(57)【要約】【課題】  フォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）等の線材の切断により生成される切断端面について、平坦な端面を形成するとともに、端面に表出する空孔への研磨用砥粒の侵入を防止して良好な光学特性を得る。【解決手段】  所定の走査経路に沿ってフェムト秒レーザのレーザビームの集光点をＰＣＦ等の線材の表面部または内部に形成し、集光点による加工痕の軌跡に沿って線材を切断する。また、線材の端面に対してフェムト秒レーザを照射して端面を平坦化する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒レーザのレーザビームの照射位置に対して線材を相対的に回転し、所定の走査経路に沿ってレーザビームの集光点を線材の表面部または内部に形成し、レーザビームによる加工の軌跡に沿って線材を切断する線材の切断方法。
【請求項２】
線材に照射されるフェムト秒レーザのレーザビームを集光させる集光光学系を制御して、線材の表面部および内部に形成される集光点の位置を所定の断面上に設定される走査経路に沿って移動し、該断面に沿って線材を切断する線材の切断方法。
【請求項３】
線材がフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）であり、該ＰＣＦについて単一光子吸収あるいは多光子吸収領域にある波長のレーザビームをＰＣＦに照射して、ＰＣＦ内部に形成した改質領域に沿ってＰＣＦを切断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の線材の切断方法。
【請求項４】
フェムト秒レーザのレーザビームを線材の軸の垂直方向に対して任意の角度を有する断面上におおよそ集光点が形成されるように照射して、該断面に沿って線材を切断する請求項１または請求項２に記載の線材の切断方法。
【請求項５】
線材の屈折率と整合する屈折率を有する屈折率整合媒体内に線材を設置した状態で、屈折率整合媒体外からレーザビームを照射することで線材を切断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の線材の切断方法。
【請求項６】
フェムト秒レーザが、モードロックされたＥｒ，Ｙｂ等添加のファイバレーザ、Ｔｉ添加のファイバモードロックレーザ、あるいはこれらの短パルスレーザ出力の波長変換レーザであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の線材の切断方法。
【請求項７】
線材の端面に対して、フェムト秒レーザのレーザビームを照射することで、該端面を平坦化する線材の端面整形方法。
【請求項８】
レーザビームのビーム分布強度を均一化して、該レーザビームを端面に対して照射することを特徴とする請求項７に記載の線材の端面整形方法。
【請求項９】
レーザビームの照射される端面に対して加工促進ガスを作用させることを特徴とする請求項７に記載の線材の端面整形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、レーザビームを照射して線材の軸方向に対して垂直または斜めの方向に当該線材を切断する切断方法、並びに線材の端面整形方法に係り、特にフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）等の光ファイバの切断方法並びに端面整形方法に関する。ここで、線材とは、光ファイバ等のケ−ブル状のモノや、棒状のモノ等、細長い素材を広く表す用語として用いるものとする。
【背景技術】
【０００２】
従来の光ファイバはコア・クラッド構造を有していて、その伝播原理は全反射であった。近年、当該原理と異なる原理に基づいて光を伝播する光ファイバの研究が盛んに為されている。フォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）と呼ばれる光ファイバでは、フォトニック結晶の原理が光ファイバに応用されている。ＰＣＦは周期的な空孔を有し、一般的には純粋なガラスのみから形成される。ＰＣＦは２種類あり、空孔によりクラッド部の等価屈折率が低下したことにより従来と同じ全反射により光が伝播するものと、フォトニック結晶と同じく空孔の周期性に起因するフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）により光が伝播するものとがある。後者を、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）型光ファイバと呼ぶことがある。ＰＢＧ−ＰＣＦは全反射を用いていないため、種々の点で従来の光ファイバの制限を受けなくなる。例えば、反射角が全反射条件を満たす必要がないため急峻な曲げが可能で、高密度な光配線に用いることが可能となる。また、コア自身が空孔（ホローコア）である光ファイバを実現できる。さらに、全反射を利用したＰＣＦでも、従来の光ファイバでは実現できなかった伝播特性が得られる。例えば、広波長帯域での単一モード化、単一モードかつ大きな断面積、大きな波長分散、大きな比屈折率、並びに高非線形性等の特性を得ることが可能となる。なお、ＰＣＦはマイクロ構造光ファイバまたはホーリーファイバと呼ばれることもある。
