JP2004518157A - 光ファイバまたは導波路用のレーザ切断方法および装置 - Google Patents

Abstract

レーザビームによって光ファイバまたは導波路の一部を切断するための切断方法および装置が提供される。ここで提案する切断作用は、予め定められた非対称強度分布を有するように生成されたレーザビームの鋭い切断エッジを利用する。実施では、所定の量のビーム分布をファイバまたは導波路の部分に当ててこの部分を除去または蒸発させ、当たりに依存してこの部分での切断を行なう。切断の際、ファイバまたは導波路にわたるレーザビームの並進は行なわれない。ここで提案する切断動作は従来の切断技術に対して明らかな利点を有し、多くの光ファイバまたは導波路の用途に対して使用可能である。たとえばここで提案する切断動作は、実質的に平らな光ファイバもしくは導波路の表面を、または光ファイバもしくは導波路の部分の端部に品質の向上したレンズをもたらすことができる。

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明はレーザ切断方法および装置に関し、より特定的に、光ファイバおよび光導波路への応用におけるレーザを利用した切断方法および装置に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
この発明が関係する先行技術について以下３部に分けて説明を行なう。すなわち、（１）光ファイバおよび光導波路の機械的劈開の公知の技術、（２）光ファイバにレンズ形状を生じさせるための公知の技術、および（３）レーザによって光ファイバを切断するための公知の技術、の３部である。
【０００３】
１．光ファイバおよび導波路の機械的劈開
添付の図面の図１で典型的な光ファイバの構造を示す。光ファイバ通信におけるいくつかの用途では、光ファイバまたは導波路の中へ、またはここから光を結合することが必要である。しばしばこれは連結されたファイバを用いて達成され、ここでファイバはフェルール内に取付けられてから研摩され、こうして光学品質表面がもたらされ、ファイバの端部はフェルールの端部とほぼ同じ高さにある。しかし他の用途ではファイバは連結されない。このような場合、光ファイバの端部を加工するにはファイバの機械的劈開が一般に受け入れられた技術である。このことは、機械的または融着接続に先立ちファイバの端部を加工する必要がある際にも当てはまる。
【０００４】
機械的劈開は、ファイバの周辺に基準となる応力集中マークを（典型的にダイヤモンドブレードで）生じさせ、次にマークからファイバを折ることに関する。正しく実行されれば、これによって最も重要なコア領域を含んでファイバの端部の大部分にわたって高品質の平らな表面が得られる。
【０００５】
多くの用途で、ファイバまたは導波路の端面からファイバまたは導波路へ戻る光反射を最小限にすることが必須である。これを達成するためには、（図１に示すように）ファイバまたは導波路の端面に或る角度を付け、こうして後方反射光がコアから離れて反射されるようにすることがある。角度が大きくなれば、ファイバまたは導波路のコア内へ戻って結合される光は少なくなる。典型的には６°〜８°の角度が用いられるが、これらの角度は大量生産で或る程度の信頼性でもって得ることができる限界に近いものである。
【０００６】
しかしながら、光学電子機器の構成要素の密度増加に対する関心の中、光を垂直方向に（すなわちチップの平面に対して平行でなくその法線上に、図２（ａ）および（ｂ）を参照）放射するレーザ光源が開発されつつある。光をこれら光源から光ファイバまたは導波路へ結合することは、従来の技術にとっては難問であるが、図２（ｂ）に示すようにファイバまたは導波路に対しておよそ４５°で劈開された端面からの全内部反射を用いることで達成することができる。
【０００７】
機械的劈開にはいくつかの不都合および限界がある。第１に、劈開（切断）されたファイバのコーナには極めて鋭い端縁が生じてしまう。これら端縁は、特にファイバを別の構成要素内に長手方向に挿入する場合、取扱い時に損傷を受けやすい。
【０００８】
場合によっては、ファイバの先端を炎の中に導入するなど２番目のプロセスによって、これら鋭い端縁が取除かれる。
【０００９】
第２に、機械的劈開が達成できる角度の範囲は限られている。劈開プロセス中にファイバに対して（ファイバを撚る、または剪断応力を適用することにより）応力をかけることに依存する機器は、その結果として劈開端部に或る角度を付けるが、実際にはこれは＜１０°に制限される。ファイバまたは導波路の端面からの反射によって光を垂直放射レーザからファイバまたは導波路へ結合（図２を参照）するために必要な４５°に近い角度を達成することはできない。さらに劈開の角度の再現性は多くの用途で求められるものよりも小さく、大量生産時に、±０．２°が求められることがあるにもかかわらず、±０．５°を維持することすら困難である。
【００１０】
第３に、機械的劈開はその動作のためには、極めて鋭いブレードを含む精密可動部に依存するため、摩耗および調整不良が生じやすく、このため大量生産にとって理想的であるよりも多くの再調節およびやり直しが必要となる。
【００１１】
第４に、クリーバとファイバとのこのような精密および密接な接触を含む機械的劈開プロセスは、本来的に自動化が困難である。このような非自動化プロセスでは、大量生産のためにかなりの人的資源が必要となり、歩留りはオペレータの技能に依存するため、生産のばらつきが生じる。
【００１２】
