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TECSダブルクラッドステップインデックスマルチモード光ファイバ、石英コア、NA 0.22![]()
FG200LCC TECS Multimode Fiber Cross Section ![]() Please Wait
特長
これらのNA0.22、低OHまたは高OH、ハードクラッド石英マルチモードファイバは可視域~近赤外域(低OHの400~2200 nm)またはUV域~近赤外域(高OHの250~1200 nm)で高い性能と透過率を発揮します。 ダブルクラッド設計(TECSコーティングが施されたフッ素添加石英クラッド)を特長とし、特にファイバが曲がった状態で高い性能を示します。 また、このダブルクラッド設計により、ファイバの強度が増し、静疲労が低減し、被覆除去時にファイバが保護されます。 石英とTECSクラッド層による強力な付着により、ピストニングを防ぎ、さらに安定したファイバ終端処理が可能となります。 これらのファイバは分光法、オプトジェネティクス、医療診断などの用途に適しています。 他のコネクタやフェルール付きのファイバとの接続の際、TECSクラッド層はアセトンで除去することもできます。 300 nm未満の波長で使用するとソラリゼーションが発生する可能性がありますのでご注意ください。 NA0.22マルチモードファイバは他の光ファイバーパッチケーブルと同様に、標準品として取り揃えております。 下の表のMore [+]をクリックしていただくと、パッチケーブルのオプションがご覧になれます。 特注のカスタムケーブルもご提供可能です。 右側にあるCustom Fiber Patch Cablesをクリックしていただくと、カスタムケーブルについての詳細をご覧いただけます。 a. 300 nm未満の波長で使用するとソラリゼーションが発生する可能性があります。当社では、耐ソラリゼーションマルチモードファイバもご用意しています。
![]() Click to Enlarge 光ファイバ内の全反射 光ファイバ内の光の伝搬光ファイバは光学製品を大分類すると光導波路の一部で、内部全反射(TIR)を利用して個体または液体構造内に光を閉じ込め、伝搬させます。その中でも光ファイバは数多くの用途に使用され、一般的な例としては光通信、分光、照明、センサなどがあげられます。 広く使用されているガラス(石英)ファイバの構造の1つに右の図で示しているステップインデックスファイバがあります。ステップインデックスファイバのコアは周りのクラッド層よりも屈折率の高い材料でできています。 光が周りの媒質により屈折するのではなく、コアとクラッドの界面で反射する入射角が存在します。ファイバ内で全反射する条件を満たすために、ファイバの入射角をある角度より低くしなければなりません。この角度は受光角度、θaccと定義されます。 角度を求めるにはスネルの法則が使用されます。 ここでncoreはファイバのコアの屈折率、ncladはファイバのクラッドの屈折率、nは外側の媒質の屈折率、θcritは臨界角、そしてθaccはファイバの受光角度の半角となります。開口数はファイバの製造メーカが使用する無次元数で、光ファイバの受光角度により規定されます。下記の式で表します。 大径コアのステップインデックスファイバ(マルチモード)では、この式を用いてNAが直接求められます。NAはファーフィールドビームのプロファイルをたどり、ビームの中心からビーム強度が最大の5%になる点までの角度を測ることによって、実験によっても求められます。しかし、計算式でNAを直接求めることが最も正確な値を得る方法になります。
光ファイバ内のモード数光ファイバ内で光が伝搬する経路はファイバの導波モードとして知られています。コア・クラッド領域の物理的寸法、屈折率、そして波長により、1本の光ファイバ内では1から何千のモードが存在することになります。最も一般的に製造されているのは2種類で、シングルモードファイバ(単一導波モードが存在)とマルチモードファイバ(多数の導波モードが存在)があります。マルチモードファイバにおいては、低次モードではファイバのコア内に光を空間的に閉じ込める傾向があり、一方、高次モードではコアとクラッドの界面近くで光を空間的に閉じ込める傾向があります。 光ファイバのモード数(シングルモードまたはマルチモード)はいくつかのシンプルな計算により予測することができます。規格化された光の周波数(V-number)は自由空間光周波数に比例する無次元数ですが、光ファイバの導波特性を示します。V-numberは下の式で定義されます。 Vは規格化周波数(V-number)、aはファイバのコア半径、λは自由空間波長です。マルチモードファイバのV-numberは大きく、例えば、コアØ50 µm、NA0.39のマルチモードファイバのV-numberは波長1.5 µmにおいて40.8です。 V-numberが大きいマルチモードファイバにおけるモード数は下の関係式で概算します。 上記のコアØ50 µm、NA0.39のマルチモードファイバの例では、ファイバ内を同時期に伝搬するモード数は約832となります。 シングルモードファイバはV-numberが2.405未満あると定義されています。これは光がファイバの基本モードのみに結合することを表しています。この条件を満たすためにシングルモードファイバは同じ波長でのマルチモードファイバに比べてコアサイズとNAが大幅に小さくなります。1つの例として、SMF-28 Ultraのシングルモードファイバの公称NAは0.14、コアはØ8.2 µmで、1550 nmにおけるVナンバは2.404です。
