(57)【要約】少なくとも１つのレーザビームが少なくとも２つの光導波体を熱的に接合するため光導波体に偏向される。本発明では、接合すべき光導波体上での出力密度プロフィールを調整するためにレーザビームのスポット位置が接合すべき光導波体の縦方向で周期的に変化される
2005527844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのレーザビーム（１８）が少なくとも２つの光導波体（１０，１１）を熱的に接合するため光導波体（１０，１１）に偏向される形式の光導波体接合方法において、
接合すべき光導波体（１０，１１）上の出力密度プロフィールを調整するために、光導波体（１０，１１）へのレーザビーム（１６）のスポット（２８）の位置を、接合すべき光導波体（１０，１１）の長手方向で変更し、
スポット（２８）を所定の領域（２９）で、接合すべき光導波体（１０，１１）の接合個所を中心に周期的にシフトする、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
スポット（２８）を接合すべき光導波体（１０，１１）上でシフトするための周波数は、スポット（２８）のシフトのため周期期間が接合すべき光導波体（１０，１１）の熱的時定数よりも短いように選定する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
接合すべき光導波体（１０）上で最適の出力密度プロフィールを調整するために、スポット（２８）の運動および／またはレーザビーム（１６）の強度を変調する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
スポット（２８）の運動を変調するために、スポットのシフトのための周波数が所定の場合、曲線経過ないしはスポット（２８）の運動速度を変更する、請求項３記載の方法。
【請求項５】
レーザビーム（１６）の強度を変調するために、レーザ（１５）の出力を変更する、請求項３または４記載の方法。
【請求項６】
レーザビーム（１６）の強度変調はスポット（２８）の運動の変調と同期して実行される、請求項３から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
レーザ（１５）により少なくとも２つの光導波体（１０，１１）を熱的に接合するための光導波体接合装置であって、レーザ（１５）から照射される少なくとも１つのレーザビーム（１６）をフォーカシングするためのレンズ（１８）と、レーザビーム（１６）を接合すべき光導波体（１０，１１）に向けるための少なくとも１つの光学的要素、とりわけミラー（１７）とを有する光導波体接合装置において、
光学的要素、とりわけミラー（１７）に対する駆動装置（２５）が設けられており、
該駆動装置（２５）によって光学的要素は、接合すべき光導波体（１０，１１）へのレーザビーム（１６）のスポット（２８）の位置が当該光導波体の長手方向にシフト可能であるように可動である、
ことを特徴とする装置。
【請求項８】
可動光学的要素、とりわけミラー（１７）に対する駆動装置（２５）には駆動制御装置（２６）が配属されており、
該駆動制御装置は曲線経過ないしはスポット（２８）の運動速度を調整する、請求項７記載の装置。
【請求項９】
レーザ（１５）には、レーザビーム（１６）の強度を変調するためのレーザ制御装置（２７）が配属されている、請求項７または８記載の装置。
【請求項１０】
駆動制御装置（２６）とレーザ制御装置（２７）は中央制御装置（２２）に接続されている、請求項８または９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念による光導波体の接合方法に関する。さらに本は厚め胃は請求項８の上位概念による光導波体の接合装置に関する。
【０００２】
本発明は光導波体の熱的接合に関する。現在、接合装置は電気的グロー放電を接合過程に対するエネルギー源として通常は使用する。接合過程中に、接合すべき光導波体はこのグロー放電の影響ゾーンに存在し、これにより溶解温度まで加熱される。達成されるスプライスング接合の品質に対しては他のパラメータと共に、光導波体の加熱強度および加熱ゾーンの大きさが重要である。しかしこの２つのパラメータはグロー放電の原理に基づく接合装置では相互に独立して制御することができない。重要な制御パラメータはこの接合装置ではグロー放電を駆動する電流、および使用される接合電極の間隔である。比較的に大きな電流を使用すると必然的にグロー放電の広がりが大きくなる。従って加熱ゾーンも拡大する。電極間隔を変化することにより、加熱ゾーンの広がりを僅かだけ調整することができる。
【０００３】
刊行物ＵＳ−Ａ−４２６３４９５から、グロー放電の代わりにレーザをエネルギー源として使用する方法が公知である。この方法では、レーザビームのフォーカシングが行われ、これにより十分な出力密度が得られる。加熱ゾーンの広がりはこの方法ではフォーカシング調整によって行われる。