第５に、機械的劈開に関与する機材のサイズは、他の対象のすぐ近くでの劈開が不可能であることを意味する。たとえば劈開は一般に、フェルール（ｆｅｒｒｕｌｅ）またはコネクタから約１０ｍｍよりも近くで行なうことはできない。
【００１３】
さらに機械的劈開は、±２μｍ以下の許容差が必要とされるリボンファイバに必要な、ファイバ間の切断長さの極めて厳しい許容差を満たすことができない。
【００１４】
２．光ファイバおよび導波路でのレンズ形状の生成
データ通信量の増加に伴い、光通信システムの性能に対する需要がますます増大している。これらの需要には、容量、帯域幅、および増幅器または中継器間の距離が含まれる。
【００１５】
上記の目的を達成するのに重要なのはシステム全体の効率の最大化である。これによって消費電力が減少、および／または使用される増幅器／中継器の数の減少が可能となるばかりでなく、廃熱の減少、したがって構成要素の熱負荷の減少がもたらされる。これにより、必要となる熱管理機材が少なくなり、構成要素の実装をより密にすることができ、作動中の機器をより低い温度で動作させることができるが、このことは構成要素の寿命に対してかなりの有益な影響を及ぼす。
【００１６】
リード線付送信機（ｐｉｇ−ｔａｉｌｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）またはポンプレーザにおける非能率の１つの大きな原因は、放射されたレーザパワーの、取付けられたファイバに対する結合である。ここでの問題は、レーザダイオードからの発散光学出力を、光ファイバまたは導波路の（通常は）円形で対称のコアに結合することである。レーザダイオードの有効光源サイズは数ミクロンであり、２つの直交する次元において異なったビーム発散がある。光ファイバまたは導波路のコアの直径は、単一モードのファイバまたは導波路の場合には３μｍから２０μｍの間となり、または多重モードのファイバまたは導波路の場合には６２μｍまたはそれ以上に達し得る。
【００１７】
光源からファイバまたは導波路への光伝達は、図２（ｃ）に示す２つの構成要素間に挿入された微小光学系を用いて達成されることが多い。これら別個の構成要素の生産および整列、組立およびその後の永久固定は問題を孕んでいる。入手可能性および整列の容易さの理由から、レンズはしばしば球状で対称だが、非球状で非対称のレンズの方が優れた性能を発揮するであろうことは明らかである。
【００１８】
光ファイバまたは導波路の端部に直接レンズ形状を生じさせれば、追加の（整列された）構成要素への必要性を回避し、整列の困難さを減少させることができる。このようなレンズを製造するためのさまざまな技術が記載されてきており、これにはエッチング、選択的エッチング（クラッディングを選択的に取除いてからコアにエッチングを行なう）、研削、熱源（通常は電気アーク）の下でのファイバの引き寄せ、およびレーザ微細機械加工が含まれる。
【００１９】
レーザの手法には、速度、柔軟性および再現性に関していくつかの利点がある。
【００２０】
ＣＯ_２レーザを用いて、微細旋盤技法で光ファイバに対して機械加工を行なうことによってレンズ形状をもたらすことはいくつかの特許に記載されている（たとえば米国特許第４，７１０，６０５号、欧州特許第０ ３９１ ５９８ Ｂ号、欧州特許第０ ５５８ ２３０ Ｂ号を参照されたい）。これらの特許では、レーザはスポットに対して焦点を合わされ、次に回転しているファイバの端部にわたって走査され、このように従来の機械的旋盤と類似の機械加工技法が提供される。
【００２１】
この技法ではかなりの熱入力がファイバ内に導入される。その結果材料の逆流が生じ、これは表面張力効果の影響を受ける。最終的な結果として、細かいディテールが平らにされ、傾向として平らに湾曲した最終的に球状に近い表面が得られる。このことはこれら特許の目的にとって、（球状の場合を想定すれば）１０μｍを超える先端半径を有する比較的なだらかに湾曲するレンズを生産する際には大部分有益な現象である。しかし１０μｍ未満の半径の生産は、微小旋盤技術では問題的である。
【００２２】
さらに、実際にはこの技術は比較的低速（ファイバ当り１５秒のオーダ）であり、さらにファイバを「フレア化する（ｆｌａｒｅ）」傾向があり、こうして図３（ａ）に示すようにファイバの外径（ＯＤ）が、局所的に公称の１２５μｍを超えて増大する。このことは、ファイバをＶ溝（図３（ｂ））の中に置いて、作動中の機器（たとえばレーザ光源）に対してファイバを受動的に整列させることが望まれている場合には重大な不都合である。このような用途では、整列の許容差は典型的に０．３μｍのオーダであり、したがって１μｍレベルのフレア化すらかなりの不利な影響を及ぼす。
【００２３】
加えて、上述のプロセスにおけるかなりの熱入力の結果として、ファイバのコア、したがって活性領域を定める、不純物が拡散するおそれがある（図４を参照）。このコア拡散はレンズの光学性能に不利な影響を及ぼし得る。
【００２４】
さらに、このかなりの熱入力により、偏光保持（ＰＭ）ファイバを機械加工する際に重大な問題が生じるおそれがある。ＰＭファイバは典型的に、ファイバ内部に異なったまたは不純物を添加された材料の、非対称に配置された挿入物を有し、これによって応力方向、したがってＰＭ軸を提供する。この異なる材料は一般に周囲の石英に対して異なる熱特性を有し、具体的には、この材料は異なった（通常はより低い）温度で溶融および再凝固する。微小旋盤がそうするようにレーザによるレンズ形成プロセスがかなりの溶融領域をもたらす場合、異なった時間に再凝固するファイバの端面の異なった部分の影響により、全体の表面の形が激しく歪められるおそれがある。
