JP2020183977A - 光結合器および光出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高パワーのレーザ光の出力に適する光結合器およびこれを用いた光出力装置を提供すること。【解決手段】光結合器１０は、複数の入力光ファイバ１と、出力光ファイバ２と、を備え、複数の入力光ファイバ１は、先端側が束ねられて束部１ｃを構成しており、束部１ｃの先端部１ｃａが出力光ファイバ２に接続されており、束部１ｃは、複数の入力光ファイバ１のそれぞれが先端部１ｃａで断面積が縮小するようにテーパ状になっているテーパ部１ｃｂを有しており、出力光ファイバ２の開口数をＮＡｏｕｔ、複数の入力光ファイバ１のそれぞれの開口数をＮＡｉｎ、テーパ部１ｃｂよりも基端側における複数の入力光ファイバ１の断面積の総計をΣＡｉ、先端部１ｃａでの束部１ｃの断面積をＡとすると、下記式（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）２＜ΣＡｉ／Ａが成り立つ。【選択図】図１

Description

本発明は、光結合器および光出力装置に関する。

光結合器として、ＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）が知られている（特許文献１）。この光結合器は、複数の入力光ファイバと、クラッドポンプ光ファイバとを備えている。複数の入力光ファイバは、束ねられて束部を構成している。束部の先端部がクラッドポンプ光ファイバに接続されている。束部は、複数の入力光ファイバのそれぞれが先端部で断面積が縮小するようにテーパ状になっているテーパ部を有する。この光結合器によれば、複数の光源から出力された光を結合して総光パワーを高くし、クラッドポンプ光ファイバに出力することができる。この光結合器は光ファイバレーザや光ファイバアンプに適用される場合がある。

米国特許第５８６４６４４号明細書

産業分野において、レーザ光の高パワー化が求められている。光源として半導体レーザ素子を用いる場合、高パワー化の方法として、半導体レーザ素子においてレーザ光を生成する部分である活性層のストライプ幅を拡大し、個々の半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を高パワー化する方法がある。

上記の高パワー化の方法では、レーザ光のビーム径が拡大するので、レーザ光を効率的に光ファイバに入力させるために、光結合器の複数の光ファイバのファイバ径または開口数（ＮＡ）を大きくすることが好ましい。しかしながら、ＮＡをある程度以上大きくするのは困難である。一方、ファイバ径を大きくする技術については十分な検討がなされていなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高パワーのレーザ光の出力に適する光結合器およびこれを用いた光出力装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光結合器は、複数の入力光ファイバと、出力光ファイバと、を備え、前記複数の入力光ファイバは、先端側が束ねられて束部を構成しており、前記束部の先端部が前記出力光ファイバに接続されており、前記束部は、前記複数の入力光ファイバのそれぞれが前記先端部で断面積が縮小するようにテーパ状になっているテーパ部を有しており、前記出力光ファイバの開口数をＮＡｏｕｔ、前記複数の入力光ファイバのそれぞれの開口数をＮＡｉｎ、前記テーパ部よりも基端側における前記複数の入力光ファイバの断面積の総計をΣＡｉ、前記先端部での前記束部の断面積をＡとすると、下記式
（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２＜ΣＡｉ／Ａ
が成り立つことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光結合器は、前記テーパ部と前記複数の入力光ファイバの光軸との成す角が０．０４５ラジアン以下であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光結合器は、前記出力光ファイバの開口数が０．２２以下であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光結合器は、前記先端部における前記複数の入力光ファイバのそれぞれのクラッド層の厚さが１．７μｍ以上であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光結合器は、前記複数の入力光ファイバのそれぞれの先端部におけるクラッド層の厚さが、前記基端側から入力される光の波長の１．９倍以上であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光出力装置は、前記光結合器と、前記複数の入力光ファイバのそれぞれの基端側にそれぞれが接続された複数の光源と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光出力装置は、前記複数の光源から出力される光によって光励起される増幅用光ファイバと、光共振器と、を備え、光ファイバレーザとして構成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光出力装置は、前記複数の光源は、それぞれ半導体レーザであり、ダイレクトダイオードレーザとして構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、高パワーのレーザ光の出力に適する光結合器を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る光結合器の模式図である。 図２は、複数の入力光ファイバの配置を示す図である。 図３は、入力光および出力光の放射角度分布を示す図である。 図４は、実施形態２に係る光結合器の模式図である。 図５は、複数の入力光ファイバの配置の別の例を示す図である。 図６は、半導体レーザ素子からの出力光および出力光ファイバからの出力光の放射角度分布の測定結果を示す図である。 図７Ａは、実施形態３に係る光結合器の模式図である。 図７Ｂは、実施形態３の変形例に係る光結合器の模式図である。 図８は、実施形態４に係る光出力装置の模式図である。 図９は、実施形態５に係る光出力装置の模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複説明を適宜省略する。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。

特許文献１では、クラッドポンプ光ファイバのＮＡをＮＡｏｕｔ、入力光ファイバのそれぞれのＮＡをＮＡｉｎ、テーパ部よりも基端側における複数の入力光ファイバの断面積の総計をΣＡｉ、先端部での束部の断面積をＡとすると、下記式が成り立つことが記載されている。
（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２≧ΣＡｉ／Ａ
上記不等式を満足する設計により、テーパ部における光の過剰損失を避けることができるとされている。

