JP6869298B2 - 光コンバイナ、レーザ装置、及び光コンバイナの製造方法 - Google Patents

光コンバイナ、レーザ装置、及び光コンバイナの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光コンバイナ、レーザ装置、及び光コンバイナの製造方法に関する。
特許文献１の図２には、７本の第１の光ファイバの束である光ファイバ束と、直径が上記光ファイバ束の直径と等しい又は上回る第２の光ファイバと、を備え、上記光ファイバ束の端面と、上記第２の光ファイバの端面とが融着された光コンバイナが記載されている。第２の光ファイバのコアには、７本の第１の光ファイバのうち中央部に位置する第１の光ファイバのコアが光学的に結合されている。また、第２の光ファイバのクラッドには、７本の第１の光ファイバのうち外周部に位置する６本の第１の光ファイバのコアが光学的に結合されている。
特開２０１８−１９０９１８号公報
この光コンバイナでは、光ファイバ束の第２の光ファイバ側の端部を構成する複数の第１の光ファイバの端部同士を溶融して一体化することによって溶融部を形成することによって、複数の第１の光ファイバ同士の間に隙間が生じないようにしている。このように、複数の第１の光ファイバ同士の間に隙間が存在しないことによって、第２の光ファイバから光ファイバ束へ向かう方向へ伝搬する光が存在する場合に、複数の第１の光ファイバ同士の隙間から光コンバイナの外部へ光が漏れ出すことを抑制することができる。
このような溶融部を形成する場合、外部から光ファイバ束を加熱することによって複数の第１の光ファイバの各々を溶融させることに伴い、第１の光ファイバの各々の断面形状は、溶融前の円形状から変形することになる（特許文献１の図３の（ｃ）参照）。この変形は、第２の光ファイバのコアに結合している中央部に位置する第１の光ファイバのコアにおいても生じるため、（１）上記所定の第１の光ファイバの端面であって上記第２の光ファイバと融着されていない側の端面から入射され、上記第２の光ファイバの端面であって上記光ファイバ束と融着されていない側の端面から出射されるビーム、及び/または、（２）上記第２の光ファイバの端面であって上記光ファイバ束と融着されていない側の端面から入射され、上記所定の第１の光ファイバの端面であって上記第２の光ファイバと融着されていない側の端面から出射されるビームのビーム品質は、低下する虞がある。
また、このようなビーム品質の低下は、溶融部を形成することなしに光ファイバ束と第２の光ファイバとが融着された光コンバイナ、すなわち、複数の第１の光ファイバ同士の間に隙間が存在するコンバイナにおいても生じ得る。
本発明の一態様は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的は、複数の第１の光ファイバの束である光ファイバ束と第２の光ファイバとが融着された光コンバイナにおいて、所定の第１の光ファイバにおける断面形状の変形を、従来よりも抑制することである。
上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る光コンバイナは、複数の第１の光ファイバの束である光ファイバ束と、端面が上記光ファイバ束の端面と融着された第２の光ファイバと、を備えた光コンバイナであって、上記複数の第１の光ファイバのうち少なくともいずれか１つである所定の第１の光ファイバは、他の第１の光ファイバよりも軟化点温度が高い材料により構成されている。
上記の構成によれば、上記光ファイバ束の端面と、上記第２の光ファイバの端面とを融着する融着工程において、上記所定の第１の光ファイバの断面形状は、上記他の第１の光ファイバの断面形状よりも変形しにくい。これは、上記融着工程において、上記複数の第１の光ファイバの各々の端面近傍における温度は、凡そ等しいと考えられ、その場合には、上記所定の第１の光ファイバの粘度が上記他の第１の光ファイバの粘度よりも高くなるためである。したがって、本光コンバイナは、上記所定の第１の光ファイバにおける断面形状の変形を、従来よりも抑制することができる。その結果として、本光コンバイナは、（１）上記所定の第１の光ファイバの端面であって上記第２の光ファイバと融着されていない側の端面から入射され、上記第２の光ファイバの端面であって上記光ファイバ束と融着されていない側の端面から出射されるビーム、及び/または、（２）上記第２の光ファイバの端面であって上記光ファイバ束と融着されていない側の端面から入射され、上記所定の第１の光ファイバの端面であって上記第２の光ファイバと融着されていない側の端面から出射されるビームのビーム品質を、従来よりも高めることができる。
また、本発明の第２の態様に係る光ファイバは、上述した第１の態様において、上記光ファイバ束を横断面視した場合に、上記所定の第１の光ファイバは、上記他の第１の光ファイバよりも、上記光ファイバ束に外接する外接円の中心の近くに配置されている、ように構成されている。
上記光ファイバ束と上記第２の光ファイバとを融着するために各々を加熱した場合、上記光ファイバ束を構成する上記複数の第１の光ファイバの各々は、上記光ファイバ束の表面積を最小化するようにその断面形状を変形する。換言すれば、上記複数の第１の光ファイバの各々の断面形状は、溶融時に生じる表面張力に起因して変形する。
このとき、上記外接円の中心の近くに配置されている第１の光ファイバに作用する表面張力は、上記外接円の外周の近くに配置されている第１の光ファイバに作用する表面張力よりも等方的に作用する。これは、上記外接円の中心の近くに配置されている第１の光ファイバを取り巻く環境が等方的又は略等方的であるのに対して、上記外接円の外周の近くに配置されている第１の光ファイバを取り巻く環境が非等方的であるためである。
その結果、上記所定の第１の光ファイバを上記外接円の中心の近くに配置した場合に生じ得る断面形状の変形は、上記所定の第１の光ファイバを上記外接円の外周の近くに配置した場合に生じ得る断面形状の変形と比較して、等方的であり、且つ、変形の度合いも少なくなる。
