JP2016529548A - 空間変調クラッドモードストリッパおよびこれを備える光ファイバ - Google Patents
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Abstract
本発明は、空間変調クラッドモードストリッパと空間変調クラッドモードストリッパを含む光ファイバに関する。空間変調クラッドモードストリッパは、クラッドの一部に沿って位置付けられてそこからのクラッド光の取出しを変調する、一連の、交互に配置された高効率クラッド光取出し領域と低効率クラッド光取出し領域を含む。
Description
本開示は、クラッドモードストリッパを有する光ファイバの分野に関し、より詳しくは空間変調クラッドモードストリッパに関する。
ファイバレーザが高出力化の一途をたどる中、高耐電力コンポーネントに対する需要が生じている。これらの高出力ファイバレーザは、内側の希土類添加石英コアと内部クラッドを有するダブルクラッド光ファイバに基づく。この構成は、ダブルクラッド光ファイバの長さに沿ったポンプ光の結合とその後のポンプ吸収のために必要である。ダブルクラッド光ファイバは、低輝度のポンプ光を結合する高開口数の内部クラッドをさらに含む。これは、内部クラッドを、石英の屈折率より低い屈折率を有する外側のポリマ外部クラッドで取り囲むことによって実現される。ダブルクラッド光ファイバは、石英の屈折率より高い屈折率を有し、機械的完全性を提供する外側のポリマ外被をさらに含む。しかしながら、現在使用されているポリマ外被と外部クラッドは、動作温度範囲が比較的低い。既知のポリマ外被と外部クラッドの動作温度範囲が限定されていることから、ダブルクラッド光ファイバに基づく高出力ファイバレーザは、ポリマ外被の熱崩壊に起因する故障を回避するために、迷光と温度の適正な管理を必要とする。
しばしば、ダブルクラッド光ファイバレーザおよび増幅器において、不要な光（例えば、吸収されなかったポンプ光、ダブルクラッドファイバコアから漏れた光、または材料加工からの戻り光）がダブルクラッド光ファイバコアの内部クラッド内を伝播する。この不要な光は、ダブルクラッド光ファイバから除去されないと、高出力レーザの出力ビームの質を低下させるか、または熱崩壊を通じてレーザシステムの破局故障を発生させる可能性がある。望ましくない光は通常、クラッドモードストリッパを導入することにより除去されるが、これは内部クラッドの光導波効果を損なう。先行技術のクラッドモードストリッパの一例は、典型的なポリマベースのクラッドモードストリッパであり、これは低屈折率のポリマ外部クラッドの代わりに石英の屈折率より高い屈折率を有する材料を使用し、それによって不要な光が特定の長さの後に内部クラッドから完全に取り出される。しかしながら、外部クラッドの屈折率より高ければ、どのような数値の屈折率でも、内部クラッド導波路の開口数を低くすることによって内部クラッドから光を取り出すことができる。従来のクラッドモードストリッパの耐電力特性を向上させることを目的とした技術は、当業界でよく知られている。クラッドモードストリッパの信頼性はダブルクラッド光ファイバのポリマ外被のピーク温度に関係があるため、既知の技術は、光除去速度を制御することによって熱をダブルクラッド光ファイバに沿って分散させるか、またはパッケージング方法によってピーク温度を下げようとする。
ウェッタら（Ｗｅｔｔｅｒ ｅｔ ａｌ．）は、「高出力クラッドライトストリッパ（Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｓｔｒｉｐｐｅｒ）」と題する科学論文（Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｗｅｓｔ ２００８，Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒｓ Ｖ．’Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．６８７３，６８７３２７）の中で、光除去材料の屈折率がダブルクラッドアクティブ光ファイバに沿って変化する漸次的クラッドモードストリッパを開示している。
アンドレッグら（Ａｎｄｅｒｅｇｇ ｅｔ ａｌ．）は、（米国特許第７，３４９，５９６号の中で）光除去材料を外部クラッドとして利用するクラッドモードストリッパを開示しており、前記光除去材料の屈折率は負の温度依存性を持つ。光除去材料の温度を上げることによって、光除去速度が低下し、それゆえ、クラッドモードストリッパのピーク温度は飽和する。
クライナら（Ｋｌｉｎｅｒ ｅｔ ａｌ．）は、（米国特許第８，０２７，５５５号の中で）取り出された光が透明材料のブロックを通過して吸収されるクラッドモードストリッパを開示している。
最後に、フレイヤら（Ｆｒｅｉｅｒ ｅｔ ａｌ．）は、（米国特許第６，３０１，４１８号の中で）不均一なクラッド粗面加工部または凹凸形状を有する導波路光拡散器を開示している。
上記の参考文献で開示されているような、ダブルクラッド光ファイバから不要な光を除去するためのこれらの各種の手法は、実際には容易に実現されない。ダブルクラッド光ファイバに沿って屈折率を変化させるには、屈折率変化の空間分解能が非常に良好である必要がある。また、クラッドモード除去を行うための屈折率範囲をカバーするために、特定の低屈折率を有する複数種類のポリマが必要となるかもしれない。所望の光学的および機械的特性を有する低屈折率の材料の選択肢は、高屈折率の材料より少ない。一般に、低屈折率を有する材料の動作温度範囲は、高屈折率を有する材料の動作温度範囲より低い。同じ問題は、負の温度依存性を持つ屈折率を有する材料についても起こる。さらに、石英で作製されたコアと内部クラッド上に粗面加工部または凹凸形状を有することにより、その機械的強度が低下する。
したがって、クラッドモードストリッパ内の温度分布から外れた場合でも、不要な光の取出しをより容易に制御できるようにする必要がある。
