(57)【要約】  本発明の光ファイバレーザは、種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプと、を備えた光ファイバレーザであって、前記パワーアンプは、複数の励起光源と、前記複数の励起光源に各々が接続され、前記励起光源から出射された励起光が入射する励起ポートと、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光が入射される信号ポートと、前記励起ポートから入射された各前記励起光と、前記信号ポートから入射されたレーザ光とをあわせて出射する出射ポートを有した光結合器と、前記出射ポートに接続された光ファイバと、を備え；前記光ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバであり；前記光ファイバは、横軸が波長、縦軸が損失量を示すグラフにおいて、フォトニックバンドギャップ領域が利得波長帯域よりも狭い損失波長特性を有している。
2009104691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプと、を備えた光ファイバレーザであって、
前記パワーアンプは、
複数の励起光源と、
前記複数の励起光源に各々が接続され、前記励起光源から出射された励起光が入射する励起ポートと、
前記マスターオシレータから発せられたレーザ光が入射される信号ポートと、
前記励起ポートから入射された各前記励起光と、前記信号ポートから入射されたレーザ光とをあわせて出射する出射ポートを有した光結合器と、
前記出射ポートに接続された光ファイバと、
を備え；
前記光ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバであり；
前記光ファイバは、横軸が波長、縦軸が損失量を示すグラフにおいて、フォトニックバンドギャップ領域が利得波長帯域よりも狭い損失波長特性を有している；
ことを特徴とする光ファイバレーザ。
【請求項２】
前記光ファイバは、
希土類元素がドープされた固体材料からなるコア部と；
前記コア部の周囲に設けられた第１クラッドと；
前記第１クラッドの前記コア部の近傍に設けられ、前記第１クラッドよりも高い屈折率を持つ多数の高屈折率部が周期構造をなして配置された周期構造部と；
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ。
【請求項３】
前記高屈折率部の前記第一クラッドに対する最大比屈折率差が、２％〜３％であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ。
【請求項４】
前記フォトニックバンドギャップ領域の波長の光の電界分布は、前記コア部の方が前記周期構造部よりも高く；
前記フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光の電界分布は、前記周期構造部の方が前記コア部よりも高い；
ことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバレーザ。
【請求項５】
前記高屈折率部には、少なくともゲルマニウムが含まれていることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバレーザ。
【請求項６】
種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプとからなる光ファイバレーザであって、
前記マスターオシレータは、
励起光源と、
この励起光源と接続され、かつ前記励起光源からの励起光とレーザ光とを合波するＷＤＭカプラと、
このＷＤＭカプラと接続された光ファイバと、
この光ファイバに接続された出力カプラと、
アイソレータと、
を備え；
前記ＷＤＭカプラと、前記光ファイバと、前記出力カプラと、前記アイソレータとが順にリング状に接続され；
前記光ファイバは、横軸が波長、縦軸が損失量を示すグラフにおいて、フォトニックバンドギャップ領域が利得波長帯域よりも狭い損失波長特性を有している；
ことを特徴とする光ファイバレーザ。
【請求項７】
種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプとからなる光ファイバレーザであって、
前記パワーアンプは、請求項１に記載のパワーアンプであり；
前記マスターオシレータは、請求項６に記載のマスターオシレータである；
ことを特徴とする光ファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバレーザに関し、より詳しくは信号波長領域にのみフォトニックバンドギャップ領域となるように調整されたフォトニックバンドギャップファイバを用い、寄生発振が抑制された光ファイバレーザに関する。
本願は、２００８年０２月１９日に、日本国に出願された特願２００８−０３８００５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フィバレーザの出力は高出力化が進み、現在ではｋＷを超える出力を有した光ファイバレーザが開発されている。このような高出力を有する光ファイバレーザは、加工機や医療機器、測定器等の様々な分野で利用されるようになっている。光ファイバレーザは他のレーザと比較し、集光性に優れ、パワー密度の高い大変小さなビームスポットが得られる。そのため、精密加工が可能である。また、この光ファイバレーザを用いた加工は、非接触加工であること、およびレーザ光が吸収可能であれば、硬い物質への加工も可能であること等から、特に材料加工分野では、光ファイバレーザの用途が急速に拡大している。【０００３】
図１４に、ＭＯＰＡ方式と呼ばれる、代表的な高出力光ファイバレーザの概略図を示す。
ＭＯＰＡ方式では、マスターオシレータ（以下、ＭＯということがある）１００の後段にパワーアンプ（以下、ＰＡということがある）２００が接続された構成となっている。この構成だと、ＭＯ１００から出力された微弱なパルス光がＰＡ２００で増幅され、高出力のレーザ光がＰＡ２００から出射される。１段のＰＡ２００では十分な出力が得られない場合には、所望の出力が得られるように、多段にＰＡ２００が接続される。【０００４】
ＭＯ１００には、半導体レーザなどＣＷ発振するレーザ光源の出力を、音響光学素子などの変調器で強度変調してパルス光とする方式や、例えば特許文献１に記載されているようなファイバリングレーザを用いる方式がある。
図１５に、このファイバリングレーザの代表的な構成図を示す。
ファイバリングレーザ１００は、励起光源１０１と；励起光とレーザ光を合波するＷＤＭカプラ１０２と；利得媒質である希土類添加光ファイバ１０３と；アイソレータ１０４と；光スイッチ素子１０７と；出力カプラ１０５と；からなる。励起光源１０１から出射された励起光は、ＷＤＭカプラ１０２を介して希土類添加光ファイバ１０３へと入射される。希土類添加光ファイバ１０３に入射された励起光は、希土類添加光ファイバのコアに添加された希土類イオンに吸収され、希土類イオンを励起させる。励起状態となった希土類イオンは、特定の波長の自然放出光を放出する。この自然放出光は、増幅されながら希土類添加光ファイバ１０３内を伝搬し、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）として出力される。ＷＤＭカプラ１０２と、希土類添加光ファイバ１０３と、アイソレータ１０４と、出力カプラ１０５と、光スイッチ素子１０７とは、リング状に接続されている。そのため、ＡＳＥはこれらの部品を通過して周回し、再び希土類添加光ファイバ１０３で増幅される。ＡＳＥが十分に増幅された後、レーザ発振し、その一部が出力カプラ１０５を介してレーザ光として出力される。この際、光スイッチ素子１０７を低損失な状態と高損失な状態とを周期的に繰り返すように動作させればパルス発振し、パルス状のレーザ出力が得られる。【０００５】
ＰＡ２００としては、図１６に示すような構成のアンプが用いられている。図１６は、ＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザの構成を示したものである。ＭＯ１００から出力されたレーザ光が段間アイソレータ３１６を介してＰＡ２００に入射され、ＰＡ２００で増幅されて出力される。
