光ファイバーの組み立て

May 07, 2023

光ファイバーは今日のデジタル経済の根幹です。 世界的な金融取引、高速インターネット アクセス、オンライン ショッピング、ビデオ ゲームなど、ほとんどの人が当たり前だと思っていることは、毎秒大量のデータを送信する薄いガラスのおかげで可能です。

この技術は電気通信に革命をもたらしましたが、航空宇宙、医療機器、石油・ガスなどの業界でも光ファイバーの重要性が高まっています。 また、自動車エンジニアが自律性と軽量化に関連する問題に取り組むにつれて、光ファイバーの需要は今後 10 年間に増加すると予想されます。

人気が高まっているにもかかわらず、光ファイバーコンポーネントの切断、剥離、組み立てのプロセスは依然として困難です。 エンジニアは、位置合わせと位置決め、透明度、ファイバーの準備、ガスの放出などの問題に対処する必要があります。

光ファイバーは、高品質のガラス、プラスチック、シリカで構成された柔軟で透明なケーブルであり、光の全反射の原理で動作します。 シングルモードおよびマルチモード光ファイバーにはガラスコアが使用されていますが、プラスチック光ファイバーケーブルにはポリマーコアが使用されています。

モノフィラメントの釣り糸に似た髪の毛ほどの細い糸を通して光が放射されます。

光の生成、送信、変調、導波、増幅、スイッチング、検出には、さまざまな光電子部品や光デバイスが必要です。 これらの小型デバイスは、光ファイバー ケーブルの内外に光を結合するパッケージまたはモジュールに組み立てられます。

光ファイバーは、アルミニウムや銅線よりもはるかに高速でデータを送信できます。 その他の利点としては、サイズと重量が小さいことが挙げられます。 たとえば、銅と比較すると、光ファイバーは平均 25 パーセントのスペース節約と 50 パーセントの重量節約を実現します。 また、光ファイバーは電気ノイズの影響を受けにくく、銅線のケーブルやワイヤーよりも長距離にわたってデータを送信できます。

ただし、ファイバーは繊細な取り扱いと正確な位置合わせが必要であり、従来の配線のように複雑な形状に曲げることはできません。 光ファイバーは、位置がずれていても電気を伝送できる銅線とは異なります。 サイズが小さいため、ファイバーを正しく位置合わせするには、極めて高い精度と小さな変位が必要です。

Grandview Research によると、2018 年の光ファイバーの世界市場は総額 70 億ドルで、2019 年から 2025 年まで毎年 5% の割合で成長すると予測されています。

2017 年、ファイバー接続された平均的な家庭で生成されるデータ量は 1 か月あたり 86 ギガバイトでしたが、2022 年までに 1 か月あたり 260 ギガバイトを超えると予想されています。

「帯域幅要件の増大とネットワーク需要の増加により、光ファイバーコンポーネントの需要が増加しています」と、コネクタ、アダプター、ケーブルアクセサリの大手サプライヤーである Molex LLC の光ソリューション事業部の製品マネージャー、アダム ヒューストン氏は述べています。 「帯域幅は 5 年ごとに 2 倍になっています。

「10 年前、毎秒 10 ～ 40 ギガビットが大きな話題でした」とヒューストン氏は説明します。 「現在、200 ギガビット/秒と 400 ギガビット/秒の帯域幅を準備しています。」

この問題に対処するために、モレックスはポート密度の向上を可能にするいくつかの新しいタイプのセラミックフェルールベースのコネクタを推進しています。 たとえば、CS コネクタは、ポート密度が 2 倍になった次世代の QSFP-DD および OSFP トランシーバーをサポートします。 従来の LC コネクタよりもフェルール ピッチが狭く、密度が 50% 近く高いことが特徴です。

「密度と低損失が今日のコネクタ市場を牽引しています」と、モレックスの製品管理ディレクターであるトム・シルツ氏は述べています。 「コンポーネントが小型化し続けるにつれて、パッケージングがより大きな問題になります。密度、使いやすさ、パフォーマンスのバランスが重要です。」

