JP2018049082A - ポリマークラッドファイバおよびポリマークラッドファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】局所的な発熱を抑制しつつクラッドモード光を除去可能なポリマークラッド光ファイバを提供する。【解決手段】ポリマークラッドファイバは、コア１ａおよびコア１ａを囲むガラスクラッド１ｂを有する光ファイバ裸線１と、ガラスクラッド１ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂により形成された、光ファイバ裸線１を覆うポリマークラッド層２と、を備える。波長９１５ｎｍにおける励起損失は、０．１ｄＢ／ｍ以上となるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ポリマークラッドファイバおよびポリマークラッドファイバの製造方法に関する。

ファイバレーザに使用される光ファイバは、高密度な光を伝送する必要がある。近年、ファイバレーザの高出力化が進められており、金属の切断や溶接などに使用されるようなｋＷ級の光出力を持つファイバレーザが製品化されている。

ファイバレーザに使用される増幅用の光ファイバは、コアとガラスクラッドとを備えている。コア内は、出力光と同一の光（信号光）が伝搬する。ガラスクラッドはコアの周囲に形成されており、ガラスクラッド内は信号光を増幅させるための光（励起光）が伝搬する。ガラスクラッド内を伝搬する励起光がコアと鎖交する際に、励起光はコア内にエネルギーとして吸収され、信号光が増幅される。励起光は、コア内に全て吸収されるのが望ましい。しかし、実際には一部の励起光がガラスクラッド内に残留し、信号光の励起に寄与しないスキュー光となる。このスキュー光は、ガラスクラッド内を伝搬し続けるクラッドモード光となる。また、コア内を伝搬する信号光の一部も、光ファイバに加わる外乱によってガラスクラッド内に漏洩し、クラッドモード光となる。

クラッドモード光は、ファイバレーザのビーム品質を悪化させる原因となる。そこで下記特許文献１は、クラッドモード光を除去する漏洩光処理構造を開示している。この漏洩光処理構造は、ガラスクラッドの周囲に設けられた漏洩光ガイド部材を通して、クラッドモード光を光ファイバの外部に放出する。

特開２００８−２６８７４７号公報

ところで、上記特許文献１に記載の構造では、クラッドモード光が特定の部分から集中して光ファイバの外部に放出される。このため、クラッドモード光が放出される部分が局所的に発熱し、光ファイバが焼損してしまうおそれがあった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、局所的な発熱を抑制しつつクラッドモード光を除去可能なポリマークラッド光ファイバ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ポリマークラッドファイバは、コアおよび前記コアを囲むガラスクラッドを有する光ファイバ裸線と、前記ガラスクラッドの屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂により形成された、前記光ファイバ裸線を覆うポリマークラッド層と、を備え、波長９１５ｎｍにおける励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上となるように構成されている。

上記態様に係るポリマークラッドファイバによれば、励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上であるため、長手方向にわたって徐々にクラッドモード光を除去することができる。これにより、クラッドモード光を特定の部分から集中して放出する場合と比較して、局所的な発熱を抑えることができる。

また、上記態様に係るポリマークラッドファイバは、前記ポリマークラッド層を覆う保護被覆層を備え、前記保護被覆層は熱硬化型樹脂により形成されていてもよい。

この場合、保護被覆層が熱硬化型樹脂により形成されているため、ポリマークラッドファイバの製造時に、高温で保護被覆層が熱膨張した状態で硬化した後、冷却される際に、保護被覆層が熱収縮する。硬化した保護被覆層の熱収縮により、ポリマークラッド層に側圧が印加され、励起損失を容易に増大させることができる。

