1x2溶融型シングルモード光ファイバーカプラー(タップ)、670 nm

Narrowband and Wideband Couplers for 670 nm
Available with 50:50, 75:25, 90:10, or 99:1 Coupling Ratio
Terminated with 2.0 mm Narrow Key FC/PC or FC/APC Connectors

Use for Splitting Signals

TN670R5A1

50:50 Coupler with FC/APC Connectors

TW670R2F1

90:10 Coupler with FC/PC Connectors

Please Wait

概要
1x2カプラのチュートリアル
カプラの検査
信頼性試験
損傷閾値
Feedback
SMカプラーガイド

1x2 SM Fiber Optic Couplers
Center Wavelength	Bandwidth
405 nm	±5 nm
470 nm	±40 nm
532 nm	±15 nm
560 nm	±50 nm
560 nm	±15 nm
630 nm	±50 nm
632 nm	±15 nm
670 nm	±75 nm
670 nm	±15 nm
785 nm	±15 nm
805 nm	±75 nm
808 nm	±15 nm
830 nm	±15 nm
850 nm	±100 nm
930 nm	±100 nm
980 nm	±15 nm
1064 nm	±100 nm
1064 nm	±15 nm
1300 nm	±100 nm
1310 nm	±15 nm
1310/1550 nm	±40 nm
1430 nm	±100 nm
1550 nm	±100 nm
1550 nm	±15 nm
1650 nm	±100 nm
2000 nm	±200 nm

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各カプラには識別しやすいように型番、シリアル番号、主な仕様が刻印されています。下記の分岐比(Coupling Ratio)は、右のWhite Port(信号出力)からの光パワーのRed Port(タップ出力)からの光パワーに対する比になります。

当社の持続可能な取り組みの一環として、個別検査データシートのご提供を印刷物から電子データへと移行してまいります。すでに電子データ対応済みの一部の製品では、型番横にある赤い資料アイコン(

)をクリックいただくと、「Download Serial Item Data 」が表示されます。そちらのフォームにお持ちの製品のシリアル番号を入力するとダウンロードが可能です。

特長

670 nmで使用可能な1x2光ファイバーカプラ
3種類の波長範囲でご用意

630 ± 50 nm(広帯域)
670 ± 15 nm(狭帯域)
670 ± 75 nm(広帯域)

分岐比は50:50、75:25、90:10、99:1をご用意
2.0 mmナローキーFC/PCまたはFC/APCコネクタ付き
ファイバ：長さ0.8 m (公差+0.075 m / -0.0 m)
各カプラには個別の検査データシートをご提供。サンプルデータシートは630 nm(広帯域)、670 nm(狭帯域)、670 nm(広帯域)からご覧いただけます。
波長、分岐比、コネクタに関してカスタム仕様をご希望の場合は、当社までお問い合わせください。

当社のシングルモード1x2光ファイバーカプラはタップとも呼ばれ、仕様の全範囲にわたる平坦なスペクトル特性を有しています。 670 nmでお使いいただける広帯域カプラは下記をご参照ください。こちらのカプラは670 ± 15 nm (狭帯域)、630 ± 50 nmおよび670 ± 75 nm (広帯域)に対応し、50:50、75:25、90:10、99:1の分岐比でご用意しております。これらのカプラが対応できる最大パワーは、コネクタ付きもしくはファイバ素線の場合は300 mW、融着接続の場合は500 mWとなります(詳細は「損傷閾値」タブをご参照ください)。

1x2カプラは当社の2x2光ファイバーカプラと同様の工程で製造されていますが、使い易くケーブル管理を簡単にするために入力ポートが1つしかありません。これらのカプラは入力ポートから入った光を2つの出力ポートに分岐させる用途に適しています。WDMとは異なり、ビームコンバイナの用途には通常お勧めいたしません。使用されないポートはカプラの筐体内部で終端処理され、後方反射を抑えています(詳細は「1x2カプラのチュートリアル」タブをご参照ください)。

当社では、分岐比データなどの性能データを含む個々のカプラの検査データシートをご提供しております。データシートには、分岐比が一定の許容範囲にある仕様帯域内だけでなく、その外側の全波長範囲のデータまで含まれています。こちらのカプラのサンプルデータシートは630 nm(広帯域)、670 nm(広帯域)、670 nm(狭帯域)からご覧いただけます。当社のカプラはTelcordiaの規格以上の広範囲な試験を実施しております。詳細は「信頼性試験」をご覧ください。

カスタム仕様および組み込み用途(OEM用途)向けファイバーカプラ
当社のカプラは当社の北米にある製造施設で製造しており、設計チームによるカスタムソリューションをご提供可能です。波長範囲、ファイバ種類、分岐比、コネクタ、ポートの構成や筐体がカスタム仕様のカプラに対応いたします。また各カプラには検査データシートをご提供しています。お問い合わせやご相談は当社までご連絡ください。

標準品は、下表のとおりFC/PCまたはFC/APCコネクタ付きでご用意しております。ファイバはØ900 µmのHytrel^®*チューブで被覆されています。ファイバ長は0.8 mです。

1x2 シングルモード(SM)カプラ製品は、右表および「SMカプラーガイド」タブをご参照ください。当社では2x2構成の670 nm光ファイバーカプラもご用意しております。製品情報はこちらをご覧ください。

