JP2018055043A - Optical fiber combiner and laser device - Google Patents
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Abstract
【課題】コンバイナの高熱化を抑制し、ファイバおよびコンバイナの損傷可能性を低減する。【解決手段】複数本の光ファイバ37a〜37cを有する光ファイバコンバイナ39であって、各光ファイバは、コア57とコアを取り囲む内部クラッド59と内部クラッド59を取り囲む中間クラッド62とを備えたテーパ部を有し、中間クラッド62の屈折率は内部クラッド59の屈折率より小さい。内部クラッド59から中間クラッド62へ進もうとする光は、その入射角が(内部クラッドから中間クラッドを見たときの)臨界角より大きくなると内部クラッド59と中間クラッド62の境界面で反射される。【選択図】図8An object of the present invention is to suppress the increase in heat of a combiner and reduce the possibility of damage to a fiber and a combiner. An optical fiber combiner 39 having a plurality of optical fibers 37a to 37c, each optical fiber having a core 57, an inner cladding 59 surrounding the core, and an intermediate cladding 62 surrounding the inner cladding 59. The refractive index of the intermediate cladding 62 is smaller than the refractive index of the inner cladding 59. The light that is going to travel from the inner cladding 59 to the intermediate cladding 62 is reflected at the interface between the inner cladding 59 and the intermediate cladding 62 when the incident angle becomes larger than the critical angle (when the intermediate cladding is viewed from the inner cladding). . [Selection] Figure 8
Description
本発明は複数の光ファイバを他の光ファイバへ結合する光ファイバコンバイナ、及び、このコンバイナに使用される光ファイバ及び、この光コンバイナを使用するレーザ装置に関する。 The present invention relates to an optical fiber combiner that couples a plurality of optical fibers to another optical fiber, an optical fiber used in the combiner, and a laser apparatus using the optical combiner.
図1は、一般的な光ファイバコンバイナ(コンバイナ)の説明図である。 FIG. 1 is an explanatory diagram of a general optical fiber combiner (combiner).
同図に示すように、光ファイバコンバイナ100は、入力ファイバ101と、キャピラリチューブ(キャピラリ)103とを有する。このキャピラリチューブ(キャピラリ)103は、入力ファイバ101の先端部を収容し、領域102でテーパ化され、毛細管化された入力ファイバ101を保持する領域104を備える。前記入力ファイバ101の先端部とキャピラリ103とは、領域104で溶融化されている。当該溶融化されたコンバイナは、位置105で切断され、切断位置105で出力ファイバ106の切断端部に接合されている。
As shown in the figure, the optical fiber combiner 100 includes an
このようなテーパ化された光ファイバコンバイナは、例えば以下のように製造される。 Such a tapered optical fiber combiner is manufactured as follows, for example.
まずテーパ部102を有するキャピラリ103が作成される。
First, a capillary 103 having a
次に、後に詳述するように複数の入力ファイバ101の先端部のクラッド材の厚みをエッチングで除去し細くした後これらを束に揃え、この束をキャピラリ103に挿入する。
Next, as will be described in detail later, the thickness of the clad material at the tips of the plurality of
その後、先端部を溶融し更にテーパ化した後、ウエスト部104の先端部105を切断する。そして切断部105を出力ファイバ106に接合する。
Thereafter, the tip portion is melted and further tapered, and then the
これらの工程のうちテーパ化が最も重要な工程である。すなわち低次モード(LM)およびマルチモード(MM)の入力ファイバを束ねるコンバイナにおいては、複数のファイバを束ねる通常の方法は、それらのファイバを、不純物をドープして低屈折率としたキャピラリ103に平行に挿入することである(図1)。このようなキャピラリは、単純なチューブの形態あるいは特許文献1に記載されるような複数の孔を有したプリフォームと云う複雑な形態とすることができる。
Of these processes, tapering is the most important process. That is, in a combiner that bundles low-order mode (LM) and multi-mode (MM) input fibers, the usual method of bundling a plurality of fibers is to form a capillary 103 having a low refractive index by doping impurities. Inserting them in parallel (FIG. 1). Such a capillary can be a simple tube form or a complicated form such as a preform having a plurality of holes as described in
なお、前記において入力ファイバの先端部のクラッド材の厚みをエッチングにより除去する理由は以下の通りである。 The reason why the thickness of the clad material at the tip of the input fiber is removed by etching is as follows.
すなわち、コンバイナの入力ファイバは、例えばファイバレーザ(ファイバ増幅器)の出力ファイバと実質的に同一である。ところで、高出力ファイバレーザの典型的な出力ファイバは、ダブルクラッド(二重クラッド(DC))ファイバでありそれらは、コア直径として20〜30μm程度の大きさを有し、内部クラッド直径として400〜500μm程度の大きさを有する。これが結果として、ファイバコアの間の大きな間隔をもたらす。したがって、テーパ率は増大し、コンバイナ入力端におけるビーム開口数NAが非常に大きくなり、結果として伝播効率が低下しビーム品質が低下する。さらに、テーパ比率が大きくなると、装置の寸法が大きくなりパッケージングが難しくなる。 That is, the input fiber of the combiner is substantially the same as the output fiber of, for example, a fiber laser (fiber amplifier). By the way, typical output fibers of high-power fiber lasers are double clad (double clad (DC)) fibers, which have a core diameter of about 20 to 30 μm and an inner clad diameter of 400 to 400 μm. It has a size of about 500 μm. This results in a large spacing between the fiber cores. Therefore, the taper ratio increases, and the beam numerical aperture NA at the combiner input end becomes very large. As a result, the propagation efficiency is lowered and the beam quality is lowered. Furthermore, as the taper ratio increases, the dimensions of the device increase and packaging becomes difficult.
