JP2009198680A - 光ファイバ及びそれを備えたモードスクランブラ - Google Patents

Abstract

【課題】均一な照射強度のレーザ光を被照射面に対して非矩形状に照射することにある。
【解決手段】横断面が長方形又は正方形の矩形状に形成された石英製の第１コア１と、第１コア１を被覆するように形成された第１クラッド２ａとを備えた第１ファイバ部Ｆ１と、横断面が非矩形状に形成された石英製の第２コア１１と、第２コア１１を被覆するように形成された第２クラッド１２とを備えた第２ファイバ部Ｆ２とを有し、第１コア１を伝搬したレーザ光が第２コア１１に入射するように、第１ファイバ部Ｆ１には、第２ファイバ部Ｆ２が融着接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ及びそれを備えたモードスクランブラに関し、特に、レーザ光を伝送するためのレーザガイド用の光ファイバに関するものである。

レーザガイドは、エネルギー密度の高いレーザ光を伝送するための光ファイバ部品として、種々の加工装置などに広く用いられている。

ところで、レーザガイドを介して出射されるレーザ光により半導体などの表面剥離を行う加工では、レーザ光が照射される照射スポットにおける照射強度が均一であることが求められている。

例えば、横断面が円形状に形成されたコアと、そのコアを被覆するように形成されたクラッドとを備えた従来の光ファイバでは、レーザ光の照射スポットにおける照射強度の分布がガウス分布になるので、照射スポットにおいて均一な照射強度を得るために、モードスクランブル処理を行う必要がある。ここで、モードスクランブル処理とは、例えば、光ファイバを曲げ許容半径の範囲内で巻回することにより、導光路内におけるモード間の光パワーの相互交換を誘起するための処理である。しかしながら、このモードスクランブル処理では、光ファイバを巻回するために光ファイバが破断したり、装置（モードスクランブラ）が大きくなったりすると共に、光ファイバを数１００ｍ巻回しただけでは、十分に均一な照射強度を得られないので、処理効率が低くなってしまう。

また、特許文献１には、光伝搬機能を有するコア部材の横断面が矩形状に形成された導光路ファイバが開示されている。そして、特許文献１には、その導光路ファイバが光強度分布均一化機能を持つように構成されている、と記載されている。すなわち、横断面が矩形状に形成されたコアを備えた光ファイバによれば、レーザ光の照射スポットにおける照射強度の均一化が図られることが広く知られている。
特公平３−４９５９１号公報

ところで、横断面が矩形状に形成されたコアと、そのコアを被覆するように形成されたクラッドとを備えた光ファイバが導光路として収容されたレーザガイドでは、そのコアの横断面の形状により、均一な照射強度のレーザ光が結像レンズにより結像されて被照射面に対して矩形状に照射されるので、被照射面におけるレーザ光のスポット形状が必然的に矩形になってしまう。そのため、その矩形状のレーザ光を、例えば、相対的に大きな円形状の被照射面に対して走査しながら照射する場合には、被照射面の周縁部にレーザ光が確実に照射されるように、被照射面の外側にもレーザ光を照射する必要があるので、加工効率が低下するおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、均一な照射強度のレーザ光を被照射面に対して非矩形状に照射することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、横断面が矩形状に形成された石英製の第１コアを備えた第１ファイバ部に、横断面が非矩形状に形成された石英製の第２コアを備えた第２ファイバ部が融着接続されるようにしたものである。

具体的に本発明に係る光ファイバは、横断面が長方形又は正方形の矩形状に形成された石英製の第１コアと、該第１コアを被覆するように形成された第１クラッドとを備えた第１ファイバ部と、横断面が非矩形状に形成された石英製の第２コアと、該第２コアを被覆するように形成された第２クラッドとを備えた第２ファイバ部とを有し、上記第１コアを伝搬したレーザ光が上記第２コアに入射するように、上記第１ファイバ部には、上記第２ファイバ部が融着接続されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、第１ファイバ部では、第１コアの横断面が矩形状に形成されているので、第１ファイバ部側のファイバ端から入射して第１ファイバ部から第２ファイバ部に伝送されるレーザ光の照射強度が均一になる。そして、第１ファイバ部に融着接続された第２ファイバ部では、第２コアの横断面が非矩形状に形成されているので、第１ファイバ部からの均一な照射強度のレーザ光が矩形状から非矩形状に変換される。これにより、第２ファイバ部側のファイバ端から出射されるレーザ光が被照射面に対して非矩形状に照射されるので、均一な照射強度のレーザ光を被照射面に対して非矩形状に照射することが可能になる。

