JP3983971B2 - ダブルクラッドファイバ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダブルクラッドファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
コア励起、コア出力のファイバレーザに用いられる光ファイバとしてダブルクラッドファイバが知られている。このダブルクラッドファイバは、ファイバ中心をなすコアと、そのコアを被覆するように設けられた相対的に屈折率の高い第１クラッドと、その第１クラッドを被覆するように設けられた相対的に屈折率の低い第２クラッドとを備えており、第１クラッドに入射された励起光が第１クラッドと第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら第２クラッドで囲まれた領域内を伝播し、励起光がコアを通過する際にコアにドープされたＮｄやＥｒ等の希土類元素を最外殻電子が励起した反転分布状態にさせ、その誘導放出によってコアを伝播する信号光を増幅するものである。
【０００３】
ところが、図３に示すように、ファイバ横断面における第１クラッドｂと第２クラッドｃとの界面の形状をコアａと同心の円形とすると、第２クラッドｂで囲まれた領域内を伝播する励起光ｄはコアａの周りを周回してほとんどコアａを通過することがないため、コアａにドープされた希土類元素を十分に反転分布状態にすることができず、コアａを伝播する信号光を大きく増幅することができないという問題がある。
【０００４】
そこで、図４に示すように、ファイバ横断面における第１クラッドｂと第２クラッドｃとの界面の形状を正方形としたダブルクラッドファイバが提案されている。このダブルクラッドファイバでは、励起光ｄがコアａを通過する確率が上記のものよりも高くなり、上記問題が改善されることとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるダブルクラッドファイバでも、第１クラッドｂと第２クラッドｃとの界面に対して４５°の角度で励起光ｄが進行する特異条件では、励起光ｄがコアａの周りを周回してほとんどコアａを通過することがなく、それがロスとなってしまうこととなる。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、励起光がコアを通過する確率が高く、信号光の増幅効率が良好なダブルクラッドファイバを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ダブルクラッドファイバの第１クラッドが、ファイバ横断面において界面各部からファイバ中心までの距離が不均一となるように形成された界面を構成する相互に屈折率の異なる内側層及び外側層を有するようにしたものである。
【０００８】
具体的には、本発明は、
ファイバ中心部をなすコアと、該コアを被覆するように設けられた第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられた第２クラッドとを備え、該第１クラッドに入射された励起光が該第１クラッドと該第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら該第２クラッドで囲まれた領域内を伝播し、励起光が該コアを通過する際に該コアにドープされた信号光増幅成分を活性化させ、該活性化された信号光増幅成分が該コアを伝播する信号光を増幅するように構成されたダブルクラッドファイバにおいて、
上記第１クラッドは、相互に接するように設けられ屈折率が異なる内側層及び外側層を有しており、
上記内側層と上記外側層との界面は、ファイバ横断面において界面各部からファイバ中心までの距離が不均一となるように形成されていると共に、いずれの部位も上記コアと上記第１クラッドとの界面より上記第１クラッドと上記第２クラッドとの界面の方に近く位置していることを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、第１クラッドに入射した励起光は第１クラッドの内側層から外側層に又は外側層から内側層に進行する際に両層の屈折率の差に起因してそれらの界面で屈折し、しかもその界面はファイバ横断面において界面各部からファイバ中心までの距離が不均一となるように形成されているので、励起光はファイバ横断面において極めてランダムな軌跡を形成しながら第２クラッドで囲まれた領域内を伝播することとなり、その結果、励起光がコアを通過する確率が高められ、コアを伝播する信号光の増幅効率が良好なものとなる。
【００１０】
また、内側層と外側層との界面のいずれの部位もコアと第１クラッドとの界面より第１クラッドと第２クラッドとの界面の方に近く位置しており、外側層の層厚みが小さくなるので、外側層のみを周回して内側層及びコアを通過しない励起光が減ぜられることとなり、励起光がコアを通過する確率が高められてコアを伝播する信号光の増幅効率が良好なものとなるという作用効果がより適正に営まれることとなる。