ＰＡ２００は、複数の励起光源２０１と；光結合器２０３と；希土類添加光ファイバ（希土類添加ダブルクラッドファイバ）２０５と；アイソレータ２０６と；から概略構成されている。励起光源２０１と、希土類添加光ファイバ２０５と、アイソレータ２０６とは、ＭＯ１００で使用したものと同じものを適用できる。光結合器２０３は、例えば特許文献２に記載されているような光結合器が用いられる。この光結合器２０３は、マルチモード光ファイバからなる複数の励起ポート２０２と、一つのシングルモードファイバとからなる信号ポート２０４とを有し、これらを溶融延伸して一体化することにより形成された１つの出射ポート２０７を有している。ＭＯ１００から出射されたレーザ光は、信号ポート２０４から入射され、光結合器２０３を介して希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５のコアへと出射される。一方で、光結合器２０３には、複数の励起光源２０１が各々接続された励起ポート２０２が、接続されている。この各励起光源２０１から出射された励起光が、光結合器２０３を介して希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５の第１クラッドへと入射される。この第１クラッドに入射された励起光は、コアに添加された希土類イオンに吸収されて反転分布が形成され、誘導放出が生じる。この誘導放出によって、コア内を伝搬するレーザ光が増幅され、アイソレータ２０６を介して出力される。【０００６】
図１６のようなＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザの場合、ＭＯ１００からの信号光が入射されない状態で、ＰＡ２００の希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５が励起光源２０１から出射された励起光により励起されて、ある反転分布率まで到達すると、寄生発振が生じ、非常に尖塔値の高いパルスが発生する。寄生発振の生じる反転分布率は、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５の入射側と出射側との反射率によって決定される。この反転分布率によっては、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５から光結合器２０３に向かって、寄生発振による非常に尖塔値の高いパルスが出射される。この際、この非常に尖塔値の高いパルスによって、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５のコアがダメージを受けたり、このパルスが励起光源２０１やＭＯ１００に到達し、これらに損傷を与えるという問題があった。
また、ＰＡ２００に寄生発振が生じないような周期で、ＭＯ１００からパルスが出射され、正常に光ファイバレーザが動作している状態であっても、パルスが入力される間に、ＰＡ２００出力の外部からの反射光が寄生発振を誘発する場合もある。通常、ＰＡ２００の励起光源２０１は、パルス間も励起光を出射しているため、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５は励起された状態にある。そのため、ＡＳＥが、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５の両端から出射されている。例えば光ファイバレーザを材料加工に使用するような場合には、光ファイバレーザから被加工物にＡＳＥが照射されている。この際、被加工物の表面状態によっては、被加工物の表面で反射された反射光が、再び光ファイバレーザに入射することがある。すると、この反射光が種となって発振が生じ、尖塔値の非常に高いパルスが、希土類添加ダブルクラッドファイバ２０５から光結合器２０３に向かって出射される。すると、このパルスが励起光源２０１やＭＯ１００に達し、これらに損傷を与えるという問題があった。
このように、従来の光ファイバレーザでは、寄生発振が起こるために、高反転分布率を実現できず、ＰＡ２００から出力できるパルスのエネルギーが制限されていた。【０００７】
これらの問題を解決するために、例えば特許文献３に記載の方法では、希土類添加光ファイバの両端にアイソレータを挿入することで、反射率を低く抑え、寄生発振を抑制している。さらに、励起光源の出射端に短波長通過フィルタを設けることで、希土類添加光ファイバから出射されるＡＳＥが、ポンプレーザによって反射されて再び希土類添加光ファイバに入射することを抑制している。すなわち、特許文献３に記載の光ファイバレーザは、希土類添加光ファイバの入射側および出射側の反射率を極力抑えることで、寄生発振を抑制している。【０００８】
また、例えば特許文献４に記載の方法では、光ファイバ増幅器を２段に分割し、アイソレータが段間に設けられている。前段の光ファイバ増幅器では、利得を低く抑えることで、寄生発振が抑制されている。一方、後段の光ファイバ増幅器では、利得が高いものの、前段の光ファイバ増幅器から出射されたＡＳＥが常に入射されている。そのため、特許文献４に記載の光ファイバレーザは、ＡＳＥの増幅は生じるものの、寄生発振には至らないようになっている。【０００９】
特許文献５に記載の光ファイバレーザでは、希土類添加ダブルクラッドファイバの両端に、ファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧということがある）を設けることで共振器を構成し、片側のＦＢＧにはさらにマルチモードファイバが接続されている。そして、励起光源からの励起光が、このマルチモードファイバを介して希土類添加ダブルクラッドファイバ入射される。この光ファイバレーザでは、マルチモードファイバのコア径は、希土類添加ダブルクラッドファイバのコア径に比べて大きくなっている。そのため、ＦＢＧで反射されずにマルチモードファイバに入射された不要な波長のＡＳＥは、反射によって希土類添加ダブルクラッドファイバのコアに再結合する割合が低く、寄生発振が抑制される。仮に寄生発振しても、発生したパルスは、一旦マルチモードファイバに入射される。そのため、ＡＳＥがレンズを介して励起光源上に集光されたとしても、スポット径が大きくなるため、この励起光源にダメージを与えにくい。【００１０】
しかしながら、特許文献３に記載の方法では、反射率の抑制は、現実的には０．００１％程度までが限界である。そのため、数十Ｗ以上を出力するような比較的高出力の光ファイバレーザでは、いくら反射を抑制しても、このわずかな反射やファイバ中のレイリー散乱が種となって、寄生発振が発生してしまう虞がある。また、レーザ出射後に生じる外部からの反射光（被加工物表面での反射光）に関しては、アイソレータで反射光の強度は減衰するが、完全にカットすることはできない。ゆえに、わずかに残った反射光を種として、寄生発振を誘発してしまう虞がある。
特許文献４に記載の方法においても、出射側に高利得のアンプが設けられているために、外部からの反射光が、まずこの高利得のアンプに入射してしまい、寄生発振を誘発してしまう虞がある。そこで、高利得のアンプを使用せずに低利得のアンプを多段に使用することが考えられる。しかし、この場合だと高出力になるほどアンプの段数が多くなり、構成が複雑で効率も低下してしまう。
特許文献５に記載の方法では、ＦＢＧに反射されなかった波長の光は、マルチモードファイバの端面で反射された後に、希土類添加ダブルクラッドファイバのコアに再結合する割合が低いとはいえ、まったく結合しないわけではない。そのため、高利得の光ファイバ増幅器になるほど、コアに再結合する割合が高くなり、寄生発振する虞がある。また、外部からの反射光に対しては、ＦＢＧの反射波長と同じ波長の光はＦＢＧで反射されるが、それ以外の波長の光はＦＢＧを通過して希土類添加ダブルクラッドファイバに入射する。そのため、この希土類添加ダブルクラッドファイバに入射された光によって、寄生発振を誘発してしまう虞がある。
【特許文献１】日本国特許第２９７７０５３号公報
【特許文献２】米国特許第５８６４６４４号公報
【特許文献３】特開平５−１３６４９８号公報
【特許文献４】日本国特許第２６５３９３６号公報
【特許文献５】特開平１０−５６２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、寄生発振が抑制され、高エネルギーなパルスを安定して出射することが可能な光ファイバレーザの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の手段を採用した。
（１）本発明の光ファイバレーザは、種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプと、を備えた光ファイバレーザであって、前記パワーアンプは、複数の励起光源と、前記複数の励起光源に各々が接続され、前記励起光源から出射された励起光が入射する励起ポートと、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光が入射される信号ポートと、前記励起ポートから入射された各前記励起光と、前記信号ポートから入射されたレーザ光とをあわせて出射する出射ポートを有した光結合器と、前記出射ポートに接続された光ファイバと、を備え；前記光ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバであり；前記光ファイバは、横軸が波長、縦軸が損失量を示すグラフにおいて、フォトニックバンドギャップ領域が利得波長帯域よりも狭い損失波長特性を有している。【００１３】
