2x1ダブルクラッドファイバーカプラ

Small Cladding, Bidirectional, and High Extraction 2x1 DCF Couplers
1260 - 1600 nm Wavelength Range
Single Mode Core Insertion Loss of ≤0.5 dB
At Least 70% Multimode Inner Cladding Transfer

DC1300SEFA

Small Cladding Double-Clad Fiber

DC1300LE2FA

High Extraction Double-Clad Fiber

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概要
用途
検査
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上はダブルクラッドファイバーカプラの内部構造の概略図です。ポートAから入射したシングルモードの光は、ポートSで試料を照射する際に使用されます。試料からのシングルモードならびにマルチモードの光は、ポートSのダブルクラッドファイバ(DCF)のシングルモードのコア(赤色)ならびに内部クラッド(灰色)に入ります。シングルモードの信号は、DCFのコアを通過してポートAから出力します。マルチモードの信号は、DCFからマルチモードファイバに伝達されポートBから出力します。

用途例

光コヒーレンストモグラフィ(OCT)
蛍光イメージング
共焦点(コンフォーカル)顕微鏡
分光
表面プラズモン共鳴(SPR)センシング
スペックルフリーの単ファイバ内視鏡
LiDAR

シングルモードファイバは青(ポートA)、マルチモードファイバはオレンジ(ポートB)、ダブルクラッドのファイバは白(ポートS)、終端処理されているポート(ポートS)は黒に色づけされています。

動画では、信号対雑音比とスペックルコントラストについて、1300 nmのダブルクラッドファイバーカプラからのシングルモード出力(左)とマルチモード出力(右)の違いを示しています。出典: Madore et al., "Asymmetric double-clad fiber couplers for endoscopy." Optics Letters, Oct. 2013.

特長

波長範囲: 1260～1600 nm
- 小径クラッドカプラは準共焦点信号光の集光が可能
- 双方向カプラはポートBを入力用と出力用のどちらにも使用可能
- 高消光比カプラの消光比は最大85～90%
シングルモードコア部分の挿入損失: 0.5 dB以下
マルチモード内部クラッド伝達率: 70%以上
各カプラには個別のデータシートを添付(「検査」タブ参照。小径クラッド、双方向および高消光比カプラのサンプルデータがご覧いただけます。)

当社は、戦略パートナであるCastor Optics社と協同でダブルクラッドファイバーカプラーシリーズの設計と製造を行っています。2x1ダブルクラッドファイバーカプラは、右図の高消光比カプラDC1300LE2FAのようにダブルクラッドファイバ(シングルモードコアがマルチモード内部クラッドに囲まれたもの)と標準的なシングルモードまたはステップインデックスマルチモードファイバを組み合わせた製品です。カプラDC1300SEFAは、小径の内部クラッドによる準共焦点信号光の集光が可能です。カプラDC1300LQ2FAは双方向で使用可能なため、ポートBを入力用と出力用の両方に使用できます。カプラDC1300LE2FAは最大85～90%の高消光比を示します。詳細については「用途」タブをご覧ください。

動作
シングルモードコア内の光は、1260～1600 nmの波長範囲にわたり0.5 dB以下の挿入損失で伝搬されます。マルチモード伝達率(ポートSにおける入射光に対するポートBにおける出射光の割合)は、カプラDC1300SEFAの帯域幅では70%以上、カプラ DC1300LE2FAの帯域幅では85%以上です(どちらも1383 nm近傍の水の吸収帯域は除きます)。カプラDC1300LQ2FAは双方向で使用できますが、マルチモード伝達効率はポートSからポートBは70%以上、ポートBからポートSは55%以上となります。広帯域マルチモード光サーキュレータWMC2L1Fを双方向カプラのポートBで入力用と出力用の両方として使用すると、マルチモード光の照射と集光を同時に行うことができます。これにより、OCTとハイパースペクトルイメージングの組み合わせが可能になります。