したがって、上記の構成によれば、上記所定の第１の光ファイバが上記外接円の外周の近くに配置されている場合と比較して、上記所定の第１の光ファイバと上記第２の光ファイバのコアとの結合効率を高めることができる。
また、本発明の第３の態様に係る光ファイバは、上述した第１の態様又は第２の態様において、上記所定の第１の光ファイバは、第１のコアと第１のクラッドとを備え、上記第２の光ファイバは、第２のコアと第２のクラッドとを備え、上記第１のコアと上記第２のコアとは、融着している、ように構成されている。
上記の構成によれば、上記第１のコアと上記第２のコアとが融着されていない場合と比較して、上記第１のコアと上記第２のコアとの結合効率を高めることができる。したがって、本光コンバイナは、ファイバレーザ装置の一部を構成する光コンバイナとして好適に利用可能である。
また、本発明の第４の態様に係る光ファイバは、上述した第３の態様において、上記他の第１の光ファイバは、何れも、上記第２のクラッドに融着している、ように構成されている。
上記の構成によれば、上記他の第１の光ファイバを上記第２のクラッドに光学的に結合することができる。したがって、本光コンバイナは、ファイバレーザ装置の一部を構成する光コンバイナとして好適に利用可能である。
また、本発明の第５の態様に係る光ファイバは、上述した第３の態様又は第４の態様の何れかにおいて、上記所定の第１の光ファイバは、上記第１のコアがゲルマニウムを添加した石英ガラス製であり、上記第１のクラッドがシリコン及び酸素からなる石英ガラス製であり、上記他の第１の光ファイバは、フッ素及びホウ素のうち少なくとも一方を添加した石英ガラス製である、ように構成されている。
ゲルマニウムは、石英ガラスに添加した場合に、添加された石英ガラスの軟化点温度をわずかに低下させるドーパントであり、フッ素及びホウ素は、石英ガラスに添加した場合に、添加された石英ガラスの軟化点温度を大きく低下させるドーパントである。したがって、上記の構成によれば、所定の第１の光ファイバを構成する材料の軟化点温度は、他の第１の光ファイバを構成する軟化点温度を確実に上回る。
また、本発明の第６の態様に係る光ファイバは、上述した第１の態様〜第５の態様の何れかにおいて、上記複数の第１の光ファイバの各々の端部同士は、隙間なく一体化されている、ように構成されている。
上記複数の第１の光ファイバの各々の間に隙間が生じている場合、上記第２の光ファイバを伝搬してきた光が上記隙間に結合し、結果として、その光が光コンバイナの外部へ漏れ出す可能性がある。上記の構成によれば、上記第２の光ファイバを伝搬してきた光は、上記所定の第１の光ファイバ又は上記他の第１の光ファイバに結合するので、上記第２の光ファイバを伝搬してきた光が光コンバイナの外部へ漏れ出す可能性を低減することができる。また、第６の態様に係る光コンバイナにおいては、上述した第２の態様のように、上記所定の第１の光ファイバを上記他の第１の光ファイバよりも上記外接円の中心の近くに配置することが好ましい。この構成によれば、上記複数の第１の光ファイバの各々の端部同士を隙間なく一体化することにより、上記光ファイバ束の表面は、上記外接円の外周の近くに位置する外側面のみになる。したがって、光ファイバ束を溶融した場合に生じ得る表面張力は、上記光ファイバ束の上記外側面に起因する表面張力のみである。この表面張力は、上記所定の第１の光ファイバに対して等方的に作用する一方で、上記複数の他の第１の光ファイバの各々に対して非等方的に作用する。
その結果、上記所定の第１の光ファイバを上記外接円の中心の近くに配置した場合に生じ得る断面形状の変形は、上記所定の第１の光ファイバを上記外接円の外周の近くに配置した場合に生じ得る断面形状の変形と比較して、等方的であり、且つ、変形の度合いも少なくなる。したがって、上記所定の第１の光ファイバの断面形状の変形をさらに抑制することができる。
また、本発明の第７の態様に係る光ファイバは、上述した第１の態様〜第６の態様の何れかにおいて、上記第２の光ファイバの直径は、上記光ファイバ束の直径と等しい又は上回る、ように構成されている。
上記の構成によれば、上記光ファイバ束と上記第２の光ファイバとの融着点近傍を横断面視した場合に、上記光ファイバ束を構成する上記第１の光ファイバの各々は、上記第２の光ファイバに包含され得る。したがって、上記第１の光ファイバの各々を伝搬してきた光は、第２の光ファイバに結合するので、上記第１の光ファイバの各々を伝搬してきた光が光コンバイナの外部へ漏れ出す可能性を低減することができる。
上記の課題を解決するために、本発明の第８の態様に係るレーザ装置は、上述した第１の態様〜第７の態様の何れかに係る光コンバイナを備えている。
上記の構成によれば、本レーザ装置は、上述した第１の態様〜第７の態様の何れかに係る光コンバイナと同様の効果を奏する。
上記の課題を解決するために、本発明の第９の態様に係る光コンバイナの製造方法は、複数の第１の光ファイバの束である光ファイバ束と、第２の光ファイバとを備えた光コンバイナの製造方法であって、上記光ファイバ束の端面と上記第２の光ファイバの端面とを融着する融着工程を含み、上記複数の第１の光ファイバのうち少なくともいずれか１つである所定の第１の光ファイバは、他の第１の光ファイバよりも軟化点温度が高い材料により構成されている。
上記の構成によれば、本光コンバイナの製造方法は、上述した第１の態様に係る光コンバイナと同様の効果を奏する。
また、本発明の第１０の態様に係る光コンバイナの製造方法は、上述した第９の態様において、上記所定の第１の光ファイバの粘度が、他の第１の光ファイバの粘度の２倍を上回るように、上記光ファイバ束及び上記第２の光ファイバの各々の端面近傍を加熱する加熱工程を更に含むように構成されている。
上記の構成によれば、本光コンバイナの製造方法は、上述した第１の態様に係る光コンバイナと同様の効果を確実に奏する。
本発明の一態様によれば、複数の第１の光ファイバの束である光ファイバ束と第２の光ファイバとが融着された光コンバイナにおいて、所定の第１の光ファイバにおける断面形状の変形を、従来よりも抑制することができる。
