JP5648131B2 - パッケージ化した光ファイバ部品及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ部品、及び、特にそのパッケージングに関する。本発明は、光ファイバ部品の製造方法にも関する。本発明は、特に高出力レーザ部品の故障を防ぐのに適している。

現在、ファイバレーザ及びファイバアンプは、光強度が数百ワットから数キロワットの範囲という高出力レベルで使用されうる。これらのレーザ光源は、例えばマーキング、切断及び種々の材料の溶接等、多くの産業上の用途を有する。高出力のファイバレーザ及びファイバアンプは、環境要因に対して安定するように、全体がシリカ構造となっている。また、産業で利用されている他のレーザタイプと異なり、最小限の点検・修理しか必要としない。

ファイバレーザの光共振器空洞は、一般に、利得ファイバ、ファイバブラッググレーティング及びポンプカプラ等の部品を、空洞を形成するように一般に接合することにより構築される。空洞構造は一般に全体がガラスであるため、共振器内部のレーザ信号放射は、常にシリカガラスの内部に閉じ込められるが、放射の一部がガラス部品から自由空間へ漏出する場合がある。例として、ポンプカプラの構造によっては、逆方向（すなわち、ポンプ放射の反対方向）にカプラに導入する放射の一部が、部品のガラス構造部分から自由空間へ漏出するようになる。逆放射は、例えば、ターゲット処理材からの後方反射により、又は利得ファイバのクラッドに結合される放射から導入する。部品のパッケージ内の自由空間に導入される放射強度は、ｋＷの出力レベルで動作する高出力ファイバレーザでは、容易に数十から数百ワットとなりうる。

典型的なカプラ及びその構造は、例えば、米国特許出願公開第２０１０／０１４２８９４号明細書、米国特許第７４９２９９３号明細書及び米国特許第６５４６１６９号明細書に開示されている。

部品のパッケージ内に導入される自由空間放射は、部品にとって潜在的な危険である。より具体的には、全体がガラスの部品は、その部品を機械的又は環境的要因から保護するために、一般にハウジングに固定される。部品は、一般に接着剤又は他のポリマー材料で固定される。自由空間放射がポリマーに衝突すると、放射は、少なくとも部分的に、そこで吸収される。ポリマーは、比較的熱伝導性が低く、そのため、放射を吸収することにより加熱される。加熱は、ポリマーの温度が、ポリマーの接着不良温度を超えるほどに激しくなりうる。この状態は、温度の暴走プロセスを引き起こし、ポリマーを炭化し、やがて部品のガラスを溶解する。換言すれば、部品は破壊され、ファイバレーザの一部も故障する。

従来技術を表す、典型的な光ファイバカプラの構造が、図１ａに示されている。この構造は、複数の入力ファイバ１１（そのうち二つが図示されている）、カップリング構造１２及び出力ファイバ１３を備える。逆方向の光学的放射（矢印１８’）は、出力ファイバからカプラへ入射する。この放射は、空洞の反対側からの非吸収ポンプ放射、ファイバ接合部若しくは他の欠陥部によるクラッド放射、又はファイバレーザが実際の適用例で使用された場合のターゲット材からの後方反射に起因しうる。この放射の大部分は、出力ファイバのガラスクラッド内を伝搬する。逆方向に伝搬する放射は、カップリング構造１２のガラス構造内部に広がる（矢印１８’’）。放射がカップリング構造の端面に到達したとき、図１ａ（矢印１８’’’）において示されるように、放射の一部が、入力ファイバ間及び入力ファイバ外の自由空間に放射される。これは、部品は、一般に順方向の放射の透過率が高くなるように動作すべく設計されているも、逆方向の透過率は、一般に順方向の透過率ほど高くないという事実によるものである。逆方向に伝搬する放射は、開口数が低く、又は発散が小さいので、自由空間に放射される一部の放射は、ほとんど平行な光ビームを形成する。

