JP2017223974A - クラッド光除去器および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力ファイバ・レーザのために好適な、製造可能でカスタマイズ可能なクラッド光除去器を提供する。【解決手段】クラッド光除去器２０は、二重クラッド光ファイバ２１の露出した内部クラッド２４の外部表面に、複数の横方向ノッチ２９または溝を含む。ノッチの位置および方向は、クラッド光除去器に沿ってクラッド光の放出が均等になるように選択することができて、放出されるクラッド光によって、より均一な温度分布が可能になる。光ファイバ上のノッチは、レーザ・アブレーション・システムによって作製することができる。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、光ファイバ素子および関連する方法に関し、特にファイバ増幅器およびレーザにおけるクラッド光を取り除く装置および方法に関する。

ファイバ・レーザは、自由空間レーザなどの他のレーザ形式と比較すると、効率および実用性において著しい利点を提供する、重要な新規な種類のレーザである。二重クラッド・ファイバ（ＤＣＦ）の出現によって、ファイバ・レーザは、キロワット（ｋＷ）出力レベルに拡大された。ＤＣＦでは、ポンプ光は比較的太い内部クラッド（典型的には直径が１２５から６００マイクロメートル）内を伝搬し、レーザ光はそれよりずっと細いコア（典型的には直径が５から１００マイクロメートル）内を伝搬する。コアは、イッテルビウムなどの希土類元素のイオンがドーピングされ、内部クラッドで囲まれる。内部クラッドは、ファイバ長全体に沿って、レーザ光増幅のためにドーピングしたコアに吸収されるようにポンプ光を案内する。理想的には、レーザの出力側では、内部クラッド内を伝搬することになる光は存在せず、出力レーザ・ビームの全てはコアから生じる。いくつかのファイバ・レーザ・システムでは、コンポーネント間または増幅段間でコア光だけが伝搬することが、同様に望ましい。

実際には、ファイバ・レーザまたはＤＣＦをベースとした増幅器の出力は、いくらかのコア光およびいくらかのクラッド光から成る。クラッド光は、残留する吸収されないポンプ光と、例えばコア内の散乱または自発放出によってコアからクラッドへ漏れたいくらかのレーザ光とを含む可能性がある。クラッド光は、それらの１つまたは複数の光源およびレーザ・システムの構成に応じて、発散角の広い範囲および様々な波長の光学ビームを含む可能性がある。クラッド光は多くの応用にとって有害であり、好ましくは、ファイバから取り除くべきであり、または「剥ぎ取る」べきものである。高出力のファイバ光源では、３００Ｗを超えるクラッド光が存在する可能性があり、安全に効率的にこの光を取り除くことは、重要な技術的課題である。典型的には、除去されたクラッド光は熱に変換され、ファイバ・コーティング、またはフェルール、スプライス・プロテクタなどの他のコンポーネントが過熱することを回避するために、配慮しなければならない。光ファイバ・コンポーネントは、限られた動作温度範囲を有するポリマーをしばしば含み、例えばいくつかの一般的な光ファイバのポリマーでは、最大連続動作温度は８５°Ｃより低い。高い光除去効率を得るためには、除去されたクラッド光が再び内部クラッドに入ることを防止しなければならない。さらに、クラッド光を除去するために用いるデバイスは、光損失をもたらしてはならないし、あるいはファイバ・コア内の光伝搬を乱してはならない。

ほとんどの従来技術のクラッド光除去器（ＣＬＳ）は、高指数ポリマー（high index polymer）の薄膜層を用いて、それを、クラッド光を「案内しない」ためにクラッドに適用する。例えば、Vilhelmssonによる米国特許第４，６７８，２７３号、Prattによる米国特許第６，８６５，３１６号、ならびにFrithによる米国特許第８，０２７，５５７号および米国特許第８，２２９，２６０号には、クラッド光を除去するための装置が開示されている。それらはクラッドに指数が整合するか、またはクラッドの屈折率より高い屈折率を有する１つまたは複数のクラッド層をクラッドに結合させることで動作する。

図１Ａに示すように、指数整合クラッド光除去器１０Ａは、コア１９、クラッド１２およびコーティング１３を有する光ファイバ１１を含み、それは光ファイバ１１の中間領域１４のクラッド１２から除去される。高指数ポリマー層１５は、中間領域１４のクラッド１２に適用される。動作時には、クラッド光１６は、クラッド１２によって案内される。クラッド光１６が中間領域１４の高指数ポリマー層１５に結合されると、図１Ａに示すように、クラッド光１６はクラッド１２の外に結合される。

指数整合クラッド光除去器１０Ａは、効率の良いクラッド光除去を時には達成することができるが、その光パワーのスケーラビリティは、高指数ポリマー層１５が処理できる最高温度によって制限され、その温度は典型的には１００°Ｃから１５０°Ｃまでの範囲である。高指数層または指数整合層を用いたクラッド光パワーのスケールアップは、困難であり限界がある。それは、クラッド光を除去するために高指数ポリマーを使用すると、除去率を制御することができないか、ほとんどできないからである。したがって、指数整合クラッド光除去器１０Ａのパワーを扱う能力は、局所的な加熱によって制限される。

いくつかの従来技術のシステムでは、ポリマーの屈折率または厚みは、より均一な温度分布を容易にするように選択される。例えば、Meleshkevich他による米国特許第７，８３９，９０１号には、温度によって減少する屈折率を有するポリマーコーティングが開示されている。そのポリマーの指数は、それがコーティングされるクラッドに整合している。放出されたクラッド光の吸収によりポリマーが過熱すると、その屈折率は減少し、それによって、クラッドからの光の局所的放出および結果として生じる加熱を制限する。そして、過熱した点の下流のいくつかの場所でクラッド光を放出する。その結果、発熱量はより均一になる。

