JP4503681B2 - 光学媒体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学媒体、その製造方法、レーザ光発生装置、及び光増幅器に係り、特に光ファイバレーザ発振器または光導波路レーザ発振器に用いるのに適したものに関する。

近年、光通信または光加工技術分野においては安価な高出力のレーザ光の発生装置が望まれている。ところで、従来より光ファイバレーザ発振器または光導波路型レーザ発振器は光を高密度に閉じ込めることでレーザ活性物質と光との相互作用を高め、かつ長さを長くすることで相互作用長を大きくとれるので高い効率をもち、導波モードとしてモードが空間的に限定されているので空間的に高品質のレーザ光を発生することができる。したがって安価でかつ質の良いレーザ光を得ることができる。

レーザファイバの優位性を利用した高品質なレーザ光発生の手段としてレーザファイバの側面から励起光を導入する事で励起光の投入総量の拡張性を高めかつ出力レーザ光の集光性を高めることのできるレーザ装置が、特開平１０−１３５５４８号公報、特開平１０−１９００９７号公報に提案されている。

これらの方法によれば側面から励起光をレーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）に導入する場合は通常、レーザ活性イオンまたは色素その他の発光中心の添加領域（通常はコア部）の直径(d)に比べて導波路長(L)が非常に長く、L/d＞10⁶以上もとれるので導波路の断面方向から励起光を導入する方法よりも非常に多くの励起エネルギーをファイバまたは導波路内に導入することが可能となる。

しかも取り出すレーザ光はファイバの導波構造によって決定されるモードのみであるから近似的にはファイバからの出力光はファイバのコア径までは集光可能である。もし、ファイバがシングルモードのみを伝播するものであれば、取出し光は回折限界まで集光可能となる。

上述した特開平１０−１３５５４８号公報、特開平１０−１９００９７号公報に示される方法（以下、構造体型ファイバレーザと称する）は、あらかじめ作製したファイバを、基本的には一つながりのままで巻き付けたり、並べたりなどして構成する。この時、必要なファイバ長は数十m以上に及ぶが、これを切断せず、歩留まり良く作製する事に困難さ
があった。

石英ファイバは被覆が無い場合、その強度が経時変化によって非常に低下し、切断の危険性が高く、歩留まりの低下が予測される。また、巻き付けや並べが完了した後、樹脂や無機透明物質でのファイバとファイバとの空隙を埋めたり、ファイバとファイバを融着したりするなどの工程が必要であるが、脱泡しても少しでも泡が残ってしまうと、それが散乱源になって効率が落ちる、樹脂では耐熱性と耐レーザパワー性が比較的低く、信頼性を損ねるといった問題を有していた。

なお、矩形断面の２重クラッドファイバレーザも知られているが、コアの本数が増やせないので［コアの断面積(合計)］／［励起光が伝播する断面積］が大きくならず、励起光吸収長を短くできない。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消するために、歩留まり良く作製する事ができ、また側面励起の励起光導入の拡張性を保ちつつ、しかも空間的に高品質のモードを有し、集光能力が高く、結果として高出力、高輝度なレーザ装置を高い信頼性で実現できる形態の光学媒体、その製造方法、レーザ光発生装置、及び光増幅器を提供することにある。

第１の発明は、レーザ光を導光するための導波構造として、複数の導光部と前記導光部の側面を覆うクラッドとを備えた光学媒体であって、前記光学媒体の媒体一端部には各導光部の導光一端が、前記光学媒体の媒体他端部には各導光部の導光他端が配され、前記媒体一端部にある導光部の導光一端のうちの一つから、前記複数の各導光部を通り、媒体他端部にある導光部の導光他端のうちの一つに至るまで、少なくとも一つの一つながりの光路を形成するように媒体一端部と媒体他端部とが接続可能または接続されたものであり、かつ前記光路を形成する導光部の少なくとも一部に活性物質を含むことを特徴とする光学媒体である。

複数の導光部を接続して一つながりの光路を形成するので、もともと１本の長い導光部を一つながりのままで作製するものと比べて、巻き付けたり、並べたりなどしても切断される可能性が低く、歩留まり良く作製するができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記各導光部の側面を覆うクラッドが一体化され、かつ前記活性物質を励起するための励起光を透過するものであって、側面に前記クラッドへ励起光を導入する励起光導入部と、前記励起光導入部より入射した励起光が繰り返し前記活性物質に吸収されるよう、前記クラッドの周囲に励起光を反射する励起光反射部とを有する光学媒体である。励起光反射部を有することにより、各導光部を含むクラッド内の領域内に励起光を閉じ込めることができ、効率よく側面励起を行うことが可能になる。