本発明のある態様によれば、本開示は、動作中にクラッド光信号を伝播させる光ファイバのための空間変調クラッドモードストリッパに関する。前記空間変調クラッドモードストリッパは、光ファイバのクラッドの一部に沿って位置付けられた、一連の、交互に配置された高効率クラッド光取出し領域と低効率クラッド光取出し領域を含む。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率クラッド光取出し領域は、高効率クラッド光取出しを提供する高効率光除去材料を含む。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、低効率クラッド光取出し領域は、低効率クラッド光取出しを提供する低効率光除去材料を含む。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率クラッド光取出し領域の長さは、光ファイバ内のクラッド光信号の伝播方向に沿って漸増する。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率取出し領域の長さは、取り出すべきクラッド光出力の合計とクラッドモードストリッパを動作させるための安全温度限界に基づく。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率クラッド光取出し領域の長さは一定であり、その一方で、連続する低効率クラッド光取出し領域の長さはクラッド光信号の伝播方向に沿って変化する。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率光除去材料は、クラッドの屈折率より高い屈折率を有する光学的に透明な材料である。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率光除去材料は、取り出されたクラッド光を拡散させるための拡散特性を有する。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率光除去材料は光学エポキシを含む石英からなる。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、低効率クラッド光取出し領域は、内部クラッドを取り囲む外部クラッドと、外部クラッドを取り囲む外被と、を含む。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、低効率光除去材料は高効率光除去材料の屈折率より低い屈折率を有する。
本開示の実施形態を、単なる例として、以下のような添付の図面を参照しながら説明する。
上記およびその他の特徴は、単なる例として提供されたその例示的実施形態に関する以下の非限定的な説明を、添付の図面を参照しながら読めば、より明確となるであろう。各種の図面上で、同様の参照番号は同様の特徴を指す。
本開示は、空間変調クラッドモードストリッパに関し、これによって光ファイバからのクラッド光取出しを分散させることができる。本発明の空間変調クラッドモードストリッパは、クラッド光取出し速度をより容易に制御できる。さらに、本発明の空間変調クラッドモードストリッパにより、クラッドモードストリッパ内の温度分布から外れた場合でも、不要な光の取出しをより容易に制御でき、ひいては、クラッドモードストリッパの耐電力特性を、光ファイバの機械的強度を損なわない方法で向上させる。
本開示全体を通じて、光ファイバという表現は、例えばシングルクラッド光ファイバ、ダブルクラッド光ファイバ、コア付またはコアなしファイバ等、クラッド光を誘導可能なあらゆるファイバ構造を指すために使用される。
この説明文と図面は当業界でアクティブダブルクラッド光ファイバとしても知られている、希土類添加石英のコアを有する光ファイバを用いた本発明の空間変調クラッドモードストリッパを示し、説明しているが、本発明の空間変調クラッドモードストリッパは、このタイプの光ファイバに限定されない。本発明は、アクティブ光ファイバ（希土類添加石英のコアを有する光ファイバ）でもパッシブ光ファイバ（希土類添加石英のコアを持たない光ファイバ）の何れで実装されてもよい。
空間変調クラッドモードストリッパは、光ファイバの長さの一部に沿って位置付けられる。光ファイバは、例えば、クラッドモードストリッパの両側に、その最も外側のクラッドの屈折率より高い屈折率を有する外被をさらに含んでいてもよい。
クラッドモードストリッパは、光ファイバのクラッド内のクラッド光の伝播方向に沿って交互に配置された複数の高効率クラッド光取出し領域と低効率クラッド光取出し領域を含む。高効率クラッド光取出し領域は、高効率クラッド光取出し能力を提供する材料で作製され、それが光ファイバのクラッドを取り囲み、クラッド光を取り出す。低効率クラッド光取出し領域もまた、光ファイバのクラッドを取り囲み、より低効率のクラッド光取出し能力を提供する低効率光除去材料で作製される。
クラッドモードストリッパの空間変調は、光ファイバの一部に沿って高効率クラッド光取出し領域と低効率クラッド光取出し領域を交互に配置することによって実現される。したがって、クラッド光取出しによる熱は、交互に配置された高効率クラッド光取出し領域とそれに隣接する低効率クラッド光取出し領域にわたって分散される。これは、より過熱しやすい、単独の連続する高効率クラッド光取出し領域を有する、現在知られているクラッドモードストリッパに対する改良となる。
本開示はまた、光ファイバの露出クラッドの一部に沿って空間変調クラッドモードストリッパを生成する方法にも関する。特定の実施形態において、この方法は、光ファイバの長さの一部に沿って光ファイバの外部クラッドと外被を少なくとも部分的に除去して、露出クラッドを得るステップを含む。
この方法はまた、露出クラッドの部分の周囲に、高効率クラッド光取出し能力を提供する高効率光除去材料を塗布して、クラッドモードストリッパ領域内の露出クラッドを取り囲む高効率クラッド光取出し領域を作るステップも含む。この方法は、光ファイバの、クラッドモードストリッパ領域内の露出クラッドの他の領域の周囲に低効率クラッド光取出し能力を提供する第二の材料を塗布して、低効率クラッド光取出し領域を作るステップをさらに含む。低効率クラッド光取出し領域と高効率クラッド光取出し領域は、露出クラッド内でのクラッド光信号の伝播方向に沿って交互に配置される。
高効率光除去材料は、少なくとも外部クラッドの屈折率より高い屈折率を有し、光学的に透明でなければならない。当業者であれば、高効率光除去材料の屈折率の数値が露出クラッドの屈折率の数値に向かって高くなるにつれて、露出クラッドの開口数がゼロへと減ることがわかるであろう。それゆえ、すべてのクラッド光を取り出すことができるようにするには、高効率光除去材料の屈折率は露出クラッドの屈折率より高くあるべきである。
