WO2013136579A1 - 光ファイバコンバイナ、及び、それを用いたレーザ装置 - Google Patents

光ファイバコンバイナ、及び、それを用いたレーザ装置 Download PDF

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divergence angle
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野口　善清
研介 島
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Fujikura Ltd
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Fujikura Ltd
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
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    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2821—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using lateral coupling between contiguous fibres to split or combine optical signals
    • G02B6/2835—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using lateral coupling between contiguous fibres to split or combine optical signals formed or shaped by thermal treatment, e.g. couplers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber combiner that can propagate light efficiently and a laser device using the same.
  • Laser devices are used in various fields such as processing fields and medical fields because non-contact processing is possible, and further higher output is required.
  • Patent Document 1 describes an optical fiber combiner that can be used in such a laser device.
  • a plurality of optical fibers are inserted into the respective through holes of a capillary having a plurality of through holes, and the ends of the capillaries are connected to a bridge fiber.
  • This bridge fiber has a tapered part whose outer diameter is gradually reduced from the side connected to the capillary to the opposite side, and the end face on the side where the outer diameter is reduced is connected to another optical fiber.
  • the light emitted from each optical fiber is collected by the bridge fiber and becomes light with high power. Then, this high-power light enters the other optical fiber from the bridge fiber. Therefore, light with high power can be incident on another optical fiber, and output light with high power can be extracted from the other optical fiber.
  • each light incident on the bridge fiber from a plurality of optical fibers propagates while the diameter gradually increases in the bridge fiber immediately after the incidence. That is, each light incident on the bridge fiber from each optical fiber is incident with a predetermined divergence angle, and propagates while diverging according to the divergence angle.
  • the divergence angle is an angle in a direction in which the light spreads with respect to the optical axis of the light incident on the bridge fiber.
  • the light which propagates in a bridge fiber and reaches a taper part repeats reflection on the outer peripheral surface of a bridge fiber in a taper part, and a divergence angle becomes large.
  • an object of the present invention is to provide an optical fiber combiner that can efficiently propagate light and a laser device using the same.
  • an optical fiber combiner includes a plurality of input optical fibers and light emitted from each of the input optical fibers, and receives light from the input optical fiber from the time of incidence.
  • a plurality of divergence angle reducing members that are emitted in a state in which the divergence angle is reduced, and light emitted from each of the divergence angle reduction members is incident, and gradually a part where the light propagates moves away from the divergence angle reduction member side.
  • the divergence angle of the light incident on the bridge fiber from the divergence angle reducing member is made smaller than the divergence angle when the light is directly incident on the bridge fiber from the input optical fiber. Therefore, even if the divergence angle is increased by the light being repeatedly reflected and propagated in the tapered portion, the divergence angle of the light emitted from the bridge fiber can be reduced. Accordingly, it is possible to reduce light incident on the output optical fiber at an angle exceeding the numerical aperture of the output optical fiber, and it is possible to suppress light loss caused by light leaking from the output optical fiber. For this reason, according to such an optical fiber combiner, light can be efficiently propagated.
  • the bridge fiber has a core and a clad, and light incident from each of the divergence angle reducing members propagates through the core of the bridge fiber.
  • the output optical fiber includes a core and a clad, and the core of the bridge fiber and the core of the output optical fiber are fused, and the clad and the output of the bridge fiber are fused. It is preferable that the clad of the optical fiber for use is fused.
  • the fusion area can be widened by fusing the core and clad of the bridge fiber and the core and clad of the output optical fiber. Therefore, an optical fiber combiner excellent in mechanical strength can be obtained.
  • the divergence angle reducing member is a GRIN lens
  • the length of the GRIN lens is other than n times 0.5 pitch length with respect to the light emitted from the input optical fiber (where n is a natural number) Is preferred.
  • the divergence angle of the light emitted from the GRIN lens can be reduced. Further, since the GRIN lens has a cylindrical shape, even when the GRIN lens is used as the divergence angle reducing member, the member optically coupled to the divergence angle reducing member and the divergence angle reducing member are fused. These can be easily fused.
  • the length of the GRIN lens is an odd multiple of 0.25 pitch length with respect to the light emitted from the input optical fiber.
  • the GRIN lens By setting the GRIN lens to such a length, collimated light can be emitted from the GRIN lens. Therefore, it is possible to further suppress light loss due to light leaking from the output optical fiber. Therefore, light can be propagated more efficiently.
  • each of the divergence angle reducing members is preferably collimated light.
  • the divergence angle of the light emitted from the bridge fiber can be minimized. Therefore, the light incident on the output optical fiber at an angle exceeding the numerical aperture of the output optical fiber can be reduced most, and the loss of light due to light leakage from the output optical fiber can be further suppressed. . Therefore, light can be propagated more efficiently.
  • a divergence angle of light incident on the bridge fiber from the divergence angle reducing member is ⁇ in
  • a diameter of a light incident surface at a portion of the bridge fiber where the light propagates is D in
  • the light of the bridge fiber is Where D out is the diameter of the light exit surface at the site where the light propagates and ⁇ max is the maximum incident angle of light allowed by the output optical fiber, It is preferable to satisfy.
  • the divergence angle reducing member, the bridge fiber, and the output fiber have a relationship satisfying the above formula, even if the light emitted from the divergence angle reducing member is not collimated light, the light is emitted from the bridge fiber and used for output. It is possible to prevent light incident on the optical fiber from leaking from the output optical fiber.
  • the diameter of the light incident surface in the portion of the bridge fiber where the light propagates is D in
  • the diameter of the light exit surface of the portion of the bridge fiber where the light propagates is D out
  • the output light When the maximum incident angle of light allowed by the fiber is ⁇ max and light having a wavelength ⁇ is incident on the bridge fiber from the divergence angle reducing member, It is preferable to satisfy.
  • d ⁇ 0 is the beam waist diameter of the light output from the divergence angle reducing member and is a value defined by the second moment of the power density distribution of the light
  • M 2 is a factor indicating the deviation from the Gaussian beam. That is, the value conforms to ISO11146-1.
  • Each of the intermediate rods further includes a plurality of intermediate rods arranged between the divergence angle reducing members and the bridge fiber and having no refractive index distribution, and each of the intermediate rods has a divergence angle reduction on one side. It is preferable that the light that is fused to the member, the other side is fused to the bridge fiber, and the light emitted from the divergence angle reducing member enters the bridge fiber via the intermediate rod.
  • each member When light propagates between two members, each member is preferably fused to each other in order to reduce light loss due to reflection or the like. Therefore, in the above optical fiber combiner, in order to reduce the loss of light, it is conceivable that the bridge fiber and the divergence angle reducing member are directly fused. However, since a plurality of divergence angle reduction members are fused to the bridge fiber, the area of the fusion surface with the divergence angle reduction member of the bridge fiber is smaller than the fusion surface area of each divergence angle reduction member. large. For this reason, the heat capacity in the vicinity of the fusion surface of the bridge fiber is larger than the heat capacity in the vicinity of the fusion surface of the divergence angle reducing member.
  • each divergence angle reducing member tends to be higher than the temperature near the fusion surface of the bridge fiber. For this reason, the vicinity of the fusion surface of the divergence angle reducing member may be deformed at the time of fusion, and the light refraction characteristics of the divergence angle reduction member may change due to fusion. Further, when the divergence angle reducing member is a GRIN lens, the softening point of the divergence angle reducing member may be lowered due to the action of the dopant added to the GRIN lens. Is more likely to change.
  • each divergence angle reducing member by fusing each divergence angle reducing member to each intermediate rod as described above, it is possible to suppress deformation of the divergence angle reducing member as compared with the case where the divergence angle reducing member is fused to the bridge fiber. Can do.
  • the reason for this is as follows. That is, since a plurality of intermediate rods are fused to the bridge fiber, the area of the fusion surface of each intermediate rod with the divergence angle reducing member is smaller than the fusion surface of the bridge fiber. For this reason, the heat capacity in the vicinity of the fusion surface of the intermediate rod with the divergence angle reducing member is smaller than the heat capacity in the vicinity of the fusion surface of the bridge fiber.
  • the difference between the heat capacity near the fusion surface of the divergence angle reducing member and the fusion surface of the intermediate rod is based on the difference between the heat capacities near the fusion surface of the divergence angle reducing member and the fusion surface of the bridge fiber. Becomes smaller. Therefore, the divergence angle reducing member can be prevented from being deformed as compared with the case where the bridge fiber and the divergence angle reducing member are directly fused.
  • the divergence angle reducing member is a GRIN lens and the softening point of the GRIN lens is lowered by the dopant, the effect of introducing the intermediate rod is great.
  • the diameter of the intermediate rod is the same as that of the divergence angle reducing member, there is almost no difference in heat capacity in the vicinity of the fusion surface between them, so that the deformation of the divergence angle reducing member can be further suppressed. Therefore, it is possible to suppress the change in the light refraction characteristics of the divergence angle reducing member. Therefore, an optical fiber combiner closer to the design value can be obtained.
  • the intermediate rod may be deformed due to the difference in heat capacity between them.
  • the intermediate rod does not have a refractive index distribution, even if it is deformed, the influence on the light is small.
  • the laser device of the present invention includes any one of the optical fiber combiners described above and a plurality of laser units that allow laser light to enter each of the input optical fibers.
  • an optical fiber combiner capable of efficiently transmitting light and a laser device using the same are provided.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an optical fiber combiner according to a first embodiment of the present invention.
  • the drawing is shown with an interval for each part constituting the optical fiber combiner.
  • the optical fiber combiner 1 of the present embodiment has a plurality of input optical fibers 20, a plurality of GRIN lenses 50 each serving as a divergence angle reducing member, and a diameter reduced on one side in the longitudinal direction.
  • the bridge fiber 30 and the output optical fiber 40 are provided as main components.
  • the plurality of input optical fibers 20 are arranged around one input optical fiber 20 so as to surround the six input optical fibers 20.
  • Each input optical fiber 20 has the same configuration as each other, and includes a core 21 and a clad 22 surrounding the core 21, and the refractive index of the core 21 is higher than the refractive index of the clad 22.
  • the core 21 is made of quartz to which a dopant such as germanium (Ge) that increases the refractive index is added
  • the cladding 22 is made of pure quartz, for example.
  • the input optical fiber 20 is not particularly limited.
  • the core 21 has a diameter of 10 ⁇ m
  • the cladding 22 has an outer diameter of 125 ⁇ m, which is a single mode fiber.
  • the input optical fiber 20 has a coating layer that covers the outer peripheral surface of the clad 22 at a position away from the GRIN lens 50.
  • the coating layer is omitted for ease of understanding. Yes.
  • the number of GRIN lenses 50 is the same as the number of input optical fibers 20, and the respective GRIN lenses 50 have the same configuration.
  • the GRIN lens 50 has a cylindrical shape having one end surface 56 and the other end surface 57.
  • the diameter of the GRIN lens 50 is made larger than the diameter of the core 21 of the input optical fiber 20, for example, the same diameter as the outer diameter of the cladding 22 of the input optical fiber 20. Then, one end face 56 of each GRIN lens 50 and the end face 27 of each input optical fiber 20 are fused together. Thus, each GRIN lens 50 is optically coupled to the core 21 of each input optical fiber 20.
  • the GRIN lens 50 has a refractive index distribution in the radial direction and does not have a refractive index distribution in the length direction.
  • the refractive index distribution in the radial direction is configured such that the refractive index changes gradually from the central axis side to the outer peripheral surface side, and the refractive index is higher on the central axis side and lower on the outer peripheral surface side.
