JP2005189524A - 光減衰性光導波材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価でかつ簡便にあらゆる光減衰率を有する光減衰性光導波部品に使用でき、反射減衰量の高い、すなわち反射戻り光パワーが小さい光減衰性光導波材料、その製造方法及びそれを用いた光減衰性光導波部品を提供することを目的とする。
【解決手段】 フェムト秒レーザー光を、開口数０．５〜１．４のレンズを通して光導波材料の光導波部分に照射することにより、構造変化部を形成し、光導波部分にフェムト秒レーザー光によって誘起されてなる構造変化部を有し、１．３〜１．６μｍの波長を有する赤外光の反射減衰量が４５〜７０ｄＢである光減衰性光導波材料を得る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光通信等の分野において、光信号の強度を所定の割合で減衰させる光固定減衰器等の光導波部品に使用される光減衰性光導波材料、光減衰性光導波材料の製造方法および光減衰性光導波部品に関する。

光信号のパワーに所定の減衰率を与え、光パワーのレベルを適正範囲に調整する目的で使用される光固定減衰器は、光通信システムにおいて、重要なデバイスである。

従来、光導波材料として光ファイバを利用した光固定減衰器において、光ファイバ内部にドーパントとしてＣｏ等の遷移金属イオンを添加することにより光信号のパワーを減衰させる方法が知られている。この光固定減衰器は、光ファイバの光導波部分（コア）にＣｏ等の遷移金属イオンを添加した光減衰性光ファイバを利用しており、光通信波長に対する遷移金属イオンの光吸収特性を利用することにより所定の光減衰率を得るものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、近年、パルス幅が約１０００フェムト秒（１０００×１０^-15秒）程度以下の超短パルスレーザー光を集光した場合に得られる大きなピークパワーの光を利用して、ガラス、プラスチック等種々の透明材料内部における任意の個所に、屈折率増加、ボイドあるいはマイクロクラック等の光学的損傷等を誘起した構造変化部が形成されることが報告されている。このような超短パルスレーザー光を利用した空間選択的な構造変化部の形成は、三次元光メモリ（例えば、特許文献２参照。）や光導波路（例えば、特許文献３参照。）等を作製するために応用されている。また、このような超短パルスレーザー光を利用した空間選択的な材料の改質手法を、光ファイバのコア領域に屈折率増加部および／または光学的損傷部を形成させた光減衰性光ファイバを作製するために適用したことが開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。
特許第３２７１８８６号公報 特開平８‐２２０６８８号公報 特開平９‐３１１２３７号公報 姫井裕助、外５名、「光ファイバーへのフェムト秒レーザー照射による誘起現象と新しい光減衰器の作製」、第５０回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、２００３年３月２７〜３０日、（Ｎｏ．３、Ｐ１２９４、２８ｐ−Ｋ−３）

しかしながら、特許文献１に記載の光固定減衰器に使用される光減衰性光ファイバを得るためには、Ｃｏ等の遷移金属イオンをドープした特殊なファイバ用プリフォームを作製する必要がある。また、その光減衰率は、コアに添加された遷移金属イオンの濃度に依存するため、所望の光減衰率および光固定減衰器の規格長に応じてそれぞれ専用のファイバ用プリフォームが必要となる。結果として、この種の光減衰性光ファイバを使用した光固定減衰器は一般に高価なものとなっている。

また、非特許文献１における光減衰性光ファイバは、フェムト秒レーザー光を光ファイバのコア部分に集光照射することによって形成された構造変化部において、信号光が散乱あるいは反射される現象を利用している。しかしながら、光通信システムにおいて上記の光減衰性光ファイバを使用する場合、信号光が構造変化部において反射されることによりレーザー光源あるいは各種光モジュール側に戻ってくる光（反射戻り光又は単に反射光と呼ばれる）が強いと、光源の動作不安定化あるいはモジュールの性能劣化をもたらすおそれがある。これを避けるためには、反射戻り光をカットする光アイソレータ、あるいは反射戻り光を別の出力端に導く光サーキュレータ等のデバイスが必要となる。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、安価でかつ簡便にあらゆる光減衰率を有する光減衰性光導波部品に使用でき、反射減衰量の高い、すなわち反射戻り光パワーが小さい光減衰性光導波材料、その製造方法及びそれを用いた光減衰性光導波部品を提供することを目的とする。

本発明の光減衰性光導波材料は、光導波部分にフェムト秒レーザー光によって誘起されてなる構造変化部を有し、１．３〜１．６μｍの波長を有する赤外光の反射減衰量が４５〜７０ｄＢであることを特徴とする。