シングルモードシステムとダブルクラッドファイバ間のシングルモード(SM)接続損失を最小限に抑えるために、SMF-28 ファイバはポートAの各カプラに融着接続されています。右上の図は、高消光比のDCFカプラを介したシングルモード信号とマルチモード信号の両方を示しています。これ以外の概略図は、下の青いInfoアイコン
( info icon )からご覧いただけます。

用途
ダブルクラッドファイバーカプラはイメージングやセンシングなど多くの用途において自由空間型カプラデバイスの代替品として使用されています。右下の動画では、1300 nmのダブルクラッドファイバーカプラのシングルモード出力ならびにマルチモード出力の画像を比較しています。

内部クラッドがØ105 µmのこれらのカプラは、OCTイメージングと蛍光検出の組み合わせや、スペックルフリーのシングルファイバ内視鏡の用途に使用されています。また、波長範囲が1550 nmまで拡張されているため、LiDARおよび自由空間通信の用途に適しています。

構造
それぞれのファイバ端はØ900 µmのHytrel^®*製チューブで被覆されており、右の概略図のようにSMF-28端(ポートA)は青、DCF端(ポートS)は白、MMファイバ端(ポートB)はオレンジで色分けされています。黒で色分けされたポートRは、長距離テレメトリなどの高感度の用途向けに、反射減衰量性能を最適化する独自のプロセスにより終端処理されています。

カプラは保護チューブに納められており、2個の2.0 mmナローキー付きのFC/PCと1個のFC/APCのコネクタの組合せが付いています。一般的に、FC/APCコネクタはカプラのダブルクラッドファイバ端のシングルモードコアからの後方反射を低減します。一方、マルチモードの出力ポートでは反射は問題とならないため、他のファイバ部品により簡単に接続できるようにFC/PCコネクタが使用されています。

カスタム仕様のコネクタ構成や、性能が異なるタイプもご提供可能です。さらに1300 nmカプラに使用されているダブルクラッドファイバは、標準品(型番DCF13)としてご用意しており、ご要望に応じてパッチケーブルとしてご提供できます。カスタム仕様に関するお問い合わせは当社までご連絡ください。2x2タイプのダブルクラッドファイバーカプラもございます。こちらをご覧ください。

*Hytrel^®はDuPont Polymers社の登録商標です。

アイコン等について
	下記の表内にある青いInfoアイコンをクリックすると、各製品の仕様や図をご覧いただけます。

ダブルクラッドファイバーカプラ(DCFC)の応用例

DCFCは、イメージング、検出、通信、LiDARなど多くの分野で利用されています。下記の例は、共焦点顕微鏡、OCTならびに内視鏡への応用例です。実装や考慮事項についての詳細はこちらをご参照ください。

図2. 豚の筋肉組織の共焦点画像シーケンス。シングルモードファイバーカプラ使用時(左)ならびにDCFC DC780SEB使用時(右)。

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図1. 共焦点画像の比較。シングルモードファイバーカプラ使用時(左)ならびにDCFC DC780SEFA使用時(右)。

共焦点顕微鏡ならびに部分的コヒーレント光検出^a

自由空間共焦点顕微鏡では、ピンホールの開口部により焦点面のコヒーレント光のみがディテクタに到達するため、焦点面の狭い範囲においてオプティカルセクショニングや高分解能イメージングが実現します。検出開口部を広げると、少量の部分コヒーレント光がディテクタに到達するため、分解能が若干減少しますが、スペックルノイズが低減し、コントラストの増加した画像を生成します。

DC780SEFAやDC1300SEFAなどの径が小さいDCFCを使用しても同じ効果が得られます。この場合、シングルモードコアが照射用のピンホール、小さい内部クラッドが検出用のピンホールとなります。コアと内部クラッドにより、自由空間共焦点顕微鏡と同じように画像のオプティカルセクショニングが可能となります。DCFCをこのように使用すると、検出用のピンホールは照射用ピンホールを囲むため、これらのピンホールは常に共役の位置にあります。そして内部クラッド径はコア径よりも僅かに大きいので少量の部分的コヒーレント光を受光するため、スペックルノイズが低減し、コントラストが増加します。

