JP5689929B2 - 光ファイバコンバイナの製造方法、光ファイバコンバイナ、及び、レーザ装置 - Google Patents

光ファイバコンバイナの製造方法、光ファイバコンバイナ、及び、レーザ装置 Download PDF

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Description

本発明は、光ファイバコンバイナの製造方法、光ファイバコンバイナ、及び、レーザ装置に関するものである。
レーザ装置は、非接触加工が可能であることから、加工分野、医療分野等、様々な分野において用いられており、更なる高出力化が求められている。
このようなレーザ装置の高出力化を実現する方法の一つとして、複数の光ファイバから出力するレーザ光を光ファイバコンバイナにより纏めて、１本の光ファイバから出力する方法がある。下記特許文献１には、このようなレーザ装置に用いることができる光ファイバコンバイナが記載されている。
特許文献１に記載の光ファイバコンバイナでは、複数の入力用光ファイバと、テーパ部を有するブリッジファイバとの間に、当該入力用光ファイバから出射した光を入射時よりも発散角が小さくされた状態で出射する発散角低減部材が設けられている。
この発散角低減部材の一端は各入力用光ファイバの一端と融着され、当該発散角低減部材の他端はブリッジファイバにおける入力端面に融着されている。
特許５２１６１５１号明細書
ところで、上記特許文献１に記載の入力用光ファイバは互いの側面が接する状態で束ねられる傾向にある。すなわち、上記特許文献１の第４９段落にも記載されているように、光の発散角は、ブリッジファイバの入射端面の直径Ｄｉｎと出射端面の直径Ｄｏｕｔとの比に応じて大きくなって、ブリッジファイバの後段の出力用光ファイバにおける許容ＮＡを超える成分が漏えいする。したがって、ブリッジファイバの入射端面の直径Ｄｉｎは可能な限り小さいことが望ましい。これが、互いの側面が接する状態で各入力用光ファイバが束ねられる傾向にある理由の１つである。
しかしながら、上記特許文献１に記載の入力用光ファイバを束ねてしまうと、当該入力用光ファイバの一端に融着される発散角低減部材を、ブリッジファイバにおける入力端面に融着した場合に、当該発散角低減部材の側面同士が融着されてしまう傾向が高くなってしまう。
ブリッジファイバにおける入力端面において発散角低減部材の側面同士が融着される場合、当該融着部分に加わる振動や衝撃あるいは曲げや引っ張り等の外力に起因してその部分に破断が生じ易くなる傾向にある。
このような傾向は、上記特許文献１に記載の発散角低減部材を省略し、複数の入力用光ファイバとブリッジファイバとを直接融着する場合であっても同様となる。
そこで、本発明は、機械的強度を向上し得る光ファイバコンバイナの製造方法、光ファイバコンバイナ、及び、レーザ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明の光ファイバコンバイナの製造方法は、コア及び前記コアを囲むクラッドを有する入力用光ファイバにおける一方の端面と、前記コアの直径よりも大きく前記クラッドの外径よりも小さい外径を有するガラス体の一方の端面とを融着する第１融着工程と、前記第１融着工程を経た複数の前記入力用光ファイバにおける少なくとも前記一方の端面側の端部の前記クラッドを、互いに隣接する側面同士が接する状態で束ねる結束工程と、前記結束工程を経た複数の前記入力用光ファイバにそれぞれ融着されている各前記ガラス体の他方の端面と、ブリッジファイバにおける一方の端面とを融着する第２融着工程とを備えることを特徴とする。
この光ファイバコンバイナの製造方法では、入力用光ファイバにおける少なくとも一方の端面側の端部のクラッドが、互いに隣接する側面同士を接するようにして束ねられる。このとき、各入力用光ファイバにおける一方の端面それぞれに融着されているガラス体の外径は、当該入力用光ファイバのコアの直径よりも大きくクラッドの外径よりも小さいため、当該ガラス体については互いに離れることになる。したがって、各ガラス体の他方の端面と、ブリッジファイバにおける一方の端面とを融着する場合、これらガラス体同士を融着させることなくそのガラス体間を非融着状態とすることができ、当該融着部分に加わる外力に起因して破断が生じることを回避することができる。こうして、機械的強度向上し得る光ファイバコンバイナの製造方法が提供される。
また、互いに隣接する側面同士が接する状態で束ねられている前記クラッドを一括で被覆する包括被覆層を設けるファイバ固定工程をさらに備えることが好ましい。
このようにした場合、各入力用光ファイバのクラッドが束ねられたまま包括被覆層によって固定される。このため、振動や衝撃あるいは曲げや引っ張り等の外力が光コンバイナに与えられたとしても、これら入力用光ファイバと、当該入力用光ファイバに融着されるガラス体とにはおおむね均等に応力が加わる。したがって、包括被覆層が設けられていない場合に比べて、光ファイバコンバイナの機械的強度をより一段と向上することができる。
また、前記ファイバ固定工程は、前記第２融着工程後に行われることが好ましい。
このようにした場合、融着時に包括被覆層が加熱され、当該包括被覆層が熱劣化してしまうことを予防できる。
また、前記ファイバ固定工程は、前記ガラス体よりもヤング率の低い被覆層で前記ガラス体を一括で被覆する工程を含むことが好ましい。
このような被覆層を設けた場合、入力用光ファイバ又は出力用光ファイバを曲げる力が加わったときに、ガラス体との融着部分に生じる応力を低減し、この結果、せん断等を低減することができる。また、ガラス体を保護して傷がつくことを防止できる。
