(57)【要約】【課題】医療と工業の用途に従来製品と比べ、可視から近赤外のより広い波長帯域により多い数のビームに対し−３ｄＢ以上のより高い転送効率且つより低製造コストでよりコンパクトなマルチ波長ファイバ合波器に関する。【解決手段】請求項１の０°入射光学系配置によりレンズ一個とＮ枚波長分離フィルタでＮ本ファイバに広い帯域に波長が異なるＮ本の光を一本ファイバへ５０％以上転送効率の合波器を実現、尚請求項２に述べるイメジングファイバ等実装方法でコア対コア密接状態にバンドルされるより数多いＮ本ファイバと一個のコリメートレンズと構成される簡単な光学系より許容波長帯域の制限無く−３ｄＢ以下光結合ロスのコンパクトな合波器を作れることになる。構造的に両者ともに合波されるビームの偏波特性を保持出来る。【選択図】図３
2013228651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
図１の様に、多数Ｎ（Ｎ≧３）本のファイバは端面をそろってファイバフェルール（Ｆｉｂｅｒ  Ｆｅｒｒｕｌｅ、図１中に１０１）の様な部品を用いて束ねてバンドルされる。そのフェルールの端面をファイバから光の出力も、外からの光をファイバへ入力も出来る様に光学的に研磨し、束ねたバンドルファイバの端面に焦点を合わせてコリメートレンズ（図１中に１０２）を設ける。
バンドルされたＮ本の内にＮ−１本のファイバ（図１中に１１−ｎ；ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）を用いてＮ−１の相異な波長λｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）のレーザー光は伝送される。フェルール１０１端面から出射されるＮ−１のレーザービームは、予め設けられたレンズ１０２でＮ−１本の平行光ビーム（図１中に１３−ｎ；ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）にコリメートされる。
このＮ−１本平行光のうち波長λ１の１番目ビーム１３−１を、レンズ１０２の直ぐ手前に１枚目の入射角０°のフィルタ（図１中に１２−１）で先ず分離される。つまり、波長λ１の光を全反射、その他波長λｎ（ｎ＞１）のビーム（図１中に１３−ｎ；ｎ＝２，３，…，Ｎ−１）を透過させるフィルタ１２−１の設けることにより、ビーム１３−１だけは、反射されて逆方向進行のビーム１４−１になる。この様に分離された波長λ１のビーム１４−１は、再びレンズ１０２を通させると、光路対称の原理でフェルール（図１中に１０１）の端面に集光するビーム（図１中１￥４−１）になる。
ここで、フィルタ１２−１の光軸、つまりビーム１３−１の入射角を微調整し、反射で逆方向に戻ったビーム１４−１の集光点を、フェルール２０１の端面におけるＮ本目ファイバ（図１中に１１−Ｎ）のコアに合わせる。ファイバ１１−Ｎは、レーザー光が転送されてない唯一のファイバなので、この段階で先ず上記の手順で波長λ１の光を転送されて、該当ファイバ出射端面から出力されることになる。
又、１枚目のフィルタ１２−１から透過されたＮ−２本のレーザービーム（図１中に１１−ｎ；ｎ＝２，３，…，Ｎ−１）は、次々設けられるｎ番目のλｎ波長だけ反射するフィルタ（図１中に１２−ｎ；ｎ＝２，３，…，Ｎ−１）で波長λｎのみのレーザービーム１３−ｎ（ｎ＝２，３，…，Ｎ−１）は分離され、尚上記λ１光と同様な手順でファイバ１１−Ｎに転送されて、該当ファイバ出射端面から出力されることになる。
この様に、フェルール１０１でバンドルされたＮ本のファイバ１１−ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）を設け、ファイバ出射端面に合わせて設置されたコリメートレンズ１０２を設け、Ｎ本の内にＮ−１本ファイバに転送とするＮ−１の異なる波長λｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）の内に選択された一つ波長λｎのレーザー光のみを反射する特性が有するＮ−１枚のフィルタ１２−ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）を設け、フェルール１０１の端面から出射されるＮ−１本波長のレーザー光１３−ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）を、Ｎ本目ファイバ１１−Ｎにまとめて転送される光学系は、実質上Ｎ−１本のファイバに伝送されるＮ−１波長のレーザー光をＮ本目の１本ファイバに合波して転送するＮ−１個波長のレーザービームのファイバ合波器になる。この様なＮ−１本ファイバからのレーザー光を合波してＮ本目の１本ファイバに転送される合波器光学系の構成は本特許の請求項目１になる。
【請求項２】
Ｎ本ファイバからＮ波長のレーザー光を合波してフリースペースに伝播される一本の平行光ビーム（但しそのビーム内にＮ本波長のレーザー成分は含まれる）になるＮ本ファイバでのフリースペース平行光ビーム出力合波器である。
つまり、図２の様に相違のＮ本波長λｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）のレーザー光は、Ｎ本のファイバ（図２中に２１−ｎ；ｎ＝１，２，…，Ｎ）を設けて伝送され、請求項目１に述べた同様な方法でフェルールの様な部品を用いて、このＮ本ファイバをバンドルする。
