JP2004264843A - Optical fiber with optical function element, and method and device for manufacturing same - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光を用い、光機能素子に光ファイバを融着接続してなる光機能素子付き光ファイバ、その製造方法及び製造装置に関し、特に光機能素子の端面に複数本の光ファイバを同時に融着接続してなる光機能素子付き光ファイバ、光機能素子付き光ファイバの製造方法及び光機能素子付き光ファイバの製造装置に関する。 The present invention relates to an optical fiber with an optical functional element, which is obtained by fusion splicing an optical fiber to an optical functional element, using a laser beam, and a method and apparatus for manufacturing the optical fiber. The present invention relates to an optical fiber with an optical functional element, a method for manufacturing an optical fiber with an optical functional element, and an apparatus for manufacturing an optical fiber with an optical functional element, which are simultaneously fused.
光機能素子の端面に光ファイバの端面を接続する方法としては、接着剤で接続する方法、融着装置を用いて融着接続する方法が一般的である。これら接続方法の中でも代表的な融着接続方法としては、図12、図13、図14に示すものが挙げられる。 As a method of connecting the end face of the optical fiber to the end face of the optical functional element, a method of connecting with an adhesive or a method of fusion splicing using a fusion device is general. Among these connection methods, typical fusion connection methods include those shown in FIG. 12, FIG. 13, and FIG.
図12に示す融着接続方法は、光機能素子であるロッドレンズ102の端面に、この端面対して斜めに集光レンズミラー103を配置し、集光レンズミラー103の中央部に形成されている貫通穴103aに光ファイバ104を通してロッドレンズ102の端面に突合せ、集光レンズミラー103にレーザビーム105を照射して、ロッドレンズ102と光ファイバ104の突合せ部分にレーザビーム105を集光・照射させることで融着接続するものである。 In the fusion splicing method shown in FIG. 12, a condensing lens mirror 103 is disposed on an end face of a rod lens 102 as an optical function element, and is formed at a central portion of the condensing lens mirror 103 at an angle to the end face. The laser beam 105 is applied to the converging lens mirror 103 by irradiating the laser beam 105 to the converging lens mirror 103 through the optical fiber 104 through the through-hole 103a, and the laser beam 105 is condensed and applied to the abutting portion of the rod lens 102 and the optical fiber 104. In this way, fusion splicing is performed.
また図13に示す特開平5−346517号公報記載の「レーザ融着接続装置及び方法」は、径の異なる2つの光部品(石英系導波路112と光ファイバ114)を接続する際に、この石英系導波路112と光ファイバ114の外周面に段差が生じないように端面同士を突合せて配置することを条件とし、この突合面に対して平行にレーザビーム105を照射することで両者の外周面を同時に融着接続するものである。 Further, the "laser fusion splicing apparatus and method" described in JP-A-5-346517 shown in FIG. 13 is used to connect two optical components having different diameters (the quartz-based waveguide 112 and the optical fiber 114). The end surfaces of the silica-based waveguide 112 and the optical fiber 114 are abutted so as to prevent a step from occurring, and a laser beam 105 is irradiated in parallel to the abutting surface to irradiate the outer surfaces of the two. The surfaces are simultaneously fusion-spliced.
更に図14に示す特開平6−138342号公報記載の「光ファイバ機能部品およびその製造方法」は、外径がW2の光ファイバ124と、この外径W2以上且つこの外径W2の2倍以下の外径W1を有する光機能素子122を突合せ、この突合せた部分を挟むように電極棒123を対極配置し、2本の電極棒123から発生するアーク放電125で突合せ部分を溶融することで、光機能素子122と光ファイバ124とを接続するものである。このとき光機能素子122と光ファイバ124の外径寸法は、W1<2W2の関係を保持していなければ信頼性のある接続は実現できない。
上述した融着接続方法は、光機能素子の大きさ、断面形状(面積)及び材質等により細かい制限があり、この制限のために融着接続が困難になる場合がある。 The fusion splicing method described above has fine restrictions depending on the size, cross-sectional shape (area), material, and the like of the optical functional element, and fusion splicing may be difficult due to this restriction.
例えば、図12に示した融着接続方法は、突合せ部分に確実にレーザビーム105を照射することができるので、例え断面積の異なる2つ以上の光部品(ロッドレンズと光ファイバ)であっても融着接続することができるという利点を有しているが、一方で照射するレーザビームが1本であるため、光機能部品の端面に形成されるレーザビームによる照射スポットの温度分布は、いわゆるガウス型となり、中央の温度が最も高く、外径方向に向うほど温度が低くなるので、均一温度分布範囲が狭く、複数本の光ファイバを同時に接続することができないという問題がある。例え融着できたとしても、光ファイバの軸ずれを起こさず低損失で融着接続することは非常に難しい。 For example, the fusion splicing method shown in FIG. 12 can surely irradiate the laser beam 105 to the abutting portion, so that two or more optical components (rod lens and optical fiber) having different cross-sectional areas are used. Has the advantage of being able to be fusion spliced, but on the other hand, since only one laser beam is irradiated, the temperature distribution of the irradiation spot by the laser beam formed on the end face of the optical functional component is a so-called Since the temperature becomes the Gauss type, the temperature at the center is the highest, and the temperature becomes lower toward the outer diameter direction. Therefore, the uniform temperature distribution range is narrow, and there is a problem that a plurality of optical fibers cannot be connected at the same time. Even if fusion can be performed, it is very difficult to perform fusion splicing with low loss without causing an optical fiber axis shift.
また、光機能素子と光ファイバの溶融温度が異なる場合、図12の構成によれば光ファイバの側面に大量のレーザビームが照射され、ロッドレンズには少量のレーザビームしか照射されないため、光ファイバのみが早く溶融し、両方を同時に融着させることが難しいという問題がある。 Further, when the melting temperature of the optical function element and the melting temperature of the optical fiber are different, according to the configuration of FIG. 12, the side of the optical fiber is irradiated with a large amount of laser beam, and the rod lens is irradiated with only a small amount of laser beam. Only melt quickly and it is difficult to fuse both at the same time.
また特開平5−346517号公報記載の「レーザ融着接続装置及び方法」は、同一平面上に形成された石英系導波路112と光ファイバ114とを低損失で融着接続することができるという利点を有しているが、レーザビームの温度分布拡がりが、接続境界面に対して平行で直線的な拡がりを有していることから、端面にレーザビームの温度分布が平面的に拡がらず、接続面を十分均一に溶融させることができない。そのために溶融結合度が低くなり信頼性が低下する恐れがある。 Further, the "laser fusion splicing apparatus and method" described in JP-A-5-346517 is capable of fusion splicing the silica-based waveguide 112 and the optical fiber 114 formed on the same plane with low loss. Although it has an advantage, since the temperature distribution spread of the laser beam has a linear spread parallel to the connection boundary surface, the temperature distribution of the laser beam does not spread planarly on the end face. In addition, the connection surface cannot be melted sufficiently uniformly. For this reason, the degree of fusion bonding may be reduced and reliability may be reduced.
また、光機能部品と光ファイバの材質が異なると、レーザ吸収率が異なるため、つまりは溶融速度が異なるため、低損失で融着接続することができないという問題もある。 Further, when the material of the optical functional component and the material of the optical fiber are different, the laser absorptivity is different, that is, since the melting rate is different, there is a problem that the fusion splicing cannot be performed with low loss.
また更に、突合せた光機能素子と光ファイバの間に大きな段差がある場合、このような状態でレーザビームを照射しても、照射口に近い方(光機能素子)が早く溶け、遠い方(光ファイバ)が遅く溶けるので、両者が均一に溶けず軸ずれを生じるという問題もある。 Further, when there is a large step between the butted optical functional element and the optical fiber, even if the laser beam is irradiated in such a state, the one near the irradiation port (optical functional element) melts quickly and the far one (optical functional element) Since the optical fiber is melted late, there is also a problem that the two are not melted uniformly and an axis shift occurs.
