JPH0255303A - 中空光導波路及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はＣ０２レーザなどの光パワーを伝送する中空導
波路とその製造方法に関わるものである。

［従来の技術］ 高い効率で大出力を得ることのできるＣｈレーザは加工
用、医療用に主とし、て利用され始め、また同位体分離
や気体濃度計測等にも応用範囲が広がろうとし、ている
。しかし低損失で可撓性をもった石英系光ファイバを利
用できるＹＡＧレーザに比べ、波長１０，６μＩのＣＯ
２レーザの場合、低損失可撓性導波路が入手できないた
め、応用上の大きな障害となっており、その実現が待た
れて久しい。現在その候補として最も有望視されている
のが金属パイプ内面に、１０，６μｌの波長帯で低損失
なＧｅ、　２ｎＳｅ等の誘電体材料をコーティングする
ことで金属パイプ内面の反射率を高め、中空パイプ内部
にレーザエネルギを閉じ込めて伝送する誘電体内装金属
中空導波路である。

以下その導波路の製造方法を説明する。

母材パイプは軸方向に一様な外径を有しており、その材
料はＡ２またはポリイミドが使用される。　ＡＱの場合
その外表面を例えばダイヤモンドベースト等を用いて鏡
面化する必要がある。この母材パイプの外表面に約０．
５μｍの厚さのＧｅあるいは約０．８μ厖厚さのＺｎ５
ｅを高周波マグネトロンスパッタリング法により形成す
る。この誘電体薄膜の外表面にＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ等の金
属薄膜を形成する。その厚さは波長１０．６μｌにおけ
るスキンデプス以上であり、約３００Å以上であれば充
分である０次にこの金属薄膜表面に例えばワット浴また
はスルファミン酸浴の光沢めっきによってＮｉ層を形成
する。その厚さはａ械的強度から定められるが約１００
μｍから２００μｍ程度である。最後に母材パイプをエ
ツチング除去して誘電体内装金属中空導波路が製造され
る９エツチング液にはＭの場合約１０％程度のＮ　ａ　
ＯＨ溶液を、またポリイミドの場合にはヒドラジンとエ
チレンジアミンの混合液を使用する。

二のように、従来、誘電体内装金属円形中空導波路の作
製には母材パイプの回りに誘電体および金属層を形成し
、て、Ｉ＆後に母材パイプをエツチング等で除去する「
外づけ法」が用いられていた。

そして、母材パイプは軸方向に一様な外形をしており、
従って！！！遺した中空導波路の内形も軸方向。

に−様であった。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の「外づけ法」で作製した中空導波路は、
導波路の内形が伝送方向に一様であるため、レーザビー
ムと結合した時、導波路入射端ではモード閉込め（１ｏ
ｄｅ　ｃｏｎｆ　１ｎｅｎｅｎｔ　）が空気中と異なる
ために結合損失が発生し、入射端付近の集中的な発熱温
度上昇をひき起こしていた。特に大パワーの伝送におい
ては結合損失により入射端のみが破壊してしまう危険が
あった。

本発明の目的は前記した従来技術の問題点を解決し、入
射端における結合損失による導波路の局部的な破壊をな
くし、大パワー伝送可能な、光パワー伝送装置の構造と
その製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の中空光導波路は、外部金属層の内側に誘電体薄
膜を形成し、てなる中空導波路において、少なくとも前
記中空光導波路の片端部が広がり角２θ＝２λ、／Ｋａ
ｒ（０，４≦Ｋ≦Ｏ，ｆ３５）但し、２ａ・・・中空光
導波路の内径 λ・・・レーザビームの波長 のテーパ状開口を有してなるものである９その製造方法
としては、少なくとも外部金属層の内側に誘電体薄膜を
形成してなる中空光導波路の製造方法において、少なく
とも片端部外周に広がり角 ２　θ　＝　２　λ　、／Ｋａｒ（０，４≦Ｋ　≦０．
６５）但し、２ａ・・・中空光導波路の内径 λ・・・レーザビームの波長 のテーパ面を形成し、てなる成型母材パイプの外側に誘
電体薄膜を設け、さらにその外側に外部金属層を形成し
た後、上記母材パイプをエツチング除去することによる
。

