JP2005221755A - 光ファイバの接続構造及び光ファイバの接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度な位置決め部品を使用することなく簡単な構造により光接続を実現する光ファイバの接続構造を提供する。
【解決手段】 光ファイバ収納用の溝が設けられた出射側台座４及び受側台座６に、端面に誘電体多層膜の設けられた光ファイバ３を接着固定し、台座同士を当接させることにより出射側光ファイバ３と受側光ファイバ５を光接続する光ファイバの接続構造であって、前記出射側光ファイバ３先端が露出されている接続端面１２を有している出射側台座４と、前記受側台座６に形成された当接面２２とを突き合わすことにより、前記出射側台座４の接続端面１２に露出している出射側光ファイバ３と前記受側台座６の斜面２３に露出している受側光ファイバ５との間にクリアランスを確保した状態で光接続することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光ファイバレーザなどに用いられる光ファイバの接続構造及び光ファイバの接続方法に関する。

近年、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジウム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）などの希土類元素が添加された石英ガラスやフッ化物ガラスをホストガラスとした光ファイバ（以下、「希土類元素添加光ファイバ」と称する。）をレーザ媒質とした光ファイバレーザや光ファイバ増幅器が盛んに研究されている。
光ファイバレーザは、高効率で、装置を小型化できる上に、レーザ発振媒質と伝搬媒質に同じものを用いることができるという特徴がある。この特徴を生かして、光ファイバレーザは、光通信、光センサ、材料加工、医療などの幅広い分野で活用されている。

図６は、一般的なファイバレーザを示す概略構成図であり、図６に示すように、このファイバレーザ１０１は、所望の出力特性が得られるように希土類添加光ファイバ１０２の長さが調整され、この希土類添加光ファイバ１０２の両端側に共振器ミラー１０３ａ，１０３ｂが配置された概略構成とされている。このファイバレーザ１０１は、これらの構成により光学的共振器を形成するものである。
共振器ミラー１０３ａ，１０３ｂには、例えば誘電体多層膜が用いられており、レーザ出力光を反射し、励起光を通過するような特性を有している。このような共振器ミラー１０３ａ，１０３ｂを介して、励起光源１０４から励起光が注入されるものである。励起光源１０４は、励起光を伝送するガイドファイバ１０５が設けられており、該ガイドファイバ１０５からの出力光が前記希土類添加光ファイバ１０２へと出射される。
ところで、産業応用において、レーザ出力は、光ファイバによって導光されて任意の場所に出射されることが望まれる。したがって、希土類添加光ファイバ１０２の出力側には、伝送用光ファイバ１０６が接続される。
このような従来の光ファイバレーザ１０１においては、光ファイバ端面において光反射が生じ、レーザ出力光の一部が再び共振器内に入射されたり、励起光の一部が励起光源７内に入射したりすることにより、レーザ動作が不安定になることが知られており、この反射光を低減するためにガイドファイバ端面１０５ａや伝送用ファイバの端面１０６ａ，１０６ｂには、無反射誘電体多層膜が設けられている。

これらの光ファイバの端面は、光コネクタ化されており高精度な接続が可能であるが、一般的に光コネクタでの接続は、光ファイバの端面同士を物理的に接触させて接続を行うものであり、誘電体多層膜同士が接触してしまい損傷する恐れがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１−２９７８７４号公報

