JP6715279B2

JP6715279B2 - 光デバイス

Info

Publication number: JP6715279B2
Application number: JP2018049884A
Authority: JP
Inventors: 内山　圭祐; 圭祐内山; 正浩柏木; 研介島
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2038-03-16
Also published as: US20210048582A1; WO2019177143A1; JP2019159269A; CN111801611A

Description

本発明は、被覆除去区間が設けられた光ファイバと該被覆除去区間を補強する補強構造とを備えた光デバイスに関する。

光ファイバには、しばしば、被覆除去区間が設けられる。被覆除去区間とは、光ファイバにおいて、樹脂製の被覆が除去され、ガラス製のクラッドが露出した区間のことを指す。例えば、２本の光ファイバを融着接続する場合、融着点近傍に被覆除去区間が設けられる。また、光ファイバからクラッドモード光を除去するためのクラッドモードストリッパにおいても、被覆除去区間が設けられる。

被覆除去区間は、それ以外の区間と比べて機械的強度に劣る。このため、被覆除去区間を補強する各種補強構造が採用される。被覆除去区間の補強構造を開示した文献としては、例えば、特許文献１〜２などがある。

特開２００８−１８７１００号公報（２００８年８月１４日公開）特開２０１１−２１１２２０号公報（２０１１年１０月２０日公開）

被覆除去区間が設けられた光ファイバと該被覆除去区間を補強する補強構造とを備えた典型的な光デバイス４を図４に示す。図４において、（ａ）は、光デバイス４の平面図であり、（ｂ）は、光デバイス４の断面図である。なお、図４の（ｂ）に示す断面図は、図４の（ａ）に示すＡＡ’断面を矢視したものである。

光デバイス４において、光ファイバＯＦは、ヒートシンク４１の上面に貼り付けられた補強板４２に固定される。具体的には、被覆除去区間Ｉａに隣接する一方の被覆区間Ｉｂ１が接着剤４５によって補強板４２に固定され、被覆除去区間Ｉａに隣接する他方の被覆区間Ｉｂ２が接着剤４６によって補強板４２に固定される。これにより、光ファイバＯＦの機械的信頼性が担保される。

また、光ファイバＯＦの被覆除去区間Ｉａは、熱伝導性を有する樹脂体４４に覆われる。光ファイバＯＦの被覆除去区間Ｉａにて生じた熱は、この樹脂体４４を介して補強板４２に伝導し、さらに、補強板４２を介してヒートシンク４１に伝導する。これにより、光ファイバＯＦの温度上昇が抑えられる。

しかしながら、光デバイス４には、以下の問題がある。すなわち、光ファイバＯＦの被覆除去区間Ｉａにて生じた熱が上記のように伝導すると、補強板４２の温度が上昇する。そうすると、補強板４２が熱膨張し、その結果、接着剤４５〜４６を介して光ファイバＯＦに張力が働く。これにより、光ファイバＯＦの機械的信頼性が損なわれる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバの機械的信頼性を担保しつつ光ファイバの温度上昇を抑えた光デバイスを実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る光デバイスは、熱伝導体と、上記熱伝導体とは別体の支持体であって、熱膨張率が上記熱伝導体よりも小さい支持体と、被覆除去区間を覆う樹脂体を介して上記熱伝導体に熱接触すると共に、該被覆除去区間に隣接する２つの被覆区間の各々において上記支持体に固定された光ファイバと、を備えている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、従来の光デバイスにおける補強構造の放熱機能が熱伝導体によって代替され、従来の光デバイスにおける補強構造の補強機能が支持体によって代替される。しかも、上記の構成によれば、相対的に熱膨張率が小さい支持体の熱膨張量は、相対的に熱膨張率が大きい熱伝導体の熱膨張量よりも小さくなる。このため、上記の構成によれば、支持体から光ファイバに作用する張力を、従来の光デバイスにおいて補強板から光ファイバに作用する張力よりも小さくすることができる。これにより、上記の構成によれば、光ファイバの機械的信頼性を、従来の光デバイスよりも高めることができる。

