(57)【要約】      （修正有）【課題】出射ビームの断面形状をより円形に近い状態に維持するための構造を備えたピグテールファイバモジュールを提供する。【解決手段】ピグテールファイバモジュール１００Ａは、ピグテールファイバ１２０と、フェルール１１０と、エンドキャップ１４０と接着剤１５０を備える。フェルール１１０の貫通孔１１１内には、端面１２０ａにエンドキャップ１４０が取り付けられたピグテールファイバ１２０の先端部分が挿入され、エンドキャップ１４０の端面１４０ａとフェルール１１０の第１端面１１０ａが一致した状態で、フェルール１１０とピグテールファイバ１２０とが接着剤により固定される。また、貫通孔１１１は、接着剤で固定されている部分とクラッドとの平均的隙間（（貫通孔の内径‐クラッド径）／２）が１μｍ未満となる内径を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピグテールファイバと、一方の端面を含む前記ピグテールファイバの先端部分に取り付けられたファイバ保持部材を備えたピグテールモジュールであって、
前記ピグテールファイバは、入力光をシングルモードで導波するコアと、その外周を囲むクラッドと、前記クラッド外周を囲む保護被覆とを有し、
前記ファイバ保持部材は、前記クラッドを保持する貫通孔を有するフェルールを含み、
前記クラッドは、前記貫通孔内で、熱硬化性樹脂からなる接着剤により固定され、
前記貫通孔は、前記接着剤で固定されている部分と前記クラッドとの平均的隙間（（貫通孔の内径‐クラッド径）／２）が１μｍ未満となる内径を有することを特徴とするピグテールモジュール。
【請求項２】
前記貫通孔のうち、前記ピグテールファイバが前記接着剤で固定されている部分は、平坦な形状であることを特徴とする請求項１記載のピグテールモジュール。
【請求項３】
前記ピグテールファイバは、ラージモードエリアファイバであることを特徴とする請求項１記載のピグテールモジュール。
【請求項４】
前記ピグテールファイバの前記先端部分は、前記ピグテールファイバからの出射光を拡散させて出射する出射用ファイバが接続され、前記フェルール内に収容され、かつ、接着剤で前記フェルールに固定され、
前記出射用光ファイバの外径は、前記ピグテールファイバのクラッド径以下であることを特徴とする請求項１記載のピグテールモジュール。
【請求項５】
前記ピグテールファイバの前記先端部分は、前記ピグテールファイバからの入射光を縮光させて入射する入射用ファイバが接続され、前記フェルール内に収容され、かつ、接着剤で前記フェルールに固定され、
前記入射用光ファイバの外径は、前記ピグテールファイバのクラッド径以下であることを特徴とする請求項１記載のピグテールモジュール。
【請求項６】
前記出射用ファイバ又は前記入射用ファイバは、コアレスファイバ又はマルチモードファイバであることを特徴とする請求項４又は５記載のピグテールモジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項記載のピグテールファイバモジュールと、その出射端に光学的に結合された光学機能部品とを備えた光学機能ヘッドモジュール。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項記載のピグテールファイバモジュールと、その入射端に光学的に結合されたレーザ光源とを備えたファイバレーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピグテールファイバ(pigtail fiber)の一端にファイバ保持部材を備えたピグテールファイバモジュール、光学機能ヘッドモジュール及びファイバレーザモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、溶接、切断などの加工分野、医療分野、センシング分野等の種々の応用分野において、高出力光源が広く利用されている。また、光源とビーム照射される対象物とが離れた場所に位置する場合も多く、このような場合、光源からの光は、出力用光ファイバであるピグテールファイバを介して対象物に照射される。ピグテールファイバは、レーザ媒質の他、装置間における光接続を可能にする光伝送媒体でもあり、そのため、他の装置と接続可能にする構造を持つピグテールファイバで構成されたピグテールファイバモジュールは、レーザ加工装置の他、光コネクタ、検査装置等へも広く適用可能な光学部品の一つである。
【０００３】
例えば特許文献１には、上述の出力用光ファイバ、装置間接続用光ファイバとしてラージモードエリアファイバ（ＬＭＡファイバ：Large Mode Area Fiber）が適用された装置が開示されている。このＬＭＡファイバは、コア領域とクラッド領域が従来のシングルモード光ファイバのそれよりも実質的に大きい実効断面積が得られるよう構成された光ファイバである。特許文献１に記載の装置では、他の構成要素又は装置との結合を容易にするファイバ端末部の構造として、ＬＭＡファイバの端面に、ガラスロッド状あるいはコアのない光ファイバで構成されたスタブが、エンドキャップとして取り付けられたハイブリッド構造が採用されている。スタブは、ＬＭＡファイバの端面に融着接続のうえ端面処理（研磨等）されており、このスタブ端面がレーザ光などの光出射端面となっている。
【０００４】