（２）前記光ファイバは、希土類元素がドープされた固体材料からなるコア部と；前記コア部の周囲に設けられた第１クラッドと；前記第１クラッドの前記コア部の近傍に設けられ、前記第１クラッドよりも高い屈折率を持つ多数の高屈折率部が周期構造をなして配置された周期構造部と；を備えるのが好ましい。【００１４】
（３）前記高屈折率部の前記第一クラッドに対する最大比屈折率差が、２％〜３％であるのが好ましい。【００１５】
（４）前記フォトニックバンドギャップ領域の波長の光の電界分布は、前記コア部の方が前記周期構造部よりも高く；前記フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光の電界分布は、前記周期構造部の方が前記コア部よりも高い；のが好ましい。【００１６】
（５）前記高屈折率部には、少なくともゲルマニウムが含まれているのが好ましい。【００１７】
（６）本発明の光ファイバレーザは、種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプとからなる光ファイバレーザであって、  前記マスターオシレータは、励起光源と、この励起光源と接続され、かつ前記励起光源からの励起光とレーザ光とを合波するＷＤＭカプラと、このＷＤＭカプラと接続された光ファイバと、この光ファイバに接続された出力カプラと、アイソレータと、を備え；前記ＷＤＭカプラと、前記光ファイバと、前記出力カプラと、前記アイソレータとが順にリング状に接続され；前記光ファイバは、横軸が波長、縦軸が損失量を示すグラフにおいて、フォトニックバンドギャップ領域が利得波長帯域よりも狭い損失波長特性を有している。【００１８】
（７）本発明の光ファイバレーザは、種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプとからなる光ファイバレーザであって、前記パワーアンプは、上記（１）に記載のパワーアンプであり；前記マスターオシレータは、上記（６）に記載のマスターオシレータである。
【発明の効果】
【００１９】
上記（１）に記載の光ファイバレーザによれば、寄生発振を起こすもととなる、不要波長でのＡＳＥを効率的に除去できる。そのため、寄生発振が起こるまでの時間を長くできる。ゆえに、従来の光ファイバレーザより多くのエネルギーを蓄えられる。その結果、パルス光の増幅を行う際に、高利得の増幅を行え、従来の光ファイバレーザでは出力できなかったような高エネルギーのパルス出力が可能となる。
また、従来では寄生発振が生じていた条件でも、本発明の光ファイバレーザでは、寄生発振が発生しない。そのため、この寄生発振によって光フィバレーザの各部品に生じる損傷を抑制できる。さらに、従来用いていたような耐パワー性の低いフィルタやアイソレータといった光部品では、局所的に高強度の不要な光を除去するために光部品が高温になり、冷却装置が必要であったり、部品の特性が劣化したりしていた。本発明の光ファイバレーザでは、不要な光を波長分布的に除去するために、この不要な光が高強度とならない。したがって、この不要な光が光部品に与える影響が少なく、冷却も容易となる。ゆえに、長期にわたって安定して使用可能な光ファイバレーザを提供できる。また、上記（６）に記載の光ファイバレーザでも、同様の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１実施形態に関わる光ファイバレーザを、模式的に示した図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、損失波長特性を示した図である。
【図２Ａ】図２Ａは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバを模式的に示した断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、屈折率プロファイルを示した図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、電界分布を模式的に示した図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第２実施形態に関わる光ファイバレーザに用いた光ファイバを、模式的に示した断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、屈折率プロファイルを示した図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、電界分布を模式的に示した図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第３実施形態に関わる光ファイバレーザに用いた光ファイバを、模式的に示した断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、屈折率プロファイルを示した図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、電界分布を模式的に示した図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第４実施形態に関わる光ファイバレーザに用いた光ファイバを、模式的に示した断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、Ａ−Ａ’方向における屈折率プロファイルを示した図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、Ｂ−Ｂ’方向における電界分布を模式的に示した図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、Ａ−Ａ’方向における屈折率プロファイルを示した図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、Ｂ−Ｂ’方向における、電界分布を模式的に示した図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第５実施形態に関わる光ファイバレーザに用いた光ファイバの断面の、電子顕微鏡写真である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、屈折率プロファイルを示した図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、Ｘ軸方向における、電界分布を模式的に示した図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、同実施形態の光ファイバレーザで用いた光ファイバの、Ｙ軸方向における、電界分布を模式的に示した図である。
【図７】図７は、本発明の第６実施形態に関わる光ファイバレーザを模式的に示した図である。
【図８】図８は、実施例１の光ファイバレーザを用いて、励起光が投入されてから寄生発振が生じるまでの時間を観察した図である。
【図９】図９は、実施例２の光ファイバレーザを用いて、励起光が投入されてから寄生発振が生じるまでの時間を観察した図である。
【図１０】図１０は、比較例の光ファイバレーザを用いて、励起光が投入されてから寄生発振が生じるまでの時間を観察した図である。
【図１１】図１１は、実施例４で用いた光ファイバの、透過スペクトルを測定する際に用いた装置を模式的に示した図である。
【図１２】図１２は、実施例４で用いた光ファイバの、透過スペクトルを示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、実施例４の光ファイバレーザのＡＳＥスペクトルを測定した際の図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、実施例４の光ファイバレーザのＡＳＥスペクトルを測定した際の図である。
【図１４】図１４は、ＭＯＰＡ方式の代表的な光ファイバレーザの概略図である。
【図１５】図１５は、一般的なＭＯを模式的に示した図である。
【図１６】図１６は、一般的なＰＡ、及び光ファイバレーザを模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ）  光ファイバ
１１，２１，３１，４１，５１  コア部
１２，２２，３２，４２，５２  周期構造部
１３，２３，３３，４３，５３  第１クラッド
１４，２４，３２，４４，５４  高屈折率部
１００  マスターオシレータ（ＭＯ）
１０１  励起光源
１０２  ＷＤＭカプラ
１０４  アイソレータ
１０５  出力カプラ
１０７  光スイッチ素子
２００  パワーアンプ（ＰＡ）
２０１  励起光源
２０２  励起ポート
２０３  光結合器
２０５  出射ポート
２０６  アイソレータ
３１６  段間アイソレータ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
