JP4417995B2 - ダブルクラッドファイバ及びその加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダブルクラッドファイバ及びその加工方法に関するものである。

光ファイバの１種であるダブルクラッドファイバは、光を伝搬するだけでなく、その伝搬する光を増幅することもできるため、ファイバレーザ、光増幅器及びＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源等の光学装置に広く利用されている。

図５は、ダブルクラッドファイバ１０のファイバ縦断面の模式図である。

このダブルクラッドファイバ１０は、そのファイバ中心から、光増幅成分として希土類元素がドープされたコア１と、そのコア１を被覆するように設けられコア１より屈折率が低い第１クラッド２と、その第１クラッド２を被覆するように設けられ第１クラッド２より屈折率が低い第２クラッド３と、から構成されている。さらに、コア１、第１クラッド２及び第２クラッド３を補強するために、第２クラッド３を被覆するようにサポート部４が設けられている。

このダブルクラッドファイバ１０では、第１クラッド２に入射された励起光が第１クラッド２と第２クラッド３との界面で反射を繰り返しながら第２クラッド３で囲まれた領域を伝搬し、励起光がコア１を通過する際にコア１にドープされた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１を伝播する光を増幅する。

近年、光ファイバのコアにそのファイバ長さ方向に周期的に屈折率が分布した回折格子（Fiber Bragg Grating、以下「ＦＢＧ」と称する）を形成する光ファイバグレーティングという技術が注目され、そのグレーティング技術を応用したグレーティングデバイスの開発が進んでいる。このＦＢＧを有するダブルクラッドファイバ１０は、そのコア１を伝搬している光のうち、特定波長範囲の光だけを選択的に反射、又は、透過させることができ、光学フィルター、光増幅器の共振器等として用いられている。

ダブルクラッドファイバ１０のコア１にＦＢＧを形成する方法は、ゲルマニウムを添加した石英ガラスに紫外光を照射するとその石英ガラスの屈折率が局所的に変化する性質を利用し、ダブルクラッドファイバ１０の側面から位相マスクを介してコア１に紫外光を照射するものである。

例えば、特許文献１では、ゲルマニウムの他にスズが共ドープされたコアを用いてＦＢＧを有する光ファイバを製造する方法が開示されている。
特開平１１−１０９１４６号公報

ここで、ダブルクラッドファイバ１０の第２クラッド３は、第１クラッド２より屈折率が低ければよいので、低屈折率の高分子材料、又は、複数の細孔を有する石英ガラスで構成されているものが主流である。この第２クラッド３が、高分子材料で構成され、その外側からの光を透過させることができる場合には、ダブルクラッドファイバ１０の第２クラッド３越しにコア１に紫外光を照射すれば、ＦＢＧを容易に形成することができる。

しかしながら、第２クラッド３が、複数の細孔を有する石英ガラスで構成されている場合には、石英ガラス内に存在する細孔によって外側からの紫外光が散乱してしまい、コア１に外側からの紫外光が届かないことになる。このため、複数の細孔を有する第２クラッド３を備えるダブルクラッドファイバ１０では、そのコア１にＦＢＧを形成することは困難である。

ところで、上記のように、第２クラッド３が複数の細孔を有する石英ガラスで構成されている場合には、石英ガラス内に存在する細孔によって外側からの励起光が散乱してしまい、第１クラッド２に励起光が届かないことになる。このため、複数の細孔を有する第２クラッド３を備えるダブルクラッドファイバ１０では、第１クラッド１に励起光をファイバ側方から入射させることが困難である。

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、複数の細孔を有する第２クラッドを備えたダブルクラッドファイバにおいて、容易に第１クラッドに励起光をファイバ側方から入射させることである。

具体的に本発明に係るダブルクラッドファイバは、光増幅成分がドープされたコアと、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該コアに沿って延びる複数の細孔が形成された第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搬し、該励起光が該コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させ、該光増幅成分が該コアを伝搬する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であって、部分的に上記第２クラッドが取り除かれて上記第１クラッドが露出しており、該第１クラッドの露出部分にファイバ側方から励起光を入射させることを特徴とする。

上記の構成によれば、ダブルクラッドファイバの第１クラッドが、ファイバ側方から励起光を入射させるために、部分的に露出しているので、第１クラッドの露出部分から所望の光信号を分岐及び挿入することができ、例えば、第１クラッドの露出部分から励起光を入射することにより、コアを伝搬する光を増幅することができる。したがって、複数の細孔を有する第２クラッドを備えたダブルクラッドファイバにおいて、容易に第１クラッドに励起光をファイバ側方から入射させることができる。