ポリマー・ベースのクラッド除去器の光学的および熱的性質、例えば赤外線放射の吸収、スペクトル依存性、加熱速度および熱損傷しきい値などは、除去することができる最大のクラッド光パワーを約１００Ｗに制限することに寄与する。実用的なファイバ・レーザ・システムでは、クラッド光は、通常、高開口数（ＮＡ）の残留ポンプ光と低ＮＡの散乱コア光を含む。低ＮＡの光は、ポリマー・ベースのクラッド光除去器では取り除くのが困難であるが、それは、これらの除去器の除去率が光のＮＡに非常に敏感だからである。高ＮＡの光は、低ＮＡの光と比較して、非常に短い距離で除去される傾向がある。ポリマー・ベースのクラッド光除去器の熱負荷は、非常に不均一であり、低ＮＡのクラッド光に対して所望の除去率を達成するためには、余分の長さを用いなければならない。

Langsethらによる米国特許出願公開第２０１２／００７０１１５号およびMajidらによるＰＣＴ出願の国際公開第２０１２０８８２６７号には、クラッド光をクラッドの外へ散乱させるために、クラッドの粗くした外部表面を有する光ファイバが開示されている。例えば、図１Ｂに示すように、粗面クラッド光除去器１０Ｂはコア１９、クラッド１２およびコーティング１３を有する光ファイバ１１を含み、コーティング１３は光ファイバ１１の中間領域１４のクラッド１２から剥離される。クラッド１２の外部表面１８は、露出した中間領域１４で粗くなっている。動作時には、クラッド光１６は、クラッド１２によって案内される。クラッド光１６が粗くなった外部表面１８に結合すると、クラッド光１６は図１Ｂに示すようにクラッド１２の外に散乱する。

この方法の１つの利点は、クラッド除去器がポリマーを含まないようにすることができるということである。都合の悪いことに、大部分のクラッド光はクラッド除去器の上流の部分で除去されるので、除去器には不均一な温度分布が生じる。さらにまた、表面を粗くすることで微細なクラックが発生するおそれがあり、このクラックは時間と共に広がっていき、ファイバが故障する可能性がある。

米国特許第４，６７８，２７３号 米国特許第６，８６５，３１６号 米国特許第８，０２７，５５７号 米国特許第８，２２９，２６０号 米国特許第７，８３９，９０１号 米国特許出願公開第２０１２／００７０１１５号 国際公開第２０１２０８８２６７号

本発明の目的は、高出力ファイバ・レーザのために好適な、製造可能でカスタマイズ可
能なクラッド光除去器を提供することである。

本発明のクラッド除去器は、二重クラッド光ファイバの内部クラッドの外部表面に、複数の横方向ノッチまたは溝を含む。有利なことに、ノッチの位置および方向は、クラッド光除去器に沿ってクラッド光の放出が均等になるように選択することができて、放出されクラッド光によって、より均一な温度分布が可能になる。さらに、クラッド除去器はポリマーを含まないようにすることができ、したがって高い光パワーレベルに拡大することができる。

本発明によれば、クラッド光除去器が提供され、クラッド光除去器は、
信号光を案内するためのコアと、コアを囲む内部クラッドと、内部クラッドを囲む外部クラッドとを有する二重クラッド光ファイバを備え、
光ファイバは、外部クラッドが取り除かれて、内部クラッドの外部表面の露出部分を形成する剥離部分を含み、露出部分は、ファイバに沿って配置される複数の横方向ノッチを含み、光がノッチに当たると内部クラッドから漏れることを可能にし、複数のノッチの各々は、ファイバ・コアまでの距離の一部分だけの深さを有する。

クラッド光除去器は、外部クラッドの剥離部分に隣接して配置され、内部クラッドから漏れた光を吸収し、吸収された光によって生じる熱を散逸させるための不透明スクリーンまたはヒートシンクを含むことができる。

本発明によれば、光ファイバ増幅器がさらに提供され、光ファイバ増幅器は、クラッド光除去器と、第１の端部でクラッド光除去器の二重クラッド光ファイバに結合される増幅器二重クラッド光ファイバ部と、増幅器二重クラッド光ファイバ部の反対側の第２の端部で内部クラッドに光学的に結合され、増幅器二重クラッド光ファイバ部の第２の端部から第１の端部までポンプ光を供給して伝搬させるためのポンプ・ダイオードと、を備える。

本発明の別の態様によれば、クラッド光除去器と、光ファイバ増幅器に光学的に結合する発振器とを含む光ファイバ増幅器を備えるファイバ・レーザがさらに提供される。

本発明のさらに別の態様によれば、請求項１のクラッド光除去器を形成する方法がさらに提供され、本方法は、
ａ）外部クラッドの一部を除去して、内部クラッドの露出部分を残すステップと、
ｂ）内部クラッドに横方向ノッチを形成するために、レーザ・ビームを露出部分の内部クラッドの外部表面上に集束させて、内部クラッドを局所的に蒸発させ、取り除くステッ
プと、
ｃ）露出部分に沿って異なる場所でステップｂ）を複数回繰り返すステップと、を含む。

