JP3415449B2 - クラッドポンピングファイバデバイスに光を入出力結合させるための傾斜ファイバ束 - Google Patents

クラッドポンピングファイバデバイスに光を入出力結合させるための傾斜ファイバ束

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【本発明の分野】本発明はレーザ及び増幅器のようなク
ラッドポンピング・ファイバデバイスに光を結合させ、
とり出すための傾斜ファイバ束に係る。
【０００２】
【本発明の背景】レーザ及び増幅器のようなクラッドポ
ンピング・ファイバデバイスは、各種の光用途で重要で
ある。光通信において、クラッドポンピング・レーザは
高パワーＥｒ／Ｙｂ増幅器をポンピングするため、無反
復通信システム中の遠距離配置Ｅｒ増幅器を遠隔ポンピ
ングするため、及びラマンレーザ及び増幅器をポンピン
グするために用いられる。加えて、クラッドポンピング
・ファイバデバイスには、プリンタ用光源及び医用光学
とともに材料加工といった確実な用途がある。
【０００３】典型的なクラッドポンピング・ファイバデ
バイスは、シングルモードコア及び複数のクラッド層を
含む。コアを囲む内部クラッドは典型的な場合、（コア
に比べ）大きな断面積のシリカクラッドで、高い開口数
をもつ。内部クラッドのモードがコアと確実に良く重な
るように、通常円形ではない。（長方形又は星形）外部
クラッドは一般に、低屈折率ポリマから成る。コアの屈
折率は内部クラッドのそれより大きく、内部クラッドの
屈折率は外部クラッドより大きい。
【０００４】クラッドポンピングファイバの主な利点
は、低輝度源からの光を、シングルモードファイバ中の
高輝度の光に変換できる。ダイオードアレイのような低
輝度源からの光は、その大きな断面積及び高開口数のた
め、内部クラッド中に結合できる。クラッドポンピング
レーザ又は増幅器において、コアはＥｒのような希土類
でドープされる。クラッド中の光はコアと相互作用し、
希土類ドーパントにより吸収される。もし、光信号がポ
ンピングされたコア中を通過すると、それは増幅され
る。あるいは、（ブラッグ回析格子光空洞共振器を作る
ことにより）光帰還させるなら、クラッドポンピングフ
ァイバは、帰還波長において、レーザ発振器として動作
する。
【０００５】クラッドポンピング・ファイバデバイスの
可能性を十分引き出すことを妨げる難点は、十分な数の
低輝度源を、内部クラッドに結合させる効率の問題であ
る。一般的な方式は、広ストライプ半導体レーザからの
光を、マルチモードファイバ中に結合させ、ファイバを
束ね、次に束からの光をクラッドポンピングファイバ中
に結合させるため、バルク光学系を用いるものである。
たとえば、米国特許第５，２６８，９７８号を参照のこ
と。しかし、この方式に伴う難点は、それが多くの微細
界面を必要とすることで、それには２組のファイバ光学
系と同様、整合と位置合わせの問題が付随する。非点収
差レンズが典型的な場合、半導体レーザと束ねられたフ
ァイバの間及び束ねられたファイバとファイバレーザの
間に配置される。研磨、反射防止被膜及び精密な位置合
わせの保持も必要である。従って、低輝度源の出力をク
ラッドポンピングファイバに効率よく結合させるため
に、新しい堅固でコンパクトな装置の必要性がある。
【０００６】クラッドポンピング・ファイバレーザと増
幅器の可能性を十分引き出すことを妨げるもう１つの難
点は、マルチモードポンピング光を内部クラッド中に結
合するとともに、同時にシングルモードコアから出るシ
ングルモード光又はコアにシングルモード光を結合させ
る問題である。この機能を果たすことができれば、双方
向性ポンピング・クラッドポンピング・ファイバレーザ
が作れるであろう。ポンピング光はクラッドポンピング
ファイバの両端の内部クラッド中に注入され、一方シン
グルモードファイバレーザ出力は、コアから引き出され
る。加えて、クラッドポンピングファイバにシングルモ
ード及びマルチモードを同時に結合させることにより、
クラッドポンピング・ファイバレーザによりポンピング
される従来のシングルモード・ファイバ増幅器よりはる
かに効率のよいクラッドポンピング・ファイバ増幅器を
作ることが可能になるであろう。マルチモードポンピン