なお、一般的に、エンドキャップには、ガラスロッド、出力用光ファイバよりもコア径の大きな光ファイバ、コアのない光ファイバ等が適用可能であり、概ね数ｍｍ〜数十ｍｍの長さを有する。また、その効果としては、エンドキャップ内でビーム（例えばレーザ光）を拡大させることにより、光出射端面における光パワー密度を下げることができ、その結果、光出射端面における光損傷の防止効果が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１４６０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者らは、フェルールが取り付けられたピグテールファイバモジュールについて検討を行った結果、以下のような課題を発見した。すなわち、ピグテールファイバがフェルール内に固定すると、ピグテールファイバからの光出力の強度分布が変化していた。光加工用のファイバレーザにおいては、出力光が単純にシングルモードであれば、良いというものではなく、特別な意図がなければ、本来の光強度分布を維持して出力されることが望ましい。今回確認された課題は、詳しく調べると、フェルールの貫通孔にピグテールファイバの先端部分を挿通した状態で固定する際に、熱硬化性樹脂を使用したことによるものであることが判明した。熱硬化性樹脂の硬化時の収縮応力が貫通孔の長手方向に変化し、ピグテールファイバにマイクロベンド応力が作用し、その結果、光ファイバ断面内の光出力の強度分布が変化していた。
【０００７】
光ファイバ断面内での光出力の強度分布が崩れると、まず、エンドキャップから出射されるビームがガウス強度分布のビームから変形してしまう。すなわち、光ファイバ端面からの出射ビームの断面形状が円から崩れ、かつビーム強度分布(遠視野像、ＦＦＰ：Far Field Pattern)がガウス強度分布から崩れてしまう。その結果、例えばレーザ加工装置などでは、加工対象物に照射されるビームスポットも円から崩れ、均質な加工ができなくなるということが発生する。なお、出射ビームの変形の問題を指摘したが、入射ビームを受光する際にも同様に歪むという課題がある。
【０００８】
さらに、光ファイバ断面内での光出力の強度分布の形状が変化すると、光ファイバ端面からの出射ビームのビーム品質が劣化する。（光ファイバからの出射ビームの品質は、Ｍ２で表され、Ｍ２＝πｗ０θ／４λである。ｗ０は最小ビーム径、θは出射ビームの拡がり角、λはビームの波長を指す。出射ビームがＳＭのとき、Ｍ２＝1となり、この状態を回折限界と呼ぶ。）その結果、加工対象物に照射されるビームスポットが回折限界時の値より大きくなり、高いビーム密度での加工が出来なくなるという課題もあった。なお、このような状況では、Ｍ２≒１．０で設計された回折型光学素子（ＤＯＥ：DiffractiveOptical Elements）などの光学部品を用いても、所定の性能が得られないことになる。
【０００９】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、出射ビームの断面形状をより円形に近い状態に維持するための構造を備えたピグテールファイバモジュール、光学機能ヘッドモジュール及びファイバレーザモジュールを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するため、本実施形態に係るピグテールファイバモジュールは、入／出力用光ファイバに適用可能なピグテールファイバと、一方の端面を含むピグテールファイバの先端部分に取り付けられたファイバ保持部材を備える。ピグテールファイバは、出力光をシングルモードで導波するコアと、その外周を囲むクラッドと、クラッド外周を囲む保護被覆とを有する。ファイバ保持部材は、クラッドを保持する貫通孔を有するフェルールを含む。クラッドは、フェルールの貫通孔内で、熱硬化性樹脂からなる接着剤により固定される。また、フェルールの貫通孔は、接着剤で固定されている部分の、クラッドとの隙間（（貫通孔の内径‐クラッド径）／２）が１μｍ未満となる内径を有する。
【００１１】
フェルールの貫通孔とピグテールファイバとの間隙には接着剤が充填されるため、このような間隙（接着剤層の厚み）が１μｍを超えてくると、充填される接着剤の硬化収縮、熱収縮等に起因した光ファイバへ与えられる応力（主に曲げ応力）が大きくなる。したがって、このような間隙を１μｍ未満、より好ましくは０．５μｍ以下に抑えることで、充填される接着剤の収縮も少なくでき、その結果、光ファイバへ与えられる応力も効果的に抑制できる。
【００１２】
フェルールの貫通孔のうちピグテールファイバが接着剤で固定されている部分は、平坦な形状であるのが好ましい。なお、本明細書において「平坦な形状」とは、貫通孔には「１μｍ以上の段差がない」ことを意味する。このように、本実施形態に係るピグテールファイバモジュールによれば、フェルールの貫通孔内に段差が存在しないため（フェルールの一方の端面から他方の端面に向かう方向に沿って貫通孔の孔径変動が一定範囲内に抑制されている）、当該フェルールの貫通孔内に挿入された、ピグテールファイバの先端部分への局所的な応力付加が効果的に避けられる。
【００１３】
本実施形態に係るピグテールファイバモジュールにおいて、ピグテールファイバは、ＬＭＡファイバであるのが好ましい。当該ピグテールファイバの屈折率プロファイル改良は、通常のシングルモード光ファイバの屈折率プロファイル改良と比較して、本実施形態の構成による効果への影響がより大きくなるからである。
