JP4981632B2 - ダブルクラッドファイバのファイバ端部加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、コア、第１クラッド、及び第２クラッドを備え、第２クラッドに複数の細孔が形成されたダブルクラッドファイバのファイバ端部加工方法に関する。

ファイバレーザや光増幅器等に使用する光ファイバとして、ダブルクラッドファイバが広く用いられている。

ダブルクラッドファイバは、コア、第１クラッド、及び第２クラッドを備え、コアに光増幅成分として希土類元素がドープされ、また、第１クラッドがコアよりも低屈折率に、第２クラッドが第１クラッドよりも低屈折率にそれぞれ構成されている。このようなダブルクラッドファイバは、マルチモードの光導波路として機能する第１クラッドに励起光が入射され、その励起光が、第１クラッドと第２クラッドとの界面で反射を繰り返しながら伝搬し、コアの通過する際にコアにドープされた希土類元素を最外殻電子が励起した反転分布状態にさせ、その誘導放出によってコアを伝搬する信号光を増幅するように構成されている。

ダブルクラッドファイバとしては、例えば、特許文献１に、外側クラッド層に大きな空隙を設け、外側クラッドの周囲にさらにシリカ製のオーバークラッドを設けたものが開示されている。
特開平１１−１４２６７２号公報

ところで、ダブルクラッドファイバにおいて、コアに信号光を、また、第１クラッドに励起光をそれぞれ入射させる方法として、光源から出射された信号光及び励起光をレンズ等の光学装置によりコア及び第１クラッドに結合させてダブルクラッドファイバ内に入射する方法、及び光コンバイナ等の光結合器の接続端とダブルクラッドファイバの端面とを融着接続して光結合器の他端から信号光及び励起光を入射する方法が挙げられる。これらのうち、前者の方法では、励起光源、光学装置及びダブルクラッドファイバの光軸の調整等の手間を要するという難点があることから、後者の方法が簡易であり望ましい。

しかしながら、図６に示すように、第２クラッド１３’に細孔１３ａ’が形成されたダブルクラッドファイバＦ’に光コンバイナＣ’を融着接続する場合、ダブルクラッドファイバＦ’の接続端を加熱すると、第２クラッド１３’の細孔１３ａ’がコラプスして消失することにより励起光の閉じ込め機能を喪失し、接続部において励起光が漏れてしまい、それによって光増幅機能が低下するという問題がある。

本発明の目的は、光コンバイナと融着接続しても接続部における励起光の漏れが抑止されるダブルクラッドファイバのファイバ端部加工方法を提供することである。

本発明のダブルクラッドファイバのファイバ端部加工方法は、コアと、該コアを被覆するように設けられた第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられた第２クラッドと、該第２クラッドを被覆するように設けられたオーバークラッドと、を備え、該第２クラッドに、該第１クラッドを囲うように配設され各々が長さ方向に延びる複数の細孔が形成されたダブルクラッドファイバの少なくとも一方のファイバ端部において、上記オーバークラッドの外周面に傷を付けた後、外力を加えて該傷の位置からファイバ先端側のオーバークラッドを剥離し、上記第２クラッドの細孔間の隔壁を破壊して当該破壊箇所を境に上記オーバークラッド側の第２クラッドとオーバークラッドとを除去すると同時に、上記第１クラッドの表面に上記細孔の痕跡である溝を上記破壊箇所を境に第１クラッド側の第２クラッドで形成して該溝部分に第１クラッドを露出させることを特徴とする。

本発明のダブルクラッドファイバの端部加工方法では、ダブルクラッドファイバにおいて、上記細孔間の隔壁の壁厚さが０．２〜１μｍであることが好ましい。

本発明によれば、ダブルクラッドファイバの一方のファイバ端部において、オーバークラッドの外周面に傷を付けた後、外力を加えて該傷の位置からファイバ先端側のオーバークラッドを剥離し、第２クラッドの細孔間の隔壁を破壊して当該破壊箇所を境に上記オーバークラッド側の第２クラッドとオーバークラッドとを除去する端部加工を行うので、ダブルクラッドファイバの端部がコア及び第１クラッドで構成される。そのため、光コンバイナを融着接続する際でも、第２クラッドの細孔がコラプスして消失して励起光の閉じ込め機能を喪失するということがなく、接続部においても第１クラッドが低屈折率層で覆われることとなり、それによって励起光の漏れを抑止することができる。

以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。

＜ダブルクラッドファイバ＞
図１及び２は、ダブルクラッドファイバＦを示す。このダブルクラッドファイバＦは、例えば、光増幅器やファイバレーザ等として使用されるものである。

