JP4144508B2 - 光ファイババンドル及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工、レーザ加熱、レーザプリンタ装置等に用いられる光ファイババンドルとその製造方法に関する。

半導体レーザ装置からの光源を光ファイバに入射し、光ファイバの出射端から出射されたレーザ光を集光レンズで集光させて対象物に照射する光ファイバレーザ装置は、レーザ出力の強弱や振動などに影響されない単一モードの質のよいレーザ光を、比較的安価に得ることができる。そして、レーザ加工、レーザ加熱、レーザプリンタ等に用いる高出力のレーザ光を得るには、複数本のシングルモード光ファイバを出射端で束ね、それぞれの光ファイバからの出射光を集合させる方法が知られている。

しかし、動作状態が安定な単一モードのレーザ光を得るには、シングルモード光ファイバを用いる必要があるが、この光ファイバは、通常、クラッド外径が１２５μｍでコア径が１０μｍ前後である。このため、複数本の光ファイバを束ねてもレーザ光が通るコア部は、広いクラッド領域に点在する形となって、出射端における単位面積当たりの光強度は上げることができない。光強度を上げるために集光レンズで集光させる方法が考えられるが、レンズ部品費、使用時のレンズの焦点合わせ作業が必要となり、製造コスト及びランニングコストが増加する。また、集光レンズで集光された光は、焦点位置のずれにより、光強度密度が大きく変化するため、光強度が安定せず加工品質を低下させることがある。

これを解決する方法として、光ファイバの出射側の所定範囲（軸方向長さ）のクラッドを削り落し、出射端におけるコア部の間隔が縮小するように束ねる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。図８は、上記の特許文献１に開示のコア部の間隔を縮小する例を示す図である。図８（Ａ）は光ファイババンドルの概略を示す図、図８（Ｂ）は光ファイババンドルの出射端のコア配列の状態を示す図である。図中、１は光ファイババンドル、２は励起光、２ａはレーザ出力光、３は光ファイバ、４はコア部、５はクラッド部、６は研削側面を示す。

光ファイババンドル１は、複数本（図では１６本使用）の光ファイバ３の出射側を密に束ねてバンドル部１ａとし、入射側は光ファイバ３を分離した状態の分離部１ｂとされる。分離部１ｂの入射端からは励起光２が、それぞれの光ファイバ３に個別に入射され、バンドル部１ａの出射端からレーザ出力光２ａが出力される。出射端のバンドル部１ａでは、各光ファイバ３のコア部４が互いに平行で、クラッド部５を研削側面６で示すような形態で研削（又は切削）し、その研削側面６を接合してバンドル部の中央部側で、コア部４の間隔が密になるように配列される。

図８の光ファイババンドル１の製造は、先ず、光ファイバ３をＶ溝等に固定し、コア部４から５μｍ程度残してクラッド部５の側面をダイシングソーで研削する。このクラッド部５の側面を削った２本の光ファイバ３の研削側面６同士を接合し、一方の光ファイバの側面を同様に研削して、３本目の光ファイバ３を接合する。次いで、一番端の光ファイバの側面を研削して４本目の光ファイバ３を接合し、例えば、４本の光ファイバ３のコア部４を密にして一列に並べた１次元のファイバアレイを作成する。

このような１次元のファイアバアレイを４組準備し、先ず、２組のファイバアレイの１面側を、コア部４から５μｍ程度残してクラッド部５の側面を研削し、研削側面６同士を接合し、４×２の２次元ファイバアレイを作成する。次いで、この４×２の２次元ファイバアレイの一方の側面を同様に研削し、３本目の１次元のファイアバアレイの一方の側面を研削して、研削側面６同士を接合し、４×３の２次元ファイバアレイを作成する。同様にして４本目の１次元のファイアバアレイを接合して、図８（Ｂ）に示すような、４×４の２次元ファイバアレイを作成することができる。
特開平１１−２３８６７号公報

