JP5109443B2

JP5109443B2 - 光学モジュールおよび加工方法

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Publication number: JP5109443B2
Application number: JP2007088943A
Authority: JP
Inventors: 忍玉置
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: US20080239471A1; US7706055B2; JP2008251694A

Description

本発明は、光学モジュール、および、これを用いた加工方法に関するものである。

現在、レーザ光を用いた加工技術が注目されており、加工用や医療用など各分野においてレーザ光源の需要が高まっている。各種レーザ光源の中で特に注目されているレーザ光源として、ファイバレーザ光源が挙げられる。ＹｂやＥｒやＴｍなどの各種希土類元素を添加した光ファイバを光増幅媒体として用い、励起光で被増幅光を光増幅したり、共振器構造を用いてレーザ発振させたりすることで、高出力な光を作り出している。ファイバレーザ光源の利点として、レーザ光が光ファイバ内で閉じ込められていることから扱いが容易である点や、熱放射性が良いことから大規模な冷却設備を必要とすることがない点などが挙げられる。

増幅用光ファイバとして、シングルクラッド型の屈折率プロファイルを有するものが用いられる場合がある。このシングルクラッド型の増幅用光ファイバは、希土類元素が添加された１つのコアと、このコアを取り囲みコアより屈折率が低い１つのクラッドとを有する。そして、この増幅用光ファイバは、被増幅光をシングルモードでコアにより導波させるとともに、励起光をもコアにより導波させる。増幅用光ファイバ内では、励起光が希土類元素を励起し、誘導放出が起こって、被増幅光が光増幅される。増幅用光ファイバで吸収されなかった励起光は、その増幅用光ファイバを透過して外部へ出てくる（以下、透過してきた励起光を「透過励起光」という。）。

また、増幅用光ファイバとして、ダブルクラッド型の屈折率プロファイルを有するものが好適に用いられる。このダブルクラッド型の増幅用光ファイバは、希土類元素が添加されたコアと、このコアを取り囲みコアより屈折率が低い内クラッドと、この内クラッドを取り囲み内クラッドより屈折率が低い外クラッドとを有する。そして、この増幅用光ファイバは、被増幅光をシングルモードでコアにより導波させるとともに、励起光をマルチモードでコアおよび内クラッドにより導波させる。このようなダブルクラッド型の増幅用光ファイバを用いることにより、高パワーの励起光を増幅用光ファイバに導波させることができ、高い利得で被増幅光を光増幅することができて、光増幅された高パワーの被増幅光を得ることができる。

上記のようなファイバレーザ光源では、増幅用光ファイバに供給された励起光は、その増幅用光ファイバに添加されている希土類元素を励起するのに用いられる。しかし、希土類元素により吸収されなかった励起光は、増幅用光ファイバから外部へ透過励起光として出力される。増幅用光ファイバの長さおよび希土類元素添加濃度を調整することで、透過励起光のパワーは調整可能である。

シングルクラッド型の増幅用光ファイバが用いられる場合、励起光源の出力は現状５００ｍＷ程度であり、増幅用光ファイバを透過して出てくる透過励起光のパワーは数十ｍＷである。透過励起光のパワーが数十ｍＷであれば、増幅用光ファイバの後に別のシングルモードファイバを接続したとしても発熱することはない。また、通常、透過励起光が増幅用光ファイバからコネクタを経て出射されるまでの間にアイソレータが挿入されることが多く、コアを伝搬する透過励起光は、アイソレータの大きな損失を受けて減衰するので、コネクタで出射されるときに高い出力を保っていることは少ない。