例示的実施形態は、以下の図面と共に記載される。

図１Ａ、図１Ｂは従来技術の指数整合クラッド光除去器および粗面クラッド光除去器のそれぞれの側方断面図である。 本発明の一実施形態によるクラッド光除去器の側方断面図である。 ノッチ表面で反射し屈折するクラッド光を示す図１Ａの拡大図である。 図２Ａのクラッド光除去器のニートシンクの分解３次元図である。 図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄはそれぞれ１つ、２つ、３つ、および４つの側面上にノッチを有する二重クラッド光ファイバの断面図である。 ２側面のノッチおよび３側面のノッチのノッチ数に対する除去効率の実験によるプロットである。 ノッチ深さに対する除去効率の実験によるプロットである。 ノッチ・ピッチに対する除去効率の実験によるプロットである。 ファイバ曲げ半径に対する除去効率の実験によるプロットである。 曲げ半径の関数としての、低ＮＡおよび高ＮＡ光の光伝送の実験によるプロットである。 ノッチが均一に分布する場合のクラッド光除去器の長さに対する送信器パワーの計算によるプロットである。 クラッド光除去器の長さに対する除去効率の計算によるプロットである。 様々なノッチ・ピッチとノッチ深さとを有する本発明のクラッド光除去器の側方断面図である。 様々なノッチ・ピッチとノッチ深さとを有する本発明のクラッド光除去器の側方断面図である。 図１４Ａは一定のノッチ・ピッチと深さとを有するクラッド・モード除去器の試作品の測定された表面温度分布である。図１４Ｂは様々なノッチ・ピッチと深さとを有するクラッド・モード除去器の試作品の測定された表面温度分布である。 本発明のクラッド光除去器を含む光ファイバ増幅器の模式図である。 図１５の光ファイバ増幅器を含むファイバ・レーザの模式図である。 本発明による光ファイバ上にノッチを作るためのシステムの模式的な側面図である。 図１７のシステムを用いて、図２Ａのクラッド・モード除去器を製造する方法のフローチャートである。

本教示が様々な実施形態および実施例と共に記載されるが、本教示がこのような実施形態に限定されることを意図するものではない。反対に、本教示が様々な代替例および均等例を含むことは、当業者には理解できるであろう。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、クラッド光除去器２０は、信号光２３を案内するためのコア２２を有する二重クラッド光ファイバ２１と、コア２２を囲む内部クラッド２４と、内部クラッド２４を囲む外部クラッド２５とを含む。光ファイバ２１は、外部クラッド２５が取り除かれた剥離部分２６を含み、剥離部分２６は内部クラッド２４の外部表面２８の露出部分２７を形成する。このように、剥離部分２６には、外部クラッド２５が存在しない。露出部分２７は、内部クラッド２４の外部表面２８の露出部分２７におけるファイバ２１に沿って配置される複数の横方向ノッチ２９を含み、クラッド光部分３０Ａ、３０Ｂ（図２Ｂ）が、ノッチ２９に当たってノッチ２９の側面３１を通って屈折することによって（光部分３０Ａ）、あるいは側面３１で反射することによって（光部分３０Ｂ）、内部クラッド２４から漏れることを可能にする。本明細書では、「横方向」という用語は、光ファイバ２１に対して垂直なノッチ２９に限定されるものではない。すなわち、ノッチ２９が光ファイバ２１に対してある角度を有してもよく、その場合も「横方向」である。複数のノッチ２９の各々は、幅ｗとファイバ・コア２２までの距離Ｄ（図２Ｂ）の一部である深さｄとを有する。言い換えれば、各ノッチ２９はファイバ・コア２２から離れており、またはファイバ・コア２２に接触しないか、またはファイバ・コア２２内に伸張しない。少なくとも１０個のノッチ２９、より好ましくは、少なくとも３０個のノッチ２９を提供することができる。ノッチ２９の深さは、例えば内部クラッドの直径の５％と２０％との間とすることができ、あるいは２０マイクロメートルから８０マイクロメートルまでの深さとすることができる。

図２Ａに示す実施形態では、内部クラッド２４から漏れた光部分３０Ａ、３０Ｂを吸収するために、そして、吸収された光部分３０Ａ、３０Ｂによって生じる熱を散逸させるために、クラッド光除去器２０は、外部クラッド２５の剥離部分２６に隣接して配置される任意のヒートシンク３４を含む。そのために、ヒートシンク３４は、内部クラッド２４から漏れた光部分３０Ａ、３０Ｂを捕らえるために、剥離部分２６の周囲に空洞３５を形成する。好ましくは、空洞３５は、吸収部分３６と、漏れた光部分３０Ａ、３０Ｂを吸収部分３６に向けるための反射部分３７とを有する。吸収部分３６は、外部ヒートシンク３８に熱的に接続することができる。ヒートシンク３４は、少なくとも１０Ｗ／ｍ−Ｋの、より好ましくは、例えばアルミニウムまたは銅などの、少なくとも１００Ｗ／ｍ−Ｋを超える高い熱伝導率を有する他の材料から製造することもできる。

ヒートシンク３４の試作品を、図３に示す。図３のヒートシンク３４の吸収部分３６および反射部分３７は、アルミニウム・ブロックから作られる。空洞３５は、吸収部分３６において切削加工により作られる。光ファイバ２１を案内し、保持するために、溝３９が吸収部分３６において切削加工により作られる。溝３９によって、光ファイバ２１がヒートシンク３４において確実にわずかに曲げられるが、５０ｃｍと２００ｃｍとの間の曲げ半径になることが好ましい。曲げは、２つの理由のために成される。第１には、ファイバ２１において熱的に引き起こされた応力を軽減するためであり、第２には、後述するように、除去率を改善するためである。吸収部分３６は黒色陽極酸化され、一方、反射部分３７は研磨されるかまたは白色陽極酸化される。図３のヒートシンク３４の寸法は、２２０ｍｍ×３２ｍｍ×１１ｍｍである。剥離部分２６を形成するために、ファイバ２１の外部クラッド２５の、好ましくは少なくとも４０ｍｍ、より好ましくは少なくとも１６０ｍｍの部分を除去することができる。１６０ｍｍの外部クラッド２５を取り除く場合には、内部クラッド２４の外部表面２８の少なくとも１４０ｍｍの部分は、ノッチ２９を形成するために用いることができる。単位長さ当たりのノッチ２９の数は、本明細書では「ピッチ」と呼び、１ノッチ／ｃｍから１０００ノッチ／ｃｍまで変化することができ、より好ましくは、１０ノッチ／ｃｍから５００ノッチ／ｃｍまで変化することができる。

