JPH0815534A

JPH0815534A - 結晶性ファイバおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0815534A
Application number: JP6144386A
Authority: JP
Inventors: Itaru Yokohama; 至横浜; Atsushi Yokoo; 篤横尾; Shigeo Ishibashi; 茂雄石橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1994-06-27
Publication date: 1996-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】微小コア径で、コア部とクラッド部の界面に
急峻な屈折率勾配を持つ結晶性ファイバを実現する。【構成】ニオブ酸リチウムファイバ１１の側面に酸化
マグネシウム１２を蒸着して母材１０を形成する。母材
１０を移動しつつ炭酸ガスレーザ光１３により母材１０
を加熱して、クラッド部となる部分を溶融して溶融部２
１とする。溶融部２１では酸化マグネシウム１２がニオ
ブ酸リチウムファイバ１１に拡散し、溶融部２１が冷却
・固化した部分は、屈折率の低いクラッド部となり、溶
融されずニオブ酸リチウムファイバ１１のみの部分がコ
ア部となり、結晶性ファイバが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光計測の分野
で必要とされるレーザ光源や光波長変換素子に利用され
る光学結晶において、より高効率な素子を実現できる結
晶性ファイバおよびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高効率な光波長変換素子やレーザ素子を
実現するためには、長い相互作用長、低伝搬損失、
小コア径の３つが必要となる。結晶性ファイバは上記
において他の素子形態にない利点を持っている。しか
し、およびの条件を満たすためにはファイバ内にコ
ア・クラッド構造を形成し、かつ小さなコア径とコア・
クラッド間の小さな屈折率差が必要となる。

【０００３】コア・クラッド構造を有する従来の結晶性
ファイバの一例を図１２〜図１４に示す。図１２が従来
の結晶性ファイバの斜視図、図１３が断面図を表してい
る。４０はマグネシウム（Ｍｇ）添加ニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ₃）結晶性ファイバであり、直径１００μ
ｍの純粋なニオブ酸リチウム結晶性ファイバの側面に、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を蒸着し、融点以下の温度
１０５０度で１０時間マグネシウムをニオブ酸リチウム
結晶固体中への熱内部拡散をおこない、作製したもので
ある。

【０００４】マグネシウム添加ニオブ酸リチウムは、マ
グネシウム濃度が高いほど、屈折率が低くなる性質があ
る。従来の方法では、この性質を使用して、ファイバ側
面からのマグネシウムの結晶固体中への熱内部拡散によ
り、ファイバ中央部と周囲部とにマグネシウム濃度差を
形成し、それにより屈折率差を形成して、コア・クラッ
ド構造を形成するものである。

【０００５】図１４のマグネシウム濃度分布と屈折率分
布に示されるように、分布型の屈折率分布が形成され、
最大の屈折率差が約０．５％、直径約３０μｍの部分が
コアとして機能するコア・クラッド構造が形成されてい
る。しかしながら、この内部拡散法では、拡散速度が遅
いため、マグネシウム濃度分布の勾配を急峻にすること
ができず、直径１０μｍ以下の微小コアを実現すること
はできなかった。

【０００６】また、結晶性ファイバの外側に比較的屈折
率の低いガラス材料等異種材料を付着させ、クラッドと
する方法も提案されているが、材料が異なるため、コア
・クラッド間の屈折率差を小さくすることが一般に難し
い上、コアとなる結晶性ファイバを非常に小さな外径で
成長させる必要があり、作製自体が難しいという問題点
があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、長い
相互作用長、低伝搬損失、小コア径の３つの条件を
満たすための、小さなコア径と小さなコア・クラッド間
屈折率差を結晶性ファイバ内に実現できず、高効率な光
波長変換素子やレーザ素子を実現することができなかっ
た。

【０００８】そこで、本発明の目的は、小さなコア径と
小さなコア・クラッド間屈折率差を有する結晶性ファイ
バおよびその作製方法を提供し、高効率な光波長変換素
子やレーザ素子を実現することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の構成は、コア部と、該コア部の周囲に配され該コア
部に比し屈折率の低いクラッド部とを有する結晶性ファ
イバにおいて、該コア部はほぼ均一組成で構成され、該
クラッド部は前記コア部と基本組成が同じで添加物濃度
が異なり、かつ前記コア部との境界領域を除いてほぼ均
一な組成で構成されていることを特徴とする。

【００１０】また本発明の構成は、前記添加物は屈折率
を低下する添加物であることを特徴とする。

【００１１】また本発明の構成は、コア部を構成する組
成の結晶からなるファイバ状結晶の側面に、クラッド部
に添加する添加物を含有する物質を付着し、母材となす
第１の工程と、該母材の側面をレーザ又はランプ等の放
射光源により、母材の長手方向の少なくとも１部分を加
熱する事により母材断面内のコア部予定域以外の領域を
一時的に溶融せしめ、その後該溶融部分を冷却し再結晶
化する第２の工程を含み、該第２の工程を母材の長手方
向の所定の長さにわたり一回又は複数回行うことを特徴
とする。

