(57)【要約】レーザビームを、金属フェルールを有するコネクタ付き光ファイバのファイバ端面に垂直に向けることによって、レーザ研磨が達成される。レーザビームのスポット径は、剥き出しの光ファイバの直径より大きく、ファイバ端面にわたる放射エネルギーのより均一な空間分布を与える。金属フェルールは、ファイバ先端における、望ましくない表面欠陥および幾何形状を生じる過剰な熱の蓄積を防止するための熱伝導を提供する。コネクタ付き光ファイバは、レーザ研磨の前に予備成形され得る。それに続くレーザ研磨が、ファイバ端面を平坦にする。
2017538153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コネクタ付き光ファイバの端面を研磨する方法であって、
金属フェルールを設ける工程と、
フェルール端面によってファイバ端面が露出された状態で、前記フェルール内に光ファイバを取り付ける工程と、
前記ファイバ端面を研磨するために該ファイバ端面にレーザビームを向ける工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記研磨が、前記ファイバ端面を研磨するために前記レーザビームが照射された後に、いかなる機械的研磨も必要としない、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記レーザビームが前記ファイバ端面に対して概ね垂直に向けられる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記ファイバ端面が前記レーザビームの焦点から所定の距離に配置された状態で、前記レーザビームが前記ファイバ端面上においてデフォーカスされる、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記所定の距離が前記ファイバ端面の直径より大きい、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記レーザビームが前記ファイバ端面の直径より大きいスポット径を有する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記ファイバ端面が、前記レーザビームの概ね均一なビーム分布を有する部分を受けるように、前記スポット径が前記ファイバ端面より数倍大きい、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記スポット径が前記ファイバ端面より約２〜２０倍大きい、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記レーザビームの光軸が、前記ファイバ端面の中心と位置がずれている、請求項４記載の方法。
【請求項１０】
前記レーザビームが、前記ファイバ端面の直径よりかなり大きい曲率半径を得るように前記ファイバ端面を研磨するよう向けられる、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記曲率半径が７〜２５ｍｍである、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記ファイバ端面が、前記レーザビームを用いた研磨の前に第１の曲率半径を有し、前記レーザビームが、第２の曲率半径を得るように前記ファイバ端面を研磨するよう向けられ、前記第２の半径が前記第１の半径より大きい、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記曲率半径が７〜２５ｍｍである、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記レーザビームが前記ファイバ端面を研磨するために向けられる前に、前記光ファイバが前記フェルール内に取り付けられた状態で前記フェルール端面を研削する工程を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記ファイバ端面が、研削後であって前記レーザビームを用いた研磨の前に第１の曲率半径を有し、前記レーザビームが、第２の曲率半径を得るように前記ファイバ端面を研磨するよう向けられ、前記第２の曲率半径が前記第１の曲率半径より大きい、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記曲率半径が７〜２５ｍｍである、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記ファイバ端面が、研削後であって前記レーザビームを用いた研磨の前に第１の屈折率を有する材料の層を有し、前記レーザビームが、第２の屈折率を得るように前記ファイバ端面を研磨するよう向けられ、前記第２の屈折率が前記第１の屈折率より小さい、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
前記金属フェルールが、前記光ファイバの取り付けのために該光ファイバを受容する少なくとも１つの孔を有し、前記光ファイバと前記フェルールとの間には接着剤が施されない、請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記フェルールが、合わさって前記孔を画成する２つのフェルール部分を含み、前記光ファイバが、前記フェルール部分を前記孔に受容された前記光ファイバ上において一体に固定することによって取り付けられる、請求項１記載の方法。
【請求項２０】
コネクタ付き光ファイバを形成する方法であって、
金属フェルールを設ける工程と、
フェルール端面によってファイバ端面が露出された状態で、前記フェルール内に光ファイバを取り付ける工程と、
前記ファイバ端面を研磨するために前記レーザビームを向ける前に、前記光ファイバが前記フェルール内に取り付けられた状態で該フェルールを研削する工程と、
