JP5124225B2 - 光ファイバ融着接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ増幅器や光ファイバレーザ光源で使用している光増幅用の希土類添加ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとの融着接続構造に関し、特に、融着接続点の放熱方法を工夫することで、ファイバ被覆材の寿命を延ばすことができ、信頼性を飛躍的に向上させることができる融着接続構造に関する。

光ファイバ増幅器や光ファイバレーザ光源では、光増幅用の光ファイバとして、ダブルクラッドファイバが利用されている。このダブルクラッドファイバは、希土類が添加されたコア領域と、そのコア領域の周囲に設けられた第１クラッド領域と、その第１クラッド領域の周囲に更に設けられた第２クラッド領域とから構成されている。ダブルクラッドファイバでは、コア領域および第１クラッド領域で励起光を伝播させ、コア領域で信号光を伝播させる。入射された励起光によって希土類イオンが励起されるので、コア領域内を信号光が伝播すると希土類イオンから誘導放出光が出力され、信号光が増幅される。出射側にシングルクラッドファイバを接続すれば、励起光は伝播せず、信号光のみがコア中を伝播し、ビーム品質の良い信号光が出射される。

従来、光ファイバの融着接続構造に関して、例えば、特許文献１〜６に開示された技術が提案されている。
特許文献１には、ダブルクラッドファイバからの残留光が１Ｗでも保護被膜が損傷しない構造が開示され、この従来技術では、被覆材に耐熱性の高い材料を使用している。
特許文献２には、ファイバ被覆材に透明な紫外線硬化型樹脂を用いて曲げによる漏れ光の吸収を抑制することが開示されている。この従来技術では、各層の屈折率が、クラッド＜１次被覆＜２次被覆の関係になっている。
特許文献３には、ダブルクラッドの被覆を一部除去して第１クラッドより屈折率の高い材料を塗布する構造が開示されている。
特許文献４には、内側壁に、アルマイト、金・銀蒸着などで光吸収する加工が開示されている。
特許文献５には、黒アルマイト加工で光を吸収することが開示されている。
特許文献６には、軟質の接着剤で第１と第２の補強基板を固定すること、及びファイバの両側と第１の補強基板は接着剤で固定する構造が開示されている。
特許第３４３３９００号公報 ＷＯ２００４／６６００７号パンフレット 特開２０００−２５２５５９号公報 特開平１０−１０３５３号公報 米国特許第６５９７８５３号明細書 特開平５−３４５４０号公報

ダブルクラッドファイバの第１クラッドを伝播する励起光は、希土類イオンに吸収され、減衰しながら伝播する。しかし、励起光の１０％程度は、希土類イオンで吸収されず、そのまま伝播することになる。このため、ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとの接続部では、融着接続点から励起光が空間に放射され、更に一部は、シングルクラッドファイバのクラッド領域を伝播して被覆材に吸収され、熱エネルギーに変換される。信号出力を数〜数百Ｗ以上のハイパワーに増幅する場合には、励起光量も多くする必要があり、被覆材の発熱量も多い。このため、一般に使用されている被覆材では、長期間の使用中に変色したり燃焼することがあり、信頼性を低下させる一因であった。

また、光ファイバ同士を融着接続する場合、融着接続点を補強することが一般に行われている。しかし、空気より屈折率の高い樹脂で融着接続点を補強すれば、融着接続点の開口数（以下、ＮＡと記す。）が小さくなり、更に、ハイパワーの励起光が融着接続点から放出される。このため、この部分に接している補強樹脂が燃焼する懸念があり、融着接続点に補強樹脂や被覆を近づけることができなかった。

また融着接続部では、信号光のロスも発生し、漏れた信号光はシングルクラッドファイバのクラッド領域を伝播して被覆材に吸収され、熱エネルギーに変換される。信号ロスが大きい場合には、被覆部を損傷させる場合がある。信号光のＮＡは、小さいため、融着点から数ｍｍ〜数十ｍｍ先の被覆が損傷することがあった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバの融着接続部において、融着接続点の放熱方法を工夫することで、ファイバ被覆材の寿命を延ばすことができ、信頼性を飛躍的に向上させることができる融着接続構造の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとの融着接続点を、各ファイバが通る隙間を除いて高熱伝導材からなるブロックで覆った融着接続構造であって、前記ブロックは、前記融着接続点を収容する１つの領域と、シングルクラッドファイバまたはダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する１つ以上の領域とからなる、２つ以上の領域を有し、これらの領域は、前記ブロックがその内側に各領域の仕切りを有することにより、各領域が、各ファイバが通る隙間を除いて前記ブロックで覆われていることを特徴とする光ファイバ融着接続構造を提供する。
この場合において、前記ブロックは、前記被覆除去部を収容する１つ以上の領域として、前記ダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域を有し、前記ダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域において、前記融着接続点手前のダブルクラッドファイバの第１クラッドが、樹脂で覆われ、前記融着接続点を収容する領域において、前記融着接続点が補強用の透明樹脂で覆われていることが好ましい。

