JP6499126B2

JP6499126B2 - 光コンバイナ、光増幅器、及び、レーザ装置

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Publication number: JP6499126B2
Application number: JP2016131961A
Authority: JP
Inventors: 岸　達也; 達也岸
Original assignee: Fujikura Ltd
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Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2019-04-10
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Description

本発明は、増幅用光ファイバにおける光の増幅効率を向上させつつ、増幅用光ファイバを伝搬する信号光が光ファイバのマクロベンド又はマイクロベンドによって損失することを抑制できる光コンバイナ、光増幅器、及び、レーザ装置に関する。

ファイバレーザ装置や光ファイバ通信において、光ファイバを伝搬する信号光を増幅させる目的で増幅用光ファイバを用いることがある。増幅用光ファイバは活性元素が添加されるコアを有しており、コアを囲うクラッドを伝搬する励起光がコアを通過する際、コアに添加される活性元素によって励起光が吸収され、活性元素の誘導放出により信号光が増幅される。このような増幅用光ファイバに励起光を入射させるために、増幅用光ファイバの端面から励起光が入射される場合がある。

また、増幅用光ファイバに信号光及び励起光を入射するために、信号光が伝搬する信号光ファイバと励起光が伝搬する励起光ファイバとが増幅用光ファイバに光学的に結合されることによって構成される光コンバイナが用いられることがある。このように複数の光ファイバが束ねて結合される光コンバイナに関する技術として、例えば、下記特許文献１に光ファイバの結合構造が開示されている。

特開２００８−７６９８３号公報

増幅用光ファイバにおける信号光の増幅効率は、以下のように考えられる。増幅用光ファイバのコア全体に活性元素が均一に添加されているとすると、そのコアで吸収される励起光の単位長さ当たりの量Ａは、下記式（１）で表される。
Ａ∝ｄ・（Ｄ_１／Ｄ_２）^２・・・（１）
ここで、ｄは増幅用光ファイバのコアに添加される活性元素の濃度、Ｄ_１は増幅用光ファイバのコアの直径、Ｄ_２は増幅用光ファイバのうち励起光が伝搬するクラッドの直径である。

上記式（１）からわかるように、増幅用光ファイバのコアに添加される活性元素の濃度ｄと当該コアの直径Ｄ_１が一定であれば、当該コアで吸収される励起光の単位長さ当たりの量Ａは、増幅用光ファイバのクラッドの直径Ｄ_２の２乗に反比例することがわかる。そのため、クラッドの直径Ｄ_２が小さくされることによって増幅用光ファイバにおける励起光の単位長さ当たりの量Ａが大きくなり、増幅用光ファイバにおける信号光の増幅効率が高くなることがわかる。

しかし、従来の光コンバイナでは外径の大きさが同じ信号光ファイバ及び励起光ファイバが用いられるため、増幅用光ファイバのクラッドの直径が小さくされると、励起光ファイバが細くされ、信号光ファイバも細くされる。このように励起光ファイバと共に信号光ファイバが細くされると、信号光ファイバにおいてマクロベンドやマイクロベンドによる信号光の損失が大きくなる傾向がある。

以上のように、従来の光コンバイナでは、増幅用光ファイバにおける光の増幅効率と信号光ファイバにおけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失とはトレードオフの関係にある。特許文献１に開示されている光ファイバの結合構造のような従来の光コンバイナでは、この問題の対策がなされていない。

そこで本発明は、増幅用光ファイバにおける光の増幅効率を向上させつつ、信号光ファイバにおけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる光コンバイナ、光増幅器、及び、レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の光コンバイナは、増幅用光ファイバのコアに入射する信号光が伝搬する信号光ファイバと、前記増幅用光ファイバのクラッドに入射する励起光が伝搬する複数の励起光ファイバと、を備え、それぞれの前記励起光ファイバのクラッドの外径が前記信号光ファイバのクラッドの外径より小さいことを特徴とする。

上記光コンバイナでは、増幅用光ファイバのクラッドに入射する励起光が伝搬する複数の励起光ファイバのクラッドの外径が、増幅用光ファイバのコアに入射する信号光が伝搬する信号光ファイバのクラッドの外径より小さくされる。従って、例えば、信号光ファイバのクラッドの外径の大きさを変えることなく、励起光ファイバのクラッドの外径を小さくすることができる。それぞれの励起光ファイバのクラッドの外径が小さくされることにより、増幅用光ファイバのクラッド厚を薄くすることができる。増幅用光ファイバのクラッド厚が薄くされることによって、増幅用光ファイバにおける励起光のエネルギー密度が高くなり、増幅用光ファイバにおける信号光の増幅効率を向上させることができる。

