(57)【要約】【課題】  空間的にインコヒーレントな光を小径の領域に集光することができる光導波路等を提供する。【解決手段】  光導波路１０は、第１端１１０から第２端１２０まで直線状または曲線状に延びる軸１１を有している。軸１１に沿った任意の位置において、軸１１に垂直な光導波路１０の断面は、軸１１を含み平均屈折率Ｎ１を有する円形状の第１領域と、この第１領域を包囲し平均屈折率Ｎ２を有する環状の第２領域と、この第２領域を包囲し平均屈折率Ｎ３を有する環状の第３領域とを含む。軸１１に沿ってコア領域に導波される光の導波モードを１００以上有し、第１端１１０におけるコア領域の断面積をＳ１とし、第２端１２０におけるコア領域の断面積をＳ２としたときに、「Ｓ２／Ｓ１≦０.５」なる関係式を満たす。【選択図】  図１
2005148223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端から第２端まで延びる軸を有し、
少なくとも１つの光波長において、前記軸に沿った任意の位置における前記軸に垂直な断面が、前記軸を含み平均屈折率Ｎcoreを有するコア領域と、このコア領域を包囲し前記平均屈折率Ｎcoreより低い平均屈折率Ｎcladを有するクラッド領域とを含み、前記第１端において前記軸に沿って前記コア領域に導波される光の導波モードを１００以上有し、
前記第１端における前記コア領域の断面積をＳ１とし、前記第２端における前記コア領域の断面積をＳ２としたときに、「Ｓ２／Ｓ１≦０.５」なる関係式を満たす、
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記光波長において、前記第１端におけるコア領域のプロファイル体積をΩ１とし、前記第２端におけるコア領域のプロファイル体積をΩ２としたときに、「Ｓ２／Ｓ１＜Ω２／Ω１」なる関係式を満たす、ことを特徴とする請求項１記載の光導波路。
【請求項３】
前記光波長において、前記軸に沿った任意の位置における前記軸に垂直な断面が、前記軸を含み平均屈折率Ｎ１を有する第１領域と、この第１領域を包囲し平均屈折率Ｎ２を有する第２領域と、この第２領域を包囲し平均屈折率Ｎ３を有する第３領域とを含み、平均屈折率Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３が「Ｎ２２−Ｎ３２＞Ｎ１２−Ｎ２２＞０」なる関係式を満たす、ことを特徴とする請求項２記載の光導波路。
【請求項４】
前記第１端における第１領域の面積Ｓ１が２５ｍｍ２以上であり、前記第２端における第１領域および第２領域それぞれの面積の和Ｓ２が４ｍｍ２以下である、ことを特徴とする請求項３記載の光導波路。
【請求項５】
前記光波長において、前記軸に沿った任意の位置における前記軸に垂直な断面が、前記軸を含み平均屈折率Ｎ１を有する第１領域と、この第１領域を包囲し平均屈折率Ｎ２を有する第２領域とを含み、前記第２端において前記第２領域が平均屈折率Ｎ３を有する包囲媒質により包囲されており、平均屈折率Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３が「Ｎ２２−Ｎ３２＞Ｎ１２−Ｎ２２＞０」なる関係式を満たす、ことを特徴とする請求項２記載の光導波路。
【請求項６】
前記第１端における第１領域の面積Ｓ１が２５ｍｍ２以上であり、前記第２端における第１領域および第２領域それぞれの面積の和Ｓ２が４ｍｍ２以下であり、前記包囲媒質が気体である、ことを特徴とする請求項５記載の光導波路。
【請求項７】
請求項２記載の光導波路と、前記光波長の光を出力する光源と、を備え、
前記光源から出力される光が前記光導波路の前記第１端のコア領域に結合される、
ことを特徴とする光エネルギ伝送装置。
【請求項８】
前記光源から出力される光が空間的にインコヒーレントである、ことを特徴とする請求項７記載の光エネルギ伝送装置。
【請求項９】
前記光波長において、前記第１端において前記コア領域に導波される光の複数の導波モードが第１モード群および第２モード群からなり、
前記光波長において、前記第１端における前記第１モード群に属する導波モードの数をＬとし、前記第２端において前記コア領域に導波される光の導波モードの数をＮとしたときに、「Ｎ／Ｌ≧１／２」なる関係式を満たし、
前記第１端における前記第２モード群に属する任意の導波モードと、前記第２端において前記コア領域に導波される光の任意の導波モードとの間で、光結合が実質的に無視できる、
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路。
【請求項１０】
請求項９記載の光導波路と、前記光波長の光を出力する光源と、を備え、
前記光源から出力される光が前記光導波路の前記第１端における前記第１モード群に属する導波モードに結合される、
ことを特徴とする光エネルギ伝送装置。
【請求項１１】
前記光源から出力される光が空間的にインコヒーレントである、ことを特徴とする請求項１０記載の光エネルギ伝送装置。
【請求項１２】
前記光波長において、前記軸に沿った任意の位置における前記軸に垂直な断面が、平均屈折率Ｎ１を有する第１領域と、この第１領域を包囲し平均屈折率Ｎ２を有する第２領域と、この第２領域を包囲し平均屈折率Ｎ３を有する第３領域とを含み、平均屈折率Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３が「Ｎ１＞Ｎ２＞Ｎ３」なる関係式を満たし、
前記軸に沿った光増幅区間が存在し、この光増幅区間において前記第１領域が前記光波長の光を吸収する希土類元素を含有するガラスからなる、
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路。
【請求項１３】
前記希土類元素がＹｂ，Ｎｄ，Ｅｒ，ＢｉおよびＰｒのうちから選ばれる何れか１つ又は複数である、ことを特徴とする請求項１２記載の光導波路。
【請求項１４】
前記光増幅区間の第１領域を伝搬した光を前記光増幅区間の第１領域に帰還させる光帰還手段を有する、ことを特徴とする請求項１２記載の光導波路。
【請求項１５】
前記第１端における第１領域および第２領域それぞれの面積の和Ｓ１が２５ｍｍ２以上であり、前記第２端における第１領域の面積Ｓ２が０.００１ｍｍ２以下である、ことを特徴とする請求項１２記載の光導波路。
【請求項１６】
前記希土類元素が光を放出する光放出波長において、前記第２端における第１領域が実質的に単一の空間モードを導波する、ことを特徴とする請求項１５記載の光導波路。
【請求項１７】
請求項１２記載の光導波路と、前記光波長の光を出力する光源と、を備え、
前記光源から出力される光が前記光導波路の前記第１端のコア領域に結合される、
ことを特徴とする光エネルギ伝送装置。
【請求項１８】
前記光導波路の前記光増幅区間の第１領域を伝搬した光を前記光増幅区間の第１領域に帰還させる光帰還手段を更に有する、ことを特徴とする請求項１７記載の光エネルギ伝送装置。
【請求項１９】
前記光源から出力される光が空間的にインコヒーレントである、ことを特徴とする請求項１７記載の光エネルギ伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を小径の領域に集光することができる光エネルギ伝送装置、および、このような光エネルギ伝送装置において光を導波するのに好適に用いられる光導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に開示されたレーザダイオードアレイは、複数のレーザダイオードがアレイ配置されたものであって、高い輝度を実現することができる。
