JP2014010258A - Optical fiber and optical cable - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高強度のレーザ光を伝送するのに適した光ファイバ及び光ケーブルに関するものである。 The present invention relates to an optical fiber and an optical cable suitable for transmitting high-intensity laser light.
高強度の光を伝送するのに用いられる光ファイバや光コネクタとして、例えば特許文献1に記載されているものが知られている。特許文献1に記載されたレーザ用光ファイバは、レーザ光が伝搬するコアと、コアの外周に設けられたクラッドと、クラッドの外周を被覆する保護層とを備える。そして、この保護層が取り除かれて形成されたクラッド露出部に、クラッドを伝搬する光を該クラッドから除去する光除去部材が設けられている。
As an optical fiber and an optical connector used for transmitting high-intensity light, for example, those described in
また、クラッドを伝搬する光を該クラッドから除去するクラッドモード除去部を形成した光ファイバとしては、特許文献2に記載されているものも知られている。ここでは、コアと、該コアの外周面を覆うクラッドとを有する光ファイバにおいて、クラッドモード除去部がクラッドの外周面に溝状に形成されている形態を開示している。クラッドモード除去部の具体的な形態として、図9(a)に示すようなクラッド外周面に連続的に設けられたリング状の溝部や、図9(b)に示すようなクラッド外周面に断続的に設けられた溝部を開示している。また、図9(a)に示すように、このような光ファイバは、クラッドに対してレーザを照射することによって容易に加工されることを開示している。
Moreover, what was described in
コア/クラッド構造を有する光ファイバを用いて光を伝送する場合、通常はコア領域のみで光を伝送することを想定している。しかし、光ファイバに光を入射する際、コア領域のみならず、クラッド領域にも光が入射する場合がある。また、コア領域はクラッド領域より屈折率の高い材料で構成されるが、コア領域を伝送する光がわずかにクラッド領域に漏れ出る場合がある。このようにクラッド領域にわずかに入射した光がクラッド領域を伝搬することとなり(クラッドモード光)、特にkW級の高強度の光を伝送するレーザ加工装置のレーザ光伝送手段として光ファイバを用いた場合には、クラッドモード光が加工精度の悪化要因となり得る。このような問題は、特許文献3においても指摘されている。 When transmitting light using an optical fiber having a core / cladding structure, it is usually assumed that light is transmitted only in the core region. However, when light enters the optical fiber, the light may enter not only the core region but also the cladding region. The core region is made of a material having a higher refractive index than the cladding region, but light transmitted through the core region may slightly leak into the cladding region. In this way, light slightly incident on the cladding region propagates through the cladding region (cladding mode light), and an optical fiber is used as a laser beam transmission means of a laser processing apparatus that transmits kW-class high-intensity light. In some cases, the cladding mode light can be a cause of deterioration in processing accuracy. Such a problem is also pointed out in Patent Document 3.
上記の特許文献2のようなクラッドモード光を除去するクラッドモード除去部が、クラッドの外周面に溝状に形成されている光ファイバは、クラッドに対してレーザを照射することによって、低コストかつ高精度に製造され得る点において優れている。しかしながら、レーザ加工装置等の高強度なレーザ光伝送手段として用いられる光ファイバには、クラッドモード光を効率よく除去することができるとともに、光ファイバの機械的強度が過度に劣化しないことが求められる。
The optical fiber in which the clad mode removing portion for removing the clad mode light as in
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、クラッドモード光の除去効率が高く、かつ、機械的強度の高い光ファイバを提供することを目的とする。さらに、本発明はこのような光ファイバを用いて、高精度な加工行うことができるレーザ加工装置の実現に資する光ケーブルを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an optical fiber having high cladding mode light removal efficiency and high mechanical strength. Furthermore, an object of the present invention is to provide an optical cable that contributes to the realization of a laser processing apparatus that can perform high-precision processing using such an optical fiber.
本発明の光ファイバは、コアと、コアの外周を包囲するクラッドとを備える光ファイバである。そして、クラッドは、クラッドを伝搬する光を除去するクラッドモード光除去部を有する。さらに、このクラッドモード光除去部は、複数の溝部を含み、溝部の深さはクラッドの厚みより小さく、クラッドの周方向において溝部が開口する開口部と、溝部が開口していない非開口部とに区分され、光ファイバの軸方向において、非開口部に対応する位置に、開口部が存在することを特徴とする。 The optical fiber of the present invention is an optical fiber including a core and a clad surrounding the outer periphery of the core. The clad has a clad mode light removal unit that removes light propagating through the clad. Further, the cladding mode light removal portion includes a plurality of groove portions, the depth of the groove portion is smaller than the thickness of the cladding, and an opening portion where the groove portion opens in the circumferential direction of the cladding, and a non-opening portion where the groove portion does not open. And an opening is present at a position corresponding to the non-opening in the axial direction of the optical fiber.
また、本発明の光ファイバにおいて、クラッドモード光除去部は、光ファイバの周方向における所定断面において、溝部が所定間隔をあけて複数開口するクラッドモード光除去帯を含み、クラッドモード光除去帯は光ファイバの長手方向に所定間隔をあけて形成されており、隣接するクラッドモード光除去帯における上記非開口部は、周方向に互いにずれていることを特徴とするのが好ましい。 Further, in the optical fiber of the present invention, the cladding mode light removal section includes a cladding mode light removal band in which a plurality of grooves are opened at predetermined intervals in a predetermined cross section in the circumferential direction of the optical fiber. It is preferable that the optical fibers are formed at predetermined intervals in the longitudinal direction of the optical fiber, and the non-opening portions in adjacent clad mode light removal bands are shifted from each other in the circumferential direction.
また、本発明の光ファイバにおいて、上記の複数の溝部は、その開口径が、光ファイバの表面部と溝部の底部において、互いに等しい略円柱形状であることが好ましい。 In the optical fiber of the present invention, it is preferable that the plurality of groove portions have substantially cylindrical shapes whose opening diameters are equal to each other at the surface portion of the optical fiber and the bottom portion of the groove portion.
