JP5901786B2 - グラスファイバを光学的な構成要素にレーザベースでスプライシングする方法 - Google Patents

Description

本発明は、グラスファイバを光学的な構成要素にレーザベースでスプライシングする方法であって、
スプライシングすべき両表面を互いにほぼ平行にかつ互いに設定された間隔を置いて配置するステップと、
光学的な構成要素にレーザビームを向けるステップと
を有する、グラスファイバを光学的な構成要素にレーザベースでスプライシングする方法に関する。

接合法としてのスプライシングは、特にｋＷ範囲内の光学的な出力の伝播（たとえばファイバレーザ）のために使用されるファイバおよび光学的な構成要素において利用される。

光学的な構成要素として、たとえばシリカガラス製エンドキャップが考えられる。このエンドキャップは、導光が部分的に複数の空気通路、つまり、エアホールを通して行われるフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を環境影響に対して封止しかつ防護するために使用される。エンドキャップは、機能化の可能性、たとえばＡＲ（反射防止）コーティングの可能性または球面状のまたは非球面状の表面を備える可能性を付加的に提供すると同時に保持エレメントまたは位置調整エレメントとして使用することができる。エンドキャップがファイバよりも大きな直径を有している可能性があり、これによって、従来のスプライシング機器の使用が不可能となる。

異なる横断面、固有の導波路構造および／または異なるドーピング量を有する接合相手同士、たとえばＰＣＦ同士が、機械的に安定性を帯びて材料品質損失なしに接続される場合、好ましくは、熱源としてＣＯ_２レーザが使用される。これには、ＣＯ_２レーザのレーザ波長が接合相手（一般的にはシリカガラス）相互の材料によって極めて良好に吸収されるという理由がある。さらに、これによって、従来の方法において生じるプロセスガスによる不純物または電極材料もしくは線材の堆積が排除される。また、方法パラメータがすでに公知である場合には、互いに異なる形式でスプライシングすべき構成要素の間の迅速な交換も可能となる。なお、その際には、たとえば摩耗を被る電極またはガスノズルを交換する必要もなければ、方法を「慣らす」必要もない。

このような方法は、たとえば欧州特許第１１２８９６０号明細書に記載されている。同明細書によれば、光学的な構成要素の表面がレーザビームによりほぼ垂直な入射角で照射され、これによって、加熱される。

しかしながら、このような方法は、特殊ファイバ、たとえばＰＣＦ、ならびに異なる材料から成るファイバ、たとえば偏波保持ファイバ、およびガイドがより少ないパッシブな／アクティブなシングルモードファイバのスプライシングに適していないことが判った。なぜならば、特殊ファイバの材料構造を破壊するかまたは当該構造にマイナスの影響を与える過度に高い温度が頻繁に生じるからである。

ＰＣＦを光学的な構成要素にスプライシングする際には、光学的な特性を得るために、エアホールがスプライシング点にまで延びていて、予め破壊されない、すなわち、潰れないことが必要となる。

これに対して、互いに異なる材料または異なるドーピング量を有する材料から成る特殊ファイバの場合には、スプライシング法の間、ファイバの互いに異なる組成に依る材料特性が維持され続けることが重要となる。スプライシング時の温度が過度に高いと、ファイバの光学的な特性をマイナスに変化させる拡散過程またはアウトガス過程が生じてしまう。

したがって、本発明の課題は、スプライシング時に接合相手相互の特性が維持され続け、高い再現可能性を有し、特に横断面が互いに異なる接合相手同士のスプライシングに適した、公知先行技術に比べて改善された方法を提供することである。

この課題は、光学的な構成要素の表面へのレーザビームの入射角が、１０°〜６０°、好ましくは１５°〜４５°に設定されていることによって解決される。

入射角とは、本発明の意味では、レーザビーム方向と光学的な構成要素の表面法線とが成す角度である。

グラスファイバという概念は、本発明の意味では、単一の光ファイバだけでなく、光学的な構成要素に同時にスプライシングすべき複数の単一ファイバを有するファイバ束も含んでいる。

本発明によって、レーザ出力の一部だけが、グラスファイバのスプライシングすべき表面に作用することが達成される。なぜならば、レーザエネルギの一部だけが、フレネル反射に起因して、光学的な構成要素の表面によって反射されて、グラスファイバの表面に到達することができるからである。したがって、光学的な構成要素の表面とグラスファイバとの間の間隔、レーザビームの入射角および／またはレーザ放射線の偏光を適切に選択することによって、両表面をただ１回の方法ステップでスプライシングに最適な温度にもたらすことができる。なお、その際に、表面が、望ましくない過度に高い熱負荷にさらされることはない。特にグラスファイバの、本発明により選択された領域は、グラスファイバと光学的な構成要素との間の間隔が極めて小さい場合でも、ほぼ熱負荷を受け続けないようになっている。たとえば、光学的な構成要素の表面における材料だけを軟化に到るまで加熱することができるのに対して、グラスファイバの表面は、安定したスプライシング接続を形成するのに十分な程度加熱されるに過ぎない。なお、その際に、グラスファイバの材料の著しい軟化が生じることはない。この場合、グラスファイバの構造はスプライシング過程の間に確実に維持される。

