光ファイバの製造方法

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当社の製造能力

• 石英ならびにフッ化物ガラスファイバを専門に製造しています(その他の材質についてはご要望に応じ製造可能です)。
• 透過帯域: UV～中赤外域(200 nm～5.5 μm)
• 開口数:0.10～0.48
• ファイバーコア径: 2 µm (シングルモード)～1500 µm (マルチモード)
• フッ化物ガラスのカスタムシングルモードおよびマルチモードファイバ
• 石英ガラスのカスタムマルチモードファイバ
• アクティブ用途のフッ化物ファイバは、様々なコア・クラッドサイズ、ならびにエルビウム、ツリウム、ホルミウムなどのドープが可能
• アクリルや光学ポリマなどの材質にはUV硬化コーティングが可能
• テフゼルまたはナイロンバッファ材質の射出成型
• 製造のセットアップとスケジュールは柔軟に対応できるため、試作品製造から大量生産まで対応可能
• すべてのファイバ種類について引っ張り試験、プルーフテスト、静疲労試験、動疲労試験を実施
• また、損失、損失スペクトル、曲げ損失、開口数の試験も実施
• 垂直統合工程によるファイバ製品製造なので、全プロセス一貫したフルサービスソリューションをご提供

米国ニュージャージ州ニュートンの本社にあり、ITAR準拠の当社ファイバ線引き施設は、様々な用途に応じた光ファイバを製造しております。 この施設では豊富なラインナップの標準品の製造に加え、柔軟な線引きタワー構成の変更と線引きスケジュールを必要とするカスタム仕様のファイバも製造可能です。 当社のエンジニアリングチームはアカデミック、産業用途、政府機関向けファイバの設計・製造の経験があります。

ここで線引きされたファイバは、素線やコネクタ付きのパッチケーブルとして提供され、さらには、当社のフォトニクス製品に組み込まれております。 ファイバは世界中に提供され、オプトジェネティクスからテレコミュニケーションまで様々な用途で使用されています。

1本の連続した線引きが可能なことにより、長いファイバのご要望にもお応えできます。 ただし1つのスプールに線引きできるファイバの量は、生産ロットによって異なる場合があります。 標準品ではご提供できない特殊なご要望については当社までお問合せください。 当社の線引き工程の詳細については、上の「プリフォーム」ならびに「線引き工程」のタブをご覧ください。

プリフォーム

光ファイバの製造はガラスのプリフォームの製造から始まります。 高品質のファイバを製造するためには、プリフォームの表面から汚染物質を完全に除去しなければなりません。 作業者が本体を触らずに運べるように、まずプリフォームにハンドルをつけます。 酸素・水素ガスバーナを用いてプリフォームの各端にハンドルを溶接します。 温度の変化によって溶接部に剥離が起こらないよう、ハンドルのガラスとプリフォームのガラスの熱膨張係数を一致させています。 ハンドルは再利用が可能です。

ハンドルを旋盤に固定し、プリフォームを酸素・水素ガスバーナ上に配置します。 バーナがプリフォームに沿ってゆっくり移動する間、プリフォームも回転させることによって表面の汚染物質を取り除いていきます。 このプロセスは火炎研磨と呼ばれています。 火炎研磨はガラスの一番外側の層を削り取り、その下の清潔な表面を残します。 ファイバはこの清潔な表面により最大の強度を得られるのです。

火炎研磨が終了すると、2つのハンドルのうちの1つが外され、端は先のとがった「滴」のような形状になります。 プリフォームは線引き炉の奥深くまで送り込まれます。十分に高い温度に到達すると、この滴端が落ち、線引きが開始されます。 プリフォームに付いているもう1つのハンドルはタワーでのプリフォームの支えとなります。

線引き工程の次のステップについては「線引き工程」のタブをクリックしてください。

右のファイバ線引きタワーの各工程をクリックして詳細をご覧ください。

プリフォーム

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光ファイバの製造はプリフォーム製造から始まります。 プリフォームのコア・クラッド比は線引き工程の間一定に保たれます。 完成した光ファイバのコア・クラッド比も同じです。

当社の石英ファイバ製造施設では、円筒形の石英プリフォームを使用しています。 石英は、広い波長範囲で高い透過率があり、吸収および散乱損失も低い(約0.2 dB/kmの損失)ことから、光ファイバによく用いられます。 石英はまた、機械的損傷ならびに光学損傷の両方に対して高い耐性があります。 引張りや曲げだけではなく、増幅されたレーザーパルスにも耐えられます。