同様に、ダブルクラッド型の増幅用光ファイバが用いられる場合にも、増幅用光ファイバから外部へ透過励起光が出力される。しかし、この場合、励起光源の出力は数十Ｗと高い。また、光アイソレータを設けたとしても、マルチモードでコアおよび内クラッドにより導波される透過励起光を有効に遮断することは困難である。このことから、外部へ出力される透過励起光のパワーは数Ｗになる場合がある。このように透過励起光のパワーが大きいと、この透過励起光が他の光部品に与えるダメージが大きくなり、或いは、発熱の問題も生じてくる。光増幅されて出力される被増幅光を高パワーにするために、励起光の供給量を多くして光増幅の利得を大きくするほど、透過励起光のパワーも大きくなり、上記のダメージや発熱の問題も大きくなる。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光増幅されて出力される被増幅光を高パワーにすることができるとともに、他の光部品に与えるダメージや発熱の問題を低減することができる光学モジュールを提供することを目的とする。また、このような光学モジュールを用いて加工対象物を加工する加工方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光学モジュールは、励起光が供給され被増幅光を光増幅する増幅用光ファイバと、この増幅用光ファイバから出力される励起光および被増幅光を入力して励起光を吸収する吸収用光ファイバと、増幅用光ファイバに被増幅光および励起光を供給する光結合器とを備える。増幅用光ファイバおよび吸収用光ファイバそれぞれは、コアと、このコアを取り囲みコアより屈折率が低い第１クラッドと、この第１クラッドを取り囲みコアより屈折率が低い第２クラッドと、この第２クラッドを取り囲み第１クラッドおよび第２クラッドより屈折率が低い第３クラッドとを有し、被増幅光をシングルモードでコアにより導波させるとともに、励起光をマルチモードでコア，第１クラッドおよび第２クラッドにより導波させる。増幅用光ファイバのコアは、励起光により励起され被増幅光を光増幅するための増幅用ドーパントが添加されている。吸収用光ファイバの第２クラッドは、励起光を吸収するための吸収用ドーパントが添加されている。増幅用光ファイバおよび吸収用光ファイバそれぞれのコアは互いに光学的に接続されている。増幅用光ファイバおよび吸収用光ファイバそれぞれの第１クラッドは互いに光学的に接続されている。また、増幅用光ファイバおよび吸収用光ファイバそれぞれの第２クラッドは互いに光学的に接続されている。

なお、吸収用光ファイバは、第１クラッドおよび第２クラッドそれぞれの屈折率が互いに等しくてもよく、或いは、第１クラッドの屈折率が第２クラッドの屈折率より高くてもよい。

本発明に係る光学モジュールでは、増幅用ドーパントがＹｂであり、吸収用ドーパントがＥｒであるのが好適である。吸収用光ファイバの第２クラッドにおけるＥｒの添加濃度が１０００wt.ppm以上であるのが好適である。吸収用光ファイバのコアが純石英で構成されるのが好適である。吸収用光ファイバの第１クラッドは、励起光により励起され被増幅光を光増幅するための増幅用ドーパントが添加されていないのが好適である。吸収用光ファイバのコアは、励起光を吸収するための吸収用ドーパントが添加されていないのが好適である。増幅用光ファイバの被増幅光および励起光の出力端に吸収用光ファイバが接続され、吸収用光ファイバの出力端に接続され、被増幅光をシングルモードで導波させるコアと、このコアを取り囲みコアより屈折率が低いクラッドとを有するシングルモード光ファイバを備えるのが好適である。また、吸収用光ファイバの第１クラッドにも励起光を吸収するための吸収用ドーパントが添加されていてもよい。

本発明に係る加工方法は、上記の本発明に係る光学モジュールを用い、光学モジュールに含まれる光結合器を経て被増幅光および励起光を増幅用光ファイバに供給し、光学モジュールに含まれる吸収用光ファイバの出力端から被増幅光を出力し、その出力した被増幅光を光学系により加工対象物に集光照射して該加工対象物を加工する。また、増幅用光ファイバの被増幅光および励起光の出力端に吸収用光ファイバが接続され、吸収用光ファイバにおいて励起光をアップコンバージョンして可視光に変換し、その可視光を吸収用光ファイバの出力端から出力し、その出力した可視光を光学系により加工対象物に集光照射して位置決めを行うのが好適である。

本発明によれば、光増幅されて出力される被増幅光を高パワーにすることができるとともに、他の光部品に与えるダメージや発熱の問題を低減することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、初めに比較例の光学モジュールについて説明し、その後に、この比較例の光学モジュールと対比しつつ本実施形態に係る光学モジュールおよび加工方法について説明する。

（比較例）

先ず、比較例の光学モジュール９について説明する。図１は、比較例の光学モジュール９の構成図である。この図に示される光学モジュール９は、種光源１１、励起光源１２、光結合器１３および増幅用光ファイバ９１を備える。図２は、比較例の光学モジュール９に含まれる増幅用光ファイバ９１を説明する図であり、同図（ａ）は断面を示し、同図（ｂ）は屈折率プロファイルを示す。

