JP4142495B2 - ダブルクラッドファイバを用いた光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ファイバレーザ装置やＡＳＥ光源装置として使用されるダブルクラッドファイバを備えた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光通信分野や光計測分野においてファイバレーザ装置やＡＳＥ光源装置などが利用されている。これらの装置は、増幅媒質がドープされたコアを備えた光ファイバに励起光を入射することにより、反転分布形質を形成し、そこからの誘導放出を利用したものである。
【０００３】
近年、上記増幅媒質をドープされたコアを有するダブルクラッドファイバの使用が実用化されている。ダブルクラッドファイバは、増幅媒質がドープされたシングルモードコアと、このシングルモードコアの周囲を被覆する第１クラッドと、この第１クラッドの周囲を被覆する第２クラッドとを備えている。また、上記ダブルクラッドファイバの１つに、上記第２クラッドを多数の細孔を含む多孔構造に構成したものも知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
上記多孔構造に構成された第２クラッドの屈折率（実効屈折率）は、その空隙率に依存し、空隙率を大きくすれば第２クラッドの実効屈折率を小さくすることができる。このため、第２クラッドを多孔構造に構成したダブルクラッドファイバでは、上記空隙率を調整することにより、第１クラッドと第２クラッドとの比屈折率差を、従来のダブルクラッドファイバに比べて大きくすることができる。
【０００５】
その結果、第２クラッドに多孔構造を有するダブルクラッドファイバは、内部を伝搬する励起光の開口数（ＮＡ：numerical aperture）を大きくすることができるという利点がある。
【０００６】
このようなダブルクラッドファイバの第１クラッドに励起光を入射する方法として、第１クラッドの入射端に励起光光源装置から延設されたマルチモード型光ファイバを熱融着により、直接接続する技術が用いられていた。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２７７６６９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第２クラッド層に多孔構造を有するものも含めてダブルクラッドファイバを用いた光学装置では、以下のような問題があった。即ち、上記光学装置を用いて高出力のレーザ光やＡＳＥ光を出力しようとする場合、入射される励起光の出力を大きくする必要がある。近年、上記光学装置の高出力化に伴い、５Ｗを越えるような大出力のマルチモードレーザダイオード（以下、「ＭＭＬＤ」という。）励起光光源も使用されている。
【０００９】
ＭＭＬＤ励起光光源の大出力化に伴って、該光源から上記光学装置の入射端に励起光を導くためのマルチモード型光ファイバ（以下、「光源ＭＭＦ」ともいう。）のコア径も大口径化している。例えば、上記５Ｗ程度の出力を有するＭＭＬＤ励起光光源に使用される光源ＭＭＦのコア径は、約２００μｍにも達する。
【００１０】
一方、上記光学装置に使用されているダブルクラッドファイバの第１クラッドの外径は、通常、１００μｍ以下であって、例えば約７５μｍ程度と比較的細く形成されている。これは、使用されるダブルクラッドファイバの励起光／信号光（出力光）変換効率を向上させるうえで、上記第１クラッドの断面積をできるだけ小さくする方が有利だからである。
【００１１】
このため、図９に示すように、上記光源ＭＭＦ８１の出射端を上記ダブルクラッドファイバ８０の入射端にそのまま融着接続すると、光源ＭＭＦ８１のコア部８２とダブルクラッドファイバ８０の第１クラッド８３との接合面における重なりが少なく、励起光のすべてを第１クラッド８３内に入射することができない。そのため、融着部において励起光にかなりのロスが生じることになる。
【００１２】
そこで、図１０に示すように、光源ＭＭＦ９１に出射端に向かって先細り状にテーパ加工を施し、出射端におけるコア９２の外径を上記第１クラッド９３の外径に合わせて融着接続する技術も開発されている。この技術によれば、光源ＭＭＦ９１のコア９２を伝搬する励起光の大半を上記ダブルクラッドファイバ９０の第１クラッド９３内に入射できることになる。
【００１３】
しかし、光源ＭＭＦ９１にテーパ加工を施す技術においても、以下の問題があった。即ち、テーパ加工が施された光源ＭＭＦ９１は、上記ダブルクラッドファイバ９０の第１クラッド９３と接合するために、適当な外径を有する部位で切断する必要がある。しかし、通常のファイバカッターを用いてテーパ状のファイバを切断する際、切断面を軸心に対し垂直となるように切断することが非常に困難であるという問題があった。
【００１４】
また、切断面を軸心に対して垂直になるよう切断できた場合であっても、そもそも上記テーパ加工が施された光源ＭＭＦ９１の出射端の外径と、上記ダブルクラッドファイバ９０の入射端の外径との差が大きいため、両ファイバの軸心を合わせることが困難であった。更に、大きな外径差を有する両光ファイバを融着する場合、その外径差に伴う表面張力のズレが発生し、軸ズレが発生することがある。
【００１５】
また、融着時の熱により、上記第２クラッド９４が入射端付近で潰れてしまうおそれがあった。その結果、ダブルクラッドファイバ９０の入射端近傍に第２クラッド９４の存在しない領域が形成されてしまう。このように入射端付近で第２クラッド９４が潰れてしまうと、上記光源ＭＭＦ９１の出射端から出射された励起光の一部が第１クラッド９３内に入らず、第２クラッド９４の外側へ漏れてしまうといった光漏れの問題があった。
【００１６】
更に、テーパ加工された光源ＭＭＦ９１の先端部近傍はかなり細いため、上記ダブルクラッドファイバ９０の入射端と突き合わせたときに折れ曲がってしまい、接続不良による歩留まりが極端に悪くなるといった問題もあった。
【００１７】
そこで本発明は、上記問題に鑑みて為されたものであり、上記大口径の光源ＭＭＦのテーパ加工を不要とすることで、先端面切断や軸心合わせの困難性を解消し、且つ、ＭＭＬＤ励起光光源から出射された励起光を確実に上記ダブルクラッドファイバの第１クラッド内に入射させることが可能な光学装置の実現を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光学装置は、
増幅媒質がドープされたシングルモードコアと、
上記シングルモードコアの周囲を被覆する第１クラッドと、
多数の細孔を含む多孔構造に構成され、上記第１クラッドの周囲を被覆する第２クラッドとを有するダブルクラッドファイバを用いた光学装置であって、
上記ダブルクラッドファイバは、その励起光の入射端部が、外部の励起光光源から延設されたマルチモード型光ファイバが接続されて励起光が入射される入射領域に構成されており、
上記ダブルクラッドファイバの上記入射領域には、上記シングルモードコアがそのまま設けられていると共に、上記多数の細孔がすべて潰されて上記第２クラッドが上記第１クラッドと一体化することにより形成された中実部分が該シングルモードコアの周囲を被覆するように設けられており、
上記ダブルクラッドファイバの上記入射領域は、上記マルチモード型光ファイバとの接続側に設けられ該マルチモード型光ファイバの外径と同径に形成された非テーパ部と、該マルチモード型光ファイバとの接続側とは反対側に設けられ該非テーパ部に続いて上記第１クラッドの外径に収束するようにテーパ状に形成されたテーパ部と、を有することを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、外部の励起光光源から延設されたマルチモード型光ファイバは、その出射端にテーパ加工を施すことなく、上記光学装置のダブルクラッドファイバと良好に接続することができる。即ち、上記ダブルクラッドファイバに入射領域を形成し、該入射領域の入射端側には上記マルチモード型光ファイバの外径と同径に形成された非テーパ部を形成し、上記マルチモード型光ファイバの出射端と接続する。上記入射領域の入射端側を上記マルチモード型光ファイバの出射端にテーパ加工を施す必要がなくなる。そのため、上記マルチモード型光ファイバの出射端面の切断加工が容易になる。また、上記マルチモード型光ファイバの出射端の外径と上記非テーパ部の外径が一致しているため、融着時に加熱ムラを少なくすることができ、軸ズレを小さくすることができる。
【００２０】