接続界面において、上記第１コアは、上記第２コアに包含されていてもよい。

上記の構成によれば、接続界面において、レーザ光の入射側の第１ファイバ部における第１コアがレーザ光の出射側の第２ファイバ部における第２コアに包含されているので、第１ファイバ部及び第２ファイバ部の接続部分におけるレーザ光の漏れが抑制される。

上記第２コアの横断面は、円形状に形成され、上記第２ファイバ部の長さは、上記第２コアの直径の２５倍〜１００ｍｍであってもよい。

上記の構成によれば、第２ファイバ部の長さが第２コアの直径の２５倍〜１００ｍｍであるので、第１ファイバ部からの均一な照射強度のレーザ光が矩形状から非矩形状に具体的に変換されると共に、第２ファイバ部及びそれに融着接続される第１ファイバ部の一部が一般的な寸法に設計されたコネクタ内に収容される。

上記第１クラッドは、樹脂製であり、上記第１ファイバ部の接続界面側では、上記第１クラッドが除去されていてもよい。

上記の構成によれば、第１クラッドが樹脂製であるので、第１ファイバ部の第１クラッドの端部が除去された状態で第１ファイバ部に第２ファイバ部が具体的に融着接続される。

少なくとも上記第１クラッドが除去された部分は、筒状のコネクタの内部に収容されていてもよい。

上記の構成によれば、少なくとも第１クラッドの除去部分がコネクタ内に収容されているので、第１クラッドから露出する第１コアの損傷が抑制される。

また、本発明の光ファイバは、導光路内におけるモード間の光パワーの相互交換を誘起するためのモードスクランブラにおいて、特に有効である。

本発明によれば、横断面が矩形状に形成された石英製の第１コアを備えた第１ファイバ部に、横断面が非矩形状に形成された石英製の第２コアを備えた第２ファイバ部が融着接続されているので、均一な照射強度のレーザ光を被照射面に対して非矩形状に照射することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の各実施形態に限定されるものではない。

《発明の実施形態１》
図１〜図３は、本発明に係る光ファイバの実施形態１を示している。具体的に、図１は、本実施形態の光ファイバ２０ａの斜視図であり、図２は、光ファイバ２０ａを製造する方法を示す斜視図である。また、図３は、光ファイバ２０ａの接続界面Ｉにおける各コアを示す模式図である。

光ファイバ２０ａは、図１に示すように、第１ファイバ部Ｆ１と、第１ファイバ部Ｆ１に融着接続された第２ファイバ部Ｆ２とを備えている。

第１ファイバ部Ｆ１は、図１に示すように、横断面が長方形又は正方形の矩形状に形成された第１コア１と、第１コア１を被覆するように形成された石英製の第１クラッド２ａとを備えている。

第２ファイバ部Ｆ２は、図１に示すように、横断面が円形状の非矩形状に形成された石英製の第２コア１１と、第２コア１１を被覆するように形成された石英製の第１クラッド１２とを備え、そのファイバ長Ｌが第２コア１１の直径の２５倍〜１００ｍｍに設定されている。

第１コア１及び第２コア１１は、石英により構成され、ほぼ石英単体の屈折率（例えば、１．４５７）を有している。

第１クラッド２ａ及び第２クラッド１２は、例えば、フッ素やホウ素などがドープされた石英により構成され、石英単体の屈折率よりも低い屈折率（例えば、１．４４３）を有している。

第１コア１は、図１及び図３に示すように、第２ファイバＦ２との接続界面Ｉにおいて、第２コア１１に包含されるように構成されている。

上記構成の光ファイバ２０ａは、第１ファイバ部Ｆ１側のファイバ端の第１コア１に入射したレーザ光が、第１コア１及び第２コア１１と、第１クラッド２ａ及び第２クラッド１２との界面で反射を繰り返しながら伝送した後に、第２ファイバ部Ｆ２側のファイバ端の第２コア１１から出射されるようになっている。

