(57)【要約】【課題】簡単且つ確実にクラッドモードを除去するダブルクラッドファイバのクラッドモード除去方法を提供する。【解決手段】ダブルクラッドファイバ１００の第１クラッド２に入射した励起光（クラッドモード）１２は、第１クラッド２と第２クラッド３との界面６で反射をしながら、第１クラッド２内を伝播していき、コア１を通過する際に信号光１１を増幅する。出射端近傍の第２クラッド３内の孔４，４，…には、石英よりも屈折率の高い充填材５が充填されている。この充填部分１０２では、励起光１２が界面６で反射されずに、第２クラッド３を通過して、ファイバ１００外に放出される。【選択図】  図１
2004252057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバ中心軸方向に延びるコアと、前記コアの周囲を覆う第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲を覆う第２クラッドとを備えたダブルクラッドファイバのクラッドモード除去方法であって、
前記ダブルクラッドファイバの長さ方向の少なくとも一部において、前記第２クラッドの屈折率を前記第１クラッドの屈折率よりも高くすることによりクラッドモードを除去することを特徴とするダブルクラッドファイバのクラッドモード除去方法。
【請求項２】
前記第２クラッドには、ファイバ中心軸方向に延びる多数の孔が設けられており、
前記孔に前記第１クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する充填材を充填することにより前記第２クラッドの屈折率を前記第１クラッドの屈折率よりも高くすることを特徴とする請求項１に記載のダブルクラッドファイバのクラッドモード除去方法。
【請求項３】
ファイバ中心軸方向に延びるコアと、
前記コアの周囲を覆う第１クラッドと、
前記第１クラッドの周囲を覆う第２クラッドと
を備え、
前記第２クラッドには、前記ファイバ中心軸方向に延びる多数の孔が設けられており、
前記孔は、前記第１クラッドの周囲を取り囲んでおり、
前記孔の少なくとも一方の末端には、第１クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する充填材が充填されている、ダブルクラッドファイバ。
【請求項４】
請求項３に記載のダブルクラッドファイバを用いている、ファイバ増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダブルクラッドファイバのクラッドモード除去方法、ダブルクラッドファイバ及びファイバ増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ファイバ増幅装置やファイバレーザに用いられる光ファイバの一種として、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、例えば励起活性物質（光増幅成分）である希土類元素がドープされた石英製（ＳｉＯ２）コアと、このコアの周囲を覆う同じくＳｉＯ２製の第１クラッドと、この第１クラッドの周囲を覆う、第１クラッドよりも屈折率の低い第２クラッドとを備えている（例えば、特許文献１および２参照）。そして、第１クラッドに入射した励起光（クラッドモード）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を伝播し、この励起光がコアを通過する際にコアにドープされた希土類元素を活性化して、コアを伝播（導波）する信号光を増幅する。
【０００３】
上記第２クラッドは、従来は樹脂が用いられていたが、近年特許文献２に示すように、ＳｉＯ２製の第２クラッド内に空隙部分を形成して有効屈折率を大きく下げて、励起光をより多く取り込めるようにしている。
【０００４】
また、この励起光は９０％は励起によって消費されるが、ダブルクラッドファイバの出射端においても１０％は残存しているため、例えば特許文献１に示されているように、出射端近傍の第２クラッドをテーパ状にエッチングする、あるいは全て取り除いて、残存励起光を外部に逃がすことが必要となる。その理由は、残存励起光が出射端からそのまま出射されると、残存励起光に由来する熱のため機械的損傷等の問題が生じるからである。例えば、出力コネクタとダブルクラッドファイバとを接合している接着剤が熱のため劣化したり、接続した光部品が損傷したりする。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３３２５５８５号公報
【特許文献２】
特開平１１−１４２６７２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、出射端近傍の第２クラッドをテーパ状にエッチングするという特許文献１の技術は、第２クラッドが樹脂の場合には適用できるが、ＳｉＯ２製の第２クラッド内に空隙部分を形成している場合には適用できない。つまり、空隙部分をテーパ状にエッチングすることは非常に困難だからである。また、第２クラッドを全て取り除いてしまうと、ファイバが細くなって強度が低下し、出力用コネクタとの接続に問題が生じる。