「より小型、より高密度、より速く、より簡単に考えてください」と、光ファイバーの世界大手サプライヤーであるコーニング社のキャリア ネットワークのグローバル市場開発担当バイスプレジデント、ロバート ホイットマン氏は述べています。 「今日の帯域幅要件により、ネットワーク事業者は、より多くの容量をより小さなスペースに詰め込むために、より小型で高密度のケーブル設計を必要としています。また、市場投入までの速度を最大化しながらコストを最小限に抑えることができるように、設置、修理、保守がより簡単かつ迅速に行える設計も重視しています。」

コーニングは最近、RocketRibbon と呼ばれる超高密度ケーブルを発表しました。 既存の 1,728 芯の中央および撚り線チューブ ケーブルと同じ直径で最大 3,456 本のファイバーを供給します。

「ファイバー密度の向上に加え、独自のリボン設計により、RocketRibbon ケーブル内のファイバーの管理、識別、トレースが容易になり、設置時間が大幅に短縮され、継続的なメンテナンスコストが削減されます」とホイットマン氏は主張します。

データセンターと通信業界は、短距離通信と長距離通信の両方で高速データ転送を可能にするため、光ファイバーのトップ市場であり続けています。 クラウドベースのアプリケーション、ビデオオンデマンドサービス、5Gネットワ​​ークに対する需要の高まりにより、将来の光ファイバーアプリケーションが推進されるでしょう。

しかし、航空宇宙、自動車、医療、石油・ガスなどの他の産業でも光ファイバーの需要が高まっています。 光ファイバー技術は高価で扱いが難しいという評判がありますが、最近の進歩により、光ファイバー技術はより堅牢になり、処理が容易になりました。

「電気通信分野以外の業界のエンジニアに光ファイバーを採用してもらう際の課題の 1 つは、光ファイバーが繊細で脆く、使いにくく、終了するのが難しいテクノロジーであるという恐怖を克服することです」と、企業テクノロジー部門のビル・ウィークス氏は言います。 TE Con​​nectivity のフェロー。 「よくある誤解の 1 つは、ファイバーに触れると破損するということです。1970 年代にはそうであったかもしれませんが、今日では決してそうではありません。」

低侵襲手術への関心が高まっているため、多くの新しい医療機​​器が光ファイバーに依存しています。 この技術は、内視鏡装置などの光伝導および照明、柔軟な結束およびレーザー送達システムに使用されます。

光ファイバーは、石油およびガス業界でも、圧力や極端な温度の検知などのダウンホール用途で広く使用されています。

さらに、輸送機器業界は光ファイバー技術に対して強気です。

「航空宇宙エンジニアは、民間航空機と軍用航空機の両方で複雑さを排除しようとしています」とウィークス氏は言います。 「彼らは、何マイルにもわたる平行な銅線を置き換えたいと考えています。彼らは、軽量化に加えて、設置と修理が簡単で、電磁干渉耐性と高速性も備えた製品を探しています。

「通信や機内エンターテインメントに加えて、航空宇宙産業における光ファイバーの用途が成長しているのはセンシングです」とウィークス氏は説明します。 「一部のメーカーは、降着装置、胴体と翼の疲労、雪や氷を溶かすためのヒーターが組み込まれた複合航空構造物の過熱検出などの監視に光ファイバーの使用を検討しています。」

「航空宇宙および防衛分野でも、帯域幅の必要性が高まっています」と、コーニング社の航空宇宙および防衛市場ディレクターのスコット・フリント氏は付け加えます。 「データ フュージョン、高精細リアルタイム ビデオ、マルチスペクトルおよびハイパースペクトル イメージング データ ストリームは、陸、海、空、宇宙のすべての領域を推進します。

