JP2015513124A - 非円形状の光ビームに信号ビームを結合するための光ファイバーカプラー - Google Patents

Abstract

非円形状の出力光ビーム又は装置に信号ビームを結合するように構成された光ファイバーカプラーが提供される。カプラーは、断熱のテーパー光学装置を含む。テーパー光学装置は、第２コア径と第１コア径の間の比に等しいコアテーパー比と、第２モードフィールド径と第１モードフィールド径の間の比に等しいモードテーパー比を有する。モードテーパー比がコアテーパー比よりも大きい。出力端での隣接するコアの間隔が、およそコアテーパー比だけ、入力端で隣接するコアの間隔よりも小さく、従って、およそコアテーパー比に対するモードテーパー比の比に等しい係数だけ、複数の入力光ファイバーの組み合わされた輝度に比べて、結合された出力光信号の輝度が高められる。

Description

本開示は、複数の入力光ファイバーからの信号ビームを非円形状の出力光ビームに結合するように構成された光ファイバーカプラーに関する。

高アスペクト比コア（ＨＡＲＣ）光ファイバーは、一般的に、レーザー及びレーザービーム配送用途において用いられている。特定のファイバーの設計に依存して、ＨＡＲＣファイバーは、一つの方向においてＨＡＲＣファイバーを通じて伝播するビームが回折限界に近いビーム品質を有し、垂直方向においてビームが、マルチモード品質も有し、若しくは回折限界に近いビーム品質を有するという特性を持つ。

図１は、ファイバーアレイの輝度を高めるように構成された慣例の構成を示す。図１に示すように、マイクロレンズアレイ１００がファイバー２００のリニアアレイ近傍に配置され、アレイ２００のファイバー２００ａ間の間隔を除去し、これにより、ファイバーアレイ２００の輝度が高められる。レンズ１００のアレイは、クラッディング２００ｂが占める空間を光学的に除去するように構成され、これにより、クラッディング無しのコアのアレイの光学的な均等物が形成される。

図１に示す構成においては、ファイバー２００ａ間の中心間の空間がピッチｐとして表され、各ファイバー２００ａのコアサイズがｄとして表され、生ビームの発散角がθ_rawとして表され、また倍率がＭとして表される。

図１に示すように、ファイバー２００ａらは、それらの放出面が単一平面にあるように整列され、レンズアレイ１００が、レンズの焦点距離に等しい距離にファイバー２００ａから離れて位置される。レンズ１００ａを介して伝播するビームがお互いに平行である。もしレンズ口径が倍率Ｍを適切に構成するように設計されるならば、結果として得られる出力ビームは、初期のファイバーアレイ２００のものに比べて高められた輝度に対応してそれらの間に非常に小さな間隔を有する。

図１に図示及び図１に関して説明した方法は、光学的な製作及び位置決め公差に関する多数の困難を被り、これが、出力ビームの最終の平行化及び並行度に影響する。

ファイバーアレイ２００の輝度を高めるように設計された別の方法においては、１／４ピッチ屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズのアレイ（不図示）が、図１のマイクロレンズアレイ１００の代わりに用いられる。１／４ピッチＧＲＩＮレンズのアレイが、個別の入力ファイバーとＨＡＲＣ出力ファイバー（不図示）の間に溶着される。しかしながら、この方法は、図１に関して記述した方法と同様、光学的な製作及び位置決め公差の問題を治癒しない。

本出願人は、多数のファイバー結合装置からの光信号（群）を、非円形状の導波路（例えば、ＨＡＲＣファイバー、平面導波路など）を有する装置内に結合可能である、若しくは自由空間ビームとして利用可能である非円形状の出力光ビームに結合することができる全ファイバー装置の必要性を特定した。そのような全ファイバーカプラー装置は、輝度を高めながらビーム品質を保持する必要がある。

ある実施形態が、複数の入力光ファイバーから信号ビームを受け取り、非円形状の出力光ビームを生成するように構成された光ファイバーカプラーに関する。カプラーは、断熱のテーパー光学装置を含む。断熱のテーパー光学装置は、テーパー光学装置の入力端で、第１コア径の１以上のコア、１以上のクラッディング、及び第１モードフィールド径、またテーパー光学装置の出力端で第２コア径及び第２モードフィールド径を有する。テーパー光学装置は、第２コア径と第１コア径の間の比に等しいコアテーパー比を有し、第２モードフィールド径と第１モードフィールド径の間の比に等しいモードテーパー比を有する。テーパー光学装置は、入力端で複数の入力光ファイバーに直接的に取り付けられるように構成され、出力端で非円形状の出力ビームを生成するように構成される。モードテーパー比がコアテーパー比よりも大きく、他方、出力端での隣接するコアの間隔が、およそコアテーパー比だけ、テーパー光学装置の入力端で隣接するコアの間隔よりも小さく、従って、およそコアテーパー比に対するモードテーパー比の比に等しい係数だけ、複数の入力光ファイバーの組み合わされた輝度に比べて、結合された出力光信号の輝度が高められる。

