JP7008710B2 - レーザアブレーションを使用した成形ファイバ要素の製作のための方法およびシステム - Google Patents

Description

（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６２／４３８，４０８号（２０１６年１２月２２日出願、名称「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈａｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ａｂｌａｔｉｏｎ」）に対する優先権を主張し、上記出願の開示は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に引用される。

以下の米国出願（本願を含む）は、同時に出願され、他の出願の全開示は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本願に引用される：
米国特許出願第１５／＿号（２０１７年１２月２１日出願、名称「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＦＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＳＨＡＰＥＤ ＦＩＢＥＲ ＥＬＥＭＥＮＴＳ ＦＯＲ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＦＩＢＥＲ ＤＩＳＰＬＡＹＳ」、代理人事件番号１０１７８２－１０６０９７３－００２２１０ＵＳ）、
米国特許出願第１５／＿号（２０１７年１２月２１日出願、名称「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＦＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＳＨＡＰＥＤ ＦＩＢＥＲ ＥＬＥＭＥＮＴＳ ＵＳＩＮＧ ＬＡＳＥＲ ＡＢＬＡＴＩＯＮ」、代理人事件番号１０１７８２－１０６０９７６－００２３１０ＵＳ）、および、
米国特許出願第１５／＿号（２０１７年１２月２１日出願、名称「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＦＯＲ ＭＵＬＴＩ－ＥＬＥＭＥＮＴ ＬＩＮＫＡＧＥ ＦＯＲ ＦＩＢＥＲ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＤＩＳＰＬＡＹ」、代理人事件番号１０１７８２－１０６０９７８－００２４１０ＵＳ）。

（発明の背景）
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進しており、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える様式、もしくはそのように知覚され得る様式で視認者に提示される。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、すなわち、「ＡＲ」シナリオは、典型的には、視認者の周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。

これらのディスプレイ技術において成された進歩にもかかわらず、当技術分野において、拡張現実システム、特に、ディスプレイシステムに関連する改良された方法およびシステムの必要がある。

（発明の要約）
本発明は、概して、成形光ファイバケーブルの製作のための方法およびシステムに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、テーパ状および他の所定のプロファイルを伴うファイバを製作する方法およびシステムを提供する。本発明は、コンピュータビジョンおよび画像ディスプレイシステムにおける種々の用途に適用可能である。

本発明のある実施形態によると、可変直径ファイバを製作する方法が、提供される。方法は、光ファイバケーブルを提供することと、レーザビームを光ファイバケーブルの内側の所定の場所に集束させることと、損傷部位を所定の場所に作成することとを含む。方法は、レーザビームを光ファイバケーブルの内側の一連の追加の所定の場所に集束させることと、複数の追加の損傷部位を追加の所定の場所に作成することとも含む。損傷部位および追加の損傷部位は、可変直径プロファイルを画定する。方法は、光ファイバケーブルをエッチング溶液にさらすことと、損傷部位および複数の追加の損傷部位を優先的にエッチングすることと、光ファイバケーブルの一部を分離し、可変直径ファイバを解放することとをさらに含む。

例として、光ファイバケーブルは、クラッディング領域と、クラッディング領域内に配置された複数の犠牲領域径とを含むことができる。複数の犠牲領域は、クラッディング領域より高いエッチング率を有する材料を含むことができる。別の例では、複数の犠牲領域は、１つ以上の空気空洞を含むことができる。さらに、光ファイバケーブルの領域は、所定のエッチング率によって特徴付けられることができ、損傷部位および複数の追加の損傷部位は、所定のエッチング率より高いエッチング率によって特徴付けられることができる。本実施形態では、損傷部位および複数の追加の損傷部位の除去に関連付けられたエッチング時間は、光ファイバケーブルの領域の除去に関連付けられたエッチング時間より小さい。

本発明の別の実施形態によると、可変直径ファイバを製作する方法が、提供される。方法は、クラッディング領域と、ファイバコアと、クラッディング領域内に配置された複数の犠牲領域とを備えている光ファイバケーブルを提供することを含む。方法は、レーザビームを光ファイバケーブルの内側の一連の所定の場所に集束させることと、一連の所定の場所に関連付けられた一連の損傷部位を作成することとも含む。一連の損傷部位は、可変直径プロファイルと、光ファイバケーブルのクラッディング領域内の格子細工とを画定する。方法は、光ファイバケーブルをエッチング溶液にさらすことと、一連の損傷部位を優先的にエッチングすることと、光ファイバケーブルの周辺部分を分離し、可変直径ファイバを解放することとをさらに含む。

