JP6765210B2 - 光ファイバ・石英ブロック接合構造及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ・石英ブロック接合構造及びその製造方法に関する。

レーザ光伝送に用いられる光ファイバの先端に石英ブロックを接合した構造が知られている（例えば特許文献１〜４）。

ところで、レーザ光伝送用の光ファイバケーブルでは、入射端部側の光コネクタ内において、軸ずれ等のために光ファイバのコアに入射されなかったレーザ光に起因して、また、出射端部側の光コネクタ内において、レーザ光照射対象からの反射光に起因して、光ファイバ心線のジャケットが炭化焼損し、そのために光ファイバも破断するといった損傷が生じる虞がある。そして、かかる損傷を防止する手段として、特許文献５には、光コネクタ内の空間にレーザ光や反射光を検知するための光センサが設けられ、その光センサがインターロック回路に接続された光コネクタ構造が開示されている。

特開２０００−３２１４７０号公報 特開２００７−２７９２８９号公報 特開２００９−１８０７７０号公報 特開２００９−５２６２６５号公報 特表２０１５−５０５９６９号公報

本発明の課題は、光ファイバのコアに入射されなかった光や光照射対象からの反射光に起因する損傷を低減することである。

本発明は、光ファイバと石英ブロックとが接合されたレーザ加工に用いられる光ファイバ・石英ブロック接合構造であって、前記光ファイバは、前記石英ブロックにおける前記光ファイバ側に膨出するように形成された部分内に接合されており、前記石英ブロックにおける前記光ファイバ側に膨出するように形成された部分の表面は、前記光ファイバの軸をｚ軸とする座標系において、前記光ファイバの断面の半径をＲ _０ として、−２Ｒ _０ ≦ｘ≦２Ｒ _０ 及び−２Ｒ _０ ≦ｙ≦２Ｒ _０ の範囲で、下記式（１）で表される回転楕円面、又は、下記式（２）で表される双曲面で最小２乗近似したとき、その決定係数が０．９５以上となる外向きに凸の曲面であり、

前記光ファイバの先端が前記石英ブロックの内部に位置している。

本発明は、本発明の光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法であって、前記光ファイバを、前記石英ブロックにおける前記光ファイバ側に膨出するように形成された部分内に接合し、前記光ファイバの先端を前記石英ブロックの内部に位置させる。

本発明によれば、光ファイバが石英ブロックの光ファイバ側に膨出するように形成された曲面に接合されていると共に、光ファイバの先端が石英ブロックの内部に位置しているので、軸ずれ等のために光ファイバに入射されない光のうち、光ファイバと石英ブロックとの接合部近傍を通過して空間へ出射するものは、石英ブロックの曲面で屈折して光ファイバに沿った方向に伝搬するのが規制されると共に、石英ブロックの曲面のレンズ効果により広げられてパワー密度が低下し、その結果、これらの光ファイバのコアに入射されなかった光や光照射対象からの反射光に起因した損傷を低減することができる。

実施形態に係る光コネクタ構造の断面図である。 実施形態に係る光ファイバ心線の斜視図である。 実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造の断面図である。 実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造の動作を示す図である。 従来技術の光ファイバ・石英ブロック接合構造の動作を示す図である。 実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造の断面拡大図である。 光ファイバの最小の押し込み量の場合の実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造の断面図である。 光ファイバの押し込み量が最小値よりも大きい場合の実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造の断面図である。 実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法を示す第１の図である。 実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法を示す第２の図である。 実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法を示す第３の図である。 実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法を示す第４の図である。 実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法を示す第５の図である。 実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法の変形例を示す図である。

以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る光コネクタ構造Ｃを示す。この実施形態に係る光コネクタ構造Ｃは、例えばレーザ加工機等に装着されるレーザ光伝送用の光ファイバケーブルの入射端部及び／又は出射端部に構成されるものである。