また、前記目的を達成するため、本発明は、ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとの融着接続点を、各ファイバが通る隙間を除いて高熱伝導材からなるブロックで覆った融着接続構造であって、前記ブロックは、前記融着接続点を収容する１つの領域と、シングルクラッドファイバまたはダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する１つ以上の領域とからなる、２つ以上の領域を有し、前記融着接続点を収容する領域は、前記融着接続点に樹脂を被覆しておらず、前記被覆除去部を収容する領域は、前記被覆除去部を樹脂で覆ったことを特徴とする光ファイバ融着接続構造を提供する。
この場合において、前記ブロックは、前記被覆除去部を収容する１つ以上の領域として、前記シングルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域を有し、前記シングルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域において、前記融着接続点より先の前記シングルクラッドファイバのクラッドが、該クラッドの屈折率より高い屈折率をもつ樹脂で覆われていることが好ましい。

本発明の光ファイバ融着接続構造においては、前記被覆除去部を収容する領域において、シングルクラッドファイバまたはダブルクラッドファイバを、波長８００〜１１００ｎｍの範囲で透過率が９０％以上ある樹脂で覆ったことが好ましい。

本発明の光ファイバ融着接続構造においては、前記被覆除去部を収容する領域において、シングルクラッドファイバまたはダブルクラッドファイバを、波長８００〜１１００ｎｍの範囲で透過率が９０％以上あり、且つクラッドの屈折率より高い屈折率をもつ樹脂で覆ったことが好ましい。

本発明の光ファイバ融着接続構造においては、前記被覆除去部を収容する領域において、シングルクラッドファイバのクラッドまたはダブルクラッドファイバの第１クラッドを、該クラッドの屈折率より高い屈折率をもつ樹脂で被覆し、該樹脂の周りを高熱伝導材に赤外線吸収層が設けられたブロックで覆ったことが好ましい。

本発明の光ファイバ融着接続構造において、前記ブロックは、前記被覆除去部を収容する１つ以上の領域として、前記ダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域を有し、前記ダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域において、前記融着接続点手前のダブルクラッドファイバの第１クラッドを覆う樹脂の屈折率が、クラッドの屈折率より小さく、光の進行方向に対して段階的に屈折率を大きくして、ダブルクラッドファイバの開口数を段階的に小さくしたことが好ましい。

本発明の光ファイバ融着接続構造において、前記ブロックのそれぞれの端部にダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとのいずれかを接着し、それらの接着部のうちいずれか一方を硬質樹脂で接着し、他方を軟質のエラストマーで接着し、その先を前記ブロックからファイバの長手方向に離れた所定の固定位置に強接着し、軟接着と強接着の間のファイバはテンションがかからないことが好ましい。

本発明の光ファイバ融着接続構造において、放射された励起光量の２０〜９０％程度が最初に金属ブロックと反射する領域には、金属ブロック表面に赤外吸収材料が形成されておらず、該領域以外の領域の金属表面に赤外吸収材料が形成されたことが好ましい。

本発明の光ファイバ融着接続構造は、ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとの融着接続点を、各ファイバが通る隙間を除いて高熱伝導材からなるブロックで覆った構成なので、ダブルクラッドファイバからシングルクラッドファイバに伝搬される励起光が融着接続点付近のクラッドを被覆した樹脂から放射され、その周囲に設けられたブロックの赤外線吸収層に吸収されて熱に変換され、ブロックに吸収されるので、融着接続点から励起光が漏れ出してファイバの被覆を劣化させることを抑制でき、長寿命で信頼性の高い融着接続構造を提供できる。

本発明の光ファイバ融着接続構造は、ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとの端を融着接続してなる融着接続点を、ファイバが通る隙間を除いて金属ブロックで囲んでなるものなので、融着接続点から放射された光が金属ブロックで反射・吸収されてファイバ被覆に照射されないため、ファイバ被覆樹脂の劣化の進行を遅らせることができる。一例として、ダブルクラッドファイバ−シングルクラッドファイバの融着接続点における温度上昇を予測した結果、樹脂の寿命が３０，０００時間から５０，０００時間程度までとなり、信頼性が向上した。

また、シングルクラッドファイバとダブルクラッドファイバとの一方又は両方のクラッドが、クラッドの屈折率より高い屈折率を有し、且つ赤外光に対する透過率が９０％以上ある透明な熱硬化型樹脂で覆われている構成とすることで、赤外光に対して吸収がないため、樹脂の劣化・燃焼の心配がなくなる。また融着接続点の手前のダブルクラッドファイバ側面から励起光を放射できるため、融着接続点の漏れ光量を減らすことができ、効率良く放熱することができる。

また、融着接続点を補強用の透明樹脂で覆った構成とすることで、融着接続点にゴミが混入する心配がなくなる。さらに融着接続点の手前で励起光を放射させ、融着接続点での漏れ光量を調整できるため、融着接続点を覆う樹脂が劣化する心配もない。

また、金属ブロックと両方のファイバとの固定部分のうち、一方を硬い樹脂で接着し、他方をヤング率の低いゴム状の樹脂で固定した構成とすることで、ファイバ−金属ブロック間の線膨張係数が異なる場合でも、片側テンションフリーの状態となるため、ファイバが金属の伸縮に追従でき、ファイバに張力や曲がりが生じ難くなる。

