特許 7213499 光結合器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-19

(45)【発行日】2023-01-27

(54)【発明の名称】光結合器

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/32 20060101AFI20230120BHJP

   G02B 6/28 20060101ALI20230120BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20230120BHJP

【ＦＩ】

G02B6/32

G02B6/28 T

G02B6/02 461

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020534734

(86)(22)【出願日】2019-08-01

(86)【国際出願番号】 JP2019030156

(87)【国際公開番号】W WO2020027253

(87)【国際公開日】2020-02-06

【審査請求日】2022-02-10

(31)【優先権主張番号】P 2018145833

(32)【優先日】2018-08-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】304056637

【氏名又は名称】株式会社中原光電子研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(74)【代理人】

【識別番号】100173716

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 真理

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】中原 基博

(72)【発明者】

【氏名】中原 和博

(72)【発明者】

【氏名】大友 克也

(72)【発明者】

【氏名】小椋 昇平

(72)【発明者】

【氏名】塩谷 正博

【審査官】坂上 大貴

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０５８９２８６８（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第０６２１９４７７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２０１２－１６０５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０６５００２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０８０９１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２１２７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５０３０８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００３／００６３８５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０６２１５９２４（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】国際公開第２００６／１０９３４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１２８２９４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／２６－６／２７

６／３０－６／３４

６／４２－６／４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の屈折率分布型レンズを用いて複数の光ファイバからの光を平行光に変換する複数の平行光生成部と、
第２の屈折率分布型レンズの一端に前記複数の平行光生成部が接続され、前記複数の平行光生成部から出射された複数の光を前記第２の屈折率分布型レンズの他端に接続された１本の光ファイバに出射する集光部と、
を備え、
前記複数の平行光生成部の少なくとも１つの平行光生成部に備わる前記第１の屈折率分布型レンズの光軸と前記第２の屈折率分布型レンズの光軸とが角度を有する、
光結合器。

【請求項2】

前記平行光生成部に備わる前記第１の屈折率分布型レンズは、略１／４ピッチのレンズ長、又は略１／４ピッチに１／２ピッチの整数倍を加えたレンズ長を有し、
前記複数の光ファイバは、それぞれ、前記複数の平行光生成部に備わる前記第１の屈折率分布型レンズの光軸に接続されている、
請求項１に記載の光結合器。

【請求項3】

前記複数の平行光生成部は、前記集光部に備わる前記第２の屈折率分布型レンズの光軸に対して点対称な位置からずれた位置に配置されている、
請求項１に記載の光結合器。

【請求項4】

前記１本の光ファイバは、１つのコアを備えるダブルクラッドファイバであり、
前記角度は、前記集光部に備わる前記第２の屈折率分布型レンズの前記一端から入射される励起光を、前記ダブルクラッドファイバに備わるインナークラッドに入射させる角度である、
請求項１に記載の光結合器。

【請求項5】

前記１本の光ファイバは、複数のコアを備えるマルチコアファイバであり、
前記角度は、前記平行光生成部から出射された光ごとに、前記マルチコアファイバに備わる異なるコアに出射する角度である、
請求項１に記載の光結合器。

【請求項6】

前記複数の平行光生成部の周方向が共通のキャピラリで覆われている、
請求項１に記載の光結合器。

【請求項7】

前記複数の光ファイバ側に配置されている前記キャピラリの一端の外径が、前記集光部側に配置されている前記キャピラリの他端の外径よりも大きい、
請求項６に記載の光結合器。

【請求項8】

前記集光部に備わる前記第２の屈折率分布型レンズは、略１／４ピッチのレンズ長、又は略１／４ピッチに１／２ピッチの整数倍を加えたレンズ長を有し、
前記複数の平行光生成部は、前記集光部に備わる屈折率分布型レンズの光軸から予め定められた距離の位置に接続されている、
請求項１に記載の光結合器。

【請求項9】

前記集光部に備わる前記第２の屈折率分布型レンズは、１／４ピッチを除く１／４ピッチ付近のレンズ長、或いは１／４ピッチを除く１／４ピッチ付近に１／２ピッチの整数倍を加えたレンズ長を有し、
前記複数の平行光生成部は、前記集光部に備わる前記第２の屈折率分布型レンズの光軸から予め定められた距離の位置に接続されている、
請求項１に記載の光結合器。

【請求項10】

前記１本の光ファイバは、ダブルクラッドファイバであり、
前記集光部に備わる前記第２の屈折率分布型レンズは、前記集光部に備わる前記第２の屈折率分布型レンズの前記一端から入射される励起光を、前記ダブルクラッドファイバに備わるインナークラッドに入射させるレンズ長を有する、
請求項１に記載の光結合器。