本発明に係る光デバイスにおいて、上記支持体の熱伝導率は、上記熱伝導体の熱伝導率よりも小さい、ことが好ましい。

上記の構成によれば、支持体の温度上昇を、更に生じ難くすることができる。したがって、上記の構成によれば、光ファイバの機械的信頼性を、更に高めることができる。

本発明に係る光デバイスにおいて、上記光ファイバは、上記２つの被覆区間の各々において接着剤により上記支持体に固定されており、上記樹脂体のヤング率は、上記接着剤のヤング率よりも小さい、ことが好ましい。

上記の構成によれば、熱伝導体の熱膨張に伴い熱伝導体から樹脂体を介して光ファイバに作用する張力は、支持体の熱膨張に伴い接着剤を介して支持体から光ファイバに作用する張力よりも小さくなる。したがって、本発明に係る光デバイスにおいて光ファイバに作用する張力は、熱伝導体の熱膨張に伴い樹脂体を介して熱伝導体から光ファイバに作用する張力を考慮に入れたとしても、従来の光デバイスにおいて光ファイバに作用する張力よりも小さくなる。

本発明に係る光デバイスにおいて、上記熱伝導体と上記支持体との間には、隙間が存在する、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記熱伝導体が熱膨張したときに、上記熱伝導体が上記支持体に接触し難くなる。

本発明に係る光デバイスにおいて、上記支持体は、上記熱伝導体の三方を囲う弧状の支持体である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、光デバイスのサイズを小型化することが容易になる。

本発明に係る光デバイスにおいて、上記支持体は、上記熱伝導体の四方を囲う環状の支持体である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、光ファイバが張力以外の応力を受け難くなる。

本発明に係る光デバイスにおいて、上記光ファイバは、上記被覆除去区間内に融着点を含んでいる、ことが好ましい。

光ファイバにおける融着点は熱源となる。上記構成によれば、被覆区間において光ファイバに固定された支持体は、熱源である融着点を含む被覆除去区間において樹脂体を介して光ファイバと熱接触する熱伝導体と比べて、温度が上昇し難い。したがって、上記の構成によれば、光ファイバの機械的信頼性を高めるという上記の効果がより顕著に現れる。

本発明によれば、光ファイバの機械的信頼性を担保しつつ光ファイバの温度上昇を抑えた光デバイスを実現することができる。

本発明の一実施形態に係る光デバイスを示す図である。（ａ）は、その光デバイスの平面図であり、（ｂ）は、その光デバイスの断面図である。図１に示す光デバイスの第１の変形例を示す平面図である。図１に示す光デバイスの第２の変形例を示す断面図である。従来の光デバイスを示す図である。（ａ）は、その光デバイスの平面図であり、（ｂ）は、その光デバイスの断面図である。

〔光デバイスの構成〕
本発明の一実施形態に係る光デバイス１の構成について、図１を参照して説明する。図１において、（ａ）は、光デバイス１の平面図であり、（ｂ）は、光デバイス１の断面図である。なお、図１の（ｂ）に示す断面図は、図１の（ａ）に示すＡＡ’断面を矢視したものである。

光デバイス１は、図１に示すように、光ファイバＯＦ、ヒートシンク１１、熱伝導体１２、支持体１３、樹脂体１４、接着剤１５〜１６を備えている。なお、熱伝導体１２及び支持体１３は、どちらもヒートシンク１１の上面に設けられる部材であるが、互いに別体の部材である。

光ファイバＯＦは、２本の光ファイバを融着接続したものであり、融着点を含む。光ファイバＯＦの融着点近傍は、被覆が除去された被覆除去区間Ｉａを構成している。以下、被覆除去区間Ｉａに隣接する、被覆が残っている区間のうち、一方を第１被覆区間Ｉｂ１と呼び、他方を第２被覆区間Ｉｂ２と呼ぶ。