【特許文献１】米国特許第５,７６４,６７５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のようなレーザダイオードアレイでは、レンズを用いることで、個々のレーザダイオードから出力される光は、互いに異なる小径の領域に集光され得る。しかし、全てのレーザダイオードから出力される光を共通の小径の領域に集光する手段は見出されていない。また、レーザダイオードアレイから出力される光に限らず、空間的にインコヒーレントな光を小径の領域に集光する手段は見出されていない。
【０００４】
なお、空間的にコヒーレントな光とは、その光の伝搬方向に垂直な平面内の異なる位置での光の位相の間に完全な相関がある光をいう。空間的にインコヒーレントな光とは、空間的にコヒーレントではない光をいう。レーザダイオードアレイから出力される光は、個々のレーザダイオードから出力される光の位相の間に相関がないから、空間的にインコヒーレントである。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、空間的にインコヒーレントな光を小径の領域に集光することができる光導波路および光エネルギ伝送装置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】
【０００６】
本発明に係る光導波路は、第１端から第２端まで延びる軸を有し、少なくとも１つの光波長において、軸に沿った任意の位置における軸に垂直な断面が、軸を含み平均屈折率Ｎcoreを有するコア領域と、このコア領域を包囲し平均屈折率Ｎcoreより低い平均屈折率Ｎcladを有するクラッド領域とを含み、第１端において軸に沿ってコア領域に導波される光の導波モードを１００以上有し、第１端におけるコア領域の断面積をＳ１とし、第２端におけるコア領域の断面積をＳ２としたときに、「Ｓ２／Ｓ１≦０.５」なる関係式を満たす、ことを特徴とする。この光導波路では、導波モードの数が多いので、ビーム品質の高低に拘わらず高い効率で光を導波モードに結合することができ、また、第１端に光を入力して第２端から光を出力することができて、これにより、第２端における光強度を向上することができる。
【０００７】
本発明に係る光導波路は、上記光波長において、第１端におけるコア領域のプロファイル体積をΩ１とし、第２端におけるコア領域のプロファイル体積をΩ２としたときに、「Ｓ２／Ｓ１＜Ω２／Ω１」なる関係式を満たすのが好適である。この場合には、第１端より第２端において、光導波路の光軸に垂直な断面における単位面積あたりの導波モードの数を多くすることができるので、光強度を高くすることができる。
【０００８】
本発明に係る光導波路は、上記光波長において、軸に沿った任意の位置における軸に垂直な断面が、軸を含み平均屈折率Ｎ１を有する第１領域と、この第１領域を包囲し平均屈折率Ｎ２を有する第２領域と、この第２領域を包囲し平均屈折率Ｎ３を有する第３領域とを含み、平均屈折率Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３が「Ｎ２２−Ｎ３２＞Ｎ１２−Ｎ２２＞０」なる関係式を満たすのが好適である。この場合には、「Ｎ１＞Ｎ２＞Ｎ３」であることから、第１端において第１領域がコア領域として光を導波することができ、第２端において第１領域および第２領域がコア領域として光を導波することができる。また、「Ｎ２２−Ｎ３２＞Ｎ１２−Ｎ２２」であることから、第１端より第２端において、光導波路の光軸に垂直な断面における単位面積あたりの導波モードの数を多くすることができるので、光強度を高くすることができる。また、第１端における第１領域の面積Ｓ１が２５ｍｍ２以上であり、第２端における第１領域および第２領域それぞれの面積の和Ｓ２が４ｍｍ２以下であるのが好適であり、この場合には、第１端におけるコア径が大きいので、大口径の光源を結合するのが容易であり、第２端におけるコア径が小さいので、高強度の光出力を得ることができる。
【０００９】
本発明に係る光導波路は、上記光波長において、軸に沿った任意の位置における軸に垂直な断面が、軸を含み平均屈折率Ｎ１を有する第１領域と、この第１領域を包囲し平均屈折率Ｎ２を有する第２領域とを含み、第２端において第２領域が平均屈折率Ｎ３を有する包囲媒質により包囲されており、平均屈折率Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３が「Ｎ２２−Ｎ３２＞Ｎ１２−Ｎ２２＞０」なる関係式を満たすのが好適である。この場合には、「Ｎ１＞Ｎ２＞Ｎ３」であることから、第１端において第１領域がコア領域として光を導波することができ、第２端において第１領域および第２領域がコア領域として光を導波することができる。また、「Ｎ２２−Ｎ３２＞Ｎ１２−Ｎ２２」であることから、第１端より第２端において、光導波路の光軸に垂直な断面における単位面積あたりの導波モードの数を多くすることができるので、光強度を高くすることができる。また、第１端における第１領域の面積Ｓ１が２５ｍｍ２以上であり、第２端における第１領域および第２領域それぞれの面積の和Ｓ２が４ｍｍ２以下であり、包囲媒質が気体であるのが好適であり、この場合には、第１端におけるコア径が大きいので、大口径の光源を結合するのが容易であり、第２端におけるコア径が小さいので、高強度の光出力を得ることができる。
【００１０】
本発明に係る光エネルギ伝送装置は、上記の本発明に係る光導波路と、上記光波長の光を出力する光源と、を備え、光源から出力される光が光導波路の第１端のコア領域に結合されることを特徴とする。また、光源から出力される光が空間的にインコヒーレントであるのが好適である。この光エネルギ伝送装置では、光源から出力された光は、光導波路の第１端に入力し、光導波路により伝送されて、光導波路の第２端から外部へ出力される。このとき、第２端では、第１端に比べてコア領域の断面積が小さく、単位面積あたりの導波モード数が多いため、光源単独の場合に比べて、高強度の光出力が得られる。
【００１１】
本発明に係る光導波路は、上記光波長において、第１端においてコア領域に導波される光の複数の導波モードが第１モード群および第２モード群からなり、上記光波長において、第１端における第１モード群に属する導波モードの数をＬとし、第２端においてコア領域に導波される光の導波モードの数をＮとしたときに、「Ｎ／Ｌ≧１／２」なる関係式を満たし、第１端における第２モード群に属する任意の導波モードと、第２端においてコア領域に導波される光の任意の導波モードとの間で、光結合が実質的に無視できるのが好適である。この光導波路では、第２端における導波モードに結合される第１端における導波モードを、第１端において選択的に励振することにより、第１端における光強度より高い光強度を第２端において得ることができる。
【００１２】
本発明に係る光エネルギ伝送装置は、上記の本発明に係る光導波路と、上記光波長の光を出力する光源と、を備え、光源から出力される光が光導波路の第１端における第１モード群に属する導波モードに結合されることを特徴とする。また、光源から出力される光が空間的にインコヒーレントであるのが好適である。この光エネルギ伝送装置では、光源から出力された光は、光導波路の第１端に入力して、第１モード群に属する導波モードに高効率に結合され、光導波路により伝送されて、光導波路の第２端から外部へ出力される。このとき、第１端に入力した光のパワーに実質的に等しいパワーの光が第２端において得られ、第２端では、第１端に比べてコア領域の断面積が小さいため、光源単独の場合に比べて、高強度の光出力が得られる。
【００１３】