従来の技法に優る多数の利点が、本発明の方法によって達成される。例えば、本発明の実施形態は、ファイバ走査ディスプレイシステムの中に統合され得るファイバを製作するために使用され得る方法およびシステムを提供する。本発明のこれらおよび他の実施形態は、その利点および特徴の多くとともに、下記のテキストおよび添付の図と併せてより詳細に説明される。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
可変直径ファイバを製作する方法であって、前記方法は、
光ファイバケーブルを提供することと、
レーザビームを光ファイバケーブルの内側の所定の場所に集束させることと、
損傷部位を前記所定の場所に作成することと、
前記レーザビームを前記光ファイバケーブルの内側の一連の追加の所定の場所に集束させることと、
複数の追加の損傷部位を前記追加の所定の場所に作成することであって、前記損傷部位および前記追加の損傷部位は、可変直径プロファイルを画定する、ことと、
前記光ファイバケーブルをエッチング溶液にさらすことと、
前記損傷部位および前記複数の追加の損傷部位を優先的にエッチングすることと、
前記光ファイバケーブルの一部を分離し、前記可変直径ファイバを解放することと
を含む、方法。
（項目２）
前記レーザビームを前記所定の場所に集束させることおよび前記レーザビームを前記一連の追加の所定の場所に集束させることは、前記光ファイバケーブル上への衝突に先立って、非点収差を前記レーザビームに導入することを含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記レーザビームにおける前記非点収差は、前記レーザビームが前記光ファイバケーブルを通って伝搬するときの円筒形集束を補償する、項目２に記載の方法。
（項目４）
前記所定の場所および前記追加の所定の場所から前記光ファイバケーブルのコアとの距離の関数として、前記レーザビームにおける非点収差を調節することをさらに含む、項目２に記載の方法。
（項目５）
前記可変直径プロファイルは、テーパ状プロファイルを備え、前記可変直径ファイバは、テーパ状ファイバを備えている、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記複数の追加の損傷部位を前記追加の所定の場所に作成することは、損傷部位の格子細工を形成することを含む、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記光ファイバケーブルは、外側領域とファイバコアとを備え、前記複数の追加の損傷部位を前記追加の所定の場所に作成することは、前記外側領域から前記ファイバコアに向かって通る複数の半径方向ビアを形成することを含む、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記光ファイバケーブルは、外側領域とファイバコアとを備え、前記複数の追加の損傷部位を前記追加の所定の場所に作成することは、最初に、前記ファイバコアに隣接した前記複数の追加の損傷部位の第１の部分を作成し、続いて、前記外側領域に隣接した前記複数の追加の損傷部位の第２の部分を作成することを含む、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記光ファイバケーブルは、縦軸によって特徴付けられるファイバコアを備え、前記方法は、前記複数の追加の損傷部位を前記追加の所定の場所に作成する間、前記ファイバを前記縦軸の周囲で回転させることをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１０）
前記光ファイバケーブルは、クラッディング領域と、前記クラッディング領域内に配置された複数の犠牲領域とを備えている、項目１に記載の方法。
（項目１１）
前記光ファイバケーブルの領域は、所定のエッチング率によって特徴付けられ、前記損傷部位および前記複数の追加の損傷部位は、前記所定のエッチング率より高いエッチング率によって特徴付けられる、項目１に記載の方法。
（項目１２）
可変直径ファイバを製作する方法であって、前記方法は、
クラッディング領域と、ファイバコアと、前記クラッディング領域内に配置された複数の犠牲領域とを備えている光ファイバケーブルを提供することと、
レーザビームを光ファイバケーブルの内側の一連の所定の場所に集束させることと、
前記一連の所定の場所に関連付けられた一連の損傷部位を作成することであって、前記一連の損傷部位は、
可変直径プロファイルと、
前記光ファイバケーブルのクラッディング領域内の格子細工と
を画定する、ことと、
前記光ファイバケーブルをエッチング溶液にさらすことと、
前記一連の損傷部位を優先的にエッチングすることと、
前記光ファイバケーブルの周辺部分を分離し、前記可変直径ファイバを解放することと
を含む、方法。
（項目１３）
前記可変直径プロファイルは、テーパ状プロファイルを備えている、項目１２に記載の方法。
（項目１４）
前記犠牲領域は、前記ファイバコアと平行に配置された軸を伴う円筒形領域を備えている、項目１２に記載の方法。
（項目１５）
前記複数の犠牲領域は、前記クラッディング領域のエッチング率より高いエッチング率を有する材料を備えている、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記複数の犠牲領域は、空気空洞を備えている、項目１４に記載の方法。
（項目１７）
前記一連の所定の場所に関連付けられた前記一連の損傷部位を作成することは、損傷部位の格子細工を形成することを含む、項目１２に記載の方法。
（項目１８）
前記一連の所定の場所に関連付けられた前記一連の損傷部位を作成することは、前記クラッディング領域を前記ファイバコアに向かって通過する複数の半径方向ビアを形成することを含む、項目１２に記載の方法。
（項目１９）
前記一連の所定の場所に関連付けられた前記一連の損傷部位を作成することは、最初に、前記ファイバコアに隣接した前記一連の損傷部位の第１の部分を作成し、続いて、前記ファイバコアからより遠い前記一連の損傷部位の第２の部分を作成することを含む、項目１２に記載の方法。
（項目２０）
前記ファイバコアは、縦軸によって特徴付けられ、前記方法は、前記一連の所定の場所に関連付けられた前記一連の損傷部位を作成する間、前記ファイバを前記縦軸の周囲で回転させることをさらに含む、項目１２に記載の方法。

