JP7284869B2 - 光デバイス及びファイバレーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光デバイス及びファイバレーザ装置に関する。
本願は、２０２０年４月１５日に日本に出願された特願２０２０－０７２９７１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、加工分野、自動車分野、医療分野等の様々な分野において、ファイバレーザ装置が注目されている。ファイバレーザ装置は、従来のレーザ装置（例えば、炭酸ガスレーザ装置）に比べて、ビーム品質及び集光性が優れているという特徴がある。また、ファイバレーザ装置は、空間光学部品が不要なため、アライメント等の問題がない、メンテナンスが不要である、等の利点もある。
特許文献１には、コアに希土類イオンが添加された増幅用ファイバにフィルタ部を設け、基本モードに加えて特定の高次モードのみを伝搬させるようにしたファイバレーザ装置が開示されている。このファイバレーザ装置では、特定の高次モードを伝搬させることで、コアの中心およびコアの中心近傍を除いた領域（すなわちコアの外周部近傍の領域）に分布する希土類イオンも光の増幅に寄与できるようになる。このため、出射光のビーム品質を維持しつつ希土類イオンによる増幅効率を高めることができる。
日本国特開２０１８－１９０８３４号公報
ところで、高出力のファイバレーザ装置では、ＴＭＩ（Transverse Mode Instability：Thermal Modal Instability ともいう）現象が発生し得る。ＴＭＩ現象とは、増幅用ファイバに投入する励起光のパワーを増大させていくと、量子欠損に起因する周期的な熱グレーティングが発生し、基本モードから高次モードへモード間の結合が生じて、信号光（レーザ光）の出力が抑制されたり、信号光のビーム品質が悪化したりする現象である。特許文献１では、ＴＭＩ現象が何ら考慮されておらず、励起光から信号光への変換効率を高めることについて改善の余地があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、励起光から信号光への変換効率を高めることができる光デバイス及びファイバレーザ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様による光デバイスは、第１反射部（１３ａ）を有する第１ファイバ（１３）と、第２反射部（１５ａ）を有する第２ファイバ（１５）と、前記第１ファイバに接続される第１端（１４ａ）及び前記第２ファイバに接続される第２端（１４ｂ）を有し、規格化周波数が５．１３以上である増幅用ファイバ（１４）と、を備え、前記増幅用ファイバが、一平面上で交差しないように且つ前記第１端が内側に位置するように巻回されており、円状に巻回された外側区間（ＳＣ１）と、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された第１円弧部（ＡＲ１）が少なくとも２つ形成されるよう巻回された内側区間（ＳＣ２）と、を有する。
上記態様による光デバイスでは、増幅用ファイバが、一平面上で交差しないように且つ前記第１端が内側に位置するように巻回されている。この増幅用ファイバは、円状に巻回された外側区間と、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された第１円弧部が少なくとも２つ形成されるよう巻回された内側区間と、を有する。第１ファイバと増幅用ファイバの第１端との接続点で生じたＬＰ１１モードよりも高次のモードが内側区間の第１円弧部で除去されることにより、熱グレーティングの形成が抑制されてＴＭＩ現象は発生しない。その結果、励起光から信号光への変換効率を高めることができる。また、増幅用ファイバが一平面上で交差しないことにより（第一端が内側に位置するように巻回されることにより）、増幅用ファイバが交差する場合と比較して、増幅用ファイバの温度が上昇しづらいため、変換効率を高めることができる。
また、上記態様による光デバイスは、前記内側区間が、前記第１円弧部と、前記第１円弧部よりも曲率半径が大きな第２円弧部（ＡＲ２）が交互に現れるように巻回されていてもよい。
また、上記態様による光デバイスは、前記内側区間が、楕円形状に巻回されていてもよい。
また、上記態様による光デバイスは、少なくとも２つの前記第１円弧部が、前記第１端からの距離がコヒーレント長よりも短くなる位置に形成されていてもよい。
また、上記態様による光デバイスは、前記増幅用ファイバが、複数のモードの光を伝播可能なフューモードファイバであり、前記第１円弧部が、所定のモードよりも高次のモードの光が前記増幅用ファイバのコアから除かれるように曲げられていてもよい。
また、上記態様による光デバイスは、前記第１反射部の反射率が、前記第２反射部の反射率よりも高くてもよい。
また、上記態様による光デバイスは、前記第１端を収容する第１補強部（Ｑ１）と、前記第２端を収容する第２補強部（Ｑ２）と、を備えていてもよい。
また、上記態様による光デバイスは、前記第２端が、前記外側区間の外側に配置されており、前記外側区間と前記第２端との間に、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された第３円弧部（ＡＲ３）が少なくとも２つ形成されていてもよい。
本発明の第２の態様によるファイバレーザ装置（１～３）は、上記の何れかに記載の光デバイスと、複数の励起光源（１１、１８）と、前記複数の励起光源から射出される励起光を前記光デバイスに結合させるコンバイナ（１２、１９）と、を備える。
また、上記態様によるファイバレーザ装置は、前記コンバイナが、前記光デバイスの前記第１ファイバ及び前記第２ファイバの少なくとも一方に前記励起光を結合させてもよい。
