Vytran®光ファイバー融着接続機、フィラメント加熱型

Figure 1.1  Vytran光ファイバ融着接続機LFSシリーズの使用例

概要

• クラッド径1.25 mmまでの標準ファイバ、特殊ファイバ、ならびにSoft Glassファイバの融着接続
  • フィラメント加熱により精密で安定した融着
  • 幅広い温度ダイナミックレンジにより様々なサイズのファイバや融着方法に対応
  • 火炎研磨による融着力の強化
  • 電力分解能：広温度範囲において0.1 W (LFS4100)、または低い転移温度のSoft Glassファイバの場合0.01 W (LFS4200)
• True Core Imaging^®技術により高い分解能でファイバーアライメント
• モードフィールドアダプタ作製用の熱拡散型ファイバーコア
• リアルタイムの制御システムならびにマシンレベルのプログラミング

カスタムシステムを構築可能(下記のアイテムを選択してください)

• (必須) 標準的なファイバや大口径および特殊ファイバ用の融着接続機(LFS4100)、またはSoft Glassファイバ用融着接続機(LFS4200)
• (オプション) フィラメントアセンブリはグラファイト、イリジウムまたはタングステンからお選びください(LFS4100にはグラファイトフィラメントFTAV4 が1個付属。LFS4200にはインジウムフィラメントFRAV1が1個付属)。
• (必須) 上部ならびに底部インサート：上部インサートを2個、底部インサートを2個(詳細は「ファイバーホルダーインサート」のタブをご覧ください)。
• (オプション) ファイバの融着接続準備用の超音波洗浄機

Vytran^®光ファイバ融着接続機は標準的な光ファイバ、大径および特殊光ファイバ、およびSoft Glass Fiberに対応し、フィラメント融着技術と高度なプロセス制御機能、操作のしやすさを兼ね備えています。この特長により、精密で安定した性能が要求される量産製造現場でのご使用や、研究や開発に適したシステムとなっています。このスプライサはクラッド径Ø125 µm～Ø1.25 mmのファイバを高品質で融着接続できます。

各システムは、フィラメントタイプのヒータ、高解像度の顕微鏡CCDイメージングシステム、多軸制御機能付き精密ステージ、およびデスクトップPCで構成されています。どちらのフィラメント加熱システムも優れた加熱制御が可能です。LFS4100は3000 °Cまでの広い温度チューニングレンジで、フィラメントの電力分解能が0.1 Wを備えており、様々なタイプやサイズのファイバを融着・加工することができます。LFS4200は1000 ℃までの狭い温度範囲に対応し、フィラメントの電力分解能は0.01 Wと向上しています。フッ化物ファイバなど低い転移温度のSoft Glassファイバの融着に必要な精密制御が可能です。アライメント用に使用するイメージングシステムでは、ファイバの拡大画像をサブミクロンレベルの分解能で表示します。このカメラではファイバの側面と端面の両方が表示されます。この画像を利用して、XYおよび回転ステージは自動的にファイバを適切な位置に移動させます。この機能により、高品質で低損失の融着が実現されます。また、ファイバを回転させる機能を備えており、PMファイバ、偏心コアファイバ、非円形ファイバのアライメントが可能で、さらに、カールしているファイバを加熱ゾーン中心部へより正確に合わせることができます。

フィラメントによる融着と火炎研磨
Vytranで採用されているフィラメント融着技術により、安定した信頼性の高い高強度・低損失の融着が可能です。融着プロセスにおける精密制御は、融着する部分を不活性ガスでパージし、ファイバ融着のための熱源としてグラファイト、イリジウムまたはタングステン製の抵抗体フィラメントを用いることで実現されます。融着用の熱源は隔離されているため、フィラメントを用いた融着接続は周囲環境の影響を受けません。システム内の状態制御と熱源の一定出力制御により、常に再現性の高い融着を行うことができます。

石英ファイバを融着する場合、融着後の火炎研磨過程で融着部分に短時間の熱処理を施すことにより、融着力が著しく強化されます。また、火炎研磨で生じるコアの拡散によりファイバのモードフィールド径が断熱的に拡大するため、異なる種類のファイバを低損失で融着できます。詳細については「融着接続」のタブをご覧ください。

