JPWO2009104612A1 - ファイバレーザー - Google Patents
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Abstract
小型化が可能なファイバレーザーの提供。コアにＥｒが添加されている増幅用光ファイバ、Ｅｒを光励起する励起光の光源、励起光を増幅用光ファイバに導く光カプラ、および増幅用光ファイバから出たレーザー光を取り出す光カプラ、を有するファイバレーザーであって、前記増幅用光ファイバの長さが０．５ｍ以下であり、前記増幅用光ファイバの吸収係数が１５２０〜１５４０ｎｍの波長域のいずれかの波長において１００ｄＢ／ｍ以上であり、前記長さと前記吸収係数の積が４０〜１５０ｄＢであるファイバレーザー。
Description
本発明は、光通信、計測、加工などに好適なファイバレーザーに関する。
従来よりレーザー光源としては、半導体レーザー、固体レーザー、気体レーザーが使用されているが、近年はメンテナンスの容易性に加えてビーム品質の高さからファイバレーザーが注目され、加工用、計測用、通信用のレーザーとして使われている。
ファイバレーザーの増幅媒体としては、エルビウム（Ｅｒ）やイッテリビウム（Ｙｂ）やツリウム（Ｔｍ）などの希土類が添加されたファイバが用いられる。
ファイバレーザーの増幅媒体としては、エルビウム（Ｅｒ）やイッテリビウム（Ｙｂ）やツリウム（Ｔｍ）などの希土類が添加されたファイバが用いられる。
高出力を得るためにはＹｂを添加した増幅用光ファイバが一般的に用いられる一方、通信用や計測用には１．５μｍ帯のレーザー光が得られるＥｒを添加した増幅用光ファイバが用いられる。
また、波長分割多重（ＷＤＭ）方式の光通信では広帯域な波長の光源が必要とされる。
また、ファイバブラッググレーティング（ＦＧＢ）ファイバを利用したセンサー用の光源として用いる場合、広帯域なレーザー光源と波長の異なったＦＧＢファイバを並列もしくは直列に接続することにより観測点を増やすことが可能となる。
また、波長分割多重（ＷＤＭ）方式の光通信では広帯域な波長の光源が必要とされる。
また、ファイバブラッググレーティング（ＦＧＢ）ファイバを利用したセンサー用の光源として用いる場合、広帯域なレーザー光源と波長の異なったＦＧＢファイバを並列もしくは直列に接続することにより観測点を増やすことが可能となる。
このようなファイバレーザーとして、Ｅｒを添加した増幅用光ファイバを用いたものが提案されている（非特許文献１参照）。
X.Dongら,"High power erbium-doped fiber ring laser with widely tunable range over 100nm," Optics Communications 224,295-299(2003)
ＷＤＭ用の光源やセンサー用の光源としては小型で安定性のよいファイバレーザーが求められる。
しかし、非特許文献１で開示されているファイバレーザーは長さが数ｍから数十ｍに及ぶような長い増幅用光ファイバを用いるものであり、小型化が困難なものであった。
本発明は、増幅用光ファイバの長さが短く、かつ、広帯域な波長での発振ができるファイバレーザーの提供を目的とする。
しかし、非特許文献１で開示されているファイバレーザーは長さが数ｍから数十ｍに及ぶような長い増幅用光ファイバを用いるものであり、小型化が困難なものであった。
本発明は、増幅用光ファイバの長さが短く、かつ、広帯域な波長での発振ができるファイバレーザーの提供を目的とする。
本発明は、以下の要旨を有する。
（１）コアにＥｒが添加されている増幅用光ファイバ、Ｅｒを光励起する励起光の光源、励起光を増幅用光ファイバに導く光カプラ、および増幅用光ファイバから出たレーザー光を取り出す光カプラ、を有するファイバレーザーであって、前記増幅用光ファイバの長さが０．５ｍ以下であり、前記増幅用光ファイバの吸収係数が１５２０〜１５４０ｎｍの波長域のいずれかの波長において１００ｄＢ／ｍ以上であり、前記長さと前記吸収係数の積が４０〜１５０ｄＢであるファイバレーザー。
