JP5908559B1 - 光カプラ、レーザ装置、及びテーパファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】テーパファイバから出射される光のＮＡが従来のよりも小さい光カプラを実現する。【解決手段】テーパファイバ１３は、屈折率がｎcoreであるコアの内部に形成された、屈折率がｎcoreよりも大きい高屈折率領域１３１を有している。各ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂとテーパファイバ１３の入射端面１３ａとは、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂの少なくとも一部が高屈折率領域１３１の断面と重なるように接合されている。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光源から出力された光を合波する光カプラに関する。また、そのような光カプラを含むレーザ装置、及び、そのような光カプラに含まれるテーパファイバに関する。

ファイバレーザ等のレーザ装置においては、複数の光源から出力された光を合波する光カプラがしばしば用いられる。光カプラは、複数の入力用光ファイバと、入射端面に各入力用光ファイバの出射端面が接合されたテーパファイバと、入射端面にテーパファイバの出射端面が接合された出力用光ファイバとにより構成される。テーパファイバは、入射端面から遠ざかるに従ってコア径が次第に小さくなる縮径部を有し、出射端面におけるコア径が入射端面におけるコア径よりも小さい光ファイバである。

光カプラにおいては、テーパファイバに入射する光のＮＡを小さく抑えることが重要である。なぜなら、テーパファイバに入射した光は、コア-クラッド境界における反射により縮径部を伝播する過程でＮＡが大きくなる。このため、入力用ファイバのＮＡが出力用光ファイバのＮＡと同程度だとしても、テーパファイバから出射する光、すなわち、出力用光ファイバに入射する光のＮＡは、出力用光ファイバのＮＡを超えてしまうことがある。そうすると、出力用光ファイバの入射端面近傍で光の漏出が生じ、その結果、出力用光ファイバの被覆の劣化や焼損などの問題を生じるからである。

このような問題の解決に資する技術としては、特許文献１に記載の光カプラ（同文献においては「光ファイバコンバイナ」と記載）が知られている。特許文献１に記載の光カプラにおいては、各入力用光ファイバとテーパファイバ（同文献においては「ブリッジファイバ」と記載）との間にＧＩ（Graded Index）ファイバ（同文献においては「ＧＲＩＮレンズ」と記載）を介在させることによって、テーパファイバに入射する光のＮＡを小さく抑えることに成功している。

なお、本明細書において、光ファイバ（テーパファイバを含む）を伝播する光のＮＡとは、その光の伝播方向とその光ファイバの中心軸との成す角をθ、その光ファイバのコアの屈折率をｎとして、ｎ×ｓｉｎθにより定義される量のことを指す。したがって、テーパファイバを伝播する光のＮＡがテーパファイバを出射する前に出力用光ファイバのＮＡを超えなければ、その光は出力用光ファイバに閉じ込められることになる。一方、テーパファイバを伝播する光のＮＡがテーパファイバを出射する前に出力用光ファイバのＮＡを超えれば、その光は出力用光ファイバから漏出することになる。

特開２０１３−１９０７１４号公報（公開日：２０１３年９月２６日）

しかしながら、特許文献１に記載の光カプラを用いたとしても、テーパファイバに入射した光のＮＡが縮径部を伝播する過程で大きくなることに変わりはない。したがって、ＮＡの小さい光ファイバを出力用光ファイバとして用いる場合には、テーパファイバから出射される光のＮＡが出力用光ファイバのＮＡを超えてしまうことがある。

また、入力用光ファイバの本数を増やすためには、テーパファイバの入射端面における直径を大きくする必要がある。この際、テーパファイバの縮径部の長さを変えずに、テーパファイバの入射端面における直径を大きくすると、縮径部における単位長さあたりの縮径量が大きくなる。そうすると、テーパファイバから出射される光のＮＡも大きくなるので、テーパファイバから出射される光のＮＡが出力用光ファイバのＮＡを超えてしまう。テーパファイバの入射端面の直径を変えずに、テーパファイバの縮径部の長さを短くする場合にも、同様の問題が生じる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、テーパファイバから出射される光のＮＡが従来よりも小さい（より正確に言えば、テーパファイバから出射される光のうち、ＮＡが出射用光ファイバのＮＡを超える光の割合が従来よりも小さい）光カプラを実現することにある。

本発明に係る光カプラは、複数の光ファイバと、入射端面に各光ファイバの端面が接合されたテーパファイバであって、出射端面におけるコア径が上記入射端面におけるコア径よりも小さいテーパファイバとを備え、上記テーパファイバは、屈折率がｎ_coreであるコアの内部に形成された、屈折率がｎ_coreよりも大きい高屈折率領域を有しており、各光ファイバの上記端面と上記テーパファイバの上記入射端面とは、該光ファイバの上記端面の少なくとも一部が上記テーパファイバの上記高屈折率領域の断面と重なるように接合されている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、各光ファイバから出射した光の少なくとも一部は、テーパファイバの高屈折率領域に入射する。高屈折率領域に入射した光は、高屈折率領域に留まる傾向にあるため、高屈折率領域は、テーパファイバの縮径部を伝播する光の広がりを抑えることができる。つまり、高屈折率領域は、入射した光のＮＡが増大するのを抑制する方向に作用する。したがって、テーパファイバから出射する光の少なくとも一部は、高屈折率領域が存在しない場合と比べて、ＮＡが小さくなる。これにより、テーパファイバから出射される光のうち、ＮＡが出射用光ファイバのＮＡを超える光の割合が従来よりも小さくなる。

