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技術 高出力ファイバー増幅器及びレーザーに適用するための高効率ポンプ信号コンバイナー

出願人 オーエフエスファイテル,エルエルシー
発明者 ラリットクマーバンサルクリフォードイー.ヘッドリー
出願日 2015年11月13日 (5年7ヶ月経過) 出願番号 2015-222734
公開日 2016年6月20日 (4年11ヶ月経過) 公開番号 2016-110103
状態 特許登録済
技術分野 レーザ(2) ライトガイドの機械的結合 光ファイバ束
主要キーワード ポンピング素子 高出力ポンプ 縮径領域 出力ポンプ 出力要件 融着プロセス 多モードファイバー 非断熱的
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (13)

課題

入力先ファイバーバンドル出力ファイバーとの間の融着スプライシング接合されるエリア内のコア領域歪みを最小化することのできる高出力ファイバー増幅器及びレーザーに適用するための高効率ポンプ信号コンバイナーを提供する。

解決手段

スプライス領域内の出力ファイバー12のガラスクラッド層14の厚さは、コア間スプライスが形成され、ガラス流動してコア領域16を接合する任意の縮径領域が基本的に除去されるように薄くされる。

概要

背景

多モード光は、ファイバーレーザー及び増幅器ポンピング素子に不可欠な要素である。図1に示される先細ファイバーバンドルは、複数のポンプ源(各ポンプ源が別々のファイバーに沿って伝搬している光を与える)を合体して、大部分のファイバーの直径内に出力されるポンプ光を与える構造にするために用いられる1つの例示的な構成である。図示されるように、個々のファイバー(公称寸法を有する)が、「バンドル」として定義される1つのグループ束ねられる(バンドルの断面が図1に示される)。その後、バンドルを加熱して先細りにし、本質的に単一のファイバーになるように融合させる(同じく断面が図1に示される)。この先細部分は、バンドルの出力として合成されたポンプ光を与えることができる。

使用時に、別の光ファイバーが、通常、先細部分の端面にスプライスされ、全ての合成されたポンプ信号を関連する光ファイバー増幅器又はレーザー送達するために用いられる。先細ファイバーバンドル及び出力ファイバーの構成は多くの場合に、「ポンプコンバイナー」又は単に「コンバイナー」と呼ばれる。出力ファイバーはコア及びクラッドの両方を有し、場合によっては、クラッドはガラスを含む。

当然のことながら、このタイプのコンバイナーを通って先細バンドルから出力ファイバーまで(又は、更に一般的には、任意のタイプの「クラッドなし」ファイバーからクラッド付きの光ファイバーまで)伝搬する光の伝送効率を高めることが、いつでも望ましい。実際に、伝送効率が高いほど、システム全体の効率が改善され、高出力ファイバーレーザー及び増幅器に関連付けられる出力要件(例えば、2kWより大きい)も低減される。また、伝送損失に関連付けられ光エネルギーは熱に変換され、システムの信頼性を低下させるので、ポンプ伝送効率が高いほどシステムの損失成分が少ない。それゆえ、多モード伝送効率は高いほど望ましい。

ファイバーレーザー及び増幅器内の非線形効果に関する出力しきい値はファイバー長反比例する。要求される利得長そのものは、ドープファイバーのクラッド面積に比例する。非線形性を最小化するために、クラッド径を可能な限り最小にすることが望ましい。一方、利得ファイバーの中に結合できるポンプ出力の量は、そのクラッド面積に比例する。それゆえ、この理由から、大きなクラッド面積が望ましい。先細ファイバーバンドルを通って伝搬することができる光の開口数(NA)は先細比とともに増加するので、先細部分の出力におけるNAは、出力ファイバーのNAを超えるべきではない(低い損失を達成するために重要である)。この条件は、以下のように規定される多モードファイバーの先細バンドルに関する「輝度」条件によって確立される。



ただし、Doutは出力ファイバーの直径であり、NAoutは出力ファイバーの開口数であり、nはバンドル内のファイバー数であり、Dinはポンプ入力ファイバーの直径であり、NAinはポンプ入力ファイバーの開口数である。

小さな利得ファイバーとともに使用するほど、高い先細比が必要とされることに起因して、利用可能なポンプダイオード輝度の制限によって、小径の利得ファイバーを効率的にポンピングできなくなる。高い先細比は光のNAを増加させ、それゆえ、輝度を減少させ、ポンプ損失を増加させる(コンバイナーの出力において利用可能な最大出力を減少させる)。

