特許 6661446 モードストリッパ構造及びそれを用いたレーザ光の伝送方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6661446

(24)【登録日】2020年2月14日

(45)【発行日】2020年3月11日

(54)【発明の名称】モードストリッパ構造及びそれを用いたレーザ光の伝送方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/02 20060101AFI20200227BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/02 431

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-73872(P2016-73872)

(22)【出願日】2016年4月1日

(65)【公開番号】特開2017-187523(P2017-187523A)

(43)【公開日】2017年10月12日

【審査請求日】2018年11月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003263

【氏名又は名称】三菱電線工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】谷口 浩一

(72)【発明者】

【氏名】湖東 雅弘

(72)【発明者】

【氏名】浦松 知史

【審査官】 奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１２６６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０８８２６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−０８７３０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／００− ６／０３６

Ｇ０２Ｂ ６／２４５−６／２５

Ｇ０２Ｂ ６／４４− ６／５４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ファイバの外周面に多数の粒子状突起が一体に設けられて形成された凹凸面で構成されたモードストリッパ構造であって、
前記凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下であるモードストリッパ構造。

【請求項2】

請求項１に記載されたモードストリッパ構造において、
前記粒子状突起の密度が２×１０^６個／ｍｍ^２以下であるモードストリッパ構造。

【請求項3】

請求項１又は２に記載されたモードストリッパ構造において、
前記光ファイバの外周面に凹溝が設けられているモードストリッパ構造。

【請求項4】

外周面に多数の粒子状突起が一体に設けられて形成された凹凸面で構成されたモードストリッパ構造を有し、前記凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下である光ファイバにレーザ光を伝送するレーザ光の伝送方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はモードストリッパ構造及びそれを用いたレーザ光の伝送方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工機等におけるレーザ光伝送用の光ファイバケーブルでは、入射端部側の光コネクタ内において、軸ずれ等のために光ファイバのコアに入射されなかったレーザ光の漏れ光がコアの外側のクラッドに入射する場合がある。また、出射端部側の光コネクタ内においては、レーザ光照射対象からの反射光がクラッドに入射する場合がある。そして、そのようないわゆるクラッドモード光が伝搬すると、光ファイバを被覆するジャケットが焼損する等の損傷が生じる虞がある。そこで、光コネクタ内に配置される光ファイバの端部に、その外周面をミクロンオーダーの粗面に形成したモードストリッパを設け、そのモードストリッパにおいてクラッドモード光を散乱させて光ファイバ外に除去することが行われる。例えば、特許文献１には、光ファイバの端部の外周面に凹溝が形成され、その凹溝内の全面が光ファイバの最外層と同種材料の粒子が融着して形成された凹凸面に構成されたモードストリッパが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−１２６６８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

クラッドモード光を粗面で散乱させて光ファイバ外に除去するモードストリッパは、表面の構造欠陥が多くなることからレーザ光を吸収しやすい。そのため、例えば、１ｋＷ以上のハイパワーのレーザ光を伝送するような場合、モードストリッパにおいて光ファイバ自身が著しく発熱し、それによって光ファイバの変形や溶融が生じ、延いては光コネクタが損傷を受ける虞がある。

【0005】

本発明の課題は、光ファイバの発熱を低く抑えることができるモードストリッパ構造を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、光ファイバの外周面に多数の粒子状突起が一体に設けられて形成された凹凸面で構成されたモードストリッパ構造であって、前記凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下である。

【0007】

本発明は、外周面に多数の粒子状突起が一体に設けられて形成された凹凸面で構成されたモードストリッパ構造を有し、前記凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下である光ファイバにレーザ光を伝送するレーザ光の伝送方法である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、モードストリッパ構造を構成する凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下であるので、モードストリッパ構造においてクラッドモード光は、凹凸面で表面での光吸収が抑制され、主として屈折により光ファイバ外に除去され、そのため光ファイバの発熱を低く抑えることができる。また除外された光が、再度、光ファイバの表面から入射しても、表面での光吸収が抑制されるので、同様に光ファイバの発熱が抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態１の光ファイバ心線の斜視図である。

【図2】図１におけるII-II断面図である。

【図3】実施形態１の光コネクタ構造の断面図である。

【図4】実施形態２の光ファイバ心線の斜視図である。

【図5】図４におけるＶ-Ｖ断面図である。

【図6】その他の実施形態の光ファイバ心線の斜視図である。

【図7】凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）とモードストリッパ構造の表面の温度上昇及び粒子状突起の密度との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施形態について詳細に説明する。

【0011】

（実施形態１）
図１及び２は、実施形態１に係るモードストリッパ構造Ｍを含む光ファイバ心線１０を示す。この光ファイバ心線１０は、例えばレーザ加工機等に装着されるレーザ光伝送用の光ファイバケーブルに用いられるものである。

