JP2018036362A - 光ファイババンドル、コンバイナ、及びレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンドリング性や被覆による保護特性を保ちつつ光ファイババンドルの出力ファイバに対する結合角度を低減することで、光学特性の悪化を抑制できる光ファイババンドル、コンバイナ、及びレーザ装置を提供する。【解決手段】実施形態の複数の光ファイバで構成される光ファイババンドルが、ガラス層と前記ガラス層を被覆除去端まで覆う被覆層とで構成される被覆部と、前記被覆除去端よりも先端側で露出した前記ガラス層で構成されるガラス露出部とを有し、前記複数の光ファイバのうちバンドル中心軸と異なる位置に軸を有する光ファイバの少なくとも一つにおける前記被覆除去端において、前記ガラス層が前記被覆層に対して前記バンドル中心軸に近づく方向に偏芯されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイババンドル、コンバイナ、及びレーザ装置に関する。

光ファイバをコンバイナとして用いる場合、バンドルされた光ファイバを最密に配置して溶融延伸して一つの出力光ファイバに結合させる。例えば、特許文献１は、この結合損失を抑えるために入出力ファイバの開口数ＮＡと入出力ファイバの総断面積ΣＡiを表す以下の式（１）を開示する。なお、Ａ′は最小テーパ直径の面積を表す。

上記式（１）は光ファイババンドルに余分な曲がりなどがない理想的な場合に入射光が損失なく出射側光ファイバに結合できることを表す。

通常の光ファイバは、ガラス層とその外周面を保護する被覆層とで構成され、光ファイバがバンドル化される部分の近傍では、被覆層が除去されてガラス層が露出した状態で最密に束ねられる。

特許第３４１５４４９号公報

しかしながら、光ファイバが被覆層を有する場合、被覆層の厚みがあるため、被覆除去端に近いガラス露出部を最密に配置することは困難である。従って、バンドルの中心に配置される光ファイバ以外は出力ファイバの軸とバンドルファイバの軸とのなす角度である結合角度をある程度有する状態で出力ファイバに結合される場合がある。
この結合角度が大きいと、上述の式（１）に示される理想状態よりも伝搬する光の発散角が大きくなってしまい、損失が増大しうる。

また通常、光ファイババンドルと出力光ファイバとの結合部分及びその近傍では、光ファイバに適度な張力が加えられた状態でそれぞれの光ファイバが保持される。角度が付いた状態で光ファイバが保持された場合、ファイバの軸方向以外の応力も発生するため、予期しない故障が生じるおそれがある。

また、被覆層を薄くすることで光ファイババンドルと出力光ファイバとの結合角度を低減することも考えられる。
しかしながら、被覆層全体の厚さを薄くしてしまうと、光ファイババンドルを構成する光ファイバの保護が不十分となって破損したり、傷がついて光学特性が低下したりするおそれがある。

さらに、被覆層の除去長を長くすることで光ファイババンドルと出力光ファイバとの結合角度を低減することも考えられる。
しかしながら、この場合、部品全体が大型化するおそれや、ガラス露出部へ異物が付着しやすくなるおそれ、最密にバンドル化する際にファイバ同士が絡まり易くなるおそれなどがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ハンドリング性や被覆による保護特性を保ちつつ光ファイババンドルの出力ファイバに対する結合角度を低減することで、光学特性の悪化を抑制できる光ファイババンドル、コンバイナ、及びレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様に係る複数の光ファイバで構成される光ファイババンドルは、ガラス層と前記ガラス層を被覆除去端まで覆う被覆層とで構成される被覆部と、前記被覆除去端よりも先端側で露出した前記ガラス層で構成されるガラス露出部とを有し、前記複数の光ファイバのうちバンドル中心軸と異なる位置に軸を有する光ファイバの少なくとも一つにおける前記被覆除去端において、前記ガラス層が前記被覆層に対して前記バンドル中心軸に近づく方向に偏芯されている。

