(57)【要約】  非円形のコア断面を有する光ファイバを備える複数の入力を備える光学アセンブリであって、ファイバが、それぞれのダイオードエミッタから光を受けるための基端と先端とを有し、ファイバは、それらの先端が組み合わされて、円形のコア断面を有する単一の出力ファイバに接合され、これにより、使用時、複数のダイオードエミッタからの光が組み合わされて単一の出力ファイバを通じて出力される、光学アセンブリ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非円形のコア断面を有する光ファイバを備える複数の入力を有するコンバイナを備える光学アセンブリであって、前記ファイバは、各ダイオードエミッタから光を受けるための基端と先端とを有し、前記ファイバは、それらの先端が組み合わされて、円形のコア断面を有する単一の出力ファイバに接合されて、使用時に複数のダイオードエミッタからの光が組み合わされて前記単一の出力ファイバを通じて出力される、光学アセンブリ。
【請求項２】
前記コンバイナにおけるフィルファクタが０．６４を上回る、請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項３】
前記非円形のファイバが任意の配置を成す、請求項１又は請求項２に記載の光学アセンブリ。
【請求項４】
入力ファイバが１つ以上の積層体または束を成して配置される、請求項１又は請求項２に記載の光学アセンブリ。
【請求項５】
前記ファイバは断面が長方形または略長方形である、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学アセンブリ。
【請求項６】
前記ファイバの周囲に外側毛細管が配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学アセンブリ。
【請求項７】
ファイバの各積層体または束の周囲に外側毛細管が配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学アセンブリ。
【請求項８】
ファイバの幾重にも重ねられた積層体を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学アセンブリ。
【請求項９】
組み合わせ部において３重に重ねられた形態で配置される５本のファイバから成る３つの積層体を備える、請求項８に記載の光学アセンブリ。
【請求項１０】
積層状態の７本のファイバを有する１つ以上の積層体を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学アセンブリ。
【請求項１１】
非円形のコア断面を有する光ファイバを備える複数の入力を備える光学コンバイナを形成する方法であって、前記ファイバは、各ダイオードエミッタから光を受けるための基端と先端とを有し、前記ファイバは、それらの先端が組み合わされて、円形のコア断面を有する単一の出力ファイバに接合されて、使用時に複数のダイオードエミッタからの光が組み合わされて単一の出力ファイバを通じて出力される、方法。
【請求項１２】
前記コンバイナにおける前記フィルファクタが０．６４を上回る、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
入力ファイバは断面が長方形または略長方形である、請求項１１又は請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ファイバが１つ以上の積層体から形成される、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記ファイバが５本から成る積層体および７本から成る積層体の少なくとも１つを成して配置される、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
回転対称な複数の積層体が設けられる、請求項１１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記コンバイナを形成するために融着されるファイバの少なくとも一部の周囲に取り付けられる毛細管を備える、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
ファイバのそれぞれの積層体または束の周囲に毛細管が取り付けられる、請求項１１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
添付図面に関連して先の本明細書中に実質的に記載されるコンバイナを形成する方法。