前記ファイバ端面を研磨するために該ファイバ端面にレーザビームを向ける工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記ファイバ端面が、研削後であって前記レーザビームを用いた研磨の前に第１の曲率半径を有し、前記レーザビームが、第２の曲率半径を得るように前記ファイバ端面を研磨するよう向けられ、前記第２の半径が前記第１の半径より大きい、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記ファイバ端面が、研削後であって前記レーザビームを用いた研磨の前に第１の屈折率を有する材料の層を有し、前記レーザビームが、第２の屈折率を得るように前記ファイバ端面を研磨するよう向けられ、前記第２の屈折率が前記第１の屈折率より小さい、請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
金属フェルールと、
フェルール端面によってファイバ端面が露出された状態で、前記フェルール内に取り付けられた光ファイバと
を含み、
前記ファイバ端面が請求項１記載の方法によって研磨されることを特徴とするコネクタ付き光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【優先権の主張】
【０００１】
本願は、２０１４年１１月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／０７８,８６８号による利益を主張するものであり、その全体を参照して、本明細書において完全に述べられているかのように組み込む。以下で言及される全ての刊行物を、その全体を参照して、本明細書において完全に述べられているかのように組み込む。
【技術分野】
【０００２】
本発明は光ファイバに関し、より具体的には、光ファイバの端面の仕上げに関する。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバ導波路を介して光エネルギーを伝送することには多くの長所があり、その用途は様々である。可視光を遠隔地に単に伝送するために、単一または複数のファイバ導波路が用いられ得る。複雑な通信システムは、複数の特定の光信号を伝送し得る。これらの装置は、しばしば、２つの光ファイバの端面を、間に間隔がほとんどまたは全くない面と面とを合わせた並置状態に効果的に配置するために、光ファイバを端部と端部とを合わせた関係で結合することを必要とする。この面と面とを合わせた光結合は、光損失の源の代表的なものである。光ファイバの劈開された端部およびファイバの中心にある導波路は、平滑で欠陥がないべきである。
【０００４】
ファイバの端部に凹凸があると、劈開された端面（例えば、スプライスまたは接合領域）における光の反射および屈折に起因して、過剰な光損失が生じ得る。光学面の粗さは、光を散乱させること、および、コネクタの結合において接点ギャップを生じることによって、光信号の伝送効率を制限する。光ファイバを端部と端部とを合わせた関係に配置する際に、伝送ファイバの端面の内部からの後方反射による光損失を抑制するために、および、１つのファイバから他のファイバへの伝送の際の挿入損失（例えば、信号強度の損失）を抑制するために、（例えば、着脱可能なコネクタ、永久的なスプライス、およびフォトニックデバイスにおける）ファイバ間の光結合を最適化するために、劈開されたファイバ端面は、できるだけ平滑でスクラッチがないことが必要である。
【０００５】
ファイバの劈開された端部において欠陥が生じていることを所与として、現行の終端手法は、従来の光ファイバの劈開に続き、劈開された面の非平面形状の欠陥をなくすために、得られた端面の機械的研磨を行うことを含む。表面粗さを除去する手段として、様々な研削および研磨工程を用いる従来の方法が何十年かにわたって行われている。ファイバの端面の仕上げは、ファイバが挿入されるジルコニア終端器フェルールの通路内に或る量の未硬化のエポキシを配置することを含む、手間のかかる手順を含む。光ファイバの面を平滑にするためにファイバが手作業で研磨される間、光ファイバのしっかりとした支持を設けるために、ファイバはフェルールに挿入され、エポキシの少なくとも一部がフェルールの端面を越えて確実に押し出されるよう、フェルールの端面においてエポキシを通して押される。ファイバの配置後、研磨の前に、エポキシは約２４時間にわたって硬化される。フェルールから突出したファイバの端部および硬化したエポキシは、フェルールの端面付近で折り取られる。折り取られた後のファイバの小さい部分はフェルールの端面から突出し、硬化したエポキシによってしっかりと支持される。エポキシもフェルールの端面から小さい距離だけ突出し、フェルール通路内のファイバを支持する。このファイバの堅固な支持は、所定の数の異なる硬さのうちの１つを有する研磨ディスクの摩耗作用にファイバが耐えるのを可能にするために必要である。このディスクは、ディスク面がファイバ端部の圧力によって小量だけ凹むように、ファイバの端部に押し当てられる。ディスクは、ファイバの端面上をスライドさせられる。この研磨ディスクによる研削は、手作業によって、またはオートメーション化された機械を用いて達成され、時折、端面を検査するため、および後方反射の量を測定するために中断される。この手順中に、ディスク面およびディスクの硬さは変更され得る。
【０００６】
特許文献１は、多数のコネクタを収容するオートメーション化された機械的研磨装置を開示している。しかし、機械的研磨プロセスは、シリカガラスの表面に、僅か数百ナノメートルの厚さのより高い屈折率を有する薄いガラス層を生じさせる。この現象は、１９３７年にLord Rayleighによって最初に報告されている（非特許文献１）。このより大きい屈折率を有する薄いガラス層は、ファイバ光コネクタにおいて結合された２つの研磨された光ファイバ間の界面から戻る光の反射を生じる。これまでに、標準的な機械的研磨以外の方法によって光ファイバ端面における表面仕上げを改善するため、および／または、高い屈折率を有する損傷した層を除去するための試みが行われている。特許文献２は、ＣＷ（連続波）ＣＯ２レーザを用いてファイバをレーザ研磨するための概略を開示している。Udreaらは、表面粗さの２．５μｍから１００ｎｍ未満への改善を達成し、レーザ照射後の損失が１．５ｄＢ低減されたことを報告している（非特許文献２）。研磨工程を追加してレーザ劈開を実現する別の設計も設計されている。特許文献３は、光ファイバのクラッドが除去された端面を熱成形する技術を開示している。特許文献４は、コネクタ付きファイバをレーザ劈開し（即ち、光ファイバの端部がフェルール内に固定され、光ファイバは、端面の最終的な研磨後も、そのようなフェルールから取り外されず、光ファイバおよびフェルールはコネクタ内に組み付けられ得る）、次に、更なる微細な機械的研磨工程を行う技術を開示している。