＜第１実施形態＞
以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
図１Ａは本発明の第１実施形態に係る光ファイバレーザ５０を、模式的に示す構成図である。図１Ｂは、本実施形態の光ファイバレーザ５０に用いている光ファイバ１０の損失波長特性を示したものである。
本実施形態の光ファイバレーザは、図１４に示す光ファイバレーザと同様に、種光を発生するレーザ発振器のマスターオシレータ（以下、ＭＯということがある）１００と、このＭＯの後段に接続され、ＭＯ１００から発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器のパワーアンプ（以下、ＰＡということがある）２００とを連結したＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザ５０である。ＭＯ１００としては、例えば、図１５に示すファイバリングレーザ１００を用いることができる。このＭＯ１００の出力側は、段間アイソレータ３１６を介してＰＡ２００に接続されている。ＰＡ２００は、複数の励起光源と２０１；これらの複数の励起光源２０１に各々が接続され、励起光源２０１から出射された励起光が入射される励起ポート２０２と；マスターオシレータ１００から発せられたレーザ光が入射される信号ポート２０４と；励起ポート２０２から入射された各励起光と、信号ポート２０４から入射されたレーザ光とをあわせて出射する出射ポート２０５を有した光結合器２０３と；出射ポート２０５に接続された光ファイバ１０とから概略構成されている。ＭＯ１００から出射されたレーザ光は、信号ポート２０４からＰＡ２００に入射され、光結合器２０３を介して光ファイバ１０のコアへと入射される。ここで、光ファイバ１０は、コアとそのコアを囲むクラッドを備える。コアには、希土類イオンが添加されている。光ファイバ１０の構造については、後に詳しく説明する。一方、各励起光源２０１から出射された励起光が、光結合器２０３を介して光ファイバ１０の第１クラッドへと入射される。光ファイバ１０の第１クラッドへと入射された励起光は、コアに添加された希土類イオンに吸収されて反転分布が形成され、誘導放出が生じる。この誘導放出によって、コア内を伝搬するレーザ光が増幅される。この増幅されたレーザ光が、アイソレータ２０６を介して出力される。すなわち、ＭＯ１００から出力されたレーザ光が、段間アイソレータ３１６を介してＰＡ２００に入射され、このＰＡ２００で増幅されて出力される。
以下、詳細に説明する。【００２３】
光結合器２０３は、例えば特許文献２に開示されているような、従来公知の光結合器が用いられ、マルチモード光ファイバからなる複数の励起ポート２０２と、一つのシングルモードファイバからなる信号ポート２０４とをその一方側に有している。光結合器２０３の他方側には、励起ポート２０２から入射された各励起光と、信号ポート２０４から入射されたレーザ光とをあわせて出射する、出射ポート２０５を有している。【００２４】
励起光源１０１としては、レーザダイオード（ＬＤ）などが好適に用いられるが、これに限定されない。【００２５】
光ファイバ１０は、フォトニックバンドギャップファイバであり、図１Ｂに示す損失特性を有している。図１Ｂのグラフの横軸は光の波長、縦軸は光の損失量を示している。本実施形態の光ファイバ１０の損失波長特性において、フォトニックバンドギャップが、コアに添加された希土類イオンによる光増幅の利得波長帯域内に存在する。さらに、このフォトニックバンドギャップは、利得波長帯域よりも狭い波長帯域となっている。この波長帯域の関係に加え、フォトニックバンドギャップは、光ファイバレーザ５０の発振波長を含むように、後述の構造が決められている。すなわち、コア部に添加された希土類イオンが励起された時に発生する広い波長帯域に及ぶ自然放出光のうち、導波すべき発振波長帯域のみにフォトニックバンドギャップが形成されている。このため、発振波長の光は、光ファイバ１０のコア部に閉じ込められて伝搬し、発振波長帯域以外の波長帯域の自然放出光は、コア部に閉じ込められることなくクラッドへ放出される。つまり、寄生発振の種となる発振波長帯域以外の自然放出光は、コア部からクラッドへ放出されるので、寄生発振を抑制できる。
特に寄生発振は、希土類添加光ファイバの利得が最大となる波長で発生しやすい。共振器の損失に波長依存性がある場合には、希土類添加光ファイバの利得と、共振器の損失との差（利得−損失）が最大となる波長域で、寄生発振が発生する。したがって、図１Ｂに示すように、このような波長帯域がフォトニックバンドギャップ領域外にあるように設定すると、寄生発振を抑制する効果が大きくなる。【００２６】
本実施形態の光ファイバレーザ５０で用いられる光ファイバ１０Ａ（１０）は、例えば図２Ａに示す断面構造を有している。この光ファイバ１０Ａは、希土類元素がドープされた固体材料からなるコア部１１と；コア部１１の周囲に設けられた第１クラッド１３と；第１クラッド１３のコア部１１の近傍に設けられ、第１クラッド１３よりも高い屈折率を持つ多数の高屈折率部１４が周期構造をなして配置された周期構造部１２と；から概略構成されている。図示してはいないが、第１クラッド１３の外周には、純粋石英との比屈折率差がマイナスの値（例えば、−５％程度）となるフッ素系紫外線硬化樹脂層を設けてもよい。
また、光ファイバ１０Ａは、空孔が無い完全中実構造になっている。したがって、本実施形態の光ファイバ１０Ａを他の光ファイバと融着接続する際に、空孔が潰れて構造が変化してしまうことが無い。ゆえに、低損失で融着接続できる。【００２７】
光ファイバ１０Ａの、コア部１１と、周期構造部１２と、第１クラッド１３との各部は、純粋石英ガラスや、それにフッ素、酸化ゲルマニウムなどの屈折率調整用ドーパントを添加してなる石英系ガラスから構成されている。本実施形態の光ファイバ１０では、各部の材質は本例示にのみ限定されない。【００２８】
コア部１１は、純粋石英に希土類イオンが添加されてなる。コア部１１の屈折率としては、純粋石英と同等であることが好ましい。添加される希土類イオンとしては、例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）、プラセオジム（Ｐｒ）等が挙げられ、これらを単独で用いてもよいし、これらが所望の割合で混合されたものを用いてもよい。【００２９】
第一クラッド１３のコア部１１近傍には、ゲルマニウム（Ｇｅ）等が添加された断面小円形の多数の高屈折率の領域（高屈折率部１４）が配されている。この高屈折率部１４は、三角格子状の周期構造に配列されて、周期構造部１２を形成している。本明細書中、三角格子状とは、第一の高屈折率部１４ａと、この第一の高屈折率部１４ａに隣接する第二の高屈折率部１４ｂと、第一の高屈折率部１４ａ及び第二の高屈折率部１４ｂに隣接する第三の高屈折率部１４ｃとが、正三角形を形成していることをいう。
この高屈折率部１４の直径や周期、高屈折率部１４同士の間隔、純粋石英ガラスに対する比屈折率差を調整することで、所望の波長帯域のフォトニックバンドを形成できる。例えば、この高屈折率部１４の直径は３μｍ〜５μｍ、高屈折率部１４同士の間隔は、５μｍ〜１０μｍ、高屈折率部１４の周期は、３層〜６層、高屈折率部１４の第一クラッドに対する最大比屈折率差は、２％〜３％である。
本実施形態の光ファイバ１０Ａでは、周期構造部１２の配されている第一クラッド１３の領域は、周期構造部１２が配されていない第一クラッド１５の領域よりも多い割合を占めている。【００３０】
このように、本実施形態に用いられている光ファイバ１０Ａでは、中心に純粋石英と同じ屈折率のコア部１１が配され、その周囲にＧｅなどを添加することで、コア部１１よりも屈折率の高い周期構造部１２が配されている。したがって、この光ファイバ１０Ａの屈折率プロファイルを図示すると、図２Ｂに示すようになる。図２Ｂに示すように、コア部１１と第１クラッド１３との屈折率は同等であり、周期構造部１２の屈折率（各高屈折率部１４の屈折率）は、これらコア部１１と第１クラッド１３との屈折率よりも高くなっている。【００３１】
この光ファイバ１０Ａに光を入射すると、フォトニックバンドギャップの波長域の光は、高屈折率部１４の配置された周期構造部１２を導波できない。そのため、フォトニックバンドギャップの波長域の光は、低い屈折率の領域、すなわちコア部１１に閉じ込められる。その結果、このフォトニックバンドギャップの波長域の光は、図２Ｃの上段に示すように、電界がコア部１１に集中し、コア部１１を導波する。すなわち、フォトニックバンドギャップの波長域の光に対しては、低い屈折率の領域がコア部、高い屈折率の領域（高屈折率部１４からなる周期構造部１２）がクラッドとして機能する。
