JP7441129B2 - ファイバレーザ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ファイバレーザ装置に関する。
特許文献１には、増幅用ファイバを用いたファイバレーザ装置が開示されている。増幅用ファイバの端部において生じる熱を放出するため、特許文献１では、増幅用ファイバの一部が放熱板上に配置されている。
ファイバレーザ装置においては、例えば放熱板を配置するだけでは熱の制御が不十分な場合があるなど、増幅用ファイバにおける発熱自体を抑制することが求められていた。
本発明はこのような事情を考慮してなされ、増幅用ファイバにおける発熱を抑制することが可能な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態様に係る光デバイスは、希土類が添加された増幅コアを有する増幅用ファイバと、希土類が添加されていない伝搬コアと、前記伝搬コアから径方向外側に所定の間隔をあけて配置された閉じ込め領域と、前記閉じ込め領域を覆い、前記閉じ込め領域よりも低い屈折率を有する低屈折率領域と、を有するパッシブファイバとを備え、前記伝搬コアと前記増幅コアとが接続されている。
上記態様によれば、例えば、増幅用ファイバの入力側にパッシブファイバが接続されている場合、励起光は、パッシブファイバの閉じ込め領域を伝搬する。閉じ込め領域を伝搬した励起光は、増幅コアから離れた位置から、増幅用ファイバ内に入射する。すなわち、パッシブファイバの閉じ込め領域が、伝搬コアと所定の間隔をあけて配置されているため、増幅用ファイバとパッシブファイバとの接続部分における、励起光と増幅コア内の希土類との重なりを小さくすることができる。これにより、増幅用ファイバの端面（パッシブファイバとの接続部分）における局所的な発熱を抑えることができる。
また、光デバイスが双方向励起型のファイバレーザ装置に用いられる場合、増幅用ファイバの出力側にもパッシブファイバを接続することにより、増幅用ファイバの両端で同様の効果を得ることができる。
また、光デバイスが双方向励起型のファイバレーザ装置に用いられる場合、増幅用ファイバの出力側にもパッシブファイバを接続することにより、増幅用ファイバの両端で同様の効果を得ることができる。
ここで、前記伝搬コアにＦＢＧが形成されていてもよい。
また、複数の前記閉じ込め領域が前記伝搬コアを囲うように設けられていてもよい。
本発明の第２態様に係るファイバレーザ装置は、励起光を出力する励起光源と、前記励起光源から出力された前記励起光が入力される前記光デバイスと、を備え、前記励起光源から出力された前記励起光の少なくとも一部が、前記閉じ込め領域に光学的に結合する。
上記態様のファイバレーザ装置は、前記増幅用ファイバの入力側に接続され、ＨＲ－ＦＢＧが形成された第１ＦＢＧファイバと、前記増幅用ファイバの出力側に接続され、ＯＣ－ＦＢＧが形成された第２ＦＢＧファイバと、を備え、前記第１ＦＢＧファイバと前記第２ＦＢＧファイバとのうち少なくとも一方が前記パッシブファイバであってもよい。
本発明の第３態様に係るファイバレーザ装置は、複数の励起光源と、希土類が添加された増幅コアを有する増幅用ファイバと、前記複数の励起光源から出射された励起光を前記増幅用ファイバに入射させるコンバイナと、を備え、前記コンバイナは、前記複数の励起光源にそれぞれ接続された複数の励起ファイバが束ねられたバンドル部と、前記バンドル部の出力側に配置されたパッシブファイバと、を有し、前記パッシブファイバは、希土類が添加されていない伝搬コアと、前記伝搬コアから径方向外側に所定の間隔をあけて配置されるとともに前記励起光を内部に閉じ込め可能な閉じ込め領域とを有し、前記伝搬コアと前記増幅コアとが接続されている。
本発明の上記態様によれば、増幅用ファイバの端面における局所的な発熱を抑制することが可能な光デバイス及びファイバレーザ装置を提供することができる。
（第１実施形態）
以下、第１実施形態の光デバイスおよびファイバレーザ装置について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、ファイバレーザ装置１Ａは、複数の励起光源２と、コンバイナ３と、第１ＦＢＧファイバ４と、増幅用ファイバ５と、第２ＦＢＧファイバ６と、デリバリファイバ７と、出力端８と、を備えている。第１ＦＢＧファイバ４および増幅用ファイバ５は、光デバイスＲを構成している。また、第１ＦＢＧファイバ４、増幅用ファイバ５、および第２ＦＢＧファイバ６は、共振器を構成している。共振器は、励起光源２が出射する励起光によってレーザ光を生成する。なお、共振器に、他の構成要素（例えばデリバリファイバ７、出力端８など）を含めてもよい。
本実施形態のファイバレーザ装置１Ａは、後方励起光源を有していない片側励起型（前方励起型）である。
以下、第１実施形態の光デバイスおよびファイバレーザ装置について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、ファイバレーザ装置１Ａは、複数の励起光源２と、コンバイナ３と、第１ＦＢＧファイバ４と、増幅用ファイバ５と、第２ＦＢＧファイバ６と、デリバリファイバ７と、出力端８と、を備えている。第１ＦＢＧファイバ４および増幅用ファイバ５は、光デバイスＲを構成している。また、第１ＦＢＧファイバ４、増幅用ファイバ５、および第２ＦＢＧファイバ６は、共振器を構成している。共振器は、励起光源２が出射する励起光によってレーザ光を生成する。なお、共振器に、他の構成要素（例えばデリバリファイバ７、出力端８など）を含めてもよい。
