JP2009175271A - 光ファイバ端部形状及び光ファイバ端部処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバ先端から有空孔部までの封止距離を一定の長さに制御して空孔を封止し、フェルールとの位置合わせ及び固定が行いやすく、さらにガラス粉や硬化性物質などの他物質を必要とせず、光ファイバそのものを使用して長期信頼性を有することを特徴とする光ファイバ端部形状及び光ファイバ端部処理方法を提供することを目的とする。
【解決手段】長軸方向に延びる複数の空孔を有する光ファイバ３０１であって、光ファイバ端部を局所的に加熱して融解し、光ファイバ端部における空孔を封止して形成する光ファイバ端部形状を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、長軸方向に延びる複数の空孔を有する光ファイバの端部形状及び光ファイバ端部処理方法に関するものである。

周期的に配列された空孔と、その周期性を破る欠陥が長軸方向に伸びた構造を有する光ファイバの一種であるフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）や、周期性の有無に関わらず空孔を含み、全反射によって導波する微細構造ファイバなど、空孔を有する光ファイバをホーリーファイバ（ＨＦ：Holey Fiber）と呼ぶ。ＨＦは、空孔の存在によって、光パワーを強力に閉じ込める特性を有する。そのため、従来の光ファイバに比較して、伝送帯域が広く、曲げ損失特性に優れる等、多くの利点を有するため、新しい伝送媒体として注目されている。しかしその半面、ＨＦ先端部の空孔から水分や油分などの液体や埃などの異物が入りこみ、伝送特性、長期信頼性、接続特性、機械特性などの低下を引き起こす場合がある。

ＨＦの空孔内に異物が侵入するという問題を防止するために、ＨＦ端部の空孔を塞ぐ・埋めるなどの処理を行う必要がある。特許文献１には、（１）ファイバ先端を加熱して軟化させ空孔を潰す方法、（２）空孔内に硬化性物質を挿入する方法、（３）空孔部に蓋を取り付ける方法が記載されている。また、特許文献２には、（４）空孔内にガラス粉を入れ、ガラス粉を溶解させる事で空孔を封止する方法が記載されている。さらに、特許文献３には、（５）ＨＦとシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を融着することで空孔を封止する方法が記載されている。また、特許文献４には、（６）信頼性の高い硬化性物質での封止方法が記載されている。また、特許文献５には、（７）ＨＦをコネクタフェルールから突き出した後に加熱して空孔を封止する方法が記載されている。

特開２００２−３２３６２５号公報 特開２００５−２４８４２号公報 特開２００５−２４８４７号公報 特開２００６−１２６７２０号公報 特開２００７−２５５３１号公報

しかし、（１）の方法では封止距離が制御できないため空孔が潰れる距離が長くなる。そのため、モードフィールドの乱れなど伝送特性の劣化が生じる。また上記特許文献の例では、封止のために真空ポンプなどの減圧装置が必要であるため煩雑な処理が必要である。また、空孔の封止長の制御が非常に困難であるため、その距離がまちまちとなり、コネクタ作成時におけるフェルールとファイバの位置合わせが困難になる。

（２）及び（６）の方法では、空孔内に封止する硬化性物質を一定の距離に制御する事が難しいという欠点がある。また一般的に、クラッド部（ガラス）と硬化性物質の硬度が異なるため、コネクタ端面の研磨時に硬化性物質がより多く研磨され、または逆に残留することになり、研磨面を平滑に構成できず、光ファイバ接続用に供せないという欠点がある。また、硬化性物質が硬化する事により体積収縮が起こり、ファイバ空孔内壁のガラス界面と硬化性物質が剥離し、微小の隙間が発生し、この微小の隙間から液体などが侵入する場合がある。さらに、硬化性物質が硬化する際の体積収縮により気泡が発生し、ファイバ空孔内に空隙が残留する場合もある。

