JP4851996B2 - 光ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ファイバレーザやファイバアンプに好適な、利得媒質となるコア（利得コア）を有する光ファイバに係り、特に、励起光による熱損傷を抑制する光ファイバ及びその製造方法に関する。

レーザ加工や医療用途への適用を目的として、より高出力で安価な光源の開発が求められている。これらの要求に対し、ファイバレーザやファイバアンプなどの光増幅器は、高効率でしかもシングルモードのレーザ光を容易に取り出すことができるという理由で注目を集めている。

このようなファイバレーザやファイバアンプに用いられる光ファイバとして、例えば、希土類元素（Ｙｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄなど）が長手方向に均一に添加されたコア（利得コア）の外周に、内側クラッド層と外側クラッドが順次形成された２層からなるクラッドを有するダブルクラッド光ファイバがある。

この高出力の光ファイバにおいて、該光ファイバの端部に設けられた半導体レーザなどのマルチモードＬＤから特定の波長を有する励起光を内側クラッド層へ入射・集光させ、上記励起光を光ファイバ内に伝搬させる。光ファイバ中で反射励振された励起光は、希土類元素が添加されたコア中に吸収（結合）され、光ファイバの一端部からレーザ発振光が出射される（例えば、特許文献１）。

特開平５−２４９３２８号公報

一般的に、ファイバレーザ装置には、一定の吸収量（例えば、１５〜２０ｄＢ）を持つ光ファイバが必要であるが、光ファイバの長さによって、光ファイバの吸収量（吸収特性）を変化させている。光ファイバの非線形的効果を抑える観点からは、光ファイバの長さを短くすることが望ましく、熱効果（散熱）の観点からは光ファイバの長さを長くすることが望ましい。

しかしながら、光ファイバの長さが短すぎると、励起光が完全に吸収しきれず、変換効率が悪くなる。一方、光ファイバの長さが長すぎると、せっかく発振したレーザ光が、希土類元素が添加されたコアに再吸収されてしまい、変換効率も悪くなる。また、光ファイバを製造する際、製造条件によっては、コア中の希土類元素が変化して、所望の吸収特性を持つ光ファイバを得ることが難しい場合がある。

そこで、本発明の目的は、熱効果（散熱）や非線形的効果によって変換効率が低下することなく、最適な吸収特性を持つ光ファイバ及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の光ファイバは、利得媒質となる希土類が添加されたコアと上記コアの外周に形成されたクラッドとを備え、端面から入射された励起光によりレーザ光を発振させる光ファイバにおいて、上記コアの仮想温度が１５００℃以下であり、上記光ファイバの端面部で仮想温度が低く、中央部で端面部よりも仮想温度が高くなるように、上記コアの仮想温度が長手方向で異なっているものである。

また、本発明の製造方法は、利得媒質となる希土類が添加されたコアと上記コアの外周に形成されたクラッドとを備え、端面から入射された励起光によりレーザ光を発振させる光ファイバを光ファイバ母材から製造する製造方法において、上記光ファイバ母材を加熱・溶融した後にアニール処理を行うことにより、上記コアの仮想温度が１５００℃以下になるようにして、上記光ファイバ母材を線引きし、上記アニール処理の後にＣＯ ₂ レーザ光照射を行うことにより、上記光ファイバの端面部で仮想温度が低く、中央部で端面部よりも仮想温度が高くなるように、上記コアの仮想温度を長手方向で変化させるものである。

本発明によれば、希土類元素が添加されたコア（利得コア）における励起光の吸収特性を制御して、励起光による熱損傷を抑制する光ファイバを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示すように、本発明に係る光ファイバ１は、利得媒質となる希土類が添加されたコア（希土類添加コアとも言う）２と上記コア２の外周に形成されたクラッド３とを備える光ファイバ１において、上記コア２の仮想温度が１５００℃以下であるものである。

