(57)【要約】【課題】  複数の光源を合波する合波光源において、光学手段を用いずに高輝度な合波光を得る。【解決手段】  合波光源１００において、複数の光源１から出射される光をレンズ２を介して対応するマルチモード光ファイバ３に入射し、マルチモード光ファイバ３から出射された光を合波器４に入射して出射側光ファイバ５を介して合波光を出射する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源と、
該複数の光源から出射される光を入射する複数のマルチモード光ファイバと、
該複数のマルチモード光ファイバから出射された光を合波して合波光を出射する合波手段とを備えることを特徴とする合波光源。
【請求項２】
前記合波手段が、前記複数のマルチモード光ファイバの出射端の各コアが一体化されて形成されているものであることを特徴とする請求項１に記載の合波光源。
【請求項３】
前記合波光源が、
（ＮＡoutput／ＮＡinput）2≧（ΣＡinput）／Ａoutput
（但し、ＮＡoutputは前記合波手段における出射端の開口率、ＮＡinputは前記マルチモード光ファイバの入射端の開口率、ΣＡinputは前記複数のマルチモード光ファイバの入射端のコア断面積の総和、Ａoutputは前記合波手段における出射端のコア断面積）
の関係を満足するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の合波光源。
【請求項４】
前記合波手段における出射端の開口率が、０．４６未満であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の合波光源。
【請求項５】
前記複数のマルチモード光ファイバの各々の入射端には、レンズが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の合波光源。
【請求項６】
前記光源は紫外光を射出するものであることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の合波光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光源から出射される光をマルチモード光ファイバを用いて合波するマルチモード合波光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の光源から出射されるレーザ光を合波する場合、特許文献１に開示された技術のように、光源から出射されたレーザ光を集光レンズ等の光学手段を用いて出射側の光ファイバの入射端面に結合させ、合波を行っていた。
【０００３】
また、マルチモード光ファイバを用いた合波は、ファイバレーザ用の要素技術として盛んに研究が行われている。ファイバレーザにおける励起光を合波する場合、特許文献２及び３に開示された技術のように、中心にシングルモード光ファイバを配置して該シングルモード光ファイバの周辺にマルチモード光ファイバを複数本配置して束ね、シングルモード光ファイバのクラッド部と複数のマルチモード光ファイバの出射端のコアを一体化（複数のコアを１つにする）して、入射された励起光を合波していた。
【特許文献１】特開２００４−２７３６２０号公報
【特許文献２】米国特許５８６４６４４号公報
【特許文献３】米国特許６４３４３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光学手段を用いてレーザ光を合波すると、光学手段側のファイバの入出射端面が大気にさらされるため、入出射端面の汚染が問題となっていた。更に、光学手段のためのコストがかかっていた。
【０００５】
また、ファイバレーザを用いたレーザ光の合波の場合、ファイバレーザの励起効率を高めるために高い開口率（例えば、０．４６程度）でレーザ光を出射していた。開口率を高くすることにより、出射されるレーザ光の高出力化が可能になる。更にシングルモード光ファイバから出力される信号光とファイバレーザから出力される励起光のオーバーラップを高めることができ、増幅率が高まる。しかし、高い開口率でレーザ光を出射するとレーザ光の輝度が低下し、高輝度光源には不向きであった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の光源から出射される光を光学手段を用いずにマルチモード光ファイバによって合波して、高輝度な合波光を得るための合波光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するために、本発明の合波光源は、複数の光源と、該複数の光源から出射される光を入射する複数のマルチモード光ファイバと、該複数のマルチモード光ファイバから出射された光を合波して合波光を出射する合波手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで合波手段として光カップラ等の結合器であってもいいし、前記複数のマルチモード光ファイバの出射端側の各コアが一体化されて形成されているものでもよい。
【０００９】
また、前記合波光源は、
