JP2010205926A - Optical fiber device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、利得媒体ファイバと光学膜等を一体的に組み合わせた光ファイバ装置とその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an optical fiber device in which a gain medium fiber and an optical film are integrally combined, and a manufacturing method thereof.
イッテルビウム(Yb)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、ネオジム(Nd)などの希土類元素をコア部分に添加した光ファイバ(特に、ダブルクラッドファイバ)は、光変換効率が高く、光通信用増幅器などの種々の光増幅器、産業用レーザ装置を構成するために用いられている(例えば、特許文献1〜4)。
上記のような波長変換や増幅が可能な物質を含んだ光ファイバを、「利得媒体ファイバ」と呼ぶ。
利得媒体ファイバを用いてレーザを構成するためには、該ファイバに対して共振器を付与しなければならず、ミラーと該利得媒体ファイバとの結合が必要になる。また、該利得媒体ファイバを用いて増幅器を構成する場合にも、該利得媒体ファイバに対して種々のフィルターやミラーが設けられ、この場合も、フィルターやミラーと利得媒体ファイバとの結合が必要になる。
An optical fiber in which a rare earth element such as ytterbium (Yb), erbium (Er), thulium (Tm), or neodymium (Nd) is added to the core portion (particularly, a double-clad fiber) has high optical conversion efficiency and is an amplifier for optical communication. Are used to construct various optical amplifiers and industrial laser devices (for example,
An optical fiber containing a substance capable of wavelength conversion and amplification as described above is called a “gain medium fiber”.
In order to construct a laser using a gain medium fiber, a resonator must be added to the fiber, and a coupling between the mirror and the gain medium fiber is required. Also, when an amplifier is configured using the gain medium fiber, various filters and mirrors are provided for the gain medium fiber, and in this case also, coupling of the filter or mirror and the gain medium fiber is necessary. Become.
例えば、レーザ発振用の共振器を利得媒体ファイバに付与する場合、共振器を構成するためのミラーの配置態様には、主として次の2種類のものが挙げられる。
一つは、図8(a)に示すように、利得媒体ファイバの両端に一対の外部ダイクロイックミラー(光バンドパスフィルタ)201、202を配置して外部共振器200を構成する態様である(例えば、特許文献5)。しかし、このような態様では、利得媒体ファイバと各ミラーとを空間的に結合させねばならないために、ある程度大きい空間が必要であり、かつ、ミラーやコリメータなどの高価な部品が必要となるので、装置の大きさや価格が問題になる。
他の一つは、図8(b)に示すように、利得媒体ファイバの少なくとも一方の端面(通常、励起光を入力する側)に高反射膜301を直接的に蒸着してダイクロイックミラーとする態様である(例えば、特許文献6、7)。他方の端面にも反射膜を直接形成してミラーとしてもよいが、同図の例では、ファイバ端面をフラット研磨面とすることで、レーザ光出射側の低反射ミラー(フレネル反射ミラー)302としている。
For example, when a resonator for laser oscillation is applied to a gain medium fiber, the following two types of arrangement modes of mirrors for constituting the resonator are mainly mentioned.
One is a mode in which a pair of external dichroic mirrors (optical bandpass filters) 201 and 202 are arranged at both ends of a gain medium fiber to constitute an
The other one is a dichroic mirror by directly depositing a highly reflective film 301 on at least one end face of the gain medium fiber (usually the side where the excitation light is input), as shown in FIG. 8B. It is an aspect (for example, patent document 6, 7). A reflection film may be directly formed on the other end face to form a mirror. However, in the example shown in the figure, the low end reflection mirror (Fresnel reflection mirror) 302 on the laser light emission side is obtained by making the fiber end face a flat polished surface. Yes.
利得媒体ファイバの端面に反射膜を直接形成する態様は、別個の外部ミラーを用いる態様と比べて部品の数が少なく、かつ、構成が簡単であるために、装置全体が小さくなり、コスト低減の効果もある。 The mode in which the reflection film is directly formed on the end face of the gain medium fiber has fewer parts and a simpler configuration than the mode in which a separate external mirror is used. There is also an effect.
しかしながら、本発明者等が、上記のような光ファイバ端面に反射膜を直接的に形成するプロセスを詳細に検討したところ、その形成プロセスでは、スパッタリングや電子ビーム蒸着などの高真空状態で膜形成が行われており、そこで次のような問題が生じていることがわかった。
(i)利得媒体ファイバは、通常、全長20m以上にも達する長いものであるために、そのような長い光ファイバを加工用のチャンバー内に収容して加工するのでは、光ファイバの取り扱いやチャンバー内へのセットに多大な手間を要するため、反射膜の形成に長時間を要する。このような取り扱い上の問題は、膜形成のみならず、端面研磨の場合にも存在する問題である。
(ii)蒸着中にチャンバー内部の温度が上がり、ファイバの外側を被覆するポリマー層からガスが放出され反射膜の特性が劣化する。
(iii)反射膜の特性の再現性が低く、加工毎の品質にばらつきがある。
(iv)ポリマー層からガスが放出するため、また、長尺の光ファイバをチャンバー内に収納可能なようにチャンバーの体積を大きくする必要が有るため、真空引きに長時間を要する。
また、前記(ii)のポリマー層からのガスの問題に起因して、一回の加工で蒸着可能なファイバの本数(または総長さ)が限られているという問題があることもわかった。
また、ファイバ端面に反射膜や反射面を直接的に形成する態様では、反射膜や反射面が損傷を受けた場合に、その修理のために、ファイバ全体を加工対象として取り扱わねばならず、修理のために長い時間と高い費用が必要になるという問題があることもわかった。
以上のような問題は、反射膜のみならず、あらゆる利得媒体ファイバの端面に、種々の光学膜を付与する場合や、鏡面等の形成などのための表面加工を施す場合にも、同様に存在する問題である。
However, the present inventors have studied in detail the process of directly forming the reflection film on the end face of the optical fiber as described above. In the formation process, the film is formed in a high vacuum state such as sputtering or electron beam evaporation. It was found that the following problems occurred.
(I) Since the gain medium fiber is usually a long one having a total length of 20 m or more, when such a long optical fiber is accommodated in a processing chamber and processed, the handling of the optical fiber or the inside of the chamber Therefore, it takes a long time to form the reflective film. Such a problem in handling exists not only in film formation but also in the case of end face polishing.
(Ii) The temperature inside the chamber rises during vapor deposition, gas is released from the polymer layer covering the outside of the fiber, and the properties of the reflective film deteriorate.
(Iii) The reproducibility of the characteristics of the reflective film is low, and the quality of each process varies.
(Iv) Since the gas is released from the polymer layer and it is necessary to increase the volume of the chamber so that a long optical fiber can be accommodated in the chamber, it takes a long time for vacuuming.
It was also found that due to the problem of gas from the polymer layer (ii), the number (or total length) of fibers that can be deposited by one processing is limited.
In addition, in the aspect in which the reflection film or reflection surface is directly formed on the fiber end face, if the reflection film or reflection surface is damaged, the entire fiber must be handled as a processing target for repair. It has also been found that there is a problem of requiring a long time and high costs for the.
The above problems exist not only in the case of reflecting films but also in the case where various optical films are applied to the end face of any gain medium fiber, or when surface processing for forming a mirror surface or the like is performed. It is a problem.
本発明の目的は、上記問題を解決し、より低コストでの製造や補修が可能であり、かつ、より品質の安定した光学膜や処理加工面を、利得媒体ファイバの端部に付与することにある。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to provide an optical film and a processed surface with a more stable quality, which can be manufactured and repaired at a lower cost, and to the end of the gain medium fiber. It is in.