また、上記光ファイバの周方向における所定断面において、開口部は当該断面におけるクラッド部の周の長さの70%以上95%以下であるのが好ましい。 In the predetermined cross section in the circumferential direction of the optical fiber, the opening is preferably 70% or more and 95% or less of the circumferential length of the clad portion in the cross section.
また、上記クラッドは、溝部の底部における厚みが、光ファイバのコアを伝搬するレーザ光のエバネッセント光が染み出す領域より厚くなるよう設定されているのが好ましい。 The cladding is preferably set so that the thickness at the bottom of the groove is thicker than the region where the evanescent light of the laser light propagating through the core of the optical fiber leaks out.
また、上記クラッドモード光除去部は、光ファイバの長手方向において、3cm以上7cm以下になるよう形成されているのが好ましい。また、上記クラッドモード光除去部における複数の溝部は、開口部が末端部側において密に形成されているのも好ましい。さらに、上記クラッドモード光除去部は、光ファイバの末端に形成されているのも好ましい。 Moreover, it is preferable that the said clad mode light removal part is formed so that it may become 3 cm or more and 7 cm or less in the longitudinal direction of an optical fiber. Further, it is also preferable that the plurality of grooves in the cladding mode light removal portion have openings that are densely formed on the end side. Furthermore, it is preferable that the clad mode light removing portion is formed at the end of the optical fiber.
本発明の光ケーブルは、上記ファイバと、上記光ファイバの端末部を収容し、前端部において上記光ファイバの末端を固定するハウジングと、ハウジングの後端側に設けられ、上記光ファイバを把持する把持部とを備える。そして、上記光ファイバは、クラッドの外周を包囲する被覆さらに有し、把持部は被覆を把持することによって上記光ファイバを把持し、端末部においてクラッド及びクラッドモード光除去部が露出して形成されていることを特徴とする。 The optical cable of the present invention includes the above-mentioned fiber and the end portion of the above-mentioned optical fiber, a housing that fixes the end of the above-mentioned optical fiber at the front end, and a grip that is provided on the rear end side of the housing and grips the above-mentioned optical fiber A part. The optical fiber further includes a coating that surrounds the outer periphery of the cladding, and the gripping portion grips the optical fiber by gripping the coating, and the cladding and the cladding mode light removing portion are exposed at the terminal portion. It is characterized by.
本発明の光ケーブルは、上記光ファイバはクラッドモード光除去部が光ファイバの末端に形成されており、この光ファイバは、端面に光学接触して設けられるとともにハウジングに固定されたエンドキャップをさらに備えるのが好ましい。 In the optical cable of the present invention, the optical fiber has a cladding mode light removal portion formed at the end of the optical fiber, and the optical fiber further includes an end cap that is provided in optical contact with the end face and fixed to the housing. Is preferred.
本発明の光ケーブルは、ハウジング内に収容され、光ファイバの端末部を収容する内側管をさらに備える。この内側管はハウジング内に固定されており、クラッドモード光除去部は内側管がハウジングに固定された固定部を避けるように形成されているのが好ましい。 The optical cable of the present invention further includes an inner tube that is accommodated in the housing and accommodates the end portion of the optical fiber. The inner tube is fixed in the housing, and the clad mode light removing portion is preferably formed so as to avoid the fixing portion in which the inner tube is fixed to the housing.
本発明の光ケーブルにおいて、上記光ファイバは、光ファイバの端面に、クラッドと略同径のガラスロッドの一端側が接続されているとともに、ガラスロッド他端側がエンドキャップと接続されているのが好ましい。 In the optical cable of the present invention, it is preferable that one end side of a glass rod having the same diameter as that of the cladding is connected to the end face of the optical fiber, and the other end side of the glass rod is connected to an end cap.
