JP2018087988A - 屈曲光ファイバの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバの細径化を抑制でき、所望の曲率半径を実現できる屈曲光ファイバの製造方法を提供する。
【解決手段】屈曲光ファイバの製造方法は、光ファイバ１の第１部位に赤外レーザパルス光Ｌを照射し、光ファイバ１を細径化しない加熱状態で加熱軟化させつつ、軟化した光ファイバ１を第１屈曲加工領域Ｃ１で第１角度θ１に屈曲させる第１屈曲工程と、第１部位と異なる光ファイバ１の第２部位に赤外レーザパルス光Ｌを照射し、光ファイバ１を細径化しない加熱状態で加熱軟化させつつ、軟化した光ファイバ１を第２屈曲加工領域Ｃ２で第２角度θ２に屈曲させる第２屈曲工程とを有し、第１部位および第２部位を含む領域で、光ファイバ１を所定の曲率半径に屈曲させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、屈曲光ファイバの製造方法に関する。

電子部品の高密度実装に伴い、電子部品近傍で使用する光ファイバなどの光伝送媒体についても低背化を伴う実装が必要とされている。

光ファイバ素線を光部品に取り付ける際に、光部品の中心線に対して角度θで取り付ける技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。これにより、光ファイバ素線の曲率半径を実質的に小さくし、光ファイバ部品の小型化を可能としている。

また、アーク放電による照射位置を長手方向にずらしながら、光ファイバを連続的に加熱し屈曲させる技術が知られている（例えば、特許文献２を参照）。これにより、光ファイバを所望の曲率半径で屈曲させることができる。

特開２００４−３２５６２２号公報 国際公開２０１０／０４４２７３号

しかし、特許文献１に記載される技術は、光部品の端部分の一点において光ファイバ素線に角度θの曲げ加工を施すものであるため、この曲げ部分に応力が集中し、光ファイバ素線の細径化などの問題が生じやすくなる。

また、特許文献２に記載される技術は、光ファイバを連続的に加熱するものであるため、必要以上に加熱され、光ファイバの細径化などの問題が生じやすくなる。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、光ファイバの細径化を抑制でき、所望の曲率半径を実現できる屈曲光ファイバの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の屈曲光ファイバの製造方法は、石英ガラスからなる光ファイバを赤外レーザパルス光で加熱し、光ファイバを屈曲させる屈曲光ファイバの製造方法であって、光ファイバの第１部位に赤外レーザパルス光を照射し加熱軟化させつつ、軟化した光ファイバを第１屈曲加工領域で第１角度に屈曲させる第１屈曲工程と、第１部位と異なる光ファイバの第２部位に赤外レーザパルス光を照射し加熱軟化させつつ、軟化した光ファイバを第２屈曲加工領域で第２角度に屈曲させる第２屈曲工程とを有し、第１部位および第２部位を含む領域で、光ファイバを所定の曲率半径に屈曲させる。

本発明の屈曲光ファイバの製造方法は、第１屈曲加工領域と第２屈曲加工領域とは光ファイバの長手方向に離間しているのが好適である。また、本発明の屈曲光ファイバの製造方法は、第１屈曲工程および第２屈曲工程が、第１部位および第２部位よりも光ファイバの一端側に錘を設けるとともに、第１部位および第２部位よりも光ファイバの他端側を固定した状態で行われるのが好適である。

また、本発明の屈曲光ファイバの製造方法は、赤外レーザパルス光が波長１．５μｍ超の光を含むのが好適である。また、本発明の屈曲光ファイバの製造方法は、赤外レーザパルス光が、第１屈曲加工領域および第２屈曲加工領域を含む各屈曲加工領域において、赤外レーザパルス光の各照射領域における他の領域よりもパワーが高くなるようなパワー分布を有するのが好適である。

