(57)【要約】【課題】複数の光源から入射された光を効率良く一つに集光すること。【解決手段】励起光を伝播する複数の第一のマルチモードファイバ１２を最密充填構造で束ねて一体化し、外径変動率が極力少なくなるようにゆるやかなテーパ形状に引き伸ばして縮径部１４を形成し、この縮径した束先端と概円形断面を有する第二のマルチモードファイバ１３とを接続部１５で溶融結合した構造。伝播光の開口数上昇を抑制して高い集光効率を実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のファイバを最密充填構造に配列してバンドル化し複数の励起光入力端と１つの励起光出射端を有する第一のマルチモードファイバ束と、コア及びクラッドともに断面形状が概円形かつ断面積が長手方向に一定である第二のマルチモードファイバの一端を前記第一のマルチモードファイバ束の励起光出射端に結合した光ファイバ集光器。
【請求項２】
前記第一のマルチモードファイバの縮径部先端の導波路断面積を前記第二のマルチモードファイバの導波路断面積と概同値になるまで単調かつ均一に減少させ、前記第一のマルチモードファイバ束縮径部先端と前記第二のマルチモードファイバの一端を接続部において両ファイバの断面形状を概円形として融着接続した請求項１に記載の光ファイバ集光器。
【請求項３】
前記第一のマルチモードファイバ各々の縮径部の断面積減少率を０．５％／ｍｍ以内にしたことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ集光器。
【請求項４】
前記接続部を前記第二のマルチモードファイバのクラッドと屈折率が同じ樹脂で被覆したことを特徴とする請求項２または３に記載の光ファイバ集光器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光ファイバ集光器を備えた光増幅装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光ファイバ集光器を備えたファイバレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ増幅器、ファイバレーザに高出力な励起光を入射させるための光ファイバ集光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力レーザを発振させる光増幅媒体として、Ｎｄ−ＹＡＧで代表される固体バルク型でなく、光ファイバのコア内部に誘導放出用の希土類元素をドーピングした光ファイバを光増幅媒体としたレーザ発振装置が加速的に普及している。
【０００３】
この光増幅用ファイバの一つの構造として、光が伝播するコアの周囲を囲んでいるクラッド（以下、インナークラッドと記す）の周囲に更にこのインナークラッドよりも屈折率の小さいアウタークラッドで囲んだ構造の光ファイバがある。この光ファイバはインナークラッドとアウタークラッドの界面で光を全反射させることができ、励起光はインナークラッド内を伝播しながらコアにドーピングされた希土類元素を励起するので、クラッドポンプファイバと呼ばれている。クラッドポンプファイバでは、コアよりも断面積の大きいインナークラッドに励起光を入射させることができるので、大量の励起光を希土類元素の含まれるコアに吸収させることが可能で、光増幅用ファイバを用いた高出力用レーザはクラッドポンプ構造の光ファイバが使用されている。
【０００４】
通常、インナークラッドはコアに効率良く励起光を吸収させるために断面形状は円形でなく長方形などの矩形構造になっており、その寸法は１００〜４００μｍ程度である。光ファイバ増幅器やファイバレーザを高出力化するには、このインナークラッド内に強大な励起光を入射する装置が必要となる。励起光強度は導波路の単位断面積あたりの光出力で計算され、この値が大きい程、光増幅装置の高出力化に有利である。また、励起光光源は高出力発振が可能なマルチモード半導体レーザを複数台用いるのが一般的である。
【０００５】
従来、複数の光源から出射する励起光を一つに集光してクラッドポンプファイバ等の光増幅媒体へと入射する光ファイバを使用した光ファイバ集光器として、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。レンズを介しての空間結合で集光するのでなく、光ファイバを集光器として使用する利点は、光ファイバどうしを直接強固に接続するので軸ズレの心配がなく信頼性に優れること、入出力端面に空間がないので光伝播領域に不純物の進入がないこと、光の結合効率が高いこと、などが挙げられる。
