JP2010177314A - ダブルクラッドファイバ、ファイバレーザ装置及び光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の大口径インナークラッドを備えるダブルクラッドファイバでは、コアの断面積に比較してインナークラッの断面積が著しく大きくなり励起光がレーザ媒質を励起できる確率が低くなってしまい、高励起効率化が実現できず、従って励起光注入を増加しても高出力が得られないという課題を有していた。
【解決手段】上記課題を解決するために、本発明のダブルクラッドファイバは、インナークラッドである第１クラッド１２内に、その屈折率が前記インナークラッドの屈折率より低い導波路１３を備え、励起光を導波路１３から第１クラッド１２に漏れ出させ、実効的に第１クラッド１２の断面積を減じる。
【選択図】図１

Description

本発明は高出力レーザ光を得るダブルクラッドファイバ、及び、ファイバレーザ装置、光増幅器に関するものである。

近年、ファイバレーザはレーザ光の高ビーム品質と高出力化の両立が要望されている。

従来のファイバレーザは、高ビーム品質維持のため、コア径を大きくできず、インナークラッドを大口径化し、高注入可能としたダブルクラッドファイバを用いて高出力化している（例えば特許文献１参照）。

また、励起光を受け取るポンピングファイバを、光学的にインナークラッドに接続して追加し、実効的にインナークラッドを大口径化し、高注入可能としたダブルクラッドファイバを用いて高出力化しているものもある（例えば特許文献２参照）。

図６は上記従来のダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザ概念図、及び、ダブルクラッドファイバの断面図を示している。なお、以下の記述内の寸法及び概略構成は、後述の本発明との比較のために一例として例示するものである。

レーザファイバ１００はダブルクラッドファイバであり、レーザ媒質を含む直径２０マイクロメートルのコア１１、直径２２０マイクロメートルの円２個の一部を重ねて接続した断面形状のインナークラッド１１２、長辺５００マイクロメートル、短辺３００マイクロメートルの楕円断面形状のアウタークラッド１１４から成る。

インナークラッドは励起光源である半導体レーザ１２１に接続しており、コア１１１の両端には光帰還手段であるＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）１３０が接続しており、光共振器を構成している。

以上のように構成されたファイバレーザについて、その動作を説明する。半導体レーザ１２１から出射する励起光はダブルクラッドファイバ１００のインナークラッド１１２に導かれ、インナークラッド１１２内を伝播する。その伝播中にコア１１１を横切る際にレーザ媒質を励起し、光共振器内で増幅帰還を繰り返し、レーザ光として出力される。
特開２００５−３３０７６号公報 特開平１１−２６８４３号公報

しかし、従来の大口径インナークラッドを備えるダブルクラッドファイバでは、コア１１１の断面積に比較してインナークラッド１１２の断面積が著しく大きくなり（上記例ではインナークラッド断面積はコア断面積の約２４０倍）、励起光がレーザ媒質を横切り、レーザ媒質と衝突し、励起できる確率が低くなってしまい、高励起効率化が実現できず、従って励起光注入を増加しても高出力が得られないという課題を有していた。

本発明は、高出力なレーザ光を得るダブルクラッドファイバを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のダブルクラッドファイバは、レーザ光を発生するコアと、励起光を伝送するインナークラッドと、励起光を閉じ込めるアウタークラッドとを備え、前記インナークラッド内に、その屈折率が前記インナークラッドの屈折率より低い導波路を備えたものである。

好ましくは、上記導波路の屈折率分布が、前記導波路の断面の中心付近で極小となるようにしたものである。

好ましくは、上記インナークラッド断面が、光学的に接続した複数の円で構成する形状したもので、さらには、上記光学的な接続を、複数の円の一部を重ねて溶融する物理的な接続で実現したダブルクラッドファイバである。

また本発明は、上記の本発明のダブルクラッドファイバを用いてファイバレーザ装置、あるいは光増幅器を構成したものである。

以上のように、本発明のダブルクラッドファイバは、その構成により励起光が伝播するインナークラッドの実効断面積が小さくなり、励起光がレーザ媒質を励起する確率が上昇するため、高効率でレーザ媒質を励起することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの断面、及び、中心部付近の屈折率分布図であり、図２は本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザの概念説明図である。