また、保護被覆層の膜厚が、前記ポリマークラッド層の膜厚以上であってもよい。

この場合、保護被覆層の膜厚が大きいため、保護被覆層が熱収縮する際に割れなどが発生するのを抑えて、ポリマークラッド層に確実に側圧を印加することができる。

また、前記保護被覆層を形成する熱硬化型樹脂のタイプＤ硬度が５０以上であってもよい。

この場合、保護被覆層の硬度が大きいため、保護被覆層が熱収縮する際に、ポリマークラッド層に確実に側圧を印加することができる。

また、本発明の一態様に係るポリマークラッドファイバの製造方法は、コアと、前記コアを囲むガラスクラッドと、を有する光ファイバ裸線に、前記ガラスクラッドの屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂を塗布してポリマークラッド層を形成する工程を有し、波長９１５ｎｍにおける励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上であるポリマークラッドファイバを製造する。

上記態様に係るポリマークラッドファイバの製造方法によれば、励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上のポリマークラッドファイバを製造する。このポリマークラッドファイバは、長手方向にわたって徐々にクラッドモード光を除去可能である。このため、クラッドモード光を特定の部分から集中して放出する場合と比較して、局所的な発熱を抑えることができる。

また、上記ポリマークラッドファイバの製造方法は、前記ポリマークラッド層の周囲に熱硬化型樹脂を塗布した後、前記熱硬化型樹脂を加熱して硬化させて保護被覆層を形成する工程を有していてもよい。

この場合、ポリマークラッドファイバの製造時に、保護被覆層となる熱硬化型樹脂が熱膨張した状態で硬化した後、冷却される際に熱収縮する。硬化した保護被覆層の熱収縮により、ポリマークラッド層に側圧が印加され、励起損失を容易に増大させることができる。

また、前記保護被覆層を形成する工程では、前記保護被覆層となる前記熱硬化型樹脂を３００℃以上の温度で硬化させてもよい。

この場合、保護被覆層となる熱硬化型樹脂が３００℃以上の高温で熱膨張した状態で硬化するため、冷却時に保護被覆層の熱収縮量が大きくなり、ポリマークラッド層に確実に側圧を印加することができる。

本発明の上記態様によれば、局所的な発熱を抑制しつつクラッドモード光を除去可能なポリマークラッド光ファイバを提供することができる。

本実施形態に係るポリマークラッドファイバ１０の製造工程を示す模式図である。 励起損失の測定装置の模式図である。 膜厚比と励起損失との関係を示したグラフである。

以下、本実施形態に係るポリマークラッドファイバについて、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（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態に係るポリマークラッドファイバ１０の製造工程を示す模式図である。このうち、図１（ｆ）は、製造されたポリマークラッドファイバ１０の断面図である。
図１（ｆ）に示すように、ポリマークラッドファイバ１０は、光ファイバ裸線１、ポリマークラッド層２、および保護被覆層３を備えている。ポリマークラッド層２は、光ファイバ裸線１を覆っている。保護被覆層３は、ポリマークラッド層２を覆っている。

光ファイバ裸線１は、例えば石英系ガラスなどにより形成されている。光ファイバ裸線１は、コア１ａおよびガラスクラッド１ｂを備えている。ガラスクラッド１ｂは、コア１ａを覆っている。
ポリマークラッド層２の材質は、ＵＶ硬化型樹脂でもよく、熱硬化型樹脂であってもよい。ポリマークラッド層２は、ガラスクラッド１ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する材質により形成されている。

保護被覆層３は、熱硬化型樹脂により形成されている。保護被覆層３の材質としては、例えばエポキシ変性シリコーン樹脂を用いることができる。エポキシ変性シリコーン樹脂は、硬度、粘度、および硬化速度の観点から保護被覆層３の材質として適している。なお、保護被覆層３を形成する材質の線膨張係数は、光ファイバ裸線１およびポリマークラッド層２を形成する材質の線膨張係数よりも大きい。

保護被覆層３は、後述するように、製造時に熱膨張した状態で硬化した後、熱収縮することでポリマークラッド層２に側圧を印加する。このため、保護被覆層３は、ある程度硬い材質により形成されていることが望ましい。具体的には、保護被覆層３を形成する材質は、ＪＩＳ−Ｋ−６２５３に基づいて測定されるタイプＤデュロメータでの硬度（以下、本明細書では「タイプＤ硬度」などと表記する）が５０以上であることが望ましい。また、タイプＤ硬度が７０以上の材質を用いて保護被覆層３を形成すると、より確実にポリマークラッド層２に側圧を印加することができる。