また、前記ブリッジファイバは、各前記ガラス体から入射する光を伝搬する部位を有し、前記部位の少なくとも一部には前記ガラス体から離れるに従い徐々に縮径されるテーパ部が形成され、前記ガラス体は、前記入力用光ファイバから入射する光を、入射時の発散角よりも小さい発散角で出射する発散角低減部材であることが好ましい。
このようにした場合、発散角低減部材からブリッジファイバに入射する光の発散角は、入力用光ファイバから直接ブリッジファイバに入射する場合の発散角と比べて小さくされる。このため、テーパ部において、光が反射を繰り返して伝搬することで発散角が大きくなる場合であっても、ブリッジファイバから出射する光の発散角を小さく抑えることができる。したがって、出力用光ファイバの開口数を超える角度で出力用光ファイバに入射する光を低減することができ、出力用光ファイバから光が漏えいすることによる光の損失を抑制することができる。
また、本発明の光ファイバコンバイナは、コア及び前記コアを囲むクラッドを有する複数の入力用光ファイバと、各前記入力用光ファイバから入射される光を伝搬する部位を有するブリッジファイバと、前記複数の入力用光ファイバの少なくとも一方の端面側の端部において互いに隣接する側面同士が接する状態で束ねられる各前記クラッドの端面と、前記ブリッジファイバにおける一方の端面とに融着され、前記コアの直径よりも大きく前記クラッドの外径よりも小さい外径を有するガラス体とを備え、互いに隣接する前記ガラス体は非融着状態とされることを特徴とする。
この光ファイバコンバイナでは、各ガラス体が互いに融着されていないため、当該融着部分に加わる外力に起因してその部分に破断が生じることを回避することができる。こうして、機械的強度向上し得る光ファイバコンバイナが提供される。
また、本発明の光ファイバコンバイナは、コア及び前記コアを囲むクラッドを有する複数の入力用光ファイバと、前記入力用光ファイバから入射する光を、入射時の発散角よりも小さい発散角で出射する複数のロッド状の発散角低減部材と、各前記発散角低減部材から入射する光を伝搬する部位を有し、前記部位の少なくとも一部位には前記発散角低減部材側から離れるに従い徐々に縮径されるテーパ部が形成されるブリッジファイバと、前記ブリッジファイバの前記発散角低減部材側と反対側から出射した光が入射する出力用光ファイバとを備え、前記発散角低減部材の外径は前記コアよりも大きく前記クラッドの外径よりも小さく、互いに隣接する前記発散角低減部材は非融着状態とされることを特徴とする。
この光ファイバコンバイナでは、発散角低減部材からブリッジファイバに入射する光の発散角は、入力用光ファイバから直接ブリッジファイバに入射する場合の発散角と比べて小さくされる。このため、ブリッジファイバにおいて、光が反射を繰り返して伝搬することで発散角が大きくなる場合であっても、ブリッジファイバから出射する光の発散角を小さく抑えることができる。したがって、出力用光ファイバの開口数を超える角度で出力用光ファイバに入射する光を低減することができ、出力用光ファイバから光が漏えいすることによる光の損失を抑制することができる。また、この光ファイバコンバイナでは、各発散角低減部材が互いに融着されていないため、当該融着部分に加わる外力に起因してその部分に破断が生じることを回避することができる。こうして、機械的強度向上し得る光ファイバコンバイナが提供される。
また、本発明のレーザ装置は、上記に記載の光ファイバコンバイナと、各前記入力用光ファイバにそれぞれレーザ光を入射させる複数のレーザ部とを備えることを特徴とする。
このレーザ装置では、上記に記載の光ファイバコンバイナが備えられているため、当該光ファイバコンバイナが備えられていない場合に比べて、機械的強度が向上される。こうして、機械的強度向上し得るレーザ装置が提供される。
以上のように、本発明の光ファイバコンバイナの製造方法、光ファイバコンバイナ、及び、レーザ装置によれば、機械的強度を向上させることができる。
第１実施形態における光ファイバコンバイナを示す図である。 光ファイバコンバイナの中心軸に沿った断面図である。 光ファイバコンバイナの製造工程を示すフローチャートである。 光ファイバコンバイナの製造工程の様子を示す図である。 第２実施形態における光ファイバコンバイナを図２と同じ視点で示す図である。 第３実施形態におけるレーザ装置を示す図である。 ＧＲＩＮレンズの外径と光ファイバコンバイナの透過率との関係を示すグラフである。
以下、本発明に係る好適な実施形態について、図面を参照しながらそれぞれ詳細に説明する。
（１）第１実施形態
図１は、第１実施形態における光ファイバコンバイナを示す図である。なお、図１は、理解の容易のため、光ファイバコンバイナを構成するパーツ毎に間隔をあけて記載している。
図１に示すように、本実施形態の光ファイバコンバイナ１は、複数の入力用光ファイバ２０、複数のＧＲＩＮレンズ５０、ブリッジファイバ３０、及び、出力用光ファイバ４０を主な構成要素として備える。
入力用光ファイバ２０は、ブリッジファイバ３０に光を入力させるための光ファイバである。各入力用光ファイバ２０は、コア２１と、コア２１を囲むクラッド２２と、クラッド２２の外周面を被覆する被覆層２３とを有する。なお、図１では、便宜上、１つの入力用光ファイバ２０の被覆層２３だけが示され、他の入力用光ファイバ２０の被覆層については省略している。
コア２１の屈折率は、クラッド２２の屈折率よりも高くされる。例えば、屈折率を高くするゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加される石英でコア２１が形成され、純粋な石英でクラッド２２が形成される。なお、被覆層２３は樹脂等で形成される。
