JP5192452B2 - 光ファイバの接続構造及び内視鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバの接続に用いられる着脱自在な接続構造と、この接続構造を用いた内視鏡システムに関し、より詳しくは、短波長・高出力のレーザ光の伝送に適した光ファイバの接続構造及び内視鏡システムに関する。

光ファイバを接続する手法の１つとして、光ファイバの先端同士を密着させるフィジカルコンタクト接続（以下、ＰＣ接続と言う）が用いられている。ＰＣ接続される光ファイバは、円筒状のフェルールに挿入されて固定され、フェルールの端面とともに先端が凸球面状に研磨されている。光ファイバが取り付けられたフェルールは、円筒状のスリーブの両端から挿入され、スリーブ内で端面同士が当接される。これにより、フェルールの端面から露呈されている光ファイバ同士が直接に密着する。

生体内の診察等に用いられる内視鏡には、照明用のライトガイドとして、複数本の光ファイバを束ねた光ファイババンドルが用いられている。ライトガイドは、生体内に挿入される内視鏡の挿入部内に挿通され、先端が挿入部の先端部に設けられた照明窓に接続されている。ライトガイドの後端は、ＰＣ接続を利用したコネクタによって光源装置に接続されている。

内視鏡のコネクタは、着脱頻度が高いため、光ファイバの先端にゴミ等が付着しやすい。また、着脱時の衝撃によって光ファイバの先端に傷が発生することもある。光ファイバの先端にゴミが付着し、または傷が発生すると接続損失が大きくなる。また、光ファイバの先端の光パワー密度が高い場合、付着しているゴミや傷の部分が焼けて光ファイバやフェルールの先端が焼損し、あるいはファイバヒューズ現象によって光ファイバが延焼することもある。

ゴミの付着等による光ファイバの焼損を防止するため、光ファイバの接続部分の光パワー密度を低くした光ファイバ伝送路が発明されている。例えば、特許文献１、２記載の発明では、シングルモードファイバの先端にコリメータレンズとして機能するグレーデッドインデックスファイバを融着接続し、モードフィールド径を広げている。

ところで、内視鏡の照明に、レーザ照明装置を用いることが検討されている。このレーザ照明装置は、短波長・高出力のレーザ光をライトガイドによって蛍光体までガイドし、レーザ光により蛍光体を励起させて照明光を得る。レーザ照明装置に用いられるライトガイドには、光ファイババンドルではなく、例えば１００μｍ以上のコア径を有する１本のマルチモードファイバが用いられる。そのため、内視鏡にレーザ照明装置を適用することにより、挿入部の細径化が期待できる。

特開２００５−０７７５４９号公報 特開２００２−３５０６６６号公報

短波長・高出力のレーザ光を伝送したときに、光パワー密度の高い光透過部分で集塵効果と呼ばれる現象が発生することが知られている。集塵効果とは、気化した有機物とレーザ光とが光化学反応して発生した物質が堆積する現象である。マルチモードファイバは、コア径が一般的なシングルモードファイバよりも大きいので、ＰＣ接続によってコアの端面同士を完全に密着させることが難しい。そのため、光パワー密度が高くなっているコアの端面の一部が外気に接する状態となり、集塵効果が発生しやすくなる。光ファイバにおいて集塵効果が発生すると、ゴミの付着等と同様に接続損失が大きくなり、光ファイバの焼損、ファイバヒューズ現象の原因となる。

また、光ファイバによって短波長・高出力のレーザ光を伝送したときに、光ファイバに含まれる酸化物（石英、ＳＩＯ_２等）がレーザ光によって何らかの反応を起こし、ＰＣ接続部分が固着することがある。この固着現象は、光ファイバ及びフェルールの端面をＵＶクリーニングしてＰＣ接続を行ったときに発生しやすいことが確認されている。例えば、内視鏡のコネクタ内で光ファイバ同士が固着した場合、コネクタを光源装置から取り外す際に光ファイバの先端が破損してしまう。光ファイバの先端が破損した場合、フェルールとともに再研磨を行わなければならないので、改修作業が大掛かりなものとなる。

集塵効果、固着等の現象は、例えば、特許文献１、２記載の発明のように、グレーデッドインデックスファイバを用いてＰＣ接続部分の光パワー密度を低下させることにより抑制可能である。しかし、特許文献１、２記載の発明は、シングルモードファイバを対象とし、かつ通信用の長波長の光を伝送することを想定しているので、レーザ照明装置とは光ファイバの種類、コア径等が異なり、簡単には転用できない。

また、グレーデッドインデックスファイバによって伝送される光のモードフィールド径は、最小値−最大値−最小値−最大値を１周期（１ピッチ）として連続的に変化する。そのため、グレーデッドインデックスファイバをコリメータレンズとして用いるには、その長さを１／４ピッチ単位にする必要がある。しかし、グレーデッドインデックスファイバは、両端の研磨加工によって長さが調整されるため、正確に設定長さに調整することが難しく、製造歩留りが悪い。また、コストを重視して長さが不正確なグレーデッドインデックスファイバを使用するとコリメート特性が不安定になる。更に、グレーデッドインデックスファイバは、長さ方向の屈折率のバラツキも生じるため、同一長さで部品を構成することは困難である。