更に上記非テーパ部の出射端側から上記ダブルクラッドファイバの第１クラッドの外径に収束するようにテーパ部が形成されていることにより、上記光源ＭＭＦから非テーパ部に入射された励起光は、テーパ部内を伝搬しながら絞り込まれて確実に上記第１クラッド内に入射される。テーパ部から第１クラッド内に入射された励起光は、全反射を繰り返しながら第１クラッド内を伝搬する。励起光は第１クラッド内のシングルモードコアを透過する度に、ドープされている増幅媒質を励起して誘導放出を生起させ、その結果、ダブルクラッドファイバの出射端から所望のレーザ光を得ることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学装置によれば、大口径の光源ＭＭＦにテーパ加工を施すことなくダブルクラッドファイバの入射領域に融着接続することができるため、ファイバの先端面の切断や軸心合わせの困難性を解消することができ、歩留まりよく光源ＭＭＦとダブルクラッドファイバとを接続することができる。
【００２２】
また、本発明の光学装置によれば、上記入射領域の非テーパ部に入射された励起光を、入射領域のテーパ部を介して確実にダブルクラッドファイバの第１クラッド内に伝搬させることができる。従って、上記光学装置は低損失で励起光光源と接続することができ、励起光を有効に利用することにより高効率で所望の出力光を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。本実施形態に係る光学装置１は、ファイバレーザ装置やＡＳＥ光源装置等に使用される。
【００２４】
図１は、本実施形態の光学装置に用いられるダブルクラッドファイバ１を示している。このダブルクラッドファイバ２は、ファイバの軸心部に軸方向に延びるシングルモードコア２１と、このシングルモードコア２１の周囲を被覆する第１クラッド２２と、この第１クラッド２２の周囲を被覆する第２クラッド２３と、この第２クラッド２３の周囲を被覆するサポート層２４と、サポート層２４の外周囲を被覆する被覆層２５とを備えている。
【００２５】
このダブルクラッドファイバ２では、伝搬光が上記シングルモードコア２１内を伝搬する一方、励起光が第１クラッド２２内を伝搬する。
【００２６】
本実施形態において、上記シングルモードコア２１、第１クラッド２２、第２クラッド２３、及びサポート層２４はそれぞれ石英製であるのに対し、被覆層２５は樹脂製である。被覆層２５に使用される樹脂としては、例えば紫外線硬化型樹脂等が用いられる。
【００２７】
上記シングルモードコア２１は、第１クラッド２２の屈折率よりも高くなるようにＧｅ等がドープされていると共に、増幅媒質がドープされている。該増幅媒質は、上記第１クラッド２２内を伝搬する励起光によって励起され反転分布形質を形成し、そこから誘導放出光を発する。本発明に係る光学装置は、上記シングルモードコア２１内に生じた誘導放出光を利用するものである。増幅媒質としては、例えば、Ｅｒ、Ｎｄ，Ｙｂ等の希土類元素の中から適宜選択される。
【００２８】
上記第１クラッド２２は、上記シングルモードコア２１の周囲を囲みながら、ファイバ軸方向に延びるように形成されており、その断面形状が円形状とされている。尚、本実施形態では、第１クラッド２２の断面形状を円形状とするが、この断面形状は円形状に限らず、例えば六角形状、三角形状、矩形状等の多角形状や、楕円形状等に形成してもよい。また、円形の一部を切り欠いた形状とすることも可能である。
【００２９】
上記第２クラッド２３は、上記第１クラッド２２の周囲を囲みながら、ファイバ軸方向に延びて形成されている。本発明の第２クラッド２３は、ファイバ軸方向に延びる多数の細孔２３ａを含んだ多孔構造に構成されている。この各細孔２３ａは、ファイバ断面において周方向に略均一に配設されている。
【００３０】
上記多孔構造を有する第２クラッド２３の屈折率（実効屈折率）は、空隙率、つまり、第２クラッド２３領域の全体積に対する孔２３ａの体積の割合に依存し、空隙率が大きい程、第２クラッド２３の実効屈折率は小さくなる。この第２クラッド２３の外側にサポート層が形成されている場合、サポート層によってファイバの機械的強度を担保することができるため、上記空隙率をかなり大きくすることができる。そのため、第２クラッド２３を多孔構造にすることで、この第２クラッド２３を中実構造で構成する場合に比べて、励起光に対する開口数（ＮＡ）を大幅に大きくすることができる。
【００３１】
上記サポート層２４は、上記第２クラッド２３の周囲を囲むように形成されており、このサポート層２４によって、多孔構造の第２クラッド２３を保護すると共に、ダブルクラッドファイバ２の機械的強度を向上するようにしている。
【００３２】
このように、第２クラッド２３が多孔構造に構成されたダブルクラッドファイバ２は、プリフォームを加熱・延伸してファイバ状に延伸することによって製造される。具体的に、プリフォームは、次の手順に従って作成される。
【００３３】
先ず、断面略円形状の円管状のサポート管を１本用意すると共に、コア用ロッド（中実棒）を１本、多数本の第１クラッド用ロッド及び第２クラッド用キャピラリ（中空棒）とをそれぞれ用意する。これら各部材はすべて石英で形成されており、上記コア用ロッドには、上記増幅媒質がドープされている。
【００３４】
そして、上記サポート管内の中心位置に上記コア用ロッドを配置し、このコア用ロッドの周囲に、複数本の第１クラッド用ロッドを規則的に配置する。このとき、成形後の第１クラッド部が、断面略円形状となるように、第１クラッド用ロッドを上記コア用ロッドの周囲に略最密に配設することが好ましい。
【００３５】
次に、上記第１クラッド用キャピラリと上記サポート管の内周面との間に、多数本の第２クラッド用キャピラリを規則的に配置する。尚、コア及び第１クラッド用ロッド、並びに第２クラッド用キャピラリを配置する順序は、適宜変更してもよい。
【００３６】
このようにサポート管に各ロッドとキャピラリが充填された状態で、全体を加熱する。加熱温度が所定温度以上になると各ロッド、キャピラリ、及びサポート管が溶着し、各部材間の間隙が緻密化されてプリフォームが完成する。このプリフォームを、線引き炉で加熱・延伸してファイバ化する。
【００３７】
上記プリフォームのコア用ロッドに対応する部分が、ダブルクラッドファイバのシングルモードコアを、プリフォームの第１クラッド用ロッドに対応する部分が、ダブルクラッドファイバの第１クラッドを、プリフォームの第２クラッド用各キャピラリに対応する部分が、ダブルクラッドファイバの細孔を備えた第２クラッドを、サポート管に対応する部分が、ダブルクラッドファイバのサポート層を、それぞれ形成する。そして、このファイバの外周囲に被覆材を塗布することで、ダブルクラッドファイバ２の被覆層を形成する。この被覆層の形成は、線引きの際に行ってもよい。
【００３８】
このようにして、第２クラッド２３が多孔構造に構成されたダブルクラッドファイバ２が製造される。
【００３９】
尚、プリフォームは、コア用ロッド及び第１クラッド用ロッドを用いて作成する代わりに、コア部とクラッド部（第１クラッド部）とを有する第１プリフォームを作成し、この第１プリフォームを用いて作成してもよい。
【００４０】
即ち、上記第１プリフォームを、例えばＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ロッドインチューブ法等の公知の方法により作成し、この第１プリフォームをサポート管内の略中心位置に配設する。次いで、この第１プリフォームとサポート管の内周面との間に、多数の第２クラッド用キャピラリを配設する。こうすることでも、コア部、第１及び第２クラッド部を有するプリフォームを形成することができる。
【００４１】
図２は、実施形態に係る光学装置１を示している。
【００４２】
この光学装置１は、上記ダブルクラッドファイバ２を有し、該ダブルクラッドファイバ２の入射端２６側には、入射領域３が形成されてなる。
【００４３】
上記入射領域３は、外部の励起光光源（図２では図示せず。）から延設された光源ＭＭＦ（図２では図示せず。）と接続される。入射領域３は、ダブルクラッドファイバ２と同様、石英材料で形成されている。
【００４４】
該入射領域３には、上記光源ＭＭＦの外径と同径に形成された非テーパ部３ａが形成されている。また、上記非テーパ部３ａから上記ダブルクラッドファイバ２の第１クラッド２２の外径に収束するようにテーパ部３ｂが形成されている。該テーパ部３ｂの形状について、テーパの角度は軸心に対して約１０°以下の滑らかなテーパ状となることが好ましい。テーパの角度があまり大きすぎると、テーパ部を伝搬する励起光のテーパ部の内壁面への入射角が臨界角以下となり、励起光がテーパ部内で全反射せずに外部へ放出されてしまうおそれがある。
【００４５】
上記テーパ部３ｂは、上記ダブルクラッドファイバ２の第１クラッド２２と光学的に接続されている。上記入射領域３は、後に説明する製造方法により、該第１クラッド２２と一体に形成されることが好ましい。
【００４６】
上記第１クラッド２２の周囲には、多孔構造を有する第２クラッド２３が形成されており、第２クラッド２３の周囲には、サポート層２４が形成されている。
【００４７】
