JP2018041023A - 光ファイバ融着部の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバに圧縮力が加わるのを抑えながら、融着接続部から漏れた光による熱を効率よく放出できる光ファイバ融着部の放熱構造を提供する。【解決手段】光ファイバ融着部の放熱構造１０は、互いに融着接続されて融着接続部を形成する２本の光ファイバ１１と、融着接続部が内部に埋設された樹脂部材３と、融着接続部および樹脂部材３を収容する筐体２と、を備える。樹脂部材３は外部に露出した露出面３ｃを有し、露出面３ｃに放熱用凹部３ａが形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ融着部の放熱構造に関する。

例えばファイバレーザ装置など、高出力の光を用いる装置では、光ファイバ同士を融着して接続する融着接続部で光が漏れる場合がある。特に、光ファイバのクラッド内を伝搬する励起光は融着接続部で漏れやすい。この光が、光ファイバの被覆材などの融着接続部の周辺の部材に吸収されると、局所的に発熱する。この発熱によって被覆材などが短期的もしくは長期的に昇温することで、被覆材などが劣化もしくは損傷する場合がある。
このような課題に対応するため、従来から、下記特許文献１に示されるような光ファイバ融着部の放熱構造が用いられている。この光ファイバ融着部の放熱構造は、融着接続部が埋設された樹脂部材と、融着接続部および樹脂部材を収容する筐体と、樹脂部材を覆う蓋と、を備えている。この構成により、融着接続部から漏れた光が樹脂部材、筐体、および蓋に吸収される。吸収された光のエネルギーにより各部材は発熱するが、筐体および蓋が熱を放出するため、光ファイバの被覆材や周辺の部材を保護することができる。

特開２００７−２７１７８６号公報

ところで、上記特許文献１に示されるように樹脂部材を筐体と蓋とで閉塞すると、樹脂部材が熱膨張した際、膨張した体積の逃げ場がないために光ファイバに圧縮力が加わる。この圧縮力は、光ファイバの伝送損失の増加やビーム品質の低下の要因となる。
一方、蓋で樹脂部材を覆わない場合には、このような圧縮力を抑えることができる。しかしながら、樹脂部材のうち蓋で覆われていない部分で放熱の効率が低下し、光ファイバや周辺の部材を有効に保護することができない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、光ファイバに圧縮力が加わるのを抑えながら、融着接続部から漏れた光による熱を効率よく放出できる光ファイバ融着部の放熱構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る光ファイバ融着部の放熱構造は、互いに融着接続されて融着接続部を形成する２本の光ファイバと、前記融着接続部が内部に埋設された樹脂部材と、前記融着接続部および前記樹脂部材を収容する筐体と、を備え、前記樹脂部材は外部に露出した露出面を有し、前記露出面に放熱用凹部が形成されている。

上記態様に係る光ファイバ融着部の放熱構造によれば、樹脂部材が外部に露出した露出面を有しているため、樹脂部材が熱膨張した場合に、膨張した体積を露出面から逃がすことができる。これにより、樹脂部材が熱膨張することによって光ファイバに圧縮力が加わるのを抑制することができる。
さらに、樹脂部材の露出面に放熱用凹部が形成されているため、樹脂部材の表面積を大きくすることができる。これにより、融着接続部から漏れる光による熱を効率よく放出することができる。

また、２本の前記光ファイバのガラス層の外周部における屈折率が、プライマリ層の屈折率および前記樹脂部材の屈折率より高くてもよい。

この場合、ガラス層の外周部における屈折率が樹脂部材の屈折率よりも高いため、融着接続部で光が樹脂部材内に漏れるのを抑制することができる。これにより、樹脂部材および筐体の温度が上昇するのを抑制することができる。

また、２本の前記光ファイバのうち、少なくとも一方の前記光ファイバのガラス層の外周部における屈折率が、当該光ファイバのプライマリ層の屈折率および前記樹脂部材の屈折率より低くてもよい。

この場合、ガラス層の外周部における屈折率が樹脂部材の屈折率よりも低いため、ガラス層の外周部を伝搬する光を融着接続部で樹脂部材内に逃がすことができる。これにより、例えばファイバレーザの増幅部の下流に融着接続部がある場合、残留した励起光が下流側の光ファイバ内に進入するのを抑制することができる。

また、前記樹脂部材には、貫通孔が形成されていてもよい。

この場合、貫通孔を空気などの冷媒が通過することにより、樹脂部材を効率よく冷却することができる。また、貫通孔が上下方向に延びている場合には、熱せられた冷媒が順次上方に向かって流動するため、貫通孔内を通過する冷媒の流れを容易に作ることができる。

