JP2005019539A - 希土類添加ファイバおよびこれを用いた光ファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】励起効率に優れ、光ファイバレーザの小型化を可能とする希土類添加ファイバおよびこれを用いた光ファイバレーザを提供する。
【解決手段】希土類元素が添加された石英ガラスからなる中心コア１１および外側コア１２と、中心コア１１および外側コア１２の周囲に設けられ、これらよりも屈折率の低い材料からなる内側クラッド１３と、内側クラッド１３の周囲に設けられ、これよりも屈折率の低い材料からなる外側クラッド１４とを有する希土類添加ファイバ１０を提供する。中心コア１１および外側コア１２のうち少なくとも１つを、内側クラッド１３における希土類添加ファイバ１０の中心からの距離が内側クラッド１３の半径の０．７１倍以上の領域に配置する。希土類添加ファイバ１０を用いた光ファイバレーザを提供する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバレーザに適用される希土類添加ファイバおよびこれを用いた光ファイバレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の光ファイバレーザの構成例を示す模式図である。
図４中、符号１０１は励起用レーザダイオード、１０２は光フィルタ、１０３は希土類添加ファイバ、１０４は希土類添加ファイバ１０３の先端部を示している。
この光ファイバレーザでは、希土類添加ファイバ１０３の一方の端面には、励起用レーザダイオード１０１からのレーザ光を透過し、希土類添加ファイバ１０３からのレーザ光を反射する光フィルタ１０２が接続されており、この光フィルタ１０２には希土類添加ファイバ１０３にレーザ光を入射するための励起用レーザダイオード１０１が接続されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図５は、図４に示す希土類添加ファイバ１０３の先端部１０４を拡大した図であり、（ａ）は希土類添加ファイバ１０３の中心軸に沿った概略断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
図５中、符号１１１は希土類添加ファイバ１０３からのレーザ光の一部を透過し、一部を反射する鏡、１１２は希土類元素が添加された希土類添加ファイバ１０３のコア、１１３はコア１１２よりも屈折率の低い内側クラッド、１１４は内側クラッド１１３よりも屈折率の低い外側クラッドを示している。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第６、３４７、１００号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示したように、従来の光ファイバレーザでは、１本の希土類添加ファイバ１０３は、コア１１２を１つのみ有している。一般的に、レーザ光を単一モード化するために、コア１１２の直径は数μｍ程度である。なぜならば、コア１１２が多モード導波路である場合、希土類添加ファイバ１０３を用いた光ファイバレーザも多モード発振をして、動作が不安定になるからである。
【０００６】
また、コア１１２の直径が数μｍ程度であると、希土類添加ファイバ１０３の単位長さ当たりにおけるコアの体積も小さい。その結果、希土類添加ファイバ１０３の単位長さあたりにおける希土類元素の含有量も少なくなる。そのため、大きな出力の光ファイバレーザを構成するには、長尺の希土類添加ファイバ１０３が必要となり、光ファイバレーザに係る装置を小型化するのが難しかった。
【０００７】
さらに、図６に矢印で示すように、希土類添加ファイバ１０３では、スキューモードと呼ばれるコア１１２を通過しない励起光（レーザ光）のモードが存在するため、コア１１２に含まれる希土類元素の励起効率が悪いという問題もあった。
【０００８】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、単位長さ当たりの希土類元素の含有量が多く、励起効率に優れる希土類添加ファイバおよびこれを用いた光ファイバレーザを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、希土類元素が添加された石英ガラスからなる複数のコアと、該コアの周囲に設けられ、該コアよりも屈折率の低い材料からなる内側クラッドと、該内側クラッドの周囲に設けられ、該内側クラッドよりも屈折率の低い材料からなる外側クラッドとを有する希土類添加ファイバを提供する。
【００１０】
上記構成の希土類添加ファイバにおいて、前記複数のコアの少なくとも１つは、前記内側クラッドにおける前記希土類添加ファイバの中心からの距離が前記内側クラッドの半径の０．７１倍以上の領域に配置されていることが好ましい。
【００１１】
本発明は、上記希土類添加ファイバを用いた光ファイバレーザを提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の希土類添加ファイバの一例を示す概略断面図である。
この例の希土類添加ファイバ１０は、中心設けられた中心コア１１と、この中心コア１１の周囲、かつ、内側クラッド１３と外側クラッド１４との境界に近い側に、中心コア１１と中心軸を同じくして等間隔に配置された６個の外側コア１２と、中心コア１１および外側コア１２の周囲、かつ、中心コア１１と同心円状に設けられた内側クラッド１３と、内側クラッド１３の周囲に設けられた外側クラッド１４とから概略構成されている。
