JP4379074B2

JP4379074B2 - 光ファイバ及び光ファイバ装置

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Publication number: JP4379074B2
Application number: JP2003358224A
Authority: JP
Inventors: 敦福本; 渡辺　　誠; 美智雄岡
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2023-10-17
Also published as: JP2005121980A

Description

本発明は、光ファイバ及びこの光ファイバを有する光ファイバ装置に関する。

従来、励起用レーザの光増幅機能を有する光ファイバへのレーザ光の注入において、図９Ａに示すように、励起用レーザと光ファイバのＮＡの不整合や調整後の移動により光ファイバから漏れた光が、光ファイバのバッファやジャケットに吸収されて、発熱による機械的劣化を来たすおそれがあった。

図９Ｂに、一般的なファイバレーザに用いられる光ファイバ心線２の断面構造を示す。その構造よりダブルクラッドファイバと呼ばれる。屈折率の高いコア１１に希土類が添加され、被増幅レーザが注入、伝播、増幅される。一般にコア１１の断面形状は円であるが、偏波面保存のために楕円形状などが採用される。コア１１の直径は単一モードで伝播させるときには１０ミクロン以下が一般的である。一方、第１クラッド１２には励起用レーザ光が注入される。第２クラッド１３は第１クラッド１２より屈折率が低く、励起用レーザ光は第１クラッド１２内を伝播する。第２クラッド１３の屈折率は、第１クラッド１２と同じ材質で構成される光伝播媒質の中に、例えば空孔よりなる低屈折率領域が、ファイバの長手方向に多数本延在配置されることにより、実効平均屈折率が下がることによりなされ得る。
励起用レーザ光は、第１クラッド１２を伝播する過程で励起用レーザはコア１１にも侵入し、侵入した光はコア１１に添加された希土類に吸収される。
第１クラッド１２の直径はコア１１の直径の２〜１０倍と、用途に応じて選択される。
光ファイバ心線２の外側は、例えばバッファと呼称される第１の被覆体３ａ及びジャケットと呼称される第２の被覆体３ｂとによって被覆され、これら被覆体には、機械的な強度を維持する目的で一般に光学材料以外の材料が用いられる。

この光ファイバの両端は、その一部が機械的にバッファ及びジャケットが剥き取られた構造を有している。ここで、励起用レーザ光の、光ファイバの第１クラッドへの注入において、励起用レーザのＮＡが光ファイバの第１クラッドの有するＮＡより大きい場合や励起用レーザと第１クラッドの相対位置がずれた場合に、第１クラッドから漏れた光が第２クラッド内を伝播する。そして、その光がバッファやジャケット付着部に到達したときにバッファやジャケットに吸収されて、発熱及び特性劣化を生じる危険性を有する。
これに対して、バッファやジャケットに難燃性材料を用いることで問題の解決を図る試みが提案された（例えば特許文献１）。
特開２００３−１３１０７８号公報（第２頁右下欄）

しかし、バッファやジャケットに難燃性材料を用いた場合でも、レーザの出力次第で発熱による特性劣化の危険性が生じてくるため、レーザの出力に合わせてその都度バッファやジャケットの材料変更を余儀なくされ、そのための作業が煩雑となることは否めない。
しかし、光ファイバはその用途が多岐に渡るため、一定の材料でバッファやジャケットを構成することは難しく、より広範囲の出力をカバーできるファイバ構造が求められる。

すなわち、材料の変更及び改良によってよりも、バッファやジャケットに至る光量を調整することで問題の解決を図る方が現実的と言える。

本発明は、光ファイバにおけるバッファやジャケットの発熱及び特性劣化に係る諸問題の解決を図るものである。

本発明による光ファイバは、光ファイバ心線と、この光ファイバ心線の少なくとも一部を除いた領域の周囲を被覆する被覆体と、光透過性材料より成り、前記被覆体が設けられていない光ファイバ心線の周囲に、被覆体の端部に隣接して設けられ、光ファイバ心線の長手方向に沿う断面において表面が光ファイバ心線の表面に対し傾斜する傾斜部を含み、光ファイバ心線内を進行する光のうち上記傾斜部において全反射条件から外れる光を外部に透過放出させる透光体と、を有することを特徴とする。

そして、本発明による光ファイバは、透光体が、光ファイバと一体に形成され得る。
また、本発明による光ファイバは、透光体の表面を、光ファイバ内の伝播光が透過する構成とし得る。そして、透光体が、石英ガラスもしくは低融点ガラスより成る構成とし得る。
また、本発明による光ファイバは、光ファイバの終端部に、フェルールが配される構成とし得るものであり、また、光ファイバの長手方向に延在配置された多数の空孔を有する構成とし得るものである。