本発明者などは、前述の問題を鑑みて、図７（ａ），（ｂ）に示すように、接続等の誘電体多層膜の損傷を防止できるようにしたコネクタ構造をすでに提案している。図７（ａ）の構造は、先端面に誘電体多層膜１１２，１１２が設けられた光ファイバ１１１，１１１（ここで、符号１１１ａは出射側光ファイバ、符号１１１ｂは受側光ファイバである）の端部に、フェルール１１３，１１３などを取り付けてコネクタ部１１４，１１４を組み立て、このコネクタ部１１４のフェルール１１３，１１３をスリーブ１１５に挿入していくとフェルール１１３，１１３の後端側（前記先端面に対向する側）に突設されているフランジ部１１６，１１６がスリーブ１１５に当たるところで、それ以上の挿入が規制される。これにより、誘電体多層膜１１２，１１２の間には僅かなクリアランス１１７が確保されるようになっているので、誘電体多層膜１１２，１１２が損傷を受けるという問題を回避できるものである。
また、図７（ｂ）に示す構造は、各フェルール１１３，１１３のフランジ部１１６，１１６が挿入限界を決めるストッパとなって、誘電体多層膜１１２，１１２の損傷を防止するためのクリアランス１１７を確保できるという点で、図７（ａ）と同様の構造であるが、さらに、スリーブ１１５の内部にフェルール１１３，１１３が直接当接されることで、コネクタ部１１４，１１４のスリーブ１１５への押し込みを規制するストッパの突部が当接されている（例えば、本願の出願人が先に特許出願している、特願２００３−１６６４６４。）。

ところで、上述した光ファイバの接続構造においては、光ファイバ１１１，１１１同士の接続に際して、フェルール１１３，１１３やスリーブ１１５の機械的な位置決めにより端面間隔を設定するものであるが、低損失な光接続を実現するためには、フェルール１１３，１１３やスリーブ１１５の内部の構造を高精度（例えば、サブミクロン単位）で作成しなければならないという問題があった。具体的に説明すると、光ファイバ１１１，１１１同士の光接続は、わずかでも横方向のずれ（心ずれ）があると、出射側光ファイバ１１１ａより出射した光の一部が受側光ファイバ１１１ｂのコア内に入射できずに損失となり、光特性に悪影響を与える可能性がある。このため、光ファイバ１１１，１１１の接続には、フェルール１１３，１１３の外径及びスリーブ１１５の内径による高精度の位置決めが必要となるので、高精度で作成する必要があり、非常に手間となるという問題もあった。また、クリアランス１１７も高精度に設定されていないと、出射側光ファイバ１１１ａから出射され、受側光ファイバ１１１ｂへと入射する入射光のスポット径が受側光ファイバ１１１ｂのコア径よりも大きくなってしまうため、出射側光ファイバ１１１ａより出射した光の一部が受側光ファイバ１１１ｂのコア内に入射できずに損失となり、光特性に悪影響を与える可能性があるという問題があった。このため、光ファイバ１１１，１１１同士の軸方向の位置決めも高精度に行う必要があるので、高精度なフェルール１１３，１１３及びスリーブ１１５を作成する必要があり、作成上非常に手間となるという問題もあった。
また、フェルール１１３，１１３と光ファイバ１１１，１１１とを接続するために熱硬化型接着剤を使用しなければならず、接着に時間がかかるという問題もあった。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、高精度な位置決め部品を使用することなく簡単な構造により光接続を実現する光ファイバの接続構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、光ファイバ収納用の溝が設けられた出射側台座及び受側台座に、端面に誘電体多層膜の設けられた光ファイバが接着固定されており、台座同士を当接させることにより出射側光ファイバと受側光ファイバが光接続されている光ファイバの接続構造であって、前記出射側台座は、前記出射側光ファイバ先端が露出されている接続端面を有し、前記受側台座は、前記出射側台座の前記接続端面に当接される当接面と、前記受側光ファイバ先端が露出されている斜面とを有しており、前記出射側台座の前記接続端面と前記受側台座の前記当接面とが突き合わされたとき、前記出射側台座の前記接続端面に露出している前記出射側光ファイバと前記受側台座の斜面に露出している前記受側光ファイバとの間にクリアランスが確保された状態で、前記出射側光ファイバと前記受け側光ファイバとが光接続されることを特徴とする光ファイバの接続構造である。