Figure 1.3  偏波保持ファイバと特殊ファイバを回転アライメントする際の端面画像

ファイバのイメージングおよびアライメント
融着機LFS4100とLFS4200には、ファイバとカメラアセンブリを最適位置へ自動制御するために、独自のイメージングシステムと多数のステッピングモータが内蔵されています。イメージングシステムは可動式対物レンズ付きのカメラタワーとファイバを背面から照射するリングイルミネータで構成されています。ミラータワーには2種類のミラーとLEDがファイバの周りに付いており、ファイバ端面だけでなくファイバの両側も見られるようになっています。 45° ミラー付き底部インサートGPXM45は、ファイバ端面検査やファイバ部品のアライメント用のアクセサリです。

ファイバ側面の画像はあらゆる径のファイバについて取得可能で、この画像はモーションコントロールシステムを使用して自動または手動でXY軸方向のアライメントを行う際に使用されます。また、端面の画像を使用して偏波保持ファイバやその他の特殊ファイバの回転アライメントを行うことができます。ただし、この端面画像を利用したアライメント方法は、外径(クラッドまたはバッファ径)が1269 µm以下のファイバのみ可能です。バッファ径がこれよりも大きなファイバは、端面照射LED用にくぼみが付いたファイバーホルダーブロック用上部インサートVHB00やVHB05に納まりません。より難しいアライメントには、パワーメータを用いて光ファイバ間の透過パワーを測定し、パワーを最大にする調整を行うことで正確な位置決めを行うことができます。

ファイバーホルダーブロック用インサートおよびフィラメント
LFS4100とLFS4200は、幅広い種類のファイバークラッドやバッファ径に対応可能なファイバーホルダーブロック用インサートを取り付けることができます。9種類の上部インサートおよび10種類の底部インサートは下記で別途お買い求めいただけます。融着機システムには、上部インサートと底部インサートがそれぞれ2つずつ必要です。「ファイバーホルダーインサート」タブ内のセレクションガイドをご覧いただくと、融着するファイバのクラッドまたはバッファ径をもとに適切なインサートお選びいただくことができます。偏波保持および特殊ファイバをアライメントするための端面画像を得られるのは、VHB00とVHB05(別売り)のみになっていますのでご注意ください。

また、LFS4100とLFS4200を用いて融着を行う際にはフィラメントアセンブリが必要です。フィラメントは「Ω」形状の抵抗加熱器で、大径のファイバを融着する際に必要な高温を得ることができます。適切な融着性能を得るためには適したフィラメントをお選びいただくことが重要です。当社では、フィラメントはフィラメントアセンブリ一式に取り付けた状態でご提供しています。これはスプライサLFS4100またはLFS4200のヘッド部分に2つのネジで固定できます。LFS4100にはグラファイトフィラメントアセンブリFTAV4、LFS4200にはイリジウムフィラメントアセンブリFRAV1が予め取り付けられています。ほかのクラッド径に対応する異なる材料のフィラメントは別途下記をご覧ください。上の「チュートリアルビデオ」タブをクリックすると、フィラメントの取付方法や保守点検の方法についての動画がご覧いただけます。

様々なファイバ加工システム
当社ではVytran融着接続機LFSシリーズ、ファイバ前処理ステーションFPS301、ファイバクリーバLDCシリーズ、ファイバークリーブアナライザFCA750、光ファイバ加工システムGPXシリーズ、リコータおよびプルーフテスタのPTRシリーズなどのプロセス開発および量産製造に対応する製品一式をご提供しています。ファイバ準備ステーションFPS301、ファイバークリーバLDCシリーズ、アナライザFCA750、融着機LFSシリーズには、相互に交換が可能なファイバーホルダ底部インサート(下記参照)が用意されており、各ツール内で精密な位置決めが可能になります。LFS4100とLFS4200をその他のVytran製品と併用する際にこのインサートを用いることで、再現性の高い位置決めができるため、融着が簡単に素早く行えます。ファイバを同じ交換用インサートに入れたまま他のVytranシリーズの機器に移動させることができるので、装置内ではファイバ端はいつでも同じ位置にきます。交換用インサートに関する詳細は下記でご覧いただけます。