本発明に係る光導波路は、上記光波長において、軸に沿った任意の位置における軸に垂直な断面が、平均屈折率Ｎ１を有する第１領域と、この第１領域を包囲し平均屈折率Ｎ２を有する第２領域と、この第２領域を包囲し平均屈折率Ｎ３を有する第３領域とを含み、平均屈折率Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３が「Ｎ１＞Ｎ２＞Ｎ３」なる関係式を満たし、軸に沿った光増幅区間が存在し、この光増幅区間において第１領域が上記光波長の光を吸収する希土類元素を含有するガラスからなるのが好適である。この場合には、「Ｎ１＞Ｎ２＞Ｎ３」であることから、第１端において第１領域および第２領域がコア領域として光を導波でき、第２端において第１領域がコア領域として光を導波できる。さらに、希土類元素が第１領域に含有されている光増幅区間が存在するため、光パワーを第１端のコア領域に結合して光増幅区間まで伝搬させることによって希土類元素を励起し、励起された希土類元素によって第１領域を伝搬する光を増幅し、増幅された光を第２端のコア領域に導波することができる。その結果、第１端のコア領域に結合された光パワーを効率よく第２端のコア領域に伝達することができ、第２端では第１端に比べてコア領域の面積が「Ｓ２／Ｓ１≦１０−４」と小さいため、第２端において高強度の光出力を得ることができる。
【００１４】
本発明に係る光導波路は、希土類元素がＹｂ，Ｎｄ，Ｅｒ，ＢｉおよびＰｒのうちから選ばれる何れか１つ又は複数であることが好適であり、これによって可視帯から近赤外までの波長域の光を効率よく吸収することができる。
【００１５】
本発明に係る光導波路は、光増幅区間の第１領域を伝搬した光を光増幅区間の第１領域に帰還させる光帰還手段を有するのが好適である。これによって、光増幅区間の第１領域を通過する光を共振させ、励起された希土類元素から効率よく光パワーを取り出すことができる。
【００１６】
本発明に係る光導波路は、第１端における第１領域および第２領域それぞれの面積の和Ｓ１が２５ｍｍ２以上であり、第２端における第１領域の面積Ｓ２が０.００１ｍｍ２以下であることが好適である。この場合には、第１端におけるコア径が大きいので、大口径の光源を結合するのが容易であり、第２端におけるコア径が小さいので、高強度の光出力を得ることができる。
【００１７】
本発明に係る光導波路は、希土類元素が光を放出する光放出波長において、第２端における第１領域が実質的に単一の空間モードを導波することが好適である。この場合、第２端において空間的にコヒーレントな光出力を得ることができ、レンズ等による集光が容易となる。
【００１８】
本発明に係る光エネルギ伝送装置は、上記の本発明に係る光導波路と、上記光波長の光を出力する光源とを備え、光源から出力される光が光導波路の第１端のコア領域に結合されることを特徴とする。光導波路の光増幅区間の第１領域を伝搬した光を光増幅区間の第１領域に帰還させる光帰還手段を更に有するのが好適である。光源から出力される光が空間的にインコヒーレントであるのが好適である。この光エネルギ伝送装置では、光源から出力された光は、光導波路の第１端に入力され、光増幅区間において希土類元素を励起する。励起された希土類元素は第２端から外部へ出力される光を増幅する。この際、光帰還手段によって光増幅区間を通過する光を共振させることにより希土類元素が吸収したエネルギを効率よく外部へ取り出すことができる。その結果、第１端のコア領域に入力された光エネルギを効率よく第２端のコア領域へ伝達することができ、第２端では第１端に比べてコア領域の面積が小さいため、光源単独の場合に比べて高強度の光出力が得られる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、空間的にインコヒーレントな光を小径の領域に集光することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
（光導波路の第１実施形態）
先ず、本発明に係る光導波路の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光導波路１０の説明図である。同図（ａ）は光導波路１０の構成を示し、同図（ｂ）は光導波路１０の第１端１１０における屈折率プロファイルを示し、同図（ｃ）は光導波路１０の第２端１２０における屈折率プロファイルを示す。
【００２２】
同図（ａ）に示されるように、光導波路１０は、第１端１１０から第２端１２０まで直線状または曲線状に延びる軸１１を有している。軸１１に沿った任意の位置において、軸１１に垂直な光導波路１０の断面は、軸１１を含み平均屈折率Ｎ１を有する円形状の第１領域と、この第１領域を包囲し平均屈折率Ｎ２を有する環状の第２領域と、この第２領域を包囲し平均屈折率Ｎ３を有する環状の第３領域とを含む。
【００２３】
第３領域は、ポリマ、カーボンおよび金属などの被覆媒質で被覆されていてもよい。これにより、破断の原因となる光導波路１０の側面の外傷の発生や成長が抑制される。
【００２４】
これらの平均屈折率Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、同図（ｂ），（ｃ）にも示されるように下記(1)式で表される関係を満たす。さらに好適には下記(2)式で表される関係をも満たす。
【００２５】
【数１】
2005148223.tif 000003
【００２６】
【数２】
2005148223.tif 000004
なお、Ｍ種類の媒質からなる領域の平均屈折率ｎａｖｇは、これらＭ種類の媒質のうちの第ｍの媒質の屈折率をｎ[m]とし、第ｍの媒質の体積をｆ[m]としたときに、下記(3)式で表される。１種類の媒質からなる領域の平均屈折率は、その媒質の屈折率と等しい。
【００２７】
【数３】
2005148223.tif 000005
第１端１１０における第１領域１１１，第２領域１１２および第３領域１１３を含む断面構造と、第１位置１３０における第１領域１３１，第２領域１３２および第３領域１３３を含む断面構造とは、互いに等しい。軸１１に沿った第１端１１０と第１位置１３０との間の部分では、軸１１に垂直な断面の構造および寸法は、軸１１に沿って一様である。
【００２８】
第２端１２０における第１領域１２１，第２領域１２２および第３領域１２３を含む断面構造と、第２位置１４０における第１領域１４１，第２領域１４２および第３領域１４３を含む断面構造とは、互いに等しい。軸１１に沿った第２端１２０と第２位置１４０との間の部分でも、軸１１に垂直な断面の構造および寸法は、軸１１に沿って一様である。
【００２９】
第１位置１３０における第１領域１３１，第２領域１３２および第３領域１３３を含む断面構造と、第２位置１４０における第２領域１４１，第２領域１４２および第３領域１４３を含む断面構造とは、互いに相似である。軸１１に沿った第１位置１３０と第２端１４０との間のテーパ部１５０では、軸１１に沿って、第３領域の外径が連続的に変化していて、軸１１に垂直な断面の構造も連続的に相似的に変化している。
【００３０】
第１端１１０における第３領域１１３の外径（すなわち、第１位置１３０における第３領域１３３の外径）は、第２端１２０における第３領域１２３の外径（すなわち、第２位置１４０における第３領域１４３の外径）より大きい。第１領域の外径をＤ１とし、第２領域の外径をＤ２とし、第３領域の外径をＤ３とすると、軸１１に沿って、比（Ｄ１／Ｄ２）は一定であり、比（Ｄ２／Ｄ３）も一定である。また、軸１１に沿って、第１領域の平均屈折率Ｎ１は一定であり、第２領域の平均屈折率Ｎ２も一定であり、第３領域の平均屈折率Ｎ３も一定である。
【００３１】
軸１１に沿った第１端１１０と第１位置１３０との間の区間では、波長８５０ｎｍにおいて、第１領域がコア領域として作用し、第２領域および第３領域の双方がクラッド領域として作用して、光は第１領域に閉じ込められて導波する。第１端１１０において、コア領域の平均屈折率Ｎcoreは、クラッド領域の平均屈折率Ｎcladより高い。
【００３２】
