JP2019008208A - レーザコンバイナ - Google Patents

Abstract

【課題】使用する複数のレーザ光源毎にカップリング効率を向上させることが可能なレーザコンバイナを提供する。【解決手段】レーザコンバイナ１００は、第１のレーザ光源（レーザ光源１）と、第２のレーザ光源（レーザ光源２、３、４）と、光ファイバ１１と、レーザ光源１、２、３、４からの光を、光ファイバ１１のコア端部へ導光する光学系１３と、を備え、光学系１３は、レーザ光源１、２、３、４からの光を合成する合成手段であるダイクロイックミラー６、７、８と、合成手段を介した光を光ファイバ１１のコア端部へ集光するカップリングレンズ１０と、レーザ光源１から出力された光の、カップリングレンズ１０に入射する際の拡がり角を変更する補正手段であって、該光が合成手段によりレーザ光源２、３、４から出力される光と合成されるより前段の光路上において該光の拡がり角を変更する補正手段であるレンズ１２と、を有する。【選択図】図１

Description

複数のレーザ光を合成するレーザコンバイナに関する。

複数のレーザ光源を備え、各レーザ光源から出力される異なる波長の光を合成し、光ファイバを介して出力するレーザコンバイナが知られている。レーザコンバイナには、各レーザ光源からの光を光ファイバのコアへ入射させるカップリングレンズが備わっている。カップリングレンズは、光ファイバへ導光する際にケラレ等が起きないように、コア端部の径や拡がり角に基づいて焦点距離等が調整され、使用される。

尚、複数のレーザ光源から出力される光は、各々カップリングレンズまでの光路長や拡がり角が異なる。そのため、例えば一つのレーザ光源のみに基づいてカップリングレンズの焦点距離等の条件を設定した場合、他のレーザ光源が出力する光の光ファイバへのカップリング効率が低下してしまう虞がある。そこで、従来レーザコンバイナでは、使用する各レーザ光源間で光ファイバへのカップリング効率にばらつきが少なくなるような一条件に、カップリングレンズの焦点距離等が設定されていた。

尚、光ファイバのコアへ光を入射させるレンズ構成を示す文献としては、例えば、特許文献１が挙げられる。特許文献１を参照すると、半導体レーザから放射される励起光を光ファイバ（第１ファイバ）へ集光させるレンズ構成や、信号光を光ファイバ（第２ファイバ）へ集光させるレンズ構成を有する光ファイバアンプ用複合モジュールが開示されている。

特開平１０−１２９５３号公報

一方で、カップリング効率のレーザ光間でばらつきを少なくレンズ設計する方法では、複数のレーザ光源の組み合わせに応じて定められる一条件で焦点距離等を設定するため、レーザ光源毎に最適なカップリング効率を実現するような条件を設定することができない。

仮に、カップリングレンズと光ファイバの構成が複数用意されており、各レーザ光源に合わせて調整された構成を切り替え可能とすれば、レーザ光源毎にカップリング効率を向上させることができるが、複数の光を同時に出力し、合成する場合においては対応できず、複数の光を合成するレーザコンバイナとして使用する上で、レーザ光源毎に最適なカップリング効率を実現するものとはならない。

以上の実情を踏まえ、本発明では、使用する複数のレーザ光源毎にカップリング効率を向上させることが可能なレーザコンバイナを提供することを目的とする。

本発明の一態様におけるレーザコンバイナは、第１のレーザ光源と、第２のレーザ光源と、光ファイバと、前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源と、からの光を、前記光ファイバのコア端部へ導光する光学系と、を備え、前記光学系は、前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源と、からの光を合成する合成手段と、前記合成手段を介した光を前記光ファイバのコア端部へ集光する集光素子と、前記第１のレーザ光源から出力された光の、前記集光素子へ入射する際の拡がり角を変更する補正手段であって、該光が前記合成手段により前記第２のレーザ光源から出力される光と合成されるより前段の光路上において該光の拡がり角を変更する補正手段と、を有することを特徴とする。

本発明のレーザコンバイナによれば、使用する複数のレーザ光源毎にカップリング効率を向上させることができる。

第１の実施形態のレーザコンバイナの構成を示す図 従来のレーザコンバイナの構成を示す図 第２の実施形態のレーザコンバイナの構成を示す図

以下、本発明の第１の実施形態におけるレーザコンバイナ１００について説明する。図１は、レーザコンバイナ１００の構成を示す図である。レーザコンバイナ１００は、レーザ光源１、２、３、４と、各レーザ光源からの光を偏向するミラー５及びダイクロイックミラー６、７、８と、ミラー９と、カップリングレンズ１０と、光ファイバ１１と、レンズ１２と、を備えている。

