JP2009069492A - 光ファイバおよび光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によりダブルクラッドファイバ内の余分な励起光を除去可能な光ファイバ、およびその光ファイバを含む光学装置を提供する。
【解決手段】光ファイバは、コア１１、クラッド１２，１３を含むダブルクラッドファイバ１と、コア２１およびクラッド２２を含むシングルクラッドファイバ２とを備える。コア２１の直径がコア１１の直径以上、かつクラッド２２の外径がクラッド１２の外径以上となるように、コア１１，１２の直径およびクラッド１２，２２の外径が定められる。さらに、クラッド２２のＮＡはクラッド１２のＮＡ以上に定められる。クラッド１２からクラッド２２に入射した励起光Ｂはクラッド２２と被覆２４との境界面で、その一部が被覆２４を介して外部に放出される逸脱励起光Ｃとなり、残りは境界面で反射してクラッド２２を伝播する励起光Ｄとなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、光ファイバおよび光学装置に関し、特に、ダブルクラッドファイバを備える光ファイバおよび光学装置に関する。より特定的には、本発明はダブルクラッドファイバ内の余分な励起光を除去するための技術に関する。

高出力の光を発生させるための光源として、希土類添加ファイバを用いた光ファイバ増幅器および発振器が提案されている。希土類添加ファイバでは、たとえばＹｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）などの希土類元素が光ファイバに添加されている。

希土類添加ファイバに励起光を入射させると、希土類元素は、元素中の電子が励起した反転分布状態となる。その希土類元素の誘導放出により生じる光を用いることにより光増幅および発振が可能となる。

たとえば光ファイバ増幅器では、シード光源として固体レーザあるいは半導体レーザが用いられる。希土類元素中の電子が励起状態にあるときにシード光源からの光（信号光）がコアに導入されると、その希土類元素の誘導放出によって信号光が増幅される。発振器の場合、希土類添加ファイバの両端にミラーを設置したり、希土類添加ファイバの両端にファイバブラッググレーティングを施したりすることによって共振器が構成される。この共振器を利用してレーザ発振が行なわれる。なお、この発振器を用いてパルス発振を行なう場合には、シード光源として光パルスを発するレーザ（固体レーザあるいは半導体レーザ）が用いられたり、共振器内にＱスイッチが設置されたりする。

従来、光ファイバ増幅器や発振器には、コアの直径が数μｍ程度であるシングルモードファイバが用いられている。シングルモードファイバではコアの直径が小さいため、コア内に高パワーの光を伝送させると非線形効果が生じやすい。非線形効果は高効率な光増幅や発振を妨げる要因となる。非線形効果が生じるのを回避するため、近年では光ファイバ増幅器および発振器にコア径の大きなＬＭＡ（Large Mode Area）ファイバが用いられている。また、コアに効率よく励起光を入射させるため、コアの周囲のクラッドを二重に設けたダブルクラッドファイバを備える光ファイバ増幅器（および発振器）も提案されている。

しかし、コアの直径を大きくしたり、ダブルクラッド構造のファイバを採用したりしてもコアにすべての励起光が吸収されることはない。よって、余分な励起光が光ファイバ内に存在する。この余分な励起光が光ファイバを伝播すると、光ファイバに結合された光学素子において励起光は熱源となる。励起光によって光学素子が発熱した場合、光学素子が損傷することも起こり得る。したがって、余分な励起光を除去するための方法が従来から提案されている。

たとえば特開２０００−２５２５５９号公報（特許文献１）には、ダブルクラッドファイバの出力端において一定長の第２クラッドを除去するとともに、第１クラッドよりも屈折率の高い樹脂を第２クラッドが除去された部位に塗布する方法が開示されている。この文献では、樹脂が塗布された部分において余分な励起光を逃がすことが可能であると説明されている。

また、特開２００５−１２９８６３号公報（特許文献２）には、ダブルクラッドファイバの出力端において第２クラッドを除去するとともに、第１クラッドをテーパ状に形成する光ファイバ製造方法が開示されている。この文献によれば、ダブルクラッドファイバの出力端では、励起光の全反射条件が成立しなくなるように第１クラッドが形成されているため励起光を第１クラッドの外部に逃がすことが可能になると説明されている。
特開２０００−２５２５５９号公報 特開２００５−１２９８６３号公報

特開２０００−２５２５５９号公報（特許文献１）に開示されたダブルクラッドファイバでは、余分な励起光は樹脂が塗布された部分からクラッド外部に放出される。この文献では、樹脂が塗布されたクラッドの長さは５０ｍｍであることが開示されている。このことから、余分な励起光が集中的にクラッド外部に放出される可能性が考えられる。

