(57)【要約】【課題】  光機能素子の端面の温度分布を均一とするようにレーザビームを照射することで、外径差に拘わらず複数本の光ファイバを同時に融着接続することができる光機能素子付き光ファイバ、その製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】  光機能素子の端面に光ファイバ端面を突き合わせ、この突き合わせてなる突合せ部に少なくとも１本以上のレーザ光を２５°〜７０°の範囲内の入射角度で１秒〜２０秒照射して光機能素子の端面に均一温度分布状態を形成することで、外径差に拘わらず複数本の光ファイバを同時に融着接続することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光機能素子の端面に光ファイバ端面を突き合わせ、この突き合わせてなる突合せ部に少なくとも１本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射し、光機能素子の端面と光ファイバの端面とを溶融接続してなることを特徴とする光機能素子付き光ファイバ。
【請求項２】
光機能素子の端面に少なくとも１本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射し、該レーザ光で照射された範囲に光ファイバ端面を接触させた後に更に該光機能素子の端面と該光ファイバの端面を接触させた部分にレーザ光を所定の入射角度で照射してなることを特徴とする光機能素子付き光ファイバ。
【請求項３】
前記入射角度は、
２５°以上７０°以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光機能素子付き光ファイバ。
【請求項４】
前記レーザ光の照射時間は、
１秒以上２０秒以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光機能素子付き光ファイバ。
【請求項５】
前記光機能素子の端面において前記レーザ光を照射する位置は、光機能素子の端面中心点を基準としたときに、この中心点から１０〜５０％ずれた位置に第一のレーザ光の中心がくるようにレーザ光を調節し、また該光機能素子の中心点から−１０〜−５０％ずれた位置に第二のレーザ光の中心がくるように調節してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光機能素子付き光ファイバ。
【請求項６】
前記光機能素子の端面において前記レーザ光を照射する位置は、光機能素子の端面中心点を基準としたとき、この中心点から３０％ずれた位置に第一のレーザ光の中心がくるようにレーザ光を調節し、また光機能素子の中心点から−３０％ずれた位置に第二のレーザ光の中心がくるように調節してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光機能素子付き光ファイバ。
【請求項７】
前記光機能素子の端面面積は、
前記光ファイバの端面面積の４倍以上を有し、且つ該光ファイバの段差が該光ファイバの全周に渡り光ファイバの半径以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光機能素子付き光ファイバ。
【請求項８】
前記光機能素子の外面の中で、前記光ファイバが接続されている面の外周稜線部分に欠けがないことを特徴とする請求項１又は２に記載の光機能素子付き光ファイバ。
【請求項９】
光機能素子の端面に光ファイバの端面を接続して光機能素子付き光ファイバを製造する製造方法であって、
前記光機能素子の端面と前記光ファイバの端面とを突き合わせる突合せ工程と、
前記光機能素子の端面と前記光ファイバの端面を突き合わせてなる突合せ部に、少なくとも１本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する照射工程と、
を有することを特徴とする光機能素子付き光ファイバの製造方法。
【請求項１０】
光機能素子の端面に光ファイバ端面を接続して光機能素子付き光ファイバを製造する製造方法であって、
前記光機能素子の端面に少なくとも１本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する第一の照射工程と、
該レーザ光を一定時間照射後、該光機能素子の端面に前記光ファイバの端面を突き合わせる突合せ工程と、
突合せ工程後、該光機能素子の端面と該光ファイバの端面の突合せ部分に少なくとも１本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する第二の照射工程と、
を有することを特徴とする光機能素子付き光ファイバの製造方法。
【請求項１１】
前記第一及び第二の照射工程において入射角度は、
２５°以上７０°以下であることを特徴とする請求項９又は１０記載の光機能素子付き光ファイバの製造方法。
【請求項１２】
前記レーザ光の照射時間は、
１秒以上２０秒以下であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の光機能素子付き光ファイバの製造方法。
【請求項１３】
前記光機能素子の端面において前記レーザ光を照射する位置は、光機能素子の端面中心点を基準としたとき、この中心点から３０％ずれた位置に第一のレーザ光の中心がくるようにレーザ光を調節し、また光機能素子の中心点から−３０％ずれた位置に第二のレーザ光の中心がくるように調節してなることを特徴とする請求項９又は１０に記載の光機能素子付き光ファイバの製造方法。    
【請求項１４】
前記光機能素子の端面面積は、
前記光ファイバの端面面積の４倍以上を有し、且つ該光ファイバの段差が該光ファイバの全周に渡り光ファイバの半径以上であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の光機能素子付き光ファイバの製造方法。
【請求項１５】
光機能素子の端面に光ファイバ端面を接続する光機能素子付き光ファイバの製造装置であって、
前記光機能素子を保持する保持手段と、
前記光機能素子の一方の端面を覆うように配置される反射板と、