Ｎ本ファイバをバンドルされたフェルール２０１の端面に焦点を合わせてコリメートレンズ（図２中に２０２）を設けると、Ｎ本ファイバから出射されるＮ本のレーザービーム（図２中に２２−ｎ；ｎ＝１，２，…，Ｎ）は、全て平行光になる。このＮ本のファイバはフェルールの端面に横並びにしてレンズ２０２の焦点所在の平面に置いているので、コリメートされたＮ本平行光ビーム各々の光軸は、レンズの光軸ｏｏ’に対し若干ずれて、それぞれ斜め角度αｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）になっている。但し、Ｎ本のファイバはバンドルされる際に密接な状態になるほど、つまり、レンズ２０２焦点所在の平面に諸ファイバのコアとコア間に横並びの間隔は短くなるほど、コリメートされるＮ本の平行光レーザービームを持っている各々の光軸は、レンズ光軸ｏｏ’に対しずれ角αｎが小さくなる。つまり、フェルール２０１出射端面にこのＮ本ファイバの横並びは極端な密接状態になるほど、コリメートされた各々ファイバから出射される平行光ビームの光軸は揃ってくる傾向はある。原則に、諸ファイバのフェルール端面におけるお互いの間隔は極端に縮まれると、レンズ２０２でコリメートされるＮ本の平行光ビームは、レンズ光軸ｏｏ’に対し各々持つずれ角αｎは、無視できるほどまでに極端に小さくなり、このＮ本ファイバから出射されるＮ本のコリメートされた平行光は、レンズ２０２と同一光軸ｏｏ’出力の一つの平行光ビームと見られる。この様な方法でＮ本のファイバで転送されるＮ本の波長が異なるレーザー光は、同じ光軸ｏｏ’で伝播される一つのフリースペース平行光ビームになっており、実質上にこの様な光学系で波長が異なるＮ本ファイバで伝送されるＮ本のレーザー光のフリースペースでの平行光ビーム出力の合波器になる。この様な構成と方法で作られるＮ本ファイバからの光を一つフリースペースビームになる合波器は、本発明の請求項２になるである。
本発明の明細書に更に詳細に述べる様に、上述のフェルール２０１を用いてバンドルされるＮ本のファイバは、例えば可視波長帯域にシングル横モードのものであれば、コア径は数ミクロンのサイズになり、フェルールの端面に“ファイバは極端な密接状態に並び”と言う意味について、ファイバはコア対コアで密接して並び、隣接される二本ファイバの間隔、つまり二者のコアとコア円心間の距離は、一つシングル横モードファイバコア径の様な数μの距離まで縮める。この場合には、レンズでコリメートされた後のＮ本平行光ビームのお互いの同軸性は極めて高いと予想出来る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は画像処理、眼底カメラと内視鏡等光による医療診断と治療、尚光通信及び投射型テレビ三色ＲＧＢ光源など応用装置に置けるマルチ波長レーザーでの同光軸照射技術に関する。
【背景技術】
【０００２】従来ファイバで光波長多重通信の場合に多本数のファイバに各々波長の光をまとめて一本のファイバに出力する多波長光のファイバ合波器はある。【０００３】また従来、ファイバを直接溶着で二本ファイバに伝送される光を一本ファイバに合波する方法と、ダイクロイックミラーの様な波長による結合フィルタとレンズを設けて二本ファイバから二波長の光を一本ファイバへまとめて転送し合波する二通りの方法で二波長ファイバ合波器を作れる（例えば特許文献１参照）。【０００４】波長による結合フィルタ型二波長合波器の場合一般４５°入射のダイクロイックミラー（結合フィルタ）を用いる。１本目ファイバから出射する波長λ１の光をレンズでコリメートされて平行光にし、４５°入射でフィルタに透過する。一方２本目ファイバから出射する波長λ２の光もコリメートレンズで平行光にし、フィルタに４５°入射で４５°反射する。この二波長の光を４５°入射のフィルタで合波し同光軸になる。合波された同光軸の二波長レーザービームを、更に集光レンズを用いて３本目のファイバに入力する。この様に三個のレンズと一枚の結合フィルタ、尚三本のファイバでフィルタ型の二波長ファイバ合波器を作れる。【０００５】また、多数Ｎ本（Ｎ≧３）ファイバ合波器の場合に、二ファイバの合波器Ｎ−１個を予め用意する。先ずＮ＝１番目合波器で１番目ファイバに伝送されているλ１波長の光と２番目ファイバに伝送されているλ２波長の光は、合波されて一本のファイバにまとめて転送される。次に、Ｎ＝２番目の二ファイバ合波器を用いて、この合波器入力側の１本目のファイバに先に合波されたλ１とλ２二波長の光と、入力側の２本のファイバに３番目のファイバで伝送される波長λ３の光をいれて行く。そしてこのＮ＝２番目の合波器の出力側にあるファイバに入力側からの三波長λｎ（ｎ＝１，２，３）の光はまとめて伝送し合波される。【０００６】この様に一つずつの合波器の追加により一つずつ合波される波長の追加で、最後のステップにＮ−１番目までに次々設けられる二ファイバの合波器を用いて、元々Ｎ本ファイバ中に伝送されるＮ波長λｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）の光をＮ−１番目の合波器の出力側のファイバにまとめて伝送することになり、Ｎ本ファイバの合波器はＮ−１個の二ファイバ合波器から構築される。【０００７】その他に、光通信に高密度波長分割多重方式（Ｄｅｎｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＤＷＤＭ）の場合、合波される各光波間の波長の差は極めて微小なので、このような場合に多本数（Ｎ≧３）ファイバのＮ波長の合波器は、アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ＝Ａｒｒａｙ  Ｗａｖｅ−Ｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ：ＡＷＧ）から作れる方法もある（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【０００８】
