IRflex社

IRF-Sシリーズカルコゲニド中波赤外線ファイバー

IRF-Sシリーズカルコゲニド中波赤外線（MWIR）ファイバー（1.5〜6.5µm）

カルコゲナイドガラスは、カルコゲン元素（硫黄、セレン、テルル）にヒ素、アンチモン、ゲルマニウムなどの他の元素を加えたものです。シリカと比較して、スペクトルの中赤外および遠赤外領域での透過、フォノンエネルギーの低い値、高い屈折率、非常に大きな非線形性などの有望な特性を提供します。カルコゲニドガラス繊維は、高出力レーザーデリバリー、化学センシング、熱画像、温度監視を必要とする中赤外線アプリケーションの理想的な候補です。

IRflexの IRF-Sシリーズ

IRflex社のIRF-Sシリーズは、超高純度カルコゲナイドガラスAs2S3を用いた中波赤外線（MWIR）ファイバーであり、石英ガラスファイバーの約100倍の非線形性と高い伝送効率で1.5～6.5μmの中赤外線を発生・ガイドするために特別設計・製造された製品です。

IRF-S-100およびIRF-S-200マルチモードファイバー

IRF-S-100およびIRF-S-200マルチモードファイバーの代表的な光損失は、0.05dB@2.8µm、0.08dB@4.8µm 波長で、市場で最も低い損失となっています。

IRF-S-100ファイバーは当初、ミサイル防衛用の高出力赤外線カウンターメジャー（IRCM）レーザーに使用されることを想定して設計されました。

IRF-S-300

IRF-S-300マルチモードファイバーは、2.94µmのエルビウム:ヤグ(Er:YAG)レーザー用に特別に設計されたファイバーです。Er:YAGレーザーは、水分吸収のピークである2.94µmの波長を持つため、レーザー治療した皮膚への熱ダメージが少ないのが特徴です。2.94μmでの光損失は0.3dB/mであり、2.94μmのEr:YAGレーザーを使用するファイバーケーブルのエポキシフリーハイパワーコネクターとの組み合わせに最適なファイバーです。

IRF-S-5, IRF-S-6.5, IRF-S-7, IRF-S-9

IRF-S-5, IRF-S-6.5, IRF-S-7, IRF-S-9 シングルモードファイバは、1.5-6.5μmの伝送範囲と4.8μmでの最小伝送損失が約0.1dB/mですコア直径が約5, 6.5, 7, 9µmで開口数が0.3であることから、ステップインデックスファイバーは1.988, 2.46, 2.930, 3.560µmのカットオフより大きな波長に対して真のシングルモードであることがわかります。カットオフより短い波長で適切なカップリングを行えば、ファイバーの全伝送距離（2m未満）において、送信ビームはシングルモード（またはわずかにマルチモード）のままとなります。

IRF-S-50

IRF-S-50は、中赤外線用溶融コンバイナの製作用に開発されたマルチモードファイバです。50/85µmコア/クラッド構造は、当社IRF-S-100を出力ファイバとする7x1ファイバコンバイナの製作に最適です。 しかし、50/80µmコア/クラッド構造では、コネクタで終端して単体のファイバーケーブルとして使用するには脆弱になりすぎるため、50/80µmコア/クラッド構造を採用しました。

このファイバは、ベアファイバとして販売することが可能です。 IRF-S-5とIRF-S-50を除く全てのベアファイバーは、コネクタで終端し、ケーブルとして販売することができます。

標準のファイバーケーブルは、ステンレス鋼のフェルールを備えたFC / PC、FC / APC、またはSMA905コネクタで終端されています。IRflexのFC/B®コネクタ-ブリュースターアングルのFCコネクタは、偏光レーザービームとの反射なしで完全な結合を可能にします。ご要望に応じてご利用いただけます。保護ジャケットは、ステンレス鋼、PVCを含むステンレス鋼、または透明なFEP被覆、PVDFおよびPVCにすることができます。

その他の異なるケーブル組み立て構成は、ご要望に応じて提供されます。

利点

• 超低損失、0.05dB / m @ 2.8µm
• 高いパワーハンドリング強度、自社試験でコア径9µmのファイバーに6.9W CWを30分かけても損傷や劣化がないこと
• 高い機械的柔軟性

