JP4969447B2

JP4969447B2 - ファイババンドル及びファイババンドルの作成方法

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Publication number: JP4969447B2
Application number: JP2007530221A
Authority: JP
Inventors: エイチラスミューセン，マイケル; エイゼンテノ，ルイス; ジェイミラー，ウィリアム
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Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2012-07-04
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Description

本発明は全般的には光伝送のためのデバイスに関する。さらに詳しくは、本発明はファイババンドル及びファイババンドルを作成するための方法に関する。

光通信、レーザ加工、光検出の分野においては、複数の光源からの光パワーを結合して単一ビームにすることが望ましい場合が多い。例えば、検出用途では、様々なレーザまたはランプ光源からの様々な波長の光パワーを結合して単一ビームにするためにファイババンドルを用いることができる。いくつかの大パワー用途では、複数の同等の光源からの光パワーをファイババンドルが結合して比較的大パワーの単一ビームにすることができる。ファイババンドルは、単一源からの光を複数のビームに分割するため、あるいは様々な光デバイス間でビームを結合するためにビームを再整形するためにも、用いることができる。

従来のファイババンドルが図１に示される。ファイババンドル２０は先端区画２２及び端面２４を有する。ファイババンドル２０は複数本の光ファイバ２６を有し、光ファイバ２６のそれぞれは近端３０で終端する先端セグメント２８及び遠端３２を有する。光ファイバ２６の先端セグメント２８は相互に、実質的に平行に配列され、（例えば、接着剤によるかまたは融着により）固着されて、ファイババンドル２０の先端区画２２を形成する。光ファイバ２６の近端３０はファイババンドル２０の端面２４に現れる。ビーム寸法を小さくするため、図１に示されるように、ファイババンドルの先端区画にテーパを付けることが望ましいであろう。

しかし、従来のファイババンドルにはいくつかの欠点がある。例えば、特にテーパ付ファイババンドルにおいて、ファイババンドルの先端区画は非常に小さくて非常に脆弱であることが多く、取り扱いが困難になり、壊れやすくなる。さらに、従来のファイババンドルの最外ファイバは内側のファイバから分離することがあり、ファイババンドルの物理的ほつれを生じさせ、対応して光ビームのほつれを生じさせ得る。ファイババンドルの端面におけるファイバ間の空隙を取り除くことは困難であるから、いずれかの空隙内の粒子状物質の存在により、端面の研磨及びＡＲ（反射防止）膜被覆が困難になり得る。

耐久性があり、取り扱いが容易なファイババンドル及びそのようなファイババンドルを作成するための方法が今も必要とされている。

本発明の一実施形態は端面で終端する先端区画を有する融着ファイババンドルに関し、本融着ファイババンドルは、それぞれが近端で終端する先端セグメント及び遠端を有する複数本の光ファイバ並びに光ファイバの先端セグメントを囲むガラスチューブを有し、光ファイバの先端セグメントは実質的に平行に配列され、それぞれの光ファイバの先端セグメントはいずれの隣接光ファイバとも実質的に融着され、ガラスチューブに隣接するそれぞれの光ファイバの先端セグメントはガラスチューブに実質的に融着され、よって、融着ファイババンドルの先端区画を形成し、ガラスチューブは、融着ファイババンドルの端面において複数本の光ファイバの断面積に対する端面の断面積の比が少なくとも約２.５であるような、厚壁チューブである。

本発明の別の実施形態は端面で終端する先端区画を有する融着ファイババンドルに関し、本融着ファイババンドルは、それぞれが近端で終端する先端セグメント及び遠端を有する複数本の光ファイバ並びに光ファイバの先端セグメントを囲むガラスチューブを有し、光ファイバの先端セグメントは実質的に平行に配列され、相互に及びガラスチューブに実質的に融着されて融着ファイババンドルの先端区画を形成し、ガラスチューブの屈折率は光ファイバのクラッドの屈折率より低い。

本発明の別の実施形態は融着ファイババンドルを作成する方法に関し、本方法は、それぞれが可融性セグメント及び遠端を有する複数本の光ファイバを提供する工程、必要に応じて少なくとも１つのスペーサ部材を提供する工程、複数本の光ファイバの可融性セグメント及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材と緊密に嵌合するように適合された形状寸法を有する内腔が形成されているガラスチューブを提供する工程、光ファイバの可融性セグメント及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材を実質的に平行な配列でガラスチューブの内腔に挿入する工程、ガラスチューブが最外ファイバに融着し、隣り合うファイバ及び必要に応じて提供されるスペーサ部材が相互に融着するように、光ファイバの可融性セグメントを囲む領域においてガラスチューブを加熱し、よって融着領域を形成する工程、及び、端面を露出させるために融着領域を切断し、よって融着ファイババンドルを形成する工程、を含む。

本発明の別の工程はファイババンドルを作成する方法に関し、本方法は、それぞれが固着可能なセグメント及び遠端を有する複数本の光ファイバを提供する工程、必要に応じて少なくとも１つのスペーサ部材を提供する工程、複数本の光ファイバの固着可能なセグメント及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材と緊密に嵌合するように適合された形状寸法を有する内腔が形成されているガラスチューブを提供する工程、光ファイバの固着可能なセグメント及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材を、多室配列工具により、実質的に平行な配列でガラスチューブの内腔に挿入する工程、光ファイバの固着可能なセグメントのそれぞれをいずれの隣接光ファイバにも、また隣接する必要に応じて提供されるスペーサ部材のいずれにも固着させ、ガラスチューブに隣接する光ファイバのそれぞれの固着可能なセグメントをガラスチューブに固着させ、よって固着領域を形成する工程、及び、端面を露出させるために固着領域を分断し、よってファイババンドルを形成する工程、を含む。