本実施形態の場合、１本の入力用光ファイバ２０の周りを６本の入力用光ファイバ２０が囲むように配置される。また、各入力用光ファイバ２０における一方の端部では被覆層２３が剥離され、当該剥離部分には、各入力用光ファイバ２０それぞれのクラッド２２の外周面を一括で被覆する包括被覆層が設けられる。この包括被覆層によって各入力用光ファイバ２０が束ねられるとともに、その束ねられた状態が維持される。なお、図１では理解の容易のために包括被覆層は省略されている。
ＧＲＩＮレンズ５０は、入力用光ファイバ２０から入射する光を、当該入射時の発散角よりも小さい発散角で出射する発散角低減部材としてのガラス体である。なお、発散角とは、ＧＲＩＮレンズ５０を伝搬する光の光軸に対して、この光が広がる方向の角度のことである。
各ＧＲＩＮレンズ５０は、径方向において屈折率分布を有し、長さ方向において屈折率分布を有さない構成とされる。径方向の屈折率分布は、屈折率が中心軸側から外周面側にかけてなだらかに変化し、中心軸側ほど屈折率が高く、外周面側ほど屈折率が低い構成とされる。例えば、屈折率を高くするゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが中心軸側ほど高濃度で添加される石英でＧＲＩＮレンズ５０が形成される。また、各ＧＲＩＮレンズ５０の長さは、入力用光ファイバ２０から入射する光に対する０．５ピッチ長のｎ倍以外（ただし、ｎは自然数）の長さとされる。したがって、各ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光は、当該ＧＲＩＮレンズ５０に入射する光と比べて発散角が小さく抑えられる。
なお、ＧＲＩＮレンズ５０の長さが、入力用光ファイバ２０から出射する光に対する０．２５ピッチ長の奇数倍の長さとされた場合、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光をコリメート光にすることができる。このため、ＧＲＩＮレンズ５０を、入力用光ファイバ２０から出射する光に対する０．２５ピッチ長の奇数倍の長さとすることが好ましい。
ＧＲＩＮレンズ５０の本数は入力用光ファイバ２０の本数と同じとされ、各ＧＲＩＮレンズ５０の一方の端面５６と各入力用光ファイバ２０の端面２７とは１対１で融着される。
本実施形態の場合、各ＧＲＩＮレンズ５０の外径は、入力用光ファイバ２０のコア２１の直径よりも大きくクラッド２２の外径よりも小さくされる。このため、結束状態にある各入力用光ファイバ２０のそれぞれに融着されるＧＲＩＮレンズ５０は互いに離れており、互いに隣接するＧＲＩＮレンズ５０は非融着状態とされる。
ブリッジファイバ３０は、一方側の外径が縮径されておらず、他方側の外径が縮径されているテーパファイバである。すなわち、ブリッジファイバ３０は、一定の外径を保つ非縮径部３３と、非縮径部３３と一体に形成され、当該非縮径部３３から離れるほど外径が縮径されるテーパ部３４とで構成される。
このようなブリッジファイバ３０において非縮径部３３側の一方の端面３６と、各ＧＲＩＮレンズ５０の他方の端面５７とは互いに融着される。
本実施形態の場合、ブリッジファイバ３０は、コア−クラッド構造を特に有しておらず、ブリッジファイバ３０の全体が、光を伝搬する部位とされる。例えば、屈折率を高くするゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加される石英でブリッジファイバ３０が形成される。
なお、ブリッジファイバ３０の屈折率は特に限定されるものではないが、ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射する光の反射を抑制する観点では、ＧＲＩＮレンズ５０の中心軸付近と同程度の屈折率とされることが好ましい。
出力用光ファイバ４０は、ブリッジファイバ３０から出射する光を後段に出力させるための光ファイバである。各出力用光ファイバ４０は、コア４１と、コア４１を囲むクラッド４２と、クラッド４２の外周面を被覆する被覆層４３とを有する。
コア４１の屈折率は、クラッド４２の屈折率よりも高くされる。例えば、屈折率を高くするゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加される石英でコア４１が形成され、純粋な石英でクラッド４２が形成される。なお、被覆層４３は樹脂等で形成される。ブリッジファイバ３０からコア４１に入射する光の屈折を抑制する観点では、ブリッジファイバ３０と同程度の屈折率を有するコア４１であることが好ましい。
本実施形態の場合、各出力用光ファイバ４０のコア４１の直径は、ブリッジファイバ３０においてテーパ部３４側の他方の端面３７の直径以上とされ、当該出力用光ファイバ４０の端面４６におけるコア４１と、ブリッジファイバ３０の他方の端面３７とが互いに融着される。なお、出力用光ファイバ４０においてブリッジファイバ３０と融着される端面４６の近傍では、被覆層４３が剥離されている。
このように本実施形態の光ファイバコンバイナ１では、入力用光ファイバ２０のコア２１とＧＲＩＮレンズ５０とが融着され、ＧＲＩＮレンズ５０とブリッジファイバ３０とが融着され、ブリッジファイバ３０と出力用光ファイバ４０とが融着される。これにより本実施形態の光ファイバコンバイナ１では、入力用光ファイバ２０のコア２１と、ＧＲＩＮレンズ５０と、ブリッジファイバ３０と、出力用光ファイバ４０とが互いに光学的に結合されている。
