JPH11112070A - ファイバレーザ - Google Patents
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Abstract
トの再結晶化防止し、有効コアの直径を増加させるよう
なファイバレーザを提供すること。 【解決手段】コア21と第1クラッド層22と2クラッ
ド層23を有するある長さのガラス製ファイバにおい
て、コアの組成は、0.1〜2.0モル%の希土類元素
と0.2〜3.0モル%のGeと0.5〜8.0モル%
のAlと0.5〜8.0モル%のPと残りがSiO2で
あり、前記コア21の屈折率と前記第1クラッド層22
の屈折率の差が、0.008以下であることを特徴とす
る。
Description
層を介してポンピングするファイバレーザ装置に関す
る。
は、ファイバリンクおよびエルビウムドープファイバ増
幅器のような活性ファイバデバイスでもって集積される
光通信システム内で様々に利用されている。ファイバレ
ーザは、GaAlAs製で高パワーで、シングルモード
出力を有する安価なマルチモードレーザでもってポンピ
ングされるレーザである。ファイバレーザは、大きな活
性領域を有し、その結果、加熱の影響(他の半導体レー
ザ構造体の寿命に悪影響を与える)がほとんど存在しな
い。これに関しては、例えばL.Zenteno著の“High-Po
wer Double-CladFiber Lasers”、Journal of Lightwav
e Technolory,Vol.11,No.9,pp.1435-1446,Sept.1993.を
参照のこと。
比例している。しかし、ファイバ材料内の主要な損失は
その長さに比例し、損失は長期にわたりシステム性能を
不安定にしながら増加していく。パワーを増加させる好
ましい別の方法はコアの直径を増加させることである。
即ちあるファイバ長にわたってポンプ吸収領域を増加さ
せることにより活性コア領域を増加させることである。
しかし、シングルモード出力においてはコアのΔを低く
する必要がある。Geドーパントのしきい値レベルを維
持することはファイバコアにブラググレーティングを書
き込みそれによりレーザキャビティを形成するために必
要である。同時にまた活性希土類イオンを溶融するため
に、Alのようなドーパントの助けが必要であることも
知られている。このためにある有効量のAlが存在しな
いと希土類ドーパントは結晶化して過剰な散乱損失を引
き起こす。しかしこの両方の添加物(Al、Ge)はコ
アのΔを増加させてしまう。屈折率変更ドーパントの全
体的レベルを上記したコアのΔを満たすよう十分低く維
持するためのGeとAlの濃度は上記の目的(再結晶化
防止)を達成するためには低すぎる。
らの相反する要件(コアのΔを低く維持することと希土
類ドーパントの再結晶化防止)を満たし、有効コアの直
径を増加させるようなアプローチを求めることである。
ザのコアの組成によれば、複数の屈折率変更ドーパント
をコア内に大量に含有させその結果コアの屈折率におよ
ぼすこれらの合算された影響を、個々の構成要素だけの
屈折率変更の影響よりも少なくさせるものである。本発
明の光ファイバのコアの組成により、ファイバレーザの
コアの直径が大幅に増加できる。このような合成的な効
果は、必須の構成材料(この場合、Al)の少なくとも
1つの屈折率変更の効果を相殺するような、逆効果ドー
パントとしてPを用いることにより得られる。
を有する一般的なファイバレーザ構造を示し、この光フ
ァイバコイル11の一部がある長さを示すように切断さ
れている。この構造体におけるファイバの長さは、一般
的には数十メートルのオーダーであり、同図においては
ファイバは、複数回巻回された状態で示されている。こ
のファイバは、円形状または楕円状のような様々な形状
のマンドレル構造体に巻回されている。原理的にはこの
ファイバは、端部でポンピングしているよう図示してい
るがこのファイバの全長あるいはその一部でポンピング
してもよい。
の両端に示されるプラグ反射器12、13により形成さ
れる。これらの反射器12,13即ちグレーティング
は、光ファイバのコアに屈折率変化を照射光で形成する
ことにより生成される。好ましくは、このコアはグレー
ティングを書き込む前に、例えば水素浸積(hydrogen s
oak)でもって適宜感光性を与える。所望のグレーティン
グパターンは、光ファイバの長さ方向に沿って明暗度を
変化させながら即ち周期的に変化させながら、化学線放