本発明の目的は、コリメータレンズとして用いるグレーデッドインデックスファイバの製造歩留りを向上させ、コリメート特性を安定させることにある。

本発明の光ファイバの接続構造は、１００μｍ以上のコア径を有するマルチモードファイバを用いた第１光ファイバと第２光ファイバとを接続し、第１光ファイバから第２光ファイバに１００ｍＷ以上の光パワーの光を伝送させる光ファイバの接続構造に関し、第１グレーデッドインデックスファイバ及び第２グレーデッドインデックスファイバを備えている。第１グレーデッドインデックスファイバは、第１光ファイバの先端に着脱自在に取り付けられ、第１光ファイバから入射された光のビーム径を拡大してコリメートする。第２グレーデッドインデックスファイバは、第２光ファイバの先端に着脱自在に取り付けられており、入射端面が前記第１グレーデッドインデックスファイバの出射端面に対して所定の間隔を隔てて対面されていて、第１グレーデッドインデックスファイバの出射端面から入射端面に入射された光のビーム径を収束して第２光ファイバに入射させる。また、第１グレーデッドインデックスファイバの長さＬ１と第２グレーデッドインデックスファイバの長さＬ２とを足し合わせた長さは、第１グレーデッドインデックスファイバの１／２ピッチであり、かつ第２グレーデッドインデックスファイバの長さＬ２が第１グレーデッドインデックスファイバの長さＬ１未満となっている。

第２グレーデッドインデックスファイバの長さＬ２は、第１グレーデッドインデックスファイバの長さＬ１×０．７〜Ｌ１未満であってもよい。

第１光ファイバ及び第２光ファイバによって伝送する光は、例えば、４０５〜６３５ｎｍの１つ以上の波長を有している。

第１グレーデッドインデックスファイバ及び第２グレーデッドインデックスファイバのコア径は、第１光ファイバのコア径の３倍以上であることが望ましい。

第１グレーデッドインデックスファイバ及び第２グレーデッドインデックスファイバの長さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。

第１グレーデッドインデックスファイバの光を出射する出射端面と第２グレーデッドインデックスファイバの光を入射する入射端面には、最上面にフッ化物を有する反射防止膜を設けてもよい。

第１グレーデッドインデックスファイバの光が入射される入射端面と、第２グレーデッドインデックスファイバの光を出射する出射端面には、フッ化物膜を設けてもよい。

また、本発明の接続構造には、第１接続部材、第１光学部品、第１保持部材、第２接続部材、第２光学部品、第２保持部材、連結部材を用いてもよい。第１接続部材は、第１光ファイバの端部に取り付けられ、一方の端面から第１光ファイバの先端を露呈させている。第１光学部品は、第１グレーデッドインデックスファイバを内蔵し、両端から第１グレーデッドインデックスファイバの入射端面及び出射端面を露呈させている。第１保持部材は、第１光ファイバの先端と第１グレーデッドインデックスファイバレンズの入射端面とが当接するように第１接続部品と第１光学部品とを保持している。第２接続部材は、第２光ファイバの端部に取り付けられ、一方の端面から第２光ファイバの先端を露呈させている。第２光学部品は、第２グレーデッドインデックスファイバを内蔵し、両端から第２グレーデッドインデックスファイバの入射端面及び出射端面を露呈させている。第２保持部材は、第２光ファイバの先端と第２グレーデッドインデックスファイバの出射端面とが当接するように第２接続部品と第２光学部品とを保持している。連結部材は、第１グレーデッドインデックスファイバの出射端面と第２グレーデッドインデックスファイバの入射端面とが所定の間隔を隔てて対面するように、第１光学部品及び第２光学部品を連結している。

本発明の内視鏡システムは、内視鏡、光源装置、コネクタ及びソケットを備えている。内視鏡は、挿入部内に挿通された光ファイバを用いて生体内を照明し、撮影を行う。光源装置は、１００ｍＷ以上の光パワーを発生する光源を有し、内視鏡の光ファイバに光を入射している。コネクタ及びソケットは、請求項１〜９いずれか記載の光ファイバの接続構造を用い、内視鏡の光ファイバと光源装置の光源とを接続している。

本発明によれば、長さの異なるグレーデッドインデックスファイバを組み合わせてコリメータレンズを構成することができるので、製造歩留りが向上し、コストが低下する。また、第１グレーデッドインデックスファイバからは、ビーム径がやや収束された状態で光が出射されるので、接続損失を低下させることができる。

本発明の光ファイバの接続構造を示す断面図である。 第１ファイバスタブ及び第２ファイバスタブの長さによって変化する光の伝送状態を説明した模式図である。 接続損失の評価結果を示す表である。 光軸方向トレランスを示すグラフである。 光軸垂直方向トレランスを示すグラフである。 ４０５ｎｍのレーザ光の伝送時に、第２ファイバスタブの長さによって変化する接続損失を示したグラフである。 ６３５ｎｍのレーザ光の伝送時に、第２ファイバスタブの長さによって変化する接続損失を示したグラフである。 本発明の接続構造を用いた内視鏡システムの構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の光ファイバの接続構造１０を用いて、第１光ファイバ１１と第２光ファイバ１２とを接続している状態を示している。本実施形態では、第１光ファイバ１１から第２光ファイバ１２に向けて、例えば４０５〜６３５ｎｍ、かつ１００ｍＷ以上の短波長・高出力のレーザ光を伝送する。そのため、第１光ファイバ１１及び第２光ファイバ１２には、例えばコア径が１００μｍ以上の石英製マルチモードファイバが用いられている。

接続構造１０は、第１光ファイバ１１の先端を保持する第１フェルール１５と、第１光ファイバ１１によって伝送されたレーザ光のビーム径を拡大してコリメートする第１ファイバスタブ１６とを備えている。第１フェルール１５と第１ファイバスタブ１６は、第１スリーブ１７によって着脱自在に接続されている。また、第１ファイバスタブ１６から入射された光を収束して第２光ファイバ１２に伝送する第２ファイバスタブ１８と、第２光ファイバ１２の先端を保持する第２フェルール１９も接続構造１０に含まれている。第２ファイバスタブ１８と第２フェルール１９は、第２スリーブ２０によって着脱自在に接続されている。第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８は、連結用スリーブ２１によって着脱自在に連結されている。第１光ファイバ１１と第２光ファイバ１２との連結は、連結用スリーブ２１から第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とのいずれか一方、又は両方が抜き取られることにより解除される。