本発明によれば、クラッドモード光の除去効率が高く、かつ、機械的強度の高い光ファイバを提供することができる。さらに、本発明によれば、このような光ファイバを用いて、高精度なレーザ加工等を行うことができるレーザ加工装置の実現に資する光ケーブルを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical fiber having high cladding mode light removal efficiency and high mechanical strength. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide an optical cable that contributes to the realization of a laser processing apparatus capable of performing high-precision laser processing or the like using such an optical fiber.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1(a)は本実施形態の光ファイバの斜視図であり、図1(b)はA−Aにおける断面を示す図であり、図1(c)は側面図である。光ファイバ100は、コア101と、コアの外周を包囲するクラッド102とを備える。クラッド102は、クラッドを伝搬する光を除去するクラッドモード光除去部103を備える。光ファイバ100はレーザ加工を行う高強度(例えば数kW)のレーザ光を伝送しうるものであり、レーザ加工装置におけるレーザ光伝送手段等に適用され得る。
FIG. 1A is a perspective view of the optical fiber of the present embodiment, FIG. 1B is a view showing a cross section taken along the line AA, and FIG. 1C is a side view. The
光ファイバ100は石英ガラスで形成されていることが好ましい。コア101の屈折率はクラッド102の屈折率よりも高く設定される。コア101の外径(コア径)は、例えば0.2mmであり、クラッド102の外径(クラッド径)は、例えば1.0mmである。
The
クラッドモード光除去部103は、光ファイバ100の軸方向(方向X)に所定領域にわたって形成されており、光ファイバ100の周方向(方向θ)にわたって形成されていることが好ましい。
The cladding mode
クラッドモード光除去部103は、複数の溝部104を含む。図1(b)に示すように、溝部104はクラッド102の表面から開口部104aをもって形成され、クラッド102の厚みD1より小さい深さD2を有する。溝部104は、典型的には開口部104aの外径が深さ方向においてほぼ一定である柱形状に形成される。開口部104aの底部104cにおいて、溝部104は滑らかに加工されていることが好ましい。
The cladding mode
また、クラッドモード光除去部103は、図1(c)に示すように、クラッド102の周方向(方向θ)において、溝部104が開口する開口部104aと、溝部104が開口していない非開口部104bとに区分される。そして、光ファイバの軸方向(方向X)において、非開口部104bに対応する位置に、開口部104aが存在する。例えば、図中非開口部104b−1に対しては、光ファイバの軸方向(方向X)に開口部104a−1、および開口部104a−2が存在し、非開口部104b−2に対しては、開口部104a−3、および開口部104a−4が存在する。即ち、光ファイバ100はコア101を通るいずれの断面(図1(a)における直線A−Aを含む断面)においても、少なくとも一カ所の開口部104aが含まれている。
In addition, as shown in FIG. 1C, the cladding mode
このような光ファイバ100を用いて、レーザ光を伝送する場合を考える。図2(a)は本実施形態の光ファイバ100の一端に入射した光のうち、クラッドに入射した光L1〜L5が伝送する様子を説明する側面図である。図2(b)は、比較例の光ファイバ200(図9(b)に示す、従来技術において開示されている光ファイバに相当する)の一端に入射した光のうち、クラッドに入射した光L’1〜L’5が伝送する様子を説明する側面図である。このような光L1〜L5およびL’1〜L’5としては、光ファイバのコアから出射されたレーザ光の一部が、加工対象から反射されて再び光ファイバに入射する場合が想定される。比較例の光ファイバ200は、本実施形態の光ファイバ100とは光ファイバの軸方向(方向X)において、非開口部204bに対応する位置に、開口部204aが存在しない点において相違する。その他の構成については、本実施形態の光ファイバ100と同様の構成を備える。
Consider a case where laser light is transmitted using such an
光ファイバ100、200の一端に入射した光のうち、コア(図示せず)に入射しなかった光は、クラッド102、202内を伝送し、複数の溝部104、204を有するクラッドモード光除去部103、203に到達する。このとき、溝部104、204に到達した光は、開口部104a、204aとの界面において反射および散乱され、クラッド102、202の外部に放出される。即ち、クラッドモード光が除去される。
Of the light incident on one end of the
このとき、図2(a)、(b)においてクラッド102、202内を伝送する光L1〜L5およびL’1〜L’5について考える。溝部104、204の開口部104a、204aに到達した光は散乱されてクラッド102の外部に放出されるが、非開口部104b、204bに到達した光はクラッド102、202の外部に放出されない。そのため、光ファイバ100については非開口部104bを通過した光が、光ファイバの軸方向(方向X)において、それに対応する位置に開口する開口部104aにおいて反射・散乱されるから、光L1〜L5の全ての光がクラッド102から除去される。
At this time, the lights L1 to L5 and L′ 1 to L′ 5 transmitted in the
一方、光ファイバ200については、軸方向(方向X)において、非開口部204bに対応する位置に、開口部204aが存在しない。そのため、開口部204aに到達した光L’1、L’3、L’5はクラッド202から除去されるが、非開口部204bの領域を通過したL’2、L’4光はクラッド202から除去されることなく伝送する。
On the other hand, in the
このように、光ファイバの軸方向(方向X)において、非開口部104bの領域に対応する位置に、開口部104aの領域が存在することにより、クラッドモード光除去部103におけるクラッドモード光の除去効率を向上することができる。
Thus, in the axial direction (direction X) of the optical fiber, the presence of the region of the
次に光ファイバ100の機械的強度について考える。図3(a)は本実施形態の光ファイバ100に曲げが加えられた場合における、応力の集中する領域を説明する断面図である。図3(b)は、比較例の光ファイバ300(図9(a)に示す、従来技術において開示されている光ファイバに相当する)に曲げが加えられた場合における、応力の集中する領域を説明する断面図である。比較例の光ファイバ300は、本実施形態の光ファイバ100とは、クラッドモード光除去部303が複数の溝部304を備える点において共通する。一方、クラッド302の周方向(方向θ)において、溝部304が開口する開口部304aと、溝部304が開口していない非開口部とに区分されない点において相違する。換言すれば、光ファイバ300は周方向(方向θ)に非開口部を有さない。また、溝部304は光ファイバ300の周方向(方向θ)にわたって連続して形成された、環状の開口部304aを有すると言うこともできる。その他の構成については、本実施形態の光ファイバ100と同様の構成を備える。
