(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ・コア（２２）と、同ポンプ・コア（２２）の中心に配置されたレーザ・コア（２４）と、ポンプ・コア（２２）を被覆するクラッド（２６）とを有する二重コア光ファイバであって、ほぼ円形の横断面を備えたポンプ・コア（２２）は少なくとも１つの研削部分（２８）を外側に有し、前記研削部分（２８）は二重コア光ファイバ（２０）の光線伝搬方向に延び、かつポンプ・コア（２２）の直径の１〜４９％の量を占める二重コア光ファイバ。
【請求項２】
レーザ光線波長及び用途に基づき、研削部分（２８）を含まないポンプ・コア（２２）の直径φPKは５〜６００μｍであり、レーザ・コア（２４）の直径φLKは１．５〜２０μｍであり、ポンプ・コア（２２）の周縁において測定可能な研削部分（２８）の厚さａは１〜２００μｍである請求項１に記載の二重コア光ファイバ。
【請求項３】
二重コア光ファイバのクラッド（２６）はポンプ・コア（２２）の屈折率より低い屈折率と、約５μｍより大きい厚さとを有するポリマー材料またはガラス材料から形成されている請求項１に記載の二重コア光ファイバ。
【請求項４】
二重コア光ファイバの２つの端面は光学軸に対して９０度及び９０度未満の少なくともいずれか一方の角度をそれぞれなし、かつ光学品質を有し、さらには所定の波長範囲に対する反射層及び反射防止層の少なくともいずれか一方により少なくともレーザ・コア（２４）の領域が被覆されている請求項１に記載の二重コア光ファイバ。
【請求項５】
円筒形の予備的形成品を石英またはガラスから標準プロセスを用いて形成する工程と、加熱した予備的形成品を引き延ばしてグラス・ファイバを形成する工程とを含む二重コア光ファイバの製造方法であって、前記予備的形成品の形成後、予備的形成品の外周面を少なくとも一度は研削し、前記研削部分は予備的形成品の直径の１〜４９％であり、二重コア光ファイバは前記研削された予備的形成品を引き延ばすことにより形成し、予備的形成品の引き延ばし温度は予備的形成品の外形及びポンプ・コア（２２）の外形を互いに整合した状態に維持するよう調整される製造方法。
【請求項６】
前記予備的形成品の研削後、ポンプ・コアの材料より低い屈折率を有するガラス層または石英層を予備的形成品に対して加え、前記ガラス層または石英層の厚さは二重コア光ファイバが予備的形成品の引き延ばし後に少なくとも約８０μｍの直径を有するように選択される請求項５に記載の二重コア光ファイバの製造方法。
【請求項７】
前記予備的形成品の外形は５〜２０ｍｍであり、予備的形成品の研削部分の厚さは１〜８ｍｍであり、予備的形成品は円筒方向に一定の外寸を有するよう形成され、一定の直径を備えたポンプ・コア（２２）を有する二重コア光ファイバ（１００，２００，２０）は研削部分（２８）が存在しない位置における直径φPKが５〜６００μｍになるよう引き延ばされる請求項５に記載の二重コア光ファイバの製造方法。
【請求項８】
光線の伝搬方向に順次配置されたポンプ・ソース（レーザ・ダイオード１０２）と、好ましくは入射用光学素子（１０６）と、二重コア光ファイバ（１１０，２０）の前端部に対応する第１の誘電体鏡（１０８，３２）と、ポンプ・コア（２２）、同ポンプ・コア（２２）の中心に配置されたレーザ・コア（２４）、及びポンプ・コア（２２）を被覆するクラッド（２６）を有する二重コア光ファイバ（１１０，２０）と、二重コア光ファイバ（１１０，２０）の後端部に対応する第２の誘電体鏡（１１４，３３）とを有する二重コア・ファイバ・レーザ（１００）であって、
ほぼ円形の横断面を備えたポンプ・コア（２２）は少なくとも１つの研削部分（２８）を外側に有し、前記少なくとも１つの研削部分（２８）は二重コア光ファイバ（２０）の光線伝搬方向に延び、かつポンプ・コア（２２）の直径の１〜４９％の量を占める二重コア・ファイバ・レーザ。
【請求項９】
二重コア光ファイバの長さは０．１ｍより大きい請求項８に記載の二重コア・ファイバ・レーザ。
【請求項１０】
４レベル・レーザ・システムの場合、研削部分（２８）が存在しない位置におけるポンプ・コア（２２）の直径φPKは７５〜６００μｍであり、レーザ・コア（２４）の直径φLKは２〜２０μｍであり、ポンプ・コア（２２）の周縁において測定可能な研削部分（２８）の厚さａは５〜１００μｍである請求項８に記載の二重コア・ファイバ・レーザ。