【００２５】
３．レーザによる光ファイバの切断
レーザを用いた光ファイバの切断もまた記載されている。米国特許第５，４２１，９２８（サイコア・コーポレーション（Ｓｉｅｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ））には、焦点を合わされたレーザビームを用いて、研摩に先立ちフェルールから突き出ている過剰の光ファイバを切断する方法が記載されており、欧州特許第０ ９８７ ５７０ Ａ号（ザ・ホワイトエイカー・コーポレーション（Ｔｈｅ Ｗｈｉｔａｋｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ））には、焦点を合わされたレーザビームをファイバにわたって並進させ、ファイバを漸進的に切断するプロセスが記載されている（類似の技術が米国特許第４，９３２，９８９号にも記載されている）。
【００２６】
【発明の目的および概要】
この発明の主な目的は、上述の問題のうち少なくともいくつかを克服、または少なくとも相当程度減少させることである。
【００２７】
この発明の目的はさらに、光ファイバおよび光導波路への応用に対する作業の際に、精密で信頼性が高く再現性がある、改良されたレーザ切断方法を提供することである。
【００２８】
この発明の目的はさらに、可動部を用いず、かつ実行可能な最小のレーザサイズを用いた、ファイバのレーザ機械加工の単純で強固かつ経済的な手法を提供することである。
【００２９】
さらにこの発明の別の目的は、改良されたレーザ切断方法であって、もたらされる溶融したファイバまたは導波路材料の体積の減少、熱伝導／拡散効果を実質的に防ぐような少ない相互作用時間、ファイバまたは導波路の小さい端部フレア、鋭い切断作用、および切断すべきファイバ部分または導波路における高い局所レーザ強度、の中から１つ以上を達成することができる、レーザ切断方法を提供することである。
【００３０】
さらにこの発明の別の目的は、光ファイバまたは導波路にレンズを形成する、精密で信頼性が高い改良された方法であって、低い熱伝導／拡散効果、ファイバまたは導波路材料でのレーザの低い光学吸収深度、鋭く湾曲したレンズ形状（たとえば狭いレンズ先端半径）、ファイバまたは導波路材料の高速処理、ファイバまた導波路の小さい端部フレア、および少ないコア拡散、の中から１つ以上を制御可能な態様で達成することができる、方法を提供することである。
【００３１】
一般的にこの発明は、その局面の１つにおいて、予め定められたレーザビーム強度プロファイルの鋭い切断エッジを利用する概念に存し、こうして選択された光ファイバまたは導波路材料の除去および蒸発が制御可能となり、このような除去および蒸発によって、上述の目的を満たす種類の切断動作を行なうことが可能となる。
【００３２】
したがって、この発明の第１の局面に従うと、定常レーザビームで光ファイバまたは導波路の或る部分を切断する方法が提供され、この方法は、１つの次元においてファイバまたは導波路の幅を超過する予め定められた強度分布を有するレーザ光のビームを生成するステップと、前記ビーム分布を、光ファイバまたは導波路の或る部分に対して整列させることにより、予め定められたレベルの強度を超過する量の前記ビームを、切断すべき前記部分に当てるステップと、前記部分を、前記部分に対する前記ビームの当たりに依存して切断するステップとを含み、これによって品質の向上した実質的に平らな光ファイバまたは導波路表面が形成される。
【００３３】
この発明の第２の局面に従うと、定常レーザビームで光ファイバまたは導波路の端部にレンズを形成する方法が提供され、この方法は、予め定められた強度分布を有するレーザ光のビームを生成するステップと、前記ビーム分布を、光ファイバまたは導波路の端部に対して整列させることにより、予め定められたレベルの強度を超過する量の前記ビームを前記端部に当てるステップと、前記端部を、前記端部に対する前記ビームの当たりに依存して切断するステップとを含み、これにより光学品質の向上したレンズが前記端部に形成される。
【００３４】
この発明はさらに、上記の方法を実行するように適合および配置された装置も包含し、前記装置は、予め定められた強度分布を有するレーザ光のビームを生成するための手段と、前記ビーム分布を、光ファイバまたは導波路の或る部分に対して整列させることにより、予め定められたレベルの強度を超過する量の前記ビームを、切断すべき前記部分に当てるための手段と、前記部分を、前記部分に対する前記ビームの当たりに依存して切断するための手段とを含み、これにより品質の向上した光ファイバまた導波路表面、たとえば実質的に平らな光学表面または前記部分における品質の向上したレンズが形成される。
【００３５】
さらに別の局面でこの発明は、予め定められたレーザビーム強度プロファイルの所望の鋭い切断エッジをもたらすためにレーザビームの焦点合わせ以外の手段を利用する概念に存し、これにより上記の目的を満たす種類の切断動作を行なうことが可能となる。
【００３６】
より具体的には、この発明のこの局面に従うと、レーザビームで光ファイバまたは導波路の或る部分を切断する方法が提供され、この方法は、焦点合わせ以外により、予め定められた強度分布を有するレーザ光のビームを生成するステップと、前記ビーム分布を、光ファイバまたは導波路の或る部分に対して整列させることにより、予め定められたレベルの強度を超過する量の前記ビームを、切断すべき前記部分に当てるステップと、前記部分を、前記部分に対する前記ビームの当たりに依存して切断するステップとを含む。