【００１２】また本発明の構成は、前記第２の工程にお
いて、該溶融部分を順次母材長手方向に移動せしめるこ
とにより、該溶融部分を冷却し再結晶化することを特徴
とする。

【００１３】また本発明の構成は、前記第２の工程後
に、母材全体を融点以下の所定温度で加熱し、所定時間
維持し、その後所定の時間をかけて徐々に冷却する第３
の工程を行うことを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明による結晶性ファイバは、コア部とクラ
ッド部は、構成する結晶の基本組成が同一で、添加物濃
度が異なっているだけである。そのため小さな屈折率差
を実現できるので、低伝搬損失化が可能となる。また、
コア部とクラッド部が、それぞれほぼ均一な屈折率分布
を有するため、コア部とクラッド部境界付近で急峻な屈
折率勾配となるため、微小コア径が可能となるものであ
る。以上から、レーザ光源や光波長変換素子に利用され
る高効率な結晶光素子が可能となる。

【００１５】また、本発明の結晶性ファイバの作製方法
によれば、溶融状態の液相での添加物の大きな拡散速度
（固相における添加物の拡散速度は液相にくらべ非常に
小さい）を利用して、添加物の結晶への拡散範囲を溶融
領域にのみかなりの精度で限定できるため、非溶融領域
と溶融領域との間に冷却固化後、かなり急峻な添加物濃
度差を形成できる。そのため精度よく本発明の結晶性フ
ァイバを実現できる。

【００１６】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。

【００１７】＜第１実施例＞本発明の第１実施例とし
て、マグネシウム添加ニオブ酸リチウムファイバの作製
を以下に示す。図１，図２は母材１０を示しており図１
が側面図、図２が断面図である。１１はファイバの長手
方向がニオブ酸リチウムの結晶軸（Ｃ軸）と垂直になっ
ている長軸径１００μｍのＡ軸ニオブ酸リチウムファイ
バであり、ファイバ側面に電子線蒸着により、厚さ１．
５μｍの酸化マグネシウム１２を蒸着している。これを
母材１０として使用する。

【００１８】図３及び図４に示すように、母材１０の側
面の長手方向の一部の領域に、ほぼ全周囲方向から集光
した炭酸ガスレーザ光１３（図中の矢印の長さは光強度
の大きさを示す）をあて、側面を加熱する。その際、炭
酸ガスレーザ光１３の加熱量を片側を他方より強くし、
図３の側面図および図４の断面図でいえば、母材１０の
右側の部分のみを溶融し、溶融部２１を形成する。溶融
部２１では蒸着された酸化マグネシウム１２が溶融され
たニオブ酸リチウムファイバ１１にとけこみ拡散してい
る。その際、母材１０は一定速度で上方に移動してお
り、溶融部２１より移動した部分は冷却固化される。こ
の工程を母材１０の長手方向約２ｃｍにわたりおこなっ
た。つづいて、強い加熱方向を９０度かえ、同様の工程
をおこない、さらに９０度ずつ２回にわたり、強い加熱
方向をかえ、合計４回の加熱工程を行った。

【００１９】その結果、図５に示すように、４方向から
の部分溶融により、２１の部分が溶融され、中央の２２
の部分のみが溶融されなかったことになる。図中破線で
示したのは、各加熱工程における溶融部２１と非溶融部
２２の境界を示している。非溶融部２２の領域は長軸８
μｍ、短軸６μｍの楕円形状であった。

【００２０】図５のＡ５の線上での、作製されたファイ
バのマグネシウム濃度分布と屈折率分布は図６のように
なり、溶融部２１でのマグネシウム濃度は５モル％、非
溶融部２２のマグネシウム濃度はほぼ０モル％、屈折率
は非溶融部２２が溶融部２１に比して高く、その屈折率
差は０．５％であった。この結果は、非溶融部２２をコ
ア３２、溶融部２１をクラッド３１とする図７に示すよ
うなコア・クラッド構造を有し、かつ微小コア径であ
り、コア・クラッド間の屈折率差の小さな結晶性ファイ
バ３０が実現できたことを示している。

【００２１】部分的に溶融を行った結晶内では、ひずみ
を生じ、光伝搬特性が劣化する場合もあるため、必要に
応じ、ひずみの軽減を行ったほうが良い場合もある。本
実施例でも、アニーリングによるひずみの軽減をおこな
った。作製した結晶性ファイバ３０を電気炉中で融点以
下の１０００度まで加熱し、２時間ほど１０００度を維
持した後、８時間かけて徐冷した。

