JPH04238303A - Production of monocrystalline optical fiber - Google Patents

Production of monocrystalline optical fiber

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JPH04238303A
JPH04238303A JP3005630A JP563091A JPH04238303A JP H04238303 A JPH04238303 A JP H04238303A JP 3005630 A JP3005630 A JP 3005630A JP 563091 A JP563091 A JP 563091A JP H04238303 A JPH04238303 A JP H04238303A
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JP
Japan
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optical fiber
base material
single crystal
crystal optical
crystal
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JP3005630A
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Japanese (ja)
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Yasuyuki Sugiyama
泰之 杉山
Itaru Yokohama
横浜 至
Shoichi Sudo
昭一 須藤
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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  • Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

PURPOSE:To manufacture a monocrystalline optical fiber having good waveguide structure by forming core structure together with clad structure during growing the monocrystalline optical fiber. CONSTITUTION:Lithium niobate crystals 12 having Mg oxide 16 attached or deposited on the surfaces of the crystals 12 are used as the basic material of the monocrystal, and these crystals are heated and molten, a seed crystal 14 comes into contact with the molten basic material 12, and it is pulled upward with its speed being controlled to manufacture the monocrystalline optical fiber 13.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光の波長変換素子
に用いられる非線形単結晶光ファイバおよび将来の高密
度光記憶技術として有望な体積多重ホログラムに用いら
れるフォトリフラクティブ単結晶光ファイバを製造する
方法に関するものである。
[Industrial Application Field] The present invention manufactures nonlinear single-crystal optical fibers used in laser light wavelength conversion elements and photorefractive single-crystal optical fibers used in volumetric multiplexed holograms, which are promising as future high-density optical storage technology. It is about the method.

【0002】0002

【従来の技術】図8に従来の単結晶光ファイバの製造方
法の一例を示す。図8において、母材102の上部は加
熱用レーザ光101の照射により加熱されて溶融部10
5を形成する。溶融部105に種結晶104を付着させ
、種結晶を速度V2 で移動させ、および母材102を
速度V1 で移動させると単結晶光ファイバ103が形
成される。ここで、単結晶光ファイバ103の方位は種
結晶の結晶方位と一致し、組成は母材の組成とほぼ同様
となる。また、単結晶光ファイバの外径はD2 =D1
 ×(V1 /V2 )1/2と表される。ここで、D
1 は母材の外径である。従って、種結晶の移動速度V
2および母材の移動速度V1 を調整することにより所
望の外径の単結晶光ファイバを作製できる。この方法に
より、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、サファイ
ア等の単結晶ファイバを作製できる。
2. Description of the Related Art FIG. 8 shows an example of a conventional method for manufacturing a single crystal optical fiber. In FIG. 8, the upper part of the base material 102 is heated by irradiation with the heating laser beam 101 to form a melted part 10.
form 5. A single crystal optical fiber 103 is formed by attaching a seed crystal 104 to the melted part 105, moving the seed crystal at a speed V2, and moving the base material 102 at a speed V1. Here, the orientation of the single crystal optical fiber 103 matches the crystal orientation of the seed crystal, and the composition is almost the same as that of the base material. Also, the outer diameter of the single crystal optical fiber is D2 = D1
It is expressed as ×(V1 /V2)1/2. Here, D
1 is the outer diameter of the base material. Therefore, the moving speed of the seed crystal V
2 and the moving speed V1 of the base material, a single crystal optical fiber with a desired outer diameter can be produced. By this method, single crystal fibers of lithium niobate, potassium niobate, sapphire, etc. can be produced.

【0003】0003

【発明が解決しようとする課題】一般にニオブ酸リチウ
ムやニオブ酸カリウムは非線形光学定数が大きな単結晶
として知られており、特に波長変換素子としての用途は
重要である。青色発光の半導体レーザの開発が足踏み状
態の中、最近、赤外半導体レーザとニオブ酸リチウムを
組み合せた二次高調波による青色レーザ光が俄然注目を
浴びている。しかしながら、上述した従来の単結晶ファ
イバの製造方法では、コア・クラッドの導波構造は形成
されない。非線形効果の効率向上に不可欠な導波構造を
作るためには、単結晶光ファイバ成長後、外側に屈折率
を低下させる元素を長時間熱拡散させ、クラッド層を形
成する必要があった。しかも長時間添加元素を熱拡散さ
せたファイバは非常に脆く、シングルモード化のために
ファイバ径を細くすると、取扱中に破損したり、散乱損
失が増大してしまうなど、実用上大きな問題点が指摘さ
れていた。
[Problems to be Solved by the Invention] Generally, lithium niobate and potassium niobate are known as single crystals with large nonlinear optical constants, and their use as wavelength conversion elements is particularly important. While the development of blue-emitting semiconductor lasers is at a standstill, recently, blue laser light generated by the second harmonic of an infrared semiconductor laser and lithium niobate has suddenly attracted attention. However, in the conventional single crystal fiber manufacturing method described above, a core-clad waveguide structure is not formed. In order to create the waveguide structure that is essential for improving the efficiency of nonlinear effects, it was necessary to form a cladding layer by thermally diffusing an element that lowers the refractive index to the outside after growing the single-crystal optical fiber for a long time. Furthermore, fibers in which additive elements have been thermally diffused for long periods of time are extremely brittle, and reducing the diameter of the fiber to create a single mode poses major practical problems, such as breakage during handling and increased scattering loss. It had been pointed out.