本発明の別の実施形態はファイババンドルを作成する方法に関し、本方法は、それぞれが固着可能なセグメント及び遠端を有する複数本の光ファイバを提供する工程、必要に応じて少なくとも１つのスペーサ部材を提供する工程、複数本の光ファイバの固着可能なセグメント及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材と緊密に嵌合するように適合された形状寸法を有する内腔が形成されているガラスチューブを提供する工程、光ファイバの固着可能なセグメント及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材を実質的に平行な配列でガラスチューブの内腔に挿入する工程、光ファイバの固着可能なセグメントのそれぞれをいずれの隣接光ファイバにも、また隣接する必要に応じて提供されるスペーサ部材のいずれにも固着させ、ガラスチューブに隣接する光ファイバのそれぞれの固着可能なセグメントをガラスチューブに固着させ、よって固着領域を形成する工程、及び、端面を露出させるために固着領域を分断し、よってファイババンドルを形成する工程、を含み、挿入する工程は複数の副工程を含み、それぞれの複工程においては全てよりは少ない本数の光ファイバが挿入される。

本発明のデバイス及び方法により、従来技術のデバイス及び方法に優る多くの利点が得られる。例えば、本発明のファイババンドルは、耐久性があって取り扱いが容易であるように作成することができ、装置に容易に取り付けられるように作成することができる。低屈折率ガラスチューブを有する本発明の実施形態は、所望の開口数を有する出力ビームを提供することができる。本発明の方法により、当業者による、所望の、十分に制御された幾何学的配列で多数本の光ファイバを有するファイババンドルの構成が可能になる。

本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者には説明から容易に明らかであろうし、記述及び本発明の特許請求の範囲に説明されるように、また添付図面に示されるように、本発明を実施することによって認められるであろう。

上述の全般的説明及び以下の詳細な説明は本発明の例示に過ぎず、特許請求される本発明の本質及び性質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。

添付図面は本発明のさらなる理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は必ずしも比例尺で描かれておらず、様々な要素の寸法は明解さのために歪められていることがある。例えば、明解さのため、光ファイバの遠端の全ては図面に示されない。図面は本発明の１つまたはそれより多くの実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。

本発明の一実施形態にしたがう融着ファイババンドルの例が図２に略図で示される。融着ファイババンドル４０は先端区画４２及び端面４４を有する。ファイババンドル４０は複数本の光ファイバ４６を有し、光ファイバ４６のそれぞれは近端５０で終端する先端セグメント４８及び遠端５２を有する。光ファイバ４６の先端セグメント４８は実質的に平行に配列され、ガラスチューブ５４で囲まれる。光ファイバ４６の先端セグメント４８は相互に、またガラスチューブ５４に、実質的に融着されて融着ファイババンドル４０の先端区画４２を形成する。当業者には、光ファイバ４６の全てのそれぞれの先端区画４８が光ファイバ４６の他の全てのそれぞれの先端区画４８と実質的に融着する必要はなく、光ファイバ４６のそれぞれの先端区画４８は隣り合ういずれの光ファイバの先端区画４８とも実質的に融着すればよいことは当然であろう。同様に、当業者には、光ファイバ４６の全てのそれぞれの先端セグメント４８がガラスチューブ５４に融着する必要はなく、ガラスチューブ５４に隣接する光ファイバ４６のそれぞれの先端区画４８がガラスチューブに融着すればよいことは当然であろう。光ファイバ４６の近端５０は、光パワーを光ファイバ４６にまたは光ファイバ４６から結合することができるように、ファイババンドル４０の端面４４に現れる。

図２の実施形態にしたがえば、ガラスチューブ５４は、融着ファイババンドルの端面において光ファイバ４６の近端５０の断面積に対する全端面４４の断面積の比が少なくとも約２.５であるような、厚壁チューブである。光ファイバ４６の近端５０の断面積に対する全端面４４の断面積の比は少なくとも約４であることが望ましい。光ファイバ４６の近端５０の断面積に対する全端面４４の断面積の比は少なくとも約７であることがさらに望ましい。本発明のいくつかの特に望ましい実施形態において、光ファイバ４６の近端５０の断面積に対する全端面４４の断面積の比は、少なくとも約１０ないし少なくとも約１５であり、あるいは少なくとも約２０にもなる。当業者には、個々の光ファイバの近端の輪郭が端面で見えなくとも、例えば、融着前のガラスチューブ及び光ファイバの先端セグメントの断面積を用い、融着中に生じるいかなる変形も補正することで、断面積の比を決定できることは当然であろう。

本発明の融着ファイババンドルは様々な態様で配列された様々な本数の光ファイバで作成することができる。以下に説明する、本発明のいくつかの実施形態にしたがう方法は、緊密に制御された形状（すなわち、光ファイバを括る全体形状）及び格子タイプ（すなわち、隣り合う光ファイバの空間関係）を有する融着ファイババンドルに多くの本数の光ファイバを配列することを可能にする形状につくられた内腔を有する、ガラスチューブを用いる。例えば、本発明の融着ファイババンドルは少なくとも４本の光ファイバを有することができる。本発明のいくつかの望ましい実施形態において、融着ファイババンドルは少なくとも１０本の光ファイバを有する。本発明の別の望ましい実施形態において、融着ファイババンドルは少なくとも１５本の光ファイバを有する。光ファイバは、例えば、三角格子または正方格子に配列することができる。当業者には、本発明の方法により、多くの様々な正多角形及び不規則多角形の形状を有する融着ファイババンドルの形成が可能になることは当然であろう。例えば、菱形、三角形、六角形、台形及び矩形のような形状に光ファイバを配列することができる。本発明にしたがう融着ファイババンドルの例が図３に断面図で示される。例えば、融着ファイババンドル７０は不規則六角形状で三角格子に配列された２３本の光ファイバを有し、融着ファイババンドル７２は菱形形状で三角格子に配列された３６本の光ファイバを有する。光ファイバの形状は円柱形である必要はなく、いかなる形状もとることができ、例えば、矩形、正方形またはＤ字形をとることができる。例えば、融着ファイババンドル７４は矩形形状で正方格子に配列された１２本の正方形断面光ファイバを有する。

