(57)【要約】光ファイバ１、１’は、９．３μｍの放出波長を有するＣＯ2レーザ１０９を用いることによって、互いに融着接合する。１０．６μｍの従来の波長に比べて、ファイバの熱吸収は高く、波長の小さな変動に対する吸収の変動は小さい。結果として、必要とされるレーザ電力は少なく、レーザ構成は、よりコンパクトになる可能性があり、安全の問題は容易に処理されることができる。ＣＯ2レーザの光ビーム用の光学機構は、凹状の、ほぼ放物面の形状の湾曲表面を有するミラー１０を用いて、レーザによって放出される平行レーザ・ビーム２０を偏向させ、収束させることを含み、スプライス位置３０は、ミラーの焦点からわずかの距離離れ、平行ビームの十分に外側にある。
2005518565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
端部面をスプライス位置に互いに設置した状態で２つの光ファイバの端部を保持するようになされた光ファイバ用保持器と、
前記スプライス位置に対して光を放出するＣＯ2レーザとを備える、２つの光ファイバの端部を互いに融着接合する装置であって、
前記ＣＯ2レーザによって放出される平行直進光ビームを、前記平行直進光ビームからある距離のところに位置する前記スプライス位置に向けて偏向させ、前記平行直進光ビームを前記スプライス位置の方向の、ある焦点に収束させるように位置する湾曲凹状平面を有するミラーを特徴とする装置。
【請求項２】
前記凹状ミラー及び前記保持器は、前記凹状ミラーによって反射された時の前記平行直進光ビームの焦点から比較的短い距離のところに前記スプライス位置を位置させるようになされていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ほぼ放物面形状を有し、特に、軸外し（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）放物面型である前記凹状ミラーの表面を特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ＣＯ2レーザの放出波長はほぼ９．３μｍであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ＣＯ2レーザによって放出される前記平行直進光ビームの直径は、２〜４ｍｍの範囲にあり、好ましくは３ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ＣＯ2レーザの最大電力は０．８〜１Ｗの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ＣＯ2レーザの前記平行直進光ビームが前記凹状ミラーによって偏向される角度θは、４５〜７０°の範囲にあり、特にほぼ６０°であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ＣＯ2レーザによって放出される前記平行直進光ビームは、前記凹状ミラーによって、前記凹状ミラーの前の３０〜５０ｍｍに位置する点に収束されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記スプライス位置における光スポットの中心と前記ＣＯ2レーザによって放出される前記平行直進光ビームの中心軸の間の距離は、３０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲にあり、特にほぼ４０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ＣＯ2レーザによって放出される光によって生成され、前記凹状ミラーによって偏向される光スポットの直径は、前記スプライス位置において３００μｍ〜５００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記凹状ミラーによって偏向され、前記スプライス位置を通過した光を受け取り、吸収するように位置するビーム減衰（ｄａｍｐｉｎｇ）デバイスを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記ＣＯ2レーザによって放出される前記平行直進光ビームとほぼ同じに位置しかつ形成される、すなわち、前記平行直進光ビームと同軸でありかつほぼ同じ断面を有する光ビームを形成するように形成され送られる光を発する位置決め光源を特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記位置決め光源は、可視範囲にあるレーザ・ダイオード放出光からなることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記レーザ・ダイオードの作動電力は５〜１０ｍＷの範囲にあることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