実施形態に係る光コネクタ構造Ｃは、光ファイバ心線１０に光コネクタ２０が取り付けられて構成されている。

図２は、実施形態に係る光ファイバ心線１０を示す。

光ファイバ心線１０は、光ファイバ１１とそれを被覆するジャケット１２とを有する。光ファイバ心線１０の外径は例えば１．３ｍｍである。

光ファイバ１１は、相対的に高屈折率なコア１１ａとそれを被覆する相対的に低屈折率のクラッド１１ｂとを有する。光ファイバ１１は、例えば、コア１１ａが純粋石英で形成されており、クラッド１１ｂが屈折率を低下させるドーパントがドープされた石英で形成されている。光ファイバ１１の外径は例えば５００μｍである。コア１１ａの直径は例えば１００μｍである。コア１１ａの開口数（ＮＡ）は例えば０．２０である。なお、光ファイバ１１は、クラッド１１ｂの外側を更に被覆するサポート層を有していてもよい。

ジャケット１２は、紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等で形成された単一層で構成されていてもよく、また、例えばシリコーン樹脂の内側バッファ層とそれを被覆するナイロン樹脂或いはフッ素樹脂の外側被覆層との２層で構成されていてもよい。

光コネクタ２０内に位置する光ファイバ心線１０の端部は、先端側のファイバ露出部分１０ａと、そのファイバ露出部分１０ａの後方側のジャケット１２で被覆されたジャケット被覆部分１０ｂとを含む。

ファイバ露出部分１０ａは、ジャケット１２で被覆されずに光ファイバ１１が突出するように露出しており、その露出した光ファイバ１１の外周面にモードストリッパ１３が設けられている。ここで、モードストリッパ１３とは、光ファイバ１１のクラッド１１ｂを伝搬する光を光ファイバ１１外に放出するための加工形状を意味する。モードストリッパ１３は、例えば光ファイバ１１の外周面にエッチング処理を施すことによって形成することができる。なお、光ファイバ１１がサポート層を有する場合には、サポート層を含めてモードストリッパ１３を形成する。

光コネクタ２０は、筒状部材により構成されたコネクタ本体２１を有する。コネクタ本体２１の内部には、中間部に長さ方向に延びるように形成された内径の大きいファイバ収容空間２１ａが設けられ、且つその後方に連続して形成された内径の小さい心線嵌入部２１ｂが設けられている。また、コネクタ本体２１の内部のファイバ収容空間２１ａの先端側には、ファイバ収容空間２１ａに連続するように形成されたブロック収容空間２１ｃが設けられている。ファイバ収容空間２１ａの先端部には環状の封止部材２２が内嵌めされており、その封止部材２２の開口には円筒状のファイバ保持部材２３が内嵌めされている。コネクタ本体２１におけるファイバ収容空間２１ａを形成する内壁は、光を散乱させるように粗面に形成されていてもよい。ブロック収容空間２１ｃには石英ブロック２４が収容されている。

この光コネクタ構造Ｃでは、光ファイバ心線１０の端部が光コネクタ２０の後方から挿通され、そして、ファイバ露出部分１０ａの先端部がファイバ保持部材２３に内嵌めされて保持され、また、ファイバ露出部分１０ａのモードストリッパ１３が構成された部分がファイバ収容空間２１ａを長さ方向に延び、更に、ジャケット被覆部分１０ｂが心線嵌入部２１ｂに内嵌めされて保持されている。ジャケット被覆部分１０ｂのジャケット１２の端面はファイバ収容空間２１ａに露出している。

ファイバ保持部材２３から露出したファイバ露出部分１０ａ、つまり、光ファイバ１１の先端はブロック収容空間２１ｃに収容された石英ブロック２４に接合されている。石英ブロック２４は、先端側部分が円柱状に形成されていると共に、後端側部分が円錐状に形成されており、その円錐状の後端側部分の頂部が光ファイバ１１側、つまり、後側に膨出するように形成された曲面２４ａであり、光ファイバ１１の先端は、その石英ブロック２４の後端側部分の頂部の曲面２４ａに接合されている。