上記第２クラッドの細孔の径の大きさが１０μｍ以下であってもよい。

上記の構成によれば、上記の構成によれば、第２クラッドの細孔の径の大きさが１０μｍ以下であり、毛細管現象による細孔内へのエッチング液の浸透速度が十分に遅くなることが判明し、ダブルクラッドファイバをエッチングする際に、ほぼエッチング液に浸漬されている部分の第２クラッドのみを除去することができる。逆に、細孔の径の大きさが１０μｍより大きくなると、ダブルクラッドファイバのエッチング液に浸漬されている部分のファイバの長手方向における外側に位置する第２クラッドの細孔内にも毛細管現象によりエッチング液が浸透してしまうため、その部分の第２クラッドもエッチングされてしまうことになる。これにより、第２クラッドの細孔の径の大きさが１０μｍ以下であれば、ダブルクラッドファイバを構成する第２クラッドをより精細にエッチングすることができる。

また、本発明に係るダブルクラッドファイバの加工方法は、光増幅成分がドープされたコアと、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該コアに沿って延びる複数の細孔が形成された第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搬し、該励起光が該コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させ、該光増幅成分が該コアを伝搬する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の加工方法であって、ダブルクラッドファイバを部分的に外部からエッチングすることにより、第２クラッドを取り除いて第１クラッドを露出させて、該第１クラッドの露出部分にファイバ側方から励起光を入射させるようにすることを特徴とする
上記の方法によれば、ダブルクラッドファイバにおいて部分的に、複数の細孔を有し外側から入射する光が散乱してしまう第２クラッドを取り除いて、ファイバ側方から励起光を入射させるようにするために、第１クラッドを露出させることになるので、第１クラッドの露出部分から所望の光信号を分岐及び挿入することができ、例えば、第１クラッドの露出部分から励起光を入射することにより、コアを伝搬する光を増幅することができる。したがって、複数の細孔を有する第２クラッドを備えたダブルクラッドファイバにおいて、容易に第１クラッドに励起光をファイバ側方から入射させることができる。

本発明によれば、ダブルクラッドファイバに部分的にエッチングすることにより、第１クラッドを露出させて、第１クラッドの露出部分にファイバ側方から励起光を入射させるようにしているので、複数の細孔を有する第２クラッドを備えたダブルクラッドファイバにおいて、容易に第１クラッドに励起光をファイバ側方から入射させることができる。

以下、本発明の実施形態に係るダブルクラッドファイバ１０の加工方法を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明のダブルクラッドファイバ１０の加工方法を示す模式図である。

以下に、本発明の実施形態に係るダブルクラッドファイバ１０の加工方法を工程を追って説明する。

＜準備工程＞
ダブルクラッドファイバ１０と、ダブルクラッドファイバ１０を浸漬するエッチング容器１５と、ダブルクラッドファイバ１０をエッチングするエッチング液と、を準備する。

このダブルクラッドファイバ１０は、全体が石英から構成され、ファイバ中心をなすコア１と、コア１を被覆するように設けられた第１クラッド２と、第１クラッド２を被覆するように設けられた第２クラッド３と、第２クラッド３を被覆するように設けられたサポート部４と、を備えている。

コア１は、光増幅成分としてエルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）及びイッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素、ゲルマニウム（Ｇｅ）、クロム（Ｃｒ）及びアルミニウム（Ａｌ）等がドープされており、第１クラッド２より屈折率が高くなっている。

第１クラッド２は、図６に示すようにそのファイバ横断面における外郭形状がＤ字型になっている。ところで、第１クラッド２のファイバ横断面における外郭形状をコア１と同心の円形とした場合には、第２クラッド３で囲まれた領域内を伝播する励起光はコア１の周りを周回してコア１を通過することがないスキュー光となることが多いため、コア１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１を伝搬する光を大きく増幅することができない。そこで、第１クラッド２のファイバ横断面における外郭形状を、第１クラッド２と第２クラッド３との界面での励起光の反射が不規則になるような形状、具体的には、Ｄ字型をはじめ、長方形、正方形、楕円等の円形以外の形状にすることにより、スキュー光を散乱して、コアを伝搬する光の増幅効率を向上させている。

第２クラッド３は、図６に示すように複数の細孔３ａを有しており、第１クラッド２より屈折率が低くなっている。その細孔３ａの径の大きさは１０μｍ以下であることが望ましく、より好ましくは２〜４μｍである。これは、図６（ｂ）に示すように細孔３ａの径の大きさが大きい場合（例えば、３０μｍ〜５０μｍ）には、第２クラッド３の外側のサポート部４がエッチングされた段階で、浸漬している部分のファイバの長手方向における外側の細孔３ａ内にも毛細管現象によりエッチング液が浸透してしまい、その浸漬している部分の外側の第２クラッド３もエッチングされてしまうためである。一方、図６（ａ）に示すように、細孔３ａの径の大きさを、例えば、２〜４μｍと小さくすれば、細孔３ａ内への毛細管現象によるエッチング液の浸透速度がファイバ断面方向へ進展していくエッチングの速度と比較して十分に遅くなる。このことにより、ほぼエッチング容器１５内に位置する第２クラッド３のみをエッチングすることができる。