【特許文献１】  特開２００７−９４２７９号公報
【特許文献２】  特開２００５−２３４２４５号公報
【特許文献３】  特開２００８−２３３５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】上述の様な従来の技術で様々なマルチ波長ファイバ合波器を作れるが、光通信以外の応用、例えばレーザーを用いる医療機、画像処理と表示装置、及び投射型テレビ等デバイスと装置に、この様な合波器を使用される際にそれぞれの問題点が有り、それぞれの用途に制限される短所は存在する。【００１０】最近の医療機器、特に内視鏡と眼底カメラなど用途になる医療機器にマルチ波長のレーザー光源を一つの装置に設けられ、治療と診断の多用途に応じて選ばれる複数波長の光が同時に、或いは順序に同光軸で対象物に直接照射させる要求は多い。例えば、治療用の照射ビームの波長と、診断の為（例えば蛍光励起用）の照射ビームの波長は、各々異なるので、診断と治療などそれぞれ医用器具の機能に応じて、それぞれの診療段階に複数波長の照射光源を備える必要はある。【００１１】尚、これらのマルチ波長の光で照射出来る応用機器に一般レーザーをファイバで伝送される場合は多い。特に内視鏡の様なデバイスに、試料（医療の場合人体の内部器官等）までに届けるのは、一束のファイバだけで、現場の監視、又上述の様にマルチ波長のレーザーでの試料照射など多機能を付けるため、本発明請求項１と請求項２に述べた光学系の様に一本、或いは数本ファイバを一束とするバンドルファイバの転送で多波長のレーザー光が同一光軸で照射出来るマルチ波長の合波器は、必要になる。【００１２】この様に、多用途に応じてマルチ波長に複数のレーザー光を一つの機器にまとめることが必要になり、それと伴って小型化と低転送ロスの多波長ファイバ合波器の開発は課題になる。尚多目的の為に使われるレーザーの波長は、紫外から可視に亘り、更に赤外まで広い波長帯域になる傾向も有り、この様な広い帯域に使われるマルチ波長合波器を作る際に、ＤＷＤＭの様な各光の間に波長の差が極めて小さい場合と比べ、作り方法と作られるものに対する要求は多くの違いが有ってくるので、それらの問題に対する解決策も本発明が解決しようとする課題である。【００１３】尚、最近話題になるレーザーテレビとレーザープロジェクタ等レーザーを用いる画像表示機器の場合、赤（Ｒｅｄ：Ｒ）と緑（Ｇｒｅｅｎ：Ｇ）と青（Ｂｌｕｅ：Ｂ）の様な光の三原色ＲＧＢを用いるレーザー光源も、低コストで高転送効率且コンパクトなＲＧＢ三原色の合波器の作りも課題になる。レーザーで高画質高輝度に鮮明な映像を作る場合、赤緑青の三原色以外に、黄色いなどのレーザーも導入し、その場合、四波長或いは五波長以上の光に高い転送効率の合波器を低コストで作れる等課題が残っているのは現状である。【００１４】上述によってそれぞれの目的に合わせてマルチ波長の合波器を作ろうに当たって、従来の技術で解決出来ない課題は多い。先ず普通の波長分離フィルタを用いる場合、二ファイバの二波長合波器から多波長合波器を作れるが、二波長合波器の方は三枚のレンズと一枚のフィルタを含まれるため、部品自体のサイズが大きくなり、構造的に複数の二ファイバ合波器を並ばれて小型化ができない。前述ＡＷＧの方法で小型合波器を作れるが、光通信デバイスの様な相対的に狭い波長帯域ＤＷＤＭしか適用されないので、ＲＧＢの様な可視の広い波長帯域とその他もっとブロードバンドの波長帯域をカバー出来ない。【００１５】また二本のファイバを直接溶着する方法で二対一のファイバ合波器を作る方法もあるが、その方法では、二本ファイバの合波器からＮ−１本（Ｎ≧４）ファイバの合波器を構築する際に、シングルモードファイバ等コア径小さいファイバの場合、二本ファイバから一本ファイバへの合波器に波長毎に−３ｄＢ（損失＝５０％）以上のロスは基本的に存在し、その様な−３ｄＢ以上ロスを持つ合波器Ｎ−１個でＮ本ファイバの合波器を作る際に、数Ｎの増えと伴って２のＮ−１の指数倍でロスは急激に増加してしまう。【００１６】従って以上に述べたフィルタ型とファイバ直接溶着型の二対一のファイバ合波器Ｎ個でＮ−１波長の合波器を構築される場合、設けられる複数の二ファイバ合波器の単体ロスから蓄積される大きな光学ロスは避けられないし、構造上の問題で小型化にも課題が残る。
【課題を解決するための手段】
【００１７】本発明に解決しようとする主要課題の一つは、ブロードバンドの波長帯域に対応出来る事である。請求項１の方法では、先ず波長分離フィルタが広い波長帯域に対応出来る。つまり、請求項１に波長λｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）の帯域は広くなっても、ロングパスフィルタの場合にλ１＜λ２＜…＜λＮ−２＜λＮ−１、ショートパスフィルタの場合にλ１＞λ２＞…＞λＮ−２＞λＮ−１の順にして、誘電体多層膜コーティングであれば、各々波長の光に対し要求される高い透過率或いは高い反射率を得られる。この二種類フィルタを用いて原則に効率良く（つまりロスが少ない）、紫外から近赤外までの幅広い波長帯域に数多い本数のファイバから数多い波長相違の光を分離出来る。つまり、請求項１の場合、合波されてマルチ波長ビームの受け側であるＮ本目のファイバは、入射された全ての波長λｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）に対し伝送出来る許容帯域内さえであれば、紫外から可視、更に近赤外波長までのブロードバンドに対応出来る。