JP2020136525A

JP2020136525A - 光部品およびレーザ装置

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Publication number: JP2020136525A
Application number: JP2019029365A
Authority: JP
Inventors: 泰裕益子; Yasuhiro Mashiko; 真一阪本; Shinichi Sakamoto
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-08-31
Also published as: WO2020170558A1

Abstract

【課題】増幅用光ファイバで発生する熱により被るダメージを低減できる光部品およびレーザ装置を提供する。【解決手段】第一反射部を有する第一ファイバと、第二反射部を有する第二ファイバと、前記第一ファイバに接続される第一端および前記第二ファイバに接続される第二端を有する増幅用光ファイバと、を備える光部品が提供される。前記増幅用光ファイバは、一平面上で交差しないように且つ前記第一端が最内周に位置するように巻回されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光部品およびレーザ装置に関する。

２つの反射部（ＦＢＧ）の間に配された増幅用光ファイバを備えるレーザ装置が知られている。増幅用光ファイバは、導入された励起光を吸収し信号光を放出する。その過程で増幅用光ファイバは励起光から信号光への波長変換に対応した量子欠損分のエネルギーを熱へと変換して放出する。熱による増幅用光ファイバへのダメージを抑制するために、増幅用光ファイバで発生した熱を取り除くことが必要になる場合がある。

特許第６１４０７４３号公報

特許文献１には、水冷板の上に増幅用光ファイバを巻回して形成された増幅用コイルを有するレーザ装置が開示されている。増幅用光ファイバで発生した熱は、増幅用光ファイバに接している水冷板により取り除かれる。増幅用光ファイバの一端は、コイルの最外周から延出し、反射部を有する入力側光ファイバに接続されている。増幅用光ファイバの他端は、コイルの最内周からその外周にある増幅用光ファイバと交差するように延出し、反射部を有する出力側光ファイバに接続されている。
このような構造では、少なくとも上述の交差部分において、増幅用光ファイバ同士が接する可能性があり、また増幅用光ファイバの一部は冷却板から離間する。

本発明は、増幅用光ファイバで発生する熱により被るダメージを低減できる光部品およびレーザ装置の提供を一つの目的とする。

（１）本発明の一態様に係る光部品は、第一反射部を有する第一ファイバと、第二反射部を有する第二ファイバと、前記第一ファイバに接続される第一端および前記第二ファイバに接続される第二端を有する増幅用光ファイバと、を備える光部品であって、前記増幅用光ファイバは、一平面上で交差しないように且つ前記第一端が最内周に位置するように巻回されている。
（２）上記（１）において、前記第一反射部の反射率が前記第二反射部の反射率よりも高くてもよい。
（３）上記（１）及び（２）の光部品において、前記増幅用光ファイバの曲率半径の最小値は、前記増幅用光ファイバ内を伝播するビーム品質を悪化させず且つ、前記増幅用光ファイバの機械的信頼性を満たす曲率半径の２倍以下であってもよい。
（４）上記（１）〜（３）の光部品において、前記増幅用光ファイバに恒久ねじれが付与されていてもよい。
（５）上記（１）〜（４）の光部品において、前記増幅用光ファイバは、複数のモードの光を伝播可能なヒューモードファイバであり、前記増幅用光ファイバの最内周の少なくとも一部は、所定のモードよりも高次のモード光が前記増幅用光ファイバのコアからクラッドに漏洩するように曲げられていてもよい。
（６）前記第一ファイバは、希土類元素をドーパントして含んでおらず、前記第一反射部は、前記巻回された増幅用光ファイバの外側に配されていてもよい。
（７）本発明の一態様に係るレーザ装置は、上記（１）〜（６）の光部品のいずれかと、複数の励起光源と、前記複数の励起光源から射出される複数の励起光を結合し、１つの励起光を生成するコンバイナと、を備えるレーザ装置であって、前記コンバイナは、前記光部品の前記第一ファイバに接続されている。