【０００７】
従来技術のレーザ成形／研磨プロセスは、表面粗さを低減することによって高い後方反射を低減し得るが、高屈折率層は依然として生じ、これはしばしば根本的な問題であると目されている。ファイバ端面においてファイバ材料が溶融すると、ファイバの半径または直径と同程度の曲率半径を有する凸面が生じる。これは、凸面を機械的研削によって更に成形しない限り、望ましくない光学効果を生じる。更に、剥き出しのファイバだけでなく、コネクタ付きファイバを研磨することには、依然として問題が残っている。コネクタ付きファイバのレーザ研磨の主な懸念事項は、用いられるエポキシ、およびセラミックの材料特性である。ファイバを軟化または溶融させるのに必要な高いパワー密度において、エポキシは典型的にはレーザエネルギーを吸収し、その後、溶融、燃焼、または蒸発する。これが光ファイバの端面を汚染するので、除去する必要があり、それにより、フェルール内におけるファイバの保持が損なわれる。セラミックフェルールもレーザビームからエネルギーを吸収し、それらの低い熱伝導性に起因して、レーザ処理中に温度が急激に変化して、ジルコニア（ＺｒＯ２）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のフェルールにクラックを生じ得る。このエネルギーは、フェルールの端面をも蒸発させるのに十分に高いものであり得、それによってフェルールの端面形状が変わる。更に、従来の方法は、照射されるレーザビームの精密な位置決めと、レーザ照射後の更なる微細研磨工程とが必要であり、これは製造の負担および複雑さを増大させると共に、高屈折率層を生じ得る。
【０００８】
従来技術のファイバ端面研磨プロセスの短所は、現行の業界標準（例えば、GR-326-CORE （Generic Requirements for Singlemode Optical Connectors and Jumper Assemblies, Issue 4）等）によって示される厳密な仕様を満たすための大きな課題を課す。そのような標準は、研磨半径（フェルール軸から測定したフェルール端面の表面の半径として定義される）、ファイバの突出およびアンダーカット（球面内の周囲の材料に対して測定されるガラスファイバの上部との間の距離として定義される）、フェルール頂点のオフセット（研磨された端面の球中心とファイバの中心との間の距離として測定される）、および角度研磨（フェルール軸に対して垂直な軸に対するフェルール端面が研磨される角度として定義される）を含む様々な要求を示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４，９７９，３３４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２２６，１０１号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００５／０００８３０７号明細書
【特許文献４】米国特許第７，０８２，２５０号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】L. Rayleight, “The surface layer of polished silica and glass with further studies on optical contact”, Proceedings A of the Royal Society, V. 160, No 3, 1937
【非特許文献２】M. Udrea, H. Orun, “Laser polishing of optical fiber end surface,” Optical Engineering 40(9), 2026-2030 (2001)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来技術のレーザ研磨プロセスの短所を考えると、上述の問題を抑制または回避しつつ、光ファイバ端面の仕上げを提供する改良されたレーザ研磨プロセスを開発するのが依然として望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、コネクタ付き光ファイバの端面をレーザ研磨するプロセスを含む、コネクタ付き光ファイバケーブルを形成するための新規な方法を提供する。本発明によるレーザ研磨プロセスは、許容可能な表面形状および表面特性（例えば、平滑性）を達成するために光ファイバ端面を仕上げるための効果的で効率的且つ信頼性の高い手法を提供する。
【００１３】