半透明又は半反射ミラーであって、前記ＣＯ2レーザによって放出される前記平行直進光ビームがミラーに進むように設置されており、前記位置決め光源からの光を、前記平行直進光ビームと同軸になるように送る、半透明又は半反射ミラーを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
２つの光ファイバの端部を互いに融着接合する方法であって、
前記端部を整列させるステップであって、それによって、端部面がスプライス位置で互いに近くにあるか、又は、ぴったりと接触するようにする、整列させるステップと、
前記スプライス位置において適当なスポットを形成するように、ＣＯ2レーザによって放出される前記平行直進光ビームを形成し送るステップであって、前記形成し送ることは、位置決め光源が放出する光を観察することによって行われ、前記光は、前記ＣＯ2レーザによって放出される前記平行直進光ビームとほぼ同じビーム・ロケーション及び幾何学的形状を有する、形成し送るステップと、
前記ＣＯ2レーザによって放出される前記形成され送られる平行直進光ビームによって前記スプライス位置を照明するステップとを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記ＣＯ2レーザによって放出される前記平行直進光ビームを形成し送るステップにおいて、前記平行直進光ビームは、ほぼ放物面形状の凹状表面を有するミラー、特に、軸外し放物面型である凹状ミラーによって反射されることによって、形成され偏向されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ＣＯ2レーザによって放出される前記平行直進光ビームを形成し送るステップにおいて、前記平行直進光ビームは、焦点が前記スプライス位置から比較的短い距離のところに位置するように、形成され送られることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記ＣＯ2レーザによって放出される前記平行直進光ビームを形成し送るステップにおいて、前記平行直進光ビームは、前記スプライス位置における前記スポットが前記平行直進光ビームからある距離のところに位置するように形成され送られることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＣＯ2レーザによって放出される前記平行直進光ビームを形成し送るステップにおいて、前記平行直進光ビームは、ほぼ放物面形状を有する凹状ミラーによって反射されることによって形成され送られることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全体の教示が参照により本明細書に組み込まれる、２００２年２月２６日に出願されたスウェーデン特許出願第０２００５６８−４号からの優先権及び利益を主張する。
【０００２】
本発明は、レーザによって放出される赤外光から得られる熱を用いた融着によって光ファイバを接合することに関する。
【背景技術】
【０００３】
レーザ光を用いた光ファイバの接合は、２０年前の先駆的作業にさかのぼることができる。Ｋ．Ｋｉｎｏｓｈｉｔａ及びＭ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ著「Ｅｎｄ  ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｆｕｓｉｏｎ  ｏｆ  ａｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ  ａｒｒａｙ  ｗｉｔｈ  ａ  ＣＯ２  Ｌａｓｅｒ」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、Ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．１９、ｐｐ．３２５６−３２６０、１９７５並びにＨ．Ｆｕｊｉｔａ、Ｙ．Ｓｕｚａｋｉ及びＡ．Ｔａｃｈｉｂａｎａ著「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｗａｖｅ  Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  Ｃｏｕｐｌｅｒ」Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、Ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．９、ｐｐ．２０３１−２０３２、１９７６を参照されたい。光ファイバを接合するために熱源としてＣＯ２レーザを用いる考え方は、フランス特許ＦＲ−２３２３６４６（１９７７年５月２１日、発明者：Ｈｉｒｏｙｕｋｉ  Ｆｕｊｉｔａ他）において開示された。ＣＯ２レーザを用いて幹線（ｔｒｕｎｋ）ファイバ及びマルチファイバを接合するように設計された装置は、１９８１年及び１９８２年にそれぞれ考案された。Ｐｉｅｔｒｏ  Ｄｉ  Ｖｉｔａ他に対する米国特許第４，２８８，１４３号（１９８１年９月８日）及びＫｙｏｉｃｈｉ  Ｋｉｎｏｓｈｉｔａ他に対する米国特許第４，３５０，８６７号（１９８２年９月２１日）を参照されたい。