エッチング容器１５は、ポリテトラフルオロエチレン等の耐腐食性材料から構成され、その上側には、ダブルクラッドファイバ１０を出し入れすることができるように、その長さ方向に略直線状の開口部を有している。また、エッチング容器１５の長さは、ダブルクラッドファイバ１０のエッチングを施す範囲の長さとほぼ同じである。

エッチング液は、ファイバ構成材料を溶解させることができる溶液であり、例えば、フッ化水素、フッ硝酸（フッ化水素及び硝酸の混合物）及びフッ化アンモニウム等の水溶液である。

＜エッチング工程＞
まず、エッチング容器１５の開口部からダブルクラッドファイバ１０を挿入して、エッチング容器１５内にダブルクラッドファイバ１０のエッチングを施す範囲が入るように、ダブルクラッドファイバ１０をエッチング容器１５と並行に配置する。

次いで、エッチング容器１５の開口部から、エッチング容器１５内にエッチング液を注入する。このとき、エッチング液は、その表面張力によってエッチング容器１５全体に行き渡りこぼれることがない。

次いで、そのままダブルクラッドファイバ１０がエッチング液に浸漬されるように、所定の時間、静置して第２クラッド３を除去する。なお、エッチング液へのダブルクラッドファイバ１０の浸漬時間は、エッチング液の種類、サポート部４及び第２クラッド３の内外径の大きさ、第２クラッド３に対する細孔３ａの占有率等によって決まるものである。そのため、あらかじめ第１クラッド２が露出するまでに要する浸漬時間を実験的に求めておくのが好ましい。

このように、エッチング容器１５とダブルクラッドファイバ１０とを並行に配置してエッチングを行うので、エッチング容器１５内でダブルクラッドファイバ１０の第２クラッド３がエッチング液に均等に接触することになる。そのため、エッチング容器１５内において第２クラッド３を均一に、且つ、精細にエッチングすることができる。しかも、ダブルクラッドファイバ１０のエッチングを施す所定の位置にエッチング容器１５を配置しその中にエッチング液を注入して、所定の時間、ダブルクラッドファイバ１０をエッチング液内に保持しておくだけで、容易にダブルクラッドファイバ１０の所定の位置にある第２クラッド３及びサポート部４のみが除去され、第１クラッド２が露出されることになる。

以上のようにして、部分的に第２クラッド３が取り除かれて第１クラッド２が露出した第１クラッド露出部５を有するダブルクラッドファイバ２０が得られる。このダブルクラッドファイバ２０では、第１クラッド２に入射された励起光が第１クラッド２と第２クラッド３及び第１クラッド露出部５に接する空気層との界面で反射を繰り返しながら、第２クラッド３及びその空気層で囲まれた領域内を伝搬し、励起光がコア１を通過する際にコア１にドープされた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１を伝播する光を増幅することになる。

このダブルクラッドファイバ２０は、ダブルクラッドファイバ１０の第１クラッド２が露出した第１クラッド露出部５が光透過性であるので、その第１クラッド露出部５に後述のように紫外光を照射してやれば、そのコア１に容易にＦＢＧ６を形成させることができる。また、このダブルクラッドファイバ２０は、その第１クラッド露出部５を介して所望の信号を分岐及び挿入することができ、例えば、第１クラッド露出部５から励起光を入射することにより、コア１を伝搬する光をより増幅することができる。

次に、具体的に行った実験について説明する。

本発明の実施形態の実施例として、上述の実施形態と同一の方法で、ダブルクラッドファイバを処理した。

具体的には、ダブルクラッドファイバとして、細孔の径の大きさが約２μｍで、第１クラッドの外径の大きさが約１００μｍで、第２クラッドの外径の大きさが約１５０μｍで、サポート部の外径の大きさが約２５０μｍで、コアにゲルマニウム（Ｇｅ）が添加されたファイバと、エッチング容器として、ポリテトラフルオロエチレンからなるチューブ（テフロン（登録商標）チューブ）の側壁を長さ方向に切除したものと、エッチング液として、５０重量％のフッ化水素水溶液と、を準備して、ダブルクラッドファイバを約８０分間浸漬した。

得られたダブルクラッドファイバは、第１クラッド露出部を有しており、第１クラッドの伝搬光の第１クラッド露出部による伝送損失を測定したところ、最大で０．１ｄＢ程度であり、ほとんど損失なく伝送することができた。これは、第１クラッドの伝搬光が、第２クラッドのない第１クラッド露出部では、コアとの界面と第１クラッドの外側の空気層との界面によって、閉じこめられていることを意味している。

