JP5918212B2 - 機械的に位置合わせされた光学的要素及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して光学的要素の結合に関し、より詳しくは、光ファイバ端部における光学的要素の位置合わせ及び結合に関する。

本出願は、２０１０年３月１９日に出願された米国仮特許出願６１／３１５，６６２に対する優先権を主張し、その内容は参照により全体として本明細書に組み込まれる。

光ファイバー端部へシリカディスク又はシリカロッドを融着する様々な適用例が知られている。一般に、この種のデバイスは、レーザ光源又はアーク光源を用いた加熱処理による融着接続技術を用いて作製される。この手法では、シリカディスク及び光ファイバーは融着領域を形成するために同時に加熱され、また、一般にシリカディスクは光ファイバーと同等又はより大きな直径である。さらに、こうした方法では、光学的又は機械的な他の特徴を有しない光学的に平らなシリカディスク又はソリッドシリンダを融着している。

本発明の一実施形態における一態様は、機械的に位置合わせされた状態で光ファイバーに融着する光学的要素を含む。

本発明の一実施形態における一態様は、機械的に位置合わせされた状態で光ファイバーに融着する光学的要素の製造方法を含む。

本明細書に記載される他の特徴は、添付図面と共に後述する詳細な説明を読むことによって、当業者に対してより容易に明らかとなる。

図１Ａ及び１Ｂは、ディスク状の光学的要素が融着した本発明の一実施形態におけるファイバーの例である。

図２Ａ及び２Ｂは、凸状の光学的要素が融着した本発明の一実施形態におけるファイバーの例である。

図３Ａ及び３Ｂは、凹状の光学的要素が融着した本発明の一実施形態におけるファイバーの例である。

図４Ａ及び４Ｂは、球状の光学的要素が融着した本発明の一実施形態におけるファイバーの例である。

図５Ａ及び５Ｂは、側方照射（side firing）の光学的要素が融着した本発明の一実施形態におけるファイバーの例である。

図６Ａ−６Ｅは、フェルールに光ファイバーを融着して球状の光学的要素を形成する方法の各ステップの例である。

本発明の一実施形態において、光ファイバーは多様な内径（ＩＤ）及び外径（ＯＤ）のシリカフェルール又はシリカチューブに対して融着される。フェルールのＩＤは、光ファイバーのＯＤに適した大きさに形成され、又は、ファイバーのＯＤに適した大きさに形成されたＩＤを有する中間スペーシングシリカスリーブに適した大きさに形成される。フェルールのＯＤは、典型的には光ファイバーのＯＤよりも十分に大きい。融着は、フェルールを加熱し（典型的には、ＣＯ_２レーザ等のレーザによって行われるが、例えば、融着接続装置（fusion splicer）、アーク抵抗エレメント、及び／又はプラズマによって行われるものを含む）、その後、ファイバーをフェルールの孔に挿入することによって行われる。これにより、光ファイバの加熱を最小化し、光ファイバーコーティング及びファイバードーピングプロファイルに対する損傷を低減する。さらに、フェルールは、完成品にとって有用な機械的又は光学的な他の特徴を有するように構成することもできる。こうした特徴は、例えば統合レンズ（incorporated lens）若しくは角度を有する面（angled face）のように本質的に光学的なものとすることができ、又は、例えば完成品において位置決めキー（alignment key）として用いることができる平面若しくは溝のように機械的なものとすることができる。フェルールのＯＤが光ファイバーのＯＤよりも十分に大きい場合には、完成品は一般に他の手法と比較してより良好な操作性を提供する。一実施形態においては、比較的大きなＯＤを有するフェルールを用いることは、シリカディスクをフェルール内に別途設置する工程を単純に省略し得る。より大きなＯＤのフェルールは、業界標準のＯＤとして設定することもでき、これにより、更なる処理をすることなく完成品フェルールとなる。フェルールのＩＤは、中間スペーシングスリーブと共に、又は、中間スペーシングスリーブなしに、フェルールに対して適切な位置にファイバーを保持する“自動位置決め（auto-aligning）”の特徴としても機能し、フェルールの光学的及び機械的な特徴としても機能する。この点に関し、フェルールのＩＤは、ファイバーのＯＤよりも少し大きな直径からファイバーのＯＤと同じ又は少し小さい直径まで多様なものでよく、これにより、フェルール端部に対して、及びフェルール中央部に対して、距離及び角度の両方についてファイバー端部を正確に配置する。