*Hytrel^®はDuPont Polymers社の登録商標です。

Alternative Fiber Coupler & Splitter Options
Double-Clad Couplers	Single Mode Couplers			Single Mode PLC Splitters		Multimode Couplers		Polarization-Maintaining Couplers		Wavelength Division Multiplexers (WDM)
2x2	1x2	2x2	1x4	1x8	1x16	1x2	2x2	1x2	2x2	Wavelength Division Multiplexers (WDM)

1x2溶融型光ファイバーカプラの仕様の定義

このタブでは、1x2カプラの主な仕様項目に関する定義について説明します。 1x2カプラは2x2光ファイバーカプラと同様の工程で製造されますが、第2の入力ポートは後方反射を最小に抑える当社独自の方法によって内部で終端処理されています。 1x2カプラは光コンバイナの用途にはお勧めしておりません。光を分岐する場合にのみお使いください。異なる波長の光を結合させる用途には、シングルモードの波長分割多重(WDM)カプラをご用意しております。 1x2カプラのポートは下の図のような構成になっています。

過剰損失

過剰損失(dB)は、全出力パワーの全入力パワーに対する比で決まります。

Excess Loss

P_port1は、Port 1の入力パワー、P_port2+P_port3はPorts 2と3の出力パワーの合計です。パワーの単位は全てmWです。

偏波依存性損失(PDL)

偏波依存性損失は、偏光状態によって変化した透過率の最大値と最小値の比率と定義されます。この仕様値は、偏光を維持するよう設計されていなカプラのみに適用します。PDLは常にdB単位で表し、下記の式で求めることができます。

Polarization Dependent Loss Equation

このときP_maxは、すべての偏光状態を走査したときのカプラの透過率の最大値です。P_minは同じく偏光を走査した時の最小の透過率です。

光反射減衰量(ORL)/ダイレクティビティ

ダイレクティビティは、ポート1を入力部として使用した際に、カプラ内部で終端処理されたファイバ端で損失する入射光の割合として規定されます。以下の式を用いて計算し、dBで表します。

Directivity or Return Loss

P_port1ならびにP_port1bは、それぞれPort 1ならびに内部で終端処理されたファイバでの光パワー(mW)です。この出力パワーはカプラの分岐部における後方反射によるもので、Port 2と3の出力側のロスに相当します。50:50のカプラにおけるダイレクティビティは、光反射減衰量(ORL)と等しくなります。

挿入損失

挿入損失は、カプラのどちらかの出力ポート(信号またはタップ)からの出力パワーに対する、入力パワーの比として定義されます。挿入損失は常にデシベル(dB)で表します。一般的に以下の式で定義されます。

Insertion Loss

ここで、P_inは入力パワー(mW)、P_outは出力パワー(mW)です。当社の1x2カプラは、信号出力、タップ出力両方の仕様値を規定しています。仕様書には常に信号出力の挿入損失が先に記載されています。特定の出力(Port 2またはPort 3)の挿入損失は以下の式で定義します。

挿入損失には分岐の影響(例:ほかの出力ポートに伝達される光)と過剰損失(例:カプラから失われる光)の両方が含まれます。各出力ポート(信号出力とタップ出力)ごとに許容される最大挿入損失は規定されています。しかしそれぞれの出力ポートの挿入損失は、ほかの出力ポートに分岐した光と相関しているため、両方の出力ポートで同時に最大挿入損失に達することはありません。

挿入損失のdBm単位での計算
挿入損失は、dBmの単位で表した光パワーでも簡単に求められます。下の式はmWならびにdBmで表した光パワー間の関係です。

従って、dBで表す挿入損失は、以下の式で求められます。

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分岐比計算結果のグラフ表示

分岐比

挿入損失(dB)はカプラの各分岐からの出力パワーに対する入力パワーの比ですが、ここでは波長の関数として表しています。これには分岐の影響と過剰損失値が含まれています。分岐比は挿入損失の測定値から算出します。分岐比(%)は各出力ポート(ポート2および3)からの光パワーの、両方の出力ポートからの光パワーの合計に対する比で、これも波長の関数として表しています。経路Aは、ポート1からポート2へ伝播する光を表し、経路Bはポート1からポート3へ伝播する光を表します。水の吸収帯域などのスペクトル特性については、どちらの分岐も等しく影響を受けるため、分岐比には影響が現れません。

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均一性計算結果のグラフ表示

均一性

均一性も、分岐比と同様に挿入損失の測定値から算出できます。均一性とは規定の帯域における挿入損失の変化量(dB)のことです。規定のスペクトル領域において、挿入損失がどれだけ均一に分布しているかを表す尺度です。経路Aの均一性は、挿入損失の最大値と赤い実線で示された挿入損失曲線(上のグラフ参照)との差になります。経路Bの均一性は、青い実線で示された挿入損失曲線と挿入損失の最小値の差になります。

ファイバーカプラの検査とその手順

当社のカプラ製造過程においては、広帯域カプラの2つの分岐部分を結合させる時に分岐比と帯域幅のモニタを行います。これにより各カプラが、規定の帯域において仕様に記載された性能を有していることが確認できます。それぞれのカプラには、これらの検査結果をまとめた個別のデータシートをご提供しています。右のリンクをクリックするとサンプルデータをご覧いただけます： 630 nm、670 nm