【0004】さらに、単結晶光ファイバの応用には、非
線形光学結晶を用いた波長変換・レーザ・光増幅等、フ
ォトリフラクティブ結晶を用いた位相共役・ホログラム
等があるが、いずれにおいても実用上、前者においては
Nd,Er等の添加元素、後者においてはCe,Fe,
Cu,V等の添加元素を付加することが必要になる。し
かしながら、上述した従来の単結晶光ファイバ製造方法
では、母材としてあらかじめ元素を添加して作製した結
晶母材を準備する必要があった。ところが所望の元素を
添加して比較的大きな結晶を作製することは容易ではな
い。そこで作製できる元素添加型単結晶光ファイバとし
ては、Nd添加YAG等、元素を添加しても大きな結晶
が得られやすいものに限られていた。母材として燒結体
を用い、安価に、かつ多種類の単結晶光ファイバを作製
することも考えられる。しかし、所望の添加元素を有す
る単結晶を得るために、あらかじめ精製した焼結体母材
から単結晶光ファイバを形成する場合においては、添加
元素が非常に微量であるため、添加元素を焼結体中に均
一に分散することが難しく、結晶構成元素と一緒に調合
して正確に添加元素濃度を制御した焼結体母材を用意す
ることは困難であった。
Furthermore, the applications of single crystal optical fibers include wavelength conversion, lasers, optical amplification, etc. using nonlinear optical crystals, phase conjugation, holograms, etc. using photorefractive crystals, but in all of these, there are practical problems. In the former, additive elements such as Nd and Er, in the latter, Ce, Fe,
It is necessary to add additional elements such as Cu and V. However, in the conventional single crystal optical fiber manufacturing method described above, it is necessary to prepare a crystal base material to which elements are added in advance as a base material. However, it is not easy to create relatively large crystals by adding desired elements. The element-doped single-crystal optical fibers that can be produced are limited to those such as Nd-doped YAG, which easily produce large crystals even when elements are added. It is also conceivable to use a sintered body as a base material to produce a wide variety of single crystal optical fibers at low cost. However, when forming a single-crystal optical fiber from a pre-purified sintered base material in order to obtain a single crystal with a desired additive element, it is necessary to sinter the additive element because the additive element is in a very small amount. It is difficult to disperse the additives uniformly throughout the body, and it is difficult to prepare a sintered body base material in which the added element concentration is precisely controlled by mixing together with the crystal constituent elements.

【0005】以上の点に鑑み、本発明の目的は単結晶光
ファイバの成長中にコア・クラッド構造まで形成し、良
好な導波構造を有する単結晶光ファイバを作製すること
ができる方法を提供することにある。
In view of the above points, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a single crystal optical fiber having a good waveguide structure by forming the core and cladding structures during the growth of the single crystal optical fiber. It's about doing.

【0006】さらに本発明の他の目的は所望の元素を添
加した結晶母材を用意する必要なしに、当該元素を添加
した単結晶光ファイバを製造することができる方法を提
供することにある。
Still another object of the present invention is to provide a method for producing a single crystal optical fiber doped with a desired element without the need to prepare a crystal base material doped with the desired element.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この様な目的を達成する
ため、本発明による単結晶光ファイバの製造方法は母材
を加熱溶融しながら、種結晶を用いて単結晶光ファイバ
を作製する単結晶光ファイバの製造方法において、表面
にマグネシウムの酸化物をあらかじめ付着もしくは堆積
させたニオブ酸リチウム結晶を前記母材として用いるこ
とを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the method for manufacturing a single crystal optical fiber according to the present invention is a method for manufacturing a single crystal optical fiber using a seed crystal while heating and melting a base material. The method for manufacturing a crystalline optical fiber is characterized in that a lithium niobate crystal on which a magnesium oxide is previously attached or deposited is used as the base material.

【0008】さらに本発明は母材を加熱溶融しながら、
種結晶を用いて単結晶光ファイバを作製する単結晶光フ
ァイバの製造方法において、表面にマグネシウムの酸化
物をあらかじめ付着もしくは堆積させたニオブ酸カリウ
ム結晶を前記母材として用いることを特徴とする。
Furthermore, in the present invention, while heating and melting the base material,
A method for manufacturing a single crystal optical fiber in which a single crystal optical fiber is manufactured using a seed crystal, characterized in that a potassium niobate crystal on which a magnesium oxide is previously attached or deposited is used as the base material.

