(57)【要約】【課題】低損失で機械的信頼性が高く、ハイパワーの戻り光の拡散を防ぐことで戻り光による励起光源の損傷を防止可能なポンプコンバイナの提供。【解決手段】コアの周囲に少なくとも３層以上のクラッド構造を持つブリッジファイバの一方に信号ポートと励起ポートが接続され、該ブリッジファイバの他方に漸次外径を縮小した細径部が設けられ、該細径部の端が、コアの周囲に少なくとも２層以上のクラッド構造を持つ入射ファイバの一端に接続されたポンプコンバイナであって、前記ブリッジファイバのコア径が、前記入射ファイバのコア径よりも細い構成としたことを特徴とするポンプコンバイナ。【選択図】図３
2009212441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアの周囲に少なくとも３層以上のクラッド構造を持つブリッジファイバの一方に信号ポートと励起ポートが接続され、該ブリッジファイバの他方に漸次外径を縮小した細径部が設けられ、該細径部の端が、コアの周囲に少なくとも２層以上のクラッド構造を持つ入射ファイバの一端に接続されたポンプコンバイナであって、
前記ブリッジファイバのコア径が、前記入射ファイバのコア径よりも細い構成としたことを特徴とするポンプコンバイナ。
【請求項２】
前記入射ファイバが希土類添加ダブルクラッドファイバであることを特徴とする請求項１に記載のポンプコンバイナ。
【請求項３】
前記入射ファイバのコアが多モードを伝播するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のポンプコンバイナ。
【請求項４】
前記ブリッジファイバのコアのＮＡをＮＡ１、該コアの半径をｒ１、前記入射ファイバのコアのＮＡをＮＡ２、該コアの半径をｒ２としたとき、ＮＡ１×ｒ１とＮＡ２×ｒ２との比が、少なくとも１：１．６以上の差となることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のポンプコンバイナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザや光増幅モジュールなどに用いられる高強度光を結合させるデバイスであるポンプコンバイナに関し、特に、反射や自己発振が原因で発生するハイパワーの戻り光の拡散を防ぐことで戻り光による励起光源の損傷を防止することが可能なポンプコンバイナに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関連する従来技術として、例えば、特許文献１が挙げられる。
この特許文献１には、励起光の損失を極力小さく抑制しつつ、光増幅媒質から発生する有害な戻り光を効果的に除去するため、ピグテールファイバとして使用されるマルチモードファイバと光増幅作用を有するダブルクラッドファイバとを、所定の接続角θを付して斜めに接続してなり、それら両ファイバを接続する際、上記マルチモードファイバの開口数、ダブルクラッドファイバのシングルモードコアの開口数、及びダブルクラッドファイバの第１クラッドの開口数と、上記両ファイバの接続角θとの間に所定の関係を有するように制御する接続構造が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−７０６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、角度のついた接続となることから、周囲の温度変化に対する接続損失の変動量が大きくなる懸念がある。
また、角度の付いた接続となることから、外部から作用する応力に対して機械的に弱くなり、機械的信頼性が低下してしまう。
さらに、ＮＡが狭い範囲で規定されているため、適応可能なファイバの屈折率のプロファイルが非常に限定され、適応できる範囲が狭いという問題がある。
【０００４】
また、ファイバレーザや高出力光増幅装置においては、寄生発振光や反射光が励起された希土類添加ファイバ内で増幅され、レーザダイオード（ＬＤ）などの励起光源へと入射して焼き付き等の光学損傷を発生させる問題がある。
【０００５】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、低損失で機械的信頼性が高く、反射や自己発振が原因で発生するハイパワーの戻り光の拡散を防ぐことで戻り光による励起光源の損傷を防止することが可能なポンプコンバイナの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明は、コアの周囲に少なくとも３層以上のクラッド構造を持つブリッジファイバの一方に信号ポートと励起ポートが接続され、該ブリッジファイバの他方に漸次外径を縮小した細径部が設けられ、該細径部の端が、コアの周囲に少なくとも２層以上のクラッド構造を持つ入射ファイバの一端に接続されたポンプコンバイナであって、
