JP7489464B2 - 固定構造、光デバイス、及びレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂体を用いて光ファイバを支持体に固定する固定構造に関する。また、本発明は、そのような固定構造を備えた光デバイス、及び、そのような光デバイスを備えたレーザ装置に関する。

光ファイバの被覆除去区間と被覆区間との境界を覆う樹脂体によって光ファイバを支持体に固定する固定構造が広く用いられている。例えば、特許文献１には、光ファイバの被覆除去区間と被覆区間との境界を覆う案内接着剤（上述した樹脂体に相当）によって光ファイバを末端部分（上述した支持体に相当）に固定する固定構造が開示されている。なお、被覆区間とは、光ファイバのクラッドが被覆により覆われた区間のことを指し、被覆除去区間とは、被覆が除去されクラッドが露出した区間のことを指す。

日本国公開特許公報「特表２０１６－５３３５４３号公報」

しかしながら、従来の固定構造においては、被覆除去区間において光ファイバのクラッドから樹脂体へと漏出した光が被覆区間において被覆に入射して被覆を発熱させることがあり、このことが固定構造の信頼性の低下させる要因となっていた。

本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、被覆除去区間において光ファイバのクラッドから樹脂体へと漏出した光が被覆区間において被覆に入射することによって生じ得る被覆の発熱を抑え、信頼性の高い固定構造を実現することを目的とする。また、本発明の一態様は、そのような固定構造を用いることによって、信頼性の高い光デバイスを実現することを目的とする。また、本発明の一態様は、そのような光デバイスを用いることによって、信頼性の高いレーザ装置を実現することを目的とする。

本発明の一態様に係る固定構造は、光ファイバと、前記光ファイバを収容するための溝が形成された支持体と、前記溝の内部において前記光ファイバの被覆区間と被覆除去区間との境界を覆い、前記光ファイバを前記支持体に固定する樹脂体と、を備えており、前記樹脂体は、前記溝の途中で前記溝の外部に広がっている。

本発明の一態様に係る光デバイスは、本発明の一態様に係る固定構造を備えている。

本発明の一態様に係るレーザ装置は、本発明の一態様に係る光デバイスを備えている。

本発明の一態様によれば、被覆除去区間において光ファイバのクラッドから樹脂体へと漏出した光が被覆区間において被覆に入射することによって生じ得る被覆の発熱を抑え、信頼性の高い固定構造を実現することができる。また、本発明の一態様は、そのような固定構造を用いることによって、信頼性の高い光デバイスを実現することができる。また、本発明の一態様は、そのような光デイバスを用いることによって、信頼性の高いレーザ装置を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る固定構造を備えた光デバイスの構成を示す側面図である。 図１に示す光デバイスのＡＡ’断面を示す断面図である。 図１に示す光デバイスのＢＢ’断面を示す断面図である。 図１～図３に示す固定構造において、溝の内部を逆方向に伝搬する光のパワーの測定結果を示すグラフである。 （ａ）は、実施例に係る固定構造の斜視図、及び、その温度分布図であり、（ｂ）は、比較例に係る固定構造の斜視図、及び、その温度分布図である。 ５サンプルの実施例及び７サンプルの比較例について、光ファイバの被覆の温度上昇とその偏差との相関を示したグラフである。 図１に示す光デバイスを備えたレーザ装置のブロック図である。

（光デバイスの構成）
本発明の一実施形態に係る固定構造１０を含む光デバイス１について、図１～３を参照して説明する。図１は、光デバイス１の構成を示す側面図である。図２は、固定構造１０のＡＡ’断面（図１参照）を示す断面図である。図３は、固定構造１０のＢＢ’断面（図１参照）を示す断面図である。

光デバイス１は、加工対象物にレーザ光を照射するための装置である。光デバイス１は、図１に示すように、光ファイバ１１と、支持体１２と、樹脂体１３と、太径ファイバ１４と、ガラスブロック１５と、を備えている。光デバイス１においては、光ファイバ１１と、支持体１２と、樹脂体１３と、が固定構造１０を構成している。なお、光デバイス１は、不図示の筐体を備えていてもよい。この場合、支持体１２、樹脂体１３、太径ファイバ１４、及びガラスブロック１５が、その筐体に収容され、光ファイバ１１が、その筐体に引き込まれる。

