JP5847653B2 - Polarization maintaining fiber and optical amplifier - Google Patents
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本発明は、偏波モード間の結合が抑制された光ファイバに関する。特に、TM0mモードとTE0mモードとの間の結合が抑制された光ファイバに関する。また、そのような光ファイバを含む光増幅器に関する。 The present invention relates to an optical fiber in which coupling between polarization modes is suppressed. In particular, the present invention relates to an optical fiber in which the coupling between the TM0m mode and the TE0m mode is suppressed. The present invention also relates to an optical amplifier including such an optical fiber.
円柱型光導波路を伝播する光は、良く知られているように、LP0mモードやLP1mモードなどのLPモードによって近似することができる(mは自然数)。ここで、円柱型光導波路とは、光ファイバなどの断面構造が円柱対称である光導波路のことを指す。 As is well known, light propagating through a cylindrical optical waveguide can be approximated by an LP mode such as the LP0m mode or the LP1m mode (m is a natural number). Here, the cylindrical optical waveguide refers to an optical waveguide whose cross-sectional structure such as an optical fiber is cylindrically symmetric.
LP0mモードは、2つの偏波モードが縮退したものである。LP0mに属する偏波モードには、偏光方向が互いに直交する2つのHE1mモード(x偏波及びy偏波)がある。一方、LP1mモードは、4つの偏波モードが縮退したものである。LP1mモードに属する偏波モードには、TE0mモードと、TM0mモードと、2つのHE2mモード(x偏波及とy偏波とが混成したハイブリッドモード)とがある。 The LP0m mode is a degeneration of two polarization modes. The polarization modes belonging to LP0m include two HE1m modes (x polarization and y polarization) whose polarization directions are orthogonal to each other. On the other hand, the LP1m mode is a degeneration of four polarization modes. Polarization modes belonging to the LP1m mode include a TE0m mode, a TM0m mode, and two HE2m modes (a hybrid mode in which x polarization and y polarization are mixed).
ここで、TM0mモードは、LP1mモードに属する偏波モードのうち、ラジアル偏波であるもののことを指し、図6(a)に示すように、径方向に平行な電界成分をもつ。一方、TE0mモードは、LP1mモードに属する偏波モードのうち、アジマス偏波であるもののことを指し、図6(b)に示すように、周方向に平行な電界成分をもつ。 Here, the TM0m mode indicates a radial polarization among the polarization modes belonging to the LP1m mode, and has an electric field component parallel to the radial direction as shown in FIG. On the other hand, the TE0m mode indicates an azimuth polarization among the polarization modes belonging to the LP1m mode, and has an electric field component parallel to the circumferential direction as shown in FIG.
TE0mモードとTM0mモードとを伝播させる円柱型光導波路を、TM0mモード又はTE01モードの何れかを選択するモードフィルタと共に光増幅器に組み込むことによって、ラジアル偏光又はアジマス偏光を得ることができる。ラジアル偏光及びアジマス偏光は、レーザ加工の効率が高く、小さなスポットサイズに集光することが可能であることが知られている。 Radial polarization or azimuth polarization can be obtained by incorporating a cylindrical optical waveguide that propagates the TE0m mode and the TM0m mode into an optical amplifier together with a mode filter that selects either the TM0m mode or the TE01 mode. It is known that radial polarization and azimuth polarization have high laser processing efficiency and can be focused on a small spot size.
光ファイバは、このような円柱型光導波路の代表例である。光ファイバには、上述したモード選択機能の他に、増幅機能を持たせることができるので、高ビーム品質かつ高出力なラジアル偏光又はアジマス偏光を発生させるのに適している。しかしながら、光ファイバは、バルク型の光学素子と異なり、偏波モード間の結合が生じやすいという性質を有している。例えば、LP1mモードに属するTE0mモード、TM0mモード、HE2mモードは、伝播定数が互いに近接しているため、光ファイバを伝播する過程で容易に結合してしまう。 An optical fiber is a typical example of such a cylindrical optical waveguide. Since the optical fiber can have an amplification function in addition to the mode selection function described above, it is suitable for generating radial polarization or azimuth polarization with high beam quality and high output. However, unlike a bulk optical element, an optical fiber has a property that coupling between polarization modes is likely to occur. For example, the TE0m mode, TM0m mode, and HE2m mode belonging to the LP1m mode are easily coupled in the process of propagating through the optical fiber because the propagation constants are close to each other.
偏波モード間の結合を意図的に抑制した光ファイバが開発されており、このような光ファイバは、しばしば、偏波保持ファイバと呼ばれる。ラジアル偏光又はアジマス偏光を発生するために利用される偏波保持ファイバは、特にTE0mモードとTM0mモードとの間の結合が抑制された偏波保持ファイバである。 Optical fibers that intentionally suppress coupling between polarization modes have been developed, and such optical fibers are often referred to as polarization maintaining fibers. The polarization maintaining fiber used for generating radial polarization or azimuth polarization is a polarization maintaining fiber in which coupling between the TE0m mode and the TM0m mode is suppressed.
特許文献1〜2、及び、非特許文献1〜2には、TE0mモードとTM0mモードとの間の結合が抑制された偏波保持ファイバが開示されている。これらの光ファイバにおいては、TM0mモードとTE0mモードとの間の結合を抑制するために、屈折率分布に起因した複屈折(構造複屈折)によって、TM0mモードの伝播定数βTMとTE0mモードの伝播定数βTEとの間に差を持たせる構成を採用している。複屈折が大きいほど、伝播定数差|βTM−βTE|が大きくなり、偏波保持能力が高くなる。
なお、本明細書においては、TM0mモードとTE0mモードとの伝播定数差|βTM−βTE|を偏波保持能力と指標とする。伝播定数差|βTM−βTE|が大きくなると、自動的に伝播定数差|βTM−βHE|及び伝播定数差|βHE−βTE|が大きくなるので、伝播定数差|βTM−βTE|を指標とすれば十分だからである。 In this specification, the propagation constant difference | βTM−βTE | between the TM0m mode and the TE0m mode is used as the polarization holding ability and the index. If the propagation constant difference | βTM-βTE | increases, the propagation constant difference | βTM-βHE | and the propagation constant difference | βHE-βTE | automatically increase. Therefore, if the propagation constant difference | βTM-βTE | That's enough.
しかしながら、構造複屈折を利用してTE0mモードとTM0mモードとの間の結合が抑制する従来の偏波保持ファイバには、以下のような問題がある。 However, the conventional polarization maintaining fiber that suppresses the coupling between the TE0m mode and the TM0m mode using structural birefringence has the following problems.
すなわち、構造複屈折を利用してTE0mモードとTM0mモードとの間の結合を抑制するためには、屈折率分布に大きな屈折率差を設ける必要がある(特許文献1によれば、最大屈折率と最小屈折率との差を0.015以上にする必要がある)。このため、各用途に応じて求められる光学特性を実現することが困難になる。
That is, in order to suppress the coupling between the TE0m mode and the TM0m mode using structural birefringence, it is necessary to provide a large refractive index difference in the refractive index distribution (according to
例えば、屈折率差を大きくすればするほど、高屈折領域に光が強く閉じ込められるようになり、モードの非線形性が上昇する。このため、大パワーの光を伝送する光ファイバに求められる、非線形性の低さを実現することが困難になる。また、TE0mモードとTM0mモードとの間の結合を抑制するために屈折率差を設けると、波長分散やモードフィールド径などの光学特性が大きく変化し、パルス光の伝播特性や光ファイバの接続損失特性などが劣化する虞がある。 For example, as the refractive index difference is increased, light is more strongly confined in the high refractive region, and the mode nonlinearity increases. For this reason, it becomes difficult to realize the low nonlinearity required for an optical fiber that transmits high-power light. In addition, if a refractive index difference is provided in order to suppress coupling between the TE0m mode and the TM0m mode, optical characteristics such as chromatic dispersion and mode field diameter change greatly, and propagation characteristics of pulsed light and optical fiber connection loss. There is a possibility that characteristics and the like are deteriorated.