そこで、ファイバの先端部のクラッドをエッチングで一部除去し小径化する。 Therefore, the diameter of the clad at the tip of the fiber is partially removed by etching.
図2(a)(b)は、2重クラッドファイバにおけるクラッドのエッチングを示す説明図であり、図2(a)はエッチング前のファイバ、図2(b)はエッチング後のファイバを示す。 FIGS. 2A and 2B are explanatory views showing etching of a clad in a double-clad fiber. FIG. 2A shows a fiber before etching, and FIG. 2B shows a fiber after etching.
同図に示すように、ファイバ先端部においてクラッド109を境界108でエッチングし小さな直径にする。例えば図2(b)において、表面111は100μm程度の直径を有する。なお、図2(a)で最外層110は、2重層フルオロアクリレートポリマーからなる外側クラッドである。
As shown in the figure, the
しかしながら、従来のコンバイナでは以下の問題がある。すなわち、前記ファイバの束がテーパ化されている部位において、ファイバ外部表面とキャピラリの内部表面との間にはエアギャップが存在する。そして、ファイバとキャピラリが単一物に溶融された後にも当該部位にはエアギャップが存在する。このエアギャップのため、前記ファイバ外部表面において微視的な汚染物が存在する虞がある。 However, the conventional combiner has the following problems. That is, in the portion where the bundle of fibers is tapered, an air gap exists between the outer surface of the fiber and the inner surface of the capillary. Even after the fiber and the capillary are melted into a single object, an air gap exists in the part. Because of this air gap, there may be microscopic contaminants on the outer surface of the fiber.
一方、前記テーパが形成される光ファイバ部位では、ファイバ側面のパワー密度が極めて大きくなる。例えば、テーパ化されたコンバイナにおいて、エッチングされた入力ファイバのダブルクラッドファイバ(図2)で、30μm(NA 0.075)のコアと、100μm以下の石英クラッドが、テーパ率4.35で10MMに亘ってテーパ化されているとする。このテーパ率は前記ファイバを50μmの出力ファイバに結合するために設定されている。このコンバイナに、SM又はよびMM光線が入力された場合を考える。例えば、SM波はLP01であり、MM波は、7つの同等に刺激又は励起(exite)されたモード(LP01, LP11, LP21, LP02, LP31, LP12, LP41)の波を意味する。すると、MM入力波でのファイバ側面のパワー負荷は、テーパウエストに近づくにつれ、SM入力波でのそれより極めて大きくなる(例えばテーパ率が3.75より大きいとき前者は後者の20倍以上になる)。 On the other hand, in the optical fiber portion where the taper is formed, the power density on the side surface of the fiber becomes extremely large. For example, in a tapered combiner, a double clad fiber (FIG. 2) of an etched input fiber has a core of 30 μm (NA 0.075) and a quartz clad of 100 μm or less to 10 MM with a taper ratio of 4.35. It is assumed that the taper is formed over the entire area. This taper is set to couple the fiber to a 50 μm output fiber. Consider a case where SM or MM rays are input to this combiner. For example, the SM wave is LP01, and the MM wave means seven equally stimulated or exited modes (LP01, LP11, LP21, LP02, LP31, LP12, LP41). Then, the power load on the side surface of the fiber with the MM input wave becomes much larger than that with the SM input wave as it approaches the taper waist (for example, when the taper ratio is greater than 3.75, the former is 20 times or more of the latter). ).
したがって、入力ファイバの側面では微視的な汚染物によっても、高強度のレーザ光により局所的な高加熱スポットが形成される虞がある。このようなスポットからの熱は容易に除去することができない。従って、ファイバ側面に欠陥等が形成され、且つ、形成された欠陥が成長し、ファイバおよびコンバイナが損傷する虞がある。 Therefore, a local high heating spot may be formed by the high-intensity laser beam even on the side surface of the input fiber, even with microscopic contaminants. Heat from such spots cannot be easily removed. Therefore, defects and the like are formed on the side surface of the fiber, and the formed defect grows and the fiber and the combiner may be damaged.
本願発明は、前記課題を解決するコンバイナ及び、このコンバイナに使用される光ファイバ及び、このコンバイナを使用したレーザ装置を提供することである。 This invention is providing the combiner which solves the said subject, the optical fiber used for this combiner, and the laser apparatus using this combiner.
本発明の光ファイバコンバイナは、複数本の入力用光ファイバを有する光コンバイナであって、各入力用光ファイバは、コアと内部クラッドと内部クラッドの外側に形成した中間クラッドとを有している。ここに中間クラッドの屈折率は内部クラッドの屈折率より小さい。 The optical fiber combiner of the present invention is an optical combiner having a plurality of input optical fibers, and each input optical fiber has a core, an inner cladding, and an intermediate cladding formed outside the inner cladding. . Here, the refractive index of the intermediate cladding is smaller than the refractive index of the inner cladding.