上記本発明のいくつかの態様によれば、増幅用光ファイバで発生する熱により被るダメージを低減できる光部品およびレーザ装置を提供できる。

一実施形態に係る光部品を示す概略図である。恒久ねじれが付与された増幅用光ファイバを示す説明図である。一実施形態に係るレーザ装置を示す概略図である。一実施形態に係るレーザ装置２を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態に係る光部品およびレーザ装置を、添付図面を参照しながら説明する。

光部品１は、増幅用光ファイバ１０と、第一ファイバ２０と、第二ファイバ３０と、を備えている。第一ファイバ２０は第一反射部２１を有し、第二ファイバ３０は第二反射部３１を有する。増幅用光ファイバ１０の第一端１０ａは第一ファイバ２０に接続され、増幅用光ファイバ１０の第二端１０ｂは第二ファイバ３０に接続されている。

増幅用光ファイバ１０、第一ファイバ２０、および第二ファイバ３０の例として、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、トリプルクラッド光ファイバなどの、１つ以上のクラッド（エアクラッドを含む）を有する光ファイバが挙げられる。
増幅用光ファイバ１０には、後述する励起光源からの光を増幅可能なあらゆる光ファイバを用いることができる。増幅用光ファイバ１０は、ドーパントとして希土類元素を含んでいてもよい。このような希土類元素の例として、Ｙｂ，Ｔｍ，Ｂｉ，Ｃｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｅｕなどが挙げられる。

図１の例において、増幅用光ファイバ１０の第一端１０ａは、接続点Ｆ１において第一ファイバ２０に接続されている。増幅用光ファイバ１０の第二端１０ｂは、接続点Ｆ２において第二ファイバ３０に接続されている。増幅用光ファイバ１０と第一ファイバ２０との接続、及び、増幅用光ファイバ１０と第二ファイバ３０との接続には、融着接続等の公知の接続方法を用いることができる。

接続点Ｆ１及びＦ２を補強するための補強部材Ｒを設けてもよい。補強部材Ｒは、接続点Ｆ１及びＦ２、並びに接続点Ｆ１及びＦ２近傍における破損を防ぐために、図１に例示するように、一定の直線部分を有していてもよい。

増幅用光ファイバ１０は、一平面上で交差しないように且つ第一端１０ａが最内周に位置するように巻回されている。すなわち、増幅用光ファイバ１０と第一ファイバ２０との接続点Ｆ１が最内周に位置するように増幅用光ファイバ１０が巻回されている。
図１の例において、増幅用光ファイバ１０は、第一端１０ａが最内周に位置し、第二端１０ｂが最外周に位置するように、軸Ｏの回りに巻回されて内側に空間を有するコイルを形成している。増幅用光ファイバ１０の第一端１０ａは、コイルの内側の空間において、第一ファイバ２０に接続されている。すなわち、増幅用光ファイバ１０は、一平面上で交差しないように巻回されている。増幅用光ファイバ１０に接続された第一ファイバ２０は、増幅用光ファイバ１０に交差するように、コイルの内側の空間から外側に延出している。
なお、第一反射部２１は、図１の例ではコイルの外側に配されているが、コイルの内側の空間に配してもよい。

上述のように光増幅用ファイバ１０を配置することにより、全長にわたって増幅用光ファイバ１０を放熱板等に接するようにすることができる。
図１に例示するように、本実施形態に係る光部品１を放熱板Ｐの上に配置した際に、全長にわたって光増幅用ファイバ１０を放熱板Ｐに接するようにすることができる。

放熱板Ｐには、光増幅用ファイバ１０で発生した熱を放射できるあらゆる板を用いることができる。図１に例示するように、光増幅用ファイバ１０、第一反射部２１、及び、第二反射部３１を放熱板Ｐに接するように配置することで、これら、光増幅用ファイバ１０、第一反射部２１、及び、第二反射部３１で発生する熱を効率的に取り除くことができる。後述する励起光源を放熱板Ｐに接するように配置してもよい。
放熱板Ｐとして、内部に冷媒を流通することできる流路を有する冷却板を用いてもよい。