一般的に樹脂は熱に対して弱い。したがって高パワーの励起光が樹脂に入射した場合には、樹脂の温度が急激に上昇して樹脂の変形や劣化が生じる可能性が高くなる。たとえば樹脂の劣化が生じると、その樹脂の一部が剥離する可能性がある。これにより励起光除去の効果が低下する可能性がある。

上記文献に開示されたダブルクラッドファイバの場合、以下の理由により、樹脂が塗布された部分を長くすることは容易ではないと考えられる。第１の理由として、励起光をコアに添加された希土類元素にできるだけ吸収させるためには第２クラッドが除去された出力端部をできるだけ短くしなければならないことが挙げられる。第２の理由として、第２のクラッドの除去および樹脂の塗布に要する手間が大きくなることが挙げられる。特に、樹脂を塗布すべき部分の長さが長くなるほど、均一な膜厚で樹脂を塗布することが困難になるので、作業の負担が大きくなることが予想される。

一方、特開２００５−１２９８６３号公報（特許文献２）に開示されたダブルクラッドファイバでは、第１クラッドをテーパ状に加工するための手法が必要となる。このため、たとえば第１クラッドをエッチングするためのエッチング剤が必要になる。また、第１クラッドを所望の形状に加工するための専門的な知識や経験が必要になることも考えられる。さらに、この文献に開示されたダブルクラッドファイバにおいても、余分な励起光は全反射条件を満たさなくなった部分、すなわちダブルクラッドファイバの出力端側で局所的に第１クラッドの外部に放射されるものと考えられる。

ダブルクラッドファイバ内の励起光が外部に局所的に放出される場合、以下の問題が考えられる。たとえば、筐体内にダブルクラッドファイバや光学部品が収納された増幅器のように、ダブルクラッドファイバの設置スペースが制限される場合、ダブルクラッドファイバから逸脱した励起光が周辺の光学部品に対して熱源となる。光ファイバの一部から高パワーの励起光が放出されると、その励起光を集中的に受ける光学部品が存在する可能性が高くなる。この場合、光学部品が高温となるために光学部品の特性の変化あるいは光学部品の損傷が生じることが考えられる。

本発明の目的は、簡易な構成によりダブルクラッドファイバ内の余分な励起光を除去可能な光ファイバ、およびその光ファイバを含む光学装置を提供することである。

本発明の他の目的は、ダブルクラッドファイバ内の余分な励起光を除去しても、ダブルクラッドファイバの周辺への影響を小さくすることが可能な技術を提供することである。

本発明は要約すれば、光ファイバであって、ダブルクラッドファイバと、シングルクラッドファイバとを備える。ダブルクラッドファイバは、希土類元素が添加された第１のコアと、第１のコアの周囲に形成された第１のクラッドと、第１のクラッドの周囲に形成された第２のクラッドとを含むダブルクラッドファイバとを含む。シングルクラッドファイバは、第２のコアと、第２のコアの周囲に形成される第３のクラッドとを含む。第１および第２のコアは光学的に結合される。第１のクラッドおよび第２のクラッドは光学的に結合される。第２のコアの直径は、第１のコアの直径以上である。第２のコアの開口数は、第１のコアの開口数以上である。第３のクラッドの外径は、第１のクラッドの外径以上である。第３のクラッドの開口数は、第１のクラッドの開口数以上である。

好ましくは、第２のコアの直径は、第１のコアの直径と実質的に等しい。第２のコアの開口数は、第１のコアの開口数と実質的に等しい。第３のクラッドの外径は、第１のクラッドの外径と実質的に等しい。第３のクラッドの開口数は、第１のクラッドの開口数と実質的に等しい。

より好ましくは、第１および第２のコアは、互いに融着される。第１および第３のクラッドは、互いに融着される。

より好ましくは、第１のコアおよび第１のクラッドは、接続器具により第２のコアおよび第３のクラッドにそれぞれ接続される。

さらに好ましくは、シングルクラッドファイバは、曲線状に曲げられた部分を有する。
さらに好ましくは、シングルクラッドファイバは、第３のクラッドの周囲を覆う被覆をさらに含む。被覆の屈折率は、第２および第３のクラッドのいずれの屈折率よりも高い。

本発明の他の局面に従うと、光学装置であって、上述のいずれかに記載の光ファイバを備える。

好ましくは、光学装置は、光ファイバ増幅器である。
好ましくは、光学装置は、レーザ発振器である。

好ましくは、光学装置は、レーザマーキング装置である。

本発明によれば、ダブルクラッドファイバ内の余分な励起光を除去するための構成を簡易にすることができる。

また、本発明によれば、ダブルクラッドファイバ内の余分な励起光を除去しても、ダブルクラッドファイバおよびその周辺への影響を小さくすることが可能になる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［本実施の形態の光ファイバおよび光学装置］
図１は、本実施の形態による光ファイバ１０、および光ファイバ１０を備える光ファイバ増幅器１００の構成を示す図である。図１を参照して、光ファイバ増幅器１００は、光ファイバ１０を備える。光ファイバ１０は、ダブルクラッドファイバ１およびシングルクラッドファイバ２を含む。