【請求項１１】
３レベル・レーザ・システム及びアップコンバージョン・レーザ・システムの場合、研削部分（２８）が存在しない位置におけるポンプ・コア（２２）の直径φPKは１０〜５０μｍであり、レーザ・コア（２４）の直径φLKは２〜１０μｍであり、ポンプ・コア（２２）の周縁において測定可能な研削部分（２８）の厚さａは１〜１５μｍである請求項８に記載の二重コア・ファイバ・レーザ。
【請求項１２】
光線の伝搬方向に順次配置されたポンプ・ソース（レーザ・ダイオード２０２）と、好ましくはコリメータ光学素子（２１６）と、ビーム結合装置（ダイクロイック・ミラー２１８）と、好ましくは入射用光学素子（２０６）と、ポンピング光線及び光学信号の入射部分としての反射防止ファイバ端面または光学軸に対して傾斜したファイバ端面と、ポンプ・コア（２２）、ポンプ・コア（２２）の中心に配置されたレーザ・コア（２４）、及びポンプ・コア（２２）を被覆するクラッド（２６）を有する二重コア光ファイバ（２００）と、増幅された光学信号の出射部分としての反射防止ファイバ端面または光学軸に対して傾斜したファイバ端面とを有する二重コア・ファイバ増幅器であって、ほぼ円形の横断面を有するポンプ・コア（２２）は少なくとも１つの研削部分（２８）を外側に有し、前記研削部分（２８）は二重コア光ファイバ（２０）の光線伝搬方向に延び、かつポンプ・コア（２２）の直径の１〜４９％の量を占める二重コア・ファイバ増幅器。
【請求項１３】
二重コア光ファイバの長さは０．１ｍより長く、二重コア光ファイバの最大の長さは増幅された光学信号がオペレーション中に増幅された自然放射線より大きくなるように決定され、二重コア・ファイバの最大の長さは５０ｍ未満である請求項１２に記載の二重コア・ファイバ増幅器。
【請求項１４】
４レベル・レーザ・システムの場合、研削部分（２８）が存在しない位置におけるポンプ・コア（２２）の直径φPKは７５〜６００μｍであり、レーザ・コア（２４）の直径φLKは２〜２０μｍであり、ポンプ・コア（２２）の周縁において測定可能な研削部分（２８）の厚さａは５〜１００μｍである請求項１２に記載の可視光線用の二重コア・ファイバ増幅器。
【請求項１５】
３レベル・レーザ・システム及びアップコンバージョン・レーザ・システムの場合、研削部分（２８）が存在しない位置におけるポンプ・コア（２２）の直径φPKは１０〜５０μｍであり、レーザ・コア（２４）の直径φLKは２〜１０μｍであり、ポンプ・コア（２２）の周縁において測定可能な研削部分（２８）の厚さａは１〜１５μｍである請求項１２に記載の可視光線用の二重コア・ファイバ増幅器。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は請求項１の前提部分に開示する二重コア光ファイバ（Doppelkern-Lichtleitfaser）に関する。
本発明は請求項５の前提部分に開示する二重コア光ファイバの製造方法に関する。
本発明は請求項８の前提部分に開示する二重コア・ファイバ・レーザ（Doppelkern-Faserlaser）に関する。
本発明は請求項１２の前提部分に開示する二重コア・ファイバ増幅器（Doppelkern-Faserverstaerker）に関する。
例えば、本発明はレーザ光線を用いた光通信、レーザ技術、レーザ計測技術、医療技術及び画像表示に使用できる。
従来技術
クラッドで被覆した円形横断面を備えたポンプ・コアと、同ポンプ・コアの中心に配置されたレーザ・コアとを有する二重コア・ファイバ・レーザは光学通信第２０巻第６号（Optics Letters, Vol.20,No.6）の５７８〜５８０頁に開示されている。この種の二重コア・ファイバ・レーザはヘリックス・ビーム（Helixstrahlen）に起因してポンピング光線の一部のみが中心レーザ・コア内に吸収されるという問題点を有する。ヘリックス・ビームはポンプ・コアの内部で形成されるとともに、レーザ・コア上に入射しない。この結果、ヘリックス・ビームはレーザ・コア内へ吸収されない。