その成形母材パイプ自体は、前記広がり角２θのテーパ
面を有する円錐体を、加熱した母材パイプ端部に押しあ
てて成型してもよいし、母材パイプの端部をめっき浴に
浸漬し引上げるに際し、その引上げ速度を徐々に遅くす
ることにより、前記広がり角２θのテーパ面を有するめ
っき層を形成したものであってもよい、更には、母材パ
イプの端部をめっき浴に浸漬し引上げる動作を繰返すに
際し、その浸漬領域を徐々に先＠部に制限することによ
り、前記広がり角２θのテーパ面を有するめっき層を形
成したものであってもよい。

［作用］ 本発明の要点は、「外づけ法」による中空導波路作製に
おいて、母材パイプの片端を前述した広がり角２θ＝２
λ、／　Ｋ　ａπの円錐形状に加工したことにあり、こ
の母材パイプを用いて製造した導波路入射端においては
、Ｋ＝０．４〜０．６５とすることで入射レーザビーム
との結合損失をほぼ最小にできるため、結合部のモード
閉込め（ｎｏｄｅｃｏｎｆ　ｉｎｅｍｅｎｔ　）が空気
中の状態からきわめてゆるやかに変化し、中空導波路入
射端での結合損失の集中を防ぎ、局部的な破壊を無＜　
Ｌ、て、大パワー伝送を可能にしたものである。

母材パイプとし、ては、＾Ｑ、　Ｃ＋＋、　Ｎｉおよび
ポリイミド、ガラス等を用いる５これに対し、成型のた
めの円錐体の材料としては、母材を加熱しながらでも円
錐体の変形を生じる恐れの無いように、母材よりも融点
の高いものが望まし、い１例えば母材に７２パイプ（融
点６６０℃）を用いた時は、円ｊｉｆ４ｃにはＣ１」（
融点１０８０℃）、ＡＵ（融点９６０℃）　、　Ｎｉ（
融点１４５５℃）等を用いることができる。

誘電体薄膜にはＧｅ、　１ｎｓｅ、　ＺｎＳ等を用い金
属層にはＮｉ、へｇ、Ｃｔ＋等を用いる。誘電体薄膜は
スパッタリングやめつき或いはＣＶＤ法によって形成す
ることができる。

［実施例コ 以下、図示の実施例について説明する。

実施例１ 母材パイプに八２を用いてＧｅ／Ｎｉ中空導波路を作製
する場合、第１図に示した様な円錐体ｌ及び支持部２を
有するＣＬＩの円錐針３を用いて、これを第２図に示す
様に回転させながら、バーナ５で加熱したＡＱＨｋ材パ
イプ４の片端に円錐針先端を押付け、当該片端部を円錐
状に成形し、てテーパ状開口とする。

ここで用いられる円錐針３の円錐体１の部分の形状は、
成型された母材パイプ４の片端部内錐形状が、広がり角 ２θ＝２λ、／Ｋａｒ（０，４≦Ｋ≦０．６５）但し、
２ａ・・・中空光導波路の内径 λ・・・レーザビームの波長 のテーパ状開口となるようにする。即ち、これと同じ２
θのテーパ面を持つ円錐形とする。

次いで、このようにし、て得られた成型母材パイプ４を
用い、その外側に高周波スパッタリングによりＧｅ誘電
体膜を形成し１、さらに、旧めっきを行なって金属層を
形成する。次に、このＡＱ　、／　Ｇｅ、／　Ｎ　ｉパ
イプを苛性ソーダに浸漬して＾之のみをエツチングする
。こうし、てできたＧｅ／Ｎｉ導波路は第３図に示す様
に片端に円錐形状を有し、レーザビームとの結合におい
て、結合損失が入射端近傍に集中することがなく、大パ
ワー伝送が可能となる９一般に、円形の中空導波路に励
振される夫々のモードの励振効率は、導波路半径ａと導
波路入射端のレーザビームのスポットサイズＷとの比ｗ
７／ａによって大きく異なる。第５図には横方向に軸ず
れがなくガウスビームを入射した時の円形の中空導波路
に励振されるＨＥ、、モードの励振効率が示されている
。同図から明らかなように、般に円形の中空導波路のＨ
Ｅ、、モードのうち鼓も低損失なモードはＩＩＥ、、モ
ードであり、このモードはｗ、／ａ＝０．６４のとき最
大効率で励振される。