本発明の融着ファイババンドルは隣接光ファイバ間及び光ファイバと厚壁チューブの間に有機材料（例えば接着剤）を実質的に有していないことが望ましい。代りに、光ファイバは相互に、また厚壁チューブと、それらを加熱し、それぞれのガラス質外表面の混淆を可能にすることによって融着されることが望ましい。有機材料がないことによって、耐久性を高めることができ、接着剤の安定性を気にせずに本発明の融着ファイババンドルによる大光パワーの取り扱いを可能にすることができ、研磨及びテーパ付け作業を簡単にすることができる。

本発明の融着ファイババンドルは、融着ファイババンドルの先端区画に空隙が実質的に残らないように、十分に圧潰させることが望ましい。十分に圧潰させた融着ファイババンドルには、隣接光ファイバ間及び光ファイバと厚壁チューブの間に残る空隙は実質的にないであろう。本発明の融着ファイババンドルを十分に圧潰させる方法は以下に説明される。十分に圧潰させた融着ファイババンドルには、研磨及び処理作業中に粒子状物質が滞留することになり得る、光ファイバ間の空隙が実質的に存在しないので、有利であり得る。したがって、十分に圧潰させた融着ファイババンドルは、従来のファイババンドルよりもかなり容易に良好なＡＲ膜被覆を施すことができる。融着ファイババンドルを十分に圧潰させるための方法は以下でさらに詳細に説明される。

融着ファイババンドルの端面により動作中に放射される光エネルギービームの寸法を小さくするため、図４に略図で示されるように、融着ファイババンドルにテーパを付けることが望ましいであろう。テーパ付けにより放射ビームの発散も大きくなり得る。当業者であれば、標準の加熱及び延伸方法を用いて本発明のテーパ付融着ファイババンドルを提供するであろう。

光ファイバの遠端は所望の光エネルギー源と結合するように適合させることができる。例えば、光ファイバの遠端には、レンズを付けることができ、あるいはＧＲＩＮコリメータに取り付けることができる。レンズ付ファイバは米国ニューヨーク州コーニング（Corning）のコーニング社（Corning Incorporated）から入手できる。あるいは、光ファイバの遠端は、所望のソースにピグテイルで接続することができ、または遠端自体をファイババンドルに形成することができる。当業者にはファイバの遠端を様々な態様で個別に適合させ得ることは当然であろう。

本発明の別の実施形態が図５に略図で示される。本発明のこの実施形態において、融着ファイババンドル１００は（それぞれ本来のコア及びクラッドを有する）複数本の光ファイバ１０２及びガラスチューブ１０４で構成される。ガラスチューブの屈折率は光ファイバのクラッドの屈折率より低い。例えば、光ファイバのクラッドの屈折率とガラスチューブの屈折率の間の差は少なくとも０.００５とすることができる。光ファイバのクラッドの屈折率とガラスチューブの屈折率の間の差は少なくとも０.０１であることが望ましい。本発明のいくつかの望ましい実施形態において、光ファイバのクラッドの屈折率とガラスチューブの屈折率の間の差は少なくとも０.０２である。光ファイバを囲むガラスチューブの屈折率を低くすれば、融着ファイババンドルの先端区画に強められた光導波特性を与えるに役立つことができ、融着ファイババンドルの端面によって動作中に放射される光エネルギービームの開口数の調整に用いることができるという点で、有利であろう。低屈折率ガラスチューブは、テーパ付けプロセスは個々の光ファイバの屈折率差を低め、したがってそれぞれの導波特性の低下を生じさせる傾向があるという事実に対処できるから、テーパ付融着ファイババンドルにおいては特に有利であろう。ガラスチューブは、上述したように、厚壁チューブであることが望ましい。

本発明の融着ファイババンドルの断面は取り扱いが容易で耐久性があるに十分に大きいことが望ましい。例えば、本発明の融着ファイババンドルの先端区画は直径が少なくとも約１ｍｍ、すなわち断面積が少なくとも約０.７８ｍｍ^２であることが望ましい。本発明のいくつかの望ましい実施形態において、融着ファイババンドルの先端区画は直径が少なくとも約２ｍｍ，すなわち断面積が少なくとも約３.１４ｍｍ^２である。当業者には、テーパ付融着ファイババンドルに対して、望ましい大きな直径すなわち断面積を有するテーパ付区画を得るためにはやや大きな寸法を有するガラスチューブを用いる必要があることは当然であろう。

当業者には当然であろうように、本発明の融着ファイババンドルは様々なタイプの光ファイバで作成することができる。例えば、光ファイバは単一モードファイバまたは多モードファイバとすることができ、シリカガラスまたはその他のタイプのガラスでつくることができ、相異なるタイプまたは同じタイプのファイバとすることができる。光ファイバは標準サイズ（例えば、直径約１２５μｍ）とすることができ、あるいはクラッド厚が薄い、より小さなサイズ（例えば、直径約８０μｍ）とすることができる。同様に、光ファイバは標準外のコアサイズを有することができる（例えば、コア径１０５μｍ，ファイバ径１２５μｍ）。ガラスチューブはいかなる材料でもつくることができ、光ファイバと性質が同等（例えば、可融性、低屈折率）であるように選ばれることが望ましい。ガラスチューブの硬度は、良好な研磨性を与えるため、光ファイバの材料と同様（例えば３０％以内、さらには１０％以内）であることが望ましい。ガラスチューブの熱膨張係数も、機械的安定性及び信頼性を与え、偏波効果を最小限に抑えるため、光ファイバの材料と同様（例えば３０％以内、さらには１０％以内）であることが望ましい。ガラスチューブは光ファイバと実質的に同じ材料（例えばシリカ）でつくられることが望ましい。