光ファイバ２１は、ファイバ・レーザおよびファイバ光増幅器でゲインを提供するアクティブ・ファイバであってもよいし、またはパッシブ・ファイバ、例えばアクティブ・ファイバに接合される出力ファイバもしくはいかなるレーザによっても用いることができるパワー・デリバリ・ファイバなどであってもよい。アクティブ光ファイバ２１では、内部クラッド２４により案内されたポンプ光３３（図２Ａおよび図２Ｂ）によってポンプされた場合に、信号光２３を増幅するために、コア２２は、ドーパント、例えばイッテルビウムおよび／またはエルビウムイオンなどの希土類元素イオンを含む。動作時には、ポンプ光源（図２Ａおよび図２Ｂには示されない）を結合することによって、光ファイバ２１は内部クラッド２４内にポンプされる。ポンプ光３３は、コア２２内の希土類元素イオンによって大部分吸収される。希土類元素イオンは、コア２２内を伝搬する信号光２３を増幅する。通常、ポンプ光３３の一部は、本明細書では「残留ポンプ光」と呼ばれ、吸収されないままである。光部分３０Ａおよび３０Ｂは、主に残留ポンプ光３３から生じるが、しかし、コア２２から散乱され、または自発放出された信号光２３から生じることもあり得る。典型的には、残留ポンプ光３３は高ＮＡ光であり、散乱した信号光２３は低ＮＡ光である。クラッド２４から逃れる光の量は、クラッド光３３の発散およびノッチ２９の深さに依存する。低ＮＡ光では、漏れた光の一部が内部クラッド２４に再び入ることができる。後述するように、ノッチ２９のサイズ、入射角およびノッチ２９の幾何学的形状、ノッチ２９のピッチ、ならびにいくつかの他のパラメータを調整することによって、クラッド光除去率を調整することができる。

ノッチ２９は、光ファイバ２１の複数の側面に形成することができる。図２Ａをさらに参照しつつ図４Ａから図４Ｄに示すように、ノッチ２９は１つの側面（図４Ａ）、２つの側面（図４Ｂ）、３つの側面（図４Ｃ）、４つの側面（図４Ｄ）などに、露出部分２７の外周に間隔を置いて形成することができる。ノッチ２９は、露出部分２７の長さに沿って、かつ露出部分２７の外周に、間隔を置いて配置することができる。さらにまた、ノッチ２９は、二重クラッド光ファイバ２１のコア２２の周りに、螺旋状パターンに配置することができる。

高出力ファイバ・レーザの応用例では、クラッド光除去器２０に沿ったクラッド光除去率の包括的な制御を有することは、非常に望ましい。「除去率」は、内部クラッド２４の単位長さ当たりのクラッド光３３の光パワー損失、例えば単位長さ１ｍｍ当たりのｄＢ単位の光パワー損失と定義される。所望の除去率は、熱管理要件、クラッド・モード除去器２０の長さの制約、および他の材料特性の制約に基づいて選択される。

除去率は、光ファイバ２１のノッチ２９が形成された側面の数によって変化し得る。典型的には側面の数が増加するにつれて除去率は高くなるが、これは、クラッド２４に対して、光を外に散乱させる漏出点（escaping points）をより多く提供するからである。また除去率は、ノッチ２９の密度および深さｄによっても増加する。

ノッチ２９の総数は、除去効率に影響を与える。「除去効率」は、本明細書では、クラッド光除去器２０を伝搬した後の総光パワー損失として定義される。異なる数のノッチ２９およびノッチ２９が配置される異なる数の側面を有するクラッド・モード除去器２０の試作品を用いて、除去効率を測定した。図５に示すように、外側の（ポリマー）クラッドを剥ぎ取ると直径４００マイクロメートルとなる二重クラッド溶融石英ファイバに、深さ３６マイクロメートルのノッチ２９（ｄ＝３６マイクロメートル）を形成した。ノッチ２９の総数が増加するにつれて、除去効率は一般に増加する。図５に示す除去効率は、２側面のノッチ（図４Ｂ）と比較すると、３側面のノッチ（図４Ｃ）の方が約３〜４ｄＢ高い。

除去率および除去効率は、幾何学的形状、例えばノッチ２９の幅ｗおよび深さｄ（図２Ｂ）にも依存するので、したがって、これは除去効率を制御するための別の工学自由度を提供する。ノッチ２９の深さｄは、ファイバ２１の引張り強度を維持し、ノッチ２９によるコア２２の微細な屈曲を少なくするために、通常、ファイバ２１の直径の５％と２０％との間に保たれる。図６に示すように、側面３１の数、ノッチ２９の数、およびノッチ２９間の距離などの他のパラメータは同じにして、除去効率をノッチ２９の深さｄの関数として測定した。深さｄが３０マイクロメートルから８０マイクロメートルまで増加するにつれて、除去効率が７ｄＢより大きく変化することが分かる。

