JP5152933B2 - 光ファイバの端面封止方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ、特にホーリーファイバの端面封止方法およびその装置に関するものである。

近年、大きな構造分散や低い曲げ損失特性など、従来の構造の光ファイバでは実現できなかった特性を可能にする光ファイバとして、ホーリーファイバ（ＨＦ：Ｈｏｌｅｙ Ｆｉｂｅｒ）が注目されている。ホーリーファイバとは、図１（ａ）（ｂ）に示すような、軸方向に連続する空孔（エアホール）１が複数個、規則正しく配列された構造のクラッド２を具備する光ファイバのことである。

本明細書では、特に、従来の光ファイバと同様、クラッド２よりも屈折率の高いコア３を有し、その周りのクラッド２の中に空孔１を設けたホーリーファイバを空孔アシストファイバ（ＨＡＦ：Ｈｏｌｅ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｆｉｂｅｒ）と呼び（図１（ａ））、また、前述の屈折率分布は持たないが、多数の空孔１をクラッド２に規則正しく配列し、クラッド２の実効的な屈折率を下げて、コア３（に該当する部分）との屈折率差を持たせたホーリーファイバをフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ）もしくはエアクラッドファイバ（ＡＣＦ：Ａｉｒ−ｃｌａｄ ｆｉｂｅｒ）と呼ぶ（図１（ｂ））。

現在、光ファイバの接続は、融着、コネクタ、メカニカルスプライスの３種類の方法が広く用いられている。

融着接続は、接続するファイバ同士を略対向させた後、アーク放電を行い、高温下で光ファイバの先端部を融解させて接続する方法である。このことから、ホーリーファイバにおいて融着接続を行うと、接続点の近傍で空孔がつぶれてしまい、ＨＡＦであれば、接続点の近傍がＳＭＦなどの従来の光ファイバと同様なコア−クラッド構造になり、また、ＡＣＦでは、接続点の近傍が均質なガラスに近い状態になり、光の閉じ込め効果が弱くなってしまう。以上のことにより、ＨＡＦではモードフィールド径（ＭＦＤ）の変動に伴う接続損失の発生や曲げ損失特性の劣化が生じ、また、ＡＣＦでは接続部分でのコアとクラッドとの屈折率差がなくなることによる接続損失の増加などの性能劣化が生じる。

一方、コネクタ接続やメカニカルスプライス接続を行う場合は、接続点での損失および反射を抑制するため、接続するファイバの端面間に、伝送波長においてコアガラスとほぼ同等の屈折率を有する液体状の屈折率整合剤を介在させていた。しかし、ホーリーファイバは微細な空孔を具備するため、端面に屈折率整合剤などの液体が接触した場合、毛細管現象により当該液体が空孔内に湿潤してしまう。その結果、空孔を設けることによって得られる実効屈折率の上昇など、光学的特性が損なわれることになる。さらに、時間の経過とともに空孔内部の湿潤する距離が長くなることで、接続点での損失および反射特性について、耐環境特性や経時的な特性の変化といった問題が生じていた。

そこで、上記課題を解決するため、発明者らは、炭酸ガスレーザなどの光源から出射される一つの光束（レーザ光）を熱源として用い、当該レーザ光によってホーリーファイバをその側面より加熱して溶融させ、空孔を封止する方法を提案した（特許文献１）。

特許文献１で用いた炭酸ガスレーザは、出射光の波長域が１０μｍ程度であり、光ファイバに用いられる石英ガラス（ＳｉＯ₂）に吸収され易い特性があるため、低出力で光ファイバを溶融することが可能であった。

特開２００９−２８２２２１号公報

しかし、その反面、炭酸ガスレーザはレーザ光の励振に気体を用いるため、半導体レーザなどの固体レーザと比べて出力安定性が低いという問題があった。

具体的には、気温などの環境条件を同一とした上で等電力でレーザを発振した場合、光強度や励振モード、レーザ光の断面（レーザ光の光軸に対して垂直な平面）上の互いに直交する２方向の光強度分布がその都度、異なるなどの不安定な現象の発生が挙げられる。これらの中でも特に励振モードについては、照射点での光強度、光強度分布、スポット径に大きな影響を与える。