増幅用光ファイバ１０は、上述のように、第一端１０ａが最内周に位置し第二端１０ｂが最外周に位置するように一方向に巻回されている。よって、増幅用光ファイバ１０の曲率半径は、第一端１０ａから第二端１０ｂに掛けて漸減し、最内周において最小となる。したがって、最内周における増幅用光ファイバ１０の曲率半径を適切に設定すれば、増幅用光ファイバ１０の全長にわたって、所望のビーム品質及び機械的強度を確保することができる。
換言すると、最内周における増幅用光ファイバ１０の曲率半径を適切に設定すれば、所望のビーム品質及び機械的強度を確保しつつ、所定の長さを有する増幅用光ファイバ１０を密に配置することができ、この結果、より小型な光部品を提供できる。

増幅用光ファイバ１０の曲率半径の最小値ｒ_ｍｉｎは、増幅用光ファイバ１０内を伝播するビーム品質を悪化させずに且つ、増幅用光ファイバ１０の機械的信頼性を満たす曲率半径ｒ_ｓの２倍以下であってもよい。この場合、所望のビーム品質及び機械的強度を確保しつつ、増幅用光ファイバ１０のフットプリントをより小さくできる。すなわち、所望のビーム品質及び機械的強度を確保しつつ、より小型な光部品を提供できる。

増幅用光ファイバ１０内を伝播するビーム品質を悪化させない曲率半径ｒ_ｂは、たとえば、増幅用光ファイバ１０のコアから所望のモードの漏洩が発生する曲率半径と定義することができる。増幅用光ファイバ１０がヒューモードファイバである場合に、曲率半径ｒ_ｂは、たとえば、コアからＬＰ_０１モード及びＬＰ_１１モードの漏洩が発生する曲率半径と定義できる。
増幅用光ファイバ１０の機械的信頼性を満たす曲率半径ｒ_ｆは、増幅用光ファイバ１０を曲げたときに破断する曲率半径と定義することができる。
ｒ_ｂおよびｒ_ｆのうちいずれか大きい方をｒ_ｓとすると、ｒ_ｓ＜ｒ_ｍｉｎ≦２ｒ_ｓを満たすときに、所望のビーム品質及び機械的強度を確保しつつ、増幅用光ファイバ１０のフットプリントをより小さくできる。
特に、図１に例示するように、増幅用光ファイバ１０の最内周において他の部分よりも曲率半径の減少率が実質的に高い部分を有するように増幅用光ファイバ１０を巻回した場合に、最内周における高次モードの光（不要光）の除去を効果的に行うことができる。さらに、図１に例示したような一定の直線部分を有する補強部材Ｒを増幅用光ファイバ１０の最内周に適切に配することができる。

第一反射部２１及び第二反射部３１の例として、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）が挙げられる。ＦＢＧは、たとえば、ファイバ２０（３０）のコアの長手方向（光伝播方向）に形成された、周期的に屈折率が変化する部位（グレーティング）である。ＦＢＧは、グレーティングの周期に対応した特定の波長の光のみを反射する。

第一反射部２１の反射率が第二反射部３１の反射率よりも高くてもよい。たとえば、第一反射部２１はＨＲ−ＦＢＧ（Ｈｉｇｈ−ＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）であり、第二反射部３１が第一反射部２１よりも反射率が低いＯＣ−ＦＢＧ（ＯｕｔｐｕｔＣｏｕｐｌｅｒＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）であってもよい。
第一反射部２１から増幅用光ファイバ１０に励起光を入射し、第二反射部３１から増幅された光を射出する場合に、特に第一ファイバ２０と増幅用光ファイバ１０との接続点Ｆ１において生じる不要な高次モードの光を、曲率半径が最も小さい増幅用光ファイバ１０の最内周で効率的に除去することができる。すなわち、増幅用光ファイバ１０の入り口近傍で不要な光を効率的に除去することができる。特に、端面励起方式のレーザ装置に用いる場合に有効である。
具体的な反射率の一例として、第一反射部２１の反射率は９０％以上であり、より好ましくは９９％以上であり、第二反射部３１の反射率は、５〜５０％であり、より好ましくは５〜１０％である。