当社では光ファイバを2つの方法のいずれかで製造しております。1つめは、コアとクラッドが形成されたガラスプリフォームを線引きする方法、2つめは、純粋石英ロッドを線引きし、線引き後のファイバにクラッドとして光学ポリマをコーティングする方法です。

線引きされるプリフォームはガラス旋盤の上に準備されます。 ガラス加工と火炎研磨の詳細については「プリフォーム」のタブをご覧ください。 ハンドルが付いている端はタワー最上部の供給ユニットに装着されます。

線引き炉

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最上部供給ユニットによりプリフォームが線引き炉に下ろされ、その後、加熱が始まります。 このインライン型の線引き炉おいて、プリフォームはグラファイトにより囲われています(ただし接触はしない)。 このグラファイトによりガラスシリンダの周りにむらなく熱を与えることができます。 高純度無酸素のアルゴンガスが線引き炉内を循環し、グラファイト部分を高熱から保護します。

線引き炉がプリフォームをゆっくり加熱します。 温度が上がるとプリフォームは発光し始めます。 線引き炉の熱によって明るいオレンジ色になった光は、ハンドルとプリフォームの溶接部で散乱します。 プリフォームが成形後の光ファイバと同じように光を透過させるのです。

線引き炉が約2000 °Cに達すると、プリフォームの滴状の先端が引力によって下方に落ち始め、線引き炉の底の穴を通り抜けます。 滴状の先端は火炎研磨後、取り外された石英ハンドルの跡です。

作業者が滴状の先端を切り取り、新しく線引きされたファイバを線引き炉から引き出します。 ガラスの端に小さな重りをテープで貼り、その重りをタワーに沿って位置する装置に通し、キャプスタン巻き取り装置に送ります。 この工程は下のフォトギャラリでご覧いただけます。

 

 

 

 

外径測定

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ファイバは線引き炉からキャプスタンまでおよそ11 m移動します。 ファイバが線引きされる速度は所望するファイバ径に反比例します。外径が大きいほど線引き速度は遅くなります。 ファイバは3種類の外径モニタを通過します。1つめは、線引き炉の直後にファイバ素線の外径を測定します。2つめのモニタはコーティング後、3つめはバッファ被覆後の外径を測定します。 これらのモニタはタワーの制御システムに接続されています。 ファイバ素線の外径情報はキャプスタン速度の制御と所望のファイバ径を維持するために使用されます。

 

冷却チャンバ

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ファイバは線引き炉を出た後、冷却チャンバ内を通ります。 長さ150 cmのシリンダ内は冷水とヘリウムガスが循環しており、内部温度が12 °Cに保たれています。 このチャンバを通ることでファイバの温度は室温まで下がります。 適切にコーティングを施すためにはファイバの温度が室温まで下がっている必要があります。

 

コーティング

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ファイバが適切な細さになると、作業者が使用できないファイバの下の部分を切断し、ファイバをコーティングカップに通します。 当社ではTECS、アクリレート、ポリイミドなど様々な種類でファイバをコーティングします。 TECSは3M™社によって開発された先進のハードポリマークラッド材で、現時点では当社のみがご提供しております。 ファイバがコーティングカップを通るときにコーティング層が塗布されていきます。 コーティングの厚みはコーティングカップ内の超硬ダイスの内径によって制御されています。

コーティングはファイバに塗布され、コーティングカップの真下のUV硬化ユニットで硬化されます。 このコーティングにより光ファイバの表面が守られ、本来の強度が維持されるのです。

 

最終ステップ

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ファイバータワーの1番下にあるキャプスタンは線引きの間、プリフォームから成形されるファイバを引っ張ります。 キャプスタンから出たファイバは射出機を通り、テフゼル、またはナイロンのバッファが被覆されます。 射出成型されたバッファの様子は左の写真でご覧いただけます。 バッファの色は様々な種類をご用意しております。

 

当社の製造能力

• フッ化ジルコニウム(ZrF₄)およびフッ化インジウム(InF₃)ファイバの製造
• 5.5 µmまでの中赤外域を透過
• 製造セットアップとスケジュールが柔軟に変更できるため、標準品から試作品まで製造可能
• カスタムファイバ
  • 断面形状が六角形、正方形、D形など
  • コア径が＜20 µmのシングルモードファイバ
  • コア径が＞20 µmのマルチモードファイバ
  • NAが0.10～0.35