【0009】さらに本発明は母材を加熱溶融しながら、
種結晶を用いて単結晶光ファイバを作製する単結晶光フ
ァイバの製造方法において、前記単結晶ファイバに添加
するべき元素を含む物質をあらかじめ表面に付着もしく
は堆積させた燒結体を前記母材として利用することを特
徴とする。
Furthermore, in the present invention, while heating and melting the base material,
In a method for manufacturing a single crystal optical fiber in which a single crystal optical fiber is manufactured using a seed crystal, a sintered body on which a substance containing an element to be added to the single crystal fiber is previously attached or deposited is used as the base material. It is characterized by

【0010】0010

【作用】本発明においては、結晶母材を加熱溶融しなが
ら種結晶を用いて線引きして単結晶光ファイバを作製す
るにあたって、作製したコア・クラッド構造を実現する
ため、単結晶の屈折率を低下させる元素を含む物質をあ
らかじめ表面に付着もしくは堆積させた母材を使用する
。ニオブ酸リチウムおよびニオブ酸カリウム結晶にマグ
ネシウム(Mg)を添加するとそれらの屈折率を低下さ
せることが知られている(J.Appl.Phys.,
vol.39,pp.3033−3038(1968)
)。本発明では、Mgの添加のためにMgの酸化物をあ
らかじめ結晶表面に付着もしくは堆積させたものを母材
とする。母材の溶融部においては、Mg元素の拡散速度
を考慮して種結晶の引き上げ速度を調整することにより
、Mg元素の単結晶光ファイバ中心への拡散濃度分布を
制御し、良好なコア・クラッド構造を実現することがで
きる。
[Operation] In the present invention, when producing a single crystal optical fiber by heating and melting the crystal base material and drawing it using a seed crystal, the refractive index of the single crystal is adjusted to realize the produced core-clad structure. A base material is used on which a substance containing the element to be degraded is previously attached or deposited. It is known that adding magnesium (Mg) to lithium niobate and potassium niobate crystals lowers their refractive index (J. Appl. Phys.,
vol. 39, pp. 3033-3038 (1968)
). In the present invention, the base material is a material in which Mg oxide is previously attached or deposited on the crystal surface in order to add Mg. In the molten part of the base material, by adjusting the pulling speed of the seed crystal in consideration of the diffusion rate of the Mg element, the diffusion concentration distribution of the Mg element to the center of the single crystal optical fiber is controlled, and a good core/cladding is achieved. structure can be realized.

【0011】本発明の他の方法では、母材表面にあらか
じめ添加したい所望の元素を含む物質を付着もしくは堆
積させておく。付着もしくは堆積層の膜厚は比較的容易
に制御できるので、単結晶光ファイバ作製工程を通じて
、所望の添加量を正確に単結晶光ファイバ内に添加する
ことができる。さらに、単結晶ファイバ作製中、添加し
たい微量元素の拡散速度を考慮して種結晶の引き上げ速
度を調節することにより、焼結体母材の溶融部において
、添加元素を均一分布もしくは半径方向に濃度勾配を有
する形で単結晶光ファイバ中に導入することができる。 また本方法によれば、母材として結晶を必要としないた
め、比較的安価に所望の添加元素を有する単結晶光ファ
イバを形成することができる。
In another method of the present invention, a substance containing a desired element to be added is attached or deposited on the surface of the base material in advance. Since the thickness of the deposited or deposited layer can be controlled relatively easily, a desired amount of dopant can be accurately doped into the single crystal optical fiber throughout the single crystal optical fiber fabrication process. Furthermore, by adjusting the pulling speed of the seed crystal in consideration of the diffusion rate of trace elements to be added during single-crystal fiber production, the added elements can be distributed uniformly or concentrated in the radial direction in the molten part of the sintered base material. It can be introduced into a single crystal optical fiber in the form of a gradient. Further, according to this method, since a crystal is not required as a base material, a single crystal optical fiber having a desired additive element can be formed at a relatively low cost.

【0012】0012

【実施例】<実施例1>以下、図面を参照して本発明の
実施例を詳細に説明する。本発明による単結晶ファイバ
の製造方法の一実施例を図1に模式的に示す。図1にお
いて、結晶母材12の表面に、Mgの酸化物を付着また
は堆積させた層16をあらかじめ形成しておく。ついで
、付着層16ごと母材12の上部を加熱用レーザ11に
より加熱・溶融する。この際、溶融部15では、母材1
2の成分と付着層16の成分とが液体状の状態で混合さ
れる。この溶融部15を種結晶14に付着させ、種結晶
14を速度V2 で移動させ、母材12を速度V1 で
移動させて線引きすることにより、単結晶光ファイバ1
3が作製される。この際、溶融部15では母材の成分と
付着層の成分とが液体状の状態で混合されるが、付着層
の成分は元素固有の拡散速度で拡散するため、種結晶1
4の引き上げ速度を拡散速度より早めてやれば、引き上
げられたファイバの外周部では付着元素濃度が高く、内
周部では低い状態が実現できる。Mgはニオブ酸リチウ
ムおよびニオブ酸カリウムの屈折率を低下させるため、
外側では屈折率が低く、内周部で屈折率が高い導波路構
造が実現できる。また、単結晶ファイバ13の外径D2
 は前述した式(1)で定まる。ここで、単結晶ファイ
バ13の結晶方位は、種結晶14の結晶方位と同一であ
る。 単結晶ファイバ13の組成は、母材12の組成にMg元
素が加えられた組成となり、Mgを添加した単結晶光フ
ァイバが製造される。
Embodiments Embodiment 1 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. An embodiment of the method for manufacturing a single crystal fiber according to the present invention is schematically shown in FIG. In FIG. 1, a layer 16 in which Mg oxide is attached or deposited is previously formed on the surface of a crystal base material 12. Next, the upper part of the base material 12 together with the adhesive layer 16 is heated and melted by the heating laser 11 . At this time, in the melting zone 15, the base material 1
The components No. 2 and the components of the adhesive layer 16 are mixed in a liquid state. This melted part 15 is attached to the seed crystal 14, the seed crystal 14 is moved at a speed V2, and the base material 12 is moved at a speed V1 to draw the single crystal optical fiber 1.
3 is produced. At this time, the components of the base material and the components of the adhesion layer are mixed in a liquid state in the melting zone 15, but since the components of the adhesion layer diffuse at the diffusion rate specific to the element, the seed crystal 1
If the pulling speed in step 4 is made faster than the diffusion speed, it is possible to achieve a state in which the concentration of attached elements is high at the outer circumference of the pulled fiber and low at the inner circumference. Since Mg lowers the refractive index of lithium niobate and potassium niobate,
A waveguide structure having a low refractive index on the outside and a high refractive index on the inner circumference can be realized. In addition, the outer diameter D2 of the single crystal fiber 13
is determined by the above-mentioned equation (1). Here, the crystal orientation of the single crystal fiber 13 is the same as the crystal orientation of the seed crystal 14. The composition of the single crystal fiber 13 is such that Mg element is added to the composition of the base material 12, and a single crystal optical fiber doped with Mg is manufactured.

