JP2008226886A - Optical pumping device, optical amplifier, fiber laser and multicore fiber for optical pumping devices, and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光増幅技術に関し、特に、信号光とそれを増幅するための励起光との結合技術に関し、効率の良い結合構造を有する光ポンピングデバイスと、これを用いた光増幅器とファイバレーザ、及び該光ポンピングデバイスの構成部材となる光ポンピングデバイス用マルチコアファイバとその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical amplification technique, and more particularly, to an optical pumping device having an efficient coupling structure, an optical amplifier and a fiber laser using the optical pumping device, and more particularly to a technique for combining signal light and pumping light for amplifying the signal light. The present invention also relates to a multi-core fiber for an optical pumping device which is a constituent member of the optical pumping device and a method for manufacturing the same.
従来、光ポンピング用の光ファイバの一端側(入射側)に、信号光伝送用光ファイバ及び複数本の励起光伝送用光ファイバを接続するための構造として、例えば、特許文献1,2に開示されたデバイスが提案されている。 Conventionally, as a structure for connecting an optical fiber for signal light transmission and a plurality of optical fibers for pumping light transmission to one end side (incident side) of an optical fiber for optical pumping, for example, disclosed in Patent Documents 1 and 2 Devices have been proposed.
図2は、特許文献1に開示された光ファイバデバイスを示す図であり、この光ファイバデバイス1は、励起光結合用のマルチモードファイバ(以下、MMFと記す。)2を複数本束ね、そのファイバ束3の先端部に、クラッドポンピングファイバ4の断面領域まで断面積を減じた断面積減少部5を形成し、その先端とクラッドポンピングファイバ4の一端とを結合部6において結合した構造になっている。
FIG. 2 is a diagram showing an optical fiber device disclosed in Patent Document 1, and this optical fiber device 1 bundles a plurality of pumping light coupling multimode fibers (hereinafter referred to as MMF) 2. At the tip of the
図3は、特許文献2に開示された増幅装置を示す図であり、図3(a)に示す増幅装置10Aは、信号光伝送用光ファイバ11及び複数本の励起光伝送用光ファイバ12のそれぞれの先端部を第1のフェルール13に挿入、固定すると共に、増幅用光ファイバ14の一端部を第2のフェルール15に挿入、固定し、第1のフェルール13の先端面と第2のフェルール15の先端面とを、屈折率分布型レンズ16を挟んで結合させた構造になっている。また図3(b)に示す増幅装置10Bは、第1のフェルール13の先端面と第2のフェルール15の先端面とを突き合わせて結合した構造になっている。
しかしながら、前述した従来技術には、次のような問題があった。
特許文献1に開示された従来技術では、複数本のMMFを束ね、断面積を減少させる工程において、各MMF間に存在する空隙を埋めようとする力が働き、最外周に配置されたMMFの断面形状が変形し易く、このMMFの変形によってクラッドポンピングファイバとの結合における結合効率の低下をまねく問題がある。また、この問題に関連し、励起ポート数を増加させるにつれて断面形状の変形率が大きくなり、結合効率が低下するため、拡張性に乏しく、よりハイパワーのポンピング要求に対応することが難しいという問題がある。
However, the above-described conventional technique has the following problems.
In the prior art disclosed in Patent Document 1, in the process of bundling a plurality of MMFs and reducing the cross-sectional area, a force acts to fill the gaps between the MMFs, and the MMFs arranged on the outermost periphery are operated. The cross-sectional shape is easily deformed, and there is a problem that the deformation of the MMF causes a decrease in coupling efficiency in coupling with the clad pumping fiber. In addition, in relation to this problem, as the number of excitation ports is increased, the deformation rate of the cross-sectional shape increases and the coupling efficiency decreases, so that the scalability is poor and it is difficult to meet the higher power pumping requirements. There is.
MMFの変形は、前述の通り、空隙を埋めようとする力によって起こる。
通常、単にファイバを束ねた場合、図5のように、最密充填構造に配置をすることになる(ここでは中心に1本の信号ポートファイバ48とその周囲に6本のMMFを束ねたものを例に説明する)。これを火炎溶融等により一体化し、さらに延伸等を行って径を縮減していくのであるが、この際に、ガラスが融けるために表面張力、即ち空隙を埋めようとするカが働く。その結果、一体化された部分の断面形状は元の形状に比べて、より円に近い形状となる。この変形の結果、各ファイバの導光部の形状は歪んでしまう(図6に断面の一例の模式図を示す)。
As described above, the deformation of the MMF is caused by the force for filling the gap.
Normally, when fibers are simply bundled, they are arranged in a close-packed structure as shown in FIG. 5 (here, one
一般に、導光径を縮減する場合、その入り口側の径Dinと開口数NAinおよび出口側の径Doutと開口数NAoutの関係は、以下の式Aで表せる。 In general, when the light guide diameter is reduced, the relationship between the diameter D in on the entrance side and the numerical aperture NA in, and the diameter D out on the exit side and the numerical aperture NA out can be expressed by the following formula A.
Din×NAin=Dout×NAout ・・・(式A) D in × NA in = D out × NA out (formula A)
本例のように、延伸後の断面形状が歪になると、式A中のDoutはそのもっとも小さな径、即ち例えば断面形状が楕円であった場合(例示)の短径となり、出射光のNAoutは大きくなってしまう。 When the cross-sectional shape after stretching becomes distorted as in this example, D out in Formula A becomes the smallest diameter, that is, the short diameter when the cross-sectional shape is an ellipse (example), and the NA of the emitted light out will become large.
その結果、出力側につなぐ希土類添加ファイバの開口数NAが決まっている場合、そのNAを超えてしまい、結果として希土類添加ファイバとの接続損失が非常に大きくなるという問題が起きる。 As a result, when the numerical aperture NA of the rare earth doped fiber connected to the output side is determined, the NA is exceeded, resulting in a problem that the connection loss with the rare earth doped fiber becomes very large.
