(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバをその中に保持する光ファイバ保持デバイスであって、前記光ファイバは直径および剛性を有するものであり、
前記光ファイバを保持及び収容する、第１の螺旋状チャネルをその上面に有する基部を備え、前記第１の螺旋状チャネルが、
前記光ファイバが前記チャネルに入る第１の場所と、
前記光ファイバをその周囲に巻き付かせて保持する複数の巻部と、
前記光ファイバが前記チャネルから出て行く第２の場所とを含み、前記螺旋状チャネル内に収容される光ファイバの曲げ半径が少なくとも２ｃｍであること、および
前記光ファイバの直径より大きいチャネル幅によって分離される内側および外側の側壁を含み、
前記第１の場所が前記光ファイバの第１の端部を保持する前記基部の側部にある第１の開口部と、前記第２の場所が前記光ファイバの第２の端部を保持する螺旋の中心にある第２の開口部とを有し、
前記第１の螺旋状チャネルの前記外側の側壁が第１の内側に傾斜した部分を有し、前記光ファイバの剛性により前記光ファイバが自らを前記第１の内側に傾斜した部分に押し付けることで前記第１の螺旋状チャネルに前記光ファイバを自身で固定する、
光ファイバ保持デバイス。
【請求項２】
前記第１の螺旋状チャネルが実質的に平坦な底部を有する、請求項１に記載の光ファイバ保持デバイス。
【請求項３】
前記内側の側壁が傾斜しておらず、前記平坦な底部に対して直角を成している、請求項２に記載の光ファイバ保持デバイス。
【請求項４】
前記第１の螺旋状チャネルが、連続する巻部の間に等しい間隔を有するアルキメデス螺旋形を形成する、請求項１に記載の光ファイバ保持デバイス。
【請求項５】
前記第２の開口部が前記基部に対して鋭角を成して延在する、請求項１に記載の光ファイバ保持デバイス。
【請求項６】
前記第１の螺旋状チャネルを覆い、前記光ファイバが飛び出ないように前記基部内に前記光ファイバを入れるカバーを更に備える、請求項１に記載の光ファイバ保持デバイス。
【請求項７】
前記カバーを前記基部上に置いたときに、光ファイバが前記カバーと接触し、これにより前記光ファイバから前記基部と前記カバーとに熱を放散させるように、前記第１の螺旋状チャネルが前記光ファイバの直径よりも小さい深さを有する、請求項６に記載の光ファイバ保持デバイス。
【請求項８】
前記光ファイバを保持する前記基部の下面に第２の螺旋状チャネルを有し、前記第２の螺旋状チャネルが、
前記光ファイバの第１の端部を保持する前記基部の下面にある第１の開口部と、
前記光ファイバをその周囲に巻き付かせて保持する複数の巻部と、
中心部と、
前記光ファイバの第２の端部を保持する前記螺旋の中心にある第２の開口部とを含む、請求項１に記載の光ファイバ保持デバイス。
【請求項９】
第２の異なる光ファイバを保持する前記基部の下面に第２の螺旋状チャネルを有し、前記第２の螺旋状チャネルが、
前記第２の異なる光ファイバの第１の端部を保持する前記基部の下面にある第１の開口部と、
前記第２の異なる光ファイバをその周囲に巻き付かせて保持する複数の巻部と、
中心部と、
前記第２の異なる光ファイバの第２の端部を保持する前記螺旋の中心にある第２の開口部とを含む、請求項１に記載の光ファイバ保持デバイス。
【請求項１０】
前記基部の上面を覆う第１の蓋と、前記基部の下面を覆う第２の蓋とを更に備える、請求項８または９に記載の光ファイバ保持デバイス。
【請求項１１】
前記基部が放熱性材料からなる、請求項１に記載の光ファイバ保持デバイス。
【請求項１２】
前記基部の材料が、前記光ファイバ内の熱を放熱させる金属又は金属複合材からなる、請求項１１に記載の光ファイバ保持デバイス。
【請求項１３】