これに対して、本発明者らは、上記不等式を満足しない設計によって、高パワーのレーザ光の出力に適する光結合器を実現できることを見出した。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光結合器の模式図である。光結合器１０は、入力光ファイバ部１と、出力光ファイバ２とを備えている。

入力光ファイバ部１は、複数（本実施形態では７本）の入力光ファイバとして、１本の入力光ファイバ１ａと、６本の入力光ファイバ１ｂとを含んでいる。ここで、図１のように、入力光ファイバ１ａ、１ｂの先端側と基端側とを規定する。先端側と基端側とは以降の実施形態でも同様に規定される。

図２は、入力光ファイバ１ａ、１ｂの配置を示す図であって、図１において基端側から見たＡ矢視図である。入力光ファイバ１ａは中心に配置されており、６本の入力光ファイバ１ｂは、入力光ファイバ１ａの外周側に配置されている。入力光ファイバ１ａ、１ｂは最密充填となるように配置されていることが好ましい。

入力光ファイバ１ａは、コア部１ａａと、コア部１ａａの外周に形成されたクラッド層１ａｂと、クラッド層１ａｂの外周に形成された被覆層１ａｃとを備えている。入力光ファイバ１ｂは、コア部１ｂａと、コア部１ｂａの外周に形成されたクラッド層１ｂｂと、クラッド層１ｂｂの外周に形成された被覆層１ｂｃとを備えている。コア部１ａａ、１ｂａ、クラッド層１ａｂ、１ｂｂは石英系ガラスなどのガラスからなる。被覆層１ａｃ、１ｂｃは樹脂からなる。被覆層１ａｃ、１ｂｃは先端側では除去されている。

入力光ファイバ１ａ、１ｂは、それぞれたとえばマルチモード光ファイバであるが、シングルモード光ファイバでもよい。本実施形態では入力光ファイバ１ａ、１ｂはそれぞれＮＡが０．２２のマルチモード光ファイバであるとする。なお、ＮＡは０．１５〜０．２２でもよい。

出力光ファイバ２は、内側クラッド部２ａと、内側クラッド部２ａの外周に形成された外側クラッド層２ｂとを備えている、いわゆるクラッドポンプ光ファイバである。内側クラッド部２ａは石英系ガラスなどのガラスからなる。外側クラッド層２ｂは樹脂からなる。樹脂はたとえばフッ素を添加したものである。外側クラッド層２ｂは出力光ファイバ２の先端側では除去されている。内側クラッド部２ａの中心にはコア部があってもよい。なお、外側クラッド層２ｂを樹脂にすることで、出力光ファイバ２のＮＡを０．４５程度とできる。

複数の入力光ファイバ１ａ、１ｂは、先端側が束ねられて束部１ｃを構成している。束部１ｃでは、入力光ファイバ１ａ、１ｂのクラッド層１ａｂ、１ｂｂが一体化していてもよい。束部１ｃの先端部１ｃａは、入力光ファイバ１ａ、１ｂの先端部でもあり、出力光ファイバ２の先端部２ｃと融着接続などによって光学的に接続されている。線Ｌ１１は入力光ファイバ１ａの光軸および出力光ファイバ２の光軸を示している。すなわち、入力光ファイバ１ａの光軸と出力光ファイバ２の光軸と一致するように接続されている。入力光ファイバ１ａの光軸を複数の入力光ファイバ１ａ、１ｂの光軸と規定する。

入力光ファイバの数としては、特に限定されないが、３本、７本、１９本のいずれかであれば、束ねたときの入力光ファイバの位置安定性が高いので好ましい。

束部１ｃは、入力光ファイバ１ａ、１ｂのそれぞれが先端部１ｃａで断面積が縮小するようにテーパ状になっているテーパ部１ｃｂを有している。先端部１ｃａの断面積は出力光ファイバ２の内側クラッド部２ａの断面積と略等しい。本実施形態ではテーパ部１ｃｂの先端から先端部１ｃａまでは入力光ファイバ１ａ、１ｂのそれぞれの断面積が略一定である。ただしテーパ部１ｃｂが先端部１ｃａまで延びていてもよい。

入力光ファイバ１ａの光軸（複数の入力光ファイバ１ａ、１ｂの光軸）に対する、テーパ部１ｃｂにおける入力光ファイバ１ａまたは１ｂの側面の成す角は、外周側に位置する入力光ファイバ１ｂの側面（線Ｌ１２で示す）において最大である。そこで、線Ｌ１１と線Ｌ１２との成す角θを、テーパ部１ｃｂと複数の入力光ファイバ１ａ、１ｂの光軸との成す角（テーパ角）と規定する。

ここで、出力光ファイバ２のＮＡをＮＡｏｕｔ、入力光ファイバ１ａ、１ｂのそれぞれのＮＡをＮＡｉｎ、テーパ部１ｃｂよりも基端側における入力光ファイバ１ａ、１ｂの断面積の総計をΣＡｉ、先端部１ｃａでの束部１ｃの断面積をＡとすると、下記式
（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２＜ΣＡｉ／Ａ
が成り立つ。

これによって、入力光ファイバ１ａ、１ｂのそれぞれの基端側から光を入力した場合に、テーパ部１ｃｂで断面積が縮小することによって光の放射角が増加する。しかしながら、その増加後の放射角の特性は入力光の放射角の特性が基本となっている。そのため、入力光の放射角の特性に注意をしておけば、ΣＡｉが比較的大きくても出力光ファイバ２に対する光の結合効率の低下を抑制することも可能である。