なお、光ファイバのマクロベンド又はマイクロベンドによる光の損失の生じ易さは、カットオフ波長と、モードフィールド径又は実効断面積と、クラッドの外径と、クラッドを被覆する被覆層の厚さ及び材質と、が主な要因となって決まる。これらのうちカットオフ波長とモードフィールド径又は実効断面積とはコアの設計で決定されるものであり、これらを自由に変更することは難しい。また、被覆層の厚さ及び材質も光ファイバの使用態様に応じて要求されるものであり、これらも自由に変更することは難しい。従って、カットオフ波長とモードフィールド径又は実効断面積と被覆層の厚さ及び材質とに変更がない場合、クラッドの外径がマクロベンド又はマイクロベンドによる光の損失の生じ易さを決定する主な要因となる。上記光コンバイナでは、励起光ファイバのクラッドの外径が信号光ファイバのクラッドの外径より小さくされる。このため、励起光ファイバのクラッドの外径が小さくされる場合であっても、信号光ファイバのクラッドの外径を大きくすることができ、信号光ファイバにおけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる。その結果、上記光コンバイナがレーザ装置に適用される場合には当該レーザ装置から出射されるレーザ光のビーム品質の悪化を抑制することができる。また、上記光コンバイナが光ファイバ通信に適用される場合には、ビットエラーレートの悪化を抑制することができる。

以上のように、上記光コンバイナは、増幅用光ファイバにおける光の増幅効率を向上させつつ、信号光ファイバにおけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる。

また、上記光コンバイナは、前記信号光ファイバのコアが光をマルチモードで伝搬可能である場合に好適である。

マルチモードで光を伝搬可能な光ファイバでは、一般的に、非線形光学効果を抑制するためにコアのクラッドに対する比屈折率差が小さくされたり、コアの直径を大きくすることで実効断面積が大きくされたりしている。このようなマルチモードファイバでは、クラッド厚が薄くされると、マクロベンド又はマイクロベンドによってモード結合が生じ易くなり、シングルモードファイバよりもマクロベンド又はマイクロベンドによって光が損失し易い傾向がある。ここで、上記光コンバイナによれば、上記のように信号光ファイバのクラッドの外径を大きくすることができ、マクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる。従って、上記光コンバイナは、信号光ファイバがマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を生じやすいマルチモードファイバである場合に好適である。

また、前記増幅用光ファイバは複数のコアを有し、前記信号光ファイバを複数備えることが好ましい。

信号光ファイバが複数備えられることによって、増幅用光ファイバが複数のコアを有するマルチコアファイバである場合に、それぞれの信号光ファイバを増幅用光ファイバのそれぞれのコアに接続することができる。

また、前記増幅用光ファイバのコアは前記増幅用光ファイバのクラッドの径方向における偏芯した位置に配置され、複数の前記励起光ファイバが前記信号光ファイバの周囲における前記増幅用光ファイバのクラッドの厚さが大きい側に偏って配置されることが好ましい。

このように複数の励起光ファイバが配置されることによって、信号光ファイバの周囲において等間隔に励起光ファイバが配置される場合に比べて、狭い範囲に信号光ファイバ及び複数の励起光ファイバを配置することができる。このため、増幅用光ファイバを細くし易くなるので、増幅用光ファイバにおける励起光のエネルギー密度を高め易くなり、増幅用光ファイバにおける光の増幅効率を向上させ易くなる。

また、複数の前記励起光ファイバは、最密充填となるように配置されて前記信号光ファイバを囲うことが好ましい。

このように励起光ファイバが配置されることによって、増幅用光ファイバのクラッド厚を薄くしつつ多くの励起光を増幅用光ファイバのクラッドに入射させ易くなるので、増幅用光ファイバにおける光の増幅効率を向上させ易くなる。

また、複数の前記励起光ファイバは、前記信号光ファイバの周囲に二重以上に重ねて配置されることが好ましい。

このように励起光ファイバが配置されることによって、多くの励起光を増幅用光ファイバのクラッドに入射させ易くなるので、増幅用光ファイバにおける光の増幅効率を向上させ易くなる。