（２）共振器がリング共振器である上記（１）のファイバレーザー。
（３）波長可変フィルターを有する上記（１）または（２）のファイバレーザー。
（４）前記励起光の波長が９００〜９９０ｎｍである上記（１）〜（３）のいずれかのファイバレーザー。
（５）前記レーザー光の可変波長幅が１００ｎｍ以上である上記（１）〜（４）のいずれかのファイバレーザー。
（６）前記増幅用光ファイバのコアガラスが、マトリクスガラス１００質量部に対してＥｒを０．１〜１．０質量部含有している上記（１）〜（５）のいずれかのファイバレーザー。
（７）前記増幅用光ファイバのコア径が３〜８μｍである上記（１）〜（６）のいずれかのファイバレーザー。
（８）アイソレーターを有する上記（１）〜（７）のいずれかのファイバレーザー。
（９）上記（１）〜（８）のいずれかのファイバレーザーを有するＷＤＭ用の光源。
（１０）上記（１）〜（８）のいずれかのファイバレーザーを有するセンサー用の光源。
（１）コアにＥｒが添加されている増幅用光ファイバ、Ｅｒを光励起する励起光の光源、励起光を増幅用光ファイバに導く光カプラ、および増幅用光ファイバから出たレーザー光を取り出す光カプラ、を有するファイバレーザーであって、前記増幅用光ファイバの長さが０．５ｍ以下であり、前記増幅用光ファイバの吸収係数が１５２０〜１５４０ｎｍの波長域のいずれかの波長において１００ｄＢ／ｍ以上であり、前記長さと前記吸収係数の積が４０〜１５０ｄＢであるファイバレーザー。
（２）共振器がリング共振器である上記（１）のファイバレーザー。
（３）波長可変フィルターを有する上記（１）または（２）のファイバレーザー。
（４）前記励起光の波長が９００〜９９０ｎｍである上記（１）〜（３）のいずれかのファイバレーザー。
（５）前記レーザー光の可変波長幅が１００ｎｍ以上である上記（１）〜（４）のいずれかのファイバレーザー。
（６）前記増幅用光ファイバのコアガラスが、マトリクスガラス１００質量部に対してＥｒを０．１〜１．０質量部含有している上記（１）〜（５）のいずれかのファイバレーザー。
（７）前記増幅用光ファイバのコア径が３〜８μｍである上記（１）〜（６）のいずれかのファイバレーザー。
（８）アイソレーターを有する上記（１）〜（７）のいずれかのファイバレーザー。
（９）上記（１）〜（８）のいずれかのファイバレーザーを有するＷＤＭ用の光源。
（１０）上記（１）〜（８）のいずれかのファイバレーザーを有するセンサー用の光源。
本発明者は、吸収係数の大きい増幅用光ファイバを用いることによりファイバ長を短くできることを見出し、本発明に至った。
本発明によれば、ファイバレーザーの小型化が可能になる。
また、ファイバレーザーが小型になること、または共振器長が短くなることにより、ファイバレーザーが環境変化を受けにくくなることが期待される。
また、ファイバレーザーが小型になること、または共振器長が短くなることにより、ファイバレーザーが環境変化を受けにくくなることが期待される。
１：増幅用光ファイバ、２：励起光源、３：励起光を共振器中に導くための光カプラ、４：レーザー光を取り出すための光カプラ、５：波長可変フィルター、６：アイソレーター、７：出力。
図１は本発明のファイバレーザーを説明するための概念図であり、共振器がリング共振器である場合のものである。なお、本発明は図１に限定されない。
図１において、１はコアにＥｒが添加されている増幅用光ファイバ、２はＥｒを光励起する励起光の光源、すなわち励起光源、３は励起光を増幅用光ファイバ１に導くための光カプラ、すなわち励起光を共振器中に導くための光カプラ、４はレーザー光を取り出すための光カプラ、５は波長可変フィルター、６はアイソレーターである。