次に、光ファイバコンバイナ１について図２を用いて光学的な観点から説明する。図２は、光ファイバコンバイナ１の中心軸に沿った断面図である。なお、図２における破線は、光の伝搬する様子を概略的に示している。ただし、ブリッジファイバ３０では、理解の容易のため、ある１つのＧＲＩＮレンズ５０から出射した光の伝搬の様子のみを破線で示している。
図２に示すように、入力用光ファイバ２０のコア２１からＧＲＩＮレンズ５０に光が入射した場合、当該光は、ＧＲＩＮレンズ５０の中心軸付近の開口数に応じて所定の発散角で広がっていく。
またこの光は、ＧＲＩＮレンズ５０の外周面に近づくにつれて、当該光の発散角が小さくなるように屈折する。このようにしてＧＲＩＮレンズ５０を伝搬する光は、入射時の発散角よりも小さい状態でＧＲＩＮレンズ５０から出射し、ブリッジファイバ３０の入射面である一方の端面３６からブリッジファイバ３０に入射する。
ＧＲＩＮレンズ５０の長さは、入力用光ファイバ２０から出射する光に対する０．５ピッチ長のｎ倍以外の長さとされているため、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光の発散角は、入力用光ファイバ２０から出射する光が直接ブリッジファイバ３０に入射する場合の発散角に比べて、小さく抑えられる。なお、図２では、ＧＲＩＮレンズ５０の長さが入力用光ファイバ２０から出射する光の波長に対し０．２５ピッチ長である場合における光の伝搬の様子が破線で示されている。この場合、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光は、コリメート光とされる。
ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射する光は広がりながら伝搬し、当該ブリッジファイバ３０のテーパ部３４に達する。このテーパ部３４では、光の少なくとも一部がブリッジファイバ３０の外周面で反射しながら伝搬する。この反射を繰り返す毎に、テーパ形状とされた外周面により光の発散角が大きくされる。つまり、ブリッジファイバ３０の外周面で反射する光は、ブリッジファイバ３０の軸方向に対する角度が大きくなる。
そして、テーパ部３４を伝搬する光は、ブリッジファイバ３０の出射面であるテーパ部３４側の端面３７から所定の発散角で出射し、出力用光ファイバ４０の入射面である一方のコア端面からコア４１に入射して出力用光ファイバ４０を伝搬する。
このようにして光は入力用光ファイバ２０、ＧＲＩＮレンズ５０、ブリッジファイバ３０及び出力用光ファイバ４０を順次伝搬する。
ところで、ＧＲＩＮレンズ５０から出射してブリッジファイバ３０に入力する光の発散角をθｉｎとし、ブリッジファイバ３０から出射する光の発散角をθｏｕｔとし、出力用光ファイバ４０が最大限に許容する光の入射角をθｍａｘとする。この場合、ブリッジファイバ３０から出射する光の発散角θｏｕｔがθｍａｘ以下であれば、ブリッジファイバ３０から出力用光ファイバ４０に入射する光が、出力用光ファイバ４０から漏えいすることを防止できる。
また、ブリッジファイバ３０の入射面である一方の端面３６の直径をＤｉｎとし、光の出射面である他方の端面３７の直径をＤｏｕｔとする。この場合、発散角θｉｎと発散角θｏｕｔとの関係は、下記式１のようになる。
Figure 0005689929
従って、上記のようにθｏｕｔがθｍａｘ以下であるためには、ＧＲＩＮレンズ５０から出射して、ブリッジファイバ３０で発散する光の発散角θｉｎは、下記式２を満たせば良いことになる。
Figure 0005689929
つまり、ＧＲＩＮレンズ５０から出射する光がコリメート光ではない場合であっても、ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射する光の発散角が式２を満たすように、ＧＲＩＮレンズ５０及びブリッジファイバ３０及び出力用光ファイバ４０が構成されていれば、出力用光ファイバ４０から光が漏えいすることを防止できる。
次に、光ファイバコンバイナ１の製造方法について図３及び図４を用いて説明する。図３は、光ファイバコンバイナ１の製造工程を示すフローチャートである。図４は、光ファイバコンバイナ１の製造工程の様子を示す図である。
図３に示すように、本実施形態における光ファイバコンバイナ１の製造方法は、準備工程Ｐ１、第１融着工程Ｐ２、結束工程Ｐ３、第２融着工程Ｐ４、及び、ファイバ固定工程Ｐ５を主工程として備える。
準備工程Ｐ１は、光ファイバコンバイナ１の構成要素を準備する工程である。具体的には、複数の入力用光ファイバ２０、複数のＧＲＩＮレンズ５０、ブリッジファイバ３０、及び、出力用光ファイバ４０がそれぞれ準備される。
第１融着工程Ｐ２は、図４の（Ａ）に示すように、各入力用光ファイバ２０における一方の端面２７と、各ＧＲＩＮレンズ５０における一方の端面５６とを融着する工程である。具体的には、まず、入力用光ファイバ２０においてＧＲＩＮレンズ５０と融着される端面２７の近傍部分の被覆層２３が剥離される。なお、この剥離は準備段階Ｐ１で行われても良い。次に、入力用光ファイバ２０の端面２７の中心と、ＧＲＩＮレンズ５０の端面５６の中心とが一致する状態で、当該端面同士が融着される。なお、入力用光ファイバ２０の端面２７の中心と、ＧＲＩＮレンズ５０の端面５６の中心とが不一致の状態であっても良いが、当該中心同士が一致する状態となることがより好ましい。ここで、ＧＲＩＮレンズは、準備段階Ｐ１で所望の長さに調整されていてもよいし、ＧＲＩＮレンズを最終的な所望の長さよりも長くした状態で入力用ファイバ２０と融着した後に、ＧＲＩＮレンズを切断することで長さ調整をしても良い。