概要

入力先細ファイバーバンドルと出力ファイバーとの間の融着スプライシング接合されるエリア内のコア領域歪みを最小化することのできる高出力ファイバー増幅器及びレーザーに適用するための高効率ポンプ信号コンバイナーを提供する。スプライス領域内の出力ファイバー12のガラスクラッド層14の厚さは、コア間スプライスが形成され、ガラスが流動してコア領域16を接合する任意の縮径領域が基本的に除去されるように薄くされる。

目的

スプライス点におけるコア歪みを低減し、このスプライス点におけるコア領域内の伝送効率を高くできるようにするために、スプライス付近の多モードファイバークラッドが除去される、ファイバーバンドルと多モード出力ファイバーとの間のコア間融着を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

先細ファイバーバンドルとして構成され、直径Dinを有する端面を示すように形成される複数の光ファイバーを備える光入力構成と、前記光入力構成の前記端面に結合するための末端部分を含むものと規定される光出力ファイバーであって、該出力ファイバーコア領域と、前記コア領域を包囲する少なくとも1つのガラスクラッド層とを含み、前記コア領域は、前記先細ファイバーバンドルの端面径Dinに実質的に等しい直径Doutを示し、前記ガラスクラッド材料の少なくとも規定厚が、前記光入力構成と該光出力ファイバーとの間のコア間融着スプライスを可能にするように、前記末端部分から開始して、該出力ファイバーの長手方向の範囲Lに沿って除去され、それにより、スプライス点においてコア歪みを低減し、高効率融着スプライスコンバイナーを作製する、光出力ファイバーと、を備える、光コンバイナー。

請求項2

前記光入力構成は、多モードファイバーの先細ファイバーバンドルを備える、請求項1に記載の光コンバイナー。

請求項3

前記先細ファイバーバンドルは、前記光コンバイナーへの複数の別々のポンプ入力伝搬支援し、前記出力ファイバーは合成されたポンプ出力信号を別の光学構成要素に向ける、請求項2に記載の光コンバイナー。

請求項4

前記光入力構成の前記端面と前記光出力ファイバーの前記コア領域との間の伝送効率は約99%である、請求項3に記載の光コンバイナー。

請求項5

前記ガラスクラッド層の前記厚さは、規定された前記長手方向の範囲Lに沿って徐々に減少し、前記出力ファイバーの端面において最小厚に達する、請求項1に記載の光コンバイナー。

請求項6

前記クラッド層に沿った光の伝搬を遮断するように、前記出力ファイバーの別の離間した領域から、前記ガラスクラッド材料の更なる部分が除去される、請求項1に記載の光コンバイナー。

請求項7

先細ファイバーバンドルとして構成され、直径Dinを有する端面を示すように形成される複数の光ファイバーを備える光入力構成を設けることと、コア領域と、少なくとも1つの包囲するガラスクラッド層とを有する光出力ファイバーを設けることであって、前記コア領域は、前記光入力構成の前記端面Dinに実質的に等しい直径Doutを示すことと、前記出力ファイバーの端面から開始して、前記出力ファイバーの規定された長手方向の範囲Lに沿って前記ガラスクラッド層の厚さの少なくとも一部を除去することと、前記光入力構成の前記端面を前記光出力ファイバーの前記端面に接合することと、ガラス流動を引き起こし、前記光入力構成と前記光出力ファイバーとの間にコア間融着スプライシングを引き起こすように前記光入力構成及び前記光出力ファイバーの前記接合された部分を加熱することであって、それにより、スプライス点においてコア歪みを低減し、前記高効率光コンバイナーを形成することと、を含む、高効率光コンバイナーを作製する方法。

請求項8

前記ガラスクラッド層の厚さの少なくとも一部を除去するステップは、エッチングプロセスを用いる、請求項7に記載の方法。

請求項9

前記ガラスクラッド層の厚さの少なくとも一部を除去するステップは、前記出力ファイバーの末端部分に沿った前記ガラスクラッド材料の全てを除去する、請求項8に記載の方法。

請求項10

前記出力ファイバーに沿って別の離間した場所において前記ガラスクラッド材料の選択された部分を除去し、前記クラッド層に沿って伝搬する望ましくない光を散乱させるために前記クラッド層に沿った遮断を引き起こすステップを更に含む、請求項8に記載の方法。