一方、特開平6−138342号公報記載の「光ファイバ機能部品およびその製造方法」は、アーク放電で融着接続を行うため、断面積が異なる光部品同士を融着接続する場合は、外径差を2倍程度以下としなければならない。 On the other hand, the "optical fiber functional component and its manufacturing method" described in JP-A-6-138342 perform fusion splicing by arc discharge. The difference must be about twice or less.
つまりアーク放電による融着は、その放電の拡がりが広範囲に渡るため、光機能素子のみ、又は光ファイバのみ、を選択して溶融することはできず、また溶融したくても、上述したように両方の光部品の外径差に2倍以上の開きがあると両者が均一に溶けず、信頼性が低下する恐れがある。 In other words, fusion by arc discharge, the spread of the discharge extends over a wide range, so it is not possible to selectively melt only the optical functional element or only the optical fiber, and even if you want to melt, as described above If the difference between the outer diameters of the two optical components is twice or more, the two components are not uniformly melted, and the reliability may be reduced.
また、集束型ロッドレンズと光ファイバが表面張力により同心で融着されるため、ロッドレンズの端面に2本以上の光ファイバを接続することができないという問題もある。 Also, since the converging rod lens and the optical fiber are fused concentrically by surface tension, there is a problem that two or more optical fibers cannot be connected to the end surface of the rod lens.
このような問題がある一方で今般の光部品の融着接続においては、断面積が2倍以上異なるような光部品同士を融着接続したり、1つの端面に対して複数の光部品を融着接続したいという要望がある。 In spite of these problems, in the fusion splicing of optical parts, fusion of optical parts having cross sections different from each other by two times or more, or fusion of a plurality of optical parts to one end face is performed. There is a request to make a connection.
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、光機能素子の端面の温度分布を均一とするようにレーザビームを照射することで、外径差に拘わらず複数本の光ファイバを同時に融着接続することができる光機能素子付き光ファイバ、その製造方法及び製造装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to irradiate a laser beam so as to make the temperature distribution of an end face of an optical functional element uniform, thereby providing a plurality of laser beams regardless of an outer diameter difference. An object of the present invention is to provide an optical fiber with an optical function element that can be fusion spliced with an optical fiber at the same time, and a method and an apparatus for manufacturing the same.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明によれば、光機能素子の端面に光ファイバ端面を突き合わせ、この突き合わせてなる突合せ部に少なくとも1本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射し、光機能素子の端面と光ファイバの端面とを溶融接続してなることを要旨とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an end face of an optical fiber is abutted on an end face of an optical functional element, and at least one or more laser beams are applied to the abutted portion at a predetermined incident angle. The gist is that irradiation is performed for a certain period of time, and the end face of the optical functional element and the end face of the optical fiber are melt-connected.
請求項2記載の発明によれば、光機能素子の端面に少なくとも1本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射し、該レーザ光で照射された範囲に光ファイバ端面を接触させた後に更に該光機能素子の端面と該光ファイバの端面を接触させた部分にレーザ光を所定の入射角度で照射してなることを要旨とする。 According to the second aspect of the present invention, at least one or more laser beams are irradiated to the end surface of the optical functional element at a predetermined incident angle for a certain period of time, and the end surface of the optical fiber is brought into contact with the area irradiated with the laser light. The gist of the invention is that the laser light is further irradiated at a predetermined incident angle on a portion where the end face of the optical functional element and the end face of the optical fiber are brought into contact.
請求項3記載の発明によれば、請求項1又は2の発明において、入射角度は、前記光機能素子の径方向と、前記光ファイバの軸方向とがなす角度より小さいことを要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the incident angle is smaller than an angle formed by a radial direction of the optical function element and an axial direction of the optical fiber.
請求項4記載の発明によれば、請求項1又は2の発明において、レーザ光の照射時間は、1秒以上20秒以下であることを要旨とする。 According to the fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect, the irradiation time of the laser beam is in the range of 1 second to 20 seconds.
請求項5記載の発明によれば、請求項1又は2の発明において、光機能素子の端面においてレーザ光を照射する位置は、光機能素子の端面中心点を基準としたときに、この中心点から10〜50%ずれた位置に第一のレーザ光の中心がくるようにレーザ光を調節し、また該光機能素子の中心点から−10〜−50%ずれた位置に第二のレーザ光の中心がくるように調節してなることを要旨とする。 According to the fifth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the position where the laser light is irradiated on the end face of the optical functional element is determined with reference to the center point of the end face of the optical functional element. The laser beam is adjusted so that the center of the first laser beam is located at a position shifted by 10 to 50% from the center, and the second laser beam is shifted by −10 to −50% from the center point of the optical function element. The point is that the center is adjusted to be centered.
請求項6記載の発明によれば、請求項1又は2の発明において、光機能素子の端面に前記レーザ光を照射する位置は、光機能素子の端面中心点を基準としたとき、この中心点から30%ずれた位置に第一のレーザ光の中心がくるようにレーザ光を調節し、また光機能素子の中心点から−30%ずれた位置に第二のレーザ光の中心がくるように調節してなることを要旨とする。
According to the invention described in
請求項7記載の発明によれば、請求項1又は2の発明において、光機能素子の端面面積は、前記光ファイバの端面面積の4倍以上を有し、且つ該光ファイバの段差が該光ファイバの全周に渡り光ファイバの半径以上であることを要旨とする。
According to the invention of claim 7, in the invention of
請求項8記載の発明によれば、請求項1又は2の発明において、光機能素子の外面の中で、光ファイバが接続されている面の外周稜線部分に欠けがないことを要旨とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the invention of the first or second aspect, it is the gist that, in the outer surface of the optical functional element, the outer peripheral ridge portion of the surface to which the optical fiber is connected is not chipped.
請求項9記載の発明によれば、光機能素子の端面に光ファイバの端面を接続して光機能素子付き光ファイバを製造する製造方法であって、前記光機能素子の端面と前記光ファイバの端面とを突き合わせる突合せ工程と、前記光機能素子の端面と前記光ファイバの端面を突き合わせてなる突合せ部に、少なくとも1本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する照射工程とを有することを要旨とする。 According to the ninth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an optical fiber with an optical function element by connecting an end face of an optical fiber to an end face of an optical function element, wherein the end face of the optical function element and the optical fiber A butting step of abutting an end face, and an irradiating step of irradiating at least one or more laser beams at a predetermined incident angle for a predetermined time to a butting portion formed by abutting the end face of the optical functional element and the end face of the optical fiber. It is the gist to have.
請求項10記載の発明によれば、光機能素子の端面に光ファイバ端面を接続して光機能素子付き光ファイバを製造する製造方法であって、前記光機能素子の端面に少なくとも1本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する第一の照射工程と、該レーザ光を一定時間照射後、該光機能素子の端面に前記光ファイバの端面を突き合わせる突合せ工程と、突合せ工程後、該光機能素子の端面と該光ファイバの端面の突合せ部分に少なくとも1本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する第二の照射工程とを有することを要旨とする。 According to the tenth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an optical fiber with an optical function element by connecting an end face of an optical fiber to an end face of the optical function element, wherein at least one or more fibers are provided on the end face of the optical function element. A first irradiation step of irradiating a laser beam at a predetermined incident angle for a predetermined time, and after irradiating the laser light for a predetermined time, a butting step of abutting an end face of the optical fiber on an end face of the optical functional element; The present invention has a second irradiation step of irradiating at least one or more laser beams at a predetermined incident angle for a certain period of time to an abutting portion between the end face of the optical function element and the end face of the optical fiber.
請求項11記載の発明によれば、請求項9又は10記載の発明において、第一及び第二の照射工程の入射角度は、25°以上70°以下であることを要旨とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the invention of the ninth or tenth aspect, the gist is that the incident angles in the first and second irradiation steps are not less than 25 ° and not more than 70 °.
