JP2016153850A - Manufacturing method of taper optical fiber - Google Patents
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Abstract
【課題】TOFを透過する光の損失を抑えながら、全長を短くしたテーパ光ファイバの製造方法を提供する。【解決手段】TOF製造装置20は、加熱位置を光ファイバ14の長手方向に移動させる加熱走査を行いながら、光ファイバ14の長手方向に引っ張って延伸する。トーチ28は、コントローラ21によって走査長が制御される。演算部25は、断熱基準角に最適化係数を乗じた最適化上限角を局所的なファイバ半径に対するテーパ角未満とする制約条件のもとでテーパ光ファイバの全長を最小にするための各加熱走査の走査長を求める。【選択図】図2A method of manufacturing a tapered optical fiber having a reduced overall length while suppressing loss of light passing through a TOF is provided. A TOF manufacturing apparatus is stretched by pulling in a longitudinal direction of an optical fiber while performing a heating scan for moving a heating position in the longitudinal direction of the optical fiber. The scanning length of the torch 28 is controlled by the controller 21. The calculation unit 25 performs each heating for minimizing the total length of the tapered optical fiber under the constraint that the optimization upper limit angle obtained by multiplying the insulation reference angle by the optimization coefficient is less than the taper angle with respect to the local fiber radius. The scanning length of scanning is obtained. [Selection] Figure 2
Description
本発明は、テーパ光ファイバの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a tapered optical fiber.
テーパ光ファイバ(Tapered optical fiber、以下TOFという)は、ファイバ半径が光の波長よりも細いテーパウエスト部と、このテーパウエスト部の両端にそれぞれ設けられテーパウエスト部に向かってファイバ半径が漸減するテーパ遷移部とを有している。TOFは、強い光の閉じ込め効果や、大きいエバネッセント場を有するため、光工学や量子光学などの分野で利用されている。 A tapered optical fiber (hereinafter referred to as TOF) has a tapered waist portion whose fiber radius is thinner than the wavelength of light, and a taper which is provided at both ends of the tapered waist portion and the fiber radius gradually decreases toward the tapered waist portion. And a transition part. Since TOF has a strong light confinement effect and a large evanescent field, it is used in fields such as optical engineering and quantum optics.
TOFは、利用される分野にもよるが、一般的には微弱な光を扱うことから高い透過率が要求されることが多い。TOFの透過率を低下させる原因の1つとして、テーパ遷移部の形状に起因した基本モードと高次モードとの結合による損失がある。この損失は、テーパ遷移部の局所的なテーパ角をそのファイバ半径に応じて調整することによって低減でき、この損失が十分小さいとみなせる条件は断熱条件として知られている(例えば、非特許文献1参照)。また、断熱条件をみたすテーパ角の上限は、断熱基準角として知られており、断熱基準角はファイバ半径に依存した関数として表すことができる。 Although TOF depends on the field in which it is used, high transmittance is often required because it generally handles weak light. One of the causes for reducing the transmittance of the TOF is a loss due to coupling between a fundamental mode and a higher-order mode due to the shape of the tapered transition portion. This loss can be reduced by adjusting the local taper angle of the taper transition portion according to the fiber radius, and the condition under which this loss can be regarded as sufficiently small is known as an adiabatic condition (for example, Non-Patent Document 1). reference). The upper limit of the taper angle satisfying the heat insulation condition is known as the heat insulation reference angle, and the heat insulation reference angle can be expressed as a function depending on the fiber radius.
テーパ遷移部からテーパウエスト部に向かってテーパ角が指数関数的に増大する指数関数形状としたTOFが知られている(例えば、非特許文献2を参照)。この非特許文献2では、減衰定数を10mmとしている。また、テーパ遷移部のテーパ角を2mradで一定にした形状のTOFが知られている(例えば、非特許文献3を参照)。これらTOFは、テーパ遷移部のテーパ角を、断熱基準角以下とすることにより、損失を抑え高い透過率を確保している。例えば非特許文献2に記載されたTOFの透過率は99.4%、非特許文献3のTOFの透過率は99.95%に達している。
A TOF having an exponential function shape in which a taper angle exponentially increases from a taper transition portion toward a taper waist portion is known (see, for example, Non-Patent Document 2). In this
このようなTOFの製造手法の1つとして、フレームブラシ法が知られている(特許文献1を参照)。フレームブラシ法では、光ファイバの長手方向にトーチなどの加熱手段を往復動させて光ファイバに対する加熱位置を移動させる加熱走査を行いながら、加熱されて軟化した光ファイバをその長手方向に引っ張って延伸するものである。例えば、加熱位置の移動幅を一定にしながら光ファイバを一定の速度で引っ張ることにより、指数関数形状としたTOFを作製することができる。また、加熱位置の移動幅を制御しながら光ファイバを一定の速度で引っ張ることにより、テーパ遷移部のテーパ角を2mradで一定にしたTOFを作製することができる。 As one of such TOF manufacturing methods, a frame brush method is known (see Patent Document 1). In the frame brush method, a heated softening optical fiber is pulled and stretched in the longitudinal direction while performing a heating scan that reciprocates a heating means such as a torch in the longitudinal direction of the optical fiber to move the heating position relative to the optical fiber. To do. For example, the TOF having an exponential function shape can be produced by pulling the optical fiber at a constant speed while keeping the movement width of the heating position constant. Further, by pulling the optical fiber at a constant speed while controlling the movement width of the heating position, it is possible to produce a TOF in which the taper angle of the taper transition portion is constant at 2 mrad.