図１において、ダブルクラッドファイバであるレーザファイバ１０は、レーザ光を発生するレーザ媒質のイッテルビウムをドープした石英ガラスの直径２０マイクロメートルの円形断面のレーザファイバコア１１と、励起光を伝送する石英ガラスのインナークラッドで直径２２０マイクロメートルの円２個の一部を重ね合わせた断面形状で、前記円の１つの円中心部にレーザファイバコア１１を包含し、前記円の残りの円内に直径２００マイクロメートルの円形断面形状の励起光導波路１３を包含する第１クラッド１２と、第１クラッド１２を包含し、励起光を閉じ込めるアウタークラッドで、長辺５００マイクロメートル、短辺３００マイクロメートルの楕円断面形状の第２クラッド１４から成る。また、レーザファイバ１０の各部の屈折率を、レーザファイバコア１１はｎｃ、第１クラッド１２はｎｂ、励起光導波路１３はｎａ、第２クラッド１４はｎ０とすると、ｎ０＜ｎａ＜ｎｂ＜ｎｃである。

図２において、レーザファイバ１０の一端には、励起光を伝送するコア直径２００マイクロメートルで屈折率ｎａ、クラッド直径２２０マイクロメートルで屈折率ｎ２、被覆直径２５０マイクロメートルで屈折率ｎ１である円形断面形状コアクラッド構造の励起光伝送ファイバ２４と、レーザ光の帰還手段であるＦＢＧをそのコアの一部に備えた、コア直径２０マイクロメートルで屈折率ｎｃ、クラッド直径２２０マイクロメートルで屈折率ｎｂ、被覆直径２５０マイクロメートルで屈折率ｎ３の円形断面形状の、反射率９９％のコアクラッド構造の高反射率ＦＢＧ付きファイバ３０が融着している。

励起光伝送ファイバ２４の一端のコアはレーザファイバ１０の励起光導波路１３に融着しており、他端のコアは、励起光源である半導体レーザ２０に融着している。高反射率ＦＢＧ付きファイバ３０の一端のコアはレーザファイバコア１１に融着している。

一方、レーザファイバ１０の他端には、励起光伝送ファイバ２４と、レーザ光の帰還手段であるＦＢＧをそのコアの一部に備えた、コア直径２０マイクロメートルで屈折率ｎｃ、クラッド直径２２０マイクロメートルで屈折率ｎｂ、被覆直径２５０マイクロメートルで屈折率ｎ３の円形断面形状の、反射率１０％のコアクラッド構造の低反射率ＦＢＧ付きファイバ３１が融着している。

励起光伝送ファイバ２４の一端のコアはレーザファイバ１０の励起光導波路１３に融着しており、他端のコアは、励起光源である半導体レーザ２０に融着している。低反射率ＦＢＧ付きファイバ３１の一端のコアはレーザファイバコア１１に融着している。また、励起光伝送ファイバ２４各部の屈折率はｎ１＜ｎ２＜ｎａ、高反射率ＦＢＧ付きファイバ３０、及び、低反射率ＦＢＧ付きファイバ３１各部の屈折率はｎ３＜ｎｂ＜ｎｃである。

以下、上記構成のファイバレーザの動作、作用について説明する。半導体レーザ２０はイッテルビウムを励起する励起光（波長９７６ナノメートル）を、励起光伝送ファイバ２４を通してレーザファイバ１０内の励起光導波路１３に伝送する。励起光導波路１３の屈折率ｎａは、励起光導波路１３の周囲を囲む第１クラッド１２の屈折率ｎｂに比較して低いため、励起光導波路１３に入射した励起光は、励起光導波路１３に閉じ込められず、第１クラッド１２に漏れ出す。

一方、第１クラッド１２の屈折率ｎｂは第２クラッド１４の屈折率ｎ０より高いため、第１クラッド１２に漏れ出した励起光は、励起光導波路１３に戻らずに、第１クラッド１２内に閉じ込められ伝播し、その際レーザファイバコア１１を横切り、レーザファイバコア内のイッテルビウムを励起する。

つまり、励起光が励起光導波路１３に戻らないため、実効的に励起光の伝播する第１クラッド断面積が小さくなり（本実施の形態１では、第１クラッドの断面積はコア断面積の約１４０倍）、励起光がレーザコアを横切る確率が上昇する。この励起により発生した光はレーザファイバコア１１両端に融着して設けたＦＢＧにより構成する光共振器内で増幅帰還され、低反射率ＦＢＧ付きファイバ３１の一端からレーザ光として出射する。

以上のように、ダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザにおいて、インナークラッド内に、インナークラッドの屈折率より低い屈折率を持つ導波路を設け、その導波路に励起光を注入することにより、励起光は、インナークラッドから導波路を除いた部分を伝播し、従って、実効的に伝播する領域の断面積が小さくなり、イッテルビウムを励起できる確率が向上する。