また、融着接続点手前のダブルクラッドファイバの第１クラッドを覆う樹脂の屈折率が、クラッドの屈折率より小さく、光の進行方向に対して段階的に屈折率を大きくして、ダブルクラッドファイバの開口数を段階的に小さくした構成とすることで、ダブルクラッドファイバの側面から徐々に光が漏れるため、効率良く放熱できるようになる。

また、放射された励起光量の２０〜９０％程度が最初に金属ブロックと反射する領域には、金属ブロック表面に赤外吸収材料が形成されておらず、該領域以外の領域の金属表面に赤外吸収材料が形成された構成とすることで、金属ブロック領域内で均一に光を吸収できるため、熱が分散されて効率良く放熱できるようになる。

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の光ファイバ融着接続構造の実施形態を説明する。
図１は、本発明の光ファイバ融着接続構造の第１実施形態を示す断面図である。図中、符号１０はダブルクラッドファイバ、１０Ａはその被覆、１０Ｂは被覆除去部、１１はシングルクラッドファイバ、１１Ａはその被覆、１１Ｂは被覆除去部、１２は融着接続点、１３はアルミブロック、１４は樹脂、１５は第１接着部、１６は第２接着部である。

本実施形態の光ファイバ融着接続構造は、ダブルクラッドファイバ１０とシングルクラッドファイバ１１との融着接続構造において、シングルクラッドファイバ１１の融着接続点１２側の被覆除去部１１Ｂで露出したクラッドを、該クラッドの屈折率より高い屈折率をもつ樹脂１４で被覆し、さらに樹脂１４の周りを高熱伝導材に赤外線吸収層が設けられたアルミブロック１３で覆った構成になっている。ダブルクラッドファイバ１０とシングルクラッドファイバ１１とは、アルミブロック１３の両端部において接着剤により接着固定され、第１接着部１５及び第２接着部１６が形成されている。

このダブルクラッドファイバ１０は、エルビウム、イッテルビウム、ツリウムなどの希土類元素が添加された石英ガラスからなるコアと、該コアよりも屈折率の低い石英ガラスからなる第１クラッドと、第１クラッドより屈折率の低い材料からなる第２クラッドとからなっている。この第２クラッドは、低屈折率の透明樹脂により形成して被覆１０Ａを兼ねた構造としてもよい。このダブルクラッドファイバ１０の図示していない入射端側は、そのコアに信号光が入射され、第１クラッドに励起光が入射されるように、信号光源と励起光源とが結合されている。

本実施形態の光ファイバ融着接続構造において、融着接続点１２より先のシングルクラッドファイバ１１の被覆１１Ａは、適当な長さを取り除いてクラッドを露出させた被覆除去部１１Ｂを形成しておく。アルミブロック１３のうち、Ａ領域には、両方のファイバ１０，１１の端を融着接続してなる融着接続点１２が位置され、この融着接続点１２は、内面に赤外線吸収層として機能する黒アルマイト処理したアルミブロック１３で覆われている。融着接続点１２から放射された励起光のほとんどは、黒アルマイト層で吸収され、アルミブロック１３に放熱される。このため、融着接続点１２から漏れた光が、近傍の樹脂や部品などに照射されて変色などの悪影響を及ぼす心配がない。

アルミブロック１３のＢ領域は、シングルクラッドファイバ１０のクラッドの屈折率（≒１．４５）より高い屈折率を持つ樹脂１４をアルミブロック１３の溝に充填し、その中にシングルクラッドファイバ１１の被覆除去部１１Ａを埋設している。シングルクラッドファイバ１１のクラッドを伝播した励起光は、Ｂ領域でクラッドから放射された後、黒アルマイトで熱に変換され、アルミブロック１３本体に吸収される。Ｂ領域に充填する樹脂１４の吸収率は、励起光の波長に対して９０％以上であることが好ましい。樹脂１４の透過率が低い場合には、樹脂自身が励起光を吸収し、温度上昇するため、耐熱性の高いシリコーン、フッ素、エポキシ系の樹脂を選定することが好ましい。

このＢ領域の長さは、ダブルクラッドファイバ１０の第１クラッドのＮＡと樹脂１４の屈折率とにより決まる。Ｂ領域で励起光をほぼ放射させ、シングルクラッドファイバ１１の被覆１１Ａに励起光を伝播させないことが必要である。樹脂１４の屈折率が１．５３〜１．５４程度の場合には、Ｂ領域の長さが３０ｍｍ程度あれば、励起光を十分に放射することができる。樹脂１４の屈折率は、クラッドの屈折率より高いことが必要である。クラッドの屈折率の値に近すぎると、短距離で励起光が放射されてしまうため、アルミブロックの温度上昇や樹脂の劣化が懸念される。このため、樹脂１４の屈折率は１．５以上あることが望ましい。