【０００６】
特許文献１で開示されている技術は、図８で示されるように、励起光をマルチモードファイバ９０１内に導入し、そのマルチモードファイバ９０１を束ねて一体化して、先端部を溶融して引き伸ばすことでテーパ状の縮径部９０２を有する構造にしている。出射端９０３を絞ることによって、励起光は集光、高密度化された状態で光増幅媒体９０４に結合される。
【０００７】
特許文献２で開示されている技術は、特許文献１のテーパ形状付きファイバ束の中心に位置するマルチモードファイバ９０１を信号伝送用ファイバに置き換えた構造で、励起光を集光するだけでなく、同時に光増幅媒体９０４で生成された信号光も伝播できるようになっている。
【特許文献１】米国特許第４８２００１０号明細書
【特許文献２】米国特許第５８６４６４４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、単純に導波路断面積の減少によって光強度を無限に高められるという訳でなく、図９に示されるように、断面積が減少していく導波路９０５では、光が伝播するとともに導波路界面との反射角が大きくなり、全反射臨界角を超えた光はコアの外部に放射光９０６となって放射してしまう。このため、効率良く光を集光するには、ある程度の導波路断面積が必要で、このことを考慮して光ファイバ集光器を設計しなければならない。
【０００９】
一般に、コア断面積が減少していく場合、入射端の光ファイバのコア径をＤin、入射光の開口数をＮＡin、出射端の光ファイバのコア径をＤoutであるとすると、導波路界面における反射角の幾何学関係から、出射光の開口数ＮＡoutは、（１）式で表される。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
（１）式は、理論上は左辺と右辺で等式が成り立ち、テーパ付ファイバの設計では目標のＮＡoutを満たすようにコア径Ｄin、Ｄoutを決定する。しかしながら、実際は不等式で表示される。これは光伝送路の状態によって、ＮＡoutが理論値よりも大きくなるからである。例えば、テーパ形状、界面の微小凹凸、コア断面形状の歪み等による光伝播角度の増大がその原因である。（１）式のＮＡout拡大を抑制するということは、伝送路伝播途中でコア外に放射する光が減少するということであり、すなわち、光ファイバ集光器の伝播効率が向上するということを意味する。
【００１２】
特許文献１、２に開示された技術は、複数の励起光光源から光ファイバ内へ導入した励起光を導波路の断面積を長手方向に減ずることによって、励起光を集光、高密度化して、光増幅媒体に励起光を入射することが目的である。
【００１３】
しかしながら、導波路の形状によっては、励起光が光ファイバ集光器より大きく漏れ出して集光効率が低下するという課題があり、さらに、ファイバ束縮径部先端を直接光増幅媒体に結合しており、光増幅媒体内の励起光強度分布が不均一な部分が存在するため、励起効率が悪化している課題があった。また、特許文献２のようにファイバ束中心に信号光伝播用ファイバを具備する場合、励起光光源１個分の励起光強度が低下する状態になる。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされ、複数の光源より発せられた励起光を高効率で一つに集光し、高出力で光増幅媒体に出力できる光ファイバ集光器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するために、本発明の光ファイバ集光器は、複数の励起光入力端と１つの励起光出射端を有する第一のマルチモードファイバ束と、前記第一のマルチモードファイバ束の励起光出射端に概円形断面を持つ第二のマルチモードファイバの一端が結合された構造であり、詳しくは、以下（ア）〜（エ）の条件を満たすことを特徴とする光ファイバ集光器を提供する。
【００１６】
（ア）第一のマルチモードファイバは、束ねてバンドル化し、その配列は各ファイバの空隙が最小になるように、最密充填構造とする。そして、ファイバ束の外周が可能な限り円形になるように配置する。
【００１７】