本発明に係る光カプラにおいて、各光ファイバの上記端面と上記テーパファイバの上記入射端面とは、該光ファイバの上記端面の中心が上記高屈折率領域の断面と重なるように接合されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、各光ファイバから出射した光の大部分は、テーパファイバの高屈折率領域に入射する。上述したとおり、高屈折率領域は、入射した光のＮＡが増大するのを抑制する方向に作用する。したがって、テーパファイバから出射する光の大部分は、高屈折率領域が存在しない場合と比べて、ＮＡが小さくなる。これにより、テーパファイバから出射される光のうち、ＮＡが出射用光ファイバのＮＡを超える光の割合が更に小さくなる。

本発明に係る光カプラにおいては、上記高屈折率領域の屈折率の最大値をｎ_peakとし、（ｎ_peak−ｎ_core）／ｎ_peakにより定義される比屈折率差をΔとし、上記比屈折率差Δに応じて決まる、上記テーパファイバを伝播する光のＮＡをＮＡ（Δ）として、上記比屈折率差ΔがＮＡ（Δ）＜ＮＡ（０）を満たすように定められている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、テーパファイバから出射する光のＮＡを、確実に、高屈折率領域が存在しない場合よりも小さくすることができる。

本発明に係る光カプラにおいては、上記比屈折率差Δが０．０７６％よりも小さい、ことが好ましい。

上記の構成によれば、テーパファイバから出射する光のＮＡを、確実に、高屈折率領域が存在しない場合よりも小さくすることができる。

本発明に係る光カプラにおいて、上記高屈折率領域は、上記入射端面から遠ざかるに従い内径及び外径が次第に小さくなる円筒状領域である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記複数の光ファイバが環状に配置されている場合に、これらの光ファイバの端面と重なる高屈折率領域を形成が容易な単一の領域として実現することができる。

本発明に係る光カプラにおいて、上記円筒状領域の屈折率分布は、上記テーパファイバの中心軸に対して軸対称であり、上記中心軸に直交する断面における上記円筒状領域の屈折率分布ｎ（ｒ）（ｒは上記テーパファイバの中心軸からの距離）は、該断面における上記円筒状領域の内径及び外径をＲ−ａ及びＲ＋ａとし、（ｎ（Ｒ）−ｎ_core）／ｎ（Ｒ）により定義される比屈折率差をΔとし、αを１以上の任意の実数として、ｎ（ｒ）＝ｎ（Ｒ）×［１−２×Δ×｛（ｒ−Ｒ）／ａ｝^α］^1/2により与えられる、ことが好ましい。

上記の構成によれば、テーパファイバから出射する光のＮＡを、確実に、高屈折率領域が存在しない場合よりも小さくすることができる。

本発明に係る光カプラにおいて、上記高屈折率領域は、上記入射端面から遠ざかるに従い直径が次第に小さくなる円柱状領域の集合である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記複数の光ファイバが環状に配置されている場合に、これらの光ファイバの各々の端面と重なる高屈折率領域を最小限の体積で実現することができる。

本発明に係る光カプラにおいて、上記円柱状領域の屈折率分布は、該円柱状領域の中心軸に対して軸対称であり、上記中心軸に直交する断面における上記円柱状領域の屈折率分布ｎ（ｒ’）（ｒ’は上記円柱状領域の中心軸からの距離）は、該断面における上記円柱状領域の直径をａとし、（ｎ（０）−ｎ_core）／ｎ（０）により定義される比屈折率差をΔとし、αを１以上の任意の実数として、ｎ（ｒ’）＝ｎ（０）×｛１−２×Δ×（ｒ’／ａ）^α｝^1/2により与えられる、ことが好ましい。