【００１４】
また、本実施形態に係るピグテールファイバモジュールにおいて、ピグテールファイバの先端部分には、エンドキャップとして、ピグテールファイバからの出射光を拡散させて出射する出射用ファイバが接続されるのが好ましい。この場合、ピグテールファイバの先端部分はフェルール内に収容され、かつ、接着剤でフェルールに固定される。したがって、ピッグテールファイバの第１端と出射用ファイバの端部との接続部分は、フェルールの貫通孔内に位置することになる。なお、出射用光ファイバの外径は、ピグテールファイバのクラッド径以下であるのが好ましい。ピグテールファイバ先端部分の外径に対して出射用光ファイバの外径が大きいと、フェルール貫通孔の内径は出射用光ファイバの外径に依存して設計されることになる。この場合、ピグテールファイバ先端部分（フェルール貫通孔内に収納されている部分）に不要な応力が付加されることになる。そのため、フェルール貫通孔の孔径がピグテールファイバ先端部分の外径にのみ依存する構成が好ましい。
【００１５】
エンドキャップとしての出射用ファイバは、コアレスファイバ又はピグテールファイバのコア径より大きなコア径の光ファイバであるのが好ましい。
【００１６】
本実施形態に係る光学機能ヘッドモジュールは、上述のような構造を有するピグテールファイバモジュール（本実施形態に係るピグテールファイバモジュール）と、その出射端に光学的に結合された光学機能部品とを備える。なお、光学機能部品としては、例えば、光アイソレータ、非線形光学結晶、ビームエキスパンダ、コリメータなどの空間光学系等が適用可能である。
【００１７】
さらに、本実施形態に係るファイバレーザモジュールは、上述のような構造を有するピグテールファイバモジュール（本実施形態に係るピグテールファイバモジュール）と、その入射端に光学的に結合されたレーザ光源とを備える。なお、レーザ光源としては、例えば、ファイバレーザ装置、固体レーザ等が適用可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る種々の実施形態よれば、片端にフェルールを取り付けられたピグテールファイバ、出射ビームの形状維持するにおいても、出射ビームの光強度分布の形状が入射時の状態を維持できるようにすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係るピグテールモジュールが適用可能なファイバレーザモジュール（本実施形態に係るファイバレーザモジュール）の一例の概略構成、及び、本実施形態に係る光学機能ヘッドモジュールの一例としての出射ヘッドの内部構造を示す図である。
【図２】本実施形態に係るピグテールファイバモジュールが適用可能な光コネクタの構成を示す切欠図である。
【図３】本実施形態に係るピグテールファイバモジュールの組み立て工程図である。
【図４】本実施形態に係るピグテールファイバモジュールの構造を示す断面図であり、図１（ａ）中の線Ｉ−Ｉに沿った断面に相当する。
【図５】本実施形態に係るピグテールファイバモジュールの他の構造例を示す断面図であり、図１（ａ）中の線Ｉ−Ｉに沿った断面に相当する。
【図６】第１比較例に係るピグテールファイバモジュールの構成を示す断面図であり、図１（ａ）中の線Ｉ−Ｉに沿った断面に相当する。
【図７】本実施形態に係る光学機能ヘッドモジュールの一例の概略構成を示すとともに、ピグテールファイバモジュールの光出射端面から対象物表面まで伝搬するビームの断面形状の、種々の条件に起因した変化を説明するための図である。
【図８】第２及び第３比較例に係るピグテールファイバモジュールの構造を示す断面図であり、図１（ａ）中の線Ｉ−Ｉに沿った断面に相当する。
【図９】本実施形態に係るピグテールファイバモジュール、第２比較例に係るピグテールファイバモジュール、第３比較例に係るピグテールファイバモジュールそれぞれを介して出射されたビームの遠視野像を示す写真である。
【図１０】種々の強度分布を有する出射ビームについて、図７中の面Ｓ２及び面Ｓ３それぞれにおける強度分布の変化を説明するための写真である。
【図１１】種々の強度分布を有する出射ビームについて、図７中の面Ｓ２上にＤＯＥが配置されたときの面Ｓ１における強度分布の変化を説明するための写真である。
【図１２】本実施形態に係るピグテールファイバモジュール及び第３比較例に係るピグテールファイバモジュールを介して出射された出射ビームの強度分布を説明するための図である。