本発明の光減衰性光導波材料の製造方法は、フェムト秒レーザー光を、開口数０．５〜１．４のレンズを通して光導波材料の光導波部分に照射することにより、構造変化部を形成することを特徴とする。

本発明の光減衰性光導波部品は、光導波部分にフェムト秒レーザー光によって誘起されてなる構造変化部を有し、１．３〜１．６μｍの波長を有する赤外光の反射減衰量が４５〜７０ｄＢである光減衰性光導波材料を用いることを特徴とする。

本発明の光減衰性光導波材料は、光導波部分にフェムト秒レーザー光によって誘起されてなる構造変化部を有するため、あらゆる光減衰率の光減衰性光導波部品に使用できる。すなわち、構造変化部は、屈折率増加部および／またはボイド等の光学的損傷部より形成され、導波光を散乱あるいは反射することによって光を減衰させるが、その光減衰率は、構造変化部の数、構造変化部に誘起される屈折率変化量、および構造変化部のサイズ等によって、容易に調節することができる。さらに、１．３〜１．６μｍの波長を有する赤外光の反射減衰量が４５〜７０ｄＢであるため、反射戻り光が実用上無視でき、これを光減衰性光導波部品に使用しても、光アイソレータあるいは光サーキュレータ等の光デバイスを必要としない。尚、反射減衰量は、光部品からの反射によって光信号のパワーが減少する割合をデシベル（ｄＢ）表示したものであり、入射光パワーと入射端における反射光パワーとの比で次式により定義される。

反射減衰量（ｄＢ）＝−１０ｌｏｇ₁₀（Ｐ_r／Ｐ_i）
Ｐ_r：反射光パワー（ｍＷ）、Ｐ_i：入射光パワー（ｍＷ）
この式から、反射光パワーが増大すれば、反射減衰量は減少する関係にあることがわかる。

また、本発明の光減衰性光導波材料の製造方法は、フェムト秒レーザー光を、開口数０．５〜１．４のレンズを通して光導波材料の光導波部分に照射することにより、構造変化部を形成するため、１．３〜１．６μｍの波長を有する赤外光の反射減衰量が４５〜７０ｄＢである光減衰性光導波材料を得ることができる。すなわち、開口数が０．５〜１．４（好ましくは０．５〜１．０）のレンズを用いると、フェムト秒レーザー光の焦点（照射点）でのビームサイズが小さくなり、形成された構造変化部のサイズが小さくなるため、赤外光の反射減衰量が大きくなる（反射戻り光が少なくなる）からである。さらに、形成された構造変化部のサイズが小さくなっても、フェムト秒レーザー光の焦点（照射点）でのピークパワー密度が大きく、構造変化部の屈折率増加が顕著であるため、導波光（赤外光）を散乱あるいは反射する効果が高くなり、導波光を減衰する能力は低下しない。開口数が０．５よりも小さいレンズを用いると、フェムト秒レーザー光の焦点（照射点）でのビームサイズが大きくなりやすいため、構造変化部のサイズが大きくなり、赤外光の反射減衰量が４５ｄＢよりも小さくなる。また、開口数が１．４よりも大きいレンズを用いると、フェムト秒レーザー光の焦点（照射点）でのピークパワー密度が大きくなりやすいため、構造変化部のダメージが大きくなる。また、レンズの焦点距離が短くなり、フェムト秒レーザー光の焦点が光導波部分の照射点に届かなくなるため好ましくない。

また、Ｃｏ等の遷移金属イオンを含む特殊な光ファイバ用プリフォームを作製する必要が一切なく、一般的な通信用光ファイバを用いて作製することができる。これにより、光減衰性光導波材料を安価に製造することができる。更に、フェムト秒レーザー光の焦点でのピークパワー密度、照射時間、照射点数等を変化させることによって、光減衰率を調整することができるため、光減衰率の異なる光減衰性光導波材料を簡便に作製することができる。

本発明の光減衰性光導波材料は、１．５５μｍの波長を有する赤外光の偏波依存性損失が０．４ｄＢ以下であると、光固定減衰器に使用した場合、入射光（導波光）の偏光状態による光減衰率の変動が低減され、光通信システムにおいて使用されている各種光デバイスの偏光特性の劣化が抑制されるため好ましい。赤外光の偏波依存性損失が、０．２ｄＢ以下であると、光減衰率の変動が無視でき、実用上は偏波状態に依存しない光減衰性光導波部品として使用可能となるためより好ましい。

ここで、偏波依存性損失とは、光デバイスに入射する光の偏光状態の変化に伴う光損失の変動量であり、入射光の偏光状態の変化に対する透過光パワーの最大値と最小値を用いて、次式により定義される。