自動化レーザ接合システムは、１９９１年に紹介された。Ｈｕｉ−Ｐｉｎ  Ｈｓｕ他に対する米国特許第５，０１６，９７１号（１９９１年５月２１日）を参照されたい。レーザ接合技法に関連するいくつかの拡張された用途もまた提案された。その用途は、例えば、引っ張り強さ及び疲労を改善するための、反応性気体及びレーザを用いた光ファイバ上への炭素コーティング膜の回復（Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ  Ａ．Ｓｃｈａｎｔｚに対する米国特許第４，７２７，２３７号（１９８８年２月２３日）を参照されたい）、硫酸によるはがし（ｓｒｉｐｐｉｎｇ）及びレーザの助けを借りた高強度スプライスの達成（Ｃａｒｌ  Ｓ．Ｄｏｒｓｅｙ他に対する米国特許第４，９７１，４１８号（１９９０年１１月２０日）を参照されたい）、並びに、レーザ光を用いた劣化ファイバの機械的強度の改善（Ｇｏｒａｎ  Ｌｊｕｎｇｑｖｉｓｔ他に対する米国特許第５，６４９，０４０号（１９９７年７月１５日）を参照されたい）である。
【０００４】
レーザ光を用いる融着接合は、電気アーク中の熱を用いる融着接合、機械的接合、水素／酸素火炎を用いる接合などの方法のような従来の方法に比べて、多くの利点を有する。多くの利点を有する理由は、レーザが、高エネルギーを有し、並びに、非常に局在化した領域において高い均一性及び繰り返し性を有する強力な光ビームを送出することができるからである。したがって、レーザは、高い正確さを必要とする工程、例えば、光ファイバの高精度の切断に用いることができる。公告された（ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ）欧州特許出願第０９８７５７０号（発明者：Ｈｅｎｒｉｃｕｓ  Ｊｏｚｅｆ  Ｖｅｒｇｅｅｓｔ）を参照されたい。電気アークを用いる融着工程で用いられるような電極又はフィラメントがないために、レーザは、接合部を汚染しない「クリーンな熱源」であると考えられており、したがって、高強度の接合には最も適した熱源であると信じられている。
【０００５】
レーザ光を用いる接合技術におけるかなりの進歩が過去２０年に達成されたが、光ファイバのレーザ接合の工業用途はいまだ限定されている。現在、市場で入手できる商用のレーザ・スプライサはない。これは、主に技術的な理由による。例えば、レーザ・ビームの品質、ビーム調整及び制御システム、レーザ放射に対する操作者の保護などに対する高い要求、並びに、レーザ光を用いた接合工程のやや複雑な性質についての乏しい理解である。したがって、レーザ光を使用し、すべての型の光ファイバについて異なる融着工程を扱うために、制御可能な融着工程を自動的に行うことができることを可能にする融着スプライサが構築されるべき方法についての一般的な考え方を確立するのが、当技術分野では必要とされている。レーザ光を用いるスプライサの設計はまた、大量製造に対する要求条件を満たさなければならない。例えば、スプライサは、小さく、コンパクトで、頑強で、操作者にとってまったく安全でなければならず、容易に使用され、保守されなければならない。
【０００６】
レーザ光を用いて接合する融着工程の理解は、レーザ光を用いるスプライサを構築するのに非常に重要である。従来のスプライサ、例えば、電気アークを用いる融着スプライサにおいて接合に必要とされる１８００℃を超える高温度は、光ファイバの周囲の残留気体、例えば空気からプラズマを生成する電気アークによって主に得られるが、レーザ光を用いる融着工程は、接合されるべきファイバにおける直接的なレーザ光のエネルギーの強い吸収によるものである。レーザ光を用いる接合における光吸収の過程を裏付けるための実験的な証拠は、環境、例えば、高度、湿度などの変化に対して融着温度の依存性が弱いこと、用いられるレーザ源の動作波長に対する依存性が強いことである。
【０００７】
ＣＯ２レーザによって放出される光は、多くの複合物質、例えば、紙、木、セラミック、プラスチック、ガラス、液体、花崗岩などによって強く吸収されることが知られている。今まで、ＣＯ２レーザは、光ファイバを接合するのに実際に用いられている唯一のレーザである。従来システムにおいて、１０．６μｍの動作波長を有するＣＯ２レーザが用いられる。図１は、ゲルマニウムを添加したシリカガラス、ＧｅＯ２−ＳｉＯ２、リン珪酸ガラス、Ｐ２Ｏ５−ＳｉＯ２、ほう珪酸ガラス、Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２、及び溶融シリカから得られた赤外吸収スペクトルを示す。Ｈ．Ｏｓａｎａｉ、Ｔ．Ｓｈｉｏｄａ、Ｔ．Ｍｏｒｉｙａｍａ、Ｓ．Ａｒａｋｉ、Ｍ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ、Ｔ．Ｉｚａｗａ及びＨ．