WO2020241363A1 - 光ファイバ装置 - Google Patents

光ファイバ装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2020241363A1
WO2020241363A1 PCT/JP2020/019694 JP2020019694W WO2020241363A1 WO 2020241363 A1 WO2020241363 A1 WO 2020241363A1 JP 2020019694 W JP2020019694 W JP 2020019694W WO 2020241363 A1 WO2020241363 A1 WO 2020241363A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fiber
fluoride
optical fiber
laser
fluoride fiber
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/019694
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
大介 小西
政直 村上
諒 佐原
茂樹 時田
Original Assignee
三星ダイヤモンド工業株式会社
国立大学法人大阪大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三星ダイヤモンド工業株式会社, 国立大学法人大阪大学 filed Critical 三星ダイヤモンド工業株式会社
Publication of WO2020241363A1 publication Critical patent/WO2020241363A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber device.
  • Fibers to which a laser active substance is added are used in laser oscillators and optical amplifiers.
  • excitation light is introduced from the end face of the fiber in order to oscillate the laser.
  • the excitation light is guided to the active fiber, the excitation light is absorbed by the core portion to which the laser active substance is added, whereby the output light is emitted.
  • the excitation light is absorbed by the core, so that the core generates heat.
  • fluoride fiber has poor heat resistance as compared with general quartz fiber, so when the excitation light is strong, it is deformed or damaged by heat generation, and laser oscillation and amplification cannot be performed. Therefore, the laser output is limited in the configuration in which the excitation light is introduced from the fiber end face.
  • Patent Document 1 An optical coupler as shown in Patent Document 1.
  • the apparatus of Patent Document 1 includes a gain fiber and an excitation optical fiber connected to a side surface of the gain fiber. Then, the excitation optical fiber guides the excitation light from the excitation light source to the gain fiber. In this way, if a plurality of units having an excitation optical fiber connected to the side surface of the gain fiber are connected to form a laser oscillator, excitation light can be introduced from a plurality of locations. Therefore, the power of the excitation light that can be introduced can be increased, and the laser output can be increased while suppressing the heat generation of the gain fiber.
  • An object of the present invention is to prevent the joint portion from becoming hot in an optical fiber device having a configuration in which another optical fiber is bonded to the side surface of the optical fiber.
  • the optical fiber device is a device bonded to an optical fiber having a core to which a laser active substance is added, and includes a first fiber and a second fiber.
  • the first fiber is a fiber bonded to an optical fiber and having a low concentration or no addition of a laser active substance.
  • the second fiber is a fiber to which light is incident or emitted from the first end and the end face of the second end is obliquely bonded to the side surface of the first fiber without adding a laser active substance.
  • the excitation light from the excitation light source is introduced into the first fiber through the second fiber.
  • the device can also be used as an optical distributor, in which case the light guided within the first fiber is distributed and emitted from the first end of the second fiber.
  • the first fiber and the second fiber do not have a laser active substance or have a low concentration, high heat is not generated near the junction of the two fibers. Therefore, high durability and long life are realized.
  • This device may further include a first heat dissipation member.
  • the first heat radiating member is arranged so as to cover the entire circumference of the joint portion between the first fiber and the second fiber.
  • the optical fiber device may further include a second heat radiating member.
  • the second heat radiating member may cover the joint between the first fiber and the optical fiber. Therefore, the heat generated in the vicinity of the joint between the first fiber and the optical fiber can be efficiently released.
  • the first fiber may have a core connected to the core of the optical fiber and having a low concentration or no additive of the laser active substance. Excitation light corresponding to the laser active material may be incident on the second fiber.
  • the laser active material in the core may be less than 0.1%.
  • the first fiber may have a first clad and a second clad in which the laser active material has a low concentration or no addition.
  • the first fiber and the second fiber may be fluoride fibers.
  • the first fiber and the second fiber may be formed of ZBLAN glass.
  • the optical fiber device in a configuration in which another optical fiber is bonded to the side surface of the optical fiber, it is possible to suppress the temperature of the bonded portion from becoming high.
  • the block diagram of the optical fiber apparatus according to 1st Embodiment of this invention Sectional drawing of the 1st fluoride fiber. Sectional drawing of the 2nd fluoride fiber. Sectional drawing of the joint part of the 1st fluoride fiber and the 2nd fluoride fiber. Sectional drawing of the 3rd fluoride fiber. Sectional drawing of the joint part of the 1st fluoride fiber and the 3rd fluoride fiber. Graph of experimental results to show the presence or absence of functional deterioration as an optical coupler.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an optical fiber device according to the first embodiment of the present invention.
  • the optical fiber device 1 is one unit constituting the laser oscillator, and functions as an optical coupler.
  • the optical fiber device 1 includes an excitation light source 2, a first fluoride fiber 3 (an example of a first fiber), a second fluoride fiber 4 (an example of a second fiber), and a third fluoride fiber 5 (an optical fiber).
  • a fiber laser oscillator can be configured by adding a reflecting mirror, an output mirror, and the like to the optical fiber device 1.
  • a lens 7 is arranged in front of the excitation light source 2 (hereinafter, the same applies).
  • the excitation light source 2 oscillates excitation light having a wavelength that excites the laser active material, and is, for example, a semiconductor laser.