たとえば、ガラスからなるマルチモード光ファイバの場合、大面積のコア部には、材料の均一性という利点があるためノンドープシリカ（ＳｉＯ_２）が使用され、クラッド層にはフッ素ドープシリカが使用される場合がある。この場合、光ファイバのＮＡは０．２２が上限値となるのが一般的である。

本実施形態では、テーパ部１ｃｂではテーパの縮小率に応じた光の放射角の増加が起こる。しかしながら、入力光の放射角は０ラジアンから入力光ファイバのＮＡまでの広い範囲に分散しており、その放射角の分布に注意を払うことでテーパ部の出力側で出力光ファイバ２のＮＡを超える光を数％以下にすることが可能である。

なお、たとえば、入力する光の波長を９１５ｎｍとし、入力光ファイバの数を１９本、ＮＡｉｎをいずれも０．２、ファイバ径（クラッド部の外径）を１２５μｍ、すなわちＡｉをπ×（１２５／２）^２とし、出力光ファイバのＮＡｏｕｔを０．４５、ファイバ径（内側クラッド部の外径）を２５０μｍ、すなわち束部の断面積Ａをπ×（２５０／２）^２とすると、（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２＝５．０６２５、ΣＡｉ／Ａ＝４．７５となり、特許文献１に記載の式
（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２≧ΣＡｉ／Ａ
が満足される。

しかしながら、高パワー化のために光のビーム径を拡大し、これに応じて入力光ファイバのファイバ径を１３０μｍ、すなわちＡｉをπ×（１３０／２）^２とすると、（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２＝５．０６２５、ΣＡｉ／Ａ＝５．１３７６となり、特許文献１に記載の式
（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２≧ΣＡｉ／Ａ
が満足されない。

これに対して、本実施形態の下記式
（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２＜ΣＡｉ／Ａ
は成り立つこととなる。なお、本式は入力光ファイバのファイバ径を１３０μｍよりも大きくしても成り立つ。ただし、テーパ部が存在するため、ΣＡｉ／Ａ＜１が成り立つことは自明である。

なお、テーパ角は、ある程度小さいことが好ましい。テーパ角が小さければテーパが緩やかなので、テーパ部を光が伝搬する際に入力光ファイバのコア部からクラッド層への光の放射を防ぎ、束部の先端部まで光がコア部に閉じ込められるようにできる。テーパ角はたとえば０．０４５ラジアン以下である。

また、テーパ部の存在によって束部の断面積が縮小するが、束部の先端部でも光をコア部に閉じ込めておくために、束部の先端部における入力光ファイバのクラッド層の厚さがある程度以上の厚さであることが好ましい。これにより、先端部でのクラッド層の厚さが薄くなり過ぎるのを避けるようにする。束部の先端部における入力光ファイバのクラッド層の厚さは、たとえば１．７μｍ以上である。

なお、束部の先端部における入力光ファイバのクラッド層の厚さは、基端側から入力される光の波長に応じて設定してもよく、たとえば光の波長の１．９倍以上としてもよい。光の波長が９１５ｎｍ（０．９１５μｍ）の場合は、クラッド層の厚さを１．７μｍ以上としてもよい。光の波長が４００ｎｍ（０．４μｍ）の場合は、クラッド層の厚さを０．８μｍ以上としてもよい。

図３は、入力光ファイバへの入力光および束部の先端部からの出力光の放射角度分布を示す図である。図３に示すように、出力光の放射角度は入力光の放射角度より大きくなるが、入力光の放射角度分布が０ラジアンから０．２ラジアンに向かって徐々に強度が低下する分布になっている。そのため出力光の分布も同様に０．４ラジアンに向かって徐々に強度が低下している。

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る光結合器の模式図である。光結合器２０は、図１に示す光結合器１０における出力光ファイバ２を出力光ファイバ３に置き換えた構成を有する。

出力光ファイバ３は、コア部３ａと、コア部３ａの外周に形成されたクラッド層３ｂと、クラッド層３ｂの外周に形成された被覆層３ｃとを備えている。コア部３ａ、クラッド層３ｂは石英系ガラスなどのガラスからなる。被覆層３ｃは樹脂からなる。被覆層３ｃは出力光ファイバ３の先端側では除去されている。

出力光ファイバ３は、マルチモード光ファイバである。本実施形態では出力光ファイバ３はＮＡが０．２２のマルチモード光ファイバであるとする。なお、ＮＡは０．２２以下の０．１５〜０．２２でもよい。

束部１ｃの先端部１ｃａは、出力光ファイバ３の先端部３ｄと融着接続などによって光学的に接続されている。線Ｌ２１は入力光ファイバ１ａの光軸および出力光ファイバ３の光軸を示している。すなわち、入力光ファイバ１ａの光軸と出力光ファイバ３の光軸とが一致するように接続されている。

ここで、光結合器１０と同様に、出力光ファイバ３のＮＡをＮＡｏｕｔ、入力光ファイバ１ａ、１ｂのそれぞれのＮＡをＮＡｉｎ、テーパ部１ｃｂよりも基端側における入力光ファイバ１ａ、１ｂの断面積の総計をΣＡｉ、先端部１ｃａでの束部１ｃの断面積をＡとすると、下記式
（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２＜ΣＡｉ／Ａ
が成り立つ。