【請求項11】

前記１本の光ファイバは、複数のコアを備えるマルチコアファイバであり、
前記集光部に備わる前記第２の屈折率分布型レンズは、前記平行光生成部から出射された光ごとに、前記マルチコアファイバに備わる異なるコアに出射するレンズ長を有する、
請求項１に記載の光結合器。

【請求項12】

前記複数の平行光生成部のうちの少なくとも１つは、前記複数の平行光生成部のうちの他の平行光生成部に備わる前記第１の屈折率分布型レンズとレンズ径が異なる、
請求項１に記載の光結合器。

【請求項13】

前記複数の光ファイバの周方向が共通のキャピラリで覆われている、
請求項１に記載の光結合器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光結合器に関する。

【背景技術】

【0002】

ファイバレーザの高出力化のために、複数の励起光源からの励起光を結合させるための光結合器が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。高出力ファイバレーザでは、複数の励起光源からの励起光をレーザ媒体である光ファイバに入力し、レーザ発振させる。このとき、非特許文献１では、励起光源に接続された複数のファイバを束ねて溶着し、図１に示すように、テーパ状に延伸したテーパ部１１１に一体化した後、別の１本の光ファイバ１１２に接続し、励起出力光としていた。

【0003】

途中にテーパ部１１１が形成されると、出力側の光は必ずその出射角度が入射角度よりも大きくなり、実効的にＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が大きくなる。このため出力側の光ファイバ１１２には入力側の光ファイバよりも大きなＮＡを持つ高ＮＡ光ファイバを用いなければならない。

【0004】

またテーパ部１１１におけるテーパの傾斜はテーパ部１１１に接続する光ファイバの本数が多いほど大きくなる。一方でテーパ部１１１を長くすることは装置の小型化の要求に反する。このため、ファイバレーザの高出力化に伴い、テーパ部１１１の傾斜が大きくなり、出力側のＮＡがさらに大きくなる問題がある。

【0005】

しかし、石英中に含有させるＧｅなどの添加量には限界があり、高ＮＡ光ファイバの高ＮＡ化には限界がある。このため、接続する励起光源の数が限られ、励起出力を大きくできない問題があった。この問題は、ファイバレーザの高出力化のために限らず、１対多又は多対多の光分岐結合においても生じている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【文献】大槻朋子「ファイバレーザ特性限界を広げる特殊ファイバ技術」、高温学会誌、第３５巻、第４号、ｐｐ．１５７～１６１（２００９）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本開示は、特段に高いＮＡを有する光ファイバを用いることなく、１対多又は多対多の光分岐結合が可能な光結合器を実現することを目的とする。特に、本開示は、特段に高いＮＡを有する光ファイバを用いることなく、励起出力光に用いる励起光源の数の増加が可能になる光結合器を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の光結合器は、
複数の光ファイバから出射された複数の光が屈折率分布型レンズの一端から入射され、前記屈折率分布型レンズの他端に接続された１本の光ファイバに前記複数の光を出射する集光部と、
前記集光部と前記複数の光ファイバの間に配置され、屈折率分布型レンズを用いて前記複数の光ファイバからの光を平行光に変換し、前記集光部に備わる屈折率分布型レンズの前記一端に入射する複数の平行光生成部と、
を備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示は、特段に高いＮＡを有する光ファイバを用いることなく、１対多又は多対多の光分岐結合が可能な光結合器を実現することができる。特に、本開示は、特段に高いＮＡを有する光ファイバを用いることなく、励起出力光に用いる励起光源の数の増加が可能になるため、ファイバレーザを高出力化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】関連技術を用いた場合の光路の一例。