  • the GRIN lens 50 is made of, for example, quartz to which a dopant such as germanium (Ge) whose refractive index increases toward the central axis side is added at a high concentration. Accordingly, light input to the GRIN lens 50 is refracted inside the GRIN lens 50.
  • the length of the GRIN lens 50 is a length other than n times 0.5 pitch length with respect to the light emitted from the input optical fiber 20 (where n is a natural number). Therefore, the light emitted from the GRIN lens 50 has a smaller divergence angle than the light incident on the GRIN lens 50 from the input optical fiber 20. Furthermore, if the GRIN lens 50 is an odd multiple of a 0.25 pitch length with respect to the light emitted from the input optical fiber 20, the light emitted from the GRIN lens 50 can be made collimated light.
  • the divergence angle in this case is an angle in a direction in which the light spreads with respect to the optical axis of the light emitted from the GRIN lens 50.
  • the GRIN lens 50 is not particularly limited.
  • the refractive index difference between the central portion and the side surface portion is 0.25%, and the diameter is 125 ⁇ m.
  • the 0.25 pitch length of the GRIN lens 50 with respect to this light is 1.4 mm.
  • the bridge fiber 30 is a tapered fiber in which the outer diameter on one side is not reduced and the outer diameter on the other side is reduced. Specifically, the bridge fiber 30 is formed integrally with the non-diametered portion 33 that maintains a constant outer diameter on one side, and the non-diametered portion 33, and the outer diameter gradually decreases toward the other side.
  • the tapered portion 34 is formed. Therefore, one end face 36 is not reduced in diameter, and the other end face 37 is most reduced in diameter.
  • the bridge fiber 30 does not particularly have a core-cladding structure, and the entire bridge fiber 30 is a portion that propagates light.
  • the diameter of the non-diametered portion 33 of the bridge fiber 30 is not particularly limited as long as it can be optically coupled to each GRIN lens 50 as will be described later.
  • the diameter is 450 ⁇ m
  • the diameter of the other end surface 37 is For example, it is set to 100 ⁇ m.
  • the length of the taper portion 34 of the bridge fiber 30 is not particularly limited, but is, for example, 30 mm.
  • the refractive index of the bridge fiber 30 is substantially the same as that of the vicinity of the central axis of the GRIN lens 50, so that reflection of light is suppressed when entering the bridge fiber 30 from the GRIN lens 50 as will be described later.
  • the bridge fiber 30 is made of, for example, quartz to which a dopant such as germanium (Ge) that increases the refractive index is added.
  • each GRIN lens 50 and the bridge fiber 30 are fused together, and each GRIN lens 50 and the bridge fiber 30 are optically coupled.
  • the bridge fiber 30 is made of quartz to which germanium is added as described above, the softening point of the bridge fiber 30 is lower than that of pure quartz due to the action of germanium. Therefore, when the GRIN lens 50 and the bridge fiber 30 are fused, the GRIN lens 50 can be prevented from being deformed.
  • the output optical fiber 40 includes a core 41, a clad 42 that surrounds the core 41, and a coating layer 43 that covers the outer peripheral surface of the clad 42, and the refractive index of the core 41 is higher than the refractive index of the clad 42.
  • the core 41 preferably has a refractive index equivalent to that of the bridge fiber 30 from the viewpoint of suppressing refraction of light incident from the bridge fiber 30. Therefore, the core 41 is made of, for example, quartz to which a dopant such as germanium (Ge) that increases the refractive index is added, and the cladding 42 is made of, for example, pure quartz.
  • the diameter of the core 41 is equal to or greater than the diameter of the other end face 37 of the bridge fiber 30 that has been reduced in diameter, and the core 41 on the end face 46 of the output optical fiber 40 and the other end face 37 of the bridge fiber 30. Are fused to each other. Therefore, as described above, when the diameter of the other end face 37 of the bridge fiber is 100 ⁇ m, the diameter of the core 41 of the output optical fiber 40 is, for example, 100 ⁇ m. Thus, the bridge fiber 30 and the core 41 of the output optical fiber 40 are optically coupled to each other.
  • the covering layer 43 is peeled off in the vicinity of the end face 46 to be fused with the bridge fiber 30 in the output optical fiber 40.
  • the core 21 of the input optical fiber 20 and the GRIN lens 50 are fused, the GRIN lens 50 and the bridge fiber 30 are fused, and the bridge fiber 30 and the output optical fiber 40 are fused.
  • the core 21 of the input optical fiber 20, the GRIN lens 50, the bridge fiber 30, and the output optical fiber 40 are optically coupled to each other.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the central axis of the optical fiber combiner 1.
  • the light when light is emitted from the core 21 of the input optical fiber 20 and enters the GRIN lens 50, immediately after entering the GRIN lens 50, the light enters the GRIN lens as indicated by a broken line in FIG. 2. It spreads at a predetermined divergence angle according to the numerical aperture near the central axis of 50. However, the light is refracted so that the divergence angle becomes smaller as it propagates closer to the outer peripheral surface of the GRIN lens 50.
  • the light propagating through the GRIN lens 50 is emitted from the GRIN lens 50 in a state where the divergence angle is made smaller than that at the time of incidence, and enters the bridge fiber 30 from one end face 36 that is the incident surface of the bridge fiber 30. .
  • the length of the GRIN lens 50 is set to a length other than n times the 0.5 pitch length with respect to the light emitted from the input optical fiber 20, the divergence of the light emitted from the GRIN lens 50 is increased.
  • the angle is suppressed to be smaller than the divergence angle when the light emitted from the input optical fiber 20 directly enters the bridge fiber 30.
  • FIG. 2 shows a case where the length of the GRIN lens 50 is 0.25 pitch long with respect to the wavelength of light emitted from the input optical fiber 20. In this case, the light emitted from the GRIN lens 50 is collimated light.
  • the light emitted from the GRIN lens 50 has a predetermined divergence angle after being incident on the bridge fiber 30 and propagates while spreading as shown in FIG.
  • FIG. 2 only the state of propagation of specific light out of the light propagating in the bridge fiber 30 is indicated by a broken line.
  • the light propagating through the bridge fiber 30 reaches the tapered portion 34, and at the taper portion 34, at least a part of the light propagates while being reflected by the outer peripheral surface of the bridge fiber 30.
  • the light divergence angle is increased by the outer peripheral surface having a tapered shape. That is, the angle of the light reflected from the outer peripheral surface of the bridge fiber 30 with respect to the axial direction of the bridge fiber 30 is increased.
  • the light propagating through the tapered portion 34 is emitted from the other end surface 37 that is the exit surface of the bridge fiber 30 at a predetermined divergence angle, enters the core 41 of the output optical fiber 40, and the output optical fiber 40. To propagate.
  • the divergence angle of light incident on the bridge fiber 30 from the GRIN lens 50 is the divergence angle when the light is incident directly on the bridge fiber 30 from the input optical fiber 20. It is made smaller than Therefore, even if the divergence angle increases due to repeated reflection of light at the tapered portion 34 of the bridge fiber 30, the divergence angle of the light emitted from the bridge fiber 30 can be kept small. Therefore, compared with the case where light is directly incident on the bridge fiber 30 from the input optical fiber 20, the light incident on the output optical fiber 40 is reduced at an angle exceeding the incident angle of the light allowed by the output optical fiber 40. be able to. For this reason, loss of light due to light leaking from the output optical fiber 40 can be suppressed. That is, according to the optical fiber combiner 1 of this embodiment, light can be efficiently propagated.
  • the GRIN lens 50 emits from the GRIN lens 50 and the bridge fiber 30.
  • the light incident on can be collimated light.
  • the divergence angle of the light incident on the output optical fiber 40 from the bridge fiber 30 can be minimized. Light loss can be further suppressed.
  • the divergence angle of the light emitted from the GRIN lens 50 and inputted to the bridge fiber 30 is ⁇ in
  • the divergence angle of the light emitted from the bridge fiber 30 is ⁇ out
  • the output light The incident angle of light that the fiber 40 allows to the maximum is ⁇ max .
  • the divergence angle ⁇ out of the light emitted from the bridge fiber 30 is equal to or less than ⁇ max , light incident on the output optical fiber 40 from the bridge fiber 30 can be prevented from leaking from the output optical fiber 40. .
  • the diameter of one end face 36 that is the incident surface of the bridge fiber 30 is D in and the diameter of the other end face 37 that is the light exit surface is D out .
  • the relationship between the divergence angle ⁇ in and the divergence angle ⁇ out is expressed by the following equation (1).
  • the divergence angle ⁇ in of the light emitted from the GRIN lens 50 and diverging from the bridge fiber 30 should satisfy the following formula (2). become.
  • the GRIN lens 50 and the bridge fiber are set so that the divergence angle of the light incident on the bridge fiber 30 from the GRIN lens 50 satisfies the expression (2). If the optical fiber 30 and the output optical fiber 40 are configured, it is possible to prevent light from leaking from the output optical fiber 40.
  • the divergence angle ⁇ beam is expressed by the following formula (3).
  • d ⁇ 0 is the beam waist diameter of the light emitted from the GRIN lens 50 and is defined by the second moment of the power density distribution of the light.
  • M 2 is a factor (Beam Propagation Ratio) indicating a deviation from the Gaussian beam and conforms to ISO11146-1.
  • the divergence angle is equal to or smaller than ⁇ max , compared to the case where the light is directly incident on the bridge fiber 30 from the input optical fiber 20. Thus, leakage of light through the output optical fiber 40 can be suppressed.
  • ⁇ in may be replaced with ⁇ beam .
  • the following equation (4) is obtained. Therefore, the GRIN lens 50, the bridge fiber 30, and the output optical fiber 40 are configured so as to satisfy the following expression (4), whereby light leakage through the output optical fiber 40 can be suppressed.
  • the light included inside the incident angle of 1.5 times ⁇ beam includes approximately 98.9% of the total power of the light incident on the bridge fiber 30. It will be.
  • ⁇ in the equation (3) The beam may be 1.5 times as long as ⁇ max or less.
  • the GRIN lens 50 and the bridge fiber 30 should just be comprised so that following formula (5) may be satisfy
  • the light included in the bridge fiber 30 that is included inside the incident angle that is twice as large as ⁇ beam includes approximately 99.97% of the total power of the light incident on the bridge fiber 30. Become. Light the incident angle is contained inside the double theta beam enters the output optical fiber 40, in order to prevent the leakage in the output optical fiber 40, the theta beam of formula (3) It is sufficient that the double is equal to or less than ⁇ max . In this case, the GRIN lens 50 and the bridge fiber 30 should just be comprised so that following formula (6) may be satisfy
  • the bridge fiber 30 and the output optical fiber 40 configured to satisfy the formula (6), the amount of light leaking from the output optical fiber 40 is very small. Satisfaction is substantially equivalent to satisfying equation (2).
  • FIG. 3 is a view showing an optical fiber combiner according to the second embodiment of the present invention.
  • the optical fiber combiner 2 of this embodiment is different from the optical fiber combiner 1 of the first embodiment in that a bridge fiber 30a is used instead of the bridge fiber 30 of the first embodiment.
  • the bridge fiber 30a differs from the bridge fiber 30 of the first embodiment in that it has a core-clad structure. Specifically, it has the core 31 which is the structure similar to the bridge
  • the clad 32 has a refractive index lower than that of the core 31.
  • the core 31 is made of quartz having a refractive index of germanium or the like, for example, in the same manner as the bridge fiber 30 of the first embodiment, for example, pure quartz. Consists of.
  • each GRIN lens 50 is fused to the core 31 at one end face 36. Accordingly, each GRIN lens 50 is optically coupled to the core 31.