請求項11

1組の高効率光コンバイナーを有する入力ステージであって、前記各高効率光コンバイナーは、先細ファイバーバンドルとして構成され、直径Dinを有する端面を示すように形成される複数の光ファイバーを備える光入力構成と、前記光入力構成の前記端面に結合するための末端部分を含むものと規定される光出力ファイバーであって、該出力ファイバーはコア領域と、前記コア領域を包囲する少なくとも1つのガラスクラッド層とを含み、前記コア領域は、前記先細ファイバーバンドルの端面径Dinに実質的に等しい直径Doutを示し、前記ガラスクラッド材料の少なくとも規定厚が、前記光入力構成と該光出力ファイバーとの間のコア間融着スプライスを可能にするように、前記末端部分から開始して、該出力ファイバーの長手方向の範囲Lに沿って除去され、それにより、スプライス点においてコア歪みを低減し、高効率融着スプライスコンバイナーを作製する、光出力ファイバーと、を含む、入力ステージと、出力光コンバイナーであって、前記入力ステージからの1組の前記光出力ファイバーが該出力光コンバイナーへの入力として適用され、トランク先細ファイバーバンドルとして構成され、該出力光コンバイナーは、コア領域と、前記コア領域を包囲するポリマークラッド層とを含むシステム出力ファイバーを更に備え、前記トランク先細ファイバーバンドルの端面が前記システム出力ファイバーに融着スプライスされる、出力光コンバイナーと、を備える、カスケード接続光コンバイナー構成。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
本出願は、2014年11月13日に出願され、引用することにより本明細書の一部をなす米国仮特許出願第62/078,987号の利益を主張する。

0002

本発明は、先細ファイバーバンドルポンプ源出力ファイバーに結合する(光コンバイナーを形成する)ための融着スプライス構成に関し、より詳細には、スプライス点においてファイバー歪みを最小化し、コンバイナーの入力と出力との間の伝送効率最大化する構成に関する。

背景技術

0003

多モード光は、ファイバーレーザー及び増幅器ポンピング素子に不可欠な要素である。図1に示される先細ファイバーバンドルは、複数のポンプ源(各ポンプ源が別々のファイバーに沿って伝搬している光を与える)を合体して、大部分のファイバーの直径内に出力されるポンプ光を与える構造にするために用いられる1つの例示的な構成である。図示されるように、個々のファイバー(公称寸法を有する)が、「バンドル」として定義される1つのグループ束ねられる(バンドルの断面が図1に示される)。その後、バンドルを加熱して先細りにし、本質的に単一のファイバーになるように融合させる(同じく断面が図1に示される)。この先細部分は、バンドルの出力として合成されたポンプ光を与えることができる。

0004

使用時に、別の光ファイバーが、通常、先細部分の端面にスプライスされ、全ての合成されたポンプ信号を関連する光ファイバー増幅器又はレーザー送達するために用いられる。先細ファイバーバンドル及び出力ファイバーの構成は多くの場合に、「ポンプコンバイナー」又は単に「コンバイナー」と呼ばれる。出力ファイバーはコア及びクラッドの両方を有し、場合によっては、クラッドはガラスを含む。

0005

当然のことながら、このタイプのコンバイナーを通って先細バンドルから出力ファイバーまで(又は、更に一般的には、任意のタイプの「クラッドなし」ファイバーからクラッド付きの光ファイバーまで)伝搬する光の伝送効率を高めることが、いつでも望ましい。実際に、伝送効率が高いほど、システム全体の効率が改善され、高出力ファイバーレーザー及び増幅器に関連付けられる出力要件(例えば、2kWより大きい)も低減される。また、伝送損失に関連付けられ光エネルギーは熱に変換され、システムの信頼性を低下させるので、ポンプ伝送効率が高いほどシステムの損失成分が少ない。それゆえ、多モード伝送効率は高いほど望ましい。

0006

ファイバーレーザー及び増幅器内の非線形効果に関する出力しきい値はファイバー長反比例する。要求される利得長そのものは、ドープファイバーのクラッド面積に比例する。非線形性を最小化するために、クラッド径を可能な限り最小にすることが望ましい。一方、利得ファイバーの中に結合できるポンプ出力の量は、そのクラッド面積に比例する。それゆえ、この理由から、大きなクラッド面積が望ましい。先細ファイバーバンドルを通って伝搬することができる光の開口数(NA)は先細比とともに増加するので、先細部分の出力におけるNAは、出力ファイバーのNAを超えるべきではない(低い損失を達成するために重要である)。この条件は、以下のように規定される多モードファイバーの先細バンドルに関する「輝度」条件によって確立される。



ただし、Doutは出力ファイバーの直径であり、NAoutは出力ファイバーの開口数であり、nはバンドル内のファイバー数であり、Dinはポンプ入力ファイバーの直径であり、NAinはポンプ入力ファイバーの開口数である。

0007

小さな利得ファイバーとともに使用するほど、高い先細比が必要とされることに起因して、利用可能なポンプダイオード輝度の制限によって、小径の利得ファイバーを効率的にポンピングできなくなる。高い先細比は光のNAを増加させ、それゆえ、輝度を減少させ、ポンプ損失を増加させる(コンバイナーの出力において利用可能な最大出力を減少させる)。

