JP2005148223A - Optical waveguide and optical energy transmitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光を小径の領域に集光することができる光エネルギ伝送装置、および、このような光エネルギ伝送装置において光を導波するのに好適に用いられる光導波路に関するものである。 The present invention relates to an optical energy transmission device capable of condensing light in a small-diameter region, and an optical waveguide preferably used for guiding light in such an optical energy transmission device.
例えば特許文献1に開示されたレーザダイオードアレイは、複数のレーザダイオードがアレイ配置されたものであって、高い輝度を実現することができる。
上記のようなレーザダイオードアレイでは、レンズを用いることで、個々のレーザダイオードから出力される光は、互いに異なる小径の領域に集光され得る。しかし、全てのレーザダイオードから出力される光を共通の小径の領域に集光する手段は見出されていない。また、レーザダイオードアレイから出力される光に限らず、空間的にインコヒーレントな光を小径の領域に集光する手段は見出されていない。 In the laser diode array as described above, by using the lens, the light output from each laser diode can be condensed in different small diameter regions. However, no means has been found for condensing the light output from all the laser diodes in a common small diameter region. Further, a means for condensing not only the light output from the laser diode array but also spatially incoherent light in a small diameter region has not been found.
なお、空間的にコヒーレントな光とは、その光の伝搬方向に垂直な平面内の異なる位置での光の位相の間に完全な相関がある光をいう。空間的にインコヒーレントな光とは、空間的にコヒーレントではない光をいう。レーザダイオードアレイから出力される光は、個々のレーザダイオードから出力される光の位相の間に相関がないから、空間的にインコヒーレントである。 Note that spatially coherent light refers to light having a complete correlation between the phases of light at different positions in a plane perpendicular to the propagation direction of the light. Spatial incoherent light refers to light that is not spatially coherent. The light output from the laser diode array is spatially incoherent because there is no correlation between the phases of the light output from the individual laser diodes.
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、空間的にインコヒーレントな光を小径の領域に集光することができる光導波路および光エネルギ伝送装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide an optical waveguide and an optical energy transmission device capable of condensing spatially incoherent light in a small-diameter region. To do.
本発明に係る光導波路は、第1端から第2端まで延びる軸を有し、少なくとも1つの光波長において、軸に沿った任意の位置における軸に垂直な断面が、軸を含み平均屈折率Ncoreを有するコア領域と、このコア領域を包囲し平均屈折率Ncoreより低い平均屈折率Ncladを有するクラッド領域とを含み、第1端において軸に沿ってコア領域に導波される光の導波モードを100以上有し、第1端におけるコア領域の断面積をS1とし、第2端におけるコア領域の断面積をS2としたときに、「S2/S1≦0.5」なる関係式を満たす、ことを特徴とする。この光導波路では、導波モードの数が多いので、ビーム品質の高低に拘わらず高い効率で光を導波モードに結合することができ、また、第1端に光を入力して第2端から光を出力することができて、これにより、第2端における光強度を向上することができる。 An optical waveguide according to the present invention has an axis extending from a first end to a second end, and a cross section perpendicular to the axis at an arbitrary position along the axis includes an axis and has an average refractive index at least at one optical wavelength. A core region having an N core and a cladding region surrounding the core region and having an average refractive index N clad lower than the average refractive index N core, and light guided to the core region along the axis at the first end When the cross-sectional area of the core region at the first end is S 1 and the cross-sectional area of the core region at the second end is S 2 , “S 2 / S 1 ≦ 0. 5 ”is satisfied. In this optical waveguide, since the number of guided modes is large, light can be coupled to the guided mode with high efficiency regardless of the quality of the beam quality, and light is input to the first end to input the second end. Can output light, thereby improving the light intensity at the second end.
本発明に係る光導波路は、上記光波長において、第1端におけるコア領域のプロファイル体積をΩ1とし、第2端におけるコア領域のプロファイル体積をΩ2としたときに、「S2/S1<Ω2/Ω1」なる関係式を満たすのが好適である。この場合には、第1端より第2端において、光導波路の光軸に垂直な断面における単位面積あたりの導波モードの数を多くすることができるので、光強度を高くすることができる。 In the optical waveguide according to the present invention, when the profile volume of the core region at the first end is Ω 1 and the profile volume of the core region at the second end is Ω 2 at the optical wavelength, “S 2 / S 1 It is preferable that the relational expression <Ω 2 / Ω 1 ”is satisfied. In this case, since the number of waveguide modes per unit area in the cross section perpendicular to the optical axis of the optical waveguide can be increased from the first end to the second end, the light intensity can be increased.
本発明に係る光導波路は、上記光波長において、軸に沿った任意の位置における軸に垂直な断面が、軸を含み平均屈折率N1を有する第1領域と、この第1領域を包囲し平均屈折率N2を有する第2領域と、この第2領域を包囲し平均屈折率N3を有する第3領域とを含み、平均屈折率N1,N2,N3が「N2 2−N3 2>N1 2−N2 2>0」なる関係式を満たすのが好適である。この場合には、「N1>N2>N3」であることから、第1端において第1領域がコア領域として光を導波することができ、第2端において第1領域および第2領域がコア領域として光を導波することができる。また、「N2 2−N3 2>N1 2−N2 2」であることから、第1端より第2端において、光導波路の光軸に垂直な断面における単位面積あたりの導波モードの数を多くすることができるので、光強度を高くすることができる。また、第1端における第1領域の面積S1が25mm2以上であり、第2端における第1領域および第2領域それぞれの面積の和S2が4mm2以下であるのが好適であり、この場合には、第1端におけるコア径が大きいので、大口径の光源を結合するのが容易であり、第2端におけるコア径が小さいので、高強度の光出力を得ることができる。 An optical waveguide according to the present invention is the above-mentioned optical wavelength cross-section perpendicular to the axis at an arbitrary position along the axis, surrounds the first region having an average refractive index N 1 comprises a shaft, the first region A second region having an average refractive index N 2 and a third region surrounding the second region and having an average refractive index N 3 , and the average refractive indexes N 1 , N 2 , and N 3 are “N 2 2 − It is preferable that the relational expression of “N 3 2 > N 1 2 −N 2 2 > 0” is satisfied. In this case, since “N 1 > N 2 > N 3 ”, the first region can guide light as a core region at the first end, and the first region and the second region can be guided at the second end. The region can guide light as a core region. In addition, since “N 2 2 −N 3 2 > N 1 2 −N 2 2 ”, the waveguide mode per unit area in the cross section perpendicular to the optical axis of the optical waveguide from the first end to the second end. Therefore, the light intensity can be increased. The area S 1 of the first region in the first end is at 25 mm 2 or more, the sum S 2 of the first and second regions each area in the second end is suitable to be 4 mm 2 or less, In this case, since the core diameter at the first end is large, it is easy to couple a large-diameter light source, and since the core diameter at the second end is small, a high-intensity light output can be obtained.
