JP4976265B2

JP4976265B2 - 光ファイバの融着接続方法

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Publication number: JP4976265B2
Application number: JP2007312573A
Authority: JP
Inventors: 隆一杉崎; 和則武笠; 勝則今村; 亮宮部; 健八木
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-12-03
Also published as: JP2009139419A

Description

本発明は、長手方向に沿って形成された空孔を有する光ファイバを融着接続する光ファイバの融着接続方法に関するものである。

長手方向に沿って形成された空孔を有する光ファイバは、コアとクラッドを有する通常構造の光ファイバでは実現できない特性を持つことから注目を浴びている。特に空孔を有する光ファイバの広帯域特性や低曲げロス特性は、通常構造の光ファイバにおける常識を覆す値を示しており、将来の光ファイバとして脚光を浴びている。空孔を有するファイバとしては、たとえば屈折率がほぼ一様な光ファイバの中心軸近傍の周囲に空孔を設け、空孔を設けない中心軸近傍の領域をコアとして光を導波するホーリーファイバと呼ばれるものや、コアとクラッドを有する通常構造の光ファイバのコアの周囲に空孔を設けたホールアシストファイバと呼ばれるもの、中心軸上にコアとなる空孔を設け、さらこの空孔の周囲に空孔を周期的に配置することにより、フォトニックバンドギャップを生成して光を導波するフォトニックバンドギャップファイバと呼ばれるものなどがある。なお、これらの空孔を有する光ファイバは微細構造ファイバとも呼ばれている（特許文献１参照）。

一方、光ファイバの接続技術のうち、高信頼性かつ低損失で光ファイバを永久的に接続する技術として融着接続がある。融着接続とは、２本の光ファイバを調心し、これらの端部を高温に晒したのちに接触させることによって、光ファイバ同士を物理的かつ光学的に接続する技術である。融着接続の際には、光ファイバはその材料であるガラスの軟化点以上の高温に晒されるため、接続箇所は平滑に接続でき、その結果低損失での接続を実現することができる。

上述したように、融着接続の際に光ファイバの温度はガラス軟化点温度以上に達するため、光ファイバは局所的な変形を起こす。通常構造の光ファイバの場合は局所的な変形が発生しても問題ないレベルであり、かつ通常構造の光ファイバは円筒形であるため、ガラスが軟化しても表面張力によってその形状が維持されるため、問題にはならない。

しかし、空孔を有する光ファイバを融着接続しようとすると、ガラスの軟化によって空孔の形状の変形が発生してしまう。さらに、通常構造の光ファイバでは形状を維持する働きをしていた表面張力の影響によって、かえって空孔の内径が縮小してしまうという問題が発生してしまい、空孔による光閉じ込め効果が不十分となるか、または全くなくなってしまうため、閉じ込め損失が増大し、低損失な融着接続ができないという問題がある。

この問題を解決するため、ホーリーファイバを他の光ファイバと接続する際に、ホーリーファイバの空孔が潰れないように、放電強度および放電時間を調整して融着接続を行い、低損失での接続を実現する方法が開示されている（特許文献２参照）。

