JP4866788B2 - ファイババンドルの製造方法 - Google Patents
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特に、励起光結合デバイスと増幅用ファイバを多段に接続して使用するカスケード接続の場合、使用される増幅用ファイバはどの段でも同じものが使用されることがコスト/特性的に有利であり、そのような場合には、励起光結合デバイスの前後に接続される増幅用ファイバのモードフィールド径は当然のことながらほぼ等しく、そのため、従来例のように励起光結合デバイスの入射側のモードフィールド径と出射側のモードフィールド径が違う場合、入射側ファイバ及び/又は出射側ファイバとの接続損失が大きくなってしまい、結合効率が悪化してしまうという問題点があった。また、上記カスケード接続以外でも、入射側のモードフィールド径と出射側のモードフィールド径をほぼ等しく設計することにコスト的/特性的メリットを有する場合も多く、そのような場合でも入射側のモードフィールド径と出射側のモードフィールド径が違うことが設計の制限となってしまう場合があった。
また、設計上の利点から、光出力側に励起結合デバイスを配置したい場合において、コア径が変化した励起結合デバイスを使用すると、コア径が部分的に小さくなってしまうことがあり、コアを導光する出力光のパワー密度が高くなってしまい、デバイスがその高いパワー密度に耐えられなくなり、損傷してしまうこともあった。
また、コアの径が変化していないことから、出力側に該信号光及び励起光導光用ファイバ又は該ファイババンドルを配置することができ、ファイバアンプやファイバレーザの設計の自由度を増すことができる。特に、2台の該信号光及び励起光導光用ファイバ又は該ファイババンドルを、増幅用ファイバを挟んで対向して配置することができるので、一方向励起に比較して増幅用ファイバの長手方向の反転分布率を均一にすることが可能になり、その結果励起効率を高めることができるので、より高効率なファイバアンプ又はファイバレーザを実現できる。
図1及び図2は、本発明の信号光及び励起光導光用ファイバの一実施形態を示す図であり、図1(a)は、信号光及び励起光導光用ファイバ1に用いたダブルクラッドファイバ5の断面図、(b)はそのA−A’部の屈折率分布を示すグラフである。図2(a)は信号光及び励起光導光用ファイバ1の斜視図、(b)はそのB−B’断面図である。これらの図中、符号1は信号光及び励起光導光用ファイバ、2はコア、3は内側クラッド、4は外側クラッド、5はダブルクラッドファイバ、6は内側クラッドテーパ状部を示す。
本例では、まず、コア2と、その外周を囲む内側クラッド3と、該内側クラッド3の外周を囲む外側クラッド4とを有するダブルクラッドファイバ5を用意し、その外側クラッド5の一部を除去して内側クラッド3を露出させる(図7(a)参照。)。
ここで用いる石英ガラス除去用のエッチング液26としては、フッ酸溶液又はバッファードフッ酸溶液を用いることが好ましい。
これにより、図7(d)に示す様に、ダブルクラッドファイバ5の一端側に内側クラッド3の外径が端に向かって漸次減少するが、コアの径は実質的に変化しない内側クラッドテーパ状部6が設けられた信号光及び励起光導光用ファイバ1が得られる。このとき、ファイバの切断位置は、目標とする径となる場所で切断する。目標径が細径化された部位の最も細い部分となるようにエッチングし、その部位で切断することで、エッチングした部位を中心とした(図中左右)両側を製品として使用できるようになるので、より好ましい。
本例では、まず、コアと、その外周を囲む内側クラッド3と、該内側クラッド3の外周を囲む外側クラッド4とを有するダブルクラッドファイバ5を用意し(図8(a)参照。
)、その一端部の外側クラッド5を除去して内側クラッド3を露出させる(図8(b)参照。)。
これにより、図8(d)に示す様に、ダブルクラッドファイバ5の一端側に内側クラッド3の外径が端に向かって漸次減少するが、コアの径は実質的に変化しない内側クラッドテーパ状部6が設けられた信号光及び励起光導光用ファイバ1が得られる。
図4(a)はファイババンドル7の斜視図、(b)はD−D’線断面図である。これらの図中、符号7はファイババンドル、8は信号光導光ファイバ、9は信号光導光コア、10は励起光導光ファイバ、11は励起光導光コア、12及び13はクラッド、14は一体化部分、15はテーパ状部である。
次に、束ねられたファイバを加熱融着して一体化し、次いで、該一体化部分14に石英ガラス除去用のエッチング液を接触させ、一体化部分14を部分的に細径化させる。