また、本発明の屈曲光ファイバの製造方法は、赤外レーザパルス光が照射される第１部位および第２部位を含む複数の部位において、各部位当たりの照射パルス数、および各部位の中心間隔を制御することで、光ファイバを所定の曲率半径に屈曲させるのが好適である。
また、本発明の屈曲光ファイバの製造方法は、赤外レーザパルス光が照射される第１部位および第２部位を含む複数の部位の数を設定することで、光ファイバを所定の曲げ角度とするのが好適である。また、本発明の屈曲光ファイバの製造方法は、光ファイバが、マルチコア光ファイバであり、屈曲方向が屈曲の内側軸線上に近接コアが存在しないように設定されているのが好適である。

本発明によれば、光ファイバの細径化を抑制でき、所望の曲率半径を実現できる屈曲光ファイバの製造方法を提供することができる。

本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法の準備工程を説明する図である。 本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法の取付け工程を説明する図である。 本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法の第１屈曲工程を説明する図である。 本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法の第２屈曲工程を説明する図である。 マルチコア光ファイバの断面図である。 本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法における赤外レーザパルス光の熱エネルギー分布を光ファイバの位置に対して示すグラフである。 従来の屈曲光ファイバの製造方法における赤外レーザパルス光の熱エネルギー分布を光ファイバの位置に対して示すグラフである。 本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法による光ファイバの屈曲状態を位置に対して示すグラフである。 従来の屈曲光ファイバの製造方法による光ファイバの屈曲状態を位置に対して示すグラフである。 本実施形態の屈曲光ファイバの外観の例を示す写真図である。 実施例の屈曲光ファイバの曲げ角度および曲率半径の測定結果を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態の屈折光ファイバの製造方法は、準備工程、取付け工程、第１屈曲工程、第２屈曲工程および第ｎ屈曲工程（ｎは２以上の自然数）を備える。

図１は、本実施形態の屈折光ファイバの製造方法の準備工程を説明する図である。準備工程では、光ファイバ１と荷重材１０（錘）とが準備される。この図は、ファイバ軸方向の断面を示している。

光ファイバ１は、シングルコア光ファイバであり、ファイバ軸方向に延在するコア２がクラッド３で取り囲まれている。コア２の屈折率はクラッド３の屈折率より高い。コア２のファイバ軸に垂直な断面形状は円形である。コア２およびクラッド３それぞれは、石英ガラスを主成分として、必要に応じて屈折率調整用の不純物が添加される。例えば、コア２はＧｅＯ_２を添加された石英ガラスであって、クラッド３は純石英ガラスである。或いは、例えば、コア２は純石英ガラスであって、クラッド３はＦ元素を添加された石英ガラスである。

荷重材１０は光ファイバ１の外径に等しい内径を有する筒状体である。荷重材１０はコネクタ用フェルール等の筒状体でもよい。荷重材１０はレーザ照射により溶融しない材質で構成されていればよい。なお、荷重材１０は、筒状体以外の形状でもよいが、加工時に捻じれ等の意図しない変形を予防する上では筒状体が好ましい。また、荷重材１０は、完成品の一部としてもよいし、一旦取り除いた後で完成品の一部となる部品を光ファイバ１の一端１ａに装着して完成品を作成してもよい。

図２は、本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法の取付け工程を説明する図である。取付け工程では、光ファイバ１の一端１ａ側を荷重材１０の筒内部に挿入し、光ファイバ１の一端１ａ側の外周面と荷重材１０の内周面とを接合させることにより、光ファイバ１の一端１ａ側に荷重材１０を装着する。また、他端１ｂ側を固定部２０に固定する。これにより、荷重材１０および光ファイバ１は片持ち梁に保持される。

図３は、本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法の第１屈曲工程を説明する図である。光ファイバ１の荷重材１０が装着されていない第１部位Ｓ１に赤外レーザパルス光Ｌを照射し、光ファイバ１を加熱軟化させる。照射領域である第１部位Ｓ１はファイバ軸方向の長さがファイバ径以上あればよい。つまり、赤外レーザパルス光Ｌは通常円形のスポット光であるから、赤外レーザパルス光Ｌの照射方向から見たときに、照射領域により光ファイバ１が径方向にすべて覆われていればよい。光ファイバ１は、このような赤外レーザパルス光Ｌの照射により加熱軟化され、さらに荷重材１０の荷重および光ファイバ１の自重が加わることによって第１屈曲加工領域Ｃ１で第１角度θ１に屈曲させられる。

