JP4135652B2

JP4135652B2 - 中空導波路およびその応用デバイス

Info

Publication number: JP4135652B2
Application number: JP2004038633A
Authority: JP
Inventors: 由起雄阿部
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2024-02-16
Also published as: JP2005227707A

Description

本発明は、歯科治療，外科手術等の医療分野や、金属加工，表面改質等の工業分野で使用される中空導波路およびその応用デバイスに関し、特に、使用時に伝送可能な光の波長帯や出力強度を変化させることが可能な中空導波路およびその応用デバイスに関する。

近年、歯科治療，外科手術等の医療分野や、金属加工，表面改質等の工業分野では、高出力レーザが医療用や加工用デバイスとして注目されており、その伝送路として各種の超細径のフレキシブルガラス中空導波路が提案されている。

図６は、その従来の中空導波路の一例を示す。この中空導波路１は、ガラスキャピラリーチューブ２の内面に金属層３を内装し、この金属層３の内面に誘電体層１４を内装したものである（例えば、特許文献１参照。）。

この構成によれば、ガラスキャピラリーチューブ２の内面に金属層３を形成しているので、チューブ内面における反射率を向上させ、誘電体層１４における光の干渉効果により、内面反射率をさらに増大させることができるので、伝送させる光の損失を大幅に低減することができる。
特開２００３−１１４３４４号公報（[０００８]、図１）

しかし、従来の中空導波路によると、伝送する光の波長に対して誘電体層の厚さを最適にしているが、その厚さは均一であるため、使用時に伝送する光の波長を変更することはできない。また、予定していた波長と異なる波長の光を伝送させるためには、その波長に適した誘電体層の層厚を有する中空導波路を別途用意する必要がある。

従って、本発明の目的は、使用時に伝送可能な光の波長帯や出力強度を変化させることが可能な中空導波路およびその応用デバイスを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、チューブの内面に金属層を内装し、この金属層の内面に誘電体層を内装した中空導波路において、前記誘電体層は、厚さが周方向で異なり、前記誘電体層の周方向θにおける厚さｔは、最大厚さをｔ ₁ 、最小厚さをｔ ₂ とするとき、
ｔ＝ｔ ₂ ＋（ｔ ₁ -ｔ ₂ ）・｜ｃｏｓ(ｎθ/２)｜（但しｎは１または２）
で表されることを特徴とする中空導波路を提供する。

前記チューブは、ガラスキャピラリーチューブを用いてもよい。

前記金属層は、金、銀、銅又はアルミニウムから形成することが好ましい。

本発明は、上記目的を達成するため、予めあるいは使用時に少なくとも１箇所に曲げ部を有する金属パイプと、この金属パイプ内に挿通され、チューブの内面に金属層を内装し、この金属層の内面に誘電体層を内装した中空導波路とを備えた中空導波路応用デバイスにおいて、前記中空導波路の前記誘電体層は、厚さが周方向で異なり、前記誘電体層の周方向θにおける厚さｔは、最大厚さをｔ ₁ 、最小厚さをｔ ₂ とするとき、
ｔ＝ｔ ₂ ＋（ｔ ₁ -ｔ ₂ ）・｜ｃｏｓ(ｎθ/２)｜（但しｎは１または２）
で表されることを特徴とする中空導波路応用デバイスを提供する。

本発明の中空導波路によれば、光を伝送させる誘電体層の厚さを選択することにより、伝送特性が変化するので、使用時に伝送可能な光の波長帯や出力強度を変化させることが可能となる。

チューブとして、ガラスキャピラリーチューブを用いることにより、長尺の中空導波路を製作が容易となる。

誘電体層の周方向θにおける厚さｔは、最大厚さをｔ₁、最小厚さをｔ₂とするとき、
ｔ＝ｔ₂＋（ｔ₁-ｔ₂）・｜ｃｏｓ(ｎθ/2)｜（但しｎは１または２）
で表されるように構成することにより、厚さの選択が容易となる。

金属層は、金、銀、銅又はアルミニウムから形成することにより、その複素屈折率の絶対値が大きいため、低損失の中空導波路を得ることができる。

本発明の中空導波路応用デバイスによれば、金属パイプが予め曲げ部を有する場合は、金属パイプか中空導波路を回すことにより、金属パイプが予め曲げ部を有していない場合は、中空導波路を挿通した金属パイプを所定の方向に曲げることにより、金属パイプの曲げ部における誘電体層の厚さ分布が変化するので、使用時に伝送可能な光の波長帯や出力強度を容易に変化させることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る中空導波路を示す。この中空導波路１は、構造を保つための保護層となるガラスキャピラリーチューブ２の内面に金属層３を内装し、この金属層３の内面に層厚が軸方向で一定であり、周方向θで異なる誘電体層４を内装したものである。