また、サポート層２４の周囲には、紫外線硬化型樹脂などからなる被覆層２５が形成されている。上記ダブルクラッドファイバ２の他端は、出射端２７とされている。
【００４８】
次に、本実施形態に係る光学装置の製造方法について説明する。
【００４９】
図３の（ａ）に示すように、上記方法で形成された全長にわたって均一なダブルクラッドファイバ２を用意する。このダブルクラッドファイバ１の長さは、特に限定させるものではなく、光学装置の用途や要求される性能に応じて決定される。
【００５０】
図３の（ｂ）に示すように、上記ダブルクラッドファイバ２の中間部において、適当な長さの範囲にわたり被覆層２５を除去する。除去する方法は特に限定されるものではないが、内部のファイバに傷等を付けないような適当な方法が選択される。
【００５１】
図３の（ｃ）に示すように、上記被覆層が除去された領域にコラプス処理を施して、上記第２クラッド２３を構成する上記細孔２３ａをすべて潰してしまう。
【００５２】
具体的には、この領域をバーナ等の適当な加熱手段により加熱する。これにより、ダブルクラッドファイバ２を構成する石英材料全体が半溶融状態となり、界面張力により上記細孔２３ａが押しつぶされる。これにより、上記サポート層２４、第２クラッド２３の細孔２３ａ以外の部位、及び第１クラッド２２が一体化する。上記シングルモードコア２１は中実であるため、何ら変化することはない。
【００５３】
このように、コラプス処理により、ダブルクラッドファイバ２の一部にシングルモードファイバ型構造を備えた領域４（以下、「コラプス領域４」ともいう。）が形成される。コラプス領域４は、その両端部に若干テーパ状の領域が残るが、全域にわたり概ね同径に形成される。コラプス領域４は、接続される光源ＭＭＦの外径と同径になるように形成される。
【００５４】
次に、図３の（ｄ）に示すように、上記コラプス領域４の出射端側にテーパ加工を施す。該テーパ加工は、フッ化水素などによりエッチング処理を用いることが好適である。
【００５５】
具体的には、図４に示すように、一部を切り欠いたフッ素樹脂製チューブ５の略軸心上であって、上記コラプス領域４とダブルクラッドファイバ２の出射端側との境界部が該フッ素樹脂製チューブ５の長手方向の略中央に位置するようにファイバを固定する。この状態で、切欠部５ａからフッ化水素をフッ素樹脂製チューブ５内に注入する。表面張力の作用により、フッ素樹脂製チューブ５の中央部には、その両端部と比較して相対的に多量のフッ化水素が貯留される。
【００５６】
この状態で静置すると、上記石英製の光ファイバは、外周面から軸心に向かって溶解してゆく。光ファイバの移動やフッ化水素の対流が少ない状態において、相対的に貯留量に少ない両端部から中央部にかけて、フッ化水素と石英の反応が順次飽和状態に達して停止する。その結果、上記コラプス領域において、入射端側からダブルクラッドファイバ２との境界部に向かって先細りの平滑なテーパ部３ｂが形成される。ここで形成されるテーパ部３ｂの出射端側の外径は、上記第１クラッド２２の外径と等しいか、あるいはそれよりも小さいことが必要である。
【００５７】
図３の（ｅ）に示すように、上記非テーパ部３ａを形成するため、上記コラプス領域４の上記テーパ加工が施されていない領域で切断する。テーパ加工が施されていない領域は外径部が軸線と平行であるため、切断面を軸線に対して垂直に切断する。
【００５８】
このように形成された光学装置１の入射領域３に、光源ＭＭＦ３２の出射端が溶融接続される。
【００５９】
図３の（ｆ）に示すように、上記入射領域３の非テーパ部３ｂの外径と、光源ＭＭＦ３２の外径がほぼ一致しているため、軸心合わせが容易であり、且つ、加熱時の径の違いによって生じる表面張力による捻れが生じないため、軸ズレが生じることもない。光源ＭＭＦ３２もテーパ加工を施す必要がなく、出射端の切断の困難性等従来の問題を解決することができる。
【００６０】
【実施例】
以下、本発明に係る光学装置の具体的な実施例について、図面を用いて説明する。
【００６１】
＜実施例１＞
図５は、本発明に係る光学装置１を用いたファイバレーザ装置３０の構成図である。
【００６２】
本実施例のファイバレーザ装置３０は、上記本発明に係る光学装置１、ＭＭＬＤ励起光光源３１、光源ＭＭＦ３２、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３、シングルモードファイバ３４、アイソレータ３５等から構成されている。
【００６３】
ＭＭＬＤ３１は、光源ＭＭＦ３２を介して上記光学装置１に励起光を供給する。光源ＭＭＦ３２は、大きなコア径を有する大口径マルチモードファイバであって、本実施例のコア径は２００μｍ程度である。このように、光源ＭＭＦ３２に大口径マルチモードファイバを使用することにより、ＭＭＬＤ励起光光源３１の出力を大きくすることができる。
【００６４】
光源ＭＭＦ３２は、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３を介して上記光学装置１の入射領域に接続されている。励起光透過／戻り光反射フィルタ３３は、上記光源ＭＭＦ３２から出射される励起光を上記光学装置１の入射領域３へ透過するが、入射領域３から光源ＭＭＦ３２に向かって出射される特定波長の戻り光は、透過させずに反射する機能を有する。
【００６５】
本実施例において戻り光は、次のような原理で発生する。図８に示すように、ダブルクラッドファイバの第１クラッド２２に入射された励起光６は、第２クラッド２３との界面で全反射を繰り返しながら伝搬してゆく。励起光６がシングルモードコア２１を横切って透過する際、ドープされている増幅媒質において電子が励起される。本実施例に係るファイバレーザ装置３０では、シングルモードコア、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３及びファイバグレーティング３６で共振器が形成されているため、上記ダブルクラッドファイバ中では双方向に信号光が発生しており、双方向に自然放出光を誘導放出される。
【００６６】
この入射端方向への自然放出光は、戻り光として上記ＭＭＬＤ励起光光源３１に入射され、ＭＭＬＤ励起光光源３１に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３で、自然放出光を出射端側に反射する必要がある。
【００６７】
本実施例において、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３は、ダブルクラッドファイバ２のシングルモードコア２１内で励起された広い波長帯域を有する光を完全に反射させるために、広い反射波長帯域を有することが好ましい。
【００６８】
例えば、本実施例において使用される励起光透過／戻り光反射フィルタ３３では、すべての戻り光を１ｍＷ以下にするものが望ましく、また、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３が透過させるのは、励起光波長の±２０ｎｍ程度であることが望ましい。これにより戻り光をほぼ１００％反射することができる。
【００６９】
上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３の出射端側には、上記光学装置１の入射領域３が接続されている。該光学装置１の出射端２７側には、シングルモードファイバ３４が接続されている。該シングルモードファイバ３４のコアは、上記ダブルクラッドファイバ２のシングルモードコア２１と光学的に接続されている。
【００７０】
上記シングルモードファイバ３４のコアには、ファイバグレーティング３６が形成されている。ファイバグレーティング３６は、シングルモードファイバ３４のコアの屈折率を周期的に変化させて形成する。ファイバグレーティング３６は、屈折率の変調周期に対応した波長の光を選択的に反射する機能を有する。
【００７１】
上記ファイバグレーティング３６は、上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３に比較して狭い反射波長帯域を有している。例えば、本実施例において使用されるファイバグレーティング３６は、０．１〜１．０（ｎｍ）となるよう設定されることが好ましい。ファイバグレーティング３６の反射波長帯域によって、出力されるレーザ光の発振波長が決定される。
【００７２】
上記ファイバグレーティング３６の先には、アイソレータが接続されている。
【００７３】
アイソレータ３５は、上記光学装置１の出射端２７から出射されたレーザ光は透過するが、外部から光学装置１に向かって入射される光を遮断し、上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３及びファイバグレーティング３６以外の反射による発振を抑制する。
【００７４】
このように構成されたファイバレーザ装置３０は、以下のようにレーザ光を発生する。
【００７５】