【請求項２０】
添付図面に関連してかつ添付図面によって例示して先の本明細書中に実質的に記載されるコンバイナ。
【請求項２１】
複数のダイオードエミッタと、請求項１から１０のいずれか一項に記載の組み合わせ装置とを含み、単一の組み合わされた出力を単一の出力ファイバを介して放射するようになっている光学的配置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学装置に関する。特に、本発明は、レーザダイオードなどの複数のエミッタダイオードの出力を単一の出力へと組み合わせるためのコンバイナ（結合器）に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力ダイオードレーザ製造メーカは、一般に、一次レーザ出力源としてダイオードレーザバーを使用するとともに、自由空間微小光学法を使用して、ダイレクト使用または発射に適する多くの個々のレーザエミッタをビーム伝送ファイバへと組み合わせる。しかしながら、これは、多くの精密な位置合わせ要素の使用を伴い、その結果、複雑さおよびコストが高くなる。
【０００３】
シングルエミッタのファイバ結合、および、その後のファイバ組み合わせは、それが必要とされる光学的配置を簡略化するため、魅力的な手法である。しかしながら、殆どの方式は、円形のコア断面を有する光ファイバを使用するため、輝度のかなりの損失をもたらし、一般にこれは３０倍の輝度減少を伴う。
【０００４】
この問題に対する１つの解決策は、長方形のコア断面を有するファイバを使用することである。これは、この形状が、シングルエミッタレーザダイオードからの非対称な出力とより良く適合するからである。これによれば、輝度損失がかなり減少され、一般的には１０倍のファクタまで減少される。
【０００５】
多くの用途においては、多数のシングルエミッタファイバ結合レーザダイオードからの出力を単一の大径出力ファイバへと組み合わせることが有益である。この出力ファイバは、しばしば、円形断面を有することが必要とされる。多数のファイバ結合シングルエミッタの組み合わせは、複数のファイバ組み合わせ段階を伴う場合がある。これらのファイバ組み合わせ方式の１つの欠点は、それぞれの組み合わせ段階で輝度がかなり損失するという点である。
【０００６】
輝度のこの損失は、入力ファイバのコアの組み合わせ断面積と出力ファイバのコアの断面積との間の不適合によるものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、特にダイレクトダイオードシステムおよびファイバレーザにおいて、組み合わされたファイバ結合シングルエミッタレーザダイオードの輝度をより良く保つ改良されたシステムを提供しようという試みにおいてなされた。
【０００８】
より具体的には、本発明は、長方形のコア断面を有する複数の入力ファイバを円形のコア断面を有する単一の出力ファイバへと組み合わせるファイバ組み合わせ方式について記載する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、非円形の断面を有する複数の入力光ファイバを備える光学コンバイナであって、ファイバが、それぞれのダイオードエミッタから光を受けるための基端と先端とを有し、ファイバは、それらの先端が組み合わされて、単一の円形出力ファイバに接合され、これにより、使用時、複数のダイオードエミッタからの光が組み合わされて単一の出力ファイバを通じて出力される、光学コンバイナが提供される。
【００１０】
入力ファイバは、断面が長方形または略長方形であることが好ましい。
【００１１】
出力ファイバは、断面が円形または略円形であることが好ましい。
【００１２】
ファイバの積層体または束の少なくとも先端の周囲にわたって、および／または、全てのファイバの少なくとも先端の周囲にわたって外側毛細管が配置されてもよい。
【００１３】
本発明の更なる態様によれば、非円形のコア断面を有する複数の入力光ファイバを備える光学コンバイナを形成する方法であって、ファイバが、それぞれのダイオードエミッタから光を受けるための基端と先端とを有し、ファイバは、それらの先端が組み合わされて、単一の出力ファイバに接合され、これにより、使用時、複数のダイオードエミッタからの光が組み合わされて単一の出力ファイバを通じて出力される、方法が提供される。
【００１４】
入力ファイバは、断面が長方形または略長方形であることが好ましい。
【００１５】
出力ファイバは、断面が円形または略円形であることが好ましい。
【００１６】