ヒートシンク１１は、光ファイバＯＦの融着点近傍にて生じた熱のうち、後述する熱伝導体１２を介して自身に伝導した熱を外界に拡散させるための構成である。本実施形態においては、直方体状の銅塊をヒートシンク１１として用いる。なお、ヒートシンク１１の材料は、熱伝導率の高い材料であればよく、銅に限定されない。銅以外のヒートシンク１１の好適材料としては、例えば、アルミニウム合金が挙げられる。また、ヒートシンク１１の下面には、図示しないフィンなどが設けられていてもよい。ヒートシンク１１の代わりに、水冷板を用いてもよい。

熱伝導体１２は、光ファイバＯＦの融着点近傍にて生じた熱のうち、後述する樹脂体１４を介して自身に伝導した熱を前述したヒートシンク１１に伝導させるための構成である。本実施形態においては、ヒートシンク１１の上面に貼り付けられた長方形状のアルミ板（アルミニウム又はアルミニウム合金により構成された板状部材）を熱伝導体１２として用いる。なお、本実施形態においては、熱伝導体１２の材料として、後述する支持体１３の材料と比べて、熱伝導率が大きく、かつ、熱膨張率が大きい材料を用いている。アルミニウム又はアルミニウム合金は、このような条件を満たす材料の一例であり、他の材料、例えば、銅を用いてもよい。

支持体１３は、光ファイバＯＦを支持するための構成である。本実施形態においては、３つの直方体部１３１〜１３３をＵ字形に組み合わせたセラミックス塊を支持体１３として用いている。支持体１３は、第１直方体部１３１が光ファイバＯＦに沿うように、かつ、第２直方体部１３２及び第３直方体部１３３が光ファイバＯＦと重なるように配置され、熱伝導体１２を三方から取り囲む。ただし、支持体１３の各直方体部１３１〜１３３は、熱伝導体１２の各辺から離間しており、支持体１３と熱伝導体１２との間には、隙間が形成されている。これは、熱伝導体１２が熱膨張したときに生じ得る、熱伝導体１２と支持体１３との接触、及び、熱伝導体１２から支持体１３への熱伝導を抑制するためである。なお、本実施形態においては、支持体１３の材料として、前述した熱伝導体１２の材料と比べて、熱伝導率が小さく、かつ、熱膨張率が小さい材料を用いている。セラミックスは、このような条件を満たす材料の一例であり、他の材料、例えば、ガラスを用いてもよい。また、支持体１３は、ヒートシンク１１の上面に載置されていればよく、ヒートシンク１１の上面に固定されていなくてもよい。

光ファイバＯＦの被覆除去区間Ｉａは、樹脂体１４により覆われており、樹脂体１４を介して熱伝導体１２と熱接触している。このため、光ファイバＯＦにて生じた熱は、樹脂体１４を介して熱伝導体１２に伝導する。本実施形態においては、軟質シリコーン樹脂体を樹脂体１４として用いる。なお、樹脂体１４の材料は、熱伝導性を有する樹脂であって、後述する接着剤１５〜１６の材料と比べて、ヤング率が低く、かつ、限界伸び率が大きい樹脂であることが好ましい。軟質シリコーン樹脂は、このような条件を満たす樹脂の一例であり、他の樹脂、例えば、ゴムを用いてもよい。被覆除去区間Ｉａにおいて光ファイバＯＦから光を漏出させる場合には、被覆除去区間Ｉａにおける光ファイバＯＦの最外殻構造（例えば、クラッド）よりも屈折率が高い透明樹脂を用いることが好ましい。逆に、被覆除去区間Ｉａにおいて光ファイバＯＦから光を漏出させない場合には、被覆除去区間Ｉａにおける光ファイバＯＦの最外殻構造よりも屈折率が低い透明又は不透明樹脂を用いても構わない。

なお、本実施形態においては、樹脂体１４により光ファイバＯＦを覆う範囲を、被覆除去区間Ｉａに隣接する被覆区間Ｉｂ１〜Ｉｂ２にまで広げ、樹脂体１４と光ファイバＯＦとの接触面積、及び、樹脂体１４と熱伝導体１２との接触面積を大きくする構成を採用している。これにより、光ファイバＯＦの融着点近傍にて生じた熱を、より効率的に熱伝導体１２に伝導することが可能になっている。

