ｄＢ以上となる。
クラッドポンプファイバのコア径が大きい理由は、ハイパワーの増幅器内では光のパワー密度が非常に大きいために、光ファイバ内で非線形光学効果の影響を受ける。このような影響を避けるために、一般的にクラッドポンプファイバのコアの直径を大きくし、その結果、ファイバ中の光エネルギー密度が小さくなるように設計されている。しかし、このような断面積の大きなコアでは、シングルモード伝送が非常に困難でかつ曲げ損失も大きくなるために、信号用のファイバには適さない。従って、伝送用ファイバは、コア断面積が小さく、増幅用ファイバはコア断面積が大きいものが望ましい。これら二つのファイバの中間にはマルチポートカプラがあるので、このマルチポートカプラのコア断面積を二つのファイバの断面積の中間の大きさにすることができれば、ある程度接続損失を低減することは可能である。しかし、マルチポートカプラの構造上、接続損失を低減するのではなく、むしろ大きくすることは明らかである。なぜならば、マルチポートカプラは、通常複数のファイバを一つのファイバに結合させるため、ファイバの外径は小さくなっている。

図２は、従来のマルチポートカプラ２とクラッドポンプファイバ３との接続部の構造を示す図である。マルチポートカプラ２のクラッドポンプファイバ３と接続する側の先端部は、中心の信号用ファイバ５とその周囲の複数本の励起用ファイバ４とを一体化し、かつクラッドポンプファイバ３の外径と合わせるように先端に向けてテーパー状に縮径した構造になっている。この先端部では、中心の信号用ファイバ５のコア径はさらに小さくなり、コア径の大きなクラッドポンプファイバ３と接続した場合、両方のファイバのコア径の格差は、より一層大きくなってしまう。
以上の事情を考慮すると、マルチポートカプラの接続部で発生する接続損失を低減するのは、現実的には難しいことがわかる。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、マルチポートカプラを用いた光増幅器やファイバレーザにおいて反射光による励起光源の破損を無くし、装置の長寿命化が可能なマルチポートカプラ、それを用いた光増幅器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、中心の信号用ファイバとその周囲に配された複数本の励起用ファイバとが一体化され且つ先端側が縮径されてなり、光増幅用のクラッドポンプファイバに励起光源をつなぐマルチポートカプラにおいて、中心に位置する信号用ファイバのコア周辺に同心円状に該コアよりも大きな外径を有し、クラッドよりも屈折率が高くコアよりも屈折率が小さい値を持つ放射光閉じ込め導波路部が設けられ、この放射光閉じ込め導波路部がクラッドポンプファイバとの接続部から複数のファイバに分岐されるカプラ部端部まで連続的に形成されていることを特徴とするマルチポートカプラを提供する。
このマルチポートカプラは、放射光閉じ込め導波路部が、信号用ファイバのコアの周囲に同心円状に設けられているものとすることができる。また、放射光閉じ込め導波路部が、信号用ファイバのコアの周囲に多角形状の断面を有して設けられているものとすることができる。

また本発明は、中心の信号用ファイバとその周囲に配された複数本の励起用ファイバとがキャピラリを用いて一体化され、信号用ファイバおよび励起用ファイバとともにキャピラリがブリッジ用ファイバの後端に接続され、且つブリッジ用ファイバの先端側が縮径されてなり、光増幅用のクラッドポンプファイバに励起光源をつなぐマルチポートカプラにおいて、ブリッジ用ファイバのコア周辺に該コアよりも大きな外径を有し、クラッドよりも屈折率が高くコアよりも屈折率が小さい値を持つ放射光閉じ込め導波路部が設けられるとともに、キャピラリの屈折率が信号用ファイバのクラッドの屈折率よりも低く、キャピラリが信号用ファイバに対して放射光の閉じ込め効果を有することを特徴とするマルチポートカプラを提供する。
また本発明は、中心の信号用ファイバとその周囲に配された複数本の励起用ファイバとがキャピラリを用いて一体化され、信号用ファイバおよび励起用ファイバとともにキャピラリがブリッジ用ファイバの後端に接続され、且つブリッジ用ファイバの先端側が縮径されてなり、光増幅用のクラッドポンプファイバに励起光源をつなぐマルチポートカプラにおいて、ブリッジ用ファイバのコア周辺に該コアよりも大きな外径を有し、クラッドよりも屈折率が高くコアよりも屈折率が小さい値を持つ放射光閉じ込め導波路部が設けられるとともに、キャピラリの屈折率が信号用ファイバのクラッドの屈折率と同じであり、且つ励起用ファイバのクラッドがキャピラリの屈折率よりも低く、励起用ファイバのクラッドが信号用ファイバおよびキャピラリに対して放射光の閉じ込め効果を有することを特徴とするマルチポートカプラを提供する。
このマルチポートカプラは、放射光閉じ込め導波路部が、ブリッジ用ファイバのコアの周囲に同心円状に設けられているものとすることができる。また、放射光閉じ込め導波路部が、ブリッジ用ファイバのコアの周囲に多角形状の断面を有して設けられているものとすることができる。