偏波依存性損失（ｄＢ）
＝１０ｌｏｇ₁₀（Ｐ_max）−１０ｌｏｇ₁₀（Ｐ_min）
Ｐ_max：最大透過光パワー（ｍＷ），Ｐ_min：最小透過光パワー（ｍＷ）
また、本発明の光減衰性光導波材料は、構造変化部を複数個有し、構造変化部が重なり合わないように間隔をおいて形成されていれば、構造変化部が等間隔で形成されていても、又異なった間隔で形成されていても、光減衰率、反射減衰量、偏波依存性損失を精度良く制御することができるため好ましい。また隣接する構造変化部の間隔が２０μｍ以上であればさらに好ましい。尚、隣接する構造変化部の間隔は、構造変化部の中心間の距離を指す。

また、光減衰性光導波材料が光ファイバ形状を有してなると、フェルール内に固定されたコネクタ形状の光固定減衰器に好適である。

本発明の光減衰性光導波材料の製造方法は、光導波材料の光導波部分において、偶数（２ｎ）個又は奇数（２ｎ＋１）個の照射点にフェムト秒レーザー光を照射する光減衰性光導波材料の製造方法であって、フェムト秒レーザー光を、ｎ組の２個の照射点からなる照射点対におけるフェムト秒レーザー光の照射方向又は偏光方向が互いに略直交するように照射する。

すなわち、図１に示すように、フェムト秒レーザー光１０は、一般に直線偏光した光であるため、偏光方向１０ａを有している。そのフェムト秒レーザー光１０を集光レンズ１１を用いて収束し、光導波材料１２の光導波部分１２ａの２ｎ個（又は２ｎ＋１個）の照射点（ａ₁、ａ₂、ａ₃、ａ₄・・・ａ_2n-3、ａ_2n-2、ａ_2n-1、ａ_2n、（ａ_2n+1））に順次照射する。この際、フェムト秒レーザー光１０が光導波材料１２に照射される方向を照射方向１０ｂとする。また、２個の照射点を照射点対（Ａ₁、Ａ₂・・・Ａ_n-1、Ａ_n）とする。具体的には、照射点ａ₁とａ₂とを照射点対Ａ₁とし、照射点ａ₃とａ₄との照射点対Ａ₂とし、・・・照射点ａ_2n-3とａ_2n-2とを照射点対Ａ_n-1とし、照射点ａ_2n-1とａ_2nとを照射点対Ａ_nとする。

まず、照射点ａ₁に、フェムト秒レーザー光１０を照射する。照射点ａ₂においては、照射点ａ₁と照射点ａ₂との照射方向１０ｂが略直交するように、光導波部分１２ａを軸として、光導波材料１２を９０°回転させる、あるいはフェムト秒レーザー光１０の光源１３を光導波材料１２の円周１２ｂに沿って９０°回転させて照射する。もしくは、照射点ａ₂において、照射点ａ₁と照射点ａ₂との偏光方向１０ａが略直交するように、照射点ａ₁での照射方向を軸として光導波材料１２又は１／２波長板等の位相板１４を９０°回転させて照射する。この操作を残りの照射点対においても同様に行うことによって、２ｎ個又は２ｎ＋１個の構造変化部（ｂ₁、ｂ₂、ｂ₃、ｂ₄・・・ｂ_2n-3、ｂ_2n-2、ｂ_2n-1、ｂ_2n、（ｂ_2n+1））を有する光減衰性光導波材料１５が作製される。この方法によれば、光減衰性光導波材料の１．５５μｍの波長を有する赤外光の偏波依存性損失が０．４ｄＢ以下となりやすい。この効果は、特に照射点数が多いほど顕著であり、具体的には５個以上の照射点がある場合に特に有効である。尚、照射点対として、上記のように隣接する２個の照射点を選択するほかに、隣接しない２個の照射点を選択してもよい。

また、本発明の光減衰性光導波材料の製造方法は、光導波材料の光導波部分において、偶数（２ｎ）個又は奇数（２ｎ＋１）個の照射点にフェムト秒レーザー光を照射する光減衰性光導波材料の製造方法であって、フェムト秒レーザー光を、ｎ個の照射点におけるフェムト秒レーザー光の照射方向及び／又は偏光方向が同一になるように照射し、前記フェムト秒レーザー光の照射方向又は偏光方向に対し、残りの照射点のうち、ｎ個の照射点におけるフェムト秒レーザー光の照射方向又は偏光方向が略直交するように照射する。