上記ＭＭＬＤ励起光光源３１から出射された励起光は、光源ＭＭＦ３２を伝搬してゆき、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３を透過して光学装置１の入射領域３に入射される。本実施例では、光源ＭＭＦ３２と入射領域３の上記非テーパ部３ａとの外径がほぼ一致しているため、上記励起光の略１００％が入射領域３に入射され接続損失がほとんどない。
【００７６】
入射領域３に入射した励起光は、入射領域内を非テーパ部３ａからテーパ部３ｂへと伝搬してゆき、絞り込まれて上記ダブルクラッドファイバ２の第１クラッド２２内に入射される。本発明において、上記非テーパ部３ａから上記ダブルクラッドファイバ２の第１クラッド２２の外径に収束するようにテーパ部３ｂが形成されているため、入射領域３に入射された励起光は、第２クラッド２３やサポート層２４に漏れることなく確実に第１クラッド２２に入射される。
【００７７】
上記説明したとおり、第１クラッド２２内に入射された励起光は、第２クラッド２３との界面で全反射を繰り返しながら伝搬してゆく。励起光６がシングルモードコア２１を横切って透過する際、該シングルモードコア２１にドープされている増幅媒質から励起光６と異なる波長を有する自然放出光が発生する。
【００７８】
自然放出光は、光学装置１のダブルクラッドファイバ２の出射端２７からシングルモードファイバ３４のコアに出射される。誘導放出光の戻り光も上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３で反射され、上記シングルモードファイバ３４のコアに入射される。
【００７９】
シングルモードファイバ３４のコアに入射された上記自然放出光は、コア内を伝搬してゆき、ファイバグレーティング３６に達する。自然放出光のうち、該ファイバグレーティング３６の反射波長帯に含まれる波長を持つものは反射され、再びダブルクラッドファイバ２のシングルモードコア２１に入射される。
【００８０】
このファイバグレーティング３６と上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３との間に共振器が形成されており、反射された自然放出光によっても誘導放出される。つまり、本実施例に係るファイバレーザ装置では、上記ファイバグレーティング３６と励起光透過／戻り光反射フィルタ３３との間で共振が生じ、繰り返し誘導放出されることによりレーザ発振し、高出力レーザ光が取り出される。
【００８１】
本実施例によれば、ＭＭＬＤ励起光光源３１の励起光はほとんど損失せずに増幅媒質を励起することができるため、高い効率で高出力レーザ光を取り出すことができる。
【００８２】
具体的に本実施例に係るファイバレーザ装置において、Ｙｂがドープされた長さ２０ｍの上記ダブルクラッドファイバを使用し、出力３Ｗで波長９８０ｎｍの励起光を入射した場合、ファイバレーザ装置の出力端からは出力２Ｗで波長１０８５ｎｍのファイバレーザ出力が得られた。また、本実施例に係るファイバレーザ装置において、上記励起光は、約９５％という高い利用効率で利用されていることがわかった。
【００８３】
＜実施例２＞
図６は、本発明に係る光学装置１を用いたＡＳＥ光源装置４０の構成図である。
【００８４】
本実施例のＡＳＥ光源装置４０は、上記実施例１のファイバレーザ装置と基本的に同じ構成を有する。実施例１のファイバレーザ装置と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。上記ファイバレーザ装置と異なる点として、シングルモードファイバ３４にファイバグレーティングが入っていないこと、上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３がファイバの軸心方向に対してθの角度で傾いている場合があることが挙げられる。
【００８５】
ＭＭＬＤ励起光光源３１で発生した励起光は、本発明に係る上記光学装置１により、効率よく上記ダブルクラッドファイバ２の第１クラッドに入射される。第１クラッドに入射された励起光は、ドープされている増幅媒質を励起することにより、自然放出光を発生させる。
【００８６】
励起光透過／戻り光反射フィルタ３３は、通常、６°以上の角度θを持って設置されている場合が多い。つまり、戻り光が励起光透過／戻り光反射フィルタ３３で反射され、シングルモードコアに再入射されることによる発振を防ぐためである。これにより、本実施例に係るＡＳＥ光源装置の出力端からは、上記シングルモードコアで発生する広い波長帯を有する自然放出光のみを取り出すことができる。
【００８７】
具体的に本実施例に係るＡＳＥ光源装置において、Ｙｂがドープされた長さ２０ｍのダブルクラッドファイバ２使用し、出力３Ｗで波長９８０ｎｍの励起光を入射した場合、ＡＳＥ光源装置の出力端からは、波長帯域が１０１０〜１１３０（ｎｍ）で８００ｍＷの自然放出光が得られた。また、本実施例に係るＡＳＥ光源装置において、上記励起光は、約９５％という高い利用効率で利用されていることがわかった。
【００８８】
＜実施例３＞
図６は、本発明に係る光学装置１を用いた光アンプ装置５０の構成図である。
【００８９】
本実施例の光アンプ装置５０は、上記実施例１のファイバレーザ装置と基本的に同じ構成を有する。実施例１のファイバレーザ装置と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。上記ファイバレーザ装置と異なる点として、上記ファイバグレーティングを備えていないこと、上記アイソレータに代えて入射ポート３７ａと出射ポート３７ｂを備えたサーキュレータ３７を備えていることが挙げられる。
【００９０】
ＭＭＬＤ励起光光源３１で発生した励起光は、本発明に係る上記光学装置１により、効率よく上記ダブルクラッドファイバ２のシングルモードコアに入射される。
【００９１】
一方、上記サーキュレータ３７の入射ポート３７ａへは、伝送路からの信号光が入射される。信号光は上記シングルモードファイバ３４からダブルクラッドファイバ２のシングルモードコアに入射される。該シングルモードコア内に入射された信号光は、ドープされた増幅媒質とＭＭＬＤ励起光光源３１からの励起光の作用を受けて増幅される。増幅されて励起光透過／戻り光反射フィルタ３３に到達した信号光は、反射されてシングルモードコアに再入射される。シングルモードコア内に再入射された信号光は、再び、増幅媒質と励起光の作用を受けて増幅され、上記シングルモードファイバ３４に入射される。増幅されてシングルモードファイバ３４を伝搬する信号光は、上記サーキュレータ３７の出射ポート３７ｂから出力され、再び伝送路で伝送される。このように本発明に係る光学装置１は、光アンプ装置として使用することができる。
【００９２】
具体的に本実施例に係る光アンプ装置において、Ｙｂがドープされた長さ２０ｍのダブルクラッドファイバ２使用し、出力３Ｗで波長９８０ｎｍの励起光を入射した場合、上記サーキュレータ３７の入射ポート３７ａから入射された０．１ｍＷの信号光は、上記サーキュレータ３７の出射ポート３７ｂから１００Ｗに増幅された信号光として出力することができた。また、本実施例に係る光アンプ装置において、上記励起光は、約９５％という高い利用効率で利用されていることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るダブルクラッドファイバの構成図である。
【図２】 本発明に係る光学装置の構成を示す概念図である。
【図３】 本発明に係る光学装置の製造工程を示す概念図である。
【図４】 エッチング処理の概要を示す概略図である。
【図５】 本発明の実施例に係るファイバレーザ装置の構成図である。
【図６】 本発明の実施例に係るＡＳＥ光源装置の構成図である。
【図７】 本発明の実施例に係る光アンプ装置の構成図である。
【図８】 戻り光の発生の原理を示す概念図である。
【図９】 従来のダブルクラッドファイバの接続状態を示す概念図である。
【図１０】 従来のダブルクラッドファイバの接続状態を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 光学装置
２ ダブルクラッドファイバ
２１ シングルモードコア
２２ 第１クラッド
２３ 第２クラッド
２４ サポート層
２５ 被覆層
３ 入射領域
３ａ 非テーパ部
３ｂ テーパ部
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ファイバレーザ装置やＡＳＥ光源装置として使用されるダブルクラッドファイバを備えた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光通信分野や光計測分野においてファイバレーザ装置やＡＳＥ光源装置などが利用されている。これらの装置は、増幅媒質がドープされたコアを備えた光ファイバに励起光を入射することにより、反転分布形質を形成し、そこからの誘導放出を利用したものである。