本発明のマルチポートカプラにおいて、放射光閉じ込め導波路部の外径が、マルチポートカプラに接続されている信号用ファイバの外径よりも小さいことが好ましい。

本発明のマルチポートカプラにおいて、信号用ファイバが適当な距離にわたって巻かれた放射光減衰部が設けられたことが好ましい。

また本発明は、前記本発明に係るマルチポートカプラと、光増幅用のクラッドポンプファイバと、励起光源とを有することを特徴とする光増幅器を提供する。

また本発明は、前記本発明に係るマルチポートカプラと、光増幅用のクラッドポンプファイバと、励起光源とを有することを特徴とするファイバレーザを提供する。

本発明のマルチポートカプラは、中心に位置する信号用ファイバのコア周辺に該コアよりも大きな外径を有し、クラッドよりも屈折率が高くコアよりも屈折率が小さい値を持つ放射光閉じ込め導波路部が設けられた構造なので、ＬＤに戻ってくる反射光をこの放射光閉じ込め導波路部に閉じ込め、反射光による励起光源の破損を無くし、装置の長寿命化を図ることができる。
本発明の光増幅器は、前記本発明に係るマルチポートカプラを用いて励起光と信号光とを光増幅用のクラッドポンプファイバに結合させる構造なので、ＬＤに戻ってくる反射光をこの放射光閉じ込め導波路部に閉じ込め、反射光による励起光源の破損を無くし、装置の長寿命化を図ることができる。
本発明のファイバレーザは、前記本発明に係るマルチポートカプラを用いて励起光と信号光とを光増幅用のクラッドポンプファイバに結合させる構造なので、ＬＤに戻ってくる反射光をこの放射光閉じ込め導波路部に閉じ込め、反射光による励起光源の破損を無くし、装置の長寿命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３は本発明のマルチポートカプラの一実施形態を示す図であり、図３（ａ）はマルチポートカプラ２の先端側の構造を示す断面図、図３（ｂ）はマルチポートカプラ２の他端側の構造を示す断面図である。

本実施形態のマルチポートカプラ２は、中心の信号用ファイバ５とその周囲に配された複数本の励起用ファイバ４とが一体化され且つ先端側が縮径されてなり、光増幅用のクラッドポンプファイバ３に励起光源をつなぐマルチポートカプラにおいて、中心に位置する信号用ファイバ５のコア６周辺に同心円状に該コア６よりも大きな外径を有し、クラッド８よりも屈折率が高くコア６よりも屈折率が小さい値を持つ放射光閉じ込め導波路部７が設けられ、この放射光閉じ込め導波路部７がクラッドポンプファイバ３との接続部から複数のファイバ４，５に分岐されるカプラ部端部まで連続的に形成されていることを特徴としている。

本発明者らは、ＬＤが破損に至るメカニズムを解析し、マルチポートカプラで接続損失が発生してもＬＤの破損には至らない構造を発明した。本発明者らが着目したのは、マルチポートカプラの内部構造である。

図２に示すように、マルチポートカプラ２は、信号用ファイバ５を中心としてその周囲に複数本の励起用ファイバ４を整列して一体化されている。そこで、図３のように信号用ファイバ５のコア６の周囲に、その外周部よりもわずかに屈折率の高い放射光閉じ込め導波路部７を形成すると、たとえ接続部で接続損失が発生し周囲に放射する光が発生しても、この屈折率の高い領域で効果的に放射光が閉じこめられ、励起ポートへの進入を阻止できることを見いだした。

