DE112016006006T5

DE112016006006T5 - Optische Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE112016006006T5
Application number: DE112016006006.8T
Authority: DE
Inventors: Shigehiro Nagano
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-09-27
Also published as: WO2017110792A1; US20200225408A1; JP6753417B2; US10830948B2; JPWO2017110792A1; US20180299616A1; US10663656B2

Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung, die in der Lage ist, ein sekundäres nichtlineares optisches Phänomen zu realisieren. Die optische Vorrichtung ist eine faserartige optische Vorrichtung, die aus SiO2-haltigem Glas besteht und einen Kernbereich, einen ersten Hüllbereich und einen zweiten Hüllbereich umfasst. In mindestens einem Teil eines Glasbereichs, der durch den Kernbereich und den ersten Hüllbereich so gestaltet ist, dass ein erster Abschnitt, der als gepolter Kristallbereich dient, und ein zweiter Abschnitt, der als amorpher Bereich dient, abwechselnd entlang einer Längsrichtung der optischen Vorrichtung angeordnet sind, ist eine Wiederholungsstruktur vorgesehen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung entspricht einer optischen Vorrichtung und einem Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung.
Technischer Hintergrund
Ferroelektrische optische Kristalle, wie ein LiNbO₃ (LN) Kristall, ein KTiOPO₄ (KTP) Kristall, ein LiB₃O₅ (LBO) Kristall, und ein β-BaB₂O₄ (BBO) Kristall sind Hauptbestandteile eines in einer optischen Vorrichtung, in der ein sekundäres nicht-lineares Phänomen eingesetzt wird, verwendeten Materials. Die optische Vorrichtung, die drei Kristalle benutzt, wurde in breiten auf Wellenlängenkonvertierung basierenden Anwendungsgebieten entwickelt. Zum Beispiel, die optische Vorrichtung, die in einem Gebiet der Laserverarbeitung, einem Gebiet optischer Kommunikation, und einem Feld der Messung benutzt wird.
In dem Bereich der Laserverarbeitung, wird die optische Vorrichtung mittels einer zweiten Harmonischen-Erzeugung (second harmonic generation - SHG) eines optische Fasernlasers in Wellenlänge verkürzt. Da der Durchmesser eines Strahlpunkts der zweiten Harmonischen kleiner wird als der einer Grundwellenform, wird die optische Vorrichtung in einer feinen Laserverarbeitung eingesetzt. In dem Bereich der optischen Kommunikation, wird die optische Vorrichtung verwendet, um die Wellenlängen eines C-Band WDM-Signals in ein L-Band WDM-Signal integral umzuwandeln, um eine Wellenlängenressource des WDM-Signals effektiv zu nutzen. In dem Bereich der Messung, wird die optische Vorrichtung als Lichtquelle verwendet, die einen terahertz Lichtstrahl erzeugt, um intermolekulare durch Wasserstoffverbindungen verursachte Schwingungen zu beobachten.
Neuerdings werden auch Halbleiterkristalle wie zum Beispiel GaAs, CaP, GaN, CdTe, ZnSe und ZnO als ein Material für die optische Vorrichtung, die das sekundäre nichtlineare optische Phänomen benutzt, verwendet. Diese Materialien haben eine große zweite nichtlineare optische Konstante und erregen auch Aufmerksamkeit, als ein Material einer nichtlinearen Vorrichtung zweiter Ordnung, weil es Entwicklungen einer Technologie der Herstellung einer periodisch gepolten Struktur gibt, die in einer sekundären nichtlinearen optischen Vorrichtung essentiell ist.
Ein Schema der Wellenlängenkonvertierung kann in zwei Bereiche klassifiziert werden, nämlich eine Quasi-Phasen-Abstimmung (quasi-phase matching - QPM) und eine Phasenwinkel-Abstimmung basierend auf der periodischen Polung. In diesen Bereichen kann die Quasi-Phasen-Abstimmung verschiedene phasenabgestimmte Wellenlängen, durch Entwerfen eines angemessenen Polabstands, erzeugen. Die Wellenlängenkonvertierung kann über die komplette transparente Region des Materials gemacht werden. Zusätzlich, da die Quasi-Phasen-Abstimmung keinen durch die Phasenwinkel-Abstimmung hervorgerufenen Abregelwinkel hat, ist die Strahlqualität exzellent und eine Wechselwirkungslänge kann lang gemacht werden. Darum ist das Quasi-Phasen-Abstimmung eine Verfahren, die sich für einen hohen Wirkungsgrad und zur Verhinderung von Kopplungsverlusten eignet und in der Verarbeitung und Messung wirkungsvoll ist.
Zitierliste
Nicht-Patent-Literatur

Nicht-Patent-Dokument 1: Opt. Lett., Vol. 34, No. 16 (2009) p.2483
Nicht-Patent-Dokument 2: Opt. Express, Vol. 19, No. 27 (2011) p. 26975
Nicht-Patent-Dokument 3: Applied Physics, Vol. 83, No. 7 (2014) p. 560
Nicht-Patent-Dokument 4: Ceramics, Vol. 49, No. 7 (2014) p. 604
Nicht-Patent-Dokument 5: Opt. Lett., Vol. 39, No. 22 (2014) p. 6513
Nicht-Patent-Dokument 6: IEEE J. Quantum Electron., Vol. 28, Issue. 11 (1992) p. 2631
Nicht-Patent-Dokument 7: Journals of The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers (IEICE) C-I J77 (1994) p. 536
Nicht-Patent-Dokument 8: IEEE J. Quantum Electron., Vol. 30, Issue. 7 (1994) p. 1596
Nicht-Patent-Dokument 9: Science Vol. 278 (1997) p. 843

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Nach dem Studieren der optischen Vorrichtung der verwandten Technik hat der Erfinder die Probleme wie folgt herausgefunden. Mit anderen Worten, wenn die optische Vorrichtung, die den ferroelektrischen optischen Kristall oder einen Verbindungshalbleiterkristall verwendet, mit der optischen Faser als Modul kombiniert wird, muss eine Kondensations- oder Lupenlinse zwischen die optische Vorrichtung und die optische Faser eingesetzt werden. In einer solchen Konfiguration wird der Kopplungsverlust erhöht, und je nach Anwendungsbereich einer Wellenlängenumwandlung ist ein räumliches optisches System erforderlich. Eine Ausrichtung wird kompliziert da die Anzahl der Komponenten erhöht wird und somit die Vorrichtung in Größe zunimmt. Des Weiteren tritt leicht ein Problem auf, wie Leistungsabfall durch Verschmutzung der Linsenoberfläche. Auf diese Weise kann nicht gesagt werden, dass die sekundäre nichtlineare optische Vorrichtung der verwandten Techniken und die optische Faser gut aufeinander abgestimmt sind.
Andererseits, da die optische Faser (Silica-Basierende Glasfaser), die aus einem Glas auf Silica-Basis besteht, durch ein amorphes Material konfiguriert ist, ist die Nutzung auf einen nichtlinearen optischen Effekt dritter Ordnung beschränkt, wird aber kaum in einer hocheffizienten Wellenlängenkonversion eingesetzt, wo ein sekundärer nichtlinearer optischer Effekt verwendet wird.
Die Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Probleme zu lösen, und ein Ziel ist es, eine faserartige optische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, das sekundäre nichtlineare optische Phänomen zu realisieren.
Lösung des Problems
Die optische Vorrichtung nach der Ausführungsform ist eine faserartige optische Vorrichtung, die SiO₂ beinhaltendes Glas umfasst und einen Kernbereich, einen ersten Hüllbereich und einen zweiten Hüllbereich beinhaltet. Der Kernbereich erstreckt sich entlang einer Längsrichtung der optischen Vorrichtung. Der erste Hüllbereich umgibt den Kernbereich und hat einen Brechungsindex, der niedrigerer als der des Kernbereichs ist. Der zweite Hüllbereich umgibt den ersten Hüllbereich und hat einen Brechungsindex, der niedrigerer als der des Kernbereichs ist. Um die oben genannten Probleme zu lösen wird eine Wiederholungsstruktur in mindestens einem Teil eines Glasbereichs bereitgestellt, der so aus dem Kernbereich und dem ersten Hüllenbereich gebildet ist, dass ein erster Abschnitt und ein zweiter Abschnitt abwechselnd entlang der Längsrichtung eingesetzt werden. Des Weiteren ist der erste Abschnitt ein Kristallbereich, der in einer vorgegebenen Richtung senkrecht zur Längsrichtung gepolt ist. Der zweite Abschnitt ist ein amorpher Bereich oder ein anderer Kristallbereich, der in einer anderen Richtung als der Kristallbereich des ersten Abschnitts gepolt ist.
Vorteilhafter Effekt der Erfindung
Nach der Ausführungsform ist es möglich eine faserartige optische Vorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist ein sekundäres nichtlineares optisches Phänomen zu realisieren.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsstruktur einer optischen Vorrichtung 10 nach einem ersten vergleichbaren Beispiel abbildet.
2 ist ein konzeptionelles Diagramm, das einen Querschnitt einer optischen Vorrichtung 30 nach einem dritten vergleichbaren Beispiel abbildet.
3A ist ein Flussdiagram, um ein Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform zu beschreiben.
3B ist ein Flussdiagram, um ein Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform zu beschreiben.
4 ist ein Diagramm, um ein erstes Verfahren zum Formen eines elektrischen Felds in einer optische Faser zu beschreiben.
5 ist ein Diagramm, um ein Verfahren zur unterbrochenen oder kontinuierlichen Bestrahlung der optischen Faser mit einem Laserstrahl zu beschreiben.
6 ist ein Diagramm, um ein zweites Verfahren zum Formen eines elektrischen Felds in einer optische Faser zu beschreiben.
7 ist ein Diagramm, das eine Einstellung der optischen Vorrichtung 100 nach der ersten Ausführungsform abbildet.
8 ist ein Graph, der schematisch eine Temperaturabhängigkeit einer spontanen Polarisation abbildet.
9 ist ein Diagramm, dass eine Einstellung der optischen Vorrichtung 200 nach der zweiten Ausführungsform abbildet.
10 ist ein Diagramm, um ein erstes Elektronenstrahlausstrahlungsverfahren zu beschreiben, das benutzt werden kann, um eine Spannung auf der optischen Faser anzulegen (um ein elektrisches Feld in der optischen Faser zu bilden).
11A ist ein Diagramm, um ein zweites Elektronenstrahlausstrahlungsverfahren zu beschreiben, das benutzt werden kann, um eine Spannung auf der optischen Faser anzulegen (um ein elektrisches Feld in der optischen Faser zu bilden).
11B ist ein drittes Elektronenstrahlausstrahlungsverfahren, das benutzt werden kann, um eine Spannung auf der optischen Faser anzulegen (um ein elektrisches Feld in der optischen Faser zu bilden).

Beschreibung der Ausführungsformen
[Beschreibung der Ausführungsformen]
Als erstes werden Ausführungsformen in der vorliegenden Anmeldung individuell beschrieben.

(1) Eine optische Vorrichtung nach dieser Ausführungsform ist ein faserartige optische Vorrichtung, die SiO₂ beinhaltendes Glas umfasst und einen Kernbereich, einen ersten Hüllenbereich und einen zweiten Hüllenbereich beinhaltet. Der Kernbereich erweitert sich entlang einer Längsrichtung der optischen Vorrichtung. Der erste Hüllenbereich umgibt den Kernbereich und hat einen Brechungsindex, der niedriger als der des Kernbereichs ist. Der zweite Hüllenbereich umgibt den ersten Hüllenbereich und hat einen Brechungsindex, der niedriger als der des Kernbereichs ist. Als ein Aspekt der Ausführungsform ist in mindestens einem Teil des Glasbereichs, der aus dem Kernbereich und dem ersten Hüllenbereich zusammengesetzt ist, ein erster Abschnitt eines polarisationsorientierten Kristallbereichs (gepolter Kristallbereich) und ein zweiter Abschnitt eines amorphen Bereichs abwechselnd und wiederholend entlang der Längsrichtung angeordnet. Zusätzlich, als ein Aspekt der Ausführungsform, können der erste Abschnitt eines gepolten Kristallbereichs und der zweite, in einer anderen Richtung als die des ersten Abschnitts gepolten Abschnitt abwechselnd und wiederholend in mindestens einem Bereich des Glasbereichs entlang einer Längsrichtung angeordnet werden.
(2) Des Weiteren kann ein Teil der Wiederholungsstruktur im Glasbereich ein beliebiger Teil eines Teils, der durch den Kernbereich oder nur durch einen Teil des Kernbereichs konfiguriert ist, ein Teil, der durch den ersten Hüllbereich oder nur durch einen Teil des ersten Hüllbereichs konfiguriert ist, und ein Teil, der von dem Kernbereich oder Teil des Kernbereichs zu dem ersten Hüllbereich oder Teil des ersten Hüllbereichs übergeht, sein. Zusätzlich wird die Wiederholungsstruktur durch eine Wiederholperiode definiert. Eine Periode der Wiederholungsperiode wird durch eine Länge der Region definiert, die durch den angrenzenden ersten und zweiten Abschnitt entlang der Längsrichtung konfiguriert wird.