【００３７】
この発明のこの局面はさらに、上記の方法を実行するように適合および配置された装置を包含し、前記装置は、焦点合わせ以外によって、予め定められた強度分布を有するレーザ光のビームを生成するための手段と、前記ビーム分布を、光ファイバまたは導波路の或る部分に対して整列させることにより、予め定められたレベルの強度を超過する量の前記ビームを、切断すべき前記部分に当てるための手段と、前記部分を、前記部分に対する前記ビームの当たりに依存して切断するための手段とを含む。
【００３８】
好都合なことに、レーザビームの焦点合わせ以外の手段を利用することで、切断プロセスに好適な高強度のレーザ切断ビーム分布をもたらすことができる。この関連で、生成された所望のビーム分布は、光学干渉、結像もしくは回折、またはこれら技術を組合せたものによって形成され得る。
【００３９】
以上のことから、この発明の上記の局面の方法および装置は、公知の切断方法および装置に対して明らかな利点を有することが認められるであろう。たとえば、この発明の方法および装置は機械的劈開（切断）の手法の限界に対処する。
【００４０】
より具体的には、第１に、この発明のレーザ切断動作によって、丸みがあり、したがってより丈夫な、ファイバまたは導波路のコーナがもたらされる。
【００４１】
第２に、切断／劈開の角度は、ファイバまたは導波路と切断レーザビームとの間の単純な幾何学的考慮によって支配されるため、大きな角度（少なくとも＞４５°）に達することが可能である。さらに、切断／劈開角度の再現性はこの幾何学的配置の再現性を反映しており、機械的カッター／クリーバにより得られる±０．５度の再現性を容易に上回り、さらには或る用途において指定される±０．２度の再現性を上回ることもできる。
【００４２】
第３に、レーザの手法は非接触のプロセスであるため、摩耗したり調整不良になるような、ブレードまたは機械的応力のかかる可動部がない。
【００４３】
第４に、この発明のレーザ切断動作が非接触であるため、本来的に、ファイバまたは導波路の自動化された投入および取出しに対して好適である。
【００４４】
第５に、切断がレーザビーム自体によって実行され、機材が切断点から離れているため、他の構成要素に極めて近いところ、多くとも＜１μｍに切断を位置付けることができる。
【００４５】
第６に、精密ステッピング方法であって、それによって切断ビームをリボンにおけるファイバ間で段階的に変化させて、ファイバ間の切断／劈開長さのばらつきを＜１μｍにすることができる、ステッピング方法が提供される。
【００４６】
さらに、この発明のレーザ切断では、従来のレーザ微小旋盤技法の望ましくない熱効果を減少させるように設計されたいくつかの技術が組合される。これらの技術には、上述のように、もたらされる溶融材料の体積を最小限にすること、相互作用時間全体を可能な限り短く保って熱伝導／拡散、およびファイバまたは導波路のフレア化を防止すること、材料におけるレーザ照射の光学吸収深度を最小限にすること、レーザビームにおいて実行可能な最も鋭い「切断エッジ」を用いること、および強め合う干渉を用いて局所的レーザ強度を高めて相互作用時間を短くすることが含まれる。
【００４７】
有利なことに、相互作用のすべての段階の際にもたらされる溶融材料の量を最小に保つことで、この溶融の体積の逆流という望ましくない効果が最小限にされる。これによってさらに、コア領域からクラッディングへのファイバまたは導波路の不純物の潜在的な移動（図４を参照）が最小限にされる。なお、レーザ相互作用時間を最少に保つことによって、レーザにより直接加熱される領域からファイバまたは導波路の他の部分への熱伝導が減少し、こうして全体的な熱の影響が減少する。
【００４８】
さらに、この発明のレンズ形成方法では、従来のレーザ微小旋盤技法に内在する望ましくない熱の影響を減少させるように設計されたいくつかの技術が組合せられ、こうして上述のように、より狭い先端半径、より高速の処理、ファイバのフレア化およびコア拡散の最小化、および偏光保持（ＰＭ）ファイバを扱うための能力の提供を達成することができる。さらにレーザビームを、たとえば欧州特許第０ ３９１ ５９８ Ｂ１号に記載されているような光ファイバ内へ、およびここを通じて動かす必要性が回避される。
【００４９】
この発明に関する上記およびその他の特徴は前掲の特許請求の範囲に特定的に記載され、以下にこれを、添付の図面に示す例示的な実施例を参照して説明される。
【００５０】
【実施例の詳細な説明】
図５は、品質の向上した光ファイバまたは導波路表面を形成するために、光ファイバまたは導波路の或る部分に対して、この発明の方法の切断動作がどのように行なわれるかを概略的な形で示す。具体的には、図に示すように、たとえばガウス強度分布１の形での予め定められたレーザ強度分布１のうち或る量１′を、ファイバまたは導波路材料３の区域２（切断すべき区域）に対して、これと整列して当て、こうしてファイバまたは導波路区域２を除去または蒸発させることによって、切断動作を行なう。さらに、ファイバ区域２に隣接するファイバ領域４は、当たりに依存してかなりのレベルの加熱を受け、領域４はファイバまたは導波路材料の蒸発点未満の適切に大きなレベルまで加熱される。
【００５１】