また、加熱手段の移動に代えて、光ファイバをその長手方向に往復動させながら加熱する製造方法も知られている(特許文献2を参照)。特許文献2の製造方法では、光ファイバの往復動の幅やその速度、光ファイバの引っ張り量(拡間幅)などの各種パラメータを制御することにより、多様な形状を持つTOF(細径化光ファイバ)を製造可能としている。
A manufacturing method is also known in which an optical fiber is heated while reciprocating in the longitudinal direction instead of moving the heating means (see Patent Document 2). In the manufacturing method of
ところで、TOFは、極小共振器に結合する場合、機械的安定性を考慮すると全長がより短いことが望まれる。また、例えばクライオスタットの狭い真空室などに収容される場合では、TOFの長さが制限される。このような背景からTOFを透過する光の損失を抑えながら、その全長をより短くしたTOFが望まれている。しかしながら、非特許文献2に記載されたTOFのように、損失を抑えるために、いずれのファイバ半径に対しても断熱基準角以下の角度としながらテーパ角を一定にした場合には、損失をかなり小さくすることができる反面、TOFの全長がかなり長くなってしまう。また、非特許文献1に記載された指数関数形状のTOFでは、テーパ角を一定にした場合と比べてTOFの全長を短くすることができるが、それでも十分に短くなっているとはいえなかった。
By the way, when the TOF is coupled to the minimal resonator, it is desired that the total length is shorter in consideration of mechanical stability. In addition, for example, in the case of being housed in a narrow vacuum chamber of a cryostat, the length of the TOF is limited. From such a background, a TOF having a shorter overall length while suppressing loss of light transmitted through the TOF is desired. However, as in the TOF described in
なお、特許文献2では、損失を抑えながらTOFの全長を短くするための形状を含め、所望とするTOFの形状についての設計手法や、設計された形状のTOFを作製するために必要となる各種パラメータの決定手法などが記載されていない。
In
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、TOFを透過する光の損失を抑えながら、全長をより短くすることができるテーパ光ファイバの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a tapered optical fiber that can further shorten the overall length while suppressing loss of light transmitted through the TOF.
上記課題を解決するために、本発明では、テーパウエスト部の両端に一対のテーパ遷移部が形成され、テーパウエスト部に向かってテーパ遷移部のファイバ径が漸減するテーパ光ファイバの製造方法において、光ファイバに対する加熱位置を光ファイバの長手方向に沿って所定の走査長で移動する加熱走査を行うことにより加熱された光ファイバを長手方向に引っ張ることによって延伸する延伸工程と、延伸工程に先立って行なわれ、テーパ光ファイバの局所的なファイバ半径をr、テーパ角をθとし、またファイバ半径rについての断熱基準角をΩ(r)、最適化係数Fを0<F<1としたときに、θ<F・Ω(r)を満たし、かつテーパウエスト部と一対のテーパ遷移部との長さの合計Xを最小にする各加熱走査の走査長をそれぞれ求める走査長決定工程とを有するものである。 In order to solve the above problems, in the present invention, in the method for manufacturing a tapered optical fiber, a pair of tapered transition portions are formed at both ends of the tapered waist portion, and the fiber diameter of the tapered transition portion gradually decreases toward the tapered waist portion. Prior to the stretching process, the stretching process is performed by stretching the heated optical fiber in the longitudinal direction by performing a heating scan that moves the heating position with respect to the optical fiber at a predetermined scanning length along the longitudinal direction of the optical fiber. When the local fiber radius of the tapered optical fiber is r, the taper angle is θ, the adiabatic reference angle for the fiber radius r is Ω (r), and the optimization coefficient F is 0 <F <1 , Θ <F · Ω (r), and obtain the scanning length of each heating scan that minimizes the total length X of the tapered waist portion and the pair of tapered transition portions. Those having a 査長 determining step.
本発明によれば、テーパ光ファイバの局所的なファイバ半径r、テーパ角θ、ファイバ半径rについての断熱基準角をΩ(r)とし、最適化係数Fを0<F<1としたときに、θ<F・Ω(r)を満たし、テーパ光ファイバの全長を最小にする加熱走査ごとの走査長を求め、求めた走査長で各加熱走査を行うから、TOFでの損失を抑えながら全長をより短くしたテーパ光ファイバを製造することができる。 According to the present invention, when the local fiber radius r of the tapered optical fiber, the taper angle θ, the adiabatic reference angle for the fiber radius r is Ω (r), and the optimization coefficient F is 0 <F <1, , Θ <F · Ω (r), the scanning length for each heating scan that minimizes the total length of the tapered optical fiber is obtained, and each heating scan is performed with the obtained scanning length. A tapered optical fiber with a shorter length can be manufactured.
