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フッ化物光ファイバ技術

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■フッ化物光ファイバとは

フッ化物光ファイバは、フッ化物ガラスを素材とした多成分ガラス光ファイバで、ZrF4を主成分とするZBLANファイバ(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)や、AlF3を主成分とするAlF3系ファイバ(AlF3-BaF2-SrF2-CaF2-MgF2-YF3)などがあります。材質の違いにより、通常の光ファイバ(石英ファイバ)とは、伝送できる光の波長帯、希土類元素をドープしたときの発光特性、機械的強度、耐水性など多くの点で異なります。


■フッ化物光ファイバの特徴

図1は、3種類の光ファイバの損失スペクトルを示しています。石英ファイバは1μm帯では非常に低損失ですが、2μm以上の波長では急激に損失が増大します。一方、AlF3系ファイバは3.5μm、ZBLANファイバは4.0μmの赤外域まで損失の増大がありません。この特徴を利用し、フッ化物光ファイバは近赤外や赤外分光用の光ガイドとして使用されています。

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図1. 光ファイバの損失比較

 

ZBLANファイバの大きな利点は、希土類元素をドープしたときの優れた発光特性です。可視、近赤外、中赤外において様々な波長の発光が得られます。重金属フッ化物で作られているZBLANファイバは、フォノンによる非発光遷移の影響を受けにくく、石英ファイバでは見られない波長での発光が起こります。

図2は、各種の希土類をドープしたときの発光波長と発光強度の概略を示しています。印は、石英ファイバでも得られる発光です。石英ファイバの発光は近赤外に限られますが、フッ化物光ファイバでは赤外、可視でも発光が得られます。近赤外でも1.3、1.4μm帯という光通信で重要な波長帯の発光は、フッ化物光ファイバしか得られません。また、2.5μm以上の赤外での発光はZBLANでしか得られない発光です。

ZBLANemission2

図2. 希土類ドープZBLANファイバの発光

 

■フッ化物光ファイバの用途

・光ファイバ増幅器(光ファイバアンプ)の増幅媒体

ファイバーラボでは、自社で製造したフッ化物光ファイバを用いて光通信波長帯および850nm帯の光ファイバアンプを製造しております。希土類を添加(ドープ)したフッ化物光ファイバを使用し、その希土類イオンがポンプLDによって励起され、信号光をトリガーにして誘導放出を起こすことによって増幅するという仕組みです。

 

<光ファイバアンプ製品一覧はこちら>

 

・歯科治療・医療機器用 Er-YAGレーザガイドに最適なAlF3系ファイバ

AlF3系ファイバは、赤外透過波長域はZBLANファイバほど広くありませんが、3μmまでは十分損失が低く、レーザ損傷閾値、機械的強度、耐水・耐湿性などでZBLANファイバに優るため(表1. 参照)、歯科治療、医療機器によく使われる発振波長2.94μmのEr-YAGレーザ用ガイドに最適なファイバです。

性質 AlF3系ガラス ZBLAN ガラス
光学的性質 透過波長域 0.3 ~ 3.5 μm 0.35 ~ 4.0 μm
屈折率(nd) 1.46 1.50
熱的性質 ガラス転移点(Tg) 367 ℃ 265 ℃
熱膨張係数(α) 186x10-7 /℃ 200x10-7 /℃
化学的性質 水に対する溶解度(Dw) 0.27 wt% 29.2 wt%
酸に対する溶解度(Da) 0.69 wt%* 32 wt%*
物理的性質 密度(ρ) 3.85 g/cm3 4.50 g/cm3
機械的性質 ヤング率(E) 66 GPa 53 GPa
Knoop硬度(HK) 3.1 GPa 2.2 GPa

表1. AlF3系ガラスとZBLANガラスの特性

 

・その他

ファイバーラボのフッ化物光ファイバは、現在までに様々な製品開発に利用されております。以下にファイバーラボ製フッ化物光ファイバを使用した論文を掲載します。どのような用途で使用できるのか参考にしてください。