【０００３】
これらのＰＣＦは、単純なコアとクラッドとから構成される従来型の光ファイバとは異なる。材料分散特性に支配されない光伝送特性を得るために、ファイバの中心付近に周期的な構造分散を構築することで、伝送特性の設計の自由度を高めた光ファイバが得られる。このような特徴を有することから、近年、ＰＣＦの開発が盛んに行われている。構造的に、ＰＣＦはコアの周囲に、同心円状に複数の穴を配置した構造を有している。穴の位置、寸法、数等を適宜変更することで、伝送特性を制御することが可能となる。このように、従来の光ファイバに比べて、伝送する光を制御する点では優れているが、ファイバの切断が容易ではないという欠点を有している。従来のファイバは、単に切断すればよく、専用のカッター（クリーバとも呼ぶ）も製造されている。しかし、ＰＣＦ、ＰＢＧは、中空部分を備えた構造を有するために、従来の切断方法では、端面をきれいな状態とする切断作業は容易でないことが知られている。さらに、従来の光ファイバでは、ファイバ端面の反射を防ぐために端面を斜め（一般的に８度）に形成する場合には、研磨加工という手法で対応することが可能であった。しかし、ホーリーファイバでは、研磨剤が穴に侵入するために、基本的には研磨による加工方法を採用するのが困難であり、斜めにホーリーファイバを切断する装置は存在しなかった。また、ファイバ径は多様になり、特に大口径ファイバとなった場合や穴の数が多い場合に平滑な切断面を形成する切断が困難となる。さらに、口径の小さなファイバ（ファイバ径６０μｍ以下程度）についても、従来技術では切断が極めて困難であった。 
【０００４】
現在実施されているホーリーファイバの切断方法では、従来の光ファイバと同様の切断方法が採られている。この方法では、曲げ、引張り等の機械的外力を加えて応力歪を発生させ、応力歪発生領域の一部に刃物を用いて切開又は切除による加工痕を形成し、当該加工痕を起点にしてクラックを伝播させ、破断することにより切断する。
【０００５】
また、良好な品質の光ファイバを製造するとともに、切削、研磨等の作業を効率的に実施するために、光ファイバを安定的に保持して切断並びに切断端面の研磨を実施する方法も提案されている。例えば、特開２００４−１４２０１６号公報に記載されている発明では、回転ブレ−ドをスピンドルに搭載して、固定された光ファイバの軸方向に角度を付けて相対的に走査して切断、研磨を行う。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１４２０１６号公報
【特許文献２】特開２００３−３１３０４５号公報
【特許文献３】実用新案登録第３０１５８５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の加工痕を起点にしてへき開破壊を実施して破断する方法では、ホーリーファイバのようにコアの周辺部分に多くの空孔がある場合には、空孔の端にバリやヒダ状の凹凸が残るとともに、端面が一様な面内で分割されず不揃いの端面が形成されるという課題があった。また、光ファイバを固定して回転ブレ−ドを用いて切断及び研磨を実施する方法では、端面に表出する空孔に研磨用砥粒が侵入して端面近傍の光学特性の劣化を招くという課題があった。
【０００８】
本願発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、線材の切断により生成される切断端面について、光学面等に関して良好な特性を得ることを可能とする線材の切断方法並びに線材の端面整形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の技術的課題を解決するために、本願発明によれば、フェムト秒レーザのレーザビームを照射して、所定の走査経路に沿ってレーザビームの集光点を線材の表面部または内部に形成して線材を切断する。また、線材内にある所定の断面上に設定される走査経路に沿って透過性波長を有するレーザビームの集光点を移動することで、当該断面に沿って線材を切断する。さらに、屈折率整合媒体内に線材を設置した状態で、屈折率整合媒体外からレーザビームを照射して線材を切断する。