また、上記のような変形を考えると、ファイバ束をなるべく最密充填構造とすることが解決方法になり得る。つまり、図5や図7に示すような、7本、19本を束ねた形状以外のものは変形が大きく、実用上問題がある。また、仮に最密充填構造をとったとしても、19本のファイバ束の場合、変形量が大きくなることが避けられず、多くの場合にNAの観点から使用することが難しかったり、製造が難しいという問題を抱えている。 In consideration of the above-described deformation, it can be a solution to make the fiber bundle as close-packed as possible. That is, as shown in FIG. 5 and FIG. 7, the shape other than the shape in which the seventeen pieces and the nineteen pieces are bundled is greatly deformed, and there is a problem in practical use. Further, even if a close-packed structure is adopted, in the case of 19 fiber bundles, the amount of deformation is inevitably increased, and in many cases, it is difficult to use from the viewpoint of NA or manufacture is difficult. Have a problem.
また、この変形の問題で例え最密充填構造の配置であっても、37本以上は本構造を適用できず、大出力を得るにはポート数が不足するという問題があった。 Further, even with the arrangement of the close-packed structure due to this deformation problem, this structure cannot be applied to 37 or more, and there is a problem that the number of ports is insufficient to obtain a large output.
さらには、励起ポートファイバ(MMF)49が10本しか必要のない場合においても、上記最密充填構造の条件により、18本の励起ポートファイバ(MMF)49と1本の信号ポートファイバ48が必要となり、従って、式A中のDinが無駄に大きくなってしまい、その結果として、DoutやNAoutに制約がかかってしまい、出力側につなぐ希土類添加ファイバとの接続時に問題となることもあった。
Furthermore, even when only 10 pumping port fibers (MMF) 49 are required, 18 pumping port fibers (MMF) 49 and one
特許文献2に開示された従来技術では、レンズ系と光ファイバとの結合部分において空間伝播を含むため、結合部分の光ファイバ端とレンズ両端、さらに増幅用光ファイバ端に研磨と反射防止膜が必要となる。これによって製造コストが増加し、加えて、各端面に僅かな汚れや塵が存在すると、ハイパワーの光が入射した場合に光が吸収され、発熱して故障してしまう恐れがある。さらには、バンドルファイバと増幅用光ファイバとが直接的に接続されていないことから、長期の機械的信頼性に乏しく、故障し易いことが懸念される。この部分での機械的故障は、システムの特性に多大な影響を与えるだけでなく、安全面からも絶対に避けなければならないため、さらに信頼性の高い構造が必須であると言える。 In the prior art disclosed in Patent Document 2, since the spatial propagation is included in the coupling portion between the lens system and the optical fiber, a polishing and antireflection film is provided on the optical fiber end and the lens both ends of the coupling portion, and further on the amplification optical fiber end. Necessary. This increases the manufacturing cost. In addition, if there is a slight amount of dirt or dust on each end face, the light is absorbed when high-power light is incident, and there is a risk that it will generate heat and break down. Furthermore, since the bundle fiber and the amplification optical fiber are not directly connected, there is a concern that the long-term mechanical reliability is poor and a failure is likely to occur. A mechanical failure in this part not only has a great influence on the characteristics of the system, but must also be avoided for safety reasons. Therefore, it can be said that a more reliable structure is essential.
本発明は前記事情に鑑みてなされ、信号光と励起光を効率よく光ポンピング用のダブルクラッドファイバに結合させるための光ポンピングデバイスの提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an optical pumping device for efficiently coupling signal light and pumping light to a double clad fiber for optical pumping.
前記目的を達成するため、本発明は、入射ポートとなる複数本の光ファイバをまとめたマルチコアファイバと、光ポンピング用のダブルクラッドファイバとを、テーパ形状を有するダブルクラッドファイバからなるブリッジファイバを介して接続したことを特徴とする光ポンピングデバイスを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a multi-core fiber in which a plurality of optical fibers serving as incident ports are combined and a double-clad fiber for optical pumping via a bridge fiber made of a double-clad fiber having a tapered shape. And an optical pumping device characterized by being connected.
本発明の光ポンピングデバイスにおいて、前記マルチコアファイバの中心に位置するコアが実質的にシングルモードであり、かつ、ダブルクラッドファイバたる前記ブリッジファイバのコアが実質的にシングルモードであることが好ましい。 In the optical pumping device of the present invention, it is preferable that the core located at the center of the multi-core fiber is substantially single mode, and the core of the bridge fiber that is a double clad fiber is substantially single mode.
本発明の光ポンピングデバイスにおいて、入射ポートとなる複数本の光ファイバをまとめたマルチコアファイバと、光ポンピング用のダブルクラッドファイバとを、テーパ形状を有するダブルクラッドファイバからなる前記ブリッジファイバはいずれも石英ガラスを主たる構成材料としており、また、各ファイバの各接続点は融着接続にてなされていることが好ましい。 In the optical pumping device of the present invention, the bridge fiber made of a double-clad fiber having a tapered shape is formed by combining a multi-core fiber in which a plurality of optical fibers to be incident ports are combined and a double-clad fiber for optical pumping. Glass is mainly used as a constituent material, and each connection point of each fiber is preferably formed by fusion splicing.
本発明の光ポンピングデバイスにおいて、前記マルチコアファイバは、光ファイバを立体的に整列させる整列用部材に複数の光ファイバを挿入し、空隙部分を収縮させて形成され、その先端を前記ブリッジファイバの一端に接続した構造を有することが好ましい。 In the optical pumping device of the present invention, the multi-core fiber is formed by inserting a plurality of optical fibers into an alignment member for three-dimensionally aligning the optical fibers and contracting the gap portion, and the tip thereof is one end of the bridge fiber. It is preferable to have a structure connected to.
前記整列用部材の各光ファイバ挿入部には、光ファイバが各1本ずつ挿入され、空隙部分を収縮させて形成されていることがより好ましい。 More preferably, one optical fiber is inserted into each optical fiber insertion portion of the alignment member and the gap portion is contracted.