また、本発明の光増幅器は、上記光コンバイナと、前記信号光ファイバ及び前記励起光ファイバが直接又は間接的に接続される前記増幅用光ファイバと、それぞれの前記励起光ファイバに前記励起光を入射させる励起光源と、を備えることを特徴とする。

また、本発明のレーザ装置は、上記光コンバイナと、前記信号光ファイバ及び前記励起光ファイバが直接又は間接的に接続される前記増幅用光ファイバと、それぞれの前記励起光ファイバに前記励起光を入射させる励起光源と、を備えることを特徴とする。

上記の光増幅器やレーザ装置によれば、上記コンバイナを備えていることによって、増幅用光ファイバにおける光の増幅効率を向上させつつ、信号光ファイバにおけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる。

以上のように本発明によれば、増幅用光ファイバにおける光の増幅効率を向上させつつ、信号光ファイバにおけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる光コンバイナ、光増幅器、及び、レーザ装置が提供される。

本発明の第１実施形態にかかるレーザ装置の構成を概略的に示す図である。図１に示す増幅用光ファイバの長手方向に垂直な断面を概略的に示す図である。図１に示す光コンバイナの一部を概略的に示す斜視図である。図３に示す光コンバイナのＩＶ−ＩＶにおける矢視断面図である。本発明の第２実施形態にかかるレーザ装置の構成を概略的に示す図である。他の実施形態に係る光コンバイナの図４と同様の視点の矢視断面図である。更なる他の実施形態に係る光コンバイナの図４と同様の視点の矢視断面図である。更なる他の実施形態に係る光コンバイナの図４と同様の視点の矢視断面図である。更なる他の実施形態に係る光コンバイナの図４と同様の視点の矢視断面図である。

以下、本発明に係る光コンバイナ、光増幅器、及びレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができる。なお、理解の容易のため、それぞれの図のスケールと、以下の説明に記載のスケールとが異なる場合がある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ装置の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、本実施形態のレーザ装置１は、共振器型のファイバレーザ装置とされ、増幅用光ファイバ１０と、レーザダイオード２１を備える励起光源２０と、レーザダイオード２１に接続される励起光ファイバ２５と、信号光ファイバ３０と、信号光ファイバ３０に設けられる第１ＦＢＧ３５と、光ファイバ４０と、光ファイバ４０に設けられる第２ＦＢＧ４５と、光コンバイナ５０とを主な構成として備える。

励起光源２０は、複数のレーザダイオード２１から構成される。本実施形態では、レーザダイオード２１は、例えば、ＧａＡｓ系半導体を材料としたファブリペロー型半導体レーザであり中心波長が９１５ｎｍの励起光を出射する。また、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１は励起光ファイバ２５に接続されており、レーザダイオード２１から出射する励起光は励起光ファイバ２５を例えばマルチモード光として伝播する。

図２は、図１に示す増幅用光ファイバ１０の長手方向に垂直な断面を概略的に示す図である。図２に示すように増幅用光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の外周面を隙間なく囲む内側クラッド１２と、内側クラッド１２の外周面を被覆する外側クラッド１３と、外側クラッド１３を被覆する被覆層１４とを主な構成として備え、いわゆるダブルクラッド構造とされている。内側クラッド１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低く、外側クラッド１３の屈折率は内側クラッド１２の屈折率よりも低くされている。

コア１１を構成する材料としては、例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム（Ｇｅ）等の元素、及び、励起光源２０から出射される励起光により励起されるイッテルビウム（Ｙｂ）等の活性元素が添加された石英が挙げられる。このような活性元素としては、希土類元素が挙げられ、希土類元素としては、上記Ｙｂの他にツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）等が挙げられる。さらに活性元素として、希土類元素の他に、ビスマス（Ｂｉ）等を挙げることができる。内側クラッド１２を構成する材料としては、例えば、何らドーパントが添加されていない純粋石英を挙げることができる。なお、内側クラッド１２には、屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）等の元素が添加されても良い。外側クラッド１３は、樹脂または石英から成り、樹脂としては例えば紫外線硬化樹脂が挙げられ、石英としては例えば内側クラッド１２よりもさらに屈折率が低くなるように屈折率を低下させるフッ素（Ｆ）等のドーパントが添加された石英が挙げられる。被覆層１４を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂が挙げられ、外側クラッド１３が樹脂の場合、外側クラッド１３を構成する樹脂とは異なる紫外線硬化樹脂とされる。