本発明の１つの態様によれば、金属フェルール内への取り付けによって終端されたコネクタ付き光ファイバの劈開された端面に対してレーザ研磨が行われる。本発明の目的で、コネクタ付き光ファイバは、金属フェルール内への固定的な取り付けによって終端された光ファイバを含み、光ファイバは、それに続く端面の研磨／仕上げ後もそのようなフェルールから取り外されない（光ファイバおよびフェルールは、コネクタ内に組み付けられ得る）。金属フェルールは、光ファイバの剥き出しの終端部（即ち、保護緩衝コーティング層および被覆層がない、クラッドが露出したコアを含む）を受容する溝を有する本体を含む。一実施形態では、フェルールは、剥き出しの光ファイバを固定して保持するサイズの孔または溝を有する本体によって画成される。更なる実施形態では、本体は２つのフェルール部分によって画成され、２つのフェルール部分は互いに同一であってもよく（各フェルール部分は半円筒形の溝を有し、これらのフェルール部分が剥き出しの光ファイバを締め付ける）、または異なっていてもよい（例えば、一方のフェルールの部分が、剥き出しの光ファイバを固定して保持するＵ字形状の溝を有し、他方のフェルール部分は溝を有しない）。剥き出しの光ファイバとフェルールとの間には接着剤（例えば、エポキシ）は施されない。一実施形態では、フェルール（またはフェルール部分）は、フェルールが光ファイバの軸を外部の接続点に対して（例えば、接続される光ファイバを保持する接続されるフェルールに光学的に結合するスリーブを用いて）正確に位置決めできるよう、フェルール（またはフェルール部分）の外面および内面の特徴の寸法および幾何形状を正確に画成するために、金属ブランク材を精密スタンピングすることによって形成され得る。
【００１４】
レーザビームは、光ファイバの端面に対して垂直に、または、光ファイバの縦軸に概ね沿っておよび／もしくは平行に向けられる。一実施形態では、レーザビームは、スポット径が剥き出しの光ファイバの直径より大きくなるよう（例えば、スポット径が剥き出しのファイバまたはファイバ端面の直径の数倍になるよう）デフォーカスされる。入射した放射エネルギーは、金属フェルールの表面によって反射される。その結果、レーザのガウス（ＴＥＭ００）モードの中心部分が光ファイバに照射される。これにより、ファイバの端面領域にわたって放射エネルギーのより均一な空間分布が与えられ、その結果、端面の形状の変化がより少なくなる。従って、軸対称を保つためにファイバを軸周りに回転させる必要はない。剥き出しのファイバ端面の直径と比較したレーザビームの比較的大きいスポット径を所与とすると、レーザビームをファイバ端面に対して精密に位置決めする必要はない（即ち、レーザビームの光軸はファイバ端面の中心と位置がずれている）。
【００１５】
本発明によれば、金属フェルールは、ファイバ先端における過剰な熱の蓄積（これは、光ファイバの材料を蒸発させ得る、および／または、（例えば、ファイバのクラッドおよびコア内でのドーパント（例えば、フッ素およびゲルマニウム）の拡散の結果、および／または、光ファイバ内の応力によって生じる複屈折を回避するための、熱機械的残留応力の結果として）光ファイバの光学的変化を生じ得る）を防止するための熱伝導を提供する。光ファイバの材料が蒸発または過度に軟化されないので、ファイバの先端／端面の形状を知覚可能なほど変えずに典型的な表面欠陥を補修するために、ファイバ先端／端面はレーザビームによって軟化または僅かに（例えば、約１０マイクロメートルまで）溶融される。金属フェルールはレーザビームを反射するので、レーザビームの放射を吸収しない。
【００１６】
レーザ研磨された光ファイバの端面は、それに続く機械的研削および／または研磨を必要とせずに、所望の表面形状および表面特性を達成する。これにより、通常はそのような機械的プロセスによって生じる高屈折率層の形成が回避される。
【００１７】
一実施形態では、コネクタ付き光ファイバはレーザ研磨の前に（例えば、機械的研削またはレーザ成形によって）予備成形される。光ファイバの端面（およびフェルールの端面）は、フェルール端面に関するファイバの所望のアンダーカット／突出（例えば、−１５０ｎｍのアンダーカット／＋５０ｎｍの突出）を達成するよう予備成形される。そのような予備成形プロセスの結果、僅かな凸面が得られる。本発明によるレーザ研磨プロセスは、この凸面を「緩和」して、より望ましいより平坦なファイバ端面を達成できる（即ち、レーザ研磨後のファイバ端面の曲率半径が、レーザ研磨前のファイバ端面の曲率半径と比較して大きい）ことが見出された。更に、ファイバ端面における以前の機械的研磨によって生じた高屈折率層の存在下で、本発明によるレーザ研磨プロセスは、そのような層内のファイバ材料の屈折率を低減させ、それにより反射損失を低減できることが見出された。
【００１８】
本発明の別の態様において、上述の新規なレーザ研磨プロセスを含むプロセスに従って、（例えば、光ファイバジャンパーケーブル内の）コネクタ付き光ファイバが形成される。このプロセスは、金属フェルール内に光ファイバを取り付ける工程と、フェルールの端面付近において光ファイバを劈開する（或いは、ファイバ端面がフェルール端面と略位置決めされた状態で、光ファイバの劈開された長さを金属フェルール内に取り付ける）工程と、（例えば、機械的研削またはレーザによる劈開／成形によって）ファイバ端面（およびフェルール端面）を予備成形する工程と、本発明に従ってファイバ端面をレーザ研磨する工程とを含む。
【００１９】
本発明の性質および長所、並びに使用の好ましい態様のより完全な理解のために、以下の詳細な説明を、添付の図面と共に読んで参照されたい。以下の図面中、類似の参照番号は、図面を通して類似または同種の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態による、コネクタ付き光ファイバをレーザ研磨する方法を適用するシステムの模式図
【図２】本発明の一実施形態による、レーザ研磨のために光ファイバを保持するための一対の金属フェルール部分の斜視図
【図３】本発明の別の実施形態による、レーザ研磨のために光ファイバを保持するためのマルチファイバ金属フェルールの断面図
【図４】レーザビームとの関係におけるファイバ端面の模式図
【図５】レーザビームのウエストとファイバコア領域との相対的なサイズに対応する図
【図６】レーザ研磨を受けたファイバ／フェルール端面およびレーザ研磨を受けていないファイバ／フェルール端面の写真画像を横に並べた比較
【図７Ａ】研磨前の研削後にレーザ研磨を受けたファイバ／フェルール端面の写真画像
【図７Ｂ】研磨前の研削後にレーザ研磨を受けていないファイバ／フェルール端面の写真画像
