JP2019191338A - バンドルファイバ光結合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム断面積に入るファイバ本数に下限値を設けることで、光の分配率を０．５に近くなるようにすることかできるバンドルファイバ光結合装置を提供する。【解決手段】レーザ光を出射するレーザモジュールＡと、多数のファイバ心線１１を束ねたファイバからなり、入射端面１０ｃでレーザモジュールと光結合され、出射側で多数のファイバ心線を略均等に２分岐したバンドルファイバ１０とを備え、レーザモジュールから出射されたレーザ光がバンドルファイバの入射端面でトップハット型のビーム形状で照射され、入射端面におけるレーザ光のビーム断面積内に、多数のファイバ心線が４００本以上存在するように調整されている。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザモジュールの出射ビームをバンドルファイバの入射端面に入射し、バンドルファイバの出射側で２分岐したバンドルファイバで２つの出力光を得るバンドルファイバ光結合装置に関する。

レーザダイオードとコリメートレンズとを備えたレーザモジュール等から出射されたレーザ光を他の装置やサンプルに送出する場合がある。この場合に、レーザモジュールの数を減らすために、レーザモジュールの出射ビームをバンドルファイバの入射端面に入射し、バンドルファイバの出射側で２分岐したバンドルファイバで２つの出力光を得て、各々の分岐ビームを使用することがある。

また、バンドルファイバの入射端面において光密度に分布があると、分岐先においてパワー密度が均等に分配できない（特許文献１）。

さらに、特許文献２には、入射ビームがガウス型であると、分配後の光量も不均一になるということが記載されている。このため、分岐先において、別途、２分岐された光量を等しくする機構を設けている。

特開２００５−７０６４２２号公報 特開２０１４−２３０６３１号公報

また、パワー密度をバンドルファイバの入射端面で均一にするためには、余分な光学素子が必要である。さらに、パワー密度を均一にすることを重視する余り、バンドルファイバの入射端面よりも若干、大きなスポットでレーザ光を照射する場合には、光の結合効率が低下する。

また、分岐先において、別途、２分岐された光量を等しくする機構を設けると、構造が複雑化してしまう。

多数のファイバ心線を束ねたバンドルファイバを用いるとともに、バンドルファイバの入射端面に十分に収まるビームの大きさを用いて、バンドルファイバで分岐された光の分配率が、０．５に近くなるようにすることが望ましい。

しかし、バンドルファイバの入射端面でのビーム内に含まれるファイバの本数が少ない場合には、分配率は偶然の要因で、０．５の周りに広く分布する。このため、ファイバの数の調整が必要となる。

あるいは、ファイバの数の調整自体が不可能となる場合がある。このようなことが起こらないように、ビーム内にどの程度のファイバ本数が入ることが必要であるかについては、従来、検討されていなかった。

本発明の課題は、ビーム断面積に入るファイバ本数に下限値を設けることで、光の分配率を０．５に近くなるようにすることかできるバンドルファイバ光結合装置を提供することにある。

本発明の請求項１は、レーザ光を出射するレーザモジュールと、多数のファイバ心線を束ねたファイバからなり、入射端面で前記レーザモジュールと光結合され、出射側で前記多数のファイバ心線を略均等に２分岐したバンドルファイバとを備え、前記レーザモジュールから出射されたレーザ光が前記バンドルファイバの入射端面でトップハット型のビーム形状で照射され、前記入射端面における前記レーザ光のビーム断面積内に、前記多数のファイバ心線が４００本以上存在するように調整されていることを特徴とする。

本発明の請求項２は、レーザ光を出射するレーザモジュールと、多数のファイバ心線を束ねたファイバからなり、入射端面で前記レーザモジュールと光結合され、出射側で前記多数のファイバ心線を略均等に２分岐したバンドルファイバとを備え、前記レーザモジュールから出射されたレーザ光が前記バンドルファイバの入射端面でガウス型のビーム形状で照射され、前記入射端面における前記レーザ光のビーム断面積内に、前記多数のファイバ心線が２００本以上存在するように調整されていることを特徴とする。