軸１１に沿った第２端１２０と第２位置１４０との間の区間では、波長８５０ｎｍにおいて、第１領域および第２領域の双方がコア領域として作用し、第３領域がクラッド領域として作用して、光は第１領域および第２領域の双方に閉じ込められて導波する。第２端１２０においても、コア領域の平均屈折率Ｎcoreは、クラッド領域の平均屈折率Ｎcladより高い。
【００３３】
光導波路１０は、波長８５０ｎｍにおいて、第１端１１０および第２端１２０ならびにこれらの間の位置において、軸１１に沿ってコア領域に導波される光の導波モードを１００以上有する。また、第１端１１０におけるコア領域の断面積（第１領域の断面積）をＳ１とし、第２端１２０におけるコア領域の断面積（第１領域および第２領域それぞれの断面積の和）をＳ２とすると、これらＳ１およびＳ２が下記(4)式で表される関係を満たす。
【００３４】
【数４】
2005148223.tif 000006
また、波長８５０ｎｍにおいて、第１端１１０におけるコア領域のプロファイル体積をΩ１とし、第２端１２０におけるコア領域のプロファイル体積をΩ２としたときに、Ｓ１，Ｓ２，Ω１およびΩ２が下記(5)式で表される関係を満たす。
【００３５】
【数５】
2005148223.tif 000007
なお、コア領域のプロファイル体積Ωは以下のように定義される。光導波路の断面内の径方向の屈折率プロファイルがコア領域でｎ(r)と表され、このコア領域を包囲するクラッド領域の屈折率がｎcladであるとする。ただし、ｒは、コア領域の中心を原点とする径方向座標であり、コア領域は「０≦ｒ≦ρ」の範囲に相当する。屈折率ｎ０の媒質から空間的にインコヒーレントな光が光導波路の一端に結合するとする。このとき、光導波路のコア領域に閉じ込められて導波する光のパワーＰｂｒは下記(6)式で表される。この(6)式中に現われるプロファイル体積Ωは下記(7)式で表される。これらの式から判るように、光導波路が伝送することができる光のパワーは、コア領域のプロファイル体積に比例する。
【００３６】
【数６】
2005148223.tif 000008
【００３７】
【数７】
2005148223.tif 000009
この光導波路１０では、第１端１１０におけるコア領域（第１領域１１１）に導波される導波モードから、第２端１２０におけるコア領域（第１領域１２１，第２領域１２２）に導波される導波モードへの結合は、テーパ部１５０により実現される。したがって、外部から第１端１１０のコア領域に光が結合されると、光強度が向上した光が第２端１２０において得られる。
【００３８】
好ましくは、第１端１１０におけるコア領域の面積（第１領域の面積）Ｓ１が２５ｍｍ２以上であり、第２端１２０におけるコア領域の面積（第１領域および第２領域それぞれの面積の和）Ｓ２が４ｍｍ２以下である。
【００３９】
より好ましい数値例は以下のとおりである。第１領域の外径をＤ１とし、第２領域の外径をＤ２とし、第３領域の外径をＤ３としたときに、比（Ｄ１／Ｄ２）は０.４であり、比（Ｄ２／Ｄ３）は０.８である。第１端１１０における第３領域１１３の外径Ｄ３は３６ｍｍであり、第２端１２０における第３領域１２３の外径Ｄ３は１.２ｍｍである。「Ｎ２２−Ｎ３２」の値は０.９９２であり、「Ｎ１２−Ｎ２２」の値は０.００７である。このとき、第１端１１０におけるコア領域の面積Ｓ１は１０４ｍｍ２であり、第２端１２０におけるコア領域の面積Ｓ２は０.７３ｍｍ２であり、比（Ｓ２／Ｓ１）は０.００７である。
【００４０】
波長８５０ｎｍでの光導波路１０のＶパラメータは、第１端１１０において３５６２であり、第２端１２０において３５３３である。したがって、導波モード数は、第１端１１０において６.３×１０６であり、第２端１２０において６.２×１０６である。このように導波モード数が１００以上（好適には１０５以上）であることにより、この光導波路１０は、空間的にインコヒーレントな光を導波することができる。
【００４１】
なお、コア領域の屈折率がＮcoreであり、クラッド領域の屈折率がＮcladであり、コア半径がρである場合、この光導波路の波長λにおける導波モードの数Ｍは下記(8)式で表される。また、この(8)式中に現われるＶパラメータは下記(9)式で表される。なお、(8)式は、ｒが値１より充分に大きいときに成り立つ。
【００４２】
【数８】
2005148223.tif 000010
【００４３】
【数９】
2005148223.tif 000011
また、第１端１１０におけるコア領域のプロファイル体積Ω１は０.７３ｍｍ２であり、第２端１２０におけるコア領域のプロファイル体積Ω２は０.７２ｍｍ２であり、比（Ω２／Ω１）は０.９９と大きい。このように比（Ω２／Ω１）が大きいことにより、生じ得る光損失を小さく抑えることができる。
【００４４】
図２は、第１実施形態に係る光導波路１０の断面図である。この図は、光導波路１０の軸１１に沿った任意の位置における断面構造を示しており、その断面における第１領域１０１、第２領域１０２および第３領域１０３を示す。円形状の第１領域１０１はシリカガラスからなり、この第１領域１０１を包囲する環状の第２領域１０２もシリカガラスからなる。円環状の第３領域１０３は、第２領域１０２を包囲する。
【００４５】
第１領域１０１と第２領域１０２との間の屈折率差は、第１領域１０１または第２領域１０２に屈折率上昇剤（例えばＧｅＯ２）または屈折率降下剤（例えばＦ）が添加されることで実現される。第２領域１０２と第３領域１０３との間の屈折率差も、第２領域１０２または第３領域１０３に屈折率上昇剤または屈折率降下剤が添加されることで実現される。
【００４６】
また、図２に示されるように、第３領域１０３において、屈折率が約１.４５であるシリカガラス中に、屈折率が約１である媒質（気体または真空）が容れられた複数の空孔１０４が配列されることで、第３領域１０３の実効屈折率が低減され、これにより、第２領域１０２と第３領域１０３との間の屈折率差が実現されるのが好適である。固体媒質中に複数の空孔が密に配列されている領域では、その領域の実効屈折率は平均屈折率で近似される。上記のように「Ｎ２２−Ｎ３２」の値を０.９９２とするには、第３領域１０３においてシリカガラス中の空孔１０４の面積比率を約０.９とすればよい。
【００４７】
なお、複数の空孔１０４は、第２領域１０２を囲むように径方向に所定の厚さで存在していればよく、第３領域１０３の全体に亘って存在していなくてもよい。これは、径方向に所定の厚さを有する空孔１０４の層によって、その層より内部に光が閉じ込められるので、その層より外側の構造は導波特性に影響しないからである。
【００４８】
（光導波路の第２実施形態）
次に、本発明に係る光導波路の第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係る光導波路２０の説明図である。同図（ａ）は光導波路２０の構成を示し、同図（ｂ）は光導波路２０の第１端２１０における屈折率プロファイルを示し、同図（ｃ）は光導波路２０の第２端２２０における屈折率プロファイルを示す。
【００４９】
同図（ａ）に示されるように、光導波路２０は、第１端２１０から第２端２２０まで直線状または曲線状に延びる軸２１を有している。軸２１に沿った任意の位置において、軸２１に垂直な光導波路２０の断面は、軸２１を含み平均屈折率Ｎ１を有する円形状の第１領域と、この第１領域を包囲し平均屈折率Ｎ２を有する環状の第２領域とを含む。また、第２端２２０と第２位置２４０との間の区間２５１において、第２領域は、平均屈折率Ｎ３を有する包囲媒質２４３により包囲されている。包囲媒質２４３は、例えば気体やポリマなどである。これらの平均屈折率Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、同図（ｂ），（ｃ）にも示されるように上記(1)式で表される関係を満たす。さらに好適には上記(2)式で表される関係をも満たす。