また、前記樹脂部材の単位平面積あたりの前記放熱用凹部がなす表面積は、前記融着接続部に近づくほど大きくなっていてもよい。

この場合、融着接続部に近づくほど樹脂部材の表面積が大きくなっているため、樹脂部材のうち相対的に温度が高くなる融着接続部周辺の熱を効率よく放出させることができる。

本発明の上記態様によれば、光ファイバに圧縮力が加わるのを抑えながら、融着接続部から漏れた光による熱を効率よく放出できる光ファイバ融着部の放熱構造を提供することができる。

第１実施形態に係る光ファイバ融着部の放熱構造の上面図である。 図１の光ファイバ融着部の放熱構造のII−II断面矢視図である。 図１の光ファイバ融着部の放熱構造のIII−III断面矢視図である。 第２実施形態に係る光ファイバ融着部の放熱構造の断面図である。 第３実施形態に係る光ファイバ融着部の放熱構造の断面図である。 図５の光ファイバ融着部の放熱構造のVI−VI断面矢視図である。 第４実施形態に係る光ファイバ融着部の放熱構造の断面図である。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る光ファイバ融着部の放熱構造について、図１〜図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため縮尺を適宜変更している。
図１〜図３に示すように、光ファイバ融着部の放熱構造（以下、単に放熱構造１０という）は、２本の光ファイバ１１と、ヒートシンク１と、筐体２と、樹脂部材３と、を備えている。２本の光ファイバ１１は、互いに融着接続されて融着接続部Ｃを形成している。

ここで、本実施形態ではＸＹＺ直交座標系を設定して各構成の位置関係を説明する。Ｘ方向は、光ファイバ１１の延在する方向（以下、長手方向という）である。また、Ｚ方向を上下方向といい、Ｙ方向を左右方向という。また、上下方向のうち＋Ｚ側を上側という。

光ファイバ１１は、例えば増幅用光ファイバとして、ファイバレーザなどに使用することができる。
光ファイバ１１は、ガラス層１１ａと、これを覆うプライマリ層１１ｂと、を備えている。光ファイバ１１としては、ポリマークラッドファイバを用いることができる。ポリマークラッドファイバとは、プライマリ層１１ｂがポリマー材料で形成されている光ファイバである。ポリマークラッドファイバでは、プライマリ層１１ｂの屈折率が、ガラス層１１ａのうちプライマリ層１１ｂと接する部分（外周部）の屈折率よりも低い。ポリマークラッドファイバを用いることで、ガラス層１１ａ内を伝搬する光がプライマリ層１１ｂに進入するのを抑制し、ガラス層１１ａ内に光を閉じ込めることができる。
なお、光ファイバ１１としてポリマークラッドファイバを用いた場合には、融着接続部Ｃでポリマークラッドファイバ同士が接続される。この場合、ファイバレーザなどの出力を維持させるためにも、融着接続部Ｃでガラス層１１ａ内の光が漏れる量を小さくすることが求められる。

ガラス層１１ａは、例えば石英系ガラスなどにより形成されている。ガラス層１１ａは、コアおよびコアの周囲に配設されたガラスクラッドを有している。コア内には信号光が伝搬する。ガラスクラッド内には、信号光を増幅するための励起光が伝搬する。ガラスクラッド内を伝搬する励起光は、コアを鎖交する際に、コアにエネルギーとして吸収され、信号光を増幅させる。
なお、ガラス層１１ａはコアおよびガラスクラッドを有していなくてもよい。

図１に示すように、プライマリ層１１ｂの外周には、セカンダリ層１１ｃが形成されている。セカンダリ層１１ｃは、ヤング率の大きい材質により形成されており、ガラス層１１ａおよびプライマリ層１１ｂを外傷などから保護することができる。

図１に示すように、２本の光ファイバ１１の端部はそれぞれ、プライマリ層１１ｂおよびセカンダリ層１１ｃが長手方向にある程度剥離されている。これにより、ガラス層１１ａが部分的にむき出しになっている。むき出しになっているガラス層１１ａ同士が融着接続されて、先述の融着接続部Ｃを形成している。