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ステップ1

カプラの1本目の分岐(経路A)となるファイバの一方に光源を接続し、もう一方はスイッチに接続します。このスイッチには光スペクトラムアナライザ(OSA)が接続されています。

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ステップ2

ファイバおよびスイッチを通過した光源のスペクトルをOSAで測定し、ゼロ調整をします。

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ステップ3

2本目の分岐(経路B)となるファイバの一方に光源を接続し、もう一方はスイッチの2番目のポートに接続します。このスイッチにはOSAが接続されています。ファイバおよびスイッチを通過した光源のスペクトルを同様に測定し、ゼロ調整をします。

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ステップ4

2本のファイバは製造ステーションで溶融結合し、カプラ構成となります。この溶融結合過程において、カプラの両端からの出力はOSAでモニタされます。カプラの分岐比や過剰損失、挿入損失の値が求められた仕様値に達した時点で溶融結合を中止します。

1x2カプラでは、ファイバ端のいずれか一方がカプラの筐体内部で終端処理されています。終端処理は出力からの後方反射を抑えるように施されています。

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挿入損失(dB)は、入力パワーに対するカプラの各分岐部分からの出力パワーの波長毎の比を表しています。これにより分岐比と過剰損失が得られます。分岐比は挿入損失の測定値から算出します。分岐比(%)は各出力ポート(AおよびB)からの光パワーと両方の出力ポートからの光パワーの合計との比を波長毎に表したものです。どちらの分岐部分も等しく影響を受けるため、吸水域などのスペクトル特性の影響は受けません。当社の広帯域カプラの分岐比のグラフをご覧になるには、下の表のInfoアイコンをクリックしてください。

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均一性も同様に挿入損失の測定値から算出できます。均一性とは規定の帯域における挿入損失の変化量(dB)のことです。規定のスペクトル領域において、挿入損失がどれだけ均一に分布しているかを表す尺度です。経路A の均一性は、挿入損失の最大値と赤い実線で示された挿入損失曲線(上のグラフ参照)との差になります。経路B の均一性は、青い実線で示された挿入損失曲線と挿入損失の最小値の差になります。広帯域カプラの均一性を表すグラフをご覧になるには、下の表のInfoアイコンをクリックしてください。

Requirement Limits
Parameter	Limit
Change in Insertion Loss (ΔIL)	≤0.2 dB
Coupling Ratio	±1.5%

GR-1221-COREに準拠した試験

当社の2x2、1300 nmシングルモード溶融型ファイバーカプラは、Generic Reliability Assurance Requirements for Passive Optical Components, Issue 2 (GR-1221-CORE)に準拠した信頼性試験を実施しています。制御された環境で使用されないことを想定されて試験が実施されており、パッシブ型部品としては最も厳しい試験条件の1つです。この試験プログラムの結果によってカプラとその量産向けの製造工程、そして制御されていない環境下での使用の適格性を確認しています。試験報告書のPDFはこちらからダウンロードいただけます。

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衝撃試験のセットアップ

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衝撃試験装置SM-105

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振動試験のセットアップ

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ダンプヒート試験(高温高湿試験)のセットアップ

試験条件

この試験プログラムは5つの試験群で構成されています。サンプルサイズは各試験群ごとに11です。試験は1310 nmレーザ光源を1310 nmカプラに入力しました(1x16カプラ使用)。各カプラの2つの出力部をパワーメータPM100USB(センサーヘッドS154C付き)で測定しています。

試験条件

衝撃試験(群1)

これらのタップ比が10%の溶融カプラは3つの機械試験を実施しています。衝撃試験と振動試験は、NTS Environmental and Mechanical Testing Laboratoryで実施されています。ファイバの引張試験は自社内で実施しています。衝撃試験では、加速度計3200B4が組み込まれた衝撃試験装置Avex SM-105を用いてカプラに衝撃を加えています。振動試験では、Dynamic Solutions社の振動装置DS-2200VH/8-19、振動コントローラVT1436と加速度計356A01を使用して振動を与えています。引張試験として、2方向へのファイバーサイドプル試験(0.23 kg 、90° 、5秒間)を実施しています。

Test Parameter

Conditions

Reference

Mechanical Shock

Acceleration: 500 g
Pulse Width: 1 ms
Pulse Shape: Half-Sine
# of Directions: 6
# of Shocks/Direction: 5

MIL-STD-993
Method 2002

Vibration

Acceleration: 20 g
Frequency Range: 20 Hz to 2000 Hz
Duration: 4 min/cycle
Number of Cycles/Axis: 4
Axes: X, Y, Z

MIL-STD-883
Method 2007
Condition A

Fiber Side Pull

0.23 kg, 90°, 5 sec, 2 directions

GR-1209-CORE

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ダンプヒート(高温高湿)試験(群2)

このカプラの性能試験は自社施設において行われました。Test Equity Model 115A Temperature Chamberを使用して温度85 °C ± 2 °C、相対湿度85% ± 5%を2000時間維持しました。

Test Parameter

Conditions

Reference

Damp Heat

85 °C (±2 °C)
85% (±5%) Relative Humidity
2000 Hours

MIL-STD-883 Method 103

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高温試験(群3)