従って出射ビームをガウス分布にしたい時、或いは充分
長い導波路でＨＥ、、モード以外のモードは減衰してし
まうような導波路では、ｗ　、／　ａ　＝　０．６４を
満足するように入射すればよい。しかしながら大電力伝
送を目的とした導波路のように、比較的短尺な導波路或
いは高次モードでも低損失である導波路では、ｗ、／ａ
＝０．６４よりも小さいビーム径で入射させた方が中空
領域外にはみ出すパワーが少なくなるので、全パワーの
伝送容量が大きくなる９ 二のように導波路の寸法、損失によって入射ビームのビ
ーム径はｗ７／　ａ　＝　０．６４以下概し、て０．４
〜０．６５の範囲でｆ＆適となるようにしなければなら
ない。更に、励振効率を最大にするにはレンズ通過後の
光ビームのビームウェスト、即ちスポットサイズが最小
値となる部分の位置に、導波路入射端がくるようにしな
ければならない。

上記実施例ではパイプを加熱したが、母材パイプを成形
する際に、パイプを加熱せず円錐針を加熱し、ても同様
な導波路を得ることができる。

母材パイプの円錐形状の作成方法とし、ては、前述した
以外にもめつき、鋳造、溶射、切削等がある９ 実施例２ 第４図はめっきによる例であり、１０はＣ，ｒ電極、１
１は浴槽、１２は電解液を示す。実施例１の円錐針を用
いずにＡＱの線材パイプ１４の片端をシール材１３で閉
塞して浴槽１１内の電解液（めっき浴）１２に浸漬り１
、母材パイプ１４を連結具１５を介し、て、試料上下動
用の滑車９により引き上げながら、かつ引上げ速度を徐
々に遅くして片端に２０の円錐形にＣ，ｒめっきし、円
錐部８を形成する９その際に、母材パイ１片端の浸漬と
引き上げを繰返し１．かつ浸漬領域を徐々に端部に制限
することにより円錐形状にする。以下、これを成型母材
パイプとし、て同様に加工すれば実施例１と同様な特性
の中空導波路を得ることができる９上記実施例１及び２
では母材パイプの片端のみを成型したが、片端のみでな
く両端を円錐形にすれば入射ビームをどちらから結合し
ても結合損失の小さな（双方向低結合損失）中空導波路
を得ることができる。

第６図は、入射ビームのビーム径をＷ、／ａ＝０．４〜
０．６５の範囲で最適化させる装置例を示したもので、
便宜上、光導波路の端部のテーパ状態は省略しである。

中空導波路２１にレーザ光源２２から出射したレーザビ
ームを入射させる少なくともレンズを使用したレーザビ
ーム入射光学系で、レンズＬ３は、その焦点距Ｍ　ｆ　
３だけ中空導波路入射端よりレーザ光源２側に固定され
ている９レンスＬ３よりレーザ光源２１！ＩＩＩに配置
したｌ／ンズＬ２とこのレンズＬ２より更にレーザ光源
２側に配置したレンズＬ１とはパルスモータ３の移動台
によって位置を可変し得る５レンズＬ＋　　Ｌ２をレン
ズＬ１に入射するレーザビームのビームウェストとレン
ズＬ１との距７４５．９　＋の変化に応じ１、Ｑ＋−ｆ
ｌ （ＥＪ　Ｌ、Ａ　Ｉ２はＬ／７ズＬ＋　、１２間の距離
１、Ｑ　２３はレンズＬ２　、Ｌ３との距離、ｆ＋　　
　Ｉ２　　ｆａはレンズＬ＋　、Ｌ２　。

Ｌ３の焦点距離、 の関係を保つように光軸方向に自動的に移動するように
する。即ち、入射ビームのビーム径が最適ビーム径より
ずれている場合には距、Ｊｔ　Ｊ　＋　を変化させる。