(3) Als ein Aspekt der Ausführungsform kann in dem Kristallbereich des ersten Abschnitts ein Metallelement als Dotierstoff zur Beschleunigung der Glaskristallisation enthalten sein. In diesem Fall wird Ti vorzugsweise als Metallelement verwendet. Darüber hinaus kann der Kristallbereich des ersten Abschnitts ein Metalliod-Element als Dotierstoff enthalten, um die Glaskristallisation zu beschleunigen. In diesem Fall wird Ge vorzugsweise als Metalliod-Element verwendet. Außerdem kann der Kristallbereich des ersten Abschnitts ein einwertiges oder zweiwertiges Metallelement als Dotierstoff enthalten, um die Entglasung zu unterdrücken. In diesem Fall wird Sr oder Ba vorzugsweise als einwertiges oder zweiwertiges Metallelement verwendet.
(4) Als ein Aspekt der Ausführungsform kann die Wiederholungsstruktur eine einzige Wiederholungsperiode entlang der Längsrichtung haben. Darüber hinaus kann die Wiederholungsstruktur entlang der Längsrichtung eine Chirp-Periode (ein periodisches Muster, in dem eine Abschnittslänge, die einer Periode entspricht, entlang der Längsrichtung wiederholt vergrößert und verkleinert wird), eine Periode, in der mehrere einzelne verschiedene Perioden kombiniert werden, oder eine Periode, die auf einer Fibonacci-Sequenz und einer Barker-Sequenz basiert, sein.
(5) Als Aspekt der Ausführungsform kann die Wiederholungsstruktur über den Kernbereich und den ersten Verkleidungsbereich bereitgestellt werden. In diesem Fall muss die Wiederholungsstruktur nicht über den gesamten Kernbereich bereitgestellt werden. Ebenso muss die Wiederholungsstruktur nicht über den gesamten ersten Verkleidungsbereich bereitgestellt werden. Als ein Aspekt der Ausführungsform, fällt eine Länge entlang der Längsrichtung des ersten Abschnitts wünschenswert in einen Bereich von 1µm bis 1.000µm.
(6) Als ein Aspekt der Ausführungsform können die Löcher so vorgesehen werden, dass sie sich entlang der Längsrichtung in einem Zustand erstrecken, in dem der Kristallbereich des ersten Abschnitts in den zweiten Hüllbereich eingefügt wird. In diesem Fall sind die Löcher auf einer geraden Linie parallel oder senkrecht zur Polarisationsorientierung im Kristallbereich des ersten Abschnitts in einem Querschnitt der optischen Vorrichtung senkrecht zur Längsrichtung angeordnet.
(7) Als ein Aspekt der Ausführungsform kann jeder leitende Bereich so vorgesehen werden, dass er sich entlang der Längsrichtung in dem zweiten Hüllbereich in einem Zustand erstreckt, in dem er den Kristallbereich des ersten Abschnitts einschließt. In diesem Fall sind die leitenden Bereiche auf einer geraden Linie parallel oder senkrecht zur Polarisationsorientierung des Kristallbereichs des ersten Abschnitts in einem Querschnitt der optischen Vorrichtung senkrecht zur Längsrichtung angeordnet. Darüber hinaus, als ein Aspekt der Ausführungsform, kann jeder der leitenden Bereiche ein Bereich sein, der einen in Längsrichtung verlaufenden Belastungsanwendungsbereich umgibt und auf den ein leitfähiger amorpher Oxidhalbleiter dotiert ist. Darüber hinaus enthält der Bereich, in dem die Belastung auftritt, vorzugsweise B₂O₃. Der amorphe Oxidhalbleiter ist vorzugsweise In₂O₃ oder ZnO. Darüber hinaus ist ein transparenter Wellenlängenbereich, in dem ein Übertragungsgrad des amorphen Oxidhalbleiters gleich oder größer als 60% ist, wünschenswert 400nm bis 1100nm.
(8) Ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung entsprechend der Ausführungsform bildet die Wiederholungsstruktur in einem vorbestimmten Bereich einer optische Faser. Als ein Aspekt umfasst das Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung einen Vorbereitungsprozess zur Herstellung einer optischen Faser, einen Prozess zur Temperatureinstellung und einen Prozess zur Profilformung. Die im Herstellungsprozess hergestellte optische Faser besteht aus SiO2-haltigem Glas und umfasst den Kernbereich, den ersten Hüllbereich und den zweiten Hüllbereich. Der Kernbereich erstreckt sich in Längsrichtung der optischen Faser. Der erste Hüllbereich umgibt den Kernbereich und hat einen Brechungsindex, der niedrigerer als der des Kernbereichs ist. Der zweite Hüllbereich umgibt den ersten Hüllbereich und hat einen Brechungsindex, der niedrigerer als der Kernbereichs ist. Zusätzlich wird ein dotierter Bereich, der ein Dotierungsmittel zur Beschleunigung der Glaskristallisation enthält, in mindestens einem Teil eines Glasbereichs, der aus dem Kernbereich und dem ersten Hüllbereich besteht, kontinuierlich entlang der Längsrichtung bereitgestellt. Bei der Temperatureinstellung wird die Oberflächentemperatur der optischen Faser in einem Bereich von 100°C bis 800°C oder einem Bereich von 100°C bis 400°C gehalten. Beim Abschnittsformungsprozess wird ein elektrisches Feld geformt, das durch den dotierten Bereich in der Mitte oder nach einer kurzzeitigen Bestrahlung eines Laserstrahls in den dotierten Bereich der vorbereiteten optische Faser verläuft. Bei dieser Konfiguration bildet sich im dotierten Bereich die Struktur, dass der erste Abschnitt des gepolten Kristallbereichs und der zweite Abschnitt des amorphen Bereichs abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind. Weiterhin wird bei der Profilformung die unterbrochene Bestrahlung des Laserstrahls durch unterbrochene Bestrahlung des dotierten Bereichs mit dem Laserstrahl entlang der Längsrichtung durchgeführt, um die Wiederholungsstruktur im dotierten Bereich zu bilden. Zusätzlich wird das elektrische Feld so geformt, dass sich im dotierten Bereich entlang einer zur Längsrichtung senkrechten Richtung ein Potentialgradient bildet.
(9) Als ein Aspekt der Ausführungsform wird das elektrische Feld im Abschnittsformungsprozess so gestaltet, dass der Potenzialverlauf im dotierten Bereich durch Anlegen einer Spannung zwischen zwei Punkten, die den dotierten Bereich entlang einer zur Längsrichtung senkrechten Richtung einschließen, geformt wird. Darüber hinaus wird bei der Formung des elektrischen Feldes im Abschnittsformungsprozess ein Elektronenstrahl durch eine Kathode erzeugt, die mit einem vorbestimmten Strom versorgt wird, und mit einer vorbestimmten Beschleunigungsspannung beschleunigt, um die optische Faser so zu bestrahlen, dass ein elektrischer Ladungsspeicher im zweiten Hüllenbereich der optischen Faser geformt wird. Dann kann der Potentialgradient geformt werden, indem eine Elektrode auf der gegenüberliegenden Seite des elektrischen Ladungsspeichers in Bezug auf den dotierten Bereich angeordnet wird.
(10) Das Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung nach der Ausführungsform kann als einen Aspekt neben dem Formungsprozess und dem Temperatureinstellungsprozess auch einen Kristallbereichsformungsprozess und den Bereichsformungsprozess umfassen. Bei dem Kristallbereichsformungsprozess wird ein erstes elektrisches Feld erzeugt, das durch den dotierten Bereich in der Mitte oder nach einer kontinuierlichen Bestrahlung des Laserstrahls in den dotierten Bereich der vorbereiteten optische Faser verläuft. Mit dieser Konfiguration wird bei dem Kristallformungsprozess, in dem dotierten Bereich ein erster Kristallbereich geformt, der kontinuierlich entlang einer Längsrichtung und der polarisationsorientierter ist. Bei dieser Konfiguration wird bei dem Kristallbereichsbildungsprozess im dotierten Bereich ein erster Kristallbereich geformt, der in Längsrichtung kontinuierlich und polarisationsorientiert ist. Des Weiteren wird bei dem Kristallbereichsformungsprozess die kontinuierliche Bestrahlung des Laserstrahls so konfiguriert, dass der dotierte Bereich kontinuierlich mit dem Laserstrahl entlang der Längsrichtung bestrahlt wird, um den ersten Kristallbereich zu bilden, der im dotierten Bereich kontinuierlich ist. Zusätzlich wird die Formung des ersten elektrischen Feldes so konfiguriert, dass der Potentialverlauf im dotierten Bereich entlang einer ersten Richtung senkrecht zur Längsrichtung geformt wird. Demgegenüber wird beim Abschnittsformungsprozess ein zweites elektrisches Feld durch den ersten Kristallbereich in der Mitte oder nach der unterbrochenen Bestrahlung des Laserstrahls in Bezug auf den ersten Kristallbereich, der im Kristallbereichsformungsprozess geformt wird, geformt. Bei dieser Konfiguration wird im dotierten Bereich eine Wiederholungsstruktur geformt, in der der erste Abschnitt (ein Teil des ersten Kristallbereichs) und der zweite Abschnitt (ein zweiter Kristallbereich, der in einer anderen Richtung als der erste Kristallbereich gepolt ist) abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind. Des Weiteren wird bei dem Abschnittsbildungsprozess die unterbrochene Bestrahlung des Laserstrahls so konfiguriert, dass der dotierte Bereich unterbrochen mit dem Laserstrahl entlang der Längsrichtung bestrahlt wird, um die Wiederholungsstruktur im dotierten Bereich zu formen. Darüber hinaus ist die Formung des zweiten elektrischen Feldes so konfiguriert, dass sich der Potentialverlauf im dotierten Bereich entlang einer zweiten Richtung, die senkrecht zur Längsrichtung verläuft und sich von der ersten Richtung unterscheidet, formt.
(11) Als ein Aspekt der Ausführungsform kann die Formung des ersten elektrischen Feldes im Kristallbereichsbildungsprozess so konfiguriert werden, dass eine erste Spannung Va zwischen zwei Punkten angelegt wird, die den dotierten Bereich entlang der ersten Richtung einschließen, um den Potentialverlauf in dem dotierten Bereich zu formen. Zusätzlich kann die Formung des zweiten elektrischen Feldes im Abschnittsformungsprozess so konfiguriert werden, dass eine zweite Spannung Vi, die die entgegengesetzte Polarität zur ersten Spannung Va und einen Absolutwert kleiner als der der ersten Spannung Va hat, zwischen zwei Punkten angelegt wird, die den dotierten Bereich einschließen, um den Potentialverlauf im dotierten Bereich entlang der zweiten Richtung zu formen. Darüber hinaus kann als ein Aspekt der Ausführungsform die Formung des ersten elektrischen Feldes im Kristallbereichsformungsprozess so konfiguriert werden, dass ein Elektronenstrahl von einer Kathode erzeugt wird, die mit einem Strom mit einem ersten Stromwert versorgt und mit einer vorbestimmten Beschleunigungsspannung beschleunigt wird, um die optische Faser aus der ersten Richtung zu bestrahlen, so dass ein erstes elektrisches Ladungsreservoir im zweiten Hüllenbereich der optischen Faser geformt wird, und dann eine erste Elektrode auf der dem ersten elektrischen Ladungsreservoir gegenüberliegenden Seite in Bezug auf den dotierten Bereich angeordnet wird, so dass der Potentialverlauf im dotierten Bereich entsteht. In diesem Fall kann die Formung des zweiten elektrischen Feldes im Abschnittsformungsprozess so konfiguriert werden, dass der Elektronenstrahl von einer Kathode erzeugt wird, die mit einem Strom eines zweiten Stromwertes versorgt wird, der kleiner als der erste Stromwert ist und mit einer vorbestimmten Beschleunigungsspannung beschleunigt wird, um die optische Faser aus der zweiten Richtung zu bestrahlen, so dass ein zweiter elektrischer Ladungsreservoir in dem zweiten Hüllbereich der optischen Faser geformt wird, und dann eine zweite Elektrode auf der dem zweiten elektrischen Ladungsreservoir gegenüberliegenden Seite in Bezug auf den dotierten Bereich angeordnet wird, um den Potentialverlauf in dem dotierten Bereich zu bilden.
(12) Als ein Aspekt der Ausführungsform liegt ein maximaler Durchmesser der Bestrahlungsfläche des Elektronenstrahls wünschenswert in einem Bereich von 1µm bis 1.000Ωm. Zusätzlich liegt als ein Aspekt der Ausführungsform die Beschleunigungsspannung in einem Bereich von 1kV bis 10MV. Des Weiteren wird die Kathode als Aspekt der Ausführungsform vorzugsweise mit einem Strom im Bereich von 1nA bis 10mA versorgt, wobei der erste und zweite Stromwert enthalten sind.
(13) Des Weiteren hat der Laserstrahl, der die optische Faser bestrahlt, bei dem Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung entsprechend der Ausführungsform, eine Wellenlänge im Bereich von 100nm bis 1600nm. Insbesondere als ein Aspekt der Ausführungsform wird eine pulsoszillierende Laserquelle sowohl für die unterbrochene Bestrahlung als auch für die kontinuierliche Bestrahlung des Laserstrahls bevorzugt eingesetzt. In diesem Fall liegt die Pulsbreite vorzugsweise im Bereich von 10ps bis 100ms. Darüber hinaus kann eine CW-oszillierende Laserquelle sowohl bei der unterbrochenen als auch bei der kontinuierlichen Bestrahlung des Laserstrahls eingesetzt werden. Außerdem liegt die Spannung, die zwischen zwei Punkten, die den dotierten Bereicheinschließen, in einem Bereich von -20.000V bis 20.000V.

