JP2023030808A

JP2023030808A - 光制御部材、光デバイス、及びレーザ装置

Info

Publication number: JP2023030808A
Application number: JP2021136146A
Authority: JP
Inventors: 究鈴木; Kiwamu Suzuki
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2021-08-24
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2023-03-08

Abstract

【課題】光を順方向に効率的に伝搬するとともに、逆方向に伝搬する光を効果的に制御することが可能な光制御部材を提供する。【解決手段】光コンバイナ３は、コア１１と、コア１１の周囲を覆う内側クラッド１２と、内側クラッド１２の周囲を覆う外側クラッド１３とを有する入力光ファイバ１０と、光制御部材２０と、光制御部材２０の下流側に接続されるブリッジファイバ３０とを備える。光制御部材２０は、一定の屈折率を有するコア２１と、コア２１の屈折率よりも低い屈折率を有し、コア２１の周囲を覆うクラッド部２２とを備える。コア２１は、順方向に伝搬する光の光導波路として機能する。クラッド部２２は、逆方向に伝搬する光を半径方向内側に曲げるように半径方向外側に向かって次第に屈折率が低下する屈折率変化部２４を含む。【選択図】図４

Description

本発明は、光制御部材、光デバイス、及びレーザ装置に係り、特に高パワーのレーザ光が伝搬する光デバイスに関するものである。

近年、ファイバレーザなどを用いたレーザ加工の分野においては、レーザ光の出力を増大させることによって、加工速度の向上や厚い材料の加工が期待できることから、レーザ光の高出力化が求められている。例えば、レーザ光の出力を高めるために、複数本の光ファイバと１本の光ファイバとを接続することで複数のレーザ光源からの出力光を合成する光コンバイナを用いることもなされている（例えば、特許文献１参照）。

このようにレーザ光を高出力化すると、例えば加工対象物で反射して装置内に戻ってくる反射光の量も多くなるため、このような反射光が上流側の光ファイバのクラッドに入射することも考えられる。反射光が上流側の光ファイバのクラッドに入射すると、クラッドを覆う樹脂やクラッドに付着した塵などに入射して発熱を引き起こしたり、上流側のクラッドモードストリッパによって除去すべき光の量を増加させたりするため、光ファイバやクラッドモードストリッパの信頼性が低下することが考えられる。

特開２００７－２３３２９２号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、光を順方向に効率的に伝搬するとともに、逆方向に伝搬する光を効果的に制御することが可能な光制御部材を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、入力光ファイバから出力光ファイバに向かう光を効率的に伝搬するとともに、出力光ファイバから入力光ファイバに向かって伝搬する光が入力光ファイバに悪影響を与えることを低減することができる光デバイスを提供することを第２の目的とする。

さらに、本発明は、高出力のレーザ光を出力することができる信頼性の高いレーザ装置を提供することを第３の目的とする。

本発明の第１の態様によれば、光を順方向に効率的に伝搬するとともに、逆方向に伝搬する光を効果的に制御することが可能な光制御部材が提供される。この光制御部材は、一定の屈折率を有するコアと、上記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記コアの周囲を覆うクラッド部とを備える。上記コアは、第１の方向に伝搬する光の光導波路として機能する。上記クラッド部は、上記第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する光を半径方向内側に曲げるように半径方向外側に向かって次第に屈折率が低下する屈折率変化部を含む。

本発明の第２の態様によれば、入力光ファイバから出力光ファイバに向かう光を効率的に伝搬するとともに、出力光ファイバから入力光ファイバに向かって伝搬する光が入力光ファイバに悪影響を与えることを低減することができる光デバイスが提供される。この光デバイスは、入力コアと、上記入力コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記入力コアの周囲を覆う内側入力クラッドと、上記内側入力クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記内側入力クラッドの周囲を覆う外側入力クラッドとを有する少なくとも１つの入力光ファイバと、少なくとも１つの上述した光制御部材と、上記少なくとも１つの光制御部材の上記第１の方向側に接続される出力光ファイバとを備える。上記光制御部材は、上記少なくとも１つの入力光ファイバの上記第１の方向側に接続される。上記出力光ファイバは、少なくとも１つの出力コアと、上記少なくとも１つの出力コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記少なくとも１つの出力コアの周囲を覆う出力クラッドとを有する。上記少なくとも１つの光制御部材の一端における上記コアは、上記少なくとも１つの入力光ファイバの上記入力コアに光学的に結合される。上記少なくとも１つの光制御部材の他端における上記コアは、上記出力光ファイバの上記少なくとも１つの出力コアに光学的に結合される。

