JP6002666B2 - 光ファイバの決定論的劈開 - Google Patents

Description

優先権の主張

本願は、２０１０年６月２８日に出願された米国特許仮出願シリアル番号第６１／３５９，３２７号による優先権を主張し、その全内容を、本明細書で全て述べられているかのように、参照として組み込む。以下に言及する全ての刊行物について、その全内容を、本明細書で全て述べられているかのように、参照として組み込む。

本発明は光ファイバに関し、具体的には、光ファイバの長さを短くし、ファイバの平坦な端部を生じるための光ファイバの劈開に関する。

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利点があり、その用途は多岐に渡っている。単に可視光を離れた場所に伝送するためには、シングルファイバまたはマルチ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、ファイバの端部どうしのカップリングを要し、このカップリングは、光損失のソースの代表的なものである。劈開された端部は、平滑で欠陥の無いものであるべきである。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よって過度の光損失が生じ得る。光ファイバーの用途の大半においては、カップリングの準備として、ファイバの端部が完全に平坦になるようファイバを劈開することが重要である。光ファイバの端部どうしを合わせた際、光損失を最小限にするには、ファイバの端面を、平滑な、ファイバの軸に対して垂直な面内または特定の角度にある面とすることが望ましい。要するに、取り外し可能なコネクタ、永久的なスプライス、および光素子において、ファイバ間のカップリングを最適化するために、劈開されたファイバ端面は、鏡面品質を有する単一面である必要がある。

従来の劈開は、機械的劈開またはレーザ劈開を用いて行われる。これまで、劈開を生じるための１つの従来の機械的劈開手法によれば、まず、光ファイバを軸方向の張力下に置き、次に、劈開を開始するために光ファイバをスコアリングする（切り目をつける）。得られる劈開角度および表面の特徴は、スコアリングの品質、並びに光ファイバ中の軸方向の応力および／または歪み分布の直接的な結果である。劈開を伝搬させるには、軸方向の張力を加えることが必要である。しかし、張力が高すぎると、劈開の伝搬が速くなりすぎ、劈開された端部にぎざぎざの割れ目が生じる。張力が低すぎると、劈開を開始させるためにスコアリングエッジをファイバに深く差し込むことが必要になり、劈開の質が低くなる。

ファイバの劈開された端部に欠陥が生じた場合、現行の劈開手法は、光ファイバを従来のように劈開した後、非平面の形態の劈開面の欠陥をなくすために、得られた端面を機械的に研磨することを含む。別の手法は、上述の処理を用いるが、機械的研磨に代えてレーザ研磨を行う。そのような研磨工程は自動化できるが、それには精巧で高価な装置と、やや複雑な手順が必要であり、そのような作業を行うのは工場や実験室に限られる。更に、レーザ研磨処理の結果、ファイバの端部が溶融して再硬化した場合には、ファイバの形状が歪められ、しばしば直径が増加する。

レーザ劈開は、平坦な劈開面を生じるために更に研磨を要するファイバ端面、または、レーザ劈開処理中にレーザ研磨された端面を生じ得る。レーザ劈開は、ファイバの劈開された端部に、かなり良好な光学面を生じるが、この処理は専用の劈開装置を用いて行わなければならない（例えば、オプテックシステム社（OpTek Systems）（www.opteksystems.com）が提供している完全に一体化された自動レーザ劈開システムを参照）。

通信システム、データ処理システム、および他の信号伝送システムにおける、比較的広範囲にわたり、ますます増加する光ファイバの利用により、端部の相互接合のための十分且つ効率的な手段の需要が生じている。現在のところ、大半の取り外し可能なファイバコネクタは、工場で設置されている。野外での光ファイバの設置については、光ファイバをカップリングする際、光損失を最小限にするよう光ファイバを適切に劈開するための、簡単且つ確実に展開できる処理を開発することが特に望ましい。光ファイバの端面を整えるための、効果的で効率的且つ信頼性の高い手法を開発する必要がある。

本発明は、光ファイバをカップリングする際、光損失を最小限にするよう光ファイバを適切に劈開して平滑な端部を得るための、簡単且つ確実に展開できる処理を提供する。本発明による処理は、研磨を必要とせずに光ファイバの端面を整えるための、効果的で効率的且つ信頼性の高い手法を提供する。

