JP5351867B2 - バンドルファイバ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、コア及び該コアよりも屈折率の低いクラッドを有する光ファイバが複数束ねられたバンドルファイバ及びその製造方法に関するものである。

従来より、この種のバンドルファイバとして、例えば、特許文献１のように、複数本の光ファイバが束ねられた本体部と、この本体部の先端に設けられて光の入射端となるテーパ部とを備え、テーパ部は、光ファイバが一体化されて形成され、先端側に向けて外径が小さくなる部分円錐形状とされ、テーパ部が設けられる本体部の先端部分は、全断面積に対するコアの断面積の比率が０．８５〜１．００であるものが知られている。

特開２０１０−７２４８５号公報

しかしながら、上記特許文献１のバンドルファイバでは、クラッドが除去され、テーパ部においてコア同士がコアを覆うガラス管と共に一体化された１つのコアとして機能するので、各光ファイバが光学的に独立性を保てず、個々の光ファイバに投光及び受光を割り振ることができないという問題があった。

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、先端が先細となるバンドルファイバにおいて、簡単な構成で個々の光ファイバに投光及び受光を割り振ることができるようにすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、テーパ加工部において各ファイバの構造が保たれた状態のままテーパ加工するようにした。

具体的には、第１の発明では、
コア及び該コアよりも屈折率の低いクラッドを有する光ファイバが複数束ねられたバンドルファイバを前提とする。

そして、上記バンドルファイバは、
上記光ファイバが複数束ねられたバンドル部と、
上記バンドル部の先端に連続し、先端に向かって徐々に外径が小さくなるテーパ加工部とを備え、
少なくとも上記テーパ加工部は、上記クラッドよりも屈折率の低いガラス管で覆われた状態で張力を印加しながら溶融され、先端に向かって徐々に外径が小さくなるように加工され、該テーパ加工部では、各光ファイバが一体化され、それぞれの上記コアが断面円形から変形されると共に、一体化された上記クラッドによって光学的に独立性を保つように互いに隔てられている。

上記の構成によると、テーパ加工部において、各光ファイバのコアが、一体化されたクラッドによって互いに隔てられているので、各光ファイバで光学的に独立性を保ちやすくなる。このため、個々の光ファイバに投光及び受光を割り振ることが可能となる。また、溶融状態でコアが断面円形から変形されるように引っ張って張力を印加することで適切な細さに加工されている。さらに、テーパ加工部に被覆が設けられなくても、クラッドよりも屈折率の低いガラス管で覆われているので、テーパ化により拡大した開口数の光も閉じこめて先端面まで伝搬することができる。

第２の発明では、上記前提のバンドルファイバは、
上記光ファイバが複数束ねられたバンドル部と、
上記バンドル部の先端に連続し、先端に向かって徐々に外径が小さくなるテーパ加工部とを備え、
少なくとも上記テーパ加工部は、ガラス管で覆われた状態で張力を印加しながら溶融され、先端に向かって徐々に外径が小さくなるように加工され、該テーパ加工部では、各光ファイバが一体化され、それぞれの上記コアが断面円形から変形されると共に、一体化された上記クラッドによって光学的に独立性を保つように互いに隔てられ、上記ガラス管が外気に触れる状態で使用される。

上記の構成によると、テーパ加工部において、各光ファイバのコアが、一体化されたクラッドによって互いに隔てられているので、各光ファイバで光学的に独立性を保ちやすくなる。このため、個々の光ファイバに投光及び受光を割り振ることが可能となる。また、溶融状態でコアが断面円形から変形されるように引っ張って張力を印加することで適切な細さに加工されている。また、特に添加物を含めたガラス管でなくても、外気に触れる状態で使用すれば、ガラス管よりも屈折率の低い空気などの外気に覆われることにより、各光ファイバから光が漏れたとしても、ガラス管と外気との境界面で光が屈折されるので、ガラス管から外へ光が漏れるのが防止される。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、
各光ファイバーにレーザ光源が接続され、上記テーパ加工部の先端から出射されたレーザ光により加工を行う、加工用プローブとする。