本発明の第３の態様によれば、高出力のレーザ光を出力することができる信頼性の高いレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、レーザ光を生成する少なくとも１つのレーザ光源と、上述した光デバイスとを備える。上記光デバイスの上記少なくとも１つの入力光ファイバの上記入力コアは、上記少なくとも１つのレーザ光源に光学的に結合される。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す模式的ブロック図である。図２は、図１のレーザ装置における光コンバイナ（光デバイス）を示す分解斜視図である。図３は、図２の光コンバイナにおける入力光ファイバの１つの断面を屈折率分布とともに示す図である。図４は、図２の光コンバイナにおける光制御部材の１つの断面を屈折率分布とともに示す図である。図５は、図２の光コンバイナの一部を模式的に示す断面図である。図６は、本発明の第２の実施形態における光コンバイナ（光デバイス）を示す分解斜視図である。図７は、図６の光コンバイナにおける出力光ファイバの断面を屈折率分布とともに示す図である。図８は、光制御部材のクラッド部の最大屈折率と最小屈折率との間の比屈折率差を変化させた場合における光制御部材の長さと入力光ファイバの外側クラッドの表面のパワー密度との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る光デバイス及びレーザ装置の実施形態について図１から図８を参照して詳細に説明する。図１から図８において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図８においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置１の構成を示す模式的ブロック図である。図１に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１は、レーザ光を生成する複数のレーザ光源２と、それぞれのレーザ光源２からのレーザ光を合波する光デバイスとしての光コンバイナ３と、光コンバイナ３の下流側の端部に設けられたレーザ出力部４とを備えている。それぞれのレーザ光源２と光コンバイナ３とは光ファイバ５により互いに接続されており、光コンバイナ３とレーザ出力部４とは光ファイバ６により互いに接続されている。レーザ光源２としては例えばファイバレーザや半導体レーザを用いることができる。なお、本明細書では、特に言及がない場合には、レーザ光源２からレーザ光が光ファイバ５及び光ファイバ６を通ってレーザ出力部４に向かう方向を「下流側」又は「順方向」といい、それとは逆の方向を「上流側」又は「逆方向」ということとする。

このようなレーザ装置１においては、それぞれのレーザ光源２において生成されたレーザ光が光ファイバ５を伝搬して光コンバイナ３に導入される。この光コンバイナ３では、複数のレーザ光源２からのレーザ光が結合されて光ファイバ６に出力される。光ファイバ６に出力された高出力のレーザ光Ｌはレーザ出力部４から例えば被加工物に向けて出射される。なお、レーザ光Ｌは必ずしもレーザ出力部４から出射されるように構成されていなくてもよく、レーザ出力部４に光ファイバを接続してさらに下流側にレーザ光Ｌを導くようにしてもよい。

図２は、光コンバイナ３を示す分解斜視図である。図２においては、理解を容易にするために、光コンバイナ３の構成要素が光軸方向に沿って互いに離間して示されているが、これらの構成要素は、以下に述べるように互いに融着接続されている。図２に示すように、本実施形態における光コンバイナ３は、上述した光ファイバ５の少なくとも一部を構成する入力光ファイバ１０と、入力光ファイバ１０の下流側に配置される光制御部材２０と、光制御部材２０の下流側に配置される出力光ファイバとしてのブリッジファイバ３０と、上述した光ファイバ６の少なくとも一部を構成する出力光ファイバ４０とを含んでいる。

図２に示すように、本実施形態においては、中心の入力光ファイバ１０の周囲を６本の入力光ファイバ１０が取り囲むように入力光ファイバ１０が配置されている。図３は、入力光ファイバ１０の１つの断面を屈折率分布とともに示す図である。本実施形態における入力光ファイバ１０は、ダブルクラッドファイバであり、図３に示すように、コア１１（入力コア）と、コア１１の周囲を覆う内側クラッド１２（内側入力クラッド）と、内側クラッド１２の周囲を覆う外側クラッド１３（外側入力クラッド）とを有している。

図３に示すように、入力光ファイバ１０の内側クラッド１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低くなっており、外側クラッド１３の屈折率は内側クラッド１２の屈折率よりも低くなっている。これにより、入力光ファイバ１０のコア１１の内部には、レーザ光源２からのレーザ光が伝搬する光導波路が形成される。例えば、入力光ファイバ１０のコア１１の外径は２８μｍであり、内側クラッド１２の外径は６０μｍ、外側クラッド１３の外径は１２５μｍである。