このカプラの性能試験は、自社施設において実施しました。Test Equity Model 115A Temperature Chamberを使用して温度85 °C ± 2 °C、相対湿度< 40%を2000時間維持しました。

Test Parameter

Conditions

Reference

High Temperature Storage (Dry Heat)

85 °C (±2 °C)
< 40% Relative Humidity
2000 Hours

EIA/TIA-455-4A

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低温試験(群4)

このカプラの性能試験は、自社施設において実施しました。Test Equity Model 115A Temperature Chamberを使用して温度-40 °C ± 5 °C、相対湿度制御なしを2000時間維持しました。

Test Parameter

Conditions

Reference

Low Temperature Storage

-40 °C (±5 °C)
Uncontrolled Relative Humidity
2000 Hours

EIA/TIA-455-4A

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温度サイクル試験(群5)

自社施設において温度サイクルを印加し、その際のカプラの性能を試験しました。-40 °C～85 °C (±2 °C)を400サイクル温度変化させています(各サイクルごとに室温で10分間の休止があり)。

Test Parameter

Conditions

Reference

Temperature Cycling

-40 °C to 85 °C (±2 °C)
400 Cycles with 10 Minute Pause at Room Temperature

MIL-STD-883
Method 1010

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Quick Links
Damage at the Air / Glass Interface
Intrinsic Damage Threshold
Preparation and Handling of Optical Fibers

レーザによる石英ファイバの損傷

このチュートリアルではコネクタ無し(素線)ファイバ、コネクタ付きファイバ、およびレーザ光源に接続するその他のファイバ部品に関連する損傷メカニズムを詳しく説明しています。そのメカニズムには、空気/ガラス界面(自由空間結合時、またはコネクタ使用時)ならびにファイバ内における損傷が含まれます。ファイバ素線、パッチケーブル、または溶融型カプラなどのファイバ部品の場合、損傷につながる複数の可能性(例:コネクタ、ファイバ端面、機器そのもの)があります。ファイバが対処できる最大パワーは、常にそれらの損傷メカニズムの中の最小の限界値以下に制限されます。

損傷閾値はスケーリング則や一般的なルールを用いて推定することはできますが、ファイバの損傷閾値の絶対値は利用方法やユーザ定義に大きく依存します。このガイドは、損傷リスクを最小に抑える安全なパワーレベルを推定するためにご利用いただくことができます。適切な準備と取扱い方法に関するガイドラインにすべて従えば、ファイバ部品は規定された最大パワーレベルで使うことができます。最大パワーの値が規定されていない場合は、部品を安全に使用するために下表の「実用的な安全レベル」の範囲に留めてご使用ください。パワー処理能力を低下させ、ファイバ部品に損傷を与える可能性がある要因は、ファイバ結合時のミスアライメント、ファイバ端面の汚れ、あるいはファイバそのものの欠陥などですが、これらに限られるわけではありません。特定の用途におけるファイバのパワー処理能力に関するお問い合わせは当社までご連絡ください。

Power Handling Limitations Imposed by Optical Fiber

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損傷のないファイバ端

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損傷のあるファイバ端

空気/ガラス界面における損傷

空気/ガラス界面ではいくつかの損傷メカニズムが存在する可能性があります。自由空間結合の時、またはコネクタで2本のファイバを結合した時、光はこの界面に入射します。高強度の光は端面を損傷し、ファイバのパワー処理能力の低下や恒久的な損傷につながる場合があります。コネクタ付きのファイバで、コネクタがエポキシ接着剤でファイバに固定されている場合、高強度の光によって発生した熱により接着剤が焼けて、ファイバ端面に残留物が残る可能性があります。

Estimated Optical Power Densities on Air / Glass Interface^a
Type	Theoretical Damage Threshold^b	Practical Safe Level^c
CW (Average Power)	~1 MW/cm²	~250 kW/cm²
10 ns Pulsed (Peak Power)	~5 GW/cm²	~1 GW/cm²

すべての値はコネクタ無し(素線)の石英ファイバに対する仕様で、クリーンな状態のファイバ端面への自由空間結合に適用されます。
損傷リスク無しでファイバ端面に入射できる最大パワー密度の推定値です。これはシステムに大きく依存するため、ハイパワーで使用する前に光学系内のファイバ部品の性能ならびに信頼性の確認をお客様ご自身で実施していただく必要があります。
ほとんどの使用状態でファイバを損傷することなく端面に入射できる安全なパワー密度の推定値です。

ファイバ素線端面での損傷メカニズム

ファイバ端面での損傷メカニズムはバルクの光学素子の場合と同様なモデル化ができ、UV溶融石英(UVFS)基板の標準的な損傷閾値を石英ファイバに当てはめることができます。しかしバルクの光学素子とは異なり、光ファイバの空気/ガラス界面においてこの問題に関係する表面積やビーム径は非常に小さく、特にシングルモードファイバの場合はそれが顕著です。パワー密度が与えられたとき、ファイバに入射するパワーは、小さいビーム径に対しては小さくする必要があります。

