JP2019028414A - Optical fiber structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバ構造物に関するものである。 The present invention relates to an optical fiber structure.
光ファイバは、レーザー光を伝搬し、通信、計測、又は金属等の加工を行う際の伝送媒体として用いられ、光を伝送するガラス製のコアと、コアの外周面を覆うガラス製のクラッドと、コア及びクラッドを保護するプラスチック製の被覆層とを備えている。 An optical fiber is used as a transmission medium for propagating laser light and performing processing such as communication, measurement, or metal, and includes a glass core that transmits light, and a glass cladding that covers an outer peripheral surface of the core. And a plastic covering layer for protecting the core and the clad.
光ファイバにレーザー光を入射し伝搬させる場合、レーザー光の一部がクラッドに入射される場合がある。クラッドに入射した光はそれがある程度の高エネルギーであった場合、光ファイバの被覆であるプラスチック材料や、光ファイバを固定している端末加工部品等に光が漏れ出し損傷を与えることがある。このようなクラッド内を伝搬する光をクラッドから除去するための光構造物が設けられている。 When laser light is incident on an optical fiber and propagated, a part of the laser light may be incident on the clad. If the light incident on the clad has a certain level of high energy, the light may leak and damage the plastic material that is the coating of the optical fiber, the end processing component that fixes the optical fiber, or the like. An optical structure for removing light propagating in the clad from the clad is provided.
このようにレーザー光がクラッドに入射した場合にクラッド内の光を除去する光構造物として、光ファイバのクラッド外周部にリング状の溝を形成することが、特許文献1に開示されている。 As described above, Patent Document 1 discloses that an optical structure that removes light in a clad when laser light is incident on the clad is formed with a ring-shaped groove on the outer circumference of the clad of the optical fiber.
特許文献2には、光ファイバ外周に光ファイバのクラッドと同等かそれ以上の屈折率をもつガラス管を接着又は融着することによってクラッドモードを除去する構造が開示されている。 Patent Document 2 discloses a structure in which a cladding mode is removed by bonding or fusing a glass tube having a refractive index equal to or higher than that of the optical fiber cladding to the outer periphery of the optical fiber.
光ファイバに光を入射する場合、通常はコア領域のみに光を入射することが想定されている。しかし、光ファイバの入射端にレーザーから光を入射する場合に一部クラッドに入射する場合がある。このようにクラッド領域に入射した光がクラッド領域を伝搬することとなり(クラッドモード光)、特に数百WからkWクラスの高エネルギーの光を伝送するレーザー加工装置のレーザー光伝送手段として光ファイバを用いた場合には、クラッドモード光が加工精度の悪化要因となり得る。 When light is incident on the optical fiber, it is usually assumed that light is incident only on the core region. However, when light is incident on the incident end of the optical fiber from the laser, it may be partially incident on the cladding. In this way, the light incident on the cladding region propagates through the cladding region (cladding mode light), and in particular, an optical fiber is used as a laser beam transmission means of a laser processing apparatus that transmits high energy light of several hundred W to kW class. When used, clad mode light can be a cause of deterioration in processing accuracy.
また、光出射端から出射された光の一部が戻り光としてクラッド内に入射する場合が起こり得る。光ファイバから出射した後に集光レンズで集光されたレーザー光の一部が被加工物で反射し、その反射光が集光レンズを通ってコネクタ側に戻ってクラッドに入り、クラッドを伝搬した光が光ファイバのわずかな曲り等の影響でクラッドから漏れ出して、光ファイバの被覆層や光ファイバを固定している筐体等を損傷するという問題がある。 Further, there may be a case where a part of the light emitted from the light emitting end enters the clad as return light. A part of the laser light collected by the condensing lens after being emitted from the optical fiber is reflected by the work piece, and the reflected light passes through the condensing lens and returns to the connector side to enter the clad and propagates through the clad. There is a problem that light leaks out of the clad due to the slight bending of the optical fiber and damages the coating layer of the optical fiber and the casing that fixes the optical fiber.