図1では、豚の甲状腺組織部分を50:50シングルモードファイバーカプラとDCFC DC780SEFAで取得した画像を比較しています。赤枠内と白枠内を左と右の画像で比較したとき、DCFCを使用するとスペックルアーティファクトが減少し、試料の細胞特性のコントラストが増加しています。図2は、シングルモードファイバーカプラとダブルクラッドファイバーカプラDC780SEBを使用して得られた、豚の筋肉組織の深さ15 µm～105 µmにおける一連の共焦点画像です。

光コヒーレンストモグラフィ(OCT)ならびに蛍光イメージング^b

Double-Clad Coupler Combined OCT and Fluoresence Image

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図5.OCT画像と蛍光画像を組み合わせた画像

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図4.蛍光画像

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図3.OCT画像

ダブルクラッドファイバーカプラ(DCFC)を、従来のダイクロイックビームスプリッタの代わりに用いることで、試料のOCT画像ならびに蛍光画像を、同じ対物レンズと走査光学系で取得できます。OCT信号(図3)はダブルクラッドファイバ(DCF)のシングルモードコアに集められ、蛍光信号(図4)はクラッドに集められます。コアとクラッドに集められた信号を組み合わせると、図5のように細気管支と血管を識別できるほど詳細な画像を形成できます。

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図6. 画像提供：Xavier Attendu氏

光コヒーレンストモグラフィならびにマルチスペクトルイメージング^c

双方向DCFCを使用することで、OCTのようなコヒーレントイメージングと拡散照明を必要とする手法の組み合わせが可能になります。用途の例として、OCTとマルチスペクトルイメージングの組み合わせがあります。この組み合わせにより、マルチスペクトルの取得により抽出されたトゥルーカラーデータと重ね合わされたOCT画像によって提供される詳細な構造情報を得ることができるようになります。例えば、DC1300LQ2FAなどの双方向DCFCとマルチモード光サーキュレータWMC2L1Fを組み合わせると、柔軟性の高い照明システムが実現します。これにより、光をシングルモードコアに入射させて高解像度の照明を得たり、DCFの内部クラッドに入射させて信号を大幅に増大させたりすることができます。図6では、シングルモードコア(B)とDCFの内部クラッド(C)で照射したときの印刷ロゴ(Aが実像)のマルチスペクトル画像を示しています。最適な信号対雑音比が得られるように、どちらも大径の内部クラッドで集光しています。

参考文献

De Montigny et al., "Double-clad fiber for partially coherent detection." Opt. Express, 23, 9040-9051 (2015). Images used with permission.
Lorenser et al., "Dual-modality needle probe for combined fluorescence imaging and three-dimensional optical coherence tomography." Opt. Lett., 38, 266-268 (2013). Images used with permission.

ダブルクラッドファイバーカプラの検査

当社のダブルクラッドファイバーカプラは、製造過程において厳しい検査を受けています。下に掲載されているセットアップを用いて、シングルモードの透過スペクトル、挿入損失、マルチモード内部クラッド伝送効率のデータを取得しています。各カプラには、これらの検査結果をまとめた個別のデータシートが付属します。小径クラッドカプラ、双方向カプラ、高消光比カプラの各リンクをクリックするとサンプルデータがご覧いただけます。

Double-Clad Fiber Coupler Verification Procedure

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シングルモードの挿入損失および透過率の測定

ステップ 1: シングルモードの挿入損失および透過率の測定

カプラのシングルモード入力部には、広帯域光源(BBS)に接続されており、カプラと光源間にはシングルモード(SM)ファイバおよびダブルクラッドファイバ(DCF)スプールが直列に接続されています。SMカプラの出力部は、SMファイバーコイルに融着され(クラッドモードが確実に除去されるように)、光スペクトラムアナライザ(OSA)に接続されています。カプラ作製のためにファイバ融着を行う前と後のスペクトルを記録します。この2つのスペクトルの差が、挿入損失(dB)または透過率(%)となります。