光ファイバ１１は、レーザ光を導波するための構成である。本実施形態においては、光ファイバ１１として、円柱状のコア１１ａと、コア１１ａを取り囲む円筒状のクラッド１１ｂと、クラッド１１ｂを取り囲む円筒状の被覆１１ｃと、を備えた光ファイバを用いている。コア１１ａ及びクラッド１１ｂは、主に石英により構成されており、被覆１１ｃは、主に樹脂により構成されている。被覆１１ｃは、光ファイバ１１の一方の端部を含む区間において除去されている。光ファイバ１１において、クラッド１１ｂが被覆１１ｃに覆われた区間のことを「被覆区間」と呼び、被覆１１ｃが除去されクラッド１１ｂが露出した区間のことを「被覆除去区間」と呼ぶ。

支持体１２は、光ファイバ１１を直線状に支持するための構成である。本実施形態においては、支持体１２として、鍔部１２ｂと、鍔部１２ｂの一方の側に設けられた基板部１２ａと、鍔部１２ｂの他方の側に設けられたフェルール部１２ｃと、を備えた支持体を用いている。支持体１２は、銅により一体成形されており、表面に金メッキが施されている。基板部１２ａは、主面が長方形の板状の部分である。基板部１２ａの一方の面には、この面を長手方向に横断する溝１２ａ１と、この溝１２ａ１の両側に配置され、この面を長手方向に横断するリブ１２ａ２と、が形成されている。光ファイバ１１は、この溝１２ａ１の内部に収容され、鍔部１２ｂの中心に設けられた貫通穴を通って、フェルール部１２ｃに挿通される。この際、光ファイバ１１は、被覆区間と被覆除去区間との境界が溝１２ａ１の内部に位置するように配置される。

樹脂体１３は、溝１２ａ１に収容された光ファイバ１１を支持体１２に固定するための構成である。本実施形態においては、樹脂体１３として、溝１２ａ１の内部に注入された液体樹脂を硬化させることにより得られた樹脂体を用いている。この液体樹脂は、光硬化性樹脂であってもよいし、熱硬化性樹脂であってもよい。前者の場合、液体樹脂の硬化は、液体樹脂に特定の波長帯域に属する光（例えば、紫外線）を照射することによって実現される。後者の場合、液体樹脂の硬化は、液体樹脂を加熱することによって実現される。

光ファイバ１１から出射されたレーザ光は、太径ファイバ１４及びガラスブロック１５を介して加工対象物に照射される。本実施形態においては、太径ファイバ１４として、一端がテーパ状に縮径された円柱状の光ファイバを用いると共に、ガラスブロック１５として、一端がテーパ状に縮径された円柱状のガラスブロックを用いている。光ファイバ１１の出射端面は、太径ファイバ１４の小径側端面に融着接続されており、太径ファイバ１４の太径側端面は、ガラスブロック１５の小径側端面に融着されている。

（固定構造の特徴）
光デバイス１において、固定構造１０は、光ファイバ１１と、支持体１２と、樹脂体１３と、を備えている。支持体１２には、図１及び図３に示すように、光ファイバ１１を収容するための溝１２ａ１が形成されている。樹脂体１３は、図１及び図３に示すように、溝１２ａ１の内部において光ファイバ１１の被覆区間と被覆除去区間との境界を覆い、光ファイバ１１を支持体１２に固定している。

固定構造１０の特徴は、樹脂体１３が溝１２ａ１の途中で溝１２ａ１の外部に広がっている点である。この特徴を実現するために、本実施形態に係る固定構造１０においては、図１及び図２に示すように、溝１２ａ１の途中で溝１２ａ１と交わる（本実施形態においては直交する）他の溝１２ａ３を支持体１２に形成している。また、図１及び図３に示すように、溝１２ａ１の両側に設けられたリブ１２ａ２を溝１２ａ１の途中で途切れさせている。これにより、樹脂体１３を形成する際に、溝１２ａ１に注入される液体樹脂が溝１２ａ１の途中で溝１２ａ３に侵入する。このため、この液体樹脂を硬化することにより形成される樹脂体１３は、図１及び図２に示すように、溝１２ａ１の途中で溝１２ａ１の外部に広がった形状を取ることになる。