  • the core 31 on the other end face 37 of the bridge fiber 30 a is fused to the core 41 of the output optical fiber 40, and the clad 32 on the other end face 37 of the bridge fiber 30 a is connected to the clad 42 of the output optical fiber 40. Fused.
  • the outer diameter of the clad 32 on the other end surface 37 of the bridge fiber 30a and the outer diameter of the clad 42 of the output optical fiber 40 are not particularly limited, but are both 125 ⁇ m, for example.
  • the core 41 and the clad 42 of the output optical fiber 40 are fused to the bridge fiber 30a, so that the bridge fiber 30a and the output optical fiber 40 can be compared with the optical fiber combiner 1 of the first embodiment. Connection strength can be increased. Therefore, the optical fiber combiner 2 of the present embodiment can increase the reliability even when an impact is applied.
  • the region of the core 31 on one end surface 36 is a light incident surface.
  • the incidence of light on the core 31 is the same as the incidence of light on the bridge fiber 30 of the first embodiment.
  • the light incident on the core 31 of the bridge fiber 30 propagates in the core 31 in the same manner as the light propagates in the bridge fiber 30 of the first embodiment.
  • the tapered portion 34 the light is emitted from the other end surface 37 of the bridge fiber 30 a with the divergence angle being increased, and enters the core 41 of the output optical fiber 40. That is, the region of the core 31 on the other end face 36 is a light exit surface.
  • the divergence angle of the bridge fiber 30a is suppressed by the GRIN lens 50 compared to the divergence angle when light is directly incident on the core 31 of the bridge fiber 30 from the input optical fiber 20. Since light is incident on the core 31, the divergence angle of the light incident on the output optical fiber 40 can be reduced. Therefore, loss of light in the output optical fiber 40 can be suppressed. Further, according to the optical fiber combiner 2 of the present embodiment, the light incident on the bridge fiber 30a is reflected at the boundary between the core 31 and the clad 32, so that the light is prevented from reaching the outer peripheral surface of the bridge fiber 30a. can do. Therefore, it is possible to prevent heat from being absorbed by an external object that touches the outer peripheral surface of the bridge fiber 30a. Therefore, an optical fiber combiner having better safety can be obtained.
  • the diameter of one end surface 36 that is the incident surface of the bridge fiber 30 is D in and the diameter of the other end surface 37 that is the light exit surface is the same.
  • D out the divergence angle of light emitted from the GRIN lens 50 and incident on the bridge fiber 30 is ⁇ in
  • the divergence angle of light emitted from the bridge fiber 30 is ⁇ out
  • the light divergence angle calculated from the beam waist diameter among the light to be used was ⁇ beam .
  • D in of the first embodiment is the diameter of the core 31 at one end face 36 of the bridge fiber 30a
  • D out of the first embodiment is the diameter of the core 31 at the other end face 37 of the bridge fiber 30a
  • ⁇ in of the first embodiment is a divergence angle of light emitted from the GRIN lens 50 and incident on the core 31 of the bridge fiber 30a
  • ⁇ out of the first embodiment is light emitted from the core 31 of the bridge fiber 30a.
  • ⁇ beam of the first embodiment is the divergence angle of light calculated from the beam waist diameter among the light incident on the core 31 of the bridge fiber 30a from the GRIN lens 50. Apply to 6).
  • FIG. 4 is a view showing an optical fiber combiner according to a third embodiment of the present invention.
  • the optical fiber combiner 3 of the present embodiment is a first implementation in that it includes a plurality of intermediate rods 60 arranged between the respective GRIN lenses 50 and the bridge fiber 30 of the first embodiment. It differs from the optical fiber combiner 1 of a form.
  • the intermediate rod 60 is a cylindrical glass rod having substantially the same refractive index as that of the bridge fiber 30 and having substantially the same diameter as that of the GRIN lens 50. Therefore, the intermediate rod 60 does not have a refractive index distribution. Then, one end surface 66 of each intermediate rod 60 is fused to the other end surface 57 of the GRIN lens 50, and the other end surface 67 of the intermediate rod 60 is fused to one end surface 36 of the bridge fiber 30. Yes.
  • the light emitted from the input optical fiber 20 is incident on the intermediate rod 60 through the GRIN lens 50. Then, the light incident on the intermediate rod 60 enters the bridge fiber 30 from the intermediate rod 60. Thereafter, similarly to the first embodiment, light propagates in the bridge fiber 30 and enters the core 41 of the output optical fiber 40.
  • the divergence angle of the light emitted from the input optical fiber 20 is suppressed by the GRIN lens 50 smaller than the divergence angle when the light is directly incident on the bridge fiber 30 from the input optical fiber 20.
  • the light enters the bridge fiber 30 via the intermediate rod 60. Therefore, the divergence angle of the light incident on the output optical fiber 40 can be reduced. Therefore, the loss of light in the output optical fiber 40 can be suppressed.
  • the divergence angle of the light emitted from the GRIN lens 50 and incident on the bridge fiber 30 is ⁇ in and is incident on the bridge fiber 30 from the GRIN lens 50.
  • the divergence angle of the light calculated from the beam waist diameter was defined as ⁇ beam .
  • ⁇ in of the first embodiment is output from the GRIN lens 50 as a divergence angle of light incident on the bridge fiber 30 through the intermediate rod 60, and ⁇ beam of the first embodiment is set as the GRIN lens 50. From the light incident on the bridge fiber 30 through the intermediate rod 60, the light divergence angle calculated from the beam waist diameter may be applied to the equations (1) to (6).
  • the light directly enters the bridge fiber 30 from the input optical fiber 20.
  • the light leaking in the output optical fiber 40 can be suppressed.
  • the GRIN lens 50 and the bridge fiber 30 may be fused together as in the optical fiber combiner 1 of the first embodiment. Compared to the case where it is not performed, it is preferable because light loss due to reflection or the like can be reduced.
  • the bridge fiber 30 since a plurality of GRIN lenses 50 are fused to the bridge fiber 30, the bridge fiber 30 has one fused surface with respect to the area of the other end surface 57 that is the fused surface of each GRIN lens 50.
  • the end surface 36 has a large area. For this reason, the heat capacity in the vicinity of the fusion surface of the bridge fiber 30 is larger than the heat capacity in the vicinity of the fusion surface of the GRIN lens 50.
  • the temperature in the vicinity of the fusion surface of each GRIN lens 50 tends to be higher than the temperature in the vicinity of the fusion surface of the bridge fiber 30. Therefore, the refraction characteristics of the GRIN lens 50 may change due to deformation of the shape near the fusion surface of the GRIN lens 50 due to fusion. Furthermore, a dopant is added to the GRIN lens 50 in order to have a refractive index distribution. Depending on the type of dopant added, the softening point of the GRIN lens 50 may be lowered, and the vicinity of the fusion point of the GRIN lens 50 is more easily deformed by fusion.
  • the deformation of the GRIN lens 50 can be suppressed by fusing each GRIN lens 50 to each intermediate rod 60 like the optical fiber combiner 3 of the present embodiment.
  • This is due to the following reason. That is, since the plurality of intermediate rods 60 are fused to the bridge fiber 30, the diameter of each intermediate rod 60 is smaller than the diameter of the non-diametered portion 33 of the bridge fiber 30. For this reason, the heat capacity near one end face 66 of the intermediate rod 60 is smaller than the heat capacity near one end face 36 of the bridge fiber 30.
  • the heat capacity near one end face 66 of the intermediate rod 60 is equal to the heat capacity near the other end face 57 of the GRIN lens 50. Almost no change. For this reason, it can be fused before the temperature of the GRIN lens 50 rises more than necessary. Therefore, as compared with the case where the bridge fiber 30 and the GRIN lens 50 are directly fused as in the first embodiment, deformation of the GRIN lens 50 due to fusion can be suppressed.
  • the optical fiber combiner 3 of the present embodiment can suppress the change in the characteristics of the GRIN lens 50, and can input light closer to the design value to the output optical fiber 40.
  • the intermediate rod 60 may be deformed due to the difference in heat capacity in the vicinity of each fusion surface.
  • the intermediate rod 60 does not have a refractive index distribution, even if it is deformed, the influence on the light is small.
  • FIG. 5 is a diagram showing a laser device of the present invention.
  • the laser device 100 includes a plurality of laser units 10 that emit laser beams, an input optical fiber 20 that propagates laser beams emitted from the plurality of laser units 10, and the optical fiber combiner 1 described above. And an output optical fiber 40 and a light emitting end cap 45 as main components.
  • Each laser unit 10 is not particularly limited as long as it outputs a laser beam, and is composed of, for example, a fiber laser device or a semiconductor laser device.
  • An input optical fiber 20 is connected to the output units of these laser units 10, and at least a part of the input optical fiber 20 serves as the input optical fiber 20 of the optical fiber combiner 1 described above.
  • the output optical fiber 40 of the optical fiber combiner 1 is extended to be an output optical fiber of the laser device 100, and a light emitting end cap 45 is fused to the end thereof.
  • the light exit end cap 45 is made of a glass rod having a diameter larger than that of the core 41 of the output optical fiber 40, and the end face opposite to the end face on the side where the output optical fiber 40 is fused is the exit face. It is said.
  • the laser device 100 when laser light is emitted from each laser unit 10, it propagates through the input optical fiber 20 and reaches the optical fiber combiner 1.
  • the optical fiber combiner 1 As described above, laser light is incident on the GRIN lens 50 from the input optical fiber 20, and the divergence angle is reduced as described above. Then, the laser light whose divergence angle is reduced enters the bridge fiber 30, is collected by the taper portion 34 of the bridge fiber 30, and enters the output optical fiber 40 from the bridge fiber 30.
  • the laser light emitted from each laser unit 10 efficiently enters the output optical fiber 40. input.
  • the laser light propagating through the output optical fiber 40 is incident on the light emitting end cap 45, is expanded in diameter, and is emitted from the output surface of the light emitting end cap 45.
  • the laser device 100 of the present invention since loss of light is suppressed, the laser light emitted from each laser unit 10 can be emitted from the light emitting end cap 45 with high efficiency. it can.
  • the laser apparatus 100 even if the optical fiber combiner 2 or the optical fiber combiner 3 is used instead of the optical fiber combiner 1 as described above, the laser light emitted from each laser unit 10 is efficiently emitted. The light can be emitted from the end cap 45.
  • the bridge fiber 30a of the second embodiment may be used instead of the bridge fiber 30.
  • the core 21 and the GRIN lens 50 may be optically coupled without the input optical fiber 20 and the GRIN lens 50 being fused, and the GRIN.
  • the lens 50 and the bridge fiber 30 may be optically coupled without being fused.
  • the bridge fiber 30 and the output optical fiber 40 may be optically coupled without being fused.
  • the GRIN lens 50 is described as an example of the divergence angle reducing member.
  • the divergence angle reducing member can be used as long as the divergence angle of the light emitted from the input optical fiber 20 is reduced.
  • a TEC fiber Thermally-diffused Expanded Core Fiber
  • the input optical fiber 20 and the divergence angle reducing member can be integrated by heating the end of the input optical fiber 20 to form a TEC fiber.
  • the input optical fibers 20 of the optical fiber combiner 1 are extended and the laser beams from the respective laser units 10 are directly incident.
  • Laser light may be incident on the input optical fiber 20 via the optical fiber.
  • the output optical fiber 40 of the optical fiber combiner 1 is extended, and the laser light is directly propagated from the output optical fiber 40 to the light emitting end cap 45. The light may be propagated to the light exit end cap through the fiber.
  • Example 1 One input optical fiber, one GRIN lens, a bridge fiber, and an output optical fiber were prepared.