ステップ 2: マルチモード伝達効率の測定

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マルチモード伝達効率の測定

カプラのマルチモード入力部は、拡散板付きの635 nmレーザの光源に接続されており、カプラと光源の間には、コアØ105µm、クラッドØ125 μmのマルチモードファイバならびにDCFスプールが直列接続されています。こうすることで、内部クラッドモードでも伝送されます。カプラのコアØ200 µm、クラッドØ220 μmのマルチモードファイバ出力部は、シリコンフォトダイオード光パワーメータに接続されています。初めに光パワーを記録します。次にカプラを測定システムから取り外し、DCFスプールを同じパワーメータに直接接続します。2回目の光パワーを記録します。マルチモードの内部クラッドの伝達効率は、初めの光パワー測定値の2回目の光パワー測定値に対する比率(%)で表されます。

Castor Optics, a Montreal-based leading manufacturer of specialized fiber optics, has been a key strategic partner of Thorlabs since 2013. Castor was founded by Caroline Boudoux, Nicolas Godbout, Normand Brais, and Alex Cable to commercialize the innovative fiber coupler technology developed in the laboratory by Caroline Boudoux and Nicolas Godbout (Polytechnique Montreal). The team at Castor works closely with Thorlabs' Montreal office to develop exclusive and innovative fiber optics products and processes.

In addition to their co-presidents, Professors Boudoux and Godbout, Castor is driven by a team of fiber optics experts, engineers, and scientists. Leveraging its world-class fiber optics components development expertise, Castor pursues its mission to bring innovative solutions to the market to cater to industries requiring high-sensitivity performances, such as biomedical sensing, free-space communications, industrial sensing, and defense and security. They provide continuing support through their customers’ journey from prototyping to integration and manufacturing.

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The Castor Team in their Montreal Facility

Review Article

K. Beaudette, J. Li, J. Lamarre, L. Majeau, and C. Boudoux. “Double-Clad Fiber-Based Multifunctional Biosensors and Multimodal Bioimaging Systems: Technology and Applications,” Biosensors, 12(2):90, (2022).

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Combined OCT and Fluorescence Imaging

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L. Scolaro, D. Lorenser, W. J. Madore, R. W. Kirk, A. S. Kramer, G. C. Yeoh, N. Godbout, D. D. Sampson, C. Boudoux, and R. A. McLaughlin, "Molecular imaging needles: dual-modality optical coherence tomography and fluorescence imaging of labeled antibodies deep in tissue," Biomed. Opt. Express, 6, 1767-1781 (2015).

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OCT and Laser Therapy

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K. Beaudette, H. Won Baac, W. J. Madore, M. Villiger, N. Godbout, B. E. Bouma, and C. Boudoux, "Laser tissue coagulation and concurrent optical coherence tomography through a double-clad fiber coupler," Biomed. Opt. Express, 6, 1293-1303 (2015).

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R. Guay-Lord, X. Attendu, K. L. Lurie, L. Majeau, N. Godbout, A. K. Bowden, M. Strupler, C. Boudoux, "Combined optical coherence tomography and hyperspectral imaging using a double-clad fiber coupler," J. Biomed. Opt. 21(11) 116008 (2016).

OCT and SLO

J. D. Malone, M. T. El-Haddad, I. Bozic, L. A. Tye, L. Majeau, N. Godbout, A. M. Rollins, C. Boudoux, K. M. Joos, S. N. Patel, and Y. K. Tao, "Simultaneous multimodal ophthalmic imaging using swept-source spectrally encoded scanning laser ophthalmoscopy and optical coherence tomography," Biomed. Opt. Express, 8, 193-206 (2017).

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