【0012】

この光ファイバ心線１０は、光ファイバ１１とそれを被覆するジャケット１２とを有する。光ファイバ心線１０の外径は例えば１．３ｍｍである。

【0013】

光ファイバ１１は、相対的に高屈折率なコア１１ａとそれを被覆する相対的に低屈折率のクラッド１１ｂとを有する。光ファイバ１１は、例えば、コア１１ａがノンドープの純粋石英で形成されており、クラッド１１ｂが屈折率を低下させるドーパント（Ｆ、Ｂ等）がドープされた石英で形成されている。光ファイバ１１の外径は例えば５００μｍである。コア１１ａの直径は例えば１００μｍである。コア１１ａの開口数（ＮＡ）は例えば０．２０である。なお、光ファイバ１１は、複数のコアを有するマルチコア光ファイバであってもよい。また、光ファイバ１１は、クラッド１１ｂの外側を更に被覆するサポート層を有していてもよい。

【0014】

ジャケット１２は、紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等で形成された単一層で構成されていてもよく、また、例えばシリコーン樹脂の内側バッファ層とそれを被覆するナイロン樹脂或いはフッ素樹脂の外側被覆層との２層で構成されていてもよい。

【0015】

光ファイバ心線１０の端部は、先端側のファイバ露出部分１０ａと、そのファイバ露出部分１０ａの後方側のジャケット１２で被覆されたジャケット被覆部分１０ｂとを含む。

【0016】

ファイバ露出部分１０ａは、ジャケット１２が剥がされて光ファイバ１１が突出するように露出している。そして、ファイバ露出部分１０ａの光ファイバ１１の外周面１３に実施形態１に係るモードストリッパ構造Ｍが構成されている。実施形態１に係るモードストリッパ構造Ｍは、ファイバ露出部分１０ａの光ファイバ１１の一定長さ部分に構成されていても、また、全長に渡って構成されていても、どちらでもよい。実施形態１に係るモードストリッパ構造Ｍの長さは例えば１０〜１００ｍｍである。

【0017】

実施形態１に係るモードストリッパ構造Ｍが構成されたファイバ露出部分１０ａの光ファイバ１１の外周面１３には、各々、周方向に延びる複数の環状の凹溝１４が長さ方向に間隔をおいて設けられている。これらの凹溝１４の溝幅は例えば０．０２〜１ｍｍ、溝深さは例えば０．０１〜０．１ｍｍ、及び溝間隔は例えば０．０５〜５ｍｍである。そして、複数の凹溝１４の溝側面部分１３ａ及び溝底面部分１３ｂ並びに溝間部分１３ｃを含む光ファイバ１１の外周面１３には、多数の粒子状突起１５が一体に設けられて微細な凹凸面が形成されており、その凹凸面で実施形態１に係るモードストリッパ構造Ｍが構成されている。

【0018】

実施形態１に係るモードストリッパ構造Ｍは、凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下、又は、２５ｎｍ以上である。このような実施形態１に係るモードストリッパ構造Ｍによれば、モードストリッパ構造Ｍを構成する凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下、又は、２５ｎｍ以上であるので、モードストリッパ構造Ｍにおいてクラッドモード光は、凹凸面で表面での光吸収が抑制され、主として屈折により光ファイバ１１外に除去され、そのため光ファイバ１１の発熱を低く抑えることができる。また除外された光が、再度、光ファイバの表面から入射しても、表面での光吸収が抑制されるので、同様に光ファイバの発熱が抑えられる。そして、その結果、光ファイバ１１の変形や溶融を回避することができる。

【0019】

凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、０よりも大きく、また、２５ｎｍ以上の場合においては、光ファイバ１１の発熱を抑制する観点から、好ましくは１００ｎｍ以上、より好ましくは５００ｎｍ以上であり、また、好ましくは１００００ｎｍ以下である。この算術平均粗さ（Ｒａ）は、原子間力顕微鏡を用いて測定される。

【0020】

凹凸面の粒子状突起１５の密度は、０以上であり、光ファイバ１１の発熱を抑制する観点から、好ましくは２×１０^６個／ｍｍ^２以下、より好ましくは１×１０^６個／ｍｍ^２以下、更に好ましくは７×１０^５個／ｍｍ^２以下である。この粒子状突起１５の密度は、原子間力顕微鏡により観察される表面画像において所定の面積範囲に含まれる粒子状突起１５の数を計測し、それを１ｍｍ^２の面積当たりに換算することにより求められる。

