JPH02282205A

JPH02282205A - 光吸収性ファイバ

Info

Publication number: JPH02282205A
Application number: JP1103793A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Sudo; 昭一須藤; Hiroshi Yasaka; 洋八坂; Yoshihisa Sakai; 義久界; Tetsuhiko Ikegami; 池上　徹彦
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1989-04-24
Publication date: 1990-11-19
Anticipated expiration: 2013-08-06
Also published as: JP2784495B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の産業上分野）本発明は光吸収性ファイバ、さらに詳細には鋭い光吸収
スペクトル特性を有する光ファイバに関するものである
。

この種の光吸収性ファイバはレーザ光源の発振波長安定
化のために用いられている。即ち、たとえば半導体レー
ザの波長を安定化するためには、目的とする発振波長に
等しい吸収スペクトルを有する光吸収性ファイバを用意
し、これに半導体レーザの発振光を入射させる。さらに
、光吸収性ファイバを通過した光を光検出器で検知し、
検知信号が極小となるように半導体レーザの駆動電流を
制御する。このように、光吸収性ファイバを用いたフィ
ードバックループを構成することにより、発振波長の安
定化か図れる。従って、波長安定性は吸収スペクトルの
鋭さによって決定されることになる。

（従来技術）０．３〜３．０μｍの波長領域において吸収特性を有す
る光ファイバとしては、従来、Ｎｄ３＋イオン、Ｅｒ’
＋イオンなどの希土類元素をコア部またはクラッド部に
添加した光ファイバがある（文献：　（１）Ｒ，Ｊ、　
Ｍｅａｒｓ、他：　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ、　２１巻７３０頁、１９８５　、　（２）Ｔ、
Ｐ、　Ａｌｏｃｋ他：同雑誌２２巻、８４頁から８５頁
、１９８６）。

（発明が解決する問題点）しかしながら、こうした従来の光ファイバては吸収線の
幅が広いという問題点があった。たとえば第４図は、文
献（１）に示されているＥｒ”４オン添加光フアイバの
光吸収特性であるが、Ｅｒ３＋イオンによる１、４μｍ
付近の吸収線幅は半値幅て３０ｍｍ程度と非常に広い。

第４図に見られる他の吸収線の幅も同程度である。Ｎｄ
３＋イオンを添加したファイバの吸収特性の測定結果は
、さらに広い吸収線を示している。従って、希土類元素
あるいは遷移金属元素を添加したカラスを基本としな光
ファイバでは線幅の狭い吸収特性を得るのか大変器しい
という問題点かあった。

この広い線幅の問題点は、ガラス中に元素を添加するこ
とによって生しる電子状態の乱れに起因するのてあり、
従って、吸収性の元素または分子を電子状態の安定な気
体状態で、ガラスセル中に封入することによって回避で
きるものである。しかしながら、ガラスセル中に該気体
を封入した場合、光ファイバに比べて、セル寸法が大き
くなることや、半導体レーザなどの光源の光結合が不安
定になりやすいなど、素子構成上の不都合が生じる問題
点があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、従来技
術における問題点を解決し、０．３〜３．０μｍの波長
領域において、狭い線幅の光吸収特性を有し、かつ半導
体レーザなどとの光結合性、安定性に優れた光吸収性フ
ァイバを提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）上記問題点を解決するため、本発明による光吸収性ファ
イバは、コア部とクラッド部よりなる光ファイバにおい
て、該コア部の中心と該コア部に隣接したクラッド部の
両方またはいずれか一方に設けた中空部に、０．３μｍ
〜３，０μｍの光波長範囲に強い光吸収特性を有する気
体と不活性カスとの混合ガスを含む気体を封入したこと
を特徴としている。即ち、アンモニア（ＮＨ３）、アセ
チレン（Ｃ２Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）−二酸化炭素（
ＣＯ２）などの光吸収性ガスの一種以上と、ヘリウム（
Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）などの不活
性ガスとのうち一種以上を混合したガスを用いる。

本発明は、コア、クラッド構造を有する光ファイバのコ
ア部内あるいはコアに隣接したクラッド部に中空部（あ
るいは穴）を設け、該中空部内に上記混合ガスを含む気
体を封入し、コア部を伝搬する光と該混合ガス中の光吸
収性カスを接触させて、狭い線幅の光吸収特性を実現す
ることを主要な特徴とするものである。