特定の実施形態において、外部クラッドと外被はクラッドモードストリッパ領域に沿って一部のみ除去される。この場合、低効率クラッド光取出し領域は、異なる低効率光除去材料を塗布する代わりに、残された外部クラッドと外被によって形成される。しかしながら、外部クラッドと外被がクラッドモード除去領域に沿って完全に除去された場合、低効率クラッド光取出し領域は外部クラッドと外被とは異なる低効率光除去材料を使用することによって作られる。この低効率光除去材料は、露出クラッドの屈折率より低く、高効率光除去材料の屈折率より低い屈折率を有する。
高効率クラッド光取出し領域と低効率クラッド光取出し領域のそれぞれの長さは、具体的な熱分散のニーズに応じて変化してもよい。例えば、クラッドモードストリッパに沿った特定の熱分散パターンを実現するために、高効率クラッド光取出し領域と低効率クラッド光取出し領域の特定のパターンが作られ、生成されてもよい。
ここで、図１Ａおよび１Ｂを同時に参照すると、当業界で知られているダブルクラッド光ファイバの断面図とダブルクラッド光ファイバの屈折率の動径分布図がそれぞれ示されている。
ダブルクラッド光ファイバ１０は、内部の希土類添加石英のコア１１と、光ファイバコア１１の長さに沿ったポンプ光の結合とその後のポンプ吸収に必要な内部クラッド１２と、を有する。内部クラッド１２は通常、純粋石英で作製され、その屈折率６はコア１１の屈折率５より低く、コア１１内で光信号を誘導できる。輝度の低いポンプ光を光ファイバ１０の中へと結合するために、内部クラッド１２は高い開口数を有する。内部クラッド１２の高い開口数は、内部クラッド１２を、内部クラッド１２の屈折率６より低い（例えば、内部クラッド１２が純粋石英で作製されている場合は石英の屈折率より低い）屈折率７を有する低屈折率ポリマ外部クラッド１３で取り囲むことによって実現される。内部クラッド１２の屈折率６より高い（例えば、内部クラッド１２が石英で作製されている場合、石英の屈折率より高い）屈折率８を有する高屈折率ポリマの外被１４により、光ファイバ１０の機械的および化学的完全性が確保される。
ここで、図２を参照すると、当業界で知られている従来のクラッドモードストリッパ２０の側方断面図が示されている。従来のクラッドモードストリッパ２０において、内部クラッド１２からのクラッド光取出しは、外部クラッド１３の光導波機能を変更することによって実現される。図２に示されている従来のクラッドモードストリッパ２０において、外部クラッド１３と外被１４は、光ファイバの特定の長さに沿って除去されて、光除去材料２５に置き換えられる。光除去材料２５は、内部クラッド１２の屈折率と等しい、またはそれより高い屈折率を有する光学的に透明な材料である。このような光学的に透明な材料には、例えば、光学的に清澄なエポキシまたはポリマが含まれる。それゆえ、ファイバのコア１１の中で伝播する光信号が案内され、その一方で、内部クラッド１２の中のクラッド光は、比較的短い伝播長さで出射する。さらに、より大きい伝播角度を有する光線が最初に取り出され、このことは、図５において、従来のモードストリッパの正規化された残余パワーと長さの関係のグラフにより示されている。光除去材料２５の発熱は、光除去材料２５の光吸収率とその中へのクラッド光パワー伝播に比例する。それゆえ、典型的なクラッドモードストリッパ２０においては、取り出されたクラッド光パワー密度と温度は、クラッドモードストリッパ２０のある点において最大となり、このことは図４に示されており、図中、温度分布曲線４４は上述のような従来のクラッドモードストリッパ２０に対応する。
ここで図３を参照すると、本開示のある実施形態による、高効率および低効率光取出し領域が交互に配置され、それらの長さが変化する、ダブルクラッド光ファイバ上の本発明の空間変調クラッドモードストリッパの側方断面図が示されている。ダブルクラッド光ファイバは、単に例として使用されており、本発明の空間変調クラッドモードストリッパとこれに関連する方法はダブルクラッド光ファイバに限定されないと理解するべきである。
光ファイバがダブルクラッド光ファイバであるため、まずクラッドモード除去領域３７が、外部クラッド１３と外被１４の一連の小さい部分を除去して、露出したクラッド、すなわち、この例では内部クラッドを提供することによって提供される。外部クラッド１３と外被１４の小さい部分の除去によりできるギャップ３６は光除去材料２５で埋められる。交互に配置されたギャップ３６と残っている外部クラッド１３および外被１４は、コア１１に沿って、交互に配置された高効率光取出し領域３８と低効率光取出し領域３９のパターンを作る。さらに、高効率取出し領域３８と低効率取出し領域３９の長さは、同じでも、異なる大きさでも、またはクラッドモード除去領域３７の長さに沿って変化してもよい。各高効率クラッド光取出し領域３８は、露出クラッド１２からクラッド光を取り出し、取り出された光はクラッドモードストリッパ３０の中で、低効率取出し領域の特定の長さにわたって拡散する。光除去材料２５は拡散特性を有する、例えば光学エポキシを含むフュームドシリカ等として、クラッドモードストリッパ３０に沿って、取り出された光を拡散させ、発熱を防止するのに貢献するようにしてもよい。拡散特性を有する光除去材料の使用は、低い開口数のクラッド光線にとって特に重要である。
クラッドモードストリッパ３０の全体の長さを短縮するために、高効率クラッド光取出し領域３８の長さが徐々に長くされ、それによって、光取出し率がクラッドモードストリッパ３０に沿って低下するにつれて、クラッドモードストリッパ３０に沿った熱分布が平坦となり、これは、取り出すべきクラッド光がどんどん少なくなるからである。取り出すべきクラッド光パワーの合計、取り出すべきクラッド光の開口数分布、およびクラッドモードストリッパ３０の安全温度限界が分かっていれば、クラッド光取出しの正確な変調パターンを設計できる。
ここで、図３および４を同時に参照するが、図４は異なるクラッドモードストリッパの縦方向の温度分布を示している。縦方向の温度分布４２は、図３に示されている空間変調クラッドモードストリッパ３０に対応する。これを、図２に示されている従来のクラッドモードストリッパ２０の縦方向の温度分布４４と比較できる。縦方向の温度上昇分布４２および４４が図４に示されているクラッドモードストリッパは、同様の条件で試験され、同様の手法で操作された。