図３は、実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造Ａを示す。

実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造Ａは、光ファイバ１１が石英ブロック２４の後端側部分の頂部の曲面２４ａに接合されていると共に、光ファイバ１１の先端が石英ブロック２４の内部に位置している。

このような構成の光コネクタ構造Ｃにおいて、光源からのレーザ光の出力を開始すると、入射端部側では、石英ブロック２４を介して入射したレーザ光は、主には光ファイバ１１のコア１１ａに入射して伝搬する。しかしながら、入射端部側の光コネクタ２０内においては、光源からのレーザ光のうち軸ずれ等のために光ファイバ１１に入射されないレーザ光が石英ブロック２４を伝搬し、石英ブロック２４の後端側部分に到達することがある。また、出射端部側の光コネクタ２０内においては、同様に、レーザ光照射対象からの反射光が石英ブロック２４に入射して伝搬し、石英ブロック２４の後端側部分に到達することがある。なお、光ファイバ１１のクラッド１１ｂに入射するクラッドモード光は、クラッド１１ｂと空気との界面で反射を繰り返して伝搬し、モードストリッパ１３において光ファイバ１１外に除去される。
また、実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造Ａによれば、光ファイバ１１が石英ブロック２４の光ファイバ１１側に膨出するように形成された曲面２４ａに接合されていると共に、光ファイバ１１の先端が石英ブロック２４の内部に位置しているので、光ファイバ１１と石英ブロック２４との接合部近傍を通過して空間へ出射するレーザ光Ｌは、図４Ａに示すように、石英ブロック２４の曲面２４ａで屈折して光ファイバ１１に沿った方向に伝搬するのが阻止されると共に、石英ブロック２４の曲面２４ａのレンズ効果により広げられてパワー密度が低下する結果、光ファイバ心線１０のジャケット１２や光コネクタ２０の損傷を低減することができる。これに対し、例えば、図４Ｂに示すような光ファイバ１１’が石英ブロック２４’の後側の平坦面２４ａ’に接合された光ファイバ・石英ブロック接合構造の場合、光ファイバ１１’と石英ブロック２４’との接合部近傍を通過して空間へ出射するレーザ光Ｌ’は、石英ブロック２４の平坦面２４ａ’で屈折せずに直線的に光ファイバ１１に沿った方向に伝搬し、光ファイバ心線１０’のジャケット１２’等が吸光、発熱して損傷を招く虞がある。

ここで、図３に示すように、光ファイバ１１の軸をｚ軸とする座標系において、光ファイバ１１の断面の半径をＲ_０としたとき、石英ブロック２４の曲面２４ａは、下記の式（１）で表される回転楕円面の式、又は、下記の式（２）で表される双曲面の式で近似して表すことができる。そして、これらの式を用いて−２Ｒ_０≦ｘ≦２Ｒ_０及び−２Ｒ_０≦ｙ≦２Ｒ_０の範囲で曲面２４ａの実測データに対して最小２乗近似を行い、各定数（ａ、ｂ、Ｒ_１、Ｃ）を設定したとき、その決定係数Ｒ^２が０．９５以上となることが好ましい。なお、決定係数Ｒ^２は、近似曲線（回帰曲線）と実測データとのフィッティングの度合いを示す値であり、この値が１に近いほどフィッティングの度合いが高いことを意味する。また、Ｒ_０は、一般的には例えば５０〜１５００μｍであり、レーザ加工用途の場合には例えば３００〜７５０μｍである。Ｒ_１／Ｒ_０は、好ましくは１００以下、より好ましくは６０以下である。

