JP3968323B2 - 光合波器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数本の入射側光ファイバからの出力を合波して出射側光ファイバに出力する光合波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数本の光ファイバを１本の光ファイバに結合させる方法として、外部のレンズ系を用いる方法が知られている。また、特許文献１には、複数本の光ファイバの先端を融着して単一ファイバの心線径と実質的に等しい円形断面を有する融着ファイバヘッドを製造し、そのファイバヘッドに単一ファイバを含むファイバヘッドを接着することによって結合・固定する分岐器の製造方法が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１７１０２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
レンズ系を用いた光結合器は寸法が大きなものになってしまう。また、特許文献１に記載の分岐器は、ある入力光を出射側の全ての出口に分岐するためのものであり、複数の光ファイバの出力を１本の出射側ファイバに高効率で合波することはできない。
本発明は、複数本の入射側光ファイバの出力光を出射側光ファイバに高い効率で合波することのできる光合波器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、それぞれ先端を溶融延伸した入射側光ファイバと出射側光ファイバの漏れ光の結合を用いることにより、複数本の入射側光ファイバによって伝送されてきた光を出力側光ファイバに合波する。出射側光ファイバは典型的には１本であるが、必ずしも１本である必要はない。
【０００６】
すなわち、本発明による光合波器は、複数の入射側光ファイバからの出力を合波して出射側光ファイバに出力する光合波器において、複数の入射側光ファイバ・コアの光出射端及び出射側光ファイバ・コアの光入射端は先端に向かって先細となる形状を有し、複数の入射側光ファイバ・コアの光出射端及び出射側光ファイバ・コアの光入射端を、軸方向の位置が互いに重なるように、当該複数の入射側光ファイバ・コアの屈折率及び出射側光ファイバ・コアの屈折率より小さな屈折率を有する透明体内に配置したことを特徴とする。
【０００７】
複数の入射側光ファイバ・コアの光出射端の先細方向と出射側光ファイバ・コアの光入射端の先細方向は互いに逆方向を向いている構造とすることができる。あるいは、透明体に反射膜を備え、複数の入射側光ファイバ・コアの光出射端の先細方向と出射側光ファイバ・コアの光入射端の先細方向は互いに同じ方向を向いて反射膜に面している構造とすることができる。
【０００８】
入射側光ファイバと出射側光ファイバとは同じ断面形状を有していてもよいし、異なる断面形状を有していてもよい。断面形状は円形でも、矩形でもよい。複数の入射側光ファイバ・コアの光出射端は出射側光ファイバ・コアの光入射端を中心としてその周囲に配置するのが好ましい。
【０００９】
入射側光ファイバ・コアの屈折率をｎ₂、出射側光ファイバ・コアの屈折率をｎ₁、透明体の屈折率をｎ₃とするとき、ｎ₁＞ｎ₂＞ｎ₃であるのが望ましい。また、出射側光ファイバ・コアの先細形状のテーパ角は入射側光ファイバ・コアの先細形状のテーパ角より大きいのが望ましい。また、透明体の外側に透明体より屈折率の小さな外部クラッドを設けてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による光合波器の一実施例を示す説明図である。図１（ａ）は光合波器の縦断面を示す模式図であり、図１（ｂ）はそのＡＡ′断面、図１（ｃ）はそのＢＢ′断面、図１（ｄ）はそのＣＣ′断面を示す模式図である。
【００１１】
本実施例は、複数本の入射側光ファイバ１０からの出力を合波して１本の出射側光ファイバ１５に出力する光合波器の例を示している。入射側光ファイバ１０は、コア１１とクラッド１２を有し、その光出射端においてコア１１は先端に行くほど径が細くなる先細のテーパ形状を有している。合波された光が伝搬していく出射側光ファイバ１５は、コア１６とクラッド１７を有し、その光入射端においてコア１６は先端に向かって次第に径が細くなるテーパ形状を有している。図中に矢印で示す光伝搬方向を基準にすると、入射側光ファイバ１０のコア１１は光出射端において先細のテーパ形状を有し、出射側光ファイバ１５のコア１６は光入射端において次第に径が太くなるテーパ形状を有しているということもできる。出射側光ファイバ１５のコア１６の径は入射側光ファイバ１０のコア１１の径より太くするのが好ましい。