上記光ファイバコンバイナによれば、キャピラリチューブの内側に存在する汚染物は、中間クラッドに接するのみであり内部クラッドに接することはない。一方、内部クラッドを伝播するレーザ光はほとんど内部クラッドと中間クラッドとの境界面で全反射される。したがって、内部クラッドを伝播するレーザ光の大半は、前記中間クラッドの外側に付着する汚染物と接触することはない。したがって、コンバイナを加熱するレーザ光の強度を低減することができる。 According to the optical fiber combiner, contaminants existing inside the capillary tube only contact the intermediate cladding and do not contact the inner cladding. On the other hand, most of the laser light propagating through the inner cladding is totally reflected at the boundary surface between the inner cladding and the intermediate cladding. Therefore, most of the laser light propagating through the inner cladding does not come into contact with contaminants attached to the outside of the intermediate cladding. Therefore, the intensity of the laser beam for heating the combiner can be reduced.
なお前記コンバイナにおいて、中間クラッドの開口数NA2は、マルチモードのモーダルインデックスに基づく開口数NALxyより大きく、出力ファイバの開口数NAoよりも小さいことが望ましい。 In the combiner, it is desirable that the numerical aperture NA 2 of the intermediate cladding is larger than the numerical aperture NA Lxy based on the multimode modal index and smaller than the numerical aperture NAo of the output fiber.
上記コンバイナによれば、コンバイナから出射されたレーザ光は出力ファイバ内で漏洩が生ずることがない角度で当該出力ファイバに入射される。 According to the combiner, the laser light emitted from the combiner is incident on the output fiber at an angle at which no leakage occurs in the output fiber.
上記中間クラッドの厚さはレーザ光の波長の10倍以上であるのが好ましい。 The thickness of the intermediate clad is preferably 10 times or more the wavelength of the laser beam.
上記構成により、中間クラッドの外側側面に到達するレーザ光の光強度を十分に小さくすることができる。ここに、「十分」とは中間クラッドの損傷を招かない程度にその光強度が小さくなるという意味である。 With the above configuration, the light intensity of the laser light reaching the outer side surface of the intermediate cladding can be sufficiently reduced. Here, “sufficient” means that the light intensity is reduced to such an extent that the intermediate cladding is not damaged.
本発明によれば、コンバイナの高熱化を抑制することができ、ファイバおよびコンバイナの損傷可能性を低減できる。 According to the present invention, it is possible to suppress an increase in heat of the combiner, and to reduce the possibility of damage to the fiber and the combiner.
以下、本発明の実施形態を図3乃至図11を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 11.
図3は本発明の一実施形態であるレーザ装置31の概要を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an outline of a
同図に示すように、このレーザ装置31は、ファイバレーザ33a,33b,33cと、モジュールファイバ35a,35b,35cと、(コンバイナ用)入力ファイバ37a,37b,37cと、コンバイナ39と、出力ファイバ(フィードファイバ)41とを有する。
As shown in the figure, the
前記モジュールファイバ35a,35b,35cは、例えば30μmの径のコアを有しNAは例えば0.08程度である。
The
入力ファイバ37a,37b,37cは、例えば、30μmの径のコアを有し、NAは0.08程度である。
The
出力ファイバ41は、例えば50μm程度の径のコアを有し、NAは例えば0.20〜0.22程度である。
The
コンバイナ39は、図1のファイバと同様にテーパ化されたキャピラリの内部に複数の入力ファイバ37a,37b,37cの先端部(後述するように、先端部の内部クラッドはエッチングにより除去されている。)が挿入され、コンバイナの先端が出力ファイバ41に接合(スプライス)されている。
In the
図4乃至図7は、前記コンバイナ39の製造方法の説明図である。
4 to 7 are explanatory views of a method for manufacturing the
ステップ1で、図4(a)に示すように、テーパ部53a及びウェスト部53bを有するキャピラリ53を作製する。
In
このようなテーパ化されたキャピラリは、平行なキャピラリチューブの中央部を加熱し溶融した後、チューブ両端を引き延ばすことにより中央部にウエスト部53bを形成し、当該ウエスト部53bでそのキャピラリを切断することにより作成される(例えば特許文献1の図3に一例が記載されている。なお特許文献1では多重孔のキャピラリチューブが記載されているが、この実施形態では単一孔のキャピラリチューブを使用する。)。
Such a tapered capillary heats and melts the central part of parallel capillary tubes, and then stretches both ends of the tube to form a
ステップ2で、入力ファイバ37a,37b,37cとして、図5(a)に示す3重クラッドファイバを用意する。同図に示すように前記3重クラッドファイバは、コア57(SiO2−Al2O3;NA=0.08)と、石英(SiO2)からなる内部クラッド59と、2重層フルオールアクリレートポリマー(dual−layer fluoroacrylate polymer)からなる外部クラッド60とを有する。そして内部クラッド59の内部に、中間クラッド62としてフッ素でドープされたシリカ層が導入されている。ここで中間クラッド62の屈折率n2は内部クラッド59の屈折率n1より低い(図5(b)参照)。
In
ステップ3で、図4(b)に示されるように、前記3重クラッドファイバの先端部(キャピラリ53のテーパ部53a及びウエスト部53bに挿入される部位)261(図4(b))をエッチングで除去する。
In step 3, as shown in FIG. 4B, the tip of the triple clad fiber (the portion inserted into the tapered
図5(a)(b)は、前記エッチングの詳細を示す説明図である。 5A and 5B are explanatory views showing details of the etching.