特許文献１に開示された光ファイババンドルは、１本の光ファイバを集合させる毎に、ファイバの接着と研削を行なう必要があり、接着硬化のための時間が必要となるうえに、製造コストが高くなる。また、特許文献１において、加工時の機械的強度が問題とならない場合は、全ての光ファイバを所定の形状に細く切削した後、それらを一度に束ねてもよいとの開示もある。しかし、特許文献１では、光ファイバの出射端から１ｃｍ程度にわたってクラッド部の厚さを数μｍまで削り落す必要があり、このため、機械的強度の点から十分な注意が必要で作業性が悪く、歩留まりも低いものと考えられる。

また、特許文献１には、複数本の光ファイバを単純に束ねて接着一体化して、光ファイババンドルを作製し、一方の端部を線引してコア部の間隔を縮小する技術も開示されている。しかし、この方法はクラッド部の縮小とともにコア部も細るため、光が出射端より手前で漏出したり、隣接光ファイバ内に進入し単一モード状態を崩す恐れがある。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、予め複数本の光ファイバの出射側の端部を研削加工した後に束ねることを可能とし、製造の作業性を高めると共に、光の漏出が少ない光ファイババンドルとその製造方法の提供を課題とする。

本発明による光ファイババンドル及びその製造方法は、光の出射側の先端部分のクラッド部を研削加工して円錐台形状、角錐台形状、又は楔形状にした光ファイバが複数本束ねられ、先端部分の出射端面におけるコア部の光軸間距離が、光ファイバの研削加工前のクラッド直径より小さくなるように集合配列された出射端部を備え、出射端部の出射端を光ファイバの複数本を集合させた状態で凹面とするものである。光ファイバの出射側の先端部分のクラッド部を研削加工して細められた側面を互いに接触させて束ねられる。また、出射端部の出射端の凹面は、平行光が出射される凹面とすることができる。

本発明の構成によれば、光ファイババンドルの出射端部を、複数本の光ファイバを効率的に集合一体化させて形成することができると共に、出射光の光強度を高めることができる。また、光の漏出を抑制した均一の品質のものを、低コストで歩留まりよく製造することができる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１（Ａ），（Ｂ）は本発明の概略を説明する図、図２は光ファイバの出射側の先端を円錐台形状とした例を示す図、図３は光ファイバの出射側の先端を角錐台形状とした例を示す図、図４は光ファイバの出射側の先端を楔形状とした例を示す図である。図中、１１は光ファイババンドル、１２は入力光、１２ａは出力光、１３は光ファイバ、１４はコア部、１５はクラッド部、１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃは研削側面、１７は出射端面（先端面）、１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃは出射端部、１９は集光レンズ、θは研削角度、Ｒは光ファイバ半径、ｒは先端面半径、Ｌは研削長を示す。

光ファイババンドル１１は、図１（Ａ）に示すように複数本の光ファイバ１３を束ね、一方の端部からレーザ装置等の光源ＬＤから、各光ファイバ１３にレーザ光等の入力光１２を入射させ、他方の端部から出力光１２ａを出射させるように構成される。光の出射端側は、各光ファイバからの出力光が集合されるように所定の配列と密度で一体化されているが、光の入射端側は、各光ファイバに入力光が所定のモードで入射されればよく、配列状態を規定するものではなく、また、中間部分も同じである。

光ファイババンドル１１の出射端部１８側で、各光ファイバ１３の出射側の先端部分は、後述する円錐台形状、角錐台形状、楔形状等の先端側を細くした各種の形状で形成することができる。図１（Ｂ）に示すように、出射端部１８の出射端で、各光ファイバ１３のコア部１５の光軸間距離が光ファイバ外径より小さくなるように、光ファイバの先端部分の細められた側面１６（以下、研削側面１６という）が、互いに接触するように密に配して接着剤等で一体化する。これにより、出射端部１８の出射端は、光ファイバの複数本を集合させた状態で凹面となり、複数本の光ファイバ１３の出射端面１７（以下、先端面１７という）からそれぞれ出射された光は、各光ファイバ１３の光軸が交わるＡ点に集光させることができる。集光点Ａで集合された複数本の光ファイバ１３からの光は、光強度の大きい出力光１２ａとなる。なお、集光レンズ１９を用いて集光点Ａを変更したり、或いは、平行光とすることもできる。

