JP5617047B2 - 光ファイバコンポーネント用パッケージ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバコンポーネントのパッケージング技術に関する。より詳しくは、本発明は請求項１及び１１の前文に記載の光ファイバパッケージ及びその製造方法に関する。

ファイバレーザは、ワークピースを加工するために高い光パワーレベルが要求される様々な工業的用途において多くの従来のレーザ光源から市場シェアを獲得している。ファイバレーザの人気の上昇は、それらの高い効率、高いビーム均一性及び低いメインテナンスの必要性のおかげである。

ファイバレーザを全体として高信頼度に機能させるためには、その光ファイバコンポーネント、例えばポンプ又は信号カプラを、ロバストに構成しなければならない。ハイパワーファイバレーザの内部で、光ファイバコンポーネントは高い光放射の影響を受け得る。光放射の大部分は、動作時にコンポーネントのガラス構造により順方向に案内されるように設計される。しかし、ある条件の下で、比較的高い光パワーレベルは光ファイバコンポーネントからコンポーネントの機械的パッケージ内部の自由空間へ漏れることもあり得る。一例として、ワークピースから反射された放射は、光ファイバコンポーネント内に、該コンポーネントが放射を案内するように設計された方向とは逆の方向に案内され得る。コンポーネントのパッケージ内のこのような自由空間放射は、最終的にはパッケージにより吸収され、パッケージの加熱を生じることになる。

光ファイバコンポーネントの高い信頼性を達成する際は、パッケージの加熱がコンポーネントを損傷しないようにパッケージを設計しなければならない。考えられる加熱パワーレベルを推定するために、ｋＷの出力レベルで動作するファイバレーザを考察しよう。このようなレーザを銅などの高い反射率を有する金属の加工に使用する場合、ワークピースに作用するパワーのかなりの部分が反射されてファイバレーザに戻り得る。この戻り反射パワーの一部分は次いでコンポーネントパッケージ内部で熱に変換される。従って、このような状態における加熱パワーレベルは１００Ｗ程度になり得る。

光ファイバコンポーネントに熱的に誘起される応力は必ずしも上述の如き放射により発生されるわけではない。レーザシステムの発送中に、温度は数十度に亘り変化し得る。その結果として、コンポーネントのパッケージの設計においてこのような温度変化を考慮しない場合には、コンポーネントの故障を生じ得る。

光ファイバコンポーネントをパッケージに組み込むためには、多くの場合金属からなるパッケージが使用される。与えられた金属のパッケージ材料としての適合性を決定する際は、２つの重要なパラメータを考慮すべきである。第１のパラメータは熱伝導率であり、これによりその材料が熱負荷の導入点から熱をどのくらいよく伝導するかが決まる。第２のパラメータは熱膨張係数であり、これによりその金属が加熱時にどの程度膨張するかが決まる。光ファイバコンポーネント自体は通常溶融シリカで作られ、その熱膨張係数は約５×１０^−７／Ｋである。金属は一般に溶融シリカの１０倍以上の熱膨張係数を有する。従って、光ファイバコンポーネントが金属ハウジングに強固に取り付けられた場合、その加熱はコンポーネントの引っ張りを生じ、コンポーネントを歪ませやすい。光ファイバコンポーネントは多くの場合脆弱であるから、このような歪みはコンポーネントを破壊する可能性がある。

このような影響を緩和するために、極めて小さい熱膨張係数を有する金属合金、例えばインバー、即ちＦｅＮｉ３６、を使用することが試みられている。しかしながら、このような合金の熱伝導率は多くの場合、例えば純粋な銅又はアルミニウムの熱伝導率より著しく小さい。よって、それらの低い熱膨張係数の利点はそれらの低い熱伝導率により、概して相殺されてしまう。

一つの解決方法が米国特許第６，９４２，３９９号（特許文献１）に提案されており、これには２つの光ファイバを接合する光ファイバカプラが開示されている。特許文献１によるカプラは補強部材（２０）を備え、この補強部材は円筒状部材（５０）内に安定に収容される。補強部材（２０）は、石英、セラミック又はインバーなどの硬質材料で形成され、多角形の断面を有するとともにファイバ（３０、３１）を収容するための長手方向のＵ字状の溝（２２）を有する。ファイバ（３０、３１）は溝の両端部で接着剤により固定される。補強部材（２０）のファイバ受取表面（２３）は、クロムめっき、錫めっき又はニッケルめっきが施される。