前記整列用部材の光ファイバ挿入部の断面形状は略円形であることが好ましい。 The cross-sectional shape of the optical fiber insertion portion of the aligning member is preferably substantially circular.
本発明の光ポンピングデバイスにおいて、前記整列用部材が、複数の孔を持つ多孔キャピラリであることが好ましい。 In the optical pumping device of the present invention, the alignment member is preferably a porous capillary having a plurality of holes.
本発明の光ポンピングデバイスにおいて、前記多孔キャピラリの穴数は8個以上であることが好ましく、さらに前記多孔キャピラリの穴が最密充填構造に配置されていないことが好ましい。 In the optical pumping device of the present invention, the number of holes of the porous capillary is preferably 8 or more, and it is preferable that the holes of the porous capillary are not arranged in a close-packed structure.
また本発明は、前述した本発明に係る光ポンピングデバイスと、その入射ポートに結合された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。 The present invention also provides an optical amplifier comprising the above-described optical pumping device according to the present invention and a pumping light source coupled to the incident port.
また本発明は、前述した光ポンピングデバイスと、その入射ポートに結合された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。 The present invention also provides a fiber laser comprising the above-described optical pumping device and a pumping light source coupled to the incident port.
また本発明は、多孔キャピラリに入射ポートとなる複数本の光ファイバを挿入し、加熱して一体化させてなることを特徴とする光ポンピングデバイス用マルチコアファイバを提供する。 The present invention also provides a multi-core fiber for an optical pumping device, in which a plurality of optical fibers to be incident ports are inserted into a porous capillary and heated to be integrated.
本発明の光ポンピングデバイス用マルチコアファイバにおいて、前記多孔キャピラリの穴数が8個以上であることが好ましく、さらに前記多孔キャピラリの穴が最密充填構造に配置されていないことが好ましい。 In the multi-core fiber for an optical pumping device of the present invention, the number of holes in the porous capillary is preferably 8 or more, and it is preferable that the holes in the porous capillary are not arranged in a close-packed structure.
本発明の光ポンピングデバイス用マルチコアファイバにおいて、前記多孔キャピラリが石英ガラスからなることが好ましい。 In the multi-core fiber for an optical pumping device of the present invention, the porous capillary is preferably made of quartz glass.
また本発明は、前記多孔キャピラリに入射ポートとなる複数本の光ファイバを挿入し、加熱して一体化させてなることを特徴とする光ポンピングデバイス用マルチコアファイバの製造方法であって、加熱方法が火炎もしくはレーザ光、放電のいずれかであることを特徴とする光ポンピングデバイス用マルチコアファイバの製造方法を提供する。 Further, the present invention is a method for producing a multi-core fiber for an optical pumping device, wherein a plurality of optical fibers to be incident ports are inserted into the porous capillary and heated to be integrated. Is a flame, a laser beam, or a discharge, and a method for producing a multi-core fiber for an optical pumping device is provided.
本発明の光ポンピングデバイスは、入射ポートとなる複数本の光ファイバをまとめたマルチコアファイバと、光ポンピング用のダブルクラッドファイバとを、テーパ形状を有するダブルクラッドファイバからなるブリッジファイバを介して接続したものである。そのため、光ファイバの立体的整列が容易になり、入射ポートを変形させずに接続できるため、信号光と励起光を効率よく光ポンピング用のダブルクラッドファイバに結合させることができる。
また、複数の入射ポートを変形させずに接続できるため、入射ポート数の増加が容易である。
また、光路全体が機械的に結合されているため、長期の機械的信頼性に優れており、光学特性の経時変化が少なく、長期間安定した光ポンピング特性が得られる。
In the optical pumping device of the present invention, a multi-core fiber in which a plurality of optical fibers serving as incident ports are combined and a double-clad fiber for optical pumping are connected via a bridge fiber made of a double-clad fiber having a tapered shape. Is. Therefore, the three-dimensional alignment of the optical fibers is facilitated and the incident ports can be connected without being deformed, so that the signal light and the pumping light can be efficiently coupled to the double-clad fiber for optical pumping.
Further, since a plurality of incident ports can be connected without being deformed, the number of incident ports can be easily increased.
In addition, since the entire optical path is mechanically coupled, the long-term mechanical reliability is excellent, the optical characteristics do not change with time, and stable optical pumping characteristics can be obtained for a long time.
また、ブリッジファイバのプロファイルを最適化することで、設計の自由度が増す。 In addition, optimization of the bridge fiber profile increases design freedom.
本構造を用いれば、従来の構造では不可能、もしくは実施が著しく困難である、以下のような光ポンピングデバイスが実現できる。
(1)励起光の変形が小さく、開口数NAの拡がりを抑制でき、効率的に励起光を希土類添加ファイバに導光できる光ポンピングデバイス。
(2)19個以上の励起ポートを持った、大出力でも使用可能な光ポンピングデバイス。
(3)最密充填構造の配置ではない、例えば9個や10個、12個等の励起ポートを持ち、入射側の径が従来の構造に比べ小さく、効率的に励起光を希土類添加ファイバに導光できる光ポンピングデバイス。
By using this structure, it is possible to realize the following optical pumping device, which is impossible with the conventional structure or is extremely difficult to implement.
(1) An optical pumping device in which the deformation of the pumping light is small, the spread of the numerical aperture NA can be suppressed, and the pumping light can be efficiently guided to the rare earth-doped fiber.
(2) An optical pumping device that has 19 or more excitation ports and can be used at high power.
(3) It is not an arrangement of a close-packed structure, for example, it has nine, ten, twelve, etc. pumping ports, the incident side diameter is smaller than the conventional structure, and pumping light is efficiently converted into a rare earth doped fiber. Optical pumping device that can guide light.