理解されるように、融着されるファイバーは、シングルモード型ファイバー、マルチモード型ファイバー、ステップ・インデックス型ファイバー、グレーデッド・インデックス型ファイバー、フォトニック・バンドギャップファイバー、レアアースドープファイバー、アクティブファイバー、偏波保持ファイバー、及び／又は、高複屈折(high birefringent)ファイバーであり得る。

一実施形態において、フェルールは融着される光ファイバーの屈折率と同じ又は略同等の屈折率を有する材料から作製される。この点に関し、主要な注目される材料は、合成石英ガラス（synthetic fused silica）及び石英ガラス（quartz glass）である。これらの材料は、光ファイバーに適合した良好な屈折率をもたらすことに加え、一般に、光ファイバーの熱膨張特性にも適合する。光学的要素は、一般の又は独自のレーザー加工技術、若しくは、機械的研磨技術のいずれか、又は、これら両方の組合せによって形成される様々な形状により構成することができる。光学的要素は、狭い波長のバンド幅を用いる特別な適用例のための反射防止コーティングのような光学コーティングを伴って、又は、こうした光学コーティングなしに、用いることができる。

様々な最終消費品としての適用例では、光学的要素の存在は、光ファイバー端面における出力密度を低減する傾向となり、従ってレーザが引き起こす損傷を低減する。損傷の閾値に関係するこの低減は、レーザ光源から光ファイバー上に融着される光学的要素に直接浴びせられるより高いレーザ出力の使用を可能とする。光学的要素は、例えば光ファイバー上にその時点で彫刻されている光学レンズのように機能することもできる。特定の実施形態において、光学的要素は、ディスク型、例えば、２ｍｍディスク型の光学的要素であり得る。代替的な特定の実施形態において、その要素は３００μｍの半球形の素子であり得る。代替的な特定の実施形態において、その要素は５００μｍの球形の素子であり得る。

図１Ａは本発明の一実施形態における光学的要素１０の一例である。光ファイバー１２は、中間スペーシングスリーブ１４の内部、かつ、フェルール１６の内部に保持されている。平面端部光学的要素１８は、光学的要素１０の末端に形成されている。接着剤２０は、要素の近位端（proximal end）を密封するために任意に用いられる。図２Ｂは類似の光学的要素１０の一例であり、中間スペーシングスリーブ１４のみを欠いている。

図２Ａは、図１Ａの光学的要素に類似する光学的要素１０の一例であるが、末端に形成された凸状の光学的要素２２を備える。図２Ｂの光学的要素は、図２Ａの光学的要素に類似するが、中間スペーシングスリーブ１４を欠いている。

図３Ａは、図１Ａの光学的要素に類似する光学的要素１０の一例であるが、末端に形成された凹状の光学的要素２４を備える。図３Ｂの光学的要素は、図３Ａの光学的要素に類似するが、中間スペーシングスリーブ１４を欠いている。

図４Ａは、図１Ａの光学的要素に類似する光学的要素１０の一例であるが、末端に形成された球状の光学的要素２６を備える。図４Ｂの光学的要素は、図４Ａの光学的要素に類似するが、中間スペーシングスリーブ１４を欠いている。

図５Ａは、図１Ａの光学的要素に類似する光学的要素１０の一例であるが、末端に形成された側方照射（side firing）の光学的要素２８を備える。図５Ｂの光学的要素は、図５Ａの光学的要素に類似するが、中間スペーシングスリーブ１４を欠いている。