本発明の上記態様によれば、励起光から信号光への変換効率を高めることができる、という効果がある。
本発明の第１実施形態によるファイバレーザ装置の要部構成を示す図である。 本発明の第１実施形態による光デバイスの平面図である。 本発明の第１実施形態において、恒久ねじれが付与された増幅用ファイバを示す説明図である。 本発明の第２実施形態によるファイバレーザ装置の要部構成を示す図である。 本発明の第２実施形態による光デバイスの平面図である。 本発明の第３実施形態によるファイバレーザ装置の要部構成を示す図である。 比較例のファイバレーザ装置が備える光デバイスの平面図である。 その他の比較例のファイバレーザ装置が備える光デバイスの平面図である。 実施例及び比較例のファイバレーザ装置における投入電流と変換効率との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で用いた励起光源のスペクトルを示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態による光デバイス及びファイバレーザ装置について詳細に説明する。また、本発明は以下の実施形態に限定されない。
〔第１実施形態〕
〈ファイバレーザ装置〉
図１は、本発明の第１実施形態によるファイバレーザ装置の要部構成を示す図である。図１に示す通り、本実施形態のファイバレーザ装置１は、複数の励起光源１１、コンバイナ１２、共振器用ファイバ１３（第１ファイバ）、増幅用ファイバ１４、共振器用ファイバ１５（第２ファイバ）、デリバリファイバ１６、及び出力端１７を備える。このようなファイバレーザ装置１は、いわゆる前方励起型のファイバレーザ装置である。
ここで、共振器用ファイバ１３、増幅用ファイバ１４、及び共振器用ファイバ１５は、光デバイスＲを構成している。光デバイスＲは、励起光源１１が出力する励起光によってレーザ光である信号光を生成する共振器である。尚、光デバイスＲに、他の構成要素（例えば、デリバリファイバ１６、出力端１７等）を含めてもよい。
尚、本明細書では、増幅用ファイバ１４から見て、励起光源１１側を「前方」といい、出力端１７側を「後方」という場合がある。
また、図１では、各種ファイバの融着接続部を×印で示している。この融着接続部は、実際には、補強部Ｑ１，Ｑ２（図２参照）の内部に配置されて保護される。補強部Ｑ１，Ｑ２は、例えば、光ファイバを収容可能な溝が形成されたファイバ収容体と、融着接続部がファイバ収容体の溝に収容された状態で各種ファイバをファイバ収容体に固定する樹脂とを備える。尚、図１以外の図においても、各種ファイバの融着接続部を×印で示している。
励起光源１１は、励起光（前方励起光）を出力する。励起光源１１の数は、ファイバレーザ装置１の出力端１７から出力されるレーザ光のパワーに応じて任意の数とすることができる。励起光源１１としては、例えば、レーザダイオードを用いることができる。コンバイナ１２は、励起光源１１の各々が出力した励起光を、光デバイスＲの前方の端部（共振器用ファイバ１３の前方の端部）に結合させる。
共振器用ファイバ１３の前方の端部は、コンバイナ１２に融着接続されており、共振器用ファイバ１３の後方の端部は、増幅用ファイバ１４の前方の端部１４ａ（第１端）に融着接続されている。尚、以下では、共振器用ファイバ１３と増幅用ファイバ１４との融着接続部を「融着接続部Ｆ１」という。共振器用ファイバ１３のコア内には、ＨＲ－ＦＢＧ（High Reflectivity-Fiber Bragg Grating）１３ａ（第１反射部）が形成されている。ＨＲ－ＦＢＧ１３ａは、励起状態にされた増幅用ファイバ１４の活性元素が放出する光のうち、信号光の波長の光をほぼ１００％の反射率で反射するように調整されている。ＨＲ－ＦＢＧ１３ａは、その長手方向に沿って一定の周期で高屈折率の部分が繰り返される構造となっている。
増幅用ファイバ１４は、１種類又は２種類以上の活性元素が添加されたコアと、コアを覆う第１クラッドと、第１クラッドを覆う第２クラッドと、第２クラッドを覆う被覆とを有する。つまり、増幅用ファイバ１４は、ダブルクラッドファイバである。コアに添加される活性元素としては、例えばエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、或いはネオジム（Ｎｄ）等の希土類元素が使用される。これらの活性元素は、励起状態で光を放出する。
コア及び第１クラッドとしてはシリカガラス等を用いてもよい。第２クラッドとしては、ポリマー等の樹脂を用いてもよい。被覆としては、アクリル樹脂やシリコーン樹脂等の樹脂材料を用いてもよい。増幅用ファイバ１４は、いわゆるフューモードファイバであり、複数のモードを伝播可能である。フューモードファイバが伝播するモードの数は、例えば、２以上２５以下である。
増幅用ファイバ１４の規格化周波数は、３．８３以上であることが望ましい。好ましくは、増幅用ファイバ１４の規格化周波数は、５．１３以上であることが望ましい。規格化周波数が５．１３以上の増幅用ファイバは、規格化周波数が３．８３以上の増幅用ファイバと比較して、コア径を拡大することができ、ファイバの実行断面積を大きくすることができるので、非線形光学効果を抑制することができる。ここで、規格化周波数は、光ファイバの仕様を表す指標の１つであり、光ファイバを伝播するモードの数を規定する。光ファイバを伝播することができるモードの数は、規格化周波数が大きいほど多くなり、小さいほど少なくなる。
規格化周波数が５．１３（有効数字３桁の場合）未満である場合に、光ファイバ内を伝播できるモードは、高次モードであるＬＰ０２モード、ＬＰ２１モード、ＬＰ１１モードと、基本モードであるＬＰ０１モードとの合計４モードである。増幅用ファイバ１４の規格化周波数が５．１３以上である場合には、上記の４モードに加えて、より高次のモードが増幅用ファイバ１４を伝播できる。
