JP2018060024A - 光ファイバ及びファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】被覆除去区間の出射側に位置する被覆区間において生じ得る光導波路からの光の漏出を抑えた、従来よりも信頼性の高い光ファイバを実現する。
【解決手段】コア（１１）と、屈折率がコア（１１）よりも低い、被覆除去区間（Ｉ０）を除いてコア（１１）の側面を覆うプライマリ被覆（１２）とを備え、コア（１１）の側面は、被覆除去区間（Ｉ０）の少なくとも一部において、屈折率がコア（１１）よりも低く且つプライマリ被覆（１２）よりも高い中屈折率樹脂体（１４）に覆われている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバに関する。また、そのような光ファイバを含むファイバレーザに関する。

金属材料などを加工（切断、溶接、切削など）する材料加工の分野では、ブレードやドリルなどを用いた機械加工に代わる加工方法として、レーザ光を用いたレーザ加工が普及しつつある。レーザ加工は、加工精度及び加工速度の両面において機械加工よりも優れている。また、レーザ加工に用いるレーザ装置としては、ファイバレーザが注目を集めている。ファイバレーザは、エネルギー効率が高く、ビーム品質の高い（ビーム径が小さく、かつ、ビーム拡がり角が小さい）レーザ光を得ることができる。

ファイバレーザは、ポンプゲインファイバを増幅媒質とするレーザ装置であり、共振型のファイバレーザや、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifire）型のファイバレーザなどがある。ポンプゲインファイバとしては、コアにＹｂなどの希土類元素が添加されたダブルクラッドファイバが用いられる。ポンプゲインファイバのクラッドにポンプ光を入力することによって、レーザ光を発振又は増幅させることが可能になる。

共振器型のファイバレーザ、又は、ＭＯＰＡ型のファイバレーザのパワーアンプ（ポストアンプ）においては、ポンプ光を生成するための構成として、複数のレーザダイオードが用いられ、各レーザダイオードにて生成されたポンプ光を合成するための構成として、光コンバイナが用いられる（特許文献１〜２参照）。光コンバイナは、複数の入力側リードファイバと、単一の出力側リードファイバとを備えた光学部品であり、各入力側光ファイバを介して外部から入力された光を合成すると共に、合成された光を出力側リードファイバを介して外部に出力する機能を有する。ファイバレーザにおいて、光コンバイナの各入力側リードファイバは、ポンプファイバを介してレーザダイオードに接続され、光コンバイナの出力側リードファイバは、ポンプゲインファイバに接続される。光コンバイナの入力側には、ポンプファイバに接続される入力側リードファイバとは別に、信号光の入出力に用いられるデリバリファイバポートが配置される場合もある。各レーザダイオードにて生成されたポンプ光は、光コンバイナにて合成された後、ポンプゲインファイバのクラッドに入力される。

ポンプコンバイナの入力側リードファイバと、この入力側リードファイバに融着接続されるポンプファイバとは、ポンプ光のみを導波する光ファイバである。これらの光ファイバとしては、石英ガラス製のコアと、コアよりも屈折率の低い樹脂製のプライマリ被覆と、コアよりも屈折率の高いセカンダリ被覆とにより構成されるシングルクラッドファイバを用い、コアでポンプ光を導波することが一般的である。コアを石英ガラスで構成することにより、ハイパワーのポンプ光を導波することが可能になる。また、クラッドを石英ガラスとの屈折率差が大きい樹脂で構成することにより、コアの開口数を大きくし、レーザダイオードからのポンプ光を効率良く入射させることが可能になる。

一方、ポンプコンバイナの出力側リードファイバと、この出力側リードファイバに融着接続されるポンプゲインファイバとは、ポンプ光及びレーザ光の両方を導波する光ファイバである。これらの光ファイバとしては、石英ガラス製のコアと、コアよりも屈折率の低い石英ガラス製のクラッドと、クラッドよりも屈折率が低い樹脂製のプライマリ被覆と、コアよりも屈折率の高いセカンダリ被覆とにより構成されるダブルクラッドファイバを用い、コアでレーザ光を導波すると共に、クラッドでポンプ光を導波することが一般的である。

ところで、光ファイバの融着接続は、端面近傍の被覆を除去したうえで行う必要がある。したがって、ポンプコンバイナの入力側リードファイバとポンプファイバとの融着点近傍においては、プライマリ被覆及びセカンダリ被覆が除去されることになる。同様に、ポンプコンバイナの出力側リードファイバとポンプゲインファイバとの融着点近傍においても、プライマリ被覆とセカンダリ被覆が除去されることになる。また、光ファイバに融着接続以外の加工を施す場合でも、加工箇所近傍の被覆を除去する必要がある。例えば、共振器型のファイバレーザにおいては、ポンプゲインファイバの両端にファイバブラッググレーティングが接続される。このファイバブラッググレーティングは、ブラッグ反射を生じさせるためのグレーティングが形成されたダブルクラッドファイバであるが、このグレーティングの近傍においてはプライマリ被覆及びセカンダリ被覆が除去されることになる。このように、プライマリ被覆及びセカンダリ被覆が除去された区間のことを、以下、「被覆除去区間」と記載する。また、この被覆除去区間に隣接するプライマリ被覆及びセカンダリ被覆が残存する区間のうち、この被覆除去区間よりも入射側に位置する区間を「第１被覆区間」と記載し、この被覆除去区間よりも出射側に位置する区間を「第２被覆区間」と記載する。

被覆除去区間においては、露出した光導波路（コア又はクラッド）を、その光導波路よりも屈折率の低い媒質で覆う必要がある。そうしないと、被覆除去区間において光を光導波路に閉じ込めておくことができないためである。特許文献３には、被覆除去区間において露出した光導波路を、低屈折率樹脂で覆う構成が開示されている。また、特許文献４には、被覆除去区間において露出した光導波路を、空気（エアクラッド）で覆う構成が開示されている。