光制御部材２０は、入力光ファイバ１０に対応して入力光ファイバ１０と同数だけ設けられている。図４は、光制御部材２０の１つの断面を屈折率分布とともに示す図である。図４に示すように、本実施形態における光制御部材２０は、屈折率が一定の部分を有するコア２１と、コア２１の周囲を覆うクラッド部２２とを有している。

図４に示すように、コア２１は中心から半径Ｒ_Cの範囲の領域を占めており、この領域は一定の屈折率を有している。本明細書において「一定の屈折率」というときは、特定の屈折率に対して±０．０５％の範囲内にある屈折率を意味するものとする。図４に示すように、光制御部材２０のクラッド部２２の領域は、コア２１の屈折率よりも低い屈折率を有している。これにより、光制御部材２０のコア２１の内部には、入力光ファイバ１０のコア１１からの光が伝搬する光導波路が形成される。

クラッド部２２は、コア２１の外周から半径方向外側に距離Ｔ₁にわたって一定の屈折率Δ₁を有する屈折率一定部２３と、屈折率一定部２３の半径方向外側に位置し、半径方向外側に向かって次第に屈折率が低下する屈折率変化部２４とを含んでいる。屈折率変化部２４の屈折率の勾配は、半径方向外側に向かって次第に大きくなっており、屈折率変化部２４の外縁部において屈折率が最も低く（Δ₂）なっている。このように、本実施形態における光制御部材２０は、中心に一定の屈折率を有するコア２１を有する点において、いわゆるＧＲＩＮ（Graded Index又はGradient Index）レンズと異なっている。例えば、光制御部材２０のコア２１の外径（２Ｒ_C）は２８μｍ、屈折率一定部２３の外径は６０μｍ、屈折率変化部２４の外径は１２５μｍである。

入力光ファイバ１０の下流側端面には、対応する光制御部材２０の上流側端部が融着接続される。これにより、それぞれの入力光ファイバ１０のコア１１を伝搬する光の大部分が、対応する光制御部材２０のコア２１に光学的に結合するようになっている。ここで、光制御部材２０のコア２１の外径が入力光ファイバ１０のコア１１の外径と１％を超えて異なる場合には、入力光ファイバ１０のコア１１から光制御部材２０のコア２１に光が導入される際の光損失が大きくなるとともにビーム品質が劣化するため、光制御部材２０のコア２１の外径は、入力光ファイバ１０のコア１１の外径の±１％の範囲内にあることが好ましい。また、入力光ファイバ１０のコア１１から光制御部材２０のコア２１にレーザ光が入射する際の反射を抑えるために、光制御部材２０のコア２１の屈折率は、入力光ファイバ１０のコア１１の屈折率と略同一であることが好ましい。

図２に戻って、ブリッジファイバ３０は、コア３１（出力コア）と、コア３１の周囲を覆うクラッド３２（出力クラッド）とを有している。クラッド３２の屈折率はコア３１の屈折率よりも低くなっており、コア３１の内部には、光制御部材２０のコア２１からの光が伝搬する光導波路が形成される。例えば、コア３１の周囲に空気の層を形成し、この空気の層をクラッド３２の代わりに用いることも可能である。

このようなコア－クラッド構造を内部に有するブリッジファイバ３０は、光軸に沿って一定の外径で延びる第１の円筒部５１と、第１の円筒部５１から光軸に沿って次第に外径が小さくなる縮径部５２と、縮径部５２から光軸方向に沿って一定の外径で延びる第２の円筒部５３とを含んでいる。なお、本実施形態においては、第２の円筒部５３に向かって縮径部５２の外径が次第に小さくなっているが、縮径部５２が第１の円筒部５１と同一の一定の径で延びていてもよい。この場合には、第２の円筒部５３は、第１の円筒部５１と同一の径を有することになる。

ブリッジファイバ３０の第１の円筒部５１の上流側端面には、光制御部材２０の下流側端部が融着接続される。ブリッジファイバ３０の上流側端面におけるコア３１の大きさは、すべての光制御部材２０のコア２１を内部に包含できるような大きさとなっており、光制御部材２０は、光制御部材２０のコア２１がブリッジファイバ３０の上流側端面におけるコア３１の領域内に位置するようにブリッジファイバ３０に融着接続される。これにより、光制御部材２０のコア２１を伝搬する光の大部分がブリッジファイバ３０のコア３１に光学的に結合するようになっている。ここで、光制御部材２０のコア２１からブリッジファイバ３０のコア３１にレーザ光が入射する際の反射を抑えるために、光制御部材２０のコア２１の屈折率は、ブリッジファイバ３０のコア３１の屈折率と略同一であることが好ましい。