上記[0006]及び[0007]に示した問題点を解決するために、特許文献1及び特許文献2のようなクラッドモード光を除去するクラッドモード除去部が設けられ、レーザー加工装置等の高強度なレーザー光伝送手段として用いられる光ファイバのクラッドモード光を効率よく除去することができる。 In order to solve the problems shown in the above [0006] and [0007], a clad mode removing section for removing clad mode light as in Patent Document 1 and Patent Document 2 is provided, and high strength of a laser processing apparatus or the like is provided. It is possible to efficiently remove clad mode light of an optical fiber used as a simple laser light transmission means.
しかしながら、特許文献1に記載の構造は図9に示す通り、光ファイバ10のクラッド12上にリング状の溝加工部40を形成するものであるため、光ファイバ10の強度が著しく劣化し、小さい衝撃でも光ファイバが破断することがありうる。また、特許文献2に記載の構造は、図10に示す通り、クラッドモード除去部として光ファイバ10のクラッド12上にガラス管50を接着又は溶着するもので、ガラス管50と光ファイバ10の軸方向におけるガラス管50の両端部分で応力が集中し、光ファイバが破断する可能性が高い。特許文献1に記載の構造も特許文献2に記載の構造も光ファイバの機械的強度に起因する信頼性が十分にあるとは言えない。 However, as shown in FIG. 9, the structure described in Patent Document 1 forms a ring-shaped
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、機械的強度が高く、かつクラッドモード除去効率が高い光ファイバ構造物を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an optical fiber structure having high mechanical strength and high cladding mode removal efficiency.
本発明の光ファイバ構造物は、コアとクラッドを有する光ファイバガラスと、その軸方向の一部に溶融一体化した概ね軸対称のガラス体からなる構造物である。さらにこのガラス体は光ファイバのクラッドより高い屈折率を有しており、さらにこのガラス体は光ファイバのクラッドよりも低い軟化点を有している。さらに、このガラス体の軸方向における中間部が概ね円筒状であり、かつ両端部が中間部より徐々に径方向の肉厚を減少する形状であることを特徴とする。 The optical fiber structure of the present invention is a structure comprising an optical fiber glass having a core and a clad, and a generally axisymmetric glass body melted and integrated in a part of its axial direction. Furthermore, the glass body has a higher refractive index than the cladding of the optical fiber, and the glass body has a lower softening point than the cladding of the optical fiber. Furthermore, the intermediate part in the axial direction of the glass body is generally cylindrical, and both end parts have a shape in which the thickness in the radial direction gradually decreases from the intermediate part.
また、本発明における光ファイバ構造物において、ガラス体の両端部が徐々に径方向の肉厚を減少し、光ファイバに漸近する形状であることを特徴とすることが好ましい。 In the optical fiber structure according to the present invention, it is preferable that both end portions of the glass body have a shape that gradually decreases the thickness in the radial direction and gradually approaches the optical fiber.
また、本発明における光ファイバ構造物において、ガラス体の少なくとも中間部の円筒外周が粗面加工されていることを特徴とすることが好ましい。 In the optical fiber structure according to the present invention, it is preferable that the cylindrical outer periphery of at least an intermediate portion of the glass body is roughened.
また、本発明における光ファイバ構造物において、ガラス体がホウケイ酸ガラスであることを特徴とすることが好ましい。 In the optical fiber structure of the present invention, it is preferable that the glass body is borosilicate glass.
本発明によれば、機械的強度が高く、かつクラッドモード光除去効率の高い光ファイバ構造物を提供することができる。 According to the present invention, an optical fiber structure having high mechanical strength and high cladding mode light removal efficiency can be provided.