増幅用光ファイバ９１は、図２に示されるように、コア９１ａと、このコア９１ａを取り囲みコア９１ａより屈折率が低い内クラッド９１ｂと、この内クラッド９１ｂを取り囲み内クラッド９１ｂより屈折率が低い外クラッド９１ｃとを有する。増幅用光ファイバ９１は、石英系ガラスを主成分とするものであって、コア９１ａに希土類元素が増幅用ドーパントとして添加されている。そして、この増幅用光ファイバ９１は、被増幅光をシングルモードでコア９１ａにより導波させるとともに、励起光をマルチモードでコア９１ａおよび内クラッド９１ｂにより導波させる。このようなダブルクラッド型の増幅用光ファイバ９１を用いることにより、高パワーの励起光を増幅用光ファイバ９１に導波させることができ、高い利得で被増幅光を光増幅することができて、光増幅された高パワーの被増幅光を得ることができる。

この光学モジュール９では、種光源１１から出力された種光（被増幅光）と、励起光源１２から出力された励起光とは、光結合器１３により合波されて、増幅用光ファイバ９１の一端に入力される。この増幅用光ファイバ９１では、被増幅光はコア９１ａによりシングルモードで導波され、励起光はコア９１ａおよび内クラッド９１ｂによりマルチモードで導波される。コア９１ａに添加されている希土類元素が励起光により励起されて、被増幅光が光増幅される。そして、増幅用光ファイバ９１の他端から外部へ、光増幅された被増幅光が出力されるとともに、希土類元素により吸収されなかった励起光が透過励起光として出力される。

より具体的には、増幅用光ファイバ９１は、コア９１ａに増幅用ドーパントとしてＹｂが添加され、そのＹｂ添加濃度が１２０００wt.ppmであり、長さが５ｍである。種光源１１から出力される種光の中心波長は１０６０ｎｍである。励起光源１２から出力される励起光の中心波長は９７４ｎｍである。

図３は、Ｙｂの吸収断面積および放出断面積それぞれの波長特性を示す図である。この図に示されるように、被増幅光は、１０２０〜１１００ｎｍの範囲のいずれの波長であっても、光増幅され得る。また、励起光は、中心波長が９１５ｎｍ帯（９１５ｎｍ±３０ｎｍ）でも励起できるが、吸収係数が高いことから９７４ｎｍ帯（９７４ｎｍ±１０ｎｍ）の波長を選択した。被増幅光波長および励起光波長の何れも上述した波長範囲であればよい。

励起波長９７４ｎｍにおけるＹｂの吸収は約２ｄＢ／ｍである。光結合器１３に複数の励起光源１２が接続され、トータル約４０Ｗの励起光が増幅用光ファイバ９１へ入射された。約４０Ｗで励起したときの透過励起光のパワーは約４Ｗであった。

増幅用光ファイバ９１の後にシングルモード光ファイバも光部品もつけずにコネクタ出力させた場合は、上記約４Ｗの透過励起光もコア伝搬光と共に出射されることとなり、透過励起光が照射物へ与えるダメージが懸念される。また、増幅用光ファイバ９１の後にシングルモードファイバを接続した場合、接続点での温度が１０分経過後で８０℃以上に達し、発熱体として懸念要素がある。

増幅用光ファイバ９１の長さおよび希土類元素添加濃度を調整することで、透過励起光のパワーを小さくすることは可能であるが、長さを長くしすぎると被増幅光出力の低下と非線形効果発現を招き、希土類元素添加濃度を濃くしすぎるとフォトダークニングの発現で被増幅光出力の低下を招いてしまう。そのため、被増幅光出力を大きくする上で、透過励起光パワーが大きくなることは避けられず、透過励起光パワーの対策が必要となる。

（第１実施形態）

次に、本発明に係る光学モジュールおよび加工方法の第１実施形態について説明する。図４は、第１実施形態に係る光学モジュール１の構成図である。この図に示される光学モジュール１は、種光源１１、励起光源１２、光結合器１３、増幅用光ファイバ２１、吸収用光ファイバ２２、ＡＰＣ光コネクタ３１および光学系３２を備え、加工対象物８を加工するものである。図５は、第１実施形態に係る光学モジュール１に含まれる増幅用光ファイバ２１を説明する図である。図６は、第１実施形態に係る光学モジュール１に含まれる吸収用光ファイバ２２を説明する図である。図５および図６それぞれにおいて、各図（ａ）は断面を示し、各図（ｂ）は屈折率プロファイルを示す。

