環境･エネルギー･資源

パワー伝送用矩形コアファイバの開発
小西島川樽
井一
稔

上

＊昌・蟹江

智彦・高橋健一郎

修・水戸瀬雄一・佐々木隆樹・永拓志・布島施敬司

享Development of Rectangular Core Optical Fiber Cable for High Power Laser ─ by Kazuhisa Konishi, TomohikoKanie, Kenichirou Takahashi, Osamu Shimakawa, Yuuichi Mitose, Takashi Sasaki, Toshiki Taru, Takuji Nagashima,
Keiji Fuse and Akira Inoue ─ Laser scribing is a commonly used process for manufacturing thin film solar cells.
The quality and efficiency of the scribing process can be improved by the use of rectangular flat-top beams. The
rectangular flat-top beams are easily formed by rectangular core optical fiber. Thus the rectangular core optical fiber
gives scribing systems great flexibility.
In this study, the authors developed a rectangular core optical fiber, and examined its characteristics. The results
demonstrated that the developed optical fiber was capable of forming rectangular flat-top beams that showed asufficient uniform intensity distribution. This paper also includes the result of investigation about factors affecting
uniform intensity distribution profiles.
Keywords: rectangular core optical fiber cable, flat-top beam, laser scribe, thin film solar cell

1.

緒

言

近年、地球温暖化対策として、CO2 排出量削減への取り組みが各分野で活発になされており、なかでも太陽電池は、で集光すると図 2 に示すようにスポット中心部でエネルギー密度が高くなり（ガウシアンビーム）、他の層にダ再生可能エネルギーとして急激な拡がりを見せている。特メージを与える結果となる。またスクライブ加工は、パルに大規模太陽光発電システムでの利用が見込まれるシリコスビームを高速にスキャンすることでライン形状を形成しン系薄膜型太陽電池は、全世界で大幅な増産が計画されてており、円形スポット形状より矩形スポット形状の方がいる 。

ビームのオーバーラップを低減できるため加工速度を上げ（1）

シリコン系薄膜型太陽電池は図 1 に示すようにベースのガラス基板上に透明電極（TCO 膜）、発電層（シリコン膜）、裏面電極（メタル膜）が積層された構造となっている。さることができる。
このように矩形均一強度ビームを用いることで、効率的な加工を実現している。

らにこの積層されたパネルは複数のセルに分割され、各セルが直列に接続された構造をとっており、この構造を形成するためには、各層を選択的に切断（スクライブ）する必

レーザビームレーザビーム要がある。このスクライブプロセスにおいてレーザ加工が採用されており、各層ごとに吸収率の高い波長のレーザをガラス基板使うことで、選択的なスクライブ加工が可能となっている。

TCO膜
シリコン膜

このスクライブ加工では、通常のレーザビームをレンズ膜ダメージ
レーザスクライブ加工ポイント

ガラス基板

透明電極（TCO膜）

加工方向

加工方向

発電層（シリコン膜）
裏面電極（メタル膜）

図1

シリコン系薄膜型太陽電池の断面構造

ガウシアンビーム

図2

矩形均一強度ビーム

薄膜型太陽電池のレーザスクライブ加工

2 0 1 0 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 7 号 −（ 125 ）−矩形均一強度ビームの形成には、様々なホモジナイズ光学

2−2

一般的にマルチモードファイバ曲げ損失特性（3）。その中でも矩形コアファイバは、系が提案されている（2）、の曲げ損失は、ファイバの NA が大きい方が曲げに対する容易に矩形均一強度ビームが形成でき、また伝送のフレキシ損失は少なく、同じ NA のファイバではコア形状の小さいブルさは、大面積薄膜型太陽電池などの加工ヘッドを高速にファイバの方が損失は少なくなる（4）。図 3 に今回製作した移動させることが必要なシステムでは有効である。今回、矩形コアファイバの曲げ損失特性の一例を示す。実際の加レーザスクライブ加工システム向けに開発したパワー伝送用工システムでの最小曲げ曲率は、使用するファイバの曲げ矩形コアファイバについて、その特性を報告する。