図5(a)は、エッチング前の入力ファイバの断面図であり、エッチングされるクラッドの境界58は、中間クラッド62の外表面(厳密にはその少し内側)に位置する。
FIG. 5A is a cross-sectional view of the input fiber before etching, and the
そして、前記境界58より外側の内部クラッド59及び外側クラッド60をエッチングで除去することにより、図5(b)に示すように、コア57と、これを取り囲む内部クラッド59と、内部クラッド59を取り囲む中間クラッド62と、から成るファイバ先端部が形成される。換言すれば、前記ファイバ先端部は、中間クラッド62から成る外周61を有する。
Then, by removing the
図5(b)の下方に示されているように、コア57は屈折率n0を有し、内部クラッド59はn0より小さいn1を有し、中間クラッド62はn1よりもさらに小さいn2を有する(図の例ではn1とn2との差はn0とn1の差の4倍程度である。)。
As shown in the lower part of FIG. 5B, the
ステップ4で、入力ファイバ37a、37b、37cの先端部が前記キャピラリ53のテーパ部53a及びウエスト部53b(図4(a))に挿入される。
In
図6(b)はこの状態におけるコンバイナ先端部の断面図を示す。 FIG. 6B shows a sectional view of the tip of the combiner in this state.
同図に示すように、キャピラリ53の内部にはエアギャップ63が形成されている。このエアギャップ63には既に述べたように汚染物が含まれている虞がある。
As shown in the figure, an
なお、図6(a)は、従来のコンバイナにおいて、キャピラリ103の先端部におけるファイバの配置を示す。従来のコンバイナにおいてもキャピラリとクラッドの間にエアギャップ113が形成されている。
FIG. 6A shows the fiber arrangement at the tip of the capillary 103 in the conventional combiner. In the conventional combiner, an
ステップ5で、前記キャピラリが、挿入された入力ファイバと共に、再度加熱、溶融され且つ引き延ばされる。これにより入力ファイバ及びキャピラリが更にテーパ化され且つ相互に一体化される。
In
図7は、キャピラリ53の先端部と入力ファイバ37a,37b,37cの先端部が一体化した状態におけるコンバイナ39の先端部の断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the tip of the
キャピラリと入力ファイバとの間にはエアギャップ63が存在する。
An
ステップ6で、前記コンバイナ先端部が所定の位置53c(図8(c))で切断され出力ファイバ41と接合される。既に述べたように、このとき入力ファイバ37a,37b,37cの(エッチングされた)先端部とキャピラリは溶融されテーパ化されることにより一体化されている。この一体化された溶融部の先端が切断され、出力ファイバ41(図3)と接合される。
In
上記製造方法から理解されるように、コンバイナ39においてはキャピラリ53と共に(キャピラリ53に挿入された)入力ファイバ37a,37b,37cの先端部(及びファイバ内部のコア57,内部クラッド59、中間クラッド62)も、前記ステップ5における溶融、引き延ばしによりテーパ化されている。
As understood from the above manufacturing method, in the
図8(b)は、前記テーパ化された入力ファイバ先端部の構造および作用を示す説明図である。 FIG. 8B is an explanatory diagram showing the structure and operation of the tapered input fiber tip.
同図に示すように入力ファイバ先端部は、テーパ化されたコア57と、テーパ化された内部クラッド59と、テーパ化された中間クラッド62とを有する。ここでは簡単のためキャピラリ53は省略されている。
As shown in the figure, the input fiber tip has a tapered
既に述べたように、前記入力ファイバ先端部は、キャピラリ53と入力ファイバ37a,37b,37cとを溶融し且つ引き延ばすことにより製造された部位である。従って、当該先端部はキャピラリと入力ファイバの間に、エアギャップ63を有し且つ、このエアギャップ63は、汚染物66を含んでいる虞がある。
As described above, the tip end of the input fiber is a part manufactured by melting and stretching the capillary 53 and the
図8(a)は上記と同様の方法によって製造された従来のコンバイナにおける入力ファイバの構造およびその作用を示す説明図である。同図に示すように、このコンバイナの先端部もキャピラリと入力ファイバの間にエアギャップ113を有し、このエアギャップ113は、汚染物16を含む虞がある。
FIG. 8A is an explanatory view showing the structure of an input fiber and its operation in a conventional combiner manufactured by the same method as described above. As shown in the figure, the tip of this combiner also has an
同図において、点114は、内部クラッド−空気(石英−空気)境界面が臨界角となる位置を示す。
In the figure, a
図8(a)に示すように、従来のコンバイナの入力ファイバにおいては、多重モード光が入射されると、当該光はコア107からクラッド109へ侵入し、クラッド109と空気113との境界で全反射されて中心方向へ戻る。この場合に、前記境界に汚染物116が付着していると、この付着部分で汚染物がレーザ光により加熱される。特に、ファイバレーザからのレーザ光は極めて高い強度を有するため、前記部位では極めて大きな熱が生成される。そしてこの熱が累積しファイバが損傷する虞がある。
As shown in FIG. 8 (a), in the input fiber of the conventional combiner, when multimode light is incident, the light enters the
一方、図8(b)において、点64は、中間クラッド−空気(フッ素ドープ石英−空気)境界面が臨界角となる位置を示し、点65は、内部クラッド−中間クラッド(石英−フッ素ドープ石英)境界面が臨界角となる位置を示す。
On the other hand, in FIG. 8B, a
上記従来のコンバイナの入力ファイバに比して、本件発明の実施形態のコンバイナの入力ファイバにおいては図8(b)に示すように、コア57から内部クラッド59に進入したレーザ光は、点65で全反射を受ける場合に、レーザ光は内部クラッド59と中間クラッド62との境界301で全反射を受け、汚染物66が存在する中間クラッド62の外表面には達しない。
Compared with the input fiber of the conventional combiner, in the input fiber of the combiner according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. When receiving total reflection, the laser beam is totally reflected at the