本発明の１つの態様によれば、意図される劈開位置においてスコアリングにより最初の表面クラックが設けられた光ファイバに、軸方向の張力が加えられ、この加えられる軸方向の張力は、クラックの応力拡大係数を、端面の研磨を必要としないファイバを劈開するための合理的な速度での安定したクラック成長を生じるための許容可能なレベルの範囲内に維持するよう調節される。より具体的には、本発明の一実施形態において、基本的な手法は、光ファイバの外径上のファイバの円周全体または円周回りの選択的な領域に溝をつけるスコアリングを行い、次に、ファイバを劈開するために、ファイバの縦軸と同軸の時間的に変化する力を加えるものである。スコアリング中、ファイバは、最初に略一定の張力下で保持されてもよく、または保持されなくてもよい。注意深く制御されたスコアリング処理は、表面下のクラックのない、最初の表面クラックのみを設ける。これは、十分な軸方向の張力によりファイバをわたるクラックの伝搬が開始される位置を定めるものである。スコアリングは、スコアリングツールによって機械的に行われてもよく、または、レーザ切断、或いは集束イオンビーム等の他の形態の切断によって行われてもよい。ファイバに時間的に変化する力を加えることで、最初のクラックが半径方向内側にファイバの中心に向かって伝搬する。一実施形態では、加えられる張力を時間とともに注意深く制御することは、略一定の応力拡大係数を維持することにより、クラックの伝搬速度を制御するよう作用する。別の実施形態では、加えられる軸方向の張力を、時間とともにおよび／または（クラックの伝搬による）クラックの成長とともに減少させる。その結果、ファイバ材料中の歪みエネルギーが、研磨を必要としない光学品質の面を有する単一面の形成によって放出される。より具体的には、光ファイバの劈開された端部に、高い光学品質を有する略平坦な光学面またはファセットが形成される。ファセット面は、最初のスコアリングを、ファイバの縦軸に対して適切に配置することにより、或る角度で形成され得る。

本発明の一実施形態による、モードＩを用いた光ファイバの劈開を示す図 クラック深さの関数としての、シリカ光ファイバに対する引張力のグラフ クラック成長速度ｖｓ．応力拡大係数の図 時間の関数としての、ファイバに対する引張力のグラフ 点状のクラックからの光ファイバの破断面のモノグラフ

本発明の性質および長所、並びに好ましい使用方法のより完全な理解のために、添付の図面と併せて読まれる以下の詳細な説明を参照すべきである。図面中、同一参照番号は同一または類似の要素を示す。

以下、様々な実施形態を参照して本発明を説明する。本発明は、本発明の目的を達成するための最良の形態に関して説明されるが、当業者であれば、本発明の精神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て、様々な変形が達成され得ることがわかるであろう。

本発明は、光ファイバをカップリングする（例えば、端部どうしをスプライスまたはカップリングする）際、光損失を最小限にするよう光ファイバを適切に劈開して平滑な端部を得るための、簡単且つ確実に展開できる処理を提供する。本発明による処理は、研磨を必要とせずに光ファイバの端面を整えるための、効果的で効率的且つ信頼性の高い手法を提供する。この処理は、工場での作業を容易にすると共に、野外環境での作業も容易にし得るものである。

本発明の１つの態様では、（意図される劈開位置に最初の表面クラックを生じるためにスコアリングされた（切り目をつけられた））光ファイバに加えられる軸方向の張力は、ファイバのクラックに関係する応力拡大係数を、ファイバを劈開するための合理的な速度での安定したクラック成長を生じるための許容可能なレベルに維持するよう調節される。本発明の別の態様では、軸方向の張力は、時間的に変化するように加えられる。