  • the excitation light oscillated by the excitation light source 2 is introduced into the third fluoride fiber 5 via the second fluoride fiber 4 and the first fluoride fiber 3.
  • the first fluoride fiber 3 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the first fluoride fiber.
  • the first fluoride fiber 3 is a double clad fiber and has a core 30, a first clad 31, and a second clad 32.
  • the first clad 31 is formed so as to cover the outer peripheral surface of the core 30.
  • the second clad 32 is formed so as to cover the outer peripheral surface of the first clad 31.
  • the core 30 of the first fluoride fiber 3 is formed of fluoride glass, preferably made of ZBLAN (ZrF 4- BaF 2- LaF 3- AlF 3- NaF) glass. No laser active substance is added to the core 30. Therefore, the laser active material is low concentration or additive-free. Specifically, the laser active material in the core 30 is preferably less than 0.1%.
  • the first clad 31 is formed of fluoride glass, preferably ZBLAN glass.
  • the solid line arrow indicates the propagation of the light oscillated by the laser, and the broken line arrow indicates the propagation of the light contributing to the laser oscillation (hereinafter, the same applies).
  • the second clad 32 is formed of an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin.
  • the first clad 31 has a lower refractive index than the core 30, and the second clad 32 has a lower refractive index than the first clad 31.
  • the core 30 is not doped with the laser active material. Therefore, laser light is not generated in the core 30, and therefore heat generation due to excitation light absorption does not occur. Further, the first clad 31 and the second clad 32 are also not doped with the laser active substance.
  • the second fluoride fiber 4 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the second fluoride fiber.
  • the second fluoride fiber 4 is a multimode fiber to which a laser active substance is not added, and has a core 40 having a large diameter and a reflective clad layer 41 formed so as to cover the outer peripheral surface of the core 40. There is.
  • the core 40 and the reflective clad layer 41 are formed of fluoride glass, preferably ZBLAN glass.
  • the reflective clad layer 41 has a lower refractive index than the core 40.
  • the refractive index of the core 40 is preferably equal to or less than the refractive index of the first clad 31 of the first fluoride fiber 3, and more preferably the same as the refractive index of the first clad of the first fluoride fiber 3.
  • the excitation light from the excitation light source 2 is incident on the first end 4a of the second fluoride fiber 4 via the lens 7. Further, the second end 4b of the second fluoride fiber 4 is obliquely polished so as to have a predetermined angle, and is connected to the side surface of the first fluoride fiber 3.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a joint portion between the first fluoride fiber and the second fluoride fiber.
  • a part of the second clad 32 of the first fluoride fiber 3 is removed, and the obliquely polished tip surface of the second fluoride fiber 4 is fused to the portion. This fusion is performed, for example, by irradiating a laser beam.
  • the third fluoride fiber 5 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the third fluoride fiber.
  • the third fluoride fiber 5 is a fluoride fiber doped with a rare earth element.
  • the third fluoride fiber 5 is excited by the laser beam introduced from the input end, and generates a laser beam having a wavelength determined by the substance doped in the third fluoride fiber 5.
  • the third fluoride fiber 5 is a double clad fiber and has a core 50, a first clad 51, and a second clad 52, similarly to the first fluoride fiber 3.
  • the core 50 is a ZBLAN glass doped with erbium (Er) as a rare earth element (an example of a laser active substance).
  • ZBLAN glass is a fluoride glass containing zirconium (Zr), barium (Ba), lanthanum (La), aluminum (Al), and sodium (Na) as main components.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a joint portion between the first fluoride fiber and the third fluoride fiber.
  • the third fluoride fiber 5 is fused and connected to one end face of the first fluoride fiber 3. Specifically, the cores, the first clad, and the second clad are connected to each other.
  • the core 30 and the core 50 have the same size on the joint surface. Specifically, it is preferable that the difference in core diameter between the first fluoride fiber 3 and the third fluoride fiber 5 at the joint surface is 10% or less. Secondly, it is preferable that the core 30 and the core 50 are not misaligned after joining. For example, the deviation is preferably 10% or less based on any of the fiber diameters.
  • the first technique and the second technique described above may be either one or both.
  • the device 1 has a heat dissipation member 6.
  • the heat radiating member 6 is a member for radiating heat from the joint portion 11.
  • the heat radiating member 6 is composed of a plurality of heat radiating plates.
  • the heat radiating plate is formed of a rectangular sapphire having good thermal conductivity and light transmission to excitation light.
  • the heat radiating member 6 covers the entire circumference of the first fluoride fiber 3, the second fluoride fiber 4, and the joint portion 11 and a portion in the vicinity thereof. Therefore, the heat radiating member 6 can efficiently release the heat generated in the vicinity of the joint between the two fibers. Further, it is possible to prevent the heat radiating member 6 from absorbing the excitation light and generating heat.
  • the excitation light having light transmittance with respect to the excitation light
  • “having light transmittance with respect to the excitation light” means a case where the absorption rate of the excitation light is 1% or less, and the excitation light is transmitted with almost no absorption, so that the heat radiation member transmits the excitation light. Does not generate enough heat to damage the fiber.
  • the heat radiating member 6 is provided with a heat sink in contact with the heat radiating member 6.
  • the device 1 has a heat radiating member 8.
  • the heat radiating member 8 is a member for radiating heat from the joint portion 13.