しかしながら、提案の構造は、補強部材が光ファイバからの迷放射の受光時にファイバからの熱を伝達させることができない材料で形成されているので、光ファイバコンポーネントに与えられる歪みを有効に最小化することができない。

米国特許第６，９４２，３９９号明細書

従って、本発明の目的は、光ファイルコンポーネントへの加熱による歪みを最小化する、光ファイバなどの光ファイバコンポーネント用パッケージを提供することにある。

一方では、前記目的は第１の熱膨張係数を有する第１の支持部材を備える新規な光ファイバコンポーネントパッケージで達成される。本パッケージは、第２の支持部材を更に備え、該第２の支持部材は第１の支持部材の熱膨張による歪みの該第２の支持部材への伝達を最小にするために前記第１の支持部材に弾性的に取り付けられる。前記第２の支持部材は少なくともその一つの側面で開口した光ファイバコンポーネント受入れ用の長手方向の溝を備え、前記第２の支持部材は前記光ファイバコンポーネントの引張り強度より十分に高い引張り強度を有する。前記第２の支持部材は前記第１の熱膨張係数より十分に小さい第２の熱膨張係数を有し、前記第１の支持部材が自由空間放射により誘起される熱を交換するように構成される。前記第２の支持部材は光ファイバコンポーネントで使用される波長に対して透明である石英などの材料で形成される。

もっと正確に言えば、本発明によるパッケージは請求項１の特徴部分により特徴づけられる。

他方では、前記目的は、光ファイバコンポーネントパッケージを製造する新規な方法によって達成され、該方法では、第１及び第２の支持部材を設け、前記第２の支持部材の材料は前記第１の支持部材の熱膨張係数より十分に小さい熱膨張係数を有するものとする。前記第２の支持部材は光ファイバコンポーネントで使用される波長に対して透明である石英などの材料で形成される。前記第２の支持部材は前記第１の支持部材に弾性的に取り付けられ、光ファイバコンポーネントは前記第２の支持部材に取り付けられる。

もっと正確に言えば、本発明による光ファイバコンポーネントパッケージを製造する方法は請求項１１に記載の事項で特徴づけられる。

本発明によれば大きな利点が得られる。第２の支持部材は第１の熱膨張係数より著しく小さい熱膨張係数を有するために、第１の支持部材の材料は第１の支持部材により吸収される自由空間放射によって発生される熱を効率よく消散するように選択することができる。言い換えれば、第１の熱膨張係数の大きさに厳しい制限が課されないために、パッケージの温度上昇を最小化することができる。更に、第１及び第２の支持部材の間の弾性結合は第１の支持部材の熱膨張による歪みの第２の支持部材への伝達を最小にする。これらの組合せにより、本パッケージは光ファイバコンポーネントへの加熱による歪みを最小にする。また、本発明のパッケージング方法は、実施が全く簡単かつ容易である。簡単な構造とともに比較的安価な材料を使用できることによって、高信頼度コンポーネントの工業的に実行可能な低コストパッケージングが可能になる。

以下において、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照して説明する。

本発明の一実施形態による光ファイバコンポーネントパッケージの分解図を示す。 図１の組み立てられたパッケージの断面図（リッド部材は示されていない）を示す。

図１及び図２に示すように、本発明による光ファイバコンポーネントパッケージ１は第１の熱膨張係数ｋ_１を有する第１の支持部材１０を備える。本パッケージは第２の熱膨張係数ｋ_２を有する第２の支持部材２０も備える。光ファイバなどの光ファイバコンポーネント３０は第２の支持部材２０の長手方向の溝２１に取り付けられ、好ましくは溝２１の両端部に塗布した接着剤で溝に取り付けられる。換言すれば、第２の支持部材２０は光ファイバコンポーネント３０のサブマウントとして作用する。第２の支持部材２０は更に第１の支持部材１０の対応する長手方向の矩形の溝１１に取り付けられる。