特開平１１−７２６２９号公報（１９９９年３月１６日公開） 特開２００８−９３９０（２００６年１月１７日公開） 特公５−７３２０２（１９９３年１０月１３日公告） 特開２００９−１１６０７６（２００９年５月２８日公開）

被覆除去区間において露出した光導波路を覆う媒質としては、従来、屈折率がプライマリ被覆の屈折率よりも低い媒質が選択されていた。なぜなら、被覆除去区間において露出した光導波路を覆う媒質の屈折率をプライマリ被覆の屈折率よりも低くすると、被覆除去区間の入射側に位置する第１被覆区間における光導波路のＮＡが被覆除去区間における光導波路のＮＡよりも小さくなる。このため、被覆除去区間において光導波路に閉じ込めることのできない伝搬角（光の伝搬方向と光ファイバの光軸との成す角）の大きな光が第１被覆区間から被覆除去区間に入射し、被覆除去区間において光導波路から漏出することを回避できるからである。

ところが、被覆除去区間において露出した光導波路を覆う媒質として、屈折率がプライマリ被覆の屈折率よりも低い媒質を選択すると、以下の問題を生じる。すなわち、被覆除去区間において露出した光導波路を覆う媒質の屈折率をプライマリ被覆の屈折率よりも低くすると、被覆除去区間における光導波路のＮＡが被覆除去区間の出射側に位置する第２被覆区間における光導波路のＮＡよりも大きくなる。このため、第２被覆区間において光導波路に閉じ込めることのできない伝搬角の大きな光が被覆除去区間の加工箇所において生じると、この光が被覆除去区間から第２被覆区間に入射し、第２被覆区間において光導波路から漏出する。

プライマリ被覆の材料は、ヤング率が低く、透明度が高く、石英との密着性が良好な樹脂材料から選択されるのに対して、セカンダリ被覆の材料は、耐摩耗性及び外力耐性が高く、リールへの巻き取り及び巻き出しの際に取り扱い易い樹脂材料から選択される。このため、セカンダリ被覆は、透明度の低い材料により構成されることが多い。したがって、上述したような光の漏出が生じると、第２被覆区間のセカンダリ被覆が漏出した光を吸収して発熱する可能性がある。このような発熱は、光ファイバの信頼性を低下させる要因となるため、避けるべき事態である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、被覆除去区間の出射側に位置する被覆区間において生じ得る光導波路からの光の漏出を抑えた、従来よりも信頼性の高い光ファイバを実現することである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る光ファイバは、光導波路と、屈折率が上記光導波路の屈折率よりも低い被覆であって、被覆除去区間を除いて上記光導波路の側面を覆う被覆と、を備え、上記光導波路の側面は、上記被覆除去区間の少なくとも一部において、屈折率が上記光導波路の屈折率よりも低く且つ上記被覆の屈折率よりも高い媒質に覆われている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、上記被覆除去区間に隣接する被覆区間のうち、上記被覆除去区間の出射側に位置する被覆区間において生じ得る光導波路からの光の漏出を抑えることができる。これにより、従来よりも信頼性の高い光ファイバを実現することができる。

なお、上記光導波路の側面は、（１）上記被覆除去区間内の全ての横断面において、該横断面内の全ての方向から上記媒質に覆われていてもよいし、（２）上記被覆除去区間内の一部の横断面においてのみ、該横断面の全ての又は一部の方向から上記媒質に覆われていてもよいし、（３）上記被覆除去区間内の全ての又は一部の横断面において、該横断面の一部の方向からのみ上記媒質に覆われていてもよい。何れの場合においても、従来よりも信頼性の高い光ファイバを実現することができる。

本発明に係る光ファイバにおいて、上記被覆除去区間の一方の側にある、上記光導波路の側面が上記被覆に覆われた区間を第１被覆区間として、上記媒質の屈折率は、上記被覆除去区間における上記光導波路のＮＡが、上記第１被覆区間における上記光導波路のＮＡの最小値以上になるように設定されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、被覆除去区間において生じ得る光導波路からの光の漏出を抑えることができる。

本発明に係る光ファイバにおいて、上記光導波路の直径をＤ、上記第１被覆区間における最小曲げ半径をＲ、上記光導波路の屈折率をｎ１、上記被覆の屈折率をｎ２として、上記媒質の屈折率は、上記被覆除去区間における上記光導波路のＮＡが、下記の式（１）〜（３）により定義されるＮＡ１min以上になるように設定されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記の条件を満たすように上記第１被覆区間において光ファイバを曲げるだけで、被覆除去区間において生じ得る光導波路からの光の漏出を抑えることができる。

本発明に係る光ファイバにおいて、上記媒質は、上記光導波路により導波される光の波長において透明である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、被覆除去区間において光導波路の縁に分布する光が媒質に吸収されることに起因する光損失を抑制することができる。また、被覆除去区間において光導波路からの光の漏出が生じても、上記媒質が漏出した光を吸収して発熱することを防止できる。

なお、本発明に係る光ファイバは、上記媒質として、屈折率が上記光導波路の屈折率よりも低く且つ上記被覆の屈折率よりも高い樹脂体を備えている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上述した光学的効果に加えて、上記光ファイバの被覆除去区間を補強するという機械的効果を得ることができる。

なお、本発明に係る上記光ファイバは、上記光導波路として機能する石英ガラス製のコアと、上記被覆として機能する樹脂製のプライマリ被覆とを備えたシングルクラッドファイバであってもよいし、石英ガラス製のコアと、上記光導波路として機能する石英ガラス製の内側クラッドと、上記被覆として機能する樹脂製の外側クラッドとを備えたダブルクラッドファイバであってもよい。