発明が解決しようとする課題

0008

従来技術において残されている必要性が本発明によって対処され、本発明は、先細ファイバーバンドルポンプ源をガラスクラッド出力ファイバーに結合するための融着スプライス構成に関し、より詳細には、スプライス点におけるファイバー歪みを最小化し、コンバイナーの入力と出力との間の伝送効率を最大化する構成に関する。

課題を解決するための手段

0009

本発明によれば、出力ファイバーの終端にあるガラスクラッドの少なくとも一部が、先細ファイバーバンドルと出力ファイバーとの間でコア間融着が実行される構成を作製するように除去される(好ましくは、このエリア内のクラッドの大部分又は全てが除去される)。直接コア間融着プロセスは、融着スプライスに及ぼすクラッド材料の影響を低減し、スプライス点におけるコア領域内の歪みを最小化する。このタイプのコンバイナーにおいて直接コア間融着を用いることによって、約99%の多モード伝送効率を達成することができる。

0010

出力ファイバーの末端部分に沿ったガラスクラッドは、限定はしないが、エッチング化学的除去)、研磨機械的除去)及び溶融(熱的除去)を含む、任意の適切な技法を用いて除去することができる。

0011

本発明の1つの特定の実施形態では、出力ファイバーの終端から更に離れた距離において、クラッドの更なる部分を除去することができ、コアが露出したこの更なるエリアによって、クラッド内を伝搬している任意の残りのポンプ光を、出力ファイバーから外へ散乱させる(又は屈折させる)ことができるようになる。

0012

本発明の複数の高効率コンバイナーを用いて形成される例示的な高出力システムはツリーアーキテクチャの形をとることができ、カスケード接続されたポンプコンバイナー群を用いて、階層内の少なくとも2つの異なるレベルに沿って合成することができ、2kWを超えるポンプ出力電力を与えることができるポンプ光を生成する。

0013

本発明の例示的な実施形態は、光コンバイナーの形態をとり、この光コンバイナーは、直径Dinを有する端面を示すように形成される先細ファイバーバンドルを備える光入力構成と、光入力構成の端面に結合するための末端部分を含むものと規定される光出力ファイバーとを備える。出力ファイバーはコア領域と、コア領域を包囲する少なくとも1つのガラスクラッド層とを含み、コア領域は、先細ファイバーバンドルの端面(Dinとして規定される)に実質的に等しい直径Doutを示す。ガラスクラッド材料の少なくとも幾らかが、光入力構成と光出力ファイバーとの間のコア間融着スプライスを可能にするように、末端部分から開始して、出力ファイバーの長手方向の範囲に沿って除去され、それにより、スプライス点においてコア歪みを低減し、高効率融着スプライスコンバイナーを作製する。

0014

本発明の別の例示的な実施形態は、高効率光コンバイナーを作製する方法の形態をとり、(1)先細ファイバーバンドルとして構成され、直径Dinを有する端面を示すように構成される複数の光ファイバーを備える光入力構成を設けることと、(2)コア領域と、少なくとも1つの包囲するガラスクラッド層とを有する光出力ファイバーを設けることであって、コア領域は、光入力構成の端面Dinに実質的に等しい直径Doutを示す、設けることと、(3)出力ファイバーの端面から開始して、出力ファイバーの規定された長手方向の範囲Lに沿ってガラスクラッド層の厚さの少なくとも一部を除去することと、(4)光入力構成の端面を光出力ファイバーの端面に接合することと、(5)ガラス流動を引き起こし、光入力構成と光出力ファイバーとの間にコア間融着スプライシングを引き起こすように光入力構成及び光出力ファイバーの接合された部分を加熱することであって、それにより、スプライス点においてコア歪みを低減し、高効率光コンバイナーを形成することと、を含む。

0015

本発明はまた、カスケード接続光コンバイナー構成の形態をとり、このカスケード接続光コンバイナー構成は、
(1)1組の高効率光コンバイナーを有する入力ステージであって、各高効率光コンバイナーは、先細ファイバーバンドルとして構成され、直径Dinを有する端面を示すように形成される複数の光ファイバーを備える光入力構成と、光入力構成の端面に結合するための末端部分を含むものと規定される光出力ファイバーであって、この出力ファイバーはコア領域と、コア領域を包囲する少なくとも1つのガラスクラッド層とを含み、コア領域は、先細ファイバーバンドルの端面径Dinに実質的に等しい直径Doutを示し、ガラスクラッド材料の少なくとも規定厚が、光入力構成と光出力ファイバーとの間のコア間融着スプライスを可能にするように、末端部分から開始して、出力ファイバーの長手方向の範囲Lに沿って除去され、それにより、スプライス点においてコア歪みを低減し、高効率融着スプライスコンバイナーを作製する、光出力ファイバーと、を含む、入力ステージと、(2)出力光コンバイナーであって、入力ステージからの1組の光出力ファイバーが出力光コンバイナーへの入力として適用され、トランク先細ファイバーバンドルとして構成され、出力光コンバイナーは、コア領域と、コア領域を包囲するポリマークラッド層とを含むシステム出力ファイバーを更に備え、トランク先細ファイバーバンドルの端面がシステム出力ファイバーに融着スプライスされている、出力光コンバイナーと、
を備える。