したがって、このようなレーザ光は、汚染物66を介してファイバのテーパ部を加熱することがないものである。換言すれば、本実施形態の入力ファイバを含むコンバイナによれば、汚染物66が存在するファイバ表面に到達する光強度を、従来の入力ファイバに比較して低減することができるものである。
Therefore, such a laser beam does not heat the tapered portion of the fiber via the
この場合、中間クラッドの屈折率は既に述べたように、内側クラッドの屈折率よりも小さいのが好ましい。さらに、コア屈折率をn0とし、内部クラッド屈折率をn1とし、中間クラッド屈折率をn2とするとき、(n1−n2)/(n0−n1)は、1より大きいのが望ましく、2より大きいのがさらに望ましく、3より大きいのがさらに好ましい。 In this case, the refractive index of the intermediate cladding is preferably smaller than the refractive index of the inner cladding as already described. Further, when the core refractive index is n0, the inner cladding refractive index is n1, and the intermediate cladding refractive index is n2, (n1-n2) / (n0-n1) is preferably larger than 1, and larger than 2. More preferably, it is more preferably greater than 3.
図9は、中間クラッドの屈折率を更に詳細に決定する方法を説明する説明図である。 FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining a method for determining the refractive index of the intermediate cladding in more detail.
同図において横軸は入力ファイバの半径方向の位置を示し、縦軸は屈折率を示す。具体的には実線は、入力ファイバにおける屈折率の半径方向の分布を示し、n0はコア57の屈折率、n1は内部クラッド59の屈折率を示す。
In the figure, the horizontal axis indicates the radial position of the input fiber, and the vertical axis indicates the refractive index. Specifically, the solid line indicates the radial distribution of the refractive index in the input fiber, n0 indicates the refractive index of the core 57, and n1 indicates the refractive index of the
これに対して破線は入力ファイバ中を伝播する伝播モードの実効屈折率(モーダルインデックス(MODAL INDEX))neffを示す。ここに実効屈折率neffは、横方向に有限の幅を有し且つ1より大きい屈折率を有する波ガイド(すなわち光ファイバ)に沿って伝播する光の波数が、真空中を伝播する光の波数より増大することを表しモード等に依存するものである。 On the other hand, the broken line indicates the effective refractive index (modal index (MODAL INDEX)) n eff of the propagation mode propagating in the input fiber. Here, the effective refractive index neff is the wave number of light propagating along a wave guide (that is, an optical fiber) having a finite width in the lateral direction and having a refractive index larger than 1, the wave number of light propagating in a vacuum. It represents an increase and depends on the mode and the like.
すなわちz方向に伝播する波の振幅A(z)について、neffは、
A(z)= A(0)*exp(γz)
γ = i β
β= neff*2π/λ
で定義され、横方向に無限に広がる平面波については、neffは媒質の屈折率に他ならないが、前記波ガイドの内部でのneffは、伝播する波のモード及び周波数に依存する。
That is, for the amplitude A (z) of the wave propagating in the z direction, neff is
A (z) = A (0) * exp (γz)
γ = i β
β = neff * 2π / λ
For a plane wave that extends infinitely in the lateral direction, neff is nothing but the refractive index of the medium, but neff inside the wave guide depends on the mode and frequency of the propagating wave.
前記実効屈折率は、理論的には、光ファイバの各層(コア、内部クラッド)についてそれぞれヘルムホルツ方程式が成立するとし、各層の境界条件として振幅及びその1回微分が連続であるとして求められるものであるが、実用上は、モードソルバーソフトウェアで計算される。勿論計算される実効屈折率の値は、波ガイドの屈折率分布に依存する。 The effective refractive index is theoretically obtained assuming that the Helmholtz equation is established for each layer (core, inner cladding) of the optical fiber, and that the amplitude and its one-time derivative are continuous as boundary conditions of each layer. In practice, it is calculated by the mode solver software. Of course, the calculated effective refractive index value depends on the refractive index distribution of the wave guide.
そして、例えば前記コア及び内部クラッドのみが存在するとして、前記方程式を解くことにより、図9の破線に示すように、例えばLP01についてはコア屈折率n0よりも若干低いneff(nLP01)が得られる。 Then, for example, assuming that only the core and the inner cladding exist, by solving the above equation, as shown by the broken line in FIG. 9, for example, for LP01, neff (nLP01) slightly lower than the core refractive index n0 is obtained.