本発明では光ファイバ１３として、例えば、図１（Ｂ）に示すように、コア部１４とクラッド部１５からなる外径が１２５μｍ、コア径が１０μｍ前後の標準のシングルモード光ファイバを用いることができる。なお、コア径が比較的大きいマルチモード光ファイバを用いることもできる。ここで、例えば、出射端部１８における光ファイバ１３の研削側面１６の研削角度θを２°とし、先端面１７の半径ｒ（円錐台形状の場合）を２０μｍとすると、光ファイバ半径Ｒが６２.５μｍであるので、研削長さＬは２.４ｍｍとなる。また、先端面１７から集光点Ａまでの距離ｄは１.１３ｍｍとなる。

以上のように、本発明では、研削側面１６の研削角度θを２°程度としても、研削長さＬは２.４ｍｍの短い長さに抑えることができ、特許文献１で開示のように先端側面を１ｃｍ近くも研削する場合と比べて、１／４程度にすることができる。この結果、光ファイバ１３の先端を細める研削（切削ともいう）を１本ずつ行なっても、光ファイバの機械的強度を低下させることなく、容易に行なうことができる。このため、予め全ての光ファイバ１３に対し、先端を細める加工を施した後に、所要本数の光ファイバ１３の研削側面１６を互いに接合して一体化することができる。

図２（Ａ）は、光ファイバ１３の出射側の先端部分のクラッド部を研削加工して円錐台形状とし、７本の光ファイバ１３を集合配列させた例である。光ファイバ１３の先端面１７において、コア部１４の外周からの距離が、例えば、５μｍ〜２０μｍ程度残るようにクラッド部１５を円錐状に削り落し、研削側面１６ａを形成する。そして、複数本の光ファイバ１３の研削側面１６ａが互いに接触するように集合させて、接着剤等で一体化し、光ファイババンドルの出射端部１８ａを形成する。これにより、出射端における複数本の光ファイバのコア部１４は、クラッド部１５の外径より小さい間隔で密に配列させることができる。すなわち、光ファイバの先端部分の先端面（出射端面）１７におけるコア部１４の光軸間距離が、光ファイバ１３の研削加工前のクラッド直径より小さくなるように集合配列される。

この例において、例えば、光ファイバ１３に入射される光パワーを１０ｍＷ／本とし、光ファイバの先端面１７の直径４０μｍとすると、出射端部１８ａからの光出力密度は、８Ｗ／ｍｍ^２となる。これに対し、図２（Ｂ）の比較例に示すように、先端に研削加工を行なわないで光ファイバ１３を集合させた場合、光ファイバ１３のクラッド外径を１２５μｍとすると、出射端部からの光出力密度は、０.８Ｗ／ｍｍ^２となる。すなわち、本発明による出射端部１８ａは、比較例の１０倍の光出力密度を得ることが可能となる。

図３は、光ファイバ１３の出射側の先端部分のクラッド部を研削加工して角錐台形状とし、９本の光ファイバ１３を３列、３段に集合配列させた例である。光ファイバ１３の先端面１７において、コア部１４からの最小距離が、例えば、５μｍ〜２０μｍ程度になるように、クラッド部１５の４側面を角錐状に削り落し、研削側面１６ｂを形成する。複数本の光ファイバ１３の研削側面１６ｂが互いに接触するように集合させて、接着剤等で一体化し、光ファイババンドルの出射端部１８ｂを形成する。これにより、出射端における複数本の光ファイバのコア部１４は、クラッド部１５の外径より小さい間隔で密に配列させることができる。すなわち、光ファイバの先端部分の先端面（出射端面）１７におけるコア部１４の光軸間距離が、光ファイバ１３の研削加工前のクラッド直径より小さくなるように集合配列される。

また、図４は、光ファイバ１３の出射側の先端部分のクラッド部を研削加工してを楔形状とし、４本の光ファイバ１３を一列に集合配列させた例である。光ファイバ１３の先端面１７において、コア部１４からの最小距離が、例えば、５μｍ〜２０μｍ程度になるように、クラッド部１５の対向する２側面を楔状に削り落し、研削側面１６ｃを形成する。複数本の光ファイバ１３の研削側面１６ｃが互いに接触するように集合させて、接着剤等で一体化し、光ファイババンドルの出射端部１８ｃを形成する。これにより、出射端における複数本の光ファイバのコア部１４は、クラッド部１５の外径より小さい間隔で密に配列させることができる。すなわち、光ファイバの先端部分の先端面（出射端面）１７におけるコア部１４の光軸間距離が、光ファイバ１３の研削加工前のクラッド直径より小さくなるように集合配列される。

