(57)【要約】【課題】  充分に大きな開口数と、より高い光パワー密度の入射とを同時に達成することが可能な光ファイバを提供する。【解決手段】  レーザダイオードアレイからの出力を受光するためのレーザダイオードアレイ結合用光ファイバにおいて、前記光ファイバ１０は、長手方向に沿って延びるコア１と、該コア１を囲むように設けられ該コア１に沿って延びる複数の空孔４，４，…によりファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造が形成されたクラッド２，３とを備え、前記空孔４の直径ｄおよび間隔Λは、該光ファイバ１０と結合されるレーザダイオードアレイの特性に合わせた開口数（ＮＡ）および形状が得られるように設定されている。【選択図】  図１
2006267586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードアレイからの出力を受光するためのレーザダイオードアレイ結合用光ファイバにおいて、
前記光ファイバは、長手方向に沿って延びるコアと、該コアを囲むように設けられ該コアに沿って延びる複数の空孔によりファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造が形成されたクラッドとを備え、
前記空孔の直径および間隔は、該光ファイバと結合されるレーザダイオードアレイの特性に合わせた開口数および形状が得られるように設定されていることを特徴とするレーザダイオードアレイ結合用光ファイバ。
【請求項２】
レーザダイオードからの出力を受光するためのレーザダイオード結合用光ファイバにおいて、
前記光ファイバは、長手方向に沿って延びるコアと、該コアを囲むように設けられ該コアに沿って延びる複数の空孔によりファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造が形成されたクラッドとを備え、
前記空孔の直径および間隔は、該光ファイバと結合されるレーザダイオードの特性に合わせた開口数および形状が得られるように設定されていることを特徴とするレーザダイオード結合用光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザダイオードアレイまたはレーザダイオードと結合するための光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
同一の基板上に複数の発光面（エミッタ面）を並列に配置したレーザダイオードアレイは、同様に複数の光ファイバを並列に配置した光ファイバアレイに光結合することにより、高出力レーザ光源システムとして用いられている。このレーザ光源システムは、その高出力特性により、例えば光通信分野や医療用レーザ分野、加工用レーザ分野などで利用されている。
【０００３】
レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとを光結合する方法としては、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとを突き合わせる方法が一般的である。
しかしながら、レーザダイオードアレイの発光点は、垂直方向と水平方向とで開口数（ＮＡ）が異なり、一般に、水平方向の開口数は０．１〜０．２であるのに対し、垂直方向の開口数は０．３〜０．４と大きいため、エミッタ面から放出された出力光エネルギーは急激に発散してしまう。そのため、両者を効率よく結合させるためには、エミッタ面の垂直方向の開口数より大きな開口数を有する光ファイバを用いて光ファイバアレイを構成し、光ファイバアレイの光入射面をレーザダイオードアレイのエミッタ面にできるだけ近づけて配置することが必要である。
【０００４】
レーザダイオードアレイの出力光を光ファイバアレイにより効率よく結合させるため、これまでに様々な提案がなされている（例えば特許文献１〜４参照）。このような高出力レーザ光源システムを光通信分野や医療用レーザ分野、加工用レーザ分野で利用する場合、より高い光パワー密度を求められる。そのため、レーザダイオードアレイからの出力光を受光する光ファイバのコアの断面積はできるだけ小さいほうが望ましい。
【特許文献１】特開平５−９３８２８号公報
【特許文献２】実開平５−１１１１号公報
【特許文献３】米国特許第５７３４７６６号明細書
【特許文献４】米国特許第４８１８０６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、光ファイバアレイ構成用光ファイバとして、一般的な石英コア／石英クラッドを有する光ファイバを用いたようとした場合、コアとクラッドとの屈折率差を充分に得ることができないため、レーザダイオードアレイのエミッタ面の開口数よりも大きい開口数を光ファイバのコアに持たせることは不可能である。この場合、レーザダイオードアレイのエミッタ面と光ファイバの受光面との間にレンズアレイを設置することにより、開口数を変換して光結合させることができるが、光ファイバのコアの断面積が大きくなり、光パワー密度が低下してしまう。