図１において、１はコアにＥｒが添加されている増幅用光ファイバ、２はＥｒを光励起する励起光の光源、すなわち励起光源、３は励起光を増幅用光ファイバ１に導くための光カプラ、すなわち励起光を共振器中に導くための光カプラ、４はレーザー光を取り出すための光カプラ、５は波長可変フィルター、６はアイソレーターである。
増幅用光ファイバ１は、そのコアガラスがマトリクスガラス１００質量部にＥｒが０．１〜１．０質量部添加されているものであり、そのマトリクスガラスが、Ｂｉ２Ｏ３を２０〜６０モル％、Ｂ２Ｏ３および／またはＳｉＯ２を合計で２０〜５０モル％、Ａｌ２Ｏ３および／またはＧａ２Ｏ３を合計で３〜３０モル％含有するものであり、コア径は３〜８μｍであることが好ましい。Ａｌ２Ｏ３とＧａ２Ｏ３の合計は３〜２０モル％であってもよい。
Ｅｒが０．１質量部未満では吸収係数が小さくなるおそれがある。より好ましくは０．２質量部以上である。１．０質量部超ではエネルギー変換効率が低下し、十分なレーザー発振が得られないおそれがある。より好ましくは０．８質量部以下である。
コア径が３μｍ未満では光ファイバ内の光の分布とＥｒが添加されているコア領域との重なりが小さくなり、吸収係数が小さくなるおそれがある。より好ましくは３．５μｍ以上である。８μｍ超ではモードフィールド径がコア径より小さくなり、Ｅｒを十分に励起できなくなるおそれがある。より好ましくは７μｍ以下である。
Ｅｒが０．１質量部未満では吸収係数が小さくなるおそれがある。より好ましくは０．２質量部以上である。１．０質量部超ではエネルギー変換効率が低下し、十分なレーザー発振が得られないおそれがある。より好ましくは０．８質量部以下である。
コア径が３μｍ未満では光ファイバ内の光の分布とＥｒが添加されているコア領域との重なりが小さくなり、吸収係数が小さくなるおそれがある。より好ましくは３．５μｍ以上である。８μｍ超ではモードフィールド径がコア径より小さくなり、Ｅｒを十分に励起できなくなるおそれがある。より好ましくは７μｍ以下である。
増幅用光ファイバ１のコアガラスとクラッドガラスの屈折率差は０．００３〜０．０３０であることが好ましい。０．００３未満ではファイバを曲げた場合のロスが大きくなるおそれがある。好ましくは０．００５以上である。０．０３０超では接続が困難になるおそれがある。より好ましくは０．０２０以下である。
増幅用光ファイバ１の吸収係数（Ａ）が１５２０〜１５４０ｎｍの波長域のいずれの波長においても１００ｄＢ／ｍ以上でないと、単位長さあたりの吸光度が小さくなりすぎ、増幅用光ファイバ１の長さを短くすることが困難になる。好ましくは２００ｄＢ／ｍ以上、より好ましくは３００ｄＢ／ｍ以上である。なお、通常はＥｒの吸収ピークが上記波長域に存在し、その吸収ピークに係るＡが１００ｄＢ／ｍ以上であることが求められる。
増幅用光ファイバ１の長さ（Ｌ）は０．５ｍ超ではファイバレーザーを小型化することが困難になる。また、外乱の影響によりレーザー発振が不安定になるおそれがある。好ましくは０．３５ｍ以下、より好ましくは０．３０ｍ以下である。なお、Ｌは好ましくは０．０５ｍ以上である。０．０５ｍ未満では取り扱いが困難になる。より好ましくは０．１０ｍ以上、特に好ましくは０．１５ｍ以上である。
前記Ａと前記Ｌの積（Ａ×Ｌ）が４０ｄＢ未満では十分な出力が得られないおそれがある、または長波長側でのレーザー発振が得られず帯域または可変波長幅が狭くなるおそれがあり、好ましくは５０ｄＢ以上、より好ましくは６０ｄＢ以上である。Ａ×Ｌが１５０ｄＢ超では強い励起光パワーが必要になって効率が悪くなるおそれがある。（Ａ×Ｌ）は好ましくは１２０ｄＢ以下、より好ましくは１００ｄＢ以下である。
アイソレーター６は必須ではないが、共振器中で光を一方向のみ透過する。このように一方向のみで発振することにより、ノイズの少ない安定したレーザーを得ることが可能になる。