本実施形態のファイバレーザ装置１Ａは、後方励起光源を有していない片側励起型（前方励起型）である。
（定義）
本明細書では、増幅用ファイバ５から見たとき、励起光源２側を入力側といい、出力端８側を出力側という。また、第１ＦＢＧファイバ４の長手方向を単に長手方向といい、第１ＦＢＧファイバ４の中心軸線に直交する断面を横断面という。横断面視において、第１ＦＢＧファイバ４の中心軸線に交差する方向を径方向といい、中心軸線回りに周回する方向を周方向という。
また、本明細書では、コアに希土類が添加されていない光ファイバを「パッシブファイバ」という。第１ＦＢＧファイバ４がパッシブファイバであってもよいし、第２ＦＢＧファイバ６がパッシブファイバであってもよい。
本明細書では、増幅用ファイバ５から見たとき、励起光源２側を入力側といい、出力端８側を出力側という。また、第１ＦＢＧファイバ４の長手方向を単に長手方向といい、第１ＦＢＧファイバ４の中心軸線に直交する断面を横断面という。横断面視において、第１ＦＢＧファイバ４の中心軸線に交差する方向を径方向といい、中心軸線回りに周回する方向を周方向という。
また、本明細書では、コアに希土類が添加されていない光ファイバを「パッシブファイバ」という。第１ＦＢＧファイバ４がパッシブファイバであってもよいし、第２ＦＢＧファイバ６がパッシブファイバであってもよい。
励起光源２としては、レーザダイオードなどを用いることができる。コンバイナ３は、複数の励起光源２が出射した励起光を、１本の光ファイバに結合し、第１ＦＢＧファイバ４に入力する。第１ＦＢＧファイバ４の入力側の端部は、コンバイナ３に接続されている。第１ＦＢＧファイバ４の出力側の端部は、融着接続部Ｆ１によって、増幅用ファイバ５に融着接続されている。増幅用ファイバ５の出力側の端部は、融着接続部Ｆ２によって、第２ＦＢＧファイバ６に融着接続されている。図示は省略するが、融着接続部Ｆ１、Ｆ２は剛性の高い補強器によって保持されており、曲げなどが生じにくくなっている。補強器によって融着接続部Ｆ１、Ｆ２を補強することで、例えば融着接続部Ｆ１、Ｆ２で破断が生じることを抑止できる。
第１ＦＢＧファイバ４は、図２に示すように、横断面視において、伝搬コア４１と、伝搬コア４１の外周を覆う内クラッド４２と、内クラッド４２の外周を覆う閉じ込め領域４３と、閉じ込め領域４３の外周を覆う外クラッド４４と、外クラッド４４の外周を覆う保護被覆４５とを備えている。本実施形態では、内クラッド４２および外クラッド４４が、閉じ込め領域４３を覆い、閉じ込め領域４３よりも低い屈折率を有することで、閉じ込め領域４３の内部に励起光を閉じ込め可能な低屈折率領域である。
本実施形態の閉じ込め領域４３は、横断面視において円環状の層である。
本実施形態の閉じ込め領域４３は、横断面視において円環状の層である。
第１ＦＢＧファイバ４の伝搬コア４１には、希土類が添加されていない。また、伝搬コア４１には、ＨＲ－ＦＢＧ（High Reflectivity-Fiber Bragg Grating）４ａが形成されている。ＨＲ－ＦＢＧ４ａは、励起状態にされた増幅用ファイバ５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おり、第１ＦＢＧファイバ４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。また、ＦＢＧを形成しやすくするために、第１ＦＢＧファイバ４の伝搬コア４１にはＢ（ボロン）が添加されていてもよい。
内クラッド４２および外クラッド４４は、例えば純粋なシリカからなるシリカガラスにより構成されていてもよく、あるいは塩素（Ｃｌ２）を添加することによって屈折率を低くしたシリカガラスにより構成されていてもよい。内クラッド４２の屈折率と外クラッド４４の屈折率は同じである。
閉じ込め領域４３は、第１ＦＢＧファイバ４の長手方向に沿って延びている。閉じ込め領域４３は、伝搬コア４１から径方向において所定の間隔をあけて配置されるとともに、その内部に励起光を閉じ込め可能である。
ここで、内クラッド４２の直径Ｄ１とすると、以下の式（１）を満たすように、伝搬コア４１と閉じ込め領域４３との径方向における位置関係が設定されている。
Ｄ１＞１．５×Ｄｍ …（１）
ここで、内クラッド４２の直径Ｄ１とすると、以下の式（１）を満たすように、伝搬コア４１と閉じ込め領域４３との径方向における位置関係が設定されている。
Ｄ１＞１．５×Ｄｍ …（１）
上式（１）におけるＤｍは、信号光の最大強度のｅ－２＝０．１３５倍の２点間での距離で定義したモードフィールド径（ＭＦＤ）である。内クラッド４２の直径Ｄ１が式（１）を満たすことにより、伝搬コア４１から漏れ出た信号光が、内クラッド４２の外周に設けられた閉じ込め領域４３に閉じ込められるのを防ぐことが可能となる。さらには、閉じ込め領域４３が伝搬コア４１を伝搬する信号光のモードフィールドに与える影響を抑えることが可能となる。
