JP4854241B2 - 光ファイバライトガイドの端末加工方法 - Google Patents

Description

本発明は，光ファイバライトガイドの端末加工方法に関するものである。

多数の光ファイバ素線を束ねて構成した光ファイバライトガイドにおいて，光の入射効率の向上を主目的として，光ファイバ束の端部を，それに嵌合したガラスパイプと共に加熱手段により加熱して溶融させることにより，束ねた光ファイバ素線のクラッドが溶融により一体化した端末部を形成する方法がある。例えば特許文献１，特許文献２を参照のこと。
特開昭５７−９７５０３号公報 特開平６−３４７６４５号公報

このような従来の方法は，実際には，端部の加工が比較的難しく，例えば，溶融した個所に気泡が残留して，光の入射効率の低下を来したり，光ファイバ束の外周側の光ファイバ素線が大きな曲率で曲げられて曲げ損失を来したりというような不都合を生じることが多かった。
本発明は以上の課題を解決することを目的とするものである。

以上の課題を解決するために，本発明では，真空ポンプに連なる縦長の真空チャンバを，その長さ方向の軸の回りに回転可能に支持すると共に，前記真空チャンバの先端側に，光ファイバ素線の所定本数を束ねて構成した光ファイバ束の貫通支持部を構成し，前記光ファイバ束の端部に対応する光ファイバ素線の被覆を除去した状態で，その端部にガラスパイプを嵌合した後，前記光ファイバ束を，その端部を，前記ガラスパイプから突出させて露出させた状態で，前記ガラスパイプを挟んで前記端部とは反対側を，前記ガラスパイプとともに前記真空チャンバの貫通支持部に気密的に支持し，この状態で，前記真空チャンバを回転させ，前記真空ポンプを動作させた状態で，前記光ファイバ束の前記端部を前記ガラスパイプと共に加熱手段により加熱して溶融させることにより，光ファイバ束の端部に，束ねた光ファイバ素線のクラッドが溶融により縮径して一体化した端末部を形成することとし，前記光ファイバ束として前記ガラスパイプに嵌合する光ファイバ素線の数は，下記式により定義される光ファイバ充填率を８０％以上とするように設定すると共に，前記光ファイバ束の端部の，溶融により縮径した先端部分と，溶融していない部分との間の外周に生じる曲がり部を加熱手段により加熱して，一部溶融させることにより，曲がり部の曲率半径を２０ｍｍ以上に大きく加工することを特徴とする光ファイバライトガイドの端末加工方法を提案する。
Ｐ＝ｎ×ｒ ² ／Ｒ ²
但し，Ｐ：光ファイバ充填率，ｎ：光ファイバ素線の数，ｒ：光ファイバ素線のクラッド径，Ｒ＝ガラスパイプの内径

更に，本発明では，上記の方法において，光ファイバ束の端部をガラスパイプと共に加熱手段により加熱して溶融させる前に，光ファイバ束の端部に残留した水分や被覆等を，加熱手段の加熱により除去する過程を設けることを提案する。

本発明では，真空チャンバを回転させ，真空ポンプを動作させた状態で，光ファイバ束の端部をガラスパイプと共に加熱手段により加熱すると，回転により均一に加熱されたガラスパイプと光ファイバ束の端部が次第に溶融し，溶融したガラスパイプの部分が真空チャンバを介して加わる真空圧により内部に吸引されて縮径し，光ファイバ束の外周を内側に押すため，光ファイバ束間の気泡が除去され，従って，束ねた光ファイバ素線のクラッドが溶融により良好に一体化した端末部を形成することができる。

ここで光ファイバ束としてガラスパイプに嵌合した全部の光ファイバ素線の被覆を除いた断面積の和が，ガラスの内径よりも小さ過ぎると，ガラスパイプが縮径により光ファイバ束の外周を内側に押しても，気泡が残留しやすい。

このため光ファイバ束としてガラスパイプに嵌合する光ファイバ素線の数は多いほど良いが，多くなるほど細い光ファイバ素線をガラスパイプに嵌合する作業が非常に困難になり，高度の熟練が必要になる。

このように光ファイバ束としてガラスパイプに嵌合する光ファイバ素線の数は多いほど良いものの，実際の作業においては最大限に嵌合することは困難であるから，実際的には気泡が残留しにくい最低限の数で規定するのが実際的である。

本発明者による鋭意の実験によれば，下記式により定義される光ファイバ充填率を８０％以上に設定することにより，気泡の残留を非常に少なくすることができることが分かった。
Ｐ＝ｎ×ｒ²／Ｒ²
但し，Ｐ：光ファイバ充填率，ｎ：光ファイバ素線の数，ｒ：光ファイバ素線のクラッド径，Ｒ＝ガラスパイプの内径