右の表では光パワー密度に対する2つの閾値が記載されています。理論的な損傷閾値と「実用的な安全レベル」です。一般に、理論的損傷閾値は、ファイバ端面の状態も結合状態も非常に良いという条件で、損傷のリスク無しにファイバの端面に入射できる最大パワー密度の推定値を表しています。「実用的な安全レベル」のパワー密度は、ファイバ損傷のリスクが極めて小さくなる値を示しています。ファイバまたはファイバ部品をこの実用的な安全レベルを超えて使用することは可能ですが、その時は取扱い上の注意事項を適切に守り、使用前にローパワーで性能をテストする必要があります。

シングルモードの実効面積の計算
シングルモードファイバの実効面積は、モードフィールド径(MFD)、すなわちファイバ内の光が伝搬する部分の断面積によって定義されます。この面積にはファイバのコアとクラッドの一部が含まれます。シングルモードファイバとの結合効率を良くするためには、入射ビーム径をファイバのモードフィールド径に合致させなければなりません。

例として、シングルモードファイバSM400を400 nmで使用した時のモードフィールド径(MFD)は約Ø3 µmで、SMF-28 Ultraを1550 nmで使用したときのモードフィールド径(MFD)はØ10.5 µmです。これらのファイバの実効面積は下記の通り計算します。

SM400 Fiber: Area = Pi x (MFD/2)² = Pi x (1.5 µm)² = 7.07 µm²= 7.07 x 10^-8 cm² SMF-28 Ultra Fiber: Area = Pi x (MFD/2)² = Pi x (5.25 µm)² = 86.6 µm²= 8.66 x 10^-7 cm²

ファイバ端面が対応できるパワーを推定するには、パワー密度に実効面積を乗じます。なおこの計算は均一な強度プロファイルを想定しています。しかしほとんどのレーザービームでは、シングルモード内でガウス分布を示すため、ビームの端よりも中央のパワー密度が高くなります。よって、これらの計算は損傷閾値または実用的安全レベルに対応するパワーとは若干異なることを考慮する必要があります。連続光源を想定して上記のパワー密度の推定値を使用すると、それぞれのパワーは下記のように求められます。

SM400 Fiber: 7.07 x 10^-8 cm² x 1 MW/cm²= 7.1 x 10^-8 MW = 71 mW (理論的損傷閾値)
7.07 x 10^-8 cm² x 250 kW/cm² = 1.8 x 10^-5 kW = 18 mW (実用的な安全レベル)

SMF-28 Ultra Fiber: 8.66 x 10^-7 cm²x 1 MW/cm² = 8.7 x 10^-7 MW = 870 mW (理論的損傷閾値)
8.66 x 10^-7 cm² x 250 kW/cm²= 2.1 x 10^-4 kW = 210 mW (実用的な安全レベル)

マルチモードの実効面積
マルチモードファイバの実効面積は、そのコア径によって定義されますが、一般にシングルモードファイバのMFDよりもはるかに大きくなります。当社では最適な結合を得るためにコア径のおよそ70～80%にビームを集光することをお勧めしています。マルチモードファイバでは実効面積が大きくなるほどファイバ端面でのパワー密度は下がるので、より大きな光パワー(通常キロワットオーダ)を入射しても損傷は生じません。

フェルール・コネクタ付きファイバに関する損傷メカニズム

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コネクタ付きシングルモード石英ファイバに入力可能なパワー処理限界値(概算)を示したグラフ。各線はそれぞれの損傷メカニズムに応じたパワーレベルの推定値を示しています。入力可能な最大パワーは、損傷メカニズムごとに制限されるパワーのうちの一番小さな値(実線で表示)によって制限されます。

コネクタ付きファイバのパワー処理能力に関しては、ほかにも考慮すべき点があります。ファイバは通常、エポキシ接着剤でセラミック製またはスチール製のフェルールに取り付けられています。光がコネクタを通してファイバに結合されると、コアに入射せずにファイバを伝搬する光は散乱されてファイバの外層からフェルール内へ、さらにフェルール内でファイバを保持する接着剤へと伝搬します。光の強度が大きいとエポキシ接着剤が焼け、それが蒸発して残留物がコネクタ端面に付着します。これによりファイバ端面に局所的に光を吸収する部分ができ、それに伴って結合効率が減少して散乱が増加するため、さらなる損傷の原因となります。

エポキシ接着剤に関連する損傷は、いくつかの理由により波長に依存します。一般に、光の散乱は長波長よりも短波長で大きくなります。短波長用のMFDの小さなシングルモードファイバへの結合時には、ミスアライメントに伴ってより多くの散乱光が発生する可能性があります。

エポキシ樹脂が焼損するリスクを最小に抑えるために、ファイバ端面付近のファイバとフェルール間にエポキシ接着剤の無いエアギャップを有するファイバーコネクタを構築することができます。当社の高出力用マルチモードファイバーパッチケーブルでは、このような設計のコネクタを使用しております。

複数の損傷メカニズムがあるときのパワー処理限界値を求める方法

ファイバーケーブルまたはファイバ部品において複数の損傷要因がある場合(例：ファイバーパッチケーブル)、入力可能なパワーの最大値は必ずファイバ部品構成要素ごとの損傷閾値の中の一番小さな値により決まります。この値が一般的にはパッチケーブルの端面に入射可能な最大のパワーを表します(出力パワーではありません)。　

