COHERENT | NUFERN

特性改善が進むファイバレーザ用
LMA ダブルクラッドファイバ

COHERENT | NUFERN 製 第9世代ダブルクラッドファイバの特長 (2015/06 版)

関連資料


NUFERN は1998 年に会社創設以来、通信用の光ファイバの製造販売から始まり各種光ファイバの開発・ 製造・販売を進めてきました。
その中でファイバレーザ用光ファイバであるLMA(Large Mode Area)方式のダブルクラッドファイバ(DCF)に特に注力し、開発・製造を進めています。
現在ではファイバレーザを製造販売している全世界のメーカへ供給される光ファイバの、90~95%を納入させて戴いております。
製造開始から17年経ちますが、ここ5年間はその特性改善が著しく進み、ファイバレーザの高性 能化・高信頼性化が実現されてきておりので、その一端を紹介させて戴きます。
最新技術・特性の紹介にあたり 次のような順で話を進めさせて戴きます。

  1. COHERENT | NUFERN の製品紹介
  2. 光ファイバを製造するにあたり、その製造プロセスや信頼性を高める各種計測技術を紹介
  3. ファイバレーザ用ダブルクラッドファイバ(DCF)

それでは、COHERENT | NUFERN の製品紹介から始めさせて戴きます。


1. COHERENT | NUFERN 製品紹介

COHERENT | NUFERN では光通信用光ファイバだけでなく、近紫外・可視光から2µm付近の近赤外域まで使用可能な石英製光ファイバを開発販売してきましたが、加工用ファイバレーザの市場が拡大するに伴いファイバレーザで使用するLMA方式のダブルクラッドファイバに注目し、その開発と製造販売を進めてきました。
更にその中で開発した光ファイバを用いてファイバレーザ発振器や増幅器を開発し販売も進めております。また、パンダ方式を採用した偏波保持ファイバも製造しており、種々の応用に向けて販売しております。
このような状況を COHERENT | NUFERN 社 製品群をマーケット別に捉えると、下記のような4つになります。

  1. 光ファイバ素線の製造販売
  2. 製造業(産業界)向けファイバレーザの製造販売
  3. 軍需・航空宇宙応用向けファイバレーザの製造販売
  4. センサ応用向け光ファイバの製造販売

nufern社マーケット別製品群

現在 COHERENT | NUFERN のマーケットは光ファイバ素線、製造業向けファイバレーザ、軍需・航空宇宙応用向けファイバレーザがほぼ1/3ずつを占めており上図の様になりますが、将来に向けセンサ応用に適したファイバ応用製品の開発・製造販売を強化して行きます。

光ファイバ素線は通信用の光ファイバだけでなく、ファイバの素材である石英が光を透過できる近紫外域から近赤外域までの光を導光する光ファイバや、ファイバレーザで用いる各種光ファイバがあります。
ファイバレーザ用光ファイバを分類すると下記のようになります。

  • シングルクラッドファイバ(アクティブおよびパッシブファイバ)
  • 希土類元素添加ダブルクラッドファイバ(アクティブファイバ)
  • レーザ発振器の内外で用いる導光用ファイバ(パッシブファイバ)
  • 励起用LD出力光を導光するマルチモードファイバ
  • フォトセンシティブファイバ(レーザ共振器を構成するのに用いる Fiber Bragg Grating 用)
  • ファイバレーザの出力光を導光するためのマルチモードファイバ
  • エンドキャップファイバ(ファイバ出射端面損傷に対する保護用)

製造業向けファイバレーザとしては、マーキング用ファイバレーザ発振器の製造販売を行っており、レーザマーカ装置を製造販売されている多数のメーカ様に納入させて戴いております。
OEMビジネス向けファイバレーザとしては、この他 2ミクロン帯で発振する医療機器用ファイバレーザ発振器などがあります。
ご要求があればOEM製品としての高出力連続発振ファイバレーザの製造も可能です。

軍需・航空宇宙応用向けファイバレーザとしては、レーザトラッピング用単一周波数ファイバレーザ増幅器の技術を基にした狭帯域(2~5GHz)ファイバレーザの開発製造販売を進めています。
コヒーレント結合などを用いて更に高出力ビームを得るための研究開発に用いられています。

センサ用光ファイバとしては、光ファイバジャイロ向けにクラッド径が80µm以下のパンダファイバを製造販売しています。ファイバ素線だけでなくコイル状に巻いた状態での製品も販売しております。
センサ用途例としては、石油掘削などで利用されており、COHERENT | NUFERN の新たなビジネスマーケットとして大きく伸びることが期待されています。

