JP4799810B2 - ダブルクラッドファイバ及びそれを用いた光増幅方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダブルクラッドファイバ及びそれを用いた光増幅方法に関する。

コア励起、コア出力のファイバレーザに用いられる光ファイバとしてダブルクラッドファイバが知られている。このダブルクラッドファイバは、ファイバ中心をなすコアと、そのコアを被覆するように設けられた相対的に屈折率の高い第１クラッドと、その第１クラッドを被覆するように設けられた相対的に屈折率の低い第２クラッドとを備えており、第１クラッドに入射された励起光が第１クラッドと第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら第２クラッドで囲まれた領域内を伝播し、励起光がコアを通過する際にコアにドープされたＮｄやＥｒ等の希土類元素を最外殻電子が励起した反転分布状態にさせ、その誘導放出によってコアを導波する光を増幅したり、自然放出光（ＡＳＥ光）を発するものである。

例えば、特許文献１には、信号光を伝搬するコアと、励起光が伝搬する第１クラッドとを備えたダブルクラッドファイバにおいて、コア及び第１クラッドを第１端から第２端に向かって先細りに形成し、励起光を第１クラッドの大径側から入射させる一方、信号光をコアの小径側から入射させる技術が開示されている。
特開２００２−２７０９２８号公報

ところで、従来のダブルクラッドファイバは、通常、ファイバ横断面が円形であり、また、コアがファイバ中心に配置されたものである。そのため、ダブルクラッドファイバを光ファイバアンプとして使用する場合、信号光を入射するためのシングルモードファイバを一方のファイバ端面に接続すると、そのファイバ端面に励起光を入射するためのマルチモードファイバを接続する領域を確保し得ない。そこで、例えば上記特許文献１のように他方のファイバ端面にそのマルチモードファイバを接続することが考えられる。しかしながら、このようにすると、コアで増幅された光が励起光源であるレーザーダイオード（ＬＤ）に入射され、それによってＬＤが破壊される虞があるため、その保護対策が必要となる。ダブルクラッドファイバをファイバレーザーやＡＳＥ光源として使用する場合であっても、コアを含めた第１クラッドを覆うように励起光を入射するためのマルチモードファイバをファイバ端面に接続すれば同様である。

また、励起光を入射するためのマルチモードファイバのファイバ端部を先細り状に形成し、それを信号光入射用のシングルモードファイバが接続された側のファイバ端面に接続することやファイバ側面に接続することも考えられる。しかしながら、マルチモードファイバ等の光ファイバのファイバ端部を先細り状に形成する加工には困難が伴うし、接続時の損失の増加は免れない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コアからの出力光による励起光源の破壊を防止することができると共に、被接続光ファイバに特別な加工を施す必要なくそれを接続することができるダブルクラッドファイバ及びそれを用いた光増幅方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明は、光増幅成分がドープされたコアと、該コアを被覆するように設けられ純粋石英で形成された第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられた第２クラッドと、を備え、該第１クラッドに入射された励起光が該第１クラッドと該第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら該第２クラッドで囲まれた領域内を伝播し、励起光が該コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させるダブルクラッドファイバであって、
少なくとも一方のファイバ端面において、上記第１クラッドの外郭形状が縦長或いは横長の形状に形成されていると共に、上記コアが該第１クラッドの長径方向の一方側に偏って配置されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、少なくとも一方のファイバ端面において、第１クラッドの外郭形状が縦長或いは横長の形状、例えば楕円形状に形成されていると共に、コアが第１クラッドの長径方向の一方側に偏って配置されている。これにより、増幅対象である光を入射するための増幅対象光入射用光ファイバを、そのファイバ端面における第１クラッドの長径方向の一方側、つまり、コアの配置された方に接続することができる。また、励起光入射用光ファイバや励起光源の出射端をそのファイバ端面における第１クラッドの長径方向の他方側、つまり、コアの配置された方とは反対側に接続することができる。そのため、ファイバ端面に、増幅対象光入射用光ファイバを接続する領域及び励起光入射用光ファイバや励起光源の出射端を接続する領域がそれぞれ確保される。従って、励起光入射用光ファイバや励起ＬＤの出射端をそれがコアと干渉することがないように接続することができる。これにより、コアからの出力光が励起光源に入射されることがなく、それによる励起光源の破壊を回避することができる。また、増幅対象光入射用光ファイバ及び励起光入射用光ファイバ等のそれぞれを接続するための領域がファイバ端面に確保されているので、それらを両方同一のファイバ端面に接続する場合でも、光ファイバのファイバ端部を先細り状に形成するような加工を行う必要がない。

