JP2015043011A - 光アイソレータ、及び、それを用いた光増幅器並びにレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】
本発明の光アイソレータ３は、コア７１及びコア７１の外周面を囲むクラッド７２を有する入力用光ファイバ７０と、コア７１から入射する光をコリメート光として出射する光学素子５０と、光学素子５０から入射するコリメート光を後段に出力するブリッジファイバ６０とを備えている。ブリッジファイバ６０において光が伝搬する部位６１には、光学素子５０から離れるにしたがって外径が広がるアッパーテーパ部６０Ａが形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は光アイソレータ、及び、それを用いた光増幅器並びにレーザ装置に関し、寿命を向上させる場合に好適なものである。

レーザ装置においては、レーザ光源から出射される光が加工対象物等で反射し戻り光として光源に伝搬することを抑制する対策として光アイソレータが一般的に用いられる。

このような光アイソレータの構造として、一方向に伝搬する光を通過させ、当該一方向とは逆の方向に伝搬する光を除去する偏光依存型の結晶素子を含む構造（例えば特許文献１参照）や、偏光無依存型の結晶素子を含む構造（例えば特許文献２参照）が提案されている。

特開２００１−２７２６３１号公報 特開平８−３６１４６号公報

ところで、上記特許文献１及び上記特許文献２における光アイソレータは、いずれも結晶素子を含む構造となっており、例えば１００Ｗを超える出力のレーザ光が照射された場合にはその結晶素子を破損させる傾向が高くなる。

また、上記特許文献１及び上記特許文献２における光アイソレータは一方向とは逆の方向に伝搬する光を外部に放出させるため、当該光によって光アイソレータの周囲における意図しない部材を発熱させ、その部材を破損させる傾向も高くなる。

近年における更なる高出力化の要請を考慮すると、このような傾向がより一段と高まることが懸念される。

そこで、本発明は、寿命を向上させ得る光アイソレータ、及び、それを用いた光増幅器並びに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アイソレータは、コア及び前記コアの外周面を囲むクラッドを有する入力用光ファイバと、前記コアから入射する光をコリメート光として出射する光学素子と、前記光学素子から入射する光を後段に出力するブリッジファイバとを備え、前記ブリッジファイバにおいて光が伝搬する部位には、前記光学素子から離れるにしたがって外径が広がるアッパーテーパ部が形成されることを特徴とする。

このような光アイソレータでは、光学素子から出射するコリメート光は、ブリッジファイバにおいて光が伝搬する部位を介して後段に出力される。ところで、後段に出力された光が反射し、戻り光としてブリッジファイバに入射する場合がある。この場合、戻り光の大部分は、光学素子に向かってブリッジファイバを伝搬し、アッパーテーパ部に達する。
アッパーテーパ部では光学素子から離れるにしたがって外径が広がっているため、戻り光はアッパーテーパ部の外周面で反射し、ブリッジファイバの軸方向に対して伝搬角を大きくしながら光学素子に導かれる。
この光学素子は、入力ファイバのコアから入射した光をコリメート光として出射する素子であるので、ブリッジファイバから光学素子の出力側の端面に入射する戻り光のうち、光学素子の出力側の端面に対して垂直に入射する成分を除いて入力用光ファイバのコアに結合しづらい。ここで、アッパーテーパ部の外周面で反射してブリッジファイバの軸方向に対して伝搬角を大きくしながら光学素子に導かれる戻り光の大部分は、光学素子の出力側の端面に対して垂直に入射しないので、入力用光ファイバのコアに結合しづらい。さらに、光学素子を伝搬する戻り光は光学素子の中心に向かうように曲げられるので、戻り光が入力用光ファイバのコアに入射する場合であっても、入力用光ファイバのコアのＮＡを超える成分が多くなり、当該コアに入射した戻り光の大部分はコアから漏れることになる。
したがって、入力用光ファイバのコアを経由して光源に戻り光が伝搬することを抑制するとともに、当該入力用光ファイバのコアに結合せずクラッドを伝搬する戻り光を特定の場所で熱に変えて放熱させることが可能となる。
このように本発明の光アイソレータは、結晶素子を設けることなく特定の場所で放熱させることが可能となる。このため、光アイソレータに入射される光が高出力であったとしても、その光に起因する光アイソレータ自体の破損を低減することができるとともに、当該光アイソレータの周囲における意図しない部材の破損をも低減することができる。
こうして、寿命を向上させ得る光アイソレータが実現される。