前記複数の光ファイバのうち前記バンドル中心軸と異なる位置に軸を有する光ファイバの全てにおける前記被覆除去端において、前記ガラス層が前記被覆層に対して前記バンドル中心軸に近づく方向に偏芯されていてもよい。

前記ガラス露出部において、前記光ファイバの側面同士が融着されていてもよい。

上記態様に係る光ファイババンドルが最密充填配列される７本又は１９本の光ファイバで構成されてもよい。

上記態様に係る光ファイババンドルが、前記被覆部において、全ての前記複数の光ファイバの外周を覆い、前記複数の光ファイバを一つに固定するカバー層をさらに備えてもよい。

前記カバー層の剛性率は、前記被覆層の剛性率よりも小さくてもよい。

本発明の第２態様に係るコンバイナは、上記第１態様に係る光ファイババンドルと、前記ガラス露出部の先端と光学的に結合される１本の出力光ファイバとを備える。

本発明の第３態様に係るレーザ装置は上記第２態様に係るコンバイナを備える。

本発明の上記態様によれば、ガラス層が被覆層に対してバンドル中心軸に寄るように偏芯されている光ファイバで構成されることで、バンドルされた光ファイバの出力ファイバに対する結合角度を低減でき、その結果、光学特性の悪化を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るコンバイナ１の構成を示す図である。 全ての入力光ファイバのガラス層が被覆層に対して偏芯していない場合のコンバイナ１００の構成を示す図である。 カバー層を有する光ファイババンドルを示す断面図である。 ポンプコンバイナを含むレーザ装置Ｐの概略図を示す。 出力コンバイナを含むレーザ装置Ｑの概略図を示す。

図１は、本発明の第１実施形態に係るコンバイナ１の構成を示す図である。図１（ａ）はコンバイナ１の上面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における、入力光ファイバ２ｂの軸方向に垂直な断面図である。図１（ｃ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ線における、光ファイバ２ｂの軸方向に平行な断面図である。
また、図２は全ての入力光ファイバのガラス層が被覆層に対して偏芯していない場合のコンバイナ１００の構成を示す比較図である。図２（ａ）は図１（ｂ）に対応する、入力光ファイバ２００ｂの軸方向に垂直な断面図である。図２（ｂ）は図１（ｂ）に対応する、入力光ファイバ２００ｂの軸方向に平行な断面図である。

図１（ａ）に示すように光コンバイナ１は、光ファイババンドル２と、出力光ファイバ３とを備える。光ファイババンドル２は、結合部１０（ガラス露出部５の先端）を介して出力光ファイバ３に対して光学的に結合される。

図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、光ファイババンドル２は、７本の入力光ファイバ（光ファイバ）２ａ、２ｂで構成され、被覆部４と、結合部１０から被覆除去端４ａまでの所定長さだけ被覆層が除去されたガラス露出部５とを有する。
本実施形態では、７本の入力光ファイバ２ａ、２ｂが最密充填配列される構成を示す。

被覆部４は、ガラス層８とガラス層８を覆う被覆層９とで構成される。
本実施形態では図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、被覆部４では、入力光ファイバ２ａ、２ｂのうち、バンドル中心軸Ｏと異なる位置に中心軸を有する６本の光ファイバ２ａは、ガラス層８が被覆層９に対してバンドル中心軸Ｏに近づく方向に偏芯されている。また、バンドル中心軸Ｏと同じ位置に中心軸を有する入力光ファイバ２ｂについてはガラス層８が被覆層９に対して偏芯されない。

これにより、図２（ａ）に示すようなガラス層８が被覆層９００に対して偏芯されていない入力光ファイバ２００ａで構成される光ファイババンドル２００に比べて、被覆部４の被覆除去端４ａ近傍の入力光ファイバ２ａ、２ｂ同士の間隔が近くなる。従って、図２（ｂ）に示すようなガラス層８が被覆層９００に対して偏芯されていない入力光ファイバ２００ａに比べて、結合部における出力光ファイバ３に対する入力光ファイバ２ａの結合角度が低減される。
この結果、光学特性の悪化を低減することができる。