Ｔａｋａｔａ著「Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｄｏｐａｎｔｓ  ｏｎ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｌｏｓｓ  ｏｆ  Ｌｏｗ−ＯＨ−Ｃｏｎｔｅｎｔ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ」Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．２１、ｐｐ．５４９−５５０、１９７６を参照されたい。シリカガラスの場合、１０．６μｍの波長において、約１５％の比較的弱い吸収が得られることを確認することができる。詳しい検査から、この１０．６μｍの波長において、吸収は、ファイバ中の異なるドーパントに強く依存し、吸収は１０〜３０％の範囲で変動することがわかっている。このことが意味することは、融着工程並びに融着工程の物理的特性及びパラメータが、接合されるべき実際のファイバの型、例えば、ファイバ中の異なるドーパントの均質性及び品質に強く依存するということである。さらに、１０．６μｍの波長は、上記のガラスについての吸収が、その波長に関して非常に急峻な変化を有している領域にあるため、小さな波長の偏倚（例えば、ＣＯ２レーザの製造において得られ、通常、約±０．３μｍの偏倚が存在する）によって、最大２０％の吸収のドリフトを生ず可能性がある。このことが示唆することは、最適化された融着パラメータは、あるスプライサについては申し分なく作用する場合があり、別のスプライサについてはまったく適切でないであろうということである。したがって、同じスプライサの大量製造を達成するためには、同じレーザの製造に対する高い要求、例えば、動作波長についての高精度の要求及び放出される光電力についての高安定性の要求（現実的でない場合がある）が設けられなければならい。
【０００８】
レーザ光を用いるスプライサについての種々の光学機構（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）が当技術分野において提案されてきた。例えば、Ｊｏｓｅｐｈ  Ｌ．Ｐｉｋｕｌｓｋｉに対する米国特許第５，１６１，２０７号（１９９２年１１月３日）及びＪｏｓｅｐｈ  Ａ．Ｗｙｓｏｃｋｉ他に対する米国特許第５，３３９，３８０号（１９９４年８月１６日）を参照されたい。これらの特許において、２つの型のビーム・エキスパンダ及びビーム形成装置が開示されている。上記の第１の特許は、可動ミラーを用いて、平行ビームを偏向させ、発散円錐ビームを形成するようにし、発散円錐ビームは次に、放物面ミラーによって反射されて、収斂性円錐ビームを形成するようにし、収斂性円錐ビームは次に、光ファイバに向かって収束される。第２の特許は、ビーム・エキスパンダを用いて、平行ビームのビーム幅を広げるようにし、平行ビームは次に、放物面ミラーによって反射され、放物面ミラーは、ファイバ接合部に向かってビームを収束させる。これらの特許の両方について、ファイバのスプライス位置は、ビームの未収束部内にある。第１の特許の場合、ＣＯ２レーザによって放出されるビームの間接調整が、低電力のヘリウム−ネオン・レ−ザのビームを目視観察することによって行われる。ヘリウム−ネオン・レ−ザのビームは次に、取り外し可能ミラーによって、ＣＯ２レーザのビーム経路と同じビーム経路内に交互に切り換えられることができる。このミラーが所定場所にある時、ミラーはまた、もしあれば、ＣＯ２レーザからの光を遮断する。第２の特許の場合、ＣＯ２レーザ・ビームの調整は、ＣＯ２レーザによって放出され、スプライス位置から横に散乱される光量を検知することによって制御される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
レーザ光を用いて光ファイバを融着接合する効率のよい方法を提供することが本発明の目的である。
【００１０】
レーザ光を用いて光ファイバを融着接合する安定した、コンパクトなデバイスを提供することが本発明の別の目的である。
【００１１】
レーザ光を用いて光ファイバを融着接合し、レーザ・ビームを、互いに接合されるべきファイバと整列させる効率のよい機構を有するデバイスを提供することが本発明の別の目的である。
【００１２】
レーザ光を用いて光ファイバを融着接合し、ビームに対する適切な安全予防策を有するデバイスを提供することが本発明の別の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、光ファイバを互いに接合するために、ＣＯ２レーザからの光が用いられ、ＣＯ２レーザでは、特別に選択された動作波長が用いられる。特に、通常の光ファイバのガラス材料による熱吸収が十分に高い遠赤外範囲内の波長の光が用いられる。融着接合の場合、好ましくは、波長９．３μｍで動作するＣＯ２レーザが用いられ、この波長は、従来のように波長１０．６μｍで動作するＣＯ２レーザに比べて、より大きい吸収を与え、また、小さな波長の変動に対する依存性が小さくなるように選択される。９．３μｍの波長は、多くのガラス材料に対してほぼ最大の吸収を与える。高い吸収の結果として、レーザは、電力を小さくすることができ、レーザ光がより小さな強度を生じる。それによって、こうしたレーザは、製造費用が低くなり、安全の点から、より管理しやすくなる。