上記の構成によると、レーザ光源から入射されたレーザ光がテーパ加工部で高密度となって先端から出射されるので、表面を選択的に加工できる。

第４の発明では、第１乃至第３のいずれか１つの発明において、
上記バンドル部側から上記各光ファイバの一部に入射された信号が該各光ファイバを通って上記テーパ加工部の先端から射出されると共に、該テーパ加工部の先端から残りの上記各光ファイバに入射された別の信号が該各光ファイバを通って上記バンドル部から射出されるように構成されている。

上記の構成によると、テーパ加工部において、各光ファイバがコアが溶融されたクラッドによって互いに隔てられた状態を保っているので、例えば、バンドル部の中心側の各光ファイバに光を入射し、これら各光ファイバを通ってテーパ加工部の先端から集光されて高いパワー密度の光が照射対象物に向けて射出され、この照射対象物で反射された光をテーパ加工部の先端の外周側の各光ファイバから入射させ、バンドル部から取り出すことが可能となる。

第５の発明では、第４の発明において、
プローブ光を入射して反射した信号光を受光する表面分析用プローブとする。

上記の構成によると、照射対象物の表面に高いパワー密度のプローブ光を照射し、かつ、その反射光を受光できるので、表面分析に適している。

第６の発明では、第１乃至第５のいずれか１つの発明において、
上記テーパ加工部の先端から開口数が０．５以上０．９以下である出射光を出射可能である。

上記の構成によると、テーパ加工部で先端が先細となっているため、従来にない高い開口数の出射光が得られる。なお、開口数（ＮＡ）とは、入出射可能な最大角度を示す指数である。

第７の発明では、第６の発明において、
アレイ型発光デバイスと共に用いられ、該アレイ型発光デバイスからの出射光を上記テーパ加工部の先端面から入射可能に構成されている。

上記の構成によると、高密度に配列された高い開口数のアレイ型発光デバイスの出射光をテーパ加工部の先端面から受光できる。

第８の発明では、第１乃至第７のいずれか１つの発明において、
上記ガラス管は、二層構造であり、外側のガラス管は、内側のガラス管よりも屈折率が低い構成とする。

上記の構成によると、外側のガラス管で光が屈折されるので、ガラス管から外へ光が漏れるのが確実に防止される。

第９の発明では、
コア及びクラッドを有する光ファイバが複数束ねられたバンドルファイバを製造する方法を前提とする。

そして、上記製造方法では、
上記コア及びクラッドを有する光ファイバを複数束ねてバンドル部を形成し、
上記クラッドよりも屈折率の低いガラス管に上記バンドル部を挿入して該バンドル部と該ガラス管とを加熱して溶融加工し、
上記ガラス管が溶融一体化されたバンドル部に張力を印加し、
上記状態のバンドル部を加熱し、各光ファイバが溶融され、それぞれの上記コアが溶融された上記クラッドによって光学的に独立性を保つように互いに隔てられた状態で断面円形から変形されるように、徐々に外径が小さくなるテーパ加工部を形成し、
上記加熱を終了し、
上記テーパ加工部の先端を切断し、
上記テーパ加工部の先端面を研磨する構成とする。

上記の構成によると、張力が印加された状態でバンドル部を溶融するので、それぞれのコアが断面円形から変形されながら、溶融されたクラッドによって互いに隔てられた状態で徐々に外径が小さくなるテーパ加工部を加工しやすい。このように加工されたテーパ加工部において、各光ファイバのコアが溶融されたクラッドによって互いに隔てられているので、各光ファイバで光学的に独立性を保ちやすくなる。このため、個々の光ファイバに投光及び受光を割り振ることが可能となる。さらに、テーパ加工部に被覆が設けられなくても、クラッドよりも屈折率の低いガラス管で覆われているので、テーパ化により拡大した開口数の光も閉じこめて先端面まで伝搬することができる。

以上説明したように、本発明によれば、バンドル部の先端に、各光ファイバが一体化され、それぞれのコアが断面円形から変形されると共に一体化されたクラッドによって光学的に独立性を保つように互いに隔てられた状態で先端に向かって徐々に外径が小さくなるテーパ加工部を設けたことにより、簡単な構成で個々の光ファイバに投光及び受光を割り振ることができる。また、バンドルファイバの先端径を小さな照射対象物に合わせて絞ることにより、光学系を用いず、任意の照射域に導光することができ、高いパワー密度の照射が可能となる。