【００１１】
ここで、信号光増幅成分は、特に限定されるものではなく、例えば、励起光を受けることによって最外殻電子が励起された反転分布状態となって誘導放出によりコアを伝播する信号光を増幅するエルビウム（Ｅｒ）やネオジム（Ｎｄ）等の希土類元素を挙げることができる。
【００１２】
また、ファイバ横断面における内側層と外側層との界面の形状は、界面各部からファイバ中心までの距離が不均一であれば特に限定されるものではなく、正方形や楕円形の他、非幾何学的形状やファイバ中心と中心を異にする円形であってもよい。
【００１３】
さらに、内側層と外側層とは互いに屈折率を異にするが、前者が後者よりも屈折率が高いものであっても後者が前者よりも屈折率が高いものであってもいずれでもよい。但し、両者の屈折率差は、両層の界面において励起光の大半を反射するほどのものではない。
【００１４】
また、第１クラッドと第２クラッドとの界面のファイバ横断面における形状は、特に限定されるものではなく、正方形等の矩形であっても、ファイバ中心を中心とする円形であってもよい。ダブルクラッドファイバは、通常、通信用の光ファイバに融着によって接続されることとなるが、例えば、直径１２５μｍの円形横断面の通信用の光ファイバに１辺１２５μｍの正方形横断面の第１クラッドを有する従来のダブルクラッドファイバを接続する場合、両者のファイバ断面積が異なるために両者の熱容量及び加熱時の溶融状態が異なることとなって適正な接続がなされず、また、加熱溶融時に両ファイバ断面に働く表面張力の作用によりガラスの流動が生じることとなって両者のコアに軸ずれを生じることとなり、両ファイバを低損失で接続することは困難を極める。また、上記の通信用の光ファイバに１辺が１２５μｍより大きい又は小さい正方形横断面の第１クラッドを有するダブルクラッドファイバを接続する場合、ファイバ外径が異なることとなって通常光ファイバ同士を融着接続するために用いられる軸合わせ用のＶブロックの構造を変更する必要が生じる。しかしながら、本発明において、第１クラッドと第２クラッドとの界面のファイバ横断面における形状を通信用の光ファイバと同一の直径１２５μｍの円形とすれば、両ファイバを低損失で接続することができ、また、軸合わせ用のＶブロックの構造を変更する必要もない。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１クラッドに入射した励起光は第１クラッドの内側層から外側層に又は外側層から内側層に進行する際に両層の屈折率の差に起因してそれらの界面で屈折し、しかもその界面はファイバ横断面において界面各部からファイバ中心までの距離が不均一となるように形成されているので、励起光はファイバ横断面において極めてランダムな軌跡を形成しながら第２クラッドで囲まれた領域内を伝播することとなり、その結果、励起光がコアを通過する確率が高められ、コアを伝播する信号光の増幅効率を良好なものにすることができる。
【００１６】
また、内側層と外側層との界面のいずれの部位もコアと第１クラッドとの界面より第１クラッドと第２クラッドとの界面の方に近く位置しており、外側層の層厚みが小さくなるので、外側層のみを周回して内側層及びコアを通過しない励起光が減ぜられることとなり、励起光がコアを通過する確率が高められてコアを伝播する信号光の増幅効率が良好なものとなるという作用効果がより適正に営まれることとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係るダブルクラッドファイバ１０の横断面を示す。図２は、図１におけるＡ−Ａ’断面の屈折率分布を示す。
【００１９】
このダブルクラッドファイバ１０は、ファイバ中心部をなすコア１１と、コア１１を被覆するように設けられた第１クラッド１２と、第１クラッド１２を被覆するように設けられた第２クラッド１３とにより構成されている。そして、ファイバ横断面におけるコア１１と第１クラッド１２との界面であるコア側界面１４の形状、第１クラッド１２と第２クラッド１３との界面である第２クラッド側界面１５の形状及び第２クラッドの外郭形状は、ファイバ中心を中心とする同心円を構成しており、それぞれの直径は順に１０〜１２μｍ、１２５μｍ及び１３５〜２５０μｍである。
【００２０】
コア１１は、屈折率を高める成分であるゲルマニウム（Ｇｅ）、希土類元素であるネオジム（Ｎｄ）がドープされた石英（ＳｉＯ_２）で形成され、図２に示すように、最も屈折率が高い部分となっている。
【００２１】
第１クラッド１２は、コア１１側の内側層１２ａと第２クラッド１３側の外側層１２ｂとからなる。そして、ファイバ横断面における内側層１２ａと外側層１２ｂとの界面である中間界面１６の形状は、図１に示すように、規則性を有しない非幾何学形状に構成され、界面各部からファイバ中心までの距離が不均一となっている。また、中間界面１６のいずれの部位もコア側界面１４よりも第２クラッド側界面１５の方に近く位置している。そして、内側層１２ａは石英（ＳｉＯ_２）で形成されている一方、外側層１２ｂは屈折率を低下させる成分であるフッ素（Ｆ）が若干量ドープされた石英（ＳｉＯ_２）で形成されており、図２に示すように、内側層１２ａが外側層１２ｂよりも屈折率が若干高くなっている。