一方，上述したとおり，束ねた光ファイバ素線のクラッドが溶融により良好に一体化した端末部は，嵌合したガラスパイプと共に縮径しているため，光ファイバ束の外周側の光ファイバ素線は，比較的大きな曲率で曲げられる部分が生じ，その部分に曲げ損失が生じてしまう。

これに対して本発明では，溶融により縮径した先端部分と溶融させない部分との間の外周を加熱手段により加熱して，一部溶融させることにより，曲がり部の曲率半径を大きく加工することにより，曲げ損失の発生を抑制することができる。

本発明者による鋭意の実験によれば，曲がり部の曲率半径を２０ｍｍ以上にすることにより，曲げ損失の発生を抑制することができることが分かった。

更に本発明では，光ファイバ束の端部をガラスパイプと共に加熱手段により加熱して溶融させる前に，光ファイバ束の端部に残留した水分や被覆等を，加熱手段の加熱により除去する過程を設けることにより，水分や被覆等に起因する光学的欠陥の発生を防止することができる。

次に，本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の方法を実施する装置の一例を模式的に示すものである。
図において，符号１は真空ポンプ２に連なる縦長の真空チャンバであり，この真空チャンバ１を，その長さ方向の軸３の回りに回転可能とするように基体４に支持する。真空チャンバ１を回転可能とする構成は適宜であり，例えば基体４はガラス旋盤を利用し，この右側のチャックに真空チャンバ１を固定して，この真空チャンバ１を回転可能に支持している。基体４にはバーナー台５をレール６により，上記縦軸３と平行な方向に移動可能に構成している。バーナー台５にはバーナー７を装置しており，このバーナー７は酸水素バーナーとして構成しており，マスフローメーター８を介して酸素ボンベ９と水素ボンベ１０に接続している。尚，符号１１は圧力計であり，また符号１２は束ねた光ファイバ素線の端末部を示すものである。

以上の実施の形態では，加熱手段として酸水素バーナーを用いているが，加熱手段としては，この他，電気ヒーター，高周波電磁誘導加熱装置，炭酸ガスレーザ等の適宜のものを利用することができる。

次に図２において，符号１３は光ファイバ素線であり，この光ファイバ素線１３の所定本数を束ねて光ファイバ束１４を構成する。符号１５は光ファイバ素線１３の所定本数を束ねて支持する束バンドである。