また、前記アッパーテーパ部は、前記ブリッジファイバにおける入力側の端部に形成されていることが好ましい。

このようにアッパーテーパ部が入力側の端部に形成される場合、ブリッジファイバから光学素子に導かれる戻り光においては、光学素子に入る直前で、ブリッジファイバの軸方向に対する伝搬角が大きくされる。
このため、ブリッジファイバから光学素子に導かれる戻り光のうち、当該光学素子の出力側の端面に対して垂直に入射しない成分をより多くできる。したがって、入力用光ファイバのコアを経由して光源に戻り光が伝搬することをさらに抑制するとともに、その戻り光を特定の場所で熱に変えて放熱させることが可能となる。

また、前記アッパーテーパ部は、前記ブリッジファイバにおける入力側の端部及び出力側の端部以外の途中部分に形成され、前記ブリッジファイバにおける入力側の端部の外径は、前記ブリッジファイバの長さ方向に沿って一定とされていることが好ましい。

このようにした場合、ブリッジファイバの途中部分にアッパーテーパ部が形成されていない場合に比べて、ブリッジファイバと光学素子とを融着する際の接続角が大きくなることを抑制することができる。また、ブリッジファイバの側面方向からの振動や衝撃に対する強度を向上させることができる。
さらに、ブリッジファイバにおける入力側の端部の外径がブリッジファイバの長さ方向に沿って一定とされている。このため、アッパーテーパ部においてブリッジファイバの軸方向に対する伝搬角が大きくされた戻り光のうち、ブリッジファイバにおける入力側の端部を伝搬する光は、光学素子に入射するまで基本的に伝搬角が変わらない。すなわち、上述したように、戻り光の大部分を、光学素子の出力側の端面に対して垂直に入射させ難くすることができる。
したがって、入力用光ファイバのコアを経由して光源に戻り光が伝搬することを抑制するとともに、その戻り光を特定の場所で熱に変えて放熱させることが可能となる。

また、前記光学素子の外径は、前記部位における入力側端面の外径よりも大きく、前記光学素子の有効径は、前記部位における入力側端面の外径以下とされ、前記光学素子における出力側端面と前記部位における入力側の端面とは融着されることが好ましい。

このようにした場合、光学素子からブリッジファイバに入射するコリメート光の漏れを抑制しつつ、ブリッジファイバから光学素子へ入射する戻り光が空間に放出されることを防ぐことができる。

また、前記クラッドの外周面の少なくとも一部を囲う光透過性の樹脂層と、前記樹脂層を覆う金属層とを有する放熱部をさらに備えることが好ましい。

このようにした場合、入力用光ファイバのクラッドを経由する戻り光が放熱部の金属層で熱に変換されるため、光アイソレータにおいて戻り光を放熱させることができる。

また、本発明の光増幅器は、上記に記載の光アイソレータと、前記入力用光ファイバに入射させる光を増幅する増幅用光ファイバとを備えることを特徴とする。また、本発明のレーザ装置は、上記に記載の光アイソレータと、前記入力用光ファイバにレーザ光を照射するレーザ光出射部とを備えることを特徴とする。

このような光増幅器及びレーザ装置によれば、上述したように、結晶素子を設けることなく特定の場所で放熱させることが可能な光アイソレータが備えられている。このため、光アイソレータに入射される光が高出力であったとしても、その光に起因する光アイソレータ自体の破損を低減することができるとともに、当該光アイソレータの周囲における意図しない部材の破損をも低減することができる。こうして、寿命を向上させ得る光アイソレータを用いた光増幅器及びレーザ装置が実現される。

以上のように、本発明によれば、寿命を向上させ得る光アイソレータ、及び、それを用いた光増幅器並びにレーザ装置を提供することができる。

本実施形態におけるレーザ装置を示す図である。 増幅用光ファイバの長さ方向に垂直な断面の構造を示す図である。 増幅用光ファイバの長さ方向に沿った光アイソレータの断面を示す図である。 図３におけるＶ−Ｖ線を通る放熱部の断面の様子を示す図である。 光アイソレータにおける光の伝搬の様子を概略的に示す図である。 光アイソレータにおける戻り光の伝搬の様子を概略的に示す図である。

（１）実施形態
以下、本発明に係る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。図１は、本実施形態におけるレーザ装置１を示す図である。図１に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１は、レーザ光出射部２と、光アイソレータ３とを主な構成要素として備える。

レーザ光出射部２は、光アイソレータ３の入力側端面にレーザ光を照射する部材である。本実施形態の場合、レーザ光出射部２は、複数のレーザ光源１０と、光増幅器２０とを主な構成要素として備える。

レーザ光源１０は、例えば、レーザダイオードとされる。レーザ光源１０には、コア、及び、コアを被覆するクラッドを有するデリバリファイバ１１が接続される。このデリバリファイバ１１としては、例えば、マルチモードファイバが挙げられる。

光増幅器２０は、増幅用光ファイバ３０と、コンバイナ４０と、一対のミラーとしての第１ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）４１及び第２ＦＢＧ４２とを主な構成要素として備える。図２は、増幅用光ファイバ３０の長さ方向に垂直な断面の構造を示す図である。

