JP5944015B2 - パワー結合器のモニタリング - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１２年１月２４日に出願され、“Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒｓ”と題する米国仮特許出願第６１／５９０，３１６号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、全体として光学に関し、より具体的にはファイバオプティクスに関する。

高パワー用途のための溶融ファイバ結合器は、外部光源から複数の入力を受け、光エネルギーを単一の共通出力ファイバに融合する。光エネルギーがそれらのデバイス内に蓄積できる限りは、溶融ファイバ結合器が突発的な故障を経験する可能性がある。十分理解可能なとおり、故障の回数を削減する継続した取り組みがある。

ここに開示されたシステムおよび方法は、ファイバ結合器を対象としている。そのようなものとして、いくつかの実施形態は、ファイバ結合器と関係のある熱的条件をモニターするステップと、モニターした熱的条件を分析するステップとを有するプロセスを対象としている。

本開示の多くの特徴は、以下の図面を参照することでより良く理解することができる。図面における部品は必ずしも縮尺通りではなく、むしろ、本開示の原理を明瞭に説明することに重きを置いている。さらに、図面において、同様の符号はいくつかの図を通して同様の部品を示している。

図１は、溶融ファイバ結合器の一実施形態の側面図を示す。 図２は、溶融ファイバ結合器の性能をモニターするためのプロセスの一実施形態を示したフローチャートである。 図３は、図２のモニタリングステップの一実施形態をより詳細に示したフローチャートである。 図４は、図２の判定ステップの一実施形態をより詳細に示したフローチャートである。

溶融ファイバ結合器は、高パワーの光学用途にて利用される。ポリマーおよびガラス物質からなる溶融ファイバ結合器は、複数の入力を受け、それらの入力からの光エネルギーを共通出力ファイバに融合する。しばしば、溶融ファイバ結合器の動作限界は、溶融ファイバ結合器内での様々な位置で発生する熱的加熱によって主に決定される。この加熱は、ポリマーやガラス物質の熱的限界に達し、または超える温度を生じる。これが生じるとき、溶融ファイバ結合器は突発的な崩壊および故障を経験する。

崩壊（突発的および非突発的の両方）を防ぐため、溶融ファイバ結合器における様々な位置での熱的条件をモニターすることは、有益である。モニターされた熱的条件から、熱的崩壊の原因を決定することができ、その結果、溶融ファイバ結合器の性能を向上することができる。開示された実施形態は、様々な位置に戦略的に設置されたセンサーを有する溶融ファイバ結合器を示し、それにより、溶融ファイバ結合器の性能のモニタリングを可能にする。加えて、開示された実施形態は、いずれの性能低下の原因を決定するための様々なプロセスを示す。

これを考慮に入れ、ここで、図に示された実施形態が詳細に説明される。いくつかの実施形態がこれらの図と関連して説明されるものの、本開示をここに開示された実施形態に限定する意図はない。それどころか、全ての代替手段、変更、および同等のものを包含することが意図される。

図１は、センサー１６０、１６２、１６４、１６６、１６８を有する溶融ファイバ結合器１００の一実施形態の側面図を示し、センサー１６０、１６２、１６４、１６６、１６８は、溶融ファイバ結合器１００の様々な位置における熱的条件モニターするものである。図１の実施形態に示されるとおり、溶融ファイバ結合器１００は、複数のピグテールファイバ１２０ａ…１２０ｂ（一括で、１２０）と溶融された信号ファイバ１１０を有している。信号ファイバ１１０は、コア１１２とクラッド１１４とを有し、入力信号１１６は信号ファイバ１１０に入射され、コア１１２に封じ込められる。信号ファイバ１１０およびピグテールファイバ１２０は、通常、入力光源（非表示）に、それら各々の入力接続１１８、１２８ａ…１２８ｂ（一括で、１２８）において、接続される。それ故、それら入力接続１１８、１２８は、利用者のファイバレーザー光源が溶融ファイバ結合器１００に、通常は溶融接続によって、つなぎ合わされる場所である。