本発明に係る光導波路は、上記光波長において、軸に沿った任意の位置における軸に垂直な断面が、軸を含み平均屈折率N1を有する第1領域と、この第1領域を包囲し平均屈折率N2を有する第2領域とを含み、第2端において第2領域が平均屈折率N3を有する包囲媒質により包囲されており、平均屈折率N1,N2,N3が「N2 2−N3 2>N1 2−N2 2>0」なる関係式を満たすのが好適である。この場合には、「N1>N2>N3」であることから、第1端において第1領域がコア領域として光を導波することができ、第2端において第1領域および第2領域がコア領域として光を導波することができる。また、「N2 2−N3 2>N1 2−N2 2」であることから、第1端より第2端において、光導波路の光軸に垂直な断面における単位面積あたりの導波モードの数を多くすることができるので、光強度を高くすることができる。また、第1端における第1領域の面積S1が25mm2以上であり、第2端における第1領域および第2領域それぞれの面積の和S2が4mm2以下であり、包囲媒質が気体であるのが好適であり、この場合には、第1端におけるコア径が大きいので、大口径の光源を結合するのが容易であり、第2端におけるコア径が小さいので、高強度の光出力を得ることができる。 An optical waveguide according to the present invention is the above-mentioned optical wavelength cross-section perpendicular to the axis at an arbitrary position along the axis, surrounds the first region having an average refractive index N 1 comprises a shaft, the first region A second region having an average refractive index N 2 , and the second region is surrounded by a surrounding medium having an average refractive index N 3 at the second end, and the average refractive indexes N 1 , N 2 , and N 3 are “ It is preferable that the relational expression “N 2 2 −N 3 2 > N 1 2 −N 2 2 > 0” is satisfied. In this case, since “N 1 > N 2 > N 3 ”, the first region can guide light as a core region at the first end, and the first region and the second region can be guided at the second end. The region can guide light as a core region. In addition, since “N 2 2 −N 3 2 > N 1 2 −N 2 2 ”, the waveguide mode per unit area in the cross section perpendicular to the optical axis of the optical waveguide from the first end to the second end. Therefore, the light intensity can be increased. Further, the area S 1 of the first region at the first end is 25 mm 2 or more, the sum S 2 of the areas of the first region and the second region at the second end is 4 mm 2 or less, and the surrounding medium is gas. In this case, since the core diameter at the first end is large, it is easy to couple a large-diameter light source, and since the core diameter at the second end is small, a high-intensity light output is possible. Can be obtained.
本発明に係る光エネルギ伝送装置は、上記の本発明に係る光導波路と、上記光波長の光を出力する光源と、を備え、光源から出力される光が光導波路の第1端のコア領域に結合されることを特徴とする。また、光源から出力される光が空間的にインコヒーレントであるのが好適である。この光エネルギ伝送装置では、光源から出力された光は、光導波路の第1端に入力し、光導波路により伝送されて、光導波路の第2端から外部へ出力される。このとき、第2端では、第1端に比べてコア領域の断面積が小さく、単位面積あたりの導波モード数が多いため、光源単独の場合に比べて、高強度の光出力が得られる。 An optical energy transmission device according to the present invention includes the optical waveguide according to the present invention described above and a light source that outputs light having the light wavelength, and the light output from the light source is a core region at the first end of the optical waveguide. It is characterized by being coupled to. In addition, it is preferable that the light output from the light source is spatially incoherent. In this optical energy transmission device, light output from the light source is input to the first end of the optical waveguide, transmitted through the optical waveguide, and output from the second end of the optical waveguide to the outside. At this time, at the second end, since the cross-sectional area of the core region is smaller than that of the first end and the number of guided modes per unit area is large, a high-intensity light output can be obtained compared to the case of the light source alone. .
本発明に係る光導波路は、上記光波長において、第1端においてコア領域に導波される光の複数の導波モードが第1モード群および第2モード群からなり、上記光波長において、第1端における第1モード群に属する導波モードの数をLとし、第2端においてコア領域に導波される光の導波モードの数をNとしたときに、「N/L≧1/2」なる関係式を満たし、第1端における第2モード群に属する任意の導波モードと、第2端においてコア領域に導波される光の任意の導波モードとの間で、光結合が実質的に無視できるのが好適である。この光導波路では、第2端における導波モードに結合される第1端における導波モードを、第1端において選択的に励振することにより、第1端における光強度より高い光強度を第2端において得ることができる。 In the optical waveguide according to the present invention, at the optical wavelength, a plurality of guided modes of light guided to the core region at the first end includes a first mode group and a second mode group. When the number of guided modes belonging to the first mode group at one end is L and the number of guided modes of light guided to the core region at the second end is N, “N / L ≧ 1 / 2 ”and the optical coupling between an arbitrary guided mode belonging to the second mode group at the first end and an arbitrary guided mode of light guided to the core region at the second end. Is substantially negligible. In this optical waveguide, the waveguide mode at the first end coupled to the waveguide mode at the second end is selectively excited at the first end, so that the second light intensity higher than the light intensity at the first end is obtained. Can be obtained at the edge.
本発明に係る光エネルギ伝送装置は、上記の本発明に係る光導波路と、上記光波長の光を出力する光源と、を備え、光源から出力される光が光導波路の第1端における第1モード群に属する導波モードに結合されることを特徴とする。また、光源から出力される光が空間的にインコヒーレントであるのが好適である。この光エネルギ伝送装置では、光源から出力された光は、光導波路の第1端に入力して、第1モード群に属する導波モードに高効率に結合され、光導波路により伝送されて、光導波路の第2端から外部へ出力される。このとき、第1端に入力した光のパワーに実質的に等しいパワーの光が第2端において得られ、第2端では、第1端に比べてコア領域の断面積が小さいため、光源単独の場合に比べて、高強度の光出力が得られる。 An optical energy transmission device according to the present invention includes the above-described optical waveguide according to the present invention and a light source that outputs light having the above-described light wavelength, and light output from the light source is a first light at a first end of the optical waveguide. It is characterized by being coupled to a waveguide mode belonging to a mode group. In addition, it is preferable that the light output from the light source is spatially incoherent. In this optical energy transmission device, the light output from the light source is input to the first end of the optical waveguide, is coupled to the waveguide mode belonging to the first mode group with high efficiency, is transmitted through the optical waveguide, Output from the second end of the waveguide to the outside. At this time, light having a power substantially equal to the power of the light input to the first end is obtained at the second end, and the cross-sectional area of the core region is smaller at the second end than at the first end. Compared with the case, a high-intensity light output can be obtained.
本発明に係る光導波路は、上記光波長において、軸に沿った任意の位置における軸に垂直な断面が、平均屈折率N1を有する第1領域と、この第1領域を包囲し平均屈折率N2を有する第2領域と、この第2領域を包囲し平均屈折率N3を有する第3領域とを含み、平均屈折率N1,N2,N3が「N1>N2>N3」なる関係式を満たし、軸に沿った光増幅区間が存在し、この光増幅区間において第1領域が上記光波長の光を吸収する希土類元素を含有するガラスからなるのが好適である。この場合には、「N1>N2>N3」であることから、第1端において第1領域および第2領域がコア領域として光を導波でき、第2端において第1領域がコア領域として光を導波できる。さらに、希土類元素が第1領域に含有されている光増幅区間が存在するため、光パワーを第1端のコア領域に結合して光増幅区間まで伝搬させることによって希土類元素を励起し、励起された希土類元素によって第1領域を伝搬する光を増幅し、増幅された光を第2端のコア領域に導波することができる。その結果、第1端のコア領域に結合された光パワーを効率よく第2端のコア領域に伝達することができ、第2端では第1端に比べてコア領域の面積が「S2/S1≦10−4」と小さいため、第2端において高強度の光出力を得ることができる。 An optical waveguide according to the present invention, in the above-mentioned light wavelength, the cross section perpendicular to the axis at an arbitrary position along the axis, a first region having a mean refractive index N 1, the average refractive index and surrounding the first region A second region having N 2 and a third region surrounding the second region and having an average refractive index N 3 , wherein the average refractive indexes N 1 , N 2 , and N 3 are “N 1 > N 2 > N It is preferable that an optical amplification section along the axis is satisfied and the first region is made of glass containing a rare earth element that absorbs light having the above-described light wavelength. In this case, since “N 1 > N 2 > N 3 ”, the first region and the second region can guide light as the core region at the first end, and the first region is the core at the second end. Light can be guided as a region. Furthermore, since there is an optical amplification section in which the rare earth element is contained in the first region, the rare earth element is excited and excited by coupling the optical power to the core region at the first end and propagating to the optical amplification section. The light propagating through the first region can be amplified by the rare earth element, and the amplified light can be guided to the core region at the second end. As a result, the optical power coupled to the core region at the first end can be efficiently transmitted to the core region at the second end, and the area of the core region at the second end is “S 2 / Since S 1 ≦ 10 −4 ”is small, a high-intensity light output can be obtained at the second end.