モードLP11については、より低下した実効屈折率nLP11が得られ、モードnLP41についてはさらに低く、クラッドの屈折率より低い実効屈折率(nLP41)が得られる。そして、よく知られているように実効屈折率が内部クラッド屈折率n1より小さくなると、これらのモードは内部クラッドを通過し拡散してしまう。したがって、本件発明の実施形態においては、この拡散を防止するために中間クラッドを設けたものである。ここに、例えばモードLP41の光の拡散を防止する(換言すれば同光を閉じ込める)ために中間クラッドの屈折率n2を、n2<LP41とするのが好ましい。 For mode LP11, a lower effective refractive index nLP11 is obtained, and for mode nLP41, an effective refractive index (nLP41) lower than that of the cladding is obtained. As is well known, when the effective refractive index is smaller than the inner cladding refractive index n1, these modes pass through the inner cladding and diffuse. Therefore, in the embodiment of the present invention, an intermediate cladding is provided to prevent this diffusion. Here, for example, in order to prevent light diffusion in the mode LP41 (in other words, confine the light), it is preferable that the refractive index n2 of the intermediate cladding is n2 <LP41.
この関係は対象物の開口数NAで表現する方が理解し易いのでこれを用いて説明すると以下の通りである。すなわち一般に対象物xのNAxは、
NAx = (ns 2 − nx 2)1/2
を意味する。ここにnsは、石英(SiO2)の屈折率を意味し、nxは対象物xの屈折率を意味する。例えば中間クラッドの屈折率をn2とすると、中間クラッドのNA2は、
NA2 = (ns 2 − n2 2)1/2
となる。
This relationship is easier to understand if expressed by the numerical aperture NA of the object, and will be described as follows. That is, in general, the NA x of the object x is
NA x = ( ns 2 −nx 2 ) 1/2
Means. Here n s denotes a refractive index of silica (S i O 2), n x means a refractive index of the object x. For example, if the refractive index of the intermediate cladding is n 2 , the NA 2 of the intermediate cladding is
NA 2 = ( ns 2 −n 2 2 ) 1/2
It becomes.
従って、上記中間クラッドでのモードnLP41の閉じこめの条件を、開口数NAで表すと、NA2>NALP41となる。よって例えばNALP41が0.15〜0.16となる場合、NA2はこれらの値より大きな値とするのが好ましい。 Therefore, when the confinement condition of the mode nLP41 in the intermediate cladding is expressed by the numerical aperture NA, NA2> NALP41. Therefore, for example, when NALP41 is 0.15 to 0.16, NA2 is preferably larger than these values.
一方、コンバイナから出力ファイバに射出された光が出力ファイバの側面から射出することを防止するためには、NA2は出力ファイバのNAよりも小さくなければならない。従って出力ファイバのNAが0.2〜0.22程度の場合、中間クラッドのNAは0.18程度に設定するのが望ましい。 On the other hand, NA2 must be smaller than the NA of the output fiber in order to prevent light emitted from the combiner from the side of the output fiber. Therefore, when the NA of the output fiber is about 0.2 to 0.22, the NA of the intermediate cladding is preferably set to about 0.18.
次に、中間クラッドの厚さの決定方法について説明する。中間クラッドの厚さは,当該厚さと、ファイバ側面でのマルチモードの平均光強度の関係から決定される。 Next, a method for determining the thickness of the intermediate cladding will be described. The thickness of the intermediate cladding is determined from the relationship between the thickness and the average light intensity of the multimode on the side surface of the fiber.
図10(a)−(f)は前記決定に用いられる入力ファイバ中のシングルモードあるいはマルチモード(LP01, LP11, LP21, LP02, LP31, LP12, LP41のモードが均等に刺激又は励起されたマルチモード)の光強度分布の計算結果を示すものである。横軸は、ファイバ中心からの半径方向の距離を表し、縦軸は各位置での光強度を表す。図中、細線は中間クラッドを持たない場合の光強度を表し、太線は中間クラッドを持つ場合の光強度を表す。また、この計算では、中間クラッドはテーパ化前、15μmの厚さを有する。 10 (a) to 10 (f) show a single mode or a multimode (LP01, LP11, LP21, LP02, LP31, LP12, LP41) in the input fiber used for the determination. ) Shows the calculation result of the light intensity distribution. The horizontal axis represents the radial distance from the fiber center, and the vertical axis represents the light intensity at each position. In the figure, the thin line represents the light intensity without the intermediate cladding, and the thick line represents the light intensity with the intermediate cladding. In this calculation, the intermediate cladding has a thickness of 15 μm before taper.
より詳細には図10(a)−(c)は、シングルモードに付いての、図8のA−A,B−B,C−C 面及びA’−A’,B’−B’,C’−C’面での光の強度分布を示し、図10(d)−(f)は、マルチモードに付いての、図8のA−A,B−B,C−C面及びA’−A’,B’−B’,C’−C’面での光強度分布を示すものである。 More specifically, FIGS. 10A to 10C show the AA, BB, CC plane and A′-A ′, B′-B ′, FIG. FIG. 10 (d)-(f) shows the light intensity distribution on the C′-C ′ plane, and FIGS. 10 (d)-(f) show the AA, BB, CC plane and A of FIG. It shows the light intensity distribution on the '-A', B'-B ', and C'-C' planes.