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、構造複屈折を利用することなく、TE0mモードとTM0mモードとの間の結合を抑制することによって、上述した問題を生じることのない光ファイバを実現することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object thereof is to suppress the coupling between the TE0m mode and the TM0m mode without using structural birefringence, thereby causing the above-described problems. It is to realize an optical fiber without any problems.
本発明に係る光ファイバは、円柱型光導波路として機能する光ファイバにおいて、当該光ファイバの中心軸に関して軸対称な熱膨張係数分布であって、上記中心軸に直交する方向である径方向に沿って値が変化する熱膨張係数分布を有している、ことを特徴とする。 An optical fiber according to the present invention is an optical fiber that functions as a cylindrical optical waveguide, and has a thermal expansion coefficient distribution that is axisymmetric with respect to the central axis of the optical fiber, and is along a radial direction that is perpendicular to the central axis. It has a thermal expansion coefficient distribution whose value changes.
上記の構成によれば、上記熱膨張係数分によって、径方向に作用する主応力と周方向に作用する主応力との間に差を付けることができる。したがって、構造複屈折によらずに、TM0mモードの伝播定数とTE0mモードの伝播定数との間に差を付けることができる。すなわち、構造複屈折によらずに、TM0mモードとTE0mモードとの間の結合が抑制された光ファイバを実現することができる。 According to said structure, a difference can be made between the main stress which acts on a radial direction, and the main stress which acts on the circumferential direction by the part for the said thermal expansion coefficient. Therefore, a difference can be made between the propagation constant of the TM0m mode and the propagation constant of the TE0m mode regardless of the structural birefringence. That is, it is possible to realize an optical fiber in which the coupling between the TM0m mode and the TE0m mode is suppressed regardless of the structural birefringence.
なお、請求項に記載の「中心軸」は、円柱形状を有する上記光ファイバを回転体と見做した場合の回転軸に相当する。また、請求項に記載の「径方向」は、請求項に記載のとおり上記光ファイバの中心軸に直交する方向のこと指し、上記光ファイバの中心軸をz軸とする円柱座標系におけるr方向に相当する。 The “center axis” recited in the claims corresponds to a rotation axis when the optical fiber having a cylindrical shape is regarded as a rotating body. The “radial direction” described in the claims refers to a direction orthogonal to the central axis of the optical fiber as described in the claims, and an r direction in a cylindrical coordinate system having the central axis of the optical fiber as the z axis. It corresponds to.
また、熱膨張係数分布が上記光ファイバの中心軸に関して軸対称であることから、熱膨張係数Tは、上記光ファイバの中心軸をz軸とする円柱座標系を用いて、T=T(r)と表すことができる。「径方向に沿って値が変化する熱膨張分布」とは、熱膨張係数T(r)が定数関数でない熱膨張係数分布のことに他ならない。 Further, since the thermal expansion coefficient distribution is axisymmetric with respect to the central axis of the optical fiber, the thermal expansion coefficient T can be calculated by using a cylindrical coordinate system with the central axis of the optical fiber as the z axis, T = T (r )It can be expressed as. The “thermal expansion distribution whose value changes along the radial direction” is nothing but a thermal expansion coefficient distribution in which the thermal expansion coefficient T (r) is not a constant function.
本発明に係る光ファイバにおいて、上記熱膨張係数分布は、上記中心軸に直交する直線上でステップ型である、ことが好ましい。 In the optical fiber according to the present invention, it is preferable that the thermal expansion coefficient distribution is a step type on a straight line orthogonal to the central axis.
上記の構成によれば、上記熱膨張係数分布が不連続に変化する点において最大となり、中心軸から離れるに従って次第に小さくなる絶対値をもつ主応力差分布を実現することができる。したがって、少なくとも上記熱膨張係数分布が不連続に変化する点がコアに含まれる場合には、TM0mモードの伝播定数とTE0mモードの伝播定数との間に大きな差を与えることができる。 According to the above configuration, it is possible to realize a main stress difference distribution having an absolute value that is maximized at a point where the thermal expansion coefficient distribution changes discontinuously and gradually decreases with distance from the central axis. Therefore, when the core includes at least a point where the thermal expansion coefficient distribution changes discontinuously, a large difference can be given between the TM0m mode propagation constant and the TE0m mode propagation constant.
本発明に係る光ファイバにおいて、上記中心軸に直交する直線上で熱膨張係数が不連続に変化する点から上記中心軸までの距離は、当該光ファイバのコア半径よりも小さい、ことが好ましい。 In the optical fiber according to the present invention, it is preferable that the distance from the point at which the thermal expansion coefficient changes discontinuously on a straight line orthogonal to the central axis to the central axis is smaller than the core radius of the optical fiber.
上記の構成によれば、上記熱膨張係数分布が不連続に変化する点がコアに含まれることになるので、TM0mモードの伝播定数とTE0mモードの伝播定数との間に大きな差を確実に与えることができる。 According to the above configuration, since the core includes a point where the thermal expansion coefficient distribution changes discontinuously, a large difference is reliably given between the TM0m mode propagation constant and the TE0m mode propagation constant. be able to.
本発明に係る光ファイバにおいて、当該光ファイバは、LP1mモードに属するTM0mモードとTE0mモードとの間の結合が抑制された偏波保持ファイバであり、上記中心軸に直交する直線上で熱膨張係数が不連続に変化する点から上記中心軸までの距離は、同直線上でLP1mモードの電界強度が最大となる点から上記中心軸までの距離と等しい、ことが好ましい。 In the optical fiber according to the present invention, the optical fiber is a polarization maintaining fiber in which coupling between the TM0m mode and the TE0m mode belonging to the LP1m mode is suppressed, and has a thermal expansion coefficient on a straight line orthogonal to the central axis. It is preferable that the distance from the point at which the value changes discontinuously to the central axis is equal to the distance from the point where the electric field intensity of the LP1m mode is maximum on the same line to the central axis.
上記の構成によれば、TM0mモードの伝播定数とTE0mモードの伝播定数との間に更に大きな差を確実に与えることができる。 According to the above configuration, it is possible to reliably give a larger difference between the propagation constant of the TM0m mode and the propagation constant of the TE0m mode.
なお、本発明に係る光ファイバは、径方向に沿った熱膨張係数の変化によって、径方向に作用する主応力と周方向に作用する主応力との間に差を生じさせた光ファイバと表現することもできる。また、径方向に作用する作用する主応力と周方向に作用する主応力との差によって、TM0mモードの伝播定数とTE0mモードの伝播定数との間に差を生じさせた光ファイバと表現することもできる。 The optical fiber according to the present invention is expressed as an optical fiber in which a difference is generated between a main stress acting in the radial direction and a main stress acting in the circumferential direction by a change in the thermal expansion coefficient along the radial direction. You can also Also, it is expressed as an optical fiber in which the difference between the TM0m mode propagation constant and the TE0m mode propagation constant is caused by the difference between the main stress acting in the radial direction and the main stress acting in the circumferential direction. You can also.