光ファイバＯＦにおいて、被覆除去区間Ｉａに隣接する第１被覆区間Ｉｂ１は、接着剤１５を用いて支持体１３の第２直方体部１３２の上面に固定されている。また、光ファイバＯＦにおいて、被覆除去区間Ｉａに隣接する第２被覆区間Ｉｂ２は、接着剤１６を用いて支持体１３の第３直方体部１３３の上面に固定されている。本実施形態においては、硬質シリコーン樹脂体を接着剤１５〜１６として用いる。なお、接着剤１５〜１６の材料は、前述した樹脂体１４の材料と比べて、ヤング率が高く、かつ、限界伸び率が小さい樹脂であることが好ましい。硬質シリコーン樹脂は、このような条件を満たす樹脂の一例であり、他の樹脂を用いてもよい。

以上のように構成された光デバイス１において、光ファイバＯＦの融着点近傍にて生じた熱は、（１）樹脂体１４を介して熱伝導体１２に伝導し、（２）熱伝導体１２を介してヒートシンク１１に伝導し、（３）ヒートシンク１１を介して外界に散逸するか、又は、（１）光ファイバＯＦの被覆を介して接着剤１５〜１６に伝導し、（２）接着剤１５〜１６を介して支持体１３に伝導し、（３）支持体１３を介してヒートシンク１１に伝導し、（４）ヒートシンク１１を介して外界に散逸する。このように、光ファイバＯＦの融着点近傍において生じた熱は、熱伝導体１２及び支持体１３の双方に伝導し得る。ただし、支持体１３の熱膨張率は、熱伝導体１２の熱膨張率よりも小さい。このため、光デバイス１において、支持体１３から光ファイバＯＦに作用する張力は、従来の光デバイス４において、補強板４２（光デバイス１の熱伝導体１２に相当）から光ファイバＯＦに作用する張力よりも小さくなる。

しかも、本実施形態に係る光デバイス１においては、熱伝導体１２の熱伝導率を支持体１３の熱伝導率よりも大きくする構成を採用している。このため、光ファイバＯＦの融着点近傍にて発生した熱の大部分は、熱伝導体１２を含む前者の伝導経路を介して外界に散逸する。このため、熱伝導体１２は、光ファイバＯＦの融着点近傍にて生じた熱による温度上昇が生じ易いのに対して、支持体１３は、光ファイバＯＦの融着点近傍にて生じた熱による温度上昇が生じ難い。したがって、熱伝導体１２は、光ファイバＯＦの融着点近傍にて生じた熱による熱膨張が生じ易いのに対して、支持体１３は、光ファイバＯＦの融着点近傍にて生じた熱による熱膨張が生じ難い。これにより、上記の効果がより顕著に現れる。なお、熱伝導体１２の熱伝導率を支持体１３の熱伝導率よりも大きくする構成は、上記の効果を顕著にする好ましい構成であるが、上記の効果を得るうえで必須の構成ではない。すなわち、効果の程度を問わなければ、熱伝導体１２の熱伝導率を支持体１３の熱伝導率よりも大きくする構成を必ずしも採用する必要はない。

さらに、本実施形態に係る光デバイス１においては、熱源（融着点近傍）を被覆除去区間Ｉａに含める構成を採用している。すなわち、熱伝導体１２を、熱源を含む被覆除去区間Ｉａにおいて樹脂体１４を介して光ファイバＯＦに熱接触させると共に、支持体１３を、熱源を含まない被覆区間Ｉｂ１〜Ｉｂ２において接着剤１５〜１６を介して光ファイバＯＦに固定する構成を採用している。また、本実施形態に係る光デバイス１においては、支持体１３を熱伝導体１２から離間させる構成を採用している。このため、支持体１３の温度上昇は、更に生じ難くなり、その結果、支持体１３の熱膨張は、更に生じ難くなる。これにより、上記の効果がより顕著に現れる。なお、熱源となる融着点（近傍）を被覆除去区間Ｉａに含める構成、及び、支持体１３を熱伝導体１２から離間させる構成は、上記の効果を顕著にする好ましい構成であるが、上記の効果を得るうえで必須の構成ではない。すなわち、効果の程度を問わなければ、熱源を被覆除去区間Ｉａに含める構成、及び、支持体１３を熱伝導体１２から離間させる構成を必ずしも採用する必要はない。

