JP6266390B2 - ガラス・バッファ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「Ｇｌａｓｓ Ｂｕｆｆｅｒｓ」と題する、２０１３年３月１５日に出願された、米国仮特許出願第６１／７８７，８５４号の利益を主張し、本明細書に明示的に記載される場合と同様に、その全体が参照により組み込まれる。

本開示は、一般的に光学系に関し、より詳細には光ファイバに関する。

ファイバ・レーザは、高出力光学用途でしばしば使用される。これらの用途で採用される高出力レベルによって、脆弱な様々な点で、温度が上がることになる可能性がある。その結果として、高出力光学システム内で、過熱する可能性を低減する努力が続けられている。

本開示は、ガラス・バッファを有する光ファイバを対象とする。そのため、いくつかの実施形態は、コア、クラッド、およびガラス・バッファを有する光ファイバを備える。いくつかの実施形態では、ガラス・バッファは、クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する。

本開示の多くの態様は、以下の図面を参照することで、より良好に理解することができる。図面内の構成要素は、必ずしも原寸に比例しておらず、その代わりに、本開示の原理を明確に説明する際には、強調されている。さらに、図面では、いくつかの図にわたって、同様の参照番号が対応する部分を表している。

ガラス・バッファを有する光ファイバの１つの実施形態を示す図である。 ガラス・バッファを有する光ファイバの別の実施形態を示す図である。 加熱の区域を示す熱マップである。 加熱の区域を示す熱マップである。 ガラス・バッファを有する光ファイバを製造する方法の１つの実施形態を示す流れ図である。

ファイバ・レーザを採用する高出力用途では、光ファイバを互いに接合することがしばしばある。テーパ付けされたファイバ束（ＴＦＢ）内のテーパの後など、接合後に、クラッド内に光が伝播しているのが見いだされるのは、普通である。光ファイバがシングル・モード・ファイバ（ＳＭＦ）であるかマルチモード・ファイバ（ＭＭＦ）であるかに関わらず、クラッドから光を取り除くまたは取り去ることが好ましい。現在では、ポリマー・コーティングを使用して、クラッドからこの不要な光を取り去る。ポリマー・コーティングを使用することの１つの欠点は、材料に依存して、特定の角度で光がポリマーに入ることが可能な屈折率をポリマー・コーティングが有し、したがって、過熱し、その結果、損傷および障害をもたらすことになる場合がある。

具体的には、ポリマー・コーティングには、脆弱な２つの区域が存在する。第１の区域は、テーパと出力ファイバとの間の接合直後の接着点である。接合が完全にコア−クラッドを整合していない場合、コアの光がクラッドに間接的に注入されるおそれがある。間接的に注入された光は、それがクラッドと整合する屈折率を有する材料に到達するまで、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、クラッドに沿って導かれることになる。その屈折率が整合する材料は、典型的には、ポリマー・コーティングである。

光がポリマー・コーティングに入ると、ポリマー・コーティングが過熱し、しばしば熱障害および損傷をもたらす。ポリマー・コーティングが過熱する速度は、しばしば厚さの関数である。したがって、エッジが取り去られた接点では、ポリマー・コーティングがより薄くなり、これらのエッジが取り去られた接点において温度がより高くなる場合がある。ポリマー・コーティング内に導かれた、およそ２００から３００ミリワット（ｍＷ）のクラッドの光が、温度を著しく上昇させることを実験が示している。したがって、想像できるように、２キロワット（ｋＷ）の出力を取り扱うことを意味するレーザ・コンバイナへの応用例では、特に、現在の仕様が９５以上のコンバイナ効率を必要としており、これは、光の１００から２００ワット（Ｗ）の範囲がクラッド領域内に導かれる可能性のあることに言い換えられるので、著しい過熱をもたらす場合がある。