【0013】本実施例では、外径200μmのニオブ酸
リチウム結晶母材の表面にMgの酸化物として、MgO
をあらかじめ電子ビーム蒸着により厚さ約1μm形成し
たものを母材として用いた。加熱用レーザとしてはCO
2 レーザを用いた。種結晶として軸方向をa軸方向と
するニオブ酸リチウム単結晶を用いた。種結晶の引き上
げ速度を2mm/min,母材の送り速度0.32mm
/minとして線引きした場合における、成長した単結
晶光ファイバのMg元素濃度と屈折率変化のファイバ径
方向の分布を図2に示す。Mg元素濃度は外周部で高く
内周に向かうほど低濃度になっていることが分かる。一
方、屈折率変化はMg元素濃度に比例して増大し(屈折
率の絶対値は低下)、いわゆるグレーテッド型の屈折率
分布を示す。この結果、ファイバ外形は約80μm,有
効コア径約30μmの光ファイバが得られた。ここで、
単結晶ファイバの結晶方位は種結晶方位と同一(a軸)
であった。また、このファイバに波長1.06μmのY
AGレーザを入射させたところ、波長0.53μmの第
二次高調波が発生することが確認された。
In this example, MgO was added as an oxide of Mg on the surface of a lithium niobate crystal matrix having an outer diameter of 200 μm.
A material that had been formed in advance to a thickness of approximately 1 μm by electron beam evaporation was used as a base material. CO as a heating laser
2 A laser was used. A lithium niobate single crystal whose axial direction was the a-axis direction was used as a seed crystal. The pulling speed of the seed crystal is 2 mm/min, and the feeding speed of the base material is 0.32 mm.
FIG. 2 shows the distribution of Mg element concentration and refractive index change in the fiber radial direction of the grown single crystal optical fiber when drawn at a speed of /min. It can be seen that the Mg element concentration is high at the outer circumference and becomes lower toward the inner circumference. On the other hand, the refractive index change increases in proportion to the Mg element concentration (the absolute value of the refractive index decreases), showing a so-called graded refractive index distribution. As a result, an optical fiber with a fiber outer diameter of approximately 80 μm and an effective core diameter of approximately 30 μm was obtained. here,
The crystal orientation of single crystal fiber is the same as the seed crystal orientation (a-axis)
Met. In addition, this fiber was equipped with Y having a wavelength of 1.06 μm.
When an AG laser was applied, it was confirmed that a second harmonic with a wavelength of 0.53 μm was generated.

【0014】<実施例2>結晶母材に、付着層としてM
gOを厚さ1μm電子ビーム蒸着した外径200μmの
ニオブ酸カリウムを用い、ニオブ酸カリウム単結晶ファ
イバを作製した。ニオブ酸カリウム種結晶を速度2.5
mm/minで引き上げ、母材を速度0.4mm/mi
nで移動させて線引きした場合の、Mg元素濃度分布お
よび屈折率変化を図3に示す。前述したニオブ酸リチウ
ムの場合と同様、Mg元素濃度に比例して屈折率変化が
増大し、導波構造が形成されていることがわかる。この
ニオブ酸カリウム単結晶光ファイバにおいてもYAGレ
ーザによる実験により、高効率な波長変換素子として使
用可能であることが確認された。
<Example 2> M was added as an adhesion layer to the crystal base material.
A potassium niobate single crystal fiber was manufactured using potassium niobate having an outer diameter of 200 μm and having a thickness of 1 μm of gO deposited by electron beam evaporation. Potassium niobate seed crystal at speed 2.5
Pull up the base material at a speed of 0.4 mm/min.
FIG. 3 shows the Mg element concentration distribution and refractive index change when the wire is drawn by moving by n. As in the case of lithium niobate described above, it can be seen that the refractive index change increases in proportion to the Mg element concentration, and a waveguide structure is formed. Experiments using a YAG laser confirmed that this potassium niobate single crystal optical fiber can also be used as a highly efficient wavelength conversion element.