強度とともに、この曲げ損失特性を考慮して決定する必要がある。

矩形コアファイバの透過特性2−1開発したパワー伝送透過特性（伝送損失）

用矩形コアファイバは、高出力レーザビームに対して信頼性の高い全石英とし、スクライブ加工の幅にあわせ、各種曲げ曲率（mm）500400

矩形コア形状をラインナップしている。その断面写真の例

300◆×◆◆×◆×◆◆×◆を写真 1 に示す。

200◆×◆×100
00.20.40.6◆

また、各種レーザ光源に対応するため、異なるファイバ

0.81NA のタイプも用意している。表 1 に YAG 基本波（波長1064nm）レーザでの各種ファイバの伝送損失を示す。

◆600µm角 NA 0.10◆600µm角 NA 0.15×

ファイバ内の伝送損失は 0.1dB/10m 以下で、実際の加工システムで使用される 10m ～ 20m 程度のファイバ長にお1.21.4◆35µm角 NA 0.101.61.8

入射ビーム：YAG基本波レーザ（波長1064nm）、入射NA0.03、曲げ数5ターン

いては、レーザパワーロスは、ほぼ入射結合時のロスとファイバ端面での反射ロスとなる。入射ビームの結合が十図3分な場合、透過率は 94 ％レベルである。

3.

曲げ損失（dB）

2.

矩形コアファイバの曲げ損失特性

出射特性（FFP ：ファーフィールドパターン）
出射ビームの拡がり（出射 NA）は、転写結像レンズの大きさを決定する要因であり、できるだけ小さい方が好ましく、特にヘッドを高速に移動させるシステムでは極めて重要になってくる。50µm 角コアファイバ（ファイバ長10m）でファイバ NA0.10 および 0.18 の 2 種類について、入射ビームの NA の変化に対する出射 NA を図 4 に示す。

入射ビームは YAG 基本波（波長 1064nm）のシングル

50µm×50µm コア

写真 1

表11：1

1：2

モードレーザを用い、出射 NA の測定は、NA が十分小さ
いとき NA ＝ sin θ≒ tan θ≒ r/L（ここで r はファイバ端から L 離れた位置でのビームの半径）となり、ファイバ端

矩形コアファイバ断面0.12

全石英矩形コアファイバ伝送損失0.10コア形状（µm）

NA

伝送損失（dB/10m）

35 × 350.1050 × 500.1050 × 500.180.04

480 × 4800.150.02

600 × 6000.10600 × 6000.1535 × 700.1850 × 1000.10−（ 126 ）− パワー伝送用矩形コアファイバの開発

出射NA

アスペクト比50µm×100µm コア0.1 以下●

50µm角 NA 0.10■50µm角 NA 0.180.080.060.000.00■
■

■

■

●

●

●
●
0.020.040.060.08

入射NA

図4

出射 NA の入射 NA 依存性

0.100.12

から任意の距離でのビーム径を測定することで算出した。
なおビーム径はエネルギーの 95 ％の範囲とした。

図 6 に示す通り、何れの矩形コアファイバも十分な矩形

均一強度分布の結像パターンが得られており、矩形均一強レーザ加工用ファイバは全長 10 ～ 20m 程度と短いので、出射 NA はファイバ NA とはならず、入射 NA がある程度度分布形成に有効であることを確認した。
4−2

ファイバ品種の違いよる結像パターン

矩形保存される。またファイバ NA が大きいほど出射 NA は大コアファイバはビームを重ね合わせる原理で、均一強度分きくなる傾向を示すことが分かる。

布を形成するため、入射するレーザビームの干渉性が低い
マルチビームほど均一強度ビームが形成されやすい。この4.

結像パターン（NFP：ニアフィールドパターン）ためより多くのモードが発生伝播（励振）しやすいことが重要となる。励振しやすさについて、ファイバの各種仕様

マルチモードビームによる結像パターン

や入射ビームの NA が及ぼす影響を示すために測定した各に示すプロファイルの YAG 基本波（波長 1064nm）マルYAG 基本波（波長 1064nm）ガウスモードビームを評価

4− 150µm 角コア、及び 600µm 角コアファイバを用いて、図 5種結像パターンを図 7 に示す。なお影響を明確にするため、チモードビームを入射させ、ファイバ出射端の結像パター光源として使用した。

ンを測定した。

まずファイバ NA の違いによる差について、50µm 角コア、ファイバ長 10m のファイバに NA0.03 でビームを入射させた場合で、異なるファイバ NA での結像パターンを
図 7 の a）、b）に示す。ファイバが NA0.10 では入射ビームのモードが主として励振されているのに対し、NA0.18では他のモードの励振が増えているのが分かる。
次にファイバ長を 50m と長くした場合（図 7 の c））では、さらに多くのモードの励振が見られ均一性が向上していることが分かる。また同じファイバでも図 7 の b）、d）
図5

マルチモード入射ビームプロファイル-40b）50µm角コア、ファイバ長 10 m、ファイバNA 0.18、入射NA 0.03c）50µm角コア、ファイバ長 50 m、ファイバNA 0.10、入射NA 0.03d）50µm角コア、ファイバ長 10 m、ファイバNA 0.18、入射NA 0.12

Power [A.U.]