ガラスキャピラリーチューブ２は、例えば、石英ガラスからなり、十分な可撓性が得られるように、その内径は１ｍｍ以下が好ましい。なお、ガラスキャピラリーチューブ２の代わりに、Ｎｉ等の金属やエポキシ樹脂等の樹脂からなるチューブを用いてもよい。

金属層３の材料としては、金、銀、銅、アルミニウム等を用いることができる。これらは、その複素屈折率の絶対値が大きいため、低損失の中空導波路を得ることができる。金属層３を形成する方法としては、メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法や溶融金属を付着させる方法等を用いることができる。

誘電体層４の材料としては、無機物あるいは有機樹脂を用いることができるが、使用する光の波長域において吸収が十分小さいことが重要であり、例えば、フッ化カルシウム，フッ化マグネシウム等のフッ化物や、石英，酸化マグネシウム，酸化ジルコニウム，酸化銅，酸化チタニウム，酸化アルミニウム，酸化イットリウム等の金属酸化物、ゲルマニウム，シリコン等の半導体、セレン化亜鉛，硫化亜鉛等のII-VI族化合物、あるいはポリイミド，ポリカーボネート，ポリエチレン，ポリシロキサン，ポリシロキサン，環状オレフィン樹脂，フッ素樹脂，シリコーン樹脂等の高分子樹脂を用いることができる。

次に、誘電体層４の形成方法の一例について説明する。誘電体層４は、チューブ２の内面に形成された金属層３の内面に誘電体層を形成する「内付け法」、棒状の芯材の周面に誘電体層を形成する「外付け法」等によって形成することができる。以下、「内付け法」と「外付け法」について説明する。

「内付け法」は、ガラスキャピラリーチューブ２の内側に金属層３を形成した後、金属層３の内側に誘電体の溶液を流した後、これを乾燥する送液法によって形成することができる。この送液法によると、一般には以下の形成手順となる。

（ａ）送液工程：ガラスキャピラリーチューブ２の内側に金属層３を形成したチューブを垂直に固定し、そのチューブ内に誘電体の溶液を一定の速度で流す。
（ｂ）仮乾燥工程：チューブを動かさずに垂直保持した状態で、窒素（または乾燥空気、誘電体の溶剤など）を流して仮乾燥する。
（ｃ）加熱乾燥工程：チューブを電気路に移動させ、窒素を流しながら加熱乾燥する。

ここで、膜厚分布を有する誘電体層４を形成するには、自重による方法と曲げによる方法とが考えられる。自重による方法は、送液工程後の仮乾燥工程を従来一般に行われている時間よりも短い時間で一時中断し、チューブを一旦水平に置き直し、その後、再び室温での仮乾燥を再開する。仮乾燥不十分の状態でチューブを水平にすることにより、誘電体層の形状は自重により変化し、膜厚分布を形成することができる。

曲げによる方法は、送液工程、仮乾燥工程を行った後、チューブを一定の曲げ半径で保持した状態で加熱乾燥を行う。曲げ半径の大きさにより膜厚分布の形状をコントロール可能となる。

「外付け法」は、棒状の芯材を回転速度を１周の周期内で変化させ、芯材の回転周期に同期して誘電体となるターゲット材をスパッタリングして誘電体層４を形成する。その後、誘電体層４の周面に金属層３を形成し、金属層３の周面にチューブを着膜形成するが、例えば、Ｎｉを着膜することによりチューブを形成することができる。

図２は、誘電体層４の層厚分布の一例を示す。誘電体層４の周方向θにおける厚さｔは、最大厚さをｔ₁、最小厚さをｔ₂とするとき、次の式（１）で表される。
ｔ＝ｔ₂＋（ｔ₁-ｔ₂）・｜ｃｏｓ(θ/2)｜・・・（１）

このように構成された中空導波路１内に光が入射すると、その光は、中空部５と誘電体層４との境界、および誘電体層４と金属層３との境界で反射を繰り返して伝搬する。誘電体層４の最大厚さｔ₁〜最小厚さｔ₂のうち光を反射させる部分の層厚さを選択することにより、伝送特性が変化するので、使用時に伝送可能な光の波長帯や出力強度を変化させることが可能となり、また、使用時に伝送する光の伝送損失を変化させることが可能となる。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る中空導波路を示す。この中空導波路１は、第１の実施の形態とは、誘電体層４の厚さ分布のみが異なる。この誘電体層４の周方向θの厚さ分布は、同図に示すように、最大厚さｔ₁および最小厚さｔ₂の部分を２箇所有する。