また、前述の不安定性は、発振毎に光強度、光強度分布、スポット径の測定を行い、校正することで補償する必要があるが、そのような補償をできる余地がない場合、例えばレーザ自体を組み込んだ装置や特許文献１の封止技術に用いる装置などは、校正による補償ができない可能性があった。

そこで、ホーリーファイバの端面封止を行う際に炭酸ガスレーザなどの気体レーザを用いた場合でも、照射毎の不安定性を補償する安定化技術が求められている。

本発明は、この課題を解決するために、ホーリーファイバの端面封止を行う際に炭酸ガスレーザなどの気体レーザを用いる場合でも、照射毎の不安定性を補償する安定化技術を用いて安定的な空孔の封止を可能とするものである。

具体的には、レーザ光の照射経路上にシリンドリカルレンズを配置して多モード化した場合の影響を抑制し、さらにレーザ光の照射経路上にハーフミラーとミラーを配置してレーザ光を２つに分岐するとともにレーザ光の断面上の互いに直交する２方向の光強度分布の正対および反転状態を作り出し、これらを最終的に合波することで光強度の揺らぎを抑制することにより、発振毎の不安定性を補償するものである。

本発明による空孔封止方法を用いることで、簡易な機構により安定的な封止を行うことができる。

また、端面封止をしたホーリーファイバは、当該端面に屈折率整合剤などの液体が接触した場合でも、毛細管現象により空孔内に液体が浸潤してしまうことで発生していた光学特性の劣化問題を回避することができる。このため、屈折率整合剤を用いるコネクタ接続やメカニカルスプライス接続による光ファイバの接続を、ホーリーファイバにおいても同様に適用することができる。

ホーリーファイバの断面図 本発明のホーリーファイバの端面封止装置の実施の形態の一例を示す構成図 図２の実施の形態におけるレーザ光の伝搬過程を示す説明図 図２の実施の形態におけるレーザ光の伝搬過程を示す説明図 シリンドリカルレンズ透過前後の光強度分布の説明図 ハーフミラー又はミラーによる反射前後の光強度分布の変化の説明図 正対および反転状態のレーザ光の合波後の光強度分布の変化の説明図

図２は本発明のホーリーファイバの端面封止装置の実施の形態の一例を示すもので、図中、４は光源、５はシリンドリカルレンズ、６はハーフミラー、７，８はミラー、９はホーリーファイバ（ＨＦ）である。

光源４は、周知の炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザなどからなり、ホーリーファイバ９を溶融可能な一つの光束（レーザ光）を発生して照射する。

シリンドリカルレンズ５は、互いに直交する２方向、例えばｘｙ軸方向の一方、ここではｙ軸方向のみに屈折力を有し、この方向と直交するｘ軸方向には屈折力を有しない特性を有し、入射光を前記ｙ軸方向に対しては集束または拡散させて出射し、前記ｘ軸方向に対しては集束または拡散させることなくそのまま出射する。

ハーフミラー６は、入射された光強度の（当該ハーフミラー表面での損失分を除いた）半分を透過させるとともに残りの半分を反射させる特性を有し、入射光を２つに分割して出射する。ミラー７，８は、入射光をそのまま反射させて出射する。