本発明の第１の実施形態に係る光コンバイナの斜視図である。 （ａ）は、図１に示した光コンバイナの横断面図であり、（ｂ）は、図１に示した光コンバイナの変形例の横断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光コンバイナの製造方法のフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係るファイバレーザ装置のブロック図である。
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る光コンバイナ１０について、図１及び図２の（ａ）を参照して説明する。また、光コンバイナ１０の変形例である光コンバイナ１０Ａについて、図２の（ｂ）を参照して説明する。図１は、光コンバイナ１０の斜視図である。図２の（ａ）は、光コンバイナ１０の横断面図であり、図２の（ｂ）は、光コンバイナ１０Ａの横断面図である。なお、図２の（ａ）は、図１に示した直線ＡＡ’を通る横断面における光コンバイナ１０の横断面図であり、図２の（ｂ）は、図２の（ａ）と同様の断面における光コンバイナ１０Ａの横断面図である。なお、直線ＡＡ’は、光ファイバ束１１の端面及び第２の光ファイバ１２の端面と平行な直線であって、光ファイバ束１１と第２の光ファイバ１２との融着点の光ファイバ束１１側、すなわち光ファイバ束１１の端面の近傍に位置する直線である。
（光コンバイナ１０の構成）
光コンバイナ１０は、図１に示すように、７本の第１の光ファイバ１１１〜１１７の束である光ファイバ束１１と、第２の光ファイバ１２とを備えている。
７本の第１の光ファイバ１１１〜１１７のうち、第１の光ファイバ１１７は、所定の第１の光ファイバの一例であり、６本の第１の光ファイバ１１１〜１１６は、他の第１の光ファイバの一例である。本実施形態において、第１の光ファイバ１１１〜１１６の直径と、第１の光ファイバ１１７の直径とは、ほぼ等しい。
第１の光ファイバ１１７は、第１のコアの一例であるコア１１７１と、第１のクラッドの一例であるクラッド１１７２と、図１及び図２には図示していない第１のポリマクラッドと、を備えている。第１のポリマクラッドは、クラッド１１７２の側面を覆う樹脂膜である。コア１１７１、クラッド１１７２、及び第１のポリマクラッドの各々の屈折率は、この順番で小さくなるように構成されている。したがって、クラッド１１７２を内側クラッドとして、第１のポリマクラッドは、外側クラッドとして機能する。すなわち、第１の光ファイバ１１７は、ダブルクラッドファイバである。なお、図１に示すように、第１の光ファイバ１１７の端面の近傍において、第１のポリマクラッドは、除去されている。また、第１の光ファイバ１１７は、第１のポリマクラッドを省略したシングルクラッドファイバであってもよい。
本実施形態において、コア１１７１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）を添加した石英ガラスを材料として構成されており、クラッド１１７２は、ドーパントを添加していない、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）からなる石英ガラスを材料として構成されている。Ｇｅは、石英ガラスの屈折率を上昇させるとともに、石英ガラスの軟化点温度をわずかに低下させるドーパントである。
第１の光ファイバ１１１〜１１６の各々は、第１の光ファイバ１１７に対して配置されている方向が異なる点以外は、同一に構成されている。すなわち、第１の光ファイバ１１１〜１１６の各々の直径は、何れも等しい。
したがって、以下では、第１の光ファイバ１１１を例にして、第１の光ファイバ１１１〜１１６について説明する。第１の光ファイバ１１１の側面は、図１及び図２には図示していない第１のポリマクラッドにより覆われている。第１の光ファイバ１１１の第１のポリマクラッドは、第１の光ファイバ１１７の第１のポリマクラッドと同様に、樹脂膜である。第１の光ファイバ１１１の屈折率は、第１のポリマクラッドの屈折率より大きい。したがって、第１の光ファイバ１１１は、シングルクラッドファイバである。なお、図１に示すように、第１の光ファイバ１１１の端面の近傍において、第１の光ファイバ１１１の第１のポリマクラッドは、除去されている。
本実施形態において、第１の光ファイバ１１１は、フッ素（Ｆ）を添加した石英ガラスを材料として構成されている。Ｆは、石英ガラスの屈折率及び軟化点温度を大きく低下させるドーパントである。なお、石英ガラスの屈折率及び軟化点温度を大きく低下させるドーパントとしては、ホウ素（Ｂ）も知られている。したがって、第１の光ファイバ１１１は、Ｆの代わりにＢを添加した石英ガラスを材料として構成されていてもよい。
以上のように、本実施形態において、コア１１７１がＧｅを添加した石英ガラス製であり、クラッド１１７２がドーパントを添加していない石英ガラス製であり、第１の光ファイバ１１１〜１１６の各々は、Ｆを添加した石英ガラス製である。したがって、コア１１７１及びクラッド１１７２を備えた第１の光ファイバ１１７は、第１の光ファイバ１１１〜１１６よりも軟化点温度が高い材料により構成されている。
第２の光ファイバ１２は、第２のコアの一例であるコア１２１と、第２のクラッドの一例であるクラッド１２２と、図１及び図２には図示していない第２のポリマクラッドと、を備えている。第２のポリマクラッドは、クラッド１２２の側面を覆う樹脂膜である。コア１２１、クラッド１２２、及び第２のポリマクラッドの各々の屈折率は、この順番で小さくなるように構成されている。したがって、クラッド１２２を内側クラッドとして、第２のポリマクラッドは、外側クラッドとして機能する。すなわち、第２の光ファイバ１２は、ダブルクラッドファイバである。なお、図１に示すように、第２の光ファイバ１２の端面の近傍において、第２のポリマクラッドは、除去されている。第２の光ファイバ１２は、第２のポリマクラッドを省略したシングルクラッドファイバであってもよいが、第２の光ファイバ１２の光ファイバ束１１と逆側の端面に後述するゲインファイバ（例えば、図４に示すゲインファイバ１３）を接続する場合には、ダブルクラッドファイバであることが好ましい。