（ＮＡoutput／ＮＡinput）2≧（ΣＡinput）／Ａoutput
（但し、ＮＡoutputは前記合波手段における出射端の開口率、ＮＡinputは前記マルチモード光ファイバの入射端の開口率、ΣＡinputは前記複数のマルチモード光ファイバの入射端のコア断面積の総和、Ａoutputは前記合波手段における出射端のコア断面積）
の関係を満足するものであることを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、前記合波手段における出射端の開口率は０．４６未満、更に好ましくは０．２２以下であることが望ましい。
【００１１】
また、前記複数のマルチモード光ファイバの入射端は、レンズが一体的に形成されていることとしてもよい。
【００１２】
「レンズが一体的に形成されている」とは、マルチモード光ファイバの入射端に球体のレンズ（凸レンズ）がファイバ先端加工によって形成されていることを示す。又は、マルチモード光ファイバの入射端における長さ方向に直交した断面の中央部をファイバ先端加工によって窪ませて凹型にする。これにより、マルチモード光ファイバの入射端に凹レンズの機能を持たせることができる。
【００１３】
また、前記光源が紫外光を射出するものであるとき、従来の光学手段を用いて合波を行っていた場合と比較して、ファイバ端面の汚染を顕著に低減させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
各光源から出射された光を対応するマルチモード光ファイバに入射させ、合波手段を用いて合波することによって、光源から出射された光を集光した集光点（マルチモード光ファイバの入射端）から合波光が出射するまでの光の導波路は全てファイバ内及び合波手段内にあるため、合波部における汚染問題を解消することができる。つまり、光が大気にさらされる部分を最小限にすることができるため、ファイバへの汚染物の付着を低減することができ、光源としての性能劣化を防ぐことができる。特に紫外光を合波する場合、紫外光が大気にさらされる部分では大気中のガスが励起され、ファイバへの汚染物の付着が激しかった。しかし、本発明の合波光源を用いることによって紫外光が大気にさらされる部分を最小限になるため、紫外光を合波する際の汚染物の付着を従来に比べて著しく低減することができる。
【００１５】
更に、光学手段を用いて合波を行う場合、温度等の環境変化によって集光ポイントがずれるため、合波光の安定性を確保することが困難であったが、本発明の合波光源を用いることにより安定した合波光を得ることができ、光源としての信頼性を高めることができる。更に、光学手段を用いないことによって部品構成を簡略化することができ、コストを削減することができる。
【００１６】
そして、ＮＡoutputは０．４６未満、好ましくは０．２２以下の低ＮＡとすることによって、高輝度な合波光を出射させることができ、高輝度光源を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の合波光源の実施の形態について説明する。
【００１８】
＜第１の実施の形態＞
図１は第１の実施の形態における合波光源１００を示した図である。合波光源１００は、光源１と、レンズ２と、マルチモード光ファイバ３と、合波器４と、出射側光ファイバ５とを備えて構成される。ここで光源１として半導体レーザ、発光ダイオード等を用いる。各光源１から出射される光の光路上には光源１に対応してレンズ２が配置され、各光源１から出射された光はレンズ２を介して各マルチモード光ファイバ３の入射端面に結合されて入射される。尚、光源１とマルチモード光ファイバ３の数は異なっていてもよく、例えば、１つの光源１から出射された光がレンズ２を介して複数のマルチモード光ファイバ３に入射するように構成してもよい。またマルチモード光ファイバ３は、石英ファイバ、ガラスファイバ、プラスチックファイバの何れでもよい。
【００１９】
マルチモード光ファイバ３の出射端は合波器４に接続され、合波器４によって合波された光が出射側光ファイバ５から出射される。尚、出射側光ファイバ５はなくてもよく、合波器４から直接合波光が出射される構成としてもよい。また、合波器４は光カップラ等の結合器であってもよい。或いは、マルチモード光ファイバ３の出射端のコアが一体化されたものであってもよい。この場合、マルチモード光ファイバ３のコアが一体化された部分が合波器４に相当する。このようなマルチモード光ファイバ３と合波器４の機能を備えたマルチモード合波器について説明する。
【００２０】
まずマルチモード合波器の作製方法について説明する。図２はマルチモード合波器の作製方法を説明するための図である。最初にマルチモード光ファイバ１０の所定の領域の被覆１１を除去し（図２（１））、マルチモード光ファイバ１０を複数本束ねる。次に被覆１１を除去した領域を加熱によって軟化させる。この加熱処理により複数のマルチモード光ファイバ１０の各コアが一体化されて１つのコアとなる。
【００２１】
そして複数のマルチモード光ファイバ１０の両端を引っ張って、軟化部分を伸延させる（図２（２））。この伸延処理によってマルチモード光ファイバ１０の軟化部分が細径化され、マルチモード光ファイバ１０の両端のファイバ径より軟化部分のファイバ径が細いテーパ構造となる。