いずれの場合であっても、上述した効果を奏する。

また、本発明に係る光ファイバにおいて、上記光導波路には、融着点が含まれていてもよいし、グレーティングが書き込まれていてもよい。

いずれの場合であっても、上述した効果を奏する。

また、上述した光ファイバを含んでいるファイバレーザも本発明の範疇に含まれる。

上述した光ファイバを含んでいるファイバレーザも、上述した光ファイバと同様の効果を奏する。

本発明によれば、被覆除去区間の出射側に位置する被覆区間において生じ得る光導波路からの光の漏出を抑えた、従来よりも信頼性の高い光ファイバを実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光ファイバの構成を示す。上段は、同光ファイバの模式図であり、下段は、同光ファイバの部分縦断面図である。 左側の下段は、図１に示す光ファイバの被覆区間における横断面図であり、左側の上段は、同光ファイバの被覆区間における屈折率分布を示すグラフである。右側の下段は、図１に示す光ファイバの被覆除去区間における横断面図であり、右側の上段は、同光ファイバの被覆除去区間における屈折率分布を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る光ファイバの構成を示す。上段は、同光ファイバの模式図であり、下段は、同光ファイバの部分縦断面図である。 左側の下段は、図３に示す光ファイバの被覆区間における横断面図であり、左側の上段は、同光ファイバの被覆区間における屈折率分布を示すグラフである。右側の下段は、図３に示す光ファイバの被覆除去区間における横断面図であり、右側の上段は、同光ファイバの被覆除去区間における屈折率分布を示すグラフである。 図１に示す光ファイバの変形例を示す部分縦断面図である。 図３に示す光ファイバの変形例を示す部分縦断面図である。 図１に示す光ファイバの他の変形例を示す部分縦断面図及び横断面図である。 図１及び図３に示す光ファイバを含むファイバレーザのブロック図である。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る光ファイバ１の構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１の上段は、加工箇所として融着点Ｐ１が形成された光ファイバ１の模式図であり、図１の下段は、融着点Ｐ１の近傍を拡大した光ファイバ１の部分縦断面図である。図２の右側は、融着点を含む被覆除去区間Ｉ０における光ファイバ１の屈折率分布（上段）及び横断面図（下段）であり、図２の左側は、被覆除去区間Ｉ０に隣接する被覆区間Ｉ１〜Ｉ２における屈折率分布（上段）及び横断面図（下段）である。

光ファイバ１は、図１の下段に示すように、円柱状のコア１１（特許請求の範囲における「光導波路」の一例）と、コア１１の側面を覆う円筒状のプライマリ被覆１２（特許請求の範囲における「被覆」の一例）と、プライマリ被覆１２の外側面を覆う円筒状のセカンダリ被覆１３と備えている。コア１１は、石英ガラスにより構成されており、プライマリ被覆１２及びセカンダリ被覆１３は、樹脂により構成されている。コア１１の屈折率ｎ１と、プライマリ被覆１２の屈折率ｎ２と、セカンダリ被覆１３の屈折率ｎ３との間には、図２の左側に示すように、ｎ２＜ｎ１＜ｎ３という関係がある。すなわち、光ファイバ１は、石英ガラス製のコア１１の屈折率ｎ１と樹脂製のプライマリ被覆１２の屈折率ｎ２との差ｎ１−ｎ２を利用してコア１１に光を閉じ込めるシングルクラッドファイバである。このような光ファイバ１は、例えば、ファイバレーザを構成する光ファイバのうち、ポンプ光のみを導波する光ファイバ（ポンプファイバ及びポンプコンバイナの入力側リードファイバ）として用いられる。

光ファイバ１は、上記の構造を有する２つの光ファイバの端面同士を融着接続することにより得られたものであり、図１の上段及び下段に示すように、融着点Ｐ１を含む区間Ｉ０においてプライマリ被覆１２及びセカンダリ被覆１３が除去されている。この区間Ｉ０を、以下、被覆除去区間Ｉ０と呼ぶ。また、被覆除去区間Ｉ０に隣接する区間のうち、一方を第１被覆区間Ｉ１と呼び、他方を第２被覆区間Ｉ２と呼ぶ。

光ファイバ１において特徴的な点は、被覆除去区間Ｉ０の少なくとも一部（本実施形態においては全部）においてコア１１の側面を覆う中屈折率樹脂体１４が設けられている点である。この中屈折率樹脂体１４は、（１）金属ブロックに形成された溝であって、光ファイバ１の被覆除去区間Ｉ０が収容された溝に充填した樹脂を硬化することによって形成されたものであってもよいし、（２）熱可塑性樹脂が充填された熱収縮チューブに光ファイバ１の被覆除去区間Ｉ０を挿通し、当該熱収縮チューブを収縮することによって形成されたものであってもよいし、（３）リコートにより形成されたものであってもよい。また、中屈折率樹脂体１４は、複数の樹脂体によって形成されていてもよく、この場合、各樹脂体が互いに離間していてもよい。また、これら複数の樹脂体は、光ファイバ１の径方向に複数の層を構成するように並んでいてもよく、光ファイバ１の軸方向に複数の区間を構成するように並んでいてもよい。さらに、これら複数の樹脂体は、１種類の樹脂材料により形成されていてもよく、２種類以上の樹脂材料により形成されていてもよい。

この中屈折率樹脂体１４は、（１）コア１１を伝搬する光の波長における透過率がセカンダリ被覆１３よりも高く（例えば、透過率が９７％／ｍｍ以上）、（２）図２の右側に示すように、屈折率ｎ４がコア１１の屈折率ｎ１よりも低く、かつ、プライマリ被覆１２の屈折率ｎ２よりも高い樹脂により構成されている。中屈折率樹脂体１４の屈折率ｎ４がコア１１の屈折率ｎ１よりも低いため、被覆除去区間Ｉ０においてもコア１１に光を閉じ込めることができる。また、中屈折率樹脂体１４の屈折率ｎ４がプライマリ被覆１２の屈折率ｎ２よりも高いため、被覆除去区間Ｉ０における光閉じ込め力は、第１被覆区間Ｉ１及び第２被覆区間における光閉じ込め力よりも弱くなる。より正確に言うと、被覆除去区間Ｉ０におけるコア１１のＮＡであるＮＡ０は、第１被覆区間Ｉ１及び第２被覆区間Ｉ２におけるコア１１のＮＡであるＮＡ１及びＮＡ２よりも小さくなる。