従って、コア部あるいはクラッド部に希土類元素や遷移
金属元素を添加して、光吸収特性を得る従来技術の光フ
ァイバや、光吸収性の気体をガラスセル中に封入して光
吸収特性を得る従来技術と、本発明の技術とは基本構成
を異にするものである。

本発明によって初めて開示される光吸収性ファイバは、
従来の気体封入セルと比較して、長さを利用し、小形で
高吸収性のものが実現できる。

（実施例）第１図は本発明の光吸収性ファイバの実施例である。第
１図（ａ）で、１１は光吸収性気体を封入した中空部、
】２はコア部、１３はクラッド部である。

第１図（ａ）はファイバコア部１２内に中空部１１を設
け、光吸収性気体（メタン、アンモニア、二酸化炭素。

アセチレンなと）の一種以上と不活性ガス（ヘリウム、
ネオン、アルゴンなど）の一種以上を封入した例である
。第１図（ａ）中の記号Ａはコア部１２の直径、記号り
は中空部１１の直径、記号Ｂはクラッド部１３の直径で
ある。

コア部１２内を伝搬する光波は、中空部ｌｌ内にもしみ
出し、該中空部１１内の気体と伝搬光とが直接相互作用
することが可能となる。この相互作用の強さは、伝搬光
の光強度分布に依存するが、（１）式で定義される■値
（伝搬光のモート状態を決める値）か２．４より小さい
場合、伝搬光モードは単一モードと呼ばれる状態となり
、光が中空部に最もしみ出し易い状態となる。

Ｖ−ｋｎ　　ａ、ｒ７Ｌ−（１）ここてｋは伝搬光の波数、ａはコア半径、Δは（ｎｘ−
ｎ２）／ｎ２、ｎｌはコアの屈折率、ｎ２はクラッドの
屈折率である。

（文献：大越著″光ファイバ″″、オーム社、７０頁参
照。）本発明の光吸収性ファイバの作製に当たってはまず、ク
ラッド部直径Ｂを８０〜２００μｍ、コア部直径Ａを１
０μｍ、中空部直径りを２．０μｍ、また、コアとクラ
ッドの比屈折率差Δを０．２６％としたファイバを作製
し、次に光吸収性カスと不活性カスとを適切な割合Ｒ（
典型的には、光吸収性ガスを０．１％〜９０％、不活性
ガスを９９９％〜１０％）で混合したガスを加圧しなが
ら封入した。

直径Ｂ、Ａ、Ｄ、比屈折率差Δ、光吸収性ガスと不活性
ガスの混合割合Ｒの数値については、それぞれ次のよう
な理由で典型的な数値が選ばれている。即ち、クラッド
直径Ｂは、主としてファイバ取扱上容易さから８０〜２
００μｍが適当である。８０μｍ未満であると、ファイ
バか細すぎて取り扱いが難しく、２００μｍを越えると
曲げにくい欠点を生じるからである。また、コア部直径
Ａの数値範囲は直径りあるいはΔとも関係するが、主と
して（１）式に示した単一モード伝搬条件を活かすよう
に選択される。すなわちＡは３〜１５μｍか適当である
。たとえばΔ−０．２６％の場合、Ａは１０μｍ程度に
なる。

また、中空部直径りはカス封入のしやすさと中空部への
光にしみだしやすさの視点より選択される。すなわち直
径りが小さいほど光は中空部にしみだしやすいが、直径
りが小さすきるとガス封入が困難になる。したがってＤ
は１〜１０μｍであるのか好ましい。典型的には２μｍ
、コア内の伝搬光が中空部にしみ出し易い寸法として選
ばれている。

また比屈折率差△も伝搬光のしみ出し易さの理由で、そ
して、混合比Ｒは後述のデータより明らかなように、好
ましくは光吸収性ガスを０．１％〜９０％、不活性カス
を９９．９％〜１．０％の割合で混合する。これは主と
して、光吸収強度と吸収線幅の観点から設定されたもの
である。

ガス封入後のファイバ端面は、特に密閉しなくてもカス
の流出は少ないが、流出を防止するにはファイバ端面を
高温加熱して溶融し、中空部を潰す方法、あるいは接着
剤などを中空部に充填すればよい。