（３）の方法では、蓋をする物質が光の導波に影響を与える場合があるため、接続損失や反射減衰量などが増大し、最適な導波を得る事ができないという欠点を有する。
（４）の方法では、空孔に入る大きさの微小なガラス粉を別途用意する必要があるうえに、ガラス粉の量及び封止距離を制御する事が非常に困難である。また、ガラス粉が加熱箇所より奥に入り込み、溶解せずに残留する可能性もある。さらに残留したガラス粉により空孔内壁に傷が発生し、機械特性が低下する場合もある。また低融点ガラスなどの別成分のガラス粉を使用した場合は、ガラスの温度係数の差で歪みが生じるため、長期信頼性の点で問題が発生する場合もある。

（５）の方法では、ＳＭＦとＨＦを融着するため、接続点が１箇所増え、接続損失が増加する。また、一般にモードフィールド径が異なるため、光を入射する方向により損失が増大するという例もある。
（７）の方法では、ガラス製のフェルールを使用するという制約がある。

本発明は、上述の問題に対し、ファイバ先端から有空孔部までの封止距離を一定の長さに制御して空孔を封止し、フェルールとの位置合わせ及び固定が行いやすく、さらにガラス粉や硬化性物質などの他物質を必要とせず、光ファイバそのものを使用して長期信頼性を有することを特徴とする光ファイバ端部形状及び光ファイバ端部処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光ファイバ端部形状および光ファイバ端部処理方法は、長軸方向に延びる複数の空孔を有する光ファイバであって、光ファイバ端部を局所的に加熱して融解し、光ファイバ端部における空孔を封止して形成することを特徴とする。

また、本発明の光ファイバ端部形状および光ファイバ端部処理方法は、光ファイバ端部を局所的に加熱して融解するときに、光ファイバ端部の形状を半球状にして空孔を封止してもよい。

また、本発明の光ファイバ端部形状および光ファイバ端部処理方法は、光ファイバ端部を局所的に加熱して融解して空孔を封止した後、光ファイバ端部において空孔が再び開口しないように光ファイバ端部を研磨して形成してもよい。

また、本発明の光ファイバ端部形状および光ファイバ端部処理方法は、光ファイバ端部を局所的に加熱して融解して空孔を封止した後、光ファイバ端部を光フェルールに装着し、空孔が再び開口しないように光ファイバ端部を光フェルールと共に研磨してもよい。

また、本発明の光ファイバ端部形状および光ファイバ端部処理方法は、光ファイバ端部を局所的に加熱して融解して空孔を封止した後、他の光ファイバと直接接続してもよい。

また、本発明の光ファイバ端部形状および光ファイバ端部処理方法は、光ファイバ端部を局所的に加熱して融解するときに、レーザを使用してもよい。

本発明の光ファイバ端部形状および光ファイバ端部処理方法によれば、光ファイバ端部形状、光ファイバ接続方法、及び光コネクタにおいて、ＨＦの空孔が、光ファイバを構成するガラスによって封止されているため、コネクタ研磨による研磨屑や異物、屈折率整合剤が空孔内に進入して光の導波や機械的特性の劣化を防ぐことができる上、従来と同等の性能を有する事ができる。このため、長期信頼性の向上や、接続損失の変動を防ぐことができる。

本発明は、空孔を有するホーリーファイバ（ＨＦ：Holey Fiber）の端部から空孔内部に異物などが入るのを防ぐために、空孔端部を加熱して光ファイバを融解させ、これを研磨やコネクタ付けすることにより、信頼性の高い光接続および光コネクタを実現するものである。このような特徴を有する本発明に係る光ファイバ端部形状及び光ファイバ端部処理方法の実施形態を以下に図面を参照して詳細に説明する。

図１及び図２に、本発明が適用されるＨＦの代表的な構造例を示す。図１は、光ファイバの長手方向に対する断面図を示し、図２は、光ファイバを側面から見た場合の断面図の一例であり、一方の端部は垂直に切断された状態を示している。なお、ここでは一例としてＨＦを使用して説明するが、本発明は空孔を有する別形状のファイバでも実施可能である。

図１及び図２に示すように、ＨＦ１００は、クラッド部１０１と、光を伝播するコア部１０２と、コア部１０２を囲むように光ファイバ軸心方向に伸びた複数の空孔１０３とにより形成された構造となっている。