ヒートシンク１は、アルミなどにより形成されている。ヒートシンク１は、筐体２から伝わる熱を放出する。ヒートシンク１は空冷式または水冷式のいずれであってもよい。

筐体２は熱伝導性の高い金属により形成されている。筐体２の材質としては、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、およびこれらの合金を用いることができる。
筐体２は、上側に向けて開口する箱状に形成されている。筐体２は、その底面がヒートシンク１に接触する状態で、ヒートシンク１に取り付けられている。筐体２の側壁には一対の凹部２ａが形成されている。一対の凹部２ａ内にはそれぞれ、光ファイバ１１のうちガラス層１１ａがむき出しになっていない部分が載置されている。光ファイバ１１は固定用樹脂４によって、凹部２ａ内に固定されている。固定用樹脂４の材質は、樹脂部材３の材質と同じあってもよく、異なっていてもよい。筐体２は、融着接続部Ｃおよび樹脂部材３を収容している。

樹脂部材３は、筐体２内に充填されている。これにより、融着接続部Ｃは樹脂部材３の内部に埋設されている。樹脂部材３の屈折率は、光ファイバ１１のガラス層１１ａにおける外周部の屈折率よりも低い。なお、ガラス層１１ａがむき出しになっている部分から光が漏れるのを抑えるため、樹脂部材３の屈折率は、プライマリ層１１ｂの屈折率以下であることが好ましい。樹脂部材３は、光ファイバ１１内を伝搬する励起光に対する透過率が大きい材質により形成されることが望ましい。

樹脂部材３は、外部に露出した露出面３ｃを有している。露出面３ｃは、筐体２と接触していない。露出面３ｃには、複数の放熱用凹部３ａが形成されている。本実施形態における放熱用凹部３ａは、長手方向に平行な溝状に形成されている。なお、放熱用凹部３ａの形状はこれに限られず、例えば左右方向に平行に形成されていてもよい。あるいは、図示の例より複雑な溝の形状を採用してもよい。
放熱用凹部３ａは、例えば樹脂部材３の成形時に型を押し当てて形成してもよい。あるいは、パターンの刻まれたマスクを被せて、エッチングガスにより形成してもよい。

以上のように構成された本実施形態の放熱構造１０によれば、樹脂部材３が外部に露出した露出面３ｃを有しているため、樹脂部材３が熱膨張した場合に、膨張した体積を露出面３ｃから逃がすことができる。これにより、樹脂部材３が熱膨張することによって光ファイバ１１に圧縮力が加わるのを抑制することができる。
さらに、樹脂部材３の露出面３ｃに複数の放熱用凹部３ａが形成されているため、樹脂部材３の表面積を大きくすることができる。これにより、融着接続部Ｃから漏れる光による熱を効率よく放出することができる。

また、光ファイバ１１のガラス層１１ａの外周部における屈折率が樹脂部材３の屈折率よりも高いため、融着接続部Ｃで光が樹脂部材３内に漏れるのを抑制することができる。これにより、樹脂部材３および筐体２の温度が上昇するのを抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態では、樹脂部材の材質および光ファイバの種類が異なる。

本実施形態の放熱構造２０は、２本の光ファイバのうち少なくとも一方に非ポリマークラッドファイバを用いている。図４に示す例では、−Ｘ側の光ファイバ１１がポリマークラッドファイバであり、＋Ｘ側の光ファイバ１２が非ポリマークラッドファイバである。ここで、非ポリマークラッドファイバとは、ガラス層１２ａを被覆するプライマリ層１２ｂの屈折率が、ガラス層１２ａの外周部における屈折率よりも大きい光ファイバである。非ポリマークラッドファイバを用いた場合、ガラス層１２ａの外周部を伝搬する光を、積極的に光ファイバの外に逃がすことができる。
なお、本実施形態では、光が＋Ｘ側に向けて伝搬するように構成するのが望ましい。

非ポリマークラッドファイバとしては、例えばシングルクラッドファイバが用いられる。シングルクラッドファイバは、ガラス層１２ａ内に、コアおよび１つのガラスクラッドを備えている。ガラスクラッドはコアを覆っている。すなわち、ガラスクラッドはガラス層１２ａの外周部に配設されている。信号光はコア内を伝搬し、励起光はガラスクラッド内を伝搬する。

非ポリマークラッドファイバは、例えばファイバレーザの増幅部より下流側に配設される。増幅部より下流側においては、ビームの径を絞るために、ガラスクラッド内の残留励起光を除去することが求められる。本実施形態の放熱構造２０は、融着接続部Ｃで残留励起光を積極的に除去する場合に適している。

