JP2009168914A - 光ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な照射強度でレーザ光が出射される光ファイバを実現する。
【解決手段】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樹脂製のクラッド２とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ及びその製造方法に関し、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及びその製造方法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レーザ加工では、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。
特公平３−４９５９１号公報

ここで、特許文献１には、導光路ファイバが光強度分布均一化機能を有すると記載されているものの、その導光路ファイバの詳細な構成が開示されていない。仮に、導光路ファイバのコア及びクラッドの双方が石英製である場合には、伝送可能なＮＡ（Numerical Aperture、開口数）が小さいので、モードスクランブル処理によりレーザ光が漏れてしまい、高次モードのレーザ光の伝送が困難である。また、導光路ファイバのコア及びクラッドの双方が樹脂製である場合には、伝送するレーザ光によりファイバ本体が溶融するおそれがあるので、エネルギー密度の高いレーザ光の伝送に適用することが困難である。

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、均一な照射強度でレーザ光が出射される光ファイバを実現することにある。

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樹脂製のクラッド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た樹脂製のクラッドとを備えていることを特徴とする。

上記の構成によれば、コアの横断面が矩形状に形成されているので、ファイバ端から出射されるレーザ光の照射強度が均一になる。また、コアが一般的に耐熱性の高い石英により構成されているので、エネルギー密度の高いレーザ光の伝送が可能になる。さらに、クラッドが一般的に屈折率の低い樹脂により構成されているので、クラッドの屈折率がコアの屈折率よりも低くなって、コアに入射したレーザ光がコア及びクラッドの界面で反射を繰り返しながら伝送することになる。したがって、エネルギー密度の高いレーザ光が、一方のファイバ端のコアに入射し、コア内を伝送した後に、他方のファイバ端のコアから均一な照射強度で出射されるので、均一な照射強度でレーザ光が出射される光ファイバを実現することが可能になる。

上記コアの横断面における各角部は、該コアの横断面における長方形の長辺又は正方形の１辺に対して１／１００〜１／１０の曲率半径を有していてもよい。

上記の構成によれば、コアの横断面における各角部が所定範囲の曲率半径を有しているので、本発明の光ファイバが具体的に構成される。

上記クラッドは、熱硬化性を有するシリコーン系樹脂であってもよい。

上記の構成によれば、クラッドを構成する熱硬化性のシリコーン系樹脂が一般的に低粘度であるので、コアを被覆するクラッドが厚く形成されて、クラッドの横断面の外郭が容易に円形状に形成される。

また、本発明に係る光ファイバの製造方法は、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材を加熱及び延伸することにより、横断面が矩形状のコアを形成するコア形成工程と、上記コアの側面に樹脂を被覆することにより、横断面の外郭が円形状のクラッドを形成するクラッド形成工程とを備える光ファイバの製造方法であって、上記コア形成工程では、上記コア材を１９５０℃〜２０５０℃で加熱及び延伸することを特徴とする。

上記の方法によれば、コア形成工程において、横断面が矩形状のコア材を１９５０℃〜２０５０℃の雰囲気で加熱及び延伸するので、矩形状のコアの横断面における各角部が、コアの横断面における長方形の長辺又は正方形の１辺に対して１／１００〜１／１０の曲率半径を有することになる。これにより、コアの横断面が具体的に矩形状に形成されるので、ファイバ端から出射されるレーザ光の照射強度が均一になる。また、コアが一般的に耐熱性の高い石英製のコア材により構成されるので、エネルギー密度の高いレーザ光の伝送が可能になる。さらに、クラッドが一般的に屈折率の低い樹脂により構成されるので、クラッドの屈折率がコアの屈折率よりも低くなって、コアに入射したレーザ光がコア及びクラッドの界面で反射を繰り返しながら伝送することになる。したがって、エネルギー密度の高いレーザ光が、一方のファイバ端のコアに入射し、コア内を伝送した後に、他方のファイバ端のコアから均一な照射強度で出射されるので、均一な照射強度でレーザ光が出射される光ファイバを実現することが可能になる。

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樹脂製のクラッドとを備えているので、均一な照射強度でレーザ光が出射される光ファイバを実現することができる。

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〜図５は、本発明に係る光ファイバ及びその製造方法の実施形態１を示している。具体的に、図１は、本実施形態の光ファイバ１０ａを示す斜視図である。

光ファイバ１０ａは、図１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保護層３とを備えている。

コア１ａは、石英により構成され、その長方形の横断面における各角部Ｃが、長方形の長辺に対して１／１００〜１／１０の曲率半径を有している。

クラッド２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、コア１ａの（石英単体の）屈折率よりも低い屈折率（例えば、１．４０８）を有している。

保護層３は、例えば、ポリアミド樹脂により構成され、外部からの衝撃などからコア１ａ及びクラッド２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。