第３の発明は、第１の発明において、前記複数の各導光部の側面を覆い、前記活性物質を励起するための励起光を透過する各クラッドの間で、前記励起光が往き来できるよう、前記各クラッドが光学的に接続されており、側面に前記クラッドのうち少なくとも一つへ励起光を導入する励起光導入部を有し、前記励起光導入部より入射した励起光が繰り返し前記活性物質に吸収されるよう、前記各クラッドを一括して覆うように励起光を反射する励起光反射部が設けられている光学媒体である。各クラッドを一括して覆うように励起光を反射する励起光反射部が設けられているので、導光部を含む各クラッド内または各クラッドを含む領域内に励起光を閉じ込めることができ、効率良く側面励起を行うことが可能になる。

第４の発明は、第１〜第３の発明において、前記導光部が光ファイバのコアである光学媒体である。導光部をコア及びクラッドが一体となった光ファイバで構成すると、集光性に優れる光学媒体が得られる。

第５の発明は、第４の発明において、前記光ファイバがガラスファイバであり、その光ファイバの側面同士が互いに融着されている光学媒体である。光ファイバの側面同士が互いに融着されているので、融着されていない場合と異なり、巻き付けや並べが完了した後、樹脂や無機透明物質でのファイバとファイバとの空隙を埋めたり、ファイバとファイバを融着したりするなどの工程が不要となる。そのため、前記工程に起因して脱泡が困難でそれが散乱源になって効率が落ちたり、樹脂では耐熱性と耐レーザパワー性が比較的低く、信頼性を損ねるといったことが無くなる。

第６の発明は、第１〜第５の発明において、前記複数の導光部を配列して帯状の形状と
し、各導光部の導光一端と導光他端とを揃えた位置から、前記各導光部の導光一端と導光他端を一つずつずらした状態で、媒体一端部と媒体他端部とが接続可能または接続されている光学媒体である。各導光部の導光一端と導光他端を一つずつずらして媒体一端部と媒体他端部とを接続するだけで、簡単に一つながりの光路を形成することができる。

第７の発明は、第６の発明において、帯状に配列された複数の導光部が巻回され、かつ巻回された回数ねじられた状態で前記一端部と他端部とが接続されている光学媒体である。巻回された回数ねじられた状態で媒体一端部と他端部とを接続しているので、接続後に円筒などの被巻付け体に巻き付ける際、歪がなくなる。

第８の発明は、第１〜第７の発明において、光学部品を備え、前記一端部と他端部とが前記光学部品を介して接続されている光学媒体である。光路の途中に光学スイッチなどの光学部品を挿入する事により、レーザ発光装置用などの光学媒体の形式を保ちつつ、例えば偏光面制御などの機能をもたせる事ができる。

第９の発明は、第５の発明の光学媒体の製造方法であり、光ファイバ用のガラスプリフォームを複数並べ、これら複数のプリフォームを同時に線引きして側面同士が互いに融着した状態の光ファイバを作製し、前記光ファイバを切断して光学媒体を得ること光学媒体の製造方法である。ガラスプリフォームを複数並べて同時に線引きする事により、一層の帯状マルチコアファイバを得るようにすると、全体を容易にガラス一体化成形できる。得られたファイバを適当な長さに切って、その両端面をコアが一つながりの光路となるように接続すると、光学媒体の作製が容易である。

第１０の発明は、第１〜第８の発明の光学媒体と、前記光学媒体が備える導光部の側面から励起光を導入する励起光源とを有し、前記励起光源より出力される励起光が光学媒体に導かれ、活性物質が励起され、導光部よりレーザ光が出力されるようにしたレーザ光発生装置である。これによれば信頼性が高く、また光学媒体の導光部側面からより多くの励起光を入射するので、耐パワー性の優れる構成のレーザ装置を構築できる。

第１１の発明は、第１〜第８の発明の光学媒体と、前記光学媒体が備える導光部の側面から励起光を導入する励起光源とを有し、前記励起光源より出力される励起光が光学媒体に導かれ、活性物質が励起され、導光部により導光される光を増幅して出力する光増幅器である。光学媒体の導光部側面から、より多くの励起光を入射するので、高信頼性で、増幅度の高いレーザ装置を構築できる。

本発明によれば、光学媒体を複数の導光部で構成し、複数の導光部が一つながりの光路を形成するように媒体の両端部とが接続可能または接続されたものであるから、一本の長い導光部から光路を形成するものに比べて、歩留まり良く光学媒体を作製する事ができる。