前記光ファイバを水平に載置した状態で移動可能な可動板と、
前記可動板をｘ、ｙ、ｚ軸方向に移動制御する可動板制御手段と、
該光機能素子及び該光ファイバを溶融する溶融エネルギーを出力するレーザ発生手段と、
前記レーザ発生手段の出力を制御する出力制御手段と、
前記レーザ発生手段から出力されるレーザ光を前記光機能素子の端面に所定の入射角度で入射するように角度制御を行う入射角度制御手段と、を備え、
光機能部品に集光して光を照射する集光素子を具備することを特徴とする光機能素子付き光ファイバの製造方法。
【請求項１６】
前記集光素子が凸レンズであることを特徴とする請求項１５記載の光機能素子付き光ファイバの製造方法。
【請求項１７】
前記集光素子が凹面鏡であることを特徴とする請求項１５記載の光機能素子付き光ファイバの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用い、光機能素子に光ファイバを融着接続してなる光機能素子付き光ファイバ、その製造方法及び製造装置に関し、特に光機能素子の端面に複数本の光ファイバを同時に融着接続してなる光機能素子付き光ファイバ、光機能素子付き光ファイバの製造方法及び光機能素子付き光ファイバの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光機能素子の端面に光ファイバの端面を接続する方法としては、接着剤で接続する方法、融着装置を用いて融着接続する方法が一般的である。これら接続方法の中でも代表的な融着接続方法としては、図１２、図１３、図１４に示すものが挙げられる。
【０００３】
図１２に示す融着接続方法は、光機能素子であるロッドレンズ１０２の端面に、この端面対して斜めに集光レンズミラー１０３を配置し、集光レンズミラー１０３の中央部に形成されている貫通穴１０３ａに光ファイバ１０４を通してロッドレンズ１０２の端面に突合せ、集光レンズミラー１０３にレーザビーム１０５を照射して、ロッドレンズ１０２と光ファイバ１０４の突合せ部分にレーザビーム１０５を集光・照射させることで融着接続するものである。
【０００４】
また図１３に示す特開平５−３４６５１７号公報記載の「レーザ融着接続装置及び方法」は、径の異なる２つの光部品（石英系導波路１１２と光ファイバ１１４）を接続する際に、この石英系導波路１１２と光ファイバ１１４の外周面に段差が生じないように端面同士を突合せて配置することを条件とし、この突合面に対して平行にレーザビーム１０５を照射することで両者の外周面を同時に融着接続するものである。
【０００５】
更に図１４に示す特開平６−１３８３４２号公報記載の「光ファイバ機能部品およびその製造方法」は、外径がＷ2の光ファイバ１２４と、この外径Ｗ2以上且つこの外径Ｗ2の２倍以下の外径Ｗ1を有する光機能素子１２２を突合せ、この突合せた部分を挟むように電極棒１２３を対極配置し、２本の電極棒１２３から発生するアーク放電１２５で突合せ部分を溶融することで、光機能素子１２２と光ファイバ１２４とを接続するものである。このとき光機能素子１２２と光ファイバ１２４の外径寸法は、Ｗ1＜２Ｗ2の関係を保持していなければ信頼性のある接続は実現できない。
【特許文献１】米国特許出願公開第６０３３５１５号明細書
【特許文献２】米国特許第６２１７６９８号明細書
【特許文献３】特開平５−３４６５１７号公報
【特許文献４】特開平６−１３８３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した融着接続方法は、光機能素子の大きさ、断面形状（面積）及び材質等により細かい制限があり、この制限のために融着接続が困難になる場合がある。
【０００７】
例えば、図１２に示した融着接続方法は、突合せ部分に確実にレーザビーム１０５を照射することができるので、例え断面積の異なる２つ以上の光部品（ロッドレンズと光ファイバ）であっても融着接続することができるという利点を有しているが、一方で照射するレーザビームが１本であるため、光機能部品の端面に形成されるレーザビームによる照射スポットの温度分布は、いわゆるガウス型となり、中央の温度が最も高く、外径方向に向うほど温度が低くなるので、均一温度分布範囲が狭く、複数本の光ファイバを同時に接続することができないという問題がある。例え融着できたとしても、光ファイバの軸ずれを起こさず低損失で融着接続することは非常に難しい。
【０００８】
また、光機能素子と光ファイバの溶融温度が異なる場合、図１２の構成によれば光ファイバの側面に大量のレーザビームが照射され、ロッドレンズには少量のレーザビームしか照射されないため、光ファイバのみが早く溶融し、両方を同時に融着させることが難しいという問題がある。
【０００９】
また特開平５−３４６５１７号公報記載の「レーザ融着接続装置及び方法」は、同一平面上に形成された石英系導波路１１２と光ファイバ１１４とを低損失で融着接続することができるという利点を有しているが、レーザビームの温度分布拡がりが、接続境界面に対して平行で直線的な拡がりを有していることから、端面にレーザビームの温度分布が平面的に拡がらず、接続面を十分均一に溶融させることができない。そのために溶融結合度が低くなり信頼性が低下する恐れがある。
【００１０】
また、光機能部品と光ファイバの材質が異なると、レーザ吸収率が異なるため、つまりは溶融速度が異なるため、低損失で融着接続することができないという問題もある。
【００１１】
また更に、突合せた光機能素子と光ファイバの間に大きな段差がある場合、このような状態でレーザビームを照射しても、照射口に近い方（光機能素子）が早く溶け、遠い方（光ファイバ）が遅く溶けるので、両者が均一に溶けず軸ずれを生じるという問題もある。
【００１２】
一方、特開平６−１３８３４２号公報記載の「光ファイバ機能部品およびその製造方法」は、アーク放電で融着接続を行うため、断面積が異なる光部品同士を融着接続する場合は、外径差を２倍程度以下としなければならない。
【００１３】
つまりアーク放電による融着は、その放電の拡がりが広範囲に渡るため、光機能素子のみ、又は光ファイバのみ、を選択して溶融することはできず、また溶融したくても、上述したように両方の光部品の外径差に２倍以上の開きがあると両者が均一に溶けず、信頼性が低下する恐れがある。