また、上記光ファイバを含んでいる光増幅器も本発明の範疇に含まれる。なお、ファイバレーザ及びファイバアンプは、ここでいう光増幅器の一例である。 An optical amplifier including the optical fiber is also included in the scope of the present invention. The fiber laser and the fiber amplifier are examples of the optical amplifier here.
本発明によれば、構造複屈折を利用することなく、TE0mモードとTM0mモードとの間の結合を抑制することができる。 According to the present invention, coupling between the TE0m mode and the TM0m mode can be suppressed without using structural birefringence.
<偏波保持ファイバ>
本発明の一実施形態に係る光ファイバについて、図1〜図3を参照して説明する。なお、本実施形態に係る光ファイバは、偏波モード間の結合が抑制された光ファイバであるので、以下ではこれを「偏波保持ファイバ」と記載する。
<Polarization-maintaining fiber>
An optical fiber according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, since the optical fiber according to the present embodiment is an optical fiber in which the coupling between the polarization modes is suppressed, this is hereinafter referred to as “polarization maintaining fiber”.
〔偏波保持ファイバの構成〕
本実施形態に係る偏波保持ファイバ1の構成について、図1を参照して説明する。図1は、偏波保持ファイバ1の側面図(左上段)及び断面図(右上段)である。図1においては、屈折率差分布(右中段)及び熱膨張係数差分布(右下段)も併せて示している。
[Configuration of polarization maintaining fiber]
The configuration of the
なお、本明細書においては、偏波保持ファイバ1を円柱とみなし、偏波保持ファイバ1の回転体としての回転軸を、偏波保持ファイバ1の中心軸と記載する。また、以下の説明においては、偏波保持ファイバ1の中心軸をz軸とする円柱座標系を用い、偏波保持ファイバ1の中心軸に平行な方向を軸方向(又はz方向)、偏波保持ファイバ1の中心軸に直交する方向を径方向(又はr方向)、偏波保持ファイバ1の中心軸に直交する断面において径方向に直交する方向を周方向(又はθ方向)と記載する。
In this specification, the
偏波保持ファイバ1は、その中心軸に関して軸対称な屈折率分布を有している。すなわち、上述した円柱座標系を用いたときに、偏波保持ファイバ1の屈折率n(r、θ、z)は、rだけの関数n(r)として表すことができる。本実施形態において、偏波保持ファイバ1の屈折率分布は、ステップ型であるものとする。すなわち、定数n0、n1(n0>n1)を用いて、偏波保持ファイバ1の屈折率n(r)は、以下のように表すことができる。
The
n(r) = n0 (r < rn)
= n1 (r > rn)
偏波保持ファイバ1において、屈折率n(r)がn0となる領域のことを、コア11と呼ぶ。コア11は、偏波保持ファイバ1の中心軸に直交する断面において、半径rnの円板状の領域となる。一方、偏波保持ファイバ1において、屈折率n(r)がn1となる領域のことを、クラッド12と呼ぶ。クラッド12は、偏波保持ファイバ1の中心軸に直交する断面において、コア11を取り囲む円環上の領域となる。
n (r) = n0 (r <rn)
= N1 (r> rn)
In the
図1においては、屈折率差Δn(r)=n(r)−n1の分布を示している。屈折率差Δn(r)は、r<rnにおいてn0−n1(正の定数)となり、r=rnにおいて不連続に変化し、r>rnにおいて0となる。偏波保持ファイバ1は、この屈折率差Δn(r)によって、円柱型光導波路として機能する。
FIG. 1 shows a distribution of refractive index difference Δn (r) = n (r) −n1. The refractive index difference Δn (r) becomes n0−n1 (positive constant) when r <rn, changes discontinuously when r = rn, and becomes 0 when r> rn. The
円柱型光導波路を伝播する光は、LP0mモードやLP1mモードなどのLPモードによって近似することができる(mは自然数)。LP0mモードは、2つの偏波モードが縮退したものである。LP0mに属する偏波モードには、偏光方向が互いに直交する2つのHE1mモード(x偏波及びy偏波)がある。一方、LP1mモードは、4つの偏波モードが縮退したものである。LP1mモードに属する偏波モードには、TE0mモード(r偏波)と、TM0mモード(θ偏波)と、2つのHE2mモード(x偏波とy偏波とが混成したハイブリッドモード)とがある。本実施形態に係る偏波保持ファイバ1は、LP1mモードに属するTE0mモードとTM0mモードとを保持する(換言すれば、LP1mモードに属するTM0mモードとTE0mモードとの間の結合が抑制された)ものである。
The light propagating through the cylindrical optical waveguide can be approximated by an LP mode such as the LP0m mode or the LP1m mode (m is a natural number). The LP0m mode is a degeneration of two polarization modes. The polarization modes belonging to LP0m include two HE1m modes (x polarization and y polarization) whose polarization directions are orthogonal to each other. On the other hand, the LP1m mode is a degeneration of four polarization modes. Polarization modes belonging to the LP1m mode include a TE0m mode (r polarization), a TM0m mode (θ polarization), and two HE2m modes (a hybrid mode in which x polarization and y polarization are mixed). . The
なお、本実施形態においては、偏波保持ファイバ1の屈折率分布として、ステップ型の屈折率分布を採用しているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、偏波保持ファイバ1を円柱型光導波路として機能させることが可能な屈折率分布であれば、ステップ型以外の屈折率分布であっても、偏波保持ファイバ1の屈折率分布として採用することができる。
In the present embodiment, a step-type refractive index distribution is adopted as the refractive index distribution of the
偏波保持ファイバ1は、その中心軸に関して軸対称な熱膨張係数分布を有している。すなわち、上述した円柱座標系を用いたときに、偏波保持ファイバ1の熱膨張係数T(r、θ、z)は、rだけの関数T(r)として表すことができる。本実施形態において、偏波保持ファイバ1の熱膨張係数分布は、ステップ型であるものとする。すなわち、定数T0、T1(T0>T1)を用いて、偏波保持ファイバ1のT(r)は、以下のように表すことができる。
The
T(r) = T0 (r < rT)
= T1 (r > rT)
偏波保持ファイバ1において、熱膨張係数T(r)がT0となる領域のことを、内側領域13と呼ぶ。内側領域13は、偏波保持ファイバ1の中心軸に直交する断面において、半径rTの円板状の領域となる。一方、偏波保持ファイバ1において、熱膨張係数T(r)がT1となる領域のことを、外側領域14と呼ぶ。外側領域14は、偏波保持ファイバ1の中心軸に直交する断面において、内側領域13を取り囲む円環上の領域となる。
T (r) = T0 (r <rT)
= T1 (r> rT)
In the
図1においては、熱膨張係数差ΔT(r)=T(r)−T1の分布を示している。熱膨張係数差ΔT(r)は、r<rTにおいてT0−T1(正の定数)となり、r=rTにおいて不連続に変化し、r>rTにおいて0となる。偏波保持ファイバ1においては、この熱膨張係数差ΔT(r)により誘起される応力複屈折によって、LP1mモードに属するTM0mモードとTE0mモードとを保持する偏波保持ファイバとして機能する。
FIG. 1 shows a distribution of thermal expansion coefficient difference ΔT (r) = T (r) −T1. The thermal expansion coefficient difference ΔT (r) becomes T0−T1 (positive constant) when r <rT, changes discontinuously when r = rT, and becomes 0 when r> rT. The
なお、図1においては、内側領域13の熱膨張係数T0が外側領域14の熱膨張係数T1よりも大きくなる構成を示しているが、本実施形態は、これに限定されるものではない。すなわち、熱膨張係数がステップ型である場合、(1)内側領域13の熱膨張係数T0が外側領域14の熱膨張係数T1よりも大きくなる構成(後述する第1の具体例)と、(2)内側領域13の熱膨張係数T0が外側領域14の熱膨張係数T1よりも小さくなる構成(後述する第2の具体例)とが考えられるが、その何れもが本実施形態の範疇に含まれる。
Although FIG. 1 shows a configuration in which the thermal expansion coefficient T0 of the inner region 13 is larger than the thermal expansion coefficient T1 of the
また、本実施形態においては、偏波保持ファイバ1の熱膨張係数分布として、ステップ型の熱膨張係数分布を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、偏波保持ファイバ1の中心軸に関して軸対称な熱膨張係数分布であって、径方向に沿って値(熱膨張係数)の変化する熱膨張係数分布であれば、ステップ型以外の熱膨張係数分布であっても、偏波保持ファイバ1の熱膨張係数分布として採用することができる。
In this embodiment, the step-type thermal expansion coefficient distribution is adopted as the thermal expansion coefficient distribution of the
〔偏波保持の原理〕
次に、本実施形態に係る偏波保持ファイバ1における偏波保持の原理について、再び図1を参照して説明する。
[Principle of polarization maintenance]
Next, the principle of polarization maintenance in the