尚、規格化周波数が３．８３（有効数字３桁の場合）未満である場合に、光ファイバ内を伝播できるモードは、ＬＰ１１モード及びＬＰ０１モードの合計２モードである。規格化周波数が２．４０（有効数字３桁の場合）未満である場合に、光ファイバ内を伝播できるモードは、ＬＰ０１モードのみとなる。尚、規格化周波数の詳細については、例えば、前述した特許文献１を参照されたい。
増幅用ファイバ１４内における融着接続部Ｆ１の近傍には、モードフィルタＭＦ１が設けられている。このモードフィルタＭＦ１は、共振器用ファイバ１３と増幅用ファイバ１４との融着接続部Ｆ１で発生する高次モード（ＴＭＩ現象を発生させ得る高次モード）を除去し、ＴＭＩ現象を抑制するために設けられる。モードフィルタＭＦ１は、例えば、増幅用ファイバ１４の一部が曲げられることによって実現され、ＬＰ１１モードよりも高次のモード（例えば、ＬＰ０２モードやＬＰ２１モード等）を除去するように設計されている。つまり、モードフィルタＭＦ１は、ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードが通過できるよう設計されている。尚、モードフィルタＭＦ１を含めた光デバイスＲの具体的な構成については後述する。
共振器用ファイバ１５の前方の端部は、増幅用ファイバ１４の後方の端部１４ｂ（第２端）に融着接続されており、共振器用ファイバ１５の後方の端部は、デリバリファイバ１６の前方の端部に融着接続されている。尚、以下では、共振器用ファイバ１５と増幅用ファイバ１４との融着接続部を「融着接続部Ｆ２」という。共振器用ファイバ１５のコア内には、ＯＣ－ＦＢＧ（Output Coupler-Fiber Bragg Grating）１５ａ（第２反射部）が形成されている。ＯＣ－ＦＢＧ１５ａは、ＨＲ－ＦＢＧ１３ａとほぼ同様の構造を有しているが、ＨＲ－ＦＢＧ１３ａよりも低い反射率で、光を反射するように調整されている。例えば、ＯＣ－ＦＢＧ１５ａは、信号光の波長の光に対する反射率が１０～２０％程度となるように調整されている。
増幅用ファイバ１４内では、ＨＲ－ＦＢＧ１３ａ及びＯＣ－ＦＢＧ１５ａで反射した信号光が、増幅用ファイバ１４の長手方向で往復する。信号光は、この往復に伴って増幅されてレーザ光となる。このように、光デバイスＲ内では、光が増幅されて信号光（レーザ光）が生成される。
デリバリファイバ１６は、光デバイスＲ内で生成されたレーザ光を伝送する。デリバリファイバ１６、コアと、コアを囲うクラッドと、クラッドを覆う被覆とを備える。デリバリファイバ１６としては、例えば、シングルモードファイバを用いてもよい。デリバリファイバ１６は、例えば、マルチモードファイバであっても、フューモードファイバであってもよい。
出力端１７は、デリバリファイバ１６の後方の端部に接続されており、デリバリファイバ１６によって伝送されてきたレーザ光を射出する。出力端１７は、デリバリファイバ１６によって伝送されてきたレーザ光を透過する柱状体（光透過柱状部材）を備える。この部材は、いわゆるエンドキャップと呼ばれる。
〈光デバイス〉
図２は、本発明の第１実施形態による光デバイスの平面図である。尚、図２においては、図１に示す構成と同じ構成には同じ符号を付してある。図２に示す通り、光デバイスＲは、共振器用ファイバ１３、増幅用ファイバ１４、及び共振器用ファイバ１５を備えており、放熱板Ｐ上に搭載されている。放熱板Ｐは、例えば、熱伝導性の高い材料（例えば、アルミニウム、銅等）によって形成された平板状の部材である。放熱板Ｐは、光デバイスＲを冷却するために設けられる。尚、放熱板Ｐは、内部に冷媒を流通することができる流路を有していてもよい。
増幅用ファイバ１４は、一平面上（放熱板Ｐ上）で交差しないように巻回されている。具体的に、増幅用ファイバ１４は、端部１４ａ（第１端）が最内周に位置し、端部１４ｂ（第２端）が最外周に位置し、且つ一平面上（放熱板Ｐ上）で交差しないように一方向（図２に示す例では、端部１４ｂから右回り（時計回り））に巻回されている。つまり、増幅用ファイバ１４は、増幅用ファイバ１４と共振器用ファイバ１３との融着接続部Ｆ１が最内周に位置し、増幅用ファイバ１４と共振器用ファイバ１５との融着接続部Ｆ２が最外周に位置するよう巻回されている。
増幅用ファイバ１４に接続された共振器用ファイバ１３は、増幅用ファイバ１４に交差するように、増幅用ファイバ１４の外側（図２に示す例では、紙面左側）に延出している。尚、図２に示す例では、ＨＲ－ＦＢＧ１３ａが増幅用ファイバ１４の外側に配されているが、ＨＲ－ＦＢＧ１３ａは、増幅用ファイバ１４の内側に配されていてもよい。増幅用ファイバ１４に接続された共振器用ファイバ１５は、紙面右側に延出している。
ここで、共振器用ファイバ１３，１５は、希土類元素を実質的に含んでおらず、増幅用ファイバ１４に比べて発熱を生じにくい。このため、図２に示す通り、共振器用ファイバ１３が、増幅用ファイバ１４に交差するように配置されていても光デバイスＲ全体としての放熱効果を実質的に維持することができる。従って、増幅用ファイバ１４で発生する熱により被るダメージを低減できる。
尚、融着接続部Ｆ１を補強するための補強部Ｑ１（第１補強部）を設けてもよく、融着接続部Ｆ２を補強するための補強部Ｑ２（第２補強部）を設けてもよい。補強部Ｑ１，Ｑ２は、融着接続部Ｆ１，Ｆ２及び融着接続部Ｆ１，Ｆ２近傍における破損を防ぐために、図２に例示するように、一定の直線部分を有していてもよい。
また、増幅用ファイバ１４は、外側区間ＳＣ１と内側区間ＳＣ２とを有する。外側区間ＳＣ１は、軸Ｏの回りに円状（渦状）に巻回されて、内側に空間を有するコイル状にされた区間である。外側区間ＳＣ１において、増幅用ファイバ１４の曲率半径は、端部１４ｂから端部１４ａにかけて漸減し、外側区間ＳＣ１の最内周（外側区間ＳＣ１と内側区間ＳＣ２との境界）において最小となる。
