JPH03504772A - エレクトロオプティック・デバイスの製造方法 - Google Patents

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】 エレクトロオプティック・デバイス の製造方法 技術分野 本発明は、エレクトロオプティック・デバイスの製造方法に関し、特に、永久的 に誘起されたエレクトロオプティック的性質を有し、従ってまたエレクトロオプ ティック・デバイスの応用に利用されうる光ファイバの製造方法に関する。

光ファイバを基礎とするエレクトロオプティック・デバイス、例えば光スィッチ 、変調器、および電界センサ、が望ましいのは、それらが低損失であり、また現 存のファイバ伝送装置などに適合しうるからである。

背景 大形結晶に基づくエレクトロオプティック・デバイスは公知である。これらのデ バイスにおいては、内部を伝搬する光の位相速度が横方向電界の印加によって変 化せしめられ、その結果、デバイスから出る光信号の位相が変化せしめられる。

一定の電極の幾何学的配置の場合、この位相の変化は印加電圧の関数となる。線 形エレクトロオプティック効果の場合には、位相変化は印加電圧に比例する。２ 乗エレクトロオプティック効果の場合は、位相変化は電圧の２乗と共に変動する 。電極を付けたエレクトロオプティック複屈折性結晶は、偏光子間に用いられて 、光スィッチおよび光変調器として利用されてきた。線形効果（ポッケルスセル ）および２乗効果（カーセル）の双方が利用されてきた。

線形効果が存在するためには、反転対称性のない材料である必要があることは、 理論的根拠に基づいて十分明らかにされている。ガラス材料、グラスファイバ一 般、および特に溶融シリカ光ファイバは、常態においては反転対称性を有する。

これらの材料および構造においては、容易にわかるように、また知られている限 り、線形エレクトロオプティック効果は報告されていない。これまでに光ファイ バにおいて観察された最低次エレクトロオプティック効果は、２乗（またはカー ）エレクトロオプティック効果である。この効果は通常小さかったので、これま でファイバを基礎とするエレクトロオプティック・デバイスは一般に非効率的で 、実験室以外での用途は限られていた。

発明の開示 本発明は、永久的に誘起された線形エレクトロオプティック的性質を有する光フ ァイバを提供する手段として意図されている。

予想に反し、ここでは強い電界を持続的に印加することによってそのような性質 を与えうろことがわかる。

従って、ここでは、エレクトロオプティック・デバイスの製造方法が提供され、 この方法は次の工程上の諸段階を含む。すなわち、 コアとクラッドとを含む光ファイバを準備する段階と、該光ファイバのコアを横 切る方向に強い外部直流ポーリング電界を十分長い時間印加して該光ファイバに 対し永久的な線形エレクトロオプティック的性質を与える段階と、を含む。

上述の現象は、溶融シリカファイバにおいて実証しうろことが現在わかっており 、このファイバは、ゲルマニウムまたはリンまたは両者の組合せによってドープ されたコアを有する。しかし、別のドープ剤の場合が除外されるわけではない。

結合ガラスを含めて、多数の他のガラス成分も、さまざまな度合でこの性質を示 すと考えられる。

前述の線形エレクトロオプティック的性質は、光ファイバの非直線偏光における 誘起２次非線形性に相当する。

この誘起２次非線形性の符号（線形エレクトロオプティック係数の符号ともいえ る）は、印加されるポーリング界の極性による。さらに、ファイバコア内のドー プ剤が異なると、２次非線形性の符号が異なることがわかっている。

必要とされる長い時間は、ポーリング電界の強度と、周囲温度とによる。ポーリ ング界強度が大きくなると、同じ誘起２次非線形を発生させるのに要する時間は 短くなることがわかっている。昇温下においては、このポーリング過程の同様の 加速が観察される。さらに、一定の周囲温度の下で、時間の長さを固定すると、 ポーリング電界の強度の増大と共に生じる線形エレクトロオプティック係数が増 大することがわかる。このポーリング現象の開始のために必要な界強度の値は、 まだ決定されていない。しかし、実用上の目的のためには、約２０ｖ／μｍの下 限が要求される。これは、実用的な線形エレクトロオプティック係数の値のため の数時間程度のポーリング時間に対応する。ここで用いられる「強い」という用 語は、これに従って解釈されるべきである。

