JP5178328B2 - 光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、端部にエンドキャップが設けられていてファイバレーザ共振器などに用いられる光ファイバに関し、特に、エンドキャップ長の適正化に関する。

一般に、高出力ファイバレーザ装置などに使用される光ファイバなどのように、高出力光を導波する光ファイバの端面においては、伝送光に対して導波構造を有しない低熱膨張係数の純粋石英ロッドを接続することにより出射端面でのビームエネルギー密度低減を図り、端面部におけるレーザ耐性を向上させることができる。特に、クラッドに空孔を有する空孔型光ファイバの場合には、端面に空孔が曝されているため外部から塵や水分などの不純物が侵入しやすい。このため、空孔の端部を加熱溶融してコラプスすることで該空孔を封止し、コンタミの侵入を防ぐことが行われる。このように、レーザ耐性の向上やコンタミの侵入の防止を目的として光ファイバ端面部に意図的に付加された導波構造を有しない部位をエンドキャップと呼ぶ。

また、特に高出力ファイバレーザに使用されるダブルクラッドファイバでは、コアおよび第１クラッドの外側に設けられた第２クラッドによって励起光の閉じ込めが行われ、この励起光が伝搬する部位は通常ポンプガイドと呼ばれる。ところで、ダブルクラッドファイバでは、多くの場合に第２クラッドが低屈折率樹脂のポリマーから形成されることから、レーザが高出力になるとポリマークラッドにおける発熱によって信頼性が問題となる。これに対し、図５に模式的に示すように、各々、略ファイバ軸方向（同図の略左右方向）に延びる複数の空孔１３０ａにより第２クラッド１３０を構成するようにした空孔型ダブルクラッドファイバは、石英材料のみで導波構造を構成することができるため熱耐性に優れる。

このような空孔型ダブルクラッドファイバの場合には、先に述べた純粋石英ロッドを接続するという方法とは異なり、特許文献１に記載されているように、その端部を加熱溶融して励起光に対する導波構造をなくすることで、エンドキャップ１５０を形成することができる。そして、ファイバレーザ装置の共振器として使用されるときには、図５に仮想線で示すように、エンドキャップ１５０の端面に直接にミラー１６０を形成（例えば、誘電体多層膜を蒸着）することで、簡便に共振器の機能を果たすことができる。具体的には、まず、空孔型ダブルクラッドファイバの端部にエンドキャップ１５０を形成し、次に、そのエンドキャップ１５０の端面を垂直研磨した後、ミラー１６０の形成が行われる。

ところで、高出力ファイバレーザ装置の場合には、ファイバ伝送中における誘導ラマン散乱などの非線形相互作用が問題となることから、実効コア面積を拡大する必要があり、そのような場合には、従来では、コア直径を、単一横モード動作する場合のコア径よりも大きくする一方、ファイバに曲げ損失を与えて高次モードを減衰させることで、実質的に単一モード動作を行わせるようになされる。
特開２００５−３２１４４７号公報

しかしながら、光ファイバの曲げ損失は、光ファイバの巻き径によって変化することから、ファイバ径が１ｍｍ程度まで太くなると巻き径を小さくすることが困難になって十分な曲げ損失が得られなくなり、よって、上記従来の場合には、非線形相互作用に起因する不具合を回避しつつ、単一横モード動作を適正に行わせることは困難であるという問題がある。

本発明は、斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、光ファイバの端部に、導波構造を有しないエンドキャップが形成され、そのエンドキャップの端面にミラーが設けられている場合に、エンドキャップ長さを適正化することで、コア径を大きくして非線形拡散に起因する不具合を回避しつつ、シングルモード動作を行えるようにすることにある。

上記の目的を達成すべく、本発明では、コアを伝搬する所定の光の基本モードの伝搬角に着目し、その伝搬角の場合のときだけ反射光がコアに戻れるように、エンドキャップの長さを定めることとした。