【００２２】
次に、マルチモード光ファイバ１０の細径化された領域のうち、
（ＮＡoutput／ＮＡinput）2≧（ΣＡinput）／Ａoutput    ・・・（１）
の式を満足する位置で切断し、マルチモード合波器２０を形成する（図２（３））。ここで切断面を出射端２２とする。ＮＡoutputは出射端２２の開口率、ＮＡinputはマルチモード光ファイバ１０の入射端の開口率、ΣＡinputはマルチモード光ファイバ１０の入射端のコア断面積の総和、Ａoutputは出射端２２のコア断面積である。更に、高輝度な合波光を出射させるために、ＮＡoutputは０．４６未満、好ましくは０．２２以下の低ＮＡとする。
【００２３】
式（１）を満足するようにマルチモード光ファイバ１０を複数本束ねてコアを一体化してマルチモード合波器２０を作製することにより、合波光の損失を抑えることができる。尚、必要に応じて、マルチモード合波器２０の出射端２２に加熱融着等の方法で出射側光ファイバ５が接続してもよい（図２（４））。この場合、ＮＡoutputは出射側光ファイバ５の出射端の開口率、Ａoutputは出射側光ファイバ５の出射端のコア断面積となる。また、出射端２２と出射側光ファイバ５の接続条件が式（１）を満足するようなマルチモード合波器２０及び出射側光ファイバ５を用意し、接続してもよい。
【００２４】
上述した方法で作製されたマルチモード合波器２０の長さ方向の断面図を図３に示す。図３において点線Ａの位置におけるマルチモード合波器２０の長さ方向と直交した方向の断面図を図４（Ａ）、点線Ｂの位置における断面図を図４（Ｂ）、点線Ｃの位置における断面図を図４（Ｃ）、点線Ｄの位置における断面図を図４（Ｄ）に一例を示す。
【００２５】
位置Ａにおいては、マルチモード合波器２０のコアとクラッドの境界はステップ状に変化するステップインデックスと呼ばれる境界面となる。加熱・伸延処理の行われた部分（位置Ｂ及びＣ）はコアとクラッドの境界面のドーパントが熱拡散し、なだらかな屈折率分布となる。更に位置Ｃのようにファイバ外径が小さくなると、ファイバのほぼ全域に光が導波される状態となる。
【００２６】
実験では、入射端の開口率がＮＡinput＝０．１５、コア径Ｄinput＝５０［μｍ］のマルチモード光ファイバ３を７本束ねてマルチモード合波器を作製し、該マルチモード合波器の出射端に開口率ＮＡoutput＝０．２２、コア径Ｄoutput＝１８５［μｍ］の出射側光ファイバ５を接続したとき、７本のレーザ光を１本のレーザ光に合波することができた。
【００２７】
以上のように、各光源１から出射された光をレンズ２を介して対応するマルチモード光ファイバ３に入射させ、合波器４を用いて合波することによって、光源１から出射された光を集光した集光点（マルチモード光ファイバ３の入射端）から合波光が出射するまでの光の導波路は全てファイバ内にあるため、合波部における汚染問題を解消することができる。つまり、光が大気にさらされる部分を最小限にすることができるため、ファイバへの汚染物の付着を低減することができ、光源としての性能劣化を防ぐことができる。特に紫外光を合波する場合、紫外光が大気にさらされる部分では大気中のガスが励起され、ファイバへの汚染物の付着が激しかった。しかし、本実施の形態の合波光源１００を用いることによって紫外光が大気にさらされる部分を最小限になるため、紫外光を合波する際の汚染物の付着を従来に比べて著しく低減することができる。
【００２８】
更に、光学手段を用いて合波を行う場合、温度等の環境変化によって集光ポイントがずれるため、合波光の安定性を確保することが困難であったが、本実施の形態の合波光源１００を用いることにより安定した合波光を得ることができ、光源としての信頼性を高めることができる。更に、光学手段を用いないことによって部品構成を簡略化することができ、コストを削減することができる。
【００２９】
そして、ＮＡoutputは０．４６未満、好ましくは０．２２以下の低ＮＡとすることによって、高輝度な合波光を出射させることができ、高輝度光源を実現することができる。
【００３０】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態では、各光源１から出射された光をレンズ２を介して対応するマルチモード光ファイバ３に入射して合波する合波光源１００について説明した。第２の実施の形態では、先端加工により入射端にレンズが形成されているマルチモード光ファイバを備えた合波光源１００ａについて説明する。尚、図１において説明した構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００３１】
図５は第２の実施の形態における合波光源１００ａを示した図である。合波光源１００ａは、光源１と、マルチモード光ファイバ３ａと、合波器４と、出射側光ファイバ５とを備えて構成される。マルチモード光ファイバ３ａの入射端にはファイバ先端加工によって球体のレンズ２ａが一体的に形成されている。
【００３２】