この様に COHERENT | NUFERN では光ファイバを事業の核として種々な装置も製作しています。

次に光ファイバの製造方法やその特性検査のための測定器などの保持設備について紹介いたします。


2. nufern社の光ファイバの製造プロセスや信頼性を高める
  各種計測技術の紹介

光ファイバに用いる石英は、全て超高純度ガスを素材として用いています。
そのため不純物が極端に少ないため、低損失(低吸収)な状態で光の導光が可能となります。
光ファイバ製造するにはファイバの構造によって決まるプリフォーム(母材)を製作する必要があり、COHERENT | NUFERN ではプリフォームをMCVD 法(Modified Chemical Deposition Method)によって製造しています。
下図の様なガラス旋盤に直径1インチほどの石英管を保持し、それを回転させながら外部から O2ガスによって気化した SiCl4、GeCl4、POCl3 ガスを混合して送り込みます。
この管の外側から水素・酸素バーナによって、1,600~1,800℃まで加熱します。
すると送り込まれた酸化物ガスはスート(Soot)と呼ばれるガラス微粒子の集合体になり、回転している石英ガラス管の内面に堆積してゆきます。
スートはバーナからの熱を受けてより高温になり透明石英ガラスの層に変化します。
このような堆積操作を100回程度行い、最後に管の内側に所要のガラス層が積層された石英管をさらに加熱し、中心をつぶしてプリフォームとしています。

プリフォームをMCVD 法(Modified Chemical Deposition Method)

次にプリフォームから光ファイバを引く線引き工程をご紹介します。
下図にて、線引き機(タワー)の外観をご覧戴けます。
製造された最大長さ50cmプリフォームを縦方向に回転しながつるして約2000℃にした電気炉にいれ、石英が溶けて自重で糸状に引き伸ばされて垂れてきたものを下方から巻き取り、そのスピードを調整しながらファイバ素材の直径が所望の寸法になるように引っ張り、その後 保護樹脂で被覆して巻き取り、光ファイバ素線となります。
COHERENT | NUFERN では複数台の線引き機を使っており、紫外線硬化型樹脂対応用 Tower が2台、熱硬化型樹脂対応のTower を1台を配置しています。

プリフォームから光ファイバを引く線引き工程

線引きした光ファイバの特性測定ですが、COHERENT | NUFERN ではダブルクラッドファイバなどのSpecialty Fiber に対して、特に必要となる特性(仕様値)を測定する為に所有している機材について以下に記載致します。

吸収・蛍光発光スペクトル特性測定用分光器   形状測定器(円形/多角形外形)
吸収・蛍光発光スペクトル特性測定用分光器   形状測定器(円形/多角形外形)
分散と複屈折測定器   偏光特性/クロストーク測定器
分散と複屈折測定器   偏光特性/クロストーク測定器
コア添加希土類吸収測定器   テレコディア規格測定 (GR-20) /
環境試験器、引張り試験器
コア添加希土類吸収測定器   テレコディア規格測定 (GR-20)/環境試験器、引張り試験器

代表的な測定機材をご紹介致しましたがこのような機材を揃え、仕様・品質の管理を行っており、信頼性の高い光ファイバを製造・販売しております。
製造する Specialty Faiber は次の6種に分類できます。

  • ダブルクラッドファイバ
  • 偏波保持ファイバ
  • ジャイロスコープ用ファイバ
  • シングルモードファイバ
  • マルチモードファイバ
  • 地球物理定数測定用ファイバ

次に本論のファイバレーザ用ダブルクラッドファイバについて紹介致します。


3. ファイバレーザ用ダブルクラッドファイバ(DCF)

3.1 ダブルクラッドファイバの構造

ダブルクラッドファイバの構造ダブルクラッドファイバは高出力ファイバレーザ発振器・増幅器用の光ファイバで、右図の右の図にその構造と左の図にコア、クラッド(1st Clad)、低屈折率ポリマー(2nd Clad)の屈折率分布を示しております。


ダブルクラッドファイバの構造1stクラッドと2ndクラッドの界面の全反射を利用しファイバレーザ励起用半導体レーザ出力光を導光します。
1stクラッドを伝搬する光は全反射により反射しながらファイバ内を伝搬します。
その内にコア部分も通過し、コア内の希土類元素(蛍光材料)により吸収され ます。


ダブルクラッドファイバの構造

クラッドの外形が円形ですと1部の励起光はコアを通過せずに1stを伝搬するので、これを防ぐために stクラッドの外形は右図の様に八角形にしてあります。
パンダ型偏波保持ファイバの場合は 1stクラッド内に屈折率の異なるストレス棒が配置されますので、1stクラッドの外形を八角形にしなくてもクラッド内を伝搬する LD光はコアを通過しながら伝搬し、効率良くコア内の希土類元素を励起します。