【００１０】
本願発明によれば、線材の端面に対して、フェムト秒レーザのレーザビームを照射することで、端面を平坦化する。また、端面に照射するレーザビームのビーム分布強度を均一化する。さらに、レーザビームの照射される端面に対して加工促進ガスを作用させる。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明による切断方法によれば、フェムト秒レーザを照射して線材を切断するように構成したので、多光子吸収現象に基づくエネルギ吸収により改質領域が形成され、レーザビームの走査経路に沿って形成される改質領域が延びる方向に線材を切断することができるから、加工軌跡に沿って平坦な切断面が形成される。また、砥粒を使用しないで平坦な切断面を得ることができるので、ＰＣＦ等の線材の端面に表出する空孔に研磨用砥粒が侵入することがない。これにより、切断端面近傍の領域において良好な光学特性を得ることができるという効果を奏する。
【００１２】
本願発明による切断方法によれば、透明材料を用いた線材におけるレーザビームの多光子吸収を利用して、集光点の位置を線材内の所定の断面上に設定される走査経路に沿って移動し、当該断面に沿って線材を切断するように構成したので、上記と同様の効果が得られるとともに、レーザビームの照射位置に対してＰＣＦ等の線材を相対的に回転させることなく線材を切断することもでき、線材の切断装置の構造を簡略化することができるという効果を奏する。
【００１３】
本願発明による切断方法によれば、線材の軸の垂直方向に対して任意の角度を有する断面上におおよそ集光点が形成されるようにレーザビームを照射する構成としたので、傾斜端面を切断工程のみで形成することができ、加工時間の短縮が可能になるという効果を奏する。また、屈折率整合媒体内に線材を設置した状態でレーザ光線を照射するように構成したので、入射レーザビームの線材表面での屈折率が異なることに起因する焦点のピンボケを防止して集光点におけるパワー密度の低下を防止できるから、レーザビーム照射光学系の簡素化並びに加工位置精度の向上を実現できるという効果を奏する。
【００１４】
本願発明による端面整形方法によれば、フェムト秒レーザのレーザビームを端面に照射するように構成したので、多光子吸収による凸部加工速度が高められて端面が平坦化されるから、ＰＣＦ等の研磨加工が困難な線材の端面を平坦化することが可能になるという効果を奏する。ここで、レーザビームのビーム分布強度を均一化することにより、あるいはレーザビームが照射される端面に対して加工促進ガスを作用させることで、加工効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に従って構成されたＰＣＦ切断方法並びに端面整形方法の好適な実施形態を添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
【００１６】
図１は、フェムト秒レーザを用いたＰＣＦの加工方法を実施するための構成の例を示す図である。フェムト秒レーザ発振器１は、パルス幅が１０〜５００フェムト秒（ｆｓ）にある短パルスのレーザビームを出力する。これをミラーなどのビーム伝送光学系２を用いて出力ビーム３を導き、必要に応じてパルス幅の補正用の分散補償光学系４を通して、その出力ビーム５を集光光学系６に入射させる。集光光学系６は、入射されたレーザビーム５から収束ビーム７を生成し、収束ビーム７を加工対象であるホーリーファイバ等の光ファイバ８に照射して、加工痕９を形成する。
【００１７】
加工装置の基礎台１５には、制御部１７から出力される制御信号１６に応じてＸ方向１３において所定の距離だけ移動するＸステージ１２と制御信号１６に応じてＹ方向１１において所定の距離だけ移動するＹステージ１０とから成るＸＹステージが載置されている。加工対象物であるＰＣＦは、ＸＹステージに取り付けられてＸＹ面内で移動可能であるとともに、必要であれば回転手段の動作を受けてファイバの軸周りに回転可能となっている。制御部１７は、ＰＣＦに形成される加工痕がＰＣＦ上あるいはＰＣＦ内で所定の軌跡を描くように、ＸＹステージ、並びに必要であれば回転手段を駆動させる制御信号を出力する。制御部１７は、一方で、ＰＣＦの移動に同期して、所望のエネルギを有するフェムト秒レーザを加工部位に照射するように、フェムト秒レーザ発振器１に制御信号１８を出力して、フェムト秒レーザの発振ないしは照射の開始、停止等を制御する。