本実施形態において、コア１２１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）を添加した石英ガラスを材料として構成されており、クラッド１２２は、ドーパントを添加していない、シリコン（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）からなる石英ガラスを材料として構成されている。なお、本発明の一態様において、クラッド１２２は、ＦやＢなどの石英ガラスの屈折率及び軟化点温度を大きく低下させるドーパントを添加した石英ガラスを材料として構成されていてもよい。
本実施形態において、第２の光ファイバ１２の直径は、図２の（ａ）に示すように、光ファイバ束１１の直径と等しい。すなわち、第２の光ファイバ１２の直径は、第１の光ファイバ１１１〜１１６に共通する直径の３倍に等しい。ただし、第２の光ファイバ１２の直径は、これに限定されるものではなく、光ファイバ束１１の直径を上回っていてもよい。
７本の第１の光ファイバ１１１〜１１７は、光ファイバ束１１の横断面において、図２の（ａ）に示すように、光ファイバ束１１に外接する外接円（本実施形態においては、第２の光ファイバ１２の外縁をなす円と一致する）の直径が最小となるように配置されることによって、光ファイバ束１１を構成する。光ファイバ束１１において、中心近傍に第１の光ファイバ１１７が配置されており、第１の光ファイバ１１７を囲むように、且つ、第１の光ファイバ１１７と隣接するように、第１の光ファイバ１１１〜１１６の各々が配置されている。具体的には、光ファイバ束１１において、第１の光ファイバ１１７に対して、１２時の方向に隣接して第１の光ファイバ１１１が配置され、２時の方向に隣接して第１の光ファイバ１１２が配置され、４時の方向に隣接して第１の光ファイバ１１３が配置され、６時の方向に隣接して第１の光ファイバ１１４が配置され、８時の方向に隣接して第１の光ファイバ１１５が配置され、１０時の方向に隣接して第１の光ファイバ１１６が配置されている。
したがって、光ファイバ束１１を横断面視した場合に、第１の光ファイバ１１７は、第１の光ファイバ１１１〜１１６よりも、上記外接円の中心の近くに配置されている。すなわち、第１の光ファイバ１１１〜１１６は、上記外接円の外周の近くに配置されている。
光コンバイナ１０において、光ファイバ束１１の端面（第１の光ファイバ１１１から１１７の各々の端面）と、第２の光ファイバ１２の端面とは、図１に示すように、融着されている。より具体的には、（１）コア１１７１は、コア１２１に融着しており、（２）クラッド１１７２は、クラッド１２２に融着しており、（３）第１の光ファイバ１１１〜１１６の各々は、クラッド１２２に融着している。
なお、本実施形態においては、複数の第１の光ファイバとして、７本の第１の光ファイバ１１１〜１１７を用いている。ただし、本発明の一態様において、第１の光ファイバの本数は、これに限定されず、適宜選択することができる。光ファイバ束１１の端面を横断面視した場合において、所定の第１の光ファイバを、上記外接円の中心の近くに（すなわち第１のコアと第２のコアとが結合するように）配置する場合、第１の光ファイバの本数としては、７本の他に１９本が挙げられる。第１の光ファイバの本数が１９本であり、且つ、各第１の光ファイバを３本４本-５本-４本-３本と並べた５つの層をこの順に積層した形状に配置した場合、所定の第１の光ファイバは、上記外接円の中心の近くに配置される。
また、本実施形態において、第１の光ファイバ１１１〜１１７は、光ファイバ束１１の端面を横断面視した場合に、上記外接円の直径が最小となるように配置されている。しかし、本発明の一態様において、複数の第１の光ファイバを配置は、これに限定されず、適宜さだめることができる。
また、本実施形態において、複数の第１の光ファイバ１１１〜１１７のうち所定の第１の光ファイバ１１７の本数は、１本である。ただし、本発明の一態様において、所定の第１の光ファイバの本数は、これに限定されない。例えば、本発明の一態様において、第２の光ファイバは、複数のコアを有するマルチコアファイバであってもよい。例えば、第２の光ファイバが２本のコアを有する場合、複数の第１の光ファイバのうち、第２の光ファイバの２本のコアの各々に対応して配置される２本の第１の光ファイバを所定の第１の光ファイバとすることが好ましい。
（光コンバイナ１０の効果）
以上のように、光コンバイナ１０は、光ファイバ束１１と、第２の光ファイバ１２とを備えており、且つ、第１の光ファイバ１１７のコア１１７１及びクラッド１１７２は、第１の光ファイバ１１１〜１１６よりも軟化点温度が高い材料により構成されている。
この構成によれば、光ファイバ束１１の端面と、第２の光ファイバ１２の端面とを融着する融着工程（例えば後述する融着工程Ｓ１２）において、第１の光ファイバ１１７の断面形状は、第１の光ファイバ１１１〜１１６の断面形状よりも変形しにくい。これは、上記融着工程において、第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の端面近傍における温度は、凡そ等しいと考えられ、その場合には、第１の光ファイバ１１７の粘度が第１の光ファイバ１１１〜１１６の粘度よりも高くなるためである。
したがって、光コンバイナ１０は、第１の光ファイバ１１７における断面形状の変形、換言すれば、コア１１７１及びクラッド１１７２における断面形状の変形を、従来よりも抑制することができる。その結果として、光コンバイナ１０は、（１）第１の光ファイバ１１７の端面であって第２の光ファイバ１２と融着されていない側の端面から入射され、第２の光ファイバ１２の端面であって光ファイバ束１１と融着されていない側の端面から出射されるビーム、及び/または、（２）第２の光ファイバ１２の端面であって光ファイバ束１１と融着されていない側の端面から入射され、第１の光ファイバ１１７の端面であって第２の光ファイバ１２と融着されていない側の端面から出射されるビームのビーム品質を、従来よりも高めることができる。なお、コア１１７１における断面形状の変形は、クラッド１１７２における断面形状の変形よりも少ない。換言すれば、光コンバイナ１０において得られるコア１１７１の変形抑制効果は、クラッド１１７２の変形抑制効果よりも大きい。これは、コア１１７１がクラッド１１７２により囲まれており、且つ、クラッド１１７２を構成する材料の軟化点温度が第１の光ファイバ１１１〜１１６を構成する材料の軟化点温度を上回っているためである。