【図2】第１の実施形態に係る光結合器の一例を示す。

【図3】本開示における集光部のパラメータの一例を示す。

【図4】テーパ部からの出射角の一例を示す。

【図5】第１の実施形態における集光部での伝搬光の光路の一例を示す。

【図6】集光部の出射端面での各伝搬光の分布の第１例を示す。

【図7】集光部の出射端面での各伝搬光の分布の第２例を示す。

【図8】集光部の出射端面での各伝搬光の分布の第３例を示す。

【図9】平行光生成部の配置の第１例を示す。

【図10】平行光生成部の配置の第２例を示す。

【図11】第２の実施形態に係る光結合器の一例を示す。

【図12】キャピラリ内への平行光生成部の配置例を示す。

【図13】第２の実施形態に係る光結合器の変形例を示す。

【図14】第３の実施形態に係る光結合器の一例を示す。

【図15】第３の実施形態における平行光生成部の配置例を示す。

【図16】集光部の出射端面での各伝搬光の分布の一例を示す。

【図17】第４の実施形態に係る光結合器の第１例を示す。

【図18】第４の実施形態に係る光結合器の第１例での伝搬光の光路の一例を示す。

【図19】第４の実施形態におけるキャピラリ内への平行光生成部の第１の配置例を示す。

【図20】第４の実施形態におけるキャピラリ内への平行光生成部の第２の配置例を示す。

【図21】第４の実施形態に係る光結合器の第２例を示す。

【図22】第４の実施形態に係る光結合器の第２例での伝搬光の光路の一例を示す。

【図23】第５の実施形態に係る光結合器の一例を示す。

【図24】第６の実施形態に係る光結合器の一例を示す。

【図25】集光部の出射端面での各伝搬光の分布の一例を示す。

【図26】第７の実施形態に係る光結合器の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

【0012】

（第１の実施形態）
図２に、本実施形態に係る光結合器の一例を示す。本実施形態に係る光結合器は、集光部１１、平行光生成部１３を備える。集光部１１の一端に配置されている端面１１Ａに平行光生成部１３が接続され、集光部１１の他端に配置されている端面１１Ｂに光ファイバ１２が接続される。平行光生成部１３は、集光部１１に備わる屈折率分布型レンズの光軸から予め定められた距離の位置に接続されている。光ファイバ１２は集光部１１に備わる屈折率分布型レンズの光軸に接続される。光ファイバ１４は平行光生成部１３に備わる屈折率分布型レンズの光軸に接続される。各光ファイバ１４は励起光源１５に接続される。これらの接続は、接着剤や溶融接続を用いてもよい。

【0013】

各励起光源１５は、レーザ発振に用いられる励起光を発生する。各励起光源１５からの励起光は、光ファイバ１４で伝搬され、平行光生成部１３に入射される。平行光生成部１３は、屈折率分布型レンズを用いて光ファイバ１４からの光を平行光に変換する。集光部１１は、屈折率分布型レンズを用いて平行光生成部１３からの平行光を光ファイバ１２に集光する。これにより、本開示は、複数の励起光を光ファイバ１２から励起出力光として取り出すことができる。

【0014】

図３に示すように、集光部１１の中心屈折率をｎ_０とし、集光部１１の屈折率分布係数をｇとし、集光部１１のレンズ長をｚとし、集光部１１への入射光の光軸ＯＡ_１１からの距離をｒ_０とし、集光部１１の端面１１Ａへの入射光ＰＬ_１３の入射角をθ_０とすると、集光部１１の端面１１Ｂからの出射角θ_１は、式（１）より求められる。

【数1】

【0015】

式（１）より、入射角θ_０が０°で、ｚ＝１／４ピッチでの出射光の出射角θ_１は式（２）で導出される。

【数2】

【0016】

たとえば、集光部１１として、レンズ径Ｄ_１１＝０．４ｍｍ、ｇ＝０．８ｍｍ^－１、中心屈折率ｎ_０＝１．４７、レンズ長ｚ＝（１／４ピッチ＝２π／ｇ／４）＝１．５７ｍｍを用いて、コア径０．０５ｍｍの光ファイバ１２に出射する場合、集光部１１の光軸ＯＡ_１１から距離ｒ_０＝０．２ｍｍの位置に、入射角θ_０＝０°で平行光生成部１３を並べる場合を考える。この場合、式（２）にレンズパラメータを代入すると、出射角θ_１は１３．５°となる。

【0017】

一方、図１に示すようなテーパ部１１１により集光する場合、図４に示すように、端面１１１Ａから入射角０°で入射され、テーパ部１１１内で２回反射された光の端面１１１Ｂからの出射角は、テーパ角θ_Ｔの４倍となる。このため、本開示に係る集光部１１と同様に、端面１１１Ａにおけるテーパ部１１１の光軸ＯＡ_１１１から０．２ｍｍの位置に入射角０°で入射された光は、テーパ部１１１内での反射回数が２回であり、テーパ角θ_Ｔが５°であったとしても、端面１１１Ｂから約２０°の出射角で出射される。

【0018】

このように、関連技術に係るテーパを用いた場合の端面１１１Ｂからの出射角は、テーパ部１１１内での反射回数が２回であっても、本開示に係る屈折率分布型レンズを用いた集光部１１よりも大きくなる。さらに、多数の励起光源を実装する場合、端面１１１Ａの面積が大きくなり、テーパ部１１１での反射回数がさらに増えるため、端面１１１Ｂからの出射角は急激に大きくなる。このため、多数の励起光源を実装する場合、端面１１１Ｂに接続する光ファイバのＮＡは、実用上使用できないほどにまで大きくなってしまう。