さらに、検討を進めたところ、放射光閉じ込め導波路部７のクラッド８に対する比屈折率差は、この放射光閉じ込め導波路部７の直径が大きいほど小さくて良く、逆に放射光閉じ込め導波路部７の直径が小さいほど大きくて良いことがわかった。

このとき、放射光閉じ込め導波路部７の直径Ｄと、クラッド８に対する放射光閉じ込め導波路部７の比屈折率差Δの関係は、次式（１）
Ｄ［μｍ］＊Δ［％］＝一定Ａ ・・・（１）の関係を維持して変化させたときに、放射光を閉じこめる効果が一定となることがわかった。

このとき、一定値Ａは、漏れ出てくる放射光をどの程度閉じこめるかによって定めればよい。また、Ａは光増幅用のクラッドポンプファイバ３のコア径とクラッドとの比屈折率差によっても変化する。なぜならば、クラッドポンプファイバ３のコア９によって放射する光の角度や強度が定まるからである。

この放射光閉じ込め導波路部７は、クラッドポンプファイバ３との接続部から、信号用ファイバ５と励起用ファイバ４がそれぞれバラバラに分離する領域まで設けておく必要がある。なぜならば、途中で放射光を閉じこめることができなくなると、そこから放射光が励起用ファイバ４へ結合してしまうからである。

また、放射光閉じ込め導波路部７の直径は、信号用ファイバ５のクラッド外径よりも小さいことが望ましい。もしも、放射光閉じ込め導波路部７の直径の方が大きいと、この導波路内に閉じこめられた放射光がカプラ終端部で励起用ファイバ４に結合するからである。

放射光閉じ込め導波路部７に閉じこめられた放射光は、図３（ｂ）に示すように、信号用ファイバ５を逆向きに伝搬するときに、ガラスクラッド外部の樹脂に徐々に吸収され、消滅する。積極的に吸収を促進するためには、信号用ファイバ５を適当な長さにわたって一定範囲の曲率で巻いておくことが望ましい。例えば、φ５０ｍｍで１ｍ程度とすることが好ましい。

また、適当な長さのファイバを用いることが難しい場合には、クラッド部分に放射光を吸収するようなドーパントを添加して放射光を吸収することも可能である。例えば、波長１０６４ｎｍの光を吸収するためにはＳｍをドープしたファイバが有効である。

本実施形態のマルチポートカプラ２において、放射光閉じ込め導波路部７を設けたことによる効果を説明する。
例えば、コア径２０μｍ、コア−クラッド比屈折率差０．１％のクラッドポンプファイバ３と、先端のコア径２．５μｍ、コア−クラッド比屈折率差０．４％のマルチポートカプラ２との接続では、Ａ＝３［μｍ＊％］とすることによって、放射光の９２％を閉じこめ、外に放射する光を８％程度とすることができる。このとき、マルチポートカプラ２の屈折率の分布例は、コア−放射光閉じ込め導波路部比屈折率差が０．４％、放射光閉じ込め導波路部−クラッド比屈折率差が０．０５％、放射光閉じ込め導波路部径が６０μｍである。上記の効果は、何も対策を施さなかったときに５０Ｗ程度の反射光が戻っていたとすると、それが４Ｗに低減されることになる。
従来は、励起ＬＤが破損に至るケースでは励起ＬＤが破損に至るケースでは励起ＬＤ自身の出力の２倍以上のパワーで破損することがあるので、８％に低減する効果は非常に大きい。通常、励起は５〜１０Ｗ程度である。

また、Ａ＝１．５［μｍ＊％］とすれば、同様のケースにおいて、放射光の８５％を閉じこめることが可能である。これは、例えば反射光が２０Ｗで、励起ＬＤが破損していたケースでは、２０Ｗの１５％、つまり３Ｗに反射光が低減されることになり、やはり励起ＬＤの保護には効果的である。