【図１３】本実施形態に係るピグテールファイバモジュール、第２比較例に係るピグテールファイバモジュール、及び第３比較例に係るピグテールファイバモジュールの複数サンプルについて、ガウス分布近似した曲線に対する実際の強度分布の決定係数（coefficient of determination）Ｒ２値の度数分布を示す図である。なお、決定係数とは、重相関係数（multiple correlation coefficient）Ｒの２乗値のことである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係るピグテールファイバモジュール、ファイバレーザモジュール、及び光学機能ヘッドモジュールの各実施形態を、図１〜図１３を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係るピグテールファイバモジュールが適用可能なファイバレーザモジュールの一例としてレーザ加工装置の概略構成、及び、本実施形態に係る光学機能ヘッドモジュールの一例としての出射ヘッドの内部構造を示す図である。図１（ａ）に示されたレーザ加工装置１は、レーザ光源１０と、加工対象物へビーム（レーザ光）を出射する出射ヘッド３００と、レーザ光源１０から出射ヘッド３００へレーザ光を導くための光ガイド（本実施形態に係るピグテールファイバモジュール）を備える。なお、レーザ光源１０としては、例えば、ファイバレーザ装置、固体レーザ等が適用可能である。ピグテールファイバモジュール１００は、光が伝搬するピグテールファイバと、ピグテールファイバの先端部分（当該ピグテールファイバの、その端面を含む部分）に取り付けられたファイバ保持部材と、ファイバ保持部材の外に露出しているピグテールファイバの外周面を覆う樹脂コート（保護被覆）から構成されている。
【００２２】
また、図１（ｂ）には、本実施形態に係る光学機能ヘッドモジュールの一例としての出射ヘッド３００の内部構造、特にピグテールファイバモジュール１００の一端を保持するための構造が示されている。この図１（ｂ）は、図１（ａ）中の線Ｉ−Ｉに沿った当該ピグテールファイバモジュール１００及び周辺部分の構造を示す断面図である。図１（ｂ）に示されたように、出射ヘッド３００は、出射されたビームの一部が照射対象物で散乱され、レーザ光源１０側へ反射されるのを防止するため、光アイソレータ３１０とピグテールファイバモジュール１００を保持した状態で、ピグテールファイバモジュール１００と光アイソレータ３１０とを光学的に結合させるための保持部３２０を備える。保持部３２０内には、ピグテールファイバモジュール１００から出射されたビームをコリメートするためのコリメータレンズ３２１が設けられている。なお、３１０は光アイソレータ以外の光学機能部品、例えば、非線形光学結晶、コリメータ、ビームエキスパンダでも良い。３１０がコリメータ、ビームエキスパンダの場合は、３２１は、なくても良い。
【００２３】
本実施形態に係るピグテールファイバモジュール１００は、先端部分を除くピグテールファイバ１２０の外周面上に樹脂コート１３０が設けられたピグテールファイバ１２０と、ピグテールファイバ１２０の端面に取り付けられたエンドキャップ１４０と、ピグテールファイバ１２０の先端部分とエンドキャップ１４０が貫通孔内に収納されたフェルール１１０（ファイバ保持部材）を備える。この構成により、ピグテールファイバ１２０とエンドキャップ１４０との接続部分は、フェルール１１０の貫通孔内に位置することになる。ピグテールファイ１２０は、コア１２１と、コア１２１の外周に設けられたクラッド１２２を備える。また、ピグテールファイバ１２０は、高パワー光の伝送に適したＬＭＡファイバであるのが好ましい。エンドキャップ１４０は、ピグテールファイバ１２０におけるコア１２１の外径よりも大きな外径のコアを有する光ファイバ又はコア１２１の外径よりも大きな外径のロッド径を有するコアのない光ファイバ上のガラスロッド等のガラス材からなり、ピグテールファイバ１２０の端面に密着して配置され、出射光を拡光しつつ、ピグテールファイバ１２０の端面を保護する出射用光学部材である。
【００２４】
なお、本実施形態に係るピグテールファイバモジュール１００は、種々の装置間を接続する光コネクタへの適用も可能である。例えば、図２には、内部構造の主要部分が確認できるように本実施形態に係るピグテールファイバモジュール１００が適用された光コネクタ２の切欠図が示されている。図２の光コネクタ２は、当該ピグテールファイバモジュール１００のフェルール１１０を含む先端部分を、樹脂ヘッド２０（保持部材３２０に相当し、内部に収納空間を有する）により覆うことで構成されている。樹脂ヘッドの材料は、樹脂に限定されず、金属（ステンレス、アルミなど）でも良い。樹脂ヘッド２０に隣接する紡錘形状のものは、ゴムブーツで光ファイバを保護している。
【００２５】
図３は、本実施形態に係るピグテールファイバモジュール１００の組み立て工程図である。図３に示されたように、当該ピグテールファイバモジュール１００は、主に３つのパーツから構成されている。すなわち、先端部分（貫通孔１１１への挿通部分）を除いた部分に樹脂コート１３０でその外周面が覆われたピグテールファイバ１２０と、エンドキャップ１４０と、フェルール１１０とにより当該ピグテールファイバモジュール１００が構成される。ピグテールファイバ１２０は、コア１２１及びクラッド１２２を備え、その一端１２０ａが光出射端面である。エンドキャップ１４０は例えばガラスロッド状の形状を有し、一方の端面１４０ａがピグテールファイバ１２０内を伝搬してきた光を出射するための光出射端面となり、端面１４０ａに対向する他方の端面１４０ｂが、ピグテールファイバ１２０の端面１２０ａに当接する。ピグテールファイバ１２０とエンドキャップ１４０は、それぞれの端面１２０ａ、１４０ｂにおいて融着接続される。また、エンドキャップ１４０の端面１４０ａは、該端面１４０ａで反射された光がピグテールファイバ１２０内に戻らないように斜めカットされている。