（イ）第二のマルチモードファイバは、コア、クラッドともに断面形状が概円形で、長手方向に断面積が一定である。
【００１８】
（ウ）第一のマルチモードファイバ束の縮径部先端の導波路断面積は、第二のマルチモードファイバの導波路断面積と同じ値になるまで単調、且つ、均一に減少させる。第一のマルチモードファイバ各々の縮径部の断面積減少率は０．５％／ｍｍ以内が好ましい。
【００１９】
（エ）第一のマルチモードファイバ束縮径部先端と第二のマルチモードファイバの一端は融着接続した構造で、接続部における両ファイバの断面形状が概円形である。
【００２０】
第一のマルチモードファイバは、複数の光源からの光を集め、そして縮径部で励起光強度を高める役割を担い、第二のマルチモードファイバは、第一のマルチモードファイバと低損失で結合し、第一のマルチモードファイバの各々から入射される光を合波して一つにする役割を担う。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光ファイバ集光器は、前記記載のように、光ファイバ集光器の入力端から出力端まで、伝播する導波路の断面形状、及び断面積を極力変化させない構造である。そのため、伝播する光の開口数増加を抑制し、光の放射損失を低減することができ、高効率、高光強度で励起光を集光できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の光ファイバ集光器について説明する。
【００２３】
光ファイバ集光器１１は、図１に示されるように複数の第一のマルチモードファイバ１２の一端を束ねて一体化して溶融延伸した後、概円形断面形状を有する第二のマルチモードファイバ１３の一端と縮径部１４先端部分とで結合した接続部１５を有する構造であり、以下（ア）〜（エ）の条件を満たすことを特徴としている。また、第二のマルチモードファイバ１３の他端はクラッドポンプファイバ１６に接続される。
【００２４】
（ア）第一のマルチモードファイバ１２は、束ねてバンドル化し、その配列は各ファイバの空隙が最小になるように、最密充填構造とする。そして、ファイバ束の外周が可能な限り円形になるように配置する。
【００２５】
（イ）第二のマルチモードファイバ１３は、コア、クラッドともに断面形状が概円形で、長手方向に断面積が一定である。なお、概円形とは、製造上の公差の範囲で円形として扱いうる形状を示す。
【００２６】
（ウ）第一のマルチモードファイバ１２のファイバ束の縮径部１４の先端の導波路断面積は、第二のマルチモードファイバ１３の導波路断面積と同じ値になるまで単調、且つ、均一に減少させる。第一のマルチモードファイバ１２各々の縮径部１４の断面積減少率は０．５％／ｍｍ以内が好ましい。
【００２７】
（エ）第一のマルチモードファイバ１２のファイバ束縮径部１４の先端と第二のマルチモードファイバ１３の一端は、接続部１５で融着接続した構造で、接続部１５における両ファイバの断面形状は概円形である。
【００２８】
次に、図２は、マルチモードファイバの一例の断面図を示している。励起光を伝播させるコア３１は耐熱性のある石英ガラスが好ましい。クラッド３２はコア３１よりも屈折率が低くなるようにフッ素、ホウ素等をドープした石英ガラスを使用し、高い開口数が必要な場合は低屈折率樹脂を使用するのが好ましい。コアの開口数は０．２２、０．４６の光ファイバが一般に使用されている。
【００２９】
第一のマルチモードファイバ１２は、励起光光源からの光を効率良く入射させるために、励起光光源の出射開口数よりも高い開口数の光ファイバを選択する。ただし、必要以上に開口数が高いと、光ファイバを伝播しているうちに伝播光の開口数が平均化されて開口数が大きくなっていくので、可能な限り励起光光源の開口数に近い方が良い。低い開口数のマルチモードファイバは、耐熱性を考えて石英ガラスを用いたクラッドの方が望ましく、さらに言うと、クラッドにはフッ素、ホウ素をドープされていて低融点になっているので、ファイバ束に組み込むことによって、溶融一体化する際に空隙を埋める効果と、各マルチモードファイバ間の密着性を向上する効果がある。
【００３０】
第一のマルチモードファイバ１２は、一体化させる領域の樹脂被覆を除去した後、各ファイバ間の空隙が最小になるように最密充填構造で配列させる。これは、事前に空隙を少なくしておくことで、溶融一体化による断面形状変化を最小限に抑えるためである。
【００３１】