第１の支持部材１０への第２の支持部材２０の取り付けは、第１の支持部材１０の熱膨張による歪みの第２の支持部材２０への伝達を最小にするために弾性的に行われる。第１及び第２の支持部材１０，２０間の弾性界面又は固着剤５０は、第１の支持部材１０の熱膨張による第２の支持部材２０の歪みを最小にするために、第２の支持部材２０の剛性率よりも著しく低い剛性率を有するものとするのが好ましい。弾性剤５０は第１の支持部材１０の溝１１と第２の支持部材２０との間の各あわせ面、即ち第２の支持部材２０の周面に塗布するのが好ましい。弾性剤５０は、例えばシリコーン、光学接着剤、ポリウレタン接着剤などの可撓性接着剤とすることができる。典型的には、シリコーンなどの可撓性エラストマは約１ＭＰａの剛性率を有するが、石英の剛性率は約３・１０^１０Ｐａ、即ち３００００倍のＰａを有する。軟質光学接着剤は１０ＭＰａ程度の剛性率を有し、これでも石英の剛性率より十分に低い。従って、実際には第１の支持部材１０の熱膨張により生じる歪みの殆どは弾性界面剤で吸収される。第２の支持部材２０は第１の支持部材１０の熱膨張による歪みを受けないので、光ファイバコンポーネント３０に生じる歪みも最少になる。

弾性剤５０は第１の支持部材１０の溝１１の全長に沿って塗布することができるが、これは必須ではない。一例として、弾性剤５０は溝１１の一方の端部にのみ塗付することができる。

一実施形態によれば、第２の熱膨張係数ｋ_２は光ファイバコンポーネントの熱膨張係数ｋ_３にほぼ等しい。光ファイバなどの光ファイバコンポーネント３０は典型的には溶融シリカなどで作られる。従って、特に好ましい実施形態によれば、第２の熱膨張係数ｋ_２は溶融シリカの熱膨張係数である。その結果、第１及び第２の支持部材１０及び２０の間の弾性界面の存在のために、ｋ_１の相対的大きさはかなり自由に選択することが可能になる。よって、第１の支持部材１０の材料は、その熱伝導率、価格及び場合によりいくつかの機械的特性に基づいて広く選択することができる。

上述したように、様々な材料を本発明に関連して使用することができる。一実施形態によれば、第１の支持部材１０は銅で形成される。第２の支持部材２０はより良好な光学的特性を有するが熱伝導特性はあまりよくない材料で形成することができる。一実施形態によれば、第２の支持部材２０は石英で形成される。石英からなる第２の支持部材２０は典型的な波長に対して透明であり、よって光ファイバコンポーネント３０から例えば散乱光として発する放射は殆ど第２の支持部材を直接加熱しない。その結果として、前記放射は銅で形成される第１の支持部材１０に吸収され、それにより第１の支持部材１０が加熱され、光ファイバコンポーネント３０から離れて熱を交換することができる。同時に、第１の支持部材１０の熱は第２の支持部材２０も加熱し得る。しかしながら、石英の熱膨張係数（０．５ｐｐｍ／℃）は銅の熱膨張係数（１７ｐｐｍ／℃）より著しく小さいために、発生される熱のこの部分は光ファイバコンポーネント３０にとって有害でない。

代替実施形態では、第１の支持部材１０はアルミニウムで形成される。アルミニウムは比較的安価な材料であり、良好な熱伝導率を有し、加工が容易である。この実施形態では、第２の支持部材２０は石英で形成され、これは光ファイバコンポーネントが溶融シリカ製の場合に好ましい材料である。

第１の支持部材１０の冷却は、第１の支持部材１０を大きなヒートシンク上に取り付けることによって受動的に達成することができ、また冷却剤をその流路１２を通して流すことによって達成することができる。流路１２には冷却システムへの補助連結用結合部を設けるのが好ましい。第１の支持部材１０の第１の機能は、自由空間放射を吸収し、熱に変換し、その熱をヒートシンク部に効率よく伝導することにある。第１の支持部材１０の第２の機能は、光ファイバコンポーネント３０及び第２の支持部材２０のための機械的保護を提供することにある。