＜ＦＢＧ形成工程＞
上述の方法で得られたダブルクラッドファイバ２０の第１クラッド露出部５に、位相マスクを介して紫外光を照射する。

具体的には、ダブルクラッドファイバのサポート部と位相マスクとを密着させて配置して、波長２４８ｎｍの紫外レーザ光を位相マスクを介して第１クラッド露出部に照射する。ここで、位相マスクは回折格子の一種であり、位相マスクの直下では＋１次及び−１次の回折光による干渉縞パターンが形成され、この干渉縞パターンが第１クラッド露出部のコアに転写されＦＢＧとなる。

以上のようにして、ダブルクラッドファイバ２０の第１クラッド露出部５のコア１にＦＢＧ６が形成されたダブルクラッドファイバ３０が得られる。なお、この干渉縞パターンの間隔を変えることにより、ＦＢＧ６で反射する光の波長を選択することができる。

以上の方法によれば、ダブルクラッドファイバ２０は、ＦＢＧ６の形成するために照射される紫外光を散乱してしまう第２クラッド３が部分的に除去され、第１クラッド２が露出した光透過性の第１クラッド露出部５を有しているので、紫外光を側面から第１クラッド露出部５に照射することにより、第１クラッド露出部５内のコア１に紫外光が到達してコア１内で屈折率の変化が局所的に起こり、容易にＦＢＧ６を形成することができる。

さらに、図４に示すようにＦＢＧ６が形成されたダブルクラッドファイバ３０を用いて、ファイバレーザ５０を構成することもできる。ここで、入射側には高反射率のＦＢＧ６ａを、出射側には低反射率のＦＢＧ６ｂをそれぞれ配置しており、高反射率のＦＢＧ６ａは、レーザ光のみを反射させ励起光をほぼ１００％透過させるもので、一方、低反射率のＦＢＧ６ｂは、レーザ光の一部を反射させ残りを出力として透過させる働きをするものである。これにより、励起用ＬＤの光がダブルクラッドファイバ３０のコア１を通過する際に発生する自然放出光が、ダブルクラッドファイバ３０を往復するうちにレーザ増幅を受けて、最終的に高強度のレーザ光として出射されることになる。

また、ＦＢＧ６が形成されたダブルクラッドファイバ３０は、上述のファイバレーザ５０だけではなく、光増幅器、ＡＳＥ光源等の光学装置の光増幅媒体に適応することができる。

なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、他の構成のものであってもよい。

以上説明したように、本発明は、複数の細孔を有する第２クラッドを備えたダブルクラッドファイバ及びその加工方法について有用である。

本発明の実施形態に係るダブルクラッドファイバ１０の処理方法を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るダブルクラッドファイバ２０のファイバ縦断面の模式図である。 本発明の実施形態に係るダブルクラッドファイバ３０のファイバ縦断面の模式図である。 本発明の実施形態に係るファイバレーザ５０の構成図である。 従来のダブルクラッドファイバ１０のファイバ縦断面の模式図である。 従来のダブルクラッドファイバ１０のファイバ横断面の模式図である。（ａ）は、細孔３ａの径の大きさが小さい場合（２〜４μｍ）であり、（ｂ）は、細孔３ａの径の大きさが大きい場合（３０〜５０μｍ）である。

１ コア
２ 第１クラッド
３ 第２クラッド
３ａ 細孔
４ サポート部
５ 第１クラッド露出部
６ ＦＢＧ
１０，２０，３０ ダブルクラッドファイバ
１５ エッチング容器
５０ ファイバレーザ

Claims (3)

1. 光増幅成分がドープされたコアと、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該コアに沿って延びる複数の細孔が形成された第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搬し、該励起光が該コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させ、該光増幅成分が該コアを伝搬する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であって、
   部分的に上記第２クラッドが取り除かれて上記第１クラッドが露出しており、該第１クラッドの露出部分にファイバ側方から励起光を入射させることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
2. 請求項１に記載されたダブルクラッドファイバであって、
   上記第２クラッドの細孔の径の大きさが１０μｍ以下であることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
3. 光増幅成分がドープされたコアと、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該コアに沿って延びる複数の細孔が形成された第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搬し、該励起光が該コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させ、該光増幅成分が該コアを伝搬する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の加工方法であって、
   ダブルクラッドファイバを部分的に外部からエッチングすることにより、第２クラッドを取り除いて第１クラッドを露出させて、該第１クラッドの露出部分にファイバ側方から励起光を入射させるようにすることを特徴とするダブルクラッドファイバの加工方法。

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