3.2 希土類元素が添加されたダブルクラッドファイバ

ダブルクラッド構造をした光ファイバのコアに希土類元素を添加することにより、ファイバレーザ用としての(アクティブ)ダブルクラッドファイバ DCFが製造されています。
COHERENT | NUFERN では1µ帯から2µ帯までカバーするために、Yb、Er、Er/Yb、Tm、Hoをドープしたアクティブダブルクラッドファイバを、ファイバ レーザ発振器と増幅器用に製造しています。
各希土類元素を用いた発振・増幅波長は下記の様になりますが、特殊な構成の発振器により波長域の拡張が可能です。
Yb:1,060~1,150nm、Er:1,530~1625nm、ErYb:1,530~1625nm、
Tm:1,900~2,100nm、Ho:2,100~2,200nm

下図は、それら希土類元素のエネルギ準位図の1例です。

希土類元素のエネルギ準位図の1例


COHERENT | NUFERN のアクティブダブルクラッドファイバは、効率の良いレーザ動作をさせるために母材となる適切な ガラス材質を選定しております。
ガラス材質の違いにより吸収や蛍光の断面積が異なる例を、Ybイオンを下図でご覧戴けます。

ガラス材質の違いにより吸収や蛍光の断面積が異なる例

3.3 LMA方式のダブルクラッドファイバ(LMA: Large Mode Area)

レーザ発振をさせるには励起光をコアにドープした希土類元素に効率よく吸収させ、発生するレーザ光を伝搬させるために開発されたものがダブルクラッドファイバ(DCF)です。
LMAA方式DCFとシングルモードファイバ、マルチモードファイバの仕様の違いを下表に示します。

  Singlemode
“SM”
Multimode
“MM”
Large Mode Area
“LMA”
#Signals 1 ~ 1000 2 to 5
Core Size (microns) 3 - 10 50 - 150 15 - 50
NA 0.12 - 0.20 0.20 - 0.35 0.05 - 0.10

LMA方式のダブルクラッドファイバLMA方式 DCFの特長はコアサイズが大きく、かつ NA (Numenical Aparture) が小さいことです。
LMAダブルクラッドファイバはまっすぐ伸ばして使用した場合15-50の横モードが立ちますが、適切な曲げ半径でコイル状にすることにより横シングルモードで動作させることが可能です。


Bend Loss for 30µm core, 0.06NA

3.4 新世代型ダブルクラッドファイバ(DCF)の登場

COHERENT | NUFERN では長年にわたりファイバレーザ用 DCFを製造しておりますが、その中でお客様からのご要望に応え種々の特性改善を盛り込んだDCFを作成し、お客様にお届けして参りました。
年を追う毎に増える出力パワーに対応し、フォトダークニングの発生しないファイバの改善を進めて参りました。 また これだけでなく、次のような事象に対しても改善を進めています。


3.4.1 コア径/クラッド径の製造誤差を小さくし、融着時に発生する損失の低減

● Precision Matched (-M) 社内規格ファイバとUltra Matched (-M+) 社内規格ファイバの登場

ダブルクラッドファイバの登場当時は、コア径やクラッド径の製造誤差範囲が若干広く、アクティブファイバとパッシブファイバを融着する際の融着作業のしやすさに課題がありました。
その結果発生する損失もありました。
ただ、ファイバレーザの特長の1つが、アクティブファイバやパッシブファイバ(FBG、Combiner)などの光学部品を融着により接続する事であり、空間に光を出さずに構成できるという大きな特長があります。

コア径/クラッド径の製造誤差を小さくし、融着時に発生する損失の低減

これらの点からも融着で発生する損失を低減する必要があり、お客様からも改善のご要求がありました。COHERENT | NUFERN ではこれらのご要求を受け止め、ファイバプリフォーム工程の改善や線引き工程の改善によりこれらコア径、クラッド径の製造誤差を小さくした Precision Matched (-M) ファイバを2011年から更に Ultra Matched (-M+) ファイバを2014年から販売しています。
ファイバレーザ発振器内に使用するアクティブファイバとパッシブファイバの融着だけでなく、FBG共振器ミラー用のパッシブファイバや励起光を導光するコンバイナ、アイソレータ、コリメータなど各種ファイバ導光光学部品に用いるパッシブファイバ相互間の融着損失が低減され、ファイバレーザ装置としての損失が大きく改善される様になってきております。
Ultra Matched (-M+) ファイバは Precision Matched (-M) と比較しても、コア径・クラッド径の寸法公差は25%以上改善されており、入手可能なアクティブファイバの中で最も小さな融着損失を実現できます。
また、融着工程に必要となる作業時間や融着損失のバラツキも低減し、融着不良の発生が低くなると共に再融着作業時間、テスト時間などが減少するという利点があります。
融着損失によって生じる迷光や再吸収に伴う負荷を低減できるので、より高出力なファイバレーザの実現に寄与し、結果としてビーム品質や効率の改善など特性の向上に寄与するところが大きいです。
逐次、寸法公差の小さい Ultra Matchedファイバに変更して参ります。
Precision Matcheと Ultra Matchedに関する説明を末尾に添付しますのでご参照下さい。
また、それぞれのアクティブファイバ(LMA、PLMA)に適応するパッシブファイバが一目で分かり、選定戴ける表も用意されておりますので添付致します。ご利用下さい。