請求項12記載の発明によれば、請求項9又は10記載の発明において、レーザ光の照射時間は、1秒以上20秒以下であることを要旨とする。 According to the twelfth aspect of the present invention, in the ninth or tenth aspect, the gist is that the irradiation time of the laser beam is 1 second or more and 20 seconds or less.
請求項13記載の発明によれば、請求項9又は10記載の発明において、光機能素子の端面の前記レーザ光を照射する位置は、光機能素子の端面中心点を基準としたとき、この中心点から30%ずれた位置に第一のレーザ光の中心がくるようにレーザ光を調節し、また光機能素子の中心点から−30%ずれた位置に第二のレーザ光の中心がくるように調節してなることを要旨とする。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the invention according to the ninth or tenth aspect, the position of the end face of the optical function element where the laser light is irradiated is determined by using the center of the end face of the optical function element as a reference. The laser beam is adjusted so that the center of the first laser beam is located at a position shifted by 30% from the point, and the center of the second laser beam is located at a position shifted by -30% from the center point of the optical function element. The gist is that it is adjusted to.
請求項14記載の発明によれば、請求項9又は10記載の発明において、光機能素子の端面面積は、前記光ファイバの端面面積の4倍以上を有し、且つ該光ファイバの段差が該光ファイバの全周に渡り光ファイバの半径以上であることを要旨とする。 According to the fourteenth aspect, in the ninth or tenth aspect, the end face area of the optical functional element has at least four times the end face area of the optical fiber, and the step of the optical fiber has the step. The point is that the radius of the optical fiber is equal to or larger than the radius of the optical fiber over the entire circumference of the optical fiber.
請求項15記載の発明によれば、光機能素子の端面に光ファイバ端面を接続する光機能素子付き光ファイバの製造装置であって、前記光機能素子を保持する保持部と、前記光機能素子の一方の端面を覆うように配置される反射板と、前記光ファイバを水平に載置した状態で移動可能な可動板と、前記可動板をx、y、z軸方向に移動制御する可動板制御部と、該光機能素子及び該光ファイバを溶融する溶融エネルギーを出力するレーザ発生器と、前記レーザ発生器の出力を制御する出力制御部と、前記レーザ発生器から出力されるレーザ光を前記光機能素子の端面に所定の入射角度で入射するように角度制御を行う入射角度制御部と、を備え、光機能部品に集光して光を照射する集光素子を具備することを要旨とする。
According to the invention as set forth in
請求項16記載の発明によれば、請求項15記載の発明において、集光素子が凸レンズであることを特徴と要旨とする。 According to a sixteenth aspect of the present invention, in the fifteenth aspect, the light collecting element is a convex lens.
請求項17記載の発明によれば、請求項15記載の発明において、集光素子が凹面鏡であることを要旨とする。 According to the seventeenth aspect of the present invention, the gist of the fifteenth aspect is that the light-collecting element is a concave mirror.
したがって、本発明にあっては、光機能素子の端面に光ファイバ端面を突き合わせ、この突合せ部に複数本のレーザビームを所定角度で同時に照射して光機能素子の端面に均一温度分布状態を形成することで、径の異なる光機能素子と光ファイバとを溶融接続する。 Therefore, in the present invention, the end face of the optical functional element is abutted with the end face of the optical fiber, and a plurality of laser beams are simultaneously irradiated at a predetermined angle to the abutting portion to form a uniform temperature distribution state on the end face of the optical functional element. Thus, the optical functional elements having different diameters and the optical fiber are fusion-connected.
即ち、本発明によれば、レーザビームの軸を意図的にずらして片方の光部品だけより多くのレーザパワーを照射することができるため、被融着部の材質や熱容量が異なった場合、両者を同時に溶かすことができる。その結果、従来は2つの被融着部を結ぶ軸とレーザビームの軸が一致しており、光ファイバのみにレーザビームが照射されていたため、軟化温度が低い光ファイバが先に溶融していたが、このような問題を解消することができる。 That is, according to the present invention, since the axis of the laser beam can be intentionally shifted and more laser power can be applied to only one of the optical components, when the material and the heat capacity of the parts to be fused are different, the two components are different. Can be melted at the same time. As a result, in the past, the axis connecting the two parts to be fused and the axis of the laser beam coincided, and only the optical fiber was irradiated with the laser beam, so that the optical fiber with a low softening temperature was melted first. However, such a problem can be solved.
また、本発明は、光機能素子の端面に複数本のレーザビームを同時に所定角度で照射することで、広範囲にわたって略均一なエネルギー分布を得ることができるので、従来不可能であった光機能素子の端面に2本以上の光ファイバを同時に融着することを可能にすることができる。また、この融着によれば光ファイバの軸ずれを起こさず低損失で接続することができる。 In addition, the present invention provides an optical functional device that has been impossible in the prior art because a substantially uniform energy distribution can be obtained over a wide range by simultaneously irradiating the end face of the optical functional device with a plurality of laser beams at a predetermined angle. It is possible to simultaneously fuse two or more optical fibers to the end face of the optical fiber. In addition, according to this fusion, the optical fibers can be connected with low loss without causing an axial deviation.
更に本発明にあっては、第一の照射工程で光機能素子のみにレーザビームを所定時間(1秒以上20秒以下)照射し、光機能素子の端面に光ファイバの端面を突き合わせ、更に第二の照射工程で光機能素子と光ファイバの両方を同時に照射することで、光機能素子と光ファイバの溶融温度が異なっていても、溶融接続することができる。 Further, in the present invention, in the first irradiation step, only the optical function element is irradiated with the laser beam for a predetermined time (1 second to 20 seconds), and the end face of the optical fiber is brought into contact with the end face of the optical function element. By simultaneously irradiating both the optical function element and the optical fiber in the second irradiation step, even if the optical function element and the optical fiber have different melting temperatures, fusion connection can be performed.
したがって、光機能素子の端面に光ファイバ端面を突き合わせてなる突合せ部に少なくとも1本以上のレーザビームを照射角度25°〜70°の範囲内で照射することで、光機能素子の端面と光ファイバの端面とを同時に溶融して融着接続することができる。 Therefore, by irradiating at least one or more laser beams within a range of an irradiation angle of 25 ° to 70 ° to a butt portion formed by abutting an end face of an optical functional element with an end face of an optical functional element, the end face of the optical functional element and the optical fiber Can be simultaneously fused and fusion-spliced.
また、光機能素子の端面にレーザビームを照射角度25°〜70°の範囲内で照射し、光機能素子の端面が溶融した後に光ファイバを突合せてもよい。このようにすると端面の溶融温度で光ファイバの端面が溶融し、両方の表面張力により端面同士を接続することができる。尚、この表面張力による接続の後、更にレーザビームを照射することで、より光機能素子と光ファイバの結合強度を高めることができる。 Alternatively, the end face of the optical functional element may be irradiated with a laser beam within an irradiation angle range of 25 ° to 70 °, and the optical fibers may be joined after the end face of the optical functional element is melted. By doing so, the end faces of the optical fiber are melted at the melting temperature of the end faces, and the end faces can be connected by both surface tensions. After the connection by the surface tension, by further irradiating the laser beam, the coupling strength between the optical function element and the optical fiber can be further increased.
更に、光機能素子の端面にレーザビームを照射する際は、2本のレーザビームの各ガウシアン分布の頂点を、一方は光機能素子の端面の中心から10〜50%ずれた位置に照射し、もう一方は−10〜−50%ずれた位置に照射することで、照射パワーの低いところが重なり合い、これにより照射パワーが端面の径方向に向かって平坦な均一エネルギー分布となるので、同時に複数の光ファイバを融着接続することができる。 Furthermore, when irradiating the laser beam to the end face of the optical functional element, the apex of each Gaussian distribution of the two laser beams is illuminated to one of the positions shifted from the center of the end face of the optical functional element by 10 to 50%, The other is irradiated at a position shifted by -10 to -50%, so that the low irradiation power overlaps, and thereby the irradiation power has a flat uniform energy distribution in the radial direction of the end face. The fibers can be fusion spliced.