光デバイス１を利用した加工を行うと、加工対象物に照射されるレーザ光が光ファイバ１１側からガラスブロック１５側へと順方向に伝搬すると共に、加工対象物にて反射された光などがガラスブロック１５側から光ファイバ１１側へと逆方向に伝搬することがある。この際、逆方向に伝搬する光の一部が、被覆除去区間において光ファイバ１１のクラッド１１ｂから樹脂体１３へと漏出する。そして、被覆除去区間において光ファイバ１１のクラッド１１ｂから樹脂体１３へと漏出した光が、溝１２ａ１の内部に形成された樹脂体１３を伝搬して光ファイバ１１の被覆１１ｃに入射し、光ファイバ１１の被覆１１ｃを発熱させることがある。これに対して、固定構造１０においては、樹脂体１３が溝１２ａ１の途中で溝１２ａ１の外部に広がっている。このため、被覆除去区間において光ファイバ１１のクラッド１１ｂから樹脂体１３に漏出した光の一部は、光ファイバ１１の被覆１１ｃに入射する前に、溝１２ａ１の外部（具体的には溝１２ａ３）に広がった樹脂体１３に導かれる。したがって、被覆除去区間において光ファイバ１１のクラッド１１ｂから樹脂体１３へと漏出した光において、光ファイバ１１の被覆１１ｃに入射する光が占める割合を小さく抑えることができる。その結果、被覆除去区間において光ファイバ１１のクラッド１１ｂから樹脂体１３へと漏出した光が光ファイバ１１の被覆１１ｃに入射した場合に生じ得る光ファイバ１１の被覆１１ｃの発熱を小さく抑えることができる。このため、信頼性の高い固定構造１０を実現することができる。その結果、信頼性の高い光デバイス１を実現することができる。

なお、樹脂体１３の屈折率は、光ファイバ１１のクラッド１１ｂの屈折率よりも低いことが好ましい。これにより、被覆除去区間において光ファイバ１１のクラッド１１ｂから樹脂体１３へと漏出する光を少なくすることができる。したがって、光ファイバ１１の被覆１１ｃに入射する光の強度を更に小さくすることができる。その結果、被覆除去区間において光ファイバ１１のクラッド１１ｂから樹脂体１３へと漏出した光が光ファイバ１１の被覆１１ｃに入射した場合に生じ得る光ファイバ１１の被覆１１ｃの発熱を更に小さく抑えることができる。

また、溝１２ａ１は、図２に示すように、Ｕ字溝であることが好ましい。これにより、溝１２ａ１の内部に形成された樹脂体１３から光ファイバ１１が受ける応力が均一（軸対称）に近づく。その結果、光ファイバ１１が受ける応力が不均一（非軸対象）である場合に生じ得るビーム品質の劣化を抑制することが可能になる。

また、溝１２ａ３は、図１に示すように、支持体１２の平面視において溝１２ａ１に対して線対称に形成されていることが好ましい。これにより、溝１２ａ１及び溝１２ａ３の内部に形成された樹脂体１３から光ファイバ１１が受ける応力が均一（線対称）に近づく。その結果、光ファイバ１１が受ける応力が不均一（非線対称）である場合に生じ得るビーム品質の劣化を抑制することが可能になる。

また、溝１２ａ１の底部には、図３に示したように、樹脂体１３の広がる範囲を規制するための凹部１２ａ４が形成されていることが好ましい。これにより、樹脂体１３を形成する際に溝１２ａ１に注入される液体樹脂が凹部１２ａ４を超えて鍔部１２ｂの近傍にまで侵入し、これを硬化することにより得られる樹脂体１３が意図せぬ形状になる（その結果として、光ファイバ１１に意図せぬ応力が作用する）ことを防止することができる。

なお、本実施形態においては、樹脂体１３の広がり方が溝１２ａ１によって規定されている。このため、溝１２ａ１と交わる他の溝１２ａ３を形成することによって、樹脂体１３を溝１２ａ１の外部に広げている。ただし、本発明は、これに限定されない。例えば、樹脂体１３の広がり方は、リブ１２ａ２により規定されていてもよい。この場合、溝１２ａ１と交わる他の溝１２ａ３を形成せずとも、リブ１２ａ２を溝１２ａ１の途中で途切れさせるだけで、樹脂体１３を溝１２ａ１の外部に広げることができる。

（効果の検証）
固定構造１０において、溝１２ａ１の内部に形成された樹脂体１３を逆方向に伝搬する光のパワーを数値実験により求めた結果を図４に示す。図４は、溝１２ａ１の内部に形成された樹脂体１３を逆方向に伝搬する光のパワーを、図３に示すｚ軸に沿ってプロットしたグラフである。ここで、ｚ軸は、光ファイバ１１の光軸と平行な軸であり、その原点は、溝１２ａ３の開始点に設定されている。なお、数値実験に際しては、溝１２ａ３のｚ軸方向の幅を２ｍｍとした。また、光ファイバ１１のクラッド１１ｂの屈折率は１．４５とし、空気の屈折率は１とし、樹脂体１３の屈折率は１．４１とした。また、ｚ＝－２からｚ＝０までの区間においては、樹脂体１３が溝１２ａ１を隈なく埋め尽くしているものとし、ｚ＝０からｚ＝２までの区間においては、樹脂体１３が溝１２ａ１及び溝１２ａ３を隈なく埋め尽くしているものとした。