高効率クラッド光取出し領域３８の最小制御可能長さとクラッドモードスリッパ３０の全長が、クラッドモードストリッパ３０の２つの設計上の制約要素である。しかしながら、光ファイバは、本来、非常に長く、それゆえ、全体の長さは一般に問題とならない。これに対して、数十マイクロメートルと短いギャップ３６を外部クラッド１３に作ることにより、最小のクラッド光取出しが確実に行われるようにすることが可能である。空間変調クラッドモードストリッパ３０（図３に示す）の温度分布４２の、従来のクラッドモードストリッパ２０（図２に示す）の温度分布４４に対する改善は、最短の高効率クラッド光取出し領域３８の長さとそれに隣接する低効率クラッド光取出し領域３９の長さの比に少なくともおおまかに対応する。温度分布の改善のこのような近似は、数ミリメートル未満の低効率クラッド光取出し領域３９について有効である。十分な長さのクラッドモードストリッパ３０では、図４に示される温度分布４６に描かれているように、キロワットレベルのパワー取出しが可能である。しかしながら、クラッドモードストリッパ３０の最大取出しパワーは、クラッド光開口数、すなわち、図３の例においては内部クラッドのクラッド光により影響を受ける。より高い開口数の光線を取り出すには、クラッド光と光除去材料２５との相互作用レベルが増大するため、最初の高効率クラッド光取出し領域３８をより短くする必要がある。それゆえ、ある地点で、最初の高効率取出し領域３８の長さを制御することがますます重要となりうる。
ここで、図６を参照すると、他の実施形態による空間変調クラッドモードストリッパ６０が示されている。この実施形態において、空間変調クラッドモードストリッパ６０は、クラッドモードストリッパ領域に沿って一連のギャップを作ることによって製作される。ギャップは、内部クラッドを露出させることによって作られ、そうするために、図６の特定の例においては、外部クラッドと外被が除去される。ギャップは、一定であるが非常に短い長さの高効率クラッド光取出し領域６６に対応する。ギャップは、外部クラッドと外被が残された、そのままの光ファイバに対応する、長さの異なる一連の低効率クラッド光取出し領域と交互に配置される。高効率クラッド光取出し領域６６は、ギャップを光除去材料２５で埋めることによって実現される。
ここで、図７を参照すると、また別の実施形態の空間変調クラッドモードストリッパが示されている。空間変調クラッドモードストリッパ７０において、内部クラッドがクラッドモードストリッパ領域全体に沿って露出している。内部クラッドは、クラッドモードストリッパ７０の長さにわたって外部クラッド１３と外被１４を除去することによって露出させられる（以下、露出クラッドと呼ぶ）。さらに、高効率クラッド光取出し領域７５と低効率クラッド光取出し領域７６は、クラッドモードストリッパ領域の長さに沿って、露出クラッドの周囲に異なる屈折率の材料のパターンを適用することによって実現される。露出クラッド１２の中で伝播するクラッド光は、クラッドモードストリッパ７０によって、一連の、交互に配置された高効率および低効率クラッド光取出し領域によって取り出され、その一方で、コア１１内で伝播する光信号は損なわれない。
ここで、図８を参照すると、さらにまた別の実施形態の本発明の空間変調クラッドモードストリッパ８０が示されている。この実施形態の空間変調クラッドモードストリッパ８０において、図７の実施形態と同様に、内部クラッドが、クラッドモードストリッパ８０の長さにわたって外部クラッド１３と外被４を除去することによって露出させられる（以下、露出クラッドと呼ぶ）。さらに、露出クラッド１２は、クラッドモードストリッパ領域の長さにわたり、あるパターンの窪み８６を有する固体材料８５（例えばガラス、金属、ポリマ）で取り囲まれる。固体材料８５は、高効率クラッド光取出し領域または低効率クラッド光取出し領域の何れとして機能してもよい。窪み８６は、低または高屈折率の何れかを有する材料（例えば、気体、液体、ポリマ、および金属等）で埋められる。露出クラッド１２はまた、固体材料８５が存在しない不活性領域８７と接触する。不活性領域８７は、屈折率の低い材料、例えば水またはポリマから作製される。
図３，６、７、および８は、ダブルクラッド光ファイバ上の本発明の実施形態による空間変調クラッドモードストリッパを示しているが、本発明の空間変調クラッドモードストリッパはこのような光ファイバとの使用に限定されない。本発明の空間変調クラッドモードストリッパは、そこからクラッド光が除去されるべき何れの種類の光ファイバでも使用できる。クラッド光は、クラッドの何れの層からも、クラッド光を取り出す必要のあるクラッドの層を前述のように露出させるだけで除去でき、したがって、露出クラッドの用語が使用される。
以上、本開示を非限定的で例示的なその実施形態によって説明したが、これらの実施形態は、付属の特許請求の範囲内で、本開示の主旨と性質から逸脱することなく、自由に変更できる。
本開示は、クラッドモードストリッパを有する光ファイバの分野に関し、より詳しくは空間変調クラッドモードストリッパに関する。
ファイバレーザが高出力化の一途をたどる中、高耐電力コンポーネントに対する需要が生じている。これらの高出力ファイバレーザは、内側の希土類添加石英コアと内部クラッドを有するダブルクラッド光ファイバに基づく。この構成は、ダブルクラッド光ファイバの長さに沿ったポンプ光の結合とその後のポンプ吸収のために必要である。ダブルクラッド光ファイバは、低輝度のポンプ光を結合する高開口数の内部クラッドをさらに含む。これは、内部クラッドを、石英の屈折率より低い屈折率を有する外側のポリマ外部クラッドで取り囲むことによって実現される。ダブルクラッド光ファイバは、石英の屈折率より高い屈折率を有し、機械的完全性を提供する外側のポリマ外被をさらに含む。しかしながら、現在使用されているポリマ外被と外部クラッドは、動作温度範囲が比較的低い。既知のポリマ外被と外部クラッドの動作温度範囲が限定されていることから、ダブルクラッド光ファイバに基づく高出力ファイバレーザは、ポリマ外被の熱崩壊に起因する故障を回避するために、迷光と温度の適正な管理を必要とする。