本実施形態の放熱構造２０は、樹脂部材３に代えて、樹脂部材３と材質が異なる樹脂部材５を備えている。樹脂部材５の屈折率は、光ファイバ１２のガラス層１２ａの外周部（ガラスクラッド）における屈折率よりも高い。このため、ガラス層１２ａと樹脂部材５とが接触する部分において、ガラス層１２ａの外周部を伝搬する残留励起光を樹脂部材５内に逃がすことができる。

以上説明したように、本実施形態の放熱構造２０によれば、ガラス層１２ａの外周部における屈折率が樹脂部材５の屈折率よりも低いため、ガラス層１２ａの外周部を伝搬する光を融着接続部Ｃで樹脂部材５内に逃がすことができる。これにより、例えばファイバレーザの増幅部の下流に融着接続部Ｃがある場合、残留励起光が下流側の光ファイバ１２内に進入するのを抑制することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

本実施形態の放熱構造３０では、図５、６に示すように、樹脂部材３に複数の貫通孔３ｂが形成されている。各貫通孔３ｂは、上下方向に樹脂部材３を貫通している。貫通孔３ｂは、筐体２に形成された貫通孔２ｂと、ヒートシンク１に形成された貫通孔１ａに連通している。これにより、空気などの冷媒が流通する流路Ｐが形成されている。

本実施形態の放熱構造３０によれば、樹脂部材３の貫通孔３ｂを空気などの冷媒が通過することにより、樹脂部材３を効率よく冷却することができる。また、貫通孔３ｂが上下方向に延びているため、熱せられた冷媒が順次上方に向かって流動する。これにより、貫通孔３ｂ内を通過する冷媒の流れを容易に作ることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明に係る第４実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

本実施形態の放熱構造４０では、図７に示すように、放熱用凹部３ａの形状が左右方向で変化している。より詳しくは、光ファイバ１１に近づくほど、放熱用凹部３ａの幅が小さくなり、放熱用凹部３ａ同士の間隔が小さくなっている。これにより、樹脂部材３の単位平面積あたりに占める放熱用凹部３ａがなす表面積は、融着接続部Ｃに近づくほど大きくなっている。なお、平面積とは、ある一方向から見たときの樹脂部材３の面積をいう。本実施形態では、樹脂部材３を上下方向で見たときに、単位平面積あたりの放熱用凹部３ａがなす表面積が、融着接続部Ｃに近づくほど大きくなっている。

本実施形態の放熱構造４０によれば、融着接続部Ｃに近づくほど樹脂部材３の表面積が大きくなっている。これにより、樹脂部材３のうち相対的に温度が高くなる融着接続部Ｃの周辺の熱を効率よく放出させることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記第１〜第４実施形態では、放熱用凹部３ａとして溝を採用したが、放熱用凹部の形状は溝に限られない。例えば、半球状の凹部（ディンプル）などであってもよい。
また、前記第２実施形態では、光ファイバ１１（ポリマークラッドファイバ）と光ファイバ１２（非ポリマークラッドファイバ）とを接続したが、光ファイバ１２同士を接続する構成を採用してもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…ヒートシンク ２…筐体 ３、５…樹脂部材 ３ａ…放熱用凹部 ３ｂ…貫通孔 ３ｃ…露出面 １０、２０、３０、４０…放熱構造 １１、１２…光ファイバ １１ａ、１２ａ…ガラス層 １１ｂ、１２ｂ…プライマリ層 Ｃ…融着接続部

Claims (5)

1. 互いに融着接続されて融着接続部を形成する２本の光ファイバと、
   前記融着接続部が内部に埋設された樹脂部材と、
   前記融着接続部および前記樹脂部材を収容する筐体と、を備え、
   前記樹脂部材は外部に露出した露出面を有し、前記露出面に放熱用凹部が形成されている、
   光ファイバ融着部の放熱構造。
2. ２本の前記光ファイバのガラス層の外周部における屈折率が、プライマリ層の屈折率および前記樹脂部材の屈折率より高い、請求項１に記載の光ファイバ融着部の放熱構造。
3. ２本の前記光ファイバのうち、少なくとも一方の前記光ファイバのガラス層の外周部における屈折率が、当該光ファイバのプライマリ層の屈折率および前記樹脂部材の屈折率より低い、請求項１に記載の光ファイバ融着部の放熱構造。
4. 前記樹脂部材には、貫通孔が形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバ融着部の放熱構造。
5. 前記樹脂部材の単位平面積あたりの前記放熱用凹部がなす表面積は、前記融着接続部に近づくほど大きくなっている、請求項１から４のいずれか１項に記載の光ファイバ融着部の放熱構造。

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