【0015】<実施例3>さらに、太さ150μmのニ
オブ酸リチウム結晶の外側にMgOを2μm蒸着したも
のを母材として、種結晶を3mm/minの速度で引き
上げ、かつ母材を0.33mm/minの速度で移動さ
せながら線引きすることにより外径50μmの単結晶フ
ァイバを形成した。図4にファイバ径方向の屈折率変化
を示す。有効コア径が10μm以下となり、本発明によ
り、シングルモード単結晶ファイバが実現できることも
分かった。このシングルモード単結晶ファイバによる波
長変換効率は従来のものに比べて10倍以上の高効率で
あった。
<Example 3> Further, using a lithium niobate crystal with a thickness of 150 μm and MgO deposited on the outside to a thickness of 2 μm as a base material, the seed crystal was pulled up at a speed of 3 mm/min, and the base material was 0.33 mm thick. A single crystal fiber with an outer diameter of 50 μm was formed by drawing the fiber while moving at a speed of 50 μm. FIG. 4 shows the change in refractive index in the fiber radial direction. It was also found that the present invention can realize a single mode single crystal fiber with an effective core diameter of 10 μm or less. The wavelength conversion efficiency of this single mode single crystal fiber was more than 10 times higher than that of the conventional fiber.

【0016】ところで、従来の長時間熱拡散による導波
路構造形成方法においてはファイバが脆くなるため端面
または表面が損傷を受けやすく、光の入射カップリング
効率が悪くなるという欠点があったが、本方法によって
作製した単結晶ファイバは、基本的に長時間のアニール
を必要としないため、(1)機械的強度が高く、散乱損
失が小さい、(2)入射効率が高い、という長所を有す
る。加えて、本方法によって作製した後、約1000℃
で5時間以下のアニールを施すことにより、作製中に生
じた歪が開放され、導波光の損失の低減に効果を有する
場合があることを見いだした。すなわち、本発明による
単結晶ファイバ作製法は、本質的に導波特性に優れた単
結晶光ファイバを提供するが、短時間のアニールをする
ことにより、この特性はさらに向上する場合がある。
By the way, the conventional method of forming a waveguide structure using long-term thermal diffusion has the drawback that the fiber becomes brittle and the end face or surface is easily damaged, resulting in poor light coupling efficiency. Since the single crystal fiber produced by this method basically does not require long-term annealing, it has the following advantages: (1) high mechanical strength and low scattering loss; and (2) high incidence efficiency. In addition, after fabrication by this method, the temperature at about 1000°C
It has been found that by annealing for 5 hours or less, the strain generated during fabrication is released, which may be effective in reducing the loss of guided light. That is, the method for producing a single crystal fiber according to the present invention essentially provides a single crystal optical fiber with excellent waveguide properties, but these properties may be further improved by short-time annealing.

【0017】<実施例4>線引きに際し、種結晶14の
引き上げ速度V2を、付着層の添加元素の拡散速度より
、十分遅くすることにより、溶融部15では添加すべき
元素は母材元素と均一に混ざりあった液体状となる。 従って得られた単結晶光ファイバ13の組成は、母材1
2の組成に添加元素を含む付着層16の添加元素が加え
られた組成となる。すなわち元素を添加した単結晶光フ
ァイバが製造される。
<Embodiment 4> During wire drawing, the pulling speed V2 of the seed crystal 14 is made sufficiently slower than the diffusion speed of the added element in the adhesion layer, so that the added element in the fusion zone 15 is uniform with the base material element. becomes a liquid mixture. Therefore, the composition of the single crystal optical fiber 13 obtained is as follows:
The composition has a composition in which the additive elements of the adhesion layer 16 containing additive elements are added to the composition of No. 2. That is, a single crystal optical fiber doped with elements is manufactured.