上記の構成によれば、テーパファイバから出射する光のＮＡを、確実に、高屈折率領域が存在しない場合よりも小さくすることができる。

なお、上述した光カプラを備えたレーザ装置も本発明の範疇に含まれる。また、上述した光カプラが備えているテーパファイバも本発明の範疇に含まれる。

本発明によれば、テーパファイバから出射される光のＮＡが従来のよりも小さい光カプラを実現することができる。

本発明の一実施形態に係る光カプラの構成を示す分解斜視図である。 上段は、図１の光カプラが備えるテーパファイバの横断面を示す断面図であり、下段は、そのテーパファイバの屈折率分布を示すグラフである。 図１の光カプラにおける、テーパファイバから出射される光のＮＡの比屈折率差依存性を示すグラフである。 図１の光カプラにおける、テーパファイバから出射される光のＮＡのＧＩピーク位置依存性を示すグラフである。 図１の光カプラにおける、テーパファイバから出射される光のＮＡのＧＩ幅依存性を示すグラフである。 図１の光カプラにおける、テーパファイバから出射される光のＮＡの指数α依存性を示すグラフである。 図１の光カプラが備えるテーパファイバの屈折率分布を示すグラフである。（ａ）は、α＝１の場合のグラフであり、（ｂ）は、α＝∞の場合のグラフである。 上段は、第１の変形例に係る光カプラが備えるテーパファイバの横断面を示す断面図であり、下段は、そのテーパファイバの屈折率分布を示すグラフである。 上段は、第２の変形例に係る光カプラが備えるテーパファイバの横断面を示す断面図であり、下段は、そのテーパファイバの屈折率分布を示すグラフである。 図１の光カプラを備えたレーザ装置の構成を示すブロック図である。

〔光カプラの構成〕
本発明の一実施形態に係る光カプラ１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、光カプラ１の構成を示す分解斜視図である。

光カプラ１は、複数の光源から出力された光を合波するための装置であり、図１に示すように、複数の入力用光ファイバ１１と、複数のＧＩ（Graded Index）ファイバ１２と、テーパファイバ１３と、出力用光ファイバ１４とを備えている。

入力用光ファイバ１１は、各光源から出力された光を伝播させるための構成であり、円柱状のコア１１１と、コア１１１よりも屈折率の低い、コア１１１の側面を取り囲む円筒状のクラッド１１２とを有する光ファイバである。入力用光ファイバ１１は、更に、クラッド１１２の外側面を取り囲む被覆（不図示）を有していてもよい。入力用光ファイバ１１のコア径、クラッド径、及び長さは任意である。入力用光ファイバ１１の出射端面１１ｂには、ＧＩファイバ１２の入射端面１２ａが接合（例えば、融着接続）されており、出射端面１１ｂを介して入力用光ファイバ１１から出射した光は、入射端面１２ａを介してＧＩファイバ１２に入射する。

ＧＩファイバ１２は、入力用光ファイバ１１から出射した光のＮＡを低下させるための構成であり、中心軸から遠ざかるに従って次第に低下する軸対称な屈折率分布を有する光ファイバである。このような屈折率分布を有する光ファイバは、ＧＲＩＮ（Graded Index）レンズと呼ばれることもある。ＧＩファイバ１２の直径は、入力用光ファイバ１１のコア径以上であればよい。本実施形態においては、ＧＩファイバ１２の直径を入力用光ファイバ１１のクラッド径と一致させている。ＧＩファイバ１２の長さは、入力用光ファイバ１１から出射する光に対する０．５ピッチ長のｎ倍以外（但し、ｎは自然数）の長さとする。これにより、ＧＩファイバ１２から出射する光のＮＡをＧＩファイバ１２に入射する光のＮＡよりも小さくすることができる。特に、ＧＩファイバ１２の長さを入力用光ファイバ１１から出射する光に対する０．２５ピッチ長の奇数倍の長さとした場合には、ＧＩファイバ１２から出射する光をコリメート光にすることができる。ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂには、テーパファイバ１３の入射端面１３ａが接合（例えば、融着接続）されており、出射端面１２ｂを介してＧＩファイバ１２から出射した光は、入射端面１３ａを介してテーパファイバ１３に入射する。

テーパファイバ１３は、複数のＧＩファイバ１２の各々から出射した光を合波するための構成であり、出射端面１３ｂにおけるコア径が入射端面１３ａにおけるコア径よりも小さい光ファイバである。本実施形態においては、テーパファイバ１３として、エアクラッド型の光ファイバを用いている。すなわち、テーパファイバ１３全体をコアとして機能させ、テーパファイバ１３を取り囲む空気をクラッドとして機能させている。また、本実施形態においては、テーパファイバ１３の形状を、円柱と円錐台とを組み合わせた丸軸鉛筆形状としている。以下では、円柱部分のことを非縮径部１３Ａと記載し、円錐台部分のことを縮径部１３Ｂと記載する。入射端面１３ａにおけるテーパファイバ１３（のコア）の直径は、全てのＧＩファイバ１２の横断面（中心軸に直交する断面）を内包する最小円の直径以上であればよい。出射端面１３ｂにおけるテーパファイバ１３の直径は、後述する出力用光ファイバ１４のコア径以下であればよい。テーパファイバ１３の長さは任意である。テーパファイバ１３の出射端面１３ｂには、出力用光ファイバ１４の入射端面１４ａが接合（例えば、融着接続）されており、出射端面１３ｂを介してテーパファイバ１３から出射した光は、入射端面１４ａを介して出力用光ファイバ１４に入射する。

