JP2870730B1 - 光ファイバの先鋭化加工方法 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】マルチモード光ファイバのナノメータレベルま
での先端先鋭化を高精度で再現性よく、短時間で形成で
きる加工方法を提供すること。 【解決手段】光ファイバ中間部を局所的に軟化点以上の
温度に加熱しながら、光ファイバの一端は固定し、他端
を牽引して、加熱部に非対称なくびれを作った後に、固
化点以下に冷却してから、くびれ部を再加熱して、くび
れ部の径を所定の値にまで細くし、再び冷却してから、
光ファイバをくびれ部で切断して先鋭化された先端を持
つ光ファイバを作る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバの先端
を先鋭化する加工方法に係り、特に、光の波長より小さ
いサイズの微小領域への光の注入や光の検出に供される
走査型光学プローブ顕微鏡のプローブ等、波長以下の微
小領域を光学的に測定する手段として使用するのに好適
な光ファイバの先鋭化加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ナノメータサイズの物質やその構造には
生物分子、有機色素、その他人工的な微小構造など種々
あるが、これらはマクロサイズのものと異なった特異な
電気的・光学的特性を示すものが多い。特に半導体素子
においては、素子サイズのナノメータ化により、高速
化、低消費電力化や、量子効果による新しい機能の発現
などの期待から活発な研究・開発が進んでいる。そのた
め、光の波長より小さいナノメータサイズの微小領域の
電気的・光学的特性を評価したいという要請が高い。

【０００３】近年、光の波長よりも小さなサイズの微小
領域からの光を検出したり、この微小領域へ光を注入し
たりして、波長以下の微小領域を光学的に測定する装
置、いわゆる走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）「参
考文献：例えば、近接場ナノフォトニクスハンドブック
（オプトロニクス社、東京）」や、微小領域にトンネル
電子を打ち込んで、それに伴って発生する光（トンネル
電子ルミネッセンス）を同一の探針で集光し、光の波長
以下の微小領域を光学的に測定する装置、いわゆる探針
集光型走査型トンネル電子ルミネッセンス顕微鏡「参考
文献：例えばT. Murashita, J. Vac. Sci. Technol., v
ol. B16, p. 32 (1997）等」が開発されてきた。これら
の装置では、光の注入や集光を行うプローブとして、い
ずれもその先端を光の波長よりも小さいサイズまで細く
した光ファイバを使用している。この光ファイバの細線
化部分（テーパ部）のサイズや形状などの品質がこれら
の装置の空間分解能や集光効率などの性能を支配してい
る。従来のＳＮＯＭでは光としてレーザ光等のスペクト
ル幅の狭い単色光を使用していたので、光ファイバにも
特定の光だけを効率的に透過させるコア径の小さなシン
グルモード光ファイバを主に使用していた。しかし、ス
ペクトル測定を行う場合には、広い波長領域にわたって
一様な光透過率が必要であり、そのためにはコア径が光
の波長より充分大きなマルチモード光ファイバを使用し
なくてはならない。

【０００４】シングルモード光ファイバは、コア径が概
ね１０μｍ以下と小さく、またクラッド外径は概ね１２
５μｍと大きく、コア径とクラッド外径との比率が非常
に大きい構造をしている。このようなシングルモード光
ファイバでは、コアに対してかなり太いクラッドがマス
クの役割を果たし、化学エッチングのみで容易に先鋭化
加工ができた「参考文献：例えば、T. Pangaribuan, S.
Jiang, and M. Ohtsu, Scanning, vol. 16, p. 362 (1
994)」。

【０００５】しかし、マルチモード光ファイバではコア
径が数十μｍ以上と大きく、またクラッド径との比率も
小さい。例えば、コア径が１００μｍ、クラッド外径が
１４０μｍというものがある。このため、マルチモード
光ファイバでは、シングルモード光ファイバの場合と異
なり、化学エッチングの際に、クラッドがマスクとして
の機能を充分果たすことができず、光ファイバの先鋭化
が困難であるという問題があった。また、単に光ファイ
バを加熱して軟化した光ファイバを引っ張って細くする
方法も試みられているが、形状精度、寸法精度、再現性
が悪いという問題点があった。また、この場合には形成
されたテーパ部は非常に細長い形状になるため、この部
分での光の減衰が大きいという問題点があった。