より具体的には、本発明の一実施形態において、基本的な手法は、光ファイバの外径上のファイバの円周全体または円周回りの選択的な領域に溝をつけるスコアリングまたはスクライビングを行い、次に、ファイバを劈開するために、ファイバの縦軸と同軸の時間的に変化する力を加えるものである。スコアリング中、ファイバは、最初に略一定の張力下で保持されてもよく、または保持されなくてもよい。スコアリングは、スコアリングツールによって機械的に行われてもよく、または、レーザ切断、或いはイオンビーム等の他の形態の切断によって行われてもよい。注意深く制御されたスコアリング処理は、表面下のクラックのない（即ち、スコアリングで設けられた溝の底面より下にはクラックがない）、所望のクラック深さを有する最初の表面クラックのみを設ける。これは、十分な軸方向の張力によりファイバをわたるクラックの伝搬が開始される位置を定めるものである。具体的には、溝のスコアリングによって数十ナノメートルの最初の表面クラックが生じ、それにより、スコアリングツールがファイバ材料を脆性モードではなく延性モードで切断することにより、スコアリングで設けられた溝の底部より下の表面下にクラックが生じることが回避される。スコアリング処理中の浅い（数十ナノメートル未満の）切断深さは、スコアリングツールを精密に送ることによって、または僅かなばねの力を用いてツールをファイバに押し付けることによって達成できる。ファイバに時間的に変化する力を加えると、最初のクラックが半径方向内側にファイバの中心に向かって伝搬する。

一実施形態では、加えられる張力を時間とともに注意深く制御することは、ファイバのクラックの許容可能な応力拡大係数（例えば、特定の負荷モード下での臨界応力拡大係数未満の略一定の応力拡大係数）を維持することにより、クラックの伝搬速度を制御するよう作用する。その結果、ファイバ材料中の歪みエネルギーが、研磨を必要としない光学品質の面を有する単一面の形成によって放出される。より具体的には、光ファイバの劈開された端部に、研磨を必要とせずに、高品質の略平坦な光学面またはファセットが形成される。ファセット面は、最初のスコアリングを適切に配置することにより（例えば、ファイバの縦軸に対して或る角度（例えば、８度）の平面内における楕円形のスコアリング）、ファイバの縦軸に対して或る角度で形成され得る。

本発明の別の実施形態では、加えられる軸方向の張力を、クラックの成長を開始させるのに十分なレベル（クラックの応力拡大係数を臨界応力拡大係数未満に維持しつつの、劈開処理における軸方向の張力のピーク）まで最初に増加させた後、クラックの成長を継続するためにファイバの端部を引っ張りながら、加えられる軸方向の張力を、そのような軸方向の張力のピークから時間とともに減少させる。別の視点から述べると、軸方向の張力を軸方向の張力のピークへと最初に増加させることにより、クラックの伝搬を開始させた後、クラック深さの更なる成長と共に、加えられる軸方向の張力を減少させる。以下に述べる、開示される実施形態では、加えられる軸方向の張力は単調に減少され、時間とともにまたはクラックの成長とともに減少する率で更に減少される。尚、軸方向の張力のピークは、クラックの成長を開始させるのに必要な張力より大きくてもよく、軸方向の張力のピークは、軸方向の張力が減少される前の増加の一部として、短時間にわたって一定に維持されてもよい。

本発明の理解のために必要ではないが、本発明の開発の裏づけである、提案される理論を以下に簡単に述べる。

ファイバの破断には、モードＩ（開口モード（opening mode））、モードＩＩ（面内せん断モード（sliding mode））、およびモードＩＩＩ（面外せん断モード（tearing mode））の３つの基本的なモードがある。本発明の決定論的ファイバ劈開処理における光ファイバの制御された破断のために、モードＩが適用される。図１を参照すると、例示的な光ファイバ１０の一部が示されている。図１には、ベアファイバ（即ち、コアおよびクラッドを含む）のみが示されており、保護ポリマーコーティングは省略されている。ファイバ１０は円柱形であり、円形の断面を有する。ファイバ１０は、ドーピングされたシリカのコアを有し、コアはシリカのクラッドでコーティングされている。図示されるように、光ファイバ１０の周囲に（即ち、クラッド層の表面に）、モードＩの負荷を用いた劈開のためにクラックの伝搬を開始させるための、外周方向のクラック１２が設けられる。例えば、ファイバ上のクラック深さａを有する円周方向のクラックは、ファイバをその軸回りに回転させながら、またはダイヤモンド若しくはカーバイドの刃先をファイバ回りに回転させながら、ファイバを刃先でスコアリングまたはスクライビングすることによって準備される。時間的に変化する引張力Ｆ（即ち、同じ力で方向が反対の軸方向の張力Ｆ）によって、ファイバ１０の一端部を、ファイバ１０の反対側の端部が保持されている状態で、軸方向に引っ張ると、円周方向のファイバのクラックが安定したクラック成長速度の範囲内で半径方向内側に中心に向かって成長する、安定したクラックの成長伝搬条件が達成される。