光ファイバ１は、クラッド３内を伝播する励起光をコア２中に結合させることができる。そして、光ファイバ１は、所定の励起を行うことで発光する発光機能を有し、その発光した光を反射励振させることでレーザ発振媒体となるものである。

コア２は、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄなどの希土類元素を少量添加（ドープ）したものである。なお、本発明の実施形態では、希土類元素としてＹｂを用いた。これにより、励起光Ｌｅが波長λｅ（９１５ｎｍ又は９７５ｎｍ）であり、波長λ（１０３０ｎｍ又は１１００ｎｍ）のレーザ光Ｌを出射させる。

クラッド３は、ポンピングガイドの役割を果たす内側クラッド３ａと、内側クラッド３ａの外周に設けられた外側クラッド３ｂとからなるダブルクラッド型である。なお、コア２とクラッド３とでフォトニック結晶光ファイバを構成するように、内側クラッド３ａにコア２の周囲に光ファイバ１の長手方向に沿って複数の空孔をハニカム状に形成してもよい。

図示のように、内側クラッド３ａに入射した励起光Ｌｅは、内側クラッド３ａ内をポンピングしてコア２に吸収される。

次に、本発明に係る光ファイバの製造方法を説明する。

図２に示されるように、線引きして光ファイバを製造する製造装置２１は、光ファイバ１の母材である光ファイバ母材２２を加熱・溶融する加熱炉（線引炉とも言う）２３と、その加熱炉２３から引き出される光ファイバ（製造過程中）２４を所望の温度でアニール処理するアニール炉２５と、アニール炉２５の下流において光ファイバ２４に紫外線硬化樹脂（ＵＶ硬化樹脂）を被覆するダイス２６と、ダイス２６の下流において紫外線硬化樹脂を硬化させる硬化部２７とを同一ラインに並べて設置したものである。線引きされている光ファイバ２４の最下端には送り出し方向を転換させるターンプーリ２８が設けられ、その下流には製造された光ファイバ１を巻き取る巻き取り機２９が設けられる。また、線引きされている光ファイバ２４のライン途中には、適宜、外径測定器３０が設置される。

この製造装置２１において、Ｙｂが添加されたコア材とコア材の外周に形成されたクラッド材とを備える光ファイバ母材２２を加熱炉２３において加熱・溶融し、その下流でアニール炉２５においてアニール処理を行うことにより、上記コア材から形成されるコア２の仮想温度が１５００℃以下になるようにする。アニール処理後、同一ラインにて紫外線硬化樹脂（ＵＶ硬化樹脂）を被覆することにより、図１に示したような、Ｙｂが添加されたコア２と、このコア２の外周に形成されたクラッド３とからなり、コア２の仮想温度が１５００℃以下である光ファイバ１が得られる。

ここで、アニール温度を１１９０℃、アニール炉２５の長さを３ｍ、アニール処理時間を１．８秒、線引速度を１００ｍ／ｍｉｎとする。また、赤外放射温度計（図示せず）で温度をモニタしながら、アニール炉２５内の冷却装置（図示せず）に投入するＨｅガスの流量を調節し、加熱炉２３にて線引きされた母材（光ファイバ２４）をアニール炉２５へ導入する際の温度が所望の温度（例えば、１１９０℃）となるように制御する。このようにして製造された光ファイバ１におけるコア２の仮想温度は１２００℃である。なお、コア２の仮想温度はラマン散乱法で評価することができる。

さらに、本発明の製造方法において、アニール温度のみを変化させることで、光ファイバ１におけるコア２の仮想温度を１０００℃、１１００℃、１３００℃、１４００℃、１５００℃とすることができる。