このダブルクラッドファイバＦは、ファイバ本体１０とその周囲を被覆する被覆層１５とにより構成されている。このダブルクラッドファイバＦは、例えば、長さが３〜５０ｍ、及びファイバ径が１６００〜１８００μｍにそれぞれ形成されている。

ファイバ本体１０は、ファイバ中心となるコア１１、それを被覆するように設けられた第１クラッド１２、第１クラッド１２を被覆するように設けられた第２クラッド１３、及び第２クラッド１３を被覆するように設けられたオーバークラッド１４からなる。ファイバ本体１０は、本体径が例えば６００〜７００μｍに形成されている。

コア１１は、例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）等の希土類元素が増幅媒体としてドープされた石英ガラス等で形成されている。コア１１は、コア径が例えば３０〜８０μｍに形成されている。コア１１は、希土類元素のドープ量が例えば５０００〜２００００ｐｐｍであり、波長１．３１μｍの光に対する屈折率が例えば約１．４４８である。なお、コア１１には、希土類元素による濃度消光を防ぐアルミニウム等がさらにドープされていてもよく、また、ゲルマニウム等がドープされていてもよい。

第１クラッド１２は、例えば石英ガラス等のコア１１よりも低屈折率な材料で形成されている。第１クラッド１２は、例えば、外径が３８０〜４２０μｍ、及び層厚さが１６０〜１８０μｍにそれぞれ形成されている。第１クラッド１２は、波長１．３１μｍの光に対する屈折率が例えば約１．４４７である。

第２クラッド１３は、第１クラッド１２と同一の石英ガラス等で形成されている。第２クラッド１３は、例えば、外径が４３０〜４７０μｍ、及び層厚さが２０〜３０μｍにそれぞれ形成されている。

第２クラッド１３には、図３に示すように、第１クラッド１２を囲うように複数の細孔が配設されており、それらのそれぞれはコア１１に沿って長さ方向に延びるように形成されている。複数の細孔は、配設ピッチが２０〜３０μｍに形成され、層数が１〜５層である。複数の細孔のそれぞれは、孔径が例えば１０〜３０μｍに形成されている。相互に隣接する細孔間の隔壁は、壁厚さが例えば０．２〜１μｍに形成されている。

第２クラッド１３には、これらの複数の細孔が形成されていることにより、構造的に低屈折率化しており、波長１．３１μｍの光に対する実効屈折率が例えば約１．３５７である。

オーバークラッド１４は、第１及び第２クラッド１２，１３と同一の石英ガラス等で形成されている。オーバークラッド１４は、層厚さが例えば８０〜１２０μｍに形成されている。

被覆層１５は、例えば、紫外線硬化型樹脂、シリコン樹脂、ナイロン樹脂等で形成されており、単一層で構成されていてもよく、また、複数層で構成されていてもよい。被覆層１５は、層厚さが、例えば４５０〜６００μｍである。

そして、このダブルクラッドファイバＦでは、一方のファイバ端部１６において、第２クラッド１３及びオーバークラッド１４が機械的加工により除去されている。第２クラッド１３は、細孔１３ａ間の隔壁部分が破壊され、その破壊箇所を境にしてオーバークラッド側の部分が除去されている。この第２クラッド１３及びオーバークラッド１４が除去された部分では、第１クラッド１２の表面には、隔壁部分が破壊された細孔１３ａの痕跡である複数の溝１７が形成されている。複数の溝１７は、各々が長さ方向に延びるように形成された断面円弧状であって、周方向に間隔をおいて設けられている。複数の溝１７は、第２クラッド１３のうち、細孔１３ａの隔壁部分の上記破壊箇所を境にして第１クラッド１２側で形成されている。そして、これらの溝１７の部分において、第１クラッド１２が露出している。この第２クラッド１３及びオーバークラッド１４が除去された部分は、長さが例えば１０〜４０ｍｍに形成されている。

第２クラッド１３及びオーバークラッド１４を除去する機械的加工とは、ファイバ端から所定長の位置において、オーバークラッド１４の外周面上に周方向に沿ってガラス切断工具を用いて傷を入れ、その傷を入れた位置から先端側の部分を被覆を剥がすように長さ方向に引っ張って第２クラッド１３の細孔間の隔壁を破壊する加工である。このとき、隔壁の破壊箇所を境として、第２クラッド１３のうちオーバークラッド側（外周側）の部分が除去され、同時に、細孔１３ａの痕跡である第１クラッド１２側の部分により、複数の溝１７が形成される。ガラス切断工具としては、例えばカッターナイフ等を用いる。

このようなダブルクラッドファイバＦのファイバ端部１６は、第２クラッド１３及びオーバークラッド１４を機械的加工により除去し、同時に形成された細孔１３ａの痕跡である溝１７の部分において第１クラッド１２が露出するので、第１クラッド１２が空気層からなる低屈折率のエアクラッドで被覆された構造とすることができる。