図1において、テーパ光ファイバ(Tapered optical fiber、以下TOFという)10は、光の波長よりも径が小さいテーパウエスト部11と、このテーパウエスト部11の両端にそれぞれ形成されたテーパ遷移部12とを有している。テーパウエスト部11及びテーパ遷移部12は、断面が円形であり、テーパ遷移部12は、テーパウエスト部11に向かってその径が漸減した形状である。この例では、TOF10は、光ファイバ14の一部を加熱しながら引っ張って延伸する延伸工程によって製造される。
In FIG. 1, a tapered optical fiber (hereinafter referred to as TOF) 10 includes a
図2において、TOF10を製造するTOF製造装置20は、詳細を後述するように走査長を求める演算工程と、光ファイバ14を延伸する延伸工程とを行ってTOF10を光ファイバ14に形成する。延伸工程は、光ファイバ14に対する加熱位置を移動する加熱走査工程と、加熱走査による加熱で軟化した光ファイバ14を長手方向に沿って両方向に引っ張る引っ張り工程とを含んでおり、TOF製造装置20は、いわゆるフレームブラシ法でTOFを製造する。光ファイバ14としては、ガラス製、プラスチック製などを用いることができる。このTOF製造装置20は、コントローラ21,移動部22,23、加熱部24、演算部25を備える。コントローラ21は、移動部22,23と加熱部24との移動を制御する。
In FIG. 2, the
移動部22,23は、光ファイバ14を引っ張るための引っ張り手段を構成している。移動部22は、クランプ26と、このクランプ26が固定された移動ステージ27とを備える。クランプ26は、光ファイバ14の一端を挟み込んで把持する。移動ステージ27は、モータ27aによって作動する1軸移動ステージである。移動部23についても、移動部22と同様であり、クランプ26と、モータ27aで作動される移動ステージ27とを備え、クランプ26は、光ファイバ14の他端を把持する。各移動ステージ27は、光ファイバ14の長手方向(矢印Z方向)と平行に移動するように調整してある。
The moving
TOF10の製造時には、コントローラ21の制御下でモータ27aを駆動することよって、移動部22,23のクランプ26同士が互いに離れる方向に移動する。これにより、光ファイバ14を引っ張る。各クランプ26は、それぞれ一定な引っ張り速さV1で継続的に移動される。
When the
加熱部24は、加熱手段としてのトーチ28と、移動ステージ29とを備えている。トーチ28は、例えば水素ガスを燃料として燃焼させた炎で光ファイバ14を加熱する。トーチ28としては、光ファイバ14の長手方向についての炎の幅が十分に小さいものを用いている。トーチ28は、移動ステージ29に取り付けられている。移動ステージ29は、モータ29aによって作動する1軸移動ステージであり、移動部22,23が把持した光ファイバ14の長手方向に沿ってトーチ28を往復動するように調整されている。なお、加熱手段は、トーチ28に限定されるものではない。
The
TOF10の製造時には、コントローラ21の制御下でモータ29aを駆動することにより、トーチ28を一定の走査速さV2で移動する。これにより、トーチ28による加熱位置を光ファイバ14の長手方向に沿って移動させる加熱走査を複数回行う。1回の加熱走査は、図中右方向と左方向のいずれか一方向への加熱位置の移動であり、続く次の1回の加熱走査では逆方向に加熱位置を移動する。加熱走査による加熱位置の移動方向と走査長とは、コントローラ21によって制御される。加熱走査の回数については後述する。
During manufacture of TOF10, by driving the
引っ張り速さV1と走査速さV2との比(V1/V2)を小さくするほど、加熱走査の回数nが多くなるがTOF10の特にテーパ遷移部12におけるファイバ半径の変化をより滑らかにしたテーパ形状を得ることができる。なお、引っ張り速さV1は、走査速さV2よりも小さく(V1<V2)設定される。
As the ratio (V 1 / V 2 ) between the pulling speed V 1 and the scanning speed V 2 is decreased, the number of heating scans n is increased, but the change in the fiber radius of the
演算部25は、1回目〜n回目の加熱走査における走査長L1〜Lnを求め(演算工程)、求めた走査長L1〜Lnをコントローラ21にセットする。既に製造したTOF10と同じ条件でTOF10を製造する場合に、同じ条件で前回求めた走査長L1〜Lnをコントローラ21にセットしてもよい。この演算部25は、損失を抑えながらTOF10の全長Xを短くしたTOF10を製造するための走査長L1〜Lnを求める。TOF10の全長Xは、テーパウエスト部11と一対のテーパ遷移部12との長さの合計である。なお、走査長L1〜Lnの算出の詳細については後述する。
The
上記TOF製造装置20を用いたTOF10の形成過程について図3の形成モデルを参照して説明する。図3では、光ファイバ14の両端を把持したクランプ26等の部材の図示を省略している。また、形成モデルでは、トーチ28の炎の幅が光ファイバ14の長さについて無視できるほど十分に小さいものとしている。
The formation process of the
図3(A)のように、1回目の加熱走査では、トーチ28は、走査速さV2で走査長L1だけ図中右方向に移動する。このトーチ28の移動で、一対のクランプ26の間の光ファイバ14上で加熱位置が走査速さV2で走査長L1だけ移動する。また、この加熱走査の開始と同時に、移動部22,23によって光ファイバ14の両端がそれぞれ引っ張り速さV1で移動するように光ファイバ14が引っ張られる。これにより、トーチ28によって加熱された光ファイバ14の加熱領域H1が延伸され、図3(B)のように、光ファイバ14の初期のファイバ半径r1よりも小さなファイバ半径r2の円柱形状の延伸領域E2が形成される。
As shown in FIG. 3 (A), the in the first heating scan, the
ここで、TOF10を構成するものではないが、便宜上、延伸領域E2の左側の光ファイバ14に微小領域S0が、また延伸領域E2の右側の光ファイバ14に微小領域S1がそれぞれ仮想的に形成されているものとする。また、微小領域S0,S1のファイバ半径は、TOF10の製造に用いる光ファイバ14のファイバ半径Rと同じであるが、それぞれr0,r1とする。
Here, although not constitute a TOF10, for convenience, a virtual micro area S 0 to the
1回目の加熱走査後、トーチ28が移動方向を反転して2回目の加熱走査が開始される。この2回目の加熱走査では、トーチ28の移動により光ファイバ14の加熱位置が走査長L2だけ図中左方向に移動する。この2回目及びこれ以降の加熱走査においても、走査速さはV2である。光ファイバ14の両端は、継続的にそれぞれ引っ張られている。このため、延伸領域E2の右端から始まる長さL2の加熱領域H2が加熱される。そして、この加熱領域H2が延伸されて、図3(C)のように、延伸領域E2よりも小さなファイバ半径r3の円柱形状の延伸領域E3が形成される。また、延伸領域E3の左側には、円柱形状の微小領域S2が形成されている。微小領域S2は、延伸領域E2のうち2回目の加熱走査で加熱・延伸されずに残った領域である。したがって、微小領域S2のファイバ半径は、延伸領域E2と同じファイバ半径r2である。
After the first heating scan, the
2回目の加熱走査後、トーチ28が移動方向を反転して3回目の加熱走査が開始される。この3回目の加熱走査により、延伸領域E3の左端から始まる加熱領域H3が加熱され、この加熱領域H3が延伸される。加熱領域H3の長さは、3回目の加熱走査の走査長と同じL3である。これにより、図3(D)のように、延伸領域E3よりも小さなファイバ半径r4の円柱形状の延伸領域E4が形成され、延伸領域E4の左側に円柱形状の微小領域S3が形成される。微小領域S3は、延伸領域E3のうち3回目の加熱走査で加熱・延伸されずに残った領域であり、延伸領域E3と同じr3である。
After the second heating scan, the
3回目の加熱走査後、トーチ28が移動方向を反転して4回目の加熱走査が開始される。この4回目の加熱走査により、延伸領域E4の右端から始まる加熱領域H4が加熱される。加熱領域H4の長さは、4回目の加熱走査の走査長と同じL4である。そして、この加熱領域H4が延伸され、図3(E)のように、延伸領域E4よりも小さなファイバ半径r5の円柱形状の延伸領域E5が形成され、さらに延伸領域E5の左側には、ファイバ半径r4の円柱形状の微小領域S4が形成される。同様にして、n回目の加熱走査までを順次に行う。