束部１ｃのテーパ部１ｃｂではテーパの縮小率に応じた光の放射角の増加が起こる。しかしながら、入力光の放射角は０ラジアンから入力光ファイバのＮＡまでの広い範囲に分散しており、その放射角の分布に注意を払うことでテーパ部の出力側で出力光ファイバ３のＮＡを超える光を数％以下にすることが可能である。これによって、入力光ファイバ１ａ、１ｂのそれぞれの基端側から光を入力した場合に、ΣＡｉが比較的大きくても出力光ファイバ３に対する光の結合効率の低下を抑制することも可能である。

（入力光ファイバの配置）
図５は、複数の入力光ファイバの配置の別の例を示す図であって、図２に対応するものである。

入力光ファイバ部４は、１９本の入力光ファイバとして、１本の入力光ファイバ４ａと、６本の入力光ファイバ４ｂと、１２本の入力光ファイバ４ｃとを含んでいる。入力光ファイバ４ａは中心に配置されており、６本の入力光ファイバ４ｂは、入力光ファイバ４ａの外周側に配置されている。１２本の入力光ファイバ４ｃは、入力光ファイバ４ｂのさらに外周側に配置されている。入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃは最密充填に近く、かつ外周が円形になるように配置されていることが好ましい。

入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃは、いずれも入力光ファイバ１ａと同様に、コア部と、コア部の外周に形成されたクラッド層と、クラッド層の外周に形成された被覆層とを備えている。コア部、クラッド層は石英系ガラスなどのガラスからなる。被覆層は樹脂からなる。被覆層は先端側では除去されている。

入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃは、それぞれたとえばマルチモード光ファイバであるが、シングルモード光ファイバでもよい。本実施形態では入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃはそれぞれＮＡが０．２２のマルチモード光ファイバであるとする。なお、ＮＡは０．１５〜０．２２でもよい。

複数の入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃは、先端側が束ねられて束部を構成している。束部では、入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃのクラッド層が一体化していてもよい。束部の先端部は、入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃの先端部でもあり、出力光ファイバ２の先端部２ｃや出力光ファイバ３の先端部３ｄと融着接続などによって光学的に接続されている。入力光ファイバ４ａの光軸と出力光ファイバ２または３の光軸と一致するように接続されている。入力光ファイバ４ａの光軸を複数の入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃの光軸と規定する。

束部は、入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれが先端部で断面積が縮小するようにテーパ状になっているテーパ部を有している。先端部の断面積は出力光ファイバ２の内側クラッド部２ａの断面積または出力光ファイバ３のコア部３ａの断面積と略等しい。

この入力光ファイバ部４では、テーパ角は、入力光ファイバ４ａの光軸（複数の入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃの光軸）に対する、テーパ部における外周側に位置する入力光ファイバ４ｃの側面の成す角と規定される。

ここで、出力光ファイバ２または３のＮＡをＮＡｏｕｔ、入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれのＮＡをＮＡｉｎ、テーパ部よりも基端側における入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃの断面積の総計をΣＡｉ、先端部での束部の断面積をＡとすると、下記式
（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２＜ΣＡｉ／Ａ
が成り立つ。

これによって、入力光ファイバ４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれの基端側から光を入力した場合に、出力光ファイバ２または３に対する光の結合効率の低下を抑制できる。

（実施例１）
実施形態１に示す光結合器１０と同様の構成であり、入力光ファイバ部については図５のように１９本の入力光ファイバを含む構成とした光結合器を作製した。そして、波長９１５ｎｍのマルチモードレーザ光を出力する半導体レーザ素子を光源として、入力光ファイバのそれぞれから入力させた場合の出力光ファイバからの出力光の放射角度分布を測定した。なお、各半導体レーザ素子を直流電流で駆動した。電流値は２Ａとした。

入力光ファイバの特性は以下の通りである。
ファイバ径：１２５μｍ
ＮＡ：０．２２
本数：１９本
束部の先端部の外径は２５０μｍである。出力光ファイバのＮＡは０．４５である。テーパ部のテーパ角は０．０３５ラジアンである。束部の先端部でのクラッド層の厚さは３．１μｍである。

図６は、半導体レーザ素子からの出力光および出力光ファイバからの出力光の放射角度分布の測定結果を示す図である。なお、凡例に示すＬＤＭが半導体レーザ素子から直接出力された出力光の放射角度分布である。また、凡例に示す２５０μｍが本実施例１の光結合器の出力光ファイバから出力された出力光の放射角度分布である。

（実施例２）
実施形態１に示す光結合器１０と同様の構成であり、入力光ファイバ部については図５のように１９本の入力光ファイバを含む構成とした光結合器を作製した。そして、実施例１で使用した半導体レーザ素子を光源として、入力光ファイバのそれぞれから入力させた場合の出力光ファイバからの出力光の放射角度分布を測定した。なお、各半導体レーザ素子を直流電流で駆動した。電流値は２Ａとした。

入力光ファイバの特性は以下の通りである。
ファイバ径：１２５μｍ
ＮＡ：０．２２
本数：１９本
束部の先端部の外径は２００μｍである。出力光ファイバのＮＡは０．４５である。テーパ部のテーパ角は０．０４ラジアンである。束部の先端部でのクラッド層の厚さは２．５μｍである。

図６において、凡例に示す２００μｍが本実施例２の光結合器の出力光ファイバから出力された出力光の放射角度分布である。本実施例２では、実施例１の結果と比較して、光結合器の出力光ファイバから出力された出力光の放射角度が広くなっている。その理由は、束部の先端部の外径を２５０μｍから２００μｍとしたため、テーパ部でのＮＡの拡大率が大きくなったためと考えられる。