除去率および／または除去効率を最適化する別の方法は、本明細書で「ピッチ」と呼ばれる、隣接するノッチ２９間の距離を変化させることであり、そうすることで、漏れなかった光の伝搬がノッチ２９の次の組に到達することができる。図７に、除去効率を、ピッチ・パラメータの関数として示す。ピッチが４００から１８００マイクロメートルまで変化するにつれて、除去効率は約９ｄＢ変化する。

また、除去率および除去効率は、クラッド・モード除去器２０の露出部分２７の曲げにも敏感である。露出部分２７の曲げが増大するにつれて、ノッチ２９の表面に対する入射角は増大し、したがって、内部クラッド２４に戻って結合することになる光の量が減少する。その結果、図８に示すように、特に低ＮＡ光では、個々のノッチ２９から漏れる光の量が増加する。光クラッド除去器２０の低ＮＡ光を除去するための能力は、非常に重要である。なぜなら、それは低ＮＡ光と高ＮＡ光との除去率の差を狭めることができ、ヒートシンク３４の熱分布を制御することがより容易になるからである。曲げの影響の一例を図９に示すが、これは光ファイバ２１が半径３５ｃｍまで適度に曲げられた場合に、低ＮＡ光と高ＮＡ光との除去率の差が非常に小さくなることを示す。

ノッチ２９の個数および深さｄ、ノッチ・ピッチ、ならびに光ファイバ２１の曲げ半径に対する除去率および除去効率の依存性によって、特定のレーザ・システムにおける様々なクラッド光除去要件、例えばパワー処理能力、冷却要件、材料の制約、デバイスのフットプリントの要件ならびに他の制約および要件などに適応することができる。したがって、クラッド光除去器２０の１つの利点は、熱分布を非常に柔軟に制御できることである。剥離部分２６の始まりまたは上流では、内部クラッド２４から漏れる光部分３０Ａ、３０Ｂの光パワー密度を制限するために、非常に低い除去率を有することが一般的には好ましい。剥離部分２６の下流では、残留クラッド・モード光をきれいにするために、除去率を増加させることが望ましい。

内部クラッド２４の所与の点で散逸する熱量は、残留するクラッド光パワーおよび除去率により算出することができる。高指数ポリマーを用いる大部分の従来のクラッド光除去器がそうであるように、除去率が光ファイバの長さに沿って一定である場合には、熱負荷はデバイスの始まりでは非常に高く、デバイスに沿って指数関数的に減少する。所望の除去パワーが上がるにつれて、この特性によってデバイスの始まりでは非常に高い温度になり、それによって、デバイスが散逸させることができる全パワーの量が制限される。

クラッド・モード除去器２０の熱放散を最適化するためには、単位長さ当たりの所望の散逸パワーを知ることが必要であり、それは、全クラッド光パワーの量、所望のデバイスのフットプリントもしくはクラッド・モード除去器２０の長さ、またはヒートシンク３４が処理できる最大熱密度によって決定される。それから、クラッド・モード除去器２０に沿って所望の局所除去率を算出することができる。ノッチ２９のサイズ、ピッチ、および側面の数の関数としてのノッチ２９当たりの除去率に基づいて、所望の除去率を達成するように、ノッチ・ピッチまたはノッチ・サイズを調整することができる。

ここで図１０、図１１、図１２、および図１３を参照し、さらに図２Ａを参照して、一定の除去率において散逸されるクラッド光パワーを図１０に示す。送信された光パワーは、クラッド光除去器２０（図２Ａ）に沿って、長さと共にほぼ直線的に減少する。クラッド・モード除去器２０に沿った熱分布を均等にするためには、図１１に示したように、剥離部分２６の始まりでは除去率をより低くしなければならない。剥離部分２６の始まりで除去率を減少させるためには、図１２のクラッド・モード除去器２０Ａに示すように、剥離部分２６の始まりでノッチ密度を減少させるか、または図１３のクラッド・モード除去器２０Ｂに示すように、剥離部分２６の始まりでノッチ深さｄを減少させるか、または剥離部分２６の始まりでノッチ密度とノッチ深さｄとの両方を減少させることが必要となる。好ましくは、図１２のクラッド光除去器２０Ａのノッチ・ピッチは、図１２および図１３で左から右に進むにつれて、２ノッチ／ｃｍから２００ノッチ／ｃｍまで徐々に増加し、より好ましくは、５ノッチ／ｃｍから２０ノッチ／ｃｍまで徐々に増加している。

図２Ａのクラッド・モード除去器２０、図１２のクラッド・モード除去器２０Ａおよび図１３のクラッド・モード除去器２０Ｂの、除去されたクラッド光３０Ａ、３０Ｂによる熱分布を均等にする能力を実証するために、２つの試作品のクラッド・モード除去器を製作した。図１４Ａを参照して、ノッチ２９の深さｄおよび間隔（ピッチ）が一定の場合のヒートシンク３４の熱分布を示す。大部分の熱がヒートシンク３４の左側の始まりで散逸されることが分かる。除去率がデバイスに沿って一定である従来技術のクラッド・モード除去器においても、このタイプの熱分布が一般的である。ここで図１４Ｂを参照して、ノッチ２９が様々な深さｄおよび間隔（ピッチ）をもつ場合のヒートシンク３４の熱分布を示す。ヒートシンク３４の温度プロフィールはより均一であり、ヒートシンク３４に沿ってより分散した熱負荷を示す。ノッチ２９の様々なサイズおよび間隔の利点は、ヒートシンク３４の温度上昇によって定量化することができる。図１４Ｂの試作品デバイスでは、ヒートシンクの温度上昇は、約４５０Ｗの除去された全パワーに対してわずか３４度Ｃであり、それは、同じ約４５０Ｗの除去されたパワーレベルの非分散熱負荷クラッド・モード除去（図１４Ａ）における温度上昇の半分だけである。