光ファイバは、通常、高温下で母材(プリフォーム)を溶融延伸する線引工程と、溶融延伸された母材、すなわち、光ファイバを常温にまで冷却する冷却工程とを経て製造される。冷却工程においては、光ファイバの各部分の体積が、その部分の熱膨張係数に応じて変化する。したがって、光ファイバの熱膨張係数が一様でない場合、常温にまで冷却された光ファイバにおいて、熱膨張係数が相対的に大きい部分と小さい部分との間に、残留歪に起因する恒久的な応力が働くことになる。 An optical fiber is usually manufactured through a drawing process in which a preform (preform) is melt-drawn at a high temperature and a cooling process in which the melt-drawn preform, that is, the optical fiber is cooled to room temperature. In the cooling step, the volume of each part of the optical fiber changes according to the coefficient of thermal expansion of that part. Therefore, if the thermal expansion coefficient of the optical fiber is not uniform, permanent stress due to residual strain between the relatively large and small portions of the optical fiber cooled to room temperature. Will work.
このようにして生じる応力が異方性をもつように熱膨張係数を分布させることによって、その異方性に応じた偏波モードを保持する偏波保持ファイバを実現することができる。 By distributing the thermal expansion coefficient so that the generated stress has anisotropy, a polarization maintaining fiber that maintains a polarization mode corresponding to the anisotropy can be realized.
例えば、x方向に作用する主応力とy方向に作用する主応力とを異ならせるように熱膨張係数を分布させると、光弾性効果により誘起された応力複屈折によって、x偏波とy偏波との間に伝播定数差が生じる。x偏波とy偏波との間に生じる伝播定数差は、x方向に作用する主応力とy方向に作用する主応力との差に応じているため、この主応力差が十分大きくなるように熱膨張係数を分布させることで、LP01モードに属する2つのHE11モード(一方はx偏波、他方はy偏波)を保持する偏波保持機能を実現することができる。PANDAファイバは、このようにして実現された偏波保持機能を有する偏波保持ファイバである。 For example, when the thermal expansion coefficient is distributed so that the principal stress acting in the x direction differs from the principal stress acting in the y direction, x polarization and y polarization are caused by stress birefringence induced by the photoelastic effect. A propagation constant difference occurs between The propagation constant difference generated between the x-polarized wave and the y-polarized wave depends on the difference between the main stress acting in the x direction and the main stress acting in the y direction, so that the main stress difference becomes sufficiently large. By distributing the thermal expansion coefficient to each other, it is possible to realize a polarization maintaining function that maintains two HE11 modes (one is an x polarization and the other is a y polarization) belonging to the LP01 mode. The PANDA fiber is a polarization maintaining fiber having a polarization maintaining function realized as described above.
一方、径方向に作用する主応力と周方向に作用する主応力とを異ならせるように熱膨張係数を分布させると、光弾性効果により誘起された応力複屈折によって、r偏波とθ偏波との間に伝播定数差が生じる。r偏波とθ偏波との間に生じる伝播定数差は、r方向に作用する主応力とθ方向に作用する主応力との差に応じているため、この主応力差が十分大きくなるように熱膨張係数を分布させることで、LP0mモードに属するTM0mモード(r偏波)とTE0mモード(θ偏波)とを保持する偏波保持機能を実現することができる。例えば、中心軸に関して軸対称な熱膨張係数分布であって、径方向に沿って値が変化する熱膨張係数分布を形成した場合、LP0mモードに属するTM0mモード(r偏波)とTE0mモード(θ偏波)とを保持する偏波保持機能を実現することができる。本実施形態に係る偏波保持ファイバ1は、このようにして実現された偏波保持機能を有する偏波保持ファイバである。
On the other hand, when the thermal expansion coefficient is distributed so that the principal stress acting in the radial direction is different from the principal stress acting in the circumferential direction, r-polarization and θ-polarization are caused by stress birefringence induced by the photoelastic effect. A propagation constant difference occurs between The propagation constant difference generated between the r polarized wave and the θ polarized wave depends on the difference between the principal stress acting in the r direction and the principal stress acting in the θ direction, so that the principal stress difference becomes sufficiently large. By distributing the thermal expansion coefficient to each other, it is possible to realize a polarization maintaining function that maintains the TM0m mode (r polarization) and the TE0m mode (θ polarization) belonging to the LP0m mode. For example, when a thermal expansion coefficient distribution that is axisymmetric with respect to the central axis and has a thermal expansion coefficient distribution that varies in the radial direction is formed, the TM0m mode (r polarization) and the TE0m mode (θ (Polarization) can be realized. The
以下、r方向とθ方向との主応力差に応じた、r偏波とθ偏波との間の伝播定数差が生じる理由について、もう少し詳しく説明する。以下の説明においては、図1に示すように、偏波保持ファイバ1上の点(r、θ、z)における微小領域を考え、この微小領域に作用する径方向、周方向、軸方向に作用する主応力を、それぞれ、σr、σθ、σzとする。主応力σr、σθ、σzの符号は、当該主応力が微小領域を引っ張るように作用するときに正になるように定める。
Hereinafter, the reason why the propagation constant difference between the r polarized wave and the θ polarized wave according to the main stress difference between the r direction and the θ direction will be described in more detail. In the following description, as shown in FIG. 1, a minute region at a point (r, θ, z) on the
r偏波、θ偏波、z偏波に対する屈折率nr、nθ、nzは、それぞれ、式(1)によって与えられる。式(1)において、n(r)は、応力が誘起されていない(すなわち応力複屈折がない)場合の媒質の屈折率であり、C1及びC2は、媒質固有の光弾性定数である。 Refractive indexes nr, nθ, and nz for the r-polarized wave, the θ-polarized wave, and the z-polarized wave are respectively given by Expression (1). In Equation (1), n (r) is the refractive index of the medium when no stress is induced (ie, there is no stress birefringence), and C1 and C2 are medium-specific photoelastic constants.
nr(r)=n(r)−C1σr(r)−C2[σθ(r)+σz(r)]
nθ(r)=n(r)−C1σθ(r)−C2[σz(r)+σr(r)]・・・(1)
nz(r)=n(r)−C1σz(r)−C2[σr(r)+σθ(r)]
上述したとおり、TM0mモードはr偏波であり、TE0mモードはθ偏波である。したがって、r偏波に対する屈折率nr(r)とθ偏波に対する屈折率nθ(r)との差Δnrθ(r)=nr(r)−nθ(r)を大きくすれば、当然、TM0mモードの伝播定数βTMとTE0mモードの伝播定数βTEとの差βTM−βTEが大きくなる。
nr (r) = n (r) −C1σr (r) −C2 [σθ (r) + σz (r)]
nθ (r) = n (r) −C1σθ (r) −C2 [σz (r) + σr (r)] (1)
nz (r) = n (r) −C1σz (r) −C2 [σr (r) + σθ (r)]
As described above, the TM0m mode is r-polarization, and the TE0m mode is θ-polarization. Therefore, if the difference Δnrθ (r) = nr (r) −nθ (r) between the refractive index nr (r) for the r polarized wave and the refractive index nθ (r) for the θ polarized wave is increased, the TM0m mode is naturally obtained. The difference βTM−βTE between the propagation constant βTM and the TE0m mode propagation constant βTE increases.