図６に１本のマルチモード光ファイバ３ａの入射端を拡大した図を示す。マルチモード光ファイバ３ａの入射端を球体のレンズ２ａに加工することによって、光源１から出射された光を広い面積で受光することができる。従って、受光領域における光密度が下がり、汚染物の付着を低減することができる。また、各光源１から出射された光がレンズ２ａによって集光される集光ポイントを大気に曝露させない構造にすることができる。つまり各光源１から出射された光はレンズ２ａを介して直接マルチモード光ファイバ３ａの内部に結合されるため、光が大気にさらされる領域を更に最小限に抑えることができる。尚、マルチモード光ファイバ３ａは、別途作製された球体のレンズをマルチモード光ファイバの入射端に接続したものでもよい。
【００３３】
マルチモード光ファイバ３ａの出射端は合波器４に接続され、合波器４によって合波された光が出射側光ファイバ５から出射される。尚、合波器４は光カップラ等の結合器であってもよく、或いは第１の実施の形態で説明したマルチモード合波器２０のように、マルチモード光ファイバ３ａの出射端側のコアが一体化されたものであってもよい。
【００３４】
このように、マルチモード光ファイバ３ａの入射端をファイバ先端加工によってレンズ２ａと一体化させることによって、光が大気にさらされる領域を最小限にすることができる。これにより、ファイバへの汚染物の付着を低減させ、光源としての性能劣化を防ぐことができ、安定した合波光を出射させることができる。
【００３５】
＜第３の実施の形態＞
第２の実施の形態では、マルチモード光ファイバの先端加工により入射端にレンズが形成されている合波光源１００ａについて説明した。第３の実施の形態では、マルチモード光ファイバの入射端が先端加工によって凹型に加工された合波光源１００ｂについて説明する。尚、図１において説明した構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００３６】
図７は第３の実施の形態における合波光源１００ｂを示した図である。合波光源１００ｂは、光源１と、レンズ２と、マルチモード光ファイバ３ｂと、合波器４と、出射側光ファイバ５とを備えて構成される。マルチモード光ファイバ３ｂの入射端における長さ方向に直交した断面は、ファイバ先端加工によって凹型に加工されている。図７における６はマルチモード光ファイバ３ｂの入射端が凹型に加工されていることを模式的に示している。図８はマルチモード光ファイバ３ｂの入射端の断面図である。このように入射端の中央部を窪ませた凹型に加工することによって、該入射端は光学倍率を持つレンズ（即ち、凹レンズ）の役割を果たす。つまり、マルチモード光ファイバ３ｂの入射端にレンズを一体的に形成することができる。このように入射端を凹型に加工することによって、入射された光の集光パターンを整形することが可能になり、高輝度な合波光を出射することができる。
【００３７】
マルチモード光ファイバ３ｂの出射端は合波器４に接続され、合波器４によって合波された光が出射側光ファイバ５から出射される。尚、合波器４は光カップラ等の結合器であってもよく、或いは第１の実施の形態で説明したマルチモード合波器２０のように、マルチモード光ファイバ３ｂの出射端側のコアが一体化されたものであってもよい。
【００３８】
このような合波光源１００ｂにおいて、半導体レーザ（光源）のＦａｓｔ軸を１０倍、Ｓｌｏｗ軸を３倍として設計した。入射端の開口率がＮＡinput＝０．１０、コア径Ｄinput＝２８［μｍ］のマルチモード光ファイバ３ｂに、開口率ＮＡoutput＝０．２２、コア径Ｄoutput＝５０［μｍ］の出射側光ファイバ５を接続したとき、７本のマルチモード光ファイバ３ｂから出射された光を１本の合波光として合波することができた。
【００３９】
このように、マルチモード光ファイバ３ｂの入射端をファイバ先端加工によって凹型にすることにより、光源１から出射された光の集光パターンを整形することができる。これにより、高輝度な合波光を出射可能な光源を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の実施の形態における合波光源の構成を示した図
【図２】マルチモード合波器の作製方法を説明するための図
【図３】マルチファイバ合波器の長さ方向の断面図
【図４】マルチファイバ合波器の長さ方向と直交した方向の断面図
【図５】第２の実施の形態における合波光源の構成を示した図
【図６】第２の実施の形態における１本のマルチモード光ファイバの入射端を拡大した図
【図７】第３の実施の形態における合波光源の構成を示した図
【図８】第３の実施の形態における１本のマルチモード光ファイバの入射端を拡大した図
【符号の説明】
【００４１】
１００    合波光源
１        光源
２        レンズ
３        マルチモード光ファイバ
４        合波器
５        出射側光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006337399.tif 000008
【図７】
2006337399.tif 000009
【図８】
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