JP2014016644A - 光ファイバの接続部構造、レーザ光源装置、および光伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高い光ファイバの接続部構造、レーザ光源装置、および光伝送方法を提供すること。
【解決手段】レーザ光を出力する出力光ファイバと、前記出力光ファイバと第１の接続点で接続された光ファイバと、前記第１の接続点を載置する熱伝導性基材と、を備え、前記熱伝導性基材において前記第１の接続点の外周には、シリコーン系の熱伝導性コンパウンドからなる熱伝導性保護材が形成され、前記シリコーン系の熱伝導性コンパウンドは、窒化ホウ素をフィラーとして含む光ファイバの接続部構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの接続部構造、レーザ光源装置、および光伝送方法に関する。

従来、光源装置として、カスケードラマン共振器を用いた高出力の光ファイバレーザが開示されている。たとえば、非特許文献１に開示される光ファイバレーザは、イッテルビウム（Ｙｂ）イオン添加型光ファイバレーザ（ＹＤＦＬ）からなる励起用光ファイバレーザと、カスケードラマン共振器とから構成される。そして、この光ファイバレーザにおいては、励起用光ファイバレーザは波長１１１７ｎｍの励起用レーザ光を出力し、カスケードラマン共振器は、この励起用レーザ光を受付け、カスケードラマン共振器内における誘導ラマン散乱現象によって波長１４８０ｎｍの高出力のレーザ光を発生させ、出力する。

また、上記ＹＤＦＬ、あるいはカスケードラマン共振器を用いた光ファイバレーザは、種々のレーザ加工装置用の光源装置としても用いることができる。この場合、光源装置から出力される高出力のレーザ光は、デリバリ用光ファイバによって所望の場所まで伝送され、レーザ加工の用に供される。

S. G. Grubb, et al., "High-Power 1.48 μm Cascaded Raman Laser in Germanosilicate Fibers," in Optical Amplifiers and Their Applications(1995), paper SaA4.

ところで、上記ＹＤＦＬの出力側の光ファイバ、カスケードラマン共振器の光ファイバ、およびデリバリ用光ファイバは、各光ファイバの用途に応じてその光学特性が設計されているため、それぞれが異なるモードフィールド径を有している。たとえば、カスケードラマン共振器用の光ファイバは、非線形光学現象である誘導ラマン散乱現象を効率よく発生させるために、モードフィールド径が小さくなるように設計されている。

その結果、これらの光ファイバを融着接続等によって接続する場合に、モードフィールド径の不整合によって、接続点において接続損失が生じることとなる。この接続損失により失われた光エネルギーは、接続点で熱エネルギーに変換され、接続点を温度上昇させる。ところが、上記のようにレーザ光が高出力である場合には、接続損失が比較的小さい値であっても、熱エネルギーへの変換による発熱量が大きくなるため、接続点を保護するための保護材等が高温となり、損傷あるいは変質するおそれがあり、装置の信頼性が低下するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信頼性が高い光ファイバの接続部構造、レーザ光源装置、および光伝送方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバの接続部構造は、レーザ光を出力する出力光ファイバと、前記出力光ファイバと第１の接続点で接続された光ファイバと、前記第１の接続点を載置する熱伝導性基材と、を備え、前記熱伝導性基材において前記第１の接続点の外周には、シリコーン系の熱伝導性コンパウンドからなる熱伝導性保護材が形成され、前記シリコーン系の熱伝導性コンパウンドは、窒化ホウ素をフィラーとして含むことを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの接続部構造は、上記の発明において、前記熱伝導性保護材が形成された前記第１の接続点近傍における前記光ファイバの外周に、少なくとも前記形成されるべき光ファイバの外周よりも高い屈折率を有する光漏洩用保護材をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの接続部構造は、上記の発明において、前記出力光ファイバと前記光ファイバとは、それぞれ、コア部と、前記コアの周囲に形成されたクラッド部と、前記クラッド部の周囲に形成された被覆部とを有するとともに、前記第１の接続点近傍において前記各被覆部が除去されて、前記第１の接続点で互いに融着接続されていることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの接続部構造は、上記の発明において、前記熱伝導性基材は溝部を有し、前記各被覆部の端部は前記溝部に収容されることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザ光源装置は、上記の発明の光ファイバの接続部構造と、前記出力光ファイバに前記レーザ光を出力するレーザ光源と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光伝送方法は、上記の発明の光ファイバの接続部構造の前記出力光ファイバからレーザ光を出力し、前記レーザ光を前記第１の接続点を介して前記光ファイバに入力して前記レーザ光を前記光ファイバで伝送し、前記第１の接続点で前記レーザ光から発生する漏洩光を前記熱伝導性保護材を用いて外部に放出することを特徴とする。