図２に示すように、増幅用光ファイバ３０は、コア３１と、コア３１を被覆する内側クラッド３２と、内側クラッド３２を被覆する外側クラッド３３と、外側クラッド３３を被覆する被覆層３４とから構成される。コア３１の屈折率は内側クラッド３２の屈折率よりも高く、内側クラッド３２の屈折率は外側クラッド３３の屈折率よりも高くされる。

コア３１を構成する材料としては、例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム等のドーパント、及び、レーザ光源１０から出力されるレーザ光により励起される活性元素が添加された石英が挙げられる。

活性元素としては、イッテルビウム（Ｙｂ）、ツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素が挙げられる。また、希土類元素の他に、ビスマス（Ｂｉ）等が挙げられる。

内側クラッド３２を構成する材料としては、例えば、何らドーパントが添加されていない純粋石英が挙げられ、外側クラッド３３を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂が挙げられる。また、被覆層３４を構成する材料としては、例えば、外側クラッド３３を構成する樹脂とは異なる紫外線硬化樹脂が挙げられる。

コンバイナ４０は、レーザ光源１０からデリバリファイバ１１を介して出力されるレーザ光を励起光源として、増幅用光ファイバ３０における内側クラッド３２に入射させる。なお、デリバリファイバ１１のコアと、増幅用光ファイバ３０の内側クラッド３２との端面同士は例えば融着により光学的に結合される。

第１ＦＢＧ４１は、増幅用光ファイバ３０の入力側端面寄りに設けられており、励起状態とされた増幅用光ファイバ３０の活性元素が放出する光の少なくとも一部の波長の光を反射させる。このような第１ＦＢＧ４１の構造として、例えば、増幅用光ファイバ３０の一端側における長手方向に沿って一定の周期で高屈折率の部分を繰り返す構造が挙げられる。

第２ＦＢＧ４２は、増幅用光ファイバ３０の出力側端面寄りに設けられており、第１ＦＢＧ４１が反射する光と同じ波長の光を第１ＦＢＧ４１よりも低い反射率で反射させる。このような第２ＦＢＧ４２の構造として、例えば、増幅用光ファイバ３０の他端側における長手方向に沿って一定の周期で高屈折率の部分を繰り返す構造が挙げられる。

図３は、増幅用光ファイバ３０の長さ方向に沿った光アイソレータ３の断面を示す図である。図３に示すように、光アイソレータ３は、ＧＲＩＮレンズ５０、ブリッジファイバ６０、入力用光ファイバ７０、出力用光ファイバ８０及び放熱部９０を主な構成要素として備える。

ＧＲＩＮレンズ５０は、入射する光をコリメート光として出射するロッド状の光学素子である。このＧＲＩＮレンズ５０は、径方向において屈折率分布を有する構成とされる。

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る。例えば、屈折率を高くするゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが中心軸側ほど高濃度で添加される石英でＧＲＩＮレンズ５０が形成される。

またＧＲＩＮレンズ５０の長さは、入射する光の波長に対する０．２５ピッチ長の奇数倍の長さとされる。したがって、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光はＧＲＩＮレンズ５０の出力側端面に平行な光束（コリメート光）となる。

ブリッジファイバ６０は、ＧＲＩＮレンズ５０と光学的に結合され、当該ＧＲＩＮレンズ５０から出射される光を後段に伝搬させる光ファイバである。本実施形態におけるブリッジファイバ６０は、コア６１と、コア６１の外周面を囲むクラッド６２とを有する。コア６１の屈折率はクラッド６２の屈折率よりも高くされる。例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム等の元素が添加された石英でコア６１が形成され、純粋な石英でクラッド６２が形成される。

なお、ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ６０に入射する光の反射を抑制する観点では、当該ブリッジファイバ６０におけるコア６１の屈折率を、ＧＲＩＮレンズ５０の中心軸付近と同程度の屈折率とすることが好ましい。また、ブリッジファイバ６０におけるクラッド６２の外周面を被覆する被覆層が設けられていても良い。

ところで、ブリッジファイバ６０では、当該ブリッジファイバ６０の長さ方向に沿って外径が変化するアッパーテーパ部６０Ａとダウンテーパ部６０Ｂとが形成される。なお、アッパーテーパ部６０Ａとダウンテーパ部６０Ｂとの間には、ブリッジファイバ６０の長さ方向に沿って外径が一定の径一定部６０Ｃが配置される。

アッパーテーパ部６０Ａは、ＧＲＩＮレンズ５０から離れるにしたがって外径が広がる部分である。すなわち、アッパーテーパ部６０Ａにおけるコア６１及びクラッド６２の側面は径一定部６０Ｃの側面に対して斜めに傾斜し、当該コア６１及びクラッド６２の外径がＧＲＩＮレンズ５０から離れるにしたがって徐々に広がっている。