考慮される変数および基本方程式としては、以下のものが挙げられる。
変数：
Ｋ_Ｉ＝応力拡大係数
σ＝加えられる応力
ａ＝クラック深さ
ａ_ｏ＝最初のクラック深さ
α＝乗率
Ｆ＝加えられる引張力
Ａ＝ファイバの破断されない領域
ｒ_ｏ＝（クラッド表面からの）ファイバの半径
ｖ＝クラック成長速度
ｔ＝時間
Ｃ＝近似パラメータ
ｎ＝近似パラメータ（疲労定数）
尚、乗率αについては、A.Y.T. Leung and R.K.L. Su, “Two-Level Finite Element Study of Axisymmetric Cracks,” International Journal of Fracture, 89, 193-203 (1998)を参照のこと。
基本方程式：

劈開された端部において光学品質の面を得るために、合理的な速度での安定したクラックの成長を生じるために軸方向の力が加えられているときに、ファイバのクラックの許容可能な応力拡大係数を維持することが所望される場合の、加えられる軸方向の力とクラック深さとの関係、および加えられる軸方向の力と時間との関係を解析した。シリカ光ファイバについて、ファイバ半径ｒ_ｏ＝６２．５μｍ、最初のクラック深さａ_ｏ＝１μｍ、および臨界応力拡大係数Ｋ_ＩＣ＝０．７５０ＭＰａ・ｍ^０．５として、クラック深さａおよび時間ｔの関数としての引張力Ｆの計算を行った。

図２は、様々な応力拡大係数Ｋ_Ｉにおける、クラック深さａの関数としての軸方向の力Ｆのグラフである。様々な応力拡大係数Ｋ_Ｉにおけるグラフは、右側の（Ｋ_ＩＣを現わす）曲線Ｉおよび左側の曲線ＩＩによって囲まれている。図示されるように、応力拡大係数Ｋ_Ｉは、Ｋ_ＩＣにおける曲線Ｉから曲線ＩＩまで徐々に低くなっている。各曲線の始点につながる、加えられる力のピークまでの増加（それによってクラックの成長を開始させた）は、図２には示されていない。各曲線について、クラックの成長を開始させた力の増加後、応力拡大係数Ｋ_Ｉは略一定に維持される。曲線Ｉより上方の領域におけるＫ_ＩＣ＝０．７５０ＭＰａ・ｍ^０．５より大きいＫ_Ｉについては、クラックの成長は不安定であると思われる。曲線ＩＩより下方の領域における０．３５ＭＰａ・ｍ^０．５未満のＫ_Ｉについては、シリカ光ファイバ上にクラックを合理的な速度で成長させるのに十分な応力拡大係数を生じるには引張力が不十分なので、有意なクラックの成長は生じないと思われる。従って、曲線Ｉと曲線ＩＩとの間の領域内においては、ファイバを劈開するための合理的な速度での安定したクラックの成長を生じるために、ファイバに対する引張力が維持されるものとする。図２から、加えられる力Ｆの増加後、応力拡大係数Ｋ_Ｉを曲線Ｉおよび曲線ＩＩの境界内になるよう（例えば、略一定の応力拡大係数Ｋ_Ｉに）維持するには、クラック深さが最初に増加したときに、まず加えられる力Ｆを急速に減少させるべきであり、クラック深さが大きくなったら、Ｆを比較的ゆっくりと減少させることがわかる。一実施形態では、力Ｆは単調に減少してもよく、時間とともに徐々に減少する率で減少してもよい。