図１に示されるとおり、入力接続１１８、１２８には、それら接続１１８、１２８における熱的条件をモニターするために、熱センサー１６０ａ…１６０ｂ（一括で、１６０）がある。具体的には、入力接続センサー１６０は、入力接続１１８、１２８において生じている現象を示す。例えば、入力接続センサー１６０での熱勾配（入力パワーに対する温度の変化、またはΔＴｅｍｐ／ΔＰｏｗｅｒ（Ｗ：ワット））の測定は、コア光が接続を通過するよう入力または入射されたパワーの直線校正を可能にする。図１の実施形態において、接続１１８、１２８はシングルモードファイバをつなぎ合わせるので、それらの接続１１８、１２８ではかなり低い光損失を期待できる。加えて、接続１１８、１２８で何らかの損失光があるはずの場合、入射されたパワーと比較したとき、その損失光は、小さい熱勾配を生成するであろうかなり低い開口数（ＮＡ）、例えば０．０８、を有すると期待される。それ故、入力接続１１８、１２８での異常に大きい熱勾配は、クラッド光として入力接続１１８、１２８を通過して伝搬する、標準ＮＡより高い光がある証拠であり得る。当然のことながら、図１はシングルモードの実施形態を示すが、同様の原理はマルチモードの実施形態にも当てはまる。そのようなマルチモードの実施形態において、熱勾配は、シングルモードの実施形態より高いかもしれない。しかしながら、シングルモードの実施形態と同様、マルチモードの実施形態は、期待される熱的性能に基づいて同じように校正され得る。

図１について続けると、入力接続１１８、１２８の各々が自己のセンサー１６０を有する場合、使用されていないピグテールファイバ１２０での熱的条件を測定することも可能である。その結果として、熱は光が伝搬しないピグテールファイバ１２０では起こらないと考えられているので、使用していない、いかなるピグテールファイバ１２０の入力における加熱は、逆伝搬するコア光がある証拠であり得る。

光の伝搬方向において前に進むにあたり、複数のファイバ１１０、１２０が溶融ファイバ結合器１００で合流するので、溶融ファイバ結合器１００は、通常、テーパー１３０を提示する。図１で示されるとおり、信号ファイバ１１０およびピグテールファイバ１２０は合流し、テーパー状にされてガラステーパー１３０を形成する。

図１でさらに示されるとおり、熱センサー１６２は、ガラステーパー１３０での熱状態をモニターするためにガラステーパー１３０に設置される。通常、ガラステーパー１３０は、ガラス構造物なので、熱くなるとは考えられていない。しかしながら、十分に高いＮＡの光（例えば、０．１より大きい）がテーパー１３０に入射し、テーパー１３０を下流に伝搬するより高いＮＡの光になるならば、ガラステーパー１３０で高温を生じ得る。これが生じる時、より高いＮＡの光が横軸の定常波状態に閉じ込められ、それにより熱を発生することがあり得る。言い換えれば、ガラステーパー１３０での高温は、テーパーを熱する原因となる入力レーザーからのクラッド光の目安である。それ故、ガラステーパー１３０に設置されたセンサー１６２によれば、この位置で生じる熱状態の測定が可能になる。

ガラステーパー１３０の先で、溶融ファイバ結合器１００は、任意に出力のガラスファイバに接続できる。出力ファイバは、コーティングが取り除かれた（または皮むきされた）領域を有し得るものであり、その領域は、コーティングされた領域と出力のストリップエッジ１４０と表される皮むきされた領域との間での推移を有する。図１の実施形態では、システムは出力のストリップエッジ１４０を有し、ストリップエッジ１４０では、ガラステーパー１３０に取り付けられた出力のガラスファイバにポリマーコーティングが施される。図１で示されるとおり、他の熱センサー１６４は、出力ストリップエッジ１４０での熱状態をモニターするために、出力ストリップエッジ１４０に設置される。

ポリマーコーティング内に閉じ込められない、十分に高いＮＡを有する入射光があるとき、出力ストリップエッジ１４０は加熱する傾向にある。通常、出力ストリップエッジ１４０における大きい熱勾配は、出力ストリップエッジ１４０を襲う、かなり高いＮＡ光（例えば、シリコンまたは低屈折率のポリマーコーティング材料における、およそ０．３または０．４５より大きいＮＡ光）の証拠である。したがって、出力ストリップエッジ１４０における高い熱勾配は、悪い接続の兆候となり得る。

