JP5612802B2 - ポンプコンバイナ及び光増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、希土類添加光ファイバを光増幅媒体として用いる光増幅装置に用いられる高強度光結合デバイスであるポンプコンバイナの構造に関し、尖頭値の高い高強度光入射時に発生するコア部の損傷を防ぐことで、レーザ機器の信頼性を向上することが可能なポンプコンバイナ及び光増幅装置に関する。

従来より、希土類添加光ファイバを光増幅媒体として用いるファイバレーザなどの光増幅装置において、信号光や多数の励起光を伝搬する多数本の光ファイバと、希土類添加ダブルクラッドファイバの入力端とを接続するために、光ファイバを融着延伸したり、ポンプコンバイナを使用している。また従来、コア径が異なるファイバ同士を低損失で接続するために、例えば、特許文献１，２に開示されているように、接続部でのドーパント熱拡散によるコア径拡大を利用する方法が提案されている（ＴＥＣファイバ）。

特許文献１には、クラッド径が同径でコア径が大きく異なるファイバを低ロスで接続するために、その間にＧｅを多量ドープして比屈折率差（以下、△と記す。）を大きくした細径コアファイバを挟み、接続部でのドーパント拡散によるコア径拡大を利用してテーパ状のコアを作り、大コアファイバとの接続損失を低減する方法が開示されている。
特許文献２には、同径でコア径が大きく異なるファイバを低ロスで接続するために、コアが細いファイバのコア部分にＧｅをドープすることで、接続部でのドーパント拡散によるコア径拡大を利用してテーパ状のコアを作り、大コアファイバとの接続損失を低減する方法が開示されている。
特開平０４−２５３００３号公報 特表２００２−５２６７８７号公報

しかしながら、特許文献１，２に開示された従来技術は、ファイバレーザなどの光増幅装置において、信号光や多数の励起光を伝搬する多数本の光ファイバと、希土類添加ダブルクラッドファイバの入力端とを接続するために適用することは困難である。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、尖頭値の高い高強度光入射時に発生するコア部の損傷を防ぐことで、レーザ機器の信頼性を向上することが可能なポンプコンバイナ及び光増幅装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、信号光用光ファイバ及び複数本の励起光用光ファイバの端部を挿入して整列する多孔キャピラリと、この多孔キャピラリを一端側に接続し、他端側には延伸して縮径した延伸部を有し、前記延伸部における前記多孔キャピラリとは反対側に希土類添加ファイバが接続されたブリッジファイバと、を有するポンプコンバイナであって、前記延伸部を有するブリッジファイバは、ドーパントが添加された石英系ガラスからなる第１コアと、前記第１コアの周りに設けられた純粋石英ガラスからなる第２コアと、前記第２コアの周りに設けられた第１クラッドと、を備えるファイバを、前記第１コアに添加したドーパントを熱拡散させながら延伸して得られるものであり、前記延伸部分において、前記第１コアと前記第２コアとから構成されるコアの径は、前記ブリッジファイバの入射端側から出射端側に向かって漸次縮小され、前記第２コアの直径が、延伸後の直径が前記ブッリッジファイバの出射端に接続する希土類添加ファイバのコア径と同じになるように設定され、かつ前記第２コアは希土類添加ファイバのコアへ結合する構成とし、信号光は前記希土類添加ファイバのコアに、励起光は前記第１クラッドへと結合され、前記ブリッジファイバのＭＦＤは、入射端側から出射端側に向かって拡大することを特徴とするポンプコンバイナを提供する。

また本発明は、前述した本発明に係るポンプコンバイナと、該ポンプコンバイナに光を入射可能に接続された信号光源及び励起光源と、該ポンプコンバイナの出力端に一端を接続した希土類添加ファイバとを有することを特徴とする光増幅装置を提供する。