内側区間ＳＣ２は、コイル状（渦状）にされた外側区間ＳＣ１の内側の空間に配置されている。内側区間ＳＣ２は、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された円弧部が少なくとも２つ形成されるように、増幅用ファイバ１４が巻回された区間である。ここで、増幅用ファイバ１４の端部１４ａは、内側区間ＳＣ２の終点を規定し、前述した通り、増幅用ファイバ１４の最内周に位置するようにされる。このため、増幅用ファイバ１４は、増幅用ファイバ１４の内側区間ＳＣ２で囲まれる領域よりも内側に端部１４ａが位置するように巻回されているということができる。
図２に例示する内側区間ＳＣ２は、楕円状に１周半に亘って巻回されている。つまり、図２に例示する内側区間ＳＣ２は、端部１４ａから外側区間ＳＣ１にかけて、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された円弧部ＡＲ１（第１円弧部）と、円弧部ＡＲ１よりも曲率半径が大きな円弧部ＡＲ２（第２円弧部）とが交互に現れるように巻回されている。
内側区間ＳＣ２の円弧部ＡＲ１は、図１に示すモードフィルタＭＦ１として機能する部位である。つまり、内側区間ＳＣ２の円弧部ＡＲ１は、共振器用ファイバ１３と増幅用ファイバ１４との融着接続部Ｆ１で発生する高次モード（ＴＭＩ現象を発生させ得る高次モード）を除去するために設けられる。このような円弧部ＡＲ１を内側区間ＳＣ２に少なくとも２つ設けるのは、上記の高次モードを十分に除去するためである。また、円弧部ＡＲ１，ＡＲ２が交互に現れるように巻回することで、増幅用ファイバ１４が補強部Ｑ１と接触することなく、高次のモードに十分な損失を与えることが可能なモードフィルタＭＦ１を形成することができる。
図２に例示する通り、内側区間ＳＣ２を楕円状に巻回することで、円弧部ＡＲ１の合計の長さ（円弧部ＡＲ１の弧の長さの合計）を円弧部ＡＲ１の曲率半径を有する円の１周の長さ以上にすることができるとともに、巻き回された増幅用ファイバ１４の内側に、直線部分を有する補強部Ｑ１を配置することができる。円弧部ＡＲ１の合計の長さを円弧部ＡＲ１の曲率半径を有する円の１周の長さ以上にすることで、高次モードに対して十分な損失を与えることが可能になる。ここで、例えば、円弧部ＡＲ１の長さが融着接続部Ｆ１の直後にある半周分のみである場合には、増幅用ファイバ１４が高温になると、高次モードに対して十分な損失を与えられない可能性が考えられる。尚、円弧部ＡＲ２の曲率半径は、円弧部ＡＲ１の曲率半径よりも大きければよく、外側区間ＳＣ１の曲率半径の最小値より大きくてもよく、小さくてもよい。或いは、円弧部ＡＲ２は、直線状とされていてもよい。
ここで、円弧部ＡＲ１の曲率半径の最小値ｒｍｉｎは、増幅用ファイバ１４内を伝播するビーム品質を悪化させずに且つ、増幅用ファイバ１４の機械的信頼性を満たす曲率半径ｒｓの２倍以下であってもよい。増幅用ファイバ１４内を伝播するビーム品質を悪化させない曲率半径ｒｂは、所定のモードよりも高次のモードの光が増幅用ファイバ１４のコアから除かれる曲率半径と定義することができる。例えば、当該所定のモードが、ＬＰ１１モードよりも高次のモード光である場合には、曲率半径ｒｂは、ＬＰ１１モードよりも高次のモード光が増幅用ファイバのコアから除かれる（損失を受ける）曲率半径である。
増幅用ファイバ１４の機械的信頼性を満たす曲率半径ｒｓは、増幅用ファイバ１４を曲げたときに破断する曲率半径と定義することができる。曲率半径ｒｂ及び曲率半径ｒｓのうち何れか大きい方を曲率半径ｒｆとすると、ｒｆ＜ｒｍｉｎ≦２ｒｓを満たすように、円弧部ＡＲ１の曲率半径の最小値ｒｍｉｎを設定することができる。上記式を満たすように円弧部ＡＲ１の曲率半径の最小値ｒｍｉｎを設定することで、所望のビーム品質及び機械的強度を確保することができる。また、増幅用ファイバ１４のフットプリントをより小さくすることもできる。即ち、所望のビーム品質及び機械的強度を確保しつつ、より小型な光部品を提供できる。
モードフィルタＭＦ１（円弧部ＡＲ１）は、高次モードの発生箇所である融着接続部Ｆ１の近傍に配置されることが好ましい。その理由は以下の通りである。つまり、本実施形態のようなファイバレーザ装置１は、一般的に、非線形光学効果を抑制するため、縦モード（発振波長）もマルチモードになっている。そのため、融着接続部Ｆ１では、波長に拘わらず基本モード（ＬＰ０１モード）から高次モードへモード間の結合が生ずる。融着接続部Ｆ１で生じた高次モードは、波長毎に伝搬速度が違うことに起因し、しばらく導波するとコヒーレンシーが失われてしまう。
つまり、融着接続部Ｆ１からコヒーレント長（モード間干渉により生じるビートの持続長）以上に離れた箇所では、各基本モードと高次モードとが可干渉性を失っているため、熱グレーティングが小さくなり、結果として高次モードへの結合が小さくなる。コヒーレント長以上に離れた箇所で高次モードを除去したとしても、その箇所に至るまでに高次モードへの結合が生じているため、効率低下の抑制という観点では効果を発現しにくい。このような理由で、モードフィルタＭＦ１（円弧部ＡＲ１）は、融着接続部Ｆ１の近傍に配置されることが好ましい。
このことを踏まえると、融着接続部Ｆ１（端部１４ａ）とモードフィルタＭＦ１（円弧部ＡＲ１）との間の間隔は、増幅用ファイバ１４を伝播する信号光の波長の光においてコヒーレント長よりも短いと良い。また、モードフィルタＭＦ１の長さ（円弧部ＡＲ１の合計の長さ）は長ければ長い方が良いが、モードフィルタＭＦ１（少なくとも２つの円弧部ＡＲ１）は、融着接続部Ｆ１（端部１４ａ）と、融着接続部Ｆ１（端部１４ａ）からコヒーレント長だけ離れた位置と、の間の領域に配置されていると良い。