右のグラフは、シングルモードパッチケーブルにおけるファイバ端面での損傷とコネクタでの損傷に伴うパワー処理限界の推定値を例示しています。ある波長におけるコネクタ付きファイバの総合的なパワー処理限界値は、その波長に対する2つの制限値の小さい方の値(実線)によって制限されます。488 nm付近で使用しているシングルモードファイバは主にファイバ端面の損傷(青い実線)によって制限されますが、1550 nmで使用しているファイバはコネクタの損傷(赤い実線)によって制限されます。

マルチモードファイバの実効面積はコア径で定義され、シングルモードファイバの実効面積より大きくなります。その結果、ファイバ端面のパワー密度が小さくなり、大きな光パワー(通常キロワットオーダ)を入射してもファイバに損傷は生じません(グラフには表示されていません)。しかし、フェルール・コネクタの損傷による限界値は変わらないため、マルチモードファイバが処理できる最大パワーはフェルールとコネクタによって制限されることになります。

上記の値は、取り扱いやアライメントが適切で、それらによる損傷が生じない場合のパワーレベルです。また、ファイバはここに記載されているパワーレベルを超えて使用されることもあります。しかし、そのような使い方をする場合は一般に専門的な知識が必要で、まずローパワーでテストして損傷のリスクを最小限に抑える必要があります。その場合においても、ハイパワーで使用するファイバ部品は消耗品と捉えた方が良いでしょう。

ファイバ内の損傷閾値

空気/ガラス界面で発生する損傷に加え、ファイバのパワー処理能力はファイバ内で発生する損傷メカニズムによっても制限されます。この制限はファイバ自体が本質的に有するもので、すべてのファイバ部品に適用されます。ファイバ内の損傷は、曲げ損失による損傷とフォトダークニングによる損傷の2つに分類されます。

曲げ損失
ファイバが鋭く曲げられると、コア内を伝搬する光がコア/クラッド界面において反射する際に、その反射角が全反射臨界角よりも大きくなります。曲げ損失は、このように内部全反射ができなくなることにより生じる損失です。このような状況下では、光はファイバから局所的に漏れだします。漏れる光のパワー密度は一般に大きく、ファイバのコーティングや補強チューブが焼損する可能性があります。

特殊ファイバに分類されるダブルクラッドファイバは、コアに加えてファイバのクラッド(2層目)も導波路として機能するため、曲げ損失による損傷のリスクが抑えられます。クラッドと被覆の界面の臨界角をコアとクラッドの界面の臨界角より大きくすることで、コアから漏れた光はクラッド内に緩く閉じ込められます。その後、光はセンチメートルからメートルオーダーの距離に渡って漏れ出しますが、局所的ではないため損傷リスクは最小に留められます。当社ではメガワットレベルの大きなパワーにも対応するNA 0.22のダブルクラッドマルチモードファイバを製造、販売しております。

フォトダークニング
もう1つのファイバ内の損傷メカニズムとして、特にコアにゲルマニウムが添加されたファイバをUVや短波長の可視光で使用した時に起こるフォトダークニングまたはソラリゼーションがあります。これらの波長で使用されたファイバは時間の経過とともに減衰量が増加します。フォトダークニングが発生するメカニズムはほとんど分かっていませんが、その現象を緩和するファイバはいくつか開発されています。例えば、水酸イオン(OH)が非常に低いファイバはフォトダークニングに耐性があることが分かっています。またフッ化物などのほかの添加物もフォトダークニングを低減させる効果があります。

しかし、上記の対応をとったとしても、UV光や短波長に使用したファイバはいずれフォトダークニングが生じます。よってこれらの波長で使用するファイバは消耗品としてお考えください。

光ファイバの準備ならびに取扱い方法

一般的なクリーニングならびに操作ガイドライン
この一般的なクリーニングならびに操作ガイドラインはすべてのファイバ製品向けにお勧めしております。さらに付属資料やマニュアルに記載された個々の製品に特化したガイドラインも遵守してください。損傷閾値の計算は、すべてのクリーニングおよび取扱い手順に適切に従ったときにのみ適用することができます。

(コネクタ付き、またはファイバ素線に関わらず)ファイバを設置または組み込む前に、すべての光源はOFFにしてください。これにより、損傷の可能性のあるコネクタまたはファイバの脆弱な部分に集光されたビームが入射しないようにすることができます。
ファイバやコネクタ端面の品質がファイバのパワー処理能力に直結します。ファイバを光学系に接続する前に必ずファイバ端を点検してください。端面はきれいで、入射光の散乱を招く汚れや汚染物質があってはなりません。ファイバ素線は使用前にクリーブし、クリーブの状態が良好であることを確認するためにファイバ端面の点検をしてください。
ファイバを光学系に融着接続する場合、ハイパワーで使用する前にまずローパワーで融着接続の状態が良いことを確認してください。融着接続の品質が良くないと接続面での散乱が増え、ファイバ損傷の原因となる場合があります。
システムのアライメントや光結合の最適化などの作業はローパワーで行ってください。これによりファイバの(コア以外の)他の部分の露光が最小に抑えられます。ハイパワーのビームがクラッド、被覆またはコネクタに集光された場合、散乱光による損傷が発生する可能性があります。