一方、フォトニックバンドギャップの波長域以外の波長域の光は、コア部１１に加え、周期構造部１２中も導波できる。この際、その電界分布は、フォトニックバンドギャップ領域にある波長の電界分布とは大きく異なり、図２Ｃの下段に示すように、電界のほとんどは周期構造部１２に存在する。このように、フォトニックバンドギャップの波長域とそれ以外の波長域では、ファイバ内を導波する際の電界分布に大きな違いがあり、フォトニックバンドギャップの波長域以外の波長域の光は、コア部１１から光ファイバ１０Ａの全面に広がり放射されてしまう。ゆえに、希土類イオンが励起された発生した自然放出光は、ＡＳＥ光となる前に、コア部１１からクラッドへと放出される。【００３２】
以上より、本実施形態の光ファイバレーザ５０では、光ファイバ１０Ａを用いることで、寄生発振を起こすもととなる、不要波長でのＡＳＥを効率的に除去でき、寄生発振が起こるまでの時間を長くできる。ゆえに、従来の光ファイバレーザよりも、多くのエネルギーを蓄えられる。したがって、パルス光の増幅を行う際に、高利得の増幅を行え、従来の光ファイバレーザでは出力できなかったような高エネルギーのパルス出力が可能となる。また、従来では寄生発振が生じていた条件でも、本発明では寄生発振が発生しない。そのため、フィバレーザの各部品に生じる損傷を抑制できる。さらに、不要な光を波長分布的に除去するために、この不要な光が高強度とならない。したがって、この不要な光が光部品に与える影響が少なく、光ファイバレーザを構成する各部品の冷却も容易となる。ゆえに、長期にわたって安定して使用することが可能な光ファイバレーザが得られる。【００３３】
＜第２実施形態＞
図３Ａは、第２実施形態に係る光ファイバレーザに搭載された光ファイバ１０Ｂ（１０）を模式的に示した断面図である。図３Ｂは、本実施形態で用いられている光ファイバ１０Ｂの屈折率プロファイルを示した図である。図３Ｃは、本実施形態で用いられている光ファイバ１０Ｂの電界分布を示した図である。
本実施形態の光ファイバレーザが第１実施形態の光ファイバレーザと異なる点は、図３Ａに示す断面を有し、かつ図３Ｂに示す屈折率プロファイルと図３Ｃに示す電界分布とを有した光ファイバ１０Ｂを用いた点である。【００３４】
本実施形態に用いられている光ファイバ１０Ｂでは、第１実施形態の光ファイバ１０Ａの周期構造の、第１層目（最も内側の層）の高屈折率部をなくして、純粋石英が配された領域２１ａが形成されている。この領域２１ａには、ＹｂのほかにＡｌやＧｅ等がドープされ、周囲の純粋石英よりも０．１％〜０．５％程度屈折率が高くなったコア部２１が配されている。したがって、本実施形態の光ファイバ１０Ｂの屈折率プロファイルは、図３Ｂに示すように、領域２１ａにも、屈折率の高い部分（コア部２１）が存在する。【００３５】
本実施形態の光ファイバ１０Ｂでは、フォトニックバンドギャップ領域にある波長の光は、第１実施形態の光ファイバ１０Ａと同様に、高屈折率部２４の配置された屈折率の高い領域（周期構造部２２）を導波できない。そのため、周期構造部２２よりも内側を導波することになる。本実施形態の光ファイバ１０Ｂには、中心に、純粋石英よりも屈折率の高いコア部２１が形成されている。そのため、フォトニックバンドギャップ領域にある波長の光は、図３Ｃの上段に示すように、第１実施形態で用いた光ファイバ１０Ａよりも、より強くコア部２１に電界が集中する。【００３６】
一方で、フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光は、その電界のほとんどが周期構造部２２に存在する。しかし、本実施形態のコア部２１は、周囲の純粋石英ガラスよりも屈折率が高くなっているため、図３Ｃの下段に示すように、光ファイバ１０Ｂのコア部２１にもわずかに電界が存在する。そのため、フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光は、光ファイバ１０Ｂ内を導波可能となる。【００３７】
本実施形態の光ファイバ１０Ｂは、紡糸中に、光ファイバ母材を回転させて形成されている。そのため、周期構造部２２は、ファイバの長さ方向にらせん状に捻られている。ゆえに、実質的に光ファイバ母材の長手方向に、曲げが加えられた状態となっている。そのため、マクロベント、あるいはマイクロベントにより、光ファイバ１０Ｂでは光の損失が発生している。本実施形態で用いている光ファイバ１０Ｂでは、この光の損失により、コア部２１を導波するフォトニックバンドギャップ以外の波長域の光に損失を与え、この光を除去している。
一方、コア部２１は、光ファイバ１０Ｂの中心にあるため、捻りは、コア部２１の形状に現れない。そのため、コア部２１を伝搬するフォトニックバンドギャップ領域の波長の光は、上記のマクロベントあるいはマイクロベントによる光の損失が発生せず、コア部１１からは除去されない。
この、らせんのピッチに関しては、所望の波長域の光に損失を与えられるように適宜調節して行えばよい。【００３８】
以上より、光ファイバ１０Ｂを用いることで、フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光を効果的に除去できる。そのため、この光ファイバ１０Ｂを用いた光ファイバレーザでは、寄生発振を起こすもととなる不要波長でのＡＳＥが除去され、寄生発振が起こるまでの時間を長くできる。ゆえに、上述した第１実施形態の光ファイバレーザ５０と同様な効果が得られる。特に、本実施形態の光ファイバ１０Ｂでは、コア部２１の屈折率が第１実施形態の光ファイバ１０Ａよりも高くなっている。そのため、フォトニックバンドギャップ領域の波長の光の電界は、第１実施形態の光ファイバ１０Ａよりも強くコア部２１に存在する。その結果、本実施系形態の光ファイバレーザでは、コア部２１内を伝搬するレーザ光をより大きく増幅でき、第１実施形態の光ファイバレーザよりも、高エネルギーのパルス出力が可能となる。【００３９】
本実施形態で用いた光ファイバ１０Ｂでは、マクロベントあるいはマイクロベントによって、コア部２１を導波するフォトニックバンドギャップ以外の波長域の光に損失を与えていたが、周期構造部２２中に、Ｙｂの蛍光波長の光を吸収、あるいは散乱させるような添加物を加え、フォトニックバンドギャップ以外の波長域の光に損失を与えてもよい。
また、光ファイバ１０Ｂの入射側及び出射側の反射減衰量が、光ファイバ１０Ｂで受ける利得よりも大きければ、寄生発振を抑制できる。光ファイバ１０Ｂを導波する光は、この光ファイバ１０Ｂから出射するとき、及び入射するときと２回の損失を受ける。そのため、光ファイバ１０Ｂから光が出射する時、あるいは入射するとき、フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光が受ける損失が、光ファイバ１０Ｂを導波する際に受ける利得の半分よりも大きければ、寄生発振を抑制できる。【００４０】
＜第３実施形態＞
図４Ａは、第３実施形態に係る光ファイバレーザに搭載された光ファイバ１０Ｃ（１０）を模式的に示した断面図である。図４Ｂは、本実施形態で用いられている光ファイバ１０Ｃの屈折率プロファイルを示した図である。図４Ｃは、本実施形態で用いられている光ファイバ１０Ｃの電界分布を示した図である。
本実施形態の光ファイバレーザが第１実施形態の光ファイバレーザと異なる点は、図４Ａに示す断面を有し、かつ図４Ｂに示す屈折率プロファイルと図４Ｃに示す電界分布とを有した光ファイバ１０Ｃを用いた点である。【００４１】
本実施形態に用いられている光ファイバ１０Ｃでは、第１実施形態の周期構造部１２の内側の第１層目と第２層目（コア近傍部）をなくして、純粋石英からなる領域３１ａが形成されている。この領域３１ａには、ＹｂのほかにＡｌやＧｅ等がドープされ、周囲の純粋石英よりも０．１％〜０．５％程度屈折率の高いコア部３１が形成されている。したがって、本実施形態の光ファイバ１０Ｃの屈折率プロファイルは、図４Ｂに示すように、領域３１ａのコア部３１にも、屈折率の高い部分が存在する。【００４２】
周期構造部３２に関しては、第１実施形態の周期構造部１２と比較し、高屈折率部３４同士の間隔が１０％〜２０％程度狭く、コア部３１近傍に密集している。高屈折率部３４の直径は、第１実施形態のものよりも３０％〜４０％程度大きくなっている。高屈折率部３４と純粋石英ガラスとの比屈折率差は、第１実施形態及び第２実施形態の光ファイバと、同等である。本実施系形態の光ファイバ１０の周期構造部３４の層数は、第１実施形態のものよりも少なく、例えば３層程度である。第一クラッド３３の直径は第１実施形態と同様なため、第一クラッド３３の周期構造部３２が配されていない領域３５が、第１実施形態のものよりも広くなっている。【００４３】
第一クラッド３３の外周には、純粋石英との比屈折率差がマイナスの値（例えば、−５％程度）となるフッ素系紫外線硬化樹脂層３６が配されている。【００４４】
本実施形態に用いられている光ファイバ１０Ｃでは、純粋石英ガラスからなる第一クラッド３３が第２のコアをなし、フッ素系紫外線硬化樹脂３６が第２のクラッドをなし、マルチモード導波するダブルクラッド構造となっている。【００４５】