請求項２に係る発明は、前記受側光ファイバのコア径ｒ_２が、前記出射側光ファイバのコア径ｒ_１より大きいことを特徴とする光ファイバの接続構造である。
請求項３に係る発明は、前記出射側光ファイバの端面と前記受側光ファイバのコアの斜面の先端部との間隔である端面間隔Ｄが、下記数式（１）に示される条件で表されることを特徴とする光ファイバの接続構造である。

請求項４に係る発明は、下記数式（２）で示される接続損失Ｌが、Ｌ＜０．１とされていることを特徴とする光ファイバの接続構造である。

請求項５に係る発明は、前記端面角度αが、下記数式（３）で表されることを特徴とする光ファイバの接続構造である。

請求項６に係る発明は、光ファイバ収納用の溝が設けられた出射側台座及び受側台座に、端面に誘電体多層膜の設けられた光ファイバを接着固定し、台座同士を当接させることにより出射側光ファイバと受側光ファイバを光接続する光ファイバの接続方法であって、前記出射側光ファイバ先端が露出されている接続端面を有している出射側台座と、前記受側台座に形成された当接面とを突き合わすことにより、前記出射側台座の前記接続端面に露出している前記出射側光ファイバと前記受側台座の斜面に露出している前記受側光ファイバとの間にクリアランスを確保した状態で、前記出射側光ファイバと前記受側光ファイバとを光接続することを特徴とする光ファイバの接続方法である。

本発明によれば、出射側接続端面と受側当接面が突き合わされることにより、出射側光ファイバと受側光ファイバとが光接続され、受側台座の受側光ファイバが露出する面に斜面が形成されるので、受側光ファイバのスポット径が拡大されることとなり、横方向のずれがあっても、低損失を維持することができる。従って、従来のように位置決めするための部品を高精度に作成する必要が無く、低コスト化を実現することができる。
また、接続端面と当接面との当接により、出射側光ファイバの端面と受側光ファイバの端面との間にクリアランスが確保されるので、光ファイバに設けられた誘電体多層膜同士が接触しないで光接続できる。この結果、光ファイバの端面に設けられた誘電体多層膜の損傷を防止できる。
また、受側光ファイバのコア径ｒ_２が出射側光ファイバのコア径ｒ_１と同じかそれ以上とされていることにより、受側光ファイバのスポット径をより大きく設定することができるので、光接続の低損失化をより確実に実現することができる。
また、着脱を必要としない光コネクタなどに本発明の光ファイバの接続構造を用いることにより、低コスト化を実現することができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１から図４はこの発明の一実施の形態を示す図であって、この発明を光ファイバレーザの接続部に適用した場合のものであり、はじめに、光ファイバレーザについて説明する。
図６において光ファイバレーザ１０１は、上述した光ファイバレーザと同様に、光ファイバに励起光を注入する励起光源１０４と、この励起光源１０４から注入された励起光を伝送するガイドファイバ１０５と、ガイドファイバ１０５からの出力光が入射される希土類添加光ファイバ１０２と、希土類添加光ファイバ１０２の出力光が注入される伝送用ファイバ１０６とから概略構成されている。
前述したように、それぞれの光ファイバの端面には、誘電体多層膜が設けられており、これにより、光反射によるレーザ出力光の一部が再び共振器内に入射すること及び励起光の一部が励起光源に入射することを防止する。

図１は、図６の光ファイバレーザ１０１における光ファイバの接続構造１の詳細を示すものであり、光ファイバの接続に使用される出射側台座と受側台座との光ファイバの接続構造を示すものである。
光ファイバの接続構造１は、端面に誘電体多層膜（図示略）の設けられた一対の光ファイバ２を光接続するものであり、光ファイバ２のうち出射側光ファイバ３が接着固定された出射側台座４と、光ファイバ２のうち受側光ファイバ５が接着固定された受側台座６とから概略構成されている。
この光ファイバの接続構造１で用いられる光ファイバ２は、一対の光ファイバ心線と、光ファイバ心線の端部の被覆層を除去して露出した裸光ファイバとから概略構成されている。図３に示すようにこの裸光ファイバは、光信号の伝播路となるコア３Ａ，５Ａと、コア３Ａ，５Ａ外周をガラスで覆ったクラッド３Ｂ，５Ｂとから構成とされている。また、この光ファイバ３，５の端面３Ｃ，５Ｃには、それぞれ特定の波長の光のみを反射する特
性を有する誘電体多層膜が形成されている。