増幅用光ファイバ１０に恒久ねじれが付与されていてもよい。
恒久ねじれについて、図２に例示した増幅用光ファイバ１０を参照しながら説明する。

図２の例において、増幅用光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の外側を覆う第一クラッド１２と、第一クラッド１２の外側を覆う第２クラッド１３と、を有するダブルクラッド光ファイバである。増幅用光ファイバ１０の長手方向に垂直な断面において、第一クラッド１２の断面は正７角形（非円形クラッド）である。

第一クラッド１２と第２クラッド１３との境界が２回軸対称でない正７角形であるため、クラッドを導波してコアに到達せず、励起光として寄与しない光、いわゆるスキュー光を抑制することができる。しかしながら、第一クラッド１２の断面形状を多角形にしただけでは、依然としてスキュー光が残る。スキュー光をさらに低減し、励起光の利用効率をさらに向上させるために、増幅用光ファイバ１０は、増幅用光ファイバ１０の中心軸を中心として周方向にねじられるように巻回されている。

増幅用光ファイバ１０がねじられているため、第一クラッド１２の正７角形の向きが増幅用光ファイバ１０の場所によって異なる。そのため、図２に示すように、スキュー光Ｌの入射角θ１，θ２，θ３（反射角）は、場所によって変化する。すなわち、θ１≠θ２≠θ３である。この入射角および反射角の変化により、スキュー光Ｌは、第一クラッド１２内を進むうちにコア１１に入射するようになり、励起光として寄与する。これにより、励起光の利用効率を上げることができ、出力光のパワーを高めることができる。

増幅用光ファイバ１０のねじれ量が多すぎると、ビーム品質が低下するという問題が生じる。増幅用光ファイバ１０のねじれ量は、３回転／ｍ以下であることが好ましい。この場合、ビーム品質の劣化、具体的にはＭ２値の上昇を抑えることができる。Ｍ２値は、ガウスビームからのずれを定量的に示す指標であり、回折限界の何倍までビームを絞ることができるかを示す。
増幅用光ファイバ１０の全長にわたってねじれ量が一定であってもよい。もしくは、増幅用光ファイバ１０のねじれ量を、第一反射部２１に近づくにつれて大きくなるように設定してもよい。

増幅用光ファイバ１０は、複数のモードの光を伝播可能なヒューモードファイバであり、増幅用光ファイバ１０の最内周の少なくとも一部は、所定のモードよりも高次のモード光が増幅用光ファイバのコアからクラッドに漏洩するように曲げられていてもよい。
ファイバレーザの高出力化の一つの方法として複数のモード（ヒューモード）を伝播可能なファイバを増幅用光ファイバとして用いることが知られている。たとえば、増幅用光ファイバ１０としてヒューモードファイバを用い、ＬＰ_０１モード及びＬＰ_１１モードのみを所定のモードとして出力する光部品１において、ＬＰ_１１モードよりも高次のモードは不要である。

上述した構成によれば、増幅用光ファイバ１０の最内周において、必要とするモード（たとえば、ＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード）を適切に伝播しつつ、不要とするモード（ＬＰ_１１モードよりも高次のモード）を除去することができる。
ファイバレーザの出力向上を妨げる要因の一つとしてしられているＴＭＩ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＭｏｄｅＩｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）は、高次モードの光の存在により生ずることが知られている。上述の構成によれば、第一端１０ａから増幅用光ファイバ１０に励起光が入射された際に、高次モードの光が発生する接続点Ｆ１の直後で高次モードの光を低減できる。よって、増幅用光ファイバ１０におけるＴＭＩ現象の発生を効果的に抑制することができる。