【０００７】
第２クラッド内に空隙を設けたダブルクラッドファイバは、第１クラッドとの屈折率差が大きいため、第２クラッドが樹脂により構成されたダブルクラッドファイバよりも励起光を多く入れることができる。従って、第２クラッド内に空隙を設けたダブルクラッドファイバの方が、より多くの励起光が出射端から外部に出射されることになる。つまり、第２クラッド内に空隙を設けたダブルクラッドファイバの方が、残存励起光を除去する必要性が大きいが、これを除去する簡単な方法は、従来はなかった。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単且つ確実にクラッドモードを除去するダブルクラッドファイバのクラッドモード除去方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、残存励起光を確実に且つ容易に除去できる第２クラッドに細孔を有するダブルクラッドファイバを提供することにある。さらに別の目的は、第２クラッドに細孔を有しており且つ残存励起光を確実に除去したダブルクラッドファイバを用いたファイバ増幅装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のダブルクラッドファイバのクラッドモード除去方法は、ファイバ中心軸方向に延びるコアと、前記コアの周囲を覆う第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲を覆う第２クラッドとを備えたダブルクラッドファイバのクラッドモード除去方法であって、前記ダブルクラッドファイバの長さ方向の少なくとも一部において、前記第２クラッドの屈折率を前記第１クラッドの屈折率よりも高くすることによりクラッドモードを除去することを特徴とする。
【００１０】
前記第２クラッドには、ファイバ中心軸方向に延びる多数の孔が設けられており、前記孔に前記第１クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する充填材を充填することにより前記第２クラッドの屈折率を前記第１クラッドの屈折率よりも高くすることが好ましい。
【００１１】
本発明のダブルクラッドファイバは、ファイバ中心軸方向に延びるコアと、前記コアの周囲を覆う第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲を覆う第２クラッドとを備え、前記第２クラッドには、前記ファイバ中心軸方向に延びる多数の孔が設けられており、前記孔は、前記第１クラッドの周囲を取り囲んでおり、前記孔の少なくとも一方の末端には、第１クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する充填材が充填されている。
【００１２】
前記コアは、光増幅成分がドープされ光導波路をなしており、前記第１クラッドには、励起光が入射され、前記励起光は、前記第１クラッドと前記第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を伝播し、かつ前記コアを通過する際に該コアの光増幅成分を活性化させ、前記活性化された光増幅成分は、前記コアを導波する光を増幅することが好ましい。
【００１３】
また、前記充填材は、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂及びアクリル樹脂からなる群より選択された１又は２以上のものからなることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記充填材は、前記第２クラッドを構成する物質の硬度よりも小さい硬度を有することが好ましい。
【００１５】
ある好適な実施形態において、前記充填材が充填されている末端には、光コネクタが接続されている。
【００１６】
本発明のファイバ増幅器は、前記ダブルクラッドファイバを用いて構成されている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡素化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００１８】
（実施形態１）
本実施形態に係るダブルクラッドファイバの中心軸を含む縦断面の模式的な図を図１に示す。また、図１のＡ−Ａ線断面が図２であり、Ｂ−Ｂ−線断面が図３である。
【００１９】
ダブルクラッドファイバ１００の中心軸には、光増幅成分である希土類元素（例えば、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ等）とＧｅとを含有した石英ガラス（ＳｉＯ２）製のコア１が延びている。コア１は、石英ガラス（ＳｉＯ２）製の第１クラッド２により囲まれている。第１クラッド２は、多数の孔４，４，…を有する石英ガラス（ＳｉＯ２）製の第２クラッド３により囲まれている。孔４，４，…は、ファイバ中心軸方向に延びていて、ここでは第１クラッド２を二重に取り囲んでいる。また、第２クラッド３は、石英ガラス製の最外層７により囲まれている。