ダブルクラッドファイバ１およびシングルクラッドファイバ２は、結合部３において光学的に結合される。具体的には、ダブルクラッドファイバ１の端面とシングルクラッドファイバ２の端面とは結合部３において融着されている。ただし後述するように、ダブルクラッドファイバ１とシングルクラッドファイバ２とを光学的に結合するための構成は、このように限定されるものではない。

ダブルクラッドファイバ１およびシングルクラッドファイバ２の素材は特に限定されるものではなく、たとえば石英あるいはプラスチックである。ただし、ダブルクラッドファイバ１とシングルクラッドファイバ２とを融着させるため、ダブルクラッドファイバ１の素材とシングルクラッドファイバ２の素材とは同種であることが好ましい。

ダブルクラッドファイバ１は、光増幅成分である希土類元素が添加されたコアを含む。希土類元素の種類は特に限定されるものではなく、たとえばＹｂ，Ｅｒ，Ｎｄなどを挙げることができる。なお、以下では希土類元素はＹｂであるとして説明する。

光ファイバ増幅器１００は、さらに、励起光源４と、アイソレータ５と、結合器６と、光学素子７とを備える。

励起光源４は、たとえば半導体レーザである。励起光源４は、希土類元素の電子を励起させるための励起光Ｂを発する。励起光Ｂの波長は希土類元素の種類に基づいて定められる。Ｙｂの場合、励起光Ｂの波長はたとえば９４０±１０ｎｍである。

アイソレータ５は、入力される信号光Ａを透過するとともにダブルクラッドファイバ１からの戻り光を遮断する。結合器６は信号光Ａおよび励起光Ｂを結合してダブルクラッドファイバ１に入射させる。

励起光Ｂはダブルクラッドファイバ１を伝播するうちにコアで吸収される。これによりコアに添加された希土類元素は、元素中の電子が励起した反転分布状態となる。その電子のエネルギー準位が基底準位に移行する際に誘導放出が生じる。この誘導放出によって信号光Ａが増幅される。

ただし励起光Ｂのうちの一部はコアで吸収されずにシングルクラッドファイバ２に入射する。シングルクラッドファイバ２に入射した励起光Ｂは、シングルクラッドファイバ２を伝播するうちにシングルクラッドファイバ２の外部に放出される。逸脱励起光Ｃはシングルクラッドファイバ２から放出される励起光である。

光学素子７はシングルクラッドファイバ２の出射端面から出力された信号光を受ける。光学素子７の種類は特に限定されない。たとえば光学素子７はシングルクラッドファイバ２から出力される光の中から所望の波長帯の光を透過するバンドパスフィルタでもよいし、アイソレータであってもよい。光学素子７からは信号光Ａが増幅された光である増幅光Ａ１が出力される。

図２は、ダブルクラッドファイバおよびシングルクラッドファイバの断面図である。
図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、ダブルクラッドファイバの延在方向に対してそれぞれ垂直方向および水平方向の断面図である。

図２（Ｃ）および図２（Ｄ）は、シングルクラッドファイバの延在方向に対してそれぞれ垂直方向および水平方向の断面図である。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）を参照して、ダブルクラッドファイバ１は、希土類元素が添加されたコア１１と、コア１１の周囲に設けられ、かつコア１１よりも屈折率が低いクラッド（第１クラッド）１２と、クラッド１２の周囲に設けられ、かつクラッド１２よりも屈折率が低いクラッド１３（第２クラッド）と、被覆１４とを含む。クラッド１３の形状は特に円形に限定されず、たとえば八角形、星型、Ｄ字型などでもよい。

図２（Ｃ）、図２（Ｄ）を参照して、シングルクラッドファイバ２は、コア２１を含む。コア２１には希土類元素が添加されていてもよいし、添加されていなくてもよい。シングルクラッドファイバは、さらに、コア２１の周囲に設けられ、かつコア２１よりも屈折率が低いクラッド２２と、クラッド２２の周囲に設けられる被覆２４とを含む。