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。 DETAILED DESCRIPTION Exemplary embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は本実施形態の光ファイバ構造物60の側面図である。光ファイバ10はコア11とクラッド12及びプラスチックの被覆層13からなる。光ファイバ10はレーザー加工等に用いられる数百Wから数kW程度の高エネルギーのレーザー光を伝送しうるものであり、レーザー加工装置におけるレーザー光伝送手段等に適用されうる。光ファイバは単一のモードを伝搬するよう設計されたシングルモード光ファイバと複数のモードを伝搬するマルチモード光ファイバがあるが、本発明の実施形態ではいずれの光ファイバも適用可能である。 FIG. 1 is a side view of an
光ファイバ構造物は、ガラス体20が光ファイバ10の軸方向の所定の位置に、光ファイバ10の周方向にほぼ均一に形成されているものである。この構造物は光ファイバ10の入射端又は出射端の軸方向における近傍等に配置されるもので、光コネクタや、適当な筐体内に収納され、保護されるものである。光ファイバ10の軸方向の位置は、例えば光ファイバ10の入射端から軸方向に10cm以内、又は出射端から軸方向に10cm以内の距離に配置されていることが好ましい。また、光ファイバ構造物はコネクタや適当な筐体内に収納することを考慮して、コンパクトであることが好ましいがクラッドモードを十分に除去できる寸法が必要となる。構造物の最大外径はφ0.4mm〜2.5mm、最大長さは8mm〜30mmであることが好ましい。 In the optical fiber structure, the
光ファイバのクラッド上にガラス体を一体化する際、ガラス体の歪点以上に加熱するが、溶融一体化後常温に戻す場合、適当な温度勾配で徐冷したとしても、光ファイバ構造物60には残留応力があり、そのため光ファイバ構造物60の機械的強度が小さく成り得る。残留応力は光ファイバ10側で軸方向に圧縮応力、ガラス体20側で軸方向に引張り応力が掛かり、これらが集中するのはガラス体の軸方向の両端部22となり、応力集中した部分での破断が発生しうる。そのため、ガラス体の応力分布を緩和するために、図1に示すようにガラス体両端部22は軸方向に徐々にその肉厚を減少するように形成する。このような形状を取ることによって、光ファイバ構造物60の応力集中は緩和され、十分な機械的強度が確保できる。 When the glass body is integrated on the clad of the optical fiber, the glass body is heated above the strain point of the glass body. However, when the glass body is returned to room temperature after fusion integration, the
光ファイバ構造物60は、光ファイバの周囲にガラス体を形成するものであり、その際、光ファイバがガラス体の形成プロセスの影響で変形をすることは、光ファイバの伝送特性上好ましくない。ガラス体をクラッドに溶融一体化するためには、ガラス体をその軟化点以上まで加熱するが、その際光ファイバが加熱により変形することを抑えるためには、ガラスの軟化点がクラッドより低いガラス体を使用し、クラッドガラスの軟化点より低い温度でガラス体が溶融一体化されることが好ましい。 The
光ファイバ構造物60のガラス体20の屈折率は光ファイバクラッド12より大きい材料を使用する。この構造物はクラッド上にクラッド12より屈折率が高いガラス体20が溶融一体化しており、光学的にも接しているため、光ファイバクラッド12内に入射した光はこの構造物のクラッド12とガラス体20の界面を介してクラッド12からガラス体20側に効率よく除去することができる。 The refractive index of the
図2は本実施形態の光ファイバ構造物60の部分拡大図である。ガラス体20の軸方向における両端部22の肉厚の減少度合いは、クラッド12とガラス体20の接触角θで表すことができ、接触角θの値は小さいことが好ましく例えば45度以下であることが好ましい。 FIG. 2 is a partially enlarged view of the
図3、及び図4は本実施形態でガラス体20を溶融一体化した際に実現しうる形状である。図3ではガラス体20の肉厚の減少は直線的ではなく、ガラス体20の端部22は凸面を形成しつつ肉厚が減少している。図4においては、ガラス体20の中間部21の一部が膨らんだ形状となり端部22において凸面を形成しつつ肉厚を減少させているものである。これら図3、図4に示す形状においても、接触角θが小さいことが好ましく、例えば45度以下であることが好ましい。このような形状においても機械的強度の問題はなく、またクラッドモード除去の効果は他の実施形態と変わらない効果を得られる。 3 and 4 show shapes that can be realized when the