このアッパーテーパ部６０Ａの形成部位は、ブリッジファイバ６０における入力側の端部及び出力側の端部以外の途中部分とされる。すなわち、アッパーテーパ部６０Ａにおける小径側の端面がブリッジファイバ６０の入力側端面６５とされるのではなく、当該小径側の端面と入力側端面６５との間には、ブリッジファイバ６０の長さ方向に沿って、当該小径側の端面の外径と同じ外径の径一定部６０Ｄが設けられる。本実施形態における径一定部６０Ｄでは、クラッド６２が設けられず、光が伝搬する部位であるコア６１だけが設けられる。なお、アッパーテーパ部６０Ａにおける大径側の端面は径一定部６０Ｃの一端面と一体に形成される。

ダウンテーパ部６０Ｂは、ＧＲＩＮレンズ５０から離れるにしたがって外径が縮まる部分である。すなわち、ダウンテーパ部６０Ｂにおけるコア６１及びクラッド６２の側面は径一定部６０Ｃの側面に対して斜めに傾斜し、当該コア６１及びクラッド６２の外径がＧＲＩＮレンズ５０から離れるにしたがって徐々に縮まっている。

このダウンテーパ部６０Ｂの形成部位は、ブリッジファイバ６０における出力側の端部とされる。すなわち、ダウンテーパ部６０Ｂにおける小径側の端面がブリッジファイバ６０の出力側端面６６とされる。なお、ダウンテーパ部６０Ｂにおける大径側の端面が径一定部６０Ｃの他端面と一体に形成される。

本実施形態の場合、径一定部６０Ｃの側面に対するアッパーテーパ部６０Ａのコア６１の傾斜角度θ１は、当該側面に対するダウンテーパ部６０Ｂのコア６１の傾斜角度θ２よりも大きくされる。なお、アッパーテーパ部６０Ａ及びダウンテーパ部６０Ｂにおけるクラッド６２については径一定部６０Ｃの側面に対して斜めに傾斜していなくても良い。つまり、アッパーテーパ部６０Ａ及びダウンテーパ部６０Ｂは、少なくとも、ブリッジファイバ６０において光を伝搬する部位であるコア６１に形成されていれば良い。

このようなアッパーテーパ部６０Ａにおける小径側のコア端面は、ＧＲＩＮレンズ５０における出力側端面と融着される。

入力用光ファイバ７０は、ＧＲＩＮレンズ５０に光を入力するための光ファイバであり、コア７１と、コア７１の外周面を囲むクラッド７２と、クラッド７２を被覆する被覆層７３とを有する。コア７１の屈折率はクラッド７２の屈折率よりも高くされる。例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム等の元素が添加された石英でコア７１が形成され、純粋な石英でクラッド７２が形成される。なお、被覆層７３を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂等の樹脂が挙げられる。

本実施形態の場合、入力用光ファイバ７０におけるコア７１の外径は、ＧＲＩＮレンズ５０の外径よりも小さく、増幅用光ファイバ３０におけるコア３１の外径と同程度とされる。一方、入力用光ファイバ７０におけるクラッド７２の外径は、ＧＲＩＮレンズ５０の外径よりも大きく、増幅用光ファイバ３０における内側クラッド３２の外径と同程度とされる。

また、入力用光ファイバ７０における入力側のコア端面は増幅用光ファイバ３０における出力側のコア端面と融着され、当該入力用光ファイバ７０における入力側のクラッド端面は増幅用光ファイバ３０における出力側の内側クラッド端面と融着される。一方、入力用光ファイバ７０における出力側のコア端面及びクラッド端面の一部は、ＧＲＩＮレンズ５０における入力側端面と融着される。なお、入力用光ファイバ７０においてＧＲＩＮレンズ５０と融着される一端部分の被覆層７３は剥離される。

出力用光ファイバ８０は、ブリッジファイバ６０から出射される光を後段に出力するための光ファイバであり、コア８１と、コア８１の外周面を囲むクラッド８２と、クラッド８２を被覆する被覆層８３とを有する。例えば、屈折率を上昇させるゲルマニウム等の元素が添加された石英でコア８１が形成され、純粋な石英でクラッド８２が形成される。なお、被覆層８３を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂等の樹脂が挙げられる。

本実施形態の場合、出力用光ファイバ８０におけるコア８１の外径は、ダウンテーパ部６０Ｂにおける小径側のコア端面の外径及び入力用光ファイバ７０におけるコア７１の外径と同程度とされる。一方、出力用光ファイバ８０におけるクラッド７２の外径は、ダウンテーパ部６０Ｂにおける小径側のクラッド端面の外径及び入力用光ファイバ７０におけるクラッド７２の外径と同程度とされる。