After the third heating scan, the
上記形成モデルにおいては、2回目以降の加熱走査ごとに微小領域S2,S3,・・・Snが形成される。そして、その加熱走査ごとに加熱走査の終端側に、例えば右方向への加熱走査ごとに図中右側にファイバ半径が漸減する微小領域S3,S5,・・・が順次に形成される。また、左方向への加熱走査ごとに図中左側にファイバ半径が漸減する微小領域S2,S4,・・・が順次に形成される。これによって、一対のテーパ遷移部12が形成される。テーパウエスト部11は、形成モデルにおいてはn回目の加熱走査によって形成される延伸領域En+1である。なお、後述するように、加熱走査が追加される場合には、その追加された最後の加熱によって形成される延伸領域である。
In the formation model, the micro regions S 2 , S 3 ,... Sn are formed for each second and subsequent heating scans. For each heating scan, minute regions S 3 , S 5 ,... Where the fiber radius gradually decreases are formed sequentially on the end side of the heating scan, for example, on the right side in the drawing for each heating scan in the right direction. In addition, minute regions S 2 , S 4 ,... Where the fiber radius gradually decreases are sequentially formed on the left side in the drawing for each heating scan in the left direction. As a result, a pair of tapered
加熱走査の順番を示す走査番号をk(=1,2,・・・n)として、形成モデルにおいては、微小領域Skを円柱形状としているが、実際には、トーチ28の炎の幅が有限であることや軟化した光ファイバ14の粘性等により、そのファイバ半径が漸減する形状であり、テーパ角を有するものとなる。この形成モデルにおける微小領域SkがTOF10の局所であり、そのファイバ半径rkが局所的なファイバ半径、テーパ角θkが局所的なテーパ角となる。さらに、形成モデルでは、延伸領域Ekを円柱形状としているが、実際の延伸領域Ekは、長手方向中央に向かってファイバ半径が指数関数的に小さくなる指数関数形状になる。したがって、テーパウエスト部11についても同様の形状となる。
In the formation model, the micro area Sk is a cylindrical shape with the scanning number indicating the order of the heating scanning being k (= 1, 2,..., N), but actually the width of the flame of the
上記演算部25は、次の式(1)を目的関数として最適化を行う。すなわち、全長Xを最小にする走査長L1〜Lnを求める。演算部25は、最適化には滑降シンプレックス法を用いた演算処理を行う。この最適化の際には、TOF10を透過する光の損失を抑えるために式(2)で示される第1の制約条件が与えられる。なお、最適化のアルゴリズムとしては、滑降シンプレックス法に限定されるものではない。なお、式(2)中のFは、後述する最適化係数であり、Ω(rk)は、ファイバ半径rkについての断熱基準角である。
The
k回目の加熱走査では、光ファイバ14の加熱領域Hkが加熱されて延伸されることにより、延伸領域Ek+1が形成される。加熱領域Hkの長さは、k回目の加熱走査の走査長Lk、走査速さV2、引っ張り速さV1を用いて「{(V2―V1)/V2}・Lk」として求められる。また、加熱領域Hkは、それがk−1回目の加熱走査で形成された延伸領域Ekの一部であるから、延伸領域Ekと同じファイバ半径rkである。延伸領域Ekの長さは、「{(V2+V1)/V2}・Lk」として求められる。
In the k-th heating scan, the heating region H k of the
TOF10の全長Xは、1回目の加熱走査による延伸領域E2の長さと、2回目以降の加熱走査ごとの長さの増分の合計として求めることができる。延伸領域E2の長さX2は、次の式(3)によって表される。また、2回目以降の加熱走査ごとの長さの増分ΔXは、加熱領域Hk−1と延伸領域Ekとの差であるから、式(4)で表せる。これら式(3),(4)より式(1)が得られる。 Total length X of TOF10 can be obtained and the length of the stretching region E 2 by first heating scan, as the sum of the lengths of increments per second or subsequent heating scan. Length X 2 of the drawing region E 2 is represented by the following equation (3). Further, the increment ΔX in length for each heating scan after the second time is the difference between the heating region H k-1 and the stretching region E k, and therefore can be expressed by Expression (4). Equation (1) is obtained from these equations (3) and (4).
最適化係数Fは、「0<F<1」の範囲内で設定する。最適化係数Fを小さくするほど損失が抑えられて高い透過率が得られる。最適化係数Fを小さくしていくと、基底モードと高次モードとの結合による損失よりも、埃等の付着などの影響を受けた外因性の損失が支配的になり、透過率に顕著な違いが出なくなる場合がある。このような場合に、過度に最適化係数Fを小さくすると、透過率の向上の効果がほとんどない状態で全長Xが増大してしまうので、製造環境等を含めて最適化係数Fを選択するのがよい。 The optimization coefficient F is set within the range of “0 <F <1”. The smaller the optimization factor F, the lower the loss and the higher the transmittance. As the optimization factor F is reduced, the extrinsic loss influenced by the adhesion of dust or the like becomes more dominant than the loss due to the coupling between the fundamental mode and the higher order mode, and the transmittance is remarkable. There may be no difference. In such a case, if the optimization factor F is excessively reduced, the total length X increases in a state where there is almost no effect of improving the transmittance. Therefore, the optimization factor F including the manufacturing environment is selected. Is good.
