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技術 光増幅器の製造方法

出願人 国立大学法人京都工芸繊維大学
発明者 山下兼一尾江邦重
出願日 2007年4月27日 (13年6ヶ月経過) 出願番号 2007-119389
公開日 2008年11月13日 (12年0ヶ月経過) 公開番号 2008-277547
状態 拒絶査定
技術分野 レーザ(2)
主要キーワード 有機母材 設計長 ワンパルス 母材材料 光増幅材料 ビーム形 自己形成法 光学接続
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2008年11月13日)のものです。
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図面 (12)

課題

高精度で低い接続損失を持つ光増幅器を比較的簡単な手法で実現できる光増幅器の製造方法を提供する。

解決手段

光増幅器10の製造方法は、光増幅材料が混合された光硬化性材料を、光ファイバ20の端面近傍に配置するステップと、光ファイバ20にレーザ光伝搬させ、光ファイバ20の端面から出射されるレーザ光の照射により光硬化性材料を硬化させるステップなどを含む。

概要

背景

従来、光通信の分野において、ガラスに添加したEr(エルビウムイオン遷移を利用した光増幅器(EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier)が広く採用されている。

しかしながら、このEDFAは含有できるEr原子の数(Er濃度)が低いことから、実用的な利得を得るためには、ファイバ増幅器全長は数m以上にする必要がある。そのため、小型な用途、例えば、光集積回路への応用には不向きである。

EDFAの代替として、半導体光増幅器も開発されている。半導体光増幅器は、小型化が容易であるが、端面無反射コート処理が困難であり、しかも光増幅器の導波路ファイバとの整合性が悪く、パッケージ化が困難である。

これに対して有機色素を用いた光増幅器は、小型で高い利得が期待できることから、下記特許文献1〜4に示すような光増幅器が提案されている。

特開2004−256393号公報
特開2004−214571号公報
特開平9−244082号公報
特開2006−222403号公報
特開2004−246335号公報
IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 4, pp.786-788, 2005

概要

高精度で低い接続損失を持つ光増幅器を比較的簡単な手法で実現できる光増幅器の製造方法を提供する。光増幅器10の製造方法は、光増幅材料が混合された光硬化性材料を、光ファイバ20の端面近傍に配置するステップと、光ファイバ20にレーザ光伝搬させ、光ファイバ20の端面から出射されるレーザ光の照射により光硬化性材料を硬化させるステップなどを含む。

目的

本発明の目的は、高精度で低い接続損失を持つ光増幅器を比較的簡単な手法で実現できる光増幅器の製造方法を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

光増幅材料が混合された光硬化性材料を、光導波路端面近傍に配置するステップと、光導波路にレーザ光伝搬させ、光導波路の端面から出射されるレーザ光の照射により光硬化性材料を硬化させるステップと、とを含むことを特徴とする光増幅器の製造方法。

請求項2

第1光導波路の第1端面と第2光導波路の第2端面を対向させるステップと、光増幅材料が混合された光硬化性材料を、第1端面および第2端面の近傍に配置するステップと、第1光導波路および第2光導波路の一方または両方にレーザ光を入射し、第1端面および第2端面の一方または両方からレーザ光を出射して、光硬化性材料を硬化させるステップと、とを含むことを特徴とする光増幅器の製造方法。

請求項3

光硬化性材料は、光重合開始剤を含むアクリル酸化合物からなるモノマーもしくはオリゴマー、またはモノマーとオリゴマーの混合物であることを特徴とする請求項1または2記載の光増幅器の製造方法。

請求項4

光増幅材料は、低分子有機色素発光性高分子および希土類イオン化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1または2記載の光増幅器の製造方法。

請求項5

光導波路は、光ファイバであることを特徴とする請求項1または2記載の光増幅器の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、自己形成導波路(self-written waveguide)の技術を用いた光増幅器の製造方法に関する。

背景技術

0002

従来、光通信の分野において、ガラスに添加したEr(エルビウムイオン遷移を利用した光増幅器(EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier)が広く採用されている。