また、出力用光ファイバ８０における入力側のコア端面はダウンテーパ部６０Ｂにおける小径側のコア端面と融着され、当該出力用光ファイバ８０における入力側のクラッド端面はダウンテーパ部６０Ｂにおける小径側のクラッド端面と融着される。なお、出力用光ファイバ８０においてブリッジファイバ６０と融着される一端部分の被覆層８３は剥離される。

図４は、図３におけるＶ−Ｖ線を通る放熱部９０の断面の様子を示す図である。図４に示すように、放熱部９０は、出力用光ファイバ８０に出射された光の戻り光を熱に変換するものであり、入力用光ファイバ７０において被覆層７３が剥離された部分に設けられる。なお、剥離部分は、上述したように、本実施形態ではＧＲＩＮレンズ５０と融着される入力用光ファイバ７０の一端部分とされる。

この放熱部９０は、入力用光ファイバ７０におけるクラッド７２の外周面を被覆する光透過性の樹脂層９１と、当該樹脂層９１の外周面の一部を密着した状態で覆う金属層９２とを有する。樹脂層９１の屈折率は、入力用光ファイバ７０におけるクラッド７２の屈折率よりも大きくされる。

このような樹脂層９１を構成する材料としては、例えば、ウレタン系の樹脂、シリコーン系樹脂等が挙げられる。また、金属層９２を構成する材料としては、例えば、光を熱に変換する限り特に限定されるわけではないが、放熱性に優れる部材であることが好ましく、例えば黒アルマイト処理されたアルミ、ステンレス鋼等が挙げられる。

次に、光アイソレータ３における光の伝搬に関して説明する。図５は、光アイソレータ３における光の伝搬の様子を概略的に示す図である。

図５に示すように、レーザ光出射部２から入力用光ファイバ７０を介してＧＲＩＮレンズ５０にレーザ光が入射した場合、当該レーザ光は、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っていく。なお、発散角とは、ＧＲＩＮレンズ５０を伝搬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。

またこの光は、ＧＲＩＮレンズ５０の外周面に近づくにつれて、当該光の発散角が小さくなるように屈折する。このＧＲＩＮレンズ５０の長さは入射する光の波長に対する０．２５ピッチ長の奇数倍の長さとされているため、当該ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光はＧＲＩＮレンズ５０の出力側端面（ブリッジファイバ６０の入力側端面６５）に平行な光束（コリメート光）となる。

また、ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ６０に入射する光はコア６１を広がりながら伝搬しダウンテーパ部６０Ｂに達する。このダウンテーパ部６０Ｂでは、光の少なくとも一部がコア６１の外周面で反射しながら伝搬する。この反射を繰り返す毎に光の伝搬角が大きくされる。つまり、ダウンテーパ部６０Ｂにおけるコア６１の外周面で反射する光の角度は、ブリッジファイバ６０の軸方向に対して大きくなる。

そして、ダウンテーパ部６０Ｂのコア６１を伝搬する光は、ブリッジファイバ６０の出力側端面６６から所定の発散角で出射して出力用光ファイバ８０のコア８１に入射し、当該コア８１を伝搬する。

このようにして光は入力用光ファイバ７０、ＧＲＩＮレンズ５０、ブリッジファイバ６０及び出力用光ファイバ８０を順次伝搬する。

ところで、出力用光ファイバ８０から出射した光が反射し、これが戻り光としてブリッジファイバ６０に入射する場合がある。このような戻り光の伝搬に関して説明する。図６は、光アイソレータ３における戻り光の伝搬の様子を概略的に示す図である。

図６に示すように、出力用光ファイバ８０からブリッジファイバ６０のコア６１に入射する戻り光は、ブリッジファイバ６０のコア６１を伝搬しアッパーテーパ部６０Ａに達する。

このアッパーテーパ部６０Ａでは戻り光の大部分がコア６１の外周面で反射し、ブリッジファイバ６０の軸方向に対して伝搬角を大きくしながらＧＲＩＮレンズ５０に導かれる。つまり、アッパーテーパ部６０Ａにおけるコア６１の外周面で反射する戻り光は殆ど外部に放出することなくＧＲＩＮレンズ５０に集められる。

ＧＲＩＮレンズ５０では戻り光が発散され、入力用光ファイバ７０のコア７１に入射してもそのコア７１のＮＡを超える傾向が大きく、当該戻り光の大部分は入力用光ファイバ７０のクラッド７２に入射する。

本実施形態の場合、入力用光ファイバ７０におけるクラッド７２の外径は、ＧＲＩＮレンズ５０の外径よりも大きくされている。このため、ＧＲＩＮレンズ５０の入力側端面に向かって伝搬する戻り光が、当該ＧＲＩＮレンズ５０から外部に放出することがより一段と抑制される。