上記ファイバ半径rk、テーパ角θkなどの算出の基になるTOF10の形成モデルは、k回目の加熱走査によって有限な長さの微小領域Skを形成することを前提としている。すなわち、加熱位置は、k回目の加熱走査において微小領域Sk−2に達しないことが前提である。原点Oからのk回目の加熱走査完了時における微小領域Sk−2までの距離Dk−2は、次の式(8)となるから、走査長Lkに関して式(9)が第2の制約条件として最適化の際に与えられる。 Formation model TOF10 underlying the calculation such as the fiber radius r k, the taper angle theta k are assumed to form minute domains S k of finite length by k-th heating scan. That is, it is premised that the heating position does not reach the minute region Sk-2 in the k- th heating scan. Since the distance D k−2 from the origin O to the minute region S k−2 when the k-th heating scan is completed is expressed by the following expression (8), the expression (9) is the second expression regarding the scanning length L k . It is given as a constraint when optimizing.
すなわち、走査長Lkを、kを変数とした高次の多項式で表される関数とし、複数個の特定のkに対応する走査長Lkを最小化(式(1)の最適化)の際の変数とし、残りのkに対応する走査長Lkについては、特定のkと対応する走査長Lkとの組み合わせに基づいて決まる関数の値とする。 That is, the scanning length L k is a function represented by a high-order polynomial with k as a variable, and the scanning length L k corresponding to a plurality of specific k is minimized (optimization of Expression (1)). The scanning length L k corresponding to the remaining k is a function value determined based on the combination of the specific k and the corresponding scanning length L k .
具体的には、mをnよりも小さい3以上の自然数とし、走査長Lkは、走査番号kを変数とする(m−1)次元の多項式の関数(以下、走査長関数という)で表されるとする。n個の走査長Lkのうちのm個の特定の走査番号kに対応する走査長Lkについては、式(1)を最適化する際の変数として扱う。また、特定の走査番号kとこれに対応する走査長Lkのm個の組み合わせを用い、補間法により、残りの(n−m)個の走査番号kに対応する各走査長Lkを求める。すなわち、特定の走査番号kとこれに対応する走査長Lkのm個の組み合わせを満たす走査長関数が得られるが、残りの(n−m)個の走査番号kに対応する各走査長Lkは、その走査長関数の値として求め、式(1)を最適化する際の走査長Lkとして用いる。なお、特定の走査番号kに対応する走査長Lkが変数として扱われるから、走査長関数は、変数である走査長Lkに応じて変化する。 Specifically, m is a natural number of 3 or more smaller than n, and the scanning length L k is expressed by a (m−1) -dimensional polynomial function (hereinafter referred to as a scanning length function) with the scanning number k as a variable. Suppose that The scan length L k corresponding to m specific scan numbers k out of the n scan lengths L k is treated as a variable when optimizing the equation (1). Further, using the m-number of combinations of the scan length L k corresponding thereto and specific scan number k, by interpolation, obtaining the respective scanning length L k corresponding to the remaining (n-m) pieces of scan number k . That is, a scan length function satisfying m combinations of a specific scan number k and the corresponding scan length L k is obtained, but each scan length L corresponding to the remaining (nm) scan numbers k. k is obtained as a value of the scanning length function, and is used as the scanning length L k when the expression (1) is optimized. Since the scan length L k corresponding to the specific scan number k is treated as a variable, the scan length function changes according to the scan length L k that is a variable.
本例においては、補間法としてはラグランジェ補間法を用い、特定の走査番号kとして、9(=m)個の走査番号kを1〜nの間で等間隔に設定した。mの値は、適宜設定可能であるが、本例で用いた滑降シンプレックス法では、一般的に変数が比較的に少ない場合、例えば10個程度以下の場合に有効とされているため、m=9としている。mの値は、式(1)を最適化するアルゴリズムに適した個数に設定することが好ましい。 In this example, a Lagrange interpolation method is used as the interpolation method, and 9 (= m) scan numbers k are set at equal intervals between 1 and n as specific scan numbers k. Although the value of m can be set as appropriate, the downhill simplex method used in this example is generally effective when the number of variables is relatively small, for example, about 10 or less. Nine. The value of m is preferably set to a number suitable for the algorithm for optimizing equation (1).
走査長Lkについては、上限値Lupperと下限値Llowerが第4の制約条件としてさらに与えられる。上限値Lupperは、TOF製造装置20による加熱走査の機械的な限界として設定される。下限値Llowerは、トーチ28の炎の有限幅を考慮したものである。この例では、上限値Lupperは40000μm、下限Llowerは400μmである。
For the scanning length L k , an upper limit value Lupper and a lower limit value Llower are further given as the fourth constraint condition. The upper limit value Lupper is set as a mechanical limit of heating scanning by the