閉じ込め領域４３は、例えば、二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）を添加することによって屈折率を高くしたシリカガラスにより構成されている。すなわち、内クラッド４２の屈折率をｎ２とし、閉じ込め領域４３の屈折率をｎ３とすると、ｎ３＞ｎ２の関係が成り立っている。
伝搬コア４１の屈折率をｎ１とし、内クラッド４２および外クラッド４４の屈折率をｎ２とし、閉じ込め領域４３の屈折率をｎ３とし、保護被覆４５の屈折率をｎ４とすると、以下の式（２）～（４）の関係を満たすように、伝搬コア４１、内クラッド４２、閉じ込め領域４３、外クラッド４４、保護被覆４５の屈折率が設定されている。
ｎ１＞ｎ２ …（２）
ｎ３＞ｎ２ …（３）
ｎ２＞ｎ４ …（４）
ｎ１＞ｎ２ …（２）
ｎ３＞ｎ２ …（３）
ｎ２＞ｎ４ …（４）
本実施形態では、伝搬コア４１の屈折率ｎ１と閉じ込め領域４３の屈折率ｎ３との関係は、ｎ３＞ｎ１を満たすように設定されている。なお、閉じ込め領域４３の屈折率ｎ３は、伝搬コア４１の屈折率ｎ１より必ずしも大きくなくてもよく、少なくとも上記式（３）を満たすことにより、励起光を閉じ込め領域４３内に閉じ込めることが可能となる。
また、保護被覆４５の屈折率ｎ４は、伝搬コア４１の屈折率ｎ１、内クラッド４２および外クラッド４４の屈折率ｎ２、閉じ込め領域４３の屈折率ｎ３の中で最も小さく設定されている。上記式（４）を満たすことにより、励起光が第１ＦＢＧファイバ４の外部に漏れ出ることを抑制することができる。
また、保護被覆４５の屈折率ｎ４は、伝搬コア４１の屈折率ｎ１、内クラッド４２および外クラッド４４の屈折率ｎ２、閉じ込め領域４３の屈折率ｎ３の中で最も小さく設定されている。上記式（４）を満たすことにより、励起光が第１ＦＢＧファイバ４の外部に漏れ出ることを抑制することができる。
以上より、本実施形態の第１ＦＢＧファイバ４は、以下の式（５）を満たす。
ｎ３＞ｎ１＞ｎ２＞ｎ４ …（５）
このように屈折率が設定されることにより、第１ＦＢＧファイバ４は、内クラッド４２と外クラッド４４とを備えたダブルクラッド構造となり、効率良く励起を行うことができる。
ｎ３＞ｎ１＞ｎ２＞ｎ４ …（５）
このように屈折率が設定されることにより、第１ＦＢＧファイバ４は、内クラッド４２と外クラッド４４とを備えたダブルクラッド構造となり、効率良く励起を行うことができる。
閉じ込め領域４３のＮＡ（以下、ＮＡｃと表す）は、以下の式（６）を満たすように設定され、外クラッド４４のＮＡ（以下、ＮＡｏと表す）は、以下の式（７）を満たすように設定されている。
ＮＡｃ＞０．２５×ＮＡｐ …（６）
ＮＡｏ＞ＮＡｐ …（７）
ＮＡｃ＞０．２５×ＮＡｐ …（６）
ＮＡｏ＞ＮＡｐ …（７）
上式（６）、（７）における「ＮＡｐ」は、励起光の最大強度のｅ－２＝０．１３５倍のＮＡ成分で定義されている。本実施形態では、上記式（６）を満たすように、閉じ込め領域４３のＮＡを設定することにより、励起光の一部を閉じ込め領域４３に光学的に結合させる。
外クラッド４４のＮＡが、ＮＡｐ以下であると、励起光が保護被覆４５を伝搬してしまう場合がある。これにより、保護被覆４５が発熱してしまう可能性があるため、上記式（７）を満たすように、外クラッド４４のＮＡが設定されている。
コンバイナ３は、図３に示すように、７本の励起ファイバ３ａを有している。各励起ファイバ３ａの入力側の端部は、励起光源２に接続されている。コンバイナ３は、励起光源２が出射した励起光を励起ファイバ３ａによって伝搬し、１本の第１ＦＢＧファイバ４に結合するように構成されている。励起ファイバ３ａの直径をＤ２とし、外クラッド４４の直径をＤ３とすると、以下の式（８）を満たすように設定されている。
Ｄ３＞３．０１×Ｄ２ …（８）
この式（８）を満たすことにより、コンバイナ３から出力された励起光が第１ＦＢＧファイバ４の外クラッド４４内に収まるため、コンバイナ３からの励起光を効率良く第１ＦＢＧファイバ４に入力させることができる。
Ｄ３＞３．０１×Ｄ２ …（８）
この式（８）を満たすことにより、コンバイナ３から出力された励起光が第１ＦＢＧファイバ４の外クラッド４４内に収まるため、コンバイナ３からの励起光を効率良く第１ＦＢＧファイバ４に入力させることができる。
第２ＦＢＧファイバ６のコアには、ＯＣ－ＦＢＧ（Output Coupler-Fiber Bragg Grating）６ａが形成されている。ＯＣ－ＦＢＧ６ａは、ＨＲ－ＦＢＧ４ａとほぼ同様の構造を有しているが、ＨＲ－ＦＢＧ４ａよりも低い反射率で、信号光を反射するように調整されている。
図４に示すように、増幅用ファイバ５は、１種類または２種類以上の活性元素が添加された増幅コア５１と、増幅コア５１を覆うクラッド５２と、クラッド５２を覆う保護被覆５３と、を有している。増幅コア５１に添加す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）、あるいはネオジム（Ｎｄ）など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。
第１ＦＢＧファイバ４と増幅用ファイバ５との接続部分が融着接続部Ｆ１である。増幅用ファイバ５の増幅コア５１と、第１ＦＢＧファイバ４の伝搬コア４１とは、融着接続部Ｆ１において接続されている。