「さらに、これらのプラットフォーム全体で SWAP-C (サイズ、重量、電力コスト) を削減したソリューションが求められています」とフリント氏は指摘します。 「複数の銅ケーブルと単一の光ファイバー ケーブルの重量とフォーム ファクターを考慮すると、後者の方が燃料消費量が少ないため、これらのプラットフォーム全体での耐久性が向上します。また、追加のハードウェアやセンサ​​ーを搭載できるようになります。利用可能なスペースが増えるためです。」

自動車業界では、特に多数のカメラ、ライダー、レーダー、その他のセンシングデバイスを必要とする新しい自動運転車では、エンジニアがワイヤーハーネスを設置するスペースが不足しているとウィークス氏は述べています。 「自動車やトラックでは、専用の銅線ペアを使用するよりも光ファイバーの方が合理的です」とウィークス氏は指摘します。

「自動車エンジニアは、軽量化と帯域幅の問題に対処するために光ファイバーを検討しています」と、モレックスの先進技術開発ディレクターのトム・マラポード氏は述べています。 「彼らはまた、従来のワイヤーハーネスの混雑と複雑さを軽減することに熱心です。」

「自動車ネットワークの進歩により、車内の帯域幅のニーズは増大し続けています」と、コーニング社の産業用光ネットワーク担当ディレクター、マーク・ブラッドリー氏は付け加えます。 「車両内のリンクは短い（15 メートル未満）かもしれませんが、帯域幅の消費量は次の設計サイクルで 1 秒あたり 5 ギガバイトを超えると予想されます。

「これらのデータ速度の主な要因の 1 つは非圧縮ビデオの配信であり、これは新しい安全システムのパフォーマンス応答時間に影響を与える可能性があります」と Bradley 氏は説明します。 「銅ケーブル (ツイストペアまたは同軸) はより高い帯域幅を提供できますが、ケーブルのサイズ、ケーブルの重量、ケーブルのノイズ耐性などのトレードオフを考慮する必要があります。光ソリューションは、増大する帯域幅のニーズをサポートしながら、これらの制約を緩和する利点を提供できます。データセンターと同じように。」

光ファイバーコンポーネントの組み立ては困難です。 ファイバーの柔軟性は、アルミニウムや銅線のような硬い部品の取り扱いとは異なります。

ファイバーをコネクターまたはフェルールに取り付ける前に、ファイバーを準備する必要があります。 このプロセスには通常、光ファイバーを取り囲む保護クラッドと外側ジャケットの剥離が含まれます。 残った残留物を洗浄します。 ファイバーを切断する。 ファイバー端面を研磨して光学品質の表面を実現します。

ファイバーのストリッピングは通常、手動ツールまたは半自動ベンチトップ装置を使用して行われます。 保護コーティングはブレードまたはレーザーで剥がされます。 加熱システムは、コーティングを柔らかくして簡単に除去できるようにするためにも使用されます。

「光ファイバーと銅線の大きな違いは、終端コネクターです」とウィークス氏は言います。 「銅線の終端処理は比較的簡単です。しかし、1 つ以上のファイバーをコネクタに接続するのは、より複雑なプロセスです。」

Schleuniger Inc. の製品管理担当バイスプレジデントである Pete Doyon 氏は、「今日のコネクタの品質は、過去に比べてはるかに優れています。しかし、コネクタも小型化し続けているため、自動化が困難になっています。当社が使用するコネクタの最も一般的なサイズは、当社の装置で使用されているコアのサイズは 125 ミクロンですが、シングルモード ファイバのコア サイズはわずか 9 ミクロンですが、マルチモード ファイバのコア サイズはさらに大きくなります。

「当社の光ファイバー処理装置の需要は安定しており、成長しています」とドヨン氏は言います。 「当社の最も人気のある製品は、ファイバーストリップ 7030 です。これは、バッファーとコーティングを剥き出しのガラスまで除去するベンチトップ マシンです。ガラス ファイバーに触れることなく、半自動方式でファイバーを除去します。」