具体的には、本発明では、所定の光を複数のモードでもって伝搬させるコアと、このコアの外周を覆うように設けられたクラッドと、これらコアおよびクラッドの端部に設けられたエンドキャップと、このエンドキャップの端面に設けられていて、上記コアを伝搬する所定の光の少なくとも一部を反射するミラーとを備えた光ファイバを前提としてい
そして、上記エンドキャップの長さをＬ、上記コアの半径をａ、該コアを伝搬する所定の光の基本モード（０次モード）の光の伝搬角をθａ、該コアを伝搬する所定の光の高次モード（１次モード，２次モード，…）の光の伝搬角をθa2（＞θａ）としたときに、
Ｌ≦ａ／（２×ｔａｎθａ） ．．．．〔１〕
Ｌ＞ａ／（２×ｔａｎθa2） ．．．．〔２〕
という２つの関係式〔１〕，〔２〕を満たしているものとする。ここで、高次モードが複数である場合には、その全ての伝搬角θa2が上記の関係式〔２〕を満たすことであるが、実際には、そのうちの最小の伝搬角、すなわち１次モードの伝搬角が関係式〔２〕を満たしていればよいことになる。尚、ミラーは、該ミラーにより反射される少なくとも一部の光以外の光については、基本的に透過させるようになっている。

尚、上記の構成において、クラッドを、励起光を伝搬させる第１クラッドとし、その上で、上記第１クラッドの外周を覆うように設けられていて、該第１クラッド内に上記励起光を閉じ込める第２クラッドを備えるようにすることができる。つまり、本発明は、シングルクラッドファイバにもダブルクラッドファイバにも適用することができる。

また、ダブルクラッドファイバの場合には、コアを、該コアを伝搬する光を励起光により活性化されて増幅する光増幅成分（例えば、希土類元素）を含有してなるものとすることや、第２クラッドを複数の空孔により構成（空孔型ダブルクラッドファイバ）することができるし、その空孔型ダブルクラッドファイバの場合には、エンドキャップを、コアおよび第１クラッドの端部に第２クラッドの各空孔の端部を封止するように設けることもできる。

さらに、本発明では、空孔型ダブルクラッドファイバの場合に、エンドキャップの長さをＬ、ファイバ軸から第１クラッドの外周面までの間の寸法の最大値をｐ、励起光の伝搬角をθｐとしたときに、
Ｌ≦ｐ／（２×ｔａｎθｐ） ．．．．〔３〕
という関係式〔３〕を満たしているものとすることもできる。これは、従来の場合には、図３に矢印で示すように、エンドキャップ１５０伝搬中に発散してミラー１６０の表面に達した励起光の一部が、ポンプガイド１２０に戻らず、その外側方向へ反射されるという、いわゆる励起光の「ケラレ」が生じ、その結果、レーザ発振効率の低下をもたらすという問題に対処するためのものである。

尚、関係式〔１〕，〔２〕と、関係式〔３〕とは互いに独立しており、したがって、前者を満たしかつ後者を満たさない場合、前者を満たさずかつ後者を満たす場合、前者を満たしかつ後者を満たす場合の３通りの場合があり得る。

本発明によれば、光ファイバの端部に、導波構造を有しないエンドキャップを設けるとともに、そのエンドキャップの端面にミラーを設けるようにした光ファイバにおいて、コア径を大きくして非線形散乱に起因する不具合を回避しつつ、シングルモード動作を行わせることができる。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る光ファイバの構成を模式的に示す縦断面図であり、この光ファイバは、マルチモードタイプの空孔型ダブルクラッドファイバであって、高出力ファイバレーザ共振器に使用される。

この光ファイバは、所定の光を複数のモードでもって伝搬させるコア１１と、このコア１１の外周を覆うように設けられていて、該コア１１を伝搬する上記の光を増幅させるための励起光（例えば、マルチモードレーザダイオード光）が伝搬する第１クラッド１２と、この第１クラッド１２を覆うように設けられていて、該第１クラッド１２内に上記励起光を閉じ込める第２クラッド１３と、この第２クラッド１３の周囲を覆うように設けられたサポート層１４と、このサポート層１４の外周を覆うように設けられた保護層（図示せず）とを備えている。コア１１は、該コア１１を伝搬する光に対し上記の励起光により励起されて増幅する希土類元素（例えば、イッテルビウムＹｂ，ネオジウムＮｄなど）などが添加された石英ガラスからなっていて、断面形状がファイバ軸Ｑを中心とする円形状をなしている。第１クラッド１２は、屈折率がコア１１の場合よりも小さい純粋の石英ガラスからなっていて、外周断面形状がファイバ軸Ｑを中心とする円形状をなしている。また、第２クラッド１３は、第１クラッド１２周りに略ファイバ軸Ｑ方向に延びるように配置された複数の空孔１３ａからなっており、サポート層１４は、第１クラッド１２の場合と同じ純粋石英ガラスからなっている。