第１ＦＢＧファイバ４と増幅用ファイバ５との接続部分が融着接続部Ｆ１である。増幅用ファイバ５の増幅コア５１と、第１ＦＢＧファイバ４の伝搬コア４１とは、融着接続部Ｆ１において接続されている。
増幅用ファイバ５内では、ＨＲ－ＦＢＧ４ａおよびＯＣ－ＦＢＧ６ａで反射した信号光が、増幅用ファイバ５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、共振器内では、光が増幅されてレーザ光が生成される。レーザ光の一部は、ＯＣ－ＦＢＧ６ａを透過し、デリバリファイバ７を介して出力端８に到達する。
先述の通り、増幅用ファイバ５は、ＨＲ－ＦＢＧ４ａが形成された第１ＦＢＧファイバ４またはＯＣ－ＦＢＧ６ａが形成された第２ＦＢＧファイバ６とは異なるファイバである。このため、増幅用ファイバ５の両端部には、融着接続部Ｆ１、Ｆ２が設けられている。
次に、ファイバレーザ装置１Ａの作用について説明する。
励起光源２から出射された励起光は、コンバイナ３により１本の光ファイバに結合し、第１ＦＢＧファイバ４に入力される。
コンバイナ３から第１ＦＢＧファイバ４内に入射した励起光のＮＡ成分のうち、閉じ込め領域４３のＮＡ以下の成分は、閉じ込め領域４３に光学的に結合する。図４に示すように、閉じ込め領域４３内を伝搬する励起光Ｌ１は、増幅用ファイバ５の端面５ａにおいて、すぐに増幅コア５１に入射するのではなく、クラッド５２内を長手方向において一定距離伝搬する。励起光Ｌ１は、一定距離伝搬した後、増幅コア５１に吸収される。
励起光源２から出射された励起光は、コンバイナ３により１本の光ファイバに結合し、第１ＦＢＧファイバ４に入力される。
コンバイナ３から第１ＦＢＧファイバ４内に入射した励起光のＮＡ成分のうち、閉じ込め領域４３のＮＡ以下の成分は、閉じ込め領域４３に光学的に結合する。図４に示すように、閉じ込め領域４３内を伝搬する励起光Ｌ１は、増幅用ファイバ５の端面５ａにおいて、すぐに増幅コア５１に入射するのではなく、クラッド５２内を長手方向において一定距離伝搬する。励起光Ｌ１は、一定距離伝搬した後、増幅コア５１に吸収される。
励起光Ｌ１が増幅コア５１に吸収される増幅コア５１の端面５ａからの最短位置Ｐは、閉じ込め領域４３を伝搬する励起光Ｌ１のＮＡに対して、（Ｄ１－Ｄ４）／２ＮＡが成り立つ。ここで、Ｄ４は、第１ＦＢＧファイバ４の伝搬コア４１の直径である。ただし、第１ＦＢＧファイバ４の曲げやクラッド５２の形状は考慮していない。
励起光が結合する位置は、励起光のＮＡ成分によるため、閉じ込め領域４３を伝搬する励起光Ｌ１とは異なる成分の励起光は、長手方向において異なる位置で増幅コア５１に吸収される。このように、本実施形態では融着接続部Ｆ１の近傍（増幅用ファイバ５の端部）で励起光が増幅コア５１に吸収される長手方向における位置を分散させて、局所的な発熱を抑制することができる。
励起光が結合する位置は、励起光のＮＡ成分によるため、閉じ込め領域４３を伝搬する励起光Ｌ１とは異なる成分の励起光は、長手方向において異なる位置で増幅コア５１に吸収される。このように、本実施形態では融着接続部Ｆ１の近傍（増幅用ファイバ５の端部）で励起光が増幅コア５１に吸収される長手方向における位置を分散させて、局所的な発熱を抑制することができる。
以上説明したように、本実施形態の光デバイスＲでは、希土類が添加された増幅コア５１を有する増幅用ファイバ５と、希土類が添加されていない伝搬コア４１と、伝搬コア４１と所定の間隔をあけて配置された閉じ込め領域４３と、閉じ込め領域４３を覆い、閉じ込め領域４３よりも低い屈折率を有する低屈折率領域（内クラッド４２および外クラッド４４）と、を有する第１ＦＢＧファイバ４（パッシブファイバ）とを備える。そして、伝搬コア４１と増幅コア５１とが接続されている。
このような光デバイスＲによれば、励起光の一部は、第１ＦＢＧファイバ４の閉じ込め領域４３を伝搬する。閉じ込め領域４３を伝搬した励起光は、増幅用ファイバ５の増幅コア５１から離れた位置から増幅用ファイバ５に入射する。すなわち、第１ＦＢＧファイバ４の閉じ込め領域４３が、第１ＦＢＧファイバ４の伝搬コア４１と所定の間隔をあけて配置されているため、増幅用ファイバ５と第１ＦＢＧファイバ４との接続部分（増幅用ファイバ５の端面５ａ）における励起光と増幅コア５１に添加された増幅媒質（イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）などの希土類）の分布との重なりを小さくすることができる。これにより、増幅用ファイバ５の端面５ａにおける局所的な発熱を抑えることができる。
また、横断面視において閉じ込め領域４３を円環状とすることにより、簡易な構成で閉じ込め領域４３を形成することができる。
また、本実施形態のファイバレーザ装置１Ａは、励起光を出力する励起光源２と、励起光源２から出力された励起光が入力される第１ＦＢＧファイバ４と、を備え、励起光源２から出力された励起光が、閉じ込め領域４３に光学的に結合する。閉じ込め領域４３は、伝搬コア４１と所定の間隔をあけて配置されるとともに、その内部において励起光を閉じ込め可能である。