このイッテルビウム励起確率向上により、必要とするレーザファイバ長が短くなり、従って、ファイバによる伝送損失が小さくなり、高効率、高出力、小型なファイバレーザが実現できる。また、インナークラッド内励起光導波路と、励起光伝送ファイバのコア材質を、同一屈折率材料とすることにより、励起光導波路と励起光伝送ファイバの融着損失を小さくでき、高効率、高出力なファイバレーザが実現できる。

なお、レーザ媒質はイッテルビウムではなく、他の物質、例えば希土類、をドープしてもよい。

また実施の形態１ではレーザファイバコア、励起光導波路を、第１クラッドを構成する２つの円断面形状の中心付近に配したが、中心付近ではなく、周辺に配してもよい。

さらに、実施の形態１では、第１クラッドを構成する２つの円断面形状の一部が重なり合う構成としたが、光学的に接続していれば各円断面が近接するように配してもよい。

（実施の形態２）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。

図３は本発明の実施の形態２におけるダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザの概念説明図、及び、その断面図を示している。実施の形態１と異なるのは、本実施の形態のダブルクラッドファイバであるレーザファイバ１０をＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）構成ファイバレーザの増幅段に適用した点である。

図３において、シード光光源４０はシード光を発生する光源であり、アイソレータ４１は前記シード光を増幅段へと一方向にのみ伝送する光学素子である。シード光伝送ファイバ２５は前記シード光を増幅段へ伝送するファイバで、コア直径２０マイクロメートルで屈折率ｎｃ、クラッド直径２２０マイクロメートルで屈折率ｎｂ、被覆直径２５０マイクロメートルで屈折率ｎ３の円形断面形状コアクラッドファイバである。

レーザ光伝送ファイバ２６はレーザファイバ１０で増幅したレーザ光を伝送するファイバで、コア直径２０マイクロメートルで屈折率ｎｃ、クラッド直径２２０マイクロメートルで屈折率ｎｂ、被覆直径２５０マイクロメートルで屈折率ｎ３の円形断面形状コアクラッドファイバである。

レーザファイバ１０の一端には、励起光伝送ファイバ２４と、シード光伝送ファイバ２５を融着している。励起光伝送ファイバ２４の一端のコアはレーザファイバ１０の励起光導波路１３に融着しており、他端のコアは、励起光源である半導体レーザ２０に融着している。シード光伝送ファイバ２５の一端のコアはレーザファイバコア１１に融着しており、他端のコアは、アイソレータ４１に融着している。

一方、レーザファイバ１０の他端には、励起光伝送ファイバ２４と、レーザ光伝送ファイバ２６を融着している。励起光伝送ファイバ２４の一端のコアはレーザファイバ１０の励起光導波路１３に融着しており、他端のコアは、励起光源である半導体レーザ２０に融着している。レーザ光伝送ファイバ２６の一端のコアはレーザファイバ１０の図示略レーザファイバコア１１に融着しており、他端は光の帰還を防止するための処理が施されており、その端面からレーザ光を出力する。また、励起光伝送ファイバ２４各部の屈折率はｎ１＜ｎ２＜ｎａ、シード光伝送ファイバ２５、及び、レーザ光伝送ファイバ２６各部の屈折率はｎ３＜ｎｂ＜ｎｃである。

以下、上記構成のファイバレーザの動作、作用について説明する。半導体レーザ２０はイッテルビウムを励起する励起光（波長９７６ナノメートル）を、励起光伝送ファイバ２４を通してレーザファイバ１０内の励起光導波路１３に伝送する。励起光導波路１３の屈折率ｎａは、励起光導波路１３の周囲を囲む第１クラッド１２の屈折率ｎｂに比較して低いため、励起光導波路１３に入射した励起光は、励起光導波路１３に閉じ込められず、第１クラッド１２に漏れ出す。

一方、第１クラッド１２の屈折率ｎｂは第２クラッドの屈折率ｎ０より高いため、第１クラッド１２に漏れ出した励起光は、励起光導波路１３に戻らずに、第１クラッド１２内に閉じ込められ伝播し、その際レーザファイバコア１１を横切り、レーザファイバコア内のイッテルビウムを励起する。

つまり、励起光が励起光導波路１３に戻らないため、実効的に励起光の伝播する第１クラッド断面積が小さくなり、励起光がレーザコアを横切る確率が上昇する。このイッテルビウム励起状態下において、シード光源４０で発生させたシード光が、アイソレータ４１を通過し、シード光伝送ファイバ２５を通して、レーザファイバコア１１に導かれ、レーザファイバ１０で増幅され、レーザ光伝送ファイバ２６から出射する。

