JP5227038B2 - 光ファイバ - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバに関し、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石英製のコアと、そのコアを被覆するように形成され、フッ素などがドープされた石英製のクラッドとを備えた２層構造の光ファイバでは、クラッドがコアよりも脆く形成され易いので、ファイバ端部を溶融加工又は研磨加工すると、クラッドの一部が崩壊すると共に、コアの横断面の角部が崩壊して、コアの横断面の矩形の形状が保持されなくなるおそれがある。そうなると、レーザ光の照射スポットにおける照射強度の均一性が低下してしまう。
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、コアの横断面の矩形の形状を保持して、均一な照射強度でレーザ光を出射することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、横断面が矩形状である石英製のコアと、そのコアを被覆する横断面の外郭が円形状である低屈折率の石英製のクラッドと、そのクラッドを被覆する石英製のサポート層とを備え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コアと、上記コアを被覆するように横断面の外郭が円形状に形成され、該コアの屈折率よりも低い屈折率を有する石英製のクラッドと、上記クラッドを被覆するように形成された石英製のサポート層とを備え、上記コア及びサポート層は、石英単体の屈折率を有していることを特徴とする。
上記の構成によれば、横断面が矩形状の石英により構成されたコアの周囲に、例えば、フッ素などがドープされた石英により構成され、コアよりも低屈折率で脆く低強度のクラッドが設けられているものの、そのクラッドを被覆するように、コアと同材質の石英により構成されたサポート層が設けられているので、ファイバ端部を溶融加工又は研磨加工しても、クラッドの崩壊が抑制されると共に、コアの横断面における角部の崩壊が抑制される。これにより、コアの横断面の矩形の形状が保持されるので、レーザ光の照射スポットにおける照射強度の均一性が保持される。したがって、コアの横断面の矩形の形状を保持して、均一な照射強度でレーザ光を出射することが可能になる。
上記サポートを被覆するように形成され、該サポート層の屈折率よりも高い屈折率を有する保護層を備えていてもよい。
上記の構成によれば、サポート層を被覆するように、高屈折率の保護層が設けられているので、コア内を伝送するレーザ光の漏れ光をサポート層及び保護層を介してファイバ外に逃すことが可能になり、出射側のファイバ端から出射されるレーザ光の照射スポットにおける照射強度がより均一になる。
一方のファイバ端部には、上記コアにレーザ光を入射させるための石英製の石英ロッドが設けられていてもよい。
上記の構成によれば、一方のファイバ端部に耐光強度の比較的高い石英製の石英ロッドが設けられているので、エネルギー密度の高いレーザ光をファイバ端面に入射させても、ファイバ端部におけるコアの破損が抑制される。
上記クラッドには、フッ素及びホウ素の少なくとも一方がドープされていてもよい。
上記の構成によれば、フッ素及びホウ素の少なくとも一方がドープされた石英によりクラッドが構成されることになるので、石英により構成されたコア（及びサポート層）よりもクラッドの屈折率が具体的に低くなる。
本発明によれば、横断面が矩形状である石英製のコアと、そのコアを被覆する横断面の外郭が円形状である低屈折率の石英製のクラッドと、そのクラッドを被覆する石英製のサポート層とを備えているので、コアの横断面の矩形の形状を保持して、均一な照射強度でレーザ光を出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は、本実施形態の光ファイバ１０ａの横断面及び屈折率分布を示す模式図である。
光ファイバ１０ａは、図１に示すように、横断面が正方形の矩形状に形成されたファイバ中心となるコア１ａと、コア１ａを被覆するように横断面の外郭が円形状に形成されたクラッド２と、クラッド２を被覆するように円筒状に形成されたサポート層３と、サポート層３を被覆するように円筒状に形成された保護層４ａとを備えている。
コア１ａは、石英により構成され、図１に示すように、ほぼ石英単体の屈折率ｎ１ａ（ｎ１ａ＝１．４５７）を有している。
クラッド２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、図１に示すように、石英単体の屈折率よりも低い屈折率ｎ２（例えば、ｎ２＝１．４４３）を有している。
サポート層３は、石英により構成され、図１に示すように、ほぼ石英単体の屈折率ｎ３（ｎ３＝１．４５７）を有している。
保護層４ａは、例えば、熱硬化性を有するシリコーン系樹脂により構成され、図１に示すように、クラッド２の屈折率ｎ２よりも低い屈折率ｎ４ａ（例えば、ｎ４ａ＝１．４０）を有し、外部からの衝撃などからコア１ａ、クラッド２及びサポート層３を保護するように設けられている。
上記構成の光ファイバ１０ａは、一方のファイバ端のコア１ａに入射したレーザ光が、コア１ａ及びクラッド２の界面で反射を繰り返しながら伝送した後に、他方のファイバ端のコア１ａから出射されるようになっている。
また、上記構成の光ファイバ１０ａは、例えば、円筒状に形成された石英製のサポート層形成管の内部に、横断面の外郭が円形状で内郭が正方形であるフッ素がドープされた石英製のクラッド層を形成すると共に、そのクラッド層の内部に横断面が正方形状に形成された石英製のコア形成材を配置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、ファイバ状に線引きした後に、そのファイバの側面に熱硬化性のシリコーン系樹脂を塗布及び焼成することにより、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１０ａによれば、横断面が矩形状の石英により構成されたコア１ａの周囲に、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、コア１ａよりも低屈折率で脆く低強度のクラッド２が設けられているものの、そのクラッド２を被覆するように、コア１ａと同材質の石英により構成されたサポート層３が設けられているので、ファイバ端部を溶融加工又は研磨加工しても、クラッド２の崩壊が抑制されると共に、コア１ａの横断面における角部の崩壊が抑制される。これにより、コア１ａの横断面の矩形の形状が保持されるので、レーザ光の照射スポットにおける照射強度の均一性を保持することができる。したがって、コア１ａの横断面の矩形の形状を保持して、均一な照射強度でレーザ光を出射することができると共に、ハイパワーレーザによるファイバ自体の破損を抑制することができる。