次に、ポリマークラッドファイバ１０の製造工程について説明する。

ポリマークラッドファイバ１０を製造する際、まず、光ファイバ裸線１を成形する（図１（ａ））。光ファイバ裸線１は、例えば２０００℃程度に熱したガラス母材を引き出して、所望の外径（例えば数百μｍ程度）にする。
次に、光ファイバ裸線１の周囲に、ポリマークラッド層２となる樹脂を塗布する（図１（ｂ））。その後、塗布した樹脂をＵＶ光の照射もしくは加熱により硬化させて、ポリマークラッド層２を形成する。
次に、ポリマークラッド層２の周囲に保護被覆層３となる熱硬化型樹脂を塗布する（図１（ｃ））。
次に、電熱炉などの架橋装置によってポリマークラッドファイバ１０を加熱する（図１（ｄ））。これにより、熱硬化型樹脂が硬化して保護被覆層３が形成される。熱硬化型樹脂を硬化させる際の温度は、例えば３００℃以上である。このとき、保護被覆層３は熱膨張した状態で硬化する（図１（ｅ））。
次に、ポリマークラッドファイバ１０を常温まで冷却する。これにより、保護被覆層３が熱収縮する（図１（ｆ））。

ここで、保護被覆層３は硬化した状態で熱収縮するため、ポリマークラッド層２に圧縮方向の側圧が作用する。この側圧により、ポリマークラッド層２の励起損失を増大させることができる。なお、励起損失とは、ガラスクラッド１ｂ内を伝搬する励起光の伝送損失である。励起損失は、例えば図２に示す測定装置１００を用いて、カットバック法により測定することができる。

図２は励起損失の測定装置１００の模式図である。測定装置１００は、光源１０１と、カロリメータ１０２とを備えている。
光源１０１は、レーザーダイオード１０３、ＮＡ変換部１０４、およびダミーファイバ１０５を備えている。レーザーダイオード１０３は、測定用レーザ光を出射する。測定用レーザ光は、レーザーダイオード１０３の口出しファイバ１０３ａを介してＮＡ変換部１０４に入射する。ＮＡ変換部１０４は、口出しファイバ１０３ａのＮＡを、測定対象となるポリマークラッドファイバ１０のＮＡと同等となるように変換する。ダミーファイバ１０５は、ＮＡ変換部１０４と測定対象のポリマークラッドファイバ１０とを接続する。ダミーファイバ１０５と測定対象のポリマークラッドファイバ１０とは、互いに融着接続される。カロリメータ１０２は、測定対象のポリマークラッドファイバ１０から出射された光の出力パワーを測定する。

励起損失を測定する際、測定装置１００に測定対象のポリマークラッドファイバ１０をセットし、レーザーダイオード１０３から波長９１５ｎｍの光を出射する。この際にポリマークラッドファイバ１０から出射される光の出力パワーＰ_２を、カロリメータ１０２により測定する。次に、測定対象のポリマークラッドファイバ１０を所定量切断（カットバック）し、その後の出力パワーＰ_１を測定する。カットバック長（Ｐ_２測定時のファイバ長さからＰ_１測定時のファイバ長さを引いた差分）をＬとすると、以下の数式（１）により、ポリマークラッドファイバ１０の励起損失が算出される。
励起損失＝｜１０ｌｏｇ（Ｐ_１／Ｐ_２）｜／Ｌ …（１）