0016

以下の検討の過程において、添付の図面を参照することによって、本発明の他の更なる態様及び実施形態が明らかになるであろう。

0017

ここで図面を参照する。

図面の簡単な説明

0018

複数のポンプ入力源を合体して、単一の、より高出力ポンプ光出力にするために有用なこれまでの従来技術による先細ファイバーバンドルを示す図である。
図1の従来の先細ファイバーバンドルと従来の多モード出力ファイバーとの間の従来のスプライス接続を示す図である。
融着スプライシングプロセス中に図2のファイバーバンドルと出力ファイバーとの間の境界において引き起こされ、その結果として、その点においてコア領域に歪みが生じる(ファイバーバンドルと出力ファイバーとの間の伝送効率を低下させる)「縮径(necked down)」領域を示す図である。
200/205μm入力ファイバーに従来の200/220μm多モード出力ファイバーを融着することから引き起こされる例示的なコア歪みを示す光学顕微鏡写真である。
スプライス点におけるコア歪みを低減し、このスプライス点におけるコア領域内の伝送効率を高くできるようにするために、スプライス付近の多モードファイバークラッドが除去される、ファイバーバンドルと多モード出力ファイバーとの間のコア間融着を提供するために本発明に従って形成される例示的なポンプ光コンバイナーを示す図である。
ポンプコンバイナー入力ファイバー構造と出力ファイバーとの間の直径の差の関数としての伝送効率のパーセンテージ損失プロット図である。
ここでは(完全に除去される代わりに)、出力ファイバークラッドがスプライス付近のエリアに沿って先細りにされる、図5の構成に対する代替形態を示す図である。
出力ファイバークラッド層に沿って更なる窓が開けられ、更なる窓がクラッド層内を伝搬している任意の残りの光を出力ファイバーのコア領域から離れるように散乱させるために用いられる、本発明の代替の実施形態を示す図である。
本発明に従って形成される7−1ポンプ信号コンバイナーに関する伝送効率のグラフである。
ツリーアーキテクチャに配置される、カスケード接続される幾つかの本発明のポンプコンバイナーを用いて形成される例示的な高出力高効率ポンプ信号源の簡略化された図である。
図10のツリーアーキテクチャ構成の伝送効率のグラフである。
従来のツリーアーキテクチャコンバイナー構成と、図10の本発明の高出力高効率システムとに関連付けられる輝度を比較するプロット図である。

実施例

0019

ポンプコンバイナーの数多くの従来の構成では、異なる物理的寸法(具体的には、異なる外径)を有するファイバーをスプライスする必要がある。スプライス点における輝度(「輝度」は、上記で定義されたように、或る特定の開口数において断面積内で搬送されるポンプ電力指標である)を保持しながら、多モード伝送効率を最大化するために、両方のファイバー上の残りのクラッド層の直径にかかわらず、光搬送コア径は一致すべきである。通常の出力ファイバーは、コア領域を包囲する少なくとも1つのガラスクラッド層(又は複数の層)を含むのに対して、先細ファイバーバンドルの出力部分は、主として「コア」領域と考えることができ、閉じ込めを提供するのに十分なクラッド層がほとんど、又は全く存在しない(それゆえ、「クラッドなし」光ファイバーと特徴付けることができる)。

0020

図2は、これまでの従来技術による先細ファイバーバンドル1及び関連する出力ファイバー2を示す。上記で言及されたように、先細ファイバーバンドル1の端面3は、システムにポンプ光を供給するために用いられる、種々のファイバー4a、4b、...のコア領域を合体したものと考えることができる(より正確には、ファイバー4はコア及びクラッドの両方を有するが、先細領域内では、光がコアから漏出し、出力端面3においてコア及びクラッドの両方によって導光される)。先細プロセスを用いて、(伝送効率を最大化するために)出力ファイバー2のコア領域5の直径と本質的に一致する直径を有する端面3を作製する。図示されるように、出力ファイバー2は、相対的に厚いクラッド層6を含み、そのクラッド層は、所望の開口数(NA)を与えるために、そして、ポンプ光の持続的な伝送を出力ファイバー2のコア領域5内に閉じ込めるために必要である。