少なくともコンバイナを形成するために融着されるファイバの部分の周囲に毛細管が取り付けられてもよい。これに代えておよび／またはこれに加えて、ファイバのそれぞれの積層体または束の周囲に毛細管が取り付けられてもよい。
【００１７】
ここで、添付の概略図を参照して、本発明の実施形態を単なる一例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、コンバイナ配置を示している。
【図２】図２は、光ファイバの配置の断面を示している。
【図３】図３は、光ファイバの配置の断面を示している。
【図４ａ】図４ａは、製造ステップを示している。
【図４ｂ】図４ｂは、製造ステップを示している。
【図４ｃ】図４ｃは、製造ステップを示している。
【図４ｄ】図４ｄは、製造ステップを示している。
【図５】図５は、長方形のファイバの５×１の直線状の積層体を示している。
【図６】図６は、７本のファイバの積層体を示している。
【図７】図７は、１５本のファイバの配列を示している。
【図８】図８は、７本の円形ファイバの配列を示している。
【図９】図９は、３本の円形ファイバの配列を示している。
【図１０】図１０は、９本の長方形ファイバの配列を示している。
【図１１】図１１は、入力ファイバが積層状に配置されない配置を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１を参照すると、一般的な配置が示されている。Ｎ本の長方形断面または他の一般的に細長い断面のファイバＦ１，Ｆ２．．．Ｆｎの配列へレーザ出力を放射するために、シングルエミッタレーザダイオードＤ１，Ｄ２．．．Ｄｎの配列Ａが配置され、各ダイオードはファイバＦ１，Ｆ２．．．Ｆｎのうちの対応するファイバへ放射する。なお、特定の実施形態では、そのようなファイバが２本だけ、あるいは、３本以上の任意の数のファイバが存在してもよい。レーザからの出力は、ファイバの自由基端４へ放射される。ファイバＦ１，Ｆ２．．．Ｆｎは、それらのそれぞれの先端６が一括して１本の円形ファイバ８に融着され、また、円形ファイバ８は、ダイオードからの組み合わせレーザまたは他の光エネルギを伝える。
【００２０】
したがって、入力ファイバが出力ファイバに融着されて接合される場所にはコンバイナ７が形成される。
【００２１】
単一の円形ファイバ８は、レーザダイオードのＮ倍の組み合わせ出力をもつ１つの出力を与える。これは、それ単独で使用されてもよく、または、ファイバレーザをポンピングするためあるいは多くの他の目的のために使用されてもよい。
【００２２】
入力ファイバＦ１〜Ｆｎの断面およびそれらのアスペクト比は、以前の円形構造よりも良好にダイオードファセットの形状と適合するように設計される。断面は長方形または略長方形であることが最も好ましい。断面は、例えば湾曲した端部または隅部を有してもよいが、依然として略長方形である。長方形断面または他の細長い断面を有するファイバは、ファイバ結合段階での輝度の損失を減らす。輝度を維持するファクタは、円形ファイバを用いる場合よりも５〜１０倍多くてもよいと考えられるが、この範囲より多くてもよくあるいは少なくてもよい。
【００２３】
２つ以上の入力ファイバからの出力を単一の出力ファイバへと組み合わせるプロセスは、通常、入力ファイバのコアの組み合わせ断面積が出力ファイバのコアの断面積以下であるため、光の輝度の減少をもたらす。言い換えると、コンバイナのフィルファクタ（出力コア断面積に対する入力の比率に等しい）は１以下の値を有する。以下の方程式は、ｉ本の個々の入力ファイバを伴うコンバイナに関してこのことを表わしている。ここで、Ａｉは個々のファイバのコア断面積であり、また、Ｂは出力ファイバのコア断面積である。
【００２４】
【数１】
2013525853.tif 000003
このフィルファクタの値は、異なるコンバイナ形態においては異なる。
【００２５】
以下の表は、円形ファイバおよび長方形ファイバの両方へと結合される１０Ｗレーザダイオードにおける理論輝度を示している（ダイオード出力＝１０Ｗ；エミッタ幅＝１００μｍ；発散角＝９°（遅軸）；Ｍ２＝１．１（速軸）、λ＝９１５ｎｍ；ファイバを通じて１００％が伝送すると仮定する）。ファイバ結合を伴わないダイオードの輝度は約５０ＭＷ／ｃｍ２．ｓｒである。
【００２６】
【表１】
2013525853.tif 000004
これらの特定のファイバに関して、長方形ファイバ出力は、円形ファイバの輝度の約４．２倍の輝度を有する。
【００２７】
以下の表は、前述したファイバタイプの両方における、異なるコンバイナ形態により得ることができる輝度の例を示している。
【００２８】
【表２】
2013525853.tif 000005