符号Ａは、幾つかのホーリーファイバの断面の例を示している。光ファイバの断面に蓮根状の空孔が多数設けられていることで、屈折率分布ないしはフォトニックバンドギャップを形成している。このような空孔を有するガラス体に対して非接触でフェムト秒レーザパルスを照射して、透明材料であるＰＣＦに多光子吸収現象に基づくエネルギ吸収を引き起こさせて加工を実施する。また、図１では示していないが、ＸＹ平面に垂直なＺ軸方向の移動も考慮する必要がある。単純に光ファイバ８を移動しても良いが、集光光学系６を制御して移動することも可能である。これを行うことにより３次元的に微細な加工が可能となる。このようにすることで、ホーリーファイバ端面を平面に加工するだけではなく、ある曲率をもって局面を形成することができ、光ファイバ端面にレンズを形成することが可能となる。そうすると、通常、光ファイバ端面から出射された光は、別途結合系のレンズを用いて、別光学部品に光を結合するが、このレンズつきホーリーファイバ端面を設けることで、この別途レンズが不要となる。
【００１８】
図２は、ＰＣＦを分割する際の加工軌跡を示す図である。ここでは、ＰＣＦ２１を軸方向に対して垂直な方向に切断して上部２２と下部２３とに分割する例、並びにＰＣＦ２１を軸方向に対して斜めの方向に切断して上部２５と下部２６とに分割する例について示す。ＰＣＦ２１を光軸に対して垂直な方向に切断する場合には、破線２４に示される経路に沿うようにレーザビームを走査して、外部から透明な光ファイバ２１の表面部または内部に向けて短パルスのレーザビームを照射する。また、ＰＣＦ２１を光軸に対して斜めな方向に切断する場合には、例えば破線２７に示される経路に沿うようにレーザビームを走査する。
【００１９】
ＰＣＦのファイバ直径が太い場合には、外周面上に所定の加工痕を形成するように設定される走査経路に沿うように外側から光ファイバの表面部または内部にレーザビームを照射する必要があるため、ファイバを回転させるか、あるいはレーザビームの照射位置を光ファイバ周りに回転させる。走査経路に沿ってレーザビームを光ファイバの表面部あるいは内部に集光することで、破線２４または破線２７に示されるような加工軌跡に沿って光ファイバを分割することができる。
【００２０】
光ファイバの表面部にレーザビームを集光した場合、レーザビームの波長が吸収性波長である場合には、主に熱吸収を生じさせて溶融作用による加工溝または変質作用による改質領域が形成される。また、レーザビームの波長が透過性波長である場合には、主に多光子吸収を生じさせて変質作用による改質領域が形成される。光ファイバの内部にレーザビームを集光すると、この多光子吸収が生じて改質領域が形成される。レーザビームが集光された部位には、圧縮応力が作用するとともにその周辺領域には引張り応力が作用して熱応力による残留応力が発生する。この応力発生領域では、容易にクラックが伝播して、光ファイバが分割される。
【００２１】
上記のように、従来の方法では光ファイバの表面の一部に加工痕を形成して当該加工痕を起点にしてへき開破壊を発生させて光ファイバを分割していたのと比較すると、本願発明では走査経路に沿ってフェムト秒レーザを照射して、これにより形成された加工痕の軌跡に沿って光ファイバを分割することが可能となった。加工軌跡に沿って分割できることで、破線２７に示されるように光ファイバの光軸に対して垂直な面から傾斜する面上に設定された走査経路に沿ってレーザビームを照射することで、ＰＣＦにおいて傾斜した切断端面を形成することが可能となった。また、傾斜端面の形成については、従来の方法ではへき開破壊により分割した後に砥粒研磨を用いて光ファイバを傾斜方向に研磨していたのと比較すると、本願発明ではフェムト秒レーザを照射することでそのまま傾斜端面を形成できるので、加工時間を短縮することが可能となった。
【００２２】
本願発明はレーザビームを照射してＰＣＦ等の線材を分割するので、端面に表出する空孔に侵入する砥粒に係る対策が不要となる。したがって、ＰＣＦに限らず、切断した際に得られる切断端面の形態が問題となって加工するのが困難となっていた多くの素材に対して本願発明を適用することが可能である。
【００２３】
フェムト秒レーザを用いれば、照射するレーザビームの波長に対して透明である光学材料に対しても、多光子吸収に基づく改質領域の形成により、光ファイバの内部にまで加工部を形成することが可能である。したがって、光ファイバに対してレーザビームの照射位置を相対的に外周方向に沿って回転させなくても、集光光学系を調整して光ファイバの表面部および内部において収束ビームの集光点の位置を適宜移動させることで、光ファイバを切断することが可能である。すなわち、集光光学系を制御して、集光点の位置を光ファイバ内の所定の断面上に適宜設定された走査経路に沿って移動させることで、残留応力の発生する改質領域を面内に形成して、当該断面に沿って光ファイバを切断することができる。