被覆除去区間Ｉ０における光閉じ込め力が第１被覆区間Ｉ１及び第２被覆区間における光閉じ込め力よりも弱くなるため、光ファイバ１は、第１被覆区間Ｉ１側（図１における紙面左側）から第２被覆区間Ｉ２側（図１における紙面右側）へと光が伝搬するときに以下の効果を奏する。すなわち、被覆除去区間Ｉ０におけるコア１１のＮＡであるＮＡ０が第２被覆区間Ｉ２におけるコア１１のＮＡであるＮＡ２よりも小さいので、第２被覆区間Ｉ２においてコア１１に閉じ込め不能な光が被覆除去区間Ｉ０から第２被覆区間Ｉ２に入射することを抑制できる（そのような光は、被覆除去区間Ｉ０を伝搬する過程でコア１１から中屈折率樹脂体１４に漏出するため）。すなわち、第２被覆区間Ｉ２においてコア１１から漏出した光を吸収してプライマリ被覆１２及びセカンダリ被覆１３が発熱したり劣化したりすることを抑制できる。

なお、第１被覆区間Ｉ１におけるコア１１のＮＡであるＮＡ１が被覆除去区間Ｉ０におけるコア１１のＮＡであるＮＡ０よりも大きいので、被覆除去区間Ｉ０においてコア１１に閉じ込め不能な光が、第１被覆区間Ｉ１から被覆除去区間Ｉ０に入射する虞がある。すなわち、被覆除去区間Ｉ０においてコア１１から中屈折率樹脂体１４に漏出した光を吸収して中屈折率樹脂体１４が発熱したり劣化したりする虞がある。しかしながら、中屈折率樹脂体１４は、断面積がセカンダリ被覆１３よりも大きく、かつ、透過率がセカンダリ被覆１３よりも高い樹脂により構成されているので、コア１１から漏出した光が中屈折率樹脂体１４に入射したとしても、入射した光のパワー密度は十分に小さく、かつ、入射した光から熱への変換効率も十分に低い。したがって、中屈折率樹脂体１４が発熱したとしてもその発熱量は極めて少なく、中屈折率樹脂体１４が劣化したとしてもその程度は極めて軽い。また、被覆区間Ｉ１、Ｉ２と異なり中屈折率樹脂体１４内にはセカンダリ被覆１３のような高屈折率領域がないので、中屈折率樹脂体１４内で速やかに光が拡散することとなり、発熱領域が広く分散されて温度上昇量が抑制される。

また、第１被覆区間Ｉ１におけるコア１１のＮＡの最小値ＮＡ１minを、被覆除去区間Ｉ０におけるコア１１のＮＡであるＮＡ０以下とする構成を採用することによって、被覆除去区間Ｉ０においてコア１１に閉じ込め不能な光が、第１被覆区間Ｉ１から被覆除去区間Ｉ０に入射する可能性を低減することができる。このような構成は、例えば図１に示すように、第１被覆区間Ｉ１において光ファイバ１を曲げることにより実現される。

この際、第１被覆区間Ｉ１における光ファイバ１の最小曲げ半径Ｒは、以下のように定めればよい。すなわち、コア１１の直径をＤとすると、下記（１）式により定義されるθbendと、下記（２）式により定義されるθcmaxとを用いて、第１被覆区間Ｉ１におけるコア１１のＮＡの最小値ＮＡ１minは、（３）式により与えられる。したがって、第１被覆区間Ｉ１における光ファイバ１の最小曲げ半径Ｒは、下記（３）式により与えられるＮＡ１minが被覆除去区間Ｉ０におけるコア１１のＮＡであるＮＡ０よりも小さくなるように定めればよい。

なお、本実施形態においては、コア１１の側面を覆う媒質として、一様な屈折率を有する中屈折率樹脂体１４を用いているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、コア１１の側面を覆う媒質として、一様な屈折率を有する中屈折率樹脂体１４の代わりに、非一様な屈折率を有する中屈折率樹脂体１４を用いてもよい。この場合、中屈折率樹脂体１４のうち、コア１１との界面近傍における屈折率が、コア１１の屈折率ｎ１よりも低く、かつ、プライマリ被覆１２の屈折率ｎ２よりも高ければよい。また、中屈折率樹脂体１４の一部を、欠損させてもよい。この場合、中屈折率樹脂体１４に覆われることなく露出したコア１１の側面は、屈折率がコア１１の屈折率ｎ１以上の媒質に接触していないことが好ましい。このような媒質にコア１１の側面が接触すると、接触箇所においてコア１１に光を閉じ込めることができなくなるからである。したがって、中屈折率樹脂体１４に覆われることなく露出したコア１１の側面は、屈折率がコア１１の屈折率ｎ１よりも低い気体（エアクラッド）又は他の樹脂体で覆われていることが好ましい。具体的な変形例については、参照する図面を代えて後述する。

〔効果の検証〕
実施例として、コア１１の直径が０．３ｍｍ、コア１１の屈折率ｎ１が１．４５、プライマリ被覆１２の屈折率ｎ２が１．３６、セカンダリ被覆１３の屈折率ｎ３が１．５３、中屈折率樹脂体１４の屈折率ｎ４が１．３８である光ファイバ１を用意した。第１被覆区間Ｉ１における光ファイバ１の最小曲げ半径Ｒは１００ｍｍとした。この場合、第１被覆区間Ｉ１におけるコア１１のＮＡの最小値は、０．３９６となり、被覆除去区間Ｉ０におけるコア１１のＮＡは、０．４４５となり、第２被覆区間Ｉ２におけるコア１１のＮＡは、０．５０３になると計算される。