屈折率プロファイル及び電界分布に関しては、第２実施形態と同様であり、それぞれ図４Ｂと図４Ｃに示すようになる。すなわち、フォトニックバンドギャップ領域にある波長の光は、図４Ｃの上段に示すように、第１実施形態で用いた光ファイバ１０Ａよりも、より強くコア部３１に電界が集中する。フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光は、図４Ｃの下段に示すように、光ファイバ１０Ｃの周期構造部３２に加え、コア部３１にもわずかに電界が存在するため、光ファイバ１０Ｃ内を導波可能となる。本実施形態で用いている光ファイバ１０Ｃも、第２実施形態で用いた光ファイバ１０Ｂと同様に、マクロベント、あるいはマイクロベントにより、フォトニックバンドギャップ波長域以外の光が除去されている。コア部３１に関しても第２実施形態の光ファイバ１０Ｂと同様で、フォトニックバンドギャップ領域にある波長の光には、上記のマクロベント、あるいはマイクロベントによる光の損失が発生せず、コア部１１から除去されていない。【００４６】
以上より、光ファイバ１０Ｃを用いることで、フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光を効果的に除去できる。そのため、この光ファイバ１０Ｃを用いた光ファイバレーザでは、寄生発振を起こすもととなる不要波長でのＡＳＥが除去され、寄生発振が起こるまでの時間を長くでき、上述した第２実施形態の光ファイバレーザと同様な効果が得られる。【００４７】
＜第４実施形態＞
図５Ａは、第４実施形態に係る光ファイバレーザに搭載された光ファイバ１０Ｄ（１０）を模式的に示した断面図である。図５Ｂは、光ファイバ１０Ｄの、Ａ−Ａ’方向における屈折率プロファイルである。図５Ｃは、光ファイバ１０Ｄの、Ｂ−Ｂ’方向における屈折率プロファイルである。図５Ｄは、光ファイバ１０Ｄの、Ａ−Ａ’方向における電界分布である。図５Ｅは、光ファイバ１０Ｄの、Ｂ−Ｂ’方向における電界分布である。
本実施形態の光ファイバレーザが第１実施形態の光ファイバレーザと異なる点は、図５Ａに示す断面を有し、かつ図５Ｂ，５Ｃに示す屈折率プロファイルと図５Ｄ，５Ｅに示す電界分布とを有した光ファイバ１０Ｄを用いた点である。【００４８】
本実施形態に用いられている光ファイバ１０Ｄは、コア部４１の純粋石英ガラスに対する比屈折率差、高屈折率部４４同士の間隔や直径、比屈折率差などは、第３実施形態で用いている光ファイバ１０Ｃと同様である。本実施形態の光ファイバ１０Ｄは、第３実施形態の光ファイバ１０Ｃよりも高屈折率部４４の層数が多く、かつコア部４１から光ファイバの外周に向かって１つの直線状の領域４７には、高屈折率部４４が配されていない。【００４９】
屈折率プロファイル及び電界分布に関しては、それぞれ図５Ｂ〜５Ｅに示すとおりである。すなわち、フォトニックバンドギャップ領域にある波長の光は、図５Ｄと図５Ｅの上段に示すように、第１実施形態で用いた光ファイバ１０Ａよりも、より強くコア部４１に電界が集中する。
フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光は、図５Ｄと図５Ｅの下段に示すように、光ファイバ１０Ｄの周期構造部４２に加え、コア部４１にもわずかに電界が存在するため、光ファイバ１０Ｄ内を導波可能となる。
本実施形態で用いている光ファイバ１０Ｄも、２実施形態で用いた光ファイバ１０Ｂと同様に、マクロベント、あるいはマイクロベントにより、コア部３１を導波するフォトニックバンドギャップ波長域以外の光が除去されている。コア部４１に関しても第２実施形態の光ファイバ１０Ｂと同様で、フォトニックバンドギャップ領域にある波長の光には、上記のマクロベント、あるいはマイクロベントによる光の損失が発生せず、コア部４１から除去されない。【００５０】
特に、本実施形態で用いている光ファイバ１０Ｄは、第３実施形態で用いている光ファイバ１０Ｃよりも高屈折率部４４の層数が多く配されている。そのため、フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光は、より多く周期構造部４２中に存在する。その結果、寄生発振の抑制効果をより高められる。また、高屈折率部４４の層数が多くなり、フォトニックバンドギャップによる光の閉じこめ効果が強くなっても、高屈折率部４４が配されていない領域４７を通じて高次モードが放射される。そのため、基本モードで安定して動作可能となる。【００５１】
したがって、この光ファイバ１０Ｄを用いた、本実施形態の光ファイバレーザでは、第３実施形態の光ファイバレーザより、更に効果的に寄生発振の発生を抑制でき、基本モードで安定して動作が可能となる。【００５２】
＜第５実施形態＞
図６Ａは、第５実施形態に係る光ファイバレーザに搭載された光ファイバ１０Ｅ（１０）の断面の電子顕微鏡写真である。図６Ｂは、光ファイバ１０Ｅの屈折率プロファイルを示した図である。図６Ｃは、光ファイバ１０ＥのＸ軸方向における電界分布を示した図である。図６Ｄは、光ファイバ１０ＥのＹ軸方向における電界分布を示した図である。
本実施形態の光ファイバレーザが第１実施形態の光ファイバレーザと異なる点は、図６Ａに示す断面を有し、かつ図６Ｂに示す屈折率プロファイルと図６Ｃ，６Ｄに示す電界分布とを有した光ファイバ１０Ｅを用いている点である。【００５３】
本実施形態に用いられている光ファイバ１０Ｅでは、コア部６１から光ファイバの外周に向かった１つの直線状にのみ、高屈折率部６４が配されている。この高屈折率部６４は、第１実施形態で用いた光ファイバ１０Ａと同様である。したがって、この光ファイバ１０Ｅは、図６Ｂに示すような屈折率プロファイルを有している。図６Ｂ上段は、図６Ａに示すＸ軸方向の屈折率プロファイルである。図６Ｂは、図６Ａに示すＹ軸方向の屈折率プロファイルである。【００５４】
この光ファイバ１０Ｅに光を入射すると、フォトニックバンドギャップの波長域の光は、Ｘ軸方向に配置された純粋石英と、Ｇｅがドープされた高屈折率部による周期構造とによって形成されるフォトニックバンドギャップにより、高屈折率部を導波できずコア領域５１内に閉じ込められる。その光は、Ｙ軸方向には、純粋石英と、フッ素（Ｆ）がドープされた低屈折率部との屈折率差によりコア領域５１内に閉じ込められて導波する。
一方、フォトニックバンドギャップの波長域外の光は、Ｙ軸方向に関しては、フォトニックバンドギャップの波長域の光と同様に純粋石英とＦがドープされた低屈折率部との屈折率差により、コア領域５１内に閉じ込められ得るが、Ｘ方向に関してはその周期構造のために、その電界分布のほとんどがコア領域５１ではなく高屈折率部に分布して導波することとなる。【００５５】
以上より、光ファイバ１０Ｅを用いることで、フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光を効果的に除去できる。そのため、この光ファイバ１０Ｅを用いた光ファイバレーザでは、寄生発振を起こすもととなる不要波長でのＡＳＥが除去され、寄生発振が起こるまでの時間を長くでき、上述した第１実施形態の光ファイバレーザ５０と同様な効果が得られる。
さらに、本実施形態の光ファイバ１０Ｅは、Ｘ軸方向とＹ軸方向の屈折率構造が大きく異なるために、コアは複屈折を有する。複屈折を有することで、コア内を導波する光はその偏波成分により異なった屈折率を有し、光学的にも異なった特性を示す。特に、光ファイバを曲げたときに発生する損失特性に違いが発生し、Ｘ軸方向の偏波成分はＹ軸方向の偏波成分よりも曲げによる損失が発生しやすい。したがって、レーザの発振波長に応じてＹ軸方向にのみ曲げ損失が発生するような径で光ファイバを曲げることで、Ｘ軸方向の偏波成分のみを選択的に増幅し、出力できる。すなわち、光ファイバに曲げを加えるだけで、効率を低下させることなく、単一偏波のレーザ光を出力可能である。【００５６】
また、他の実施形態として、希土類添加光ファイバにおいて、全長にわたってコア部分にＦＢＧを設ける、希土類添加光ファイバを所定の径で巻くことで、信号波長の長波長側に損失を持たせる、もしくは、希土類添加光ファイバのカットオフ波長を信号波長のわずかに短波側に設け、希土類添加光ファイバに曲げを与えることで信号波長の短波側に損失を設ける、とした構成により、本発明と同様に利得波長帯域に損失を持たせることも可能である。【００５７】
＜第６実施形態＞
図７は、第６実施形態に係る光ファイバレーザ１００を模式的に示した図である。
本実施形態では、ＭＯの光ファイバに、上述した第１実施形態〜第５実施形態に用いられている光ファイバ１０Ａ〜１０Ｅをそれぞれ適用できる。
すなわち、励起光源１０１と接続され、かつ励起光源１０１からの励起光とレーザ光とを合波するＷＤＭカプラ１０２と、光ファイバ１０と、出力カプラと、アイソレータ１０４とが順にリング状に接続されて概略構成されているＭＯにおいて、光ファイバ１０が上述したフォトニックバンドギャップファイバ１０Ａ〜１０Ｅである。
ＭＯに上記の光ファイバ１０Ａ〜１０Ｅを同様に適用することで、ＰＡに適用した際と同様に寄生発振を抑制でき、高出力可能なＭＯが得られる。【００５８】