次に、細径化した部分で切断し、一体化部分の外径が先端に向けて漸次減少するが、信号光導光コア9の径は実質的に変化しないテーパ状部15が設けられたファイババンドル7を得る。このとき、ファイバの切断位置は、目標とする径となる場所で切断する。目標径が細径化された部位の最も細い部分となるようにエッチングし、その部位で切断することで、エッチングした部位を中心とした(図中左右)両側を製品として使用できるようになるので、より好ましい。
本実施形態のファイバアンプ又はファイバレーザ16は、信号光導光ファイバ17を通して導光される信号光と、複数の励起光源としてのLD19からの励起光導光ファイバ18を通して導光される励起光とを、前述したファイババンドル7の信号光導光コア9と励起光導光コア11とのそれぞれ結合し、ファイババンドル7のテーパ状部15の先端に接続された増幅用Yb添加ファイバ20のコアと内側クラッドにそれぞれ結合する構成になっている。なお、ファイババンドル7の部分は、信号光及び励起光導光用ファイバ1でも良い。
本実施形態のファイバアンプ又はファイバレーザは、前述したファイバアンプ又はファイバレーザ16を1つの増幅ユニットとし、その増幅ユニットを3段、カスケード結合した構造になっている。それぞれの増幅部(第1増幅部21、第2増幅部22及び第3増幅部23)は、アイソレータ24を介して連結されている。こちらの構成も、ファイババンドルの部分は、信号光及び励起光導光用ファイバでも良い。
このような構成とすることで、信号光を多段に増幅可能となり、大出力の増幅光を得ることができる。
図5の構成と異なり、出力光が放出される側にファイババンドル7を信号光と励起光と結合している。この場合、信号光は増幅ユニット側から導波しており、ファイババンドル7を介して、信号光は外部へ出力される。この際に、コア径が増幅ユニットとおよそ同じでバンドル内を信号光が導波されるため、光損傷を受けることなく、増幅部で増幅された大パワーの信号光を導光できる。
このような構成をとり得ることは、ファイバレーザやファイバアンプの構成の自由度を増すことができ、装置の小型化等に寄与する。この構成も、ファイババンドル7の部分は、信号光及び励起光導光用ファイバ1でも良い。コア径の変化が無いことから、信号光及び励起光導光用ファイバ1でもファイババンドル7と同様の効果が得られる。
図5や図9と異なり、図5や図6の構成のように、増幅ユニットの入射側に励起光と信号光を結合するファイババンドル7が結合されているとともに、図9に示すように、出射側にも励起光と信号光を結合するファイババンドル7が設置されている。出射側に本ファイババンドル7が使用可能なことは、図9と同様の理由である。
このような構成をとることにより、増幅ユニットの入射端と出射側で励起光と信号光を結合することができる。特に励起光を双方向から結合できることから、増幅ユニット内での励起光の長手方向分布が、片方向励起よりも均一に近くなるため、励起光の利用効率が高くなる。そのため、同量の励起光の場合、よりハイパワーな出力光を得ることができる。この構成も、ファイババンドル7の部分は、信号光及び励起光導光用ファイバ1でもよい。コア径の変化が無いことから、信号光及び励起光導光用ファイバ1でもファイババンドル7と同様の効果が得られる。
シリカガラスを主成分とし、信号光を本ファイバまで導光するシングルモードファイバ(コア径が約4.5μm)とほぼ同じ径のコアを持ち、その外側に同じくシリカガラスを主成分とした励起光を導光する内側クラッドと、低屈折率ポリマーによる励起光を閉じこめるための外側クラッドを有するダブルクラッドファイバを、MCVD装置及び紡糸装置を用いて作製した。このとき、コアのMFDは波長1064nmにおいて約6.2μmであり、内側クラッド径は約690μm、外側クラッド径は約750μmであった。
本ファイバを約30mm切り出し、片端の外側クラッドを剥いだ上で42質量%濃度のフッ酸溶液液滴に約60分間浸すことによって、長手方向にエッチング量を変化させる傾斜エッチングを施した。エッチング条件は、温度等に敏感であるので、これは例示であって限定ではない。その結果、エッチングを施した部分の最小外径は約260μmであった。この時、ガラスのエッチングは外側から進行するので、コア径には変化がないことは特記すべきことである。
