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ふっ化物光ファイバ技術

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ふっ化物ファイバは、ふっ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。

■ ふっ化物ファイバの製造

Ogawa_experimentふっ化物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、ふっ化物ファイバのメーカは世界に数社しかなく、弊社はZBLAN系、AlF3系の両ファイバを製造できる世界唯一のメーカです。弊社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ふっ化物ファイバの製造を行っています。

 

 

 

■ 赤外光を伝送できるふっ化物ファイバ

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4μm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、ふっ化物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

 

■ 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 0.3~3.5μm 0.35~4.0μm
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

 

■ 優れた発光特性の希土類ドープZBLANファイバ ■

blue-light2ZBLAN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。以下はTm、Er、NdをドープしたZBLANファイバの発光例を示しています。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、ふっ化物ファイバでは赤外、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、ふっ化物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。
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図2. 希土類ドープZBLANファイバの発光

ふっ化物光ファイバの取扱に関するビデオを掲載しました<YOUTUBEリンク>