波長可変フィルター５は必須ではないが、発振波長を容易に変えるようにしたい場合、不要な誘導放出光を除きたい場合などには用いることが好ましい。共振器中には、波長可変フィルターを導入することが好ましい。
不要な誘導放出光を除きたい場合には波長可変フィルター５の半値全幅は、好ましくは５ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下である。
不要な誘導放出光を除きたい場合には波長可変フィルター５の半値全幅は、好ましくは５ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下である。
励起光としては通常、波長が０．９０〜０．９９μｍまたは１.４６〜１.４９μｍのレーザー光が使用されるが、効率的に発振させるためには励起光の波長を０．９５〜０.９９μｍとすることが好ましい。
レーザーの発振波長帯域の幅、すなわちレーザーの可変波長幅は１００ｎｍ以上であることが好ましい。１００ｎｍ未満では、ＷＤＭ方式を効率よく使うことが困難になるおそれがある、またはセンサー用の光源として用いる場合検出箇所を増やすことが困難になるおそれがある。より好ましくは１１０ｎｍ以上、さらに好ましくは１２０ｎｍ以上である。
共振器構造としてはリング型以外にファブリペロー型が挙げられる。共振器構造としてファブリペロー型をとる場合、光ファイバブラッググレーティングを両端に配置する構成が典型的である。
図１の増幅用光ファイバ１として表１の例１〜８のＡ（波長１５３２ｎｍにおける吸収係数。単位はｄＢ／ｍ。）、Ｌ（単位：ｍ）を有するものを用いて図１と同じ構成のファイバレーザーを作製した。光カプラ４は９０％の光をリング共振器に導き１０％の光を出力として外部に取り出すことができるものとし、波長可変フィルター５は半値全幅が１ｎｍのものとした。例１〜７は実施例、例８は比較例である。
例１および例２の増幅用光ファイバはいずれも次のようなものである。
コアガラス：モル％表示組成がＢｉ２Ｏ３ ４２．８、ＳｉＯ２ ３４．２、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ３．６、Ｇａ２Ｏ３ １７．８、Ｌａ２Ｏ３ １．４、であるマトリクスガラス１００質量部にＥｒが０．３２質量部添加されたもの。
クラッドガラスのモル％表示組成：Ｂｉ２Ｏ３ ４２．８、ＳｉＯ２ ３４．２、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ７．１、Ｇａ２Ｏ３ １４．３、Ｌａ２Ｏ３ １．４。
コア径：５．４μｍ。
クラッド径：１２５μｍ。
コアとクラッドの屈折率差：０．０１。
コアガラス：モル％表示組成がＢｉ２Ｏ３ ４２．８、ＳｉＯ２ ３４．２、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ３．６、Ｇａ２Ｏ３ １７．８、Ｌａ２Ｏ３ １．４、であるマトリクスガラス１００質量部にＥｒが０．３２質量部添加されたもの。
クラッドガラスのモル％表示組成：Ｂｉ２Ｏ３ ４２．８、ＳｉＯ２ ３４．２、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ７．１、Ｇａ２Ｏ３ １４．３、Ｌａ２Ｏ３ １．４。
コア径：５．４μｍ。
クラッド径：１２５μｍ。
コアとクラッドの屈折率差：０．０１。
例３〜８の増幅用光ファイバはいずれも次のようなものである。
コアガラス：モル％表示組成がＢｉ２Ｏ３ ４２．８、Ｂ２Ｏ３ ５．０、ＳｉＯ２ ２９．２、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ３．６、Ｇａ２Ｏ３ １７．８、Ｌａ２Ｏ３ １．４、であるマトリクスガラス１００質量部にＥｒが０．６４質量部添加されたもの。