さらに、本実施形態のマルチポートカプラ２は、信号用ファイバ５の周囲に放射光閉じ込め導波路部７を設けたことによって、励起光を効率的にクラッドポンプファイバ３のコア９に集めることが可能となる。クラッドポンプファイバ３による光増幅の場合、クラッドに均一に分布する励起光を効率的にコア９で吸収するのは、非常に重要である。この励起光をコア９に集めることが可能であれば（吸収はコアでしか起こらないので）効率的に励起光を吸収することが可能となる。例えば、信号用ファイバ５のコア周辺に、直径５０μｍで比屈折率差０．１％の放射光閉じ込め導波路部７を設けた場合、クラッドポンプファイバ３のコア９による励起光の吸収効率は２０％向上する。

なお、図３に示すマルチポートカプラ２の場合、信号用ファイバのコア６と、その周囲に設けられる放射光閉じ込め導波路部７は、図４（ａ）に示すように同心円状の断面を有するものである、しかし、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、放射光閉じ込め導波路部７は、図４（ｂ）に示すように六角形状、図４（ｃ）に示すように四角形状、図４（ｄ）に示すように五角形状など、多角形状の断面を有していてもよい。放射光閉じ込め導波路部７の断面形状が多角形状でも、同心円状の場合と同様に、反射光を信号用ファイバ５に閉じ込め、励起用ファイバ４への入射パワーを低減する効果を発揮できる。

放射光閉じ込め導波路部７の断面が多角形状の場合、放射光閉じ込め導波路部７の外径が、マルチポートカプラ２に接続されている信号用ファイバ５の外径（クラッド径）よりも小さいとは、放射光閉じ込め導波路部７の内接円の直径が信号用ファイバ５の外径よりも小さいものと理解することができる。なぜならば、その場合には、放射光閉じ込め導波路部７が全断面積において信号用ファイバ５のクラッド領域以内に内包されることにより、放射光閉じ込め導波路部７内に閉じこめられた放射光はすべて信号用ファイバ５に結合することになり、カプラ終端部で放射光が励起用ファイバ４に結合することを抑制する、という同等の効果を奏するからである。

前述した通り、マルチポートカプラ内部の導波路構造でコア周辺に光を閉じこめる領域を設けることによって、反射光によって励起ＬＤが破損することを効果的に防ぎ、さらには励起光が効率的にコア周辺に分布することを可能とした。また、このような構造を採用することによって、励起光を効率的にコア周辺に集めることが可能となった。

また、本発明のマルチポートカプラは、信号用ファイバと励起用ファイバをキャピラリ構造にて収束し、さらにその先端部を、放射光閉じ込め導波路部と先端縮径部とを有するブリッジ用ファイバに接続することによっても構成することができる。以下、本発明の第２の実施形態について、図５〜図８を参照して説明する。

図５および図６に示すマルチポートカプラ１１は、中心の信号用ファイバ１２とその周囲に配された複数本の励起用ファイバ１３とがキャピラリ１４を用いて一体化され、信号用ファイバ１２および励起用ファイバ１３とともにキャピラリ１４がブリッジ用ファイバ１５の後端に接続され、且つブリッジ用ファイバ１５の先端側が縮径されてなり、光増幅用のクラッドポンプファイバ１６に励起光源をつなぐマルチポートカプラ１１であって、ブリッジ用ファイバ１５のコア１５ａ周辺に該コア１５ａよりも大きな外径を有し、クラッド１５ｂよりも屈折率が高くコア１５ａよりも屈折率が小さい値を持つ放射光閉じ込め導波路部１７が設けられたものである。

ここで、キャピラリ１４は、信号用ファイバ１２および励起用ファイバ１３が挿入される複数の貫通孔（細孔）を有する多孔キャピラリである。多孔キャピラリは、ファイバとの融着接続のため、石英ガラスやドーパントが添加された石英系ガラスなどから構成されることが好ましい。融着接続は、例えば、アーク放電、炭酸ガスレーザ、酸水素炎等の熱源を用いることによって行うことができる。キャピラリ１４の中央の細孔に挿入された信号用ファイバ１２のコア１２ａは、ブリッジ用ファイバ１５のコア１５ａと結合され、その周囲の細孔に挿入された励起用ファイバ１３のコア１３ａは、ブリッジ用ファイバ１５のクラッド１５ｂと結合される。ブリッジ用ファイバ１５の先端側の縮径部は、例えばテーパ状に加熱延伸することによって形成することができる。