【０００４】
現在の接合適用では、２つの異なるファイバを相互に接合することが頻繁に必要となる。接合すべきファイバが例えば大きく異なるモードフィールド直径を有している場合、別の手段を講じなければ、過度の添加物減量が生じる。対抗手段として従来技術から公知の方法では、比較的長い接合時間が使用され、光導波体のコア物質の拡散によってモードフィールド直径を適合させる。これにより確かにある程度の改善は達成されるが、この手段は最適の結果を得るために十分な自由度を提供するものではない。最適な接合プロセスを保証するためには、加熱ゾーンの形状ないし光導波体軸に沿った温度プロフィールをもたらされる熱出力に依存しないで完全に自由に選択できなければならない。このことは従来技術では不可能である。
【０００５】
本発明の課題は、光導波体を接合するための新規の方法を提供することであり、この方法は光導波体加熱の出力密度プロフィールを任意に調整することができ、これにより要求に最適に適合することができる。さらに相応する装置も提供するものである。
【０００６】
この課題は、請求項１記載の方法および請求項７記載の装置により解決される。
【０００７】
本発明によって接合の際に光導波体内での拡散過程を所期のように制御することができる。これにより理論的に達成可能な最小値にほぼ近い減量値が得られ、最適の接合過程を実行することができる。
【０００８】
本発明の有利な改善形態は従属請求項および以下の説明から明らかとなる。実施例を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の方法を説明するための基本図である。
図２は、接合すべき導波体へのレーザビームスポットの運動を説明する曲線、および接合すべき光導波体上で調整される光導波体加熱の出力密度プロフィールを説明する曲線である。
図３は、レーザビームスポットの運動を説明する曲線、並びにレーザ出力の制御を説明する曲線、および接合すべき光導波体上で調整される光導波体加熱の出力密度プロフィールを説明する曲線である。
図４は、本発明の装置のブロック回路図である。
図５は、相互に接合すべき光導波体上のレーザビームスポットの平面図である。
【０００９】
まず図１と図４を参照して、本発明の光導体接合装置の構造を説明する。図４によれば相互に接合すべき２つの光導波体１０，１１が位置決め要素１２，１３，１４の上に配置されている。この位置決め要素は光導波体をそれぞれ相互に垂直に延在する３つの軸で空間的に配向することができる。光導波体１１は位置決め要素１３，１４に配置されている。これらの位置決め要素は光導波体１１を、ｘ軸並びにｚ軸により形成され、ほぼ水平に延在する平面内でシフトすることができる。別の光導波体１０は位置決め要素１２に配置されている。位置決め要素１２を介して光導波体１０は、ｘ軸およびｚ軸に対し垂直に延在するｙ軸でシフト可能である。これにより相互に接合すべき光導波体１０，１１を接合過程のために正確に相互に配向することができる。
【００１０】
接合過程に対するエネルギー源としてレーザ１５が設けられており、レーザビーム１６を照射する。レーザビーム１６はミラー１７に当たり、接合すべき光導波体１０，１１の方向に偏向される。ミラー１７の代わりに別の可動光学的要素を使用することもできる。非回転対称の光学的構成部材、例えば透明プリズムまたは透明平行六面体が考えられる。
【００１１】
レーザビーム１６をフォーカシングするためにレンズ１８が設けられている。このレンズ１８はレーザビームのビーム路中でミラー１７に後置されるか（図４）、またはミラーに前置される（図１）。レーザ１５として有利にはＣＯ２レーザが使用される。
【００１２】
相互に接合すべき光導波体１０，１１の位置および接合過程はカメラ１９，２０により監視される。カメラ１９，２０は検出された信号を検出装置２１に供給する。検出装置は信号を評価し、中央制御装置２にさらに供給する。中央制御装置２２は操作および表示装置２３と接続されており、これによりユーザは接合過程を監視し、制御命令ないし接合パラメータの入力によってこれを調整することができる。
【００１３】
中央制御装置２２は接合過程全体の制御ないし調整に用いる。中央制御装置は検出装置２１から供給されたデータを処理する。例えば相互に接合すべき光導波体１０，１１の空間的配向を変更すべき場合、中央制御装置２２は制御信号を位置制御装置２４に供給する。この位置制御装置は３つの位置決め要素１２，１３，１４のすべてと接続されている。これにより相互に接合すべき光導波体１０，１１の空間的配向が変更される。
【００１４】