第２の支持部材２０は、好ましくは光ファイバコンポーネント３０の引張り強度より相当大きい、好ましくは少なくとも十倍大きい引張り強度を有するものとする。一実施形態によれば、この第２の支持部材２０と光ファイバコンポーネント３０の相対引張り強度は、第２の支持部材２０の断面積を光ファイバコンポーネント３０の断面積より相当大きくすることによって、好ましくは少なくとも十倍にすることによって与えられる。典型的な光ファイバコンポーネント３０の断面積は１ｍｍ^２より小さい。従って、第２の支持部材２０は好ましくは１０ｍｍ^２以上の断面積を有するものとする。

パッケージ１は好ましくはリッド部材４０で閉じられ、リッド部材４０は第２の支持部材２０の溝２１及び光コンポーネント３０を第１の支持部材１０及びリッド部材４０で形成される筐体内にカプセル封止する。それゆえ、リッド部材４０に面する第１及び第２の支持部材１０，２０の表面は同一平面にするのが好ましい。リッド部材４０は、リッド４０及び第１の支持部材１０にそれぞれ設けられた整列穴４１，１３中を延在するネジなどで第１の支持部材１０に固定することができる。また、リッド部材４０は他の手段、例えば接着剤又はフォームフィッティング結合により固定することもできる。更に、リッド部材４０と第１の支持部材１０の完全性を向上させて両者の間に気密封止を与えることによって、リッド部材４０を第１の支持部材１０に固定することもできる。

上述した光ファイバコンポーネントパッケージ１の製造は、第１の支持部材１０及び第２の支持部材２０が上述した適切な材料で供与されるように構成するのが好ましい。第２の支持部材２０を第１の支持部材１０の溝１１にシリコーンのような弾性接着剤で取り付けることによりサブアセンブリを形成する。弾性接着剤が適度に硬化した後に光ファイバのような光ファイバコンポーネント３０を第２の支持部材２０に取り付ける。コンポーネント３０は第２の支持部材２０にその両端部で好ましくは接着剤で固定する。パッケージ１は最後に第１の支持部材１０にリッド部材４０を取り付けることで閉じられ、光ファイバコンポーネント３０の筐体が第１の支持部材１０及びリッド部材４０により形成される。能動冷却のために冷却剤コネクタを冷却剤流路２１の結合部に結合するのが好ましい。

１ パッケージ
１０ 第１の支持部材
１１ 長手方向の溝
１２ 冷却流路
１３ 穴
２０ 第２の支持部材
２１ 長手方向の溝
３０ 光ファイバコンポーネント
４０ リッド部材
４１ 穴
５０ 弾性接着剤

Claims (12)