本発明のポンプコンバイナは、ブリッジファイバの延伸部分を、ファイバのコアに添加したドーパントを熱拡散させることによって、所定位置における元のコアのＭＦＤに対する熱拡散後のコアのＭＦＤの倍数であるコアのＭＦＤ拡大比Ａが、Ａ＞（１／Ｂ）の関係を満たす［ここで、Ｂは所定位置における延伸部分の元のファイバ外径ｂ１に対する、延伸後のファイバ外径ｂ２の比（Ｂ＝ｂ２／ｂ１）である］としたことによって、ビーム密度が高くなる部分が無くなるので、コアが損害を受ける光強度の閾値が高くなり、耐高強度光特性に優れ、尖頭値の高い高強度光入射時に発生するコア部の損傷を防ぐことができ、レーザ機器の信頼性を向上することができる。
また、ブリッジファイバの第１コアの周囲に純粋石英ガラスからなる第２コアを形成したことによって、第１コアで伝播できなくなった光を第２コアで伝播し、更にこの第２コアの直径を延伸後に接続される希土類添加ファイバのコア径と同等程度になるように構成したことによって、増幅用の希土類添加ファイバとブリッジファイバとのコア接続損失を低減することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、ポンプコンバイナを備えた光増幅装置の一例を示す構成図であり、図２はポンプコンバイナの一例を示す斜視図であり、図３はポンプコンバイナの参考例を示すブリッジファイバの断面図であり、図４は本発明に係るポンプコンバイナの一実施形態を示すブリッジファイバの断面図である。これらの図中、符号１は光増幅装置、２は希土類添加ファイバ、３は励起光源、４は信号光用光ファイバ、５はポンプコンバイナ、６はアイソレータ、７は出力用光ファイバ、８は励起光用光ファイバ、９は多孔キャピラリ、１０及び２０はブリッジファイバ、１１はコア、１２及び２３は第１クラッド、１３及び２４は第２クラッド、１４及び２５は延伸部、１５はコア径縮小部分、２１は第１コア、２２は第２コアである。

図１の光増幅装置１は、信号光光源（図示せず）と複数の励起光源３とから、それぞれ信号光と励起光とを伝搬する信号光用光ファイバ４及び複数本の励起光用光ファイバ８と、これら複数の光ファイバ４，８が一端に接続されたポンプコンバイナ５と、このポンプコンバイナ５を構成している延伸されたブリッジファイバ１０の他端側に接続された希土類添加ファイバ２と、希土類添加ファイバ２の出力側に接続された出力用光ファイバ７と、この出力用光ファイバ７の途中に設けられたアイソレータ６とを備えて構成されている。

図１に示すクラッドポンピング型の光増幅装置１において、希土類添加ファイバ２は、コアに希土類イオンをドーピングしており、コアの周りに第１クラッドと呼ばれる導波構造を持たせたことを特徴とするダブルクラッドファイバである。この光増幅装置１では、シングルモード伝播する信号光と、ＬＤなどの複数の励起光源３から出射するマルチモード光とを、ポンプコンバイナ５により一本の希土類添加ファイバ２へと結合する。この時、信号光は希土類添加ファイバ２のコアに、励起光は第１クラッドへと結合され、コアを横切る励起光のエネルギーを希土類イオンが吸収し、その誘導放出現象により信号光を増幅する構造となっている。

このような光増幅装置１では、励起光と信号光の高効率での結合がキーテクノロジーとなっており、その役割を果たすポンプコンバイナ５がキーデバイスとなっている。図２にその一例を示す。
図２に示すポンプコンバイナ５は、信号光用光ファイバ４及び複数本の励起光用光ファイバ８の端部を挿入して整列する多孔キャピラリ９と、この多孔キャピラリ９を一端側に接続し、他端側には延伸して縮径した延伸部を有するブリッジファイバ１０とから構成されている。これは、多孔キャピラリに各光ファイバ４，８を挿入し、キャピラリ外部から加熱溶融させることで孔を潰して一本化した後、ブリッジファイバ１０と接続して製造される。このポンプコンバイナ５により、複数の光ファイバ４，８をブリッジファイバ１０へと一括で融着接続できるだけでなく、多孔キャピラリ９を利用することで、各光ファイバ４，８の断面形状の変形を抑え、低損失での結合が可能となる。