とりわけ、本発明の光ポンピングデバイスにおいて、前記マルチコアファイバの中心に位置するコアが実質的にシングルモードであり、かつ、ダブルクラッドファイバたる前記ブリッジファイバのコアが実質的にシングルモードである構造のものは、該コアに信号光を導入して、光ポンピング用のダブルクラッドのコアに信号光を結合でき、さらにその信号光をシングルモードのまま導光できるので、ポンピングされて出力される信号光がシングルモードとなり、非常に細く集光することが可能になる。 In particular, in the optical pumping device of the present invention, the core located at the center of the multi-core fiber is substantially single mode, and the core of the bridge fiber that is a double clad fiber is substantially single mode. Can introduce signal light into the core, couple the signal light into a double-clad core for optical pumping, and further guide the signal light in a single mode, so that the signal light that is pumped and output is It becomes a single mode, and it becomes possible to collect light very finely.
また、全ての構成ファイバを、石英ガラスを主たる構成材料とすることで、それらのファイバの接続を融着にて行うことが可能になり、その結果、接続損失を低減することが可能になり、効率が良くなるほか、漏れ光による発熱による損傷や劣化を防ぐことができ、また、接続部に望ましくない空隙や埃、異物が混入することを避けることができる。また、突合せ接続等で用いられる接続損失を低減させるための接続整合樹脂又は有機物を使用しないで済むため、これら耐熱性/耐候性の低い材料を使用しないことから、光ポンピングデバイスの信頼性が向上する。 In addition, by using silica glass as the main constituent material for all the constituent fibers, it becomes possible to connect those fibers by fusion, and as a result, it becomes possible to reduce the connection loss, In addition to improving efficiency, it is possible to prevent damage and deterioration due to heat generation due to leaked light, and to prevent undesirable gaps, dust, and foreign matters from entering the connecting portion. In addition, since it is not necessary to use connection matching resin or organic matter to reduce connection loss used in butt connection, etc., the reliability of the optical pumping device is improved because these heat / weather resistant materials are not used. To do.
加えて、整列用部材の光ファイバ挿入部には、光ファイバを各々1本ずつ挿入し、収縮させてマルチコアファイバを形成することにより、空隙部の収縮面積が小さくなり、また、光ファイバの変形も抑制できるので、開口数NAの拡がりをより抑制できる。さらに光ファイバ挿入部の孔の断面が円形であると、その抑制効果をさらに高めることができる。 In addition, by inserting one optical fiber into the optical fiber insertion part of the alignment member and shrinking it to form a multi-core fiber, the shrinkage area of the gap is reduced, and the deformation of the optical fiber is reduced. Therefore, the expansion of the numerical aperture NA can be further suppressed. Further, when the cross section of the hole of the optical fiber insertion portion is circular, the suppression effect can be further enhanced.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明に係る光ポンピングデバイスの一実施形態を示す図であり、図1(a)は光ポンピングデバイス20の側面図、(b)は(a)中のA−A’部断面図である。本実施形態の光ポンピングデバイス20は、入射ポートとして、信号光用光ファイバの先端部である信号ポート21及び励起光用光ファイバの先端部である複数本の励起ポート22を多孔キャピラリ23に挿入して空隙部分を収縮させて形成されたマルチコアファイバ24と、光ポンピング用の希土類添加コアを有するダブルクラッドファイバ25とを、テーパ部26を有するダブルクラッドファイバからなるブリッジファイバ27を介して接続して構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A and 1B are diagrams showing an embodiment of an optical pumping device according to the present invention. FIG. 1A is a side view of the
前記マルチコアファイバ24は、入射ポート(信号ポート21及び複数本の励起ポート22)が立体的に整列されるように配置された多数の細孔を有する石英ガラス製の多孔キャピラリ23に信号ポート21と複数本の励起ポート22を挿入し、その一部を加熱することによって空隙部分を収縮させ、一体化した収縮部28を形成した構造になっている。
図1(b)の例示において、円筒状をなす多孔キャピラリ23には、ポート挿入用の細孔が19本密集した状態で形成されている。そして、この多孔キャピラリ23の細孔には、中心に信号ポート21を挿入し、その周囲に1層目が6本、2層目が12本の計18本の励起ポート22を挿入し、収縮部28において多孔キャピラリ23と各入射ポートとが一体化された構造になっている。なお、図示していないが、各励起ポート22の他端側は、レーザダイオード(LD)などの励起光源の出射端に接続され、該励起光源からの特定波長の励起光をこの光ポンピングデバイス20に向けて伝播できるようになっている。
The
In the illustration of FIG. 1B, a cylindrical
前記ブリッジファイバ27は、マルチコアファイバ24を伝播した光を光ポンピング用のダブルクラッドファイバ25に効率よく伝播できればよく、例えば、マルチコアファイバ24の先端面と同等の外径を有するダブルクラッドファイバなどが用いられる。このブリッジファイバ27に形成されたテーパ部26は、ブリッジファイバ27の一端側を加熱延伸してファイバ外径を漸次縮小することによって形成される。テーパ部26の端面外径は、これと接続するダブルクラッドファイバ25の外径と等しくすることが望ましい。
The
マルチコアファイバ24とブリッジファイバ27との接続点29、ブリッジファイバ27とダブルクラッドファイバ25との接続点30は、長期の機械的信頼性を確保するため、それぞれ融着接続により接続している。これにより、接続部に反射防止膜等が不要になり、製造工数低減を図れるとともに、ハイパワー光に対する耐性を向上させることができる。さらに、経時変化の少ない安定した光学特性が得られる。各接続点29,30の融着接続に用いる熱源としては、アーク放電、CO2レーザ、酸水素炎等が挙げられる。
The