  • the heat radiating member 8 has a different shape from the heat radiating member 6, but has the same configuration.
  • the heat radiating member 6 and the heat radiating member 8 may be integrated. Further, one or both of the heat radiating member 6 and the heat radiating member 8 may be omitted.
  • the excitation light from the excitation light source 2 is incident on the second fluoride fiber 4 through the lens 7.
  • the second fluoride fiber 4 can guide the excitation light in the core 40 and introduce the excitation light into the first clad 31 of the first fluoride fiber 3 via the junction 11.
  • the refractive index of the core 40 is set to be equal to or lower than the refractive index of the first clad 31 of the first fluoride fiber 3, the reflection of excitation light at the interface between the core 40 and the first clad 31 can be suppressed.
  • the first fluoride fiber 3 and the third fluoride fiber 5 guide the excitation light with the first cladding 31 and 51, respectively. Then, in the third fluoride fiber 5, the excitation light excites the laser active material of the core 50 while being guided through the first clad 51, and the laser light is emitted from the laser active material.
  • the laser active material is erbium and excitation light having a wavelength of 975 nm is introduced, laser light having a wavelength of about 2.8 ⁇ m can be obtained.
  • the laser light emitted from the laser active substance is guided in the core 50 of the third fluoride fiber 5 and the core 30 of the first fluoride fiber 3.
  • FIG. 7 is a graph of experimental results for showing the presence or absence of functional deterioration as an optical coupler. As is clear from the graph, laser transmission is started at around 60 W, and sufficient output is obtained even at 100 W (meaning that it is durable). Conventionally, at about 80 W, the joint portion was deformed or damaged due to high heat, and laser oscillation and amplification could not be performed.
  • FIG. 8 is a configuration diagram showing an example of an optical fiber device to which the first embodiment is applied.
  • the optical fiber device 100 has a first fluoride fiber 3, a second fluoride fiber 4, and a third fluoride fiber 5, as in the first embodiment.
  • the laser light is introduced into the second fluoride fiber 4 from the first excitation light source 2A, and the laser light is introduced into the first fluoride fiber 3 from the second excitation light source 2B.
  • the first excitation light source 2A and the second excitation light source 2B are semiconductor lasers.
  • the third fluoride fiber 5 forms an annular portion 5a wound a plurality of times.
  • the third fluoride fiber 5 functions as a laser medium and a resonator, and amplifies the laser light generated by irradiation with the excitation light to oscillate the laser.
  • a high-reflection FBG (Fiber Bragg Grating) 103 and a low-reflection FBG 105 are drawn on the third fluoride fiber 5.
  • the high reflection FBG 103 is drawn near the input end of the third fluoride fiber 5.
  • the low reflection FBG 105 is drawn on the side close to the output end of the third fluoride fiber 5.
  • the high reflection FBG 103 is a reflection unit that totally reflects light having a specific wavelength to be oscillated as laser light in a laser resonator.
  • the low-reflection FBG 105 is a reflecting unit that transmits only a part of light having a specific wavelength oscillated as laser light in a laser resonator and reflects the rest.
  • the third fluoride fiber 5 it is absorbed by the rare earth element doped in the core 50, and a population inversion is generated between the basal level and the metastable level, and light is emitted.
  • the light emitted in this way is laser-oscillated by the optical amplification action of the third fluoride fiber 5 and the action of the high-reflection FBG103 and the low-reflection FBG105.
  • the output light is output from the output end of the third fluoride fiber 5.
  • FIG. 9 is a configuration diagram showing an example of an optical fiber amplification device to which the first embodiment is applied.
  • the optical fiber amplification device 100A has a first fluoride fiber 3, a second fluoride fiber 4, and a third fluoride fiber 5 as an optical coupler as in the first embodiment.
  • the laser beam is introduced into the second fluoride fiber 4 from the excitation light source 2, and the laser beam is introduced into the first fluoride fiber 3 from the laser device 9.
  • the excitation light source 2 is a semiconductor laser.
  • the laser light introduced from the laser device 9 is amplified and output as output light from the output end of the third fluoride fiber 5.
  • the laser device 9 may be the optical fiber device 100 of the second embodiment or another device.
  • FIG. 10 is a configuration diagram showing an example of an optical fiber amplification device to which the first embodiment is applied.
  • the optical fiber amplification device 100B has a first fluoride fiber 3, a second fluoride fiber 4, and a third fluoride fiber 5 as a first optical coupler, as in the first embodiment.
  • the optical fiber amplification device 100B further includes a fourth fluoride fiber 3A and a fifth fluoride fiber 4A as a second optical coupler.
  • the fourth fluoride fiber 3A and the fifth fluoride fiber 4A have the same structure as the first fluoride fiber 3 and the second fluoride fiber 4, respectively, and are arranged symmetrically with the third fluoride fiber 5 interposed therebetween.
  • the laser beam is introduced into the second fluoride fiber 4 from the excitation light source 2, and the laser beam is introduced into the first fluoride fiber 3 from the laser device 9. Further, laser light is introduced into the fifth fluoride fiber 4A from the third excitation light source 2C.
  • the excitation light source 2 and the third excitation light source 2C are semiconductor lasers.
  • the laser light introduced from the laser device 9 is amplified and output as output light from the output end of the fourth fluoride fiber 3A.