  • the input optical fiber was a single mode fiber having a core diameter of 10 ⁇ m and a cladding outer diameter of 125 ⁇ m.
  • the GRIN lens has a diameter of 125 ⁇ m and a length of 1.4 mm, which is a 0.25 pitch length with respect to the wavelength of light output from the input optical fiber.
  • the bridge fiber is the same bridge fiber as in the first embodiment and does not have a core-cladding structure.
  • the total length is 60 mm
  • the length of the tapered portion is 30 mm
  • the diameter of the end surface on the reduced diameter side of the taper portion serving as the light exit surface was set to 100 ⁇ m.
  • the output optical fiber was a multimode fiber having a core diameter of 100 ⁇ m and a cladding outer diameter of 125 ⁇ m.
  • the end face of the GRIN lens was fused to the end face of the input optical fiber. Further, the GRIN lens center axis and the bridge fiber center axis were aligned, and the end face of the GRIN lens and the end face of the bridge fiber on the non-reduced side were fused. Further, the core of the output optical fiber was fused to the end face of the bridge fiber on the reduced diameter side. Since the diameter of the end face of the bridge fiber on the reduced diameter side and the core of the output optical fiber have the same diameter, the outer periphery of the bridge fiber and the core of the output optical fiber coincide with each other at the fusion point. It was.
  • FIG. 6 shows the relationship between the distance at which the GRIN lens is offset from the center axis of the bridge fiber and the connection loss.
  • connection loss is not affected so much.
  • the diameter of the GRIN lens is 125 ⁇ m
  • the connection loss of the light emitted from each GRIN lens does not change so much even if three GRIN lenses are connected to the bridge fiber side by side. Therefore, as in the first embodiment, one GRIN lens connected to the input optical fiber is arranged at the center, and six GRIN lenses connected to the input optical fiber are arranged around it. However, the connection loss of light emitted from each GRIN lens does not change so much.
  • Example 1 seven input optical fibers and seven GRIN lenses of Example 1 are prepared, and GRIN lenses are fused to the end faces of the respective input optical fibers, and six GRIN lenses are arranged around one GRIN lens.
  • Each of the GRIN lenses was fused to a bridge fiber in which the output optical fiber of Example 1 was fused, so that an optical fiber combiner was manufactured.
  • laser light was incident on each input optical fiber, the intensity of the light emitted from the output optical fiber was observed, and the connection loss of the light was measured. As a result, the loss of light was 3%.
  • seven input optical fibers according to the first embodiment are prepared, and six input optical fibers are arranged around one input optical fiber.
  • An optical fiber combiner was manufactured by fusing the output optical fiber 1 to the bridge fiber.
  • laser light was incident on each input optical fiber, the intensity of the light emitted from the output optical fiber was observed, and the connection loss of the light was measured. As a result, the light loss was 36%, and the light loss was larger than that of the optical fiber combiner manufactured in Example 1.
  • connection loss is suppressed according to the optical fiber combiner of the present invention. Therefore, it was confirmed that light was efficiently propagated according to the optical fiber combiner of the present invention.
  • an optical fiber combiner capable of suppressing loss of light and a laser device using the same are provided, and can be used for a processing laser device, a medical laser device, or the like.
  • Optical fiber combiner 10 ... Laser part 20 ... Input optical fiber 21 ... Core 22 ... Cladding 30, 30a ... Bridge fiber 31 ... Core 32 ... Cladding 33 ... Non-diametered portion 34 ... Tapered portion 40 ... Optical fiber for output 41 ... Core 42 ... Cladding 43 ... Covering layer 45 ... End cap for light emission 50 ... ..GRIN lens (divergence angle reduction member) 60 ... Intermediate rod 100 ... Laser device

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Abstract

　光の損失を抑制することができる光ファイバコンバイナ、及び、それを用いたレーザ装置を提供する。　光ファイバコンバイナ１は、複数の入力用光ファイバ２０と、それぞれの入力用光ファイバ２０から出射する光が入射し、入力用光ファイバ２０からの光を発散角が小さくされた状態で出射する複数の発散角低減部材５０と、それぞれの発散角低減部材５０から出射する光が入射し、光が伝播する部位が発散角低減部材５０側から離れるに従い徐々に縮径されるテーパ部３４を有するブリッジファイバ３０と、ブリッジファイバ３０の発散角低減部材５０側と反対側から出射する光が入射する出力用光ファイバ４０と、を備える。

Description

光ファイバコンバイナ、及び、それを用いたレーザ装置
　本発明は、光を効率良く伝播することができる光ファイバコンバイナ、及び、それを用いたレーザ装置に関する。
　レーザ装置は、非接触加工が可能であることから、加工分野、医療分野等、様々な分野において用いられており、更なる高出力化が求められている。
　このようなレーザ装置の高出力化を実現する方法の一つとして、複数の光ファイバから出力するレーザ光を光ファイバコンバイナにより纏めて、１本の光ファイバから出力する方法がある。下記特許文献１には、このようなレーザ装置に用いることができる光ファイバコンバイナが記載されている。
　特許文献１に記載の光ファイバコンバイナにおいては、複数の光ファイバが、複数の貫通孔を有するキャピラリのそれぞれの貫通孔に挿通されており、キャピラリの端部がブリッジファイバに接続されている。このブリッジファイバは、キャピラリと接続された側から反対側にかけて外径が徐々に縮径されるテーパ部を有しており、外径が細くされている側の端面が、他の光ファイバに接続されている。このような光ファイバコンバイナによれば、それぞれの光ファイバから出射された光が、ブリッジファイバにより纏められて、パワーの大きな光となる。そしてこのパワーの大きな光がブリッジファイバから他の光ファイバに入射する。従って、他の光ファイバにパワーの大きな光を入射することができ、この他の光ファイバからパワーの大きな出力光を取り出すことができる。
特開２００７－２３３２９２号公報
　ところで、特許文献１に記載の光ファイバコンバイナにおいて、複数の光ファイバからブリッジファイバに入射したそれぞれの光は、入射直後においてブリッジファイバ内で直径が徐々に大きくなりながら伝播する。つまり、それぞれの光ファイバからブリッジファイバに入射するそれぞれの光は、所定の発散角を有して入射し、この発散角に従って発散しながら伝播する。この発散角は、ブリッジファイバに入射した光の光軸に対して、この光が広がる方向の角度である。そして、ブリッジファイバ内を伝播してテーパ部に達する光は、テーパ部においてブリッジファイバの外周面で反射を繰り返して発散角が大きくなる。このように発散角が大きくされた光がブリッジファイバから他の光ファイバに入射すると、一部の光が他の光ファイバの開口数を超える角度で入射して、他の光ファイバから漏えいしてしまう場合がある。従って、より効率良く光を伝播することができる光ファイバコンバイナが求められている。
　そこで、本発明は、光を効率良く伝播することができる光ファイバコンバイナ、及び、それを用いたレーザ装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の光ファイバコンバイナは、複数の入力用光ファイバと、それぞれの前記入力用光ファイバから出射した光が入射し、前記入力用光ファイバからの光を入射時よりも発散角が小さくされた状態で出射する複数の発散角低減部材と、それぞれの前記発散角低減部材から出射した光が入射し、光が伝播する部位が前記発散角低減部材側から離れるに従い徐々に縮径されるテーパ部を有するブリッジファイバと、前記ブリッジファイバの前記発散角低減部材側と反対側から出射する光が入射する出力用光ファイバと、を備えることを特徴とするものである。
