JP3661790B2 - 相当異なる断面積の光学部品を融着接続するためのレーザの使用 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、一般的には、光学部品を含むオプトエレクトロニクスに関し、特に、レンズ、フィルタ、格子、プリズム等の光学素子に光ファイバを接続するような、非常に異なる断面積の光学部品を共に接続するためのオプトエレクトロニクスに関するものである。
【０００２】
背景技術
１本の光ファイバを他の光ファイバへ、或いは、１本の光ファイバを光導波路へ接続することが知られている。このような接続は、接続する領域を局部的に溶融する融着接続を含む多様な手法により行うことができる。
【０００３】
次の引用文献は、ファイバからファイバへ、或いは、ファイバからシリカ導波路への融着接続を開示する：（１）R. Rivoallan等「ＣＯ_２レーザによる単一モードファイバ融着接続」、Electronics letters、Vol. １９、No. ２、５４〜５５頁、１９８３年；（２）R. Rivoallan等、「ＣＯ_２レーザによるフッカ物ガラス光ファイバの融着接続」Electronics letters、Vol. ２４、No. １２、７５６〜７５７頁、１９８８年；（３）N. Shimizu等、「光回路と光ファイバ間の融着接続」Electronics letters、Vol. １９、No. ３、９６〜９７頁、１９８３年；（４）T. Shiota等、「シリカを基材とする導波路および光ファイバ間の改良された光接続」、OFC’９４ Technical Digest、２８２〜２８３頁；および（５）H. Uetsuka等、「導波マルチプレクサ／デマルチプレクサを用いた特徴のある光双方向モジュール」OFC’９３、Technical Digest、２４８〜２４９頁。両者（ファイバからファイバへ、或いはファイバから導波路へ）において、溶融する塊は非常に小さく、且つ同じ様なサイズである。溶融は、当該２つの部品間の細心の温度バランスを必要とせず、側方から入射するレーザビームによって行うことができる。
【０００４】
１９８８年４月１２日にK. J. Warbrickに与えられた米国特許第４，７３７，００６号「純シリカレンズを含む光ファイバ接続およびそれを製造する方法」は、ドープされていない（純粋な）シリカ棒を単一モードファイバへ電気アークを使用して融着接続し、コリメータを製造することが開示されている。しかし、これは非常に複雑な方法であり、用途が限定される。
【０００５】
技術における現在のプラクティスでは、光ファイバを、光ファイバよりずっと大きな断面積を有するレンズ、フィルタ、格子、プリズムおよび他の部品の如き他の光学素子に取り付けることがしばしば必要となる。大きな光学素子に光ファイバを取り付けるために最もよく用いられている工程は、（１）ファイバ面を光学素子に接着剤で直接接着する工程、或いは（２）環境条件の大きな変化の間じゅう空気分離型ファイバと光学素子の安定した位置決めを行なう複合メカニカルハウジングを作る工程を含む。
【０００６】
このようなデバイスの光路内に接着剤を使用することは、時間の経過により接着剤の劣化の虞があるので好ましくない。他方、複合メカニカルハウジングを用いてファイバを光学部品から一定の距離だけ間隔を空けるのに、デバイスを通過する光エネルギーの損失を最小にするために空気とガラスとのすべての境界に反射防止コーティングが必要となる。空気とガラスの境界があることが、光ファイバ内に光が反射して戻る原因ともなっている。後方反射として知られるこの現象は、多くの通信ネットワークにおいてノイズの原因となり、このような通信ネットワークの伝送帯域幅を事実上制限している。
【０００７】
従来技術においては、視準レンズの角度をつけて研磨した面（angle-polished face）近傍で、角度をつけて切断したファイバ（angle-cleaved fiber）或いは角度をつけて研磨したファイバを位置決めすることが、ファイバコリメータの優れた視準(collimation)および優れた性能特性をもたらすことが示されている。しかし、コリメータを組み立てる為のこれらの現在の技術では、非常に労力を要するアライメント技術を必要とする。このアライメント技術は、最終組立の間、レンズに対してファイバの位置を３つの直線軸および３つの回転軸内で操作することを含む。コリメータが作られるならば、ファイバとレンズは効率的に一体のものとなり、融着工程の間、２つの直線軸および２つの回転軸に対するアライメントを低減することができ、最終組立の間にはアライメントは必要でなくなり、これにより、コストが劇的に低減される。
【０００８】