【0021】

以上の構成の実施形態１に係るモードストリッパ構造Ｍは、ファイバ露出部分１０ａの光ファイバ１１の外周面１３にレーザ加工により凹溝１４を形成し、その際に発生するヒュームの雰囲気に配置することにより、光ファイバ１１の複数の凹溝１４の溝側面部分１３ａ及び溝底面部分１３ｂ並びに溝間部分１３ｃを含む外周面１３に、光ファイバ１１の最外層のクラッド１１ｂ（或いはサポート層）とほぼ同一材料の粒子が融着乃至付着し、その結果、多数の粒子状突起１５が一体に設けられて形成された凹凸面が構成されることによって得ることができる。そして、このとき、レーザ光のパワーや走査速度の調整、或いは、ヒュームの濃度調整操作により、凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）及び粒子状突起１５の密度を制御することができる。なお、この場合、光ファイバ１１における溝間部分１３ｃにおける外径は、粒子状突起１５の形成によりその他の部分の外径よりも僅かに大きい。

【0022】

図３は、光ファイバ心線１０に光コネクタ２０を取り付けた光コネクタ構造Ｃを示す。この光コネクタ構造Ｃは、例えばレーザ加工機等に装着されるレーザ光伝送用の光ファイバケーブルの入射端部及び／又は出射端部に構成されるものである。

【0023】

光コネクタ２０は、筒状部材により構成されたコネクタ本体２１を有する。コネクタ本体２１の内部には、中間部に長さ方向に延びるように形成された内径の大きいファイバ収容空間２１ａが設けられ、且つその後方に連続して形成された内径の小さい心線嵌入部２１ｂが設けられている。また、コネクタ本体２１の内部のファイバ収容空間２１ａの先端側には、ファイバ収容空間２１ａに連続するように形成されたブロック収容空間２１ｃが設けられている。ファイバ収容空間２１ａの先端部には環状の封止部材２２が内嵌めされており、その封止部材２２の開口には円筒状のファイバ保持部材２３が内嵌めされている。コネクタ本体２１におけるファイバ収容空間２１ａを形成する内壁は、損傷し易いジャケット部に除去されたクラッドモード光が容易に届かないように粗面や溝形状に形成されていてもよい。ブロック収容空間２１ｃには石英ブロック２４が収容されている。

【0024】

この光コネクタ構造Ｃでは、光ファイバ心線１０の端部が光コネクタ２０の後方から挿通され、そして、ファイバ露出部分１０ａの先端部がファイバ保持部材２３に内嵌めされて保持され、また、ファイバ露出部分１０ａの実施形態１に係るモードストリッパ構造Ｍが構成された部分がファイバ収容空間２１ａを長さ方向に延び、更に、ジャケット被覆部分１０ｂが心線嵌入部２１ｂに内嵌めされて保持されている。ファイバ保持部材２３から露出したファイバ露出部分１０ａの先端はブロック収容空間２１ｃに収容された石英ブロック２４に融着接続されている。ジャケット被覆部分１０ｂのジャケット１２の端面はファイバ収容空間２１ａに露出している。

【0025】

以上の構成の光コネクタ構造Ｃにおいて、光源からのレーザ光の出力を開始すると、入射端部側では、石英ブロック２４を介して入射した光は、主には光ファイバ１１のコア１１ａに入射して伝搬する。しかしながら、入射端部側の光コネクタ２０内においては、光源からのレーザ光のうち軸ずれ等のために光ファイバ１１の開口数（ＮＡ）を越えた光やコア１１ａに入射されない漏れ光がクラッド１１ｂにクラッドモード光として入射することがあり、また、出射端部側の光コネクタ２０内においては、同様に、レーザ光照射対象からの反射光がクラッド１１ｂにクラッドモード光として入射することがある。そして、これらのクラッドモード光は、クラッド１１ｂと空気との界面で反射を繰り返してクラッド１１ｂを伝搬するが、モードストリッパ構造Ｍにおいて、それを構成する凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下、又は、２５ｎｍ以上であるので、凹凸面で表面での光吸収が抑制され、主として光の屈折により光ファイバ１１外に除去される。また除外された光が、ファイバ収容空間２１ａで反射して、再度、光ファイバの表面から入射しても表面での光吸収が抑制される。そのため光ファイバ１１の発熱を低く抑えることができ、光ファイバ１１の変形や溶融、或いは、光コネクタ２０の損傷を回避することができる。

【0026】

（実施形態２）
図４及び５は、実施形態２に係るモードストリッパ構造Ｍを含む光ファイバ心線１０を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は、実施形態１と同一符号で示す。