図３に、コア２の仮想温度を１０００℃〜１５００℃まで段階的に異ならせたときのコア２の波長吸収係数特性を示す。図３に示される通り、コア２の仮想温度が１０００℃〜１５００℃の範囲で変化した場合、波長９１５ｎｍ及び９７５ｎｍにおいて励起光のコア２への吸収量が変化することがわかる。具体的には、コア２の仮想温度が１０００℃のとき波長９１５ｎｍ及び９７５ｎｍにおいて吸収量が少なく、１５００℃のとき同波長において吸収量が多い。したがって、コア２の仮想温度を１０００℃〜１５００℃の範囲で変化させることにより、コア２における励起光の吸収特性を制御する（所望する吸収特性を持つコア２を製造するの意）ことができる。

本発明に係る光ファイバの作用効果を説明する。

本発明者らは、光ファイバ１において、コア２の仮想温度（ガラスが液体から固化する温度；詳しくは、液相からガラス状態への凍結温度であり、ガラス構造の無秩序性を表すパラメータである）を１５００℃以下に制御することにより、希土類元素に由来する吸収係数（吸収特性）が変化することを見出した。光ファイバの長さの変化によって光ファイバの吸収特性を制御していた従来では、熱効果や非線形効果によって励起光の変換効率が低下する場合があったが、本発明では、光ファイバの長さに起因しない。したがって、本発明では、熱効果や非線形効果によって励起光の変換効率が低下することがなく、所望の吸収特性を持つ光ファイバを提供することができる。

上記実施形態では、図２のように、アニール炉２５にてアニール処理した後、紫外線硬化樹脂（ＵＶ硬化樹脂）を被覆する製造方法を用いたが、以下の実施形態では、アニール炉２５にてアニール処理した後、ＣＯ_２レーザ装置（図示せず）などを用いて線引きライン上でＣＯ_２レーザ光を光ファイバに照射することにより、コア２の仮想温度を長手方向に変化させる。これにより、長手方向に亘り吸収特性が変化した光ファイバを得ることができる。このような光ファイバの利点を説明する。

ファイバレーザやファイバアンプを高出力化する際、光ファイバ内に伝搬させた励起光が、希土類元素が添加されたコアに吸収（結合）されることによって、光ファイバが発熱して被覆損傷および変換効率低下などを引き起こす。また、ファイバヒューズと呼ばれるファイバ破壊現象を誘発する原因にもなると考えられている。

まず、図４に、従来の光ファイバにおける希土類添加コア（以下、単にコアと言う）の長手方向の仮想温度分布、吸収係数分布、温度分布を示す。

図４（ａ）に示されるように、コアの仮想温度が長手方向でほぼ一定である従来の光ファイバでは、図４（ｂ）に示されるように、励起光の吸収もほぼ一定であるため、従来の光ファイバの端面に励起光を入射した際、励起光は端面から離れるにしたがって吸収されて弱くなる。一方、励起光の導入部付近では、励起光の吸収および無輻射遷移が顕著に起こる。

このため、図４（ｃ）に示されるように、光ファイバの端部で温度が上昇する。このことから、従来の光ファイバでは、長手方向の温度が不均一となり、光変換効率が低下してしまい、高出力のレーザ光を得ることができない。また、図示のように、光ファイバの温度が熱損傷領域に入ると、光ファイバが熱損傷を受ける。

これに対し、本発明によれば、希土類添加コアの仮想温度をアニール処理やＣＯ_２レーザ光照射による熱処理によって変えることで、励起光波長における吸収係数を希土類添加コアの長手方向全長で一律に下げたり、あるいは長手方向の位置によって異なるよう変化させた光ファイバを得ることができる。

詳しく述べると、図５（ａ）に示されるように、光ファイバの端面部で仮想温度が低く、中央部で端面部よりも仮想温度が高いようにすることで、図５（ｂ）に示されるように、光ファイバの端面部で吸収係数が小さく、中央部で端面部よりも吸収係数が大きくなるような仮想温度分布とする。

これにより、端面励起の場合に、図５（ｃ）に示されるように、光ファイバの発熱の均一化が実現でき、熱損傷閾値を越えない範囲で従来のファイバよりも大出力の励起光を入射することができる。