600um×600um L=10m

Power [A.U.]

50um×50um L=10ma）50µm角コア、ファイバ長 10 m、
ファイバNA 0.10、入射NA 0.03

-200[um]

2040a）50µm角コア、ファイバ長 10 m、ファイバNA 0.10、入射NA 0.06

図6-5000[um]500b）600µm角コア、ファイバ長 10 m、
ファイバNA 0.10、入射NA 0.06

マルチモードビーム入射時の結像パターンe）600µm角コア、ファイバ長 10 m、ファイバNA 0.10、入射NA 0.03

図7

ガウスモードビーム入射時の結像パターン

2 0 1 0 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 7 号 −（ 127 ）−の結像パターンからわかるように、入射するビームの NAを 0.03 から 0.12 に大きくすると多くのモードの励振が見られ均一性の向上が認められる。

参考

文

献

（1）近藤道雄、「太陽光発電の現状と将来」、レーザ加工学会誌、Vol.15、No.2、pp.1-5（2008）

さらにコア形状を大きくした場合、図 7 の e）に示す通（2）岩間誠司、「固体レーザによる薄膜太陽電池のパターニング加工」、
レーザ加工学会誌、Vol.15、No.2、pp.16-20（2008）

り、マルチモードビームを入射させた場合とほぼ同レベル（3）空田和彦、「太陽電池製造プロセスにおけるレーザ加工」、レーザ協会
誌、Vol.33、No.1、pp.26-31（2008）の均一強度が得られていることが分かる。

（4）Allan W. Snyder and John D. Love, Optical Waveguide Theory

り 600µm 角コアではより多くのモードの励振が可能とな

5.

（5）平井隆之、布施敬司、栗巣賢一、江畑恵司、「回折型ビームホモジナ
イザの開発」、SEI テクニカルレビュー、第 166 号、pp.13-18（2005年 3 月）

耐久性
ファイバ保護として SUS フレキ管を用い、入射アライメント時の損傷を避けるためエアギャップタイプのコネクタを実装したファイバについて、各種耐久性を評価した結果を表 2 にまとめる。

特にファイバの曲げが繰り返し発生する実際の加工シス

執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------小西一 昌＊：光通信研究所 光部品研究部 主席
パワー伝送用光ファイバの開発に従事

蟹江

テムでも十分な耐久性があると判断される。

表2項

矩形コアファイバ耐久性試験結果

目条件

結果

繰り返し曲げ（ケーブルベア試験）

R ＝ 150mm（1 ターン）1000 万回

異常なし

引っ張り強度試験

50N

異常なし

ヒートサイクル試験

5 ～ 60 ℃
6hrs/cyc × 10cyc

異常なし

智 彦 ：光通信研究所

光部品研究部

グループ長

高 橋 健 一 郎 ：光通信研究所

光部品研究部主席

修 ：光通信研究所

光部品研究部

主査

水 戸 瀬 雄 一 ：光通信研究所

光部品研究部島川隆 ：光通信研究所

光材料機能応用研究部

グループ長

樽稔 樹 ：光通信研究所

光材料機能応用研究部

主査

永島

拓 志 ：光通信研究所

光材料機能応用研究部

布施敬 司 ：住友電工ハードメタル㈱

佐々木

井上

享 ：光通信研究所

光学部品開発部

光部品研究部

主席部長------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

6.

結言

薄膜型太陽電池スクライブ加工システム向けに開発した矩形コアファイバで、矩形均一強度ビームが形成可能であることを示すとともに、各種ファイバの仕様や入射条件が矩形均一強度分布形成に及ぼす影響について示した。
均一強度ビームを得るためには、より多くの高次モードを励振させることが重要で、光源として干渉性の低いマルチモードビームが有効である。
一方、微細な形状加工の場合は、干渉性の高いシングルモードのレーザ光源を選択する場合が多いが、その場合は当社で既に製品化している DOE（Diffractive OpticalElement）ホモジナイザ（5）の使用をお奨めする。

−（ 128 ）− パワー伝送用矩形コアファイバの開発