モードストリッパ１５０は、出力の前にいかなる剰余のクラッド光を取り除くため、出力ストリップエッジ１４０の後に存在し得る。モードストリッパ１５０がモードストリッパ入力１５２およびモードストリッパ出力１５４を有する限り、モードストリッパ入力１５２およびモードストリッパ出力１５４における熱状態をそれぞれモニターするために、モードストリッパ入力センサー１６６およびモードストリッパ出力センサー１６８がある。

モードストリッパ入力センサー１６６は、クラッド１１４に存在する光を検出する。通常、これは、出力ストリップエッジ１４０を通過し、その後コーティング材によって誘導されるような十分低いＮＡを有する光を示す。したがって、クラッドでは、ほんのわずかな（および、比例する）光が失われるので、モードストリッパ入力１５２においてセンサー１６６によって測定される熱勾配により、コアに残存する伝送パワーの直線校正が可能になる。

モードストリッパ１５０は、クラッド光がモードストリッパ出力１５４に到達する前にクラッド光を取り除くように機能するので、モードストリッパ出力１５４にクラッド光が到達することはない。それ故、モードストリッパ出力センサー１６８が異常な熱勾配を検出した場合、この異常な熱勾配は逆伝搬するクラッド光の証拠である。

センサー１６０、１６２、１６４、１６６、１６８の各々が、溶融ファイバ結合器１００内での異なる熱状態の証拠を提供するので、それらの様々な位置における熱測定値に基づき、様々な状態の問題を解決することが可能である。例えば、センサー測定値の異なる置換に基づき、溶融ファイバ結合器１００内での熱的な異常状態が、製造の不具合か、または不適切な設置が原因かどうかを判定することができる。そのうえ、センサー測定値は、異常状態が発生したときに作動するアラームとともに、正常動作中の性能をモニターするのに利用できる。さらに、熱モニタリングは、溶融ファイバ結合器１００内での実際の応力を測定するのに利用できる。それ故、故障解析について、実際の応力は、溶融ファイバ結合器１００にその明示された機能保証の域を超えることを強いる、いかなる動作をも定量化するのに利用することができ、いかなる限度を超えた動作の大きさも、今後の設計の最適化に織り込むことができる。

これらの、およびその他の分析の種類は、融着ファイバ結合器１００の適切な製造、適切な設置、もしくは適切な動作を判定するのに適した論理、または溶融ファイバ結合器１００の欠陥分析を実施する論理を有するコンピューター、またはその他の専用のハードウェアデバイスに、センサーを動作可能なように接続することによって実行されることが可能である。熱モニタリングと共に実行され得るプロセスの様々な例は、図２〜図４に示される。

図２は、溶融ファイバ結合器１００の性能をモニターするためのプロセス２００の一実施形態を示すフローチャートである。図２の実施形態において、プロセス２００は、ステップ２１０から始まり、図１で説明されたセンサー１６０、１６２、１６４、１６６および１６８といったセンサーを使った溶融ファイバ結合器１００と関係のある熱状態をモニターするステップ２２０を有する。その後、プロセス２００は、ステップ２３０において性能データを生じる。２３０で生じたデータと共に、プロセス２００は、その後、ステップ２４０においてモニターされた熱状態が正常かどうかを判定する。モニターされた熱状態が正常であるならば、その後、プロセス２００は熱状態のモニター２３０を継続する。しかしながら、モニターされた熱状態が正常でない場合（例えば、測定が高い熱勾配を示す、等）、その後プロセス２００は、可能であれば溶融ファイバ結合器１００になんらかの障害が生じる前に、ステップ２５０においてアラームを作動し、ステップ２６０において終了する。十分理解可能なとおり、溶融ファイバ結合器１００内の様々な位置における熱的データを分析する能力は、溶融ファイバ結合器１００のいかなる潜在的な問題も診断する、または性能を簡単にモニターするための有益な手段をもたらす。