テーパファイバ１３のコアの内部（本実施形態のように、エアクラッド方式を採用する場合には、テーパファイバ１３の内部）には、入射端面１３ａから出射端面１３ｂに至る、屈折率がコアの屈折率ｎ_coreよりも大きい高屈折率領域１３１が形成されている。高屈折率領域１３１の外側面は、コアとクラッドとの境界（本実施形態のように、エアクラッド方式を採用する場合には、テーパファイバ１３の外側面）よりも内側にあり、高屈折率領域１３１は、コアに取り囲まれている。また、高屈折率領域１３１とコアとの（比）屈折率差は、コアとクラッド（本実施形態においては空気）との（比）屈折率差よりも小さい。また、上述したＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂとテーパファイバ１３の入射端面１３ａとは、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂの少なくとも一部がテーパファイバ１３の高屈折率領域１３１の断面と重なるように接合されている。このため、ＧＩファイバ１２から出射した光の少なくとも一部は、テーパファイバ１３の高屈折率領域１３１に入射する。高屈折率領域１３１は、入射した光をＮＡが小さくなる方向に屈折させる。このため、高屈折率領域１３１が存在しない場合と比べて、テーパファイバ１３から出射する光のうち、ＮＡが出力用光ファイバ１４のＮＡを超える光の割合が減少する。なお、テーパファイバ１３の光学的構造については、参照する図面を代えて後述する。

出力用光ファイバ１４は、テーパファイバ１３から出射された光を伝播させるための構成であり、円柱状のコア１４１と、コア１４１よりも屈折率の高い、コア１１１の側面を取り囲む円筒状のクラッド１４２と、クラッド１４２の外側面を取り囲む被覆１４３とを有する光ファイバである。出力用光ファイバ１４のコア径は、出射端面１３ｂにおけるテーパファイバ１３の直径以上であればよい。本実施形態においては、出力用光ファイバ１４のコア径を、出射端面１３ｂにおけるテーパファイバ１３の直径に一致させている。出力用光ファイバ１４のクラッド径及び長さは、任意である。

なお、本実施形態においては、１本の入力用光ファイバ１１と、その周りを取り囲む６本の入力用光ファイバ１１とを用いる構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、入力用光ファイバ１１の本数及び配置は任意である。同様に、ＧＩファイバ１２の本数及び配置も任意である。

また、本実施形態においては、ＧＩファイバ１２の作用及びテーパファイバ１３の作用により、出力用光ファイバ１４に入射する光のＮＡを小さくする構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、テーパファイバ１３の作用のみにより出力用光ファイバ１４に入射する光のＮＡを十分に小さくすることができるのであれば、ＧＩファイバ１２は省略しても構わない。

また、本実施形態においては、入力用光ファイバ１１及び出力用光ファイバ１４として、１層のクラッドを有する光ファイバを例示しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、入力用光ファイバ１１及び出力用光ファイバ１４は、２層以上のクラッドをする光ファイバであってもよい。また、入力用光ファイバ１１及び出力用光ファイバ１４は、ＳＩ（Step Index）型の光ファイバであることを要さず、ＧＩ（Graded Index）型の光ファイバであってもよい。

また、本実施形態においては、高屈折率領域１３１が入射端面１３ａから出射端面１３ｂまでテーパファイバ１３を貫通する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、高屈率折領域１３１は、縮径部１３Ｂ（の全部又は一部）のみに形成されていてもよいし、非縮径部１３Ａ（の全部又は一部）のみに形成されていてもよいし、非縮径部１３Ａと縮径部１３Ｂとの境界を跨ぐように非縮径部１３Ａの一部と縮径部１３Ｂの一部とに形成されていてもよい。

〔テーパファイバの光学的構造〕
次に、テーパファイバ１３の光学的構造について、図２を参照して説明する。図２の上段は、テーパファイバ１３（の非縮径部１３Ａ）の横断面（中心軸に直交する断面）を示す断面図であり、図２の下段は、テーパファイバ１３の屈折率分布（中心軸に直交する直線Ｌ上の屈折率分布）を示すグラフである。

本実施形態においては、入射端面１３ａから遠ざかるに従い内径及び外径が次第に小さくなる（ただし、非縮径部１３Ａにおいては、内径及び外径が一定）円筒状領域を高屈折率領域１３１としている。このため、各横断面における高屈折率領域１３１は、図２の上段に示すように円環状領域となる。

テーパファイバ１３の屈折率分布は、テーパファイバ１３の中心軸に対して軸対称であるため、テーパファイバ１３の中心軸からの距離ｒの関数ｎ（ｒ）として表すことができる。テーパファイバ１３の屈折率分布ｎ（ｒ）は、以下の式で与えられる。なお、図２の下段に示したグラフは、α＝２の場合のグラフである。

ｎ（ｒ）＝ｎ（Ｒ）×［１−２×Δ×｛（ｒ−Ｒ）／ａ｝^α］^1/2
ここで、Ｒ−ａ及びＲ＋ａは、注目している横断面における高屈折率領域１３１の内径及び外径であり、Δは、（ｎ_peak−ｎ_core）／ｎ_peakにより定義される比屈折率差である。ｎ（ｒ）は、ｒ＝Ｒにおいて最大値ｎpearを取るので、比屈折率差Δは、Δ＝（ｎ（Ｒ）−ｎ_core）／ｎ（Ｒ）と表すこともできる。