図１ｂは、パッケージ化した光ファイバカプラを示すものである。パッケージ１５は、典型的には金属でできており、部品が取り付けられるための溝又はスリットを備える。カプラは、光学エポキシ又はこれに類似する接着材料のポリマー領域１６Ａ及び１６Ｂを備える両端で、ハウジングに固定されている。カップリング構造からの自由空間逆放射１８は、パッケージの端の入力ファイバ上の接着剤の方へ伝搬し、自由空間逆放射１８の一部は、接着剤に衝突し、そこで吸収される。透明な光学エポキシが接着剤として使用されたとしても、光学エポキシでの放射吸収は、それでも十分に高く、吸収された放射は接着剤を高温に加熱しうることに留意されたい。これは特に、自由空間放射の出力が数十ワットになりうる高出力ファイバレーザシステム内で動作するカプラにも言えることである。しばしば、自由空間放射は、かなり平行になり、そのため、ｋＷ／ｃｍ^２の範囲の出力密度を発生しうる。従って、接着剤がハウジングのヒートシンクであるとしても、接着剤は、放射により強く加熱されうる。典型的な光学接着剤の接着不良温度は、１００℃前後であり、それ以上では熱暴走が生じうる。接着不良温度は、ポリマーのガラス転移温度又は接着材料の吸収特性に依存する温度により定められる。接着不良は、ポリマーの物理的強度の低下として、又は熱暴走及びその結果生じる材料の炭化により見ることができる。両プロセスは、通常、壊れやすいガラス部品の破損に繋がる。

米国特許出願公開第２００３／０１０３７５３号は、パッケージ化した部品の側面につるされた石英基板を備え、漏出した光エネルギーを、パッケージ化した部品から、部品のハウジングの方へと移送し、そこでエネルギーを吸収するように設計された、パッケージ化した光学カップリングデバイスを開示している。そのため、この解決手段は、ハウジングに吸収される光の局所的な強度を低減するために、部品と透明なガラスを使用したハウジングとの間の隙間を増大させることに、本質的に基づいている。この解決手段は、パッケージの寸法が大きくなり、デバイスのファイバに沿って漏出される逆放射からデバイスを保護することができないという不利益を有する。特に、ファイバがパッケージに取り付けられた領域は、逆放射から保護されていない。

本発明の目的は、自由空間逆放射の悪影響を防ぐ又は大きく緩和することができる、光ファイバ部品及びそのパッケージング方法を得ることである。

本発明の目的は、独立請求項に従った製品及び方法によって達成される。

本発明に係る光ファイバ部品は、
ハウジングと、
光を誘導することができ、出力端部を有する少なくとも一つの第１の光学素子であって、前記ハウジングに、取付領域において取り付けられる第１の光学素子と、
カップリング領域において前記第１の光学素子に光学的に結合される少なくとも一つの第２の光学素子であって、前記第１の光学素子の前記出力端部から光を受ける第２の光学素子と、
前記第１の光学素子の近傍で、前記カップリング領域と前記取付領域との間の領域に配置される、少なくとも一つの光散乱材料領域とを備え、
前記光散乱材料は、多孔質構造を形成する粒子型散乱物質を含む。

前記第１の光学素子は、一つの又は望ましくは複数の光ファイバであってもよく、第１の光学素子から、単一の出力ファイバを備えることができる第２の光学素子へ光が結合される。入力及び出力ファイバを接続する先細のカップリング素子があってもよい。

ハウジングは、ハウジング内の光学素子を支持及び／又は保護する金属パッケージ又は他の任意の部材とすることができる。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明はまた、入力側及び出力側を有している光ファイバカプラのパッケージ内に、前記カプラの入力側において逆放射を散乱させるために、例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３又はＴｉＯ_２等の粒子型散乱物質を使用する新規な方法を提供する。

本発明により、大きな利点が得られる。何よりもまず、本発明を用いることにより、部品の接着領域の温度を、接着材料の最大許容温度よりはるかに低い温度に留めることができる。そうでなければ、接着剤温度の熱暴走により部品が壊滅的に故障する恐れがある。経験によれば、接着剤の主な接着不良メカニズムは、パッケージ部品内部の自由空間放射によるものである。従って、本発明は、自由空間放射の悪影響を回避するという課題を解決する。

本発明に係る解決手段は、逆放射による影響を防ぐために、入力光学素子とそのパッケージとの間の自由放射領域を有する全ての既存の構造に使用されうる。製造も比較的容易であり、本発明にかかる追加コストは低い。

本発明は、特に１００ＷからｋＷの出力で動作する光ファイバ部品を対象としている。特に、部品のスループットは、少なくとも１００Ｗ、特に少なくとも１ｋＷであり、対応するエネルギー源に結合されうる。