出力光ファイバ４０は、コア４１（出力コア）と、コア４１の周囲を覆うクラッド４２（出力クラッド）とを有している。クラッド４２の屈折率はコア４１の屈折率よりも低くなっており、コア４１の内部には、ブリッジファイバ３０のコア３１からの光が伝搬する光導波路が形成される。

ブリッジファイバ３０の第２の円筒部５３の下流側端面には、出力光ファイバ４０の上流側端部が融着接続される。出力光ファイバ４０のコア４１の外径は、ブリッジファイバ３０の第２の円筒部５３のコア３１の外径以上であり、ブリッジファイバ３０は、ブリッジファイバ３０のコア３１が出力光ファイバ４０の上流側端面におけるコア４１の領域内に位置するように出力光ファイバ４０に融着接続される。これにより、ブリッジファイバ３０のコア３１を伝搬する光の大部分が出力光ファイバ４０のコア４１に光学的に結合するようになっている。ここで、ブリッジファイバ３０のコア３１から出力光ファイバ４０のコア４１にレーザ光が入射する際の反射を抑えるために、出力光ファイバ４０のコア４１の屈折率は、ブリッジファイバ３０のコア３１の屈折率と略同一であることが好ましい。

このような構成において、レーザ光源２で生成されたレーザ光は、光ファイバ５を通って光コンバイナ３の入力光ファイバ１０のコア１１に導入される。図５に示すように、入力光ファイバ１０のコア１１の内部を順方向（第１の方向）に伝搬するレーザ光Ｌ_Fは、光制御部材２０のコア２１に導入され、光制御部材２０のコア２１の内部を伝搬し、ブリッジファイバ３０のコア３１に導入される。このように、一定の屈折率を有するコア２１を中心に有する光制御部材２０を用いることで、順方向に伝搬するレーザ光をコア２１の内部に閉じ込めて、このレーザ光を下流側のブリッジファイバ３０のコア３１に効率的に伝搬することができる。

ブリッジファイバ３０のコア３１に導入されたレーザ光は、コア３１の内部を伝搬して縮径部５２によりそのビーム径が縮小された状態で、出力光ファイバ４０のコア４１に導入される。出力光ファイバ４０のコア４１に導入されたレーザ光は、光ファイバ６を介してレーザ出力部４からレーザ光Ｌとして出力され、例えば加工対象物に照射されて加工が行われる。

ここで、レーザ光源２により生成されるレーザ光のパワーが大きくなると、加工対象物から反射した反射光などがレーザ出力部４から光ファイバ５に戻ってくることが考えられる。そのような反射光の一部が例えば入力光ファイバ１０に至り、外側クラッド１３に入射すると、この反射光が外側クラッド１３を覆う樹脂（図示せず）や外側クラッド１３に付着した塵などに入射して発熱を引き起こしたり、あるいは入力光ファイバ１０の上流側に設けられたクラッドモードストリッパ（図示せず）によって除去すべき光の量を増加させたりすることが考えられる。

本実施形態では、入力光ファイバ１０とブリッジファイバ３０との間に光制御部材２０が接続されているため、例えばブリッジファイバ３０のコア３１を逆方向（第２の方向）に伝搬してきた反射光が光制御部材２０のクラッド部２２に入射した場合には、図５に示すように、この反射光Ｌ_Bは、クラッド部２２の屈折率変化部２４の半径方向外側に向かって次第に屈折率が低下する屈折率分布によって半径方向内側に曲げられることになる。このため、反射光Ｌ_Bが入力光ファイバ１０の外側クラッド１３に入射しにくくなり、入力光ファイバ１０の外側クラッド１３に入射される反射光の量を低減することが可能となる。

このような効果は、光制御部材２０に代えてＧＲＩＮレンズを用いた場合にも得られるが、光制御部材２０に代えてＧＲＩＮレンズを用いた場合には、入力光ファイバ１０のコア１１の内部を順方向に伝搬するレーザ光がＧＲＩＮレンズによって半径方向外側に広がるため、下流側のブリッジファイバ３０のコア３１は、すべてのＧＲＩＮレンズを内部に包含できるような大きさとする必要がある。これに対して、光制御部材２０は一定の屈折率を有するコア２１を有しているため、順方向に伝搬するレーザ光をコア２１の内部に閉じ込めて、このレーザ光を下流側のブリッジファイバ３０のコア３１に効率的に伝搬することができるので、下流側のブリッジファイバ３０のコア３１は、光制御部材２０のコア２１を内部に包含できるような大きさで足り、ＧＲＩＮレンズを用いる場合に比べてブリッジファイバ３０のコア３１を小さくすることができる。