【００２２】
第２クラッド１３は、屈折率を低下させる成分であるフッ素（Ｆ）がドープされたアクリル系の紫外線硬化型樹脂で形成されており、図２に示すように、コア１１や第１クラッド１２よりも大幅に屈折率が低くなっている。
【００２３】
次に、このダブルクラッドファイバ１０の動作機能について説明する。
【００２４】
第１クラッド１２に入射された励起光１７が内側層１２ａを進行して中間界面１６に到達すると、外側層１２ｂよりも内側層１２ａの方が屈折率が若干大きいために大半の励起光１７は中間界面１６で屈折して外側層１２ｂを進行する。外側層１２ｂを進行する励起光１７が第２クラッド側界面１５に到達すると、外側層１２ｂよりも第２クラッド１３の方が屈折率が大幅に大きいために大半の励起光１７は第２クラッド側界面１５で反射して再び外側層１２ｂを進行する。第２クラッド側界面１５で反射して外側層１２ｂを進行する励起光１７は再度第２クラッド側界面１５に到達して反射するか又は中間界面１６に到達することとなるが、後者のように中間界面１６に到達すると、外側層１２ｂよりも内側層１２ａの方が屈折率が若干大きいために大半の励起光１７は中間界面１６で屈折して内側層１２ａを進行する。内側層１２ａを進行する励起光１７は再度中間界面１６に到達して透過するか又はコア側界面１４に到達することとなるが、後者のようにコア側界面１４に到達すると、内側層１２ａよりもコア１１の方が屈折率が大きいために大半の励起光１７はコア側界面１４で屈折してコア１１を進行する。コア１１を進行する励起光１７が再度コア側界面１４に到達すると、内側層１２ａよりもコア１１の方が屈折率が大きいために大半の励起光１７はコア側界面１４で屈折して内側層１２ａを進行する。このように、励起光１７は、コア側界面１４又は中間界面１６での屈折及び第２クラッド側界面１５での反射を繰り返しながら第２クラッド１３で囲まれた領域内を伝播することとなる。そして、励起光１７がコア１１を通過する際には、コア１１にドープされたネオジム（Ｎｄ）は最外殻電子が励起されて反転分布状態となり、その電子が基底準位に遷移した際の誘導放出によりコア１１を伝播する信号光を増幅することとなる。
【００２５】
次に、このダブルクラッドファイバ１０の製造方法について説明する。
【００２６】
まず、ＣＶＤ法（chemical vapor deposition method）、ＯＶＤ法（outside vapor deposition method）、ＶＡＤ法（vapor-phase axial deposition method）、ロッドインチューブ法等により、通常の光ファイバのプリフォームと同様のロッド材を作成する。ここで、コア１１となる部分は、ゲルマニウム（Ｇｅ）及びネオジム（Ｎｄ）をドープした石英（ＳｉＯ_２）で形成する。また、コア１１となる部分を被覆する部分は第１クラッド１２の内側層１２ａとなるものであり、この部分は石英（ＳｉＯ_２）で形成する。
【００２７】
次いで、このロッド材の表面をグラインダー等によりロッド長手方向に研磨を行い、ロッド横断面外郭が非幾何学的形状となるように加工する。
【００２８】
次いで、表面研磨したロッド材の表面にＶＡＤ法や融着等により被覆層を設ける。ここで、この被覆層は第１クラッド１２の外側層１２ｂとなるものであり、フッ素（Ｆ）をドープした石英（ＳｉＯ_２）で形成する。
【００２９】
続いて、被覆層を設けたロッド材を横断面が円形となるように研磨加工する。このとき、コア１１となる部分がロッドの中心軸位置となるように研磨する。
【００３０】
そして、この横断面円形のロッドをプリフォームとして線引き加工し、線引き加工したファイバの表面にフッ素（Ｆ）を含んだ紫外線硬化型樹脂液を塗布して紫外線を照射することにより第２クラッド１３を形成する。
【００３１】
上記構成のダブルクラッドファイバ１０によれば、第１クラッド１２に入射した励起光１７は第１クラッド１２の内側層１２ａから外側層１２ｂに又は外側層１２ｂから内側層１２ａに進行する際に両層の屈折率の差に起因してそれらの界面である中間界面１６で屈折し、しかもその中間界面１６は、ファイバ横断面における形状が非幾何学的形状であって、界面各部からファイバ中心までの距離が不均一となるように形成されているので、励起光１７はファイバ横断面において極めてランダムな軌跡を形成しながら第２クラッド１３で囲まれた領域内を伝播することとなり、しかもその中間界面１６はいずれの部位もコア側界面１４より第２クラッド側界面１５の方に近く位置しているので、外側層１２ｂの層厚みが小さくなって外側層１２ｂ内のみを周回して内側層１２ａ及びコア１１を通過しない励起光が減ぜられることとなり、その結果、励起光１７がコア１１を通過する確率が高められ、コア１１を伝播する信号光の増幅効率が極めて良好なものとなる。