アプリケーション

• 中赤外レーザービーム伝送
• 赤外分光
• 化学センシング
• 科学・医療診断 IRイメージングシステム
• 非線形スーパーコンティニューム発生
• 赤外線カウンターメジャー(IRCM)

技術仕様

透過範囲（µm）	1.5 – 6.5
標準光損失(dB/m)	0.05 @ 2.8μm
ガラス組成	As2S3
屈折率	2.4
開口数（NA）	0.30±0.02
コア非円形度（％）	< 1
コア/クラッド同心度誤差（μm）	< 3
引張耐力試験 （kpsi）	> 15
耐薬品性	水、濃塩酸、非酸化性酸、アルコール、アセトン、ガソリン、トルエンに不溶。 KOHなどの強アルカリ性溶液に可溶。

ファイバーモデル	コア/クラッド /コーティング直径（µm）	カットオフ波長（µm）	動作波長（µm）*
IRF-S-5	5/100/280	1.988	1.5 – 2.95
IRF-S-6.5	6.5/125/300	2.46	1.5 – 4.15
IRF-S-7	7/140/300	2.93	1.5 – 4.4
IRF-S-9	9/170/320	3.56	1.5 – 5.3
IRF-S-50	50/85/275	-	1.5 – 6.5
IRF-S-100	100/170/340	-	1.5 – 6.5
IRF-S-200	200/250/470	-	1.5 – 6.5
IRF-S-300 *	300/400/530	-	1.5 – 6.5

注：*動作波長（µm）の範囲は、コア内に残っている光が50％以上多いと定義されています。

* IRF-S-300は、波長2.94µmのErbium：YAGレーザー用に特別に設計されています。

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カルコゲニド長波赤外線（LWIR）ファイバー

IRF-Seシリーズカルコゲニド長波赤外線（LWIR）ファイバー（1.5〜10µm）

カルコゲナイドガラスは、カルコゲン元素（硫黄、セレン、テルル）をベースに、ヒ素、アンチモン、ゲルマニウムなどの他の元素を添加したものです。シリカに比べ、中・遠赤外域の透過性、低フォノンエネルギー、高屈折率、非常に大きな非線形性など、有望な特性を有しています。カルコゲナイドガラスファイバーは、高出力レーザー伝送、化学センシング、熱画像、温度監視を必要とする中赤外アプリケーションに理想的な候補です。

IRflexのIRF-Seシリーズ長波長赤外線（LWIR）ファイバは、超高純度カルコゲナイドガラスAs2Se3から作られており、1.5～10μmの中赤外線波長を高い伝送効率と石英ガラスファイバの約1000倍の非線形性で生成およびガイドするために特別に設計・製造されています。

IRF-Se-100

IRF-Se-100は、1.5～8µmの波長域をカバーするマルチモードLW中赤外光ファイバで、波長3.95µmでの最小損失は0.29dB/mとなっています。

IRF-Se-100（R&D）

IRF-Se-100（R&D）マルチモードLW mid-IRファイバの伝送範囲は、波長1.5～10μmで最も広く、光損失は波長5.98μmで0.58dB/mと最小値となっています。

IRF-Se-12

IRF-Se-12は、1.5～9.7µmの波長域をカバーし、2µm波長域での最小光損失は0.32 dB/mです。このステップインデックス型LWIRファイバーは、コア径12µm、NA0.47、コア屈折率2.7を有しています。カットオフ7.4µm以上の波長では、真のシングルモードファイバとなります。 このシングルモード長波中赤外ファイバーは、長波中赤外域の直接伝送やスーパーコンティニューム発生に使用することができます。

すべてのファイバーはベアファイバーとして、またはコネクタで終端し、ケーブルとして販売することができます。標準的なファイバーケーブルは、FC/PC、FC/APCまたはSMA905コネクタとステンレススチールフェルールで終端されています。IRflexのFC/B®コネクタ（ブリュースター角のFCコネクタにより、偏光レーザービームの反射のない完全なカップリングが可能）もご要望に応じて提供します。保護ジャケットは、ステンレススチール、ステンレススチール＋PVCまたは透明FEPシース、PVDFおよびPVCにすることができます。

その他、ご要望に応じて様々なケーブルアッセンブリー構成をご提供します。

利点

• 低損失
• 1.5〜10µmの広い伝送範囲
• 高い電力処理強度
• 高い機械的柔軟性

アプリケーション

• 中赤外レーザービーム伝送
• IRスペクトロスコピー
• 化学センシング
• 科学・医療診断 IRイメージングシステム
• 非線形スーパーコンティニューム発生