【００１４】
また、集束型ロッドレンズと光ファイバが表面張力により同心で融着されるため、ロッドレンズの端面に２本以上の光ファイバを接続することができないという問題もある。
【００１５】
このような問題がある一方で今般の光部品の融着接続においては、断面積が２倍以上異なるような光部品同士を融着接続したり、１つの端面に対して複数の光部品を融着接続したいという要望がある。
【００１６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、光機能素子の端面の温度分布を均一とするようにレーザビームを照射することで、外径差に拘わらず複数本の光ファイバを同時に融着接続することができる光機能素子付き光ファイバ、その製造方法及び製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明によれば、光機能素子の端面に光ファイバ端面を突き合わせ、この突き合わせてなる突合せ部に少なくとも１本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射し、光機能素子の端面と光ファイバの端面とを溶融接続してなることを要旨とする。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、光機能素子の端面に少なくとも１本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射し、該レーザ光で照射された範囲に光ファイバ端面を接触させた後に更に該光機能素子の端面と該光ファイバの端面を接触させた部分にレーザ光を所定の入射角度で照射してなることを要旨とする。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２の発明において、入射角度は、前記光機能素子の径方向と、前記光ファイバの軸方向とがなす角度より小さいことを要旨とする。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、請求項１又は２の発明において、レーザ光の照射時間は、１秒以上２０秒以下であることを要旨とする。
【００２１】
請求項５記載の発明によれば、請求項１又は２の発明において、光機能素子の端面においてレーザ光を照射する位置は、光機能素子の端面中心点を基準としたときに、この中心点から１０〜５０％ずれた位置に第一のレーザ光の中心がくるようにレーザ光を調節し、また該光機能素子の中心点から−１０〜−５０％ずれた位置に第二のレーザ光の中心がくるように調節してなることを要旨とする。
【００２２】
請求項６記載の発明によれば、請求項１又は２の発明において、光機能素子の端面に前記レーザ光を照射する位置は、光機能素子の端面中心点を基準としたとき、この中心点から３０％ずれた位置に第一のレーザ光の中心がくるようにレーザ光を調節し、また光機能素子の中心点から−３０％ずれた位置に第二のレーザ光の中心がくるように調節してなることを要旨とする。
【００２３】
請求項７記載の発明によれば、請求項１又は２の発明において、光機能素子の端面面積は、前記光ファイバの端面面積の４倍以上を有し、且つ該光ファイバの段差が該光ファイバの全周に渡り光ファイバの半径以上であることを要旨とする。
【００２４】
請求項８記載の発明によれば、請求項１又は２の発明において、光機能素子の外面の中で、光ファイバが接続されている面の外周稜線部分に欠けがないことを要旨とする。
【００２５】
請求項９記載の発明によれば、光機能素子の端面に光ファイバの端面を接続して光機能素子付き光ファイバを製造する製造方法であって、前記光機能素子の端面と前記光ファイバの端面とを突き合わせる突合せ工程と、前記光機能素子の端面と前記光ファイバの端面を突き合わせてなる突合せ部に、少なくとも１本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する照射工程とを有することを要旨とする。
【００２６】
請求項１０記載の発明によれば、光機能素子の端面に光ファイバ端面を接続して光機能素子付き光ファイバを製造する製造方法であって、前記光機能素子の端面に少なくとも１本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する第一の照射工程と、該レーザ光を一定時間照射後、該光機能素子の端面に前記光ファイバの端面を突き合わせる突合せ工程と、突合せ工程後、該光機能素子の端面と該光ファイバの端面の突合せ部分に少なくとも１本以上のレーザ光を所定の入射角度で一定時間照射する第二の照射工程とを有することを要旨とする。
【００２７】
請求項１１記載の発明によれば、請求項９又は１０記載の発明において、第一及び第二の照射工程の入射角度は、２５°以上７０°以下であることを要旨とする。
【００２８】
請求項１２記載の発明によれば、請求項９又は１０記載の発明において、レーザ光の照射時間は、１秒以上２０秒以下であることを要旨とする。
【００２９】
請求項１３記載の発明によれば、請求項９又は１０記載の発明において、光機能素子の端面の前記レーザ光を照射する位置は、光機能素子の端面中心点を基準としたとき、この中心点から３０％ずれた位置に第一のレーザ光の中心がくるようにレーザ光を調節し、また光機能素子の中心点から−３０％ずれた位置に第二のレーザ光の中心がくるように調節してなることを要旨とする。
【００３０】
請求項１４記載の発明によれば、請求項９又は１０記載の発明において、光機能素子の端面面積は、前記光ファイバの端面面積の４倍以上を有し、且つ該光ファイバの段差が該光ファイバの全周に渡り光ファイバの半径以上であることを要旨とする。
【００３１】