（実施例３）
実施形態１に示す光結合器１０と同様の構成であり、入力光ファイバ部については図５のように１９本の入力光ファイバを含む構成とした光結合器を作製した。そして、実施例１、２で使用した半導体レーザ素子を光源として、入力光ファイバのそれぞれから入力させた場合の出力光ファイバからの出力光の放射角度分布を測定した。なお、各半導体レーザ素子を直流電流で駆動した。電流値は２Ａとした。

入力光ファイバの特性は以下の通りである。
ファイバ径：１２５μｍ
ＮＡ：０．２２
本数：１９本
束部の先端部の外径は１５０μｍである。出力光ファイバのＮＡは０．４５である。テーパ部のテーパ角は０．０４５ラジアンである。束部の先端部でのクラッド層の厚さは１．７μｍである。

図６において、凡例に示す１５０μｍが本実施例３の光結合器の出力光ファイバから出力された出力光の放射角度分布である。本実施例３では、実施例２の結果と比較して、光結合器の出力光ファイバから出力された出力光の場合の放射角度が広くなっている。その理由は、束部の先端部の外径を２００μｍから１５０μｍとしたため、テーパ部でのＮＡの拡大率が大きくなったためと考えられる。

なお、実施例１〜３のいずれの場合も、波長９１５ｎｍのマルチモードレーザ光を出力する半導体レーザ素子に対する光結合器の挿入損失は１０％以下であり、実用レベルの低損失特性であった。

（実施例４）
実施形態２に示す光結合器２０と同様の構成であり、入力光ファイバ部については図５のように１９本の入力光ファイバを含む構成とした光結合器を作製した。

入力光ファイバの特性は以下の通りである。
ファイバ径：１２５μｍ
ＮＡ：０．２２
本数：１９本
束部の先端部の外径は２５０μｍである。出力光ファイバのコア径は３００μｍ、ＮＡは０．２２である。テーパ部のテーパ角は、０．０３５ラジアンである。束部の先端部でのクラッド層の厚さは２．９μｍである。

実施例４では、出力光のＮＡの最大値と出力光ファイバのＮＡがほぼ同じ値であることから、出力光ファイバは、被覆の屈折率がクラッドの屈折率よりも低い値であるダブルクラッドファイバとし、コア部からクラッド層へ漏洩した光は、被覆の代わりに塗布した高屈折率材料で意図的に放射処理をする構造とした。このように漏洩光を意図的に放射処理することによって、漏洩光が意図しない箇所に放射されることを抑制できる。

なお、実施例４の場合、波長９１５ｎｍのマルチモードレーザ光を出力する半導体レーザ素子に対する光結合器の挿入損失は３０％以下であり、実施例１〜３の場合よりも大きいが、出力光ファイバからの出力光の輝度およびパワー密度を高めることができるので、高パワーのレーザ光の出力に適する。

（実施形態３）
図７Ａは、実施形態３に係る光結合器の模式図である。光結合器３０は、図１に示す光結合器１０における入力光ファイバ部１を入力光ファイバ部５に置き換え、出力光ファイバ２を出力光ファイバ６に置き換えた構成を有する。

入力光ファイバ部５は、複数（本実施形態では７本）の入力光ファイバとして、１本の入力光ファイバ５ａと、６本の入力光ファイバ５ｂとを含んでいる。入力光ファイバ５ａは中心に配置されており、６本の入力光ファイバ５ｂは、入力光ファイバ５ａの外周側に配置されている。入力光ファイバ５ａ、５ｂは最密充填となるように配置されていることが好ましい。

入力光ファイバ５ａは、コア部５ａａと、コア部５ａａの外周に形成されたクラッド層５ａｂと、クラッド層５ａｂの外周に形成された被覆層５ａｃとを備えている。入力光ファイバ５ｂは、コア部５ｂａと、コア部５ｂａの外周に形成されたクラッド層５ｂｂと、クラッド層５ｂｂの外周に形成された被覆層５ｂｃとを備えている。コア部５ａａ、５ｂａ、クラッド層５ａｂ、５ｂｂは石英系ガラスなどのガラスからなる。被覆層５ａｃ、５ｂｃは樹脂からなる。被覆層５ａｃ、５ｂｃは先端側では除去されている。

入力光ファイバ５ａ、５ｂは、それぞれたとえばマルチモード光ファイバであるが、シングルモード光ファイバでもよい。入力光ファイバ５ａ、５ｂのＮＡは０．１５〜０．２２でもよい。

出力光ファイバ６は、内側クラッド部６ａと、内側クラッド部６ａの外周に形成された外側クラッド層６ｂとを備えている、いわゆるクラッドポンプ光ファイバである。出力光ファイバ６は先端部６ｃを有している。内側クラッド部６ａは石英系ガラスなどのガラスからなる。外側クラッド層６ｂは樹脂からなる。樹脂はたとえばフッ素を添加したものである。外側クラッド層６ｂは出力光ファイバ６の先端側では除去されている。内側クラッド部６ａの中心にはコア部があってもよい。なお、外側クラッド層６ｂを樹脂にすることで、出力光ファイバ６のＮＡを０．４５程度とできる。