別の実施形態が、複数の入力光ファイバーからの信号ビームを非円形状の出力光学装置内に結合するように構成された光ファイバーカプラーに関する。カプラーは、断熱のテーパー光学装置を含む。断熱のテーパー光学装置は、テーパー光学装置の入力端で、第１コア径の１以上のコア、１以上のクラッディング、及び第１モードフィールド径を有し、またテーパー光学装置の出力端で第２コア径及び第２モードフィールド径を有する。テーパー光学装置は、第２コア径と第１コア径の間の比に等しいコアテーパー比と、第２モードフィールド径と第１モードフィールド径の間の比に等しいモードテーパー比を有する。テーパー光学装置は、入力端で複数の入力光ファイバーに、また出力端で非円形状の出力装置に直接的に取り付けられるように構成される。モードテーパー比がコアテーパー比よりも大きく、他方、出力端での隣接のコアの間隔が、およそコアテーパー比だけ、テーパー光学装置の入力端での隣接のコアの間隔よりも小さく、これにより、およそコアテーパー比に対するモードテーパー比の比に等しい係数だけ、複数の入力光ファイバーの組み合わされた輝度に比べて、組み合わされた出力光信号の輝度が高められる。

動作の方法、及び構造の関連の要素の機能、及び部品の組み合わせ、及び製造経済と同様、本開示のこれらまた他の側面が、その全てが本明細書の一部であり、同一の参照番号が様々な図面において対応の部分を示す添付図面を参照して次の記述及び添付請求項を検討することにより、より明確になる。本開示の一例においては、本明細書に図示の構造的な部品が縮尺するように描かれるものと理解され得る。しかしながら、多くの他の構成が可能であり、図面が例示、図示、及び記述のみのためであり、定義若しくは本開示の範囲を限定するように意図されないことが明白に理解される。また、本明細書に開示の一つの実施形態の特徴が本明細書に開示の他の実施形態において使用可能であるものと理解される。本明細書及び請求項で用いられるように、不定冠詞及び定冠詞の単一形が、内容が明らかに逆を要求しなければ複数の指示物を含む。

対応の参照記号が対応の部分を示す添付の概略の図面を参照して様々な実施形態が例示のみのために開示される。

図１は、マイクロレンズアレイを用いることによりファイバーアレイの輝度を高める慣例のシステムを図示する。

図２Ａは、本開示の実施形態に係る複数の入力光ファイバーからの信号ビームを非円形状の出力光ビームに結合するように構成された光ファイバーカプラーを図示する。

図２Ｂは、本開示の実施形態に係る入力光ファイバーの断面図を図示する。

図３は、本開示の実施形態に係る光ファイバーカプラーにおけるモードフィールド径（ＭＦＤ）の挙動のグラフ表示を図示する。

図４Ａは、本開示の実施形態に係る光ファイバーカプラーに沿う屈折率を図示する。 図４Ｂは、本開示の実施形態に係る光ファイバーカプラーに沿う光信号進展の表示を図示する。

図５は、本開示の実施形態に係る光ファイバーカプラーの入力端での信号強度分布のグラフ表示を図示する。

図６は、本開示の実施形態に係る光ファイバーカプラーの出力端での信号強度分布のグラフ表示を図示する。

図７Ａは、本開示の別の実施形態に係る光ファイバーカプラーに沿う屈折率の表示を図示する。 図７Ｂは、本開示の別の実施形態に係る光ファイバーカプラーに沿う光信号進展の表示を図示する。

図８Ａは、本開示の別の実施形態に係る光ファイバーカプラーの入力端での信号強度分布のグラフ表示を図示する。 図８Ｂは、本開示の別の実施形態に係る光ファイバーカプラーの出力端での信号強度分布のグラフ表示を図示する。

図９は、本開示の実施形態に係る平坦なエッジを有する光ファイバーカプラーの例示の光ファイバーを示す。

図１０は、本開示の実施形態に係る一緒に積層された平坦エッジ付きのファイバーのアレイを示す。

図１０Ａは、本開示の実施形態に係るカプラーに用いられるマルチコアテーパー導波路を示す。

図１１は、本開示の実施形態に係る光ファイバーカプラーと非円形状のコア出力光学装置の間に設けられた平坦屈折率分布型導波路を示す。

図２Ａは、本開示の実施形態に係る複数の入力光ファイバー３０２からの信号ビームを非円形状の出力光学装置３０４内に結合するように構成された光ファイバーカプラー３００を示す。光ファイバーカプラー３００は、任意の自由空間光学系が無い全ファイバーアーキテクチャーを有する。そのような全ファイバーカプラー装置は、輝度を高めながらビーム品質を保持するように構成される。

ある実施形態においては、本出願の全ファイバー光学カプラー３００は、複数の入力光ファイバー３０２から光信号（群）を受け取り、非円形状の出力光ビーム３０３を生成することができる。そのような実施形態においては、非円形状の出力光ビーム３０３が、自由空間ビームとして用いられ、若しくは更に非円形状の導波路（例えば、ＨＡＲＣファイバー、平面導波路、非円形状の導波路等）を有する装置（例えば、３０４）内にさらに結合される。

別の実施形態においては、本出願の全ファイバー光学カプラー３００が、複数の入力光ファイバー３０２からの光信号（群）を非円形状の出力光学装置３０４（例えば、ＨＡＲＣファイバー、平面導波路、非円形状の導波路等）内に結合することができる。