図２の上段の断面図においては、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂの外縁を点線で示している。同図に示すように、本実施形態においては、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂの中心が高屈折率領域１３１と重なるように、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂをテーパファイバ１３の入射端面１３ａに接合する構成が採用されている。更に具体的に言えば、ＧＩファイバ１２の出射端面の中心が高屈折率領域１３１において屈折率が最大となる部分（半径Ｒの円）と重なるように、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂをテーパファイバ１３の入射端面１３ａに接合する構成が採用されている。このため、ＧＩファイバ１２から出射した光の大部分は、テーパファイバ１３の高屈折率領域１３１に入射する。したがって、高屈折率領域１３１が存在しない場合と比べて、テーパファイバ１３から出射する光のうち、ＮＡが出力用光ファイバ１４のＮＡを超える光の割合が更に減少する。

上述した屈折率分布は、比屈折率差Δ、ＧＩピーク位置Ｒ、ＧＩ幅２ａ、及び指数αにより規定される。以下、これらのパラメータの好ましい数値範囲について説明する。

図３は、テーパファイバ１３から出射される光のＮＡの比屈折率差依存性を示すグラフである。なお、ＮＡの算出にあたっては、ＧＩピーク位置Ｒ＝１２５μｍ、ＧＩ幅２ａ＝１３５μｍ、指数α＝２とした。また、ＧＩファイバ１２は、出射端面１２ｂの中心がテーパファイバ１３の中心軸から１２５μｍとなる位置に接合した。

図３から以下の事実が確かめられる。（１）高屈折率領域１３１が存在しないとき、すなわち、比屈折率差Δが０％であるとき、ＮＡは０．０４９である。（２）比屈折率差Δが０％＜Δ＜０．０７６％であるとき、ＮＡは０．０４９よりも小さい。

これらの事実から、以下の結論が得られる。すなわち、比屈折率差Δが０％＜Δ＜０．０７６％を満たせば、高屈折率領域１３１が存在しない場合と比べて、テーパファイバ１３から出射される光ＮＡを小さくすることができる。

図４は、テーパファイバ１３から出射される光のＮＡのＧＩピーク位置依存性を示すグラフである。なお、ＮＡの算出にあたっては、比屈折率差Δ＝０．０１５％、ＧＩ幅２ａ＝１３５μｍ、指数α＝２とした。また、ＧＩファイバ１２は、出射端面１２ｂの中心がテーパファイバ１３の中心軸から１２５μｍとなる位置に接合した。

図４から以下の事実が確かめられる。（１）ＧＩピーク位置ＲがＧＩファイバ１２の中心に一致しているとき、すなわち、ＧＩピーク位置Ｒが１２５μｍであるとき、ＮＡは最小となる。（２）ＧＩピーク位置Ｒが小さくなるに従って、ＮＡは次第に大きくなる。ただし、ＧＩファイバ１２の出射端面の少なくとも一部が高屈折率領域１３１に重なっている限り、ＮＡが０．０４９を超えることはない。

これらの事実から、以下の結論が得られる。すなわち、ＧＩファイバ１２の出射端面の少なくとも一部が高屈折率領域１３１に重なっている限り、ＧＩピーク位置Ｒがどのような値であっても、高屈折率領域１３１が存在しない場合と比べて、テーパファイバ１３から出射される光ＮＡを小さくすることができる。

図５は、テーパファイバ１３から出射される光のＮＡのＧＩ幅依存性を示すグラフである。なお、ＮＡの算出にあたっては、比屈折率差Δ＝０．０１５％、ＧＩピーク位置Ｒ＝１２５μｍ、指数α＝２とした。また、ＧＩファイバ１２は、出射端面１２ｂの中心がテーパファイバ１３の中心軸から１２５μｍとなる位置に接合した。

図５から以下の事実が確かめられる。すなわち、ＧＩピーク位置ＲがＧＩファイバ１２の中心に一致している場合、ＧＩ幅２ａを変化させても、ＮＡは殆ど変化しない。この事実から、以下の結論が得られる。すなわち、ＧＩピーク位置ＲがＧＩファイバ１２の中心に一致している場合、ＧＩ幅２ａがどのような値であっても、高屈折率領域１３１が存在しない場合と比べて、テーパファイバ１３から出射される光ＮＡを小さくすることができる。

図６は、テーパファイバ１３から出射される光のＮＡの指数α依存性を示すグラフである。なお、ＮＡの算出にあたっては、比屈折率差Δ＝０．０１５％、ＧＩピーク位置Ｒ＝１２５μｍ、ＧＩ幅２ａ＝１３５μｍとした。また、ＧＩファイバ１２は、出射端面１２ｂの中心がテーパファイバ１３の中心軸から１２５μｍとなる位置に接合した。