本発明に係る光導波路は、希土類元素がYb,Nd,Er,BiおよびPrのうちから選ばれる何れか1つ又は複数であることが好適であり、これによって可視帯から近赤外までの波長域の光を効率よく吸収することができる。 In the optical waveguide according to the present invention, it is preferable that the rare earth element is any one or a plurality selected from Yb, Nd, Er, Bi, and Pr, and thereby the wavelength from the visible band to the near infrared. The light in the region can be absorbed efficiently.
本発明に係る光導波路は、光増幅区間の第1領域を伝搬した光を光増幅区間の第1領域に帰還させる光帰還手段を有するのが好適である。これによって、光増幅区間の第1領域を通過する光を共振させ、励起された希土類元素から効率よく光パワーを取り出すことができる。 The optical waveguide according to the present invention preferably includes an optical feedback means for returning the light propagated through the first region of the optical amplification section to the first region of the optical amplification section. This makes it possible to resonate light passing through the first region of the optical amplification section and efficiently extract optical power from the excited rare earth element.
本発明に係る光導波路は、第1端における第1領域および第2領域それぞれの面積の和S1が25mm2以上であり、第2端における第1領域の面積S2が0.001mm2以下であることが好適である。この場合には、第1端におけるコア径が大きいので、大口径の光源を結合するのが容易であり、第2端におけるコア径が小さいので、高強度の光出力を得ることができる。 An optical waveguide according to the present invention, the sum S 1 of the first region and the second region of each area of the first end is at 25 mm 2 or more, the area S 2 of the first region in the second end 0.001 mm 2 or less It is preferable that In this case, since the core diameter at the first end is large, it is easy to couple a large-diameter light source, and since the core diameter at the second end is small, a high-intensity light output can be obtained.
本発明に係る光導波路は、希土類元素が光を放出する光放出波長において、第2端における第1領域が実質的に単一の空間モードを導波することが好適である。この場合、第2端において空間的にコヒーレントな光出力を得ることができ、レンズ等による集光が容易となる。 In the optical waveguide according to the present invention, it is preferable that the first region at the second end substantially guides a single spatial mode at the light emission wavelength at which the rare earth element emits light. In this case, a spatially coherent light output can be obtained at the second end, and light collection by a lens or the like is facilitated.
本発明に係る光エネルギ伝送装置は、上記の本発明に係る光導波路と、上記光波長の光を出力する光源とを備え、光源から出力される光が光導波路の第1端のコア領域に結合されることを特徴とする。光導波路の光増幅区間の第1領域を伝搬した光を光増幅区間の第1領域に帰還させる光帰還手段を更に有するのが好適である。光源から出力される光が空間的にインコヒーレントであるのが好適である。この光エネルギ伝送装置では、光源から出力された光は、光導波路の第1端に入力され、光増幅区間において希土類元素を励起する。励起された希土類元素は第2端から外部へ出力される光を増幅する。この際、光帰還手段によって光増幅区間を通過する光を共振させることにより希土類元素が吸収したエネルギを効率よく外部へ取り出すことができる。その結果、第1端のコア領域に入力された光エネルギを効率よく第2端のコア領域へ伝達することができ、第2端では第1端に比べてコア領域の面積が小さいため、光源単独の場合に比べて高強度の光出力が得られる。 An optical energy transmission device according to the present invention includes the above-described optical waveguide according to the present invention and a light source that outputs light having the above-described light wavelength, and the light output from the light source is in the core region at the first end of the optical waveguide. It is characterized by being combined. It is preferable to further include an optical feedback means for returning the light propagated through the first region of the optical amplification section of the optical waveguide to the first region of the optical amplification section. The light output from the light source is preferably spatially incoherent. In this optical energy transmission device, the light output from the light source is input to the first end of the optical waveguide and excites the rare earth element in the optical amplification section. The excited rare earth element amplifies light output from the second end to the outside. At this time, the energy absorbed by the rare earth element can be efficiently extracted outside by resonating the light passing through the optical amplification section by the optical feedback means. As a result, the light energy input to the core region at the first end can be efficiently transmitted to the core region at the second end, and the area of the core region at the second end is smaller than that at the first end. High intensity light output can be obtained as compared with the case of a single device.
本発明によれば、空間的にインコヒーレントな光を小径の領域に集光することができる。 According to the present invention, spatially incoherent light can be collected in a small diameter region.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(光導波路の第1実施形態)
先ず、本発明に係る光導波路の第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態に係る光導波路10の説明図である。同図(a)は光導波路10の構成を示し、同図(b)は光導波路10の第1端110における屈折率プロファイルを示し、同図(c)は光導波路10の第2端120における屈折率プロファイルを示す。
(First embodiment of optical waveguide)
First, a first embodiment of an optical waveguide according to the present invention will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram of an
同図(a)に示されるように、光導波路10は、第1端110から第2端120まで直線状または曲線状に延びる軸11を有している。軸11に沿った任意の位置において、軸11に垂直な光導波路10の断面は、軸11を含み平均屈折率N1を有する円形状の第1領域と、この第1領域を包囲し平均屈折率N2を有する環状の第2領域と、この第2領域を包囲し平均屈折率N3を有する環状の第3領域とを含む。
As shown in FIG. 2A, the
第3領域は、ポリマ、カーボンおよび金属などの被覆媒質で被覆されていてもよい。これにより、破断の原因となる光導波路10の側面の外傷の発生や成長が抑制される。
The third region may be coated with a coating medium such as polymer, carbon, and metal. Thereby, generation | occurrence | production and growth of the damage of the side surface of the
これらの平均屈折率N1,N2,N3は、同図(b),(c)にも示されるように下記(1)式で表される関係を満たす。さらに好適には下記(2)式で表される関係をも満たす。 These average refractive indexes N 1 , N 2 , and N 3 satisfy the relationship represented by the following formula (1) as shown in FIGS. More preferably, the relationship expressed by the following formula (2) is also satisfied.