ハイパワーでファイバを使用するための要点
光ファイバやファイバ部品は一般には安全なパワー限界値内で使用する必要がありますが、アライメントや端面のクリーニングがとても良い理想的な条件下では、ファイバ部品のパワー限界値を上げることができる場合があります。入力または出力パワーを増加させる前に、システム内のファイバ部品の性能と安定性を確認し、またすべての安全ならびに操作に関する指示に従わなければなりません。下記はファイバ内またはファイバ部品内の光パワーをの増大させること加を検討していするときに役立つご提案です。

ファイバースプライサを使用してファイバ部品をシステムに融着接続すると、空気/ファイバ界面での損傷の可能性を最小化できます。品質の高い融着接続が実現されるよう、すべて適切なガイドラインに則って実施する必要があります。融着接続の状態が悪いと、散乱や融着接続面での局所的な加熱などが発生し、ファイバを損傷する可能性があります。
ファイバまたはファイバ部品の接続後、ローパワーでシステムのテストやアライメントを実施してください。システムパワーを必要な出力パワーまで徐々に上昇させ、その間、定期的にすべての部品が適切にアライメントされ、結合効率が入力パワーによって変動していないことを確認します。
ファイバを鋭く曲げると曲げ損失が発生し、ファイバのストレスを受けた部分から光が漏れる可能性があります。ハイパワーで使用している時は、大量の光が小さな局所領域(歪みのある領域)から流出すると局所的に加熱され、ファイバが損傷する可能性があります。使用中はファイバの曲げが生じないよう配慮し、曲げ損失を最小限に抑えてください。
また、用途に適したファイバを選ぶことも損傷防止に役立ちます。例えば、ラージモードエリアファイバは、標準的なシングルモードファイバをハイパワー光用として用いる場合の良い代替品となります。優れたビーム品質を有しながらMFDも大きいため、空気/ファイバ界面でのパワー密度は小さくなります。
ステップインデックスシングルモード石英ファイバは、一般にUV光やピークパワーの大きなパルス光には使用しませんが、これはその用途に伴う空間パワー密度が大きいためです。

Posted Comments:
user (posted 2022-08-24 15:38:55.28) Can I selet a tubing for these fibers?

下の図に、当社の1x2および2x2シングルモードカプラのラインナップを掲載しています。各カプラの製品ページをご覧いただくには色付きのバーをクリックしてください。1020 nm ± 50 nm (オレンジ色)は最大50 Wまでの高出力用途用に設計されています。

1x2 SM Coupler Selection Guide

2x2 SM Coupler Selection Guide

ファイバーカプラ、分岐比50:50

当社では狭帯域および広帯域のファイバーカプラをご用意しております。全ての仕様は製造過程においてコネクタ無しで測定されたものです。広帯域カプラの詳しい検査手順は「カプラの検査」タブ内に記載されております。下の表で広帯域カプラは緑で色づけされています。

Item #^a	Center Wavelength	Bandwidth^b	Coupling Ratio^c (%)	Coupling Ratio Tolerance	Insertion Loss^c	Excess Loss^c	Uniformity	Fiber Type^b,d	Termination
TW630R5F1	630 nm	±50 nm	50:50^e (Click for Plot)	±6.0%	≤4.0 dB / ≤4.0 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/PC
TW630R5A1	630 nm	±50 nm	50:50^e (Click for Plot)	±6.0%	≤4.0 dB / ≤4.0 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/APC
TN670R5F1	670 nm	±15 nm	50:50^f (Click for Plot)	±3.0%	≤3.7 dB / ≤3.7 dB^f	< 0.3 dB (Typ.)^f	-	630HP	FC/PC
TN670R5A1	670 nm	±15 nm	50:50^f (Click for Plot)	±3.0%	≤3.7 dB / ≤3.7 dB^f	< 0.3 dB (Typ.)^f	-	630HP	FC/APC
TW670R5F1	670 nm	±75 nm	50:50^e (Click for Plot)	±6.0%	≤4.0 dB / ≤4.0 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/PC
TW670R5A1	670 nm	±75 nm	50:50^e (Click for Plot)	±6.0%	≤4.0 dB / ≤4.0 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/APC

全ての数値は規定の帯域における室温での仕様値で、上図に示されているように入力には白いポートを使用しコネクタ無しで測定されています。
ファイバのカットオフ波長より短い波長でお使いの場合、カプラのシングルモード動作は保証されません(詳細は表内「Info」欄の青いアイコンをクリックしてご覧ください)。
これらの項目についての詳細は「1x2カプラのチュートリアル」タブをご参照ください。
ご要望に応じて、他の種類のファイバでもご用意可能です。詳細は当社までお問い合わせください。
全帯域幅内における仕様
中心波長における仕様値