図２（ａ）に示すように、出射側台座４は、図１に示す出射側光ファイバ３を挿入固定するために形成された収納溝１１と、収納溝１１に挿入された出射側光ファイバ３の端面（先端）３Ｃが露出されている接続端面１２とを有している。図１に示すように出射側光ファイバ３が挿入固定される収納溝１１の上面は、開口しているため、出射側光ファイバ３を収納溝１１に挿入した後、例えば、ＵＶ硬化型接着剤を用いることにより、数秒で接着固定することができ、従来のようにフェルール内部に光ファイバを挿入し、熱硬化型の接着剤を使用する場合に比べて接続作業時間を大幅に短縮することができ、作業効率を大幅に向上させることができる。なお、出射側光ファイバ３を接着固定した後、接続端面１２の垂直研磨を行うものである。

図２（ｂ）に示すように、受側台座６は、図１に示す受側光ファイバ５を挿入固定するために形成された収納溝２１と、出射側台座４に対する接続端面１２に突き当てられる当接面２２と、受側光ファイバ５先端が露出されている斜面２３とを有している。図１に示すように、受側光ファイバ５が挿入固定される収納溝２１の上面は、開口しているため、前述した出射側台座４の出射側光ファイバ３の固定方法と同様に、受側光ファイバ５を収納溝２１に挿入した後、ＵＶ硬化型接着剤を用いて接着固定する。
なお、受側光ファイバ５を収納溝２１に収容した後に、受側光ファイバ５の露出した面に斜め研磨を行って、斜面２３を形成するものである。
また、収納溝１１，２１の形状は、図１においては角溝であるが、光ファイバを挟持できるものであればこれに限るものではなく、例えば、Ｖ溝、Ｕ溝、半円状の丸溝などであってもよい。

上記の構成からなる光ファイバの接続構造１において、光接続する方法について説明する。即ち、図１に示すように、一方の側である出射側光ファイバ３を収納溝１１に収納固定した後、ＵＶ硬化型接着剤で接着固定し、出射側光ファイバ３が露出した面に垂直研磨を行い、接続端面１２を形成する。また、他方の側である受側光ファイバ５も、出射側光ファイバ３と同様に、収納溝２１に収納固定した後に接着固定し、受側光ファイバ５の露出した面に研磨を行い、斜面２３を形成する。そして、出射側台座４の接続端面１２と、受側台座６の当接面２２とを突き合わせて、光接続部の損失が最小となるように調心した後に、接続端面１２と当接面２２とを接着固定する。

上記方法により光ファイバ同士の光接続を行う場合、この光接続部に生じる接続損失は、図３に示すように、出射側光ファイバ３のコア３Ａのコア径ｒ_１と受側光ファイバ５のコア５Ａのコア径ｒ_２と、出射側光ファイバ３の開口数ＮＡ_１と，受側光ファイバ５の開口数ＮＡ_２と、出射側光ファイバ３の接続端面１２と受側光ファイバ５のコア５Ｂの先端部５Ｄとの間隔である端面間隔Ｄと、出射側光ファイバ３の接続端面１２と受側台座６に形成された斜面２３との端面角度αによって変化するものである。

図４に示すように、出射側光ファイバ３から出射されて光は、光軸に対してｓｉｎ^−１（ＮＡ_１）（ｒａｄ）の角度で広がりながら端面間を伝播する。このときのスポット径Ｒは、