本発明の第１接続部材である第１フェルール１５は、中心に軸方向に沿って貫通したファイバ挿入穴１５ａが設けられた円筒形状をしている。ファイバ挿入穴１５ａには、先端の被覆１１ａが剥がされた第１光ファイバ１１が挿入され、接着剤によって固定されている。第１フェルール１５の先端１５ｂは、ファイバ挿入穴１５ａに挿入された第１光ファイバ１１の先端とともに凸球面状または平面状に研磨されている。

本発明の第１光学部品である第１ファイバスタブ１６は、コリメータレンズとして機能する第１グレーデッドインデックスファイバ（以下、ＧＩファイバと言う）２４と、第１ＧＩファイバ２４を内蔵した円筒形状のフェルール２５とを備えている。第１ファイバスタブ１６は、第１ＧＩファイバ２４の両端が露呈されている入射端面１６ａと出射端面１６ｂとが、それぞれ凸球面状及び平面状に研磨されている。なお、入射端面１６ａ及び出射端面１６ｂの形状は、凸−凸、平−凸、凸−平、平−平のいずれの組み合わせであってもよい。第１ＧＩファイバ２４は、入射端面１６ａが第１フェルール１５の先端１５ｂに当接することにより、第１光ファイバ１１とＰＣ接続される。

第１ＧＩファイバ２４は、第１光ファイバ１１よりも大きなコア径を有しているので、第１光ファイバ１１は、先端が外気に触れることなく第１ＧＩファイバ２４にＰＣ接続することができる。これにより、第１光ファイバ１１の先端に集塵効果が発生することはない。なお、第１光ファイバ１１と第１ＧＩファイバ２４とのＰＣ接続を良好な状態に保つため、第１フェルール１５と第１ファイバスタブ１６とのいずれか一方を他方に押し付ける機構を設けることが好ましい。なお、光ファイバのコア径が１００μｍ以上である場合、ＰＣ接続されるコンタクト面の形状は、凸―凸よりも凸―平、平―平の方がコンタクト面のサイズが大きくなるため、汚染防止の観点から望ましい。

また、第１ＧＩファイバ２４は、第１光ファイバ１１によって伝送されたレーザ光のビーム径を拡大してコリメートするので、第１ファイバスタブ１６の出射端面１６ｂにおける光パワー密度は、第１光ファイバ１１の先端よりも低くなる。これにより、出射端面１６ｂのゴミや傷等によって接続損失が大幅に低下することはない。また、出射端面１６ｂのゴミ等が燃えることによる第１ファイバスタブ１６の焼損、ファイバヒューズ現象による第１光ファイバ１１の延焼も発生しない。更には、光パワー密度の低下によりレーザ光と空気中の有機物との光化学反応も低下するので、出射端面１６ｂにおける集塵効果の発生も少なくなる。

なお、集塵効果は、光パワー密度を１５Ｗ／ｍｍ^２以下にすることによって十分に抑制可能であることが分かっている（例えば、特開２００７−０２５４３１参照）。したがって、本実施形態においても、出射端面１６ｂの光パワー密度を１５Ｗ／ｍｍ^２以下まで低下させることが好ましい。

第１ファイバスタブ１６の入射端面１６ａには、フッ化物膜２８が設けられている。そのため、第１光ファイバ１１は、フッ化物膜２８を介して第１ＧＩファイバ２４にＰＣ接続されるので、光ファイバ同士を直接にＰＣ接続させたときにＰＣ接続部分が固着する固着現象の発生を防止することができる。

第１ファイバスタブ１６の出射端面１６ｂには、反射損失を低下させる反射防止膜３１が設けられている。この反射防止膜３１の最上層には、フッ化物の層が設けられている。これにより、第１ファイバスタブ１６の出射端面１６ｂに付着したゴミや、集塵効果よって堆積した汚染物を容易に除去することができる。

本発明の第１保持部材である第１スリーブ１７は、一般に割スリーブと呼ばれているものであり、中心に第１フェルール１５及び第１ファイバスタブ１６の外径よりも僅かに小さな内径のフェルール挿入穴１７ａが設けられた円筒形状をしている。第１スリーブ１７の周面には、第１スリーブ１７に対して径方向の弾性を付与する１本のスリット（図示せず）が、軸方向に沿って設けられている。

第１フェルール１５と第１ファイバスタブ１６は、第１スリーブ１７のフェルール挿入穴１７ａに両端から挿入され、第１スリーブ１７の弾性力によって着脱自在に保持される。第１スリーブ１７内では、第１フェルール１５の先端１５ｂと第１ファイバスタブ１６入射端面１６ａとが当接される。

第１スリーブ１７の長さは、第１フェルール１５と第１ファイバスタブ１６との長さを足し合わせた長さよりも短い。そのため、第１フェルール１５の後端に第１スリーブ１７の端部を揃えると、第１スリーブ１７の他端から第１ファイバスタブ１６の半分ほどの長さが突出される。なお、第１スリーブ１７は、金属製またはジルコニアセラミック製等、様々な材質のものを用いることができる。