【0027】

この実施形態２では、ファイバ露出部分１０ａの光ファイバ１１が先細ったテーパ形状に形成されている。そして、光ファイバ１１のテーパ形状の外周面１３には、多数の粒子状突起１５が一体に設けられて微細な凹凸面が形成されており、その凹凸面で実施形態２に係るモードストリッパ構造Ｍが構成されている。この実施形態２に係るモードストリッパ構造Ｍは、凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下、又は、２５ｎｍ以上である。

【0028】

以上の構成の実施形態２に係るモードストリッパ構造Ｍは、ファイバ露出部分１０ａの光ファイバ１１の外周部をレーザ加工により研削してテーパ形状に形成し、その際に発生するヒュームの雰囲気に配置することにより、光ファイバ１１のテーパ形状の外周面１３に、クラッド１１ｂ（或いはサポート層）とほぼ同一材料の粒子が融着乃至付着し、その結果、多数の粒子状突起１５が一体に設けられて形成された凹凸面が構成されることによって得ることができる。そして、このとき、レーザ光のパワーや走査速度の調整、或いは、ヒュームの濃度調整操作により、凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）及び粒子状突起１５の密度を制御することができる。

【0029】

その他の構成及び作用効果は実施形態１と同一である。

【0030】

（その他の実施形態）
実施形態１では、光ファイバ１１の外周面１３に、各々、周方向に延びる複数の環状の凹溝１４が長さ方向に間隔をおいて設けられた構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、図６に示すように、凹溝１４が長さ方向に螺旋状に延びるように設けられた構成であってもよい。

【実施例】

【0031】

（光ファイバ心線）
実施例１及び２並びに比較例の光ファイバ心線を作製した。それぞれの構成を表１にも示す。

【0032】

＜実施例１＞
レーザ光のパワー及び走査速度の調整、並びにヒュームの濃度調整操作により、モードストリッパ構造を構成する凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．４４ｎｍ、且つ粒子状突起の密度を１．００×１０^０個／ｍｍ^２にした実施形態１と同様の構成の光ファイバ心線を作製し、それを実施例１とした。なお、凹凸面の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）、並びに粒子状突起の密度及び外径は、上記の通り、原子間力顕微鏡を用いて求めた。

【0033】

＜実施例２＞
モードストリッパ構造を構成する凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）を３１．４ｎｍ、且つ粒子状突起の密度を６．４０×１０^５個／ｍｍ^２にしたことを除いて実施例１と同様にして光ファイバ心線を作製し、それを実施例２とした。

【0034】

＜比較例＞
モードストリッパ構造を構成する凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）を３．１２ｎｍ、且つ粒子状突起の密度を２．２４×１０^７個／ｍｍ^２にしたことを除いて実施例１と同様にして光ファイバ心線を作製し、それを比較例とした。

【0035】

【表1】

【0036】

（試験評価方法）
実施例１及び２並びに比較例のそれぞれについて、一方端から７５Ｗのレーザ光（λ＝１０６０ｎｍ）を光ファイバのクラッドに入射し、モードストリッパ構造の表面の温度上昇を測定した。

【0037】

（試験評価結果）
図７は、凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）とモードストリッパ構造の表面の温度上昇及び粒子状突起の密度との関係を示す。なお、結果は表１にも示す。

【0038】

これらの結果によれば、実施例１及び２では、モードストリッパ構造の表面の温度上昇が３０℃台と小さいのに対し、比較例では、モードストリッパ構造の表面の温度上昇が２７５℃と非常に大きいことが分かる。これは、モードストリッパ構造を構成する凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下、又は、２５ｎｍ以上である実施例１及び２では、モードストリッパ構造においてクラッドモード光は、凹凸面で表面での光吸収が抑制され、主として屈折により光ファイバ外に除去されるのに対し、モードストリッパ構造を構成する凹凸面の算術平均粗さ（Ｒａ）が３．１２ｎｍである比較例では、モードストリッパ構造においてクラッドモード光は、主として凹凸面で光吸収が生じる散乱により光ファイバ外に除去されるためであると考えられる。

【産業上の利用可能性】

【0039】

本発明はモードストリッパ構造の技術分野について有用である。

【符号の説明】

【0040】

Ｃ 光コネクタ構造
Ｍ モードストリッパ構造
１０ 光ファイバ心線
１１ 光ファイバ
１１ａ コア
１１ｂ クラッド
１２ ジャケット
１３ 外周面
１３ａ 溝側面部分
１３ｂ 溝底面部分
１３ｃ 溝間部分
１４ 凹溝
１５ 粒子状突起
２０ 光コネクタ
２１ コネクタ本体
２１ａ ファイバ収容空間
２１ｂ 心線嵌入部
２１ｃ ブロック収容空間
２２ 封止部材
２３ ファイバ保持部材
２４ 石英ブロック

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】