結束工程Ｐ３は、図４の（Ｂ）に示すように、各入力用光ファイバ２０における一方の端面２７側の端部のクラッド２２を、互いに隣接する側面同士が接する状態で束ねる工程である。具体的には、例えば、治具の所定部位に各クラッド２２それぞれが固定され、当該治具固定によって、互いに隣接する側面同士が接する状態で各クラッド２２が束ねられる。
第２融着工程Ｐ４は、図４の（Ｃ）に示すように、各ＧＲＩＮレンズ５０の他方の端面５７と、ブリッジファイバ３０における入射面である非縮径部３３側の端面３６とを融着する工程である。具体的には、例えば、各クラッド２２を固定している治具の所定部位にブリッジファイバ３０が固定される。そして、この治具固定によって、入力用光ファイバ２０に融着されるＧＲＩＮレンズ５０における他方の端面５７とブリッジファイバ３０における入射面である端面３６とが正対する状態とされ、この状態において端面同士が融着される。
ファイバ固定工程Ｐ５は、図４の（Ｄ）に示すように、互いに隣接する側面同士が接する状態で束ねられているクラッド２２を一括で被覆する包括被覆層２５を設ける工程である。具体的には、例えば、互いに隣接する側面同士が接する状態で束ねられているクラッド２２に対して未硬化状態の熱硬化性樹脂が塗布された後に加熱されることで、当該熱硬化性樹脂が硬化して包括被覆層２５として形成される。なお、図４の（Ｄ）では、理解容易のため、包括被覆層２５だけが断面で示されている。
以上のとおり、本実施形態の光ファイバコンバイナ１では、ＧＲＩＮレンズ５０からブリッジファイバ３０に入射する光の発散角は、入力用光ファイバ２０から直接ブリッジファイバ３０に入射する場合の発散角と比べて小さくされる。
このため、ブリッジファイバ３０では、光が反射を繰り返して伝搬することで発散角が大きくなる場合であっても、ブリッジファイバ３０から出射する光の発散角が小さく抑えされる。したがって、この光ファイバコンバイナ１では、出力用光ファイバ４０の開口数を超える角度で出力用光ファイバ４０に入射する光を低減することができ、出力用光ファイバ４０から光が漏えいすることによる光の損失を抑制することができる。
ところで、本実施形態の光ファイバコンバイナ１を製造する場合、各入力用光ファイバ２０における一方の端面２７にそれぞれＧＲＩＮレンズ５０が融着され、当該一方の端面２７側の端部のクラッド２２が、互いに隣接する側面同士を接するようにして束ねられる。
このとき、各入力用光ファイバ２０における一方の端面それぞれに融着されているＧＲＩＮレンズ５０の外径は、当該入力用光ファイバ２０のコアの直径よりも大きくクラッドの外径よりも小さいため、当該ＧＲＩＮレンズ５０については互いに離れた状態となる。
この状態において、各ＧＲＩＮレンズ５０における他方の端面５７と、ブリッジファイバ３０における入射面である端面３６とが融着される。したがって、図４の（Ｃ）に示したように、各ＧＲＩＮレンズ５０同士を融着させることなく離れた状態のままブリッジファイバ３０における入射面と融着することができ、当該融着部分に加わる外力に起因してその部分に破断が生じることを回避することができる。こうして、機械的強度向上し得る光ファイバコンバイナ１及びその製造方法が提供される。
また、本実施形態の場合、互いに隣接する側面同士が接する状態で束ねられているクラッド２２を一括で被覆する包括被覆層２５を設けるファイバ固定工程Ｐ５が備えられる。
このため、本実施形態の光ファイバコンバイナ１では、各入力用光ファイバ２０のクラッド２２が束ねられたまま包括被覆層２５によって固定される。このため、振動や衝撃あるいは曲げや引っ張り等の外力が光コンバイナ１に与えられたとしても、入力用光ファイバ２０とそれら入力用光ファイバ２０に融着されるＧＲＩＮレンズ５０とにはおおむね均等に応力が加わる。したがって、包括被覆層２５が設けられていない場合に比べて、光ファイバコンバイナ１の機械的強度をより一段と向上することができる。
このようなファイバ固定工程Ｐ５は、本実施形態では、第２融着工程後に行われる。このため、融着時に包括被覆層２５が加熱され、包括被覆層２５が熱劣化してしまうことを予防できる。
ここで、ＧＲＩＮレンズ５０の外径と光ファイバコンバイナ１の透過率との関係を図７に示す。この図７では、入力用光ファイバ２０におけるクラッド２２の外径は１２５μｍとし、ブリッジファイバ３０における一方の端面３６の直径をＤｉｎは３８０μｍとし、他方の端面３７の直径をＤｏｕｔは５０μｍとし、出力用光ファイバ４０のコア４１の外径は５０μｍとしている。図７に示すように、ＧＲＩＮレンズ５０の外径を小さくしていくと、光ファイバコンバイナ１の透過率が低下している様子が確認できる。すなわち、ＧＲＩＮレンズ５０の外径を小さくしていくと、当該ＧＲＩＮレンズ５０から出射される光のビームサイズが小さくなることから、発散角θinが大きくなる傾向にある。
一方、ブリッジファイバ３０に入射する光の発散角θinは、光の漏洩を低減する観点からすると、上記（２）式を満足することが好ましい。すなわち、ＧＲＩＮレンズ５０の外径の下限は、上記（２）式を用いて決められることが好ましい。
（２）第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。
図５は、第２実施形態における光ファイバコンバイナを図２と同じ視点で示す図である。図５に示すように、本実施形態における光ファイバコンバイナ２は、第１実施形態のＧＲＩＮレンズ５０をＧＲＩＮレンズ５１に変更した点、および、複数の中間ロッド６０を新たに設けた点で、第１実施形態の光ファイバコンバイナ１と異なる。
