特性改善が進むファイバーレーザー用LMA ダブルクラッドファイバー

COHERENT | NUFERN 製 第９世代ダブルクラッドファイバーの特長 (2015/06 版)

• 特性改善が進むファイバーレーザー用LMA ダブルクラッドファイバー

関連資料

• Matching Active and Passive fibers and their measurement for improved laser performance
• アクティブファイバーとパッシブファイバー 対応表
• Precision Matched fiber & Ultra Matched fiber
• Reliability of low-index polymer coated double-clad fibers used in fiber lasers and amplifiers

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NUFERNは1998年に会社創設以来、通信用の光ファイバーの製造販売から始まり各種光ファイバーの開発･ 製造･販売を進めてきました。
その中でファイバーレーザー用光ファイバーであるLMA（Large Mode Area）方式のダブルクラッドファイバー（DCF）に特に注力し、開発･製造を進めています。
現在ではファイバーレーザーを製造販売している全世界のメーカーへ供給される光ファイバーの、90～95%を納入させて戴いています。
製造開始から17年経ちますが、ここ5年間はその特性改善が著しく進み、ファイバーレーザーの高性 能化･高信頼性化が実現されてきておりので、その一端を紹介させて戴きます。
最新技術･特性の紹介にあたり 次のような順で話を進めさせて戴きます。

• ①
  COHERENT | NUFERN の製品紹介
• ②
  光ファイバーを製造するにあたり、その製造プロセスや信頼性を高める各種計測技術を紹介
• ③
  ファイバーレーザー用ダブルクラッドファイバー（DCF）

それでは、COHERENT | NUFERN の製品紹介から始めさせて戴きます。

１. COHERENT | NUFERN 製品紹介

COHERENT | NUFERN では光通信用光ファイバーだけでなく、近紫外･可視光から2µm付近の近赤外域まで使用可能な石英製光ファイバーを開発販売してきましたが、加工用ファイバーレーザーの市場が拡大するに伴いファイバーレーザーで使用するLMA方式のダブルクラッドファイバーに注目し、その開発と製造販売を進めてきました。
さらにその中で開発した光ファイバーを用いてファイバーレーザー発振器や増幅器を開発し販売も進めています。
また、パンダ方式を採用した偏波保持ファイバーも製造しており、種々の応用に向けて販売しています。
このような状況を COHERENT | NUFERN 社 製品群をマーケット別に捉えると、下記のような4つになります。

• ①
  光ファイバー素線の製造販売
• ②
  製造業（産業界）向けファイバーレーザーの製造販売
• ③
  軍需･航空宇宙応用向けファイバーレーザーの製造販売
• ④
  センサー応用向け光ファイバーの製造販売

現在 COHERENT | NUFERN のマーケットは光ファイバー素線、製造業向けファイバーレーザー、軍需･航空宇宙応用向けファイバーレーザーがほぼ1 / 3ずつを占めており上図のようになりますが、将来に向けセンサー応用に適したファイバー応用製品の開発･製造販売を強化して行きます。

光ファイバー素線は通信用の光ファイバーだけでなく、ファイバーの素材である石英が光を透過できる近紫外域から近赤外域までの光を導光する光ファイバーや、ファイバーレーザーで用いる各種光ファイバーがあります。
ファイバーレーザー用光ファイバーを分類すると下記のようになります。

• シングルクラッドファイバー（アクティブおよびパッシブファイバー）
• 希土類元素添加ダブルクラッドファイバー（アクティブファイバー）
• レーザー発振器の内外で用いる導光用ファイバー（パッシブファイバー）
• 励起用LD出力光を導光するマルチモードファイバー
• フォトセンシティブファイバー（レーザー共振器を構成するのに用いる Fiber Bragg Grating 用）
• ファイバーレーザーの出力光を導光するためのマルチモードファイバー
• エンドキャップファイバ（ファイバ出射端面損傷に対する保護用）

製造業向けファイバーレーザーとしては、マーキング用ファイバーレーザー発振器の製造販売を行っており、レーザーマーカ装置を製造販売されている多数のメーカー様に納入させて戴いています。
OEMビジネス向けファイバーレーザーとしては、この他 2ミクロン帯で発振する医療機器用ファイバーレーザー発振器などがあります。
ご要求があればOEM製品としての高出力連続発振ファイバーレーザーの製造も可能です。