内側クラッド部６ａは、定径部６ａａと、テーパ部６ａｂと、定径部６ａｃとを有している。定径部６ａａは、出力光ファイバ６の基端側に位置し、略一定の外径を有しており、外側クラッド層６ｂが一部だけ除去されている。定径部６ａｃは、出力光ファイバ６の先端部６ｃの側に位置し、定径部６ａａより小さい略一定の外径を有している。テーパ部６ａｂは、定径部６ａｃから定径部６ａａに向かって外径が拡大している部分である。

複数の入力光ファイバ５ａ、５ｂは、先端側が束ねられて束部５ｃを構成している。束部５ｃでは、入力光ファイバ５ａ、５ｂのクラッド層５ａｂ、５ｂｂが一体化していてもよい。束部５ｃの先端部５ｃａは、入力光ファイバ５ａ、５ｂの先端部でもあり、出力光ファイバ６の先端部６ｃと融着接続などによって光学的に接続されている。入力光ファイバ５ａの光軸と出力光ファイバ６の光軸と一致するように接続されている。入力光ファイバ５ａの光軸を複数の入力光ファイバ５ａ、５ｂの光軸と規定する。

束部５ｃは、入力光ファイバ５ａ、５ｂのそれぞれが先端部５ｃａで断面積が縮小するようにテーパ状になっているテーパ部５ｃｂを有している。先端部５ｃａの断面積は出力光ファイバ６の先端部６ｃにおける内側クラッド部６ａの断面積、すなわち定径部６ａｃの断面積と略等しい。本実施形態ではテーパ部５ｃｂの先端から先端部５ｃａまでは入力光ファイバ５ａ、５ｂのそれぞれの断面積が略一定である。ただしテーパ部５ｃｂが先端部５ｃａまで延びていてもよい。

テーパ角はテーパ部５ｃｂと複数の入力光ファイバ５ａ、５ｂの光軸との成す角と規定する。

ここで、出力光ファイバ６のＮＡ（内側クラッド部６ａと外側クラッド層６ｂとで構成される光導波路のＮＡ）をＮＡｏｕｔ、入力光ファイバ５ａ、５ｂのそれぞれのＮＡをＮＡｉｎ、テーパ部５ｃｂよりも基端側における入力光ファイバ５ａ、５ｂの断面積の総計をΣＡｉ、先端部５ｃａでの束部５ｃの断面積をＡとすると、下記式
（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２＜ΣＡｉ／Ａ
が成り立つ。

これによって、入力光ファイバ５ａ、５ｂのそれぞれの基端側から光を入力した場合に、テーパ部５ｃｂで断面積が縮小することによって光の放射角が増加する。しかしながら、その増加後の放射角の特性は入力光の放射角の特性が基本となっている。そのため入力光の放射角の特性に注意をしておけば、ΣＡｉが比較的大きくても出力光ファイバ６に対する光の結合効率の低下を抑制することも可能である。

（実施形態３の変形例）
図７Ｂは、実施形態３の変形例に係る光結合器の模式図である。光結合器３０Ａは、光結合器３０における出力光ファイバ６を出力光ファイバ６Ａに置き換えた構成を有する。

出力光ファイバ６Ａは、ガラス光ファイバ部６Ａａと、ガラス光ファイバ部６Ａａの外周に形成された被覆層６Ａｂとを備えている、ガラス光ファイバ部６Ａａは石英系ガラスなどのガラスからなる。被覆層６Ａｂは樹脂からなる。被覆層６Ａｂは出力光ファイバ６Ａの先端側では除去されている。

ガラス光ファイバ部６Ａａは、定径部６Ａａａと、テーパ部６Ａａｂと、定径部６Ａａｃとを有している。定径部６Ａａａは、出力光ファイバ６Ａの基端側に位置し、略一定の外径を有しており、被覆層６Ａｂが一部だけ除去されている。定径部６Ａａｃは、出力光ファイバ６Ａの先端部６Ａｃの側に位置し、定径部６Ａａａより小さい略一定の外径を有している。テーパ部６Ａａｂは、定径部６Ａａｃから定径部６Ａａａに向かって外径が拡大している部分である。

ガラス光ファイバ部６Ａａは、コア部６Ａａｄと、コア部６Ａａｄの外周に形成されたクラッド層６Ａａｅとを備えている。コア部６Ａａｄとクラッド層６Ａａｅは、定径部６Ａａａ、テーパ部６Ａａｂ、および定径部６Ａａｃを構成している。

出力光ファイバ６Ａは、マルチモード光ファイバである。本実施形態では出力光ファイバ６ＡはＮＡが０．２２のマルチモード光ファイバであるとする。なお、ＮＡは０．２２以下の０．１５〜０．２２でもよい。

入力光ファイバ部５の束部５ｃの先端部５ｃａは、出力光ファイバ６Ａの先端部６Ａｃと融着接続などによって光学的に接続されている。入力光ファイバ５ａの光軸と出力光ファイバ６Ａの光軸とが一致するように接続されている。先端部５ｃａの断面積は出力光ファイバ６Ａの先端部６Ａｃにおけるコア部６Ａａｄの断面積と略等しい。

ここで、出力光ファイバ６ＡのＮＡ（コア部６Ａｄとクラッド層６Ａｅとで構成される光導波路のＮＡ）をＮＡｏｕｔ、入力光ファイバ５ａ、５ｂのそれぞれのＮＡをＮＡｉｎ、テーパ部５ｃｂよりも基端側における入力光ファイバ５ａ、５ｂの断面積の総計をΣＡｉ、先端部５ｃａでの束部５ｃの断面積をＡとすると、下記式
（ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２＜ΣＡｉ／Ａ
が成り立つ。