Hierzuvor ist jeder der Aspekte die in der Beschreibung der Ausführungsformen aufgelistet sind auf jeden der anderen Aspekte oder auf eine Kombination der anderen Aspekte anwendbar.
[Detaillierte Beschreibung der Erfindung]
Nachfolgend wird ein spezifischer Aufbau einer optischen Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung nach den Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Des Weiteren ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, sondern enthält Bedeutungen, die durch die Ansprüche angegeben sind und den Ansprüchen gleichwertig sind, sowie alle Änderungen innerhalb der Ansprüche. Zusätzlich werden die gleichen Bestandteile in der Beschreibung der Zeichnungen mit dem gleichen Symbol versehen und eine redundante Beschreibung entfällt.
Im Nicht-Patentdokument 1 wird eine faserartige optische Vorrichtung offenbart, die ein sekundäres nichtlineares optisches Phänomen realisieren kann. Im Folgenden wird die im Nicht-Patentdokument 1 offenbarte optische Vorrichtung „die optische Vorrichtung nach dem ersten Vergleichsbeispiel“ genannt. 1 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsstruktur der optischen Vorrichtung 10 nach dem ersten Vergleichsbeispiel darstellt.
Wie in 1 dargestellt, enthält die optische Vorrichtung 10 eine Single-Mode optische Faser (nachfolgend „SMF“ genannt), die einen Kernbereich 11 mit Ge und einen Hüllbereich 12 enthält. Im Hüllbereich 12 des SMF sind zwei Bohrungen 13A und 13B vorgesehen, die sich in Längsrichtung (eine Richtung entlang einer optischen Achse AX in 1) des SMF erstrecken, um den Kernbereich 11 einzufügen. Ein Durchmesser (Hüllenform) des SMF beträgt 166µm, ein Durchmesser des Kernbereichs 11 6µm, ein Durchmesser der Löcher 13A und 13B jeweils 45µm, ein Spalt zwischen dem Kernbereich 11 und dem Loch 13B 5µm und ein Spalt zwischen zwei Löchern 13A und 13B 31µm. Im Nicht-Patentdokument 1 wird ein Zusammenhang zwischen einer Grundwellenlänge und einer QPM-Periode offengelegt. Beispielsweise kann die QPM-Periode der optischen Vorrichtung 10 auf etwa 65µm eingestellt werden, um die Grundwellenlänge auf 1.550nm und eine zweite Harmonische auf 775nm einzustellen.
Da eine Polarisationsinduktion durch thermische Polung und eine periodische Polung durch UV-Bestrahlung durchgeführt werden, realisiert die optische Vorrichtung 10 einen sekundären nichtlinearen optischen Effekt. Dadurch wird die zweite Harmonische mit einer einfallenden Wellenlänge von 1,5415µm erfolgreich erzeugt. Weiterhin ist die thermische Polung ein Verfahren, bei dem die Elektroden 14A und 14B in das Paar von Löchern 13A und 13B eingeführt werden, wie in 1 dargestellt, in einem Zustand, in dem eine Temperatur (zum Beispiel eine Oberflächentemperatur) der optischen Faser in einem Bereich von 210°C bis 300°C gehalten wird, und in einem Zustand, in dem eine hohe Spannung zwischen diesen Elektroden 14A und 14B für eine bestimmte Zeitspanne angelegt wird. Weiterhin zeigt 1 einen Zustand, in dem die Elektroden 14A bzw. 14B in die Bohrungen 13A und 13B des SMF eingesetzt sind. Die Elektroden 14A und 14B werden jedoch nach der thermischen Polung aus den Löchern 13A und 13B entfernt. Durch die thermische Polung bildet sich in einem Teil des Kernbereichs 11 ein Dipol aus Sauerstoffionen (negative Ionen) und positiven Ionen, die durch eine Depletionsschicht unmittelbar unterhalb der positiven Elektrode erzeugt werden, so dass ein starkes elektrisches Feld lokal erzeugt und eine sekundäre nichtlineare optische Konstante realisiert wird. Bei der im Anschluss an die thermische Polung durchgeführten UV-Bestrahlung wird periodisch ein UV-Strahl entlang der Längsrichtung der optischen Faser ausgestrahlt, um den Dipol des bestrahlten Bereichs zu entfernen (die periodische Polung).
Die optische Vorrichtung 10 hat eine periodisch gepolte Struktur, in der ein in konstanter Richtung polarisierter Bereich (ein nicht polarisierter UV-Strahlungsbereich) und ein nicht polarisierter Bereich (ein nicht polarisierter UV-Strahlungsbereich) abwechselnd entlang der Längsrichtung bereitgestellt werden und durch eine Quasi-Phasenanpassung eine Wellenlängenumwandlung realisieren können.
Zusätzlich offenbart Nicht-Patentdokument 2 auch eine faserartige optische Vorrichtung, die das sekundäre nichtlineare optische Phänomen realisieren kann. Im Folgenden wird die im Nicht-Patentdokument 2 offenbarte optische Vorrichtung „die optische Vorrichtung nach einem zweiten Vergleichsbeispiel“ genannt.
Wie in 1 ist die optische Vorrichtung nach dem zweiten Vergleichsbeispiel die SMF, die den Kernbereich und den Hüllbereich umfasst. Im Hüllbereich des SMF sind zwei in Längsrichtung des SMF verlaufende Bohrungen vorgesehen, um den Kernbereich einzubringen. Die optische Vorrichtung nach dem zweiten Vergleichsbeispiel wird hergestellt, indem die Polarisationsinduktion durch die oben beschriebene thermische Polung durchgeführt wird, die in einem Zustand erfolgt, in dem die Elektrode in das Paar von Löchern eingeführt wird und die periodische Polung durch die UV-Bestrahlung gemessen wird.
Der Kernbereich der optischen Vorrichtung nach dem zweiten Vergleichsbeispiel hat eine Struktur, in der eine Vielzahl von Schichten, die Ge enthalten, konzentrisch ausgebildet sind. Im Vergleich zur optischen Vorrichtung 10 nach dem ersten Vergleichsbeispiel soll die optische Vorrichtung nach dem zweiten Vergleichsbeispiel den 200-fachen Umwandlungswirkungsgrad erreichen.
Die optischen Vorrichtungen nach dem ersten und zweiten Vergleichsbeispiel variieren in einer Polarisationsstärke (der nichtlinearen optischen Konstante) in Abhängigkeit von der UV-Bestrahlung auch nach Herstellung mit einer gewünschten Ausprägung. Daher wird der Wirkungsgrad der Wellenlängenumwandlung in Abhängigkeit von einer Bestrahlungsdauer und einer Menge von Bestrahlungsstrahlen, die den UV-Strahl und das Sonnenlicht enthalten, gesenkt, so dass es ein Stabilitätsproblem gibt.
Nicht-Patentdokument 3 offenbart auch eine faserartige optische Vorrichtung, die das sekundäre nichtlineare optische Phänomen realisieren kann. Im Folgenden wird die im Nicht-Patentdokument 3 offenbarte optische Vorrichtung als „die optische Vorrichtung nach einem dritten Vergleichsbeispiel“ bezeichnet. 2 ist eine konzeptionelle Darstellung des Querschnitts einer optischen Vorrichtung 30 nach dem dritten Vergleichsbeispiel.
Die optische Vorrichtung 30 umfasst den SMF, der einen Kernbereich 31 und einen Hüllbereich 32 umfasst. Ein spezifisches Material wird auf den Hüllbereich 32 dotiert, um den Hüllbereich 32 zu kristallisieren und so eine sekundäre Nichtlinearität zu realisieren.
In der optischen Vorrichtung 30 nach dem dritten Vergleichsbeispiel ist Fresnoit (Ba₂TiSi₂O₈) des mit dem Hüllbereich 32 dotierten Materials ein Titanosilikatmineral mit hexagonaler Systemstruktur und einer spontanen Polarisation aufgrund fehlender Inversionssymmetrie. Darüber hinaus hat ein Kristall (Sr₂TiSi₂O₈, Ba₂TiGe₂O₈) ohne Fresnoit auch die spontane Polarisation. Da die Fresnoitkristalle die spontane Polarisation aufweisen, zeigen diese Kristalle nichtlineare optische Eigenschaften. Darüber hinaus wird auch berichtet, dass ein BaO-TiO₂-GeO₂-basiertes Glas und ein SrO-TiO₂-SiO₂-basiertes Glas eine Fresnoitphase aufweisen, die die nichtlinearen optischen Eigenschaften aufweisen.
Die oben beschriebenen Materialien werden zu einer Glasfaser auf Silica-Basis dotiert und durch Laserunterstützung entlang der Längsrichtung der optischen Faser kontinuierlich kristallisiert. Daher ergibt sich eine radial polarisationsgeordnete Struktur, wie in 2 mit Pfeilen zum Kernbereich 31 gezeigt. In einem solchen kristallisierten Glas besteht die Befürchtung einer Entglasung durch die Kristallisation. Die im Nicht-Patentdokument 4 offenbarte optische Vorrichtung ist jedoch so konfiguriert, dass sie eine Differenz des Brechungsindex zwischen einer Kristallphase und einer Restglasphase unterdrückt, die die Entglasung bewirkt, um Transparenz zu erreichen.
Die optische Vorrichtung 30 nach dem dritten Vergleichsbeispiel ist in Richtung Kernbereich 31 gepolt, und die Polarisationsrichtungen auf beiden Seiten mit dem dazwischen liegenden Kernbereich 31 sind in einem Längsbereich (Bereich A in 2), dessen Länge der kurzen Seite einschließlich des Kernbereichs 31 etwa dem Durchmesser des Kerns entspricht, zueinander umgekehrt. Da bei dieser Konfiguration die durch die Polarisationsorientierung verursachte Nichtlinearität makroskopisch von der optischen Vorrichtung 30 aufgehoben wird, kann die Polarisationsorientierung nicht als Wellenlängenumwandlung verwendet werden. Zusätzlich wird die optische Vorrichtung 30 gleichmäßig entlang der Längsrichtung der Faser kristallisiert, so dass eine für die Wellenlängenumwandlung notwendige Phasenanpassung nicht erfüllt werden kann. Daher kann die optische Vorrichtung 30 nicht für die Wellenlängenumwandlung verwendet werden.
Die Ausführungsformen der Erfindung können die Probleme der optischen Vorrichtungen nach den ersten bis dritten Vergleichsbeispielen lösen. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden abwechselnd ein Kristallbereich (erster Abschnitt) und ein amorpher Bereich (zweiter Abschnitt) in der optischen Faser entlang der Längsrichtung der optischen Faser geformt. Wenn oder nachdem diese ersten und zweiten Abschnitte geformt sind, wird der Kristallbereich selektiv in eine Richtung über die gesamte Oberfläche oder einen Teil des Querschnitts des Kristalls durch das oben beschriebene Verfahren zur Formung eines elektrischen Feldes gepolt. Daher wird eine periodisch gepolte Struktur (das heißt, eine Struktur, in der der Kristallbereich, in dem die Polarisation in einer bestimmten Richtung geformt wird, und der amorphe Bereich, in dem die Polarisation nicht geformt wird, abwechselnd angeordnet sind) geformt, die die Quasiphasenanpassung erfüllt. Alternativ dazu wird in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem Bereich, in dem die optische Faser kristallisiert ist, eine Struktur geformt, in der die Polarität der spontanen Polarisation abwechselnd entlang der Längsrichtung der optischen Faser umgekehrt ist. Bei der durch das oben beschriebene Verfahren zur Formung eines elektrischen Feldes invertierten Polarisation wird die gesamte Oberfläche oder nur ein Teil des Querschnitts des Kristalls in eine Richtung ausgerichtet, und dann wird ein Laserstrahl unterbrochen ausgestrahlt, während das elektrische Feld in Spannungspolarität des oben beschriebenen Verfahrens zur Formung eines elektrischen Feldes invertiert wird. Der Laserstrahl wird entsprechend ausgestrahlt, um nur den laserbestrahlten Bereich um 91 bis 180 Grad relativ zur Orientierung der spontanen Polarisation zu orientieren.
In der optischen Vorrichtung wird entsprechend den Ausführungsformen der Kristallbereich gepolt, so dass die sekundäre nichtlineare optische Konstante erhalten bleibt, solange die Kristallstruktur nicht einbricht. Mit anderen Worten, die optische Vorrichtung ist je nach Ausführungsform stark gegen Störungen wie die UV-Bestrahlung und kann die Wellenlängenkonversion stabil durchführen. Zusätzlich wird die optische Vorrichtung entsprechend der Ausführungsform in der inneren Struktur kristallisiert, so dass die nichtlineare optische Konstante gegenüber der thermischen Polung zum Gedotierten Kernbereich um etwa ein bis zwei Ordnungen verbessert werden kann (der Umwandlungswirkungsgrad kann deutlich verbessert werden).