本発明の請求項３は、前記ビーム断面積内に前記多数のファイバ心線が前記４００本以上存在するように調整して、前記バンドルファイバと前記レーザモジュールとを連結して固定する連結固定部材を備えることを特徴とする。

本発明の請求項４は、前記ビーム断面積内に前記多数のファイバ心線が前記２００本以上存在するように調整して、前記バンドルファイバと前記レーザモジュールとを連結して固定する連結固定部材を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ビーム断面積に入るファイバ本数に下限値を設けることで、バンドルファイバ内の各ファイバ心線が確率１／２で各分岐先に分岐しているときは、９５％以上の確率で分配率が０．５＋０．０５の範囲に入る。即ち、光の分配率を０．５に近くなるようにすることかできる。

実施例１のバンドルファイバ光結合装置のレーザモジュールの構成図である。 実施例１のバンドルファイバ光結合装置のレーザモジュールと２分岐したバンドルファイバの入射端面での光結合を示す図である。 実施例１のバンドルファイバ光結合装置のバンドルファイバの入射端面における多数のファイバ心線とレーザモジュールからのガウス型ビームとを示す図である。 実施例１のレーザモジュールの各レーザダイオードからの光線の追跡を図１と同じ方向から見た図である。 実施例１のレーザモジュールの各レーザダイオードからの光線の追跡を図１を左側から見た図である。 実施例１のバンドルファイバ入射端面でのビーム断面積内にあるファイバ数とファイバ分配率の標準偏差との関係を示す図である。

以下、本発明のバンドルファイバ光結合装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）
本発明は、バンドルファイバの入射端面でのビーム径を大きくすることにより、ビーム断面積に入るファイバ数を増やし、分配率が０．５の周りの狭い範囲に分布するようにする。具体的には、トップハット型のビームに対しては、ビーム断面積内に４００本以上のファイバ心線、ガウス型のビームに対しては、２００本以上のファイバ心線が入るようにする。以下、その詳細について説明する。

図１に、実施例１のバンドルファイバ光結合装置のレーザモジュールの構成図を示す。図２に、実施例１のバンドルファイバ光結合装置のレーザモジュールと２分岐したバンドルファイバ１０との光結合を示す。バンドルファイバ光結合装置は、レーザ光を出射するレーザモジュールＡと、レーザモジュールＡに光結合するバンドルファイバ１０とを備えている。

レーザモジュールＡは、断面が矩形状をなす筐体４の下側面４ａに第１レーザダイオード１ａが取り付けられ、筐体４の右側面４ｂに第２レーザダイオード１ｂが取り付けられ、筐体４の左側面４ｃに第３レーザダイオード１ｃが取り付けられている。

第１レーザダイオード１ａは、波長が７８０ｎｍのレーザ光を出射する。第２レーザダイオード１ｂは、波長が８０５ｎｍのレーザ光を出射する。第３レーザダイオード１ｃは、波長が８３０ｎｍのレーザ光を出射する。各レーザダイオード１ａ，１ｂ，１ｃのビーム拡がり角度は、垂直角θ_⊥が２０°、水平角θが１０°である。

筐体４の内部には、第１レーザダイオード１ａに対向して第１コリメートレンズ２ａが配置され、第２レーザダイオード１ｂに対向して第２コリメートレンズ２ｂが配置され、第３レーザダイオード１ｃに対向して第３コリメートレンズ２ｃが配置されている。第２コリメートレンズ２ｂと第３コリメートレンズ２ｃとは、同軸上に配置されている。各コリメートレンズ２ａ，２ｂ，２ｃの焦点距離は、２．７５ｍｍである。

プリズムミラー３は、直角プリズムであり、第２コリメートレンズ２ｂと第３コリメートレンズ２ｃとの間に配置されている。プリズムミラー３は、第２コリメートレンズ２ｂからの８０５ｎｍのレーザ光を反射させて、筐体４の上側面４ｄを介して出射口５に導く。プリズムミラー３は、第３コリメートレンズ２ｃからの８３０ｎｍのレーザ光を反射させて、筐体４の上側面４ｄを介して出射口５に導く。第１コリメートレンズ２ａからの７８０ｎｍのレーザ光は、プリズムミラー３の上を通過して、筐体４の上側面４ｄを介して出射口５に導かれる。