本実施形態の光ポンピングデバイス20は、マルチコアファイバ24の複数の励起ポート22を通して励起光をブリッジファイバ27を介してダブルクラッドファイバ25に入射し、このダブルクラッドファイバ25のコアに添加された希土類元素イオンを励起させておき、信号ポート21から信号光が入射されるとダブルクラッドファイバ25において光ポンピングが起こり、ダブルクラッドファイバ25の図示しない他端(出射端)側から増幅された光が出射される。この光ポンピングデバイス20は、光増幅器(ファイバアンプ)やファイバレーザなどに適用でき、特に、多数本の励起ポート22からの励起光を効率よく光ポンピング用のダブルクラッドファイバ25に入射することができるので、高倍率の光増幅が可能な光増幅器や高パワーファイバレーザを提供することができる。
In the
本実施形態の光ポンピングデバイス20は、入射ポート(信号ポート21及び複数本の励起ポート22)の先端部を多孔キャピラリ23によってまとめたマルチコアファイバ24と、光ポンピング用のダブルクラッドファイバ25とを、テーパ部26を有するブリッジファイバ27を介して接続したものなので、各入射ポートの立体的整列が容易になり、入射ポートを変形させずに接続できるため、信号光と励起光を効率よく光ポンピング用のダブルクラッドファイバ25に結合させることができる。
The
本実施形態では、入射ポート(信号ポート21及び複数本の励起ポート22)を容易に一体化するために、多孔キャピラリ23を使用し、それぞれのポートを多孔キャピラリ23の個別に開いた細孔に挿入した後、端部付近を加熱し、多孔キャピラリ23の細孔と各入射ポート間に存在する空隙の分だけ収縮させて一体化してマルチコアファイバ24を形成した。これにより、複数本の光ファイバを立体的に整列させることが容易になった。さらに、各入射ポートが細孔に挿入されていることから、収縮時に略均一な力が働くため、入射ポート、特に励起ポート22の外形を変形させずに接続できるので、励起ポート22の結合効率が改善され、スロープ効率を向上させることができる。
In the present embodiment, in order to easily integrate the incident ports (the
このような多孔キャピラリ23を用いて入射ポートを一体化する構造を採用すれば、多孔キャピラリ23に形成する細孔の本数や配置を適宜設定することで、将来的な励起ポートの増加要求にも容易に対応でき、また収縮・一体化の際にも励起ポートの変形を抑えることができる。さらに、ブリッジファイバ27のプロファイル、例えば、クラッド外径、コア直径、テーパ部長さ、テーパ部外径、モードフィールド径、比屈折率差などを別途最適化できることから、励起ポート22の増加要求などにも比較的容易に対応可能である。
If such a structure in which the incident port is integrated using the
なお、多孔キャピラリ23に代えて、断面円形や六角形の1つの孔を持つフェルールを使用することも可能であるが、前述したように多孔キャピラリ23を使用することにより、収縮・一体化工程で各ポートに働く力が略均一になることから、最外周に配置されたポートの変形を防ぐことができるので、多孔キャピラリを用いることが特性上有益である。
Instead of the
この多孔キャピラリ23の材質は石英ガラスであることが好ましい。通常、光ファイバは石英ガラスで構成されているため、石英ガラス製のキャピラリを使用することにより、空隙部分の収縮時や融着接続時に、線膨張係数の違いによる歪が発生せず、機械的強度を損なう懸念がない。仮に、フェルールを使用する場合においても、同様の理由で材料は石英ガラスを主たる構成材料とすることが望ましい。
さらに、入射ポートとして外径125μmの光ファイバを使用する際に用いる多孔キャピラリ23の細孔径は、130μm〜200μm程度が望ましい。130μm未満であると、光ファイバの挿入が非常に困難になる。200μmを超えると空隙部分が大きくなり、収縮時に中心ポートの偏心が大きくなってしまう懸念がある。
The material of the
Furthermore, the pore diameter of the
さらに、多孔キャピラリを用いる利点を述べる。特許文献1においては、励起ポートの取りうる配置は、励起ポート光ファイバの最密充填構造しか取り得ない。そのため、励起ポート数が6個以内の場合には励起光を効率よくクラッドポンピングファイバに注入できる。しかしながら、励起ポート数が7個を超えると、その最密充填構造が災いし、18ポート構造と同等の構造にならざるを得ない。さらに、前述のように、18ポート構造は励起ポートの変形が大きく、製造上の困難も伴う。 Further, the advantages of using a porous capillary will be described. In Patent Document 1, the only possible arrangement of the excitation port is a close-packed structure of the excitation port optical fiber. Therefore, when the number of pumping ports is 6 or less, pumping light can be efficiently injected into the clad pumping fiber. However, when the number of excitation ports exceeds 7, the close-packed structure is damaged, and a structure equivalent to the 18-port structure is unavoidable. Further, as described above, the 18-port structure has a large deformation of the excitation port, and is accompanied by manufacturing difficulties.
一方、本発明による光ポンピングデバイス20は、多孔キャピラリを用いたマルチコアファイバを採用し、その多孔構造を適切に設計することにより、いかなるポート数の励起構造でも実現することができる。図4に、本発明に係る8個以上の穴をもつ多孔キャピラリを用いたマルチコアファイバの励起ポート配置構造を例示する。図4中、符号40A〜40Eはマルチコアファイバ、41A〜41Eは多孔キャピラリ、42は信号ポート、43は信号ポートコア、44は信号ポートクラッド、45は励起ポート、46は励起ポートコア、47は励起ポートクラッドである。また、図4の例示において、信号ポート42にはシングルモード光ファイバが用いられ、励起ポート45にはMMFが用いられている。信号ポート42のシングルモード光ファイバは、必ずしも完全に使用波長においてシングルモードになっている必要はなく、使用波長において実質的にシングルモードであればよい。実質的にシングルモードとは、使用条長において、高次モードの損失(伝送損失や曲げ損失等)が大きく、実質的に高次モードが無視できる状態にあることを指す。
On the other hand, the
図4(a)に示すマルチコアファイバ40Aは、最密充填構造を持った19穴の多孔キャピラリ41Aを用い、中央の穴に信号ポート42が挿入され、その周囲の1層目6個と2層目12個の合計18個の穴に励起ポート45が挿入された励起ポート配置構造を有している。
A
図4(b)に示すマルチコアファイバ40Bは、中央に1個、その周囲に少し離れて8個の穴が設けられた9穴の多孔キャピラリ41Bを用い、中央の穴に信号ポート42が挿入され、その周囲の8個の穴に励起ポート45が挿入された励起ポート配置構造を有している。
The
図4(c)に示すマルチコアファイバ40Cは、中央に1個、その周囲に隣接して1層目4個、中央からやや離れて2層目4個の穴が設けられた9穴の多孔キャピラリ41Cを用い、中央の穴に信号ポート42が挿入され、その周囲の1,2層8個の穴に励起ポート45が挿入された励起ポート配置構造を有している。
The
図4(d)に示すマルチコアファイバ40Dは、中央に1個、その周囲に隣接して1層目3個、その外周に2層目6個の穴が設けられた10穴の多孔キャピラリ41Dを用い、中央の穴に信号ポート42が挿入され、その周囲の1,2層9個の穴に励起ポート45が挿入された励起ポート配置構造を有している。
A
図4(e)に示すマルチコアファイバ40Eは、中央に1個、その周囲に隣接して1層目6個、その外周に2層目6個の穴が設けられた13穴の多孔キャピラリ41Eを用い、中央の穴に信号ポート42が挿入され、その周囲の1,2層12個の穴に励起ポート45が挿入された励起ポート配置構造を有している。
A
以下の手順により、図1に示す構造の光ポンピングデバイスを作製した。 The optical pumping device having the structure shown in FIG. 1 was manufactured by the following procedure.