実施の形態による光学媒体の説明図であり、（ａ）は一層の帯状マルチコアファイバの平面図、（ｂ）は一層の帯状マルチコアファイバの両端面をお互いにコアが１個分だけずれるように接続して、全体としてコアを一つながりの光路とした光学媒体の斜視図である。 円筒などの支持基盤に巻き付けて作製した実施の形態によるレーザ光発生装置であって、励起光を投入するために励起光導入用ファイバを複数本設置した構成図である。 実施の形態による励起光導入ポートが設けられた部分おける帯状マルチコアファイバの断面図である。 実施の形態による他の光学媒体の説明図であり、接続部分にアイソレータのような光学部品を挿入した図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

構造体型ファイバレーザの作製で障害となっているのがファイバを一つながりにしたまま、折り返して一体型に形成するということにある。一つながりで折り返してあるという事から、全体のスケールには比較的小規模の制限が設けられてしまう。例えば、折り返さず、一つながりであればこれはファイバの単線であり、基本的にはスケール制限がない。この事は折り返さずに複数のファイバが束ねられているバンドル形状でも同じスケール制限のない形態になる。スケール制限の無い形態では、長尺のものを作製した後、任意の長さに切り分ける事により、容易に同じ製品(部品)が大量生産できる。

実施の形態では、まずレーザファイバのプリフォームを複数本横にアレイ状に並べ、同時に線引き炉でお互いに融着しつつファイバ化する事により、複数（２本以上）の平行に走るドープコア（導光部）２を有する一層の帯状マルチコアファイバないしテープ状マルチコアバンドル（光学媒体）を作製する（図１）。ドープコア２の側面はクラッドで覆われ、コアがレーザ光を導光するような導波構造をとっている。クラッドはコアにより導光されるレーザ光と励起光に対して透明である。ここでは各コアを覆うクラッドは、互いに融着して一体化されているが、各クラッド間で互いに励起光が往き来できるよう、各クラッドが光学的に接続されるようにしてもよい。

図１（ａ）はこの一層の帯状マルチコアファイバ１を示している（厚み方向には１層である）。そして、図１（ｂ）に示すように両端面（媒体一端部及び媒体他端部）１ａ、１ｂを、お互いにコア２の一端（導光一端）２ａとコアの他端（導光他端）２ｂが１個分だけずれるように接続する。接続は付き合わせ接続、接着剤接続、融着接続いずれも可能であり、ファイバアレイの接続技術が利用できる。接続すると、全体としてコア２は一つながりの光路３になる。両端面１ａ、１ｂで接続相手の無いコア２にはそれぞれ独立した出力光取出し用のフィードファイバ４が接続される。このフィードファイバ４の一端面４ａに反射鏡（図示せず）を取り付ければ、他端面４ｂからのみ出射されるレーザ光発光装置が形成される。フィードファイバ４の一端面４ａに信号光の入力ポート（図示せず）を設ければ、他端面４ｂから増幅された信号光を出力する光増幅器として機能する。

図２に示すように、励起光吸収部に相当する帯状マルチコアファイバ１はサポート用円筒ないし円柱などの支持基盤７に巻き付ける事ができる。この巻き付けは接続後でも接続前でもどちらでもよい。しかし、接続後に巻き付ける場合はあらかじめ巻き付けの回数分だけファイバ１をねじっておく必要がある。

巻き付けなどで形を整えた帯状マルチコアファイバ１には、側面励起とするために適当な励起光導入ポート５が設けられる。図２では、励起光を投入するために、励起光導入用帯状ファイバ８を、巻き付けられた帯状マルチコアファイバ１の側面に、巻回数に対応して複数本設置する。

図３は、励起光導入ポート５が設けられた部分おける帯状マルチコアファイバ１の断面を示したものである。励起光導入ポート５より導入された励起光Ａは、クラッド１１中を伝搬しながらコア２中の活性物質に吸収され、コア２でレーザ光または信号光Ｂが発生または増幅される。

側面励起のためにその励起光導入ポート５を増設する事はたやすい。励起光導入用帯状ファイバ８の接続のほか、励起光の投入にはレンズダクトの使用、プリズムの設置などの方法がある。設置場所も帯状マルチコバファイバ１の側面（薄い方、すなわち表面積の大きい面）から投入する事も可能である。

励起光吸収部分を線引き、延伸方式を採って成形している事によりコア２の形状が変形しにくく、泡などの散乱源を容易に少なくできるので励起光の伝搬損失を少なくできる。また、従来技術である矩形断面の２重クラッドファイバレーザと同じアスペクト比を有していても、本件発明ではコアの本数を増やしているので［コアの断面積(合計)］／［励起光が伝播する断面積］が数倍大きく、結果として励起光吸収長を短くできる。加えて、長尺な物が容易に作製できるので、本発明は特にコアの大きさの小さいシングルモードのレーザ出力を得るのに適した技術であるといえる。したがって、超微細加工などの分野や、光通信の分野で特にその効力を発揮できる。