【図８】研磨前の研削後のレーザ研磨を受けた場合およびレーザ研磨を受けていない場合の損失を比較するグラフ
【図９】本発明に従ってレーザ研磨されたコネクタ付き光ケーブルの損失データとの比較を含む、挿入損失および反射損失に関する業界標準の表
【図１０Ａ】本発明に従ってレーザ研磨されたコネクタ付き光ファイバと機械的に研磨されたコネクタ付き光ファイバとの測定された損失データを比較するヒストグラム
【図１０Ｂ】本発明に従ってレーザ研磨されたコネクタ付き光ファイバと機械的に研磨されたコネクタ付き光ファイバとの測定された損失データを比較するヒストグラム
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照し、本発明を様々な実施形態に関して説明する。本発明は、本発明の目的を達成するための最良の態様に関して説明されるが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、これらの教示に照らした変形が成され得ることが当業者には理解されよう。
【００２２】
本発明は、コネクタ付き光ファイバの端面をレーザ研磨するプロセスを含む、コネクタ付き光ファイバケーブルを形成する新規な方法を提供する。本発明によるレーザ研磨プロセスは、許容可能な表面形状および表面特性（例えば、平滑性および形状）を達成するために光ファイバ端面を仕上げるための効果的で効率的且つ信頼性の高い手法を提供する。
【００２３】
本発明によれば、金属フェルール内への取り付けによって終端されたコネクタ付き光ファイバの劈開された端面に対してレーザ研磨が行われる。本発明の目的で、コネクタ付き光ファイバは、金属フェルール内への固定的な取り付けによって終端された光ファイバを含み、光ファイバは、それに続く端面の研磨／仕上げ後もそのようなフェルールから取り外されない。コネクタ付き光ファイバは、更に、光ファイバおよびフェルールが光コネクタ内に組み付けられた状態で終端され得る。
【００２４】
図１の模式図を参照すると、コネクタ付き光ファイバケーブル２２は、金属フェルール１０内に固定的に取り付けられた光ファイバ２０の長さを含む。金属フェルール１０は、光ファイバ２０の剥き出しの終端部（即ち、保護緩衝コーティングおよび被覆層がない、クラッドが露出したコアを含む）を受容するための溝を有する金属本体（例えば、チタン）を含む。（以下、フェルール内に保持されている光ファイバを参照する際には、それはフェルール内に保持されている光ファイバの剥き出しの部分であると理解されたい）。光ファイバ２０は、シングルモードファイバ（例えば、Corning社のSMF 28e等）または曲げの影響を受けないファイバ（例えば、Draka社の9/125 BendBright XS SMF等）であり得る。金属フェルールは、取り付けられるファイバ２０が通される円筒形の孔１２を有する、全体が円筒形の金属本体を有する。ファイバ端面２１は、フェルール端面１１に対して（例えば、業界標準によって要求される許容可能な仕様の範囲内で）僅かに上方に突出するか、または僅かに下方に陥凹し得る。ファイバ２０がどのように劈開されるか、および、レーザ研磨前の研削が行われるか否か（後述の議論を参照）に応じて、端面２１は、本明細書において開示されるレーザ研磨によって低減可能な或る粗さを有する。
【００２５】
一実施形態では、金属フェルール１０の本体は、互いに同一であり得る２つのフェルール部分によって画成される。例えば、米国特許第７，３１１，４４９号明細書（本願と同じ譲受人に譲渡されており、その全体を参照して本明細書に組み込む）は、相補的なフェルール部分の対の様々な実施形態を開示しており、各フェルール部分は概ね半円筒形の溝を有し、これらの溝は、フェルール部分が光ファイバを締め付けた際に合わさって、光ファイバを固定して保持する孔を画成する。図２は、図１の金属フェルール１０の一実施形態を示す。光ファイバ２０は、互いに同一の金属フェルール部分１６の溝１４の中に保持され、これらの溝１４は合わさってフェルール１０の孔１２を画成する。２つの金属フェルール部分１６は、例えば、シームに沿ったレーザ溶接によって、互いに固定的に取り付けられる。
【００２６】
別の実施形態では、金属フェルールは、剥き出しの光ファイバを固定して保持するサイズの溝を有する本体によって画成される。例えば、米国特許第８，９６１，０３４号明細書（本願と同じ譲受人に譲渡されており、その全体を参照して本明細書に組み込む）は、光ファイバを締め付けるサイズの概ねＵ字形状の溝を有し、それによって溝内の光ファイバを固定して保持する金属フェルールを開示している。図３は、複数の光ファイバ２０を取り付けるための溝１９を有する金属フェルール１７を含むマルチファイバフェルール１０’の実施形態を示しており、各溝１９は、光ファイバ２０を締め付けるサイズの概ねＵ字形状である。この実施形態では、Ｕ字形状の各溝１９が、フェルール１０’の孔である。フェルールカバー１８は、フェルール１７を保護するために溝１９を覆う。この実施形態では、フェルール１７には、位置決めピン１５を受容するための更なる溝が設けられる。フェルールカバー１８は光ファイバを受容する溝を有しないが、この実施形態は、互いに異なる２つのフェルール部分によって構成されるフェルールも示している。マルチファイバフェルール１０’内に保持されている複数のファイバは、本明細書においてシングルファイバフェルール１０に関して説明したのと同様の方法でレーザ研磨可能である。
【００２７】
本明細書において開示されるレーザ研磨プロセスは、例えば、国際公開第２０１４／０１１２８３Ａ２号（本発明と同じ譲受人に譲渡されており、その全体を参照して本明細書に組み込む）に開示されている楕円形状のマルチファイバフェルール等の、他のタイプのフェルール、およびそのようなフェルールを組み込んだコネクタを有するコネクタ付き光ファイバにも適用され得る。
【００２８】