グ光をクラッドポンピングファイバのクラッド中に、一
方シングルモード光をコアの中へ又はコアから外へ同時
に結合させる効率よい手段の必要性がある。
【０００７】
【本発明の要約】本発明に従うと、クラッドポンピング
ファイバに溶融接続された傾斜ファイバ束により、複数
の半導体エミッタからの光は、クラッドポンピングファ
イバに結合される。個々の半導体広ストライプエミッタ
は、個々のマルチモードファイバに結合される。個々の
ファイバは近接させた束を形成し、融点まで加熱し、テ
ーパに引き、次にクラッドポンピングファイバに溶融接
続する。次に、低屈折率のようなクラッド材料で、テー
パを被覆すると有利である。加えて、シングルモードコ
アを含むファイバを、ファイバ束に含めることができ
る。このシングルモードコアは光をクラッドポンピング
ファイバのシングルモードコア中へ、又はコアから外へ
結合させるために使用できる。
【０００８】
【詳細な記述】図面を参照すると、図１Ａ−１Ｄはクラ
ッドポンピングファイバをポンピングするための装置
（１０）を示し、それは複数の個々のマルチモードファ
イバ（１１）を含み、それは束ねられた領域（１２）に
集まり、束ねられた領域は傾斜させた領域（１３）に延
び、束は（１４）のほぼクラッドポンピングファイバ
（１５）の直径に近い最小直径まで傾斜する。束ねられ
た領域（１２）中のファイバは、近接した束に構成さ
れ、内部ファイバは最大数の近接ファイバに接触するの
が好ましい。（図１Ｃを参照のこと）理想的には、束は
ファイバ（１５）の内部クラッドに近い断面まで傾斜す
る。個々のマルチモードファイバ（１１）（そのうちの
３つのみが、図１Ａに示されている）のそれぞれは、付
随した半導体エミッタ源（９）からの光を、クラッドフ
ァイバ（１５）に結合すると考えられる。
【０００９】個々の半導体広ストライプエミッタは、個
々のマルチモードファイバに結合できる。マルチモード
ファイバは典型的な場合、純粋なシリカコアで構成さ
れ、それはフッ素をドープしたシリカクラッドにより、
囲まれている。これらのマルチモードファイバの開口数
は、必然的にクラッドポンピングファイバの開口数より
小さい。これらの個々のファイバは次に、近接して束ね
られ、溶融され、テーパに引かれ、次にクラッドポンピ
ングファイバに溶融接続される。ファイバ束に傾斜をつ
けることは、溶融ファイバカプラを作製するのに用いら
れるのと同様の技術で実現できる。最後に、テーパはク
ラッド材料（たとえばフッ素を添加したＵＶ焼きなまし
アクリル酸塩のような低屈折率ポリマ）で被覆でき、そ
れにより傾斜領域はクラッドポンピングファイバと少く
とも同じ大きさの開口数をもつ。束ねられたファイバの
クラッドは、ファイバ上に残すことができ、もしクラッ
ドがガラスなら、テーパ中に組み込める。あるいは、束
ねられたファイバのクラッドは、傾斜をつける前に除く
ことができる。
【００１０】クラッドポンピングファイバ及び領域（１
２）中のマルチモードファイバのパラメータに依存し
て、それ以下に領域（１３）を傾斜させるべきでない、
最小の断面積がある。断面積が小さくなると損失は増
す。一般に、以下の条件を保つことにより、過剰の損失
は避けられる。
【数１】 ここで、ＮＡ出力は出力クラッドポンピングファイバの
開口数、ＮＡ入力は入力マルチモードファイバの開口
数、ΣＡｉは領域（１２）中のファイバの断面積の合計
及びＡ′は最小テーパ直径の面積である。
【００１１】この傾斜したファイバ束は、従来の束ねた
光学系及びバルク光学系に対し、多くの利点がある。す
なわち、研磨又は反射防止被膜は必要なく、バルク光学
系の位置合わせを保つ必要もなく損失は低い。加えて、
傾斜をもたせるプロセス中、ファイバ束が加熱されるに
つれ、表面張力により、断面が円形又はほぼ円形の１つ
のファイバが形成され、それによって最初に使われてい
た空間は除かれる。
【００１２】別の実施例において、より多くのファイバ
を与えられた束に詰めるため、マルチモードファイバは
非円形にできる。図２は円形クラッドポンピングファイ
バ（１５）に結合させるために、長方形ファイバ（２
０）を詰める１つの方式を示す。
【００１３】図３Ａ−３Ｅは本発明の別の実施例を示
し、この場合、束ねた傾斜のあるファイバの少くとも１
つは、シングルモードファイバ（３１）である。