また、光コンバイナ１０は、光ファイバ束１１を横断面視した場合に、第１の光ファイバ１１７は、第１の光ファイバ１１１〜１１６よりも、光ファイバ束１１に外接する外接円の中心の近くに配置されている。
この構成によれば、第１の光ファイバ１１７が上記外接円の外周の近くに配置されている場合と比較して、第１の光ファイバ１１７と第２の光ファイバ１２との結合効率、より具体的には、コア１１７１とコア１２１との結合効率を高めることができる。その理由は、以下の通りである。
光ファイバ束１１と第２の光ファイバ１２とを融着するために各々を加熱した場合、光ファイバ束１１を構成する第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々は、光ファイバ束１１の表面積を最小化するようにその断面形状を変形する。換言すれば、第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の断面形状は、溶融時に生じる得る表面張力に起因して変形する。
このとき、上記外接円の中心の近くに配置されている第１の光ファイバ１１７に作用する表面張力は、上記外接円の外縁の近くに配置されている第１の光ファイバ１１１〜１１６に作用する表面張力よりも等方的に作用する。これは、上記外接円の中心の近くに配置されている第１の光ファイバ１１７を取り巻く環境が等方的又は略等方的であるのに対して、上記外接円の外縁の近くに配置されている第１の光ファイバ１１１〜１１６を取り巻く環境が非等方的であるためである。具体的には、第１の光ファイバ１１７は、その周囲を第１の光ファイバ１１１〜１１６により等方的に囲まれている。一方、第１の光ファイバ１１１〜１１６の各々（例えば第１の光ファイバ１１１）は、その周囲の半分に３本の第１の光ファイバ（例えば第１の光ファイバ１１２，１１６，１１７）が配置され、その周囲の残りの半分には、第１の光ファイバが配置されていない。
その結果、上記所定の第１の光ファイバを上記外接円の中心の近くに配置した場合に生じ得る断面形状の変形は、上記所定の第１の光ファイバを上記外接円の外縁の近くに配置した場合に生じ得る断面形状の変形と比較して、等方的であり、且つ、変形の度合いも少なくなる。
また、光コンバイナ１０において、第１の光ファイバ１１７は、コア１１７１とクラッド１１７２とを備え、第２の光ファイバ１２は、コア１２１とクラッド１２２とを備えている。そのうえで、コア１１７１とコア１２１とは、融着している。
この構成によれば、コア１１７１とコア１２１とが融着されていない場合と比較して、コア１１７１とコア１２１との結合効率を高めることができる。したがって、光コンバイナ１０は、ファイバレーザ装置（例えば図４に示しているファイバレーザ装置１）の一部を構成する光コンバイナとして好適に利用可能である。
また、光コンバイナ１０において、第１の光ファイバ１１１〜１１６は、何れも第２の光ファイバ１２に融着している。
この構成によれば、第１の光ファイバ１１１〜１１６を第２の光ファイバ１２（具体的にはクラッド１２２）に光学的に結合することができる。したがって、光コンバイナ１０は、ファイバレーザ装置（例えば図４に示しているファイバレーザ装置１）の一部を構成する光コンバイナとして好適に利用可能である。
（本実施形態で用いている用語の補足）
なお、本実施形態において第１の光ファイバ１１１〜１１６に対して用いている「同一」及び「等しい」との表現は、第１の光ファイバ１１１〜１１６の各々寸法及び特性が、第１の光ファイバ１１１〜１１６を製造する場合の製造公差を含む範囲内に含まれていることを意味する。
〔変形例〕
光コンバイナ１０の変形例である光コンバイナ１０Ａは、図２の（ｂ）に示すように、第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の端部同士が、隙間なく一体化されている。
第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の端部同士を隙間なく一体化することによって特許文献１に記載されたような溶融部を形成するためには、光ファイバ束１１の端面と、第２の光ファイバ１２の端面とを融着する融着工程（例えば後述する融着工程Ｓ１２）を実施する前に、隣接するファイバ同士が接触した状態に第１の光ファイバ１１１〜１１７を保持しつつ、第１の光ファイバ１１７の周囲に形成されていた隙間がなくなるまで、第１の光ファイバ１１１〜１１７を溶融させればよい。
第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の間に隙間が生じている場合（すなわち光コンバイナ１０の場合）、第２の光ファイバ１２を伝搬してきた光が上記隙間に結合し、結果として、その光が光コンバイナ１０の外部へ漏れ出す可能性がある。この構成によれば、第２の光ファイバ１２を伝搬してきた光は、第１の光ファイバ１１７及び第１の光ファイバ１１１〜１１６の何れかに結合する。したがって、光コンバイナ１０Ａは、第２の光ファイバ１２を伝搬してきた光が、その外部へ漏れ出す可能性を低減することができる。
また、光コンバイナ１０Ａのように、第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の端部に溶融部を形成する場合でも、図２の（ｂ）に示すように、第１の光ファイバ１１７は、第１の光ファイバ１１１〜１１６よりも、光ファイバ束１１に外接する外接円の中心の近くに配置されていることが好ましい。この構成によれば、第１の光ファイバ１１７の断面形状の変形をさらに抑制することができる。その理由は、以下の通りである。