ＰＡのみ、あるいはＭＯのみに限定されず、ＰＡとＭＯの両方に、上述した第１実施形態〜第５実施形態に用いられている光ファイバ１０を適用可能である。
両方に適用することで、より効果的に寄生発振を抑制でき、更に高出力な光ファイバレーザが得られる。
【実施例】
【００５９】
＜実施例１＞
図１Ａに示す構成の光ファイバレーザを構成した。
まず、フォトニックバンドギャップファイバとして、図２Ａに示す断面構造及び図２Ｂ，２Ｃに示す特性を有した光ファイバを作製した。コア部には、Ｙｂイオンを添加した。最も寄生発振を起こしやすい波長域、すなわちＹｂイオンを添加した光ファイバの、最大利得波長域である１０３０ｎｍ〜１０５０ｎｍ付近は、バンドギャップ領域に含まれないようにし、信号波長である１０６４ｎｍはバンドギャップ領域にあるように作製した。より詳細に説明すると、純粋石英ガラスにＹｂイオンを添加し、純粋石英ガラスとの比屈折率差Δｃが０％、直径ｄが７．０μｍとなるコア部を作製した。このコア部を、純粋石英ガラスからなる直径１２５μｍの第一クラッドで被覆した。第一クラッドのコア部の周囲には、純粋石英ガラスにゲルマニウムを添加して、複数の高屈折率部を作製した。この高屈折率部は、互いに７．０μｍ離間させて三角格子状に配し、７層の高屈折率部からなる周期構造部とした。各高屈折率部は、純粋石英ガラスとの最大比屈折率差Δｈが２．８％、直径ｄｈが３．５μｍである。この作製した光ファイバのコア吸収量は、９７６ｎｍの波長で１２００ｄＢ／ｍであった。
光結合器は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバとの接続損失が小さくなるように、出射ポートとして、コア径が７μｍ、クラッド径が１２５μｍの希土類添加ダブルクラッドファイバを有するものを使用した。励起ポートは、コア径が１０５μｍ、ＮＡが０．１５のマルチモードファイバを６本用いた。信号ポートは、コア径が７μｍ、ＮＡが０．１４のシングルモードファイバを用いた。励起光源には、発振波長９１５ｎｍ、最大出力５Ｗの半導体レーザを６台用いた。【００６０】
この光ファイバレーザを用いて、マスターオシレータからの信号がないまま励起光源を駆動して、励起光を出射し、希土類添加ダブルクラッドファイバが３０Ｗの励起パワーで励起されている状態とした。その後、この励起光が投入されてから寄生発振が起こるまでの時間を測定した。その結果を図８に示す。
図８に示すように、図２Ａ〜２Ｃに示すフォトニックバンドギャップファイバを用いた実施例１の光ファイバレーザでは、３０μｓ程度励起しても寄生発振が起こらなかった。さらに長時間励起を続けたところ、７０μｓ程度で寄生発振が観測された。【００６１】
＜実施例２＞
実施例１で用いたフォトニックバンドギャップファイバ（以下、ＰＢＧＦということがある）の変わりに、図３Ａ〜３Ｃで示したＰＢＧＦを用いたこと以外は、実施例１と同様にして光ファイバレーザを作製した。本実施例のＰＢＧＦは、実施例１のＰＢＧＦの周期構造の第１層目（最も内側の１層目）をなくして純粋石英とし、この中心には、純粋石英ガラスに酸化イッテルビウムをドープして増幅媒体として機能するようにした。さらに、この中心に酸化アルミニウムを添加することで、純粋石英との比屈折率差を０．３％とした、直径６μｍのコア部を形成した。高屈折率部は、純粋石英ガラスとの比屈折率差を２．６％とした。各高屈折率部の間隔は６μｍ、直径は４．８μｍとした。第１クラッドの直径を１２５μｍとなるようにし、その周囲には純粋石英ガラスとの比屈折率差が−０．５％のフッ素系紫外線硬化樹脂層を配した。本実施例で用いたＰＢＧＦは、５ｍｍあたり１回転の捻れが加えられて作製されている。
本実施例で用いたＰＢＧＦは、純粋石英製の第１クラッドを第２のコア、フッ素系紫外線硬化型樹脂層を第２のクラッドとしてマルチモード導波する、ダブルクラッド構造となっている。コア吸収量は、９７６ｎｍの波長で１２００ｄＢ／ｍである。
この光ファイバレーザを、実施例１と同様にして、励起光が投入されてから寄生発振が起こるまでの時間を測定した。その結果を図９に示す。
図９に示すように、図３Ａ〜３Ｃに示すＰＢＧＦを用いた実施例２の光ファイバレーザでは、３０μｓ程度励起しても寄生発振が起こらなかった。さらに長時間励起を続けたところ、７０μｓ程度で寄生発振が観測された。【００６２】
＜比較例＞
実施例１で用いたＰＢＧＦの変わりに、従来のダブルクラッド構造を有した希土類添加光ファイバを用いた。この光ファイバは、コアにはＹｂイオンを添加し、コア径は６μｍ、第１クラッド径は１２５μｍ、コア吸収量は９７６ｎｍの波長で１２００ｄＢ／ｍである。この光ファイバレーザを、実施例１と同様に、励起光が投入されてから寄生発振が起こるまでの時間を測定した。その結果を図１０に示す。
図１０に示すように、従来の光ファイバを用いた比較例の光ファイバレーザでは、３０μｓ程度で寄生発振が観測された。【００６３】
以上より、本発明の光ファイバレーザでは、上記のＰＢＧＦ１０を用いることで、比較例で示した従来の光ファイバレーザと比べて、寄生発振するまでの時間が２倍以上延びることが確認された。このことにより、パルスを増幅する直前の希土類添加光ファイバの利得は、従来のファイバレーザよりも大きくなり、より高エネルギーのパルスを出力することができる。【００６４】
次に、上記で作製した実施例１の光ファイバレーザと、比較例の光ファイバレーザとを用いて、ＭＯからパルス幅５０ｎｓ、ピークパワー６０Ｗ（パルスエネルギー０．００３ｍＪ）のパルスを発生させて、これらの光ファイバレーザ（ＰＡ）に入力させ、これらのＰＡから出力される最大のパルスエネルギーを測定した。
比較例の光ファイバレーザでは、３０μｓ程度のパルス間隔で寄生発振が起こるため、ＭＯから入射されるパルスの間隔を３０μｓとした。その結果を表１に示す。【００６５】
【表１】
2009104691.tif 000003
【００６６】
表１に示すように、比較例の光ファイバレーザでは、ＰＡから出力されるパルスは、パルス幅が５０ｎｓ、ピークパワーが３ｋＷ（パルスエネルギーが０．１５ｍＪ）であった。実施例１の光ファイバレーザでは、パルス幅が５０ｎｓ、ピークパワーが８ｋＷ（パルスエネルギーが０．４ｍＪ）であった。よって、本発明の光ファイバレーザによれば、上述したＰＢＧＦを用いることで、従来の光ファイバレーザでは実現できない高エネルギーのパルス出力が可能である。【００６７】
＜比較例２＞
次に、実施例２の光ファイバレーザを作製する際に、ねじれを加えないで作製したＰＢＧＦを用いて、実施例２と同様に光ファイバレーザを作製し、これを比較例２の光ファイバレーザとした。実施例２と同様にして、励起光が投入されてから寄生発振が起こるまでの時間を測定した結果、寄生発振が４０μｓ程度で観測された。
これは周期構造中を導波する１０４０ｎｍ付近の光が除去されず、わずかにコアに分布するこの光の成分が、比較例２のＰＢＧＦを導波するうちに増幅されたこと、及び導波中に受けた利得が、ＰＢＧＦから出射された後にアイソレータ等で反射されて再びＰＢＧＦに入射するまでの損失に比べて大きかったためである。【００６８】
寄生発振は、ＰＢＧＦで受ける利得よりも、ＰＢＧＦの入射側及び出射側の反射減衰量が大きくなった時点で発生する。すなわち、ＰＢＧＦの入射側及び出射側の反射減衰量がＰＢＧＦで受ける利得よりも大きければ寄生発振を抑制できる。ＰＢＧＦの入射側と出射側の反射減衰量は、光ファイバ増幅器の回路構成によって異なり、場合によっては反射減衰量がほぼゼロの場合もありうる。一方、ＰＢＧＦから他の光ファイバに光が入射する際、フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光は、その電界がほとんど周期構造中に分布するために大きな損失を受ける。
ＰＢＧＦを導波する光は、ＰＢＧＦから出射するとき、及び入射するときと２回の損失を受ける。そのため、ＰＢＧＦから光が出射する時、あるいは入射するとき、フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光が受ける損失が、ＰＢＧＦを導波する際に受ける利得の半分よりも大きければ、寄生発振を抑制できる。そこで、比較例２のＰＢＧＦにおいて、入射側及び出射側の接続損失を測定したところ、共に１５ｄＢ程度であった。したがって、ＰＢＧＦの入射側及び出射側の接続損失を１５ｄＢより大きくすれば、寄生発振が抑制できると、考えられる。【００６９】
＜実施例３＞
比較例２のＰＢＧＦにおいて、より多くの成分が周期構造中を導波できるように、ＰＢＧＦの周期構造の層数のみ多くし、入射側及び出射側の接続損失が２５ｄＢ程度確保できるＰＢＧＦを作製した。このＰＢＧＦの、コア部の直径は６μｍ、第１クラッドの直径は１２５μｍ、コア吸収量は９７６ｎｍの波長で１２００ｄＢ／ｍである。このＰＢＧＦを用いて実施例１と同様に光ファイバレーザを構成し、これを実施例３の光ファイバレーザとした。この光ファイバレーザを、実施例１と同様にして、励起光が投入されてから寄生発振が起こるまでの時間を測定した。