第２図は上記実施例の光吸収性ファイバの光吸収特性を
、１．５１５μｍ〜１．５３５μｍの波長域で３００ｍ
のサンプル長で測定した結果である。縦軸は光吸収を相
対値で表したものであり、例えばピーク値３ｄＢの光吸
収とは、そのピーク波長の光が、他の波長の光より２倍
の吸収を受けることを示している。第２図の光吸収性フ
ァイバはＣ２Ｈ２−１０％　Ｈｅ−９０％の混合ガスを
中空部に封入し／ごものであるが、上記波長域に数多く
の光吸収線が見られた。吸収線強度即ち光吸収のピーク
値は吸収線位置によって異なるが最も強いもので約５ｄ
Ｂ、光吸収率にして７０％程度であった。さらに、詳細
な測定をした結果、吸収線の半値幅は約１人（周波数に
して１０ＧＨｚ）と狭いものであった。

さらに狭い光吸収線幅を実現するには、混合ガス中の光
吸収性カスの割合を低下ずれはよい。たとえば、Ｈｅと
Ｃ２Ｈ２の混合ではＨｅ−９０％、Ｃ２Ｈ２−１０％の
場合、吸収線の半値幅は約１０Ｇ　Ｈｚであったか、１
（ｅ−９９％、Ｃ２Ｈ２−１％の場合には約２ＧＨｚと
なった。但し、混合ガス中の光吸収性ガスの割合を低下
すると光吸収強度が低下することとなるので、同じ吸収
強度を得るには光ファイバ長を長くする必要がある。第
３図は、中空部に封入した混合ガス中のＣ２Ｈ２の混合
割合と１．５３０μｍにおける吸収線幅（図中、・で示
す）および吸収強度（図中、ムて示ず）の関係をまとめ
たものである。ファイバ長は３００ｍである。

上記実施例は主として光吸収性ガスとして、Ｃ２Ｈ２、
不活性ガスとしてＨｅを使用した場合について記述した
が、他の光吸収性ガス、すなわちＮＨ３、ＣＯ２、ＣＨ
４あるいは０．３〜３．０μｍに強い光吸収特性を有す
るガスなどのガスを光吸収性ガスとして使用し、他の不
活性ガス、即ちＡｒ、Ｈｅ、Ｘｅなとの１原子分子気体
や比較的分子量の小さい分子よりなる気体を不活性ガス
として使用して、作製した混合ガス（もちろん二種以上
の光吸収性ガス、不活性ガスの混合ガスも可能であるが
）を該中空部１１に封入した場合にも吸収線の位置や強
度、線幅は異なるが、上記実施例と同様に鋭い光吸収特
性が実現できる。

−例を示すと、ＮＨ３−１０％、Ｃ２Ｈ２−１０％、Ｈ
ｅ−８０％の混合ガスを作製し、第１図（ａ）の該中空
部１１に封入して光吸収特性を測定した結果、Ｃ２Ｈ２
による光吸収線が、１．５２μｍ帯と１．５３μｍ帯に
第２図と同様に数多くの鋭い吸収線が観測されたほが、
ＮＨ３による鋭い吸収線が１．４８７μｍ、１．４９５
μｍ、１．４９７μｍ、１．４９８μｍ、１．５０２μ
ｍ、１．５０７μｍ、１５１２μｍ、１．５１４μｍ、
などの波長に観測された。特に１．５１４μｍ（正確に
は１．５１３８５μｍ）の吸収線強度が最も強かった。

吸収線幅はＣ２Ｉ−Ｉ　２による吸収線は１０ＧＨｚ程
度、ＮＨ３による吸収線は１５ＧＨｚ程度であった。

さらに、混合カス中への成分としてＣＯ２を使用した場
合１３μｍ帯の波長域に鋭い吸収線が観測されたほか、
ＣＨ４を成分として使用した場合には１６μｍ帯に鋭い
吸収線が観測された。

また、特許請求の範囲に［混合ガスを含む気体を封入し
たことを特徴とする」と記載しているように、上記実施
例に記載した光吸収性ガスと不活性ガスの混合ガスを他
の気体中にさらに混合した気体、あるいは小量の気体が
該光吸収性ガスと不活性ガスの混合ガスに混入した気体
を中空部に封入した場合にも本発明の範囲１刊こあるこ
とを明記する。即ち、本発明の要点は、狭い光吸収線幅
を実現するに際して、気体を減圧して線幅を狭くするの
ではなく、光吸収性ガスを、他の気体で希釈して、等価
的に狭い吸収線幅（鋭い吸収線）を実現し、この混合ガ
スを光フアイバ中に設けた中空部に封入し、伝搬光と相
互作用させることによって、鋭い光吸収特性を有する光
吸収性ファイバを可能にしているところにある。光フア
イバ中の中空部は直径が小さいため、減圧処理が難しく
、本発明の方法は極めて有効である。もちろん該混合ガ
スを封入後、若干減圧にすることも、本発明の範囲を超
えるものではない。事実、Ｉ−（ｅ−９０％、Ｃ２Ｈ２
−１０％の混合ガスを中空部１１に封入後、減圧処理し
て、圧力を１００Ｔｏｒｒにした場合、吸収線幅は１０
ＧＨｚから２ＧＨｚに狭くできな。