Figure 3.1  融着接続機LFSシリーズ用のフィラメント

融着接続とは2本の光ファイバの端同士を熱を利用して結合させる工程です。目標は、融着部分とその周辺は元のファイバと同程度以上の強度を有しながら、ファイバを通過する光が融着部で拡散または反射しないように2本のファイバを結合させることです。LFSシリーズの融着接続機は反転したΩのような形の抵抗体グラファイト、イリジウムまたはタングステンフィラメントを使用し、ファイバ融着に必要な熱を得ます。

ファイバのアライメント
融着される2本のファイバは、カメラタワーが取得した画像または透過パワーを測定するアクティブ型のアライメント方法を用いてファイバーエッジ、コアおよび端面、それぞれに適したアライメント方法でアライメントされる必要があります。 ファイバーエッジおよびコアのアライメントを行う際は、側面の画像を用いてX-Y平面でアライメントし、ファイバを位置決めします。ファイバーエッジのアライメントモードにおいて、システムはファイバーエッジを自動的に認識し、XYステッピングモータを用いてファイバの位置を合わせます。システムは連続画像を分析しながら、適切にアライメントされるまでファイバを移動させます。コアのアライメント方法は、システムがファイバーエッジの代わりにコアのアライメントを行うこと以外、ファイバーエッジのアライメント方法と同じです。このプロセスは、コアの画像がファイバークラッドによって邪魔されずに鮮明である場合にのみ用いることができます。

端面のアライメントは、3M社製の楕円コアファイバ(PMまたはPZ)、パンダファイバ、ボウタイ型ファイバなどの偏波保持ファイバや、これらを融着接続したハイブリッド融着に使用されます。この方法においては、ファイバ端面の画像がXYおよび回転位置の自動制御を行う際に使用されます。また、コアの偏心が高い場合は、光パワーをモニタするアクティブ型のアライメント方法が使用できます。この場合、2本のファイバ間における透過光パワーを最大にするようにアライメントします。 このアライメント方法に関する詳細は、「ソフトウェア」タブをご覧ください。

フィラメントによる加熱融着
ファイバがアライメントされると、ファイバ端面の下中央にフィラメントが来るようにスプライサのヘッド部分が移動します。そして、フィラメントに電力が印加され、ガラスを軟化させファイバの融着を行える約2000 °C(典型値)まで温度を上昇させます。空気中でこのような高温度になるとフィラメントは酸化します。そのため、フィラメントによる融着プロセス中はスプライスチャンバ内の酸素が流出するよう高純度のアルゴンガスを使用します。パージガス(当社ではご用意しておりません)が、融着プロセスの間高速でファイバ内を流れることにより、ファイバを清潔に保ち、接続強度を向上させます。 このスプライサには、高純度テフロンガス管とガスタンク(別売りです)を取付継手CGA-580に取り付けるためのコネクタ付きのガスレギュレータが付属しています。レギュレータ用に追加のDIN 477 No.6コネクタも付属します。アルゴンガスは、純度99.999%以上のゼログレード品のご使用をお勧めいたします。研究グレードであればより適切です。

ファイバ端面の傷を除去しガラスの柔軟性を高めるため、融着前にファイバ端を規定の時間加熱します。フィラメントに印加する電力と融着前の加熱時間はユーザ制御が可能です。コンピュータ制御されたステッピングモータは、まずファイバ同士を加熱前の準備位置まで移動させ、次に熱融着位置まで移動させることで低損失で高強度の融着が実現します。融着接続時間はユーザ設定できますが、2～15秒の間が一般的です。ファイバのクラッド径に対応する一般的な設定値を上の表に掲載しています。特殊な用途では、このシステムは複数の融着ステップを自動的に連続して実行することができます。