クラッドガラスのモル％表示組成：Ｂｉ２Ｏ３ ４２．８、Ｂ２Ｏ３ ５．０、ＳｉＯ２ ２９．２、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ７．１、Ｇａ２Ｏ３ １４．３、Ｌａ２Ｏ３ １．４。
コア径：３．９μｍ。
クラッド径：１２５μｍ。
コアとクラッドの屈折率差：０．０１。
コアガラス：モル％表示組成がＢｉ２Ｏ３ ４２．８、Ｂ２Ｏ３ ５．０、ＳｉＯ２ ２９．２、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ３．６、Ｇａ２Ｏ３ １７．８、Ｌａ２Ｏ３ １．４、であるマトリクスガラス１００質量部にＥｒが０．６４質量部添加されたもの。
クラッドガラスのモル％表示組成：Ｂｉ２Ｏ３ ４２．８、Ｂ２Ｏ３ ５．０、ＳｉＯ２ ２９．２、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ７．１、Ｇａ２Ｏ３ １４．３、Ｌａ２Ｏ３ １．４。
コア径：３．９μｍ。
クラッド径：１２５μｍ。
コアとクラッドの屈折率差：０．０１。
例１〜８のファイバレーザーにおいて、図１の励起光源２、２から表１のλｅの欄に波長（単位：μｍ）を示す励起光を発し、前方５０ｍＷ、後方５０ｍＷで増幅用光ファイバ１を励起したときの可変波長幅（単位：ｎｍ）を表１のＷ１の欄に、前方１００ｍＷ、後方１００ｍＷで増幅用光ファイバ１を励起したときの可変波長幅（単位：ｎｍ）を表１のＷ２の欄にそれぞれ示す。
また、ＡおよびＬが表１の例９および例１０の該当欄に示すようなものである増幅用光ファイバについて、λｅが０．９８μｍである場合のＷ１、Ｗ２を、Ａの値から推定した利得に基づき推定した。結果を同表の該当欄に示す。なお、Ａの値自体も、各増幅用光ファイバのコア、クラッドの屈折率およびコア径から閉じ込め係数を算出し、コアガラスの吸収係数推定値を用いて推定した。また、表中の＊印は推定値であることを示す。例９および例１０は比較例である。
例９の増幅用光ファイバは次のようなものである。
コアガラス：モル％表示組成がＢｉ２Ｏ３ ４２．８、Ｂ２Ｏ３ ２８．５、ＳｉＯ２ １４．３、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ７．１、Ｇａ２Ｏ３ ７．１、であるマトリクスガラス１００質量部にＥｒが０．６質量部添加されたもの。
クラッドガラスのモル％表示組成：Ｂｉ２Ｏ３ ４２．８、Ｂ２Ｏ３ ２８．５、ＳｉＯ２ １４．３、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ １０．６、Ｇａ２Ｏ３ ３．６。
コア径：２．５μｍ。
クラッド径：１２５μｍ。
コアとクラッドの屈折率差：０．０１。
コアガラス：モル％表示組成がＢｉ２Ｏ３ ４２．８、Ｂ２Ｏ３ ２８．５、ＳｉＯ２ １４．３、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ７．１、Ｇａ２Ｏ３ ７．１、であるマトリクスガラス１００質量部にＥｒが０．６質量部添加されたもの。
クラッドガラスのモル％表示組成：Ｂｉ２Ｏ３ ４２．８、Ｂ２Ｏ３ ２８．５、ＳｉＯ２ １４．３、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ １０．６、Ｇａ２Ｏ３ ３．６。
コア径：２．５μｍ。
クラッド径：１２５μｍ。
コアとクラッドの屈折率差：０．０１。
例１０の増幅用光ファイバは次のようなものである。
コアガラス：モル％表示組成がＢｉ２Ｏ３ ４２．７、Ｂ２Ｏ３ ２８．５、ＳｉＯ２ １４．２、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ７．２、Ｇａ２Ｏ３ ７．２、であるマトリクスガラス１００質量部にＥｒが０．０６質量部添加されたもの。