第2端120における第1領域121,第2領域122および第3領域123を含む断面構造と、第2位置140における第1領域141,第2領域142および第3領域143を含む断面構造とは、互いに等しい。軸11に沿った第2端120と第2位置140との間の部分でも、軸11に垂直な断面の構造および寸法は、軸11に沿って一様である。
The cross-sectional structure including the
第1位置130における第1領域131,第2領域132および第3領域133を含む断面構造と、第2位置140における第2領域141,第2領域142および第3領域143を含む断面構造とは、互いに相似である。軸11に沿った第1位置130と第2端140との間のテーパ部150では、軸11に沿って、第3領域の外径が連続的に変化していて、軸11に垂直な断面の構造も連続的に相似的に変化している。
A cross-sectional structure including the first region 131, the
第1端110における第3領域113の外径(すなわち、第1位置130における第3領域133の外径)は、第2端120における第3領域123の外径(すなわち、第2位置140における第3領域143の外径)より大きい。第1領域の外径をD1とし、第2領域の外径をD2とし、第3領域の外径をD3とすると、軸11に沿って、比(D1/D2)は一定であり、比(D2/D3)も一定である。また、軸11に沿って、第1領域の平均屈折率N1は一定であり、第2領域の平均屈折率N2も一定であり、第3領域の平均屈折率N3も一定である。
The outer diameter of the third region 113 at the first end 110 (ie, the outer diameter of the third region 133 at the first position 130) is the outer diameter of the
軸11に沿った第1端110と第1位置130との間の区間では、波長850nmにおいて、第1領域がコア領域として作用し、第2領域および第3領域の双方がクラッド領域として作用して、光は第1領域に閉じ込められて導波する。第1端110において、コア領域の平均屈折率Ncoreは、クラッド領域の平均屈折率Ncladより高い。
In a section between the
軸11に沿った第2端120と第2位置140との間の区間では、波長850nmにおいて、第1領域および第2領域の双方がコア領域として作用し、第3領域がクラッド領域として作用して、光は第1領域および第2領域の双方に閉じ込められて導波する。第2端120においても、コア領域の平均屈折率Ncoreは、クラッド領域の平均屈折率Ncladより高い。
In the section between the
光導波路10は、波長850nmにおいて、第1端110および第2端120ならびにこれらの間の位置において、軸11に沿ってコア領域に導波される光の導波モードを100以上有する。また、第1端110におけるコア領域の断面積(第1領域の断面積)をS1とし、第2端120におけるコア領域の断面積(第1領域および第2領域それぞれの断面積の和)をS2とすると、これらS1およびS2が下記(4)式で表される関係を満たす。
The
好ましくは、第1端110におけるコア領域の面積(第1領域の面積)S1が25mm2以上であり、第2端120におけるコア領域の面積(第1領域および第2領域それぞれの面積の和)S2が4mm2以下である。
Preferably, the area (area of the first region) S 1 of the core region at the
より好ましい数値例は以下のとおりである。第1領域の外径をD1とし、第2領域の外径をD2とし、第3領域の外径をD3としたときに、比(D1/D2)は0.4であり、比(D2/D3)は0.8である。第1端110における第3領域113の外径D3は36mmであり、第2端120における第3領域123の外径D3は1.2mmである。「N2 2−N3 2」の値は0.992であり、「N1 2−N2 2」の値は0.007である。このとき、第1端110におけるコア領域の面積S1は104mm2であり、第2端120におけるコア領域の面積S2は0.73mm2であり、比(S2/S1)は0.007である。
More preferable numerical examples are as follows. The outer diameter of the first region and D 1, the outer diameter of the second region and D 2, the outer diameter of the third region is taken as D 3, the
波長850nmでの光導波路10のVパラメータは、第1端110において3562であり、第2端120において3533である。したがって、導波モード数は、第1端110において6.3×106であり、第2端120において6.2×106である。このように導波モード数が100以上(好適には105以上)であることにより、この光導波路10は、空間的にインコヒーレントな光を導波することができる。
The V parameter of the
なお、コア領域の屈折率がNcoreであり、クラッド領域の屈折率がNcladであり、コア半径がρである場合、この光導波路の波長λにおける導波モードの数Mは下記(8)式で表される。また、この(8)式中に現われるVパラメータは下記(9)式で表される。なお、(8)式は、rが値1より充分に大きいときに成り立つ。
When the refractive index of the core region is N core , the refractive index of the cladding region is N clad , and the core radius is ρ, the number M of the waveguide modes at the wavelength λ of the optical waveguide is expressed by (8) It is expressed by a formula. The V parameter appearing in the equation (8) is expressed by the following equation (9). Note that equation (8) holds when r is sufficiently larger than the
図2は、第1実施形態に係る光導波路10の断面図である。この図は、光導波路10の軸11に沿った任意の位置における断面構造を示しており、その断面における第1領域101、第2領域102および第3領域103を示す。円形状の第1領域101はシリカガラスからなり、この第1領域101を包囲する環状の第2領域102もシリカガラスからなる。円環状の第3領域103は、第2領域102を包囲する。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
第1領域101と第2領域102との間の屈折率差は、第1領域101または第2領域102に屈折率上昇剤(例えばGeO2)または屈折率降下剤(例えばF)が添加されることで実現される。第2領域102と第3領域103との間の屈折率差も、第2領域102または第3領域103に屈折率上昇剤または屈折率降下剤が添加されることで実現される。
The refractive index difference between the
また、図2に示されるように、第3領域103において、屈折率が約1.45であるシリカガラス中に、屈折率が約1である媒質(気体または真空)が容れられた複数の空孔104が配列されることで、第3領域103の実効屈折率が低減され、これにより、第2領域102と第3領域103との間の屈折率差が実現されるのが好適である。固体媒質中に複数の空孔が密に配列されている領域では、その領域の実効屈折率は平均屈折率で近似される。上記のように「N2 2−N3 2」の値を0.992とするには、第3領域103においてシリカガラス中の空孔104の面積比率を約0.9とすればよい。
Further, as shown in FIG. 2, in the
なお、複数の空孔104は、第2領域102を囲むように径方向に所定の厚さで存在していればよく、第3領域103の全体に亘って存在していなくてもよい。これは、径方向に所定の厚さを有する空孔104の層によって、その層より内部に光が閉じ込められるので、その層より外側の構造は導波特性に影響しないからである。
The plurality of
(光導波路の第2実施形態)
次に、本発明に係る光導波路の第2実施形態について説明する。図3は、第2実施形態に係る光導波路20の説明図である。同図(a)は光導波路20の構成を示し、同図(b)は光導波路20の第1端210における屈折率プロファイルを示し、同図(c)は光導波路20の第2端220における屈折率プロファイルを示す。
(Second embodiment of optical waveguide)
Next, a second embodiment of the optical waveguide according to the present invention will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram of the