増幅用光ファイバ２１は、図５に示されるように、コア２１ａと、このコア２１ａを取り囲みコア２１ａより屈折率が低い第１クラッド２１ｂと、この第１クラッド２１ｂを取り囲みコア２１ａより屈折率が低い第２クラッド２１ｃと、この第２クラッド２１ｃを取り囲み第１クラッド２１ｂおよび第２クラッド２１ｃより屈折率が低い第３クラッド２１ｄとを有する。増幅用光ファイバ２１は、被増幅光をシングルモードでコア２１ａにより導波させるとともに、励起光をマルチモードでコア２１ａ，第１クラッド２１ｂおよび第２クラッド２１ｃにより導波させる。増幅用光ファイバ２１は、石英系ガラスを主成分とするものであって、励起光により励起され被増幅光を光増幅するための増幅用ドーパントとして希土類元素または遷移金属元素がコア２１ａに添加されている。

吸収用光ファイバ２２は、図６に示されるように、コア２２ａと、このコア２２ａを取り囲みコア２２ａより屈折率が低い第１クラッド２２ｂと、この第１クラッド２２ｂを取り囲みコア２２ａより屈折率が低い第２クラッド２２ｃと、この第２クラッド２２ｃを取り囲み第１クラッド２２ｂおよび第２クラッド２２ｃより屈折率が低い第３クラッド２２ｄとを有する。第１クラッド２２ｂおよび第２クラッド２２ｃそれぞれの屈折率が互いに等しくてもよく、或いは、第１クラッド２２ｂの屈折率が第２クラッド２２ｃの屈折率より高くてもよい。第１クラッド２２ｂの径は、コア２２ａの径の２倍程度である。吸収用光ファイバ２２は、被増幅光をシングルモードでコア２２ａにより導波させるとともに、励起光をマルチモードでコア２２ａ，第１クラッド２２ｂおよび第２クラッド２２ｃにより導波させる。吸収用光ファイバ２２は、石英系ガラスを主成分とするものであって、励起光を吸収するための吸収用ドーパントとして希土類元素または遷移金属元素が第２クラッド２２ｃに添加されている。

吸収用光ファイバ２２のコア２２ａには、増幅用ドーパントおよび吸収用ドーパントの何れも添加されていない。吸収用光ファイバ２２の第１クラッド２２ｂには、増幅用ドーパントが添加されていないが、吸収用ドーパントが添加されていてもよい。吸収用光ファイバ２２のコア２２ａは純石英で構成されるのが好適であり、このようにすることにより、被増幅光は低損失でコア２２ａにより導波される。なお、「純石英」とは、ドーパントとして屈折率を０.１％以上変動させる量を含まない石英ガラスを指す。

増幅用光ファイバ２１のコア２１ａと吸収用光ファイバ２２のコア２２ａとは互いに光学的に接続されている。増幅用光ファイバ２１の第１クラッド２１ｂと吸収用光ファイバ２２の第１クラッド２２ｂとは互いに光学的に接続されている。また、増幅用光ファイバ２１の第２クラッド２１ｃと吸収用光ファイバ２２の第２クラッド２２ｃとは互いに光学的に接続されている。

この光学モジュール１では、種光源１１から出力された種光（被増幅光）と、励起光源１２から出力された励起光とは、光結合器１３により合波されて、増幅用光ファイバ２１の一端に入力され、増幅用光ファイバ２１および吸収用光ファイバ２２により順に導波される。増幅用光ファイバ２１では、被増幅光はコア２１ａによりシングルモードで導波され、励起光はコア２１ａ，第１クラッド２１ｂおよび第２クラッド２１ｃによりマルチモードで導波される。この増幅用光ファイバ２１では、コア２１ａに添加されている増幅用ドーパントが励起光により励起されて、被増幅光が光増幅される。そして、増幅用光ファイバ２１の他端から吸収用光ファイバ２２へ、光増幅された被増幅光が出力されるとともに、増幅用ドーパントにより吸収されなかった励起光が透過励起光として出力される。

増幅用光ファイバ２１から光増幅された被増幅光および透過励起光が一端に入力された吸収用光ファイバ２２では、被増幅光はコア２２ａによりシングルモードで導波され、透過励起光はコア２２ａ，第１クラッド２２ｂおよび第２クラッド２２ｃによりマルチモードで導波される。この吸収用光ファイバ２２では、第２クラッド２２ｃに添加されている吸収用ドーパントにより透過励起光が吸収される。そして、吸収用光ファイバ２２の他端から光コネクタ３１を経て外部へ、光増幅された被増幅光が出力されるとともに、吸収用ドーパントにより吸収されなかった透過励起光が出力される。光コネクタ３１から外部へ出力された被増幅光は、光学系３２により加工対象物８に集光照射される。これにより、加工対象物８が加工される。