また、融着接続部Ｆ１を補強する補強部Ｑ１が設けられている場合には、モードフィルタＭＦ１（円弧部ＡＲ１）は、補強部Ｑ１の後方の端部の直後に設けられているのが望ましい。尚、増幅用ファイバ１４の融着接続部Ｆ１に近い部位は、発熱により光学特性が変化しやすい場合がある。このような場合は、融着接続部Ｆ１（端部１４ａ）とモードフィルタＭＦ１（円弧部ＡＲ１）との間の間隔を長くするのが望ましい。但し、その間隔は、上記のコヒーレント長よりも短いと良い。
ここで、増幅用ファイバ１４を伝播する任意の２つのモードの実行屈折率Ｎｅｆｆの差をΔＮｅｆｆとし、増幅用ファイバ１４の伝搬波長をλ、波長幅をΔλとすると、モード間干渉により生じるビートの持続長であるコヒーレント長Ｌｃは、以下の（１）式で表される。
Ｌｃ＝２／ΔＮｅｆｆ×λ２／Δλ …（１）
例えば、比屈折率差が０．３％であり、コア媒体屈折率が１．４５であり、コア径が５０μｍである増幅用ファイバ１４のコアを、伝搬波長λが１０７０ｎｍであり、波長幅Δλが１ｎｍであるＬＰ０１モードとＬＰ０２モードとが増幅用ファイバ１４を伝播するとする。このときのＬＰ０１モードとＬＰ０２モードとの実行屈折率差ΔＮｅｆｆは、０．０００２８となる。上記（１）式から、モード間干渉により生じるビートの持続長であるコヒーレント長Ｌｃは、８．１８ｍと求められる。
ここで、増幅用ファイバ１４には、恒久ねじれが付与されていてもよい。図３は、本発明の第１実施形態において、恒久ねじれが付与された増幅用ファイバを示す説明図である。図３に示す例において、増幅用ファイバ１４は、コア２１と、コア２１の外側を覆う第１クラッド２２と、第１クラッド２２の外側を覆う第２クラッド２３と、を有するダブルクラッド光ファイバである。増幅用ファイバ１４の長手方向に垂直な断面において、第１クラッド２２の断面は正７角形（非円形クラッド）である。
第１クラッド２２と第２クラッド２３との境界が２回軸対称でない正７角形であるため、クラッドを導波してコアに到達せず、励起光として寄与しない光、いわゆるスキュー光を抑制することができる。しかしながら、第１クラッド２２の断面形状を多角形にしただけでは、依然としてスキュー光が残る。スキュー光をさらに低減し、励起光の利用効率をさらに向上させるために、増幅用ファイバ１４は、増幅用ファイバ１４の中心軸を中心として周方向にねじられるように巻回されている。
増幅用ファイバ１４がねじられているため、第１クラッド２２の正７角形の向きが増幅用ファイバ１４の場所によって異なる。そのため、図３に示すように、スキュー光Ｌｓの入射角θ１，θ２，θ３（反射角）は、増幅用ファイバ１４の長手方向において場所によって変化する。すなわち、θ１≠θ２≠θ３である。この入射角および反射角の変化により、スキュー光Ｌｓは、第１クラッド２２内を進むうちにコア２１に入射するようになり、励起光として寄与する。これにより、励起光の利用効率を上げることができ、出力光のパワーを高めることができる。
増幅用ファイバ１４のねじれ量が多すぎると、ビーム品質が低下するという問題が生じる。このため、増幅用ファイバ１４のねじれ量は、３回転／ｍ以下であることが好ましい。この場合、ビーム品質の劣化、具体的にはＭ２値の上昇を抑えることができる。Ｍ２値は、ガウスビームからのずれを定量的に示す指標であり、回折限界の何倍までビームを絞ることができるかを示す。尚、増幅用ファイバ１４の全長にわたってねじれ量が一定であってもよい。或いは、増幅用ファイバ１４のねじれ量を、ＨＲ－ＦＢＧ１３ａに近づくにつれて大きくなるように設定してもよい。
ここで、ＴＭＩ現象の発現は、熱グレーティングの発生と密接な関係がある。熱グレーティングの発生に影響を与えるパラメータとしては、例えば、以下のパラメータが挙げられる。
αｐｕｍｐ：増幅用ファイバ１４における励起光の吸収率
Ｐｐｕｍｐ：増幅用ファイバ１４に入力される励起光のパワー
ａ：信号光密度と励起光密度との比率
ω：ビート変調度（モード間干渉によって生じる増幅用ファイバ１４内の光強度のうねりにおける山部と谷部との差又は比）
ＴＭＩ現象は、αｐｕｍｐ、Ｐｐｕｍｐ、ωが大きいほど発現しやすく、ａが小さいほど発現しやすい。
以上の通り、本実施形態では、規格化周波数が５．１３以上である増幅用ファイバ１４が、一平面上で交差しないように且つ端部１４ａが最内周に位置するように巻回されている。この増幅用ファイバ１４は、円状に巻回された外側区間ＳＣ１と、外側区間ＳＣ１の内側に巻回された内側区間ＳＣ２とを有している。内側区間ＳＣ２には、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された円弧部ＡＲ１が少なくとも２つ形成されており、この円弧部ＡＲ１がモードフィルタＭＦ１として機能する。
共振器用ファイバ１３と増幅用ファイバ１４との融着接続部Ｆ１で発生した高次モード（ＴＭＩ現象を発生させ得る高次モード）は、増幅用ファイバ１４内における融着接続部Ｆ１の近傍に設けられたモードフィルタＭＦ１で除去される。例えば、増幅用ファイバ１４のコアを伝播するＬＰ１１モードよりも高次のモード（例えば、ＬＰ０２モードやＬＰ２１モード等）がモードフィルタＭＦ１で除去される。
これにより、上述したパラメータのうちのビート変調度ωを小さくすることができるため、ＴＭＩ現象の発現を抑制することができ、その結果として、励起光から信号光への変換効率を高めることができる。また、本実施形態では、巻き回された増幅用ファイバ１４の内側に、直線部分を有する補強部Ｑ１を配置することができるため、信頼性（機械的信頼性）を高めることができる。また、増幅用ファイバが一平面上で交差しないことにより（第一端が内側に位置するように巻回されることにより）、増幅用ファイバが交差する場合と比較して、増幅用ファイバの温度が上昇することを抑えることができるため、変換効率を高めることができる。
〔第２実施形態〕
〈ファイバレーザ装置〉