特開２００６−２６４９９７号公報特開２００４−１７７８０４号公報

しかしながら、従来のように空孔が潰れないようにホーリーファイバを融着接続する方法は、放電強度および放電時間などの放電条件の煩雑な調整が必要であるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より簡易に、空孔を有する光ファイバを低損失で融着接続できる光ファイバの融着接続方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバの融着接続方法は、長手方向に沿って形成された空孔を有する空孔光ファイバと、前記空孔光ファイバに接続すべき接続光ファイバとを融着接続する方法であって、前記空孔光ファイバの接続側端部において前記空孔の内径を初期の内径に対して拡径し、拡径部を形成する拡径部形成工程と、前記拡径部を形成した空孔光ファイバの前記接続側端部と、前記接続光ファイバの接続側端部とを近接させ、前記各接続側端部を加熱して融着接続する融着接続工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの融着接続方法は、上記の発明において、前記拡径部形成工程は、エッチング液に前記空孔光ファイバの接続側端部を浸漬することによって、該空孔光ファイバの空孔を拡径することを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの融着接続方法は、上記の発明において、前記空孔光ファイバの前記エッチング液に浸漬した部分の外径を測定することによって、前記拡径部の内径を推定する推定工程を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバの融着接続方法は、上記の発明において、前記拡径部形成工程は、前記空孔光ファイバの空孔内の気圧を高めた状態で、該空孔光ファイバの一部を加熱軟化して前記空孔の内径が拡径した拡径領域を形成する拡径領域形成工程と、前記拡径領域を形成した空孔光ファイバを、前記長手方向に垂直であって該拡径領域を横断する面で切断する切断工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、空孔光ファイバの接続側端部において空孔の内径を初期の内径に対して拡径して拡径部を形成し、接続側端部を加熱して融着接続するので、より簡易に、空孔を有する２つの光ファイバを低損失で融着接続できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバの融着接続方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る融着接続方法によって融着接続する光ファイバを長手方向に垂直な面で切断した模式的断面図である。また、図２は、図１に示す光ファイバを長手方向に沿って切断した模式的断面図である。図１、２に示すように、この空孔光ファイバ１は、中心に位置するコア部１ａと、コア部１ａの外周に位置し、コア部１ａの周囲において長手方向に沿って形成された複数の空孔１ｃを有するクラッド部１ｂとを備える、いわゆるホーリーファイバの構造を有するものである。なお、符号１ｄは光ファイバ１の接続側端部であり、接続側端部１ｄにおいて空孔光ファイバ１を他の光ファイバと接続する。

この空孔光ファイバ１のコア部１ａおよびクラッド部１ｂは、屈折率を変化させるドーパントを含んでいない純シリカガラスからなるが、同一のガラス材料からなるものであれば特に限定されない。また、たとえば、コア部１ａの直径は約１０μｍであり、クラッド部１ｂの外径は約１２５μｍである。また、空孔１ｃは、コア部１ａの周囲に三角格子状に形成されている。この空孔光ファイバ１は、空孔１ｃの内径をｄ、空孔１ｃ同士の中心間距離、すなわち三角格子の格子定数をΛとすると、Λは１０μｍであり、ｄ／Λは０．５０であって、たとえばカットオフ波長を１０００nm以下とした広帯域伝送の可能性を持ちつつ、１．５５μｍ帯の有効コア断面積を１１０μｍ²以上にすることが可能であり、広帯域低非線形光伝送路用の光ファイバとして好適に利用できる特性を有する。

つぎに、本実施の形態１に係る光ファイバの融着接続方法について説明する。図３〜６は、本実施の形態１に係る光ファイバの融着接続方法について説明する説明図である。はじめに、空孔光ファイバ１の接続側端部１ｄにおいて空孔１ｃの内径を初期の内径に対して拡径し、拡径部１ｃａを形成する。この拡径部１ｃａの形成は、空孔光ファイバ１の接続側端部１ｄをフッ酸などのエッチング液に浸漬し、空孔１ｃの内壁をエッチングすることによって行う。

つぎに、図４に示すように、空孔光ファイバ１と接続すべき接続光ファイバとして、空孔光ファイバ１と同様の構造を有する空孔光ファイバ２を準備する。すなわち、この空孔光ファイバ２は、中心に位置するコア部２ａと、コア部２ａの外周に位置し、コア部２ａの周囲において長手方向に沿って形成された複数の空孔２ｃを有するクラッド部２ｂとを備え、さらに接続側端部２ｄに拡径部２ｃａを形成したものである。そして、光ファイバ融着接続器（古河電気工業製 Fitel S175）を用いて、この空孔光ファイバ１と２を、接続側端部１ｄと２ｄとを対向させ、近接するように配置する。

つぎに、図５に示すように、空孔光ファイバ１と２の接続側端部１ｄと２ｄとを突き合わせながら、その接続点Ｃにアーク電極棒Ｅからアーク放電Ａ１を放出し、接続側端部１ｄと２ｄとを加熱し、空孔光ファイバ１と２とを融着接続する。このときの放電強度および放電時間は、光空孔ファイバ１と２とが十分な機械的強度で接続されるとともに、拡径部１ｃａ、２ｃａが初期の内径、すなわち空孔１ｃまたは２ｃとほぼ同じ内径まで縮径するように設定する。たとえば、空孔光ファイバ１と２は、標準のシングルモード光ファイバと同じ外径を有するので、標準のシングルモード光ファイバを融着接続する放電条件とすることで、十分な機械的強度で融着接続ができる。