また、従来のように、スプライシング温度への到達後に初めてグラスファイバが光学的な構成要素に接触させられるのではなく、グラスファイバがスプライシングの間にすでに光学的な構成要素に接触している、すなわち、接合相手相互の間の間隔がゼロであることも可能である。

本発明に係る方法の好適な態様は、レーザビームがＣＯ_２レーザ源によって発生させられることを提案している。接合相手同士によるＣＯ_２レーザ波長の高い吸収によって、この接合相手同士が十分に溶融される。さらに、レーザ出力の適切な選択によって、接合相手相互の達成すべき温度を無段階にかつ極めて正確に制御することができる。このことは、極めて良好なかつ再現可能な結果に繋がる。

さらに好適には、レーザビームが環状ビームとして形成されている。このレーザビームは、光学的な構成要素の表面上の環状のゾーンを照射する。この環状のゾーンは十分に照射されてよい。また、環状セグメントだけを照射することも可能である。このことは、適切な光学系を用いてビーム整形によって行うことができる。択一的には、レーザビームを光学的な構成要素の表面上の環状のゾーンにわたって連続的に案内することが可能である。これによって、光学的な構成要素の表面における環状の範囲だけが加熱され、グラスファイバの表面に反射される。これによって、グラスファイバの内側の範囲が、レーザビームの調整されたレーザ出力、偏光、入射角と、接合相手相互の間隔とに応じて、ほんの僅かな熱負荷しか受けないようになっている。このことは、特にしばしば複数のエアホールを有する内側の領域を備えたＰＣＦの場合に有利であり、これによって、スプライシングの間の内側の構造の潰れを阻止することができる。

特にスプライシング過程の間に環状のゾーンの形状および／またはサイズを変化させることが可能である。このことは、レーザ放射線の焦点を変化させる（リング幅を変化させる）ことによって行うことができる。また、レーザ光学系と光学的な構成要素とを互いに相対的に運動させることも可能である。この場合には、入射角の変化なしに、環状のゾーンの直径が変化させられる。この変化は、スプライシング過程の間の接合相手同士の表面における目的に適った（時間的な）温度ガイドのために役立つ。

本発明の好適な態様では、環状のゾーンの直径が、グラスファイバの直径よりも大きく設定されている。これによって、光学的な構成要素の表面が、軟化の目的のために、より強く加熱されるのに対して、グラスファイバは、安定したスプライシング接続を形成するために、ほんの僅かしか加熱されないことを達成することができる。レーザ放射線はグラスファイバに直接衝突せず、熱負荷によるグラスファイバの望ましくない損傷は回避される。

さらに別の好適な態様では、レーザビームが、光学的な構成要素の表面に焦点合わせされず、これによって、この光学的な構成要素の表面をより均質にかつ大きな面にわたって溶融することができる。したがって、さらに、グラスファイバの表面に向かって反射されるレーザ放射線の割合が減少させられる。こうして、レーザビームのレーザ出力、入射角および焦点合わせの適切な調整と、接合相手相互の間の適切な間隔とによって、グラスファイバの表面が受ける熱負荷を、光学的な構成要素が受ける熱負荷に実際に左右されずに制御することが可能となる。

本発明に係る方法の好適な態様では、レーザビームの出力が時間の関数としてスプライシング過程の間に変化させられる。たとえば、レーザ出力が、まず、初期値から最終値にまで連続的に高められる。その後、接合相手相互の、加熱されたかもしくは溶融された表面が接触させられて、スプライシング接続が形成される。この接続の形成後、レーザビームの出力を時間の関数として連続的に減少させることができる。レーザ出力のゆっくりとした「上昇」は、スプライシング箇所の領域での接合相手同士の穏やかな加熱のために利用することができる。また、レーザ出力のなだらかな減少によって、完成したスプライシングの領域での、光学的な接続の質を損なう恐れがある望ましくない材料応力および相応の機械的な変形が回避されるようになっている。

本発明に係る方法は、特に特殊ファイバ、たとえばＰＣＦ、ならびに異なる材料から成るかもしくは異なるドーピング量を有する領域を備えたファイバ、たとえば偏波保持ファイバ、またはガイドがより少ないパッシブな／アクティブなシングルモードファイバのスプライシングのために適している。本発明に係る方法は、特殊ファイバの材料構造がスプライシングの間に破壊されないかまたは当該構造にマイナスの影響が与えられないことを確保している。