上記したように、コリメータ組立体において、最少にすべきキーとなる性能パラメータは、ファイバに戻る光の後方反射である。同じ屈折率のレンズへのファイバの突き合わせ接続、或いは融着接続では、後方反射を生じる明確な境界がない。ビームは次にレンズ内で拡散し、レンズを出射するまでは屈折率が変化する面(index break surface)を見ることがない。そのときまでに、ビームは、相当拡散しているのでファイバコアに戻ることのできる光の量は非常に小さい。
【０００９】
シングルモード光ファイバをコリメータレンズ、フィルタ、格子、プリズム、波長分割多重化デバイス（ＷＤＭ）或いは比較的大きな断面積を有する任意の他の光学部品に直接融着接続することができるならば、オプトエレクトロニクスおよび通信の市場において、多くの進展を成し遂げることができる。相当異なる断面積の光学部品を溶融することができるならば、一層一般的に、これらが発展することができる。
【００１０】
このように、相当異なる断面積の光学部品を融着接続する方法が必要とされている。
【００１１】
発明の開示
本発明によれば、レーザを使用して相当異なる断面積の光学部品を融着接続する方法が提供される。「相当異なる」とは少なくとも２倍異なることを意味する。
【００１２】
本発明の方法は、各々がそれ自体の長手方向と直交する小断面積を有する少なくとも２つの光学部品を光学部品と異なる光学部品にレーザビームで融着接続する方法であって、異なる光学部品が少なくとも２つの光学部品の前記小断面積を有する表面よりも大きな、少なくとも２つの光学部品の長手方向と直交する方向の断面積を有する表面を有し、
（ａ）少なくとも２つの光学部品の長手方向に沿う軸を異なる光学部品（１６）の軸に沿って整列させる工程と、
（ｂ）レーザビームを形成するために指向性レーザ熱源を点灯する工程と、
（ｃ）レーザビームを、少なくとも２つの光学部品の軸と同一直線上になるように方向付ける工程と、
（ｄ）レーザビームが、前記大断面積を有する前記光学部品の表面に、レーザビームの吸収が表面で行われるように直角或いは略直角に入射するように照射する工程と、
（ｅ）レーザビームの出力レベルを、軟化領域を形成するために大断面積を有する光学部品の表面の軟化温度と同じか或いは、それより高い温度に達するよう調節して軟化させ、それにより前記融着接続を行う工程と、
（ｆ）前記レーザ熱源を切る工程と、
を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の方法は、２つ以上の光ファイバを、大断面積を有するレンズの如き光学素子に融着接続するのに特に有用である。本発明はそれほど限定されていないが、本発明の場合には、光ファイバと光学部品の断面積の相違は、少なくとも約２倍であり、そして典型的には少なくとも約１０倍である。
【００１４】
ここに、記載されたように、光ファイバを光学素子に継ぎ目なく融着することにより、接着剤や複雑なハウジングが必要でなくなる。加えて、このような融着は後方反射光の原因を除去し、光ファイバと光学素子間の反射防止塗装を追加することを全く必要としない。本発明は、オプトエレクトロニック組立体への相当な改善を示し、且つこのような装置が、現在達成できるよりも相当な低コストを可能にする。
【００１５】
本発明の他の目的、特徴および効果は、以下の詳細な説明および、同様な引用番号が同様な特徴を示している添付図面により明白となろう。
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態
この明細書で引用された図は、特に注記がなければ一定の拡大比で描かれてはいないものと理解すべきである。
【００１７】
本発明を実施するにあたり、発明者によって現在意図された最良の形態を示す、本発明の特定の実施形態について詳細に参照する。代りの実施形態についても、適宜短く説明する。
【００１８】
局部的な加熱は、表面研磨、ファイバ線引き、および融着接続を含む種々のガラス処理作業に効果的に使用されてきた。使用される熱源は、しばしば簡単な抵抗加熱器、或いは制御されたアークである。前述の全ての処理は、熱源としてレーザを用いて行うこともできる。
【００１９】
しかし、本発明以前には、相当異なる断面積の光学部品を融着する方法は、発明者の知る限りでは開発されていなかった。本発明は、継ぎ目なしに溶融された一体構造部品を形成する方法に関する。
【００２０】