円形横断面を備えたポンプ・コアと、同ポンプ・コアに対して中心のずれたレーザ・コアとを有する二重コア・ファイバ・レーザは米国特許第４，８１５,０７９号に開示されている。この種の二重コア・ファイバ・レーザは製造が困難である。更に、同二重コア・ファイバ・レーザのレーザ・コアの横断面は楕円形に変形し易い。米国特許第４，８１５，０７９号は矩形横断面を備えたポンプ・コアと、中心レーザ・コアとを有する二重コア・ファイバ・レーザを開示している。この二重コア・ファイバ・レーザの製造は複雑である。ポンピング光線の損失はポンプ・コアのエッジにおいて発生する。更に、ポンプ・コアが矩形横断面を有するため、ダイオード・レーザから放射されたポンピング光線のポンプ・コア内への入射は円形横断面を備えたポンプ・コアを有する二重コア・ファイバ・レーザの場合と比べて困難である。更に、矩形横断面を有するファイバ・レーザは標準ファイバ部品との互換性がない。
発明の目的
本発明の目的は簡単に製造でき、かつ増幅器としてのオペレーションにおいて高い効率を実現でき、さらには光ファイバ製造プロセス及び標準部品に対する互換性を有する二重コア光ファイバを提供することにある。本発明の別の目的は簡単に製造でき、かつレーザ・コア内へのポンピング光線のほぼ完全な吸収を可能にし、これにより高い光学効率を実現する二重コア・ファイバ・レーザ及び二重コア・ファイバ増幅器を提供することにある。
発明の概要
請求項１の前提部分に開示する二重コア光ファイバにおいて、本発明の目的は同請求項１の特徴部分によって達成される。
請求項５の前提部分に開示する二重コア光ファイバの製造方法において、本発明の目的は同請求項５の特徴部分によって達成される。
請求項８の前提部分に開示する二重コア・ファイバ・レーザにおいて、本発明の目的は同請求項８の特徴部分によって達成される。
請求項１２の前提部分に開示する二重コア・ファイバ増幅器において、本発明の目的は同請求項１２の特徴部分によって達成される。
本発明の目的を達成する本発明の実施の形態の別の効果的な展開は各独立請求項に付随する従属請求項によって達成される。
本発明は円形横断面を有するポンプ・コアと、同ポンプ・コアの中心に配置されたレーザ・コアと、ポンプ・コアの外側に形成され、かつ長手方向（二重コア光ファイバの光線伝搬方向）に延びる少なくとも１つの研削部分とを有する二重コア光ファイバを提供する。研削部分はポンプ・コア内にＤ形横断面を形成する。研削部分を形成することにより、ポンプ・コアの横断面は対称性を失う。この結果、ヘリカル・ビームの形成が防止される。そして、ポンプ・コア内のビーム通路が無秩序に形成されることにより、入射したポンピング光線はレーザ・コア内にほぼ完全に吸収される。レーザ・コアを中心に配置したほぼ円形の横断面を有するファイバはファイバ光学部品に対する簡単な接続と、ポンピング光線の簡単な入射とを可能にする。
標準プロセスと比較した場合、本発明の二重コア光ファイバの製造方法は比較的簡単に実現できる１つの工程のみを要する。予備的形成品の外周面の研削は光学産業で使用される従来の表面研削機械を用いて実施し得る。
本発明の二重コア光ファイバを用いる二重コア・ファイバ・レーザは従来のファイバ・レーザより高い光学効率を実現するとともに、ポンピング光線の完全吸収に要するファイバ長さが短い。ほぼ円形の横断面を有するポンプ・コアを使用することにより、ポンピング放射線の入射、特にファイバで接続されたポンプ・ソースからのポンピング放射線の入射を低い損失で簡単に実現できる。
本発明の二重コア光ファイバを用いる二重コア・ファイバ増幅器は従来の二重コア・ファイバから形成されたファイバ増幅器より高い光学効率を実現する。ほぼ円形の横断面を有するポンプ・コアを使用することにより、ポンピング放射線の入射、特にファイバで接続されたポンプ・ソースからのポンピング放射線の入射を低い損失で簡単に実現できる。
【図面の簡単な説明】
本発明を図面に基づいて以下に詳述する。
図１は二重コア・ファイバ・レーザの基本構造を示す概略図である。
図２は従来の円形横断面を備えたポンプ・コアを有する二重コア・ファイバ・レーザの横断面図である。
図３は本発明の二重コア光ファイバの横断面図である。
図４は図３のＢ−Ｂ線における二重コア光ファイバの縦断面図である。
図５は研削部分及びファイバの長さの関数としてのポンピング光線の吸収量を示すグラフである。
図６は二重コア・ファイバ増幅器の基本構造を示す概略図である。
発明の実施の形態