ここでクラッド１２，１３，クラッド２２の屈折率はいずれも空気の屈折率（ほぼ１．０）よりも高い。また、被覆２４の屈折率はダブルクラッドファイバ１のクラッド１３（第２クラッド）の屈折率、およびシングルクラッドファイバ２のクラッド２２の屈折率のいずれよりも高い。このような条件を満たす限りにおいて被覆２４の素材は特に限定されない。たとえば被覆２４の素材としてはシリコン系樹脂、ポリアミド、ＵＶ硬化樹脂などを挙げることができる。また、被覆１４の素材は被覆２４の素材と同じでもよいし、異なっていてもよい。

コア１１，コア２１の直径をそれぞれｄ１，ｄ２とし、クラッド１２およびクラッド２２の外径をそれぞれｄ３，ｄ４とする。コア２１の直径ｄ２はコア１１の直径ｄ１以上である。クラッド２２の外径ｄ４はクラッド１２の外径ｄ３以上である。

また、光ファイバ内を光が伝播する場合、光ファイバに入射する光の入射角度は、ある一定角度以内であることが求められる。この一定角度は臨界角と呼ばれる。臨界角を表すための値としてＮＡ（開口数：Numerical Aperture）が用いられる。ＮＡが大きいほど受光角は大きくなる。つまり、ＮＡが大きいということは光ファイバに入射する光の入射角度の条件が緩やかになることを示す。

本実施の形態ではコア２１のＮＡ（開口数：Numerical Aperture）はコア１１のＮＡ以上である。さらに、クラッド２２のＮＡはクラッド１２のＮＡ以上である。

なおシングルクラッドファイバ２の長さは特に限定されるものではない。
図３は、本実施形態による励起光除去をより詳しく説明する図である。図３を参照して、シングルクラッドファイバ２は円形に曲げられている。図示しないがたとえばシングルクラッドファイバ２をボビンに巻きつけることによって円形に曲げることができる。ダブルクラッドファイバ１および結合部３を介してシングルクラッドファイバ２に入射した励起光は、円の接線方向に沿ってシングルクラッドファイバ２から放出され逸脱励起光Ｃとなる。

シングルクラッドファイバ２が直線状に延びている場合にも、励起光はシングルクラッドファイバ２の全体から放出される。言い換えると励起光は分散的にシングルクラッドファイバ２から放出される。よって必ずしもシングルクラッドファイバ２を円形に曲げる必要はない。

ただし、シングルクラッドファイバ２を曲げることによって、曲げられた箇所から励起光が放出される。よって、より多くの励起光を除去することができる。また、シングルクラッドファイバ２が長い場合には、シングルクラッドファイバ２を巻くことによってシングルクラッドファイバ２の設置スペースが大きくなるのを回避できる。

図４は、ダブルクラッドファイバ１およびシングルクラッドファイバ２での励起光および信号光の伝送を詳細に説明する図である。図４を参照して、ダブルクラッドファイバ１のコア１１とシングルクラッドファイバ２のコア２１とは同軸上に配置された状態で融着される。同様にダブルクラッドファイバ１のクラッド１２とシングルクラッドファイバ２のクラッド２２とは同軸上に配置された状態で融着される。これによりコア１１，２１が光学的に結合されるとともに、クラッド１２，２２が光学的に結合される。

コア１１の直径とコア２１の直径とは同じである。さらにコア１１のＮＡはコア２１のＮＡと同じである。これにより、ダブルクラッドファイバ１のコア１１を伝播する光（信号光Ａ）の全反射条件（言い換えると臨界角）とシングルクラッドファイバ２のコア２１を伝播する光の全反射条件とが同じになる。よって、信号光Ａがコア２１に入射する際の損失を抑制することができる。

同様にシングルクラッドファイバ２のクラッド２２の外径はダブルクラッドファイバ１のクラッド１２の外径と同じである。さらにクラッド２２のＮＡはクラッド１２のＮＡと同じである。これにより、クラッド１２を伝播した励起光Ｂは、クラッド１２とクラッド１３との境界面での反射角を保ちながらクラッド２２に入射することができる。

なお、信号光Ａが全反射条件を満たしながらコア１１，２１を伝播するためにはコア２１の直径がコア１１の直径以上であり、かつコア２１のＮＡがコア１１のＮＡ以上であればよい。同様に、励起光Ｂがクラッド１２とクラッド１３との境界面での反射角を保ちながらクラッド２２に入射するためには、クラッド２２の外径がクラッド１２の外径以上であり、かつクラッド２２のＮＡがクラッド１２のＮＡ以上であればよい。

ここで被覆２４の屈折率はクラッド１３の屈折率と異なる。したがって、励起光の全反射条件は、クラッド２２および被覆２４の境界面と、クラッド１２およびクラッド１３の境界面とで異なる。このためクラッド２２に入射した励起光Ｂの一部はクラッド２２と被覆２４との境界面から被覆２４を介して外部に放出される逸脱励起光Ｃとなる。励起光Ｂのうち、クラッド２２と被覆２４との境界面で反射した光はクラッド２２を伝播する励起光Ｄとなる。クラッド２２と被覆２４との境界面で励起光Ｄが反射を繰返すたびに励起光Ｄの一部が被覆２４を介して外部に放出される。このため励起光Ｄは反射を繰返すうちに減衰する。

