(57)【要約】      （修正有）【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８
2018055043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の入力ファイバを出力ファイバへ結合する光ファイバコンバイナであって、
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。
【請求項２】
複数本の光ファイバを有する光ファイバコンバイナであって、
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。
【請求項３】
テーパの度合いＴｒは、４≦Ｔｒ≦５である請求項２のコンバイナ。
【請求項４】
複数本の光ファイバの外周に当該光ファイバを覆うキャピラリを有している請求項２乃至３の何れかに記載のコンバイナ。
【請求項５】
出力ファイバに接続され、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より小さい請求項２乃至４の何れかに記載のコンバイナ。
【請求項６】
前記中間クラッドの厚さは、レーザ光の波長の１０倍以上である請求項２乃至５の何れかに記載のコンバイナ。
【請求項７】
前記中間クラッドは、フッ素化ドープシリカを含む請求項２乃至６の何れかに記載のコンバイナ。
【請求項８】
複数のファイバレーザと、出力ファイバと、前記ファイバレーザを前記出力ファイバへ結合するための請求項１乃至７の何れかのコンバイナと、を有するレーザ装置。
【請求項９】
中間クラッドの屈折率ｎ２は、その開口数ＮＡ２が、多重モードＬｘ，ｙのモーダル屈折率ｎＬｘｙの開口数ＮＡＬｘｙより大きく、出力ファイバの開口数ＮＡｏより小さい請求項１乃至８の何れかに記載のコンバイナであって、（ｘ＋ｙ）は２より大きい請求項１乃至７の何れかのコンバイナ。
【請求項１０】
中間クラッドの厚さは、テーパ化前において、レーザ光の波長の１０倍以上で、且つ、内部クラッド直径の２０％以内である請求項１乃至７の何れかのコンバイナ。
【請求項１１】
中間クラッドの開口数は、０．１８―０．２０以上であり、出力ファイバの開口数（０．２０ー０．２２）を越えない請求項１乃至７の何れかのコンバイナ。
【請求項１２】
請求項１の光ファイバコンバイナに使用される光ファイバであって、
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。
【請求項１３】
請求項１乃至７の何れかのコンバイナであって、コア、内部クラッド、中間クラッドの屈折率をそれぞれｎ０、ｎ１，ｎ２とするとき、（ｎ０−ｎ２）／（ｎ０−ｎ１）は、1より大きいコンバイナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
まずテーパ部１０２を有するキャピラリ１０３が作成される。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許公開公報米国特許２００９／０１５４８８１Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
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。
【００１６】
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）。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【発明の効果】
【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】一般的なファイバコンバイナの説明図である。
【図２】従来のダブルクラッドファイバの断面図である。内側クラッド部分が境界線においてエッチングされその外側が除去される。
【図３】本発明の一実施形態におけるレーザ装置を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態のコンバイナの製造方法を示す説明図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の一実施形態のコンバイナにおける入力ファイバのエッチング前の断面図であり、図５（ｂ）は、前記ファイバにおいて外側クラッド部をエッチングにより除去したあとの当該ファイバの断面図を示す。また同図（ｂ）には、コアおよび内部クラッドおよび中間クラッドの屈折率の事例が示されている。
【図６】図６（ａ）は、従来のコンバイナの先端部の断面図、図６（ｂ）は本発明の実施形態のコンバイナの先端部の断面図である。但し、何れも模式図である。
【図７】図７は、キャピラリと入力ファイバ先端部が一体化した状態におけるコンバイナの先端部の断面図である。
【図８】図８（ａ）は、従来の光コンバイナの入力ファイバにおける光の伝播を示す説明図であり、図８（ｂ）は、本願発明の実施形態の入力ファイバにおける光の伝播を示す説明図である。図８（ｃ）は、コンバイナ全体におけるＡ−Ａ，  Ｃ−Ｃ，Ａ’−Ａ’，Ｃ’−Ｃ’の位置を示す説明図である。
【図９】入力ファイバのコア屈折率及び、内部クラッド屈折率（石英屈折率）、中間クラッド部屈折率及び、テーパ化された入力ファイバを伝播する光のモーダルインデックス（モーダル実効屈折率）の関係を示す説明図である。
【図１０】図１０（ａ）―（ｃ）は、本願発明の実施形態の入力ファイバに、ＳＭ波が入力された場合の半径方向の光強度分布を示す説明図であり、図１０（ｄ）―（ｆ）は、本願発明の実施形態の入力ファイバに、ＭＭ波が入力された場合の半径方向の光強度分布を示す説明図である。
【図１１】中間クラッドの厚さと、テーパウエストにおけるファイバ側面での光負荷との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。）。