【００５０】
第１端２１０における第１領域２１１および第２領域２１２を含む断面構造と、第１位置２３０における第１領域２３１および第２領域２３２を含む断面構造とは、互いに等しい。軸２１に沿った第１端２１０と第１位置２３０との間の部分では、軸２１に垂直な断面の構造および寸法は、軸２１に沿って一様である。
【００５１】
第２端２２０における第１領域２２１および第２領域２２２を含む断面構造と、第２位置２４０における第１領域２４１および第２領域２４２を含む断面構造とは、互いに等しい。軸２１に沿った第２端２２０と第２位置２４０との間の部分でも、軸２１に垂直な断面の構造および寸法は、軸２１に沿って一様である。
【００５２】
第１位置２３０における第１領域２３１および第２領域２３２を含む断面構造と、第２位置２４０における第２領域２４１および第２領域２４２を含む断面構造とは、互いに相似である。軸２１に沿った第１位置２３０と第２端２４０との間のテーパ部２５０では、軸２１に沿って、第２領域の外径が連続的に変化していて、軸２１に垂直な断面の構造も連続的に相似的に変化している。
【００５３】
第１端２１０における第２領域２１２の外径（すなわち、第１位置２３０における第２領域２３２の外径）は、第２端２２０における第２領域２２２の外径（すなわち、第２位置２４０における第２領域２４２の外径）より大きい。第１領域の外径をＤ１とし、第２領域の外径をＤ２とすると、軸２１に沿って、比（Ｄ１／Ｄ２）は一定である。また、軸２１に沿って、第１領域の平均屈折率Ｎ１は一定であり、第２領域の平均屈折率Ｎ２も一定である。
【００５４】
軸２１に沿った第１端２１０と第１位置２３０との間の区間では、波長８５０ｎｍにおいて、第１領域がコア領域として作用し、第２領域がクラッド領域として作用して、光は第１領域に閉じ込められて導波する。第１端２１０において、コア領域の平均屈折率Ｎcoreは、クラッド領域の平均屈折率Ｎcladより高い。
【００５５】
軸２１に沿った第２端２２０と第２位置２４０との間の区間では、波長８５０ｎｍにおいて、第１領域および第２領域の双方がコア領域として作用し、包囲媒質２４０がクラッド領域として作用して、光は第１領域および第２領域の双方に閉じ込められて導波する。第２端２２０においても、コア領域の平均屈折率Ｎcoreは、クラッド領域の平均屈折率Ｎcladより高い。
【００５６】
光導波路２０は、波長８５０ｎｍにおいて、軸２１に沿ってコア領域に導波される光の導波モードを１００以上有する。また、第１端２１０におけるコア領域の断面積（第１領域の断面積）をＳ１とし、第２端２２０におけるコア領域の断面積（第１領域および第２領域それぞれの断面積の和）をＳ２とすると、これらＳ１およびＳ２が上記(4)式で表される関係を満たす。
【００５７】
また、波長８５０ｎｍにおいて、第１端２１０におけるコア領域のプロファイル体積をΩ１とし、第２端２２０におけるコア領域のプロファイル体積をΩ２としたときに、Ｓ１，Ｓ２，Ω１およびΩ２が上記(5)式で表される関係を満たす。
【００５８】
この光導波路２０では、第１端２１０におけるコア領域（第１領域２１１）に導波される導波モードから、第２端２２０におけるコア領域（第１領域２２１，第２領域２２２）に導波される導波モードへの結合は、テーパ部２５０により実現される。したがって、外部から第１端２１０のコア領域に光が結合されると、光強度が向上した光が第２端２２０において得られる。
【００５９】
好ましくは、第１端２１０におけるコア領域の面積（第１領域の面積）Ｓ１が２５ｍｍ２以上であり、第２端２２０におけるコア領域の面積（第１領域および第２領域それぞれの面積の和）Ｓ２が４ｍｍ２以下である。また、好ましくは、包囲媒質２４３は、Ｎ２や空気などの気体であって、屈折率Ｎ３が約１である。
【００６０】
より好ましい数値例は以下のとおりである。第１領域の外径Ｄ１と第２領域の外径Ｄ２との比（Ｄ１／Ｄ２）は０.３である。第１端２１０における第２領域２１２の外径Ｄ２は３６ｍｍであり、第２端２２０における第２領域２２２の外径Ｄ２は１ｍｍである。「Ｎ２２−Ｎ３２」の値は１.１０２５であり、「Ｎ１２−Ｎ２２」の値は０.０１である。このとき、第１端２１０におけるコア領域の面積Ｓ１は９２ｍｍ２であり、第２端２２０におけるコア領域の面積Ｓ２は０.７９ｍｍ２であり、比（Ｓ２／Ｓ１）は０.００９である。
【００６１】
波長８５０ｎｍでの光導波路２０のＶパラメータは、第１端２１０において３９９１であり、第２端２２０において３８８０である。したがって、導波モード数は、第１端２１０において７.９×１０６であり、第２端２２０において７.５×１０６である。このように導波モード数が１００以上（好適には１０５以上）であることにより、この光導波路２０は、空間的にインコヒーレントな光を導波することができる。
【００６２】
また、第１端２１０におけるコア領域のプロファイル体積Ω１は０.９２ｍｍ２であり、第２端２２０におけるコア領域のプロファイル体積Ω２は０.８７ｍｍ２であり、比（Ω２／Ω１）は０.９５と大きい。このように比（Ω２／Ω１）が大きいことにより、生じ得る光損失を小さく抑えることができる。
【００６３】
図４は、第２実施形態に係る光導波路２０の断面図である。この図は、光導波路２０の軸２１に沿った第２端２２０と第２位置２４０との間の区間２５１における任意の位置での断面構造を示しており、その断面における第１領域２０１、第２領域２０２および包囲媒質２４３を示す。円形状の第１領域２０１はシリカガラスからなり、この第１領域２０１を包囲する環状の第２領域２０２もシリカガラスからなる。包囲媒質２４３は、第２領域２０２を包囲する。
【００６４】
第１領域２０１と第２領域２０２との間の屈折率差は、第１領域２０１または第２領域２０２に屈折率上昇剤または屈折率降下剤が添加されることで実現される。また、上記のように「Ｎ２２−Ｎ３２」の値を１.１０２とするには、包囲媒質２４３は、屈折率が約１の空気や不活性気体であればよい。
【００６５】
（光導波路の第３実施形態）
次に、本発明に係る光導波路の第３実施形態について説明する。図５は、第３実施形態に係る光導波路３０の説明図である。
【００６６】
この図に示されるように、光導波路３０は、第１端３１０から第２端３２０まで直線状または曲線状に延びる軸３１を有している。軸３１に沿った任意の位置において、軸３１に垂直な光導波路３０の断面は、軸３１を含み平均屈折率Ｎ１を有する円形状の第１領域と、この第１領域を包囲し平均屈折率Ｎ２を有する環状の第２領域とを含む。さらに、第１実施形態の場合と同様に、第２領域は、平均屈折率Ｎ３を有する第３領域により包囲されていてもよい、或いは、第２実施形態の場合と同様に、第２端３２０と第２位置３４０との間の区間において、第２領域は、平均屈折率Ｎ３を有する包囲媒質により包囲されている。これらの平均屈折率Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、上記(1)式で表される関係を満たす。さらに好適には上記(2)式で表される関係をも満たす。
【００６７】
第１端３１０における第１領域３１１および第２領域３１２を含む断面構造と、第１位置３３０における第１領域および第２領域を含む断面構造とは、互いに等しい。軸３１に沿った第１端３１０と第１位置３３０との間の部分では、軸３１に垂直な断面の構造および寸法は、軸３１に沿って一様である。
【００６８】
第２端３２０における第１領域３２１および第２領域３２２を含む断面構造と、第２位置３４０における第１領域および第２領域を含む断面構造とは、互いに等しい。軸３１に沿った第２端３２０と第２位置３４０との間の部分でも、軸３１に垂直な断面の構造および寸法は、軸３１に沿って一様である。