なお、本実施形態において結合角度とは、結合部１０における出力光ファイバ３の軸方向に対する各入力光ファイバの軸の角度を示し、出力光ファイバ３の軸方向に平行な場合を０とする。

ここでバンドル中心軸Ｏとは、軸方向に垂直な断面における光ファイババンドル２の中心を通る線を意味する。またバンドル中心軸Ｏは出力光ファイバ３のコアの中心軸の延長線とも定義できる。本実施形態においては、バンドル中心軸Ｏは光ファイババンドル２の中央に配置される入力光ファイバ２の軸と一致する。

ガラス層８を被覆層９に対してバンドル中心軸Ｏに近づく方向にどの程度偏芯させるかについては、出力光ファイバ３に対する入力光ファイバ２ａの結合角度を低減することができれば限定されない。
例えば、被覆除去端４ａにおいて、入力光ファイバ２ｂに対向する部分の入力光ファイバ２ａの被覆層９の厚さが５〜１０μｍとなるように偏芯してもよい。
上記範囲にすれば、入力光ファイバ２ａの被覆層９の最薄部分も適切に保護されかつ、出力光ファイバ３に対する入力光ファイバ２ａの結合角度も十分に低減することができる。

ここで、本実施形態においてガラス層８が被覆層９に対してバンドル中心軸Ｏに近づく方向に偏芯しているとは、軸方向に垂直な断面において、ガラス層８の中心軸の方が被覆層９の中心軸よりもバンドル中心軸Ｏに近い位置に存在することを意味する。

ガラス層８としては、光ファイバに求められる特性や用途に応じた材料が選択される。ガラス層８として例えば、屈折率の異なるコア及びクラッドを有し、シリカガラス系材料からなる円柱状のガラスファイバなどが挙げられるが、本発明はこれに限定されない。
また、本実施形態のように、最密充填配列される場合、ガラス層８の軸方向に垂直な断面形状が正六角形であってもよい。

被覆層９は、１層構造であってもよいし、２層構造であってもよい。
被覆層９の構成材料は、一般的な光ファイバに用いられる材料であればよく、光ファイバの求められる特性や用途に応じた材料が適宜選択されうる。被覆層９の材料としては、紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂が挙げられる。
被覆層９の外径としては、２００〜２５０μｍであることが挙げられるが、これに限定されない。

被覆層９が２層構造の場合、ガラス層８の外周に形成されるプライマリ層としては、ガラス層との密着性の良好な材料や、ガラス層８へ光を閉じ込めるためのガラス層８のクラッド部よりも屈折率が低い材料などを用いることができる。プライマリ層の材料として、例えばフッ素化アクリル樹脂などを用いることができる。
さらにプライマリ層の外周に形成されるセカンダリ層としては、光ファイバを十分に保護できるようにヤング率が高い材料などを用いることができる。セカンダリ層の材料として、例えばウレタンアクリレート樹脂などを用いることができる。

ガラス層８へ光を閉じ込めるためにプライマリ層を用いる場合、プライマリ層が過剰に薄くなると光の閉じ込めが不十分になるおそれがある。
したがって、ガラス層８へ光を閉じ込めるためにプライマリ層を用いる場合、ガラス層８をプライマリ層に対しては偏芯させずに、セカンダリ層のみに対して偏芯されてもよい。

ガラス露出部５では、上述のように被覆層９が除去され、ガラス層８が露出している。また、ガラス露出部５の被覆部４が設けられる側とは反対側の端部は、結合部１０を介して出力光ファイバ３の出力光ファイバガラス露出部６に結合される。結合部１０では、ガラス露出部５の先端部と出力光ファイバガラス露出部６の先端部とが、融着接続などにより結合される。

ガラス露出部５の軸方向の長さとしては、１０〜２５ｍｍであることが好ましい。ガラス露出部５の長さを１０ｍｍ以上にすることで、バンドル化作業が容易であり、また結合角度を十分に低減することができる。また、ガラス露出部５の長さを２５ｍｍ以下にすることで、部品全体の大型化や、バンドル化作業時のガラス露出部５へ異物の付着及びファイバ同士の絡まりを防ぐことができる。