しばしば、ダブルクラッド光ファイバレーザおよび増幅器において、不要な光（例えば、吸収されなかったポンプ光、ダブルクラッドファイバコアから漏れた光、または材料加工からの戻り光）がダブルクラッド光ファイバコアの内部クラッド内を伝播する。この不要な光は、ダブルクラッド光ファイバから除去されないと、高出力レーザの出力ビームの質を低下させるか、または熱崩壊を通じてレーザシステムの破局故障を発生させる可能性がある。望ましくない光は通常、クラッドモードストリッパを導入することにより除去されるが、これは内部クラッドの光導波効果を損なう。先行技術のクラッドモードストリッパの一例は、典型的なポリマベースのクラッドモードストリッパであり、これは低屈折率のポリマ外部クラッドの代わりに石英の屈折率より高い屈折率を有する材料を使用し、それによって不要な光が特定の長さの後に内部クラッドから完全に取り出される。しかしながら、外部クラッドの屈折率より高ければ、どのような数値の屈折率でも、内部クラッド導波路の開口数を低くすることによって内部クラッドから光を取り出すことができる。従来のクラッドモードストリッパの耐電力特性を向上させることを目的とした技術は、当業界でよく知られている。クラッドモードストリッパの信頼性はダブルクラッド光ファイバのポリマ外被のピーク温度に関係があるため、既知の技術は、光除去速度を制御することによって熱をダブルクラッド光ファイバに沿って分散させるか、またはパッケージング方法によってピーク温度を下げようとする。
ウェッタら（Ｗｅｔｔｅｒ ｅｔ ａｌ．）は、「高出力クラッドライトストリッパ（Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｓｔｒｉｐｐｅｒ）」と題する科学論文（Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｗｅｓｔ ２００８，Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒｓ Ｖ．’Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．６８７３，６８７３２７）の中で、光除去材料の屈折率がダブルクラッドアクティブ光ファイバに沿って変化する漸次的クラッドモードストリッパを開示している。
アンドレッグら（Ａｎｄｅｒｅｇｇ ｅｔ ａｌ．）は、（米国特許第７，３４９，５９６号の中で）光除去材料を外部クラッドとして利用するクラッドモードストリッパを開示しており、前記光除去材料の屈折率は負の温度依存性を持つ。光除去材料の温度を上げることによって、光除去速度が低下し、それゆえ、クラッドモードストリッパのピーク温度は飽和する。
クライナら（Ｋｌｉｎｅｒ ｅｔ ａｌ．）は、（米国特許第８，０２７，５５５号の中で）取り出された光が透明材料のブロックを通過して吸収されるクラッドモードストリッパを開示している。
最後に、フレイヤら（Ｆｒｅｉｅｒ ｅｔ ａｌ．）は、（米国特許第６，３０１，４１８号の中で）不均一なクラッド粗面加工部または凹凸形状を有する導波路光拡散器を開示している。
上記の参考文献で開示されているような、ダブルクラッド光ファイバから不要な光を除去するためのこれらの各種の手法は、実際には容易に実現されない。ダブルクラッド光ファイバに沿って屈折率を変化させるには、屈折率変化の空間分解能が非常に良好である必要がある。また、クラッドモード除去を行うための屈折率範囲をカバーするために、特定の低屈折率を有する複数種類のポリマが必要となるかもしれない。所望の光学的および機械的特性を有する低屈折率の材料の選択肢は、高屈折率の材料より少ない。一般に、低屈折率を有する材料の動作温度範囲は、高屈折率を有する材料の動作温度範囲より低い。同じ問題は、負の温度依存性を持つ屈折率を有する材料についても起こる。さらに、石英で作製されたコアと内部クラッド上に粗面加工部または凹凸形状を有することにより、その機械的強度が低下する。
したがって、クラッドモードストリッパ内の温度分布から外れた場合でも、不要な光の取出しをより容易に制御できるようにする必要がある。
本発明のある態様によれば、本開示は、動作中にクラッド光信号を伝播させる光ファイバのための空間変調クラッドモードストリッパに関する。前記空間変調クラッドモードストリッパは、光ファイバのクラッドの一部に沿って位置付けられた、一連の、交互に配置された光除去領域と光案内領域を含む。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率クラッド光取出し領域は、高効率クラッド光取出しを提供する高効率光除去材料を含む。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、低効率クラッド光取出し領域は、低効率クラッド光取出しを提供する低効率光除去材料を含む。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率クラッド光取出し領域の長さは、光ファイバ内のクラッド光信号の伝播方向に沿って漸増する。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率取出し領域の長さは、取り出すべきクラッド光出力の合計とクラッドモードストリッパを動作させるための安全温度限界に基づく。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率クラッド光取出し領域の長さは一定であり、その一方で、連続する低効率クラッド光取出し領域の長さはクラッド光信号の伝播方向に沿って変化する。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率光除去材料は、クラッドの屈折率より高い屈折率を有する光学的に透明な材料である。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率光除去材料は、取り出されたクラッド光を拡散させるための拡散特性を有する。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、高効率光除去材料は光学エポキシを含む石英からなる。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、低効率クラッド光取出し領域は、内部クラッドを取り囲む外部クラッドと、外部クラッドを取り囲む外被と、を含む。
この空間変調クラッドモードストリッパの他の態様によれば、低効率光除去材料は高効率光除去材料の屈折率より低い屈折率を有する。