【００１８】しかしながら、シングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）と偏波保存シングルモードファイバ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍａｉｎｔａｉｎｅｄ  Ｆｉｂｅｒ：ＰＭＦ）の場合、伝播される単一横モードの光波のモードフィールドサイズは、波長と関連されるので、ファイバに伝播される波長の帯域幅は、一般２００ｎｍ程度しかない。つまり、請求項１に述べた方法でＮ本目のファイバに入れられるＮ−１本ファイバからのＮ−１個波長λｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）の光の全体にわたる波長の帯域幅に対し物理的に制限はあるので、結果的に合波器の許容される最も広い波長範囲は、受け側Ｎ本目ファイバの通れる光の波長帯域幅である。【００１９】前述の様にそれぞれのレーザー応用機器に同光軸で同時に導入と要求されるマルチレーザーは、紫外から可視尚近赤外まで波長の帯域が広くて、ＳＭＦかＰＭＦファイバで許容出来る波長帯域幅２００ｎｓより遥かに超える（例えば紫色の４０５ｎｍから赤６９０ｎｍの様な可視帯域は既に３００ｎｍ近くなる）。つまり、波長の帯域幅に制限があるシングルモードファイバ等へ合波される場合に、請求項１の方には波長域に対応し切れない場合がある。この場合になると、請求項２の様な方法で作れる合波器２はこの課題を解決する鍵になる。請求項２の場合、入射側にＮ本ファイルに伝送される波長が異なるＮ本ビームは、ファイバから出射後にレンズでコリメートされてフリースペースに平行光で同光軸に出力する様に合波されたので、ファイバとフィルタなどの様な波長帯域に対し制限があるものは光路中に入ってないである。つまり、請求項２の場合、合波しようとする波長の本数と波長の帯域に制限される要因は殆どない。【００２０】但し請求項２の構成で合波器になる条件として、一点の議論は残っている。つまり、請求項２に、Ｎ本ファイバをフェルールの端面に極端に密接的に横並びにバンドルすると論述したが、具体的にこの論述の成立に当たって、数点課題的な問題のクリアは必要である。【００２１】先ず、どの程度の密接状態で並ばせると各々ファイバから出射される光が請求項２に述べた一つのレンズでコリメートされる際に各波長のビームは、多波長の成分を含みながら同一な光軸の一つ平行光ビームと見られる。つまり、コリメートされたＮ本ファイバからのＮ本ビームの間にお互いに光軸のズレが無く、Ｎ本波長を含まれる一つの平行光ビームと見られる。【００２２】次に、実際に組立て時にＮ本とバンドルされたファイバのフェルール端面において各々ファイバとファイバの間にどの程度まで密接出来るか、つまり隣接のファイバを極限までに密接される定量的な根拠は必要である。【００２３】更に、フェルールの端面にマルチファイバを横並ばせる際に、隣接されるファイバの間に距離を極限までに近づけてバンドルされる方法を見つけなければならない。【００２４】これら一連課題の解決に関しては、以下にＮ＝３、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）とＢ（青）、所謂ＲＧＢ三原色合波器を例にして詳細に論ずる。【００２５】先ず、青４４０ｎｍ、緑５３２ｎｍ及び赤６４０ｎｍのＲＧＢ三波長の帯域に使える製品番号４６０ＨＰのＮｕｆｅｒｎ社シングルモードファイバＳＭＦを試算してみる。ファイバのコア径Φは約３．５μｍである。【００２６】ここに先ずこの種のＳＭＦファイバをコア径対コア径まで図３の様に“完全密接”させられると仮定し、ＲＧＢ三本フイバのフェルール端面における各々コア径間の距離Ｄｉｊ（ｉ＝１，２，３；ｊ＝２，３，１）はファイバのコア径ΦＦと等しくなり、
Ｄ１２＝Ｄ２３＝Ｄ３１＝ファイバコア径ΦＦ
三本ファイバから出射されるＲＧＢ三色のレーザービームは、レンズでコリメートされた時、各二平行光ビーム間に所持角度β＝β１２＝β２３＝β３１になるが、計算式
β＝ａｒｃ  ｔａｎ（ΦＦ／Ｆ）
からの試算として、コリメートレンズ焦点距離Ｆ＝１０ｍｍ、ΦＦ＝３．５μｍの場合、β＝０．３５ｍｒａｄになる。【００２７】一方、図３中にフェルール端面にコリメートレンズの焦点Ｏと３本とバンドルされたファイバの質量中心（図中に同じＯと表記）を合わせた情況と前提されれば、三本ファイバ各自のコア径中心Ｏｉ（ｉ＝１，２，３）からレンズ焦点Ｏの直線距離Ｄｉ（ｉ＝１，２，３）は皆等しくなり、つまりＤ１＝Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄになっている。これにより、ＲＧＢ三波長各自ファイバから出射ビーム３２ｉ−１（ｉ＝１，２，３）は、焦点距離Ｆのレンズを通過しコリメートされて平行光ビーム３２ｉ−２（ｉ＝１，２，３）になるが、各々光軸Ｏ１ｉＯ’１ｉ（ｉ＝１，２，３）を有するビームは、コリメートレンズの光軸ＯＯ’と角度αｉ（ｉ＝１，２，３）を持って斜めに出射し、
α＝α１＝α２＝α３＝ａｒｃ  ｔａｎ（Ｄ／Ｆ）
になる。ファイバのコア径ΦＦ＝３．５μｍ、又図３に示す配置と上述Ｄの定義から、
Ｄ＝２÷３×ｃｏｓ（３０°）×ΦＦ＝２μｍ
更に上述と同じ試算でコリメートレンズの焦点距離Ｆ＝１０ｍｍならば、
α＝ａｒｃ  ｔａｎ（Ｄ／Ｆ）＝０．２ｍｒａｄ【００２８】尚、ファイバがシングル横モードの場合、ＲＧＢ三原色の中間波長５３２ｎｍでコア径Φ３．５μｍとＮＡ＝０．１２から、大よそビーム質（エムスクエア）Ｍ２＝１．２４になり、Ｆ＝１０ｍｍ焦点距離、収差が少ないレンズの場合、コリメートされるビーム径はΦ２．４ｍｍで、それによりこのビームの固有拡がり角はθ＝０．３５ｍｒａｄになる。【００２９】以上の分析により、図３に示す構成でＲＧＢ三波長ファイバをフェルール端面に“完全密接”状態になる条件で、出力されたＲＧＢ三波長の平行光ビームは、