また、上記実施形態では、光ファイババンドル２の各入力光ファイバ２ａ、２ｂは結合部１０まではそれぞれ独立に形成されている。一方、ガラス露出部５において、各入力光ファイバ２ａ、２ｂの側面同士を融着することで、結合部１０において各入力光ファイバが一体化された状態の光ファイババンドル２を出力光ファイバ３に結合してもよい。

出力光ファイバ３は、求められる特性や用途に応じた任意の光ファイバを選択できる。
コンバイナ１をファイバレーザ用途に用いる場合、出力光ファイバ３における出力光ファイバガラス露出部（出力光ファイバガラス層）６の外径は３２０μｍ程度、出力光ファイバ被覆部（出力光ファイバ被覆層）７の外径は４５０μｍ程度であることが挙げられる。また、出力光ファイバガラス露出部６の軸方向の長さは１０〜１５ｍｍであることが挙げられる。
出力光ファイバガラス層及び出力光ファイバ被覆層の材料についても光学特性や保護特性に応じて適宜選択できる。

本実施形態に係るコンバイナ１が適用可能な光学装置としては、特に限定されない。例えば、レーザ装置のポンプコンバイナや、出力コンバイナとして適用することができる。
ポンプコンバイナを含むレーザ装置としては、図４に示すレーザ装置（ファイバレーザ）Ｐが例示される。

レーザ装置Ｐは、図示しない電流源、７個のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ７、コンバイナ１、高反射ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）２０、ダブルクラッドファイバ（ＤＣＦ）２１、低反射ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）２２により構成することができる。なお、レーザダイオードの数は７個に限定されない。

レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ７は、ポンプ光を生成する。レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ７は、ポンプコンバイナ１の入力光ファイバ２ａ、２ｂにそれぞれ接続されており、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ７にて生成されたポンプ光は、ポンプコンバイナ１に入力される。

ポンプコンバイナ１は、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ７にて生成されたポンプ光を合波する。ポンプコンバイナ１の出力光ファイバ３は、高反射ＦＢＧ２０を介してＤＣＦ２１に接続されている。ポンプコンバイナ１にて合波されたポンプ光は、高反射ＦＢＧ２０を通過した後、ＤＣＦ２１のクラッドに入力される。

ＤＣＦ２１は、ポンプコンバイナ１にて合波されたポンプ光をレーザ光に変換する。ＤＣＦ２１のコアには、Ｙｂ等の希土類元素が添加されており、ポンプコンバイナ１にて合波されたポンプ光によって、この希土類元素の反転分布状態が維持される。
ＤＣＦ２１は、入力端に接続された高反射ＦＢＧ２０及び出力端に接続された低反射ＦＢＧ２２と共に共振器を構成する。
ＤＣＦ２１のコアにおいては、反転分布状態に維持された希土類元素が誘導放出を繰り返すことにより、レーザ光が生成される。ＤＣＦ２１の出力端は、低反射ＦＢＧ２２に接続されている。そして、ＤＣＦ２１にて生成されたレーザ光のうち、低反射ＦＢＧ２２を透過したレーザ光が出力端２３から出力される。

出力コンバイナを含むレーザ装置としては、図５に示すレーザ装置Ｑが例示される。

レーザ装置Ｑは、７台のレーザ光源Ｐ１〜Ｐ７と、出力コンバイナ１と、レーザヘッド３１とを備えている。なお、レーザ装置の数は７台に限定されない。

レーザ光源Ｐ１〜Ｐ７としては、上述のファイバレーザＰを用いることができる。
レーザ光源Ｐ１〜Ｐ７の出力端は入力光ファイバ２ａ、２ｂにそれぞれ接続されており、レーザ光源Ｐ１〜Ｐ７から出射されるレーザ光は出力コンバイナ１に入射する。
出力コンバイナ１は、レーザ光源Ｐ１〜Ｐ７から出力されたレーザ光を１つに合波し出力光を生成する。出力コンバイナ１の出力光ファイバ３から出射される出力光は、出射部３０から外部へ出力される。