カプラー３００は、断熱のテーパー光学装置（adiabatically tapered optical device）３１２を含む。ある実施形態においては、以下に詳述のように、断熱のテーパー光学装置３１２が、断熱のテーパーマルチコア導波路を含む。別の実施形態においては、以下に詳述また図２Ａに示すように、断熱のテーパー光学装置３１２が、断熱のテーパー光ファイバーアレイ３０６を含む。

断熱テーパー付け（Adiabatic tapering）は、一般的に低い若しくは皆無の信号ロスを伴う光ファイバー又は導波路の漸次のテーパー付けを呼ぶ。光ファイバーの断熱のテーパー付けは、例えば、Timothy A. Birks 及び Youwei W. Liの「ファイバーテーパーの形状」と題されたジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー、１０号、Ｎｏ．４、１９９２年４月；及びJ.D. Love、W.M. Henry、 W.J. Stewart、 R. J. Black、 S. Lacroix、 及びF. Gonthierの「テーパー付けられたシングルモードファイバー及び装置」と題されたＩＥＥプロシーディング−Ｊ、１３８号、Ｎｏ．５、１９９１年１０月に詳細に記述されており、これらの各々が、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。

断熱のテーパー光学装置３１２は、光学装置３１２のビーム品質を保ちながら、信号ロスを最小化するように構成される。断熱のテーパー付けは、またカプラー３００の入力端３０８でのフィルファクター（fill factor）も高め、また低い信号ロスで光学装置３１２の輝度を高める。

断熱のテーパー光学装置３１２は、テーパー光学装置の入力端３０８で、第１コア径の１以上のコア、１以上のクラッディング、及び第１モードフィールド径（ＭＦＤ）を有し、またテーパー光学装置の出力端３１０で第２コア径及び第２ＭＦＤを有する。

コア径は、一般的に光ファイバーのコアの直径を呼ぶ。モードフィールド径（ＭＦＤ）は、一般的に基本モードの空間広がりを考慮する。つまり、光が光ファイバーを通じて伝播するとき、大半の光が光ファイバーのコア内を伝播し、幾つかの光が少なくとも光ファイバーのクラッディングの部分内に広がる。光ファイバーにおいて光が伝播するこの円形状エリアの直径が、ファイバーのモードフィールド径又はＭＦＤと呼ばれる。

断熱のテーパー光学装置３１２は、第２コア径と第１コア径の間の比に等しいコアテーパー比を有し、また第２ＭＦＤと第１ＭＦＤの間の比に等しいモードテーパー比を有する。モードテーパー比は、コアテーパー比よりも大きい。ある実施形態においては、コアテーパー比が１未満である。

ある実施形態においては、モードテーパー比が実質的に単一であり、断熱のテーパー光学装置３１２の入力端３０８及び出力端３１０でのファイバーコアが、実質的に同一又は異なるモードフィールド径を生成する。ある実施形態においては、以下に詳述のように、アレイ３１２のファイバー３０６が、ちょうどに位置決めされ、また一緒に積み（整列）上げされる。

テーパー光学装置の出力端３１０での隣接のコアの間隔が、コアテーパー比だけ、テーパー光学装置の入力端３０８での隣接のコアの間隔よりも小さく、これにより、およそコアテーパー比に対するモードテーパー比の比に等しい係数だけ（又はそれ未満だけ）、複数の入力光ファイバー３０２の組み合わされた輝度に比べて、組み合わされた出力光信号の輝度が高められる。

一般的に輝度は、単位立体角当たりの単位面積当たりの光パワーと呼ばれる。カプラー３００は、ビームを接近させて束にしつつ、各ビームの全体のパワー及び輝度（つまり、組み合わされた出力ビームの立体角）を保持することにより、出力光ビームの輝度を高めるように構成され、これにより、光が放出される全面積（つまり、出力ファイバーのコア面積）が減じられる。本開示で用いられた特定のテーパーが、出力ビームのアレイを生成し、この各々が、個別の入力ファイバーの各々と同一又は異なるモードフィールド径及びビーム発散角を有する（つまり、各個別のテーパーファイバーの輝度が保持される）が、ビームらは、それらがお互いに近接して可能な限り近くに詰められるならば、個別の入力ファイバーの面積の総和未満である全面積内に含まれる。

ある実施形態においては、出力端３１０でのテーパー光学装置３１２の断面積が、非円形状のコア出力光学装置３０４の入力面積３１４に本質的に適合するように設計され、これにより、複数の入力光ファイバー３０２からの信号ビームの非円形状のコア出力光学装置３０４への結合が可能になる。

別の実施形態においては、（カプラーの端部とは反対の端部での）ビーム３０３の断面積が、非円形状の出力光学装置３０４の入力面積３１４に本質的に適合するように設計され、これにより、非円形状の出力光学装置３０４へのビーム３０３からの信号ビームの結合が可能になる。

別の実施形態においては、出力端３１０でのテーパー光学装置３１２の断面積が、非円形状のコア出力光学装置３０３の意図された若しくは所望の面積に本質的に適合するように設計される。

つまり、カプラー３００のファイバー３０６は、カプラー３００から光信号を受け取る非円形状のコア出力光学装置の受容面積に適合する態様で設けられる。例えば、カプラー３００のファイバー３０６は、リニアリボンアレイ（linear ribbon array）若しくは幾つかの他の構成として設けられる。また、本開示のカプラー３００のファイバー３０６は、ファイバー結合信号源３０２に適合する必要がある。ファイバー３０６のパラメーターは、用いられる入力信号ファイバー３０２及び特定の非円形状のコア出力光学装置３０４に依存する。別の実施形態においては、ファイバー３０６のパラメーターが、生成される入力信号ファイバー３０２及び特定の非円形状のコア出力光ビーム３０３に依存する。