ここで、光ファイバ１の加熱源としては、波長１．５μｍ超の光を含み、熱加工が可能な赤外〜近赤外の波長帯域のレーザ光を出力するレーザ光源であればよく、ＣＯ_２レーザ光源が好適である。レーザ光を用いることで、荷重材１０の直近から光ファイバ１を屈曲させることができる。また、屈曲工程により、荷重材１０が光ファイバ１に融着しないので、取り外すことも可能である。またレーザパルスを用いることで、１パルス毎の熱的影響が残り難い。

なお、過剰な加熱によって、ファイバの溶融や過剰な軟化が生じないことが必要である。前者はファイバを細径化させ機械的強度の低下を引き起こす。後者はファイバを一カ所の屈曲のみで９０度に曲げ光学ロスを引き起こす。よって、照射箇所の１点当たりの照射時間、繰返し周波数、パルス幅、パルスエネルギー、パルスピークパワーの関係を事前に検証、把握し、適宜好適化することが必要である。

図４は、本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法の第２屈曲工程を説明する図である。光ファイバ１の荷重材１０が装着されていない第２部位Ｓ２に赤外レーザパルス光Ｌを照射し、光ファイバ１を加熱軟化させる。照射領域である第２部位Ｓ２は、第１部位Ｓ１と異なる部位であり、第１部位Ｓ１に対して光ファイバ１の一端１ａから遠ざかる側に一定間隔ずれた部位である。光ファイバ１は、赤外レーザパルス光Ｌの照射により加熱軟化され、さらに荷重材１０の荷重および光ファイバ１の自重が加わることによって第２屈曲加工領域Ｃ２で第２角度θ２に屈曲させられる。

このように赤外レーザパルス光Ｌの照射位置を光ファイバ１の一端１ａから遠ざかる側に一定間隔ずつずらしながら、赤外レーザパルス光Ｌの照射を行うことによって、光ファイバ１を屈曲させる。照射位置の移動量は、照射面積以下であればよい。ここで、照射位置の移動量とは、照射領域の中心位置の間隔である。すなわち、照射位置の移動量は、照射領域である第１部位Ｓ１および第２部位Ｓ２の中心間隔ｄに等しい。また、照射面積以下とは、照射領域のファイバ軸方向の長さ以下ということである。

照射位置の移動は、ガルバノスキャナを使用して行ってもよく、移動ステージを用いて照射してもよい。また、レバーを備えた回転ステージを用いて、照射箇所の移動に合わせてレバーで光ファイバを屈曲させてもよい。回転ステージの例としては、特許文献２に記載されているものがある。

第２屈曲工程が終了した段階の光ファイバ１は、第１部位Ｓ１および第２部位Ｓ２を含む領域で屈曲させられ、その曲げ角度θは第１角度θ１と第２角度θ２との和である。

第ｎ屈曲工程（ｎは２以上の自然数）では、光ファイバ１の荷重材１０が装着されていない第ｎ部位Ｓｎに赤外レーザパルス光Ｌを照射し、光ファイバ１を加熱軟化させる。照射領域である第ｎ部位Ｓｎは、第ｎ−１部位Ｓｎ−１に対して光ファイバ１の一端１ａから遠ざかる側に一定の中心間隔ｄでずれた部位である。光ファイバ１は、赤外レーザパルス光Ｌの照射により加熱軟化され、さらに荷重材１０の荷重および光ファイバ１の自重が加わることによって第ｎ屈曲加工領域Ｃｎで第ｎ角度θｎに屈曲させられる。

以上のような本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法によれば、各部位Ｓ１〜Ｓｎを含む領域で光ファイバ１を屈曲させ、所望の曲率半径で所望の曲げ角度θに加工することができる。最終的な曲げ角度θは、第１角度θ１、第２角度θ２・・・および第ｎ角度θｎの和となる。