このとき、光コネクタ３１から外部へ出力される光には、増幅用光ファイバ２１において光増幅された被増幅光だけでなく、透過励起光も含まれる。しかし、増幅用光ファイバ２１のコア２１ａに添加された増幅用ドーパントにより吸収されなかった透過励起光は、その後段にある吸収用光ファイバ２２の第２クラッド２２ｃに添加された吸収用ドーパントにより吸収される。したがって、光コネクタ３１から外部へ出力される透過励起光のパワーは低減される。増幅用光ファイバ２１を透過してくる励起光のパワーの大きさによって、吸収用光ファイバ２２における吸収用ドーパントの添加濃度や長さを調整することで、透過励起光パワーを抑圧することが可能となる。

より具体的には、増幅用光ファイバ２１は、コア２１ａに増幅用ドーパントとしてＹｂが添加され、そのＹｂ添加濃度が１２０００wt.ppmであり、長さが５ｍである。第１クラッド２１ｂおよび第２クラッド２１ｃそれぞれは無添加である。吸収用光ファイバ２２は、コア２２ａが無添加で、第１クラッド２２ｂおよび第２クラッド２２ｃに吸収用ドーパントとしてＥｒが添加され、そのＥｒ添加濃度が１０００wt.ppmであり、長さが１ｍである。種光源１１から出力される種光の中心波長は１０６０ｎｍである。励起光源１２から出力される励起光の中心波長は９７４ｎｍである。

図７は、Ｅｒの吸収係数の波長特性を示す図である。この図は、Ｅｒ濃度が３２０wt.ppmであってＥｒファイバ長が１ｍで測定したときの吸収係数のデータを示している。図３に示されたＹｂの吸収断面積および放出断面積それぞれの波長特性と、図７に示されたＥｒの吸収係数の波長特性とから判るように、Ｙｂを励起する為に用いられる励起光はＥｒでも吸収され、一方、波長１０６０ｎｍの被増幅光は、吸収用光ファイバ２２のクラッドに染み出して伝搬しても吸収されない。増幅用光ファイバ２１のコアにＹｂを添加して被増幅光を増幅し、吸収用光ファイバ２２のクラッドに添加したＥｒで透過励起光を吸収させる組み合わせは有効と言える。

増幅用光ファイバ２１では、Ｙｂ添加濃度が１２０００wt.ppmである場合、励起光の吸収は約２ｄＢ／ｍである。吸収用光ファイバ２２では、Ｅｒ添加濃度が１０００wt.ppmである場合、励起光の吸収は約８.９ｄＢ／ｍである。光結合器１３に複数の励起光源１２が接続され、トータル約４０Ｗの励起光が増幅用光ファイバ２１へ入射された。増幅用光ファイバ２１を透過する透過励起光のパワーは約４Ｗであった。吸収用光ファイバ２２での励起光のロスは約８.９ｄＢであるから、吸収用光ファイバ２２の入射端で約４Ｗあった透過励起光は、吸収用光ファイバ２２の出射端では約０.４Ｗまで低下した。吸収用光ファイバ２２の出射端での透過励起光のパワーがこの程度まで低下すると、熱量としてもほとんど発生しないので、発熱の要因はなくなる。

また、Ｅｒ添加濃度を高くすることにより濃度消光が発生することが過去の実験事例から知られている。通信向けの光増幅機に用いられるＥｒ添加光ファイバでは、上記濃度消光を避けるために、Ｅｒ添加濃度が１０００ppm以下に抑圧されることがほとんどである。しかし、本実施形態では、吸収用光ファイバ２２における発光効率が悪くなるほど都合が良く、Ｅｒを高濃度で添加する方が望ましい。

図８は、Ｅｒの発光・吸収の準位を示す図である。上記実施例に示したように波長９７４ｎｍ帯の励起光を用いた場合、Ｅｒは波長１５５０ｎｍ帯の光を発光する。Ｅｒ添加濃度が高い場合は、波長１５５０ｎｍ帯の光は隣り合うＥｒに交差緩和して準位間移動にエネルギーが使用される。その故、波長１５５０ｎｍ帯の発光効率が下がるので、ＡＳＥパワーが軽減される。

