ガラス光ファイバー:特性、用途、製造
使用するガラスの種類
光ファイバーで使用されるガラスにはいくつかの種類があります。
- 高純度シリカ: このガラスは、優れた光学的透明度と低減衰を提供します。開口数は約0.2です。電気通信などのアプリケーションに適しています。
- ドープシリカ: 高純度のシリカと比較して、特殊な用途において屈折率を高めます。開口数は通常0.37〜0.39です。代表的なアプリケーションには、光ファイバー測定システムが含まれます。
- ホウケイ酸ガラスなどの多成分ガラス: このタイプは、3つの中で最も高い開口数を持っています。多成分ガラス製のライトガイドは最大120度の受光角を提供し、イメージガイドは最大180度の受光角と1の開口数を達成できます。特定の性能とコスト要件に合わせてカスタマイズ可能で、主に照明およびイメージングアプリケーションに使用されます。
ガラス光ファイバーの特性と用途
ガラスファイバーは柔軟性が高く、化学物質への曝露、高温および低温、圧力など、さまざまな環境要因の影響を受けません。さらに、電気的干渉のリスクはありません。これらの特性により、光源、センサー、カメラなどの電子機器を使用領域から離すことができ、厳しい環境での信頼性と効率性に優れたシステムを開発するために不可欠です。ガラス光ファイバーの原理
光ファイバーの原理
ガラスファイバーのコアとクラッド
光伝送
ライトガイドは、端から端に光を運びます。ファイバーの配列をランダムすることで、非常に均質な照明を作り出すことができます。
画像伝送
イメージガイドは、画像を長距離で転送し、拡大・縮小、または反転することができます。イメージガイドの各ファイバーは、ピクセルに相当し、配置が重要です。
シングルモードファイバーとマルチモードファイバー
シングルモードファイバー
シングルモードファイバーは、コアが小さく（< 10 µm）、厚いクラッドを持っています。その結果・1本の光線のみが伝送され、損失が少なく、散乱もわずかです。これらのファイバーは通常、長距離のデータ通信に好まれます。
マルチモードファイバー
マルチモードファイバーは、大きなコア(>10μm)と薄いクラッドを持っています。大きなコアにより、臨界角度より下のすべての角度の光線がファイバーを通過するすることができます。これにより、照明およびイメージングアプリケーションに最適です。
ガラスファイバーの主な特性と利点
ガラスファイバーは、その特性により、他の材料に比べて多くの利点があります。
光ファイバーがガラス製である理由
ガラス棒を加熱することで、人間の髪の毛ほどの細いガラスファイバーを引くことができます。紡糸プロセスの速度によってファイバーの太さが決まり、それが柔軟性を決定します。ファイバーの直径が小さいほど、曲げ半径は小さくなります。このため、ガラスファイバーはプラスチックファイバーよりも柔軟性があります。
曲げ半径試験は、ガラスファイバーの柔軟性をテストするために使用されます。これはガラファイバーをループ状にし、破断するまで引っ張ることによって行われます。例えば、50µmのガラスファイバーは約5㎜の曲げ半径に耐えることが示されています。
ライトガイドの種類
ガラスファイバーは、フレキシブルまたはリジッドな製品にすることができます。フレキシブルファイバーケーブルは、多くの場合リジッドケーブルよりも長く、軟性内視鏡のような高い柔軟性が求められる用途に最適です。
リジッドライトまたはイメージガイドは、熱融着したファイバーの束で構成されています。用途としては、歯科機器や硬性内視鏡用のライトガイドがあります。イメージング用途向けには、テーパーやフェースプレートの作成に使用され、拡大、縮小、または反転した画像を伝送できます。医療分野の例を挙げると、フェースプレートはX線イメージングで使用されます。ハイブリッドバリアントも利用可能です。
ガラスファイバーケーブルの製造方法
ファイバー描画
精密な結束と押出
a) 精密結束
いくつかの主要なバンドルが集まって最終的なファイバーバンドルを形成し、フレキシブルバンドル内のファイバー配置は通常任意です。特定のアプリケーションでは、ファイバーをランダム化されたパターン(ライトガイド)または特定のパターン(イメージガイド)に配置する必要がある場合があります。
b) 押し出し
最終的な繊維束は、押出ラインでポリマーで被覆してケーブルを形成するオプションがあります。その後の組み立て工程では、ファイバーの束とケーブルはお客様のご要望に応じて長さに切断され、エンドスリーブが取り付けられます。
終了終了
再描画と再形成
研削と琢磨
品質検査
ガラスファイバーが求められる理由
光ファイバーは、高い透明度や低減衰などの優れた光学特性を持ちます。ガラスファイバーは、医療、工業、航空、自動車、防衛などの重要な用途に不可欠な光透過性を提供します。 さらに、ガラスは優れた機械的、熱的、化学的安定性を備えているため、過酷な環境での使用に適しています。
光ファイバーにおけるガラスとプラスチックの比較
どちらの材料にも特定の用途がありますが、ガラスファイバーは高性能な用途に最適です。プラスチックファイバーと比較して、減衰が少なく、帯域幅が広く、耐環境性に優れています。
1. 優れた光特性
ガラスファイバーは、フレキシブルライトガイドとリジッドライトガイドの両方の基礎となるもので、非常に高い光透過性能を提供します。高い演色性により、ファイバーを通過した光の波長変化が最小限に抑えられます。また、ガラスファイバーは最大1の開口数を誇り、より多くの光を透過させ、小さなバンドルでより広い領域を照らします。一方でプラスチックファイバーは、材料的に最大開口が0.5に制限されています。
2.強度と柔軟性
ガラスファイバーは、直径を細くするほど、優れた強度と柔軟性を兼ね備えます。この組み合わせにより、30µmの細さで製造することができ、タイトな曲げ半径が可能になります。対照的に、プラスチックファイバーの直径は通常500µmから始まり、多くの場合1mmを超えます。イメージング用途の場合、個々のガラスファイバーは直径4µmと小さく、高いピクセル解像度と高精細な画像を提供します。
3. 熱安定性
ガラスは350°Cまでの温度で安定性を維持するため、ガラスファイバーの束やリジッドライトガイドは、過酷な環境やオートクレーブ滅菌などの高温用途に適しています。しかし、プラスチックは一般的に80°Cまでの温度にしか耐えられないため、このような高温プロセスには適していません。
4. 設計の柔軟性
ガラスファイバーの直径が非常に小さいため、高いバンドル充填率を実現でき、小さなスペースでの複雑な形状が容易になります。また、ガラスファイバーバンドルは、1つの光源から複数の場所に光を分配し、赤、緑、青のLED光を混合して均質な白色光を生成することもできます。束ねられたガラスファイバーの数が多いほど、太いプラスチックファイバーと比較して、より均一な光出力が得られます。
5.耐薬品性
ガラスは耐薬品性が高いため、洗浄剤、酸、塩基、溶剤、接着剤にさらされても安定しており、耐久性に優れています。対照的に、プラスチックはさまざまな化学物質と反応する可能性があります。ガラス光ファイバーの用途
Why SCHOTT?
130年以上の経験を持つ SCHOTT は、光学ガラスの世界有数のエキスパートです。私たちの知識、革新性、細部へのこだわりにより、お客様の業界や要件に関係なく、適切なソリューションを見つけるための全面的なサポートを提供します。