光ファイバ１１と石英ブロック２４との接合部において、石英ブロック２４の曲面２４ａが上記式（１）又は（２）で決定係数Ｒ^２が０．９５以上で近似されるとき、Ｒ_１は、光ファイバ１１の半径Ｒ_０及び後述する曲面２４ａに対する光ファイバ１１の押し込み量により適宜設定することができる。例えば、光ファイバの半径Ｒ_０を５００μｍとした場合、Ｒ_１は、光ファイバ１１の曲面２４ａへの押し込みによる歪みの発生を低減する観点から、好ましくは５００μｍ以上、より好ましくは１５００μｍ以上であり、また、曲面２４ａが平面に近づくことによるビーム偏向やビーム拡大の効果低下を抑制する観点から、好ましくは５０００μｍ以下、より好ましくは３０００μｍ以下である。また、Ｒ_１により曲面２４ａをレンズとしたときの光の焦点距離が決定する。この焦点距離が長い場合、石英ブロック２４の後段に配置されているファイバ保持部材２３と光ファイバ１１との隙間を光が通過する確率が高くなる。従って、これらの条件のバランスを考慮してＲ_１を設定することが好ましい。なお、曲面２４ａが球面に一致する場合、図５に示すように、Ｒ_１は、その球の半径である。

更に、図５に示すように、表面張力の作用により、石英ブロック２４の曲面２４ａと光ファイバ１１の外周面との間に内側に没入した曲面２５が形成されているとき、没入した曲面２５の側面視における曲率半径をＲ_２とすると、Ｒ_２は、好ましくは３０μｍ以上、より好ましくは８０μｍ以上であり、また、好ましくは１５００μｍ以下、より好ましくは７５０μｍ以下である。Ｒ_２／Ｒ_０は、好ましくは０．１以上、より好ましくは０．２５以上であり、また、好ましくは２以下、より好ましくは１以下である。

また、石英ブロック２４の曲面２４ａが上記式（１）又は（２）で決定係数Ｒ^２が０．９５以上で近似され且つ石英ブロック２４の曲面２４ａと光ファイバ１１の外周面との間に内側に没入した曲面２５が形成されているとき、Ｒ_２／Ｒ_１は、好ましくは０．０１以上、より好ましくは０．０２以上であり、また、好ましくは１以下、より好ましくは０．５以下である。

光ファイバ１１の先端部は石英ブロック２４に押し込められており、その先端は石英ブロック２４の内部に位置している。石英ブロック２４の曲面２４ａの後端から光ファイバ１１の先端までの長さ、つまり、光ファイバ１１の最小の押し込み量δは、図６Ａに示すように、光ファイバ１１の先端面の全面が石英ブロック２４に当接する状態である。図６Ｂに示すように更に押し込められたときの石英ブロック２４の曲面２４ａの後端からの光ファイバ１１の押し込み量δは、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは５０μｍ以上である。また、光ファイバ１１の押し込み量は、石英ブロック２４の内部に押し込まれる光ファイバ１１の変形のレーザ光の伝送特性への影響を抑える観点から、好ましくは５００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。なお、光ファイバ１１の先端位置は、石英ブロック２４の側面視で視認できるコア１１ａの先端位置である。

以上の構成の実施形態に係る光ファイバ・石英ブロック接合構造Ａは、図７Ａに示すように、光ファイバ１１及び石英ブロック２４の軸を一致させて配置し、図７Ｂに示すように、光ファイバ１１を石英ブロック２４の曲面２４ａに近接させ、図７Ｃに示すように、石英ブロック２４の曲面２４ａ部分、又は、光ファイバ１１の先端部分及び石英ブロック２４の曲面２４ａ部分を加熱溶融させた後、図７Ｄに示すように、光ファイバ１１の先端面を石英ブロック２４の曲面２４ａの頂部に当接させると共に、図７Ｅに示すように、光ファイバ１１を石英ブロック２４の内部側に押し込むことにより得ることができる。

ここで、光ファイバ１１を石英ブロック２４に接合する前に、図８に示すように、石英ブロック２４の光ファイバ１１の接合予定部の平坦面２４ａ’を加熱して溶融させることにより、その表面張力の作用で曲面２４ａに形成してもよい。このように石英ブロック２４の曲面２４ａの形成を、光ファイバ１１の接合予定部の平坦面２４ａ’を加熱溶融させることにより行えば、表面が滑らかで、欠陥の少ない曲面２４ａを得ることができ、また、研磨により形成する場合のように研磨材等の不純物が混入することがなく、更に、加熱により不純物を蒸散させる等の効果があることから、結果として、信頼性が高く、接続損失を低減することができる。なお、石英ブロック２４の曲面２４ａの形成は、研磨や研削等の機械加工によって行うこともできる。