この電動機械は、シングルコートおよびバッファリングされたファイバーを剥離するために設計されています。 剥離速度、加熱時間、加熱温度を調整可能です。

「当社の設備は主におさげやジャンパーの量産に使用されます」とドヨン氏は説明します。 「ピグテールは、一端がコネクタに取り付けられた短いケーブルの撚り線で、もう一端は別のケーブルに接続されます。長さはさまざまですが、ピグテールは通常、3、6、9、12、15 で作られます。」ジャンパーの両端にはコネクタが付いています。

「ピグテールとジャンパーの組み立ては通常、高速な作業ではありません。通常、品質が重視されます」とドヨン氏は指摘します。 「このプロセスには平均 20 秒以上かかります。」

ほんの小さなゴミでも光が完全に遮断されてしまうため、掃除は重要です。 ファイバーストランドが正しくクリーニングされていないと、融着接続が不良になり、結合が不十分になる可能性があります。 ファイバーは通常、イソプロピル アルコールまたは超音波洗浄器で洗浄されます。

「表面処理は光ファイバーのアセンブリにおいて重要な役割を果たします」と、光ファイバーアセンブリ用途向けの接着剤の大手サプライヤーであるマスターボンド社の技術サポートマネージャー、ヴェンカット・ナンディバダ氏は述べています。 「接着剤を塗布する前に、部品を清潔で乾燥させておく必要があります。製品は光学的および熱的特性の点で非常に優れていますが、適切な表面処理が行われていない場合、接着強度は制限されます。」

光ファイバーのアセンブリ要件は 10 ミクロンからサブミクロン レベルにまで及び、正確で一貫した結果を達成するには正確な位置合わせが重要です。 ファイバーを接合する際の主な問題は、各ファイバーの面を互いに揃えて直角にすることです。 光信号の増幅は非常に重要です。

フォトニクスアセンブリにおけるナノ位置決めの主な機能は、送信コンポーネントと受信コンポーネントを位置合わせして、光結合における光損失を最小限に抑えることです。 組み立て業者は、ファイバーのコアを慎重に揃える必要があります。

ずれがあると信号が失われます。 わずか 10 分の 1 ミクロンのずれでも、光結合の 30 パーセントが失われます。

ファイバー先端の曲率やファイバーピグテールのグリップ位置などの要因により、位置合わせプロセスのばらつきがさらに大きくなります。 光ファイバーには保護クラッドとバッファーで構成される外層もあり、加工前にこれらを剥がす必要があります。

「当社の顧客のほとんどは手動の組み立てプロセスを使用しています」とモレックスのマラポード氏は言います。 「組み立てプロセスには、ジャケットとファイバーバッファーの除去、エポキシを使用したセラミックフェルールへのファイバー挿入、そして端面の研磨が含まれます。」

「エンジニアは通常、温度と寿命にわたって安定したインターフェースが必要なため、光ファイバーをフェルールに取り付ける際にエポキシに頼っています」とマラポード氏は説明します。 「急速硬化 UV 接着剤は、一部の用途にも使用されています。主に厳しい環境要件や短い寿命を持たないデータセンターで使用されます。」

「接着剤は通常、個々の光ファイバーまたはファイバーの束をコンポーネントに取り付けるために使用されます」とナンディバダ氏は言います。 「一般的な用途には、光ファイバーをコネクタに接着すること、ファイバー束をポッティングすること、ファイバーをフェルールに封止することが含まれます。

「接着剤は、アンプ、フィルター、アイソレーター、スイッチ、トランシーバーなどの光ファイバーコンポーネントを組み立てるのにも使用されます」とナンディバダ氏は説明します。 「ほとんどの組み立て用途にはエポキシがよく使用されますが、シリコーン、ウレタン、UV 硬化システムも他の選択肢です。