また、増幅用光ファイバ１０はマルチモードファイバであり、コア１１には光がマルチモードで伝搬可能である。コア１１には、基本モードであるＬＰ_０１モードの光の他に２次ＬＰモード以上の高次モードの光が伝搬し、例えば６つのＬＰモードの光が伝搬する。

図３は、図１に示す光コンバイナ５０の一部を概略的に示す斜視図である。図３では、見易さのため、増幅用光ファイバ１０の被覆層１４が省略されており、参照符号が一部省略されている。また、図４は、図３に示す光コンバイナ５０のＩＶ−ＩＶにおける矢視断面図である。図４では、図３と同様に、増幅用光ファイバ１０の被覆層１４が省略されている。図３及び図４に示すように、光コンバイナ５０は、信号光ファイバ３０と複数の励起光ファイバ２５とから構成される。

信号光ファイバ３０は、コア３１と、コア３１の外周面を隙間なく囲むクラッド３２と、クラッド３２を被覆する被覆層とを主な構成として備える。ただし、増幅用光ファイバ１０が接続される側の端部において、信号光ファイバ３０の被覆層は剥がされており、当該被覆層は図示されていない。信号光ファイバ３０のコア３１は、例えば、上記活性元素が添加されていない点を除き増幅用光ファイバ１０のコア１１と同様とされ、信号光ファイバ３０のコア３１の直径は、例えば、増幅用光ファイバ１０のコア１１の直径と同じとされる。また、信号光ファイバ３０のクラッド３２は、例えば、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２よりも直径が小さい点を除き当該内側クラッド１２と同様の構成とされる。

光コンバイナ５０において、信号光ファイバ３０は増幅用光ファイバ１０の一端に接続されている。具体的には、増幅用光ファイバ１０のコア１１に信号光ファイバ３０のコア３１が光学的に結合するように、増幅用光ファイバ１０のコア１１と信号光ファイバ３０のコア３１とが接続されている。従って、図４では、信号光ファイバ３０のコア３１と増幅用光ファイバ１０のコア１１とが重なっており、増幅用光ファイバ１０のコア１１が視認できない。信号光ファイバ３０は、マルチモードファイバとされ、増幅用光ファイバ１０のコア１１が伝搬する信号光と同様の信号光を伝搬する。従って、増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝搬する各ＬＰモードの光は、そのまま信号光ファイバ３０のコア３１を伝搬することができる。

また、信号光ファイバ３０のコアにはゲルマニウム等の感光性（光が照射されることで屈折率が変化する性質）の元素が添加されており、信号光ファイバ３０のコア３１には、第１ＦＢＧ３５が設けられている。こうして、第１ＦＢＧ３５は増幅用光ファイバ１０の一方側に配置され、増幅用光ファイバ１０のコア１１と光学的に結合する。第１ＦＢＧ３５は、コア３１の第１ＦＢＧ３５以外の部分よりも屈折率が高い高屈折率部と、コア３１の第１ＦＢＧ３５以外の部分と同様の屈折率である低屈折率部とが、コア３１の長手方向に沿って周期的に繰り返されている。この高屈折率部の繰り返しパターンは、例えば高屈折率部となる部位に紫外線が照射されて形成される。この様にして形成される第１ＦＢＧ３５は、増幅用光ファイバ１０のコアに添加されている上記活性元素が励起状態とされた状態で放出する光のうち少なくとも一部の波長の光を反射するように構成されている。第１ＦＢＧ３５の反射率は、後述の第２ＦＢＧ４５の反射率よりも高く、上記活性元素が放出する光うち所望の波長の光を９０％以上で反射することが好ましく、９９％以上で反射することがより好ましい。また第１ＦＢＧ３５が反射する光の波長は、上記活性元素がイッテルビウムである場合、例えば１０６０ｎｍとされる。

なお、信号光ファイバ３０の増幅用光ファイバ１０と接続される側と反対側には、光を熱に変換する終端部３８が設けられている。

励起光ファイバ２５は、コア２６と、コア２６の外周面を隙間なく囲むクラッド２７と、クラッド２７を被覆する被覆層とを主な構成として備える。ただし、増幅用光ファイバ１０が接続される側の端部において、励起光ファイバ２５の被覆層は剥がされており、当該被覆層は図示されていない。