ところで、ファイバアレイの接続技術は現在では高度な手法が確立されており、端面の接続部分における損失を無視しうるほど小さくする事が可能である。この時、接続部分には、例えば図４に示すように、アイソレータのような光学部品９を挿入する事もできる。

本発明では、構造体型のファイバレーザ形式を保ちつつ、光路の途中に容易に光学部品、例えば光学スイッチなどの導波路部品、偏光子、過飽和吸収体、二次高調波発生結晶、電気光学素子などを挿入する事により、Ｑスイッチング、モードロッキング、偏光面制御、波長変換などを行なう事ができる。

また本発明で“少なくとも一つの一つながりの光路”とは、接続部にアクティブな分岐導波路、すなわち電圧制御で分岐への結合効率を変更できる素子を接続すると、一つながりの光路が二つ以上できるようになる場合も含む。導波路型のリングレーザと構造体型ファイバレーザをアクティブな分岐導波路素子で結合したもので、初めにリングになるように分岐のゲートを開けておいてリングに十分エネルギーが蓄積されたところで、分岐ゲートを逆転させてエネルギーを取り出す、Ｑスイッチ動作をさせるなどして使用することができる。

光学媒体は、光ファイバのようにフレキシブルな状態であってもよいし、フレキシブルな状態を保つようにクラッドよりも屈折率が低い物質でクラッドを覆うようにしてもよいし、媒体一端部と媒体他端部とが直接、または光学部品を介して接続可能なように、一部分がフレキシブルであってもよい、また媒体一端部、媒体他端部とを直接または光学部品を介して接続した後に、励起光を通しかつ耐光性のある樹脂のような材料で固めてもよい。

クラッドを覆う物質をクラッドより低屈折率の物質にすることにより、その物質とクラッドの界面で励起光を全反射させるようにすることができる。低屈折率物質でクラッドを覆うなどのように励起光をクラッド内に閉じ込めるための励起光反射部を設けることができる。励起光反射部は、各コアを覆うクラッドが一体化されているときには、そのクラッドの周囲に、各コアを覆う各クラッドが互いに励起光が往き来できるように光学的に接続されているときには、各クラッドを一括して覆うように設けることが好ましい。

（実施例１）
コア径1.6mm、クラッド径4.0×4.0mm矩形断面の、コア内部に0.5at%のNd³⁺イオンをド
ープした開口数0.2の石英系ガラスファイバ用プリフォームロッド1mを10本並列にならべ
、互いを接触させながら、石英ファイバ線引き炉で加熱、延伸して厚さ125μm、幅1.25mm
の帯状マルチコアファイバをおよそ800m作製した。なお、この帯状マルチコアファイバの全面には保護用のコーテイングを施してある。このファイバから3mを切り出し、両端面を斜め研磨（10°）した。このファイバを4回ひねってから両端面を接続した。この時、コ
ア列が1個分ずれるようにして接続を行なった。接続時にはクラッド径125×125μm矩形断面、コア径50μmのファイバをあらかじめ帯状マルチコアファイバの幅方向の端にクラッ
ド同士を密着させて接続し、帯状マルチコアファイバのコアを通して透過する光量をモニタしながら、出射光量が最大になるところでCO₂レーザによって融着した。

その後、図２に示すように、支持基盤７としての外径65mmの金属製円筒に巻き付け、接着剤で固定した。円筒には幅10mmのスリット１０が縦に設けられており、このスリット部分に相当する、巻き付けられた帯状マルチコアファイバ１の4箇所の全面のコーテイング
を除去して、厚さ100μm、幅1.0mm、開口数0.15の励起光導入用ファイバ８を接触角15°
で前記コーティングを除去した4箇所の側面に融着した。励起光導入用ファイバ８にはシ
リンドリカルレンズで絞り込まれた波長810nmのＬＤ光をそれぞれ20W導入したところ、2
本の出力光取出し用ファイバ４の端面からそれぞれ16W、合計32Wの波長1.06μmのレーザ
出力を得た。