また本発明の別の効果として機械的信頼性の向上がある。光機能部品であるロッドレンズは、もとのレンズ母材を所定の長さに切断することにより作製されるが、切断の工程によりレンズの端面にチッピング(欠け)が生じ易い。欠けがあると、そこを起点に傷が成長して部品の破壊に至ることがある。特に硬化後の硬度が大きい接着剤を用いて固定などを行うと、接着剤の硬化収縮により歪みが常にかかった状態となり、端面傷が成長して破談に至り易い。 Another effect of the present invention is improvement in mechanical reliability. The rod lens, which is an optical functional component, is manufactured by cutting the original lens base material into a predetermined length. However, chipping is likely to occur on the end surface of the lens in the cutting process. If there is a chip, the damage may grow from the starting point, leading to destruction of the part. In particular, when fixing is performed using an adhesive having a high hardness after curing, the adhesive is constantly distorted due to the curing shrinkage of the adhesive, and the end face scratches grow, which easily leads to breakage.
本発明によりコリメータレンズを作製した場合、ロッドレンズの端面が加熱により溶融し、表面張力により、端面の稜線部分は自然な曲率を持つようになる。レーザ照射時間を調整することで、端部の欠けは無くなり、適当に丸みを帯びることになる。これにより機械的信頼性が向上する。 When a collimator lens is manufactured according to the present invention, the end face of the rod lens is melted by heating, and the ridge portion of the end face has a natural curvature due to surface tension. By adjusting the laser irradiation time, chipping at the end is eliminated, and the laser is appropriately rounded. This improves the mechanical reliability.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第一の実施の形態)
図1は、本発明の第一の実施の形態に係る光機能素子付き光ファイバを製造する製造装置1の構成図である。図2は、本発明の光機能素子付き光ファイバ(2心光ファイバコリメータ10)の概略構成図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a manufacturing apparatus 1 for manufacturing an optical fiber with an optical function element according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an optical fiber with an optical function element (two-core optical fiber collimator 10) of the present invention.
まず図1に示すように、本発明の光機能素子付き光ファイバの製造装置1は、CO2レーザビーム(以下、レーザビームという。)を出力するCO2レーザ発振器2と、このレーザビームを二分岐するハーフミラー3と、レーザビームを全反射する全反射ミラー4と、レーザビームの径を絞る集光レンズ5と、入射光を平行光に変換するコリメートレンズ(光機能素子)11と、コリメートレンズ11の一方の端面に垂直に配置される2本の光ファイバ(入力側光ファイバ12と出力側光ファイバ14)と、入力側光ファイバ12及び出力側光ファイバ14を載置する移動可能な可動板7と、入力側光ファイバ12に入射させるテスト光を出力する光源6と、テスト光の出力光パワーを検出するパワーメータ8と、これら各種機能部を制御する制御部9とを少なくとも備えている。
First, as shown in FIG. 1, the manufacturing apparatus 1 of the optical functional device with optical fibers of the present invention, a CO 2 laser beam and CO 2 laser oscillator 2 (hereinafter, referred to as a laser beam.) Outputs a, the laser beam two A
ここで光ファイバ12、14は、石英ガラスからなる光ファイバであるが、これに限定されるものではなく、フッ化物ガラスや多成分ガラスと呼ばれる種類のものでもよい。またコリメートレンズ11の材質は石英ガラスであるが、これに限定されるものではなく、例えばセルフォックレンズ(日本板硝子社製)などのイオン交換型のロッドレンズでも良い。また光機能素子はコリメートレンズに限定されるものではなく、光アイソレータに用いられるファラデー素子などであってもよい。
Here, the
ここでハーフミラー3は、CO2レーザ発振器2の出射口近傍に配置され、出力されたレーザビームを50%ずつに分岐させるものである。全反射ミラー4は、ハーフミラー3で分岐された2本のレーザビームをそれぞれコリメートレンズ11の端面にまで等距離で反射させながら伝播するため、予め計算された光路上に配置されている。ここでCO2レーザ発振器2から出力される出力波長は10.6μmである。
Here, the
また、入力側光ファイバ12と出力側光ファイバ14のそれぞれ一方の端面は、コリメートレンズ11の端面に対向して配置され、入力側光ファイバ12と出力側光ファイバ14は共に0.1μm以下の精度で可動する可動板7の上に載置されている。そして入力側光ファイバ12の他端には光源6が接続され、出力側光ファイバ14の他端にはパワーメータ8が接続されている。尚、コリメートレンズ11に対向配置されている各光ファイバ12,14の先端部は、被覆が一定長剥がされて光ファイバ素線13が露出されている状態である。
One end face of each of the input-side
一方、コリメートレンズ11の他端には、この端面を覆うように反射板16が配置され、このコリメートレンズ11と反射板16とが一括して光機能素子ホルダ17にセットされることにより固定されている。
On the other hand, a reflector 16 is disposed at the other end of the
図示してないが制御部9には、可動板7をx、y、z軸方向にそれぞれ0.1μm以下の精度で自在に移動させる可動板制御部と、CO2レーザ発振器2から出力されるレーザビームの出力を制御する出力制御部と、レーザビームが光機能素子11の端面に所定の入射角度で入射するように角度を制御する角度制御部と、コリメートレンズ11の端面に照射するレーザビームの照射時間を制御するタイマ制御部とを少なくとも具備している。
Although not shown, the control unit 9 outputs a signal from the CO 2 laser oscillator 2 to the movable plate control unit that freely moves the movable plate 7 in the x, y, and z axis directions with an accuracy of 0.1 μm or less. An output controller for controlling the output of the laser beam, an angle controller for controlling the angle so that the laser beam is incident on the end face of the
次に、この光機能素子付き光ファイバ製造装置1の作用及び効果を説明する。 Next, the operation and effect of the optical fiber manufacturing apparatus 1 with an optical function element will be described.
図1に示すように、CO2 レーザ発振器2から出力されたレーザビームは、ハーフミラー3で二分岐され、分岐された各レーザビームはそれぞれ全反射ミラー4、集光レンズ5及びバンドルファイバ(図示せず)等を通過してコリメートレンズ11の端面まで等距離で導かれる。
As shown in FIG. 1, a laser beam output from a CO 2 laser oscillator 2 is branched into two by a
ここで可動板7を移動する制御指令が入力されると、可動板制御部はコリメートレンズ11と各光ファイバ12,14の対向位置関係を制御する。具体的な調整方法は、まず光源6から出射されたテスト光(波長λ1)を入力側光ファイバ12に入射させ、続いてコリメートレンズ11に入射してコリメートレンズ11の端面で反射された反射光λ1’を出力側光ファイバ14の端に接続されているパワーメータ8でモニタリングしながら軸方向を調節することで、光ファイバとコリメートレンズ11の精確な位置合わせ(調心)を行う。
Here, when a control command for moving the movable plate 7 is input, the movable plate control unit controls the opposing positional relationship between the
この調心後、2本の光ファイバ12,14を一旦コリメートレンズ11から一方向に引き離し(引き離した距離を記憶しておいて)、次にレーザビームの入射角度調節を行う。この入射角度調節は、手動で行っても自動で行ってもよい。自動調節の場合は、例えばコリメートレンズ11の端面に入射する角度と、入射角度を実現するために全反射ミラー4をどのくらい傾けるか、その角度を関連付けて予めデータベース化してメモリ(不揮発性記憶媒体)等に記憶させておき、指定の入射角度が入力されると、この指令に応じた入射角度に対応するミラーの傾き角度をデータベースから読み込み、全反射ミラー4に伝達することで傾斜角度の調節を行う。尚、所定の入射角度については図5を参照して以下で後述する。
After this alignment, the two
次いで、上記照射角度・照射位置の調整を行った後、コリメートレンズ11を溶融する溶融温度に上昇させたレーザビームの出力を開始する。そしてコリメートレンズとの溶融が開始すると、先に引き離しておいた各光ファイバ12,14の端面をもとの通り戻して、溶融したコリメートレンズ11の端面に接触させる。これにより溶融したコリメートレンズ11と光ファイバとが表面張力により溶融接続する。
Next, after the irradiation angle and the irradiation position are adjusted, the output of the laser beam whose melting temperature has been increased to start melting the
ここでコリメートレンズ11を十分に溶融させるためにはレーザービームを集光レンズ5で集光する必要がある。これは通常安価に手に入るレーザーでは出力パワー密度が低いため、コリメートレンズ11の端面を溶融するに至るに十分な熱量が得られない。本実施の形態では、集光レンズ5には、10.6μmのレーザー波長を透過する、セレン化亜鉛やゲルマニウムなどからなる凸レンズを用いているが、これは特殊な材料からなり高価である。そのため集光レンズ5を除いて、全反射ミラー4の代わりに、凹面鏡を用いても同様の集光効果が得られ、安価に装置を実現できる。
Here, in order to sufficiently melt the
尚、ここではコリメートレンズ11と光ファイバの突合せを先に行い、後でレーザビームを照射しているが、これに拘わらず、まず最初に光ファイバを引き離した状態でコリメートレンズ11にのみレーザビームを照射し、その後光ファイバを接触させて、コリメートレンズ11の溶融温度により表面張力で光ファイバを接続するようにしてもよい。また、より信頼性を高めるために両者を接続させた後に更にレーザビームを照射してもよい。これにより更に結合密度を上昇させることができる。
Here, the collimating
そして最後に、レーザビームの照射部分の温度が十分下がったことを確認後、光機能素子ホルダ17から完成した2心光ファイバコリメータ10を取り外す。
Finally, after confirming that the temperature of the irradiated portion of the laser beam has sufficiently decreased, the completed two-core optical fiber collimator 10 is removed from the optical
図2は、このようにして製造された2心光ファイバコリメータ10の構成を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the two-core optical fiber collimator 10 manufactured in this manner.