【0019】

本開示は、集光部１１に屈折率分布型レンズを用いているため、集光部１１からの出射角はテーパを用いた場合の出射角に比べて小さく、光ファイバ１２に特段に高ＮＡ光ファイバを用いる必要はない。このため、本開示における光ファイバ１２のＮＡは、集光部１１と同じにすることができる。また、光ファイバ１４の数が増えても、集光部１１からの出射角が大きくならない。なお、本開示における光ファイバ１２のＮＡは、集光部１１よりも高くてもよい。

【0020】

ここで、光ファイバ１２及び１４は、高出力光を伝搬可能なものが好ましい。例えばマルチモード光ファイバを用いることが好ましい。また、光ファイバ１２及び１４のコア径は任意であるが、例えば５０μｍ、６２．５μｍ、１００μｍなどの一度に多くの光エネルギーを伝送することが可能な大口径光ファイバが用いられる。光ファイバ１４のコア径は共通であってもよいが、図１５で後述するように、本開示はこれに限定されない。

【0021】

また、光ファイバ１２は、ダブルクラッドファイバなどの光ファイバ増幅器に用いられる任意の光ファイバであってもよい。これにより、励起光を増幅用の光ファイバ１２に直接入射させ、反射膜や光ファイバ１２に挿入したＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）を用いてレーザ発振させることができる。

【0022】

集光部１１及び平行光生成部１３に用いられる屈折率分布型レンズは、中心軸から外周部へ向かって放物線状に屈折率を分布させたレンズであり、石英ガラスにＧｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、などを添加したものや、多成分系のガラスでイオン拡散によって二乗分布の屈折率分布を形成したものが例示できる。平行光生成部１３としては、ＧＩ型（グレーデッドインデックス型）ファイバを用いることができる。

【0023】

平行光生成部１３に備わる屈折率分布型レンズのレンズ長Ｌ_１３は、光ファイバ１４からの光を平行光に変換する長さである。そのような長さとしては、例えば、１／４ピッチ、又はこれに１／２ピッチの整数倍を加えた長さである。

【0024】

集光部１１に備わる屈折率分布型レンズのレンズ長Ｌ_１１は、各平行光生成部１３からの平行光を光ファイバ１２に集光する長さである。そのような長さとしては、例えば、１／４ピッチ、又はそれに１／２ピッチの整数倍を加えた長さである。

【0025】

図５に、集光部１１における伝搬光ＰＬ_１１＃１及びＰＬ_１１＃３の光路の一例を示す。集光部１１の端面１１Ａのうちの光軸ＯＡ_１１から距離ｒ_１３＃１の位置に平行光ＰＬ_１３＃１が入射され、集光部１１の端面１１Ａのうちの光軸ＯＡ_１１から距離ｒ_１３＃３の位置に平行光ＰＬ_１３＃３が入射される。これらのＰＬ_１１＃１及びＰＬ_１１＃３は、端面１１Ａから１／４ピッチの焦点面で光軸ＯＡ_１１に集光する。

【0026】

レンズ長Ｌ_１１が１／４ピッチに等しい場合、各伝搬光ＰＬ_１１＃１～ＰＬ_１１＃４は、端面１１Ｂにおいて光軸ＯＡ_１１の付近から出射される。これにより、図６に示すように、集光部１１の各伝搬光ＰＬ_１１＃１～ＰＬ_１１＃４は、端面１１Ｂにおいて、光軸ＯＡ_１１の付近から出射される。

【0027】

ただし、集光部１１及び光ファイバ１２の接続部分の１点に光が集中すると、ピーク強度が高くなるため絶縁破壊が生じる場合がある。出力強度が同じでピーク強度を下げるにはフラットトップの光強度分布が望ましい場合がある。

【0028】

そこで、本開示では、集光部１１に備わる屈折率分布型レンズのレンズ長Ｌ_１１は、１／４ピッチを除く１／４ピッチ付近のレンズ長であることが好ましい。例えば、図５に示すように、集光部１１に備わる屈折率分布型レンズのレンズ長Ｌ_１１は、１／４ピッチよりもわずかに短いことが好ましい。これにより、図７に示すように、各伝搬光ＰＬ_１１＃１～ＰＬ_１１＃４の光強度が、光ファイバ１２のモードフィールド径ＭＦＤ_１２の範囲内で分散される。