このようなファイバレーザ装置１Ａによれば、上述したように第１ＦＢＧファイバ４と増幅用ファイバ５との接続部分における局所的な発熱を抑えることができるため、ＴＭＩ（Transverse Mode Instability。なお、Thermal modal Instabilityともいう）現象を抑制することができる。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、熱の影響で励起光からレーザ光への変換効率が減少し、励起光強度に対しての信号光強度の線形性が失われる現象である。この現象が生じると、基本モードから高次モードへモード間の結合が生じるため、レーザ光のビーム品質が低下する。さらに、高次モードのレーザ光が増幅されることによって基本モードのレーザ光の増幅に寄与するエネルギーが減少するため、基本モードのレーザ光の増幅効率が低下してしまう。増幅された高次モードのレーザ光は伝搬中で減衰し易い。従って、ＴＭＩ現象を抑制することにより、励起光からレーザ光への変換効率の減少を抑制し、励起光強度に対しての信号光強度の線形性を保つことができる。
なお、閉じ込め領域４３は、第１ＦＢＧファイバ４だけに設けたが、第１ＦＢＧファイバ４と第２ＦＢＧファイバ６とのうち少なくとも一方に設けられていればよい。特に双方向励起型のファイバレーザ装置の場合に、この構成が有効である。なお、第２ＦＢＧファイバ６側に比べて第１ＦＢＧファイバ４側の方が局所的な発熱が起きやすいため、第１ＦＢＧファイバ４に閉じ込め領域４３を設けた方が、第２ＦＢＧファイバ６のみに閉じ込め領域４３を設けるより効果的に発熱を抑えてＴＭＩ現象を抑制することができる。
また、本実施形態では横断面視において閉じ込め領域４３を円環状としたが、閉じ込め領域４３の形状はこれに限らない。例えば、閉じ込め領域４３は横断面視において楕円あるいは矩形の環状であってもよいし、環状でなくてもよい。閉じ込め領域４３が伝搬コア４１から径方向外側に離れた位置に配置されていれば、同様の効果が得られる。
また、本実施形態では、閉じ込め領域４３のＮＡは、ＮＡｐの０．２５倍より大きくなるように設定したが、ＮＡｐの０．２５倍以下であってもよい。すなわち、閉じ込め領域４３に、励起光のうち、ごく一部の励起光でも伝搬可能であれば、端面５ａにおける発熱を抑えることができるため、例えば、閉じ込め領域４３のＮＡは、ＮＡｐの０．０１倍程度であってもよい。
また、ファイバレーザ装置１Ａが共振器を含まない場合は、パッシブファイバにＦＢＧが書き込まれていなくてもよい。
波長分割多重方式（ＷＤＭ）カップラなどの別の方法で励起光を第１ＦＢＧファイバ４に結合させる場合は、コンバイナ３を備えていなくてもよい。
また、増幅用ファイバ５の増幅コア５１に光学的に結合される励起光の位置を変える場合は、例えば、第１ＦＢＧファイバ４の内クラッド４２の直径Ｄ１を大きくすることにより、端面５ａからより遠い位置で励起光Ｌ１を増幅コア５１に吸収させることができる。
波長分割多重方式（ＷＤＭ）カップラなどの別の方法で励起光を第１ＦＢＧファイバ４に結合させる場合は、コンバイナ３を備えていなくてもよい。
また、増幅用ファイバ５の増幅コア５１に光学的に結合される励起光の位置を変える場合は、例えば、第１ＦＢＧファイバ４の内クラッド４２の直径Ｄ１を大きくすることにより、端面５ａからより遠い位置で励起光Ｌ１を増幅コア５１に吸収させることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態の光デバイスＲは、第１実施形態におけるＦＢＧファイバ４に代えて、図５に示すようなパッシブファイバ６０を備えている。パッシブファイバ６０は、複数の閉じ込め領域６３ａ～６３ｆを有する点において、第１実施形態と異なる。
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態の光デバイスＲは、第１実施形態におけるＦＢＧファイバ４に代えて、図５に示すようなパッシブファイバ６０を備えている。パッシブファイバ６０は、複数の閉じ込め領域６３ａ～６３ｆを有する点において、第１実施形態と異なる。
パッシブファイバ６０は、横断面視において、伝搬コア６１と、伝搬コア６１の外周を覆うクラッド６２と、クラッド６２内に配置された複数の閉じ込め領域６３ａ～６３ｆと、クラッド６２の外周を覆う保護被覆６４とを備えている。本実施形態では、クラッド６２が、閉じ込め領域６３ａ～６３ｆを覆い、閉じ込め領域６３ａ～６３ｆよりも低い屈折率を有することで、閉じ込め領域６３ａ～６３ｆの内部に励起光を閉じ込め可能な低屈折率領域である。
閉じ込め領域６３ａ～６３ｆは、長手方向に沿って延びており、伝搬コア６１から径方向に所定の間隔をあけて配置されている。閉じ込め領域６３ａ～６３ｆは、伝搬コア６１を囲むように、周方向に間隔を空けて環状に配置されている。
径方向における伝搬コア６１の側面から閉じ込め領域６３ａ～６３ｆの外側面までの寸法をＤ６とすると、伝搬コア６１と閉じ込め領域６３ａ～６３ｆとの位置関係は、以下を満たすように設定されている。
Ｄ６＞０．７５×Ｄｍ …（９）
上記式（９）を満たすことにより、伝搬コア６１から漏れ出た信号光が閉じ込め領域６３ａ～６３ｆに閉じ込められるのを防ぐことが可能となる。さらには、閉じ込め領域６３が伝搬コア６１を伝搬する信号光のモードフィールドに与える影響を抑えることが可能となる。
閉じ込め領域６３ａ～６３ｆは、長手方向に沿って延びており、伝搬コア６１から径方向に所定の間隔をあけて配置されている。閉じ込め領域６３ａ～６３ｆは、伝搬コア６１を囲むように、周方向に間隔を空けて環状に配置されている。
