WO2015189965A1 - ファイバカップリングモジュール - Google Patents

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章之 門谷
東條　公資
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    • G01M11/088—Testing mechanical properties of optical fibres; Mechanical features associated with the optical testing of optical fibres

Definitions

  • the present invention relates to a fiber coupling module including an optical fiber connector that can be attached and detached by a user.
  • a method for monitoring unconnected (for example, poor connection) of an optical fiber cable to an optical fiber connector is known.
  • a light source such as a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) is used to monitor the change in the output of the light detection sensor depending on the presence or absence of an optical fiber connector (Patent Document 1).
  • a laser light absorbing medium is disposed behind the optical fiber connector, and when the optical fiber connector is not connected to the optical fiber cable, the temperature of the laser light absorbing medium disposed on the optical axis interlocked with the shutter or the like increases. Monitor the connection status of the optical fiber cable.
  • Patent Document 2 describes that the reflected light from the end face of the optical fiber is received and the presence or absence of connection of the optical fiber is detected based on the received light power.
  • the connection state of the optical fiber cable Monitoring is necessary for safety.
  • connection state of the optical fiber cable is monitored outside the fiber coupling module.
  • a sensor or the like is disposed in the vicinity of the optical fiber connector, resulting in difficulty in handling, an increase in the shape or complexity of the apparatus, and an associated increase in cost.
  • both the laser light source and the optical system of the monitoring system must take into account the characteristics such as the wavelength and output.
  • An object of the present invention is to provide a fiber coupling module having an optical fiber connector to which an optical fiber cable can be attached and detached, and capable of monitoring the connection state of the optical fiber cable inside the module.
  • the fiber coupling module according to the present invention has a second wavelength excluding light in the first wavelength band by setting a reflectance for light in the first wavelength band to be less than a predetermined value.
  • a coupling module comprising: a main light source that outputs light of the first wavelength band to the optical fiber cable; an auxiliary light source that outputs light of the second wavelength band to the optical fiber cable; and the optical fiber A detection unit that detects a connection state of the optical fiber cable to the optical fiber connector based on light of the second wavelength band reflected from the end face of the cable Equipped with a.
  • the light of the second wavelength band from the auxiliary light source is reflected by the low reflection film using the low reflection film applied to the end face of the optical fiber cable, and the second wavelength band is reflected by the detection unit.
  • a connection state of the optical fiber cable to the optical fiber connector is detected based on the light. Therefore, the connection state of the optical fiber cable can be monitored inside the fiber coupling module having the optical fiber connector.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fiber coupling module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the reflectance characteristics with respect to the wavelength of the low reflection film applied to the fiber end face according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the reflectance characteristics with respect to the wavelength of the actual broadband low-reflection film applied to the fiber end face according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the numerical aperture (NA) of the fiber according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a fiber coupling module according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the fiber coupling module according to the first embodiment of the present invention has a laser head 1 as shown in FIG.
  • a semiconductor laser 2 a collimating lens 3, a focus lens 4, an optical fiber connector 5, an auxiliary light source 7, a collimating lens 8, a focus lens 9, and a sensor 10 are provided.
  • the semiconductor laser 2 corresponds to the main light source of the present invention, and outputs laser light in the first wavelength band.
  • the collimating lens 3 converts the laser beam from the semiconductor laser 2 into parallel light.
  • the focus lens 4 condenses the parallel light from the collimating lens 3.
  • the laser head 1 is coupled to an optical fiber cable 6 via an optical fiber connector 5.
  • the optical fiber cable 6 is detachable by the optical fiber connector 5.
  • the reflectivity of the semiconductor laser 2 with respect to the light in the first wavelength band is set to a value less than a predetermined value (for example, 0.2%) to remove the light in the first wavelength band.
  • a low-reflection film (an anti-reflection coat (AR coat)) 50 is set to set the reflectance with respect to light in the wavelength band to a predetermined value or more (for example, 90%).
  • FIG. 2 is a diagram showing the reflectance characteristics with respect to the wavelength of the low-reflection film 50 applied to the fiber end face according to Example 1 of the present invention.