すなわち、２ｎ個又は２ｎ＋１個の照射点のうち、ｎ個の照射点で、照射方向１０ｂ及び／又は偏光方向１０ａが同一になるようにフェムト秒レーザー光１０を照射し、次いで残りの照射点のうち、ｎ個の照射点において、前者のｎ個の照射点と後者のｎ個の照射点の照射方向１０ｂが略直交するように、光導波部分１１ａを軸として、光導波材料１２を９０°回転させる、あるいはフェムト秒レーザー光１０の光源１３を光導波材料１２の円周１２ｂに沿って９０°回転させて照射する。もしくは、ｎ個の照射点において、前者のｎ個の照射点と後者のｎ個の照射点の偏光方向１０ａが略直交するように、前者のｎ個の照射点での照射方向を軸として光導波材料１２又は１／２波長板等の位相板１４を９０°回転させて照射する。このような方法によれば、光源１３を光導波材料１２の円周１２ｂに沿って９０°回転させる操作や光導波材料１２又は１／２波長板等の位相板１４を９０°回転させる操作を最小限の回数（１回）にとどめることができるため、光減衰性光導波材料１５を効率よく作製できる。

フェムト秒レーザー光は、パルス幅が１０〜１０００フェムト秒であり、かつ波長が０．２５〜３μｍの超短パルスレーザー光であると、光導波材料の光導波部分に構造変化部を形成しやすいため好ましい。すなわち、パルス幅が、１０００フェムト秒を超えると、集光照射を行っても、焦点（照射点）でのピークパワー密度が小さくなり、構造変化部を形成することが困難である。またパルス幅が、１０フェムト秒よりも短い場合、焦点（照射点）でのピークパワー密度が高くなりすぎて、光導波材料へのダメージが大きくなるとともに、光減衰率、反射減衰量および偏波依存性損失の制御が困難になりやすい。

また、フェムト秒レーザー光の焦点（照射点）でのピークパワー密度は、１×１０⁸〜９×１０¹⁵Ｗ／ｃｍ²であることが好ましい。ピークパワー密度が１×１０⁸Ｗ／ｃｍ²よりも小さいと、構造変化部を形成することが難しくなる。またピークパワー密度が９×１０¹⁵Ｗ／ｃｍ²よりも大きいと、構造変化部のダメージが大きくなり好ましくない。ピークパワー密度の好ましい範囲は、１×１０¹⁴〜１×１０¹⁵Ｗ／ｃｍ²である。尚、フェムト秒レーザー光のピークパワーは、１パルス当たりの出力エネルギー（Ｊ）をパルス幅（秒）で割ったパワー（Ｗ）で表され、焦点でのピークパワー密度は焦点でのビーム単位面積（ｃｍ²）当たりのピークパワー（Ｗ／ｃｍ²）で表される。

フェムト秒レーザー光を、光導波材料の光導波部分に照射する照射時間は、光導波材料の材質あるいはフェムト秒レーザー光の照射条件に応じて異なるが、１０秒以下であると、光導波材料に対するダメージが少ないため好ましい。また、照射時間が０．００１秒以上であると容易に構造変化部を形成できる。

光導波材料は、波長２５０〜３０００ｎｍの光を透過するガラス、結晶、プラスチック、あるいはそれらの材料により構成される光ファイバや光導波路であると、光学顕微鏡を用いることにより、容易にそのフェムト秒レーザー光の照射点を確認でき、所望の位置に構造変化部を形成しやすいため好ましい。

本発明の光減衰性光導波部品は、波長２５０〜３０００ｎｍの光を透過するフェルールを用いてなると、光ファイバをフェルール内孔に挿入固定した後であっても、光学顕微鏡を用いれば、目視によってフェムト秒レーザー光の焦点をコア部分の照射点に合わせることが容易となり、フェルールを通してフェムト秒レーザー光を光ファイバのコア部分の照射点に集光照射して、所望の位置に構造変化部を形成することができる。また取扱い時に光ファイバが破損しにくく、フェムト秒レーザー光の照射時に光ファイバを固定しやすい利点がある。

本発明を、実施例に基づいて詳細に説明する。表１は、実施例１〜８を、表２は実施例９〜１３と比較例１〜３を示す。図２は、本発明の光減衰性光ファイバの製造方法を示す説明図である。