次に、図２を用いて、本実施形態の光ファイバ１０ａの製造方法について説明する。ここで、図２は、光ファイバ１０ａの製造工程を示す模式図である。また、本実施形態の製造方法は、コア形成工程、クラッド形成工程及び保護層形成工程を備えている。なお、本実施形態では、保護層形成工程を備える製造方法を例示するが、本発明では、保護層形成工程が必須でないので、保護層形成工程を省略して、光ファイバ１０ａの保護層３を省略してもよい。

＜コア形成工程＞
図２に示すように、１９５０℃〜２０５０℃に設定された紡糸炉１１において、例えば、縦２５ｍｍ×横１２．５ｍｍ×長さ２００ｍｍ程度で、横断面の各角部Ｃの曲率半径が１ｍｍ程度以下の石英製のコア材５を加熱及び延伸して、所定速度（１ｍ／ｍｉｎ〜２０ｍ／ｍｉｎ）でファイバ状に線引きすることにより、横断面が長方形状のコア１ａを形成する。なお、コア１ａは、紡糸炉１１から排出されたときの縦及び横のサイズを第１測定部１２により非接触で測定し、その測定したデータに基づいて、コア材５の送り出し速度、及びコア１ａの引き取り速度（線引き速度）などを調整することにより、所定のサイズに形成される。

ここで、図３は、紡糸炉１１の温度とコア形成工程で形成されたコア１ａの横断面における各角部Ｃの曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。なお、図３は、コア１ａの線引き速度が５ｍ／ｍｉｎであるときに、短辺が３５０μｍ、長辺が７００μｍｍのコア１ａを形成したときのデータである。そして、コア１ａの各角部Ｃの曲率半径Ｒは、コア１ａの線引き速度の高低にそれほど影響せず、図３に示すように、紡糸炉１１の温度上昇につれて大きくなる。そのため、紡糸炉１１の温度を１９５０℃〜２０５０℃に設定することにより、コア１ａの横断面における各角部Ｃの曲率半径Ｒを、その横断面の長方形の長辺（例えば、７００μｍ程度）に対して１／１００（例えば、７μｍ程度）〜１／１０（例えば、７０μｍ程度）に形成することができる。また、紡糸炉１１の温度を１９５０℃よりも低く設定すると、コア材５の軟化が不十分となるので、線引き、すなわち、コア１ａの形成が困難となり、紡糸炉１１の温度を２０５０℃よりも高くなると、コア１ａの各角部Ｃの曲率半径Ｒが過剰に大きくなるので、半導体の表面剥離加工用のレーザガイドとして特性が低下してしまう。

＜クラッド形成工程＞
図２に示すように、コア形成工程で形成されたコア１ａを、コーティングダイス槽１３内に満たされた低粘度（例えば、２．５Ｐａ・ｓ）の熱硬化性を有するシリコーン系樹脂６に浸漬した後に、焼成炉１４により４００℃〜６００℃程度で加熱することにより、コア１ａの周囲に横断面の外郭が円形状のクラッド２を所定の外径に形成する。ここで、クラッド２を構成するシリコーン系樹脂６は、一般的に低粘度であるので、コア１ａを被覆するクラッド２が厚く形成されて、クラッド２の横断面の外郭を容易に円形状に形成することができる。

＜保護層形成工程＞
例えば、ポリアミド樹脂の押し出し成型（不図示）により、クラッド形成工程で形成されたクラッド２の周囲に円筒状の保護層３を形成する。

以上のようにして、本実施形態の光ファイバ１０ａを製造することができる。

次に、図４、図５及び図７を用いて、本実施形態の光ファイバ１０ａ、及びコアの横断面が円形状に形成された従来の光ファイバのビームプロファイルについて説明する。ここで、図４は、光ファイバから出射されるレーザ光のプロファイルを測定する測定系を示す模式図である。

この測定系は、図４に示すように、例えば、発振波長が６３３ｎｍであるＨｅ−Ｎｅレーザ２１と、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２１から連続発振されたレーザ光Ｂを集光するためのＮＡが０．０１６の入射側集光レンズ２２と、入射側集光レンズ２２からのレーザ光Ｂを入射させる被測定ファイバＳと、被測定ファイバＳから出射されたレーザ光Ｂを集光するためのＮＡが０．０１６の出射側集光レンズ２３と、出射側集光レンズ２３から出射されたレーザ光ＢのＮＦＰ（ニアフィールドパターン）を測定するためのビームプロファイラ２４とを備えている。

そして、図５及び図７は、ビームプロファイラ２４で検出されたビームプロファイルである。具体的に図５は、本実施形態の光ファイバ１０ａに対応する実施品から出射されたレーザ光のプロファイルであり、図７は、コアの横断面が円形状に形成された従来の光ファイバに対応する比較品から出射されたレーザ光のプロファイルである。