レーザ光源１、２、３、４は、それぞれ異なる位置に配置され、それぞれレーザ光（以降単に光とも表記する）を出力する。一般に、レーザ光源は、波長の違いや個体差によって拡がり角が異なる光を出力する。本実施形態では、レーザ光源１と、レーザ光源２が出力する光の拡がり角が異なるとともに、レーザ光源２、３、４については略同程度の拡がり角を有する光を出力するものとする。尚、本実施形態においては拡がり角の違いに基づいて、レーザ光源１を第１のレーザ光源、レーザ光源２、３、４を第２のレーザ光源と区別して記載するものとする。

ダイクロイックミラー６、７、８は、それぞれレーザ光源２、３、４から出力される光を偏向する。より具体的には、ダイクロイックミラー６、７、８は、レーザ光源１、２、３、４のそれぞれから出力される光が同一の光路上を通るように、第２のレーザ光源（レーザ光源２、３、４）から出力される光を偏向するように配置され、第１のレーザ光源と第２のレーザ光源からの光を合成する合成手段として機能するものである。

尚、図１は、構成の一例であり、例えば合成手段が、第１のレーザ光源から出力される光を偏向することで、第１のレーザ光源と第２のレーザ光源からの光が、同一光路上を通るように合成されるような構成であってもよい。

カップリングレンズ１０は、上記の合成手段であるダイクロイックミラー６、７、８を介した光を光ファイバ１１のコア１１ａの端部へと集光する集光素子である。従って、カップリングレンズ１０により、各レーザ光源から発せられてそれぞれが合成された光が光ファイバ１１へ入射する。尚、光ファイバ１１は、シングルモードファイバである。

レンズ１２は、レーザ光源１（第１のレーザ光源）と合成手段の間の光路上に配置されており、その光路上において、レーザ光源１から出力された光の、カップリングレンズ１０へ入射する際の拡がり角を変更する補正手段として機能する。より具体的には、レンズ１２は、レーザ光源１から出力される光の、カップリングレンズ１０へ入射する際の拡がり角を、第２のレーザ光源としたレーザ光源２、３、４から出力される光の、カップリングレンズ１０へ入射する際の拡がり角と等しくなるように変更するものである。

また、レンズ１２は、入射する光の拡がり角に応じてパワーが決定される。より具体的には、レンズ１２は、上記に示した第１のレーザ光源と第２のレーザ光源との間の光の拡がり角の条件に基づいて、第１のレーザ光源から入射する光を平行光へ近づけるパワーを有するように調整される。

レンズ１２によって、レーザコンバイナ１００において使用するレーザ光源から出力される光は、互いに拡がり角が等しくなった状態でカップリングレンズ１０へ入射する。従って、カップリングレンズ１０は、各レーザ光源からの光を同一の位置へ集光するものとなる。

尚、本実施形態においては補正手段を、一つだけ拡がり角が異なるレーザ光源であるレーザ光源１からの光の拡がり角を変更するものとして記載したが、補正手段の構成はこれに限られない。例えば、二つ以上のレーザ光源（それぞれを第１のレーザ光源とする）の拡がり角を各々変更するような補正手段が配置されていてもよい。その場合においても、補正手段は、他のレーザ光源（第２のレーザ光源）からの光の拡がり角と等しくなるように、合成手段の前段において第１のレーザ光源の光の拡がり角を変更する。

また、レーザ光源１、２、３、４からの光を、光ファイバ１１のコア端部へ導光する、レンズ１２、ミラー５、９、ダイクロイックミラー６、７、８、カップリングレンズ１０を含む一連の光学系を光学系１３とも表記する。

図２は、従来のレーザコンバイナの一般的な構成を示す図である。ここで、本発明の上述した実施形態を従来技術と比較し、本発明の実施形態によって奏する効果を明確なものとするために、従来のレーザコンバイナについて図２を用いつつ説明する。

図２に示される通り、従来のレーザコンバイナ１５０には、本発明の実施形態の補正手段に該当する構成がない。そうなると、複数のレーザ光源間で拡がり角の差異によってカップリングレンズの集光位置が変わり、光ファイバ（シングルモードファイバ）へのカップリング効率がレーザ光源毎に異なってしまう。例えば、図２では、レーザコンバイナ１５０が有するレーザ光源のうち、レーザ光源２２と、レーザ光源２３それぞれからの光束の軌跡を軌跡Ｌ１、Ｌ２として示している。軌跡Ｌ１、Ｌ２の拡がり角が互いに異なるため、レーザ光源２２とレーザ光源２３のそれぞれから出力される光のカップリングレンズ１０による集光位置が異なり、光ファイバ１１のコア端部へのカップリング効率に違いが生じ得る。そのため、一つのレーザ光源（ここではレーザ光源２２）からの光をコア端部へ集光するように調整した場合に、他のレーザ光源（レーザ光源２３を含む）からの光がコア端部に十分に集光せず、光量損失によるカップリング効率の低下が起きてしまう場合がある。