次に、この光ファイバ端部の封止構造を実現する封止方法について説明する。まず、ＨＦ１００をファイバカッタなどで切断し、軸方向に対しほぼ垂直な端面を形成する。その後、ファイバ先端部を加熱することにより、図３に示す形状に加工する。図３は、ＨＦを加熱して加工した後の光ファイバ端部形状２００の側面からの断面図を示す。加工の方法は、放電加熱、レーザの照射加熱など何を使用しても可能であるが、光ファイバ端部の加熱及び溶融時には、加熱部分に発生する表面張力により、光ファイバ端部が容易に球状に変形するため、加熱条件を精密に制御する必要がある。ガス炎加熱、ヒーターを使用した加熱、及び放電加熱を使用した場合には、制御が非常に困難であった。

本発明の実施形態の一例として、光ファイバ端部の形状を制御しつつ、光ファイバ端部を炭酸ガスレーザ光照射により加熱を行なう方法について詳細に説明する。炭酸ガスレーザ光を使用する理由は、炭酸ガスレーザがガラスに吸収されやすく熱を発しやすい約１０μｍの波長の光を照射できるためである。

光ファイバ端部の形状を制御する具体的な方法を述べる。図４に示すように、軸心方向の延長上に設置してある炭酸ガスレーザ光照射装置３０２から照射された炭酸ガスレーザ光は、セレン化亜鉛を使用したレンズ３０４により光の焦点が絞られ、ファイバ固定冶具３０３で固定された光ファイバ３０１の先端部に照射される。炭酸ガスレーザ光が照射されると光ファイバの先端部には、図３に示す光ファイバ端部形状２００が形成される。光ファイバ端部形状２００は、クラッド部２０１と、コア部２０２とを有し、レーザにより融解されたクラッド部２０１は、半球状の空孔封止部２０４を形成し、空孔２０３を封止することができる。

なお、先端部は、どのような形状にも作成可能であり、加熱の強度、加熱の時間、セレン化亜鉛レンズの焦点距離などを調整する事により、図５〜図７に示すように、端部形状を様々な形状に調整する事が可能である。この制御は、ガス炎加熱等の他の加熱方法を使用した場合には、実現が非常に困難である。なお、図５に示す光ファイバ端部形状２１０と、図６に示す光ファイバ端部形状２２０と、図７に示す光ファイバ端部形状２３０とでは、加熱の温度が異なる。光ファイバ端部形状２１０が最も高い温度で加熱され、光ファイバ端部形状２２０が次に高く、光ファイバ端部形状２３０が最も低い温度で加熱されたものである。

なお、端部形状の制御を行なわない場合には、光ファイバの先端部が球状になり外径が太くなるため、光ファイバの先端部を光コネクタフェルールに挿入できない。一方、制御を行い、図７に示す光ファイバ端部形状２３０のように、ファイバ先端から有空孔部までの距離を短くした場合には、メカニカルスプライス、及びＦＡ（Field Assembly）コネクタなどを使用して光ファイバ同士を直接接続することが可能であるという他の方法に見られない利点を有する。

次に、図８を使用して、光フェルールを取り付けた場合の実施形態を説明する。図８は、ＨＦ先端部を加熱により封止して、光フェルールと共に研磨加工した場合の光ファイバ端部形状４００の側面からの断面図を示す。光ファイバ端部形状４００は、光ファイバクラッド部４０１と、光ファイバコア部４０２と、空孔４０３と、光フェルール４０５とを備える。光ファイバ端部形状４００は、図３及び図５〜図７に示した光ファイバ端部形状２００，２１０，２２０，２３０を光フェルール４０５に接着固定して取り付け、光フェルール４０５と共に研磨する事により光コネクタとして作成される。なお、光フェルール４０５と光ファイバ端部形状との位置調整は、専用の冶具を使用して行なう。