第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の端部に溶融部を形成することによって第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の端部同士を隙間なく一体化した場合、光ファイバ束１１の表面は、上記外接円の外縁の近くに位置する光ファイバ束１１の外側面のみになる。したがって、光ファイバ束１１を溶融した場合に生じ得る表面張力は、光ファイバ束１１の上記外側面に起因する表面張力のみである。この表面張力は、上記外接円の中心の近くに配置されている第１の光ファイバ１１７に対して等方的に作用する一方で、上記外接円の外周の近くに配置されている第１の光ファイバ１１１〜１１６の各々に対して非等方的に作用する。
その結果、第１の光ファイバ１１７を上記外接円の中心の近くに配置した場合に生じ得る断面形状の変形は、第１の光ファイバ１１７を上記外接円の外縁の近くに配置した場合に生じ得る断面形状の変形と比較して、等方的であり、且つ、変形の度合いも少なくなる。したがって、第１の光ファイバ１１７の断面形状の変形をさらに抑制することができる。
〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係る光コンバイナの製造方法Ｍ１０について、図３を参照して説明する。図３は、製造方法Ｍ１０のフローチャートである。製造方法Ｍ１０は、例えば、図１及び図２の（ａ）に示した光コンバイナ１０や、図２の（ｂ）に示した光コンバイナ１０Ａなどを製造するために好適に用いることができる。本実施形態では、主に光コンバイナ１０を用いて製造方法Ｍ１０について説明する。なお、第１の実施形態にて説明した光コンバイナ１０の各部材については、その説明を繰り返さない。
製造方法Ｍ１０は、図３に示すように、加熱工程Ｓ１１と、融着工程Ｓ１２とを含んでいる。
加熱工程Ｓ１１は、第１の光ファイバ１１１〜１１７を加熱する工程であって、第１の光ファイバ１１７の粘度が、第１の光ファイバ１１１〜１１６の粘度の２倍を上回るように、光ファイバ束１１及び第２の光ファイバ１２の各々の端面近傍を加熱する工程である。
融着工程Ｓ１２は、加熱工程Ｓ１１によって加熱された光ファイバ束１１の端面と、第２の光ファイバ１２の端面とを融着する融着である。
製造方法Ｍ１０によれば、加熱工程Ｓ１１において、第１の光ファイバ１１７の粘度が、第１の光ファイバ１１１〜１１６の粘度の２倍を上回るように、光ファイバ束１１及び第２の光ファイバ１２の各々の端面近傍を加熱するので、加熱工程Ｓ１１及び融着工程Ｓ１２を実施する場合に生じ得る第１の光ファイバ１１７における断面形状の変形を、従来よりも抑制することができる。その結果として、製造方法Ｍ１０を用いて製造された光コンバイナ１０は、（１）第１の光ファイバ１１７の端面であって第２の光ファイバ１２と融着されていない側の端面から入射され、第２の光ファイバ１２の端面であって光ファイバ束１１と融着されていない側の端面から出射されるビーム、及び/または、（２）第２の光ファイバ１２の端面であって光ファイバ束１１と融着されていない側の端面から入射され、第１の光ファイバ１１７の端面であって第２の光ファイバ１２と融着されていない側の端面から出射されるビームのビーム品質を、従来よりも高めることができる。
また、図２の（ｂ）に示した光コンバイナ１０Ａを製造する場合、融着工程Ｓ１２を実施する前に、一体化工程を実施する。この一体化工程は、隣接するファイバ同士が接触した状態に第１の光ファイバ１１１〜１１７を保持しつつ、第１の光ファイバ１１７の周囲に形成されていた隙間がなくなるまで、第１の光ファイバ１１１〜１１７を溶融させることによって、第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の端部同士を隙間なく一体化する工程である。一体化工程を実施することによって、光ファイバ束１１の端部には、第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の端部同士が隙間なく一体化された溶融部が形成される。
第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の端部同士を隙間なく一体化する方法は、限定されるものではなく、既存の方法のなかから適宜選択することができる。第１の光ファイバ１１１〜１１７の各々の端部同士を隙間なく一体化する方法の一例としては、特許文献１に記載された方法の他に、第１の光ファイバ１１１〜１１７を例えば石英ガラス製の毛細管（キャピラリ）に挿通させた状態で第１の光ファイバ１１１〜１１７を、上述したように溶融するまで加熱する方法が挙げられる。ただし、この方法により生成した溶融部の直径は、毛細管の管壁の厚さの分だけ太くなる。溶融部の直径をできるだけ細くしたい場合には、毛細管を用いない方法（例えば特許文献１に記載された方法）を採用すればよい。また、毛細管を用いて溶融部を形成した場合であっても、毛細管の管壁の厚さは、光ファイバ束１１の直径に含まれない。すなわち、光ファイバ束１１と第２の光ファイバ１２の大小関係の比較は、第１の光ファイバ１１１〜１１７に外接する外接円の直径と、第２の光ファイバ１２の直径と、により行われる。
また、製造方法Ｍ１０において、融着工程Ｓ１２は、加熱工程Ｓ１１における光ファイバ束１１及び第２の光ファイバ１２の端面近傍の加熱を終了したあとに実施してもよいし、該加熱をしながら実施してもよい。
〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態に係るファイバレーザ装置１について、図４を参照して説明する。図４は、ファイバレーザ装置１のブロック図である。