その結果、図６に示すように、空孔光ファイバ１と２は、接続点Ｃにおいて融着接続される。一方、拡径部１ｃａ、２ｃａは初期の内径とほぼ同じ内径まで縮径しているため、この接続点Ｃの近傍において空孔の変形や縮径による閉じ込め損失の増大は発生しないため、低損失での融着接続ができる。

なお、拡径部１ｃａ、２ｃａをどの程度の内径で形成するか、および端面からどの程度の長さで形成するかについては、たとえば以下のように決定する。はじめに、空孔光ファイバ１、２と同一構造の空孔光ファイバを、接続点の機械的強度が十分に確保できるような放電条件で融着接続する予備実験を行なう。その後、接続点において空孔がどの程度の長さにわたってどの程度縮径されたかを測定し、その縮径した量を補うだけの内径の拡径部１ｃａ、２ｃａを、縮径した長さにわたって形成すればよい。

また、拡径部１ｃａ、２ｃａの形成をエッチングにより実施する場合、予め空孔光ファイバ１のガラス材料に対するエッチング液のエッチングレートを調べておき、このエッチングレートに基づいて、空孔光ファイバ１のエッチング液への浸漬時間を適宜調整する。これによって、所望の拡径量を容易に実現することができる。なお、空孔光ファイバ１をエッチング液に浸漬した場合は、空孔１ｃが拡径するだけでなく、空孔光ファイバ１自体が同じエッチングレートでエッチングされるので、空孔光ファイバ１の外径が空孔１ｃの拡径と同じ量だけ縮径する。したがって、空孔１ｃがどの程度拡径したかを確認したい場合には、空孔光ファイバ１の外径を測定し、その縮径量から空孔１ｃの拡径量を算出したほうが、空孔１ｃの内径を直接測定するよりも容易である。

以下、本発明の実施例、比較例によって本発明をより具体的に説明する。図１に示すような構造を有し、空孔の内径ｄが５．０μｍ、空孔間距離Λが１０μｍの空孔光ファイバを２本準備した。つぎに、市販の融着接続器を準備し、これらの空孔光ファイバを、標準のシングルモード光ファイバと同じ放電条件である放電強度６０ｍＡ、放電時間１．５秒で融着接続したところ、接続損失は１．０ｄＢであった。この接続部を切断して空孔の内径を顕微鏡で確認したところ、融着前では５．０μｍであった内径が４．０μｍと２割程度縮径していた。また、縮径は、１ｍｍの長さ（１本の光ファイバにつき０．５ｍｍ）にわたって発生していた。

つぎに、上記実験に基づき、６０本の空孔光ファイバを準備した。なお、６０本の空孔光ファイバの空孔の内径の平均は４．９９μｍであり、標準偏差は０．１１μｍであった。この中から任意に選択した３０本の空孔光ファイバを実施例１に係る空孔光ファイバとして、これらの端部における空孔の拡径を行った。具体的には、シリカガラスのエッチングレートが０．２ｍｍ／ｈである５０％フッ酸液に空孔光ファイバの端部を端面から０．５ｍｍの深さまで２０秒間浸漬し、端面から０．５ｍｍまでの空孔の内径を初期の内径よりも約２割大きい６．２５μｍ程度になるようにエッチング処理を行い、その後純水で洗浄した。エッチング処理した空孔光ファイバの端部における空孔の内径を測定したところ、その平均値は６．２５μｍであり、標準偏差は０．１５μｍであった。つぎに、これらの空孔光ファイバ同士を融着接続した。すると、１５箇所の接続点の接続損失は平均が０．２ｄＢ、標準偏差が０．１ｄＢと、安定して十分に低損失な値となった。なお、これらの空孔光ファイバについて、接続部を切断して空孔の内径を顕微鏡で確認したところ、内径の平均は４．８μｍ、標準偏差は０．４μｍであり、初期の内径とほぼ同じ値となっていた。

一方、残りの３０本の空孔光ファイバを比較例１に係る空孔光ファイバとして、上記と同じ放電条件で融着接続を行ったところ、１５箇所の接続点の接続損失は平均が１．６ｄＢ、標準偏差が０．６ｄＢとなり、接続損失は値が大きいとともに、ばらつきも大きかった。なお、これらの空孔光ファイバについて、接続部を切断して空孔の内径を顕微鏡で確認したところ、内径の平均は３．９μｍ、標準偏差は０．３μｍであり、初期の内径よりも縮径していた。なお、接続損失が最大であった空孔光ファイバの接続部においては、空孔径は３．４μｍまで縮小していた。