【００２０】
励起光１２（ポンピング光ともいう）は、第１クラッド２の中に入射されてその内部を伝播していき、第１クラッド２と第２クラッド３との界面６で反射される。この界面６での反射は、第２クラッド３は多数の孔４，４，…を有していて第２クラッド３全体としての実効屈折率が石英の屈折率よりも大幅に低くなっているために生じる。つまり、第１クラッド２の屈折率（実効屈折率）よりも第２クラッド３の屈折率（実効屈折率）の方が小さいために、励起光１２が第２クラッド３で囲まれた領域を伝播していく。第２クラッド３の実効屈折率は、ファイバ１００横断面における第２クラッド３中の石英ガラス部分の面積分率に石英ガラスの屈折率を乗じたものと、ファイバ１００横断面における第２クラッド中の孔４，４，…の部分の面積分率に空気の屈折率を乗じたものとの和である。
【００２１】
信号光１１は、コア１に入射されてコア１を導波していく。励起光１２は、一般には信号光１１とは異なる波長の光であって、第１クラッド２と第２クラッド３との界面６で反射して第２クラッド３で囲まれた領域を伝播していくため、時々コア１内を通過し、その通過の際に希土類元素を励起させて、その結果信号光１１を増幅する。この励起光１２は、第１クラッド２を伝播していくクラッドモードである。希土類元素を励起させることにより、励起光１２の強度は徐々に減少していくが、この減少は指数的であるので、励起光１２の強度が入射時の１０％にまでなったら、それ以上ファイバ１００の中を伝播させて励起を行っても、ファイバ１００の長さ当たりの励起効率が非常に低くなる。従って、ファイバの吸収率と希土類元素の種類に依存するが、経済的な理由から、励起光１２の強度が入射時の数％〜１０％まで減少するだけの長さのファイバ長とし、残りの数％〜１０％の励起光１２はファイバ端から出射される。
【００２２】
この入射時の数％〜１０％の強度の励起光１２は、ダブルクラッドファイバ１００の構造が出射端まで同じままであれば、そのままファイバ１００の出射端から出射される。ファイバ１００の出射端には、出射光を次の光機器に送出するために光コネクタが接続される。この光コネクタは、第１クラッド２の出射面と接着剤によって接着される。励起光１２は、入射時の数％〜１０％の強度とはいえ、出射端で大きなエネルギーを有しているので、この接着剤の温度を上昇させ、劣化させてしまう。
【００２３】
従来の技術では、第２クラッド３の出射端近傍の部分を除去することにより、界面６での反射が生じないようにし、励起光１２をファイバ１００外に放出させていた。
【００２４】
本発明では、第２クラッド３の末端近傍（所定の長さ）の実効屈折率を第１クラッド２の屈折率と略同等あるいはそれ以上にすることにより、界面６での反射が生じないようにして、励起光１２を第１クラッド２から第２クラッド３へと放出し、さらにファイバ１００外部に放出している。具体的には、本実施形態では第２クラッド３の実効屈折率を大きくするために、ファイバ１００の一方の末端から孔４，４，…の中に所定の長さだけ、石英ガラスよりも屈折率の高い充填材５を充填している。図１では、１０１が充填材５が充填されていない無充填ダブルクラッドファイバであり、１０２が充填されている充填ダブルクラッドファイバである。
【００２５】
充填ダブルクラッドファイバ１０２の部分では、第１クラッド２内を伝播してきた励起光１２は、第１クラッド２と第２クラッド３との界面６に達したときに、第２クラッド３の屈折率（実効屈折率）の方が第１クラッド２の屈折率よりも大きいため、界面６で反射されず第２クラッド３内に入射する。この励起光１２は、さらに最外層７に入射してファイバ１０２外に放出される。充填ダブルクラッドファイバ１０２の部分が長くなると、ファイバ１０２外に放出される励起光１２の量は増加するが、ある程度の充填ダブルファイバ１０２長さで励起光１２は全て放出され尽くす。従って、充填ダブルクラッドファイバ１０２の長さ（所定の長さ）は、入射される励起光１２の強度と、出射端で許容される励起光１２の強度とから決まり、この長さ以上にすれば出射端での温度上昇が抑制される。
【００２６】
上記充填材５は、石英の屈折率１．４５程度よりも大きい屈折率を有する物質である。孔４，４，…内への充填のしやすさ、および充填後のファイバ１００出射面を研磨するうえにおいても、充填材５は光あるいは熱硬化性の液体であることが好ましく、このようなものとして例えば、紫外線硬化性や熱硬化性の樹脂を挙げることができる。中でも、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂が、取り扱い易さや硬化後の硬度などの点からより好ましい。
【００２７】
次に、本実施形態に係るダブルクラッドファイバ１００の製造方法について述べる。
【００２８】