しかしながら、ブリッジファイバ１０の望ましいプロファイルについて、これまでに詳細な解明はされていなかった。近年、高出力化がすすんでいるファイバレーザにおいては、使用しているファイバや光部品の耐ハイパワー性向上がキーになっており、特にパルスレーザにおいては顕著である。

ファイバレーザに使用されているダブルクラッドファイバは、スロープ効率の高効率化や耐パワー性の向上、非線型効果の抑制を目的としてコア径の大きいファイバが使用されることが一般的である。一方、高パワーを伝播する必要の無い部分では、ビーム品質向上を目的としてシングルモードファイバが使用されることが一般的である。したがって、図２に示されているようなポンプコンバイナ５では、信号光を伝播するコア部の径を、入射側＜出射側となるように拡大する必要が生じる。

一方、励起光を入射する部分は、断面積が大きい方が多くの励起光を結合させ易くなるが、増幅用ダブルクラッドファイバ内においては、（コア径）／（クラッド径）の数値が大きくなるとスロープ効率が高くなるため、ブリッジファイバの第１クラッドは入射側＞出射側とする必要がある。したがって、ブリッジファイバ１０には、外径（第１クラッド径）を徐々に細くしつつ、コアのＭＦＤを徐々に太くするという、一見相反する特性が求められることになる。

上記の要求に応える手段として通常考えられるのは、ブリッジファイバ１０を延伸し細径化する方法である。図３は、希土類添加ファイバとの接続側に延伸部１４を設けたブリッジファイバ１０の参考例を示す断面図である。このブリッジファイバ１０は、コア１１とその周囲の第１クラッド１２とこの第１クラッド１２の一部の外周に設けられた透明樹脂製の第２クラッド１３とからなるファイバの片側に延伸部１４を形成して構成されている。

このような構造を採ることにより、延伸部１４では第１クラッド１２が細くなると共にコア１１も細くなる。コア１１が細くなり過ぎると、光を閉じ込める力が弱くなるため、コア１１からの光の染み出しが多くなり、ＭＦＤを大きくすることができる。しかしながら、このような延伸部構造を採ると、図３中の符号１５で示すコア径縮小部分では、ＭＦＤが一度小さくなってから広がり始めるため、ビーム密度が高くなる。そして、この部分に高強度光が入射すると、コア１１が損傷してしまうため、ファイバレーザの高出力化が進んでいる現在では大きな問題となっている。

本発明は、ブリッジファイバ内にＭＦＤが小さくなる部分を作らずにＭＦＤを拡大することで、ブリッジファイバの高強度光に対する耐性を向上させることを目標とする。

そのために本発明では、ブリッジファイバのコアにＧｅ等の熱拡散し易いドーパントを添加して高△にすることで、ブリッジファイバ延伸時に作用する熱によりドーパントが拡散してコアがＴＥＣファイバ状に拡大する。本発明では、延伸部の所定位置における元のコアのＭＦＤに対する熱拡散後のコアのＭＦＤの倍数であるコアのＭＦＤ拡大比Ａが、Ａ＞（１／Ｂ）の関係を満たす［ここで、Ｂは所定位置における延伸部分の元のファイバ外径ｂ１に対する、延伸後のファイバ外径ｂ２の比（Ｂ＝ｂ２／ｂ１）である］ように、延伸部の延伸を行うことを特徴としている。これは、例えばファイバ外径が１／２になる（Ｂ＝１／２）ときには、コアのＭＦＤ拡大比が２倍以上になることを意味している。このように延伸部のコアのＭＦＤ拡大比Ａを設定することで、ＭＦＤを縮小することなく外径（第１クラッド径）を細くすることができる。その結果、高強度光に対する耐性が高い構造のポンプコンバイナを実現することができる。

しかしながら、このようなドーパントの熱拡散のみを利用した構成では、コアのＭＦＤ拡大比が限定されてしまうために、所望の接続損失が得られない場合があった。そこで、本発明のより好ましい実施形態では、第１コアの周りに純粋石英ガラスからなる第２コアを形成する方法を採った。図４にその一例を示す。