上述の金属フェルールを用いると、剥き出しの光ファイバ２０とフェルール１０（または１０’）との間に接着剤（例えば、エポキシ）は施されない、または施す必要がない。一実施形態では、フェルールが光ファイバの軸を外部の接続点に対して（例えば、接続される光ファイバを保持する接続されるフェルールに光学的に結合するスリーブを用いて）正確に位置決めできるよう、フェルール（またはフェルール部分）の外面および内面の特徴の寸法および幾何形状を正確に画成するために、フェルール（またはフェルール部分）は、金属ブランク材を精密スタンピングすることによって形成され得る。精密スタンピングプロセスおよび装置は、米国特許第７，３４３，７７０号明細書（本発明と同じ譲受人に譲渡されており、その全体を参照して本明細書に組み込む）に開示されている。そこに開示されているプロセスおよびスタンピング装置は、本明細書において述べるフェルールの精密スタンピングに適合され得る。
【００２９】
再び図１を参照すると、レーザ３２（例えば、Universal Laser Systems社のULR10 OEM ＣＯ２レーザ）からのレーザビーム３０は、光ファイバ２０の端面２１に対して概ね垂直に、または、光ファイバの縦軸２０に概ね沿ったもしくは平行な方向に向けられる。図示されている実施形態では、レーザビームは、レンズ３４（例えば、ThorLabs社の７５ｍｍ焦点距離ＺｎＳｅ平凸レンズ）によって集光される。ファイバ端面２１をレーザビーム３０に位置決めするために、フェルール１０は、台２９（図１に模式的に示されている）上に支持され得る。例えば図３に示されているフェルール１０’等のマルチファイバフェルールについては、ファイバを順にレーザ研磨するために、フェルール１０’内に取り付けられた各光ファイバの自動頭出しを提供する台上に支持され得る。或いは、幾つかのファイバを同時にレーザ研磨するために、複数のレーザビームが照射され得る。レーザ３２および台２９の動作および制御は、コントローラ３９（模式的に示されている）によって制御され得る。
【００３０】
図４も参照すると、レーザビーム３０のスポット径３７が剥き出しの光ファイバの直径よりかなり大きくなるように（例えば、スポット径が、剥き出しのファイバまたはファイバ端面の直径の数倍になるように）、ファイバ端面２１はレーザビーム３０の焦点３５から離れて配置される。これは、レーザビームがファイバ端面のより近くに集光される従来技術のレーザ研磨プロセスとは異なる。図４に示されているように、ファイバ端面上のレーザビームのスポット径３７は８５０マイクロメートルであり、これは、剥き出しの光ファイバの直径（コアおよびクラッドのみの直径）の１２５マイクロメートルより約７倍大きい。好ましくは、スポット径は端面の直径より２〜２０倍大きいものであり得るが、それに限定されない。図５に示されている実施形態も参照すると、照射されたレーザビームは概ねガウスビーム形状を有する。出力ビームのウエスト４ｍｍであり、Ｍ２値は約１．４であった。焦点距離が７５ｍｍのＺｎＳｅ平凸レンズはビームを焦点に集光するが、コネクタ付きファイバは焦点を１０ｍｍ超えて配置されたので、（幾つかの従来技術のレーザ研磨プロセスの約４０マイクロメートルと比較して）およそ８５０μｍの１／ｅ２ウエストを生じた。その結果、レーザのガウス（ＴＥＭ００）モードの中心部分が光ファイバに照射される。その結果、より広いレーザビームスポット径３７の中心部分内において、より狭いファイバ端面２１上のレーザ照射領域は「フラットトップ」ビーム形状に近くなる。これにより、ファイバの端面領域にわたって放射エネルギーのより均一な空間分布が与えられ、その結果、レーザ研磨後の端面はより平坦でより平滑になる。従って、端面の軸対称を保つためにファイバを軸周りに回転させる必要はない。更に、剥き出しのファイバ端面２１の直径と比較した比較的大きいレーザビームスポット径３７を所与とすると、レーザビーム３０は光ファイバ２０の軸に対して精密に位置決めされる必要はなく、ファイバ端面２１に対してかなり大きな公差範囲で概ね位置決めされていればよい。剥き出しのファイバ２０と周囲のフェルール１０との間に接着剤がないことを所与とすると、広いレーザビームスポットはいかなる接着剤の溶融または燃焼（これは、ファイバ端面２１を汚染し得る、または、エポキシ接着剤を損傷することによりフェルール内のファイバの保持を損ない得る）も生じない。
【００３１】
一実施形態では、レーザ３２は１０Ｗの出力を有し、１０ｋＨｚの周波数および６０マイクロ秒のパルス持続時間のパルスモードで動作し、照射時間（合計照射時間）は２秒である。６０％のデューティサイクルでは、平均出力パワーは８．５Ｗであり、ファイバ端面２１（およびフェルール端面１１）に入射する１５Ｗ／ｍｍ２の平均パワー密度に対応する。他のパワー設計、デューティサイクル、および照射時間が適用されてもよい。レーザビームのパワーは、ファイバ端面／先端における温度が、ファイバ材料が軟化する温度（ガラス転移温度）とファイバが気化／蒸発する温度との間に維持されるよう選択されるのが好ましい。後で更に述べるように、レーザ研磨されたファイバ端面２１は、従来技術の機械的研磨プロセスと同等の反射損失および挿入損失、並びに表面粗さを達成できる。
【００３２】
図示されている実施形態は、ガウスビーム形状を有するレーザビームを照射するものであるが、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、例えばフラットトップ、スーパーガウス、またはネックレスビーム形状等の非ガウスビーム形状も照射され得る。
【００３３】