【００１４】この例において、束ねられたファイバのす
べてがマルチモードファイバであるが、シングルモード
コアをもつ中心のファイバ（３１）は異なる。この中心
のファイバのコアは、テーパを通し、クラッドポンピン
グファイバのコアの中へあるいは、コアから外へ、効率
よく光を結合させ、一方マルチモードファイバ（１１）
は光をクラッドポンピングファイバのクラッド中に結合
させるために用いられる。
【００１５】傾斜したファイバ束の例は、以下のように
作ることができる。７本のファイバを近接して束ねる。
開口数が０．１７であるマルチモードファイバは１０４
ミクロンの直径を有するシリカコアを有し、それはフッ
素添加クラッドに囲まれ、クラッドによりファイバの外
径は１２５ミクロンになる。束の中の中心のファイバ
は、０．５％のデルタと１２ミクロンの傾斜前の幅とを
もつシングルモード・ステップインデックスコアを有す
る１２５ミクロン径のシリカファイバで良い。ファイバ
の束は、溶融され、最終的に１２５ミクロンの直径を有
するに至るように引かれる。引張りプロセス中、ファイ
バが変形するため、束を溶融させ、１２５ミクロン径の
円筒にするために、中心のファイバは７の平方根（すな
わち、２．６４６）の係数により傾斜させる必要がある
（すなわち、傾斜部分のうちの太い部分の直径は、細い
部分の直径の２．６４倍となっている）。ファイバの加
熱は、直接火炎、調節火炎、電気炉、プラズマ又はＣＯ
２ レーザを含む各種の方式を用いて実現される。ファ
イバ端は移動ステージ上に堅固にマウントされ、ステー
ジはテーパを生成させるために、異なる速度で移動す
る。束の傾斜のある端部は、次にへき開され、開口数
０．４５をもつクラッドポピングファイバに溶融接続さ
れ、次に低屈折率ポリマで被覆される。
【００１６】テーパ中の中心ファイバのシングルモード
コアは、その傾斜のある端部及び傾斜のない端部の両方
で、標準的なシングルモードファイバに、低損失で溶融
接続できることは重要である。これがどのように実現さ
れるかを理解するために、図４に示されるように、コア
径の関数として、ステップインデックスファイバのモー
ド場径をプロットすることを考える。与えられたデルタ
に対し、モード場径がその最小になるコア径がある。与
えられた程度の傾斜及び入力と出力ファイバに対し、図
４に示されるように、傾斜をつける前に入力ファイバと
傾斜をつけた後、出力ファイバとモードが良好な重畳を
作るように、傾斜ファイバを設計することができる。た
とえば、傾斜した領域内で３分の１だけ中心ファイバの
直径を減したいなら、また０．３２％のデルタをもち、
テーパの入力及び出力の両方において、１．５５ミクロ
ンの波長でコア径が８ミクロンの標準的ステップインデ
ックスファイバ上に継ぎたいなら、図５に示された数値
的なモデルの結果は、０．５％のデルタと１２ミクロン
の最初のコア径をもつ傾斜したファイバにより、入力及
び出力の両方の端部で接続損は低くなることを示してい
る。この例において、傾斜したファイバは、傾斜領域を
通して、シングルモードを保っている。加えて、図６に
示されるような屈折率プロフィルは、ファイバは典型的
な場合、傾斜していない端部でマルチモードであるが、
その技術をより大きな傾斜比に延長するのに使用でき
る。
【００１７】図７Ａ−７Ｈは本発明の第３の実施例を示
し、この場合、束ねた傾斜ファイバは、クラッドポンピ
ングファイバの両端中に光を結合させる。この例におい
て、中心のファイバ（３１）はシングルモードで、構造
はクラッドポンピングファイバ増幅器を形成する。
【００１８】上で述べた実施例は、本発明の原理の応用
を表すことができる多くの可能な具体的な実施例のわず
か数例であることを、理解する必要がある。本発明の精
神及び視野を離れることなく、当業者には多くの様々な
他の構成ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】クラッドポンピングファイバをポンピングす
るためのマルチモードファイバの傾斜のある束を用いた
構成を概略的に示す図である。
【図１Ｂ】クラッドポンピングファイバをポンピングす
るためのマルチモードファイバの傾斜のある束を用いた
構成を概略的に示す図である。
【図１Ｃ】クラッドポンピングファイバをポンピングす