同図(a)に示されるように、光導波路20は、第1端210から第2端220まで直線状または曲線状に延びる軸21を有している。軸21に沿った任意の位置において、軸21に垂直な光導波路20の断面は、軸21を含み平均屈折率N1を有する円形状の第1領域と、この第1領域を包囲し平均屈折率N2を有する環状の第2領域とを含む。また、第2端220と第2位置240との間の区間251において、第2領域は、平均屈折率N3を有する包囲媒質243により包囲されている。包囲媒質243は、例えば気体やポリマなどである。これらの平均屈折率N1,N2,N3は、同図(b),(c)にも示されるように上記(1)式で表される関係を満たす。さらに好適には上記(2)式で表される関係をも満たす。
As shown in FIG. 2A, the
第1端210における第1領域211および第2領域212を含む断面構造と、第1位置230における第1領域231および第2領域232を含む断面構造とは、互いに等しい。軸21に沿った第1端210と第1位置230との間の部分では、軸21に垂直な断面の構造および寸法は、軸21に沿って一様である。
The cross-sectional structure including the
第2端220における第1領域221および第2領域222を含む断面構造と、第2位置240における第1領域241および第2領域242を含む断面構造とは、互いに等しい。軸21に沿った第2端220と第2位置240との間の部分でも、軸21に垂直な断面の構造および寸法は、軸21に沿って一様である。
The cross-sectional structure including the
第1位置230における第1領域231および第2領域232を含む断面構造と、第2位置240における第2領域241および第2領域242を含む断面構造とは、互いに相似である。軸21に沿った第1位置230と第2端240との間のテーパ部250では、軸21に沿って、第2領域の外径が連続的に変化していて、軸21に垂直な断面の構造も連続的に相似的に変化している。
The cross-sectional structure including the
第1端210における第2領域212の外径(すなわち、第1位置230における第2領域232の外径)は、第2端220における第2領域222の外径(すなわち、第2位置240における第2領域242の外径)より大きい。第1領域の外径をD1とし、第2領域の外径をD2とすると、軸21に沿って、比(D1/D2)は一定である。また、軸21に沿って、第1領域の平均屈折率N1は一定であり、第2領域の平均屈折率N2も一定である。
The outer diameter of the
軸21に沿った第1端210と第1位置230との間の区間では、波長850nmにおいて、第1領域がコア領域として作用し、第2領域がクラッド領域として作用して、光は第1領域に閉じ込められて導波する。第1端210において、コア領域の平均屈折率Ncoreは、クラッド領域の平均屈折率Ncladより高い。
In a section between the
軸21に沿った第2端220と第2位置240との間の区間では、波長850nmにおいて、第1領域および第2領域の双方がコア領域として作用し、包囲媒質240がクラッド領域として作用して、光は第1領域および第2領域の双方に閉じ込められて導波する。第2端220においても、コア領域の平均屈折率Ncoreは、クラッド領域の平均屈折率Ncladより高い。
In the section between the
光導波路20は、波長850nmにおいて、軸21に沿ってコア領域に導波される光の導波モードを100以上有する。また、第1端210におけるコア領域の断面積(第1領域の断面積)をS1とし、第2端220におけるコア領域の断面積(第1領域および第2領域それぞれの断面積の和)をS2とすると、これらS1およびS2が上記(4)式で表される関係を満たす。
The
また、波長850nmにおいて、第1端210におけるコア領域のプロファイル体積をΩ1とし、第2端220におけるコア領域のプロファイル体積をΩ2としたときに、S1,S2,Ω1およびΩ2が上記(5)式で表される関係を満たす。
In addition, when the profile volume of the core region at the
この光導波路20では、第1端210におけるコア領域(第1領域211)に導波される導波モードから、第2端220におけるコア領域(第1領域221,第2領域222)に導波される導波モードへの結合は、テーパ部250により実現される。したがって、外部から第1端210のコア領域に光が結合されると、光強度が向上した光が第2端220において得られる。
In this
好ましくは、第1端210におけるコア領域の面積(第1領域の面積)S1が25mm2以上であり、第2端220におけるコア領域の面積(第1領域および第2領域それぞれの面積の和)S2が4mm2以下である。また、好ましくは、包囲媒質243は、N2や空気などの気体であって、屈折率N3が約1である。
Preferably, the area (area of the first region) S 1 of the core region at the
より好ましい数値例は以下のとおりである。第1領域の外径D1と第2領域の外径D2との比(D1/D2)は0.3である。第1端210における第2領域212の外径D2は36mmであり、第2端220における第2領域222の外径D2は1mmである。「N2 2−N3 2」の値は1.1025であり、「N1 2−N2 2」の値は0.01である。このとき、第1端210におけるコア領域の面積S1は92mm2であり、第2端220におけるコア領域の面積S2は0.79mm2であり、比(S2/S1)は0.009である。
More preferable numerical examples are as follows. The ratio (D 1 / D 2 ) between the outer diameter D 1 of the first region and the outer diameter D 2 of the second region is 0.3. Outer diameter D 2 of the
波長850nmでの光導波路20のVパラメータは、第1端210において3991であり、第2端220において3880である。したがって、導波モード数は、第1端210において7.9×106であり、第2端220において7.5×106である。このように導波モード数が100以上(好適には105以上)であることにより、この光導波路20は、空間的にインコヒーレントな光を導波することができる。
The V parameter of the
また、第1端210におけるコア領域のプロファイル体積Ω1は0.92mm2であり、第2端220におけるコア領域のプロファイル体積Ω2は0.87mm2であり、比(Ω2/Ω1)は0.95と大きい。このように比(Ω2/Ω1)が大きいことにより、生じ得る光損失を小さく抑えることができる。
In addition, the profile volume Ω 1 of the core region at the
図4は、第2実施形態に係る光導波路20の断面図である。この図は、光導波路20の軸21に沿った第2端220と第2位置240との間の区間251における任意の位置での断面構造を示しており、その断面における第1領域201、第2領域202および包囲媒質243を示す。円形状の第1領域201はシリカガラスからなり、この第1領域201を包囲する環状の第2領域202もシリカガラスからなる。包囲媒質243は、第2領域202を包囲する。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
第1領域201と第2領域202との間の屈折率差は、第1領域201または第2領域202に屈折率上昇剤または屈折率降下剤が添加されることで実現される。また、上記のように「N2 2−N3 2」の値を1.102とするには、包囲媒質243は、屈折率が約1の空気や不活性気体であればよい。
The refractive index difference between the
(光導波路の第3実施形態)
次に、本発明に係る光導波路の第3実施形態について説明する。図5は、第3実施形態に係る光導波路30の説明図である。
(Third embodiment of optical waveguide)
Next, a third embodiment of the optical waveguide according to the present invention will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram of the
この図に示されるように、光導波路30は、第1端310から第2端320まで直線状または曲線状に延びる軸31を有している。軸31に沿った任意の位置において、軸31に垂直な光導波路30の断面は、軸31を含み平均屈折率N1を有する円形状の第1領域と、この第1領域を包囲し平均屈折率N2を有する環状の第2領域とを含む。さらに、第1実施形態の場合と同様に、第2領域は、平均屈折率N3を有する第3領域により包囲されていてもよい、或いは、第2実施形態の場合と同様に、第2端320と第2位置340との間の区間において、第2領域は、平均屈折率N3を有する包囲媒質により包囲されている。これらの平均屈折率N1,N2,N3は、上記(1)式で表される関係を満たす。さらに好適には上記(2)式で表される関係をも満たす。
As shown in this figure, the
第1端310における第1領域311および第2領域312を含む断面構造と、第1位置330における第1領域および第2領域を含む断面構造とは、互いに等しい。軸31に沿った第1端310と第1位置330との間の部分では、軸31に垂直な断面の構造および寸法は、軸31に沿って一様である。
The cross-sectional structure including the