【００１４】
また、接合されるべき２つのファイバの間に作られる接合部の領域は、レーザの主要な直進ビームの十分に外側に設置することができる。これは、例えば、放方物面形状を有する凹状ミラーによってレーザ・ビームを偏向することによって可能になり、凹状ミラーは、レーザ・ビームを接合部の方向に収斂させ、それによって、同時に接合部の領域においてビームの電力密度を増加させる。接合部においてレーザ・ビームの適当なスポット・サイズを達成するのに必要な他のビームの変更及び形成はない。このことは、従来技術によるＣＯ２レーザ・スプライサと比べて、レーザ・スプライサに簡単な構造を与える。
【００１５】
本発明のさらなる目的及び利点は以下の説明で述べられ、一部は、説明から明らかになるか、又は、本発明の実施によって学ぶことができる。本発明の目的及び利点は、添付特許請求項において特に指摘される、方法、工程、手段（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｌｉｔｙ）及びその組み合わせによって実現され、得られることができる。
【００１６】
本発明の新規の特徴が特に添付特許請求項において述べられている間に、機構及び内容の両方に関する本発明の完全な理解並びに本発明の上述の特徴及び他の特徴の完全な理解を得ることができ、本発明は、添付図面を参照して以下で提示される非制限的な実施例の以下の詳細な説明を考察することによってよりよく理解されるであろう。
【実施例】
【００１７】
互いに接合されるべきファイバの端部を加熱するためのレーザ光を用いる融着スプライサにおける光線の透過経路が図３に示される。ＣＯ２レーザ・ビーム１０９は、２〜４ｍｍの範囲にある、好ましくは３ｍｍの直径を有する、直進平行光ビーム２０を送出する。半透明ミラーを含むビーム合成器２８は、ＣＯ２レーザからの直進ビーム内に設置され、直進ビーム内のビームが、ほぼ影響を受けずに半透明ミラーを通過することを可能にする。ビーム合成器２８は、直進レーザ・ビームに対して４５°の角度にある内部反射表面を有する。傾斜のついた表面レーザ・ダイオード・アセンブリ２４などの位置決め光源からの光を反射して、調整のために、ＣＯ２レーザのビームの中心で、かつ、ビームに平行に通過させる。位置決め光源２４及びＣＯ２レーザ１０９によって発せられた直進光ビームは、こうして、互いに垂直に送られ、ビーム合成器２８内部の反射表面すなわち半透明ミラーの直進ビームに対する傾斜角度は４５°である。ＣＯ２レーザによって発せられた直進ビーム２０は、ほぼ放物面形状の凹状表面を有するミラー１０の方に進み続け、ミラー１０に衝当する。このミラーの１つの適当なデザインは、２つの主光軸、すなわち、中心光線軸及び偏向光線軸を有する。いわゆる軸外し放物面ミラーである。これら２つの軸の間の角度θはデザインによって固定される。この状況において、軸外し放物面ミラーの最適調整は、中心光線軸が、ＣＯ２レーザの入射平行ビームの長手方向の軸と一致するところにある。図３に示すように、入射するＣＯ２レーザ・ビーム及びレーザ・ダイオード・アセンブリ２４から出る光ビームは次に、偏向光線軸に沿って反射する。これらのビームは次に、ＣＯ２レーザによって発せられる平行直進ビーム２０から、ある短い距離、例えば、３〜４ｃｍ離れたところにあり、また、ミラー１０から短い距離、例えば、３〜５ｃｍの範囲、離れたところにある焦点に対して収斂する。焦点を越えて、収斂性ビームは、発散ビームを形成し続ける。ＣＯ２レーザからの反射されたビームのスポットの観察される直径は、スポットとミラー１０の表面の距離によって決まる。
【００１８】
図４は、レーザ・スプライサの光システムの略図である。図４において、凹状ミラー１０は、図３でも示す唯一の見ることのできる部品である。ミラー（例えば、上述した、軸外し放物面ミラーであることができる）は、接合されるべきファイバ端部の側面にあるように見える。ミラー１０の光軸３５のまわりのミラー１０の適切な調節は、精密に制御されたミラー・マウント５を用いて達成されることができる。これによって、図３に見られるように、光ファイバ１、１’の端部についての適当なスプライス位置３０が、ＣＯ２レーザ・ビームの焦点領域のやや側面に、すなわち、焦点領域から比較的短い距離のところに設定される。ビームの光スポットの直径は、レーザ・ビームによって、接合されるべきファイバ端部の横方向及び長手方向の両方に均質に加熱される領域を得るように、スプライス位置３０において３００〜５００μｍの範囲内にあるように設定される。ＣＯ２レーザ・ビームの偏向角、すなわち、直進入射光ビームの長手方向の軸と凹状ミラーの焦点領域を通る中心光線の間の角度はまた、ミラー・マウント５によって制御される。軸外し放物面ミラーの場合、可能性のある最も鮮明な焦点に対応する最適な偏向角度は角度θである。偏向角度の適当な値は、４５〜７５°の範囲にあり、最適角度については、好ましくは、ほぼ６０°である。この角度で、ＣＯ２レーザの直進入射ビーム２０の長手方向の軸とスプライス位置３０の間の距離は、例えば、約４０ｍｍである可能性がある。