最初に、ファイバ母材を製造する。まず、純粋石英からなるロッドの中心軸近辺にＧｅおよびＥｒ等の希土類元素をドープして後ほどコアと第１クラッドとになるロッドと、複数の純粋石英のロッドと、石英円管である複数のキャピラリと、大径の石英製の円管（サポート管）とを用意する。そして、サポート管の中に上記ロッドとキャピラリとを束ねて詰め込む。詰め込み方は、まず、コアと第１クラッドとになるロッドをサポート管の中心に双方の中心軸を一致させて置き、次にこのロッドの周りを二重に取り囲むようにキャピラリを詰め込むという方法である。キャピラリを詰め込むと、サポート管の内部は、ほぼ密に充填された状態になる。
【００２９】
このようにして作製した詰め込みサポート管を加熱延伸してファイバ母材とする。
【００３０】
この後、このファイバ母材をさらに加熱延伸して、所望の径にまでしてダブルクラッドファイバ１００とする。
【００３１】
次に、ファイバ増幅装置として必要な長さ（例えば、１００ｍ）にダブルクラッドファイバ１００を切り分けて、一方の末端を紫外線硬化性のアクリル樹脂（液体）が満たされた容器に浸漬する。この浸漬により、ダブルクラッドファイバ１００の孔４，４，…の中にアクリル樹脂が毛細管現象で入っていく。
【００３２】
所定時間（例えば、１分間）浸漬したら取り出す。そして、ダブルクラッドファイバ１００のアクリル樹脂に浸漬させた末端に紫外線を照射して、孔４，４，…の中に入り込んだアクリル樹脂を硬化させる。こうして、充填ダブルクラッドファイバ１０２の部分を作製する。
【００３３】
さらに、光ファイバ増幅器とするため、こうして作製した充填ダブルクラッド１０２部分の末端に出力用のコネクタを取り付ける。コネクタの取付のために、ファイバ１０２末端を研磨する。このとき、孔４，４，…の中には充填材５であるアクリル樹脂が充填されているので、研磨されたファイバ１０２の粉が孔４，４，…の中に入り込んでしまってダブルクラッドファイバ１００が使用不能となることは起こらない。また、アクリル樹脂の硬度は、石英ガラスの硬度よりも小さいので、ファイバ１０２の割れが生じることが防止され、充填材５よりもファイバ１００本体の方が先に削られるという不都合は生じない。
【００３４】
次に、本実施形態のダブルクラッドファイバ１００の充填材５の充填長さを変えたときの励起光１２（クラッドモード）の損失の変化について、表１に示す。充填長は、ダブルクラッドファイバ１００の充填材５への浸漬時間を変えて調節した。ここで、充填材５としては、屈折率１．５１の紫外線硬化型アクリル樹脂を用いた。
【００３５】
【表１】
2004252057.tif 000003
【００３６】
充填長が大きくなるにつれて損失が大きくなっている。必要な損失の大きさは、励起光の光源のパワー、ダブルクラッドファイバ１００の種類や長さ等で決まるので、その損失の大きさに応じて、表１から所定の長さ（充填長）を決定すればよい。なお、充填材５の屈折率が石英よりも大きいので、充填長は目視可能である。従って、充填長を長めにしておいて、ファイバ増幅器に組み込む際に、必要な長さになるよう切断してもよい。
【００３７】
これまで説明したように、本実施形態のダブルクラッドファイバ１００は、その一方の末端の孔４，４，…内に石英よりも屈折率の大きい充填材５を充填しているので、残存した励起光１２を確実にファイバ１００外に放出することができる。つまり、本実施形態のダブルクラッドファイバ１００を用いたクラッドモード除去方法は、簡単な方法で確実にクラッドモードを除去できる方法である。また、残存した励起光１２を放出する部分のファイバ１０２構造は、通常のファイバ１００の孔４，４，…に充填材５を詰めた構造であるので、ファイバ１００強度は低下せず、むしろ大きくなる。そして、充填材５を紫外線硬化性樹脂としているので、ファイバ１００の孔４，４，…に詰め込むのに、ファイバ１００末端を液体である充填材５の中に浸漬するだけでよく、簡単に充填できる。充填長さの調節も、浸漬時間を変えるだけで簡単に行うことができ、充填長さは目視により容易に確認できる。さらに、ファイバ１０２末端を研磨するときにも、充填材５が充填された側の末端は、研磨された石英の粉が、充填材５があることによって、孔４，４，…の中に入り込むことがなく、孔４，４，…の詰まりによるダブルクラッドファイバ１００の機能低下や異常発生が生じなく、ファイバ１０２の割れも生じない。
【００３８】
本実施形態においては、充填材５をダブルクラッドファイバ１００の一方の末端のみに充填しているが、両末端に充填してもよい。また、充填材５に光を吸収する物質を混ぜ込む等して、ファイバ１００外に残存励起光１２を放出せずに、充填材５で吸収して、熱などとしてファイバ１００外に放出しても上記の効果が得られる。
【００３９】
ダブルクラッドファイバ１００の各構成部分は、上記の構成に限定されない。例えば、第１クラッド２は、Ｇｅ、Ｆ等をドープされていてもよいし、第２クラッド３の孔４，４，…は、径がより大きくてもよいし、より小さくてもよく、孔４，４，…の断面形状も円形以外に楕円や多角形でもよい。孔４，４，…は、第１クラッド２を三重以上に取り囲んでいても構わない。
【００４０】