火炎研磨
火炎研磨工程で、融着接続部分に短時間の熱処理を施すことで融着力が著しく高まります。融着接続の際、石英は融着部分から蒸発しファイバが冷却されるジョイント部の側面に凝結します。凝結した石英は表面における傷のようになり、融着力を弱めます。当社の火炎研磨技術を用いてこのような付着物を除去または最小限に抑えることで、融着力を強めることができます。また、火炎研磨によって起こるコアの拡散により、ファイバのモードフィールド径が断熱的に拡大します。コアの熱拡散(TEC)プロセスにより、一般的にファイバーレーザの用途で使用されているような種類の全く異なるファイバ同士を低損失で融着接続することができます。

ファイバーホルダーインサートのセレクションガイド

ファイバーホルダーインサートは、様々なサイズのファイバをスプライサLFSシリーズr内で保持できるよう設計されています。スプライサには付属しないため、別途ご購入いただく必要があります。底部インサートにはファイバを保持するV溝が付いています。上部インサートには平坦な窪みが付いており、底部インサートのV溝と合わせてファイバを固定します。左側と右側のホールドブロックで保持されているファイバの外径が異なる場合もあるため、上部インサートと底部インサートはそれぞれ別売りとなっています。スプライサの作動には上部インサートが2個、底部インサートが2個必要です。

Table 4.3では、上部インサートと底部インサートの組み合わせにより対応するファイバ径の最大値と最小値が記載されています。また、推奨する上部と底部インサートを組み合わせた場合のファイバのオフセット値も記載されています。なお、使用するファイバの被覆により、この表における外径(diameter)は、ファイバのクラッド径、被覆径、バッファ径のいずれかに該当します。ファイバの片端が切断廃棄される場合、廃棄側は、被覆やバッファ付きの方が望まれる(非円形ファイバなどの)特殊な場合を除き、クラッドでクランプすることをお勧めします。切断廃棄されないファイバ部分はガラスの損傷を防ぐため、常に被覆またはバッファが付いた部分でクランプする必要があります。これにより、左側と右側のホールドブロックで異なる種類のファイバーホルダーインサートが必要になる場合があります。高品質な融着接続を実現するためには、左右のオフセット差を最小限に抑えることが重要です。

Figure 4.1  ファイバーホルダーインサートにより様々なサイズのファイバに対応できます。

ファイバーホルダーインサートセレクションチャート

1. まずご使用になるファイバのサイズに1番合う底部インサートを選んでください。
   例:  Ø800 µmファイバの場合、少しだけ(50 µmほど)小さいインサートVHF750が1番適しています。
2. Table 4.3で選んだ底部インサートの右側の セルに記載されているファイバ径の範囲内で上部インサートを選びます。
   例: 1.のØ800 µmファイバの場合、緑色のついた上部インサートVHA05およびVHB05のセルが最適であることを示しています。緑色のセルに記載されている数字により、このインサートの組み合わせは直径728～963 µmのファイバとなります。Ø800 µmファイバはこの範囲内にありますので、使用に適した組み合わせです。ほかにもいくつかの組み合わせが考えられますが、緑色のセルが1番適した選択であることを示しています。
3. 各セルの2行目の数字は上部と底部インサートの組み合わせにより予測されるオフセットの範囲です。右と左のファイバーホールドブロックのインサートは、各組み合わせのオフセット差が最小限になるように選択してください。
   例: 底部インサートとしてVHF750、上部インサートとしてVHA05の750 µm溝を選択した場合、最小でØ728 µmのファイバが使用可能です。このファイバを使用した場合、ファイバの中心は底部インサートの表面から23 µm下に位置することになります。また、最大のØ963 µmのファイバを固定する場合、ファイバの中心は底部インサートの表面から213 µm上に位置することになります。Ø800 µmファイバを使用する場合、オフセットを補間計算することは可能です。ここでは、60°のV溝におけるオフセットは外径の差と等しくなっております。つまり、ファイバは底部インサートの設計ファイバより50 µm大きいため(800 - 750 = 50)、ファイバの中心は底部インサートの表面から50 µm上に位置することになります。
4. Ø1000 µm未満のファイバ用に設計されたホールドブロックには真空穴が付いており、真空吸着を利用することで溝内で小径ファイバを固定できます。Ø1000 µm以上のファイバ用の底部インサートにはこの穴はありません。 LFSシリーズにはこの穴を経由して小さな保持力を与えるための真空ポンプが付いており、小径ファイバでも所定の位置に収まります。真空穴付きのインサートはTable 4.3で「c」の脚注が付いています。