屈折率差Δnrθ(r)は、式(2)により与えられる。式(2)においてC2−C1は媒質固有の定数なので、主応力差σr(r)−σθ(r)を大きくすれば、屈折率差Δnrθ(r)が大きくなり、その結果、伝播定数差βTM−βTEが大きくなることが分かる。 The refractive index difference Δnrθ (r) is given by equation (2). In Formula (2), C2-C1 is a constant inherent to the medium. Therefore, if the main stress difference σr (r) −σθ (r) is increased, the refractive index difference Δnrθ (r) increases, and as a result, the propagation constant difference βTM. It can be seen that -TE increases.
Δnrθ(r)=nr(r)−nθ(r)
=(C2−C1)[σr(r)−σθ(r)] ・・・(2)
ところで、TM0mモードとTE0mモードとを保持する偏波保持ファイバ1において、偏波保持能力の指標となる伝播定数差βTM−βTEは、LP0mモードの電界強度|E(r)|と屈折率差Δnrθ(r)との重ね合わせ積分により近似される。したがって、LP0mモードの電界強度|E(r)|が大きくなる領域と、屈折率差Δnrθ(r)の絶対値が大きくなる領域とを重複させることによって、より効果的に伝播定数差βTM−βTEを生じさせることができる。
Δnrθ (r) = nr (r) −nθ (r)
= (C2-C1) [σr (r) −σθ (r)] (2)
By the way, in the
また、伝播定数差βTM−βTEの符号は、通常、LP0mモードの電界強度|E(r)|が大きくなる領域における屈折率差Δnrθ(r)の符号に応じて決まる。すなわち、当該領域において屈折率差Δnrθ(r)が正の値を取れば、伝播定数差βTM−βTEも正の値を取り、当該領域においてΔnrθ(r)が負の値を取れば、伝播定数差βTM−βTEも負の値を取る。 Further, the sign of the propagation constant difference βTM−βTE is usually determined according to the sign of the refractive index difference Δnrθ (r) in the region where the electric field intensity | E (r) | That is, if the refractive index difference Δnrθ (r) takes a positive value in the region, the propagation constant difference βTM−βTE also takes a positive value. If Δnrθ (r) takes a negative value in the region, the propagation constant The difference βTM−βTE also takes a negative value.
このように、応力複屈折を利用して伝播定数差βTM−βTEを生じさせる本実施形態に係る偏波保持ファイバ1においては、伝播定数差βTM−βTEを正の値とすることもできるし、伝播定数差βTM−βTEを負の値とすることもできる。これに対して、構造複屈折を利用して伝播定数差βTM−βTEを生じさせる従来の偏波保持ファイバにおいては、伝播定数差βTM−βTEを正の値とすることはできても、伝播定数差βTM−βTEを負の値とすることはできない。なお、伝播定数差βTM−βTEを負の値とすることのメリットについては、参照する図面を代えて後述する。
In this way, in the
〔熱膨張係数分布の実現方法〕
次に、図1に示すような熱膨張係数分布の形成方法について説明する。以下に説明する熱膨張係数分布の形成方法は、石英系光ファイバに所望の熱膨張係数分布を形成する際に広く利用することができる有効な方法である。
[Realization method of thermal expansion coefficient distribution]
Next, a method for forming a thermal expansion coefficient distribution as shown in FIG. 1 will be described. The method for forming a thermal expansion coefficient distribution described below is an effective method that can be widely used when forming a desired thermal expansion coefficient distribution in a silica-based optical fiber.
本形成方法においては、石英ガラスにドーパントを添加することによって熱膨張係数分布を形成する。熱膨張係数分布を形成するために利用可能なドーパントを表1に例示する。各ドーパントは、表1に示すように、屈折率を上下させる作用と共に熱膨張係数を上下させる作用を有する。表1において、上向きの矢印は、そのドーパントを添加することによって、屈折率/熱膨張係数が上がることを示し、下向きの矢印は、そのドーパントを添加することによって、屈折率/熱膨張係数が下がることを示す。 In this formation method, a thermal expansion coefficient distribution is formed by adding a dopant to quartz glass. Table 1 illustrates dopants that can be used to form the thermal expansion coefficient distribution. As shown in Table 1, each dopant has the function of raising and lowering the thermal expansion coefficient as well as the action of raising and lowering the refractive index. In Table 1, an upward arrow indicates that the refractive index / thermal expansion coefficient increases by adding the dopant, and a downward arrow decreases the refractive index / thermal expansion coefficient by adding the dopant. It shows that.
本形成方法においては、屈折率を上げる作用を有するドーパント(ゲルマニウムやリンなど)と、屈折率を下げる作用を有するドーパント(ボロンやフッ素など)とを、特定の割合(前者による屈折率の増加と後者による屈折率の減少とが相殺する割合)で混合した混合ドーパントを添加することによって、屈折率分布を変化させることなく、所望の熱膨張係数分布を形成するものである。 In this formation method, a dopant (germanium, phosphorus, etc.) having an effect of increasing the refractive index and a dopant (boron, fluorine, etc.) having an action of lowering the refractive index are specified at a specific ratio (the increase in refractive index due to the former). The desired thermal expansion coefficient distribution is formed without changing the refractive index distribution by adding a mixed dopant mixed at a ratio that cancels the decrease in the refractive index due to the latter.
表1に示すとおり、ゲルマニウム及びリンは、屈折率を上げる作用と共に熱膨張係数を上げる作用を有する。一方、ボロンは、屈折率を下げる作用と共に熱膨張係数を上げる作用を有する。したがって、例えば、ゲルマニウムとボロンとを特定の割合で混合した混合ドーパント、又は、リンとボロンとを特定の割合で混合した混合ドーパントを用いれば、屈折率分布を変化させることなく、任意の熱膨張係数分布を形成することができる。 As shown in Table 1, germanium and phosphorus have the effect of increasing the thermal expansion coefficient as well as the effect of increasing the refractive index. On the other hand, boron has an effect of lowering the refractive index and raising the coefficient of thermal expansion. Therefore, for example, if a mixed dopant in which germanium and boron are mixed at a specific ratio or a mixed dopant in which phosphorus and boron are mixed at a specific ratio is used, any thermal expansion can be achieved without changing the refractive index distribution. A coefficient distribution can be formed.