技術仕様

IRF-Seシリーズ	IRF-Se-100（R＆D）	IRF-Se-100	IRF-Se-12
コア径（µm）	100	100	12
クラッド径（µm）	170	170	170
保護コーティングの直径（µm）	330	330	330
コア/クラッド構造	As2Se3	As2Se3	As2Se3
透過範囲（µm）	1.5-10	1.5-8	1.5-9.7
コア屈折率	2.7	2.7	2.7
NA	0.271	0.275	0.47

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FC/B®コネクタ - ブリュースター角のFCコネクタ

カルコゲナイド As2S3 および As2Se3 ガラスファイバーは、1.5μm から 6.5μm および 1.5μm から 10μm の広い伝送範囲で低伝搬損失、高非線形係数、小さく負の温度による指数変化 (dn/dT) 、優れた電力処理能力、化学的安定性が特徴である。これらのファイバを使用した伝送ケーブルは，SMA，FC/PC，FC/APC などの既知の終端処理で製造することができる。しかし、カルコゲナイドガラスの屈折率が高いため（As2S3は約2.4、As2Se3は約2.7）、ファイバーの入出力面で大きなフレネル反射（As2S3は17％、As2Se3は21％）が発生しています。

SMAやFC/PC端子を持つケーブルでは、入力側でのこの反射が、レーザーや他の光学部品に好ましくない影響を与える可能性がある。この反射を除去する必要がある用途では，アイソレータを使用する必要があります。入力面の角度が8°のFC/APC終端でも、後方反射の問題は軽減されません。しかし、上記の終端でも、これらの反射によるパワーロスのため、伝送されるパワーは低くなります。

IRflexのFC/B®ターミネーションは、入力面において入力ビームをほぼ完全に透過させることができます。 したがって、望ましくない後方反射がなくなるだけでなく、より多くのパワーがファイバーに結合されることになります。

図1: 空気-As2S3界面におけるS偏光とP偏光の入射角の関数としての反射率。ある角度では、P偏光は0%反射することがわかる。

IRflexのFC/B®コネクタ

IRflexのFC/B®コネクタは、透過性材料のブリュースター角の特徴を利用して、入力面でほぼ完全な透過と無反射を実現します。ブリュースター角のある材料に入射した光は、電界が入射面に平行な光では反射がありません。IRflexのFC/B®コネクターは、特注のFC/B®ホルダーと組み合わせて使用する場合、入射光がブリュースター角で到達するように所定の角度で研磨されています。通常、ブリュースター角で入射した光は、表面法線に対して斜めに透過し、この角度はファイバーの軸に沿っていないため、入射ビームがクラッドに逃げ、ガイドされることはありません。FC/B®の研磨角は、ホルダーと共に、入射ビームをブリュースター角で入射させ、ファイバーの軸に沿って伝送させることで、カップリングを成功させることができます。FC/B®コネクタは、入力側でしかうまく機能しません。出力側のFC/B ®は、ファイバーが偏光状態を保持しないため、動作保証外です。 入力側でほぼ完全な伝送を行うには、図2に示すように、ビームがTMまたはP偏光状態であることが必要です。

図2: 最大の伝送を実現するための入力ビーム偏光を示す図。 さらに、関連する角度も示している。

FC/B®コネクタの研磨角度は、NA0.21の円錐内のすべての入力光が5％以下の反射を経験するように決定されました。 さらに、これは入射ビームのアライメントに良好な公差を与えるものでもあります。

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カルコゲニドMWIR溶融繊維コンバイナー

ビームコンバイニングデバイスは、単一のレーザーでは到達できない出力レベルを達成するために広く使用されています。ビームコンバイニングデバイスは、ミラー、グレーティング、レンズなどの自由空間光学系を用いるのが一般的ですが、熱に弱い、振動によるミスアライメント、複雑なパッケージング、かさばるデザインなどの問題を抱えています。ファイバービームコンバイニングは、コンパクトで堅牢、シンプルなパッケージングが可能、厳しい環境要件にも対応できるという利点があり、高い出力レベルを提供することができます。光ファイバーコンバイナーは、複数のファイバーを集めて融合し、モノリシックな共通の出力アパーチャーを形成することで、出力パワーと波長を結合させる。