従来は、この過剰な加熱は、アルミニウム筐体にファイバを放熱するように、取り去られた区域にわたって流された低屈折率の接着材料により制御される。加えて、熱的コンパウンドが使用されて、ファイバをさらに放熱し、ポリマー・コーティング内の残留光を散乱させた。残念ながら、そのような低屈折率の接着材料がシステムに堅さを加え、典型的には、クラッド光を取り除くために使用されない。したがって、クラッド内の光のほとんどは、接着点を越えて伝播する。

脆弱な第２の区域は、クラッドが露出されるようにコーティングが取り去られている、光ファイバのモード・ストリッパ領域である。露出したクラッドによって、光がクラッドを通って伝播し、脱出することが可能になる。典型的には、コーティングが取り去られた後で、露出したファイバはアルミニウム筐体内に配置され、低屈折率の接着材料と接着される。次いで、熱的コンパウンドがむき出しのファイバの長さを覆うように配置され、このことによって、光を通すと光を散乱することができる境界が作られる。散乱した光は無指向性となることができ、したがって、異なる開口数でファイバ内に再注入することができる。クラッドとモード・ストリッパ領域内の熱的コンパウンドとの間の最初の接触は、ファイバの性能に悪影響を及ぼすおそれがある加熱問題を呈する。

これらの過熱問題を考慮して、本開示は、クラッドから光を取り除き、それにより、過熱問題のいくつかを改善するためのガラス・バッファを教示する。クラッドよりも高い屈折率を有するガラス・バッファを使用することによって、余分のクラッド光を取り除くことになる。さらに、その熱特性に起因して、ガラス・バッファは、ポリマー・バッファよりも大きい熱耐性を有しており、それにより、任意の過熱問題がさらに低減される。

いくつかの実施形態の概要を提供したので、ここで、図面に図示されるような実施形態の説明への詳細な参照がなされる。いくつかの実施形態がこれらの図面に関連して記載されるが、本明細書に開示される１つの実施形態または複数の実施形態に本開示を制限する意図はない。反対に、意図しているのは、全ての代替物、修正物および等価物をカバーすることである。

熱的コンパウンド層を有するガラス・バッファ
図１は、クラッド１０４により囲まれるシリカ・コア１０２を有する光ファイバ１００の、１つの実施形態を示す。ガラス・バッファ１０６は、クラッド１０４の径方向外側に、好ましくは、クラッド１０４と直接接触して位置決めされる。いくつかの実施形態では、ガラス・バッファ１０６は、クラッド１０４の約２倍の厚さである。他の実施形態では、ガラス・バッファ１０６は、クラッド１０４の２倍の厚さよりも厚い。ガラス・バッファ１０６は、クラッド１０４の屈折率よりも高い屈折率を有する。好ましい実施形態では、ガラス・バッファ１０６は、摂氏約９００度と約１０００度の間の融点温度、および約１．４７の屈折率を有する、ホウケイ酸塩を含む。

ガラスの熱特性に起因して、ガラス・バッファ１０６は、ポリマー・ベースのバッファよりも高い温度に耐えることが可能である。加えて、クラッド１０４とガラス・バッファ１０６との間の屈折率の違いに起因して、ガラス・バッファ１０６は、クラッド光を取り去ることが可能である。理解することができるように、ガラス・バッファの長さは、ＮＡの違いに比例することになる（例えば、ＮＡの違いが大きい場合はより短い長さ、ＮＡの違いが小さい場合はより長い長さ）。ガラス・バッファ１０６は、既存の技術より優れてもいる。というのは、ガラス・バッファ１０６が、光ファイバのシリカ・コア１０２およびクラッド１０４の融点よりも低い融点を有しているからである。この違いによって、ファイバの性能の改善、およびガラス・バッファ１０６とクラッド１０４との間でより効果的な接着が可能になる。