このようにレーザビームは光ファイバの軸に対して斜めから所定角度で照射し、コリメートレンズ11の端面を溶融すると共に光ファイバ12,14の端面側にもレーザビームの熱エネルギーが回り込むので、確実にコリメートレンズ11を光ファイバ12,14に接続できる。
As described above, the laser beam is irradiated at a predetermined angle from the axis of the optical fiber obliquely to melt the end face of the collimating
また、このようにコリメートレンズ11の端面に2本の光ファイバ12,14が接続されたところで、更に接続部分にレーザビームを照射することで結合密度を向上させている。
Further, when the two
一方図2に示すように、完成した2心光ファイバコリメータ10は、コリメートレンズ11の端面に2本の光ファイバ12,14が平行に接続された構成となっており、具体的には、コリメートレンズ11の直径がW1、入力側光ファイバ12の光ファイバ素線13の直径がW2、出力側光ファイバ14の光ファイバ素線15の直径がW3、融着接続された光ファイバ素線13とコリメートレンズの外周までの最短距離がW2/2を有しているものである。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the completed two-core optical fiber collimator 10 has a configuration in which two
このような2心光ファイバコリメータ10に伝播光を入力側光ファイバ12から入射させると、コリメートレンズ11の端面で反射され、その光が出力側光ファイバ14の出力端から出射される作用を有する。
When propagating light enters the two-core optical fiber collimator 10 from the input side
したがって本発明によれば、光機能素子の端面積、光ファイバの端面積、光機能素子と光ファイバの段差に関係なく、例え光機能素子の断面積が光ファイバの断面積より4倍以上、且つ段差が光ファイバ全周に渡り光ファイバの半径以上であっても、レーザビームを所定の入射角度で入射させることで所望の位置にレーザビームを照射することができるので融着接続することが可能となる。 Therefore, according to the present invention, regardless of the end area of the optical functional element, the end area of the optical fiber, and the step between the optical functional element and the optical fiber, the cross-sectional area of the optical functional element is at least four times the cross-sectional area of the optical fiber, Even if the step is equal to or larger than the radius of the optical fiber over the entire circumference of the optical fiber, the laser beam can be irradiated to a desired position by entering the laser beam at a predetermined incident angle. It becomes possible.
尚、ここで光機能素子は、コリメートレンズとしたが、光機能素子はこれに限らず、単一屈折率型レンズやグレーデッドインデックス型レンズ等のようなロッドレンズでよい。 Here, the optical functional element is a collimating lens, but the optical functional element is not limited to this, and may be a rod lens such as a single refractive index type lens or a graded index type lens.
次に、図3の光機能素子付き光ファイバの融着接続工程において光機能素子11の端面を拡大したときの端面拡大図を参照して照射環境を詳述する。また図4を参照して、光機能素子の端面におけるレーザビームのエネルギー分布状態を説明する。更に図5を参照して、レーザビームの照射角度に対する石英ガラスの吸収率を説明する。
Next, the irradiation environment will be described in detail with reference to an enlarged view of the end face when the end face of the
まず図3に示すように、2本のレーザビームa、レーザビームbが、コリメートレンズ11の端面に対して所定角度、所定間隔、且つ所定のレーザエネルギーで入射している。図3は、このような環境においてコリメートレンズ11の端面上に形成された均一な熱エネルギー分布範囲内に光ファイバ素線13,15を垂直に挿入している状態を示している。
First, as shown in FIG. 3, two laser beams a and b are incident on the end face of the
この状態においてレーザビームaと光ファイバ素線13の軸がなす角度をθ1、レーザビームbと光ファイバ素線15の軸とがなす角度をθ2としたとき、角度θ1を25°〜70°、角度θ2を25°〜70°とすると、光ファイバ素線13,15とコリメートレンズ11とを同時に溶融することができる。
In this state, assuming that the angle between the laser beam a and the axis of the
尚、図示してないが、理想的にはコリメートレンズ11に照射するレーザビームの直径が、コリメートレンズ11の断面直径とほぼ等しくなることが望ましい。
Although not shown, ideally, the diameter of the laser beam applied to the
この状態において図3の端面Y−Y方向における照射範囲内のエネルギ−分布は、図4に示す通りである。ここで図4の横軸は光機能素子の端面直径(μm)を示し、縦軸はレーザビームのパワー(mW)を示している。また図4に示すように、2本のレーザビームa,bのエネルギー分布は共にガウシアン型を有している。そのため2つのエネルギー分布の裾野を重なり合わせるようにレーザビームの照射範囲を角度制御部で調節することで、エネルギーの低い部分同士のエネルギーを高くし、上面がほぼ平坦の台形状のエネルギー分布を得る。 In this state, the energy distribution within the irradiation range in the YY direction of the end face in FIG. 3 is as shown in FIG. Here, the horizontal axis of FIG. 4 indicates the end face diameter (μm) of the optical function element, and the vertical axis indicates the power (mW) of the laser beam. As shown in FIG. 4, the energy distributions of the two laser beams a and b are both Gaussian. Therefore, by adjusting the irradiation range of the laser beam by the angle control unit so as to overlap the bases of the two energy distributions, the energy of the low energy portions is increased, and a trapezoidal energy distribution having a substantially flat upper surface is obtained. .
この2つのエネルギー分布の具体的な重ね合わせ方法は、コリメートレンズ11の中心0を基準としたとき、この中心0から30%ずれた位置にレーザビームaの中心がくるようにレーザビームaを調節し、同様にしてコリメートレンズの中心0から−30%ずれた位置にレーザビームbの中心がくるように調節することで、図4に示したように上面のエネルギー分布が略均一なエネルギー分布を得ることができる。
A specific method of superimposing the two energy distributions is to adjust the laser beam a so that the center of the laser beam a is shifted by 30% from the
またこれに限らず、各エネルギー分布の最大エネルギー値の半分の値のところで、2つのエネルギー分布同士が重なり合うように配置することでも、上面が略均一となるエネルギー分布を得ることができる。 However, the present invention is not limited to this, and by arranging the two energy distributions so as to overlap each other at a half value of the maximum energy value of each energy distribution, it is possible to obtain an energy distribution in which the upper surface is substantially uniform.