で表される。受側光ファイバ５のコア径ｒ_２がスポット径Ｒよりも小さければ、受側光ファイバ５にすべての光が入射されないので接続損失が増加することとなる。即ち、前記受側光ファイバ５のコア径ｒ_２が前記出射側光ファイバ３のコア径ｒ_１以上であることを前提として、Ｒ＜ｒ_２となるように端面間隔Ｄを設定することにより、接続損失を低減させることができる。ここで、図３に示すように受側台座６には斜面２３が形成されているので、受側光ファイバ５におけるコア５Ａの部分の出射側光ファイバ３の接続端面１２から最も端面間隔の大きいところで、スポット径Ｒが受側光ファイバ５のコア径ｒ_１より小さい範囲とならなければならない。即ち、数式（１）に示す関係が示される。

上記数式（１）の条件に設定することにより、出射側光ファイバ３から出射された光は、すべて受側光ファイバ５に入射され、受側光ファイバ５内を伝播することになるので、良好な光接続の光特性を得ることができる。即ち、ここで上記数式（１）の条件に設定したのは、上記数式（１）で示された端面間隔Ｄが、数式（１）の条件を上回ると出射側光ファイバ３から出射された光は、受側光ファイバ５に入射せず、接続不良の原因となってしまうからである。したがって、端面間隔Ｄを上記数式（１）で示される条件に設定するものである。

また、出射側光ファイバ３からｓｉｎ^−１（ＮＡ_１）の角度で出射された光が、受側光ファイバ５に入射され、図４に示すように、受側光ファイバ５のコア５Ｂ内においてθ_ｔ１，θ_ｔ２で伝播するならば、数式（５），（６）に示す式が与えられる。

ここで、ｎ_ｃは、受側光ファイバ５のコア５Ｂの屈折率である。このうち、受側光ファイバ５の開口数ＮＡ_２から決定される最大伝播角度θ_{t_max}は数式（７）により与えられる。

従って、受側光ファイバ５の入射された光のうち、光ファイバ内を伝播できる光は、

で表される条件を満たさなければ、コア５Ｂに閉じ込められずに漏れてしまうため、損失となってしまう。つまり、受側光ファイバ５の端面に到達した光θ_{t_max}／θ_ｔがファイバ内を伝播する。

また、光接続による接続損失Ｌは、数式（２）で与えられる。

一般に、光コネクタの接続損失Ｌは１０％程度であるので、Ｌ＜０．１となるように、端面角度αを設定することが望ましい。
従って、端面角度αは、数式（３）で与えられる範囲であることが望ましい。

上記数式（３）の範囲に設定することにより、出射側光ファイバ３から出射された光は、すべて受側光ファイバ５に入射され、ファイバ内を伝播するので、良好な光接続の光特性を得ることができる。

図５は、ＮＡ_１＝０．３５，ＮＡ_２＝０．３５，ｎ_ｃ＝１．４７，θ_{t_max}＝０．２４（ｒａｄ）とした場合において、端面角度αを変化させたときの損失の実測値を計測した結果を示すグラフである。ここで、光接続による接続損失は、前述したようにＬ＜０．１であれば良好な光接続が確保されることになる。この計測結果によれば、この光ファイバの接続構造は、端面角度α≦１７°であるならば、接続損失Ｌは、Ｌ＜０．１におさまっていることがわかる。この結果、この光ファイバの接続構造は、斜面を設けたことにより、端面角度α≦１７°の角度において、良好な光接続を確保することができる。また、端面角度α≦６°内であれば、損失は０となっており、良好な接続状態を得られることがわかる。

