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Nufern社製ファイバー及びファイバーレーザサブアセンブリの
優位性のご紹介


Nufern社製 ファイバー及びファイバーレーザアセンブリの優位性のご紹介　(801KB)

Nufern社製ファイバーレーザ用光ファイバー（アクティブファイバー）とファイバーレーザサブアセンブリについてご紹介したします。

Nufernでは次の様な優位性のあるファイバーレーザ用光ファイバー（アクティブファイバー）やファイバーサブアセンブリを製造しております。

  1. Nufernはラージモードエリア（LMA）ファイバーの開発ではパイオニアです。
    LMAファイバーは連続（CW）発振やパルス発振のファイバーレーザの高出力化には欠かせないファイバーの技術です。
  2. 信頼性の高い製造プロセス制御技術を用いて製造しています。
    • ファイバーの製造はクリーン度クラス１００の空間で行っております。
    • 非常に清浄度の高い化学システムを用いて製造しています。
  3. 最適なファイバー組成を得るために工業所有権のある液層添加物負荷技術を用いています。
    • 非常に大きなコア内に高い濃度のランタニド系元素を添加する技術
    • 低NAファイバーの安定製造技術
    • 屈折率形状の正確な制御技術（ビーム品質に影響度が高い）
  4. パンダ型偏波面保持（PM）ファイバーも製造しています。
    • Nufernはコア径が大きく、クラッド径が小さな形状のPMファイバーを製造できます。
    • 例としては　コア径：30μmでグラッド径：250μmのPMファイバーが有ります。
    • この様なファイバーは直線偏光の高ピークパワーの光パルスを発生できます。
    • SHG、THG等の波長変換用光源としては最適です。

Nufernの優位性について概要を御説明しましたが、個々の点について実績を元に詳しく御紹介致します。

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Nufernの優位性（１）　製造プロセス制御技術

シングルモードファイバーでのテレコディア規格のテストデータ　1ここに示します３つの図はシングルモードファイバーでのテレコディア規格のテストデータです。

Nufernのファイバーは光学的にも形状精度でもまたファイバー引張り強度でも工業標準を常に上回っております。

最先端の製造設備と製造プロセス制御技術と組合わさり、コア径やモードフィールドを前例のない安定な数値を再現良く、継続的に得ております。



シングルモードファイバーでのテレコディア規格のテストデータ　2、3

製造プロセス制御技術とクリーンルームでのファイバー製造により引張り強度で非常に優れた特性のファイバーを作っています。

クラッド径125μmのダブルクラッドファイバーにて偏波面保持と通常のファイバーを比較しても応力腐食ファクター：ndの値は変化しません。

下図をご覧下さい。
データは８角クラッド形状の非偏光ファイバーと偏波面保持ファイバーの円形クラッドを比較しています。テレコディア規格ではnd値として約１８である事が要求されます。この値は長い年月に渡って使用するファイバーレーザ発振器や増幅器で大口径のファイバーをコイル状に巻く時に効いてきます。Nufernのファイバーはnd値が22と大きく、非常に強いファイバーである事を示しています。

８角クラッド形状の非偏光ファイバーと偏波面保持ファイバーの円形クラッドを比較

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Nufernの優位性（２）　再現性の良い液層添加物ドーピング技術

Nufernが所有している工業所有権を使う液層添加物ドーピング技術がErとYb様な添加物をドープするファイバー製品に用いられています。石英内の添加物の濃度と分散はクラスター化しない様にまた高いスロープ効率が維持できる様に制御されています。

次に示す２つのグラフはErファイバーの吸収と輻射光のスペクトルと５つのプリフォームから作ったファイバーの間のスペクトルの差であり、その差は非常に小さい事が判ります。ファイバーの製造ロット間のスペクトルの再現性は品質を保証するための多数の重要なテストの中の１つの指標です。

Erファイバーの吸収と輻射光のスペクトルと５つのプリフォームから作ったファイバーの間のスペクトルの差

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ファイバーのプリフォーム製造設備とファイバー線引器の写真Nufernの優位性（３）　最先端