一実施形態において、光学的要素は、フェルールとしても知られ一つ又は複数の内径を有する管により構成される毛細管（capillary tubing）から形成される。光学的要素の機械的な位置合わせもまた、同じフェルールによって提供される。例として、本発明の一実施形態において用いられるフェルールは、ＩＤ及びＯＤ間の壁厚が光学的要素となる塊を形成するのに十分である限りにおいて、２００μｍから３５００μｍ以上の外径（ＯＤ）を有してもよく、内径（ＩＤ）は典型的には５０μｍから２５００μｍ以上とすることもできる。フェルールの全長は、典型的には、３ｍｍ程度で短くすることができ、１００ｍｍ程度で長くすることもできる。フェルールから形成される光学的要素の長さ又は厚さは、典型的には、５μｍ程度に薄くすることができ、１０ｍｍ程度に厚くすることもできる。

光学的要素を形成する手順は、図６Ａ−６Ｅに例示するように、形状を変化させることが可能であり、かつ、高い生産量を達成する能力を提供し得る方法論を用いる。フェルール４０は、所望の長さ（一般的には数センチまで）に切られ、その後、レーザー加工ステーション内に配置される。融着のために準備される光ファイバー４２又は光ファイバーの集合は（これらは、例えば、シングルモード型又はマルチモード型ファイバーであり得る）フェルールの中に挿入され、予定される光学的要素の配置に関する所定位置に固定される。

毛細管（フェルール）から光学的要素を形成するためには、十分な量の塊に対して、所望の形状に成型する処理を行わなければならない。フェルールからのこの塊は、典型的には、波長１０．６μｍ、連続波モードで作動するＣＯ_２レーザー４４（しかしながら、他のタイプのレーザ、例えば、波長１０６４ｎｍで作動するＮｄ：ＹＡＧ、又は、波長９．６μｍで作動するＣＯ_２レーザー等を用いてもよい。）によるレーザーエネルギーを介して溶融状態となるように加熱される。例示する実施形態においては、レーザビーム４８の焦点を目標領域に合わせるために、フォーカシングレンズ４６を、必要又は要求に応じて用いてもよい。一実施形態において、焦点サイズは数百ミクロンであり、例えば、３５０−４５０μｍであり、より具体的には、約３８０μｍである。図６Ｂに示すように、フェルール４０は、加熱されるに従って崩壊する。図６Ｃはフェルール４０が完全に崩壊したときの状態を例示し、図６Ｄは、球状の光学的要素が形成される端部における塊を例示する。一実施形態において、ファイバーとフェルールは、互いにまだ融着されていないこともあり得る。この手法では、ファイバー／フェルール組立品は、図６Ｅに例示するように、焦点を合わせられたビームに対して再度配置される。一旦そのように配置されると、融着段階が進行し得る。

均一な加熱を提供するために、レーザに対してファイバーを回転（矢印）させながら（若しくは、代替的に、レザービームをファイバーの周囲に沿って回転させて）制御されるレーザー加熱を実行しても良い。塊のレーザ加工によって、例えば、半球状、球状、又は、平面形状を生成し得ることが理解される。同様に、選択された曲率半径は、所望の最終適用品に応じて達成し得る。上述したように、レーザとは別の他の熱源は、代替的に、この実施形態及び他の実施形態において用いられ得る。

一旦、光学的要素がフェルールの溶融物から形成されると、フェルールの塊が溶融状態にある間、光学的要素の光ファイバー（光ファイバー群）に対する融着が行われる。溶融物の塊からの放射エネルギーが、光学的要素及び融着される光ファイバー（光ファイバー群）の端面を熱することになる。光ファイバー（光ファイバー群）及び溶融物の塊は、伝熱及び融着を可能とするために、例えば、約２０μｍまでの数ミクロンのオーダーの距離で、相互に近づいているべきである。更なる加熱によって、光ファイバー（光ファイバー群）への塊の接触が生じ、光学的要素とファイバーとの間の融着が達成されるまで、溶融物の塊は成長する。同様に、レーザ加工技術は、フェルールのＩＤを光ファイバー上で崩壊させ、フェルールの長さに沿って両者が共に融着するのに用いられ得る。この崩壊は、原則的には、部分的又は完全に光学的要素の形成前に生じ得る。

溶融状態のフェルールの塊が軟化状態である間、及び融着の完成と共に、例えばスタンプ型形成（stamp-mold forming）、又は、光ファイバーを彫刻するために一般的に用いられるその他の技術等の様々な技術を用いて、フェルールの塊を所望の形状に形成することができる。代替的に、又は、これに加えて、一旦光学的要素を室温まで冷却し、機械的研磨又は更なるレーザ加工を介して所望の形状に再形成してもよい。