以上のように、ダブルクラッドファイバを増幅段用いたファイバレーザにおいて、インナークラッド内に、インナークラッドの屈折率より低い屈折率を持つ導波路を設け、その導波路に励起光を注入することにより、励起光は、インナークラッドから導波路を除いた部分を伝播し、従って、実効的に伝播する領域の断面積が小さくなり、イッテルビウムを励起できる確率が向上する。このイッテルビウム励起確率向上により、必要とするレーザファイバ長が短くなり、従って、ファイバによる伝送損失が小さくなり、高効率、高出力、小型なファイバレーザが実現できる。

なお、本実施の形態２では、光学的な接続に融着を用いたが、レンズ等の光学素子を用いて接続しても同様の効果が得られる。

（実施の形態３）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。

図４は本発明の実施の形態３におけるダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザの概念説明図、断面図、及び、中心部付近の屈折率分布図を示している。実施の形態１と異なるのは、本実施の形態のダブルクラッドファイバであるレーザファイバ５０のインナークラッドである第１クラッド１２内にある励起光導波路５３の屈折率分布であり、励起光導波路５３の中心付近での屈折率を極小値ｎｄをとする分布（望ましくは、二乗分布）である。レーザファイバ５０の各部の屈折率を、レーザファイバコア１１はｎｃ、第１クラッド１２はｎｂ、励起光導波路５３はｎｄ、第２クラッド１４はｎ０とすると、ｎ０＜ｎｄ＜ｎｂ＜ｎｃである。

以下、上記構成のファイバレーザの動作、作用について説明する。半導体レーザ２０を出射した励起光は、励起光導波路５３に入射する。励起光は、励起光導波路５３の屈折率分布により、その中心付近に入射した励起光は、その周辺の励起光よりも大きく曲げられ、第１クラッド１２に漏れ出す。

一方、第１クラッド１２の屈折率ｎｂは第２クラッド１４の屈折率ｎ０より高いため、第１クラッド１２に漏れ出した励起光は、励起光導波路５３に戻らずに、第１クラッド１２内に閉じ込められ伝播し、その際レーザファイバコア１１を横切り、レーザファイバコア１１内のイッテルビウムを励起する。つまり、励起光が励起光導波路５３に戻らないため、実効的に励起光の伝播する第１クラッド１２の断面積が小さくなり、励起光がレーザファイバコア１１を横切る確率が上昇する。このイッテルビウム励起状態下において、シード光源４０で発生させたシード光が、アイソレータ４１を通過し、シード光伝送ファイバ２５により、レーザファイバコア１１に導かれ、レーザファイバ５０で増幅され、レーザ光伝送ファイバ２６から出射する。

以上のように、ダブルクラッドファイバを増幅段用いたファイバレーザにおいて、インナークラッド内に、インナークラッドの屈折率より低い屈折率を持つ導波路を設け、その導波路に励起光を注入することにより、励起光は、インナークラッドから導波路を除いた部分を伝播し、従って、実効的に伝播する領域の断面積が小さくなり、イッテルビウムを励起できる確率が向上する。このイッテルビウム励起確率向上により、必要とするレーザファイバ長が短くなり、従って、ファイバによる伝送損失が小さくなり、高効率、高出力、小型なファイバレーザが実現できる。

（実施の形態４）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。

図５は本発明の実施の形態４におけるダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザの概念説明図、断面図、及び、中心部付近の屈折率分布図を示している。実施の形態１と異なるのは、本実施の形態のダブルクラッドファイバであるレーザファイバ６０のアウタークラッドである第２クラッド６４の形状と、インナークラッドである第１クラッド６２の形状と、第１クラッド６２が内包する励起光導波路１３の本数である。

第１クラッド６２は直径２２０マイクロメートルの円７つを、１つの円を中心にして周囲に、各６つの各々の円と中心の円の一部が重なり合うように配した形状である。中心に配した円中心付近には直径２０マイクロメートルの円形断面形状のレーザファイバコア１１を包含している。周囲６つの各円中心部には、直径２００マイクロメートルの円形断面形状の励起光導波路を包含している。レーザファイバ６０の各部の屈折率を、レーザファイバコア１１はｎｃ、第１クラッド６２はｎｂ、励起光導波路１３はｎａ、第２クラッド６４はｎ０とすると、ｎ０＜ｎａ＜ｎｂ＜ｎｃである。

以下、上記構成のファイバレーザの動作、作用について説明する。６つの半導体レーザ２０を出射した各励起光は、各励起光伝送ファイバ２４を通して各々励起光導波路１３に入射する。