このマルチポートカプラ１１において、反射光が励起用ファイバ１３に入射することを回避する構成としては、次の（１）と（２）がある。

（１）キャピラリ１４の屈折率が信号用ファイバ１２のクラッド１２ｂの屈折率よりも低い。この場合、キャピラリ１４が信号用ファイバ１２に対して放射光の閉じ込め効果を有することになる。このため、キャピラリ１４の屈折率と励起用ファイバ１３のクラッド１３ｂの屈折率との大小関係は任意であり、キャピラリ１４が励起用ファイバ１３のクラッド１３ｂより屈折率が高くても、低くても、あるいは同じでも、良い。
この構成では、キャピラリ１４が放射光閉じ込め導波路部の機能を果たすため、ブリッジ用ファイバ１５の放射光閉じ込め導波路部と合わせると、放射光閉じ込め導波路部がクラッドポンプファイバ１６との接続部から複数のファイバ１２，１３に分岐されるカプラ部端部まで連続的に形成されたものとなる。

（２）キャピラリ１４の屈折率が信号用ファイバ１２のクラッド１２ｂの屈折率と同じであり、且つ励起用ファイバ１３のクラッド１３ｂがキャピラリ１４の屈折率よりも低い。この場合、励起用ファイバ１３のクラッド１３ｂが信号用ファイバ１２およびキャピラリ１４に対して放射光の閉じ込め効果を有することになる。
この構成では、キャピラリ１４とブリッジ用ファイバ１５との間で接続損失が発生すると、放射光がキャピラリ１４に結合する可能性があるが、励起用ファイバ１３のクラッド１３ｂがキャピラリ１４に対して放射光の閉じ込め効果を有するので、放射光が励起用ファイバ１３に結合することを抑制することができる。

（１）、（２）のいずれの構成においても、ブリッジ用ファイバ１５に設けた放射光閉じ込め導波路部１７の直径（外径）は、信号用ファイバ１２の外径（クラッド径）よりも小さいことが望ましい。もしも、放射光閉じ込め導波路部１７の直径の方が大きいと、この導波路内に閉じこめられた放射光がカプラ終端部で励起用ファイバ１３に結合するからである。

放射光閉じ込め導波路部１７に閉じこめられた放射光は、信号用ファイバ１２を逆向き（図５で右から左に進む向き）に伝搬するときに、信号用ファイバ１２のクラッド１２ｂの外部の樹脂に徐々に吸収され、消滅する。積極的に吸収を促進するためには、信号用ファイバ１２を適当な長さにわたって一定範囲の曲率で巻いておくことが望ましい。例えば、φ５０ｍｍで１ｍ程度とすることが好ましい。

また、適当な長さの信号用ファイバ１２を用いることが難しい場合には、信号用ファイバ１２のクラッド１２ｂの部分に放射光を吸収するようなドーパントを添加して放射光を吸収することも可能である。例えば、波長１０６４ｎｍの光を吸収するためにはＳｍをドープしたファイバが有効である。

本実施形態のマルチポートカプラ１１において、ブリッジ用ファイバ１５に放射光閉じ込め導波路部１７を設けたことによる効果を説明する。
キャピラリ１４と信号用ファイバ１２のクラッド１２ｂの屈折率が同じである、（２）の構成においては、信号用ファイバ１２のクラッド１２ｂとキャピラリ１４と励起用ファイバ１３のコア１３ａをすべて石英（屈折率はおおよそ１．４４８）で作製し、励起用ファイバ１３のクラッド１３ｂは屈折率を１．４３６（コア１３ａおよびキャピラリ１４との比屈折率差０．８％）で厚さを１０μｍとしたところ、励起用ファイバ１３に結合した反射光の強度は、励起用ファイバ１３のクラッド１３ｂによる低屈折率部を設けない場合と比較して、約２０ｄＢ（すなわち約１００分の１）に低減することができた。

