JP2022107076A - 光ファイバ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバの側面に別の光ファイバを接合した構成の光ファイバ装置において、接合部が高温になるのを抑える。【解決手段】光ファイバ装置１は、レーザ活性物質が添加されたコア５０を有する第３フッ化物ファイバ５に接合される装置であって、第１フッ化物ファイバ３と、第２フッ化物ファイバ４とを備えている。第１フッ化物ファイバ３は、第３フッ化物ファイバ５に接合された、レーザ活性物質が低濃度又は非添加のファイバである。第２フッ化物ファイバ４は、第１端４ａから光が入射又は出射されるとともに、第２端４ｂの端面が第１フッ化物ファイバ３の側面に斜めに接合されたレーザ活性物質非添加のファイバである。【選択図】図４

Description

本発明は、光ファイバ装置に関する。

レーザ活性物質を添加したファイバ（アクティブファイバ）が、レーザ発振器や光増幅器に用いられている。例えばフッ化物製のアクティブファイバを利用したレーザ発振器や光増幅器では、レーザ発振させるために、励起光がファイバ端面から導入される。励起光がアクティブファイバに導光されると、励起光はレーザ活性物質が添加されたコア部分で吸収され、これにより出力光が発光される。このとき、励起光がコアに吸収されることにより、コアが発熱する。
特に、フッ化物ファイバは、一般的な石英製ファイバと比較して耐熱性に乏しいので、励起光が強い場合、発熱によって変形あるいは損傷が生じ、レーザ発振や増幅ができなくなる。このため、ファイバ端面から励起光を導入する構成では、レーザ出力が制限される。

そこで、特許文献１に示されるような光結合器を利用することが考えられる。特許文献１の装置は、利得ファイバと、利得ファイバの側面に接続された励起光ファイバと、を有している。そして、励起光ファイバは、励起光源からの励起光を利得ファイバに導く。このように、利得ファイバの側面に励起光ファイバを接続した複数のユニットを接続してレーザ発振器を構成すれば、複数個所から励起光を導入できる。このため、導入できる励起光のパワーを増加でき、利得ファイバの発熱を抑えつつ、レーザ出力を高くできる。

特開２００９－１２９９４０号公報

特許文献１のように、光ファイバの側面に他の光ファイバを接続する場合、接合部の界面において、光が漏れたり、乱反射によって光が散乱したりすることによって、接合部の近辺が高温になる場合がある。
前述のように、特に、フッ化物ファイバは耐熱性が低いので、接合部近辺が高温になると、ファイバが損傷するおそれがある。

本発明の目的は、光ファイバの側面に別の光ファイバを接合した構成の光ファイバ装置において、接合部が高温になるのを抑えることにある。

本発明の一見地に係る光ファイバ装置は、レーザ活性物質が添加されたコアを有する光ファイバに接合される装置であって、第１ファイバと、第２ファイバとを備えている。
第１ファイバは、光ファイバに接合された、レーザ活性物質が低濃度又は非添加のファイバである。
第２ファイバは、第１端から光が入射又は出射されるとともに、第２端の端面が第１ファイバの側面に斜めに接合されたレーザ活性物質非添加のファイバである。

この装置を光結合器として使用した場合は、励起光源からの励起光は、第２ファイバを通して第１ファイバに導入される。また、この装置を光分配器として使用することもでき、この場合は、第１ファイバ内で導光される光は分配されて、第２ファイバの第１端から出射される。
このような構成において、第１ファイバと第２ファイバがレーザ活性物質を有していない又は低濃度なので、２つのファイバの接合部近辺で高熱が発生しない。したがって、高耐久性及び高寿命化が実現される。

この装置は、放熱部材をさらに備えていてもよい。放熱部材は、第１ファイバと第２ファイバとの接合部の全周を覆うように配置されている。

このような構成において、第１ファイバと第２ファイバの接合部には、全周を覆うように放熱部材が設けられている。このため、第１ファイバと第２ファイバの接合部近辺で発生した熱を効率よく放出できる。

光ファイバ装置は、第２放熱部材をさらに備えていてもよい。第２放熱部材は、第１ファイバと光ファイバとの接合部を覆っていてもよい。
したがって、第１ファイバと光ファイバの接合部近辺で発生した熱を効率よく放出できる。