【0029】

また、集光部１１に備わる屈折率分布型レンズのレンズ長Ｌ_１１は、１／４ピッチよりもわずかに長くてもよい。これにより、図８に示すように、各伝搬光ＰＬ_１１＃１～ＰＬ_１１＃４の光強度が、光ファイバ１２のモードフィールド径ＭＦＤ_１２の範囲内で分散される。

【0030】

図５に示すように、距離ｒ_１３＃１及びｒ_{１３＃１３}が等しく、平行光ＰＬ_１３＃１及びＰＬ_１３＃３が光軸ＯＡ_１１に対して対称である場合、端面１１Ｂでの伝搬光ＰＬ_１１＃１の反射光が伝搬光ＰＬ_{１１＃１３}に入射する。特に、端面１１Ｂに高ＮＡの光ファイバ１２を接続した場合はこの反射光が発生する。

【0031】

そこで、本開示では、光軸ＯＡ_１１を中心とする同心円上に平行光生成部１３＃１、１３＃２、１３＃３、１３＃４を配置する場合、端面１１Ａにおける平行光生成部１３＃１、１３＃２、１３＃３、１３＃４の位置を、図９に示すように、光軸ＯＡ_１１に対して点対称な位置からずらすことが好ましい。例えば、平行光生成部１３＃３は、光軸ＯＡ_１１に対して平行光生成部１３＃１と点対称な位置Ｐ_{１１＃１Ｓ}とは異なる、光軸ＯＡ_１１から平行光生成部１３＃１と等距離の位置に配置される。平行光生成部１３＃４は、光軸ＯＡ_１１に対して平行光生成部１３＃２と点対称な位置Ｐ_{１１＃２Ｓ}とは異なる、光軸ＯＡ_１１から平行光生成部１３＃２と等距離の位置に配置される。

【0032】

本実施形態では、端面１１Ａに４つの平行光生成部１３＃１～１３＃４が配置される例を示したが、本開示はこれに限定されない。例えば、同心円上に配置される平行光生成部１３の数は、図１０に示すように、５つなどの奇数であってもよい。同心円上に配置される平行光生成部１３の数を奇数とすることで、平行光生成部１３からの平行光の伝搬光の光路への端面１１Ｂでの反射光の進入を防ぐことができる。さらに、本開示は、複数の同心円上に平行光生成部１３が配置されていてもよい。

【0033】

また、図２では、平行光生成部１３＃１～１３＃４の全てに光ファイバ１４及び励起光現１５が接続される例を示したが、本開示はこれに限定されない。例えば、平行光生成部１３＃１～１３＃４の少なくともいずれかに光ファイバ１４が接続されていてもよい。

【0034】

（第２の実施形態）
図１１に、本実施形態に係る光結合器の一例を示す。本実施形態に係る光結合器は、各平行光生成部１３の周方向がキャピラリ３１で覆われたキャピラリ型光部品を用いている。

【0035】

図１２に、キャピラリ３１内への平行光生成部１３の配置例を示す。キャピラリ３１には貫通孔が設けられており、貫通孔内に平行光生成部１３が配置される。キャピラリ３１の他端側の端面位置ｚ_３１Ｂと、平行光生成部１３の他端側の端面位置ｚ_１３Ｂと、集光部１１の一端側の端面位置ｚ_１１Ａと、は一致している。

【0036】

本実施形態は、平行光生成部１３がキャピラリ３１で固定されているため、平行光生成部１３及びキャピラリ３１を備えるキャピラリ型光部品を集光部１１に接続することで、平行光生成部１３＃１～１３＃４を所望の位置で集光部１１に接続することができる。

【0037】

図１３に、本実施形態の変形例を示す。図１３では、図１１及び図１２に示す光ファイバ１４の周方向がキャピラリ４１で覆われたキャピラリ型光部品を用いている。光ファイバ１４の周方向がキャピラリ４１で覆われたキャピラリ型光部品を予め用意することで、平行光生成部１３＃１～１３＃４への光ファイバ１４の接続を容易に行うことができる。

【0038】

平行光生成部１３及びキャピラリ３１を備えるキャピラリ型光部品の製造方法は任意である。例えば、キャピラリ３１の母材となるガラスのロッドに平行光生成部１３の数に等しい貫通孔を設け、屈折率分布型レンズを各貫通孔に挿入し、溶融延伸する。そして、長さがレンズ長Ｌ_１３になるように切断し研磨する。これにより、平行光生成部１３及びキャピラリ３１を備えるキャピラリ型光部品を製造することができる。