  • the reflectance of the semiconductor laser 2 with respect to the light in the first wavelength band (wavelength ⁇ 0 to ⁇ 2) is set to 0.2%, for example, and the first wavelength band except for the light in the first wavelength band is excluded.
  • the reflectance with respect to light in the second wavelength band is set to 90%, for example.
  • the auxiliary light source 7 outputs light in the second wavelength band to the optical fiber cable 6 and is used for monitoring the connection state of the optical fiber cable 6 or used as guide light (aiming light) depending on the wavelength.
  • the collimating lens 8 changes the light in the second wavelength band from the auxiliary light source 7 into parallel light.
  • the focus lens 4 condenses the parallel light from the collimating lens 8.
  • the focus lens 4 collimates the light in the second wavelength band reflected by the low reflection film 50 provided on the optical fiber end face of the optical fiber cable 6.
  • the focus lens 9 condenses the parallel light from the focus lens 4 and outputs it to the sensor 10.
  • the sensor 10 corresponds to the detection unit of the present invention, and is based on the light in the second wavelength band reflected by the low reflection film 50 applied to the end surface of the optical fiber cable 6 through the focus lens 9. The connection state to the optical fiber connector 5 is detected.
  • the first wavelength band of the semiconductor laser 2 that is, the wavelength band coupled to the optical fiber cable 6 is 630 nm to 1500 nm.
  • the wavelength band used for connection monitoring of the optical fiber cable 6 is 1500 nm or more or 630 nm or less.
  • Laser light having a wavelength band of 630 nm to 1500 nm from the semiconductor laser 2 is output to the focus lens 4 through the collimator lens 3.
  • the focus lens 4 collects the parallel light in the wavelength band of 630 nm to 1500 nm from the collimator lens 3 and outputs it to the end face of the optical fiber cable 6. Then, most of the laser light having a wavelength band of 630 nm to 1500 nm from the focus lens 4 is output to the optical fiber cable 6.
  • light of 1500 nm or more or 630 nm or less from the auxiliary light source 7 is output to the focus lens 4 through the collimator lens 8.
  • the focus lens 4 condenses the light of 1500 nm or more or 630 nm or less from the collimating lens 8 and outputs it to the end face of the optical fiber cable 6.
  • the low reflection film 50 applied to the end face of the optical fiber cable 6 reflects most of the light of 1500 nm or more or 630 nm or less from the focus lens 4 and guides it to the focus lens 4. For this reason, light of 1500 nm or more or 630 nm or less from the focus lens 4 is detected by the sensor 10 via the collimating lens 9.
  • the sensor 10 is not less than 1500 nm or not more than 630 nm. Light is not guided. For this reason, it can be determined that an error such as disconnection of the optical fiber cable 6 has occurred.
  • connection state of the optical fiber cable 6 can be monitored in the laser head 1, it is not necessary to construct a system such as a sensor outside the fiber coupling module, and the user-friendliness is improved.
  • a low reflection film 50 is applied to the end face of the fiber, and the reflectance is higher on the short wavelength side and the long wavelength side than the wavelength band (first wavelength band) where the low reflection film 50 provides a low reflectance.
  • the connection state of the optical fiber cable 6 can be monitored using the auxiliary light source 7 in the wavelength band (second wavelength band).
  • the auxiliary light source 7 uses a light source on the long wavelength side, so that damage or the like on the fiber end face can be suppressed and a highly reliable system can be constructed.
  • a visible light source may be used as the auxiliary light source 7.
  • the auxiliary light source 7 can be used for monitoring the connection state of the optical fiber cable 6 and can also be used as a positioning laser beam for laser processing, that is, a guide beam.
  • NA sin ⁇ , for example, 0.1 to 0.2.
  • ⁇ is an angle formed between the central axis of the core 22 and the incident beam on the end face of the optical fiber.
  • the low reflection film 50 applied to the end face of the optical fiber cable 6 is used, and the light in the second wavelength band from the auxiliary light source 7 is transmitted through the low reflection film 50.
  • the sensor 10 detects the connection state of the optical fiber cable 6 to the optical fiber connector 5 based on the light in the second wavelength band. Therefore, the connection state of the optical fiber cable 6 can be monitored inside the fiber coupling module having the optical fiber connector 5.