　このような光ファイバコンバイナによれば、発散角低減部材からブリッジファイバに入射する光の発散角は、入力用光ファイバから直接ブリッジファイバに入射する場合の発散角と比べて小さくされる。従って、テーパ部において、光が反射を繰り返して伝播することで発散角が大きくなる場合であっても、ブリッジファイバから出射する光の発散角を小さく抑えることができる。従って、出力用光ファイバの開口数を超える角度で出力用光ファイバに入射する光を低減することができ、出力用光ファイバから光が漏えいすることによる光の損失を抑制することができる。このため、このような光ファイバコンバイナによれば光を効率よく伝播することができる。
　さらに、前記ブリッジファイバは、コアとクラッドとを有し、それぞれの前記発散角低減部材から入射した光は、前記ブリッジファイバの前記コアを伝播することが好ましい。
　ブリッジファイバに入射する光がコアを伝播することにより、ブリッジファイバの表面に外部の物が触れることがあっても、光と物との間にクラッドが介在するため、光はその外部の物まで到達しない。このため、外部の物が発熱したり焼損したりすることを防止することができる。従って、安全性に優れた光ファイバコンバイナとすることができる。
　またさらに、前記出力用光ファイバは、コアとクラッドとを有し、前記ブリッジファイバの前記コアと前記出力用光ファイバの前記コアとが融着されると共に、前記ブリッジファイバの前記クラッドと前記出力用光ファイバの前記クラッドとが融着されることが好ましい。
　ブリッジファイバのコア及びクラッドと、出力用光ファイバのコア及びクラッドとが融着されることにより、融着面積を広くすることができる。従って、機械的強度に優れた光ファイバコンバイナとすることができる。
　また、前記発散角低減部材は、ＧＲＩＮレンズであり、前記ＧＲＩＮレンズの長さは、前記入力用光ファイバから出射する光に対する０．５ピッチ長のｎ倍以外とされる（但し、ｎは自然数）ことが好ましい。
　ＧＲＩＮレンズの長さが前記入力用光ファイバから出射する光に対する０．５ピッチ長のｎ倍以外とされることで、ＧＲＩＮレンズから出射する光の発散角を小さく抑えることができる。また、ＧＲＩＮレンズは円柱形状であるため、発散角低減部材にＧＲＩＮレンズを用いることで、発散角低減部材と光学的に結合する部材と、発散角低減部材とを融着する場合であっても、これらを容易に融着することができる。
　この場合、前記ＧＲＩＮレンズの長さは、前記入力用光ファイバから出射する光に対する０．２５ピッチ長の奇数倍とされることが好ましい。
　ＧＲＩＮレンズをこのような長さにすることで、ＧＲＩＮレンズからコリメート光を出射することができる。従って、出力用光ファイバから光が漏えいすることによる光の損失をより抑制することができる。従って、より効率良く光を伝播することができる。
　また、それぞれの前記発散角低減部材から出射する光は、コリメート光であることが好ましい。
　発散角低減部材から出射する光がコリメート光であることにより、ブリッジファイバから出射する光の発散角を最も小さく抑えることができる。従って、出力用光ファイバの開口数を超える角度で出力用光ファイバに入射する光を最も低減することができ、出力用光ファイバから光が漏えいすることによる光の損失をより抑制することができる。従って、より効率良く光を伝播することができる。
　また、前記発散角低減部材から前記ブリッジファイバに入射する光の発散角をθｉｎとし、ブリッジファイバの前記光が伝播する部位における光の入射面の直径をＤｉｎとし、前記ブリッジファイバの前記光が伝播する部位における光の出射面の直径をＤｏｕｔとし、前記出力用光ファイバが許容する光の入射角の最大角をθｍａｘとする場合、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 を満たすことが好ましい。
　発散角低減部材とブリッジファイバと出力ファイバとが、上記式を満たす関係を有することにより、発散角低減部材から出射する光がコリメート光ではない場合であっても、ブリッジファイバから出射して出力用光ファイバに入射する光が、出力用光ファイバから漏えいすることを防止することができる。
　或いは、前記ブリッジファイバの前記光が伝播する部位における光の入射面の直径をＤｉｎとし、前記ブリッジファイバの前記光が伝播する部位における光の出射面の直径をＤｏｕｔとし、前記出力用光ファイバが許容する光の入射角の最大角をθｍａｘとし、前記発散角低減部材から波長λの光が、前記ブリッジファイバに入射する場合、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 を満たすことが好ましい。
但し、ｄσ０は、前記発散角低減部材から出力する光のビームウェスト直径で、光のパワー密度分布の２次モーメントで定義される値であり、Ｍ２は、ガウシアンビームからのズレを示す因子であって、ＩＳＯ１１１４６－１に準拠する値である。
　発散角低減部材とブリッジファイバと出力ファイバとが、上記式を満たす関係を有することにより、出力用光ファイバに入射する光の発散角が、θｍａｘを超える場合であっても、ブリッジファイバに入射する光の全パワーの内、Ｍ２＝１としたとき少なくとも約８６．５％の光の発散角は、θｍａｘ以下となる。従って、この場合であっても、入力用光ファイバから直接ブリッジファイバに光が入射する場合と比べて、出力用光ファイバで光が漏えいすることを抑制することができる。
　また、それぞれの前記発散角低減部材と前記ブリッジファイバとの間に配され、屈折率分布を有さない複数の中間ロッドを更に備え、それぞれの前記中間ロッドは、一方側がそれぞれの前記発散角低減部材に融着され、他方側が前記ブリッジファイバに融着され、前記発散角低減部材から出射する光は、前記中間ロッドを介して、前記ブリッジファイバに入射することが好ましい。
　２つの部材間を光が伝播する場合、反射等による光の損失を低減させるため、それぞれの部材は互いに融着されることが好ましい。従って、上記の光ファイバコンバイナにおいて、光の損失を低減するために、ブリッジファイバと発散角低減部材とが、直接融着されることが考えられる。しかし、ブリッジファイバには複数の発散角低減部材が融着されるため、個々の発散角低減部材の融着面の面積に対して、ブリッジファイバの発散角低減部材との融着面の面積は大きい。このため、ブリッジファイバの融着面近傍における熱容量は、発散角低減部材の融着面近傍における熱容量よりも大きい。従って、融着時において、それぞれの発散角低減部材の融着面近傍の温度は、ブリッジファイバの融着面付近の温度よりも高くなる傾向がある。このため、発散角低減部材の融着面近傍は、融着時に変形する場合があり、融着により発散角低減部材の光の屈折特性が変化する場合がある。また、発散角低減部材がＧＲＩＮレンズである場合には、ＧＲＩＮレンズに添加されているドーパントの作用により、発散角低減部材の軟化点が低くなる場合があり、この場合、発散角低減部材の特性がより変化し易くなる。
　しかし、上記のようにそれぞれの発散角低減部材をそれぞれの中間ロッドに融着することで、発散角低減部材をブリッジファイバに融着する場合と比べて、発散角低減部材の変形を抑制することができる。この理由は、次のとおりである。すなわち、ブリッジファイバには複数の中間ロッドが融着されるため、個々の中間ロッドの発散角低減部材との融着面の面積は、ブリッジファイバの融着面よりも小さくなる。このため、中間ロッドにおける発散角低減部材との融着面近傍の熱容量は、ブリッジファイバの融着面近傍の熱容量と比べて小さくなる。つまり、発散角低減部材の融着面近傍と中間ロッドの融着面近傍とにおける熱容量との差は、発散角低減部材の融着面近傍とブリッジファイバの融着面近傍とにおける熱容量の差よりも小さくなる。従って、ブリッジファイバと発散角低減部材とが直接融着される場合と比べて、発散角低減部材が変形することを抑制することができる。特に、発散角低減部材がＧＲＩＮレンズであり、ＧＲＩＮレンズの軟化点がドーパントによって低くなっている場合には、中間ロッドが導入される効果が大きい。また、中間ロッドの直径が発散角低減部材との同等である場合には、両者の融着面近傍における熱容量の差が殆どないため、発散角低減部材の変形をさらに抑制することができる。よって、発散角低減部材の光の屈折特性が変化することを抑制することができる。従って、設計値により近い光ファイバコンバイナとすることができる。なお、中間ロッドとブリッジファイバとの融着においては、それぞれの熱容量の違いによって中間ロッドが変形する場合がある。しかし、中間ロッドは屈折率分布を有さないため、変形したとしても光に対する影響が小さい。
　また、本発明のレーザ装置は、上記のいずれかの光ファイバコンバイナと、それぞれの前記入力用光ファイバにレーザ光を入射する複数のレーザ部と、を備えることを特徴とするものである。
　このようなレーザ装置によれば、光ファイバコンバイナにおいて、効率良く光を伝播することができるので、レーザ部から出射する光を効率よく出射することができる。従って、パワーの大きな出力光を出射することができる。
　以上のように、本発明によれば、効率良く光を伝播することができる光ファイバコンバイナ、及び、それを用いたレーザ装置が提供される。
本発明の第１実施形態に係る光ファイバコンバイナを示す図である。 図１の光ファイバコンバイナの中心軸に沿った断面図である。 本発明の第２実施形態に係る光ファイバコンバイナを示す図である。 本発明の第３実施形態に係る光ファイバコンバイナを示す図である。 本発明のレーザ装置を示す図である。 実施例１、比較例１におけるＧＲＩＮレンズとのオフセット量と接続損失の関係を示す図である。
　以下、本発明に係る光ファイバコンバイナ、及び、それを用いたレーザ装置の好適な実施形態について、図面を参照しながらそれぞれ詳細に説明する。
　（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態に係る光ファイバコンバイナを示す図である。なお、図１においては、理解の容易のため、光ファイバコンバイナを構成するパーツ毎に間隔をあけて図を記載している。
　図１に示すように、本実施形態の光ファイバコンバイナ１は、複数の入力用光ファイバ２０と、それぞれ発散角低減部材としての複数のＧＲＩＮレンズ５０と、長手方向の一方側が縮径されているブリッジファイバ３０と、出力用光ファイバ４０とを主な構成として備える。
　本実施形態においては、図１に示すように、複数の入力用光ファイバ２０は、１本の入力用光ファイバ２０の周りを６本の入力用光ファイバ２０が囲んで配置されている。それぞれの入力用光ファイバ２０は、互いに同様の構成とされ、コア２１と、コア２１を囲むクラッド２２とを有し、コア２１の屈折率が、クラッド２２の屈折率よりも高くされている。コア２１は、例えば、屈折率を高くするゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加される石英から成り、クラッド２２は、例えば、純粋な石英から成る。また、入力用光ファイバ２０は、特に限定されないが、例えば、コア２１の直径が１０μｍとされ、クラッド２２の外径が１２５μｍとされ、シングルモードファイバとされる。なお、入力用光ファイバ２０は、ＧＲＩＮレンズ５０と離れた位置において、クラッド２２の外周面を被覆する被覆層を有するが、本実施形態の説明では理解の容易のために被覆層が省略されている。
　ＧＲＩＮレンズ５０は、入力用光ファイバ２０の数と同数とされ、それぞれのＧＲＩＮレンズ５０は、互いに同様の構成とされている。ＧＲＩＮレンズ５０は、一方の端面５６と他方の端面５７を有する円柱状の形状をしている。ＧＲＩＮレンズ５０の直径は、入力用光ファイバ２０のコア２１の直径よりも大きくされ、例えば、入力用光ファイバ２０のクラッド２２の外径と同じ大きさの直径とされる。そして、それぞれのＧＲＩＮレンズ５０の一方の端面５６と、それぞれの入力用光ファイバ２０の端面２７とが、互いに融着されている。こうして、それぞれのＧＲＩＮレンズ５０は、それぞれの入力用光ファイバ２０のコア２１と光学的に結合されている。
　ＧＲＩＮレンズ５０は、径方向において屈折率分布を有し、長さ方向において屈折率分布を有さない構成とされている。径方向の屈折率分布は、屈折率が中心軸側から外周面側にかけてなだらかに変化し、中心軸側ほど屈折率が高く、外周面側ほど屈折率が低い構成とされている。ＧＲＩＮレンズ５０は、例えば、中心軸側ほど屈折率を高くするゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが高濃度で添加される石英から成る。従って、ＧＲＩＮレンズ５０に入力する光は、ＧＲＩＮレンズ５０の内部において屈折する。このＧＲＩＮレンズ５０の長さは、入力用光ファイバ２０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）の長さとされる。従って、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光は、入力用光ファイバ２０からＧＲＩＮレンズ５０に入射する光と比べて発散角が小さく抑えられる。さらに、ＧＲＩＮレンズ５０が、入力用光ファイバ２０から出射する光に対する０．２５ピッチ長の奇数倍の長さであれば、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光をコリメート光にすることができるため好ましい。なお、この場合の発散角とは、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光の光軸に対して、この光が広がる方向の角度のことである。