図４は、本発明のポンプコンバイナの一実施形態を示すブリッジファイバの断面図である。本実施形態において、ブリッジファイバ２０は、Ｇｅが添加された石英系ガラスからなる第１コア２１と、該第１コア２１の周りに設けられた純粋石英ガラスからなる第２コア２２と、これらのコアを囲む第１クラッド２３と、この第１クラッド２３の一部の外周に設けられた透明樹脂製の第２クラッド２４とからなるファイバの片側に、延伸部２５を形成して構成されている。

第２コア２２の直径は、延伸後の直径が出射端に接続する希土類添加ファイバ２のコア径と同じになるように設定する。第１コア２１のドーパントが拡散を続けて光を閉じ込める力が弱くなると、第１コア２１を伝播していた光がそのコアの影響が及ばない領域まで広がってしまい、ＭＦＤが無制限に拡大してしまう。一方、第２コア２２は、純粋石英ガラスで形成されているために熱によるＭＦＤ拡大が起こらないため、ファイバ外径の縮小比と同様にＭＦＤを縮小させる。このように拡大していく光を縮小していく第２コア２２で閉じ込めて、希土類添加ファイバ２のコアへと結合する構成とした。このような構成にすることで、入射側のＭＦＤを小さく、出射側のＭＦＤを大きくすることができる。

前述したブリッジファイバ２０を使用することで、外径（第１クラッド径）を徐々に細くしつつ、コアのＭＦＤを徐々に太くするという特性を、第１コア２１のＭＦＤを一度も縮小させること無く満たすことができるので、高強度光に対する耐性が高い構造のポンプコンバイナを実現することができる。

（第２コアの無い構成：ＭＦＤが２倍程度）
外径がそれぞれ１２５μｍの細径ファイバ群「信号ポート×１本、励起ポート×６本」を入射側に配置し、出射側に「第１クラッド径２５０μｍ、コア径１０μｍ、第２クラッドは樹脂クラッド」の増幅用ダブルクラッドファイバを配置する構成のポンプコンバイナを作製するため、その２要素を繋ぐブリッジファイバの構成を「第１クラッド径５００μｍ、コア径６μｍ、第２クラッドは樹脂クラッド」とした。コアにはＧｅを添加してコアΔを２％とし、第１クラッド部にはＧｅの熱拡散を促進させる目的でＰを添加した。そのブリッジファイバのもう一端を２５０μｍの外径となるまで延伸し、ＣＯ_２レーザを使用して接続を行った。ブリッジファイバの延伸は酸水素バーナを用い、水素流量２００ｃｃ／ｍｉｎ酸素流量１０ｃｃ／ｍｉｎの条件で２５分間加熱し延伸を行った。

ブリッジファイバ延伸端でのＭＦＤの拡大率は３倍程度であったと考えられる。ポンプコンバイナ全体でのコアの接続損失は約０．５ｄＢ、第１クラッドの接続損失は６ポートの平均で平均で約０．２ｄＢであった。

作製したポンプコンバイナをファイバレーザ出力部に接続し、尖頭値６０ｋＷの高強度パルス光を入射したが、挿入損失に変動は無く、コアがパルス光によって損傷を受けることは無かった。一方、比較対象としてコアが縮小される構造のポンプコンバイナについても同様の試験を行ったところ、テーパ部分のコアが中心から割れており、パルス光によって損傷を受けて断線した。この実験により、本発明のポンプコンバイナが優れた耐高強度光特性を有していることが確認できた。しかしながら、ブリッジファイバ延伸端でのＭＦＤが１０μｍ以上となるように加熱時間を増やしたところ、ポンプコンバイナのコア挿入損失が急激に上昇する傾向が見られたため、このような方法で拡大できるＭＦＤには制限があるものと思われる。