図４に示すグラフによれば、以下のことが分かる。すなわち、ｚ＝－２からｚ＝０までの、樹脂体１３が溝１２ａ１の内部にのみ形成されている第１の区間においては、溝１２ａ１の内部に形成された樹脂体１３を逆方向に伝搬する光のパワーが略一定になる。そして、ｚ＝０からｚ＝２までの、樹脂体１３が溝１２ａ１の外部に広がっている第２の区間においては、溝１２ａ１の内部に形成された樹脂体１３を逆方向に伝搬する光のパワーが急減少する。そして、ｚ＝２以上の、樹脂体１３が溝１２ａ１の内部にのみ形成されている第３の区間においては、溝１２ａ１の内部に形成された樹脂体１３を逆方向に伝搬する光のパワーが略一定になる。第３の区間において溝１２ａ１の内部に形成された樹脂体１３を逆方向に伝搬する光のパワーは、第１の区間において溝１２ａ１の内部に形成された樹脂体１３を逆方向に伝搬する光のパワーの１／８の程度である。これは、光ファイバ１１の被覆１１ｃに到達する光のパワーが十分に小さいことを意味する。

図５の（ａ）は、固定構造１０（実施例）の斜視図、及び、その温度分布図である。図５の（ｂ）は、溝１２ａ３を省略して樹脂体１３が溝１２ａ１の外部に広がらないようにした固定構造１０（比較例）の斜視図、及び、その温度分布である。いずれの温度分布図も、光ファイバ１１のクラッド１１ｂを光が逆方向に伝搬しているときのものである。図５に示す温度分布図によれば、樹脂体１３が溝１２ａ１の外部に広がらない上記比較例においては、光ファイバ１１の被覆１１ｃの温度が１００℃程度に達するのに対して、樹脂体１３が溝１２ａ１の外部に広がる上記実施例においては、光ファイバ１１の被覆１１ｃの温度が４０℃程度に抑えられていることが分かる。すなわち、溝１２ａ３を設けて樹脂体１３を溝１２ａ１の外部に広げることで、被覆除去区間において光ファイバ１１のクラッド１１ｂから樹脂体１３へと漏出した光に起因する光ファイバ１１の被覆１１ｃの発熱を小さく抑えられることが確かめられた。

図６は、５サンプルの上記実施例及び７サンプルの上記比較例について、光ファイバ１１の被覆１１ｃの温度上昇とその偏差との相関を示したグラフである。なお、図６に示すグラフにおいては、光ファイバ１１の被覆１１ｃの温度上昇と支持体１２の温度上昇との差を横軸に取り、標準偏差の倍数を縦軸に取っている。図６に示すグラフによれば、上記比較例においては、被覆１１ｃの温度上昇の平均値が支持体１２の温度上昇よりも３０℃程度高いのに対して、上記実施例においては、被覆１１ｃの温度上昇の平均値が支持体１２の温度上昇と同程度であることが分かる。また、図６に示すグラフによれば、上記比較例においては、被覆１１ｃの温度上昇のバラつきが大きく、被覆１１ｃに深刻な問題を引き起こす極端な温度上昇が生じる確率が高いのに対して、上記実施例においては、被覆１１ｃの温度上昇のバラつきが小さく、上記のようなことが生じる確率が低いことが分かる。すなわち、上記実施例の信頼性は、上記比較例の信頼性よりも高いことが分かる。

（レーザ装置）
上述した光デバイス１は、加工用のレーザ装置に利用することができる。図７は、このようなレーザ装置２０の構成を示すブロック図である。

レーザ装置２０は、レーザ光源２１と、デリバリファイバ２２と、光デバイス２３と、を備えている。レーザ光源２１は、レーザ光を生成するための構成である。レーザ光源２１は、固体レーザであってもよいし、液体レーザであってもよいし、気体レーザであってもよいし、ファイバレーザであってもよい。デリバリファイバ２２は、レーザ光源２１にて生成されたレーザ光を導波するための構成である。デリバリファイバ２２は、シングルモードファイバであってもよいし、マルチモードファイバであってもよい。光デバイス２３は、デリバリファイバ２２を導波された光を加工対象物Ｗに照射するための構成である。光デバイス２３として、上述した光デバイス１を用いることで、信頼性の高いレーザ装置２０を実現することができる。