軍需・航空宇宙応用向けファイバーレーザーとしては、レーザートラッピング用単一周波数ファイバーレーザー増幅器の技術を基にした狭帯域（2～5GHz）ファイバーレーザーの開発製造販売を進めています。
コヒーレント結合などを用いてさらに高出力ビームを得るための研究開発に用いられています。

センサー用光ファイバーとしては、光ファイバージャイロ向けにクラッド径が80µm以下のパンダファイバーを製造販売しています。
ファイバー素線だけでなくコイル状に巻いた状態での製品も販売しています。
センサー用途例としては、石油掘削などで利用されており、COHERENT | NUFERN の新たなビジネスマーケットとして大きく伸びることが期待されています。

このように COHERENT | NUFERN では光ファイバーを事業の核として種々な装置も製作しています。

次に光ファイバーの製造方法やその特性検査のための測定器などの保持設備について紹介します。

２. nufern社の光ファイバーの製造プロセスや信頼性を高める 各種計測技術の紹介

光ファイバーに用いる石英は、全て超高純度ガスを素材として用いています。
そのため不純物が極端に少ないため、低損失（低吸収）な状態で光の導光が可能となります。
光ファイバー製造するにはファイバーの構造によって決まるプリフォーム（母材）を製作する必要があり、COHERENT | NUFERN ではプリフォームをMCVD 法（Modified Chemical Deposition Method）によって製造しています。
下図のようなガラス旋盤に直径1インチほどの石英管を保持し、それを回転させながら外部から O2ガスによって気化したSiCl4、GeCl4、POCl3 ガスを混合して送り込みます。
この管の外側から水素・酸素バーナによって、1,600～1,800℃まで加熱します。
すると送り込まれた酸化物ガスはスート（Soot）と呼ばれるガラス微粒子の集合体になり、回転している石英ガラス管の内面に堆積してゆきます。
スートはバーナからの熱を受けてより高温になり透明石英ガラスの層に変化します。
このような堆積操作を100回程度行い、最後に管の内側に所要のガラス層が積層された石英管をさらに加熱し、中心をつぶしてプリフォームとしています。

次にプリフォームから光ファイバーを引く線引き工程をご紹介します。
下図にて、線引き機（タワー）の外観をご覧いただけます。
製造された最大長さ50cmプリフォームを縦方向に回転しながつるして約2000℃にした電気炉にいれ、石英が溶けて自重で糸状に引き伸ばされて垂れてきたものを下方から巻き取り、そのスピードを調整しながら
ファイバー素材の直径が所望の寸法になるように引っ張り、その後 保護樹脂で被覆して巻き取り、光ファイバー素線となります。
COHERENT | NUFERN では複数台の線引き機を使っており、紫外線硬化型樹脂対応用 Tower が2台、熱硬化型樹脂対応のTower を1台を配置しています。

線引きした光ファイバの特性測定ですが、COHERENT | NUFERN ではダブルクラッドファイバなどのSpecialty Fiber に対して、特に必要となる特性（仕様値）を測定する為に所有している機材について以下に記載致します。

次に本論のファイバーレーザー用ダブルクラッドファイバーについて紹介します。

３. ファイバレーザ用ダブルクラッドファイバ（DCF）

3.1　ダブルクラッドファイバの構造

3.2　希土類元素が添加されたダブルクラッドファイバー

ダブルクラッド構造をした光ファイバーのコアに希土類元素を添加することにより、ファイバーレーザー用としての（アクティブ）ダブルクラッドファイバー DCFが製造されています。
COHERENT | NUFERN では1µ帯から2µ帯までカバーするために、Yb、Er、Er/Yb、Tm、Hoをドープしたアクティブダブルクラッドファイバーを、ファイバー レーザー発振器と増幅器用に製造しています。
各希土類元素を用いた発振･増幅波長は下記のようになりますが、特殊な構成の発振器により波長域の拡張が可能です。
Yb:1,060～1,150nm、Er：1,530～1625nm、ErYb：1,530～1625nm、Tm：1,900～2,100nm、Ho：2,100～2,200nm