レーザ装置の一例であるファイバレーザ装置１は、図４に示すように、光コンバイナ１０ａ，１０ｂと、ゲインファイバ１３と、種光源１４と、励起光源群１５ａ，１５ｂと、デリバリファイバ１６ａ，１６ｂと、を備えている。ファイバレーザ装置１は、ＭＯＰＡ（Master Oscillator - Power Amplifier）型のレーザ装置である。すなわち、種光源１４は、主発振（Master Oscillator：ＭＯ）部として機能し、光コンバイナ１０ａ，１０ｂ、ゲインファイバ１３、励起光源群１５ａ，１５ｂは、パワー増幅（Power Amplifier：ＰＡ）部として機能する。
光コンバイナ１０ａ，１０ｂは、何れも、図１及び図２の（ａ）に示した光コンバイナ１０と同一に構成されている。
ゲインファイバ１３は、励起光のエネルギーを用いて種光を増幅し、ハイパワーなレーザ光を生成する機能を有する増幅用の光ファイバである。本実施形態においては、ゲインファイバ１３として、コアに希土類元素が添加されたダブルクラッドファイバを用いている。ただし、ゲインファイバ１３は、ダブルクラッドファイバに限定されない。すなわち、レーザ光を導波する導波路（コアに相当）と、励起光を導波する導波路（クラッドに相当）と、を備えた光ファイバであれば、ゲインファイバ１３として用いることができる。また、本実施形態においては、コアに添加する希土類元素として、イッテルビウムを用いている。ただし、コアに添加する希土類元素は、イッテルビウムに限定されない。例えば、ツリウム、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、エルビウムなど、イッテルビウム以外の希土類元素をコアに添加してもよい。
主発振部である種光源１４は、後述するゲインファイバ１３が増幅する種光を生成するレーザ光源である。種光源１４として採用するレーザ光源の態様は、限定されるものではなく、例えば、共振器型のファイバレーザであってもよいし、半導体レーザ、固体レーザ、液体レーザ、及び気体レーザの何れかであればよい。
励起光源群１５ａ，１５ｂの各々は、それぞれ、励起光源１５ａ１〜１５ａ６及び励起光源１５ｂ１〜１５ｂ６により構成されている。励起光源１５ａ１〜１５ａ６及び励起光源１５ｂ１〜１５ｂ６は、ゲインファイバ１３に供給する励起光を生成する。励起光源１５ａ１〜１５ａ６及び励起光源１５ｂ１〜１５ｂ６として採用するレーザ光源は、ゲインファイバ１３のコアに添加された希土類元素を反転分布状態に遷移させることが可能な光を生成可能なレーザ光源であれば限定されるものではなく、例えば、その態様は、共振器型のファイバレーザであってもよいし、半導体レーザ、固体レーザ、液体レーザ、及び気体レーザの何れかであればよい。本実施形態では、励起光源１５ａ１〜１５ａ６及び励起光源１５ｂ１〜１５ｂ６を構成するレーザ光源の態様として、半導体レーザを採用している。
本実施形態において、デリバリファイバ１６ａ，１６ｂとして、フューモードファイバを用いている。ただし、デリバリファイバ１６ａ，１６ｂは、フューモードファイバに限定されない。すなわち、種光源１４から出力された種光及びゲインファイバ１３で増幅されてデリバリファイバ１６ｂから出力された出力光を導波可能な光ファイバであれば、シングルモードファイバ、又は、フューモードファイバ以外のマルチモードファイバであっても、デリバリファイバ１６ａ，１６ｂとして用いることが可能である。なお、フューモードファイバとは、マルチモードファイバ（導波モードの数が２以上の光ファイバ）のうち、導波モードの数が２５以下の光ファイバのことを指す。
種光源１４には、デリバリファイバ１６ａの一方の端部が接続されている。デリバリファイバ１６ａの他方の端部には、光コンバイナ１０ａの第１の光ファイバ１１７ａが接続されている。励起光源群１５ａの励起光源１５ａ１〜１５ａ６の各々には、それぞれ、光コンバイナ１０ａの第１の光ファイバ１１１〜１１６が接続されている。光コンバイナ１０ａの第２の光ファイバ１２ａには、ゲインファイバ１３の一方の端部が融着されている。
また、デリバリファイバ１６ｂの一方の端部には、図４には図示しない出力ヘッドが接続されている。デリバリファイバ１６ｂの他方の端部には、光コンバイナ１０ｂの第１の光ファイバ１１７ｂが接続されている。励起光源群１５ｂの励起光源１５ｂ１〜１５ｂ６の各々には、それぞれ、光コンバイナ１０ｂの第１の光ファイバ１１１〜１１６が接続されている。光コンバイナ１０ｂの第２の光ファイバ１２ｂには、ゲインファイバ１３の一方の端部が融着されている。
光コンバイナ１０ａ，１０ｂの第１の光ファイバ１１１ａ〜１１６ａ及び第１の光ファイバ１１１ｂ〜１１６ｂは、励起光源側のポートとして機能する。光コンバイナ１０ａの第１の光ファイバ１１７ａは、種光源側のポートとして機能する。光コンバイナ１０ｂの第１の光ファイバ１１７ｂは、出力ヘッド側のポートとして機能する。光コンバイナ１０ａ，１０ｂの第２の光ファイバ１２ａ，１２ｂは、ゲインファイバ側のポートとして機能する。
なお、本実施形態において、ファイバレーザ装置１は、励起光源群１５ａと励起光源群１５ｂとを備えた双方向励起型のファイバレーザ装置として実現されているが、本発明は、これに限定されない。すなわち、ファイバレーザ装置１は、励起光源群１５ａのみを備えた片方向励起型のファイバレーザ装置として実現することもできるし、励起光源群１５ｂのみを備えた片方向励起型のファイバレーザ装置として実現することもできる。
以上のように構成されたファイバレーザ装置１において、光コンバイナ１０ａは、第１の光ファイバ１１７ａにおける断面形状の変形を、従来よりも抑制することができる。したがって、光コンバイナ１０ａは、ビーム品質を従来よりも低下させることなく、種光源１４が生成した種光を第２の光ファイバ１２ａに結合させることができる。
また、ファイバレーザ装置１において、光コンバイナ１０ｂは、第１の光ファイバ１１７ｂにおける断面形状の変形を、従来よりも抑制することができる。したがって、光コンバイナ１０ｂは、ビーム品質を従来よりも低下させることなく、ゲインファイバ１３が増幅したレーザ光を第１の光ファイバ１１７ｂに結合させることができる。すなわち、ファイバレーザ装置１は、従来よりもビーム品質が高いレーザ光を、出力ヘッドから加工対象物に照射することができる。