![]() Click to Enlarge マクロベンドロスによる減衰 ![]() Click to Enlarge マイクロベンドロスによる減衰 ![]() Click to Enlarge マルチモードファイバFT200EMT透過後のビームプロファイル測定結果。旧製品LED M565F1(代替品 M565F3) の光がコアではなく、ファイバのクラッドに導かれていることが示されています。 減衰の要因光ファイバ内の損失は減衰とも呼ばれ、ファイバの全伝送損失を予測するために特性化し、数値化されます。これらの損失の原因は通常波長に依存し、またファイバそのものに使用されている材料からファイバの曲げによるものなど様々です。減衰が生じる一般的な要因を下記に説明しております。 吸収 ファイバ内の異物も吸収損失の原因となります。 不純物質の1例は、1300 nmと2.94 µm付近の光を吸収する、ファイバのガラス内に閉じ込めれた水分子です。アプリケーションによっては(光通信など)はこの波長領域を利用するため、ファイバ内の水分子が信号を大幅に減衰します。 製造メーカではよくファイバーガラス内のイオンの密度を制御することでファイバの透過・減衰特性の調整を行っています。例えば、水酸化物イオン(OH-)はもともと石英に含まれていて、近赤外~赤外スペクトル域で光を吸収します。そのため、低OHのファイバは通信波長での透過に適しています。一方で高OHのファイバは通常、UV波長で透過率が増加するため、蛍光用途やUV~可視域での分光用途向けに適しています。 散乱 曲げ損失 マクロベンドロスは一般的に光ファイバの物理的な曲げ、例えば細いコイルに巻くような場合に生じる損失です。右の画像のように、導波光はファイバのコアならびにクラッド領域内に空間的に分布されています。ファイバを曲げた場合、径の外側付近の光は速度を上げないことには同じ空間モードプロファイルを維持することはできません。維持できない場合、放射光として光エネルギが周囲に奪われます。曲げ半径が大きいと曲げに関わる損失は小さくなります。ただし、推奨するファイバの曲げ半径より小さい曲げ半径では大幅な曲げ損失となります。光ファイバは、短時間であれば小さい曲げ半径でも動作可能ですが、長期間保管する際の曲げ半径は推奨する値よりも大きくしてください。 適切な保管状態(温度と曲げ半径)でファイバの恒久的な損傷の可能性を下げることができます。ファイバ収納リールFSR1は高曲げ損失が最小に抑えられるよう設計されています。 マイクロベンドロスは、ファイバの内部形状、とりわけコアとクラッド層の変化により起こります。これらのファイバ構造内のランダムな変化(凹凸など)は、内部全反射に必要な条件を妨げ、伝搬する光がファイバの外に漏れる非伝搬モードに結合する原因となります(右の画像をご覧ください)。曲げ半径によるマクロベンドロスとは異なり、マイクロベンドロスはファイバの製造過程で起こるファイバの恒久的な欠陥によるものです。 クラッドモード クラッドモードはそのビームの空間プロファイルへの影響により、用途(例:自由空間への入射)によっては望ましくない場合があります。ファイバ長が長くなると、このモードは自然に減衰します。ファイバ長が短い場合(<10 m)、希望する伝搬モードを維持しながらファイバからクラッドモードを除去する方法の1つとして、マンドレルラップを使用してクラッドモードが除去できる半径で曲げる方法があります。
入射状態アンダーフィルの入射状態 オーバーフィルの入射状態 アンダーフィルとオーバーフィルの入射状態には、用途の要件によって長所や欠点があります。マルチモードファイバの基本性能を測定するには、ファイバのコア径に対して70~80%のビーム径の入射光を使用することをお勧めします。オーバーフィル状態のファイバは、短い距離では出力パワーが高くなります。しかし、長い距離(>10~ 20 m)では減衰の影響をより受けやすい高次モードが消失します。
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。 ![]() Click to Enlarge 損傷のないファイバ端 ![]() Click to Enlarge 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。