ここで、Ｂ領域に充填する樹脂１４の吸収率が、励起光の波長に対して９０％以上であることが好ましい理由を具体的に説明する。
放射された励起光が全て樹脂に吸収されると仮定すると、樹脂の温度上昇と樹脂の吸収率の関係は以下の式のようになる。
Ｖ・ρ・Ｃｐ・ΔＴ＝ｐ・ｔ・α（前記式中、Ｖは樹脂容量、ρは密度、Ｃｐは比熱、Ｔは温度、ｐは励起漏れ光量、ｔは熱平衡時間、αは吸収率をそれぞれ表す。）

例えば、シリコーン樹脂を使用し、適量の樹脂でファイバを覆う場合、ｐ＝３Ｗ，α＝１０％（透過率９０％）のとき、ΔＴ＝３５℃程度となる。この温度であれば、分解温度から十分にマージンがある。経時で吸収率が数％変化しても、３万時間後でも樹脂の分解時間に到達するまでには至らない。

同様に、α＝１５％（透過率８５％）の場合は、ΔＴ＝５３℃となり、α＝１０％の時と比べ、２０℃以上上昇する。初期の温度が２０℃高いと、樹脂の劣化（吸収率上昇）も加速度的に速くなり、分解温度に到達する時間は早くなってしまい。実用上、この樹脂を採用することは難しい。このため、Ｂ領域に充填する樹脂１４の吸収率は１０％以内（透過率９０％以上）であることが好ましい。

透過率９０％の樹脂Ａと、透過率８５％の樹脂Ｂとを用い、実際に、図１に示した融着接続構造においてこれらの樹脂をＢ領域に充填して光ファイバ増幅器を運転し、樹脂の温度を測定した。結果を表１に示す。

表１のように、樹脂１４の透過率が９０％以上であれば、初期温度も低く、長期保管後の温度上昇も低い。透過率が９０％以上の樹脂であれば分解温度のマージンが大きく、信頼性が向上する。

本実施形態において、アルミブロック１３と両方のファイバ１０，１１との固定方法は、第２接着部１６（又は第１接着部１５）を硬質樹脂で接着し、第１接着部１５（又は第２接着部１６）をヤング率の低いエラストマーで固定することが好ましい。軟質のエラストマーで接着された第１接着部１５の先は、硬質接着剤１７で固定され、その間のファイバにテンションがかからない状態になっている。アルミブロック１３とファイバ１０，１１との線膨張係数は異なるが、両方の接着部１５，１６のうち一方のみを強固に接着し、他方を変位可能にエラストマーによって接着しており、なおかつ、ファイバ１０，１１は充分に長いため、アルミブロック１３の伸縮に追従し、断線することがないように構成することができる。

本実施形態の光ファイバ融着接続構造は、シングルクラッドファイバ１０の融着接続点１２側のクラッドを、該クラッドの屈折率より高い屈折率をもつ樹脂１４で被覆し、該樹脂１４の周りを高熱伝導材に赤外線吸収層が設けられたアルミブロック１３で覆った構成なので、ダブルクラッドファイバ１０からシングルクラッドファイバ１１に伝搬される励起光がシングルクラッドファイバ１１のクラッドを被覆した樹脂１４から放射され、その周囲に設けられたアルミブロック１３の赤外線吸収層に吸収されて熱に変換され、アルミブロック１３に吸収されるので、融着接続点１２から励起光が漏れ出してファイバの被覆を劣化させることを抑制でき、長寿命で信頼性の高い融着接続構造を提供できる。

［第２実施形態］
図２は、本発明の光ファイバ融着接続構造の第２実施形態を示す断面図である。本実施形態の光ファイバ融着接続構造は、前述した第１実施形態の接続構造と同じ構成要素を備えて構成され、同じ構成要素には同一符号を付してある。本実施形態の光ファイバ融着接続構造では、融着接続点１２の手前（ダブルクラッドファイバ側）のＣ領域において、アルミブロック１３内にダブルクラッドファイバ１０の第１クラッドが露出した被覆除去部１０Ｂを収容し、この被覆除去部１０Ｂを、第１クラッドより高い屈折率を持つ樹脂１４で被覆し、さらに赤外線吸収層として機能する黒アルマイトが内側に形成されたアルミブロック１３で該樹脂１４を囲んだ構成になっている。

また、融着接続点１２近傍のＤ領域は、融着接続点１２とその両側の各ファイバ１０，１１の被覆除去部１０Ｂ，１１Ｂを樹脂１４で被覆して融着接続点１２を補強し、さらにアルミブロック１３で覆っている。また、それぞれのファイバ１０，１１は、アルミブロック１３の両端部において接着固定され、第１接着部１５及び第２接着部１６が形成されている。

本実施形態では、融着接続点１２付近のダブルクラッドファイバ１０の第１クラッドを、該クラッドの屈折率より高い屈折率をもつ樹脂１４で被覆し、該樹脂の周りを高熱伝導材に赤外線吸収層が設けられたアルミブロック１３で覆った構成なので、励起光が融着接続点１２手前のダブルクラッドファイバ１０のクラッドを被覆した樹脂１４から放射され、その周囲に設けられたアルミブロック１３の赤外線吸収層に吸収されて熱に変換され、アルミブロック１３に吸収されるので、励起光が漏れ出してファイバの被覆材を劣化させることを抑制でき、長寿命で信頼性の高い融着接続構造を提供できる。
さらに本実施形態では、融着接続点１２の手前のＣ領域に屈折率がクラッドより高い樹脂１４を充填し、励起光を放射させる構成としたので、融着接続点１２からは励起光が放射されなくなり、融着接続点１２を樹脂１４で補強することが可能となり、より信頼性の高い融着接続構造を提供できる。