Next, the mechanical strength of the
本実施形態の光ファイバ100に曲げが付与されると、光ファイバ100の径方向(方向Z)に着目したとき、外径の大きい領域に応力F1が集中する。即ち、クラッド径D3に、深さD2の溝部104が形成されたクラッドモード光除去部103において、曲げ応力が溝部104の底部105に集中することなく、非開口部104bへと分散することができる。ここで、光ファイバ100の剪断強度はその外径が大きいほど強くなるから、曲げ応力はクラッド径D3を有する非開口部104bに分散することにより、光ファイバ100は剪断強度が高くなることが分かる。
When bending is applied to the
一方、比較例の光ファイバ300に曲げが付与されると、曲げ応力F2が溝部304の底部305に集中する。即ち、クラッド径がD4(=D3−2・D2)である底部305に曲げ応力F2が集中することとなるから、光ファイバ100比較して、剪断強度が低くなることが分かる。
On the other hand, when bending is applied to the
以上のように、本発明の光ファイバ100は、クラッドモード光除去部103がクラッド102の厚みD1より小さい深さD2である溝部104を複数有し、クラッド102の周方向(方向θ)において溝部104が開口する開口部104aと、溝部104が開口していない非開口部104bとに区分され、光ファイバ100の軸方向(方向X)において、非開口部104bの領域に対応する位置に、開口部104aの領域が存在することにより、クラッドモード光の除去効率の向上と、機械的強度の向上を両立する効果が得られる。
As described above, in the
なお、クラッド102の表面、および溝部104の内壁は滑らかな表面を有していることが好ましい。即ち、鑢等で加傷した場合に形成されるスクラッチ傷とは異なり、滑らかな表面を有することにより、光ファイバ100の剪断強度が高くなり、機械的強度を向上することができる。特に、図中溝部の底部105が丸みを帯びた滑らかな形状とされていることが好ましい。また、クラッドモード光を効率よく除去するためには、溝部104の深さD2は少なくとも50μm以上である。最適な深さはクラッド厚によって異なるが、従来の鑢等にやる加傷や湿式エッチングにより形成されたクラッドモード光除去部に対し、優位なクラッドモード光除去効率を得ることができる。このような条件を満たすことにより、本発明のクラッドモード光除去部は、従来の鑢等にやる加傷や湿式エッチングにより形成されたクラッドモード光除去部とは区別され得る。
The surface of the clad 102 and the inner wall of the
また、複数の溝部104は、その開口径が、光ファイバ100の表面部と溝部104の底部104cにおいて、互いに等しい略円柱形状であることが好ましい。図2においては簡略化のために光線を限定して記載したが、レーザ光はクラッド102内をさまざまなモード(伝送経路)をもって伝送する。そのため、上記条件(即ち、複数の溝部は、クラッドの周方向において溝部が開口する開口部と、溝部が開口していない非開口部とに区分され、光ファイバの軸方向において、非開口部に対応する位置に、開口部が存在する)が開口部104aの深さが浅い領域から、深い領域にまで満たされていることにより、クラッドモード光除去部103を透過するクラッドモード光を減少させることができる。
The plurality of
また、図1(a)に示すように、クラッドモード光除去部103は、光ファイバ100の所定断面において、溝部104が所定間隔をあけて複数開口するクラッドモード光除去帯103−N(Nは自然数)を含み、クラッドモード光除去帯103−Nは光ファイバ100の長手方向(方向X)に所定間隔をあけて形成されており、隣接するクラッドモード光除去帯103−Nにおける非開口部104bは、周方向(方向θ)に互いにずれている。これにより、方向Xにおいて非開口部104bの近い位置に開口部104aが存在するから、非開口部104bを通過した光を効率よく除去することができる。また、溝部104が光ファイバ100の長手方向及び所定の周方向に規則的に形成され得るから、形状の制御および製造が容易である。かかる光ファイバ100の製造方法については後述する。
Also, as shown in FIG. 1A, the cladding mode
また、光ファイバ100の長手方向(方向X)の所定断面において、開口部104aは、当該断面におけるクラッド部の周方向(方向θ)の70%以上95%以下であるのが好適である。さらに、クラッドモード光除去部103は、光ファイバ100の長手方向(方向X)において、3cm以上7cm以下の領域に形成されていることが好ましい。このように、クラッドモード光除去部103を広範囲にわたって形成することで高いクラッドモード光の除去効率を実現できるとともに、光ファイバ100の剪断強度の低下を防止することができる。
In addition, in the predetermined cross section in the longitudinal direction (direction X) of the
一方、クラッド102は、溝部104が存在する位置における厚み(D1−D2)が、光ファイバ100のコア101を伝搬するレーザ光のエバネッセント光が浸み出る領域より厚くなるよう設定されているのが好適である。光が屈折率の異なる媒質に伝搬する際、全反射のエネルギー反射率を求めると、反射光エネルギーは入射光エネルギーに等しくなるが、エバネッセント波は境界面の反対側にもわずかに浸み出ることが知られている。このエバネッセント波の成分の進入深さはλ/2π(λは伝搬領域の屈折率における波長)程度に近似することができる。
On the other hand, the clad 102 is set so that the thickness (D1-D2) at the position where the
ここで、このエバネッセント波が浸み出る領域にまで溝部104が形成されている場合、コア101を伝搬する光の一部が溝部104から放射され、損失を生じる。従って、クラッドモード光除去部103において、コア101を伝搬する光に損失を生じることなく、クラッドモード光を効率よく除去するためには、上記の厚み(D1−D2)がコア101を伝搬するレーザ光のエバネッセント光が浸み出る領域より厚くなるよう設定することが好ましい。
例えば、レーザ光としてYAGレーザ(波長1.064μm)を用いる場合には、上記の厚み(D1−D2)を0.3μm(上記の近似により求められる)以上、好ましくは1μm(伝搬光の波長程度)以上、さらに好ましくは5μm(波長の5倍)以上とすれば良い。
Here, when the
For example, when a YAG laser (wavelength 1.064 μm) is used as the laser light, the thickness (D1−D2) is 0.3 μm (determined by the above approximation), preferably 1 μm (about the wavelength of propagating light). ) Or more, more preferably 5 μm (5 times the wavelength) or more.
