JP5612550B2

JP5612550B2 - レーザ融着用ファイバ整列部品

Info

Publication number: JP5612550B2
Application number: JP2011172190A
Authority: JP
Inventors: 小池　真司; 真司小池; 小林　潤也; 潤也小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2031-08-05
Also published as: JP2013037136A

Description

本発明はレーザ照射耐性を高めたレーザ融着用ファイバ整列部品に関する。

図５に、従来のＣＯ₂レーザによる光ファイバの融着手法を示す。図５の２１，２２は融着される光ファイバ、２３は光ファイバを整列収容するためのＶ溝基板（例えば、石英もしくはジルコニア）、２４は光ファイバ整列Ｖ溝、２５は治具ステージ、２６は押さえ板、２７は押さえ板保持アーム、２８はＣＯ₂レーザ、２９はＣＯ₂レーザのビームウエスト位置、３０は光ファイバ融着界面である。

融着される光ファイバ２１，２２は、レーザ融着用治具に備えつけられているＶ溝基板２３の光ファイバ整列Ｖ溝２４内に整列収容され、押さえ板保持アーム２７を閉じることによって、アームに取り付けられた押さえ板２６でＶ溝内に収容される。この時、光ファイバ２１，２２は、その先端同士があるクリアランス内に収まるよう位置合せも行われる。

その後、一方の光ファイバ２１を他方の光ファイバ２２側に向けて進ませ、光ファイバ２１に座屈が生じたところでレーザ照射する。これにより、融着界面の石英が蒸散・溶融すると同時に押圧力によって融着界面に向けて石英材料が供給され、融着が完了する。

図５に示すように、レーザ光の照射は、光ファイバの上下面の両面からの光学系を用いず、上からの一方向のみから行われる。このようなレーザ照射によって光ファイバの融着界面全域を均一に加熱するには、光ファイバ側面ならびに下面にもレーザ光を回りこませて、光ファイバの融着界面全域にレーザ光を照射する必要がある。そのため、光ファイバ融着界面の上方にてレーザ光のビームウエスト位置２９を設け、光ファイバ照射位置においてＣＯ₂レーザビーム径を広げるディフォーカス設定している。

特にＣＯ₂レーザ照射は、前述のようにレーザ波長１０．６μｍにおいて石英の吸収率が極めて高く、表面での吸収が支配的となる（非特許文献１参照）ので、界面により均一に熱を分布させるためにレーザ光を大きくディフォーカスして光ファイバに照射し、光ファイバの融着界面に極力均一に照射することが望まれる。

北村直之、福味幸平、西井準治著、「外部場操作技術」、ＮＥＷＧＬＡＳＳ −特集ナノガラスプロジェクトの成果と展望―、Ｖｏｌ．２１Ｎｏ．２ｐｐ．２５−３０、２００６年Ｓ．Ｋｏｉｋｅｅｔａｌ．， "Ｓｐｒｉｎｇ−８Ｘ−ｒａｙＭｉｃｒｏ−ＴｏｍｏｇｒａｐｈｙＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｏｆＺｉｒｃｏｎｉｕｍＩｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎＣＯ2 ｌａｓｅｒＦｕｓｉｏｎＳｐｌｉｃｅｆｏｒＳｉｎｇｌｅＭｏｄｅＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒｓ，" ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，Ｐａｃｋａｇｉｎｇ，ａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．１ｎｏ．１ｐｐ．１００−１１０，（２０１１）．

しかしながら、従来の光ファイバ整列用治具では、照射されたレーザ光によって損傷を受けるという課題がある。

図６（ａ）〜（ｃ）に、ＣＯ₂レーザ主波長（１０．６μｍ）に吸収ピークをもつ石英からなるＶ溝基板２３に通常のレーザ融着照射条件（約３Ｗのレーザ照射条件）での連続使用で観察された破損状態の顕微鏡写真を示す。Ｖ溝基板２３のレーザ照射側付近の矢印で示す部分には、大きなクラックがいくつか現れており、ファイバ整列収容部材Ｖ溝基板２３のレーザ照射耐性が失われている。