また、専用の冶具を使用して、光ファイバ端面のみを直接研磨してもよい。図９に、光ファイバ端面のみを直接研磨した場合の光ファイバ端部形状５００の側面からの断面図を示す。光ファイバ端部形状５００は、光ファイバクラッド部５０１と、光ファイバコア部５０２と、空孔５０３とを備える。光ファイバ端部形状５００は、光ファイバ端面を直接研磨して空孔封止距離５０６が短くなるように加工される。なお、図１０に光ファイバ端面のみを直接研磨した実際の例として光ファイバ端部形状６００を示す。光ファイバ端部形状６００では、空孔封止距離６０６が１８μｍになるように加工されている。

このようにして作成された光ファイバ端部形状及び光コネクタは、空孔封止距離５０６，６０６が非常に短いため、本来の光の導波に大きな影響を与えることがない。一般の光ファイバをメカニカルスプライス等で接続しても、上述した空孔封止部により、空孔内に屈折率整合剤が入る事がないので、従来通り接続する事が可能である。また、本発明を使用したＳＣ型コネクタを５００回着脱したが、接続損失の低下やコネクタの物理的な劣化は生じなかった。

本発明による光コネクタを使用して、波長１３１０ｎｍによる接続損失及び反射減衰量の測定を行なった。なお、測定は、ＳＭＦを使用したマスタＳＣ型コネクタと、６孔ＨＦ心線を使用した本発明の図８に示す光ファイバ端部形状４００を有するＳＣ型コネクタとの接続で行なった。接続損失の分布を図１１に、反射減衰量の分布を図１２にそれぞれ示す。図１１、図１２から明らかなように、特性は、従来のＳＭＦ相互の光コネクタと同等の接続損失及び反射減衰量であり、設計規格に対して十分小さい値となった。

また、本発明による光コネクタを用いてヒートサイクル試験を行なった。ヒートサイクル試験の条件は、温度＋７０℃〜−４０℃、１サイクル６時間で１０サイクル、また測定光波長は、１５５０ｎｍで実施した。測定サンプルは、本発明の図８に示す光ファイバ端部形状４００を有するＨＦ心線ＳＣ型コネクタ同士の接続を４接続分（サンプルNo.１〜４）と、ＳＭＦ心線ＳＣ型コネクタと本発明の図８に示す光ファイバ端部形状４００を有するＨＦ心線ＳＣ型コネクタの接続を２接続分（サンプルNo.５〜６）とを使用した。

測定結果を図１３、図１４に示す。図１３は、本発明を適用したＨＦ心線ＳＣ型コネクタ同士の接続の各サイクルでの光損失変動を示し、図１４は、ＳＭＦ心線ＳＣ型コネクタと本発明を適用したＨＦ心線ＳＣ型コネクタの接続の各サイクルでの光損失変動を示している。図１３、図１４から明らかなように、特性は、従来のＳＣ型コネクタと同等であり、設計規格に対して十分小さい損失であり、安定した特性であることが確認できた。

以上の結果から、本発明によれば、ＨＦ心線の空孔内に異物が入らず、従来と同等の性能、かつ、外部環境等の変化に対して高い信頼性を有する端末形状および光コネクタを提供できる事が確認できた。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本実施形態では、６つの空孔を有する光ファイバを使用したが、空孔数及び空孔配列はこれに限定されず、ＰＣＦやその他の有空孔ファイバを使用しても構わない。