理想的な接合過程を保証するために、光導波体１０，１１の軸に沿った温度プロフィールないし出力密度プロフィールはもたらされるレーザ１５の出力に依存しないで完全に任意に選択できなければならない。そのためにミラー１７には駆動装置２５が配属されており、この駆動装置によりミラーの位置を変更することができる。図１と図４によればミラー１７は旋回可能である。ミラー１７の旋回運動を制御するために、駆動装置２５には駆動制御装置２６が配属されている。駆動制御装置２６は中央制御装置２２と接続されている。さらにレーザ制御装置２７が設けられており、これによりレーザ１５の出力を調整することができる。レーザ制御装置２７は一方では中央制御装置２２と、他方ではレーザ１５と接続されている。
【００１５】
本発明の、光導波体１０，１１の接合方法を図１から図３を参照して詳細に説明する。
【００１６】
本発明では接合すべき光導波体１０，１１へのレーザ１６のスポット２８が光導波体１０，１１の長手方向で変化される。このことはとりわけ図１に明瞭に示されている。ここでスポット２８は所定の領域２９で接合すべき光導波体１０，１１の接合個所３０を中心にシフトされる。有利にはスポット２８は所定の領域２９で周期的にシフトされ、接合すべき光導波体１０，１１へのスポット２８のシフト周波数は次の用に選定されている。すなわち、スポット２８のシフトに対する周期的期間が接合すべき光導波体１０，１１の熱的時定数よりも格段に短くなるように選定されている。
【００１７】
この関連からレーザビーム１６のフォーカシングを、比較的狭いスポット２８が光導波体１０，１１上で生じ、ひいては加熱ゾーンが比較的狭くなるように行うことが重要である。スポット２８は接合するのに有利な最小加熱ゾーンよりも広くなってはならない。スポット２８の有利な幅は２０μｍから１００μｍの間である。さらにフォーカシングは有利には光導波体面で縦長のスポット２８が生じ、このスポットが光導波体１０，１１の軸に対して横方向に、軸に対して縦方向よりも大きな広がりを有するように行う（図５参照）。円形のスポット２８ではなく、例えばライン状または楕円状のスポットが生じる。このことにより被ａｋ裏導波体１０，１１が過度に加熱されることが回避される。さらに光導波体１０，１１の位置間の公差およびスポット２８の位置の公差を調整することができる。スポット２８の所望の形状は円柱レンズまたは相応のレンズコンビネーションにより達成することができる。スポット２８の最適幅は上記の要求から加熱ゾーンの幅を基準にして得られる。スポット２８の高さは、予想される機械的公差が確実に掩蔽されるように選択すべきである。すなわち光導波体１０，１１がスポット２８の縁部または外になるようなことは回避しなければならない。
【００１８】
すでに述べたようにミラー１７の運動は周期的にかつファイバの熱的時定数よりも短い周期期間を以て行われる。このことにより光導波体がスポットの運動領域全体でほぼ同時に加熱されることが保証される。ミラー１７の運動に対する有利な周波数は５０Ｈｚから５００Ｈｚの間である。出力密度プロフィールを制御するためにミラー１７ないしスポット２８の運動および／またはレーザ１５ないしレーザビーム１６の出力は変調される。
【００１９】
ミラー１７ないしスポット２８の運動ないし運動速度を変調するために、ミラー１７の駆動装置２５は所望の加熱プロフィールないし出力密度プロフィールを生じさせる曲線形状によって制御される。ここでレーザの出力は有利には一定に保持される。ミラー１７の運動が緩慢な領域では、レーザ出力の比較的高い成分が平均でミラーが高速運動する領域として作用する。従ってこの領域では光導波体は比較的強く加熱される。図２はこのことを３つの例に基づいて示す。ミラー１７が時間Ｔに関して曲線３１に従い正弦波状に運動Ωする場合、レーザ１５の出力が一定であれば出力密度は領域２９の運動の縁部で最大である。なぜならそこでは運動方向が反転するためミラー１７の運動がもっとも緩慢だからである。平均レーザ出力の強度プロフィールとして、曲線３２に示す「バスタブ状曲線」が生じる。第２の例は曲線３３にミラー１７の三角形状運動Ωを示す。これによりレーザ出力１５が一定であれば、接合すべき光導波体１０，１１の軸上に均等な強度プロフィールＩが生じる。図２の曲線３４を参照されたい。第３の例では曲線３５と３６を参照すると、ミラー運動Ωを相応に変調することにより任意に選択可能な強度プロフィールが達成されることが分かる。左の光導波体はここでは右の光導波体よりも格段に強く加熱される。なぜならこの領域ではミラー運動が比較的緩慢だからである。このような非対称強度プロフィールＩはとりわけ、相互に接合すべき２つの光導波体１０，１１が異なる特性を有する場合、例えば外径が大きく異なる場合に有利である。スポット３８の運動を変調するために、スポット３８のシフトに対する周波数を一定に設定している場合には、スポット３８ないしミラー１７の運動の曲線経過を変更する。
【００２０】