金属は一般的に、ＣＯ２レーザによって発せられる光の波長（１０．２マイクロメートル〜１０．６マイクロメートル）を反射するので、レーザビームの入射放射エネルギーは、金属（例えば、Ｔｉ）のフェルール１０の表面（端面１１を含む）によって吸収されない。本発明によれば、金属のフェルールは更に、ファイバ先端における過剰な温度上昇（これは、光ファイバの材料を蒸発させ得る、および／または、（例えば、ファイバのクラッドおよびコア内でのドーパント（例えば、フッ素およびゲルマニウム）の拡散の結果、および／または、光ファイバ内の応力によって生じる複屈折を回避するための、熱機械的残留応力を生じる結果として）光ファイバの光学的変化を生じ得る）を防止するのに効果的な熱伝導を提供する。光ファイバの材料が蒸発または過度に軟化されないので、ファイバの先端／端面の形状を望ましくない方法で変えずに（より大きい望ましい曲率半径への再成形の効果に関する以下の議論を参照）典型的な表面欠陥を補修／平滑化するために、ファイバ先端／端面はレーザビームによって軟化または僅かに（例えば、約１０マイクロメートルまで）溶融される。金属フェルール１０はレーザビームを反射するので、レーザビームの放射を全くまたはほとんど吸収せず、金属フェルール１０の温度は知覚可能なほど上昇しない。従って、金属フェルールに対する熱の影響（例えば、金属の相変化（例えば、高温におけるＴｉ相のＨＣＰからＢＣＣへの相変化、またはＴｉ表面の酸化）等）はほとんどまたは全くない。
【００３４】
光ファイバ２０のレーザ研磨された端面２１は、それに続く機械的研削および／または研磨を必要とせずに、所望の表面幾何形状（例えば、表面形状）および表面特性（例えば、粗さ）を達成する。これにより、通常はそのような機械的プロセスによって生じる高屈折率層の形成が回避される。
【００３５】
図６は、レーザ研磨後のフェルール／ファイバの端面領域の横に並べた質的な比較を提供する写真画像であり、光ファイバを金属フェルール内に取り付けることによって達成された結果と、セラミックフェルール内に取り付けた場合の結果とを示す。図６の左側の画像Ａについては、光ファイバはＴｉフェルール内に保持されており、本発明によるレーザ研磨を受けたものである。図６の右側の画像Ｂについては、光ファイバはジルコニアフェルール内に保持されており、レーザ研磨のために光ファイバを非金属フェルール内に保持する従来技術の手法による、画像Ａについての入射レーザビームと同じパラメータを用いたレーザ研磨を受けたものである（しかし、比較の目的で、レーザビームのパラメータは、画像Ａにおけるものと一致するよう選択された）。画像Ａは、フェルール端面１１およびファイバ端面２１に対する損傷が実質的にないことを示している。しかし、画像Ｂは、ガラスファイバの蒸発、ジルコニアフェルールの蒸発および溶融、ジルコニアの相変化、および光フェルールのクラックを含むかなりの損傷を示している。
【００３６】
別の実施形態では、コネクタ付き光ファイバの端面は、上記で開示されたレーザ研磨の前に、（例えば、機械的研削および／またはレーザ成形によって）予備成形される。特定の業界標準（例えば、GR-326-CORE（Generic Requirements for Singlemode Optical Connectors and Jumper Assemblies、Issue 4）標準）を満たすために、ファイバ端面のレーザ研磨の前に、所望の表面プロファイルを有するフェルール端面を成形することが必要になり得る。これは通常、粗研磨（例えば、１２マイクロメートルＡｌＯ２パッドを用いて、手作業で約３０秒間にわたって圧を加えながら「８の字」の動きで研磨する）を用いてフェルール端面を研削することによって行われる。粗研磨プロセスの間、フェルール内に保持されている光ファイバも研削される可能性が高く、従って、特定の幾何形状および表面粗さを有するファイバ端面が残る。本発明によるレーザ研磨プロセスは、上記に開示されたように、光ファイバのこの表面粗さを低減する。
【００３７】
なお、粗研磨工程の後、光ファイバの端面（およびフェルールの端面）は、フェルール端面に関するファイバの所望のアンダーカット／突出（例えば、−１５０ｎｍのアンダーカット／＋５０ｎｍの突出）を達成するよう予備成形される。そのような予備成形プロセスの結果、ファイバの端面に僅かな凸面が得られる。現行の業界標準では、ファイバ端面の許容可能な曲率半径は７〜２５ｍｍであるべきである。
【００３８】
本発明による、上述のレーザ研磨プロセスは、ファイバ端面の凸面を「緩和」して、より望ましいより平坦なファイバ端面を達成できる（即ち、レーザ研磨後のファイバ端面の曲率半径が、レーザ研磨前のファイバ端面の曲率半径と比較して大きい）。以下の実験結果は、これらの利益が実現可能であることを実証するものである。
ケース１
レーザ研磨前のファイバ端面の曲率半径＝７．８８ｍｍ
レーザ研磨後のファイバ端面の曲率半径＝８．８２ｍｍ
ケース２
レーザ研磨前のファイバ端面の曲率半径＝５．５９ｍｍ
レーザ研磨後のファイバ端面の曲率半径＝１２．０７ｍｍ
【００３９】
従って、レーザ研磨は、フェルール端面の成形に伴う粗研磨を受けた後のファイバ端面の曲率半径を「補正」して、ファイバ端面に関連づけられた反射損失を低減するのにも効果的であり得る。
【００４０】
更に、ファイバ端面における以前の機械的研磨によって生じた高屈折率層の存在下で、本発明によるレーザ研磨プロセスは、そのような層内のファイバ材料の屈折率を低減させ、それにより反射損失を低減できることが見出された。従って、レーザ研磨の前に、ファイバ端面に高屈折率の膜／層を有する材料が存在する場合、その材料層の屈折率は、レーザ研磨プロセス中にレーザビームによって低減される。従って、レーザ研磨は、機械的研削および／または研磨後のファイバ端面における材料の屈折率を「再調整」するのにも効果的であり得る。
【００４１】
図７Ａ〜図７Ｂは、粗研削プロセス後であってレーザ研磨前およびレーザ研磨後のフェルール／ファイバの端面領域の質的な比較を提供する写真画像である。図７Ｂは、上述のフェルール端面の成形に関する１２マイクロメートルの粗研削後であってレーザ研磨前のファイバ端面を示している。図示されているように、ファイバ端面における高い表面粗さは、散乱および反射損失を生じる。図７Ａは、本発明に関するレーザ研磨後のファイバ端面を示している。レーザ研磨されたファイバ端面のコア／クラッド領域は、散乱をかなり解消し、光の伝送をかなり改善する。レーザ研磨後には反射損失もかなり低減される。
【００４２】