Eine Materialstruktur der Glasfaser auf Kieselsäurebasis ist amorph. Wenn eine Spannung von außen angelegt wird, um ein starkes elektrisches Feld in der optischen Faser zu bilden, wird die Polarisationsorientierung durch den Dipol realisiert, der durch Unreinheitsionen verursacht wird (die sekundäre nichtlineare optische Konstante (d-Konstante) erscheint). Wenn jedoch keine Spannung angelegt wird (das elektrische Feld in der optischen Faser ist Null), wird die Polarisationsorientierung nicht beibehalten, sondern zerfällt, und die d-Konstante der zweiten Ordnung wird Null. Weiterhin ist der Wirkungsgrad der Wellenlängenumwandlung durch den sekundären nichtlinearen optischen Effekt proportional zum Quadrat der d-Konstante. Die d-Konstante hängt von einer physikalischen Eigenschaft des Materials ab, und der Umwandlungswirkungsgrad wird verbessert, wenn die d-Konstante erhöht wird. In einem Fall, in dem die d-Konstante Null ist, kann die Wellenlängenumwandlung nicht durchgeführt werden.
Ein Verfahren zur Realisierung der d-Konstante ist wie folgt. Mit anderen Worten, es wird eine optische Faser aus SiO2-haltigem Glas hergestellt. Die optische Faser umfasst den Kernbereich, einen ersten Hüllbereich, der den Kernbereich umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedrigerer als der des Kernbereichs ist, und einen zweiten Hüllbereich, der den ersten Hüllbereich umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedrigerer als der des Kernbereichs ist. Zusätzlich wird ein Dotierstoff auf mindestens einen Teil (dotierten Bereich) eines Glasbereichs dotiert, der durch den Kernbereich und den ersten Hüllbereich konfiguriert wird, um die Glaskristallisation zu beschleunigen.
Als Dotierstoff wird ein Material wie ein Fresnoitkristall, ein Glas auf BaO-TiO₂-GeO₂-SiO₂-Basis und ein Glas auf SrO-TiO₂-SiO₂-Basis auf mindestens einen Teil des Glasbereichs dotiert, der durch den Kernbereich und den ersten Hüllbereich der optischen Faser konfiguriert ist. Die lasergestützte Glaskristallisation erfolgt im dotierten Bereich. Mit anderen Worten, ein Seltenerdelement oder ein Übergangsmetallelement wird in einen Kristallisationszielbereich dotiert. Der Bereich wird erwärmt, indem der Laserstrahl absorbiert wird, um einen Bereich der Laserstrahlung zu kristallisieren. Um die Entglasung durch Kristallisation zu unterdrücken, müssen die Brechungswerte zwischen einer Kristallphase und einer Restglasphase angepasst werden. Die Entglasung kann mit einem 35SrO-20TiO₂-45SiO₂-basierten Glas unterdrückt werden (siehe Nicht-Patentdokumente 3 und 4). Die nichtlineare optische Konstante im kristallisierten dotierten Bereich ist stark gegen die Störung (UV-Strahl) und verbessert die Stabilität.
Jedoch ist im Schema der lasergestützten Kristallisation, wie oben beschrieben, die Polarisationsorientierung radial zum Zentrum hin ausgebildet.
Wie in 2 dargestellt, sind die Polarisationsrichtungen auf beiden Seiten mit dem dazwischen liegenden Kernbereich im Längsbereich (Bereich A in 2), dessen Länge der kurzen Seite einschließlich des Kernbereichs etwa dem Durchmesser des Kerns entspricht, zueinander umgekehrt. Da bei dieser Konfiguration die durch die Polarisationsorientierung verursachte Nichtlinearität aufgehoben wird, kann die Polarisationsorientierung nicht als Wellenlängenumwandlung verwendet werden.
Um eine hocheffiziente Wellenlängenumwandlung zu realisieren, muss die Polarisation über die gesamte Querschnittsfläche oder einen Teil des optische Faser querschnitts in die gleiche Richtung ausgerichtet werden. In der Ausführung wird z.B. eine Polarisationsumkehrtechnik eingesetzt, bei der nach der lasergestützten Kristallisation das elektrische Feld geformt wird (oder beim Aufheizen der optischen Faser eine Hochspannung angelegt wird), so dass die Polarisationsorientierung von Bereich A in die gleiche Richtung verläuft. Alternativ wird das elektrische Feld in der Mitte der laserunterstützten Kristallisation geformt und der Kristall unter Anordnung der Polarisationsrichtung gezüchtet. Da der gepolte Bereich eine Kristallstruktur hat, bleibt die Polarisationsorientierung auch ohne Spannung erhalten. Daher ist die sekundäre nichtlineare optische Konstante stark gegen die Störung und verbessert die Stabilität.
Konkret ist 3A ein Flussdiagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung der optischen Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform. Weiterhin ist 4 ein Diagramm zur Beschreibung eines ersten Verfahrens zur Formung des elektrischen Feldes in der optische Faser. 5 ist ein Diagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zur unterbrochenen oder kontinuierlichen Bestrahlung der optischen Faser mit dem Laserstrahl. 6 ist ein Diagramm zur Beschreibung eines zweiten Verfahrens zur Formung des elektrischen Feldes in der optischen Faser. Eine optische Vorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform mit der in 7 dargestellten Struktur wird durch Herstellung der optischen Vorrichtung gemäß dem Flussdiagramm von 3A erhalten.
Zuerst wird eine optische Faser 100A mit der in 4 dargestellten Querschnittsstruktur hergestellt (Schritt ST10). Die vorbereitete optische Faser 100A ist eine optische Faser aus SiO2-haltigem Glas. Die vorbereitete optische Faser umfasst einen Kernbereich 110, einen ersten Hüllbereich 121, der den Kernbereich 110 umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedrigerer als der des Kernbereichs 110 ist, und einen zweiten Hüllbereich 122, der den ersten Hüllbereich 121 umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedrigerer als der Kernbereichs ist. Zusätzlich wird ein mit einem Dotierstoff dotierter Bereich R zur Beschleunigung der Glaskristallisation entlang der Längsrichtung in mindestens einem Teil (ein Bereich, der mit dem schattierten Bereich in 4 dargestellt ist) des Glasbereichs, der durch den Kernbereich 110 und den ersten Hüllbereich 121 konfiguriert ist, kontinuierlich bereitgestellt. In dem in 4 dargestellten Beispiel wird der dotierte Bereich R sowohl durch den gesamten Kernbereich 110 als auch durch den gesamten ersten Hüllbereich 121 konfiguriert. Der dotierte Bereich R kann jedoch durch den gesamten oder einen Teil des Kernbereichs 110, den gesamten oder einen Teil des ersten Hüllbereichs 121 oder einen Teil von dem Kernbereich oder einem Teil davon zum ersten Hüllbereich 121 oder einem Teil davon konfiguriert werden. Zusätzlich ist die optische Faser 100A mit einem Paar von Löchern 130A und 130B versehen, die sich entlang der Längsrichtung (eine Richtung entlang der optischen Achse AX der optischen Faser 100A) erstrecken, um den Kernbereich 110 einzufügen.
Dann wird die optische Faser 100A so in der Temperatur angepasst, dass die Oberflächentemperatur in einen Bereich von 100°C bis 800°C oder in einen Bereich von 100°C bis 400°C fällt (Schritt ST20). Die Temperatureinstellung des Schritts ST20 und der nachfolgenden Prozesse kann in einer Kammer 300 durchgeführt werden, die in 5 dargestellt ist. Weiterhin ist die Kammer 300 mit Heizelementen 310A und 310B ausgestattet, um die Temperatur der optischen Faser 100A für einen bestimmten Zeitraum zu halten. Bei der Lagerung in der Kammer 300 werden die Elektroden 140A und 140B in das Paar von Löchern 130A bzw. 130B der optischen Faser 100A eingesetzt, um ein hohes elektrisches Feld im dotierten Bereich R der optischen Faser 100A zu erzeugen.
In einem Zustand, in dem die Oberflächentemperatur angepasst wird, erfolgt die unterbrochene Bestrahlung des Laserstrahls (Schritt ST30A) und die Bildung des elektrischen Feldes (Schritt ST30B) auf der optischen Faser 100A zwischen der Zeitmessung A1 und der Zeitmessung A2 in 3A. Außerdem kann Schritt ST30B nach Schritt ST30A oder gleichzeitig mit Schritt ST30A ausgeführt werden.
Konkret wird in Schritt ST30A, wie in 5 dargestellt, der Laserstrahl einer Laserquelle 310 durch einen Reflexionsspiegel 320, der entlang der Längsrichtung (eine mit Pfeil S dargestellte Richtung) der optischen Faser 100A bewegbar ist (die Oberflächentemperatur wird von den Heizelementen 310A und 310B in einem Bereich von 100C bis 800C bzw. 100C bis 400C gehalten), unterbrochen an den dotierten Bereich R abgegeben. Bei dieser Konfiguration bildet sich im dotierten Bereich R der optischen Faser 100A die Wiederholungsstruktur, in der der Kristallbereich (erster Abschnitt) und der amorphe Bereich (zweiter Abschnitt) abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind. In Schritt ST30B werden dagegen, wie in 4 dargestellt, die Elektroden 140A und 140B in das im zweiten Hüllbereich 122 der optischen Faser 100A vorgesehene Paar von Löcher 130A und 130B eingesetzt. Beim Anlegen einer Spannung zwischen dem Elektrodenpaar 140A und 140B bildet sich das elektrische Feld im Kernbereich 110 und im ersten Hüllbereich 121, der den dotierten Bereich R bildet. Infolgedessen wird der erste Abschnitt, der periodisch im dotierten Bereich R angeordnet ist, zum gepolten Kristallbereich. Nachdem die Polarisationsorientierung durch Bildung des elektrischen Feldes abgeschlossen ist, werden die Elektroden 140A und 140B aus den Löchern 130A und 130B entfernt. Die im amorphen Bereich des zweiten Abschnitts verbleibende Polarisationsorientierung wird durch die Pollöschung der UV-Bestrahlung auf den dotierten Bereich R (eine Lichtmenge, die kleiner ist als die Menge der UV-Bestrahlung, die die Polarisation im Kristallbereich löschen kann) freigesetzt. Als Verfahren zur Erhöhung des elektrischen Feldes im dotierten Bereich R von 4 ist es wirksam, die Löcher 130A und 130B in der Mitte des Kernbereichs 110 asymmetrisch anzuordnen. Konkret gibt es ein Verfahren, bei dem die positive Elektrode in der Nähe des Kernbereichs 110 oder eine negative Elektrode (bei 4 eine Masseelektrode) in der Nähe des Kernbereichs 110 angeordnet wird. Das Layout wird in einem Bereich von 1+/1- = 0,1 bis 10 eingestellt.
Des Weiteren werden die Elektroden 140A und 140B in die Löcher 130A und 130B der optischen Faser 100A eingeführt. Es kann jedoch eine optische Faser mit einer anderen Struktur als die optische Faser 100A verwendet werden. Beispielsweise wird bei der Herstellung eines Basismaterials der optischen Faser ein leitfähiger Glasstab in einen Stanzbereich (ein Teil für die Löcher 130A und 130B) des Basismaterials der optischen Faser eingeführt. Das Verfahren zur Formung eines elektrischen Feldes kann auf die optische Faser angewendet werden, die durch Ziehen des erhaltenen Basismaterials der optischen Faser (d.h. der optischen Faser , in der die Elektroden 140A und 140B der 4 durch einen leitenden Bereich ersetzt sind) erhalten wird, nachdem das Basismaterial der optischen Faser und der eingesetzte Glasstab zusammengebrochen sind. Zusätzlich kann bei einem Verfahren zur Herstellung des Basismaterials der optischen Faser das Verfahren zur Formung eines elektrischen Feldes auf die optische Faser angewendet werden, die durch ein Stangenziehen in einem Zustand erhalten wird, in dem der leitende Glasstab in den Stanzbereich des Basismaterials der optischen Faser eingeführt wird. Bei diesen Verfahren zur Herstellung der optischen Faser wird der leitende Glasstab zur Integration mit der optischen Faser zu einer Elektrode gezogen. Es ist nicht notwendig, die Elektrode nach dem Polieren zu entfernen. Zusätzlich kann ein mit dem Lichtwellenleiter integriertes Elektrodenpaar den Kernbereich belasten. Die Konfiguration der integrierten Elektrode ist jedoch bei der Wellenlängenumwandlung wirksam, da je nach Ausführungsform eine polarisierte wellenhaltende optische Faser mit doppelter Brechkraft auf die optische Vorrichtung aufgebracht wird.