この発明のレーザ切断手順の利点は、従来の劈開技術で必要となるファイバ周辺におけるマークの生成、およびファイバの機械的破断を含まないことである。なおこの発明の方法では、蒸発領域２に隣接する溶融したファイバまたは導波路領域４の量を減少／最小化するために、レーザビームはファイバまたは導波路材料３の薄い層で吸収され、レーザビームプロファイル１は可能な限り最も鋭い切断「エッジ」を有するように準備される。
【００５２】
この発明の方法の実施では、ＣＯ_２レーザ（図示せず）を用いてレーザビームプロファイルを生成することが好ましく、ＣＯ_２レーザ波長を一般的な１０．６μｍでなく９．４〜９．８μｍとすることが有利であり、これによってファイバまたは導波路の石英での光学吸収をほとんど１桁分増大させることができ、その結果、これに対応して光学吸収深度が減少する。
【００５３】
次に図６を参照すると、対照として従来のレーザ切断配置が示され、ここでは、レーザの焦点合わせを用い加工物１０にカットを行なって加工物１０にレーザ「切込」をもたらし、次に、図６に示すようにレーザの焦点または加工物を動かしてこの切込を並進させ、狭い溝または切り目１１をもたらす。これは木工業における糸鋸の使用と類似のものである。しかしこの技法はかなりの熱入力をもたらすおそれがある。この発明はこの動作態様と原理的に異なり、切断の実行には非対称レーザビームプロファイルを用いる。これは木工業の類推では鑿の使用とより類似するものであり、結果としてはるかに急速なプロセスが得られ、熱の影響が大きく減少する利点がある。
【００５４】
非対称レーザビームを生成するための最も一般的な手法は、単一の円筒形の要素１５を光学縦列に組込むことであり、しばしば従来の円形対称（球状または非球状）の光学系１６が組合せられる。実際にこれは線フォーカスをもたらすが、図７（ａ）に示すように、ビームは直交する軸に沿って異なった軸位置１７，１８で焦点を合わされ、これによってもたらされる合焦強度は可能な限り高いものではない。より高い強度を達成するためには、円筒形の望遠鏡を用いて１つの次元においてのみレーザビームを拡大または縮小させることができる。図７（ｂ）の実施例に示すように、円筒形の望遠鏡２０は対称（球状または非球状）合焦光学系２２と組合せられ、その結果得られる、２本の軸での異なった開口数は、レーザ切断に対して理想的な単一の高強度線フォーカス２５をもたらす。さらに２本の直交する軸での焦点合わせは、この配置での伝播軸に沿った同じ位置にとどまるため、焦線での強度を最大限にすることができる。これにより最高の光学強度が得られ、ビームにおける最も鋭い「エッジ」が自由空間ガウスビーム伝播によって可能となり、さらに用いる相互作用時間を可能な限り最短にでき、これにより熱伝導および溶融深度が減少し、こうしてフレア化およびコア拡散が減少する。
【００５５】
この発明のレーザ切断は、予め定められた入射レーザパワー密度分布（図５も参照）のエッジを用いる適当な装置によって実行されることが認められる。マスクを用いてビームを開口に通すことによって、このエッジを、ガウス光学系が一般的に設ける限度を超えて鋭くすることができる。この結果、図８の１つの次元で示す、（回折構造２８′が加わってはいるが）より鋭いエッジを有するエアリータイプのパワー密度分布２８が得られる。図８には比較のためガウスパワー密度分布２７も示す。さらに、本質的に１次元幾何学的なレーザ切断は、２つの直交する次元で異なった特性を有するマスクが最も適当であることを意味する。図９に示す矩形のマスク３０を用いることが好ましい。いくらか変形した焦点分布を与える代替の可能性は、たとえばナイフエッジ３１など片面マスクを用いることであり、図９にはこの種のマスクも示す。
【００５６】
切断すべきファイバまたは導波路で局所的な強度をさらに最大限にするためには、部分的に劈開（切断）されたファイバまたは導波路がレーザビームを反射して、反射したビームがビームの反射されていない部分に強め合って干渉するような方向でレーザビームを伝播させることができる。この効果を図１０（ａ）および図１０（ｂ）で示す。こうして（完全な反射を想定すれば）局所的な振幅が２倍にされ、その結果局所的な強度では４倍の増加が得られる。このためには、レーザビームの偏光が切断面に対して（垂直でなく）平行であり、かつ、ビームの反射に対してπ（１８０°）の位相シフトが生じる臨界角度よりも、（表面の上の法線から測定した）入射角が小さいことが必須である。
【００５７】
有利なことに、ファイバまたは導波路に対する熱負荷は、レーザビームの切断エッジ以外のすべてが、使用されているファイバまたは導波路のそばを通過できるようにすることによって減少される。このことは、図１０（ａ）および図１０（ｂ）の上述の幾何学的配置に従ってレーザ切断を実行することで達成され、これに対して図１１（ｂ）（上面模式図）に示す代替的な技法では、レーザビーム伝播は紙の面の中へ向けられているものとして示される。有利なことに、ファイバまたは導波路に対する熱負荷はさらに、図１１（ａ）および図１１（ｂ）（底面模式図）の幾何学的配置を利用することによって減少され得る。これらの図面では、示されているように垂直に見て予備的なレーザカット３５，３５′（カット１）が、処理すべきファイバまたは導波路の部分３７，３７′に対して実行され、この後、１つ以上の後続のレーザカット３６，３６′が行なわれ、連続するカットの間では、ファイバまたは導波路の長手方向の軸に沿ってレーザビームとファイバまたは導波路との間に僅かな相対的動き（図示せず）がある。
【００５８】