【００１２】
入射側光ファイバ１０のテーパ形状を有するコア（光出射端）及び出射側光ファイバ１５のテーパ形状を有するコア（光入射端）は、お互いの軸方向の位置が重なるようにして、透明体１３内に配置されている。図示の例では、入射側光ファイバ１０のクラッド１２、透明体１３、出射側光ファイバ１５のクラッド１７は同じ材料で作られている。ここで、出射側光ファイバ１５のコア１６の屈折率をｎ₁、入射側光ファイバ１０のコア１１の屈折率をｎ₂、透明体１３の屈折率をｎ₃とするとき、ｎ₁，ｎ₂，ｎ₃は次の関係を満たすように設定する。
ｎ₁＞ｎ₂＞ｎ₃
【００１３】
このような構造を有する光合波器は、次のようにして製作することができる。まず、入射側光ファイバ１０として先端を溶融延伸してテーパ状にした複数本の光ファイバと、出射側光ファイバ１５として先端を溶融延伸してテーパ状にした１本の光ファイバを用意する。次に、１本の出射側光ファイバ１５のテーパ状のコア１６の周りに複数本の入射側光ファイバ１０のテーパ状のコア１１を配置して束ね、コア１１，１６の光学材料より低い融点を有する透明な光学材料（透明体１３）で包んで溶融し、接合する。各部の光学材料としては、純粋石英、屈折率調整のためＧｅ、Ｔｉ、Ｆ等を微量に添加した石英、多成分酸化物ガラス等、広く光学材料として知られているものから必要な特性のものを適宜選択すればよい。
【００１４】
図２は、本発明による光合波器の他の実施例を示す説明図である。図２（ａ）は光合波器の縦断面を示す模式図であり、図２（ｂ）はそのＡＡ′断面、図２（ｃ）はそのＢＢ′断面、図２（ｄ）はそのＣＣ′断面を示す模式図である。
【００１５】
図２において、図１と同じ部分には図１と同じ符号を付し、重複する説明を省略する。図２に示した光合波器は、図１に示した光合波器の透明体１３の周りに屈折率ｎ₄の外部クラッド１９を配置したものに相当する。すなわち、出射側光ファイバ１５のコア１６の屈折率ｎ₁、入射側光ファイバ１０のコア１１の屈折率ｎ₂、透明体１３の屈折率ｎ₃、外部クラッド１９の屈折率ｎ₄は、次の関係を満たす。
ｎ₁＞ｎ₂＞ｎ₃＞ｎ₄
【００１６】
図３は、図１及び図２に示した光合波器の動作原理を示す説明図である。図では、説明を簡単にするため、１本の入力側光ファイバと１本の出射側光ファイバの間の結合を描いている。
【００１７】
図３（ａ）は入力側光ファイバからの漏れ光が直接、出射側光ファイバに結合する様子を示し、図３（ｂ）は入力側光ファイバからの漏れ光が透明体１３と外部クラッド１９との界面で反射したのち出射側光ファイバに結合する様子を示している。
【００１８】
図３（ａ）あるいは図３（ｂ）に示すように、入射側光ファイバ１０により導かれた光は、入射側光ファイバ１０のコア１１が先細のテーパ構造になっているために、屈折率ｎ₂のコア１１内を伝搬する光線のコア・クラッド界面への入射角が次第に大きくなっていき、臨界角を超えたところで屈折率ｎ₃の透明体１３内に透過する。こうして、徐々に入射側光ファイバ１０のコア１１から透明体１３内に漏れ光が生じる。屈折率ｎ₃の透明体１３内を伝搬する漏れ光は、屈折率ｎ₃より大きな屈折率ｎ₁を有する出射側光ファイバ・コア１６に徐々に結合して行き、最終的に出射側光ファイバ１５から取り出される。
【００１９】
屈折率ｎ₂の入射側光ファイバ・コア１１からある角度で放射した光線は、屈折率ｎ₁の出射側光ファイバ・コア１６のアップテーパ部分に結合する以外には、屈折率ｎ₂の複数本の入射側光ファイバのダウンテーパ部は突き抜けてしまうため、基本的に全て出射側光ファイバ・コア１６に結合する。出射側光ファイバ・コア１６のアップテーパ部に、屈折率ｎ₃の透明体側から境界面を透過して入射した光線は、反対側の境界面（ｎ₁→ｎ₃）では、臨界角を超えない範囲になった光線が境界面で反射され、ｎ₁ファイバのコア内に捕捉され伝搬するようになる。そのため、屈折率ｎ₂の入射側光ファイバ・コア１１から光合波器に入射した光線は結果的に１００％出射側光ファイバ・コア１６に結合し、出射側光ファイバ１５を伝搬して取り出される。
【００２０】
図３は外部クラッド１９を有する図２に示した光合波器についての説明図であるが、外部クラッドを持たない図１に示す構造の光合波器の動作原理も同じである。ただ、外部クラッドを付加した構造を採用する方が、外部への漏れ光を小さくすることが出来るため損失が小さくなり、高効率な結合器を実現することが出来る。
【００２１】
