(57)【要約】【課題】  光ファイバ同士を接続する際、調芯作業が不要で、接着剤を使用せずに、端面に異常を起こすことなく光ファイバの固定、接続が可能である光結合器を提供することにある。【解決手段】  光ファイバをその先端部がフェルールから露出した形態とし、光ファイバをＶ溝が掘られた支持部材に配列する。さらにフェルールを固定するレセプタクルに移動機能を持たせ、光ファイバの端面同士が接触することなく顕著な伝送損失が発生しない状態になるよう光ファイバの端面を近づけ、弾性部材と板状押圧部材を用いて光ファイバを固定する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部がフェルールから露出した、端面研磨された光ファイバ同士を接続するための光結合器であって、該フェルールを固定するとともに該光ファイバを長手方向にスライド移動可能とする調節機構を有したレセプタクル、該光ファイバを配置するためのＶ溝が掘られた支持部材、接着剤を使用することなく該光ファイバを適正な押圧力で固定するための弾性部材と板状押圧部材、並びにこれらを収納する筐体から構成されていることを特徴とする、光結合器。
【請求項２】
該支持部材および該板状押圧部材、並びに該筐体が、使用箇所に応じた熱特性を有する部材からなる請求項１に記載の光結合器。
【請求項３】
該筐体に放熱板が備えられた、請求項１または２に記載の光結合器。
【請求項４】
該筐体に流体を使用した冷却機構が備えられた、請求項１〜３のいずれかに記載の光結合器。
【請求項５】
該弾性部材による押圧力が２．６５〜３．２４Ｎの範囲内にあることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の光結合器。
【請求項６】
該調節機構による、該レセプタクルのスライド移動可能な距離が４〜６mmの範囲にある、請求項１〜５のいずれかに記載の光結合器。
【請求項７】
該調節機構により、該光ファイバの端面から出射された光の９０％以上を、もう一方の該光ファイバのコアが受光できる端面間距離まで接近させることが可能である、請求項１〜６のいずれかに記載の光結合器。
【請求項８】
該フェルールからの露出長さが２９〜３１mmの範囲内にある該光ファイバを接続可能な、請求項１〜７のいずれかに記載の光結合器。
【請求項９】
該支持部材の材質が石英ガラスである、請求項１〜８のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１０】
該筐体の材質がアルミニウムである、請求項１〜９のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１１】
該弾性部材がコイルバネである、請求項１〜１０のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１２】
該光ファイバの端面からの漏れ光が、外へ漏れないよう遮光構造を設けた請求項１〜１１のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１３】
該光ファイバにレーザ光が導光される場合に適した、請求項１〜１２のいずれかに記載の光結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ用ファイバあるいはファイバレーザ等、高エネルギー用光ファイバに使用される光結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工や医療用途などへの適用を目的として、ファイバレーザは、高効率でしかも高ビーム品質のレーザ光を簡単に取り出せるという理由で注目を集めている。
従来のファイバレーザ装置は、そのファイバ構成の関係で、図１に示すように発振装置とレーザ出射部とが一体になっているものが一般的であり、発振装置とレーザ出射部の分解は容易ではない。すなわち、レーザ出射部に使用されている光ファイバに焼損等が発生して交換する必要が発生した際、発振装置ごと分解して交換を行わなければならず、非常に手間が掛かるのが問題である。
発振装置を分解せずにレーザ出射部のみを交換するには、図２に示すように発振装置に光ファイバ同士を接続する光結合器を設けて分割構造とし、レーザ出射部を交換可能にすれば良いが、高エネルギーの光を扱うため、光ファイバの接続には特段の配慮が必要となる。
【０００３】
レーザ等の高エネルギーを持つ光が導光される光ファイバを接続する際には、接続部で光が漏れないよう、調芯の精度が必要である。