前記基部が放熱性材料からなり、前記外側の側壁の前記第１の傾斜した部分は、前記光ファイバをその間に摩擦係合させてその間の熱的接触を増大させる、前記第１の螺旋状チャネルの前記平坦な底部に対して鋭角である、請求項２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記外側の側壁が、前記光ファイバをその間に摩擦係合させてかつその間の熱伝導性を増大させるために、前記平坦な底部に対して鋭角である、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記外側の側壁が、前記光ファイバを係合して熱的接触を増大させるために、前記第１の螺旋状チャネルの前記平坦な底部に対して鈍角を成す第２の傾斜した部分も含む、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第１の螺旋状チャネルの外側の側壁が、前記第１の傾斜した部分に対して鈍角を成す第２の傾斜した部分を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記第１の螺旋状チャネルの外側の側壁の断面が、半円形であり、光ファイバの形状と一致するように、かつ光ファイバを収容するようなサイズになっている、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００７年３月２７日出願の米国特許出願第６０／９０８２４５号からの優先権を主張するものであり、同出願を本願に援用する。
【０００２】
本発明は一般に、光ファイバ保持デバイスに関し、更に具体的には、光ファイバの過剰な熱を該保持デバイス内に放熱するのを促進する保持具に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバは、ある地点から別の地点に光を運ぶため、並びに、例えばファイバ・レーザ若しくは光増幅器における利得媒体として又は遠隔通信網における散乱補償媒体として光の特性を改変するために、伝送媒体として使用される。光ファイバを用いて光の伝達のためではなく、光の特性を改変する場合、典型的には０．５ｍ未満の直線寸法を有する密閉されたユニットに組み込まれる比較的小型の体積内に光ファイバを含むことが好ましいことが多い。
【０００４】
一般的なファイバ・レーザ又は増幅器ファイバは、１０ｍｍ〜１００ｍの長さ、最も一般的には１〜３０ｍの範囲の長さの光ファイバから形成され、一般に、この光ファイバの最小許容曲げ半径は１０〜２０ｍｍである。その他の特別な光ファイバは一般に、同じ範囲のパラメータに入る。光ファイバは用途に応じて、効果的な熱除去を要求するほどの熱、例えば１ワットを放出することがある。また、ファイバ・レーザに使用される光ファイバは、取り扱い中の飛び出し又は予想外の損傷から優先的に保護しなければならない。光ファイバには壊れ易い性質があるため、光ファイバに損傷を与える可能性のある及び／又は光ファイバを伝送中の信号の劣化を引き起こす可能性のある曲げ、押圧及び緊張などの外的な応力の源から光ファイバを保護する必要性がある。例えば、光ファイバはその経路のどこにおいても鋭く曲げてはならない。破損又は割れの可能性に加え、光ファイバは臨界角を超えて曲げられると、伝送される光パルスの一部がファイバ・コア内で反射されるのではなく、漏れ出て、これにより伝送される光パルスが減衰され、信号品質が劣化する。したがって、光ファイバの曲がりがそういった光の漏れの発生を実質的に回避するのに十分な半径になるように、光ファイバを経路付けすることが必要である。Ｄａｏｕｄら名義の米国特許第６９８０７２６号は、汚染物質が光ファイバ・クロージャに入るのを防止する光ファイバ・ベンド・リミッタを開示している。
【０００５】
従来、ある長さの小さな光ファイバは糸巻きに似たスプール内に保持される。すなわち、この光ファイバは複数の巻線が並列した中心のスプール又はマンドレルの周囲に外側に巻かれた巻線であるので、複数の巻線を収容するために相当な厚さを有するスプールが必要となる。或いは、ある長さの光ファイバは、テープ、プラスチックのタイ・ラップ又は類似のデバイスを用いて光ファイバ自身に結合された緩い巻線に成形することができる。例えば、「Ｄｏｕｂｌｅ  Ｈｅｌｉｃａｌ−Ｓ  Ｆｉｂｅｒ  Ｔｒａｙ」と題するＤａｏｕｄら名義の米国特許第６７３８５５４号は、光ファイバが「Ｓ字」形に巻き付けられたトレーを開示している。この特許では、ある長さの光ファイバがエンクロージャ内に積層する層の他の長さの光ファイバの上に載っている光ファイバが示されている。しかし、光ファイバを収容するためのこれらの公知の方法及びデバイスは、効果的な熱除去、又はずれや不意の損傷からの保護を必ずしも保証するものではなく、それらは望むような小型ではないことが多い。
【０００６】
したがって、ある長さの光ファイバを保持し、保護し、その中の望ましくない熱を放熱するための小型のデバイスの必要性がある。
【０００７】