本発明の別の実施形態は融着ファイババンドルの作成方法に関する。当業者であれば、米国特許第４９０２３２４号明細書、米国特許第５００９６９２号明細書、米国特許第５０１１２５１号明細書、米国特許第５０１７２０６号明細書、米国特許第５２５１２７６号明細書、米国特許第５２９５２０５号明細書、米国特許第５３３９３７２号明細書、米国特許第５３５１３２６号明細書、米国特許第５８８１１８９号明細書、米国特許第５８８９９０８号明細書、米国特許第５９５６４４３号明細書及び米国特許第６０９２３９４号明細書に説明されているような、オーバークラッドカプラーを作成するための既知の手法を適合させることができる。上記明細書はそれぞれの全体が本明細書に参照として含まれる。本発明にしたがう融着ファイババンドルの作成方法の一例が図６に略図で示される。それぞれが可融性セグメント１２２及び遠端１２６を有する、複数本の光ファイバ１２０が提供される。必要に応じて、少なくとも１つのスペーサ部材１２８が提供される。内腔１３２を有するガラスチューブ１３０も提供される。内腔１３２は複数本の光ファイバ及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材と緊密に嵌合するように適合された形状寸法を有する。内腔１３２の形状は、光ファイバ１２０の可融性セグメント１２２に所望の幾何的配列を与えるとともに、隣り合う光ファイバ間に所望の空間関係を与えるようにも、選ばれることが望ましい。

提供された部品から融着ファイババンドルを作成するため、光ファイバの可融性セグメント１２２及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材１２８が、実質的に平行な配列でガラスチューブ１３０の内腔１３２に挿入される。それぞれの光ファイバの可融性セグメントがいずれの隣接光ファイバとも実質的に融着し、ガラスチューブに隣接するそれぞれの光ファイバの可融性セグメントがガラスチューブと実質的に融着するように、挿入された可融性セグメント１２２を囲む領域においてガラスチューブ１３０が加熱され、よって融着区画１３４が形成される。融着区画１３４は次いで端面１３６を露出させるために分断され、よって、先端区画１４２及び端面１３６を有する融着ファイババンドル１４０が形成される。ファイババンドル１４０は複数本の光ファイバ１２０を有し、光ファイバ１２０のそれぞれは、近端１５０で終端する先端セグメント１４８及び遠端１２６を有する。光ファイバ１２０の先端セグメント１４８は実質的に平行に配列され、ガラスチューブ１３０で囲まれる。光ファイバ１２０のそれぞれの可融性セグメント１４８は、融着ファイババンドル１４０の先端区画において、いずれの隣接光ファイバとも、またスペーサ部材とも実質的に融着し、ガラスチューブに隣接するそれぞれの光ファイバの可融性セグメントは融着ファイババンドル１４０の先端区画１４２においてガラスチューブに実質的に融着する。融着区画１３４の分断によって光ファイバ１２０の近端１５０がつくられて、近端１５０がファイババンドル１４０の端面１３６に現れ、よって光パワーを近端１５０に結合することができる。

上述したように、光ファイバはいずれか望ましいタイプのファイバとすることができる。光ファイバの可融性セグメントは、ガラスチューブの内腔内での先端セグメントの密接を可能にし、無有機物融着領域を与えるため、いかなる高分子材被覆も剥ぎ取られることが望ましい。可融性領域は、図６に示されるように、光ファイバの先端セグメント及びその近傍に形成することができ、あるいは、図７に示されるように、光ファイバ１６２の中間セグメントに形成することができる。可融性セグメントとして光ファイバの中間セグメントを用いることには、その後の融着区画１６４の分断で２つの融着ファイババンドル１６８を得ることができるから、有利であろう。

ガラスチューブの内腔は、融着ファイババンドルの所望の形状寸法に応じて、様々な形状寸法をとることができる。例えば、内腔は、菱形、三角形、六角形、台形または矩形とすることができ、あるいはさらに複雑な断面形状をとることもできよう。当業者であれば、ガラスチューブの提供に便宜の良いいかなる方法も用いることができる。例えば、その全体が本明細書に参照として含まれる、２００２年８月２９日に出願された、米国特許出願公開第１０/２３２０９９号明細書に説明されているように、所望の内腔断面形状を有する黒鉛ロッドにガラスを堆積させて固結させることができる。非円形内腔を有するチューブも、例えばヘラウス・アンド・フリードリッヒ及びディモック（Hereaus and Friedrich & Dimmock）社から市販されている。当業者であれば、内腔の断面積を縮小するためにガラス線引き手法を用いることができ、ガラスチューブの断面積を拡大するために同心チューブを融合することができる。

当業者であれば、融着ファイババンドルにおいて所望の光ファイバ形状寸法を定めるため、必要に応じて提供されるスペーサ部材をガラスチューブの内腔の形状寸法と組み合せて用いることができる。例えば、図８に簡略な断面図で示されるように、融着ファイババンドル１７８に光ファイバ１７６の六角環形配列を与えるため、六角形の内腔１７２を有するガラスチューブ１７０をより小さな六角形のスペーサ部材１７４と組み合せて用いることができる。同様に、融着ファイババンドル１８８に光ファイバ１８６の複雑な形状の配列を与えるため、正方形内腔１８２を有するガラスチューブ１８０を複数のスペーサ部材１８４と組み合せて用いることができる。本発明の融着ファイババンドルの作成におけるスペーサ部材の使用により、当業者による、所望の光デバイスと整合するような複雑なビームの形成を可能にすることができる。しかし、作成を簡単かつ容易にするために、本発明のいくつかの望ましい実施形態においてはスペーサ部材が用いられない。