入力用光ファイバ７０のクラッド７２に入射した光は、放熱部９０における樹脂層９１を透過して金属層９２に至り、当該金属層９２によって熱に変換される。

このようにして戻り光の大部分は出力用光ファイバ８０、ブリッジファイバ６０及びＧＲＩＮレンズ５０を順次伝搬して入力用光ファイバ７０に入射し、当該入力用光ファイバ７０に設けられる放熱部９０で熱に変換される。

以上のとおり、本実施形態の光アイソレータ３は、入力用光ファイバ７０と、その入力用光ファイバ７０のコア７１から入射する光をコリメート光として出射するＧＲＩＮレンズ５０と、そのＧＲＩＮレンズ５０から入射するコリメート光を後段に出力するブリッジファイバ６０とを備えている。

また、ブリッジファイバ６０において光が伝搬する部位であるコア６１には、ＧＲＩＮレンズ５０から離れるにしたがって外径が広がるアッパーテーパ部６０Ａが形成されている。

このような光アイソレータ３では、ブリッジファイバ６０に入射する戻り光は、アッパーテーパ部６０Ａの外周面で反射してＧＲＩＮレンズ５０に導かれる。この戻り光の大部分は、ＧＲＩＮレンズ５０の出力側の端面に対して垂直に入射しないので、入力用光ファイバ７０のコア７１に結合しづらい。また、ＧＲＩＮレンズ５０は、入力用光ファイバ７０のコア７１から入射した光をコリメート光として出射する素子であるので、ブリッジファイバ６０からＧＲＩＮレンズ５０の出力側の端面に入射する戻り光のうち、ＧＲＩＮレンズ５０の出力側の端面に対して垂直に入射する成分を除いて入力用光ファイバ７０のコア７１に結合しづらい。さらに、ＧＲＩＮレンズ５０を伝搬する戻り光はＧＲＩＮレンズ５０の中心に向かうように曲げられるので、戻り光が入力用光ファイバ７０のコア７１に入射する場合であっても、入力用光ファイバ７０のコア７１のＮＡを超える成分が多くなり、当該コア７１に入射した戻り光の大部分はコア７１から漏れることになる。

このため、ブリッジファイバ６０に入射する戻り光の殆どが外部に放出されることなく入力用光ファイバ７０のクラッド７２に入射する。したがって、入力用光ファイバ７０のコア７１を経由し、増幅用光ファイバ３０のコア３１及びデリバリファイバ１１を順次経由してレーザ光源１０に戻り光が伝搬することを抑制することが可能となる。また、入力用光ファイバ７０のクラッド７２を経由する戻り光を特定の場所で放熱させることが可能となる。

本実施形態の場合、入力用光ファイバ７０のクラッド７２の外周面を囲う光透過性の樹脂層９１と、その樹脂層９１の外周面の一部を覆う金属層９２とを有する放熱部９０が備えられる。このため、入力用光ファイバ７０のクラッド７２を経由する戻り光を放熱部９０の金属層９１で熱に変換することができ、この結果、光アイソレータ３において放熱させることができる。

このように光アイソレータ３は、結晶素子を設けることなく特定の場所で放熱させることが可能となる。このため、光アイソレータ３に入射される光が高出力であったとしても、その光に起因する光アイソレータ３自体の破損を低減することができるとともに、当該光アイソレータ３の周囲における意図しない部材の破損をも低減することができる。

また本実施形態の場合、アッパーテーパ部６０Ａは、ブリッジファイバ６０における入力側の端部及び出力側の端部以外の途中部分に形成されている。

このため、ブリッジファイバ６０の途中部分にアッパーテーパ部６０Ａが形成されていない場合に比べて、ブリッジファイバ６０とＧＲＩＮレンズ５０とを融着する際の接続角が大きくなることを抑制することができる。また、ブリッジファイバ６０の側面方向からの振動や衝撃に対する強度を向上させることができる。

さらに、アッパーテーパ部６０Ａにおける入力側の端部（径一定部６０Ｃ）の外径は、ブリッジファイバ６０の長さ方向に沿って一定とされている。このため、アッパーテーパ部６０Ａにおいてブリッジファイバ６０の軸方向に対する伝搬角が大きくされた戻り光のうち、径一定部６０Ｃを伝搬する光は、ＧＲＩＮレンズ５０に入射するまで基本的に伝搬角が変わらない。すなわち、上述したように、戻り光の大部分を、ＧＲＩＮレンズ５０の出力側の端面に対して垂直に入射させ難くすることができる。したがって、入力用光ファイバ７０のコア７１を経由してレーザ光源１０に戻り光が伝搬することを抑制するとともに、その戻り光を特定の場所で熱に変えて放熱させることが可能となる。