本開示の実施形態を、単なる例として、以下のような添付の図面を参照しながら説明する。
上記およびその他の特徴は、単なる例として提供されたその例示的実施形態に関する以下の非限定的な説明を、添付の図面を参照しながら読めば、より明確となるであろう。各種の図面上で、同様の参照番号は同様の特徴を指す。
本開示は、空間変調クラッドモードストリッパに関し、これによって光ファイバからのクラッド光取出しを分散させることができる。本発明の空間変調クラッドモードストリッパは、クラッド光取出し速度をより容易に制御できる。さらに、本発明の空間変調クラッドモードストリッパにより、クラッドモードストリッパ内の温度分布から外れた場合でも、不要な光の取出しをより容易に制御でき、ひいては、クラッドモードストリッパの耐電力特性を、光ファイバの機械的強度を損なわない方法で向上させる。
本開示全体を通じて、光ファイバという表現は、例えばシングルクラッド光ファイバ、ダブルクラッド光ファイバ、コア付またはコアなしファイバ等、クラッド光を誘導可能なあらゆるファイバ構造を指すために使用される。
この説明文と図面は当業界でアクティブダブルクラッド光ファイバとしても知られている、希土類添加石英のコアを有する光ファイバを用いた本発明の空間変調クラッドモードストリッパを示し、説明しているが、本発明の空間変調クラッドモードストリッパは、このタイプの光ファイバに限定されない。本発明は、アクティブ光ファイバ（希土類添加石英のコアを有する光ファイバ）でもパッシブ光ファイバ（希土類添加石英のコアを持たない光ファイバ）の何れで実装されてもよい。
空間変調クラッドモードストリッパは、光ファイバの長さの一部に沿って位置付けられる。光ファイバは、例えば、クラッドモードストリッパの両側に、その最も外側のクラッドの屈折率より高い屈折率を有する外被をさらに含んでいてもよい。
クラッドモードストリッパは、光ファイバのクラッド内のクラッド光の伝播方向に沿って交互に配置された複数の高効率クラッド光取出し領域と低効率クラッド光取出し領域を含む。高効率クラッド光取出し領域は、高効率クラッド光取出し能力を提供する材料で作製され、それが光ファイバのクラッドを取り囲み、クラッド光を取り出す。低効率クラッド光取出し領域もまた、光ファイバのクラッドを取り囲み、より低効率のクラッド光取出し能力を提供する低効率光除去材料で作製される。
クラッドモードストリッパの空間変調は、光ファイバの一部に沿って高効率クラッド光取出し領域と低効率クラッド光取出し領域を交互に配置することによって実現される。したがって、クラッド光取出しによる熱は、交互に配置された高効率クラッド光取出し領域とそれに隣接する低効率クラッド光取出し領域にわたって分散される。これは、より過熱しやすい、単独の連続する高効率クラッド光取出し領域を有する、現在知られているクラッドモードストリッパに対する改良となる。
本開示はまた、光ファイバの露出クラッドの一部に沿って空間変調クラッドモードストリッパを生成する方法にも関する。特定の実施形態において、この方法は、光ファイバの長さの一部に沿って光ファイバの外部クラッドと外被を少なくとも部分的に除去して、露出クラッドを得るステップを含む。
この方法はまた、露出クラッドの部分の周囲に、高効率クラッド光取出し能力を提供する高効率光除去材料を塗布して、クラッドモードストリッパ領域内の露出クラッドを取り囲む高効率クラッド光取出し領域を作るステップも含む。この方法は、光ファイバの、クラッドモードストリッパ領域内の露出クラッドの他の領域の周囲に低効率クラッド光取出し能力を提供する第二の材料を塗布して、低効率クラッド光取出し領域を作るステップをさらに含む。低効率クラッド光取出し領域と高効率クラッド光取出し領域は、露出クラッド内でのクラッド光信号の伝播方向に沿って交互に配置される。
高効率光除去材料は、少なくとも外部クラッドの屈折率より高い屈折率を有し、光学的に透明でなければならない。当業者であれば、高効率光除去材料の屈折率の数値が露出クラッドの屈折率の数値に向かって高くなるにつれて、露出クラッドの開口数がゼロへと減ることがわかるであろう。それゆえ、すべてのクラッド光を取り出すことができるようにするには、高効率光除去材料の屈折率は露出クラッドの屈折率より高くあるべきである。
特定の実施形態において、外部クラッドと外被はクラッドモードストリッパ領域に沿って一部のみ除去される。この場合、低効率クラッド光取出し領域は、異なる低効率光除去材料を塗布する代わりに、残された外部クラッドと外被によって形成される。しかしながら、外部クラッドと外被がクラッドモード除去領域に沿って完全に除去された場合、低効率クラッド光取出し領域は外部クラッドと外被とは異なる低効率光除去材料を使用することによって作られる。この低効率光除去材料は、露出クラッドの屈折率より低く、高効率光除去材料の屈折率より低い屈折率を有する。
高効率クラッド光取出し領域と低効率クラッド光取出し領域のそれぞれの長さは、具体的な熱分散のニーズに応じて変化してもよい。例えば、クラッドモードストリッパに沿った特定の熱分散パターンを実現するために、高効率クラッド光取出し領域と低効率クラッド光取出し領域の特定のパターンが作られ、生成されてもよい。
ここで、図１Ａおよび１Ｂを同時に参照すると、当業界で知られているダブルクラッド光ファイバの断面図とダブルクラッド光ファイバの屈折率の動径分布図がそれぞれ示されている。
ダブルクラッド光ファイバ１０は、内部の希土類添加石英のコア１１と、光ファイバコア１１の長さに沿ったポンプ光の結合とその後のポンプ吸収に必要な内部クラッド１２と、を有する。内部クラッド１２は通常、純粋石英で作製され、その屈折率６はコア１１の屈折率５より低く、コア１１内で光信号を誘導できる。輝度の低いポンプ光を光ファイバ１０の中へと結合するために、内部クラッド１２は高い開口数を有する。内部クラッド１２の高い開口数は、内部クラッド１２を、内部クラッド１２の屈折率６より低い（例えば、内部クラッド１２が純粋石英で作製されている場合は石英の屈折率より低い）屈折率７を有する低屈折率ポリマ外部クラッド１３で取り囲むことによって実現される。内部クラッド１２の屈折率６より高い（例えば、内部クラッド１２が石英で作製されている場合、石英の屈折率より高い）屈折率８を有する高屈折率ポリマの外被１４により、光ファイバ１０の機械的および化学的完全性が確保される。