0003

しかしながら、このEDFAは含有できるEr原子の数(Er濃度)が低いことから、実用的な利得を得るためには、ファイバ増幅器全長は数m以上にする必要がある。そのため、小型な用途、例えば、光集積回路への応用には不向きである。

0004

EDFAの代替として、半導体光増幅器も開発されている。半導体光増幅器は、小型化が容易であるが、端面無反射コート処理が困難であり、しかも光増幅器の導波路とファイバとの整合性が悪く、パッケージ化が困難である。

0005

これに対して有機色素を用いた光増幅器は、小型で高い利得が期待できることから、下記特許文献1〜4に示すような光増幅器が提案されている。

0006

特開2004−256393号公報
特開2004−214571号公報
特開平9−244082号公報
特開2006−222403号公報
特開2004−246335号公報
IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 4, pp.786-788, 2005

発明が解決しようとする課題

0007

上記特許文献には、光増幅器として使用可能な有機色素や蛍光体などの材料について言及されているが、実用化の際に問題となる、光ファイバなどの光導波路との実際の接続法について全く言及がない。

0008

将来、有機色素や蛍光体などを用いた光増幅器が実用化された場合、光ファイバなどの光導波路と光増幅器との接続技術が極めて重要になる。

0009

本発明の目的は、高精度で低い接続損失を持つ光増幅器を比較的簡単な手法で実現できる光増幅器の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0010

上記目的を達成するために、本発明に係る光増幅器の製造方法は、光増幅材料が混合された光硬化性材料を、光導波路の端面近傍に配置するステップと、
光導波路にレーザ光伝搬させ、光導波路の端面から出射されるレーザ光の照射により光硬化性材料を硬化させるステップと、とを含むことを特徴とする。

0011

また、本発明に係る光増幅器の製造方法は、第1光導波路の第1端面と第2光導波路の第2端面を対向させるステップと、
光増幅材料が混合された光硬化性材料を、第1端面および第2端面の近傍に配置するステップと、
第1光導波路および第2光導波路の一方または両方にレーザ光を入射し、第1端面および第2端面の一方または両方からレーザ光を出射して、光硬化性材料を硬化させるステップと、とを含むことを特徴とする。

0012

本発明において、光硬化性材料は、光重合開始剤を含むアクリル酸化合物カチオン重合性エポキシ化合物ポリイミド化合物シリコーン化合物などからなるモノマーもしくはオリゴマー、またはモノマーとオリゴマーの混合物であることが好ましい。

0013

本発明において、光増幅材料は、低分子有機色素発光性高分子および希土類イオン化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。

0014

本発明において、光導波路は、光ファイバであってもよい。

発明の効果

0015

本発明によれば、光増幅器の接続対象となる光導波路にレーザ光を伝搬させて、光導波路の端面から出射されるレーザ光の照射により光硬化性材料を硬化させることによって、レーザ光の光軸に沿って光増幅器の本体を自己整合的に形成することができる。従って、光導波路と光増幅器の間の光軸ずれがほぼ皆無であり、高精度で低い接続損失を持つ光増幅器を簡単に実現することができる。

発明を実施するための最良の形態

0016

図1は、本発明に係る光増幅器の製造方法の一例を示す斜視図である。光硬化性材料に光増幅材料を混合して、光増幅用組成物2を得た後、ガラス板などの基板1の上に適量を滴下する。

0017

次に、光増幅器の接続対象となる光導波路として光ファイバ20を用いて、光ファイバ20の先端を光増幅用組成物2の中に浸漬する。このとき、光ファイバ20は基板1から浮いた状態で、基板1の主面とほぼ平行に保ち、光ファイバ20の端面近傍に充分な量の光増幅用組成物2が存在するようにする。