請求項１５記載の発明によれば、光機能素子の端面に光ファイバ端面を接続する光機能素子付き光ファイバの製造装置であって、前記光機能素子を保持する保持部と、前記光機能素子の一方の端面を覆うように配置される反射板と、前記光ファイバを水平に載置した状態で移動可能な可動板と、前記可動板をｘ、ｙ、ｚ軸方向に移動制御する可動板制御部と、該光機能素子及び該光ファイバを溶融する溶融エネルギーを出力するレーザ発生器と、前記レーザ発生器の出力を制御する出力制御部と、前記レーザ発生器から出力されるレーザ光を前記光機能素子の端面に所定の入射角度で入射するように角度制御を行う入射角度制御部と、を備え、光機能部品に集光して光を照射する集光素子を具備することを要旨とする。
【００３２】
請求項１６記載の発明によれば、請求項１５記載の発明において、集光素子が凸レンズであることを特徴と要旨とする。
【００３３】
請求項１７記載の発明によれば、請求項１５記載の発明において、集光素子が凹面鏡であることを要旨とする。
【００３４】
したがって、本発明にあっては、光機能素子の端面に光ファイバ端面を突き合わせ、この突合せ部に複数本のレーザビームを所定角度で同時に照射して光機能素子の端面に均一温度分布状態を形成することで、径の異なる光機能素子と光ファイバとを溶融接続する。
【００３５】
即ち、本発明によれば、レーザビームの軸を意図的にずらして片方の光部品だけより多くのレーザパワーを照射することができるため、被融着部の材質や熱容量が異なった場合、両者を同時に溶かすことができる。その結果、従来は２つの被融着部を結ぶ軸とレーザビームの軸が一致しており、光ファイバのみにレーザビームが照射されていたため、軟化温度が低い光ファイバが先に溶融していたが、このような問題を解消することができる。
【００３６】
また、本発明は、光機能素子の端面に複数本のレーザビームを同時に所定角度で照射することで、広範囲にわたって略均一なエネルギー分布を得ることができるので、従来不可能であった光機能素子の端面に２本以上の光ファイバを同時に融着することを可能にすることができる。また、この融着によれば光ファイバの軸ずれを起こさず低損失で接続することができる。
【００３７】
更に本発明にあっては、第一の照射工程で光機能素子のみにレーザビームを所定時間（１秒以上２０秒以下）照射し、光機能素子の端面に光ファイバの端面を突き合わせ、更に第二の照射工程で光機能素子と光ファイバの両方を同時に照射することで、光機能素子と光ファイバの溶融温度が異なっていても、溶融接続することができる。
【発明の効果】
【００３８】
したがって、光機能素子の端面に光ファイバ端面を突き合わせてなる突合せ部に少なくとも１本以上のレーザビームを照射角度２５°〜７０°の範囲内で照射することで、光機能素子の端面と光ファイバの端面とを同時に溶融して融着接続することができる。
【００３９】
また、光機能素子の端面にレーザビームを照射角度２５°〜７０°の範囲内で照射し、光機能素子の端面が溶融した後に光ファイバを突合せてもよい。このようにすると端面の溶融温度で光ファイバの端面が溶融し、両方の表面張力により端面同士を接続することができる。尚、この表面張力による接続の後、更にレーザビームを照射することで、より光機能素子と光ファイバの結合強度を高めることができる。
【００４０】
更に、光機能素子の端面にレーザビームを照射する際は、２本のレーザビームの各ガウシアン分布の頂点を、一方は光機能素子の端面の中心から１０〜５０％ずれた位置に照射し、もう一方は−１０〜−５０％ずれた位置に照射することで、照射パワーの低いところが重なり合い、これにより照射パワーが端面の径方向に向かって平坦な均一エネルギー分布となるので、同時に複数の光ファイバを融着接続することができる。
【００４１】
また本発明の別の効果として機械的信頼性の向上がある。光機能部品であるロッドレンズは、もとのレンズ母材を所定の長さに切断することにより作製されるが、切断の工程によりレンズの端面にチッピング（欠け）が生じ易い。欠けがあると、そこを起点に傷が成長して部品の破壊に至ることがある。特に硬化後の硬度が大きい接着剤を用いて固定などを行うと、接着剤の硬化収縮により歪みが常にかかった状態となり、端面傷が成長して破談に至り易い。
【００４２】
本発明によりコリメータレンズを作製した場合、ロッドレンズの端面が加熱により溶融し、表面張力により、端面の稜線部分は自然な曲率を持つようになる。レーザ照射時間を調整することで、端部の欠けは無くなり、適当に丸みを帯びることになる。これにより機械的信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００４４】
（第一の実施の形態）
図１は、本発明の第一の実施の形態に係る光機能素子付き光ファイバを製造する製造装置１の構成図である。図２は、本発明の光機能素子付き光ファイバ（２心光ファイバコリメータ１０）の概略構成図である。
【００４５】
まず図１に示すように、本発明の光機能素子付き光ファイバの製造装置１は、ＣＯ2レーザビーム（以下、レーザビームという。）を出力するＣＯ2レーザ発振器２と、このレーザビームを二分岐するハーフミラー３と、レーザビームを全反射する全反射ミラー４と、レーザビームの径を絞る集光レンズ５と、入射光を平行光に変換するコリメートレンズ（光機能素子）１１と、コリメートレンズ１１の一方の端面に垂直に配置される２本の光ファイバ（入力側光ファイバ１２と出力側光ファイバ１４）と、入力側光ファイバ１２及び出力側光ファイバ１４を載置する移動可能な可動板７と、入力側光ファイバ１２に入射させるテスト光を出力する光源６と、テスト光の出力光パワーを検出するパワーメータ８と、これら各種機能部を制御する制御部９とを少なくとも備えている。
【００４６】
ここで光ファイバ１２、１４は、石英ガラスからなる光ファイバであるが、これに限定されるものではなく、フッ化物ガラスや多成分ガラスと呼ばれる種類のものでもよい。またコリメートレンズ１１の材質は石英ガラスであるが、これに限定されるものではなく、例えばセルフォックレンズ（日本板硝子社製）などのイオン交換型のロッドレンズでも良い。また光機能素子はコリメートレンズに限定されるものではなく、光アイソレータに用いられるファラデー素子などであってもよい。
【００４７】
ここでハーフミラー３は、ＣＯ2レーザ発振器２の出射口近傍に配置され、出力されたレーザビームを５０％ずつに分岐させるものである。全反射ミラー４は、ハーフミラー３で分岐された２本のレーザビームをそれぞれコリメートレンズ１１の端面にまで等距離で反射させながら伝播するため、予め計算された光路上に配置されている。ここでＣＯ2レーザ発振器２から出力される出力波長は１０．６μｍである。