図１Ａは、本発明のある実施形態による、光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。 図１Ｂは、本発明のある実施形態による、非点収差補正を伴う光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。 図１Ｃは、本発明のある実施形態による、非点収差補正を伴う光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された端面図である。 図１Ｄは本発明のある実施形態による、屈折率整合材料を伴う光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。 図２は、本発明のある実施形態による、可変直径ファイバを製作する方法を図示する簡略化されたフローチャートである。 図３は、本発明のある実施形態による、格子細工を形成する光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。 図４は、本発明のある実施形態による、テーパ状ファイバを製作する方法を図示する簡略化されたフローチャートである。 図５は、本発明のある実施形態による、テーパ状光放射先端を形成する光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。 図６は、本発明のある実施形態による、所定のファイバプロファイルを形成する光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。 図７Ａは、本発明のある実施形態による、成形されたファイバの一部の簡略化された側面図である。 図７Ｂは、本発明の別の実施形態による、成形されたファイバの一部の簡略化された側面図である。 図８は、本発明のある実施形態による、犠牲領域を伴うファイバプリフォームの延伸を図示する簡略化された斜視図である。

（具体的実施形態の詳細な説明）
本発明の実施形態は、ファイバ走査ディスプレイシステムのための要素を製作する方法およびシステムに関する。本明細書に説明されるように、本発明の実施形態は、レーザアブレーションを使用した光学要素の製作を可能にし、光学要素は、ファイバ走査ディスプレイシステムの中に組み込まれ得る。特に、レーザアブレーションによって彫刻されたファイバプロファイルを伴うカンチレバー式放射ファイバは、本明細書に説明される技法を使用して製作される。

本明細書では、議論は、レーザアブレーションおよび損傷部位に関連して提供されるが、これは、本発明の実施形態を限定することを意図するものではなく、レーザ修正、レーザ改変、修正された部位、改変された部位等を含む他の用語が、本明細書で議論されるプロセスを説明するために使用されることができる。用語「アブレーション」および「損傷」は、集束させられたレーザスポットが、エッチング液（例は、ＨＦまたはＫＯＨを含む）が未修正材料と比較してより高いエッチング率を与えるであろうように、着目材料（例えば、溶融シリカ）の組成または他の材料性質を変化または修正させる物理的プロセスを含むように意図される。したがって、本発明の実施形態は、材料の除去を要求せず、用語「アブレーション」の使用は、材料除去を要求することを意図するものではない。故に、本発明の実施形態は、例えば、光ファイバ材料の材料性質を変化させ得る加熱、２光子相互作用等を含む種々の機構を含む。材料性質のそのような変化は、格子模様の通路（それを通ってエッチング液（例えば、水性エッチング液）が、クラッディング領域を通って移動し、成形された溶融シリカファイバを残すことができる）を作成するための材料除去を要求せず、これらのプロセスは、本明細書に説明されるレーザ支援エッチングプロセスの範囲内に含まれる。

本明細書に説明されるように、一連の実質的に連続した損傷部位が、光ファイバケーブルのクラッディングの内側に作成される。これらの損傷部位は、損傷部位に沿った優先的エッチングを可能にする。なぜなら、エッチング液が一連の損傷部位に沿って有効にしみ込み、特定の用途のための所望の所定のファイバ形状を作成するからである。テーパ状ファイバプロファイルは、本明細書の例として使用されるが、本発明は、これらの特定の形状に限定されない。

図１Ａは、本発明のある実施形態による、光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。フェムト秒レーザであり得るレーザ１０５によって放出されるレーザビームが、提供され、レンズ１１０に向かって伝搬し、レンズ１１０は、レーザビームを光ファイバ１２５のクラッディング１１５（外側領域とも称される）の内側の焦点スポット１２０に集束させる。焦点スポットにおけるレーザビームの集束は、損傷部位の作成を焦点スポットにもたらす。ファイバコアと整列させられたファイバの縦軸５１０（例えば、ｚ－軸）の周囲でファイバを回転させることによって（図１Ａでは、回転角度θによって図示される）、一連の損傷部位が、所与の半径方向距離において作成されることができる。

レーザビームおよび関連付けられた光学要素の移動は、図１Ａに図示され、レーザビーム（例えば、フェムト秒レーザから）は、第２の焦点スポット１３０がファイバの表面からより長い距離に成形されるように、縦方向に第２の場所に移動させられる。縦軸の周囲でのファイバの回転時、一連の損傷部位が、焦点スポット１２０に関連付けられた一連の損傷部位よりファイバコアから短い半径方向距離を有するように作成される。第３の縦方向位置も、図１Ａに図示され、第３の焦点スポット１４０を形成する。このプロセスを使用して、本実施形態ではテーパ状である破線プロファイルによって図示される一連の損傷部位１５０が、実質的に連続するように作成される。したがって、本発明の実施形態は、レーザ機械製作技法が回転対称テーパ状光ファイバ先端を生成するために使用される方法およびシステムを提供する。縦軸の周囲における回転と、縦（すなわち、ｚ）軸に直交するｘおよびｙ方向における平行移動とを制御することによって（例えば、サブミクロン精度を伴って）、ファイバ形状は、テーパ状にされるか、または他の所定の形状に成形されることができる。