このようにして作製された傾斜外径ファイバの太い端を、励起光を導光するマルチモードファイバと信号光を導光するシングルモードファイバ(波長1064nmにおけるコアのMFD6.1μm)が一体化されたマルチコアファイバと融着接続し、さらに反対側をYb添加ダブルクラッドファイバ(波長1064nmでのコアのMFD6.2μm、内側クラッド径320μm)と融着接続した。
本ファイバは、信号光が伝搬するMFD径がほぼ一定であるので、接続による損失増加を防ぐ効果がある。実際、本構造において、信号光の接続損失は0.5dBであった。
なお、特許文献1に記載の構造で比較実験を行ったところ、接続損失は約2.5dBであった。
このファイバを用いて、図5の模式図に示すような、ファイバレーザを作製した。従来に比し、励起光量に対する信号出力光の割合(励起効率)は特許文献1の構造に比し、約12%アップした。
実施例1と同様な手法を用いて、異なるディメンションのファイバも試作した。コアのMFDは波長1064nmにおいて約6.1μmであり、内側クラッド径は約850μm、外側クラッド径は約890μmであった。
本ファイバを約80mm切り出し、中間部の外側クラッドを剥いだ上で42質量%濃度のフッ酸溶液液滴に約60分間浸すことによって、長手方向にエッチング量を変化させる傾斜エッチングを施し、最も細い径の部分で切断した。エッチング条件は、温度等に敏感であるので、これは例示であって限定ではない。その結果、エッチングを施した部分の最小外径は約375μmであった。この時、ガラスのエッチングは外側から進行するので、コア径には変化がないことは特記すべきことである。
このようにして作製された傾斜外径ファイバの太い端を、励起光を導光するマルチモードファイバと信号光を導光するシングルモードファイバ(波長1064nmにおけるコアのMFD6.2μm)が一体化されたマルチコアファイバと融着接続し、さらに反対側をYb添加ダブルクラッドファイバ(波長1064nmでのコアのMFD6.1μm、内側クラッド径390μm)と融着接続した。
本ファイバは、信号光が伝搬するMFD径がほぼ一定であるので、接続による損失増加を防ぐ効果がある。実際、本構造において、信号光の接続損失は0.2dBであった。
なお、特許文献1に記載の構造で比較実験を行ったところ、接続損失は約2.1dBであった。
実施例1と同様な手法を用いて、異なるディメンションのファイバも試作した。コアのMFDは波長1064nmにおいて約16.4μmであり、内側クラッド径は約850μm、外側クラッド径は約890μmであった。
本ファイバを約80mm切り出し、中間部の外側クラッドを剥いだ上で25質量%濃度のバッファードフッ酸溶液液層に約100分間浸すことによって、長手方向にエッチング量を変化させる傾斜エッチングを施し、最も細い径の部分で切断した。エッチング条件は、温度等に敏感であるので、これは例示であって限定ではない。その結果、エッチングを施した部分の最小外径は約380μmであった。この時、ガラスのエッチングは外側から進行するので、コア径には変化がないことは特記すべきことである。
このようにして作製された傾斜外径ファイバの太い端を、励起光を導光するマルチモードファイバと信号光を導光するシングルモードファイバ(波長1064nmにおけるコアのMFD18.2μm)が一体化されたマルチコアファイバと融着接続し、さらに反対側をYb添加ダブルクラッドファイバ(波長1064nmでのコアのMFD19.4μm、内側クラッド径390μm)と融着接続した。
本ファイバは、信号光が伝搬するMFD径がほぼ一定であるので、接続による損失増加を防ぐ効果がある。実際、本構造において、信号光の接続損失は0.8dBであった。
このファイバを用いて、図6の模式図に示すような、2段のカスケード接続を含むファイバレーザを作製した。従来に比し、励起光量に対する信号出力光の割合(励起効率)は特許文献1の構造に比し、約35%アップした。
6本の励起光を導光するマルチモードファイバと、1本の信号光を導光するシングルモードファイバを撚り合わせて一体化したファイババンドルを、火炎溶融によって作製した。このとき、信号光を導光するポートのコアのMFDは、波長1064nmにおいて約6.2μmであり、一体化されたファイババンドル外径は約350μmであった。
本ファイババンドルの溶融部を42質量%濃度のフッ酸溶液液滴に約25分間浸すことによって、長手方向にエッチング量を変化させる傾斜エッチングを施した。エッチング条件は、温度等に敏感であるので、これは例示であって限定ではない。その結果、エッチングを施した部分の最小外径は約260μmであった。この最小外径部分を切断することにより、作製された傾斜外径ファイバの太い側のシングルモードファイバを、信号光を導光するシングルモードファイバ(波長1064nmにおけるコアのMFD6.1μm)に融着接続し、さらに反対側をYb添加ダブルクラッドファイバ(波長1064nmでのコアのMFD6.2μm、内側クラッド径320μm)と融着接続した。