本発明によれば、光ファイバの接続点における発熱量を低減できるため、信頼性が高い光ファイバの接続部構造、レーザ光源装置、および光伝送方法を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光源装置の模式図である。 図２は、基材近傍の具体的構造について説明する図である。 図３は、介挿光ファイバのモードフィールド径と、接続点における接続損失および保護材の温度との関係の一例を模式的に示す図である。 図４は、実施の形態１の変形例に係る光源装置の基材近傍の具体的構造について説明する図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバの接続部構造、レーザ光源装置、および光伝送方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光源装置の模式図である。この光源装置１００は、光源としての光ファイバレーザＦＬと、カスケードラマン共振器ＣＲＲと、介挿光ファイバ１３と、基材１４、１５とを備えている。

光ファイバレーザＦＬは、ｎを２以上の整数として、励起光源である半導体レーザ素子１₁〜１_nと、半導体レーザ素子１₁〜１_nが出力する励起光を導波するマルチモード光ファイバ２₁〜２_nと、マルチモード光ファイバ２₁〜２_nが導波した励起光を結合し、ダブルクラッド光ファイバ５から出力させるＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）３、４と、各ダブルクラッド光ファイバ５と接続点Ｃ１、Ｃ４において接続するダブルクラッド型の光ファイバグレーティング６、７と、光ファイバグレーティング６、７と接続点Ｃ２、Ｃ３において接続するダブルクラッド型の希土類元素添加光ファイバ８と、ＴＦＢ４に接続した出力光ファイバ９とを備える。

半導体レーザ素子１₁〜１_nが出力する励起光の波長は９１５ｎｍ近傍である。また、光ファイバグレーティング６は、中心波長が１１７７ｎｍであり、中心波長およびその周辺の約２ｎｍの幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。また、光ファイバグレーティング７は、中心波長が１１１７ｎｍであり、中心波長における反射率が１０〜３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約１ｎｍであり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。したがって、光ファイバグレーティング６、７は、波長１１１７ｎｍの光に対して光共振器を構成する。また、希土類元素添加光ファイバ８は、コア部に増幅物質であるイッテルビウム（Ｙｂ）イオンが添加された増幅光ファイバである。また、出力光ファイバ９のモードフィールド径は約９〜１０μｍである。

一方、カスケードラマン共振器ＣＲＲは、接続光ファイバとしての光ファイバグレーティング１０と、光ファイバグレーティング１０と接続点Ｃ５において接続するラマンファイバ１１と、ラマンファイバ１１と接続点Ｃ６において接続する光ファイバグレーティング１２とを備えている。

ラマンファイバ１１は、誘導ラマン散乱を効率よく発生させるために、モードフィールド径を約６μｍと小さくして、光学非線形性を高めている。光ファイバグレーティング１０は、互いに異なる波長の光を反射する５つの光ファイバグレーティングからなり、各光ファイバグレーティングの反射中心波長は、入力側から１４８０ｎｍ、１３９０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１２４０ｎｍ、１１７５ｎｍになっている。一方、光ファイバグレーティング１２は、互いに異なる波長の光を反射する６つの光ファイバグレーティングからなり、各光ファイバグレーティングの反射中心波長は、入力側から１４８０ｎｍ、１１７５ｎｍ、１２４０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１３９０ｎｍ、１１１７ｎｍになっている。なお、ラマンファイバ１１との接続性を確保するために、光ファイバグレーティング１０、１２も、モードフィールド径が約６μｍである。