0018

次に、光硬化性材料が硬化する波長のレーザ光Lcを発生するレーザ発振器40、例えば、波長488nmのArレーザをCWで動作させ、レンズ等の集光光学系30を用いて、レーザ光Lcを光ファイバ20の他端から入射させる。レーザ光Lcが光ファイバ20の中を伝搬して、光ファイバ20の端面から出射すると、端面近傍に存在している光硬化性材料を局所的に照射する。光硬化性材料のうちレーザ光Lcが照射された部分では、光重合などの硬化反応が開始し、レーザ光Lcの光軸に沿って線状に硬化する。一方、レーザ光Lcが照射されない部分は、未硬化のままである。

0019

硬化した線状部分が所望の長さに到達した時点で、レーザ光Lcの照射を停止し、光増幅用組成物から取り出して洗浄すると、光増幅器10が得られる。

0020

図2は、光ファイバ20の端部における硬化の状態を示す説明図である。まず、図2(a)に示すように、コア20aとクラッド20bを有する光ファイバ20の端部近傍に光増幅用組成物を配置する。

0021

次に、図2(b)に示すように、レーザ光Lcを光ファイバ20に入射させると、コア20aの端面に接する部分で硬化反応が開始する。図2(c)に示すように、レーザ光Lcの照射時間が経過するにつれて、硬化部分が徐々に成長する。

0022

次に、図2(d)に示すように、硬化部分が必要な長さになった時点で、レーザ光Lcの照射を停止する。

0023

このとき、光ファイバ20がステップインデックス型マルチモードファイバである場合、レーザ光は、光ファイバ20の端面から複数スポットビーム形状で出射する。そのため、光増幅用組成物の硬化部分は、複雑な形状になる可能性がある。一方、光ファイバ20が、グレーデッドインデックス型のマルチモードファイバ、あるいはレーザ光Lcにとってシングルモード伝搬可能なシングルモードファイバである場合、レーザ光は、光ファイバ20の端面から単一スポットのビーム形状で出射する。そのため、光増幅用組成物の硬化部分は、単一ロッド形状になる。従って、挿入損失の低減化のため、使用する光ファイバ20は、グレーデッドインデックス型のマルチモードファイバ、あるいはレーザ光Lcにとってシングルモード伝搬可能なシングルモードファイバであることが好ましい。

0024

図3は、本発明に係る光増幅器の製造方法の他の例を示す説明図である。ここでは、2本の光ファイバの間に光増幅器を形成する例を説明する。

0025

まず、図3(a)に示すように、光増幅器の接続対象となる光導波路として、コア21a,22aとクラッド21b,22bをそれぞれ有する光ファイバ21,22を用いて、これらの端面が所定の間隙を隔てて対向するように位置決めする。位置決めの際、V字溝治具や他のアライメント器具を使用して、コア21a,22aの中心を正確に一致させる。この状態で、上述した光増幅用組成物を両者の間隙に適量滴下して、光ファイバ21,22の各端面近傍に配置する。

0026

次に、図3(b)に示すように、レーザ光Lcを光ファイバ21に入射させると、コア21aの端面に接する部分で硬化反応が開始し、レーザ光Lcの照射時間が経過するにつれて、硬化部分が徐々に成長する。そして、硬化部分の先端が他方の光ファイバ22の端面に到達する寸前でレーザ光Lcの照射を停止し、硬化反応を止める。

0027

次に、図3(c)に示すように、今度はレーザ光Lcを光ファイバ22に入射させ、コア22aの端面に接する部分で硬化反応を開始させる。そして、硬化部分の全体形状がほぼ左右対称となった時点で、レーザ光Lcの照射を停止し、硬化反応を止める。こうして単一ロッド形状の光増幅器10が得られる。

0028

次に、図3(d)に示すように、光増幅器10および光ファイバ21,22の表面に付着した光増幅用組成物を洗浄した後、クラッド用硬化性材料を光増幅器10の周囲に配置する。そして、クラッド用硬化性材料を硬化させることによって、光ファイバ21,22と一体化した光増幅器10が得られる。

0029

クラッド用硬化性材料は、光増幅用組成物と同じ光硬化性材料でもよく、異なる光硬化性材料でもよく、あるいは別種の硬化反応を利用した材料、例えば、熱硬化性材料であっても構わない。一般には、コアとクラッドの密着性の点で、クラッド用硬化性材料として、光増幅用組成物と同じ光硬化性材料を使用することが好ましい。