【００１３】
希土類添加ファイバ１０の外径は２００μｍ〜１０００μｍであり、内側クラッド１３内に設けられる中心コア１１および外側コア１２の数に応じて、適宜設定される。
【００１４】
中心コア１１と外側コア１２の外径は、２μｍ〜１２μｍである。
また、中心コア１１および外側コア１２は、希土類元素が１，０００〜４０，０００ｐｐｍ（重量比）程度添加された石英ガラスで形成されている。希土類元素としては、例えば、エルビウム、イットリウム、イッテルビウム、ネオジウム、ホルミウム、プラセオジムなどが用いられる。中心コア１１および外側コア１２は、これらの希土類元素が添加されていることにより、希土類イオンが励起光を吸収して、高エネルギー状態となり、励起光とは別の波長の光を放出できるようになる。
【００１５】
内側クラッド１３の外径は１００μｍ〜６００μｍであり、内側クラッド１３内に設けられる中心コア１１および外側コア１２の数に応じて、適宜設定される。
また、内側クラッド１３は、中心コア１１および外側コア１２をなす希土類が添加された石英ガラスよりも屈折率の低い材料で形成されている。中心コア１１および外側コア１２をなす石英系ガラスよりも屈折率の低い材料としては、例えば、フッ素添加石英ガラスがある。また、中心コアおよび外側コアに、例えばゲルマニウムなどの屈折率を上昇させるドーパントが添加されている場合は、石英ガラスがクラッド材料となり得る。
【００１６】
外側クラッド１４の外径は２００μｍ〜８００μｍであり、内側クラッド１３内に設けられる中心コア１１および外側コア１２の数に応じて、適宜設定される。
また、外側クラッド１４は、内側クラッド１３をなす材料よりも屈折率の低い材料で形成されている。外側クラッド１４をなす材料としては、例えば、フッ素系樹脂が挙げられる。
【００１７】
なお、この例では、内側クラッド１３内に、中心コア１１と、この中心コア１１の周囲に、中心コア１１と中心軸を同じくして等間隔に配置された６個の外側コア１２とが設けられた希土類添加ファイバ１０を示したが、本発明の希土類添加ファイバはこれに限定されず、ファイバの中心にコアが配置されていなくてもよい。本発明の希土類添加ファイバにあっては、内側クラッド内に、複数のコアが任意の配置で設けられていればよい。
【００１８】
また、この例では、希土類添加ファイバ１０として、被覆層が設けられていない裸線ファイバを示したが、本発明はこれに限定されない。本発明の希土類添加ファイバは、クラッドの周囲に被覆層が設けられた光ファイバ素線または光ファイバ心線であってもよい。
【００１９】
このような希土類添加ファイバを製造するには、まず、コア母材よりも屈折率の低い内側クラッド母材の所定位置に、長手方向と平行に複数の貫通穴を設け、この貫通穴内に希土類元素が添加されたコア母材を挿入して光ファイバ母材とする。次いで、この光ファイバ母材を所定の外径となるまで線引きした後、内側クラッドを形成する材料よりも屈折率の低い樹脂で被覆することにより、希土類添加ファイバを得る。
【００２０】
中心コアおよび外側コアと、内側クラッドとの屈折率の差、および、内側コアおよび外側コアの直径の大きさは、希土類元素が発光する波長において、すなわちレーザ発振する波長において、個々のコアにおいて単一モード動作するように選ばれている。これにより、この希土類添加ファイバ１０を用いた光ファイバレーザにおいて、発振の不安定性がなく、動作が安定する。
【００２１】
希土類添加ファイバ１０は、複数の希土類元素が添加された石英ガラスからなるコアを有するから、コア全体としての体積も大きくなり、単位長さ当たりにおける希土類元素の添加量が多くなる。したがって、短尺の希土類添加ファイバ１０を用いた光ファイバレーザによっても、大きな出力を得ることができるから、小型化することが可能となる。
また、希土類添加ファイバ１０は、複数のコア（中心コア１１および外側コア１２）を有するから、コア全体としてのモードフィールド径（以下、「ＭＦＤ」と略す。）が大きくなり、この希土類添加ファイバ１０を用いた光ファイバレーザでは、発振の不安定性がなく、動作が安定する。
【００２２】
また、希土類添加ファイバ１０は、ファイバの中心に配された中心コア１１以外にも希土類元素が添加された外側コア１２を有するから、励起光のスキューモードも有効に活用されるようになり、励起効率が向上する。
【００２３】
ところで、光ファイバにあっては、いかなるモードの光もコアとクラッドとの境界で全反射しており、スキューモードの光も例外ではない。したがって、本発明において、内側クラッド１３を導波する励起光のうち、より多くのモードの光が、外側コア１２を通過するようにするためには、外側コア１２は、出来る限りファイバの中心から離れた位置に配されることが望ましい。
【００２４】
ここで、図２に示すように、内側クラッド１３の半径をｒ、内側クラッド１３と外側クラッド１４との境界におけるスキューモードの励起光の反射角を希土類添加ファイバ１０の断面に投影したときの角度をθとする。この反射角θは０〜＋９０°までの値を取り得る。反射角θのスキューモードは、半径がｒｓｉｎθの円１７の外側のみを通過する。スキューモードの半分はθ≦４５°の範囲に存在している。したがって、スキューモードの半分以上を有効に利用するためには、外側コア１２は、内側クラッド１３における半径がｒｓｉｎ４５°≒約０．７１ｒの円の外側の領域、すなわち、内側クラッド１３におけるファイバの中心からの距離が半径ｒの０．７１倍以上の領域に配置されていることが好ましい。