光ファイバ内の熱の蓄積及び熱移動は、例えば１００Ｗ以上の高い電力の動作において特に関心がもたれている。これらの場合、高温での光ファイバ内のレージングは本質的に効率の損失を招く。このことはイッテルビウム・ドープ・ファイバに関しては、このドーパントではエネルギー・レベルが共に非常に近くなるために特に問題である。高温になると、より低いレーザ・レベルの熱の蓄積が増大し、高い状態の蓄積は低減し、反転及び効率の低下に至る。したがって、ファイバ・コアをできるだけ室温付近に、かつ確実に７０℃未満に維持することが重要である。高温でファイバ・レーザを動作させる別の欠点は、時間の経過とともに、７０℃の範囲を超えるファイバ温度がファイバ上のポリマー・コーティングを劣化させ、場合によってはファイバ・コアの材料も劣化させる恐れがあることである。数百ワットの出力を有するファイバ・レーザでは、光ファイバは、典型的に僅か数ｃｍ２／ｍの総表面積にわたって多数のワット出力／ｍを消費していることがあるのでコア温度を室温付近に維持するためには、ヒート・シンクに対して最小の熱抵抗を有することは必須である。この光ファイバのクラッド層及びポリマー・コーティングは相当な熱抵抗性を有しており、数℃ないし数十℃の温度上昇を生じることがある。
【０００８】
埋込用樹脂及び「熱伝導性」埋込用樹脂さえも一般に、金属よりも著しく低い熱伝導率を有する。このため、任意の相当な熱的厚さの埋込用樹脂を用いれば、熱抵抗性を著しく増大させ、コア温度を上げることができる。汚染及び光損傷の観点からは、光ファイバ近傍及び特には光ファイバ先端近傍の有機材料の量を最小化することも重要である。ファイバ・ポリマー・コーティングの存在は現在のデザインによるものであり、対処すべきものであるが、埋込用材料は典型的には、有機材料は非常に大きな体積になり、それほどきれいには塗布されない。全出力時に高温になる動作環境では、埋込用樹脂の使用は、有機材料の揮発を伴う光ファイバ端面の汚染の実質的リスクを上昇させる。このため、埋込用樹脂は光ファイバ内の過剰な熱の問題に対する望ましい解決策ではない。
【特許文献１】米国特許第６９８０７２６号
【特許文献２】米国特許第６７３８５５４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、直接的に高伝導性金属への優れた熱移動を有し、有機材料による更なる汚染リスクがないように光ファイバを保持することである。
【００１０】
本発明の目的は、破断する可能性、過剰な光が漏れる可能性を回避するようにある長さの光ファイバの曲げ半径を少なくとも所定の半径にすること及び光ファイバ内からホルダへの放熱を促進することを保証すると同時に、ある長さの光ファイバを小型に保持するファイバ・ホルダを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、光ファイバをその中に保持する光ファイバ保持デバイスが提供され、それは光ファイバを保持及び収容する、第１の螺旋状チャネルをその上面に有する基部を備え、前記チャネルは、光ファイバの第１の端部を保持する基部の側部にある第１の開口部と、光ファイバをその周囲に巻き付かせて保持する複数の巻部と、中心部と、光ファイバの第２の端部を保持する螺旋の中心にある第２の開口部とを含み、螺旋状チャネル内に収容される光ファイバの曲げ半径は少なくとも２ｃｍである。
【００１２】
本発明によれば、光ファイバ保持デバイスが提供され、それは光ファイバを受ける、第１の螺旋状チャネルをその上面に有する基部を備え、前記チャネルは、光ファイバの第１の端部を受ける基部の側部にある第１の開口部と、光ファイバをその周囲に巻き付かせて受ける複数の巻部と、中心部と、光ファイバの第２の端部を受ける螺旋の中心にある第２の開口部とを含み、チャネルの巻部は、光ファイバを挿入後にそれがチャネルから飛び出さないように、光ファイバを入れるのに適合した断面を有する。
【００１３】
本発明によれば、光ファイバ保持デバイスが提供され、それは光ファイバを受ける、第１の螺旋状チャネルをその上面に有する基部を備え、光ファイバの第１の端部を受ける基部の側部にある第１の開口部と、光ファイバをその周囲に巻き付かせて受ける複数の巻部と、中心部と、光ファイバの第２の端部を受ける螺旋の中心にある第２の開口部とを含み、螺旋状チャネルは、連続する巻部の間に等しい間隔を有するアルキメデス螺旋形を形成する。