図２に示すように、出射口５の表面にはバンドルファイバ１０の入射端面１０ｃが取り付けられている。バンドルファイバ１０は、図３に示すような多数のファイバ心線１１を束ねたファイバからなり、入射端面１０ｃでレーザモジュールＡと光結合され、出射端１０ｄ，１０ｅで多数のファイバ心線１１を略均等に２分岐する。

バンドルファイバ１０は、出射口５の表面にバンドルファイバ１０の入射端面１０ｃが配置されるように、平板からなる固定板６を用いて筐体４にネジ７で連結して固定されている。固定板６及びネジ７は、本発明の連結固定部材に対応する。

実施例１では、バンドルファイバ１０の入射端面１０ｃの径がφ２．９ｍｍである。φ３０μｍのファイバ心線１１がバンドルファイバ１０の断面積１ｍｍ^２当たり、１０００本束ねて構成されている。

図４に、各レーザダイオード１ａ，１ｂ，１ｃからの光線の追跡を図１と同じ方向から見た図を示す。図５に、各レーザダイオード１ａ，１ｂ，１ｃからの光線の追跡を図１を左側から見た図を示す。

図４、図５には、プリズムミラー３、各レーザダイオード１ａ，１ｂ，１ｃの発光点、バンドルファイバ１０の入射端面１０ｃ、ビーム端の光線が記載されている。目盛の単位はｍｍである。

各レーザダイオード１ａ，１ｂ，１ｃのビームは、バンドルファイバ１０の入射端面１０ｃの位置では、長径が１．６ｍｍであり、短径が０．８ｍｍのガウス型ビームとなる。図３に、バンドルファイバ１０の入射端面１０ｃにおける多数のファイバ心線１１とレーザモジュールからのガウス型ビーム１２とを示す。

実施例１では、レーザモジュールＡから出射されたレーザ光がバンドルファイバ１０の入射端面１０ｃでガウス型ビーム１２で照射され、入射端面１０ｃにおけるレーザ光のビーム断面積内に、多数のファイバ心線１１が２００本以上存在するように調整されている。

実施例１では、ビーム断面積は、１ｍｍ^２であり、ビーム断面積に含まれるファイバ心線１１は、１０００本となる。このファイバ数は、２００本以上であるので、ファイバ心線１１が均等に分かれていれば、９５％以上の確率で分配率が０．５±０．０５の範囲に入る。

ここで、２分岐のバンドルファイバ１０（入射面が１つ、出射面が２つ）で、入射面側の各ファイバが１／２の確率で各分岐先に分岐するようなものを想定し、分配率がどのようにばらつくかをシミュレーションした。ビーム形状は、トップハット型（均一なパワーモード）とガウス型（中央のパワーが端部のパワーよりも大きい）について計算した。

分配率の平均値は、トップハット型とガウス型とのどちらについても、０．５となる。ここでは、入射端面でのビーム断面積内に含まれるファイバの数Ｎと分配率の標準偏差σの関係に注目し、σ≦０．０２５であるようにＮを求める。これは、９５％以上の確率で分配率が０．５±０．０５の範囲に入るための条件である。

トップハット型に対して、二項分布の公式を用いて計算する。ビーム断面積内に存在するファイバ本数をＮとすると、分配率の標準偏差σは、０．５×Ｎ^−０．５となり、Ｎ≧４００の場合には、σ≦０．０２５となる。

即ち、レーザモジュールＡから出射されたレーザ光がバンドルファイバ１０の入射端面１０ｃでトップハット型のビーム形状で照射され、入射端面１０ｃにおけるレーザ光のビーム断面積内に、多数のファイバ心線１１が４００本以上存在するように調整されていると、ファイバ心線１１が均等に分かれていれば、９５％以上の確率で分配率が０．５±０．０５の範囲に入る。