フェルール１１０は、エンドキャップ１４０の端面１４０ａと同様に、斜めカットされた第１端面１１０ａと、第１端面１１０ａに対向する第２端面１１０ｂと、第１端面１１０ａと第２端面１１０ｂを連絡する貫通孔１１１を備える。端面１２０ａにエンドキャップ１４０が取り付けられたピグテールファイバ１２０の先端部分は、第２端面１１０ｂから第１端面１１０ａに向かってフェルール１１０の貫通孔１１１内に挿入される。そして、エンドキャップ１４０の端面１４０ａとフェルール１１０の第１端面１１０ａとが一致した状態で、貫通孔１１１の内壁とピグテールファイバ１２０の先端部分の外周面との間隙に接着剤（図示せず）が充填された状態で、フェルール１１０がピグテールファイバ１２０の先端部分に取り付けられる。次に、接着剤が硬化することにより、ピグテールファイバ１２０の先端部分へのフェルール１１０の接着固定が完了すると、フェルール１１０の第１端面１１０ａとエンドキャップ１４０の端面１４０ａとの段差がなくなるように、これら端面１１０ａ、１４０ａが一緒に研磨処理される。なお、接着剤は、貫通孔への樹脂注入のしやすさから、熱硬化樹脂が望ましい。
【００２６】
図４は、以上の工程を経て得られた、本実施形態に係るピグテールファイバモジュールの構造を示す断面図である。なお、図４に示された断面図は、図１（ａ）中の線Ｉ−Ｉに沿った断面に相当する。
【００２７】
図３に示された工程を経て得られたピグテールファイバモジュール１００Ａ（図４）は、フェルール１１０と、全体がフェルール１１０の貫通孔１１１内に収納されたエンドキャップ１４０と、樹脂コート１３０が剥がされた先端部分がフェルール１１０の貫通孔１１１内に挿入されたピグテールファイバ１２０を備える。
【００２８】
フェルール１１０は、上述のように第１端面１１０ａと、第１端面１１０ａに対向する第２端面１１０ｂと、第１端面１１０ａと第２端面１１０ｂとを連絡する貫通孔１１１を備える。また、フェルール１１０は、ジルコニア、ステンレス、アルミニウム、これらの合金等からなり、１．２ｍｍ〜５ｍｍの外径を有する。貫通孔１１１の孔径は、挿入されるピグテールファイバ１２０の外径に依存して決定されるが、第１端面１１０ａから第２端面までの当該フェルール全長に亘って一定である。さらに、第１端面１１０ａは、光出射端面での反射光がピグテールファイバ１２０側へ戻るのを防ぐため、角度θ（最大で約８°）だけ斜めカットされている。
【００２９】
フェルール１１０の貫通孔１１１内に全体が収納されたエンドキャップ１４０も、光出射端面となる一方の端面１４０ａが、角度θ（最大で約８°）だけ斜めカットされており、研磨等により、この端面１４０ａはフェルール１１０の第１端面１１０ａと段差無しになっている。他方の端面１４０ｂはピグテールファイバ１２０の端面１２０ａに融着接続されている。また、エンドキャップ１４０の最大長（貫通孔１１１の長手方向に沿った最大長）は、０．１ｍｍ〜１ｍｍであり、その全長は、従来のエンドキャップと比較してかなり短く設定されている。
【００３０】
フェルール１１０の貫通孔１１１内に第２端面１１０ｂ側から第１端面１１０ａに向かって先端部分が挿入されたピグテールファイバ１２０は、コア１２１とクラッド１２２を備える。クラッド径（ファイバ外径）は、１２５μｍ〜８００μｍであり、コア径は、５μｍ〜３０μｍである。本実施形態では、端面１２０ａにおいて融着接続されたエンドキャップ１４０の外径もピグテールファイバ１２０のクラッド径に一致している。
【００３１】
フェルール１１０の貫通孔１１１の孔径は、挿入されるピグテールファイバ１２０の先端部分と貫通孔１１１の内壁との間隙が０．５μｍ以下（外径差が１μｍ以下）になるように設計されている。例えば、クラッド径が１２５μｍであれば、フェルール１１０の孔径は１２６μｍ以下に設計される。また、この間隙には接着剤１５０が充填されている。
【００３２】
図５は、本実施形態に係るピグテールファイバモジュールの他の構造例を示す断面図であり、図１（ａ）中の線Ｉ−Ｉに沿った断面に相当する。上述の図４に示されたピグテールファイバモジュール１００Ａとは、フェルール１１０の貫通孔１１１内に収納されるエンドキャップの外径が異なる。すなわち、エンドキャップ１４１の外径は、フェルール１１０の貫通孔１１１内に挿通されたピグテールファイバ１２０のクラッド径（ファイバ外径）よりも小さく設計されている。
【００３３】
図５の構成は、エンドキャップの外径が、ピグテールファイバ１２０のクラッド径より小さいとする構成である。そのため、フェルール１１０の貫通孔１１１の孔径が、ピグテールファイバ１２０のクラッド径にのみ依存するので、エンドキャップ１４１の導入の技術的効果（光出射端面１４１ａでの光パワー密度を低減するという効果）を得ながら、ピグテールファイバ１２０の先端部分の外周面を覆う接着剤１５０の厚み（ピグテールファイバ１２０の先端部分と貫通孔１１１の内壁との間隙）を効果的に抑制できる。また、エンドキャップ部分で、接着剤の流れが邪魔される可能性が少なくなるため、ピグテールファイバ１２０の先端部分の外周面を覆う接着剤１５０の厚みが長手方向により均等となり、接着剤の硬化後の応力変動をより効果的に抑制できる。接着剤は、熱収縮、及び硬化収縮で、ピグテールファイバ１２０に対し応力を及ぼしている。
【００３４】
なお、図６には、ピグテールファイバ１２０のクラッド外径とエンドキャップの外径との関係として好ましくない比較例が示されている。すなわち、図６は、第１比較例に係るピグテールファイバモジュールの構成を示す断面図であり、図１（ａ）中の線Ｉ−Ｉに沿った断面に相当する。