ここで、クラッド部２２の屈折率一定部２３の半径方向の厚さＴ₁（図４参照）は、コア２１の半径Ｒ_C以上であることが好ましい。このように、コア２１の周囲に厚さＴ₁の屈折率一定部２３を形成することにより、コア２１の内部を順方向に伝搬するレーザ光のエバネッセント成分をクラッド部２２の屈折率一定部２３に閉じ込めることができ、出力されるレーザ光のビーム品質を維持することができる。

また、光制御部材２０の長手方向に沿った長さは５ｍｍ以下であることが好ましい。これは、光制御部材２０の長手方向に沿った長さが５ｍｍを超えると、光制御部材２０の断面内での光パワー密度が均一化して、逆方向に伝搬する光（反射光）を半径方向内側に曲げる効果が得られにくくなるためである。

図６は、本発明の第２の実施形態における光コンバイナ１０３を示す分解斜視図である。図６に示すように、本実施形態における光コンバイナ１０３は、第１の実施形態におけるブリッジファイバ３０及び出力光ファイバ４０に代えて、複数のコアを有する出力光ファイバ１４０を含んでいる。

図７は、出力光ファイバ１４０の断面を半径方向に沿った屈折率分布とともに示す図である。図７に示すように、出力光ファイバ１４０は、センタコア１４１（出力コア）と、センタコア１４１の周囲を覆う内側クラッド１４２（出力クラッド）と、内側クラッド１４２の周囲を覆うリングコア１４３（出力コア）と、リングコア１４３の周囲を覆う外側クラッド１４４（出力クラッド）とを有している。内側クラッド１４２の屈折率はセンタコア１４１及びリングコア１４３の屈折率よりも低くなっており、外側クラッド１４４の屈折率はリングコア１４３の屈折率よりも低くなっている。これにより、センタコア１４１の内部にレーザ光が伝搬する光導波路が形成され、リングコア１４３の内部にレーザ光が伝搬する光導波路が形成される。このように、本実施形態では、それぞれ独立した光導波路であるセンタコア１４１とリングコア１４３とが出力光ファイバ１４０の内部に同心状に配置されている。また、本実施形態では、リングコア１４３の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率媒質として、リングコア１４３の周囲に外側クラッド１４４が形成されているが、このような低屈折率媒質は、外側クラッド１４４のような被覆層に限られるものではなく、例えばリングコア１４３の周囲に空気の層を形成し、この空気の層を低屈折率媒質として用いてもよい。

出力光ファイバ１４０のセンタコア１４１の外径、内側クラッド１４２の外径、リングコア１４３の外径、及び外側クラッド１４４の外径はレーザ出力部４（図１参照）から出射されるレーザ光Ｌの強度分布を決定する重要なファクターであるが、レーザ装置の用途や出力仕様に応じて任意に設定することができる。また、内側クラッド１４２の屈折率と外側クラッド１４４の屈折率とは同じであってもよいし、異なっていてもよい。

図６において中央に配置される光制御部材２０Ａ（第１の光制御部材）の下流側端部は、光制御部材２０Ａのコア２１が出力光ファイバ１４０のセンタコア１４１の領域内に位置するように出力光ファイバ１４０の上流側端部に融着接続される。また、光制御部材２０Ａの周囲に配置される光制御部材２０Ｂ（第２の光制御部材）の下流側端部は、すべての光制御部材２０Ｂのコア２１が出力光ファイバ１４０のリングコア１４３の領域内に位置するように出力光ファイバ１４０の上流側端部に融着接続される。このとき、６本の光制御部材２０Ｂは、中央の光制御部材２０Ａを取り囲んでその外周面に接するように配置され、光制御部材２０Ｂは互いに接した状態となっている。ここで、光制御部材２０Ａのコア２１から出力光ファイバ１４０のセンタコア１４１にレーザ光が入射する際の反射を抑えるために、光制御部材２０Ａのコア２１の屈折率は、出力光ファイバ１４０のセンタコア１４１の屈折率と略同一であることが好ましい。また、光制御部材２０Ｂのコア２１から出力光ファイバ１４０のリングコア１４３にレーザ光が入射する際の反射を抑えるために、光制御部材２０Ｂのコア２１の屈折率は、出力光ファイバ１４０のリングコア１４３の屈折率と略同一であることが好ましい。