第１ファイバは、光ファイバのコアに接続されレーザ活性物質が低濃度又は非添加のコアを有していてもよい。
第２ファイバにはレーザ活性物質に対応する励起光が入射されてもよい。

第１ファイバ及び第２ファイバは、フッ化物ファイバであってもよい。

第１ファイバ及び第２ファイバは、ＺＢＬＡＮガラスにより形成されていてもよい。

本発明に係る光ファイバ装置では、光ファイバの側面に別の光ファイバを接合した構成において、接合部が高温になるのを抑えることができる。

本発明の第１実施形態による光ファイバ装置の構成図。 第１フッ化物ファイバの断面図。 第２フッ化物ファイバの断面図。 第１フッ化物ファイバと第２フッ化物ファイバの接合部の断面図。 第３フッ化物ファイバの断面図。 第１フッ化物ファイバと第３フッ化物ファイバの接合部の断面図。 光結合器としての機能劣化の有無を示すための実験結果のグラフ。 第１実施形態が適用される光ファイバ装置の一例を示す構成図。 第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置の一例を示す構成図。 第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置の一例を示す構成図。

１．第１実施形態
（１）光ファイバ装置の基本構成
図１を用いて、光ファイバ装置１を説明する。図１は、本発明の第１実施形態による光ファイバ装置の構成図である。
光ファイバ装置１は、レーザ発振器を構成する１つのユニットであり、光結合器として機能する。光ファイバ装置１は、励起光源２と、第１フッ化物ファイバ３（第１ファイバの一例）と、第２フッ化物ファイバ４（第２ファイバの一例）と、第３フッ化物ファイバ５（光ファイバの一例）とを有している。この光ファイバ装置１に、反射鏡及び出力鏡等を追加することによって、ファイバレーザ発振器を構成できる。
また、励起光源２の前には、レンズ７が配置されている（以下、同じ）。

励起光源２は、レーザ活性物質を励起する波長の励起光を発振するものであり、例えば半導体レーザなどである。励起光源２にて発振された励起光は、第２フッ化物ファイバ４及び第１フッ化物ファイバ３を介して、第３フッ化物ファイバ５に導入される。

（２）第１フッ化物ファイバ
図２を用いて、第１フッ化物ファイバ３を説明する。図２は、第１フッ化物ファイバの断面図である。
第１フッ化物ファイバ３は、ダブルクラッドファイバであり、コア３０と、第１クラッド３１と、第２クラッド３２と、を有している。第１クラッド３１はコア３０の外周面を覆うように形成されている。第２クラッド３２は第１クラッド３１の外周面を覆うように形成されている。

第１フッ化物ファイバ３のコア３０は、フッ化物ガラスから形成されており、好ましくはＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ_４－ＢａＦ_２－ＬａＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ）ガラスによって形成されている。
コア３０には、レーザ活性物質が添加されていない。したがって、レーザ活性物質は低濃度又は非添加である。具体的には、コア３０でのレーザ活性物質は０．１％未満であることが好ましい。
第１クラッド３１は、フッ化物ガラスから形成されており、好ましくはＺＢＬＡＮガラスによって形成されている。
なお、図において、実線矢印はレーザ発振した光の伝播を示しており、破線矢印はレーザ発振に寄与する光の伝播を示している（以下、同じ）。

第２クラッド３２は、紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂によって形成されている。
第１クラッド３１はコア３０よりも屈折率が小さく、第２クラッド３２は第１クラッド３１よりも屈折率が小さい。
前述のようにコア３０にはレーザ活性物質がドープされていない。したがって、コア３０においてレーザ光は生成されず、そのため励起光吸収による発熱が生じない。また、第１クラッド３１及び第２クラッド３２にも、レーザ活性物質がドープされていない。

（３）第２フッ化物ファイバ
図３を用いて、第２フッ化物ファイバ４を説明する。図３は、第２フッ化物ファイバの断面図である。第２フッ化物ファイバ４は、レーザ活性物質が非添加のマルチモードファイバであり、太い径のコア４０と、コア４０の外周面を覆うように形成された反射クラッド層４１と、を有している。コア４０及び反射クラッド層４１はフッ化物ガラスから形成されており、好ましくはＺＢＬＡＮガラスによって形成されている。反射クラッド層４１はコア４０よりも屈折率が小さい。また、コア４０の屈折率は、好ましくは第１フッ化物ファイバ３の第１クラッド３１の屈折率以下とし、より好ましくは第１フッ化物ファイバ３の第１クラッドの屈折率と同じにする。
第２フッ化物ファイバ４の第１端４ａには、励起光源２からの励起光がレンズ７を介して入射される。また、第２フッ化物ファイバ４の第２端４ｂは、所定の角度を有するように斜めに研磨されており、第１フッ化物ファイバ３の側面に接続されている。