【０００３】
近年、上記増幅媒質をドープされたコアを有するダブルクラッドファイバの使用が実用化されている。ダブルクラッドファイバは、増幅媒質がドープされたシングルモードコアと、このシングルモードコアの周囲を被覆する第１クラッドと、この第１クラッドの周囲を被覆する第２クラッドとを備えている。また、上記ダブルクラッドファイバの１つに、上記第２クラッドを多数の細孔を含む多孔構造に構成したものも知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
上記多孔構造に構成された第２クラッドの屈折率（実効屈折率）は、その空隙率に依存し、空隙率を大きくすれば第２クラッドの実効屈折率を小さくすることができる。このため、第２クラッドを多孔構造に構成したダブルクラッドファイバでは、上記空隙率を調整することにより、第１クラッドと第２クラッドとの比屈折率差を、従来のダブルクラッドファイバに比べて大きくすることができる。
【０００５】
その結果、第２クラッドに多孔構造を有するダブルクラッドファイバは、内部を伝搬する励起光の開口数（ＮＡ：numerical aperture）を大きくすることができるという利点がある。
【０００６】
このようなダブルクラッドファイバの第１クラッドに励起光を入射する方法として、第１クラッドの入射端に励起光光源装置から延設されたマルチモード型光ファイバを熱融着により、直接接続する技術が用いられていた。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２７７６６９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第２クラッド層に多孔構造を有するものも含めてダブルクラッドファイバを用いた光学装置では、以下のような問題があった。即ち、上記光学装置を用いて高出力のレーザ光やＡＳＥ光を出力しようとする場合、入射される励起光の出力を大きくする必要がある。近年、上記光学装置の高出力化に伴い、５Ｗを越えるような大出力のマルチモードレーザダイオード（以下、「ＭＭＬＤ」という。）励起光光源も使用されている。
【０００９】
ＭＭＬＤ励起光光源の大出力化に伴って、該光源から上記光学装置の入射端に励起光を導くためのマルチモード型光ファイバ（以下、「光源ＭＭＦ」ともいう。）のコア径も大口径化している。例えば、上記５Ｗ程度の出力を有するＭＭＬＤ励起光光源に使用される光源ＭＭＦのコア径は、約２００μｍにも達する。
【００１０】
一方、上記光学装置に使用されているダブルクラッドファイバの第１クラッドの外径は、通常、１００μｍ以下であって、例えば約７５μｍ程度と比較的細く形成されている。これは、使用されるダブルクラッドファイバの励起光／信号光（出力光）変換効率を向上させるうえで、上記第１クラッドの断面積をできるだけ小さくする方が有利だからである。
【００１１】
このため、図９に示すように、上記光源ＭＭＦ８１の出射端を上記ダブルクラッドファイバ８０の入射端にそのまま融着接続すると、光源ＭＭＦ８１のコア部８２とダブルクラッドファイバ８０の第１クラッド８３との接合面における重なりが少なく、励起光のすべてを第１クラッド８３内に入射することができない。そのため、融着部において励起光にかなりのロスが生じることになる。
【００１２】
そこで、図１０に示すように、光源ＭＭＦ９１に出射端に向かって先細り状にテーパ加工を施し、出射端におけるコア９２の外径を上記第１クラッド９３の外径に合わせて融着接続する技術も開発されている。この技術によれば、光源ＭＭＦ９１のコア９２を伝搬する励起光の大半を上記ダブルクラッドファイバ９０の第１クラッド９３内に入射できることになる。
【００１３】
しかし、光源ＭＭＦ９１にテーパ加工を施す技術においても、以下の問題があった。即ち、テーパ加工が施された光源ＭＭＦ９１は、上記ダブルクラッドファイバ９０の第１クラッド９３と接合するために、適当な外径を有する部位で切断する必要がある。しかし、通常のファイバカッターを用いてテーパ状のファイバを切断する際、切断面を軸心に対し垂直となるように切断することが非常に困難であるという問題があった。
【００１４】
また、切断面を軸心に対して垂直になるよう切断できた場合であっても、そもそも上記テーパ加工が施された光源ＭＭＦ９１の出射端の外径と、上記ダブルクラッドファイバ９０の入射端の外径との差が大きいため、両ファイバの軸心を合わせることが困難であった。更に、大きな外径差を有する両光ファイバを融着する場合、その外径差に伴う表面張力のズレが発生し、軸ズレが発生することがある。
【００１５】
また、融着時の熱により、上記第２クラッド９４が入射端付近で潰れてしまうおそれがあった。その結果、ダブルクラッドファイバ９０の入射端近傍に第２クラッド９４の存在しない領域が形成されてしまう。このように入射端付近で第２クラッド９４が潰れてしまうと、上記光源ＭＭＦ９１の出射端から出射された励起光の一部が第１クラッド９３内に入らず、第２クラッド９４の外側へ漏れてしまうといった光漏れの問題があった。
【００１６】
更に、テーパ加工された光源ＭＭＦ９１の先端部近傍はかなり細いため、上記ダブルクラッドファイバ９０の入射端と突き合わせたときに折れ曲がってしまい、接続不良による歩留まりが極端に悪くなるといった問題もあった。
【００１７】
そこで本発明は、上記問題に鑑みて為されたものであり、上記大口径の光源ＭＭＦのテーパ加工を不要とすることで、先端面切断や軸心合わせの困難性を解消し、且つ、ＭＭＬＤ励起光光源から出射された励起光を確実に上記ダブルクラッドファイバの第１クラッド内に入射させることが可能な光学装置の実現を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光学装置は、
増幅媒質がドープされたシングルモードコアと、
上記シングルモードコアの周囲を被覆する第１クラッドと、
多数の細孔を含む多孔構造に構成され、上記第１クラッドの周囲を被覆する第２クラッドとを有するダブルクラッドファイバを用いた光学装置であって、
上記ダブルクラッドファイバは、その励起光の入射端部が、外部の励起光光源から延設されたマルチモード型光ファイバが接続されて励起光が入射される入射領域に構成されており、
上記ダブルクラッドファイバの上記入射領域には、上記シングルモードコアがそのまま設けられていると共に、上記多数の細孔がすべて潰されて上記第２クラッドが上記第１クラッドと一体化することにより形成された中実部分が該シングルモードコアの周囲を被覆するように設けられており、
上記ダブルクラッドファイバの上記入射領域は、上記マルチモード型光ファイバとの接続側に設けられ該マルチモード型光ファイバの外径と同径に形成された非テーパ部と、該マルチモード型光ファイバとの接続側とは反対側に設けられ該非テーパ部に続いて上記第１クラッドの外径に収束するようにテーパ状に形成されたテーパ部と、を有することを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、外部の励起光光源から延設されたマルチモード型光ファイバは、その出射端にテーパ加工を施すことなく、上記光学装置のダブルクラッドファイバと良好に接続することができる。即ち、上記ダブルクラッドファイバに入射領域を形成し、該入射領域の入射端側には上記マルチモード型光ファイバの外径と同径に形成された非テーパ部を形成し、上記マルチモード型光ファイバの出射端と接続する。上記入射領域の入射端側を上記マルチモード型光ファイバの出射端にテーパ加工を施す必要がなくなる。そのため、上記マルチモード型光ファイバの出射端面の切断加工が容易になる。また、上記マルチモード型光ファイバの出射端の外径と上記非テーパ部の外径が一致しているため、融着時に加熱ムラを少なくすることができ、軸ズレを小さくすることができる。
【００２０】
更に上記非テーパ部の出射端側から上記ダブルクラッドファイバの第１クラッドの外径に収束するようにテーパ部が形成されていることにより、上記光源ＭＭＦから非テーパ部に入射された励起光は、テーパ部内を伝搬しながら絞り込まれて確実に上記第１クラッド内に入射される。テーパ部から第１クラッド内に入射された励起光は、全反射を繰り返しながら第１クラッド内を伝搬する。励起光は第１クラッド内のシングルモードコアを透過する度に、ドープされている増幅媒質を励起して誘導放出を生起させ、その結果、ダブルクラッドファイバの出射端から所望のレーザ光を得ることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学装置によれば、大口径の光源ＭＭＦにテーパ加工を施すことなくダブルクラッドファイバの入射領域に融着接続することができるため、ファイバの先端面の切断や軸心合わせの困難性を解消することができ、歩留まりよく光源ＭＭＦとダブルクラッドファイバとを接続することができる。