0021

したがって、先細ファイバーバンドル1の端面3を出力ファイバー2の端面7に融着スプライスしようと試みるとき、必然的にガラスクラッド径の不一致が生じ、結果として生じる表面張力が、軸方向への高温ガラス流動を引き起こし、融着領域内に滑らかな外面が生成される。図3に示されるように、このように高温ガラスが流動する結果として、先細ファイバーバンドル1と融着するコア領域5のエリア内に縮径領域8が生成される。実際には、表面張力によって、ファイバー2の外径が流動して、先細ファイバーバンドル1の外径と共形になり、一致するようになる。同時に、先細バンドル1の材料が出力ファイバー2の直径に合うように流動する。スプライス点Sにおけるコア歪みは、径が大きい方のファイバー(この場合には出力ファイバー2)の付加質量を保存するために生じる。図4はこのコア歪みを示す光学顕微鏡写真であり、バンドルと出力ファイバーとの間の直径の差がわずか約15μmであっても、その歪みは著しい。

0022

図5は、上記のコア歪み及び伝送効率低下に関連付けられる問題を克服する、本発明に従って形成される例示的なコンバイナー10を示す。図5を参照すると、先細ファイバーバンドルの物理的特性は上記で説明されたのと同じままである(それゆえ、同じ参照番号を有する)ことが示されている。上記の従来技術の構成とは対照的に、コンバイナー10は、融着スプライスの場所付近の長手方向の範囲Lに沿ってそのクラッド層14の大部分(全てではないとしても)が除去されるように処理された出力ファイバー12を利用する。クラッド層14のこの部分は、当該技術分野において既知の任意の適切な方法を用いて、融着スプライシングプロセスを実行する前に除去される。例えば、クラッド層14の選択された部分の除去は、化学系除去プロセスにおいて適切なエッチング溶液(HF又はKOH等)内で出力ファイバー12の末端部分をエッチングすることによって、又は機械的(研削)タイプのプロセスを用いて、出力ファイバー12の末端部分を研磨し、クラッド材料を除去することによって、又は出力ファイバー12の末端部分を加熱し、クラッドの少なくとも或る量を気化させること(熱プロセス)によって実行することができる。出力ファイバー12は、外側被覆層15も含むように示されており、外側被覆層は低屈折率材料の形をとることができる。

0023

先細ファイバーバンドル1は、任意の適切な従来のやり方で形成され、端面3において、出力ファイバー12の端面18におけるコア領域16の直径に可能な限り一致する直径を示すように処理される。したがって、コア領域16及び端面3の直径が可能な限り一致する(すなわち、コア間スプライシング構成をもたらす)ように形成されるので、出力ファイバー12の露出したコア領域16とバンドル1の端面3との融着スプライシングを実行しても、接合されたコアの歪みは(従来技術と比べて)著しく小さい。出力ファイバー12の末端部分からクラッド層14が除去されているので、高温融着スプライシングプロセス中にガラスが流動するとき、表面張力が最小になり、コア領域16とバンドル1との外側境界は、従来技術の不一致融着スプライス(従来技術の図3の領域8として示される)において見られる「縮径」プロファイルをほとんど、又は全く受けない。

0024

本発明によれば、出力ファイバー12のクラッド層14は、多モード結合損失を最小化するように除去され(又は少なくとも著しく薄くされ)、それにより、バンドル1の端面3と出力ファイバー12の端面18との間の外径差が好ましくは2μm未満である構成が作製される。この不一致は、損失を定義する以下の式において示されるように、2%未満のパーセンテージ損失をもたらすのに十分である。



ただし、Dinはファイバーバンドル1の端面3の直径であり(図2を参照)、Doutは出力ファイバー12の端面18の直径である。図6は、このパーセンテージ損失値をこれら2つのファイバー間のコア径の差が増加していく場合の関数としてプロットしたものである。

0025

図5に示される実施形態では、出力ファイバー12の末端部分において長手方向の範囲Lに沿ったクラッド材料の基本的に全てが除去されている。このタイプのクラッド除去は、下層コア材料を損傷することなく、クラッド材料を優先的に除去することになる適切な化学エッチング剤を用いることによって達成することができる。別の実施形態では、図7に示されるように、クラッド層14の厚さは長手方向の範囲Lに沿って徐々に薄くされ、出力ファイバー12の端面18において最小厚に達する。厚さの減少は、クラッド内のポンプ光に対する断熱的変化が引き起こされるように十分に緩やかにすることができる。