【００６９】
第１位置３３０における第１領域および第２領域を含む断面構造と、第２位置３４０における第１領域および第２領域を含む断面構造とは、互いに相似である。軸３１に沿った第１位置３３０と第２端３４０との間のテーパ部２３０では、軸３１に沿って、第２領域の外径が連続的に変化していて、軸３１に垂直な断面の構造も連続的に相似的に変化している。
【００７０】
第１端３１０における第２領域３１２の外径（すなわち、第１位置３３０における第２領域の外径）は、第２端３２０における第２領域３２２の外径（すなわち、第２位置３４０における第２領域の外径）より大きい。第１領域の外径をＤ１とし、第２領域の外径をＤ２とすると、軸３１に沿って、比（Ｄ１／Ｄ２）は一定である。また、軸３１に沿って、第１領域の平均屈折率Ｎ１は一定であり、第２領域の平均屈折率Ｎ２も一定である。
【００７１】
軸３１に沿った第１端３１０と第１位置３３０との間の区間では、波長８５０ｎｍにおいて、第１領域がコア領域として作用し、第２領域がクラッド領域として作用して、光は第１領域に閉じ込められて導波する。第１端３１０において、コア領域の平均屈折率Ｎcoreは、クラッド領域の平均屈折率Ｎcladより高い。
【００７２】
軸３１に沿った第２端３２０と第２位置３４０との間の区間でも、波長８５０ｎｍにおいて、第１領域がコア領域として作用し、第２領域がクラッド領域として作用して、光は第１領域に閉じ込められて導波する。ただし、第３領域または包囲媒質が設けられる場合には、第１領域および第２領域の双方がコア領域として作用し、第３媒質または包囲媒質がクラッド領域として作用して、光は第１領域および第２領域の双方に閉じ込められて導波する。第２端３２０においても、コア領域の平均屈折率Ｎcoreは、クラッド領域の平均屈折率Ｎcladより高い。
【００７３】
光導波路３０は、波長８５０ｎｍにおいて、軸３１に沿ってコア領域に導波される光の導波モードを１００以上有する。また、第１端３１０におけるコア領域の断面積（第１領域の断面積）をＳ１とし、第２端３２０におけるコア領域の断面積（第１領域および第２領域それぞれの断面積の和）をＳ２とすると、これらＳ１およびＳ２が上記(4)式で表される関係を満たす。
【００７４】
この光導波路３０では、第１端３１０におけるコア領域に導波される導波モードから、第２端３２０におけるコア領域に導波される導波モードへの結合は、テーパ部３５０により実現される。したがって、外部から第１端３１０のコア領域に光が結合されると、光強度が向上した光が第２端３２０において得られる。
【００７５】
図６は、第３実施形態に係る光導波路３０の導波モードの説明図である。光導波路３０の第１端３１０での導波モードの数をＭとし、Ｍ個の導波モードのうちの第ｍの導波モードの電界分布をｇｍと表す。また、光導波路３０の第２端３２０での導波モードの数をＮとし、Ｎ個の導波モードのうちの第ｎの導波モードの電界分布をｈｎと表す。ただし、Ｍは２以上の整数であり、ＮはＭより小さい正の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の各整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。
【００７６】
これらの電界分布を用いると、第１端３１０に導波される光の電界Ｅ１、および、第２端３２０に導波される光の電界Ｅ２それぞれは、下記(10)式で展開される。
【００７７】
【数１０】
2005148223.tif 000012
また、第１端３１０に導波される光のパワーＰ１、および、第２端３２０に導波される光のパワーＰ２それぞれは、下記(11)式で表される。ただし、各導波モードｇｍ，ｈｎは、互いに直交しており、絶対値の二乗の断面内の積分が値１となるように規格化されているものとする。
【００７８】
【数１１】
2005148223.tif 000013
第１端３１０での導波モードｇｍと第２端３２０での導波モードｈｎとはテーパ部３５０において互いに結合しており、その結合は下記(12)式で表される。係数ｔｎ,ｍは、テーパ部３５０などの光導波路構造によって決まる。
【００７９】
【数１２】
2005148223.tif 000014
好ましくは、第１端３１０でのＭ個の導波モードは、第１群に属するＬ個の導波モードｇ１〜ｇＬと、第２群に属する(Ｍ−Ｌ)個の導波モードｇＬ＋１〜ｇＭとに区分される。そして、第１端３１０における第２モード群に属する任意の導波モードと、第２端３２０における任意の導波モードとの間で、光結合が実質的に無視できる。すなわち、好適には下記(13)式を満たす。
【００８０】
【数１３】
2005148223.tif 000015
このとき、上記(12)式は、下記(14)式で近似され得る。
【００８１】
【数１４】
2005148223.tif 000016
ここで、任意のｋ（ただし、１≦ｋ≦Ｎ）について下記(15)式で表される光電界を第１端３１０に入射した場合を考える。＊は複素共役を表す。
【００８２】
【数１５】
2005148223.tif 000017
このとき、第１端３１０に導波される光のパワーＰ１、および、第２端３２０に導波される光のパワーＰ２それぞれは、下記(16)式で表される。
【００８３】
【数１６】
2005148223.tif 000018
しかし、本実施形態に係る光導波路３０は増幅作用を有しないので、Ｐ２はＰ１以下であるから、下記(17)式が成り立つ。
【００８４】
【数１７】
2005148223.tif 000019
外部から光導波路３０の第１端３１０に光を結合して、第１モード群に属するＬ個の導波モードｇ１〜ｇＬを選択的に励振した場合には、下記(18)式が成り立ち、さらに下記(19)式が成り立つ。
【００８５】
【数１８】
2005148223.tif 000020
【００８６】
【数１９】
2005148223.tif 000021
したがって、第１端３１０における第１モード群に属する導波モードの数Ｌ、第２端３２０における導波モードの数Ｎ、第１端３１０に導波される光のパワーＰ１、および、第２端３２０に導波される光のパワーＰ２それぞれの間には、下記(20)式が成り立つ。
【００８７】
【数２０】
2005148223.tif 000022
高い効率で光を伝送するためには、比（Ｎ／Ｌ）が大きいことが必要であり、特に下記(21)式が成り立つのが好ましい。
【００８８】
【数２１】
2005148223.tif 000023
例えば、下記(22)式が成り立つように光導波路３０を構成することにより、下記(23)式で表されるような高効率を実現することができる。
【００８９】
【数２２】
2005148223.tif 000024
【００９０】
【数２３】
2005148223.tif 000025
（光エネルギ伝送装置の第１実施形態）
次に、本発明に係る光エネルギ伝送装置の第１実施形態について説明する。図７は、本実施形態に係る光エネルギ伝送装置１の構成図である。光エネルギ伝送装置１は、上述した第１実施形態に係る光導波路１０に加えて、光源８０および波面調整素子９０を備える。
【００９１】
光源８０は、波長８５０ｎｍの光Ａを出力し、このとき、
光導波路１０のコア領域に導波される光の導波モードの個数が１００以上（好適には１０５以上）となる。光源８０は、単一の横モードで発振するレーザ光源であってもよいし、複数の横モードで発振して空間的にインコヒーレントな光を出力する多モードレーザ光源であってもよいし、また、レーザダイオードが２次元的に配列されたＬＤスタックであってもよい。
【００９２】