尚，図１〜図２４において，同一の符号は，同一の構成要素を示すものである。

以上の構成において，上記装置を用いた本発明の端末加工の手順を次に説明する。
１．まず図３において，端部の光ファイバ束１４の端部をクリップ１６等で軽く押さえ，光ファイバ素線１３を拡げる。
２．次いで拡げた端部を，例えば先端６〜７ｃｍ程度を濃硫酸等の処理液により処理して光ファイバ素線１３の被覆を除去した後，水やエタノール等を用いて洗浄を行う。
３．次いで図４においては，拡がっている光ファイバ束１３の端部をエタノールに浸して穂先を揃え，これを図５に示すようにガラスパイプ１７（例えばバイコール）に嵌合し，光ファイバ束１４の先端１〜２ｃｍをガラスパイプ１７から突出させる。この後，再度エタノールで超音波洗浄を行い，その後，ヒートガン等により熱風を当てて乾燥させる。
４．次いで図６では，光ファイバ束１４を真空チャンバ１に気密的に支持するために，光ファイバ束１４に治具１８を嵌合する。
５．治具１８の内径はガラスパイプ１７の外形よりも僅かに大きいものとし，図７に示すようにガラスパイプ１７の端部にテフロン（登録商標）シール１９等のシール材を施して，図８に示すように治具１８をガラスパイプ１７に嵌合した際に，テフロン（登録商標）シール１９により気密を確保する構成とする。
６．次いで図９に示すように光ファイバ束１４を治具１８により真空チャンバ１の貫通支持部２０にＯリング等を用いて気密的に支持する。
７．次に，真空チャンバ１を回転させた状態で，バーナー７に点火し，水素炎の状態において，図１０に示すように，治具１８側の１ｃｍ程度を除いて，ガラスパイプ１７の部分と先端の光ファイバ束１４の部分を往復させながらじっくりと炙る。この過程により，光ファイバ束１４に付着していたエタノールや水等の洗浄液を蒸発して除去することができる。
８．次いでバーナー７を酸水素炎とし，まず図１１に示すようにガラスパイプ１７の先端から突出している光ファイバ束１４の先端を炙る。この過程では，炙られた光ファイバ束１４の状態により酸水素炎の火力状態を知ることができ，こうして適切な火力に調節を行うことができる。
９．前過程において火力を適切に調節したら，図１２に示すようにバーナー７を徐々に図中右側に移動して，まずガラスパイプ１７の先端から突出している直ぐの部分を炙る。例えば５〜１０分程度炙って，この部分の光ファイバ束１４を十分に溶融させる。
１０．次いで図１３に示すように，バーナー７を徐々に図中右側に移動して，まずガラスパイプ１７の先端部分を炙り，例えば５〜１０分程度炙って，この部分のガラスパイプ１７を十分に溶融させる。
１１．次いで図１４に示すように，バーナー７を更に図中右側に移動して，ガラスパイプ１７の先端部分のみを炙って，この部分のガラスパイプ１７を十分に溶融させる。
１２．前工程においてガラスパイプ１７の先端部分が十分に溶融したことを確認したら，真空ポンプ２を運転して真空チャンバ１からの真空吸引を開始する。真空吸引を開始してから，ある時間が経過すると，回転により均一に加熱されたガラスパイプ１７と光ファイバ束１４の端部が次第に溶融し，溶融したガラスパイプ１７の部分が真空チャンバ１を介して加わる真空圧により内部に吸引されて縮径し，光ファイバ束１４の外周を内側に押すため，図１５に示すように次第に凹んでくる。そして時間が経過すると，光ファイバ素線１３のクラッド間の隙間が次第に埋まっていって透明になって行く。このように透明になった部分においては，図２５の斜視断面図に示すように，全ての光ファイバ素線１３のクラッドが，模式的に示すように六角形となって隣接するクラッドと当接するように溶融一体化し，光の入射効率が非常に高い構造が形成される。
１３．時間が経過して真空チャンバ１内が十分な真空状態に達したら，バーナー７を更に右側に移動して，図１６に示すように透明に変化する部分を拡大する。
１４．次いで図１７に示すようにバーナー７の酸水素炎２１をガラスパイプ１７の部分から外して，透明となった部分の長さが所定の長さ以上有るかを確認する。
１５．図１７に示すように，溶融して真空により凹んだ個所と，溶融していない個所の間には大きな曲率の曲がり部２３が生じており，このままでは，外周側の光ファイバ素線１３に曲がり損失が生じてしまう。
１６．そこで本発明では，次に，図１８に示すように，バーナー７の酸水素炎２１を曲がり部２３にもたらし，左右に移動させながら曲がり部２３を炙り，曲がり部を均して，図１９の状態とする。
１７．以上の過程により溶融処理が完了し，次には冷却時間経過後，図２０に示すように端末加工した光ファイバ束１４を治具１８ごと真空チャンバ１から取り外す。
１８．次いで図２１に示すように治具１８をガラスパイプ１７から外した後，図２２に示すようにテフロン（登録商標）シール１９を取り除く。
１９．次いで図２３に示すように，研磨代が含まれるように透明な部分２２の適所を横断方向に切断し，必要に応じて，図２４に示すように，ガラスパイプ１７の端側から光ファイバ束１４の適所まで，断線防止のための熱収縮チューブ２４やシリコーン処理を施して端末加工が完了する。

上述したとおり，光ファイバ束１４としてガラスパイプ１７に嵌合する光ファイバ素線１３の数は多いほど良いものの，実際の作業においては最大限に嵌合することは困難であるから，実際的には気泡が残留しにくい最低限の数で規定するのが実際的であり，図２６は，上記光ファイバ充填率を変化させて，上記手順により，夫々３回ずつ端末加工した結果を示すものである。

この実験結果から，充填率が上がる程，間隙や気泡の発生数が少なくなり，例えば８０％の充填率では，３回の中の，発生数が１回程度であるため，光ファイバ充填率を８０％以上に設定することにより，気泡の残留を少なくできることが分かる。また，充填率を８１％以上とすることにより，気泡の残留を非常に少なくできることが分かる。

一方，図２７は曲がり損失の入射角依存性を示すもので，また図２８は曲がり損失の曲率半径依存性を測定した結果を示すものであり，これらの図から，上記曲がり部２３における光ファイバ素線１３の曲率半径を２０ｍｍ以上にすることにより，曲げ損失の発生を抑制することができることが分かった。このような曲率半径とする加工は，図１８に対応する上述した加工により効果的に行うことができる。