ここで、縦長或いは横長の形状には、楕円形状や長方形等が含まれる。

本発明のダブルクラッドファイバは、上記第１クラッドの外郭形状が縦長或いは横長の形状に形成されたファイバ端面において、該第１クラッドの長径方向の一方側に、上記コアに増幅対象である光を入射するための増幅対象光入射用光ファイバが接続されているものであってもよい。

本発明のダブルクラッドファイバは、上記第１クラッドの外郭形状が縦長或いは横長の形状に形成されたファイバ端面において、該第１クラッドの長径方向の他方側に、該第１クラッドに励起光入射用光ファイバが接続されているものであってもよい。

以上説明したとおり、本発明によれば、少なくとも一方のファイバ端面において、第１クラッドの外郭形状が縦長或いは横長の形状に形成されていると共に、コアが第１クラッドの長径方向の一方側に偏って配置されているので、励起光入射用光ファイバ等をそれがコアと干渉することがないように接続することができ、そのため、コアで増幅された光が励起光源に入射されることがなく、それによる励起光源の破壊を回避することができる。また、増幅対象光入射用光ファイバ及び励起光入射手段のそれぞれを接続するための領域がファイバ端面に確保されているので、それらを両方同一のファイバ端面に接続する場合でも、光ファイバのファイバ端部を先細り状に形成するような加工を行う必要がない。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るダブルクラッドファイバ１０を示す。このダブルクラッドファイバ１０は、ファイバレーザー、光ファイバアンプ、或いはＡＳＥ光源に適用されるものである。

このダブルクラッドファイバ１０は、ファイバ横断面が楕円形状、つまり、縦長或いは横長の形状に形成されており、コア１１と、コア１１を被覆するように設けられた第１クラッド１２と、第１クラッド１２を被覆するように設けられた第２クラッド１３と、を備えた構成となっている。

コア１１は、例えば光増幅成分としてエルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）の希土類元素がドープされた石英で形成されており、外郭形状が円形に形成されている。

第１クラッド１２は、例えば純粋石英で形成され、コア１１と一体となっており、その外郭形状が、ファイバ横断面と同一の楕円形状、つまり、縦長或いは横長の形状に形成されている。コア１１は、この外郭形状が楕円形状である第１クラッド１２の長径方向の一方側に偏って配置されている。

第２クラッド１３は、例えば紫外線硬化型樹脂で形成され、第１クラッド１２と同心の楕円形状に形成されている。

このダブルクラッドファイバ１０では、コア１１、第１クラッド１２、第２クラッド１３の順に屈折率が低くなっている。そのため、第１クラッド１２に励起光が入射されると、その励起光が第１クラッド１２と第２クラッド１３との界面で反射を繰り返しながら第２クラッド１３で囲まれた領域内を伝播し、それがコア１１を通過する際にコア１１にドープされた光増幅成分を活性化させ（具体的には例えばＥｒ等の希土類元素を最外殻電子が励起した反転分布状態にさせ）、その誘導放出によってコア１１を導波する光を増幅したり、自然放出光（ＡＳＥ光）を発する。

以上のようなダブルクラッドファイバ１０は、コア形成部が偏心した断面楕円形状の光ファイバ母材を線引き加工し、その表面に紫外線硬化型樹脂等で被覆することにより製造することができる。このとき、線引き加工の際には、ファイバ化されたものをダイスに通して成形する。

図２〜６は、ダブルクラッドファイバ１０の適用例を示したものである。

図２は、一方のファイバ端面において、第１クラッド１２の長径方向のコア１１の配置された側とは反対の他方側に、第１クラッド１２に励起光を入射するマルチモードファイバ（励起光入射用光ファイバ）が接続された構成を示す。なお、マルチモードファイバ１４の他端には図示しない励起光源たる励起ＬＤが接続されている。

図３は、一方のファイバ端面において、第１クラッド１２の長径方向のコア１１の配置された側とは反対の他方側に、第１クラッド１２に励起光を入射するＬＤチップ１５が設けられた構成を示す。