また、図６（ｄ）、（ｅ）に、一般的にアーク放電融着接続で用いられてきた耐熱性、機械加工特性に優れたジルコニアをＶ溝基板２３として適用した際、誤ってＣＯ₂レーザ光を８Ｗにて基板照射した場合に示した破損状態を示す。この場合にも、Ｖ溝基板２３には大きな破損が生じている。

さらに通常使用条件（約３Ｗの照射）においても、ジルコニアのＶ溝基板２３を起源と推察されるジルコニアの光ファイバ界面への混入が観察され、レーザ融着光ファイバの融着接続損失分布に悪影響を及ぼす（非特許文献２参照）。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光ファイバのレーザ融着接続において用いる、レーザ損傷の少ないレーザ融着用ファイバ整列部品を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、光ファイバ同士を調心するためのＶ溝が刻まれたＶ溝基板と、前記Ｖ溝基板上の光ファイバを押さえるための押さえ板を備え、前記Ｖ溝基板と前記押さえ板によって収容された光ファイバ同士が突き合わされた部分をＣＯ₂レーザにより融着するのに用いられるレーザ融着用ファイバ整列部品であって、前記Ｖ溝基板はシリコンからなり、前記押さえ板は、前記ＣＯ ₂ レーザの主波長に対して吸収波長ピークを持つ材料から構成されるとともに、前記Ｖ溝基板と対向する面がシリコンで構成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ融着用ファイバ整列部品において、前記押さえ板のシリコンで構成された面は、シリコンコートもしくはシリコン板の貼り付けがなされたことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のレーザ融着用ファイバ整列部品において、前記ＣＯ２レーザの主波長に対して吸収ピークを持つ材料は、ジルコニアまたはアルミナであることを特徴とする。

本発明は、光ファイバのレーザ融着接続において用いるレーザ融着用ファイバ整列部品のレーザ照射耐性を高める効果を奏する。

本願発明の実施形態１に係るレーザ融着用ファイバ整列部品を示す図である。（ａ）は、ＫＯＨエッチングによって形成したシリコンＶ溝基板のＣＯ₂レーザ照射損傷の顕微鏡写真を示す図であり、（ｂ）は従来のＶ溝基板材料として用いてきたジルコニアで構成される光ファイバ用フェルールのＣＯ₂レーザ照射損傷の顕微鏡写真を示す図である。本願発明の実施形態２に係るレーザ融着用ファイバ整列部品を示す図である。本願発明の実施形態３に係るレーザ融着用ファイバ整列部品を示す図である。従来のレーザ融着用ファイバ整列部品を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、石英からなるＶ溝基板に約３Ｗのレーザ照射で観察された破損状態の顕微鏡写真であり、（ｄ）、（ｅ）は、ジルコニアからなるＶ溝基板に８Ｗのレーザ照射で観察された破損状態の顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本願発明の実施形態１に係るレーザ融着用ファイバ整列部品を示す。図１の１，２は融着される光ファイバ融着される光ファイバ、４は光ファイバ整列Ｖ溝、５は治具ステージ、６は押え板（例えば、ジルコニアセラミックス）、７は押さえ板保持アーム、８はＣＯ₂レーザ、９はレーザのビームウエスト位置、１０は光ファイバ融着界面、１１は従来技術と異なる本発明固有のシリコンＶ溝基板である。

ここで、シリコンＶ溝基板１１が有するレーザ照射に対する耐性について説明する。

図２（ａ）に、ＫＯＨエッチングによって形成したシリコンＶ溝基板のＣＯ₂レーザ照射損傷の顕微鏡写真を示す。比較のため、図２（ｂ）に、従来のＶ溝基板材料として用いてきたジルコニアで構成される光ファイバ用フェルールのＣＯ₂レーザ照射損傷の顕微鏡写真を示す。尚、ＣＯ₂レーザの照射エネルギーは図２（ａ）、（ｂ）いずれも１０Ｗとした。

図２（ａ）に示すように、１０Ｗのエネルギーを持ったＣＯ₂レーザ光の照射に際しても、本発明のシリコンＶ溝基板は顕微鏡観察下でまったく変化が見られない。一方、図２（ｂ）の従来より使用されてきたジルコニア材では大きなクラックが生じている。この比較対照結果が示すように、シリコンＶ溝基板のＣＯ₂レーザ照射耐性は従来のジルコニア基板の耐性を著しく上回っている。