径方向における伝搬コア６１の側面から閉じ込め領域６３ａ～６３ｆの外側面までの寸法をＤ６とすると、伝搬コア６１と閉じ込め領域６３ａ～６３ｆとの位置関係は、以下を満たすように設定されている。
Ｄ６＞０．７５×Ｄｍ …（９）
上記式（９）を満たすことにより、伝搬コア６１から漏れ出た信号光が閉じ込め領域６３ａ～６３ｆに閉じ込められるのを防ぐことが可能となる。さらには、閉じ込め領域６３が伝搬コア６１を伝搬する信号光のモードフィールドに与える影響を抑えることが可能となる。
閉じ込め領域６３ａ～６３ｆは、周方向に等間隔に６つ配置されている。閉じ込め領域６３ａ～６３ｆの個数は、限定されず、１個以上であればよい。
クラッド６２は、伝搬コア６１および閉じ込め領域６３ａ～６３ｆすべてに接触するように設けられている。クラッド６２は、例えば純粋なシリカからなるシリカガラスであってもよく、あるいは純シリカに塩素（Ｃｌ２）が添加されたものであってもよい。
クラッド６２は、伝搬コア６１および閉じ込め領域６３ａ～６３ｆすべてに接触するように設けられている。クラッド６２は、例えば純粋なシリカからなるシリカガラスであってもよく、あるいは純シリカに塩素（Ｃｌ２）が添加されたものであってもよい。
伝搬コア６１の屈折率をｎ１ａとし、クラッド６２の屈折率をｎ２ａとし、閉じ込め領域６３ａ～６３ｆの屈折率をｎ３ａとし、保護被覆６４の屈折率をｎ４ａとすると、以下の式（１０）～（１２）の関係を満たすように、伝搬コア６１、クラッド６２、閉じ込め領域６３ａ～６３ｆ、保護被覆６４の屈折率が設定されている。
ｎ１ａ＞ｎ２ａ …（１０）
ｎ３ａ＞ｎ２ａ …（１１）
ｎ２ａ＞ｎ４ａ …（１２）
ｎ１ａ＞ｎ２ａ …（１０）
ｎ３ａ＞ｎ２ａ …（１１）
ｎ２ａ＞ｎ４ａ …（１２）
本実施形態では、伝搬コア６１の屈折率ｎ１ａと閉じ込め領域６３ａ～６３ｆの屈折率ｎ３ａとの関係は、ｎ３ａ＞ｎ１ａを満たすように設定する。なお、閉じ込め領域６３ａ～６３ｆの屈折率ｎ３ａは、伝搬コア６１の屈折率ｎ１ａより必ずしも大きくなくてもよく、少なくとも上記式（１１）を満たすことにより、励起光を閉じ込め領域６３ａ～６３ｆ内に閉じ込めることが可能となる。
以上より、本実施形態のパッシブファイバ６０は、以下の式（１３）を満たす。
ｎ３ａ＞ｎ１ａ＞ｎ２ａ＞ｎ４ａ …（１３）
以上より、本実施形態のパッシブファイバ６０は、以下の式（１３）を満たす。
ｎ３ａ＞ｎ１ａ＞ｎ２ａ＞ｎ４ａ …（１３）
閉じ込め領域６３ａ～６３ｆの直径は、いずれも互いに同じである。閉じ込め領域６３ａ～６３ｆの直径をＤ５とすると、コンバイナ３の励起ファイバ３ａの直径Ｄ２との関係は、以下の式（１４）を満たしている。
０．２５×Ｄ２＜Ｄ５＜Ｄ２ …（１４）
０．２５×Ｄ２＜Ｄ５＜Ｄ２ …（１４）
以上説明したように、本実施形態の光デバイスでは、パッシブファイバ６０に複数の閉じ込め領域６３ａ～６３ｆが設けられている。このため、励起光の一部は、パッシブファイバ６０の閉じ込め領域６３ａ～６３ｆを伝搬し、増幅コア５１から径方向に離れた位置において増幅用ファイバ５に入射する。すなわち、パッシブファイバ６０の閉じ込め領域６３ａ～６３ｆが、伝搬コア６１と径方向に所定の間隔をあけて配置されているため、増幅用ファイバ５とパッシブファイバ６０との接続部分（増幅用ファイバ５の端面５ａ）における励起光と増幅媒質との重なりを小さくすることができる。これにより、増幅用ファイバ５の端面５ａにおける局所的な発熱を抑えることができる。
また、例えば複数の励起光源２から出射された励起光を、複数の閉じ込め領域６３ａ～６３ｆによってそれぞれ独立して伝搬させた場合には、励起光同士が干渉するのを防ぐことも可能である。
（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態の光デバイスＲは、第１実施形態におけるＦＢＧファイバ４に代えて、図６に示すようなパッシブファイバ７０を備えている。パッシブファイバ７０は、伝搬コア７１と、内クラッド７２と、第１外クラッド７３と、第２外クラッド７５と、を備えている点において、第１実施形態と異なる。
次に、本発明に係る第３実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態の光デバイスＲは、第１実施形態におけるＦＢＧファイバ４に代えて、図６に示すようなパッシブファイバ７０を備えている。パッシブファイバ７０は、伝搬コア７１と、内クラッド７２と、第１外クラッド７３と、第２外クラッド７５と、を備えている点において、第１実施形態と異なる。
パッシブファイバ７０は、横断面視において、伝搬コア７１と、伝搬コア７１の外周を覆う内クラッド７２と、内クラッド７２の外周を覆う第１外クラッド７３と、第１外クラッド７３を覆う閉じ込め領域７４と、閉じ込め領域７４の外周を覆う第２外クラッド７５と、第２外クラッド７５の外周を覆う保護被覆７６とを備えている。本実施形態では、第１外クラッド７３および第２外クラッド７５が、閉じ込め領域７４を覆い、閉じ込め領域７４よりも低い屈折率を有することで、閉じ込め領域７４の内部に励起光を閉じ込め可能な低屈折率領域である。