【0018】本実施例では、母材12として、フォトリ
フラクティブ単結晶の一つであるニオブ酸ストロンチウ
ム・バリウム単結晶(Sr0.4 Ba0.6 Nb2
 O6 )の組成に相当する原料炭酸塩および酸化物B
aCO3 ,SrCO3 ,Nb2 O5 を秤量・焼
結した外径約1mmの焼結体母材を、添加元素としてC
e、添加元素を含む付着層16としてCeO、加熱用レ
ーザとしてCO2 レーザを用い、外径約400μmの
Ce添加ニオブ酸ストロンチウム・バリウム単結晶光フ
ァイバを作製した。なお、添加元素を含む付着層16は
、焼結体母材12の表面にCeOを電子ビーム蒸着する
ことにより形成し、その膜厚は水晶振動子膜厚モニター
により制御した。母材の中心軸に垂直な断面および中心
軸に沿った断面をそれぞれ図5(a),(b)に示す。 図5(a),(b)に示すように、付着層16は焼結相
母材12の表面にほぼ均一の厚さに形成され、その付着
層の厚さは約0.5μmであった。ところで、作製され
た単結晶ファイバの添加元素濃度分布は上述したように
種結晶14の引き上げ速度と添加元素の拡散速度に強く
依存する。ここでは、ニオブ酸ストロンチウム・バリウ
ム種結晶の引き上げ速度V2 を0.06mm/min
および0.6mm/min(母材の送り速度はそれぞれ
0.01mm/minおよび0.1mm/min)とし
て線引きした場合のCe濃度の単結晶光ファイバ径方向
分布を図6に示す。引き上げ速度が0.6mm/min
の場合は、ファイバの外周側で濃度が高く内周部では低
い濃度勾配が形成されているのに対し、0.06mm/
minの場合は、0.05%程度の濃度でほぼ均一な分
布を示していることがわかる。後者の引き上げ速度で作
製したCe均一添加型単結晶光ファイバは、波長514
.5nmのAr+ レーザにより、フォトリフラクティ
ブ動作を示し、体積多重ホログラフィ用の媒体として適
用可能であることが分かった。この他にも、V添加ニオ
ブ酸ストロンチウム・バリウム単結晶光ファイバ、Cr
添加ニオブ酸ストロンチウム・バリウム単結晶光ファイ
バも同様の方法で作製できた。
In this embodiment, the base material 12 is made of strontium barium niobate single crystal (Sr0.4 Ba0.6 Nb2, which is one of the photorefractive single crystals).
Raw material carbonate and oxide B corresponding to the composition of O6)
A sintered base material with an outer diameter of approximately 1 mm, which was prepared by weighing and sintering aCO3, SrCO3, and Nb2O5, was added with C as an additive element.
e. Using CeO as the adhesion layer 16 containing additive elements and a CO2 laser as the heating laser, a Ce-doped strontium barium niobate single crystal optical fiber with an outer diameter of about 400 μm was fabricated. Note that the adhesion layer 16 containing the additive element was formed by electron beam evaporation of CeO on the surface of the sintered body base material 12, and its film thickness was controlled by a crystal oscillator film thickness monitor. A cross section perpendicular to the central axis of the base material and a cross section along the central axis are shown in FIGS. 5(a) and 5(b), respectively. As shown in FIGS. 5(a) and 5(b), the adhesion layer 16 was formed on the surface of the sintered phase base material 12 to a substantially uniform thickness, and the thickness of the adhesion layer was approximately 0.5 μm. . By the way, as described above, the additive element concentration distribution of the manufactured single crystal fiber strongly depends on the pulling speed of the seed crystal 14 and the diffusion rate of the additive element. Here, the pulling speed V2 of the strontium/barium niobate seed crystal is set to 0.06 mm/min.
FIG. 6 shows the Ce concentration distribution in the radial direction of the single crystal optical fiber when drawn at a feeding speed of 0.6 mm/min and 0.6 mm/min (the feeding speed of the base material is 0.01 mm/min and 0.1 mm/min, respectively). Pulling speed is 0.6mm/min
In the case of 0.06 mm/
It can be seen that in the case of min, a substantially uniform distribution is shown at a concentration of about 0.05%. The Ce uniformly doped single crystal optical fiber manufactured at the latter pulling speed has a wavelength of 514
.. It was found that the 5 nm Ar+ laser exhibits photorefractive behavior and is applicable as a medium for volumetric multiplex holography. In addition, V-doped strontium barium niobate single crystal optical fiber, Cr
Doped strontium/barium niobate single crystal optical fibers were also fabricated using a similar method.

【0019】<実施例5>次に、母材12として、非線
形光学単結晶の一つであるニオブ酸リチウム単結晶(L
iNbO3 )の組成に相当する原料酸化物LiO,N
b2 O5 を秤量・焼結した外径約500μmの焼結
体母材を、添加元素としてMg、添加元素を含む付着層
16としてMgO、加熱用レーザ光11としてCO2 
レーザを用い、外径約100μmのMg添加ニオブ酸リ
チウム単結晶光ファイバを作製した。なお、添加元素を
含む付着層16は、焼結体母材12の表面にMgOを電
子ビーム蒸着することにより形成した。付着層16は焼
結体母材12の表面にほぼ均一の厚さに形成され、その
付着層の厚さは約1μmであった。作製された単結晶フ
ァイバの添加元素濃度分布は上述したように種結晶14
の引き上げ速度と添加元素の拡散速度に強く依存する。 ここでは、ニオブ酸リチウム種結晶の引き上げ速度V2
を0.7mm/min、母材の移動速度を0.028m
m/minとした場合のMg濃度の単結晶光ファイバ径
方向分布を図7に示す。ファイバの外周側で濃度が高く
内周部では低い濃度勾配が形成されていることがわかる
。図7のようなMg分布により、単結晶光ファイバの径
方向の屈折率分布は外周部で低く、内周部ほど高い形と
なり、いわゆるグレーデット型屈折率分布の導波構造を
形成することが分かる。この導波構造により、導波レー
ザ光を効率よく伝搬させることができるため、YAGレ
ーザ(波長1.06μm)を用いた第二次高調波発生実
験で、高高率な波長変換を確認した。
<Example 5> Next, as the base material 12, lithium niobate single crystal (L), which is one of the nonlinear optical single crystals, was used.
Raw material oxide LiO,N corresponding to the composition of iNbO3)
A sintered body base material with an outer diameter of approximately 500 μm obtained by weighing and sintering b2 O5 was prepared using Mg as an additive element, MgO as an adhesion layer 16 containing the additive element, and CO2 as a heating laser beam 11.
A Mg-doped lithium niobate single crystal optical fiber with an outer diameter of about 100 μm was fabricated using a laser. Note that the adhesion layer 16 containing the additive element was formed by electron beam evaporation of MgO on the surface of the sintered body base material 12. The adhesive layer 16 was formed on the surface of the sintered body base material 12 to have a substantially uniform thickness, and the thickness of the adhesive layer was approximately 1 μm. The doped element concentration distribution of the produced single crystal fiber is determined by the seed crystal 14 as described above.
depends strongly on the pulling rate and the diffusion rate of the added element. Here, the pulling rate V2 of the lithium niobate seed crystal is
is 0.7mm/min, and the moving speed of the base material is 0.028m.
FIG. 7 shows the distribution of Mg concentration in the radial direction of a single-crystal optical fiber in m/min. It can be seen that a concentration gradient is formed where the concentration is high on the outer circumference side of the fiber and low on the inner circumference side. Due to the Mg distribution as shown in Figure 7, the refractive index distribution in the radial direction of the single crystal optical fiber is lower at the outer circumference and higher at the inner circumference, making it possible to form a waveguide structure with a so-called graded refractive index distribution. I understand. This waveguide structure allows the guided laser light to propagate efficiently, so we confirmed a high rate of wavelength conversion in a second harmonic generation experiment using a YAG laser (wavelength: 1.06 μm).