なお、熱伝導体１２の熱膨張に伴い樹脂体１４を介して光ファイバＯＦに作用する張力は、支持体１３の熱膨張に伴い接着剤１５〜１６を介して光ファイバＯＦに作用する張力よりも格段に小さくなる。なぜなら、樹脂体１４は、接着剤１５〜１６の材料よりもヤング率の小さい樹脂より構成されているからである。したがって、光デバイス１において光ファイバＯＦに作用する張力は、熱伝導体１２の熱膨張に伴い樹脂体１４を介して光ファイバＯＦに作用する張力を考慮に入れたとしても、従来の光デバイス４において光ファイバＯＦに作用する張力よりも小さくなる。

なお、光デバイス１は、図１の（ａ）に示すように、樹脂体１４に埋設された熱電対１７を更に備えていてもよい。光デバイス１を、例えば、ファイバレーザの一部として使用する場合、この熱電対１７にて測定された温度を、ファイバレーザの制御部にフィードバックする。これにより、ファイバレーザの制御部は、例えば、樹脂体１４の温度が上がりすぎないように、ファイバレーザの出力を調整することが可能になる。

〔光デバイスの第１の変形例〕
次に、光デバイス１の第１の変形例（以下、光デバイス１Ａと記載）について、図２を参照して説明する。図２は、光デバイス１Ａの平面図である。

光デバイス１と光デバイス１Ａとの相違点は、以下のとおりである。すなわち、光デバイス１においては、図１の（ａ）に示すように、３つの直方体部１３１〜１３３を組み合わせた、平面視形状が弧状の支持体１３を用い、この支持体１３により熱伝導体１２を三方から取り囲む構成が採用されている。これに対して、光デバイス１Ａにおいては、図２に示すように、４つの直方体部１３１〜１３４を組み合わせた、平面視形状が環状の支持体１３Ａを用い、この支持体１３Ａにより熱伝導体１２を四方から取り囲む構成が採用されている。なお、図２には、支持体１３Ａが光ファイバＯＦの融着点を中心とする長方形の周上を通る構成を示しているが、当該構成に代えて、支持体１３Ａが光ファイバＯＦの融着点を中心とする円の周上を通る構成を採用してもよい。

光デバイス１の支持体１３は、光デバイス１Ａの支持体１３Ａと比べて、サイズが小さい。したがって、光デバイス１には、光デバイス１Ａと比べて、水平方向の装置サイズを小型化し易いというメリットがある。一方、光デバイス１Ａの支持体１３Ａは、光デバイス１の支持体１３と比べて、形状の対称性が高いため、熱膨張しても歪みが生じ難い。したがって、光デバイス１Ａには、光デバイス１と比べて、光ファイバＯＦが張力以外の応力を支持体１３Ａから受け難いというメリットがある。また、光デバイス１Ａの支持体１３Ａは、光デバイス１の支持体１３と比べて、サイズが大きいため、温度が上昇し難い。したがって、光デバイス１Ａには、支持体１３がより熱膨張し難いというメリットがある。

〔光デバイスの第２の変形例〕
次に、光デバイス１の第２の変形例（以下、光デバイス１Ｂと記載）について、図３を参照して説明する。図３は、光デバイス１Ｂの断面図である。

光デバイス１と光デバイス１Ｂとの相違点は、以下のとおりである。すなわち、光デバイス１においては、図１の（ｂ）に示すように、支持体１３がヒートシンク１１の上面に載置されている。これに対して、光デバイス１Ｂにおいては、図３に示すように、支持体１３がヒートシンク１１の上面に載置されていない。また、光デバイス１Ｂにおいては、図３に示すように、光ファイバＯＦの第１被覆区間Ｉｂ１が樹脂体１８を介して熱伝導体１２と熱接触しており、光ファイバＯＦの第２被覆区間Ｉｂ２が樹脂体１９を介して熱伝導体１２と熱接触している。なお、支持体１３は、支持体１３の重さが側圧として光ファイバＯＦに作用しないよう、例えば、光デバイス１Ｂの蓋の下面に固定されている。