次に、本発明の変形例について、図4〜6を用いて説明する。図4〜6においては、上記の光ファイバ100について、クラッドモード光除去部103、およびこれに含まれる溝部104、開口部104a、非開口部104bに関する変形例を説明するものである。
Next, the modification of this invention is demonstrated using FIGS. 4 to 6, modifications of the above-described
図4(a)は、光ファイバ100の変形例である光ファイバ400を示す側面図であり、図4(b)は比較のために示す、既に説明した本発明の光ファイバ100を示す側面図である。本変形例にかかる光ファイバ400は、クラッドモード光除去部403における複数の溝部404の開口部404aが、光ファイバ400末端部側において密になるよう形成されている点において、既に説明した光ファイバ100と相違する。
4A is a side view showing an
このとき、クラッド402、102内を伝搬し、光ファイバ400、100の末端部へ向けて伝搬する光L6、L7、L’6、L’7について考える。光L6、L’6は、光ファイバ400、100において、ともに溝部404、104の開口部404a、104aに到達し、散乱されてクラッド402、102の外部に放出される。
At this time, light L6, L7, L′ 6, and L′ 7 propagating in the
一方、光L’7は、光ファイバ100において、非開口部104bを通過しクラッド102の外部に放出されない。これに対し光L7は、光ファイバ400において、非開口部404bの領域を通過した光であっても、光ファイバ400末端部側において密に形成された溝部404の開口部404aに到達し、クラッド402から除去される。即ち、光ファイバ400末端部から出射される光はクラッドモード光を確実に除去した状態で出射することができるから、例えば光ファイバ400をレーザ加工装置等の高強度なレーザ光伝送手段として用いれば、レーザ加工精度の向上に寄与することができる。
On the other hand, in the
図5(a)は、本発明の別の光ファイバ100の変形例である光ファイバ500を示す断面図であり、図5(b)は比較のために示す、本発明に含まれるファイバ100を示す断面図である。本変形例にかかる光ファイバ500は、クラッドモード光除去部503が光ファイバ500の末端に形成されている点において、他の実施形態にかかる光ファイバと相違する。ここで、光ファイバ500の末端とは、例えば光ファイバ500のいずれかの一端であって、端面からクラッドモード光除去部503までの距離がクラッドモード光除去部503より小さい位置である。比較のために示す本発明に含まれる光ファイバ100は、本変形例の光ファイバ500とは、クラッドモード光除去部103が光ファイバ100の末端ではなく、所定の距離だけ離間させて形成されている点において、光ファイバ500とは相違する。なお、両形態において、溝部104、504の底部105、505には、所定の厚みを有するクラッド102‘、502’が形成されている。
FIG. 5A is a cross-sectional view showing an
このとき、外部からクラッド102、502内に入射した光L8、L’8について考える。光L8、L’8は、大きな入射角をもってクラッド102、502内に入射した後、コア101,501、およびクラッドの側面において多重反射し、様々な角度をもってクラッド内を伝搬するよう平均化される光である。一般に、レーザ光はコア101、501に向けて集光されるよう光学系が調整されるから、クラッド102、502内に入射する光としては、大きな入射角をもつ光L8、L’8のような形態が典型的である。
At this time, light L8 and L′ 8 incident on the
ここで、本実施形態における光ファイバ500においては、クラッドモード光除去部503が光ファイバ500の末端に形成されているから、光L8はクラッド502内に入射した直後にクラッドモード光除去部503に到達する。即ち、光L8が様々な伝搬モードに平均化される前にクラッドモード光除去部503に到達する。ここで、前述したようにコア501を伝搬する光の損失を回避するために、光ファイバ500では溝部504の底部505には、所定の厚みを有するクラッド502‘が形成されている場合には、伝搬角(クラッドと空気の界面における反射角)の小さな光はクラッドモード光除去部503において除去されずに、底部505における所定の厚みを有するクラッド102‘を通過して伝搬する恐れがある。しかし、光L8の伝搬角が平均化される前にクラッドモード光除去部503に到達することで、大きな伝搬角を有した光L8を確実に溝部504の開口部504aに導くことができる。
Here, in the
これに対し、図5(b)に示す光ファイバ100は、クラッドモード光除去部103が光ファイバ100の末端から所定の距離だけ離間させて形成されている。このため、入射光L‘8はクラッドモード光除去部103に到達する前に様々な伝搬モードに平均化される。その結果、溝部104の底部105のクラッド102を透過する光の成分が増加することとなり、クラッドモード光の除去効率が低下する。
On the other hand, in the
以上のように、本変形例における光ファイバ500によれば、クラッドモード光除去部503が光ファイバ500の末端に形成されていることにより、クラッドモード光の除去効率を向上することができる。
As described above, according to the
図6(a)(b)は、本発明の光ファイバのさらに別の変形例を示す図である。本実施形態における光ファイバ600、700は、クラッドモード光除去部603、703の具体的な形態において、他の実施形態と相違する。クラッドモード光除去部603、703は、光ファイバ600、700の所定断面において、溝部604、704が所定間隔をあけて複数開口するクラッドモード光除去帯603−N、703−N(Nは自然数)を含み、クラッドモード光除去帯603−N、703−Nは光ファイバ600、700の長手方向(方向X)に所定間隔をあけて形成されており、隣接するクラッドモード光除去帯603−N、703−Nにおける非開口部604b、704bは、周方向(方向θ)に互いにずれている。
FIGS. 6A and 6B are views showing still another modification of the optical fiber of the present invention. The
図6(a)において、クラッドモード光除去部603は、クラッド602の厚みより小さい深さである溝部604を複数有し、クラッド602の周方向(方向θ)において溝部604が開口する開口部604aと、溝部604が開口していない非開口部604bとに区分される。そして、光ファイバの軸方向(方向X)において、非開口部604bに対応する位置に、開口部604aが存在する。即ち、光ファイバ600はコア(図示せず)を通るいずれの断面においても、少なくとも一カ所の開口部604aが含まれている。
6A, the clad mode
ここで、ある非開口部604bに対応する位置には開口部604a−1、604a−2が存在するが、非開口部604bのうち、領域604b−1は開口部604a−1に対応し、領域604b−2は開口部604a−2に対応している。即ち、本発明において、ある非開口部604bの領域に対応する位置に存在する開口部604aの領域は複数であっても良い。
Here,
図6(b)において、クラッドモード光除去帯703−N(Nは自然数)は光ファイバ700の長手方向(方向X)に所定間隔をあけて形成されているが、長手方向(方向X)に垂直な方向(方向θ)から傾斜している。即ち、クラッドモード光除去帯703−Nが形成されるべき光ファイバ700の所定断面とは、光ファイバ700の長手方向(方向X)に垂直な方向に限定されるものではない。また、クラッドモード光除去帯705−Nが光ファイバ700の長手方向(方向X)に垂直な方向に対して傾斜して形成されることにより、クラッドモード光除去帯705−Nは連続して形成されていても良い。光ファイバ700の長手方向において所定間隔をあけて形成されていれば良い。
In FIG. 6B, the cladding mode light removal band 703-N (N is a natural number) is formed at a predetermined interval in the longitudinal direction (direction X) of the
本発明の光ファイバは、その趣旨に反しない範囲において変形することが可能である。例えば、図1(b)において溝部104は方向Zに平行となるよう形成されているが、方向Zに対し傾斜するように形成しても良い。また、開口部105aの外径は深さ方向に一定でなくても良く、テーパ形状に開口していても良い。このようにすることで、クラッドモード光の溝部104における反射角を調整することができ、好適にクラッドモード光をクラッド102から外部に放射することができる。
The optical fiber of the present invention can be modified without departing from the spirit of the optical fiber. For example, in FIG. 1B, the
このような本発明の光ファイバによるクラッドモード光除去効率を評価した結果を説明する。即ち、クラッドの一端に光を入射し、他端のクラッドから出射される光の強度を測定し、入射した光強度と比較した。条件は下記の通りである。
・コア径:0.2mm、クラッド径1.0mm
・溝部の底部におけるクラッド厚:50μm程度
・クラッドモード光除去部:光ファイバの軸方向に5cmにわたって形成
・光ファイバ除去帯間の間隔(ピッチ):250μm
・溝部の幅:500μm
その結果、入射光の80%程度の光がクラッドから除去されていることを確認した。(即ち、クラッドモード光除去効率80%程度)また、剪断強度は2Nであった。
The result of evaluating the clad mode light removal efficiency of the optical fiber of the present invention will be described. That is, light was incident on one end of the clad, the intensity of light emitted from the clad at the other end was measured, and compared with the incident light intensity. The conditions are as follows.