【００２５】
なお、外側クラッド１２の全てが、内側クラッド１３におけるファイバの中心からの距離が半径ｒの０．７１倍以上の領域に配置されている必要はなく、少なくとも１つの外側クラッド１２がこの領域内に配置されていればよい。
【００２６】
さらに、複数のコア（中心コア１１および外側コア１２）が内側クラッド１３を共有するため、１つの光源から励起光を希土類添加ファイバ１０内に導入することにより、複数のコアを励起することができる。したがって、希土類添加ファイバ１０を用いた光ファイバレーザによれば、従来の複数本の希土類添加ファイバを用いた高出力光ファイバレーザに比べて、励起光の導入部を減らすことが可能となり、安価に高出力の光ファイバレーザを作製することができる。
【００２７】
ここで、図１に示す希土類添加ファイバ１０と、図５に示した希土類添加ファイバ１０３とを比較する。両者の外径を１２５μｍとし、希土類添加ファイバ１０の中心コア１１と外側コア１２のそれぞれの直径および希土類元素添加濃度と、希土類添加ファイバ１０３のコア１１２の直径および希土類元素添加濃度とが等しいとする。このとき、希土類添加ファイバ１０を用いた光ファイバレーザは、それと同じ長さの希土類添加ファイバ１０３を用いた光ファイバレーザの７倍の出力を得ることができる。なぜなら、希土類添加ファイバ１０は、希土類添加ファイバ１０３と同一のコアを７つ有しているからである。
【００２８】
図３は、本発明の光ファイバレーザの一例を示す模式図である。
図３中、符号２１は励起用レーザダイオード、２２は光フィルタ、１０は希土類添加ファイバを示している。
この光ファイバレーザでは、希土類添加ファイバ１０の一方の端面には、励起用レーザダイオード２１からのレーザ光を透過し、希土類添加ファイバ１０からのレーザ光を反射する光フィルタ２２が接続されており、この光フィルタ２２には希土類添加ファイバ１０にレーザ光を入射するための励起用レーザダイオード２１が接続されている。
【００２９】
この例の光ファイバレーザは、上述の希土類添加ファイバ１０を用いているから、多モード光ファイバレーザに見られる発振の不安定性がなく、動作が安定する。また、この例の光ファイバレーザによれば、大きな出力を得ることができる上に、励起効率が向上する。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、希土類添加ファイバが、希土類元素が添加された石英ガラスからなる複数のコアを有するから、コア全体としてのＭＦＤが大きくなり、この希土類添加ファイバを用いた光ファイバレーザにおいて、発振の不安定性がなく、動作が安定する。
【００３１】
また、希土類添加ファイバでは、コア全体としての体積が大きくなり、単位長さあたりにおける希土類元素の添加量も多くなるから、短尺の希土類添加ファイバを用いた光ファイバレーザによっても、大きな出力を得ることができるので、小型化することが可能となる。
【００３２】
また、希土類添加ファイバは、ファイバの中心以外にも希土類元素が添加されたコアを有するから、励起光のスキューモードも有効に活用されるようになり、励起効率が向上する。
【００３３】
さらに、複数のコアが内側クラッドを共有するため、１つの光源から励起光をファイバ内に導入することにより、複数のコアを励起することができる。したがって、本発明の希土類添加ファイバを用いた光ファイバレーザは、複数本の希土類添加ファイバを用いた高出力光ファイバレーザに比べて、励起光の導入部を減らすことが可能となり、安価に高出力の光ファイバレーザを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の希土類添加ファイバの一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の希土類添加ファイバの断面において、スキューモードを示す概略断面図である。
【図３】本発明の光ファイバレーザの一例を示す模式図である。
【図４】従来の光ファイバレーザの構成例を示す模式図である。
【図５】図３に示す希土類添加ファイバの先端部を拡大した図であり、（ａ）は希土類添加ファイバの中心軸に沿った概略断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
【図６】従来の希土類添加ファイバの断面におけるスキューモードを示す模式図である。
【符号の説明】
１０・・・希土類添加ファイバ、１１・・・中心コア、１２・・・外側コア、１３・・・内側クラッド、１４・・・外側クラッド、２１・・・励起用レーザダイオード、２２・・・光フィルタ。

Claims (3)

1. 希土類元素が添加された石英ガラスからなる複数のコアと、該コアの周囲に設けられ、該コアよりも屈折率の低い材料からなる内側クラッドと、該内側クラッドの周囲に設けられ、該内側クラッドよりも屈折率の低い材料からなる外側クラッドとを有することを特徴とする希土類添加ファイバ。
2. 前記複数のコアの少なくとも１つは、前記内側クラッドにおける前記希土類添加ファイバの中心からの距離が前記内側クラッドの半径の０．７１倍以上の領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の希土類添加ファイバ。
3. 請求項１または２に記載の希土類添加ファイバを用いたことを特徴とする光ファイバレーザ。

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