図３は、図２のモニタリングステップ２２０の一実施形態を、より詳細に示すフローチャートである。図３の実施形態において、プロセス２００は、ステップ３１０において、入力接続１１８、１２８のモニタリングによって、入力ファイバにおける熱状態をモニターする。次に、プロセス２００は、連続して、（ａ）ステップ３２０においてテーパー１３０における熱状態をモニターする、（ｂ）ステップ３３０において出力ストリップエッジ１４０における熱状態をモニターする、そして（ｃ）ステップ３４０および３５０において、モードストリッパ１５０の入力１５２および出力１５４における熱状態をそれぞれモニターする。これらの位置に対応して、図２からの性能データは、（ａ）入力ファイバまたは入力接続１１８、１２８；（ｂ）テーパー１３０；（ｃ）出力ストリップエッジ１４０；（ｄ）モードストリッパ入力１５２；（ｅ）モードストリッパ出力１５４；または（ｆ）これら部品のいかなる組み合わせにおける熱状態と関係するデータを含む。性能データは、その後、ステップ２２０でモニターされた位置からステップ２３０で生成される。

図４は、図２の判定ステップ２４０の一実施形態を、より詳細に示すフローチャートである。図４で示されるとおり、プロセス２００は、入力ファイバにおける熱勾配がステップ４１０において正常であるかどうかをステップ２４０内で判定する。入力ファイバにおける熱勾配が正常でない（例えば、高い熱勾配）場合、その後、ステップ２５０でアラームが作動する。例として、アラームは、正常より高い開口数（ＮＡ）を有するクラッド光が入力接続１１８、１２８を通って伝搬するという表示を含むことができる。

プロセス２００は次に、ステップ４２０で、テーパー１３０における熱勾配が正常かどうかを判定する。テーパー１３０における熱勾配が正常でない（例えば、高い熱勾配）場合、その後、アラームはステップ２５０で作動される。テーパー１３０における高い熱勾配が発生した場合において、アラームは、高いＮＡ光がテーパー１３０内で横軸の定常波に閉じ込められるという表示を含むことができる。

プロセスは次に、ステップ４３０で、出力ストリップエッジ１４０における熱勾配が正常かどうかを判定する。出力ストリップエッジ１４０における熱勾配が高い熱勾配を持つ場合、その後、アラームは、例えば、かなり高いＮＡ光が出力ストリップエッジを襲うという表示と共にステップ２５０において作動される。出力ストリップエッジにおけるかなり高いＮＡ光の存在は、入力レーザーと溶融ファイバ結合器１００との間での悪い接続の証拠であり得る。

次に、プロセスは、ステップ４４０および４５０で、モードストリッパ１５０の入力１５２および出力１５４における熱勾配が正常かどうかを判定する。モードストリッパ１５０の出力１５４における異常に高い熱勾配は、例えば、逆伝搬するクラッド光の存在を示すアラームをステップ２５０で作動するであろう。

十分理解可能なとおり、これらの様々な表示は、溶融ファイバ結合器１００にとって有益な診断の手段をもたらすため、単独またはその他の表示との組み合わせのどちらででも使用できる。いくつかの診断例は以下で提供される。

例として、入力接続１１８、１２８およびテーパー１３０の両者が高い熱勾配を示す場合、システムは、問題が利用者の入力レーザーからのクラッド光に起因していると診断することができる。他の例では、入力接続１１８、１２８および出力ストリップエッジ１４０の両者が高い熱勾配を示す場合、システムは、問題が悪い接続に起因していると診断することができる。三つ目の例では、モードスプリッタ出力１５４が高い熱勾配を示す場合、システムは、問題が逆伝搬するクラッド光に起因すると診断することができる。

たとえ接続１２８のいくつかにおいて入力がないときでも、熱的モニタリングは情報を提供する。これらの状況で、（入力がない）入力ファイバが（本来はあってはならない）高い熱痕跡を有する場合、これは、逆伝搬するコア光から生成される熱があるということの表示であろう。