図５は、光ファイバ先端における光の出射状態を説明する図で、図５（Ａ）が本発明における光の出射側の先端形状を示す図、図５（Ｂ）及び（Ｃ）は比較例を示す図である。図中の符号は、図１〜図４で用いたのと同じ符号を用いることにより説明を省略する。

本発明は、図５（Ａ）に示すように、光ファイバ１３の出射側の先端に研削側面１６を形成するに際して、研削側面１６の部分における光ファイバ１３のコア部１４のコア径が、光ファイバの他の部分と均一であることが好ましい。図５（Ｂ）は、これに対する比較例で、研削側面１６の細りと共にコア部１４のコア径も細っている例である。この比較例は、特許文献１で開示の光ファイババンドルの先端を線引により細らせる場合に生じる構成で、コア部１４内を進行する光が、コア径の細り部分で外部に漏出して、光出力を減少させる。したがって、コア部１４のコア径は先端面１７に至るまで均一な径を維持して終端されているのが望ましい。

また、本発明は、図５（Ａ）に示すように、光ファイバ１３の出射側の先端に研削側面１６を形成するに際して、研削側面１６がコア部１４にかからないように研削するのが好ましい。すなわち、先端面１７において、コア部１４の断面の全てがクラッド部１５内に残っていて、コア部１４に欠けが生じないようにする。図５（Ｃ）は、これに対する比較例で、研削側面１６がコア部１４の先端部分を含むまで削り込まれている例である。この場合、コア部１４の先端部の側面がクラッド部１５から露出されるため、この露出した側面から光が漏出して光出力を減少させる。したがって、研削後においても、コア部１４の断面の全てが先端面１７内に残っていることが望ましい。

図６は、光の出射端から平行光を出射させる例を説明する図で、図６（Ａ）は光ファイババンドルの出射端を凹面とした図、図６（Ｂ）は光の屈折関係を説明する図である。図中の符号は、図１〜図４で用いたのと同じ符号を用いることにより説明を省略する。

光ファイババンドルの出射端部１８の出射端を、光ファイバ１３を集合させた状態で所定の凹面とすることにより、図６（Ａ）に示すように、レンズを用いることなく平行光Ｈを出射させることが可能である。ここで、図６（Ｂ）に示すように、光ファイバ１３のコア部の屈折率をＮａ、空気中の屈折率をＮｂとし、光ファイバ１３の光軸Ｚと垂直の光軸直交面に対する光ファイバ１３の先端面１７の角度をαとする。そして、出射端部１８の基準軸Ｘ−Ｘ（出射光路と一致）に対する光軸Ｚの角度をθ（研削角度θと同じ）とする。また、先端面１７に直交する軸Ｙ−Ｙと基準軸Ｘ−Ｘのとの角度をβとする。

光の屈折の法則により、Ｎａ／Ｎｂ＝ｓｉｎβ／ｓｉｎαの関係が成り立つ。そして、光ファイバ１３の先端面１７から出射される光を、出射端部１８の基準軸Ｘ−Ｘと平行に出射させるには、β＝α＋θであることが必要である。すなわち、先端面１７の凹面角度αを上記の条件を満たすように形成することで、出射端部１８から平行光Ｈを出射させることができる。例えば、研削角度θ＝２°、Ｎａ＝１.４５、Ｎｂ＝１.０のとき、α＝６.４°となる。

図７は、本発明で、光ファイバの先端部分を削り落す研削方法の例を説明する図である。図７（Ａ）は、光ファイバ１３の先端部分を図２に示した円錐台形状の研削側面１６ａに研削する例を示す図である。この例は、回転する研削板上に光ファイバ１３の先端側面を回転させながら、所定の角度で接触させることにより、円錐台形状の研削側面１６ａを形成することができる。図７（Ｂ）は、光ファイバ１３の先端部分を図４に示した楔形状の研削側面１６ｃに研削する例を示す図である。この例は、回転する研削板上に光ファイバ１３の先端側面を所定の角度で押付けるように接触させることにより、楔形状に２つの研削側面１６ｃを形成することができる。