本発明による光ファイバ装置は、光ファイバ心線と、この光ファイバ心線の少なくとも一部を除いた領域の周囲を被覆する被覆体と、この被覆体が設けられていない光ファイバ心線の周囲に、被覆体の端部に隣接して設けられ、光透過性材料より成り、光ファイバ心線の長手方向に沿う断面において表面が光ファイバ心線の表面に対し傾斜する傾斜部を含み、光ファイバ心線内を進行する光のうち傾斜部において全反射条件から外れる光を外部に透過放出させる透光体と、を有する光ファイバを備えることを特徴とする。

本発明による光ファイバによれば、レーザ光がバッファ及びジャケットに至る前に外部に放出されることから、バッファ及びジャケットの発熱による特性劣化を回避することができ、したがって長期信頼性及び安全性の高い光ファイバを構成することができ、したがって安全性の高いファイバレーザの実現も図られる。

また、本発明による光ファイバ装置によれば、導入されるレーザ光の出力に合わせてバッファ及びジャケットを変更する必要がないことから、ファイバが同一の構造をとることによる製造コストの低減、ならびにバッファ及びジャケットの構成部品の点数減少が図られるなど、本発明構成によれば、重要かつ多くの効果をもたらすことができるものである。

まず、本発明による光ファイバの実施の形態例を、図１〜図７を参照して説明する。

この実施の形態例においては、図１Ａにその概略側面図を示すように、光ファイバ１の光伝播媒質である光ファイバ心線２と、この光ファイバ心線２を被覆する第１の被覆体例えばバッファ３ａと、第２の被覆体例えばジャケット３ｂと、これら被覆体の、光ファイバ心線２における光の進行方向の後端側に隣接して配置される透光体４とを有する。
光ファイバ心線２は、図１Ｂにその概略断面図を示すように、図１０で説明したと同様のコア１１を有し、その周囲に第１クラッド１２及び第２クラッド１３を有する構成とすることができる。
そして、図２に示すように、光ファイバ１の主に第１クラッド１２を伝播する例えば励起レーザ光が、光ファイバ心線２に導入され、光ファイバ心線２をたとえば石英（屈折率１．５４）により構成した場合、入射角θ_２≒４０．５°以上の光は反射を繰り返しながら伝播がなされる。本発明による光ファイバ１においては、この励起レーザ光が第１の被覆体３ａ及び第２の被覆体３ｂに至る直前、すなわちファイバ心線２における光の進行方向の後端側に隣接して透光体４が設けられる。
この透光体４は、光ファイバ心線２の周面から光ファイバ１の長手方向と交叉する方向に、少なくとも光ファイバ心線２の周面から突出する突出部と突出部から光の進行方向に漸次光ファイバ心線２の軸心に向かって後退する傾斜部とを有するものであり、θ_２＞θ_１とすることにより、第１クラッド１２から第２クラッド１３に漏れてこの傾斜部に入射する光の少なくとも一部、すなわち例えば透光体が同じく石英よりなる構成とした場合、４０．５°以下である入射角θ_１を以って入射した光を、外部に透過させる構造を有する。

次に、この透光体４の形成に関する、第１及び第２の実施の形態例について、図３及び図４を参照して、それぞれ説明する。

〔第１の実施の形態例〕
この実施の形態例においては、透光体４は、図３Ａに示すように、まず光ファイバ心線２の外周径より大きな内径を有する透光部４ａに光ファイバ心線２を通し、次いで図３Ｂに示すように、例えばアーク放電装置などの局部加熱装置２１によって、ファイバ心線２と融着され、一体として形成されるものである。

〔第２の実施の形態例〕
この実施の形態例においては、透光体４は、図４Ａに示すように、透光媒体供給器２２より供給される透光媒体４ｂが、回転する光ファイバ心線に付着され、その後、図４Ｂに示すように、例えばアーク放電装置などの局部加熱装置２１によって、ファイバ心線２と融着され、一体として形成されるものである。
この例においては、図５に示すように、透光体４が曲面を有して形成されることから、光ファイバ心線２を伝播する光の一部がこの曲面に入射し、透過及び外部への放出がなされる。