石英クラッドを有する光ファイバの代わりに、低屈折率の樹脂クラッドを用いた光ファイバの場合、コアの開口数は大きくなるが、レーザダイオードアレイの出力光により光ファイバ受光面で焼損を生じる可能性が高い。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、充分に大きな開口数と、より高い光パワー密度の入射とを同時に達成することが可能な光ファイバを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は、レーザダイオードアレイからの出力を受光するためのレーザダイオードアレイ結合用光ファイバにおいて、前記光ファイバは、長手方向に沿って延びるコアと、該コアを囲むように設けられ該コアに沿って延びる複数の空孔によりファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造が形成されたクラッドとを備え、前記空孔の直径および間隔は、該光ファイバと結合されるレーザダイオードアレイの特性に合わせた開口数および形状が得られるように設定されていることを特徴とするレーザダイオードアレイ結合用光ファイバを提供する。
【０００８】
また、本発明は、レーザダイオードからの出力を受光するためのレーザダイオード結合用光ファイバにおいて、前記光ファイバは、長手方向に沿って延びるコアと、該コアを囲むように設けられ該コアに沿って延びる複数の空孔によりファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造が形成されたクラッドとを備え、前記空孔の直径および間隔は、該光ファイバと結合されるレーザダイオードの特性に合わせた開口数および形状が得られるように設定されていることを特徴とするレーザダイオード結合用光ファイバを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の光ファイバによれば、空孔直径と空孔間隔とをレーザダイオードアレイの出力光の波長や開口数に合わせて最適化することで、レーザダイオードアレイの出力光を高効率で光ファイバに結合することができ、高パワー密度での伝送が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明では、レーザダイオードアレイからの出力光を受光する光ファイバアレイ構成用光ファイバとして、空孔層を有するフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｉｂｅｒ）を使用する。
図１、図２に本形態例の光ファイバ１０，１０Ａの例を示す。これらの光ファイバ１０，１０Ａは、光ファイバ１０，１０Ａの長手方向に沿って延びるコア１と、該コア１を囲むように設けられたクラッド２，３とを有する。クラッド２，３は、光ファイバ１０，１０Ａの中心部のコア１を囲むように設けられた空孔層２（第１クラッド２）と、空孔層２を囲むように設けられた第２クラッド３とからなり、ファイバ半径方向にフォトニッククリスタル構造が形成されている。
【００１１】
本形態例の光ファイバ１０，１０Ａにおいて、コア１およびクラッド２，３は、例えば石英から構成することができる。空孔層２は、コア１を囲むように設けられ、かつコア１に沿って延びる複数の空孔４，４，…により形成されている。これにより、空孔層２に囲まれた部分が光ファイバ１０，１０Ａのコア１、空孔層２がコア１に対する第１クラッド２、空孔層２の外側の部分が第２クラッド３となる。第２クラッド３の外周形状は円形となっており、光ファイバアレイを構成するときに都合が良い。
【００１２】
空孔層２は、コア１の断面積が必要最小限となるように設けている。フォトニッククリスタル構造を用いることにより、空孔層２の大半は低屈折率であるガス（空気）で占められるため、空孔層２に囲まれたコア１の開口数（ＮＡ）は、石英コア／石英クラッド構造の光ファイバのコアの開口数よりも充分大きくすることができる。
コア１の開口数は、空孔層２における空孔４の直径ｄおよび間隔Λ（図１（ｃ）参照）、ならびにコア１を通る光の波長λにより決定される。なお、空孔４の間隔Λとは、隣接する空孔４，４の中心間距離である。また、隣接する空孔４，４の周縁が重なり合わないようにするため、Λ＞ｄの関係を満たす必要がある。
【００１３】
すなわち本発明では、空孔層２の空孔４の直径ｄおよび間隔Λを、レーザダイオードアレイからの出力光を受光するために必要な開口数が得られるように設定することにより、所望の開口数を有するコア１を実現することができる。このような光ファイバ１０，１０Ａを用いることにより、光ファイバの受光面とレーザダイオードアレイのエミッタ面との間にレンズアレイは不要となり、受光面とエミッタ面とを直接突き合わせて光結合することができるため、光ファイバのコア１の断面積は必要以上に大きくならず、高い光パワー密度を実現できる。
【００１４】
例えば、波長λ＝９８０ｎｍ、エミッタ面の垂直方向の開口数が０．４、水平方向の開口数が０．２の特性を有するレーザダイオードアレイに光ファイバを光結合させる場合、光ファイバのコア１に必要な開口数は、エミッタ面の垂直方向の開口数以上かつ水平方向の開口数以上であるから、すなわち０．４以上となる。この場合、空孔４の直径ｄおよび空孔４の間隔Λは、下記式（１）、（２）の関係を満たすように決定される（特開２００４−７７８９１号公報を参照）。なお、下記式（１）〜（４）において、長さの単位はμｍとする。
【００１５】
−０．０２００（Λ／λ）２＋０．２２８５（Λ／λ）＋０．２４５５≦ｄ／Λ  ・・・  （１）