【００３５】
図６に示された第１比較例に係るピグテールファイバモジュール２００Ａは、上述の図４に示されたピグテールファイバモジュール１００Ａとは、フェルール１１０の貫通孔１１１内に収納されるエンドキャップの外径が異なる。すなわち、エンドキャップ２５１の外径は、フェルール１１０の貫通孔１１１内に挿通されたピグテールファイバ１２０のクラッド径（ファイバ外径）よりも大きく設計されている。フェルール１１００の貫通孔１１１０の孔径は、より大きい外径を有するエンドキャップ２５１に依存して設計されることになる。この場合、挿入されるピグテールファイバ１２０の先端部分の外周面には、エンドキャップ２５１の外径とクラッド径との差だけ余分な接着剤１５０が存在することになり、その分接着剤に起因する応力が増加する。また、接着剤の層が厚くなる分、円周方向での応力状態の不均衡が増大する。したがって、この図６の第１比較例では、ピグテールファイバ１２０にこれらの不要な応力が加えられ、該ピグテールファイバ１２０内のビーム伝搬が崩れてしまうことになる。
【００３６】
以下、本実施形態の場合と上述の第１比較例の場合とで、加工対象物に照射されるビームの断面形状の変化を、図７を参照しながら説明する。なお、図７は、本実施形態に係る光学機能ヘッドモジュールの一例の概略構成を示すとともに、ピグテールファイバモジュールの光出射端面から対象物表面まで伝搬するビームの断面形状の、種々の条件に起因した変化を説明するための図である。
【００３７】
図７には、ピグテールファイバモジュール１００と、その出射端に光学的に結合された光学機能部品４００とを備えた光学機能ヘッドモジュール３００Ａが示されている。光学機能部品４００としては、図１（ｂ）に示されたように、光アイソレータ３１０の他、非線形光学結晶、ビームエキスパンダ、コリメータなどの空間光学系等が適用可能である。図７に示された例では、光学機能部品４００は、コリメートレンズＬ１及び集光レンズＬ２を備える。すなわち、ピグテールファイバモジュール１００からビーム（例えば図１（ａ）のレーザ光源１０から供給されたレーザ光）は、出射後所定角度で拡散していくが、コリメートレンズＬ１及び集光レンズＬ２で構成された光学系を通過することにより、最終的に、加工対象物の表面（加工面）Ｓ１上に集光される。
【００３８】
なお、面Ｓ３上でのビーム形状を遠視野像（ＦＦＰ）という。通常、出射ビームがシングルモード（Ｍ２＝１）の場合、ＦＦＰは円形となり、その強度分布はガウス分布で表されるガウシアンビームとなる。
【００３９】
しかしながら、出射ビームのＦＦＰが円形から崩れると、コリメートレンズＬ１で平行光になった出射ビームの強度分布もガウス分布とはならなくなる。すなわち、面Ｓ２上における出射ビームの強度分布がガウス分布から崩れてしまう。この場合、出射ビームの強度分布がガウス分布で表されることを前提として設計されたＤＯＥなどの光学部品では、予定された性能が発揮できなくなる。また、出射ビームのＦＦＰが崩れると、加工面Ｓ１上に集光されたビームの強度分布も円形のガウス分布から崩れてしまい、均質な加工結果が得られなくなる。
【００４０】
上述のように、フェルール内に収納されるピグテールファイバに応力が加わると、出射ビームの強度分布がガウス分布から崩れてしまい、均質なビームが得られないことが分かる。
【００４１】
さらに、図８に、好ましくない例を示す。なお、図８は、第２及び第３比較例に係るピグテールファイバモジュールの構造を示す断面図であり、図１（ａ）中の線Ｉ−Ｉに沿った断面に相当する。
【００４２】
図８（ａ）に示された第２比較例に係るピグテールファイバモジュール２００Ｂは、上述の図４に示されたピグテールファイバモジュール１００Ａとは、フェルール１１０の貫通孔の孔径が異なる。すなわち、フェルール１２００の孔径は、第１端面１２００ａ側と第２端面１２００ｂ側で大きく異なっている。より具体的には、貫通孔１２１０には、第２端面１２００ｂ側に孔径が拡大された段差部１２１１が設けられている。この場合、挿入されるピグテールファイバ１２０の先端部分の外周面には、第２端面１２００ｂ側に存在する余分な接着剤１５０から応力が加わることになる。したがって、この図８（ａ）の第２比較例でも、ピグテールファイバ１２０に不要な応力が加えられ、ピグテールファイバ１２０内のビーム伝搬が崩れてしまうことになる。また、接着剤１５０から応力が加わると、ピグテールファイバはフェルール１２００の孔の段差１２１０ａ部で局所的に応力を加えられることとなり、この部位での応力に起因するマイクロベンドによりさらにビーム伝播が崩れてしまう。
【００４３】
また、図８（ｂ）に示された第３比較例に係るピグテールファイバモジュール２００Ｃは、上述の図４に示されたピグテールファイバモジュール１００Ａとは、フェルール１１０の貫通孔の孔径が異なる。すなわち、フェルール１３００の孔径は、エンドキャップ１４０の外径やピグテールファイバ１２０のクラッド径に対して外径差が１μｍを超えるよう（クラッド外周面と貫通孔内壁との間隙は０．５μｍよりも大きい）、設計されている。この場合、挿入されるピグテールファイバ１２０の先端部分の外周面には、余分な接着剤１５０から余分な応力が加わることになる。これにより、ピグテールファイバ１２０内のビーム伝搬が崩れてしまう可能性が上昇する。