Als Material des Glasstabes für die Elektrode ist ein leitfähiger transparenter amorpher Oxidhalbleiter wie ITO (Sn-dotiertes In₂O₃), ZnO, IZO (In-dotiertes ZnO), AZO (Aldotiertes ZnO), GZO (Ga-dotiertes ZnO) und IGZO (In-Ga-ZnO₄) verwendbar. Ein transparenter Wellenlängenbereich von 60% oder mehr des amorphen Oxidhalbleiters liegt vorzugsweise im Bereich von 400nm bis 1100nm. Beispielsweise wird die transparente Leitfähigkeit der Nähe des Glasstabes als spannungsgebender Teil (B₂O₃-dotiertes SiO₂) der polarisierten wellenhaltenden optischen Faser als Glasstab für die Elektrode zugeordnet. Des Weiteren wird die Elektrode verwendet, um eine Spannung anzulegen, die zur Realisierung der Polarisationsorientierung erforderlich ist. Da die Elektroden dazwischen um mehrere zehn Meter voneinander getrennt sind, ist der Strom extrem klein, um gleich oder kleiner als etwa mehrere pA zu sein, gibt es kein Problem, selbst wenn der Widerstand des Bereichs zwischen den Elektroden etwa 10⁶Ωcm hoch ist. Der Stromwert ist jedoch zwangsläufig hoch, um die Polarisationsorientierung in einem Bereich zwischen den Elektroden mit großem Querschnitt zu realisieren. In diesem Fall ist eine Metallelektrode wirksam. Die Metallelektrode enthält vorzugsweise Ti, Cu, Al, Au, Ag, Pt und W.
Des Weiteren kann das zweite in 6 dargestellte Verfahren zur Formung des elektrischen Feldes des Schritts ST30B angewendet werden. Weiterhin ist 6 ein Diagramm zur Beschreibung des zweiten Verfahrens zur Formung des elektrischen Feldes in der optische Faser. Bei dem in 6 dargestellten Verfahren zum Anlegen des elektrischen Feldes werden zwei der äußeren Umfangsfläche des zweiten Hüllenbereichs 122 zugewandte Plattenoberflächen geformt. An diesen beiden Plattenoberflächen ist eine Elektrode 150 angebracht, die eine optische Faser 100B bildet. Weiterhin umfasst die optische Faser 100B den Kernbereich 110, den ersten Hüllbereich 121 und den zweiten Hüllbereich 122 ähnlich wie die optische Faser 100A. Es ist kein Loch für das Einsetzen der Elektrode vorgesehen. Zwischen einem Elektrodenpaar 150A und 150B wird eine Spannung angelegt, wobei die optische Faser 100B in Isolieröl getaucht wird, um das elektrische Feld im Kernbereich 110 und im ersten Hüllbereich 121 zwischen den Elektroden zu bilden. Dadurch wird die Polarisationsorientierung im dotierten Bereich R realisiert. Nachdem die Polarisationsorientierung durch Formung des elektrischen Feldes abgeschlossen ist, werden die Elektroden 150A und 150B entfernt. Außerdem ist die Elektrode nicht notwendigerweise auf einer Plattenoberfläche angeordnet, die durch die Bearbeitung der äußeren Umfangsfläche des zweiten Hüllbereichs 122 wie die optische Faser 100B erhalten wird. Beispielsweise kann eine Spannung zwischen dem Elektrodenpaar angelegt werden, um die optische Faser einschließlich des dotierten Bereichs R zwischenzuschalten.
Das in 4 dargestellte erste Verfahren und das in 6 dargestellte zweite Verfahren können so kombiniert werden, dass eine der Elektroden als Loch im zweiten Hüllbereich angeordnet ist, die andere am äußeren Umfang der optischen Faser oder an der Außenseite der optischen Faser angeordnet ist und eine Spannung zwischen diesen Elektroden angelegt wird. Darüber hinaus kann das im Nicht-Patentdokument 5 beschriebene Verfahren zur Realisierung der Polarisationsorientierung verwendet werden.
Des Weiteren gibt es keine Begrenzung der Spannung zwischen den Elektrodenpaaren. Beispielsweise kann zwischen den Elektroden eine negative Spannung und eine Erdspannung angelegt werden. Alternativ wird das Massepotential auf eine positiv betriebene Spannung eingestellt und die negative Spannung kann zwischen den Elektroden angelegt werden. Es ist wichtig, dass ein hohes elektrisches Feld an den Kristallisationszielbereich angelegt wird. Wenn eine Spannung angelegt wird, wird eine Spannung im Bereich von -20.000V bis 20.000V angelegt, wenn die optische Faser eine Dicke von mehreren hundert Mikron hat, obwohl sie von einer zu invertierenden Solldicke abhängt.
Als nächstes wird die Beschreibung eines Verfahrens zur Erfüllung der Phasenanpassungsbedingung für das optische Gerät der Verkörperung zum Betrieb der Wellenlängenumwandlung gegeben. Beispielsweise wird die Wellenlängenumwandlung einer zweiten Oberwellengeneration (SHG) berücksichtigt. Im Allgemeinen hat ein Material eine Brechungsindex-Dispersionscharakteristik, bei der der Brechungsindex je nach Wellenlänge variiert. Daher sind die Ausbreitungsgeschwindigkeiten einer Grundwellenform und einer Wellenlängenkonversionswellenform (SH-Wellenform) im Material unterschiedlich. Auch wenn das Material nichtlinear ist, ist die Wellenlängenumwandlung nicht möglich.
Um die Wellenlängenumwandlung zu realisieren, müssen die Phasen der Grundwellenform und der SH-Wellenform angeordnet werden. In diesem Fall kann eine Quasi-Phasenanpassung (QPM) verwendet werden. Wenn eine Ausbreitungsgeschwindigkeitsdifferenz Δk zwischen der Grundwellenform und der SH-Wellenform durch π abgelenkt wird, wird die Quasi-Phasenanpassung durchgeführt, um die spontane Polarisation zu invertieren und ein Vorzeichen der d-Konstanten zu invertieren, um die Phasenanpassung zu erfüllen. Mit anderen Worten, wenn eine Kohärenzlänge lc auf π/Δk eingestellt ist, werden die SH-Wellenformen konstruktiv addiert, indem das Vorzeichen der d-Konstanten bei jedem lc umgekehrt wird, und der SH-Strahl wird erhöht, so dass eine hocheffiziente Wellenlängenkonversion erreicht werden kann. Das QPM-Verfahren wird auf die Phasenanpassung der optischen Vorrichtung entsprechend der Ausführungsform angewendet.
7 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration des optischen Gerätes 100 nach der ersten Ausführungsform darstellt, die nach dem Flussdiagramm von 3A hergestellt wird. Die optische Vorrichtung 100 ist eine faserartige optische Vorrichtung, die aus SiO2-haltigem Glas besteht. Die optische Vorrichtung umfasst den Kernbereich 110, den ersten Hüllbereich 121, der den Kernbereich 110 umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedrigerer als der Kernbereichs 110 ist, und den zweiten Hüllbereich 122, der den ersten Hüllbereich 121 umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedrigerer als der des Kernbereichs 110 ist. Die optische Vorrichtung 100 hat eine Wiederholungsstruktur, bei der ein gepolter Kristallbereich 161 (erster Abschnitt), in dem der gesamte Querschnitt oder ein Teil davon in einer Richtung gepolt ist, und ein amorpher Bereich 162 (zweiter Abschnitt) abwechselnd entlang der Längsrichtung (eine der optischen Achse AX in der Zeichnung angepasste Richtung) in mindestens einem Teil des Glasbereichs angeordnet sind, der durch den Kernbereich 110 und den ersten Hüllbereich 121 konfiguriert ist (der gesamte Glasbereich im Beispiel von 7 entspricht dem dotierten Bereich R). Die Wiederholungsperiode liegt im Bereich von 1µm bis 1.000Ωm. Um eine hocheffiziente Wellenlängenumwandlung zu realisieren, sind die Längen in Längsrichtung des Kristallbereichs 161 und des amorphen Bereichs 162 wünschenswert gleich der Kohärenzlänge lc (in diesem Fall „Wiederholperiode“ = „Länge des ersten Abschnitts“ + „Länge des zweiten Abschnitts“ = 2 × „Kohärenzlänge“). Des Weiteren kann es erforderlich sein, die Phasenanpassungsbedingung in der Bandbreite zu erweitern. In diesem Fall ist es möglich, in der Wiederholungsperiode der Wiederholungsstruktur eine nicht-periodische periodisch gepolte Struktur (chirp (siehe Nicht-Patentdokument 6), eine Struktur zu verwenden, in der eine Λ1-Periodenregion, eine Λ2-Periodenregion, eine Λ3-Periodenregion,..., und eine periodische Region werden als ein Segment behandelt, und die Segmente werden in einem bestimmten Intervall (siehe Nicht-Patentdokument 8), einem Zeitraum basierend auf der Fibonacci-Sequenz (siehe Nicht-Patentdokument 9) und einem Zeitraum basierend auf der Barker-Sequenz (siehe Nicht-Patentdokument 7) angeordnet.
Die Polarisationsorientierung des Kristallbereichs 161 ist eine Richtung, die die Querschnitte des Elektrodenpaares 140A und 140B verbindet, die vorgesehen sind, um den Kernbereich 110 in den zweiten Hüllbereich 122 einzubringen. Alternativ ist zumindest im Längsbereich (Bereich A in 2), dessen Länge der kurzen Seite einschließlich des Kernbereichs 110 etwa dem Durchmesser des Kerns entspricht, die Polarisationsorientierung eine Richtung, die die Querschnitte des Elektrodenpaares 140A und 140B verbindet.
Die Polarisation des amorphen Bereichs 162 wird im spannungslosen Zustand Null. Alternativ kann bei unnötiger nichtlinearer optischer Konstante auch im spannungslosen Zustand die Pollöschung im amorphen Bereich 162 durch die UV-Bestrahlung erzwungen werden. Um die Pollöschung nur auf dem amorphen Bereich 162 durch die UV-Bestrahlung durchführen zu können, wird außerdem eine Strahlmenge benötigt, die kleiner ist als die Menge (UV_th) der UV-Bestrahlung, mit der die Polarisation im Kristallbereich 161 löschbar ist. Mit der Menge der UV-Bestrahlung kleiner als UV_th kann nur die Polarisation des amorphen Bereichs gelöscht werden, und das QPM-Verfahren wird auch nach der UV-Bestrahlung etabliert.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform anhand des Flussdiagramms von 3B beschrieben. Weiterhin sind das erste und zweite Verfahren, bei dem das elektrische Feld in der optischen Faser angelegt wird, den Beispielen der 4 und 6 ähnlich. Darüber hinaus ist ein Verfahren zur unterbrochenen oder kontinuierlichen Bestrahlung der optischen Faser mit dem Laserstrahl ähnlich dem Beispiel in 5. Eine optische Vorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform mit der in 9 dargestellten Struktur wird durch Herstellung der optischen Vorrichtung gemäß dem Flussdiagramm von 3B erhalten. Außerdem wird die in Schritt ST10 von 3B vorbereitete optische Faser zur optische Faser 100A mit der in 4 dargestellten Querschnittsstruktur.
Anschließend wird die Temperatur der optischen Faser 100A in der in 5 dargestellten Kammer 300 so eingestellt, dass die Oberflächentemperatur in einen Bereich von 100°C bis 800°C oder einen Bereich von 100°C bis 400°C fällt (Schritt ST20). Weiterhin werden die Elektroden 140A und 140B in das Paar von Löchern 130A und 130B der in der Kammer 300 gelagerten optische Faser 100A eingeführt, um ein hohes elektrisches Feld im dotierten Bereich R der optischen Faser 100A zu erzeugen.
In einem Zustand, in dem die Oberflächentemperatur eingestellt wird, wird eine kontinuierliche Bestrahlung (Schritt ST40A) des Laserstrahls zur Bildung eines ersten Kristallbereichs über den gesamten Bereich des dotierten Bereichs R und eine elektrische Feldbildung (Schritt ST40B) zur Bildung der Polarisationsorientierung in einer vorbestimmten Richtung im ersten Kristallbereich auf der optischen Faser 100A zwischen Zeitpunkt B1 und Zeitpunkt B2 in 3B durchgeführt. Außerdem kann Schritt ST40B nach Schritt ST40A oder gleichzeitig mit Schritt ST40A ausgeführt werden. Weiterhin wird in der optischen Faser 100A ein gepolter zweiter Kristallbereich, der in einer anderen Richtung als die Polarisationsorientierung des ersten Kristallbereichs gepolt ist, periodisch in Bezug auf den ersten Kristallbereich geformt, der über den gesamten dotierten Bereich R entlang der Längsrichtung der optischen Faser 100A zwischen dem Zeitpunkt C1 und dem Zeitpunkt C2 in 3B geformt wird. Dazu wird die unterbrochene Bestrahlung des Laserstrahls (Schritt ST50A) und die elektrische Feldbildung (Schritt ST50B) durchgeführt. Darüber hinaus kann Schritt ST50B auch nach Schritt ST50A oder gleichzeitig mit Schritt ST50A durchgeführt werden.