光デバイス１においては、支持体１３がヒートシンク１１の上面に形成されている。したがって、光デバイス１には、光デバイス１Ｂと比べて、垂直方向の装置サイズを小型化し易いというメリットがある。一方、光デバイス１Ｂにおいては、光ファイバＯＦの第１被覆区間Ｉｂ１及び第２被覆区間Ｉｂ２が熱伝導体１２と熱接触している。したがって、光デバイス１Ｂには、光デバイス１と比べて、第１被覆区間Ｉｂ１及び第２被覆区間Ｉｂ２の温度が上昇し難いというメリットがある。また、光デバイス１Ｂにおいては、光ファイバＯＦから熱伝導体１２への熱が下向きに伝導されるのに対して、光ファイバＯＦから支持体１３への熱が上向きに伝導されるため、支持体１３の温度が上昇し難い。したがって、光デバイス１Ａには、支持体１３がより熱膨張し難いというメリットがある。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１光デバイス
１１ヒートシンク
１２熱伝導体
１３支持体
１４樹脂体
１５〜１６接着剤
１７熱電対

Claims

熱伝導体と、
上記熱伝導体とは別体の支持体であって、熱膨張率が上記熱伝導体よりも小さい単一の支持体と、
被覆除去区間を覆う樹脂体を介して上記熱伝導体に熱接触すると共に、該被覆除去区間に隣接する２つの被覆区間の各々において上記支持体に固定された光ファイバと、を備え、
上記光ファイバは、上記２つの被覆区間の各々において接着剤により上記支持体に固定されており、
上記樹脂体のヤング率は、上記接着剤のヤング率よりも小さい、
ことを特徴とする光デバイス。
熱伝導体と、
上記熱伝導体とは別体の支持体であって、熱膨張率が上記熱伝導体よりも小さい単一の支持体と、
被覆除去区間を覆う樹脂体を介して上記熱伝導体に熱接触すると共に、該被覆除去区間に隣接する２つの被覆区間の各々において上記支持体に固定された光ファイバと、を備え、
上記支持体は、平面視形状が上記熱伝導体の三方を囲う弧状の支持体である、
ことを特徴とする光デバイス。
熱伝導体と、
上記熱伝導体とは別体の支持体であって、熱膨張率が上記熱伝導体よりも小さい単一の支持体と、
被覆除去区間を覆う樹脂体を介して上記熱伝導体に熱接触すると共に、該被覆除去区間に隣接する２つの被覆区間の各々において上記支持体に固定された光ファイバと、を備え、
上記支持体は、平面視形状が上記熱伝導体の四方を囲う環状の支持体である、
ことを特徴とする光デバイス。
上記支持体の熱伝導率は、上記熱伝導体の熱伝導率よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光デバイス。
上記熱伝導体と上記支持体との間には、隙間が存在する、
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光デバイス。
上記光ファイバは、上記被覆除去区間内に融着点を含んでいる、
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光デバイス。
熱伝導体と、
上記熱伝導体とは別体の支持体であって、熱膨張率が上記熱伝導体よりも小さい支持体と、
被覆除去区間を覆う樹脂体を介して上記熱伝導体に熱接触すると共に、該被覆除去区間に隣接する２つの被覆区間の各々において上記支持体に固定された光ファイバと、を備え、
上記支持体は、平面視形状が上記熱伝導体の三方を囲う弧状の支持体である、
ことを特徴とする光デバイス。
熱伝導体と、
上記熱伝導体とは別体の支持体であって、熱膨張率が上記熱伝導体よりも小さい支持体と、
被覆除去区間を覆う樹脂体を介して上記熱伝導体に熱接触すると共に、該被覆除去区間に隣接する２つの被覆区間の各々において上記支持体に固定された光ファイバと、を備え、
上記支持体は、平面視形状が上記熱伝導体の四方を囲う環状の支持体である、
ことを特徴とする光デバイス。