即ち、本発明は、次の特徴を有するものである。
(1)利得媒体ファイバの少なくとも一方の端面に、長さ500mm以下の光ファイバが端末ファイバとして接続された構造を有し、
該端末ファイバには、利得媒体ファイバとの接続に係る端面の側とは反対側の端面に、光学膜が形成されているかまたは表面加工が施されている、
光ファイバ装置。
(2)利得媒体ファイバと端末ファイバとの接続が、
(i)利得媒体ファイバと端末ファイバの接続に係る端面同士を接触させ融着させてなる接続であるか、
(ii)利得媒体ファイバと端末ファイバのそれぞれの接続に係る端面にコネクタを装着し、それらコネクタ同士を連結することによる接続である、
上記(1)記載の光ファイバ装置。
(3)利得媒体ファイバがダブルクラッドファイバであり、端末ファイバが断面構造において該利得媒体ファイバと同じ層構造を持ったダブルクラッドファイバであり、
利得媒体ファイバと端末ファイバとの接続が、両者のうちの少なくとも一方に対し、その接続に係る端面から所定の長さまで、第2クラッドとその外側の層を除去して第1クラッドを露出させ、両者の接続に係る端面同士を接触させ融着させてなる接続である、
上記(1)記載の光ファイバ装置。
(4)利得媒体ファイバと端末ファイバとが接続された部分において、第2クラッドとその外側の層が除去されている区間の長さの合計が2mm以上であり、それによって、利得媒体ファイバの第1クラッドを伝播する光が端末ファイバの第1クラッドに入るのが抑制される構成となっている、上記(3)記載の光ファイバ装置。
(5)利得媒体ファイバと端末ファイバとが接続された部分において、第2クラッドとその外側の層を除去することで露出した第1クラッドに、ポンプ光を伝送するファイバが、コンバイナーによって接続されている、上記(3)記載の光ファイバ装置。
(6)利得媒体ファイバと端末ファイバとが接続された部分において、第2クラッドとその外側の層を除去することで露出した第1クラッドが、該第1クラッドの材料よりも屈折率の高い材料によって被覆されている、上記(3)記載の光ファイバ装置。
(7)利得媒体ファイバが、エアホールを第2クラッドとして有するエアホール型ダブルクラッドファイバであり、端末ファイバが断面構造において該利得媒体ファイバと同じ層構造を持ったエアホール型ダブルクラッドファイバであり、
端末ファイバは、利得媒体ファイバとの接続に係る端面の側とは反対側の端面から所定の長さまでエアホールが封止されている、
上記(1)記載の光ファイバ装置。
(8)利得媒体ファイバがダブルクラッドファイバであり、端末ファイバが断面構造において該利得媒体ファイバと同じ層構造を持ったダブルクラッドファイバであり、
該端末ファイバの第1クラッドには、利得媒体ファイバの第1クラッド内を伝播して該端末ファイバの第1クラッドに入る光を吸収する物質が添加されている、
上記(1)〜(7)のいずれかに記載の光ファイバ装置。
(9)上記(1)〜(8)のいずれかに記載の光ファイバ装置の製造方法であって、
該光ファイバ装置の端末ファイバとして用いられ得る長さ500mm以下の光ファイバを用意し、その一方の端面に光学膜を形成するかまたは表面加工を施した後、前記光ファイバの他方の端面を、利得媒体ファイバの端面に接続し端末ファイバとすることを特徴とする、前記製造方法。
That is, the present invention has the following characteristics.
(1) having a structure in which an optical fiber having a length of 500 mm or less is connected as a terminal fiber to at least one end face of the gain medium fiber;
The terminal fiber is formed with an optical film on the end face opposite to the end face side relating to the connection with the gain medium fiber or is subjected to surface processing.
Optical fiber device.
(2) The connection between the gain medium fiber and the terminal fiber is
(I) is a connection formed by contacting and fusing the end faces relating to the connection of the gain medium fiber and the terminal fiber,
(Ii) It is a connection by attaching a connector to the end face related to each connection of the gain medium fiber and the terminal fiber, and connecting the connectors together.
The optical fiber device according to the above (1).
(3) The gain medium fiber is a double clad fiber, and the terminal fiber is a double clad fiber having a cross-sectional structure and the same layer structure as the gain medium fiber,
The connection between the gain medium fiber and the terminal fiber is removed from at least one of the two ends from the end face related to the connection to a predetermined length, and the first cladding is exposed by removing the second cladding and the outer layer; It is a connection made by contacting and fusing the end faces related to the connection between the two,
The optical fiber device according to the above (1).
(4) In the portion where the gain medium fiber and the terminal fiber are connected, the total length of the section in which the second cladding and the outer layer are removed is 2 mm or more. The optical fiber device according to (3), wherein light propagating through one cladding is prevented from entering the first cladding of the terminal fiber.
(5) In the portion where the gain medium fiber and the terminal fiber are connected, the fiber transmitting the pump light is connected to the first cladding exposed by removing the second cladding and the outer layer by the combiner. The optical fiber device according to (3) above.
(6) In the portion where the gain medium fiber and the terminal fiber are connected, the first cladding exposed by removing the second cladding and the outer layer thereof has a higher refractive index than the material of the first cladding. The optical fiber device according to (3), which is covered with
(7) The gain medium fiber is an air hole type double clad fiber having an air hole as a second clad, and the end fiber is an air hole type double clad fiber having the same layer structure as the gain medium fiber in a cross-sectional structure. ,
The terminal fiber has an air hole sealed to a predetermined length from the end surface opposite to the end surface side related to the connection with the gain medium fiber.
The optical fiber device according to the above (1).
(8) The gain medium fiber is a double clad fiber, and the terminal fiber is a double clad fiber having a cross-sectional structure and the same layer structure as the gain medium fiber,
The first cladding of the terminal fiber is added with a substance that absorbs light that propagates through the first cladding of the gain medium fiber and enters the first cladding of the terminal fiber.
The optical fiber device according to any one of (1) to (7).
(9) The method of manufacturing an optical fiber device according to any one of (1) to (8),
An optical fiber having a length of 500 mm or less that can be used as a terminal fiber of the optical fiber device is prepared, and after forming an optical film on one end face or performing surface processing, the other end face of the optical fiber is The manufacturing method according to
本発明では、長尺の利得媒体ファイバの端面を直接加工対象とするのではなく、その加工部分を分離し、即ち、利得媒体ファイバに接続可能な長さ500mm以下の短い光ファイバを端末ファイバとして用意し、その短い端末ファイバの端面に対して、表面加工(フラット鏡面研磨など)や光学膜の形成を行った後、それを利得媒体ファイバに接続している。
この製造方法およびそれによって得られた構造により、ファイバ端面に直接的に光学膜の形成等を行うメリットはそのままに、光学膜の形成等の加工を行う際の取り扱い上の問題、ポリマー層からのガス発生の問題、ファイバの総長の制限による膜形成可能な数の制限の問題等を無くすことが可能になり、生産性の向上やコスト低減、容易な部品交換などが可能になる。
In the present invention, the end face of the long gain medium fiber is not directly processed, but the processed part is separated, that is, a short optical fiber having a length of 500 mm or less that can be connected to the gain medium fiber is used as the terminal fiber. The short end fiber is prepared and subjected to surface processing (flat mirror polishing or the like) or optical film formation, and then connected to the gain medium fiber.
With this manufacturing method and the structure obtained thereby, while maintaining the merit of forming an optical film directly on the fiber end face, the problem in handling when processing such as the formation of an optical film, It is possible to eliminate the problem of gas generation and the problem of limiting the number of films that can be formed due to the limitation of the total length of the fiber, thereby improving productivity, reducing costs, and easily replacing parts.
また、本発明では、利得媒体ファイバに短い端末ファイバが接続された構造となっているので、その接続部分や端末ファイバに種々の機能を加えることが可能になっている。
例えば、利得媒体ファイバがダブルクラッドファイバである場合、同様のクラッド構造を持った端末ファイバを接続し、その接続部において、両者のうちの少なくとも一方に対し、その接続に係る端面から所定の長さまでの区間の第2クラッド(エアホール構造の場合にはその外側の層も含んでよい)を除去しておけば、第1クラッド中を伝播してきたポンプ光等が端末ファイバに無用に伝播するのを抑制し、コア中の光だけを伝播させることが可能になる。その結果、ポンプ光が出力させるのを抑制したり、ポンプ光によって多層膜が劣化するのを抑制できるようになる。
また、利得媒体ファイバがエアホール型ダブルクラッドファイバである場合、同様のクラッド構造を持った端末ファイバを接続し、該端末ファイバの光学膜等を形成すべき端面から所定の長さの区間のエアホールを封止しておけば、外部から入力されるポンプ光の結合効率がエアホールによって阻害されることがなくなる。
また、利得媒体ファイバがダブルクラッドファイバである場合、端末ファイバも同様の構造を持った光ファイバとし、該端末ファイバの第1クラッドに、利得媒体ファイバの第1クラッド内を伝播してきたポンプ光などの光を吸収する物質を添加しておけば、吸収されなく第1クラッドへ伝播してきたポンプ光が第1クラッドで吸収され、光学膜などの損傷を防ぐことができる。このような構成は、ポンプ光を利得媒体の端末から入力する場合に有用である。
また、利得媒体ファイバがエアホール型ダブルクラッドファイバの場合には、エアークラッド層を取り除き、1以上のポンプ光伝送用の光ファイバを、コンバイナーなどによって、露出した第1クラッドと接続すれば、該ポンプ光をコリメータなどで区間結合しなくてもファイバのみで簡単に結合でき、光結合損失を大幅に低減できる。また、ポンプ光を閉じ込めるために、前記コンバイナーが接続された第1クラッドの部分を、該第1クラッドの材料より低い屈折率のポリマーを用いて被覆することが好ましい。
In the present invention, since a short terminal fiber is connected to the gain medium fiber, various functions can be added to the connecting portion and the terminal fiber.