Konkret wird in Schritt ST40A, wie in 5 dargestellt, der Laserstrahl von der Laserquelle 310 kontinuierlich in den dotierten Bereich R zwischen Zeitpunkt B1 und Zeitpunkt B2 durch den Reflexionsspiegel 320 ausgestrahlt, der entlang der Längsrichtung (eine mit Pfeil S dargestellte Richtung) der optischen Faser 100A bewegbar ist, deren Oberflächentemperatur in einem Bereich von 100°C bis 800°C oder in einem Bereich von 100°C bis 400°C gehalten wird. Bei dieser Konfiguration bildet sich im dotierten Bereich R der optischen Faser 100A der in Längsrichtung durchgehende Kristallbereich (ein Bereich, der der erste Abschnitt sein soll). Gleichzeitig mit oder nach Schritt ST40A wird in Schritt ST40B eine erste Spannung Va zwischen den Elektroden 140A und 140B angelegt, die in das Paar von Löchern 130A und 130B eingeführt wird, um den ersten Kristallbereich zu polen. Dann wird in Schritt ST50A, wie in 5 dargestellt, der Laserstrahl von der Laserquelle 310 durch den Reflexionsspiegel 320 in den ersten Kristallbereich ausgestrahlt, der entlang der Längsrichtung der optischen Faser 100A bewegbar ist, deren Oberflächentemperatur auch zwischen dem Zeitpunkt C1 und dem Zeitpunkt C2 in einem Bereich von 100°C bis 800°C oder 100°C bis 400°C gehalten wird. In Schritt ST50A wird jedoch der zweite Kristallbereich (ein Bereich, der der zweite Abschnitt sein soll) periodisch im ersten Kristallbereich geformt, der kontinuierlich entlang der Längsrichtung bereitgestellt wird. Daher wird der Laserstrahl unterbrochen ausgestrahlt. Gleichzeitig mit oder nach Schritt ST50A wird in Schritt ST50B eine zweite Spannung Vi angelegt, deren Polarität zu der der ersten Spannung Va invertiert ist und deren Absolutwert kleiner als der der ersten Spannung Va ist, zwischen den Elektroden 140A und 140B, die in das Paar von Löchern 130A und 130B eingesetzt sind. Der zweite Kristallbereich (zweiter Abschnitt) wird geformt, der in einer anderen Richtung als der erste Kristallbereich (erster Abschnitt) gepolt ist. Mit anderen Worten, die Wiederholungsstruktur, in der die Kristallbereiche mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind, wird im dotierten Bereich R geformt. Weiterhin werden nach der Bildung der Wiederholungsstruktur (das elektrische Feld wird geformt und der erste und der zweite Abschnitt werden vollständig in voneinander verschiedenen Richtungen gepolt) die Elektroden 140A und 140B aus dem Loch 130A bzw. 130B entfernt.
Ein Mechanismus der Bildung des ersten Kristallbereichs als erster Abschnitt und des zweiten Kristallbereichs als zweiter Abschnitt wird in 8 beschrieben. Mit anderen Worten, in 8 stellt die horizontale Achse eine Temperatur T (°C) der optischen Faser oberfläche und die vertikale Achse eine spontane Polarisation Ps (µC/cm²) dar. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Temperaturabhängigkeit der spontanen Polarisation. Die spontane Polarisation wird bei Temperatur T₁ zu Ps(T₁) und die spontane Polarisation zu Ps(T₂) bei Temperatur T₂. Eine Beziehung zwischen den Stärken dieser spontanen Polarisationen erfüllt Ps(T₁) > Ps(T₂). Um diese spontanen Polarisationen umzukehren, muss das elektrische Feld, das ein elektrisches Koerzitivfeld jeder spontanen Polarisation übersteigt, angelegt werden. Die elektrischen Koerzitivfelder von Ps(T₁) und Ps(T₂) werden zu EPs(T₁) bzw. EPs(T₂). Um diese spontanen Polarisationen umzukehren, muss das elektrische Feld, das ein elektrisches Koerzitivfeld jeder spontanen Polarisation übersteigt, angelegt werden. Die elektrischen Koerzitivfelder von Ps(T₁) und Ps(T₂) werden zu E_Ps(T1) bzw. E_Ps(T2). Wie in 8 dargestellt, nimmt die Größe der spontanen Polarisation mit zunehmender Temperatur ab. Das für die Inversion erforderliche elektrische Koerzitivfeld wird entlang der Temperaturerhöhung abgesenkt. Ein elektrisches Koerzitivfeld E_th, das für die Polarisations-Orientierung nur des Temperaturanstiegs benötigt wird, zeigt eine Beziehung von E_Ps(T2) < E_th < E_Ps(T1). Mit anderen Worten, die Temperatur (eine tatsächliche Temperatur der optischen Faser oberfläche) des gesamten Kristalls wird auf T₁ eingestellt, und der Laser wird ausgestrahlt, um einen lokal beheizten Bereich (T₂) zu bilden, während das elektrische Koerzitivfeld E_th angelegt wird, so dass die Polarisation nur des beheizten Bereichs umgekehrt werden kann.
9 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration der optischen Vorrichtung 200 entsprechend der zweiten Ausführungsform darstellt, die nach dem Flussdiagramm von 3B hergestellt wird. Die optische Vorrichtung 200 ist eine faserartige optische Vorrichtung aus SiO₂-haltigem Glas. Die optische Vorrichtung umfasst den Kernbereich 110, den ersten Hüllbereich 121, der den Kernbereich 110 umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedrigerer als der des Kernbereichs 110 ist, und den zweiten Hüllbereich 122, der den ersten Hüllbereich 121 umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedrigerer als der des Kernbereichs 110 ist. Die optische Vorrichtung 200 ist mit einer Wiederholungsstruktur versehen, bei der ein erster Kristallbereich (erster Abschnitt) 171, dessen gesamter Querschnitt oder ein Teil davon in mindestens einem Teil des durch den Kernbereich 110 und den ersten Hüllbereich 121 gebildeten Glasbereichs gepolt ist, und ein zweiter Kristallbereich (zweiter Abschnitt) 172, der in einer von dem ersten Kristallbereich verschiedenen Richtung gepolt ist, abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind. Dabei bedeutet die „andere Richtung“, dass ein Winkel zwischen der Polarisationsorientierung des ersten Kristallbereichs 171 und der Polarisationsorientierung des zweiten Kristallbereichs 172 zwischen 91 und 180 Grad liegt. Die Länge der ersten Kristallregion 171 oder der zweiten Kristallregion 172 liegt im Bereich von 1µm bis 1.000µm. Ähnlich wie bei der optischen Vorrichtung 100 nach der ersten Ausführungsform sind die Längen in Längsrichtung des ersten Kristallbereichs 171 und des zweiten Kristallbereichs 172 wünschenswert gleich der Kohärenzlänge lc, um eine hocheffiziente Wellenlängenkonversion zu realisieren. In einem Fall, in dem eine Bandbreite der Phasenanpassungsbedingung notwendigerweise erweitert wird, kann die Wiederholungsstruktur des dotierten Bereichs nichtlinear sein.
In der ersten und zweiten Ausführungsform werden das Seltenerdelement und das Übergangsmetallelement auf den Kristallisationszielbereich dotiert und der Bereich wird dazu gebracht, den zu erwärmenden Laserstrahl zu absorbieren, so dass der Bestrahlungsbereich des Lasers kristallisiert wird. Der zu dotierende Bereich mit dem Seltenerdelement und dem Übergangsmetall (d.h. der dotierte Bereich R) darf nur der Kernbereich 110, nur der erste Hüllbereich 121 oder sowohl der Kernbereich 110 als auch der erste Hüllbereich 121 sein. Der Kristallbereich kann je nach Anwendung der optischen Geräte 100 und 200 ausgewählt werden.
Eine Laserwellenlänge liegt im Bereich von 100nm bis 1600nm. Als Laserquelle kann eine beliebige Pulslichtquelle und eine CW-Lichtquelle verwendet werden. Bei Verwendung der Pulslichtquelle kann eine unnötige Erwärmung unterdrückt und der Kristallisationszielbereich exakt beschrieben werden. Eine Pulsbreite liegt im Bereich von 10ps bis 100ms. In einem Fall, in dem die CW-Lichtquelle verwendet wird, ist die Kohärenz hoch. So ist es beispielsweise möglich, die Schreibgenauigkeit durch ein gebeugtes Licht, das durch eine Phasenmaske hervorgerufen wird, zu verbessern. Darüber hinaus kann bei Verwendung einer Hochleistungs-Laserquelle ein für die Kristallisation benötigter Bestrahlungsbereich erweitert, ein Bereich des durch eine optische Phasenmaske verursachten gebeugten Lichts erweitert und die Produktivität im Vergleich zu einem Einzelhubschreiben gesteigert werden.
Als nächstes wird eine polarisierte Wellenhaltefunktion der optischen Vorrichtungen 100 und 200 beschrieben. Eine Welle, die in der Mitte der Ausbreitung des einfallenden Lichts gebeugt wird, ist wichtig für die Wellenlängenumwandlung. Auch wenn je nach Einsatz der optischen Vorrichtung eine gebeugte Wellenrichtung des auf die optischen Vorrichtungen 100 und 200 einfallenden Lichts mit der Polarisationsorientierung oder mit einer Richtung senkrecht zur Polarisationsorientierung übereinstimmt. Auch in beiden Fällen sind die optischen Vorrichtungen 100 und 200 so konfiguriert, dass die gebeugte Wellenrichtung während der Lichtausbreitung nicht rotiert. Aus diesem Grund sind die optischen Vorrichtungen 100 und 200 in einer geraden Linie angeordnet, um eine unnötige Belastung zu vermeiden, oder die polarisierte Wellen haltende optische Faser (eine Pandaoptische Faser oder eine Vielzahl von Löchern) ist wünschenswert.
Beispielsweise wird in der optischen Faser , die ein Paar von Löchern mit dem dazwischen liegenden Kernbereich aufweist, durch das Vorhandensein des Lochpaares eine Spannung auf den Kernbereich ausgeübt, die effektiv als polarisierte Wellenhaltung dient. Die Position des Lochs ist jedoch notwendigerweise so gewählt, dass es in der Nähe des Kernbereichs liegt. Dadurch wird die Form des Kernbereichs leicht zu einer elliptischen Form und kann daher je nach Anwendung nicht akzeptabel sein. Eine elektrodenintegrierte optische Vorrichtung wird effektiv eingesetzt, da ein Elektrodenpaar (leitfähige Bereiche) als spannungsvermittelnder Teil mit dazwischenliegendem Kernbereich vorgesehen ist, um eine polarisierte Wellenhaltefunktion zu haben, und die Form des Kernbereichs kaum verformt wird.
Wie oben beschrieben, sind die faserartigen optischen Vorrichtungen 100 und 200 entsprechend der ersten und zweiten Ausführung möglich, um die Wellenlängenumwandlung mit hoher Stabilität und Effizienz durchzuführen. Die Wiederholungsstruktur der optischen Vorrichtung 100 ist so konfiguriert, dass der Kristallbereich und der amorphe Bereich periodisch und abwechselnd bei jeder lc-Länge in Längsrichtung geformt werden. Um die Bandbreite der Wellenlängenumwandlung zu erweitern, werden alternativ der Kristallbereich und der amorphe Bereich in einem Zustand geformt, in dem die Periode kollabiert ist. Im Kristallbereich kann das QPM-Verfahren eingeführt werden, indem der gesamte Querschnitt oder ein Teil davon in eine Richtung gepolt wird. Die Wiederholungsstruktur der optischen Vorrichtung 200 ist so konfiguriert, dass zwei Arten von Kristallbereichen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen periodisch und abwechselnd bei jeder lc-Länge in Längsrichtung geformt werden. Um die Bandbreite der Wellenlängenumwandlung zu erweitern, werden alternativ die beiden Arten von Kristallbereichen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen in einem Zustand geformt, in dem die Periode kollabiert ist. In jedem der verschiedenen Kristallbereiche kann das QPM-Verfahren eingeführt werden, indem der gesamte Querschnitt oder ein Teil davon in eine Richtung gepolt wird. Zusätzlich hat die selektive Kristallisation in der optischen Vorrichtung im Vergleich zur thermischen Polung der verwandten Disziplin, wo Ge dotiert ist, eine Erhöhung der nichtlinearen optischen Konstante und eine signifikant hohe Stabilität, so dass die Leistung stark erhöht werden kann.
Des Weiteren ist das Verfahren zur Invertierung der spontanen Polarisation nicht auf das in den 4 und 6 dargestellte Verfahren zur Bildung eines elektrischen Feldes beschränkt, und ein Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren ist ebenfalls wirksam. Weiterhin sind die 10, 11A und 11B Diagramme zur Beschreibung erster bis dritter Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren, die auf die Spannungsanwendung (das in der optischen Faser entstehende elektrische Feld) auf die optische Faser angewendet werden können. Mit anderen Worten, das Verfahren zur Erzeugung eines elektrischen Feldes unter Verwendung der ersten bis dritten Elektronenstrahlbestrahlung kann auf Schritt ST30B in Fig. 3A, Schritt ST40B in Fig. 3B und Schritt ST50B in 3B angewendet werden.