ある実施形態においては、光ファイバー３０６のアレイ３１２がリニアアレイである。別の実施形態においては、光ファイバー３０６のアレイ３１２が、リニアとは異なる形状を有するアレイである。ある実施形態においては、Ｎ×１リニアアレイ、Ｎ×Ｍアレイ若しくは幾つかの他の構成が、要求される出力ビーム形状に適合するように用いられる。図示の実施形態においては、図２Ａに示すように、４×１リニアアレイが、要求の出力ビーム形状に適合するように用いられる。

ある実施形態においては、カプラー３００の光ファイバー３０６が、リニアアレイにおいて整列され、４倍だけ断熱にテーパー付けられる。つまり、カプラー３００のテーパー比が４である。他の実施形態においては、カプラー３００で用いられるテーパー比が変わる。テーパー比は、入力及び出力ビーム面積及び／又はレイアウトに明確に適合するように選択される。

カプラー３００のテーパーファイバー３０６からの出力ビームは、（ＨＡＲＣファイバーといった）広（遅軸）及び狭（速軸）方向において異なる開口数を有する必要があり得る。図１１に示すように、平面ＧＲＩＮ導波路４００が一軸における開口数を変えるように用いられる。一軸における開口数を変えるために全ファイバー装置において平面ＧＲＩＮ導波路を用いることの詳細が、例えば、米国特許第７，８６０，３６０号明細書に記述されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれ、従って、本明細書では詳細に説明しない。

図１１は、アレイ３１２の出力端３１０と非円形状のコア出力光学装置３０４の間に配され、テーパー光学装置３１２からの信号を非円形状のコア出力光学装置３０４のコアサイズ及び開口数に適合させる例示の平面ＧＲＩＮ導波路４００を示す。ＧＲＩＮ導波路４００は、入力ビーム輝度を高めない。ある実施形態においては、１／４ピッチ長ＧＲＩＮ導波路が用いられる。他の実施形態においては、他のＧＲＩＮ導波路長が、また用いられる。

図２Ａの図示の実施形態においては、円形状のコアを持つ４つの別々の入力光ファイバー３０２を有する例示の光ファイバーカプラー３００が示される。光ファイバーカプラー３００は、入力光ファイバー３０２からの信号をＨＡＲＣファイバー３０４内へ結合することができる。

ある実施形態においては、カプラー３００のテーパー光学装置３１２は、入力端３０８で複数の入力光ファイバー３０２に、また出力端３１０で非円形状のコア出力光ビーム又は装置３０４に直接的に取り付けられるように構成される。

別の実施形態においては、カプラー３００のテーパー光学装置３１２は、入力端３０８で複数の入力光ファイバー３０２に直接的に取り付けられ、また出力端３１０で非円形状のコア出力光ビーム３０４を生成するように構成される。

ある実施形態においては、入力光ファイバー３０２が、２５マイクロメートル（μｍ）の直径の円形状のコア及び０．０６の開口数を有する。例示の入力光ファイバー３０２の断面図が図２Ｂに図示される。図２Ｂに示すように、入力光ファイバー３０２は、２５μｍのコア径と１００μｍのクラッディング直径を有する。

例えば、２５μｍの０．０６ＮＡのコアの入力光ファイバーは、回折限界ビームのマルチｋＷレーザーのために広く用いられている。２５μｍの０．０６ＮＡのコアの入力光ファイバーは、市場において商業的に入手可能であり、慣例の技術により製造され、また高レーザーパワー配送のために用いられる。２５μｍの０．０６ＮＡのコアの入力光ファイバーは、４つの横モードを支持するが、基本モード（ＬＰ₀₁）のみが回折限界レーザーにおいて励振される。ある実施形態においては、カプラー３００は、基本モードのみを考慮する。

ある実施形態においては、カプラー３００の入力端３０８は、任意のマッチングファイバー、例えば、回折限界ビームの高パワーファイバーレーザーで典型的に用いられる２５μｍの０．０６ＮＡのコア及び４００μｍのクラッディングの光ファイバーに接続される。カプラー３００のアレイ３１２は、接合、接着、隔壁コネクターの使用、又はアレイ３１２の溶着接続（fusion splicing）により複数の入力光ファイバー３０２に直接的に取り付けられる。

図示の実施形態においては、光ファイバーカプラー３００は、４つの断熱のテーパー光ファイバー３０６を含む。カプラー３００は、石英ガラス材料から成り、これは、近赤外（ＮＩＲ）領域におけるレーザーのための適切な材料である。他の実施形態においては、カプラー３００は、当業者により認識されるように任意の他の適切な光学材料から成る。入力光ファイバー３０２の数や断熱のテーパー光ファイバー３０６の数は、例示であり、他の実施形態においては変えられる。

一般的に、軟化及びテーパー付け工程のために熱がファイバーに付与される。テーパー付けの概念が、ファイバーＭＦＤ特有の挙動に依存し、つまり、ファイバーがテーパー付けされる間、導波路があまりに弱くなるため、ＭＦＤが、まず縮小し、次に拡大する。