本発明の第２光学部品である第２ファイバスタブ１８は、第１ファイバスタブ１６と略同じものであり、第２ＧＩファイバ３４と、第２ＧＩファイバ３４を内蔵した円筒形状のフェルール３５とを備えている。第２ファイバスタブ１８は、第２ＧＩファイバ３４の両端が露呈されている入射端面１８ａと出射端面１８ｂとが、それぞれ平面状及び凸球面状に研磨されている。第２ファイバスタブ１８には、製造歩留りの向上、接続損失の低下を図るため、第１ファイバスタブ１６よりも短いものが使用されている。

第２ファイバスタブ１８の入射端面１８ａは、所定の間隔Ｇを隔てて第１ファイバスタブ１６の出射端面１６ｂに対面される。第２ファイバスタブ１８の出射端面１８ｂは、第２フェルール１９の先端に当接され、第２光ファイバ１２と第２ＧＩファイバ３４とをＰＣ接続させる。入射端面１８ａ及び出射端面１８ｂには、第１ファイバスタブ１６と同様に反射防止膜３８及びフッ化物膜３９が設けられている。

第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８は、出射端面１６ｂと入射端面１８ａとが当接しないので、出射端面１６ｂまたは入射端面１８ａに付着したゴミが押しつぶされて広がることはない。また、第１光ファイバ１１と第２光ファイバ１２との接続時及び接続解除時に、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とが不適切に当接して傷が発生することもない。

本発明の第２接続部品である第２フェルール１９は、第１フェルール１５と同じ部品であり、第１フェルール１５と同様に第２光ファイバ１２の先端を保持している。第２フェルール１９の先端１９ｂは、第２光ファイバ１２の先端とともに凸球面状（または平面状）に研磨されている。

本発明の第２保持部材である第２スリーブ２０は、第１スリーブ１７と同じものであり、第２ファイバスタブ１８と第２フェルール１９とを着脱自在に接続している。第２光ファイバ１２と第２ＧＩファイバ３４は、第２スリーブ２０内でＰＣ接続されている。第２スリーブ２０により保持された第２ファイバスタブ１８は、第２スリーブ２０の一端から半分ほどの長さが突出している。

本発明の連結部材である連結用スリーブ２１は、第１ファイバスタブ１６及び第２ファイバスタブ１８の外径とほぼ同じ内径のスタブ挿入穴２１ａが中心に設けられた円筒形状をしている。連結用スリーブ２１は、スタブ挿入穴２１ａの両端から第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とを嵌合させることにより両者の中心軸を合わせ、着脱自在に連結している。なお、連結用スリーブ２１は、金属製またはジルコニアセラミック製等、様々な材質のものを用いることができる。

連結用スリーブ２１は、第１ファイバスタバ１６の第１スリーブ１７からの突出量と、第２ファイバスタバ１８の第２スリーブ２０からの突出量と、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８との間隔Ｇとを足し合わせた長さを有している。したがって、連結用スリーブ２１に第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とが嵌合されると、連結用スリーブ２１の両端が第１スリーブ１７及び第２スリーブ２０に当接し、第１ファイバスタブ１６及び第２ファイバスタブ１８の連結用スリーブ２１への挿入量が規制される。これにより、連結用スリーブ２１内には、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８との間に所定の間隔Ｇが形成される。

光ファイバの先端に付着するゴミの大きさは、最大で５０μｍ程度であることが分かっている。したがって、第１ファイバスタブ１６の出射端面１６ｂと第２ファイバスタブ１８の入射端面１８ａとの間の間隔Ｇは、付着したゴミが挟まれて潰れるのを防止するため、５０μｍ以上であることが必要である。また、出射端面１６ｂと入射端面１８ａとが確実に接触しないことも必要であるため、接続構造１０の各構成部品の製造誤差、組立誤差等を考慮して、間隔Ｇは、１．０〜２．０ｍｍ程度であることが好ましい。

次に、第１ＧＩファイバ２４及び第２ＧＩファイバ３４について詳細に説明する。上述したように、第１光ファイバ１１及び第２光ファイバ１２は、一般的な通信用のシングルモードファイバよりも太いコア径を有するマルチモードファイバである。したがって、第１光ファイバ１１によって伝送されたレーザ光のビーム径を、集塵効果、焼損等が発生しないように拡大してコリメートするには、第１ＧＩファイバ２４のコア径を第１光ファイバ１１のコア径の少なくとも３倍以上、望ましくは５倍以上にする必要がある。

同様に、第１ＧＩファイバ２４が拡大したビーム径を適切に収束して第２光ファイバ１２に伝送するには、第２ＧＩファイバ３４のコア径を少なくとも第１ＧＩファイバ２４と同じ、または第１ＧＩファイバ２４よりも大きくする必要がある。そこで、本実施形態では、第１ＧＩファイバ２４のコア径を、例えば３００μｍ以上、望ましくは５００μｍ以上とし、第２ＧＩファイバ３４のコア径を第１ＧＩファイバ２４以上としている。

また、ＧＩファイバは、短波長の光の伝送損失が大きいため、第１ＧＩファイバ２４及び第２ＧＩファイバ３４の長さは、できるだけ短いことが好ましい。更に、第１ＧＩファイバ２４及び第２ＧＩファイバ３４は、フェルール２５及び３５に挿入した後で端面を研磨するため、研磨時に保持可能な長さを有している必要がある。以上の観点から、本実施形態では、第１ＧＩファイバ２４及び第２ＧＩファイバ３４の長さを、例えば３ｍｍ以上１０ｍｍ以下としている。

また、ＧＩファイバをコリメータレンズとして用いるには、その長さを１／４ピッチにする必要がある。したがって、第１ＧＩファイバ２４及び第２ＧＩファイバ３４の長さは、それぞれ上述した３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、かつ１／４ピッチであることが好ましい。なお、一般的には、１／４×（２ｎ−１）、（ｎ＝０，１，２、・・・）で最適ピッチが現れるが、伝播損失を低減する観点から、最小の長さである１／４ピッチが望ましい。