さらに、ダブルクラッドファイバ１００の製造方法も別の方法であっても構わない。例えば、コア部分にＧｅとＥｒをドープした通常のファイバ母材を用意し、第２クラッド３となるべき領域にドリルで孔を開けてダブルクラッドファイバ１００の母材としてもよい。
【００４１】
（実施形態２）
図４に、本実施形態に係るファイバ増幅器２００を模式的に示す。本実施形態に係るファイバ増幅器２００に用いられているダブルクラッドファイバ１００は、実施形態１に係るダブルクラッドファイバ１００と同じものである。
【００４２】
実施形態１では、前方励起の励起方法による光増幅を示したが、本実施形態では、後方励起の励起方法によるファイバ増幅器２００の構成である。つまり、図５に示すように、本実施形態に用いられるダブルクラッドファイバ１００においては、充填材５が充填された充填ダブルクラッドファイバ１０２の側から信号光１１’が入射し、反対側から出射される。励起光１２は、実施形態１と同様に充填材５が充填されていない無充填ダブルクラッドファイバ１０１の側から入射し、信号光１１’とは逆向きに伝播して、充填ダブルクラッドファイバ１０２の部分でファイバ１００外に放出される。
【００４３】
本実施形態に係るファイバ増幅器２００は、入力部３１と増幅部３２と出力部３３とからなる。入力部３１から増幅部３２に信号が入力し、増幅部３２で信号が増幅され、増幅部３２から出力部３３へと信号が出力される。
【００４４】
入力部３１は、入力コネクタ２１とアイソレータ２２とを含む。入力コネクタ２１は、信号光１１’が入力する部分である。アイソレータ２２は、一方向の光のみを通過させる光部品である。信号光１１’は、入力コネクタ２１を通過し、入力コネクタ２１とアイソレータ２２を繋ぐ伝送ファイバを伝播してアイソレータ２２を通過して増幅部３２に入る。
【００４５】
増幅部３２は、励起光源２４と光増幅部品であるダブルクラッドファイバ１００とを含む。さらに、励起光源２４からの伝送ファイバをダブルクラッドファイバ１００に繋ぐ合波器２３とアイソレータ２２を備えている。励起光源（例えば半導体レーザ）２４から出射された励起光１２は、アイソレータ２２を通って合波器２３に入り、ダブルクラッドファイバ１００の第１クラッド２に入射する。そして、励起光１２は、ダブルクラッドファイバ１００内を入力部３１側に向かって伝播していき、信号光１１’を励起していく。
【００４６】
出力部３３は、アイソレータ２２と波長可変バンドパスフィルタ２５と出力コネクタ２６とを含む。波長可変バンドパスフィルタ２５は、ノイズを除去して信号光１１’のみを取り出す働きを有している。増幅された信号光１１’は、アイソレータ２２，波長可変バンドパスフィルタ２５および出力コネクタ２６を通って、次の光機器あるいは伝送ファイバに入射する。
【００４７】
なお、ダブルクラッドファイバ１００と入力部のアイソレータ２２との接続部には光コネクタが用いられている。なお、融着接続を行ってもよい。
【００４８】
本実施形態のファイバ増幅装置２００は、実施形態１に係るダブルクラッドファイバ１００を用いて構成されているので、特別な設備を付すことなく信号光１１’の励起に用いられない残存励起光１２をダブルクラッドファイバ１００外に確実に且つ容易に除去することができる。クラッドモードの除去に特別な設備を付す必要がないので、製造コストを小さくできる。
【００４９】
本実施形態のファイバ増幅装置２００は、後方励起の装置であるが、前方励起の構成としても、クラッドモードの確実かつ容易な除去を行うことができる。また、装置構成は、本実施形態の構成に限定されず、波長可変バンドパスフィルタ２５やアイソレータ２２などがなくてもよい。さらに別の光部品、例えばフィルタなどを付加しても構わない。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に述べる効果を奏する。
【００５１】
第２クラッドの少なくとも一部の実効屈折率を第１クラッドの屈折率よりも大きくしているので、残存励起光（クラッドモード）を確実にかつ容易に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係るダブルクラッドファイバの模式的な縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】実施形態２に係るファイバ増幅装置の模式的な構成図である。
【図５】実施形態２に係るファイバ増幅装置に用いているダブルクラッドファイバの模式的な縦断面図である。
【符号の説明】
１      コア
２      第１クラッド
３      第２クラッド
４      孔
５      充填材
６      第１クラッドと第２クラッドとの界面
１１    信号光
１１’    信号光
１２    励起光（クラッドモード）
１００  ダブルクラッドファイバ
２００  ファイバ増幅装置
【図１】
2004252057.tif 000004
【図２】
2004252057.tif 000005
【図３】
2004252057.tif 000006
【図４】
2004252057.tif 000007
【図５】
2004252057.tif 000008