＜光コンバイナ＞
図４は、実施形態に係る光コンバイナＣを示す。

この光コンバイナＣは、１本の信号用光ファイバ心線２１と複数本の励起用光ファイバ心線２２とで構成されている。１本の信号用光ファイバ心線２１及び複数本の励起用光ファイバ心線２２のそれぞれは、心線先端から被覆層２３，２４が所定長だけ剥がされて信号用光ファイバ２５又は励起用光ファイバ２６が露出しており、光コンバイナＣは、これらの１本の信号用光ファイバ２５及び複数本の励起用光ファイバ２６が、信号用光ファイバ２５が中心に位置付けられるように束ねられて溶融一体化した接続端部２７に形成されている。

１本の信号用光ファイバ心線２１は、信号用光ファイバ２５が被覆層２３で被覆された構成を有する。信号用光ファイバ心線２１は、例えば、心線全長が１〜１０ｍ（接続端部２７を含む）、及び心線径が２４０〜２６０μｍにそれぞれ形成されている。

信号用光ファイバ２５は、例えば石英ガラスで形成されており、ファイバ中心の高屈折率の信号光用コア２５ａとその周りを被覆する低屈折率のクラッドとを有する。信号用光ファイバ２５は、ゲルマニウム等をドープして高屈折率化した石英で信号光用コア２５ａを形成し且つ純粋石英でクラッドを形成したものであってもよく、また、純粋石英で信号光用コア２５ａを形成し且つフッ素等をドープして低屈折率化した石英でクラッドを形成したものであってもよい。信号用光ファイバ２５は、一般的には、シングルモードファイバで構成される。信号用光ファイバ２５は、例えば、被覆層２３が剥がされて露出した部分のファイバ長が０．５〜５ｍｍ、ファイバ径が１２３〜１２７μｍ、及びコア径が１０〜６０μｍにそれぞれ形成されている。

被覆層２３は、例えば、紫外線硬化型樹脂、シリコン樹脂、ナイロン樹脂等で形成されており、単一層で構成されていてもよく、また、複数層で構成されていてもよい。被覆層２３は、層厚さが例えば５５〜６５μｍに形成されている。

複数本の励起用光ファイバ心線２２のそれぞれは、励起用光ファイバ２６は被覆層２４で被覆された構成を有する。励起用光ファイバ心線２２は、例えば、心線全長が１〜１０ｍ（接続端部２７を含む）、及び心線径が２４０〜２６０μｍにそれぞれ形成されている。複数本の励起用光ファイバ心線２２は、例えば本数が３〜１０本である（なお、図４では６本）。

各励起用光ファイバ２６は、例えば石英ガラスで形成されており、ファイバ中心の高屈折率の励起光用コア２６ａとその周りを被覆する低屈折率のクラッドとを有する。各励起用光ファイバ２６は、ゲルマニウム等をドープして高屈折率化した石英で励起光用コア２６ａを形成し且つ純粋石英でクラッドを形成したものであってもよく、また、純粋石英で励起光用コア２６ａを形成し且つフッ素等をドープして低屈折率化した石英でクラッドを形成したものであってもよい。各励起用光ファイバ２６は、一般的には、マルチモードファイバで構成される。各励起用光ファイバ２６は、例えば、被覆層２４が剥がされて露出した部分のファイバ長が０．５〜５ｍｍ、ファイバ径が１２３〜１２７μｍ、及びコア径が８０〜１１５μｍにそれぞれ形成されている。

複数本の励起用光ファイバ２６は、ファイバ径が均一に構成されていてもよく、また、相互に異なって構成されていてもよい。複数本の励起用光ファイバ２６は、コア径が均一に構成されていてもよく、また、相互に異なって構成されていてもよい。

被覆層２４は、例えば、紫外線硬化型樹脂、シリコン樹脂、ナイロン樹脂等で形成されており、単一層で構成されていてもよく、また、複数層で構成されていてもよい。被覆層２４は、層厚さが例えば５５〜６５μｍに形成されている。

接続端部２７は、１本の信号用光ファイバ２５及び複数本の励起用光ファイバ２６が一体化しており、その中を１本の信号用光ファイバ２５及び複数本の励起用光ファイバ２６のそれぞれの信号光用コア２５ａ及び励起光用コア２６ａが長さ方向に延び、端面には、信号用光ファイバ２５の信号光用コア２５ａが中心に位置付けられ且つそれを励起用光ファイバ２６の励起光用コア２６ａが囲むように位置付けられたコア配置が露出している。接続端部２７は、外径が例えば３７０〜４３０μｍに形成されており、ダブルクラッドファイバＦの第１クラッド１２と外径が略同一であるか、やや小さいことが好ましい。