波長０．８μｍ帯の半導体レーザ用として、図３に示した構造の光合波器を試作した。仕様は、コア径１００μｍの入射側光ファイバ（ＮＡ０．２２）が４０本、出射側光ファイバとして、コア径６００μｍのファイバ（ＮＡ０．２６）が１本である。各部の光学材料の屈折率は、次の通りとした。この時、４０本の入射側光ファイバの光が１本の出射光ファイバに効率９５％以上で高効率に結合された。
ｎ₁＝１．４７６
ｎ₂＝１．４７０
ｎ₃＝１．４５３
ｎ₄＝１．４２４
【００２２】
図４は、本発明による光合波器の他の実施例を示す説明図である。図４（ａ）は光合波器の縦断面を示す模式図であり、図４（ｂ）はそのＡＡ′断面、図４（ｃ）はそのＢＢ′断面、図４（ｄ）はそのＣＣ′断面を示す模式図である。
【００２３】
本実施例の光合波器は、入射側光ファイバ２０として矩形断面コアファイバを用いた点が図２に示した実施例と異なるが、他の点は図２に示した実施例と同様である。入射側光ファイバ２０は、図示するように、断面矩形のコア２１とその周囲を包囲するクラッド２２からなる。本実施例によると、入力側での高密度化（高集積化）が可能である。
【００２４】
図５は、本発明による光合波器の他の実施例を示す説明図である。図５（ａ）は光合波器の縦断面を示す模式図であり、図５（ｂ）はそのＡＡ′断面、図５（ｃ）はそのＢＢ′断面を示す模式図である。
【００２５】
本実施例の光合波器は、反射型の構成例を示すものである。入射側光ファイバ３０は、コア３１とクラッド３２を有し、その光出射端においてコア３１は先端に行くほど径が細くなる先細のテーパ形状を有している。合波された光が伝搬していく出射側光ファイバ３５は、コア３６とクラッド３７を有し、その光入射端においてコア３６は先端に向かって次第に径が細くなるテーパ形状を有している。入射側光ファイバ３０の光出射端及び出射側光ファイバ３５の光入射端は、お互いの軸方向の位置が重なるようにして、透明体３３内に配置されている。透明体３３の端部には反射膜３４が設けられ、入射側光ファイバ３０の光出射端及び出射側光ファイバ３５の光入射端は反射膜３４と向き合うようにして配置されている。出射側光ファイバ３５のコア３６は入射側光ファイバ３０のコア３１より太い径を有するのが好ましい。
【００２６】
入射側光ファイバ３０のクラッド３２、透明体３３、出射側光ファイバ３５のクラッド３７は同じ光学材料で作られている。透明体３３の周囲に設けられた外部クラッド３９は必須ではないが、設けるのが好ましい。出射側光ファイバ３５のコア３６の屈折率をｎ₁、入射側光ファイバ３０のコア３１の屈折率をｎ₂、透明体３３の屈折率をｎ₃、外部クラッド３９の屈折率をｎ₄とするとき、ｎ₁，ｎ₂，ｎ₃，ｎ₄は、次の関係を満たすように設定する。
ｎ₁＞ｎ₂＞ｎ₃＞ｎ₄
【００２７】
本実施例の光合波器は、複数本の入射側光ファイバ３０を１本の出射側光ファイバ３５の周りに配置し、それを入射側光ファイバ３０のコア３１及び出射側光ファイバ３５のコア３６より屈折率が低く、融点が低い透明光学材料で包み、溶融延伸する。その後、光合波器の細くなった部分を出射側光ファイバ３５の光軸に垂直にカットしての研磨した後に、誘電体多層膜等による反射膜３４を形成すること製造することができる。反射膜３４により、屈折率ｎ₁の出射光ファイバ・コア３６への結合特性を制御し、向上させることが出来る。本実施例の光合波器はテーパ部を溶融延伸で加工できるため、上記各実施例の光合波器より製造が容易である。
【００２８】
図６は、図５に示した光合波器の動作原理を示す説明図である。入射側光ファイバ３０のコア３１を通って光合波器に導かれた光線は、コア３１が先細のテーパ構造になっているために、屈折率ｎ₃の透明体３３との界面への入射角が次第に大きくなっていき、臨界角を超えたところで透明体３３内に透過する。こうして、徐々に入射側光ファイバ３０のコア３１から透明体３３内に漏れ光が生じる。透明体３３内に入射した光線は、端部の反射膜３４によって反射され、逆方向に伝搬する。透明体３３内には屈折率ｎ₃より大きな屈折率ｎ₁を有し、進行方向に向かってアップテーパになった出射側光ファイバ・コア３６があるため、コア３６に徐々に結合して行き、最終的に出射側光ファイバ３５から取り出される。
【００２９】
図７は、本発明による光合波器の他の実施例を示す説明図である。図７（ａ）は光合波器の縦断面を示す模式図であり、図７（ｂ）はそのＡＡ′断面、図７（ｃ）はそのＢＢ′断面を示す模式図である。
【００３０】
本実施例の光合波器は、反射型の構成例において出射側光ファイバを２本にした例である。すなわち、出射側光ファイバとしてコア３６ａとクラッド３７ａからなる光ファイバと、コア３６ｂとクラッド３７ｂからなる光ファイバを備える。他の点は、図５及び図６にて説明した光合波器と同じである。なお、出射側光ファイバを複数本にすることは、反射型の光合波器だけでなく、図１，２，４に示した方式の光合波器においても可能である。