キャピラリ１４が信号用ファイバ１２のクラッド１２ｂより屈折率が低い（１）の構成においては、信号用ファイバ１２のクラッド１２ｂと励起用ファイバ１３のコア１３ａをすべて石英（屈折率はおおよそ１．４４８）で作製し、励起用ファイバ１３のクラッド１３ｂは屈折率を１．４３６（コア１３ａおよびキャピラリ１４との比屈折率差０．８％）で厚さを１０μｍとし、さらにキャピラリ１４の屈折率も１．４３６としたところ、励起用ファイバ１３に結合した反射光の強度は、（２）の構成と比べてさらに８ｄＢ低減した。低屈折率部を設けない場合と比較すれば、約２８ｄＢの低減となる。

なお、図５に示すマルチポートカプラ１１の場合、ブリッジ用ファイバ１５のコア１５ａと、その周囲に設けられる放射光閉じ込め導波路部１７は、図７（ａ）に示すように同心円状の断面を有するものである。しかし、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、放射光閉じ込め導波路部１７は、図７（ｂ）に示すように六角形状、図７（ｃ）に示すように四角形状、図７（ｄ）に示すように五角形状など、多角形状の断面を有していてもよい。放射光閉じ込め導波路部１７の断面形状が多角形状でも、同心円状の場合と同様に、反射光をブリッジ用ファイバ１５のコア１５ａに閉じ込めて信号用ファイバ１２に結合させ、励起用ファイバ１３への入射パワーを低減する効果を発揮できる。

放射光閉じ込め導波路部１７の断面が多角形状の場合、放射光閉じ込め導波路部１７の外径が、マルチポートカプラ１１に接続されている信号用ファイバ１２の外径（クラッド径）よりも小さいとは、放射光閉じ込め導波路部１７の内接円の直径が信号用ファイバ１２の外径よりも小さいものと理解することができる。なぜならば、その場合には、放射光閉じ込め導波路部１７が全断面積において信号用ファイバ１２のクラッド領域以内に内包されることにより、放射光閉じ込め導波路部１７内に閉じこめられた放射光はすべて信号用ファイバ１２に結合することになり、カプラ終端部で放射光が励起用ファイバ１３に結合することを抑制する、という同等の効果を奏するからである。

さらに、本実施形態のマルチポートカプラ１１においても、ブリッジ用ファイバ１５のコア１５ａの周囲に放射光閉じ込め導波路部１７を設けたことによって、励起用ファイバ１３からの励起光を効率的にクラッドポンプファイバ１６のコア１６ａに集めることが可能となる。クラッドポンプファイバ１６による光増幅の場合、クラッドに均一に分布する励起光を効率的にコア１６ａで吸収するのは、非常に重要である。この励起光をコア１６ａに集めることが可能であれば（吸収はコアでしか起こらないので）効率的に励起光を吸収することが可能となる。

図５に示す例においては、マルチポートカプラ１１に接続されているクラッドポンプファイバ１６としては、コア１６ａに希土類元素が添加され、該コア１６ａの周囲に内側クラッド１６ｂと外側クラッド１６ｃを有するダブルクラッド構造ファイバ（ＤＣＦ）が用いられている。しかし、本形態例のマルチポートカプラ１１は、図８に示すように、コア１８ａに希土類元素が添加されていないクラッドポンプファイバ（ｎｏｎ−ｄｏｐｅ ＤＣＦ）１８が接続されている場合でも有効である。この構成例では、ｎｏｎ−ｄｏｐｅ ＤＣＦ１８の一方の端に希土類元素ドープＤＣＦ１６が接続され、ｎｏｎ−ｄｏｐｅ ＤＣＦ１８の他方の端にブリッジ用ファイバ１５の先端縮径部が接続されている。

このときには、ｎｏｎ−ｄｏｐｅ ＤＣＦ１８と希土類元素ドープＤＣＦ１６との接続部で放射光がｎｏｎ−ｄｏｐｅ ＤＣＦ１８のクラッド１８ｂ，１８ｃに放出されることなく、コア１８ａに閉じ込めるために、コア１８ａとクラッド１８ｂ，１８ｃとの間にも、クラッド１８ｂ，１８ｃより屈折率が高くコア１８ａより屈折率が小さい値を持つ放射光閉じ込め導波路部１９を設ける必要がある。放射光閉じ込め導波路部１９の断面形状は、コア１８ａに対して同心円状でも多角形状でもよい。こうした構造を有するマルチポートカプラは、マルチポートカプラが直接希土類元素ドープＤＣＦと接続されている場合と比較しても、全く同様のレベルで反射光の励起用ファイバ１３への入射を抑制することができた。