なお、本実施形態では荷重材１０を光ファイバ１の一端１ａを含む位置に装着したが、荷重材１０を設ける位置は第１部位Ｓ１よりも光ファイバ１の一端１ａ側であればどこでもよい。また、第２部位Ｓ２以降の各部位は、第１部位Ｓ１に対して光ファイバ１の一端１ａから遠ざかる側にあるため、荷重材１０は第１部位Ｓ１および第２部位Ｓ２を含む各部位Ｓ１〜Ｓｎよりも光ファイバ１の一端１ａ側に設けられることとなる。

また、本実施形態では光ファイバ１の他端１ｂを固定部２０に固定したが、固定部２０に固定する位置は、第１部位Ｓ１および第２部位Ｓ２を含む各部位Ｓ１〜Ｓｎよりも光ファイバ１の他端１ｂ側であればどこでもよい。

また、本実施形態に用いられる光ファイバ１は、シングルコア光ファイバとして説明をしたが、これに限られない。図５は、マルチコア光ファイバの断面図である。この図は、ファイバ軸に垂直な断面を示している。光ファイバ１は、ファイバ軸方向に延在する７個のコア２が共通のクラッド３で取り囲まれている。断面において、７個のコア２のうち１つのコアは中央に配置され、他の６個のコアは中央のコアを中心とする円の円周上に等間隔に配置されている。

マルチコア光ファイバの場合は、近接コアが屈曲の内側に存在すると、近接コア間のクロストークの要因となる。したがって、屈曲方向Ａが屈曲の内側軸線上に近接コアが存在しないように設定されると好適である。なお、図５に示したマルチコア光ファイバは一例であって、コアの配置はこれに限られない。

図６は、本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法における赤外レーザパルス光の熱エネルギー分布を光ファイバの位置に対して示すグラフである。横軸は光ファイバ１のファイバ軸方向の位置を示す。同図中の左側が光ファイバ１の一端１ａ側であり、右側が他端１ｂ側である。光ファイバ１の一端１ａ側から順に第１部位Ｓ１，第２部位Ｓ２・・・および第ｎ部位Ｓｎが中心間隔ｄで並んでいる。ここでは、中心間隔ｄが照射領域である各部位Ｓ１〜Ｓｎに対して小さいので、各部位Ｓ１〜Ｓｎはオーバーラップしている。

赤外レーザパルス光Ｌの熱パワーは、パワー分布を有している。熱パワーが所定のパワーＰ１を超える領域は、光ファイバ１の曲げに寄与する。第１部位Ｓ１において熱パワーが所定のパワーＰ１を超える領域は、第１屈曲加工領域Ｃ１である。つまり、第１屈曲加工領域Ｃ１では、赤外レーザパルス光Ｌの照射領域である第１部位Ｓ１における他の領域よりも熱パワーが高い。

また、第２部位Ｓ２において熱パワーが所定のパワーＰ１を超える領域は、第２屈曲加工領域Ｃ２である。つまり、第２屈曲加工領域Ｃ２では、赤外レーザパルス光Ｌの照射領域である第２部位Ｓ２における他の領域よりも熱パワーが高い。同様に、第ｎ部位Ｓｎにおいて熱パワーが所定のパワーＰ１を超える領域は、第ｎ屈曲加工領域Ｃｎである。つまり、第ｎ屈曲加工領域Ｃｎでは、赤外レーザパルス光Ｌの照射領域である第ｎ部位Ｓｎにおける他の領域よりも熱パワーが高い。

各部位Ｓ１〜Ｓｎはオーバーラップしているのに対し、各屈曲加工領域Ｃ１〜Ｃｎは離間するように赤外レーザパルス光Ｌのパワー分布を設定しているので、オーバーラップしていない。また、赤外レーザパルス光Ｌは、ピークパワーは高いものの、パルス幅は短いので、ガラスが損傷され難い。さらに、赤外レーザパルス光Ｌのパルス幅、ピークパワー値、パルス数、照射領域（集光度でもよい）を調整することにより、ガラスへの影響を極力抑えることができる。