前記ブリッジファイバのコア径が、前記入射ファイバのコア径よりも細い構成としたことを特徴とするポンプコンバイナを提供する。
【０００７】
本発明のポンプコンバイナにおいて、前記入射ファイバが希土類添加ダブルクラッドファイバであることが好ましい。
【０００８】
本発明のポンプコンバイナにおいて、前記入射ファイバのコアが多モードを伝播するものであることが好ましい。
【０００９】
本発明のポンプコンバイナにおいて、前記ブリッジファイバのコアのＮＡをＮＡ１、該コアの半径をｒ１、前記入射ファイバのコアのＮＡをＮＡ２、該コアの半径をｒ２としたとき、ＮＡ１×ｒ１とＮＡ２×ｒ２との比が、少なくとも１：１．６以上の差となることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のポンプコンバイナは、コアの周囲に少なくとも３層以上のクラッド構造を持つブリッジファイバの一方に信号ポートと励起ポートが接続され、該ブリッジファイバの他方に漸次外径を縮小した細径部が設けられ、該細径部の端が、コアの周囲に少なくとも２層以上のクラッド構造を持つ入射ファイバの一端に接続され、前記ブリッジファイバのコア径が、前記入射ファイバのコア径よりも細い構成としたものなので、低損失で機械的信頼性が高く、また信号ポート・励起ポートに入射する戻り光の光量を、従来の１／１００〜１／１，０００，０００のレベルまで低減することができる。
従って、本発明のポンプコンバイナを用いることにより、寄生発振光や反射光が励起光源へと入射して焼き付きなどの光学的損傷を発生させる問題を確実に防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、クラッドポンピング型光増幅装置の一例を示す構成図であり、この図中、符号１はダブルクラッド構造を持った希土類添加ファイバ、２はポンプコンバイナ、３はアイソレータ、４はＬＤなどの励起光源、５は信号ポート、６は励起ポートである。
【００１２】
希土類添加ファイバ１は、コアに希土類イオンがドーピングされており、コアの周りに第１クラッドと呼ばれる導波構造を持たせたことを特徴とするダブルクラッドファイバである。この希土類添加ファイバ１には、シングルモード伝播する信号光と複数の励起光源４から出射するマルチモード光とをポンプコンバイナ２を介して入射（結合）されるようになっている。信号光は希土類添加ファイバ１のコアに、励起光は第１クラッドへと結合され、コアを横切って伝播する励起光のエネルギーを希土類イオンが吸収し、その誘導放出現象により信号光を増幅する構成となっている。
【００１３】
このような光増幅モジュールでは、励起光と信号光の高効率での結合がキーテクノロジーとなっており、その役割を果たすポンプコンバイナがキーデバイスとなっている。
【００１４】
図２は、このようなポンプコンバイナの一例を示す図である。本例のポンプコンバイナ２は、多孔キャピラリ７の孔に、信号ポート５及び多数本の励起ポート６の各光ファイバを挿入し、キャピラリ外部から加熱溶融させることで孔を潰して一体化した後、ブリッジファイバ８の一端と接続する構成である。ブリッジファイバ８は、その他端側が漸次縮径されており、希土類添加ファイバ１の外径と同様に縮径された他端が希土類添加ファイバ１の一端と接続されている。
【００１５】
このようなポンプコンバイナ２を用いることで、信号ポート５及び多数本の励起ポート６の各光ファイバをブリッジファイバ８へと一括で融着接続できるだけではなく、多孔キャピラリ７を利用することで、各光ファイバの断面形状の変形を抑え、低損失での結合が可能となる。
【００１６】
ところで、ファイバレーザや高出力光増幅装置においては、寄生発振光や反射光が励起された希土類添加ファイバ内で増幅され、励起光源へと入射して焼き付き等の光学損傷を発生させる問題がある。特に高強度光を出射するモジュールにおいては、一般的に多数の励起ＬＤを繋いで高強度の励起光を希土類添加ファイバに入射するため、希土類イオンが励起状態になるまでの時間が短くなり寄生発振が起こり易くなる。またそのような寄生発振によって尖頭値の高い戻り光が発生し励起光源が損傷した場合に、多くの励起光源へと被害が生じるために損害額が非常に大きくなってしまう。また信号光発振用の光源にも高尖頭値のパルス光が入射して故障してしまうケースもみられる。
【００１７】
本発明は、寄生発振光や反射光が発生した場合にも、励起光源へと入射する割合を減少させて励起光源の損傷を防ぐと共に、信号光発振用光源をも同時に保護することを目的とする。
【００１８】