0030

また、光増幅用組成物を硬化させる際、光ファイバ21からのレーザ照射と光ファイバ22からのレーザ照射とを別々のタイミングで行う場合を説明したが、両方のレーザ照射を同時に行ってもよく、あるいはいずれか一方のレーザ照射だけを行っても構わない。

0031

図4aは、図2に示した方法で得られた光増幅器の一例を示す側面図である。光ファイバの端面から同軸ロッド状の光増幅器が延出している様子が判る。

0032

図4bは、図3に示した方法で得られた光増幅器の一例を示す側面図である。図4cは、図3(c)に対応した拡大図である。図4dは、図3(d)に対応した拡大図である。2本の光ファイバの間に同軸で形成された光増幅器が、光ファイバの各端面を連結している様子が判る。また、光ファイバ同士の間隙に応じて、光増幅器の長さも変化するため、光増幅器の設計長さに正確に一致させることも容易である。

0033

上述した光増幅器の製造方法において、母材として用いる光硬化性材料は、光重合開始剤を含むアクリル酸化合物、カチオン重合性のエポキシ化合物やポリイミド化合物、シリコーン化合物などからなるモノマーもしくはオリゴマー、またはモノマーとオリゴマーの混合物であり、その中でもアクリル酸化合物が好ましい。例えば、アクリル酸アクリル酸エステルメタクリル酸メタクリル酸エステルエポキシアクリル酸、エポキシアクリル酸エステル、ウレタンアクリル酸、ウレタンアクリル酸エステルなどが使用でき、具体的な製品として、例えば、PAK−01(東洋合成工業)、DF−803N(日本化薬)などが挙げられる。

0034

光硬化性材料に添加する光重合開始剤として、例えば、ベンゾイン及びベンゾインアルキルエーテル類、アセトフェノン類アミノアセトフェノン類、アントラキノン類チオキサントン類ケタール類ベンゾフェノン類又はキサントン類などが使用できる。

0035

光硬化性材料に混合する光増幅材料は、低分子有機色素、発光性高分子および希土類イオン化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。

0036

低分子有機色素として、例えば、ローダミン6GローダミンBクマリン153、クマリン307などが使用でき、その他に、過塩素酸塩系色素(例えば、NK−2807(林原生化学研究所))やヨウ化物系色素(例えば、NK−125(林原生物化学研究所))などが使用できる。

0037

発光性高分子として、ポリフェニレンビニレンまたはその誘導体(例えば、CN−PPV)などが使用できる。

0038

希土類イオン化合物として、有機希土類錯体希土類金属複合アルコキシドなどの有機母材に可溶なものが使用できる。

0039

母材材料と光増幅材料の組合せに関して、可溶性の観点から、DF−803NとNK−125の組合せ、PAK−01とローダミン6G、ローダミンB、クマリン153、クマリン307またはCN−PPVの組合せ、メチルメタクリレートとNK−2807の組合せ、メチルメタクリレートと有機希土類錯体または希土類金属複合アルコキシドの組合せ等が好ましい。

0040

図5は、光増幅器の発光スペクトル測定方法の一例を示す構成図である。光増幅器10は、エタノールを用いた溶媒置換により光硬化性モノマー(製品名:DF−803N)と発光色素NK−125を混合した光増幅用組成物を用いて、上述のような自己形成法によって製作した。光増幅器10の導波路長は、0.83mm,0.96mm,1.18mm,1.20mm,1.32mmのものを準備した。

0041

光ファイバ20の端面に形成された光増幅器10をステージ50の上に固定し、光ファイバ20の他端を分光計51に光学接続し、光増幅器10の発光スペクトルをPC(パーソナルコンピュータ)52で解析した。

0042

励起光として、波長723nmの色素レーザ60をパルス発振させ、NDフィルタ61、シリンドリカルレンズ62を通して、光増幅器10を側方から照射した。

0043

図6(a)は、光増幅器10の発光スペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は、光強度(任意単位)であり、横軸は、波長(nm)である。使用した光増幅器10の導波路長は1.32mmである。