なお、ビデオアナライザを用いて、実施例１に係る空孔光ファイバのエッチング処理前と後との外径を確認したところ、その平均は、処理前は１２５．０μｍであり、処理後は１２３．８μｍであった。また、外径の標準偏差は処理前後のいずれも０．２μｍであった。すなわち、エッチング処理によって、空孔光ファイバの外径は約１．２μｍだけ縮径しており、これは空孔の拡径量とほぼ同値であった。したがって、空孔の拡径工程において、空孔の拡径量を確認したい場合には、空孔光ファイバの外径を測定し、その縮径量を算出すればよいことが確認された。

つぎに、実施例２〜５として、エッチング処理に用いるフッ酸液の濃度および浸漬時間を変更した以外は実施例１と同様の方法を用いて各実施例において各３０本の空孔光ファイバを融着接続した。用いたフッ酸の濃度は、実施例２〜５のそれぞれにおいて５％、１０％、１５％、２０％のものであり、各濃度における浸漬時間は、それぞれ２００秒、１００秒、６７秒、５０秒とした。その結果、実施例２〜５に係る空孔光ファイバのいずれも、拡径した空孔の内径の平均は６．２６μｍとなったものの、その標準偏差は、濃度５〜１５％の実施例２〜４は０．１２μｍであり、濃度２０％の実施例５は０．１４μｍであった。さらに、融着接続した場合の接続損失の平均は、実施例２〜４は０．１ｄＢであり、実施例５は０．２ｄＢであった。したがって、フッ酸濃度が１５％以下であれば、空孔の拡径量のばらつきが小さく、接続損失も小さいことが確認された。なお、この原因としては、フッ酸濃度が高い場合、エッチング処理からその後純水で洗浄するまでの時間にエッチングが進む等、エッチング量の制御性が低くなるためと考えられる。

（実施の形態２）
上記実施の形態１では、拡径部１ｃａの形成は、空孔光ファイバ１の接続側端部１ｄをフッ酸などのエッチング液に浸漬し、空孔１ｃの内壁をエッチングすることによって行ったが、本発明はこれに限られない。以下、拡径部の形成方法が異なる本発明の実施の形態２に係る光ファイバの融着接続方法について説明する。

図７、８は、本実施の形態２に係る光ファイバの融着接続方法について説明する説明図である。図７に示すように、本実施の形態２においては、はじめに、図１に示す光ファイバ１と同様のコア部３ａ、クラッド部３ｂ、空孔３ｃを備え、同様の構造を有する空孔光ファイバ３を準備し、接続光ファイバと接続する側の端部を加熱して空孔３ｃを封止し、封止部３ｅを形成する。つぎに、市販の光ファイバ融着接続器を用いて、封止部３ｅの近傍の位置にアーク電極棒Ｅからアーク放電Ａ２を放出して加熱する。すると、封止部３ｅが加熱部分の近傍に存在するため、空孔３ｃ内の空気が膨張し、内部の気圧が高い状態になるとともに、加熱した部分のガラスの粘度が下がって軟化するので、空孔３ｃが拡径し、拡径領域３ｃｂが形成される。その後、空孔光ファイバ３を、長手方向に垂直であって拡径領域３ｃｂを横断する面Ｌで切断することによって、図８に示すように、接続側端部３ｄにおいて拡径部３ｃａが形成された空孔光ファイバ３が形成される。なお、拡径部３ｃａの内径や端面からの長さについては、実施の形態１の場合と同様に予備実験を行って決定できる。

その後、空孔光ファイバ３と同様の方法または実施の形態１の方法で拡径部を形成した空孔光ファイバを準備し、この空孔光ファイバと空孔光ファイバ３とを実施の形態１の方法で融着接続する。その結果、実施の形態１と同様に、空孔光ファイバの接続部において空孔の変形による閉じ込め損失の増大は発生しないため、低損失での融着接続ができる。