閉じ込め領域７４は、横断面視において円環状である。また、閉じ込め領域７４は、長手方向に沿って延びており、伝搬コア７１を中心に伝搬コア７１から径方向に所定の間隔をあけて伝搬コア７１を囲むように配置されている。
閉じ込め領域７４は、横断面視において円環状である。また、閉じ込め領域７４は、長手方向に沿って延びており、伝搬コア７１を中心に伝搬コア７１から径方向に所定の間隔をあけて伝搬コア７１を囲むように配置されている。
内クラッド７２、第１外クラッド７３、および第２外クラッド７５は、例えば純粋なシリカからなるシリカガラスであってもよく、あるいは純シリカに塩素（Ｃｌ２）が添加されたものであってもよい。本実施形態では、内クラッド７２は、第１外クラッド７３に比べて屈折率が低い。第１外クラッド７３の屈折率と第２外クラッド７５の屈折率とは、同じである。
伝搬コア７１の屈折率をｎ１ｂとし、内クラッド７２の屈折率をｎ２ｂとし、第１外クラッド７３および第２外クラッド７５の屈折率をｎ３ｂとし、閉じ込め領域７４の屈折率をｎ４ｂとし、保護被覆７６の屈折率をｎ５ｂとすると、以下の式（１５）～（１７）の関係を満たすように、伝搬コア７１、内クラッド７２、第１外クラッド７３および第２外クラッド７５、閉じ込め領域７４、保護被覆７６の屈折率を設定する。
ｎ１ｂ＞ｎ３ｂ＞ｎ２ｂ …（１５）
ｎ４ｂ＞ｎ３ｂ …（１６）
ｎ３ｂ＞ｎ５ｂ …（１７）
ｎ１ｂ＞ｎ３ｂ＞ｎ２ｂ …（１５）
ｎ４ｂ＞ｎ３ｂ …（１６）
ｎ３ｂ＞ｎ５ｂ …（１７）
本実施形態では、伝搬コア７１の屈折率ｎ１ｂと閉じ込め領域７４の屈折率ｎ４ｂとの関係は、ｎ４ｂ＞ｎ１ｂを満たすように設定する。なお、閉じ込め領域７４の屈折率ｎ４ｂは、伝搬コア７１の屈折率ｎ４ｂより必ずしも大きくなくてもよく、少なくとも上記式（１６）を満たすことにより、励起光を閉じ込め領域７４内に閉じ込めることが可能となる。
以上より、本実施形態のパッシブファイバ７０は、以下の式（１８）を満たす。
ｎ４ｂ＞ｎ１ｂ＞ｎ３ｂ＞ｎ５ｂ＞ｎ２ｂ …（１８）
以上より、本実施形態のパッシブファイバ７０は、以下の式（１８）を満たす。
ｎ４ｂ＞ｎ１ｂ＞ｎ３ｂ＞ｎ５ｂ＞ｎ２ｂ …（１８）
第１外クラッド７３の直径をＤ７とすると、伝搬コア７１と閉じ込め領域７４との位置関係は、以下を満たすように設定されている。
Ｄ７＞１．５×Ｄｍ …（１９）
上記式（１９）を満たすことにより、伝搬コア７１から漏れ出た信号光が閉じ込め領域７４に閉じ込められるのを防ぐことが可能となる。さらには、閉じ込め領域７４が伝搬コア７１を伝搬する信号光のモードフィールドに与える影響を抑えることが可能となる。
Ｄ７＞１．５×Ｄｍ …（１９）
上記式（１９）を満たすことにより、伝搬コア７１から漏れ出た信号光が閉じ込め領域７４に閉じ込められるのを防ぐことが可能となる。さらには、閉じ込め領域７４が伝搬コア７１を伝搬する信号光のモードフィールドに与える影響を抑えることが可能となる。
また、第２外クラッド７５のＮＡ（以下、ＮＡｏという）が、ＮＡｐ以下であると、励起光が保護被覆７６を伝搬してしまう場合がある。これにより、保護被覆７６が発熱してしまう可能性があるため、下記式（２０）を満たすように、ＮＡｏが設定されている。
ＮＡｏ＞ＮＡｐ …（２０）
ＮＡｏ＞ＮＡｐ …（２０）
本実施形態の光デバイスＲも、第１実施形態と同様に、増幅用ファイバ５とパッシブファイバ７０との接続部分（増幅用ファイバ５の端面５ａ）における励起光と増幅媒質との重なりを小さくすることができる。これにより、増幅用ファイバ５の端面５ａにおける発熱を抑えることができる。
（第４実施形態）
次に、本発明に係る第４実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態のファイバレーザ装置１Ｂでは、第１ＦＢＧファイバ４および第２ＦＢＧファイバ６を備えていない点、および、コンバイナの構成が第１実施形態と異なる。
次に、本発明に係る第４実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態のファイバレーザ装置１Ｂでは、第１ＦＢＧファイバ４および第２ＦＢＧファイバ６を備えていない点、および、コンバイナの構成が第１実施形態と異なる。
図７に示すように、ファイバレーザ装置１Ｂは、複数の励起光源２と、コンバイナ８０と、増幅用ファイバ５と、デリバリファイバ７と、出力端８と、を備えている。
コンバイナ８０は、バンドル部８１と、パッシブファイバ８２と、を備えている。バンドル部８１は、複数の励起ファイバ８１ａが束ねられて構成されている。パッシブファイバ８２は、バンドル部８１の出力側に接続されている。
パッシブファイバ８２の構成は、伝搬コア４１にＦＢＧが形成されていない点を除き、第１実施形態の第１ＦＢＧファイバ４と同様である（図２）。
コンバイナ８０は、バンドル部８１と、パッシブファイバ８２と、を備えている。バンドル部８１は、複数の励起ファイバ８１ａが束ねられて構成されている。パッシブファイバ８２は、バンドル部８１の出力側に接続されている。
パッシブファイバ８２の構成は、伝搬コア４１にＦＢＧが形成されていない点を除き、第１実施形態の第１ＦＢＧファイバ４と同様である（図２）。
次に、ファイバレーザ装置１Ｂの作用について説明する。