  • the laser device 9 may be the optical fiber device 100 of the second embodiment or another device.
  • the present invention is used as a laser oscillator, but it can also be applied to other devices.
  • the second fluoride fiber having a core is used as the second fiber of the present invention, but the second fluoride fiber having no core may be used as the second fiber.
  • the laser active substance has been described as erbium, but laser active substances of other rare earth elements such as ytterbium, thulium, and holmium may be used.
  • laser active substances of other rare earth elements such as ytterbium, thulium, and holmium may be used.
  • first fluoride fiber and the second fluoride fiber are fused and joined, but it may be joined by using another method such as an adhesive.
  • the present invention can be widely applied to optical fiber devices.

Abstract

光ファイバ装置（１）は、レーザ活性物質が添加されたコア（５０）を有する第３フッ化物ファイバ（５）に接合される装置であって、第１フッ化物ファイバ（３）と、第２フッ化物ファイバ（４）とを備えており、前記第１フッ化物ファイバ（３）は、前記第３フッ化物ファイバ（５）に接合されたレーザ活性物質が低濃度又は非添加のファイバであり、前記第２フッ化物ファイバ（４）は、第１端から励起光源（２）からの光が入射又は出射されるとともに第２端の端面が前記第１フッ化物ファイバ（３）の側面に斜めに接合されたレーザ活性物質非添加のファイバであり、光ファイバの側面に別の光ファイバを接合した構成において接合部が高温になるのを抑える、光ファイバ装置。

Description

光ファイバ装置
　本発明は、光ファイバ装置に関する。
　レーザ活性物質を添加したファイバ（アクティブファイバ）が、レーザ発振器や光増幅器に用いられている。例えばフッ化物製のアクティブファイバを利用したレーザ発振器や光増幅器では、レーザ発振させるために、励起光がファイバ端面から導入される。励起光がアクティブファイバに導光されると、励起光はレーザ活性物質が添加されたコア部分で吸収され、これにより出力光が発光される。このとき、励起光がコアに吸収されることにより、コアが発熱する。
　特に、フッ化物ファイバは、一般的な石英製ファイバと比較して耐熱性に乏しいので、励起光が強い場合、発熱によって変形あるいは損傷が生じ、レーザ発振や増幅ができなくなる。このため、ファイバ端面から励起光を導入する構成では、レーザ出力が制限される。
　そこで、特許文献１に示されるような光結合器を利用することが考えられる。特許文献１の装置は、利得ファイバと、利得ファイバの側面に接続された励起光ファイバと、を有している。そして、励起光ファイバは、励起光源からの励起光を利得ファイバに導く。このように、利得ファイバの側面に励起光ファイバを接続した複数のユニットを接続してレーザ発振器を構成すれば、複数個所から励起光を導入できる。このため、導入できる励起光のパワーを増加でき、利得ファイバの発熱を抑えつつ、レーザ出力を高くできる。
特開２００９－１２９９４０号公報
　特許文献１のように、光ファイバの側面に他の光ファイバを接続する場合、接合部の界面において、光が漏れたり、乱反射によって光が散乱したりすることによって、接合部の近辺が高温になる場合がある。
　前述のように、特に、フッ化物ファイバは耐熱性が低いので、接合部近辺が高温になると、ファイバが損傷するおそれがある。
　本発明の目的は、光ファイバの側面に別の光ファイバを接合した構成の光ファイバ装置において、接合部が高温になるのを抑えることにある。
　本発明の一見地に係る光ファイバ装置は、レーザ活性物質が添加されたコアを有する光ファイバに接合される装置であって、第１ファイバと、第２ファイバとを備えている。
　第１ファイバは、光ファイバに接合された、レーザ活性物質が低濃度又は非添加のファイバである。
　第２ファイバは、第１端から光が入射又は出射されるとともに、第２端の端面が第１ファイバの側面に斜めに接合されたレーザ活性物質非添加のファイバである。
　この装置を光結合器として使用した場合は、励起光源からの励起光は、第２ファイバを通して第１ファイバに導入される。また、この装置を光分配器として使用することもでき、この場合は、第１ファイバ内で導光される光は分配されて、第２ファイバの第１端から出射される。
　このような構成において、第１ファイバと第２ファイバがレーザ活性物質を有していない又は低濃度なので、２つのファイバの接合部近辺で高熱が発生しない。したがって、高耐久性及び高寿命化が実現される。
　この装置は、第１放熱部材をさらに備えていてもよい。第１放熱部材は、第１ファイバと第２ファイバとの接合部の全周を覆うように配置されている。