ここで、コンバイナにおいて結合角度が大きくなると、コンバイナを伝搬する光の発散角が大きくなってしまう。一般に出力コンバイナにおいては、コンバイナで合波されるレーザ光がハイパワーになるため、この光の発散角の影響が特に大きい。具体的には、光の発散角が大きいと、出力コンバイナ及びその後段の出力光ファイバで漏洩する光が増えて発熱が起こる。さらにレーザ装置から出射する光のビーム品質（光学特性）が悪化する。特に出力コンバイナにおいては、この光の発散角が大きくなることの影響が大きい。具体的には、出力コンバイナは各ファイバレーザのレーザ光源の出力が結合されることでハイパワーの光が伝搬する。この伝搬光の発散角が大きくなることは、出力コンバイナ及びその後段の出力光ファイバで漏洩する光が増えてしまうおそれがあり、漏光部又はその周囲での発熱が顕著になりうる。さらに、発散角の大きくなった光はそのまま出力光ファイバを通して出射されるため、レーザ出射光の光学特性（ビーム品質）を悪化させる。
従って、本実施形態に係るコンバイナ１を出力コンバイナとして用いる場合、結合角度が小さくすることによる効果は特に大きく、発熱と出力光のビーム品質の悪化とを抑制することができる。

また、本実施形態に係るコンバイナ１をポンプコンバイナとして用いる場合、中央に配置される入力光ファイバ２ａは信号光ファイバとして用いられる。そのため、入力光ファイバ２ａのみガラス層８が異なる構成を有する。

この場合、中央部の入力光ファイバ２ｂのガラス層８は、直径１０〜３５μｍ程度のコアと、コアを囲む外径が１０５μｍ程度のクラッドとで構成することができる。
また、トリプルクラッドファイバを採用する場合は、コアとクラッドとの間に外径６０〜７０μｍ程度の内側クラッドをさらに有してもよい。
一方、入力光ファイバ２ｂの周囲に配置される６つの入力光ファイバ２ａは励起光ファイバとして用いられ、直径が１００μｍ程度のコアと、コアを囲む外径が１０５μｍ程度のクラッドとで構成することができる。
なお、本発明はこれらの構成に限定されない。

また、被覆部４においては、図３に示すように光ファイバ２ａ、２ｂを一つに固定し全体を保護するカバー層１１が設けられてもよい。カバー層１１は、光ファイババンドル２を構成する全ての光ファイバ２ａ、２ｂの全外周面を覆っている。
本実施形態では、入力光ファイバ２ａのガラス層８が被覆層９に対して偏芯しているため被覆層９の厚みが薄い部分が生じている。カバー層１１を設けることにより、被覆層９の厚みが薄い部分を保護し、光ファイババンドル２の耐外傷性を向上させることができる。また、カバー層１１は光ファイバ２ａ、２ｂを一つに固定するため、光ファイババンドル２のハンドリング性を向上することもできる。

カバー層１１の材料としては特に限定されない。固定後にそれぞれの光ファイバ２ａ、２ｂを簡単に切り離すことができる観点から、剛性率が十分に低い材料、例えば、被覆層９の剛性率よりも低いことが好ましい。カバー層１１の材料としては、たとえば、シリコーン樹脂やウレタンアクリレート樹脂などを用いることができる。

なお、図３では、光ファイババンドル２を構成する全ての光ファイバ２ａ、２ｂの全外周面を覆っているが、例えば、バンドル化された光ファイバ２ａの外側に露出する面をテープ材や、チューブ材で覆うことでカバー層１１を形成してもよい。

上記実施形態では、光ファイババンドル２は７本の光ファイバ２ａ、２ｂで構成されるがこれに限定されない。２本以上の入力光ファイバのコンバイナであれば本発明を適用できる。光ファイババンドルとして、２本の光ファイバが並列配置されていてもよいし、３本の光ファイバが三角配置されていてもよい。また、１９本の入力光ファイバが最密充填配列されていてもよい。