図１に例示するように、第一ファイバ２０は、希土類元素をドーパントして実質的に含んでおらず、第一反射部２１は、巻回された増幅用光ファイバ１０の外側に配されていてもよい。この場合、所定の長さを有する増幅用光ファイバ１０をより密に配置することができる。希土類元素をドーパントして実質的に含んでいない第一ファイバ２０は、増幅用光ファイバ１０に比べて発熱を生じにくい。このため、図１に例示するように、第一ファイバ２０を増幅用光ファイバ１０により形成されるコイルに交差するように配置しても、光部品１全体としての放熱効果を実質的に維持することができる。

図３は、一実施形態に係るレーザ装置２を示す概略図である。
レーザ装置２は、上述した光部品１と、複数の励起光源４１と、前方コンバイナ（コンバイナ）４３と、を備えている。

各励起光源４１は、たとえば、レーザダイオードである。レーザダイオードの一例として、ＧａＡｓ系半導体を材料とするファブリペロー型半導体レーザが挙げられる。
各励起光源４１は、光ファイバ４２に接続されている。各励起光源４１から射出される励起光は、光ファイバ４２を例えばマルチモード光として伝播する。
各光ファイバ４２は、前方コンバイナ４３に接続されている。前方コンバイナ４３は、複数の励起光源４１から射出される複数の励起光を結合し、１つの励起光を生成する。前方コンバイナ４３は、光部品１の第一ファイバ２０に接続されている。

前方コンバイナ４３で生成された励起光は、第一ファイバ２０を介して、光増幅用ファイバ１０に導入される。希土類元素がドープされた光増幅用ファイバ１０では、励起光が希土類元素に吸収されて反転分布が形成される。反転分布の形成により誘導放出光が発生し、誘導放出光は第一ファイバ２０の第一反射部２１及び第二ファイバ３０の第二反射部３１の間で増幅される。
第二ファイバ３０は、図３に例示するように、接続点Ｆ４においてデリバリファイバ５０に接続されている。第一反射部２１及び第二反射部３１の間で増幅された光がレーザ光としてデリバリファイバ５０に供給される。

本実施形態に係るレーザ装置２によれば、上述した実施形態に係る光部品１を備えているため、上述した光部品１の構成により得られる効果を同様に得ることができる。

レーザ装置２において、前方コンバイナ４３が接続される第一ファイバ２０の第一反射部２１がＨＲ−ＦＢＧであり、第二反射部３１は第一反射部２１よりも反射率が低いＯＣ−ＦＢＧであってもよい。
前方コンバイナ４３で生成された励起光を、接続点Ｆ１を経て増幅用光ファイバ１０に入射する場合、接続点Ｆ１において生じる不要な高次モードの光を、曲率半径が最も小さい増幅用光ファイバ１０の最内周で効率的に除去できる。すなわち、増幅用光ファイバ１０の入射端（第一端１０ａ）付近で不要な高次モードの光を効率的に除去できる。
したがって、増幅用光ファイバ１０における発熱を低減することができる。特に、図３に例示したような端面励起方式のレーザ装置において有効である。

図４は、一実施形態に係るレーザ装置３を示す概略図である。上記レーザ装置２と同じ構造を有する要素については、説明を省略する。

レーザ装置３は、上記レーザ装置２と同様に、上述した光部品１と、複数の励起光源４１と、前方コンバイナ４３と、を備えている。上記レーザ装置２と異なり、レーザ装置３は、第二ファイバ３０とデリバリファイバ５０との間に、後方コンバイナ（コンバイナ）４４をさらに備えている。後方コンバイナ４４は、光ファイバ４２を介して複数の励起光源４１に接続されている。
後方コンバイナ４４は、複数の励起光源４１から射出される複数の励起光を結合し、１つの励起光を生成する。後方コンバイナ４４は、光部品１の第二ファイバ３０に接続されている。