（第２コアのある構成、ＭＦＤが５倍程度）
外径がそれぞれ１２５μｍの細径ファイバ群「信号ポート×１本、励起ポート×１８本」を入射側に配置し、出射側に「第１クラッド径４００μｍ、コア径２０μｍ、第２クラッドは樹脂クラッド」の増幅用ダブルクラッドファイバを配置する構成のポンプコンバイナを作製するため、その２要素を繋ぐブリッジファイバの構造を第１クラッド径８００μｍ、第２コア径４０μｍ、第１コア径６μｍ、第２クラッドは樹脂クラッド」とした。コアにはＧｅを添加してコア比屈折率差Δを２％とした。そのブリッジファイバを酸水素バーナを用いて、水素流量２００ｃｃ／ｍｉｎ酸素流量１０ｃｃ／ｍｉｎの条件で４５分間加熱し、４００μｍの外径となるまで延伸した。入出射端の接続にはＣＯ_２レーザを使用した。

ブリッジファイバ延伸端でのＭＦＤを測定したところ約２０μｍとなっていた。第１クラッド径を約半分にしたことから第２コア径が約２０μｍになっていると考えられ、コアから漏れ出した光が第２コア内に閉じ込められて伝播したと推測される。ポンプコンバイナ全体でのコアの接続損失は約０．７ｄＢ、第１クラッドの接続損失は１８ポートの平均で約０．２ｄＢであった。

作製したポンプコンバイナをファイバレーザ出力部に接続し、尖頭値６０ｋＷの高強度パルス光を入射したが挿入損失に変動は無く、コアがパルス光によって損傷を受けることは無かった。一方、比較対象としてコアが縮小される構造のポンプコンバイナについても同様の試験を行ったところ、テーパ部分のコアが中心から割れており、パルス光によって損傷を受けたようすが確認できた。この実験により、今回提案する構造のポンプコンバイナが優れた耐高強度光特性を有していることが確認できた。また、第２コアを形成することで、第２コアの無い場合と比較して低接続損失でコアを拡大できる範囲が広くなることも確認できた。

ポンプコンバイナを備えた光増幅装置の一例を示す構成図である。 ポンプコンバイナの一例を示す斜視図である。 ポンプコンバイナの参考例を示すブリッジファイバの断面図である。 本発明に係るポンプコンバイナの一実施形態を示すブリッジファイバの断面図である。

符号の説明

１…光増幅装置、２…希土類添加ファイバ、３…励起光源、４…信号光用光ファイバ、５…ポンプコンバイナ、６…アイソレータ、７…出力用光ファイバ、８…励起光用光ファイバ、９…多孔キャピラリ、１０，２０…ブリッジファイバ、１１…コア、１２，２３…第１クラッド、１３，２４…第２クラッド、１４，２５…延伸部、１５…コア径縮小部分、２１…第１コア、２２…第２コア。

Claims (2)

1. 信号光用光ファイバ及び複数本の励起光用光ファイバの端部を挿入して整列する多孔キャピラリと、この多孔キャピラリを一端側に接続し、他端側には延伸して縮径した延伸部を有し、前記延伸部における前記多孔キャピラリとは反対側に希土類添加ファイバが接続されたブリッジファイバと、を有するポンプコンバイナであって、
   前記延伸部を有するブリッジファイバは、ドーパントが添加された石英系ガラスからなる第１コアと、前記第１コアの周りに設けられた純粋石英ガラスからなる第２コアと、前記第２コアの周りに設けられた第１クラッドと、を備えるファイバを、前記第１コアに添加したドーパントを熱拡散させながら延伸して得られるものであり、
   前記延伸部分において、前記第１コアと前記第２コアとから構成されるコアの径は、前記ブリッジファイバの入射端側から出射端側に向かって漸次縮小され、前記第２コアの直径が、延伸後の直径が前記ブッリッジファイバの出射端に接続する希土類添加ファイバのコア径と同じになるように設定され、かつ前記第２コアは希土類添加ファイバのコアへ結合する構成とし、
   信号光は前記希土類添加ファイバのコアに、励起光は前記第１クラッドへと結合され、
   前記ブリッジファイバのＭＦＤは、入射端側から出射端側に向かって拡大することを特徴とするポンプコンバイナ。
2. 請求項１に記載のポンプコンバイナと、該ポンプコンバイナに光を入射可能に接続された信号光源及び励起光源と、該ポンプコンバイナの出力端に一端を接続した希土類添加ファイバとを有することを特徴とする光増幅装置。

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