【００４８】
また、入力側光ファイバ１２と出力側光ファイバ１４のそれぞれ一方の端面は、コリメートレンズ１１の端面に対向して配置され、入力側光ファイバ１２と出力側光ファイバ１４は共に０．１μｍ以下の精度で可動する可動板７の上に載置されている。そして入力側光ファイバ１２の他端には光源６が接続され、出力側光ファイバ１４の他端にはパワーメータ８が接続されている。尚、コリメートレンズ１１に対向配置されている各光ファイバ１２，１４の先端部は、被覆が一定長剥がされて光ファイバ素線１３が露出されている状態である。
【００４９】
一方、コリメートレンズ１１の他端には、この端面を覆うように反射板１６が配置され、このコリメートレンズ１１と反射板１６とが一括して光機能素子ホルダ１７にセットされることにより固定されている。
【００５０】
図示してないが制御部９には、可動板７をｘ、ｙ、ｚ軸方向にそれぞれ０．１μｍ以下の精度で自在に移動させる可動板制御部と、ＣＯ2レーザ発振器２から出力されるレーザビームの出力を制御する出力制御部と、レーザビームが光機能素子１１の端面に所定の入射角度で入射するように角度を制御する角度制御部と、コリメートレンズ１１の端面に照射するレーザビームの照射時間を制御するタイマ制御部とを少なくとも具備している。
【００５１】
次に、この光機能素子付き光ファイバ製造装置１の作用及び効果を説明する。
【００５２】
図１に示すように、ＣＯ2 レーザ発振器２から出力されたレーザビームは、ハーフミラー３で二分岐され、分岐された各レーザビームはそれぞれ全反射ミラー４、集光レンズ５及びバンドルファイバ（図示せず）等を通過してコリメートレンズ１１の端面まで等距離で導かれる。
【００５３】
ここで可動板７を移動する制御指令が入力されると、可動板制御部はコリメートレンズ１１と各光ファイバ１２，１４の対向位置関係を制御する。具体的な調整方法は、まず光源６から出射されたテスト光（波長λ1）を入力側光ファイバ１２に入射させ、続いてコリメートレンズ１１に入射してコリメートレンズ１１の端面で反射された反射光λ1’を出力側光ファイバ１４の端に接続されているパワーメータ８でモニタリングしながら軸方向を調節することで、光ファイバとコリメートレンズ１１の精確な位置合わせ（調心）を行う。
【００５４】
この調心後、２本の光ファイバ１２,１４を一旦コリメートレンズ１１から一方向に引き離し（引き離した距離を記憶しておいて）、次にレーザビームの入射角度調節を行う。この入射角度調節は、手動で行っても自動で行ってもよい。自動調節の場合は、例えばコリメートレンズ１１の端面に入射する角度と、入射角度を実現するために全反射ミラー４をどのくらい傾けるか、その角度を関連付けて予めデータベース化してメモリ（不揮発性記憶媒体）等に記憶させておき、指定の入射角度が入力されると、この指令に応じた入射角度に対応するミラーの傾き角度をデータベースから読み込み、全反射ミラー４に伝達することで傾斜角度の調節を行う。尚、所定の入射角度については図５を参照して以下で後述する。
【００５５】
次いで、上記照射角度・照射位置の調整を行った後、コリメートレンズ１１を溶融する溶融温度に上昇させたレーザビームの出力を開始する。そしてコリメートレンズとの溶融が開始すると、先に引き離しておいた各光ファイバ１２,１４の端面をもとの通り戻して、溶融したコリメートレンズ１１の端面に接触させる。これにより溶融したコリメートレンズ１１と光ファイバとが表面張力により溶融接続する。
【００５６】
ここでコリメートレンズ１１を十分に溶融させるためにはレーザービームを集光レンズ５で集光する必要がある。これは通常安価に手に入るレーザーでは出力パワー密度が低いため、コリメートレンズ１１の端面を溶融するに至るに十分な熱量が得られない。本実施の形態では、集光レンズ５には、１０．６μｍのレーザー波長を透過する、セレン化亜鉛やゲルマニウムなどからなる凸レンズを用いているが、これは特殊な材料からなり高価である。そのため集光レンズ５を除いて、全反射ミラー４の代わりに、凹面鏡を用いても同様の集光効果が得られ、安価に装置を実現できる。
【００５７】
尚、ここではコリメートレンズ１１と光ファイバの突合せを先に行い、後でレーザビームを照射しているが、これに拘わらず、まず最初に光ファイバを引き離した状態でコリメートレンズ１１にのみレーザビームを照射し、その後光ファイバを接触させて、コリメートレンズ１１の溶融温度により表面張力で光ファイバを接続するようにしてもよい。また、より信頼性を高めるために両者を接続させた後に更にレーザビームを照射してもよい。これにより更に結合密度を上昇させることができる。
【００５８】
そして最後に、レーザビームの照射部分の温度が十分下がったことを確認後、光機能素子ホルダ１７から完成した２心光ファイバコリメータ１０を取り外す。
【００５９】
図２は、このようにして製造された２心光ファイバコリメータ１０の構成を示す図である。
【００６０】
このようにレーザビームは光ファイバの軸に対して斜めから所定角度で照射し、コリメートレンズ１１の端面を溶融すると共に光ファイバ１２,１４の端面側にもレーザビームの熱エネルギーが回り込むので、確実にコリメートレンズ１１を光ファイバ１２，１４に接続できる。
【００６１】
また、このようにコリメートレンズ１１の端面に２本の光ファイバ１２,１４が接続されたところで、更に接続部分にレーザビームを照射することで結合密度を向上させている。
【００６２】
一方図２に示すように、完成した２心光ファイバコリメータ１０は、コリメートレンズ１１の端面に２本の光ファイバ１２，１４が平行に接続された構成となっており、具体的には、コリメートレンズ１１の直径がＷ1、入力側光ファイバ１２の光ファイバ素線１３の直径がＷ2、出力側光ファイバ１４の光ファイバ素線１５の直径がＷ3、融着接続された光ファイバ素線１３とコリメートレンズの外周までの最短距離がＷ2／２を有しているものである。
【００６３】