波面調整素子９０は、光源８０から出力された光Ａを入力して、拡がり角やビーム径を調整した光Ｂを出力する。波面調整素子９０は、例えば、レンズアレイや回折光学素子や曲面鏡からなる。
【００９３】
光導波路１０は、波面調整素子９０から出力された光Ｂを第１端１１０に入力し、その光をコア領域に導波して、第２端１２０から外部へ光Ｃを出力する。
【００９４】
この光エネルギ伝送装置１では、光源８０から出力された光は、波面調整素子９０により拡がり角やビーム径が調整された後に、光導波路１０の第１端１１０に入力し、この光導波路１０のコア領域により導波されて、光導波路１０の第２端１２０から外部へ出力される。これにより、光は小径の領域に集光され、光強度が向上した光が第２端１２０において得られる。
【００９５】
特に、光源８０として多モードレーザ光源やＬＤスタックが用いられる場合には、光源８０から大パワーの光を発生することができ、この大パワーの光を光導波路１０の第２端１２０から出力することができるので、加工等の用途において好適である。
【００９６】
また、光導波路１０が上述した本実施形態に係るものであることから、多モードレーザ光源やＬＤスタックから出力される光を小径に集光して、光導波路１０の第２端１２０において高い強度の光を得ることができる。
【００９７】
なお、光導波路１０に替えて光導波路２０を用いる場合にも、同様の作用・効果を得ることができる。また、波長８５０ｎｍでは出力パワーの高いレーザダイオードの実現が容易であるが、波長は必ずしも、これに限定されず、他のレーザダイオードが動作する４０５ｎｍ，９８０ｎｍおよび１４５０ｎｍ等や、希土類添加ファイバレーザや固体レーザが動作する１０００〜１１００ｎｍであってもよい。また、光導波路１０に替えて光導波路３０を用いる場合には、光源８０から出力されて波長変換素子９０を経た光を、光導波路３０の第１端における第１モード群に属する導波モードに高効率に結合することで、同様の効果を得ることができる。
【００９８】
（光導波路の第４実施形態）
次に、本発明に係る光導波路の第４実施形態について説明する。図８は、第４実施形態に係る光導波路４０の説明図である。同図（ａ）は光導波路４０の構成を示し、同図（ｂ）は光導波路４０の第１端４１０における屈折率プロファイルを示し、同図（ｃ）は光導波路４０の第２端４２０における屈折率プロファイルを示す。
【００９９】
同図（ａ）に示されるように、光導波路４０は、第１端４１０から第２端４２０まで直線状または曲線状に延びる軸４１を有している。軸４１に沿った任意の位置において、軸４１に垂直な光導波路４０の断面は、軸４１を含み平均屈折率Ｎ１を有する円形状の第１領域と、この第１領域を包囲し平均屈折率Ｎ２を有する環状の第２領域と、この第２領域を包囲し平均屈折率Ｎ３を有する環状の第３領域とを含む。
【０１００】
これらの平均屈折率Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、同図（ｂ），（ｃ）にも示されるように上記(1)式で表される関係を満たす。さらに好適には上記(2)式で表される関係をも満たす。
【０１０１】
第1端４１０における第１領域４１１，第２領域４１２および第３領域４１３を含む断面構造と、第１位置４３０における第１領域４３１，第２領域４３２および第３領域４３３を含む断面構造とは、互いに等しい。軸４１に沿った第１端４１０と第２位置４３０との間の部分では、軸４１に垂直な断面の構造および寸法は、軸４１に沿って一様である。
【０１０２】
第２端４２０における第１領域４２１，第２領域４２２および第３領域４２３を含む断面構造と、第２位置４４０における第１領域４４１，第２領域４４２および第３領域４４３を含む断面構造とは、互いに等しい。軸４１に沿った第２端４２０と第２位置４４０との間の部分でも、軸４１に垂直な断面の構造および寸法は、軸４１に沿って一様である。
【０１０３】
第１位置４３０における第１領域４３１，第２領域４３２および第３領域４３３を含む断面構造と、第２位置４４０における第１領域４４１，第２領域４４２および第３領域４４３を含む断面構造とは、互いに相似である。軸４１に沿った第１位置４３０と第２位置４４０との間のテーパ部４５０では、軸４１に沿って、第３領域の外径が連続的に変化していて、軸４１に垂直な断面の構造も連続的に相似的に変化している。
【０１０４】
第２位置４４０には反射鏡４６０が設けられ、第２位置４４０と第２端４２０との間は光増幅区間４７０となっている。反射鏡４６０は波長９１５ｎｍの光を透過し、波長１１２０ｎｍの光を反射する。このような反射鏡４６０は、第１領域の平均屈折率を軸方向に周期的に変調したファイバグレーティングによって実現できる。また、第２端４２０の端面は気体に接しており、第１領域を通って第２端４２０に至る光の一部はフレネル反射により第１領域に戻され、他の部分が外部へ出力される。光増幅区間４７０では、Ｙｂが添加されたシリカガラスによって第１領域が構成されている。光増幅区間４７０以外の部分では、Ｙｂは添加されていない。
【０１０５】
第１端４１０における第３領域４１３の外径（すなわち、第１位置４３０における第３領域４３３の外径）は、第２端４２０における第３領域４２３の外径（すなわち、第２位置４４０における第３領域４４３の外径）より大きい。第１領域の外径をＤ１とし、第２領域の外径をＤ２とし、第３領域の外径をＤ３とすると、軸４１に沿って、比（Ｄ１／Ｄ２）は一定であり、比（Ｄ２／Ｄ３）も一定である。また、反射鏡４６０以外の部分では、軸４１に沿って、第１領域の平均屈折率Ｎ１、第２領域の平均屈折率Ｎ２、および第３領域の平均屈折率Ｎ３はそれぞれ一様である。ただし、Ｙｂが添加された光増幅区間４７０とそれ以外の部分とでは、第１領域の平均屈折率Ｎ１は必ずしも等しくない。
【０１０６】
軸４１に沿った第１端４１０と第１位置４３０との間の区間では、波長９１５ｎｍにおいて、第１領域および第２領域の双方がコア領域として作用し、第３領域がクラッドとして作用して、光は第１領域および第２領域に閉じ込められて導波する。第１端４１０において、コア領域の平均屈折率Ｎcoreは、クラッド領域の平均屈折率Ｎcladより高い。
【０１０７】
軸４１に沿った第２端４２０と第２位置４４０との間の区間では、波長１１２０ｎｍにおいては、第１領域がコア領域として作用し、第２領域および第３領域の双方がクラッドとして作用して、光は第１領域に閉じ込められて導波する。第２端４２０において、コア領域の平均屈折率Ｎcoreは、クラッド領域の平均屈折率Ｎcladより高い。
【０１０８】
光導波路４０は、波長９１５ｎｍにおいて、第１端４１０において軸４１に沿ってコア領域に導波される光の導波モードを１００以上有する。また、第１端４１０におけるコア領域の断面積（第１領域および第２領域それぞれの断面積の和）をＳ１とし、第２端４２０におけるコア領域の断面積（第１領域の断面積）をＳ２とすると、これらＳ１およびＳ２が上記(4)式で表される関係を満たす。
【０１０９】
この光導波路４０では、第１端４１０におけるコア領域（第１領域４１１、第２領域４１２）に導波される導波モードは、テーパ部４５０によって、第２位置４４０における第１領域４４１および第２領域４４２に結合される。第２位置４４０における第１領域４４１および第２領域４４２に結合された波長９１５ｎｍの光は、光増幅区間４７０において希土類元素に吸収された後、波長１１２０ｎｍの光として放出される。放出された光がさらなる放出を誘導し、希土類元素に吸収された光パワーが波長１１２０ｎｍの光として取り出される。さらに、光増幅区間４７０の第１領域は、フレネル反射が生じる第２端４２０と反射鏡４６０とによって構成される光共振器内にあるため波長１１２０ｎｍにおいてレーザ発振が生じ、発振した光の一部が第２端４２０から外部に取り出される。これにより、希土類元素からの光パワーの取り出し効率を向上することができる。