ガウス型については、ファイバ心線１１が全て同じ正三角形で構成される格子に配置されているとして、各ビーム断面積について、入射位置、ファイバ端面に垂直な軸の周りに回転させた角度、どのファイバがどちらの分岐先に分岐しているか、擬似乱数を用いて変化させつつ、１００回試行し、標準偏差σを求めた。

ビームの楕円率については、異なる楕円率１、楕円率２、楕円率３について分配率の標準偏差を計算した。楕円率が変化しても、ファイバ数Ｎと標準偏差σとの関係は、ほぼ変化せず、標準偏差σは、トップハット型の場合の０．６倍程度になっている。

図６に、バンドルファイバの入射端面１０ｃでのビーム断面積内にあるファイバ数とファイバ分配率の標準偏差との関係を示す。図６からガウス型ビームの場合、Ｎ≧２００のときにσ≦０．０２５となる。

トップハット型の場合、固定板６及びネジ７は、ビーム断面積内に多数のファイバ心線１１が４００本以上存在するように調整して、バンドルファイバ１０とレーザモジュールＡとを連結して固定する。

また、ガウス型ビームの場合、固定板６及びネジ７は、ビーム断面積内に多数のファイバ心線１１が２００本以上存在するように調整して、バンドルファイバ１０とレーザモジュールＡとを連結して固定する。

このように実施例１のバンドルファイバ光結合装置によれば、ビーム断面積に入るファイバ本数に下限値を設けることで、バンドルファイバ内の各ファイバ心線が確率１／２で各分岐先に分岐しているときは、９５％以上の確率で分配率が０．５＋０．０５の範囲に入る。即ち、光の分配率を０．５に近くなるようにすることかできる。

Ａ レーザモジュール
１ａ 第１レーザダイオード
１ｂ 第２レーザダイオード
１ｃ 第３レーザダイオード
２ａ 第１コリメートレンズ
２ｂ 第２コリメートレンズ
２ｃ 第３コリメートレンズ
３ プリズムミラー
４ 筐体
４ａ 下側面
４ｂ 右側面
４ｃ 左側面
４ｄ 上側面
５ 出射口
６ 固定板
７ ネジ
１０ バンドルファイバ
１０ａ，１０ｂ 分岐部
１０ｃ 入射端面
１０ｄ，１０ｅ 出射端
１１ ファイバ心線
１２ ガウス型ビーム

Claims (4)

1. レーザ光を出射するレーザモジュールと、
   多数のファイバ心線を束ねたファイバからなり、入射端面で前記レーザモジュールと光結合され、出射側で前記多数のファイバ心線を略均等に２分岐したバンドルファイバとを備え、
   前記レーザモジュールから出射されたレーザ光が前記バンドルファイバの入射端面でトップハット型のビーム形状で照射され、
   前記入射端面における前記レーザ光のビーム断面積内に、前記多数のファイバ心線が４００本以上存在するように調整されていることを特徴とするバンドルファイバ光結合装置。
2. レーザ光を出射するレーザモジュールと、
   多数のファイバ心線を束ねたファイバからなり、入射端面で前記レーザモジュールと光結合され、出射側で前記多数のファイバ心線を略均等に２分岐したバンドルファイバとを備え、
   前記レーザモジュールから出射されたレーザ光が前記バンドルファイバの入射端面でガウス型のビーム形状で照射され、
   前記入射端面における前記レーザ光のビーム断面積内に、前記多数のファイバ心線が２００本以上存在するように調整されていることを特徴とするバンドルファイバ光結合装置。
3. 前記ビーム断面積内に前記多数のファイバ心線が前記４００本以上存在するように調整して、前記バンドルファイバと前記レーザモジュールとを連結して固定する連結固定部材を備えることを特徴とする請求項１記載のバンドルファイバ光結合装置。
4. 前記ビーム断面積内に前記多数のファイバ心線が前記２００本以上存在するように調整して、前記バンドルファイバと前記レーザモジュールとを連結して固定する連結固定部材を備えることを特徴とする請求項２記載のバンドルファイバ光結合装置。
   
   

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