後方コンバイナ４４で生成された励起光も、第二ファイバ３０を介して、光増幅用ファイバ１０に導入される。希土類元素がドープされた光増幅用ファイバ１０では、前方コンバイナ４３及び後方コンバイナ４４から導入された励起光が希土類元素に吸収されて反転分布が形成される。反転分布の形成により誘導放出光が発生し、誘導放出光は第一ファイバ２０の第一反射部２１及び第二ファイバ３０の第二反射部３１の間で増幅される。

本実施形態に係るレーザ装置３によれば、上述した実施形態に係る光部品１を備えているため、上述した光部品１の構成により得られる効果を同様に得ることができる。

レーザ装置３において、前方コンバイナ４３が接続される第一ファイバ２０の第一反射部２１がＨＲ−ＦＢＧであり、第二反射部３１は第一反射部２１よりも反射率が低いＯＣ−ＦＢＧであってもよい。
前方コンバイナ４３で生成された励起光を、接続点Ｆ１を経て増幅用光ファイバ１０に入射する場合、接続点Ｆ１において生じる不要な高次モードの光を、曲率半径が最も小さい増幅用光ファイバ１０の最内周で効率的に除去できる。すなわち、増幅用光ファイバ１０の入射端（第一端１０ａ）近傍で不要な高次モードの光を効率的に除去できる。
したがって、増幅用光ファイバ１０における発熱を低減することができる。特に、図４に例示したような端面励起方式のレーザ装置において有効である。

また、後方コンバイナ４４で生成された励起光も増幅用光ファイバ１０に導入できる（双方向励起）。したがって、上述したように前方コンバイナ４３から入射された励起光による増幅用光ファイバ１０の発熱を抑制しつつ、より高出力なレーザ装置を提供できる。

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

１…光部品、２，３…レーザ装置、１０…増幅用光ファイバ、１０ａ…第一端、１０ｂ…第二端、２０…第一ファイバ、２１…第一反射部、３０…第二ファイバ、３１…第二反射部、Ｆ１，Ｆ２…接続点、４１…励起光源、４３…前方コンバイナ、４４…後方コンバイナ

Claims

第一反射部を有する第一ファイバと、
第二反射部を有する第二ファイバと、
前記第一ファイバに接続される第一端および前記第二ファイバに接続される第二端を有する増幅用光ファイバと、
を備える光部品であって、
前記増幅用光ファイバは、一平面上で交差しないように且つ前記第一端が最内周に位置するように巻回されている、光部品。
前記第一反射部の反射率が前記第二反射部の反射率よりも高い、請求項１に記載の光部品。
前記増幅用光ファイバの曲率半径の最小値は、前記増幅用光ファイバ内を伝播するビーム品質を悪化させず且つ、前記増幅用光ファイバの機械的信頼性を満たす曲率半径の２倍以下である、請求項１または２に記載の光部品。
前記増幅用光ファイバに恒久ねじれが付与されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光部品。
前記増幅用光ファイバは、複数のモードの光を伝播可能なヒューモードファイバであり、
前記増幅用光ファイバの最内周の少なくとも一部は、所定のモードよりも高次のモード光が前記増幅用光ファイバのコアからクラッドに漏洩するように曲げられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光部品。
前記第一ファイバは、希土類元素をドーパントして含んでおらず、
前記第一反射部は、前記巻回された増幅用光ファイバの外側に配されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光部品。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の光部品と、
複数の励起光源と、
前記複数の励起光源から射出される複数の励起光を結合し、１つの励起光を生成するコンバイナと、
を備えるレーザ装置であって、
前記コンバイナは、前記光部品の前記第一ファイバに接続されている、レーザ装置。