次に、図２を用いて、本実施形態の光ファイバ２０ａを製造する方法について説明する。

＜準備工程＞
例えば、横断面が矩形状に形成された石英製のコア材の周囲に、横断面の外郭が円形状で内郭が矩形状であるフッ素及びホウ素がドープされた石英製のクラッド層を形成することによりプリフォームを作製し、そのプリフォームを加熱及び延伸することにより、図２（ａ）に示すような第１ファイバ部形成ファイバ５ａを準備する。ここで、第１ファイバ部形成ファイバ５ａは、例えば、３５０μｍ×３５０μｍの正方形状の横断面を有する第１コア１と、外径が７８０μｍｍに形成された第１クラッド２ａとを備えた光ファイバである。

また、例えば、横断面が円形状に形成された石英製のコア材の周囲に、横断面の外郭及び内郭が円形状であるフッ素及びホウ素がドープされた石英製のクラッド層を形成することによりプリフォームを作製し、そのプリフォームを加熱及び延伸することにより、図２（ａ）に示すような第２ファイバ部形成ファイバ１５を準備する。ここで、第２ファイバ部形成ファイバ１５は、例えば、直径が５５０μｍに形成された第２コア１１と、外径が７８０μｍに形成された第２クラッド１２とを備えた光ファイバである。

＜融着工程＞
図２（ｂ）に示すように、第１ファイバ部形成ファイバ５ａの端面と、第２ファイバ部形成ファイバ１５の端面とを突き合わせ、その突き合わせ部分を光ファイバ融着器などで融着する。

＜切断工程＞
図２（ｂ）に示すように、融着工程で融着された光ファイバ融着体の第２ファイバ部形成ファイバ１５の部分をファイバ軸に対して垂直に切断して、所定のファイバ長Ｌを有する第２ファイバ部Ｆ２を形成する。

以上のようにして、本実施形態の光ファイバ２０ａを製造することができる。

以上説明したように、本実施形態の光ファイバ２０ａによれば、第１ファイバ部Ｆ１では、第１コア１の横断面が矩形状に形成されているので、第１ファイバ部Ｆ１側のファイバ端から入射して第１ファイバ部Ｆ１から第２ファイバ部Ｆ２に伝送されるレーザ光の照射強度が均一になる。そして、第１ファイバ部Ｆ１に融着接続された第２ファイバ部Ｆ２では、第２コア１１の横断面が円形状に形成されているので、第１ファイバ部Ｆ１からの均一な照射強度のレーザ光が矩形状から非矩形状に変換される。これにより、第２ファイバ部Ｆ２側のファイバ端から出射されるレーザ光が被照射面に対して非矩形状に照射されるので、均一な照射強度のレーザ光を被照射面に対して非矩形状に照射することができる。

また、本実施形態の光ファイバ２０ａでは、接続界面Ｉにおいて、レーザ光の入射側の第１ファイバ部Ｆ１における第１コア１がレーザ光の出射側の第２ファイバ部Ｆ２における第２コア１１に包含されているので、第１ファイバ部Ｆ１及び第２ファイバ部Ｆ２の接続部分におけるレーザ光の漏れを抑制することができる。

また、本実施形態の光ファイバ２０ａでは、第２ファイバ部Ｆ２の長さＬが第２コア１１の直径の２５倍であるので、第１ファイバ部Ｆ１からの均一な照射強度のレーザ光が矩形状から非矩形状に具体的に変換されると共に、第２ファイバ部Ｆ２の長さＬが１００ｍｍ未満であるので、第２ファイバ部Ｆ２及びそれに融着接続される第１ファイバ部Ｆ１の一部が一般的な寸法（例えば、長さ１００ｍｍ強程度）に設計されたコネクタ内に収容することができる。

《発明の実施形態２》
図４は、本実施形態の光ファイバ２０ｂの斜視図であり、図５は、光ファイバ２０ｂを製造する方法を示す斜視図である。なお、以下の各実施形態において、図１〜図３と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

上記実施形態１の光ファイバ２０ａでは、第１ファイバ部Ｆ１のクラッド２ａが石英製であったが、本実施形態の光ファイバ２０ｂでは、第１ファイバ部Ｆ１のクラッド２ｂが樹脂製である。

具体的に光ファイバ２０ｂの第１ファイバ部Ｆ１は、図４に示すように、横断面が長方形又は正方形の矩形状に形成された第１コア１と、第１コア１を被覆するように形成された樹脂製の第１クラッド２ｂとを備え、第１クラッド２ｂが接続界面Ｉ側において部分的に除去されて、その部分の第１コア１が第１クラッド２ｂから露出している。