【００２２】
また、本発明の光学装置によれば、上記入射領域の非テーパ部に入射された励起光を、入射領域のテーパ部を介して確実にダブルクラッドファイバの第１クラッド内に伝搬させることができる。従って、上記光学装置は低損失で励起光光源と接続することができ、励起光を有効に利用することにより高効率で所望の出力光を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。本実施形態に係る光学装置１は、ファイバレーザ装置やＡＳＥ光源装置等に使用される。
【００２４】
図１は、本実施形態の光学装置に用いられるダブルクラッドファイバ１を示している。このダブルクラッドファイバ２は、ファイバの軸心部に軸方向に延びるシングルモードコア２１と、このシングルモードコア２１の周囲を被覆する第１クラッド２２と、この第１クラッド２２の周囲を被覆する第２クラッド２３と、この第２クラッド２３の周囲を被覆するサポート層２４と、サポート層２４の外周囲を被覆する被覆層２５とを備えている。
【００２５】
このダブルクラッドファイバ２では、伝搬光が上記シングルモードコア２１内を伝搬する一方、励起光が第１クラッド２２内を伝搬する。
【００２６】
本実施形態において、上記シングルモードコア２１、第１クラッド２２、第２クラッド２３、及びサポート層２４はそれぞれ石英製であるのに対し、被覆層２５は樹脂製である。被覆層２５に使用される樹脂としては、例えば紫外線硬化型樹脂等が用いられる。
【００２７】
上記シングルモードコア２１は、第１クラッド２２の屈折率よりも高くなるようにＧｅ等がドープされていると共に、増幅媒質がドープされている。該増幅媒質は、上記第１クラッド２２内を伝搬する励起光によって励起され反転分布形質を形成し、そこから誘導放出光を発する。本発明に係る光学装置は、上記シングルモードコア２１内に生じた誘導放出光を利用するものである。増幅媒質としては、例えば、Ｅｒ、Ｎｄ，Ｙｂ等の希土類元素の中から適宜選択される。
【００２８】
上記第１クラッド２２は、上記シングルモードコア２１の周囲を囲みながら、ファイバ軸方向に延びるように形成されており、その断面形状が円形状とされている。尚、本実施形態では、第１クラッド２２の断面形状を円形状とするが、この断面形状は円形状に限らず、例えば六角形状、三角形状、矩形状等の多角形状や、楕円形状等に形成してもよい。また、円形の一部を切り欠いた形状とすることも可能である。
【００２９】
上記第２クラッド２３は、上記第１クラッド２２の周囲を囲みながら、ファイバ軸方向に延びて形成されている。本発明の第２クラッド２３は、ファイバ軸方向に延びる多数の細孔２３ａを含んだ多孔構造に構成されている。この各細孔２３ａは、ファイバ断面において周方向に略均一に配設されている。
【００３０】
上記多孔構造を有する第２クラッド２３の屈折率（実効屈折率）は、空隙率、つまり、第２クラッド２３領域の全体積に対する孔２３ａの体積の割合に依存し、空隙率が大きい程、第２クラッド２３の実効屈折率は小さくなる。この第２クラッド２３の外側にサポート層が形成されている場合、サポート層によってファイバの機械的強度を担保することができるため、上記空隙率をかなり大きくすることができる。そのため、第２クラッド２３を多孔構造にすることで、この第２クラッド２３を中実構造で構成する場合に比べて、励起光に対する開口数（ＮＡ）を大幅に大きくすることができる。
【００３１】
上記サポート層２４は、上記第２クラッド２３の周囲を囲むように形成されており、このサポート層２４によって、多孔構造の第２クラッド２３を保護すると共に、ダブルクラッドファイバ２の機械的強度を向上するようにしている。
【００３２】
このように、第２クラッド２３が多孔構造に構成されたダブルクラッドファイバ２は、プリフォームを加熱・延伸してファイバ状に延伸することによって製造される。具体的に、プリフォームは、次の手順に従って作成される。
【００３３】
先ず、断面略円形状の円管状のサポート管を１本用意すると共に、コア用ロッド（中実棒）を１本、多数本の第１クラッド用ロッド及び第２クラッド用キャピラリ（中空棒）とをそれぞれ用意する。これら各部材はすべて石英で形成されており、上記コア用ロッドには、上記増幅媒質がドープされている。
【００３４】
そして、上記サポート管内の中心位置に上記コア用ロッドを配置し、このコア用ロッドの周囲に、複数本の第１クラッド用ロッドを規則的に配置する。このとき、成形後の第１クラッド部が、断面略円形状となるように、第１クラッド用ロッドを上記コア用ロッドの周囲に略最密に配設することが好ましい。
【００３５】
次に、上記第１クラッド用キャピラリと上記サポート管の内周面との間に、多数本の第２クラッド用キャピラリを規則的に配置する。尚、コア及び第１クラッド用ロッド、並びに第２クラッド用キャピラリを配置する順序は、適宜変更してもよい。
【００３６】
このようにサポート管に各ロッドとキャピラリが充填された状態で、全体を加熱する。加熱温度が所定温度以上になると各ロッド、キャピラリ、及びサポート管が溶着し、各部材間の間隙が緻密化されてプリフォームが完成する。このプリフォームを、線引き炉で加熱・延伸してファイバ化する。
【００３７】
上記プリフォームのコア用ロッドに対応する部分が、ダブルクラッドファイバのシングルモードコアを、プリフォームの第１クラッド用ロッドに対応する部分が、ダブルクラッドファイバの第１クラッドを、プリフォームの第２クラッド用各キャピラリに対応する部分が、ダブルクラッドファイバの細孔を備えた第２クラッドを、サポート管に対応する部分が、ダブルクラッドファイバのサポート層を、それぞれ形成する。そして、このファイバの外周囲に被覆材を塗布することで、ダブルクラッドファイバ２の被覆層を形成する。この被覆層の形成は、線引きの際に行ってもよい。
【００３８】
このようにして、第２クラッド２３が多孔構造に構成されたダブルクラッドファイバ２が製造される。
【００３９】
尚、プリフォームは、コア用ロッド及び第１クラッド用ロッドを用いて作成する代わりに、コア部とクラッド部（第１クラッド部）とを有する第１プリフォームを作成し、この第１プリフォームを用いて作成してもよい。
【００４０】
即ち、上記第１プリフォームを、例えばＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ロッドインチューブ法等の公知の方法により作成し、この第１プリフォームをサポート管内の略中心位置に配設する。次いで、この第１プリフォームとサポート管の内周面との間に、多数の第２クラッド用キャピラリを配設する。こうすることでも、コア部、第１及び第２クラッド部を有するプリフォームを形成することができる。
【００４１】
図２は、実施形態に係る光学装置１を示している。
【００４２】
この光学装置１は、上記ダブルクラッドファイバ２を有し、該ダブルクラッドファイバ２の入射端２６側には、入射領域３が形成されてなる。
【００４３】
上記入射領域３は、外部の励起光光源（図２では図示せず。）から延設された光源ＭＭＦ（図２では図示せず。）と接続される。入射領域３は、ダブルクラッドファイバ２と同様、石英材料で形成されている。
【００４４】
該入射領域３には、上記光源ＭＭＦの外径と同径に形成された非テーパ部３ａが形成されている。また、上記非テーパ部３ａから上記ダブルクラッドファイバ２の第１クラッド２２の外径に収束するようにテーパ部３ｂが形成されている。該テーパ部３ｂの形状について、テーパの角度は軸心に対して約１０°以下の滑らかなテーパ状となることが好ましい。テーパの角度があまり大きすぎると、テーパ部を伝搬する励起光のテーパ部の内壁面への入射角が臨界角以下となり、励起光がテーパ部内で全反射せずに外部へ放出されてしまうおそれがある。
【００４５】
上記テーパ部３ｂは、上記ダブルクラッドファイバ２の第１クラッド２２と光学的に接続されている。上記入射領域３は、後に説明する製造方法により、該第１クラッド２２と一体に形成されることが好ましい。
【００４６】
上記第１クラッド２２の周囲には、多孔構造を有する第２クラッド２３が形成されており、第２クラッド２３の周囲には、サポート層２４が形成されている。
【００４７】
また、サポート層２４の周囲には、紫外線硬化型樹脂などからなる被覆層２５が形成されている。上記ダブルクラッドファイバ２の他端は、出射端２７とされている。
【００４８】
次に、本実施形態に係る光学装置の製造方法について説明する。
【００４９】
図３の（ａ）に示すように、上記方法で形成された全長にわたって均一なダブルクラッドファイバ２を用意する。このダブルクラッドファイバ１の長さは、特に限定させるものではなく、光学装置の用途や要求される性能に応じて決定される。
【００５０】
図３の（ｂ）に示すように、上記ダブルクラッドファイバ２の中間部において、適当な長さの範囲にわたり被覆層２５を除去する。除去する方法は特に限定されるものではないが、内部のファイバに傷等を付けないような適当な方法が選択される。