レーザ溶接及びレーザ切断を対象とする部品又はこれらに使用される部品においては、効果的な出力レベル、すなわち逆放射レベルが高いため、特に有利である。

部品の入力ファイバは、ファイバレーザであるか、又はファイバレーザに結合される。一実施形態によれば、この部品は、ファイバレーザポンプカプラである。しかしながら、この原理は、逆放射部分が有意になる、特に（入射光に対する強度が）少なくとも２％、典型的には少なくとも５％となる任意のパッケージ化した光ファイバ部品に適用されうる。場合によっては、逆放射部分は１０％又はそれ以上になりうる。

絶対的な強度に関しては、典型的なポンプカプラにおいては、入射光の強度は少なくとも１ｋＷであり、逆放射の強度は少なくとも５０Ｗである。

「散乱材料」という用語は、光を散乱することができる、すなわち材料に衝突した入射光を不規則に分布させる、任意の材料、材料の組合せ及び材料の種類を示すのに使用される。「散乱物質」という用語は、光を散乱させる特性を有する、散乱材料に含まれる特定の物質を示す。散乱材料は、一以上の散乱物質を種々の形態で含むことができる。しかしながら、以下詳細に説明される望ましい実施形態によれば、散乱材料は多孔質構造中に粒子型無機散乱物質を含み、一部の実施形態においては、散乱材料は本質的に多孔質構造中に粒子型無機散乱物質を含む。散乱材料は、それ自体が過度に加熱されないように、望ましくは、本質的に非吸光性とする。

「取付領域」という用語は、ファイバ部品をハウジング（又はパッケージ）に機械的に取り付けるデバイス中の領域を示す。

「カップリング領域」は、二つの光ファイバ部品を互いに光学的に結合する、典型的には二つの光ファイバ素子の間を接合する任意の構造を示す。典型的には、少なくとも逆放射部分は、カップリング領域から部品の外へ漏出する。いくつかの原因を挙げると、一般に、逆放射は、空洞の反対側からの非吸収ポンプ放射、ファイバ接合部若しくは他の欠陥部にて発生するクラッド放射、又はファイバに誘導されたレーザ光が向かうターゲット材からの後方反射に、少なくとも部分的に、起因しうる。

次に、本発明の実施形態について、添付図面を参照して、より詳細に説明する。

従来技術におけるパッケージ化していない光ファイバカプラを示す図である。 従来技術におけるパッケージ化した光ファイバカプラを示す図である。 本発明の一実施形態におけるパッケージ化した光ファイバ部品を示す図である。 光ファイバを覆う粒子型散乱物質の動作原理を示す図である。

本発明は、例えば、光ファイバカプラに利用されうる。カプラは、２以上のＮにおけるＮ対１のカプラとすることができる。

図２は、本発明の一実施形態における、パッケージ化した光ファイバカプラを示すものである。この光ファイバ部品は、出力端部において先細のカプラ部２２に接合される複数の入力ファイバ２１（二つ図示されている）を備え、カプラ部２２は、更に出力ファイバ２３に接合される。構造全体は、カプラの光学部品２１、２２及び２３とパッケージ２５との間に自由空間２４が残されるように、パッケージ２５内に配置される。パッケージの各端部には、カプラをパッケージに取り付けるための接着領域２６Ａ及び２６Ｂが設けられている。矢印２８は、（図２において左から右へ向かう）入射光に対して、（右から左へ向かう）逆方向に伝搬する自由空間放射を示すのに使用される。

説明した構造において、ほとんどの自由空間放射は、入力ファイバ２１とカプラ部２２との間のカップリング領域で、自由空間２４に出る。本発明によれば、自由空間放射の悪影響を回避又は緩和するために、パッケージ端部の入力ファイバ２１上の接着領域２６Ａとカプラ本体２２との間の自由空間に、散乱材料２９が配置される。散乱材料物質は、光の大部分をファイバ部品のコアの外に向かわせるというその性質により、自由空間放射が接着領域２６Ａに入ること、少なくともその放射の全強度が入るのを阻止する。そのため、接着領域２６Ａに向かう放射強度は低減される。

入力及び／又は出力ファイバは、望ましくはクラッドファイバ、特にシングル又はダブルクラッドファイバである。散乱物質は、入力ファイバのガラスクラッドに接触して配置されうる。