石英ファイバーコンバイナは、ダブルクラッドファイバーレーザーの励起や高出力レーザーのインコヒーレントビーム合波に使用されているが、近赤外域に限定されている。このシリカコンバイナにヒントを得て、IRflex独自の製造技術であるカルコゲナイドガラス製Mid-IRファイバにより、2μmシリカファイバの波長域を超えるパワーコンバイニング能力の拡張が可能になりました。

カルコゲナイドガラスファイバーは、中波長赤外線ファイバーコンバイナーの製造に理想的な候補です。カルコゲナイドガラスは、カルコゲン元素（硫黄、セレン、テルル）をベースに、ヒ素、アンチモン、ゲルマニウムなどの他の元素を添加したものです。シリカと比較して、中・遠赤外域の透過性、低フォノンエネルギー、高屈折率、非常に大きな非線形性など、有望な特性を有しています。

カルコゲナイドファイバは、MWIR (1.5-6.5µm) における低損失伝送 (0.1dB/m) と優れた電力処理により、このようなデバイスに適した構成要素を提供します。IRflexの硫化ヒ素ガラスファイバを使用したマルチモード中赤外溶融ファイバコンバイナは、複数のレーザ光源からの出力を共通の出力アパーチャにインコヒーレントに結合することができます。また、1.5～6.5μmのMWIRスペクトルをカバーするレーザー光源をスペクトル的に結合することができます。

主な機能

• 高いポート透過率と合波効率により、最大95%のMWIRスペクトルビーム合波が可能
• 1.5～6.5µmまでの独立した波長透過率
• 高い電力処理強度と機械的柔軟性
• カスタム構成が可能

アプリケーション

• IRダイオードや量子カスケードレーザーの出力・波長合波による高出力レーザーシステム
• リモートセンシング
• 長距離ターゲット識別
• LiDAR
• ガス漏れ検知
• 鉱物・石油探査
• 医療手術

仕様

モデル	ポート	動作波長	入力ファイバー	出力絞り	ポート伝送効率
MWIR-FC-3	3 to 1	1.5〜6.5μm	コア径100μm、 NA = 0.3	直径100μm、 NA = 0.3	75〜95％*
MWIR-FC-7	7 to 1	1.5〜6.5μm	コア径50μm、 NA = 0.20	直径100μm、 NA = 0.20	275〜95％*

*現在の輸出規制により米国外に輸出できるのは入力5W（CW）までです。

入力ファイバーコネクターは、FC/APC、FC/PC、SMA、またはIRflexのFC/B® -偏光レーザービームとの反射のない完全なカップリングを可能にするブリュースター角のFCコネクターが用意されています。出力ファイバーコネクターはSMAコネクターが標準です。\カルコゲナイドガラスの高屈折率（n=2.4）により、光の約17％が各界面で反射され、結果として入射光の69％が伝送されます。最適な伝送条件を満たすために、ファイバー端面には反射防止（AR）コーティングを施し、システムのスループットを向上させ、システム内を逆行する反射光による危険（ゴーストイメージ）を低減することが必要な場合があります。ARコーティングは、物理的および環境的なダメージに対する耐久性にも優れています。IRflexは、業界の専門家を起用し、MWIR Fused Fiber Combinerのあらゆるフラット入出力ファイバコネクタに、広帯域または特定の波長での反射防止コーティングをオプションで提供しています。

特定のアプリケーションに適したARコーティングを指定する場合、システムの全スペクトル範囲を十分に理解してください。 ARコーティングは光学システムの性能を大幅に向上させますが、設計波長範囲外の波長でコーティングを使用すると、システムの性能が低下する可能性があります。

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反共振アーチを備えた中空コアファイバ（HC-ARAファイバ）