レーザビームの位置を変えたときに、2心融着ができるかどうかと、平均の引張り破断強度を測定した結果を表1に示す。ここで引張り強度とは、できあがったコリメータに引張り張力を破断するまで印加していき、コリメータが破断したときの強度である。うまく融着接続できていれば引張り強度は高くなり、その数値は高ければ高い方が望ましいが、実用上は500g重以上であれば十分といえる。表1にまとめた結果から、2心の融着ができるのは、第一のレーザ光の位置が10〜70%、第二のレーザ光の位置が−10〜−70%の位置のときである。しかし第一のレーザ光の位置が60%〜70%、第二のレーザ光の位置が−60〜−70%の位置のときは、十分な引張り強度が得られていない。従って、第一のレーザ光の位置は10〜50%、第二のレーザ光の位置が−10〜−50%の位置であることが望ましい。
一方、照射角度と石英ガラスの吸収率の関係は、図5に示すように横軸をCO2レーザの照射角度θ[deg]とし、縦軸を石英ガラスでの吸収率[%]としたとき、照射角度θ1,θ2が大きくなるにつれて吸収率が低下することが示されている。実験を行った結果、実用的に十分な強度で融着を行うためには、石英ガラスでのレーザーパワーの吸収率は60%以上が好ましいことが分かった。この結果と図5の関係から、照射角度は70°以下にすることが望ましい。 On the other hand, the relationship between the irradiation angle and the absorptance of the quartz glass is shown in FIG. 5 when the horizontal axis is the irradiation angle θ [deg] of the CO 2 laser and the vertical axis is the absorptivity [%] of the quartz glass. It is shown that the absorption rate decreases as the irradiation angles θ1 and θ2 increase. As a result of an experiment, it has been found that, in order to perform fusion with practically sufficient strength, the absorptance of laser power in quartz glass is preferably 60% or more. From the relationship between this result and FIG. 5, the irradiation angle is desirably 70 ° or less.
一方照射時間は、接続する光機能素子の材質や照射するレーザ光のパワーにもよるが、1秒以下の時間では、光機能部品に光ファイバを融着する際に、光機能部品が十分に軟化した状態ではなく、接続した後に光ファイバが取れ易い状態になる。このため照射時間は1秒以上にする必要がある。また、照射時間が20秒以上になると、光機能部品全体に熱が伝わり、光機能部品の変形などが生じ易くなる。そのため光機能部品の性能が劣化しまう場合がある。このため照射時間は20秒以下にすることが望ましい。 On the other hand, the irradiation time depends on the material of the optical functional element to be connected and the power of the laser light to be irradiated, but if the time is 1 second or less, the optical functional component can be sufficiently fused when the optical fiber is fused to the optical functional component. It is not in a softened state, but in a state in which the optical fiber can be easily removed after connection. Therefore, the irradiation time needs to be 1 second or more. If the irradiation time is longer than 20 seconds, heat is transmitted to the entire optical functional component, and the optical functional component is likely to be deformed. Therefore, the performance of the optical functional component may deteriorate. Therefore, the irradiation time is desirably set to 20 seconds or less.
以上の理由から、レーザ光の照射時間については、1秒以上20秒以下にすることが望ましい。また、照射時間が20秒以下の場合であっても、加熱により光機能部品に添加されている成分の拡散が生じ、部品の性能に変化が生じる可能性がある。例えば、石英ロッドレンズでは、屈折率分布を形成するためにゲルマニウムを添加しているが、レーザ照射により生ずる熱により、長時間の照射ではゲルマニウムが拡散し屈折率分布が変わってしまう恐れがある。このため照射時間はできれば10秒以下であることが望ましい。 For the above reasons, it is desirable that the irradiation time of the laser beam be 1 second or more and 20 seconds or less. Further, even when the irradiation time is 20 seconds or less, the components added to the optical functional component may be diffused by heating, and the performance of the component may be changed. For example, in a quartz rod lens, germanium is added to form a refractive index distribution. However, heat generated by laser irradiation may cause germanium to diffuse and change the refractive index distribution in long-term irradiation. Therefore, the irradiation time is desirably 10 seconds or less if possible.
具体的には、レーザビームaの照射角度θ1を例えば30°程度に小さくするとコリメートレンズ11端面の吸収率が高くなり、端面での溶融効率が上がる。
Specifically, when the irradiation angle θ1 of the laser beam a is reduced to, for example, about 30 °, the absorptance at the end face of the
レーザビームbについても同様に照射角度θ2を例えば30°程度に小さくするとコリメートレンズ11端面の吸収率が高くなり、端面での溶融効率が上がる。
Similarly, when the irradiation angle θ2 of the laser beam b is reduced to, for example, about 30 °, the absorptance of the end face of the
したがって2つのレーザビームの角度を小さくした状態で60°ずつ重ね合わせることで、1本のレーザビームで実現するよりも均一温度分布を広範囲に渡って得ることが出来る。尚、照射角度を25°以下に小さくすると(照射を光ファイバ寄りにする)光ファイバの外周が溶融されてしまうので、25°以下に小さくすることは好ましくない。 Therefore, by superposing the two laser beams at an angle of 60 ° at a reduced angle, a uniform temperature distribution can be obtained over a wider range than realized by a single laser beam. If the irradiation angle is reduced to 25 ° or less (the irradiation is made closer to the optical fiber), the outer periphery of the optical fiber is melted, so it is not preferable to reduce the irradiation angle to 25 ° or less.
以上のことから、光機能部品を十分加熱し、且つ光ファイバ外周を溶融しないようにするためには、レーザーの照射角度に関して25°〜70°の間で調節することが望ましい。 From the above, it is desirable to adjust the irradiation angle of the laser between 25 ° and 70 ° in order to sufficiently heat the optical functional component and not to melt the outer periphery of the optical fiber.
また本製造装置1のレーザビームa,bの光軸は、光ファイバの中心軸と垂直にならないように配置させているため、従来レーザビームは2次元的な広がりをしていたが、本発明では3次元的な分布の拡がりを持たせている。これによりコリメートレンズ11にのみレーザビームを照射させることや、光ファイバ素線13,15をコリメートレンズ11の端面に突合せてから照射させることや、両方を同時に照射させることも可能となる。
Further, since the optical axes of the laser beams a and b of the manufacturing apparatus 1 are arranged so as not to be perpendicular to the central axis of the optical fiber, the laser beam has conventionally been two-dimensionally spread. Has a three-dimensional distribution. This makes it possible to irradiate only the
また本実施の形態においては、2本のレーザビームa,bを用いて均一エネルギー分布を広範囲で得るようにしているが、複数のレーザビームを用いて更に広範囲に渡って均一エネルギー分布を得るようにすることもできる。 In the present embodiment, the uniform energy distribution is obtained over a wide range using two laser beams a and b. However, the uniform energy distribution is obtained over a wider range using a plurality of laser beams. You can also
更に本実施の形態においては、コリメートレンズ11や光ファイバ素線13,15の材質が石英系である場合についてのみ記載したが、これに限らずコリメートレンズ11と光ファイバ素線13,15の材質が異なったり、接続部分が表面上でなかったりしていても、照射角度θを調整することにより、両者を均一に溶かして安定した融着を行うことができる。
Further, in the present embodiment, the description has been given only of the case where the material of the collimating
また更に本発明の製造装置1は、コリメートレンズ11のみに照射する時間と、コリメートレンズ11と光ファイバ素線13,15の両方を同時に照射する時間(コリメートレンズ11を光ファイバ素線13,15から離す距離と接近させる速度)を制御するタイマ制御部も備えているため、照射位置・照射角度だけでは光機能素子と光ファイバを均一に溶かすことが出来ない場合は、これらの要素を含めて最適条件を出すことができる。
Further, the manufacturing apparatus 1 of the present invention further includes a time for irradiating only the collimating
つまり、以下の4つの要素を制御することにより低損失で接続することができる。本実施の形態のようにコリメートレンズ11を使用した場合は、0.1dB以下の接続損失で作製することができる。(1) CO2 レーザの照射位置、(2) CO2 レーザビームの照射角度θ、(3) 光機能素子のみに照射する時間、(4) 光機能素子と光ファイバの両方を同時に照射する時間。
That is, by controlling the following four elements, connection can be made with low loss. When the collimating
また本発明の別の効果として機械的信頼性の向上がある。光機能部品であるロッドレンズは、もとのレンズ母材を所定の長さに切断することにより作製されるが、切断の工程によりレンズの端面にチッピング(欠け)が生じ易い。欠けがあると、そこを起点に傷が成長して部品の破壊に至ることがある。特に硬化後の硬度が大きい接着剤を用いて固定などを行うと、接着剤の硬化収縮により歪みが常にかかった状態となり、端面傷が成長して破談に至り易い。 Another effect of the present invention is improvement in mechanical reliability. The rod lens, which is an optical functional component, is manufactured by cutting the original lens base material into a predetermined length. However, chipping is likely to occur on the end surface of the lens in the cutting process. If there is a chip, the damage may grow from the starting point, leading to destruction of the part. In particular, when fixing is performed using an adhesive having a high hardness after curing, the adhesive is constantly distorted due to the curing shrinkage of the adhesive, and the end face scratches grow, which easily leads to breakage.