図２Ａのクラッド・モード除去器２０の応用例について、ここで考慮する。図１５に示すように、光ファイバ増幅器１５０は、クラッド光除去器２０および増幅器二重クラッド光ファイバ部１５９を含み、それは、増幅器二重クラッド光ファイバ部１５９の第１の端部１５１で、クラッド光除去器２０の二重クラッド光ファイバ２１に結合される。ポンプ・ダイオード１５３は、増幅器二重クラッド光ファイバ部１５９の反対側の第２の端部１５２に、例えば、レンズ１５５およびダイクロイック・ミラー１５６を介して光学的に結合される。動作時には、ポンプ・ダイオード１５３は、破線で示すポンプ光１５４を生成し、それは増幅器二重クラッド光ファイバ部１５９の第２の端部１５２から第１の端部１５１まで伝搬するように、増幅器二重クラッド光ファイバ部１５９に結合される。ダイクロイック・ミラー１５６は、ポンプ波長で光を反射するが、信号波長で光を透過する。ポンプ光１５４が増幅器二重クラッド光ファイバ部１５９のドーピングしたコア１６２に吸収されると、入力光信号１５７が増幅され、実線で示す出力光信号１５８またはレーザ光１５８がダイクロイック・ミラー１５６を介して増幅器から出力する。クラッド光除去器２０は、増幅器二重クラッド光ファイバ部１５９のドーピングしたコア１６２に吸収されなかった残留ポンプ光１５４の大部分を取り除く。

クラッド・モード除去器２０は、例えば、増幅器二重クラッド光ファイバ部１５９に接合される、ドーピングしていない二重クラッド・ファイバ部を含むことができるか、または、増幅器二重クラッド光ファイバ部１５９を含む同じアクティブ（ドーピングした）二重クラッド光ファイバの別の部分を含むことができる。本発明の一実施形態では、クラッド光除去器２０は、少なくとも２００Ｗのポンプ・ダイオード１５３の残留光パワーレベルで、少なくとも１５ｄＢの光除去効率を有することができる。

図１５をさらに参照しつつ図１６に示すように、ファイバ・レーザ１６０は、光ファイバ増幅器１５０と、入力光信号１５７を生成するための、光ファイバ増幅器１５０に光学的に結合される発振器１６１とを含む。クラッド光除去器２０の機能は、発振器１６１の過熱、損傷または不安定化を防止するために、内部クラッド２４から可能な限り多くのクラッド光を取り除くことである。

クラッド光除去器２０は、様々な他の構成で、例えば、（１）信号１５７の伝搬方向がポンプの伝搬方向と同じ方向にあり、クラッド光除去器２０は、アクティブ・ファイバの出力端の近傍に配置されるか、またはアクティブ・ファイバに接合されたパッシブ・デリバリ・ファイバに配置され、このようにしてクラッドのポンプおよび信号光の両方を除去する、ファイバ増幅器（図示せず）において、（２）コア内の光信号１５７が反射して、光信号１５７がアクティブ・ファイバを２回通過する複光路ファイバ増幅器（図示せず）において、（３）アクティブ・ファイバおよび２つの反射器により形成されるファイバ発振器であって、クラッド光除去器２０は発振器のポンプから反対側の端部に配置される、ファイバ発振器（図示せず）において、あるいは、（４）例えばプラグ接続可能なコネクタによって、または、ファイバ接合によって、レーザ・システムに接続することができる自律的パワー・デリバリ・ファイバ（図示せず）において、用いることもできる。

本発明によれば、クラッド光除去器２０は、図１７に示す製造システム１７０を用いたレーザ材料アブレーションによって、好適に製造される。製造システム１７０は、ＣＯ_２レーザ１７１と、デリバリ・ファイバ１７３および処理ヘッド１７４を含むビーム・デリバリ・システム１７２と、電動式の並進／回転ステージ１７５と、ＣＯ_２レーザ１７１および並進／回転ステージ１７５を制御するように構成されるコンピュータ１７６とを含む。図２Ａおよび図１７をさらに参照しつつ図１８に示すように、クラッド光除去器２０を製造する方法１８０は、外部クラッド２５の部分２６を取り除いて、内部クラッド２４の外部表面２８の部分２７を露出させるステップ１８１を含む。ついで、ステップ１８２で、除去されたファイバ２１は、電動式の並進／回転ステージ１７５上に置かれ、処理ヘッド１７４はＣ０２レーザ１７１の出力レーザ・ビーム１７７を集束させる。出力レーザ・ビーム１７７は、露出部分２７の外部表面２８上の球形または楕円形の焦点スポット１７８に集束させることができる。そのために、処理ヘッド１７４は、図示していないが、球状／メニスカスおよび／または円柱レンズの組合せを含むことができる。ＣＯ_２レーザ１７１は、好ましくは数１０から数１００マイクロ秒までのゲーテッド・モード_（gated mode）で動作し、集束したレーザ・ビームのピーク強度は、パルス幅に応じて、内部クラッド材料の損傷しきい値より上になるように、例えば溶融石英では１００ｋＷ／ｃｍ^２と２００ｋＷ／ｃｍ^２との間で選択される。焦点スポット１７８のサイズは、８０マイクロメートルと２００マイクロメートルとの間とすることができる。ノッチ２９の所望の形状を生成するために、焦点スポット１７８を成形することができ、および／または、レーザ・ビーム１７７を偏向することができる。