  • Example 2 In the case where the main light source is a high-power laser or the like and the size is increased or the laser module is constituted by a plurality of light sources, it is difficult to arrange the auxiliary light source 7 and the sensor 10 as shown in FIG.
  • each of the auxiliary light source 7 and the sensor 10 is disposed at a position excluding the optical axis of the beam output from the semiconductor laser 2 as the main light source. It solves the above problem. The details will be described below.
  • Example 2 a laser module 11 is used in place of the semiconductor laser 2. On the optical axis of the laser module 11, the collimating lens 3 and the focus lens 4 are disposed. The laser module 11 outputs laser light to the focus lens 4 via the collimator lens 3.
  • the auxiliary light source 7 and the collimating lens 8 shown in FIG. 5 are arranged at a position rotated about 90 ° counterclockwise with respect to the auxiliary light source 7 and the collimating lens 8 shown in FIG. Between the collimating lens 8 and the focus lens 4, a dichroic mirror 12 a that is inclined approximately 45 degrees with respect to the optical axis of the auxiliary light source 7 is disposed.
  • the sensor 10 and the focus lens 9 shown in FIG. 5 are arranged at a position rotated about 90 ° clockwise with respect to the sensor 10 and the focus lens 9 shown in FIG. Between the focus lens 9 and the focus lens 4, a dichroic mirror 12b that is inclined by approximately 45 degrees with respect to the axis of the sensor 10 is disposed.
  • the auxiliary light source 7 and the sensor 10 are arranged on the optical axis of the laser module 11 by folding the beam of the auxiliary light source 7 with the dichroic mirrors 12a and 12b. Therefore, a space can be ensured independently of the optical axis of the laser module 11, and both the output beam and the monitoring system can be independent.
  • the present invention can be applied to a laser apparatus that performs laser processing, laser treatment, and laser measurement.

Abstract