時間ｔの関数としてのファイバに対する引張力Ｆを考慮するには、図３から、安定したクラック成長速度ｖおよび応力拡大係数Ｋ_Ｉの複数のペアが選択される（これについては、M. Muraoka and H. Abe, “Subcritical Crack Growth in Silica Optical Fibers in a Wide Range of Crack Velocities,” Journal of the American Ceramic Society, 79 [1], 51-57 (1996)を参照のこと）。図４は、安定したクラック成長速度および応力拡大係数の３通りの組み合わせのペアについての、時間の関数としての光ファイバに対する軸方向の引張力を示している。これらのペアは、０．５９０ＭＰａ・ｍ^０．５および１×１０^−５ｍ／秒、０．５８０ＭＰａ・ｍ^０．５および５×１０^−６ｍ／秒、並びに０．５５７ＭＰａ・ｍ^０．５および２×１０^−６ｍ／秒であり、１μｍの最初のクラック深さについて、それぞれ約６秒、１２．５秒、および３１秒の劈開時間を与える。ファイバの構造は、図２について上述したものと同じである（即ち、ファイバ半径ｒ_ｏ＝６２．５μｍ、最初のクラック深さａ_ｏ＝１μｍ、および臨界応力拡大係数Ｋ_ＩＣ＝０．７５０ＭＰａ・ｍ^０．５）。

図４に示されるように、応力拡大係数Ｋ_Ｉおよびクラック成長速度ｖは、最も左側の曲線から右側の曲線まで徐々に低くなっている。各曲線の始点につながる、加えられる力のピークまでの力の増加（それによってクラックの成長を開始させた）は、図４には示されていない。各曲線について、力の増加後、応力拡大係数Ｋ_Ｉおよびクラック成長速度ｖは略一定に維持される。図４から、力の増加後、まず加えられる力Ｆを時間とともに急速に減少させるべきであり、長い時間の後は、Ｆを比較的ゆっくりと減少させることがわかる。力Ｆは単調に減少してもよく、クラックの成長とともに徐々に減少する率で減少してもよい。シリカ光ファイバにおける安定したクラックの成長のためには、クラック成長速度を１０^−１５〜１０^−４ｍ／秒に保たなければならない。光ファイバを合理的な量の時間で劈開するには、クラックの成長速度は遅すぎるもの（＜１０^−６ｍ／秒）であってはならない。例えば、１０^−８ｍ／秒のクラックの成長速度でファイバを完全に劈開するには、約１．７４時間かかる。従って、より合理的なクラックの成長速度の範囲は１０^−６〜１０^−４ｍ／秒とする。

安定したクラックの成長のための、臨界応力拡大係数未満の許容可能な応力拡大係数（例えば、略一定の応力拡大係数）を維持するために、軸方向の力を徐々に減少させる注意深い制御を行えば、合理的な速度でのクラックの成長が生じ、その結果、研磨を必要としない許容可能な光学品質を有する端面を得られる（よって、野外作業環境でのファイバの劈開を容易にする）ことがわかった。ファイバ材料中の歪みエネルギーは、光学品質の面を有する単一面の形成によって解放される。例えば、オプトエレクトロニクス用途の光ファイバに関しては、許容可能な光学品質の面は、例えば、公称平面に対する最大のばらつきが５００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満、および最高最低差で(peak-to-valley)表面粗さが２０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ未満の、非常に平坦な、平滑な単一面である。

上述の解析および計算に基づき、シミュレーションを行った結果、上述の本発明の劈開処理は、意図した結果、即ち、研磨を必要としない、オプトエレクトロニクス用途に許容可能な光学品質を有する端面を提供することが示された。

本発明の範囲および精神から逸脱することなく、上述の原理に基づき、光ファイバは、端面が縦軸に直交するよう、または縦軸に対して或る角度となるよう劈開され得る。例えば、ファイバに端面を或る角度（例えば、８度）で劈開するために、ファイバの縦軸に対して（例えば、８度だけ）傾いた平面内において、ファイバの円周回りに楕円をスコアリングすることが可能である。

図１に示されるように、最初の表面クラックの連続した円周方向の線をスコアリングする代わりに、本発明の処理は、ファイバの円周回りの選択された領域における複数の離散的な表面クラックの分布（例えば、点状の最初の表面クラックの均一または対称な円周方向の分布）を用いて実施されてもよい。ファイバ上の点状の表面クラックによって生じる応力プロファイルについては、図５に示されている光ファイバの破断面のモノグラフ（コイン形状の最初のクラック）（２５℃、９０％ＲＨ）が参照され得る（これについては、M. Muraoka, K. Ebata, and H. Abe, “Effect of Humidity on Small-Crack Growth in Silica Optical Fibers,” Journal of the American Ceramic Society, 76 [6], 1545-1550 (1993)を参照のこと）。