図１はレーザ・ダイオード１０２を有するファイバ・レーザ１００の基本構造を示す。レーザ・ダイオード１０２から放射された放射線１０４は入射用光学素子（Koppeloptik）１０６及び入射用鏡１０８を介して二重コア光ファイバ１１０に入射される。ファイバ１１０内で形成されたレーザ放射線１１２は出射用鏡１１４を介して出射される。２つの鏡１０８，１１４はファイバの両端にそれぞれ直接取付けられている。
図２は従来の二重コア光ファイバ２の横断面図である。二重コア光ファイバは円形横断面を備えたポンプ・コア４を有し、同ポンプ・コア４は石英ガラス等から形成し得る。円形横断面を有するレーザ・コア６はネオジムまたは他の希土類金属をドーピングした媒体等から形成され、さらにはポンプ・コア４の中心に配置されている。ポンプ・コア４は被覆材、即ちクラッド８によって外径部が被覆されている。クラッドはポンプ・コアより低い屈折率を有する透明ポリマーまたは透明ガラス等から形成されている。ポンプ・コア４はレーザ・コア６に対するクラッドとして機能するとともに、ポンピング光線のための高い開口率を有する導波管としても機能する。
図２はヘリックス・ビーム１０が円形横断面を備えたポンプ・コア４を有する従来の二重コア光ファイバ内で主に形成される様子を示す。ヘリックス・ビーム１０はレーザ・コア６上に入射しない。このため、ヘリックス・ビーム１０はレーザ・コア６内に吸収されない。この結果、この種の二重コア光ファイバは約１０％のポンプ放射線をレーザ・オペレーションにおいて吸収し得るのみである。
図３及び図４は本発明に基づく石英ガラス等からなるポンプ・コア２２を有する二重コア光ファイバ２０の横断面及び縦断面をそれぞれ示す。更に、ネオジムをドーピングした媒体等から形成された円形横断面を有するレーザ・コア２４がポンプ・コア２２内に配置されている。ポンプ・コア２２内において、レーザ・コア２４は共通対称軸２９上に同心をなすように配置されている。更に、ポンプ・コア２２は低い屈折率を有するポリマー等から形成された透明クラッド２６で被覆されている。
図４に示す二重コア光ファイバ２０は鏡３２，３３を有する。例えば、鏡３２，３３はファイバの両端面に対してそれぞれ蒸着させることにより形成し得る。これにより、レーザ共振器が形成される。
図２に示す従来の二重コア光ファイバ２とは対照的に、図３及び図４に示すポンプ・コア２２はファイバの長手方向に延びる研削部分（Abschliff）２８を周面上に有する。研削部分を除くポンプ・コア２２の横断面は円形をなす。研削部分２８は二重コア光ファイバ横断面の円形対称を失わせる。図３は研削部分２８による無秩序なビーム通路の形成を示す。無秩序なビーム通路の形成により、ファイバ内を案内されるほぼ全ての光線は二重コア光ファイバの長さに沿ってレーザ・コア２４と相互作用する。更に、適切なファイバ長さを使用することにより、ポンピング光線のほぼ１００％を吸収し得る。研削部分はヘリックス・ビームの形成を防止するうえ、簡単に製造できる。また、ポンプ・コア内に１つを越す数の研削部分を形成し得る。例えば、ほぼ円形をなすポンプ・コアの横断面を維持するとともに、１２０度の角度でそれぞれ配置された３つの研削部分を形成できる。
二重コア光ファイバ２０の寸法を以下に例示する。
ポンプ・コア直径φPK（研削部分でない位置で測定）：１０〜６００μｍ
レーザ・コア直径φLK：                          １．５〜２０μｍ
クラッドの厚さ：                                    ５〜１００μｍ
研削部分の厚さａ：                                  ポンプ・コア直径φPKの１〜４９％
レーザ・アプリケーションの場合、使用するファイバの長さlFは０．３〜５０ｍが好ましい。増幅器アプリケーションの場合、使用するファイバの長さlFは０．３〜１０ｍが好ましい。
図１及び図４に示すファイバ共振器は誘電体鏡を二重コア光ファイバの両端にそれぞれ配置することにより形成されている。レーザ光線に対する高い反射率と、ポンピング光線１０４（図１参照），３４（図４参照）に対する高い透過率とを有する鏡１０８（図１参照），３２（図４参照）がポンピング側及び入射側にそれぞれ配置されている。更に、ポンピング光線に対する高い反射率と、レーザ光線１１２（図１参照），３６（図４参照）に対する高い透過率とを有する鏡１１４（図１参照），３３（図４参照）が出射側に使用されている。鏡３２，３３，１０８，１１４はファイバ端面上に直接配置し得る。即ち、鏡３２，３３，１０８，１１４をファイバ端面上に付勢し得る。また、鏡３２，３３，１０８，１１４をファイバ端面の手前に配置してもよい。