上記実施形態に係るレーザ装置Ｐ及びレーザ装置Ｑでは、一段ですべての入力光ファイバが一本の出力光ファイバに結合されているが、限定されない。例えば、一段目で２×１の結合を３つ構成し、二段目で４×１の結合を構成してもよい。

上記実施形態では、バンドル中心軸Ｏと異なる位置に軸を有するすべての入力光ファイバ２ａにおいて、ガラス層８が被覆層９に対してバンドル中心軸Ｏに近づく方向に偏芯されているが、本発明はこれに限定されない。
例えば、入力光ファイバ２ａのうちのいずれか一つの光ファイバ２ａのみのガラス層８が被覆層９に対して偏芯されていてもよい。ただし、結合角度の低減化の観点からは、すべての光ファイバ２ａのガラス層８が被覆層９に対してバンドル中心軸Ｏに近づく方向に偏芯されていることが好ましい。

光ファイバ２ａは、少なくとも被覆除去端４ａの近傍においてガラス層８が被覆層９に対してバンドル中心軸Ｏに近づく方向に偏芯されていればよい。ただし、製造の容易性を考慮すると光ファイバ２ａの全長に亘って、ガラス層８が被覆層９に対して偏芯されていることが好ましい。

ガラス層８を被覆層９に対して偏芯させる方法としては、例えば、樹脂被覆装置のダイス孔に光ファイバ裸線を通して被覆樹脂を塗布する際に、光ファイバ裸線が通過する位置をダイス孔の中心からずらすことが挙げられる。また、ダイス孔の中心に対する光ファイバ裸線の位置を調整することで、ガラス層を被覆層に対してどの程度偏芯させるかを調整できる。

以上、本発明の光ファイババンドル、コンバイナ、及びレーザ装置について説明してきたが、本発明は前記の例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１…光コンバイナ、２…光ファイババンドル、２ａ、２ｂ…入力光ファイバ（光ファイバ）、３…出力光ファイバ、４…被覆部、４ａ…被覆除去端、５…ガラス露出部、８…ガラス層、９…被覆層、１０…結合部（ガラス露出部の先端）、１１…カバー層、Ｏ…バンドル中心軸、Ｐ、Ｑ…レーザ装置。

Claims (8)

1. 複数の光ファイバで構成される光ファイババンドルであって、
   ガラス層と前記ガラス層を被覆除去端まで覆う被覆層とで構成される被覆部と、前記被覆除去端よりも先端側で露出した前記ガラス層で構成されるガラス露出部とを備え、
   前記複数の光ファイバのうちバンドル中心軸と異なる位置に軸を有する光ファイバの少なくとも一つにおける前記被覆除去端において、前記ガラス層が前記被覆層に対して前記バンドル中心軸に近づく方向に偏芯されている光ファイババンドル。
2. 請求項１に記載の光ファイババンドルであって、
   前記複数の光ファイバのうち前記バンドル中心軸と異なる位置に軸を有する光ファイバの全てにおける前記被覆除去端において、前記ガラス層が前記被覆層に対して前記バンドル中心軸に近づく方向に偏芯されている光ファイババンドル。
3. 請求項１又は２に記載の光ファイババンドルであって、
   前記ガラス露出部において、前記光ファイバの側面同士が融着されている光ファイババンドル。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイババンドルであって、
   最密充填配列される７本又は１９本の光ファイバで構成される光ファイババンドル。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の光ファイババンドルであって、
   前記被覆部において、全ての前記複数の光ファイバの外周を覆い、前記複数の光ファイバを一つに固定するカバー層をさらに備える光ファイババンドル。
6. 請求項５に記載の光ファイババンドルであって、
   前記カバー層の剛性率は、前記被覆層の剛性率よりも小さい光ファイババンドル。
7. コンバイナであって、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の光ファイババンドルと、
   前記ガラス露出部の先端と光学的に結合される１本の出力光ファイバとを備えるコンバイナ。
8. 請求項７に記載のコンバイナを備えるレーザ装置。

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