前述した通り、マルチポートカプラ内部の導波路構造でコア周辺に光を閉じこめる領域を設けることによって、反射光によって励起ＬＤが破損することを効果的に防ぎ、さらには励起光が効率的にコア周辺に分布することを可能とした。また、このような構造を採用することによって、励起光を効率的にコア周辺に集めることが可能となった。

励起波長９１５ｎｍ、信号波長１０６４ｎｍの光増幅器において、本発明のマルチポートカプラ（図３に示すもの）を適用し、ＬＤ破損抑制の効果を調べた。
クラッドポンプファイバとしてＹｂがドープされたダブルクラッドファイバを用いた。
このときのファイバのディメンションは以下の通りであった。
・コア径：２０μｍ、
・コア−内側クラッド比屈折率差Δ：０．１％、
・内側クラッド外径：４００μｍ。

また、励起に用いたＬＤは、
・波長９１５ｎｍ、
・出力：５Ｗ、
のＬＤを６台用いた。
また、この励起ＬＤにつながる励起用ファイバは、
・コア径：１０５μｍ、
・コア−クラッド比屈折率差Δ：０．５５％、
である。

このとき、光増幅器の先に反射点を設けておき、光増幅器から出力した光の５％程度が、再び光増幅器に戻るように設定した。このような構成で、マルチポートカプラを本発明の通り、
・コア径：２．５μｍ、
・放射光閉じ込め導波路部直径：３０μｍ、
・放射光閉じ込め導波路部比屈折率差：０．１％、
で作製したものと、放射光閉じ込め導波路部を持たないカプラの二つを取り付けて実験を行った。

その結果、放射光閉じ込め導波路部を持たないカプラを使用した場合、試験開始と同時に、励起ＬＤが４台／６台破損し、使用不可能に陥った。

一方、放射光閉じ込め導波路部を設けた本発明に係るカプラを使用した場合、１時間以上にわたって反射光を入れ続けても、ＬＤの故障は発生しなかった。
この結果を計算機で確認したところ、図９に示すように、放射光閉じ込め導波路部が設けられたカプラ（図９（ａ））では、放射光閉じ込め導波路部の無いカプラ（図９（ｂ））と比べて、明らかに放射光が閉じ込められ、ＬＤが保護されていた。

次に、図５，図６に示すマルチポートカプラ１１において、図７（ｂ）に示すように六角形状の放射光閉じ込め導波路部１７を設けた実施例を説明する。
ブリッジ用ファイバ１５のクラッド１５ｂの外径が４００μｍ、コア１５ａの直径が７μｍのときに、コア１５ａの周囲に一辺が４５μｍの放射光閉じ込め導波路部１７を形成した。このブリッジ用ファイバ１５において、放射光閉じ込め導波路部１７とクラッド１５ｂとの比屈折率差は０．１％、コア１５ａと放射光閉じ込め導波路部１７との比屈折率差は０．１８％であった。放射光閉じ込め導波路部１７の外径を、六角形の内接円と外接円との中間の円の直径で近似すると、４２μｍとなる。クラッドポンプファイバ１６としては、コア径３０μｍ、コア−クラッド比屈折率差０．１２％を用意した。ブリッジ用ファイバ１５とクラッドポンプファイバ１６との接続でどの程度の放射光閉じ込めの効果が認められるかを確認したところ、放射光の９５％以上をブリッジ用ファイバ１５のコア１５ａに閉じ込めることができた。

光増幅器の一例を示す構成図である。 マルチポートカプラの構造を示す断面図である。 本発明のマルチポートカプラの一実施形態を示す断面図である。 （ａ）は図３のマルチポートカプラの横断面図である。（ｂ）〜（ｄ）は放射光閉じ込め導波路部が多角形状である改変例を示す断面図である。 本発明のマルチポートカプラの第２の実施形態を示す分解斜視図である。 図５のＡ−Ａ切断面に沿う断面図である。 （ａ）は図５のＢ−Ｂ切断面に沿う断面図である。（ｂ）〜（ｄ）は放射光閉じ込め導波路部が多角形状である改変例を示す断面図である。 図５のマルチポートカプラを、ｎｏｎ−ｄｏｐｅ ＤＣＦと接続して用いる場合を示す分解斜視図である。 実施例の結果を示すグラフである。