（２）他の実施形態
以上、実施形態が一例として説明された。しかしながら本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、本実施形態では、入射する光をコリメート光として出射する光学素子としてＧＲＩＮレンズ５０が適用された。しかしながら、この光学素子は、入射する光をコリメート光として出射するものである限り、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）等を用いることができる。このＴＥＣファイバを用いる場合、入力用光ファイバ７０の出力端部を熱してＴＥＣファイバとすることで、入射する光をコリメート光として出射する光学素子を、入力用光ファイバ７０と一体に得ることができる。

また上記実施形態では、ＧＲＩＮレンズ５０の外径と、ブリッジファイバ６０において光を伝搬する部位に形成されるアッパーテーパ部６０の小径側の端面とが同程度とされた。しかしながら、ＧＲＩＮレンズ５０の外径が、ブリッジファイバ６０において光を伝搬する部位における入力側端面の外径よりも大きく、アッパーテーパ部６０における小径側の端面の外径よりも大きく、当該ＧＲＩＮレンズ５０の有効径が、アッパーテーパ部６０における小径側の端面の外径以下とされても良い。
このようにした場合、光学素子からブリッジファイバに入射するコリメート光の漏れを抑制することができる。また、上述したようにＧＲＩＮレンズ５０では光が発散されるため、戻り光が入力用光ファイバ７０のコア７１に入射してもそのコア７１のＮＡを超える傾向が大きくなる。したがって、戻り光についてはその大部分を入力用光ファイバ７０のクラッド７２に入射させることができる。
なお、ＧＲＩＮレンズ５０の有効径とは、当該ＧＲＩＮレンズ５０から出射されるコリメート光の直径（ビーム径）である。また、ブリッジファイバ６０において光を伝搬する部位に形成されるアッパーテーパ部６０の小径側の端面とは、上記実施形態のように、ブリッジファイバ６０がコア−クラッド構造を有している場合には、当該アッパーテーパ部６０の小径側のコア端面のことである。

また上記実施形態では、コア６１及びクラッド６２を有するブリッジファイバ６０が適用された。しかしながら、コア−クラッド構造を有していないガラス体がブリッジファイバとして適用されても良い。コア−クラッド構造を有していないブリッジファイバとしては、例えば、上記実施形態におけるブリッジファイバ６０のクラッド６２を省略し、当該ブリッジファイバ６０のコア６１に相当するガラス体でなるブリッジファイバを挙げることができる。なお、このようなブリッジファイバにおいて光が伝搬する部位は、当該ブリッジファイバ全体となる。

また上記実施形態では、アッパーテーパ部６０Ａが、ブリッジファイバ６０における入力側の端部及び出力側の端部以外の途中部分に形成された。しかしながら、ブリッジファイバ６０における入力側の端部に形成されていても良い。
ブリッジファイバ６０における入力側の端部にアッパーテーパ部が形成される場合、径一定部６０Ｃは省略され、そのアッパーテーパ部の小径側の端面がブリッジファイバ６０の入力側端面６５となる。
このようにアッパーテーパ部が入力側の端部に形成される場合、ブリッジファイバ６０からＧＲＩＮレンズ５０に導かれる戻り光においては、ＧＲＩＮレンズ５０に入る直前で、ブリッジファイバ６０の軸方向に対する伝搬角が大きくされる。
このため、ブリッジファイバ６０からＧＲＩＮレンズ５０に導かれる戻り光のうち、当該ＧＲＩＮレンズ５０の出力側の端面に対して垂直に入射しない成分をより多くできる。したがって、入力用光ファイバ７０のコア７１を経由してレーザ光源１０に戻り光が伝搬することをさらに抑制するとともに、その戻り光を特定の場所で熱に変えて放熱させることが可能となる。

また上記実施形態では、ダウンテーパ部６０Ｂが、ブリッジファイバ６０における出力側の端部に形成されたが、アッパーテーパ部６０Ａよりもブリッジファイバ６０の出力端側に形成されているのであれば、当該ブリッジファイバ６０の途中部分に形成されていても良い。なお、ダウンテーパ部６０Ｂは省略されても良い。
ブリッジファイバ６０の途中部分にダウンテーパ部を形成する場合、そのダウンテーパ部の小径側の端面とブリッジファイバ６０の出力側端面６６との間には、ブリッジファイバ６０の長さ方向に沿って、当該小径側の端面の外径と同じ径一定部が設けられる。

また上記実施形態では、ブリッジファイバ６０に径一定部６０Ｃが設けられたが、当該径一定部６０Ｃは省略されていていても良い。

また上記実施形態では、放熱部９０が入力用光ファイバ７０の出力端部に設けられたが、当該出力端部以外の部分に設けられていても良い。また、複数の放熱部９０が、入力用光ファイバ７０における一端から他端に向かって所定の間隔又は任意の間隔ごとに設けられていても良い。