なお、フッ素は、屈折率を下げる作用を有するので、ゲルマニウムとフッ素とを特定の割合で混合した混合ドーパント、又は、リンとフッ素とを特定の割合で混合した混合ドーパントを用いても、屈折率分布を変化させることなく、任意の熱膨張係数分布を形成することができる。ただし、フッ素は、熱膨張係数を変化させる作用においてボロンに劣る(フッ素を添加しても石英ガラスの熱膨張係数は殆ど変化しない)。しかしながら、フッ素は、近赤外線領域(0.8μm以上2.5μm以下)での吸収損失がボロンよりも小さいという利点をもつ。したがって、近赤外線領域の光の伝送損失を抑えることが重要となる偏波保持ファイバ1においては、ボロンを含む混合ドーパントの代わりにフッ素を含む混合ドーパントを用いた方が好ましい場合もある。
Note that since fluorine has a function of lowering the refractive index, even if a mixed dopant in which germanium and fluorine are mixed at a specific ratio or a mixed dopant in which phosphorus and fluorine are mixed at a specific ratio is used, the refractive index is not limited. An arbitrary coefficient of thermal expansion distribution can be formed without changing the distribution. However, fluorine is inferior to boron in the action of changing the thermal expansion coefficient (the thermal expansion coefficient of quartz glass hardly changes even when fluorine is added). However, fluorine has an advantage that the absorption loss in the near infrared region (0.8 μm or more and 2.5 μm or less) is smaller than that of boron. Therefore, in the
以上のように、本形成方法によれば、屈折率を上げる作用を有するドーパント(ゲルマニウムやリンなど)と、石英の屈折率を下げる作用を有するドーパント(ボロンやフッ素など)とを、特定の割合で混合した混合ドーパントを用いることによって、屈折率分布を変化させることなく、任意の熱膨張係数分布を形成することができる。換言すれば、任意の屈折率分布を有する光ファイバに対して、任意の熱膨張係数分布を形成することができる。 As described above, according to the present forming method, a dopant having an action of increasing the refractive index (germanium, phosphorus, etc.) and a dopant having an action of lowering the refractive index of quartz (boron, fluorine, etc.) have a specific ratio. By using the mixed dopant mixed in (1), an arbitrary thermal expansion coefficient distribution can be formed without changing the refractive index distribution. In other words, an arbitrary thermal expansion coefficient distribution can be formed for an optical fiber having an arbitrary refractive index distribution.
〔第1の具体例〕
次に、本実施形態に係る偏波保持ファイバ1の第1の具体例について、図2を参照して説明する。本具体例に係る偏波保持ファイバ1は、LP11モードに属するTM01モードとTE01モードとを保持する偏波保持ファイバである。
[First Example]
Next, a first specific example of the
図2(a)は、本具体例に係る偏波保持ファイバ1の屈折率差Δn(r)の分布を示すグラフである。同図に示すように、本具体例に係る偏波保持ファイバ1は、ステップ型の屈折率分布を有する。
FIG. 2A is a graph showing the distribution of the refractive index difference Δn (r) of the
図2(b)は、本具体例に係る偏波保持ファイバ1の熱膨張係数差ΔT(r)の分布を示すグラフである。同図に示すように、本具体例に係る偏波保持ファイバ1は、ステップ型の熱膨張係数分布を有する。本具体例に係る偏波保持ファイバ1は、内側領域13(図3)の熱膨張係数が外側領域14の熱膨張係数よりも高く設定されている点で、後述する第2の具体例と異なる。
FIG. 2B is a graph showing the distribution of the thermal expansion coefficient difference ΔT (r) of the
図2(c)は、図2(b)に示す熱膨張係数分布に応じて決まる主応力差σr(r)−σθ(r)の分布を示すグラフである。同図に示すように、主応力差は、内側領域13(図1参照)において0となり、外側領域14(図1参照)において負の値を取る。外側領域14における主応力差の絶対値は、内側領域13と外側領域14との境界(熱膨張係数が不連続に変化する点)において最大となり、中心軸から離れるに従って次第に小さくなる。
FIG. 2C is a graph showing a distribution of main stress differences σr (r) −σθ (r) determined according to the thermal expansion coefficient distribution shown in FIG. As shown in the figure, the main stress difference is 0 in the inner region 13 (see FIG. 1) and takes a negative value in the outer region 14 (see FIG. 1). The absolute value of the main stress difference in the
図2(d)は、図2(a)に示す屈折率分布に応じて決まるLP11モードの電界強度|E(r)|の分布を示すグラフである。同図に示すように、LP11モードの電界強度|E(r)|のピークは、コア11(図1参照)の内部に形成される。 FIG. 2D is a graph showing the distribution of the electric field intensity | E (r) | in the LP11 mode determined according to the refractive index distribution shown in FIG. As shown in the figure, the peak of the electric field intensity | E (r) | in the LP11 mode is formed inside the core 11 (see FIG. 1).
図2において注目すべき点は、内側領域13の半径をコア11の半径よりも小さくしている点である。これにより、主応力差σr(r)−σθ(r)が0でない値を取る外側領域14と、LP11モードの電界強度|E(r)|が0でない値を取るコア11とが重複し、その結果、伝播定数差βTM−βTEが0でない値を取る。何故なら、伝播定数差βTM−βTEは、屈折率差Δnrθ(r)=(C2−C1)[σr(r)−σθ(r)]とLP11モードの電界強度|E(r)|との重ね合わせ積分により近似されるからである。
A point to be noted in FIG. 2 is that the radius of the inner region 13 is made smaller than the radius of the
特に、本具体例においては、内側領域13と外側領域14との境界(熱膨張係数が不連続に変化する点)がLP11モードの電界強度|E(r)|のピークと一致するように、熱膨張係数分布を定めている。これにより、内側領域13と外側領域14との境界がLP11モードの電界強度|E(r)|のピークと一致しない構成と比べて、伝播定数差βTM−βTEの絶対値を大きくすることができる。
In particular, in this example, the boundary between the inner region 13 and the outer region 14 (the point at which the thermal expansion coefficient changes discontinuously) matches the peak of the electric field strength | E (r) | Defines the coefficient of thermal expansion distribution. Thereby, the absolute value of the propagation constant difference βTM−βTE can be increased as compared with the configuration in which the boundary between the inner region 13 and the
なお、本具体例における伝播定数差βTM−βTEは、以下の理由により、負の値になる。まず、主応力差σr(r)−σθ(r)は、図2(c)に示すように、負の値を取る。また、C2−C1は、石英ガラスにおいて正の値(約3.6×10−5mm2/kg)を取る。したがって、屈折率差Δnrθ(r)が負の値となり、その結果、屈折率差Δnrθ(r)とLP11モードの電界強度|E(r)|との重ね合わせ積分により近似される伝播定数差βTM−βTEも負の値となる。このことは、LP11モードに属するTM01モード、HE21モード、TE01モードの伝播定数βTM、βHE、βTEの間に、βTE>βHE>βTMの関係が成り立つことを意味する。
Note that the propagation constant difference βTM−βTE in this specific example is a negative value for the following reason. First, the main stress difference σr (r) −σθ (r) takes a negative value as shown in FIG. Moreover, C2-C1 takes a positive value (about 3.6 × 10 −5
〔第2の具体例〕
次に、本実施形態に係る偏波保持ファイバ1の第2の具体例について、図3を参照して説明する。本具体例に係る偏波保持ファイバ1は、第1の具体例に係る偏波保持ファイバ1と同様、LP11モードに属するTM01モードとTE01モードとを保持する偏波保持ファイバである。
[Second specific example]
Next, a second specific example of the
図3(a)は、本具体例に係る偏波保持ファイバ1の屈折率差Δn(r)の分布を示すグラフである。同図に示すように、本具体例に係る偏波保持ファイバ1は、ステップ型の屈折率分布を有する。
FIG. 3A is a graph showing the distribution of the refractive index difference Δn (r) of the
図3(b)は、本具体例に係る偏波保持ファイバ1の熱膨張係数差ΔT(r)の分布を示すグラフである。同図に示すように、本具体例に係る偏波保持ファイバ1は、ステップ型の熱膨張係数分布を有する。本具体例に係る偏波保持ファイバ1は、内側領域13(図3)の熱膨張係数が外側領域14の熱膨張係数よりも低く設定されている点で、上述した第1の具体例と異なる。
FIG. 3B is a graph showing the distribution of the thermal expansion coefficient difference ΔT (r) of the
図3(c)は、図3(b)に示す熱膨張係数分布に応じて決まる主応力差σr(r)−σθ(r)の分布を示すグラフである。同図に示すように、主応力差は、内側領域13(図1参照)において0となり、外側領域14(図1参照)において正の値を取る。外側領域14における主応力差の絶対値は、内側領域13と外側領域14との境界(熱膨張係数が不連続に変化する点)において最大となり、中心軸から離れるに従って次第に小さくなる。
FIG. 3C is a graph showing a distribution of main stress difference σr (r) −σθ (r) determined according to the thermal expansion coefficient distribution shown in FIG. As shown in the figure, the main stress difference is 0 in the inner region 13 (see FIG. 1) and takes a positive value in the outer region 14 (see FIG. 1). The absolute value of the main stress difference in the
図3(d)は、図3(a)に示す屈折率分布に応じて決まるLP11モードの電界強度|E(r)|の分布を示すグラフである。同図に示すように、LP11モードの電界強度|E(r)|のピークは、コア11(図1参照)の内部に形成される。 FIG. 3D is a graph showing the distribution of the electric field intensity | E (r) | in the LP11 mode determined according to the refractive index distribution shown in FIG. As shown in the figure, the peak of the electric field intensity | E (r) | in the LP11 mode is formed inside the core 11 (see FIG. 1).