［第３実施形態］
図３は、本発明の光ファイバ融着接続構造の第３実施形態を示す断面図である。本実施形態の光ファイバ融着接続構造は、前述した第１実施形態の接続構造と同じ構成要素を備えて構成され、同じ構成要素には同一符号を付してある。本実施形態の光ファイバ融着接続構造では、アルミブロック１３の長手方向に沿って、融着接続点１２よりもダブルクラッドファイバ１０側のＥ領域、融着接続点１２のあるＦ領域、及び融着接続点１２よりもシングルクラッドファイバ１１側のＧ領域の３領域で、段階的に励起光を放射させ、発熱する領域を分散させた構成になっている。

領域Ｅに充填する樹脂１４の屈折率は、クラッドの屈折率より小さくし、励起光が伝播しているダブルクラッドファイバ１０の第１クラッドのＮＡより小さくする。励起光は、この領域ＥでＮＡ変換され、高ＮＡ成分はモードとなり、ファイバ中を伝播する励起光の出力を減衰させる。領域ＥのＮＡは、ダブルクラッドファイバ１０の第１クラッドのＮＡの５０％程度が好ましい。また、領域ＥのＮＡが第１クラッドのＮＡの８０％以上であると、励起光がほとんど放射されない場合があることから、領域ＥのＮＡは、第１クラッドのＮＡの５０％〜８０％の範囲とすることが好ましい。

領域Ｆは、樹脂を被覆しておらず、融着接続点１２をアルミブロック１３で囲む構成としている。領域Ｆでは、融着接続点１２から励起光を放射させ、アルミブロック１３の赤外線吸収層（黒アルマイト層）で熱に変換し、アルミブロック１３に伝導して吸収する。

さらに、領域Ｇの樹脂１４の屈折率は、クラッドの屈折率より高くして、Ｆ、Ｇ領域で放射されなかった励起光を放射させ、これを熱に変えてアルミブロック１３に吸収する。
なお、段階的に励起光を放射させる本実施形態において、３つの領域に限定する必要はなく、励起光出力とアルミブロック１３の温度上昇の関係から、さらに領域を増やすことも可能である。この場合には、図３のＥ領域をさらに細かい領域に分けて、ＮＡを段階的に小さくしていくことが好ましい。

屈折率を調整するときは、ダブルクラッドファイバ１０の第１クラッドのＮＡの８０％程度となるような屈折率の樹脂を用意し、クラッド材料と同じ微粒子が添加された溶液を混合し、クラッドの屈折率に近づけるように調整する方法が簡単である。ガラスファイバの場合には、コロイダルシリカ溶液を添加して、小さくすることが必要である。これは、微粒子で光が散乱されると、樹脂中の伝播距離が長くなり、効率よく黒アルマイト層に吸収されなくなるからである。好ましくは、波長の１／１０以下程度の粒子径が良い。

なお、前記各実施形態で使用している黒アルマイト処理されたアルミブロック１３は、特に限定されるものではない。熱伝導率の高い材料の表層に赤外線吸収層が設けられている構造や、赤外吸収率が高く、かつ熱伝導率の高い材料や、熱伝導率の高い材料の表層付近に赤外吸収材が分散されている構成でも良い。熱伝導率の高い材料としては、たとえば、アルミニウム、銅、マグネシウム、その合金などが挙げられる。

［第４実施形態］
図４は、本発明の光ファイバ融着接続構造の第４実施形態を示す断面図である。図４中、符号２０は希土類元素が添加されたダブルクラッドファイバ、２１はシングルクラッドファイバ、２２は融着接続点、２３は金属ブロック、２４は樹脂、２５はダブルクラッドファイバ固定用のゴム状樹脂、２６はシングルクラッドファイバ固定用のＵＶ硬化樹脂である。

本実施形態の光ファイバ融着接続構造は、ダブルクラッドファイバ２０とシングルクラッドファイバ２１との端を融着接続してなる融着接続点２２を、ファイバが通る隙間を除いて金属ブロック２３で囲んだ構造になっている。この金属ブロック２３は、ファイバを通す貫通孔が穿設され、その内部空間のうち、Ａ領域に融着接続点２２が収容され、それよりもシングルクラッドファイバ側のＢ領域には、樹脂２４が充填されている。またダブルクラッドファイバ側の貫通孔端部は、ゴム状樹脂２５によってダブルクラッドファイバ２０を変位可能に固定し、シングルクラッドファイバ２１側の貫通孔端部は、比較的硬いＵＶ硬化樹脂２６によってシングルクラッドファイバ２１が固定されている。