例えば、このような出力光ファイバ１４０のセンタコア１４１に結合されている光制御部材２０Ａのコア２１を伝搬するレーザ光の強度とリングコア１４３に結合されている光制御部材２０Ｂのコア２１を伝搬するレーザ光の強度の割合を変化させたり、センタコア１４１に結合されている光制御部材２０Ａのコア２１を伝搬するレーザ光の波長とリングコア１４３に結合されている光制御部材２０Ｂのコア２１を伝搬するレーザ光の波長とを変化させたりすることで、レーザ出力部４から出力されるレーザ光のプロファイルを所望の形状に変化させることができる。

このような構成を有する光コンバイナ１０３においても、第１の実施形態と同様に、入力光ファイバ１０のコア１１の内部を順方向（第１の方向）に伝搬するレーザ光は、光制御部材２０のコア２１に導入され、光制御部材２０のコア２１の内部を伝搬する。このとき、光制御部材２０Ａのコア２１を伝搬するレーザ光は出力光ファイバ１４０のセンタコア１４１に導入され、光制御部材２０Ｂのコア２１を伝搬するレーザ光は出力光ファイバ１４０のリングコア１４３に導入される。このように、一定の屈折率を有するコア２１を中心に有する光制御部材２０を用いることで、順方向に伝搬するレーザ光をコア２１の内部に閉じ込めて、このレーザ光を下流側の出力光ファイバ１４０のセンタコア１４１とリングコア１４３にそれぞれ効率的に伝搬することができる。

また、入力光ファイバ１０と出力光ファイバ１４０との間に光制御部材２０が接続されているため、例えば出力光ファイバ１４０のセンタコア１４１やリングコア１４３を逆方向（第２の方向）に伝搬してきた反射光が光制御部材２０のクラッド部２２に入射した場合には、この反射光がクラッド部２２の屈折率変化部２４によって半径方向内側に曲げられることになる。このため、反射光が入力光ファイバ１０の外側クラッド１３に入射しにくくなり、入力光ファイバ１０の外側クラッド１３に入射される反射光の量を低減することが可能となる。

上述した実施形態における光制御部材２０のクラッド部２２は、一定の屈折率を有する屈折率一定部２３を有しているが、このような屈折率一定部２３を形成せずに、コア２１の外周から半径方向外側に向かって次第に屈折率が低下する屈折率変化部２４を形成してもよい。

上述した実施形態においては、本発明に係る光デバイスの例として、複数の光制御部材２０を備える光コンバイナを説明したが、本発明は、上述した光制御部材２０を１つだけ備える光デバイスにも適用できることは言うまでもない。また、上述した実施形態におけるレーザ装置１は光コンバイナ３を含んでいるが、光コンバイナ３を含まないレーザ装置の構成も考えられる。例えば、レーザ光源２からのレーザ光が伝搬する光ファイバ５の少なくとも一部を構成する入力光ファイバ１０のコア１１を光制御部材２０のコア２１に結合し、光ファイバ６の少なくとも一部を構成する出力光ファイバのコアを光制御部材２０のコア２１に結合するようにしてもよい。

本発明者は、第２の実施形態における光コンバイナ１０３の出力光ファイバ１４０のリングコア１４３を上流に向かって伝搬する反射光が入力光ファイバ１０に与える影響を確かめるために、以下の条件でシミュレーションを行った。
入力光ファイバ１０
コア１１の外径：２８μｍ
内側クラッド１２の外径：６０μｍ
外側クラッド１３の外径：１２５μｍ
軸方向の長さ：３０．０ｍｍ
光制御部材２０Ｂ
コア２１の外径：２８μｍ
屈折率一定部２３の外径：６０μｍ
屈折率変化部２４の外径：１２５μｍ
軸方向の長さ：２．０ｍｍ
半径方向の位置：出力光ファイバ１４０の中心から１８７．５μｍずれた位置に中心が位置するように配置
出力光ファイバ１４０
リングコア１４３の内径：１２４μｍ
リングコア１４３の外径：３００μｍ

このような条件において、出力光ファイバ１４０のリングコア１４３を伝搬する反射光のうち入力光ファイバ１０の外側クラッド１３に入射する光の割合を計算したところ、３６．１％となった。一方、光制御部材２０Ｂを介さずに入力光ファイバ１０を出力光ファイバ１４０のリングコア１４３に直接接続した場合についても、出力光ファイバ１４０のリングコア１４３を伝搬する反射光のうち入力光ファイバ１０の外側クラッド１３に入射する光の割合を計算したところ、６６．４％となった。このように、入力光ファイバ１０と出力光ファイバ１４０との間に光制御部材２０Ｂを配置することにより、入力光ファイバ１０の外側クラッド１３に入射する反射光を半分近くに低減できることがわかった。