本発明が適用されるＨＦの長軸方向からの断面図である。 本発明が適用されるＨＦの側面からの断面図である。 本発明の一実施形態による光ファイバ端部形状の一例としてＨＦを加熱して加工した後の側面からの断面図である。 本発明の一実施形態による光ファイバ端部形状を作成する方法の一例を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による光ファイバ端部形状の一例としてＨＦを加熱して空孔先端を封止した顕微鏡写真を示す図である。 本発明の一実施形態による光ファイバ端部形状の別の例としてＨＦを図５よりも、弱めに加熱して空孔先端を封止した顕微鏡写真を示す図である。 本発明の一実施形態による光ファイバ端部形状の別の例としてＨＦを図６よりも、弱めに加熱して空孔先端を封止した顕微鏡写真を示す図である。 本発明の別の実施形態による光ファイバ端部形状の一例としてＨＦ先端部を加熱により封止して、光フェルールと共に研磨加工した場合の側面からの断面図である。 本発明の別の実施形態による光ファイバ端部形状の一例としてＨＦ先端部を加熱により封止して、封止箇所を直接研磨した場合の側面からの断面図である。 本発明の別の実施形態による光ファイバ端部形状の一例としてＨＦ先端部を加熱により封止して、封止箇所を直接研磨した場合の顕微鏡写真を示す図である。 ＳＭＦマスタＳＣ型コネクタと、本発明の一実施形態による光ファイバ端部形状を有する６孔ＨＦコネクタとの接続損失（波長１３１０ｎｍ）のヒストグラムを示す図である。 ＳＭＦマスタＳＣ型コネクタと、本発明の一実施形態による光ファイバ端部形状を有する６孔ＨＦコネクタの反射減衰量（波長１３１０ｎｍ）のヒストグラムを示す図である。 本発明の一実施形態による光ファイバ端部形状を有するＨＦ心線ＳＣ型コネクタ同士の接続におけるヒートサイクル試験グラフを示す図である。 ＳＭＦ心線ＳＣ型コネクタと本発明の一実施形態による光ファイバ端部形状を有するＨＦ心線ＳＣ型コネクタとの接続におけるヒートサイクル試験グラフを示す図である。

符号の説明

１００ ＨＦ
１０１，２０１，４０１，５０１ 光ファイバクラッド部
１０２，２０２，４０２，５０２ 光ファイバコア部
１０３，２０３，４０３，５０３ 空孔部
２００，２１０，２２０，２３０，４００，５００，６００ 光ファイバ端部形状
２０４ 空孔封止部
３００ 光ファイバ端部形状を生成する装置
３０１ 光ファイバ
３０２ 炭酸ガスレーザ照射装置
３０３ 光ファイバ固定冶具
３０４ セレン化亜鉛レンズ
４０５ 光フェルール
５０６，６０６ 空孔封止距離

Claims (12)

1. 長軸方向に延びる複数の空孔を有する光ファイバであって、
   前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解し、前記光ファイバ端部における前記空孔を封止して形成することを特徴とする光ファイバ端部形状。
2. 前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解するときに、前記光ファイバ端部の形状を半球状にして前記空孔を封止することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ端部形状。
3. 前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解して前記空孔を封止した後、
   前記光ファイバ端部において前記空孔が再び開口しないように前記光ファイバ端部を研磨して形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ端部形状。
4. 前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解して前記空孔を封止した後、
   前記光ファイバ端部を光フェルールに装着し、前記空孔が再び開口しないように前記光ファイバ端部を前記光フェルールと共に研磨することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光ファイバ端部形状。
5. 前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解して前記空孔を封止した後、
   他の光ファイバと直接接続することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光ファイバ端部形状。
6. 前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解するときに、レーザを使用することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光ファイバ端部形状。
7. 長軸方向に延びる複数の空孔を有する光ファイバであって、
   前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解し、前記光ファイバ端部における前記空孔を封止して形成することを特徴とする光ファイバ端部処理方法。
8. 前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解するときに、前記光ファイバ端部の形状を半球状にして前記空孔を封止することを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ端部処理方法。
9. 前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解して前記空孔を封止した後、
   前記光ファイバ端部において前記空孔が再び開口しないように前記光ファイバ端部を研磨して形成することを特徴とする請求項７又は８に記載の光ファイバ端部処理方法。
10. 前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解して前記空孔を封止した後、
    前記光ファイバ端部を光フェルールに装着し、前記空孔が再び開口しないように前記光ファイバ端部を前記光フェルールと共に研磨することを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の光ファイバ端部処理方法。
11. 前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解して前記空孔を封止した後、
    他の光ファイバと直接接続することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の光ファイバ端部処理方法。
12. 前記光ファイバ端部を局所的に加熱して融解するときに、レーザを使用することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の光ファイバ端部処理方法。