ファイバレーザポンプカプラの場合、入力ファイバは、多重モードポンプファイバ、又は、より一般的には、任意の種類のファイバとすることができる。Ｎ対１（Ｎは２以上）のファイバカプラの場合、ファイバは、任意の種類のファイバ型導光体で構成することができる。

一実施形態によれば、散乱材料は、無機材料を望ましくは粒子状で含むか、又は、このような無機材料で本質的に構成される。散乱物質は、例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３及びＴｉＯ_２が適している。

一実施形態によれば、使用される光の波長に対し、望ましくは少なくとも全近赤外波長に対し、散乱材料は高い透明度を有する。すなわち、散乱材料は、少なくとも９０％、特に少なくとも９７％の透明度を有することが望ましい。

一実施形態によれば、散乱材料領域における熱負荷を低減するために、散乱材料それ自体は、非吸収性である。これは、高純度散乱物質を利用することで達成されうる。その純度は、望ましくは少なくとも９５％である。

一実施形態によれば、散乱材料領域は、放射をあらゆる方向に、望ましくは全方向に、すなわち方向に関らず同じ強度で、散乱する。これは、放射を粒子から粒子へ複数回散乱させ、最終的に散乱材料の外へ散乱させるような、複数の散乱小粒子を利用することで達成されうる。そのため、散乱材料は、それに入射する任意の自由空間放射を、全空間方向に効率的に散乱させる。そのため、当初平行だった放射であっても、ほとんど均一な角度出力分布で拡散する。従って、自由空間放射のほとんどの出力は、ハウジング材料に蓄積されるも、ハウジング内に能動的か又は受動的な冷却のいずれかを用いることにより、消散される。図３は、この原理を示すものである。

上述した散乱材料に関するこれらの望ましい特性により、散乱物質が使用されない場合と比較して、接着部に衝突する放射出力密度を大きく低減させる。そのため、部品の逆放射に対する損傷閾値は、更に大きく増大する。

散乱物質は、望ましくは、散乱材料の小粒子で構成する。粒径は極めて重要なパラメータというわけでなく、粒径は、例えば１００ｎｍと１０μｍの間としうる。他の粒径も使用することができ、上記粒径の範囲は、本発明を制限するものと捉えてはならない。

散乱物質をハウジングに配置しやすくするために、ハウジングは、散乱物質が挿入される部分に特徴を備えるように設計することができる。この特徴により、散乱物質が部品の長手方向に分散するのを制限することができる。この特徴に係る一実施例は、部品用のハウジングに設けられた、散乱物質を所定の場所に保持することが可能である、凹部又は拡張された溝部である。

次に、散乱領域の製造方法の実施例について説明する。

まず、散乱物質を、例えば純粋エタノール、イソプロピルアルコール又は水のような揮発性物質と混ぜ合わせて、ハウジング内の適切な場所に配置しやすいスラリーを形成する。次に、このスラリーを、望ましくはハウジングに光ファイバ部品を挿入した後、ハウジングの関連部分に導入する。その後、揮発性物質は、多孔質ではあるが、非流動性の領域であって、散乱物質の粒子間の小さな引力相互作用によって特定の場所に留まる散乱物質の領域を残して蒸発する。

散乱材料全体は純度が高いため、光学的放射の吸収は最小限であり、散乱物質は、光学部品に危険となるほどには加熱されない。

散乱物質は、望ましくは、光学部品におけるポリマーが存在しない領域に配置され、そのため、この領域では、接着領域２６Ａと比較して、温度制限の最大値を、非常に高い値に設定することができる。それでも、散乱物質に純粋な材料を使用することにより、実験では、散乱領域への逆放射による温度上昇は、きわめて小さい値を示した。

使用可能なファイバカプラを作成するために入力ファイバと出力ファイバとを接合するステップは、適切な接合技術が本来知られているため、本明細書では詳細に説明しない。

添付図面を含め、以上に記載された実施形態及び実施例は、説明する目的で記載されたものであり、等価物を含めた以下の特許請求の範囲の全てについて解釈されるべき本発明を制限するものではない。

Claims (12)