参考論文
ZBLAN
[ファイバーラボの論文]
・フッ化物光ファイバを利用した光デバイスの開発
T.Nakai, M.Horita, Y.Noda, T.Tani, T.Sudo, S.Ohno and Y.Mimura,”Development of optical devices based on rare-earth doped fluoride fibers“.
[2μm帯]
・2μm Tmドープ フェムト秒パルスレーザ発振器
Y. Nomura and T. Fuji, “Sub-50-fs pulse generation from thulium-doped ZBLAN fiber laser oscillator,” Optics Express, vol. 22, no. 10, pp. 12461–12466, 2014.
・2μm Tmドープ 超高速レーザ発振器
Y. Nomura, M. Nishio, S. Kawato, and T. Fuji, “Development of Ultrafast Laser Oscillators Based on Thulium-Doped ZBLAN Fibers,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 21, no. 1, pp. 24–30, 2015.
・2μm Tmドープ 効率的チャープパルス増幅
Y. Nomura and T. Fuji, “Efficient chirped-pulse amplification based on thulium-doped ZBLAN fibers,” Applied Physics Express, vol. 10, no. 1, p. 012703, 2016.
・2μm Tmドープ フェムト秒パルスレーザ
Y. Nomura and T. Fuji, “Generation of watt-class, sub-50 fs pulses through nonlinear spectral broadening within a thulium-doped fiber amplifier,” Optics Express, vol. 25, no. 12, pp. 13691–13696, 2017.
[2.7μm,2.8μm,2.9μm帯]
・2.7µm Erドープ ファイバレーザ
S.Tokita, M.Murakami, S.Shimizu, M.Hashida, S.Sakabe,”Mid-infrared Erbium Fiber Lasers“.
・2.8µm 横励起 Erドープ高出力ファイバレーザ
C. A. Schäfer, H. Uehara, D. Konishi, S. Hattori, H. Matsukuma, M. Murakami, S. Shimizu, and S. Tokita,”Fluoride-fiber-based side-pump coupler for high-power fiber lasers at 2.8  μm,” Optics Letters,vol.43, lssue 10, pp. 2340-2343, 2018.
・2.8µm Erドープ ダイオード励起カスケードファイバレーザ
S. D. Jackson, M. Pollnau, and J. Li, “Diode Pumped Erbium Cascade Fiber Lasers,” IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 47, no. 4, pp. 471–478, 2011.
・2.83µm Erドープ 高出力カスケードファイバレーザ
S. D. Jackson, “High-power erbium cascade fibre laser,” Electronics Letters, vol. 45, no. 16, pp. 830–832, 2009.
・2.87µm Ho/Prドープ 高出力中赤外フェムト秒パルスレーザ
S. Antipov, D. D. Hudson, A. Fuerbach, and S. D. Jackson, “High-power mid-infrared femtosecond fiber laser in the water vapor transmission window,” Optica, vol. 3, no. 12, pp. 1373–1376, 2016.
・2.94µm Hoドープ 高出力、高効率ファイバレーザ
S. D. Jackson, “High-power and highly efficient diode-cladding-pumped holmium-doped fluoride fiber laser operating at 2.94 µm,” Optics Letters, vol. 34, no. 15, pp. 2327–2329, 2009.
[3.5µm帯]
・3.5µm Erドープ 中赤外ファイバレーザ
O. Henderson-Sapir, A. Malouf, N. Bawden, J. Munch, S. D. Jackson, and D. J. Ottaway, “Recent Advances in 3.5 µm Erbium-Doped Mid-Infrared Fiber Lasers,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 23, no. 3, pp. 1–9, 2017.

AlF3
[エンドキャップ用途]
・2.94µm オールファイバレーザ
V. Fortin, M. Bernier, S. T. Bah, and R. Vallée, “30 W fluoride glass all-fiber laser at 2.94 μm,” Optics Letters, vol. 40, no. 12, pp. 2882–2885, 2015.
・3µm フェムト秒ファイバレーザ
S. Duval, M. Bernier, V. Fortin, J. Genest, M. Piché, and R. Vallée, “Femtosecond fiber lasers reach the mid-infrared,” Optica, vol. 2, no. 7, pp. 623–626, 2015.

 

 

■ フッ化物光ファイバの製造

フッ化物光ファイバの問題点は製造が難しいことです。光ファイバの一般的製法であるCVD法が適用できないこと、熱的安定性が低く結晶化しやすいことなどが理由です。そのため、フッ化物光ファイバのメーカは世界に数社しかなく、ファイバーラボはZBLAN系、AlF3系の2種類のファイバの製品化に成功しております。ファイバーラボでは独自開発のファイバ製造技術を利用し、シングルモード、マルチモード、ダブルクラッドファイバなど多種類、多様なパラメータのフッ化物光ファイバの製造を行っています。

 

フッ化物光ファイバは製造が難しいことに加えて一般的な石英ファイバのように扱うことができません。扱いが難しいので、破損しないように扱うための動画を作成しました。実際にファイバーラボで行っている扱い方ですので、フッ化物光ファイバを扱う際はまずこの動画で扱い方を確認してください。

<被覆の剥がし方>

 

<クリーブ(カット)の仕方>