ＧＲＩＮレンズ５１は、第１実施形態のＧＲＩＮレンズ５０とは異なる外径を有している。すなわち、第１実施形態のＧＲＩＮレンズ５０の外径は、入力用光ファイバ２０のコア２１の直径よりも大きくクラッド２２の外径よりも小さくされた。これに対し、本実施形態のＧＲＩＮレンズ５１の外径は、入力用光ファイバ２０のクラッド２２の外径と同程度とされている。なお、ＧＲＩＮレンズ５１における外径以外については、第１実施形態のＧＲＩＮレンズ５０と同じである。
中間ロッド６０は、ＧＲＩＮレンズ５１とブリッジファイバ３０とを中継するロッド状のガラス体である。中間ロッド６０の屈折率はブリッジファイバ３０と同程度とされており、当該中間ロッド６０は屈折率分布を有していない。また、中間ロッド６０の外径は、入力用光ファイバ２０のコア２１の直径よりも大きくクラッド２２の外径よりも小さくされる。
この中間ロッド６０の本数は入力用光ファイバ２０及びＧＲＩＮレンズ５１の本数と同じとされる。また、各中間ロッド６０の一方の端面６６はＧＲＩＮレンズ５０の他方の端面５７に１対１で融着され、当該中間ロッド６０の他方の端面６７はブリッジファイバ３０の一方の端面３６にそれぞれ融着される。
このような光ファイバコンバイナ２を製造する場合、上記第１実施形態における準備工程Ｐ１、第１融着工程Ｐ２、及び、第２融着工程Ｐ４の工程内容が変更となる。
すなわち、第１実施形態における準備工程Ｐ１では、光ファイバコンバイナ１の構成要素として、複数の入力用光ファイバ２０、複数のＧＲＩＮレンズ５０、ブリッジファイバ３０、及び、出力用光ファイバ４０が準備された。
これに対し、本実施形態における準備工程Ｐ１では、光ファイバコンバイナ２の構成要素として、複数の入力用光ファイバ２０、複数のＧＲＩＮレンズ５１、ブリッジファイバ３０、出力用光ファイバ４０、及び、中間ロッド６０が準備される。
一方、第１実施形態における第１融着工程Ｐ２では、各入力用光ファイバ２０の端面２７と、各ＧＲＩＮレンズ５０の一方の端面５６とが１対１で融着された。
これに対し、本実施形態における第１融着工程Ｐ２では、各入力用光ファイバ２０の端面２７と各ＧＲＩＮレンズ５０の一方の端面５６、及び、当該ＧＲＩＮレンズ５０の他方の端面５７と各中間ロッド６０の一方の端面６６とが１対１で融着される。なお、ＧＲＩＮレンズ５０と中間ロッド６０とを融着する工程については準備工程Ｐ１で行われても良い。
他方、第１実施形態における第２融着工程Ｐ４では、各ＧＲＩＮレンズ５０の他方の端面５７と、ブリッジファイバ３０の入射面である非縮径部３３側の端面３６とが融着された。
これに対し、本実施形態における第２融着工程Ｐ４では、各中間ロッド６０の他方の端面６７と、ブリッジファイバ３０の入射面である非縮径部３３側の端面３６とが融着される。
このようにすれば、上記第１実施形態と同様にして、本実施形態の光ファイバコンバイナ２を製造することができる。
以上のとおり、本実施形態では、第１実施形態のＧＲＩＮレンズ５０と異なり、入力用光ファイバ２０のクラッド２２の外径と同程度のＧＲＩＮレンズ５１が用いられる。
しかしながら、本実施形態では、各ＧＲＩＮレンズ５１における他方の端面５７に対して、入力用光ファイバ２０のコア２１の直径よりも大きくクラッド２２の外径よりも小さい外径を有する中間ロッド６０が融着される。
そして、上記第１実施形態と同様に、各入力用光ファイバ２０の一方の端面２７側の端部のクラッド２２が、互いに隣接する側面同士を接するようにして束ねられ、当該入力用光ファイバ２０にＧＲＩＮレンズ５１を介して融着されている中間ロッド６０の他方の端面６７と、ブリッジファイバ３０における入射面である端面３６とが融着される。
したがって、本実施形態では、上記第１実施形態度同様に、各中間ロッド６０同士を融着させることなく、当該中間ロッド６０の間を離した状態のままブリッジファイバ３０における入射面と融着することができ、当該融着部分に加わる外力に起因してその部分に破断が生じることを回避することができる。
また、本実施形態では、光が入力用光ファイバ２０から直接ブリッジファイバ３０に入射する場合の発散角と比べて、入力用光ファイバ２０から出射する光は、ＧＲＩＮレンズ５０により発散角が小さく抑えられた状態で、中間ロッド６０を介して、ブリッジファイバ３０に入射する。したがって、本実施形態では、上記第１実施形態と同様に、出力用光ファイバ４０に入射する光の発散角を小さくすることができる。よって、出力用光ファイバ４０における光の損失を抑制することができる。
また、本実施形態における光ファイバコンバイナ２では、各ＧＲＩＮレンズ５１とブリッジファイバ３０とが中間ロッド６０に融着されている。このため、ブリッジファイバ３０とＧＲＩＮレンズ５０とを直接融着する第１実施形態の場合に比べて、融着熱に起因するＧＲＩＮレンズ５１の変形を抑制することができる。特に、軟化点を低下させる作用を有するゲルマニウム等のドーパントがＧＲＩＮレンズ５１に添加されている場合には、中間ロッド６０が導入される効果が大きい。
従って、本実施形態における光ファイバコンバイナ２は、ＧＲＩＮレンズ５１の特性が変化することを抑制することができ、設計値により近い光を出力用光ファイバ４０に入射することができる。
なお、中間ロッド６０は屈折率分布を有さないため、中間ロッド６０とブリッジファイバ３０との融着に起因して中間ロッド６０が変形した場合であっても、当該中間ロッド６０での光に対する影響は小さい。
（３）第３実施形態
次に、上記光ファイバコンバイナを用いたレーザ装置について説明する。なお、ここでは、第１実施形態の光ファイバコンバイナ１を用いた場合について説明するが、当該光ファイバコンバイナ１に代えて、第２実施形態の光ファイバコンバイナ２が用いられても良い。
図６は、第３実施形態におけるレーザ装置を示す図である。図６に示すように、レーザ装置１００は、複数のレーザ部１０、上述の光ファイバコンバイナ１、及び、光出射用エンドキャップ４５を主な構成として備える。