第１ファイバスタブ１６及び第２ファイバスタブ１８は、両端面の研磨加工によって長さが調整されため、その長さには±２０％程度のばらつきが生じてしまう。したがって、第１ファイバスタブ１６及び第２ファイバスタブ１８に正確な長さを求めると製造歩留りが悪化し、コストが高くなる。また、ＧＩファイバは、長さ方向の屈折率のバラツキも生じるため、同一長さで部品を構成することは困難である。

図２は、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とによる光の伝送状態を模式的に表している。なお、図２は、第１ファイバスタブ１６と第１ファイバスタブ１８との間で伝送される光の状態を明確にするため、間隔Ｇを広く描いている。

図２（Ａ）に示すように、第１ファイバスタブ１６の長さＬ１と、第２ファイバスタブ１８との長さＬ２とがともに１／４ピッチで同一である場合、第１ファイバスタブ１６によってビーム径が拡大されてコリメートされた光は、大きな損失を発生することなく第２ファイバスタブ１８に入射し、第２ファイバスタブ１８によって収束されて第２光ファイバ１２に入射される。

これに対し、図２（Ｂ）に示すように、第１ファイバスタブ１６の長さＬ１が１／４ピッチよりも短く、第２ファイバスタブの長さＬ２が１／４ピッチよりも長い場合、第１ファイバスタブ１６により拡大されたビーム径が第２ファイバスタブ１８のコア径よりも大きくなる、いわゆるモードミスマッチが発生する。これにより、間隔Ｇ内で光の回折が生じ、接続損失が大きくなる。回折による接続損失は、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８との間隔Ｇを小さくすれば低下するが、ゴミの挟み込み、傷等の問題が発生してしまう。

以上を鑑みて、本実施形態では、図２（Ｃ）に示すように、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８との長さを測定して組み合わせることにより、第１ファイバスタブ１６の長さＬ１と第２ファイバスタブ１８の長さＬ２とを足し合わせた長さを１／２ピッチとし、かつ第１ファイバスタブ１６の長さＬ１よりも第２ファイバスタブ１８の長さＬ２を短くしている。これによれば、長さにバラツキのある第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とを組み合わせて使用することができるので、製造歩留りが向上し、コストダウンとなる。また、第１ファイバスタブ１６の出射端面１６ｂから、ビーム径が収束された状態で光が出射されるので、接続損失を低下させることができる。また、間隔Ｇを一定にすることができる。なお、第２ファイバスタブ１８の長さＬ２をＬ１以下としたが、Ｌ１未満であってもよい。

次に、上記実施形態の作用について説明する。第１光ファイバ１１の先端には、第１フェルール１５及び第１スリーブ１７によって、第１ファイバスタブ１６が着脱自在にＰＣ接続している。また、第２光ファイバ１２の先端には、第１光ファイバ１１と同様に、第２フェルール１９及び第２スリーブ２０によって、第２ファイバスタブ１８が着脱自在にＰＣ接続している。

第１光ファイバ１１と第２光ファイバ１２とを接続する際には、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とが連結用スリーブ２１の両端にそれぞれ嵌合される。連結用スリーブ２１内では、連結用スリーブ２１の両端が第１スリーブ１７及び第２スリーブ２０に当接することにより、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８との間に所定の間隔Ｇが設けられる。これにより、第１ファイバスタブ１６または第２ファイバスタブ１８に付着していたゴミが潰れて広がり、あるいは第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とが不適切に当接して傷が発生することもない。

第１光ファイバ１１は、第１フェルール１５に固定されている側と反対側の端部がレーザモジュールに接続されており、例えば４０５〜６３５ｎｍ、１００ｍＷ以上の短波長・高出力のレーザ光が入射される。第１光ファイバ１１によって伝送されたレーザ光は、第１光ファイバ１１の先端から出射され、第１ファイバスタブ１６の第１ＧＩファイバ２４に入射する。第１ＧＩファイバ２４は、入射されたレーザ光のビーム径を拡大してコリメートし、出射端面１６ｂから出射する。第２ファイバスタブ１８は、間隔Ｇを隔てて第１ファイバスタブ１６から入射されたレーザ光を収束し、第２光ファイバ１２に入射させる。

第１光ファイバ１１及び第２光ファイバ１２は、自身のコア径よりも大きなコア径を有する第１ＧＩファイバ２４及び第２ＧＩファイバ３４にＰＣ接続しているので、第１光ファイバ１１及び第２光ファイバ１２の先端が外気に触れることがなく、集塵効果は発生しない。また、第１ファイバスタブ１６の入射端面１６ａには、フッ化物膜２８が設けられているので、第１光ファイバ１１と第１ＧＩファイバ２４との間に固着現象が発生することもない。同様に、第２光ファイバ１２と第２ＧＩファイバ３４との間でも、フッ化物膜３９の効果により固着現象は発生しない、

第１ファイバスタブ１６の出射端面１６ｂと第２ファイバスタブ１８の入射端面１８ａには、着脱時にゴミ等が付着することがある。出射端面１６ｂから出射されるレーザ光は、第１ＧＩファイバ２４によって光パワー密度が低くなっているので、接続損失が大幅に低下することはなく、付着したゴミが焼けて第１ファイバスタブ１６または第２ファイバスタブが焼損することもない。また、集塵効果の発生も少なくなる。なお、出射端面１６ｂ及び入射端面１８ａには、最上層にフッ化物層を有する反射防止膜３１及び３８が設けられているので、付着したゴミ、または堆積した汚染物を容易に除去することができる。