• こちらのインサートは異なるファイバの外径にも対応できるよう両面が溝付きとなっています。
• 上部インサートVHB00ならびにVHB05にはファイバ端面LED照明用の窪みが付いています。
• こちらの底部インサートは真空穴付きで、ファイバースプライサLFS4100で使用される小径ファイバのアライメントを補助します。

はじめに

当社の光ファイバ加工機LFSシリーズを初めて、もしくはしばらく使用していなかったお客様向けに、必要部品の取付方法、ソフトウェアの操作方法、フィラメントのセットアップ方法、ファイバの加工方法など、この機械を操作するうえでの基礎的なスキルをチュートリアル動画としてまとめました。動画内の字幕をお読みいただくためには、フルスクリーン、1080pの解像度でご覧になることを推奨します。LFSシリーズを使用したその他の操作についてのご質問は、当社までご連絡ください。　

準備と用語の定義

当社の光ファイバ加工機LFSシリーズを初めて、もしくはしばらく使用していなかったお客様向けに、機器のセットアップ方法、アルゴンガスの準備方法、一般的な用語説明など、この機械を操作するうえでの基礎的なスキルをチュートリアル動画としてまとめました。動画内の字幕をお読みいただくためには、フルスクリーン、1080pの解像度でご覧になることを推奨します。LFSシリーズを使用したその他の操作についてのご質問は、当社までご連絡ください。

必要部品の取付方法

光ファイバ加工機LFSシリーズは、融着接続またはテーパ加工用にファイバの温度を上げるため、Ω形状のフィラメントを使用しています。フィラメントは加工するファイバの径と、どのような加工を実施するかによって選択されます。適切なフィラメントの選択後、フィラメントはお客様ご自身で取り付ける必要があります。

上部および底部のファイバーホルダーインサートは加工するファイバのあらゆる径に対して選択可能となっています。選択後、インサートを取り付けることで、ファイバをユニットのファイバーラインに沿って配置することができます。通常のインサートはファイバーホールドブロックに取り付けられたままですが、移動用インサートは、Vytran機器間でファイバを移動させることができ、ファイバ端を再アライメントする必要なく複数の加工が可能となります。移動用インサートは、ファイバ移動用クランプ、移動用の底部インサート、そしてV溝付きグラファイトで構成されたアセンブリです。

ソフトウェアの操作方法(ベーシック編)

光ファイバ加工ワークステーションLFSシリーズを含む多くのVytranファイバ加工機は、ソフトウェアパッケージFFS3を使用して、セットアップ、融着接続、テーパ加工のすべてのパラメータを制御します。このソフトウェアには様々なツールや機能が備わっています。下の動画では、通常の操作で使用される一般的なメニューやツールバーをご紹介いたします。

フィラメントの取付方法

ソフトウェアFFS3に慣れてきたら、ガラス加工用にフィラメントを取り付けます。フィラメントを新たに取り付けたときには、加工するガラス周りの加熱を均一にするため、ファイバの軸に対してフィラメントのセンタリングを行う必要があります。新品のフィラメントはセンタリング後、使用前にバーンインが必要です。バーンインは、ソフトウェアのルーティンを使用してフィラメントを高温に加熱し、その後室温に戻す工程です。このルーティンは6回は実施され、1回終了する度に1分間のクールダウンがあります。新しいフィラメントのバーンインは1度だけで済みます。　

フィラメントを同じ温度まで加熱するのに必要な電力量は、フィラメントの製品寿命の間に変動します。フィラメントの寿命に合わせて調整するためにノーマライズを行うことができます。ノーマライズでは2つのファイバの先端を加熱し、先端を測定します。定期的なフィラメントのノーマライズの実施により、時間が経過しても一定の性能が保たれます。製品寿命が終わったフィラメントは再生することができます。詳細については当社までお問い合わせください。