いくつかの実施形態では、レンズが、集束スポットの位置を調節するために移動させられるが、他の実施形態において、レンズの焦点力が調節されることができ、したがって、集束スポットが移動する間、レンズは、実質的に同一位置のままである。用語「実質的に」の使用は、多くの場合、焦点力変化がレンズ（例えば、カメラズームレンズ）の内側の要素を移動させることから生じるので、使用される。さらに他の実施形態では、レーザまたはレーザシステム（光学要素を含む）の要素は、レーザをファイバのより近くまたはそこからより遠く離れるように移動させるために平行移動させられることができる（すなわち、焦点スポットから光ファイバケーブルのコアまでの位置の関数として、レーザビームを調節する）。

下で説明されるように、エッチングプロセスが、一連の損傷部位に沿って優先的にエッチングし、図１に図示される実施形態におけるテーパ状ファイバプロファイルを形成し、一連の損傷部位より大きい半径方向距離におけるファイバクラッディングの部分を分離するために使用されることができる。

図１Ｂは、本発明のある実施形態による、非点収差補正を伴う光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。光が、ファイバの中にファイバコアに向かって伝搬するとき、ファイバは、図の中に延びる方向において、円筒形レンズとしての機能を果たす。図の平面内では、ファイバは、どんな集束効果も導入しない。ファイバによって導入される円筒形レンズ効果は、損傷が作成される焦点１５０のサイズに悪影響を及ぼし得る。焦点が側方に移動するにつれて、一連の損傷部位１５４が、作成される。図６では、集束レンズ１６０に加え、非点収差レンズ１６２が、レーザビームが伝搬する光学経路内に組み込まれる。例として、円筒形レンズが、非点収差レンズ１６２として使用され、補正を図の中に延びる平面内に導入し、ファイバによる集束を補償し得る。

いくつかの実装では、非点収差レンズ１６２および／または集束レンズ１６０は、可変光学パラメータを有し、それによって、非点収差導入の量および／または焦点距離は、システムの動作中、調節され得る。

故に、光ファイバケーブル上への入射前の波面は、光ファイバケーブルの円筒形レンズ挙動を補償する非点収差補正を含む。非点収差レンズ１６２を使用して、ファイバのクラッディング１５２内の焦点１５０は、回折限界スポットサイズに接近し、損傷部位の局所化を改良することができる。集束レンズ１６０および非点収差レンズ１６２の使用から生じるビームの光学性質を考える別の方法は、クラッディング内を伝搬する波面が均一であり、収束するビームが、回折限界スポットを損傷部位に形成できることである。

いくつかの実施形態では、別個のレンズが、単一レンズの中に組み合わせられることができ、それは、複数要素複合レンズであり得。複合レンズは、レーザ光をファイバの中に集束させることと、非点収差事前補正を提供し、ファイバ内に生じる円筒形集束を補償することとの両方を行う。

球状波面を有するビームは、ファイバの内側の回折限界焦点に収束する。焦点レンズ１６０のみが使用される実装では、クラッディングは、波面を球体と著しく異なるようにする非点収差を導入する。故に、いくつかの実施形態は、非点収差レンズ１６２を利用して、反対符号の非点収差を導入し、クラッディングによって導入される非点収差に対抗する。非点収差レンズ１６２とクラッディングとの組み合わせは、球状波面をファイバの内側に生成する。レンズ設計プログラム（例えば、ＺｅｍａｘまたはＣｏｄｅＶ）は、非点収差レンズ１６２のための正しい非点収差力の量を選定するために使用され得る。

図１Ｃは、本発明のある実施形態による、非点収差補正を伴う光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された端面図である。非点収差レンズ１６２とファイバのクラッディングとの間の間隙がゼロになる限界では、非点収差補正は、レンズ１６０を１６２およびファイバに対して移動させることから、またはレンズを移動させることなくレンズ１６０の焦点力を変化させることから生じるかどうかにかかわらず、全ての焦点スポット場所のために完璧である。実践では、小さい間隙は、誤差を配置することを可能にする。レンズ設計プログラムは、当業者が所望の焦点スポット範囲および焦点スポットの収束角度（ＮＡ）を所与として、間隙を最適化することを可能にすることを理解されたい。

図１Ｄは、本発明のある実施形態による、屈折率整合材料を伴う光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。図１Ｄに図示されるように、非点収差レンズ１６２と光ファイバケーブルとの間の間隙は、クラッディングおよび非点収差レンズ１６２の両方の非点収差力を除去する屈折率整合材料（例えば、流体）で充填される。この設計は、非点収差レンズ１６２の上部近くでの球状波が、屈折を伴わずに、ファイバの中に通ることを可能にする。方法は、効果的であるが、屈折率整合材料は、レーザアブレーションビームの吸収等の光学性質を導入し得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

代替実施形態では、非点収差補正に加え、光学ビームの波面の他の修正が、導入されることができ、例えば、縦方向に沿って延びる線形焦点領域の形成である。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図２は、本発明のある実施形態による、可変直径ファイバを製作する方法を図示する簡略化されたフローチャートである。方法２００は、光ファイバケーブルを提供すること（２１０）と、レーザビームを光ファイバケーブルの内側の所定の場所に集束させること（２１２）と、損傷部位を所定の場所に作成すること（２１４）とを含む。