レーザビーム１６の強度を変調するために、レーザ１５の出力Ｌが変化される。ここでレーザ１５の変調はミラーの運動Ωに同期して行われる。ミラー１７の駆動装置２５は一定の曲線形状（例えば正弦波）および上記の基本周波数により駆動される。レーザ１５の出力Ｌはこれと同期して制御され、所望の出力密度プロフィールＩが得られる。図３はこれについての例を再び示す。ミラー１７はこの例では曲線３１に従い正弦波状に運動する。なぜならこれが技術的にもっとも簡単に実現できるからである。図３の実施例では図２の実施例と同じように同じ出力密度プロフィール３２，３４，３６が実現される。レーザ出力Ｌが一定の場合（曲線３７）、出力密度プロフィールＩに対してここでも上記の「バスタブ状曲線」が生じる。第２の実施例ではレーザ出力Ｌが曲線３８に従い変調される。この曲線はミラー１７の運動Ωの速度差を補償する。これにより再び一定の出力密度プロフィールＩが得られる。第３の実施例も同様であるが、ここでは付加的にミラー運動の左側部分で右側部分よりも高いレーザ出力Ｌが選択される（曲線３９）。これにより左側の光導波体は右側の光導波体よりも強く加熱される。
【００２１】
従って図示の構成によって、光導波体１０，１１を照射するレーザビームの出力密度プロフィールＩをほぼ任意に制御することができる。これにより接合過程中に温度プロフィールを、最適な減量に対して必要なように調整することができる。従って最小可能な減量値による最適な接合過程が達成される。レーザビームの強度変調を介して温度プロフィールを制御することは、運動の曲線形状を介する制御に対して、ミラー１７の駆動装置２５に僅かな要求しか課せられないという利点を有する。例えば曲線３３による三角形状のミラー運動は技術的に困難であり、近似的にしか実現されない。
【００２２】
従ってミラー運動Ωの曲線形状またはレーザ出力Ｌが変調される。もちろん両方を相互に組み合わせることも可能である。
【００２３】
レーザビーム１６の運動は図示の実施例では周期的に運動するミラー１７、いわゆるガルバノメータスキャナにより実行される。その代わりにポリゴンスキャナを使用することもできる。このポリゴンスキャナは、規則的に配置された複数のミラー面（例えば六角形の辺）を有する回転ミラーである。これによりレーザビーム１６の運動速度を高めることができる。なぜなら運動反転が必要ないからである。この場合、強度プロフィールＩの制御はレーザ出力Ｌの変調を介して実行することができる。
【００２４】
本発明の方法は、１つのベルトに統合すべき複数の光ファイバ（いわゆるリボン）を同時に接合するのにも同じように使用することができる。この場合、スポットはベルト全体の幅を覆うように形成される。このためには２つの手段がある。第１の手段によれば、レーザビームが光導波体の軸に対して横方向に付加的に往復運動される。このためにもっとも簡単な場合、第２の可動ミラー、有利にはポリゴンスキャナが設けられる。これにより第２の運動軸に対する運動周波数を第１の軸に対するものより格段に高く選択することができる。これにより、２つの運動の重畳が不所望に不均等な熱分布を引き起こすことが回避される。第２の手段によれば、レーザビームが１つまたは複数の円筒レンズにより１つのラインに拡張される。これにより形成されたライン状のスポットはファイバ軸に対して横方向に、ベルト全体のすべての接合個所が均等に加熱されるような大きさでなければならない。
【００２５】
本発明の方法は特性の異なる光導波体、とりわけ外径の異なる光導波体を接合するのに適する。この場合、曲線３６による非対称の強度プロフィールＩを適用するのが特に有利である。
【００２６】
本発明の方法はまた、光導波体を光学的構成部材（チップ、例えば波長マルチプレクサ、カップラ等）に接合するのにも使用することができる。
【００２７】
光導波体を光学的構成部材に接合する場合には、接合すべき光導波体の１つは光学的構成部材内にある光導波体である。この光導波体は他方の光導波体よりも格段に大きな熱容量および熱伝導を有するから、この場合は曲線３６による非対称の強度プロフィールＩを適用するのが特に有利である。従って本発明の方法はここでも有利である。
【００２８】
基本的に１つのレーザビームではなく複数のレーザビームを使用することもできる。このために例えばレーザビームはビームスプリッタによって２つの部分ビームに分割され、２つの部分ビームが光導波体に偏向される。この場合も本発明を同じように適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の方法を説明するための基本図である。
【００３０】
【図２】図２は、接合すべき導波体へのレーザビームスポットの運動を説明する曲線、および接合すべき光導波体上で調整される光導波体加熱の出力密度プロフィールを説明する曲線である。
【００３１】
【図３】図３は、レーザビームスポットの運動を説明する曲線、並びにレーザ出力の制御を説明する曲線、および接合すべき光導波体上で調整される光導波体加熱の出力密度プロフィールを説明する曲線である。