　なお、ＧＲＩＮレンズ５０は、特に限定されないが、例えば、中心部分と側面部分との屈折率差が０．２５％であり、直径は１２５μｍとされる。入力用光ファイバ２０から出射する光の波長が、例えば、１.１μｍである場合、ＧＲＩＮレンズ５０のこの光に対する０．２５ピッチ長は１．４ｍｍとされる。
　ブリッジファイバ３０は、一方側の外径が縮径されておらず、他方側の外径が縮径されているテーパファイバである。具体的には、ブリッジファイバ３０は、一方側において、一定の外径を保つ非縮径部３３と、非縮径部３３と一体に形成され、他方側に向かって外径が徐々に縮径されるテーパ部３４とから成る。従って、一方の端面３６は縮径されておらず、他方の端面３７は最も縮径されている。また、本実施形態においては、ブリッジファイバ３０は、特にコア－クラッド構造を有しておらず、ブリッジファイバ３０の全体が、光を伝播する部位とされる。ブリッジファイバ３０の非縮径部３３における直径は、後述のようにそれぞれのＧＲＩＮレンズ５０と光学的に結合できる限りにおいて、特に限定されないが、例えば、４５０μｍとされ、他方の端面３７における直径は、例えば、１００μｍとされる。また、ブリッジファイバ３０のテーパ部３４の長さは、特に限定されないが、例えば３０ｍｍとされる。
　なお、ブリッジファイバ３０は、ＧＲＩＮレンズ５０の中心軸付近と略同等の屈折率とされることが、後述のようにＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射する場合に、光の反射を抑制することができるため好ましい。従って、ブリッジファイバ３０は、例えば、屈折率を高くするゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加される石英から成る。
　また、ブリッジファイバ３０の一方の端面３６と、それぞれのＧＲＩＮレンズ５０の他方の端面５７とは、互いに融着されており、それぞれのＧＲＩＮレンズ５０とブリッジファイバ３０とが光学的に結合している。なお、上述のようにブリッジファイバ３０がゲルマニウムが添加された石英から成る場合、ゲルマニウムの作用により純粋な石英よりもブリッジファイバ３０の軟化点が低下する。従って、ＧＲＩＮレンズ５０とブリッジファイバ３０とを融着する際、ＧＲＩＮレンズ５０が変形することを抑制することができる。
　出力用光ファイバ４０は、コア４１と、コア４１を囲むクラッド４２と、クラッド４２の外周面を被覆する被覆層４３とを有し、コア４１の屈折率が、クラッド４２の屈折率よりも高くされている。コア４１は、ブリッジファイバ３０から入射する光の屈折を抑制する観点から、ブリッジファイバ３０と同等の屈折率であることが好ましい。従って、コア４１は、例えば、屈折率を高くするゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加される石英から成り、クラッド４２は、例えば、純粋な石英から成る。本実施形態において、コア４１の直径は、ブリッジファイバ３０の縮径された他方の端面３７の直径以上とされ、出力用光ファイバ４０の端面４６におけるコア４１と、ブリッジファイバ３０の他方の端面３７とが互いに融着されている。従って、上記のように、ブリッジファイバの他方の端面３７の直径が１００μｍである場合、出力用光ファイバ４０のコア４１の直径は、例えば、１００μｍとされる。こうしてブリッジファイバ３０と出力用光ファイバ４０のコア４１とが互いに光学的に結合している。なお、出力用光ファイバ４０におけるブリッジファイバ３０と融着される端面４６の近傍では、被覆層４３が剥離されている。
　このように入力用光ファイバ２０のコア２１とＧＲＩＮレンズ５０とが融着され、ＧＲＩＮレンズ５０とブリッジファイバ３０とが融着され、ブリッジファイバ３０と出力用光ファイバ４０とが融着されることで、入力用光ファイバ２０のコア２１と、ＧＲＩＮレンズ５０と、ブリッジファイバ３０と、出力用光ファイバ４０とが互いに光学的に結合する。
　次に、光ファイバコンバイナ１の光学的な動作について説明する。
　図２は、光ファイバコンバイナ１の中心軸に沿った断面図である。図２に示すように、入力用光ファイバ２０のコア２１から光が出射し、ＧＲＩＮレンズ５０に入射すると、ＧＲＩＮレンズ５０に入射の直後において、図２において破線で示すように、光はＧＲＩＮレンズ５０の中心軸付近の開口数に応じて所定の発散角で広がる。しかし、光は、ＧＲＩＮレンズ５０の外周面に近づくように伝播するに従い、発散角が小さくなるように屈折する。そして、ＧＲＩＮレンズ５０を伝播する光は、入射時よりも発散角が小さくされた状態でＧＲＩＮレンズ５０から出射して、ブリッジファイバ３０の入射面である一方の端面３６からブリッジファイバ３０に入射する。このとき上記のように、ＧＲＩＮレンズ５０の長さが、入力用光ファイバ２０から出射する光に対する０．５ピッチ長のｎ倍以外の長さとされるため、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光の発散角は、入力用光ファイバ２０から出射する光が直接ブリッジファイバ３０に入射する場合の発散角に比べて、小さく抑えられる。なお、図２においては、ＧＲＩＮレンズ５０の長さが入力用光ファイバ２０から出射する光の波長に対し０．２５ピッチ長である場合を示している。この場合、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光は、コリメート光とされる。
　ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光は、図２に示すように、ブリッジファイバ３０において入射後に所定の発散角となり、広がりながら伝播する。なお、理解の容易のため、図２では、ブリッジファイバ３０内を伝播する光の内、特定の光の伝播の様子のみを破線で示している。ブリッジファイバ３０を伝播する光は、テーパ部３４に達し、テーパ部３４において、光の少なくとも一部は、ブリッジファイバ３０の外周面で反射しながら伝播する。このように反射を繰り返す毎に、テーパ形状とされた外周面により光の発散角が大きくされる。つまり、ブリッジファイバ３０の外周面で反射する光は、ブリッジファイバ３０の軸方向に対する角度が大きくされる。そして、テーパ部３４を伝播する光は、ブリッジファイバ３０の出射面である他方の端面３７から所定の発散角で出射して、出力用光ファイバ４０のコア４１に入射し、出力用光ファイバ４０を伝播する。
　以上説明したように本実施形態の光ファイバコンバイナ１によれば、ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射する光の発散角は、入力用光ファイバ２０から直接ブリッジファイバ３０に入射する場合の発散角と比べて小さくされる。従って、ブリッジファイバ３０のテーパ部３４において、光が反射を繰り返すことで発散角が大きくなる場合であっても、ブリッジファイバ３０から出射する光の発散角を小さく抑えることができる。従って、入力用光ファイバ２０から直接ブリッジファイバ３０に光が入射する場合と比べて、出力用光ファイバ４０が許容する光の入射角度を超える角度で出力用光ファイバ４０に入射する光を低減することができる。このため、出力用光ファイバ４０から光が漏えいすることによる光の損失を抑制することができる。つまり、本実施形態の光ファイバコンバイナ１によれば、光を効率よく伝播することができる。
　特に、上述のように、ＧＲＩＮレンズ５０の長さが、入力用光ファイバ２０から出射する光に対する０．２５ピッチ長の奇数倍の長さであれば、ＧＲＩＮレンズ５０から出射してブリッジファイバ３０に入射する光をコリメート光にすることができる。このようにブリッジファイバ３０に入射する光がコリメート光であることにより、ブリッジファイバ３０から出力用光ファイバ４０に入射する光の発散角を最も小さくすることができるため、出力用光ファイバ４０での光の損失をより抑制することができる。
　ここで、図２に示すように、ＧＲＩＮレンズ５０から出射してブリッジファイバ３０に入力する光の発散角をθｉｎとし、ブリッジファイバ３０から出射する光の発散角をθｏｕｔとし、出力用光ファイバ４０が最大限に許容する光の入射角をθｍａｘとする。この場合、ブリッジファイバ３０から出射する光の発散角θｏｕｔがθｍａｘ以下であれば、ブリッジファイバ３０から出力用光ファイバ４０に入射する光が、出力用光ファイバ４０から漏えいすることを防止できる。
　ところで、ブリッジファイバ３０の入射面である一方の端面３６の直径をＤｉｎとし、光の出射面である他方の端面３７の直径をＤｏｕｔとする。この場合、発散角θｉｎと発散角θｏｕｔとの関係は、下記式（１）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　従って、上記のようにθｏｕｔがθｍａｘ以下であるためには、ＧＲＩＮレンズ５０から出射して、ブリッジファイバ３０で発散する光の発散角θｉｎは、下記式（２）を満たせば良いことになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　つまり、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光がコリメート光ではない場合であっても、ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射する光の発散角が式（２）を満たすように、ＧＲＩＮレンズ５０及びブリッジファイバ３０及び出力用光ファイバ４０が構成されていれば、出力用光ファイバ４０から光が漏えいすることを防止できる。
　なお、本発明者らは、ブリッジファイバ３０に入射する光の内、発散角が大きな成分は、強度が弱いため、この発散角が大きな成分の光が上記式（２）を満たさずに出力用光ファイバ４０において漏えいする場合であっても、出力用光ファイバ４０において漏えいする光を抑制することができることを見出した。ブリッジファイバ３０に入射する光の内、発散角が大きな成分が出力用光ファイバ４０で漏えいすることを許容することにより、ＧＲＩＮレンズ５０及びブリッジファイバ３０及び出力用光ファイバ４０の設計に余裕を持たすことができる。
　ここで、入力用光ファイバ２０から波長λの光が出射することで、ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射する光の波長がλである場合、ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射した光の発散角θｂｅａｍは、下記式（３）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 但し、ｄσ０は、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光のビームウェスト直径であり、光のパワー密度分布の２次モーメントで定義される。また、Ｍ２は、ガウシアンビームからのズレを示す因子（Beam Propagation Ratio）であってＩＳＯ１１１４６－１に準拠するものである。
　式（３）のθｂｅａｍは、Ｍ２＝１のときはＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射する光の内、ビーム強度がピークの１／ｅ２で定義されるビーム径をもつ成分の発散角を示している。１／ｅ２は、約１３．５％である。従って、ブリッジファイバ３０に入射する光の内、入射角がθｂｅａｍ内に含まれる光のパワーは、ブリッジファイバ３０に入射する光の全パワーの（１－１／ｅ２）となる。（１－１／ｅ２）は、約８６．５％である。このθｂｅａｍ内に含まれる光が、出力用光ファイバ４０に入射するときに、その発散角がθｍａｘ以下である場合、入力用光ファイバ２０から直接ブリッジファイバ３０に光が入射する場合と比べて、出力用光ファイバ４０で光が漏えいすることを抑制することができる。
　この場合、上記の式（２）において、θｉｎをθｂｅａｍに置き換えればよい。このように式（２）においてθｉｎをθｂｅａｍに置き換えて変形すると下記式（４）を得る。従って、下記式（４）を満たすようにＧＲＩＮレンズ５０及びブリッジファイバ３０及び出力用光ファイバ４０が構成されることにより、出力用光ファイバ４０で光が漏えいすることを抑制することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　また、ブリッジファイバ３０に入射する光の内、入射角がθｂｅａｍの１．５倍の内側に含まれる光は、ブリッジファイバ３０に入射する光の全パワーの内、約９８．９％を含むことになる。この入射角がθｂｅａｍの１．５倍の内側に含まれる光を出力用光ファイバ４０に入射して、出力用光ファイバ４０で漏えいすることを防止するためには、式（３）のθｂｅａｍを１．５倍が、θｍａｘ以下であればよい。この場合、ＧＲＩＮレンズ５０及びブリッジファイバ３０は、下記式（５）を満たすように構成されれば良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　さらに、ブリッジファイバ３０に入射する光の内、入射角がθｂｅａｍの２倍の内側に含まれる光は、ブリッジファイバ３０に入射する光の全パワーの内、約９９．９７％を含むことになる。この入射角がθｂｅａｍの２倍の内側に含まれる光を出力用光ファイバ４０に入射して、出力用光ファイバ４０で漏えいすることを防止するためには、式（３）のθｂｅａｍを２倍が、θｍａｘ以下であればよい。この場合、ＧＲＩＮレンズ５０及びブリッジファイバ３０は、下記式（６）を満たすように構成されれば良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　式（６）を満たすように構成されるＧＲＩＮレンズ５０及びブリッジファイバ３０及び出力用光ファイバ４０によれば、出力用光ファイバ４０から漏えいする光は、僅かであるため、この式（６）を満たすことは、式（２）を満たすことと略同意となる。