　ファイバカップリングモジュールは、第１の波長帯の光に対する反射率を所定値未満に設定し第１の波長帯の光を除く第２の波長帯の光に対する反射率を所定値以上に設定する低反射膜５０を端面に施した光ファイバケーブル６が脱着可能な光ファイバコネクタ５を有し、光ファイバコネクタを介して光ファイバケーブルに結合する。主光源２は、第１の波長帯の光を光ファイバケーブルに出力する。補助光源７は、第２の波長帯の光を光ファイバケーブルに出力する。検出部１０は、光ファイバケーブルの端面から反射されてくる第２の波長帯の光に基づき光ファイバケーブルの光ファイバコネクタへの接続状態を検出する。

Description

ファイバカップリングモジュール
　本発明は、ユーザにより脱着可能な光ファイバコネクタを備えたファイバカップリングモジュールに関する。
　従来より光ファイバコネクタへの光ファイバケーブルの未接続（例えば、接続不良）を監視する方法が知られている。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の光源を用いて、光ファイバコネクタの有無により光検出センサの出力が変化することを監視する（特許文献１）。
　あるいは、光ファイバコネクタの後方にレーザ光吸収媒体を配置し、光ファイバコネクタが光ファイバケーブルに未接続時には、シャッター等と連動する光軸に配置されたレーザ光吸収媒体の温度が上昇することで、光ファイバケーブルの接続状態を監視する。
　また、特許文献２には光ファイバ端面からの反射光を受光し、受光パワーに基づいて光ファイバの接続の有無を検知することが記載されている。
　光ファイバケーブルが脱着可能な光ファイバコネクタを有し、加工用や医療用等で用いられている高出力レーザ光を光ファイバケーブルへ結合するファイバカップリングモジュールにおいては、光ファイバケーブルの接続状態の監視が安全上必要となる。
特開２０１３－３６８２６号公報 特開２００７－２１４６１４号公報
　しかしながら、上述した従来技術では、ファイバカップリングモジュールの外部で光ファイバケーブルの接続状態を監視していた。このため、光ファイバコネクタ近傍にセンサ等が配置され、取り回し難さや装置形状の増加や複雑化、これらに伴うコストアップが発生していた。
　また、高出力レーザ光の光軸上に監視システムの光学系を配置すると、レーザ光源と監視システムの光学系との双方が各々の波長、出力等の特性を考慮しなければならない。
　本発明は、光ファイバケーブルが脱着可能な光ファイバコネクタを有し、モジュール内部で光ファイバケーブルの接続状態を監視できるファイバカップリングモジュールを提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明に係るファイバカップリングモジュールは、第１の波長帯の光に対する反射率を所定値未満に設定し前記第１の波長帯の光を除く第２の波長帯の光に対する反射率を所定値以上に設定する低反射膜を端面に施した光ファイバケーブルが脱着可能な光ファイバコネクタを有し、前記光ファイバコネクタを介して前記光ファイバケーブルに結合するファイバカップリングモジュールであって、前記第１の波長帯の光を前記光ファイバケーブルに出力する主光源と、前記第２の波長帯の光を前記光ファイバケーブルに出力する補助光源と、前記光ファイバケーブルの前記端面から反射されてくる前記第２の波長帯の光に基づき前記光ファイバケーブルの前記光ファイバコネクタへの接続状態を検出する検出部とを備える。
　本発明によれば、光ファイバケーブルの端面に施された低反射膜を用い、補助光源からの第２の波長帯の光が低反射膜で反射されて、検出部により第２の波長帯の光に基づき光ファイバケーブルの光ファイバコネクタへの接続状態が検出される。従って、光ファイバコネクタを有するファイバカップリングモジュール内部で光ファイバケーブルの接続状態を監視することができる。
図１は本発明の実施例１に係るファイバカップリングモジュールの構成を示す図である。 図２は本発明の実施例１に係るファイバ端面に施された低反射膜の波長に対する反射率特性を示す図である。 図３は本発明の実施例１に係るファイバ端面に施された実際の広帯域の低反射膜の波長に対する反射率特性を示す図である。 図４は本発明の実施例１に係るファイバの開口数（ＮＡ）を説明するための図である。 図５は本発明の実施例２に係るファイバカップリングモジュールの構成を示す図である。
　以下、本発明の実施形態に係るファイバカップリングモジュールが図面を参照しながら詳細に説明される。
（実施例１）
　本発明の実施例１に係るファイバカップリングモジュールは、図１に示すように、レーザヘッド１を有している。このレーザヘッド１内には、半導体レーザ２、コリメートレンズ３、フォーカスレンズ４、光ファイバコネクタ５、補助光源７、コリメートレンズ８、フォーカスレンズ９、センサ１０が設けられている。