また、光ファイバの端部には、図２に模式的に示すように、エンドキャップ１５が形成されている。具体的には、このエンドキャップ１５は、第２クラッド１３の各空孔１３ａの端部が封止されるように光ファイバの端部を加熱溶融することにより形成されている。また、エンドキャップ１５の端面はファイバ軸Ｑに対して略垂直な平面に形成されており、その端面には、コア１１を伝搬する光を所定の反射率でもって反射する誘電体多層膜からなるミラー１６が形成されている。

そして、本実施形態では、エンドキャップ１５の長さＬと、コア１１の半径ａと、このコア１１を伝搬する誘導放出光の基本モードの伝搬角θａと、コア１１を伝搬する誘導放出光の１次モードの伝搬角θa2との間に、
Ｌ≦ａ／（２×ｔａｎθａ） ．．．．〔１〕
Ｌ＞ａ／（２×ｔａｎθa2） ．．．．〔２〕
という２つの関係式〔１〕，〔２〕が成立している。

上記のように構成された光ファイバでは、第１クラッド１２に入射された励起光はコア１１を通過するときに該コア１１内の希土類元素を励起し、その結果、コア１１に入射された光は該コア１１を伝搬しつつ増幅される。そして、コア１１を伝搬してエンドキャップ１５に達した光は、ファイバ軸Ｑに対し各モードの伝搬角でもって発散しつつ該エンドキャップ１５の端面に達した後、ミラー１６により反射せしめられ、今度は、エンドキャップ１５内を逆の方向に伝搬する。

このとき、基本モードの光は、関係式〔１〕により、ファイバ軸Ｑからコア１１の半径ａだけ離れた寸法の範囲の外に食み出ることがないので、コア１１内に戻ってくる。つまり、基本モードの光のビーム広がりがコア１１の半径ａ内に収まるので、結合損失が発生しない。一方、１次モードを始めとする高次モードの光は、関係式〔２〕により、コア１１の半径ａだけ離れた寸法の範囲から食み出るので、コア１１に戻らない。つまり、高次モードの光については、大きな結合損失が発生する。これにより、基本モードの損失を抑えつつ、高次モードの損失が増加することとなる。

したがって、本実施形態によれば、高出力ファイバレーザの共振器として、マルチモードタイプの光ファイバの端部にエンドキャップ１５を形成し、そのエンドキャップ１５内を発散しつつ伝搬して該エンドキャップ１５の端面に到達した光の一部をミラー１６により反射させるようにする際に、基本モードの光のみをコア１１に向けて反射させることができるので、コア径を大きくして非線形散乱に起因する不具合を回避しつつ、シングルモード動作させることができる。

尚、上記の実施形態では、空孔型ダブルクラッドファイバの場合について説明しているが、本発明は、それ以外のダブルクラッドファイバに適用することができるし、さらには、シングルクラッドファイバに適用することもできる。

また、上記の実施形態では、ファイバレーザ装置の共振器の場合について説明しているが、本発明に係る光ファイバは、ファイバレーザ装置から出射されたレーザ光を所定の箇所にガイドするレーザガイドなど、種々の光学機器に適用することができる。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２に係る光ファイバの端部構造を模式的に示しており、この光ファイバも、実施形態１の場合と同じく、空孔型ダブルクラッドファイバであって、高出力レーザファイバ装置の共振器として使用される。尚、実施形態１の場合と同じ部分には同じ符号を付して示している。

そして、本実施形態では、エンドキャップ１５の長さＬと、第１クラッド１２の半径ｐ（断面の半径）と、第１クラッドを伝搬する励起光の伝搬角θｐとの間には、
Ｌ≦ｐ／（２×ｔａｎθｐ） ．．．．〔３〕
という関係式〔３〕が成立している。

具体的に説明すると、例えば、第１クラッド１２の半径ｐがｐ＝２００μｍであり、その開口数ＮＡがＮＡ＝０．７であるダブルクラッドファイバに対しては、伝搬角θｐは、θｐ＝２８．９°であるので、このときのエンドキャップ長Ｌは、
Ｌ≦２００〔μｍ〕／（２×０．５５２）≒１８１〔μｍ〕
つまり、１８１μｍ以下（Ｌ≦１８１μｍ）でなければならない。尚、その他の部分は、実施形態１の場合と同じであるので説明は省略する。