上述したように、光ファイバと必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材とガラスチューブの内腔の間の空隙を取り除くことが望ましいであろう。本発明の望ましい一実施形態において、ガラスチューブを加熱する工程は、構造が加熱中に圧潰して、光ファイバと必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材とガラスチューブの内腔の間の空隙が少なくともある程度は取り除かれるように、部分真空の下で実施される。本発明のいくつかの望ましい実施形態において、ガラスチューブを加熱する工程は、構造が加熱中に十分に圧潰して、光ファイバと必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材とガラスチューブの内腔の間に空隙が実質的に残らないように、部分真空の下で実施される。部分真空の下でガラスチューブを加熱する工程を実施するための方法の例が図９に略図で示される。光ファイバ１９２の可融性セグメント１９０がガラスチューブ１９６の内腔１９４に挿入されるときに、光ファイバ１９２の被覆が剥ぎ取られた領域の末端１９８がガラスチューブ１９６の遠端２００の近くにもってこられる。ガラスチューブ１９６の遠端２００を封止するとともに、光ファイバ１９２に応力除去を与えるために、高分子材料２０２（例えばエポキシ接着剤）が用いられる。ガラスチューブ１９６の近端２０６が真空装置２０４に動作可能な態様で連結されて、部分真空に引かれると同時に、光ファイバ１９２の可融性セグメント１９０を囲む領域でガラスチューブが加熱され、よって融着区画２０８が形成される。当業者であれば、融着ファイババンドルの融着区画をある程度または十分に圧潰させて、光ファイバと必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材とガラスチューブの内腔の間の空隙をある程度または実質的に取り除くために、真空及び加熱の条件を調節できる。例えば、図９に示されるように、加熱及び分断の後、融着ファイババンドル２１０には、実質的に中実のガラス端面２１２によって証明されるように、光ファイバとガラスチューブの間に空隙は実質的に残っていない。

当業者には当然であろうように、指定された形状寸法に配列された光ファイバにちょうど嵌合するように適合されたガラスチューブの内腔に寸法が非常に小さい（被覆が剥ぎ取られて１２５μｍ径の）数本の光ファイバをいずれかの必要に応じて提供されるスペーサ部材とともに挿入することは困難な作業であり得る。本発明は、光ファイバ及び必要に応じて提供されるスペーサ部材をガラスチューブの内腔に簡便かつ精確に挿入するための方法を含む、ファイババンドルを作成するための方法を含む。これらの方法は融着ファイババンドルの作成に有用であろうが、ガラス融着以外の何か（例えば、高分子接着剤、ゾル−ゲル材料）を用いて合体保持されるファイババンドルの作成にも有用であろう。そのような例として、本発明のこれらの実施形態における光ファイバは、所望の固着方法を用いて、ガラスチューブに、いずれかの必要に応じて提供されるスペーサ部材に、また相互に、固着するように適合された固着可能領域を有する。所望のファイババンドル固着方法がガラス融着であれば、一般的な固着可能セグメントは、上述したように、可融性セグメントである。

本発明にしたがうファイババンドルを作成するための方法の一実施形態が、図１０に略図で示される。それぞれが固着可能セグメント２２２及び遠端２２４を有する複数本の光ファイバ２２０，必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材２２６，及び内腔２３０が形成されているガラスチューブ２２８が提供される。内腔２３０は、複数本の光ファイバ２２０の固着可能セグメント２２２及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材２２６に緊密に嵌合するように適合された形状寸法を有する。光ファイバ２２０の固着可能セグメント２２２及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材２２６は、多室配列工具２４０を通して、実質的に平行な配列でガラスチューブ２２８の内腔２３０に挿入される。次いで、融着、高分子接着剤、またはゾル−ゲル材料のような所望の固着方法を用いて、それぞれの光ファイバ２２０の固着可能セグメント２２２がいずれの隣接光ファイバ２２０とも、また隣接するいずれの必要に応じて提供されるスペーサ部材２２６とも固着され、ガラスチューブ２２８に隣接するそれぞれの光ファイバ２２０の固着可能セグメント２２２がガラスチューブ２２８に固着される。次いで、端面２４４を露出させるために固着領域２４２が分断され、よって融着ファイババンドル２４６が形成される。

多室配列工具の例が図１１に示される。多室配列工具は複数本の光ファイバ及び必要に応じて提供されるスペーサ部材に所望の空間配列を与えるように適合される。多室配列工具２５０は、それぞれが１本の光ファイバを所望の配列に保持するように適合された、複数の並列小室２５２を有する。小室２５２は光ファイバがそれを通って自由に滑動できるに十分に大きいことが望ましいが、当業者であれば、光ファイバの多室配列工具を通る滑動を容易にするためにイソプロパノールのような潤滑液を用いることができる。本発明の望ましい実施形態において、小室は、光ファイバのかなりの部分がファイババンドル内で被覆されたままでいられるように、被覆された光ファイバに嵌合するに十分に大きい。多室配列工具２５０は様々な態様でつくることができる。例えば、当業者であれば、アレイ配列された皮下注射管で多室配列工具を構成することができる。多室配列工具は、例えば、米国特許第６２４３５２２号明細書、米国特許第６２６０３８８号明細書、米国特許第６４４１３３号明細書、米国特許第６４４５８６２号明細書及び米国特許第６４６８３７４号明細書に説明されているフォトニックバンドギャップ光ファイバを作成するための積重ね−線引き方法を適合させることでつくられる、多室ガラス構造とすることができる。上記の明細書はそれぞれの全体が本明細書に参照として含まれる。図１１の多室配列構造は、それぞれの小室が１本の光ファイバとの嵌合に適合されるように構成されるが、当業者には、多室配列構造のそれぞれの小室を１本より多くの光ファイバとの嵌合に適合され得ることは当然であろう。例えば、図１２に略図で示される多室配列構造２６０は光ファイバ２６４の列との嵌合に適合された小室２６２を有する。多室配列構造の小室は、図１０の多室配列構造２４０の円形小室、あるいは図１１の多室配列構造２５０の六角形小室のような、便宜が良いかまたは所望のいかなる断面形状もとることができる。