《発明の実施形態２》
図２は、本実施形態の光ファイバ１０ｂの横断面及び屈折率分布を示す模式図である。なお、以下の各実施形態において、図１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。
光ファイバ１０ｂは、図２に示すように、横断面が長方形の矩形状に形成されたファイバ中心となるコア１ｂと、コア１ｂを被覆するように横断面の外郭が円形状に形成されたクラッド２と、クラッド２を被覆するように円筒状に形成されたサポート層３と、サポート層３を被覆するように円筒状に形成された保護層４ｂとを備えている。
コア１ｂは、石英により構成され、図２に示すように、ほぼ石英単体の屈折率ｎ１ｂ（ｎ１ｂ＝１．４５７）を有している。
保護層４ｂは、例えば、熱硬化性を有するシリコーン系樹脂により構成され、図２に示すように、コア１ｂの屈折率ｎ１ｂ及びサポート層３の屈折率ｎ３よりも高い屈折率ｎ４ｂ（例えば、ｎ４ｂ＝１．５０）を有し、外部からの衝撃などからコア１ｂ、クラッド２及びサポート層３を保護するように設けられている。
上記構成の光ファイバ１０ｂは、上記実施形態１で用いたコア形成材の形状、及びファイバの側面に塗布する樹脂を変更することにより、製造することができる。
本実施形態の光ファイバ１０ｂによれば、上記実施形態１と同様に、コア１ｂの横断面の矩形の形状を保持して、均一な照射強度でレーザ光を出射することができると共に、サポート層３を被覆するように、高屈折率の保護層４ｂが設けられているので、コア１ｂ内を伝送するレーザ光の漏れ光をサポート層３及び保護層４ｂを介してファイバ外に逃すことができ、出射側のファイバ端から出射されるレーザ光の照射スポットにおける照射強度をより均一にすることができる。
《発明の実施形態３》
図３は、本実施形態の光ファイバ１０ｃの縦断面である。
光ファイバ１０ｃは、図３に示すように、横断面が矩形状に形成されたファイバ中心となるコア１と、コア１を被覆するように横断面の外郭が円形状に形成されたクラッド２と、クラッド２を被覆するように円筒状に形成されたサポート層３と、サポート層３を被覆するように円筒状に形成された保護層４とを備え、その一方のファイバ端部に、コア１にレーザ光を入射させるための石英製の石英ロッド５が設けられている。ここで、コア１の横断面形状は、上記実施形態１で説明した正方形、及び上記実施形態２で説明した長方形の何れに形成されていてもよい。そして、保護層４は、上記実施形態１で説明した相対的に低い屈折率を有する材料、及び上記実施形態２で説明した相対的に高い屈折率を有する材料の何れにより形成されていてもよい。
また、光ファイバ１０ｃの端部では、図３に示すように、サポート層３の側面が保護層４から露出しており、そのサポート層３、クラッド２及びコア１の端面に石英ロッド５が融着されている。なお、図３では、石英ロッド５の外径がサポート層３の外径と一致しているが、石英ロッド５は、サポート層３の外径よりも大きく形成されていてもよく、円柱状以外の他の形状や他の光ファイバであってもよい。
上記構成の光ファイバ１０ｃは、上記実施形態１及び実施形態２で説明したように、光ファイバ（１０ａ及び１０ｂ）を製造した後に、そのファイバ端部の保護層４を除去して、そのファイバ端面に光ファイバ融着器などで石英ロッド５を融着することにより、製造することができる。
本実施形態の光ファイバ１０ｃによれば、上記実施形態１と同様に、コア１の横断面の矩形の形状を保持して、均一な照射強度でレーザ光を出射することができると共に、一方のファイバ端部に耐光強度の比較的高い石英製の石英ロッド５が設けられているので、エネルギー密度の高いレーザ光をファイバ端面に入射させても、ファイバ端部におけるコア１の破損を抑制することができる。
《その他の実施形態》
上記各実施形態では、フッ素やホウ素などの不純物がドープされた石英により構成されたクラッドを備えた光ファイバを例示したが、本発明は、複数の細孔が互いに平行に延びるように配列された石英により構成されたクラッドを備えた光ファイバにも適用することができる。
また、上記各実施形態では、ファイバ側面に保護層（４ａ、４ｂ及び４）が形成された光ファイバを例示したが、その保護層の周囲に、例えば、ポリアミド樹脂により構成された被覆層を形成することにより、ファイバ強度を向上させてもよい。
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１０ａの横断面及び屈折率分布を示す模式図である。 実施形態２に係る光ファイバ１０ｂの横断面及び屈折率分布を示す模式図である。 実施形態３に係る光ファイバ１０ｃの縦断面図である。
１，１ａ，１ｂ コア
２ クラッド
３ サポート層
４，４ａ，４ｂ 保護層
５ 石英ロッド
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光ファイバ

Claims (4)

  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コアと、
    上記コアを被覆するように横断面の外郭が円形状に形成され、該コアの屈折率よりも低い屈折率を有する石英製のクラッドと、
    上記クラッドを被覆するように形成された石英製のサポート層とを備え、
    上記コア及びサポート層は、石英単体の屈折率を有し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、
    上記サポートを被覆するように形成され、該サポート層の屈折率よりも高い屈折率を有する保護層を備え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、
    一方のファイバ端部には、上記コアにレーザ光を入射させるための石英製の石英ロッドが設けられてい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、
    上記クラッドには、フッ素及びホウ素の少なくとも一方がドープされていることを特徴とする光ファイバ。
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