【００３２】
また、第２クラッド側界面１５は、そのファイバ横断面における形状がファイバ中心を中心とする直径１２５μｍの円形であり、通信用の光ファイバと同一であるので、両ファイバを低損失で融着接続することができ、また、通常の軸合わせ用のＶブロックを用いた接続が可能となる。
【００３３】
なお、上記実施形態では、コア１１に信号光増幅成分としてネオジム（Ｎｄ）をドープしたが、特に限定されるものではなく、エルビウム（Ｅｒ）等の他の希土類元素であってもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、ファイバ横断面における中間界面１６の形状を、非幾何学的形状としたが、ファイバ中心から各部位までの距離が不均一なものであれば特に限定されるものではなく、正方形や楕円形の他、ファイバ中心と中心を異にする円形であってもよい。
【００３５】
また、上記実施形態では、外側層１２ｂよりも内側層１２ａの方が屈折率が高い構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、内側層１２ａよりも外側層１２ｂの方が屈折率が高いものであってもよい。
【００３６】
また、上記実施形態では、内側層１２ａと外側層１２ｂとの間に屈折率差を設けるために、内側層１２ａを石英（ＳｉＯ_２）で形成する一方、外側層１２ｂを屈折率を低下させる成分であるフッ素（Ｆ）をドープした石英（ＳｉＯ_２）で形成したが、特にこれに限定されるものではなく、内側層を屈折率を高める成分であるゲルマニウム（Ｇｅ）をドープした石英（ＳｉＯ_２）で形成する一方、外側層１２ｂを石英（ＳｉＯ_２）又はフッ素（Ｆ）をドープした石英（ＳｉＯ_２）で形成するようにしてもよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、ファイバ横断面における第２クラッド側界面１５の形状をファイバ中心を中心とした円形としたが、特にこれに限定されるものではなく、正方形等の矩形であってもよい。
【００３８】
また、上記実施形態では、ダブルクラッドファイバ１０を製造する際に、ロッド材表面を研磨加工することによって第１クラッドとなる部分の横断面外郭形状を非幾何学的形状としたが、特にこれに限定されるものではなく、ロッド材表面に石英（ＳｉＯ_２）製の棒材等を融着し、その外側に被覆層を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係るダブルクラッドファイバの横断面図である。
【図２】 図１におけるＡ−Ａ’断面の屈折率分布を示す説明図である。
【図３】 第１クラッドの横断面形状が円形である従来のダブルクラッドファイバの横断面図である。
【図４】 第１クラッドの横断面形状が正方形である従来のダブルクラッドファイバの横断面図である。
【符号の説明】
１０ ダブルクラッドファイバ
１１ コア
１２ 第１クラッド
１２ａ 内側層
１２ｂ 外側層
１３ 第２クラッド
１４ コア側界面
１５ 第２クラッド側界面
１６ 中間界面
１７ 励起光
ａ コア
ｂ 第１クラッド
ｃ 第２クラッド
ｄ 励起光

Claims (3)

1. ファイバ中心部をなすコアと、該コアを被覆するように設けられた第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられた第２クラッドとを備え、該第１クラッドに入射された励起光が該第１クラッドと該第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら該第２クラッドで囲まれた領域内を伝播し、励起光が該コアを通過する際に該コアにドープされた信号光増幅成分を活性化させ、該活性化された信号光増幅成分が該コアを伝播する信号光を増幅するように構成されたダブルクラッドファイバにおいて、
   上記第１クラッドは、相互に接するように設けられ屈折率が異なる内側層及び外側層を有しており、
   上記内側層と上記外側層との界面は、ファイバ横断面において界面各部からファイバ中心までの距離が不均一となるように形成されていると共に、いずれの部位も上記コアと上記第１クラッドとの界面より上記第１クラッドと上記第２クラッドとの界面の方に近く位置していることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
2. 上記第１クラッドと第２クラッドとの界面は、ファイバ横断面における形状がファイバ中心を中心とする円形であることを特徴とする請求項１に記載のダブルクラッドファイバ。
3. 上記内側層よりも上記外側層の方が屈折率が高いことを特徴とする請求項１に記載のダブルクラッドファイバ。

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