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Nufern社製 ファイバ及び
ファイバレーザサブアセンブリの
優位性のご紹介


Nufern社製ファイバレーザ用光ファイバ(アクティブファイバ)とファイバ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レーザ用光ファイバ(アクティブファイバ)やファイバ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)ファイバの開発ではパイオニアです。
    LMAファイバは連続(CW)発振やパルス発振のファイバレーザの高出力化には欠かせないファイバの技術です。
  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ファイバが有ります。
    • この様なファイバ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ご説明しましたが、個々の点について実績を元に詳しくご紹介致します。

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のファイバは光学的にも形状精度でもまたファイバ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製造により引張り強度で非常に優れた特性のファイバを作っています。クラッド径125µmのダブルクラッドファイバにて偏波面保持と通常のファイバ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。

下図をご覧ください。 データは8角クラッド形状の非偏光ファイバと偏波面保持ファイバ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レーザ発振器や増幅器で大口径のファイバをコイル状に巻く時に効いてきます。Nufernのファイバはnd値が22と大きく、非常に強いファイバ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と偏波面保持ファイバの円形クラッドを比較

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の間のスペクトルの差

Nufernの優位性(3)最先端

ファイバのプリフォーム製造設備とファイバ線引器の写真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はテレコム用伝送ファイバの標準に則って作られています。

ファイバのプリフォーム製造設備とファイバ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。ファイバの長時間信頼性を得るためにファイバ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。

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

ファイバレーザ用のアクティブファイバと励起光間の長い相互作用長はファイバ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。つまりファイバのコア径を増加させます。コア径の大きなファイバを用いると長い小さなコア径のファイバで得られるのと同等の利得が短いファイバで得られます。

ファイバのコア径の増加

ファイバ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のファイバを製造するにはファイバ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。

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レーザ

ファイバの設計とコイルの形状を最適化
Nufern coil forms*

マルチモードファイバ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。

  • ファイバの屈折率や添加物濃度を操作する。
  • ファイバの終端をテーパ状にする。
  • 種光のファイバ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ファイバにおけるモードフィルタリング゙より高いビーム品質

コア径30µmのファイバをコイル化した時、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ファイバを用い、さらにモードフィルタ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ファイバを使用しているNufernのファイバ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ドープファイバを用いたファイバ増幅器からの出力ビームのニアフィールド空間分布
Courtesy of Sandia Labs./NRL, Kleiner/ Koplow

右図にコア径25µmでNAが0.1のYbドープファイバを用いたファイバ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年以降ファイバレーザの出力は飛躍的に増加致しました。
Nufernは M2 ~1で1kWを越える出力を発生できるLMAファイバの開発においてはパイオニアです。

ファイバレーザの出力増加グラフNufernはM2~1で1kWを超える出力を発生できるLMAファイバの開発においてはパイオニアです。

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

偏波面保持型ファイバ直線偏光出力のファイバレーザ発振器/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の例を示します。

パンダ型ファイバ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ファイバの中でも特長のあるファイバです。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をコイル状に巻く事により LMA ファイバから直線偏光の 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。

右図は、種々の半径のコイルを用いた場合のファイバ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。

ファイバレーザの出力特性


Nufernのファイバレーザ発振器/増幅器の構成

下図はファイバブラッググレーティング(FBG)を用いたファイバ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。

ファイバブラッググレーティング(FBG)を用いたファイバレーザの構成例
 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、3はファイバ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であり直線偏光出力のファイバレーザの場合は偏波面保持ダブルクラッドファイバ(DCF)が用いられます。5は出力端であり、通常はファイバ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、励起光コンバイナの1本のファイバをフィードスルーのファイバ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や19:1の励起光コンバイナも使用できます。

Nufernの優位性(8)ファイバの互換性

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。

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 (偏波面保持型、非偏波面保持型ファイバ) 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(偏波面保持型、非偏波面保持型ファイバ)

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

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

ファイバ端の保護や研磨したビームデリバリーファイバにも用いられています。ファイバ端の保護や研磨したビームデリバリーファイバ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。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ファイバレーザも供給致します。

Nufernの100W CW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

Nufernはファイバレーザ増幅器も供給致します。

  • Nufernのファイバレーザ増幅器は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レーザを供給致します。

ファイバレーザの出力特性カスタム仕様のファイバ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%

これらのファイバレーザの出力特性を、3つの図に示します。

ファイバレーザの出力特性

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

Tmファイバレーザの特長Tmファイバレーザの特長は以下のようです。

  • SiO2石英ガラスファイバで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ドープファイバレーザも供給致します。

Er:Ybファイバ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
  • 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ファイバの特長
(著作:Dr.Andy Held/Nufern)


Nufernのファイバレーザ用アクティブファイバやファイバレーザモジュール(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

Nufern社製 ファイバ及びファイバレーザアセンブリの優位性のご紹介PDF801KB


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