次に、図１のシリコンＶ溝基板１１を含む光学実験系においてレーザ照射が行われた場合について説明する。ＣＯ₂レーザ光の照射光学系は従来技術の図５の構成と同様であり、光ファイバの図中記載治具を用いたレーザ融着接続手順については省略する。

本実施形態１においても、前述のように、ディフォーカス光学系を用いたＣＯ₂レーザ融着では、レーザ光が光ファイバ以外の治具基板にも照射される。但し、本実施形態１では、押さえ板６としてジルコニアを選定することによって、治具に照射されるＣＯ₂レーザ光のエネルギーを吸収し、透過したＣＯ₂レーザ光がシリコンＶ溝基板１１に収容された光ファイバに照射されることがない構成としている。

また、本実施形態１のシリコン製Ｖ溝基板１１とした結果、融着界面付近からの迷光のＣＯ₂レーザ光の吸収をほとんど行わず、基板損傷が生じなかった。

その結果、シリコンＶ溝基板１１を用いることによってレーザ光照射によるＶ溝基板１１の劣化損傷を抑えることが可能となり、融着時の安定した光ファイバの精密保持や、融着界面への基板材料の溶け込みを低減でき、融着光ファイバの機械強度の安定化を図ることができる。

また、シリコンＶ溝基板１１の当初設計寸法精度が保持できる結果、融着光ファイバの低挿入損失分布を得ることも可能となった。

また、従来の図５の構成では、押さえ板２６とＶ溝基板２３の両方について交換が必要であったが、本方式によって、押さえ板６のみの交換でレーザ融着の連続照射が可能となった。

（実施形態２）
図３に、本発明の実施形態２に係るレーザ融着用ファイバ整列部品を示す。図３の１，２は融着される光ファイバ、４は光ファイバ整列Ｖ溝、５はステージ、７は押さえ板保持アーム、８はＣＯ₂レーザ、９はＣＯ₂レーザのビームウエスト位置、１０は光ファイバ融着界面、１１は実施形態１と同じシリコン製Ｖ溝基板、１２はシリコン押さえ板、１３はＣＯ₂レーザ照射反射処理面を示す。シリコン製押さえ板１２、ＣＯ₂レーザ照射反射処理面１３が本実施形態２に固有の構成となる。

ＣＯ₂レーザ光の照射光学系の主だった構成は従来技術の例として述べた図１と同様であり、図中記載治具を用いたレーザ融着接続手順については省略する。

本実施形態２においても、前述のように、ディフォーカス光学系を用いたＣＯ₂レーザ融着では、レーザ光が光ファイバ以外の治具基板にも照射される。但し、本実施形態２では、押さえ板１２として、特にレーザ光照射面について鏡面研磨を施したシリコンを選定することによってＣＯ₂レーザ光の迷光がシリコンで反射され、レーザ光８が本発明によるシリコンＶ溝基板１１に収容された光ファイバ１、２に照射されることがない構成としている。

また、実施形態１と同様にシリコンＶ溝基板１１とした結果、ＣＯ₂レーザ光の基板での吸収が抑制され基板損傷が生じなかった。

その結果、シリコンＶ溝基板１１と鏡面研磨を施したシリコン押さえ板１２を用いることによってレーザ光照射によるＶ溝基板１１と押さえ板１２の劣化損傷を抑えることが可能となり、融着時の安定した光ファイバの精密保持や、融着界面への基板材料の溶け込みが防止でき、融着光ファイバの機械強度の安定化を図ることができた。

また、シリコンＶ溝基板１１の当初設計寸法精度が保持できた結果、融着光ファイバの低挿入損失分布を得ることも可能となった。

なお、本発明による実施例においては、ＣＯ₂レーザ照射面を鏡面研磨したシリコン板を押さえ板１２として用いたが、本形態に限定されるものではなく、例えば、シリコン押さえ板構成面のうち、ＣＯ₂レーザ照射面の一部について誘電体多層膜で被覆コートして、レーザ主波長を反射する構成としても良いことは言うまでもない。