図４を用いて、第１フッ化物ファイバ３と第２フッ化物ファイバ４の接合部１１を説明する。図４は、第１フッ化物ファイバと第２フッ化物ファイバの接合部の断面図である。
接合部１１では、第１フッ化物ファイバ３の一部の第２クラッド３２は除去されており、その部分に第２フッ化物ファイバ４の斜めに研磨された先端面が融着されている。この融着は、例えば、レーザ光を照射することによって行われる。

以上のようにして第１フッ化物ファイバ３に第２フッ化物ファイバ４を融着し、また第１フッ化物ファイバ３に樹脂製の第２クラッド３２を形成すると、融着部分での欠陥や樹脂の経時変化による剥がれ等によって、励起光散乱が起こり、発熱する。しかし、上記の構成において、第１フッ化物ファイバ３と第２フッ化物ファイバ４がレーザ活性物質を有していないので、２つのファイバの接合部が高温になるのを抑えることができる。したがって、高耐久性及び高寿命化が実現される。

（４）第３フッ化物ファイバ
図５を用いて、第３フッ化物ファイバ５を説明する。図５は、第３フッ化物ファイバの断面図である。
第３フッ化物ファイバ５は、希土類元素をドープしたフッ化物ファイバである。第３フッ化物ファイバ５は、入力端から導入したレーザ光により励起され、第３フッ化物ファイバ５にドープされた物質により決まる波長のレーザ光を発生する。

第３フッ化物ファイバ５は、ダブルクラッドファイバであり、第１フッ化物ファイバ３と同様に、コア５０と、第１クラッド５１と、第２クラッド５２と、を有する。
コア５０は、希土類元素（レーザ活性物質の一例）としてエルビウム（Ｅｒ）をドープしたＺＢＬＡＮガラスである。ＺＢＬＡＮガラスは、ジルコニウム（Ｚｒ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ナトリウム（Ｎａ）を主成分とするフッ化物ガラスである。

図６を用いて、第１フッ化物ファイバ３と第３フッ化物ファイバ５の接合部１３を説明する。図６は、第１フッ化物ファイバと第３フッ化物ファイバの接合部の断面図である。
接合部１３では、第３フッ化物ファイバ５は第１フッ化物ファイバ３の一方の端面に融着されて接続されている。具体的には、コア同士、第１クラッド同士、第２クラッド同士が接続されている。

なお、ファイバ同士を突き合せて接合する技術として、結合損失を減らすために以下の技術が採用されてもよい。第１に、接合面でコア３０とコア５０が同じ大きさであることが好ましい。具体的には、第１フッ化物ファイバ３と第３フッ化物ファイバ５の接合面でのコア径の差が１０％以下であることが好ましい。第２に、接合した後にコア３０とコア５０がズレていないことが好ましい。例えば、いずれかのファイバ径を基準にしてズレが１０％以下であることが好ましい。以上の第１の技術と第２の技術はいずれか一方でも又は両方でもよい。

（５）放熱部材
装置１は、放熱部材６を有している。放熱部材６は、接合部１１を放熱するための部材である。
放熱部材６は、複数の放熱板からなる。放熱板は、熱伝導性が良好で、励起光に対して光透過性を有する矩形状のサファイアで形成されている。放熱部材６は、第１フッ化物ファイバ３、第２フッ化物ファイバ４、及び接合部１１の全周及びその近傍の部分を覆っている。したがって、放熱部材６によって、２つのファイバの接合部近辺で発生した熱を効率よく放出できる。また、放熱部材６が励起光を吸収して発熱するのを抑えることができる。

なお、ここで「励起光に対して光透過性を有する」とは、励起光の吸収率が１％以下の場合を意味し、励起光がほとんど吸収されずに透過するため放熱部材が励起光を吸収してもファイバを損傷させるほどの発熱が生じない。例えば波長０．３～４．０μｍの励起光に対してはサファイアによって放熱部材を構成することによって実現が可能である。
なお、図示していないが、放熱部材６には、ヒートシンクが接触して設けられている。