2,300万ドルの建設費を掛けた49,000平方フィートの施設は最先端の技術を導入しました。スペシャルティーファイバーはテレコム用伝送ファイバーの標準に則って作られています。

ファイバーのプリフォーム製造設備とファイバー線引器の写真を下図に示します。

全ての石英は超高純度のガス供給装置を用いてMCVD法により石英の基材から社内で作られています。ファイバーの長時間信頼性を得るためにファイバーを製造する全ての重要な製造工程はクリーンルーム内に設置されています。

品質保証や出荷前検査用の施設も完備しております。また高出力レーザの試験室も有ります。



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Nufernの優位性（４）
大きなモード領域（Large Mode Area:LMA）ファイバー

ファイバーレーザ用のアクティブファイバーと励起光間の長い相互作用長はファイバーレーザの効率を高め、熱的安定度も増加します。

しかしながらファイバーが長いと高出力化にはいろんな課題が発生します。非線形現象が高出力ファイバーレーザの特性を制限します。その非線形現象とは誘導ラマン散乱(SRS)や誘導ブリルアン散乱(SBS)です。

これらを避けるための有効な解はモードフィールドを増加させる事です。つまりファイバーのコア径を増加させます。コア径の大きなファイバーを用いると長い小さなコア径のファイバーで得られるのと同等の利得が短いファイバーで得られます。

ファイバーのコア径の増加

ファイバー内におけるシングルモード（LP01）の動作は　次式によって規定されています。

V = (π*d * NA/λ)

シングルモードファイバーにおいては V<2.404です。
これからコア径を大きくし、コアのＮＡを注意しながら小さくするとシングルモード動作を維持できる事が判ります。

LP01モードでファイバーが曲げに対して損失が敏感にならない様にするにはNAの最低限の値はNA〜0.06です。
この様に小さなNAのファイバーを製造するにはファイバーやプリフォームの製造技術に対して要求される精度が高いレベルになります。

この様なファイバーを製造できる製造プロセス制御技術は　Nufernの施設の非常に優れていることを示しております。

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Nufernの優位性（５）　出力パワーがスケーリングできるファイバーレーザ

ファイバーの設計とコイルの形状を最適化マルチモードファイバーを使用してシングルモード動作をさせるために高次のモードを抑制するためには種々の方法が有ります。

  • ファイバーの屈折率や添加物濃度を操作する。
  • ファイバーの終端をテーパ状にする。
  • 種光のファイバーへの入れ方を工夫する。

その他、曲げ損失を誘起させるためにコイル形状に巻くのも１つの方法です。この方法は次の様な特長があります。

  • 簡単、効率が良い、信頼性がある、安価である。
  • コアのＮＡ値がコイルの直径を決めます。

Nufernはこの手法でファイバーの設計とコイルの形状を最適化しています。

Nufernの優位性（６）
LMAファイバーにおけるモードフィルターリングﾞより高いビーム品質

コア径30μmのファイバーをコイル化した時、種々の伝送モードにおけるの曲げ半径と曲げ損失の関係グラフNufernのLMAファイバーを用い、さらにモードフィルターリングによりシングルモードを得る手法をご紹介致します。

左図にコア径30μmのファイバーをコイル化した時、種々の伝送モードにおけるの曲げ半径と曲げ損失の関係を示しています。

曲げ損失が高次のモードにおけるレーザ発振を効果的に除去します。パルス発振やCW発振に対する多くの論文で取り扱われていますが、基本モードにおける損失は殆どありません。

LMAファイバーを使用しているNufernのファイバーレーザモジュールはこの技術を用いて高品質な出力ビームを得ております。

コア径25μmでNAが0.1のYbドープファイバーを用いたファイバー増幅器からの出力ビームのニアフィールド空間分布右図にコア径25μmでNAが0.1のYbドープファイバーを用いたファイバー増幅器からの出力ビームのニアフィールド空間分布を示します。（増幅器には1064nmの種光を入射しております。）

