光ファイバー
光ファイバーとは？
光ファイバーは、髪の毛のように細いガラスやプラスチックのより糸で、電線が電気を運ぶように光を遠くまで伝送します。 通信、データ伝送、レーザビーム伝送、センシング、メディカル用途などに広く用いられています。
光ファイバーは、現代の生活に大きな影響を与えています。 実際、あなたが今読んでいる言葉は、ウェブサーバーからデバイスに届くまでの間に、少なくとも一部は、ほぼ確実に光ファイバーで伝送されています。
光ファイバーは通信以外にも、外科手術用のレーザビーム伝送装置や高出力の産業用レーザ装置など、さまざまな用途で使用されています。 また、航行システムやビル、橋、発電所のセンシングシステムのコンポーネントでもあります。 その他の特殊な使い方も数多くあります。
動作原理
光ファイバーケーブルは、水道管とほとんど同じように機能します。 光は一端から入り、他端からから出ます。 また、水道管と同じように、ファイバーの通る道は文字通り数キロメートルと長く、曲がり角やカーブを通過することもあります。 この特性により、ファイバーをシステムに実装する際の柔軟性が（文字通り！）非常に高くなります。 光ファイバーは、長距離でも非常に少ない損失で光を伝送することができるため、広く利用され、商業的な成功を収めています。
光ファイバーの基本的な動作原理は、実はとてもシンプルです。 最も基本的な光ファイバーは、円形断面のコアで構成されており、コアは屈折率の低い第二の材料であるクラッディング（肉盛り）で取り囲まれています。
ファイバーの一端に適切な角度で導入された光は、コアの中を通り、他端から出るまで、その中に封じ込められたままです。 これは、全反射のために起こる現象です。 全反射とは、ある物質内を進む光が、屈折率の低い第二の媒質との界面に遭遇したときに起こる現象です。 光が十分低い角度で界面に達すると、完全に反射され、光は一切逃げません。 水中で水面を見上げたことがある人なら、誰でも同じような現象を経験します。 真上は見えるのですが、真上から十分離れた角度で表面を見ようとすると、外が見えません。
概念的にはシンプルですが、ファイバーの設計と製造は両方とも実際には非常に高度です。 これは、特定の用途におけるさまざまな性能とコスト目標を達成するために必要です。
ファイバーの種類
光ファイバーは、使用する市場と、さまざまな性能や構造上の特性によって分類することができます。 最も簡単な分類は用途別で、一般的には電気通信/データ通信とそれ以外のものに分けられます。 後者は、しばしば「特殊ファイバー」と呼ばれています。
設計や機能の面で、ファイバーにはいくつかの基本的なタイプがあり、その中にも無数の設計バリエーションがあるため、これらを以下で説明します。 多くの場合、ファイバーは複数のグループのいずれかに属しています。 たとえば、シングルモードファイバーは偏光面保持が可能であり、超高速でもあります。
ファイバーの種類 |
特徴と用途 |
シングルモード |
シングルモードファイバーは、コアの直径が非常に小さいため、最も低い（物理的に最も小さい）横モードのみが伝搬することができます。 これは、いくつかの点で性能に影響を及ぼします。 通信用途では、これによりファイバーの減衰や分散が低減されます。 このため、長距離通信用にはシングルモードファイバーが最も広く使われています。 シングルモードファイバーの出力は、可能な限り小さなスポットサイズに集光することができます。 このため、多くの理科学用および産業用レーザ用途、特にファイバーレーザの構築に有用です。 |
マルチモード |
これらは、高次横モードがファイバー内を通過するのに十分な大きさのコア径を備えています。 そのため、一般に、より多くの光出力を伝送できますが、分散も大きくなります。 また、シングルモードファイバーに比べ、一般に製造コストも低く抑えることができます。 これらの特性により、短距離のデータ通信用途に適しています。 また、材料加工、外科手術、分光学などの用途で、より高出力のレーザを使ったビーム伝送にも広く利用されています。 |
偏波保持 |
通常、光ファイバー内の複屈折により、入力された偏光はケーブル内を移動する際にスクランブルされます。 これが好ましくない用途には偏光面保持ファイバーが用いられます。 これには、一部のハイエンドネットワーク用途、レーザアンプ、IFOG、多くのセンシングシステムが含まれます。 偏光面保持ファイバーは、複屈折をなくすように設計されているわけではありません。 その代わり、シングルモードファイバーは、非常に特殊な方法でそれを最大化するように製作されています。 その結果、出力は伝播する際に、ある偏光状態から別の偏光状態にカップリングすることがなく、入力された偏光状態を維持することができます。 |
センシングファイバー |
センシングファイバーは、実際には設計よりも用途に基づいたカテゴリですが、最も高い頻度で純シリカコア構造が採用されています。 また、センシングファイバーには、耐熱性、耐薬品性、耐水素性に優れた材料や設計が採用されるのが一般的です。 温度、圧力、流量、音響、歪みなどのファイバーセンサーの多くは、ファイバーの長さに沿ったブリルアン散乱やレイリー散乱、または特定の位置に埋め込まれたファイバーブラッググレーティング（FBG）から得られる信号に基づいています。 |
レーザと増幅器 |
これらは、ファイバーレーザや光増幅器の基礎となる「アクティブファイバー」です。 ファイバーの長さに沿ったレーザ作用（光増幅）を起こすためのドーパントが組み込まれています。 通常、励起光がクラッディング（肉盛り）にカップリングされ、このエネルギーを使って、ファイバー端に導入されたシード光を増幅します。 これらは、一般にアクティブファイバーに特別に適合されたパッシブビーム伝送ファイバーを付属して製造されます。 パッシブファイバーは、アクティブファイバーからの光の光学特性を維持し、可能な限り高い透過率と出力処理能力（多くの場合、数kWレベル）を提供します。 |
ウルトラファーストレーザ |
これには、短パルス幅と高ピークパワー用に特別に設計されたアクティブおよびパッシブファイバーが含まれます。 用途には、ウルトラファーストレーザ（ウルトラファーストファイバーレーザ）、チャープパルス増幅、狭線幅増幅、周波数倍増があります。 ウルトラファーストレーザファイバーは、用途に応じてさまざまな設計形態があります。 しかし、いずれも共通して、厳密な偏光および分散制御、高いビーム品質、低い光黒化が要求されます。 |
光ファイバーの製作方法は？
何キロメートルもある光ファイバーケーブルも、最初は1〜2メートルのガラス管から始まります。 化学的な加工方法を使って、管の内径にある材料を変質させ、屈折率を高めています。 その後、この管を固体円柱につぶして、このロッドの中心から切り出したものをプリフォームと呼びます。
プリフォームは延伸塔に配置されます。 これを柔らかくなるまで加熱し、端を引っ張って細い糸状にします。 そのより糸を連続的にプーリーに巻きつけていくことで、ケーブルが製造されます。 この加工方法中に、ファイバーの外側にポリマーコーティングが施されます。 これにより、仕上がったファイバーがより丈夫になり、扱いやすくなります。
光ファイバーの中には、円対称ではないものもあります。 この例には、「パンダ」型の偏光面保持ファイバーがあります。 このような種類のファイバーのプリフォームを作るには、より複雑な一連の工程が必要です。
Coherentは、レーザおよび増幅器用ファイバー、高出力レーザビーム伝送用ファイバー、メディカル用途に最適化されたファイバー、センシング用途向けファイバー、その他など、広範囲かつ多様な特殊ファイバーを提供しています。 当社は、お客様の特定のニーズに合わせてファイバーをカスタマイズし、コネクターや光学系などのファイバーアセンブリに組み込むことができます。