各ビームのレンズ光軸に対するずれ角  α＝０．２ｍｒａｄ
各ビーム間に挟む角度                β＝０．３５ｍｒａｄ
各ビームの物理的に固有拡がり角      θ＝０．３５ｍｒａｄ
になっており、各々ファイバのフェルール出射端面におけるレンズ焦点Ｏからの位置ズレによる出力ビームのズレ角αとβは、物理的にシングル横モードビームの固有拡がり角θとほぼ同じ数値になり、無視できるほど最小限界に達するものになっている。【００３０】つまり、図３の様な構成と配置関係で構築されるファイバ光学系で、出力されるＲＧＢ三波長のレーザービームは、コリメートレンズの光軸に沿って同光軸で伝播する一つの平行光（但しＲＧＢ三波長のレーザー光成分を含まれている）になっているので、この光学系は、三本ファイバからのＲＧＢレーザービームの合波器になる。この様に請求項２に関してバンドルされるファイバに対し上述の様な一定的な条件を満たすことであれば、合波器であることを原理的に論証された。但し、最後に残った課題は、如何で図３の様にフェルールの端面に諸ファイバをコア径と同等なサイズまでに距離を接近させて、“密接”の状態でバンドル出来ることである。【００３１】先ずシングルモードファイバは、単一横モード（一般ガウシャンモードでＴＥＭ００モードと呼ぶ）の電磁波を伝送出来る構造になっている。製造上の都合で一般、開口数ＮＡが約０．１程度のファイバに対しコア径は、ＴＥＭ００モードフィールドサイズに見合う様に数ミクロン直径になるが、コアの外に市販の標準品では、更に径Φ１２５μｍのクラッド層がある。クラッド層を剥離されなければ、フェルール端面に各々ファイバをコア対コアで密接させることは出来ない。【００３２】ここにクラッド層を部分剥離し、クラッド径を細くする考えもある。つまり、ファイバのΦ１２５μｍのクラッドを細くするほど、バンドルされるファイバの間の距離は縮める。クラッド径を細くする方法の一つは、化学薬品で腐蝕することである。この方法では、ファイバ先端部のクラッド層を最小Φ１０μｍ程度の径まで腐蝕できる。但しΦ１０μｍほど細く腐蝕されるファイバ先端部の強度は非常に弱くて、数本を束ねてフェルール端面に密接してバンドルする事はかなり難しくなり、出来ないことも有り得る。【００３３】一方、数ミクロンの径細いファイバをたくさん密接的に並んで束ねて作るイメジングファイバアレイの技術は、近年開発されている（例えば特許文献３参照）。このイメジングファイバは、数ミクロン径のファイバを画像素子の様に出射と入射面に規則正しく横並ばせて、二次元面分布のアレイ状になる。現時点でイメジングファイバアレイは、主に医用と工業用内視鏡等に応用されている。このイメジングファイバアレイは、数千本或いは数万本のファイバからバンドルされて作られて、目視不能の場所から鮮明な映像を光で転送出来る。この様な数千から数万本細いファイバから構成されるイメジングファイバアレイは、出射、或いは入射の端面に見ると、面分布最小限界のハニカム形状にコア対コアの状態で非常に密接的に横並び、一本一本のファイバエリメントの径は約数ミクロンまでに極めて細い。この技術で、数ミクロンから数十ミクロン径細いファイバの数本から数十本まで出射端面に密接の状態で並んで束ねるバンドルファイバを作れる。再度、請求項２に述べた方法によって、この様に出射端面にファイバの間に数ミクロンまでの接近距離で密接な状態に横並ぶ��ンドルファイバを用いて、数本から数十本までの平行光出力ファイバ合波器を作れる。この様に請求項２に関する課題を解決出来る。【００３４】請求項１に関して、もう一つ解決出来る課題、つまり従来フィルタ型と溶着型の二対一の合波器Ｎ個からＮ−１（Ｎ≧４）合波器を作る場合に合波される光のロスが大きい問題についてここで詳細に述べる。図１によると、合波器の主な光学的なロスは、フィルタ１１−ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）の波長λｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）を分離際の透過ロス及び反射ロスと、レンズの色収差による入力側ファイバ出射光をコリメート際の光学ロス及び、フィルタ反射で戻ってくる平行光の集光による出力側ファイバ１１−Ｎへの光結合際のロスである。【００３５】先ず波長分離際に、図１の構成でロングパスフィルタを使う場合のロスについて、ｎ番目のフィルタは、誘電体多層膜でコーティングされて、角０°で入射される光に対し、
波長λｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ−２）の反射率    Ｒ≧９９％
波長λｍ（ｍ＝ｎ＋１，…，Ｎ−１）の透過率    Ｔ≧９９％
になり、但しＮ−１枚目フィルタ１１−Ｎ−１だけは、最後の残り進行ビームλＮ−１に対し反射率Ｒ≧９９％の反射ミラーを使われる。この様にλｎ≦λｎ＋１≦λｎ＋２…であって、０°入射ロングパスフィルタを使う場合であれば、フィルタによる光学ロスは少なくなる。最近の光学コーティング技術で多層膜誘電体コートの場合、上述のコートの仕様はそれほど難しく無い。【００３６】次にレンズでコリメートと集光際に発生する光学ロスについて、主な要因はレンズの色収差である。つまりλｎの各々波長に対し、色収差によりレンズの焦点距離が異なるので、レンズを調芯して位置決め際に合せられた中心波長によって、この種合波器に関わる各々波長の光に対し、ファイバから出射際のコリメートの状況と、波長分離フィルタの反射で戻ってくる際ファイバ１１−Ｎへの集光状況は、各々異なる。それにより、レンズの焦点距離に合わせられた中心波長から波長のズレ具合によって、合波器の各波長の光の結合効率の差は大きくなる。