図４は、本発明の第２実施形態によるファイバレーザ装置の要部構成を示す図である。尚、図４においては、図１に示す構成と同様の構成については同一の符号を付してある。本実施形態のファイバレーザ装置２は、モードフィルタＭＦ１に加えてモードフィルタＭＦ２が増幅用ファイバ１４に形成されている点が、図１に示すファイバレーザ装置１とは異なる。
モードフィルタＭＦ２は、増幅用ファイバ１４内における融着接続部Ｆ２の近傍に設けられている。このモードフィルタＭＦ２は、増幅用ファイバ１４と共振器用ファイバ１５との融着接続部Ｆ２で発生する高次モードを除去する。モードフィルタＭＦ２は、モードフィルタＭＦ１と同様に、例えば、増幅用ファイバ１４の一部が曲げられることによって実現され、ＬＰ１１モードよりも高次のモード（例えば、ＬＰ０２モードやＬＰ２１モード等）を除去するように設計されている。つまり、モードフィルタＭＦ２も、ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードのみが通過できるよう設計されている。
〈光デバイス〉
図５は、本発明の第２実施形態による光デバイスの平面図である。尚、図５においては、図２に示す構成と同じ構成には同じ符号を付してある。図５に示す光デバイスＲは、増幅用ファイバ１４の外側区間ＳＣ１と端部１４ｂとの間に、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された円弧部ＡＲ３（第３円弧部）が少なくとも２つ形成されている。
円弧部ＡＲ３は、図４に示すモードフィルタＭＦ２として機能する部位である。つまり、円弧部ＡＲ３は、増幅用ファイバ１４と共振器用ファイバ１５との融着接続部Ｆ２で発生する高次モードを除去するために設けられる。このような円弧部ＡＲ３を少なくとも２つ設けるのは、上記の高次モードを十分に除去するためである。円弧部ＡＲ３は、例えば内側区間ＳＣ２に形成された円弧部ＡＲ１と同じ曲率半径に形成されている。
図５に示す例では、光デバイスＲは、外側区間ＳＣ１から端部１４ｂにかけて、円弧部ＡＲ３、円弧部ＡＲ３よりも曲率半径が大きな円弧部ＡＲ４、及び円弧部ＡＲ３が順に現れるように形成されている。ここで、円弧部ＡＲ４は、２つの円弧部ＡＲ３を接続するために設けられる部位であり、一平面上で自身が交差しないよう且つ２つの円弧部ＡＲ３とも交差しないようにされている。すなわち、モードフィルタＭＦ２は、円状（渦状）に巻き回された増幅用ファイバ１４により構成されていてもよい。円弧部ＡＲ３の合計の長さは、例えば、円弧部ＡＲ３の曲率半径を有する円の１周の長さ以上にされる。
モードフィルタＭＦ２（円弧部ＡＲ３）は、高次モードの発生箇所である融着接続部Ｆ２の近傍に配置されることが好ましい。また、融着接続部Ｆ２（端部１４ｂ）とモードフィルタＭＦ２（円弧部ＡＲ３）との間の間隔は、増幅用ファイバ１４を伝播する信号光の波長の光において前述したコヒーレント長よりも短いと良い。また、モードフィルタＭＦ２の長さ（円弧部ＡＲ３の合計の長さ）は長ければ長い方が良いが、モードフィルタＭＦ２（円弧部ＡＲ３）は、融着接続部Ｆ２（端部１４ｂ）と、融着接続部Ｆ２（端部１４ｂ）からコヒーレント長だけ離れた位置と、の間の領域に配置されていると良い。
また、融着接続部Ｆ２を補強する補強部Ｑ２が設けられている場合には、モードフィルタＭＦ２（円弧部ＡＲ３）は、補強部Ｑ２の前方の端部の直前に設けられているのが望ましい。また、増幅用ファイバ１４には、第１実施形態と同要に、恒久ねじれが付与されていてもよい。
また、本実施形態でも、規格化周波数が５．１３以上である増幅用ファイバ１４が、一平面上で交差しないように且つ端部１４ａが最内周に位置するように巻回されている。この増幅用ファイバ１４は、円状（渦状）に巻回された外側区間ＳＣ１と、外側区間ＳＣ１の内側に巻回された内側区間ＳＣ２とを有している。内側区間ＳＣ２には、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された円弧部ＡＲ１が少なくとも２つ形成されている。この円弧部ＡＲ１は、モードフィルタＭＦ１として機能し、ＬＰ１１モードよりも高次のモード（例えば、ＬＰ０２モードやＬＰ２１モード等）がモードフィルタＭＦ１で除去される。
また、本実施形態では、増幅用ファイバ１４の外側区間ＳＣ１と端部１４ｂとの間に、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された円弧部ＡＲ３が少なくとも２つ形成されている。この円弧部ＡＲ３は、モードフィルタＭＦ２として機能し、ＬＰ１１モードよりも高次のモード（例えば、ＬＰ０２モードやＬＰ２１モード等）がモードフィルタＭＦ２で除去される。
以上により、前述したビート変調度ωを小さくすることができるため、ＴＭＩ現象の発現を抑制することができ、その結果として、励起光から信号光への変換効率を高めることができる。また、本実施形態でも、巻き回された増幅用ファイバ１４の内側に、直線部分を有する補強部Ｑ１を配置することができるため、信頼性（機械的信頼性）を高めることができる。また、増幅用ファイバが一平面上で交差しないことにより（第一端が内側に位置するように巻回されることにより）、増幅用ファイバが交差する場合と比較して、増幅用ファイバの温度が上昇しづらいため、変換効率を高めることができる。
〔第３実施形態〕
〈ファイバレーザ装置〉
図６は、本発明の第３実施形態によるファイバレーザ装置の要部構成を示す図である。尚、図６においては、図４に示す構成と同様の構成については同一の符号を付してある。本実施形態のファイバレーザ装置３は、複数の励起光源１８及びコンバイナ１９を備える点が、図４に示すファイバレーザ装置２とは異なる。このようなファイバレーザ装置３は、いわゆる双方向励起型のファイバレーザ装置である。