１つのノッチ２９がパルスの１つまたは複数のショットによって作られた後、ステップ１８３で、並進／回転ステージ１７５を用いて矢印１７９で示すようにファイバ２１を移動させるか、またはレーザ・ビーム１７７を動かすことによって、次の位置上にレーザ・ビーム１７７を集束させて、結果としてノッチ２９を作製する。それから、ステップ１８４で、集束およびアブレーションのステップ１８２が繰り返され、ファイバ２１は、次の位置へ移動し、以下同様である。上述したように、所望の除去効率および／または熱負荷分布を達成するために、隣接するノッチ２９間の間隔は、同一であってもよいし、または変化してもよく、光ファイバ２１を長さ方向に変位させるために、手動で、またはコンピュータ１７６および並進／回転ステージ１７５によって自動的に制御される。ＣＯ^２レーザ１７１および／または集束パラメータを変化させることによって、ノッチ２９の幅ｗおよび深さｄを制御する。集束パラメータは、すなわち、各ノッチ２９に対するショット数、ピークパワー、レーザ・パルス幅、レーザ時間的波形、レーザ焦点強度、レーザ焦点スポットサイズ、レーザ焦点１７８に対するファイバ２１の位置などである。

製造システム１７０は、既存のレーザ・システムのいかなるファイバであっても、付加的な接合を必要とせずに、クラッド光除去器２０を作製するために用いることができる。これは有利なことであり、なぜなら、付加的な接合によって、コア光損失および出力レーザ・ビーム品質の劣化をさらに招くおそれがあるからである。

並進／回転ステージ１７５を用いてファイバ２１を回転させるか、または多重レーザ・ビーム（図示せず）を用いることによって、図４Ａから図４Ｄに示すように、ノッチ２９をファイバ２１の１つまたは複数の側面に作ることができる。ノッチ２９が作られる側面の数は、所望の除去効率および／または他の要件によって決定される。ノッチを形成するために、他のレーザ・タイプ、例えばＵＶ（紫外）レーザを用いてもよい。

図１７および図１８をさらに参照しつつ、再び図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、ＣＯ２レーザ・システム１７０（図１７）および方法１８０（図１８）を用いて製造されたクラッド・モード除去器２０は、５００Ｗまでの内部クラッド光３３を除去することが実証され、溶融石英内部クラッド２４については、典型的には、取り除かれた光パワーの１ワット（Ｗ）当たり約０．０６°Ｃであり、ポリマー外部クラッド２５については、典型的には、約０．０３°Ｃ／Ｗである非常に低い温度係数を有する。わずか４０ミリメートルの長さのクラッド・モード除去器２０は、０．０８未満の低いＮＡクラッド光部分３０Ａ、３０Ｂに対して、５００Ｗのパワーレベルで、約１９ｄＢの減衰を生じさせることができる。典型的には、０．０８未満の低いＮＡクラッド光部分３０Ａ、３０Ｂに対して、少なくとも１６〜２３ｄＢの除去効率が達成され、時には３２ｄＢまでの効率が達成された。

クラッド光除去器２０の別の利点は、内部クラッド２４の表面２８を広範囲にわたって変形させても、光ファイバ２１の引張り強度の低下がほとんど、あるいは全く観察されなかったということである。全ての試作品デバイスは曲げ試験でテストされ、全てが５０ｋＰＳＩの等価な引張り強度をパスした。さらに、パッケージされた試作品クラッド光除去器２０は、工業標準の２５Ｇの衝撃試験および５Ｇのサイン・スイープ振動試験にパスした。

図１８のレーザ・ノッチング製造方法１８０は、光ファイバ２１のコア２２の屈折率の変化を生じさせる可能性があるので、このようなデバイスが挿入損失またはモード品質の劣化を招くおそれがあり得る。この影響を緩和する１つの方法は、ノッチ２９の深さｄを小さくするか、あるいはコア光２３の基本モードを高次モードに結合させることになる共振周波数とは異なるノッチ・ピッチを選択することである。これらの要因は、好ましくはノッチ・ピッチを選択する際に考慮される。コア光パワーの損失またはモード品質の劣化が、クラッド光除去器２０の試作品では、全く観察されなかったことが実験的に確認された。

本発明の１つまたは複数の実施形態についての上記の記述は、図示および説明のために提示したものである。それは、網羅的であることを意図するものではなく、あるいは本発明を開示される正確な形式に限定することを意図するものでもない。上記の教示を考慮して、多くの変更および変形が可能である。この詳細な説明によってではなく、むしろ本明細書に添付した特許請求の範囲によって、本発明の範囲を限定することを意図している。

２０ クラッド光除去器、クラッド・モード除去器、光クラッド除去器
２０Ａ、２０Ｂ クラッド・モード除去器
２１ 二重クラッド光ファイバ
２２ コア
２３ 信号光
２４ 内部クラッド
２５ 外部クラッド
２６ 剥離部分
２７ 露出部分
２８ 外部表面
２９ 横方向ノッチ
３０Ａ、３０Ｂ クラッド光部分
３１ 側面
３３ ポンプ光
３４ ヒートシンク
３５ 空洞
３６ 吸収部分
３７ 反射部分
３８ 外部ヒートシンク
３９ 溝
１５０ 光ファイバ増幅器
１５１ 第１の端部
１５２ 第２の端部
１５３ ポンプ・ダイオード
１５４ ポンプ光
１５５ レンズ
１５６ ダイクロイック・ミラー
１５７ 入力光信号
１５８ 出力光信号
１５９ 増幅器二重クラッド光ファイバ部
１６０ ファイバ・レーザ
１６１ 発振器
１６２ コア
１７０ 製造システム
１７１ ＣＯ２レーザ
１７２ ビーム・デリバリ・システム
１７３ デリバリ・ファイバ
１７４ 処理ヘッド
１７５ 並進／回転ステージ
１７６ コンピュータ
１７７ レーザ・ビーム
１７８ 焦点スポット