中空コア反共振ファイバ（HC-AR）は、中空コアフォトニックバンドギャップファイバに代わるアプローチとして、ガラスストラットでの光の重なりを最小限に抑え、非常に高い出力/エネルギーのレーザを伝送することが可能です。中空コアとクラッドの界面にある薄いガラスストラットの反共振が、光を効率よく反射し、中空コアに閉じ込めることができます。シリカHC-ARファイバーは、導光された光のうちシリカガラス支柱と相互作用するわずかな部分が高度に吸収され、光が遠くまで伝播しないため、4.5ミクロン以上の波長を伝送することができません。HC-ARファイバの製造に赤外カルコゲナイドガラスを使用することは、赤外（1-15μm）の長波長までレーザ伝送を拡張する上で魅力的です。IRflexの革新的なアンチレゾナンスアーチ付き中空コアファイバ（HC-ARA）は、カルコゲナイドガラスAs2S3を用いて設計・製造されています。HC-ARAファイバーは、8つのノンタッチ曲線アーチの単層を持ち、各アーチは、横方向の変位を防止し、製造プロセス中にアーチの形状と均一性を維持するために、外側の固体領域の2箇所で強固に固定されています。アーチの厚みと間隔は、9〜11μmのCO2レーザ、5μm前後のCOレーザ、3μm前後のEr:YAGレーザにおいて、ファイバ伝送損失＜0.1dB/mになるようにそれぞれ選択されています。また、HC-ARAファイバの高次モードは基本モードよりも減衰が大きいため、わずか数メートルで実質的にシングルモードとなります。

HC-ARAプリフォームは、カルコゲナイドガラスを反共振アーチを作るために特別に設計されたダイを通して押し出すことによって作られます。押し出されたHC-ARAプリフォームは、フォトニック結晶ファイバーの引き込み技術を使ってファイバーに引き込まれます。

カルコゲナイドHC-ARAファイバは、アーチの太さや間隔を増減することで、10.6ミクロン（または9～11ミクロン領域の他の波長）のCO2レーザ、5ミクロン前後のCOレーザ、3ミクロン前後のEr：YAGレーザといった赤外の高出力レーザを伝送できるよう設計することが可能です。

IRflex Corporationは、2019年4月にこの新規設計および技術の特許を申請し、2020年10月27日に米国特許商標庁から特許が付与されました。特許番号は、US 10,816,721 B1です。

主な機能

• 高出力・高エネルギーのレーザー伝送。>50W CW以上
• 光パワー/エネルギーの>99%は中空コアに閉じ込めることが可能
• 低損失 < 0.1dB/m
• 良好なビーム品質 M^2~1
• 3μm、5μm、8.7～11.55μm付近の波長に大して最適化された設計オプション
• ガス充填が可能
• 低い曲げ損失

アプリケーション

• 高出力・高エネルギーレーザーの伝送
• CO2レーザー：9～11µm、COレーザー：5µm、Er:YAGレーザー 3μm
• 医療用レーザー：歯科用、美容外科、治療用
• ガス分光法
• センサー

技術仕様

透過率 (µm)(※1)	8.70 - 11.55
ベンドラジウム	15cm
有効コア径	185µm
クラッド径	610μm

設計波長（λD）	10.6μm
基本波モードロス @ λD	0.08 dB/m
実効基本波モード指数 @ λD	0.99914
開口数(※2) @ λD	0.067
フィルファクター(※3) @ λD	99.58
モードフィールド径(※4) @ λD	141 μm
曲げ半径 15cm でのモード損失 @ λD	< 0.20 dB/m

※1) 基本波モードロス≦0.5dB/m の波長に対して規定されている。 ※2) 遠方電界において、強度が最大値の5%に低下する角度の正弦としてとらえる。 ※3) 中空コアの中心から半径92.5μmに含まれるモード電力束の割合。(この領域は実質的に空気である）。 ※4) 強度分布のFW1/e^2。

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安全性

カルコゲニドガラスの環境危険条件

IRflex社によれば、カルコゲナイドガラスである硫化ヒ素（As2S3）およびセレン化ヒ素（As2Se3）は150℃以下の環境では、取り扱い、保管、輸送において安全であるとされています。As2Se3ガラスは、大気中の水分および170℃以下の結晶化に対して高い安定性を有しています。硫化ヒ素およびセレン化ヒ素の繊維は、水、濃塩酸、アルコール、アセトン、ガソリンに不溶であり、 強アルカリ水溶液にはよく溶けます。

また、安全データシートでは、As2S3 および As2Se3 ガラスは非危険物であり、皮膚から吸収されないと記載されています。

ただし、医療用途に関しては、生体内で使用される硫化ヒ素およびセレン化ヒ素のガラス繊維のデータはありません。

安全性に関するPDF

カルコゲニドガラス繊維の関連安全データシート（SDS）は、以下のリンクにあります

砒素硫黄ガラスを使用したカルコゲナイドガラス繊維のSDS

ヒ素セレンガラスを使用したカルコゲナイドガラス繊維のSDS