それぞれのコンバイナにおいて、入力から出力段階への輝度の変化は、その特定のコンバイナ形態におけるフィルファクタに直接に依存する。図９は例１を示し、図８は例２を示し、図５は例３を示し、図６は例４を示し、図１０は例５を示し、図７は例６を示している。
【００２９】
円形断面のファイバを備えるコンバイナにおいては、最密六方形態（例えば、上記表における例２＃）が特に魅力的である。これは、そのような形態が、比較的高いフィルファクタを有するとともに、実際に達成することが簡単だからである。
【００３０】
これに対し、長方形断面のファイバにおいて最も容易に形成できる配置が直線状の積層である（例えば、図３、図５、または図６の配置）。そのような直線状の積層体において、最適なフィルファクタは、積層体が正方形断面（すなわち、Ｎ本ファイバ×ファイバ高さ＝ファイバ幅）を形成するときに得られる。この場合、フィルファクタ＝０．６４である。完全に正方形の積層体を達成できないファイバに関しては、フィルファクタが０．６４未満である（例えば、上記表における例＃３および＃４）。同様に、クラッドが存在する入力ファイバも０．６４未満のフィルファクタを有する。
【００３１】
本発明は、長方形ファイバの直線状の積層体のフィルファクタと比べてフィルファクタが向上する別の形態、すなわち、０．６４を上回るフィルファクタを有する形態を与えることによって、長方形ファイバコンバイナの入力輝度を良好に保とうとする。
【００３２】
１つのそのような例が図６に示される９：１コンバイナであり、このコンバイナでは、７本のファイバが直線状の積層体を成して配置され、また、２本の更なるファイバが９０度回転されてこの積層体の側面上に配置される。そのような配置は０．７６という最適なフィルファクタを有する（この場合、ファイバ幅＝５×ファイバ高さ）。前述した長方形ファイバの場合、フィルファクタが０．７３まで減少され、そのため、出力輝度は４．９ＭＷ／ｃｍ２／ｓｒである。これは、これらの長方形ファイバのうちの５本を備える直線状積層体コンバイナ形態をほぼ１６％上回る向上を表わす。
【００３３】
更なる例は、図７に示される１５：１コンバイナである。５本のファイバから成る束が斜めの積層状態で配置され、その後、３つのそのような積層体が図示のように配置される。この例は、４．９ＭＷ／ｃｍ２／ｓｒの出力輝度を有する前述した長方形ファイバにおいて０．７８に等しいフィルファクタを有する。これは、これらの長方形ファイバのうちの５本を備える直線状積層体コンバイナ形態をほぼ２４％上回る向上を表わす。
【００３４】
いずれの場合にも、ファイバを溶融前に保持する都合のよい画期的な方法を与えるために、外側毛細管１１が設けられる。
【００３５】
なお、０．６４を上回るフィルファクタを与える多数の他の配置が存在する。例えば、３つよりも多いあるいは少ない積層体、例えば１つ、２つ、４つ、５つ、あるいは、それ以上の積層体が存在してもよい。つまり、幾重にも重ねられた配置が形成されてもよい。
【００３６】
高いフィルファクタをもたらすために非円形ファイバが非常に体系化された態様で配置されることは本質的なことではない。ファイバは、互いに任意の恣意的な配置をとることができてもよい。
【００３７】
数多くの非円形ファイバにおいては、ファイバが最密形態へと「自己編成」することが見出される場合がある。この場合、ファイバは、明確な積層体を成して配置されず、また、任意の対称形状を示さない。
【００３８】
一例が図１１に示される１７：１コンバイナである。この例は、外側毛細管内に配置される１００×３３μｍの寸法を有する非円形ファイバを示している。この例において、フィルファクタは、０．７０に等しく、そのため、依然としてファイバの規則的な正方形の積層体のフィルファクタを上回る。多くの他の形態が明らかである。
【００３９】
前述したように、選択された形態を成すファイバの束は、それらの先端が溶融されて単一の出力ファイバと組み合わされ、それにより、ファイバのそれぞれを介して通過する信号が単一の出力ファイバを通じて出力されるようになる。
【００４０】
多くの長方形ファイバを一括して束ねるために固定具として外側毛細管を使用することにより、コンバイナを更に容易に組み付けることができるとともに、破損および／または汚染の危険も低減する。
【００４１】
複数の積層体が設けられる場合には、これらの積層体の全てが必ずしも同じ数のファイバ、同じ形態のファイバ、または、同じファイバ寸法を有する必要はない。
【００４２】
確かに、単一の積層体内または束内のファイバの寸法が必ずしも同じである必要はないが、これが通常の状況であろう。
