JP2005099062A

JP2005099062A - 樹脂系光ファイバの焼損防止方法及び光伝送装置

Info

Publication number: JP2005099062A
Application number: JP2000273094A
Authority: JP
Inventors: Fumio Ogura; 文男小椋
Original assignee: WADEN KOGYO KK
Current assignee: WADEN KOGYO KK
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】ポリマ系光ファイバの端面に光熱の高い光を入射する場合であっても、光ファイバ端面が焼損するのを防止する方法を提供すること。
【解決手段】光源１を含む光学系（レンズ２、４）のファイバ側端部とファイバ６ａの端面との間に冷却液ブース５を設け、このブースに透光性液体を満たす。この透光性液体でファイバ６ａの端面を冷却するとともにファイバ端面を空気から遮断する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安価な樹脂系光ファイバの適用範囲を広げることのできる樹脂系光ファイバの焼損防止方法、及び、光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバ照明システムとして、１つの光源から得た光を１つ又は複数の光ファイバによって伝送し、光源から離れた場所を照明するものが、広い分野において利用されている。このシステムによれば、例えば、１つの光源を用いて２０灯程度までの一般用の照明が可能である。
【０００３】
このような光ファイバ照明システムによれば、照明光中の紫外線や赤外線を低減できるので被照射物の劣化を防ぐことができる。というのは、光ファイバは、ほぼ可視光線のみを通過させるので、光ファイバの先から出る光の照射を受けても熱がほとんど発生しない（このような光のことを冷光ともいう）。従って、貴重な美術品や絵画等に対する光や熱の害が防げるとともに、空調システムのカロリーダウンによる消費電力の節減にもつながる。また、光源と発光部とが離れているため、水周りの照明に適し、ランプ交換などのメインテナンスが容易であるという利点もある。具体的には、美術館、画廊、博物館、多目的公共スペース、店舗、一般住宅、ディスプレー、その他における利用が期待される。
【０００４】
ここで、上記光ファイバとして高価な石英系の光ファイバを用いるとシステム全体が大変高価なものになってしまうので、生産コストが安く加工も容易なポリマ系光ファイバ（ＰＯＦ）を使用することが望まれる。しかしながら、ポリマ系光ファイバは耐熱性に難点があり、光源から光ファイバの入光端面に光熱の高い光が入射した場合には、光ファイバ内の入射光焦点部等のファイバ端面近傍において時間の経過と共に焼損を生じるという問題があった。
【０００５】
ところで、日本国特許出願公告公報（特公）昭５８−２号には、光海底中継器の耐圧容器内に収容された中継回路と光海底ケーブルの耐高圧パイプ内に収容された光ファイバとを光学的に結合するための光海底中継器のフィードスル（導入部）において、光ファイバが集光レンズの光軸と軸を合わされて配置されるとともに、集光レンズと光ファイバの端面との間が、光ファイバの屈折率にほぼ等しい屈折率を有する液状又はゼリー状の物質で充填されていることが記載されている。この液状又はゼリー状の物質で充填する理由は、集光レンズと光ファイバの端面との間に海水が浸入しないようにするためであり、放熱のためではない。
【０００６】
また、日本国特許出願公開公報（特開）昭６１−２０６２４４号には、複数の光学素子の光結合を行う際に、パッケージの側壁に２つの穴を開けておき、空気中で組み立てた後に端面保護用のガスでパッケージ内の空気を置換し、２つの穴を塞ぎ密閉することが記載されている。このようにガスで充填する理由は、半導体レーザ、受光器、レンズ、光ファイバの酸化や汚れの付着を防止するためであり、放熱のためではない。
【０００７】