このようにシングルクラッドファイバ２に余分な励起光を通すことにより、励起光を除去することができる。

本実施の形態によれば、ダブルクラッドファイバ１の端面とシングルクラッドファイバ２の端面とを融着させる。これにより複雑な加工処理が不要となる。たとえば、ダブルクラッドファイバのクラッド１２をテーパ状に加工する処理が不要になる。

あるいは、ダブルクラッドファイバの第２クラッドの一部を除去するとともに、その部分に樹脂を塗布する処理が不要となる。一般的には光ファイバを保護するために光ファイバの側面は被覆で覆われている。したがって、本実施の形態によれば、励起光を除去するためにクラッドの表面に樹脂を新たに塗布しなくてもよい。したがってダブルクラッドファイバ内の余分な励起光を除去するための構成を簡易にすることができる。

また、本実施の形態によれば、励起光が局所的に放出されるのを防ぐことができる。これによりシングルクラッドファイバ２の被覆２４の損傷を防ぐことができる。図１等に示すようにシングルクラッドファイバ２は巻かれているので、被覆２４の一部が損傷した場合には、その部分の応力によってシングルクラッドファイバ２が損傷する可能性が生じる。しかし、本実施の形態によれば、このような問題を回避することができる。

また、シングルクラッドファイバ２の周囲に光学部品が密集している場合（たとえば共体内に光ファイバ１０および光学部品を収納する場合）にも、特定の光学部品に高パワーの励起光が集中的に入射するのを防ぐことができる。これによりその光学部品が高温になるのを防ぐことができる。よって、たとえば光学部品の損傷を防ぐことができる。

続いて、本実施の形態によれば励起光をシングルクラッドファイバから外部に分散的に放出させることが可能であることを詳しく説明する。

図５は、図４に示す励起光の透過をより詳しく説明する図である。図５を参照して、ダブルクラッドファイバ１のクラッド１２の屈折率ｎ_ｄ１を１．４６、開口数ＮＡ_ｄを０．４６とする。また、シングルクラッドファイバ２のクラッド２２の屈折率ｎ_ｓ１を屈折率ｎ_ｄ１と同様に１．４６とし、被覆２４の屈折率ｎ_ｓ２を１．５０とする。ここでダブルクラッドファイバ１のクラッド１３の屈折率ｎ_ｄ２は以下の式（１）に従って、１．３８６と算出される。

一般的に、高屈折率媒質から低屈折率媒質へ光が入射する場合、入射角が臨界角よりも大きくなると光が全反射される。ダブルクラッドファイバ１の臨界角θ_ｄｃは以下の式（２）に従って７１．６４（ｄｅｇ）と算出される。

続いてシングルクラッドファイバ２のクラッド２２と被覆２４との境界面での反射率を算出する。スネルの法則から、ｎ_ｓ１×θ_１＝ｎ_ｓ２×θ_２となるので、透過角θ_２が求まる。さらに以下の式（３）に従うフレネルの反射法則によって透過率ｒ_ｐが算出される。なお、入射光は入射面に対して電場ベクトルが平行なＰ偏光であるとする。

上記式（３）を用いて入射角θ１に対する透過率ｒ_ｐを算出した結果を以下に示す。なおダブルクラッドファイバ１内では励起光の全反射条件が満たされているとする。すなわちクラッド１２とクラッド１３との境界面における励起光の反射角は７１．６４（ｄｅｇ）以上である。また励起光がクラッド１２を伝播するためには反射角の最大値は９０（ｄｅｇ）よりも小さくなければならない。したがって反射角の最大値を８９（ｄｅｇ）とする。

励起光は７１．６４〜８９（ｄｅｇ）の範囲内での反射角を保ったまま、シングルクラッドファイバ２に入射する。このときの入射角θ_１は上述の反射角と同じ値になる。

図６は、クラッド２２に入射する励起光の入射角と透過率との関係を説明する図である。なお、図６では被覆２４の屈折率ｎ_ｓ２が１．５の場合、屈折率ｎ_ｓ２が１．６の場合、屈折率ｎ_ｓ２が１．７の場合の各々について、励起光の入射角と透過率との関係を示す。

図６を参照して、入射角が大きくなるほど透過率が低下することが示される。たとえば屈折率ｎ_ｓ２が１．５であるとする。入射角θ_１が７１．６４〜８９（ｄｅｇ）の範囲内である場合、１回の反射あたりの励起光の透過率（励起光が逸脱する割合）は９９．３％から２６．８％までの範囲内の値となる。