【００３７】
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）。
【００３８】
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。
【００３９】
図５（ａ）（ｂ）は、前記エッチングの詳細を示す説明図である。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。）。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。    
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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  ＝  （ｎｓ２  −  ｎｘ２）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  ＝  （ｎｓ２  −  ｎ２２）１／２
となる。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年2月2日(2018.2.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の入力ファイバを出力ファイバへ結合する光ファイバコンバイナであって、
複数本の入力ファイバと、
複数本の入力ファイバを覆うキャピラリと、を有し、  
各入力ファイバは、
１）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た基端部と、
２）コアと、前記コアを取り囲む第1内部クラッドと、前記第1内部クラッドを取り囲む前記中間クラッドとを備えたテーパ状の先端部と、
を有し、
前記基端部において中間クラッドの屈折率は第1および第2内部クラッドの屈折率より小さく、前記先端部において中間クラッドの屈折率は第1内部クラッドの屈折率より小さく、
前記基端部のコア、第1内部クラッド、中間クラッドと、前記先端部のコア、第1内部クラッド、中間クラッドとがそれぞれ同一の組成を有して連続した層を形成した 
光ファイバコンバイナ。
【請求項２】
出力ファイバに接続され、前記中間クラッドの開口数ＮＡ２は、出力ファイバの開口数ＮＡ０より小さい請求項１に記載の光ファイバコンバイナ。
【請求項３】
前記中間クラッドの厚さは、テーパ化前において５μｍ〜１５μｍである請求項１又は２に記載の光ファイバコンバイナ。
【請求項４】
複数本の入力ファイバを出力ファイバへ結合する光ファイバコンバイナであって、
複数本の入力ファイバと、
複数本の入力ファイバを覆うキャピラリと、
を有し、
各入力ファイバは、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状の先端部を有し、
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ＮＡ０より小さく、
前記中間クラッドの厚さは、テーパ化前において５μｍ〜１５μｍである
光ファイバコンバイナ。
【請求項５】
前記中間クラッドは、フッ素化ドープシリカを含む請求項１乃至４の何れかに記載の光ファイバコンバイナ。
【請求項６】
中間クラッドの屈折率ｎ２は、その開口数ＮＡ２が、多重モードＬｘ，ｙのモーダル屈折率ｎＬｘｙの開口数ＮＡＬｘｙより大きく、（ｘ＋ｙ）は２より大きい請求項１乃至５の何れかに記載の光ファイバコンバイナ。
【請求項７】
中間クラッドの厚さは、テーパ化前において１５μｍ以内である請求項１乃至２の何れかに記載の光ファイバコンバイナ。
【請求項８】
中間クラッドの開口数は、０．１８―０．２０以上であり、出力ファイバの開口数（０．２０ー０．２２）を越えない請求項１乃至７の何れかに記載の光ファイバコンバイナ。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れかに記載の光ファイバコンバイナであって、コア、内部クラッド、中間クラッドの屈折率をそれぞれｎ０、ｎ１，ｎ２とするとき、（ｎ１−ｎ２）／（ｎ０−ｎ１）＞３である光ファイバコンバイナ。
【請求項１０】
複数のファイバレーザと、出力ファイバと、前記ファイバレーザを前記出力ファイバへ結合するための請求項１乃至９の何れかに記載の光ファイバコンバイナと、を有するレーザ装置。
【請求項１１】
光ファイバコンバイナの製造方法であって、
１）テーパ部およびウェスト部を有するキャピラリを用意するステップと、
２）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前記第1および第2内部クラッドの屈折率より小さい入力ファイバを複数本用意するステップと、
３）前記各入力ファイバの先端部において、前記第2内部クラッドを除去するステップと、
４）前記第2内部クラッドを除去された各入力ファイバの先端部を前記キャピラリのテーパ部およびウェスト部に挿入するステップと、
を有する光ファイバコンバイナの製造方法。
【請求項１２】
前記キャピラリとキャピラリに挿入された入力ファイバを加熱し引き延ばすステップを含む請求項１１に記載の光ファイバコンバイナの製造方法。
【請求項１３】
前記引き延ばされたキャピラリと入力ファイバを所定位置で切断し、切断部に出力ファイバを接合するステップを含む請求項１２に記載の光ファイバコンバイナの製造方法。
【請求項１４】
前記各入力ファイバの先端部は４≦Ｔｒ≦５のテーパ比Ｔｒを有し、前記テーパ比は、テーパ基端部の直径とテーパ先端部の直径の比を表す請求項1乃至９の何れかに記載の光ファイバコンバイナ。
【請求項１５】
前記引き延ばされた各入力ファイバの先端部は、テーパ比Ｔｒが４≦Ｔｒ≦５であるテーパ形状を有し、前記テーパ比は、テーパ基端部の直径とテーパ先端部の直径の比を表す請求項1２乃至１３の何れかに記載の光ファイバコンバイナの製造方法。