方法は、レーザビームを光ファイバケーブルの内側の一連の追加の所定の場所に集束させること（２１６）と、複数の追加の損傷部位を追加の所定の場所に作成すること（２１８）とも含む。ある実施形態では、損傷部位および追加の損傷部位は、縦方向距離の関数として、ファイバ放射先端に向かって減少直径を有するテーパ状プロファイルを画定し、それによって、テーパ状ファイバを生成する。

方法は、光ファイバケーブルをエッチング溶液にさらすこと（２２０）と、損傷部位および複数の追加の損傷部位を優先的にエッチングすること（２２２）と、光ファイバケーブルの一部を分離し、可変直径ファイバを解放すること（２２４）とをさらに含む。優先的エッチングプロセス後、可変直径ファイバを包囲するクラッディングの部分は、除去され、可変直径ファイバがファイバ走査ディスプレイシステム等の中に組み込まれることを可能にすることができる。

本発明のある実施形態によると、レーザビームが焦点／損傷部位および複数の追加の損傷部位に伝搬するときのファイバによる光の集束は、非点収差レンズを使用することによって補償され、非点収差レンズは、レーザビームがファイバを通って伝搬するときに生じる集束と等しくかつ反対の集束の量を導入する。損傷部位は、ファイバクラッディング内の可変深度、すなわち、ファイバのコアからの可変距離に位置付けられるであろうから、補正レンズは、いくつかの実装では、レーザがファイバのクラッディング内で異なる半径方向距離を通って横断するように調節されることができる。

加えて、図３および４に関して詳細に説明されるように、複数の追加の損傷部位を追加の所定の場所に作成することは、光ファイバケーブルのクラッディング内に損傷部位の格子を形成することを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、複数の半径方向ビアが、クラッディング領域をファイバコアに向かって通過することができる。レーザビームの焦点は、最初、複数の追加の損傷部位の第１の部分が、ファイバコアに隣接して（すなわち、ファイバコアから短い半径方向距離において）作成され、続いて、複数の追加の損傷部位の第２の部分が、ファイバコアからより遠い距離（すなわち、クラッディング領域の直径までのより長い半径方向距離）において作成され得るように制御されることができる。この技法は、無損傷材料を提供し、レーザビームは、それを通って伝搬し、ビーム品質における劣化を低減させ、またはそれを防止する。

図５に関してさらに詳細に議論されるように、ファイバコアは、縦軸によって特徴付けられ、方法は、ファイバを縦軸の周囲で回転させながら、複数の追加の損傷部位が追加の所定の場所に作成されることを含むことができる。

図８に関してさらに詳細に議論されるように、光ファイバケーブルは、クラッディング領域と、クラッディング領域内に配置された複数の犠牲領域径方向ビアとを含むことができる。複数の犠牲領域は、クラッディング領域より高いエッチング率を有する材料を含むことができるか、またはそれを通ってエッチング液が流動し得る空気空洞であり得る。

図２に図示される具体的ステップは、本発明のある実施形態による、可変直径ファイバを製作する特定の方法を提供することを理解されたい。他のステップのシーケンスも、代替実施形態に従って実施され得る。例えば、本発明の代替実施形態は、上で概略されたステップを異なる順序で実施し得る。さらに、図２に図示される個々のステップは、個々のステップの必要に応じて種々のシーケンスで実施され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、追加のステップが、特定の用途に応じて、追加または除去され得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図２に関連して議論されるように、優先的エッチングが、一連の損傷部位に沿って生じる。いくつかの実装では、エッチング液がこれらの比較的に小さい通路を通って移動するために要求される時間は、製造時間を延長させ得る。故に、本発明の実施形態は、半径方向および縦方向にファイバ全体を通って延び、エッチング時間を減少させる格子細工の損傷点を提供および利用することができる。図３に関連して議論されるように、骨格構造が、高濃度エッチング液がファイバの中への多くの侵入点を有し、ファイバクラッディングの所定の区分を迅速に除去し、テーパ状形状等の所望の可変直径形状を作成することを可能にするように、作成されることができる。いくつかの実装では、所定の区分は、損傷部位の格子細工に関連付けられた構造によって画定され、区分として除去されることができる。格子細工の区分が、除去されるにつれて、エッチング液の追加の流入のための高容積エリアが、提供され、それは、これらの区分におけるエッチング率を増加させる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図３は、本発明のある実施形態による、格子細工を形成する光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。上で議論されるように、いくつかの実装では、エッチング液が一連の損傷場所に沿って構造の中にしみ込む率は、所望未満であり得る。故に、図３に図示される本発明の実施形態は、レーザを利用して、追加の損傷部位を作成し、格子細工を画定する。一連の損傷部位１５０の形成に加え、レーザビームによって例証されるレーザ照射が、縦方向に沿って走る一連の損傷部位３３２を形成するために利用され、レーザビームによって例証されるレーザ照射は、側方方向に沿って走る一連の損傷部位３４２を形成するためにも利用される。側方に整列させられた損傷部位は、ビアとも称され得る。この損傷部位の格子細工は、エッチング液がより迅速にファイバのクラッディングに浸透し、エッチング時間を減少させることを可能にし、それは、効果的エッチング率の増加と見なされ得る。レンズ３１０は、図１Ｂに関連して議論されるように、非点収差補正を組み込むことができる。