このように透過率は１００％より小さな値であるとともに入射角θ_１によって異なる。さらにシングルクラッドファイバ２には７１．６４〜８９（ｄｅｇ）の範囲内の様々な入射角度で励起光が入射する。このため、シングルクラッドファイバ２のクラッド２２に入射した励起光は、クラッド２２と被覆２４との境界面で反射を繰返しながら外部に分散的に放出される。

さらに、図６は励起光の入射角が同じでも被覆２４の屈折率ｎ_ｓ２が異なれば透過率が異なる（屈折率ｎ_ｓ２が高いほど透過率が下がる）ことを示す。したがって本実施の形態によれば屈折率ｎ_ｓ２を適切に定める（具体的には被覆２４の素材を適切に選択する）ことによって透過率を制御できる。これによりシングルクラッドファイバ２から励起光が局所的に放出されるのを抑制することができるとともに、励起光が反射した際の外部への放出量を制御することが可能になる。

図７は、シングルクラッドファイバにおける励起光の透過率を測定するための構成を示す図である。図７を参照して、励起光源４から出力される励起光Ｂは結合器６を介してダブルクラッドファイバ１に入射する。励起光Ｂのパワーは特に限定されるものではないが、本測定においては１．９Ｗに設定した。

ダブルクラッドファイバ１に入射された励起光は結合部３においてダブルクラッドファイバ１から出射されるとともにシングルクラッドファイバ２に入射する。パワーメータ３０はシングルクラッドファイバ２から出射された励起光のパワーを検出する。励起光の透過率は、パワーメータ３０で検出された励起光のパワーおよび励起光Ｂのパワーから算出した。

ダブルクラッドファイバ１とシングルクラッドファイバ２とはコアの直径が同じである。また、シングルクラッドファイバ２を直線状に配置した。これはシングルクラッドファイバ内で励起光を複数回反射させることにより励起光を除去できることを確認するためである。

図８は、シングルクラッドファイバ２の長さと励起光の透過率との関係を説明する図である。図８を参照して、シングルクラッドファイバ２が長くなるほど励起光の透過率が高くなる。たとえばファイバ長が５００ｍｍである場合には、シングルクラッドファイバ２全体での励起光の透過率はほぼ１００％となる。つまりシングルクラッドファイバ２に入射した励起光はほぼすべてシングルクラッドファイバ２の外部に放出される。

なお、図１等に示すように本実施の形態ではシングルクラッドファイバ２は円形に曲げられている。これにより、同じファイバ長でも励起光の透過率を高めることができる。

図９は、シングルクラッドファイバ２の曲げ直径と励起光の透過率との関係を説明する図である。図９を参照して、シングルクラッドファイバ２の曲げ直径が小さくなるほど透過率は高くなる。図９は、シングルクラッドファイバ２が短い場合にはシングルクラッドファイバ２を曲げることにより励起光を確実に除去できることを示す。

このように励起光を除去することによって、シングルクラッドファイバ内での非線形効果を抑制することが可能になる。非線形効果としては、たとえば誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering；ＳＲＳ）がある。

誘導ラマン散乱は、光ファイバを伝播する光の強度がある値（閾値）よりも大きくなった場合に、光ファイバを構成する物質中に発生する音波と光ファイバを伝播する光との相互作用により生じる。誘導ラマン散乱によって信号光だけでなく信号光よりも長波長の光も発生する。このため誘導ラマン散乱は高効率な光増幅や発振を妨げる要因となる。誘導ラマン散乱を防ぐためには上述した閾値を高くする必要がある。

図１０は、シングルクラッドファイバにおいて生じる非線形効果を示す図である。図１０において、グラフの横軸はファイバ長を示し、グラフの縦軸は誘導ラマン散乱を生じさせる光の強度の閾値（ＳＲＳ発振閾値）を示す。なお、図１０では、コア径が６μｍ、１０μｍ、１５μｍの各場合についてファイバ長とＳＲＳ発振閾値との関係を示す。コア径が６μｍの光ファイバとは、たとえばシングルモードファイバである。

図１０に示すように、コア径が６μｍ、１０μｍ、１５μｍのいずれの場合においても光ファイバが長くなるほどＳＲＳ発振閾値は低下する。一方、ファイバの長さが同じでもコア径が大きくなるほどＳＲＳ発振閾値が高くなる。