ファイバーを延ばしたままでは約２７個の導光モードが発生しましたが、コイル状に巻く事によりM2=1.08/-0.03の非常にきれいな空間分布の出力となります。

このことにより、ファイバー内で発生する非線形現象のSBS(誘導ブリルアン散乱)やSRS(誘導ラマン散乱)の発振閾値が増加します。

また　シングルモードファイバーを用いて出力100Wという最大のシングルモード出力を得られる従来の限界を破る事が出来ます。

下図に示します様に　この手法を用いる事により、2002年以降ファイバーレーザの出力は飛躍的に増加致しました。

ファイバーレーザの出力増加グラフ



Nufernは　M2 〜1で1kWを越える出力を発生できるLMAファイバーの開発においてはパイオニアです。








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Nufernの優位性（７）
直線偏光発振器／増幅器用のPANDA型偏波面保持LMAファイバー

偏波面保持型ファイバー
直線偏光出力のファイバーレーザ発振器／増幅器を作るには偏波面保持型のファイバーを用いる手法が有効です。ここではその偏波面保持型ファイバーについてご紹介致します。

偏波面を保持する為に必要な複屈折はストレスを発生させる構成物を使ってファイバー内に発生させます。

右図に３つの手法で作った偏波面保持型ファイバーの例を示します。

パンダ型ファイバー構成は他の手法より優れている事が証明されており、またNufernのLMAファイバーの中でも特長のあるファイバーです。高い均一性と一貫性は設計パラメータの正確な製造プロセス制御から得られています。


偏波面保持ファイバーをコイル状に巻く事により　LMAファイバーから直線偏光のレーザ出力が発生します。

半径のコイルを用いた場合のファイバー内を通過する光の偏光成文に対する損失偏光に選択的な損失を発生させる為に偏波面保持ファイバーをコイル状に巻く技術の使用はNufern特有の手法です。偏光はファイバーを通して持続できます。（しかもこの手法はコストが掛かりません。）他の手法はファイバー外の空間に偏光素子を配置する等の手法で追加の予算も必要になります。

左図は、種々の半径のコイルを用いた場合のファイバー内を通過する光の偏光成文に対する損失を示しています。

この手法で作られたファイバーレーザの出力特性を下の３つの図でご紹介します。偏光度（PER:Polarization extinction ratio）は　19dBあります。この手法は特許出願中です。

ファイバーレーザの出力特性

Nufernのファイバーレーザ発振器/増幅器の構成

下図はファイバーブラッググレーティング（FBG）を用いたファイバーレーザの構成例です。
この構成は　最近ではCW200W以上、パルス発振では1.5mJ以上で利用できます。

ファイバーブラッググレーティング（FBG）を用いたファイバーレーザの構成例

1. Diode pump lasers 　2. Pump Combiner (3:1) 　 3. Bragg Gratings
4. Coil of PM Yb doped double-clad fiber 　 5. Output termination

図では、１は励起用レーザダイオード（LD）、２は3:1の励起光コンバイナー、３はファイバーブラッググレーティング（FBG）、４はYbドープDCFのアクティブファイバーであり直線偏光出力のファイバーレーザの場合は偏波面保持ダブルクラッドファイバー（DCF）が用いられます。５は出力端であり、通常はファイバー端面を空気中の塵などにより生ずる損傷から守る為にエンドキャップを融着します。

上記ファイバーレーザの構成のバリエーションとして以下の様な素子を用いる事も出来ます。

  • 増幅器として用いる時は、励起光コンバイナーの１本のファイバーをフィードスルーのファイバーとし種光を導光する。
  • 励起光増加させる為に両方向励起も可能です。
  • ７：１の励起光コンバイナーや１９：１の励起光コンバイナーも使用できます。

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Nufernの優位性（８）　ファイバーの互換性

Nufernはレーザゲインモジュールに用いる全てのファイバーを設計し、製造プロセスを制御し、そして生産しております。

ファイバーの互換性
最適化されたコイル形状の大きなモードエリアのダブルクラッドファイバー　（偏波面保持型、非偏波面保持型ファイバー）


適合性の良いフォトセンシティブファイバーがファイバーブラッググレーティング用として使用されます。


石英コアファイバーで添加物の入っていないダブルクラッドファイバーが励起光コンバイナーに用いられます。


ファイバー端の保護や研磨したビームデリバリーファイバーにも用いられています。


全てのキー部品について性能確認試験をしています。


Nufernは　CW発振ファイバーレーザモジュールを供給致します。

NufernではYbドープDCFを用い、１ミクロン帯で発振する次の３つのタイプのCW発振ファイバーレーザモジュールを製造しており、OEM等のお客様に供給を開始しております。