【００３２】
【図４】図４は、本発明の装置のブロック回路図である。
【００３３】
【図５】図５は、相互に接合すべき光導波体上のレーザビームスポットの平面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  光導波体
１１  光導波体
１２  位置決め要素
１３  位置決め要素
１４  位置決め要素
１５  レーザ
１６  レーザビーム
１７  ミラー
１８  レンズ
１９  カメラ
２０  カメラ
２１  検出装置
２２  中央制御装置
２３  操作および表示装置
２４  位置制御装置
２５  駆動装置
２６  駆動制御装置
２７  レーザ制御装置
２８  スポット
２９  領域
３０  接合個所
３１〜３９  曲線
【図１】
2005527844.tif 000003
【図５】
2005527844.tif 000004
【図２】
2005527844.tif 000005
【図３】
2005527844.tif 000006
【図４】
2005527844.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月18日(2004.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのレーザビーム（１８）が少なくとも２つの光導波体（１０，１１）を熱的に接合するため光導波体（１０，１１）に偏向される形式の光導波体接合方法において、
接合すべき光導波体（１０，１１）上の出力密度プロフィールを調整するために、光導波体（１０，１１）へのレーザビーム（１６）のスポット（２８）の位置を、接合すべき光導波体（１０，１１）の長手方向でレーザビーム（１６）の運動によって変更し、
これによりスポット（２８）を所定の領域（２９）で、接合すべき光導波体（１０，１１）の接合個所を中心に当該光導波体の長手方向で周期的にシフトし、
スポット（２８）を、接合すべき光導波体（１０，１１）上でシフトするための周波数は、スポット（２８）のシフトのため周期期間が接合すべき光導波体（１０，１１）の熱的時定数よりも短いように選定する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
接合すべき光導波体（１０）上で最適の出力密度プロフィールを調整するために、スポット（２８）の運動および／またはレーザビーム（１６）の強度を変調する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
スポット（２８）の運動を変調するために、スポットのシフトのための周波数が所定の場合、曲線経過ないしはスポット（２８）の運動速度を変更する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
レーザビーム（１６）の強度を変調するために、レーザ（１５）の出力を変更する、請求項２または３記載の方法。
【請求項５】
レーザビーム（１６）の強度変調はスポット（２８）の運動の変調と同期して実行される、請求項２から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
レーザ（１５）により少なくとも２つの光導波体（１０，１１）を熱的に接合するための光導波体接合装置であって、レーザ（１５）から照射される少なくとも１つのレーザビーム（１６）をフォーカシングするためのレンズ（１８）と、レーザビーム（１６）を接合すべき光導波体（１０，１１）に向けるための少なくとも１つの光学的要素、とりわけミラー（１７）とを有する光導波体接合装置において、
光学的要素、とりわけミラー（１７）に対する駆動装置（２５）が設けられており、
該駆動装置（２５）によって光学的要素は、接合すべき光導波体（１０，１１）へのレーザビーム（１６）のスポット（２８）の位置が当該光導波体の長手方向にシフト可能であるように可動である、
ことを特徴とする装置。
【請求項７】
可動光学的要素、とりわけミラー（１７）に対する駆動装置（２５）には駆動制御装置（２６）が配属されており、
該駆動制御装置は曲線経過ないしはスポット（２８）の運動速度を調整する、請求項６記載の装置。
【請求項８】
レーザ（１５）には、レーザビーム（１６）の強度を変調するためのレーザ制御装置（２７）が配属されている、請求項６または７記載の装置。
【請求項９】
駆動制御装置（２６）とレーザ制御装置（２７）は中央制御装置（２２）に接続されている、請求項７または８記載の装置。
【国際調査報告】
2005527844.tif 000008
2005527844.tif 000009
2005527844.tif 000010
2005527844.tif 000011
2005527844.tif 000012
2005527844.tif 000013