【０１１０】
好ましくは、第１端４１０におけるコア領域の面積（第１領域および第２領域それぞれの面積の和）Ｓ１が２５ｍｍ２以上であり、第２端４２０におけるコア領域の面積（第１領域の面積）Ｓ２が０.００１ｍｍ２以下である。
【０１１１】
より好ましい数値例は以下のとおりである。第１領域の外径をＤ１とし、第２領域の外径をＤ２とし、第３領域の外径をＤ３としたときに、比（Ｄ１／Ｄ２）は０.１６であり、比（Ｄ２／Ｄ３）は０.５である。第１端４１０における第３領域４１３の外径Ｄ３は１２ｍｍであり、第２端４２０における第３領域の外径Ｄ３は１２５μｍある。「Ｎ２２−Ｎ３２」の値は０.２１であり、「Ｎ１２−Ｎ２２」の値は０.００７である。このとき、第１端４１０におけるコア領域の面積Ｓ１は２８ｍｍ２であり、第２端４２０におけるコア領域の面積Ｓ２は０.００００７９ｍｍ２であり、比（Ｓ２／Ｓ１）は２.８×１０−６である。
【０１１２】
第１端４１０において、波長９１５ｎｍでの光導波路４０のＶパラメータは９４４０であり、導波モード数は４.５×１０７である。このように導波モード数が１００以上（好適には１０５以上）であることにより、この光導波路４０は、空間的にインコヒーレントな光を第１端４１０のコア領域に入力して導波することができる。
【０１１３】
一方、第２端４２０において、波長１１２０ｎｍでの光導波路４０のＶパラメータは２.３である。「Ｖ＜２.４０５」であるため、第２端４２０では単一モード動作が実現する。これにより、波面の整った光が第２端４２０からの出力として得られ、これをさらにレンズ等で集光するのに好適である。
【０１１４】
図９は、第４実施形態に係る光導波路４０の断面図である。この図は、光導波路４０の光増幅区間４７０における断面構造を示しており、その断面における第１領域４０１、第２領域４０２、第３領域４０３を示す。それ以外の部分における断面構造は、第１領域４０１に希土類元素が添加されていないことを除いては実質的に同じである。円形状の第１領域４０１はシリカガラスからなり、特に希土類元素Ｙｂが添加されている。この第１領域４０１を包囲する環状の第２領域４０２もシリカガラスからなる。円環状の第３領域４０３はポリマで構成され、第２領域４０２を包囲する。
【０１１５】
第１領域４０１と第２領域４０２との間の屈折率差は、光増幅区間４７０においては第１領域４０１に添加された希土類元素によってその一部が実現されるが、第１領域４０１および第２領域４０２に屈折率上昇剤（例えばＧｅＯ２）または屈折率降下剤（例えばＦ）が添加されることによっても実現される。第２領域４０２と第３領域４０３との間の屈折率差は、シリカガラスとポリマとの間の屈折率差によって実現される。
【０１１６】
なお、第１実施形態の光導波路と同様に、空孔を有するシリカガラスによって第３領域４０３を構成してもよい。また、第１領域４０１の中心と第２領域４０２の中心とを異ならせることや、第２領域４０２の外周を非円形状とすることが好適であり、入射された光パワーが希土類元素に吸収される効率を高めることができる。また、希土類元素はＹｂのみならず、Ｎｄ，Ｅｒ，Ｂｉ，Ｐｒおよびこれらのうちの複数を用いることも好適であり、それによって励起波長と増幅波長とを５００ｎｍ〜１６００ｎｍの広範囲に渡って選択することができる。
【０１１７】
（光エネルギ伝送装置の第２実施形態）
次に、本発明に係る光エネルギ伝送装置の第２実施形態について説明する。図１０は、本実施形態に係る光エネルギ伝送装置４の構成図である。光エネルギ伝送装置４は、上述した第４実施形態に係る光導波路４０に加えて、光源８０および波面調整素子９０を備える。
【０１１８】
光源８０は、波長９１５ｎｍの光Ａを出力し、このとき光導波路４０のコア領域に導波される光の導波モードの個数が１００以上（好適には１０５以上）となる。
【０１１９】
光エネルギ伝送装置の第１実施形態と同様に、光源８０は、単一横モードのレーザ光源や、複数の横モードで発振するレーザ光源や、ＬＤスタックを用いることができる。また、波面調整素子９０は、レンズアレイ、回折光学素子、曲面鏡からなり、光Ａの拡がり角やビーム径を調整して光Ｂとして出力する。
【０１２０】
光導波路４０は、波面調整素子９０から出力された光Ｂを第１端４１０に入力し、その光をコア領域に導波し、希土類元素に光を一旦吸収させたのちに放出させ、第２端４２０から外部へ光Cを出力する。
【０１２１】
この光エネルギ伝送装置４では、光源８０から出力された光は、波面調整素子９０により拡がり角やビーム径が調整された後に、光導波路４０の第１端４１０に入力し、この光導波路４０のコア領域により導波された後、この光導波路４０に添加されている希土類元素によって吸収される。光を吸収した希土類元素は再び光を放出し、これが光導波路４０の第２端４２０から外部へ出力される。これにより、入力された光に比べてビーム径の小さな光を第２端４２０からの出力として得られ、光強度が向上した光を得ることができる。
【０１２２】
特に、光源８０として多モードレーザ光源やＬＤスタックを用いて大パワーの光を光導波路４０に入力して、縮小されたビーム径で第２端４２０から取りだすことができるため、光強度が向上し、加工等の用途において好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】第１実施形態に係る光導波路１０の説明図である。
【図２】第１実施形態に係る光導波路１０の断面図である。
【図３】第２実施形態に係る光導波路２０の説明図である。
【図４】第２実施形態に係る光導波路２０の断面図である。
【図５】第３実施形態に係る光導波路３０の説明図である。
【図６】第３実施形態に係る光導波路３０の導波モードの説明図である。
【図７】本実施形態に係る光エネルギ伝送装置１の構成図である。
【図８】第４実施形態に係る光導波路４０の説明図である。
【図９】第４実施形態に係る光導波路４０の断面図である。
【図１０】本実施形態に係る第２の光エネルギ伝送装置４の構成図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１，４…光エネルギ伝送装置、１０…光導波路、１１…軸、１１０…第１端、１１１…第１領域、１１２…第２領域、１１３…第３領域、１２０…第２端、１２１…第１領域、１２２…第２領域、１２３…第３領域、１３０…第１位置、１３１…第１領域、１３２…第２領域、１３３…第３領域、１４０…第２位置、１４１…第１領域、１４２…第２領域、１４３…第３領域、１５０…テーパ部、２０…光導波路、２１…軸、２１０…第１端、２１１…第１領域、２１２…第２領域、２２０…第２端、２２１…第１領域、２２２…第２領域、２３０…第１位置、２３１…第１領域、２３２…第２領域、２４０…第２位置、２４１…第１領域、２４２…第２領域、２４３…包囲媒質、２５０…テーパ部、３０…光導波路、３１…軸、３１０…第１端、３１１…第１領域、３１２…第２領域、３２０…第２端、３２１…第１領域、３２２…第２領域、３３０…第1位置、３４０…第２位置、３５０…テーパ部、４０…光導波路、４１…軸、４１０…第１端、４１１…第１領域、４１２…第２領域、４１３…第３領域、４２０…第２端、４２１…第１領域、４２２…第２領域、４２３…第３領域、４３０…第１位置、４３１…第１領域、４３２…第２領域、４３３…第３領域、４４０…第２位置、４４１…第１領域、４４２…第２領域、４４３…第３領域、４５０…テーパ部、４６０…反射鏡、４７０…光増幅区間、８０…光源、９０…波面調整素子。
【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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