外部ポーリング電界は、ファイバコアの両側に配置された電極を用いて印加され る。これらの電極の少くとも一方が内部電極、すなわちクラッド内に組込まれた ものである光ファイバを用いると有利である。これにより、電極間隔が狭くなる ので、一定の印加電圧において大きい界強度が得られる。好ましくは、双方の電 極を内部電極とすると、それによって間隔を狭くしうるだけでなく、破壊効果を 生じにくくなる。同様の目的のために、光ファイバのそれぞれの端部に電気接点 を設けることも有利である。また、内部電極材料として、ポーリング周囲温度に おいて液体である金属または合金を用いることも有利である。これらの材料は、 良い電極を与え、高い電圧の印加を可能ならしめる。そのわけは、それらは滑ら かであり、良好な表面接触を可能ならしめるからである。

例えば、室温におけるポーリングでは、金属ガリウムを用いることができる。こ の金属は２９．６℃の融点を有するが、過冷却性をもつために室温において液体 でありうる。

ポーリングは、一様に行なわれうる。あるいは、それは構造を有するようにもで きる。後者は、パターン化された外部電極、例えば、１つは櫛状配置、あるいは 他は周期的配置の電極を使用することによって実現されうる。

図面の簡単な説明 第１図は、ここに開示される方法に用いるのに適する、内部電極を備えた、断面 を示された光ファイバの斜視図であり、 第２図は、前面に示された光ファイバの概略図で、この図は内部電極の好ましい 配置を示しており、第３図は、ここに開示される方法により「引伸ばされた」フ ァイバおよび「ポーリングされた」ファイバに対し印加された交流試験界の関数 として、測定され，た光の位相遅延を示すグラフであり、２乗および線形エレク トロオプティック効果のそれぞれを示しており、第４図は、固定された長さの時 間の間印加されるそれぞれのポーリング電界強度の関数として、測定された線形 エレクトロオプティック係数を示すグラフであり、第５図から第８図まではそれ ぞれ、ここに開示される方法において使用するのに適した相異なる外部電極配置 をそれぞれが有している、断面を示した光ファイバの斜視図である。

実施例の説明 本発明をさらに理解しゃすくるために、上記図面を参照しつつ本発明の実施例を 次に説明する。以下の説明は、単なる例について与えられるものである。

ここに開示される方法は、ファイバコアを横切る強い直流電界（ポーリング界） を長時間（ポーリング時間）の間印加することに基づく。強いポーリング界は、 ファイバのクラッド領域内に統合された導電性内部電極（第１図、第２図）によ って、または内部電極と外部電極との組合せ（第５図から第８図まで）を用いる ことによって、印加するのが最も良い。電極を備えたファイバの構成の詳細が開 示されている英国特許出願第２．１９２。

２８９号を参照されたい。このような手段により、６００ボルト毎ミクロンほど の強い直流電界をファイバコアに印加することができる。破壊効果のために、こ のような極めて強い界を外部電極のみを用いて得ることは極度に困難である。

次の例は、第１図および第２図に示された形式をもつファイバの製造を説明する ためのものである。これらの図において、光ファイバ１は、コア３とクラッド５ とから構成される。１対の電極７，９は、クラッド５内に組込まれており、コア ３のそれぞれの側に配置されている。

ゲルマノシリケートのコア（１０モル％のＧ　ｅ　Ｏ　２という組成）を含むフ ァイバの予備成形物は、標準的なＭＣＶＤ技術によって作られる。予備成形物お よびコアの直径は、それぞれ約１１．５＋ｍおよび０．３８ａｏである。屈折率 の差は通常０．７７％である。コアの両側に、超音波ダイヤモンド穿孔機によっ て、直径３■の２つの穴が穿孔される。これらの穴の間隔は約１．７ｍである。