1. ハウジング（２５）と、
   光を誘導することができ、出力端部を有する少なくとも一つの第１の光学素子（２１）であって、前記ハウジング（２５）に、取付領域（２６Ａ）において取り付けられる第１の光学素子（２１）と、
   カップリング領域（２７）において前記第１の光学素子（２１）に光学的に結合される少なくとも一つの第２の光学素子（２２、２３）であって、前記第１の光学素子（２１）の前記出力端部から光を受ける第２の光学素子（２２、２３）と、
   を備えている光ファイバ部品において、
   該光ファイバ部品は、前記第１の光学素子（２１）の近傍で、前記カップリング領域（２７）と前記取付領域（２６Ａ）との間の領域に配置される、少なくとも一つの光散乱材料の領域（２９）
   を備え、
   前記光散乱材料は、非吸収性であり、接着剤またはポリマーが存在しない領域に配置され、多孔質構造を形成する粒子型光散乱物質を含むことを特徴とする光ファイバ部品。
2. 請求項１に記載の光ファイバ部品において、前記取付領域（２６Ａ）は、前記ハウジング（２５）と前記第１の光学素子（２１）との間に付着される、ポリマー材料を含むことを特徴とする光ファイバ部品。
3. 請求項１又は２に記載の光ファイバ部品において、前記光散乱材料の領域（２９）は、前記カップリング領域（２７）と前記取付領域（２６Ａ）との間の前記領域の少なくとも一定の長さにおいて、前記ハウジング（２５）と前記第１の光学素子（２１）との間の空間を本質的に満たすことを特徴とする光ファイバ部品。
4. 請求項１に記載の光ファイバ部品において、前記粒子型光散乱物質は、例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、若しくはＴｉＯ_２、又はこれらの混合物のような、無機材料であることを特徴とする光ファイバ部品。
5. 請求項１又は４に記載の光ファイバ部品において、前記粒子型光散乱物質は、１００ｎｍから１０μｍの間の平均粒径を有することを特徴とする光ファイバ部品。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光ファイバ部品において、前記光散乱材料は本質的に非吸光性であることを特徴とする光ファイバ部品。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光ファイバ部品において、前記光散乱材料は、あらゆる方向に光を散乱するように構成されることを特徴とする光ファイバ部品。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光ファイバ部品において、前記ハウジング（２５）、前記カップリング領域（２７）及び前記取付領域（２６Ａ）の間の前記第１の光学素子（２１）を取り囲む、少なくとも一つの自由空間領域（２４）を備えることを特徴とする光ファイバ部品。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光ファイバ部品において、光ファイバである少なくとも二つの第１の光学素子（２１）を備え、前記少なくとも二つの第１の光学素子は、光ファイバである単一の第２の光学素子に光学的に結合されていることを特徴とする光ファイバ部品。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光ファイバ部品において、前記光ファイバ部品は、ファイバレーザポンプカプラ、又は、２以上のＮにおけるＮ対１のファイバカプラであることを特徴とする光ファイバ部品。
11. ハウジング（２５）を設けるステップと、
    光を誘導することができ、出力端部を備える少なくとも一つの第１の光学素子（２１）と、カップリング領域（２７）において前記第１の光学素子（２１）に結合される少なくとも一つの第２の光学素子（２２、２３）であって、前記第１の光学素子（２１）の前記出力端部から光を受ける第２の光学素子（２２、２３）とを備える光ファイバカプラを設けるステップと、
    前記第１の光学素子を取付領域の付近でハウジングに取り付けることにより、前記光ファイバカプラを前記ハウジングに取り付けるステップと
    を含む、光ファイバ部品の製造方法において、
    前記第１の光学素子の近傍で、前記カップリング領域と前記取付領域との間の領域に、少なくとも一つの光散乱材料領域を設けるステップと
    を含み、
    前記光散乱材料領域（２９）は、
    少なくとも部分的に揮発性のマトリックス材料と粒子型散乱物質との混合物を、前記ハウジングと前記第１の光学素子との間に残存する空洞に導入するステップであって、前記マトリックス材料は接着剤またはポリマーを含まない該ステップと、
    前記空洞に非吸収性の粒子型散乱物質の多孔質構造を形成するために、前記マトリックス材料の少なくとも一部を揮発させるステップと
    により提供されることを特徴とする光ファイバ部品の製造方法。
12. 入力側及び出力側を有している光ファイバカプラのパッケージ内に、前記カプラの入力側において逆放射を散乱させるために、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３又はＴｉＯ_２等の粒子型散乱物質を使用する方法であって、
    前記粒子型散乱物質は、非吸収性の多孔質構造を形成し、前記光ファイバカプラのパッケージ内の接着剤またはポリマーが存在しない領域に配置されることを特徴とする方法。
    

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