【０００６】このように、マルチモード光ファイバのナ
ノメータレベルまでの高精度で再現性の良い先鋭化加工
方法が待望されていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明においては、従
来の化学エッチングや加熱・引っ張りだけでは困難であ
ったマルチモード光ファイバのナノメータレベルまでの
先端先鋭化を高精度で再現性よく、短時間で形成できる
加工方法を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの手段として、本発明においては、光ファイバ中間部
を局所的に軟化点以上の温度に加熱しながら、光ファイ
バの一端は固定し、他端を牽引して、加熱部に非対称な
くびれを作った後に、固化点以下に冷却してから、くび
れ部を再加熱して、くびれ部の径を所定の値にまで細く
し、再び冷却してから、光ファイバをくびれ部で切断し
て先鋭化された先端を光ファイバを作る。

【０００９】本発明は、前記のような方法を採用したの
で、コア径が大きく、クラッド外径とコア径の比率が小
さなマルチモード光ファイバの先鋭化加工を高精度で再
現性良く短時間で実現できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、図
面を用いて詳説する。

【００１１】図１は本発明の加工手順を示すフローチャ
ートである。以下に、このフローチャートに従って、本
発明の加工手順を説明する。

【００１２】図２は、図１における「ファイバ装填」か
ら「しぼり部の直径ＯＫ？］までの各段階における一連
のファイバの加工状態を説明する図である。図２（ａ）
はファイバを加熱・軟化させた状態で、１は光ファイ
バ、２はアーク放電などの加熱手段、３は加熱により軟
化した光ファイバの部分である。図２（ｂ）は軟化した
光ファイバを牽引した状態で、４は牽引により軟化部分
に生じたくびれである。図２（ｃ）は牽引後に一旦固化
温度以下まで冷却した状態、図２（ｄ）は固化温度以下
まで冷却した光ファイバを、再度加熱・軟化させて、一
層の先鋭化を行った状態である。

【００１３】図３は、図１における「切断」の工程を説
明する図であり、光ファイバ１を第１の化学エッチング
液５に浸して化学エッチングにより、くびれ部分で光フ
ァイバを分離した状態を示している。

【００１４】図４は、第１の化学エッチング液５とは異
なる組成の第２の化学エッチング液６で光ファイバ１の
テーパの形状の微調整を行う状態を示している。

【００１５】（第１段階：細線化）まず、図１における
「ファイバ装填」から「しぼり部の直径ＯＫ？］まで
を、図２を用いて説明する。

【００１６】所定のコア径のマルチをモード光ファイバ
を加工作業に必要な長さに切り出し、それを光ファイバ
融着機の光ファイバ保持治具（図２中３角形で表示）で
保持し、光ファイバの中間部を局所的に加熱する。切り
出す長さは作業条件や仕上がり長さによって異なるが、
仕上がり長さに作業や保持などに必要な余剰部分として
通常数ｃｍ程度を加える。加熱方法としてはアーク放電
やレーザ光照射など種々なものがあるが、比較的広い領
域を加熱・軟化できるアーク放電が適している。ここで
はアーク放電を用いた場合について述べる。

【００１７】光ファイバ融着機は光ファイバをアーク放
電で加熱する機構と、この加熱機構の両側にそれぞれ光
ファイバを保持する機構とがある。この光ファイバを保
持する機構のうち少なくとも一方は、加熱された光ファ
イバを軸方向に自在に牽引する機能を有する。切り出し
た光ファイバをアーク放電が生じる領域を横切るよう
に、その両側の保持機構の間に張り渡し、保持機構に固
定する。まずはじめに、極く短時間アーク放電し、光フ
ァイバ表面の付着物や汚れを焼き払う。これをクリーニ
ング放電とよぶ。クリーニング放電の後、光ファイバ１
の中央付近の一部を一定時間アーク放電２で加熱する
と、加熱された光ファイバの部分３が軟化する（図２
（ａ））。光ファイバが軟化した後、光ファイバの一端
を固定し、他端を引き離す方向に移動させて、光ファイ
バを所定の距離だけ牽引する。このとき、軟化した部分
で光ファイバが細くなり、その中にくびれ４が生じる
（図２（ｂ））。牽引する量としては、通常光ファイバ
の直径程度以上とすればくびれを形成することができ
る。さらに牽引することによりくびれ４を細くし、所望
の径とすることができる。このくびれを境に、牽引する
側と固定した側とで軟化した部分の形状が異なる。牽引
した側は細長く、固定した側はそれよりも太くて短い形
状となる。所定の距離を越えて牽引を継続しても、軟化
した部分が全体的に細くなってゆくだけで、くびれの直
径はさほど細くならない。また、両側の光ファイバを両
方とも牽引してはならない。これは実験的に見い出され
た現象であり、牽引は必ず一方のみとし、他方は固定し
て移動させないことが重要である。