一方、概円形断面を有する第二のマルチモードファイバ１３と低損失で光を結合させるため、最密充填構造の外周部の形状はできるだけ円形になるように配列させる。これは、第一のマルチモードファイバ１２と第二のマルチモードファイバ１３の接続部１５は、融着接続時、部材を軟化させて表面張力によって断面形状が概円形になるまで溶かす工程があり、あらかじめ円状に近い状態にしておいて溶融による形状変化を最小限に抑えるためである。
【００３２】
図３は種々のファイバ束の配列状態を示している。（ａ）、（ｂ）、（ｄ）の配列は、ファイバ間の空隙が最小であるが、束の外周が円形に近くない。一方、（ｃ）、（ｅ）の配列は、最密充填構造配列構造で、且つ、束の外周が円形に近い構造になっている。（ｃ）、（ｅ）の配列は、ファイバ束の外接円４１の直径と、ファイバ束の断面積と等しい断面積の円４２の直径の違いが少なく、表面張力によって概円形に変化する際の形状変化が最も小さくなるので、テーパ加工時の長手方向の形状変化を少なくできる。
【００３３】
次に最密充填配列したファイバ束をヒータ等の加熱源を用いて溶融一体化して縮径させる。このファイバ束の製造方法は光ファイバスターカプラを製造する方法と同様の方法である。ファイバ束に捻りを加えて各ファイバ間を密着させた後、ヒータ等の加熱源でファイバ束を軟化させながらファイバ束両端を引っ張って延伸する。延伸することによって、第一のマルチモードファイバ１２は外径が縮小して、長手方向になだらかな縮径部１４を有するファイバ束となる。
【００３４】
ここで重要なことは、加熱源により溶融されるファイバの粘度を高い状態に保つことであり、加熱源を低温にして粘度の高い状態でゆっくりと延伸すると、ゆるやかに断面積が変化する縮径部１４を作製することができる。粘度が高い状態では、ファイバ内の軟化した部分と軟化していない部分の境界での急激な外径変化を抑制でき、また、自重によってファイバ束が曲がるのを防止できるので、ほぼ直線状のテーパ形状ができる。
【００３５】
このようにして得られた第一のマルチモードファイバ各々の縮径部の断面積減少は、単調、且つ、均一であり、その断面積減少率は０．５％／ｍｍ以内の緩やかな変化となる。また、溶融延伸温度は、石英ガラスの光ファイバの場合、１４００℃程度が好ましい。
【００３６】
延伸工程によって、第二のマルチモードファイバ１３と同じ断面積になるまでファイバ束を縮径させた後、加熱を停止しファイバ束を冷却して固化させる。そして、一体化し縮径させたファイバ束のくびれ中央部に傷をつけ、張力を付加して分割することで先端部に縮径部１４を有するファイバ束を作製することができる。低温で延伸するため、ファイバ束の断面形状は図４に示されるように表面張力によって丸みを帯びるものの、完全な円形にはならない。
【００３７】
そして、縮径したファイバ束先端と第二のマルチモードファイバ１３の端面とを融着接続する。接続部１５では、溶融したファイバ束が表面張力によって第二のマルチモードファイバと同じ概円形断面を有することになる。ファイバ束先端の断面積が第二のマルチモードファイバ１３と同じになるようにしているので、長手方向に滑らかにテーパ形状を有する構造が作られる。
【００３８】
尚、縮径したファイバ束先端に直接クラッドポンプファイバ１６を接続する場合、以下の二つの問題がある。ひとつは、第一のマルチモードファイバ１２から出射される励起光のピークは第一のマルチモードファイバ１２の各々のコア付近に分散して分布しており、接続部近傍のクラッドポンプファイバ１６のコアに含まれる希土類元素が効率良く励起されない状態になっている。
【００３９】
もうひとつは、クラッドポンプファイバ１６はコアに効率良く励起光を吸収させるためにインナークラッドが矩形断面形状となっているが、融着接続で接続部１５の断面形状が円形に変化させる場合、図５に示されるようにクラッドポンプファイバ１６でも新たにテーパ形状をもった部分が形成され、放射光が増加してしまう。さらに言えば、接続部１５では、第一のマルチモードファイバ１２の各々のコア３１付近に励起光のピークが分散して分布しているので、矩形断面との重なりが少ない第一のマルチモードファイバ１２のコア３１があると、クラッドポンプファイバ１６のテーパ形状部分で光がより多く漏れ出てしまう。
【００４０】