射(一般的にはエキシマレーザ−の波長240nm近傍
でポンプされる周波数二重色素レーザ)を用いて形成さ
れる。これはフォトマスクを用いて、あるいは生成され
たパターン化光ビームを用いた緩衝パターンを用いて形
成される。この屈折率変動は、Geのような吸収イオン
の欠陥サイトにおいてUVにより導入される屈折率変動
により生成される。Geをドープしたファイバは、公知
の水素あるいは重水素処理により感光性を帯びる。非常
に大きな(0.01以上)の屈折率変動はこのようなプ
ロセスにより得られる。光学グレーティングを形成する
これらの技術は、例えば、米国特許4725110号、
米国特許5327515号に開示され、公知である。
ザダイオード14により端部でポンピングされる。ファ
イバレーザの出力は15で示される。図1は、実際の大
きさ通り示されていない。例えばレーザダイオードは、
光ファイバから離れた状態で示されているが適当なカプ
ラで光ファイバにレーザを接続してもよい。
る。同図は光ファイバに沿ったどの位置の断面図でもあ
る。このファイバレーザは、コア21と第1クラッド層
22と第2クラッド層23とを有する。このファイバレ
ーザは、断面が円形で示されているが、モード結合を可
能にするために若干楕円形でもよい。本発明によるファ
イバのコアの組成は以下に述べるとおりである。第1ク
ラッド層22は、高純度のシリカ材料で好ましくは純正
のSiO2、あるいは少なくとも85%のSiO2製であ
る。好ましくは、第1クラッド層22は、例えばGe、
Al、Pのようなドーパントを含み、クラッド層の屈折
率を増加させクラッド層とコアとの間のΔを減少させ
る。原理的にはこのことにより、前述した制約を緩和す
る。すなわちコアは、コア/クラッド層の導波特性全体
を所望に維持しながら高濃度にドーピングすることがで
きる。しかし、本発明の原理を用いてΔを低減させるの
が好ましい。その理由は十分な純度を有する適宜にドー
ピングされたクラッド材料は市販されていないからであ
る。
2内にポンプ放射を閉じこめることのできる、すなわち
第1クラッド層22に対し十分なΔを有するようないか
なるクラッド材料でもよい。本明細書においてΔは0.
03以上である。好ましい第2クラッド層23は、必要
なΔを生成するためにフッ素でドーピングした公知のポ
リマーコーティング材料の中の1つである。このような
材料を選択する利点は、第2クラッド層23が主要なフ
ァイバコーティングとしても機能することができる点で
ある。このような適切な材料の例は、UV固化のフッ素
で処理されたアクリル酸塩(UV-curable fluorinated a
crylates)である。
である。第1クラッド層22は通常50〜400μmの
範囲内にあり好ましくは100〜300μmの範囲内に
ある。第2クラッド層23の厚さは10μmから数百μ
mの範囲にある。光導波目的のためにこの層は比較的薄
い。第2クラッド層23が主要なあるいは唯一のコーテ
ィング層の場合にはこれ以上の厚さが望ましい。
る。市場で一般的に用いられているコアのサイズは6μ
mのオーダーである。ファイバレーザを標準の入力/出
力ファイバリンクあるいは他のファイバデバイスとの接
続を容易にするためおよびその接続損失を低減するため
にコアの直径が近接して整合していることが重要であ
る。しかしグレーティングのUV書き込みが可能となる
ようなコアの組成を有する一般的な光ファイバにおいて
はコアの径は6μm未満である。例えば、ファイバレー
ザのコアは、次のような組成を有する(その組成は屈折
率で表されている)。 Yb+3 : Δn=0.001 Al : Δn=0.004 Ge : Δn=0.004 全体 : Δn=0.009
ために十分なポンプ放射を吸収できる十分な濃度で含ま
れる。この濃度は915nmにおいて150dB/mの
吸収を示す。AlはYbを溶解するために含有されてい
る。Geはブラググレーティングを書き込むのに十分な
量を含有されている。
は、このファイバレーザのコアのサイズは4.7μmで
ある。200μmの全体直径のファイバにおいてはこの
ファイバレーザの長さは100m以上である。
がドーピングされている。PはAlの屈折率変更効果に
対抗して、コア内にコアのΔを増加させることなく希土
類イオンを溶融するのに十分なレベルで含入される。こ
の一般的な目的は、コアのΔを上記の屈折率補償技術を
用いて、0.007以下(第1クラッド層22として、
純粋のシリカをベースにした場合)にすることである。