また、本発明によれば、クラッドよりも屈折率の低いガラス管が溶融一体化されたバンドル部に張力を印加して加熱して各光ファイバを溶融させ、それぞれのコアが断面円形から変形されるように溶融されたクラッドによって光学的に独立性を保つように互いに隔てられた状態で徐々に外径が小さくなるテーパ加工部を形成するようにしたことにより、容易に個々の光ファイバに投光及び受光を割り振ることができるバンドルファイバを製造することができる。

バンドルファイバの構成を模式的に示す正面図である。 光ファイバの拡大断面図である。 テーパ加工部の先端面を拡大して示す側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態のバンドルファイバ１を示し、このバンドルファイバ１は、図２に拡大して断面を示すように、石英ガラス等で構成されるコア２及びこのコア２を囲み、コア２よりも屈折率の低い石英ガラス等で構成されるクラッド３を有する光ファイバ４を複数（本実施形態では、１９本）含んでいる。光ファイバ４の一端には、信号を入出力する機器に接続するためのコネクタ４ａが設けられている。光ファイバ４の本数は、特に限定されないが、六方最密充填構造を実現できる７本、１９本、３１本、６１本等が好ましい。しかし、３１本を超えると厳密に六方最密充填構造でなくてもよい。光ファイバ４のサイズは特に限定されないが、例えば本実施形態では、コア２の外径が１１５μｍで光ファイバ４の外径が１２５μｍである。

バンドルファイバ１は、これらの光ファイバ４が複数束ねられたバンドル部５を備えている。また、バンドル部５の先端には、先端に向かって徐々に外径が小さくなるテーパ加工部６が連続している。テーパ加工部６及びバンドル部５は、ガラス管７で覆われた状態で溶融されている。このガラス管７は、光ファイバ４（クラッド３）よりも屈折率を下げる添加物（例えば、ボロン、フッ素など）を含む石英ガラスよりなる。バンドル部５における光ファイバ４の溶融状態では、コア２の断面は円形に保たれたままである。

図３に示すように、テーパ加工部６では、各光ファイバ４が溶融され、それぞれのコア２が溶融されたクラッド３によって互いに隔てられている。コア２の断面形状は、円形から若干変形している。隣り合うクラッド３は互いに溶融して一体化されている。テーパ加工部６の先端面６ａの外径は、例えば５０μｍである。約３０μｍまで細くすることは可能であるが、それ以上細くすると、各コア２の外径が５μｍよりも小さくなって光を伝搬する能力が低下すると共に、先端面６ａの研磨加工が困難となるので、好ましくない。

−バンドルファイバの製造方法−
次に、本実施形態にかかるバンドルファイバ１の製造方法について説明する。

まず、コア２及びクラッド３を有する光ファイバ４を複数本（例えば、１９本）用意する。

次いで、各光ファイバ４を六方最密充填構造となるように整列させて束ねてバンドル部５を形成する。なお、整列後又は整列前に光ファイバ４の被覆（シリコーン被膜など）をアルコール等により除去しておく。

次いで、ボロン、フッ素などの添加物を含んだガラス管７を用意する。ガラス管７のサイズは、例えば、内径６５０μｍ、外径７８０μｍ及び長さ１００ｍｍ程度とする。

次いで、ガラス管７にバンドル部５を挿入する。

次いで、ガストーチ、ヒータなどにより、バンドル部５とガラス管７とを加熱して溶融加工する。このとき、バンドル部５に張力を加えないので、コア２の外径は保たれている。

次いで、ガラス管７が溶融一体化されたバンドル部５を引っ張って張力を印加する。このとき、熱を加えていないので、バンドル部５は伸びない。

次いで、張力が印加された状態のバンドル部５をガストーチ２０、ヒータなどにより加熱する。このときに上記印加された張力によって引っ張られてテーパ加工部６が徐々に伸びていく。そして、張力及び熱量を調整することにより、図３に示すように、各光ファイバ４のコア２が溶融されたクラッド３によって互いに隔てられた状態で徐々に外径が小さくなるテーパ加工部６が形成される。