【００５１】
図３の（ｃ）に示すように、上記被覆層が除去された領域にコラプス処理を施して、上記第２クラッド２３を構成する上記細孔２３ａをすべて潰してしまう。
【００５２】
具体的には、この領域をバーナ等の適当な加熱手段により加熱する。これにより、ダブルクラッドファイバ２を構成する石英材料全体が半溶融状態となり、界面張力により上記細孔２３ａが押しつぶされる。これにより、上記サポート層２４、第２クラッド２３の細孔２３ａ以外の部位、及び第１クラッド２２が一体化する。上記シングルモードコア２１は中実であるため、何ら変化することはない。
【００５３】
このように、コラプス処理により、ダブルクラッドファイバ２の一部にシングルモードファイバ型構造を備えた領域４（以下、「コラプス領域４」ともいう。）が形成される。コラプス領域４は、その両端部に若干テーパ状の領域が残るが、全域にわたり概ね同径に形成される。コラプス領域４は、接続される光源ＭＭＦの外径と同径になるように形成される。
【００５４】
次に、図３の（ｄ）に示すように、上記コラプス領域４の出射端側にテーパ加工を施す。該テーパ加工は、フッ化水素などによりエッチング処理を用いることが好適である。
【００５５】
具体的には、図４に示すように、一部を切り欠いたフッ素樹脂製チューブ５の略軸心上であって、上記コラプス領域４とダブルクラッドファイバ２の出射端側との境界部が該フッ素樹脂製チューブ５の長手方向の略中央に位置するようにファイバを固定する。この状態で、切欠部５ａからフッ化水素をフッ素樹脂製チューブ５内に注入する。表面張力の作用により、フッ素樹脂製チューブ５の中央部には、その両端部と比較して相対的に多量のフッ化水素が貯留される。
【００５６】
この状態で静置すると、上記石英製の光ファイバは、外周面から軸心に向かって溶解してゆく。光ファイバの移動やフッ化水素の対流が少ない状態において、相対的に貯留量に少ない両端部から中央部にかけて、フッ化水素と石英の反応が順次飽和状態に達して停止する。その結果、上記コラプス領域において、入射端側からダブルクラッドファイバ２との境界部に向かって先細りの平滑なテーパ部３ｂが形成される。ここで形成されるテーパ部３ｂの出射端側の外径は、上記第１クラッド２２の外径と等しいか、あるいはそれよりも小さいことが必要である。
【００５７】
図３の（ｅ）に示すように、上記非テーパ部３ａを形成するため、上記コラプス領域４の上記テーパ加工が施されていない領域で切断する。テーパ加工が施されていない領域は外径部が軸線と平行であるため、切断面を軸線に対して垂直に切断する。
【００５８】
このように形成された光学装置１の入射領域３に、光源ＭＭＦ３２の出射端が溶融接続される。
【００５９】
図３の（ｆ）に示すように、上記入射領域３の非テーパ部３ｂの外径と、光源ＭＭＦ３２の外径がほぼ一致しているため、軸心合わせが容易であり、且つ、加熱時の径の違いによって生じる表面張力による捻れが生じないため、軸ズレが生じることもない。光源ＭＭＦ３２もテーパ加工を施す必要がなく、出射端の切断の困難性等従来の問題を解決することができる。
【００６０】
【実施例】
以下、本発明に係る光学装置の具体的な実施例について、図面を用いて説明する。
【００６１】
＜実施例１＞
図５は、本発明に係る光学装置１を用いたファイバレーザ装置３０の構成図である。
【００６２】
本実施例のファイバレーザ装置３０は、上記本発明に係る光学装置１、ＭＭＬＤ励起光光源３１、光源ＭＭＦ３２、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３、シングルモードファイバ３４、アイソレータ３５等から構成されている。
【００６３】
ＭＭＬＤ３１は、光源ＭＭＦ３２を介して上記光学装置１に励起光を供給する。光源ＭＭＦ３２は、大きなコア径を有する大口径マルチモードファイバであって、本実施例のコア径は２００μｍ程度である。このように、光源ＭＭＦ３２に大口径マルチモードファイバを使用することにより、ＭＭＬＤ励起光光源３１の出力を大きくすることができる。
【００６４】
光源ＭＭＦ３２は、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３を介して上記光学装置１の入射領域に接続されている。励起光透過／戻り光反射フィルタ３３は、上記光源ＭＭＦ３２から出射される励起光を上記光学装置１の入射領域３へ透過するが、入射領域３から光源ＭＭＦ３２に向かって出射される特定波長の戻り光は、透過させずに反射する機能を有する。
【００６５】
本実施例において戻り光は、次のような原理で発生する。図８に示すように、ダブルクラッドファイバの第１クラッド２２に入射された励起光６は、第２クラッド２３との界面で全反射を繰り返しながら伝搬してゆく。励起光６がシングルモードコア２１を横切って透過する際、ドープされている増幅媒質において電子が励起される。本実施例に係るファイバレーザ装置３０では、シングルモードコア、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３及びファイバグレーティング３６で共振器が形成されているため、上記ダブルクラッドファイバ中では双方向に信号光が発生しており、双方向に自然放出光を誘導放出される。
【００６６】
この入射端方向への自然放出光は、戻り光として上記ＭＭＬＤ励起光光源３１に入射され、ＭＭＬＤ励起光光源３１に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３で、自然放出光を出射端側に反射する必要がある。
【００６７】
本実施例において、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３は、ダブルクラッドファイバ２のシングルモードコア２１内で励起された広い波長帯域を有する光を完全に反射させるために、広い反射波長帯域を有することが好ましい。
【００６８】
例えば、本実施例において使用される励起光透過／戻り光反射フィルタ３３では、すべての戻り光を１ｍＷ以下にするものが望ましく、また、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３が透過させるのは、励起光波長の±２０ｎｍ程度であることが望ましい。これにより戻り光をほぼ１００％反射することができる。
【００６９】
上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３の出射端側には、上記光学装置１の入射領域３が接続されている。該光学装置１の出射端２７側には、シングルモードファイバ３４が接続されている。該シングルモードファイバ３４のコアは、上記ダブルクラッドファイバ２のシングルモードコア２１と光学的に接続されている。
【００７０】
上記シングルモードファイバ３４のコアには、ファイバグレーティング３６が形成されている。ファイバグレーティング３６は、シングルモードファイバ３４のコアの屈折率を周期的に変化させて形成する。ファイバグレーティング３６は、屈折率の変調周期に対応した波長の光を選択的に反射する機能を有する。
【００７１】
上記ファイバグレーティング３６は、上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３に比較して狭い反射波長帯域を有している。例えば、本実施例において使用されるファイバグレーティング３６は、０．１〜１．０（ｎｍ）となるよう設定されることが好ましい。ファイバグレーティング３６の反射波長帯域によって、出力されるレーザ光の発振波長が決定される。
【００７２】
上記ファイバグレーティング３６の先には、アイソレータが接続されている。
【００７３】
アイソレータ３５は、上記光学装置１の出射端２７から出射されたレーザ光は透過するが、外部から光学装置１に向かって入射される光を遮断し、上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３及びファイバグレーティング３６以外の反射による発振を抑制する。
【００７４】
このように構成されたファイバレーザ装置３０は、以下のようにレーザ光を発生する。
【００７５】
上記ＭＭＬＤ励起光光源３１から出射された励起光は、光源ＭＭＦ３２を伝搬してゆき、励起光透過／戻り光反射フィルタ３３を透過して光学装置１の入射領域３に入射される。本実施例では、光源ＭＭＦ３２と入射領域３の上記非テーパ部３ａとの外径がほぼ一致しているため、上記励起光の略１００％が入射領域３に入射され接続損失がほとんどない。
【００７６】