図１の実施形態を続けて、ガラス・バッファ１０６の径方向外側に熱的コンパウンド層１０８（例えば、Ｔｈｅｒｍ−Ａ−Ｆｏｒｍ（登録商標）により製造され、市販されている、低濃度Ｔ６４４）がある。この熱的コンパウンド層１０８の追加によって、光ファイバ１００の熱特性がさらに改善される。図１に示されるように、アルミニウム筐体１１０が、熱的コンパウンド層１０８を囲む。

動作では、高出力コア光１０１が、光ファイバのシリカ・コア１０２を通って伝播する。コア光１０１が、テーパまたは出力光接合１１２直後に、左から右に伝播する様子が示される。コア信号光１０１は、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、接合１１２でクラッド１０４内に注入することができる。クラッド光１０３は、クラッド光１０３がガラス・バッファ１０６に到達するまでクラッド１０４の長さを導かれ、ガラス・バッファ１０６のより高い屈折率に起因して、クラッド光１０３がガラス・バッファ１０６内に屈折され、そこで光が下流に向けて伝播され、最終的にガラス・バッファ１０６から自由空間１１４に放出される。したがって、ガラス・バッファ１０６は、疑似導波路としての役割を果たす。

ポリマー・バッファを採用する従来のシステムでは、光の屈折によって、熱が上昇した区域をもたらし、過熱およびその後の障害の可能性につながることになる。しかし、従来のシステムとは異なり、ガラス・バッファ１０６の熱特性によって、過熱しにくくなる。熱的コンパウンド層１０８は、より低い屈折率を有する。したがって、（あったとしても）非常に少量の光１０７が、ガラス・バッファ１０６から熱的コンパウンド層１０８に脱出する。光がガラス・バッファ１０６から脱出する限り、脱出する光が、加熱されやすい区域１２０を生じさせる。しかし、熱的コンパウンド層１０８が、ヒート・シンクを実現することにより、区域１２０に存在する熱をさらに減少させる。スルー・ザ・ガラス・バッファ１０６の方向変更と組み合わせたこのヒート・シンクによって、不要なクラッド光１０３に起因するファイバ損傷の危険性が低減される。

ガラス・バッファの熱特性の改善の実験的検証
ガラス・バッファの熱特性は、実験的に確認された。ここで、第１のＭＭＦ（完全充填され、開口数（ＮＡ）０．１６、１０５ミクロン・コア、１２５ミクロン・クラッドのマルチモード光ファイバ）は、第２のＭＭＦ（５０ミクロン・コア、３６０ミクロン・クラッド）に接合された。第１のＭＭＦのコアは、直接接合として、第２のＭＭＦのコアに中心をおいて、位置合わせされた。ホウケイ酸塩バッファが、第２のＭＭＦの３６０ミクロン・クラッドに、約５ミリメートル（５ｍｍ）の長さ、約２．５ミリメートル（２．５ｍｍ）の厚さで付けられた。

コア・サイズは、第１のＭＭＦから第２のＭＭＦのクラッド内にコア光の注入を可能にするように、意図的に不一致にされた。２３ワット（Ｗ）の出力が、第１のＭＭＦへと放たれた。１０５ミクロンと５０ミクロンの内部コア比は約２３％であった。したがって、第１のＭＭＦの１０５ミクロン・コア内を伝播する光の約２３％が第２のＭＭＦの５０ミクロン・コアに伝播され、残りの光（約７７％）が第２のＭＭＦのクラッド内に注入されることになった。第２のＭＭＦ内のそのクラッド光は、次いで、ガラス・バッファにより取り去られた。第２のＭＭＦのモード・ストリッパ領域の長さの端で行われた測定は、全出力の約２３％が第２のＭＭＦのコア内に残ったことを示した。

さらに、ガラス・バッファがクラッド光の約７７％を取り去ったことを確認するために、第２のＭＭＦが劈開され、劈開点で基準測定が行われた。基準測定は、第２のＭＭＦを高い屈折率を有するコーティングを有する第３のＭＭＦ（５０ミクロン・コア、３６０ミクロン・クラッド）と、コア−クラッド整合接合することで行われた。第２のＭＭＦの劈開された端で行われた基準測定は、第３のＭＭＦの端で測定された出力に等しかった。換言すれば、第２のＭＭＦの劈開された端と第３のＭＭＦの端との間に違いは存在せず、したがって、全ての残留クラッド光がガラス・バッファによりクラッドから取り去られたことを確認した。