クラッドガラスのモル％表示組成：Ｂｉ２Ｏ３ ４２．７、Ｂ２Ｏ３ ２８．５、ＳｉＯ２ １４．２、ＣｅＯ２ ０．３、Ａｌ２Ｏ３ １４．３。
コア径：７．０μｍ。
クラッド径：１２５μｍ。
コアとクラッドの屈折率差：０．０１。
コアガラス：モル％表示組成がＢｉ２Ｏ３ ４２．７、Ｂ２Ｏ３ ２８．５、ＳｉＯ２ １４．２、ＣｅＯ２ ０．２、Ａｌ２Ｏ３ ７．２、Ｇａ２Ｏ３ ７．２、であるマトリクスガラス１００質量部にＥｒが０．０６質量部添加されたもの。
クラッドガラスのモル％表示組成：Ｂｉ２Ｏ３ ４２．７、Ｂ２Ｏ３ ２８．５、ＳｉＯ２ １４．２、ＣｅＯ２ ０．３、Ａｌ２Ｏ３ １４．３。
コア径：７．０μｍ。
クラッド径：１２５μｍ。
コアとクラッドの屈折率差：０．０１。
例１〜７では励起光パワーの小さい場合であっても可変波長幅が１００ｎｍ以上となる（Ｗ１）。特に、Ｌが０．１５〜０．３０ｍ、Ａ×Ｌが５０〜１００ｄＢ、λｅが０．９８μｍである例３〜５では大きなＷ２が得られる。
図２は例４のレーザー光のスペクトルを示す。
横軸は波長、縦軸は出力光強度であり、１５００ｎｍから１６２０ｎｍまで１０ｎｍ毎で発振させた時の出力光のスペクトル、および１４９１ｎｍと１６２５ｎｍで発振させた時の出力光のスペクトルを一つのグラフに示したものである。
１５３０ｎｍ付近の小さいピークは１４９１ｎｍ、１５００ｎｍおよび１６２５ｎｍで発振した場合に発生する誘導放出光であり、レーザー光に対して誘導放出光が小さく抑えられていることがわかる。
横軸は波長、縦軸は出力光強度であり、１５００ｎｍから１６２０ｎｍまで１０ｎｍ毎で発振させた時の出力光のスペクトル、および１４９１ｎｍと１６２５ｎｍで発振させた時の出力光のスペクトルを一つのグラフに示したものである。
１５３０ｎｍ付近の小さいピークは１４９１ｎｍ、１５００ｎｍおよび１６２５ｎｍで発振した場合に発生する誘導放出光であり、レーザー光に対して誘導放出光が小さく抑えられていることがわかる。
本発明によるファイバレーザーは小型で優れた安定性が必要とされる用途に広く使用できる。例えば、ＷＤＭ用の光源やセンサー用の光源として好適に利用できる。
なお、２００８年２月１８日に出願された日本特許出願２００８−３６５８５号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として取り入れるものである。
Claims (10)
- コアにＥｒが添加されている増幅用光ファイバ、Ｅｒを光励起する励起光の光源、励起光を増幅用光ファイバに導く光カプラ、および増幅用光ファイバから出たレーザー光を取り出す光カプラ、を有するファイバレーザーであって、前記増幅用光ファイバの長さが０．５ｍ以下であり、前記増幅用光ファイバの吸収係数が１５２０〜１５４０ｎｍの波長域のいずれかの波長において１００ｄＢ／ｍ以上であり、前記長さと前記吸収係数の積が４０〜１５０ｄＢであるファイバレーザー。
- 共振器がリング共振器である請求項１のファイバレーザー。
- 波長可変フィルターを有する請求項１または２のファイバレーザー。
- 前記励起光の波長が９００〜９９０ｎｍである請求項１〜３のいずれかのファイバレーザー。
- 前記レーザー光の可変波長幅が１００ｎｍ以上である請求項１〜４のいずれかのファイバレーザー。
- 前記増幅用光ファイバのコアガラスが、マトリクスガラス１００質量部に対してＥｒを０．１〜１．０質量部含有している請求項１〜５のいずれかのファイバレーザー。
- 前記増幅用光ファイバのコア径が３〜８μｍである請求項１〜６のいずれかのファイバレーザー。
- アイソレーターを有する請求項１〜７のいずれかのファイバレーザー。
- 請求項１〜８のいずれかのファイバレーザーを有するＷＤＭ用の光源。
- 請求項１〜８のいずれかのファイバレーザーを有するセンサー用の光源。
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