（実施形態３）
図４に、本発明の実施形態３に係るレーザ融着用ファイバ整列部品を示す。図４の１，２は融着される光ファイバ、５はステージ、７は押さえ板保持アーム、１１は実施形態１，２と同じシリコン製Ｖ溝基板、１５は実施形態３固有の押さえ板を示す。

図４に示すように、押さえ板１５の主材料はＣＯ₂レーザの吸収波長をもつ材料から構成される。ここではジルコニアを構成材料として用いている。押さえ板１５は、光ファイバ設置側面、すなわち、シリコンＶ溝基板１１上の光ファイバと接する面に、シリコン板１４を貼り付けた構成としている。このような構成をとることによって、光ファイバに直接触れる部分はシリコンで覆われてジルコニア基板が直接光ファイバ端面に接触することがないので、ジルコニアの溶出などがあったとしても、光ファイバ界面へのジルコニアの混入が生じない。

また、図３で示したようにシリコンはレーザ照射耐性に強いためシリコン材の光ファイバ界面への混入を防止することが可能となる。また、シリコン材のみで押さえ板を構成した場合では一部レーザ光がシリコン基板を透過し、シリコンＶ溝基板１１上に設置した石英光ファイバへの吸収が懸念されたが、押さえ板１５のような構成とすることでレーザ光の透過を防止し、レーザ光のシリコンＶ溝基板１１に収容されている光ファイバの融着界面以外の部分へのレーザ光の照射を抑制することが可能となる。

なお、本実施例では押さえ板１５の主材料としてジルコニアを中心に述べたが、ＣＯ₂レーザ光を吸収できる材料であればよく、ジルコニアのみならず、アルミナなども用いることが可能である。また、押さえ板１５の光ファイバ側に貼付したシリコン板１４であるが、貼り付けに限定されるものでなく、スパッタリングなどのコーティング手法によって、被覆できれば良いことは言うまでもない。

以上実施形態１〜３とともに詳しく説明したように、本発明に関わる、光ファイバ整列部材として、シリコン材を中心としたＶ溝基板ならびに押さえ板から構成される治具を用いたＣＯ₂レーザ照射によるファイバ融着によれば、従来技術のジルコニアセラミックス製もしくは、石英製Ｖ溝基板によって実現を図ってきたＣＯ₂レーザ照射による光ファイバ融着に比べ、同波長でのシリコンＶ溝基板の吸収率の著しい低減により、レーザ照射にともなうＶ溝基板の損傷を防止することができる。その結果、ディフォーカス光学系でのレーザ光の光ファイバに向けた照射を行っても、安定したレーザ融着接続と機械強度が期待でき、高品質な融着光ファイバの実現可能となる。

１，２，２１，２２光ファイバ
４，２４光ファイバ整列Ｖ溝
５，２５治具ステージ
６，１５，２６押さえ板
７，２７押さえ板保持アーム
８，２８ＣＯ₂レーザ
９，２９レーザのビームウエスト位置
１０，３０光ファイバ融着界面
１１シリコンＶ溝基板
１２シリコン押さえ板
１３ＣＯ₂レーザ照射反射処理面
１４シリコン板
２３Ｖ溝基板

Claims

光ファイバ同士を調心するためのＶ溝が刻まれたＶ溝基板と、前記Ｖ溝基板上の光ファイバを押さえるための押さえ板を備え、前記Ｖ溝基板と前記押さえ板によって収容された光ファイバ同士が突き合わされた部分をＣＯ₂レーザにより融着するのに用いられるレーザ融着用ファイバ整列部品であって、
前記Ｖ溝基板はシリコンからなり、
前記押さえ板は、前記ＣＯ ₂ レーザの主波長に対して吸収波長ピークを持つ材料から構成されるとともに、前記Ｖ溝基板と対向する面がシリコンで構成されていることを特徴とするレーザ融着用ファイバ整列部品。
前記押さえ板のシリコンで構成された面は、シリコンコートもしくはシリコン板の貼り付けがなされたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ融着用ファイバ整列部品。
前記ＣＯ２レーザの主波長に対して吸収ピークを持つ材料は、ジルコニアまたはアルミナであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ融着用ファイバ整列部品。