図11は、図10(d)−(f)に示した多重モードの光強度計算を中間クラッドの厚さ0μm、5μm、10μm、15μm、20μmについて行い、厚さ毎に、テーパウエスト領域での軸方向平均光強度を計算し、これらを纏めたものである。ここに中間クラッドのNAは0.18であり、テーパ比は4.35である。なお、テーパ比は、テーパ基端部の直径とテーパ先端部の直径の比を表すものである。また、計算において7個の多重モードを同じ強度で刺激又は励起した。 FIG. 11 shows the calculation of the light intensity of the multimode shown in FIGS. 10D to 10F with respect to the thickness of the intermediate cladding of 0 μm, 5 μm, 10 μm, 15 μm, and 20 μm. The axial average light intensity is calculated and summarized. Here, the NA of the intermediate cladding is 0.18, and the taper ratio is 4.35. The taper ratio represents the ratio between the diameter of the taper base end and the diameter of the taper tip. In the calculation, seven multimodes were stimulated or excited with the same intensity.
同図から理解されるように、中間クラッドの厚さに応じて、テーパ化ウエストにおいてファイバ側面の光負荷が低減することが理解される。 As understood from the figure, it is understood that the optical load on the side surface of the fiber is reduced at the tapered waist according to the thickness of the intermediate cladding.
より詳細には、中間クラッドの厚さが(テーパ化以前の値で)5, 10, 15, 20μmとなることで、テーパウエストでのファイバ側面のパワー負荷が5,15,23,26倍程度それぞれ減少する。なお、厚さが15μmを越えると低減効率は減少する。 More specifically, when the thickness of the intermediate clad is 5, 10, 15, 20 μm (value before taper), the power load on the side surface of the fiber at the taper waist is about 5, 15, 23, 26 times. Each decreases. If the thickness exceeds 15 μm, the reduction efficiency decreases.
これによれば、中間クラッドの厚さを、例えば10〜15μm程度にすることにより約10%以上の光負荷を低減することができる。 According to this, the optical load of about 10% or more can be reduced by setting the thickness of the intermediate cladding to about 10 to 15 μm, for example.
また、厚さを15μm程度にすることにより、テーパウエストにおけるマルチモード波によるファイバ表面の光負荷を、シングルモード波の光負荷程度に減少させることができる。 Further, by setting the thickness to about 15 μm, the optical load on the fiber surface due to the multimode wave at the taper waist can be reduced to the optical load of the single mode wave.
以上のとおり、本発明の実施形態のコンバイナによれば、ウエスト部における加熱を著しく低減することができる。これは、上記したようにウエスト部において汚染物が存在するキャリア内側と、内側クラッドの側面とを中間クラッドにより分離されることにより達成される。 As mentioned above, according to the combiner of embodiment of this invention, the heating in a waist part can be reduced significantly. As described above, this is achieved by separating the inside of the carrier where contaminants are present in the waist portion and the side surface of the inner cladding by the intermediate cladding.
Claims (13)
複数本の入力ファイバと、
複数本の入力ファイバの外周に当該入力ファイバを覆うキャピラリと、
を有し、
複数本の入力ファイバにおける各ファイバは、コアと、コアを取り囲む内部クラッドと、前記内部クラッドを取り囲む中間クラッドとを備えたテーパ部を有し、
各ファイバは、4≦Tr≦5のテーパの度Trのテーパ部を有し、
前記中間クラッドの屈折率は内部クラッドの屈折率より小さく、
前記中間クラッドの開口数NA2は、出力ファイバの開口数NAoより小さく、
前記中間クラッドは、フッ素化ドープシリカを含み、厚さが5μm以上である
光ファイバコンバイナ。 An optical fiber combiner that couples multiple input fibers to an output fiber,
Multiple input fibers,
A capillary that covers the input fibers on the outer periphery of a plurality of input fibers;
Have
Each fiber in the plurality of input fibers has a taper portion including a core, an inner clad surrounding the core, and an intermediate clad surrounding the inner clad,
Each fiber has a taper portion with a degree of taper of 4 ≦ Tr ≦ 5,
The refractive index of the intermediate cladding is smaller than the refractive index of the inner cladding,
The numerical aperture NA 2 of the intermediate cladding is smaller than the numerical aperture NAo of the output fiber,
The intermediate clad is an optical fiber combiner including fluorinated doped silica and having a thickness of 5 μm or more.
各光ファイバは、コアとコアを取り囲む内部クラッドと前記内部クラッドを取り囲む中間クラッドとを備えたテーパ部を有し、
前記中間クラッドの屈折率は内部クラッドの屈折率より小さい
光ファイバコンバイナ。 An optical fiber combiner having a plurality of optical fibers,
Each optical fiber has a taper portion including a core, an inner cladding surrounding the core, and an intermediate cladding surrounding the inner cladding,
An optical fiber combiner in which the refractive index of the intermediate cladding is smaller than the refractive index of the inner cladding.