光コンバイナ５０において、それぞれの励起光ファイバ２５は信号光ファイバ３０と共に増幅用光ファイバ１０の一端に接続されている。具体的には、それぞれの励起光ファイバ２５のコア２６が増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２と光学的に結合するように、それぞれの励起光ファイバ２５のコア２６と増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２とが接続されている。従って、それぞれのレーザダイオード２１が出射する励起光は、励起光ファイバ２５を介して増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射して、内側クラッド１２を主に伝搬する。

また、それぞれの励起光ファイバ２５は、クラッド２７の外径が信号光ファイバ３０のクラッド３２の外径より小さい。さらに、それぞれの励起光ファイバ２５は、最密充填となるように配置されて信号光ファイバ３０を囲っている。本実施形態の光コンバイナ５０では、８つの励起光ファイバ２５が信号光ファイバ３０を囲うように配置されており、それぞれの励起光ファイバ２５が信号光ファイバ３０に接すると共に互いに隣り合う励起光ファイバ２５が接している。

光ファイバ４０は、クラッドの直径が増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２と同じ直径である点を除き信号光ファイバ３０と同様の構成とされる。従って、光ファイバ４０は、信号光ファイバ３０と同様にマルチモードファイバであり、増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝搬する光と同様の光を伝搬することができる。光ファイバ４０は、増幅用光ファイバ１０の他端において、増幅用光ファイバ１０のコア１１と光ファイバ４０のコアとが光学的に結合するように接続される。従って、増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝搬するマルチモードの光は、マルチモードのまま光ファイバ４０のコアを伝搬する。

また、光ファイバ４０のコアには、第２ＦＢＧ４５が設けられている。こうして、第２ＦＢＧ４５は増幅用光ファイバ１０の他方側に配置され、増幅用光ファイバ１０のコア１１と光学的に結合する。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５と同様に高屈折率部と低屈折率部とが周期的に繰り返されて形成されている。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５が反射する光を第１ＦＢＧ３５よりも低い反射率で反射するように構成されている。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５が反射する光が入射する場合に、この光を例えば１０％程度の反射率で反射する。こうして、第１ＦＢＧ３５と増幅用光ファイバ１０と第２ＦＢＧ４５とで、光共振器が構成されている。また、本実施形態では光ファイバ４０の増幅用光ファイバ１０側と反対側の他端には特に何も接続されていないが、ガラスロッド等が接続されても良い。

次に、本実施形態におけるレーザ装置１の動作及び作用について説明する。

まず、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から励起光が出射される。この励起光は励起光ファイバ２５を介して、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射して、主に内側クラッド１２を伝搬する。内側クラッド１２を伝搬する励起光は、コア１１を通過する際にコア１１に添加されている活性元素を励起する。励起状態とされた活性元素は、特定の波長帯域の自然放出光を放出する。この自然放出光を起点として、第１ＦＢＧ３５及び第２ＦＢＧ４５で共通して反射される波長の光を含む信号光が、第１ＦＢＧ３５と第２ＦＢＧ４５との間を共振する。共振する信号光が増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝搬するときに、励起状態の活性元素が誘導放出を起こして、共振する信号光が増幅される。そして、第１ＦＢＧ３５と増幅用光ファイバ１０と第２ＦＢＧ４５とを含む光共振器内における利得と損失が等しくなったところでレーザ発振状態となり、共振する信号光のうち一部の光が第２ＦＢＧ４５を透過して、光ファイバ４０の端部から出射する。なお、増幅用光ファイバ１０側から第１ＦＢＧ３５を透過する光の大部分は、終端部３８で熱に変換されて消滅する。

ところで、光コンバイナ５０では、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射する励起光が伝搬する励起光ファイバ２５のクラッド２７の外径が、増幅用光ファイバ１０のコア１１の入射する信号光が伝搬する信号光ファイバ３０のクラッド３２の外径より小さくされる。従って、例えば、信号光ファイバ３０のクラッド３２の外径の大きさを変えることなく、励起光ファイバ２５のクラッド２７の外径を小さくすることができる。励起光ファイバ２５のクラッド２７の外径が小さくされることにより、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２を薄くすることができる。増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２が薄くされることによって、増幅用光ファイバ１０における励起光のエネルギー密度が高くなり、増幅用光ファイバ１０における信号光の増幅効率を向上させることができる。