19心挿入用の多孔キャピラリの中心に、信号ポート用光ファイバとしてモードフィールド径(以下、MFDと記す。)が約6μm(波長1.55μm)、外径が125μm、比屈折率差Δが1%のシングルモード光ファイバを使用し、その周囲に励起ポート用光ファイバとしてコア径が110μm、外径が125μmのMMFを18本使用した。多孔キャピラリの外径は約1.2mmで細孔径は150μmとした。 At the center of the 19-core insertion porous capillary, the mode field diameter (hereinafter referred to as MFD) is approximately 6 μm (wavelength 1.55 μm) as the optical fiber for the signal port, the outer diameter is 125 μm, and the relative refractive index difference Δ is 1. % Single-mode optical fiber was used, and 18 MMFs with a core diameter of 110 μm and an outer diameter of 125 μm were used as optical fibers for the pumping port around it. The outer diameter of the porous capillary was about 1.2 mm and the pore diameter was 150 μm.
口出しした前記各光ファイバを多孔キャピラリの孔に挿入し、平板に突き当てて端面を形成した。端面形成後に空隙部分の気圧を下げるため、真空ポンプで吸引しながら加熱し、外径が725μmのマルチコアファイバを作製した。 Each of the optical fibers led out was inserted into a hole of a porous capillary and abutted against a flat plate to form an end face. In order to lower the air pressure in the void after forming the end face, heating was performed while sucking with a vacuum pump, and a multi-core fiber having an outer diameter of 725 μm was produced.
MFDが6μm、外径725μmのブリッジファイバとマルチコアファイバとを融着接続し、ブリッジファイバのもう一方を延伸して、テーパ部を形成した。このテーパ部先端の外径は400μmとした。その後、この先端と、MFD20μm、外径400μmの光ポンピング用ダブルクラッドファイバの一端とを融着接続した。 A bridge fiber having an MFD of 6 μm and an outer diameter of 725 μm and a multi-core fiber were fused and connected, and the other end of the bridge fiber was stretched to form a tapered portion. The outer diameter of the tip of this tapered portion was 400 μm. Thereafter, this tip and one end of an optical pumping double clad fiber having an MFD of 20 μm and an outer diameter of 400 μm were fused and connected.
励起ポートの結合効率は、NAのマッチングのみを考慮し、信号ポートはブリッジファイバを外径725μmでMFDが6μm、外径400μmに延伸した際にMFDが20μmとなるように設計した。 The coupling efficiency of the pumping port is designed so that the MFD is 20 μm when the bridge fiber is extended to an outer diameter of 725 μm, an MFD of 6 μm, and an outer diameter of 400 μm, considering only NA matching.
得られた光ポンピングデバイスの各励起ポートから励起光を入射し、各接続点の接続損失を測定した。その結果、マルチコアファイバ−ブリッジファイバ間の接続損失は0.6dB、ブリッジファイバ−ダブルクラッドファイバ間の接続損失は0.3dBであり、各ポートからの光を低い損失で効率よく光ポンピング用ダブルクラッドファイバに入射できることが実証された。
NAが0.15であるMMFを用いた時、出口側のNAは0.30であり、式Aから得られる理論上の出射NAである0.27と比較し、大きな差はなかった。
Excitation light was incident from each excitation port of the obtained optical pumping device, and connection loss at each connection point was measured. As a result, the connection loss between the multi-core fiber and the bridge fiber is 0.6 dB, the connection loss between the bridge fiber and the double clad fiber is 0.3 dB, and the light from each port is efficiently double-clad for optical pumping with low loss. It has been demonstrated that it can be incident on a fiber.
When an MMF with NA of 0.15 was used, the NA on the exit side was 0.30, which was not significantly different from the theoretical output NA of 0.27 obtained from Equation A.
(比較例1)
次に、比較例として、特許文献1のデバイスを作製した。ファイバは、上記実施例1と同じファイバを使用した。このとき、特許文献1記載のMFDのマッチングを考慮し、縮減した径は300μmとした。出口側のNAは0.38であり、式Aから得られる理論上の出射NAである0.29と比較して、非常に大きく、結果として励起光の結合損失は12dBと大きかった。
(Comparative Example 1)
Next, as a comparative example, a device of Patent Document 1 was manufactured. As the fiber, the same fiber as in Example 1 was used. At this time, considering the MFD matching described in Patent Document 1, the reduced diameter was set to 300 μm. The NA on the exit side is 0.38, which is very large as compared with 0.29 which is the theoretical output NA obtained from the equation A, and as a result, the coupling loss of the excitation light is as large as 12 dB.
以下の手順により、図4(b)に示す構造の光ポンピングデバイスを作製した。 The optical pumping device having the structure shown in FIG. 4B was manufactured by the following procedure.