２つの接合相手の概略的な側面図である。

本発明を以下に１つの好適な実施の形態に基づき説明する。

図１には、グラスファイバ（ガラスファイバ）１が概略的に示してある。このグラスファイバ１は、スプライシングすべき表面２を有している。このスプライシングすべき表面２に向かい合って、光学的な構成要素３が配置されている。グラスファイバ１と光学的な構成要素３とは、シリカガラスから製造されている。図１では、たとえばＰＣＦ（フォトニック結晶ファイバ）に対するエンドキャップスプライシングが行われる。

スプライシングすべき表面２は、光学的な構成要素３の表面に対してほぼ平行に、この表面から間隔を置いて配置されている。

レーザビーム４が、光学的な構成要素３の表面の、グラスファイバ１に接続すべき区分に向けられていて、１５°〜４５°に設定された入射角αを有している。

レーザビーム４は、ＣＯ_２レーザ源（図示せず）の、環状ビームとして整形されたレーザビームである。このレーザビームは、理解しやすくするために、符号４を付した破線により概略的に図示したに過ぎない。本実施の形態では、放射線４が円錐母面形状を有している。この円錐母面形状は、適切な光学的な構成要素によるビーム整形によって発生させられるかまたはレーザビーム４の連続的な偏向によって発生させられる。レーザビーム４は、グラスファイバ１の直径よりも大きな直径を有する環状ゾーン５を照射する。レーザビーム４はグラスファイバ１に直接衝突しない。

図１に認めることができるように、レーザビーム４は光学的な構成要素３の表面に焦点合わせされていない。レーザビーム４の僅かに発散したビーム束が、光学的な構成要素３の表面に衝突し、そこで、焦点ずれに基づき相応の幅を有する環状ゾーン５を照射する。

光学的な構成要素３の表面は、材料が軟化するまで、レーザ放射線４によって加熱される。

レーザビーム４の一部は、このレーザビーム４の焦点合わせと入射角αとに関連して、光学的な構成要素３の表面によって反射されて、グラスファイバ１の表面２に向けられ、そこで、レーザビーム４がグラスファイバ１を加熱する。なお、その際に、グラスファイバ１の構造の軟化ひいては破壊は生じない。しかし、ファイバ１の加熱は、安定したスプライシング接続を保証するために必要である。

グラスファイバ１と光学的な構成要素３とが、それぞれ所望の温度に達したとき、両者は接触させられ、これによって、スプライシング接続が形成される（図示せず）。

Claims (12)

1. グラスファイバ（１）を光学的な構成要素（３）にレーザベースでスプライシングする方法であって、
   スプライシングすべき両表面を互いにほぼ平行にかつ互いに設定された間隔を置いて配置するステップと、
   前記光学的な構成要素（３）にレーザビーム（４）を向けるステップと
   を有する、グラスファイバを光学的な構成要素にレーザベースでスプライシングする方法において、
   前記光学的な構成要素（３）の表面への前記レーザビーム（４）の入射角が、１０°〜６０°、好ましくは１５°〜４５°に設定されており、
   前記レーザビーム（４）によって、前記光学的な構成要素（３）の前記表面上の環状のゾーンを全体的にまたは部分的に照射しており、
   前記スプライシングすべき両表面の間の間隔および／または前記レーザビーム（４）の入射角および／または前記レーザビーム（４）の偏光を互いに調整して、前記光学的な構成要素（３）の前記表面により反射されたレーザビーム（４）によって、前記グラスファイバ（１）のスプライシングすべき表面を加熱する、
   ことを特徴とする、グラスファイバを光学的な構成要素にレーザベースでスプライシングする方法。
2. レーザビーム（４）を偏光させる、請求項１記載の方法。
3. レーザビーム（４）をＣＯ_２レーザ源によって発生させる、請求項１または２記載の方法。
4. 前記環状のゾーンの幅および／または直径をスプライシング過程の間に変化させる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記環状のゾーンの直径が、ファイバ直径よりも大きく設定されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記レーザビーム（４）を前記光学的な構成要素（３）の表面に焦点合わせしない、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記レーザビーム（４）の出力を時間の関数としてスプライシング過程の間に変化させる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記グラスファイバ（１）が、純粋なまたはドーピングされたシリカガラスから製造されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記グラスファイバ（１）が、フォトニック結晶ファイバである、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記グラスファイバ（１）が、ファイバ横断面で見て、それぞれ異なるドーピング量を有する領域を備えている、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
11. ファイバコネクタを備えたグラスファイバ（１）を大量生産するための請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法の使用。
12. グラスファイバ（１）をファイバレーザの光学的な構成要素にスプライシングするための請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法の使用。

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