なお、以上第１及び第２の実施の形態例のいずれにおいても、透光部４ａ、透光媒体４ｂは、例えば石英ガラスもしくは低融点ガラスより成る構成とし得るものである。

続いて、本発明による光ファイバの終端部にフェルールを有する第１及び第２の実施の形態例について、図６及び図７を参照して説明する。

〔第１の実施の形態例〕
この実施の形態例においては、本発明による光ファイバ１は、図６Ａにその概略縦断面図を、図６Ｂにそのａ−ａ´における概略横断面図をそれぞれ示すように、光ファイバの光伝播媒質である光ファイバ心線２と、光ファイバ心線を被覆する第１の被覆体例えばバッファ３ａと、第２の被覆体例えばジャケット３ｂと、これら被覆体の、光ファイバ心線における光の進行方向の後端側に隣接して配置される透光体４と、この透光体４に被覆体とは反対側に隣接して、光ファイバ心線２の周面を囲んで成るフェルール３１と、透光体４とフェルール３１とを固定する接着剤３２とを有して成る。
この実施の形態例においては、透光体４は、上述の透光体４の形成に関する第１の実施の形態例に沿って形成されるものである。

〔第２の実施の形態例〕
この実施の形態例においては、本発明による光ファイバ１は、図７Ａにその概略縦断面図を、図７Ｂにそのｂ−ｂ´における概略横断面図をそれぞれ示すように、光ファイバの光伝播媒質である光ファイバ心線２と、光ファイバ心線を被覆する第１の被覆体例えばバッファ３ａと、第２の被覆体例えばジャケット３ｂと、これら被覆体の、光ファイバ心線における光の進行方向の後端側に隣接して配置される透光体４と、この透光体４に被覆体とは反対側に隣接して、光ファイバ心線２の周面を囲んで成るフェルール３１と、透光体４とフェルール３１とを固定する接着剤３２とを有して成る。
この実施の形態例においては、透光体４は、上述の透光体４の形成に関する第２実施の形態例に沿って形成されるものである。

次に、本発明による光ファイバ装置の実施の形態例について、図８を参照して説明する。
光ファイバ装置２０１は、例えば図８にその概略構成図を示すように、光ファイバ１に、その励起用レーザ光源１０２からのレーザ光が、伝送用光ファイ１０３を通じて、光学系１２１を介して光ファイバ１の一方の端部１１２に集光導入され、被増幅レーザ光源１１０から、例えば増幅がなされる低出力の信号光が、光学系１２２を通じて、光ファイバ１の他方の端部１１１に集光導入される。

励起用レーザ光源側の光学系１２１は、レンズ１０４ａ及び１０４ｂと、これら間に配置された、波長選択性ミラー１０５ａとを有する。
被増幅レーザ光源１１０側の光学系１２２は、レンズ１０４ａ及び１０４ｂと、これら間に配置された波長選択性ミラー１０５ｂと、リターンミラー１０７とを有する。

また、被増幅レーザ光源１１０と、光学系１２２の波長選択性ミラーとの間には、レンズ１０４ｃと、光アイソレータ１０９と、旋光子１０８とを有し、被増幅レーザ光源１１０からの被増幅レーザ光、例えば信号光を、レンズ１０４ｃ、光アイソレータ１０９、旋光子１０８を通じ、ミラー１０６ａによって光学系１２２の波長選択性ミラー１０５ｂによって波長選択されて反射され、レンズ１０４ｅによって集光されて、端部１１１から光ファイバ１に導入される。

光ファイバ１は、図１Ｂに概略断面図を示すように、コア１１の外周に第１クラッド１２と、その外周に第２クラッド１３とを有して成る。

励起用レーザ光源１０２から転送用光ファイバ１０３を通じて光学系１２１に導入されたレーザ光は、波長選択性ミラー１０５ａを透過してレンズ１０４ｂによって集光され、光ファイバ１の第１クラッド３に導入されて光ファイバ１のコア２に添加された希土類の励起がなされる。
この励起用レーザ光の、増幅ファイバ１の端部１１２から端部１１１まで通過する間で吸収されなかった余剰のレーザ光は、光学系１２２のリターンミラー１０７で反射されて再び光ファイバ１に導入され、有効に励起に寄与するようになされる。

一方、低出力の被増幅レーザ光源１１０からの被増幅レーザ光は、上述したように光学系１２２によって、集光されて、光ファイバ１の端部１１１から、コア２に導入される。このとき被増幅レーザ光の波長は、光ファイバ１のコア２に添加された希土類の誘導放出光の波長に合わされている。
そして、この被増幅レーザ光が、光ファイバ１を伝播していく過程において、第１クラッド３中の励起用レーザ光は、コア２に添加された希土類に吸収されてコア２に誘導放出光を誘起する。
一方、コア２を伝播する被増幅レーザは、その誘導放出光をピックアップしながら次第にその強度を増す、すなわち増幅が行われる。増幅されたレーザ光は、光ファイバ１の端部１１２から出射される。
この増幅された出力光は、レンズ１０４ｂを通じて波長選択性ミラー１０５ａ及びミラー１０６ｂによって反射されるため、励起用レーザ光源１０２に向かうことなく、出力光として導出される。