【0039】

（第３の実施形態）
図１４に、本実施形態に係る光結合器の一例を示す。図５において、平行光ＰＬ_１３＃１と平行光ＰＬ_１３＃３のビーム径が異なる場合、集光部１１に備わる屈折率分布型レンズのレンズ長Ｌ_１１を焦点面からずらして１／４ピッチよりも短くするか又は長くすると、伝搬光ＰＬ_１１＃１及びＰＬ_１１＃３のビーム幅に差が生じる。そこで、本実施形態に係る光結合器は、第２の実施形態における平行光生成部１３のレンズ径が異なる。ここで、平行光生成部１３のレンズ長Ｌ_１３及び屈折率分布係数は任意である。例えば、各平行光生成部１３は、いずれの平行光生成部１３も屈折率分布型レンズもレンズ長Ｌ_１３が同じになるような屈折率分布係数を有する。

【0040】

図１５に、端面１１Ａにおける平行光生成部１３の配置の一例を示す。例えば、平行光生成部１３＃１、１３＃２、１３＃３は共通の第１の径を有し、平行光生成部１３＃４、１３＃５、１３＃６は第１の径よりも小さな共通の第２の径を有する。この場合、平行光生成部１３＃１、１３＃２、１３＃３に接続する光ファイバ１４のコア径は、平行光生成部１３＃４、１３＃５、１３＃６に接続する光ファイバ１４のコア径よりも大きくてもよい。

【0041】

平行光生成部１３＃１、１３＃２、１３＃３は平行光生成部１３＃４、１３＃５、１３＃６よりもレンズ径が大きいため、集光部１１に入射する平行光のビーム幅は、平行光生成部１３＃４、１３＃５、１３＃６よりも平行光生成部１３＃１、１３＃２、１３＃３が大きい。

【0042】

図１６に、集光部１１に備わる屈折率分布型レンズのレンズ長Ｌ_１１を１／４ピッチよりも短くした場合における、端面１１Ｂでの各伝搬光ＰＬ_１１＃１～ＰＬ_１１＃６の分布の一例を示す。ビーム強度の大きなＰＬ_１１＃１～ＰＬ_１１＃３の隙間に、ビーム強度の小さなＰＬ_１１＃４～ＰＬ_１１＃６が配置されている。このように、異なるレンズ径の平行光生成部１３を端面１１Ａに接続することで、端面１１Ｂにおける光強度分布をフラットトップに近づけることができる。

【0043】

なお、本実施形態では、平行光生成部１３の周方向がキャピラリ３１で覆われている例を示すが、本開示はこれに限定されない。例えば、本開示は、図２に示すように、キャピラリ３１を備えず、平行光生成部１３が集光部１１の端面１１Ａに直接接続されている構成も含む。なお、平行光生成部１３から出射する平行光の強度に差をつけることで、図１６のような分布にしてもよい。

【0044】

（第４の実施形態）
図１７に、本実施形態に係る光結合器の一例を示す。図５において平行光ＰＬ_１３＃１の入射角θ_１３＃１及び平行光ＰＬ_１３＃３の入射角θ_１３＃３を０度からずらすと、図１８に示すように、伝搬光ＰＬ_１１＃１及びＰＬ_１１＃３が焦点面で光軸ＯＡ_１１に集光しなくなる。そこで、本実施形態に係る光結合器は、第２の実施形態において、少なくとも１つの平行光の入射角を０度からずらしている。ここで、平行光生成部１３のレンズ長Ｌ_１３及び屈折率分布係数は任意である。例えば、各平行光生成部１３は、いずれの平行光生成部１３も屈折率分布型レンズもレンズ長Ｌ_１３が同じになるような屈折率分布係数を有する。

【0045】

図１９に、キャピラリ３１内への平行光生成部１３の配置例を示す。キャピラリ３１には貫通孔が設けられており、貫通孔内に平行光生成部１３が配置される。集光部１１の端面１１Ａとキャピラリ３１の集光部１１側の端面３１Ｂとは接合されており、キャピラリ３１の集光部１１側の端面３１Ｂの法線と平行光生成部１３の光軸ＯＡ_１３とのなす角度θ_１３は、図１９に示す平行光ＰＬ_１３＃１及びＰＬ_１３＃３の入射角θ_１３＃１及びθ_１３＃３に等しい。すなわち、集光部１１の端面１１Ａの法線に対して平行光生成部１３の光軸ＯＡ_１３が傾きを有する。