ファイバは、この予備成形物から直径１４０μｍになるまで引伸ばされ、これは 約０．５９μｍの高次モード遮断波長を与える。電極穴の誘電体間隔は約２０μ ｍになる。ファイバは、約１ｍの長さが取られる。

金属または金属合金が穴の中に、ファイバの引伸し工程中に直接に、または引伸 し後液体金属を満たすことによって、導入される。後者の場合には、例えば液体 ガリウムが一端から一方の穴の中へ注入され、その時他方の穴は封鎖される。金 属の長さは約７５ｃｍである。同様にして、他方の穴は、他端から７５ｃｍの長 さまで、ガリウムによって満たされる。従って、２電極７．９の重なる長さは５ ０ａｏになる。直径２０μｍの銅線または金線１１、１３が、それぞれの端部か ら２つの穴内へ挿入されて電極７，９と接触せしめられる（第２図）。このよう にして、６ｋＶの直流電圧が絶縁破壊を起こすことなく電極７，９に印加できる ことになる。そのわけは、この技術においては、双方の穴を一方の端部から満た す場合に起こりうる、２つの狭い間隔の電極線がコアイノくの一端からでる問題 を回避できるからである。

上述のファイバは、次に、電極間に強い電界を長時間にわたり印加することによ ってポーリングされる。上述のファイバー　（第１図および第２図）を３００ｖ μｍの強度のポーリング界を用い、室温において２０分間にわたりポーリングす ることによって、線形エレクトロオプティック係数２　Ｘ　１０”　ｍ／Ｖが得 られる。同様の結果は、もっと弱いポーリング界（１００Ｖ／μｍ）を用い、昇 温下（３５０℃）において、もっと長時間（１時間）を用いても得られる。もっ と大きい線形エレクトロオプティック係数は、もっと強いポーリング界（絶縁破 壊界は約６００Ｖ／μｍである）をコア３にもっと長時間印加することによって 得られる。誘起された効果は永久的なものである。実験室条件下では、少なくと も１００日間有意の減衰は観察されなかった。

さらに行なわれた実験の結果は、第３図および第４図に示されている。これらの 実験においては、それぞれゲルマニウム／リンによってドープされたコア３（７ モル％のＧｅＯおよび０．５モル％のＰ２Ｏ５）を有する溶融シリカファイバが 用いられた。電極７，９は１５μｍの間隔を有し、それぞれのファイバは６５ａ ｎの長さを有した。これらのファイバは複屈折性のものであり、高温下における 引伸しにより、コア３の断面が円形から楕円形へ変形せしめられることによって 製造された。これらは、１．０６Ｘ１０”の線形複屈折性を示し、それぞれの場 合に、ファイバの主複屈折軸は電極７，９と整列せしめられた。この固有複屈折 性は、長い相互作用長が用いられた時、光の偏りを維持するのに役立つ。測定は 、ファイバ内へＸ偏光軸に対し４５°の角をなして送り込まれた、直線偏光した Ｈｅ−Ｎｅレーザビーム（λ＝６３３　ｎｍ）を用いて行なわれた。このビーム は、電極７．９間に印加される１０ｋＨｚの１４ｖ／μｍの強さに達する交流電 界を用いて変調された。

第３図は、交流界が印加された時の交流位相の遅延の変化を　ｒａｄ／ｍで示す 。「引伸ばされた」ファイバと、４００　Ｖ／μｍで１０分間ポーリングされた ファイバとが比較されている。「引伸ばされた」ファイバにおいては、グラフは 効果が２乗的であることを示す。グラフの点は２．２Ｘ１０　　　ｍ／Ｖ２の２ 乗エレクトロオプテイック係数のために計算された２乗法則曲線上に存在する。