熱的コンパウンド層なしのガラス・バッファ
図２は、クラッド２０４により囲まれるシリカ・コア２０２を有する光ファイバ２００の、別の実施形態を示す。ガラス・バッファ２０６は、クラッド２０４の径方向外側に、やはり好ましくは、クラッド２０４と直接接触して位置決めされる。ガラス・バッファ２０６は、クラッド２０４の屈折率よりも高い屈折率を有し、好ましい実施形態では、ガラス・バッファ２０６は、ホウケイ酸塩を含む。ガラス・バッファ２０６の径方向外側に、ガラス・バッファ２０６を囲むアルミニウム筐体２１０がある。

動作では、コア光２０１が、光ファイバのシリカ・コア２０２を通り、接合２１２後のクラッド２０４内も伝播する。クラッド光２０３は、クラッド光２０３がガラス・バッファ２０６に到達するまでクラッド２０４の長さを導かれ、ガラス・バッファ２０６のより高い屈折率に起因して、クラッド光２０３がガラス・バッファ２０６内に屈折され、そこで光が下流に向けて伝播され、最終的にガラス・バッファ２０６から自由空間２１４に放出される。

図１の実施形態と同様に、（あったとしても）非常に少量の光２０７が、ガラス・バッファ２０６から脱出する。光がガラス・バッファ２０６から脱出する限り、脱出する光が、加熱されやすい、アルミニウム筐体２１０内の区域２２０を生じさせる。しかし、スルー・ザ・ガラス・バッファ２０６の方向変換が、アルミニウム筐体２１０の加熱を十分に低減する。図１の実施形態とは異なり、図２の実施形態は、熱的コンパウンド層（図１の１０８）を含まない。したがって、熱的コンパウンド層を用いて起こるよりも、より多くの光および熱が、アルミニウム筐体内に吸収される。しかし、ガラス・バッファ２０６は、依然として、ポリマー・コーティングにわたって、光および結果として生じる熱を著しく減少させる。

熱マップ
図３Ａおよび図３Ｂは、どのようにガラス・バッファ１０６が熱の蓄積を減少させるかを示す熱マップである。具体的には、図３Ａは、どのように図１の光ファイバが機能するかを示す熱マップである。対照的に、図３Ｂは、ポリマー・バッファを有する従来型の光ファイバ内の、加熱の区域を示す熱マップである。

図３Ａの熱マップを生成するために、２つのコアが不一致にされたファイバが互いに接合され、（左から右に伝播される）光がファイバ内に注入された。約２３ワット（Ｗ）のマルチモード光がファイバ内に注入され、意図的なコアの不一致に起因して、マルチモード光がクラッド内に伝播した。ガラス・バッファの特性によって、ガラス・バッファが導波路としての役割を果たすことが可能となり、このことによって、光が脱出することが可能となった。ガラスの融点は、１０００℃より高いので、ヒート・シンクは不必要であった。この構成によって、光の７７％が取り去られ、デバイスは、約３．５５℃／Ｗの熱係数に言い換えられる、約６３℃に温度が上がることになった。

図３Ｂの熱マップは、従来のポリマー・バッファおよびヒート・シンクとしての役割を果たす金属筐体を備える、コアが不一致にされたファイバを使用して生成された。やはり、コアの不一致によって、光がクラッド内に伝播されることになった。図３Ｂでは、約２２Ｗのマルチモード光がファイバ内に注入され、その光の約６５％が取り去られた。この構成によって、デバイスは、約６．５７℃／Ｗの熱係数（ガラス・バッファの熱係数の２倍近く）に言い換えられる、約９４℃に温度が上がることになった。換言すれば、ポリマー・バッファの熱特性に起因して、ファイバから取り去られた光は伝送されず、代わりに熱エネルギーに変換された。金属筐体がヒート・シンクとしての役割を果たす一方で、図３Ｂの構成は、より多くの熱を生成し、最終的に、熱のためにくすぶった。