また上記実施形態では、放熱部９０が入力用光ファイバ７０に備えられたが、当該入力用光ファイバ７０に代えて、あるいは、入力用光ファイバ７０に加えて、他の場所に備えられていても良い。他の場所としては、例えば、増幅用光ファイバ３０における出力端と第２ＦＢＧ４２との間、あるいは、デリバリファイバ１１などが挙げられる。なお、増幅用光ファイバ３０に放熱部９０を設ける場合、増幅用光ファイバ３０における外側クラッド３３の外周面が樹脂層９１に被覆される。

また上記実施形態では、樹脂層９１及び金属層９２を有する放熱部９０が適用されたが、当該樹脂層９１と金属層９２との間に断熱層が介在された放熱部が適用されても良い。また、樹脂層９１の一部を覆う金属層９２に代えて、当該樹脂層９１全体を覆う金属層が適用されても良い。あるいは、放熱部９０の構造とは異なる構造の放熱部が設けられていても良い。要するに、入力用光ファイバ７０のクラッド７２を伝搬する戻り光を放熱するものであれば良い。

また上記実施形態では、レーザ光出射部２の構成要素として、複数のレーザ光源１０、光増幅器２０、第１ＦＢＧ４１及び第２ＦＢＧ４２が適用された。しかしながら、レーザ光出射部２の構成要素は、レーザ光を照射するものである限り、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではレーザ光源１０がレーザダイオードとされたが、当該レーザ光源１０がファイバーレーザダイオードとされた場合、増幅用光ファイバ３０、第１ＦＢＧ４１及び第２ＦＢＧ４２は省略される。

また上記実施形態では、レーザ装置１として共振型のファイバレーザ装置が適用されたが、例えば、ＭＯ−ＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）型のファイバレーザ装置が適用されても良く、その他のレーザ装置が適用されても良い。

なお、レーザ装置１、光増幅器２０、及び、光りアイソレータ３における各構成要素は、上記実施形態又は変形例に示された内容以外に、適宜、本願目的を逸脱しない範囲で組み合わせ、省略、変更、周知技術の付加などをすることができる。

本発明は、レーザ装置を用いる加工分野や医療分野等、あるいは、光ファイバコンバイナを用いる様々な分野において利用可能性がある。

１・・・レーザ装置
２・・・レーザ光出射部
３・・・光アイソレータ
１０・・・レーザ光源
２０・・・光増幅器
３０・・・増幅用光ファイバ
４０・・・コンバイナ
４１・・・第１ＦＢＧ
４２・・・第２ＦＢＧ
５０・・・ＧＲＩＮレンズ
６０・・・ブリッジファイバ
６０Ａ・・・アッパーテーパ部
６０Ｂ・・・ダウンテーパ部
６０Ｃ・・・径一定部
７０・・・入力用光ファイバ
８０・・・出力用光ファイバ
９０・・・放熱部

Claims (7)

1. コア及び前記コアの外周面を囲むクラッドを有する入力用光ファイバと、
   前記コアから入射する光をコリメート光として出射する光学素子と、
   前記光学素子から入射する光りを後段に出力するブリッジファイバと
   を備え、
   前記ブリッジファイバにおいて光が伝搬する部位には、前記光学素子から離れるにしたがって外径が広がるアッパーテーパ部が形成される
   ことを特徴とする光アイソレータ。
2. 前記アッパーテーパ部は、前記ブリッジファイバにおける入力側の端部に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
3. 前記アッパーテーパ部は、前記ブリッジファイバにおける入力側の端部及び出力側の端部以外の途中部分に形成され、前記ブリッジファイバにおける入力側の端部の外径は、前記ブリッジファイバの長さ方向に沿って一定とされている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
4. 前記光学素子の外径は、前記部位における入力側端面の外径よりも大きく、前記光学素子の有効径は、前記部位における入力側端面の外径以下とされ、
   前記光学素子における出力側端面と前記部位における入力側の端面とは融着される
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３いずれか１項に記載の光アイソレータ。
5. 前記クラッドの外周面を囲う光透過性の樹脂層と、前記樹脂層の少なくとも一部を覆う金属層とを有する放熱部
   をさらに備えることを特徴とする請求項１〜請求項４いずれか１項に記載の光アイソレータ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の光アイソレータと、
   前記入力用光ファイバに入射させる光を増幅する増幅用光ファイバと
   を備えることを特徴とする光増幅器。
7. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の光アイソレータと、
   前記入力用光ファイバにレーザ光を照射するレーザ光出射部と
   を備えることを特徴とするレーザ装置。

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