9心挿入用の多孔キャピラリの中心に、信号ポート用光ファイバとして、MFDが約6μm(波長1.06μm)、外径125μm、比屈折率差が0.45%のシングルモードファイバを用い、その周囲に、励起用ファイバとして、コア径が110μm、外径が125μmのMMFを8本使用した。多孔キャピラリの外径は440μm、細孔径は135μmとした。 At the center of the 9-core multi-hole capillary, a single mode fiber with an MFD of about 6 μm (wavelength 1.06 μm), an outer diameter of 125 μm, and a relative refractive index difference of 0.45% is used as the signal port optical fiber. Around the periphery, eight MMFs having a core diameter of 110 μm and an outer diameter of 125 μm were used as excitation fibers. The outer diameter of the porous capillary was 440 μm, and the pore diameter was 135 μm.
口出しした前記各光ファイバを多孔キャピラリの孔に挿入し、火炎でファイバとキャピラリを溶融一体化してマルチコアファイバを作製した。その後一体化部を切断し、端面を形成した。 Each of the above-described optical fibers was inserted into a hole of a porous capillary, and the fiber and the capillary were melted and integrated with a flame to produce a multi-core fiber. Thereafter, the integrated part was cut to form an end face.
本マルチコアファイバと、MFDが約5μm(波長1.06μm)、外径425μmのブリッジファイバとを融着接続し、ブリッジファイバを溶融延伸してテーパ部を形成した。このテーパ部の先端の外径は265μmとした。その後、この先端と、MFDが20μm、インナークラッド径300μm、外径350μmの光ポンピング用ダブルクラッドファイバの一端とを融着接続し、光ポンピングデバイスを作製した。 The multi-core fiber and a bridge fiber having an MFD of about 5 μm (wavelength: 1.06 μm) and an outer diameter of 425 μm were fused and connected, and the bridge fiber was melt-drawn to form a tapered portion. The outer diameter of the tip of this taper portion was 265 μm. Thereafter, this tip and one end of an optical pumping double clad fiber having an MFD of 20 μm, an inner cladding diameter of 300 μm, and an outer diameter of 350 μm were fusion-bonded to produce an optical pumping device.
この時、被接続ファイバである光ポンピング用ダブルクラッドファイバのインナークラッド部におけるNAとのマッチングを考慮し、テーパ部の先端の外径265μmの時に光ポンピング用ダブルクラッドファイバのNA0.43よりも小さくなるように設計し、励起光の結合効率を高める工夫を行っている。実際に試作したデバイスでは、出射NAは0.35であった。また、信号光に関しては、同じくテーパ部の先端の外径265μmの時にMFDが20μmに略一致するように設計し、MFDミスマッチによる結合効率の低下を避ける工夫を施した。実際に試作したデバイスでは、テーパ部先端のMFDは約15μmであった。 At this time, considering the matching with NA in the inner clad portion of the optically pumped double-clad fiber, which is a connected fiber, the NA of the optically pumped double-clad fiber is smaller than 0.43 when the outer diameter of the tapered portion is 265 μm. To improve the coupling efficiency of excitation light. In the actually fabricated device, the output NA was 0.35. Similarly, the signal light was designed so that the MFD substantially coincides with 20 μm when the outer diameter of the tip of the taper portion is 265 μm, and a measure was taken to avoid a decrease in coupling efficiency due to MFD mismatch. In the actually prototyped device, the MFD at the tip of the tapered portion was about 15 μm.
得られたデバイスの励起光の結合効率はデバイス全体で0.2dB、信号光の結合効率は0.8dBであった。 The coupling efficiency of excitation light of the obtained device was 0.2 dB for the entire device, and the coupling efficiency of signal light was 0.8 dB.
(比較例2)
実施例2と同様の目的で比較例1のデバイスを用いることを考える。特許文献1の構造であると、例え励起ポートが8ポートしか使わない場合であっても、最密充填構造の配置が必要という制限から、18ポート構造で作製する必要がある。その結果として、入射側の束の外径が大きくなり(約650μm)、結果として同じ光ポンピング用ダブルクラッドファイバに接続することを想定するとデバイスのテーパ部の縮減率を大きくする必要がある。
そのため、NAoutが0.60となり、励起光の結合効率が4.8dBと大きいものしか作製できなかった。
(Comparative Example 2)
Consider using the device of Comparative Example 1 for the same purpose as in Example 2. In the case of the structure of Patent Document 1, even if only 8 ports are used, it is necessary to fabricate with an 18-port structure because of the restriction that a close-packed structure is required. As a result, the outer diameter of the bundle on the incident side becomes large (about 650 μm), and as a result, it is necessary to increase the reduction ratio of the taper portion of the device assuming that it is connected to the same optical pumping double clad fiber.
For this reason, NA out was 0.60, and only a pumping light with a high coupling efficiency of 4.8 dB could be produced.
以下の手順により、図8に示す構造の光ポンピングデバイスを作製した。図8の構造は、図4(b)と同様の構造ながら、励起ポート45が1個多く設計されている。この励起ポート数、配置の自由度が本構造の利点である。
The optical pumping device having the structure shown in FIG. 8 was produced by the following procedure. Although the structure of FIG. 8 is the same structure as FIG. 4B, one
10心挿入用の多孔キャピラリの中心に、信号ポート用光ファイバとして、MFDが約4μm(波長1.06μm)、外径125μm、比屈折率差が1%のシングルモードファイバを用い、その周囲に、励起用ファイバとして、コア径が110μm、外径が125μmのMMFを9本使用した。多孔キャピラリの外径は730μm、細孔径は135μmとした。 A single-mode fiber with an MFD of about 4 μm (wavelength 1.06 μm), an outer diameter of 125 μm, and a relative refractive index difference of 1% is used as a signal port optical fiber at the center of a 10-core porous capillary. Nine MMFs having a core diameter of 110 μm and an outer diameter of 125 μm were used as excitation fibers. The outer diameter of the porous capillary was 730 μm, and the pore diameter was 135 μm.