【００１６】
Λ／λ≦６  ・・・  （２）
【００１７】
下記式（１）、（２）において、λ＝９８０ｎｍ＝０．９８μｍを代入することにより、下記式（３）、（４）の関係が得られる。
【００１８】
−０．０２０８Λ３＋０．２３３２Λ２＋０．２４５５Λ≦ｄ  ・・・  （３）
【００１９】
Λ≦５．８８  ・・・  （４）
【００２０】
レーザダイオードアレイのエミッタの寸法は、一般的には１５０μｍ（水平方法）×１μｍ（垂直方向）である。従って、例えば空孔間隔Λを５．５μｍとした場合、式（３）により空孔直径ｄは４．９２μｍ以上とする必要がある。また、空孔４，４間の壁の厚みを０．１μｍ以上確保するためには、空孔直径ｄは５．４μｍ以下とする必要がある。
このようにして空孔直径ｄおよび空孔間隔Λを設定することで、開口数が０．４以上のコア１を有するレーザダイオードアレイ結合用光ファイバを設計することができる。このような光ファイバとレーザダイオードアレイとを光結合させることにより、高い結合効率でレーザ出力光を光ファイバに入射させ、伝搬させることができる。
【００２１】
本形態例の光ファイバ１０，１０Ａをレーザダイオードアレイと光結合させるには、光ファイバを複数本用いて光ファイバアレイを構成し、光ファイバアレイを構成するそれぞれの光ファイバの端面を受光面として、受光面をレーザダイオードアレイのそれぞれのエミッタ面と突き合わせることにより実現できる。光ファイバのコアの断面積は最小限必要な程度とされているので、高い光パワー密度が得られる。
コア１およびクラッド２，３が石英から構成されているので、高出力レーザダイオードアレイの出力光を受光しても、光ファイバ１０の受光面で焼損を生じることがない。
【００２２】
さらに、本発明によれば、空孔層２における空孔４の作製位置を変更することにより、コア１の断面形状を円形（図２参照）に限らず、矩形（図１参照）など、任意の形状にすることができる。従って、コア１の断面形状をエミッタ面の形状に合わせた形状とすることにより、より高い光パワー密度で光を導波させることができる。また、同一面内において空孔直径ｄと空孔間隔Λとを変化させることにより、コアの開口数に異方性を持たせることもできる。
【００２３】
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。上述の形態例における寸法等は例示に過ぎず、本発明を特に限定するものではない。
本発明の光ファイバは、レーザダイオードアレイとの光結合に好適であるから、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイを用いる光デバイスにおいて、光ファイバアレイを構成する光ファイバとして利用することができる。上述の光デバイスとしては、例えば高出力光ファイバアンプや高出力光ファイバレーザにおける励起光源部に使用することができる。また、アレイ構造に限らず、レーザダイオード結合用光ファイバとして、単一のエミッタ面を有するレーザダイオードとの光結合にも有効である。
【実施例】
【００２４】
図１に示すように、コア１の断面形状が２００μｍ（水平方向）×２０μｍ（垂直方向）である矩形となっており、第２クラッド３の外周形状が円形であり、空孔層２における空孔４の直径ｄが５．０μｍ、空孔４の間隔Λが５．５μｍであるレーザダイオードアレイ結合用光ファイバ１０を設計した。そして、ＰＣＦの一般的な製造方法によって石英光ファイバ母材の作製および光ファイバの線引きを行い、本実施例に係る光ファイバを製造した。
【００２５】
本実施例のレーザダイオードアレイ結合用光ファイバ１０の開口数を測定したところ、図３に示すように、開口数は０．４５であり、ほぼ設計値どおりであることを確認することができた。なお、図３のグラフにおいて、縦軸は光の強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）であり、横軸は開口数（ＮＡ）である。
本実施例のレーザダイオードアレイ結合用光ファイバ１０を複数本用いて光ファイバアレイを作製し、レーザダイオードアレイと光結合してみたところ、その結合効率は９５％であり、高い結合効率が実現できた。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイを用いる光デバイス、例えば光ファイバレーザ光源、ファイバレーザシステム、光ファイバアンプなどに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）は本発明の光ファイバの一例を示す端面図、（ｂ）は（ａ）に示す光ファイバの模式的な縦断面図、（ｃ）は空孔直径ｄおよび空孔間隔Λの説明図である。
【図２】（ａ）は本発明の光ファイバの他の例を示す端面図、（ｂ）は（ａ）に示す光ファイバの模式的な縦断面図である。
【図３】実施例の光ファイバの開口数の測定結果を表すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１…コア、２…第１クラッド（空孔層）、３…第２クラッド、４…空孔、１０，１０Ａ…光ファイバ、ｄ…空孔直径、Λ…空孔間隔。
【図１】
2006267586.tif 000003
【図２】
2006267586.tif 000004
【図３】
2006267586.tif 000005