Ｅｒ添加光ファイバを励起したときに、一般的にアップコンバージョン光と呼ばれる波長５４０ｎｍ帯の黄緑色の光が発生する。これは、波長９７４ｎｍ帯の励起光がわずかにＥＳＡ（Excited State Amplification）を起こすからである。一般的にアップコンバージョン光として呼ばれる。波長９７４ｎｍ帯の励起光でＥｒ添加光ファイバを励起した場合のＥＳＡの発生確率は低いが、吸収用光ファイバ２２のクラッドで発生したアップコンバージョン光は、被増幅光伝搬方向と一致する方向に伝播する可視光となるので、不可視光である波長１０６０ｎｍの被増幅光の位置決め用の光として利用できる。波長１５５０ｎｍ帯の光は交差緩和で発光効率が低下してしまうが、波長５５０ｎｍ帯のアップコンバージョン光は、交差緩和しないので、濃度消光に対しては無依存である。

（第２実施形態）

次に、本発明に係る光学モジュールおよび加工方法の第２実施形態について説明する。図９は、第２実施形態に係る光学モジュール２の構成図である。この図に示される光学モジュール２は、種光源１１、励起光源１２、光結合器１３、増幅用光ファイバ２１、吸収用光ファイバ２２、シングルモード光ファイバ２３、ＡＰＣ光コネクタ３１および光学系３２を備え、加工対象物８を加工するものである。

図４に示された第１実施形態に係る光学モジュール１の構成と比較すると、この図９に示される第２実施形態に係る光学モジュール２は、吸収用光ファイバ２２の後段にシングルモード光ファイバ２３を更に備える点で相違する。シングルモード光ファイバ２３は、吸収用光ファイバ２２の出力端に接続され、被増幅光をシングルモードで導波させるコアと、このコアを取り囲みコアより屈折率が低く励起光を導波させないクラッドとを有する。

この光学モジュール２では、種光源１１から出力された種光（被増幅光）と、励起光源１２から出力された励起光とは、光結合器１３により合波されて、増幅用光ファイバ２１の一端に入力され、増幅用光ファイバ２１，吸収用光ファイバ２２およびシングルモード光ファイバ２３により順に導波される。増幅用光ファイバ２１では、被増幅光はコア２１ａによりシングルモードで導波され、励起光はコア２１ａ，第１クラッド２１ｂおよび第２クラッド２１ｃによりマルチモードで導波される。この増幅用光ファイバ２１では、コア２１ａに添加されている増幅用ドーパントが励起光により励起されて、被増幅光が光増幅される。そして、増幅用光ファイバ２１の他端から吸収用光ファイバ２２へ、光増幅された被増幅光が出力されるとともに、増幅用ドーパントにより吸収されなかった励起光が透過励起光として出力される。

増幅用光ファイバ２１から光増幅された被増幅光および透過励起光が一端に入力された吸収用光ファイバ２２では、被増幅光はコア２２ａによりシングルモードで導波され、透過励起光はコア２２ａ，第１クラッド２２ｂおよび第２クラッド２２ｃによりマルチモードで導波される。この吸収用光ファイバ２２では、第２クラッド２２ｃに添加されている吸収用ドーパントにより透過励起光が吸収される。そして、吸収用光ファイバ２２の他端からシングルモード光ファイバ２３へ、光増幅された被増幅光が出力されるとともに、吸収用ドーパントにより吸収されなかった透過励起光が出力される。

吸収用光ファイバ２２から被増幅光および透過励起光が一端に入力されたシングルモード光ファイバ２３では、被増幅光および透過励起光はコアにより導波されて他端から光コネクタ３１を経て外部へ出力される。光コネクタ３１から外部へ出力された被増幅光は、光学系３２により加工対象物８に集光照射される。これにより、加工対象物８が加工される。

また、吸収用光ファイバ２２で発生した波長５５０ｎｍ帯のアップコンバージョン光は、被増幅光とともに、シングルモード光ファイバ２３のコアにより導波されて、光コネクタ３１を経て外部へ出力されて、光学系３２により加工対象物８に集光照射される。第１実施形態では吸収用光ファイバ２２の出射端におけるコア２２ａ，第１クラッド２２ｂおよび第２クラッド２２ｂから外部へアップコンバージョン光が出力されるのに対して、第２実施形態ではシングルモード光ファイバ２３の出射端のコアから外部へアップコンバージョン光が被増幅光とともに出力されるので、加工対象物８においてアップコンバージョン光および被増幅光それぞれの集光径は互いに同程度となる。したがって、アップコンバージョン光による位置決めの精度が優れる。