従来構造のポンプコンバイナを使用したファイバレーザにおいて、寄生発振光や反射光は、希土類添加ファイバのコアを増幅されながら伝播し、ブリッジファイバとの接続部でクラッドモードへと結合した光が励起光源へと入射してしまう。また、ブリッジファイバのコアに結合した反射光は、そのまま信号ポートのコアへと結合して、信号光を発振する光源へと入射してしまう。通常、信号光発振用の光源を保護するために、ポンプコンバイナと信号光源との間にアイソレータやＷＤＭフィルタ等を設けて反射光をカットする方策を採ることが多いが、それら部品の特性として、耐高パワー性と高いアイソレーション特性、低い挿入損失が要求される。現状では全ての特性を満たすようなデバイスは希少で非常に高価であり、スムーズな供給が行われないという問題がある。さらに励起光源に至っては、それらを保護する有効な手段は無かった。
【００１９】
図３は、本発明に係るポンプコンバイナの一実施形態を示す図であり、図中、符号１０はポンプコンバイナ、１１は細径ファイバ群、１２はブリッジファイバ、１３は入射ファイバであるダブルクラッドファイバ、１４は細径部、１５は信号ポート、１６は信号ポートのコア、１７は信号ポートのクラッド、１８は励起ポート、１９は励起ポートのコア、２０は励起ポートのクラッド、２１はブリッジファイバのコア、２２はブリッジファイバの第１クラッド、２３はブリッジファイバの第２クラッド、２４はブリッジファイバの樹脂クラッド（第３クラッド）、２５はダブルクラッドファイバのコア、２６はダブルクラッドファイバの第１クラッド、２７はダブルクラッドファイバの樹脂クラッド（第２クラッド）である。
【００２０】
本実施形態のポンプコンバイナ１０は、コア２１の周囲に少なくとも３層以上のクラッド構造を持つブリッジファイバ１２の一方に信号ポート１５と励起ポート１８が接続され、該ブリッジファイバ１２の他方に漸次外径を縮小した細径部１４が設けられ、該細径部１４の端が、コア２５の周囲に少なくとも２層以上のクラッド構造を持つ入射ファイバであるダブルクラッドファイバ１３の一端に接続されたポンプコンバイナであって、ブリッジファイバ１２のコア径が、ダブルクラッドファイバ１３のコア径よりも細い構成としたことを特徴としている。入射ファイバであるダブルクラッドファイバ１３は、コア２５に希土類イオンをドーピングした希土類添加ダブルクラッドファイバを用いることが好ましい。
【００２１】
本実施形態のポンプコンバイナ１０は、
（１）ブリッジファイバ１２は、３層以上のクラッド構造を持ち、且つ細径部１４に接続する光入射ファイバは２層以上のクラッド構造を持つダブルクラッドファイバ１３としたこと、
（２）ブリッジファイバ１２の第１クラッド径は、細径部１４に接続するダブルクラッドファイバ１３のコア径より太いこと、
（３）細径部１４に接続するダブルクラッドファイバ１３のコア２５は多モード光を伝播すること、
（４）ブリッジファイバ１２のコア径は、細径部１４に接続するダブルクラッドファイバ１３のコア径より細いこと、
（５）ブリッジファイバ１２の太径部における第１クラッド径は、励起ポート１８のファイバ端面と重ならない太さであること、の各構成を採用したことを特徴としている。
【００２２】
（２）に示した構成にすることにより、戻り光が図３の右側からダブルクラッドファイバ１３のコア２５を通って伝播してきた時に、接続部で発生した漏れ光をブリッジファイバ１２の第１クラッド２２内に閉じ込めることができる。また、（５）の構成とすることで、第１クラッド２２内に閉じ込められた漏れ光が励起ポート１８に結合することが無くなり、励起光源を確実に保護することができる。
【００２３】
加えて（４）の構成とすることで、コア２１−コア２５間の図３中右→左方向における接続損失が大きくなり、信号光発信用光源へと戻る光のパワーを低減できるので、通常ポンプコンバイナ１０と信号光源との間に設けるアイソレータやＷＤＭフィルタ等の反射光をカットする部品を削減できる。さらに（３）の構成とすることで、反射光の接続損失を大きくしたまま、通常使用状態における信号光の伝播方向（図３中左→右方向）におけるコア２１−コア２５間の接続損失のみを低減させることができる。
【００２４】
以上述べた構成のポンプコンバイナ１０を使用することにより、寄生発振光や反射光が励起光源へと入射してきて焼き付きなどの光学的損傷を発生させるという問題を確実に防ぐことができる。
【００２５】
ところで、光ファイバを伝播する光において、開口数ＮＡは、コアから出射した光の広がり角を表しており、ＮＡの大きな光を伝播するためには、光ファイバのＮＡを大きくして閉じ込め力を強くする必要がある。また、コアの半径をｒとすると、ｒの大きい方が、広い断面積から光が出射することになる。したがって、ＮＡとｒが共に小→大の時にのみ、理論上の接続損失は無くなり、信号光の広がり方を示すパラメータＮＡ×ｒの差が大きくなるほど、接続損失も大きくなって、接続部でのコア→クラッドへの漏れ光が大きくなる。
【００２６】