これはレーザ光源２２を移動するか、或いは中空導波路
２１及び入射光学系全体を移動させるか、或いはレンズ
Ｌ１のレーザ光源２２側に適当なレンズを新たに挿入し
、レンズＬ１に入射するレーザビームウェストの位置を
変化させてもよい、しかしこの時も常に上式を満足しな
ければならず、Ｊｌｌ＋の変化に応じてパルスモータ３
を駆動し７、レンズＬ＋　、Ｌ２の位置を変化さぜる９
そして中空導波路１の入射端の１７−ザビームのスポッ
トサイズが中空導波路１の導波路半径の０．４〜０．６
５倍になるように、ビーム径を可変する。

二のようにすることにより入射ビームのスポットサイズ
を広範囲にわたって任意に変換できる９二のため中空導
波路２１に入射するビームのスポットサイズをｉ″１Ｎ
化し７、効率のよい励振が可能となり、特に大電力伝送
用導波路においても入射端の熱的損傷を抑えることがで
きる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、中空導波路で光パワ
ーを伝送する際の、結合部での局部的な温度上昇とそれ
に伴う導波路の破損を防ぎ、大パワーを安定に伝送する
ことが可能となる。即ち、母材パイプの入射端を前述し
た様な入射ビームに対し、てゆるやかにモード　コンフ
ァインメントが変化する円錐形の導波路とすることによ
って、結合損失の集中が避けられ、損失が導。

波路全体に分散するため、従来の構造で問題となった結
合損失の熱による大パワー伝送時の入射端の破損が抑制
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は母材パイプ端部の成型に用いる円錐針の側面図
、第２図は円錐針を用いて母材パイプ端部を成形する工
程の断面図、第３図は本発明により製造した中空光導波
路を一部ＷＩ面にて示した斜視図、第４図は母材端部に
めっきを施して円錐形状に形成する場合の概略図、第５
図は中空導波路に入射するＨＥ、、モードの励振効率を
示す図、第６図はレーザビーム入射光学系を例示した図
である。 図中、１はＣＬ１円錐体、２は支持部、３は円錐針、４
は母材＾ρパイプ、５はバーナ、６は旧金属層、７はＱ
６誘電体層、８はＣ「めっきにより形成した円錐部、９
は試料上下動用かつ車、１０はＣｒ電極、１１は浴槽、
１２は電解液、１３はシール材。 １４は母材＾党パイプ、１５は連結具である９特許出願
人　　日立電線株式会社 代理人弁理士　　絹　谷　信　雄 第２図 第３ 図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外部金属層の内側に誘電体薄膜を形成してなる中空
   導波路において、少なくとも前記中空光導波路の片端部
   が広がり角 ２θ＝２λ／Ｋａπ（０．４≦Ｋ≦０．６５）但し、２
   ａ・・・中空光導波路の内径 λ・・・レーザビームの波長 のテーパ状開口を有してなることを特徴とする中空光導
   波路。 ２、外部金属層の内側に誘電体薄膜を形成してなる中空
   光導波路の製造方法において、少なくとも片端部外周に
   広がり角 ２θ＝２λ／Ｋａπ（０．４≦Ｋ≦０．６５）但し、２
   ａ・・・中空光導波路の内径 λ・・・レーザビームの波長 のテーパ面を形成してなる成型母材パイプの外側に誘電
   体薄膜を設け、さらにその外側に外部金属層を形成した
   後、上記母材パイプをエッチング除去することを特徴と
   する中空光導波路の製造方法。 ３、前記成形母材パイプは、前記広がり角２θのテーパ
   面を有する円錐体を、加熱した母材パイプ端部に押しあ
   てて成型したものである請求項２記載の中空光導波路の
   製造方法。 ４、前記成型母材パイプは、母材パイプの端部をめつき
   浴に浸漬し引上げるに際し、その引上げ速度を徐々に遅
   くすることにより、前記広がり角２θのテーパ面を有す
   るめつき層を形成したものである請求項２記載の中空光
   導波路の製造方法。 ５、前記成形母材パイプは、母材パイプの端部をめっき
   浴に浸漬し引上げる動作を繰返すに際し、その浸漬領域
   を徐々に先端部に制限することにより、前記広がり角２
   θのテーパ面を有するめっき層を形成したものである請
   求項２記載の中空光導波路の製造方法。