このような２心光ファイバコリメータ１０に伝播光を入力側光ファイバ１２から入射させると、コリメートレンズ１１の端面で反射され、その光が出力側光ファイバ１４の出力端から出射される作用を有する。
【００６４】
したがって本発明によれば、光機能素子の端面積、光ファイバの端面積、光機能素子と光ファイバの段差に関係なく、例え光機能素子の断面積が光ファイバの断面積より４倍以上、且つ段差が光ファイバ全周に渡り光ファイバの半径以上であっても、レーザビームを所定の入射角度で入射させることで所望の位置にレーザビームを照射することができるので融着接続することが可能となる。
【００６５】
尚、ここで光機能素子は、コリメートレンズとしたが、光機能素子はこれに限らず、単一屈折率型レンズやグレーデッドインデックス型レンズ等のようなロッドレンズでよい。
【００６６】
次に、図３の光機能素子付き光ファイバの融着接続工程において光機能素子１１の端面を拡大したときの端面拡大図を参照して照射環境を詳述する。また図４を参照して、光機能素子の端面におけるレーザビームのエネルギー分布状態を説明する。更に図５を参照して、レーザビームの照射角度に対する石英ガラスの吸収率を説明する。
【００６７】
まず図３に示すように、２本のレーザビームａ、レーザビームｂが、コリメートレンズ１１の端面に対して所定角度、所定間隔、且つ所定のレーザエネルギーで入射している。図３は、このような環境においてコリメートレンズ１１の端面上に形成された均一な熱エネルギー分布範囲内に光ファイバ素線１３，１５を垂直に挿入している状態を示している。
【００６８】
この状態においてレーザビームａと光ファイバ素線１３の軸がなす角度をθ1、レーザビームｂと光ファイバ素線１５の軸とがなす角度をθ2としたとき、角度θ1を２５°〜７０°、角度θ2を２５°〜７０°とすると、光ファイバ素線１３，１５とコリメートレンズ１１とを同時に溶融することができる。
【００６９】
尚、図示してないが、理想的にはコリメートレンズ１１に照射するレーザビームの直径が、コリメートレンズ１１の断面直径とほぼ等しくなることが望ましい。
【００７０】
この状態において図３の端面Ｙ−Ｙ方向における照射範囲内のエネルギ−分布は、図４に示す通りである。ここで図４の横軸は光機能素子の端面直径（μｍ）を示し、縦軸はレーザビームのパワー（ｍＷ）を示している。また図４に示すように、２本のレーザビームａ，ｂのエネルギー分布は共にガウシアン型を有している。そのため２つのエネルギー分布の裾野を重なり合わせるようにレーザビームの照射範囲を角度制御部で調節することで、エネルギーの低い部分同士のエネルギーを高くし、上面がほぼ平坦の台形状のエネルギー分布を得る。
【００７１】
この２つのエネルギー分布の具体的な重ね合わせ方法は、コリメートレンズ１１の中心０を基準としたとき、この中心０から３０％ずれた位置にレーザビームａの中心がくるようにレーザビームａを調節し、同様にしてコリメートレンズの中心０から−３０％ずれた位置にレーザビームｂの中心がくるように調節することで、図４に示したように上面のエネルギー分布が略均一なエネルギー分布を得ることができる。
【００７２】
またこれに限らず、各エネルギー分布の最大エネルギー値の半分の値のところで、２つのエネルギー分布同士が重なり合うように配置することでも、上面が略均一となるエネルギー分布を得ることができる。
【００７３】
レーザビームの位置を変えたときに、２心融着ができるかどうかと、平均の引張り破断強度を測定した結果を表１に示す。ここで引張り強度とは、できあがったコリメータに引張り張力を破断するまで印加していき、コリメータが破断したときの強度である。うまく融着接続できていれば引張り強度は高くなり、その数値は高ければ高い方が望ましいが、実用上は５００ｇ重以上であれば十分といえる。表１にまとめた結果から、２心の融着ができるのは、第一のレーザ光の位置が１０〜７０％、第二のレーザ光の位置が−１０〜−７０％の位置のときである。しかし第一のレーザ光の位置が６０％〜７０％、第二のレーザ光の位置が−６０〜−７０％の位置のときは、十分な引張り強度が得られていない。従って、第一のレーザ光の位置は１０〜５０％、第二のレーザ光の位置が−１０〜−５０％の位置であることが望ましい。
【表１】
2004264843.tif 000003
【００７４】
一方、照射角度と石英ガラスの吸収率の関係は、図５に示すように横軸をＣＯ2レーザの照射角度θ[ｄｅｇ]とし、縦軸を石英ガラスでの吸収率[％]としたとき、照射角度θ1，θ2が大きくなるにつれて吸収率が低下することが示されている。実験を行った結果、実用的に十分な強度で融着を行うためには、石英ガラスでのレーザーパワーの吸収率は６０％以上が好ましいことが分かった。この結果と図５の関係から、照射角度は７０°以下にすることが望ましい。
【００７５】
一方照射時間は、接続する光機能素子の材質や照射するレーザ光のパワーにもよるが、１秒以下の時間では、光機能部品に光ファイバを融着する際に、光機能部品が十分に軟化した状態ではなく、接続した後に光ファイバが取れ易い状態になる。このため照射時間は１秒以上にする必要がある。また、照射時間が２０秒以上になると、光機能部品全体に熱が伝わり、光機能部品の変形などが生じ易くなる。そのため光機能部品の性能が劣化しまう場合がある。このため照射時間は２０秒以下にすることが望ましい。
【００７６】
以上の理由から、レーザ光の照射時間については、１秒以上２０秒以下にすることが望ましい。また、照射時間が２０秒以下の場合であっても、加熱により光機能部品に添加されている成分の拡散が生じ、部品の性能に変化が生じる可能性がある。例えば、石英ロッドレンズでは、屈折率分布を形成するためにゲルマニウムを添加しているが、レーザ照射により生ずる熱により、長時間の照射ではゲルマニウムが拡散し屈折率分布が変わってしまう恐れがある。このため照射時間はできれば１０秒以下であることが望ましい。
【００７７】
具体的には、レーザビームａの照射角度θ1を例えば３０°程度に小さくするとコリメートレンズ１１端面の吸収率が高くなり、端面での溶融効率が上がる。
【００７８】
レーザビームｂについても同様に照射角度θ2を例えば３０°程度に小さくするとコリメートレンズ１１端面の吸収率が高くなり、端面での溶融効率が上がる。