励起光源２から出射した励起光は、各励起ファイバ８１ａおよびバンドル部８１を伝搬し、パッシブファイバ８２に入射する。バンドル部８１からパッシブファイバ８２内に入射した励起光のＮＡ成分のうち、閉じ込め領域４３のＮＡ以下の成分は閉じ込め領域４３に光学的に結合する。図４に示すように、閉じ込め領域４３内を伝搬する励起光Ｌ１は、増幅用ファイバ５の端面５ａでは、増幅コア５１から入射されず、クラッド５２内を一定距離伝搬する。励起光Ｌ１は、一定距離伝搬した後、増幅コア５１に吸収される。
励起光源２から出射した励起光は、各励起ファイバ８１ａおよびバンドル部８１を伝搬し、パッシブファイバ８２に入射する。バンドル部８１からパッシブファイバ８２内に入射した励起光のＮＡ成分のうち、閉じ込め領域４３のＮＡ以下の成分は閉じ込め領域４３に光学的に結合する。図４に示すように、閉じ込め領域４３内を伝搬する励起光Ｌ１は、増幅用ファイバ５の端面５ａでは、増幅コア５１から入射されず、クラッド５２内を一定距離伝搬する。励起光Ｌ１は、一定距離伝搬した後、増幅コア５１に吸収される。
以上説明したように、本実施形態のファイバレーザ装置１Ｂは、複数の励起光源２と、希土類が添加された増幅コア５１を有する増幅用ファイバ５と、複数の励起光源２から出射された励起光を増幅用ファイバ５に入射させるコンバイナ８０と、を備える。コンバイナ８０は、複数の励起光源２にそれぞれ接続された複数の励起ファイバ８１ａが束ねられたバンドル部８１と、バンドル部８１の出力側に配置されたパッシブファイバ８２と、を有する。パッシブファイバ８２は、希土類が添加されていない伝搬コア４１と、伝搬コア４１から径方向外側に所定の間隔をあけて配置されるとともに励起光を内部に閉じ込め可能な閉じ込め領域とを有し、伝搬コア４１と増幅コア５１とが接続されている。
このようなファイバレーザ装置１Ｂによれば、第１実施形態と同様に、励起光の一部がパッシブファイバ８２の閉じ込め領域４３を伝搬するため、パッシブファイバ８２と増幅用ファイバ５との接続部分における励起光プロファイルと増幅媒質の分布との重なりを小さくすることができる。これにより、増幅用ファイバ５の端面５ａ（パッシブファイバ８２との接続部分）における局所的な発熱を抑えることができる。
このようなファイバレーザ装置１Ｂによれば、上述したように第１ＦＢＧファイバ４と増幅用ファイバ５との接続部分における局所的な発熱を抑えることができるため、ＴＭＩ現象を抑制することができる。ＴＭＩ現象を抑制することにより、励起光からレーザ光への変換効率の減少を抑制し、励起光強度に対しての信号光強度の線形性を保つことができる。
なお、パッシブファイバ８２の構成は、第２実施形態のパッシブファイバ６０（図５）、あるいは、第３実施形態のパッシブファイバ７０（図６）と同様であってもよい。
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。
Ｒ…光デバイス、１Ａ，１Ｂ…ファイバレーザ装置、４…第１ＦＢＧファイバ（パッシブファイバ）、５…増幅用ファイバ、６…第２ＦＢＧファイバ、４１…伝搬コア、４３，６３ａ～６３ｆ，７４…閉じ込め領域、５１…増幅コア、８１…バンドル部、８１ａ…励起ファイバ、８２…パッシブファイバ
Claims (5)
- 励起光を出力する励起光源と、
前記励起光源から出力された前記励起光が入力される光デバイスと、を備え、
前記光デバイスは、
希土類が添加された増幅コアを有する増幅用ファイバと、
希土類が添加されていない伝搬コアと、前記伝搬コアから径方向外側に所定の間隔をあけて配置された閉じ込め領域と、前記閉じ込め領域を覆い、前記閉じ込め領域よりも低い屈折率を有する低屈折率領域と、を有するパッシブファイバとを備え、
前記伝搬コアと前記増幅コアとが接続され、
前記励起光源から出力された前記励起光の少なくとも一部が、前記閉じ込め領域に光学的に結合する、ファイバレーザ装置。 - 前記伝搬コアにＦＢＧが形成されている、請求項１に記載のファイバレーザ装置。
- 複数の前記閉じ込め領域が前記伝搬コアを囲うように設けられている、請求項１または２に記載のファイバレーザ装置。
- 前記増幅用ファイバの入力側に接続され、ＨＲ－ＦＢＧが形成された第１ＦＢＧファイバと、
前記増幅用ファイバの出力側に接続され、ＯＣ－ＦＢＧが形成された第２ＦＢＧファイバと、を備え、
前記第１ＦＢＧファイバと前記第２ＦＢＧファイバとのうち少なくとも一方が前記パッシブファイバである、請求項１に記載のファイバレーザ装置。 - 複数の励起光源と、
希土類が添加された増幅コアを有する増幅用ファイバと、
前記複数の励起光源から出射された励起光を前記増幅用ファイバに入射させるコンバイナと、を備え、
前記コンバイナは、
前記複数の励起光源にそれぞれ接続された複数の励起ファイバが束ねられたバンドル部と、
前記バンドル部の出力側に配置されたパッシブファイバと、を有し、
前記パッシブファイバは、希土類が添加されていない伝搬コアと、前記伝搬コアから径方向外側に所定の間隔をあけて配置されるとともに前記励起光を内部に閉じ込め可能な閉じ込め領域とを有し、
前記伝搬コアと前記増幅コアとが接続され、
前記励起光源から出力された前記励起光の少なくとも一部が、前記閉じ込め領域に光学的に結合する、ファイバレーザ装置。
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