また、このとき、石英ブロック２４の曲面２４ａの形成及びその曲面２４ａへの光ファイバ１１の接合を一連の工程で行う観点からは、光ファイバ１１の接合予定部の平坦面２４ａ’を加熱して曲面２４ａに形成するのに連続して、光ファイバ１１を石英ブロック２４の曲面２４ａに接合することが好ましい。

本発明は、光ファイバ・石英ブロック接合構造及びその製造方法の技術分野について有用である。

Ａ 光ファイバ・石英ブロック接合構造
１１ 光ファイバ
２４ 石英ブロック
２４ａ，２５ 曲面
２４ａ’ 平坦面

Claims (9)

1. 光ファイバと石英ブロックとが接合されたレーザ加工に用いられる光ファイバ・石英ブロック接合構造であって、
   前記光ファイバは、前記石英ブロックにおける前記光ファイバ側に膨出するように形成された部分内に接合されており、
   前記石英ブロックにおける前記光ファイバ側に膨出するように形成された部分の表面は、前記光ファイバの軸をｚ軸とする座標系において、前記光ファイバの断面の半径をＲ _０ として、−２Ｒ _０ ≦ｘ≦２Ｒ _０ 及び−２Ｒ _０ ≦ｙ≦２Ｒ _０ の範囲で、下記式（１）で表される回転楕円面、又は、下記式（２）で表される双曲面で最小２乗近似したとき、その決定係数が０．９５以上となる外向きに凸の曲面であり、
   

   

   前記光ファイバの先端が前記石英ブロックの内部に位置している光ファイバ・石英ブロック接合構造。
2. 請求項１に記載された光ファイバ・石英ブロック接合構造において、
   Ｒ_１／Ｒ_０が１００以下である光ファイバ・石英ブロック接合構造。
3. 請求項１又は２に記載された光ファイバ・石英ブロック接合構造において、
   前記石英ブロックの前記外向きに凸の曲面と前記光ファイバの外周面との間に内側に没入した曲面が形成されており、前記没入した曲面の側面視における曲率半径をＲ_２としたとき、Ｒ_２／Ｒ_０が０．１〜２である光ファイバ・石英ブロック接合構造。
4. 請求項３に記載された光ファイバ・石英ブロック接合構造において、
   前記Ｒ_２が３０〜１５００μｍである光ファイバ・石英ブロック接合構造。
5. 請求項３又は４に記載された光ファイバ・石英ブロック接合構造において、
   Ｒ_２／Ｒ_１が０．０１〜１である光ファイバ・石英ブロック接合構造。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載された光ファイバ・石英ブロック接合構造において、
   前記石英ブロックにおける前記光ファイバ側に膨出するように形成された部分の後端から前記光ファイバの先端までの長さが１０〜５００μｍである光ファイバ・石英ブロック接合構造。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載された光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法であって、
   前記光ファイバを、前記石英ブロックにおける前記光ファイバ側に膨出するように形成された部分内に接合し、前記光ファイバの先端を前記石英ブロックの内部に位置させる光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法。
8. 請求項７に記載された光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法において、
   前記光ファイバを前記石英ブロックに接合する前に、前記石英ブロックの前記光ファイバの接合予定部の平坦面を加熱して前記外向きに凸の曲面を形成する光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法。
9. 請求項８に記載された光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法において、
   前記光ファイバの接合予定部の平坦面を加熱して前記外向きに凸の曲面を形成するのに連続して、前記光ファイバを前記石英ブロックにおける前記光ファイバ側に膨出するように形成された部分内に接合する光ファイバ・石英ブロック接合構造の製造方法。

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