コアと、コアを取り囲む第1内部クラッドと、前記第1内部クラッドを取り囲む中間クラッドと、前記中間クラッドを取り囲む第2内部クラッドを備え、
前記中間クラッドの屈折率は内部クラッドの屈折率より低い光ファイバ。 An optical fiber used in the optical fiber combiner of claim 1,
A core, a first inner cladding surrounding the core, an intermediate cladding surrounding the first inner cladding, and a second inner cladding surrounding the intermediate cladding;
An optical fiber in which the refractive index of the intermediate cladding is lower than the refractive index of the inner cladding.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022510004A (en) * | 2018-12-03 | 2022-01-25 | アイピージー フォトニクス コーポレーション | Ultra high fiber laser system with controllable output beam intensity profile |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11119271B2 (en) * | 2018-05-04 | 2021-09-14 | Nuburu, Inc. | Triple clad fiber |
| CN115201967B (en) * | 2022-06-08 | 2023-06-23 | 中国电子科技集团公司第十一研究所 | reverse fiber coupler |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008203496A (en) * | 2007-02-20 | 2008-09-04 | Fujikura Ltd | Double-core fiber, optical coupling device using the same, signal light pumped optical coupling device, fiber amplifier, and fiber laser |
| JP2008209603A (en) * | 2007-02-26 | 2008-09-11 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | Optical fiber |
| WO2008114869A1 (en) * | 2007-03-22 | 2008-09-25 | Fujikura Ltd. | Optical fiber bundle and light irradiating device |
| JP2009122541A (en) * | 2007-11-16 | 2009-06-04 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | Double clad fiber, fiber end processing method, and fiber-combiner connecting structure including the same |
| US20090154881A1 (en) * | 2007-12-14 | 2009-06-18 | Corelase Oy | Optical Fiber Combiner and Method of Manufacturing Thereof |
| JP2010237457A (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Optical fiber, bundle fiber, and method of manufacturing bundle fiber |
| US20110280517A1 (en) * | 2010-03-16 | 2011-11-17 | Ofs Fitel, Llc | Techniques and devices for low-loss, modefield matched coupling to a multicore fiber |
| WO2012121320A1 (en) * | 2011-03-09 | 2012-09-13 | 古河電気工業株式会社 | Method for producing bundle structure, method for connecting fibers, bundle terminal structure, and fiber connection structure |
| JP2012524302A (en) * | 2009-04-14 | 2012-10-11 | オーエフエス ファイテル,エルエルシー | Fiber-based laser combiner |
| JP2015094840A (en) * | 2013-11-12 | 2015-05-18 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Combiner and manufacturing method thereof |
| JP2016075944A (en) * | 2011-02-24 | 2016-05-12 | オーエフエス ファイテル,エルエルシー | Step-index few-mode fiber designs for spatial multiplexing |
| JP2016080914A (en) * | 2014-10-17 | 2016-05-16 | 株式会社フジクラ | Optical coupler, laser device, and tapered fiber |
-
2016
- 2016-09-30 JP JP2016194106A patent/JP2018055043A/en active Pending
-
2017
- 2017-09-11 WO PCT/JP2017/032632 patent/WO2018061725A1/en not_active Ceased
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008203496A (en) * | 2007-02-20 | 2008-09-04 | Fujikura Ltd | Double-core fiber, optical coupling device using the same, signal light pumped optical coupling device, fiber amplifier, and fiber laser |
| JP2008209603A (en) * | 2007-02-26 | 2008-09-11 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | Optical fiber |
| WO2008114869A1 (en) * | 2007-03-22 | 2008-09-25 | Fujikura Ltd. | Optical fiber bundle and light irradiating device |
| JP2009122541A (en) * | 2007-11-16 | 2009-06-04 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | Double clad fiber, fiber end processing method, and fiber-combiner connecting structure including the same |
| US20090154881A1 (en) * | 2007-12-14 | 2009-06-18 | Corelase Oy | Optical Fiber Combiner and Method of Manufacturing Thereof |
| JP2009145888A (en) * | 2007-12-14 | 2009-07-02 | Corelase Oy | Optical fiber combiner and method of manufacturing thereof |
| JP2010237457A (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Optical fiber, bundle fiber, and method of manufacturing bundle fiber |
| JP2012524302A (en) * | 2009-04-14 | 2012-10-11 | オーエフエス ファイテル,エルエルシー | Fiber-based laser combiner |
| US20110280517A1 (en) * | 2010-03-16 | 2011-11-17 | Ofs Fitel, Llc | Techniques and devices for low-loss, modefield matched coupling to a multicore fiber |
| JP2016075944A (en) * | 2011-02-24 | 2016-05-12 | オーエフエス ファイテル,エルエルシー | Step-index few-mode fiber designs for spatial multiplexing |
| WO2012121320A1 (en) * | 2011-03-09 | 2012-09-13 | 古河電気工業株式会社 | Method for producing bundle structure, method for connecting fibers, bundle terminal structure, and fiber connection structure |
| JP2015094840A (en) * | 2013-11-12 | 2015-05-18 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Combiner and manufacturing method thereof |
| JP2016080914A (en) * | 2014-10-17 | 2016-05-16 | 株式会社フジクラ | Optical coupler, laser device, and tapered fiber |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022510004A (en) * | 2018-12-03 | 2022-01-25 | アイピージー フォトニクス コーポレーション | Ultra high fiber laser system with controllable output beam intensity profile |
| JP7487197B2 (en) | 2018-12-03 | 2024-05-20 | アイピージー フォトニクス コーポレーション | Ultra-high power fiber laser system with controllable output beam intensity profile |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2018061725A1 (en) | 2018-04-05 |
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