ファイバブラッググレーティング製造システム自動化

ラルフ・デルムダール、クリスチャン・バッハヴァルト

干渉リソグラフィに基づいた製造システムが、リモートファイバセンシング向けFBGの自動化された製造を可能にする。

ファイバブラッググレーティング（FBG）技術は数十年前から利用されているが、このようなデバイスの商用利用、特にセンシングアプリケーションでは、2つの理由から相対的に限られている。第1に、歴史的にFBGによる監視システムの利用は非常に高価だった。しかし、これらの価格は過去2、3年で大きく下がってきた。第2の限界は、FBGそのものの製造法にある。
　特に、センシングFBGは、まだ研究室で少量生産されることが多い。その結果、リードタイムが長く、単価が高い。このような状況では、センサメーカーが利用するのは特に問題である。新製品の開発は、それぞれFBGの特性がわずかに違う何十もの設計を繰り返す必要があるかも知れないからだ。さらに、一定のパフォーマンス特性を持つFBGの量産品の入手は難しい。
　こうした状況は今、スウェーデンのノースラブ・フォトニクスの新しい自動化システム、基本的にFBGの自動生産を可能にするシステムで対処できるようになってきている。このシステムの利点は二重にある。まず、FBG製造の単価を大幅に下げる。第2に、製造されるFBG一つ一つが優れた均一性と品質を持つ。ここでは、このシステムの構造、操作、利用を概観する。

FBGの背景

FBGは、光ファイバのコアの屈折率に伝搬方向に沿って周期的変調を作り出すことによって形成される。その周期パターンが、フィルタとして機能するブラッググレーティングを作る。これは干渉によって入射光の一部を反射するためである。高反射薄膜コーティングと似た仕方で機能するので、FBG反射率の大きさ、中心波長およびスペクトル帯域は、グレーティングパラメータを変えることによって正確に制御できる。特に、これらのパラメータには、グレーティング周期、反射率変調深度、それにFBGの長さが含まれる。
　FBGの最もわかりやすい用途は、複合ミラーあるいはスペクトル選択フィルタである。通信アプリケーションでは、FBGはこうした用途で広範に導入されてきており、その場合FBGは別のファイバに直接融着できるので、個別のバルクコンポーネントが不要になる。これと同じ理由で、FBGは共振器端ミラーとしてファイバレーザシステムでも広く用いられている。
　環境温度の変化や機械的なゆがみによって生ずるグレーティング周期、つまり有効屈折率が少しでも変わると、FBG反射率バンドの中心波長がシフトする。これは、温度や圧力（つまり機械的動作）センサとしての利用につながる。
　この用途では、FBGは他のセンサタイプに対していくつかの利点がある。特に、FBGは磁界や電磁場の影響を受けない、また高温や高圧環境でも問題なく動作が可能である。FBGは概ね腐食性薬品に耐性があり、核放射線の影響さえ受けない。さらに、電力を必要としない、また他の構造物の中に物理的に簡単に埋め込め、材料の機械的特性に妥協する必要はない。このためFBGは、原子力発電所、石油やガス業界のダウンホールなど様々な非常に厳しい環境、磁気共鳴映像法（MRI）スキャナ付近での利用に理想的である。また、ビルや橋に直接埋め込む用途にも適している。

FBGの製造

ほとんどの光ファイバのコアにはゲルマニウム（屈折率を増やすために）が添加されており、紫外線（UV）感光性ファイバとなっていることからFBGの製造は恩恵を受けている。特に、感光性とは、UV光照射が永久的な屈折率変化を引き起こすことを意味する。場合によっては、感光性は水素添加によって作る、あるいはさらに強化する。
　FBG製造の最も一般的な方法では、感光性ファイバをUV光の干渉縞パターンに暴露する。これは通常、フェーズマスクを通してエキシマレーザの出力を向けることによって行われる（基本的に回折格子：図 1）。フェーズマスクは、入射光を様々な次数で回折するので、入射光はマスク近傍で重なり合い、光学的に相互干渉する。この干渉がレーザ強度の安定した高低交替ゾーンを作り、その間隔はフェーズマスクの周期に等しいか、その値の半分になっているかのいずれかであるが、これは正確な照射配置によって決まる。
　このプロセスは概念的に単純であるが、現実にはFBG製造時に克服すべき大きな障害がいくつか存在する。まずコスト、特にフェーズマスクとともにエキシマレーザのコストがある。次に、グレーティングが、適切な間隔と屈折率変化特性で、ファイバに沿って正確に正しい位置に作製できるようにすべてのコンポーネントを保持し、位置決めを行うこと。また、目標が各々が一貫した特性を持つFBGの量産であるなら、使用する光ファイバの屈折率におけるバッチごとの変化を調整するための何らかの方法をシステムが持っていなければならない。
　スウェーデンのノースラブ・フォトニクス社（Northlab Photonics）の自動システムは、量産ベースで高品質で一貫性のあるFBGを経済的かつ柔軟に製造するという要求に応えるために開発された（図2）。NORIA装置は、コヒレント社製波長193nmのExciStar XSエキシマレーザ、ビーム調整オプティクス、最大16枚のイブセン・フォトニクス社（Ibsen Photonics）のフェーズマスク（均一またはチャープト）、自動化機構、および制御ソフトウエアを統合しており、FBGの自動製造を可能としている。
　例えば、異なるFBGタイプをオペレーターの手を借りないで切り替えて製造できるようにするためにフェーズマスクがすべて回転ディスクに保持されている。光ファイバは、モジュラーフィクスチャにマウントされ、リニアステージ上で位置決めされる。これにより、FBGはファイバに沿って正確な位置に自動的に描画される。さらに、システム全体のコストは、すべてのコンポーネントを個別に調達する費用よりも低い。このシステムによって操作の柔軟性と一貫性のある製品をどのように製造できるかについて、いくつかの点は検証するに値する。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2016/07/LFWJ1605_P20-23_ft02.pdf