ここで、図２を参照すると、当業界で知られている従来のクラッドモードストリッパ２０の側方断面図が示されている。従来のクラッドモードストリッパ２０において、内部クラッド１２からのクラッド光取出しは、外部クラッド１３の光導波機能を変更することによって実現される。図２に示されている従来のクラッドモードストリッパ２０において、外部クラッド１３と外被１４は、光ファイバの特定の長さに沿って除去されて、光除去材料２５に置き換えられる。光除去材料２５は、内部クラッド１２の屈折率と等しい、またはそれより高い屈折率を有する光学的に透明な材料である。このような光学的に透明な材料には、例えば、光学的に清澄なエポキシまたはポリマが含まれる。それゆえ、ファイバのコア１１の中で伝播する光信号が案内され、その一方で、内部クラッド１２の中のクラッド光は、比較的短い伝播長さで出射する。さらに、より大きい伝播角度を有する光線が最初に取り出され、このことは、図５において、従来のモードストリッパの正規化された残余パワーと長さの関係のグラフにより示されている。光除去材料２５の発熱は、光除去材料２５の光吸収率とその中へのクラッド光パワー伝播に比例する。それゆえ、典型的なクラッドモードストリッパ２０においては、取り出されたクラッド光パワー密度と温度は、クラッドモードストリッパ２０のある点において最大となり、このことは図４に示されており、図中、温度分布曲線４４は上述のような従来のクラッドモードストリッパ２０に対応する。
ここで図３を参照すると、本開示のある実施形態による、光案内領域と光除去領域の長さが交互であり、変化する、ダブルクラッド光ファイバ上の本発明の空間変調クラッドモードストリッパの側方断面図が示されている。ダブルクラッド光ファイバは、単に例として使用されており、本発明の空間変調クラッドモードストリッパとこれに関連する方法はダブルクラッド光ファイバに限定されないと理解するべきである。
光ファイバがダブルクラッド光ファイバであるため、まずクラッドモード除去領域３７が、外部クラッド１３と外被１４の一連の小さい部分を除去して、露出したクラッド、すなわち、この例では内部クラッドを提供することによって提供される。外部クラッド１３と外被１４の小さい部分の除去によりできるギャップ３６は光除去材料２５で埋められる。交互に配置されたギャップ３６と残っている外部クラッド１３および外被１４は、コア１１に沿って、交互に配置された光除去領域３８と光案内領域３９のパターンを作る。さらに、光除去領域３８と光案内領域３９の長さは、同じでも、異なる大きさでも、またはクラッドモード除去領域３７の長さに沿って変化してもよい。各光除去領域３８は、露出クラッド１２からクラッド光を除去し（すなわち取り出し）、取り出された光はクラッドモードストリッパ３０の中で、光案内領域の特定の長さにわたって拡散する。光除去材料２５は拡散特性を有する、例えば光学エポキシを含むフュームドシリカ等として、クラッドモードストリッパ３０に沿って、取り出された光を拡散させ、発熱を防止するのに貢献するようにしてもよい。拡散特性を有する光除去材料の使用は、低い開口数のクラッド光線にとって特に重要である。
クラッドモードストリッパ３０の全体の長さを短縮するために、光除去領域３８の長さが徐々に長くされ、それによって、光取出し率がクラッドモードストリッパ３０に沿って低下するにつれて、クラッドモードストリッパ３０に沿った熱分布が平坦となり、これは、取り出すべきクラッド光がどんどん少なくなるからである。取り出すべきクラッド光パワーの合計、取り出すべきクラッド光の開口数分布、およびクラッドモードストリッパ３０の安全温度限界が分かっていれば、クラッド光取出しの正確な変調パターンを設計できる。
ここで、図３および４を同時に参照するが、図４は異なるクラッドモードストリッパの縦方向の温度分布を示している。縦方向の温度分布４２は、図３に示されている空間変調クラッドモードストリッパ３０に対応する。これを、図２に示されている従来のクラッドモードストリッパ２０の縦方向の温度分布４４と比較できる。縦方向の温度上昇分布４２および４４が図４に示されているクラッドモードストリッパは、同様の条件で試験され、同様の手法で操作された。
光除去領域３８の最小制御可能長さとクラッドモードスリッパ３０の全長が、クラッドモードストリッパ３０の２つの設計上の制約要素である。しかしながら、光ファイバは、本来、非常に長く、それゆえ、全体の長さは一般に問題とならない。これに対して、数十マイクロメートルと短いギャップ３６を外部クラッド１３に作ることにより、最小のクラッド光取出しが確実に行われるようにすることが可能である。空間変調クラッドモードストリッパ３０（図３に示す）の温度分布４２の、従来のクラッドモードストリッパ２０（図２に示す）の温度分布４４に対する改善は、最短の光除去領域３８の長さとそれに隣接する光案内領域３９の長さの比に少なくともおおまかに対応する。温度分布の改善のこのような近似は、数ミリメートル未満の光案内領域３９について有効である。十分な長さのクラッドモードストリッパ３０では、図４に示される温度分布４６に描かれているように、キロワットレベルのパワー取出しが可能である。しかしながら、クラッドモードストリッパ３０の最大取出しパワーは、クラッド光開口数、すなわち、図３の例においては内部クラッドのクラッド光により影響を受ける。より高い開口数の光線を取り出すには、クラッド光と光除去材料２５との相互作用レベルが増大するため、最初の光除去領域３８をより短くする必要がある。それゆえ、ある地点で、最初の光除去領域３８の長さを制御することがますます重要となりうる。
ここで、図６を参照すると、他の実施形態による空間変調クラッドモードストリッパ６０が示されている。この実施形態において、空間変調クラッドモードストリッパ６０は、クラッドモードストリッパ領域に沿って一連のギャップを作ることによって製作される。ギャップは、内部クラッドを露出させることによって作られ、そうするために、図６の特定の例においては、外部クラッドと外被が除去される。ギャップは、一定であるが非常に短い長さの光除去領域６６に対応する。ギャップは、外部クラッドと外被が残された、そのままの光ファイバに対応する、長さの異なる一連の光案内領域と交互に配置される。光除去領域６６は、ギャップを光除去材料２５で埋めることによって実現される。