0026

さらに、本発明によれば、クラッド層14は、スプライスの高温ゾーン内のコア歪みを回避するほど十分に長手方向の範囲Lにわたって除去されるべきである。アークを利用する融着スプライサを用いる際、Lの値は3mm程度に大きくなる場合があるが、クラッド厚図7に示されるように先細りにされる場合には、小さくすることができる。本発明の教示に従って、ガラス流動に関連付けられるコア歪みが回避されることが重要である。上記で言及されたように、ガラス流動は、2つの溶融されるファイバーの表面張力特性と、その外径及びコア領域境界に沿ったファイバーの接合親和性とによって引き起こされる。それゆえ、2つのファイバー間の小さな不連続の直径不一致と、十分に緩やかな直径先細りとを組み合わせることによって、コア歪みが最小化される。

0027

出力ファイバー12は、システムの要件に応じて、種々の数の異なるタイプのファイバーの形をとる場合があることは理解されたい。さらに、先細ファイバーバンドルは、中央の単一モード信号ファイバーとともに、若しくは中央の単一モード信号ファイバーを備えることなく、複数の多モードファイバーを備えることができるか、又はポンプ光の伝搬を支援するために用いられる一群単一モードファイバーを備えることができる。先細ファイバーバンドルが1組の単一モードファイバーを備える状況においても、合成された出力ポンプ光は形の上では多モードになることは理解されたい。出力ファイバー12は、導光のために(アップドープ又はダウンドープされる)ドープコア領域を有することができるか、又は利得生成構成を形成するために希土類元素をドープすることができる。

0028

図8は、本発明の代替の実施形態を示しており、この場合、出力ファイバー12のクラッド層14に沿って伝搬する迷光となったポンプ光の存在を更に低減するために、高効率光コンバイナー10Aが形成される。この実施形態では、クラッド層14は、スプライス領域から離れた場所において1つ又は複数のエッチングされた領域40を含むように形成される。クラッドが除去されたこれらの領域の存在は、クラッド層14内の光の伝搬を遮断し、代わりに、任意の光を出力ファイバー12から離れるように散乱させる(屈折させる)。このために、領域40にわたる変化は、コア領域に沿って伝搬している(望ましい)ポンプ光に対して過度の散乱又はモード結合を引き起こすことなく、クラッド内を伝搬する光に対して非断熱的(すなわち、急激な変化)にすべきである。

0029

0.15の開口数(NA)と、105μmのコア径と、125μmの外径とをそれぞれ示す1組のファイバーから、7対1多モードコンバイナーを作製することによって、本発明の光コンバイナーの伝送効率を測定するために実験が実行された。1つの先細ファイバーバンドルを形成するために7つの個別のファイバーが処理され、バンドルの出力端面は約200μmの直径を有した。その後、先細ファイバーバンドルの端面は、200μmのコア径と、220μmの外径(すなわち、10μmのクラッド厚)とを有する多モード出力ファイバー(0.22NA)に融着スプライスされた。本発明によれば、多モード出力ファイバーの末端部分におけるクラッドは、先細ファイバーバンドルへの結合を改善するように最小化された。この特定の実施形態では、クラッドは、HF溶液内でのエッチングによって、10μmから約1.5μmまで削減された。

0030

図9は、上記で略述されたように形成された本発明のコンバイナーの伝送特性のグラフである。図示されるように、図9は、多モード出力ファイバーに沿った出力電力を、先細ファイバーバンドルの中に結合されるポンプ光の電力の関数としてプロットしたものである。この場合、本発明に従って形成される7−1高効率光コンバイナーの形成は、99%の伝送効率を示すことがわかった。この値は、約97%の効率を示すこれまでの従来技術による7−1コンバイナーに比べて好ましい。

0031

99%の伝送効率を達成するこの能力は、2kWを超えるポンプ出力を送達することができるカスケード接続コンバイナーからなる大型システムを形成するために利用することができる。図10は、本発明の複数の高効率コンバイナーから形成される例示的なツリー構造を示しており、この場合、95%のシステム全体伝送効率を達成できるように配置される。

0032

図10に示されるカスケード接続ポンプコンバイナーシステム100は、本発明に従って形成された複数の高効率光コンバイナー110からなる入力ステージを含む。この特定の実施形態では、1組の7つのそのようなコンバイナー1101、1102、...、1107が用いられる(図1に示されるような「密集」型のバンドルを保持するため)。各コンバイナー110そのものは、1組の7つの別々の入力ファイバー(コンバイナー1101とともにファイバー1121、1122、...、1127として示されている)に沿って伝搬する1組の7つの別々のポンプ入力を有するように示されている。ポンプファイバーは束ねられ、先細りにされ、先細バンドルの端面が上記のようにして関連する出力ファイバー114iに融着スプライスされる(すなわち、コア歪みを最小化し、コア間融着スプライス伝送効率を改善するために出力ファイバークラッドの一部が除去される)。上記で説明されたように、このようにして形成された高効率コンバイナー110は、99%の伝送効率を示す(この効率は、本発明に従って、融着スプライス付近において出力ファイバー114上のクラッド層の厚さを最小化することによって与えられる)。