本ファイバは、信号光が伝搬するMFD径がほぼ一定であるので、接続による損失増加を防ぐ効果がある。実際、本構造において、信号光の接続損失は0.1dBであった。
なお、特許文献1に記載の構造で比較実験を行ったところ、接続損失は約2.3dBであった。
18本の励起光を導光するマルチモードファイバと、1本の信号光を導光するシングルモードファイバを撚り合わせて一体化したファイババンドルを、火炎溶融によって作製した。このとき、信号光を導光するポートのコアのMFDは、波長1064nmにおいて約6.2μmであり、一体化されたファイババンドル外径は約550μmであった。
本ファイババンドルの溶融部を25質量%濃度のバッファードフッ酸溶液液層に約35分間浸すことによって、長手方向にエッチング量を変化させる傾斜エッチングを施した。
エッチング条件は、温度等に敏感であるので、これは例示であって限定ではない。その結果、エッチングを施した部分の最小外径は約260μmであった。この最小外径部分を切断することにより、作製された傾斜外径ファイバの太い側のシングルモードファイバを、信号光を導光するシングルモードファイバ(波長1064nmにおけるコアのMFD6.1μm)に融着接続し、さらに反対側をYb添加ダブルクラッドファイバ(波長1064nmでのコアのMFD6.2μm、内側クラッド径320μm)と融着接続した。
本ファイバは、信号光が伝搬するMFD径がほぼ一定であるので、接続による損失増加を防ぐ効果がある。実際、本構造において、信号光の接続損失は0.4dBであった。
なお、特許文献1に記載の構造で比較実験を行ったところ、接続損失は約3.5dBであった。
18本の励起光を導光するマルチモードファイバと、1本の信号光を導光するシングルモードファイバを撚り合わせて一体化したファイババンドルを、火炎溶融によって作製した。このとき、信号光を導光するポートのコアのMFDは、波長1064nmにおいて約17.2μmであり、一体化されたファイババンドル外径は約540μmであった。
本ファイババンドルの溶融部を48質量%フッ酸溶液液層に約35分間浸すことによって、長手方向にエッチング量を変化させる傾斜エッチングを施した。エッチング条件は、温度等に敏感であるので、これは例示であって限定ではない。その結果、エッチングを施した部分の最小外径は約350μmであった。
この最小外径部分を切断することにより、作製された傾斜外径ファイババンドルの太い側のシングルモードファイバを、信号光を導光するシングルモードファイバ(波長1064nmでのコアのMFD16.8μm)と融着接続し、さらに反対側をYb添加ダブルクラッドファイバ(波長1064nmでのコアのMFD20.0μm、内側クラッド径400μm)と融着接続した。
本ファイバは、信号光が伝搬するMFD径がほぼ一定であるので、接続による損失増加を防ぐ効果がある。実際、本構造において、信号光の接続損失は0.8dBであった。
このファイバを用いて、図6の模式図に示すような、4段のカスケード接続を含むファイバレーザを作製した。従来に比し、励起光量に対する信号出力光の割合(励起効率)は特許文献1の構造に比し、約40%アップした。
実施例3で作製した傾斜ファイバと概略同等のファイバを作製し、これを3個用いて、Yb添加ファイバを3段接続して増幅器を作製した。模式図を図5に示す。ゲイン35db、出力50Wを実現できた。
Claims (2)
- 信号光導光ファイバを中心として、その周囲に複数本の励起光導光ファイバを束ね、次いで、束ねられたファイバを加熱融着して一体化し、次いで、該一体化部分に石英ガラス除去用のエッチング液を接触させ、一体化部分を部分的に細径化させる工程、次いで、細径化した部分で切断し、一体化部分の外径が先端に向けて漸次減少し、信号光導光ファイバのコアの径は実質的に変化しないテーパ状部が設けられたファイババンドルを得る工程を有することを特徴とするファイババンドルの製造方法。
- 前記エッチング液としてフッ酸溶液又はバッファードフッ酸溶液を用いることを特徴とする請求項1に記載のファイババンドルの製造方法。
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