図６から以下の事実が確かめられる。すなわち、少なくともα＝１、２、３、４、５、１０のとき、ＮＡが０．０４９を超えることはない。この事実から、以下の結論が予測される。すなわち、αがどのような値（１以上の任意の実数）であっても、高屈折率領域１３１が存在しない場合と比べて、テーパファイバ１３から出射される光ＮＡを小さくすることができる。

なお、α＝１の場合、テーパファイバ１３の屈折率分布ｎ（ｒ）は、図７の（ａ）に示すようになり、α＝∞の場合、テーパファイバ１３の屈折率分布ｎ（ｒ）は、図７の（ｂ）に示すようになる。いずれの場合であっても、高屈折率領域１３１が存在しない場合と比べて、テーパファイバ１３から出射される光ＮＡを小さくすることができる。

〔変形例１〕
次に、テーパファイバ１３の第１の変形例について、図８を参照して説明する。図８の上段は、本変形例に係るテーパファイバ１３（の非縮径部１３Ａ）の横断面（中心軸に直交する断面）を示す断面図であり、図８の下段は、本変形例に係るテーパファイバ１３の屈折率分布（中心軸に直交する直線Ｌ上の屈折率分布）を示すグラフである。

本変形例においては、入射端面１３ａから遠ざかるに従い内径及び外径が次第に小さくなる（ただし、非縮径部１３Ａにおいては、内径及び外径が一定）円柱状領域の集合を高屈折率領域１３１としている。このため、各横断面における高屈折率領域１３１は、図８の上段に示すように、同心円上に配置された円状領域の集合になる。

各高屈折率領域１３１の屈折率分布は、その高屈折率領域１３１の中心軸に対して軸対称であるため、その高屈折率領域１３１の中心軸からの距離ｒ’の関数ｎ（ｒ’）として表すことができる。各高屈折率領域１３１の屈折率分布ｎ（ｒ’）は、以下の式で与えられる。なお、図８の下段に示したグラフは、α＝２の場合のグラフである。

ｎ（ｒ’）＝ｎ（０）×｛１−２×Δ×（ｒ’／ａ）^α｝^1/2
ここで、ａは、注目している横断面における高屈折率領域１３１の直径であり、Δは、（ｎ_peak−ｎ_core）／ｎ_peakにより定義される比屈折率差である。ｎ（ｒ’）は、ｒ’＝０において最大値ｎ_pearを取るので、比屈折率差Δは、Δ＝（ｎ（０）−ｎ_core）／ｎ（０）と表すこともできる。

図８の上段の断面図において、ＧＩファイバ１２（中心に配置されたものを除く）の出射端面１２ｂの外縁は、各高屈折率領域１３１の断面の外縁に一致する。すなわち、同図に示すように、本実施形態においては、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂの中心が高屈折率領域１３１と重なるように、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂをテーパファイバ１３の入射端面１３ａに接合する構成が採用されている。更に具体的に言えば、ＧＩファイバ１２の出射端面の中心が高屈折率領域１３１において屈折率が最大となる部分（半径Ｒの円）と重なるように、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂをテーパファイバ１３の入射端面１３ａに接合する構成が採用されている。このため、ＧＩファイバ１２から出射した光の大部分は、テーパファイバ１３の高屈折率領域１３１に入射する。したがって、高屈折率領域１３１が存在しない場合と比べて、テーパファイバ１３から出射する光のうち、ＮＡが出力用光ファイバ１４のＮＡを超える光の割合が更に減少する。

〔変形例２〕
次に、テーパファイバ１３の第２の変形例について、図９を参照して説明する。図９の上段は、本変形例に係るテーパファイバ１３（の非縮径部１３Ａ）の横断面（中心軸に直交する断面）を示す断面図であり、図９の下段は、本変形例に係るテーパファイバ１３の屈折率分布（中心軸に直交する直線Ｌ上の屈折率分布）を示すグラフである。

本変形例においては、入射端面１３ａから遠ざかるに従い内径及び外径が次第に小さくなる（ただし、非縮径部１３Ａにおいては、内径及び外径が一定）２重の円筒状領域を高屈折率領域１３１としている。このため、各横断面における高屈折率領域１３１は、図９の上段に示すように、２重の円環状領域になる。

テーパファイバ１３の屈折率分布は、テーパファイバ１３の中心軸に対して軸対称であるため、テーパファイバ１３の中心軸からの距離ｒの関数ｎ（ｒ）として表すことができる。テーパファイバ１３の屈折率分布ｎ（ｒ）は、以下の式で与えられる。なお、図９の下段に示したグラフは、α＝２の場合のグラフである。