当社の光ファイバ線引き施設では、石英ファイバの線引きのほか、フッ化ジルコニウム(ZrF₄)ならびにフッ化インジウム(InF₃)ベースのフッ化物ファイバを製造しております。フッ化ジルコニウム(ZrF4)ならびにフッ化インジウム(InF3)ファイバは、それぞれ300 nm～4.5 µmと300 nm～5.5 µmのスペクトル域で、物質吸収ピークなく高い透過率を有し、優れた機械的強度と環境安定性が備わっています。

フッ化物ファイバは中赤外域での透過に適しています。中赤外域での低い損失値は非常に低い水酸化物イオン(OH)濃度によります。フッ化物ファイバはまた、中赤外域で高い透過率を有するほかのファイバと比べて、屈折率と色分散が低くなっております。当社のフッ化物ファイバは中赤外域分光法、ファイバーセンサ、イメージング、そしてファイバーレーザの用途に適しています。

フッ化物ファイバのプリフォーム製造と線引き
当社のフッ化物ファイバは、高純度で寸法精度と強度特性に優れた製品を実現する技術をベースに製造されています。ガラス成分は純度を上げるため、グローブボックスの制御環境内で混ぜ合わせ、溶融しています。溶かしたガラスはプリフォームの型に流し込み、冷却します。

このプリフォームをタワー最上部の下向き供給ユニットに装着し、ファイバへと線引きしていきます。フッ化物ガラスファイバは、石英ファイバと同様にプリフォーム技術を用いて線引きされます(詳細は「線引き工程」のタブをご覧ください。この技術は十分に開発が進んでおり、ファイバ径、同心度、屈折率プロファイルなどの制御が可能であることが実証されています。フッ化物ガラスの線引き温度範囲は石英ガラスよりも低いので冷却時間も大幅に短縮されます。よって、フッ化物ファイバ用の線引きタワーは石英ファイバ用よりもかなり低くなります。下の図では当社フッ化物ファイバ線引きタワーの構成要素が描かれています。

当社の中赤外域用ファイバの研究開発エンジニアチームは、長年に渡ってフッ化物ガラスの研究・開発、製造ならびにファイバの線引きを行ってきました。チームは標準品の製造を専門に行うチームと、研究、開発、ならびにカスタムファイバの製造を手掛けるチームの2つに分かれています。チームの専門知識と技術、そして柔軟なタワー構造と線引きスケジュールが標準品だけではなく、カスタム仕様の製品も製造することを可能としているのです。カスタム仕様のフッ化物ファイバの製造能力については当社までお問い合わせください。

フッ化物ファイバの特性評価と試験
当社では専門チームが当社ファイバ製品の試験および特性評価を行っております。線引きされたファイバは、当社の高い品質基準に合うことを確認するために、1本1本の特性を精密に測定しています。広範囲な試験結果は当社のファイバ線引きチームにもフィードバックされ、それにより1つ1つの製造工程の厳格な管理が可能になっています。当社製造のファイバについては、カスタム仕様による試験を実施した後に発送することも可能です。ご要望により他社製ファイバのサンプルに対する試験も実施することができます。実施可能な試験やサービスは右に掲載されています。詳細は当社までお問い合わせください。

中赤外域用ファイバ線引きタワーの概略図

Kaitlin Hoffmann Fiber Business Unit Design Engineering Manager

"Thorlabs' Fiber Business Unit has the unique advantage of drawing optical fiber to our own specifications so that it is precisely suited for integration into high-end finished assemblies. Our knowledge and expertise not only provide the highest quality products for our customers but also allow us to easily customize anything from bare optical fibers to fully integrated assemblies."

With three fiber draw towers, an in-house R&D team, and on-site metrology and testing, our ITAR-qualified fiber facility is built to accommodate the flexible tower configurations and draw schedules required for volume production on short notice. It is accustomed to the on-time fulfillment of academic, industrial, and government contracts and offers same-day shipping for patch cables with custom lengths and connectors.

We are collaborating with university customers to widen our industry-leading selection of optogenetics equipment, and we routinely accept orders for modifications of Thorlabs' catalog products.