図８は、粗研削プロセス後のレーザ研磨前およびレーザ研磨後のファイバ端面についての反射損失を比較するグラフである。曲線Ｂは、上述のフェルール端面の成形に関するファイバ端面の１２マイクロメートルの粗研削後であってレーザ研磨前の損失を示している。曲線Ａは、本発明に関するファイバ端面のレーザ研磨後の損失を示している。レーザ研磨後には反射損失はかなり低減され、実際、本明細書に記載されたプロセスによるレーザ研磨後の反射損失は、同程度に良好またはより良好になっている。
【００４３】
図９は、シングルモード光ファイバについての挿入損失（ＩＬ）および反射損失（ＲＬ）に関する特定の業界標準についての要求の表を示す。表中の４つの標準の下の最後の行には、本明細書において開示される本発明に従ってファイバ端面がレーザ研磨された、「nPP Ferrolder」（登録商標）金属フェルールを有するコネクタ付き光ファイバ（シングルモード）のサンプリングについてのＩＬおよびＲＬのデータが比較のために示されている。最後の行のデータによって示されるように、本発明によるレーザ研磨を受けたコネクタ付き光ファイバについては、平均ＩＬは、その列内に示されている全ての要求より低く、平均ＲＬも、右側の列に示されている対応する要求を満たすかまたはそれを超えており、実際、幾つかの標準によって示されているより厳密な「目標」も満たしている。
【００４４】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、機械的研磨およびレーザ研磨を受けた類似のコネクタ付き光ファイバのファイバ端面についてのＩＬ損失を比較するヒストグラムである。図１０Ａは、本明細書において開示される本発明に従ってファイバ端面が（０度の角度で）レーザ研磨された、「nPP Ferrolder」（登録商標）金属フェルールを有する１８本のコネクタ付き光ファイバ（ＵＰＣ、シングルモード）のバッチのサンプリングのデータを示す。図１０Ａのヒストグラムには、様々な業界標準の要求も基準として識別されている。図示されているように、このサンプリングについては、全てのＲＬデータは、最小のＧＲ−３２６ＵＰＣの要求よりかなり良好であり、幾つかのＲＬデータは、より厳密なＧＲ−３２６ＵＰＣの目標を超えており、最良のＲＬデータは、最も厳密な（８度の角度で研磨されたファイバ端面についての）ＧＲ−３２６ＡＰＣの目標に近い。
【００４５】
図１０Ｂは、機械的に研磨された４０本の類似のコネクタ付き光ファイバのバッチについてのＩＬおよびＲＬのデータの両方についてのヒストグラムを示している。図示されるように、ＲＬデータは、図１０Ａに示されている要求のいずれも満たさない。
【００４６】
更なる実験結果は、レーザ研磨されたファイバ端面が、従来技術の機械的研磨プロセスと同等またはそれを超える反射損失および挿入損失、並びに表面粗さを達成できることを更に実証した。
【００４７】
本発明の別の態様において、上述の新規なレーザ研磨プロセスを含むプロセスに従って、（例えば、光ファイバジャンパーケーブル内の）コネクタ付き光ファイバが形成される。このプロセスは、上述のように金属フェルール内に光ファイバを取り付ける工程と、フェルールの端面付近において光ファイバを劈開する（或いは、ファイバ端面がフェルール端面と略位置決めされた状態で、光ファイバの劈開された長さを金属フェルール内に取り付ける）工程と、上述のように（例えば、機械的研削またはレーザによる劈開／成形によって）ファイバ端面（およびフェルール端面）を予備成形する工程と、上述のように本発明に従ってファイバ端面をレーザ研磨する工程とを含む。ファイバは、公知の機械的またはレーザ劈開プロセスを用いて劈開され得る。例えば、米国特許第８，７４０，０２９号明細書および米国特許出願公開第２０１４−００８３２７３Ａ１号明細書（これらは本発明と同じ譲受人に譲渡されており、その全体を参照して本明細書に組み込む）は、機械的罫書きおよび劈開プロセスを開示している。
【００４８】
本開示の発明のレーザ研磨プロセスは、ファイバ端面にレーザビームを２秒間照射することで構成されており、これは、典型的な機械的研磨方法に伴う時間および消費材のコスト（例えば、多段階研磨フィルムのコスト）をかなり低減できる。本発明によるコネクタ付きファイバのレーザ研磨は、研磨プロセスを通して含まれる工程の数を減らして、完全なオートメーション化に役立つ。
【００４９】
好ましい実施形態を参照して本発明を具体的に示し説明したが、本発明の趣旨、範囲、および教示から逸脱することなく、形状および詳細の様々な変更が行われ得ることが当業者には理解されよう。従って、開示された発明は、単に説明的なものと見なされ、その範囲は、添付の特許請求の範囲において特定されているようにのみ限定される。
【符号の説明】
【００５０】
１０  金属フェルール
１０’  マルチファイバフェルール
１１フェルール端面
１４  溝
１６  金属フェルール部分
１７  フェルール
１８  フェルールカバー
１９  溝
２０  光ファイバ
２１  ファイバ端面
２２  コネクタ付き光ファイバケーブル
３０  レーザビーム
３４  レンズ
３５  焦点
３７  スポット径
３９  コントローラ
【図１】
2017538153.tif 000003
【図２】
2017538153.tif 000004
【図３】
2017538153.tif 000005
【図４】
2017538153.tif 000006
【図５】
2017538153.tif 000007
【図６】
2017538153.tif 000008
【図７Ａ】
2017538153.tif 000009
【図７Ｂ】
2017538153.tif 000010
【図８】
2017538153.tif 000011
【図９】
2017538153.tif 000012
【図１０Ａ】
2017538153.tif 000013
【図１０Ｂ】
2017538153.tif 000014
【国際調査報告】
2017538153.tif 000015
2017538153.tif 000016
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