また、光制御部材２０のクラッド部２２の最大屈折率と最小屈折率との間の比屈折率差の好適値を求めるために、クラッド部２２の最大屈折率ｎ_{clad_max}と最小屈折率ｎ_{clad_min}との間の比屈折率差Δ_cladを０．１％～１．０％の範囲で変化させた際の光制御部材２０の長さと入力光ファイバ１０の外側クラッド１３の表面のパワー密度との関係を算出したところ、図８に示すグラフのようになった。

なお、クラッド部２２の最大屈折率ｎ_{clad_max}と最小屈折率ｎ_{clad_min}との間の比屈折率差Δ_cladは以下の式（１）で表される。

図８に示すグラフからクラッド部２２の最大屈折率と最小屈折率との間の比屈折率差が大きくなるにつれ、入力光ファイバ１０の外側クラッド１３の表面のパワー密度も大きくなることがわかる。これは、クラッド部２２の最大屈折率と最小屈折率との間の比屈折率差が大きくなると、入力光ファイバ１０の反射光の発散角が大きくなるため、入力光ファイバ１０のコア１１や内側クラッド１２に入射した反射光をコア１１や内側クラッド１２に閉じ込めることができず、外側クラッド１３に漏れ出しているためと考えられる。実用的には図８中の最大値である１．０％が上限であると考えられる。一方、クラッド部２２の最大屈折率と最小屈折率との間の比屈折率差が０．０５％未満になると、光制御部材２０の屈折率変化部２４によって反射光を半径方向内側に曲げる効果が十分に発揮されない。したがって、光制御部材２０のクラッド部２２の最大屈折率と最小屈折率との間の比屈折率差は０．０５％以上１．０％以下であることが好ましい。

以上述べたように、本発明の第１の態様によれば、光を順方向に効率的に伝搬するとともに、逆方向に伝搬する光を効果的に制御することが可能な光制御部材が提供される。この光制御部材は、一定の屈折率を有するコアと、上記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記コアの周囲を覆うクラッド部とを備える。上記コアは、第１の方向に伝搬する光の光導波路として機能する。上記クラッド部は、上記第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する光を半径方向内側に曲げるように半径方向外側に向かって次第に屈折率が低下する屈折率変化部を含む。

このような光制御部材によれば、第１の方向に伝搬する光をコアの内部に閉じ込めて、この光を光制御部材の第１の方向側に接続される光部品に効率的に伝搬することができる。また、第２の方向に伝搬する光がクラッド部に入射した場合に、この光を屈折率変化部によって半径方向内側に曲げることができるため、この光が光制御部材の第２の方向側に接続される光部品の外周側に入射しにくくなる。このため、光制御部材の第２の方向側に接続される光部品の外周側に入射される光に起因する発熱などを低減することが可能となる。

上記クラッド部は、上記コアの外周から半径方向外側に上記コアの半径以上の範囲にわたって一定の屈折率を有する屈折率一定部をさらに含むことが好ましい。この場合には、コアの内部を伝搬するレーザ光のエバネッセント成分をクラッド部の屈折率一定部に閉じ込めることができ、出力されるレーザ光のビーム品質を維持することができる。

第２の方向に伝搬する光が光制御部材の第２の方向側に接続される光部品の外周側に入射することを効果的に抑制するために、上記クラッド部の最大屈折率と最小屈折率との間の比屈折率差が０．０５％以上１％以下であることが好ましい。

このような光デバイスによれば、入力光ファイバの入力コアから光制御部材のコアに導入された光を光制御部材のコアの内部に閉じ込めて、この光を出力光ファイバの出力コアに効率的に伝搬することができる。また、出力光ファイバから光制御部材のクラッド部に光が入射した場合に、この光は、クラッド部の屈折率変化部の屈折率分布によって半径方向内側に曲げられることになるため、この光が入力光ファイバの外側入力クラッドに入射しにくくなる。このため、入力光ファイバの外側入力クラッドに入射される光に起因する発熱を低減することが可能となる。

光制御部材のコアの径が入力光ファイバの入力コアの径と異なっている場合には、入力光ファイバの入力コアから光制御部材のコアに光が入射する際に損失が生じやすいため、上記光制御部材の上記コアの径は、上記入力光ファイバの上記入力コアの径の±１％の範囲内にあることが好ましい。

上記出力光ファイバは、中心に形成されるセンタコアと、上記センタコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記センタコアの周囲を覆う内側クラッドと、上記内側クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有し、上記内側クラッドの周囲を覆うリングコアと、上記リングコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、上記リングコアの周囲を覆う外側クラッドとを有していてもよい。この場合において、上記少なくとも１つの光制御部材は、上記コアが上記出力光ファイバの上記少なくとも１つの出力コアとしての上記センタコアに光学的に結合される少なくとも１つの第１の光制御部材と、上記コアが上記出力光ファイバの上記少なくとも１つの出力コアとしての上記リングコアに光学的に結合される少なくとも１つの第２の光制御部材とを含んでいてもよい。