図3において注目すべき点は、第1の具体例と同様、内側領域13の半径をコア11の半径よりも小さくしている点である。これにより、主応力差σr(r)−σθ(r)が0でない値を取る外側領域14と、LP11モードの電界強度|E(r)|が0でない値を取るコア11とが重複し、その結果、伝播定数差βTM−βTEが0でない値を取る。何故なら、伝播定数差βTM−βTEは、屈折率差Δnrθ(r)=(C2−C1)[σr(r)−σθ(r)]とLP11モードの電界強度|E(r)|との重ね合わせ積分により近似されるからである。
The point to be noted in FIG. 3 is that the radius of the inner region 13 is made smaller than the radius of the core 11 as in the first specific example. As a result, the
特に、本具体例においては、内側領域13と外側領域14との境界(熱膨張係数が不連続に変化する点)がLP11モードの電界強度|E(r)|のピークと一致するように、熱膨張係数分布を定めている。これにより、内側領域13と外側領域14との境界がLP11モードの電界強度|E(r)|のピークと一致しない構成と比べて、伝播定数差βTM−βTEの絶対値を大きくすることができる。
In particular, in this example, the boundary between the inner region 13 and the outer region 14 (the point at which the thermal expansion coefficient changes discontinuously) matches the peak of the electric field strength | E (r) | Defines the coefficient of thermal expansion distribution. Thereby, the absolute value of the propagation constant difference βTM−βTE can be increased as compared with the configuration in which the boundary between the inner region 13 and the
なお、本具体例における伝播定数差βTM−βTEは、以下の理由により、正の値になる。まず、主応力差σr(r)−σθ(r)は、図3(c)に示すように、正の値を取る。また、C2−C1は、石英ガラスにおいて正の値(約3.6×10−5mm2/kg)を取る。したがって、屈折率差Δnrθ(r)が正の値となり、その結果、屈折率差Δnrθ(r)とLP11モードの電界強度|E(r)|との重ね合わせ積分により近似される伝播定数差βTM−βTEも正の値となる。このことは、LP11モードに属するTM01モード、HE21モード、TE01モードの伝播定数βTM、βHE、βTEの間に、βTM>βHE>βTEの関係が成り立つことを意味する。
Note that the propagation constant difference βTM−βTE in this specific example is a positive value for the following reason. First, the main stress difference σr (r) −σθ (r) takes a positive value as shown in FIG. Moreover, C2-C1 takes a positive value (about 3.6 × 10 −5
<ファイバレーザ>
本実施形態に係る偏波保持ファイバ1を備えたファイバレーザ2について、図4〜図5を参照して説明する。
<Fiber laser>
A
〔ファイバレーザの構成〕
ファイバレーザ2の構成について、図4を参照して説明する。図4は、ファイバレーザ2の構成を示すブロック図である。ファイバレーザ2は、図4に示すように、3本の光ファイバF1〜F3を備えている。
[Configuration of fiber laser]
The configuration of the
光ファイバF2は、ファイバレーザ2において増幅媒体として機能する希土類添加ファイバである。光ファイバF2は、例えば、本実施形態に係る偏波保持ファイバ1のコアに希土類を添加することにより実現される。
The optical fiber F <b> 2 is a rare earth-doped fiber that functions as an amplification medium in the
光ファイバF1は、ファイバレーザ2においてミラーとして機能するファイバブラッググレーティングであり、光ファイバF2の一方の端点P2に融着接続されている。光ファイバF1に書き込まれるブラッググレーティングのピッチは、発振波長のレーザ光を高い反射率で反射する(略全部を反射する)ように設定されている。
The optical fiber F1 is a fiber Bragg grating that functions as a mirror in the
光ファイバF3は、ファイバレーザ2においてハーフミラーとして機能するファイバブラッググレーティングであり、光ファイバF2の他方の端点P3に融着接続されている。光ファイバF3に書き込まれるブラッググレーティングのピッチは、発振波長のレーザ光を低い反射率で反射する(一部を反射し、一部を透過する)ように設定されている。
The optical fiber F3 is a fiber Bragg grating that functions as a half mirror in the
このように、増幅媒体として機能する光ファイバF2の両端に、ミラーとして機能する光ファイバF1と、ハーフミラーとして機能する光ファイバF3とを接続することによって、レーザ光を再帰的に増幅するためのキャビティが構成される。光ファイバF1の入力端P1から励起光L1を入力すると、光ファイバF3の出力端P4からレーザ光L2が出力される。 Thus, by connecting the optical fiber F1 functioning as a mirror and the optical fiber F3 functioning as a half mirror to both ends of the optical fiber F2 functioning as an amplification medium, the laser light can be amplified recursively. A cavity is constructed. When the excitation light L1 is input from the input end P1 of the optical fiber F1, the laser light L2 is output from the output end P4 of the optical fiber F3.
ところで、ファイバブラッググレーティングにおいて、あるモードに対する1次ブラッグ波長λBは、そのモードの伝播定数をβ、ブラッググレーティングのピッチをP、真空中の光速をC0として、式(3)により与えられる。 By the way, in the fiber Bragg grating, the primary Bragg wavelength λB for a certain mode is given by Equation (3), where β is the propagation constant of the mode, P is the pitch of the Bragg grating, and C0 is the speed of light in vacuum.