図２に示すように、光導波材料として市販のシリカガラス製シングルモード光ファイバ２０（外径１２５μｍ）を、コンピュータ２１を用いた位置の精密制御を可能としたＸＹＺステージ２２上に固定し、光ファイバ２０の光導波部分であるコア部分２０ａ（直径１０μｍ）に、波長８００ｎｍ、パルス幅１２０フェムト秒、パルス繰り返し周期１ｋＨｚのフェムト秒レーザー光２３を、表に示す開口数を有する対物レンズ２４を用いて、表に示す１照射点２０ａｂ当たりの照射時間で、２００μｍ間隔で照射し、照射点の数に相当する数の構造変化部３０ａを有する実施例１〜１３及び比較例１〜３の光減衰性光ファイバ３０を得た。特に、実施例１０〜１３では、フェムト秒レーザー光２３を、半数の照射点において、偏光方向２３ａと照射方向２３ｂを変えずに照射し、その半数の照射点と残りの半数の照射点での照射方向２３ｂが直交するように、光ファイバ２０のコア部分２０ａを軸として、光ファイバ２０を９０°回転させて、残りの半数の照射点において、フェムト秒レーザ光２３を照射した。

尚、フェムト秒レーザー光２３の平均パワーは、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルター２５によって調整し、照射時間はシャッター２６により調整した。

光減衰性光ファイバにおける波長１．５５μｍの赤外光の光減衰率は、ＸＹＺステージ２２上に固定した光減衰性光ファイバ３０の両端と接続したレーザー光源内蔵パワーメーター（アンリツ製ＭＴ９８１０Ａ）を用いて評価した。

また波長１．５５μｍの赤外光の反射減衰量は、ＸＹＺステージ２２上に固定した光減衰性光ファイバ３０の片端と接続した後方散乱光測定装置（アンリツ製ＭＷ９０７０Ｂ）を用いて評価した。

波長１．５５μｍの赤外光の偏波依存性損失は、偏波スクランブラ（アドバンテスト製Ｑ８１６３）およびパワーメーター（アドバンテスト製 本体：Ｑ８２２１，レーザー光源：Ｑ８１２１２ＤＦＢ，センサー：Ｑ８２２３３）を使用して評価した。

表１より明らかなように、実施例１〜１３は、フェムト秒レーザ光の照射時間、照射点数、集光レンズの開口数等を変えるだけで、光減衰率の異なる光減衰性光ファイバとなった。また集光レンズの開口数が０．５よりも大きいため、反射減衰率が４５ｄＢよりも大きかった。特に、実施例１０〜１３は、偏波依存性損失が小さかった。

一方、比較例１〜３は、集光レンズの開口数が小さいため、反射減衰量が４５ｄＢよりも小さかった。

以上説明したように、本発明の光減衰性光導波材料は、安価でかつ簡便にあらゆる光減衰率を有する光減衰性光導波部品に使用でき、反射減衰量の高い、すなわち反射戻り光パワーが小さいため、光固定減衰器、光導波デバイスに好適である。

本発明における光減衰性光導波材料の製造方法を示す概念図である。 本発明における実施例の光減衰性光ファイバの製造方法を示す説明図である。

符号の説明

１０、２３ フェムト秒レーザ光
１０ａ、２３ａ 偏光方向
１０ｂ、２３ｂ 照射方向
１１ 集光レンズ
１２ 光導波材料
１２ａ 光導波部分
１２ｂ 円周
１３ 光源
１４ 位相板
１５ 光減衰性光導波材料
２０ シリカガラス製シングルモード光ファイバ
２０ａ コア部分
２０ａｂ 照射点
２１ 制御用コンピュータ
２２ ＸＹＺステージ
２４ 対物レンズ
２５ ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルター
２６ シャッター
３０ 光減衰性光ファイバ
３０ａ 構造変化部

Claims (7)

1. 光導波部分にフェムト秒レーザー光によって誘起されてなる構造変化部を有し、１．３〜１．６μｍの波長を有する赤外光の反射減衰量が４５〜７０ｄＢである光減衰性光導波材料。
2. 光ファイバ形状を有する請求項１に記載の光減衰性光導波材料。
3. フェムト秒レーザー光を、開口数０．５〜１．４のレンズを通して光導波材料の光導波部分に照射することにより、構造変化部を形成する光減衰性光導波材料の製造方法。
4. フェムト秒レーザー光が、１０〜１０００フェムト秒のパルス幅と、２５０〜３０００ｎｍの波長とを有する請求項３に記載の光減衰性光導波材料の製造方法。
5. 光導波材料が光ファイバである請求項３又は４に記載の光減衰性光導波材料の製造方法。
6. 請求項１又は２に記載の光減衰性光導波材料を用いた光減衰性光導波部品。
7. 波長０．２５〜３μｍの光を透過するフェルールを用いた請求項６に記載の光減衰性光導波部品。

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