「ポーリングされた」ファイバにおけるグラフは、効果が線形的であることを示 す。グラフの点は２．１×１０−１５ｍ／Ｖの線形エレクトロオプティック係数 に対応する直線上に存在する。６ｍの長さのこの「ポーリングされた」ファイバ から構成されたポッケルス変調器は、π／２の位相遅延を与えるのにわずか６０ Ｖの電圧しか必要としない。第３図かられかるように、「ポーリングされた」フ ァイバの場合、全ての実際的な印加交流界の値において、交流光位相遅延はかな り大きくなる。

線形エレクトロオプティック係数と、ポーリング界強度との関係は、第４図に示 されている。測定の前に、それぞれのファイバサンプルは、１０分間の固定時間 にわたってポーリングされた。係数の値は、ポーリング界強度と共に単調に増大 することがわかる。測定領域上で飽和は観察されなかった。

以上においては、ゲルマニウムまたはゲルマニウムおよびリンによりドープされ たコアを有するファイバについて述べた。線形効果は、リンのドープ剤のみを含 むコアを有するポーリングされたファイバにおいても見出される。

第５図から第８図までには、使用可能な他の電極配置が示されている。これらの 例のそれぞれにおいて、Ｄ字形ファイバ１５は、形作られた予備成形物を、コア ３と平行に延長する平表面１７が現われるまで研削して引伸ばしたものである。

表面の不整は、引伸し中に平滑化される。１つの内部電極と１つの外部電極とを 使用すると、印加可能な界の最大強度をほとんど低下させることなく、多様な使 用が可能になる。すなわち、外部電極は、連続的なもの１９（第５図）、または 周期的なもの２１、例えば櫛状のもの（第６図）でありうる。さらに、ポーリン グ界を直接に、または針状の外部電極２３（第８図）からの電子の放電によって 印加することもできる。外部電極２３はファイバ１５の長さに沿って移動可能で 、ポーリング界（この場合は局部的なもの）を繰返し印加するために位置を変更 される。

２次非線形性を有するさまざまなパターンが、電気的にファイバコアに書き込ま れつる。例えば、外部電極２１が空間的周期性を有する場合（第６図）は、ポー リング電界はファイバ１５の長さに沿って交互にゼロと最大値とをとり、その結 果外部格子電極構造２１と同様の空間的周期性を有する２次非線形性を生じる。

第７図に示されている相互に入り込んだ電極構造２１．２５を用いると、空間的 に交互に正負を繰返す直流電界を印加でき、その結果同様に交互に正負を繰返す 誘起２次非線形性を生じる。同じ効果は、第８図に示されている尖端電極２３に 対して必要なポーリング時間の間型圧を印加し、次に電極２３をファイバ１５に 沿って新しい位置へ移動せしめ、尖端電極２３に対し逆符号の電圧を印加するこ とによって実現しうる。この方法は、第７図の配置を用いるとき起こりうる外部 電極２１．２５間の破壊のおそれなく、より強い界の印加を可能にする。さまざ まな公知のファイバ構成、例えば高度の複屈折性ファイバ、スパンファイバ、稀 土類ドープファイバ、および双コアファイバを上述のように処理し、線形エレク トロオプティック効果を生ぜしめうる。それぞれの場合に、誘起されるエレクト ロオプティック効果は、ファイバの長さに沿って一様であるか、または変化する ことができる。

技術の応用 ここに説明された方法によって製造され、ポーリングされたファイバは、ファイ バレーザのＱスイッチングおよびモードロッキングに必要とされるような、光ス ィッチおよび光変調器の基礎をなす。また、それらは、同調可能なスペクトルフ ィルタ、光信号処理、ファイバ感知装置、および光の能動的制御を要する他領域 に応用することができる。さらに、線形エレクトロオプティック的性質を有する そのようなファイバは、印加界に対する線形応答が従来の２乗応答よりも便宜に 用いられる電界検出装置にも使用されうる。