入射領域３に入射した励起光は、入射領域内を非テーパ部３ａからテーパ部３ｂへと伝搬してゆき、絞り込まれて上記ダブルクラッドファイバ２の第１クラッド２２内に入射される。本発明において、上記非テーパ部３ａから上記ダブルクラッドファイバ２の第１クラッド２２の外径に収束するようにテーパ部３ｂが形成されているため、入射領域３に入射された励起光は、第２クラッド２３やサポート層２４に漏れることなく確実に第１クラッド２２に入射される。
【００７７】
上記説明したとおり、第１クラッド２２内に入射された励起光は、第２クラッド２３との界面で全反射を繰り返しながら伝搬してゆく。励起光６がシングルモードコア２１を横切って透過する際、該シングルモードコア２１にドープされている増幅媒質から励起光６と異なる波長を有する自然放出光が発生する。
【００７８】
自然放出光は、光学装置１のダブルクラッドファイバ２の出射端２７からシングルモードファイバ３４のコアに出射される。誘導放出光の戻り光も上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３で反射され、上記シングルモードファイバ３４のコアに入射される。
【００７９】
シングルモードファイバ３４のコアに入射された上記自然放出光は、コア内を伝搬してゆき、ファイバグレーティング３６に達する。自然放出光のうち、該ファイバグレーティング３６の反射波長帯に含まれる波長を持つものは反射され、再びダブルクラッドファイバ２のシングルモードコア２１に入射される。
【００８０】
このファイバグレーティング３６と上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３との間に共振器が形成されており、反射された自然放出光によっても誘導放出される。つまり、本実施例に係るファイバレーザ装置では、上記ファイバグレーティング３６と励起光透過／戻り光反射フィルタ３３との間で共振が生じ、繰り返し誘導放出されることによりレーザ発振し、高出力レーザ光が取り出される。
【００８１】
本実施例によれば、ＭＭＬＤ励起光光源３１の励起光はほとんど損失せずに増幅媒質を励起することができるため、高い効率で高出力レーザ光を取り出すことができる。
【００８２】
具体的に本実施例に係るファイバレーザ装置において、Ｙｂがドープされた長さ２０ｍの上記ダブルクラッドファイバを使用し、出力３Ｗで波長９８０ｎｍの励起光を入射した場合、ファイバレーザ装置の出力端からは出力２Ｗで波長１０８５ｎｍのファイバレーザ出力が得られた。また、本実施例に係るファイバレーザ装置において、上記励起光は、約９５％という高い利用効率で利用されていることがわかった。
【００８３】
＜実施例２＞
図６は、本発明に係る光学装置１を用いたＡＳＥ光源装置４０の構成図である。
【００８４】
本実施例のＡＳＥ光源装置４０は、上記実施例１のファイバレーザ装置と基本的に同じ構成を有する。実施例１のファイバレーザ装置と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。上記ファイバレーザ装置と異なる点として、シングルモードファイバ３４にファイバグレーティングが入っていないこと、上記励起光透過／戻り光反射フィルタ３３がファイバの軸心方向に対してθの角度で傾いている場合があることが挙げられる。
【００８５】
ＭＭＬＤ励起光光源３１で発生した励起光は、本発明に係る上記光学装置１により、効率よく上記ダブルクラッドファイバ２の第１クラッドに入射される。第１クラッドに入射された励起光は、ドープされている増幅媒質を励起することにより、自然放出光を発生させる。
【００８６】
励起光透過／戻り光反射フィルタ３３は、通常、６°以上の角度θを持って設置されている場合が多い。つまり、戻り光が励起光透過／戻り光反射フィルタ３３で反射され、シングルモードコアに再入射されることによる発振を防ぐためである。これにより、本実施例に係るＡＳＥ光源装置の出力端からは、上記シングルモードコアで発生する広い波長帯を有する自然放出光のみを取り出すことができる。
【００８７】
具体的に本実施例に係るＡＳＥ光源装置において、Ｙｂがドープされた長さ２０ｍのダブルクラッドファイバ２使用し、出力３Ｗで波長９８０ｎｍの励起光を入射した場合、ＡＳＥ光源装置の出力端からは、波長帯域が１０１０〜１１３０（ｎｍ）で８００ｍＷの自然放出光が得られた。また、本実施例に係るＡＳＥ光源装置において、上記励起光は、約９５％という高い利用効率で利用されていることがわかった。
【００８８】
＜実施例３＞
図６は、本発明に係る光学装置１を用いた光アンプ装置５０の構成図である。
【００８９】
本実施例の光アンプ装置５０は、上記実施例１のファイバレーザ装置と基本的に同じ構成を有する。実施例１のファイバレーザ装置と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。上記ファイバレーザ装置と異なる点として、上記ファイバグレーティングを備えていないこと、上記アイソレータに代えて入射ポート３７ａと出射ポート３７ｂを備えたサーキュレータ３７を備えていることが挙げられる。
【００９０】
ＭＭＬＤ励起光光源３１で発生した励起光は、本発明に係る上記光学装置１により、効率よく上記ダブルクラッドファイバ２のシングルモードコアに入射される。
【００９１】
一方、上記サーキュレータ３７の入射ポート３７ａへは、伝送路からの信号光が入射される。信号光は上記シングルモードファイバ３４からダブルクラッドファイバ２のシングルモードコアに入射される。該シングルモードコア内に入射された信号光は、ドープされた増幅媒質とＭＭＬＤ励起光光源３１からの励起光の作用を受けて増幅される。増幅されて励起光透過／戻り光反射フィルタ３３に到達した信号光は、反射されてシングルモードコアに再入射される。シングルモードコア内に再入射された信号光は、再び、増幅媒質と励起光の作用を受けて増幅され、上記シングルモードファイバ３４に入射される。増幅されてシングルモードファイバ３４を伝搬する信号光は、上記サーキュレータ３７の出射ポート３７ｂから出力され、再び伝送路で伝送される。このように本発明に係る光学装置１は、光アンプ装置として使用することができる。
【００９２】
具体的に本実施例に係る光アンプ装置において、Ｙｂがドープされた長さ２０ｍのダブルクラッドファイバ２使用し、出力３Ｗで波長９８０ｎｍの励起光を入射した場合、上記サーキュレータ３７の入射ポート３７ａから入射された０．１ｍＷの信号光は、上記サーキュレータ３７の出射ポート３７ｂから１００Ｗに増幅された信号光として出力することができた。また、本実施例に係る光アンプ装置において、上記励起光は、約９５％という高い利用効率で利用されていることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るダブルクラッドファイバの構成図である。
【図２】 本発明に係る光学装置の構成を示す概念図である。
【図３】 本発明に係る光学装置の製造工程を示す概念図である。
【図４】 エッチング処理の概要を示す概略図である。
【図５】 本発明の実施例に係るファイバレーザ装置の構成図である。
【図６】 本発明の実施例に係るＡＳＥ光源装置の構成図である。
【図７】 本発明の実施例に係る光アンプ装置の構成図である。
【図８】 戻り光の発生の原理を示す概念図である。
【図９】 従来のダブルクラッドファイバの接続状態を示す概念図である。
【図１０】 従来のダブルクラッドファイバの接続状態を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 光学装置
２ ダブルクラッドファイバ
２１ シングルモードコア
２２ 第１クラッド
２３ 第２クラッド
２４ サポート層
２５ 被覆層
３ 入射領域
３ａ 非テーパ部
３ｂ テーパ部
Claims (1)
- 増幅媒質がドープされたシングルモードコアと、
上記シングルモードコアの周囲を被覆する第１クラッドと、
多数の細孔を含む多孔構造に構成され、上記第１クラッドの周囲を被覆する第２クラッドとを有するダブルクラッドファイバを用いた光学装置であって、
上記ダブルクラッドファイバは、その励起光の入射端部が、外部の励起光光源から延設されたマルチモード型光ファイバが接続されて励起光が入射される入射領域に構成されており、
上記ダブルクラッドファイバの上記入射領域には、上記シングルモードコアがそのまま設けられていると共に、上記多数の細孔がすべて潰されて上記第２クラッドが上記第１クラッドと一体化することにより形成された中実部分が該シングルモードコアの周囲を被覆するように設けられており、
上記ダブルクラッドファイバの上記入射領域は、上記マルチモード型光ファイバとの接続側に設けられ該マルチモード型光ファイバの外径と同径に形成された非テーパ部と、該マルチモード型光ファイバとの接続側とは反対側に設けられ該非テーパ部に続いて上記第１クラッドの外径に収束するようにテーパ状に形成されたテーパ部と、を有することを特徴とする光学装置。
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