第１光ファイバ１１と第２光ファイバ１２との接続を解除する際には、連結用スリーブ２１から第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とのいずれか一方または両方が抜き取られる。第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８は、間隔Ｇを隔てて配置されているので、接続解除時に固着現象によって第１ファイバスタブ１６等が破損することはない。

第１ファイバスタブ１６に傷が発生し、あるいは汚染物の堆積による劣化が激しくなったときには、第１スリーブ１７から使用中の第１ファイバスタブ１６を抜き取り、新しいものに交換することができる。これにより、従来はフェルールの最研磨等が必要であった接続構造の改修作業が容易になり、かつコストダウンすることができる。第２ファイバスタブ１８も同様に交換することができる。

また、第１ファイバスタブ１６及び第２ファイバスタブ１８の光軸中心は、第１光ファイバ１１及び第２光ファイバ１２の光軸と一致しているため、色収差の影響が出にくい。このため、４０５ｎｍ（青紫）〜６３５ｎｍ（赤）のレーザ光まで、損失増加が非常に小さい特性を得ることができる。したがって、本発明の接続構造は、多数の波長を用いるシステムにおいても有用である。

本発明の接続構造１０による接続損失の評価を行った。この損失評価では、第１光ファイバ１１と第２光ファイバ１２とを直結させた状態をリファレンスとし、第１光ファイバ１１と第２光ファイバ１２との間に、評価対象となる第１ファイバスタブ１６及び第２ファイバスタブ１８を挿入することにより増加した損失値を接続損失として用いている。また、この損失評価では、ステージ上で４０５ｎｍの波長に合わせて第１ファイバスタブ１６及び第２ファイバスタブ１８の位置調整を行い、４０５ｎｍ及び６３５ｎｍともに同一位置で損失評価を行っている。４０５ｎｍの波長に合わせて位置調整を行っているのは、４０５ｎｍでは波長分散の影響があり、６３５ｎｍの場合に比べて光軸方向に４００μｍ近接するため、最適位置の調整が必要となるからである。以下に、損失評価にて用いた各種条件を示す。

［第１光ファイバ及び第２光ファイバ］
マルチモードファイバ（ステップインデックス型）
コア径：１０５μｍ
クラッド径：１２６μｍ
［第１フェルール及び第２フェルール］
φ２．５ｍｍ、長さ１０ｍｍのジルコニアフェルール
［第１ファイバスタブ及び第２ファイバスタブ］
・第１ＧＩファイバ及び第２ＧＩファイバ
グレーデッドインデックスファイバ（Ｇｅドープコア）
コア径：５００μｍ
クラッド径：６２５μｍ
ＮＡ：０．２２
１ピッチの長さ：約８．６ｍｍ
第１ＧＩファイバの長さ
サンプルＡ：４．６２ｍｍ
サンプルＢ：４．６２ｍｍ
サンプルＣ：４．４１ｍｍ
サンプルＤ：４．６２ｍｍ
第２ＧＩファイバの長さ
サンプルＡ：３．９１ｍｍ
サンプルＢ：３．９３ｍｍ
サンプルＣ：３．６〜４．４１ｍｍ
サンプルＤ：３．６〜４．６２ｍｍ
・フェルール
φ２．５ｍｍのジルコニアフェルール
・接着剤
熱硬化エポキシ
・間隔Ｇ
１．０〜１．５ｍｍ
［第１スリーブ及び第２スリーブ］
金属製割スリーブ
［連結用スリーブ］
金属製割スリーブ
［レーザ光］
波長：４０５ｎｍ、６３５ｎｍ
出力：１〜０．１ｍＷ

図３の表は、損失評価に用いた第１ファイバスタブ１６及び第２ファイバスタブ１８のサンプルＡ、Ｂそれぞれについての評価結果を示している。この評価結果から明らかなように、本発明の接続構造による接続損失は、０．９〜１．４ｄＢ（１８〜２８％）と軽微であった。なお、サンプルＡ、Ｂの差は、各光ファイバとＧＩファイバとのＰＣ接続部分でのコンタクト状態の差であると考えられる。また、第１スリーブ１７及び第２スリーブ２０、連結用スリーブ２１の連結位置で数度程度まで各フェルール１５、１９やスタブ１６、１８を傾けたが、大きな損失の増加は発生しなかった。更に、第１スリーブ１７及び第２スリーブ２０と連結用スリーブ２１とをジルコニアスリーブに変更した場合でも同様の低損失特性が得られた。

図４及び図５のグラフは、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８との相対位置を光軸方向Ｚと光軸方向Ｚに直交する光軸垂直方向Ｘ、Ｙとにずらしたときに、第２光ファイバ１２から出力されるレーザ光の出力を表したトレランスカーブを示している。なお、光軸方向Ｚは、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とが接近する方向をプラス方向としている。また、光軸垂直方向Ｘ、Ｙは、光軸方向Ｚが０の状態である。更に、上述したトレランスカーブは、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８の長さが４．０〜４．６ｍｍ、光軸方向Ｚの公差が±１００μｍ、光軸垂直方向Ｘ、Ｙの公差が±２０μｍとしたときの測定結果である。

上記トレランスカーブから分るように、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８との相対位置のずれ量に対するレーザ光の出力低下は比較的小さい。したがって、本発明の接続構造１０は、トレランスが広く、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８との相対位置にずれが生じた場合でも低損失特性を維持することができる。