　以上のように、ブリッジファイバ３０に入射する光の内、発散角が大きな成分が出力用光ファイバ４０に入射後に漏えいする場合であっても、入力用光ファイバ２０から直接ブリッジファイバ３０に光が入射する場合と比べて、出力用光ファイバ４０において漏えいする光を抑制することができる。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について図３を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。
　図３は、本発明の第２実施形態に係る光ファイバコンバイナを示す図である。図３に示すように、本実施形態の光ファイバコンバイナ２は、第１実施形態のブリッジファイバ３０の代わりにブリッジファイバ３０ａが用いられている点において、第１実施形態の光ファイバコンバイナ１と異なる。ブリッジファイバ３０ａは、コア－クラッド構造を有する点において、第１実施形態のブリッジファイバ３０と異なる。具体的には、第１実施形態のブリッジファイバ３０と同様の構成であるコア３１と、コア３１の外周面を隙間なく囲むクラッド３２とを有する。クラッド３２は、コア３１よりも低い屈折率とされ、コア３１が、第１実施形態のブリッジファイバ３０と同様にして、例えば、ゲルマニウム等の屈折率を挙げる石英から成る場合、例えば、純粋な石英から成る。
　それぞれのＧＲＩＮレンズ５０は、一方の端面３６においてコア３１に融着される。従って、それぞれのＧＲＩＮレンズ５０は、コア３１と光学的に結合する。また、ブリッジファイバ３０ａの他方の端面３７におけるコア３１は、出力用光ファイバ４０のコア４１と融着され、ブリッジファイバ３０ａの他方の端面３７におけるクラッド３２は、出力用光ファイバ４０のクラッド４２と融着される。この場合、ブリッジファイバ３０ａの他方の端面３７におけるクラッド３２の外径、及び、出力用光ファイバ４０のクラッド４２の外径は、特に限定されないが、例えば、共に１２５μｍとされる。このように出力用光ファイバ４０のコア４１及びクラッド４２がブリッジファイバ３０ａに融着されることにより、第１実施形態の光ファイバコンバイナ１と比べると、ブリッジファイバ３０ａと出力用光ファイバ４０との接続強度を高くすることができる。従って、本実施形態の光ファイバコンバイナ２は、衝撃が加わる場合であっても、信頼性を高くすることができる。
　このような光ファイバコンバイナ２においては、入力用光ファイバ２０から出射する光は、ＧＲＩＮレンズ５０を介して、ブリッジファイバ３０ａのコア３１に入射する。つまり、一方の端面３６におけるコア３１の領域が光の入射面とされる。このときコア３１への光の入射は、第１実施形態のブリッジファイバ３０への光の入射と同様である。ブリッジファイバ３０のコア３１に入射した光は、第１実施形態のブリッジファイバ３０内を伝播する光と同様にして、コア３１内を伝播する。そして、テーパ部３４内において、発散角が大きくされた状態で、ブリッジファイバ３０ａの他方の端面３７から出射して、出力用光ファイバ４０のコア４１に入射する。つまり、他方の端面３６におけるコア３１の領域が光の出射面とされる。
　本実施形態においても、光が入力用光ファイバ２０から直接ブリッジファイバ３０のコア３１に入射する場合の発散角と比べて、ＧＲＩＮレンズ５０により発散角が小さく抑えられた状態で、ブリッジファイバ３０ａのコア３１に光が入射するため、出力用光ファイバ４０に入射する光の発散角を小さくすることができる。従って、出力用光ファイバ４０における光の損失を抑制することができる。また、本実施形態の光ファイバコンバイナ２によれば、ブリッジファイバ３０ａに入射した光は、コア３１とクラッド３２との境界で反射するため、光がブリッジファイバ３０ａの外周面まで到達することを防止することができる。従って、ブリッジファイバ３０ａの外周面に触れる外部の物に光が吸収されて発熱することを防止することができる。従って、より優れた安全性を有する光ファイバコンバイナとすることができる。
　なお、第１実施形態の式（１）～式（６）において、ブリッジファイバ３０の入射面である一方の端面３６の直径をＤｉｎとし、光の出射面である他方の端面３７の直径をＤｏｕｔとし、ＧＲＩＮレンズ５０から出射してブリッジファイバ３０に入射する光の発散角をθｉｎとし、ブリッジファイバ３０から出射する光の発散角をθｏｕｔとし、ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射する光の内、ビームウェスト直径から算出される光の発散角をθｂｅａｍとした。本実施形態においては、第１実施形態のＤｉｎをブリッジファイバ３０ａの一方の端面３６におけるコア３１の直径とし、第１実施形態のＤｏｕｔをブリッジファイバ３０ａの他方の端面３７におけるコア３１の直径とし、第１実施形態のθｉｎをＧＲＩＮレンズ５０から出射してブリッジファイバ３０ａのコア３１に入射する光の発散角とし、第１実施形態のθｏｕｔをブリッジファイバ３０ａのコア３１から出射する光の発散角とし、第１実施形態のθｂｅａｍをＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０ａのコア３１に入射する光の内、ビームウェスト直径から算出される光の発散角として、式（１）～式（６）に当てはめれば良い。この場合であっても、ブリッジファイバ３０ａのコア３１に入射する光の内、発散角が大きな成分が出力用光ファイバ４０に入射後に漏えいする場合であっても、入力用光ファイバ２０から直接ブリッジファイバ３０ａのコア３１に光が入射する場合と比べて、出力用光ファイバ４０において漏えいする光を抑制することができる。
　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態について図４を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。
　図４は、本発明の第３実施形態に係る光ファイバコンバイナを示す図である。図４に示すように、本実施形態の光ファイバコンバイナ３は、第１実施形態のそれぞれのＧＲＩＮレンズ５０とブリッジファイバ３０との間に配される複数の中間ロッド６０備える点において、第１実施形態の光ファイバコンバイナ１と異なる。
　中間ロッド６０は、ブリッジファイバ３０と略同じ屈折率とされ、ＧＲＩＮレンズ５０と略同じ直径を有する円柱形状のガラスロッドとされる。従って、中間ロッド６０は屈折率分布を有さない。そして、それぞれの中間ロッド６０の一方の端面６６は、ＧＲＩＮレンズ５０の他方の端面５７と融着され、中間ロッド６０の他方の端面６７は、ブリッジファイバ３０の一方の端面３６と融着されている。
　このような光ファイバコンバイナ３においては、入力用光ファイバ２０から出射する光は、ＧＲＩＮレンズ５０を介して、中間ロッド６０に入射する。そして、中間ロッド６０に入射した光は、中間ロッド６０からブリッジファイバ３０に入射する。以降、第１実施形態と同様にして、ブリッジファイバ３０内を光が伝播して、出力用光ファイバ４０のコア４１に入射する。
　本実施形態においても、光が入力用光ファイバ２０から直接ブリッジファイバ３０に入射する場合の発散角と比べて、入力用光ファイバ２０から出射する光は、ＧＲＩＮレンズ５０により発散角が小さく抑えられた状態で、中間ロッド６０を介して、ブリッジファイバ３０に入射する。従って、出力用光ファイバ４０に入射する光の発散角を小さくすることができる。よって、出力用光ファイバ４０における光の損失を抑制することができる。
　なお、第１実施形態の式（１）～式（６）において、ＧＲＩＮレンズ５０から出射してブリッジファイバ３０に入射する光の発散角をθｉｎとし、ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射する光の内、ビームウェスト直径から算出される光の発散角をθｂｅａｍとした。本実施形態においては、第１実施形態のθｉｎをＧＲＩＮレンズ５０から出射して中間ロッド６０を介してブリッジファイバ３０に入射する光の発散角とし、第１実施形態のθｂｅａｍをＧＲＩＮレンズ５０から中間ロッド６０を介してブリッジファイバ３０に入射する光の内、ビームウェスト直径から算出される光の発散角として、式（１）～式（６）に当てはめれば良い。本実施形態においても、ブリッジファイバ３０に入射する光の内、発散角が大きな成分が出力用光ファイバ４０に入射後に漏えいする場合であっても、入力用光ファイバ２０から直接ブリッジファイバ３０に光が入射する場合と比べて、出力用光ファイバ４０において漏えいする光を抑制することができる。
　また、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光がブリッジファイバ３０に入射する場合、第１実施形態の光ファイバコンバイナ１のようにＧＲＩＮレンズ５０とブリッジファイバ３０とが互いに融着されることが、互いに融着されない場合と比べて、反射等による光の損失を低減することができるため好ましい。しかし、ブリッジファイバ３０には複数のＧＲＩＮレンズ５０が融着されるため、個々のＧＲＩＮレンズ５０の融着面である他方の端面５７の面積に対して、ブリッジファイバ３０の融着面である一方の端面３６の面積は大きい。このため、ブリッジファイバ３０の融着面近傍における熱容量は、ＧＲＩＮレンズ５０の融着面近傍における熱容量よりも大きい。従って、ＧＲＩＮレンズ５０とブリッジファイバ３０とを融着するとき、それぞれのＧＲＩＮレンズ５０の融着面近傍の温度は、ブリッジファイバ３０の融着面近傍の温度よりも高くなる傾向がある。従って、融着により、ＧＲＩＮレンズ５０における融着面近傍の形状が変形することで、ＧＲＩＮレンズ５０の屈折特性が変化してしまう場合がある。さらに、ＧＲＩＮレンズ５０には、屈折率分布をもたせるためにドーパントが添加されている。添加されるドーパントの種類によっては、ＧＲＩＮレンズ５０の軟化点は低くなる場合があり、融着によりＧＲＩＮレンズ５０の融着点近傍がより変形し易い。
　しかし、本実施形態の光ファイバコンバイナ３のように、それぞれのＧＲＩＮレンズ５０をそれぞれの中間ロッド６０に融着することで、ＧＲＩＮレンズ５０の変形を抑制することができる。これは、次の理由による。すなわち、複数の中間ロッド６０は、それぞれブリッジファイバ３０に融着されることから、それぞれの中間ロッド６０の直径は、ブリッジファイバ３０の非縮径部３３の直径よりも小さい。このため、中間ロッド６０の一方の端面６６近傍の熱容量は、ブリッジファイバ３０の一方の端面３６近傍の熱容量よりも小さい。特に本実施形態においては、中間ロッド６０の直径とＧＲＩＮレンズ５０の直径が同等とされるため、中間ロッド６０の一方の端面６６近傍の熱容量は、ＧＲＩＮレンズ５０の他方の端面５７近傍の熱容量と殆ど変らない。このため、ＧＲＩＮレンズ５０の温度が必要以上に上昇する前に融着することができる。従って、第１実施形態のようにブリッジファイバ３０とＧＲＩＮレンズ５０とが直接融着される場合と比べて、融着によりＧＲＩＮレンズ５０が変形することを抑制することができる。特に、上記のように、ＧＲＩＮレンズ５０に軟化点を低下させる作用を有するゲルマニウム等のドーパントが添加されている場合には、中間ロッド６０が導入される効果が大きい。従って、本実施形態の光ファイバコンバイナ３は、ＧＲＩＮレンズ５０の特性が変化することを抑制することができ、設計値により近い光を出力用光ファイバ４０に入射することができる。
　なお、中間ロッド６０とブリッジファイバ３０との融着においては、それぞれの融着面近傍の熱容量の違いによって中間ロッド６０が変形する場合がある。しかし、中間ロッド６０は屈折率分布を有さないため、変形したとしても光に対する影響は小さい。
　次に、上記光ファイバコンバイナを用いたレーザ装置について、図５を用いて説明する。なお、ここでの説明は、第１実施形態の光ファイバコンバイナ１を用いて説明するが、光ファイバコンバイナ１に代えて、第２実施形態の光ファイバコンバイナ２や、第３実施形態の光ファイバコンバイナ３を用いても良い。
　図５は、本発明のレーザ装置を示す図である。図５に示すように、レーザ装置１００は、レーザ光を出射する複数のレーザ部１０と、複数のレーザ部１０から出射するレーザ光を伝播する入力用光ファイバ２０と、上述の光ファイバコンバイナ１と、出力用光ファイバ４０と、光出射用エンドキャップ４５と、を主な構成として備える。
　それぞれのレーザ部１０は、レーザ光を出力する限りにおいて、特に限定されないが、例えば、ファイバレーザ装置や、半導体レーザ装置から成る。これらのレーザ部１０の出力部には、入力用光ファイバ２０が接続されており、この入力用光ファイバ２０の少なくとも一部が、上述の光ファイバコンバイナ１の入力用光ファイバ２０とされる。また、光ファイバコンバイナ１の出力用光ファイバ４０が延長されて、レーザ装置１００の出力用光ファイバとされており、その端部に光出射用エンドキャップ４５が融着されている。光出射用エンドキャップ４５は、出力用光ファイバ４０のコア４１よりも直径が大きいガラスロッドから構成されており、出力用光ファイバ４０が融着される側の端面と反対側の端面が出射面とされる。