本発明によりコリメータレンズを作製した場合、ロッドレンズの端面が加熱により溶融し、表面張力により、端面の稜線部分は自然な曲率を持つようになる。レーザ照射時間を調整することで、端部の欠けは無くなり、適当に丸みを帯びることになる。これにより機械的信頼性が向上する。 When a collimator lens is manufactured according to the present invention, the end face of the rod lens is melted by heating, and the ridge portion of the end face has a natural curvature due to surface tension. By adjusting the laser irradiation time, chipping at the end is eliminated, and the laser is appropriately rounded. This improves the mechanical reliability.
これを確認するために、端部に欠けのあるものと、本発明により作製した欠けのないコリメータについて、繰り返し液体窒素中につけ温度差による歪みを繰り返し与える実験を行った。その結果、繰り返し温度歪みを与えた回数と累積故障率を表2に示す。尚、試験を行ったコリメータの数は、それぞれ20個である。表2から明らかなように、欠けのない場合は全く破断が生じず、機械的信頼性が非常に良好であることがわかる。
(変形例1)
図6は、本発明の第二の変形例に係る光機能素子付き光ファイバの製造装置及び製造方法を示す図であり、図7は、この光機能素子の端面を拡大した端面拡大図である。
(Modification 1)
FIG. 6 is a diagram showing a manufacturing apparatus and a manufacturing method of an optical fiber with an optical function element according to a second modification of the present invention, and FIG. 7 is an enlarged end view showing an end surface of the optical function element. .
本変形例は、第一の実施の形態と比較して、第一の実施の形態がコリメートレンズ11に2本のレーザビームを入射させていたのに対し、複数本(4本)のレーザビームを入射させる点で異なる。この実現方法は、1個のCO2レーザから出射される1本のレーザビームをハーフミラー3と全反射ミラー4と集光レンズ5(図7に図示)を用いて4本の光路に分岐し、それぞれ光路を等距離にしてコリメートレンズ11の端面に同時に入射させている。そして、4本のレーザビームの照射により形成された照射範囲に4本の光ファイバ12の端面を垂直に突き合わせて融着接続している。
The present modified example is different from the first embodiment in that two laser beams are incident on the
図7は、具体的にコリメートレンズの端面に4本のレーザビームが入射された状態を示している。このとき4本のレーザビームの照射は、図4で説明したようにエネルギー分布が広範囲に渡って均一化されるように、エネルギー分布の裾野を重なり合わせている。具体的な重ね合わせは第一の実施の形態で説明した方法と同じであり、つまりは各種ミラーの傾斜角度を25°〜70°にすることで行う。 FIG. 7 specifically shows a state in which four laser beams are incident on the end face of the collimator lens. At this time, the irradiation of the four laser beams overlaps the bases of the energy distribution so that the energy distribution is uniform over a wide range as described with reference to FIG. The specific superposition is the same as the method described in the first embodiment, that is, the superposition is performed by setting the inclination angles of various mirrors to 25 ° to 70 °.
このようにレーザビームの照射本数を増やすことで、よりコリメートレンズの端面に広範囲に渡って均一な照射エネルギー分布を形成することができるので、第一の実施の形態に比べて多数本の光ファイバを同時に融着接続することができる。 By increasing the number of laser beam irradiations in this manner, a uniform irradiation energy distribution can be formed over a wider area on the end face of the collimating lens. Can be simultaneously fusion-spliced.
(変形例2)
次に、本発明の光機能素子付き光ファイバの変形例2を説明する。図8は、本発明の光機能素子付き光ファイバの製造方法において、光機能素子の端面に照射するレーザビーム量と光ファイバに照射するレーザビーム量の割合を示したエネルギー分布図である。
(Modification 2)
Next,
上述してきたように、レーザビームの光軸と光ファイバの中心軸とは照射角度θ1だけずれているため、光機能素子の端面に照射するレーザビーム量と光ファイバの端面に照射するレーザビーム量とを同図に示すように、2:8や、3:7というように任意割合で変化させることができる。このようにすることで、溶け難い光機能素子には多量のレーザビームを照射し、溶け易い光ファイバには少量のレーザビームを照射することで両者を同時に溶融して接続しようとすることができる。 As described above, since the optical axis of the laser beam and the central axis of the optical fiber are shifted by the irradiation angle θ1, the amount of the laser beam irradiated on the end face of the optical functional element and the amount of the laser beam irradiated on the end face of the optical fiber Can be changed at an arbitrary ratio such as 2: 8 or 3: 7 as shown in FIG. In this way, it is possible to irradiate a large amount of a laser beam to a hardly meltable optical functional element and irradiate a small amount of a laser beam to an easily meltable optical fiber to melt and connect the two at the same time. .
具体的な実現方法は、図1に示した製造装置1の構成図において、全反射ミラー4や、集光レンズ5を調節して行う。つまり、例えば制御部9に全反射ミラー4と集光レンズ5の傾きをどのくらい変えると照射角度や照射量が変化するかデータベース化して保存しておき、適宜必要に応じて傾きデータを読み出して全反射ミラー4や集光レンズ5の角度変更を自動調節することで所望の割合で光機能素子や光ファイバにレーザビームを照射する。
A specific realization method is performed by adjusting the total reflection mirror 4 and the
これにより、例え光機能素子と光ファイバの熱容量差(溶け方の差)が大きくても、光機能素子には80%のレーザビームを照射し、光ファイバには20%のレーザビームを照射することで、両者を同時に溶かし融着接続することができる。 Thus, even if the heat capacity difference (diffusion difference) between the optical function element and the optical fiber is large, the optical function element is irradiated with a laser beam of 80% and the optical fiber is irradiated with a laser beam of 20%. Thereby, both can be melted simultaneously and fusion-spliced.
(使用例)
図9は、本発明の光機能素子付き光ファイバの使用例を示す図である。また図10は、本発明の光機能素子付き光ファイバの他の使用例を示す図である。更に図11は、光機能素子として3次元媒体を使用した場合の光機能素子付き光ファイバの構成を示す図である。
(Example of use)
FIG. 9 is a diagram showing an example of use of the optical fiber with an optical function element of the present invention. FIG. 10 is a diagram showing another example of use of the optical fiber with an optical function element of the present invention. FIG. 11 is a diagram showing a configuration of an optical fiber with an optical function element when a three-dimensional medium is used as the optical function element.