ｎ（ｒ）＝ｎ（Ｒ１）×［１−２×Δ×｛（ｒ−Ｒ１）／ａ｝^α］^1/2
＋ｎ（Ｒ２）×［１−２×Δ×｛（ｒ−Ｒ２）／ａ｝^α］^1/2
ここで、Ｒ１−ａ及びＲ１＋ａは、注目している横断面における内周側の高屈折率領域１３１ａの内径及び外径であり、Ｒ２−ａ及びＲ２＋ａは、注目している横断面における外周側の高屈折率領域１３１ｂの内径及び外径である。Δは、（ｎ_peak−ｎ_core）／ｎ_peakにより定義される比屈折率差である。ｎ（ｒ）は、ｒ＝Ｒ１とｒ＝Ｒ２において最大値ｎpearを取るので、比屈折率差Δは、Δ＝（ｎ（Ｒ１）−ｎ_core）／ｎ（Ｒ１）＝（ｎ（Ｒ２）−ｎ_core）／ｎ（Ｒ２）と表すこともできる。

図９の上段の断面図においては、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂの外縁を点線で示している。同図に示すように、本実施形態においては、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂの中心が高屈折率領域１３１と重なるように、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂをテーパファイバ１３の入射端面１３ａに接合する構成が採用されている。更に具体的に言えば、ＧＩファイバ１２の出射端面の中心が高屈折率領域１３１において屈折率が最大となる部分（半径Ｒの円）と重なるように、ＧＩファイバ１２の出射端面１２ｂをテーパファイバ１３の入射端面１３ａに接合する構成が採用されている。このため、ＧＩファイバ１２から出射した光の大部分は、テーパファイバ１３の高屈折率領域１３１に入射する。したがって、高屈折率領域１３１が存在しない場合と比べて、テーパファイバ１３から出射する光のうち、ＮＡが出力用光ファイバ１４のＮＡを超える光の割合が更に減少する。

なお、図９においては、１本のＧＩファイバ１２の周りを６本のＧＩファイバ１２で取り囲み、更に、その周りを１２本のＧＩファイバ１２で取り囲む構成を例示したが、本変形例はこれに限定されない。すなわち、１本のＧＩファイバ１２の周りを取り囲むＧＩファイバ１２の本数、及び、さらにその周りを取り囲むＧＩファイバ１２の本数は任意である。

〔レーザ装置〕
最後に、本実施形態に係る光カプラ１を備えたレーザ装置１００について、図１０を参照して説明する。図１０は、レーザ装置１００の構成を示すブロック図である。

レーザ装置１００は、図１０に示すように、複数の光源１０１と、光カプラ１と、エンドキャップ１０２とを備えている。

光源１０１は、レーザ光を出力するための構成であり、例えば、ＬＤ（Laser Diode）である。ＬＤと増幅用ファイバとを備えたファイバレーザを光源として用いても構わない。各光源１０１には、光カプラ１を構成する入力用光ファイバ１１が接続されており、各光源１０１から出力されたレーザ光は、光カプラ１を構成する入力用光ファイバ１１に入力される。

光カプラ１は、各光源１０１から出力されたレーザ光を合波するための構成である。光カプラ１の構成は、図１を参照して説明した通りであるので、ここではその説明を繰り返さない。光カプラ１を構成する出力用光ファイバ１４には、エンドキャップ１０２が接続されており、光カプラ１を構成する出力用光ファイバ１４から出力された光は、エンドキャップ１０２を介してワーク（照射対象物）に照射される。

エンドキャップ１０２は、ワークにて反射されたレーザ光が出力用光ファイバ１４に再入射することを防止するための構成である。

レーザ装置１００において、出力用光ファイバ１４に入射するレーザ光は、数Ｗ〜数十Ｗのハイパワーなレーザ光である。しかしながら、光カプラ１では、出力用光ファイバ１４に入射するレーザ光のＮＡが従来よりも小さく、その結果、出力用光ファイバ１４から漏出するレーザ光のパワーが従来よりも小さくなるので、出力用光ファイバ１４の劣化や焼損といった問題が生じ難い。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明は、ファイバレーザ等、レーザ光の合波を要するレーザ装置に広く適用することができる。加工用のレーザ装置や医療用のレーザ装置などの産業用レーザ装置は、本発明を好適に利用することができるレーザ装置の一例である。

１ 光カプラ
１１ 入力用光ファイバ
１１１ コア
１１２ クラッド
１１ｂ 出射端面
１２ ＧＩファイバ（光ファイバ）
１２ａ 入射端面
１２ｂ 出射端面
１３ テーパファイバ
１３１ 高屈折率領域
１３ａ 入射端面
１３ｂ 出射端面
１３Ａ 非縮径部
１３Ｂ 縮径部
１４ 出力用光ファイバ
１４１ コア
１４２ クラッド
１４３ 被覆
１４ａ 入射端面
１００ レーザ装置

Claims (10)