この発明のレーザ切断手順は、可能な限り最も鋭い切断エッジを伴う高密度ビームを提供し、コア拡散およびファイバのフレア化を最小限にすること、およびファイバに対して最も正確な切断端部をもたらすことを可能にする利点がある。単純な焦点合わせではガウス強度分布が、達成できる限りあり得る最良の分布であるのに対して、この発明で用いられる強度分布は、有利なことに、焦点合わせ以外の手段によって、たとえば結像、光学干渉もしくは回折、またはこのような技術を組合わせたものによってもたらされ得ることが認められるであろう。さらにこの発明のレーザ切断は、生成されたレーザパワー密度分布の切断エッジを用いる適当な装置によって実行されることに注目されたい。
【００５９】
次に図１２を参照して、この発明の実施で用いられる有利なレーザ強度分布は、レンズ４１を用いて像平面に矩形のマスク４０を結像することによってもたらされ得る。図に示すように、この配置によってレーザビームの光学的縮小がもたらされ、これによって切断すべきファイバに対するレーザビームの局所的強度が増加する。したがってこの局面でこの発明は、従来の動作態様とは原理的に異なり、焦点合わせ以外の手段でもたらされる鋭い切断エッジを有するレーザビームプロファイルを用いて切断を実行する。これは木工の類推では鑿の使用に極めて類似し、結果としてはるかに急速のプロセスが得られ、こうして熱の影響が大きく減少する利点がある。
【００６０】
図１３は、図１２とは異なる、この発明で使用するためのマスク幾何学的配置を示す。より具体的には、図に示すように湾曲した形状の切り目４２を伴ったマスク幾何学的配置を用いてさまざまなレベルの光透過をもたらし、これによりレンズなどの特定の光学構造をファイバの端部に形成することができる。なお像（機械加工）平面での強度分布は対象（マスク）をレーザで照らす仕方によって変えられ、これは一様である必要はない。
【００６１】
図１４はこの発明の別の光学系の配置を示し、ここでは光学干渉を用いて所望の高い局所的強度をもたらす。図に示すように、古典的光学系におけるいわゆるロイドの鏡と類似の光学干渉配置５０が用いられる。この配置は、点／スリット光源５１とともに用いられて或る数の平行の縞５２を生じさせる。これを用いて、この発明の目的のために所望の高い局所的強度をもたらすことができる。レーザビームの発散（および／または有効な光源サイズ）の正しい制御によって、有利なことに光子の大部分が一番目の縞に集中させられ、より高次の縞で浪費されるエネルギはほとんどない。この結果得られる強度パターンは極めて集中しており、これによって必要とされる高い強度が得られる。
【００６２】
その他の波面分割干渉計（図示せず）であって、ロイドの鏡の配置と類似の縞パターンをもたらし、かつこれと同様にこの発明に従う光ファイバ切断に適合された干渉計が古典的光学で公知である。これにはフレネルの二重鏡配置、ヤングのスリット配置およびフレネルの複プリズム配置が含まれる。
【００６３】
この発明の別の光学配置（図示せず）では、位相シフトビームの強め合う干渉を用いて、必要とされる局所的高強度をもたらす。この現象は古典的光学で公知であるが、レーザ機械加工では採用されてこなかった。位相マスク、ゾーンプレートおよび／またはエシェル格子を用いた切断ビームの回折が、この発明に従うファイバ切断の実行のために企図される。
【００６４】
以上のことから、この発明が提案するレーザ切断動作は、さまざまな光ファイバまたは導波路への応用に利用され得る。これにより、この関連で、光ファイバまたは導波路の選択された領域を、制御された態様で切断することができ、こうしてさまざまな切断角度（４５°以下から４５°を超える範囲）をファイバまたは導波路に形成することができ、さらに上述のように、この発明を光ファイバまたは導波路にうまく適用して、たとえば（１）光学品質の向上した、実質的に平らな光ファイバまたは導波路表面、または（２）前記領域における光学品質の向上したレンズ、を形成することができる。切断動作中のレーザビームは、ファイバまたは導波路に対して定常の位置に保たれる。
【００６５】
特定の実施例を参照してこの発明を説明したが、これら実施例は例示的なものにすぎず、前掲の特許請求の範囲に記載したこの発明の精神および範囲から逸脱することなく、これに対する変形および変更に当業者が思い至ることが認められるであろう。たとえば、この発明の記載された実施例では、ガウスまたは（非ガウスの）エアリータイプのレーザ強度分布が用いられているが、同じまたは類似の技術的効果は、鋭い切断エッジを有する異なった種類の非ガウスのレーザ強度分布を用いても得ることが可能であろう。さらにレーザ光源は記載の実施例のようにＣＯ_２レーザである必要はなく、代替的に紫外エキシマレーザであってもよい。この発明はさらに、鋭い切断作用が必要とされている異なった光ファイバまたは導波路構造に対しても適用可能である。異なった形および形状を有する異なった種類のマスクを用いて極めて広範囲のレーザ強度分布をもたらし得ることが認められるであろう。さまざまなレベルの透過を有する異なったマスクを用いて、同じまたは類似の技術的効果をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光をファイバコアから後方反射するように角度を付けられた端面を有する、従来の光ファイバ構造を示す図である。
【図２ａ】レーザから光学系への従来のファイバ幾何学的配置を示す図であり、レーザ光源はファイバの長手方向の軸に平行な光を放射する。