本実施形態において、ダブルクラッドファイバ２０とシングルクラッドファイバ２１の融着接続点２２は、金属ブロック２３のＡ領域に配置している。Ａ領域は、融着接続点２２を熱伝導性の高い金属材料で覆う構造をしている。このため、融着接続点２２から放射される励起光や信号光の漏れ光のほとんどは、金属ブロック２３内面で反射・吸収を繰り返しながら、熱に変換されて外部に放熱される。このためＢ領域に充填されている樹脂２４は、融着点から漏れた光の影響を受けることがなく、劣化することはない。

Ｂ領域に充填する樹脂２４は、クラッドの屈折率（≒１．４５）より高い樹脂を使用する。この樹脂２４は、近赤外光（８００〜１１００ｍｍ）に対して９０％以上の透過率を有することが望ましい。硬化方法は、ＵＶ，熱などの方法で良いが、樹脂２４の充填量が多い場合（充填深さが数ｍｍ以上ある場合）には、熱硬化タイプの方が確実に硬化できるため、熱硬化性樹脂を用いることが望ましい。Ｂ領域には被覆の取り除かれたファイバを埋設する。シングルクラッドファイバ２１のクラッドを伝播した励起光は、Ｂ領域で放射される。その後、励起光は周りの金属で反射および吸収を繰り返して熱に変換され放熱される。使用する樹脂２４の種類は、透明性の高いシリコーン、フッ素、エポキシ系の樹脂など、特に限定することなく選定できる。なお、金属ブロック２３のＢ領域内面側には、アルマイト加工や赤外線吸収材料を表面に塗布またはスパッタリングまたは蒸着加工して形成しても良い。

Ｂ領域の長さは、ダブルクラッドファイバ２０の第１クラッドのＮＡと樹脂２４の屈折率により決まる。Ｂ領域で励起光をほぼ放射させ、シングルクラッドファイバ２１の被覆部に励起光を伝播させないことが必要である。樹脂２４の屈折率が１．５３〜１．５４程度の場合には、Ｂ領域の長さが３０ｍｍ程度あれば、励起光を十分に放射できる。樹脂２４の屈折率は、クラッドの屈折率より高い必要がある。

金属ブロック２３と各ファイバの固定方法は、片側を硬い接着剤で接着し、もう片側を弾性率の小さいゴム状の樹脂で固定する。図示した例では、ダブルクラッドファイバ側の貫通孔端部は、ゴム状樹脂２５によってダブルクラッドファイバ２０を変位可能に固定し、シングルクラッドファイバ２１側の貫通孔端部は、比較的硬いＵＶ硬化樹脂２６によってシングルクラッドファイバ２１が固定されている。金属ブロック２３と各ファイバとの線膨張係数は異なるが、図示した構造では一方側の変位可能に固定しており、なおかつ、光ファイバは充分に長いため、金属ブロック２３の伸縮に追従し、ファイバに張力が加わって断線することがないように構成している。

本実施形態で使用している金属ブロック２３は、特に限定されるものではない。熱伝導率の高い材料の表層に赤外吸収層が設けられている構成や、赤外吸収率が高く、かつ熱伝導率の高い材料や、熱伝導率の高い材料の表層付近に赤外吸収材が分散されている構成でも良い。熱伝導率の高い材料としては、たとえば、アルミニウム、銅、マグネシウム、その合金などの金属材料が挙げられる。

この第４実施形態では、融着接続点２２を金属ブロック２３で囲んであり、その先の被覆や樹脂などに励起光や信号光が照射されることが無くなり、樹脂の燃焼や劣化を防止できる利点がある。
また、樹脂２４を介して、信号光や励起光は熱エネルギーとなって、熱伝導率の良好な金属ブロック２３に直接吸収されるため、放熱効率が高い。

［第５実施形態］
図５は、本発明の光ファイバ融着接続構造の第５実施形態を示す断面図である。本実施形態の光ファイバ融着接続構造において、図４に示す第４実施形態の光ファイバ融着接続構造と同一の構成要素には同一符号を付してある。

本実施形態では、融着接続点２２の手前のＣ領域に、屈折率がクラッドよりも高い樹脂２７を充填し、ここで励起光を放射させる構成になっている。この構造では、融着接続点２２から励起光が放射されないため、金属ブロック２３のＤ領域に収容されている融着接続点２２を樹脂２８で補強することが可能となった。さらに各領域はファイバの大きさ程度のすき間を除いて金属ブロック２３で覆われており、各領域で漏れた光は、隣の領域に照射されることはなく、隣の樹脂に与える影響は少ない。

この第５実施形態では、融着接続点２２の手前で励起光を放射できるため、融着接続点２２を樹脂２８で補強でき、融着接続点２２にゴミ等が付着しない構造とすることができる。従来は、融着接続点２２で集中してハイパワー光が出射されるため、樹脂などで補強することができず、ゴミが付着するなどの懸念があった。

［第６実施形態］
図６は、本発明の光ファイバ融着接続構造の第６実施形態を示す断面図である。本実施形態の光ファイバ融着接続構造において、図４に示す第４実施形態の光ファイバ融着接続構造と同一の構成要素には同一符号を付してある。