上記の問題点を考慮して、ファイバ束とクラッドポンプファイバ１６を低損失で結合するために、概円形の第二のマルチモードファイバ１３を介して接続することとした。第二のマルチモードファイバ１３をファイバ束先端に接続することによって、各ファイバで集光された励起光を一つにまとめることができ、また、断面形状が概円形であることから、光の漏れが少ない低損失な接続ができる。
【００４１】
なお、接続部１５は機械的強度を保証するために樹脂で被覆を行う。励起光を漏らさないように第二のマルチモードファイバ１３のクラッドと屈折率が同じ低屈折率の樹脂で被覆するのが好ましい。
【００４２】
また、製作した光ファイバ集光器１１の第二のマルチモードファイバ１３の他端は、クラッドポンプファイバ１６に高出力励起光を入射する光源として接続される。
【実施例１】
【００４３】
以下の手順により、図１に示す構成の光ファイバ集光器を製作した。
【００４４】
第一のマルチモードファイバ１２として、ファイバ径φ１５０μｍ、コア開口数０．１５の光ファイバを７本、第二のマルチモードファイバ１３として、ファイバ径φ１５０μｍ、コア開口数０．４６、長さ１ｍの光ファイバを１本準備した。
【００４５】
まず、７本の第一のマルチモードファイバ１２の中間部の樹脂被覆を除去して図３（ｃ）のように最密充填になるように束ねた。被覆を除去した部分をヒータ過熱により溶融延伸し、ファイバ束の断面積が最小になる部分の断面積が第二のマルチモードファイバ入射端の断面積と同じになるようにした。そして、冷却後、最小断面積になる部分を分割してテーパ形状を有するファイバ束が得られた。
【００４６】
次に、このファイバ束先端と第二のマルチモードファイバ１３の端面で融着接続を行った。融着接続による溶解によって、ファイバ束の先端付近の断面形状は概円形になった。そして、接続部１５には、第二のマルチモードファイバ１３と同じ屈折率を持つ低屈折率樹脂で被覆した。
【００４７】
製作した光ファイバ集光器の特性を確認するため、図６に示すように半導体レーザ７１を光ファイバ集光器の入力端末に７台融着接続した。この半導体レーザ７１は出力５Ｗであり、光ファイバ集光器１１の出力端７２付近に受光機器７３を設置して集光後の出力値を読み取った。入力値と出力値の比率を計算した所、約９５％の高い伝送効率であることが確認できた。その時の励起光強度は１．８ｋＷ／ｍｍ２であり、図７に示されるような中心にピークを有する出射光の光強度分布であった。
【００４８】
また、接続部１５での光の漏れを確認するために赤色の光をファイバ内に入射した。比較用に第二のマルチモードファイバ１３と同じ断面積を持つ矩形断面（今回は正方形とした）のクラッドポンプファイバ１６を直接融着接続したものを準備したが、本発明の光ファイバ集光器１１よりも大きく光が漏れていることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明にかかる光ファイバ集光器は、高効率で励起光を集光することが可能になるので、光ファイバ増幅器、ファイバレーザの高出力化に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の光ファイバ集光器の実施の形態における一例の側面図
【図２】マルチモードファイバの一例の断面図
【図３】バンドル配列の複数例の構成を示す断面図
【図４】縮径部先端の一例を示す断面図
【図５】円形断面ファイバと矩形断面ファイバの融着接続部の概略図
【図６】本発明の光ファイバ集光器を使用した装置の実施例の構成図
【図７】本発明の光ファイバ集光器の出射光の強度分布を示すグラフ
【図８】従来技術の光ファイバ集光器の側面図
【図９】光伝播の概念図
【符号の説明】
【００５１】
１１    光ファイバ集光器
１２    第一のマルチモードファイバ
１３    第二のマルチモードファイバ
１４    縮径部
１５    接続部
１６    クラッドポンプファイバ
３１    コア
３２    クラッド
４１    ファイバ束の外接円
４２    ファイバ束の断面積と等しい断面積の円
６１    円形断面ファイバ
６２    矩形断面ファイバ
７１    半導体レーザ
７２    出力端
７３    受光機器
【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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