【0020】また、この方法を用いて、外径約30μm
以下のニオブ酸リチウム単結晶光ファイバを作製するこ
とにより、シングルモード導波路を形成することができ
、波長変換効率の大幅な改善が期待できる。この他にも
、Zn添加ニオブ酸リチウム単結晶光ファイバ、Cu添
加ニオブ酸リチウム単結晶光ファイバ、Ni添加ニオブ
酸リチウム単結晶光ファイバも同様な方法で作製できた
[0020] Also, using this method, an outer diameter of about 30 μm
By producing the following lithium niobate single crystal optical fiber, a single mode waveguide can be formed, and a significant improvement in wavelength conversion efficiency can be expected. In addition, Zn-doped lithium niobate single-crystal optical fibers, Cu-doped lithium niobate single-crystal optical fibers, and Ni-doped lithium niobate single-crystal optical fibers were also produced using the same method.

【0021】単結晶光ファイバ引き上げのための種結晶
は目的とする単結晶光ファイバと同一組成の単結晶であ
ることが望ましいが、添加元素を含有する必要はない。 さらに、組成がやや異なっても、格子定数の差が単結晶
光ファイバと3%程度以内のものであれば使用できる。
The seed crystal for pulling a single-crystal optical fiber is preferably a single crystal having the same composition as the intended single-crystal optical fiber, but it is not necessary to contain additive elements. Further, even if the composition is slightly different, it can be used as long as the difference in lattice constant is within about 3% from that of a single crystal optical fiber.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるニオ
ブ酸リチウムおよび、ニオブ酸カリウム単結晶光ファイ
バの製造方法によれば、母材として、屈折率を低下させ
るMg元素を含む付着層を、付着もしくは堆積せしめ、
その付着層ごと母材を溶融し、添加元素の付与と単結晶
光ファイバの作製とを同一工程でおこなっているので、
以下に示す効果を有する。
As explained above, according to the method for manufacturing lithium niobate and potassium niobate single crystal optical fibers according to the present invention, an adhesion layer containing Mg element that lowers the refractive index is used as a base material. adhering or depositing,
The base material is melted together with the attached layer, and the addition of additive elements and the production of single-crystal optical fiber are performed in the same process.
It has the following effects.

【0023】(1)長時間の熱拡散を行わずに、良好な
る屈折率分布を持つ導波構造を実現できる。
(1) A waveguide structure with a good refractive index distribution can be realized without performing long-term thermal diffusion.

【0024】(2)長時間の熱拡散を行わないので、機
械的強度に優れ、導波損失も小さい単結晶光ファイバが
実現できる。
(2) Since long-term thermal diffusion is not performed, a single crystal optical fiber with excellent mechanical strength and low waveguide loss can be realized.

【0025】(3)結晶成長と、導波構造の形成を同一
プロセス中に行うので、製造時間・コストの低減が図れ
る。
(3) Since crystal growth and formation of the waveguide structure are performed in the same process, manufacturing time and costs can be reduced.

【0026】さらに、本発明の単結晶光ファイバの製造
方法によれば、母材として、焼結体を用い、その母材に
添加元素を含む付着層または堆積せしめ、その付着層ご
と母材を溶融し、添加元素の混合と単結晶光ファイバの
作製とを同一工程でおこなっているので、以下に示すよ
うな効果を有する。
Furthermore, according to the method of manufacturing a single crystal optical fiber of the present invention, a sintered body is used as a base material, an adhesion layer or deposit containing an additive element is formed on the base material, and the base material is removed together with the adhesion layer. Since melting, mixing of additive elements, and production of a single crystal optical fiber are performed in the same process, the following effects are achieved.

【0027】(4)作製の困難な添加元素を含む結晶母
材を使用することなしに、添加元素を含む単結晶光ファ
イバが形成できる。
(4) A single crystal optical fiber containing an additive element can be formed without using a crystal base material containing an additive element that is difficult to produce.