第2端320における第1領域321および第2領域322を含む断面構造と、第2位置340における第1領域および第2領域を含む断面構造とは、互いに等しい。軸31に沿った第2端320と第2位置340との間の部分でも、軸31に垂直な断面の構造および寸法は、軸31に沿って一様である。
The cross-sectional structure including the
第1位置330における第1領域および第2領域を含む断面構造と、第2位置340における第1領域および第2領域を含む断面構造とは、互いに相似である。軸31に沿った第1位置330と第2端340との間のテーパ部230では、軸31に沿って、第2領域の外径が連続的に変化していて、軸31に垂直な断面の構造も連続的に相似的に変化している。
The cross-sectional structure including the first region and the second region at the
第1端310における第2領域312の外径(すなわち、第1位置330における第2領域の外径)は、第2端320における第2領域322の外径(すなわち、第2位置340における第2領域の外径)より大きい。第1領域の外径をD1とし、第2領域の外径をD2とすると、軸31に沿って、比(D1/D2)は一定である。また、軸31に沿って、第1領域の平均屈折率N1は一定であり、第2領域の平均屈折率N2も一定である。
The outer diameter of the
軸31に沿った第1端310と第1位置330との間の区間では、波長850nmにおいて、第1領域がコア領域として作用し、第2領域がクラッド領域として作用して、光は第1領域に閉じ込められて導波する。第1端310において、コア領域の平均屈折率Ncoreは、クラッド領域の平均屈折率Ncladより高い。
In the section between the
軸31に沿った第2端320と第2位置340との間の区間でも、波長850nmにおいて、第1領域がコア領域として作用し、第2領域がクラッド領域として作用して、光は第1領域に閉じ込められて導波する。ただし、第3領域または包囲媒質が設けられる場合には、第1領域および第2領域の双方がコア領域として作用し、第3媒質または包囲媒質がクラッド領域として作用して、光は第1領域および第2領域の双方に閉じ込められて導波する。第2端320においても、コア領域の平均屈折率Ncoreは、クラッド領域の平均屈折率Ncladより高い。
Even in the section between the
光導波路30は、波長850nmにおいて、軸31に沿ってコア領域に導波される光の導波モードを100以上有する。また、第1端310におけるコア領域の断面積(第1領域の断面積)をS1とし、第2端320におけるコア領域の断面積(第1領域および第2領域それぞれの断面積の和)をS2とすると、これらS1およびS2が上記(4)式で表される関係を満たす。
The
この光導波路30では、第1端310におけるコア領域に導波される導波モードから、第2端320におけるコア領域に導波される導波モードへの結合は、テーパ部350により実現される。したがって、外部から第1端310のコア領域に光が結合されると、光強度が向上した光が第2端320において得られる。
In the
図6は、第3実施形態に係る光導波路30の導波モードの説明図である。光導波路30の第1端310での導波モードの数をMとし、M個の導波モードのうちの第mの導波モードの電界分布をgmと表す。また、光導波路30の第2端320での導波モードの数をNとし、N個の導波モードのうちの第nの導波モードの電界分布をhnと表す。ただし、Mは2以上の整数であり、NはMより小さい正の整数であり、mは1以上M以下の各整数であり、nは1以上N以下の各整数である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of the waveguide mode of the
これらの電界分布を用いると、第1端310に導波される光の電界E1、および、第2端320に導波される光の電界E2それぞれは、下記(10)式で展開される。
When these electric field distributions are used, the electric field E 1 of light guided to the
次に、本発明に係る光エネルギ伝送装置の第1実施形態について説明する。図7は、本実施形態に係る光エネルギ伝送装置1の構成図である。光エネルギ伝送装置1は、上述した第1実施形態に係る光導波路10に加えて、光源80および波面調整素子90を備える。
Next, a first embodiment of the optical energy transmission device according to the present invention will be described. FIG. 7 is a configuration diagram of the optical
光源80は、波長850nmの光Aを出力し、このとき、
光導波路10のコア領域に導波される光の導波モードの個数が100以上(好適には105以上)となる。光源80は、単一の横モードで発振するレーザ光源であってもよいし、複数の横モードで発振して空間的にインコヒーレントな光を出力する多モードレーザ光源であってもよいし、また、レーザダイオードが2次元的に配列されたLDスタックであってもよい。
The
The number of the guided mode of light guided in the core region of the
波面調整素子90は、光源80から出力された光Aを入力して、拡がり角やビーム径を調整した光Bを出力する。波面調整素子90は、例えば、レンズアレイや回折光学素子や曲面鏡からなる。
The
光導波路10は、波面調整素子90から出力された光Bを第1端110に入力し、その光をコア領域に導波して、第2端120から外部へ光Cを出力する。
The
この光エネルギ伝送装置1では、光源80から出力された光は、波面調整素子90により拡がり角やビーム径が調整された後に、光導波路10の第1端110に入力し、この光導波路10のコア領域により導波されて、光導波路10の第2端120から外部へ出力される。これにより、光は小径の領域に集光され、光強度が向上した光が第2端120において得られる。
In this optical
特に、光源80として多モードレーザ光源やLDスタックが用いられる場合には、光源80から大パワーの光を発生することができ、この大パワーの光を光導波路10の第2端120から出力することができるので、加工等の用途において好適である。
In particular, when a multimode laser light source or an LD stack is used as the
また、光導波路10が上述した本実施形態に係るものであることから、多モードレーザ光源やLDスタックから出力される光を小径に集光して、光導波路10の第2端120において高い強度の光を得ることができる。
Further, since the
なお、光導波路10に替えて光導波路20を用いる場合にも、同様の作用・効果を得ることができる。また、波長850nmでは出力パワーの高いレーザダイオードの実現が容易であるが、波長は必ずしも、これに限定されず、他のレーザダイオードが動作する405nm,980nmおよび1450nm等や、希土類添加ファイバレーザや固体レーザが動作する1000〜1100nmであってもよい。また、光導波路10に替えて光導波路30を用いる場合には、光源80から出力されて波長変換素子90を経た光を、光導波路30の第1端における第1モード群に属する導波モードに高効率に結合することで、同様の効果を得ることができる。
In the case where the
(光導波路の第4実施形態)
次に、本発明に係る光導波路の第4実施形態について説明する。図8は、第4実施形態に係る光導波路40の説明図である。同図(a)は光導波路40の構成を示し、同図(b)は光導波路40の第1端410における屈折率プロファイルを示し、同図(c)は光導波路40の第2端420における屈折率プロファイルを示す。
(Fourth Embodiment of Optical Waveguide)
Next, a fourth embodiment of the optical waveguide according to the present invention will be described. FIG. 8 is an explanatory diagram of an
同図(a)に示されるように、光導波路40は、第1端410から第2端420まで直線状または曲線状に延びる軸41を有している。軸41に沿った任意の位置において、軸41に垂直な光導波路40の断面は、軸41を含み平均屈折率N1を有する円形状の第1領域と、この第1領域を包囲し平均屈折率N2を有する環状の第2領域と、この第2領域を包囲し平均屈折率N3を有する環状の第3領域とを含む。
As shown in FIG. 2A, the
これらの平均屈折率N1,N2,N3は、同図(b),(c)にも示されるように上記(1)式で表される関係を満たす。さらに好適には上記(2)式で表される関係をも満たす。 These average refractive indexes N 1 , N 2 , and N 3 satisfy the relationship expressed by the above formula (1) as shown in FIGS. More preferably, the relationship expressed by the above formula (2) is also satisfied.