屈曲加工領域Ｃ１〜Ｃｎは、ファイバ径と同程度以上であることが好ましい。ただし、あまり大きくすると、改質領域が増加して何らかの悪影響が起こる可能性があるので、屈折加工領域Ｃ１〜Ｃｎは、改質領域が増加し過ぎない程度の大きさであることが好ましい。

図７は、従来（特許文献２）の屈曲光ファイバの製造方法における赤外レーザパルス光の熱エネルギー分布を光ファイバの位置に対して示すグラフである。加工開始時間ｔ１と加工終了時間ｔｎとの間でアーク放電による加熱領域をファイバ軸方向に連続的に移動させ、光ファイバを屈曲させる。屈曲加工領域Ｃは１つの連続した領域となり、連続的な屈曲がアーク放電での照射領域全体に及ぶ。なお、ここでは、簡単のため熱パワーをフラットに示しているが、実際には熱パワーは変化すると考えられる。

図８は、本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法による光ファイバの屈曲状態を位置に対して示すグラフである。Ｘ軸は、光ファイバ１の他端１ｂからのファイバ軸方向（屈曲してない状態）の距離である。Ｙ軸は、光ファイバ１が光ファイバ１の他端１ｂの位置からの屈曲方向へ移動した移動距離である。このように屈曲加工領域Ｃ１〜Ｃｎは離間して並んでいる。

図９は、従来の屈曲光ファイバの製造方法による光ファイバの屈曲状態を位置に対して示すグラフである。時間ｔ１〜ｔｎ間の連続領域は、照射領域であるとともに、屈曲加工領域Ｃである。

図１０は、本実施形態の屈曲光ファイバの外観の例を示す写真図である。このように光ファイバ１の細径化は見られない。

以上説明したように、本実施形態の屈曲光ファイバの製造方法によれば、赤外レーザパルス光Ｌで加熱するので、照射パルス数を制御することにより、連続的に加熱する場合に比べて光ファイバ１の加熱状態を制御しやすい。したがって、過剰な加熱による光ファイバ１の溶融や過剰な軟化を引き起こし難く、光ファイバ１の細径化や１カ所の屈曲のみで９０度に曲げてしまうという問題を解決することができる。

また、光ファイバ１の長手方向に離間した複数の部位Ｓ１〜Ｓｎにおいて、所定の角度θ１〜θｎずつ光ファイバ１を屈曲させ、これら複数の部位Ｓ１〜Ｓｎを含む領域全体で所定の曲率半径に光ファイバ１を屈曲させる。したがって、１カ所の屈曲のみで屈曲させる場合に比べて、各部位Ｓ１〜Ｓｎに曲げ応力を分散させることができ、光ファイバ１の細径化などの問題が生じ難い。また、各部位Ｓ１〜Ｓｎの中心間隔を制御することにより、光ファイバ１を所望の曲率半径で屈曲させやすい。

また、光ファイバ１の一端１ａに荷重材１０を装着するとともに、他端１ｂを固定部２０に固定するので、荷重材１０の荷重および光ファイバ１の自重により、赤外レーザパルス光Ｌによって加熱軟化した光ファイバ１を容易に屈曲させることができる。

次に、本発明に係る屈曲光ファイバの製造方法ついての実施例を以下に述べる。まず、光ファイバと荷重材とを準備した。光ファイバは外径０．１２５ｍｍのシングルコア光ファイバとした。荷重材は、材質がホウ硅酸ガラスであり、外径１．８ｍｍ、長さ６．０５ｍｍ、重さ０．０４ｇのキャピラリとした。

照射装置はＣＯ_２レーザ光源を使用し、１箇所に１秒間のパルスレーザ光（繰り返し周波数２０ｋＨｚ、平均パワー１０．４Ｗ、パルスレーザ光の照射領域はアクリル板での照射痕で直径３ｍｍになるように調整）を照射した。パルスレーザ光とすることで、離散的かつ断続的照射を可能とし、局所的かつ一時的な加熱とすることで、不要な部分に必要以上に光ファイバを加熱することを抑えた。