ここで、図７を参照すると、また別の実施形態の空間変調クラッドモードストリッパが示されている。空間変調クラッドモードストリッパ７０において、内部クラッドがクラッドモードストリッパ領域全体に沿って露出している。内部クラッドは、クラッドモードストリッパ７０の長さにわたって外部クラッド１３と外被１４を除去することによって露出させられる（以下、露出クラッドと呼ぶ）。さらに、高効率クラッド光取出し領域７５と低効率クラッド光取出し領域７６は、クラッドモードストリッパ領域の長さに沿って、露出クラッドの周囲に異なる屈折率の材料のパターンを適用することによって実現される。露出クラッド１２の中で伝播するクラッド光は、クラッドモードストリッパ７０によって、一連の、交互に配置された高効率および低効率クラッド光取出し領域によって取り出され、その一方で、コア１１内で伝播する光信号は損なわれない。
ここで、図８を参照すると、さらにまた別の実施形態の本発明の空間変調クラッドモードストリッパ８０が示されている。この実施形態の空間変調クラッドモードストリッパ８０において、図７の実施形態と同様に、内部クラッドが、クラッドモードストリッパ８０の長さにわたって外部クラッド１３と外被４を除去することによって露出させられる（以下、露出クラッドと呼ぶ）。さらに、露出クラッド１２は、クラッドモードストリッパ領域の長さにわたり、あるパターンの窪み８６を有する固体材料８５（例えばガラス、金属、ポリマ）で取り囲まれる。固体材料８５は、高効率クラッド光取出し領域または低効率クラッド光取出し領域の何れとして機能してもよい。窪み８６は、低または高屈折率の何れかを有する材料（例えば、気体、液体、ポリマ、および金属等）で埋められる。露出クラッド１２はまた、固体材料８５が存在しない不活性領域８７と接触する。不活性領域８７は、屈折率の低い材料、例えば水またはポリマから作製される。
図３，６、７、および８は、ダブルクラッド光ファイバ上の本発明の実施形態による空間変調クラッドモードストリッパを示しているが、本発明の空間変調クラッドモードストリッパはこのような光ファイバとの使用に限定されない。本発明の空間変調クラッドモードストリッパは、そこからクラッド光が除去されるべき何れの種類の光ファイバでも使用できる。クラッド光は、クラッドの何れの層からも、クラッド光を取り出す必要のあるクラッドの層を前述のように露出させるだけで除去でき、したがって、露出クラッドの用語が使用される。
以上、本開示を非限定的で例示的なその実施形態によって説明したが、これらの実施形態は、付属の特許請求の範囲内で、本開示の主旨と性質から逸脱することなく、自由に変更できる。
Claims (12)
- クラッドを有する光ファイバのための空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
クラッドの一部に沿って位置付けられた、一連の、交互に配置された高効率クラッド光取出し領域と低効率クラッド光取出し領域を含むことを特徴とする空間変調クラッドモードストリッパ。 - 請求項１に記載の空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
高効率クラッド光取出し領域が、クラッドからの高効率クラッド光取出しを提供する高効率光除去材料を含むことを特徴とする空間変調クラッドモードストリッパ。 - 請求項２に記載の空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
低効率クラッド光取出し領域が、クラッドからの低効率クラッド光取出しを提供する低効率光除去材料を含むことを特徴とする空間変調クラッドモードストリッパ。 - 請求項１に記載の空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
高効率クラッド光取出し領域の長さが、クラッド内のクラッド光の伝播方向に沿って漸増することを特徴とする空間変調クラッドモードストリッパ。 - 請求項４に記載の空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
高効率取出し領域の長さが、取り出すべきクラッド光出力の合計とクラッドモードストリッパを動作させるための安全温度限界に基づくことを特徴とする空間変調クラッドモードストリッパ。 - 請求項１に記載の空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
高効率クラッド光取出し領域の長さが一定であり、その一方で、連続する低効率クラッド光取出し領域の長さがクラッド内のクラッド光の伝播方向に沿って増大することを特徴とする空間変調クラッドモードストリッパ。 - 請求項２に記載の空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
高効率光除去材料が、クラッドの屈折率より高い屈折率を有する光学的に透明な材料であることを特徴とする空間変調クラッドモードストリッパ。 - 請求項２に記載の空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
高効率光除去材料が、光ファイバの外部クラッドの屈折率より高い屈折率を有する光学的に透明な材料であることを特徴とする空間変調クラッドモードストリッパ。 - 請求項７に記載の空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
高効率光除去材料が、取り出されたクラッド光を拡散させるための拡散特性を有することを特徴とする空間変調クラッドモードストリッパ。 - 請求項８に記載の空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
高効率光除去材料が光学エポキシを含む石英からなることを特徴とする空間変調クラッドモードストリッパ。 - 請求項１に記載の空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
低効率クラッド光取出し領域が、内部クラッドを取り囲む外部クラッドと、外部クラッドを取り囲む外被と、を含むことを特徴とする空間変調クラッドモードストリッパ。 - 請求項３に記載の空間変調クラッドモードストリッパにおいて、
低効率光除去材料がクラッドの屈折率より低い屈折率を有する空間変調クラッドモードストリッパ。
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