第1端410における第1領域411,第2領域412および第3領域413を含む断面構造と、第1位置430における第1領域431,第2領域432および第3領域433を含む断面構造とは、互いに等しい。軸41に沿った第1端410と第2位置430との間の部分では、軸41に垂直な断面の構造および寸法は、軸41に沿って一様である。
A cross-sectional structure including the
第2端420における第1領域421,第2領域422および第3領域423を含む断面構造と、第2位置440における第1領域441,第2領域442および第3領域443を含む断面構造とは、互いに等しい。軸41に沿った第2端420と第2位置440との間の部分でも、軸41に垂直な断面の構造および寸法は、軸41に沿って一様である。
A cross-sectional structure including the
第1位置430における第1領域431,第2領域432および第3領域433を含む断面構造と、第2位置440における第1領域441,第2領域442および第3領域443を含む断面構造とは、互いに相似である。軸41に沿った第1位置430と第2位置440との間のテーパ部450では、軸41に沿って、第3領域の外径が連続的に変化していて、軸41に垂直な断面の構造も連続的に相似的に変化している。
A cross-sectional structure including the
第2位置440には反射鏡460が設けられ、第2位置440と第2端420との間は光増幅区間470となっている。反射鏡460は波長915nmの光を透過し、波長1120nmの光を反射する。このような反射鏡460は、第1領域の平均屈折率を軸方向に周期的に変調したファイバグレーティングによって実現できる。また、第2端420の端面は気体に接しており、第1領域を通って第2端420に至る光の一部はフレネル反射により第1領域に戻され、他の部分が外部へ出力される。光増幅区間470では、Ybが添加されたシリカガラスによって第1領域が構成されている。光増幅区間470以外の部分では、Ybは添加されていない。
A reflecting
第1端410における第3領域413の外径(すなわち、第1位置430における第3領域433の外径)は、第2端420における第3領域423の外径(すなわち、第2位置440における第3領域443の外径)より大きい。第1領域の外径をD1とし、第2領域の外径をD2とし、第3領域の外径をD3とすると、軸41に沿って、比(D1/D2)は一定であり、比(D2/D3)も一定である。また、反射鏡460以外の部分では、軸41に沿って、第1領域の平均屈折率N1、第2領域の平均屈折率N2、および第3領域の平均屈折率N3はそれぞれ一様である。ただし、Ybが添加された光増幅区間470とそれ以外の部分とでは、第1領域の平均屈折率N1は必ずしも等しくない。
The outer diameter of the
軸41に沿った第1端410と第1位置430との間の区間では、波長915nmにおいて、第1領域および第2領域の双方がコア領域として作用し、第3領域がクラッドとして作用して、光は第1領域および第2領域に閉じ込められて導波する。第1端410において、コア領域の平均屈折率Ncoreは、クラッド領域の平均屈折率Ncladより高い。
In the section between the
軸41に沿った第2端420と第2位置440との間の区間では、波長1120nmにおいては、第1領域がコア領域として作用し、第2領域および第3領域の双方がクラッドとして作用して、光は第1領域に閉じ込められて導波する。第2端420において、コア領域の平均屈折率Ncoreは、クラッド領域の平均屈折率Ncladより高い。
In the section between the
光導波路40は、波長915nmにおいて、第1端410において軸41に沿ってコア領域に導波される光の導波モードを100以上有する。また、第1端410におけるコア領域の断面積(第1領域および第2領域それぞれの断面積の和)をS1とし、第2端420におけるコア領域の断面積(第1領域の断面積)をS2とすると、これらS1およびS2が上記(4)式で表される関係を満たす。
The
この光導波路40では、第1端410におけるコア領域(第1領域411、第2領域412)に導波される導波モードは、テーパ部450によって、第2位置440における第1領域441および第2領域442に結合される。第2位置440における第1領域441および第2領域442に結合された波長915nmの光は、光増幅区間470において希土類元素に吸収された後、波長1120nmの光として放出される。放出された光がさらなる放出を誘導し、希土類元素に吸収された光パワーが波長1120nmの光として取り出される。さらに、光増幅区間470の第1領域は、フレネル反射が生じる第2端420と反射鏡460とによって構成される光共振器内にあるため波長1120nmにおいてレーザ発振が生じ、発振した光の一部が第2端420から外部に取り出される。これにより、希土類元素からの光パワーの取り出し効率を向上することができる。
In this
好ましくは、第1端410におけるコア領域の面積(第1領域および第2領域それぞれの面積の和)S1が25mm2以上であり、第2端420におけるコア領域の面積(第1領域の面積)S2が0.001mm2以下である。 Preferably, the area of the core region at the first end 410 (the sum of the areas of the first region and the second region) S 1 is 25 mm 2 or more, and the area of the core region at the second end 420 (the area of the first region) ) S 2 is 0.001 mm 2 or less.
より好ましい数値例は以下のとおりである。第1領域の外径をD1とし、第2領域の外径をD2とし、第3領域の外径をD3としたときに、比(D1/D2)は0.16であり、比(D2/D3)は0.5である。第1端410における第3領域413の外径D3は12mmであり、第2端420における第3領域の外径D3は125μmある。「N2 2−N3 2」の値は0.21であり、「N1 2−N2 2」の値は0.007である。このとき、第1端410におけるコア領域の面積S1は28mm2であり、第2端420におけるコア領域の面積S2は0.000079mm2であり、比(S2/S1)は2.8×10−6である。
More preferable numerical examples are as follows. The outer diameter of the first region and D 1, the outer diameter of the second region and D 2, the outer diameter of the third region is taken as D 3, the
第1端410において、波長915nmでの光導波路40のVパラメータは9440であり、導波モード数は4.5×107である。このように導波モード数が100以上(好適には105以上)であることにより、この光導波路40は、空間的にインコヒーレントな光を第1端410のコア領域に入力して導波することができる。
At the
一方、第2端420において、波長1120nmでの光導波路40のVパラメータは2.3である。「V<2.405」であるため、第2端420では単一モード動作が実現する。これにより、波面の整った光が第2端420からの出力として得られ、これをさらにレンズ等で集光するのに好適である。
On the other hand, at the
図9は、第4実施形態に係る光導波路40の断面図である。この図は、光導波路40の光増幅区間470における断面構造を示しており、その断面における第1領域401、第2領域402、第3領域403を示す。それ以外の部分における断面構造は、第1領域401に希土類元素が添加されていないことを除いては実質的に同じである。円形状の第1領域401はシリカガラスからなり、特に希土類元素Ybが添加されている。この第1領域401を包囲する環状の第2領域402もシリカガラスからなる。円環状の第3領域403はポリマで構成され、第2領域402を包囲する。
FIG. 9 is a cross-sectional view of an
第1領域401と第2領域402との間の屈折率差は、光増幅区間470においては第1領域401に添加された希土類元素によってその一部が実現されるが、第1領域401および第2領域402に屈折率上昇剤(例えばGeO2)または屈折率降下剤(例えばF)が添加されることによっても実現される。第2領域402と第3領域403との間の屈折率差は、シリカガラスとポリマとの間の屈折率差によって実現される。
The refractive index difference between the
なお、第1実施形態の光導波路と同様に、空孔を有するシリカガラスによって第3領域403を構成してもよい。また、第1領域401の中心と第2領域402の中心とを異ならせることや、第2領域402の外周を非円形状とすることが好適であり、入射された光パワーが希土類元素に吸収される効率を高めることができる。また、希土類元素はYbのみならず、Nd,Er,Bi,Prおよびこれらのうちの複数を用いることも好適であり、それによって励起波長と増幅波長とを500nm〜1600nmの広範囲に渡って選択することができる。
Note that the
(光エネルギ伝送装置の第2実施形態)
次に、本発明に係る光エネルギ伝送装置の第2実施形態について説明する。図10は、本実施形態に係る光エネルギ伝送装置4の構成図である。光エネルギ伝送装置4は、上述した第4実施形態に係る光導波路40に加えて、光源80および波面調整素子90を備える。
(Second Embodiment of Optical Energy Transmission Device)
Next, a second embodiment of the optical energy transmission device according to the present invention will be described. FIG. 10 is a configuration diagram of the optical energy transmission device 4 according to the present embodiment. The optical energy transmission device 4 includes a
光源80は、波長915nmの光Aを出力し、このとき光導波路40のコア領域に導波される光の導波モードの個数が100以上(好適には105以上)となる。
光エネルギ伝送装置の第1実施形態と同様に、光源80は、単一横モードのレーザ光源や、複数の横モードで発振するレーザ光源や、LDスタックを用いることができる。また、波面調整素子90は、レンズアレイ、回折光学素子、曲面鏡からなり、光Aの拡がり角やビーム径を調整して光Bとして出力する。
As in the first embodiment of the optical energy transmission device, the
光導波路40は、波面調整素子90から出力された光Bを第1端410に入力し、その光をコア領域に導波し、希土類元素に光を一旦吸収させたのちに放出させ、第2端420から外部へ光Cを出力する。
The
この光エネルギ伝送装置4では、光源80から出力された光は、波面調整素子90により拡がり角やビーム径が調整された後に、光導波路40の第1端410に入力し、この光導波路40のコア領域により導波された後、この光導波路40に添加されている希土類元素によって吸収される。光を吸収した希土類元素は再び光を放出し、これが光導波路40の第2端420から外部へ出力される。これにより、入力された光に比べてビーム径の小さな光を第2端420からの出力として得られ、光強度が向上した光を得ることができる。
In this optical energy transmission device 4, the light output from the