【００４４】
図９は、上述の構造を有する本実施形態に係るピグテールファイバモジュール１００Ａ、第２比較例に係るピグテールファイバモジュール２００Ｂ、第３比較例に係るピグテールファイバモジュール２００Ｃそれぞれを介して出射されたビームのＦＦＰを示す写真である。
【００４５】
すなわち、図９（ａ）は、第２比較例に係るピグテールファイバモジュール２００Ｂ、を介して出射されたビームのＦＦＰを示す写真である。この図９（ａ）からも分かるように、第２比較例に係るピグテールファイバモジュール２００Ｂの場合、出射ビームの強度分布は円形のガウス分布からは大きく崩れてしまう。
【００４６】
図９（ｂ）は、第３比較例に係るピグテールファイバモジュール２００Ｃを介して出射されたビームのＦＦＰを示す写真である。この第３比較例に係るピグテールファイバモジュール２００Ｂでは、フェルール貫通孔の孔径は、１２７μｍであり、挿入されたピグテールファイバのクラッド径は１２５μｍである（外径差は２μｍ）。したがって、フェルール貫通孔の内壁と挿入されたピグテールファイバのクラッド外周面との間隙（接着剤層の厚み）は、１μｍとなる。したがって、この第３比較例に係るピグテールファイバモジュール２００Ｃの場合も、図９（ｂ）からも分かるように、出射ビームの強度分布は円形のガウス分布からは大きく崩れてしまう。
【００４７】
一方、図９（ｃ）は、本実施形態に係るピグテールファイバモジュール１００Ａを介して出射されたビームのＦＦＰを示す写真である。本実施形態に係るピグテールファイバモジュール１００Ａでは、フェルール貫通孔の内壁と挿入されたピグテールファイバのクラッド径との間隙は、０．５μｍである。したがって、図９（ｃ）からも分かるように、本実施形態に係るピグテールファイバモジュール１００Ａによれば、フェルール貫通孔に挿入されたピグテールファイバのクラッドに加わる応力（クラッド外周面上の接着剤層の収縮等に起因する曲げ応力）の影響はほとんど確認できず、より円形に近い強度分布の出射ビールが得られる。このことから、フェルール貫通孔の内壁と挿入されたピグテールファイバのクラッド径との許容間隙は、０．５μｍ〜１μｍの間に実用上の境界が存在し、０μｍよりも大きくかつ１μｍ未満であればよく、より好ましくは０μｍよりも大きくかつ０．５μｍ以下である。
【００４８】
さらに、図１０は、種々の強度分布を有する出射ビームについて、図７中の面Ｓ２及び面Ｓ３それぞれにおける強度分布の変化を説明するための写真である。また、図１１は、種々の強度分布を有する出射ビームについて、図７中の面Ｓ２上にＤＯＥが配置されたときの面Ｓ１における強度分布の変化を説明するための写真である。なお、ＤＯＥは、出射ビームが平行ビームとしてフラットトップなビーム形状になるよう、面Ｓ２上に配置される。
【００４９】
具体的に、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、本実施形態に係るピグテールファイバモジュール（図４）を介して出射されたビームの強度分布を示す写真であり、ガウス分布に近い強度分布を有する出射ビームの撮影結果である。なお、この例では、ピグテールファイバの外径は１２５μｍ、フェルール貫通孔の内径は１２６μｍであり、接着剤層の厚みは０．５μｍである。特に図１０（ａ）は、図７中の面Ｓ３上における出射ビームのＦＦＰを示す写真であり、図１０（ｂ）は、図７中の面Ｓ２における平行ビームの強度分布を示す写真である。
【００５０】
一方、図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）は、第３比較例に係るピグテールファイバモジュール（図８（ｂ））を介して出射されたビームの強度分布を示す写真であり、ガウス分布から大きく崩れた強度分布を有する出射ビームの撮影結果である。なお、この例では、ピグテールファイバの外径は１２５μｍ、フェルール貫通孔の内径は１２７μｍであり、接着剤層の厚みは１μｍである。特に図１０（ｃ）は、図７中の面Ｓ３上における出射ビームのＦＦＰを示す写真であり、図１０（ｄ）は、図７中の面Ｓ２における平行ビームの強度分布を示す写真である。
【００５１】
図１１（ａ）は、図７中の面Ｓ２上にＤＯＥが配置された構成において、図１０（ｂ）に示された強度分布を有する平行ビーム（本実施形態に係るピグテールファイバモジュールを介して出射されたビーム）がＤＯＥに入射されたときの、面Ｓ１における強度分布を示す写真である。一方、図１１（ｂ）は、図７中の面Ｓ２上にＤＯＥが配置された構成において、図１０（ｄ）に示された強度分布を有する平行ビーム（第２比較例に係るピグテールファイバモジュールを介して出射されたビーム）がＤＯＥに入射されたときの、面Ｓ１における強度分布を示す写真である。上述の図１０（ｃ）、図１０（ｄ）、及び図１１（ｂ）からも分かるように、ガウス分布から大きく崩れた強度分布を有する出射ビームでは、その強度分布の形状は非円化するとともに、ピーク強度の位置がビーム中心からずれてしまう。
【００５２】