その結果、６０μｓ程度で寄生発振が観測された。【００７０】
＜実施例４＞
まず、図６Ａに示すＰＢＧＦを作製した。コア部は実施例１と同様である。各高屈折率部の間隔は７．３μｍ、直径は３．７μｍ、純粋石英ガラスとの比屈折率差は２．８％として作製した。次に、図１１に示すように、このＰＢＧＦを１ｍずつ取り出し、直径が１００ｍｍ、８０ｍｍまたは６０ｍｍとなるようにそれぞれ１回ずつ巻いた。その後、各ＰＢＧＦの端面に白色光源を照射してコア部を励起し、透過スペクトルを測定した。この結果を、図１２に示す。【００７１】
図１２より、波長およそ１１００ｎｍ以下の光は遮断され、波長およそ１１００ｎｍ以上の光は透過していた。したがって、本実施例で用いたＰＢＧＦは、コア部を導波する波長１０００〜１１００ｎｍのＡＳＥ光を、フォトニックバンドギャップによるフィルタ効果で取り除けること及びおよそ１１００ｎｍ以上の波長の光を安定して発振できることが確認された。
また、光ファイバを巻く径の大きさが小さくなるほど、得られたグラフが長波長側にシフトしていたことから、光ファイバを巻く際の径を変えることで、容易に希土類イオン添加増幅用光ファイバのゲインプロファイルを制御可能であった。光ファイバの巻く径を変化させても、８５０ｎｍ周辺のイットリウムの励起による自然放出光のフィルタリングには、影響を及ぼさなかった。すなわち、ＡＳＥ光の除去効果を保ったまま、希土類イオン添加増幅用光ファイバのゲインプロファイルの制御が可能となった。【００７２】
次に、本実施例の光ファイバを用いて、実施例１と同様に光ファイバレーザを構築し、これを実施例４の光ファイバレーザとした。この際に用いた光ファイバの長さは１９ｍとし、この光ファイバを巻く径を６０ｍｍ〜１００ｍｍで変化させた。この実施例４の光ファイバレーザを用いてＡＳＥスペクトルを測定した。この結果を図１３Ａ，１３Ｂに示す。図１３Ａは、励起光源として発振波長９１５ｎｍ、最大出力０．４５Ｗの半導体レーザ６台を用いた際の結果である。図１３Ｂは、励起光源として発振波長９１５ｎｍ、最大出力２．２Ｗの半導体レーザ６台を用いた際の結果である。【００７３】
図１３Ａ，１３Ｂより、１０３０ｎｍ周辺の波長のＡＳＥを抑制できた。また、光ファイバを巻く径を小さくするほど、ＡＳＥをより効果的に抑制でき、かつ、ＡＳＥのピークが長波長側にシフトした。図１３Ａ，１３Ｂから、励起光源の出力が変化しても、光ファイバを巻く径の大きさを変えることで、光ファイバのゲインプロファイルを制御できることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、高エネルギーなパルスを安定して出射することが可能な光ファイバレーザに適用できる。
【図１Ａ】
2009104691.tif 000004
【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図６Ａ】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年11月16日(2009.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプと、を備えた光ファイバレーザであって、
前記パワーアンプは、
複数の励起光源と、
前記複数の励起光源に各々が接続され、前記励起光源から出射された励起光が入射する励起ポートと、
前記マスターオシレータから発せられたレーザ光が入射される信号ポートと、
前記励起ポートから入射された各前記励起光と、前記信号ポートから入射されたレーザ光とをあわせて出射する出射ポートを有した光結合器と、
前記出射ポートに接続された光ファイバと、
を備え；
前記光ファイバは、希土類元素がドープされたフォトニックバンドギャップファイバであり；
前記光ファイバは、横軸が波長、縦軸が損失量を示すグラフにおいて、フォトニックバンドギャップ領域が利得波長帯域よりも狭い損失波長特性を有し、
前記光ファイバの利得が最大となる波長域が、フォトニックバンドギャップ領域外にある；
ことを特徴とする光ファイバレーザ。
【請求項２】
前記光ファイバは、
希土類元素がドープされた固体材料からなるコア部と；
前記コア部の周囲に設けられた第１クラッドと；
前記第１クラッドの前記コア部の近傍に設けられ、前記第１クラッドよりも高い屈折率を持つ多数の高屈折率部が周期構造をなして配置された周期構造部と；
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ。
【請求項３】
前記高屈折率部の前記第一クラッドに対する最大比屈折率差が、２％〜３％であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバレーザ。
【請求項４】
前記フォトニックバンドギャップ領域の波長の光の電界分布は、前記コア部の方が前記周期構造部よりも高く；
前記フォトニックバンドギャップ領域以外の波長の光の電界分布は、前記周期構造部の方が前記コア部よりも高い；
ことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバレーザ。
【請求項５】
前記高屈折率部には、少なくともゲルマニウムが含まれていることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバレーザ。
【請求項６】
種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプとからなる光ファイバレーザであって、
前記マスターオシレータは、
励起光源と、
この励起光源と接続され、かつ前記励起光源からの励起光とレーザ光とを合波するＷＤＭカプラと、
このＷＤＭカプラと接続された希土類添加光ファイバと、
この光ファイバに接続された出力カプラと、
アイソレータと、
を備え；
前記ＷＤＭカプラと、前記光ファイバと、前記出力カプラと、前記アイソレータとが順にリング状に接続され；
前記光ファイバは、横軸が波長、縦軸が損失量を示すグラフにおいて、フォトニックバンドギャップ領域が利得波長帯域よりも狭い損失波長特性を有し、
前記光ファイバの利得が最大となる波長域が、フォトニックバンドギャップ領域外にある；
ことを特徴とする光ファイバレーザ。
【請求項７】
種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプとからなる光ファイバレーザであって、
前記パワーアンプは、請求項１に記載のパワーアンプであり；
前記マスターオシレータは、請求項６に記載のマスターオシレータである；
ことを特徴とする光ファイバレーザ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の手段を採用した。
（１）本発明の光ファイバレーザは、種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプと、を備えた光ファイバレーザであって、前記パワーアンプは、複数の励起光源と、前記複数の励起光源に各々が接続され、前記励起光源から出射された励起光が入射する励起ポートと、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光が入射される信号ポートと、前記励起ポートから入射された各前記励起光と、前記信号ポートから入射されたレーザ光とをあわせて出射する出射ポートを有した光結合器と、前記出射ポートに接続された光ファイバと、を備え；前記光ファイバは、希土類元素がドープされたフォトニックバンドギャップファイバであり；前記光ファイバは、横軸が波長、縦軸が損失量を示すグラフにおいて、フォトニックバンドギャップ領域が利得波長帯域よりも狭い損失波長特性を有し、前記光ファイバの利得が最大となる波長域が、フォトニックバンドギャップ領域外にある。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
（６）本発明の光ファイバレーザは、種光を発生するレーザ発振器であるマスターオシレータと、このマスターオシレータの後段に接続され、前記マスターオシレータから発せられたレーザ光を増幅して出力する光増幅器であるパワーアンプとからなる光ファイバレーザであって、前記マスターオシレータは、励起光源と、この励起光源と接続され、かつ前記励起光源からの励起光とレーザ光とを合波するＷＤＭカプラと、このＷＤＭカプラと接続された希土類添加光ファイバと、この光ファイバに接続された出力カプラと、アイソレータと、を備え；前記ＷＤＭカプラと、前記光ファイバと、前記出力カプラと、前記アイソレータとが順にリング状に接続され；前記光ファイバは、横軸が波長、縦軸が損失量を示すグラフにおいて、フォトニックバンドギャップ領域が利得波長帯域よりも狭い損失波長特性を有し、前記光ファイバの利得が最大となる波長域が、フォトニックバンドギャップ領域外にある。
【国際調査報告】
2009104691.tif 000035
2009104691.tif 000036