次に、保護被覆層３の膜厚などが異なる複数のポリマークラッドファイバ１０を作成し、励起損失を測定した試験の結果について説明する。

（試験例１）
光ファイバ裸線１の外径を１２５μｍとした。ポリマークラッド層２の材質として、屈折率が１．４１の熱硬化型シリコーン樹脂を用いた。保護被覆層３の材質として、タイプＤ硬度が７５の熱硬化型シリコーン樹脂を用いた。
以上の条件のもと、ポリマークラッド層２および保護被覆層３の膜厚を異ならせたポリマークラッドファイバ１０を複数作成した。作成したポリマークラッドファイバ１０のポリマークラッド層２および保護被覆層３の膜厚は、表１に示す通りである。なお、表１および表２の膜厚比とは、ポリマークラッド層２の膜厚に対する保護被覆層３の膜厚の比である。例えばポリマークラッド層２の膜厚が２５μｍで、保護被覆層３の膜厚が３７．５μｍである場合、膜厚比は３７．５μｍ÷２５μｍ＝１．５となる。
試験例１では、各ポリマークラッドファイバ１０の膜厚比は、０．２〜１．５の範囲となった。また、各ポリマークラッドファイバ１０の励起損失は、０．００３〜０．１３ｄＢ／ｍの範囲となった。

（試験例２）
試験例２では、保護被覆層３の材質として、タイプＤ硬度が５０の熱硬化型シリコーン樹脂を用いた。作成したポリマークラッドファイバ１０のポリマークラッド層２および保護被覆層３の膜厚は、表１に示す通りである。その他の条件は、試験例１と同様である。
試験例２では、各ポリマークラッドファイバ１０の膜厚比は、０．２〜１．５の範囲となった。また、各ポリマークラッドファイバ１０の励起損失は、０．００２７〜０．１３１ｄＢ／ｍの範囲となった。

（試験例３）
試験例３では、光ファイバ裸線１の外径を８０μｍとした。作成したポリマークラッドファイバ１０のポリマークラッド層２および保護被覆層３の膜厚は、表１に示す通りである。その他の条件は、試験例１と同様である。
試験例３では、各ポリマークラッドファイバ１０の膜厚比は、０．２〜１．５の範囲となった。また、各ポリマークラッドファイバ１０の励起損失は、０．００１５〜０．１３ｄＢ／ｍの範囲となった。

（試験例４）
試験例４では、光ファイバ裸線１の外径を４００μｍとした。作成したポリマークラッドファイバ１０のポリマークラッド層２および保護被覆層３の膜厚は、表２に示す通りである。その他の条件は、試験例１と同様である。
試験例４では、各ポリマークラッドファイバ１０の膜厚比は、０．２〜２．０の範囲となった。また、各ポリマークラッドファイバ１０の励起損失は、０．００２８〜０．１４５ｄＢ／ｍの範囲となった。

（試験例５）
試験例５では、保護被覆層３の材質として、タイプＤ硬度が２０の熱硬化型シリコーン樹脂を用いた。作成したポリマークラッドファイバ１０のポリマークラッド層２および保護被覆層３の膜厚は、表２に示す通りである。その他の条件は、試験例１と同様である。
試験例５では、各ポリマークラッドファイバ１０の膜厚比は、０．４〜２．０の範囲となった。また、各ポリマークラッドファイバ１０の励起損失は、０．０１〜０．０９ｄＢ／ｍの範囲となった。

（試験例６）
試験例６では、保護被覆層３の材質として、タイプＡ硬度が８０の熱硬化型シリコーン樹脂を用いた。作成したポリマークラッドファイバ１０のポリマークラッド層２および保護被覆層３の膜厚は、表２に示す通りである。その他の条件は、試験例１と同様である。
試験例６では、各ポリマークラッドファイバ１０の膜厚比は、０．５〜２．６の範囲となった。また、各ポリマークラッドファイバ１０の励起損失は、０．００２９〜０．０７５ｄＢ／ｍの範囲となった。

図３は、上記試験例１〜６のポリマークラッドファイバ１０について、膜厚比と励起損失との関係を示したグラフである。横軸は膜厚比であり、縦軸は励起損失（ｄＢ／ｍ）である。
図３に示すように、膜厚比が大きいほど励起損失が増大する。これは、保護被覆層３が厚いほど、保護被覆層３が硬化して熱収縮する際に、確実にポリマークラッド層２に側圧を印加するためである。