各レーザ部１０は、レーザ光を出力する限りにおいて、特に限定されないが、例えば、ファイバレーザ装置や、半導体レーザ装置から成る。これらレーザ部１０の出力部には、入力用光ファイバ２０が接続され、この入力用光ファイバ２０の少なくとも一部が、上述の光ファイバコンバイナ１の入力用光ファイバ２０とされる。
また、光ファイバコンバイナ１の出力用光ファイバ４０が延長されて、レーザ装置１００の出力用光ファイバとされており、その端部に光出射用エンドキャップ４５が融着されている。光出射用エンドキャップ４５は、出力用光ファイバ４０のコア４１よりも直径が大きいガラスロッドから構成されており、出力用光ファイバ４０が融着される側の端面と反対側の端面が出射面とされる。
このようなレーザ装置１００では、各レーザ部１０から出射されたレーザ光は、入力用光ファイバ２０を伝搬して、光ファイバコンバイナ１に到達する。光ファイバコンバイナ１では、上述のように、入力用光ファイバ２０からＧＲＩＮレンズ５０にレーザ光が入射し発散角が小さくされる。
発散角が小さくされたレーザ光はブリッジファイバ３０に入射し、当該ブリッジファイバ３０のテーパ部３４にて纏められて出力用光ファイバ４０に出射する。このとき上述のように、光ファイバコンバイナ１では、出力用光ファイバ４０における光の損失が抑制されるため、各レーザ部１０から出射されたレーザ光が、効率良く出力用光ファイバ４０に入力する。そして、出力用光ファイバ４０を伝搬するレーザ光は、光出射用エンドキャップ４５に入射し、直径が広がり、光出射用エンドキャップ４５の出力面から出射する。
本実施形態におけるレーザ装置１００によれば、上記第１実施形態の光ファイバコンバイナ１が備えられているため、当該光ファイバコンバイナ１が備えられていない場合に比べて、機械的強度が向上される。こうして、機械的強度向上し得るレーザ装置１００が提供される。
（４）他の実施形態
以上、第１実施形態〜第４実施形態が一例として説明された。しかしながら本発明は上記実施形態に限定されるものではない
例えば、上記実施形態では、ファイバ固定工程Ｐ５が第２融着工程Ｐ４後に行われたが、第１融着工程Ｐ２後に行われても良い。このようにした場合、それぞれの入力ファイバの相対位置が固定されるため、当該相対位置が融着作業時にずれることに起因する融着強度の悪化や融着損失の発生を低減することができる。
また上記実施形態では、複数の入力用光ファイバ２０における一方の端面２７側の端部のクラッド２２が、互いに隣接する側面同士が接する状態で束ねられた。しかしながら、互いに隣接する側面同士が接する状態で、クラッド２２全体が束ねられても良い。つまり、複数の入力用光ファイバ２０において、少なくとも一方の端面２７側の端部のクラッド２２が束ねられていれば良い。
また上記実施形態では、複数のクラッド２２を一括で被覆する包括被覆層２５がファイバ固定工程Ｐ５にて設けられたが、当該包括被覆層２５が省略されていても良い。また、複数のクラッド２２と、これらクラッド２２に融着されるＧＲＩＮレンズ５０とを一括で被覆する被覆層が設けられても良く、当該クラッド２２を被覆することなくＧＲＩＮレンズ５０だけを一括で被覆する被覆層が設けられも良い。同様に、ＧＲＩＮレンズ５１と、当該ＧＲＩＮレンズ５１に融着される中間ロッド６０とを一括で被覆する被覆層が設けられても良く、中間ロッド６０だけを一括で被覆する被覆層が設けられも良い。このような被覆層のヤング率は、ガラス体であるＧＲＩＮレンズ５０のヤング率よりも低いものとされ、また包括被覆層２５の材料と同じであっても異なっていても良い。上述の被覆層を設けた場合、入力用光ファイバ２０又は出力用光ファイバ４０を曲げる力が加わったときに、ＧＲＩＮレンズ５０又は中間ロッド６０との融着部分に生じる応力を低減し、この結果、せん断等を低減することができる。また、ガラス体であるＧＲＩＮレンズ５０又は中間ロッド６０を保護して傷がつくことを防止できる。
また上記実施形態では、ブリッジファイバ３０がコア−クラッド構造を有しないものとされたが、当該構造を有していても良い。なお、コア−クラッド構造を有するブリッジファイバ３０が適用された場合、ＧＲＩＮレンズ５０における他方の端面５７又は中間ロッド６０における他方の端面６７がコア端面に融着される。
また上記実施形態では、ブリッジファイバ３０においてガラス体（各ＧＲＩＮレンズ５０又は中間ロッド６０）から入射する光を伝搬する部位の一部がテーパ部３４とされたが、当該部位全体がテーパ部とされていても良い。つまり、ブリッジファイバ３０においてガラス体から入射する光を伝搬する部位の少なくとも一部に、当該ガラス体から離れるに従い徐々に縮径されるテーパ部が形成されていれば良い。
また上記実施形態では、発散角低減部材としてＧＲＩＮレンズ５０又は５１が適用された。しかしながら、発散角低減部材は、入力用光ファイバ２０から入射する光を、入射時の発散角よりも小さい発散角で出射するものである限り、ＧＲＩＮレンズ５０又は５１に限らない。例えば、光ファイバが熱せられることで、コアに含まれる屈折率を上昇させるゲルマニウム等のドーパントが、クラッドに拡散されたＴＥＣファイバ（Thermally-diffused Expanded Core Fiber）等を用いても良い。この場合、入力用光ファイバ２０の端部を熱してＴＥＣファイバとすることで、入力用光ファイバ２０と発散角低減部材とを一体とすることができる。