本発明の一実施形態に従う手順において、最初の工程では、毛細管（フェルール）を所定の長さに切る。次に、レーザ加工ステーションの中にフェルールを配置する。続いて、フェルールの中に融着される光ファイバー又はファイバー群を挿入する。次に、加熱処理によって光学的要素の塊を形成する。一旦光学的要素の塊が形成されると、光ファイバー又はファイバー群が塊に対して融着される。最後に、機械的及び／又はレザー加工を用いて光学的要素の塊を彫刻し最終形状を生成する。

一実施形態において、フェルールはファイバーのＯＤと比較して大きなＩＤを有する。一般に、こうした設定は、空気との境界面における光学的指標のミスマッチを改善し得る。即ち、増大した加工レーザの光量が、ファイバーを加熱することなくフェルールに対してもたらされる。この場合、中間スリーブは、物理的にファイバーを配置するために、フェルールとファイバーとの間に配置され得る。

一実施形態において、光学的要素は、側方照射の設定となるように製造される。例えば、ファイバーから出る光が長さに対して傾斜を有して伝導されるように、端面に傾斜を持たせて加工され得る。

一実施形態において、フェルールはドープされ、融着されるフェルールの一部がフェルールの大部分と比較してより低い軟化温度を有するようになる。この構造を有するフェルール群は、米国特許出願番号６，８８３，９７５に開示されており、参照により全体としてここに組み込まれる。

一実施形態において、フェルールは、光学的要素の完成品に光学的特性を付与するためにドープされても良い。例えば、完成品において、完成した要素のための導波管設計の一部として動作するように、フェルールはドープされ得る。一例では、ファイバー／光学的要素システム内に光を含むための被覆又は外部導波管として作用するようにフッ素でドープされる。

一実施形態において、フェルールは、平らにされた又はぎざぎざの内部部分を含み、この内部部分は、挿入され、位置合わせされるファイバーの補足的に平らにされた又は突き出した（又はその逆）外側部分と協働するように設定される。

当業者は、ここに開示された実施形態が例示としてのみ記載されており、多数の変形例が存在することを理解する。例えば、当業者によって理解されるように、ここに記載された寸法は、例示としてのみ記載され、用いられ得るサイズについて制限するものではない。本発明は、請求項のみによって制限され、当業者によって明らかである変形例と同様に、ここに記載された実施形態を包含する。

Claims (7)

1. 光学的要素を製造する方法であって、
   選択された長さの毛細管を加工ステーションに配置し、
   光ファイバを少なくとも前記毛細管の末端の内側と当該光ファイバの端面との間で空間が形成されるように当該毛細管の開口部に挿入し、
   前記末端を崩壊させると共に当該崩壊した末端の溶融物から前記光学的要素の塊を形成するために前記毛細管の当該末端を加熱し、
   前記光学的要素の塊を前記光ファイバの前記端面に融着し、
   前記光学的要素の塊を選択された最終形状の光学的要素となるように加工する、
   方法。
2. 前記加熱の後に、前記崩壊した末端が前記融着を促進するために前記光ファイバの端部と接触する関係に移動される請求項１の方法。
3. 前記加熱は、更に、レーザエネルギーを前記光ファイバに適用することなく前記毛細管の前記末端に適用する請求項１の方法。
4. 前記方法は、前記毛細管に対してファイバをセンタリングする目的のために位置合わせ装置又は外部固定具を用いることなく実行される請求項１の方法。
5. 前記毛細管の内側部分は、前記毛細管の残りの部分よりも優先的に加熱によって軟化する材料層を備える請求項１の方法。
6. 前記毛細管の少なくとも一部はドープされ、当該毛細管のドープされた部分が光学的導波管として作用する請求項１の方法。
7. 前記毛細管は、当該毛細管を前記光ファイバに対して位置決めするために共同して作用する前記光ファイバの補足的な部分と協働するよう設定された部分を備える請求項１の方法。
   

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