加熱回数nは、次の式(12)に基づいて求めることができる。式(12)中の値rwは、最終的に作製するテーパウエスト部11の目標のファイバ半径であり、値r0は、上記の仮想的な微小領域S0のファイバ半径であり、TOF10の製造に用いる光ファイバ14のファイバ半径Rと同じである。なお、式(12)は、上記式(6)の関係に基づいて導き出せる。
The number of times of heating n can be obtained based on the following equation (12). The value r w in the equation (12) is the target fiber radius of the tapered
次にTOF製造装置20の作用について説明する。TOF10を製造する場合には、製造に用いる光ファイバ14の両端を一対のクランプ26に把持する。続いて、光ファイバ14のファイバ半径R、伝搬定数β1,β2、テーパウエスト部11の目標とするファイバ半径rwや、最適化係数Fをパラメータとして演算部25に設定する。テーパウエスト部11の目標とするファイバ半径rwとしては、例えばシングルモードで導波するのに必要なファイバ半径を入力する。TOF10全長Xと透過率(損失)との関係は、入力した最適化係数Fによって決まるため、ファイバ半径rkやテーパ角θkに関するプロファイル等の詳細な情報を入力する必要はない。なお、テーパウエスト部11をシングルモードで導波させる場合には、ファイバ半径rwを、カットオフ条件を満たしてシングルモードで導波するファイバ半径以下とする。
Next, the operation of the
パラメータの設定が完了すると、演算部25は、設定されたパラメータと、光ファイバ14のファイバ半径r0(=R)及びテーパウエスト部11のファイバ半径rwとから、式(12)に基づいて走査回数nを決定する。滑降シンプレックス法により式(1)を最適化するための演算を行う。設定された最適化係数Fが代入された第1の制約条件、及び第2〜第5の制約条件の下で式(1)が最適化されて、1番目〜n番目の加熱走査についての走査長L1〜Lnが求められる。第1の制約条件を加えているため、走査長Lkの自由度が十分に抑えられており、演算部25の演算は短い。なお、式(1)に滑降シンプレックス法を適用するにあたって、初期値として与える特定の9個の走査番号kに対応する走査長Lkによって異なる走査長L1〜Lnが求められる場合があるので、複数組の初期値を与えて、初期値ごとに式(1)の最適化を行って得られる走査長L1〜Lnのうちから、最適な1組の走査長L1〜Lnを選択してもよい。
When the parameter setting is completed, the
演算部25は、求めた走査長L1〜Lnをコントローラ21にセットする。コントローラ21は、トーチ28の点火後、光ファイバ14の長手方向に速さV2でトーチ28の移動を開始して、1回目の加熱走査を行う。この1回目の加熱走査では、走査長L1だけトーチ28が移動する。1回目の加熱走査の開始と同時に、光ファイバ14の長手方向に一対のクランプ26が互いに離れる方向に速さV1で移動を開始する。以降は、図3に示される形成モデルを用いて説明したように、2〜n回目の加熱走査が順次に行われる。
The
そして、1〜n回目の加熱走査の間には、加熱で軟化した光ファイバ14が一対のクランプ26の移動で引っ張られる。このため、トーチ28の走査方向の一方の下流端には、ファイバ半径が順次漸減する微小領域S2,S4,・・・が順次に形成されるようにしてテーパ遷移部12が形成される。また、走査方向の他方の下流端にも、やはりファイバ半径が順次漸減する微小領域S3,S5・・・が順次に形成されるようにしてもう1つのテーパ遷移部12が形成される。そして、これら一対のテーパ遷移部12の間には、テーパウエスト部11が形成される。なお、トーチ28の炎の幅が走査長Lkの下限値Llowerに比べて無視できない大きさの場合では、上述のように加熱走査を追加して光ファイバ14を延伸し、所望のファイバ半径のテーパウエスト部11を形成する。
During the 1st to nth heating scans, the
上記のようにして製造されたTOF10は、クランプ26から取り外される。製造されたTOF10は、式(1)及び式(2)に基づいて決められた走査長L1〜Lnによる1回目〜n回目の加熱走査で製造されているので、損失が抑えられ、かつ全長Xが短くなっている。
The
この例では、加熱走査のためにトーチ28を移動させているが、トーチ28を固定しておき、光ファイバ14の長手方向に移動部22,23を一体に移動させてもよい。また、光ファイバ14を引っ張る際には、移動部22,23の一方を固定しておき他方だけを移動させてもよい。さらに、延伸工程として、加熱走査工程と引っ張り工程とを同時に行う例について説明したが、例えば1回あるいは複数回の加熱走査からなる加熱走査工程ごとに引っ張り工程を行って、光ファイバを延伸してもよい。この場合には、そのような手順でのTOF10の形成モデルに基づいて、作製されるTOF10の全長を求める式を導出すればよい。
In this example, the
[実施例1〜4]
実施例1〜4では、TOF製造装置20により、TOF10を作製した。実施例1〜4では、最適化係数Fが異なる他は、同じ条件でTOF10を作製した。実施例1では、最適化係数Fを0.2とした。また、実施例2では、最適化係数Fを0.4とし、実施例3では0.6,実施例4では0.8とした。
[Examples 1 to 4]
In Examples 1 to 4, the
光ファイバ14としては、市販のステップインデックス型シングルモードの(Thorlabs製,SM800)を用いた。この光ファイバ14の波長852nmに対するコアの屈折率は1.4574、クラッドの屈折率は1.4525である。また、コアの半径は2.4μm、クラッドの半径(=R)は62.5μmである。
As the
走査長Lkの演算では、複数組の初期値を与えて、初期値ごとに式(1)を滑降シンプレックス法で最適化した。そして、得られる10組の走査長L1〜Lnのうちから、最適な1組を選択したものを用いた。 In the calculation of the scanning length L k , a plurality of sets of initial values were given, and Equation (1) was optimized by the downhill simplex method for each initial value. Then, from among the 10 sets of scanning length L 1 ~L n obtained, was used to select the optimal set.
第1の制約条件では、断熱基準角Ω(r)については、コア、クラッド、及び空気からなる3層構造を考慮して、波長852nmに対して計算したものを用いた。この計算された断熱基準角Ω(r)のグラフを図5に示す。第4の制約条件における上限値Lupperを40000μm、下限値Llowerを400μmとした。第5の制約条件については、上記のように計算された断熱基準角Ω(r)に基づいて、特定ファイバ半径を4μmとした。このような制約条件の下で、演算により得られる4種類の最適化係数Fについての走査長Lkのプロファイルを図6に示す。 In the first constraint, a heat insulation reference angle Ω (r) calculated for a wavelength of 852 nm was used in consideration of a three-layer structure including a core, a clad, and air. A graph of the calculated adiabatic reference angle Ω (r) is shown in FIG. In the fourth constraint condition, the upper limit value Lupper was set to 40000 μm, and the lower limit value Llower was set to 400 μm. With respect to the fifth constraint condition, the specific fiber radius was set to 4 μm based on the adiabatic reference angle Ω (r) calculated as described above. Under such constraint, it shows the profile of a scanning length L k of the four types of optimization factor F obtained by the calculation in FIG.