【００１４】
ここで本発明の例示の実施形態を添付図面と関連して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ここで図１及び２を参照すると、側部の付いた平板固定具１０がある長さの光ファイバ１４を螺旋状に保持する螺旋状チャネル１２を有する、光ファイバ・ホルダ８が示されている。本明細書で用いられる「螺旋」という用語は、固定された中心点の周囲に該中心点から連続的に増大又は低減する距離で渦巻いている、ある平面上の曲線として定義される。
【００１６】
図示のように、光ファイバ１４は左側から板１０の上部のチャネル１２に入ることができる。該光ファイバは少なくとも１回内側に向かって渦巻いているが、典型的には図１に示すように複数回渦巻いており、最終的には螺旋の内側から出て行く。内側では、光ファイバは出て行くために、螺旋の平面の上方又は下方に方向付けられる。これは、例えば、チャネルを出て、平板の上方の自由空間を通過することによって、又は平板の底部側の方に光ファイバを通すチャネル若しくは穴に入ることによって行われ得る。図示していない代替実施形態では、光ファイバは螺旋の平面の直ぐ上方又は下方の平板の側方にある開口部から出ることができる。典型的には、ホルダ８内に配設された光ファイバ１４は双方向型であり、いずれかの可能な方向に配向され得る。つまり、光ファイバは螺旋の内側から十分に等しくチャネルに入ることができ、次いで、外方向に渦巻き得る。光ファイバは本質的にすべて一平面内に保持され、平板は比較的薄いものとすることができるので、構造全体を非常に小さな体積にすることができ、レーザ又は増幅器ユニットに簡単に組み込むことが可能である。
【００１７】
螺旋の隣接する巻間に所定のピッチと、ｒｍｉｎ及びｒｍａｘそれぞれによって与えられる最小半径及び最大半径とを有する単純なほぼ円形の螺旋固定具内での光ファイバの長さは、次式によって得られる。
長さ＝π（ｒｍａｘ２−ｒｍｉｎ２）／ピッチ
上式から、ｒｍｉｎ＝３０ｍｍ、ｒｍａｘ＝１００ｍｍ及びピッチ１．５ｍｍの典型的な可能値を用いれば、１つの固定具に設置することのできる光ファイバの長さは１９．１ｍであると計算することができる。このような長さは、典型的なファイバ・レーザ及びファイバ増幅器用途に必要な光ファイバの長さに十分に適合するものである。
【００１８】
平板は金属、セラミック、プラスチック又は複合材などの多数の物質から直接製造することができる。アルミニウムなどの金属は高い熱伝導率を有しており、熱を光ファイバから効果的に導くことができるので好ましい。窒化アルミニウムなどのセラミックも非常に高い熱伝導率を有するだけでなく、一般に光ファイバの母材であるシリカの熱膨張係数に十分に適合する低い熱膨張係数を有するので、好ましいことがある。従来の製造工程を用いて、螺旋状のチャネルを平板に機械加工することができる。放熱を最適にするには、チャネル及び平板の表面は非常に滑らかで汚れのないものであることが好ましい。幾つかの実施形態では、表面が実質的に平坦なものとし、光ファイバの直径は十分にコントロールされたものとし、かつ光ファイバは好ましくは、固定具との均一な接触を可能にするポリマー・コーティングなどの低公害塗料でコーティングすることも好ましい。
【００１９】
図３ａ、３ｂ及び３ｃには本発明の幾つかの実施形態の断面図を示す。図３ａの特定の実施形態では、光ファイバが不意にチャネル３２の外に出たりしないことを保証するために、保持板３６が主板３０の上部に取り付けられている。板３０は主板３０に永久的に取り付けられることができ、または好適には取り外し可能に結合される。チャネル深さは、光ファイバが主板の上面に僅かに突出して、保持板が光ファイバと物理的に接触して、光ファイバを締め付けるように選択することができ、そうすることにより、チャネル底部と保持板との両方からの放熱を改善することが可能となる。これを図４ａに示す。
【００２０】