次に、試験例１〜６で作成したポリマークラッドファイバ１０について、励起光（クラッドモード光）が充分に除去されているかを確認した実験の結果を説明する。

本実験では、試験例１〜６で作成したポリマークラッドファイバ１０をファイバレーザの出力ファイバとして１０ｍ接続し、その下流にクラッドモード除去部を形成した。クラッドモード除去部として、特許第５８５０９９２号公報に記載された光デバイスを用いた。この光デバイスの被覆除去区間における温度を測定し、温度上昇の有無を判定した。この判定結果を、表１および表２に示す「クラッドモード除去部での温度上昇」の欄に記載した。ここで、○は温度上昇が無かったことを示し、△はわずかに温度上昇があったことを示し、×は顕著な温度上昇があったことを示す。温度上昇が無い場合、ポリマークラッドファイバ１０による励起光の除去が充分であることが推測できる。

表１および表２から、励起損失が大きいほどクラッドモード除去部での温度上昇が抑えられることがわかる。詳しくは、励起損失が０．０６５ｄＢ／ｍ以下の範囲では顕著な温度上昇があった。励起損失が０．０７〜０．０９ｄＢ／ｍの範囲では、わずかな温度上昇があった。励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上の範囲では、温度上昇が無かった。
以上の結果から、ポリマークラッドファイバ１０の励起損失を０．１ｄＢ／ｍとすることにより、クラッドモード光を十分に除去することができる。

次に、ポリマークラッドファイバ１０の励起損失を０．１ｄＢ／ｍ以上とするための条件について考察する。

表１および表２に示すように、保護被覆層３を形成する材質の硬度が比較的小さい試験例５および試験例６については、励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上のポリマークラッドファイバ１０が得られなかった。一方、タイプＤ硬度が５０以上である試験例１〜４については、励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上となるポリマークラッドファイバ１０が得られた。
以上のことから、タイプＤ硬度が５０以上の材質を保護被覆層３として用いることが、励起損失を０．１ｄＢ／ｍ以上とするための条件である。
なお、保護被覆層３の硬度が大きいほど励起損失が増大するのは、保護被覆層３が熱収縮する際、強固に硬化しているほどポリマークラッド層２に印加する側圧が増大するためである。

次に、励起損失を０．１ｄＢ／ｍ以上とするための膜厚比について考察する。試験例１〜４のうち、励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上となっているのは、膜厚比が１．０以上の場合である（表１および表２参照）。従って、膜厚比を１．０以上とすること、すなわち保護被覆層３の膜厚をポリマークラッド層２の膜厚以上とすることが、励起損失を０．１ｄＢ／ｍ以上とするための条件である。

以上説明したように、本実施形態のポリマークラッドファイバ１０によれば、励起損失を０．１ｄＢ／ｍ以上とすることにより、長手方向にわたって徐々にクラッドモード光を除去することができる。これにより、クラッドモード光を特定の部分から集中して放出する場合と比較して、局所的な発熱を抑えることができる。

また、保護被覆層３が熱硬化型樹脂により形成されているため、ポリマークラッドファイバ１０の製造時に、高温で保護被覆層３が熱膨張した状態で硬化した後、冷却される際に、保護被覆層３が熱収縮する。硬化した保護被覆層３の熱収縮により、ポリマークラッド層２に側圧が印加され、ポリマークラッド層２の励起損失を容易に増大させることができる。

また、保護被覆層３の膜厚を、ポリマークラッド層２の膜厚以上とした場合には、保護被覆層３が熱収縮する際に割れなどが発生するのを抑えて、ポリマークラッド層２に確実に側圧を印加することができる。

また、保護被覆層３を形成する熱硬化型樹脂のタイプＤ硬度が５０以上である場合には、保護被覆層３が熱収縮する際に、ポリマークラッド層２に確実に側圧を印加することができる。