ファイバーカプラ、分岐比75:25

Item #^a	Center Wavelength	Bandwidth^b	Coupling Ratio^c (%)	Coupling Ratio Tolerance	Insertion Loss^c	Excess Loss^c	Uniformity	Fiber Type^b,d	Termination
TW630R3F1	630 nm	±50 nm	75:25^e (Click for Plot)	±3.75%	≤1.9 dB / ≤7.1 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/PC
TW630R3A1	630 nm	±50 nm	75:25^e (Click for Plot)	±3.75%	≤1.9 dB / ≤7.1 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/APC
TN670R3F1	670 nm	±15 nm	75:25^f (Click for Plot)	±2.0%	≤1.8 dB / ≤6.8 dB^f	< 0.3 dB (Typ.)^f	-	630HP	FC/PC
TN670R3A1	670 nm	±15 nm	75:25^f (Click for Plot)	±2.0%	≤1.8 dB / ≤6.8 dB^f	< 0.3 dB (Typ.)^f	-	630HP	FC/APC
TW670R3F1	670 nm	±75 nm	75:25^e (Click for Plot)	±3.75%	≤1.9 dB / ≤7.1 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/PC
TW670R3A1	670 nm	±75 nm	75:25^e (Click for Plot)	±3.75%	≤1.9 dB / ≤7.1 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/APC

全ての数値は規定の帯域における室温での仕様値で、上図に示されているように入力には白いポートを使用しコネクタ無しで測定されています。
ファイバのカットオフ波長より短い波長でお使いの場合、カプラのシングルモード動作は保証されません(詳細は表内「Info」欄の青いアイコンをクリックしてご覧ください)。
これらの項目についての詳細は「1x2カプラのチュートリアル」タブをご参照ください。
ご要望に応じて、他の種類のファイバでもご用意可能です。詳細は当社までお問い合わせください。
全帯域幅内における仕様値
中心波長における仕様値

ファイバーカプラ、分岐比90:10

Item #^a	Center Wavelength	Bandwidth^b	Coupling Ratio^c (%)	Coupling Ratio Tolerance	Insertion Loss^c	Excess Loss^c	Uniformity	Fiber Type^b,d	Termination
TW630R2F1	630 nm	±50 nm	90:10^e (Click for Plot)	±3.0%	≤1.0 dB / ≤11.9 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/PC
TW630R2A1	630 nm	±50 nm	90:10^e (Click for Plot)	±3.0%	≤1.0 dB / ≤11.9 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/APC
TN670R2F1	670 nm	±15 nm	90:10^f (Click for Plot)	±1.5%	≤0.9 dB / ≤11.1 dB^f	< 0.3 dB (Typ.)^f	-	630HP	FC/PC
TN670R2A1	670 nm	±15 nm	90:10^f (Click for Plot)	±1.5%	≤0.9 dB / ≤11.1 dB^f	< 0.3 dB (Typ.)^f	-	630HP	FC/APC
TW670R2F1	670 nm	±75 nm	90:10^e (Click for Plot)	±3.0%	≤1.0 dB / ≤11.9 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.2 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/PC
TW670R2A1	670 nm	±75 nm	90:10^e (Click for Plot)	±3.0%	≤1.0 dB / ≤11.9 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤1.2 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/APC

全ての数値は規定の帯域における室温での仕様値で、上図に示されているように入力には白いポートを使用しコネクタ無しで測定されています。
ファイバのカットオフ波長より短い波長でお使いの場合、カプラのシングルモード動作は保証されません(詳細は表内「Info」欄の青いアイコンをクリックしてご覧ください)。
これらの項目についての詳細は「1x2カプラのチュートリアル」タブをご参照ください。
ご要望に応じて、他の種類のファイバでもご用意可能です。詳細は当社までお問い合わせください。
全帯域幅内における仕様値
中心波長における仕様値

ファイバーカプラ、分岐比99:1

Item #^a	Center Wavelength	Bandwidth^b	Coupling Ratio^c (%)	Coupling Ratio Tolerance	Insertion Loss^c	Excess Loss^c	Uniformity	Fiber Type^b,d	Termination
TW630R1F1	630 nm	±50 nm	99:1^e (Click for Plot)	±0.6%	≤0.5 dB / ≤24.4 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤2.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/PC
TW630R1A1	630 nm	±50 nm	99:1^e (Click for Plot)	±0.6%	≤0.5 dB / ≤24.4 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤2.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/APC
TN670R1F1	670 nm	±15 nm	99:1^f (Click for Plot)	±0.6%	≤0.5 dB / ≤24.4 dB^f	< 0.3 dB (Typ.)^f	-	630HP	FC/PC
TN670R1A1	670 nm	±15 nm	99:1^f (Click for Plot)	±0.6%	≤0.5 dB / ≤24.4 dB^f	< 0.3 dB (Typ.)^f	-	630HP	FC/APC
TW670R1F1	670 nm	±75 nm	99:1^e (Click for Plot)	±0.6%	≤0.5 dB / ≤24.4 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤2.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/PC
TW670R1A1	670 nm	±75 nm	99:1^e (Click for Plot)	±0.6%	≤0.5 dB / ≤24.4 dB^e	< 0.3 dB (Typ.)^e	≤2.0 dB^e (Click for Plot)	630HP	FC/APC

全ての数値は規定の帯域における室温での仕様値で、上図に示されているように入力には白いポートを使用しコネクタ無しで測定されています。
ファイバのカットオフ波長より短い波長でお使いの場合、カプラのシングルモード動作は保証されません(詳細は表内「Info」欄の青いアイコンをクリックしてご覧ください)。
これらの項目についての詳細は「1x2カプラのチュートリアル」タブをご参照ください。
ご要望に応じて、他の種類のファイバでもご用意可能です。詳細は当社までお問い合わせください。
全帯域幅内における仕様値
中心波長における仕様値