口出しした前記各光ファイバを多孔キャピラリの孔に挿入し、真空ポンプで吸引しつつCO2レーザでファイバとキャピラリを溶融一体化してマルチコアファイバを作製した。その後一体化部を切断し、端面を形成した。 Each of the above-described optical fibers was inserted into a hole of a perforated capillary, and the fiber and the capillary were melted and integrated with a CO 2 laser while sucking with a vacuum pump to produce a multi-core fiber. Thereafter, the integrated part was cut to form an end face.
本マルチコアファイバと、MFDが約5.5μm(波長1.06μm)、外径680μmのブリッジファイバとを融着接続し、ブリッジファイバを溶融延伸してテーパ部を形成した。このテーパ部の先端の外径は360μmとした。その後、この先端と、MFDが18μm、インナークラッド径400μm、外径430μmの光ポンピング用ダブルクラッドファイバの一端とを融着接続し、光ポンピングデバイスを作製した。 The multi-core fiber and a bridge fiber having an MFD of about 5.5 μm (wavelength: 1.06 μm) and an outer diameter of 680 μm were fusion-bonded, and the bridge fiber was melt-drawn to form a tapered portion. The outer diameter of the tip of this taper portion was 360 μm. Thereafter, this tip and one end of an optical pumping double clad fiber having an MFD of 18 μm, an inner cladding diameter of 400 μm, and an outer diameter of 430 μm were fusion-bonded to produce an optical pumping device.
この時、被接続ファイバである光ポンピング用ダブルクラッドファイバのインナークラッド部におけるNAとのマッチングを考慮し、テーパ部の先端の外径360μmの時に光ポンピング用ダブルクラッドファイバのNA0.41よりも小さくなるように設計し、励起光の結合効率を高める工夫を行っている。実際に試作したデバイスでは、出射NAは0.32であった。また、信号光に関しては、同じくテーパ部の先端の外径360μmの時にMFDが18μmに略一致するように設計し、MFDミスマッチによる結合効率の低下を避ける工夫を施した。実際に試作したデバイスでは、テーパ部先端のMFDは約14μmであった。 At this time, considering the matching with the NA in the inner cladding portion of the optically pumped double-clad fiber, which is the connected fiber, the NA of the optically pumped double-clad fiber is smaller than 0.41 when the outer diameter is 360 μm. To improve the coupling efficiency of excitation light. In the actually fabricated device, the output NA was 0.32. Similarly, the signal light was designed so that the MFD substantially coincides with 18 μm when the outer diameter of the tip of the taper portion is 360 μm, and a measure was taken to avoid a decrease in coupling efficiency due to MFD mismatch. In the actually manufactured device, the MFD at the tip of the tapered portion was about 14 μm.
得られたデバイスの励起光の結合効率はデバイス全体で0.3dB、信号光の結合効率は1.3dBであった。 The coupling efficiency of excitation light of the obtained device was 0.3 dB for the entire device, and the coupling efficiency of signal light was 1.3 dB.
(比較例3)
実施例3と同様の目的で比較例1のデバイスを用いることを考える。特許文献1の構造であると、例え励起ポートが9ポートしか使わない場合であっても、最密充填構造の配置が必要という制限から、18ポート構造で作製する必要がある。
その結果として、入射側の束の外径が大きくなり(約650μm)、また、励起ポートの変形が大きいため、NAoutが0.46となってしまい、励起光の結合効率が1.8dBと大きいものしか作製できなかった。
(Comparative Example 3)
Consider using the device of Comparative Example 1 for the same purpose as in Example 3. With the structure of Patent Document 1, even if only 9 excitation ports are used, it is necessary to fabricate with an 18-port structure because of the restriction that a close-packed structure is required.
As a result, the outer diameter of the bundle on the incident side becomes large (about 650 μm), and the deformation of the excitation port is large, so NA out becomes 0.46, and the coupling efficiency of excitation light is 1.8 dB. Only large ones could be made.
同様に図9に示す構造の30個の励起ポートを持つ光ポンピングデバイスを作製した。
使用ファイバや作製方法は実施例2と同様である。ただし、ブリッジファイバの外径は880μmのものを用意した。
得られたデバイスの励起光の結合効率はデバイス全体で0.6dB、信号光の結合効率は2.6dBであった。
Similarly, an optical pumping device having 30 excitation ports having the structure shown in FIG. 9 was produced.
The used fiber and the manufacturing method are the same as those in Example 2. However, the outer diameter of the bridge fiber was 880 μm.
The coupling efficiency of excitation light of the obtained device was 0.6 dB for the entire device, and the coupling efficiency of signal light was 2.6 dB.
(比較例4)
特許文献1の方法で、実施例4と同様の目的で特許文献1のデバイスを用いることを考える。特許文献1の構造であると、例え励起ポートが30ポートしか使わない場合であっても、最密充填構造の配置が必要という制限から、36ポート構造で作製する必要がある。実際に試作したところ、励起ポートの変形が大きく、励起光の結合効率が5.6dB信号光の結合効率は11dBとなり、実用に耐えなかった。
(Comparative Example 4)
Consider using the device of Patent Document 1 for the same purpose as in Example 4 by the method of Patent Document 1. With the structure of Patent Document 1, even when only 30 excitation ports are used, it is necessary to fabricate with a 36-port structure because of the restriction that the close-packed structure is required. In actual trial production, the pump port was greatly deformed, the coupling efficiency of the pumping light was 5.6 dB, and the coupling efficiency of the signal light was 11 dB.
20…光ポンピングデバイス、21…信号ポート、22…励起ポート、23…多孔キャピラリ、24…マルチコアファイバ、25…ダブルクラッドファイバ、26…テーパ部、27…ブリッジファイバ、28…収縮部、29,30…接続点、40A,40B,40C,40D,40E,40F,40G…マルチコアファイバ、41A,41B,41C,41D,41E,41F,41G…多孔キャピラリ、42…信号ポート、43…信号ポートコア、44…信号ポートクラッド、45…励起ポート、46…励起ポートコア、47…励起ポートクラッド、48…信号ポートファイバ、49…励起ポートファイバ。
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