実施例に係る光ファイバ１の温度を、１ｋＷの光を入力しながらサーモビュアを用いて測定した。その結果、（１）融着点Ｐ１近傍において最も温度が上昇すること、及び、（２）融着点Ｐ１における温度上昇量が５℃であることが確認された。

比較例として、中屈折率樹脂体１４の屈折率ｎ４が１．３４である点を除き、実施例に係る光ファイバ１と同様に構成された光ファイバを用意した。この場合、第１被覆区間Ｉ１におけるコア１１のＮＡの最小値、及び、第２被覆区間Ｉ２におけるコア１１のＮＡは、実施例に係る光ファイバ１と同一になるが、被覆除去区間Ｉ０におけるコア１１のＮＡは、０．５８７になると計算される。

比較例に係る光ファイバの温度を、１ｋＷの光を入力しながらサーモビュアを用いて測定した。その結果、（１）第２被覆区間Ｉ２の被覆除去区間Ｉ０側の端部において最も温度が上昇すること、及び、（２）第２被覆区間Ｉ２の被覆除去区間Ｉ０側の端部における温度上昇量が２０℃であることが確認された。

以上の結果により、第２被覆区間Ｉ２においてコア１１に閉じ込め不能な光が被覆除去区間Ｉ０から第２被覆区間Ｉ２に入射しないこと、すなわち、第２被覆区間Ｉ２においてコア１１から漏出した光を吸収してプライマリ被覆１２及びセカンダリ被覆１３が発熱しないことが実験的に裏付けられた。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係る光ファイバ２の構成について、図３及び図４を参照して説明する。図３の上段は、融着点Ｐ２が形成された光ファイバ２の模式図であり、図３の下段は、融着点Ｐ２の近傍を拡大した光ファイバ２の部分縦断面図である。図４の右側は、融着点を含む被覆除去区間Ｉ０における光ファイバ２の屈折率分布（上段）及び横断面図（下段）であり、図４の左側は、被覆除去区間Ｉ０に隣接する被覆区間Ｉ１〜Ｉ２における屈折率分布（上段）及び横断面図（下段）である。

光ファイバ２は、図３の下段に示すように、円柱状のコア２０と、コア２０の側面を覆う円筒状の内側クラッド２１（特許請求の範囲における「光導波路」の一例）と、内側クラッド２１の外側面を覆う円筒状の外側クラッド２２（特許請求の範囲における「被覆」の一例）と、外側クラッド２２の外側面を覆う円筒状の外被２３と備えている。コア２０及び内側クラッド２１は、石英ガラスにより構成されており、外側クラッド２２及び外被２３は、樹脂により構成されている。コア２０の屈折率ｎ０と、内側クラッド２１の屈折率ｎ１と、外側クラッド２２の屈折率ｎ２と、外被２３の屈折率ｎ３との間には、図４の左側に示すように、ｎ２＜ｎ１＜ｎ０＜ｎ３という関係がある。すなわち、光ファイバ２は、石英ガラス製のコア２０の屈折率ｎ０と石英ガラス製の内側クラッド２１の屈折率ｎ１との差ｎ０−ｎ１を利用してコア２０に光を閉じ込めると共に、石英ガラス製の内側クラッド２１の屈折率ｎ１と樹脂製の外側クラッド２２の屈折率ｎ２との差ｎ１−ｎ２を利用して内側クラッド２１に光を閉じ込めるダブルクラッドファイバである。このような光ファイバ２は、例えば、ファイバレーザを構成する光ファイバのうち、レーザ光とポンプ光とを導波する光ファイバ（ポンプコンバイナの出力側リードファイバ及びポンプゲインファイバ）として用いられる。

光ファイバ２は、上記の構造を有する２つの光ファイバの端面同士を融着接続することにより得られたものであり、図３の上段及び下段に示すように、融着点Ｐ２を含む区間Ｉ０において外側クラッド２２及び外被２３が除去されている。この区間Ｉ０を、以下、被覆除去区間Ｉ０と呼ぶ。また、被覆除去区間Ｉ０に隣接する区間の一方を、第１被覆区間Ｉ１と呼び、他方を、第２被覆区間Ｉ２と呼ぶ。

光ファイバ２において特徴的な点は、被覆除去区間Ｉ０の少なくとも一部（本実施形態においては全部）において内側クラッド２１の側面を覆う中屈折率樹脂体２４が設けられている点である。この中屈折率樹脂体２４は、（１）内側クラッド２１を伝搬する光の波長における透過率が外被２３よりも高く（例えば、透過率が９７％／ｍｍ以上）、（２）図４の左側に示すように、屈折率ｎ４が内側クラッド２１の屈折率ｎ１よりも低く、かつ、外側クラッド２２の屈折率ｎ２よりも高い樹脂により構成されている。したがって、光ファイバ２は、被覆除去区間Ｉ０においても内側クラッド２１に光を閉じ込めることができるが、被覆除去区間Ｉ０における光閉じ込め力は、第１被覆区間Ｉ１及び第２被覆区間Ｉ２における光閉じ込め力よりも弱くなる。より正確に言うと、被覆除去区間Ｉ０における内側クラッド２１のＮＡであるＮＡ０は、第１被覆区間Ｉ１及び第２被覆区間Ｉ２における内側クラッド２１のＮＡであるＮＡ１及びＮＡ２よりも小さくなる。

この特徴により、光ファイバ２は、第１被覆区間Ｉ１側（図３における紙面左側）から第２被覆区間側Ｉ２側（図３における紙面右側）へと光が伝搬するときに以下の効果を奏する。すなわち、被覆除去区間Ｉ０における内側クラッド２１のＮＡであるＮＡ０が第２被覆区間Ｉ２における内側クラッド２１のＮＡであるＮＡ２よりも小さいので、第２被覆区間Ｉ２において内側クラッド２１に閉じ込め不能な光が被覆除去区間Ｉ０から第２被覆区間Ｉ２に入射することを抑制できる（そのような光は、被覆除去区間Ｉ０を伝搬する過程で内側クラッド２１から中屈折率樹脂体２４に漏出するため）。すなわち、第２被覆区間Ｉ２において内側クラッド２１から漏出した光を吸収して外側クラッド２２及び外被２３が発熱したり劣化したりすることを抑制できる。