【００１８】所定の距離まで牽引したのち、牽引および
アーク放電を停止し、光ファイバ温度を下げて固化させ
る（図２（ｃ））。この際、光ファイバはくびれた細い
部分から先に冷却してゆき、軟化していた部分には固化
時に内部応力が蓄積する。

【００１９】光ファイバが一旦固化したのち、さきほど
軟化させた部分をアーク放電で再加熱する。この時は、
光ファイバは牽引せず、両側の保持機構とも固定してお
く。加熱すると直径が細い部分ほど速く温度が上昇し、
この部分から先に軟化し始める。軟化した部分は固化時
に蓄積された内部応力と表面張力によって、くびれを境
にくびれの両側の太い部分の方向に強く引き付けられる
ので、くびれ部分近傍から局所的に急激に細くなる（図
２（ｄ））。最も細い部分の直径が、２０〜３０ミクロ
ン程度まで細くなった時点でアーク放電を停止する。す
ると自然に冷却されて固化する。１回の再加熱（図１に
おける「追加放電（牽引なし）」）で所定の直径まで細
くならない場合には、アーク放電を断続的に行って、加
熱・軟化と冷却・固化を何回か繰り返す。細くなった部
分で光ファイバが分離しないように注意しながら、光フ
ァイバをこの光ファイバ融着機の保持機構から取り外
す。なお、アーク放電の停止が遅れて、くびれ部分の直
径がさらに小さくなると、アーク放電中に光ファイバが
溶断したり、溶断にいたらなくても細くなりすぎて保持
機構から光ファイバを取り外す際に切れてしまうので、
上記の作業には細心な注意が必要である。

【００２０】（第２段階：分離）つぎに、図１における
「切断」について説明する。

【００２１】第１段階で細線化した光ファイバを光ファ
イバ融着機から取り外し、その光ファイバを、くびれ部
分が充分浸る深さまで、第１の化学エッチング液に浸
す。このとき、第１段階で固定した側の光ファイバが上
に、牽引した側の光ファイバが下になるようにして、く
びれた部分が充分浸るまで化学エッチング液中に鉛直に
入れる。この第１の化学エッチング液はふっ酸と弗化ア
ンモニウムと水の混合液である。溶液中に光ファイバを
静かに放置しておくと、光ファイバの構成素材であるシ
リカ（石英）がエッチングされて細くなり、しばらくす
るとくびれの部分で光ファイバの上下の部分が分離する
（図３）。

【００２２】エッチング溶液の温度を高めると、エッチ
ングが速く進行するので、分離までの時間を短縮でき
る。ただし、温度が高くなると、溶液表面からのふっ化
水素の蒸発量が増えて危険であるのと、液面より上の部
分がその蒸気によってエッチングされる恐れがあるの
で、エッチング液の温度は室温よりやや高い程度の温度
（例えば４０℃前後）に設定する。必要に応じて高分子
量炭化水素のデカンを溶液に滴下して液面にデカンの被
膜を作り、ふっ化水素の蒸発を抑える。なお、溶液を入
れた容器の下部から加熱すると、溶液の対流により切断
直前の光ファイバが不安定に動き、切断面が軸対称にな
らない。そこで、溶液の対流を抑えるために、容器の側
面あるいは上方から加熱する。あるいは恒温漕内で溶液
全体を均一な温度に保持して対流を抑える。

【００２３】この切断工程において、光ファイバ全体が
エッチングされるので、くびれ部のテーパ（軸方向に対
する径の変化）はほぼ一定に保たれながら、くびれ部が
次第に細くなり、最終的には切断されるので、光ファイ
バの先鋭化も同時に行われる。ここでは、第１の化学エ
ッチング液として、５０％ふっ酸と４０％ふっ化アンモ
ニウム水溶液と水との容積混合比が１：１：１であるエ
ッチング液を用いたが、この比がＸ：１：１（ここで
０．５≦Ｘ≦１．５）であるエッチング液を用いても、
同様の効果が得られる。