このモジュールは次の様な特長を備えております。

CW発振ファイバーレーザモジュール

  • １ミクロン帯発振で、TEM00, M2〜1の出力ビームが得られます
  • 装置への組み込みが簡単です
  • 小型でメンテナンスフリーのＯＥＭパッケージです
  • 光軸のアライメントが不要です
  • 共振器構成用の光学素子もありません
  • 壁コンセント効率が３０%以上と非常に効率が高いです
  • 光（LD出力パワー）光（ファイバーレーザ出力パワー）変換効率が７０％以上と高い
  • 冷却の必要性が低い（もしくは要求される冷却が小さい）
  • 他のレーザに比べてメンテナンス時間が短い＝ダウンタイムが少ない
  • 出力ビーム品質が高い＝より高い集光性とより深い焦点深度
  • 高効率＝励起用LDの必要数が少ない。ユーティリティーの必要性も少ない
  • ９１５、 ９４０ or ９７５ nmの３波長のＬＤが励起用として利用可能です

Nufernは５０Wを越える高出力CWファイバーレーザも供給致します。

Nufernの１００WCWモジュールはHRL Lab.でコヒーレント結合（加算）の実験で用いられています。

HRL Lab.のコヒーレント結合（加算）の実験

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Nufernはファイバーレーザ増幅器も供給致します。

  • Nufernのファイバーレーザ増幅器は1064nmで50nsのパルス幅において約30mJ、　ピーク出力１MW以上のパルスを出力できます。（増幅試験結果を下図に示します。）
  • 増幅器としてはCW発振にもパルス発振にも利用できます。
  • ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒などの高ピークパワー動作が可能です。
  • 偏波面保持および被偏波面保持の両タイプファイバーを用いた増幅器が供給できます。
  • 増幅器では単一および両方向励起のモジュールが利用できます。

両方向励起ファイバーレーザ増幅器

Nufernはカスタム仕様のFBGを用いた高出力ファイバーレーザを供給致します。

ファイバーレーザの出力特性カスタム仕様のファイバーレーザの例を以下に示します。

  • １０３０nmにて１２１.５W出力
  • 励起光パワー177W
  • 吸収されない励起パワーが２４.６W
  • 発振波長が１０３２nm
  • 発振スペクトル幅が０.１５nm
  • ノイズ成分　０.７％

これらのファイバーレーザの出力特性を、３つの図に示します。


ファイバーレーザの出力特性

Nufernは２μm発振のTmドープファイバーレーザ発振器・増幅器も供給致します。

Ｔｍファイバーレーザの特長Ｔｍファイバーレーザの特長は以下のようです。

  • SiO2石英ガラスファイバーで５６%のスロープ効率
  • 励起波長　７９３nm
  • 発振波長　１０９３nm
  • 発振波長域　１８４０〜２０８０nm
  • 出力　５０W以上














Nufernは1550nm発振のEr:Ybドープファイバーレーザも供給致します。

Er:Ybファイバーの特長は以下の様です。

  • 最先端の偏波面保持１７/２５０ファイバー
  • 良いビーム品質
  • 効率　３０%以上
  • 出力パワーは非飽和状態、もしくは１０５０nmのＡＳＥ

Er:Ybファイバーの特長

（著作：Dr.Andy Held/Nufern）

Nufernのファイバーレーザ用アクティブファイバーやファイバーレーザモジュール（サブアセンブリー）についてのカタログやデータシートは下記、（株）オプトサイエンスのホーム頁からダウンロードできます。

http://www.optoscience.com/maker/nuferm/nufern.html

御質問は、電話：03-3356-1064 迄ご連絡いただくか、もしくはEメールにて info@optoscience.com へお問い合わせ下さい。

Nufern社製 ファイバー及びファイバーレーザアセンブリの優位性のご紹介　(801KB)
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