特に、光源80として多モードレーザ光源やLDスタックを用いて大パワーの光を光導波路40に入力して、縮小されたビーム径で第2端420から取りだすことができるため、光強度が向上し、加工等の用途において好適である。
In particular, a multi-mode laser light source or an LD stack is used as the
1,4…光エネルギ伝送装置、10…光導波路、11…軸、110…第1端、111…第1領域、112…第2領域、113…第3領域、120…第2端、121…第1領域、122…第2領域、123…第3領域、130…第1位置、131…第1領域、132…第2領域、133…第3領域、140…第2位置、141…第1領域、142…第2領域、143…第3領域、150…テーパ部、20…光導波路、21…軸、210…第1端、211…第1領域、212…第2領域、220…第2端、221…第1領域、222…第2領域、230…第1位置、231…第1領域、232…第2領域、240…第2位置、241…第1領域、242…第2領域、243…包囲媒質、250…テーパ部、30…光導波路、31…軸、310…第1端、311…第1領域、312…第2領域、320…第2端、321…第1領域、322…第2領域、330…第1位置、340…第2位置、350…テーパ部、40…光導波路、41…軸、410…第1端、411…第1領域、412…第2領域、413…第3領域、420…第2端、421…第1領域、422…第2領域、423…第3領域、430…第1位置、431…第1領域、432…第2領域、433…第3領域、440…第2位置、441…第1領域、442…第2領域、443…第3領域、450…テーパ部、460…反射鏡、470…光増幅区間、80…光源、90…波面調整素子。
DESCRIPTION OF
Claims (19)
少なくとも1つの光波長において、前記軸に沿った任意の位置における前記軸に垂直な断面が、前記軸を含み平均屈折率Ncoreを有するコア領域と、このコア領域を包囲し前記平均屈折率Ncoreより低い平均屈折率Ncladを有するクラッド領域とを含み、前記第1端において前記軸に沿って前記コア領域に導波される光の導波モードを100以上有し、
前記第1端における前記コア領域の断面積をS1とし、前記第2端における前記コア領域の断面積をS2としたときに、「S2/S1≦0.5」なる関係式を満たす、
ことを特徴とする光導波路。 Having an axis extending from the first end to the second end;
A cross section perpendicular to the axis at any position along the axis at at least one optical wavelength, the core region including the axis and having an average refractive index N core , and surrounding the core region, the average refractive index N a cladding region having an average refractive index N clad lower than that of the core , and having 100 or more waveguide modes of light guided to the core region along the axis at the first end,
When the cross-sectional area of the core region at the first end is S 1 and the cross-sectional area of the core region at the second end is S 2 , the relational expression “S 2 / S 1 ≦ 0.5” is established. Fulfill,
An optical waveguide characterized by that.
前記光源から出力される光が前記光導波路の前記第1端のコア領域に結合される、
ことを特徴とする光エネルギ伝送装置。 An optical waveguide according to claim 2, and a light source that outputs light having the light wavelength,
The light output from the light source is coupled to the core region of the first end of the optical waveguide;
An optical energy transmission device.
前記光波長において、前記第1端における前記第1モード群に属する導波モードの数をLとし、前記第2端において前記コア領域に導波される光の導波モードの数をNとしたときに、「N/L≧1/2」なる関係式を満たし、
前記第1端における前記第2モード群に属する任意の導波モードと、前記第2端において前記コア領域に導波される光の任意の導波モードとの間で、光結合が実質的に無視できる、
ことを特徴とする請求項1記載の光導波路。 In the optical wavelength, a plurality of waveguide modes of light guided to the core region at the first end includes a first mode group and a second mode group,
At the optical wavelength, the number of guided modes belonging to the first mode group at the first end is L, and the number of guided modes of light guided to the core region at the second end is N. Sometimes, the relational expression “N / L ≧ 1/2” is satisfied,
Optical coupling is substantially between an arbitrary guided mode belonging to the second mode group at the first end and an arbitrary guided mode of light guided to the core region at the second end. Can be ignored,
The optical waveguide according to claim 1.
前記光源から出力される光が前記光導波路の前記第1端における前記第1モード群に属する導波モードに結合される、
ことを特徴とする光エネルギ伝送装置。 An optical waveguide according to claim 9, and a light source that outputs light of the light wavelength,
Light output from the light source is coupled to a waveguide mode belonging to the first mode group at the first end of the optical waveguide;
An optical energy transmission device.
前記軸に沿った光増幅区間が存在し、この光増幅区間において前記第1領域が前記光波長の光を吸収する希土類元素を含有するガラスからなる、
ことを特徴とする請求項1記載の光導波路。 In the light wavelength, a cross section perpendicular to the axis at an arbitrary position along the axis, a first region having a mean refractive index N 1, second with an average refractive index N 2 and surrounding the first region And a third region surrounding the second region and having an average refractive index N 3, and the relational expression that the average refractive indexes N 1 , N 2 , and N 3 are “N 1 > N 2 > N 3 ” Meet,
There is an optical amplification section along the axis, and in the optical amplification section, the first region is made of glass containing a rare earth element that absorbs light of the optical wavelength.
The optical waveguide according to claim 1.
前記光源から出力される光が前記光導波路の前記第1端のコア領域に結合される、
ことを特徴とする光エネルギ伝送装置。 An optical waveguide according to claim 12, and a light source that outputs light of the optical wavelength,
The light output from the light source is coupled to the core region of the first end of the optical waveguide;
An optical energy transmission device.
The optical energy transmission device according to claim 17, wherein the light output from the light source is spatially incoherent.
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JP2003382580A JP2005148223A (en) | 2003-11-12 | 2003-11-12 | Optical waveguide and optical energy transmitting device |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008203496A (en) * | 2007-02-20 | 2008-09-04 | Fujikura Ltd | Double-core fiber, optical coupling device using the same, signal light excitation optical coupling device, fiber amplifier, and fiber laser |
JP2010230650A (en) * | 2009-03-04 | 2010-10-14 | Olympus Corp | Scanning light detection device |
CN102385105A (en) * | 2010-08-30 | 2012-03-21 | 成都易生玄科技有限公司 | Energy-grade-light linear transmission method |
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2003
- 2003-11-12 JP JP2003382580A patent/JP2005148223A/en active Pending
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