　このような構成において、第１ファイバと第２ファイバの接合部には、全周を覆うように放熱部材が設けられているので、第１ファイバと第２ファイバの接合部近辺で発生した熱を効率よく放出できる。
　光ファイバ装置は、第２放熱部材をさらに備えていてもよい。第２放熱部材は、第１ファイバと光ファイバとの接合部を覆っていてもよい。
　したがって、第１ファイバと光ファイバの接合部近辺で発生した熱を効率よく放出できる。
　第１ファイバは、光ファイバのコアに接続されレーザ活性物質が低濃度又は非添加のコアを有していてもよい。
　第２ファイバにはレーザ活性物質に対応する励起光が入射されてもよい。
　コアでのレーザ活性物質は０．１％未満であってもよい。
　第１ファイバは、レーザ活性物質が低濃度又は非添加の第１クラッド及び第２クラッドを有していてもよい。
　第１ファイバ及び第２ファイバは、フッ化物ファイバであってもよい。
　第１ファイバ及び第２ファイバは、ＺＢＬＡＮガラスにより形成されていてもよい。
　本発明に係る光ファイバ装置では、光ファイバの側面に別の光ファイバを接合した構成において、接合部が高温になるのを抑えることができる。
本発明の第１実施形態による光ファイバ装置の構成図。 第１フッ化物ファイバの断面図。 第２フッ化物ファイバの断面図。 第１フッ化物ファイバと第２フッ化物ファイバの接合部の断面図。 第３フッ化物ファイバの断面図。 第１フッ化物ファイバと第３フッ化物ファイバの接合部の断面図。 光結合器としての機能劣化の有無を示すための実験結果のグラフ。 第１実施形態が適用される光ファイバ装置の一例を示す構成図。 第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置の一例を示す構成図。 第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置の一例を示す構成図。
１．第１実施形態
（１）光ファイバ装置の基本構成
　図１を用いて、光ファイバ装置１を説明する。図１は、本発明の第１実施形態による光ファイバ装置の構成図である。
　光ファイバ装置１は、レーザ発振器を構成する１つのユニットであり、光結合器として機能する。光ファイバ装置１は、励起光源２と、第１フッ化物ファイバ３（第１ファイバの一例）と、第２フッ化物ファイバ４（第２ファイバの一例）と、第３フッ化物ファイバ５（光ファイバの一例）とを有している。この光ファイバ装置１に、反射鏡及び出力鏡等を追加することによって、ファイバレーザ発振器を構成できる。
　また、励起光源２の前には、レンズ７が配置されている（以下、同じ）。
　励起光源２は、レーザ活性物質を励起する波長の励起光を発振するものであり、例えば半導体レーザなどである。励起光源２にて発振された励起光は、第２フッ化物ファイバ４及び第１フッ化物ファイバ３を介して、第３フッ化物ファイバ５に導入される。
（２）第１フッ化物ファイバ
　図２を用いて、第１フッ化物ファイバ３を説明する。図２は、第１フッ化物ファイバの断面図である。
　第１フッ化物ファイバ３は、ダブルクラッドファイバであり、コア３０と、第１クラッド３１と、第２クラッド３２と、を有している。第１クラッド３１はコア３０の外周面を覆うように形成されている。第２クラッド３２は第１クラッド３１の外周面を覆うように形成されている。
　第１フッ化物ファイバ３のコア３０は、フッ化物ガラスから形成されており、好ましくはＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ４－ＢａＦ２－ＬａＦ３－ＡｌＦ３－ＮａＦ）ガラスによって形成されている。
　コア３０には、レーザ活性物質が添加されていない。したがって、レーザ活性物質は低濃度又は非添加である。具体的には、コア３０でのレーザ活性物質は０．１％未満であることが好ましい。
　第１クラッド３１は、フッ化物ガラスから形成されており、好ましくはＺＢＬＡＮガラスによって形成されている。
　なお、図において、実線矢印はレーザ発振した光の伝播を示しており、破線矢印はレーザ発振に寄与する光の伝播を示している（以下、同じ）。
　第２クラッド３２は、紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂によって形成されている。
　第１クラッド３１はコア３０よりも屈折率が小さく、第２クラッド３２は第１クラッド３１よりも屈折率が小さい。
　前述のようにコア３０にはレーザ活性物質がドープされていない。したがって、コア３０においてレーザ光は生成されず、そのため励起光吸収による発熱が生じない。また、第１クラッド３１及び第２クラッド３２にも、レーザ活性物質がドープされていない。
（３）第２フッ化物ファイバ
　図３を用いて、第２フッ化物ファイバ４を説明する。図３は、第２フッ化物ファイバの断面図である。第２フッ化物ファイバ４は、レーザ活性物質が非添加のマルチモードファイバであり、太い径のコア４０と、コア４０の外周面を覆うように形成された反射クラッド層４１と、を有している。コア４０及び反射クラッド層４１はフッ化物ガラスから形成されており、好ましくはＺＢＬＡＮガラスによって形成されている。反射クラッド層４１はコア４０よりも屈折率が小さい。また、コア４０の屈折率は、好ましくは第１フッ化物ファイバ３の第１クラッド３１の屈折率以下とし、より好ましくは第１フッ化物ファイバ３の第１クラッドの屈折率と同じにする。
　第２フッ化物ファイバ４の第１端４ａには、励起光源２からの励起光がレンズ７を介して入射される。また、第２フッ化物ファイバ４の第２端４ｂは、所定の角度を有するように斜めに研磨されており、第１フッ化物ファイバ３の側面に接続されている。
　図４を用いて、第１フッ化物ファイバ３と第２フッ化物ファイバ４の接合部１１を説明する。図４は、第１フッ化物ファイバと第２フッ化物ファイバの接合部の断面図である。
　接合部１１では、第１フッ化物ファイバ３の一部の第２クラッド３２は除去されており、その部分に第２フッ化物ファイバ４の斜めに研磨された先端面が融着されている。この融着は、例えば、レーザ光を照射することによって行われる。