なお、光ファイバのマクロベンド又はマイクロベンドによる光の損失の生じ易さは、カットオフ波長と、モードフィールド径又は実効断面積と、クラッドの外径と、クラッドを被覆する被覆層の厚さ及び材質と、が主な要因となって決まる。これらのうちカットオフ波長とモードフィールド径又は実効断面積とはコアの設計で決定されるものであり、これらを自由に変更することは難しい。また、被覆層の厚さ及び材質も光ファイバの使用態様に応じて要求されるものであり、これらも自由に変更することは難しい。従って、カットオフ波長とモードフィールド径又は実効断面積と被覆層の厚さ及び材質とに変更がない場合、クラッドの外径がマクロベンド又はマイクロベンドによる光の損失の生じ易さを決定する主な要因となる。光コンバイナ５０では、励起光ファイバ２５のクラッド２７の外径が信号光ファイバ３０のクラッド３２の外径より小さくされる。このため、励起光ファイバ２５のクラッド２７の外径が小さくされる場合であっても、信号光ファイバ３０のクラッド３２の外径を大きくすることができ、信号光ファイバ３０におけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる。その結果、光コンバイナ５０がレーザ装置１に適用される場合に、レーザ装置１から出射されるレーザ光のビーム品質の悪化を抑制することができる。

以上のように、光コンバイナ５０は、増幅用光ファイバ１０における光の増幅効率を向上させつつ、信号光ファイバ３０におけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる。

また、本実施形態では、信号光ファイバ３０のコア３１及び増幅用光ファイバ１０のコア１１が光をマルチモードで伝搬可能である。マルチモードで光を伝搬可能な光ファイバでは、一般的に、非線形光学効果を抑制するためにコアのクラッドに対する比屈折率差が小さくされたり、コアの直径を大きくすることで実効断面積が大きくされたりしている。このようなマルチモードファイバでは、クラッド厚が薄くされると、マクロベンド又はマイクロベンドによってモード結合が生じ易くなり、シングルモードファイバよりもマクロベンド又はマイクロベンドによって光が損失し易い傾向がある。ここで、光コンバイナ５０によれば、上記のように信号光ファイバ３０のクラッド３２の外径を大きくすることができ、マクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる。従って、光コンバイナ５０は、信号光ファイバ３０がマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を生じやすいマルチモードファイバである場合に好適である。

また、本実施形態の光コンバイナ５０では、励起光ファイバ２５が複数備えられ、複数の励起光ファイバ２５は、最密充填となるように配置されて信号光ファイバ３０を囲っている。それぞれの励起光ファイバ２５は信号光ファイバ３０に接しており、互いに隣り合う励起光ファイバ２５も接している。具体的には、下記式（２）を満たすように、それぞれの励起光ファイバ２５及び信号光ファイバ３０が配置されている。
ｒ＝Ｒ・ｓｉｎ（π／ｎ）（１−ｓｉｎ（π／ｎ））・・・（２）
ここで、Ｒは信号光ファイバ３０のクラッド３２の半径、ｒは励起光ファイバ２５のクラッド２７の半径、ｎは励起光ファイバ２５の数である。

上記式（２）を満たすように複数の励起光ファイバ２５が配置されることによって、複数の励起光ファイバ２５を最密充填となるように配置することができる。このように複数の励起光ファイバ２５が配置されることによって、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２を薄くしつつ多くの励起光を増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射させ易くなるので、増幅用光ファイバ１０における光の増幅効率を向上させ易くなる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略することがある。

図５は、本実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図５に示すように、本実施形態のレーザ装置２は、ＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型のファイバレーザ装置とされる点において第１実施形態のレーザ装置１と異なる。従って、本実施形態のレーザ装置２は、種光源７０を備える。

種光源７０は、例えば、レーザダイオードやファイバレーザ等からなる。種光源７０から出射する種光（信号光）は、信号光ファイバ３０のコア３１を伝搬する。

本実施形態では、光コンバイナ５０において、それぞれの励起光ファイバ２５が信号光ファイバ３０と共に増幅用光ファイバ１０の一端に接続されている。具体的には、増幅用光ファイバ１０のコア１１に信号光ファイバ３０のコア３１が光学的に結合するように、増幅用光ファイバ１０のコア１１と信号光ファイバ３０のコア３１とが接続されている。従って、種光源７０から出射する種光（信号光）は信号光ファイバ３０のコア３１を介して増幅用光ファイバ１０のコア１１に入射して主にコア１１を伝搬する。また、それぞれの励起光ファイバ２５のコア２６が増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２と光学的に結合するように、それぞれの励起光ファイバ２５のコア２６と増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２とが接続されている。従って、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１が出射する励起光は、励起光ファイバ２５を介して増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射して、主に内側クラッド１２を伝搬し、増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加されている活性元素を励起する。このため、増幅用光ファイバ１０のコア１１を伝搬する信号光は、励起状態とされた活性元素の誘導放出により増幅される。このように、本実施形態では、光コンバイナ５０と増幅用光ファイバ１０と励起光源２０とを備える光増幅器５が構成される。増幅用光ファイバ１０において増幅された信号光は、光ファイバ４０を介して出射する。