一方、日本国特許出願公開公報（特開）昭６１−２３５８０６号には、レーザー源からの高エネルギー電磁放射を光ファイバに搬送する装置において、入力端と出口端とを有し上記放射が透過することができる液を収容するスリーブを備え、上記液の屈折率をレンズと光ファイバの屈折率にほぼ適合させることが記載されている。同号の第２図の装置においては、散乱した放射がスリーブの壁に衝突して発生する可能性のある汚染物を除去するために、上記液が装置内を流れる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公昭５８−２号に記載されている光海底中継器のフィードスルにおいては、発光素子を圧力容器の近傍に配置することにより放熱効果を良好にする構造をとることが容易になると記載されているが、レンズと光ファイバ端面との間に充填された液体を用いて光ファイバを冷却することは考慮されていない。また、特開昭６１−２０６２４４号に記載されている光素子用パッケージは、パッケージ内にガスを密閉するものであり、そもそも液体を用いていない。一方、特開昭６１−２３５８０６号に記載されている搬送装置においては、汚染物を除去するために液体が装置内を流れるが、この液体を用いて光ファイバを冷却することまでは考慮されていない。
【０００９】
従って、光ファイバとしてポリマ系光ファイバを使用する場合に、光ファイバの端面において時間の経過と共に焼損を生じるという問題は未だ解決されていないといえる。また、光源に防熱フィルタをかけることも考えられるが、この場合には３０〜４０％の伝送損失が生じてしまう。
【００１０】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、光ファイバとしてポリマ系光ファイバを用いて光源から光ファイバの入光端面に光熱の高い光を入射する場合であっても、光ファイバ端面が焼損するのを防止できる方法及び光伝送装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る樹脂系光ファイバの焼損防止方法は、光源を含む光学系から入射する光によって樹脂系光ファイバの端面が焼損するのを防止するものであって、光学系のファイバ側端部とファイバ端面との間に透光性液体を満たし、この透光性液体でファイバ端面を冷却するとともに、ファイバ端面を空気から遮断することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る光伝送装置は、光源を含む光学系と、この光学系から光が端面に入射する樹脂系光ファイバと、光学系のファイバ側端部とファイバ端面との間に透光性液体を満たし、この透光性液体でファイバ端面を冷却するとともにファイバ端面を空気から遮断するための容器とを具備することを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、光ファイバとしてポリマ系光ファイバを用いて光源から光ファイバの入光端面に光熱の高い光を入射する場合であっても、光学系のファイバ側端部とファイバ端面との間に透光性液体を満たし、この透光性液体でファイバ端面を冷却するとともにファイバ端面を空気から遮断することにより、光ファイバの端面に焼損が生じるのを防止することができる。
【００１４】
ここで、上記透光性液体を満たした容器の外側を空冷するようにしても良い。また、上記透光性液体を外部に循環させて冷却するようにしても良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基いて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置の構成を示す断面図である。この光伝送装置は、光源１を内部に収めたハウジングフレーム１５や、照明光を各部に伝送する光ファイバロッド６を備える。
【００１６】
ハウジングフレーム１５は、中空の箱体であって、図示されてはいないが通気孔を有する。ハウジングフレーム１５内には、図の左側から右側に向かって、光源冷却用のファン１４、光源（ランプ）１、第１のレンズ２、コールドミラー反射カップ３、第２のレンズ４が配置されている。
【００１７】
光源冷却用のファン１４は、ハウジングフレーム１５内に外部の空気を吸い込んで同フレーム外に排気し、その風で光源１を冷却する。光源１は、ローボルトハロゲン電球であり、本例の装置（ファイバ径３ｍｍ×１９本）では出力６５Ｗである。第１のレンズ２及び第２のレンズ４は、光源１から放射された光を光ファイバロッド６に向けて集光する。反射カップ３は、第１のレンズ２から外周部に向けて放射される光を第２のレンズ４方向に向けて反射する。
【００１８】
ハウジングフレーム１５の図の右側の面には、光ファイバユニット固定カップリング１３及び光ファイバユニットカップリング１２が取り付けられている。固定カップリング１３は、中空円筒状のものであって、ハウジングフレーム１５の側壁１５ａに固定されている。また、固定カップリング１３は、光源１や第１及び第２のレンズ２、４の光軸と同軸上に配置されている。固定カップリング１３内には、同じく中空円筒状の光ファイバユニットカップリング１２が嵌合している。同カップリング１２内には、複数（この例では１９本）のＰＯＦ光ファイバを含むロッドが収められている。カップリング１２は、固定カップリング１３内で軸方向（図１の左右方向）に摺動可能である。カップリング１２の軸方向位置は、固定ネジ１３ａを締めることにより固定できる。