図３は、コア径の関数として、テーパー広モードエリア（ＬＭＡ）の２５μｍの０．０６ＮＡのコアのファイバーにおける基本モードＭＦＤ挙動のグラフ表示を図示する。図３のグラフは、垂直Ｙ軸に沿うマイクロメートル（μｍ）でＭＦＤを図示する。水平Ｘ軸上では、グラフは、コア径を図示し、これがマイクロメートル（μｍ）で表される。グラフは、２５μｍから６．５μｍへの４倍のテーパー付けが、ＭＦＤにおいて殆ど変化がないことに帰結することを明らかに示す。つまり、図３に示すように、コア径が２５μｍから約１２μｍに漸次テーパー付けされるに応じてＭＦＤが減少する。コア径が約１２μｍから約６．５μｍへ更にテーパー付けられる時、ＭＦＤが増加を開始する。しかしながら、図３に示すように、４倍のコア径のテーパー付けが、ＭＦＤにおいて殆ど変化がないことに帰結する。

商業的に入手可能なファイバー及び商業的な設備が、本開示のカプラーの製造のために用いられ得る。例えば、Ｖｙｔｒａｎ（登録商標）ＧＰＸ−３０００ファイバー処理ステーションが、本開示のカプラーの製造のために用いられる。

ある実施形態においては、断熱のテーパー光ファイバー３０６の断面形状が、長方形状、楕円形状、円形状、三角形状、六角形状又は多角形状から成る群から選択される。

ある実施形態においては、カプラー３００のファイバー３０６が、内部構造を有する。一般的に、ファイバーは、異なる目的：偏波保持（ＰＡＮＤＡタイプファイバー及び他の物）、広いＭＦＤ（リークチャネルファイバー（ＬＣＦ（leakage-channel fiber）））、広ピッチタイプファイバー（ＬＰＦ）、フォトニック結晶タイプファイバー（ＰＣＦ）及び他の物）、及び他の目的のために内部構造を有する。ある実施形態においては、カプラー３００のファイバー３０６は、偏波保持ファイバー、例えば、ＰＡＮＤＡタイプファイバーである。しかしながら、偏波保持ファイバーの構造は、ＰＡＮＤＡタイプファイバーに限定されず、任意の既知の構造のファイバーが使用される。

図９は、研磨／機械加工された平坦クラッディング端部を有するカプラー３００の例示のファイバー３０６を示し、他方、図１０は、一緒に積層されテーパー付けられた平坦クラッディング平面を有するファイバー３０６の例示のリニア（束ねられた）アレイを示す。

ある実施形態においては、ファイバーカプラー３００は、（図１０に示すように）一緒に整列され、次に一緒に溶着及びテーパー付けられたファイバーから成る。つまり、ファイバーカプラー３００は、テーパーバンドル（アレイ）ファイバー構成から成る。断熱のテーパー光ファイバー３０６の各々のクラッディングは、平坦な研磨されたクラッディング表面を有する。そのような形状（つまり、研磨された又は機械加工された平坦なクラッディング表面）及び一緒に積層する工程が、テーパー付けの安定性を高める。つまり、平坦に研磨されたクラッディング表面をファイバーに持たせることは、ファイバーの機械的なレイアウトを向上するだけでなく、テーパー付け工程の過程の安定性も提供する。平坦な研磨されたクラッディング表面は、カプラー３００の入力端３０８でのフィルファクター（fill factor）も改善することができ、より少ないテーパー付けがファイバーに与えられる。

ファイバーが所望の寸法にテーパー付けされた後、結果物のテーパー構造が所望の位置で切断され、ＨＡＲＣファイバーに作用するための適切な出力面を形成する。一般的に、平坦な出力面がそのようなインターフェースとして好まれる。切断は、例えば、カッティング、研磨又は幾つかの他の切断メカニズムにより実行できる。ある実施形態においては、商業的に入手可能なファイバーカッター、例えば、Vytran（登録商標）LDC-200がカッティングのために用いられる。ある実施形態においては、切断が、システム要求に依存し、カプラー３００の光軸に対して垂直に、又は幾つかの角度で実行される。

テーパーアレイ３１２が製作されると、アレイ３１２の出力端３１０が非円形状のコア出力光学装置３０４に直接的に取り付けられ、また光が非円形状のコア出力光学装置３０４内に結合する。

別の実施形態においては、テーパーアレイ３１２が製作されると、アレイ３１２が、アレイ３１２の出力端３１０で非円形状のコア出力光ビーム３０３を生成するように構成される。

別の実施形態においては、上述のように、ファイバーカプラー３００が、マルチコアを有するテーパー導波路を用いて構成される。図１０Ａは、本出願のファイバーカプラー３００として用いられる例示のテーパーマルチコア導波路構成を示す。例えば、図１０Ａに示すように、テーパーマルチコア導波路が、４つの丸いコアと長方形のクラッディングを有する光ファイバーを含む。