これらの構成は、コア１１に信号光が入射されず、コア１１内に自然放出光（ＡＳＥ光）が発生することから、ファイバレーザー、或いはＡＳＥ光源として用いられる。つまり、第１クラッド１２に励起光が入射されると、励起光が第１クラッド１２と第２クラッド１３との界面で反射を繰り返しながら第２クラッド１３で囲まれた領域内を伝播し、励起光がコア１１を通過する際にコア１１にドープされた光増幅成分を活性化させ、そのエネルギーが光に変換される。例えば、コア１１に希土類元素がドープされていると、励起光により希土類元素の最外殻電子が励起状態となり、それが基底状態に戻るときにＡＳＥ光を発する。

図４は、一方のファイバ端面において、第１クラッド１２の長径方向のコア１１の配置された一方側に、コア１１に増幅対象である光を入射するためのシングルモードファイバ（増幅対象光入射用光ファイバ）１６が接続されており、第１クラッド１２の長径方向のコア１１の配置された側とは反対の他方側に、第１クラッド１２に励起光を入射するマルチモードファイバ（励起光入射用光ファイバ）１４が接続された構成を示す。なお、マルチモードファイバ１４の他端には図示しない励起光源たる励起ＬＤが接続されている。このような構成の場合、ダブルクラッドファイバ１０のコア１１の偏心量がシングルモードファイバ１６の半径よりも大きいと、マルチモードファイバ１４の接続領域を広く確保できる。

図５は、一方のファイバ端面において、第１クラッド１２の長径方向のコア１１の配置された一方側に、コア１１に増幅対象である光を入射するためのシングルモードファイバ（増幅対象光入射用光ファイバ）１６が接続されており、第１クラッド１２の長径方向のコア１１の配置された側とは反対の他方側に、第１クラッド１２に励起光を入射するＬＤチップ１５が設けられた構成を示す。

これらの構成は、コア１１に信号光が入射されて増幅されることから、光ファイバアンプとして用いられる。つまり、コア１１に信号光が入射されると共に、第１クラッド１２に励起光が入射されると、励起光が第１クラッド１２と第２クラッド１３との界面で反射を繰り返しながら第２クラッド１３で囲まれた領域内を伝播し、励起光がコア１１を通過する際にコア１１にドープされた光増幅成分を活性化させ、コア１１を伝播する信号光を増幅する。例えば、コア１１に希土類元素がドープされていると、励起光により希土類元素の最外殻電子が励起した反転分布状態となり、その誘導放出によってコア１１を導波する信号光を増幅する。

以上に説明したダブルクラッドファイバ１０では、ファイバ端面において、第１クラッド１２の外郭形状が縦長或いは横長の形状である楕円形状に形成されていると共に、コア１１が第１クラッド１２の長径方向の一方側に偏って配置されている。これにより、増幅対象である光を入射するためのシングルモードファイバ１６を、そのファイバ端面における第１クラッド１２の長径方向の一方側、つまり、コア１１の配置された方に接続することができる。また、励起光を入射するためのマルチモードファイバ１４や励起ＬＤの出力端をそのファイバ端面における第１クラッド１２の長径方向の他方側、つまり、コア１１の配置された方とは反対側に接続することができる。そのため、ファイバ端面に、シングルモードファイバ１６を接続する領域及びマルチモードファイバ１４等を接続する領域がそれぞれ確保される。従って、励起光を入射するためのマルチモードファイバ１４や励起ＬＤの出力端をそれがコア１１と干渉することがないように接続することができる。これにより、コア１１からの出力光が励起ＬＤに入射されることがなく、それによる励起ＬＤの破壊を回避することができる。また、シングルモードファイバ１６及びマルチモードファイバ１４等のそれぞれを接続するための領域がファイバ端面に確保されているので、それらを両方同一のファイバ端面に接続する場合でも、マルチモードファイバ１４やシングルモードファイバ１６のファイバ端部を先細り状に形成するような加工を行う必要がない。

（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２に係るダブルクラッドファイバ１０を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は同一符号で示す。このダブルクラッドファイバ１０も、ファイバレーザー、光ファイバアンプ、或いはＡＳＥ光源に適用されるものである。

このダブルクラッドファイバ１０は、ファイバ横断面が略長方形、つまり、縦長或いは横長の形状に形成されており、コア１１と、コア１１を被覆するように設けられた第１クラッド１２と、第１クラッド１２を被覆するように設けられた第２クラッド１３と、を備えた構成となっている。