0033

図10のカスケード接続構成内の次のレベルにおいて、コンバイナー1101〜1107からの1組の7つの出力ファイバー1141〜1147が、先細ファイバーバンドル150及びシステム出力ファイバー160を含むように形成されたトランクコンバイナー140への別々の入力として加えられる。出力ファイバー114は、システムに結合される全てのポンプ光がその出力端面152に沿って先細ファイバーバンドル150を出るように、(同じようにして)束ねられ、先細りにされる。

0034

そのアーキテクチャを完成させるために、システム出力ファイバー160が、トランクバンドル150の出力端面152に融着スプライスされる。信号経路に沿ったこの点において、端面152を出る合成されたポンプ光は相対的に大きなNA(約0.45)を有するので、システム出力ファイバー160も必然的に相対的に高いNAを示す。この例では、ポリマークラッドを有するファイバーが好ましい(そして、ガラスクラッドはこのサイズの開口数を与えることができない)ので、システム出力ファイバー160のコア領域162への端面152の融着スプライシングを行うとき、システム出力ファイバー160のポリマークラッド164のいずれも除去する必要はない。

0035

図10において示されるようなこの特定の構成では、約96%の伝送効率が、トランクコンバイナー140を形成するトランクバンドル150及びシステム出力ファイバー160によって生成される。入力ステージコンバイナー110に関する99%伝送効率と組み合わせられるとき、95%の全システム伝送効率が得られる。この結果は、92%効率を提供する従来のシステムと比べて好ましい。図11は、図10のカスケード接続ツリーアーキテクチャ構成の場合の伝送効率のプロットである。

0036

図10に示されるツリーアーキテクチャの1つの特定の構成は、各コンバイナー110のための入力ファイバー112として、寸法105μm/125μmを有し、NAが約0.15である従来の多モードファイバーを利用する。これらの多モードファイバー112は束ねられ、端面に向かって先細りにされ、端面は約200μmの直径を有する。この端面においてポンプ光信号の全てが合成され、相対的に高い出力(高い輝度)のポンプ光出力が生成されることを思い起こされたい。出力ファイバー114には、200μm/220μm多モードファイバーが選択され、スプライス付近の端部領域において10μmクラッドの大部分が除去された。

0037

トランクバンドル150内で、出力ファイバー114の集合体が集められ、約330μmの端面径を有する先細部の中に引き込まれ、それにより、端面152を、330μmの直径及び0.46NAを有するシステム出力ファイバー160に効率的に結合できるようになる。

0038

また、図10に示されるシステムは、従来のコンバイナーを用いて形成されるツリーアーキテクチャより優れた「輝度」に関する利点を提供する。図12は、図10の高効率構成で達成される輝度と、従来の設計との比較である。輝度計算は、400μmの直径を有するシステム出力ファイバーの場合に、約7.66MW/cm2−strの輝度が達成されることを示す。これは、従来の構成の約4.19MW/cm2−strの輝度と対照的である。基本的に、本発明の高効率コンバイナーを用いることによって、輝度が2倍になる。輝度の改善は、各コンバイナー出力(すなわち、出力ファイバー114)において、より小径のファイバー(220μm対240μm)を使用できることに起因すると考えることができ、それゆえ、システム出力ファイバーでは、(ポンプ光の最終的なNAがこれまでの従来技術の設計の場合より小さいように)より小さな先細比が必要とされる。

0039

上記の検討は先細ポンプコンバイナーと出力ファイバーとの間の結合を説明するが、本発明の範囲はそのように限定されず、「クラッドなし」ファイバーを、コア及びクラッドの両方を有するファイバーに融着スプライスする必要がある任意の構成において使用するために、必要に応じて検討される。これらの場合に、スプライス時にコア径又はクラッド径のいずれか(又はその両方)において実際には不一致が存在することになるので、クラッド層の厚さを最小化し、スプライスの場所において歪みを最小化するという本発明の概念は有用であると考えられる。したがって、本発明は、ファイバーの任意のそのような組み合わせ間での融着スプライスに一般化することができる。

0040

本明細書において、好ましい実施形態が詳細に図示及び説明されてきたが、本発明の趣旨から逸脱することなく、種々の変更、付加、代用等を行うことができることは当業者には明らかになり、それゆえ、これらの変更、付加、代用等も、添付の特許請求の範囲において規定されるような本発明の範囲内にあると見なされる。

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