次いで、加熱を終了すると、テーパ加工部６の伸びが停止する。

次いで、テーパ加工部６の先端面６ａを適切な位置で切断する。

最後にテーパ加工部６の先端面６ａを研磨する。

このように、張力が印加された状態でバンドル部５を溶融するので、それぞれのコア２の外形サイズができるだけ偏りのないように、溶融されたクラッド３によって互いに隔てられた状態で徐々に外径が小さくなるテーパ加工部６を加工しやすい。

このように加工されたテーパ加工部６において、各光ファイバ４のコア２が溶融されたクラッド３によって互いに隔てられているので、各光ファイバ４で光学的に独立性を保ちやすくなる。このため、個々の光ファイバ４に投光及び受光を割り振ることが可能となる。

−バンドルファイバの使用方法−
このように製造されたバンドルファイバ１は、コネクタ４ａ側から入射された複数の伝送光の断面積をテーパ加工部６で縮小させることで、非常に高いパワー密度が得られる。ガラス管７の屈折率がクラッド３の屈折率よりも低いので、各光ファイバ４から光が漏れたとしても、ガラス管７から外へ光が漏れるのが防止される。例えば、波長４０５ｎｍで９２ｋＷ／ｃｍ２のパワー密度が得られる。

また、コネクタ４ａ側から各光ファイバ４の一部に信号を入射させ、この信号を各光ファイバ４を通してテーパ加工部６の先端面６ａから射出させる一方、テーパ加工部６の先端面６ａから残りの各光ファイバ４に別の信号を入射し、各光ファイバ４を通してバンドル部５から射出させることができる。このように各光ファイバ４に投光及び受光を割り振ることができ、細径光プローブとしての使用が可能となる。

例えば、バンドル部５の中心側の各光ファイバ４に光を入射し、この光を各光ファイバ４を通してテーパ加工部６の先端面６ａから集光させて高いパワー密度の光を射出させて照射対象物に照射し、この照射対象物で反射された光をテーパ加工部６の先端面６ａの外周側の各光ファイバ４に入射させ、反対側のコネクタ４ａから取り出す表面分析用プローブとして使用することができる。

さらに、コネクタ４ａに個別に入射を行うことにより、先端面６ａから出射される光量又は照射パターンに変化を持たせることができる。

また、コネクタ４ａから入射された入射光は、テーパ加工部６を通って出射されるときに開口数が拡大される。被覆が存在する通常のテーパ構造では、入射光はテーパ加工部において放射されて先端面まで伝搬されないが、本実施形態のバンドルファイバ１では、テーパ加工部６に被覆が設けられず、フッ素やボロンなどの添加物を含んだガラス管７で覆われているので、テーパ化により拡大した開口数の光も閉じこめて先端面６ａまで伝搬することができる。このため、高いパワー密度が得られる。さらに高開口数（０．５以上０．９以下）のため、高パワー密度領域が先端面６ａに限定され、軸方向（深さ）への影響が少なく、照射対象物の表面にパワーを集中できる。このため、レーザによる微細加工、レーザ医療など加工物（照射部位）に対してパワー密度が要求される加工用プローブに適する。

さらには、溶融端末であるため、高い耐熱性、耐候性等を要求される製品に適用でき、アウトガスの発生がなくクリーンであるという特徴もある。

また、アレイ型発光デバイスと共に用いれば、テーパ加工部６の先端面６ａからアレイ型発光デバイスからの高密度に配列された高い開口数の出射光を入射させることもできる。アレイ型発光デバイスとしては、面発光レーザＬＥＤなどが考えられる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、テーパ加工部６は、フッ素やボロンなどの添加物を含んだ石英ガラス管７で覆われているが、特に添加物を含めたガラス管７でなくても、外気に触れる状態で使用すれば、ガラス管７よりも屈折率の低い空気などの外気に覆われることにより、各光ファイバ４から光が漏れたとしても、ガラス管７と外気との境界面で光が屈折されるので、ガラス管７から外へ光が漏れるのが防止される。

また、ガラス管７を二層構造とし、外側のガラス管７は、内側のガラス管７よりも屈折率の低いものとしてもよい。このことでも、外側のガラス管７で光が屈折されるので、ガラス管７から外へ光が漏れるのが確実に防止される。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、コア及びコアよりも屈折率の低いクラッドを有する光ファイバが複数束ねられたバンドルファイバ及びその製造方法について有用である。