・ Core diameter: 0.2mm, clad diameter 1.0mm
・ Clad thickness at the bottom of the groove: about 50 μm ・ Clad mode light removal part: formed over 5 cm in the axial direction of the optical fiber ・ Interval (pitch) between optical fiber removal bands: 250 μm
・ Width of groove: 500 μm
As a result, it was confirmed that about 80% of the incident light was removed from the cladding. (That is, the cladding mode light removal efficiency is about 80%.) The shear strength was 2N.
一方、クラッドモード除去部を、クラッド表面を鑢(No.80)により研磨して粗面化した場合(従来の形態:比較例)、クラッドモード光除去効率は70%程度であり、剪断強度は0.8Nであった。 On the other hand, when the clad mode removal portion is roughened by polishing the clad surface with scissors (No. 80) (conventional form: comparative example), the clad mode light removal efficiency is about 70%, and the shear strength is 0.8N.
また、クラッドモード除去部を、光ファイバの周方向にわたって溝部が連続して形成された、環状の開口部を有する形態とした場合(図3(b)に示す形態)、クラッドモード光除去効率は80%程度であり、剪断強度は0.8Nであった。 In addition, when the cladding mode removal portion has a form having an annular opening in which grooves are continuously formed in the circumferential direction of the optical fiber (a form shown in FIG. 3B), the cladding mode light removal efficiency is The shear strength was about 80N.
以上より、本発明によればクラッドモード光の除去効率が高く、かつ、機械的強度の高い光ファイバを提供することが可能であった。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an optical fiber having high cladding mode light removal efficiency and high mechanical strength.
次に、本発明の光ファイバの製造方法を説明する。本発明の光ファイバは、クラッドモード光除去部において、クラッドの厚みより小さい深さである溝部を形成可能であれば特に限定されるものではないが、光ファイバのクラッドにレーザ光を集光照射することにより形成することが好ましい。このようにすれば、溝部以外のクラッド表面に無用な傷が加わることを防止でき、また、溝部の底部を滑らかな形状に形成できることから、光ファイバの機械的強度が低下することを防止できる。 Next, the manufacturing method of the optical fiber of this invention is demonstrated. The optical fiber of the present invention is not particularly limited as long as a groove portion having a depth smaller than the thickness of the cladding can be formed in the cladding mode light removing portion. It is preferable to form by doing. In this way, unnecessary scratches can be prevented from being applied to the cladding surface other than the groove, and the bottom of the groove can be formed in a smooth shape, so that the mechanical strength of the optical fiber can be prevented from being lowered.
これを図7(a)参照して説明する。まず、クラッド102が露出した光ファイバ100を用意し、光ファイバ100をXYZθ方向に移動可能な治具110に把持する。このような治具110は、例えば特開2007−209992号公報に記載されているような、公知のXYZθ4軸制御ステージを用いることができる。
This will be described with reference to FIG. First, the
そして、所定強度のレーザ光を照射するよう設定されたレーザ照射器(図示せず)から出射されたレーザ光rを、クラッド102に所定時間照射する。これにより、クラッド102には所定深さの溝部104が形成され得る。このとき、レーザ光rを複数回に分けて照射し、照射回数により溝部104の深さを制御するようにすれば、レーザ光強度を過度に大きくする必要がなく、溝部104の形状制御が容易となる。即ち、クラッド102に溝部104を複数形成する場合において、深さが互いにほぼ等しくなるよう形成することができる。
Then, the clad 102 is irradiated with a laser beam r emitted from a laser irradiator (not shown) set to irradiate a laser beam with a predetermined intensity for a predetermined time. As a result, a
次に、光ファイバ100を把持する治具110を調整し、光ファイバ100をレーザ照射器に対しX方向及びθ方向に相対移動させ、再びレーザ光rを照射して溝部104を形成する。このような工程を繰り返すことにより、クラッド102に複数の溝部104を形成する。
Next, the
例えば、図1に記載の光ファイバ100を製造するには、図7(b)に示すように、まずレーザ光rを照射して溝部104−1を形成し、次に光ファイバ100を方向Xに移動させ、再びレーザ光を照射する。これを繰り返すことにより、溝部104−1〜2を形成する。次に、光ファイバをθ方向に回転すると共にX方向に移動させ、同様の操作を行う。これにより、光ファイバ100’には溝部104−1〜4に対して方向Xおよび方向θについてずれた位置に溝部104−2−1〜2を形成することができる。
For example, to manufacture the
このようにしてクラッドに対するレーザ照射位置および溝部の深さを調整することにより、光ファイバにおけるクラッドモード光除去部は、クラッドの厚みより小さい深さである溝部を複数有し、このクラッドの周方向(方向θ)において溝部が開口する開口部と、溝部が開口していない非開口部とに区分され、かつ、光ファイバの軸方向(方向X)において、非開口部に対応する位置に、開口部が存在するように形成することができる。また、レーザ光の照射位置・方向を適宜変更することにより、変形例に示した光ファイバを製造することができる。 By adjusting the laser irradiation position and the groove depth to the clad in this way, the clad mode light removing portion in the optical fiber has a plurality of grooves having a depth smaller than the thickness of the clad, and the circumferential direction of the clad In the (direction θ), the opening is divided into an opening in which the groove is open and a non-opening in which the groove is not open, and is opened at a position corresponding to the non-opening in the axial direction (direction X) of the optical fiber. It can be formed so that there is a part. Moreover, the optical fiber shown in the modification can be manufactured by appropriately changing the irradiation position and direction of the laser beam.