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(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。 シングルモードならびにマルチモードファイバの実効面積の計算 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 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) SMF-28 Ultra Fiber: 8.66 x 10-7 cm2 x 1 MW/cm2 = 8.7 x 10-7 MW = 870 mW (理論的損傷閾値) 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![]() Click to Enlarge 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 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 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
ハイパワーでファイバを使用するための要点
当社で行った特性確認実験:マルチモードファイバを用いたビームプロファイルの変更ビーム入射角がマルチモードファイバからの出力ビームプロファイルに与える影響についての測定結果をご紹介しています。いくつかの用途では、一般的な光学素子から得られる特有のガウシアン分布の代わりに、トップハット型やドーナツ型のようなビーム分布が望ましい場合があります。この実験では、マルチモードパッチケーブルへ入射する集光ビームの入射角を変化させた場合の影響について調べました。光をファイバ端面に対して垂直に集光すると、ガウシアン分布に近い出力ビームプロファイル(図1)が発生し、入射角を大きくするとトップハット型(図2)またはドーナツ型(図3)のビームプロファイルが発生します。この結果は、マルチモードファイバをどのように使用してビームプロファイルの形状を変更するかを示しています。 実験にはØ200 µm、NA 0.39のステップインデックスファイバーパッチケーブルM38L01(ファイバ素線型番 FT200EMT)をテスト用ファイバとして使用し、集光ビームを入射させました。入射光は、初期、トップ型およびドーナツ型プロファイルを形成するように、マルチモードファイバの入射面に対してそれぞれ0°、11°、15°の入射角で設定しました。入射角を変更する度に、最大の結合効率が得られるよう出力パワーをパワーメータでモニタし、入射ファイバが適切にアライメントされるようにしました。9秒の露光時間でイメージを取得し、ビームプロファイルの形状を評価しました。露光中は、結合用の光学素子(テスト用ファイバの前方)の間で1500 gritの拡散板を手動で回転させて、空間的コヒーレンスを減少させ、きれいなビームプロファイルが形成されるようにしました。 光線追跡モデルを仮定すると、マルチモードファイバに沿って伝搬する一般的な光線には次の2種類があります。毎回反射後にファイバの中心軸を通過する(a)メリジオナル光線と、ファイバの中心軸を通過しない(b)スキューレイです。下図では、この実験で観察された3種類の基本的な光線伝搬の様子を示しています。図4および6は、メリジオナル光線とスキューレイがそれぞれマルチモードファイバを伝搬する様子と、ファイバ出力時の理論的なビーム分布を示しています。図6のように、スキューレイはファイバに沿って螺旋軌道を描きながら伝搬します。その際、半径がrの内側の火面と正接しています。図5は、メリジオナル光線とスキューレイの合成ビームの伝搬と分布を示しています。マルチモードファイバに入射する光の入射角を変更することで、伝搬するメリジオナル光線とスキューレイの割合を変えることができました。その結果、出力をガウシアンに近い分布(主にメリジオナル光線、図1参照)からトップハット型(メリジオナル光線とスキューレイの合成、図2参照)、そしてドーナツ型(主にスキューレイ、図3参照)に変えることができました。図4から6で示されているビームプロファイルは、ファイバ端面から5 mm離れた場所で得たものです。このことから、標準的なマルチモードパッチケーブルを使用すれば、入力ガウシアンプロファイルを損失を最小限に抑えながらトップハット型およびドーナツ型のプロファイルへ変更することが比較的低価格に行えるということがわかります。この実験に使用された装置や実験結果のまとめはこちらをクリックしてご覧ください。 ![]() 図1. 入射角0°(ファイバ端面に垂直)で得られたガウシアンに近いビームプロファイル ![]() 図3. 入射角15°で得られたドーナツ型ビームプロファイル ![]() 図2. 入射角11°で得られたトップハット型ビームプロファイル ![]() Click to Enlarge 図4. ガウシアンに近いプロファイルに対応してメリジオナル光線が伝搬する様子 ![]() Click to Enlarge 図6. ドーナツ型プロファイルに対応してスキューレイが伝搬する様子 ![]() Click to Enlarge 図5. トップハット型プロファイルに対応してメリジオナル光線とスキューレイが伝搬する様子 当社ではマルチモードファイバ素線を石英コア、フッ化ジルコニウム(ZrF4)コア、フッ化インジウム(InF3)コアでご用意しております。下の表には当社がご提供するマルチモードファイバ素線の詳細を掲載しています。表の右端の列のグラフのアイコンをクリックいただくと、損失のグラフをご覧いただけます。
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