【００４３】
図４は、コンバイナをどのようにして製造できるのかを概略的に示している。最初に、１０５×２０μｍのコアと１２５×４０μｍのクラッドとを有してもよいファイバの束が設けられる。図４に示される例では、３つの束が設けられ、これらの束は、図２の場合のような３×５配置、３×７配置、３×９配置、あるいは、任意の他の形態であってもよい。最初にそれぞれのファイバが別々に設けられる。第１のステップにおいて、それぞれのファイバは、クラッド層の大部分を除去するために、一般的にＨＦ（フッ化水素）酸中でエッチングされる。
【００４４】
第２のステップでは、直線状の積層体を成して配置される５本のファイバから成る束が、エッチングされた端部が突出する状態で、ファイバのこのサイズにおいては２８２μｍの内径を有してもよい毛細管の短い部分に取り込まれる。
【００４５】
第３のステップでは、積層体を成す５本のファイバが、接着または光融着を使用するなどの任意の都合のよい方法で毛細管内へ固定される。毛細管は、ファイバのエッチングされない部分に取り付けられる。この段階における典型的な積層体は、図３に概略的に示されるような外観を有する。
【００４６】
第４のステップでは、一般的には約１００ｍｍの長さを有してもよい大口径毛細管（１．０〜１．５ｍｍの範囲のＯＤ）の比較的長い部分が、その２つの端部間のある場所、一般的には中間部に２つのテーパ部が加えられた状態で用意される。これらのうちの第１のテーパ部は６１５μｍの内径を有してもよく、また、これらのうちの第２のテーパ部（好ましくは、第１のテーパ部内に位置する）は２３０μｍの内径を有してもよい。第１のテーパ部は、第３のステップで形成された３つの毛細管部分を受け入れるようになっている。第２のテーパ部は、これらの別個の積層体から突出するエッチングされたファイバを受け入れるようになっている。
【００４７】
第５のステップでは、ステップ３で形成された３つの積層体が、ステップ４で用意された毛細管の長い部分に取り込まれる（一般に図２に示されるような形態をもたらすため）。なお、前述したように、それぞれの積層体におけるファイバは最初に（図３のように）直線状の積層体を形成するが、ファイバは、毛細管１１のテーパ部の内壁によって案内されるため、図２に示される斜めの（オフセットした）形態をとる（この場合、積層体におけるそれぞれのファイバが互いからオフセットされる）。
【００４８】
これが図４ａに示されており、この場合、ファイバ束Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、中間にテーパ部１２を有する毛細管１１内に取り込まれる。
【００４９】
第６のステップにおいて、ファイバおよび毛細管の束は、例えば１８７μｍの所望の直径のくびれを設けるためにテーパ部１２内のくびれ１３で融着されてテーパが付けられる。融着およびテーパ付けの方法はそれら自体がよく知られている。これが図４（ｂ）に示される。
【００５０】
図４（ｃ）に示される第７のステップでは、融着された束がくびれのクリーブ点１４でクリーブされる。
【００５１】
最後に、第８のステップでは、クリーブされたアセンブリが所望の（一般的には円形コアファイバである）出力ファイバ１５に継ぎ合わされる。この例では、コア直径を１５０μｍ、クラッド直径を１６５μｍにすることができ、この場合、コアＮＡ値は０．２２に等しい。
【００５２】
他の製造方法が明らかである。
【００５３】
最適な輝度を保つため、例えば図７に示されるような配置は、達成され得る優れたフィルファクタに起因して有利である。別個の積層体におけるファイバのこの配置および他の配置は、図示のような密充填を可能にする。しかしながら、例えば図１１に示されるような配置は、製造するための技能をあまり必要としないという利点を有するとともに、例えば図３、５または６に示される単一積層体配置を上回るフィルファクタの向上を与える。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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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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【国際調査報告】
2013525853.tif 000020
2013525853.tif 000021
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