たとえば励起光を十分除去する（透過率がほぼ１００％となる）ために必要なシングルクラッドファイバの長さが２ｍであるとする。このシングルクラッドファイバのコア径が６μｍである場合（すなわち光ファイバがシングルモードファイバである場合）と、コア径が１５μｍである場合とを比べると、コア径が１５μｍの場合の閾値はコア径が６μｍの場合の閾値の約４倍となる。

本実施の形態では、シングルクラッドファイバのコア径を一般的なシングルモードファイバのコア径よりも大きく設定する。これによりシングルクラッドファイバにおいて非線形効果が生じるのを抑制しつつ、余分な励起光を除去することが可能になる。

［本実施の形態の光ファイバの他の構成例］
図１１は、本実施の形態の光ファイバの他の構成の一例を説明する図である。図１１を参照して、シングルクラッドファイバ２のコア２１の直径ｄ２は、ダブルクラッドファイバ１のコア１１の直径ｄ１よりも大きい。さらに、シングルクラッドファイバ２のクラッド２２の外径ｄ４は、ダブルクラッドファイバ１のクラッド１２（第１クラッド）の外径ｄ３よりも大きい。この場合においても、コア２１のＮＡはコア１１のＮＡ以上であり、クラッド２２のＮＡはクラッド１２のＮＡ以上である。

このように構成された光ファイバにおいても、信号光Ａは全反射条件を満たしながらコア２１を伝播することができる。さらに、クラッド１２を伝播した励起光Ｂはクラッド２２に入射することができる。励起光Ｂはクラッド２２と被覆２４との境界においてその一部が逸脱励起光Ｃとしてシングルクラッドファイバ２の外部に放出され、残りがクラッド２２内を伝播する。よって、励起光Ｂが局所的に放出されるのを防ぎつつ励起光Ｂを除去できる。

また、本実施の形態ではダブルクラッドファイバ１とシングルクラッドファイバ２とは融着されているが、図１２に示すように、光ファイバを接続するための器具を用いてダブルクラッドファイバ１とシングルクラッドファイバ２とを光学的に結合してもよい。

図１２を参照して、ダブルクラッドファイバ１、シングルクラッドファイバ２はそれぞれフェルール３１，３２に挿入される。フェルール３１，３２は端面が互いに接触した状態でアダプタ３３により固定される。

コア２１をコア１１に接触させ、クラッド２２をダブルクラッドファイバ１のクラッド１２に接触させることによりダブルクラッドファイバ１とシングルクラッドファイバ２とが光学的に結合される。フェルール３１，３２およびアダプタ３３はコア１１とコア２１とを接続するとともに、クラッド１２とクラッド２２とを接続するための接続器具を構成する。

図１２に示すようにダブルクラッドファイバ１とシングルクラッドファイバ２とを接続することにより、たとえばダブルクラッドファイバ１の交換の必要が生じた場合に、交換作業に要する負担を低減することができる。これにより保守性に優れた光学装置を実現することができる。

［本実施の形態の光ファイバを備える光学装置の他の例］
本実施の形態の光学装置は、上述の光ファイバ１０を備えていればよいため、光ファイバ増幅器に限定されるものではない。以下に本実施の形態の光ファイバ１０を備える光学装置の他の例を示す。

図１３は、本実施の形態の光ファイバ１０を備えるレーザ発振器の構成を説明する図である。図１３を参照して、レーザ発振器１１０は、光ファイバ１０と、励起光源４と、ファイバブラッググレーティング４２，４４と、Ｑスイッチ４３と、光学素子７とを備える。

ファイバブラッググレーティング４２，４４は、光ファイバのコア中に回折格子を形成することにより光フィルタとしての機能を持たせた光デバイスである。ファイバブラッググレーティング４２，４４はダブルクラッドファイバ１の一部として形成されるが、説明を分かりやすくするため、図１３ではファイバブラッググレーティング４２，４４をダブルクラッドファイバ１と別に示す。

レーザ発振器１１０では、ファイバブラッググレーティング４２，４４およびダブルクラッドファイバ１によって共振器が構成される。この共振器内の損失をＱスイッチ４３により変化させることで、高パワーのパルス光（レーザ光Ｂ１）を得ることができる。

図１４は、本実施の形態の光ファイバを備えるレーザマーキング装置の構成を説明する図である。図１４を参照して、レーザマーキング装置１２０は、レーザ発振器１１０と、走査機構５１と、ｆθレンズ５２とを備える。レーザ発振器１１０の構成は図１３に示す構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。

走査機構５１はたとえばガルバノミラーを含む。走査機構５１はレーザ発振器１１０から出力されるレーザ光Ｂ１をＸ−Ｙ方向に走査する。走査機構５１およびｆθレンズ５２を通過したレーザ光Ｂ１によってマーキング対象物５５の表面に、文字や図形などから構成された情報が印字される。