【００１９】
第２のレンズ４は、カップリング１２の左端部内孔内に、レンズ固定アジャスタースクリュー１０に押された状態で収められている。カップリング１２の第２のレンズ４の奥には、冷却液ブース５及び冷却液シールパッキン８が設けられている。このブース５及びパッキン８については後で詳述する。
【００２０】
光ファイバロッド６は、径３ｍｍの１９本の光ファイバ６ａを集合し、その外側にシース６ｂをはめたものである。光ファイバユニットカップリング１２の内側にシース６ｂが嵌合している。カップリング１２及びシース６ｂの右端部には、光ファイバロッドアジャスタースクリュー１１が配置されている。同スクリュー１１は、カップリング１２の右端部外周のオネジ１２ａに螺合する内ネジ１１ａを有する。スクリュー１１の内径部１１ｂは、図の左側に延びる二重リング状となっており、光ファイバロッド６のシース６ｂを図の左側に押す。スクリュー１１を回すことにより、光ファイバロッド６のカップリング１２内における軸方向位置を決めることができる。
【００２１】
次に、図１に示す光伝送装置の動作について説明する。ハウジングルーム１５内に設けられた光源１から発生した光は、第１のレンズ２及び第２のレンズ４を通って、複数の樹脂系光ファイバを含むロッド６に入射する。光源１としては、光ファイバ末端から強い照射が得られるよう、例えば、放射光の光熱が高い６５Ｗの白色ハロゲン電球を用いる。また、複数の樹脂系光ファイバ６ａは接着剤で相互に接着され、光ファイバユニットカップリング１２内において光ファイバロッドアジャスタースクリュー１１によって固定されている。この樹脂系光ファイバとしては、ポリマ系光ファイバが代表的である。
【００２２】
ここで、光ファイバの端部における入射光の焦点部に焼損が生じるのを防ぐため、第２のレンズ４と光ファイバロッド６との間に冷却液ブース５が設けられており、その中に透光性液体である冷却液が満たされる。冷却液としては、光透過率が高く伝送損失が数％と小さいオイル、特に植物性の透明オイル（例えば椿油）が適している。椿油以外としては、光学オイルやミネラルオイル等も好ましい。
この冷却液で光ファイバの端面を冷却するとともに、光ファイバの端面を空気から遮断して酸化を防いでいる。加熱した冷却液を冷却するには自然放熱で十分な場合もあるが、冷却液ブース５の外側を強制空冷するためにファイバ冷却ファン１６を設けることが望ましい。さらに、冷却液を外部に循環させて冷却するために、図３に示すような冷却液循環システムを設けても良いが、これについては後で詳しく説明する。
【００２３】
再び図１を参照すると、冷却液ブース５は、第２のレンズ４と光ファイバロッド６との間に、リング状の固定ガイド７と、その両側にリング状の冷却液シールパッキン８とを配置することにより形成される。この冷却液ブース５の大きさは、直径が約２７ｍｍ、長さが約１２ｍｍであり、約１５ミリリットルの冷却液を収納できる。固定ガイド７の外周は、光ファイバユニットカップリング１２の内周に囲まれるように接触して支持される。この光ファイバユニットカップリング１２は、ハウジングルーム１５に取り付けられた光ファイバユニット固定カップリング１３に対して長手軸方向に移動可能となっている。両カップリング１２、１３は、適当な位置において、固定ネジ１３ａで固定される。固定ガイド７の上部には冷却液抽入口９が設けられ、また、光ファイバユニット固定カップリング１３の一部には冷却液補給溝１３ｂが設けられ、その上には脱着可能な蓋１３ｃが取り付けられる。冷却液の存在によって、光ファイバ端部における光の集中によって発熱した部分を冷却するという効果を有する。また、冷却液そのものがレンズ的な役割を果たすこともありうると考えられ、その場合には光の増幅にもつながるという副次的な効果も有する。
【００２４】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置において、第２のレンズ４として使用可能な他の形状のレンズを示す図である。図１に示すような光源側に凸部がある凸レンズのかわりに、図２の（ａ）に示すような光ファイバ側に凸部がある凸レンズや、（ｂ）に示すような光源側に凹部がある凹レンズや、（ｃ）に示すような両側に凸部がある凸レンズや、（ｄ）に示すような非対称な凸レンズ等、及びそれらを組み合わせたものを使用することができる。