十分理解可能なとおり、この種類のモニタリングは、溶融ファイバ結合器１００におけるいかなる問題点を解決するために有益となり得る。例えば、入力接続１１８、１２８およびテーパー１３０の両者が正常な熱状態を示す場合、これは、製造欠陥がなく、その結果、いかなる故障または性能の問題が、不適切な設置または製造過程でない他のものに原因が有り得るということの表示であろう。

開示された実施形態から、その他の交換および組み合わせは、溶融ファイバ結合器１００における潜在的な問題を診断するのに利用され得ることは、容易に理解できる。それ故、開示された実施形態は有益な開発手段だけでなく、有益な診断手段をももたらす。

性能のモニタリングプロセスは、上記のとおり、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの組み合わせにおいて実行することができる。望ましい実施形態において、性能のモニタリングプロセスは、メモリに保管され、適切な演算実行システムによって実行されるソフトウェアまたはファームウェアにおいて実行される。代替の実施形態にあるとおり、ハードウェアにおいて実行された場合、性能のモニタリングプロセスは、全てが技術的に良く知られている次の技術のいずれか、または組み合わせによって実行される；データ信号上で論理関数を実行するために論理ゲートを有する個別の論理回路、適切な組み合わせの論理ゲートを有する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、等。

フローチャートにおけるプロセスの説明またはブロックのいずれもが、具体的な論理関数またはプロセスにおけるステップを実行するための一つ、またはそれ以上の実行可能命令を含むコードのモジュール、セグメント、または一部を表すと理解されるべきであり、本開示の当業者には理解されるであろうが、代替の実行は本開示の望ましい実施形態の範囲内に含まれ、そこで、関数は、関連する機能性にもよるが、示された、または説明されたものとは異なる、実質上同時の、または逆の順番を含む順序で実行されてもよい。

プロセスは、コンピュータープログラムの利用によって実行することができる。コンピュータープログラムは、論理関数を実行するための実行可能命令の順序付きリストを有し、コンピューターベースのシステム、プロセッサを含有するシステム、または命令実行システム、装置またはデバイスから命令を取得して命令を実行することができる他のシステムといった命令実行システム、装置またはデバイスによる、または関連する使用のために、いずれかのコンピューター可読媒体において具体化することができる。この文書の文脈において、“コンピューター可読媒体”は、命令実行システム、装置またはデバイスによる、または関連する使用のためにプログラムを含有する、記憶する、やりとりする、伝搬する、または移植することができる、いかなる手段であり得る。コンピューター可読媒体は、例えば、しかし制限するものではないが、電子、磁気、光学、電磁気、赤外線または半導体のシステム、装置、デバイスまたは伝搬媒体であり得る。コンピューター可読媒体のさらなる具体的な例（包括的でないリスト）は、次のものを含むであろう：一つまたはそれ以上のワイヤーを有する電気的接続（電子）、携帯型コンピューターフロッピーディスク（磁気）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）（電子）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）（電子）、消去可能ＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）（電子）、光ファイバ（光学）、および携帯型コンパクトディスクリードオンリーメモリ（ＣＤＲＯＭ）（光学）。留意すべきは、コンピューター可読媒体は、プログラムがその上にプリントされた紙または他の適切な媒体ですらあり得るということであり、そのプログラムは、例えば、紙または他の媒体の光学的走査によって電子的に保存され、その後、必要ならば適切な方法でコンパイルされる、解釈される、または必要であれば適切に別の処理をされ、その後コンピューターメモリに保存することができるということである。

十分理解可能なとおり、熱センサー１６０、１６２、１６４、１６６、１６８は、サーミスタ、熱吸収材、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）、熱電対、光検出器、または熱状態のモニタリングのための他の適切な材料で実現することができる。いくつかの実施形態については、熱センサーは熱画像技術を使用することでも実現できる。それらの実施形態において、別々のセンサーを有するよりはむしろ、様々な位置における熱モニタリングが、画像システムにおいて可能な画像強度または他の色識別によって完成されるであろう。