これによって、入力光ファイバ５ａ、５ｂのそれぞれの基端側から光を入力した場合に、テーパ部５ｃｂで断面積が縮小することによって光の放射角が増加する。しかしながら、その増加後の放射角の特性は入力光の放射角の特性が基本となっている。そのため入力光の放射角の特性に注意をしておけば、ΣＡｉが比較的大きくても出力光ファイバ６Ａに対する光の結合効率の低下を抑制することも可能である。

（実施例５）
実施形態３の変形例に示す光結合器３０Ａと同様の構成であり、入力光ファイバ部については図５のように１９本の入力光ファイバを含む構成とした光結合器を作製した。

入力光ファイバの特性は以下の通りである。
ファイバ径：１２５μｍ
ＮＡ：０．２２
本数：１９本
束部の先端部の外径は２５０μｍである。出力光ファイバは、先端部の側の定径部では外径が２５０μｍであり、テーパ部では外径が変化し、基端側の定径部では外径が３００μｍである構成とした。出力光ファイバのＮＡは０．２２である。これにより、コア径３００μｍ、ＮＡ０．２２のマルチモード出力光ファイバ内を、ＮＡが０．２２よりも小さい場合に相当する放射角特性を有する光を伝搬させることが可能である。

たとえば、実施例４または５では、入力光ファイバの本数が１９本である光結合器を示したが、クラッド径１２５μｍのピグテイル出力光ファイバをもつ１００Ｗ出力の半導体レーザモジュールを接続すれば、コア径２００μｍもしくは３００μｍでＮＡ０．２２のマルチモード出力光ファイバから、１９００Ｗの出力を得ることができる。

また、入力光ファイバのクラッド径を１２５μｍから１５０μｍに変更して光結合器を作製し、２００Ｗ出力の半導体レーザモジュールを接続すれば、コア径２００μｍもしくは３００μｍでＮＡ０．２２のマルチモード出力光ファイバから、３８００Ｗの出力を得ることができる。

（実施形態４）
図８は、実施形態４に係る光出力装置の模式図である。この光出力装置は、光ファイバレーザとして構成されている。光ファイバレーザ１００は、複数の半導体励起光源１０１と、複数の光ファイバ１０２と、光結合器１０と、光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１０３と、増幅用光ファイバ１０４と、ＦＢＧ１０５と、光結合器１０と、複数の光ファイバ１０６と、複数の半導体励起光源１０７と、出力光ファイバ１０８とを備えている。各要素は適宜光ファイバで接続されている。

励起光源である複数の半導体励起光源１０１、１０７は、それぞれ、増幅用光ファイバ１０４に供給する励起光を出力する。励起光は、増幅用光ファイバ１０４を光励起できる波長、たとえば９１５ｎｍの波長を有している。複数の光ファイバ１０２、１０６は、それぞれ、各半導体励起光源１０１、１０７から出力された励起光を伝搬し、光結合器１０に出力する。

実施形態１に係る光結合器１０のそれぞれは、複数の光ファイバ１０２、１０６のそれぞれが各入力光ファイバ１ｂの基端側に接続されており、入力された励起光を合波し、出力光ファイバ２から増幅用光ファイバ１０４へ出力する。

増幅用光ファイバ１０４は、石英系ガラスからなるコア部に増幅物質であるイッテルビウム（Ｙｂ）イオンが添加されたＹＤＦ（Ytterbium Doped Fiber）であり、コア部の外周には石英系ガラスからなる内側クラッド層と樹脂等からなる外側クラッド層とが順次形成されたダブルクラッド型の光ファイバである。なお、増幅用光ファイバ１０４のコア部はＮＡがたとえば０．０８であり、Ｙｂイオンの発光、たとえば波長１０７０ｎｍの光をシングルモードで伝搬するように構成されている。増幅用光ファイバ１０４のコア部の吸収係数は、たとえば波長９１５ｎｍにおいて２００ｄＢ／ｍである。また、コア部に入力された励起光からレーザ発振光へのパワー変換効率はたとえば７０％である。

ＦＢＧ１０３は、複数の半導体励起光源１０１側の光結合器１０の出力光ファイバ２と増幅用光ファイバ１０４との間に接続されている。ＦＢＧ１０３は、中心波長が例えば１０７０ｎｍであり、中心波長およびその周辺の約２ｎｍの幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。また、ＦＢＧ１０５は、複数の半導体励起光源１０７側の光結合器１０の出力光ファイバ２と増幅用光ファイバ１０４との間に接続されている。ＦＢＧ１０５は、中心波長がＦＢＧ１０３と略同じである例えば１０７０ｎｍであり、中心波長における反射率が１０％〜３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約１ｎｍであり、波長９１５ｎｍの光はほとんど透過する。

ＦＢＧ１０３、１０５は、増幅用光ファイバ１０４の両端のそれぞれに対して配置され、波長１０７０ｎｍの光に対して光ファイバ共振器を構成する。

増幅用光ファイバ１０４では、励起光によってコア部のＹｂイオンが光励起され、波長１０７０ｎｍを含む帯域の光を発光する。波長１０７０ｎｍの発光は、増幅用光ファイバ１０４の光増幅作用とＦＢＧ１０３、１０５によって構成される光共振器の作用とによってレーザ発振する。