一方、介挿光ファイバ１３は、接続点Ｃ７において出力光ファイバ９と接続し、接続点Ｃ８において光ファイバグレーティング１０と接続している。介挿光ファイバ１３のモードフィールド径は、光ファイバグレーティング１０のモードフィールド径である約６μｍと出力光ファイバ９のモードフィールド径である約９〜１０μｍとの間の値である約８μｍである。なお、上記各光ファイバは、いずれも石英ガラス系の光ファイバである。また、上記接続点Ｃ１〜Ｃ８は、いずれも融着接続されているものである。

また、上記接続点Ｃ７、Ｃ８は、それぞれ熱伝導性の高いアルミニウムからなる板状の基材１４、１５に載置されている。つぎに、基材１４、１５近傍の具体的構造について説明する。図２は、基材１４、１５近傍の具体的構造について説明する図である。なお、図２において、出力光ファイバ９、光ファイバグレーティング１０、介挿光ファイバ１３については長手方向に沿った断面構造を示している。図２に示すように、出力光ファイバ９は、コア部９ａの外周に、クラッド部９ｂと、被覆部９ｃとが順次形成された構造を有している。同様に、光ファイバグレーティング１０は、コア部１０ａの外周に、クラッド部１０ｂと、被覆部１０ｃとが順次形成された構造を有している。同様に、介挿光ファイバ１３は、コア部１３ａの外周に、クラッド部１３ｂと、被覆部１３ｃとが順次形成された構造を有している。なお、被覆部９ｃ、１０ｃ、１３ｃは、融着接続のために接続点Ｃ７、Ｃ８の周囲では除去されている。

また、基材１４、１５の表面には溝１４ａ、１５ａがそれぞれ形成されており、接続点Ｃ７、Ｃ８は溝１４ａ、１５ａ内にそれぞれ収容されている。また、溝１４ａ、１５ａ内において、接続点Ｃ７、Ｃ８の外周には、ウレタンアクリレートプレポリマー等の樹脂等からなる保護材１６、１７が形成されている。なお、この保護材１６、１７の屈折率は、出力光ファイバ９、光ファイバグレーティング１０、介挿光ファイバ１３の各クラッド部９ｂ、１０ｂ、１３ｂの屈折率よりも高くなっている。

つぎに、この光源装置１００の動作について説明する。まず、光ファイバレーザＦＬにおいて、半導体レーザ素子１₁〜１_nが波長９１５ｎｍ近傍の励起光を出力すると、マルチモード光ファイバ２₁〜２_nが各励起光を導波し、ＴＦＢ３、４が、導波した各励起光を結合してダブルクラッド光ファイバ５に出力する。ダブルクラッド光ファイバ５は結合した励起光をマルチモードで伝搬する。その後、光ファイバグレーティング６、７がダブルクラッド光ファイバ５を伝搬した励起光を透過して、希土類元素添加光ファイバ８に到達させる。

希土類元素添加光ファイバ８に到達した励起光は、希土類元素添加光ファイバ８の内側クラッド内をマルチモードで伝搬しながら、希土類元素添加光ファイバ８のコア部に添加したＹｂイオンを光励起し、波長１１１７ｎｍを含む波長帯域を有する蛍光を発光させる。この蛍光は、光ファイバグレーティング６、７が構成する光共振器内をシングルモードで往復しながら、Ｙｂイオンの誘導放出作用により増幅され、発振波長１１１７ｎｍにおいてレーザ発振する。そして、光ファイバレーザＦＬは、出力光ファイバ９からレーザ光を出力する。

出力光ファイバ９から出力したレーザ光は、接続点Ｃ７、介挿光ファイバ１３、接続点Ｃ８を順次通過し、光ファイバグレーティング１０からカスケードラマン共振器ＣＲＲに入力する。