上記のように構成された光ファイバでは、第１クラッド１２に入射された励起光はコア１１を通過するときに該コア１１内の希土類元素を励起をし、その結果、コア１１に入射された光は該コア１１を伝搬しつつ増幅される。そして、第１クラッド１２を伝搬してエンドキャップ１５に達した励起光は、ファイバ軸Ｑに対し所定の伝搬角θｐでもって発散しつつ該エンドキャップ１５の端面に達した後、ミラー１６により反射せしめられ、今度は、エンドキャップ１５内を逆の方向（図３の左方向）に伝搬する。

このとき、上記の励起光は、関係式〔３〕により、第１クラッド１２から食み出ることがないので、再び第１クラッド１２を伝搬する。これにより、励起光が第１クラッド１２の半径方向外方への反射（ケラレ）に起因するレーザ発振効率の低下が抑えられることとなる。

したがって、本実施形態によれば、高出力ファイバレーザ装置の共振器として、空孔型ダブルクラッドファイバの端部にエンドキャップ１５を形成し、第１クラッド１２からエンドキャップ１５内を発散しつつ伝搬して該エンドキャップ１５の端面に到達した励起光を、所定の反射率を有するミラー１６により反射させる際に、第１クラッド１２内に励起光を反射させることができるので、励起光が第１クラッド１２の半径方向外方へケラレることに起因するレーザ発振効率の低下を抑えることができる。

尚、上記の実施形態では、コア１１が希土類元素をドーピングされてなる場合について説明しているが、コア１１にそのような希土類元素がドーピングされていない場合（誘導ラマン散乱などにより増幅する場合）においても、本発明を適用することができる。

また、上記の実施形態では、第１クラッド１２の外周断面形状が円形である場合について説明しているが、例えば断面Ｄ字状など、他の形状をなしている場合にも本発明を適用することができる。但し、その場合には、ｐには、第１クラッドの１２半径に代えて、第１クラッド１２の断面におけるファイバ軸−外周間の最小距離を代入することが好ましい。

また、上記の実施形態では、第２クラッド１３が複数の空孔１３ａからなる空孔型ダブルクラッドファイバの場合について説明しているが、本発明は、それ以外のダブルクラッドファイバにも適用することができる。

また、上記の実施形態では、ファイバレーザ装置の共振器の場合について説明しているが、本発明に係る光ファイバは、ファイバレーザ装置から出射されたレーザ光を所定の箇所にガイドするレーザガイドなど、種々の光学機器に適用することができる。

さらに、上記の実施形態は、先に説明した実施形態１と組み合わせることもできる。

図１は、本発明の実施形態１に係る光ファイバの端部構造を模式的に示す縦断面図である。 図２は、本発明の実施形態２に係る光ファイバの端部構造を模式的に示す図１相当図である。 図３は、従来の光ファイバの端部構造を模式的に示す図１相当図である。

符号の説明

１１ コア
１２ 第１クラッド（クラッド）
１３ 第２クラッド
１３ａ 空孔
１５ エンドキャップ
１６ ミラー

Claims (2)

1. 所定の光を伝搬させるコアと、
   上記コアの外周を覆うように設けられ、励起光を伝搬させる第１クラッドと、
   各々、略光軸方向に延びるように形成された複数の空孔が上記第１クラッド周りに配置されてなり、該第１クラッド内に上記励起光を閉じ込める第２クラッドと、
   上記コアおよび第１クラッドの端部に上記第２クラッドの各空孔の端部を封止するように設けられ、上記励起光に対する導波構造を有さないエンドキャップと、
   上記エンドキャップの端面に設けられ、上記励起光の少なくとも一部を反射するミラーとを備えた光ファイバであって、
   上記エンドキャップの長さＬと、ファイバ軸から上記第１クラッドの外周面までの間の寸法の最小値ｐと、上記励起光の伝搬角θｐとが、
   Ｌ≦ｐ／（２×ｔａｎθｐ）
   という関係式を満たしていることを特徴とする光ファイバ。
2. 請求項１に記載の光ファイバにおいて、
   第１クラッドの外周面は、断面円形状をなし、
   ファイバ軸から上記第１クラッドの外周面までの間の寸法の最小値は、該第１クラッドの半径である光ファイバ。
   

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