本実施形態の構造は、さらに高出力の励起光を放射させる場合に特に有効である。金属ブロック２３の内部には、領域Ｅ，Ｆ，Ｇの３領域を設け、段階的に励起光を放射させ、発熱する領域を分散させている。

領域Ｅに充填する樹脂２９の屈折率は、クラッドの屈折率より小さくし、励起光が伝播しているダブルクラッドファイバ２０の第１クラッドのＮＡより小さくする。励起光は、領域ＥでＮＡ変換され、高ＮＡ成分は放射モードとなり、ファイバ中を伝播する励起光の出力を減衰させる。この領域ＥのＮＡは、ダブルクラッドファイバ２０の第１クラッドのＮＡの５０％程度が好ましく、第１クラッドのＮＡの８０％以上だと励起光は、ほとんど放射されない場合がある。

領域Ｆは、融着接続点２２を金属ブロック２３で囲む構造としており、ここで信号光や励起光の漏れ光を放射させる。

さらに、領域Ｇの樹脂３０の屈折率は、クラッドの屈折率より高くして、Ｆ，Ｇ領域で放射されなかった漏れ光を放射させる。

本実施形態において、金属ブロック２３の領域は３つに限定されることはなく、励起光出力と金属ブロック２３の温度上昇の関係から、さらに領域を増やすことは可能である。この場合には、図６のＥ領域をさらに、細かい領域に分けて、ＮＡを段階的に小さくすることが好ましい。

充填する樹脂２９，３０は、いずれも赤外光に対して透明な材料を選定する必要がある。屈折率調整では、コロイダルシリカなどの微粒子を添加して調整することも可能である。この場合、微粒子径は、励起光の波長に対して、１／１０程度に小さくすることが望ましい。これは微粒子中で光が散乱されると、樹脂中を伝播する距離が長くなり、樹脂の吸収率が等価的に下がることになり、樹脂の耐久性が低下するためである。

この第６実施形態は、励起光量が多いときに有効である。樹脂２９，３０の屈折率を変えて、励起光を段階的に放射させるようにしているため、放熱量が分散され、金属ブロック２３全体で効率良く放熱できる。

［第７実施形態］
図７は、本発明の光ファイバ融着接続構造の第７実施形態を示す断面図である。本実施形態の光ファイバ融着接続構造において、図４に示す第４実施形態の光ファイバ融着接続構造と同一の構成要素には同一符号を付してある。

本実施形態では、金属ブロック２３のＢ領域の一部内面側に、漏れ光を熱に変換する赤外吸収材３１が表面加工されたＢ−２領域が設けられている。漏れ光量の５０％程度が最初に反射するＢ領域（Ｂ−１領域）は、赤外吸収材３１が表面加工されておらず、そこ以外のＢ−２領域に加工されている。このため、金属ブロック２３のＢ領域内で均一に光を吸収することができ、熱が分散されるため、効率良く放熱できる。ここで用いる赤外吸収材３１は、特に制約はなく、カーボンや希土類、金属材料など近赤外（８００〜１１００ｎｍ）を吸収する材料であればよい。

実際に、高出力光ファイバレーザのダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとの融着接続部において、図１〜３に示す光ファイバ融着接続構造を形成し、連続運転してファイバ被覆の劣化状態を調べた結果、従来法（ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとを単に融着接続した構造）と比べ、ファイバ被覆樹脂の劣化の進行を遅らせることができた。
また図１〜３に示す光ファイバ融着接続構造においてファイバ被覆の温度上昇を測定した結果、従来法に比べ、ファイバ被覆の温度上昇を９０％以上低減することができた。この温度上昇を予測した結果、樹脂の寿命が３００００時間から５００００時間程度までとなり、従来法に比べて信頼性が大幅に向上できることがわかった。

図１の第１実施形態では、融着接続点１２をアルミブロック１３で囲んでおり、その先の被覆や樹脂などに励起光が照射されることがなく、被覆樹脂の燃焼や劣化を防止できる利点がある。本実施形態では、樹脂１４を介して、励起光はアルミブロック１３に直接吸収されるため、放熱効率が高い。

図２の実施形態では、融着接続点１２の手前で励起光を放射できるため、融着接続点１２を樹脂などで補強できる利点がある。従来は、融着接続点１２でハイパワー光が出射されるため、樹脂などで補強することができず、ゴミが付着するなどの懸念があった。

図３の実施形態は、励起光量が多い場合に有効である。樹脂１４の屈折率を変えて、励起光を段階的に放射させるようにしているため、放熱量が分散され、アルミブロック１３全体で効率良く放熱することができる。
この図３の実施形態において、ＮＡ変換領域であるＥ領域を分割して、ＮＡを８０％から３０％程度まで段階的に小さくしていくと、さらに効率よく放熱できる。
ＮＡを変化させるためには、樹脂の屈折率を変えることが良いが、それぞれの屈折率に合う樹脂を選定することは、樹脂の種類が多くなり、評価や保管の手間がかかる。この手間を省くために、ＮＡが８０％程度になる屈折率を有する樹脂をあらかじめ選定しておき、別途用意したコロイダルシリカを混合する。コロイダルシリカの混合量を変えることで、簡単にＮＡを変えることができるため、上記の手間を省略することができる。