【0046】

平行光生成部１３の光軸ＯＡ_１３上でのレンズ長Ｌ_１３は１／４ピッチである。また平行光生成部１３の両端が光軸ＯＡ_１３に対して垂直になっている。このため、一端１３Ａの光軸ＯＡ_１３に光ファイバ１４が接続された平行光生成部１３をキャピラリ３１の貫通孔に配置し、屈折率整合剤で固定することで、平行光を入射角θ_１３で集光部１１に入射させることができる。

【0047】

この構成では、平行光生成部１３の端面１３Ｂの光軸ＯＡ_１３の位置ｚ_１３Ｂは、キャピラリ３１の端面３１Ｂの位置ｚ_３１Ｂよりも光ファイバ１４側に配置されている。また、平行光生成部１３の端面１３Ａでの光軸ＯＡ_１３の位置ｚ_１３Ａは、キャピラリ３１の端面３１Ａの位置ｚ_３１Ａよりも光ファイバ１４側に配置されている。これにより、キャピラリ３１に対する平行光生成部１３の角度の設定が容易になる。

【0048】

図２０に、キャピラリ３１内への平行光生成部１３の第２の配置例を示す。この配置例では、平行光生成部１３の両端がキャピラリ３１の両端と同一面上に配置されている。この場合も、平行光生成部１３の光軸ＯＡ_１３上でのレンズ長Ｌ_１３は１／４ピッチである。

【0049】

この構成の場合、キャピラリ３１の母材に貫通孔を設け、当該貫通孔内に平行光生成部１３の母材を配置し、平行光生成部１３のレンズ径となるよう溶融延伸を行い、平行光生成部１３の光軸ＯＡ_１３上でのレンズ長Ｌ_１３が所望の長さとなるよう分離して研磨することで製造が可能である。このため、キャピラリ３１への平行光生成部１３の組み込みが省略可能であり、製造が容易である。

【0050】

本実施形態では、伝搬光ＰＬ_１１＃１及びＰＬ_１１＃３が焦点面に到達する前に光軸ＯＡ_１１を横切るような、平行光ＰＬ_１３＃１及びＰＬ_１３＃３が光軸ＯＡ_１１に向けて入射する入射角θ_１３＃１及びθ_１３＃３である例を示したが、本開示はこれに限定されない。例えば、図２１及び図２２に示すように、伝搬光ＰＬ_１１＃１及びＰＬ_１１＃３が焦点面に到達した後に光軸ＯＡ_１１を横切るような、光軸ＯＡ_１１とは遠ざかる方向に向けて入射する入射角θ_１３＃１及びθ_１３＃３であってもよい。

【0051】

本実施形態においても、平行光生成部１３の周方向がキャピラリ３１で覆われている例を示すが、本開示はこれに限定されない。例えば、本開示は、図２に示すように、キャピラリ３１を備えず、平行光生成部１３が集光部１１の端面１１Ａに直接接続されている構成も含む。

【0052】

（第５の実施形態）
図２３に、本実施形態に係る光結合器の一例を示す。本実施形態に係る光結合器は、図１７に示すキャピラリ３１がテーパ状になっている。本実施形態では、キャピラリ３１内への平行光生成部１３の配置は、図２０に示す構成とすることが好ましい。これにより、キャピラリ３１への平行光生成部１３の組み込みが省略可能な、以下のような製造方法を採用することができる。

【0053】

例えば、キャピラリ３１の母材に貫通孔を設け、当該貫通孔内に平行光生成部１３の母材を配置し、平行光生成部１３のレンズ径となり所望の入射角となるよう溶融延伸を行い、平行光生成部１３の光軸ＯＡ_１３上でのレンズ長Ｌ_１３が所望の長さとなるよう分離して研磨することで製造が可能である。

【0054】

（第６の実施形態）
高出力ファイバレーザ用の光ファイバとして、２層のクラッド層を有するダブルクラッドファイバが用いられている。本実施形態では、集光部１１の他端１１Ｂに接続される１本の光ファイバ１２として、ダブルクラッドファイバを用いる例について説明する。

【0055】

図２４に、本実施形態に係る光結合器の一例を示す。ダブルクラッドファイバは、コアＣＲ_１２の周囲をインナークラッドＣＬ_１２が覆い、インナークラッドＣＬ_１２の周囲をアウタークラッドが覆っている。ダブルクラッドファイバは、励起光をインナークラッドＣＬ_１２内で伝搬させることで、コアＣＲ_１２の伝搬光を増幅し、レーザ発振を可能にする。