【００２５】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る光伝送装置において、冷却液を外部に循環させて冷却するための冷却液循環システムを概略的に示す図である。光伝送装置本体については、冷却液ブース５の部分における断面を示しており、正面には光ファイバロッド６が見えている。冷却液ブース５の周辺は、固定ガイド７、光ファイバユニットカップリング１２、光ファイバユニット固定カップリング１３で囲まれている。そこで、光ファイバユニット固定カップリング１３に冷却液流入口１３ｄと冷却液流出口１３ｅを設け、光ファイバユニットカップリング１２と固定ガイド７の対応する部分にも冷却液の通路を設けることにより、冷却液を外部に循環させることができる。光伝送装置本体の冷却液流出口１３ｅから流出した冷却液は、本体外部に設けられたコンデンサ３１を通過し、これと隣接して設置された冷却ファン３２によって冷却される。冷却された液は、マイクロ循環ポンプ３３によって再び光伝送装置本体の冷却液流入口１３ｄに戻される。なお、この例では、ポンプ３３の流量は、５０ミリリットル／分である。
【００２６】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置における温度測定結果の例を示す図である。冷却液として１５ミリリットルの椿油を用いた。試験時間として７２時間、その時間中連続して光を放射した。７２時間経過後の光源１から１５ｍｍ離れた第１のレンズ２における温度は１３５℃であり、第１のレンズから２５ｍｍ離れた第２のレンズ４における温度は１０５℃であり、冷却液を介して第２のレンズから１２ｍｍ離れた光ファイバ端面における温度は７５℃であった。冷却液ブース５内の温度は、平均６５℃程度に保たれていた。光ファイバ端面温度７５℃は、ＰＯＦ光ファイバの耐久性が維持できる温度であった。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べた様に、本発明によれば、光ファイバとしてポリマ系光ファイバを用いて光源から光ファイバの入光端面に光熱の高い光を入射する場合であっても、光学系のファイバ側端部とファイバ端面との間に透光性液体を満たし、この透光性液体でファイバ端面を冷却するとともにファイバ端面を空気から遮断することにより、光ファイバ内の入射光焦点部に焼損が生じるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置において、第２のレンズ４として使用可能な他のレンズの形状を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光伝送装置において、冷却液を外部に循環させて冷却するための冷却液循環システムを概略的に示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置における温度測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１光源２第１のレンズ
３コールドミラー反射カップ４第２のレンズ
５冷却液ブース６光ファイバロッド
６ａ光ファイバ６ｂシース
７固定ガイド８冷却液シールパッキン
９冷却液抽入口
１０レンズ固定アジャスタースクリュー
１１光ファイバロッドアジャスタースクリュー
１１ａ内ネジ１１ｂ内径部
１２光ファイバユニットカップリング
１２ａオネジ
１３光ファイバユニット固定カップリング
１３ａ固定ネジ１３ｂ冷却液補給溝
１３ｃ蓋１３ｄ冷却液流入口
１３ｅ冷却液流出口１４光源冷却ファン
１５ハウジングルーム１６ファイバ冷却ファン
３１コンデンサ３２冷却ファン
３３マイクロ循環ポンプ

Claims

光源を含む光学系から入射する光によって樹脂系光ファイバの端面が焼損するのを防止する方法であって、
光学系のファイバ側端部とファイバ端面との間に透光性液体を満たし、この透光性液体でファイバ端面を冷却するとともに、ファイバ端面を空気から遮断することを特徴とする樹脂系光ファイバの焼損防止方法。
上記透光性液体を満たした容器の外側を空冷することを特徴とする請求項１記載の樹脂系光ファイバの焼損防止方法。
上記透光性液体を外部に循環させて冷却することを特徴とする請求項１記載の樹脂系光ファイバの焼損防止方法。
光源を含む光学系と、
この光学系から光が端面に入射する樹脂系光ファイバと、
光学系のファイバ側端部とファイバ端面との間に透光性液体を満たし、この透光性液体でファイバ端面を冷却するとともにファイバ端面を空気から遮断するための容器と、
を具備することを特徴とする光伝送装置。
上記透光性液体を満たした容器の外側を空冷する手段をさらに具備することを特徴とする請求項４記載の光伝送装置。
上記透光性液体を外部に循環させて冷却する手段をさらに具備することを特徴とする請求項４記載の光伝送装置。