（第３実施形態）

次に、本発明に係る光学モジュールおよび加工方法の第３実施形態について説明する。図１０は、第３実施形態に係る光学モジュール３の構成図である。この図に示される光学モジュール３は、種光源１１、励起光源１２、光結合器１３、増幅用光ファイバ２１、吸収用光ファイバ２２、シングルモード光ファイバ２３、ＡＰＣ光コネクタ３１および光学系３２を備え、加工対象物８を加工するものである。

図９に示された第２実施形態に係る光学モジュール２の構成と比較すると、この図１０に示される第３実施形態に係る光学モジュール３は、増幅用光ファイバ２１および吸収用光ファイバ２２それぞれにおける被増幅光伝搬方向と励起光伝搬方向とが互いに逆である点で相違し、また、光結合器１３が吸収用光ファイバ２２とシングルモード光ファイバ２３との間に設けられている点で相違する。

この光学モジュール３では、励起光源１２から出力された励起光は、光結合器１３により増幅用光ファイバ２１の一端に入力され、増幅用光ファイバ２１および吸収用光ファイバ２２により順に導波される。一方、種光源１１から出力された種光（被増幅光）は、吸収用光ファイバ２２の一端に入力され、吸収用光ファイバ２２および増幅用光ファイバ２１により順に導波される。

増幅用光ファイバ２１では、被増幅光はコア２１ａによりシングルモードで導波され、励起光はコア２１ａ，第１クラッド２１ｂおよび第２クラッド２１ｃによりマルチモードで導波される。この増幅用光ファイバ２１では、コア２１ａに添加されている増幅用ドーパントが励起光により励起されて、被増幅光が光増幅される。そして、増幅用光ファイバ２１において光増幅された被増幅光は、光結合器１３、シングルモード光ファイバ２３およびＡＰＣ光コネクタ３１を経て外部へ出力され、光学系３２により加工対象物８に集光照射されて、これにより加工対象物８が加工される。

増幅用光ファイバ２１において増幅用ドーパントにより吸収されなかった透過励起光は、増幅用光ファイバ２１から吸収用光ファイバ２２へ出力される。吸収用光ファイバ２２では、透過励起光はコア２２ａ，第１クラッド２２ｂおよび第２クラッド２２ｃによりマルチモードで導波される。この吸収用光ファイバ２２では、第２クラッド２２ｃに添加されている吸収用ドーパントにより透過励起光が吸収される。したがって、吸収用光ファイバ２２から種光源１１へ出力される透過励起光のパワーは低減され、これにより、種光源１１の破壊が回避され得る。また、種光源１１と吸収用光ファイバ２２との間に光アイソレータを設けて、この光アイソレータにより透過励起光を遮断するようにしてもよい。

なお、図１０に示された光学モジュール３は、アップコンバージョンとは無関係のものであり、また、シングルモード光ファイバ２３に替えてガイド用光ファイバが設けられてもよく、シングルモード光ファイバ２３が無くてもよい。

（変形例）

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上記実施形態では、吸収用光ファイバ２２のクラッドに吸収用ドーパントとしてＥｒを添加しているが、他の希土類元素が添加されてもよいし、遷移金属元素が添加されてもよい。吸収用光ファイバ２２のクラッドに遷移金属元素が添加される場合、増幅用光ファイバ２１の出射端にて発生する熱量を吸収用光ファイバ２２の長手方向に熱分布拡散させることができるので、一部だけ高温になる可能性が減る。

吸収用光ファイバ２２の第２クラッド２２ｃに吸収用ドーパントが添加されるだけでなく、第１クラッド２２ｂに吸収用ドーパントが添加されてもよい。ただし、被増幅光はコアのみに閉じ込められて伝搬するのではなくガウシアン分布形状でクラッド部にも染み出して伝搬するので、第１クラッド部２２ｂに吸収用ドーパントとして遷移金属元素などの元素が添加されていると、被増幅光も損失を被る恐れがある。したがって、被増幅光の損失を避けるために、上記実施形態のように、吸収用光ファイバ２２は、第１クラッド２２ｂが無添加であって、第２クラッド２２ｂに吸収用ドーパントが添加されているのが好ましい。