出力光ファイバ１０８は、ＦＢＧ１０５とは反対側に配置され、光結合器１０の入力光ファイバ１ａに接続されている。発振したレーザ光（レーザ発振光）は出力光ファイバ１０８から出力される。出力光ファイバ１０８は、たとえばデリバリ光ファイバに接続されている。レーザ発振光はデリバリ光ファイバによって所定の用途のために伝搬される。

（実施形態５）
図９は、実施形態５に係る光出力装置の模式図である。この光出力装置は、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）として構成されている。このＤＤＬ２００は、複数の半導体レーザモジュール２０１と、複数の光ファイバ２０２と、光結合器２０と、デリバリ光ファイバ２０３とを備えている。各要素は適宜光ファイバで接続されている。

複数の半導体レーザモジュール２０１は、それぞれ、波長がたとえば１０７０ｎｍのレーザ光を出力する。複数の光ファイバ２０２は、それぞれ、各半導体レーザモジュール２０１から出力されたレーザ光を伝搬し、光結合器２０に出力する。

実施形態２に係る光結合器２０は、複数の光ファイバ２０２のそれぞれが各入力光ファイバ１ａ、１ｂの基端側に接続されており、入力されたレーザ光を合波し、出力光ファイバ３からデリバリ光ファイバ２０３へ出力する。デリバリ光ファイバ２０３は出力光ファイバ３と同種のマルチモード光ファイバでもよい。デリバリ光ファイバ２０３からは光パワーのレーザ光が出力される。

なお、実施形態４、５における光結合器１０、２０は、それぞれ他の実施形態に係る光結合器と適宜置き換えてもよい。

また、上記実施形態では、合波器に入力するレーザ光の波長はたとえば９１５ｎｍまたは１０７０ｎｍであるが、通常の光ファイバが問題なく使用可能である可視光帯から２μｍ帯までのいずれの波長の光であってもよい。たとえば、半導体レーザ素子として、９００ｎｍ帯、６５０ｎｍ帯、４００ｎｍ帯など、赤外、可視域、紫外域に近い青色等の各波長帯のレーザ光を出力する素子も、光源として使用可能である。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１、４、５ 入力光ファイバ部
１ａ、１ｂ、４ａ、４ｂ、４ｃ、５ａ、５ｂ 入力光ファイバ
１ａａ、１ｂａ、３ａ、５ａａ、５ｂａ、６Ａａｄ コア部
１ａｂ、１ｂｂ、３ｂ、５ａｂ、５ｂｂ、６Ａａｅ クラッド層
１ａｃ、１ｂｃ、３ｃ、５ａｃ、５ｂｃ、６Ａｂ 被覆層
１ｃ、５ｃ 束部
１ｃａ、２ｃ、３ｄ、５ｃａ、６ｃ、６Ａｃ 先端部
１ｃｂ、５ｃｂ、６ａｂ、６Ａａｂ テーパ部
２、３、６、６Ａ 出力光ファイバ
２ａ、６ａ 内側クラッド部
２ｂ、６ｂ 外側クラッド層
６ａａ、６ａｃ、６Ａａａ、６Ａａｃ 定径部
６Ａａ ガラス光ファイバ部
１０、２０、３０ 光結合器
１００ 光ファイバレーザ
１０１、１０７ 半導体励起光源
１０２、１０６、２０２ 光ファイバ
１０４ 増幅用光ファイバ
１０８ 出力光ファイバ
２００ ＤＤＬ
２０１ 半導体レーザモジュール
２０３ デリバリ光ファイバ

Claims (8)

1. 複数の入力光ファイバと、
   出力光ファイバと、
   を備え、前記複数の入力光ファイバは、先端側が束ねられて束部を構成しており、前記束部の先端部が前記出力光ファイバに接続されており、前記束部は、前記複数の入力光ファイバのそれぞれが前記先端部で断面積が縮小するようにテーパ状になっているテーパ部を有しており、
   前記出力光ファイバの開口数をＮＡｏｕｔ、前記複数の入力光ファイバのそれぞれの開口数をＮＡｉｎ、前記テーパ部よりも基端側における前記複数の入力光ファイバの断面積の総計をΣＡｉ、前記先端部での前記束部の断面積をＡとすると、下記式
   （ＮＡｏｕｔ／ＮＡｉｎ）^２＜ΣＡｉ／Ａ
   が成り立つことを特徴とする光結合器。
2. 前記テーパ部と前記複数の入力光ファイバの光軸との成す角が０．０４５ラジアン以下であることを特徴とする請求項１に記載の光結合器。
3. 前記出力光ファイバの開口数が０．２２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光結合器。
4. 前記先端部における前記複数の入力光ファイバのそれぞれのクラッド層の厚さが１．７μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光結合器。
5. 前記複数の入力光ファイバのそれぞれの先端部におけるクラッド層の厚さが、前記基端側から入力される光の波長の１．９倍以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光結合器。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載の光結合器と、
   前記複数の入力光ファイバのそれぞれの基端側にそれぞれが接続された複数の光源と、
   を備えることを特徴とする光出力装置。
7. 前記複数の光源から出力される光によって光励起される増幅用光ファイバと、
   光共振器と、
   を備え、光ファイバレーザとして構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光出力装置。
8. 前記複数の光源は、それぞれ半導体レーザであり、ダイレクトダイオードレーザとして構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光出力装置。

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