ここで、モードフィールド径が大きく異なる出力光ファイバ９と光ファイバグレーティング１０とが直接接続しているとすると、その接続点で大きな接続損失が発生する。その結果、接続点をレーザ光が通過した場合の発熱量が大きくなる。

しかしながら、本実施の形態１に係る光源装置１００では、出力光ファイバ９と光ファイバグレーティング１０との間に、両者のモードフィールド径の間の値のモードフィールド径を有する介挿光ファイバ１３を介挿しているので、発生すべき接続損失が各接続点Ｃ７、Ｃ８に分散され、１つの接続点あたりでの発熱量も低減される。その結果、接続点Ｃ７、Ｃ８を保護する保護材１６、１７の温度上昇による損傷あるいは変質が抑制され、装置の信頼性が高くなる。

なお、出力光ファイバ９から出力したレーザ光や励起光の一部が、接続点Ｃ７、Ｃ８において漏洩する場合がある。このような漏洩光が、クラッド部１３ｂ、１０ｂを伝搬し、光ファイバグレーティング１０の被覆部１０ｃに到達すると、被覆部１０ｃを損傷するおそれがある。しかしながら、本実施の形態１に係る光源装置１００では、保護材１６、１７の屈折率が、クラッド部９ｂ、１０ｂ、１３ｂの屈折率よりも高くなっている。したがって、漏洩光はすみやかに保護材１６、１７に放出され、保護材１６、１７はこの漏洩光をすみやかに外部に放出する。その結果、被覆部１０ｃの損傷が防止され、信頼性がさらに高くなる。

つぎに、カスケードラマン共振器ＣＲＲにおいて、光ファイバグレーティング１０を介してラマンファイバ１１に光ファイバレーザＦＬからの波長１１１７ｎｍのレーザ光が入力すると、ラマン散乱の第一ストークス波長に対応する波長１１７５ｎｍのラマン散乱光（以下、第一ストークス光と称する）が発生し、ラマン増幅される。増幅した第一ストークス光は光ファイバグレーティング１０、１２が構成する光共振器によって多重反射してその強度が高められ、やがて励起光として機能して第二ストークス光を発生させる。以下、同様の作用により順次第三〜第五ストークス光が発生する。ここで、光ファイバグレーティング１２においては、第五ストークス光に対応する波長１４８０ｎｍの光を反射する光ファイバグレーティングの反射率が低いので、この波長１４８０ｎｍの光が光ファイバグレーティング１２から外部に出力する。なお、光ファイバグレーティング１２は反射波長が１１１７ｎｍの光ファイバグレーティングを有しているため、光ファイバレーザＦＬが出力する波長１１１７ｎｍのレーザ光はカスケードラマン共振器ＣＲＲの外部への出力が阻止され、ラマンファイバ１１内部で効率的に利用される。

以上説明したように、本実施の形態１に係る光源装置１００は、信頼性が高いものとなる。

つぎに、介挿光ファイバ１３のモードフィールド径の設定方法について説明する。たとえば、接続点Ｃ７、Ｃ８における発熱量が同程度になるようにモードフィールド径を設定することがより好ましい。

また、図３は、介挿光ファイバ１３のモードフィールド径と、接続点Ｃ７、Ｃ８における接続損失および保護材１６、１７の温度との関係の一例を模式的に示す図である。なお、線Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ接続点Ｃ７、Ｃ８における接続損失を示している。また、値ａ１は、出力光ファイバ９のモードフィールド径を示し、値ａ２は、光ファイバグレーティング１０のモードフィールド径を示している。また、線Ｌ３は、保護材１６、１７について、所望の信頼性を確保できるような許容温度とする。介挿光ファイバ１３のモードフィールド径を設定する際には、値ａ１とａ２との間で、保護材１６、１７の許容温度を越えないような接続損失を実現できるモードフィールド径とすればよい。また、たとえば、モードフィールド径の異なる複数の介挿光ファイバを接続して、さらに接続損失を分散するようにしてもよい。