上記の実施の形態によれば、受側光ファイバ５のスポット径Ｒが拡大されることとなり、横方向のずれがあっても、低損失を維持したままで光接続できる。また、出射側光ファイバ３と受側光ファイバ５との間に接続端面１２と当接面２２とによってクリアランスを確保するので、簡単に光接続を行うことができる。
また、このクリアランスにより、出射側光ファイバ３の端面３Ｃと受側光ファイバ５の端面５Ｃとに形成された誘電体多層膜同士が接触しないので、この誘電体多層膜を損傷することがない。従って、光特性に影響を与えることなく、接続作業も簡単に行うことができる。

この発明の一実施形態に係る光ファイバの接続構造を示す斜視図である。 この発明の一実施形態に係る光ファイバの接続構造の台座を示す斜視図であって、（ａ）は、出射側台座部を示す斜視図、（ｂ）は、受側台座部を示す斜視図である。 この発明の一実施形態に係る光ファイバの接続構造の要部断面図である。 この発明の一実施形態に係る光ファイバの接続構造の要部拡大断面図である。 実施例における、端面角度αが変化したときの損失を示すグラフである。 光ファイバレーザを示す概略構成図である。 従来の光ファイバの接続構造を示す拡大断面図であって、（ａ）は、スリーブ後端側で軸方向の位置決めする光ファイバの接続構造を示す拡大断面図、（ｂ）は、スリーブ内部で軸方向の位置決めする光ファイバの接続構造を示す拡大断面図である。

符号の説明

１…光ファイバの接続構造、３…出射側光ファイバ、４…出射側台座、５…受側光ファイバ、６…受側台座、１２…接続端面、２２…当接面、２３…斜面。

Claims (6)

1. 光ファイバ収納用の溝が設けられた出射側台座及び受側台座に、端面に誘電体多層膜の設けられた光ファイバが接着固定されており、台座同士を当接させることにより出射側光ファイバと受側光ファイバが光接続されている光ファイバの接続構造であって、
   前記出射側台座は、前記出射側光ファイバ先端が露出されている接続端面を有し、前記受側台座は、前記出射側台座の前記接続端面に当接される当接面と、前記受側光ファイバ先端が露出されている斜面とを有しており、
   前記出射側台座の前記接続端面と前記受側台座の前記当接面とが突き合わされたとき、前記出射側台座の前記接続端面に露出している前記出射側光ファイバと前記受側台座の斜面に露出している前記受側光ファイバとの間にクリアランスが確保された状態で、前記出射側光ファイバと前記受け側光ファイバとが光接続されることを特徴とする光ファイバの接続構造。
2. 前記受側光ファイバのコア径ｒ_２が、前記出射側光ファイバのコア径ｒ_１より大きいことを特徴とする請求項１記載の光ファイバの接続構造。
3. 前記出射側光ファイバの端面と前記受側光ファイバのコアの斜面の先端部との間隔である端面間隔Ｄが、下記数式（１）に示される条件で表されることを特徴とする請求項１また請求項２記載の光ファイバの接続構造。
   

   
4. 下記数式（２）で示される接続損失Ｌが、Ｌ＜０．１とされていることを特徴とする請求項３記載の光ファイバの接続構造。
   いることを特徴とする光ファイバの接続構造。
   

   
5. 前記端面角度αが、下記数式（３）で表されることを特徴とする請求項３または請求項４記載の光ファイバの接続構造。
   

   
6. 光ファイバ収納用の溝が設けられた出射側台座及び受側台座に、端面に誘電体多層膜の設けられた光ファイバを接着固定し、台座同士を当接させることにより出射側光ファイバと受側光ファイバを光接続する光ファイバの接続方法であって、前記出射側光ファイバ先端が露出されている接続端面を有している出射側台座と、前記受側台座に形成された当接面とを突き合わすことにより、前記出射側台座の前記接続端面に露出している前記出射側光ファイバと前記受側台座の斜面に露出している前記受側光ファイバとの間にクリアランスを確保した状態で、前記出射側光ファイバと前記受側光ファイバとを光接続することを特徴とする光ファイバの接続方法。
   
   

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