本発明にしたがうファイババンドルを作成するための方法の別の実施形態が図１３に略図で示される。それぞれが固着セグメント２８２及び遠端２８４を有する複数本の光ファイバ２８０，必要に応じて少なくとも１つのスペーサ部材２８６及び内腔２９０が形成されているガラスチューブ２８８が提供される。内腔２９０は複数本の光ファイバ２８０の固着セグメント２８２及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材２８６と緊密に嵌合するように適合された形状寸法を有する。光ファイバ２８０の固着セグメント２８２及び必要に応じて提供される少なくとも１つのスペーサ部材２８６は複数の副工程において実質的に平行な配列でガラスチューブ２８８の内腔２９０に挿入され、それぞれの副工程においては光ファイバ２８０の固着セグメント２８２の全本数より少ない本数が挿入される。複数の副工程においては固着セグメント２８２をある程度しか内腔２９０に挿入せず、全ての固着セグメント２８２が内腔２９０にある程度挿入された後に、それらを一括してさらに十分に内腔２９０に挿入することが望ましいであろう。次いで、融着、高分子接着剤、またはゾル−ゲル材料のような所望の固着方法を用いて、光ファイバ２８０のそれぞれの固着セグメント２８２がいずれの隣接光ファイバ２８０とも、また隣接するいずれの必要に応じて提供されるスペーサ部材２８６とも固着され、ガラスチューブ２９０に隣接するそれぞれの光ファイバ２８０の固着可能セグメント２８２がガラスチューブ２９０に固着され、よって固着領域３０２が形成される。次いで、端面３０４を露出させるために固着領域３０２が分断され、よってファイババンドル３０６が形成される。

挿入工程の複数の副工程への分割により、光ファイバの固着可能セグメントのガラスチューブの内腔における位置決めを簡単にすることができる。本発明の望ましい一実施形態において、光ファイバの固着可能セグメントは個々に内腔に挿入される。すなわち、それぞれの副工程において１本の光ファイバの固着可能セグメントが挿入される。複数の副工程においては、一組の光ファイバの固着可能セグメントをある程度しか内腔に挿入せず、次いで一組の固着可能セグメントを一括して内腔にさらに十分に挿入することが望ましいであろう。一組の固着可能セグメントは列を形成し、列毎態様でさらに十分に挿入されることが望ましい。それぞれの列が挿入されると、それぞれの列は次の光ファイバ列の位置合せに役立つ疑似Ｖ溝を形成することができる。列毎挿入の例は以下の実施例でさらに十分に説明される。

光ファイバの固着可能セグメントまたは可融性セグメントのガラスチューブの内腔への挿入を容易にするために、図１４に示されるように、ガラスチューブを面取りすることが望ましいであろう。ガラスチューブ３１０は約２０°と約７０°の間の面取り角３１２を有することが望ましい。ガラスチューブは約３０°と約６０°の間の面取り角を有することがさらに望ましい。例えば、ガラスチューブは約４５°の面取り角を有することができる。

本発明の多くの実施形態は、端面を出すためにファイババンドルの融着領域または固着領域を分断する工程を含む。当業者には、分断を実施するために多くの様々な方法を用い得ることは当然であろう。例えば、融着領域または固着領域は、光ファイバ技術でよく行われているように、刻み目を入れて折ることができる。あるいは、分断を実施するために、ダイシングソー、レーザ加工または熱を用いることができる。分断工程は、平坦端面を与えるための研磨または研削工程を含むことが望ましいであろう。端面は非垂直角（例えば８°〜１０°）で作成することができ、当業者には良く知られているであろうように、端面からの後方反射を低減するためにＡＲ膜を施すことができる。

本発明のファイババンドルは、当業者には明らかであろうように、様々な態様で光システムに結合させることができる。例えば、本発明のファイババンドルの端面を光源または検出器とバットカップリングさせて、適する透明接着剤で光源または検出器に固着させることができる。本発明のファイババンドルの端面は、例えば融着接続によって、光ファイバに結合させることができる。本発明の（例えばガラスチューブの屈折率が光ファイバのクラッドの屈折率より低い）多くの実施形態においては、光を確実に閉じ込めるために高分子材被覆を使用していない光ファイバにテーパ付ファイババンドルの端面を融着接続することができる。本発明のファイババンドルの端面は、例えばレンズまたはミラーを用いて、自由空間を介して光システムに動作可能な態様で結合させることもできる。

本発明のファイババンドルは様々な光デバイスに用いることができる。そのような例として、本発明の一実施形態は、光システムに動作可能な態様で結合された、実質的に上述したようなファイババンドルを有する光デバイスに関する。本発明のファイババンドルは、クラッドポンピングファイバ増幅器及びクラッドポンピングファイバレーザのような、クラッドポンピングファイバを用いるデバイスに有利に用いることができる。そのようなデバイスにおいて、クラッドポンピングファイバに実質的に上述したようなファイババンドルは動作可能な態様で結合させることができる。例えば、図１５に正確な尺度で描かれてはいない略図で示される本発明の一実施形態にしたがえば、クラッドポンピングファイバデバイス３２０はクラッドポンピングファイバ３２２及びファイババンドル３２５を有する。クラッドポンピングファイバ３２２は、図１５の挿入図に断面図で示される、コア３２３及び内層クラッド３２４を有する。ファイババンドルは、本明細書で上述したような本発明のファイババンドルのいずれかとすることができるが、融着ファイババンドルであることが望ましい。ファイババンドルはファイババンドルの光ファイバのクラッドの屈折率より低い屈折率を有するガラスチューブを有することが望ましい。ファイババンドルの光ファイバ３３２の内の何本かの遠端３３０は、図１５に示されるように、例えば光源３３４（例えば半導体レーザ）に結合させることができる。ファイババンドルの中心の光ファイバ３３８は単一モード光ファイバとすることができ、その遠端３３６は光信号源に結合させることができる。ファイババンドル３２５の端面３２６はクラッドポンピングファイバの末端３２８に（例えば融着接続により）結合される。図１５の実施形態において、中心光ファイバ３３８はファイババンドルの端面を介してクラッドポンピングファイバ３２０のコア３２３に結合され、光ファイバ３３２は端面３２６を介してクラッドポンピングファイバの内層クラッド３２４に結合される。ファイババンドルは、隣り合う光ファイバ間及び光ファイバと厚壁チューブの間に実質的に有機材料を有しておらず、クラッドポンピングファイバの比較的大パワーでの動作を可能にすることが望ましい。クラッドポンピングファイバデバイスは、本明細書にその全体が参照として含まれる、米国特許第５８６４６４４号明細書にさらに詳細に説明されている。