比較例の光学モジュール９の構成図である。比較例の光学モジュール９に含まれる増幅用光ファイバ９１を説明する図である。Ｙｂの吸収断面積および放出断面積それぞれの波長特性を示す図である。第１実施形態に係る光学モジュール１の構成図である。第１実施形態に係る光学モジュール１に含まれる増幅用光ファイバ２１を説明する図である。第１実施形態に係る光学モジュール１に含まれる吸収用光ファイバ２２を説明する図である。Ｅｒの吸収係数の波長特性を示す図である。Ｅｒの発光・吸収の準位を示す図である。第２実施形態に係る光学モジュール２の構成図である。第３実施形態に係る光学モジュール３の構成図である。

符号の説明

１〜３…光学モジュール、１１…種光源、１２…励起光源、１３…光結合器、２１…増幅用光ファイバ、２２…吸収用光ファイバ、２３…シングルモード光ファイバ、３１…ＡＰＣ光コネクタ、３２…光学系。

Claims

励起光が供給され被増幅光を光増幅する増幅用光ファイバと、この増幅用光ファイバから出力される前記励起光および前記被増幅光を入力して前記励起光を吸収する吸収用光ファイバと、前記増幅用光ファイバに前記被増幅光および前記励起光を供給する光結合器とを備え、
前記増幅用光ファイバおよび前記吸収用光ファイバそれぞれは、コアと、このコアを取り囲み前記コアより屈折率が低い第１クラッドと、この第１クラッドを取り囲み前記コアより屈折率が低い第２クラッドと、この第２クラッドを取り囲み前記第１クラッドおよび前記第２クラッドより屈折率が低い第３クラッドとを有し、前記被増幅光をシングルモードで前記コアにより導波させるとともに、前記励起光をマルチモードで前記コア，前記第１クラッドおよび前記第２クラッドにより導波させ、
前記増幅用光ファイバのコアは、前記励起光により励起され前記被増幅光を光増幅するための増幅用ドーパントが添加され、
前記吸収用光ファイバの第２クラッドは、前記励起光を吸収するための吸収用ドーパントが添加され、
前記増幅用光ファイバおよび前記吸収用光ファイバそれぞれのコアは互いに光学的に接続され、
前記増幅用光ファイバおよび前記吸収用光ファイバそれぞれの第１クラッドは互いに光学的に接続され、
前記増幅用光ファイバおよび前記吸収用光ファイバそれぞれの第２クラッドは互いに光学的に接続されている
ことを特徴とする光学モジュール。
前記増幅用ドーパントがＹｂであり、前記吸収用ドーパントがＥｒであることを特徴とする請求項１記載の光学モジュール。
前記吸収用光ファイバの第２クラッドにおけるＥｒの添加濃度が１０００wt.ppm以上であることを特徴とする請求項２記載の光学モジュール。
前記吸収用光ファイバのコアが純石英で構成されることを特徴とする請求項１記載の光学モジュール。
前記吸収用光ファイバの第１クラッドは、前記励起光により励起され前記被増幅光を光増幅するための増幅用ドーパントが添加されていないことを特徴とする請求項１記載の光学モジュール。
前記吸収用光ファイバのコアは、前記励起光を吸収するための吸収用ドーパントが添加されていないことを特徴とする請求項１記載の光学モジュール。
前記増幅用光ファイバの前記被増幅光および前記励起光の出力端に前記吸収用光ファイバが接続され、
前記吸収用光ファイバの出力端に接続され、前記被増幅光をシングルモードで導波させるコアと、このコアを取り囲み前記コアより屈折率が低いクラッドとを有するシングルモード光ファイバを備える
ことを特徴とする請求項１記載の光学モジュール。
前記吸収用光ファイバの第１クラッドにも前記励起光を吸収するための吸収用ドーパントが添加されていることを特徴とする請求項１記載の光学モジュール。
請求項１〜８の何れか１項に記載の光学モジュールを用い、前記光学モジュールに含まれる前記光結合器を経て前記被増幅光および前記励起光を前記増幅用光ファイバに供給し、前記光学モジュールに含まれる前記吸収用光ファイバの出力端から前記被増幅光を出力し、その出力した前記被増幅光を光学系により加工対象物に集光照射して該加工対象物を加工することを特徴とする加工方法。
前記増幅用光ファイバの前記被増幅光および前記励起光の出力端に前記吸収用光ファイバが接続され、前記吸収用光ファイバにおいて前記励起光をアップコンバージョンして可視光に変換し、その可視光を前記吸収用光ファイバの出力端から出力し、その出力した前記可視光を前記光学系により前記加工対象物に集光照射して位置決めを行うことを特徴とする請求項９記載の加工方法。