.feature 先端製造技術が 光コンポーネントに恩恵をもたらす

.feature
ファイバオプティクス向けコンポーネント
先端製造技術が
光コンポーネントに恩恵をもたらす
ブラッド・ヘンドリックス、マイク・ハージュ
ファイバレンズ技術、エンドキャップ技術、テーパ、多芯ファイバファンアウ
ト、ファイバコンバイナ、モードフィールドアダプタ、オーバークラッディン
グは、すべて光ファイバの新しい多様な加工技術の恩恵を受けている。
光ファイバ加工技術と特殊ファイバ
レンズ作製技術
CO2 レーザを用いてファイバ端を破壊
分野の新たな研究の継続的進歩が新し
現在の技術は、光ファイバから多く
して円錐形状のクラッド材料を除去す
い世代の光コンポーネント実現に寄与
のレンズ形状を作製することができ
るかのいずれかの方法で作製する(図
してきた。超精密ガラス加工プラット
る。例えば、アキシコンレンズはレー
1 )。これによってファイバ端の特性が
フォームの出現で、光ファイバコンポ
ザや LED をチップレベルでファイバと
変わり、コアが露出すると、コアは今
ーネント分野は、独立したアカデミッ
結合する際の効率向上に使用されるが、
度はクラッド材料ではなく空気に囲ま
クな研究室の領域から解放されて、特
一方ボールレンズは医療分野でガンの
れることになる。空気とガラスとの屈
殊的あるいは汎用的能力を持つ市販の
発見や腎臓結石破壊に使用される。
折率差は、コアとクラッドの屈折率差
機械を利用できるようになった。
アキシコンレンズは一般に、特殊研
とは大きく異なる。また、円錐形状と
今では、特殊用途の工作機械が利用
磨加工でファイバ先端を研磨するか、
することでファイバ先端がレンズ効果
できるようになっており、これらはボ
ールレンズ作製あるいは CO2 レーザを
使ってファイバを削磨してアキシコン
Spec
レンズを作製する特殊目的に使える。
Polished sample
Tapered axicon
90°
また、汎用機が開発されており、これ
によって同種ファイバや異種ファイバ
の融着接続、レンズ形成、テーパリン
グ、ファイバコンバイナの作製、まだ
公開されていないようなコンポーネン
Ellipticity:
<1.2
Ellipticity=1.03
Ellipticity=1.02
2.37μm
2.41μm
ト加工など、複数の作業を行うことが
できる。
このような新時代の装置が開発され
ていなかったら、これらのコンポーネ
ントの量産にはまだ多くの難題が残っ
Beam shape:
Near Gaussian
ていると考えるべきだろう。この分野
には広い範囲のコンポーネントがたく
さんあるが、ここでは次のファイバコ
ンポーネント技術に限定する。ファイ
バレンズ技術、エンドキャップ技術、
テーパ、ファイバコンバイナ、モード
フィールドアダプタとオーバークラッ
ディング。
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2015.3 Laser Focus World Japan
Spot size:
2.5μm±10%
図 1 研磨したアキシコン(中央)とテーパアキシコン(右)を示している。併せて楕円率とビーム
形状も示している(研磨アキシコンは Oz Optics、テーパアキシコンは AFL 提供)。
を持つようになり、LED やレーザダイ
が先鋭になるまで加熱と線引きにより
オードからファイバへの集光が強まる。
作製する。レンズの円錐形状の角度は
ファイバ端をアキシコンに加工する
それほど急峻ではないが、その光学性
研磨プロセスは、効果的ではあるが、
能は他の 2 つの製造技術を利用したも
非常に大きな労働力を要する。研磨材
のとほぼ正確に一致している。このデ
料が相対的に大量のクラッド材料を除
ザイン独特の差は、ファイバコアがクラ
去する間、ファイバを精密角度で保持
ッドと同時に線引きされることにあ
して回転させなければならない。比較
る。この点が、コアサイズが変化しな
すると、アキシコンレンズの製造は高
い他の技術との違いである。とは言え、
図 2 ファイバ端のボールレンズは、ファイ
バからの出力光を平行光にし、集中させ、あ
るいは発散角を抑制する( AFL 提供)。
度に自動化されたシステムで行うこと
コア径の縮小はビーム品質に全く影響
ができるが、一般にレーザを使ったレ
を与えないようである。理由は、先端
ンズ作製に必要な時間よりも設置と取
での光はクラッド・空気界面によって
ボールレンズ(図 2 )の製法は複数あ
り外しにかかる時間が長い。アキシコ
導波されるからである。この技術のメ
るが、最も一般的な製法は、コアレス
ンレンズの両方の製法から得られるコ
リットは、通常市場にあるどんな特殊
ファイバを既存の開始ファイバにスプ
ンポーネントの外見も性能も極めて似
スプライサでも製造可能であることで
ライスし、開始ファイバ端から一定の
通っている。
あり、したがって非常にコスト効果が
距離でボールを形成する製法。コアレ
一方、テーパアキシコンはファイバ
高い工程で製造できる。
スファイバが好まれるのは、全体の屈
MACOR®