【００２４】下の部分が分離した後の光ファイバを分離
後直ちにエッチング液から引き上げて、洗浄水に浸し、
光ファイバに付着したエッチング液を除去する。

【００２５】（第３段階：形状の微調整）最後に、図１
における「先端形状ＯＫ？」から「完了」までを説明す
る。

【００２６】エッチングで分離した直後の光ファイバ先
端は非常に鋭い形状をしている。この形状をそのまま使
用する場合には、ここまでの工程で終了しても充分であ
るが、通常は使用目的に適したテーパ形状にさらに微調
整を加える。

【００２７】形状を微調整して仕上げるために、第２段
階で分離した光ファイバを第１の化学エッチング液とは
異なる組成の第２の化学エッチング液に浸す（図４）。
このエッチング液もふっ酸と弗化アンモニウムと水の混
合液であるが、光ファイバの切断に用いた溶液と成分の
配合が異なり、５０％ふっ酸と４０％ふっ化アンモニウ
ム水溶液と水との容積比がＸ：１：１、２≦Ｘ≦２０と
なるように混合したものである。弗化アンモニウム水溶
液の容積比Ｘとエッチング時間は、仕上げるテーパの角
度とコアのゲルマニウム濃度によって決まる。たとえ
ば、ゲルマニウム濃度が高くなればテーパ角度は狭くな
る。Ｘが大きくなると、テーパ角度は小さくなり、ゲル
マニウム濃度がその下限を決める。エッチング時間が長
くなると、テーパ角度は広がる。本実施の形態ではＸ＝
４のエッチング液を用い、先端の角度６０°を得ること
ができた。同様にして、２≦Ｘ≦２０の範囲で先端の角
度３０〜９０°が制御性良く得られた。

【００２８】（他の実施の形態）なお、ここでは光ファ
イバの加熱手段として、アーク放電を用いた場合を示し
たが、他の加熱手段、例えばレーザ光等による加熱手段
を用いても良い。ただし、その場合には、マルチモード
光ファイバの外径と同程度以上の比較的広い領域を加熱
できることが必要である。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高精度で再現性良くマルチモード光ファイバをナノメー
タレベルまで先鋭化することができる。

【００３０】また、本発明の加工方法は、上記の発明の
実施の形態に示した集光探針のみならず、例えば、走査
型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）をはじめとして、微小光源
と光ファイバとの光結合、光記憶装置のピックアップ、
マイクロマシンなどにも適用可能であり、優れた汎用性
・融通性・機能性および有用性を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加工手順を説明するフローチャートで
ある。

【図２】本発明の加工手順の「第１段階：細線化」を説
明する図である。

【図３】本発明の加工手順の「第２段階：分離」を説明
する図である。

【図４】本発明の加工手順の「第３段階：形状の微調
整」を説明する図である。

【符号の説明】

１…光ファイバ ２…アーク放電 ３…軟化した部分 ４…くびれ ５…第１の化学エッチング液 ６…第２の化学エッチ
ング液

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバの先鋭化加工方法において、光
   ファイバの両端を保持し、中間部を加熱して軟化させる
   第１の工程と、前記保持された光ファイバの一端を固定
   し、他の端を牽引することにより、前記光ファイバの前
   記中間部に非対称のくびれを生じさせる第２の工程と、
   前記光ファイバを冷却する第３の工程と、前記光ファイ
   バを牽引せずに前記くびれ部を再度加熱することによ
   り、前記くびれ部を局所的にさらに細くする第４の工程
   と、前記光ファイバを再度冷却する第５の工程と、前記
   光ファイバを前記くびれ部で切断する第６の工程とを有
   することを特徴とする光ファイバの先鋭化加工方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記第４及び第５の工
   程を複数回繰り返すことにより、前記くびれ部の径を微
   調整する工程を有することを特徴とする光ファイバの先
   鋭化加工方法。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記第６の工
   程が、前記光ファイバを化学エッチング液に浸し切断す
   る工程であることを特徴とする光ファイバの先鋭化加工
   方法。
4. 【請求項４】請求項３において、前記光ファイバが、Ｇ
   ｅがドープされた石英系マルチモード光ファイバであ
   り、前記化学エッチング液が、５０％ふっ酸０．５〜
   １．５容と４０％ふっ化アンモニウム水溶液１容と水１
   容との混合液であり、前記第６の工程の後に、前記光フ
   ァイバを５０％ふっ酸２〜２０容と４０％ふっ化アンモ
   ニウム水溶液１容と水１容との混合液に浸して先端形状
   を微調整加工することを特徴とする光ファイバの先鋭化
   加工方法。