この実施形態によれば、従来にない高出力のレーザ光を出射することができる。なお、側面励起の場合でも、上記と同様に、励起光の入射部付近の吸収係数を低くすることにより、同様の効果が得られる。

図２に示した製造装置においては、ファイバ線引き中にアニール炉によるアニール処理によってコア２の仮想温度を任意に変化させた。また、さらなる実施形態では、アニール処理後にＣＯ_２レーザ光などを照射することによってコア２の仮想温度を長手方向に変化させた。しかし、これに限らず、通常の光ファイバの線引き後にアニール処理を行ってコアの仮想温度を１５００℃以下にしたり、もしくは、そのアニール処理後にＣＯ_２レーザ光などを照射してコアの仮想温度を長手方向で変化させてもよい。

また、アニール炉でアニール処理することにより、コアの仮想温度が互いに異なる複数の光ファイバを製造し、これらの光ファイバをそれぞれ適当な長さに調節した後、所望の配列にて光ファイバの端面を融着などを用いて接続することにより、長手方向にコアの仮想温度が異なる１本の光ファイバを得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、光ファイバの長手方向にコアの仮想温度を変えることにより光ファイバの長手方向に吸収係数を変化させ、光ファイバの長手方向の熱分布を制御することができる。よって、励起光の入射部付近の過熱を抑制し、光ファイバの長手方向の熱分布を均一化することができるため、熱によるファイバ損傷を抑制できる。

本発明の一実施形態を示す光ファイバの透視イメージ図である。 本発明の一実施形態を示す光ファイバの製造装置の概略図である。 本発明の光ファイバにおける仮想温度をパラメータとする波長対吸収係数特性を示す図である。 図４（ａ）は、従来の光ファイバにおける希土類添加コアの長手方向の仮想温度分布図であり、図４（ｂ）は、従来の光ファイバにおける希土類添加コアの長手方向の吸収係数分布図であり、図４（ｃ）は、従来の光ファイバにおける希土類添加コアの長手方向の温度分布図である。 図５（ａ）は、本発明の光ファイバにおける希土類添加コアの長手方向の仮想温度分布図であり、図５（ｂ）は、本発明の光ファイバにおける希土類添加コアの長手方向の吸収係数分布図であり、図５（ｃ）は、本発明の光ファイバにおける希土類添加コアの長手方向の温度分布図である。

符号の説明

１ 光ファイバ
２ コア（希土類添加コア）
３ クラッド
３ａ 内側クラッド
３ｂ 外側クラッド
２１ 製造装置
２２ 光ファイバ母材
２３ 加熱炉
２５ アニール炉
２６ ダイス
２７ 硬化部

Claims (2)

1. 利得媒質となる希土類が添加されたコアと上記コアの外周に形成されたクラッドとを備え、端面から入射された励起光によりレーザ光を発振させる光ファイバにおいて、
   上記コアの仮想温度が１５００℃以下であり、
   上記光ファイバの端面部で仮想温度が低く、中央部で端面部よりも仮想温度が高くなるように、上記コアの仮想温度が長手方向で異なっている
   ことを特徴とする光ファイバ。
2. 利得媒質となる希土類が添加されたコアと上記コアの外周に形成されたクラッドとを備え、端面から入射された励起光によりレーザ光を発振させる光ファイバを光ファイバ母材から製造する製造方法において、
   上記光ファイバ母材を加熱・溶融した後にアニール処理を行うことにより、上記コアの仮想温度が１５００℃以下になるようにして、上記光ファイバ母材を線引きし、
   上記アニール処理の後にＣＯ ₂ レーザ光照射を行うことにより、上記光ファイバの端面部で仮想温度が低く、中央部で端面部よりも仮想温度が高くなるように、上記コアの仮想温度を長手方向で変化させる
   ことを特徴とする光ファイバの製造方法。

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