図３に図示されるように、可変直径ファイバ形状が、格子細工とともに画定されることができる。集束深度の制御およびファイバの回転の使用を通して、レーザは、縦方向に走査され、可変直径形状、ビア、および縦方向に整列させられた損傷部位を所与の平面に画定することができる。レーザは、次いで、縦方向に移動させられ、適切な損傷部位を各縦方向平面に形成し、それは、一緒にされると、可変直径ファイバ形状および格子細工の両方を形成する。ビアは、ファイバの回転を停止し、固定縦方向位置において、ファイバの中に穿孔することによって、作成されることができることに留意されたい。そのような穿孔は、最深点（すなわち、コアに隣接した領域）からクラッディング層の外側に隣接した領域に進み得る。このように、損傷部位、関連付けられた格子細工、および可変直径パターンは、最初、ファイバの最深部分に形成され、最終損傷部位が形成されるように経時的に外方に移動することができ、それによって、損傷部位／欠陥は、光学ビーム品質を損なわない。

図４は、本発明のある実施形態による、可変直径ファイバを製作する方法を図示する簡略化されたフローチャートである。方法４００は、クラッディング領域と、ファイバコアと、クラッディング領域内に配置された複数の犠牲領域径方向ビアとを備えている光ファイバケーブルを提供すること（４１０）を含む。図８に図示されるように、複数の犠牲領域は、ファイバコアと平行に配置された軸を伴う円筒形領域として製作されることができる。他の実施形態では、六角形領域等を含む他の形状が、利用されることができる。いくつかの実施形態では、複数の犠牲領域が、クラッディング領域のエッチング率より高いエッチング率を有する材料を使用して作製される。これらの実施形態における犠牲材料の例は、高濃度にドープされたガラスを含む。代替実施形態では、複数の犠牲領域は、空気空洞であることができる。他の代替実施形態では、犠牲領域は、固体犠牲材料を含むことができるか、空気空洞であることができるか、またはそれらの組み合わせであることができる。

方法は、レーザビームを光ファイバケーブルの内側の一連の所定の場所に集束させること（４１２）と、一連の所定の場所に関連付けられた一連の損傷部位を作成すること（４１４）とも含む。ファイバコアは、縦軸によって特徴付けられることができ、方法は、ファイバを縦軸の周囲で回転させながら、一連の損傷部位が追加の所定の場所に作成されることを含むことができる。

一連の損傷部位は、可変直径プロファイル（例えば、テーパ状プロファイル、より小さい直径区分をより大きい直径区分間に有するプロファイル等）と、光ファイバケーブルのクラッディング領域内の格子細工とを画定する。格子細工に加え、またはその要素として、一連の損傷部位は、クラッディング領域をファイバコアに向かって通る複数の半径方向ビアを画定することができる。一連の損傷部位は、最初、ファイバコアに隣接した第１の一連の損傷部位を形成し、続いて、ファイバコアからより遠い第２の一連の損傷部位を形成することによって、損傷部位が作成されるとき、レーザビームが損傷された材料を通過する必要がないように、作成されることができる。

方法は、光ファイバケーブルをエッチング溶液にさらすこと（４１６）と、一連の損傷部位を優先的にエッチングすること（４１８）と、光ファイバケーブルの周辺部分を分離し、可変直径ファイバを解放すること（４２０）とをさらに含む。

図４に図示される具体的ステップは、本発明のある実施形態による、可変直径ファイバを製作する特定の方法を提供することを理解されたい。他のステップのシーケンスも、代替実施形態に従って実施され得る。例えば、本発明の代替実施形態は、上で概略されたステップを異なる順序で実施し得る。さらに、図４に図示される個々のステップは、個々のステップの必要に応じて種々のシーケンスで実施され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、追加のステップが、特定の用途に応じて、追加または除去され得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図５は、本発明のある実施形態による、テーパ状光放射先端を形成する光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。図５に図示されるように、レーザビームの焦点が一定に保持されたままの光ファイバケーブルの縦軸５１０の周囲における光ファイバケーブル５２５の回転（角度θによって図示される）は、ファイバのクラッディング内における円形の一連の損傷部位５０５の形成を可能にする。レーザビームが、縦方向に移動させられ、より深い深度（すなわち、コアにより近い）に集束させられるにつれて、テーパ状プロファイルを有する一連の損傷部位が、形成される。損傷部位が形成される半径方向寸法は、したがって、縦方向距離の関数として制御される。

図６は、本発明のある実施形態による、所定のファイバプロファイルを形成する光ファイバケーブルおよびレーザアブレーションビームの簡略化された側面図である。図６を参照すると、本発明の実施形態は、損傷部位（格子細工をとらない）に沿ったエッチングが完了された後、その形状が外部クラッディング領域が成形されたファイバから分離することを防止する成形されたプロファイルの製作を可能にする。これらの場合、図３に図示される格子細工は、エッチング液が外部クラッディング領域に外部クラッディング領域の長さに沿って浸透することを可能にし、恣意的に成形されたプロファイルが製作されることを可能にする。