二重コア光ファイバ内において、ポンプ放射線はクラッド２６及びポンプ・コア２２間の界面で繰り返し反射される。そして、１回または複数回の反射後、ポンプ放射線はレーザ・コア２４に入射する。ポンプ放射線はレーザ・コア２４によって吸収されるまで同レーザ・コア２４と相互作用する。
図５は図１及び図４に示す二重コア光ファイバ・レーザにおけるポンピング光線の吸収量Ａを研削部分及びファイバの長さlFの関数として示す。１μｍの研削部分を使用した際の曲線４０と、５μｍの研削部分を使用した際の曲線４２と、２５μｍの研削部分を使用した際の曲線４４とはポンピング光線吸収量Ａを１００μｍの直径を有するポンプ・コアに関してそれぞれ示している。更に、曲線４６は研削部分を含まない従来の円形横断面を備えたポンプ・コアを有する二重コア光ファイバにおけるポンピング光線吸収量Ａを示す。非常に僅かな研削部分を有するポンプ・コアであっても、吸収量Ａは従来の円形横断面を備えたポンプ・コアを有する二重コア光ファイバにおける吸収量Ａより明らかに大きい。更に、吸収量Ａはファイバの長さの増大にともなって増大する。その一方、研削部分の増大にともなう吸収量の増大はあまり顕著ではない。
レーザ・コアを内包するポンプ・コアの外側形状は予備的形成品の１〜４９％を研削することにより形成されている。研削後、予備的形成品はＤ形の形状を維持すべく通常温度より低い温度でファイバに引き延ばされる。レーザ・ファイバの材料組成は文献に開示されている標準ファイバの材料組成と同じである。必要とされるファイバの屈折率曲線はゲルマニウム、燐及びフッ素を一緒にドーピングすることにより実現される。
図６はポンプ・ソース２０２を有する二重コア・ファイバ増幅器の基本的構造を示す。ポンプ・ソース２０２から放射された放射線２０４はコリメータ２１６を介して平行に成形される。更に、同放射線２０４はダイクロイック・ミラー等のビーム結合装置２１８と、入射用光学素子２０６とを使用することにより、ファイバ端面を介して二重コア光ファイバ２００内に入射される。二重コア光ファイバ内における光学的フィードバックを防止すべく、ファイバ端面２０８，２１４は反射防止コーティングを有するか、または光学軸に対して角度をなすように切断されている。信号放射線２２０はビーム結合装置２１８及び入射用光学素子２０６を介して二重コア光ファイバ内に入射される。増幅された信号放射線２１２は入射側の反対側に位置する二重コア光ファイバのファイバ端面２１４から出射する。
４レベル・レーザ・システムまたは４レベル増幅器システム（4-Niveau-Laser-oder-Verstaerkersysteme）の寸法を以下に例示する。
レーザ・コア直径：               ５μｍ
ポンプ・コア直径：               １２５μｍ
研削部分の厚さ：                 ２０μｍ
前記の形状寸法及び８１０ｎｍのポンピング波長を使用した場合、１３００ｐｐｍのネオジムをドーピングしたファイバ・レーザは１０６０ｎｍのレーザ波長及び２Ｗの出力において４０％を越す光学効率を実現する。
３レベル・レーザ・システムまたは３レベル・レーザ増幅器システム（3-Niveau-Laser-oder-Verstaerkersysteme）と、アップコンバージョン・レーザ（Up-Conversion Laser）とにおける寸法を以下に例示する。
レーザ・コア直径：               ３．５μｍ
ポンプ・コア直径：               ２０μｍ
研削部分の厚さ：                 ５μｍ
前記の形状寸法を使用した場合、プラセオジム及びイッテルビウムでドーピングしたファイバ・レーザは６３５ｎｍのレーザ波長及び１Ｗを上回る出力において２０％を越す光学効率を実現し得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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