λB=C0・P・β/π ・・・(3)
光ファイバF1として、第2の具体例に係る偏波保持ファイバ1(βTM>βHE>βTE)を用いると、TM01モード、HE21モード、TE01モードに対する1次ブラッグ波長λTM1、λHE1、λTE1は、λTM1>λHE1>λTE1の関係を満たす。
λB = C0 · P · β / π (3)
When the polarization maintaining fiber 1 (βTM>βHE> βTE) according to the second specific example is used as the optical fiber F1, the primary Bragg wavelengths λTM1, λHE1, and λTE1 for the TM01 mode, HE21 mode, and TE01 mode are λTM1>. The relationship of λHE1> λTE1 is satisfied.
一方、光ファイバF3として、第1の具体例に係る偏波保持ファイバ1(βTE>βHE>βTM)を用いると、TM01モード、HE21モード、TE01モードの1次ブラッグ波長λTM2、λHE2、λTE2は、λTE1>λHE1>λTM1の関係を満たす。 On the other hand, when the polarization maintaining fiber 1 (βTE> βHE> βTM) according to the first specific example is used as the optical fiber F3, the primary Bragg wavelengths λTM2, λHE2, and λTE2 of the TM01 mode, the HE21 mode, and the TE01 mode are The relationship of λTE1> λHE1> λTM1 is satisfied.
この性質を利用すると、TM01モードを選択的に発振するファイバレーザ、及び、TE01モードを選択的に発振するファイバレーザを実現することができる。 By utilizing this property, a fiber laser that selectively oscillates the TM01 mode and a fiber laser that selectively oscillates the TE01 mode can be realized.
例えば、光ファイバF1及び光ファイバF3に書き込むブラッググレーティングのピッチを、図5に模式的に示すようにλTM1=λTM2となるように設定した場合、ファイバレーザ2は、TM01モードを選択的に発振するファイバレーザとなる。
For example, when the pitch of the Bragg gratings written to the optical fiber F1 and the optical fiber F3 is set to satisfy λTM1 = λTM2 as schematically shown in FIG. 5, the
何故なら、λTM1=λTM2となるのでTM01モードを光ファイバF1及び光ファイバF3の両方で反射することができ、TM01モードを再帰的に増幅するキャビティが構成されるのに対して、λTE1≠λTE2となるのでTE01モードを光ファイバF1及び光ファイバF3の両方で反射することができず、TE01モードを再帰的に増幅するキャビティが構成されないからである。 Because λTM1 = λTM2, the TM01 mode can be reflected by both the optical fiber F1 and the optical fiber F3, and a cavity for recursively amplifying the TM01 mode is configured, whereas λTE1 ≠ λTE2. Therefore, the TE01 mode cannot be reflected by both the optical fiber F1 and the optical fiber F3, and a cavity for recursively amplifying the TE01 mode is not configured.
また、光ファイバF1及び光ファイバF3に書き込むブラッググレーティングのピッチを、λTE1=λTE2となるように設定した場合、ファイバレーザ2は、TE01モードを選択的に発振するファイバレーザとなる。
Further, when the pitch of the Bragg gratings written to the optical fiber F1 and the optical fiber F3 is set to satisfy λTE1 = λTE2, the
何故なら、λTE1=λTE2となるのでTE01モードを光ファイバF1及び光ファイバF3の両方で反射することができ、TE01モードを再帰的に増幅するキャビティが構成されるのに対して、λTM1≠λTM2となるのでTM01モードを光ファイバF1及び光ファイバF3の両方で反射することができず、TM01モードを再帰的に増幅するキャビティが構成されないからである。 Because λTE1 = λTE2, the TE01 mode can be reflected by both the optical fiber F1 and the optical fiber F3, and a cavity for recursively amplifying the TE01 mode is formed, whereas λTM1 ≠ λTM2 and Therefore, the TM01 mode cannot be reflected by both the optical fiber F1 and the optical fiber F3, and a cavity for recursively amplifying the TM01 mode is not configured.
なお、光ファイバF2に添加する希土類は、LP11モードのモード形状に応じて分布させることが好ましい。例えば、光ファイバ2を、LP11モードの電界強度|E(r)|が閾値以上になる第1の領域と閾値以下になる第2の領域とに分け、第1の領域にのみ希土類を添加する。あるいは、添加する希土類の濃度が、LP11モードの電界強度|E(r)|と比例するようにする。このような構成を採用することによって、LP01モードでの発振を抑制しつつ、LP11モードに属するTM01モード、HE21モード、TE01の何れかを選択的に発振するファイバレーザを実現することができる。
The rare earth added to the optical fiber F2 is preferably distributed according to the mode shape of the LP11 mode. For example, the
なお、ファイバレーザ2からファイバブラッググレーティング(光ファイバF1及び光ファイバ)を省略すれば、偏波保持機能を有するファイバアンプが実現される。すなわち、本実施形態に係る偏波保持ファイバ1の適用範囲は、ファイバレーザに限らず、ファイバアンプをその範疇に含む光増幅器全般に及ぶ。
If the fiber Bragg grating (the optical fiber F1 and the optical fiber) is omitted from the
本発明は、加工用のレーザ光を発生させるファイバレーザやファイバアンプなどに好適に利用することができる。 The present invention can be suitably used for a fiber laser or a fiber amplifier that generates laser light for processing.
1 偏波保持ファイバ(光ファイバ)
11 コア
12 クラッド
13 内側領域
14 外側領域
2 ファイバレーザ(光増幅器)
FB1〜FB3 光ファイバ
1 Polarization maintaining fiber (optical fiber)
11
FB1-FB3 optical fiber
Claims (5)
当該偏波保持ファイバの中心軸に関して軸対称な熱膨張係数分布であって、上記中心軸に直交する方向である径方向に沿って値が変化する熱膨張係数分布を有しており、
径方向に沿った熱膨張係数の変化によって、径方向に作用する主応力と周方向に作用する主応力との間に差を生じさせ、
径方向に作用する主応力と周方向に作用する主応力との差によって、TM0mモードの伝播定数とTE0mモードの伝播定数との間に差を生じさせた、
ことを特徴とする偏波保持ファイバ。 In a polarization maintaining fiber that functions as a cylindrical optical waveguide and in which coupling between the TM0m mode and the TE0m mode belonging to the LP1m mode is suppressed ,
A axisymmetric thermal expansion coefficient distribution with respect to the central axis of the polarization maintaining fiber has a thermal expansion coefficient distribution of value changes along the radial direction is a direction orthogonal to the central axis,
A change in the thermal expansion coefficient along the radial direction causes a difference between the principal stress acting in the radial direction and the principal stress acting in the circumferential direction,
Due to the difference between the principal stress acting in the radial direction and the principal stress acting in the circumferential direction, a difference was caused between the TM0m mode propagation constant and the TE0m mode propagation constant.
A polarization-maintaining fiber characterized by that.
ことを特徴とする請求項1に記載の偏波保持ファイバ。 The thermal expansion coefficient distribution is a step type in which the value changes discontinuously only at a point where the distance from the central axis is rT (constant) .
The polarization maintaining fiber according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の偏波保持ファイバ。 The distance from the point where the thermal expansion coefficient changes discontinuously on a straight line perpendicular to the central axis to the central axis is smaller than the core radius of the polarization maintaining fiber ,
The polarization maintaining fiber according to claim 2.
ことを特徴とする請求項3に記載の偏波保持ファイバ。 Distance from the point where the thermal expansion coefficient on a line perpendicular to the upper Symbol central axis changes discontinuously distance to the central axis, until the central axis from the point where the field strength of the LP1m mode on the same straight line is maximum Is equal to
The polarization maintaining fiber according to claim 3.
ことを特徴とする光増幅器。 Including the polarization maintaining fiber according to any one of claims 1 to 4 .
An optical amplifier characterized by that.
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