【００３１】
図８は、本発明による光合波器の使用例を示す図である。レーザ加工機用の複数の光源４１ａ〜４１ｎからの出射光を導く複数本の光ファイバ４２ａ〜４２ｎを束ねる箇所に本発明の光合波器４３を用いることにより、光ファイバの本数を減らすことが出来る。図には半導体レーザダイレクト用の光源を実施例として示したが、ＹＡＧレーザなど他のレーザ光源からの出射光を導く光ファイバと組み合わせても良い。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によると、複数本の入射側光ファイバの出力光を出射側光ファイバに高い効率で合波することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光合波器の一実施例を示す説明図。
【図２】本発明による光合波器の他の実施例を示す説明図。
【図３】図１及び図２に示した光合波器の動作原理を示す説明図。
【図４】本発明による光合波器の他の実施例を示す説明図。
【図５】本発明による光合波器の他の実施例を示す説明図。
【図６】図５に示した光合波器の動作原理を示す説明図。
【図７】本発明による光合波器の他の実施例を示す説明図。
【図８】本発明による光合波器の使用例を示す図。
【符号の説明】
１０：入射側光ファイバ、１１：コア、１２：クラッド、１３：透明体、１５：出射側光ファイバ：、１６：コア、１７：クラッド、１９：外部クラッド、２０：入射側光ファイバ、２１：コア、２２：クラッド、３０：入射側光ファイバ、３１：コア、３２：クラッド、３３：透明体、３４：反射膜、３５：出射側光ファイバ、３６：コア、３７：クラッド、３９：外部クラッド、４１ａ〜４１ｎ：光源、４２ａ〜４２ｎ：光ファイバ、４３：光合波器

Claims (7)

1. 複数の入射側光ファイバからの出力を合波して出射側光ファイバに出力する光合波器において、
   前記複数の入射側光ファイバ及び出射側光ファイバは、各々コアとそれを覆うクラッドから成り、
   前記複数の入射側光ファイバ・コアの光出射端及び前記出射側光ファイバ・コアの光入射端は先端に向かって先細となる形状を有すると共に前記クラッドで覆われず、
   前記複数の入射側光ファイバ・コアの光出射端及び前記出射側光ファイバ・コアの光入射端を、軸方向の位置が互いに重なるように配置すると共に、当該複数の入射側光ファイバ・コアの屈折率及び出射側光ファイバ・コアの屈折率より小さな屈折率を有する透明体で覆い、
   前記入射側光ファイバ・コアの屈折率をｎ_２、前記出射側光ファイバ・コアの屈折率をｎ_１、前記透明体の屈折率をｎ_３とするとき、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３であることを特徴とする光合波器。
2. 請求項１記載の光合波器において、前記複数の入射側光ファイバ・コアの光出射端の先細方向と前記出射側光ファイバ・コアの光入射端の先細方向は互いに逆向きであることを特徴とする光合波器。
3. 請求項１記載の光合波器において、前記透明体は反射膜を備え、前記複数の入射側光ファイバ・コアの光出射端の先細方向と前記出射側光ファイバ・コアの光入射端の先細方向は互いに同じ向きであり、前記反射膜に面していることを特徴とする光合波器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の光合波器において、前記入射側光ファイバと前記出射側光ファイバとは異なる断面形状を有することを特徴とする光合波器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の光合波器において、前記複数の入射側光ファイバ・コアの光出射端は前記出射側光ファイバ・コアの光入射端を中心としてその周囲に配置されていることを特徴とする光合波器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の光合波器において、前記出射側光ファイバ・コアの先細形状のテーパ角は前記入射側光ファイバ・コアの先細形状のテーパ角より大きいことを特徴とする光合波器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の光合波器において、前記透明体を、前記透明体より屈折率の小さな外部クラッドで覆うことを特徴とする光合波器。

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