また、複数のファイバレーザ装置１を備えたファイバレーザシステムも本発明の範疇に含まれる。各ファイバレーザ装置１が生成するレーザ光を合波することによって、該ファイバレーザシステムは、ファイバレーザ装置１よりもハイパワーなレーザ光を生成することができる。
なお、本実施形態において、ファイバレーザ装置１は、ＭＯＰＡ型のファイバレーザ装置であるものとして説明した。しかし、本発明の一態様に係る光コンバイナを備えたファイバレーザ装置は、ＭＯＰＡ型のファイバレーザ装置に限定されない。本発明の一態様に係る光コンバイナを備えたファイバレーザ装置は、ゲインファイバ１３の両端部の各々に、それぞれ、高反射ミラー及び低反射ミラーを設けることにより共振器を構成した共振器型のファイバレーザ装置であってもよい。
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１０ 光コンバイナ
１１ 光ファイバ束
１１１〜１１６ 第１の光ファイバ（他の第１の光ファイバ）
１１７ 第１の光ファイバ（所定の第１の光ファイバ）
１１７１ コア（第１のコア）
１１７２ クラッド（第１のクラッド）
１２ 第２の光ファイバ
１２１ コア（第２のコア）
１２２ クラッド（第２のクラッド）
１ ファイバレーザ装置（レーザ装置）
１０ａ，１０ｂ コンバイナ
１１ａ，１１ｂ 光ファイバ束
１１１ａ〜１１６ａ，１１１ｂ〜１１６ｂ 第１の光ファイバ（他の第１の光ファイバ）
１１７ａ，１１７ｂ 第１の光ファイバ（所定の第１の光ファイバ）
１２ａ，１２ｂ 第２の光ファイバ
１３ ゲインファイバ
１４ 種光源
１５ａ，１５ｂ 励起光源群
１６ａ，１６ｂ デリバリファイバ

Claims (11)

  1. 複数の第１の光ファイバの束である光ファイバ束と、端面が上記光ファイバ束の端面と融着された第２の光ファイバであって、第２のコアと第２のクラッドとを備えた第２の光ファイバと、を備えた光コンバイナであって、
    上記複数の第１の光ファイバのうち少なくともいずれか１つである所定の第１の光ファイバは、他の第１の光ファイバよりも軟化点温度が高い材料により構成されており、
    上記光ファイバ束を横断面視した場合に、上記所定の第１の光ファイバは、上記他の第１の光ファイバよりも、上記光ファイバ束に外接する外接円の中心の近くに配置されており、
    上記他の第１の光ファイバは、何れも、上記第２のクラッドに融着されており、
    上記複数の第１の光ファイバの各々の端部同士は、隙間なく一体化されている、
    ことを特徴とする光コンバイナ。
  2. 上記所定の第１の光ファイバは、第１のコアと第１のクラッドとを備え、
    上記第１のコアと上記第２のコアとは、融着されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光コンバイナ。
  3. 上記所定の第１の光ファイバは、上記第１のコアがゲルマニウムを添加した石英ガラス製であり、上記第１のクラッドがシリコン及び酸素からなる石英ガラス製であり、
    上記他の第１の光ファイバは、フッ素及びホウ素のうち少なくとも一方を添加した石英ガラス製である、
    ことを特徴とする請求項２に記載の光コンバイナ。
  4. 上記第２の光ファイバの直径は、上記光ファイバ束の直径と等しい又は上回る、
    ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光コンバイナ。
  5. 上記所定の第１の光ファイバの全てが、上記他の第１の光ファイバよりも軟化点温度が高い材料により構成されている、
    ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光コンバイナ。
  6. 上記所定の第１の光ファイバは複数である、
    ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光コンバイナ。
  7. 上記第１の光ファイバと上記第２の光ファイバの位置を固定する固定部材を有しない、
    ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の光コンバイナ。
  8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の光コンバイナを備えている、
    ことを特徴とするレーザ装置。
  9. 複数の励起光源を更に備え、
    上記他の第１の光ファイバの各々の端面のうち前記第２の光ファイバに融着された端面と逆側の端面には、それぞれ、前記複数の励起光源のうち何れかの励起光源が接続されている、
    ことを特徴とする請求項８に記載のレーザ装置。
  10. 複数の第１の光ファイバの束である光ファイバ束と、第２の光ファイバであって、第２のコアと第２のクラッドとを備えた第２の光ファイバとを備えた光コンバイナの製造方法であって、
    上記光ファイバ束の端面と上記第２の光ファイバの端面とを融着する融着工程を含み、
    上記複数の第１の光ファイバのうち少なくともいずれか１つである所定の第１の光ファイバは、他の第１の光ファイバよりも軟化点温度が高い材料により構成されており、
    上記光ファイバ束を横断面視した場合に、上記所定の第１の光ファイバは、上記他の第１の光ファイバよりも、上記光ファイバ束に外接する外接円の中心の近くに配置されており、
    上記他の第１の光ファイバは、何れも、上記第２のクラッドに融着されており、
    上記複数の第１の光ファイバの各々の端部同士は、隙間なく一体化されている、
    ことを特徴とする光コンバイナの製造方法。
  11. 上記所定の第１の光ファイバの粘度が、他の第１の光ファイバの粘度の２倍を上回るように、上記光ファイバ束及び上記第２の光ファイバの各々の端面近傍を加熱する加熱工程を更に含む、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の光コンバイナの製造方法。
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