誘電体層４の周方向θにおける厚さｔは、最大厚さをｔ₁、最小厚さをｔ₂とするとき、次の式（２）で表される。
ｔ＝ｔ₂＋（ｔ₁-ｔ₂）・｜ｃｏｓ(θ)｜・・・（２）
このような構成においても、上記第１の実施の形態と同様に、膜厚分布を有する誘電体層４を形成することが可能であり、伝送可能な光の波長帯や出力強度を変化させることができる。

図４は、本発明の第３の実施の形態に係る中空導波路応用デバイスを示す。この中空導波路応用デバイス１０は、少なくとも１箇所に緩やかな曲げ半径の曲げ部１２を有するアルミニウム，銅，ステンレス等からなる金属パイプ１１内に、第１の実施の形態の中空導波路１を挿入した構成となっている。

このように構成された中空導波路応用デバイス１０において、層厚が周方向θで異なる誘電体層４を有する中空導波路１を回すことにより、曲げ部１２の内側１２ａとは反対側１２ｂで反射する光は、誘電体層４の層厚に依存した反射特性を示すため、中空導波路１を回すことにより、異なる伝送特性を発揮することができる。この伝送特性の変化を図面を用いてさらに説明する。

図５は、曲げ部１２の外側１２ｂの誘電体層４の層厚が一番厚くなる場合と、一番薄くなる場合の中空導波路１の伝送特性を示す。この例では、外側１２ｂに位置する誘電体層４の層厚が薄くなるように中空導波路１を回した場合に、使用波長の伝送損失が最も小さくなり、中空導波路１を回していくに従い伝送損失が大きくなり、外側１２ｂに位置する誘電体層４の層厚が最も厚くなるように中空導波路１を回した場合に、伝送損失が最も大きくなっていることから、中空導波路１を回すことにより、中空導波路１からの出力光の強度を変化させることができることが分かる。

また、図５から分かるように、伝送損失が小さくなる波長帯は、中空導波路１を回すことにより適宜変えることが可能であるため、一つの中空導波路１で様々な波長の光を伝送することも可能となる。

なお、中空導波路１側を回す代わりに、金属パイプ１１側を回してもよい。また、金属パイプ１１が可撓性を有するものである場合には、真直ぐな金属パイプ１１内に中空導波路１を挿入した後、金属パイプ１１を曲げてもよい。これらによっても出力光の強度や使用波長を変化させることができる。また、曲げ部１２は複数の個所に設けてもよい。これによれば、出力光の強度や使用波長をより変化させることができる。また、誘電体層４の厚さ分布は、上記各実施の形態に限定されず、種々な分布が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る中空導波路を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る中空導波路の誘電体層の層厚分布を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係る中空導波路を示す図である。本発明の第３の実施の形態に係る中空導波路応用デバイスを示す図である。本発明の第３の実施の形態に係る中空導波路の損失波長特性を示す図である。従来の中空導波路を示す図である。

１中空導波路
２ガラスキャピラリーチューブ
３金属層
４，１４誘電体層
５中空部
１０中空導波路応用デバイス
１１金属パイプ
１２曲げ部
１２ａ内側
１２ｂ外側
ｔ₁ 最も厚い厚さ
ｔ₂ 最も薄い厚さ
θ 周方向

Claims

チューブの内面に金属層を内装し、この金属層の内面に誘電体層を内装した中空導波路において、
前記誘電体層は、厚さが周方向で異なり、前記誘電体層の周方向θにおける厚さｔは、最大厚さをｔ ₁ 、最小厚さをｔ ₂ とするとき、
ｔ＝ｔ ₂ ＋（ｔ ₁ −ｔ ₂ ）・｜ｃｏｓ(ｎθ/２)｜（但しｎは１または２）
で表されることを特徴とする中空導波路。
前記チューブは、ガラスキャピラリーチューブであることを特徴とする請求項１記載の中空導波路。
前記金属層は、金、銀、銅又はアルミニウムから形成されたことを特徴とする請求項１記載の中空導波路。
予めあるいは使用時に少なくとも１箇所に曲げ部を有する金属パイプと、前記金属パイプに挿入された請求項１〜３のいずれかに記載の中空導波路とを備えたことを特徴とする中空導波路応用デバイス。
前記金属パイプおよび前記中空導波路は、周方向に相対変位可能であることを特徴とする請求項４記載の中空導波路応用デバイス。