下図は、それら希土類元素のエネルギー準位図の１例です。

COHERENT | NUFERN のアクティブダブルクラッドファイバは、効率の良いレーザ動作をさせるために母材となる
適切なガラス材質を選定しております。ガラス材質の違いにより吸収や蛍光の断面積が異なる例を、Ybイオンを下図でご覧戴けます。

3.3　LMA方式のダブルクラッドファイバー（LMA: Large Mode Area）

レーザー発振をさせるには励起光をコアにドープした希土類元素に効率よく吸収させ、発生するレーザー光を伝搬させるために開発されたものがダブルクラッドファイバー（DCF）です。
LMAＡ方式DCFとシングルモードファイバー、マルチモードファイバーの仕様の違いを下表に示します。

3.4　新世代型ダブルクラッドファイバー（DCF）の登場

COHERENT | NUFERN では長年にわたりファイバーレーザー用 DCFを製造していますが、その中でお客様からのご要望に応え種々の特性改善を盛り込んだDCFを作成し、お客様にお届けして参りました。
年を追う毎に増える出力パワーに対応し、フォトダークニングの発生しないファイバーの改善を進めて参りました。
また　これだけでなく、次のような事象に対しても改善を進めています。

3.4.1　コア径/クラッド径の製造誤差を小さくし、融着時に発生する損失の低減

● Precision Matched (-M) 社内規格ファイバーとUltra Matched (-M+) 社内規格ファイバーの登場

ダブルクラッドファイバーの登場当時は、コア径やクラッド径の製造誤差範囲が若干広く、アクティブファイバーとパッシブファイバーを融着する際の融着作業のしやすさに課題がありました。
その結果発生する損失もありました。
ただ、ファイバーレーザーの特長の1つが、アクティブファイバーやパッシブファイバー（FBG、Combiner）などの光学部品を融着により接続することであり、空間に光を出さずに構成できるという大きな特長があります。

これらの点からも融着で発生する損失を低減する必要があり、お客様からも改善のご要求がありました。
COHERENT | NUFERN ではこれらのご要求を受け止め、ファイバープリフォーム工程の改善や線引き工程の改善によりこれらコア径、クラッド径の製造誤差を小さくした Precision Matched (-M) ファイバーを2011年からさらに Ultra Matched (-M+) ファイバーを2014年から販売しています。
ファイバーレーザー発振器内に使用するアクティブファイバーとパッシブファイバーの融着だけでなく、FBG共振器ミラー用のパッシブファイバーや励起光を導光するコンバイナ、アイソレータ、コリメーターなど各種ファイバー導光光学部品に用いるパッシブファイバー相互間の融着損失が低減され、ファイバーレーザー装置としての損失が大きく改善される様になってきています。
Ultra Matched (-M+) ファイバーは Precision Matched (-M) と比較しても、コア径･クラッド径の寸法公差は25%以上改善されており、入手可能なアクティブファイバーの中で最も小さな融着損失を実現できます。
また、融着工程に必要となる作業時間や融着損失のバラツキも低減し、融着不良の発生が低くなると共に再融着作業時間、テスト時間などが減少するという利点があります。
融着損失によって生じる迷光や再吸収に伴う負荷を低減できるので、より高出力なファイバーレーザーの実現に寄与し、結果としてビーム品質や効率の改善など特性の向上に寄与するところが大きいです。
逐次、寸法公差の小さい Ultra Matchedファイバーに変更して参ります。
Precision Matcheと Ultra Matchedに関する説明を末尾に添付しますのでご参照ください。
また、それぞれのアクティブファイバー（LMA、PLMA）に適応するパッシブファイバーが一目で分かり、選定戴ける表も用意されていますので添付します。
ご利用ください。

3.4.2　第9世代（Gen 9）ダブルクラッドファイバの登場

3.4.3　ダブルクラッドファイバの2nd Cladに用いるLow Index Polymerの性能改善

従来ファイバはすでにNuCoatにより構成されており、適宜 NoCaot-FAに対応した製品への移行を進めております。
これらの技術によりダブルクラッドファイバ（DCF）の信頼性は格段に向上し、ファイバレーザシステムの性能向上に大きく貢献しております。
なお、NuCoatに関する性能改善試験結果の報告が添付の資料に纏めら得ておりますので、ご興味のある方はご覧下さい。

４．終わりに