調芯の精度は、一般的にフェルール等の市販の光ファイバ用コネクタならびにそのコネクタに対応したレセプタクルの寸法精度によって決まるが、レーザ用途では精度不十分な場合も多く、特に光ファイバのコア径が小さくなるほど、市販品での対応は困難になってくる。
このような場合は、別途調芯を行う機構が必要であり、かつ調芯後に光軸がずれないよう、固定を行えることが望ましい。
【０００４】
この調芯と固定に関する問題に対処する方法の一つとして、Ｖ溝を利用して調芯作業を省略する方法が知られている。（特許文献１）。この方法はその端面が斜めに切断された２本の光ファイバ同士を調芯作業なしで接続する方法であるが、例えば垂直研磨された端面に光学膜が形成された光ファイバ同士を接続する場合にも有効な方法である。この方法を行うためには、コネクタから光ファイバが露出した形態で、光ファイバ端末部を作成すれば良い。
【０００５】
ところが、この方法では最終的な固定を接着剤で行っているため、レーザ用途には適さないと言える。これは発明者らが先の発明を行う際に調査した通り、レーザによって発生した熱の影響で接着剤が膨張することにより、光ファイバに側圧が掛かり、光ファイバのマイクロベンデングにより、伝送損失が発生するとともに、光ファイバの側面からの露光が急激に増加し、ひいては光ファイバを焼損してしまうという問題が発生するためである。（特許文献２）
また、接着すると取り外しが不可能となってしまうため、レーザ出射部を交換可能にするという目的にも合致しない。
加えて、コネクタから光ファイバが露出している部分は被覆等による保護がなされていない状態であるため、端面突合せの際に必要以上の力が掛かってしまうと、光ファイバが折れてしまう問題がある。また、折れるまで至らなくても、端面同士が接触した際に欠け、傷等が発生する問題もある。レーザ用途の光ファイバにおいて、欠け等の端面の異常は、光ファイバ焼損の原因となることは周知の通りである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４７９７６８号
【特許文献２】特願２０１０‐５４０５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、上記の課題を解消することにより、調芯作業が不要で、接着剤を使用せずに、端面に異常を起こすことなく光ファイバの固定、接続が可能である光結合器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、接続を行う光ファイバをその先端部がフェルールから露出した形態とし、溝と弾性部材を利用することで接着剤を使用することなく光ファイバの固定を行い、さらにフェルールを固定するレセプタクルに移動機能を持たせ、光ファイバの端面同士が接触することなく顕著な伝送損失が発生しない状態になるよう光ファイバの端面を近づけることで、従来の問題を解消できることを究明した。
【０００９】
本発明によって提供される光結合器は、先端部がフェルールから露出した、端面研磨された光ファイバ同士を接続するための光結合器であって、該フェルールを固定するとともに該光ファイバを長手方向にスライド移動可能とする調節機構を有したレセプタクル、
該光ファイバを配置するための溝が掘られた支持部材、接着剤を使用することなく該光ファイバを適正な押圧力で固定するための弾性部材と板状押圧部材、並びにこれらを収納する筐体から構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の光結合器にあっては、以下に記載した優れた効果が期待できる。
（１）Ｖ溝を使用することで、調芯作業を省略できる。
（２）接着剤を使用しないため、高エネルギーのレーザに対して使用でき、光ファイバの交換も可能である。
（３）調節機構を設けたことにより、顕著な伝送損失と光ファイバの端面同士の接触が発生することなく、光ファイバを光学的に接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来のファイバレーザ装置の一例である。
【図２】光結合器を設けてレーザ出射部が外付けとなったファイバレーザ装置の一例である。
【図３】本発明の光結合器の一例を示す縦断面図である。
【図４】図３のＡ―Ａ断面を示す横断面図である。
【図５】本発明で接続される、先端部が露出した光ファイバの一例である。
【図６】本発明で使用する調節機構の一例を、筐体上面側から見た図であり、(a)は六角穴付ボルト１３を緩めた状態、(b)は締めた状態である。