以上より、ブリッジファイバ１２のコア２１のＮＡをＮＡ１、コア２１の半径をｒ１とし、細径部に接続するダブルクラッドファイバ１３のコア２５のＮＡをＮＡ２、コア２５の半径をｒ２としたとき、ＮＡ１＜ＮＡ２かつｒ１＜ｒ２と設定することで信号ポートにおける反射光量を低減することができ、ＮＡ１×ｒ１とＮＡ２×ｒ２の差を大きくすることで低減効果も大きくすることができる。しかしながら、前記（１）〜（５）の構成を採っていないポンプコンバイナにおいては、接続部におけるコア→クラッドへの漏れ光が励起光源へと入射してしまうので、コアを伝播してくる戻り光の損失を意図的に大きくすることができない。
【実施例】
【００２７】
外径がそれぞれ１２５μｍの細径ファイバ群「信号ポート×１本、励起ポート×１８本」を、「第２クラッド径１ｍｍ、第１クラッド径１３０μｍ、コア径６μｍ、第３クラッドは樹脂クラッド」のトリプルクラッド構造を持つブリッジファイバに接続し、そのブリッジファイバのもう一端を４００μｍの外径となるまで延伸して、「第１クラッド径４０００μｍ、コア径３０μｍ、第２クラッドは樹脂クラッド」のダブルクラッドファイバへと接続した構造のポンプコンバイナを作製し、反射光抑制効果を確かめた。
【００２８】
通常の使用方向におけるコアの接続損失は、ブリッジファイバ−ダブルクラッドファイバ間において０．４ｄＢで接続され、反射光の伝搬方向においては７．６ｄＢであった。延伸部（接続部）におけるブリッジファイバのコアは細径化によりＭＦＤが１４μｍ相当まで拡大しているものと考えられる。この反射光伝搬方向における接続損失から励起ポートへと入射すると予測される反射光量と、実際の測定によって確認された反射光量との差違（本提案のポンプコンバイナの反射抑制効果）を表１に示す。また図４中の番号は、表１の対応するポート番号を示し、Ｓｉｇは信号ポートを示す。
【００２９】
【表１】
2009212441.tif 000003
【００３０】
この結果、最も効果の薄いポートにおいても、約２０ｄＢ反射光を抑制できることがわかった。今回の実験結果は、実際に励起光源へと入射する反射光量を予想される光量の１／１００〜１／１，０００，０００まで抑制できることを示しており、本発明のポンプコンバイナを使用することによって、確実に励起光源を反射光による損傷から保護することができることがわかった。
【００３１】
また、信号ポートへの反射光低減効果を確認するために、前記ポンプコンバイナを希土類添加ファイバに接続してファイバレーザを構築し、このファイバレーザ出口に反射板を設置し、その角度を振ることで最大何％の反射戻り光が発生するかを調査した。
その結果、ポンプコンバイナと希土類添加ファイバとの接続部において、出力強度の約１０％の光が戻ってくることが判明した。
したがって、一般的な増幅率が２０ｄＢの増幅器に対しては１０ｄＢの反射光低減量が得られれば、戻り光の強度が種光の強度と等しくなるため、戻り光による信号光発信用ＬＤのＬＤの故障を防ぐことができる。
今回、ＮＡ１×ｒ１：ＮＡ２×ｒ２≒１：１．６になるようにコアのＮＡと半径を設計したところ、戻り光伝播方向の接続損失１０．４ｄＢ、信号光伝播方向の接続損失０．５ｄＢが得られた。
したがって、今回提案する反射光抑制構造によって信号光発信ＬＤの故障を回避するためには、ＮＡ１×ｒ１とＮＡ２×ｒ２の比は少なくとも１：１．６以上の差であることが望ましいと言える。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】クラッドポンピング型の光増幅装置の一例を示す構成図である。
【図２】ポンプコンバイナの概略構成を例示する分解斜視図である。
【図３】本発明のポンプコンバイナの一実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明に係る実施例で作製したポンプコンバイナのポート配置図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…希土類添加ファイバ、２…ポンプコンバイナ、３…アイソレータ、４…励起光源、５…信号ポート、６…励起ポート、７…多孔キャピラリ、８…ブリッジファイバ、１０…ポンプコンバイナ、１１…細径ファイバ群、１２…ブリッジファイバ、１３…ダブルクラッドファイバ、１４…細径部、１５…信号ポート、１６…信号ポートのコア、１７…信号ポートのクラッド、１８…励起ポート、１９…励起ポートのコア、２０…励起ポートのクラッド、２１…ブリッジファイバのコア、２２…ブリッジファイバの第１クラッド、２３…ブリッジファイバの第２クラッド、２４…ブリッジファイバの樹脂クラッド、２５…ダブルクラッドファイバのコア、２６…ダブルクラッドファイバの第１クラッド、２７…ダブルクラッドファイバの樹脂クラッド。
【図１】
2009212441.tif 000004
【図２】
2009212441.tif 000005
【図３】
2009212441.tif 000006
【図４】
2009212441.tif 000007