上記実施品の光ファイバ（１０ａ）は、紡糸炉１１の温度を２０５０℃とし、コア１ａの引取速度を５ｍ／ｍｉｎとして作製し、コア１ａの横断面が３３６μｍ×６８９μｍであり、コア１ａの横断面における各角部Ｃの曲率半径が３５μｍであり、クラッド２の外径が１．１６ｍｍであり、保護層３の外径が２．０ｍｍである。

図５及び図７を比較すれば分かるように、比較品（図７）では、照射強度の分布がガウス分布になるようにレーザ光が出射されるのに対して、実施品（図５）では、均一な照射強度でレーザ光が出射されることが確認された。

以上説明したように、本実施形態の光ファイバ１０ａ及びその製造方法によれば、コア形成工程において、横断面が矩形状のコア材５を１９５０℃〜２０５０℃の雰囲気で加熱及び延伸するので、矩形状のコア１ａの横断面における各角部Ｃが、その横断面における長方形の長辺に対して１／１００〜１／１０の曲率半径を有することになる。これにより、コア１ａの横断面が具体的に矩形状に形成されるので、ファイバ端から出射されるレーザ光の照射強度が均一になる。また、コア１ａが一般的に耐熱性の高い石英製のコア材５により構成されるので、エネルギー密度の高いレーザ光の伝送が可能になる。さらに、クラッド２が一般的に屈折率の低いシリコーン系樹脂６により構成されるので、クラッド２の屈折率がコア１ａの屈折率よりも低くなって、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することになる。したがって、エネルギー密度の高いレーザ光が、一方のファイバ端のコア１ａに入射し、コア１ａ内を伝送した後に、他方のファイバ端のコア１ａから均一な照射強度で出射されるので、均一な照射強度でレーザ光が出射される光ファイバを実現することができる。

《発明の実施形態２》
図６は、本実施形態の光ファイバ１０ｂの斜視図である。なお、以下の実施形態において、図１〜図５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。

上記実施形態１の光ファイバ１０ａでは、コア１ａの横断面が長方形の矩形状に形成されていたが、本実施形態の光ファイバ１０ｂでは、コア１ｂの横断面が正方形の矩形状に形成されている。ここで、コア１ｂは、上記実施形態１のコア形成工程で用いたコア材５の形状を変更すれば、形成することができる。具体的には、コア材（５）の形状を縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×長さ２００ｍｍ程度とし、紡糸炉１１の温度を２０２０℃とし、コア１ａの引取速度を８ｍ／ｍｉｎとして作製することにより、例えば、３５６μｍ×３５６μｍの正方形状の横断面を有し、その横断面における各角部Ｃの曲率半径が１２μｍに形成されたコア１ｂと、外径が０．７８２ｍｍに形成されたクラッド２と、外径が１．３ｍｍに形成された保護層３とを備えた光ファイバ１０ｂを製造することができる。

本実施形態の光ファイバ１０ｂ及びその製造方法によれば、上記実施形態１と同様に、矩形状のコア１ａの横断面における各角部Ｃが、コア１ｂの横断面における正方形の１辺に対して１／１００〜１／１０の曲率半径を有することになるので、均一な照射強度でレーザ光が出射される光ファイバを実現することができる。

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を示す斜視図である。 光ファイバ１０ａの製造工程を示す模式図である。 紡糸炉の温度と光ファイバ１０ａを構成するコアの各角部の曲率半径Ｒとの関係を示すグラフである。 光ファイバから出射されるレーザ光のプロファイルを測定する測定系を示す模式図である。 光ファイバ１０ａに対応する実施品から出射されたレーザ光のプロファイルである。 実施形態２に係る光ファイバ１０ｂの斜視図である。 従来の光ファイバに対応する比較品から出射されたレーザ光のプロファイルである。

符号の説明

Ｃ 角部
１ａ，１ｂ コア
２ クラッド
５ コア材
６ シリコーン系樹脂
１０ａ，１０ｂ 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た樹脂製のクラッドとを備え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、
   上記コアの横断面における各角部は、該コアの横断面における長方形の長辺又は正方形の１辺に対して１／１００〜１／１０の曲率半径を有し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、
   上記クラッドは、熱硬化性を有するシリコーン系樹脂であることを特徴とする光ファイバ。
4. 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材を加熱及び延伸することにより、横断面が矩形状のコアを形成するコア形成工程と、
   上記コアの側面に樹脂を被覆することにより、横断面の外郭が円形状のクラッドを形成するクラッド形成工程とを備える光ファイバの製造方法であって、
   上記コア形成工程では、上記コア材を１９５０℃〜２０５０℃で加熱及び延伸することを特徴とする光ファイバの製造方法。

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