また、図１２は、本実施形態に係るピグテールファイバモジュール及び第３比較例に係るピグテールファイバモジュールを介して出射された出射ビームの強度分布を説明するための図である。なお、測定のために用意された本実施形態に係るピグテールファイバモジュール（図４）において、接着剤層の厚みは０．５μｍ（フェルール貫通孔の内径は１２６μｍ、ピグテールファイバの外径は１２５μｍ）である。また、測定のために用意された第３比較例に係るピグテールファイバモジュール（図８（ｂ））において、接着剤層の厚みは１μｍ（フェルール貫通孔の内径は１２７μｍ、ピグテールファイバの外径は１２５μｍ）である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）において、縦軸はビーム強度（a.u.）を示し、横軸は図７中の面Ｓ３内の位置を示す。また、図１２（ａ）において、グラフＧ１２１ａは、本実施形態に係るピグテールファイバモジュールを介して出射されたビームの強度分布を示し、グラフＧ１２２ａは、ガウス分布の近似曲線を示す。図１２（ｂ）において、グラフＧ１２１ｂは、第３比較例に係るピグテールファイバモジュールを介して出射されたビームの強度分布を示し、グラフＧ１２２ｂは、ガウス分布の近似曲線を示す。
【００５３】
これら図１２（ａ）及び図１２（ｂ）について、出射ビームの強度分布の歪みを定量的に評価するため、ガウス分布の近似曲線（グラフＧ１２２ａ、Ｇ１２２ｂ）に対する実際の強度分布（グラフＧ１２１ａ、Ｇ１２１ｂ）の決定係数（coefficient of determination）Ｒ２値を計算した。なお、Ｒ２値が「１」に近いほど、ガウス分布に近似していることを示す。出力光はガウス分布の方が良好であり、したがって、Ｒ２値は１に近いことが好ましい。図１２（ａ）に示された例（本実施形態に係るピグテールモジュール）では、Ｒ２値が、０．９９０とほぼ１であり、良好な出力光と判断できる。一方、図１２（ｂ）に示された例（第３比較例に係るピグテールモジュール）では、Ｒ２値が、０．９２２とかなり小さな値となっており、図１２（ａ）の例と比較して明らかにビーム形状が劣化（非ガウス分布化）していることが分かる。
【００５４】
さらに、図１３は、本実施形態に係るピグテールファイバモジュール、第２比較例に係るピグテールファイバモジュール、及び第３比較例に係るピグテールファイバモジュールの複数サンプルについて、ガウス分布近似した曲線に対する実際の強度分布の決定係数（Ｒ２値）の度数分布を示す図である。なお、用意されたサンプルは、各ピグテールファイバモジュールとも８つである。測定のために用意された本実施形態に係るピグテールファイバモジュール（図４）において、接着剤層の厚みは０．５μｍ（フェルール貫通孔の内径は１２６μｍ、ピグテールファイバの外径は１２５μｍ）である。測定のために用意された第２比較例に係るピグテールファイバモジュール（図８（ａ））において、フェルールは全長１０ｍｍであり、光出射端面から３ｍｍの区間の貫通孔内径が１２６μｍ、段差部の内径が１１００μｍである。また、測定のために用意された第３比較例に係るピグテールファイバモジュール（図８（ｂ））において、接着剤層の厚みは１μｍ（フェルール貫通孔の内径は１２７μｍ、ピグテールファイバの外径は１２５μｍ）である。
【００５５】
図１３から分かるように、本実施形態に係るピグテールファイバモジュール（図４）では、Ｒ２値（決定係数）の平均値が０．９８６、標準偏差σが０．００４である。第２比較例に係るピグテールファイバモジュール（図８（ａ））では、Ｒ２値（決定係数）の平均値が０．９１９、標準偏差σが０．０４７である。さらに、第３比較例に係るピグテールファイバモジュール（図８（ｂ））では、Ｒ２値（決定係数）の平均値が０．９５２、標準偏差σが０．０３４である。このように、本実施形態に係るピグテールファイバモジュールと第２及び第３比較例に係るピグテールファイバモジュールとでは有意な差が確認できた。これは、上述の比較例よりも、本実施形態の構成の方がよりガウス分布に近いビーム形状を得ることができることを意味している。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明に係るピグテールファイバモジュールは、加工用あるいは医療用のレーザ装置のレーザヘッドの一部として、また、光コネクタの一部として、種々のファイバレーザモジュール及び光学機能ヘッドモジュールへ適用可能である。なお、本発明に係るピグテールファイバモジュールは、入力用、出力用を問わない。入力用の場合には、ピグテールファイバ１２０に入力した光ファイバ断面内での強度分布が崩れないとともに、より低損失でのピグテールファイバ１２０への入力が可能になる。
【符号の説明】
【００５７】
１…レーザ加工装置（ファイバレーザモジュール）、３００、３００Ａ…光学機能ヘッドモジュール、１００、１００Ａ、１００Ｂ…ピグテールファイバモジュール、１１０…フェルール、１１１…貫通孔、１２０…ピグテールファイバ、１２１…コア、１２２…クラッド、１３０…樹脂コート（保護被覆）、１４０、１４１…エンドキャップ（出射用ファイバ）、１５０…接着剤、３１０…光アイソレータ（光機能部品）、４００…光学機能部品。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１３】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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