【００７９】
したがって２つのレーザビームの角度を小さくした状態で６０°ずつ重ね合わせることで、１本のレーザビームで実現するよりも均一温度分布を広範囲に渡って得ることが出来る。尚、照射角度を２５°以下に小さくすると（照射を光ファイバ寄りにする）光ファイバの外周が溶融されてしまうので、２５°以下に小さくすることは好ましくない。
【００８０】
以上のことから、光機能部品を十分加熱し、且つ光ファイバ外周を溶融しないようにするためには、レーザーの照射角度に関して２５°〜７０°の間で調節することが望ましい。
【００８１】
また本製造装置１のレーザビームａ，ｂの光軸は、光ファイバの中心軸と垂直にならないように配置させているため、従来レーザビームは２次元的な広がりをしていたが、本発明では３次元的な分布の拡がりを持たせている。これによりコリメートレンズ１１にのみレーザビームを照射させることや、光ファイバ素線１３，１５をコリメートレンズ１１の端面に突合せてから照射させることや、両方を同時に照射させることも可能となる。
【００８２】
また本実施の形態においては、２本のレーザビームａ，ｂを用いて均一エネルギー分布を広範囲で得るようにしているが、複数のレーザビームを用いて更に広範囲に渡って均一エネルギー分布を得るようにすることもできる。
【００８３】
更に本実施の形態においては、コリメートレンズ１１や光ファイバ素線１３，１５の材質が石英系である場合についてのみ記載したが、これに限らずコリメートレンズ１１と光ファイバ素線１３，１５の材質が異なったり、接続部分が表面上でなかったりしていても、照射角度θを調整することにより、両者を均一に溶かして安定した融着を行うことができる。
【００８４】
また更に本発明の製造装置１は、コリメートレンズ１１のみに照射する時間と、コリメートレンズ１１と光ファイバ素線１３，１５の両方を同時に照射する時間（コリメートレンズ１１を光ファイバ素線１３，１５から離す距離と接近させる速度）を制御するタイマ制御部も備えているため、照射位置・照射角度だけでは光機能素子と光ファイバを均一に溶かすことが出来ない場合は、これらの要素を含めて最適条件を出すことができる。
【００８５】
つまり、以下の４つの要素を制御することにより低損失で接続することができる。本実施の形態のようにコリメートレンズ１１を使用した場合は、０．１ｄＢ以下の接続損失で作製することができる。(1) ＣＯ2 レーザの照射位置、(2) ＣＯ2 レーザビームの照射角度θ、(3) 光機能素子のみに照射する時間、(4) 光機能素子と光ファイバの両方を同時に照射する時間。
【００８６】
また本発明の別の効果として機械的信頼性の向上がある。光機能部品であるロッドレンズは、もとのレンズ母材を所定の長さに切断することにより作製されるが、切断の工程によりレンズの端面にチッピング（欠け）が生じ易い。欠けがあると、そこを起点に傷が成長して部品の破壊に至ることがある。特に硬化後の硬度が大きい接着剤を用いて固定などを行うと、接着剤の硬化収縮により歪みが常にかかった状態となり、端面傷が成長して破談に至り易い。
【００８７】
本発明によりコリメータレンズを作製した場合、ロッドレンズの端面が加熱により溶融し、表面張力により、端面の稜線部分は自然な曲率を持つようになる。レーザ照射時間を調整することで、端部の欠けは無くなり、適当に丸みを帯びることになる。これにより機械的信頼性が向上する。
【００８８】
これを確認するために、端部に欠けのあるものと、本発明により作製した欠けのないコリメータについて、繰り返し液体窒素中につけ温度差による歪みを繰り返し与える実験を行った。その結果、繰り返し温度歪みを与えた回数と累積故障率を表２に示す。尚、試験を行ったコリメータの数は、それぞれ２０個である。表２から明らかなように、欠けのない場合は全く破断が生じず、機械的信頼性が非常に良好であることがわかる。
【表２】
2004264843.tif 000004
【００８９】
（変形例１）
図６は、本発明の第二の変形例に係る光機能素子付き光ファイバの製造装置及び製造方法を示す図であり、図７は、この光機能素子の端面を拡大した端面拡大図である。
【００９０】
本変形例は、第一の実施の形態と比較して、第一の実施の形態がコリメートレンズ１１に２本のレーザビームを入射させていたのに対し、複数本（４本）のレーザビームを入射させる点で異なる。この実現方法は、１個のＣＯ2レーザから出射される１本のレーザビームをハーフミラー３と全反射ミラー４と集光レンズ５（図７に図示）を用いて４本の光路に分岐し、それぞれ光路を等距離にしてコリメートレンズ１１の端面に同時に入射させている。そして、４本のレーザビームの照射により形成された照射範囲に４本の光ファイバ１２の端面を垂直に突き合わせて融着接続している。
【００９１】
図７は、具体的にコリメートレンズの端面に４本のレーザビームが入射された状態を示している。このとき４本のレーザビームの照射は、図４で説明したようにエネルギー分布が広範囲に渡って均一化されるように、エネルギー分布の裾野を重なり合わせている。具体的な重ね合わせは第一の実施の形態で説明した方法と同じであり、つまりは各種ミラーの傾斜角度を２５°〜７０°にすることで行う。
【００９２】
このようにレーザビームの照射本数を増やすことで、よりコリメートレンズの端面に広範囲に渡って均一な照射エネルギー分布を形成することができるので、第一の実施の形態に比べて多数本の光ファイバを同時に融着接続することができる。
【００９３】
（変形例２）
次に、本発明の光機能素子付き光ファイバの変形例２を説明する。図８は、本発明の光機能素子付き光ファイバの製造方法において、光機能素子の端面に照射するレーザビーム量と光ファイバに照射するレーザビーム量の割合を示したエネルギー分布図である。
【００９４】
上述してきたように、レーザビームの光軸と光ファイバの中心軸とは照射角度θ１だけずれているため、光機能素子の端面に照射するレーザビーム量と光ファイバの端面に照射するレーザビーム量とを同図に示すように、２：８や、３：７というように任意割合で変化させることができる。このようにすることで、溶け難い光機能素子には多量のレーザビームを照射し、溶け易い光ファイバには少量のレーザビームを照射することで両者を同時に溶融して接続しようとすることができる。