また、上述したサンプルＡ、Ｂのように、第１ＧＩファイバ２４のコア径を５００μｍにすることによって、第１光ファイバ１１によって伝送されたレーザ光のビーム径（１０５μｍ）は約５倍まで拡大される。これにより、第１ＧＩファイバ２４の出射端面における光パワー密度は、第１光ファイバ１１の先端における光パワー密度の１／２５になる。したがって、第１ＧＩファイバ２４の出射端面における光パワー密度を、集塵効果の抑制が可能な１５Ｗ／ｍｍ^２にした場合でも、３Ｗのレーザ光まで入力が可能となる。よって、本発明の接続構造１０は、高輝度なレーザ照明装置にも適用が可能である。

第１ファイバスタブ１６及び第２ファイバスタブ１８に使用するＧＩファイバのコア径は、第１光ファイバ１１のコア径の５倍以上であってもよい。例えば、コア径が１０００μｍ、クラッド径が１２５０μｍのＧＩファイバを用いた接続構造によって第１光ファイバ１１と第２光ファイバ１２とを接続する場合、第１ファイバスタブ１６及び第２ファイバスタブ１８の長さを９ｍｍ程度にすることによって、上述のサンプルＡ、Ｂと同様の結果を得ることができた。なお、接続構造１０に使用するフェルールが標準サイズ（例えば、φ２．５ｍｍもしくはφ１．２５ｍｍ）のものを使用するのであれば、ＧＩファイバの外径は１０００μｍ以下が望ましい。

上記サンプルＣ、Ｄを作成し、第２ファイバスタブ１８の長さの変化による接続損失を評価した。図６のグラフは、サンプルＣ、Ｄにより４０５ｎｍのレーザ光を伝送したときの接続損失を示している。

第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とを足し合わせた長さは、第１ファイバスタブ１６及び第２ファイバスタブ１８がともに４．６６ｍｍであるときに、第１ＧＩファイバ２４の１ピッチの長さよりも１０％程度長くなり、１．７ｄＢ程度の接続損失が発生する。これに対し、第１ファイバスタブ１６の長さＬ１を４．６６ｍｍ、第２ファイバスタブ１８の長さＬ２を３．９１ｍｍにすると、これらを足し合わせた長さは第１ＧＩファイバ２４の１ピッチの長さと略等しくなり、接続損失は１．２ｄＢ程度に低下する。また、第２ファイバスタブ１８が第１ファイバスタブ１６に対して短くなりすぎたときにも、接続損失が大きくなっている。
った。

上述した第２ファイバスタブ１８の長さと接続損失の関係は、第１ファイバスタブ１６の長さＬ１が４．４１ｍｍのときでも同様であった。また、図７に示すように、６３５ｎｍのレーザ光を伝送したときも同様であった。図示していないが、第１ファイバスタブ１６の長さＬ１を３．９１ｍｍ、第２ファイバスタブ１８の長さＬ２を４．６２ｍｍとしたときには、数ｄＢ程度の接続損失が発生した。

以上の評価結果から、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８の長さは、以下の数式１、２の関係を有していることが好ましい。
Ｌ１＋Ｌ２＝１／２ピッチ・・・（１）
Ｌ１≧Ｌ２≒０．７×Ｌ１・・・（２）

本発明の光ファイバの接続構造１０は、着脱頻度の高い光ファイバの接続に適しているので、例えばレーザ照明装置を用いる内視鏡システムへの適用が可能である。以下、図８を用いて、本発明の接続構造を用いた内視鏡システムについて説明する。なお、上記実施形態と同じ部品については、同符号を用いて詳しい説明を省略する。

内視鏡システム５０は、生体内に挿入部５１を挿入して撮影を行う内視鏡５２と、内視鏡５２に照明用のレーザ光を供給する光源装置５３と、内視鏡５２で撮影した画像を処理するプロセッサ装置５４と、プロセッサ装置５４で処理された画像を表示するモニタ５５から構成されている。

内視鏡５２には、光源装置５３及びプロセッサ装置５４に接続されるユニバーサルコード５８が設けられている。ユニバーサルコード５８内には、挿入部５１の先端に組み込まれた撮像素子の撮像信号をプロセッサ装置５４に送信する通信ケーブルが挿通されている。また、挿入部５１とユニバーサルコード５８内には、本発明の第２光ファイバ１２に相当する照明用光ファイバが挿通されている。この照明用光ファイバは、挿入部５１の先端部５１ａ内で、先端が蛍光体に接続されている。

ユニバーサルコード５８の先端には、光源装置５３の光源用ソケット６１に着脱自在に接続される光源用コネクタ６２が設けられている。光源用コネクタ６２からは、通信ケーブルをプロセッサ装置５４のプロセッサ用ソケット６３に接続させるプロセッサ用コネクタ６４が分岐するように設けられている。

光源用ソケット６１内には、本発明の第１光ファイバ１１、第１フェルール１５、第１ファイバスタブ１６、第１スリーブ１７、連結用スリーブ２１に相当する部品が組み込まれている。第１光ファイバ１１は、光源装置５３に内蔵されたレーザモジュールに接続されている。光源用コネクタ６２内には、本発明の第２ファイバスタブ１８、第２フェルール１９、第２スリーブ２０に相当する部品が組み込まれている。したがって、光源用コネクタ６２と光源用ソケット６１により本発明の接続構造１０が構成され、光源用コネクタ６２が光源用ソケット６１に接続されることにより、第１ファイバスタブ１６と第２ファイバスタブ１８とが接続される。

光源装置５３内のレーザモジュールから照射されたレーザ光は、光源用ソケット６１及び光源用コネクタ６２内の接続構造１０を介してユニバーサルコード５８内の照明用光ファイバに伝送される。挿入部５１の先端部５１ａ内で照明用光ファイバの先端から出射したレーザ光は、蛍光体を励起させて照明光を発生させる。これにより、キセノンランプ等を用いた従来の光源装置よりも高輝度な照明光を得ることができる。