るためのマルチモードファイバの傾斜のある束を用いた
構成を概略的に示す図である。
【図１Ｄ】クラッドポンピングファイバをポンピングす
るためのマルチモードファイバの傾斜のある束を用いた
構成を概略的に示す図である。
【図２】長方形ファイバの傾斜のある束を用いた別の実
施例を示す図である。
【図３Ａ】傾斜のある束がシングルモードファイバを含
む別の実施例を示す図である。
【図３Ｂ】傾斜のある束がシングルモードファイバを含
む別の実施例を示す図である。
【図３Ｃ】傾斜のある束がシングルモードファイバを含
む別の実施例を示す図である。
【図３Ｄ】傾斜のある束がシングルモードファイバを含
む別の実施例を示す図である。
【図３Ｅ】傾斜のある束がシングルモードファイバを含
む別の実施例を示す図である。
【図４】図３に示されるようなデバイス例の設計に有用
なグラフを示す図である。
【図５】図３に示されるようなデバイス例の設計に有用
なグラフを示す図である。
【図６】図３に示されるようなデバイス例の設計に有用
なグラフを示す図である。
【図７Ａ】両端に傾斜した束がクラッドポンピングファ
イバに形成された別の実施例を示す図である。
【図７Ｂ】両端に傾斜した束がクラッドポンピングファ
イバに形成された別の実施例を示す図である。
【図７Ｃ】両端に傾斜した束がクラッドポンピングファ
イバに形成された別の実施例を示す図である。
【図７Ｄ】両端に傾斜した束がクラッドポンピングファ
イバに形成された別の実施例を示す図である。
【図７Ｅ】両端に傾斜した束がクラッドポンピングファ
イバに形成された別の実施例を示す図である。
【図７Ｆ】両端に傾斜した束がクラッドポンピングファ
イバに形成された別の実施例を示す図である。
【図７Ｇ】両端に傾斜した束がクラッドポンピングファ
イバに形成された別の実施例を示す図である。
【図７Ｈ】両端に傾斜した束がクラッドポンピングファ
イバに形成された別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
９ 半導体エミッタ源 １０ 装置 １１ マルチモードファイバ １２ 束ねられた領域、領域 １３ 傾斜させた領域、領域 １４ 最小直径 １５ クラッドポンピングファイバ、クラッドファイバ ２０ 長方形ファイバ ３１ ファイバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アンドリュー ジョン ステンツ アメリカ合衆国 08809 ニュージャー シィ，クリントン，チョーズタウン ド ライヴ ９ (56)参考文献 特開 昭60−115274（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−212413（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−127502（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−98702（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−192481（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−181176（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/04 - 6/08 H01S 3/04 - 3/095 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一定の長さのクラッドポンピングファイ
    バ、 前記クラッドポンピングファイバを光学的にポンピング
    するための複数の光源；及び 前記光源を前記クラッドポンピングファイバに光学的に
    結合させる複数のマルチモードファイバが含まれ、各マ
    ルチモードファイバは光源に結合された第１の端部と、
    前記クラッドポンピングファイバに結合された第２の端
    部を有し、前記複数のマルチモードファイバは第１及び
    第２の端部の中間の領域中で、ともに束ねられ、前記束
    は第２の端部における減少した断面領域まで傾斜させる