前記構成において、シリンドリカルレンズ５は光源４の照射軸上に、当該シリンドリカルレンズ５のｘｙ軸方向が光源４からのレーザ光の断面（光源の照射軸（レーザ光の光軸）に対して垂直な平面）と一致する如く配置され、光源４から出射されたレーザ光の光軸に対して垂直な平面上での光強度分布を当該平面上の互いに直交する２方向の一方、ここではｙ軸方向で変形させることで当該ｙ軸方向での光強度分布を圧縮し、見かけ上、光強度の揺らぎを抑制して出射する。この時、光源４の照射口Ａからシリンドリカルレンズ５の入射口Ｂまでの距離は、光源４からのレーザ光の出力およびビーム形状が安定化する距離、ここでは少なくともレーザ光強度がガウシアン分布を取る距離とする。この距離は、レーザの構造や照射環境（主に装置周囲の温度）に依存するため、事前の測定が必要である。

また、ハーフミラー６は光源４の照射軸上のシリンドリカルレンズ５の出射口Ｃ以降に所定の角度をもって配置され、シリンドリカルレンズ５から出射されたレーザ光を２つに分割する。さらにミラー７，８はハーフミラー６で分割された２つのレーザ光の経路上にそれぞれ所定の角度をもって配置され、ハーフミラー６での反射も含めて一方のレーザ光を偶数回反射させるとともに他方のレーザ光を奇数回反射させることでレーザ光の断面上の互いに直交する２方向の光強度分布の正対および反転状態を作成し、その後、これら２つのレーザ光をホーリーファイバ９の端面に対して軸対称に合波することで当該２方向での光強度の揺らぎを抑制したレーザ光となして当該ホーリーファイバ９の端面に照射し、当該ホーリーファイバ９の端面部を溶融してその空孔を封止する。

なお、上述した如くして端面の空孔を封止したホーリーファイバのコネクタ接続やメカニカルスプライス接続は、当該端面を周知の研磨方法によりほぼ平坦もしくはわずかに凸状に研磨した後、従来の場合と同様、端面間に液体状の屈折率整合剤を介在させて行うことになるが、封止された空孔内に屈折率整合剤が浸潤することはなく、低損失な接続が可能である。

本実施の形態では、ハーフミラー６は光源４の照射軸上のシリンドリカルレンズ５の出射口Ｃ以降の位置Ｄにおいて当該光源４の照射軸に対して３０°の角度をもって配置されている。また、ミラー７はハーフミラー６で分割された一方のレーザ光の経路上の位置Ｅにおいて光源４の照射軸に対して３０°の角度をもって配置され、また、ミラー８は他方のレーザ光の経路上の位置Ｆにおいて光源４の照射軸に対して４５°の角度をもって配置されている。

ここで、ミラー７，８の位置Ｅ，Ｆでの配置角度は、照射を行うホーリーファイバ９の配置角度（被照射角度）に依存する。本発明では、ホーリーファイバ９の端面で分岐したレーザ光を二方向から照射および合波することで強度分布に均一性を持たせるため、二方向のレーザ光はホーリーファイバ９の端面に対して軸対称である必要がある。

図３および図４に本実施の形態の配置におけるレーザ光の伝搬過程を示す。図より、本実施の形態の配置では、光源４から照射されたレーザ光は最終的にホーリーファイバ９の端面に対して４５°、１３５°の方向（中心軸対称）から入射される。

なお、本実施の形態ではハーフミラー６で分割された２つのレーザ光の反射回数をそれぞれ、ハーフミラー６およびミラー７での２回、ミラー８での１回としているが、例えばミラー８とホーリーファイバ９との位置を入れ替えてそれぞれ０回、３回としても良い。但し、反射回数の合計数が１、即ちハーフミラーのみでは合波することができないから、反射回数の合計数は３以上の奇数である必要がある。また、ミラーの数はその反射回数に応じた任意の数とすることができるが、前述したようにハーフミラーでの反射を含めて３回以上の反射が必要であることから、少なくとも２つは必要となる。