第１図（ｂ）は本発明による他の実施例の構成例であり
、図中、１４は光吸収性気体を封入した中空部、１５は
コア部、１６はクラッド部である。

第１図（ｂ）はコア部１５に隣接して中空部１４．１４
を設け、光吸収性気体の一種以上および不活性ガスの一
種以上を封入した例である。

第１図（′ｂ）の構造の光吸収性ファイバの詳細につい
て、言及しないが、第１図（ａ）のコア部１２の中心に
中空部１１を設けた場合同様、コア１５内を伝搬する光
が中空部１４．１４内にしみ出し、これと光吸収性ガス
が相互作用して鋭い光吸収特性が、上記実施例同様に実
現できる。

また、以上の記述では光吸収性ファイバの構造として第
１図（ａＸｂ）に示したようにコア中心部、あるいはコ
アに隣接して中空部を設けたが、コア部内にあるいはコ
ア部に隣接し、伝搬光と接触可能な部分に複数の小さな
中空部を設け、これらの中空部に混合ガスを封入するこ
とも容易に実現できるものである。

また、本発明によって実現した鋭い光吸収特性を有する
光吸収性ファイバを使用して半導体レーザの発振波長の
時間変動を安定化を図った結果、Ｃ２Ｈ２−１，０％、
Ｈｅ−９０％の混合ガス封入ファイバでは、４００ＭＨ
ｚから２０ＭＨｚに、Ｃ２Ｈ２−１％、Ｈｅ−９９％の
混合ガスファイバでは、４００ＭＨｚから３ＭＨｚにそ
れぞれ発振波長の時間変動を減少し、安定化できた。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の光吸収性ファイバでは、
１．３μｍ帯、１．５μｍ帯、あるいは１．６μｍ帯に
鋭い光吸収特性を実現できるため、半導体レーザの発振
波長安定化、などの利用できる利点がある。また、光フ
アイバ中において、コア内を伝搬する光波と該光フアイ
バ中に設けた中空部に封入した光吸収性気体とを相互作
用させる形式を採用しているため、小型化を実現しやす
いほか、取り扱いも容易で、かつ、吸収特性の安定性に
優れるという利点も有している。

また、光吸収性ガスを不活性ガスて希釈して狭い吸収線
幅を容易に実現できるため、作製が容易である利点があ
る。さらに、希釈によって生じる吸収率の低下の問題点
をファイバを長尺化することにより解決したものであり
、本発明の光吸収性ファイバにおいて初めて実現された
高特性である。

また、光ファイバの端面にレンズ加工を施すなどの手法
により、半導体レーザとの光結合効果率を容易に向上で
きる利点がある。

上記の効果により、さらに半導体レーザと一体化し、発
振周波数の極めて安定化した、小型で、取り扱いの簡便
な光源を実現できる利点が生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の実施例、第１図（ｂ）は本発明
による他の実施例の構成例、第２図は本発明の光吸収特
性、第３図は混合ガス中のＣ２Ｈ２の混合割合と１．５
３０ μｍにおける吸収線幅および吸収強度の関係、第４図は
従来技術の光吸収特性である。１１．１４・・・光吸収性ガスと不活性ガスの混合ガス
を含む気体を封入した中空部、１．２．１５・・・コア部、１３．１６・・・クラッド
部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）コア部とクラッド部よりなる光ファイバにおいて
、該コア部の中心と該コア部に隣接したクラッド部の両
方、またはいずれか一方に設けた中空部に、０．３μｍ
〜３．０μｍの光波長範囲に強い光吸収特性を有する気
体と不活性ガスとの混合ガスを含む気体を封入したこと
を特徴とする光吸収性ファイバ。
（２）０．３μｍ〜３．０μｍの光波長範囲に強い光吸
収特性を有する気体はアンモニア（ＮＨ＿３）、アセチ
レン（Ｃ＿２Ｈ＿２）、メタン（ＣＨ＿４）、二酸化炭
素（ＣＯ＿２）の一種以上であることを特徴とする特許
請求の範囲第１項に記載の光吸収性ファイバ。