これらの光学装置においても、たとえば光ファイバ１０および光学部品を筐体内に収納する場合が生じ得る。この場合、シングルクラッドファイバ２の周辺に多くの光学部品が密集する可能性がある。しかしながらシングルクラッドファイバ２からは励起光が分散的に放出される。これによりシングルクラッドファイバ２の周辺の光学部品への影響を小さくする（たとえば励起光が光学部品に入射することによる光学部品の発熱）を抑制することができる。よって光学装置の信頼性を高めることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本実施の形態による光ファイバ１０、および光ファイバ１０を備える光ファイバ増幅器１００の構成を示す図である。 ダブルクラッドファイバおよびシングルクラッドファイバの断面図である。 本実施形態による励起光除去をより詳しく説明する図である。 ダブルクラッドファイバ１およびシングルクラッドファイバ２での励起光および信号光の伝送を詳細に説明する図である。 図４に示す励起光の透過をより詳しく説明する図である。 クラッド２２に入射する励起光の入射角と透過率との関係を説明する図である。 シングルクラッドファイバにおける励起光の透過率を測定するための構成を示す図である。 シングルクラッドファイバ２の長さと励起光の透過率との関係を説明する図である。 シングルクラッドファイバ２の曲げ直径と励起光の透過率との関係を説明する図である。 シングルクラッドファイバにおいて生じる非線形効果を示す図である。 本実施の形態の光ファイバの他の構成の一例を説明する図である。 ダブルクラッドファイバ１とシングルクラッドファイバ２とを光学的に結合する方法の一例を示す図である。 本実施の形態の光ファイバ１０を備えるレーザ発振器の構成を説明する図である。 本実施の形態の光ファイバ１０を備えるレーザマーキング装置の構成を説明する図である。

符号の説明

１ ダブルクラッドファイバ、２ シングルクラッドファイバ、３ 結合部、４ 励起光源、５ アイソレータ、６ 結合器、７ 光学素子、１０ 光ファイバ、１１，２１ コア、１２，１３，２２ クラッド、１４，２４ 被覆、３０ パワーメータ、３１，３２ フェルール、３３ アダプタ、４２，４４ ファイバブラッググレーティング、４３ Ｑスイッチ、５１ 走査機構、５２ ｆθレンズ、５５ マーキング対象物、１００ 光ファイバ増幅器、１１０ レーザ発振器、１２０ レーザマーキング装置、Ａ 信号光、Ａ１ 増幅光、Ｂ，Ｄ 励起光、Ｂ１ レーザ光、Ｃ 逸脱励起光。

Claims (10)

1. 希土類元素が添加された第１のコアと、前記第１のコアの周囲に形成された第１のクラッドと、前記第１のクラッドの周囲に形成された第２のクラッドとを含むダブルクラッドファイバと、
   第２のコアと、前記第２のコアの周囲に形成される第３のクラッドとを含むシングルクラッドファイバとを備え、
   前記第１および第２のコアは光学的に結合され、
   前記第１のクラッドおよび第２のクラッドは光学的に結合され、
   前記第２のコアの直径は、前記第１のコアの直径以上であり、
   前記第２のコアの開口数は、前記第１のコアの開口数以上であり、
   前記第３のクラッドの外径は、前記第１のクラッドの外径以上であり、
   前記第３のクラッドの開口数は、前記第１のクラッドの開口数以上である、光ファイバ。
2. 前記第２のコアの直径は、前記第１のコアの直径と実質的に等しく、
   前記第２のコアの開口数は、前記第１のコアの開口数と実質的に等しく、
   前記第３のクラッドの外径は、前記第１のクラッドの外径と実質的に等しく、
   前記第３のクラッドの開口数は、前記第１のクラッドの開口数と実質的に等しい、請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記第１および第２のコアは、互いに融着され、
   前記第１および第３のクラッドは、互いに融着される、請求項１または２に記載の光ファイバ。
4. 前記第１のコアおよび前記第１のクラッドは、接続器具により前記第２のコアおよび第３のクラッドにそれぞれ接続される、請求項１または２に記載の光ファイバ。
5. 前記シングルクラッドファイバは、曲線状に曲げられた部分を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光ファイバ。
6. 前記シングルクラッドファイバは、
   前記第３のクラッドの周囲を覆う被覆をさらに含み、
   前記被覆の屈折率は、前記第２および第３のクラッドのいずれの屈折率よりも高い、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光ファイバを備える、光学装置。
8. 前記光学装置は、光ファイバ増幅器である、請求項７に記載の光学装置。
9. 前記光学装置は、レーザ発振器である、請求項７に記載の光学装置。
10. 前記光学装置は、レーザマーキング装置である、請求項７に記載の光学装置。

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