限定を意味しない以下の実施例によって本発明をさらに説明する。

２３本の（屈折率を制御するためのドーパントを含有するシリカでつくられた）被覆多モードファイバを、フォトニックバンドギャップファイバの作成に用いられる積重ね−線引き法を用いてつくられた、被覆光ファイバを収容するに十分に大きい（〜２７０μｍ）小室をもち、図３の融着ファイババンドル７０の不規則六角形状を有する多室配列工具（幅約１５ｍｍ）に挿入した。多室配列工具を（３次元直線方向及び垂直軸周りの回転に関して調節可能な）可動ステージ上に取り付けた。２３本の光ファイバとの嵌合に（〜１％以下の許容度で）ちょうど十分な大きさの不規則六角形状の内腔を有するガラス（ホウ素が約６％ドープされたシリカ）チューブも可動ステージ上に取り付けた。長さ約５０ｍｍのガラスチューブを約４５°の角度で面取りし、多室配列工具をガラスチューブに対して僅かに角度を付けて保持した。多孔質配列工具をガラスチューブより若干高く取り付け、位置合せに役立たせるため、顕微鏡カメラをケーンの上方で多室配列工具に近接させて取り付けた。

それぞれの光ファイバを個別に多室配列工具に挿入し、それぞれの光ファイバの先端セグメントを被覆を剥いで洗浄し、次いでガラスチューブの内腔に挿入した。多室配列工具を通した内腔への光ファイバの挿入は一度に１本ずつ行った。挿入は、初めは手で行い、次いで可動ステージを用いてそれぞれの光ファイバを微細に調整して所定の位置に合せた。初めはそれぞれの光ファイバをちょうど支持するに十分に奥まで（例えば、ガラスチューブの面取りした端面の平面とファイバ列の面の交点から測って約１００〜３００μｍの深さまで）個々に挿入し、次いで、完全な列をある程度まで挿入したときには、光ファイバ列をさらに１００〜６００μｍの深さまで一体としてさらに挿入したことになっているであろう。内腔及び先に挿入したいずれの光ファイバも内腔の厳しい許容度によりファイバを所定の位置に保持し、ファイバ列が挿入されてしまうとファイバ列は次のファイバ列のための一組の疑似Ｖ溝を形成した。それぞれの列を挿入すると、多室配列工具とガラスチューブの間の高さ及び角度の差が減少し、先に挿入した光ファイバ列による新しく挿入する光ファイバの所定の位置へのより容易な誘導が可能になった。

全ての光ファイバを内腔の開口に挿入してしまうと、イソプロパノールを潤滑剤として用いて、多室配列工具とガラスチューブを互いに向けて移動させることにより、全ての光ファイバを一括して十分に挿入した。内腔の厳しい許容度はこの工程中に位置合わせを維持するに十分であった。それぞれの光ファイバの被覆が剥ぎ取られた領域の末端がガラスチューブの遠端に近接するように、光ファイバを内腔を通して挿入し、ファイバをガラスチューブの遠端に固着させるために、ガラスチューブの外側の光ファイバの剥き出しのガラス領域を覆い、ガラスチューブの遠端の封止も行う、ガラスフィラー入り−膨張整合−低収縮−ＵＶ硬化エポキシ樹脂を塗布して硬化させた。

ガラスチューブの近端を真空装置に取り付け、ガラスチューブの内腔を部分真空（〜２０ｍｍＨｇ（〜２.６７×１０^３Ｐａ））の下におき、約５ｍｍの距離にわたって、ガラスチューブをガラスの軟化点で約１０秒加熱してチューブを圧潰させ、構造を融着した。ガラスチューブの圧潰領域を（約２５ｍｍの最終ガラスチューブ長を与えるように）切断し、研磨し、次いでＡＲ膜を被覆して、融着ファイババンドルの端面を形成した。

本実施例の融着ファイババンドルが、図１６に端面図で、図１７に側方斜視図で、また図１８に側面図で、示される。

本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそれらの改変及び変形を包含するとされる。

従来のファイババンドルの略図である本発明の一実施形態にしたがう融着ファイババンドルの略図である本発明の一実施形態にしたがう融着ファイババンドルのいくつかの例の断面図である本発明にしたがうテーパ付融着ファイババンドルの略図である本発明の別の実施形態にしたがう融着ファイババンドルの略図である本発明の一実施形態にしたがう融着ファイババンドルの作成方法の略図である本発明の一実施形態にしたがう光ファイバの中間セグメントを用いる融着ファイババンドルの作成方法の略図である本発明の一実施形態にしたがう融着ファイババンドルからのビーム出力を調整するために必要に応じて提供されるスペーサ部材を用いる方法の略図である部分真空の下で光ファイバの可融性セグメントを囲むガラスチューブを加熱する方法の略図である多室配列工具を用いるファイババンドルの作成方法の略図である本発明の一実施形態にしたがう多室配列構造の実施形態の略図である本発明の一実施形態にしたがう多室配列構造の実施形態の略図である光ファイバの段階的挿入を用いるファイババンドルの作成方法の略図である本発明の一実施形態にしたがう方法に使用するための面取りされたガラスチューブの略図である本発明の一実施形態にしたがうクラッドポンピングファイバデバイスの略図である本発明にしたがう融着ファイババンドルの端面図である本発明にしたがう融着ファイババンドルの端面の側方斜視図である本発明にしたがう融着ファイババンドルの側面図である