For example, when the gain medium fiber is a double clad fiber, an end fiber having the same clad structure is connected, and at the connection portion, at least one of the two is connected to the predetermined length from the end face related to the connection. If the second cladding (which may include the outer layer in the case of an air hole structure) is removed, the pump light or the like propagating in the first cladding is unnecessarily propagated to the terminal fiber. And only the light in the core can be propagated. As a result, the pump light can be prevented from being output, and the multilayer film can be prevented from being deteriorated by the pump light.
Further, when the gain medium fiber is an air hole type double clad fiber, an end fiber having a similar clad structure is connected, and an air in a section of a predetermined length from the end face on which the optical film of the end fiber is to be formed. If the hole is sealed, the coupling efficiency of pump light input from the outside is not hindered by the air hole.
Further, when the gain medium fiber is a double clad fiber, the terminal fiber is also an optical fiber having the same structure, and the pump light propagating in the first clad of the gain medium fiber is transmitted to the first clad of the terminal fiber. If a substance that absorbs this light is added, pump light that has not been absorbed and propagated to the first cladding is absorbed by the first cladding, and damage to the optical film or the like can be prevented. Such a configuration is useful when pump light is input from a gain medium terminal.
When the gain medium fiber is an air hole type double clad fiber, if the air clad layer is removed and one or more optical fibers for pump light transmission are connected to the exposed first clad by a combiner or the like, Even if the pump light is not section-coupled with a collimator or the like, it can be easily coupled with only the fiber, and the optical coupling loss can be greatly reduced. Further, in order to confine the pump light, it is preferable that the portion of the first cladding connected to the combiner is covered with a polymer having a lower refractive index than the material of the first cladding.
以下、本発明の製造方法に言及しながら、本発明の光ファイバ装置の態様を詳細に説明する。尚、本発明の具体的な用途としては、ファイバレーザ装置やファイバ増幅器などが挙げられるが、ファイバレーザ装置とファイバ増幅器では、光学膜の態様など、細部の構成(公知技術の部分)が互いに異なる。以下の説明では、ファイバレーザ装置を代表的な具体例として取り上げて行うが、該説明は、ファイバ増幅器の主たる構成の説明をも兼ねるものである。ファイバ増幅器に特有の細部の構成については、付加的に言及する。
図1は、当該光ファイバ装置の構成の一例を示す断面図であって、当該光ファイバ装置が共振器を備えた光ファイバレーザ装置である場合の一態様を示している。
当該光ファイバ装置は、図1に示すように、利得媒体ファイバ1の少なくとも一方の端面1Aに、長さ500mm以下の光ファイバが端末ファイバ2として接続された構造を有する。該端末ファイバ2には、利得媒体ファイバ1との接続に係る端面とは反対側の端面(以下、最外端面)2aに、フラット鏡面研磨を施した後、多層膜(高反射ミラー)が光学膜4として形成されている。
同図の例では、利得媒体ファイバ1の他方の端面1Bの側にも、長さ500mm以下の別の光ファイバが端末ファイバ3として接続されており、その最外端面は、表面加工としての研磨加工によってフラットな鏡面(フレネル反射鏡)が形成されており、低反射ミラー3aとなっている。2つの端末ファイバ2、3の各最終端面のミラー(4、3a)によって共振器が構成され、ポンプ光L1が端末ファイバ2を通して利得媒体ファイバ内に入力され、利得媒体ファイバ内で生じたレーザ光L2が端末ファイバ3を通して出射される構成となっている。このような入出力の構成は、前方励起方式と呼ばれている。
また、前記のような前方励起方式の他に、後方励起方式、双方向励起方式を採用してもよい。後方励起方式では、ポンプ光を端末ファイバ3側のミラーから利得媒体ファイバ1内に入力し、端末ファイバ2側のミラーを高反射ミラーとして、両ミラー間でレーザ発振を生じさせ、該レーザ光を、再び端末ファイバ3を通して出射するといった構成例が挙げられる。また、双方向励起方式では、ポンプ光の光分布を均一化させるために、ポンプ光を両方の端末ファイバ2、3から同時に利得媒体ファイバ1内に入力し、該ファイバ1において発生した光をファイバ3を通して出射するといった構成例が挙げられる。共振器を構成する両端のミラーは、それぞれの励起方式に応じて、適切なものを選択し組み合わせればよい。
尚、図1では、共振器の好ましい例として、利得媒体ファイバの両方に端末ファイバを接続する態様を示しているが、用途や必要に応じて、片方の端末ファイバの替わりに外部光学機器を用いてもよい。
Hereinafter, embodiments of the optical fiber device of the present invention will be described in detail with reference to the manufacturing method of the present invention. Specific applications of the present invention include a fiber laser device and a fiber amplifier. The fiber laser device and the fiber amplifier are different from each other in the detailed configuration (part of the known technology) such as the optical film. . In the following description, the fiber laser device is taken as a typical example, but the description also serves as an explanation of the main configuration of the fiber amplifier. Additional details regarding the specific configuration of the fiber amplifier will be mentioned.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of the configuration of the optical fiber device, and illustrates an aspect in which the optical fiber device is an optical fiber laser device including a resonator.
As shown in FIG. 1, the optical fiber device has a structure in which an optical fiber having a length of 500 mm or less is connected to at least one
In the example of the figure, another optical fiber having a length of 500 mm or less is also connected as the
In addition to the forward excitation method as described above, a backward excitation method and a bidirectional excitation method may be employed. In the backward pumping method, pump light is input into the
In addition, in FIG. 1, although the aspect which connects a terminal fiber to both of a gain medium fiber is shown as a preferable example of a resonator, an external optical apparatus is used instead of one terminal fiber as needed. May be.
当該光ファイバ装置の製造方法では、先ず、端末ファイバ2を用意し、その一方の端面2aに光学膜4を形成しておく。該光学膜の形成に先立って、該端面にフラットな鏡面研磨加工を施しておくことが好ましい。ガラスのフレネル反射率は3〜4%であるために、該光学膜の形成に替えて、最外端面への表面加工であってもよい。
以下、「光学膜」および「表面加工を施された端面」を総称して「光学膜等」とも呼び、光学膜を形成することおよび表面加工を施すことを総称して「光学膜等の形成」とも呼ぶ。
図1の例のように、利得媒体ファイバの両端に端末ファイバを接続する場合には、他方の端末ファイバ3の端面3aにも、必要な光学膜等を形成しておく。
次に、図1に示すように、光学膜等が形成された端末ファイバ(図の例では両方の端末ファイバ2、3)を、利得媒体ファイバ1の端面1A、1Bに接続し、本発明の光ファイバ装置を得る。
In the method of manufacturing the optical fiber device, first, a
Hereinafter, "optical film" and "end surface subjected to surface processing" are also collectively referred to as "optical film etc.", and the formation of optical film and surface processing are collectively referred to as "formation of optical film etc." Also called.