Machinable Glass Ceramic For Industrial Applications
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www.corning.com/specialtymaterials/macor
[email protected]
MACOR is a registered trademark of Corning Incorporated, Corning, NY
®
Laser Focus World Japan 2015.3
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ファイバオプティクス向けコンポーネント
を抑制するためである。
折率が均一であり、歪のないビームが
得られるためである。コアレスファイ
バを使わない場合、コアとクラッドの屈
テーパ
折率材料が混ざり合って、出力ビーム
ファイバテーパリング(先細化)には
に一貫性がなく、低品質になる。
複数のアプリケーションがある。例え
ボールのサイズ、ビームがコアレスフ
ば、スプライスロス最小化に適応する
ァイバの中に発散し始める点からの距
モードフィールド、ファイバ内のパワーを
離は、ボールから出るビームを集中、
発散、平行光にする方法で構築するこ
とができる。複数の他の後処理技術を
図 3 エンドキャップ(上部の左)はファイバ
(下方の右)に融着接続されている( AFL 提
供)。
ボールに適用し、反射防止( AR )コー
高めるためのコンバイナ、エバネセント
波ファイバセンサの作製。エバネセン
ト波ファイバセンサは、先端を極細に
テーパ化した極小径のファイバの周り
ティングを施す、反射平面を研磨してビ
著しく大きいことにある。エンドキャッ
に接近して存在するエバネセント波に
ームをサイドから出す。ボールをビー
プがファイバレーザの実際のファイバ
よって外部材料の相互作用を検出する。
ム拡張コネクタに搭載して損失を最小
出力端の 4 〜 8 倍大きいことは珍しく
ファイバの断熱テーパリングによって、
化し、ビーム光路に外部の光学素子を
ない(図 3 )
。ファイバをエンドキャップ
光がコア・クラッド、あるいはクラッド内
追加できるようにすることも可能だ。
に融着する加熱法の中には、この大き
に確実に閉じ込められるようになる。
ボールレンズの製造は簡単であるの
なサイズが難題をもたらすこともある。
既存装置のほとんどで、同一方向に
で、特殊フュージョンスプライサ、ボ
電気アークやフィラメント融着接続
移動するファイバを保持する 2 つの移
ールレンズを造るという特殊目的用に
機を使う際、大きなエンドキャップに
動ステージを用いてシングルパスで
設計された機械のいずれかを用いて製
対して遙かに小さなガラスファイバの
10:1 のテーパ比が達成可能である。今
造することができる。幸いなことに、
熱分布管理に細心の注意を払う必要が
日利用できる汎用装置、市販の専用テ
ボールレンズ製造は、溶融ガラスの表
ある。この大きなエンドキャップが溶
ーパリング加工機のいずれでも重要な
面張力という物理学によって促進され
融状態になるのに必要なエネルギーは、
仕様は 1 つ、ファイバステージの直線
る。ファイバを加熱して熱源に投入す
通常は、小径のファイバを気化させる。
移動である。ファイバテーパの中には
ると、表面張力がファイバ端の周囲に
この効果は、エンドキャップを熱源に
最大 150 ㎜のステージ移動を必要とす
溶融ガラスを引きつけるのでガラスは
ずらすことによって補正できる。
るものがある。したがって、ファイバ
自然に完全な球を形成する。
こ の 一 連 の 操 作 で 1 つ の 例 外 は、
テーパリング装置を選定する際は、生
エンドキャップ技術
CO2 レーザを熱源に使用するときに起
産しようとするデバイスの要件を満足
こる。この場合、CO2 レーザが動作す
する長さの移動ステージであることを
過去数年で高出力ファイバレーザが
るのはシリカがフォトンを吸収するこ
確認することだ。
出現してきたことで、エンドキャップ
とによる、つまり加熱されている物体
技術が進歩した。ファイバレーザの出
の表面積と熱質量に比例する効果があ
マルチコアファイバファンアウト
力端のエネルギー密度は著しく高くす
る。エンドキャップは、それに接続さ
マルチコアファイバ( MCF )
は、ファ
ることができるが、エンドキャップを
れる相対的に小さなファイバと比べる
イバ業界の最近の開発であり、センシン
使うと、この高密度エネルギーは制御
と熱質量表面積が遙かに大きい。した
グアプリケーションと、1 本のファイバ
して拡散させることができる。レーザ
がって、2 つのファイバは CO2 レーザ
でデータ伝送密度を向上させつつ、長
光がエンドキャップから出ると、フリ
からのエネルギーに晒されるとき、ほ
距離アプリケーションの両方で利用さ
ースペースオプティクスを用いてレー
ぼ同じ比率で熱くなる。これらの加熱
れようとしている。これらのファイバ
ザ光を工作物表面に新たに集中させる
法はすべてエンドキャップの開始側に
の 1 つの課題は、個別コアに対する信
ことができる。
引き込むことによる恩恵を受けてい