本発明の光ファイバ融着接続構造の第１実施形態を示す断面図である。 本発明の光ファイバ融着接続構造の第２実施形態を示す断面図である。 本発明の光ファイバ融着接続構造の第３実施形態を示す断面図である。 本発明の光ファイバ融着接続構造の第４実施形態を示す断面図である。 本発明の光ファイバ融着接続構造の第５実施形態を示す断面図である。 本発明の光ファイバ融着接続構造の第６実施形態を示す断面図である。 本発明の光ファイバ融着接続構造の第７実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１０…ダブルクラッドファイバ、１０Ａ…被覆、１０Ｂ…被覆除去部、１１…シングルクラッドファイバ、１１Ａ…被覆、１１Ｂ…被覆除去部、１２…融着接続点、１３…ブロック、１４…樹脂、１５…第１接着部、１６…第２接着部、２０…ダブルクラッドファイバ、２１…シングルクラッドファイバ、２２…融着接続点、２３…金属ブロック、２４，２７〜３０…樹脂、２５…ゴム状樹脂、２６…ＵＶ硬化樹脂、３１…赤外吸収材。

Claims (10)

1. ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとの融着接続点を、各ファイバが通る隙間を除いて高熱伝導材からなるブロックで覆った融着接続構造であって、
   前記ブロックは、前記融着接続点を収容する１つの領域と、シングルクラッドファイバまたはダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する１つ以上の領域とからなる、２つ以上の領域を有し、
   これらの領域は、前記ブロックがその内側に各領域の仕切りを有することにより、各領域が、各ファイバが通る隙間を除いて前記ブロックで覆われていることを特徴とする光ファイバ融着接続構造。
2. 前記ブロックは、前記被覆除去部を収容する１つ以上の領域として、前記ダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域を有し、
   前記ダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域において、前記融着接続点手前のダブルクラッドファイバの第１クラッドが、樹脂で覆われ、
   前記融着接続点を収容する領域において、前記融着接続点が補強用の透明樹脂で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ融着接続構造。
3. ダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとの融着接続点を、各ファイバが通る隙間を除いて高熱伝導材からなるブロックで覆った融着接続構造であって、
   前記ブロックは、前記融着接続点を収容する１つの領域と、シングルクラッドファイバまたはダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する１つ以上の領域とからなる、２つ以上の領域を有し、
   前記融着接続点を収容する領域は、前記融着接続点に樹脂を被覆しておらず、前記被覆除去部を収容する領域は、前記被覆除去部を樹脂で覆ったことを特徴とする光ファイバ融着接続構造。
4. 前記ブロックは、前記被覆除去部を収容する１つ以上の領域として、前記シングルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域を有し、
   前記シングルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域において、前記融着接続点より先の前記シングルクラッドファイバのクラッドが、該クラッドの屈折率より高い屈折率をもつ樹脂で覆われていることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ融着接続構造。
5. 前記被覆除去部を収容する領域において、シングルクラッドファイバまたはダブルクラッドファイバを、波長８００〜１１００ｎｍの範囲で透過率が９０％以上ある樹脂で覆ったことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバ融着接続構造。
6. 前記被覆除去部を収容する領域において、シングルクラッドファイバまたはダブルクラッドファイバを、波長８００〜１１００ｎｍの範囲で透過率が９０％以上あり、且つクラッドの屈折率より高い屈折率をもつ樹脂で覆ったことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバ融着接続構造。
7. 前記被覆除去部を収容する領域において、シングルクラッドファイバのクラッドまたはダブルクラッドファイバの第１クラッドを、該クラッドの屈折率より高い屈折率をもつ樹脂で被覆し、該樹脂の周りを高熱伝導材に赤外線吸収層が設けられたブロックで覆ったことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバ融着接続構造。
8. 前記ブロックは、前記被覆除去部を収容する１つ以上の領域として、前記ダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域を有し、
   前記ダブルクラッドファイバの被覆除去部を収容する領域において、前記融着接続点手前のダブルクラッドファイバの第１クラッドを覆う樹脂の屈折率が、クラッドの屈折率より小さく、光の進行方向に対して段階的に屈折率を大きくして、ダブルクラッドファイバの開口数を段階的に小さくしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバ融着接続構造。
9. 前記ブロックのそれぞれの端部にダブルクラッドファイバとシングルクラッドファイバとのいずれかを接着し、それらの接着部のうちいずれか一方を硬質樹脂で接着し、他方を軟質のエラストマーで接着し、その先を前記ブロックからファイバの長手方向に離れた所定の固定位置に強接着し、軟接着と強接着の間のファイバはテンションがかからないことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光ファイバ融着接続構造。
10. 放射された励起光量の２０〜９０％程度が最初に金属ブロックと反射する領域には、金属ブロック表面に赤外吸収材料が形成されておらず、該領域以外の領域の金属表面に赤外吸収材料が形成されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光ファイバ融着接続構造。

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