装置１は、放熱部材８を有している。放熱部材８は、接合部１３を放熱するための部材である。放熱部材８は放熱部材６とは形状は異なるが構成は同じである。
なお、放熱部材６と放熱部材８は一体でもよい。さらに、放熱部材６及び放熱部材８は、一方又は両方が省略されてもよい。

（６）光ファイバ装置の動作
以上のような構成の光ファイバ装置１では、励起光源２からの励起光はレンズ７を通して第２フッ化物ファイバ４に入射される。第２フッ化物ファイバ４は、コア４０内で励起光を導光し、接合部１１を介して第１フッ化物ファイバ３の第１クラッド３１に励起光を導入できる。このとき、コア４０の屈折率を第１フッ化物ファイバ３の第１クラッド３１の屈折率以下にしておくことにより、コア４０と第１クラッド３１との界面における励起光の反射が抑制できる。

第１フッ化物ファイバ３及び第３フッ化物ファイバ５は、それぞれ第１クラッド３１、５１で励起光を導光する。そして、第３フッ化物ファイバ５では、励起光は第１クラッド５１を導光されながらコア５０のレーザ活性物質を励起し、レーザ活性物質からレーザ光が放出される。レーザ活性物質をエルビウムとし、波長９７５ｎｍの励起光を導入した場合、波長約２．８μｍのレーザ光が得られる。レーザ活性物質から放出されたレーザ光は、第３フッ化物ファイバ５のコア５０及び第１フッ化物ファイバ３のコア３０内で導光される。

図７を用いて、本実施形態の実施例の効果を説明する。図７は、光結合器としての機能劣化の有無を示すための実験結果のグラフである。
グラフから明らかなように、６０Ｗ前後でレーザ発信が開始され、１００Ｗでも十分な出力が得られている（耐久性があることを意味する）。従来であれば約８０Ｗで高熱に起因して接合部が変形あるいは破損して、レーザ発振や増幅ができなくなっていた。

２．第２実施形態
図８を用いて、第１実施形態が適用された光ファイバ装置１００を、第２実施形態として説明する。図８は、第１実施形態が適用される光ファイバ装置の一例を示す構成図である。
光ファイバ装置１００は、第１実施形態と同様に、第１フッ化物ファイバ３、第２フッ化物ファイバ４、及び第３フッ化物ファイバ５を有している。
第２フッ化物ファイバ４には第１励起光源２Ａからレーザ光が導入され、第１フッ化物ファイバ３には第２励起光源２Ｂからレーザ光が導入される。第１励起光源２Ａ及び第２励起光源２Ｂは、半導体レーザである。

第３フッ化物ファイバ５は、複数回巻かれた環状部５ａを形成している。
第３フッ化物ファイバ５は、レーザ媒体及び共振器として機能し、励起光の照射により発生したレーザ光を増幅させてレーザ発振させる。

第３フッ化物ファイバ５には、高反射ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）１０３と、低反射ＦＢＧ１０５とが描き込まれている。高反射ＦＢＧ１０３は、第３フッ化物ファイバ５の入力端近傍に描き込まれている。低反射ＦＢＧ１０５は、第３フッ化物ファイバ５の出力端に近い側に描き込まれている。
高反射ＦＢＧ１０３は、レーザ共振器において、レーザ光として発振させる特定の波長を持つ光を全反射する反射部である。
低反射ＦＢＧ１０５は、レーザ共振器において、レーザ光として発振させる特定の波長を持つ光のうち、一部のみを透過し、残りを反射する反射部である。

以上の構成により、第３フッ化物ファイバ５では、コア５０にドープされた希土類元素に吸収されて、基底準位と準安定準位との間に反転分布が生じて光が放出される。こうして放出された光は、第３フッ化物ファイバ５の光増幅作用と高反射ＦＢＧ１０３及び低反射ＦＢＧ１０５の作用とによって、レーザ発振する。出力光は、第３フッ化物ファイバ５の出力端から出力される。

３．第３実施形態
図９を用いて、第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置１００Ａを、第３実施形態として説明する。図９は、第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置の一例を示す構成図である。
光ファイバ増幅装置１００Ａは、第１実施形態と同様に、光結合器として、第１フッ化物ファイバ３、第２フッ化物ファイバ４、及び第３フッ化物ファイバ５を有している。