Die Elektronenstrahlbestrahlung der optischen Faser kann auch in jedem Zustand einer Vakuum- und Luftatmosphäre durchgeführt werden. Die Elektronenstrahlbestrahlung unter Luftatmosphäre erfolgt zum Beispiel mit einem Elektronenstrahlbearbeitungssystem (EPS) 500, das in 10 dargestellt ist. Elektronen aus einer Kathode (Elektronenquelle) werden aus einer Bestrahlungsfensterfolie 430 (Titan oder einer Titanlegierungsfolie von mehreren zehn Mikrometern) des EPS 500 in die Luft entladen. Weiterhin enthält das EPS 500 eine Kathode 410, die einen Elektronenstrahl durch die Bestrahlungsfensterfolie 430 in ein Vakuumgefäß 400 entlädt, eine Stromquelle 420, die der Kathode 410 einen gewünschten Strom zuführt, und eine Spannungsquelle 440, die eine gewünschte Beschleunigungsspannung zwischen der Kathode 410 und der Bestrahlungsfensterfolie 430 anlegt. Ebenso werden unter der Vakuumatmosphäre, wenn Elektronen von der Kathode 410 entladen werden, die Elektronen im Vakuumbehälter 400 beschleunigt. Die beschleunigten Elektronen werden durch die Bestrahlungsfensterfolie 430, die den Vakuumbehälter 400 von der Luft trennt, in die Luft abgegeben. Selbst wenn die beschleunigten Elektronen unter der Vakuumatmosphäre und der Luftatmosphäre entladen werden, wird eine Elektronenentladungsbahn mittels einer Bestrahlungsspule auf die erforderliche Bestrahlungsbreite verengt und ein vorgegebener Bereich kann bestrahlt werden. Des Weiteren enthält in 10 eine optische Faser 100C, in die die aus dem EPS 500 entladenen Elektronen geleitet werden, den Kernbereich 110, den ersten Hüllbereich 121 und den zweiten Hüllbereich 122. Ein Dotierstoff zur Beschleunigung der Glaskristallisation wird im dotierten Bereich R dotiert, der durch den Kernbereich 110 und den ersten Hüllbereich 121 konfiguriert ist.
Beim ersten Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren, wie in 10 dargestellt, werden die in den Vakuumbehälter 400 des EPS 500 entladenen Elektronen (die von der Kathode 410 entladenen Elektronen, denen der Strom von 1nA bis 10mA zugeführt wird) durch die Beschleunigungsspannung von mehreren kV auf mehrere Dutzend MV (vorzugsweise 1kV bis 10MV) beschleunigt, die von der Spannungsquelle 440 zwischen der Kathode und der Strahlungsfensterfolie angelegt werden. Die Elektronen werden in den zweiten Hüllbereich 122 der optischen Faser 100C diffundiert. Ein Elektronendiffusionsabstand D (Diffusionstiefe) wird durch die Beschleunigungsspannung und die Dichte eines Bestrahlungsmediums bestimmt und kann durch eine Monte-Carlo-Simulation ermittelt werden. Wenn beispielsweise die Dichte des zweiten Hüllenbereichs 122 2,6g/cm² beträgt und die Beschleunigungsspannung auf etwa 90kV eingestellt ist, beträgt der Elektronendiffusionsabstand D im zweiten Hüllenbereich 122 etwa 60µm. Falls die äußere Umfangsoberfläche des zweiten Hüllbereichs 122 beschichtet ist, wird die Beschleunigungsspannung unter Berücksichtigung einer Dichte der Hülle so eingestellt, dass ein vorbestimmter Elektronendiffusionsabstand D erreicht wird. Der Bereich (elektrischer Ladungsspeicher), in dem die Elektronen im zweiten Hüllbereich 122 diffundiert werden, ist gleich dem Bereich, in dem die negative Spannung aufgrund der negativen Ladungen der Elektronen erzeugt wird. Daher wird eine hohe negative Spannung geformt, indem eine akkumulierte Ladungsmenge in der Region erhöht wird. Zum Beispiel, wie in 10 dargestellt, verlaufen in einem Fall, in dem eine Masseelektrode 450 vorgesehen ist, elektrische Flusslinien in Richtung der negativen Ladungen von der Elektrode 450. Das elektrische Feld wird entlang der elektrischen Flusslinien im Kernbereich 110 (dem Bereich, der als Kristallbereich dient) geformt. Die erste Elektronenstrahl-Bestrahlungsmethode ist effektiv, da die Elektrode im zweiten Hüllbereich 122 nicht geformt werden muss und das elektrische Feld einfach in der optischen Faser 100C geformt wird.
Insbesondere in einem Fall, in dem das erste Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren auf Schritt ST30B von 3A angewendet wird, wird ein UV-Laserstrahl unterbrochen entlang der Längsrichtung (einer der optischen Achse AX angepassten Richtung) der optischen Faser 100C in einem Zustand ausgestrahlt, in dem die Oberflächentemperatur der optischen Faser 100C in einem Bereich von 100°C bis 800°C oder einem Bereich von 100°C bis 400°C in Schritt ST30A zwischen dem Zeitpunkt A1 und dem Zeitpunkt A2 gehalten wird. Daher ist die Wiederholungsstruktur, in der der Kristallbereich (erster Abschnitt) und der amorphe Bereich (zweiter Abschnitt) abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind, in dem dotierten Bereich R vorgesehen. In Schritt ST30B, der gleichzeitig mit oder nach Schritt ST30A durchgeführt wird, werden die von der Kathode 410 entladenen Elektronen, denen ein vorbestimmter Strom zugeführt wird, unterbrochen in einen Zielbereich (einen Bereich, der der der erste Abschnitt ist) der Polarisation ausgestrahlt. Der elektrische Ladungsspeicher wird im zweiten Hüllbereich 122 geformt (d.h. die Diffusionstiefe der Elektronen befindet sich an einer Zwischenposition zwischen dem dotierten Bereich R und der äußeren Umfangsfläche der optischen Faser 100C). Bei dieser Konfiguration wird die Polarisation des Bereichs, der dem ersten Abschnitt im dotierten Bereich R entspricht, durch das elektrische Feld (Potentialgradient) orientiert, das zwischen der Elektrode 450 und dem elektrischen Ladungsspeicher geformt wird (negative Ladungsverteilung). In einem Fall, in dem sich im amorphen Bereich, der als zweiter Abschnitt dient, eine unnötige Polarisation bildet, kann die Polarisation durch den UV-Laserstrahl gelöscht werden.
Des Weiteren wird in einem Fall, in dem das erste Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren auf Schritt ST40B von Fig. 3B und Schritt ST50B von 3B angewendet wird, zuerst der UV-Laserstrahl kontinuierlich entlang der Längsrichtung der optischen Faser 100C in einem Zustand ausgestrahlt, in dem die Oberflächentemperatur der optischen Faser 100C in einem Bereich von 100°C bis 800°C oder einem Bereich von 100°C bis 400°C in Schritt ST40A zwischen dem Zeitpunkt B1 und dem Zeitpunkt B2 gehalten wird. Daher wird der erste Kristallbereich kontinuierlich in Längsrichtung geformt. In Schritt ST40B, der gleichzeitig mit oder nach Schritt ST40A durchgeführt wird, werden die von der Kathode 410 entladenen Elektronen, denen ein vorbestimmter Strom zugeführt wird, unterbrochen in einen Zielbereich (einen Bereich, der der der erste Abschnitt ist) der Polarisation ausgestrahlt. Der elektrische Ladungsspeicher bildet sich im zweiten Hüllbereich 122. Außerdem hat der elektrische Ladungsspeicher eine angesammelte Ladungsmenge, die derjenigen entspricht, wenn die erste Spannung Va zwischen dem elektrischen Ladungsspeicher und der Elektrode 450 angelegt wird. Bei dieser Konfiguration wird die Polarisation im ersten Kristallbereich durch das elektrische Feld, das sich zwischen der Elektrode 450 und dem elektrischen Ladungsspeicher bildet, ausgerichtet.
Dann wird in Schritt ST50A zwischen dem Zeitpunkt C1 und dem Zeitpunkt C2 der UV-Laserstrahl unterbrochen in den ersten Kristallbereich ausgestrahlt, der kontinuierlich in der optischen Faser 100C in einem Zustand geformt wird, in dem die Oberflächentemperatur der optischen Faser 100C in einem Bereich von 100°C bis 800° oder einem Bereich von 100°C bis 400°C gehalten wird. Daher ist die Wiederholungsstruktur, bei der der erste Kristallbereich als erster Abschnitt und der zweite Kristallbereich als zweiter Abschnitt abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind, im dotierten Bereich vorgesehen. In Schritt ST50B, der gleichzeitig mit oder nach Schritt ST50A durchgeführt wird, werden die von der Kathode 410, der ein vorbestimmter Strom zugeführt wird, entladenen Elektronen nach der Drehung der optischen Faser 100C in einer mit Pfeil S gekennzeichneten Richtung unterbrochen in einen Zielbereich (einen Bereich, der der der zweite Abschnitt ist) der Polarisation abgegeben. Daher bildet sich der elektrische Ladungsspeicher im zweiten Hüllbereich 122. Weiterhin hat der elektrische Ladungsspeicher eine angesammelte Ladungsmenge, die gleich derjenigen ist, wenn die zweite Spannung Vi kleiner als die erste Spannung Va in Bezug auf die Elektrode 450 erzeugt wird. Die Polarisation des zweiten Kristallbereichs, der periodisch entlang der Längsrichtung der optischen Faser 100C geformt wird, kann durch das elektrische Feld, das zwischen der Elektrode 450 und dem elektrischen Ladungsspeicher geformt wird, in eine andere Richtung als der erste Kristallbereich ausgerichtet werden.
Bei der in 4 und 6 dargestellten Verfahren der elektrischen Feldbildung wird das elektrische Feld (Potentialgradient) hauptsächlich mit einer positiven Spannung geformt. Eine gepolte Struktur kann jedoch durch Bildung des elektrischen Feldes unter Verwendung einer negativen Spannung geformt werden, um die Polarisation durch die Elektronenstrahlbestrahlung umzukehren. Wie in 11A dargestellt, können in einem Fall, in dem die optische Faser zwei Elektroden enthält (z.B. die optische Faser 100A von 4), die Elektronen zwischen der Elektrode 140A und dem dotierten Bereich R (konfiguriert durch den Kernbereich 110 und den ersten Hüllbereich 121) als zweites Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren betrieben werden. In diesem Fall wird die Polung effektiv geformt, da die negativen Ladungen im elektrischen Ladungsspeicher verteilt sind und die Elektrode 140B als Masseelektrode verwendet wird, um ein elektrisches Feld im dotierten Bereich R zu bilden, das stärker ist als bei dem ersten Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren (10). Alternativ wird als drittes Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren, wie in 11B dargestellt, die optische Faser 100A in eine Richtung gedreht, die mit dem in 10 dargestellten Pfeil S gekennzeichnet ist (eine Umfangsrichtung mit der Längsrichtung als Zentrum), und die Elektronen können in eine andere Position als bei dem ersten Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren gebracht werden. Neben dem ersten bis dritten Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren kann die Elektrode 140A selbst durch die in die Elektrode 140A getriebenen Elektronen geladen werden, um das elektrische Feld zwischen der Elektrode 140A und einer Masseelektrode 140B zu bilden. Es ist auch wirksam, die Polung mit dem oben beschriebenen elektrischen Feld zu bilden. Insbesondere ist das dritte Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren wirksam, wenn die Größe der Elektrode 140A groß und die Elektronenstrahlbelichtungsfläche klein ist.
Des Weiteren können in beiden Fällen des zweiten Elektronenbestrahlungsverfahrens (11A) und des dritten Elektronenbestrahlungsverfahrens (11B) die Schritte ST30B von Fig. 3A, ST40B von Fig. 3B und ST50B von 3B angewendet werden. Als Beispiel wird die Beschreibung eines Falles gegeben, in dem das zweite Elektronenstrahlbestrahlungsverfahren auf ein Verfahren zur Herstellung der optischen Faser gemäß der zweiten Ausführungsform angewendet wird (3B). Zunächst wird die Oberflächentemperatur der in Schritt ST10 hergestellten optische Faser 100A in einem Bereich von 100°C bis 800°C oder in einem Bereich von 100°C bis 400°C gehalten (Schritt ST20). In einem solchen temperaturangepassten Zustand wird der Laserstrahl kontinuierlich in den dotierten Bereich R der optischen Faser 100A entlang der Längsrichtung von Zeitpunkt B1 bis Zeitpunkt B2 (Schritt ST40A) ausgestrahlt. Schritt ST40B wird gleichzeitig mit Schritt ST40A oder nach Schritt ST40A durchgeführt. Mit anderen Worten, während oder nach der kontinuierlichen Bildung des ersten Kristallbereichs entlang der Längsrichtung der optischen Faser 100A werden die der ersten Spannung Va entsprechenden Elektronen unterbrochen in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der optischen Faser 100A in den ersten Kristallbereich ausgestrahlt. Bei dieser Konfiguration wird der elektrische Ladungsspeicher im zweiten Hüllbereich 122 (die Ladung des zweiten Hüllbereichs 122) geformt, und ein Bereich, der der erste Abschnitt sein soll, wird im kontinuierlichen ersten Kristallbereich gepolt. Weiterhin ist, wie oben beschrieben, die dritte Elektronenstrahlbestrahlungsmethode wirksam, wenn die Größe der Elektrode 140A größer ist und eine Elektronenstrahlbestrahlungsfläche klein ist. Als weiteres Verfahren kann die Elektrode 140A selbst geladen werden.