つぎに、本発明の実施例６として、実施例１と同様の空孔光ファイバを５０本準備し、各空孔光ファイバの端部を市販の融着接続器で加熱して封止し、さらに封止部から５ｍｍ離れた部分を加熱し、加熱時間を調整してその部分の空孔の内径が６．２５μｍ程度になるように拡径した。つぎに、空孔の拡径領域を長手方向に垂直な面に沿って、拡径部の長さが０．５ｍｍ程度になるような位置で切断した。切断した空孔光ファイバの端部における空孔の内径を測定したところ、その平均値は目標の６．２５μｍであったが、標準偏差は０．５μｍとやや大きかった。

つぎに、空孔を拡径した５０本の空孔光ファイバのうち、実施例１の場合と同様に空孔の内径の平均値が６．２５μｍ、標準偏差が０．１５μｍになるように１８本の空孔光ファイバを選別した。選別した１８本の空孔光ファイバ同士を、実施例１と同様に標準のシングルモード光ファイバと同様の放電条件で接続したところ、接続損失は平均が０．２ｄＢ、標準偏差が０．１ｄＢと、実施例１と同様に安定して十分に低損失な値となった。なお、選別しなかった空孔光ファイバ同士も同様の融着条件で接続したところ、その接続損失は、選別したものも含めた全体の平均が０．５ｄＢ、標準偏差が０．３ｄＢであり、安定して十分に低損失な値となった。

なお、上記実施の形態、実施例では、空孔内部の気圧を高めるために空孔光ファイバの端部を封止したが、空孔光ファイバの端面から空孔にガスを注入して加圧してもよい。また、光ファイバの加熱は融着接続器を用いたが、ヒータやトーチを用いてもよい。

また、上記実施の形態、実施例では、空孔光ファイバとして、ホーリーファイバ同士を融着接続したが、本発明は、他の空孔を有する同種または異種の光ファイバを融着接続する場合にも適用できる。また、本発明は、空孔光ファイバと、接続光ファイバとしての通常構造の光ファイバとを融着接続する場合にも適用できる。

実施の形態１に係る融着接続方法によって融着接続する光ファイバを長手方向に垂直な面で切断した模式的断面図である。図１に示す光ファイバを長手方向に沿って切断した模式的断面図である。実施の形態１に係る光ファイバの融着接続方法について説明する説明図である。実施の形態１に係る光ファイバの融着接続方法について説明する説明図である。実施の形態１に係る光ファイバの融着接続方法について説明する説明図である。実施の形態１に係る光ファイバの融着接続方法について説明する説明図である。実施の形態２に係る光ファイバの融着接続方法について説明する説明図である。実施の形態２に係る光ファイバの融着接続方法について説明する説明図である。

符号の説明

１〜３空孔光ファイバ
１ａ〜３ａコア部
１ｂ〜３ｂクラッド部
１ｃ〜３ｃ空孔
１ｃａ〜３ｃａ拡径部
１ｄ〜３ｄ接続側端部
３ｃｂ拡径領域
３ｅ封止部
Ａ１、Ａ２アーク放電
Ｃ接続点
Ｅアーク電極棒
Ｌ面

Claims

長手方向に沿って形成された空孔を有する空孔光ファイバと、前記空孔光ファイバに接続すべき接続光ファイバとを融着接続する方法であって、
前記空孔光ファイバの接続側端部において前記空孔の内径を初期の内径に対して拡径し、拡径部を形成する拡径部形成工程と、
前記拡径部を形成した空孔光ファイバの前記接続側端部と、前記接続光ファイバの接続側端部とを近接させ、前記各接続側端部を加熱して融着接続する融着接続工程と、
を含むことを特徴とする光ファイバの融着接続方法。
前記拡径部形成工程は、エッチング液に前記空孔光ファイバの接続側端部を浸漬することによって、該空孔光ファイバの空孔を拡径することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの融着接続方法。
前記空孔光ファイバの前記エッチング液に浸漬した部分の外径を測定することによって、前記拡径部の内径を推定する推定工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバの融着接続方法。
前記拡径部形成工程は、
前記空孔光ファイバの空孔内の気圧を高めた状態で、該空孔光ファイバの一部を加熱軟化して前記空孔の内径が拡径した拡径領域を形成する拡径領域形成工程と、
前記拡径領域を形成した空孔光ファイバを、前記長手方向に垂直であって該拡径領域を横断する面で切断する切断工程と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバの融着接続方法。