【００２４】
光ファイバの外周面は円筒面状であるので、内部に微細な集光点を形成するためには、レーザビームの入射面が曲面であることを考慮に入れて集光光学系を構成することが必要になる場合がある。この場合には、光ファイバの光軸方向と直交する方向の収束度を補正する。また、レーザビームの照射側で補正をしない場合には、屈折率の整合された透明液体等に光ファイバを浸すことで入射面を平坦面にして、透明液体を介して集光ビームを照射する方法も有効である。また、空孔内部に屈折率の整合された透明液体を含浸させることにより、穴によるレンズ効果やレーザビームの反射などの散乱を解消することができ、光ファイバの中心付近までフェムト秒レーザを到達させることが可能となる。含浸された液体は、加工終了後に乾燥または洗浄することで、光学的信頼性に問題のない程度まで除去する。これによって、光ファイバ内部に形成するレーザ集光点におけるパワー密度の低下を防止できるので、レーザビーム照射光学系の簡素化と加工能率の向上、加工位置精度の向上が図れる。
【００２５】
ＰＣＦには空孔が多数含まれているので、空間的に不均一性が存在する。ＰＣＦに対して多光子吸収を生じさせる波長を用いてレーザビーム照射による切断を実施したとしても、平坦さに欠ける切断端面が形成される場合がある。このような場合には、分割加工を実施した後に、切断端面にフェムト秒レーザパルスを照射することで、端面を平坦化することが可能である。
【００２６】
図３は、ＰＣＦの端面をフェムト秒レーザを照射して平坦化する端面整形方法を示す図である。この方法では、フェムト秒レーザ３０の断面内強度分布を周知のビーム強度均一化光学系を用いて均一化分布３６を有するレーザビームに変換した後に、光ファイバの端面３４に対して垂直方向３１または斜めにレーザビームを照射する。照射エリア３２におけるレーザビームの集光パワー密度を適切なレベルに設定して、光ファイバ３３の端面３４と照射ビーム３０との相対的な走査を端面３４に平行な面内（ＸＹ）３５で行うと、光ファイバの端面３４上に形成されている凸部の加工が凹部の加工よりも高速に進行するので、照射時間が経過するのに応じて加工端面３４が平坦化される。これにより、ＰＣＦファイバの切断端面のように不均一な表面形態を有する端面についても、フェムト秒レーザを用いることで、表面を平坦化させることが可能となる。
【００２７】
また、レーザビーム照射による表面平坦化の加工速度を高めるために、光ファイバ端面近傍に加工促進ガスを補助ガスとして噴射させるか、あるいは雰囲気ガスを形成するのが好適である。なお、上記の端面整形方法は、ＰＣＦの端面整形における使用に限定されるものではなく、加工痕を起点としてへき開破壊により形成された端面の整形等、線材端面の整形に広く適用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
ＰＣＦは、光通信用の部品、ＧａＡｓ，Ｓｉ（８００ｎｍ領域）デバイスでの高速伝送、可視光領域での高速ソリトン伝送、さまざまな帯域での分散マネージメント、光パルス圧縮、フォトニックス結晶などの超小型デバイスとの結合、ワイヤリング、白色光発生、光周波数標準、非線形光ファイバデバイス、光パワー伝送、空気コアによる低い分散素子等への用途が期待されている。本願発明の適用例としては、ＰＣＦの切断並びに端面整形に限定されるものではなく、通常の光ファイバ等の透明線材の切断並びに端面整形に広く適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】フェムト秒レーザを用いたＰＣＦの加工方法を実施するための構成の例を示す図。
【図２】ＰＣＦを分割する際の加工軌跡を示す図。
【図３】ＰＣＦの端面をフェムト秒レーザを照射して平坦化する端面整形方法を示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１：フェムト秒レーザ発振器、４：分散補償光学系、６：集光光学系（レンズ）、７：収束ビーム、８：加工対象物（ホーリーファイバ：ＰＣＦ）、１０，１２：ＸＹステージ、１７：レーザ発振制御装置、２４：ＰＣＦを垂直方向に切断する際のフェムト秒レーザ走査経路、２７：ＰＣＦを斜めの方向に切断する際のフェムト秒レーザ走査経路
【図１】
2006305580.tif 000003
【図２】
2006305580.tif 000004
【図３】
2006305580.tif 000005