光源用コネクタ６２は、内視鏡５２の使用時に光源用ソケット６１に接続され、使用後に抜き取られるため、着脱頻度が高い。従来、着脱頻度が高いコネクタでは、光ファイバの先端へのゴミの付着、傷の発生、光ファイバ同士の固着による破損等が問題となっていた。しかし、本実施形態の内視鏡システム５０では、光源用コネクタ６２及び光源用ソケット６１に本発明の接続構造１０を用いているので、これらの問題を解消することができる。

上記実施形態では、第１光ファイバと第２光ファイバとが同じコア径を有している場合について説明したが、本発明の接続構造は、異なるコア径を有する光ファイバの接続にも適用することができる。この場合、例えば、第１ＧＩファイバと第２ＧＩファイバとのコア径を異ならせることによって対応が可能である。また、本発明の接続構造は、上記の実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０ 接続構造
１１ 第１光ファイバ
１２ 第２光ファイバ
１５ 第１フェルール
１６ 第１ファイバスタブ
１７ 第１スリーブ
１８ 第２ファイバスタブ
１９ 第２フェルール
２０ 第２スリーブ
２１ 連結用スリーブ
２４ 第１ＧＩファイバ
２８，３９ フッ化物膜
３４ 第２ＧＩファイバ
３１，３９ 反射防止膜
５０ 内視鏡システム
５１ 内視鏡
５３ 光源装置
６１ 光源用ソケット
６２ 光源用コネクタ

Claims (9)

1. １００μｍ以上のコア径を有するマルチモードファイバを用いた第１光ファイバと第２光ファイバとを接続し、前記第１光ファイバから前記第２光ファイバに１００ｍＷ以上の光パワーの光を伝送させる光ファイバの接続構造において、
   前記第１光ファイバの先端に着脱自在に取り付けられ、前記第１光ファイバから入射された光のビーム径を拡大してコリメートする第１グレーデッドインデックスファイバと、
   前記第２光ファイバの先端に着脱自在に取り付けられている第２グレーデッドインデックスファイバであって、入射端面が前記第１グレーデッドインデックスファイバの出射端面に対して所定の間隔を隔てて対面されており、前記第１グレーデッドインデックスファイバの前記出射端面から前記入射端面に入射された光のビーム径を収束して前記第２光ファイバに入射させる前記第２グレーデッドインデックスファイバとを備え、
   前記第１グレーデッドインデックスファイバの長さＬ１と前記第２グレーデッドインデックスファイバの長さＬ２とを足し合わせた長さが、前記第１グレーデッドインデックスファイバの１／２ピッチであり、かつ前記第２グレーデッドインデックスファイバの長さＬ２が前記第１グレーデッドインデックスファイバの長さＬ１未満であることを特徴とする光ファイバの接続構造。
2. 前記第２グレーデッドインデックスファイバの長さＬ２は、前記第１グレーデッドインデックスファイバの長さＬ１×０．７〜Ｌ１未満であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバの接続構造。
3. 前記光は、４０５〜６３５ｎｍの１つ以上の波長を有することを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバの接続構造。
4. 前記第１グレーデッドインデックスファイバ及び前記第２グレーデッドインデックスファイバのコア径は、前記第１光ファイバのコア径の３倍以上であることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光ファイバの接続構造。
5. 前記第１グレーデッドインデックスファイバ長さＬ１及び前記第２グレーデッドインデックスファイバの長さＬ２は、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光ファイバの接続構造。
6. 前記第１グレーデッドインデックスファイバの光を出射する出射端面と、前記第２グレーデッドインデックスファイバの光が入射される入射端面とに、最上面にフッ化物を有する反射防止膜を設けたことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の光ファイバの接続構造。
7. 前記第１グレーデッドインデックスファイバの光が入射される入射端面と、前記第２グレーデッドインデックスファイバの光を出射する出射端面とにフッ化物膜を設けたことを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の光ファイバの接続構造。
8. 前記第１光ファイバの端部に取り付けられ、一方の端面から前記第１光ファイバの先端を露呈させた第１接続部材と、
   前記第１グレーデッドインデックスファイバを内蔵し、両端から前記第１グレーデッドインデックスファイバの入射端面及び出射端面を露呈させた第１光学部品と、
   前記第１光ファイバの先端と前記第１グレーデッドインデックスファイバの入射端面とが当接するように前記第１接続部品と前記第１光学部品とを保持する第１保持部材と、
   前記第２光ファイバの端部に取り付けられ、一方の端面から前記第２光ファイバの先端を露呈させた第２接続部材と、
   前記第２グレーデッドインデックスファイバを内蔵し、両端から前記第２グレーデッドインデックスファイバの入射端面及び出射端面を露呈させた第２光学部品と、
   前記第２光ファイバの先端と前記第２グレーデッドインデックスファイバの出射端面とが当接するように前記第２接続部品と前記第２光学部品とを保持する第２保持部材と、
   前記第１グレーデッドインデックスファイバの出射端面と前記第２グレーデッドインデックスファイバの入射端面とが所定の間隔を隔てて対面するように、前記第１光学部品及び前記第２光学部品を連結する連結部材とを備えたことを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の光ファイバの接続構造。
9. 挿入部内に挿通された光ファイバを用いて生体内を照明し、撮影を行う内視鏡と、
   １００ｍＷ以上の光パワーを発生する光源を有し、前記内視鏡の光ファイバに光を入射する光源装置と、
   請求項１〜８いずれか記載の光ファイバの接続構造を用い、前記内視鏡の光ファイバと前記光源装置の光源とを接続するコネクタ及びソケットを備えたことを特徴とする内視鏡システム。

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