次に、本発明の光ファイバを用いた光ケーブルについて、図8を用いて説明する。図8は、本発明の光ファイバを備える光ケーブル1の構成図である。なお、光ケーブル1は、光ファイバ100を搭載する例について説明する。この図8に示された光ケーブル1は、高強度(例えば2kW〜10kW)のレーザ光を照射して、例えば車両のボデー等の鉄板を溶接・切断するレーザ加工機のレーザ光伝送手段として使用され得る。
Next, an optical cable using the optical fiber of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a configuration diagram of an
光ケーブル1は、レーザ光を伝搬する光ファイバ100と、この光ファイバ100の末端を収容するハウジング2と、ハウジング2の後端側に設けられ、光ファイバ100を把持する把持部3とを備える。
The
光ファイバ100は、クラッド102の外周を包囲する被覆部107を有し、把持部3は被覆部107を把持することによって光ファイバ100を把持することが好ましい。そして、ハウジング2において、クラッド102およびクラッドモード光除去部103は露出するようになっている。
The
このように構成することにより、クラッドモード光、具体的には、アライメントのずれによりコア101に入射されなかった光(ミスアライメント光)や光ファイバ100から出射されて加工対象(鉄板等)で反射して戻ってきた光(反射戻り光)をクラッド102から除去し、ハウジング2内に放射することができる。
With this configuration, clad mode light, specifically, light that has not been incident on the
光ファイバ100の端面には、円柱状のエンドキャップ4が接続されている。エンドキャップ4は、コア101と同等の屈折率をもって形成されていると共に、コア101よりも大きな径を有している。このようなエンドキャップ4を設けることにより、光ファイバ100の端面において、外部(空気)との界面における光のエネルギー密度が低下するため、ゴミ等の不純物が付着して焼き付くことによる損傷が生じにくくなる。エンドキャップ4は、例えば融着等により光ファイバ100の端面に光学接触した構造となっている。エンドキャップ4は、ハウジング2の先端の凹部2aに収容されて固定される。
A
光ケーブル1は、光ファイバ100の端末部を収容する内側管5に包囲された状態でハウジング2内に収容されることが好適である。内側管5は、例えば銅やアルミニウム等のような光を反射させやすい材料で構成されている。これにより、クラッドモード光除去部103によって除去され、クラッドモード光除去部103から放射されたクラッドモード光が直接ハウジング2に吸収されることとなるため、過度に発熱することによる破損を防止することができる。また、内側管5の内壁面5aを反射コーティングすることにより、一部の光だけが内側管5に吸収されることとなり、この場合、内側管5の過度の発熱をも防止することができ、さらに好ましい。
The
ハウジング2と内側管5との間には、冷却水を流すための冷却用スペース6が設けられている。また、ハウジング2には、冷却用スペース6に冷却水を流入させるための入口部7と、冷却用スペース6から冷却水を流出させるための出口部8とが形成されている。レーザ加工機の使用時には、冷却ファンを含む循環系(図示せず)によって冷却水が冷却用スペース6を循環する。これにより、内側管5が効率よく冷却されるようになっている。
A cooling space 6 for flowing cooling water is provided between the
内側管5は、ハウジング2内に固定され得る。この固定方法としては、接着剤Sによる接着固定や、O−リング等のパッキンを用いた封止固定が好ましい。このように固定することにより冷却水が内側管5内に流入することを確実に防止できる。そして、クラッドモード光除去部103は、内側管5がハウジング2に固定された領域5bを避ける位置に設けられている。このように構成すれば、ハウジング2と内側管5とを固定する領域5bに設けられた接着剤SやO−リング等に過度の熱が加わることを防止でき、高強度のレーザ光を伝送する場合における損傷を防止できる。
The inner tube 5 can be fixed in the
また、光ファイバ100は、その端面にクラッド102と略同径でコア101と同等の屈折率を有するガラスロッド108の一端側が光学接続されていると共に、ガラスロッド108の他端側がエンドキャップ4と光学接続されていることが好ましい。このようにすれば、クラッドモード光の除去効率を高く維持できると共に、光ファイバ100の先端側に位置するエンドキャップ4の固定部や領域5bと、クラッドモード光除去部103とを容易に離間させることができる。また、光ファイバ100とエンドキャップ4を融着接続する場合には、両者の熱容量差に起因したコア101の変形を防止できるため、製造における歩留まりを向上することができる。このような効果は、光ファイバ100の末端にクラッドモード光除去部103が形成されている場合において、より確実にクラッドモード光を除去できる点で特に有利となる。
The
なお、光ファイバ100のコア101から出射されたレーザビームRは、拡がりながらガラスロッド108及びエンドキャップ4の内部を伝搬する。ここで、ガラスロッド108の軸方向の長さは、レーザビームRがガラスロッド108の外周面(側面)108aに達しないような寸法に設定されていればよい。これにより、レーザビームRがガラスロッド108の外周面108aで反射してビーム品質が劣化することが防止される。
The laser beam R emitted from the
ガラスロッド108内を通過するレーザビームの拡がり角をBとすると、この拡がり角Bは、光ファイバ100の開口数NAおよび屈折率nを用いて、下記式から得られる。
NA=nsinB
When the divergence angle of the laser beam passing through the
NA = nsinB
ここで、光ファイバ100のコア径を0.2mm、光ファイバ100の開口数NAを0.2、コア101の屈折率nを1.45、クラッド径を1.0mmとする場合、レーザビームRがガラスロッド108の外周面108aに届かないようにするためには、ガラスロッド108の長さを2.9mmとすればよい。
Here, when the core diameter of the
本発明の光ファイバおよび光ケーブルは、その趣旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。即ち、光ファイバとしては、断面形状が円形のコアであるもののほか、断面形状が矩形状のコアであるものを用いてもよく、コアの断面形状は特に限定されない。また、光ファイバの種類としては、石英製光ファイバ、プラスチック製光ファイバ等、あらゆる種類の光ファイバを使用することができる。 The optical fiber and the optical cable of the present invention can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. That is, as the optical fiber, in addition to a core having a circular cross section, a core having a rectangular cross section may be used, and the cross section of the core is not particularly limited. Further, as the types of optical fibers, all types of optical fibers such as quartz optical fibers and plastic optical fibers can be used.