「当社は、より剛性が高く熱膨張係数が低い化学的性質から、より柔軟で熱サイクルに対する優れた耐性を特徴とするエポキシまで、幅広い種類のエポキシを提供しています」と Nandivada 氏は述べています。 「EP30-2 は、当社で最も人気のある 2 液型エポキシ製品で、さまざまな光ファイバー アセンブリの用途に使用されています。

「UV 硬化は、スループットを必要とする大量生産アプリケーションに最適です」と Nandivada 氏は指摘します。 「混合や計量を必要としない一液性の材料は、通常、自動化に適しています。また、これらの接着剤は、適切に UV 光にさらされると非常に早く硬化します。

「しかし、アプリケーションによっては、応力が非常に低く、耐熱性が優れているため、シリコーンの方が優れている可能性があります」とナンディバダ氏は言います。

従来、光ファイバーコンポーネントの自動取り扱いと組み立ては困難でした。 光ファイバーは柔軟な性質を持っているため、アルミニウムや銅線などの硬い部品の取り扱いよりも困難になります。

フラウンホーファー生産技術研究所（IPT）のエンジニア、マービン・バーガー氏は、「情報通信技術で使用される、プラグ接続を備えた束になった光ファイバーの組み立ては、今日でも自動化するのが難しい」と語る。

「特に、次世代の偏波保持（PM）ファイバーは、少なくとも 4 自由度でファイバーを高精度に操作する必要があります」とバーガー氏は説明します。 「固定偏波のファイバーはコネクタ内で非常に正確に位置合わせする必要があり、その取り扱いと結合にも最高の精度が必要です。

「シングルモードファイバーアレイでは、個々のファイバーを正確に配置することが重要です」とバーガー氏は指摘します。 「最大 32 本の光伝導ファイバーが 1 つのコネクターに複数の層で取り付けられています。コンポーネントが目的のデータ送信を実行できるかどうかは、個々のファイバーの正しい位置合わせによって決まるため、現在でも通常、光伝導ファイバーは手作業で個別にコネクターに接着されています。」 」

しかし、フラウンホーファー IPT とアイクセムテック GmbH のエンジニアは最近、PM ファイバー アレイの組み立てという複雑でコストのかかる作業を処理する自動化された方法を開発しました。

「このシステムは、ファイバーの保管と供給から、回転および並進の位置合わせ、個々のファイバーの接着と硬化、システム全体の線形ファイバーアレイへの最終組み立てに至るまで、コネクタの製造に不可欠なプロセスステップをすべて自動化します。」と氏は述べています。バーガー。

「すでに最大 16 個のファイバー接続を備えたコネクタを自律的に組み立てることができます」と Berger 氏は主張します。 「さらなる開発により、処理する繊維の数を増やし、非剛体繊維の取り扱いを改善し、生産プロセス全体をさらに加速したいと考えています。

「特許取得済みの操作システムは、自動 PM ファイバー アレイ アセンブリの要件を満たす世界初のシステムです」とバーガー氏は指摘します。 「また、柔軟なアセンブリセルプラットフォームにより、追加のハードウェアを簡単に統合できます。

「開発されたハードウェアと視覚ベースのルーチンを組み合わせることで、0.01 度未満の繰り返し精度で単繊維の位置合わせが可能になります」とバーガー氏は言います。 「配置自体は機械精度 (約 1µm) で行われます。ただし、ファイバーアレイの V 溝エレメントへのファイバーの固定を最適化するために特別な注意が払われています。

「単繊維は特殊な UV 硬化型接着剤で V 溝に固定されています」とバーガー氏は説明します。 「最適化された組み立てプロセスにより、ファイバーの先端は後で互いに近くに配置されます。

「現在、機械にはファイバーアレイごとにオペレーターが供給する必要があります」とバーガー氏は付け加えた。 「しかし、私たちは機械のセットアップを完全に自動化し、人間をプロセスチェーンから排除するためのさまざまな手順を開発中です。」