第２フッ化物ファイバ４には励起光源２からレーザ光が導入され、第１フッ化物ファイバ３にはレーザ装置９からレーザ光が導入される。励起光源２は、半導体レーザである。この光ファイバ増幅装置１００Ａでは、レーザ装置９から導入されたレーザ光が増幅され、出力光として、第３フッ化物ファイバ５の出力端から出力される。
なお、レーザ装置９は、第２実施形態の光ファイバ装置１００でもよいし、他の装置でもよい。

４．第４実施形態
図１０を用いて、第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置１００Ｂを、第４実施形態として説明する。図１０は、第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置の一例を示す構成図である。
光ファイバ増幅装置１００Ｂは、第１実施形態と同様に、第１の光結合器として、第１フッ化物ファイバ３、第２フッ化物ファイバ４、及び第３フッ化物ファイバ５を有している。

光ファイバ増幅装置１００Ｂは、さらに、第２の光結合器として、第４フッ化物ファイバ３Ａ、第５フッ化物ファイバ４Ａを有している。第４フッ化物ファイバ３Ａ及び第５フッ化物ファイバ４Ａは、それぞれ、第１フッ化物ファイバ３及び第２フッ化物ファイバ４と同様の構造であり、第３フッ化物ファイバ５を挟んで対称的に配置されている。
第２フッ化物ファイバ４には励起光源２からレーザ光が導入され、第１フッ化物ファイバ３にはレーザ装置９からレーザ光が導入される。さらに、第５フッ化物ファイバ４Ａには第３励起光源２Ｃからレーザ光が導入される。励起光源２及び第３励起光源２Ｃは、半導体レーザである。

この光ファイバ増幅装置１００Ａでは、レーザ装置９から導入されたレーザ光が増幅され、出力光として、第４フッ化物ファイバ３Ａの出力端から出力される。
なお、レーザ装置９は、第２実施形態の光ファイバ装置１００でもよいし、他の装置でもよい。

５．他の実施形態
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

前記実施形態では、本発明をレーザ発振器として利用したが、他の装置にも適用できる。

前記実施形態では、本発明の第２ファイバとして、コアを有する第２フッ化物ファイバを用いたが、第２ファイバとしては、コアのない第２フッ化物ファイバを用いてもよい。

前記実施形態では、レーザ活性物質をエルビウムとして説明したが、イッテルビウム、ツリウム、やホルミウムなど他の希土類元素のレーザ活性物質を用いてもよい。レーザ活性物質と励起光の波長の組み合わせにより、さまざまな波長のレーザ光を発生させることができる。

前記実施形態では、第１フッ化物ファイバと第２フッ化物ファイバとを融着して接合したが、接着剤等、他の方法を用いて接合することとしてもよい。

本発明は、光ファイバ装置に広く適用できる。

１ 光ファイバ装置
２ 励起光源
３ 第１フッ化物ファイバ
４ 第２フッ化物ファイバ
５ 第３フッ化物ファイバ

Claims (6)

1. レーザ活性物質が添加されたコアを有する光ファイバに接合される装置であって、
   前記光ファイバに接合された、前記レーザ活性物質が低濃度又は非添加の第１ファイバと、
   第１端から光が入射又は出射されるとともに、第２端の端面が前記第１ファイバの側面に斜めに接合された、レーザ活性物質非添加の第２ファイバと、
   を備えた光ファイバ装置。
2. 前記第１ファイバと前記第２ファイバとの接合部の全周を覆うように配置された放熱部材をさらに備えた、請求項１に記載の光ファイバ装置。
3. 前記第１ファイバと前記光ファイバとの接合部を覆うように配置された第２放熱部材をさらに備えている、請求項２に記載の光ファイバ装置。
4. 前記第１ファイバは、前記光ファイバの前記コアに接続され前記レーザ活性物質が低濃度又は非添加のコアを有しており、
   前記第２ファイバには前記レーザ活性物質に対応する励起光が入射される、請求項１～３のいずれかに記載の光ファイバ装置。
5. 前記第１ファイバ及び前記第２ファイバは、フッ化物ファイバである、請求項１～４のいずれかに記載の光ファイバ装置。
6. 前記第１ファイバ及び前記第２ファイバは、ＺＢＬＡＮガラスにより形成されている、請求項５に記載の光ファイバ装置。

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