以下のコアの組成を、本発明の例としてあげる。各場合
においてホスト材料はシリカであり、コアのΔはシリカ
を第1クラッド層22として計算されている。
する実寄与分は0.004である。その理由は、これら
互いに相殺するからである。このファイバのコアの直径
は5.0μmで、カットオフ波長は、950nm以下で
ある。内側クラッド層の直径は200μmで、915n
mにおいて0.18dB/mの吸収率を示した。このデ
バイスの長さは、約70mであった。これらの特性は、
この実施例においてデバイスのGe濃度が頑強なグレー
ティングを書き込むには低すぎる点を除いては好ましい
ものであった。グレーティングを書き込むためにGeの
濃度を1.5%に増加させ他の組成の濃度を同一に維持
するとこのデバイスの長さは110mとなる。
バイスへのグレーティングの書き込みを容易にし、かつ
AlとPの濃度はバランスさせてΔnへの寄与分を相殺
させるようにしたものである。
で、波長は950nm以下である。200μmのクラッ
ド層の吸収率は0.28dB/mであり、このデバイス
の長さは45mで、実験例1のデバイスと比較して大幅
に短くなっている。グレーティングはこのファイバに容
易に書き込むことができる。しかし、この組成のファイ
バにグレーティングを書き込む際には、その書き込み条
件は結晶化を回避するために注意深く制御しなければな
らない。
で、波長は950nm以下である。200μmのクラッ
ド層の吸収率は0.28dB/mであり、このデバイス
の長さは66mで、実験例2のデバイスと比較して大幅
に短くなっている。このファイバの構造体は、強いグレ
ーティングの書き込みが可能であり結晶化することなく
容易に書き込むことができる。
れる希土類はYbであり、出力波長は1060nmであ
る。他の希土類例えば、Ho、Nd、Er、Tm、Dy
も全部あるいはその一部で置換することができる。イオ
ン濃度は使用されるポンプ放射の吸収レベルに依存して
変化するが、通常、0.1〜3.0モル%で、一般的に
は、0.1〜2.0モル%である。これらの組成におけ
る希土類元素を、溶融するに必要なAlの量は0.5〜
8.0モル%の範囲内であり、Alの屈折率変動の効果
をうち消すために添加されるPの量は、0.5〜8.0
モル%である。ブラググレーティングを効率よく書き込
むためには、必要とされるGeの量は、0.2〜3.0
モル%である。これらのコアのドーパントを有するファ
イバは、ファイバプリフォームの製造中に、構成組成を
その酸化物の形態で混合することにより形成できる。
加えて全体の屈折率変動すなわちコアのΔは本発明の目
的を達成するために、最小でなければならない。複数の
ドーパントを組み合わせたモル%はコア21と第1クラ
ッド層22の間の全体の屈折率差を0.008以下好ま
しくは0.0072以下にするようにしなければならな
い。
ードは、ブロードバンドのGaAlAsデバイスであ
る。しかし、他の半導体レーザポンプソース、例えば、
InGaAsまたはInGaAsPも使用可能である。
半導体ポンプレーザが好ましいが、他のポンプソース、
例えば、Nd−ガラス、Ti−サファイアも使用するこ
とができる。
ザデバイスのファイバのコアの直径は約6μmである。
これは、従来構造のコアの直径よりも約30%大きい
が、この差はポンプ放射にさらされるコアの有効面積か
らすると60%以上である。そのため、ある出力パワー
に対してはこのファイバレーザの長さは、従来技術のフ
ァイバレーザの長さの半分以下となる。さらに、ブラッ
ググレーティング上のフラッグスは、同一の面積比率で
減少する。かくして、デバイスの寿命中、反射器の損傷
の可能性を低減できる。本発明の教示を用いて、共通の
ファイバのコアの直径(すなわち5.5μm〜7.5μ
m)にほぼ適合するコアを有するファイバレーザを容易
に製造可能である。
使用されている。すなわち各イオンの屈折率変化効果を
大幅に相殺して、コアのΔを最低にする量が用いられて
いる。本発明においては、等量のAlとPを用いた場合
には、コアのΔを最小にする最も有効なアプローチであ
るが、希土類元素の組成が結晶化しやすいことが見いだ
された。調査した結果希土類元素の溶融度は、Alまた
はPのいずれかを過剰に使用された場合により効果的で
あることが判明した。さらにまた、実験例1と3に示さ
れるように、AlとPのモル量は等しくはない。一方
(AlまたはP)が、他方(PまたはAl)よりの過剰
量は5〜75%で好ましくは5〜50%の範囲内であ
る。
土類元素を溶融するのに幾分より有効であるということ