Schritt ST50B wird gleichzeitig mit oder nach Schritt ST50A ausgeführt, auch zwischen dem Zeitpunkt C1 und dem Zeitpunkt C2. Allerdings ist es unwahrscheinlich, dass in Schritt ST40B die Elektrode 140A auf eine Masseelektrode gesetzt wird und die Elektronen zwischen den dotierten Bereich R und die Elektrode 140B getrieben werden, um den elektrischen Ladungsspeicher mit einer elektrischen Ladungsmenge entsprechend der zweiten Spannung Vi kleiner als die erste Spannung Va zu bilden. Mit anderen Worten, der elektrische Ladungsspeicher wird zwischen dem dotierten Bereich R und der Elektrode 140B (der Elektronenstrahlbestrahlung) geformt, während oder nachdem der UV-Laserstrahl unterbrochen in einen Bereich ausgestrahlt wird, der der zweite Abschnitt entlang der Längsrichtung der optischen Faser 100A ist, so dass der Bereich, der der zweite Abschnitt ist, durch das elektrische Feld zwischen dem elektrischen Ladungsspeicher und der Erdelektrode 140A in eine andere Richtung als der des restlichen ersten Kristallbereichs (erster Abschnitt) gepolt wird. Bei dieser Konfiguration ist die Wiederholungsstruktur, bei der der erste Kristallbereich als erster Abschnitt und der zweite Kristallbereich als zweiter Abschnitt abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind, im dotierten Bereich R vorgesehen.
Bezugszeichenliste
100, 200... optische Vorrichtung; 100A, 100B, 100C... optische Faser ; 110...; 121... erster Hüllbereich; 122... zweiter Hüllbereich; 130A, 130B... Loch; 140A, 140B, 150A, 150B, 450... Elektrode; 310... Laserquelle; 410.... Kathode; 420... Stromquelle; 440.... Spannungsquelle; 161... Kristallbereich (erster Abschnitt); 171... erster Kristallbereich (erster Abschnitt); 162... amorpher Bereich (zweiter Abschnitt); 172... zweiter Kristallbereich (zweiter Abschnitt); und 500... EPS.

Claims

Optische Vorrichtung aus SiO₂-haltigem Glas, welche umfasst: einen Kernbereich, der sich entlang einer Längsrichtung der optischen Vorrichtung erstreckt; einen ersten Hüllbereich, der den Kernbereich umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der des Kernbereichs ist; und einen zweiten Hüllbereich, der den ersten Hüllbereich umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der des Kernbereichs ist, wobei eine Wiederholungsstruktur in mindestens einem Teil eines Glasbereichs vorgesehen ist, der aus dem Kernbereich und dem ersten Mantelbereich besteht, wobei die Wiederholungsstruktur eine Struktur aufweist, in der ein erster Abschnitt, der als gepolter Kristallbereich dient, und ein zweiter Abschnitt, der als amorpher Bereich dient, abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind.
Optische Vorrichtung aus SiO₂-haltigem Glas, umfassend: einen Kernbereich, der sich entlang einer Längsrichtung der optischen Vorrichtung erstreckt; einen ersten Hüllbereich, der den Kernbereich umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der des Kernbereichs ist; und einen zweiten Hüllbereich, der den ersten Hüllbereich umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der des Kernbereichs ist, wobei eine Wiederholungsstruktur in mindestens einem Teil eines Glasbereichs vorgesehen ist, der aus dem Kernbereich und dem ersten Mantelbereich besteht, wobei die Wiederholungsstruktur eine Struktur aufweist, in der ein erster Abschnitt, der als gepolter Kristallbereich dient, und ein zweiter Abschnitt, der als weiterer Kristallbereich dient, abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind, wobei der andere Kristallbereich in einer von dem Kristallbereich des ersten Abschnitts verschiedenen Richtung gepolt ist.
Die optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kristallbereich des ersten Abschnitts ein Metallelement als Dotierstoff zur Beschleunigung einer Glaskristallisation enthält.
Die optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kristallbereich des ersten Abschnitts ein Metalliod-Element als Dotierstoff zur Beschleunigung einer Glaskristallisation enthält.
Die optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kristallbereich des ersten Abschnitts ein einwertiges oder zweiwertiges Metallelement als Dotierstoff zur Verhinderung einer Entglasung enthält.
Die optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wiederholungsstruktur eine einzige Wiederholungsperiode entlang der Längsrichtung umfasst.
Die optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Wiederholungsperiode der Wiederholungsstruktur entlang der Längsrichtung eine Chirp-Periode ist, eine Periode, die durch Kombinieren einer Vielzahl von einzelnen Perioden, die sich voneinander unterscheiden, oder eine Periode, die auf einer Fibonacci-Sequenz oder einer Barker-Sequenz basiert, erhalten wird.
Die optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Wiederholungsstruktur über dem Kernbereich und dem ersten Hüllbereich bereitgestellt ist.
Die optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 weiter umfasst: ein Paar von Löchern oder ein Paar von leitenden Bereichen, die sich entlang der Längsrichtung in einem Zustand erstrecken, in dem der Kristallbereich des ersten Abschnitts in dem zweiten Hüllbereich angeordnet ist, und die auf einer geraden Linie parallel oder senkrecht zu einer Polarisationsorientierung in dem Kristallbereich des ersten Abschnitts in einem Querschnitt der optischen Vorrichtung angeordnet sind, der senkrecht zu der Längsrichtung ist.
Die optische Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Paar von Löchern oder das Paar von leitenden Bereichen ein Paar von leitenden Bereichen ist, wobei jeder der beiden leitenden Bereiche ein Bereich ist, der einen Spannungsanwendungsbereich umgibt, der sich entlang der Längsrichtung erstreckt und mit einem leitenden amorphen Oxidhalbleiter dotiert ist.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung, umfasst: ein Vorbereitungsprozess zur Vorbereitung einer optische Faser, die SiO₂ enthält, wobei die optische Faser einen Kernbereich umfasst, der sich entlang einer Längsrichtung der optischen Faser erstreckt, einen ersten Hüllbereich, der den Kernbereich umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der des Kernbereichs ist, und einen zweiten Hüllbereich, der den ersten Hüllbereich umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der des Kernbereichs ist, wobei ein dotierter Bereich, der ein Dotierungsmittel zur Beschleunigung der Glaskristallisation enthält, kontinuierlich entlang der Längsrichtung in mindestens einem Teil eines Glasbereichs vorgesehen ist, der durch den Kernbereich und den ersten Hüllbereich konfiguriert ist; ein Temperaturanpassungsprozess zur Aufrechterhaltung einer Oberflächentemperatur der optischen Faser in einem Bereich von 100°C bis 800°C; und ein Abschnittsformungsprozess zum Formen einer Wiederholungsstruktur in dem dotierten Bereich durch Formen eines elektrischen Feldes, das durch den dotierten Bereich in der Mitte oder nach einer unterbrochene Bestrahlung eines Laserstrahls zu dem dotierten Bereich der optischen Faser verläuft, wobei die Wiederholungsstruktur eine Struktur aufweist, in der ein erster Abschnitt, der als ein gepolter Kristallbereich dient, und ein zweiter Abschnitt, der als ein amorpher Bereich dient, abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind, wobei der Laserstrahl unterbrochen in den dotierten Bereich entlang der Längsrichtung ausgestrahlt wird, um die Wiederholungsstruktur in dem dotierten Bereich zu formen, und wobei das elektrische Feld so geformt wird, dass ein Potentialgradient in dem dotierten Bereich entlang einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung geformt wird.
Das Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das elektrische Feld so geformt ist, dass ein Potentialgradient in dem dotierten Bereich geformt wird, indem eine Spannung zwischen zwei Punkten angelegt wird, die den dotierten Bereich entlang einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung einschließen.
Das Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das elektrische Feld so geformt ist, dass im zweiten Hüllbereich der optischen Faser durch Emittieren eines Elektronenstrahls ein elektrischer Ladungsspeicher geformt wird, wobei der Elektronenstrahl durch eine Kathode erzeugt wird, der ein vorbestimmter Strom zugeführt und durch eine vorbestimmte Beschleunigungsspannung beschleunigt wird, und dann der Potentialgradient durch Anordnen einer Elektrode auf einer dem elektrischen Ladungsspeicher gegenüberliegenden Seite in Bezug auf den dotierten Bereich geformt ist.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung, umfasst: ein Vorbereitungsprozess zur Vorbereitung einer optische Faser, die SiO₂ enthält, wobei die optische Faser einen Kernbereich umfasst, der sich entlang einer Längsrichtung der optischen Faser erstreckt, einen ersten Hüllbereich, der den Kernbereich umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der des Kernbereichs ist, und einen zweiten Hüllbereich, der den ersten Hüllbereich umgibt und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der des Kernbereichs ist, wobei ein dotierter Bereich kontinuierlich in mindestens einem Teil eines Glasbereichs vorgesehen ist, der aus dem Kernbereich und dem ersten Hüllbereich besteht, wobei der dotierte Bereich ein Dotierungsmittel zur Beschleunigung der Glaskristallisation entlang der Längsrichtung enthält; ein Temperaturanpassungsprozess zur Aufrechterhaltung einer Oberflächentemperatur der optischen Faser in einem Bereich von 100°C bis 800°C; ein Kristallbereichsformungsprozess zum Formen eines ersten Kristallbereichs durch Formen eines ersten elektrischen Feldes, das durch den dotierten Bereich in der Mitte oder nach einer kontinuierlichen Bestrahlung eines Laserstrahls zu dem dotierten Bereich der optischen Faser verläuft, wobei der erste Kristallbereich kontinuierlich und entlang der Längsrichtung gepolt ist, wobei der Laserstrahl kontinuierlich in den dotierten Bereich entlang der Längsrichtung ausgestrahlt wird, um den ersten Kristallbereich zu formen, der in dem dotierten Bereich kontinuierlich ist, und wobei das erste elektrische Feld derart geformt wird, dass ein Potentialgradient in dem dotierten Bereich entlang einer ersten Richtung senkrecht zu der Längsrichtung geformt ist; wobei das erste elektrische Feld in dem dotierten Bereich geformt wird; und ein Abschnittsformungsprozess zum Bilden einer Wiederholungsstruktur in dem dotierten Bereich durch Formen eines zweiten elektrischen Feldes, das durch den ersten Kristallbereich in der Mitte oder nach einer unterbrochene Bestrahlung des Laserstrahls zu dem ersten Kristallbereich verläuft, wobei die Wiederholungsstruktur eine Struktur aufweist, in der ein erster Abschnitt, der als ein Teil des ersten Kristallbereichs dient, und ein zweiter Abschnitt, der als ein zweiter Kristallbereich dient, abwechselnd entlang der Längsrichtung angeordnet sind, wobei der zweite Kristallbereich in einer von dem ersten Kristallbereich verschiedenen Richtung gepolt ist, wobei der Laserstrahl unterbrochen in den dotierten Bereich entlang der Längsrichtung gestrahlt wird, um die Wiederholungsstruktur in dem dotierten Bereich zu formen, und wobei das zweite elektrische Feld so geformt ist, dass ein Potentialgradient in dem dotierten Bereich entlang einer zweiten Richtung geformt wird, die senkrecht zu der Längsrichtung ist, sich aber von der ersten Richtung unterscheidet.
Das Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei in dem Kristallbereichsformungsprozess das erste elektrische Feld so geformt wird, dass ein Potentialgradient in dem dotierten Bereich durch Anlegen einer ersten Spannung Va zwischen zwei Punkten geformt wird, die den dotierten Bereich entlang der ersten Richtung einschließen, und wobei bei dem Abschnittsformungsprozess, das zweite elektrische Feld so geformt wird, dass ein Potentialgradient in dem dotierten Bereich entlang der zweiten Richtung durch Anlegen einer zweiten Spannung Vi geformt wird, die zweite Spannung eine Polarität gegenüber der ersten Spannung Va aufweist und einen Absolutwert aufweist, der kleiner als der der ersten Spannung Va ist, zwischen den beiden Punkten, die den dotierten Bereich einschließen.
Das Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei in dem Kristallbereichsformungsprozess das erste elektrische Feld so geformt wird, dass ein Elektronenstrahl durch eine Kathode erzeugt wird, wobei die Kathode mit einem Strom mit einem ersten Stromwert versorgt und mit einer vorbestimmten Beschleunigungsspannung beschleunigt wird, um die optische Faser aus der ersten Richtung zu bestrahlen, um einen ersten elektrischen Ladungsspeicher in dem zweiten Hüllbereich der optischen Faser zu bilden, und dann eine erste Elektrode auf einer Seite gegenüber dem ersten elektrischen Ladungsspeicher in Bezug auf den dotierten Bereich angeordnet wird, um so den Potentialgradienten in dem dotierten Bereich zu formen, und wobei das zweite elektrische Feld während des Abschnittsbildungsprozesses so geformt wird, dass ein elektrischer Strahl, der Elektronenstrahl durch eine Kathode erzeugt wird, die mit einem Strom mit einem zweiten Stromwert versorgt wird, der kleiner als der erste Stromwert ist, und mit der Beschleunigungsspannung beschleunigt wird, um die optische Faser aus der zweiten Richtung zu bestrahlen, um einen zweiten elektrischen Ladungsspeicher in dem zweiten Hüllbereich der optischen Faser zu bilden, und dann eine zweite Elektrode auf einer Seite gegenüber dem zweiten elektrischen Ladungsspeicher bezüglich des dotierten Bereichs angeordnet wird, um so den Potentialgradienten in dem dotierten Bereich zu formen.