【００１９】
ＣＯ２レーザ１０９からの光ビームの調整工程を制御するために、位置決め光源２４からの平行光を用いて、見えないレーザ・ビームが送られる。位置決め光源は、例えば、約６５０ｎｍの波長における、見える赤色光を放射する、図示しないレーザ・ダイオードを備える。上述したように、位置決め光源からの光は、セレン化亜鉛でできている可能性があるビーム合成器２８を介して、ＣＯ２レーザ１０９からの直進光ビーム内に送られ、凹状ミラー１０の方に伝播し、凹状ミラーにおいて、反射され、接合されるべきファイバ１、１’のスプライス位置３０に送られる。位置決め光源２４からのビームの幾何学的形状はどこにおいても、ＣＯ２レーザからのビームの幾何学的形状とほぼ同じである。すなわち、ビーム合成器２８によって反射した後、位置決め光源からの光ビームは、ＣＯ２レーザからの光ビーム２０と同軸であり、その断面は、ビーム２０の断面とほぼ同じである。位置決め光源２４からの調整ビームを用いると、ＣＯ２レーザ・ビームは、最初にオフされ、その結果、調整を、低い光電力で安全に行うことができる。次に、ＣＯ２レーザがオンされると、さらに調整することなく、接合されるべき光ファイバ１、１’において、スプライス位置３０に同じスポット・サイズを期待することができる。
【００２０】
従来そうであるように、また、図４に見られるように、画像解析を用いて、ファイバ端部を互いに対して調整するための、レーザ・スプライサの光システムは、２つの発光ダイオード、ＬＥＤ４０、２つのレンズ５０、２つのミラー６０、及びビーム合成器７０を含む。ＬＥＤ４０は、接合されるべき２つの光ファイバ１、１’の間の接合部３０を照明するのに用いられる。ＬＥＤはさらに、その光を、互いに直交し、かつ、ファイバの長手方向に垂直な２つの方向に放出するように構成される。ファイバ１、１’を通過後、ＬＥＤからの光は、２つのレンズ５０によって収束され、平行にされる。光線は次に、２つのミラー６０によって偏向させられ、ビーム合成器７０に送られ、電荷結合素子、ＣＣＤカメラ８０に衝当する。
【００２１】
画像処理システムは、光電要素を有するエリアを備えるＣＣＤカメラ８０、対応する制御ソフトウェアを備えるビデオ・ボード１２０、それぞれ、レーザ・ビームによって加熱されるか、又は加熱されないＬＥＤによって照明されるファイバに対応する低温画像及び高温画像は次に、ビデオ・ボード１２０及びプロセッサ・インターフェース・ボード１３５を介して収集され、プロセッサ１４０に送出される。プロセッサ１４０はこの特定の場合、画像解析及び処理に用いられるが、融着工程制御にも用いられる。処理された画像は、ＴＶモニタ１４５上に表示される。インテリジェント・ソフトウェアを用いて、ファイバ調整、例えば、ファイバ端部の位置、ファイバの向き、ファイバ・コア／クラッディングのオフセットなどに必要な情報、及び接合工程のリアルタイム制御に必要な情報（Ｗ．Ｚｈｅｎｇ著「Ｒｅａｌ  ｔｉｍｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａｒｃ  ｆｕｓｉｏｎ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ  ｓｐｌｉｃｉｎｇ」ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．、Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．４、ｐｐ．５４８−５５３、１９９３）、及びスプライス損失評価に必要な情報もまた抽出され解析される。解析した結果は、接合工程における異なるタスクを実行するための制御システムに送られる。
【００２２】
図５は、融着接合工程の部品を含む種々の部品の機械的及び電気的調節のための制御システム１００の略図である。スプライサにおいて、２つの保持器１０５が設けられており、保持器において、ファイバ１、１’の端部分が、設置され、接合工程中にしっかりと保持される。保持器は次に、ファイバを３次元座標方向に移動させることができる。保持器は、適当な機械的ガイド上に取り付けられ、機械的ガイドは、ドライバ・ボード１２５及びインターフェース１３５を介してマイクロプロセッサ１４０によって制御されるモータ１０８によって駆動される。ファイバ１、１’は、ＬＥＤ４０によって２つの直交方向から交互に照明され、既に論じたように、ＣＣＤカメラ８０が取得した画像は、ビデオ・ボード１２０に送られ、ビデオ・ボードからのアナログ信号が、インターフェース・ボード１３５上でデジタル信号に変換されて、マイクロプロセッサ１４０によってさらに処理されるようにする。ＴＶモニタ１４５は、直接画像及び処理された画像を表示するのに用いられる。
【００２３】
自動化融着工程、例えば、２つのファイバ１及び１’の整列、事前溶着し、軟化したばかりの２つのファイバ端部に対する相互境界の設定、接合中のファイバ端部のわずかの引き離しなどは、ＣＯ２レーザの電力／エネルギー制御と同期化される。