なお、本発明による光ファイバにおいては、図示しないが、第２クラッドに、多数の低屈折率領域例えば空孔が、ファイバの長手方向に延在配置される構成とすることにより、第１クラッドとの実効屈折率差を形成することも可能である。

そして、本発明による光ファイバ及び光ファイバ装置は、この実施の形態例に限られるものではなく、例えばその光ファイバ心線がダブルクラッドファイバによらない光ファイバとするなど、種々の変形、変更を行い得ることは言うまでもない。

Ａ及びＢは、それぞれ、本発明による光ファイバの一例の構造を示す概略側面図及び光ファイバ心線の一例の構造を示す概略断面図である。本発明による光ファイバの一例における、光の導入と外部への透過の原理を示す概略図である。本発明による光ファイバにおける、透光体の形成の第１の実施の形態例を示す概略図である。本発明による光ファイバにおける、透光体の形成の第２の実施の形態例を示す概略図である。本発明による光ファイバの一例の構造を示す概略側面図である。Ａ及びＢは、それぞれ本発明による光ファイバの、フェルールを有する第１の実施の形態を示す概略縦断面図及び概略横断面図である。Ａ及びＢは、それぞれ本発明による光ファイバの、フェルールを有する第２の実施の形態を示す概略縦断面図及び概略横断面図である。本発明による光ファイバ装置の、一例の概略構成図である。Ａ及びＢは、それぞれ従来の光ファイバの構造を示す概略側面図及び従来の光ファイバ心線の構造を示す概略断面図である。

符号の説明

１・・・光ファイバ、２・・・光ファイバ心線、３ａ・・・第１の被覆体（バッファ）、３ｂ・・・第２の被覆体（ジャケット）、４・・・透光体、４ａ・・・透光部、４ｂ・・・透光媒体、１１・・・コア、１２・・・第１クラッド、１３・・・第２クラッド、２１・・・局部加熱装置、２２・・・透光媒体供給器、３１・・・フェルール、３２・・・接着剤、１０２・・・励起用レーザ光源、１０３・・・伝送用光ファイバ、１０４ａ・・・レンズ、１０４ｂ・・・レンズ、１０４ｃ・・・レンズ、１０４ｄ・・・レンズ、１０４ｅ・・・レンズ、１０５ａ・・・波長選択性ミラー、１０５ｂ・・・波長選択性ミラー、１０６ａ・・・ミラー、１０６ｂ・・・ミラー、１０７・・・リターンミラー、１０８・・・旋光子、１０９・・・光アイソレータ、１１０・・・被増幅レーザ光源、１１１・・・端部、１１２・・・端部、１２１・・・光学系、１２２・・・光学系、２０１・・・光ファイバ装置

Claims

光ファイバ心線と、
上記光ファイバ心線の少なくとも一部を除いた領域の周囲を被覆する被覆体と、
光透過性材料より成り、上記被覆体が設けられていない上記光ファイバ心線の周囲に、上記被覆体の端部に隣接して設けられ、上記光ファイバ心線の長手方向に沿う断面において表面が上記光ファイバ心線の表面に対し傾斜する傾斜部を含み、上記光ファイバ心線内を進行する光のうち上記傾斜部において全反射条件から外れる光を外部に透過放出させる透光体と、を有する
光ファイバ。
上記透光体が、上記光ファイバと一体に形成される請求項１に記載の光ファイバ。
上記透光体の表面が、上記光ファイバ心線の表面に対する傾斜角度が徐々に異なる曲面を含む請求項１又は２に記載の光ファイバ。
上記透光体が、上記被覆体に向かって徐々に外径が小さくなる部分を含む請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバ。
上記透光体が、石英ガラスより成る請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバ。
上記透光体が、低融点ガラスより成る請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバ。
上記透光体の上記被覆体側とは反対側の端部に接続して、フェルールが配される請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバ。
上記光ファイバ心線が、中心部に設けられて光が伝播するコアと、該コアの周囲を覆うクラッドとより成り、
上記クラッドに、上記光ファイバ心線の長手方向に延在配置された多数の空孔を有することで、上記コアに比べて実効的な屈折率が低い構成とされる請求項１〜７のいずれかに記載の光ファイバ。
光ファイバ心線と、該光ファイバ心線の少なくとも一部を除いた領域の周囲を被覆する被覆体と、前記被覆体が設けられていない上記光ファイバ心線の周囲に、前記被覆体の端部に隣接して設けられ、光透過性材料より成り、上記光ファイバ心線の長手方向に沿う断面において表面が上記光ファイバ心線の表面に対し傾斜する傾斜部を含み、上記光ファイバ心線内を進行する光のうち上記傾斜部において全反射条件から外れる光を外部に透過放出させる透光体と、を有する光ファイバを備える
光ファイバ装置。