図5及び図6に示すように、別の実施形態では、光ファイバ構造物60を形成するガラス体20の軸方向における両端部22の形状を、光ファイバ10のクラッド12に軸方向に漸近する構造としたものである。このような構造では軸方向における残留応力の集中がより緩和されるため、光ファイバ構造物60の機械的強度はさらに向上する。 As shown in FIGS. 5 and 6, in another embodiment, the shape of both
また、図7に示すように、ガラス体20の中間部21の一部が膨らんだ形状となり端部において凸面を形成しつつ肉厚を減少させてクラッド12に軸方向に漸近する構造となっているものが形成しうる。この構造についてもガラス体20の両端部22においてガラス体の肉厚が減少しクラッドに漸近する構造となっていることで、機械的強度の問題はなく、またクラッドモード除去の効果は他の実施形態と変わらない効果を得られる。 Further, as shown in FIG. 7, a part of the
図8はさらに別の実施形態を示すものである。光ファイバ構造物60において、除去されたクラッドモード光はコア11内に再結合されることなく除去されることが望まれる。またクラッド12からガラス体20に入射した光がガラス体20内部で反射し、ガラス体20から出射した光が光ファイバ構造物60を保護する筐体等のある箇所に集中し、その箇所を損傷する可能性が除去されることが望まれる。これらの実現のためガラス体20の少なくとも中間部21の一部に全周にわたり粗面加工30を施すことが好ましい。ガラス体20の中間部21の一部を全周粗面化することによって、ガラス体20内で何度も反射しクラッド12内に戻る可能性が低くなるとともに、ガラス体20から出射した光が筐体等を損傷する可能性は低くなる。粗面加工30は光ファイバ10そのものには強度的に影響のないところに施されるので、図8に示すように直接光ファイバクラッド12に加工を施す構造に比較して機械的強度は劣化しない。この粗面加工30は、緩衝フッ酸によるエッチング、CO2レーザー照射による加工、サンドブラスト等物理的な研削、等の方法で形成される。 FIG. 8 shows still another embodiment. In the
ガラス体20は光ファイバクラッド12より屈折率が高いもので、かつ軟化点が低いものであり、溶融一体化後に残留応力の少ないものとして、線膨張係数が光ファイバクラッド12に近いことから、ホウケイ酸ガラスであることが好ましい。一般的にホウケイ酸ガラスは屈折率が1.471、軟化点が820℃のものが知られており、これらを光ファイバのクラッドである石英と比較してみると、石英の屈折率が1.458、軟化点が1,720℃であることから、本発明の光ファイバ構造物を構成するガラス体として、適当であることがわかる。また、加工後の残留応力の原因となる線膨張係数は石英の5倍程度であり、他のガラスと比べてその差が小さいため、残留応力を比較的小さくできる。また一般的に耐熱ガラスとして広く使用されており、品質も安定し入手が簡単であること等を考えると本光ファイバ構造物60のガラス体20として優れている。 The
以上説明したように、本発明は機械的強度が高い構造で、光ファイバのクラッドモードを十分に除去するという効果が得られることから、産業上の利用価値は極めて高い。 As described above, since the present invention has a structure with high mechanical strength and can effectively remove the cladding mode of the optical fiber, the industrial utility value is extremely high.
10 光ファイバ
11 コア
12 クラッド
13 被覆層
20 ガラス体
21 ガラス体中間部
22 ガラス体端部
30 粗面加工部
40 溝加工部
50 ジャケット管
60 光ファイバ構造物DESCRIPTION OF
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
WO2020184603A1 (en) * | 2019-03-12 | 2020-09-17 | 古河電気工業株式会社 | Optical component and semiconductor laser module |
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2017
- 2017-07-28 JP JP2017156950A patent/JP2019028414A/en active Pending
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