第１の断面積の２つ以上の光学部品を相当大きな断面積の光学部品に溶融するために、一実施形態において、大表面はまずレーザによって予熱される。予熱温度は、小さい部品を溶融しようとする場所で、大きい部品の表面を研磨し溶融するのに十分なものである。寸法によっては、全表面の加熱或いは局部的な加熱になるかもしれない。次に第２の表面が、予熱された表面に接触され、（熱伝導によって）温度の交換が一旦なされると、全ての部品が同時に加熱される。全ての表面が大きい（部分的な加熱領域に対して大きい）場合には、全てに予熱が必要かもしれない。適切に上昇した温度で一度表面が接触すると溶融が生じる。溶融温度は、２つの部品間における温度エネルギーの良好な流れを確実にするために軟化温度の上であれば十分である。
【００２１】
第２の実施形態では、全ての光学部品の接触により溶融が開始され、部品は融着接続の間決して分離しない。
【００２２】
第３の実施形態においては、全ての光学部品が接触し、整列の後、後方に引っ張られ、次に第１の実施形態のように融着接続される。
【００２３】
機械的試験と同様に、システムを通じて光の後方反射を測定することにより、境界面の適正が判定される。
【００２４】
断面の幾何学形状の寸法が適合していなかったり、或いは、適合していることに関して、この手法を用いることに実施上の制約はなにもない。
【００２５】
光学部品のいかなる多数の部品も、無機ガラス或いは有機ポリマーのいずれを有していても、本発明の方法を用いて融着することができる。最も一般的な用途は、オプトエレクトロニックデバイス或いは、通信用デバイスへの単一モードファイバの融着であろう。ここでの教示による融着接続によって、後方反射およびそれに伴う損失は、ほとんど完全に除去される。融着は、２〜３秒以下で済み、工程は完全自動化ができるので非常に低コストでもある。融着は、多くの場合に積極的な整列を不要とする。また、融着により、汚染が除去され、光路内の接着剤および他の有機材料の如き無関係の材料の必要性がなくなる。
【００２６】
シリカ、ケイ酸塩、ホウケイ酸塩、ホウ酸塩、リン酸塩、アルミン酸塩、カルコゲニド、およびカルコハライド（chalco-halides）、ハロゲン化物、等の如き光学無機ガラスおよびアクリレート、メタクリレート、ビニルアセテート、アクリロニトリル、スチレン、等の如き光学有機ポリマーを本発明の実施に用いてもよいが、本発明は、列記した材料の特定の種類に限定されるものではない。
【００２７】
加熱は素早く且つ局部的なので、部品には融着前に溶融される表面以外の表面に反射防止塗装をすることができる。本発明の工程は、塗装された表面の数も最少にする。典型的な組立技法によって、塗装される表面の数、即ち融着されている各光ファイバの面およびレンズの入力面および出力面の両方が最少にされる。しかし、本発明の処理によって、いくつかの面（各光ファイバ面およびレンズ入力面）が一体構造溶融部に結合されているので一つの面と同じくらいの少ない面が残る。各面は、たとえ塗装されていても、完全な反射防止塗装はないのでシステムにとって損失となる。このように、塗装すべき面の数を減らすことは、システムの損失を低減することになる。
【００２８】
ポインティング精度およびビーム品質を融着の前に監視し、融着のためにロックすることができる。部品の総数および処理の労働は最小なので、コストも非常に低い。
【００２９】
斜めの面の屈折率の変化（index breaks）をなくすことにより、製造された部品の偏光による損失（polarization dependent losses(PDL)）および偏波モード分散（polarization mode dispersion(PMD)）のような偏光効果（polarization effect）が低減される。現行の方法は、後方反射を制御するために光軸に関して斜めになった光学表面を使用し、それにより、材料内のそれらの固有の偏光による損失や偏波モード分散より大きい偏光による損失および偏波モード分散を生じる。
【００３０】
本発明の別の明らかな利点は、システムの温度の安定性である。部品は継ぎ目なしに一体構造部品に融着されているので、オプトエレクトロニックデバイスおよび通信用デバイスにおいて、他の従来技術での試みがあるが、ミクロン以下の間隔公差を維持するためにハウジングに頼ることはない。
【００３１】
本発明は、オプトエレクトロニクス／通信産業用の高品質且つ低コストの製品を可能にするものである。この技術が無ければ、通信産業における既知の、非常に高価な、同じようには作動できず、および／または光路に望ましくない材料を使用する従来技術を使用することを余儀なくされるだろう。
【００３２】
２本以上の小断面積の光学部品（例えば、光ファイバ）を大断面積の光学部品（例えば、光学素子）に接続するための本発明の新規な方法は、
１．光ファイバと光学素子を軸に沿って整列させる工程と、
２．レーザビームを形成するために（赤外線レーザの如き）指向性レーザ熱源を点灯する工程と、
３．ファイバと同一直線上になるようにレーザビームを方向付ける工程と、（この行程では、斜入射では、反射係数が非常に高いので、レーザ光の大部分は小さなファイバによって吸収されず表面で反射される）