励起光源１８は、励起光（後方励起光）を出力する。励起光源１８の数は、ファイバレーザ装置３の出力端１７から出力されるレーザ光のパワーに応じて任意の数とすることができる。励起光源１８としては、励起光源１１と同様に、例えば、レーザダイオードを用いることができる。コンバイナ１９は、励起光源１８の各々が出力した励起光を、光デバイスＲの後方の端部（共振器用ファイバ１５の後方の端部）に結合させる。
本実施形態のファイバレーザ装置３が備える光デバイスＲは、第２実施形態のファイバレーザ装置２が備える光デバイスＲと同じ構成である。但し、本実施形態のファイバレーザ装置３が備える光デバイスＲは、前方励起光のみならず後方励起光が供給される点が第２実施形態のファイバレーザ装置２が備える光デバイスＲとは異なる。
また、本実施形態でも、規格化周波数が５．１３以上である増幅用ファイバ１４が、一平面上で交差しないように且つ端部１４ａが最内周に位置するように巻回されている。この増幅用ファイバ１４は、円状（渦状）に巻回された外側区間ＳＣ１と、外側区間ＳＣ１の内側に巻回された内側区間ＳＣ２とを有している。内側区間ＳＣ２には、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された円弧部ＡＲ１が少なくとも２つ形成されている。この円弧部ＡＲ１は、モードフィルタＭＦ１として機能し、ＬＰ１１モードよりも高次のモード（例えば、ＬＰ０２モードやＬＰ２１モード等）がモードフィルタＭＦ１で除去される。
また、本実施形態では、増幅用ファイバ１４の外側区間ＳＣ１と端部１４ｂとの間に、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された円弧部ＡＲ３が少なくとも２つ形成されている。この円弧部ＡＲ３は、モードフィルタＭＦ２として機能し、ＬＰ１１モードよりも高次のモード（例えば、ＬＰ０２モードやＬＰ２１モード等）がモードフィルタＭＦ２で除去される。
以上により、前述したビート変調度ωを小さくすることができるため、ＴＭＩ現象の発現を抑制することができ、その結果として、励起光から信号光への変換効率を高めることができる。また、本実施形態でも、巻き回された増幅用ファイバ１４の内側に、直線部分を有する補強部Ｑ１を配置することができるため、信頼性（機械的信頼性）を高めることができる。また、増幅用ファイバが一平面上で交差しないことにより（第一端が内側に位置するように巻回されることにより）、増幅用ファイバが交差する場合と比較して、増幅用ファイバの温度が上昇しづらいため、変換効率を高めることができる。
本出願の発明者は、上記第１実施形態のファイバレーザ装置１を実施例として用意した。つまり、モードフィルタＭＦ１が形成された増幅用ファイバ１４と共振器用ファイバ１３，１５とによって構成される光デバイスＲを備えるファイバレーザ装置１を実施例として用意した。増幅用ファイバ１４は、規格化周波数が５．１３以上であり、コアにＹｂが添加されている。増幅用ファイバ１４は、図２に示す通りに巻回され、コイル状（渦状）の外側区間ＳＣ１と、モードフィルタＭＦ１として機能する円弧部ＡＲ１が形成された内側区間ＳＣ２とを有する。
円弧部ＡＲ１の曲率半径は、ＬＰ１１モードよりも高次のモード（例えば、ＬＰ０２モードやＬＰ２１モード等）が損失を受けるよう（除去されるよう）にした。共振器用ファイバ１３におけるＨＲ－ＦＢＧ１３ａの反射率を９９％とし、共振器用ファイバ１５におけるＯＣ－ＦＢＧ１５ａの反射率を１０％とした。図９は、実施例及び比較例で用いた励起光源のスペクトルを示す図である。図９に示す通り、励起光源１１から射出される励起光の強度がピークとなる波長は９７５ｎｍである。
比較例として、図７Ａおよび図７Ｂに示す構成の光デバイスＲ１，Ｒ２を備えるファイバレーザ装置を用意した。その他の構成は、上記した実施例のファイバレーザ装置１と同様である。図７Ａおよび図７Ｂは、比較例のファイバレーザ装置が備える光デバイスの平面図である。尚、図７Ａに示す光デバイスＲ１は、比較例１のファイバレーザ装置に備えられ、図７Ｂに示す光デバイスＲ２は、比較例２のファイバレーザ装置に備えられている。
比較例１のファイバレーザ装置が備える光デバイスＲ１は、図７Ａに示す通り、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された円弧部ＡＲ１を有しない。また、共振器用ファイバ１３と増幅用ファイバ１４との融着接続部Ｆ１及び補強部Ｑ１が巻き回された増幅用ファイバ１４の外側に配置されている。
比較例２のファイバレーザ装置が備える光デバイスＲ２には、図７Ｂに示す通り、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された円弧部ＡＲ１が１箇所だけ形成されている。尚、円弧部ＡＲ１の長さは、円弧部ＡＲ１の曲率半径を有する円の半周の長さである。
図８は、実施例及び比較例のファイバレーザ装置における投入電流と変換効率との関係を示すグラフである。図８に示すグラフの横軸は励起光源１１に投入した電流［Ａ］であり、縦軸は励起光からレーザ光への変換効率［％］である。尚、横軸の値が大きいほど増幅用ファイバ１４に入力される励起光のパワーが大きくなる。
図８に示す通り、比較例１のファイバレーザ装置は、投入電流が３６Ａを超えると投入電流と変換効率との線形性が崩れ、変換効率の急峻な低下が確認された。変換効率の急激な低下は、投入電流が４０Ａになるまで確認された。また、比較例２のファイバレーザ装置は、投入電流が３６Ａを超えても投入電流と変換効率との線形性がほぼ維持され、変換効率の低下を抑制することができた。しかしながら、投入電流が４０Ａを超えると変換効率の急峻な低下が確認された。これに対し、実施例のファイバレーザ装置は、投入電流が４０Ａを超えても変換効率の急峻な低下は確認されなかった。