　半導体レーザ２は、本発明の主光源に対応し、第１の波長帯のレーザ光を出力する。コリメートレンズ３は、半導体レーザ２からのレーザ光を平行光にする。フォーカスレンズ４は、コリメートレンズ３からの平行光を集光する。レーザヘッド１は、光ファイバコネクタ５を介して光ファイバケーブル６へ結合する。光ファイバケーブル６は、光ファイバコネクタ５により脱着可能である。
　光ファイバケーブル６の光ファイバ端面には、半導体レーザ２の第１の波長帯の光に対する反射率を所定値未満（例えば０．２％）に設定し第１の波長帯の光を除く第２の波長帯の光に対する反射率を所定値以上（例えば９０％）に設定する低反射膜（anti-reflection coat;ＡＲコート）５０が施されている。
　図２は本発明の実施例１に係るファイバ端面に施された低反射膜５０の波長に対する反射率特性を示す図である。図２に示すように、半導体レーザ２の第１の波長帯（波長λ0～λ2の範囲）の光に対する反射率が例えば、０．２％に設定され、第１の波長帯の光を除く第２の波長帯の光に対する反射率が例えば９０％に設定されている。
　補助光源７は、第２の波長帯の光を光ファイバケーブル６に出力するもので、光ファイバケーブル６の接続状態を監視するために使用されたり、波長によってガイド光（エイミング光）として使用される。
　コリメートレンズ８は、補助光源７からの第２の波長帯の光を平行光にする。フォーカスレンズ４は、コリメートレンズ８からの平行光を集光する。フォーカスレンズ４は、光ファイバケーブル６の光ファイバ端面に施された低反射膜５０で反射された第２の波長帯の光を平行光にする。
　フォーカスレンズ９は、フォーカスレンズ４からの平行光を集光してセンサ１０に出力する。センサ１０は、本発明の検出部に対応し、フォーカスレンズ９を介して光ファイバケーブル６の端面に施された低反射膜５０で反射された第２の波長帯の光に基づき、光ファイバケーブル６の光ファイバコネクタ５への接続状態を検出する。
　次にこのように構成された実施例１のファイバカップリングモジュールの動作を図１を参照しながら説明する。
　ここでは、ファイバ端面に塗布された実際の反射防止膜５０の波長に対する反射率特性は、図３に示すようになっている。半導体レーザ２の第１の波長帯、即ち、光ファイバケーブル６に結合する波長帯は、６３０ｎｍ～１５００ｎｍである。光ファイバケーブル６の接続監視に使用される波長帯は、１５００ｎｍ以上あるいは６３０ｎｍ以下である。
　まず、光ファイバケーブル６が光ファイバコネクタ５に接続されている場合についての動作を説明する。
　半導体レーザ２からの６３０ｎｍ～１５００ｎｍの波長帯のレーザ光は、コリメートレンズ３を介してフォーカスレンズ４に出力される。フォーカスレンズ４は、コリメートレンズ３からの６３０ｎｍ～１５００ｎｍの波長帯の平行光を集光して、光ファイバケーブル６の端面に出力する。すると、フォーカスレンズ４からの６３０ｎｍ～１５００ｎｍの波長帯のレーザ光の殆どを光ファイバケーブル６に出力する。
　一方、補助光源７からの１５００ｎｍ以上あるいは６３０ｎｍ以下の光は、コリメートレンズ８を介してフォーカスレンズ４に出力される。フォーカスレンズ４は、コリメートレンズ８からの１５００ｎｍ以上あるいは６３０ｎｍ以下の光を集光して、光ファイバケーブル６の端面に出力する。
　すると、光ファイバケーブル６の端面に施された低反射膜５０は、フォーカスレンズ４からの１５００ｎｍ以上あるいは６３０ｎｍ以下の光の殆どを反射させてフォーカスレンズ４に導く。このため、フォーカスレンズ４からの１５００ｎｍ以上あるいは６３０ｎｍ以下の光はコリメートレンズ９を介してセンサ１０で検出される。
　このため、センサ１０の検出値により、光ファイバケーブル６が光ファイバコネクタ５に接続されていることを検出できる。
　次に、光ファイバケーブル６が光ファイバコネクタ５に未接続であったり、接続が中途半端であったり、あるいはファイバ端面角度が正規の状態とは異なる場合には、センサ１０に１５００ｎｍ以上あるいは６３０ｎｍ以下の光が導光されない。このため、光ファイバケーブル６の未接続等のエラーが発生したことを判別することができる。
　このように、レーザヘッド１内で光ファイバケーブル６の接続状態を監視できるため、ファイバカップリングモジュール外にセンサ等のシステムを構築する必要がなく、ユーザの取り扱い性が向上する。
　また、ファイバ端面に低反射膜５０を施し、低反射膜５０により低反射率となる波長帯（第１の波長帯）よりも短波長側、長波長側は反射率が高くなるため、その領域の波長帯（第２の波長帯）の補助光源７を用いて、光ファイバケーブル６の接続状態を監視することができる。
　また、補助光源７は、長波長側の光源を使用することで、光子エネルギーが低減するので、ファイバ端面での損傷等を抑制でき、信頼性の高いシステムを構築することができる。