When connecting a terminal fiber to both ends of the gain medium fiber as in the example of FIG. 1, a necessary optical film or the like is also formed on the
Next, as shown in FIG. 1, the end fibers (both
当該光ファイバ装置の用途としては、例えば、光ファイバ型レーザ装置、光ファイバ型増幅器、ASE(Amplified Spontaneous Emission)光源などの波長変換器、レーザガイド(この場合、光学膜はミラーではなく反射防止膜になる)などが挙げられる。
当該光ファイバ装置を構成するために用いられる利得媒体ファイバの断面構造(コアの径、クラッドの構造、中心から外側までの屈折率プロフィール)、各部の母材、添加される物質、端末ファイバの断面構造(コアの径、クラッドの構造、中心から外側までの屈折率プロフィール)、端末ファイバの最外端面に付与される光学膜等の特性は、これらの用途に応じて、レーザ装置や増幅器が構成されるように決定し、組み合わせればよい。
Applications of the optical fiber device include, for example, an optical fiber type laser device, an optical fiber type amplifier, a wavelength converter such as an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source, a laser guide (in this case, the optical film is not a mirror but an antireflection film) For example).
Cross section structure of gain medium fiber (core diameter, clad structure, refractive index profile from the center to the outside) used for constructing the optical fiber device, base material of each part, added substance, cross section of terminal fiber The characteristics of the structure (core diameter, cladding structure, refractive index profile from the center to the outside), optical film applied to the outermost end surface of the end fiber, etc. are configured by the laser device and amplifier according to these applications To be determined and combined.
図2は、ファイバ増幅器の配置構成の一例を示す模式図である。同図の例では、利得媒体ファイバ1の片側(右方の側)だけに端末ファイバ3が接続され、もう一方の側(図の左方の側)の端面は、8度の斜め研磨面となっている。斜め研磨面は、フレネル反射による反射率を低減するので、それによって、戻り光を抑制する効果が得られる。端末ファイバ3の端面も、斜め研磨面としてもよいが、図2の例では、フレネル反射率をほぼ0%として入射光とファイバとの結合効率を高めるという光学特性を持つ多層膜5が形成されている。図2の構成によって、ポンプ光L20と、シグナル光(種光)L10とが利得媒体ファイバ1に入力されると、利得媒体ファイバ内で増幅されたシグナル光L30が出力される。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the arrangement configuration of the fiber amplifier. In the example of the figure, the
レーザ装置や光増幅器を構成するための利得媒体ファイバとしては、背景技術の説明で述べたとおり、ダブルクラッドファイバが好ましいものとして例示され、コア部分には、Yb、Er、Tm、Ndなどの希土類元素と、Al、Ge、Pなどから一つ以上選択された元素が添加される。
ダブルクラッドファイバのなかでも、図3に光軸に垂直な断面の様子を模式的に示すように、多数のエアホール12hが集合して第2クラッド12となっているエアホール型ダブルクラッドファイバは、ポリマークラッド型のダブルクラッドファイバと比べて、NA(開口数)を大きくし易く、耐熱性が高く、スキュー光を低減できるなどの特徴を持っており、利得媒体ファイバの構造として好ましく用いることができる。
希土類元素をコア部分に添加したエアホール型ダブルクラッドファイバの断面構造、寸法、各部の材料などについては、従来技術を参照してよい(Optics Communication, Vol.186(2003), p.311-317, Quantum Electronics Vol.13(2007), p.573-578)。
図3に示したエアホール型ダブルクラッドファイバの構造例を以下に挙げる。
コア10:Ybドープ石英ガラス(外径5μm〜60μm)
第1クラッド11(ポンプ光ガイド用):純粋石英ガラス(層厚60μm〜600μm)
第2クラッド12:エアホール構造(層厚約5μm〜約50μm)
サポート層13:純粋石英ガラス(層厚150μm〜500μm)
該サポート層の外側には、さらに複数の保護層(低屈折シリコーン樹脂からなる層、さらにその外側のフッ素樹脂層など)が形成されるが、図示や説明は省略する。
保護層を含んだファイバ全体の外径は800μm〜1700μm程度となる。
As described in the description of the background art, a double-clad fiber is preferable as a gain medium fiber for constituting a laser device or an optical amplifier, and a rare earth such as Yb, Er, Tm, or Nd is used as a core portion. An element and one or more elements selected from Al, Ge, P, and the like are added.
Among the double-clad fibers, as shown schematically in FIG. 3 which is a cross-sectional view perpendicular to the optical axis, an air-hole type double-clad fiber in which a large number of air holes 12h are gathered to form the second clad 12 is Compared to polymer clad type double clad fiber, it has features such as easy to increase NA (numerical aperture), high heat resistance, and reduced skew light, and is preferably used as the structure of gain medium fiber. it can.
For the cross-sectional structure, dimensions, materials of each part, etc. of air-hole type double clad fiber in which rare earth elements are added to the core part, reference may be made to the prior art (Optics Communication, Vol.186 (2003), p.311-317). , Quantum Electronics Vol.13 (2007), p.573-578).
An example of the structure of the air hole type double clad fiber shown in FIG. 3 is given below.
Core 10: Yb-doped quartz glass (outer diameter 5 μm to 60 μm)
First clad 11 (for pump light guide): pure quartz glass (layer thickness: 60 μm to 600 μm)
Second clad 12: air hole structure (layer thickness of about 5 μm to about 50 μm)
Support layer 13: pure quartz glass (layer thickness: 150 μm to 500 μm)
A plurality of protective layers (a layer made of a low-refractive silicone resin, a fluororesin layer on the outside thereof, etc.) are further formed on the outside of the support layer, but illustration and explanation are omitted.
The outer diameter of the entire fiber including the protective layer is about 800 μm to 1700 μm.
当該光ファイバ装置に用いられる利得媒体ファイバの全長は、用途やコア吸収係数に応じて異なるが、0.5m〜50m程度であり、5m〜30mが好ましい範囲であるが、利得媒体ファイバのコア吸収係数によって全長が異なるために、ポンプガイドの総吸収係数を10dBに合わせるのが好ましい。このような長い光ファイバは、背景技術の説明において述べたとおり、その端面に直接的に光学膜形成等を施すことに種々の問題が存在しているので、本発明の構成の利点が顕著となる。 The total length of the gain medium fiber used in the optical fiber device varies depending on the application and the core absorption coefficient, but is about 0.5 m to 50 m, and 5 m to 30 m is a preferable range. Since the overall length varies depending on the coefficient, it is preferable to adjust the total absorption coefficient of the pump guide to 10 dB. As described in the description of the background art, such a long optical fiber has various problems in forming an optical film directly on its end face, so that the advantages of the configuration of the present invention are remarkable. Become.
端末ファイバの断面構造は、当該光ファイバ装置全体を一本の連続した光ファイバの形態とする点から、利得媒体ファイバの断面構造と一致させることが好ましい。例えば、利得媒体ファイバがエアホール型ダブルクラッドファイバであれば、端末ファイバも、同じ寸法のコア構造や開口数NAを持ったエアホール型ダブルクラッドファイバとするのが好ましい態様である。コア寸法やコアNAが異なると、接続された部分から散乱(反射)を起こし、損失が増える場合があるので、コア径やコアNAの誤差は±10%以内とするのが好ましい。
端末ファイバのコアには、必ずしも希土類元素などの利得媒体となる物質が添加されている必要はない。端末ファイバは、自体の最外端面と利得媒体ファイバとを好ましく連結するだけの単なる伝送用の光ファイバであってもよい。
また、端末ファイバの構造は、少なくともコア外径とファイバ全体の最外径が、利得媒体ファイバのそれらと一致しているだけであってもよく、それ以外のクラッドの構造は、利得媒体ファイバの構造と異なっていてもよい。
また、出力側の端末ファイバの開口数NAは、Al、P、Ge、F、および、Bからなる郡から選択された材料で制御することが好ましい。
The cross-sectional structure of the terminal fiber is preferably matched with the cross-sectional structure of the gain medium fiber from the viewpoint that the entire optical fiber device is in the form of one continuous optical fiber. For example, if the gain medium fiber is an air hole type double clad fiber, it is preferable that the terminal fiber be an air hole type double clad fiber having a core structure and a numerical aperture NA of the same dimensions. If the core size or the core NA is different, scattering (reflection) may occur from the connected portion and the loss may increase. Therefore, the error of the core diameter or the core NA is preferably within ± 10%.
The core of the terminal fiber does not necessarily need to be added with a substance that becomes a gain medium such as rare earth elements. The terminal fiber may be a simple transmission optical fiber that preferably connects the outermost end surface of the terminal fiber and the gain medium fiber.
In addition, the structure of the terminal fiber may be such that at least the core outer diameter and the outermost diameter of the entire fiber coincide with those of the gain medium fiber, and the other clad structure is the same as that of the gain medium fiber. It may be different from the structure.