1. 第１の熱膨張係数（ｋ_１）を有する第１の支持部材（１０）、及び
   第２の熱膨張係数（ｋ_２）を有する第２の支持部材（２０）であって、前記第１の支持部材（１０）の熱膨張による歪みの前記第２の支持部材（２０）への伝達を最小にするために前記第１の支持部材（１０）に弾性剤を用いて弾性的に装着され且つ前記第２の支持部材（２０）の少なくとも一つの側面で開口した光ファイバコンポーネント（３０）を受入れ取り付けるための長手方向の溝（２１）を備える第２の支持部材（２０）を備え、
   前記第２の支持部材（２０）は前記光ファイバコンポーネント（３０）の引張り強度より著しく高い引張り強度を有し、前記第２の熱膨張係数（ｋ_２）は前記第１の熱膨張係数（ｋ_１）より著しく小さく、前記第１の支持部材（１０）が、光ファイバコンポーネント（３０）から光ファイバコンポーネントパッケージ（１）内部の自由空間へ漏れる光放射である自由空間放射により誘起される熱を第１の支持部材（１０）に吸収することで熱交換するように構成されている該光ファイバコンポーネントパッケージ（１）において、
   前記第２の支持部材（２０）は、前記光ファイバコンポーネント（３０）で使用される波長に対して透明である石英などの材料で作られ、
   前記弾性剤は、前記第１の支持部材（１０）の熱膨張による歪みを最小にするために、第２の支持部材（２０）の剛性率より十分に低い剛性率を有し、
   前記光ファイバコンポーネント（３０）は第３の膨張係数（ｋ _３ ）を有し、該第３の熱膨張係数（ｋ _３ ）は前記第２の熱膨張係数（ｋ _２ ）と実質的に等しい、
   ことを特徴とする、光ファイバコンポーネントパッケージ（１）。
2. 前記光ファイバコンポーネントパッケージ（１）は前記第２の支持部材（２０）の前記溝（２１）内に取り付けられた光ファイバコンポーネント（３０）を備えることを特徴とする、請求項１記載の光ファイバコンポーネントパッケージ（１）。
3. 前記第２の支持部材（２０）の断面積は前記光ファイバコンポーネント（３０）の断面積より十分に大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の光ファイバコンポーネントパッケージ（１）。
4. 前記第２の支持部材（２０）の断面積は前記光ファイバコンポーネント（３０）の断面積の少なくとも１０倍以上であることを特徴とする、請求項１−３のいずれか一項に記載の光ファイバコンポーネントパッケージ（１）。
5. 前記第１の支持部材（１０）は前記弾性的に取り付けられた前記第２の支持部材（２０）を受け入れる長手方向の溝（１１）を備えることを特徴とする、請求項１−４のいずれか一項に記載の光ファイバコンポーネントパッケージ（１）。
6. 前記光ファイバコンポーネントパッケージ（１）はリッド部材（４０）を備え、前記リッド部材（４０）は前記第２の支持部材（２０）及び前記光ファイバコンポーネント（３０）を前記第１の支持部材（１０）及び前記リッド部材（４０）からなる筐体内にカプセル封止することを特徴とする、請求項１−５のいずれか一項に記載の光ファイバコンポーネントパッケージ（１）。
7. 前記第１の支持部材（１０）は、能動冷却のための冷却剤流を受け入れるように構成された流路（１２）を備えることを特徴とする、請求項１−６のいずれか一項に記載の光ファイバコンポーネントパッケージ（１）。
8. 前記第１及び第２の支持部材（１０，２０）間の前記弾性剤は、シリコーンなどの可撓性エラストマであることを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の光ファイバコンポーネントパッケージ（１）。
9. 請求項１に記載の光ファイバコンポーネントパッケージ（１）を製造する方法において、
   第１の熱膨張係数（ｋ_１）を有する第１の支持部材（１０）を設けるステップ、
   （ｉ）前記第１の支持部材（１０）の前記第１の熱膨張係数（ｋ_１）より十分に小さい第２の熱膨張係数（ｋ_２）を有するとともに、（ｉｉ）光ファイバコンポーネント（３０）で使用される波長に対して透明である第２の支持部材（２０）を設けるステップ、
   前記第２の支持部材（２０）を前記第１の支持部材（１０）に弾性的に取り付けるステップ、及び、
   光ファイバコンポーネント（３０）を前記第２の支持部材（２０）に取り付けるステップ
   を備えることを特徴とする方法。
10. 前記第１の支持部材（１０）にリッド部材（４０）を取り付けることによって前記光ファイバコンポーネントパッケージ（１）を閉じるステップを備え、前記第１の支持部材（１０）と前記リッド部材（４０）とで前記光ファイバコンポーネント（３０）のための筐体を形成することを特徴とする、請求項９記載の方法。
11. 前記光ファイバコンポーネント（３０）を前記第２の支持部材（２０）にその両端部で好ましくは接着剤で取り付けるステップを備えることを特徴とする、請求項９又は１０記載の方法。
12. 前記光ファイバコンポーネントパッケージ（１）の能動冷却のために、前記第１の支持部材（１０）に冷却剤流路（１２）を設けるステップ及び冷却剤コネクタを冷却剤流路（１２）の結合部に結合するステップを備えることを特徴とする、請求項９、１０又は１１のいずれか一項に記載の方法。

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