照射位置の移動はガルバノスキャナを使用して行った。光ファイバの屈曲は、錘の荷重および光ファイバの自重で行った。

照射領域の中心位置の間隔および照射箇所数を変えて製造した屈曲光ファイバについて、曲げ角度および曲率半径を測定した結果を図１１に示す。照射箇所数で曲げ角度が変化し、照射中心位置間隔で曲げ半径が変化していることが確認された。

１…光ファイバ、１ａ…一端、１ｂ…他端、１０…荷重材（錘）、ｄ…中心間隔、Ａ…屈曲方向、Ｃ１…第１屈曲加工領域、Ｃ２…第２屈曲加工領域、Ｌ…赤外レーザパルス光、Ｓ１…第１部位、Ｓ２…第２部位、θ１…第１角度、θ２…第２角度。

Claims (9)

1. 石英ガラスからなる光ファイバを赤外レーザパルス光で加熱し、前記光ファイバを屈曲させる屈曲光ファイバの製造方法であって、
   前記光ファイバの第１部位に前記赤外レーザパルス光を照射し、前記光ファイバを細径化しない加熱状態で加熱軟化させつつ、軟化した前記光ファイバを第１屈曲加工領域で第１角度に屈曲させる第１屈曲工程と、
   前記第１部位と異なる前記光ファイバの第２部位に前記赤外レーザパルス光を照射し、前記光ファイバを細径化しない加熱状態で加熱軟化させつつ、軟化した前記光ファイバを第２屈曲加工領域で第２角度に屈曲させる第２屈曲工程とを有し、
   前記第１部位および前記第２部位を含む領域で、前記光ファイバを所定の曲率半径に屈曲させる屈曲光ファイバの製造方法。
2. 前記第１屈曲工程では、前記第１部位に前記赤外レーザパルス光を照射し、前記光ファイバを細径化しない加熱状態で加熱軟化させつつ前記光ファイバに荷重を加え、軟化した前記光ファイバを前記第１屈曲加工領域で前記第１角度に屈曲させ、
   前記第２屈曲工程では、前記第２部位に前記赤外レーザパルス光を照射し、前記光ファイバを細径化しない加熱状態で加熱軟化させつつ前記光ファイバに荷重を加え、軟化した前記光ファイバを前記第２屈曲加工領域で前記第２角度に屈曲させる、請求項１に記載の屈曲光ファイバの製造方法。
3. 前記第１屈曲加工領域と前記第２屈曲加工領域とは前記光ファイバの長手方向に離間している請求項１又は２に記載の屈曲光ファイバの製造方法。
4. 前記第１屈曲工程および前記第２屈曲工程が、
   前記第１部位および前記第２部位よりも前記光ファイバの一端側に錘を設けるとともに、前記第１部位および前記第２部位よりも前記光ファイバの他端側を固定した状態で行われる請求項１〜３のいずれか一項に記載の屈曲光ファイバの製造方法。
5. 前記赤外レーザパルス光が波長１．５μｍ超の光を含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の屈曲光ファイバの製造方法。
6. 前記赤外レーザパルス光が、前記第１屈曲加工領域および前記第２屈曲加工領域を含む各屈曲加工領域において、前記赤外レーザパルス光の各照射領域における他の領域よりもパワーが高くなるようなパワー分布を有する請求項１〜５のいずれか一項記載の屈曲光ファイバの製造方法。
7. 前記赤外レーザパルス光が照射される前記第１部位および前記第２部位を含む複数の部位において、前記各部位当たりの照射パルス数および前記各部位の中心間隔を制御することで、前記光ファイバを所定の曲率半径に屈曲させる請求項１〜６のいずれか一項記載の屈曲光ファイバの製造方法。
8. 前記赤外レーザパルス光が照射される前記第１部位および前記第２部位を含む複数の部位の数を設定することで、前記光ファイバを所定の曲げ角度とする請求項１〜７のいずれか一項記載の屈曲光ファイバの製造方法。
9. 前記光ファイバが、マルチコア光ファイバであり、屈曲方向が屈曲の内側軸線上に近接コアが存在しないように設定されている請求項１〜８のいずれか一項記載の屈曲光ファイバの製造方法。