加工方法

ファイバの軸に沿ってファイバをアライメントする方法を習得しましょう。ファイバのアライメントに慣れたら、同じサイズのシングルモードまたはマルチモードファイバの融着接続から始めましょう。これらの操作を確実に実施できるようになることで、LFSシリーズシステムにおけるファイバ加工の基本的な理解が進むため、個々の用途のためのより高度または特殊な方法にアプローチすることができます。光ファイバ加工機LFSシリーズは、様々なファイバーガラスの融着接続およびテーパ加工を実施できます。ソフトウェアFFS3の融着接続プログラムのカスタム設計や、ご用途に応じた加工工程の自動化についてご要望に際しては当社までお問い合わせください。　

各光ファイバ融着接続機LFS4100には、システムを駆動するためのGUIソフトウェア付きのデスクトップPCが付属します。このソフトウェアを使用して、ステッピングモータの動作やカメラからのイメージ取得、アルゴンの流量、ファイバーアライメントモードについての制御を行えます。また、融着力や融着時間、加熱前の準備位置、融着中の位置、融着遅延(詳細については「融着接続」タブをご参照ください)などの融着接続パラメータの制御も可能です。このソフトウェアには一般的な融着接続手順がプログラムされた融着接続用ファイルのライブラリが含まれます。GUIと融着接続用ライブラリーソフトウェアにより、新しいプロセス用に独自の融着接続ファイルを作成したり、既存のファイルのカスタマイズも可能です。特殊な用途向けに追加の融着接続ファイルをご希望の際は、当社までお問い合わせください。

Video 6.1ではソフトウェアの主要な機能と、GUIからプログラム可能なファイバ融着接続とテーパ加工のパラメータをご紹介しています。

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Figure 6.2  偏波保持ファイバのアライメント用ウィンドウの
スクリーンショット

端面観察アライメント
端面観察アライメントは楕円コアファイバ(PMまたはPZ)などの偏波保持ファイバ、パンダまたはボウタイ型偏波保持ファイバ、あるいはこれらのハイブリッド融着接続に使用されます。これらのファイバは、XYアライメントの他にも、クラッド内の応力領域のアライメントのために回転アライメントが必要です。

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Figure 6.3  多段融着接続の構成

端面観察アライメントプロセスは、まずファイバを後ろに引っ張り、2本のファイバの端面の間に端面観察用ミラーを差し込むことから始まります。LEDがファイバのクラッドを照らし、ファイバ端のイメージングが可能となります。ファイバ端面の画像が表示され、2本のファイバーコアの自動アライメントに使用されます。偏波保持ファイバのアライメントパラメータは、Figure 6.2のとおり各ファイバの種類毎に設定可能です。このウィンドウには4つのパラメータが表示されています。ファイバ径(クラッド径)、ファイバの種類、そして左と右のファイバのPM形状に関する2つのパラメータです。パラメータが未知の場合、ファイバ端面の表示画像を使用して直接測定することができます。

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Figure 6.4  アクティブ型X-Yアライメント走査のプロパティ

多段融着接続
特殊な用途では、このソフトウェアは複数の融着ステップを連続して実行することができます。各ステップにおける融着接続のパラメータは個別に設定できます(Figure 6.3参照)。また、お客様のライブラリから複数の融着接続ファイルを順番に実行することも可能です。このようにして、システムは保存された一連の融着接続ファイルに従って複雑な融着接続機能を実行します。

アクティブ型X-Yアライメント
コアの偏心が高い場合は、光パワーをモニタするアクティブ型のアライメント方法が一般的に使用されます。このような偏心がある場合、標準的なイメージング手法ではファイバーコアを常に適切にアライメントすることができません。その代り、コアは光パワーメータからの出力光をフィードバックとして利用して、2本のファイバ間における透過光パワーを最大にするようにアライメントします。所定の走査ステップサイズで一方のファイバからもう一方のファイバまで走査し、各ポジションにおけるパワーメータの値を表示します。走査の最後には、ファイバは光パワーが最大または最小になる位置まで戻ります。アライメントを正確に行うため、ステップサイズやファイバのオフセット位置などの走査パラメータはソフトウェア内で設定できます(Figure 6.4.参照)。