なお、上記実施の形態１では、接続点Ｃ７、Ｃ８の外周に屈折率の高い保護材１６、１７を形成しているが、熱伝導性の高い保護材を形成してもよい。以下、このような保護材を備える実施の形態１の変形例に係る光源装置について説明する。この変形例は、実施の形態１と同一の光ファイバレーザＦＬ、カスケードラマン共振器ＣＲＲ、介挿光ファイバ１３、基材１４、１５を備えている。

図４は、実施の形態１の変形例に係る光源装置の基材１４、１５近傍の具体的構造について説明する図である。この変形例では、基材１４、１５の溝１４ａ、１５ａ内において、接続点Ｃ７、Ｃ８の外周には、たとえばシリコーン系の熱伝導性コンパウンド等からなる熱伝導性保護材１８、１９が形成されている。さらには、接続点Ｃ７近傍における介挿光ファイバ１３の外周と、接続点Ｃ８近傍における光ファイバグレーティング１０の外周とには、それぞれ、たとえば保護材１６、１７と同じ材料からなる光漏洩用保護材２０、２１が形成されている。この光漏洩用保護材２０の屈折率は、介挿光ファイバ１３のクラッド部１３ｂの屈折率よりも高く、光漏洩用保護材２１の屈折率は、光ファイバグレーティング１０のクラッド部１０ｂの屈折率よりも高くなっている。

この変形例では、接続点Ｃ７、Ｃ８の外周に熱伝導性保護材１８、１９が形成されているので、より発熱量が大きくなっても、熱伝導性保護材１８、１９の温度上昇が抑制されるため、信頼性がさらに高くなる。すなわち、より高出力の光源装置を実現できる。また、光漏洩用保護材２０、２１が、接続点Ｃ７、Ｃ８に対して光出力側に形成されているので、実施の形態１における保護材１６、１７と同様に、漏洩光をすみやかに外部に放出する。その結果、被覆部１０ｃの損傷が防止され、信頼性がさらに高くなる。

なお、熱伝導性保護材１８、１９の材料については、接続点Ｃ７、Ｃ８において漏洩する光を吸収しないような特性を有するものがより好ましい。また、クラッド部９ｂ、１０ｂ、１３ｂの屈折率よりも高いものがより好ましい。

（実施例）
本発明の実施例として、図１に示す構造を有する光ファイバレーザおよびカスケードラマン共振器を作製し、これらを、介挿光ファイバを介して、融着接続によって接続した。そして、図４に示すように、各光ファイバの接続点周辺を、基材の溝に収容し、その外周の所定箇所に熱伝導性保護材と光漏洩用保護材とを形成した。なお、光ファイバレーザは波長１１１７ｎｍで光強度が９５Ｗのレーザ光を出力できるようにし、出力光ファイバのモードフィールド径を９．５μｍとした。一方、カスケードラマン共振器は光ファイバグレーティングのモードフィールド径を６μｍとした。また、介挿光ファイバのモードフィールド径を８μｍとした。また、基材として、長さ６０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ２ｍｍで、溝の幅が２ｍｍおよび深さが１ｍｍのアルミニウム板を用いた。また、熱伝導性保護材として、米国コメリクス社製のＴ６４４を使用した。また、光漏洩用保護材として、ＪＳＲ社製デソライト（登録商標）を使用した。

このとき、出力光ファイバと介挿光ファイバとの接続点Ａ（図１の接続点Ｃ７に対応）の接続損失は０．３ｄＢであった。また、介挿光ファイバと光ファイバグレーティングとの接続点Ｂ（図１の接続点Ｃ８に対応）の接続損失は０．２７ｄＢであった。