なお、第１被覆区間Ｉ１における内側クラッド２１のＮＡであるＮＡ１が被覆除去区間Ｉ０における内側クラッド２１のＮＡであるＮＡ０よりも大きいので、被覆除去区間Ｉ０において内側クラッド２１に閉じ込め不能な光（ＮＡがＮＡ０を超える光）が、第１被覆区間Ｉ１から被覆除去区間Ｉ０に入射する虞がある。すなわち、被覆除去区間Ｉ０において内側クラッド２１から中屈折率樹脂体２４への光を吸収して中屈折率樹脂体２４が発熱したり劣化したりする虞がある。しかしながら、被覆区間Ｉ１、Ｉ２と異なり中屈折率樹脂体２４内には外被２３のような高屈折率領域がないので、中屈折率樹脂体２４内で速やかに光が拡散することとなり、発熱領域が広く分散されて温度上昇量が抑制される。また、中屈折率樹脂体２４は、内側クラッド２１を伝搬する光の波長において透明な樹脂により構成されているので、中屈折率樹脂体２４が発熱したとしてもその発熱量は極めて少なく、中屈折率樹脂体２４が劣化したとしてもその程度は極めて軽い。

また、第１被覆区間Ｉ１における内側クラッド２１のＮＡの最小値ＮＡ１minを、被覆除去区間Ｉ０における内側クラッド２１のＮＡであるＮＡ０よりも小さくする構成を採用することによって、被覆除去区間Ｉ０において内側クラッド２１に閉じ込め不能な光が、第１被覆区間Ｉ１から被覆除去区間Ｉ０に入射する可能性を排除することができる。このような構成は、例えば図３に示すように、第１被覆区間Ｉ１において光ファイバ２を曲げることにより実現される。

この際、第１被覆区間Ｉ１における光ファイバ２の最小曲げ半径Ｒは、以下のように定めればよい。すなわち、内側クラッド２１の直径をＤとすると、上記式（１）式により定義されるθbendと、上記（２）式により定義されるθcmaxとを用いて、第１被覆区間Ｉ１における内側クラッド２１のＮＡの最小値ＮＡ１minは、上記（３）式により与えられる。したがって、第１被覆区間Ｉ１における光ファイバ２の最小曲げ半径をＲは、上記（３）式により与えられるＮＡ１minが被覆除去区間Ｉ０における内側クラッド２１のＮＡであるＮＡ０よりも小さくなるように定めればよい。

〔変形例１〕
上述した各実施形態に係る光ファイバ１，２は、コア１１，２１に融着点Ｐ１，Ｐ２が形成された光ファイバであったが、本発明は、これに限定されない。すなわち、本発明は、被覆を除去する必要のある任意の加工が施された光ファイバ一般に適用することができる。例えば、グレーティングが形成された光ファイバなどに適用することができる。

図５は、第１の実施形態に係る光ファイバ１の一変形例を示す部分縦断面図である。本変形例に係る光ファイバ１は、図１に示す光ファイバ１における融着点Ｐ１をブラッググレーティングＧ１に置き換えたものである。その他の構成については、光ファイバ１と同様であることから、ここではその説明を省略する。

図５に示す光ファイバ１においても、図１に示す光ファイバ１と同様、被覆除去区間Ｉ０におけるコア１１のＮＡであるＮＡ０が第２被覆区間Ｉ２にけるコア１１のＮＡであるＮＡ２よりも小さいので、第２被覆区間Ｉ２においてコア１１に閉じ込め不能な光が被覆除去区間Ｉ０から第２被覆区間Ｉ２に入射することを抑制できる。したがって、第２被覆区間Ｉ２においてコア１１から漏出した光を吸収してプライマリ被覆１２及びセカンダリ被覆１３が発熱したり劣化したりすることを抑制できる。

図６は、第２の実施形態に係る光ファイバ２の一変形例を示す部分縦断面図である。本変形例に係る光ファイバ２は、図２に示す光ファイバ２における融着点Ｐ２をブラッググレーティングＧ２に置き換えたものである。その他の構成については、光ファイバ２と同様であることから、ここではその説明を省略する。

図６に示す光ファイバ２においても、図３に示す光ファイバ２と同様、被覆除去区間Ｉ０における内側クラッド２１のＮＡであるＮＡ０が第２被覆区間Ｉ２にける内側クラッド２１のＮＡであるＮＡ２よりも小さいので、第２被覆区間Ｉ２において内側クラッド２１に閉じ込め不能な光が被覆除去区間Ｉ０から第２被覆区間Ｉ２に入射することを抑制できる。したがって、第２被覆区間Ｉ２において内側クラッド２１から漏出した光を吸収して外側クラッド２２及び外被２３が発熱したり劣化したりすることを抑制できる。

〔変形例２〕
上述した第１の実施形態に係る光ファイバ１においては、コア１１の側面を、被覆除去区間Ｉ０内の全ての横断面において、横断面内の全ての方向から中屈折率樹脂体１４で覆う構成を採用しているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、コア１１の側面を被覆除去区間Ｉ０内の一部の横断面においてのみ中屈折率樹脂体１４で覆う構成を採用してもよいし、コア１１の側面を横断面内の一部の方向からのみ中屈折率樹脂体１４で覆う構成を採用してもよい。