テーパーマルチコア導波路のコア及びクラッディングは、長方形状、楕円形状、円形状、三角形状、六角形状、多角形状、又は任意の他の形状である。石英ガラス又は他の適切な材料が、テーパーマルチコア導波路の製造のために用いられる。長方形状のクラッディングの１０個のコアファイバーを有する石英ガラス導波路が、例えば、L. J. Cooper、 P. Wang、 R. B. Williams、 J. K. Sahu、 W. A. Clarkson、 A. M. Scott and D. Jones著、「高パワーＹｂドープマルチコアリボンファイバーレーザー」、オプティクス・レター、３０巻、Ｎｏ．２１、２００５年１１月１日に詳細に記述されており、これが、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。

４コアファイバーが、まず、製造され、次に、テーパー付けられ、テーパーマルチコア導波路が得られる。テーパーマルチコア導波路は、次に、入力ファイバー３０２（図２Ａ）のコア寸法及び所望の出力ビーム寸法３０３（図２Ａ）に適合するように切断される。

（図４Ａ、４Ｂ、５、７Ａ、７Ｂ、８Ａ、及び８Ｂに示すように）カプラー性能を説明するために行われる、ビーム伝搬法（ＢＰＭ）モデリングが、（図１０に示すような）テーパーバンドルファイバー構成及び（図１０Ａに示すような）テーパーマルチコア導波路構成の両方に適用する。

ある実施形態においては、出力光学装置３０４が、非円形コアを有する。

ある実施形態においては、出力光ビーム３０３が、マルチモードビームを含む。ある実施形態においては、出力光ビーム３０３が、自由空間出力ビームを含む。

ある実施形態においては、出力光学装置３０４がＨＡＲＣファイバーである。他の実施形態においては、出力光学装置３０４が平面導波路である。図示の実施形態においては、図２Ａに示すように、出力光学装置３０４が、長方形状の断面コアを有する。

ある実施形態においては、非円形状の光ビーム３０３又は自由空間カップリング光学系が採用され、非円形状のファイバーカプラー３００からの信号ビームを非円形状の出力光学装置３０４に結合する。そのような実施形態においては、非円形状の光ビーム３０３又は自由空間カップリング光学系が、非円形状の光学装置３０４のコアとおよそ同一のサイズを有するビームを生成するように構築及び配列される。

アレイ３１２は、接合、接着、アレイ３１２の溶着接続、又は他の接続メカニズムにより非円形状の光学装置３０４に直接的に取り付けられる。ある実施形態においては、カプラー３００の出力端３１０が、溶着接続又は接着により、２５×１００μｍ²の０．０６ＮＡのコアのＨＡＲＣファイバーに接続される。他の実施形態においては、アレイ３１２の出力が、例えばレンズによる再画像化のため、自由空間ビームとしてカプラーから放出する。

カプラー３００の動作の原理を説明するためにカプラー３００の２次元モデリングを実行した。ビーム伝搬法（ＢＰＭ）が、光パワーが本開示のカプラー３００をどのように伝播するのかをシミュレーションするために用いられる。基本モードが、カプラー３００の各ファイバー３０６の入力端３０８に励振される。図４Ａ及び４Ｂは、本発明の一実施形態に係るカプラー３００に沿う屈折率及び光信号の進展の描写を示す。

図５及び６は、各々、本開示の実施形態に係る光ファイバーカプラー３００の入力端３０８及び出力端３１０での信号強度分布のグラフ表示を図示する。詳細には、図５及び６におけるグラフは、各々、光ファイバーカプラー３００の入力端３０８（図５）及び出力端３１０（図６）で光信号強度（滑らかなカーブ）及び屈折率プロファイル（破線）の両方を図示する。

図５及び６のグラフは、垂直なＹ軸の左側の任意単位の（つまり、１に標準化された）ピーク強度を図示し、また垂直なＹ軸の右側の光ファイバーカプラー３００の屈折率を図示する。水平のＸ軸上では、図５及び図６のグラフが、入力端３０８（図５）及び出力端３１０（図６）での光ファイバーカプラー３００の幅を図示し、これがマイクロメートル（μｍ）で表される。

図５及び６のグラフの比較が、４つのテーパーファイバーが個別の信号をお互いに近接させることを示す。例えば、入力ビームが、２５×３２０μｍ²の面積を占め、他方、出力光ビームが、２５×１００μｍ²の面積を占める。出射面積の低減が、光信号の輝度の増加に対応する。

より詳細には、図５は、入力端３０８で、光信号が約３２０μｍの寸法上に分布され、他方、図６は、出力端で、光信号が、約１００μｍのより小さい寸法上に分布されることを示す。垂直方向（入力光ファイバーのリニアアレイに直交する方向）において、ＭＦＤがさほど変化せず、回折限界近くに留まる。また、カプラー３００の断熱のテーパーが、ビーム品質を保持する。従って、本開示のカプラー３００を用いることにより、入力信号の輝度が、ビーム品質の低下無くして約３倍高められる。

図７Ａ及び７Ｂは、各々、本発明の別の実施形態に係るカプラー３００’に沿う屈折率及び光信号の進展の描写を示す。図７Ａに示されたカプラー３００’は、（図４Ａに示した）先の実施形態のカプラー３００と比較して、出力領域３１１’において延長された長さの４つの断熱のテーパーファイバー３０６’を有する。つまり、カプラー３００’の断熱のテーパー光ファイバー３０６’のテーパーが、出力端３１０’に隣接するカプラー３００’の出力部３１１’の近くに延長される。カプラー３００’は、カプラー３００’の出力領域における延長された長さを除いて先の実施形態のカプラー３００と同様である。