本実施例及び比較例では、強度のピークとなる波長が９７５ｎｍである励起光を用いている。この波長（９７５ｎｍ）は、Ｙｂが添加されている増幅用ファイバ１４における吸収ピーク波長と一致しているため、比較例１ではビートによる熱グレーディングが生じ、前述したＴＭＩ現象によって変換効率の低下が起きたと考えられる。
ここで、比較例２では、図７Ｂに示す円弧部ＡＲ１によって余分な高次モードがある程度除去されたことで、ビートによる熱グレーティングの形成を抑制することができたと考えられる。しかしながら、比較例２では、円弧部ＡＲ１が十分な長さでなく、高次モードの除去が不十分であるために、投入電流が４０Ａを超えた場合にビートによる熱グレーディングが生じ、前述したＴＭＩ現象によって変換効率の低下が起きたと考えられる。
これに対し、実施例では、モードフィルタＭＦ１（複数の円弧部ＡＲ１）によって余分な高次モードが除去されたことで、ビートによる熱グレーティングの形成を抑制することができたと考えられる。これにより、投入電流が４０Ａを超えた場合であっても、ビートによる熱グレーティングの形成が抑制され、前述したＴＭＩ現象による変換効率の急激な低下は起きなかったと考えられる。このように、モードフィルタＭＦ１（複数の円弧部ＡＲ１）を用いて不要な高次モードを十分に除去することによる効果を確認することができた。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。
例えば、図２及び図５に示す光デバイスＲにおいて、ＨＲ－ＦＢＧ１３ａとＯＣ－ＦＢＧ１５ａとが入れ替わっていてもよい。つまり、共振器用ファイバ１３にＯＣ－ＦＢＧ１５ａが形成されており、共振器用ファイバ１５にＨＲ－ＦＢＧ１３ａが形成されていてもよい。
また、上述した実施形態のファイバレーザ装置１～３は、１つの出力端１７を有するが、出力端１７の先にさらに光ファイバ等を接続してもよい。また、出力端１７の先にビームコンバイナを接続し、複数のレーザ装置からのレーザ光を束ねるように構成されていてもよい。
また、上述した第１，第２実施形態のファイバレーザ装置は、いわゆる前方励起型のファイバレーザ装置であり、上述した第３実施形態のファイバレーザ装置は、いわゆる双方向励起型のファイバレーザ装置であった。しかしながら、ファイバレーザ装置は、第３実施形態のファイバレーザ装置３（図６参照）が備える励起光源１１及びコンバイナ１２が省略された、いわゆる後方励起型のファイバレーザ装置であってもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。
１～３…ファイバレーザ装置、１１…励起光源、１２…コンバイナ、１３…共振器用ファイバ（第１ファイバ）、１３ａ…ＨＲ－ＦＢＧ（第１反射部）、１４…増幅用ファイバ、１４ａ，１４ｂ…端部、１５…共振器用ファイバ（第２ファイバ）、１５ａ…ＯＣ－ＦＢＧ（第２反射部）、１８…励起光源、１９…コンバイナ、ＡＲ１～ＡＲ３…円弧部、Ｑ１，Ｑ２…補強部、Ｒ…光デバイス、ＳＣ１…外側区間、ＳＣ２…内側区間

Claims (10)

  1. 第１反射部を有する第１ファイバと、
    第２反射部を有する第２ファイバと、
    前記第１ファイバに接続される第１端及び前記第２ファイバに接続される第２端を有し、規格化周波数が５．１３以上である増幅用ファイバと、
    を備え、
    前記増幅用ファイバは、
    一平面上で交差しないように且つ前記第１端が内側に位置するように巻回されており、
    円状に巻回された外側区間と、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された第１円弧部が少なくとも２つ形成されるよう巻回された内側区間と、を有する、
    光デバイス。
  2. 前記内側区間は、前記第１円弧部と、前記第１円弧部よりも曲率半径が大きな第２円弧部が交互に現れるように巻回されている、請求項１記載の光デバイス。
  3. 前記内側区間は、楕円形状に巻回されている、請求項１又は請求項２記載の光デバイス。
  4. 少なくとも２つの前記第１円弧部は、前記第１端からの距離がコヒーレント長よりも短くなる位置に形成されている、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の光デバイス。
  5. 前記増幅用ファイバは、複数のモードの光を伝播可能なフューモードファイバであり、
    前記第１円弧部は、所定のモードよりも高次のモードの光が前記増幅用ファイバのコアから除かれるように曲げられている、
    請求項１から請求項４の何れか一項に記載の光デバイス。
  6. 前記第１反射部の反射率は、前記第２反射部の反射率よりも高い、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光デバイス。
  7. 前記第１端を収容する第１補強部と、
    前記第２端を収容する第２補強部と、
    を備える請求項１から請求項６の何れか一項に記載の光デバイス。
  8. 前記第２端は、前記外側区間の外側に配置されており、
    前記外側区間と前記第２端との間に、ＬＰ１１モードよりも高次のモードが損失を受けるように曲率半径が設定された第３円弧部が少なくとも２つ形成されている、
    請求項１から請求項７の何れか一項に記載の光デバイス。
  9. 請求項１から請求項８の何れか一項に記載の光デバイスと、
    複数の励起光源と、
    前記複数の励起光源から射出される励起光を前記光デバイスに結合させるコンバイナと、
    を備えるファイバレーザ装置。
  10. 前記コンバイナは、前記光デバイスの前記第１ファイバ及び前記第２ファイバの少なくとも一方に前記励起光を結合させる、請求項９記載のファイバレーザ装置。
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