【図２ｂ】レーザから光学系への従来のファイバ幾何学的配置を示す図であり、光源はファイバの長手方向の軸に対する法線上に、垂直方向に光を放射する。
【図２ｃ】レーザから光学系への従来のファイバ幾何学的配置を示す図であり、レーザ光源およびファイバは、ファイバの端部に直接形成され得るレンズによって光学的に結合される。
【図３ａ】従来のレーザ機械加工によってもたらされた、増大した外径（フレア）を伴う光ファイバを示す図である。
【図３ｂ】たとえばレーザなどの作動中の光源に対して、図３ａのファイバをＶ溝の中で整列させる問題を示す図である。
【図４】ファイバの従来のレーザ切断の結果である、コア領域からクラッディングへの望ましくない量のファイバ不純物拡散を伴う、図３のファイバを示す図である。
【図５】予め定められた強度分布を有するレーザと切断すべき光ファイバ領域との間の相対的な整列に関して、この発明の一局面に従う切断動作がどのように行われるかを概略的な形で示す図である。
【図６】動いている加工物にレーザ切込みを入れて溝／切り目をもたらす従来のレーザ切断幾何学的配置を示す図である。
【図７ａ】直交する軸に沿って２つの異なった軸位置でビームが焦点を合わされる、線フォーカスレーザビームを生成する従来の光学系幾何学的配置を概略的に示す図である。
【図７ｂ】１つの軸位置で高強度非対称線フォーカスビームを生成するための、この発明に従う典型的な光学系幾何学的配置を概略的に示す図である。
【図８ａ】この発明で用いるための予め定められたレーザ強度分布を示す図であり、ガウス強度分布を示す。
【図８ｂ】この発明で用いるための予め定められたレーザ強度分布を示す図であり、エアリータイプの強度分布を示す。
【図９ａ】この発明の実施で用いるマスク幾何学的配置を示す図であり、矩形のマスクを示す。
【図９ｂ】この発明の実施で用いるマスク幾何学的配置を示す図であり、ナイフエッジのマスクを示す。
【図１０ａ】レーザビームの反射された部分と反射されていない部分との強め合う干渉によって、切断すべきファイバ部分で局所的レーザビーム強度をどのように高めることができるかを概略的に示す図である。
【図１０ｂ】レーザビームの反射された部分と反射されていない部分との強め合う干渉によって、切断すべきファイバ部分で局所的レーザビーム強度をどのように高めることができるかを概略的に示す図である。
【図１１ａ】切断すべきファイバに対する熱負荷を減少させるために、いくつかの連続する切断工程によって、この発明に従いどのように切断動作を行ない得るかを概略的に示す図である。
【図１１ｂ】切断すべきファイバに対する熱負荷を減少させるために、いくつかの連続する切断工程によって、この発明に従いどのように切断動作を行ない得るかを概略的に示す図である。
【図１２ａ】この発明で用いるための矩形のマスク幾何学的配置を概略的に示す図である。
【図１２ｂ】どのように図１２ａのマスク幾何学的配置を用いて光学的縮小でファイバに対するレーザビーム強度の増加をもたらすかを概略的に示す図である。
【図１３】ファイバの端部に光学レンズ構造をもたらすための、この発明の実施で用いる湾曲したマスク幾何学的配置を概略的に示す図である。
【図１４】高い局所的レーザビーム強度をもたらすための、この発明の実施で用いる光学干渉の幾何学的配置を概略的に示す図である。

Claims (30)

1. レーザビームで光ファイバまたは導波路の或る部分を切断する方法であって、前記方法は、
   ファイバまたは導波路の幅よりも１つの次元において大きい予め定められた強度分布を有するレーザ光のビームを生成するステップと、
   予め定められたレベルの強度を超過する量の前記ビームが、切断すべき前記部分に当たることができるように、前記ビーム分布を、前記光ファイバまたは導波路の前記部分に対して整列させるステップと、
   前記部分を、前記部分に対する前記ビームの当たりに依存して切断するステップとを含み、こうして品質の向上した、実質的に平らな光ファイバまたは導波路の表面を形成する、方法。
2. 定常レーザビームで光ファイバまたは導波路の端部にレンズを形成する方法であって、前記方法は、
   予め定められた強度分布を有するレーザ光のビームを生成するステップと、
   予め定められたレベルの強度を超過する量の前記ビームが端部に当たることができるように、前記ビーム分布を、光ファイバまたは導波路の前記端部に対して整列させるステップと、
   前記端部を、前記端部に対する前記ビームの当たりに依存して切断するステップとを含み、こうして前記端部に光学品質の向上したレンズを形成する、方法。
3. 前記切断するステップは、前記部分を除去または蒸発させて、隣接するファイバまたは導波路の部分を加熱することによって達成される、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 生成されたビーム分布は非対称ビームを含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の方法。
5. 前記非対称ビームは、円筒形の望遠鏡手段の使用により形成される、請求項４に記載の方法。
6. 前記予め定められた強度分布はガウス強度分布である、請求項１から請求項５のいずれかに記載の方法。
7. 前記予め定められた強度分布はエアリータイプの強度分布である、請求項１から請求項５のいずれかに記載の方法。
8. 前記部分に対するビームの前記当たりは、前記ビームの反射された部分と反射されていない部分との強め合う干渉を可能にする態様で達成される、請求項１から請求項７のいずれかに記載の方法。