図７の（ａ）は、第１の実施形態に係る光ファイバ１の一変形例を示す部分縦断面図（左）及び横断面図（右）である。横断面図は、部分縦断面図に示すαα横断面のものである。本変形例に係る光ファイバ１は、図７の（ａ）に示すように、区間Ｉ０１，Ｉ０２外にある中屈折率樹脂体１４を欠損させている。これにより、コア１１の側面は、被覆除去区間Ｉ０内の一部の横断面（区間Ｉ０１，Ｉ０２内の横断面）においてのみ、横断面内の全ての方向から中屈折率樹脂体１４で覆われる。被覆除去区間Ｉ０において、中屈折率樹脂体１４で覆われていないコア１１の側面は、コア１１よりも屈折率の低い気体又は他の樹脂体により覆われていればよい。

図７の（ｂ）は、第１の実施形態に係る光ファイバ１の他の変形例を示す部分縦断面図（左）及び横断面図（右）である。横断面図は、部分縦断面図に示すαα横断面のものである。本変形例に係る光ファイバ１は、図７の（ｂ）に示すように、コア１１の上方±４５°の範囲にある中屈折率樹脂体１４を欠損させている。これにより、コア１１の側面は、被覆除去区間Ｉ０内の全ての横断面において、横断面内の一部の方向（下方±１３５°）からのみ中屈折率樹脂体１４で覆われる。被覆除去区間Ｉ０において、中屈折率樹脂体１４で覆われていないコア１１の側面は、コア１１よりも屈折率の低い気体又は他の樹脂体により覆われていればよい。

図７の（ｃ）は、第１の実施形態に係る光ファイバ１の更に他の変形例を示す部分縦断面図（上）及び横断面図（下）である。横断面図は、部分縦断面図に示すαα横断面、ββ横断面、γγ横断面、δδ横断面、及びεε横断面のものである。本変形例に係る光ファイバ１は、図７の（ｃ）に示すように、区間Ｉ０１においてコア１１の下方にある中屈折率樹脂体１４を欠損させると共に、区間Ｉ０２においてコア１１の上方にある中屈折率樹脂体１４を欠損させている。これにより、コア１１の側面は、被覆除去区間Ｉ０内の一部の横断面（区間Ｉ０１，Ｉ０２内の横断面）においてのみ、横断面内の一部の方向からのみ中屈折率樹脂体１４で覆われる。被覆除去区間Ｉ０において、中屈折率樹脂体１４で覆われていないコア１１の側面は、コア１１よりも屈折率の低い気体又は他の樹脂体により覆われていればよい。

なお、第２の実施形態に係る光ファイバ２に対しても同様の変形が可能である。すなわち、内側クラッド２１の側面を被覆除去区間Ｉ０内の一部の横断面においてのみ中屈折率樹脂体２４で覆う構成を採用してもよいし、内側クラッド２１の側面を横断面内の一部の方向からのみ中屈折率樹脂体２４で覆う構成を採用してもよい。

〔適用例〕
最後に、各実施形態に係る光ファイバ１〜２の適用例について、図８を参照して説明する。図８は、ファイバレーザＦＬの構成を示す模式図である。

ファイバレーザＦＬは、両端にファイバブラッググレーティングＦＢＧ１〜ＦＢＧ２が接続されたポンプゲインファイバＰＧＦを共振器とするレーザ装置である。前方のファイバブラッググレーティングＦＢＧ１は、ミラーとして機能するグレーティングが形成された光ファイバであり、後方のファイバブラッググレーティングＦＢＧ２は、ハーフミラーとして機能するグレーティングが形成された光ファイバである。ポンプゲインファイバＰＧＦとしては、コアにＹｂ等の希土類元素が添加されたダブルクラッドファイバが用いられる。ポンプゲインファイバＰＧＦのクラッドにポンプ光を入力することによって、この共振器にレーザ光を発振させることができる。

ファイバレーザＦＬにおいては、ポンプ光を生成するための構成としてレーザダイオードＬＤ１１〜ＬＤ１６、ＬＤ２１〜ＬＤ２６が用いられ、レーザダイオードＬＤ１１〜ＬＤ１６、ＬＤ２１〜ＬＤ２６にて生成されたポンプ光をポンプゲインファイバＰＧＦのクラッドに導入するための構成としてポンプコンバイナＰＣ１、ＰＣ２が用いられる。ポンプコンバイナＰＣ１、ＰＣ２は、複数の入力側リードファイバと、単一の出力側リードファイバとを備えた光学部品であり、各入力側光ファイバを介して外部から入力された光を合成すると共に、得られた光を出力側リードファイバを介して外部に出力する機能を有する。

ポンプコンバイナＰＣ１の各入力側リードファイバは、ポンプファイバＰＦ１ｉを介してレーザダイオードＬＤｉに接続され（ｉ＝１〜６）、ポンプコンバイナＰＣ１の出力側リードファイバは、ファイバブラッググレーティングＦＢＧ１を介して、ポンプゲインファイバＰＧＦの一端に接続される。レーザダイオードＬＤ１１〜ＬＤ１６にて生成されたポンプ光は、ポンプコンバイナＰＣ１にて合成され、前方ポンプ光としてポンプゲインファイバＰＧＦのクラッドに入力される。同様に、ポンプコンバイナＰＣ２の各入力側リードファイバは、ポンプファイバＰＦ２ｊを介してレーザダイオードＬＤ２ｊに接続され（ｊ＝１〜６）、ポンプコンバイナＰＣ２の出力側リードファイバは、ファイバブラッググレーティングＦＢＧ２を介して、ポンプゲインファイバＰＧＦの他端に接続される。レーザダイオードＬＤ２１〜ＬＤ２６にて生成されたポンプ光は、ポンプコンバイナＰＣ２にて合成され、後方ポンプ光としてポンプゲインファイバＰＧＦのクラッドに入力される。ポンプゲインファイバＰＧＦのコアにおいて発振したレーザ光は、ファイバブラッググレーティングＦＢＧ２のコア、ポンプコンバイナＰＣ２の出力側リードファイバのコア、ポンプコンバイナＰＣ２のデリバリファイバポートのコア、及びデリバリファイバＤＦのコアを伝播した後、外部に出力される。