【００２４】
ＣＯ２レーザ１０９のレーザ作動は、有利には、約４５ＭＨｚの無線周波数搬送波による、レーザ空洞内での横プラズマ励起によって達成されることができる。レーザ・ビームの電力／エネルギー制御は、無線周波数搬送波のパルス幅変調、ＰＷＭによって達成される。融着工程の特性及び設定されたパラメータに基づいて、一連の変調信号が、マイクロプロセッサ１４０によって生成され、プロセッサ・インターフェース・ボード１３５及びデジタル／アナログ変換器、ＤＡＣ１３２を介してレーザ・ドライバ１３０に送られる。これらの信号を用いて、自動化融着工程と同期した時間間隔でＣＯ２レーザがオン／オフされる。ＰＷＭオン時間の割合、すなわち、ＰＷＭデューティサイクルを調節することによって、レーザ・ビームの出力電力及びエネルギーが決まる。例えば、ＤＡＣ１３２からの２ボルトの出力信号は、ＰＷＭデューティサイクルの２０％に対応する場合がある。５〜２０ｋＨｚのクロック周波数を有する、付加的な「ティクル（ｔｉｃｋｌｅ）信号」もまた、ＣＯ２分子の事前イオン化のためにレーザ・ドライバ１３０に送られる。「ティクル信号」のパルス幅は約１μｍである。「ティクル信号」は、レーザ放出を生ずることなく、ＣＯ２分子をプラズマ状態に励起させる。それは、パルス幅がレーザしきい値（レーザ放出に必要とされる典型的なしきい値は約３μｍである）をかろうじて下回っているからである。この特徴によって、例えば、５０ｍｓ未満の遅延で、上述したスイッチ信号に対するほぼ瞬時のレーザ放射（ｌａｓｉｎｇ）応答が確保される。
【００２５】
ＣＯ２分子の振動レベル間の２つのレーザ遷移が存在する。図２を参照されたい。対称ストレッチモード（０，０，１）から非対称ストレッチモード（１，０，０）への遷移によって、１０．６μｍでのレーザ動作を生じるが、対称ストレッチモード（０，０，１）から非対称ストレッチモード（０，２，０）への他の遷移によって、９．４μｍでのレーザ動作を生じる。好ましくは、接合には、約９．３μｍの動作波長を有するＣＯ２レーザが用いられる。レーザ放射波長９．３μｍの選択は、レーザ導波路の適切な光学的及び機械的設計によって、また、レーザ用の二酸化炭素、窒素、及びヘリウムの適当な混合物を選択することによって可能になる。波長９．３μｍはシリカガラスの吸収帯域の中央にあるため（図１を参照されたい）、波長１０．６μｍのレーザ光を用いる時の欠点を克服するか、又は、少なくとも著しく低減することができる。図１から、その透過度スペクトルが示されているファイバの型について、波長９．３μｍのあたりの小さな波長の変動に対して、吸収はほぼ一定であることがはっきりとわかる。波長１０．６μｍの光ではなく、波長９．３μｍの光を用いると、異なる型のファイバについて、吸収はまた、１５〜３０％から７０〜９０％まで大幅に増加する。これが示唆することは、レーザ源に対する要求、例えば、電力レベル、電力の安定性、小さな波長の変動などが大幅に低減されることである。
【００２６】
異なる型のファイバについて、１０．６μｍ及び９．３μｍでそれぞれ動作するＣＯ２レーザを用いて、考察中の光ファイバの損傷しきい値、すなわち、クラッディングに対してマイクロクラックを作成するのに必要とされる最小のエネルギー／電力に関する比較実験が行われた。結果は、表１及び表２に要約されている。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
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【００２９】
これらのデータ及び吸収データが示すところでは、９．３μｍＣＯ２レーザを１０．６μｍＣＯ２レーザと比較すると、異なる型の光ファイバについて、４倍、熱効率が向上することである。したがって、レーザの寸法もまた、およそ４分の１に縮小することができる。それは、レーザ励起用の気体供給エリアが同じに保たれていると仮定すると、レーザの長さが全出力電力に比例するためである。
【００３０】
したがって、波長９．３μｍで動作するＣＯ２レーザを用いて、光ファイバのスプライス位置を加熱するための光ビームを生成する時、レーザ融着スプライサは、全体がより小さい寸法を有するように構築されることができる。
【００３１】
レーザ放射は、人間、例えば、目及び皮膚にとって非常に危険であることが一般に知られている。９．３μｍのレーザ放射波長において、このことに対する例外は存在しない。本明細書で提案されているスプライサにおいて、レーザ・ビームは、黒鉛ビーム減衰器２５によって打ち切られて、直進する及び散乱したレーザ放射が操作者にさらされるのを防止する。図３及び図４を参照されたい。ビーム減衰器２５は、凹状ミラー１０及びファイバ・スプライス位置３０の後段の、光スポット・サイズの直径が約１ｍｍであるビームの発散部分にあり、放熱のために金属ラジエータ（図示せず）に取り付けられる。レーザ・ビームの有効エリア、例えば、スプライス領域又は融着領域３０において、ビームは、機械的及び電気的な両方のビーム遮断器（図示せず）を含むインターロックシステムによって完全に遮ぎられる。ビームがオンか又はオフかを指示し、さらに、内部電子回路、例えば、レーザ制御回路の故障を指示する指示器（図示せず）もまた据え付けられる。