また上記実施形態では、ＧＲＩＮレンズ５０又は中間ロッド６０が互いに離され、互いに隣り合うＧＲＩＮレンズ５０又は中間ロッド６０の間が空隙とされた。しかしながら、上述したように、ＧＲＩＮレンズ５０又は中間ロッド６０が被覆層で被覆されている場合には空隙がなくても良い。また、互いに隣り合うＧＲＩＮレンズ５０又は中間ロッド６０が融着固定されていなければ、当該ＧＲＩＮレンズ５０又は中間ロッド６０が接していても良い。つまり、非融着状態であれば良い。
また上記第２実施形態では、発散角低減部材としてのＧＲＩＮレンズ５１が設けられたが、当該ＧＲＩＮレンズ５１が省略されても良い。なお、ＧＲＩＮレンズ５１を省略する場合、ブリッジファイバ３０におけるテーパ部３４が形成されていなくても良い。
また上記第３実施形態では、光ファイバコンバイナ１のそれぞれの入力用光ファイバ２０が延長され、それぞれのレーザ部１０からのレーザ光が直接入射されていたが、それぞれのレーザ部１０から、他の光ファイバを介して、入力用光ファイバ２０にレーザ光が入射されても良い。また、上記第３実施形態では、光ファイバコンバイナ１の出力用光ファイバ４０が延長されて、出力用光ファイバ４０から直接光出射用エンドキャップ４５にレーザ光を伝搬させたが、他の光ファイバを介して、光出射用エンドキャップに伝搬させても良い。
本発明は、レーザ装置を用いる加工分野や医療分野等、あるいは、光ファイバコンバイナを用いる様々な分野において利用可能性がある。
１，２・・・光ファイバコンバイナ
１０・・・レーザ部
２０・・・入力用光ファイバ
２１・・・コア
２２・・・クラッド
２３・・・被覆層
３０・・・ブリッジファイバ
３１・・・コア
３２・・・クラッド
３３・・・非縮径部
３４・・・テーパ部
４０・・・出力用光ファイバ
４１・・・コア
４２・・・クラッド
４３・・・被覆層
４５・・・光出射用エンドキャップ
５０，５１・・・ＧＲＩＮレンズ（発散角低減部材）
６０・・・中間ロッド
１００・・・レーザ装置

Claims (8)

  1. コア及び前記コアを囲むクラッドを有する入力用光ファイバにおける一方の端面と、前記コアの直径よりも大きく前記クラッドの外径よりも小さい外径を有するガラス体の一方の端面とを融着する第１融着工程と、
    前記第１融着工程を経た複数の前記入力用光ファイバにおける少なくとも前記一方の端面側の端部の前記クラッドを、互いに隣接する側面同士が接する状態で束ねる結束工程と、
    前記結束工程を経た複数の前記入力用光ファイバにそれぞれ融着されている各前記ガラス体の他方の端面と、ブリッジファイバにおける一方の端面とを融着する第２融着工程と
    を備えることを特徴とする光ファイバコンバイナの製造方法。
  2. 互いに隣接する側面同士が接する状態で束ねられている前記クラッドを一括で被覆する包括被覆層を設けるファイバ固定工程
    をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバコンバイナの製造方法。
  3. 前記ファイバ固定工程は、前記第２融着工程後に行われる
    ことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバコンバイナの製造方法。
  4. 前記ファイバ固定工程は、前記ガラス体よりもヤング率の低い被覆層で前記ガラス体を一括で被覆する工程を含む
    ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光ファイバコンバイナの製造方法。
  5. 前記ブリッジファイバは、各前記ガラス体から入射する光を伝搬する部位を有し、前記部位の少なくとも一部には前記ガラス体から離れるに従い徐々に縮径されるテーパ部が形成され、
    前記ガラス体は、前記入力用光ファイバから入射する光を、入射時の発散角よりも小さい発散角で出射する発散角低減部材である
    ことを特徴とする請求項１〜請求項４いずれか１項に記載の光ファイバコンバイナの製造方法。
  6. コア及び前記コアを囲むクラッドを有する複数の入力用光ファイバと、
    各前記入力用光ファイバから入射される光を伝搬する部位を有するブリッジファイバと、
    前記複数の入力用光ファイバの少なくとも一方の端面側の端部において互いに隣接する側面同士が接する状態で束ねられる各前記クラッドの端面と、前記ブリッジファイバにおける一方の端面とに融着され、前記コアの直径よりも大きく前記クラッドの外径よりも小さい外径を有するガラス体と
    を備え、
    互いに隣接する前記ガラス体は非融着状態とされる
    ることを特徴とする光ファイバコンバイナ。
  7. コア及び前記コアを囲むクラッドを有する複数の入力用光ファイバと、
    前記入力用光ファイバから入射する光を、入射時の発散角よりも小さい発散角で出射する複数のロッド状の発散角低減部材と、
    各前記発散角低減部材から入射する光を伝搬する部位を有し、前記部位の少なくとも一部位には前記発散角低減部材側から離れるに従い徐々に縮径されるテーパ部が形成されるブリッジファイバと、
    前記ブリッジファイバの前記発散角低減部材側と反対側から出射した光が入射する出力用光ファイバと
    を備え、
    前記発散角低減部材の外径は前記コアよりも大きく前記クラッドの外径よりも小さく、互いに隣接する前記発散角低減部材は非融着状態とされる
    ことを特徴とする光ファイバコンバイナ。
  8. 請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の光ファイバコンバイナと、
    各前記入力用光ファイバにそれぞれレーザ光を入射させる複数のレーザ部と、
    を備えることを特徴とするレーザ装置。
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