第１クラッド２ｂは、例えば、熱硬化性を有するシリコーン系樹脂などにより構成され、石英単体の屈折率よりも低い屈折率（例えば、１．４０８）を有している。

次に、図５を用いて、本実施形態の光ファイバ２０ｂを製造する方法について説明する。

＜準備工程＞
例えば、横断面が矩形状に形成された石英製のコア材を加熱及び延伸し、その側面に熱硬化性のシリコーン系樹脂を塗布及び焼成した後に、その端部のシリコーン系樹脂を除去することにより、図５（ａ）に示すような第１ファイバ部形成ファイバ５ｂを準備する。ここで、第１ファイバ部形成ファイバ５ｂは、例えば、３５０μｍ×３５０μｍの正方形状の横断面を有する第１コア１と、外径が７８０μｍｍに形成された第１クラッド２ｂとを備えた光ファイバである。

また、上記実施形態１と同様に、図５（ａ）に示すような第２ファイバ部形成ファイバ１５を準備する。

その後に続く融着工程及び切断工程は、図５（ｂ）に示すように、上記実施形態１と実質的に同じであるので、その詳細な説明を省略する。

以上のようにして、本実施形態の光ファイバ２０ｂを製造することができる。

また、上記構成の光ファイバ２０ｂは、図６に示すように、その一部がコネクタ２１内に収容される。なお、図６は、コネクタ２１内に収容された光ファイバ２０ｂを示す縦断面図である。

ここで、光ファイバ２０ｂを構成する第１ファイバ部Ｆ１は、図６に示すように、第１クラッド２ｂを被覆するように、例えば、ポリアミド樹脂などにより円筒状に形成された保護層３と、コネクタ２１外で保護層３を被覆するように、例えば、外表面がポリアミド樹脂で覆われたステンレス製の可撓管などにより円筒状に形成された保護管４と、コネクタ２１内で保護層３を被覆するように、例えば、真鍮、銅、ステンレスなどにより円筒状に形成されたスリーブ２４とを備えている。

また、コネクタ２１は、図６に示すように、例えば、真鍮、銅、アルミニウム、ステンレスなどにより円筒状に形成されている。さらに、コネクタ２１は、図６に示すように、、図中右側の周壁に螺着された固定ねじ２３により第１ファイバ部Ｆ１をスリーブ２４を介して保持するように構成されている。そして、コネクタ２１の図中左側の内部には、図６に示すように、例えば、サファイアにより形成され、第２ファイバ部Ｆ２の先端部を保持するためのファイバ保持部２２が設けられている。

以上説明したように、本実施形態の光ファイバ２０ｂによれば、上記実施形態１と同様に、第１ファイバ部Ｆ１では、第１コア１の横断面が矩形状に形成されていると共に、第１ファイバ部Ｆ１に融着接続された第２ファイバ部Ｆ２では、第２コア１１の横断面が円形状に形成されているので、均一な照射強度のレーザ光を被照射面に対して非矩形状に照射することができる。

また、本実施形態の光ファイバ２０ｂでは、第１クラッド２ｂの除去部分がコネクタ２１内に収容されているので、第１クラッド２ｂから露出する第１コア１の損傷を抑制することができる。

《発明の実施形態３》
図７は、本実施形態の光ファイバ２０ｃの斜視図である。

上記実施形態２の光ファイバ２０ｂでは、第１ファイバ部Ｆ１及び第２ファイバを融着するために第１ファイバ部Ｆ１の第１クラッド２ｂが部分的に除去されていたが、本実施形態の光ファイバ２０ｃでは、図７に示すように、その第１クラッド２ｂの除去部分に樹脂製の第３クラッド１６が形成されている。ここで、第３クラッド１６は、上記実施形態２で説明した光ファイバ２０ｂの側面の一部に、例えば、熱硬化性を有するシリコーン系樹脂などを塗布及び焼成することにより形成される。

本実施形態の光ファイバ２０ｃによれば、上記実施形態１及び２と同様に、第１ファイバ部Ｆ１では、第１コア１の横断面が矩形状に形成されていると共に、第１ファイバ部Ｆ１に融着接続された第２ファイバ部Ｆ２では、第２コア１１の横断面が円形状に形成されているので、均一な照射強度のレーザ光を被照射面に対して非矩形状に照射することができる。