【図７】本発明の実施例を示す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を、添付図面を参照しながら説明する。
図３〜図４において、１は光ファイバ２の先端部が露出したフェルール、３はフェルール１に取り付けられた固定ナット、４はレセプタクル、５は調節機能を有するレセプタクル、６はＶ溝７が彫られた支持部材、８は板状押圧部材、９は弾性部材、１０は筐体の天板、１１は筐体の本体、１２は筐体の側板、Ｌは光ファイバ２の端面間距離、１８はＬの調節機構である。なお、調節機構１８の詳細は図６を用いて後述し、図３においては縦断面図に現れる要素のみ記載してある。
本発明で特徴的なことは、Ｖ溝に配置した光ファイバを、弾性部材を取り付けた板状押圧部材を使用して押圧固定する点、ならびに調節機構を持つレセプタクルを設けて、光ファイバの端面同士を接触させずに、顕著な伝送損失が発生しない距離まで近付けることが可能な点である。こうすることにより、接着剤を使用しないためレーザ用途に使用することが可能となり、接続時に光ファイバ端面に傷等の異常が発生することを抑えられる。
【００１３】
以下、本発明の詳細な説明を図３〜図６に基づいて行う。
本発明においては、光ファイバ２は図５に示すように、その先端部がフェルール１から露出した状態でフェルール１に接着固定され、先端研磨される。接着固定は発明者が先に発明した方法（特許文献２）で行うことで、レーザ用途に対応する。光ファイバ２の露出長さは、研磨時、並びに接続時の作業性の観点から、２９〜３１ｍｍの範囲にあることが好ましい。また、必要に応じて研磨面にＡＲコート等の光学膜を形成しても良い。
このように作成した光ファイバ２を天板１０が外れた状態の筐体１１に挿入し、光ファイバ２がＶ溝７に配置されるよう調整し、固定ナット３を用いてフェルール１をレセプタクル４及び５と固定する。Ｖ溝７に配列されることで、光ファイバ２の調芯作業は不要である。なお、この時点では光ファイバ２の端面間距離Ｌは２ｍｍ程度である。
【００１４】
レーザ用途に対応するため、光結合器を構成する各部品は、放熱性、耐熱性等の熱特性に優れた材質で作成するのが望ましい。特に支持部材６は石英ガラス、筐体１１は熱伝導率の高いアルミニウムで作成するのが好ましい。
また、端面からの光が結合器外に漏れないよう、アルミニウムへの黒アルマイト処理等を行って、遮光構造を設けるのが好ましい。
【００１５】
光ファイバ２の反対側の端面に光源、パワーメータを接続し、出射される光の出力を確認しながら、調節機構１８を利用して端面間距離Ｌを縮めていく。
調節機構１８は筐体上面側から見て図６(a)及び(b)に示した構造となっており、レセプタクル５、筐体本体１１、筐体側板１２、六角穴付ボルト１３、ザグリ穴１４、コイルバネ１５、ストッパーネジ１６、側面固定ネジ１７で構成される。
レセプタクル５は、筐体側板１２の正面に固定されており、この側板１２は六角穴付ボルト１３によって筐体本体１１とネジ固定される。固定用のネジ穴にはザグリ穴１４が設けられ、このザグリ穴１４にはコイルバネ１５が入れられる。コイルバネ１５の弾性力が働くため、六角穴付ボルト１３の締め具合を調節することで、レセプタクル５を光ファイバ２の長手方向にスライド移動できる。すなわち、六角穴付ボルト１３を緩めることで図６(a)の状態となって端面間距離Ｌを広げることができ、逆に六角穴付ボルト１３を締めると図６(b)の状態となって端面間距離Ｌを縮めることができる。調節機構１８によるレセプタクル５のスライド移動可能な距離は、作業性の観点から４〜６mmの範囲にあるのが望ましい。
一般的に端面間距離Ｌが近くなる程出力が上昇していき、ある距離まで近づくと一定の出力で安定し、それ以上近づけても上昇しない。一定の出力で安定した状態に調節されれば顕著な伝送損失は発生しない。この時、光結合機内の光ファイバ２の端面から出射された光の９０％以上を、もう一方の光ファイバのコアが受光している。Ｌの目安は５０〜１５０μｍである。
所定の端面間距離Ｌに調節したら、ストッパーネジ１６を調節して側板１２が押されてもスライドしない状態とする。さらに側板１２の側面を左右から側面固定ネジ１７で押さえつけて固定完了となる。
【００１６】
端面間距離Ｌの調節を終えたら、光ファイバ２の上に板状押圧部材８を載せる。板状押圧部材８には弾性部材９が取り付けられている。弾性部材は必要な押圧力に合わせて自由に選択してよい。検証の結果、押圧力を２．６５〜３．２４Ｎの範囲内にするのが好ましく、この押圧力を得るのにはコイルバネが適当である。板状押圧部材を全て載せたら、天板１０を固定して接続、固定が完了する。