また、テーパウエスト部11がシングルモードで導波するのに必要なファイバ半径(≦300nm)を得るために、加熱走査される回数を多くした。具体的には、実施例1〜4について当初の最適化の演算で用いた走査回数nは、いずれも288回であるが、テーパウエスト部11を必要なファイバ半径とするために、288回の加熱走査の後に、加熱走査を追加した。追加した加熱走査は、光ファイバ14を透過した光の透過光強度の振動の消失によってテーパウエスト部11がシングルモードでの導波になることが確認されるまで繰返し行った。光ファイバ14の透過光強度の測定は後述する。
Further, in order to obtain a fiber radius (≦ 300 nm) necessary for the tapered
TOF製造装置20は、クラス100000のクリーンフード内に設置して、TOF10の作製を行った。移動部22,23は、ステッパーモータで駆動される直動ステージ(駿河精機株式会社製,KX1250)上にファイバクランプ(Thorlabs製,T711/M250)を取り付けたものとした。これらファイバクランプで光ファイバ14の両端を把持した。引っ張り速さV1は、15μm/秒とした。
The
トーチ28としては、ステンレス鋼製のものであり、ノズル内径が135μmの1つ穴のものを用いた。トーチ28には、純粋な水素ガス(酸素を予混合していないもの)を供給し、このガス流量を10mL/分に調整した。ガス流量の調整には、精密ニードルバルブ付流量計(コフロック株式会社製,RK1250)を用いた。また、トーチ28は、ステッパーモータで駆動される直動ステージ上に取り付け、走査速さV2を750μm/秒とした。
The
実施例1〜4について作製されるTOF10のテーパ角θとファイバ半径rとの計算上の関係を図7に示す。なお、図7では、テーパ角θとファイバ半径rとの計算上の関係を実線で示し、それぞれ対応する最適化係数Fを付してある。なお、破線で示す曲線は、断熱基準角Ω(r)と、断熱基準角Ω(r)に最適化係数Fを乗じた最適化上限角(0.2Ω,0.4Ω,0.6Ω,0.8Ω)を示している。
FIG. 7 shows the calculational relationship between the taper angle θ of the
実施例1〜4では、それぞれ5本のTOF10のサンプルを作製し、各サンプルの透過率を測定した。透過率の測定のために、出力波長が852nmのレーザダイオードからの光をビームスプリッタで分割し、ビームスプリッタの99%出力ポートを、クランプ26に把持されている光ファイバ14の一端に溶融接続した。また、ビームスプリッタの1%出力ポートからのレーザ出力に基づいてレーザダイオードの出力をフィードバック制御し、出力を±0.1%以内に安定させた。光ファイバ14の他端をフォトディテクタ装置(自作)に接続し、TOF10の透過光強度(透過率)を製造段階から完成時まで継続的に測定した。
In Examples 1 to 4, five TOF10 samples were prepared, and the transmittance of each sample was measured. In order to measure the transmittance, light from a laser diode having an output wavelength of 852 nm was split by a beam splitter, and a 99% output port of the beam splitter was melt-connected to one end of the
完成したTOF10の各サンプルの透過率を図8に示す。実施例1〜3(F=0.2,0.4,0.6)の各サンプルの透過率については、拡大して図9に示す。なお、透過率における相対誤差は±0.1%であり、これは測定に用いたレーザ出力の安定性に依存するものである。最適化係数Fが0.2のTOF10のサンプルと、最適化係数Fが0.4のTOF10のサンプルとでは、透過率に顕著な違いはない。これは、実施例1,2のTOF10において、基本モードと高次モードとの結合による損失が十分に抑制されているためと考えられる。また、これらのサンプルでは、外因性の損失が支配的になっているものと考えられる。
The transmittance of each sample of the completed
実施例2の全長、透過率を表1に示す。なお、TOF10の全長は、SEM(Scanning Electron Microscope、走査型電子顕微鏡)で測定した5本のサンプルの全長の平均値とした。また、透過率についても5本のサンプルの透過率の平均値とした。なお、表1には、実施例1,3,4についてのTOF10の全長の予想値を括弧付で示す。TOF10の全長の予想値は、形成モデルから計算されるTOF10の全長に、追加した加熱走査で延伸されたTOF10の長さの増加分の予想値を加えた値とした。長さの増加分の予想値は、F=0.4とした場合の形成モデルから計算された全長(19mm)と、実施例2によって作製されたTOF10の実測値(23)mmとの差を用いた。
Table 1 shows the total length and transmittance of Example 2. The total length of the
また、TOF10の各サンプルのうち実施例2(F=0.4)の1本のサンプルついて、その形状をSEMを用いて測定した。測定したTOF10のサンプルの形状を図10に示す。図10では、横軸がTOF10の長手方向(延伸方向)の距離であり、縦軸がファイバ半径である。横軸に示される距離は、長手方向におけるTOF10の中心からの距離である。また、図10には、作製されるTOF10の計算上の形状を実線で示してある。さらに、上記実施例2(F=0.4)の1本のサンプルついて、測定したファイバ半径とテーパ角との関係を図7中に●印で示す。
Moreover, the shape of one sample of Example 2 (F = 0.4) among each sample of TOF10 was measured using SEM. The shape of the measured sample of TOF10 is shown in FIG. In FIG. 10, the horizontal axis represents the distance in the longitudinal direction (stretching direction) of the
[比較例1,2]
比較例1として、テーパ遷移部のテーパ角が一定なTOFを作製し、比較例2として、ファイバ半径が指数関数的に変化するTOFを作製した。比較例1,2についても、5本のサンプルのTOFをそれぞれ作製した。比較例1,比較例2では、TOF製造装置20を用い、それぞれのTOFの形状を形成すべく、トーチ28の走査長や引っ張り速さV1、走査速さV2等を調整した他は、実施例1〜4と同じである。
[Comparative Examples 1 and 2]
As Comparative Example 1, a TOF with a constant taper angle at the taper transition portion was produced, and as Comparative Example 2, a TOF with an exponential change in fiber radius was produced. For Comparative Examples 1 and 2, five samples of TOF were prepared. In Comparative Example 1 and Comparative Example 2, except that the
比較例1では、テーパ遷移部のテーパ角を2mradとし、テーパウエスト部については、ファイバ半径の変化が指数関数形状となるようにした。なお、テーパウエスト部の長さは400μmである。比較例2では、テーパウエスト部は、ファイバ半径の変化が減衰定数3mmの指数関数形状とした。比較例1,2について作製されるTOFのテーパ角θとファイバ半径rとの計算上の関係を、二点鎖線,一点鎖線で図7に示す。比較例1のTOFのグラフには「2mrad」を,比較例2のTOFについては「exp」を付してある。また、比較例1のTOFのサンプルの1本について測定したファイバ半径とテーパ角との関係を図7中に□印で示す。 In Comparative Example 1, the taper angle of the taper transition portion was set to 2 mrad, and the change in the fiber radius was an exponential function shape for the taper waist portion. In addition, the length of the taper waist part is 400 μm. In Comparative Example 2, the taper waist portion has an exponential function shape in which the change in fiber radius is an attenuation constant of 3 mm. The calculational relationship between the taper angle θ of the TOF produced for Comparative Examples 1 and 2 and the fiber radius r is shown in FIG. 7 by a two-dot chain line and a one-dot chain line. “2 mrad” is attached to the TOF graph of Comparative Example 1, and “exp” is attached to the TOF of Comparative Example 2. Further, the relationship between the fiber radius and the taper angle measured for one TOF sample of Comparative Example 1 is indicated by □ in FIG.