　以上のようにして第１フッ化物ファイバ３に第２フッ化物ファイバ４を融着し、また第１フッ化物ファイバ３に樹脂製の第２クラッド３２を形成すると、融着部分での欠陥や樹脂の経時変化による剥がれ等によって、励起光散乱が起こり、発熱する。しかし、上記の構成において、第１フッ化物ファイバ３と第２フッ化物ファイバ４がレーザ活性物質を有していないので、２つのファイバの接合部が高温になるのを抑えることができる。したがって、高耐久性及び高寿命化が実現される。
（４）第３フッ化物ファイバ
　図５を用いて、第３フッ化物ファイバ５を説明する。図５は、第３フッ化物ファイバの断面図である。
　第３フッ化物ファイバ５は、希土類元素をドープしたフッ化物ファイバである。第３フッ化物ファイバ５は、入力端から導入したレーザ光により励起され、第３フッ化物ファイバ５にドープされた物質により決まる波長のレーザ光を発生する。
　第３フッ化物ファイバ５は、ダブルクラッドファイバであり、第１フッ化物ファイバ３と同様に、コア５０と、第１クラッド５１と、第２クラッド５２と、を有する。
　コア５０は、希土類元素（レーザ活性物質の一例）としてエルビウム（Ｅｒ）をドープしたＺＢＬＡＮガラスである。ＺＢＬＡＮガラスは、ジルコニウム（Ｚｒ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ナトリウム（Ｎａ）を主成分とするフッ化物ガラスである。
　図６を用いて、第１フッ化物ファイバ３と第３フッ化物ファイバ５の接合部１３を説明する。図６は、第１フッ化物ファイバと第３フッ化物ファイバの接合部の断面図である。
　接合部１３では、第３フッ化物ファイバ５は第１フッ化物ファイバ３の一方の端面に融着されて接続されている。具体的には、コア同士、第１クラッド同士、第２クラッド同士が接続されている。
　なお、ファイバ同士を突き合せて接合する技術として、結合損失を減らすために以下の技術が採用されてもよい。第１に、接合面でコア３０とコア５０が同じ大きさであることが好ましい。具体的には、第１フッ化物ファイバ３と第３フッ化物ファイバ５の接合面でのコア径の差が１０％以下であることが好ましい。第２に、接合した後にコア３０とコア５０がズレていないことが好ましい。例えば、いずれかのファイバ径を基準にしてズレが１０％以下であることが好ましい。以上の第１の技術と第２の技術はいずれか一方でも又は両方でもよい。
（５）放熱部材
　装置１は、放熱部材６を有している。放熱部材６は、接合部１１を放熱するための部材である。
　放熱部材６は、複数の放熱板からなる。放熱板は、熱伝導性が良好で、励起光に対して光透過性を有する矩形状のサファイアで形成されている。放熱部材６は、第１フッ化物ファイバ３、第２フッ化物ファイバ４、及び接合部１１の全周及びその近傍の部分を覆っている。したがって、放熱部材６によって、２つのファイバの接合部近辺で発生した熱を効率よく放出できる。また、放熱部材６が励起光を吸収して発熱するのを抑えることができる。
　なお、ここで「励起光に対して光透過性を有する」とは、励起光の吸収率が１％以下の場合を意味し、励起光がほとんど吸収されずに透過するため放熱部材が励起光を吸収してもファイバを損傷させるほどの発熱が生じない。例えば波長０．３～４．０μｍの励起光に対してはサファイアによって放熱部材を構成することによって実現が可能である。
　なお、図示していないが、放熱部材６には、ヒートシンクが接触して設けられている。
　装置１は、放熱部材８を有している。放熱部材８は、接合部１３を放熱するための部材である。放熱部材８は放熱部材６とは形状は異なるが構成は同じである。
　なお、放熱部材６と放熱部材８は一体でもよい。さらに、放熱部材６及び放熱部材８は、一方又は両方が省略されてもよい。
（６）光ファイバ装置の動作
　以上のような構成の光ファイバ装置１では、励起光源２からの励起光はレンズ７を通して第２フッ化物ファイバ４に入射される。第２フッ化物ファイバ４は、コア４０内で励起光を導光し、接合部１１を介して第１フッ化物ファイバ３の第１クラッド３１に励起光を導入できる。このとき、コア４０の屈折率を第１フッ化物ファイバ３の第１クラッド３１の屈折率以下にしておくことにより、コア４０と第１クラッド３１との界面における励起光の反射が抑制できる。
　第１フッ化物ファイバ３及び第３フッ化物ファイバ５は、それぞれ第１クラッド３１、５１で励起光を導光する。そして、第３フッ化物ファイバ５では、励起光は第１クラッド５１を導光されながらコア５０のレーザ活性物質を励起し、レーザ活性物質からレーザ光が放出される。レーザ活性物質をエルビウムとし、波長９７５ｎｍの励起光を導入した場合、波長約２．８μｍのレーザ光が得られる。レーザ活性物質から放出されたレーザ光は、第３フッ化物ファイバ５のコア５０及び第１フッ化物ファイバ３のコア３０内で導光される。
　図７を用いて、本実施形態の実施例の効果を説明する。図７は、光結合器としての機能劣化の有無を示すための実験結果のグラフである。
　グラフから明らかなように、６０Ｗ前後でレーザ発信が開始され、１００Ｗでも十分な出力が得られている（耐久性があることを意味する）。従来であれば約８０Ｗで高熱に起因して接合部が変形あるいは破損して、レーザ発振や増幅ができなくなっていた。
２．第２実施形態
　図８を用いて、第１実施形態が適用された光ファイバ装置１００を、第２実施形態として説明する。図８は、第１実施形態が適用される光ファイバ装置の一例を示す構成図である。
　光ファイバ装置１００は、第１実施形態と同様に、第１フッ化物ファイバ３、第２フッ化物ファイバ４、及び第３フッ化物ファイバ５を有している。
　第２フッ化物ファイバ４には第１励起光源２Ａからレーザ光が導入され、第１フッ化物ファイバ３には第２励起光源２Ｂからレーザ光が導入される。第１励起光源２Ａ及び第２励起光源２Ｂは、半導体レーザである。