このような出力光ファイバのセンタコアに結合される第１の光制御部材のコアを伝搬する光の強度とリングコアに結合される第２の光制御部材のコアを伝搬する光の強度の割合を変化させたり、センタコアに結合される第１の光制御部材のコアを伝搬する光の波長とリングコアに結合される第２の光制御部材のコアを伝搬する光の波長とを変化させたりすることで、出力光ファイバを伝搬する光のプロファイルを所望の形状に変化させることができる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１レーザ装置
２レーザ光源
３，１０３光コンバイナ（光デバイス）
４レーザ出力部
５，６光ファイバ
１０入力光ファイバ
１１コア（入力コア）
１２内側クラッド（内側入力クラッド）
１３外側クラッド（外側入力クラッド）
２０光制御部材
２０Ａ第１の光制御部材
２０Ｂ第２の光制御部材
２１コア
２２クラッド部
２３屈折率一定部
２４屈折率変化部
３０ブリッジファイバ（出力光ファイバ）
３１コア（出力コア）
３２クラッド（出力クラッド）
４０出力光ファイバ
４１コア（出力コア）
４２クラッド（出力クラッド）
１４０出力光ファイバ
１４１センタコア（出力コア）
１４２内側クラッド（出力クラッド）
１４３リングコア（出力コア）
１４４外側クラッド（出力クラッド）

Claims

一定の屈折率を有するコアであって、第１の方向に伝搬する光の光導波路としてのコアと、
前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記コアの周囲を覆うクラッド部であって、前記第１の方向とは反対の第２の方向に伝搬する光を半径方向内側に曲げるように半径方向外側に向かって次第に屈折率が低下する屈折率変化部を含むクラッド部と
を備える、光制御部材。
前記クラッド部は、前記コアの外周から半径方向外側に前記コアの半径以上の範囲にわたって一定の屈折率を有する屈折率一定部をさらに含む、請求項１に記載の光制御部材。
前記クラッド部の最大屈折率と最小屈折率との間の比屈折率差が０．０５％以上１％以下である、請求項１又は２に記載の光制御部材。
入力コアと、前記入力コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記入力コアの周囲を覆う内側入力クラッドと、前記内側入力クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記内側入力クラッドの周囲を覆う外側入力クラッドとを有する少なくとも１つの入力光ファイバと、
前記少なくとも１つの入力光ファイバの前記第１の方向側に接続される、請求項１から３のいずれか一項に記載の少なくとも１つの光制御部材と、
前記少なくとも１つの光制御部材の前記第１の方向側に接続される出力光ファイバであって、少なくとも１つの出力コアと、前記少なくとも１つの出力コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記少なくとも１つの出力コアの周囲を覆う出力クラッドとを有する出力光ファイバと
を備え、
前記少なくとも１つの光制御部材の一端における前記コアは、前記少なくとも１つの入力光ファイバの前記入力コアに光学的に結合され、
前記少なくとも１つの光制御部材の他端における前記コアは、前記出力光ファイバの前記少なくとも１つの出力コアに光学的に結合される、
光デバイス。
前記光制御部材の前記コアの径は、前記入力光ファイバの前記入力コアの径の±１％の範囲内にある、請求項４に記載の光デバイス。
前記出力光ファイバは、
中心に形成されるセンタコアと、
前記センタコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記センタコアの周囲を覆う内側クラッドと、
前記内側クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有し、前記内側クラッドの周囲を覆うリングコアと、
前記リングコアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記リングコアの周囲を覆う外側クラッドと
を有し、
前記少なくとも１つの光制御部材は、
前記コアが前記出力光ファイバの前記少なくとも１つの出力コアとしての前記センタコアに光学的に結合される少なくとも１つの第１の光制御部材と、
前記コアが前記出力光ファイバの前記少なくとも１つの出力コアとしての前記リングコアに光学的に結合される少なくとも１つの第２の光制御部材と
を含む、
請求項４又は５に記載の光デバイス。
レーザ光を生成する少なくとも１つのレーザ光源と、
請求項４から６のいずれか一項に記載の光デバイスと
を備え、
前記光デバイスの前記少なくとも１つの入力光ファイバの前記入力コアは、前記少なくとも１つのレーザ光源に光学的に結合される、
レーザ装置。