0044

励起光の強度を、162,270,324,378,432,486,540(μJ/cm2)に変化させたところ、光増幅器10の発光強度が徐々に増加し、特に、486(μJ/cm2)から540(μJ/cm2)に変化すると、波長770nm付近の発光強度が急激に増加し、増幅された自然放出光ASE)が発生していることが判る。

0045

図6(b)は、光増幅器10における発光強度と励起光強度との関係を示すグラフである。縦軸は、規格化した発光強度であり、横軸は、励起光強度(μJ/cm2)である。カーブは、光増幅器10の導波路長0.83mm,0.96mm,1.18mm,1.20mm,1.32mmにそれぞれ対応している。

0046

このグラフを見ると、短い導波路長の光増幅器10では、発光強度が励起光強度に対して単調に増加しているが、導波路長1.20mm,1.32mmの光増幅器10では、励起光強度が486(μJ/cm2)を超えると発光強度が急激に増加して、増幅された自然放出光(ASE)が観測されていることが判る。

0047

図7は、光増幅器の利得スペクトルの測定方法の一例を示す構成図である。光増幅器10は、図5で用いたものと同じ構成である。光増幅器10は、光ファイバ21と光ファイバ22の間に介在させた。信号光として、LD(半導体レーザ)70から波長770nmのCW光を発生して、レンズ71を介して光ファイバ21の前側端面に入射した。光ファイバ22の後側端面は、分光計51に光学接続し、光増幅器10の利得スペクトルをPC(パーソナルコンピュータ)52で解析した。

0048

励起光として、波長723nmの色素レーザ60をパルス幅1nsでパルス発振させ、シリンドリカルレンズ62を通して、光増幅器10を側方から照射した。

0049

図8は、光増幅器10の光増幅作用の一例を示すグラフである。縦軸は、光強度(任意単位)であり、横軸は、波長(nm)である。カーブaは、励起光の照射を停止した状態で、0.1秒間時間積算した信号光の透過スペクトルを示す。カーブbは、0.1秒間の時間積算の間に、1nsの励起光をワンパルス照射した状態で、ASEと信号光の合計からASEを引き算したスペクトルを示す。

0050

カーブaとカーブbを比較すると、波長770nm付近で約1.2倍の利得が得られていることが判る。これは、1nsの間のパルス照射時での利得に換算すると、1.7×107(72.3dB)に相当する。

0051

以上の説明では、光増幅器の接続対象として光ファイバを用いた例を示したが、本発明は、基板上に形成された導波路同士を接続するように光増幅器を設けてもよく、光集積回路などへ応用も可能である。

0052

本発明は、高精度で低い接続損失を持つ光増幅器を比較的簡単な手法で実現できる点で、産業上極めて有用である。

図面の簡単な説明

0053

本発明に係る光増幅器の製造方法の一例を示す斜視図である。
光ファイバの端部における硬化の状態を示す説明図である。
本発明に係る光増幅器の製造方法の他の例を示す説明図である。
図2に示した方法で得られた光増幅器の一例を示す側面図である。
図3に示した方法で得られた光増幅器の一例を示す側面図である。
図3(c)に対応した拡大図である。
図3(d)に対応した拡大図である。
光増幅器の発光スペクトルの測定方法の一例を示す構成図である。
図6(a)は、光増幅器の発光スペクトルの一例を示すグラフであり、図6(b)は、発光強度と励起光強度との関係を示すグラフである。
光増幅器の利得スペクトルの測定方法の一例を示す構成図である。
光増幅器の利得スペクトルの一例を示すグラフである。

符号の説明

0054

1基板
2光増幅用組成物
10光増幅器
20,21,22光ファイバ
20a,21a,22aコア
20b,21b,22bクラッド
30集光光学系
40レーザ発振器
50ステージ
51分光計
52 PC(パーソナルコンピュータ)
60色素レーザ
61NDフィルタ
62 シリンドリカルレンズ

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