図６に図示されるように、テーパ状以外の所定の側方寸法を伴う恣意的形状を伴う成形されたプロファイル６１０が、レーザがファイバの縦方向に沿って走査されるにつれて作成されることができる。レーザは、異なる周期、異なる深度等を使用して、複数回、縦方向に走査され、通過毎に、異なる損傷パターンを形成し、図３および６に図示されるように、全体的格子細工および側方寸法形状を作成することができる。異なる半径および／または周期を伴うコルク栓抜きおよび逆コルク栓抜き形状の両方が、平行線模様パターンを作成するために使用されることができる。いくつかの実施形態では、損傷部位の所望される組が、座標系内にプログラムされ、レーザが、ファイバが回転されるにつれて走査され、損傷部位の所望の組を生成する。図３に図示される格子細工は、長方形であるが、これは、本発明によって要求されず、格子細工の平面は、縦方向に対して傾けられることができる。図６では、格子細工６１５は、約４５度に傾けられ、クラッディングを通して延び、恣意的に成形されたプロファイル６１０に到達する。漏斗形状が、したがって、図６に図示される傾けられた格子細工によって提供される。加えて、螺旋構造および恣意的幾何学形状の構造が、本明細書に説明される方法によって作成されることができる。長方形格子細工、傾けられた格子細工、螺旋格子細工、および／またはビアの組み合わせは、本発明の範囲内に含まれる。

図６に関連して議論される技法を使用して製作され得る例示的成形されたファイバは、図７Ａおよび７Ｂに図示される。図７Ａは、本発明のある実施形態による、成形されたファイバの一部の簡略化された側面図である。図７Ａに図示されるように、成形されたファイバは、２つの支持領域１５０および１４０を含み、それらは、圧電運動アクチュエータを含む支持要素に機械的に接続されることができる。成形されたファイバは、２つの支持領域より小さい直径によって特徴付けられるたわみ領域１４２も含む。加えて、成形されたファイバは、ファイバ先端で終了するテーパ状光送達および放射領域７４０を含む。故に、本明細書に説明される方法は、複雑なプロファイルを伴うこの成形されたファイバの製作のために好適である。

図７Ｂは、本発明の別の実施形態による、成形されたファイバの一部の簡略化された側面図である。図７Ｂでは、成形されたファイバは、一定直径領域７５０と、テーパ状領域７５２と、レンズ状ファイバ先端７５４とを含む。直径、長さ、およびテーパ状角度は、特定の用途の必要に応じて選択されることができる。拡張領域および湾曲先端を含むレンズ状ファイバ先端７５４が、図示されるが、本発明の実施形態は、この特定の実装に限定されない。他の実施形態では、ボール状レンズが、成形されたファイバの端部に形成される。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図８は、本発明のある実施形態による、犠牲領域を伴うファイバプリフォームの延伸を図示する簡略化された斜視図である。ファイバプリフォーム８００は、ファイバコア８０５と、ファイバクラッディング８０７とを含む。１つ以上の犠牲材料区分８１０が、クラッディング８０７全体を通して分散される。１つ以上の犠牲材料区分８１０は、クラッディングの外側表面８２０から犠牲材料区分まで通るビアによってアクセスされることができる。犠牲材料区分は、ファイバのクラッディングおよび／またはコアより高いエッチング率を有する材料を含む。その結果、エッチング液が犠牲材料区分に到達すると、それらは、ＨＦベースのエッチング液または他の好適なエッチング液によって容易にエッチングされる。

例として、本発明の実施形態によって利用され得る犠牲材料は、高濃度にドープされたガラス等を含む。ファイバの延伸は、図８では、減少直径８２５によって図示される。

加えて、中実材料に加え、犠牲材料区分は、ファイバを延伸するために使用されるプリフォームの中に構築される空気空洞として画定され得る。空気空洞の使用は、バルク材料を効果的に除去し、それによって、効果的エッチング率を増加させる。したがって、フォトニック結晶ファイバのために使用される技法が、本発明の実施形態によるエッチング率を向上させるために利用されることができる。エッチング液が空気空洞に到達することを可能にするための犠牲材料区分の代わりに、またはそれと組み合わせて使用される、クラッディング領域の外側表面から空気空洞まで通過するビアが形成されることができる。加えて、空気空洞を利用するいくつかの実施形態では、エッチング液が、ファイバの端部から、かつビアを通して、空気空洞の中に導入され、エッチング時間のさらなる減少を提供することができる。いくつかの実施形態では、空気空洞と中実犠牲材料の組み合わせが、利用される。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

本明細書に説明される例および実施形態は、例証的目的のためだけのものであり、それに照らして、種々の修正または変更が、当業者に示唆され、本願の精神および権限ならびに添付の請求項の範囲内に含まれるべきであることも理解されたい。

Claims (20)