カプラー３００’の２次元モデリングが、カプラー３００’の動作の原理を説明するために実行された。ビーム伝搬方法（ＢＰＭ）が、本開示のカプラー３００’を通じて光パワーがどのように伝播するのかをシミュレーションするために用いられる。信号が、（合計４つの入力チャンネル）のチャンネル２内に発射された。図７Ｂは、カプラー３００’における信号の進展を示す。図７Ｂに示すように、光パワーが、テーパー延長出力を有する、カプラー３００’に沿って伝播する過程で隣接のチャンネル（つまり、チャンネル１及び３）内に結合する。カップリングが、ファイバーの光学パラメーターと、テーパーの幾何形状に依存し、特定のカップリング要求のために工作される。カプラー３００’は、例えば、コヒーレントビーム結合のチャネル間信号カップリングが用いられる装置のために有益である。

図８Ａ及び８Ｂは、本開示の別の実施形態に係る光ファイバーカプラー３００’の入力端３０８’及び出力端３１０’での信号強度分布のグラフ表示を図示する。詳細には、図８Ａ及び８Ｂにおけるグラフが、各々、光ファイバーカプラー３００’の入力端３０８’（図８Ａ）及び出力端３１０’（図８Ｂ）での光信号強度及び屈折率プロファイルを図示する。

図８Ａ及び８Ｂにおけるグラフの滑らかなカーブが、垂直のＹ軸の左側上の任意の単位の（つまり１に標準化された）ピーク強度を図示し、破線が、垂直のＹ軸の右側の光ファイバーカプラー３００’の屈性率を図示する。水平のＸ軸上において、図８Ａ及び８Ｂのグラフが、マイクロメートル（μｍ）で表された、入力端３０８’（図８Ａ）及び出力端３１０’（図８Ｂ）での光ファイバーカプラー３００’の幅を図示する。

本開示に記述されたカプラー３００及び３００’の両方が、多数のファイバー結合光源からの信号を、非円形状ビームを有することが有益であるＨＡＲＣファイバー又は任意の他の装置／用途に結合するために用いられる。

本開示のカプラー３００は、レーザービーム配送用途、例えば、半ガイド高アスペクト比コア（ＳＨＡＲＣ／ＨＡＲＣファイバー）を用いた高パワーレーザービーム配送、レーザービーム結合用途、及び／又はレーザービームによる材料処理で用いられる。

本開示の全ファイバー光信号カプラーが、ファイバー結合ビームを、モノリシック、増加した輝度の全ファイバーフォーマットの一つの非円形状のビーム内に結合する。本開示の全ファイバー光信号カプラーは、また、輝度を高めながら入力信号ビーム品質を保持する。本開示のカプラーが、断熱ファイバーテーパリング及びモードフィールド変換を採用する。本開示のカプラーが、ＨＡＲＣファイバーに適合する非円形状の高アスペクト比の出力ビームを形成する。ある方向において、ビームが、特定のカプラー設計に依存して回折限界で在り得る。ビームは、品質及び輝度の損失なくしてＨＡＲＣファイバーだけ延長された距離を配送される。

本開示が図示の目的のために詳細に記述されたが、そのような詳細が単にその目的のためのものであると理解され、発明概念が開示の実施形態に限定されず、むしろ逆に、添付請求項の精神及び範囲内にある修正及び均等の構成にまで及ぶことが意図される。加えて、本開示が、可能な範囲で、任意の実施形態の１以上の特徴が、任意の他の実施形態の１以上の特徴に結合されることを想定しているものと理解される。

Claims (31)