４．前記レーザビームが大断面積の光学素子に、レーザの吸収が大表面で一層効率的になるように直角或いは略直角に入射するように確実に照射する工程と、
５．レーザ出力レベルを、融着接続（および、同時に研磨と汚染の除去）をするために光学素子の前記表面の軟化温度と同じか或いはそれより高い温度に達するよう調節する工程と、
６．レーザを切る工程と、
を有する。
【００３３】
第１の実施形態では、２つの部品（例えば、光ファイバと光学素子）は、整列されるが、（典型的には２〜３ｍｍの）間隔で離隔され、レーザビームは、軟化領域を形成するために点灯され、小断面積を有する光学部品の表面は、大断面積を有する光学部品の軟化領域と接触され、この接触によって小断面積を有する光学部品の表面に熱が伝達されて軟化され、それによって融着接続がなされる。
【００３４】
第２の実施形態では、２つの部品（例えば、光ファイバと光学素子）は、まず接触され、次に、レーザビームが点灯されて、２つの部品が接触している部分に軟化領域が形成されて融着接続される。
【００３５】
第３の実施形態では、２つの部品（例えば、光ファイバと光学素子）が整列されて接触され、次に間隔を空けて分離され（典型的には２〜３ｍｍ）、軟化領域を形成するためにレーザが点灯され、小断面積を有する光学部品の表面が、大断面積を有する光学部品の軟化領域と接触され、この接触により小断面積を有する光学部品の表面に熱が伝達されて軟化し、それにより融着接続がなされる。
【００３６】
シリカを基材としたガラスは、非常に大きな吸収係数を有するので、シリカの如き典型的な無機ガラスを融着接続するためには、９から１１μｍの範囲で作動するＣＯ_２レーザが好ましい。他の光学材料は、典型的に赤外線の大きな吸収性を有する、従って、ＩＲスペクトルの他の領域で作動するレーザは、このような他の光学材料に使用できるかもしれない。
【００３７】
レーザビームは、光ファイバと同一直線であり、且つすれすれに接する。このことは、多数の方法で実施することができる。例えば、中央に孔を有する４５°のミラーを用いて、レーザビームコリメータをファイバの軸に向ける（ファイバは、互いに平行に孔を通過する）。ファイバの軸に沿うようにレーザビームを方向付ける他の方法を採用しても良いが、このような方法は当業者にとって周知である。レーザビームそれ自体は、形状が環状になることができるが、必ずしもそうなるとは限らない。この最後の要件は、異なる手法、即ちスキャニングシステム、特殊な光学部品（アキシコン）、ＴＥＭ_０１レーザモード、中央の障害物(central obstruction)、回折用光学素子、等によって実施される。同じ効果は、全てが光ファイバと同一直線の２つ以上のレーザビームを使用して実現できる。
【００３８】
融着接続されている光学部品は、同じ様な熱的および／または、機械的特性を有することが好ましい。しかし、このことは、本発明の教示を採用して異なる光学部品が融着接続できるので、必要な要件ではない、このような場合、処理による歪みがあるとすると、条件が正しくなければ接続部が破損するかもしれないので、考慮しなければならない。しかし、このような考慮は当業者の経験内で十分であるので、いかなる過度の実験をも必要としない。
【００３９】
図１は、貫通する孔１２ａを有するミラー１２に入射するレーザビーム１０を示す。２本の光ファイバ１４ａ、１４ｂがミラー１２内の孔１２ａを通過し、光学素子１６に融着接続される。図１は、レンズ１６に融着接続される直前の光ファイバ１４ａ、１４ｂを示す。図２は、２本のファイバ１４ａ、１４ｂに沿う環状のレーザビーム１０ａを断面で示す。光学素子１６は、レンズ、フィルタ、格子、プリズム、波長分割多重化デバイス、或いは、光ファイバ１４ａ、１４ｂを接続することが望まれるような他の光学部品であってもよい。２本の光ファイバ１４ａ、１４ｂが図に示されているが、ここでの教示により、２本以上の光ファイバを光学素子１６に融着接続してもよいことが当業者には理解できよう。
【００４０】
ここに開示した技術は、従来のファイバコリメータ、拡散ビーム（expanded beam）コリメータ、波長分割多重化製品、およびガラス取り付け領域或いはポリマ−取り付け領域を有するいかなる他のデバイスにも適用することができる。略同様な直径を有するだけの融着部品にもはや限定されない。
【００４１】
産業への応用可能性
本発明の方法は、比較的小さな断面積を有する少なくとも２本の光ファイバを比較的大きな断面積を有する光学部品に、２本以上の光ファイバを光学レンズに融着するように、融着接続することに用途を見いだすことが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施に用いられた装置を概略的に示す側面図