ファイバレーザＦＬにおいて、ポンプファイバＰＦ１１〜ＰＦ１６，ＰＦ２１〜ＰＦ２６、及び、ポンプコンバイナＰＣ１，ＰＣ２の入力側リードファイバは、ポンプ光がコアを伝搬する光ファイバである。これらの光ファイバには、第１の実施形態で用いた光ファイバ、すなわち、石英ガラス製のコアと、樹脂製のプライマリ被覆（クラッド）とを有するシングルクラッドファイバを用いることが一般的である。したがって、ポンプファイバＰＦ１１〜ＰＦ１６，ＰＦ２１〜ＰＦ２６と、ポンプコンバイナＰＣ１，ＰＣ２の入力側リードファイバとを融着接続してなる光ファイバは、第1の実施形態に係る光ファイバ１（図１及び図２参照）の好適な利用例となる。

一方、ファイバレーザＦＬにおいて、ポンプコンバイナＰＣ１、ＰＣ２の出力側リードファイバ、ファイバブラッググレーティングＦＢＧ１、ＦＢＧ２、及び、ポンプゲインファイバＰＧＦは、信号光がコアを伝搬し、ポンプ光がクラッドを伝搬する光ファイバである。これらの光ファイバには、第２の実施形態で用いた光ファイバ、すなわち、石英ガラス製のコアと、石英ガラス製のクラッドと、樹脂製のプライマリ被覆とを有するダブルクラッドファイバを用いることが一般的である。したがって、これらのファイバを融着接続してなる光ファイバは、第２の実施形態に係る光ファイバ２（図３及び図４参照）の好適な利用例となる。また、ポンプコンバイナＰＣ１，ＰＣ２自体も、シングルクラッドファイバである入力側リードファイバ（又は、ダブルクラッドファイバであるデリバリファイバＤＦ）と、ダブルクラッドファイバである出力側リードファイバとを接続したものであり、本発明の好適な実施例となる。また、ファイバブラッググレーティングＦＢＧ１、ＦＢＧ２は、グレーティングが形成されたダブルクラッドファイバであり、第２の実施形態に係る光ファイバ２の変形例（図６参照）の好適な利用例となる。

なお、各実施形態に係る光ファイバ１〜２を適用可能な光学装置は、ファイバレーザに限定されない。例えば、光コンバイナも各実施形態に係る光ファイバ１〜２を適用可能な光学装置の一例である。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 光ファイバ
１１ コア（光導波路）
１２ プライマリ被覆（被覆）
１３ セカンダリ被覆
１４ 中屈折率樹脂体（媒質、樹脂体）
Ｐ１ 融着点
Ｇ１ グレーティング
２ 光ファイバ
２０ コア
２１ 内側クラッド（光導波路）
２２ 外側クラッド（被覆）
２３ 外被
２４ 中屈折率樹脂体（媒質、樹脂体）
Ｐ２ 融着点
Ｇ２ グレーティング
Ｉ０ 被覆除去区間
Ｉ１ 第１被覆区間
Ｉ２ 第２被覆区間

Claims (13)

1. 光導波路と、
   屈折率が上記光導波路の屈折率よりも低い被覆であって、被覆除去区間を除いて上記光導波路の側面を覆う被覆と、を備え、
   上記光導波路の側面は、上記被覆除去区間の少なくとも一部において、屈折率が上記光導波路の屈折率よりも低く且つ上記被覆の屈折率よりも高い媒質に覆われている、
   ことを特徴とする光ファイバ。
2. 上記光導波路の側面は、上記被覆除去区間内の全ての横断面において、該横断面内の全ての方向から上記媒質に覆われている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
3. 上記光導波路の側面は、上記被覆除去区間内の一部の横断面においてのみ、該横断面内の少なくとも一部の方向から上記媒質に覆われている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
4. 上記光導波路の側面は、上記被覆除去区間内の少なくとも一部の横断面において、該横断面内の一部の方向からのみ上記媒質に覆われている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
5. 上記被覆除去区間の一方の側にある、上記光導波路の側面が上記被覆に覆われた区間を第１被覆区間として、
   上記媒質の屈折率は、上記被覆除去区間における上記光導波路のＮＡが、上記第１被覆区間における上記光導波路のＮＡの最小値以上になるように設定されている、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光ファイバ。
6. 上記光導波路の直径をＤ、上記第１被覆区間における最小曲げ半径をＲ、上記光導波路の屈折率をｎ１、上記被覆の屈折率をｎ２として、
   上記媒質の屈折率は、上記被覆除去区間における上記光導波路のＮＡが、下記の式（１）〜（３）により定義されるＮＡ１min以上になるように設定されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ。
   

   
7. 上記媒質は、上記光導波路により導波される光の波長において透明である、
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の光ファイバ。
8. 上記媒質として、屈折率が上記光導波路の屈折率よりも低く且つ上記被覆の屈折率よりも高い樹脂体を備えている、
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の光ファイバ。
9. 上記光ファイバは、上記光導波路として機能する石英ガラス製のコアと、上記被覆として機能する樹脂製のプライマリ被覆とを備えたシングルクラッドファイバである、
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の光ファイバ。
10. 上記光ファイバは、石英ガラス製のコアと、上記光導波路として機能する石英ガラス製の内側クラッドと、上記被覆として機能する樹脂製の外側クラッドとを備えたダブルクラッドファイバである、
    ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の光ファイバ。
11. 上記被覆除去区間内において上記光導波路に融着点が含まれている、
    ことを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の光ファイバ。
12. 上記被覆除去区間内において上記光導波路にグレーティングが書き込まれている、
    ことを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の光ファイバ。
13. 請求項１〜１２の何れか１項に記載の光ファイバを含んでいることを特徴とするファイバレーザ。

Images