【0056】

光ファイバ１２をレーザ発振用の光ファイバに用いた場合、光ファイバ１２の端面１２Ａにレーザ発振用の１００％反射膜が設けられている。そのため、励起光源１５からの励起光がコアＣＲ_１２に入射された場合、光ファイバ１２の端面１２Ａに設けられた１００％反射膜で反射され、励起光がコアＣＲ_１２内に伝搬されず、励起光源１５に反射され、励起光源１５の故障の原因となる。このため、光ファイバ１２としてレーザ発振用のダブルクラッドファイバを接続する場合、図２５に示すように、伝搬光ＰＬ_１１＃１、ＰＬ_１１＃２、ＰＬ_１１＃３、ＰＬ_１１＃４、ＰＬ_１１＃５、ＰＬ_１１＃６を、光ファイバ１２のコアＣＲ_１２やアウタークラッドではなく、光ファイバ１２のインナークラッドＣＬ_１２に選択的に入射することが好ましい。

【0057】

本開示では、集光部１１に備わる屈折率分布型レンズのレンズ長Ｌ_１１、又は平行光生成部１３から集光部１１への平行光の入射角、或いはこれらの組み合わせを用いることにより、平行光生成部１３からの励起光を、光ファイバ１２のインナークラッドＣＬ_１２に選択的に入射させることができる。このため、本開示は、励起光源１５からの励起光を光ファイバ１２のインナークラッドＣＬ_１２に効率的に入射させることで励起光源１５からの励起光を効率的に使用可能にし、更なるファイバレーザの高出力化及び高信頼化を可能にすることができる。

【0058】

（第７の実施形態）
図２６に、本実施形態に係る光結合器の一例を示す。本実施形態に係る光結合器は、集光部１１の他端１１Ｂに、光ファイバ１２としてマルチコアファイバが接続されている。これにより、本開示は、光ファイバ１２にマルチコアファイバを用いることで、複数の光ファイバ１４の伝搬光をマルチコアファイバである光ファイバ１２にファンインし、光ファイバ１２に備わる各コア４２の伝搬光を複数の光ファイバ１４にファンアウトすることができる。

【0059】

例えば、光ファイバ１２は、コアＣＯ_１２＃１、ＣＯ_１２＃２、ＣＯ_１２＃３、ＣＯ_１２＃４を備える。この場合、本実施形態は、集光部１１の端面１１Ａから入射された各伝搬光ＰＬ_１１＃１、ＰＬ_１１＃２、ＰＬ_１１＃３、ＰＬ_１１＃４を、他端１１Ｂにおいて個別のコアＣＯ_１２＃１～ＣＯ_１２＃４に入射させる。本開示では、集光部１１に備わる屈折率分布型レンズのレンズ長Ｌ_１１、又は平行光生成部１３から集光部１１への平行光の入射角、或いはこれらの組み合わせを用いることにより、平行光生成部１３からの伝搬光ＰＬ_１１＃１、ＰＬ_１１＃２、ＰＬ_１１＃３、ＰＬ_１１＃４を、個別のコアＣＯ_１２＃１～ＣＯ_１２＃４に入射させることができる。

【0060】

本実施形態では、他端１１ＢでのコアＣＯ_１２＃１～ＣＯ_１２＃６との結合効率は高いことが好ましい。そのため、集光部１１に備わる屈折率分布型レンズのレンズ長Ｌ_１１は、１／４ピッチ、又はそれに１／２ピッチの整数倍を加えた長さであることが好ましい。この場合、伝搬光ＰＬ_１１＃１～ＰＬ_１１＃４が個別のコアＣＯ_１２＃１～ＣＯ_１２＃４に入射するよう、集光部１１の端面１１Ａにおける各光の入射位置及び入射方向が設定される。

【0061】

また本実施形態では、集光部１１の内部において伝搬光が交差しないことが好ましい。これにより、集光部１１の内部での各伝搬光のクロストークを防ぐことができる。そのため、図２６に示す入射角θ_１３＃１及びθ_１３＃３のように、集光部１１の端面１１Ａから入射される各光の入射方向を、光軸ＯＡ_１１とは遠ざかる方向にすることが好ましい。または、図２に示すように、集光部１１の端面１１Ａから入射される各光を光軸ＯＡ_１１と平行に設定してもよい。

【0062】

前述の各実施形態において、光ファイバ１２に備わる各コアの伝搬モードは、シングルモードであってもよいし、マルチモードであってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本開示はレーザ加工産業および情報通信産業に適用することができる。

【符号の説明】

【0064】

１１：集光部
１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、１１１Ａ、１１１Ｂ：端面
１２、１４：光ファイバ
１３：平行光生成部
１５：励起光源
３１、４１：キャピラリ
１１１：テーパ部
１１２：高ＮＡ光ファイバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】