【0028】(5)焼結体母材の形成後、添加元素を含
む付着層を付着もしくは堆積するため、微量元素の添加
を正確に行える。また、種結晶の引き上げ速度を調節す
ることにより、所望の添加元素濃度分布を実現できる。
(5) After forming the sintered body base material, an adhesion layer containing the additive element is attached or deposited, so that trace elements can be added accurately. Further, by adjusting the pulling speed of the seed crystal, a desired additive element concentration distribution can be achieved.

【0029】(6)焼結体母材を用いるので高価な結晶
母材を使用することなしに、所望の添加型単結晶光ファ
イバを比較的安価に形成することができる。
(6) Since a sintered base material is used, a desired doped single crystal optical fiber can be formed at a relatively low cost without using an expensive crystal base material.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明による単結晶光ファイバの製造方法の一
実施例を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a method for manufacturing a single crystal optical fiber according to the present invention.

【図2】本実施例で作製したMg添加ニオブ酸リチウム
単結晶光ファイバにおけるMg濃度および、屈折率変化
の径方向分布を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the Mg concentration and the radial distribution of refractive index change in the Mg-doped lithium niobate single crystal optical fiber produced in this example.

【図3】本実施例で作製したMg添加ニオブ酸カリウム
単結晶光ファイバにおけるMg濃度および、屈折率変化
の径方向分布を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the Mg concentration and the radial distribution of refractive index change in the Mg-doped potassium niobate single crystal optical fiber produced in this example.

【図4】本実施例で作製したシングルモードMg添加ニ
オブ酸リチウム単結晶光ファイバにおける屈折率変化の
径方向分布を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the radial distribution of refractive index change in the single-mode Mg-doped lithium niobate single-crystal optical fiber manufactured in this example.

【図5】添加元素を含む付着層が付着または堆積された
母材の構成を示す横断面図および縦断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view and a vertical cross-sectional view showing the structure of a base material on which an adhesion layer containing an additive element is attached or deposited.

【図6】本実施例で作製したCe添加ニオブ酸ストリン
チウム・バリウム単結晶光ファイバにおけるCe濃度の
径方向分布を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing the radial distribution of Ce concentration in the Ce-doped strintium barium niobate single crystal optical fiber manufactured in this example.

【図7】本実施例で作製したMg添加ニオブ酸リチウム
単結晶光ファイバにおけるMg濃度および屈折率変化の
径方向分布を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing the radial distribution of Mg concentration and refractive index change in the Mg-doped lithium niobate single crystal optical fiber produced in this example.

【図8】従来の単結晶光ファイバの製造方法の一例を示
す模式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a conventional method for manufacturing a single crystal optical fiber.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,101  加熱用レーザ光 12,102  母材 13,103  単結晶光ファイバ 14,104  種結晶 15,105  溶融部 16  添加元素を含む付着層 11,101 Laser light for heating 12,102 Base material 13,103 Single crystal optical fiber 14,104 Seed crystal 15,105 Melting part 16 Adhesive layer containing additive elements

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  母材を加熱溶融しながら、種結晶を用
いて単結晶光ファイバを作製する単結晶光ファイバの製
造方法において、表面にマグネシウムの酸化物をあらか
じめ付着もしくは堆積させたニオブ酸リチウム結晶を前
記母材として用いることを特徴とする単結晶光ファイバ
の製造方法。
Claim 1: A method for manufacturing a single crystal optical fiber in which a single crystal optical fiber is manufactured by using a seed crystal while heating and melting a base material, in which lithium niobate on which magnesium oxide is preliminarily attached or deposited is used. A method for manufacturing a single crystal optical fiber, characterized in that a crystal is used as the base material.
【請求項2】  母材を加熱溶融しながら、種結晶を用
いて単結晶光ファイバを作製する単結晶光ファイバの製
造方法において、表面にマグネシウムの酸化物をあらか
じめ付着もしくは堆積させたニオブ酸カリウム結晶を前
記母材として用いることを特徴とする単結晶光ファイバ
の製造方法。
2. A method for manufacturing a single crystal optical fiber in which a single crystal optical fiber is manufactured using a seed crystal while heating and melting a base material, in which potassium niobate on which magnesium oxide is preliminarily attached or deposited. A method for manufacturing a single crystal optical fiber, characterized in that a crystal is used as the base material.
【請求項3】  母材を加熱溶融しながら、種結晶を用
いて単結晶光ファイバを作製する単結晶光ファイバの製
造方法において、前記単結晶ファイバに添加するべき元
素を含む物質をあらかじめ表面に付着もしくは堆積させ
た燒結体を前記母材として用いることを特徴とする単結
晶光ファイバの製造方法。
3. A method for producing a single-crystal optical fiber in which a single-crystal optical fiber is produced using a seed crystal while heating and melting a base material, in which a substance containing an element to be added to the single-crystal fiber is coated on the surface in advance. A method for manufacturing a single-crystal optical fiber, characterized in that an attached or deposited sintered body is used as the base material.
JP3005630A 1991-01-22 1991-01-22 Production of monocrystalline optical fiber Pending JPH04238303A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005239535A (en) * 2004-01-28 2005-09-08 Ngk Insulators Ltd Single crystal and its producing method

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2005239535A (en) * 2004-01-28 2005-09-08 Ngk Insulators Ltd Single crystal and its producing method

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