　第３フッ化物ファイバ５は、複数回巻かれた環状部５ａを形成している。
　第３フッ化物ファイバ５は、レーザ媒体及び共振器として機能し、励起光の照射により発生したレーザ光を増幅させてレーザ発振させる。
　第３フッ化物ファイバ５には、高反射ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ）１０３と、低反射ＦＢＧ１０５とが描き込まれている。高反射ＦＢＧ１０３は、第３フッ化物ファイバ５の入力端近傍に描き込まれている。低反射ＦＢＧ１０５は、第３フッ化物ファイバ５の出力端に近い側に描き込まれている。
　高反射ＦＢＧ１０３は、レーザ共振器において、レーザ光として発振させる特定の波長を持つ光を全反射する反射部である。
　低反射ＦＢＧ１０５は、レーザ共振器において、レーザ光として発振させる特定の波長を持つ光のうち、一部のみを透過し、残りを反射する反射部である。
　以上の構成により、第３フッ化物ファイバ５では、コア５０にドープされた希土類元素に吸収されて、基底準位と準安定準位との間に反転分布が生じて光が放出される。こうして放出された光は、第３フッ化物ファイバ５の光増幅作用と高反射ＦＢＧ１０３及び低反射ＦＢＧ１０５の作用とによって、レーザ発振する。出力光は、第３フッ化物ファイバ５の出力端から出力される。
３．第３実施形態
　図９を用いて、第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置１００Ａを、第３実施形態として説明する。図９は、第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置の一例を示す構成図である。
　光ファイバ増幅装置１００Ａは、第１実施形態と同様に、光結合器として、第１フッ化物ファイバ３、第２フッ化物ファイバ４、及び第３フッ化物ファイバ５を有している。
　第２フッ化物ファイバ４には励起光源２からレーザ光が導入され、第１フッ化物ファイバ３にはレーザ装置９からレーザ光が導入される。励起光源２は、半導体レーザである。この光ファイバ増幅装置１００Ａでは、レーザ装置９から導入されたレーザ光が増幅され、出力光として、第３フッ化物ファイバ５の出力端から出力される。
　なお、レーザ装置９は、第２実施形態の光ファイバ装置１００でもよいし、他の装置でもよい。
４．第４実施形態
　図１０を用いて、第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置１００Ｂを、第４実施形態として説明する。図１０は、第１実施形態が適用される光ファイバ増幅装置の一例を示す構成図である。
　光ファイバ増幅装置１００Ｂは、第１実施形態と同様に、第１の光結合器として、第１フッ化物ファイバ３、第２フッ化物ファイバ４、及び第３フッ化物ファイバ５を有している。
　光ファイバ増幅装置１００Ｂは、さらに、第２の光結合器として、第４フッ化物ファイバ３Ａ、第５フッ化物ファイバ４Ａを有している。第４フッ化物ファイバ３Ａ及び第５フッ化物ファイバ４Ａは、それぞれ、第１フッ化物ファイバ３及び第２フッ化物ファイバ４と同様の構造であり、第３フッ化物ファイバ５を挟んで対称的に配置されている。
　第２フッ化物ファイバ４には励起光源２からレーザ光が導入され、第１フッ化物ファイバ３にはレーザ装置９からレーザ光が導入される。さらに、第５フッ化物ファイバ４Ａには第３励起光源２Ｃからレーザ光が導入される。励起光源２及び第３励起光源２Ｃは、半導体レーザである。
　この光ファイバ増幅装置１００Ａでは、レーザ装置９から導入されたレーザ光が増幅され、出力光として、第４フッ化物ファイバ３Ａの出力端から出力される。
　なお、レーザ装置９は、第２実施形態の光ファイバ装置１００でもよいし、他の装置でもよい。
５．他の実施形態
　本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
　前記実施形態では、本発明をレーザ発振器として利用したが、他の装置にも適用できる。
　前記実施形態では、本発明の第２ファイバとして、コアを有する第２フッ化物ファイバを用いたが、第２ファイバとしては、コアのない第２フッ化物ファイバを用いてもよい。
　前記実施形態では、レーザ活性物質をエルビウムとして説明したが、イッテルビウム、ツリウム、やホルミウムなど他の希土類元素のレーザ活性物質を用いてもよい。レーザ活性物質と励起光の波長の組み合わせにより、さまざまな波長のレーザ光を発生させることができる。
　前記実施形態では、第１フッ化物ファイバと第２フッ化物ファイバとを融着して接合したが、接着剤等、他の方法を用いて接合することとしてもよい。
　本発明は、光ファイバ装置に広く適用できる。
　１　光ファイバ装置
　２　励起光源
　３　第１フッ化物ファイバ
　４　第２フッ化物ファイバ
　５　第３フッ化物ファイバ

Claims (8)

  1. 　レーザ活性物質が添加されたコアを有する光ファイバに接合される装置であって、
    　前記光ファイバに接合された、前記レーザ活性物質が低濃度又は非添加の第１ファイバと、
    　第１端から光が入射又は出射されるとともに、第２端の端面が前記第１ファイバの側面に斜めに接合された、レーザ活性物質非添加の第２ファイバと、
    を備えた光ファイバ装置。
  2. 　前記第１ファイバと前記第２ファイバとの接合部の全周を覆うように配置された第１放熱部材をさらに備えた、請求項１に記載の光ファイバ装置。
  3. 　前記第１ファイバと前記光ファイバとの接合部を覆うように配置された第２放熱部材をさらに備えている、請求項２に記載の光ファイバ装置。
  4. 　前記第１ファイバは、前記光ファイバの前記コアに接続され前記レーザ活性物質が低濃度又は非添加のコアを有しており、
    　前記第２ファイバには前記レーザ活性物質に対応する励起光が入射される、請求項１～３のいずれかに記載の光ファイバ装置。