The numerical aperture NA of the terminal fiber on the output side is preferably controlled by a material selected from the group consisting of Al, P, Ge, F, and B.
端末ファイバの長さは、その太さによっても異なるが、本発明の目的を達成する点から、また、共振器の変換効率の点から、500mm以下が好ましい長さである。この端末ファイバの長さの上限値は、その値を境として、ファイバの取り扱い性や端面への成膜加工性が急激に変化するというような臨界的な値ではないが、本発明者等が本発明の目的を達成し得るとして設定した適切な値である。
端末ファイバの長さが500mmを超えると、本発明が解決しようとする問題(即ち、長い利得媒体ファイバをチャンバー内に収容して加工するときの問題)が、端末ファイバへの加工においても現れるようになり、また、端末ファイバ内での光損失も顕著に現れるようになる。
一方、端末ファイバの長さの下限は、特に限定はされないが、10mm程度が適切な下限である。端末ファイバの長さが下限値10mmを下回ると、短すぎて取り扱い性が悪く、また、接続する際、光学膜が熱損傷を受けるという問題も生じる。
以上から、端末ファイバの好ましい長さの範囲は、下限値10mm〜上限値500mmであり、そのなかでも20mm〜100mmがより好ましい長さである。
The length of the terminal fiber varies depending on the thickness thereof, but is preferably 500 mm or less from the viewpoint of achieving the object of the present invention and from the viewpoint of conversion efficiency of the resonator. The upper limit value of the length of the end fiber is not a critical value such that the handleability of the fiber and the film forming processability on the end face change abruptly, but the present inventors etc. It is an appropriate value set as being able to achieve the object of the present invention.
When the length of the terminal fiber exceeds 500 mm, the problem to be solved by the present invention (that is, a problem when a long gain medium fiber is accommodated in the chamber and processed) also appears in the processing of the terminal fiber. In addition, the optical loss in the terminal fiber also appears remarkably.
On the other hand, the lower limit of the length of the terminal fiber is not particularly limited, but about 10 mm is an appropriate lower limit. If the length of the terminal fiber is less than the lower limit of 10 mm, it is too short and the handleability is poor, and there is also a problem that the optical film is thermally damaged when connected.
From the above, a preferable length range of the terminal fiber is a lower limit value of 10 mm to an upper limit value of 500 mm, and of these, a preferable length is 20 mm to 100 mm.
端末ファイバの最外端面に形成される光学膜等は、該最外端面に付け加えられた1以上の膜や、表面加工された面自体である。表面加工された面は、二乗平均粗さ(RMS)が0.1μm以下のフラット鏡面、レンズ面など、その表面自体がなす凹凸面や湾曲面の他、最外端面の表面を含む表層が変質したものであってもよい。光学膜は、その下地に表面加工された面を含んでいてもよい。
光学膜等の機能は、レーザ装置や増幅器を構成するために必要な種々の反射機能、反射防止機能、フィルター機能などが挙げられる。
The optical film or the like formed on the outermost end surface of the terminal fiber is one or more films added to the outermost end surface or the surface processed surface itself. The surface processed surface is altered in the surface layer including the surface of the outermost end surface as well as the uneven surface and curved surface formed by the surface itself, such as flat mirror surface and lens surface with a root mean square roughness (RMS) of 0.1 μm or less It may be what you did. The optical film may include a surface processed on the base.
Examples of the function of the optical film include various reflection functions, antireflection functions, and filter functions necessary for configuring a laser device and an amplifier.
光学膜は、金属酸化物、無機酸化物、半導体材料、誘電体材料などからなる多層膜(即ち、多層膜高反射膜、多層膜反射防止膜、選択性フィルタなど)、種々の材料からなる単一の膜或いは多層膜などが挙げられ、その構成と分光特性、成膜法については公知技術を参照してもよい。
多層膜の構成例としては、SiO2 、TaOx 、Ta2O5 、TiO2 、Si、ZrO2 、HfO2 、GaN、SiNx 、ITO(Indium Tin Oxide)、Al2O3 、および、SiCからなる群から2つの材料を選択し、それらの材料からなる膜をファイバ端面上に交互に積層する態様が挙げられる。
ガラスファイバの端面に多層膜を形成する場合、膜の耐性、ガラスとの密着性、分光特性の点から、SiO2 膜とTaOX 膜とを交互に積層するのが好ましい態様である。ガラスファイバの端面に接する層は、SiO2 膜、TaOX 膜のどちらであってもよいが、SiO2 膜をガラスファイバの端面に接する層とすることで、該端面への密着性が良好となる。
多層膜の形成には、スパッタリング法、CVD法、電子ビーム蒸着法などを用いることが可能であるが、生産性や膜厚の精度からは、電子ビーム蒸着法が望ましい方法である。
The optical film can be a multilayer film made of a metal oxide, an inorganic oxide, a semiconductor material, a dielectric material, etc. (that is, a multilayer high reflection film, a multilayer antireflection film, a selective filter, etc.), or a single film made of various materials. One film or a multilayer film may be used, and publicly known techniques may be referred to for the configuration, spectral characteristics, and film formation method.
Examples structure of the multilayer film, SiO 2, TaO x, Ta 2 O 5,
In the case of forming a multilayer film on the end face of the glass fiber, it is preferable that the SiO 2 film and the TaO x film are alternately laminated from the viewpoint of film resistance, glass adhesion, and spectral characteristics. The layer in contact with the end face of the glass fiber may be either a SiO 2 film or a TaO x film, but by making the SiO 2 film a layer in contact with the end face of the glass fiber, the adhesion to the end face is good. Become.
A sputtering method, a CVD method, an electron beam evaporation method, or the like can be used for forming the multilayer film, but the electron beam evaporation method is a preferable method from the viewpoint of productivity and film thickness accuracy.
図4は、端末ファイバがエアホール型ダブルクラッドファイバである場合の好ましい最外端面の処理方法を模式的に示している。同図の端末ファイバ2は、コア20、第1クラッド21、エアホール構造からなる第2クラッド22、サポート層23を有する。その外側の層は図示を省略している。
上記発明の効果の説明で述べたとおり、端末ファイバがエアホール型ダブルクラッドファイバである場合、図4(a)に示すように、最外端面2aに第2クラッド(エアホール構造)22の各エアホールが開口していると、研磨加工する際、エアホールの中にゴミ・埃・水滴などが入り、ファイバ特性を悪化させる場合がある。
そこで、図4(b)に示すように、最外端面から特定の長さまでエアホールを封止した上で、図4(c)に示すように、光学膜4等の付与を行う。
エアホールの封止区間の長さは、光ファイバの径やポンプ光の波長によっても異なるが、概ね50mm以下、特に0.1mm〜5mmが効果的で好ましい長さである。
また、端末ファイバの最外端面からポンプ光を入力する場合に、最外端面にエアホールが開口していると、ポンプ光が該エアホールの開口へ漏れるために、入力ポンプ光の結合効率が低下する。そこで最外端面から特定の長さまでを封止することが好ましいが、サポート層の外径が1mm、第2クラッドの外径が600μmである場合には、エアホールの好ましい封止区間は、sinθ=NAから、0.2mm〜0.3mmが好ましい。
図6(a)〜(c)の端末ファイバ2の断面には、エアホールが封止された状態が現れており、エアホール22は最外端面まで達していない。
端末ファイバの長さが50mm以下の場合には、端末ファイバの全長にわたってエアホールを封止してもよい。また、接続部のエアホールを一定区間除去してもよいが、そのまま接続しても構わない。
エアホールの封止は、バーナートーチ、放電、レーザなどによってファイバを加熱して行うことが好ましい。
FIG. 4 schematically shows a preferable method for treating the outermost end face when the terminal fiber is an air hole type double clad fiber. The
As described in the description of the effect of the invention, when the terminal fiber is an air hole type double clad fiber, each of the second clad (air hole structure) 22 is formed on the
Therefore, as shown in FIG. 4B, after the air hole is sealed from the outermost end surface to a specific length, the
The length of the sealed section of the air hole varies depending on the diameter of the optical fiber and the wavelength of the pump light, but is approximately 50 mm or less, particularly 0.1 mm to 5 mm, which is an effective and preferable length.