〔まとめ〕
以上のように、本発明の態様１に係る固定構造は、光ファイバと、前記光ファイバを収容するための溝が形成された支持体と、前記溝の内部において前記光ファイバの被覆区間と被覆除去区間との境界を覆い、前記光ファイバを前記支持体に固定する樹脂体と、を備えており、前記樹脂体は、前記溝の途中で前記溝の外部に広がっている。

上記の構成によれば、被覆除去区間において光ファイバのクラッドから樹脂体に漏出した光が被覆区間において光ファイバの被覆に入射し難くなる。したがって、樹脂体が溝の内部にのみ形成されている場合と比べて、光ファイバの被覆の発熱を小さく抑えることができる。その結果、樹脂体が溝の内部のみに形成されている場合と比べて、固定構造の信頼性を高めることができる。

本発明の態様２に係る固定構造においては、態様１の構成に加えて、前記支持体には、前記溝と交わる他の溝が形成されており、前記樹脂体は、前記他の溝の内部に広がっている、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、溝に注入した液体樹脂を硬化することによって樹脂体を形成する場合に、樹脂体を溝の途中で溝の外部に広げることが容易になる。

本発明の態様３に係る固定構造においては、態様２の構成に加えて、前記他の溝は、前記支持体の平面視において、前記溝に対して線対称に形成されている、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、樹脂体から光ファイバに作用する不均一な応力によって生じ得るビーム品質の低下を抑えることができる。

本発明の態様４に係る固定構造においては、態様１～３の何れかの構成に加えて、前記樹脂体の屈折率は、前記光ファイバのクラッドの屈折率よりも低い、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、光ファイバの被覆の発熱を更に小さく抑えることができる。

本発明の態様５に係る固定構造においては、態様１～４の何れかの構成に加えて、前記溝は、Ｕ字溝である、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、樹脂体から光ファイバに作用する不均一な応力によって生じ得るビーム品質の低下を抑えることができる。

本発明の態様６に係る固定構造においては、態様１～５の何れかの構成に加えて、前記溝の底には、前記樹脂体の広がる範囲を規制するための凹部が形成されている、という構成が採用されている。

上記の構成によれば、樹脂体が意図せぬ形状になり、その結果として、光ファイバに意図せぬ応力が働くという事態が生じ難くなる。

本発明の態様７に係る光デバイスは、態様１～６の何れかに係る固定構造を備えている。

上記の構成によれば、従来の固定構造を備えた光デバイスよりも信頼性の高い光デバイスを実現することができる。

本発明の態様８に係るレーザ装置は、態様７に係る光デバイスを備えている。

上記の構成によれば、従来の光デバイスを備えたレーザ装置よりも信頼性の高いレーザ装置を実現することができる。

（付記事項）
本発明は、上述した実施形態に限定されるものでなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。上述した実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 光デバイス
１０ 固定構造
１１ 光ファイバ
１１ａ コア
１１ｂ クラッド
１１ｃ 被覆
１２ 支持体
１２ａ 基板部
１２ａ１ 溝
１２ａ２ リブ
１２ａ３ 溝
１２ａ４ 凹部
１３ 樹脂体
１４ 太径ファイバ
１５ ガラスブロック
２０ レーザ装置
２１ レーザ光源
２２ デリバリファイバ
２３ 光デバイス

Claims (6)

1. 光ファイバと、
   前記光ファイバを収容するための溝、及び、前記溝と平面交差する他の溝が形成された支持体と、
   前記溝の内部において前記光ファイバの被覆区間と被覆除去区間との境界を覆い、前記光ファイバを前記支持体に固定する樹脂体と、を備えており、
   前記溝の長手方向は、前記光ファイバの中心軸方向に沿っており、且つ、前記他の溝の長手方向は、前記中心軸方向と交わっており、
   前記樹脂体は、前記溝の途中で前記他の溝の内部に広がっており、
   前記樹脂体の屈折率は、前記光ファイバのクラッドの屈折率よりも低い、
   ことを特徴とする固定構造。
2. 前記他の溝は、前記支持体の平面視において、前記溝に対して線対称に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固定構造。
3. 前記溝は、Ｕ字溝である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固定構造。
4. 前記溝の底には、前記樹脂体の広がる範囲を規制するための凹部が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の固定構造。
5. 請求項１～４の何れか一項に記載の固定構造を備えている光デバイス。
6. 請求項５に記載の光デバイスを備えているレーザ装置。

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