励起光導波路１３の屈折率ｎａは、励起光導波路１３の周囲を囲む第１クラッド６２の屈折率ｎｂに比較して低いため、励起光導波路１３に入射した励起光は、励起光導波路１３に閉じ込められず、第１クラッド６２に漏れ出す。

一方、第１クラッド６２の屈折率ｎｂは第２クラッド６４の屈折率ｎ０より高いため、第１クラッド６２に漏れ出した励起光は、励起光導波路１３に戻らずに、第１クラッド６２内に閉じ込められ伝播し、その際レーザファイバコア１１を横切り、レーザファイバコア内のイッテルビウムを励起する。

つまり、各励起光が全ての励起光導波路１３に戻らないため、実効的に励起光の伝播する第１クラッド断面積が小さくなり、励起光がレーザコアを横切る確率が上昇する。この励起により発生した光はレーザファイバコア１１両端に融着して設けたＦＢＧで構成する光共振器内で増幅帰還され、低反射率ＦＢＧ付きファイバ３１の一端からレーザ光として出射する。

以上のように、ダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザにおいて、インナークラッド内に、インナークラッドの屈折率より低い屈折率を持つ導波路を複数設け、その各導波路に励起光を注入することにより、励起光は、効率よくイッテルビウムを励起でき、また、複数の励起光をダブルクラッドファイバに導くことが出来るため、高効率、高出力、小型なファイバレーザが実現できる。

本発明のダブルクラッドファイバは、高出力なレーザ光を得ることができ、ファイバレーザ装置や光増幅器などに有用である。

本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバの断面、及び、中心部付近の屈折率分布図 本発明の実施の形態１におけるダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザの概念説明図 本発明の実施の形態２におけるダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザの概念説明図、及び、その断面図 本発明の実施の形態３におけるダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザの概念説明図、断面図、及び、中心部付近の屈折率分布図 本発明の実施の形態４におけるダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザの概念説明図、断面図、及び、中心部付近の屈折率分布図 従来のダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザ概念図、及び、ダブルクラッドファイバの断面図

１０ レーザファイバ
１１ レーザファイバコア
１２ 第１クラッド
１３ 励起光導波路
１４ 第２クラッド
２０ 半導体レーザ
２４ 励起光伝送ファイバ
２５ シード光伝送ファイバ
２６ レーザ光伝送ファイバ
３０ 高反射率ＦＢＧ付きファイバ
３１ 低反射率ＦＢＧ付きファイバ
４０ シード光光源
４１ アイソレータ
５０ 本発明の形態３のレーザファイバ
５３ 本発明の形態３の励起光導波路
６０ 本発明の形態４のレーザファイバ
６２ 本発明の形態４の第１クラッド
６４ 本発明の形態４の第２クラッド

Claims (8)

1. レーザ光を発生するコアと、励起光を伝送するインナークラッドと、励起光を閉じ込めるアウタークラッドとを備えたダブルクラッドファイバであって、前記インナークラッド内に、その屈折率が前記インナークラッドの屈折率より低い導波路を備えたダブルクラッドファイバ。
2. 上記導波路の屈折率分布が、前記導波路の断面の中心付近で極小となる請求項１記載のダブルクラッドファイバ。
3. 上記インナークラッド断面が、光学的に接続した複数の円で構成する形状である請求項１から請求項２のいずれかに記載ダブルクラッドファイバ。
4. 上記光学的な接続を、複数の円の一部を重ねて溶融する物理的な接続で実現する請求項３記載のダブルクラッドファイバ。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザ装置。
6. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のダブルクラッドファイバを増幅段に用いた光増幅器。
7. レーザ光を発生するコア、励起光を伝送するインナークラッド、励起光を閉じ込めるアウタークラッドから成るダブルクラッドファイバにおいて、前記インナークラッド内に、その屈折率が前記インナークラッドの屈折率より低い導波路を備え、前記導波路の屈折率と、前記導波路に励起光を伝送するコアクラッドファイバのコアの屈折率が等しく、前記コアと前記導波路を融着してなるファイバレーザ装置。
8. レーザ光を発生するコア、励起光を伝送するインナークラッド、励起光を閉じ込めるアウタークラッドから成るダブルクラッドファイバにおいて、前記インナークラッド内に、その屈折率が前記インナークラッドの屈折率より低い導波路を備え、前記導波路の屈折率と、前記導波路に励起光を伝送するコアクラッドファイバのコアの屈折率が等しく、前記コアと前記導波路を融着してなる光増幅器。

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