In addition, when pump light is input from the outermost end surface of the terminal fiber, if the air hole is opened at the outermost end surface, the pump light leaks to the opening of the air hole. descend. Therefore, it is preferable to seal from the outermost end surface to a specific length, but when the outer diameter of the support layer is 1 mm and the outer diameter of the second cladding is 600 μm, the preferable sealing section of the air hole is sinθ. = From NA, 0.2 mm to 0.3 mm is preferable.
In the cross section of the
When the length of the terminal fiber is 50 mm or less, the air hole may be sealed over the entire length of the terminal fiber. Moreover, although the air hole of a connection part may be removed for a fixed area, you may connect as it is.
The air holes are preferably sealed by heating the fiber with a burner torch, discharge, laser, or the like.
多層膜によって高反射膜を形成し、ファイバ共振器を構成する場合、その分光特性は、目的に応じて設計すればよいが、例えば、利得媒体ファイバがYb添加ファイバ、ポンプ光の波長が915nmまたは976nmの場合には、1000nmから1150nmまでの波長領域では、ほぼ100%の反射率、850nmから990nmまでの波長領域では、ほぼ100%の透過率を持つといった分光特性が挙げられる。
部分反射膜を形成する場合、その反射率は、レーザの変換効率を高めるために5%〜60%が望ましいが、自励パルスの発生や非線形特性も注意すべきである。
When a highly reflective film is formed by a multilayer film and a fiber resonator is configured, the spectral characteristics may be designed according to the purpose. For example, the gain medium fiber is a Yb-doped fiber, and the pump light wavelength is 915 nm or In the case of 976 nm, spectral characteristics such as a reflectance of almost 100% in the wavelength region from 1000 nm to 1150 nm and a transmittance of almost 100% in the wavelength region from 850 nm to 990 nm can be mentioned.
In the case of forming a partial reflection film, the reflectance is preferably 5% to 60% in order to increase the conversion efficiency of the laser, but attention should be paid to the generation of self-excited pulses and nonlinear characteristics.
端末ファイバの最外端面に施される表面加工としては、目的によって異なるが、機械研磨によるフラット鏡面加工、斜め鏡面加工、レンズ面の加工、端面が最初から鏡面となるようにファイバを切断する方法はダイアモンドブレイドの切断、レーザ切断、ダイヤモンドペンの切断などが挙げられる。 The surface processing applied to the outermost end surface of the end fiber varies depending on the purpose, but flat mirror processing by mechanical polishing, oblique mirror processing, lens surface processing, and method of cutting the fiber so that the end surface is mirrored from the beginning Includes diamond blade cutting, laser cutting, diamond pen cutting, and the like.
利得媒体ファイバと端末ファイバとを接続する方法は、両者の間を光が伝播し得るものであれば特に限定はされない。
例えば、図5(a)に示すように、利得媒体ファイバ1と端末ファイバ2のそれぞれの接続に係る端面同士を全面的に接触させ、融着させて結合する方法、図5(b)に示すように、両者の接続に係る端面同士を部分的に接触させ、融着させて結合する方法(詳細は後述)、または、図5(c)に示すように、両者の接続に係る端面にコネクタを装着し該コネクタ同士を連結する方法などが挙げられる。
光ファイバの端面同士の融着には、公知の融着技術を参照してよく、バーナートーチや放電などが利用可能である。
コネクタによって接続する構成とすることで、端末ファイバの着脱が容易になり、端末ファイバを交換部品として保有しておけば、メンテナンスも容易になる。
The method for connecting the gain medium fiber and the terminal fiber is not particularly limited as long as light can propagate between the two.
For example, as shown in FIG. 5 (a), the end surfaces related to the connection of the
For fusion between the end faces of the optical fibers, a known fusion technique may be referred to, and a burner torch or discharge can be used.
By adopting a configuration in which the connectors are connected, the terminal fibers can be easily attached and detached, and if the terminal fibers are held as replacement parts, the maintenance becomes easy.
上記発明の効果の説明で述べたとおり、利得媒体ファイバと端末ファイバが、互いに同じ断面構造を持ったダブルクラッドファイバである場合、その接続部において、両者のうちの少なくとも一方に対し、所定長さの区間だけ第2クラッド(エアホール構造の場合にはその外側の層も含んでよい)を除去しておけば、第1クラッド中を伝播してきたポンプ光等が端末ファイバに無用に伝播するのを抑制することができる。
図6は、エアークラッド型のダブルクラッドファイバを例として、第2クラッドとその外側の層を除去する態様を示した断面図である。図6に示す端末ファイバ2は、利得媒体ファイバ1と同じ断面構造を持ったエアークラッド型のダブルクラッドファイバである。各部の符号は、図3、図4と同様である。また、図7(a)は、利得媒体ファイバ1の端面1Aを見せた斜視図であり、図7(b)は、そこから第2クラッドと外層を除去した様子を見せた斜視図である。各部の符号は、図3、図6と同様である。
図6(a)の例では、利得媒体ファイバ1と端末ファイバ2が、共に第2クラッドとその外層を除去されている。符号Jは、両者の接続界面(融着面)である。このような態様は、両方の第1クラッドが露出してるので接合のための位置合わせが容易であるというメリットもある。
図6(b)の例では、利得媒体ファイバ1の方だけが第2クラッドと外層を除去されており、図6(c)の例では、端末ファイバ2の方だけが第2クラッドと外層を除去されている。
図6(a)〜(c)のいずれの場合も、除去した第2クラッドの長さの合計xは同様であって、剥離に適した長さxが存在する。該長さxは、利得媒体ファイバの第1クラッドを伝播してきた光が端末ファイバへ伝播し難くなるような値を少なくとも確保すればよい。例えば、一般的なファイバの仕様の一例として、コア径40μm、開口数NA=0.08、サポート層の外径1mm、第2クラッドの外径600μmの場合には、長さxは、2mm以上、特に10mm〜100mmが好ましい範囲である。
除去した第2クラッドの長さの合計xは、光の伝播を抑制する点からは、大きい値であるほど効果があるが、xが大き過ぎると(除去区間が長すぎると)、ファイバが割れやすくなり、取り扱いが困難になる。
As described in the description of the effect of the present invention, when the gain medium fiber and the terminal fiber are double clad fibers having the same cross-sectional structure, at a connection portion, at least one of the two has a predetermined length. If the second clad (which may include the outer layer in the case of an air hole structure) is removed only in this section, pump light or the like propagating through the first clad propagates unnecessarily to the terminal fiber. Can be suppressed.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a mode in which the second clad and its outer layer are removed by taking an air clad double clad fiber as an example. The
In the example of FIG. 6A, the
In the example of FIG. 6B, only the
6A to 6C, the total length x of the removed second cladding is the same, and there is a length x suitable for peeling. The length x may be at least a value that makes it difficult for light that has propagated through the first cladding of the gain medium fiber to propagate to the terminal fiber. For example, as an example of general fiber specifications, when the core diameter is 40 μm, the numerical aperture NA = 0.08, the outer diameter of the support layer is 1 mm, and the outer diameter of the second cladding is 600 μm, the length x is 2 mm or more. In particular, 10 mm to 100 mm is a preferred range.
The larger the total length x of the removed second cladding x, the more effective it is from the point of suppressing light propagation. However, if x is too large (if the removal interval is too long), the fiber will break. It becomes easy and handling becomes difficult.
図6に示した接続部では、第2クラッドと外層を除去したことで、第1クラッドが露出している。この接続部を利用して、利得媒体ファイバの第1クラッド中を伝播してきたポンプ光を効果的に除去するために、または、外界に向かわせるために、第1クラッドの材料よりも屈折率の高い材料(樹脂、オイルなど)によって、露出した第1クラッドを被覆してもよい。
また、接続部に露出した第1クラッド部に、ポンプ光を結合するためのコンバイナーを用いて1以上のポンプ光ファイバを接続すれば、ポンプ光を区間結合しなくてもファイバのみで簡単に結合できる。この構成によれば、ポンプ光が光学膜へ伝播しないために、光学膜が損傷することがなく、安定的にファイバ装置の動作が可能になる。
In the connecting portion shown in FIG. 6, the first cladding is exposed by removing the second cladding and the outer layer. In order to effectively remove the pump light propagating through the first cladding of the gain medium fiber using this connection, or to direct it toward the outside, the refractive index of the first cladding material is higher than that of the first cladding material. The exposed first cladding may be covered with a high material (resin, oil, etc.).
In addition, if one or more pump optical fibers are connected to the first cladding exposed at the connecting portion using a combiner for coupling pump light, it is easily coupled with only the fiber without coupling the pump light. it can. According to this configuration, since the pump light does not propagate to the optical film, the optical film is not damaged, and the fiber device can be stably operated.
上記発明の効果の説明で述べたとおり、利得媒体ファイバと端末ファイバが、互いに同じ断面構造を持ったダブルクラッドファイバである場合、利得媒体ファイバの第1クラッド内を伝播してくる光(ポンプ光など)を吸収する物質を、端末ファイバの第1クラッドにドーパントとして添加しておくのが好ましい態様である。
そのような物質としては、ポンプ光の波長に応じて、Yb、Nd、Er、Tm、および、Ndからなる群から選択された1以上の材料が挙げられる。
As described in the description of the effect of the present invention, when the gain medium fiber and the terminal fiber are double clad fibers having the same cross-sectional structure, light propagating in the first clad of the gain medium fiber (pump light) It is a preferable aspect that a substance that absorbs the above is added as a dopant to the first cladding of the terminal fiber.
Examples of such a substance include one or more materials selected from the group consisting of Yb, Nd, Er, Tm, and Nd according to the wavelength of the pump light.
図1に示すように、利得媒体ファイバ1の両端にそれぞれ端末ファイバ2、3を融着によって接続し、後方励起方式のレーザ装置とした具体例を示す。
入力すべきポンプ光の波長は、915nmであり、発振させるレーザ光の中心波長は1080nmである、
利得媒体ファイバ1と2つの端末ファイバ2、3は、いずれもコアにYb、Alが添加された同一構造のエアホール型ダブルクラッドファイバである。ポンプ光L1を入力する側の端末ファイバ2の最外端面には、フラット鏡面研磨後、SiO2 /Ta2O5からなる多層膜(高反射膜)を形成し、レーザ光L2の出力側の端末ファイバ2の最外端面は、研磨によるミラー面(フレネル反射ミラー)とした。
As shown in FIG. 1, a specific example is shown in which a
The wavelength of the pump light to be input is 915 nm, and the center wavelength of the laser light to be oscillated is 1080 nm.
The
〔端末ファイバの最外端面への光学膜等の加工〕
利得媒体ファイバ1の全長は15m、2つの端末ファイバ2、3の長さは、それぞれ50mmである。
端末ファイバの最外端面は、多層膜に覆われていても、エアホール(第2クラッド)が開口していると、入力ポンプ光の結合効率が低下するので、2つの端末ファイバ共に、外周のファイバ被覆層を剥離した後、端面から300μmの長さまで、エアホールをバナートーチ(放電でもよい)で加熱し封止した。
その後、2つの端末ファイバ共に、最外端面に対して機械研磨を施し、封止長さが250μmになるようにフラット端面とした後に、表面傷を無くすためにフッ酸(HF)処理を1分間行った。
出力側の端末ファイバ3の最外端面は、得られたフラット端面をそのまま反射面として用いた。また、信号光反射側の最外端面には、さらに、電子ビーム蒸着法によって、SiO2 /Ta2O5からなる多層膜を形成した。
該多層膜の分光特性は、1000nmから1150nmまでの波長領域では、ほぼ100%の反射率、850nmから990nmまでの波長領域では、ほぼ100%の透過率を持たせた。
[Processing of optical film, etc. on the outermost end surface of terminal fiber]
The total length of the
Even if the outermost end surface of the terminal fiber is covered with a multilayer film, if the air hole (second clad) is open, the coupling efficiency of the input pump light decreases. After peeling off the fiber coating layer, the air hole was heated with a banner torch (which may be a discharge) from the end face to a length of 300 μm and sealed.
After that, both the two end fibers are subjected to mechanical polishing on the outermost end surface to form a flat end surface with a sealing length of 250 μm, and then treated with hydrofluoric acid (HF) for 1 minute to eliminate surface scratches. went.
As the outermost end face of the
Regarding the spectral characteristics of the multilayer film, the reflectance was almost 100% in the wavelength region from 1000 nm to 1150 nm, and the transmittance was almost 100% in the wavelength region from 850 nm to 990 nm.
〔利得媒体ファイバの両端面への端末ファイバの融着〕
その後、Yb添加ファイバ(利得媒体ファイバ)1に対して、その両端の接続面から長さ2mm程度にわたってエアホールを封止し、同様に、2つの端末ファイバ2、3に対しても、それぞれの接続面から長さ2mm程度にわたってエアホールを封止し、綺麗な断面(平滑な平面形状)が出るように切断し、図1に示すように、2つの端末ファイバ2、3を利得媒体ファイバの両端面に融着によって接合し共振器として、ファイバ型レーザを得た。
[Fusion of terminal fiber to both ends of gain medium fiber]
Thereafter, for the Yb-doped fiber (gain medium fiber) 1, the air holes are sealed over a length of about 2 mm from the connection surfaces at both ends thereof. The air hole is sealed over a length of about 2 mm from the connection surface and cut so that a clean cross section (smooth planar shape) is obtained. As shown in FIG. 1, the two
本実施例では、図1に示す構成のファイバ型レーザにおいて、利得媒体ファイバ1、光学膜4を形成した端末ファイバ2のそれぞれの接続に係る面に対し、図6(a)に示すように、該接続に係る面から20mmまでの区間に渡って樹脂被服を剥いた後、接続に係る面から15mmの位置に、長さ1mm程度のエアホール封止区間を形成した。出力側の端末ファイバ3に対しては、第2クラッドとその外層を除去することはしなかった。
接続に係る面から15mmの位置にエアホール封止区間を形成する目的は、後述するフッ酸溶液でファイバのエアホールをエッチングする際に、フッ酸溶液がエアホールの奥まで入り込んでファイバ特性が劣化するのを防ぐためである。即ち、エアホール封止区間を、エアホールのエッチングのストッパとして利用するためである。
次に、エアホールをエッチングし、簡単に第2クラッドとその外層を除去するために、樹脂被服を剥いた部分をフッ酸溶液にて1時間エッチングした後に、ダイヤモンドブレード、ダイヤモンドペン、レーザなどの石英カッターを用い石英ガラスを傷付け、第2クラッドとその外層を除去し、第1クラッドを露出させ、第1クラッドの露出部分の長さが10mmになるようにその先端部分を切断した。
最後に、利得媒体ファイバ1と2つの端末ファイバ2、3とを、第1クラッド同士をつき合わせて融着させた。
他の加工は、実施例1と同様である。
個々の接続部分における、それぞれの第2クラッドの除去区間の長さxは、10mm×2=20mmである。
エアホール部分を除去することによって、ポンプ光入力側については、第2クラッドを伝播してきたポンプ光が多層膜へ伝播するのを低減させ、高反射膜の劣化を抑制し得ることがわかった。
また、第1クラッドから伝播してきたポンプ光を、除去または外界へ向かわせるために接続部で露出した第1クラッドの外側に、それより屈折率が高い樹脂を被覆することによって、第1クラッドを伝播するポンプ光を、ほぼ全て除去し得ることがわかった。
In this embodiment, in the fiber type laser having the configuration shown in FIG. 1, the
The purpose of forming the air hole sealing section at a position of 15 mm from the connection surface is that when the air hole of the fiber is etched with a hydrofluoric acid solution, which will be described later, the hydrofluoric acid solution penetrates deep into the air hole and the fiber characteristics are reduced. This is to prevent deterioration. That is, the air hole sealing section is used as an air hole etching stopper.
Next, in order to etch the air hole and easily remove the second clad and its outer layer, the part where the resin coat is peeled is etched with a hydrofluoric acid solution for 1 hour, and then a diamond blade, a diamond pen, a laser, etc. The quartz glass was scratched using a quartz cutter, the second cladding and its outer layer were removed, the first cladding was exposed, and the tip portion was cut so that the length of the exposed portion of the first cladding was 10 mm.
Finally, the
Other processing is the same as in the first embodiment.
The length x of the removal section of each second cladding in each connection portion is 10 mm × 2 = 20 mm.
It has been found that, by removing the air hole portion, on the pump light input side, it is possible to reduce the propagation of the pump light propagating through the second cladding to the multilayer film and to suppress the deterioration of the highly reflective film.
Further, the first clad is coated with a resin having a higher refractive index on the outside of the first clad exposed at the connecting portion in order to remove or direct the pump light propagating from the first clad to the outside. It has been found that almost all propagating pump light can be removed.
本実施例では、図1の態様において、光学膜が形成された側の端末ファイバ2として、コア中にYbが含まないものを用い、該端末ファイバ2の第1クラッド中にポンプ光を吸収させるためにYbをドーパントとして添加したこと、出力側の端末ファイバ3のコア中にYb、Alをドーパントとして添加し、開口数NAを0.08としたこと以外は、実施例1と同様にレーザ装置を構成した。
得られたレーザ装置は、915nmのポンプ波長に対し、発振中心波長が1080nmであり、70%の高いスロープ効率、発振パワーが500W以上になっても光学膜が壊れることなく、安定的に動作させ得ることがわかった。
In this embodiment, as the
The obtained laser device has an oscillation center wavelength of 1080 nm with respect to a pump wavelength of 915 nm, high slope efficiency of 70%, and stable operation without breaking the optical film even when the oscillation power exceeds 500 W. I knew I would get it.
本実施例では、ポンプ光入力側の端末ファイバの最外端面に、1080nmの発振光に対する反射率がほぼ100%になるように、SiO2 /Ta2O5多層膜を形成したこと、および、レーザ光出射側の端末ファイバの最外端面には、該端面をフラット加工した後に、レーザ光に対して30%の部分反射率を持つようにSiO2 /Ta2O5多層膜を形成したこと以外は、実施例1と同様にレーザ装置を構成した。
得られたレーザ装置は、915nmのポンプ波長に対し、発振中心波長が1080nmであり、かつ、75%の高いスロープ効率であり、発振パワーが500W以上になっても光学膜が壊れることなく、安定的に動作させ得ることがわかった。
In this example, the SiO 2 / Ta 2 O 5 multilayer film was formed on the outermost end face of the terminal fiber on the pump light input side so that the reflectance with respect to the oscillation light of 1080 nm was almost 100%, and A SiO 2 / Ta 2 O 5 multilayer film was formed on the outermost end surface of the terminal fiber on the laser beam emission side so as to have a partial reflectance of 30% with respect to the laser beam after flattening the end surface. Except for the above, a laser apparatus was configured in the same manner as in Example 1.
The obtained laser device has an oscillation center wavelength of 1080 nm and a high slope efficiency of 75% with respect to the pump wavelength of 915 nm, and is stable without breaking the optical film even when the oscillation power is 500 W or more. It was found that it can be operated automatically.
本実施例では、2つの端末ファイバと利得媒体ファイバとのそれぞれの接続端部に着脱自在のファイバコネクタを装着し、それによって接続を行うようにしたこと以外は、実施例4と同様にレーザ装置を構成した。
高反射膜付き端部と反対の側にファイバコネクタを付けることにより、融着加工なしで共振器を容易に構成できるようになった。更に、ファイバコネクタによる着脱可能な構成としたことにより、多層膜が破損した場合でも、利得媒体ファイバの端面を直接加工するような手間がいらず、簡単に取り替えることができるために修理時間が短縮されることもわかった。
また、増幅ファイバ装置の応用に関しても光学膜を高反射膜から反射防止膜に変更される以外は前述した技術と同様であり、同じ効果が得られる。
In this embodiment, a laser device is provided in the same manner as in
By attaching a fiber connector to the side opposite to the end portion with the highly reflective film, it has become possible to easily construct a resonator without fusing. In addition, because the fiber connector can be attached and detached, even if the multilayer film is damaged, the end face of the gain medium fiber is not required to be processed directly and can be easily replaced, reducing the repair time. I also found out that
The application of the amplification fiber device is the same as that described above except that the optical film is changed from a highly reflective film to an antireflective film, and the same effect can be obtained.
本発明によって、光ファイバ型のレーザ装置や増幅器において、利得媒体ファイバの端面に直接的に形成された光学膜や処理加工面の利点はそのままに、該光学膜等を低コストで容易に製造や補修ができるようになり、また、その光学膜の品質は、より安定するようになった。 According to the present invention, in an optical fiber type laser device or amplifier, the optical film or the like directly formed on the end face of the gain medium fiber can be easily manufactured at low cost while maintaining the advantages of the optical film and processing surface. Repairs can now be made, and the quality of the optical film has become more stable.
1 利得媒体ファイバ
1A 一方(ポンプ光入力側)の端面
1B 他方(レーザ光出力側)の端面
2 一方の端部ファイバ
2a 最外端面
3 他方の端部ファイバ
3a 最外端面
4 光学膜
L1 ポンプ光
L2 レーザ光
DESCRIPTION OF
Claims (9)
該端末ファイバには、利得媒体ファイバとの接続に係る端面の側とは反対側の端面に、光学膜が形成されているかまたは表面加工が施されている、
光ファイバ装置。 An optical fiber having a length of 500 mm or less is connected to at least one end face of the gain medium fiber as a terminal fiber;
The terminal fiber is formed with an optical film on the end face opposite to the end face side relating to the connection with the gain medium fiber or is subjected to surface processing.
Optical fiber device.
(i)利得媒体ファイバと端末ファイバの接続に係る端面同士を接触させ融着させてなる接続であるか、
(ii)利得媒体ファイバと端末ファイバのそれぞれの接続に係る端面にコネクタを装着し、それらコネクタ同士を連結することによる接続である、
請求項1記載の光ファイバ装置。 The connection between the gain medium fiber and the terminal fiber is
(I) is a connection formed by contacting and fusing the end faces relating to the connection of the gain medium fiber and the terminal fiber,
(Ii) It is a connection by attaching a connector to the end face related to each connection of the gain medium fiber and the terminal fiber, and connecting the connectors together.
The optical fiber device according to claim 1.
利得媒体ファイバと端末ファイバとの接続が、両者のうちの少なくとも一方に対し、その接続に係る端面から所定の長さまで、第2クラッドとその外側の層を除去して第1クラッドを露出させ、両者の接続に係る端面同士を接触させ融着させてなる接続である、
請求項1記載の光ファイバ装置。 The gain medium fiber is a double clad fiber, and the end fiber is a double clad fiber having the same layer structure as the gain medium fiber in a cross-sectional structure;
The connection between the gain medium fiber and the terminal fiber is removed from at least one of the two ends from the end face related to the connection to a predetermined length, and the first cladding is exposed by removing the second cladding and the outer layer; It is a connection made by contacting and fusing the end faces related to the connection between the two,
The optical fiber device according to claim 1.
端末ファイバは、利得媒体ファイバとの接続に係る端面の側とは反対側の端面から所定の長さまでエアホールが封止されている、
請求項1に記載の光ファイバ装置。 The gain medium fiber is an air hole type double clad fiber having an air hole as a second clad, and the end fiber is an air hole type double clad fiber having the same layer structure as the gain medium fiber in a cross-sectional structure;
The terminal fiber has an air hole sealed to a predetermined length from the end surface opposite to the end surface side related to the connection with the gain medium fiber.
The optical fiber device according to claim 1.
該端末ファイバの第1クラッドには、利得媒体ファイバの第1クラッド内を伝播して該端末ファイバの第1クラッドに入る光を吸収する物質が添加されている、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の光ファイバ装置。 The gain medium fiber is a double clad fiber, and the end fiber is a double clad fiber having the same layer structure as the gain medium fiber in a cross-sectional structure;
The first cladding of the terminal fiber is added with a substance that absorbs light that propagates through the first cladding of the gain medium fiber and enters the first cladding of the terminal fiber.
The optical fiber device according to any one of claims 1 to 7.
該光ファイバ装置の端末ファイバとして用いられ得る長さ500mm以下の光ファイバを用意し、その一方の端面に光学膜を形成するかまたは表面加工を施した後、前記光ファイバの他方の端面を、利得媒体ファイバの端面に接続し端末ファイバとすることを特徴とする、前記製造方法。 It is a manufacturing method of the optical fiber device according to any one of claims 1 to 8,
An optical fiber having a length of 500 mm or less that can be used as a terminal fiber of the optical fiber device is prepared, and after forming an optical film on one end face or performing surface processing, the other end face of the optical fiber is The manufacturing method according to claim 1, wherein the end fiber is connected to an end face of the gain medium fiber.
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