＜ファイバ・コンバイナ接続構造＞
図５は、実施形態に係るファイバ・コンバイナ接続構造３０を示す。

このファイバ・コンバイナ接続構造３０は、第２クラッド１３及びオーバークラッド１４が除去されたダブルクラッドファイバＦのコア１１及び第１クラッド１２からなるファイバ端部１６と光コンバイナＣの接続端部２７とがアーク放電等により融着接続されたものである。

このファイバ・コンバイナ接続構造３０は、接続部において、ダブルクラッドファイバＦのファイバ端部１６が、第２クラッド１３及びオーバークラッド１４が機械的加工により除去されて、第１クラッド１２が空気層からなる低屈折率のエアクラッドで被覆された構造を有する。なお、第１クラッド１２が他の低屈折率材料で被覆されていてもよい。ファイバ・コンバイナ接続構造３０は、ダブルクラッドファイバＦのコア１１に光コンバイナＣの信号光用コア２５ａが、また、第１クラッド１２に励起光用コア２６ａがそれぞれ接続されている。

このファイバ・コンバイナ接続構造３０では、光コンバイナＣの信号用光ファイバ２５及び励起用光ファイバ２６が信号光源及び励起光源にそれぞれ接続される。そして、信号光源からの信号光が信号用光ファイバ２５を介してダブルクラッドファイバＦのコア１１に入射され、励起光源からの励起光が励起用光ファイバ２６を介してダブルクラッドファイバＦの第１クラッド１２に入射される。

このとき、ダブルクラッドファイバＦのファイバ端部１６において、第１クラッド１２が空気層からなる低屈折率のエアクラッドで被覆された構造となっているので、第２クラッド１３の細孔がコラプスして消失して励起光の閉じ込め機能を喪失するということがなく、接続部においても第１クラッド１２が低屈折率層で覆われて励起光の閉じ込め作用が有効に機能することとなり、それによって励起光の漏れを抑止することができる。

ダブルクラッドファイバＦにおけるファイバ端部１６よりも先の部分においては、第１クラッド１２に入射された励起光は、第１クラッド１２と第２クラッド１３との界面で反射を繰り返しながら、第２クラッド１３に囲まれた領域を伝搬し、コア１１を通過する際にコア１１にドープされた希土類元素を最外殻電子が励起した反転分布状態にさせ、その誘導放出によってコア１１を伝搬する信号光を増幅する。

なお、本発明の端部加工方法による端部加工を施したダブルクラッドファイバは、上記の実施形態に限らず、光コンバイナ以外の光結合器や光分岐器等の光学装置と融着接続する場合においても用いることができ、同様の効果を有するものである。

本発明は、コア、第１クラッド、及び第２クラッドを備え、第２クラッドに複数の細孔が形成されたダブルクラッドファイバのファイバ端部加工方法について有用である。

本発明のファイバ端部加工方法が適用されたダブルクラッドファイバの斜視図である。 図１におけるII-II断面図である。 ダブルクラッドファイバの要部の拡大断面図である。 光コンバイナの斜視図である。 ファイバ・コンバイナ接続構造の縦断面図である。 従来のファイバ・コンバイナ接続構造を示す縦断面図である。

Ｃ 光コンバイナ
Ｆ ダブルクラッドファイバ
１１ コア
１２ 第１クラッド
１３ 第２クラッド
１３ａ 細孔
１４ オーバークラッド
２５ａ 信号光用コア
２６ａ 励起光用コア
３０ ファイバ・コンバイナ接続構造

Claims (2)

1. コアと、該コアを被覆するように設けられた第１クラッドと、該第１クラッドを被覆するように設けられた第２クラッドと、該第２クラッドを被覆するように設けられたオーバークラッドと、を備え、該第２クラッドに、該第１クラッドを囲うように配設され各々が長さ方向に延びる複数の細孔が形成されたダブルクラッドファイバの少なくとも一方のファイバ端部において、上記オーバークラッドの外周面に傷を付けた後、外力を加えて該傷の位置からファイバ先端側のオーバークラッドを剥離し、上記第２クラッドの細孔間の隔壁を破壊して当該破壊箇所を境に上記オーバークラッド側の第２クラッドとオーバークラッドとを除去すると同時に、上記第１クラッドの表面に上記細孔の痕跡である溝を上記破壊箇所を境に第１クラッド側の第２クラッドで形成して該溝部分に第１クラッドを露出させるダブルクラッドファイバのファイバ端部加工方法。
2. 請求項１に記載されたダブルクラッドファイバのファイバ端部加工方法において、
   上記ダブルクラッドファイバにおいて、上記細孔間の隔壁の壁厚さが０．２〜１μｍであることを特徴とするダブルクラッドファイバのファイバ端部加工方法。

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