9. １番目の切断作業後に前記部分とビームとの間で相対的な動きをもたらすステップと、この後に２番目の切断を実行するステップとをさらに含む、請求項１から請求項８のいずれかに記載の方法。
10. 前記相対的な動きは、前記ファイバまたは導波路の長手方向の軸に沿った、小さな予め定められた動きを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記部分を３回以上切断するステップをさらに含む、請求項９または請求項１０に記載の方法。
12. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載の方法を実行するように適合および配置された装置。
13. 予め定められた強度分布を有するレーザ光のビームを生成するための手段と、
    予め定められたレベルの強度を超過する量の前記ビームが、切断すべき部分に当たることができるように、前記ビーム分布を、光ファイバまたは導波路の前記部分に対して整列させるための手段と、
    前記部分を、前記部分に対する前記ビームの当たりに依存して切断するための手段とを含み、こうしてたとえば実質的に平らな光学表面、または前記部分における品質の向上したレンズなど、品質の向上した光ファイバまたは導波路表面を形成する、請求項１２に記載の装置。
14. レーザ光のビームを生成するための前記手段は、９．４μｍから１０．６μｍまでの波長範囲、好ましくは９．４μｍから９．８μｍの範囲で動作可能なＣＯ_２レーザである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記切断する手段は、レーザビームと、前記レーザビームを横切るファイバまたは導波路との間の相対的な動きなしに前記切断を達成するように配置される、請求項１３または請求項１４に記載の装置。
16. レーザビームで光ファイバまたは導波路の或る部分を切断するための方法であって、前記方法は、
    焦点合わせ以外の手段で、予め定められた強度分布を有するレーザ光のビームを生成するステップと、
    予め定められたレベルの強度を超過する量の前記ビームが、切断すべき部分に当たることができるように、前記ビーム分布を、光ファイバまたは導波路の前記部分に対して整列させるステップと、
    前記部分を、前記部分に対する前記ビームの当たりに依存して切断するステップとを含む、方法。
17. 前記切断するステップは、前記部分を除去または蒸発させて、隣接するファイバまたは導波路の部分を予め定められたレベルで加熱することにより達成される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記生成されるビーム分布は結像により形成される、請求項１６または請求項１７に記載の方法。
19. 前記生成されるビーム分布は干渉により形成される、請求項１６または請求項１７に記載の方法。
20. 前記生成されるビーム分布は、光学干渉のロイドの鏡幾何学的構成か、光学干渉のフレネル二重鏡幾何学的構成か、光学干渉のフレネル複プリズム幾何学的構成か、ヤングのスリット幾何学的構成かを用いることにより形成される、請求項１９に記載の方法。
21. 前記生成されるビーム分布は回折により形成される、請求項１６または請求項１７に記載の方法。
22. 前記生成されるビーム分布はマスク手段を用いて形成される、請求項２１に記載の方法。
23. 前記マスク手段は、位相マスクまたはゾーンプレートを含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記生成されるビーム分布はエシェル格子を用いて形成される、請求項２１から請求項２３のいずれかに記載の方法。
25. 前記生成されるビーム分布は、光学干渉および／または結像および／または回折によって形成される、請求項１６または請求項１７に記載の方法。
26. 請求項１６から請求項２５のいずれかに記載の方法を実行するように適合および配置された装置。
27. 焦点合わせ以外によって、予め定められた強度分布を有するレーザ光のビームを生成するための手段と、
    予め定められたレベルの強度を超過する量の前記ビームが、切断すべき部分に当たることができるように、前記ビーム分布を、光ファイバまたは導波路の前記部分に対して整列させるための手段と、
    前記部分を、前記部分に対する前記ビームの当たりに依存して切断するための手段とを含む、請求項２６に記載の装置。
28. レーザ光のビームを生成するための前記手段はＣＯ_２レーザである、請求項２７に記載の装置。
29. 光ファイバまたは導波路を切断する前記ステップは、ファイバまたは導波路にわたるレーザビームの並進なしに達成される、請求項１６に記載の方法。
30. レーザビームによって光ファイバまたは導波路の或る部分を切断する方法であって、前記方法は、
    予め定められた強度分布を有するレーザ光のビームを生成するステップと、
    予め定められたレベルの強度を超過する量の前記ビームが、切断すべき部分に当たることができるように、前記ビーム分布を、光ファイバまたは導波路の前記部分に対して整列させるステップと、
    前記部分を、前記部分に対する前記ビームの当たりに依存して切断するステップとを含み、こうして実質的に平らな光ファイバまたは導波路の表面を形成する、方法。

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