が判明した。従って、好ましい組成におけるAlのモル
量は、Pのモル量よりも7〜75%さらに好ましくは5
〜50%大きいものが好ましい。一方高レベルのイオン
化放射と高レベルの光学パワーのアプリケーションにお
いては、高いPのレベルを有するのが好ましくPリッチ
の組成が好ましい。
エンドポンピングあるいはクラッド層ポンピングを容易
にするために、二重のクラッド層構造である。単一のク
ラッド層構造(同じくサイドポンピングされる)も、本
発明を適応できる。本発明において、クラッド層とは、
光ガイド機能を一部実行する層を意味する。二重のクラ
ッド層構造においては、第2のクラッド層は保護層とし
ても機能し、この機能を行う際にはファイバコーティン
グとも称する。しかし二重のクラッド層構造のファイバ
レーザは、第2クラッド層以外にコーティング層を有し
てもよい。
図。
Claims (8)
- 【請求項1】(a) コア(21)とこのコアを包囲す
る第1クラッド層(22)と、この第1クラッド層を包
囲する第2クラッド層(23)を有するある長さのガラ
ス製ファイバ(11)と、 (b) 前記ガラス製ファイバ(11)の両端に前記ガ
ラス製ファイバに沿ってレーザキャビティを形成する反
射手段(12,13)と、 (c) 前記ガラス製ファイバの一端に、その出力が前
記ガラス製ファイバのコアに整合するよう配置されたレ
ーザ手段(14)と、からなり、前記ガラス製ファイバ
(11)のコアの組成は、 0.1〜2.0モル%の希土類元素と0.2〜3.0モ
ル%のGeと0.5〜8.0モル%のAlと0.5〜
8.0モル%のPと残りがSiO2であり、前記コア
(21)の屈折率と前記第1クラッド層(22)の屈折
率の差が、0.008以下であることを特徴とするファ
イバレーザ。 - 【請求項2】 前記第1クラッド層(22)は、少なく
とも85%以上のSiO2からなることを特徴とする請
求項1記載のファイバレーザ。 - 【請求項3】 Alのモル%は、Pのモル%よりも5〜
75%だけ大きいことを特徴とする請求項1記載のファ
イバレーザ。 - 【請求項4】 Pのモル%は、Alのモル%よりも5〜
75%だけ大きいことを特徴とする請求項1記載のファ
イバレーザ。 - 【請求項5】 前記コア(21)の直径は5.5μm以
上であることを特徴とする請求項1記載のファイバレー
ザ。 - 【請求項6】 前記希土類元素は、Tb、Nd、Ho、
Dy、Tm、Erからなるグループから選択されたもの
であることを特徴とする請求項1記載のファイバレー
ザ。 - 【請求項7】 前記希土類元素は、Ybであることを特
徴とする請求項5記載のファイバレーザ。 - 【請求項8】 前記コア(21)の屈折率と、第1クラ
ッド層(22)の屈折率との差は、0.072以下であ
ることを特徴とする請求項1記載のファイバレーザ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/908,258 US5937134A (en) | 1997-08-07 | 1997-08-07 | Cladding pumped fiber lasers |
US08/908258 | 1997-08-07 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11112070A true JPH11112070A (ja) | 1999-04-23 |
JP3356692B2 JP3356692B2 (ja) | 2002-12-16 |
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ID=25425462
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP22142698A Expired - Lifetime JP3356692B2 (ja) | 1997-08-07 | 1998-08-05 | ファイバレーザ |
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US (1) | US5937134A (ja) |
EP (1) | EP0896404B1 (ja) |
JP (1) | JP3356692B2 (ja) |
DE (1) | DE69801405T2 (ja) |
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