本実施形態においても、光コンバイナ５０が用いられることによって、増幅用光ファイバ１０における光の増幅効率を向上させつつ、信号光ファイバ３０におけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる。

以上、本発明について、第１及び第２実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、信号光ファイバ３０及び励起光ファイバ２５の数及び配置は上記実施形態に限定されない。以下に他の実施形態の光コンバイナにかかる説明をする。図６から図９は、他の実施形態に係る光コンバイナの断面を図４と同様の視点で示す図である。

図６に示す光コンバイナ５０ａは、一つの信号光ファイバ３０と当該信号光ファイバ３０を囲うように配置される６つの励起光ファイバ２５とを備えている。６つの励起光ファイバ２５は、信号光ファイバ３０の中心軸を中心とする円上の等間隔に配置されている。このような光コンバイナ５０ａでも、励起光ファイバ２５のクラッド２７の外径が信号光ファイバ３０のクラッド３２の外径がより小さいくされることによって、増幅用光ファイバ１０における光の増幅効率を向上させつつ、信号光ファイバ３０におけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる。

図７に示す光コンバイナ５０ｂでは、信号光ファイバ３０の所定の径方向に偏って複数の励起光ファイバ２５が備えられる。上記実施形態のように信号光ファイバ３０のコア３１と増幅用光ファイバ１０のコア１１が光学的に結合するため、図７においても、信号光ファイバ３０のコア３１と増幅用光ファイバ１０のコア１１とが重なっている。つまり、本例では、増幅用光ファイバ１０のコア１１は内側クラッド１２の径方向における偏芯した位置に配置されており、内側クラッド１２は厚さの大きい部位と小さい部位とを有する。そして、複数の励起光ファイバ２５が信号光ファイバ３０の周囲における増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２の厚さが大きい側に偏って配置されている。このように複数の励起光ファイバ２５が配置されることによって、信号光ファイバ３０の周囲に等間隔に励起光ファイバ２５が配置される場合に比べて、狭い範囲に信号光ファイバ３０及び複数の励起光ファイバ２５を配置することができる。このため、増幅用光ファイバ１０を細くし易くなるので、増幅用光ファイバ１０における励起光のエネルギー密度を高め易くなり、増幅用光ファイバ１０における信号光の増幅効率を向上させ易くなる。

図８に示す光コンバイナ５０ｃでは、複数の励起光ファイバ２５が信号光ファイバ３０の周囲に二重に重ねて配置されている。このように複数の励起光ファイバ２５が配置されることによって、多くの励起光を増幅用光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射させ易くなるので、増幅用光ファイバ１０における光の増幅効率を向上させ易くなる。なお、図８には、複数の励起光ファイバ２５が信号光ファイバ３０の周囲に二重に重ねて配置される例を示しているが、複数の励起光ファイバ２５は信号光ファイバ３０の周囲に三重以上に重ねて配置されても良い。

図９に示す光コンバイナ５０ｄでは、信号光ファイバ３０が複数備えられる。従って、増幅用光ファイバ１０もそれぞれの信号光ファイバ３０のコア３１と接続するように複数のコア１１を備えている。この様に増幅用光ファイバがマルチコアファイバである場合に、信号光ファイバ３０が複数備えられることによって、それぞれの信号光ファイバ３０を増幅用光ファイバのそれぞれのコアに接続することができる。

また、第１及び第２実施形態では光コンバイナ５０がレーザ装置に適用される例を挙げて説明した。しかし、光コンバイナ５０は、光ファイバ通信に適用することもできる。例えば、第２実施形態において、種光源７０を有さず、信号光ファイバ３０にネットワークからの信号光が入射しても良い。このように光コンバイナ５０が光ファイバ通信に適用される場合、増幅用光ファイバ１０における光の増幅効率を向上させつつ、信号光ファイバ３０におけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失が抑制されることによって、ビットエラーレートの悪化を抑制することができる。