合波器に関わる各波長の帯域はそれほど広くなければ、色収差が少ない非球面レンズで、各波長の結合際の光学ロスを克服できる。但し波長の帯域が非常に広い場合に一枚の非球面レンズで関わる全ての波長の光の色収差をバランス良く補正し切れない。この様な場合、合わせられた中心波長から遠く離れた一部波長λｎの光に対し、それらの波長分離フィルタを本来の両面研磨平−平ガラス基板から、それぞれ適当な曲率を持つ平−凸か平−凹面鏡の様なレンズにし、各々波長に対し、既に設けられた非球面レンズとの組合せにより、複合レンズの効果で収差（特に色収差）を補正出来る。【００３７】最後に、レーザー応用機器の小型化と低コスト化の要求と伴って合波器の小型化と低コスト化の課題に対し、従来型の多波長ファイバ合波器と比べ、本発明請求項１、その上特に請求項２の様な構造は、極めてコンパクトになっている事は明白である。この様に構造的に簡単化と伴う光学部品の点数を減ることと、組立ての簡素化により製造コストのダウンは出来る。特に投射型テレビと医療機の様な民生用コンシューマのマスプロダクツーに向け、請求項２低製造コスト且つ量産化し易い効果は大きい。
【発明の効果】
【００３８】本発明請求項１により、Ｎ本ファイバをバンドルされるフェルールを設け、フェルールのファイバ端面に対してコリメートと集光の両機能が有するレンズを設け、その上Ｎ−１枚０°入射波長分離フィルタを設け、この様な構成で広い波長帯域にＮ−１の多本数ファイバを一本ファイバへ合波して出力されるＮ−１のマルチ波長ファイバ合波器を作れる。【００３９】尚、本発明請求項１にフィルタの波長分離特性が良ければ、つまり、各々の波長λｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）を分離させる際にλｎに対する反射率Ｒ≧９９％及びその他波長の透過率Ｔ≧９９％の様な特性を有する事で、尚且つ合波される各々波長に対して、構成に含むレンズの色収差はうまく抑えられれば、合波されるファイバの本数と関係なく全ての波長の合波によるロスは、−３ｄＢ（＝５０％）以下に抑えることができる。波長帯域が広くて非球面レンズの色収差を抑えきれない場合、フィルタのフラット光学面を球面にすることにより色収差の補正レンズになって、収差が大きい波長に対し光の結合効率は高く維持できる。【００４０】図１の様に本発明の請求項１の構成は、Ｎ本目の合波ファイバと合波されるＮ−１本の光伝送ファイバをフェルールでまとめてバンドルされてピグテール状になり、またレンズとフィルタをフェルールのファイバ端面に一方の方向に並べる形になり、合波器そのものは部品として非常にコンパクト化になる上に、他の二方向以上にファイバを引く一般的なファイバ合波器と比べ、合波器を使用されるシステムに組込む際に必要なスペースも最小限まで圧縮される。請求項１の方法で作られた試作品を図４下の段の写真で示しているが、従来市販品と類が無いコンパクトと使い易い外形になっている。【００４１】本発明請求項２によれば、フェルールの出射端面で諸ファイバを密接状態にバンドルされれば、複数Ｎ本ファイバから数Ｎのマルチ波長の光をレンズ一個でコリメートされ、フリースペースに平行光ビーム出力のファイバ合波器を作れる。請求項２の合波器構造により、先ず波長帯域に制限は無い上に、ファイバの本数（つまり合波される光の数）は増えてもコスト的に増えることはなく、尚外形的にファイバを束ねているから本数は多く増えてもサイズは大きくならなく、光通信にある一本ファイバピグテールの様なコリメーターと同じ程度で非常に小型化の部品になる。請求項２でイメジングファイバにより作られるファイバ合波器であれば、量産コストは、非常に低いものなので、内視鏡と大型プロジェクタ等医療と業務用製品と、レーザー投射型テレビの様な市場性が大きいコンシューマ製品にも非常に魅力的と思う。【００４２】請求項２の構成によれば元々波長の帯域に制限されて無いことと、上述課題解決手段によれば請求項１の場合波長分離フィルタの広い帯域化及びレンズの色収差の補正により、請求項１と２のいずれしても、適用される波長は紫外から可視、そして近赤外まで非常に広い波長帯域になる。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００４３】先ず、本発明請求項１の構成によって、赤波長６３８ｎｍ、緑波長５３２ｎｍ、及び青波長４６０ｎｍのＲＧＢ三色合波器の製作に関する説明を行なう。【００４４】使われているファイバは、規格ＨＢ４５０型クラッド径Φ１２５μの偏波保持型ＰＭＦ  （Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍａｉｎｔａｉｎ  Ｆｉｂｅｒ）ファイバで、図４上の段に示す写真１によると、フェルールの研磨面に、４本のファイバを２５０ミクロンの正方形穴に対称で並んで、偏波方向もそろっている。【００４５】フィルタはゼル度入射ロングパス型に使われている。各波長に対し
１枚目（図中４２１）：  反射率Ｒ≧９９％：  波長帯域λ１＝４４０ｎｍ〜４６５ｎｍ                        透過率Ｔ≧９８％：  波長帯域λ２＆λ３≧５３０ｎｍ
２枚目（図中４２２）：  反射率Ｒ≧９９％：  波長帯域λ２＝５１０ｎｍ〜５３５ｎｍ                        透過率Ｔ≧９７％：  波長帯域λ３≧６３２ｎｍ
３枚目（図中４２３）：  反射率Ｒ≧９９％：  波長帯域λ３＝６２０ｎｍ〜６８０ｎｍ
その上、レンズは、Ｆ＝２ｍｍ、ＮＡ＝０．６の非球面のものを使われている。