（実施例２）
大まかな概要は実施例１と同様であるが、実施例１では出力レーザ光のモードがマルチモードであったのに対し、本実施例ではシングルモード出射になっている点で異なる。コア径500μm、クラッド径8.0×8.0mm矩形断面の、コア内部に0.5at%のNd³⁺イオンをドープした開口数0.2の石英系ガラスファイバ用プリフォームロッド1mを5本並列にならべ、互いを接触させながら、石英ファイバ線引き炉で加熱、延伸して厚さ125μm、幅625μmの帯状マルチコアファイバをおよそ1700m作製した。この時、コア1本あたりのコア径は約8μmとなり、発振波長1.06μmにて完全にシングルモードになる。また、屈折率1.38の紫外線硬
化樹脂をインラインでコーティングした。このファイバから120mを切り出し、外径100mm
の金属製円筒に巻き付け、両端面を斜め研磨（10°）した。

接続時にはクラッド径125×125μm矩形断面、コア径8μmのファイバをあらかじめ帯状
マルチコアファイバの幅方向の端にクラッド同士を密着させて接続し、帯状マルチコアファイバのコアを通して透過する光量をモニタしながら、出射光量が最大になるところで光学接着剤で接合した。この時コア列が1個分ずれるようにして接続を行なった。

その後、巻き付けられた帯状マルチコアファイバに60cmの間隔で2箇所の一面のコーテ
ィングを除去して、厚さ125μm、幅0.5mm、開口数0.15の励起光導入用ファイバを接触角15°で光学樹脂を用いて接続した。励起光導入用ファイバにはシリンドリカルレンズで絞
り込まれた波長810nmのＬＤ光をそれぞれ20W導入したところ、2本の出力光取出し用ファ
イバの端面からそれぞれ8W、合計16Wの波長1.06μmのレーザ出力を得た。

出力取出し用ファイバの一方に99.9%の反射ミラーを設置したところ、もう一方から14Wの出力を得た。また、出力されたレーザ光は完全にシングルモード(M²=1)であった。また、ミラーを取り外し、入力10dBmの波長1.06μmの信号光を投入したところ、もう１端面からおよそ30dBmの信号光出力を得た。

（実施例３）
本実施例では実施例２の形態に偏光板を組み込んだものである。コア径500μm、クラッド径8.0×8.0mm矩形断面の、コア内部に0.5at％のＮｄ³イオンをドープした開口数0.2の
石英系ガラスファイバ用プリフォームロッド1mを5本並列にならべ、互いを接触させなが
ら、石英ファイバ線引炉で加熱、延伸して厚さ125μm、幅625μmの帯状マルチコアファイバをおよそ1700m作製した。この時、コア1本あたりのコア径は約8μmとなり、発振波長1.
06μmにて完全にシングルモードになる。また、屈折率1.38の紫外線硬化樹脂をインライ
ンでコーティングした。このファイバから120mを切り出し、外径100mmの金属製円筒に巻
付け、両端面を垂直研磨した。図４に示すように、接続時に薄膜タイプの光学部品９としての偏光素子をはさみ、この時コア列が1個分ずれるようにして接続を行った。その後、
巻き付けられた帯状マルチコアファイバに60cmの間隔で2箇所の一面のコーティングを除
去して、厚さ125μm、幅0.5mm、開口数0.15の励起光導入用ファイバを接触角15°で光学
樹脂を用いて接続した。励起光導入用ファイバには出力20Wの810nmＬＤレーザをそれぞれ投入した。その結果、合計出力6Wの単一偏波シングルモードレーザ発振を確認した。

１ 帯状マルチコアファイバ（光学媒体）
１ａ 帯状マルチコアファイバの一端面（媒体一端部）
１ｂ 帯状マルチコアファイバの他端面（媒体他端部）
２ ドープコア（導光部）
２ａ コアの一端（導光一端）
２ｂ コアの他端（導光他端）
３ 一つながりの光路

Claims (1)

1. レーザ活性物質を含むコアと前記コアの側面を覆うクラッドとからなる光ファイバ同士をアレイ状に順番に一列に並べ、前記クラッド同士が光学的に隙間がないように融着されてなる帯状マルチコアファイバを作製する工程と、
   前記帯状マルチファイバを所定の長さに切断し、前記コア及びクラッドの断面が一列に配置された両端部を、その一端部のコア及びクラッドの断面と他端部のコア及びクラッドの断面とが互いに１個分だけでずれるようにしてつき合せて光学的に接続し、これによって露出した一番目のコア及びクラッドと、最終番目のコア及びクラッドにそれぞれレーザ光取り出し用の光ファイバを接続することによって、前記レーザ活性物質を含むコアとこのコアの側面を覆うクラッドとからなる光ファイバが、一つながりの長い光ファイバを構成するように形成する工程と、
   を有することを特徴とする光学媒体の製造方法。