Claims (20)

1. 信号光を案内するためのコアと、前記コアを囲む内部クラッドと、前記内部クラッドを囲む外部クラッドとを有する二重クラッド光ファイバを備え、
   前記光ファイバは、前記外部クラッドが取り除かれて、前記内部クラッドの外部表面の露出部分を形成する剥離部分を含み、前記露出部分は、前記ファイバに沿って配置される複数の横方向ノッチを含み、光が前記ノッチに当たると前記内部クラッドから漏れることを可能にし、前記複数のノッチの各々は、前記ファイバ・コアまでの距離の一部分だけの深さを有する、クラッド光除去器。
2. 前記コアは、前記内部クラッドによって案内されるポンプ光によってポンプされる場合に、前記信号光を増幅するためのドーパントを含む、請求項１に記載のクラッド光除去器。
3. 前記複数の横方向ノッチは、１ノッチ／ｃｍから１０００ノッチ／ｃｍのピッチを有し、前記複数のノッチは、少なくとも１０個のノッチを含む、請求項１に記載のクラッド光除去器。
4. 前記複数の横方向ノッチは、前記露出部分の長さに沿って徐々に変化するピッチを有する、請求項１に記載のクラッド光除去器。
   
5. 前記ピッチは、２ノッチ／ｃｍと２００ノッチ／ｃｍとの間で変化する、請求項４に記載のクラッド光除去器。
6. 前記ノッチの前記深さは、前記内部クラッドの直径の５％と２０％との間であり、または、前記ノッチの前記深さは、２０マイクロメートルから８０マイクロメートルまでの深さである、請求項１に記載のクラッド光除去器。
7. 前記ノッチの前記深さは、前記露出部分の長さに沿って徐々に変化する、請求項６に記載のクラッド光除去器。
8. 前記複数の横方向ノッチは、前記露出部分の長さに沿って、かつ、前記露出部分の外周に、間隔を置いて配置される、請求項１に記載のクラッド光除去器。
9. 前記剥離部分は、少なくとも４０ｍｍの長さである、請求項１に記載のクラッド光除去器。
10. 前記露出部分は、５０ｃｍと２００ｃｍとの間の曲げ半径を有する曲線状の部分を備える、請求項１に記載のクラッド光除去器。
11. 前記光ファイバの前記剥離部分に隣接して配置され、前記内部クラッドから漏れた光を吸収し、前記吸収された光によって生じる熱を散逸させるためのヒートシンクをさらに備える、請求項１に記載のクラッド光除去器。
12. 前記ヒートシンクは、前記内部クラッドから漏れた前記光を捕らえるために、前記剥離部分の周囲に空洞を形成し、前記空洞は、吸収部分と、前記漏れた光を前記吸収部分に向けるための反射部分と、を有し、前記吸収部分は、外部ヒートシンクに熱的に接続される、請求項１１に記載のクラッド光除去器。
13. 請求項１に記載のクラッド光除去器と、
    第１の端部で前記クラッド光除去器の二重クラッド光ファイバに結合される増幅器二重クラッド光ファイバ部と、
    前記増幅器二重クラッド光ファイバ部の反対側の第２の端部に光学的に結合され、前記増幅器二重クラッド光ファイバ部の前記第２の端部から前記第１の端部までポンプ光を供給して伝搬させるためのポンプ・ダイオードと、
    を備える光ファイバ増幅器。
14. 前記ポンプ・ダイオードは、少なくとも２００Ｗのポンプ定格出力を有し、前記クラッド光除去器は、少なくとも１５ｄＢの光除去効率を有する、請求項１３に記載の光ファイバ増幅器。
15. 請求項１４に記載の光ファイバ増幅器と、前記光ファイバ増幅器に光学的に結合される発振器と、を備えるファイバ・レーザ。
16. 請求項１に記載のクラッド光除去器を形成する方法であって、
    ａ）外部クラッドの一部を取り除いて、内部クラッドの露出部分を残すステップと、
    ｂ）前記内部クラッドに横方向ノッチを形成するために、レーザ・ビームを前記露出部分の前記内部クラッドの外部表面上に集束させて、前記内部クラッドを局所的に蒸発させ、取り除くステップと、
    ｃ）前記露出部分に沿って異なる場所でステップｂ）を複数回繰り返すステップと、
    を含む方法。
17. ステップｃ）は、ファイバを移動させて、結果としてノッチを作製するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
18. ステップｂ）において、ＣＯ２レーザが、前記レーザ・ビームを生成するために用いられ、ステップｂ）は、数１０から数１００マイクロ秒までのパルス幅のゲーテッド・モードでＣＯ２レーザを動作させ、１００ｋＷ／ｃｍ２と２００ｋＷ／ｃｍ２との間の光パワー密度に前記レーザ・ビームを集束させるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
19. ステップｂ）において、前記レーザ・ビームは、８０マイクロメートルから２００マイクロメートルまでの焦点スポットサイズに集束され、前記ノッチの所望の形状を生成するために、前記焦点スポットは成形され、または、前記レーザ・ビームは偏向される、請求項１８に記載の方法。
20. ステップｃ）は、ファイバを長さ方向に変位させるためのコンピュータ制御の移動ステージを用いて、隣接するノッチ間の間隔を自動的に制御するステップを含む、請求項１６に記載の方法。