本発明は以上のとおりであるので，以下に示すような特徴を有する。
１．真空チャンバを回転させ，真空ポンプを動作させた状態で，光ファイバ束の端部をガラスパイプと共に加熱手段により加熱すると，回転により均一に加熱されたガラスパイプと光ファイバ束の端部が次第に溶融し，溶融したガラスパイプの部分が真空チャンバを介して加わる真空圧により内部に吸引されて縮径し，光ファイバ束の外周を内側に押すため，光ファイバ束間の気泡が除去され，従って，束ねた光ファイバ素線のクラッドが溶融により良好に一体化した端末部を形成することができる。
２．下記式により定義される光ファイバ充填率を８０％以上に設定することにより，気泡の残留を非常に少なくすることができる。
Ｐ＝ｎ×ｒ²／Ｒ²
但し，Ｐ：光ファイバ充填率，ｎ：光ファイバ素線の数，ｒ：光ファイバ素線のクラッド径，Ｒ＝ガラスパイプの内径
３．溶融により縮径した先端部分と溶融させない部分との間の外周を加熱手段により加熱して，一部溶融させることにより，曲がり部の曲率半径を大きく加工することにより，曲げ損失の発生を抑制することができる。例えば，曲がり部の曲率半径を２０ｍｍ以上にすることにより，曲げ損失の発生を抑制することができる。
４．また本発明において，束ねた光ファイバ素線のクラッドが溶融により良好に一体化した端末部は，嵌合したガラスパイプと共に縮径するため，入射側バンドル結束径が定められている場合でも，溶融により縮径する分に対応して，光ファイバの数を増加することができ，出射側での光量を増加させることができる。

本発明の端末加工方法を実施する装置の一例を模式的に示すものである。 本発明方法の端末加工方法の最初の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 本発明方法の端末加工方法の，更に，次の局面を示す模式図である。 良好に加工された端末の状態を示す模式図である。 本発明の実験結果を示すものである。 本発明の他の実験結果を示すものである。 本発明の更に他の実験結果を示すものである。

符号の説明

１ 真空チャンバ
２ 真空ポンプ
３ 長さ方向の軸
４ 基体
５ バーナー台
６ レール
７ バーナー
８ マスフローメーター
９ 酸素ボンベ
１０ 水素ボンベ
１１ 圧力計
１２ 端末部
１３ 光ファイバ素線
１４ 光ファイバ束
１５ 束バンド
１６ クリップ
１７ ガラスパイプ
１８ 治具
１９ テフロン（登録商標）シール
２０ 貫通支持部
２１ 火炎
２２ 透明部
２３ 端部曲がり部
２４ 熱収縮チューブ
２５ コア

Claims (2)

1. 真空ポンプに連なる縦長の真空チャンバを，その長さ方向の軸の回りに回転可能に支持すると共に，前記真空チャンバの先端側に，光ファイバ素線の所定本数を束ねて構成した光ファイバ束の貫通支持部を構成し，前記光ファイバ束の端部に対応する光ファイバ素線の被覆を除去した状態で，その端部にガラスパイプを嵌合した後，前記光ファイバ束を，その端部を，前記ガラスパイプから突出させて露出させた状態で，前記ガラスパイプを挟んで前記端部とは反対側を，前記ガラスパイプとともに前記真空チャンバの貫通支持部に気密的に支持し，この状態で，前記真空チャンバを回転させ，前記真空ポンプを動作させた状態で，前記光ファイバ束の前記端部を前記ガラスパイプと共に加熱手段により加熱して溶融させることにより，光ファイバ束の端部に，束ねた光ファイバ素線のクラッドが溶融により縮径して一体化した端末部を形成することとし，前記光ファイバ束として前記ガラスパイプに嵌合する光ファイバ素線の数は，下記式により定義される光ファイバ充填率を８０％以上とするように設定すると共に，前記光ファイバ束の端部の，溶融により縮径した先端部分と，溶融していない部分との間の外周に生じる曲がり部を加熱手段により加熱して，一部溶融させることにより，曲がり部の曲率半径を２０ｍｍ以上に大きく加工することを特徴とする光ファイバライトガイドの端末加工方法。
   Ｐ＝ｎ×ｒ ² ／Ｒ ²
   但し，Ｐ：光ファイバ充填率，ｎ：光ファイバ素線の数，ｒ：光ファイバ素線のクラッド径，Ｒ＝ガラスパイプの内径
2. 光ファイバ束の端部をガラスパイプと共に加熱手段により加熱して溶融させる前に，光ファイバ束の端部に残留した水分や被覆を，加熱手段の加熱により除去する過程を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバライトガイドの端末加工方法。

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