つぎに、室温において、光ファイバレーザから波長１１１７ｎｍで光強度が９５Ｗのレーザ光を出力させたところ、カスケードラマン共振器から波長１４８０ｎｍで強度が４７．５Ｗのレーザ光が出力した。このとき、接続点Ａでは、レーザ光のうち、その接続損失によって、約６．３４Ｗの光エネルギーが失われ、その一部が熱に変換されたと考えられる。また、接続点Ｂでは、レーザ光のうち、接続点Ａでの損失も考慮して、約５．３４Ｗのエネルギーが失われ、その一部が熱に変換されたと考えられる。

そして、温度変動が収束した後に熱伝導性保護材の温度を測定したところ、接続点Ａにおいては４１℃、接続点Ｂにおいては４５℃であり、いずれの熱伝導性保護材も損傷はなかった。また、光漏洩用保護材の温度を測定したところ、接続点Ａ近傍においては５１℃、接続点Ｂにおいては４５℃であり、いずれの光漏洩用保護材も損傷はなかった。

なお、上記実施の形態１では、接続光ファイバである光ファイバグレーティング１０のモードフィールド径は、出力光ファイバ９のモードフィールド径よりも小さい。しかしながら、本発明は、接続光ファイバのモードフィールド径が出力光ファイバのモードフィールド径よりも大きい場合にも適用できる。また、上記実施の形態１では、光源が光ファイバレーザであるが、出力光ファイバから光を出力する光源であれば特に限定はされない。また、接続光ファイバも、たとえばデリバリ用光ファイバとでき、特に限定はされない。

１₁〜１_n 半導体レーザ素子
２₁〜２_n マルチモード光ファイバ
３、４ ＴＦＢ
５ ダブルクラッド光ファイバ
６、７、１０、１２ 光ファイバグレーティング
８ 希土類元素添加光ファイバ
９ 出力光ファイバ
９ａ、１０ａ、１３ａ コア部
９ｂ、１０ｂ、１３ｂ クラッド部
９ｃ、１０ｃ、１３ｃ 被覆部
１１ ラマンファイバ
１３ 介挿光ファイバ
１４、１５ 基材
１４ａ、１５ａ 溝
１６、１７ 保護材
１８、１９ 熱伝導性保護材
２０、２１ 光漏洩用保護材
１００ 光源装置
Ｃ１〜Ｃ８ 接続点
ＣＲＲ カスケードラマン共振器
ＦＬ 光ファイバレーザ
Ｌ１〜Ｌ３ 線

Claims (6)

1. レーザ光を出力する出力光ファイバと、
   前記出力光ファイバと第１の接続点で接続された光ファイバと、
   前記第１の接続点を載置する熱伝導性基材と、
   を備え、前記熱伝導性基材において前記第１の接続点の外周には、シリコーン系の熱伝導性コンパウンドからなる熱伝導性保護材が形成され、
   前記シリコーン系の熱伝導性コンパウンドは、窒化ホウ素をフィラーとして含むことを特徴とする光ファイバの接続部構造。
2. 前記熱伝導性保護材が形成された前記第１の接続点近傍における前記光ファイバの外周に、少なくとも前記形成されるべき光ファイバの外周よりも高い屈折率を有する光漏洩用保護材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの接続部構造。
3. 前記出力光ファイバと前記光ファイバとは、それぞれ、コア部と、前記コアの周囲に形成されたクラッド部と、前記クラッド部の周囲に形成された被覆部とを有するとともに、前記第１の接続点近傍において前記各被覆部が除去されて、前記第１の接続点で互いに融着接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバの接続部構造。
4. 前記熱伝導性基材は溝部を有し、前記各被覆部の端部は前記溝部に収容されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバの接続部構造。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバの接続部構造と、
   前記出力光ファイバに前記レーザ光を出力するレーザ光源と、
   を備えることを特徴とするレーザ光源装置。
6. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバの接続部構造の前記出力光ファイバからレーザ光を出力し、
   前記レーザ光を前記第１の接続点を介して前記光ファイバに入力して前記レーザ光を前記光ファイバで伝送し、
   前記第１の接続点で前記レーザ光から発生する漏洩光を前記熱伝導性保護材を用いて外部に放出することを特徴とする光伝送方法。

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