その他の構成、用途、製法、及び作用・効果は実施形態と同一である。

（その他の実施形態）
上記実施形態１及び２では、ファイバの全長にわたって、ファイバ横断面における第１クラッド１２の外郭形状が楕円形状或いは略長方形であってコアが偏心したものとしたが、特にこれに限定されるものではなく、少なくとも一方のファイバ端部がかかる構成のものであってもよい。

上記実施形態１及び２では、紫外線硬化樹脂等からなる第２クラッド１３としたが、特にこれに限定されるものではなく、石英にコアに沿って延びる細孔が多数形成され、コア及び第１クラッドと一体となった第２クラッドを有するものであってもよい。

以上説明したように、本発明は、ダブルクラッドファイバ及びそれを用いた光増幅方法について有用である。

本発明の実施形態１に係るダブルクラッドファイバの斜視図である。 本発明の実施形態１に係るダブルクラッドファイバの第１の使用状態を示す説明図である。 本発明の実施形態１に係るダブルクラッドファイバの第２の使用状態を示す説明図である。 本発明の実施形態１に係るダブルクラッドファイバの第３の使用状態を示す説明図である。 本発明の実施形態１に係るダブルクラッドファイバの第４の使用状態を示す説明図である。 本発明の実施形態２に係るダブルクラッドファイバの斜視図である。

符号の説明

１０ ダブルクラッドファイバ
１１ コア
１２ 第１クラッド
１３ 第２クラッド
１４ マルチモードファイバ（励起光入射用光ファイバ）
１５ ＬＤチップ
１６ シングルモードファイバ（増幅対象光入射用光ファイバ）

Claims (4)

1. 光増幅成分がドープされたコアと、該コアを被覆するように設けられ純粋石英で形成された第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられた第２クラッドと、を備え、該第１クラッドに入射された励起光が該第１クラッドと該第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら該第２クラッドで囲まれた領域内を伝播し、励起光が該コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させるダブルクラッドファイバであって、
   少なくとも一方のファイバ端面において、ファイバ横断面が縦長或いは横長の形状に形成され、且つ上記第１クラッドの外郭形状が該ファイバ横断面と同一の縦長或いは横長の形状に形成されていると共に、上記コアが該第１クラッドの長径方向の一方側に偏って配置されており、
   上記第１クラッドの外郭形状が縦長或いは横長の形状に形成されたファイバ端面において、該第１クラッドの長径方向の一方側に、上記コアに増幅対象である光を入射するための増幅対象光入射用光ファイバが接続されていると共に、該第１クラッドの長径方向の他方側に、該第１クラッドに励起光を入射するための単一の励起光入射用光ファイバが接続されており、
   上記コアの偏心量が上記増幅対象光入射用光ファイバの半径よりも大きいことを特徴とするダブルクラッドファイバ。
2. 請求項１に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
   第１クラッドの外郭形状が楕円形状であることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
3. 光増幅成分がドープされたコアと、該コアを被覆するように設けられ純粋石英で形成された第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられた第２クラッドと、を備え、該第１クラッドに入射された励起光が該第１クラッドと該第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら該第２クラッドで囲まれた領域内を伝播し、励起光が該コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させるように構成され、
   少なくとも一方のファイバ端面において、ファイバ横断面が縦長或いは横長の形状に形成され、且つ上記第１クラッドの外郭形状が該ファイバ横断面と同一の縦長或いは横長の形状に形成されていると共に、上記コアが該第１クラッドの長径方向の一方側に偏って配置されており、
   上記第１クラッドの外郭形状が縦長或いは横長の形状に形成されたファイバ端面において、該第１クラッドの長径方向の一方側に、上記コアに増幅対象である光を入射するための増幅対象光入射用光ファイバが接続されていると共に、該第１クラッドの長径方向の他方側に、該第１クラッドに励起光を入射するための単一の励起光入射用光ファイバが接続されており、
   上記コアの偏心量が上記増幅対象光入射用光ファイバの半径よりも大きいダブルクラッドファイバを用いた光増幅方法であって、
   上記第１クラッドの外郭形状が縦長或いは横長の形状に形成されたファイバ端面において、該第１クラッドの長径方向の一方側に配置された上記コアに上記増幅対象光入射用光ファイバにより増幅対象である光を入射させると共に、該第１クラッドの長径方向の他方側に上記単一の励起光入射用光ファイバにより励起光を入射させることを特徴とする光増幅方法。
4. 請求項３に記載された光増幅方法において、
   上記ダブルクラッドファイバの上記第１クラッドの外郭形状が楕円形状であることを特徴とする光増幅方法。

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