1. 複数の入力光ファイバーから信号ビームを受け取り、非円形状の出力光ビームを生成するように構成された光ファイバーカプラーであって、
   テーパー光学装置の入力端で第１コア径の１以上のコア、１以上のクラッディング、及び第１モードフィールド径を有し、テーパー光学装置の出力端で第２コア径及び第２モードフィールド径を有する断熱のテーパー光学装置であって、第２コア径及び第１コア径の間の比に等しいコアテーパー比を有し、また第２モードフィールド径及び第１モードフィールド径の間の比に等しいモードテーパー比を有し、前記入力端で前記複数の入力光ファイバーに直接的に取り付けられるように構成され、前記出力端で非円形状の出力ビームを生成するように構成された断熱のテーパー光学装置を備え、
   前記モードテーパー比が、前記コアテーパー比よりも大きく、
   前記出力端での隣接のコアの間隔が、およそ前記コアテーパー比だけ、前記入力端での隣接のコアの間隔よりも小さく、これにより、およそ前記コアテーパー比に対する前記モードテーパー比の比に等しい係数だけ、前記複数の入力光ファイバーの組み合わされた輝度と比べて、組み合わされた出力光信号の輝度が高められる、カプラー。
2. 前記テーパー光学装置は、断熱テーパーマルチコア導波路を含む、請求項１に記載のカプラー。
3. 前記断熱テーパーマルチコア導波路が、コア及びクラッディングを含み、前記断熱テーパーマルチコア導波路の前記コア及び前記クラッディングの断面形状が、長方形状、楕円形状、円形状、三角形状、六角形状、多角形状、又は他の形状から成る群から選択される、請求項２に記載のカプラー。
4. 前記テーパー光学装置は、断熱テーパー光ファイバーアレイを含む、請求項１に記載のカプラー。
5. 前記断熱テーパー光ファイバーアレイがリニアアレイである、請求項４に記載のカプラー。
6. 前記光ファイバーアレイが、リニアとは異なる形状を持つアレイである、請求項４に記載のカプラー。
7. 各断熱テーパー光ファイバーの断面形状が、長方形状、楕円形状、円形状、三角形状、六角形状、多角形状のファイバー、又は他の形状のファイバーから成る群から選択される、請求項４に記載のカプラー。
8. 断熱テーパー光ファイバーの各々のクラッディングが平坦な研磨面を含む、請求項７に記載のカプラー。
9. 前記カプラーが石英ガラス材料を含む、請求項１に記載のカプラー。
10. 前記出力光ビームがマルチモードビームを含む、請求項１に記載のカプラー。
11. 前記アレイが、接合、接着、隔壁コネクターの使用、又は前記アレイの溶着接続により前記複数の入力光ファイバーに直接的に取り付けられる、請求項４に記載のカプラー。
12. 前記断熱テーパー光ファイバーのテーパー部が、前記カプラーの出力端近くで延長される、請求項４に記載のカプラー。
13. 前記コアテーパー比が１未満である、請求項１に記載のカプラー。
14. 前記非円形状の出力光ビームが、前記複数の入力光ファイバーからの信号ビームを非円形状の出力光学装置に結合するために用いられる、請求項１に記載のカプラー。
15. 前記非円形状の出力光ビームが、前記非円形状の光学装置よりも小さいビームを生成するように構成及び配置される、請求項１４に記載のカプラー。
16. 前記非円形状の出力光学装置が、ＨＡＲＣファイバー、平面導波路、又は他の非円形状の導波路を含む、請求項１４に記載のカプラー。
17. 複数の入力光ファイバーからの信号ビームを非円形状の出力光学装置内に結合するように構成された光ファイバーカプラーであって、
    テーパー光学装置の入力端で第１コア径の１以上のコア、１以上のクラッディング、及び第１モードフィールド径を有し、またテーパー光学装置の出力端で第２コア径及び第２モードフィールド径を有し、前記第２コア径と前記第１コア径の間の比に等しいコアテーパー比と、前記第２モードフィールド径と前記第１モードフィールド径の間の比に等しいモードテーパー比を有し、前記入力端で複数の入力光ファイバー及び前記出力端で前記非円形状の出力装置に直接的に取り付けられるように構成された断熱のテーパー光学装置を備え、
    前記モードテーパー比が前記コアテーパー比よりも大きく、
    前記出力端での隣接のコアの間隔が、およそ前記コアテーパー比だけ、前記テーパー光学装置の前記入力端での隣接のコアの間隔よりも小さく、これにより、およそ前記コアテーパー比に対する前記モードテーパー比の比に等しい係数だけ、前記複数の入力光ファイバーの組み合わされた輝度に比べて組み合わされた出力光信号の輝度が高められる、カプラー。
18. 前記テーパー光学装置は、断熱テーパーマルチコア導波路を含む、請求項１７に記載のカプラー。
19. 前記断熱テーパーマルチコア導波路が、コア及びクラッディングを含み、前記断熱テーパーマルチコア導波路の前記コア及び前記クラッディングの断面形状が、長方形状、楕円形状、円形状、三角形状、六角形状、多角形状、又は他の形状から成る群から選択される、請求項１８に記載のカプラー。
20. 前記非円形状の出力光学装置が、ＨＡＲＣファイバー、平面導波路、又は他の非円形状の導波路を含む、請求項１７に記載のカプラー。
21. 前記テーパー光学装置は、断熱テーパー光ファイバーアレイを含む、請求項１７に記載のカプラー。
22. 前記光ファイバーアレイがリニアアレイである、請求項２１に記載のカプラー。
23. 前記光ファイバーアレイが、リニアとは異なる形状を持つアレイである、請求項２１に記載のカプラー。
24. 各断熱テーパー光ファイバーの断面形状が、長方形状、楕円形状、円形状、三角形状、六角形状、多角形状のファイバー、又は他の形状のファイバーから成る群から選択される、請求項２１に記載のカプラー。
25. 前記断熱テーパー光ファイバーの各々のクラッディングが平坦な研磨面を含む、請求項２１に記載のカプラー。
26. 前記カプラーが石英ガラス材料を含む、請求項１７に記載のカプラー。
27. 前記アレイが、接合、接着、隔壁コネクターの使用、又は前記アレイの溶着接続により前記複数の入力光ファイバーに直接的に取り付けられる、請求項２１に記載のカプラー。
28. 前記アレイが、接合、接着、又は前記アレイの溶着接続により前記非円形状の光学装置に直接的に取り付けられる、請求項２１に記載のカプラー。
29. 前記断熱テーパー光ファイバーのテーパー部が、前記カプラーの出力端近くで延長される、請求項２１に記載のカプラー。
30. 前記コアテーパー比が１未満である、請求項１７に記載のカプラー。
31. 前記テーパー光学装置の前記出力端と前記非円形状の出力光学装置の間に設けられ、前記アレイからの信号を前記非円形状の出力光学装置のコアサイズ及び開口数に適合させる平坦屈折率分布型導波路を更に備える、請求項１７に記載のカプラー。

Images