1. 複数の光ファイバと、入射端面に各光ファイバの端面が接合されたテーパファイバであって、出射端面におけるコア径が上記入射端面におけるコア径よりも小さいテーパファイバとを備え、
   上記テーパファイバは、屈折率がｎ_coreであるコアの内部に形成された、屈折率がｎ_coreよりも大きい高屈折率領域を有しており、
   各光ファイバの上記端面と上記テーパファイバの上記入射端面とは、該光ファイバの上記端面の少なくとも一部が上記テーパファイバの上記高屈折率領域の断面と重なるように接合されており、
   上記高屈折率領域の屈折率の最大値をｎ_peakとし、（ｎ_peak−ｎ_core）／ｎ_peakにより定義される比屈折率差Δが０．０７６％よりも小さい、
   ことを特徴とする光カプラ。
2. 各光ファイバの上記端面と上記テーパファイバの上記入射端面とは、該光ファイバの上記端面の中心が上記高屈折率領域の断面と重なるように接合されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光カプラ。
3. 上記高屈折率領域は、上記入射端面から遠ざかるに従い内径及び外径が次第に小さくなる円筒状領域である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光カプラ。
4. 上記円筒状領域の屈折率分布は、上記テーパファイバの中心軸に対して軸対称であり、
   上記中心軸に直交する断面における上記円筒状領域の屈折率分布ｎ（ｒ）（ｒは上記テーパファイバの中心軸からの距離）は、該断面における上記円筒状領域の内径及び外径をＲ−ａ及びＲ＋ａとし、（ｎ（Ｒ）−ｎ_core）／ｎ（Ｒ）により定義される比屈折率差をΔとし、αを１以上の任意の実数として、ｎ（ｒ）＝ｎ（Ｒ）×［１−２×Δ×｛（ｒ−Ｒ）／ａ｝^α］^1/2により与えられる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の光カプラ。
5. 上記高屈折率領域は、上記入射端面から遠ざかるに従い直径が次第に小さくなる円柱状領域の集合である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光カプラ。
6. 上記円柱状領域の屈折率分布は、該円柱状領域の中心軸に対して軸対称であり、
   上記中心軸に直交する断面における上記円柱状領域の屈折率分布ｎ（ｒ’）（ｒ’は上記円柱状領域の中心軸からの距離）は、該断面における上記円柱状領域の直径をａとし、（ｎ（０）−ｎ_core）／ｎ（０）により定義される比屈折率差をΔとし、αを１以上の任意の実数として、ｎ（ｒ’）＝ｎ（０）×｛１−２×Δ×（ｒ’／ａ）^α｝^1/2により与えられる、
   ことを特徴とする請求項５に記載の光カプラ。
7. 複数の光ファイバと、入射端面に各光ファイバの端面が接合されたテーパファイバであって、出射端面におけるコア径が上記入射端面におけるコア径よりも小さいテーパファイバとを備え、
   上記テーパファイバは、屈折率がｎ_coreであるコアの内部に形成された、屈折率がｎ_coreよりも大きい高屈折率領域を有しており、
   各光ファイバの上記端面と上記テーパファイバの上記入射端面とは、該光ファイバの上記端面の少なくとも一部が上記テーパファイバの上記高屈折率領域の断面と重なるように接合されており、
   上記高屈折率領域の屈折率の最大値をｎ_peakとし、（ｎ_peak−ｎ_core）／ｎ_peakにより定義される比屈折率差をΔとし、上記比屈折率差Δに応じて決まる、上記テーパファイバから出射される光のＮＡであって、当該光が入射する媒質の屈折率をｎ、当該光の伝播方向と上記テーパファイバの中心軸との成す角をθとして、ｎ×ｓｉｎθにより定義される光のＮＡをＮＡ（Δ）として、上記比屈折率差ΔがＮＡ（Δ）＜ＮＡ（０）を満たすように定められている、
   ことを特徴とする光カプラ。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の光カプラを備えたレーザ装置。
9. 一方の端面におけるコア径が他方の端面におけるコア径よりも小さいテーパファイバにおいて、
   屈折率がｎ_coreであるコアの内部に形成された、屈折率がｎ_coreよりも大きい高屈折率領域を有しており、
   上記高屈折率領域の屈折率の最大値をｎ_peakとし、（ｎ_peak−ｎ_core）／ｎ_peakにより定義される比屈折率差Δが０．０７６％よりも小さい、
   ことを特徴とするテーパファイバ。
10. 一方の端面におけるコア径が他方の端面におけるコア径よりも小さいテーパファイバにおいて、
    屈折率がｎ_coreであるコアの内部に形成された、屈折率がｎ_coreよりも大きい高屈折率領域を有しており、
    上記高屈折率領域の屈折率の最大値をｎ_peakとし、（ｎ_peak−ｎ_core）／ｎ_peakにより定義される比屈折率差をΔとし、上記比屈折率差Δに応じて決まる、上記テーパファイバから出射される光のＮＡであって、当該光が入射する媒質の屈折率をｎ、当該光の伝播方向と上記テーパファイバの中心軸との成す角をθとしたときに、ｎ×ｓｉｎθにより定義される光のＮＡをＮＡ（Δ）として、上記比屈折率差ΔがＮＡ（Δ）＜ＮＡ（０）を満たすように定められている、
    ことを特徴とするテーパファイバ。

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