実装に、ガラス部品レンズ、フィルタ及びフェルールと金属マウントの間に接着剤を使って固定しているが、光路を調芯して金属マウント間の固定は、レーザースポット溶接である。レンズの色収差が存在する事を判明したが、実装際にレンズの焦点位置を緑色に合わせている。この様に作られた合波器は、４本目の出力ファイバに、赤６４０ｎｍ波長に約５１％、緑５３２ｎｍ波長に約６９％、及び青４６０ｎｍ波長に約５４％の転送効率になっている。赤波長に対しＨＢ４５０の損失が若干大きいのは、転送効率低下の一つ要因と見られる。結果的に請求項１の方法でＲＧＢ三色偏波保持ファイバ合波器の場合、各波長に対し光学転送ロスは３ｄＢ以下に、尚出力各波長の消光比は−１３ｄＢ以下（つまり直線偏波性を維持され）になっている。【００４６】図４中間の段に示されているのは、部品実装の三次元図面である。本製作品の外形について、図中４０３外側の金属マウントのサイズは、Φ６径に長さ１２ｍｍになり、非常にコンパクトのものになる。本ＲＧＢ合波器試作品の実物写真は図４下の段に示されている。
【実施例２】
【００４７】次にイメジングファイバ技術を用い、請求項２のＮ本ファイバからＮ波長のレーザービームを一つの平行光ビーム（Ｎ波長の光成分を含まれている）に出力させる合波器の試作について、説明を行なう。【００４８】先ず図５に示すものは、研磨されたフェルールの出射端面に並ばされている開口数ＮＡ〜０．３、コア径Φ〜６μｍのファイバ１９本の写真である。これにベースしてＦ＝２０ｍｍ焦点距離のコリメートレンズを付けてＮ＝１９本ファイバの合波器を試作した。この合波器は、帯域可視から近赤外までの波長が異なる光を１９本まで伝送出来る１９本ファイバを有するが、とりあえずそのうち４本のファイバに、青４４５ｎｍ、緑５３２ｎｍと赤６３８ｎｍの可視帯域、更に近赤外８０８ｎｍの四波長レーザー光を入れて合波してみた。この合波器から出た４本の平行光ビームのお互い光軸のずれは、約０．５ｍｒａｄ以下になりほぼ同光軸で出射されることになっている。出力されたその四本平行光ビームの光軸同一性を示された結果としては、図６のビームプロファイルのデータである。合波器出射口から２メートル先にビーム中に含まれるＲ、Ｇ、ＢとＩＲの４波長成分の各自ビーム中心位置の分布は、半径Ｒ＝０．５ｍｍの円内になっている。この様に試作された本数１９までのファイバから伝送されるビームをレンズで全て平行光にコリメートしてお互い同光軸に出力する合波器は、これから開発と技術の進展次第に低コストで非常に高い性能を持つ製品として、期待出来る。現時点でコリメートレンズを除いて、ファイバをバンドルされたフェルール部分の外形サイズは、Φ５ｍｍの径に長さ１０ｍｍのもので、非常に小型化されている。
【産業上の利用可能性】
【００４９】請求項１に述べた方法に基づいて作られた三波長ファイバ合波器（図４）は、三原色の波長ＲＧＢをメイン光源とする投射型テレビ等へ応用できる。従来技術の製品と比べ、−３ｄＢ以下の非常に低い光学ロス、又低コスト且つコンパクトのサイズ、尚構造上に使い便利性など極めて優れる特性を持っているので、コンシューマ市場に投入出来るレーザープロジェクタの様な製品にキー部品として期待出来る。尚、直線偏波を維持できるファイバでＲＧＢの光を転送されるので、これから最新技術の立体感持つ３Ｄ映像を映せる投射型テレビへの応用も適用される。【００５０】図５の様なイメジングファイバの技術から作られる本発明請求項２に基づく合波器について、波長帯域の制限が殆ど無く今まで類が無い可視から近赤外の波長の光に全て適用されるものになり、眼底カメラと内視鏡等にレーザーを用いる診断から治療用の医療機器等に、これから多い応用製品への展開に大変期待出来る。尚、ビームスキャン方式での応用機器、例えば、レーザーでの表示と標識機器、測定器と医療機にも、上述の二つ種類の合波器の応用にも適用出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】  波長分離フィルタを用いる複数ファイバから複数波長光の合波器の概念図（請求項１の基本構成図）。上の段は、構成及び光路図で、下の段は、複数Ｎ本ファイバをバンドルされたフェルール端面を示す図面である。
【図２】  フェルール出射端面にコア対コアの密接状態で横並びにバンドルされる複数波長の光を伝送する複数本ファイバ及び一つのコリメートレンズと構成される平行光ビーム出力合波器の概念図（請求項２の基本構成図）。上の段は、該当合波器の構成及び光路図で、下の段は、該当フェルール出射端面ファイバの横並び状態を示す図面である。
【図３】  コア対コアで高度密接際に平行光ビームのレンズ光軸に対する斜め出射角度の定量的な説明図（請求項２の構成でＮ＝３の場合）。上の段はフェルール端面にバンドルされた３本ファイバの横並び状況を示す図面で、下の段は、上段図中にフェルールのＯ１→Ｏ方向に於ける断面図から各部品の構成を含む光路図。
【図４】  ロングパスフィルタを用いてＲＧＢ三原色ファイバ合波器の説明図（実施例１）。上の段は、Ｎ＝４本偏波保持ファイバをバンドルされたフェルール端面の写真で、４本ファイバの偏波方向は入射端面で揃っている；中間の段は、Ｎ−１＝３の三原色波長ＲＧＢ合波器の三次元実装図；下の段は、実装されたＲＧＢ合波器の実物写真（金属ケース外径Φ１０ｍｍ程度）。
【図５】  イメジングファイバ技術で作られる１９本ファイバ入力の平行光ビーム同光軸出力合波器のバンドルファイバ出射端面の写真（実施例２）
【図６】  実施例２（図５のもの）の合波器に出射ビームの同光軸性を示す２メートル先のビームプロファイラデータ
【符号の説明】
【００５２】図１に関する符号：
１０１                          複数ファイバをバンドルされるフェルール
１０２                          ファイバ出射ビームコリメート用、且つ
ファイバ入射ビーム集光用レンズ（焦点距離＝Ｆ）
１１−ｎ（ｎ＝１，…，Ｎ−１）  入力側の複数のファイバ