浄書（内容に変更なし） 浄Ｗ（内容に変更なし） 印加ＩＩ界　Ｅ　ｌｋ贈蛎 （ａ）　２乗効果　　（ｂ）　　ｊｌ形効果線形エレクトロオプティック係数（ ｍ／Ｖ）ポーリング電界効果Ｅ　（ｋＩＩ／ａｎ）存置（内容に変更なし） 手続補正書坊式） ３年７月３１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 私／我々の請求の範囲は次の通りである。 １．エレクトロオプティック・デバイスの製造方法であって、この方法は次の工 程上の諸段階を含む。すなわち、 コアとクラッドとを含む光ファイバを準備する段階と、該光ファイバのコアを横 切る方向に強い外部直流ポーリング電界を十分長い時間印加して該光ファイバに 対し永久的な線形エレクトロオプティック的性質を与える段階と、を含む。 ２．請求項１において、前記光ファイバが直流ポーリング界が印加されている間 昇温下に保持される、エレクトロオプティック・デバイスの製造方法。 ３．請求項１または請求項２において、前記準備された光ファイバが少なくとも １つの内部電極を有する、エレクトロオプティック・デバイスの製造方法。 ４．請求項３において、前記準備された光ファイバが１つの内部電極と１つの外 部電極とを有し、該外部電極が該光ファイバの平表面上に配置されており、該平 表面が前記ファイバコアに対して平行である、エレクトロオプティック・デバイ スの製造方法。 ５．請求項４において、前記外部電極が櫛状パターンをなして配置されている、 エレクトロオプティック・デバイスの製造方法。 ６．請求項５において、前記平表面上にもう１つの外部電極が配設され、この電 極もまた櫛状パターンをなして配置され、双方の前記外部電極が相互に入り込ん でいる、エレクトロオプティック・デバイスの製造方法。 ７．請求項３において、前記準備された光ファイバが１つの内部電極と１つの外 部電極とを有し、該外部電極が該光ファイバの長さに沿った方向に移動可能にな っており、 前記直流ポーリング界が該外部電極の相異なる位置において繰返し印加される、 エレクトロオプティック・デバイスの製造方法。 ８．請求項３において、前記準備された光ファイバが１対の内部電極を有する、 エレクトロオプティック・デバイスの製造方法。 ９．請求項８において、前記両内部電極が前記光ファイバのそれぞれの端部から 内部へ延長し、該光ファイバの長さの一部のみにわたって重なっている、エレク トロオプティック・デバイスの製造方法。 １０．請求項３から９までのいずれかにおいて、それぞれの前記内部電極が金属 または金属合金から成り、前記直流ポーリング界が、該金属または金属合金が液 体である温度において印加される、エレクトロオプティック・デバイスの製造方 法。 １１．請求項１０において、前記それぞれの内部電極がゲルマニウムまたはゲル マニウム合金から成り、前記直流ポーリング界が室温において印加される、エレ クトロオプティック・デバイスの製造方法。 １２．請求項１から請求項１１までのいずれかにおいて、前記準備された光ファ イバが溶融シリカから成る、エレクトロオプティック・デバイスの製造方法。 １３．請求項１から請求項１２までのいずれかにおいて、前記光ファイバコアが ゲルマニウムまたはリンのドープ剤またはこれらのドープ剤の組合せを含む、エ レクトロオプティック・デバイスの製造方法。 １４．請求項１から請求項１３までのいずれかにおいて、前記準備された光ファ イバが複屈折性のものである、エレクトロオプティック・デバイスの製造方法。 １５．請求項１４において、前記直流ポーリング界が前記複屈折性ファイバの主 面内にある方向に印加される、エレクトロオプティック・デバイスの製造方法。 １６．図面を参照しつつ前述されたように実質的に行なわれるエレクトロオプテ ィック・デバイスの製造方法。