【図２】 光ファイバが通過するミラーの表面に表れる環状のレーザビームの図

Claims (10)

1. 各々がそれ自体の長手方向と直交する小断面積を有する少なくとも２つの光学部品（１４ａ、１４ｂ）を該光学部品（１４a、１４ｂ）と異なる光学部品（１６）にレーザビーム（１０）で融着接続する方法であって、前記異なる光学部品（１６）が前記少なくとも２つの光学部品の前記小断面積を有する表面よりも大きな、前記少なくとも２つの光学部品（１４ａ、１４ｂ）の前記長手方向と直交する方向の断面積を有する表面を有し、
   （ａ）前記少なくとも２つの光学部品（１４ａ、１４ｂ）の前記長手方向に沿う軸を前記異なる光学部品（１６）の軸に沿って整列させる工程と、
   （ｂ）前記レーザビーム（１０）を形成するために指向性レーザ熱源を点灯する工程と、
   （ｃ）前記レーザビーム（１０）を、前記少なくとも２つの光学部品（１４ａ、１４ｂ）の前記軸と同一直線上になるように方向付ける工程と、
   （ｄ）前記レーザビーム（１０）が、前記大断面積を有する前記光学部品（１６）の前記表面に、前記レーザビーム（１０）の吸収が前記表面で行われるように直角或いは略直角に入射するように照射する工程と、
   （ｅ）前記レーザビーム（１０）の出力レベルを、軟化領域を形成するために前記大断面積を有する前記光学部品（１６）の前記表面の軟化温度と同じか或いは、それより高い温度に達するよう調節して軟化させ、それにより前記融着接続を行う工程と、
   （ｆ）前記レーザ熱源を切る工程と、
   を有する方法。
2. 前記大断面積が、前記小断面積より少なくとも２倍大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記少なくとも２つの光学部品（１４ａ、１４ｂ）および前記異なる光学部品（１６）が石英系ガラスを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記レーザが約９〜１１μｍの波長領域で作動することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記異なる光学部品（１６）が、レンズ、フィルタ、格子、プリズムおよび波長分割多重化デバイスからなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記小断面積を有する前記光学部品が光ファイバ（１４ａ、１４ｂ）であることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記小断面積を有する前記光ファイバ（１４ａ、１４ｂ）の前記軸と同一直線になるように前記レーザビーム（１０）を方向付けすることが、前記光ファイバ（１４ａ、１４ｂ）が通過する孔（１２ａ）を有するミラー（１２）を設けることにより実現されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記軸に沿って整列された少なくとも２つの光学部品（１４ａ、１４ｂ）および前記異なる光学部品（１６）が互いに間隔をあけて整列され、前記レーザビーム（１０）が軟化領域を形成するために点灯され、前記小断面積を有する前記光学部品（１４ａ、１４ｂ）の前記表面が前記大断面積を有する前記光学部品（１６）の前記軟化領域と接触され、該接触が前記小断面積を有する前記光学部品（１４ａ、１４ｂ）の前記表面へ熱の移動を生じさせて前記表面を軟化させて前記融着接続が実現されることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記少なくとも２つの光学部品（１４ａ、１４ｂ）が前記異なる光学部品に最初に接触し、そして次に前記レーザビーム（１０）が、前記光学部品（１４ａ、１４ｂ、１６）が接触して前記融着接続がなされる前記軟化領域を形成するために点灯されることを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 前記少なくとも２つの光学部品（１４ａ、１４ｂ）が前記異なる光学部品（１６）に接触し、次に間隔をあけて分離され、前記レーザビーム（１０）が前記軟化領域を形成するために点灯され、そして前記小断面積を有する前記光学部品（１４ａ、１４ｂ）の前記表面が、前記大断面積を有する前記光学部品（１６）の前記軟化領域と接触し、該接触により前記小断面積を有する前記光学部品（１４ａ、１４ｂ）の前記表面へ熱の伝達が生じて前記表面を軟化させて前記融着接続がなされることを特徴とする請求項１記載の方法。

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