従来では、使用する各レーザ光源間で光ファイバへのカップリング効率にばらつきが少なくなるような一条件にカップリングレンズの焦点距離等を設定し、カップリング効率が大きく低下してしまうレーザ光が存在するような状況を回避していた。一方で、その方法では、複数のレーザ光源の組み合わせに応じて定められる一条件でカップリングレンズの焦点距離等を設定するため、集光位置が異なる各レーザ光源からの光毎に最適なカップリング効率を実現する（最も光量損失がなくなる）条件を設定することができなかった。

本発明の第１の実施形態におけるレーザコンバイナ１００によれば、補正手段（レンズ１２）が合成前の光路上でレーザ光の拡がり角を変更することで、カップリングレンズ１０に入射する各光が等しい拡がり角を有する状態とし、各光の集光位置を等しくする。従って、カップリングレンズ１０の集光位置を光ファイバ１１の入射端（コア端部）に合わせて調整するだけで、全てのレーザ光源において、光ファイバ１１へのカップリング効率を最適な状態とすることができる。即ち、本発明のレーザコンバイナ１００によれば、使用する複数のレーザ光源毎にカップリング効率を向上させることができる。

また、カップリングレンズ１０は、光ファイバ１１のコア１１ａのコア径に応じて調整されることが望ましい。より具体的には、カップリングレンズ１０は、合成手段を介した光を、光ファイバ１１のコア１１ａの端部においてコア径と略等しい径を形成するように集光することが望ましい。光ファイバ１１のコア１１ａ端部において、光の径がコア径よりも大きいほど光量損失によるカップリング効率の低下につながるとともに、光の径がコア径よりも小さいほど、カップリングレンズ１０の位置ずれに伴う光のケラレ具合が多くなり、光軸に直交する平面上でのカップリングレンズ１０の位置調整が難しくなるためである。

また、補正手段であるレンズ１２は、第２のレーザ光源（レーザ光源２、３、４）から出力される光と合成されるより前段の光路上に配置されていればよく、例えば、本構成においてダイクロイックミラー６より前段でありミラー５よりも後段に配置されていてもよい。

また、本発明の一実施形態によれば、複数のレーザ光源からの光の集光位置を等しくするものであるから、従来そのコア径の小ささからカップリングが難しいとされているシングルモードファイバにおいても、同時に出力された複数のレーザ光源からの光を高いカップリング効率で光ファイバ内へ入射させることができる。

以下、第２の実施形態におけるレーザコンバイナ２００について説明する。図３は、レーザコンバイナ２００の構成を示す図である。レーザコンバイナ２００は、補正手段であるレンズがレーザ光源毎に備わっている点においてレーザコンバイナ１００と異なっている。尚、レーザコンバイナ１００と同様の構成については、同じ符号を付している。

レーザコンバイナ２００は、レーザ光源３１、３２、３３、３４と、各レーザ光源からの光を偏向するミラー５及びダイクロイックミラー３９、４０、４１と、ミラー９と、カップリングレンズ１０と、光ファイバ１１と、レンズ３５、３６、３７、３８と、を備えている。

レーザ光源３１、３２、３３、３４は、それぞれ出力する光の拡がり角が異なるものとする。例えば、レーザ光源３１、３２、３３、３４は、それぞれ６４０ｎｍ、５９０ｎｍ、５３２ｎｍ、４８８ｎｍのレーザ光を出力するレーザ光源である。

ダイクロイックミラー３９、４０、４１は、それぞれレーザ光源３２、３３、３４から出力される光を偏向する。より具体的には、ダイクロイックミラー３９、４０、４１は、レーザ光源３１、３２、３３、３４のそれぞれから出力される光が同一の光路上を通るようにレーザ光源３２、３３、３４から出力される光を偏向するように配置される。

レンズ３５、３６、３７、３８は、それぞれレーザ光源３１、３２、３３、３４から出力される光が合成手段によって、他のレーザ光源から出力される光と合成されるより前段の光路上に配置されており、その光路上において、対応するレーザ光源から出力される光の拡がり角を変更する。そして、レンズ３５、３６、３７、３８は、対応するレーザ光源から出力される光の、カップリングレンズ１０に入射する際の拡がり角を、互いに他のレーザ光源が出力する光の、カップリングレンズ１０に入射する際の拡がり角と等しくなるように変更する。