１１−Ｎ                        出力側のファイバ
１２−ｎ（ｎ＝１，…，Ｎ−１）  第ｎ枚目波長分離用ゼロ度入射フィルタ
波長λｎの光に対し全反射（Ｒ≧９９％）
波長λｍ（ｍ＞ｎ）の光に対し透過（Ｔ≧９９％）
１３−ｎ（ｎ＝１，…，Ｎ−１）  複数Ｎ−１本ファイバからの出射平行光ビーム
１４−ｎ（ｎ＝１，…，Ｎ−１）  第ｎ枚目フィルタから反射で逆方向に戻る波長λｎの                                平行光ビーム、レンズ１０１の集光で１１−Ｎ番目入                                力ファイバへ向かって入力される
Ｏ→Ｏ’                        レンズ１０１の光軸、図中にレンズの焦点Ｏは、複数                                Ｎ本ファイバの出射端面における質量中心点に合わせ                                られていると仮想
図２に関する符号：
２０１                          複数Ｎ本ファイバをバンドルされるフェルール
フェルール研磨された出射端面図２−２に示す様にＮ                                本ファイバは端面にコア対コア密接に横並びになる
２０２                          焦点距離Ｆのコリメートレンズ
２１−ｎ（ｎ＝１，…，Ｎ）      複数Ｎ本ファイバ（ｎ番目波長λｎビームの入力側）
２２−ｎ（ｎ＝１，…，Ｎ）      レンズ２０２でコリメートされた複数Ｎ本ファイバか                                らの出射平行光ビーム
Ｏ→Ｏ’                        レンズ２０１の光軸、図中にレンズの焦点Ｏは、複数                                Ｎ本ファイバの出射端面における質量中心点に合わせ                                られていると仮想
αｎ（ｎ＝１，…，Ｎ）          レンズ光軸Ｏ→Ｏ’に対して、ｎ本目ファイバから波                                長λｎの平行光ビーム２２−ｎの斜め出射角度
図３に関する符号：
３０１                          ３本入射ファイバをバンドルされるフェルール。
フェルール研磨された出射端面（図３−２）に示す様                                に３本ファイバはコア対コアで密接して並んでいる。
３０２                          焦点距離Ｆのコリメートレンズ
３１ｎ（ｎ＝１，…，３）        出射端面におけるｎ本目ファイバ（見えているのは、                                ファイバのコア部分のみ）
３２ｎ−１（ｎ＝１，…，３）    ｎ本目ファイバから出射されるビーム
３２ｎ−２（ｎ＝１，…，３）    レンズ３０２でコリメートされたｎ本目平行光ビーム
Φ３１ｎ（ｎ＝１，…，３）      ｎ本目ファイバコア径（ΦＦ＝Φ３１１＝Φ３１２＝                                Φ３１３）
Ｄｉｊ（ｉ＝１，２，３；ｊ＝２，３，１）    ｉとｊ本目ファイバのコア中心間の距離                                三者は、お互い等間隔Ｄ１２＝Ｄ２３＝Ｄ３１＝Ｄ
Ｏ→Ｏ’                        レンズ３０１の光軸、Ｏはレンズの焦点所在、尚図３                                −２に所示Ｏは３本ファイバの端面における質量中心
Ｏ１ｉ→Ｏ１ｉ’（ｉ＝１，２，３）    レンズコリメート後ｉ番目平行光ビームの光軸
αｎ（ｎ＝１，２，３）          レンズ光軸Ｏ→Ｏ’に対して、ｎ本目ファイバ出射波                                長λｎの平行光ビーム３２ｎ−２の斜め出射角度※
※図３下の段の図面中に、光路簡素化の為、１本目ビームの諸量（ファイバ３１１、ビーム斜め出射角α１、及び光軸Ｏ１１→Ｏ’１１）だけは表示されている
図４に関する符号：
４０１                          Ｎ＝４本ファイバをバンドルされるフェルール
４０２                          入力側ファイバからビームのコリメート且つ出力側フ                                ァイバへ結合際に集光の両用レンズ（焦点距離＝Ｆ）
４０３                          合波器諸光学部品を固定する金属マウント
４１−ｎ（ｎ＝１，２，３）      入力側ＲＧＢ三波長光を伝送されるファイバ
４１−４                        出力側ＲＧＢ三波長光を転送されるファイバ
４２−ｎ（ｎ＝１，２）          ｎ枚目ゼロ度入射波長分離用フィルタ、波長λｎに全                                反射（Ｒ≧９９％）、λｍ（ｍ＞ｎ）に透過（Ｔ≧９                                ９％）
４２−３                        ３枚目ゼロ度入射波長λ３の光を全反射するミラー
【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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