号の入出力だ。MCF ファンアウトは、
このようなデバイスの課題は、エンド
る。つまり、エンドキャップの相対的
正にそれを可能にするものである。
キャップの直径がファイバ径と比較して
に大きな質量によって生ずる放熱効果
マルチコアファイバファンアウトは、
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2015.3 Laser Focus World Japan
は、この機能を持っている。
マルチコアファイバのコア数に一致す
るファイバのバンドルを含む。ファイ
バは、コア間隔が MCF のコア間隔に一
致するまでテーパ化される。次にこの
複合構造を分割し、マルチコアファイバ
の先端に融着する、これによりMCF の
L=242μm
L=244μm
D=76μm
これらのデバイス製造で重大な意味
を持つ懸案事項はコアアライメントで
ある。これはサブミクロンスケールで
維持しなければならない。この偉業を
オーバークラッディングは、ファイバ
をキャピラリチューブに入れてファイ
バと融着するまでチューブをつぶすプ
ロセスである。図 4 は、ファイバコン
入出力両端で個々のコアにアクセスで
きるようになる。
オーバークラッディング
L=243μm
図 4 マルチファイバコンバイナはオーバーク
ラッドチューブで封じ込められている( AFL
提供)。
達成するには、テーパの断熱性とコア
バイナで使用されるオーバークラッデ
ィングを示している。このプロセスは、
ファイバとキャピラリチューブとの間
の気密封止にも使うことができる。
オーバークラッディングの利用でも
っと面白いものの 1 つは、逆テーパフ
間隔の均一性を確実にするために、極
ョンの結果、ポンプコンバイナからフ
ァイバとの結合だ。テーパプロセスを
めて均一な加熱とテーパリングプロセ
ァイバ内のエネルギーが漏れると、一
逆にすることによって短い距離でファ
スが必要となる。
般にその箇所が過熱する。この種の破
イバのコア開口数( NA )を増やすこと
損は回復できるとは限らない、またフ
は可能だ。このようなアップテーパを
ァイバレーザのアセンブリのやり直し、
作製した後、拡大した領域でファイバ
あるいは取替が必要になる。
を裂く。次に拡大ファイバをキャピラ
ファイバコンバイナ
ファイバコンバイナは通常、レーザ
ダイオードの励起エネルギーをファイ
リチューブに入れ、チューブをつぶし
バレーザに供給するために使用され
て気密封止を実現する。すると高エネ
る。複数のファイバをいっしょにテー
モードフィールドアダプタ
パ化することで、励起ダイオードから
モードフィールドアダプタ( MFA )
領域に入れることができる。テーパで
のエネルギーは 1 本のファイバに統合
は、ファイバの特性を変えて、融着接
は、コアは断熱的に通常サイズに縮小
される。そのファイバは、発振キャビ
続されるファイバに適合するようにし、
しているので大きなエネルギーロスが
ティを形成するアクティブファイバに
接続点の損失を下げる。これは 2 つの
避けられる。
融着接続されている。コンバイナには
方法のうちの 1 つで達成できる。1 )大
ファイバ業界の多くの企業が、30 年
複数の異なる設計があり、そのいずれ
きい方のコアを小さい方のコアサイズ
にわたり特殊な個別のコンポーネント
もが同じ目標を持つ。つまり、最大量
と一致するように細くするか、2 )接続
を作り続けてきた。そのほとんどは特
の光を最小の損失で発振キャビティに
する前あるいは接続作業中に、小さい
注の特許設備を利用している。特殊な
入れることだ。
方のコアを過熱して拡大する。最も極
融着技術やガラス加工装置における最
信頼性と再現性があるファイバコン
端な例では、シングルモードファイバ
近の開発成果として、光ファイバコン
バイナが製造できる装置はすぐに入手
をマルチモードファイバに融着接続す
ポーネントの可能性に多くの進歩を見
できる。コンバイナの製造には細心の
ると、マルチモードからシングルモー
てきた。今すぐ利用できる高精度製造
注意が必要である。設計が断熱的であ
ドファイバへの損失が 20dB となるの
装置によって、これまでになく複雑な
り、あらゆるコンタミネーションが排
が一般的である。MFAを用いることで
光コンポーネントの製造が容易になっ
除されていることを確認しなければな
この損失を 1dB 以下にすることができ
ており、業界にイノベーションをもた
らない、結合したファイバに入ってく
る。今日の専用スプライサのほとんど
らす状況になっている。
るエネルギーの量はこれら両方の特性
の影響を受けやすいからである。局所
的な高損失はファイバレーザを破壊す
る。非断熱的あるいはコンタミネーシ
ルギー光を、作製したコア径の大きな
著者紹介
ブラッド・ヘンドリクスは、AFL のグローバルスペシャリティマーケットマネージャー、マイク・ハ
ージュはアプリケーションおよびプロセス開発マネージャー。
e-mail: [email protected]m URL: www.aflglobal.com
LFWJ
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