　さらに、補助光源７として、可視光光源を用いても良い。図４に示すように、レーザ光２３をコア２２とクラッド２１とからなる光ファイバのコア２２に伝送させる際に、可視光光源のビームの少なくとも一部を光ファイバケーブルの開口数（Numerical Aperture;ＮＡ）内に収まるように設定して、光ファイバケーブルの出射端に出力する。これにより、補助光源７を、光ファイバケーブル６の接続状態の監視に用いることができるとともに、レーザ加工のための位置決め用のレーザ光、即ち、ガイド光としても用いることができる。
　なお、ＮＡ＝ｓｉｎθであり、例えば、０．１～０．２である。θは、図４に示すように、光ファイバ端面においてコア２２の中心軸と入射されるビームとのなす角度である。
　このように実施例１のファイバカップリングモジュールによれば、光ファイバケーブル６の端面に施された低反射膜５０を用い、補助光源７からの第２の波長帯の光が低反射膜５０で反射されて、センサ１０により第２の波長帯の光に基づき光ファイバケーブル６の光ファイバコネクタ５への接続状態が検出される。従って、光ファイバコネクタ５を有するファイバカップリングモジュール内部で光ファイバケーブル６の接続状態を監視することができる。
（実施例２）
　主光源が高出力レーザ等でサイズが大きくなったり、複数の光源により構成されるレーザモジュールである場合には、補助光源７やセンサ１０を図１に示すように配置することは困難である。
　そこで、図５に示す実施例２に係るファイバカップリングモジュールは、補助光源７及びセンサ１０の各々を、主光源である半導体レーザ２から出力されるビームの光軸を除く位置に配置することにより上記問題を解決したものである。以下、その詳細について説明する。
　実施例２では、半導体レーザ２に代えて、レーザモジュール１１が用いられている。レーザモジュール１１の光軸上には、コリメートレンズ３とフォーカスレンズ４とが配置される。レーザモジュール１１は、レーザ光をコリメートレンズ３を介してフォーカスレンズ４に出力する。
　図５に示す補助光源７とコリメートレンズ８は、図１に示す補助光源７とコリメートレンズ８に対して略９０°反時計方向に回転させた位置に配置されている。コリメートレンズ８とフォーカスレンズ４との間には補助光源７の光軸に対して略４５度傾斜させたダイクロイックミラー１２ａが配置されている。
　図５に示すセンサ１０とフォーカスレンズ９は、図１に示すセンサ１０とフォーカスレンズ９に対して略９０°時計方向に回転させた位置に配置されている。フォーカスレンズ９とフォーカスレンズ４との間にはセンサ１０の軸に対して略４５度傾斜させたダイクロイックミラー１２ｂが配置されている。
　このように構成された実施例２のファイバカップリングモジュールによれば、ダイクロイックミラー１２ａ，１２ｂにより補助光源７のビームを折り返すことで、レーザモジュール１１の光軸上に補助光源７、センサ１０を配置しないように構成したので、レーザモジュール１１の光軸とは独立しつつスペースを確保し、出力ビームと監視システムとの双方が独立したシステムとすることができる。
　本発明は、レーザ加工、レーザ治療、レーザ計測を行うレーザ装置に適用可能である。

Claims (5)

  1. 　第１の波長帯の光に対する反射率を所定値未満に設定し前記第１の波長帯の光を除く第２の波長帯の光に対する反射率を所定値以上に設定する低反射膜を端面に施した光ファイバケーブルが脱着可能な光ファイバコネクタを有し、前記光ファイバコネクタを介して前記光ファイバケーブルに結合するファイバカップリングモジュールであって、
    　前記第１の波長帯の光を前記光ファイバケーブルに出力する主光源と、
    　前記第２の波長帯の光を前記光ファイバケーブルに出力する補助光源と、
    　前記光ファイバケーブルの前記端面から反射されてくる前記第２の波長帯の光に基づき前記光ファイバケーブルの前記光ファイバコネクタへの接続状態を検出する検出部と、
    を備えるファイバカップリングモジュール。
  2. 　前記補助光源は、前記第１の波長帯よりも長波長の光源からなる請求項１記載のファイバカップリングモジュール。
  3. 　前記補助光源は、可視光光源からなり、前記可視光光源は、ビームを前記光ファイバケーブルの出射端に出力する請求項１又は請求項２記載のファイバカップリングモジュール。
  4. 　前記可視光光源のビームの少なくとも一部を前記光ファイバケーブルの開口数内に収まるように設定して、前記光ファイバケーブルの出射端に出力する請求項３記載のファイバカップリングモジュール。
  5. 　前記補助光源及び前記検出部の各々は、前記主光源から出力されるビームの光軸を除く位置に配置される請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のファイバカップリングモジュール。
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