符号の説明

４０融着ファイババンドル
４２先端区画
４４端面
４６光ファイバ
４８先端セグメント
５０近端
５２遠端
５４ガラスチューブ

Claims

端面で終端する先端区画を有する融着ファイババンドルにおいて、前記融着ファイババンドルが、
ガラスチューブ、
前記ガラスチューブ中に挿入される選択形状を有する少なくとも１つのスペーサ部材、及び
それぞれが近端で終端する先端セグメント及び遠端を有し、前記先端セグメントが前記ガラスチューブと前記少なくとも１つのスペーサ部材との間に配置される、複数本の光ファイバ、
を有し、
前記ガラスチューブが、前記光ファイバの前記先端セグメントを囲み、
前記光ファイバの前記先端セグメントが実質的に平行に配列され、
前記光ファイバのそれぞれの前記先端セグメントがいずれの隣接光ファイバとも実質的に融着され、前記ガラスチューブに隣接するそれぞれの光ファイバの前記先端セグメントが前記ガラスチューブに実質的に融着され、よって前記融着ファイババンドルの前記先端区画が形成され、
前記ガラスチューブが、前記融着ファイババンドルの前記端面における前記複数本の光ファイバの断面積に対する前記端面の断面積の比が少なくとも約２.５であるような、厚壁チューブである、
ことを特徴とする融着ファイババンドル。
前記融着ファイババンドルの前記先端区画が、隣り合う前記光ファイバ間及び前記光ファイバと前記厚壁チューブの間に、実質的に有機材料を有していないことを特徴とする請求項１に記載の融着ファイババンドル。
前記光ファイバのそれぞれがコア及びクラッドを有し、前記ガラスチューブの屈折率が前記光ファイバの前記クラッドの屈折率より低いことを特徴とする請求項１に記載の融着ファイババンドル。
前記融着ファイババンドルの前記先端区画が、隣り合う前記光ファイバ間及び前記光ファイバと前記ガラスチューブの間に実質的に空隙が残らないように、圧潰させられることを特徴とする請求項１に記載の融着ファイババンドル。
前記融着ファイババンドルの前記先端区画に、終端にかけてテーパがかけられていることを特徴とする請求項１に記載の融着ファイババンドル。
端面で終端する先端区画を有する融着ファイババンドルにおいて、前記融着ファイババンドルが、
ガラスチューブ、
前記ガラスチューブ中に挿入される選択形状を有する少なくとも１つのスペーサ部材、及び
それぞれが近端で終端する先端セグメント及び遠端を有し、前記先端セグメントが前記ガラスチューブと前記少なくとも１つのスペーサ部材との間に配置される、複数本の光ファイバ、
を有し、
前記ガラスチューブが、前記光ファイバの前記先端セグメントを囲み、
前記光ファイバの前記先端セグメントが実質的に平行に配列され、相互に及び前記ガラスチューブと実質的に融着されて、前記融着ファイババンドルの前記先端区画が形成され、
前記ガラスチューブの屈折率が前記光ファイバのクラッドの屈折率より低く、
前記ガラスチューブが、前記融着ファイババンドルの前記端面における前記複数本の光ファイバの断面積に対する前記端面の断面積の比が少なくとも約２.５であるような、厚壁チューブである、
ことを特徴とする融着ファイババンドル。
前記融着ファイババンドルの前記先端区画にテーパがかけられていることを特徴とする請求項６に記載の融着ファイババンドル。
前記融着ファイババンドルの前記先端区画が、隣り合う前記光ファイバ間及び前記光ファイバと前記ガラスチューブの間に、実質的に有機接着剤を有していないことを特徴とする請求項６に記載の融着ファイババンドル。
融着ファイババンドルを作成する方法において、
それぞれが可融性セグメント及び遠端を有する複数本の光ファイバを提供する工程、
内腔が形成されており、前記内腔が前記複数本の光ファイバの前記可融性セグメントと緊密に嵌合するように適合された形状寸法を有する、ガラスチューブを提供する工程、
前記光ファイバの前記可融性セグメントを実質的に平行な配列で前記ガラスチューブの前記内腔に挿入する工程、
前記ガラスチューブが最も外側にある前記光ファイバと融着し、隣り合うファイバが相互に融着し、よって融着領域を形成するように、前記光ファイバの前記可融性セグメントを囲む領域において前記ガラスチューブを加熱する工程、及び
端面を露出させるために前記融着領域を切断し、よって前記融着ファイババンドルを形成する工程、
を含み、
前記ガラスチューブが、前記融着ファイババンドルの前記端面における前記複数本の光ファイバの断面積に対する前記端面の断面積の比が少なくとも約２.５であるような、厚壁チューブである、
ことを特徴とする方法。
前記ガラスチューブを加熱する前記工程が、部分真空の下で実施され、前記光ファイバと前記ガラスチューブの前記内腔の間の空隙を少なくともある程度は取り除くことを特徴とすることを特徴とする請求項９に記載の方法。
前記光ファイバの前記可融性セグメントを前記ガラスチューブの前記内腔に挿入する前記工程の前に、前記光ファイバの前記可融性セグメントを多室配列工具に挿入する工程をさらに含み、前記光ファイバの前記可融性セグメントを前記内腔に挿入する前記工程において、前記光ファイバが前記多室配列工具を通して押し込まれることを特徴とする請求項９に記載の方法。
融着ファイババンドルを作成する方法において、
それぞれが可融性セグメント及び遠端を有する複数本の光ファイバを提供する工程、
少なくとも１つのスペーサ部材を提供する工程、
内腔が形成されており、前記内腔が前記複数本の光ファイバの前記可融性セグメント及び前記少なくとも１つのスペーサ部材と緊密に嵌合するように適合された形状寸法を有する、ガラスチューブを提供する工程、
前記光ファイバの前記可融性セグメント及び前記少なくとも１つのスペーサ部材を実質的に平行な配列で前記ガラスチューブの前記内腔に挿入する工程、
前記ガラスチューブが最も外側にある前記光ファイバと融着し、隣り合うファイバ及び前記スペーサ部材が相互に融着し、よって融着領域を形成するように、前記光ファイバの前記可融性セグメントを囲む領域において前記ガラスチューブを加熱する工程、及び
端面を露出させるために前記融着領域を切断し、よって前記融着ファイババンドルを形成する工程、
を含み、
前記ガラスチューブが、前記融着ファイババンドルの前記端面における前記複数本の光ファイバの断面積に対する前記端面の断面積の比が少なくとも約２.５であるような、厚壁チューブである、
ことを特徴とする方法。
前記ガラスチューブを加熱する前記工程が、部分真空の下で実施され、前記光ファイバと前記少なくとも１つのスペーサ部材と前記ガラスチューブの前記内腔の間の空隙を少なくともある程度は取り除くことを特徴とすることを特徴とする請求項１２に記載の方法。