1. 可変直径ファイバを製作する方法であって、前記方法は、
   光ファイバケーブルを提供することと、
   レーザビームを前記光ファイバケーブルの内側の所定の場所に集束させることと、
   損傷部位を前記所定の場所に作成することと、
   前記レーザビームを前記光ファイバケーブルの内側の一連の追加の所定の場所に集束させることと、
   複数の追加の損傷部位を前記追加の所定の場所に作成することであって、前記損傷部位および前記追加の損傷部位は、可変直径プロファイルを画定する、ことと、
   前記光ファイバケーブルをエッチング溶液にさらすことと、
   前記損傷部位および前記複数の追加の損傷部位を優先的にエッチングすることと、
   前記光ファイバケーブルの一部を分離し、前記可変直径ファイバを解放することと
   を含む、方法。
2. 前記レーザビームを前記所定の場所に集束させることおよび前記レーザビームを前記一連の追加の所定の場所に集束させることは、前記光ファイバケーブル上への衝突に先立って、非点収差を前記レーザビームに導入することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザビームにおける前記非点収差は、前記レーザビームが前記光ファイバケーブルを通って伝搬するときの円筒形集束を補償する、請求項２に記載の方法。
4. 前記所定の場所および前記追加の所定の場所から前記光ファイバケーブルのコアとの距離の関数として、前記レーザビームにおける非点収差を調節することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記可変直径プロファイルは、テーパ状プロファイルを備え、前記可変直径ファイバは、テーパ状ファイバを備えている、請求項１に記載の方法。
6. 前記複数の追加の損傷部位を前記追加の所定の場所に作成することは、損傷部位の格子細工を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記光ファイバケーブルは、外側領域とファイバコアとを備え、前記複数の追加の損傷部位を前記追加の所定の場所に作成することは、前記外側領域から前記ファイバコアに向かって通る複数の半径方向ビアを形成することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記光ファイバケーブルは、外側領域とファイバコアとを備え、前記複数の追加の損傷部位を前記追加の所定の場所に作成することは、最初に、前記ファイバコアから第１の距離に前記光ファイバケーブルの内側の前記複数の追加の損傷部位の第１の部分を作成し、続いて、前記ファイバコアから前記第１の距離よりも大きい第２の距離に前記光ファイバケーブルの内側の前記複数の追加の損傷部位の第２の部分を作成することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記光ファイバケーブルは、縦軸によって特徴付けられるファイバコアを備え、前記方法は、前記複数の追加の損傷部位を前記追加の所定の場所に作成する間、前記ファイバを前記縦軸の周囲で回転させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記光ファイバケーブルは、クラッディング領域と、前記クラッディング領域内に配置された複数の犠牲領域とを備えている、請求項１に記載の方法。
11. 前記光ファイバケーブルの領域は、所定のエッチング率によって特徴付けられ、前記損傷部位および前記複数の追加の損傷部位は、前記所定のエッチング率より高いエッチング率によって特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
12. 可変直径ファイバを製作する方法であって、前記方法は、
    クラッディング領域と、ファイバコアと、前記クラッディング領域内に配置された複数の犠牲領域とを備えている光ファイバケーブルを提供することと、
    レーザビームを前記光ファイバケーブルの内側の一連の所定の場所に集束させることと、
    前記一連の所定の場所に関連付けられた一連の損傷部位を作成することであって、前記一連の損傷部位は、
    可変直径プロファイルと、
    前記光ファイバケーブルのクラッディング領域内の格子細工と
    を画定する、ことと、
    前記光ファイバケーブルをエッチング溶液にさらすことと、
    前記一連の損傷部位を優先的にエッチングすることと、
    前記光ファイバケーブルの周辺部分を分離し、前記可変直径ファイバを解放することと
    を含む、方法。
13. 前記可変直径プロファイルは、テーパ状プロファイルを備えている、請求項１２に記載の方法。
14. 前記犠牲領域は、前記ファイバコアと平行に配置された軸を伴う円筒形領域を備えている、請求項１２に記載の方法。
15. 前記複数の犠牲領域は、前記クラッディング領域のエッチング率より高いエッチング率を有する材料を備えている、請求項１４に記載の方法。
16. 前記複数の犠牲領域は、空気空洞を備えている、請求項１４に記載の方法。
17. 前記一連の所定の場所に関連付けられた前記一連の損傷部位を作成することは、損傷部位の格子細工を形成することを含む、請求項１２に記載の方法。
18. 前記一連の所定の場所に関連付けられた前記一連の損傷部位を作成することは、前記クラッディング領域を前記ファイバコアに向かって通過する複数の半径方向ビアを形成することを含む、請求項１２に記載の方法。
19. 前記一連の所定の場所に関連付けられた前記一連の損傷部位を作成することは、最初に、前記ファイバコアに隣接した前記一連の損傷部位の第１の部分を作成し、続いて、前記ファイバコアからより遠い前記一連の損傷部位の第２の部分を作成することを含む、請求項１２に記載の方法。
20. 前記ファイバコアは、縦軸によって特徴付けられ、前記方法は、前記一連の所定の場所に関連付けられた前記一連の損傷部位を作成する間、前記ファイバを前記縦軸の周囲で回転させることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
    

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