例となる実施形態が示され、説明されてきたが、記載された本開示への複数の変更、改良、または修正が可能であるということは、当業者には明らかである。そのような変更、改良、および修正の全ては、それ故、本開示の範囲内であると見なされるべきである。

Claims (10)

1. 光信号を受け取るための入力ファイバと、
   前記入力ファイバが合流して一つに溶融されたガラステーパーと、
   前記ガラステーパーに光学的に結合された出力ファイバであって、出力ストリップエッジを有し、さらにモードストリッパを有し、前記モードストリッパがモードストリッパ入力およびモードストリッパ出力を有する出力ファイバと、
   入力接続センサーであって、各入力接続センサーが対応する入力ファイバに動作可能なように接続され、各入力接続センサーが対応する入力ファイバと関係している熱状態をモニターする入力接続センサーと、
   前記ガラステーパーに動作可能なように接続されたテーパー熱センサーであって、前記ガラステーパーと関係している熱状態をモニターするテーパー熱センサーと、
   前記出力ストリップエッジに動作可能なように接続された出力ストリップエッジ熱センサーであって、前記出力ストリップエッジと関係している熱状態をモニターする出力ストリップエッジ熱センサーと、
   前記モードストリッパ入力に動作可能なように接続されたモードストリッパ入力センサーであって、前記モードストリッパ入力と関係している熱状態をモニターするモードストリッパ入力センサーと、
   前記モードストリッパ出力に動作可能なように接続されたモードストリッパ出力センサーであって、前記モードストリッパ出力と関係している熱状態をモニターするモードストリッパ出力センサーと
   を有する熱モニタリングシステム。
2. 溶融ファイバ結合器と、
   前記溶融ファイバ結合器と関係している複数の熱状態をモニターする複数のセンサーと
   を有するシステム。
3. 前記溶融ファイバ結合器が、
   光信号を受け取る入力ファイバと、
   前記入力ファイバが合流して一つに溶融されるガラステーパーとを有する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記センサーが、
   入力接続センサーであって、各入力接続センサーが対応する入力ファイバに動作可能なように接続され、各入力接続センサーが対応する入力ファイバと関係している熱状態をモニターする入力接続センサーを有する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記センサーが、
   前記ガラステーパーに動作可能なように接続されたテーパー熱センサーであって、前記ガラステーパーと関係している熱状態をモニターするテーパー熱センサーを有する、請求項３に記載のシステム。
6. 前記ガラステーパーに光学的に結合された出力ファイバであって、出力ストリップエッジを有し、さらにモードストリッパを有し、前記モードストリッパがモードストリッパ入力およびモードストリッパ出力を有する出力ファイバをさらに有する、請求項３に記載のシステム。
7. 前記センサーが、
   前記出力ストリップエッジに動作可能なように接続された出力ストリップエッジ熱センサーであって、前記出力ストリップエッジと関係している熱状態をモニターする出力ストリップエッジの熱センサーを有する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記センサーが、
   前記モードストリッパの入力に動作可能なように接続されたモードストリッパ入力センサーであって、前記モードストリッパの前記入力と関係している熱状態をモニターするモードストリッパ入力センサーと、
   前記モードストリッパの出力に動作可能なように接続された前記モードストリッパ出力センサーであって、前記モードストリッパの前記出力と関係している熱状態をモニターするモードストリッパ出力センサーとを有する、請求項３に記載のシステム。
9. 前記センサーが、
   前記モードストリッパの出力と関係している熱状態をモニターするための手段を有する、請求項３に記載のシステム。
10. 前記センサーに動作可能なように接続された非一時的なコンピューター可読媒体をさらに有し、前記非一時的なコンピューター可読媒体は、
    モニターされた前記熱状態に基づいて前記溶融ファイバ結合器の適切な製造を決定するロジックと、
    モニターされた前記熱状態に基づいて前記溶融ファイバ結合器の適切な設置を決定するロジックと、
    モニターされた前記熱状態に基づいて前記溶融ファイバ結合器の適切な運用を決定するロジックと、
    モニターされた前記熱状態に基づいて前記溶融ファイバ結合器の故障解析を実施するロジックと、を有する請求項３に記載のシステム。

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