なお、図３に示した角錐台形状の研削側面１６ｂに研削する場合は、図７（Ｂ）で２つの研削側面を形成した後、これと直交する方向に、さらに同様な方法で２つの研削側面を形成し、断面矩形状の角錐台形状とすることができる。

本発明は、図１の例で説明したように、光ファイバ先端の研削側面は、比較的短い長さの数ｍｍとすることができるので、図７に示したように、光ファイバ１３を１本ずつ研削しても機械的強度を損なうことはない。したがって、光ファイバの出射端側の先端を、予め円錐台形状、角錐台形状、楔形状等の先端側を細くした各種の形状で形成する。この後に、所定本数の光ファイバを一度に束ね、出射端側の先端を研削側面が互いに接触するように集合一体化させることにより、光ファイババンドルの出射端部とすることができる。なお、本発明で、角錐台形状、楔形状の研削側面を有する光ファイバで出射端部を形成する場合は、図８で示した特許文献１に開示の接着と研削を繰り返しながら、光ファイバを１本ずつ束ねていく方法を用いても製造可能であるが、製造工数が多くなり製造コストも高いものとなる。

本発明の概略を説明する図である。 本発明で、光ファイバの出射側の先端を円錐台形状とした例を示す図である。 本発明で、光ファイバの出射側の先端を角錐台形状とした例を示す図である。 本発明で、光ファイバの出射側の先端を楔形状とした例を示す図である。 本発明で、光ファイバ先端における光の出射状態を説明する図である。 本発明で、光の出射端から平行光を出射させる例を説明する図である。 本発明で、光ファイバの先端を削り落す研削方法の例を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

符号の説明

１１…光ファイババンドル、１２…入力光、１２ａ…出力光、１３…光ファイバ、１４…コア部、１５…クラッド部、１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…研削側面、１７…出射端面（先端面）、１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ…出射端部、１９…集光レンズ。

Claims (6)

1. 光の出射側の先端部分のクラッド部を研削加工して円錐台形状にした光ファイバが複数本束ねられ、前記先端部分の出射端面におけるコア部の光軸間距離が、前記光ファイバの研削加工前のクラッド直径より小さくなるように集合配列された出射端部を備え、前記出射端部の出射端が前記光ファイバの複数本を集合させた状態で凹面とされていることを特徴とする光ファイババンドル。
2. 光の出射側の先端部分のクラッド部を研削加工して角錐台形状にした光ファイバが複数本束ねられ、前記先端部分の出射端面におけるコア部の光軸間距離が、前記光ファイバの研削加工前のクラッド直径より小さくなるように集合配列された出射端部を備え、前記出射端部の出射端が前記光ファイバの複数本を集合させた状態で凹面とされていることを特徴とする光ファイババンドル。
3. 光の出射側の先端部分のクラッド部を研削加工して楔形状にした光ファイバが複数本束ねられ、前記先端部分の出射端面におけるコア部の光軸間距離が、前記光ファイバの研削加工前のクラッド直径より小さくなるように集合配列された出射端部を備え、前記出射端部の出射端が前記光ファイバの複数本を集合させた状態で凹面とされていることを特徴とする光ファイババンドル
4. 前記出射側の先端部分のクラッド部を研削加工して細められた側面を、互いに接触させて束ねられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイババンドル。
5. 前記出射端部の出射端の凹面は、平行光が出射される凹面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光ファイババンドル。
6. 複数本の光ファイバの出射側の先端部分のクラッド部を円錐台形状又は角錐台形状又は楔形状のいずれかに研削加工で削り落して細めた後、前記複数本の光ファイバの細められた先端部分の側面を互いに接触させて一体化させ、前記先端部分の出射端面におけるコア部の光軸間距離が、前記光ファイバの研削加工前のクラッド直径より小さくなるように集合配列させて出射端部とし、前記出射端部の出射端を、前記光ファイバの複数本を集合させた状態で凹面とすることを特徴とする光ファイババンドルの製造方法。

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