まず図9に示すように、この光機能素子付き光ファイバは、光機能素子である屈折率分布型レンズ21に光ファイバ素線13を本発明の製造方法で融着接続してなる、いわゆる光ファイバコリメータである。
First, as shown in FIG. 9, this optical fiber with an optical function element is a so-called optical fiber obtained by fusion-splicing an
このような光ファイバコリメータの光ファイバ素線13の一端から光を入力すると、光は屈折率分布型レンズ21内で広がり最終的に平行光となってレンズ21の端から出力される。この作用は一般的な作用であるが、本発明の製造方法及び製造装置を用いることで、光ファイバ素線13の外径と屈折率分布型レンズ21の外径との差に2倍以上の開きがあっても両者を確実に高溶融密度で融着接続することができるという効果がある。
When light is input from one end of the
また同様に、図10に示すような1個のコリメートレンズ11に2本の光ファイバ素線13,15を融着接続してなる、いわゆる2心ファイバコリメータに、誘電体多層膜フィルタを介して、光ファイバコリメータを配置することで、異なる2つの光を分割することもできる。
Similarly, a so-called two-core fiber collimator in which two
この場合上記と同様に伝播作用は一般的であるが、製造方法において、従来は外径が2倍以上、端面積4倍以上の差がある光部品同士を融着接続することができなかったが、本発明によれば両者を確実に高溶融密度で融着接続することできる。 In this case, the propagation action is common as described above, but in the manufacturing method, conventionally, it has not been possible to fusion splice optical components having a difference of 2 times or more in outer diameter and 4 times or more in end area. However, according to the present invention, the two can be reliably fused and connected at a high melting density.
一方、図11は三次元媒体としてプリズムを使用した場合の例である。この場合、プリズムのある一面に入力用の光ファイバ素線13を本発明の製造方法で融着し、このプリズム内で分岐された光が出力する位置に出力用の光ファイバ素線15を本発明の製造方法でレーザ融着することで、光を三次元的に伝播させることができる。
FIG. 11 shows an example in which a prism is used as a three-dimensional medium. In this case, the input
本使用例の場合も上記と同様に、光ファイバの外径や融着される(ここではプリズム)端面積の大きさに関係なく融着接続することができるという効果がある。 Also in the case of this use example, similarly to the above, there is an effect that the fusion splicing can be performed regardless of the outer diameter of the optical fiber and the size of the end area to be fused (here, prism).
1…光ファイバ製造装置
2…レーザ発振器
3…ハーフミラー
4…全反射ミラー
5…集光レンズ
6…光源
7…可動板
8…パワーメータ
9…制御部
10…2心光ファイバコリメータ
11…コリメートレンズ
12,14…光ファイバ
13,15…光ファイバ素線
16…反射板
17…光機能素子ホルダ
21…屈折率分布型レンズ
101…光機能素子付き光ファイバ
102…ロッドレンズ
103…集光レンズミラー
103a…貫通穴
104…光ファイバ
105…レーザビーム
112…石英系光導波路
114…光ファイバ
122…光機能素子
123…電極棒
124…光ファイバ
125…アーク放電
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical
Claims (17)
25°以上70°以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光機能素子付き光ファイバ。 The incident angle is
The optical fiber with an optical function element according to claim 1, wherein the optical fiber is at least 25 ° and at most 70 °.
1秒以上20秒以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光機能素子付き光ファイバ。 The irradiation time of the laser light,
The optical fiber with an optical functional element according to claim 1, wherein the optical fiber has a duration of 1 second to 20 seconds.
前記光ファイバの端面面積の4倍以上を有し、且つ該光ファイバの段差が該光ファイバの全周に渡り光ファイバの半径以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光機能素子付き光ファイバ。 The end surface area of the optical functional element,
3. The light according to claim 1, wherein the optical fiber has at least four times the end face area of the optical fiber, and a step of the optical fiber is at least a radius of the optical fiber over the entire circumference of the optical fiber. 4. Optical fiber with functional element.
前記光機能素子の端面と前記光ファイバの端面とを突き合わせる突合せ工程と、
前記光機能素子の端面と前記光ファイバの端面を突き合わせてなる突合せ部に、少なくとも1本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する照射工程と、
を有することを特徴とする光機能素子付き光ファイバの製造方法。 A method for manufacturing an optical fiber with an optical functional element by connecting an end face of an optical fiber to an end face of the optical functional element,
A butting step of abutting the end face of the optical functional element and the end face of the optical fiber,
An irradiation step of irradiating at least one or more laser beams at a predetermined incident angle for a predetermined time to a butted portion formed by abutting an end face of the optical functional element and an end face of the optical fiber,
A method for producing an optical fiber with an optical function element, comprising:
前記光機能素子の端面に少なくとも1本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する第一の照射工程と、
該レーザ光を一定時間照射後、該光機能素子の端面に前記光ファイバの端面を突き合わせる突合せ工程と、
突合せ工程後、該光機能素子の端面と該光ファイバの端面の突合せ部分に少なくとも1本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する第二の照射工程と、
を有することを特徴とする光機能素子付き光ファイバの製造方法。 A method for manufacturing an optical fiber with an optical functional element by connecting an optical fiber end face to an end face of the optical functional element,
A first irradiation step of irradiating at least one or more laser beams to the end face of the optical functional element at a predetermined incident angle for a predetermined time,
After irradiating the laser light for a certain period of time, a butting step of abutting the end face of the optical fiber on the end face of the optical functional element,
After the butting step, a second irradiation step of irradiating at least one or more laser beams at a predetermined incident angle for a certain time to a butted portion of the end face of the optical functional element and the end face of the optical fiber,
A method for producing an optical fiber with an optical function element, comprising:
25°以上70°以下であることを特徴とする請求項9又は10記載の光機能素子付き光ファイバの製造方法。 The incident angle in the first and second irradiation steps,
The method for producing an optical fiber with an optical function element according to claim 9, wherein the optical fiber has an angle of 25 ° or more and 70 ° or less.
1秒以上20秒以下であることを特徴とする請求項9又は10に記載の光機能素子付き光ファイバの製造方法。 The irradiation time of the laser light,
The method for producing an optical fiber with an optical function element according to claim 9, wherein the time is from 1 second to 20 seconds.
前記光ファイバの端面面積の4倍以上を有し、且つ該光ファイバの段差が該光ファイバの全周に渡り光ファイバの半径以上であることを特徴とする請求項9又は10に記載の光機能素子付き光ファイバの製造方法。 The end surface area of the optical functional element,
The light according to claim 9, wherein the optical fiber has four times or more the end surface area of the optical fiber, and a step of the optical fiber is equal to or more than a radius of the optical fiber over the entire circumference of the optical fiber. Manufacturing method of optical fiber with functional element.
前記光機能素子を保持する保持手段と、
前記光機能素子の一方の端面を覆うように配置される反射板と、
前記光ファイバを水平に載置した状態で移動可能な可動板と、
前記可動板をx、y、z軸方向に移動制御する可動板制御手段と、
該光機能素子及び該光ファイバを溶融する溶融エネルギーを出力するレーザ発生手段と、
前記レーザ発生手段の出力を制御する出力制御手段と、
前記レーザ発生手段から出力されるレーザ光を前記光機能素子の端面に所定の入射角度で入射するように角度制御を行う入射角度制御手段と、を備え、
光機能部品に集光して光を照射する集光素子を具備することを特徴とする光機能素子付き光ファイバの製造方法。 An optical fiber-equipped optical fiber manufacturing apparatus for connecting an optical fiber end face to an end face of an optical functional element,
Holding means for holding the optical functional element,
A reflecting plate arranged to cover one end face of the optical function element,
A movable plate movable with the optical fiber placed horizontally,
Movable plate control means for controlling the movement of the movable plate in x, y, and z axis directions;
Laser generating means for outputting melting energy for melting the optical function element and the optical fiber,
Output control means for controlling the output of the laser generation means,
Incident angle control means for performing angle control so that the laser light output from the laser generating means is incident on the end face of the optical functional element at a predetermined incident angle,
A method for manufacturing an optical fiber with an optical function element, comprising: a light condensing element for condensing light onto an optical function part and irradiating light.
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