ファイバーコンバイナーファイバーレーザーに不可欠なコンポーネント

光ファイバーコンバイナーは、光ファイバーの精密融着技術を利用した光ファイバー接続装置の一種で、送信用光ファイバーから受信用光ファイバーへの光エネルギーの結合を最大化すると同時に、光路に存在することによるシステムへの影響を最小限に抑える。

ファイバーコンバイナーはファイバーレーザーシステムにおいて重要な役割を果たします。その品質は、ファイバーレーザーの出力とビーム品質に直接影響するだけでなく、レーザーの安全で安定した動作のための重要な保証を提供します。

光ファイバーコンバイナーの分類

ファイバーコンバイナーはその機能から、パワーコンバイナーとポンプコンバイナーの2種類に分類される。

• ポンプコンバイナーは、複数のポンプビームを1本の光ファイバーに結合して出力する。その主な目的は、ポンプパワーを増強することです。
• パワーコンバイナは、複数のシングルモードレーザーを1本の光ファイバーに結合して出力するもので、レーザーの出力増強を目的としている。

ポンプ・コンバイナー

パワーコンバイナー

ファイバーコンバイナーは、その構成に基づいて2つのタイプに分類することもできる：信号ファイバーを持たないN×1ファイバーコンバイナーと、信号ファイバーを持つ(N+1)×1ファイバーコンバイナーである。

(N+1)×1ファイバーコンバイナーがN×1コンバイナーと異なる点は、その中心に信号ファイバーを含むことである。製造工程では、信号光の入力となる信号ファイバの周りにN本の光ファイバを正確かつ対称に配置する必要があります。

パワーコンバイナーとポンプコンバイナーはどちらもN×1コンバイナーの範疇に入る。具体的な機能は、Nチャンネル入力ファイバーのモデルに依存する。

Nチャンネル・ファイバーがシングル・モード・ファイバーやラージ・モード・フィールド・ファイバーであれば、N本のレーザーに直接接続してレーザーの出力を増大させることができ、結果としてパワー・コンバイナーができる。

Nチャンネル・ファイバーがマルチモード・ファイバーの場合、レーザーのポンプ・パワーを増強するためにN個のポンプ光源に接続され、ポンプ・コンバイナーを形成する。

N×1光ファイバーコンバイナー

(N+1）×1ビームコンバイナは、特にポンプビームに使用され、主に光ファイバー増幅システムで見られる。

コンバイナーの中央のファイバーは信号光を伝送するシングルモードファイバーで、周囲のN本のマルチモードファイバーはポンプ光を伝送するポンプファイバーとして機能する。

このタイプのコンバイナーは、MOPA（マスター・オシレーター・パワー・アンプ）構成でよく使われる。

(N+1）×1 光ファイバー・コンバイナー

サイドポンプコンバイナーとエンドポンプコンバイナー

サイドポンプコンバイナーのセンターファイバーはシグナルファイバーとして機能し、そのコアはレーザー伝送用に設計されたシングルモードまたは準シングルモード導波路である。6本の周辺ファイバーはポンプ光の伝送に使用される。

これら7本の光ファイバーが順番に並べられると、融着され、引き出され、出力のダブルクラッド光ファイバーと接合される。

エンドポンプ・コンバイナー ファイバー・コンバイナー

サイドポンプ・コンバイナーとエンドポンプ・コンバイナーの主な違いは、サイドポンプ・コンバイナーではポンプ・ファイバーが溶融やテーパー加工を受けることなくシグナル・ファイバーのクラッドに取り付けられるのに対し、エンドポンプ・コンバイナーではシグナル・ファイバーが溶融してテーパー加工されることである。

その結果、原理的には、サイドポンプ・コンバイナーの信号伝送はエンドポンプ・コンバイナーより優れている。

サイドポンプファイバーコンバイナー

ビームコンバイナーの製作

パワーコンバイナは、入力ファイバー、フューズドテーパーファイバーバンドル、出力ファイバーの3つの部分からなる基本構造を持っている。

パワーコンバイナの基本構造

ファイバーバンドルが出力ファイバーと良好に融着しテーパーを形成するためには、ファイバーバンドルの断面は円形でなければならず、ポンプファイバーは特定の幾何学的パターン、通常は正六角形状に配置されなければならない。

製造工程では、まず入力ファイバー束が組み立てられ、次に融着テーパーファイバー束を形成するために融着テーパー加工される。融着テーパーファイバー束のテーパーウエストは次に切断され、出力ファイバーと融着される。

ビームコンバイナーの安定性と長寿命を確保するため、堅牢なパッケージングと放熱構造が設計される。熱伝導率の高い銅またはアルミニウムをパッケージのシェルとして使用するのが一般的で、必要に応じて水冷システムを金属パッケージに組み込むこともある。

ファイバーレーザーは、溶接によってファイバーデバイスを接続します。高品質のファイバー融着は、高出力を達成するために非常に重要です。しかし 溶接工程光と熱が時間とともに蓄積され、ビーム品質の劣化や光学部品の損傷につながる可能性がある。