また、第１及び第２実施形態では、光コンバイナ５０において信号光ファイバ３０及び励起光ファイバ２５が増幅用光ファイバ１０に直接接続される例を挙げて説明した。しかし、信号光ファイバ３０及び励起光ファイバ２５は、光コンバイナ５０において増幅用光ファイバ１０とは異なる光ファイバに接続され、当該光ファイバを介して信号光ファイバ３０及び励起光ファイバ２５と増幅用光ファイバ１０とが間接的に接続されても良い。この場合、信号光ファイバ３０及び励起光ファイバ２５と増幅用光ファイバ１０との間に配置される光ファイバは、コアに活性元素が添加されない点を除き増幅用光ファイバ１０と同様の構成とされる。このように信号光ファイバ３０及び励起光ファイバ２５と増幅用光ファイバ１０とが間接的に接続される場合、信号光ファイバ３０と増幅用光ファイバ１０との間に配置される光ファイバのコアにファイバブラッグレーティングが形成されることによって光共振器が構成されても良い。

また、第１及び第２実施形態では、増幅用光ファイバ１０のコア１１及び信号光ファイバ３０のコア３１が光をマルチモードで伝搬可能である例を挙げて説明した。しかし、コア１１及びコア３１は、光をシングルモードで伝搬しても良い。

以上説明したように、本発明によれば、増幅用光ファイバにおける光の増幅効率を向上させつつ、信号光ファイバにおけるマクロベンド又はマイクロベンドによる信号光の損失を抑制することができる光コンバイナが提供され、レーザ装置や光ファイバ通信等の分野で利用することが期待される。

１，２・・・レーザ装置
５・・・光増幅器
１０・・・増幅用光ファイバ
１１・・・コア
１２・・・内側クラッド
１３・・・外側クラッド
１４・・・被覆層
２０・・・励起光源
２１・・・レーザダイオード
２５・・・励起光ファイバ
２６・・・コア
２７・・・クラッド
３０・・・信号光ファイバ
３１・・・コア
３２・・・クラッド
３５・・・第１ＦＢＧ
４５・・・第２ＦＢＧ
５０．５０ａ．５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ・・・光コンバイナ
７０・・・種光源

Claims

コア、前記コアの外周面を囲う内側クラッド及び前記内側クラッドの外周面を被覆する前記内側クラッドより屈折率が低い外側クラッドを有する増幅用光ファイバの一端に接続され、前記増幅用光ファイバの前記コアに入射する信号光が伝搬する信号光ファイバと、
前記増幅用光ファイバの前記内側クラッドに入射する励起光が伝搬する複数の励起光ファイバと、
を備え、
前記励起光ファイバと前記増幅用光ファイバとの接続部において、前記励起光ファイバの外周と前記増幅用光ファイバの内側クラッドの外周とが互いに接しており、
それぞれの前記励起光ファイバのクラッドの外径が前記信号光ファイバのクラッドの外径より小さい
ことを特徴とする光コンバイナ。
前記信号光ファイバのコアが光をマルチモードで伝搬可能である
ことを特徴とする請求項１に記載の光コンバイナ。
前記増幅用光ファイバは複数のコアを有し、
前記信号光ファイバを複数備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光コンバイナ。
前記増幅用光ファイバのコアは前記増幅用光ファイバのクラッドの径方向における偏芯した位置に配置され、
複数の前記励起光ファイバが前記信号光ファイバの周囲における前記増幅用光ファイバのクラッドの厚さが大きい側に偏って配置される
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光コンバイナ。
複数の前記励起光ファイバは、最密充填となるように配置されて前記信号光ファイバを囲う
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光コンバイナ。
複数の前記励起光ファイバは、前記信号光ファイバの周囲に二重以上に重ねて配置される
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光コンバイナ。
請求項１から６のいずれか１項に記載の光コンバイナと、
前記信号光ファイバ及び前記励起光ファイバが直接又は間接的に接続される前記増幅用光ファイバと、
それぞれの前記励起光ファイバに前記励起光を入射させる励起光源と、
を備える
ことを特徴とする光増幅器。
請求項１から６のいずれか１項に記載の光コンバイナと、
前記信号光ファイバ及び前記励起光ファイバが直接又は間接的に接続される前記増幅用光ファイバと、
それぞれの前記励起光ファイバに前記励起光を入射させる励起光源と、
を備える
ことを特徴とするレーザ装置。