図５に高次モードが発生している場合のレーザ光におけるシリンドリカルレンズ透過前後の光強度分布、ここでは前述したｘｙ軸を含むレーザ光の断面上の模式的な光強度分布およびｘ軸上の光強度分布を示す。図５（ａ）に示した透過前の光強度分布は、高次モードが発生している場合であり、次数に応じた分布となる。高次モード発生時の光強度分布は、単一モードのガウシアン分布とは異なり不均一となる。このような不均一の光強度分布を有するレーザ光をシリンドリカルレンズに対して透過させると、図５（ｂ）のように光強度分布が当該シリンドリカルレンズの一方の軸方向、ここではｙ軸方向に対して変形する。この変形により、当該ｙ軸方向の光強度分布を圧縮し、見かけ上、光強度の揺らぎを補償することができる。

図６にハーフミラー又はミラーによる反射前後の光強度分布の変化を示す。反射前のレーザ光の光強度が不均一な場合、反射後の光強度分布は上下左右とも反転する。本発明では、分波したレーザ光をそれぞれの経路における反射回数を一方を偶数回とし、他方を奇数回とすることで、合波した際に、図７で示すように２方向の光強度分布を平均化することが可能となる。

４：光源、５：シリンドリカルレンズ、６：ハーフミラー、７，８：ミラー、９：ホーリーファイバ（ＨＦ）。

Claims (3)

1. 軸方向に連続する空孔を備えた光ファイバの端面を封止する方法であって、
   光源から照射されたレーザ光を、当該光源の照射軸上でかつその照射口から少なくとも光強度がガウシアン分布を取る距離だけ離れた位置に配置されたシリンドリカルレンズに通す工程と、
   前記シリンドリカルレンズから出射されたレーザ光を、当該シリンドリカルレンズの出射口以降に配置されたハーフミラーに通して２つに分割する工程と、
   前記ハーフミラーで分割された２つのレーザ光を、それぞれの経路上に配置された少なくとも２つのミラーによって前記ハーフミラーでの反射も含めてそのうちの一方を偶数回反射させるとともに他方を奇数回反射させ、その後、これら２つのレーザ光を光ファイバの端面に対して軸対称に合波する工程とを含む
   ことを特徴とする光ファイバの端面封止方法。
2. 軸方向に連続する空孔を備えた光ファイバの端面を封止する方法であって、
   光源から照射されたレーザ光を、当該光源の照射軸上でかつその照射口から少なくとも光強度がガウシアン分布を取る距離だけ離れた位置に配置されたシリンドリカルレンズに通すことによってその光強度分布を前記照射軸に対して垂直な平面上の互いに直交する２方向の一方で変形させることで当該一方の方向での光強度分布を圧縮し、
   前記シリンドリカルレンズから出射されたレーザ光を、当該シリンドリカルレンズの出射口以降に配置されたハーフミラーに通すことによって２つに分割し、
   前記ハーフミラーで分割された２つのレーザ光を、それぞれの経路上に配置された少なくとも２つのミラーによって前記ハーフミラーでの反射も含めてそのうちの一方を偶数回反射させるとともに他方を奇数回反射させることでレーザ光の断面上の互いに直交する２方向の光強度分布の正対および反転状態を作成し、その後、これら２つのレーザ光を光ファイバの端面に対して軸対称に合波することで当該２方向での光強度の揺らぎを抑制したレーザ光となし、当該光ファイバの端面部を溶融して空孔を封止する
   ことを特徴とする光ファイバの端面封止方法。
3. 軸方向に連続する空孔を備えた光ファイバの端面を封止する装置であって、
   レーザ光を発生して照射する光源と、
   前記光源の照射軸上でかつその照射口から少なくとも光強度がガウシアン分布を取る距離だけ離れた位置に配置されたシリンドリカルレンズと、
   前記光源の照射軸上の前記シリンドリカルレンズの出射口以降に配置されたハーフミラーと、
   前記ハーフミラーで分割された２つのレーザ光を当該ハーフミラーでの反射も含めてその一方を偶数回反射させるとともに他方を奇数回反射させ、その後、これら２つのレーザ光を光ファイバの端面に対して軸対称に合波する如く配置された少なくとも２つのミラーとを備えた
   ことを特徴とする光ファイバの端面封止装置。

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