また、保護被覆層３を形成する工程で、保護被覆層３となる熱硬化型樹脂が３００℃以上の高温で熱膨張した状態で硬化させた場合には、冷却時に保護被覆層３の熱収縮量が大きくなり、ポリマークラッド層２に確実に側圧を印加することができる。

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、前記実施形態では、保護被覆層３を熱硬化型樹脂で形成することによってポリマークラッドファイバ１０の励起損失を０．１ｄＢ／ｍ以上とする方法について説明した。しかし、本発明はこれに限られず、他の手法によって励起損失を０．１ｄＢ／ｍ以上としてもよい。例えば、ガラスクラッド１ｂ中に泡などの散乱源を付与することで、ポリマークラッドファイバ１０の励起損失を０．１ｄＢ／ｍ以上としてもよい。

また、前記実施形態では、タイプＤ硬度が５０以上の熱硬化型樹脂で保護被覆層３を形成することでポリマークラッドファイバ１０の励起損失を０．１ｄＢ／ｍ以上とする方法について説明した。しかし、本発明はこれに限られない。例えば、膜厚比を大きくすることによって、タイプＤ硬度が５０未満の熱硬化型樹脂で保護被覆層３を形成しつつ、励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上となるようにポリマークラッドファイバ１０を構成してもよい。

また、前記実施形態では、膜厚比を１．０以上とすることでポリマークラッドファイバ１０の励起損失を０．１ｄＢ／ｍ以上とする方法について説明した。しかし、本発明はこれに限られない。例えば、タイプＤ硬度が大きい熱硬化型樹脂を用いて保護被覆層３を形成することによって、膜初比を１．０未満としつつ、励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上となるようにポリマークラッドファイバ１０を構成してもよい。

また、前記実施形態では保護被覆層３となる熱硬化型樹脂を３００℃以上の温度で硬化させると説明した。しかし、本発明はこれに限られず、３００℃未満の温度で保護被覆層３となる熱硬化型樹脂を硬化させてもよい。

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…光ファイバ裸線 １ａ…コア １ｂ…ガラスクラッド ２…ポリマークラッド層 ３…保護被覆層 １０…ポリマークラッドファイバ

Claims (7)

1. コアおよび前記コアを囲むガラスクラッドを有する光ファイバ裸線と、
   前記ガラスクラッドの屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂により形成された、前記光ファイバ裸線を覆うポリマークラッド層と、を備え、
   波長９１５ｎｍにおける励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上である、
   ポリマークラッドファイバ。
2. 前記ポリマークラッド層を覆う保護被覆層を備え、
   前記保護被覆層は熱硬化型樹脂により形成されている、請求項１に記載のポリマークラッドファイバ。
3. 前記保護被覆層の膜厚が、前記ポリマークラッド層の膜厚以上である、請求項２に記載のポリマークラッドファイバ。
4. 前記保護被覆層を形成する熱硬化型樹脂のタイプＤ硬度が５０以上である、請求項２または３に記載のポリマークラッドファイバ。
5. コアと、前記コアを囲むガラスクラッドと、を有する光ファイバ裸線に、前記ガラスクラッドの屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂を塗布してポリマークラッド層を形成する工程を有し、
   波長９１５ｎｍにおける励起損失が０．１ｄＢ／ｍ以上であるポリマークラッドファイバを製造する、
   ポリマークラッドファイバの製造方法。
6. 前記ポリマークラッド層の周囲に熱硬化型樹脂を塗布した後、前記熱硬化型樹脂を加熱して硬化させて保護被覆層を形成する工程を有する、
   請求項５に記載のポリマークラッドファイバの製造方法。
7. 前記保護被覆層を形成する工程では、前記保護被覆層となる前記熱硬化型樹脂を３００℃以上の温度で硬化させる、
   請求項６に記載のポリマークラッドファイバの製造方法。

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