　このようなレーザ装置１００において、それぞれのレーザ部１０からレーザ光が出射されると、入力用光ファイバ２０を伝播して、光ファイバコンバイナ１に到達する。光ファイバコンバイナ１においては、上述のように、入力用光ファイバ２０からＧＲＩＮレンズ５０にレーザ光が入射して、上述のように発散角が小さくされる。そして、発散角が小さくされたレーザ光は、ブリッジファイバ３０に入射し、ブリッジファイバ３０のテーパ部３４にて纏められて、ブリッジファイバ３０から出力用光ファイバ４０に入射する。このとき上述のように、光ファイバコンバイナ１では、出力用光ファイバ４０において、光の損失が抑制されるため、それぞれのレーザ部１０から出射されたレーザ光が、効率良く出力用光ファイバ４０に入力する。そして、出力用光ファイバ４０を伝播するレーザ光は、光出射用エンドキャップ４５に入射し、直径が広がり、光出射用エンドキャップ４５の出力面から出射する。
　本発明のレーザ装置１００によれば、光ファイバコンバイナ１において、光の損失が抑制されるため、それぞれのレーザ部１０から出射するレーザ光を効率の良く光出射用エンドキャップ４５から出射することができる。なお、レーザ装置１００において、上述のように光ファイバコンバイナ１に代え、光ファイバコンバイナ２または、光ファイバコンバイナ３を用いても、それぞれのレーザ部１０から出射するレーザ光を効率の良く光出射用エンドキャップ４５から出射することができる。
　以上、本発明について、実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　例えば、第３実施形態の光ファイバコンバイナ３において、ブリッジファイバ３０に代えて、第２実施形態のブリッジファイバ３０ａを用いても良い。
　また、第１実施形態、第２実施形態において、入力用光ファイバ２０とＧＲＩＮレンズ５０とが融着されずに、コア２１とＧＲＩＮレンズ５０とが光学的に結合しても良く、また、ＧＲＩＮレンズ５０とブリッジファイバ３０とが融着されずに、光学的に結合しても良い。また、それぞれの実施形態において、ブリッジファイバ３０と出力用光ファイバ４０とが融着されずに、光学的に結合しても良い。
　また、上記実施形態においては、発散角低減部材としてＧＲＩＮレンズ５０を例に説明したが、発散角低減部材は、入力用光ファイバ２０から出射する光の発散角を小さくする限りにおいて、ＧＲＩＮレンズ５０に限らない。例えば、光ファイバが熱せられることで、コアに含まれる屈折率を上昇させるゲルマニウム等のドーパントが、クラッドに拡散されたＴＥＣファイバ（Thermally-diffused Expanded Core Fiber）等を用いても良い。この場合、入力用光ファイバ２０の端部を熱してＴＥＣファイバとすることで、入力用光ファイバ２０と発散角低減部材とを一体とすることができる。
　また、上述のレーザ装置１００では、光ファイバコンバイナ１のそれぞれの入力用光ファイバ２０が延長され、それぞれのレーザ部１０からのレーザ光が直接入射されていたが、それぞれのレーザ部１０から、他の光ファイバを介して、入力用光ファイバ２０にレーザ光が入射されても良い。また、上述のレーザ装置１００では、光ファイバコンバイナ１の出力用光ファイバ４０が延長されて、レーザ光は、出力用光ファイバ４０から直接光出射用エンドキャップ４５に伝播されたが、他の光ファイバを介して、光出射用エンドキャップに伝播されても良い。
　以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものでは無い。
　（実施例１）
　１本の入力用光ファイバと、１つのＧＲＩＮレンズと、ブリッジファイバと、出力用光ファイバとを準備した。入力用光ファイバは、コアの直径が１０μｍで、クラッドの外径が１２５μｍのシングルモードファイバとした。ＧＲＩＮレンズは、直径が１２５μｍで、長さが入力用光ファイバから出力させる光の波長に対する０．２５ピッチ長である１．４ｍｍとした。ブリッジファイバは、第１実施形態と同様のブリッジファイバでコア－クラッド構造を有しないものであり、全長を６０ｍｍ、テーパ部の長さを３０ｍｍ、光の入射面となる非縮径部側の端面の直径を４５０μｍ、光の出射面となるテーパ部の縮径された側の端面の直径を１００μｍとした。出力用光ファイバは、コアの直径が１００μｍで、クラッドの外径が１２５μｍのマルチモードファイバとした。
　次に、入力用光ファイバの端面にＧＲＩＮレンズの端面を融着した。更に、ＧＲＩＮレンズの中心軸とブリッジファイバの中心軸とを合わせて、ＧＲＩＮレンズの端面とブリッジファイバの縮径されていない側の端面とを融着した。更に、ブリッジファイバの縮径された側の端面に出力用光ファイバのコアを融着した。なお、ブリッジファイバの縮径された側の端面と、出力用光ファイバのコアとは、同じ直径であるため、融着点において、ブリッジファイバと出力用光ファイバのコアとは、外周が一致していた。
　次に、入力用光ファイバにＧＲＩＮレンズの長さが０．２５ピッチ長となる波長の光を入射して、出力用光ファイバから出射する光の強度を観察し、光の接続損失を測定した。
　次に、ＧＲＩＮレンズがブリッジファイバに融着される位置を、ブリッジファイバの中心軸から徐々にオフセットさせて、上記と同様にして光の接続損失を測定した。このＧＲＩＮレンズがブリッジファイバの中心軸からオフセットする距離と、接続損失との関係を図６に示す。
　図６に示すように、オフセット量がブリッジファイバの中心軸から１５０μｍずれていても、然程接続損失に影響しないことが分かる。ここでＧＲＩＮレンズの直径が１２５μｍであることを考慮すると、ブリッジファイバにＧＲＩＮレンズを３本並べて接続しても、それぞれのＧＲＩＮレンズから出射する光の接続損失は然程変わらないこととなる。従って、第１実施形態と同様にして、入力用光ファイバに接続されたＧＲＩＮレンズを中心に１つ配置して、更に入力用光ファイバに接続されたＧＲＩＮレンズをその周りに６つ配置しても、それぞれのＧＲＩＮレンズから出射する光の接続損失は然程変わらないこととなる。
　そこで、実施例１の入力用光ファイバ７本とＧＲＩＮレンズ７つをそれぞれ準備して、それぞれの入力用光ファイバの端面にＧＲＩＮレンズを融着し、１つのＧＲＩＮレンズの周りに６つのＧＲＩＮレンズが配置されるようにして、それぞれのＧＲＩＮレンズを実施例１の出力用光ファイバが融着されたブリッジファイバに融着して、光ファイバコンバイナを作製した。次にそれぞれの入力用光ファイバにレーザ光を入射して、出力用光ファイバから出射する光の強度を観察し、光の接続損失を測定した。その結果、光の損失は３％であった。
　（比較例１）
　ＧＲＩＮレンズを介さず、入力用光ファイバを直接ブリッジファイバに融着したこと以外は、実施例１と同様にして接続損失を測定した。その結果を図６に示す。
　図６に示すように、実施例１と比べると、接続損失が大きい結果となった。
　次に、実施例１の入力用光ファイバ７本準備して、１本の入力用光ファイバの周りに６つの入力用光ファイバが配置されるようにして、それぞれの入力用光ファイバを実施例１の出力用光ファイバが融着されたブリッジファイバに融着して、光ファイバコンバイナを作製した。次にそれぞれの入力用光ファイバにレーザ光を入射して、出力用光ファイバから出射する光の強度を観察し、光の接続損失を測定した。その結果、光の損失は３６％であり、実施例１で作製した光ファイバコンバイナより光の損失が大きい結果となった。
　以上より、本発明の光ファイバコンバイナによれば、接続損失が抑制されることが示された。よって、本発明の光ファイバコンバイナによれば効率良く光が伝播されることが確認された。
　本発明によれば、光の損失を抑制することができる光ファイバコンバイナ、及び、それを用いたレーザ装置が提供され、加工用レーザ装置や、医療用レーザ装置等に利用することができる。
　１～３・・・光ファイバコンバイナ
　１０・・・レーザ部
　２０・・・入力用光ファイバ
　２１・・・コア
　２２・・・クラッド
　３０，３０ａ・・・ブリッジファイバ
　３１・・・コア
　３２・・・クラッド
　３３・・・非縮径部
　３４・・・テーパ部
　４０・・・出力用光ファイバ
　４１・・・コア
　４２・・・クラッド
　４３・・・被覆層
　４５・・・光出射用エンドキャップ
　５０・・・ＧＲＩＮレンズ（発散角低減部材）
　６０・・・中間ロッド
　１００・・・レーザ装置

Claims (10)

  1. 　複数の入力用光ファイバと、
    　それぞれの前記入力用光ファイバから出射した光が入射し、前記入力用光ファイバからの光を入射時よりも発散角が小さくされた状態で出射する複数の発散角低減部材と、
    　それぞれの前記発散角低減部材から出射する光が入射し、入射した光が伝播する部位が前記発散角低減部材側から離れるに従い徐々に縮径されるテーパ部を有するブリッジファイバと、
    　前記ブリッジファイバの前記発散角低減部材側と反対側から出射した光が入射する出力用光ファイバと、
    を備える
    ことを特徴とする光ファイバコンバイナ。
  2. 　前記ブリッジファイバは、コアとクラッドとを有し、
    　それぞれの前記発散角低減部材から入射した光は、前記ブリッジファイバの前記コアを伝播する
    ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバコンバイナ。
  3. 　前記出力用光ファイバは、コアとクラッドとを有し、
    　前記ブリッジファイバの前記コアと前記出力用光ファイバの前記コアとが融着されると共に、前記ブリッジファイバの前記クラッドと前記出力用光ファイバの前記クラッドとが融着される
    ことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバコンバイナ。
  4. 　前記発散角低減部材は、ＧＲＩＮレンズであり、
    　前記ＧＲＩＮレンズの長さは、前記入力用光ファイバから出射する光に対する０．５ピッチ長のｎ倍以外とされる（但し、ｎは自然数）
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光ファイバコンバイナ。
  5. 　前記ＧＲＩＮレンズの長さは、前記入力用光ファイバから出射する光に対する０．２５ピッチ長の奇数倍とされる
    ことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバコンバイナ。
  6. 　それぞれの前記発散角低減部材から出射する光は、コリメート光であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光ファイバコンバイナ。
  7. 　前記ブリッジファイバに入射する光の発散角をθｉｎとし、前記ブリッジファイバの前記光が伝播する部位における光の入射面の直径をＤｉｎとし、前記ブリッジファイバの前記光が伝播する部位における光の出射面の直径をＤｏｕｔとし、前記出力用光ファイバが許容する光の入射角の最大角をθｍａｘとする場合、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     を満たす
    ことを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の光ファイバコンバイナ。
  8. 　前記ブリッジファイバの前記光が伝播する部位における光の入射面の直径をＤｉｎとし、前記ブリッジファイバの前記光が伝播する部位における光の出射面の直径をＤｏｕｔとし、前記出力用光ファイバが許容する光の入射角の最大角をθｍａｘとし、前記ブリッジファイバに入射する光の波長をλとする場合、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     を満たす
    ことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の光ファイバコンバイナ。
    （但し、ｄσ０は、前記発散角低減部材から出力する光のビームウェスト直径で、光のパワー密度分布の２次モーメントで定義される値であり、Ｍ２は、ガウシアンビームからのズレを示す因子であって、ＩＳＯ１１１４６－１に準拠する値である。）
  9. 　それぞれの前記発散角低減部材と前記ブリッジファイバとの間に配され、屈折率分布を有さない複数の中間ロッドを更に備え、
    　それぞれの前記中間ロッドは、一方側がそれぞれの前記発散角低減部材に融着され、他方側が前記ブリッジファイバに融着され、
    　前記発散角低減部材から出射する光は、前記中間ロッドを介して、前記ブリッジファイバに入射する
    ことを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の光ファイバコンバイナ。
  10. 　請求項１～９のいずれか１項に記載の光ファイバコンバイナと、
    　それぞれの前記入力用光ファイバにそれぞれレーザ光を入射する複数のレーザ部と、
    を備えることを特徴とするレーザ装置。
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