更に、先の実施形態において、ファイバに、クラックの伝搬を開始させる或るレベル（例えば、上述の実施形態で参照される「ピーク」のレベル）の張力が加えられる前に、最初の表面クラックを設ける代わりに、最初の表面クラックを設ける前に、ファイバをそのようなピークのレベルまたはそれに近いレベルに緊張させてもよい。本発明によれば、クラックの成長を開始させた後、加えられる張力は、上述のように、応力拡大係数が許容可能な範囲内（例えば、略一定の応力拡大係数）に留まるように調節され、合理的な速度でのクラックの成長が生じ、その結果、研磨を必要としない許容可能な光学品質を有する端面が得られる。

本発明を、好ましい実施形態を参照して具体的に示して説明したが、当業者であれば、本発明の精神、範囲および教示から逸脱することなく、形態や詳細の様々な変更がなされ得ることが理解されよう。従って、開示された発明は、単に説明的なものであると見なされるべきであり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲で特定されるようにのみ限定される。

１０ 光ファイバ
１２ クラック
Ｆ 引張力

Claims (16)

1. 光ファイバを劈開する方法であって、
   光ファイバの表面に最初のクラックを設ける工程、
   前記最初のクラックからのクラックの成長を開始させるための最初の力を加える工程、および
   クラックの成長を開始させた後、前記光ファイバを劈開するためにクラックの成長を伝搬させるために、前記光ファイバに時間的に変化する軸方向の力を加える工程であって、前記軸方向の力が、時間とともに減少するように加えられる工程、
   を含む方法。
2. 前記軸方向の力が、単調に減少するように加えられる、請求項１記載の方法。
3. 前記軸方向の力が、時間とともに減少する率で減少するように加えられる、請求項１記載の方法。
4. 前記軸方向の力が、クラックの成長とともに減少するように加えられる、請求項２記載の方法。
5. 前記軸方向の力が、クラックの成長とともに徐々に減少する率で減少するように加えられる、請求項４記載の方法。
6. 前記軸方向の力が、１０^−６〜１０^−４ｍ／秒の範囲のクラック成長速度を生じるよう加えられる、請求項５記載の方法。
7. 前記軸方向の力が減少する際に前記ファイバのクラックの応力拡大係数が略一定に維持されるよう、前記軸方向の力が加えられる、請求項１記載の方法。
8. 前記ファイバのクラックの応力拡大係数が０．７５０ＭＰａ・ｍ^０．５〜０．３５ＭＰａ・ｍ^０．５の範囲となるよう、前記軸方向の力が加えられる、請求項１記載の方法。
9. 前記軸方向の力が、研磨を必要としない光学品質を有する劈開された端面を得るための合理的な速度での安定したクラック成長を生じるよう加えられる、請求項１記載の方法。
10. 前記光学品質を有する劈開された端面の公称平面に対する最大のばらつきが１００ｎｍ未満であり、最高最低差で表面粗さが５ｎｍ未満である、請求項９記載の方法。
11. 前記最初のクラックが、前記光ファイバの円周方向にある、請求項１記載の方法。
12. 前記最初のクラックが、該最初のクラックを越える表面下のクラックを生じずに設けられる、請求項１記載の方法。
13. 前記軸方向の力が張力として加えられる、請求項１記載の方法。
14. 光ファイバを劈開する方法であって、
    光ファイバの表面に最初のクラックを設ける工程、
    クラックの成長を開始させるための最初の力を加える工程、および
    劈開された端面を得るために安定したクラック成長を生じるよう、前記光ファイバに軸方向の力を加える工程であって、前記軸方向の力が、時間とともに減少するように加えられる工程、
    を含む方法。
15. 前記軸方向の力が、クラックの成長とともに減少するように加えられる、請求項１４記載の方法。
16. 前記クラックの成長が、前記端面が研磨を必要としない光学品質を有するものとなるような速度で生じる、請求項１４記載の方法。