【００１７】
図３〜図４では、支持部材６は筐体１１上に直接固定され、光ファイバ２は板状押圧部材８が直接触れて固定されている形状であるが、必要に応じて図７に示すように支持部材５をホルダー１９に固定し、補助板状押圧部材２０を介して光ファイバ２を固定する構造を採っても良い。
【００１８】
光ファイバ２に導光される光のエネルギーによっては、使用材質の選定のみでは放熱性能が不十分な場合も存在する。そのような場合には、筐体へ放熱板、あるいは空気、水といった流体を利用した冷却機構を設置して、放熱を促すことも可能である。
【実施例】
【００１９】
以下に、本発明の光結合器の一例を図５、図７の場合について示す。
先ず、線径が１２５μｍの石英ファイバからなる光ファイバ２の端部５０ｍｍ程度の被覆層を除去しクラッドを露出させた。
この光ファイバ２を特許文献２に示した方法でフェルール１に接着固定を行い、端面の研磨を行ってフェルール１からの露出長さを３０ｍｍとした。
板状押圧部材８、筐体天板１０、筐体本体１１、筐体側板１２、ホルダー１９は黒アルマイト処理を行ったアルミニウムで作成し、筐体の外寸は高さ４０ｍｍ×幅６０ｍｍ×奥行き１００ｍｍとした。
また筐体本体１１にはＭ３のネジ穴と直径８ｍｍ、深さ６ｍｍのザグリ穴１４を開け、ザグリ穴１４にはコイルバネ１５を入れた。コイルバネ１５は調整の行いやすさの観点から、バネ定数０．４９Ｎ／ｍｍ付近の物を使用するのが好ましい。レセプタクル５を筐体側板１２に固定し、Ｍ３の六角穴付ボルト１３を用いて側板１２を筐体１１に固定した。
支持部材６、補助板状押圧部材１９は石英ガラスで作成し、Ｖ溝７は深さ１００μm、角度９０°とした。
筐体を組み立てて、フェルール１への接着固定、研磨を終えた光ファイバ２を天板１０が外れた状態の筐体１１に挿入し、光ファイバ２がＶ溝７に配置されるよう調整し、固定ナット３を用いてフェルール１をレセプタクル４及び５と固定する。この時点では光ファイバ２の端面間距離Ｌは２．１ｍｍであった。
この状態から調節機構１８を用いて端面間距離Ｌを徐々に縮めていった所、Ｌ＝１１０μmで光ファイバ２の端面から出射された光の９３％をもう一方の光ファイバのコアが受光している状態となり、これ以上Ｌを縮めても受光量に変化は無かった。Ｌ＝９０μｍの状態でストッパーネジ１６の調節を行い、側面固定ネジ１７で側板１２を固定した。
光ファイバ２の上に補助板状押圧部材２０を載せ、さらに板状押圧部材８を載せた。板状押圧部材８に取り付けられる弾性部材９には光ファイバ２を２．９４Ｎの押圧力で固定できるコイルバネを選択した。
最後に天板１０を固定して、光ファイバ２の接続、固定が完了し、本発明の光結合器の完成形態となった。
【００２０】
このようにして得た光結合器を使用して２００Ｗのレーザ照射試験したところ、光ファイバが焼損することなく、結合部の伝送損失も１０％以下で、十分な出力が確保されていることが確認できた。
【００２１】
以上の例は、本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、種々の変更および応用が可能であることは言うまでもない。例えば、本発明の光結合器は、その設置空間に応じた形状に対して、種々変形されて供されることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００２２】
１          フェルール
２          光ファイバ
３         固定ナット
４          レセプタクル
５          調節機能を有するレセプタクル
６          支持部材
７          Ｖ溝
８          板状押圧部材
９          弾性部材
１０        筐体天板
１１        筐体本体
１２       筐体側板
１３       六角穴付ボルト
１４       ザグリ穴
１５       コイルバネ
１６        ストッパーネジ
１７       側面固定ネジ
１８       調節機構
１９        ホルダー
２０        補助板状押圧部材
Ｌ         光ファイバ２の端面間距離
【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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【図７】
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