【００９５】
具体的な実現方法は、図１に示した製造装置１の構成図において、全反射ミラー４や、集光レンズ５を調節して行う。つまり、例えば制御部９に全反射ミラー４と集光レンズ５の傾きをどのくらい変えると照射角度や照射量が変化するかデータベース化して保存しておき、適宜必要に応じて傾きデータを読み出して全反射ミラー４や集光レンズ５の角度変更を自動調節することで所望の割合で光機能素子や光ファイバにレーザビームを照射する。
【００９６】
これにより、例え光機能素子と光ファイバの熱容量差（溶け方の差）が大きくても、光機能素子には８０％のレーザビームを照射し、光ファイバには２０％のレーザビームを照射することで、両者を同時に溶かし融着接続することができる。
【００９７】
（使用例）
図９は、本発明の光機能素子付き光ファイバの使用例を示す図である。また図１０は、本発明の光機能素子付き光ファイバの他の使用例を示す図である。更に図１１は、光機能素子として３次元媒体を使用した場合の光機能素子付き光ファイバの構成を示す図である。
【００９８】
まず図９に示すように、この光機能素子付き光ファイバは、光機能素子である屈折率分布型レンズ２１に光ファイバ素線１３を本発明の製造方法で融着接続してなる、いわゆる光ファイバコリメータである。
【００９９】
このような光ファイバコリメータの光ファイバ素線１３の一端から光を入力すると、光は屈折率分布型レンズ２１内で広がり最終的に平行光となってレンズ２１の端から出力される。この作用は一般的な作用であるが、本発明の製造方法及び製造装置を用いることで、光ファイバ素線１３の外径と屈折率分布型レンズ２１の外径との差に２倍以上の開きがあっても両者を確実に高溶融密度で融着接続することができるという効果がある。
【０１００】
また同様に、図１０に示すような１個のコリメートレンズ１１に２本の光ファイバ素線１３，１５を融着接続してなる、いわゆる２心ファイバコリメータに、誘電体多層膜フィルタを介して、光ファイバコリメータを配置することで、異なる２つの光を分割することもできる。
【０１０１】
この場合上記と同様に伝播作用は一般的であるが、製造方法において、従来は外径が２倍以上、端面積４倍以上の差がある光部品同士を融着接続することができなかったが、本発明によれば両者を確実に高溶融密度で融着接続することできる。
【０１０２】
一方、図１１は三次元媒体としてプリズムを使用した場合の例である。この場合、プリズムのある一面に入力用の光ファイバ素線１３を本発明の製造方法で融着し、このプリズム内で分岐された光が出力する位置に出力用の光ファイバ素線１５を本発明の製造方法でレーザ融着することで、光を三次元的に伝播させることができる。
【０１０３】
本使用例の場合も上記と同様に、光ファイバの外径や融着される（ここではプリズム）端面積の大きさに関係なく融着接続することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第一の実施の形態に係る光機能素子付き光ファイバの製造装置１の構成例を示す図である。
【図２】本発明の光機能素子付き光ファイバの概略構成図である。
【図３】光機能素子付き光ファイバの融着工程において光機能素子１１の端面を拡大した端面拡大図である。
【図４】光機能素子の端面におけるレーザビームのエネルギー分布状態を説明する図である。
【図５】レーザビームの照射角度に対する石英ガラスの吸収率の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の変形例１に係る光機能素子付き光ファイバの製造装置及び製造方法を示す図である。
【図７】変形例１に係る光機能素子の端面を拡大したときの端面拡大図である。
【図８】本発明の変形例２に係る光機能素子付き光ファイバの製造方法において、光機能素子と光ファイバに照射するレーザビーム量の割合を示したエネルギー分布図である。
【図９】本発明の光機能素子付き光ファイバの使用例を示す図である。
【図１０】本発明の光機能素子付き光ファイバの他の使用例を示す図である。
【図１１】光機能素子として３次元媒体を使用した場合の光機能素子付き光ファイバの構成を示す図である。
【図１２】従来の融着接続方法を示す図である。
【図１３】従来の融着接続方法を示す図である。
【図１４】従来の融着接続方法を示す図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１…光ファイバ製造装置
２…レーザ発振器
３…ハーフミラー
４…全反射ミラー
５…集光レンズ
６…光源
７…可動板
８…パワーメータ
９…制御部
１０…２心光ファイバコリメータ
１１…コリメートレンズ
１２，１４…光ファイバ
１３，１５…光ファイバ素線
１６…反射板
１７…光機能素子ホルダ
２１…屈折率分布型レンズ
１０１…光機能素子付き光ファイバ
１０２…ロッドレンズ
１０３…集光レンズミラー
１０３ａ…貫通穴
１０４…光ファイバ
１０５…レーザビーム
１１２…石英系光導波路
１１４…光ファイバ
１２２…光機能素子
１２３…電極棒
１２４…光ファイバ
１２５…アーク放電  
【図１】
2004264843.tif 000005
【図２】
2004264843.tif 000006
【図３】
2004264843.tif 000007
【図４】
2004264843.tif 000008
【図５】
2004264843.tif 000009
【図６】
2004264843.tif 000010
【図７】
2004264843.tif 000011
【図８】
2004264843.tif 000012
【図９】
2004264843.tif 000013
【図１０】
2004264843.tif 000014
【図１１】
2004264843.tif 000015
【図１２】
2004264843.tif 000016
【図１３】
2004264843.tif 000017
【図１４】
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