【００３２】
図６は、標準的な単一モード（ＳＭ）ファイバを互いに接合するために用いられる、典型的な一連の処理ステップにおけるレーザ電力及びファイバ端部間の距離を示す略図である。２つのＳＭファイバを保持器１０５に設置した後、粗調整の工程が最初に実行され、ファイバ端部を融着エリア内に移動させて、ファイバ端部面を互いから所定距離はなれたところにあるようにする。比較的低い電力を有するレーザームを０．３秒の間発火させて、ファイバ端部上に残留している、考えられるマイクロダストを除去するようにする。先に論じた方法に従って、低温画像を解析している間に、ファイバ端部は、接触点が見つかるまで、互いの方に移動する。接触点は、ファイバ端部面の間での光強度の５０％の減少によって決まる。次に、精密調整が行われて、２つのファイバ端部間のコア／クラッディングのオフセットを最小にし、その後、端部は、通常５０μｍの間隙になる所定の位置へ引き離されて、機械的システムのヒステリシスが除去される。次に、低電力のレーザ・ビームが予熱のために加えられ、その結果、ファイバ端部は軟化し、わずかに変形する。同時に、端部は、再び互いに接近させられ、しばらくして、わずかに変形した端部は再び接触する。次に、ごく短時間後に、接触する端部の間の共通境界のエリアが十分に大きくなると、融着ビームが始動される。融着接合のための、通常のレーザ電力及び通常の持続時間はそれぞれ、約１Ｗ及び１秒であり、レーザ電力は一般に、０．８〜１Ｗの範囲内にある。
【００３３】
標準的なＳＭファイバを接合するために、本明細書で述べたスプライサを用いると、高性能を期待することができる。低いスプライス損失（平均で０．０３ｄＢ）は、慎重に融着工程及び融着パラメータを最適化することによって、実験的に達成されることができる。
【００３４】
本システムの光学機構に関連する１つの利点は、不必要なビームの光学的減衰を生じる可能性のある、広範囲のビーム拡大及びビーム形成を必要としないことである。ＣＯ２レーザ１０９について実行される唯一のビーム形成操作は、凹状ミラー１０によって得られる操作であり、その操作によって、スプライス位置における光スポットは、３つの直交軸に対してとった、このミラーの３つの座標の独立した変化によって、サイズ及び場所が変わることができる。直交軸のうちの１つは、ＣＯ２レーザからの平行な、直進ビームの長手方向の軸に平行であってよい。こうして、スプライス位置は、直進ビームの十分に外側にあることができ、このことは、安全の点から大きな利点である。先に論じたことによって、波長９．３μｍにおける本発明のレーザ電力の必要条件は、１０．６μｍでの必要条件よりずっと低く、少なくとも４分の１に低減されることは明らかである。既に述べた、安全の理由のためにまた、レーザが非常にコンパクトでかつより小さくされるために、このことはまた利点である。さらに、ビームが、上述したスプライサにおいてあまり光学的な減衰を受けないという理由からも、ＣＯ２レーザ・ビームの間接的調整のための、レーザ・ダイオード・アセンブリ２４に含まれる光源は、可視波長範囲の赤色光を放出する、コンパクトで、非常に低電力の半導体レーザであってもよい。
【００３５】
本明細書において、本発明の特定の実施例を示し、述べてきたが、いくつかの付加的な利点、修正、及び変更が、当業者には思い浮かぶであろうことが理解される。したがって、本発明は、その広範な態様において、本明細書に示し述べられた特定の詳細、代表的なデバイス、及び示した例に限定されない。それに応じて、添付特許請求項及びその等価物によって規定される一般的な発明の概念の精神及び範囲から逸脱せずに、種々の修正を行うことができる。したがって、添付特許請求項は、本発明の真の精神及び範囲に入る、こうしたすべての修正及び変更を包含することを意図することが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】２．５〜２５μｍの波長範囲の波長に応じた、いくつかの典型的な光ファイバのガラス材料の光に対する透過度の図である。
【図２】ＣＯ２分子の振動レベルの量子数に応じたエネルギーの図であり、特に、考えられるレーザ遷移を示す。
【図３】ビーム調整及びビーム透過用のレーザ・スプライサにおける光システムの略図である。
【図４】レーザ・スプライサの光システムの概観図である。
【図５】レーザ・スプライサの制御システムのブロック図である。
【図６】時間に応じた、レーザ電力及びファイバ端部の変位の図であり、ＳＭファイバを互いに接合するための、接合パラメータを用いて動作するように設定されたレーザ・スプライサにおいて用いられる順次ステップを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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