  5. 　前記コアでの前記レーザ活性物質は０．１％未満である、請求項４に記載の光ファイバ装置。
  6. 　前記第１ファイバは、前記レーザ活性物質が低濃度又は非添加の第１クラッド及び第２クラッドを有している、請求項４又は５に記載の光ファイバ装置。
  7. 　前記第１ファイバ及び前記第２ファイバは、フッ化物ファイバである、請求項１～６のいずれかに記載の光ファイバ装置。
  8. 　前記第１ファイバ及び前記第２ファイバは、ＺＢＬＡＮガラスにより形成されている、請求項７に記載の光ファイバ装置。
PCT/JP2020/019694 2019-05-31 2020-05-18 光ファイバ装置 WO2020241363A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019102430A JP2022107076A (ja) 2019-05-31 2019-05-31 光ファイバ装置
JP2019-102430 2019-05-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020241363A1 true WO2020241363A1 (ja) 2020-12-03

Family

ID=73552946

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/019694 WO2020241363A1 (ja) 2019-05-31 2020-05-18 光ファイバ装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2022107076A (ja)
WO (1) WO2020241363A1 (ja)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004165350A (ja) * 2002-11-12 2004-06-10 Mitsubishi Cable Ind Ltd 光増幅器および光合波器
JP2007294534A (ja) * 2006-04-21 2007-11-08 Sumitomo Electric Ind Ltd 光学的モジュール
JP2016048717A (ja) * 2014-08-27 2016-04-07 三星ダイヤモンド工業株式会社 光ファイバ装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004165350A (ja) * 2002-11-12 2004-06-10 Mitsubishi Cable Ind Ltd 光増幅器および光合波器
JP2007294534A (ja) * 2006-04-21 2007-11-08 Sumitomo Electric Ind Ltd 光学的モジュール
JP2016048717A (ja) * 2014-08-27 2016-04-07 三星ダイヤモンド工業株式会社 光ファイバ装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022107076A (ja) 2022-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5294114B2 (ja) 光学モジュール
JP3247292B2 (ja) 光通信システム
US7792161B2 (en) Optical fiber for fiber laser, fiber laser, and laser oscillation method
JP2005303166A (ja) 光ファイバ端面構造、光ファイバレーザ及びレーザ加工装置
CN110418992B (zh) 包层模光除去构造和激光装置
JP2008171985A (ja) 残留光除去用ファイバ、これを用いた残留光除去構造及び光増幅器並びにファイバレーザ
JPWO2011052373A1 (ja) 光コンバイナ、及び、それを用いるファイバレーザ装置
JP6550494B1 (ja) 光デバイスおよびファイバレーザ装置
US9935419B2 (en) Optical fiber device
JP5980909B2 (ja) ２μｍの範囲で動作する高出力単一モードファイバーレーザーシステム
JP5378861B2 (ja) 光ファイバレーザ
JP2009069492A (ja) 光ファイバおよび光学装置
WO2020241363A1 (ja) 光ファイバ装置
JP2693133B2 (ja) 光増幅装置
JP4899705B2 (ja) 光増幅モジュール
JPWO2006098313A1 (ja) 光増幅器およびレーザ装置
WO2020203136A1 (ja) ファイバレーザ装置
JP2001051166A (ja) 半導体レーザモジュール
JP2007123594A (ja) 光ファイバ型光増幅装置及びこれを用いた光ファイバ型レーザ装置
KR101889293B1 (ko) 광 공진기
JP5014640B2 (ja) マルチモードファイバ、光増幅器及びファイバレーザ
JP2001015834A (ja) レーザ光発生装置の製造方法、及び光アンプの製造方法
JP3012168B2 (ja) 光増幅装置のための光ファイバケーブルの製造方法
JP2007294534A (ja) 光学的モジュール
JP2022114272A (ja) 光デバイス及びレーザ装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20815510

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20815510

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP