JP2013174583A - 光パワーモニタ装置、ファイバレーザ、及び光パワーモニタ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定されるパワーの変動が小さく、光ファイバの出力光のパワーを精度良く特定することが可能な光パワーモニタ装置を実現する。
【解決手段】光ファイバＦ２の側面から漏れ出した光のパワーを光検出器１６によって測定する。この際、光ファイバＦ２と光検出器１６との間に介在する散乱体１３を用い、光ファイバＦ２の側面から漏れ出して散乱体１３に入射した光の伝播方向をランダム化する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバの側面から漏れ出した光のパワーを光検出器によって測定する光パワーモニタ装置及び光パワーモニタ方法に関する。また、そのような光ファイバモニタ装置を備えたファイバレーザに関する。

通信や加工などに用いるレーザ光を伝送する伝送媒体として、光ファイバが広く用いられている。また、光ファイバから出力される出力光のパワーをモニタするために、光パワーモニタ装置が用いられている。光パワーモニタ装置により検出された出力光のパワーは、例えば、光ファイバに入射させる光の強度を調整したり、光ファイバにおいて生じた障害を検出したりするために利用される。

光パワーモニタ装置の典型的な構成として、（１）光ファイバの出射端面から出力された出力光の一部を取り出し、そのパワーを光検出器によって測定する構成と、（２）光ファイバの側面から漏れ出した漏れ光のパワーを光検出器によって測定する構成とが挙げられる。加工用のファイバレーザなど、光ファイバの出力端面付近に光検出器等の構成を付加するのが困難な場合には、後者の構成が採用されることになる。通常、光ファイバの側面から漏れ出す漏れ光のパワーは、光ファイバの出射端面から出力される出力光のパワーに比例する。このため、後者の構成であっても、漏れ光のパワーから出力光のパワーを特定することが可能である。

後者の構成を開示した先行技術文献としては、特許文献１〜２が挙げられる。特許文献１には、融着接続点の近傍において光ファイバの側面から漏れ出した光のパワーを、この融着接続点の近傍に配置された光検出器で測定する構成が開示されている。また、特許文献２には、融着接続点の近傍において光ファイバの側面から漏れ出した光を、この融着接続点の近傍に入射端面が配置されたモニタ用光ファイバで受け、このモニタ用光ファイバの出射端面から出力される光のパワーを光検出器で測定する構成が開示されている。

特開平１０−２２４３０４号公報（１９９８年８月２１日公開） 特開２００６−２９２６７４号公報（２００６年１０月２６日公開）

しかしながら、光ファイバの側面から漏れ出した漏れ光のパワーを測定する従来構成では、融着接続点と光検出器との相対位置（特許文献１に記載の構成の場合）、又は、融着接続点とモニタ用光ファイバの入射端面との相対位置（特許文献２に記載の構成の場合）に位置ズレが生じると、測定される漏れ光のパワーが大きく変動してしまい、その結果、漏れ光のパワーと出力光のパワーとの相関関係が崩れてしまうという問題があった。このため、特許文献１〜２に記載の構成では、漏れ光のパワーから出力光のパワーを精度良く特定することができなかった。

測定される漏れ光のパワーが上述した位置ズレにより大きく変動してしまう理由は、以下のとおりである。すなわち、光ファイバを伝播するレーザ光はコヒーレンスが高いため、光ファイバの側面から漏れ出した漏れ光同士の間で干渉が起こる。そして、これらの干渉によって、融着接続点の近傍で測定される光のパワーに空間的な斑（すなわち、干渉縞）が生じる。そして、融着接続点の近傍で測定される光の強弱の周期（すなわち、干渉縞の周期）が光検出器の受光面のサイズと同程度である場合、上述した相対位置に位置ズレが生じると、測定される漏れ光のパワーが大きく変動してしまう。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバの側面から漏れ出した光のパワーを光検出器によって測定する光パワーモニタ装置において、測定されるパワーの変動が従来よりも小さく、その結果、光ファイバの出力光のパワーを従来よりも精度良く特定することが可能な光パワーモニタ装置を実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る光パワーモニタ装置は、光ファイバの側面から漏れ出した光のパワーを光検出器によって測定する光パワーモニタ装置において、上記光ファイバと上記光検出器との間に介在する散乱体であって、上記光ファイバの側面から漏れ出して当該散乱体に入射した光の伝播方向をランダム化する散乱体を備えている、ことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る光パワーモニタ方法は、光ファイバの側面から漏れ出した光のパワーを光検出器によって測定する光パワーモニタ方法であって、上記光ファイバと上記光検出器との間に介在する散乱体を用い、上記光ファイバの側面から漏れ出して当該散乱体に入射した光の伝播方向をランダム化する工程を含んでいる、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、上記光ファイバの側面から漏れ出した光の伝播方向が上記散乱体によってランダム化されるので、上記光検出器の周囲に干渉縞が生じたとしても、その周期は光検出器の受光面のサイズと比べて著しく小さいものになる。したがって、上記光ファイバと上記光検出器との間の相対位置に位置ズレが生じても、上記光検出器によって測定される光の強度が大きく変動することはない。このため、光ファイバの出力光のパワーを従来よりも精度良く特定することが可能な光パワーモニタ装置を実現することができる。

本発明に係る光パワーモニタ装置において、上記光ファイバは、該光ファイバのクラッドよりも屈折率の高い高屈折率樹脂に埋設されており、上記散乱体は、上記高屈折率樹脂と上記光検出器との間に介在している、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記光ファイバが上記高屈折率樹脂に埋設されているので、融着接続点等でコアからクラッドへと漏れ出した光は、クラッドに閉じ込められることなく上記高屈折率樹脂に入射する。そして、上記高屈折率樹脂に入射した光は、上記散乱体によって伝播方向がランダム化された後、上記光検出器へと入射する。このように、上記の構成によれば、融着接続点等でコアからクラッドへと漏れ出した光を効率良く上記光検出器に入射させることができる。

本発明に係る光パワーモニタ装置において、上記散乱体には、上記光ファイバを配置するための溝が形成されており、上記高屈折率樹脂は、上記溝を満たしている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記溝に流し込まれた未硬化状態の上記高屈折率樹脂を硬化させることによって、上記高屈折率樹脂を成形することができる。この場合、上記高屈折率樹脂と上記散乱体との間に隙間（空気層）が生じ難いので、上記高屈折率樹脂から上記散乱体へと効率的に光を入射させることができる。したがって、上記の構成によれば、融着接続点等でコアからクラッドへと漏れ出した光を効率良く上記光検出器に入射させることができる。

本発明に係るパワーモニタ装置において、上記散乱体には、上記光ファイバを配置するための貫通孔が形成されており、上記高屈折率樹脂は、上記貫通孔を満たしている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記貫通孔に流し込まれた未硬化状態の上記高屈折率樹脂を硬化させることによって、上記高屈折率樹脂を成形することができる。この場合、上記高屈折率樹脂と上記散乱体との間に隙間（空気層）が生じ難いので、上記高屈折率樹脂から上記散乱体へと効率的に光を入射させることができる。したがって、上記の構成によれば、融着接続点等でコアからクラッドへと漏れ出した光を効率良く上記光検出器に入射させることができる。

本発明に係る光パワーモニタ装置において、上記散乱体の線膨張係数は、上記高屈折率樹脂の線膨張係数よりも小さい、ことが好ましい。

上記高屈折率樹脂が上記散乱体に形成された溝を満たしている場合、上記の構成によれば、上記高屈折率樹脂は、各断面において、当該高屈折率樹脂よりも線膨張係数の小さい上記散乱体に、開口方向を除く方向（上記光検出器が配置されている方向を含む）を取り囲まれることになる。また、上記高屈折率樹脂が上記散乱体に形成された貫通孔を満たしている場合、上記高屈折率樹脂は、各断面において、当該高屈折率樹脂よりも線膨張係数の小さい上記散乱体に、全方向を取り囲まれることになる。したがって、環境温度の変化等に伴い上記高屈折率樹脂が熱膨張又は熱収縮した際に、上記光ファイバの側面から漏れ出し、上記光検出器に入射する光の光路を大きく変化させるように上記高屈折率樹脂が変形することを有効に回避することができる。つまり、上記の構成によれば、環境温度が変化しても、モニタ結果（上記光検出器が検出する光強度）が大きく変動することのない光パワーモニタ装置を実現することができる。

本発明に係る光パワーモニタ装置において、上記光ファイバは、少なくとも２本の光ファイバを融着接続したものであり、上記光検出器は、上記２本のファイバの融着接続点よりも信号光の出力側に配置されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記光検出器は、融着接続点においてコアからクラッドへと漏れ出した信号光のうち、光ファイバの入力側から出力側に伝播する信号光を検出することができる。したがって、上記の構成によれば、光ファイバの出力光のパワーを特定することが可能な光パワーモニタ装置を実現することができる。

本発明に係る光パワーモニタ装置において、上記光ファイバは、少なくとも２本の光ファイバを融着接続したものであり、上記光検出器は、上記２本のファイバの融着接続点よりも信号光の入力側に配置されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記光検出器は、融着接続点においてコアからクラッドへと漏れ出した反射光のうち、光ファイバの出力側から入力側に伝播する反射光を検出することができる。したがって、上記の構成によれば、光ファイバの反射光のパワーを特定することが可能な光パワーモニタ装置を実現することができる。

本発明に係る光パワーモニタ装置は、上記散乱体と上記光検出器との間に介在するレンズであって、上記散乱体によって伝播方向がランダム化された光を上記光検出器に集めるレンズを更に備えている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記散乱体によって伝播方向がランダム化された光を更に効率よく上記光検出器に入射させることができる。

本発明に係る光パワーモニタ装置において、上記散乱体は、結晶化ガラスにより構成されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記光ファイバの側面から漏れ出して上記散乱体に入射した光の伝播方向を確実にランダム化することができる。

なお、伝送媒体として機能する光ファイバに本発明に係る光パワーモニタ装置が挿入されたファイバレーザも本発明の範疇に含まれる。このようなファイバレーザにおいては、出力光のパワーを従来よりも精度良くモニタすることができるので、例えば、出力光のパワーを従来よりも精度良くフィードバック制御することが可能になる。

本発明によれば、光ファイバの側面から漏れ出した光のパワーを測定する光パワーモニタ装置において、測定されるパワーの変動が小さく、その結果、光ファイバの出力光のパワーを精度良く特定することが可能な光パワーモニタ装置を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る光パワーモニタ装置の構成を示す三面図である。 図１に示す光パワーモニタ装置の断面を示す断面図である。 （ａ）は、図１に示す光パワーモニタ装置から散乱体を取り去ったものの要部構成を示す断面図である。（ｂ）は、図１に示す光パワーモニタ装置の要部構成を示す断面図である。 図１に示す光パワーモニタ装置を含むファイバレーザの構成を示すブロック図である。 図１に示す光パワーモニタ装置から得られるモニタ電圧と、図４に示すファイバレーザから得られるファイバレーザ出力との相関関係を示すグラフである。 図１に示す光パワーモニタ装置から得られるモニタ電圧と、図４に示すファイバレーザから得られるファイバレーザ出力とを、それぞれ、リアルタイム測定した結果を表すグラフである。 図１に示す光パワーモニタ装置の断面を示す断面図である。（ａ）は、環境温度の変化による高屈折率樹脂の熱変形（熱膨張／熱収縮）の様子を示す。（ｂ）は、散乱体の下面（溝が形成されている面と反対側の面）側に光検出器を配置する構成を示す。（ｃ）は、散乱体の上面（溝が形成されている面）側に光検出器を配置する構成を示す。 図１に示す光パワーモニタ装置において、光検出器を散乱体の下面側に配置する場合、及び、光検出器を散乱体の上面側に配置する場合における、モニタ結果の環境温度依存性を示すグラフである。 （ａ）は、図１に示す光パワーモニタ装置の断面図である。（ｂ）は、光パワーモニタ装置の第１の変形例を示す断面図である。（ｃ）は、光パワーモニタ装置の第２の変形例を示す断面図である。 （ａ）は、図１に示す光パワーモニタ装置の部分断面図であり、（ｂ）〜（ｆ）は、図１に示す光パワーモニタ装置の変形例を示す部分断面図である。特に、（ｂ）〜（ｄ）は、散乱体に形成された溝を高屈折率樹脂で満たす構成に示し、（ｅ）〜（ｆ）は、散乱体に形成された貫通孔を高屈折率樹脂で満たす構成を示す。

本発明に係る光パワーモニタ装置の一実施形態について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施形態に係る光パワーモニタ装置は、ファイバレーザを構成する光ファイバに挿入され、該ファイバレーザの出力を特定するために利用される。ただし、本発明に係る光パワーモニタ装置の用途は、これに限定されるものではない。

なお、本明細書においては、直方体を構成する６つの面のうち、最大の面積を有する２つの面を「主面」と呼び、主面以外の４つの面を「側面」と呼ぶ。２つの主面を互いに区別する必要があるときには、一方を「上面」と呼び、他方を「下面」と呼ぶ。また、４つの側面を互いに区別する必要があるときには、ある側面を「前側面」と呼び、前側面に対向する側面を「後側面」と呼び、後側面から前側面を見たときに右側に位置する側面を「右側面」と呼び、右側面に対向する側面を「左側面」と呼ぶ。板状部材を構成する６つの面についても、同様とする。ただし、これらの呼称は、空間における直方体や板状部材の配置について、何ら制約を課すものではない。

〔光パワーモニタの構成〕
本実施形態に係る光パワーモニタ装置１の構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、光パワーモニタ装置１の構成を示す三面図（左上：上面図、右上：前側面図、左下：右側面図）である。図２は、光パワーモニタ装置１のＡＡ’断面を示す断面図である。

光パワーモニタ装置１は、光ファイバＦ１〜Ｆ２の側面から漏れ出した光のパワーをモニタするための装置であり、図１に示すように、台座１１と、溝付板１２と、散乱体１３と、蓋板１４と、光検出器固定ブロック１５と、光検出器１６とを備えている。なお、図１における上面図では、光パワーモニタ装置１の内部構造を明らかにするために、蓋板１４を省略している。

台座１１は、図１に示すように、主面が長方形の板状部材であり、例えば、表面が黒アルマイト処理されたアルミニウム等の金属により構成される。溝付板１２から左右に迫り出した台座１１の外縁には、ネジ穴１１ａが形成されている。このネジ穴１１ａを貫通するネジによって、光パワーモニタ装置１をファイバレーザ装置に固定することができる。もちろん、光パワーモニタ装置１のファイバレーザ装置への固定には、ネジ止め以外の固定方法を用いることも可能であり、このような場合、ネジ穴１１ａは省略し得る。

溝付板１２は、図１に示すように、主面が長方形の板状部材であり、例えば、表面が黒アルマイト処理されたアルミニウム等の金属により構成される。溝付板１２は、その主面の長辺が台座１１の主面の長辺と平行になるよう、台座１１上に配置される。そして、溝付板１２の下面は、台座１１の上面に固定（例えば接着）される。なお、溝付板１２の主面の長辺は、台座１１の主面の長辺と同長であり、溝付板１２の主面の短辺は、台座１１の主面の短辺よりも短い。

溝付板１２の上面には、図１に示すように、溝付板１２の前側面から後側面に到る溝１２ａが、溝付板１２の主面の長辺と平行に形成されている。このため、溝付板１２においては、その主面の長辺と直交する任意の断面について、その形状が凹字状になる。

散乱体１３は、図１に示すように、直方体状の部材であり、例えば、ネオセラム（登録商標）等の結晶化ガラスにより構成される。散乱体１３は、その主面の長辺が溝付板１２の主面の長辺と平行になるよう、溝１２ａ内に配置される。そして、散乱体１３の下面は、溝１２ａの底面に固定（例えば接着）される。なお、散乱体１３の主面の長辺及び短辺は、それぞれ、溝１２ａの底面の長辺及び短辺よりも短い。

散乱体１３の上面には、図１に示すように、散乱体１３の前側面から後側面に到る溝１３ａが、散乱体１３の主面の長辺と平行に形成されている。このため、散乱体１３においては、その主面の長辺と直交する断面の形状が凹字状になる。この散乱体１３の機能については、参照する図面を代えて後述する。

散乱体１３の溝１３ａ内には、図１に示すように、端面同士が融着接続された光ファイバＦ１と光ファイバＦ２とが配置される。そして、光ファイバＦ１は、散乱体１３の後側面近傍において、接着剤１３ｂ１によって散乱体１３に固定され、また、溝付板１２の後側面近傍において、接着剤１２ｂ１によって溝付板１２に固定される。同様に、光ファイバＦ２は、散乱体１３の前側面近傍において、接着剤１３ｂ２によって散乱体１３に固定され、また、溝付板１２の前側面近傍において、接着剤１２ｂ２によって溝付板１２に固定される。更に、散乱体１３の溝１３ａ内は、高屈折率樹脂１３ｃによって満たされる。

蓋板１４は、図１に示すように、主面が長方形の板状部材であり、例えば、表面が黒アルマイト処理されたアルミニウム等の金属により構成される。蓋板１４は、溝１２ａを覆うよう、溝付板１２上に配置される。そして、蓋板１４の下面は、溝付板１２の上面（溝１２ａ以外の部分）に固定（例えば接着）される。これにより、溝１２ａに入射する外光が遮られ、溝１２ａ内に暗室状態が実現される。

図２に示すように、上述した台座１１には、開口１１ｂが形成されている。同様に、上述した溝付板１２にも、開口１２ｃが形成されている。開口１１ｂと開口１２ｃとは、互いに重なり合い、溝付板１２の上面から台座１１の下面に至る貫通孔を構成している。このため、光ファイバＦ１〜Ｆ２の側面から漏れ出した光は、高屈折率樹脂１３ｃ及び散乱体１３を透過した後、この貫通孔を通って、溝付板１２の下方に出射される。なお、本実施形態においては、開口１１ｂ及び開口１２ｃの形状を長方形としている。また、光検出器１６に入射すべき光が開口１１ｂ及び開口１２ｃの縁によって遮られることがないよう、開口１１ｂ及び開口１２ｃの各辺の長さを光検出器１６の受光面（円形）の直径よりも長くしている。ただし、開口１１ｂ及び開口１２ｃは、光検出器１６の受光面より広く、かつ、光検出器固定ブロック１５の台座当接面より狭いものであればよく、上述した形状に限定されるものではない。

なお、図１に示すように、光ファイバＦ１〜Ｆ２は、融着接続点Ｐの近傍において、その被覆を剥がれている。したがって、光ファイバＦ１〜Ｆ２が、コアと、このコアを取り囲むクラッドとの２層構造を有している場合、このクラッドが高屈折率樹脂１３ｃと直接接触することになる。この場合、高屈折率樹脂１３ｃとして、このクラッドよりも屈折率の高い樹脂を用いる。これにより、融着接続点Ｐにおいてコアからクラッドに漏れ出した光は、クラッドに閉じ込められることなく、光ファイバＦ２の側面から高屈折率樹脂１３ｃに漏れ出してくる。光ファイバＦ１〜Ｆ２が３層以上の多層構造を有している場合であっても、高屈折率樹脂１３ｃとして、最外層のクラッドよりも屈折率の高い樹脂を用いれば、同様の現象が起こる。

台座１１の下面側には、図２に示すように、光検出器１６が配置される。光検出器１６は、開口１１ｂ及び開口１２ｃの真下に位置し、光ファイバＦ２の側面から漏れ出した光を受ける。本実施形態においては、特に、光検出器１６の前にレンズ１７を配置し、光ファイバＦ２の側面から漏れ出した光を効率的に光検出器１６に入射させている。なお、本実施形態においては、光検出器１６として赤外用フォトダイオードを用いている。

光検出器１６は、図２に示すように、光検出器固定ブロック１５によって台座１１に固定される。光検出器固定ブロック１５は、光検出器１６を固定する機能に加え、図２からも分かるように、光検出器１６を含む空間を四方から取り囲むことによって、外光が光検出器１６に入射することを防ぐ機能を担っている。なお、光検出器固定ブロック１５は、図１に示すように、直方体状の部材であり、例えば、アルミニウム等の金属によって構成される。

光検出器１６は、図１に示すように、融着接続点Ｐの真下ではなく、融着接続点Ｐよりも光ファイバＦ２側に配置されている点に留意されたい。これは、信号光の伝播方向が光ファイバＦ１から光ファイバＦ２へと向かう方向であり、融着接続点Ｐにおいてコアからクラッドへと漏れ出した光は、主に、光ファイバＦ２の側面から高屈折率樹脂１３ｃ内へと漏れ出してくるためである。

なお、本実施形態においては、溝１２ａ内で光ファイバＦ１〜Ｆ２を埋設するための部材として、高屈折率樹脂１３ｃを用いているが、これに限定されるものではない。すなわち、光ファイバＦ１〜Ｆ２のクラッド（最外周クラッド）よりも屈折率の高い透明材料であれば、如何なる材料であっても、高屈折率樹脂１３ｃの代替物として利用することができる。例えば、光ファイバＦ１〜Ｆ２のクラッド（最外周クラッド）よりも屈折率の高いガラスは、このような代替物の一例である。ただし、高屈折率樹脂１３ｃには、溝１２ａに流し込んでから硬化させることができ、予め成形された部材を溝１２ａに嵌め込む構成と比べて溝１２ａとの界面に隙間（空気層）を生じ難いという利点がある。

〔散乱体の機能〕
次に、光パワーモニタ装置１が備えている散乱体１３の機能について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は、散乱体１３を省略した光パワーモニタ装置１の要部構成を示す断面図であり、図３（ｂ）は、散乱体１３を含む光パワーモニタ装置１の要部構成を示す断面図である。

まず、融着接続点Ｐにおいてコアからクラッドに漏れ出した光は、クラッドに閉じ込められることなく、光ファイバＦ２の側面から高屈折率樹脂１３ｃに漏れ出してくる。これは、上述したように、高屈折率樹脂１３ｃの屈折率が光ファイバＦ１〜Ｆ２のクラッドの屈折率よりも高いためである。

図３（ａ）に示すように、散乱体１３が存在しない場合、高屈折率樹脂１３ｃに入射した光は、高屈折率樹脂１３ｃ内を伝播した後、高屈折率樹脂１３ｃを取り囲む空気中に入射する。そして、空気中に入射した光は、直接、あるいは、溝１２ａ及び開口１２ｃを取り込む側壁にて反射された後、光検出器１６に入射する。

この際、これらの光同士が互いに干渉し合い、光検出器１６の近傍で測定される光のパワーに空間的な斑（すなわち、干渉縞）が生じる。例えば、図３（ａ）に示す直線Ｌ上の各点で光のパワーを測定すると、空間的に振動する（強度が高い部分と強度が低い部分とが混在した）プロファイルが得られる。光検出器１６の近傍で測定される光の強弱の周期（すなわち、干渉縞の周期）が光検出器１６の受光面のサイズと同程度である場合、光検出器１６に僅かでも位置ズレが生じると、光検出器１６から出力される光電流の強度が大きく変化してしまうことになる。融着接続点Ｐに位置ズレが生じた場合も同様である。

一方、図３（ｂ）に示すように、高屈折率樹脂１３ｃの周囲に散乱体１３が存在している場合、高屈折率樹脂１３ｃから散乱体１３に入射した光は、散乱体１３によって伝播方向がランダム化された後、光検出器１６に入射する。この場合、光検出器１６に入射する光の伝播方向がランダム化されているので、光検出器１６の周囲に干渉縞が生じたとしても、その周期は光検出器１６の受光面のサイズと比べて著しく小さいものになる。したがって、光検出器１６に僅かな位置ズレが生じても、光検出器１６から出力される光電流の強度が大きく変化することはない。融着接続点Ｐに位置ズレが生じた場合も同様である。

なお、散乱体１３の溝１３ａの底の厚みは、散乱体１３に入射する光の伝播方向を十分にランダム化できる程度に厚く、かつ、十分な強度の光が散乱体１３から出射される程度に薄く設定する。本実施形態においては、散乱体１３の溝１３ａの底の厚みを２ｍｍとしている。

なお、散乱体１３は、上述したように、結晶化ガラスにより構成することができる。結晶化ガラスは、正の熱膨張率を有するガラス中に負の熱膨張率を有する微小結晶を含有させることよって得られる耐熱ガラスの一種である。結晶化ガラスが上述した散乱作用を有するのは、ガラス内を伝播する光を微小結晶がランダムな方向に反射するためである。

上記の説明からも明らかなように、結晶化ガラスは、散乱体１３の材料の一例に過ぎず、入射した光の伝播方向をランダム化して出射する機能を有する任意の材料に置換可能である。例えば、ガラスの粉末を練り込んだ樹脂など、モニタしようとする光の波長と同程度のサイズを有する構造物を含有する透明材料であれば、散乱体１３の材料として利用することができる。なお、ここでいう透明材料とは、モニタすべき信号光と同一の波長を有する光について、実質的な損失要因が散乱及び反射のみである材料、すなわち、吸収が実質的な損失要因とならない材料のことを指す。

〔光検出器の配置〕
本実施形態に係る光パワーモニタ装置１においては、光検出器１６を散乱体１３の下面（溝１３ａが形成されている面と反対側の面）側に配置する構成（図２参照）が採用されている。このような構成は、散乱体１３の線膨張係数が高屈折率樹脂１３ｃの線膨張係数よりも小さい場合、光検出器１６を散乱体１３の上面（溝１３ａが形成されている面）側に配置する構成よりも有利である。何故なら、モニタ結果（光検出器１６により検出される光の強度）の環境温度依存性が小さいからである。以下、光検出器１６を散乱体１３の下面側に配置した方がモニタ結果の環境温度依存性が小さくなる理由について、図７及び図８を参照して説明する。

図７（ａ）は、光パワーモニタ装置１のＡＡ’断面を示す断面図であり、環境温度の変化による高屈折率樹脂１３ｃの熱変形（熱膨張／熱収縮）の様子を示している。

環境温度が上昇すると、散乱体１３及び高屈折率樹脂１３ｃは共に熱膨張する。このとき、散乱体１３の線膨張係数が高屈折率樹脂１３ｃの線膨張係数よりも小さければ、散乱体１３に形成された溝１３ａを満たす高屈折率樹脂１３ｃは、主に上下方向（溝１３ａの深さ方向）に伸張することになる。その結果、高屈折率樹脂１３ｃの表面（高屈折率樹脂１３ｃと空気層との界面）は、図７（ａ）に点線で示すように凸状に変形する。

一方、環境温度が低下すると、散乱体１３及び高屈折率樹脂１３ｃは共に熱収縮する。このとき、散乱体１３の線膨張係数が高屈折率樹脂１３ｃの線膨張係数よりも小さければ、散乱体１３に形成された溝１３ａを満たす高屈折率樹脂１３ｃは、主に上下方向（溝１３ａの深さ方向）に萎縮することになる。その結果、高屈折率樹脂１３ｃの表面（高屈折率樹脂１３ｃと空気層との界面）は、図７（ａ）に鎖線で示すように、凹状に変形する。

このような熱変形が生じるのは、高屈折理樹脂１３ｃの表面のうち、散乱体１３と接触していない表面、すなわち、高屈折率樹脂１３ｃの上面のみである。高屈折理樹脂１３ｃの表面のうち、散乱体１３と接触している表面、すなわち、高屈折率樹脂１３ｃの下面及び側面においては、このような熱変形が生じることはない。したがって、高屈折率樹脂１３ｃの熱膨張又は熱収縮が生じたとしても、高屈折率樹脂１３ｃの下面又は側面を介して高屈折率樹脂１３ｃから出射される光の光路が大きく変化することはない。このため、図７（ｂ）に示すように散乱体１３の下面（溝１３ａが形成されている面と反対側の面）側に光検出器１６を配置した場合、環境温度の変化に伴う高屈折率樹脂１３ｃの熱膨張又は熱収縮が生じたとしても、光ファイバＦ２の側面から漏れ出す光強度が一定であれば、光検出器１６により検出される光の強度が大きく変動することはない。なお、散乱体１３の側面側に光検出器１６を配置した場合にも、同様の効果が得られる。

実際、散乱体１３の材料として用いられる結晶化ガラスの線膨張係数は、１０^−７ｃｍ／ｃｍ・Ｋ程度である。したがって、例えば、環境温度が１０℃変化したとの散乱体１３の膨張量（１ｃｍあたり）は、信号光の波長（≒０．１μｍ）の１００分の１程度になる。このため、環境温度が変動した際に図７（ｂ）に示す構成において生じる光路変化は、モニタ強度を左右する因子として無視することができる。

一方、図７（ｃ）に示すように散乱体１３の上面（溝１３ａが形成されている面）側に光検出器１６を配置した場合、環境温度の変化に伴う高屈折率樹脂１３ｃの熱変形が生じると、光ファイバＦ２から漏れ出す光強度が一定であっても、光検出器１６により検出される光の強度が大きく変動する。何故なら、環境温度の変化に伴う高屈折率樹脂１３ｃの熱変形が生じると、光ファイバＦ２の側面から漏れ出し、散乱体１３の上面側に出射される光の光路が大きく変化するからである。

実際、高屈折率樹脂１３ｃの材料として用いられる光学樹脂の線膨張係数は、１０^−４ｃｍ／ｃｍ・Ｋ程度である。したがって、例えば、環境温度が１０℃変化したとの高屈折率樹脂１３ｃの膨張量（１ｃｍあたり）は、信号光の波長（≒０．１μｍ）の１０倍程度になる。このため、環境温度が変化した際に図７（ｃ）に示す構成において生じる光路変化は、モニタ強度を左右する因子として無視することができない。

このように、光検出器１６を散乱体１３の下面側に配置する構成を採用することによって、光ファイバＦ２から漏れ出す光強度が一定であるにも関わらず、モニタ結果（光検出器１６により検出される光の強度）が大きく変動してしまうという問題を、有効に回避することができる。

図８は、光検出器１６を散乱体１３の下面側（図８において「散乱体側」）に配置する場合、及び、光検出器１６を散乱体１３の上面側（図８において「樹脂側」）に配置する場合における、モニタ結果の環境温度依存性を示すグラフである。なお、図８においては、環境温度２５℃において光検出器１６が検出した光強度をＡ、環境温度Ｔ［℃］において光検出器１６が検出した光強度をＢとして、（Ｂ−Ａ）／Ａを百分率で表したものを、環境温度Ｔ［℃］におけるモニタ結果としている。また、モニタ結果の測定に際しては、散乱体１３として日本電気硝子社製の結晶化ガラスであるネオセラム（登録商標）、高屈折率樹脂１３ｃとして東レ・ダウコーニング社製の光学樹脂であるＯＥ−６５２０を用いた。

図８に示すように、散乱体１３の上面側に光検出器１６を配置した場合、環境温度の変動範囲を５℃以上３５℃以下とすると、モニタ結果の変動範囲は−１．３％以上＋３．２％以下となり、モニタ結果の変動幅は４．５％に達する。一方、散乱体１３の下面側に光検出器１６を配置した場合、環境温度の変動範囲を５℃以上３５℃以下とすると、モニタ結果の変動範囲は−２．０％以上０％以下となり、モニタ結果の変動幅は２％に抑えられる。このように、図８に示すグラフからも、光検出器１６を散乱体１３の下面側に配置した方がモニタ結果の環境温度依存性が小さくなることが確かめられる。なお、散乱体１３の下面側に光検出器１６を配置した場合でも、モニタ結果が僅かに変動するのは、高屈折率樹脂１３ｃの熱変形により光ファイバＦ２の位置が変化し、その結果、光ファイバＦ２の側面から漏れ出した光の散乱体１３への入射位置が変化するためであると考えられる。

〔ファイバレーザ〕
次に、本実施形態に係る光パワーモニタ装置１を備えたファイバレーザ１０について、図４を参照して説明する。図４は、ファイバレーザ１０の構成を示すブロック図である。

図４に示すように、ファイバレーザ１０は、光パワーモニタ装置１の他に、光源装置２と、増幅媒体として機能する光ファイバＦと、残留光除去部３と、伝送媒体として機能する光ファイバＦ１〜Ｆ２とを備えている。

増幅媒体として機能する光ファイバＦは、活性元素が添加されたコアと、このコアを取り囲む内側クラッドと、この内側クラッドを取り囲む外側クラッドとを備えたダブルクラッドファイバである。光ファイバＦのコアに添加された活性元素は、光源装置２から出力され、光ファイバＦの内側クラッドを伝播する励起光によって反転分布状態に遷移する。そして、光源装置２から出力され、光ファイバＦのコアを伝播する信号光は、反転分布状態に遷移した活性元素によって増幅される。特に、光ファイバＦには、２つのファイバブラッググレーティングＦＢＧが書き込まれており、光ファイバＦのコアを伝播する信号光は、これら２つのファイバブラッググレーティングＦＢＧの間で再帰的に増幅される。

残留光除去部３は、光ファイバＦの出力光から残留光を除去するための構成であり、例えば、ダブルクラッドファイバである光ファイバＦ（融着接続部の近傍において被覆及び外側クラッドが除去されている）とシングルクラッドファイバである光ファイバＦ１（融着接続部の近傍において被覆が除去されている）との融着接続部を、光ファイバＦの内側クラッド及び光ファイバＦ１のクラッドと同程度又はそれ以上の屈折率を有する樹脂で覆うことによって実現される。ここで、残留光とは、内側クラッドを伝播する励起光や融着接続部の軸ズレによりクラッドに漏れ出した信号光など、コアを伝播する信号光以外の光のことを指す。

残留光除去部３から出力された信号光は、伝送媒体として機能する光ファイバＦ１〜Ｆ２内を伝播して出力端ｏｕｔから外部に出力される。本実施形態に係る光パワーモニタ装置１は、この光ファイバＦ１〜Ｆ２に挿入される。このように、残留光除去部３よりも出力端ｏｕｔ側に光パワーモニタ装置１を配置する構成を採用することによって、クラッドを伝播する残留光の影響を受けることなく、コアを伝播する信号光の強度をモニタすることが可能になる。

上述したように、光パワーモニタ装置１は、光ファイバＦ２の側面から漏れ出した光のパワーに応じた光電流を出力するものである。光ファイバＦ２の側面から漏れ出した光のパワーと、出力端ｏｕｔから出力される光のパワー（以下、「ファイバレーザ出力」とも記載する）とは比例するので、光パワーモニタ装置１から出力される光電流を電圧に変換したもの（以下、「モニタ電圧」とも記載する）からファイバレーザ出力を特定することができる。

最後に、図５〜６を参照して、このことを確認する。図５は、ファイバレーザ出力とモニタ電圧との相関関係を示したグラフであり、図６は、ファイバレーザ出力とモニタ電圧とをリアルタイム測定した測定結果である。なお、図６におけるＯＥコンバータ電圧とは、ファイバレーザ出力をＯＥコンバータによって電圧に変換したときの電圧値である。

図５から分かるように、ファイバレーザ出力が３０Ｗ以上３００Ｗ以下の範囲全体に亘って、測定結果は回帰直線上に乗る。実際、各測定結果の回帰曲線からの誤差は０．６％以下であり、モニタ電圧を参照すれば、ファイバレーザ出力を精度良く特定できることが分かる。

なお、散乱体１３を用いなかった場合（図３（ａ）参照）には、光検出器１６の位置ズレが生じると、この回帰曲線の傾きが大きく変動するのに対し、散乱体１３を用いた場合（図３（ｂ）参照）には、光検出器１６の位置ズレが生じても、この回帰曲線の傾きが大きく変動することはない。つまり、光検出器１６の位置ズレが生じても、モニタ電圧からファイバレーザ出力を精度良く特定することができる。

また、図６から分かるように、モニタ電圧はファイバレーザ出力に遅れなく追従する。したがって、モニタ電圧を参照すれば、ファイバレーザ出力を精度良くリアルタイムモニタできることが分かる。

なお、図５及び図６に示す測定結果は、散乱体１３として日本電気硝子社製の白色ネオセラムを用いたときのものである。すなわち、図５及び図６に示す測定結果は、散乱体１３として結晶化ガラスを用いることの有効性を実証するものでもある。

〔変形例１〕
本実施形態に係る光パワーモニタ装置１においては、光検出器１６を、融着接続点Ｐの真下ではなく、融着接続点Ｐよりも光ファイバＦ２側に配置する構成を採用している。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではない。以下では、本実施形態に係る光パワーモニタ装置１の幾つかの変形例について図９を参照して説明する。

図９（ａ）は、本実施形態に係る光パワーモニタ装置１の断面図である。図９（ｂ）は、光パワーモニタ装置１の第１の変形例を示す断面図である。図９（ｃ）は、光パワーモニタ装置１の第２の変形例を示す断面図である。これらの断面図は、何れも、光ファイバＦ１、Ｆ２の中心軸を含む断面を示す断面図である。

本実施形態に係る光パワーモニタ装置１においては、図９（ａ）に示すように、光検出器１６を融着接続点Ｐよりも光ファイバＦ２側に配置するという構成が採用されている。図９（ａ）において、矢印Ａは信号光の伝播方向を示しており、矢印Ｂは反射光の伝播方向を示している。矢印Ａが示すように、信号光の伝播方向は光ファイバＦ１から光ファイバＦ２へと向かう方向であり、融着接続点Ｐにおいてコアからクラッドへと漏れ出した信号光は、主に、光ファイバＦ２の側面から高屈折率樹脂１３ｃ内へと漏れ出してくる。図９（ａ）に示すように、融着接続点Ｐよりも光ファイバＦ２側（出力側）に光検出器１６を配置する構成をとることにより、光ファイバの出力光のパワーを特定することが可能な光パワーモニタ装置を実現することができる。何故なら、光ファイバＦ２の側面から漏れ出した光のパワーと、光ファイバの出力光のパワーとは比例するので、光パワーモニタ装置１から出力されるモニタ電圧から光ファイバの出力光のパワーを特定することができるからである。

本実施形態の第１の変形例に係る光パワーモニタ装置１においては、図９（ｂ）に示すように、光検出器１６を融着接続点Ｐよりも光ファイバＦ１側に配置するという構成が採用されている。図９（ａ）と同様に、矢印Ａは信号光の伝播方向を示しており、矢印Ｂは反射光の伝播方向を示している。矢印Ｂが示すように、反射光の伝播方向は光ファイバＦ２から光ファイバＦ１へと向かう方向であり、融着接続点Ｐにおいてコアからクラッドへと漏れ出した反射光は、主に、光ファイバＦ１の側面から高屈折率樹脂１３ｃ内へと漏れ出してくる。図９（ｂ）に示すように融着接続点Ｐよりも光ファイバＦ１側（入力側）に光検出器１６を配置する構成を採用することによって、光ファイバの反射光のパワーを特定することが可能な光パワーモニタ装置を実現することができる。何故なら、光ファイバＦ１の側面から漏れ出した光のパワーと、光ファイバの反射光のパワーとは比例するので、光パワーモニタ装置１から出力されるモニタ電圧から光ファイバの反射光のパワーを特定することができるからである。

なお、図９（ｂ）に示す光パワーモニタ装置１によりモニタされた反射光のパワーは、例えば、光ファイバの障害（例えば破断）検知に利用することができる。光ファイバにおいて破断等の障害が生じると、障害箇所にて生じるフレネル反射により反射光のパワーが上昇するためである。また、反射光のパワーが増大した場合、各部の故障、発信の不安定化、光出力部の発熱などの不具合が発生する可能性がある。反射光のパワーをモニタすることによって、このような不具合の発生を未然に回避することが可能になる。

本実施形態の第２の変形例に係る光パワーモニタ装置１においては、図９（ｃ）に示すように、２つの光検出器１６のうち一方を融着接続点Ｐよりも光ファイバＦ２側に配置し、もう一方を融着接続点Ｐよりも光ファイバＦ１側に配置するという構成が採用されている。このような構成を採用することによって、光ファイバの出力光及び反射光のパワーをそれぞれ特定することが可能な光パワーモニタ装置を実現することができる。

〔変形例２〕
本実施形態に係る光パワーモニタ装置１においては、断面が四角形の溝１３ａを散乱体１３に形成し、この溝１３ａを高屈折率樹脂１３ｃで満たす構成を採用している（図１０（ａ）参照）。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではない。

散乱体１３に溝１３ａを形成し、この溝１３ａを高屈折率樹脂１３ｃで満たす構成において、溝１３ａの断面形状は任意である。例えば、溝１３ａの断面形状は、図１０（ｂ）に示すように、三角形であってもよいし、図１０（ｃ）に示すように、半楕円形（又は半円形）であってもよいし、図１０（ｄ）に示すように、上方部と下円部とからなる鍵穴形であってもよいし、図示しない他の形状であってもよい。また、図１０（ａ）〜図１０（ｄ）においては、光ファイバＦ２が散乱体１３と接触しない構成を例示しているが、光ファイバＦ２が散乱体１３と接触する構成であっても構わない。例えば、溝１３ａとして図１０（ｂ）に示すＶ字溝を用いる場合、光ファイバＦ２が各断面において散乱体１３と２点で接触する態様（この場合、重力により下方へ移動しようとする光ファイバＦ２を各断面において散乱体１３が２点で支持することになる）などが考えられる。

また、散乱体１３に溝１３ａを形成し、この溝１３ａを高屈折率樹脂１３ｃで満たす構成を、散乱体１３に貫通孔１３ｄを形成し、この貫通孔１３ｄを高屈折率樹脂１３ｃで満たす構成に置換してもよい。このような構成においても、貫通孔１３ｄの断面形状は任意である。例えば、貫通孔１３ｄの断面形状は、図１０（ｅ）に示すように、四角形であってもよいし、図１０（ｆ）に示すように、円形（又は楕円形）であってもよいし、図示しない他の形状であってもよい。また、図１０（ｅ）〜図１０（ｆ）においては、光ファイバＦ２が散乱体１３と接触しない構成を例示しているが、光ファイバＦ２が散乱体１３と接触する構成であっても構わない。

散乱体１３に溝１３ａを形成する構成を採用した場合、溝１３ａの断面形状に依らず、高屈折率樹脂１３ｃは、各断面において散乱体１３によって開口方向（図１０における上方）を除く方向（光検出器１６が配置された方向を含む）を取り囲まれることになる。また、散乱体１３に貫通孔１３ｄを形成する構成を採用した場合、貫通孔１３ｄの断面形状に依らず、高屈折率樹脂１３ｃは、各断面において散乱体１３によって全方向を取り囲まれることになる。したがって、散乱体１３の材料として高屈折率樹脂１３ｃよりも線膨張係数の小さい材料を選択することによって、高屈折率樹脂１３ｃが熱膨張又は熱収縮した際に、光ファイバＦ２の側面から漏れ出し、光検出器１６に入射する光の光路を大きく変化させるように高屈折率樹脂１３ｃが変形することを、有効に回避することができる。したがって、環境温度が変化してもモニタ結果（光検出器１６が検出する光強度）が大きく変動することのない光パワーモニタ装置１を実現することができる。

〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、光ファイバの側面から漏れ出した光のパワーをモニタする際に利用することができる。特に、ファイバレーザやファイバーアンプなどに含まれる光パワーモニタ装置として好適に利用することができる。

１ 光パワーモニタ装置
１１ 台座
１１ａ ネジ穴
１１ｂ 開口
１２ 溝付板
１２ａ 溝
１２ｂ１〜１２ｂ２ 接着剤
１２ｃ 開口
１３ 散乱体
１３ａ 溝
１３ｂ１〜１３ｂ２ 接着剤
１３ｃ 高屈折率樹脂
１３ｄ 貫通孔
１４ 蓋板
１５ 光検出器固定ブロック
１６ 光検出器
１７ レンズ

Claims (11)

1. 光ファイバの側面から漏れ出した光のパワーを光検出器によって測定する光パワーモニタ装置において、
   上記光ファイバと上記光検出器との間に介在する散乱体であって、上記光ファイバの側面から漏れ出して当該散乱体に入射した光の伝播方向をランダム化する散乱体を備えている、
   ことを特徴とする光パワーモニタ装置。
2. 上記光ファイバは、該光ファイバのクラッドよりも屈折率の高い高屈折率樹脂に埋設されており、
   上記散乱体は、上記高屈折率樹脂と上記光検出器との間に介在している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光パワーモニタ装置。
3. 上記散乱体には、上記光ファイバを配置するための溝が形成されており、上記高屈折率樹脂は、上記溝を満たしている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光パワーモニタ装置。
4. 上記散乱体には、上記光ファイバを配置するための貫通孔が形成されており、上記高屈折率樹脂は、上記貫通孔を満たしている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光パワーモニタ装置。
5. 上記散乱体の線膨張係数は、上記高屈折率樹脂の線膨張係数よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の光パワーモニタ装置。
6. 上記光ファイバは、少なくとも２本の光ファイバを融着接続したものであり、上記光検出器は、上記２本のファイバの融着接続点よりも信号光の出力側に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光パワーモニタ装置。
7. 上記光ファイバは、少なくとも２本の光ファイバを融着接続したものであり、上記光検出器は、上記２本のファイバの融着接続点よりも信号光の入力側に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光パワーモニタ装置。
8. 上記散乱体と上記光検出器との間に介在するレンズであって、上記散乱体によって伝播方向がランダム化された光を上記光検出器に集めるレンズを更に備えている、
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の光パワーモニタ装置。
9. 上記散乱体は、結晶化ガラスにより構成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の光パワーモニタ装置。
10. 増幅媒体として機能する第１の光ファイバと、上記第１の光ファイバから出力された光を伝送する伝送媒体として機能する第２の光ファイバとを備えたファイバレーザであって、
    上記第２の光ファイバに請求項１〜９の何れか１項に記載の光パワーモニタ装置が挿入されている、
    ことを特徴とするファイバレーザ。
11. 光ファイバの側面から漏れ出した光のパワーを光検出器によって測定する光パワーモニタ方法であって、
    上記光ファイバと上記光検出器との間に介在する散乱体を用い、上記光ファイバの側面から漏れ出して当該散乱体に入射した光の伝播方向をランダム化する工程を含んでいる、
    ことを特徴とする光パワーモニタ方法。

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