図３ｂ及び３ｃに示すように、チャネル形状はチャネル内に設置された光ファイバを保持するように意図した形状であり得る。これらの場合、取り扱い中に光ファイバがチャネルから不意に出たり、外れたりするのを防止できるようにするために傾斜になっているか或いはそうでなければ切り込まれたチャネルの最外壁に光ファイバ自らが押し付けることを可能にするために、光ファイバの固有の弾力性が利用される。光ファイバ自らがチャネルの外壁に押し付けるこの作用のために、外壁を通した光ファイバの放熱が向上し、最初の図の場合には、光ファイバもチャネルの底面に押し付けられ、光ファイバを収容し、側壁を介して十分な放熱を提供するのに特に便利な図３ｂに示した実施形態と同様にその方向に更に放熱されることから利益を受ける。チャネルは光ファイバの形状に実質的に一致する溝付きの側壁を有し、これによって側壁と光ファイバとの接触面積が増大される。このことは製造コストを増大すると思われるが、好適な実施形態では、側壁は、該側壁に押し付けられる光ファイバと正確に一致する形状を有するであろう。典型的な円形の光ファイバに関しては、これは側壁の外側が、光ファイバをぴったりと収容できるように光ファイバの半径にほぼ等しい半径を有する半円形の断面形状となろう。
【００２１】
図４ａは、主板４０ａ内に形成されたチャネル４２ａが保持板４８と組み合わされた本発明の好適な実施形態を示す。この図では、保持板４８ａが光ファイバ４４と物理的に接触し、それを締め付けるように、光ファイバ４４が主板４０ａの上面の上方に突出するのを保証するチャネル深さが示されており、これにより、少なくとも３表面：チャネル４２の底部、保持板４８ａ及びチャネル４２ａの最外壁において放熱が向上される。
【００２２】
図４ｂでは、螺旋形チャネル４２ａ及び４２ｂを両側に有する主板４０ｂが示されている。このデバイスは、図４ａに示した一方側だけにチャネルを有する固定具の２倍の光ファイバを保持することが可能である。チャネル４２ａ内の固定具の一方の側にある光ファイバは、例えば、図示のように主板を貫通するチャネル４７若しくは穴を通るか、又は任意の適した他の経路を通って、他方のチャネル４２ｂ側まで通すことができる。便宜上、底部保持板４８ｂも提供される。
【００２３】
図３ｂ、３ｃ、４ａ及び４ｂに示すように、チャネルは光ファイバを保持するような形状になっている。これは固定具に光ファイバを装填する際に使用が簡単であるという点で相当な利点を提供する。高出力ファイバ・レーザの光ファイバは非常に大きく、剛性があるので、チャネル内に光ファイバをしっかりと保持しておく積極的補強がないと、装填中に瞬時に飛び出る恐れがある。本発明の一態様は、装填時に光ファイバが自身を適所に固定することを保証するために光ファイバの剛性を用いることにある。このしっかりした固定作用は、良好な熱的接触及び放熱を確実にする際にも有用であり、これは高出力ファイバ・レーザにとっては非常に重要である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態による側部の付いた光ファイバ・ホルダを示す平面図である。
【図２】図１に示した光ファイバ・ホルダを示す側面断面図である。
【図３】図３ａは、溝の側壁が溝の平坦な基部に直交し、光ファイバを溝付きのチャネル内に含むための蓋を有する、本発明の光ファイバ・ホルダを示す側面断面図である。図３ｂは、溝又はチャネルの外側壁が溝の平坦な基部に対して鋭角を形成する、本発明の光ファイバ・ホルダを示す側面断面図である。図３ｃは、溝の外側壁が溝の平坦な基部に対してまず鈍角を形成し、次に鋭角を形成して、光ファイバが含まれる側壁に溝を提供する、本発明の光ファイバ・ホルダを示す側面断面図である。
【図４】図４ａは、光ファイバ径がチャネル深さより大きく、光ファイバと接触して光ファイバを含むため及び光ファイバ内の熱を蓋及びチャネル壁へ放熱させるための蓋が設けられた、本発明の光ファイバ・ホルダを示す側面断面図である。図４ｂは、板の両側が光ファイバを保持するチャネルを有し、該２つのチャネルが、チャネルを結合し、かつ光ファイバを一方側上に巻き付かせ、そこを介して他方側まで通して第２の側に巻き付かせるための内部溝又は穴を有する、図４ａに類似する光ファイバ・ホルダを示す断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
８  光ファイバ・ホルダ
１０  平板固定具
１２  螺旋状チャネル
１４  光ファイバ
３０  主板
３６  保持板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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