比較例1,2の各サンプルについて測定した透過率を図8に示し、比較例1のサンプルの透過率については図9にも示す。また、比較例1のTOFのサンプルの形状をSEMで測定した結果を図10に示す。さらに、比較例1,2のTOFの全長、透過率を上記表1に示す。なお、比較例2のTOFの全長は、実施例1等と同様に予想値である。 The transmittance measured for each sample of Comparative Examples 1 and 2 is shown in FIG. 8, and the transmittance of the sample of Comparative Example 1 is also shown in FIG. Moreover, the result of having measured the shape of the sample of TOF of the comparative example 1 with SEM is shown in FIG. Further, the total length and transmittance of the TOFs of Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 1 above. The total length of the TOF of Comparative Example 2 is an expected value as in Example 1 and the like.
実施例1,2のTOF10は、その透過率が極めて高く、すなわち損失が極めて小さくなっているにもかかわらず、その全長Xは、ほぼ同じ透過率となる比較例1のTOFよりもかなり短くなっている。また、実施例3のTOF10は、全長Xは比較例1のTOFの全長の1/3に満たないにもかかわらず、透過率は比較例1に比べて僅かに低いだけである。実施例1〜3のTOF10の透過率は、比較例2に比べてかなり高いが、全長Xは比較例2と同等もしくは比較例2よりも十分に短くなっている。実施例4のTOF10は、例えば比較例1,2のTOFに比べて全長Xがかなり短くなっているが、それでもなお損失が抑えられているため80%以上の透過率を有している。
Although the
10 テーパ光ファイバ
11 テーパウエスト部
12 テーパ遷移部
14 光ファイバ
21 コントローラ
25 演算部
28 トーチ
Lk 走査長
rk ファイバ半径
θk テーパ角
10 tapered
Claims (4)
光ファイバに対する加熱位置を前記光ファイバの長手方向に沿って所定の走査長で移動する加熱走査を行うことにより加熱された前記光ファイバを長手方向に引っ張ることによって延伸する延伸工程と、
前記延伸工程に先立って行なわれ、テーパ光ファイバの局所的なファイバ半径をr、テーパ角をθとし、また前記ファイバ半径rについての断熱基準角をΩ(r)、最適化係数Fを0<F<1としたときに、θ<F・Ω(r)を満たし、かつ前記テーパウエスト部と前記一対のテーパ遷移部との長さの合計Xを最小にする前記各加熱走査の前記走査長をそれぞれ求める走査長決定工程と
を有することを特徴とするテーパ光ファイバの製造方法。 In the method for manufacturing a tapered optical fiber, a pair of tapered transition portions are formed at both ends of the tapered waist portion, and the fiber diameter of the tapered transition portion gradually decreases toward the tapered waist portion.
A stretching step of stretching the optical fiber heated in the longitudinal direction by performing a heating scan that moves the heating position with respect to the optical fiber at a predetermined scanning length along the longitudinal direction of the optical fiber;
Prior to the drawing step, the local fiber radius of the tapered optical fiber is r, the taper angle is θ, the adiabatic reference angle for the fiber radius r is Ω (r), and the optimization factor F is 0 <. When F <1, the scanning length of each heating scan satisfies θ <F · Ω (r) and minimizes the total length X of the tapered waist portion and the pair of tapered transition portions. A method of manufacturing a tapered optical fiber, comprising: a scanning length determining step for obtaining each of
前記走査長決定工程は、kを1〜nとして、k回目の加熱走査の走査長をLkとし、また2以上のkについてk回目の加熱走査で形成されるテーパ光ファイバの局所的なファイバ半径rをrk,テーパ角θをθkとしたときに、前記長さの合計Xを式(I)により求め、テーパ角θkを式(II)に基づいて求めることを特徴とする請求項1に記載のテーパ光ファイバの製造方法。
The scanning length determining step, a k as 1 to n, the scanning length of the k-th heat scan and L k, also 2 or more tapered optical fiber which is formed by the k-th heat scan for k local fiber When the radius r is r k and the taper angle θ is θ k , the total length X is obtained from the equation (I), and the taper angle θ k is obtained based on the equation (II). Item 2. A method for manufacturing a tapered optical fiber according to Item 1.
複数個の特定のkに対応する走査長Lkを最小化する際の変数とし、残りのkに対応する走査長Lkについては、前記特定のkと対応する走査長Lkとの複数の組み合わせに基づいて決まる前記関数の値とすることを特徴とする請求項2に記載のテーパ光ファイバの製造方法。 In the scanning length determination step, the scanning length L k is a function represented by a high-order polynomial with k as a variable,
The scan length L k corresponding to a plurality of specific k is used as a variable when minimizing, and the scan length L k corresponding to the remaining k is a plurality of scan lengths L k corresponding to the specific k. The method of manufacturing a tapered optical fiber according to claim 2, wherein the value of the function determined based on a combination is used.
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