また、本実施形態の光ファイバ２０ｃでは、第１コア１が第１クラッド２ｂ及び第３クラッド１６に被覆されているので、上記実施形態２のようにコネクタなどに収容しなくても第１コア１の損傷を抑制することができる。

《発明の実施形態４》
図８は、本実施形態のモードスクランブラ３５を備えた光学系５０を示す模式図である。

光学系５０は、図８に示すように、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ３１と、導光路内におけるモード間の光パワーの相互交換を誘起するためのモードスクランブラ３５と、Ｈｅ−Ｎｅレーザ３１から連続発振されたレーザ光Ｂを集光してモードスクランブラ３５に入射させるための集光レンズ３２と、モードスクランブラ３５から出射されたレーザ光Ｂを結像して被加工物Ｓに照射するための結像レンズ３６とを備えている。

モードスクランブラ３５は、その内部に、上記各実施形態の光ファイバ２０ａ〜２０ｃに対応する光ファイバ２０が収容されている。ここで、光ファイバ２０は、第１ファイバ部Ｆ１側の端部に入射側コネクタ３３が取り付けられ、第２ファイバ部Ｆ２側の端部に出射側コネクタ３４が取り付けられている。

上記構成の光学系５０では、Ｈｅ−Ｎｅレーザ３１からのレーザ光Ｂがモードスクランブラ３５により均一な照射強度になると共に、結像レンズ３６を介して被加工物Ｓの被照射面に対して円形状に照射されるようになっている。

本実施形態のモードスクランブラ３５によれば、上記各実施形態の光ファイバ２０ａ〜２０ｃに対応する光ファイバ２０を備えているので、均一な照射強度のレーザ光を被照射面に対して非矩形状に照射することができる。

上記各実施形態では、第２コア１１の非矩形状の横断面として、円形状の横断面を例示したが、本発明は、例えば、多角形状、Ｄ字型状、楕円状などの他の横断面についても適応することができる。

以上説明したように、本発明は、均一な照射強度でレーザ光が出射されるので、半導体の表面剥離加工などのレーザ加工について有用である。

実施形態１に係る光ファイバ２０ａの斜視図である。 光ファイバ２０ａを製造する方法を示す斜視図である。 光ファイバ２０ａの接続界面Ｉにおける第１コア１及び第２コア１１を示す模式図である。 実施形態２に係る光ファイバ２０ｂの斜視図である。 光ファイバ２０ｂを製造する方法を示す斜視図である。 コネクタ２１内に収容された光ファイバ２０ｂを示す縦断面図である。 実施形態３に係る光ファイバ２０ｃの斜視図である。 実施形態４に係るモードスクランブラ３５を備えた光学系５０を示す模式図である。

符号の説明

Ｆ１ 第１ファイバ部
Ｆ２ 第２ファイバ部
１ 第１コア
２ 第１クラッド
１１ 第２コア
１２ 第２クラッド
２０，２０ａ〜２０ｃ 光ファイバ
２１ コネクタ
３５ モードスクランブラ

Claims (6)

1. 横断面が長方形又は正方形の矩形状に形成された石英製の第１コアと、該第１コアを被覆するように形成された第１クラッドとを備えた第１ファイバ部と、
   横断面が非矩形状に形成された石英製の第２コアと、該第２コアを被覆するように形成された第２クラッドとを備えた第２ファイバ部とを有し、
   上記第１コアを伝搬したレーザ光が上記第２コアに入射するように、上記第１ファイバ部には、上記第２ファイバ部が融着接続されていることを特徴とする光ファイバ。
2. 請求項１に記載された光ファイバにおいて、
   接続界面において、上記第１コアは、上記第２コアに包含されていることを特徴とする光ファイバ。
3. 請求項１に記載された光ファイバにおいて、
   上記第２コアの横断面は、円形状に形成され、
   上記第２ファイバ部の長さは、上記第２コアの直径の２５倍〜１００ｍｍであることを特徴とする光ファイバ。
4. 請求項１に記載された光ファイバにおいて、
   上記第１クラッドは、樹脂製であり、
   上記第１ファイバ部の接続界面側では、上記第１クラッドが除去されていることを特徴とする光ファイバ。
5. 請求項４に記載された光ファイバにおいて、
   少なくとも上記第１クラッドが除去された部分は、筒状のコネクタの内部に収容されていることを特徴とする光ファイバ。
6. 請求項１に記載された光ファイバを備えていることを特徴とするモードスクランブラ。

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