100,200,300,400,500,600,700…光ファイバ
102,202,302,402,502,602,702…クラッド
103,203,303,403,503,603,703…クラッドモード光除去部
104,204,304,404,504,604,704…溝部
105a,205a,305a,405a,505a,605a,705a…開口部
105b,205b,405b,505b,605b,705b…非開口部
1…光ケーブル 2…ハウジング 3…把持部 4…エンドキャップ 5…内側間
6…冷却用スペース 7…入口部 8…出口部
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 ...
Claims (12)
前記クラッドは、前記光ファイバの軸方向に延びる、前記クラッドを伝搬する光を除去するクラッドモード光除去部を有し、
前記クラッドモード光除去部は、複数の溝部を含み、前記溝部の深さは前記クラッドの厚みより小さく、前記クラッドの周方向において前記溝部が開口する開口部と、前記溝部が開口していない非開口部とに区分され、
前記光ファイバの軸方向において、前記非開口部に対応する位置に、前記開口部が存在する
ことを特徴とする光ファイバ。 An optical fiber comprising a core and a clad surrounding the outer periphery of the core,
The clad has a clad mode light removing portion that extends in an axial direction of the optical fiber and removes light propagating through the clad,
The cladding mode light removal portion includes a plurality of groove portions, and the depth of the groove portion is smaller than the thickness of the cladding, and the opening portion in which the groove portion opens in the circumferential direction of the cladding and the non-opening groove portion. Divided into openings,
The optical fiber, wherein the opening is present at a position corresponding to the non-opening in the axial direction of the optical fiber.
前記クラッドモード光除去帯は前記光ファイバの長手方向に所定間隔をあけて形成されており、隣接する前記クラッドモード光除去帯における前記非開口部は、周方向に互いにずれている
ことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ。 The clad mode light removal portion includes a clad mode light removal zone in which the groove portion has a plurality of openings at predetermined intervals in a predetermined cross section in the circumferential direction of the optical fiber,
The clad mode light removal band is formed at a predetermined interval in the longitudinal direction of the optical fiber, and the non-openings in the adjacent clad mode light removal bands are shifted from each other in the circumferential direction. The optical fiber according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光ファイバ。 The predetermined opening in the circumferential direction of the optical fiber, the opening is 70% or more and 95% or less of the circumference of the cladding in the cross section. An optical fiber as described in 1.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光ファイバ。 The thickness of the said clad is set so that the thickness in the said bottom part of the said groove part may become thicker than the area | region which the evanescent light of the laser beam which propagates the said core of the said optical fiber oozes out. The optical fiber according to any one of the above.
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光ファイバ。 The length in the axial direction of the cladding mode light removal portion is 3 cm or more and 7 cm or less,
The optical fiber according to any one of claims 1 to 5, wherein:
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光ファイバ。 The optical fiber according to any one of claims 1 to 6, wherein the clad mode light removing unit is formed at a terminal of the optical fiber.
ことを特徴とする請求項1乃至7に記載の光ファイバ。 The optical fiber according to any one of claims 1 to 7, wherein the plurality of groove portions are formed densely on a terminal side of the optical fiber.
前記光ファイバの端末部を収容し、前端部において前記光ファイバの末端を固定するハウジングと、
前記ハウジングの後端側に設けられ、前記光ファイバを把持する把持部とを備え、
前記光ファイバは、前記クラッドの外周を包囲する被覆部をさらに有し、
前記把持部は前記被覆部を把持することによって前記光ファイバを把持し、
前記端末部において前記クラッド及び前記クラッドモード光除去部が露出している
ことを特徴とする光ケーブル。 A fiber according to any one of claims 1 to 8,
A housing for accommodating the end portion of the optical fiber, and fixing the end of the optical fiber at the front end;
A grip portion provided on the rear end side of the housing and gripping the optical fiber;
The optical fiber further includes a covering portion that surrounds the outer periphery of the cladding,
The gripping part grips the optical fiber by gripping the covering part,
The optical cable, wherein the clad and the clad mode light removing portion are exposed at the terminal portion.
この光ファイバは、端面に光学接触して設けられるとともに前記ハウジングに固定されたエンドキャップをさらに備える
ことを特徴とする請求項9に記載の光ケーブル。 The optical fiber is a fiber according to claim 7 or 8,
The optical fiber according to claim 9, further comprising an end cap that is provided in optical contact with the end face and is fixed to the housing.
前記内側管は前記ハウジング内に固定されており、前記クラッドモード光除去部は前記内側管が前記ハウジングに固定された固定部を避けるように形成されていることを特徴とする請求項9または10に記載の光ケーブル。 The optical cable is further accommodated in the housing, further comprising an inner tube that accommodates the end portion of the optical fiber,
11. The inner tube is fixed in the housing, and the cladding mode light removing portion is formed so as to avoid a fixing portion in which the inner tube is fixed to the housing. The optical cable described in 1.
ことを特徴とする請求項10に記載の光ケーブル。 The optical fiber is connected to one end side of a glass rod having substantially the same diameter as the clad, and the other end side of the glass rod is connected to the end cap on the end face of the optical fiber. Item 11. The optical cable according to Item 10.
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