    クラッドポンピング光ファイバデバイス。
  2. 【請求項２】 前記クラッドポンピングファイバは、希
    土類ドープコアを含む請求項１記載のデバイス。
  3. 【請求項３】 前記クラッドポンピングファイバは、光
    増幅器である請求項２記載のデバイス。
  4. 【請求項４】 前記クラッドポンピングファイバは、フ
    ァイバレーザである請求項２記載のデバイス。
  5. 【請求項５】 前記クラッドポンピングファイバは、第
    １の断面積を有し、前記束は前記第１の断面積より小さ
    いか等しい断面積まで、傾斜させる請求項１記載のデバ
    イス。
  6. 【請求項６】 前記減少した断面積領域は、前記クラッ
    ドポンピングファイバに溶融接続される請求項１記載の
    デバイス。
  7. 【請求項７】 前記ファイバは近接して束ねられる請求
    項１記載のデバイス。
  8. 【請求項８】 前記複数のマルチモードと束ねられ、前
    記クラッドポンピングファイバに結合されたシングルモ
    ードファイバを更に含む請求項１記載のデバイス。
  9. 【請求項９】 前記クラッドポンピングファイバは一対
    の端部を有し、前記クラッドポンピングファイバの各端
    部は、各ファイバ束の傾斜した端部に結合され、少くと
    も１つのファイバ束は、シングルモードファイバを含む
    請求項１記載のデバイス。
  10. 【請求項１０】 前記希土類ドープクラッドポンピング
    ファイバは、光帰還空洞共振器を含む請求項１記載のデ
    バイス。
  11. 【請求項１１】 一定の長さのクラッドポンピングファ
    イバ； ともに束ねられ、減少した断面積領域まで傾斜した複数
    のマルチモードファイバが含まれ、 前記減少した断面積領域は、前記クラッドポンピングフ
    ァイバに溶融接続される傾斜ファイバ束。
  12. 【請求項１２】 前記クラッドポンピングファイバは希
    土類ドープコアを含む請求項１１記載のファイバ束。
  13. 【請求項１３】 前記クラッドポンピングファイバは光
    帰還空洞共振器を含む請求項１２記載のファイバ束。
  14. 【請求項１４】 前記複数のマルチモードファイバと束
    ねられ、前記クラッドポンピングファイバに結合された
    シングルモードファイバが更に含まれる請求項１１記載
    のファイバ束。
JP20416098A 1997-07-21 1998-07-21 クラッドポンピングファイバデバイスに光を入出力結合させるための傾斜ファイバ束 Expired - Lifetime JP3415449B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/897195 1997-07-21
US08/897,195 US5864644A (en) 1997-07-21 1997-07-21 Tapered fiber bundles for coupling light into and out of cladding-pumped fiber devices

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JPH1172629A JPH1172629A (ja) 1999-03-16
JP3415449B2 true JP3415449B2 (ja) 2003-06-09

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JP20416098A Expired - Lifetime JP3415449B2 (ja) 1997-07-21 1998-07-21 クラッドポンピングファイバデバイスに光を入出力結合させるための傾斜ファイバ束

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US (1) US5864644A (ja)
EP (1) EP0893862B1 (ja)
JP (1) JP3415449B2 (ja)
DE (1) DE69824493T2 (ja)

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