即ち、レーザ光源３１、３２、３３、３４の各レーザ光源を第１のレーザ光源としたときに、対応するレンズ（レンズ３５、３６、３７、３８のいずれかのレンズ）が、第１のレーザ光源からの光の、カップリングレンズ１０に入射する際の拡がり角を、第２のレーザ光源（他のレーザ光源）からの光の、カップリングレンズ１０に入射する際の拡がり角と等しくなるように変更する補正手段として機能する。

以上の構成によっても、カップリングレンズ１０に入射する各レーザ光源からの光を等しい拡がり角を有した状態とすることができ、カップリングレンズ１０の集光位置を光ファイバ１１の入射端（コア端部）に合わせて調整することで、使用する複数のレーザ光源毎に最適なカップリング効率を実現することができる。

また、補正手段は、拡がり角を調整する際、ある一つのレーザ光源からの光の拡がり角に他のレーザ光源からの光の拡がり角を合わせてもよいし、任意の拡がり角に各四つのレーザ光源からの光の拡がり角を合わせてもよい。例えば、補正手段は、対応するレーザ光源からの光をコリメート光とするように拡がり角を変更してもよい。

また、補正手段である各レンズ（レンズ３５、３６、３７、３８）は、他のレンズと取り外すことで付け替えが可能に構成されていてもよい。レーザコンバイナ２００に備え付けのレーザ光源であるレーザ光源３１、３２、３３、３４を他のレーザ光源と交換するような場合、補正手段であるレンズもレーザ光源に合わせて交換することで、拡がり角の変更具合を整えることができる。

また、補正手段であるレンズが可変焦点レンズであってもよく、レーザ光源を交換する際等に、焦点距離を変更可能な構成としてもよい。

また、本発明におけるレーザコンバイナは、従来の構成に対し、レーザ光源に対応したレンズを追加して配置するだけで効果を奏するものであり、複雑な構成を有さない。従って本発明によれば、上記に挙げた効果は安価な構成によって実現される。

上述した実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。上述したレーザコンバイナは、特許請求の範囲に記載した本発明を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。

１００、１５０、２００ レーザコンバイナ
１、２、３、４、２１、２２、２３、
２４、３１、３２、３３、３４ レーザ光源
５、９ ミラー
６、７、８、３９、４０、４１ ダイクロイックミラー
１０ カップリングレンズ
１１ 光ファイバ
１２、３５、３６、３７、３８ レンズ
１３ 光学系

Claims (6)

1. 第１のレーザ光源と、
   第２のレーザ光源と、
   光ファイバと、
   前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源と、からの光を、前記光ファイバのコア端部へ導光する光学系と、を備え、
   前記光学系は、
   前記第１のレーザ光源と前記第２のレーザ光源からの光を合成する合成手段と、
   前記合成手段を介した光を前記光ファイバのコア端部へ集光する集光素子と、
   前記第１のレーザ光源から出力された光の、前記集光素子へ入射する際の拡がり角を変更する補正手段であって、該光が前記合成手段により前記第２のレーザ光源から出力される光と合成されるより前段の光路上において該光の拡がり角を変更する補正手段と、を有する
   ことを特徴とするレーザコンバイナ。
2. 請求項１に記載のレーザコンバイナであって、
   前記補正手段は、前記第１のレーザ光源から出力された光の、前記集光素子へ入射する際の拡がり角が、前記第２のレーザ光源から出力された光の、前記集光素子へ入射する際の拡がり角と等しくなるように、前記第１のレーザ光源から出力された光の拡がり角を変更する
   ことを特徴とするレーザコンバイナ。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザコンバイナであって、
   前記補正手段は、前記第１のレーザ光源と前記合成手段の間の光路上に配置されたレンズである
   ことを特徴とするレーザコンバイナ。
4. 請求項３に記載のレーザコンバイナであって、
   前記補正手段は、前記第１のレーザ光源から出力された光が前記集光素子へ入射する際の、該光を平行光へ近づけるパワーを有する
   ことを特徴とするレーザコンバイナ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のレーザコンバイナであって、
   前記合成手段は、前記第１のレーザ光源から出力される光と前記第２のレーザ光源から出力される光とをそれぞれが同一の光路上を通るように、前記第１のレーザ光源、前記第２のレーザ光源のいずれか一方から出力される光を偏向するように配置されたダイクロイックミラーである
   ことを特徴とするレーザコンバイナ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のレーザコンバイナであって、
   前記集光素子は、前記合成手段を介した光を、前記光ファイバのコア端部においてコア径と略等しい径を形成するように集光する
   ことを特徴とするレーザコンバイナ。