符号の説明

１…光増幅器、２…マルチポートカプラ、３…クラッドポンプファイバ、４…励起用ファイバ、５…信号用ファイバ、６，９…コア、７…放射光閉じ込め導波路部、８…クラッド、１０…ＬＤ、１１…マルチポートカプラ、１２…信号用ファイバ、１３…励起用ファイバ、１４…キャピラリ、１５…ブリッジ用ファイバ、１６…クラッドポンプファイバ、１７…放射光閉じ込め導波路部。

Claims (11)

1. 中心の信号用ファイバとその周囲に配された複数本の励起用ファイバとが一体化され且つ先端側が縮径されてなり、光増幅用のクラッドポンプファイバに励起光源をつなぐマルチポートカプラにおいて、
   中心に位置する信号用ファイバのコア周辺に該コアよりも大きな外径を有し、クラッドよりも屈折率が高くコアよりも屈折率が小さい値を持つ放射光閉じ込め導波路部が設けられ、この放射光閉じ込め導波路部がクラッドポンプファイバとの接続部から複数のファイバに分岐されるカプラ部端部まで連続的に形成されていることを特徴とするマルチポートカプラ。
2. 放射光閉じ込め導波路部が、信号用ファイバのコアの周囲に同心円状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマルチポートカプラ。
3. 放射光閉じ込め導波路部が、信号用ファイバのコアの周囲に多角形状の断面を有して設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマルチポートカプラ。
4. 中心の信号用ファイバとその周囲に配された複数本の励起用ファイバとがキャピラリを用いて一体化され、信号用ファイバおよび励起用ファイバとともにキャピラリがブリッジ用ファイバの後端に接続され、且つブリッジ用ファイバの先端側が縮径されてなり、光増幅用のクラッドポンプファイバに励起光源をつなぐマルチポートカプラにおいて、
   ブリッジ用ファイバのコア周辺に該コアよりも大きな外径を有し、クラッドよりも屈折率が高くコアよりも屈折率が小さい値を持つ放射光閉じ込め導波路部が設けられるとともに、キャピラリの屈折率が信号用ファイバのクラッドの屈折率よりも低く、キャピラリが信号用ファイバに対して放射光の閉じ込め効果を有することを特徴とするマルチポートカプラ。
5. 中心の信号用ファイバとその周囲に配された複数本の励起用ファイバとがキャピラリを用いて一体化され、信号用ファイバおよび励起用ファイバとともにキャピラリがブリッジ用ファイバの後端に接続され、且つブリッジ用ファイバの先端側が縮径されてなり、光増幅用のクラッドポンプファイバに励起光源をつなぐマルチポートカプラにおいて、
   ブリッジ用ファイバのコア周辺に該コアよりも大きな外径を有し、クラッドよりも屈折率が高くコアよりも屈折率が小さい値を持つ放射光閉じ込め導波路部が設けられるとともに、キャピラリの屈折率が信号用ファイバのクラッドの屈折率と同じであり、且つ励起用ファイバのクラッドがキャピラリの屈折率よりも低く、励起用ファイバのクラッドが信号用ファイバおよびキャピラリに対して放射光の閉じ込め効果を有することを特徴とするマルチポートカプラ。
6. 放射光閉じ込め導波路部が、ブリッジ用ファイバのコアの周囲に同心円状に設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載のマルチポートカプラ。
7. 放射光閉じ込め導波路部が、ブリッジ用ファイバのコアの周囲に多角形状の断面を有して設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載のマルチポートカプラ。
8. 放射光閉じ込め導波路部の外径が、マルチポートカプラに接続されている信号用ファイバの外径よりも小さいことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のマルチポートカプラ。
9. 信号用ファイバが適当な距離にわたって巻かれた放射光減衰部が設けられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のマルチポートカプラ。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のマルチポートカプラと、光増幅用のクラッドポンプファイバと、励起光源とを有することを特徴とする光増幅器。
11. 請求項１〜９のいずれかに記載のマルチポートカプラと、光増幅用のクラッドポンプファイバと、励起光源とを有することを特徴とするファイバレーザ。

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