１ バンドルファイバ
２ コア
３ クラッド
４ ファイバ
４ 光ファイバ
４ａ コネクタ
５ バンドル部
６ テーパ加工部
６ａ 先端面
７ ガラス管

Claims (9)

1. コア及び該コアよりも屈折率の低いクラッドを有する光ファイバが複数束ねられたバンドルファイバにおいて、
   上記光ファイバが複数束ねられたバンドル部と、
   上記バンドル部の先端に連続し、先端に向かって徐々に外径が小さくなるテーパ加工部とを備え、
   少なくとも上記テーパ加工部は、上記クラッドよりも屈折率の低いガラス管で覆われた状態で張力を印加しながら溶融され、先端に向かって徐々に外径が小さくなるように加工され、該テーパ加工部では、各光ファイバが一体化され、それぞれの上記コアが断面円形から変形されると共に、一体化された上記クラッドによって光学的に独立性を保つように互いに隔てられている
   ことを特徴とするバンドルファイバ。
2. コア及び該コアよりも屈折率の低いクラッドを有する光ファイバが複数束ねられたバンドルファイバにおいて、
   上記光ファイバが複数束ねられたバンドル部と、
   上記バンドル部の先端に連続し、先端に向かって徐々に外径が小さくなるテーパ加工部とを備え、
   少なくとも上記テーパ加工部は、ガラス管で覆われた状態で張力を印加しながら溶融され、先端に向かって徐々に外径が小さくなるように加工され、該テーパ加工部では、各光ファイバが一体化され、それぞれの上記コアが断面円形から変形されると共に、一体化された上記クラッドによって光学的に独立性を保つように互いに隔てられ、上記ガラス管が外気に触れる状態で使用される
   ことを特徴とするバンドルファイバ。
3. 請求項１又は２に記載のバンドルファイバにおいて、
   上記各光ファイバーにレーザ光源が接続され、上記テーパ加工部の先端から出射されたレーザ光により加工を行う、加工用プローブである
   ことを特徴とするバンドルファイバ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載のバンドルファイバにおいて、
   上記バンドル部側から上記各光ファイバの一部に入射された信号が該各光ファイバを通って上記テーパ加工部の先端から射出されると共に、該テーパ加工部の先端から残りの上記各光ファイバに入射された別の信号が該各光ファイバを通って上記バンドル部から射出されるように構成されている
   ことを特徴とするバンドルファイバ。
5. 請求項４に記載のバンドルファイバにおいて、
   プローブ光を入射して反射した信号光を受光する表面分析用プローブである
   ことを特徴とするバンドルファイバ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載のバンドルファイバにおいて、
   上記テーパ加工部の先端から開口数が０．５以上０．９以下である出射光を出射可能である
   ことを特徴とするバンドルファイバ。
7. 請求項６に記載のバンドルファイバにおいて、
   アレイ型発光デバイスと共に用いられ、該アレイ型発光デバイスからの出射光を上記テーパ加工部の先端面から入射可能に構成されている
   ことを特徴とするバンドルファイバ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載のバンドルファイバにおいて、
   上記ガラス管は、二層構造であり、外側のガラス管は、内側のガラス管よりも屈折率が低い
   ことを特徴とするバンドルファイバ。
9. コア及びクラッドを有する光ファイバが複数束ねられたバンドルファイバを製造する方法において、
   上記コア及びクラッドを有する光ファイバを複数束ねてバンドル部を形成し、
   上記クラッドよりも屈折率の低いガラス管に上記バンドル部を挿入して該バンドル部と該ガラス管とを加熱して溶融加工し、
   上記ガラス管が溶融一体化されたバンドル部に張力を印加し、
   上記状態のバンドル部を加熱し、各光ファイバが溶融され、それぞれの上記コアが溶融された上記クラッドによって光学的に独立性を保つように互いに隔てられた状態で断面円形から変形されるように、徐々に外径が小さくなるテーパ加工部を形成し、
   上記加熱を終了し、
   上記テーパ加工部の先端を切断し、
   上記テーパ加工部の先端面を研磨する
   ことを特徴とするバンドルファイバの製造方法。

Images