したがって、図３Ａおよび図３Ｂの例からわかるように、ガラス・バッファの性能（図３Ａ）は、ポリマー・バッファの性能（図３Ｂ）より優れている。

製造方法
ガラス・バッファ１０６、２０６を有する光ファイバ１００、２００、ならびにそれぞれの性能特性（図３Ａおよび図３Ｂ）を記載してきたが、ガラス・バッファ１０６、２０６を有する光ファイバ１００、２００を製造する方法の１つの実施形態を示す図４に注意を向けられたい。図４の実施形態で示されるように、光ファイバが、クラッドよりも高い屈折率およびクラッドまたはコアよりも低い融点を有する、開放端ガラス・チューブの中に挿入される（４０１）。１つの好ましい実施形態では、ガラス・チューブはホウケイ酸塩からなる。次いで、ガラス・チューブおよび光ファイバは、ガラス・チューブの融点に加熱される（４０２）。印加される熱によって、光ファイバの周りでガラス・チューブがつぶれ（４０３）、ガラス・バッファを形成することになる。ガラス・チューブは光ファイバのコアまたはクラッドの融点よりも低い融点を有するので、ファイバの周りのガラス・チューブのつぶれ（４０３）によって、シリカ・コアまたはクラッドへの外乱のないガラス・バッファが作られる。一度形成されると、ガラス・バッファのより高い屈折率および優れた付着品質のために、ガラス・バッファは、光ファイバに対し、従来のポリマー・バッファよりも良好な界面を提供する。

例示的な実施形態が示され、記載されてきたが、記載されたような開示に対し、いくつかの変更、修正、または改変をすることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、好ましい実施形態では、特にホウケイ酸塩が述べられているが、所望のより低い融点およびより高い屈折率を有する他の材料を使用してバッファを形成できることが、当業者には明白であろう。また、１つの実施形態では、（Ｔｈｅｒｍ−Ａ−Ｆｏｒｍ（登録商標）からの）Ｔ６４４が述べられているが、同様の特性を有する異なる熱的コンパウンドも、代替実施形態で使用できることが、当業者には理解されよう。したがって、全てのそのような変更、修正、および改変は、本開示の範囲内であると理解されるべきである。

Claims (7)

1. 光ファイバをガラス・チューブ内に挿入するステップであって、前記光ファイバが、シリカ・コアを備え、前記光ファイバがクラッドをさらに備え、前記クラッドが第１の屈折率を有し、前記ガラス・チューブが第２の屈折率を有し、前記第２の屈折率が前記第１の屈折率よりも高い、挿入するステップと、
   前記ガラス・チューブを摂氏９００度と摂氏１０００度との間のある温度に加熱するステップと、
   前記ガラス・チューブをつぶしてガラス・バッファを形成するステップであって、前記クラッドへの外乱がなく、前記ガラス・バッファが前記クラッドの厚さ以上の厚さを有する、つぶすステップと
   を含む方法。
2. 前記ガラス・バッファが、前記クラッドの前記厚さの少なくとも２倍の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
3. 熱的コンパウンドを前記バッファの径方向外側に配置するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記熱的コンパウンドの径方向外側にアルミニウム筐体を配置するステップをさらに備える、請求項３に記載の方法。
5. 前記ガラス・バッファがホウケイ酸塩ガラスを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第２の屈折率が１．４７である、請求項１に記載の方法。
7. 前記クラッドが、第１の厚さを有し、前記ガラス・バッファが第２の厚さを有し、前記第１の厚さが前記第２の厚さよりも薄い、請求項１に記載の方法。