3.4.2 第9世代(Gen 9)ダブルクラッドファイバの登場

COHERENT | NUFERN 製 第9世代ダブルクラッドファイバのコアとクラッドは、右図の様に変動が小さな屈折率分布を 持つだけでなく、高吸収における優れたフォトダークニング耐久性を持つ様に改良を加えられました。

その他、第2クラッド用 Low Index Polymerは NuCoat-FA仕様が適用され、損失の発生を抑えるためにコア径・ クラッド径の規格はPrecision Matched (-M) の特性が適用されています。


前述の改善によりCOHERENT | NUFERN 製Gen9ファイバは右図の様に400Wという高出力パワーをほとんど出力低下もなく、1,000時間を超えて発振し続けています。

他社製ファイバの様に~500時間でフォトダークニングが発生し、出力が停止した事はありません。


LMA-YDF-10/200やLMA-YDF-25/250という DCFを用いて励起光の吸収された入力光パワーに対して85%~80%という高いスロープ効率も達成しております。

右図をご覧下さい。

3.4.3 ダブルクラッドファイバの2nd Cladに用いるLow Index Polymerの性能改善

● NuCoatとNuCoat-FAダブルクラッドファイバの登場

ダブルクラッドファイバ (DCF) では、希土類元素 (酸化物) は Al、Ge、P 等の酸化物と共にコアを構成する石英ガラスに添加されています。
1st Cladも石英ガラスですが、コアより屈折率の低い石英ガラスです。
2nd Cladは Low Index Polymer 樹脂により構成され、ファイバレーザの励起光となる半導体レーザ光を導光する様に2つのクラッド部分で構成されています。

初期の DCFに用いられていた Low Index Polymerをコートしたファイバを用いたファイバレーザを設置環境が管理されていない、言い換えると室温や湿度が高い高温・多湿な環境で使用すると、非常に早く出力が低下する現象が発生しました。

当初ファイバレーザは先進国で用いられることが多く、設置する場所は室温や湿度についてきちんと管理された場所に設置されていました。
その後 ファイバレーザは主要な加工システムの1つとなり、世界中で使用されるようになりました。
製品の製造地域が先進諸国から高温・多湿な国へも移行が進み、ファイバレーザの設置場所の室温や湿度が管理されない工場でも当然のように使われ始めてました。
この結果、高温・多湿な環境下でファイバの 2nd Cladである Low Index Polymerが水分を吸収・吸着し、結果として膨潤し、ファイバの石英ガラスの表面から浮くなどの現象が発生し、ファイバレーザの性能がキープできないとか、破損するなどの事象が発生しました。

COHERENT | NUFERN ではこの対策として、自社内で Low Index Polymerの成分をフッ素重合体の Low Index Polymerに置き換え改善を実施しました (NuCoat)。
更に、ファイバ素線への被覆する製造プロセスの改善 (NuCoat-FA) を実施しました。
結果として、耐久性の高いDCFが実現されました。
本改善は nufern社内のポリマー 樹脂技術者が担当しており、特許などの取得も行いました。
この技術と開発された光ファイバは業界では最先端の技術持った製品となっています。
性能確認試験では高温・多湿(高い温度60℃・高い湿度85%)下で、また 高温(85℃)・低湿(1%)の環境下で、2000時間以上の連続運転試験にて損失の変化を測定しました。
その結果、下図にてお判りいただけますように従来の特性が大きく改善したのを確認しております。


従来ファイバはすでにNuCoatにより構成されており、適宜 NoCaot-FAに対応した製品への移行を進めております。
これらの技術によりダブルクラッドファイバ(DCF)の信頼性は格段に向上し、ファイバレーザシステムの性能向上に大きく貢献しております。
なお、NuCoatに関する性能改善試験結果の報告が添付の資料に纏めら得ておりますので、ご興味のある方はご覧下さい。


4.終わりに

現在、発振器単体で1kWを超えるファイバレーザ出力が達成される時代になり、いろいろなお客様の 所で種々の目的にファイバレーザが開発・製造される様になりました。
COHERENT | NUFERN ではお客様各位のご要求を実現するため、更に高性能なダブルクラッドファイバを実現すべく研究・開発を継続して参ります。
是非、高出力ファイバレーザや各種出力形態のファイバレーザを開発される時には、COHERENT | NUFERN 製 LMA方式ダブルクラッドファイバをご採用・ご利用下さい。宜しくお願い致します。

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