【００２２】アニーリングした後の結晶性ファイバ３０
の断面とマグネシウム濃度分布、屈折率分布を図８，図
９に示す。マグネシウム濃度分布と屈折率分布は、非溶
融部と溶融部境界の勾配がマグネシウムの固体内の内部
拡散により僅かにゆるやかになるもののほとんど変化が
なく、コア３２の領域がアニーリング前に比して長軸方
向、短軸方向ともに約０．２μｍ減少しているが、ほと
んど変化していない。

【００２３】本実施例で作製したマグネシウム添加ニオ
ブ酸リチウム結晶ファイバを、従来法であるマグネシウ
ムの熱拡散法により作製したマグネシウム添加ニオブ酸
リチウム結晶ファイバと比較すると、本実施例により作
製したマグネシウム添加ニオブ酸リチウム結晶ファイバ
のコア径が長軸径７．８μｍ、短軸径５．８μｍである
のに対し、従来法のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム
結晶ファイバのコア径は、長軸径３０μｍ、短軸径２５
μｍで、面積で約１／１６となっている。また、波長
１．０６μｍの光を波長０．５３μｍの光に変換する第
二高調波光発生において、本実施例のマグネシウム添加
ニオブ酸リチウム結晶ファイバの規格化変換効率は３２
４％／Ｗ／ｃｍ²が得られ、従来法によるマグネシウム
添加ニオブ酸リチウム結晶ファイバの規格化変換効率１
６％／Ｗ／ｃｍ²に比して約２０倍の高い波長変換効率
を実現している。一般に、波長変換効率は、コア面積に
逆比例するものであり、本発明による結晶性ファイバの
有効性を示している。

【００２４】＜第２実施例＞また、第１実施例と同一の
作製方法で、レーザ結晶であるネオジム添加ニオブ酸リ
チウム結晶ファイバの側面に酸化マグネシウムを蒸着さ
せたものを母材として使用し、結晶ファイバを作製した
ところ、同様にコア長軸径、短軸径ともに１０μｍ以下
のコア・クラッド構造を有する結晶ファイバが作製で
き、従来法による結晶ファイバに比べ、レーザ素子とし
て使用した時のレーザ発振しきい値を１／１０以下にす
ることができ、本発明による結晶性ファイバならびに作
製方法が、レーザ素子の高効率化にも有効であることを
示した。

【００２５】＜第３実施例＞さらに、本発明の第３実施
例を示す。上述の第１実施例と母材１０は同一である
が、加熱方法が異なっており、図１０，図１１に示すよ
うに、母材１０の側面への炭酸ガスレーザ光１３ａの加
熱が全周方向で等方的におこない、母材中心部３２ａの
みをのこして溶融されている。母材は上方へ一定速度で
移動しており、母材中心部３２ａに溶融が進む前に長手
方向の加熱領域より脱するように加熱量、移動速度を調
整している。なお図１０で２１ａは溶融部、図１１で３
１ａはクラッド、３２ａはコア（母材中心部）である。

【００２６】作製された結晶性ファイバ３０ａは、前述
の第一の実施例で作製された結晶性ファイバ３０とほぼ
同一のマグネシウム濃度分布、屈折率分布を有してお
り、同様にアニーリング処理を行った後の、波長変換特
性もほぼ同等であった。本実施例は、第１実施例にくら
べて、加熱工程が一回ですむので、工程の削減に有効で
ある。しかし、加熱条件の許容度が、第一の実施例にく
らべて厳しくなるので、それぞれの母材ごとの加熱条件
の十分な把握が必要である。

【００２７】ここまでの実施例では、溶融する際に、加
熱光の位置をかえずに、母材位置を移動させて長手方向
の所定の範囲を溶融したが、逆に、母材位置を固定して
おき、加熱光の位置をかえても同様の効果が得られるこ
とはもちろんである。また、加熱光の形状を工夫し、所
定の範囲を一括して加熱することも可能である。

【００２８】また、実施例で示したものは、結晶の基本
組成がニオブ酸リチウムであったが、本発明はニオブ酸
リチウムに限るものではなく、例えば、イットリウム・
アルミニウム・ガーネットを基本組成とする結晶へのホ
ウ素またはスカンジウムの添加、サファイアを基本組成
とする結晶へのホウ素の添加等、結晶に対し屈折率を下
げる効果を有する添加物と結晶の組合せであれば、適用
できるものであることはもちろんである。

【００２９】

【発明の効果】本発明の結晶性ファイバは、コア部とク
ラッド部を構成する結晶の基本組成は同じで、添加物濃
度のみが異なるだけであるから、コア部とクラッド部の
間に小さな屈折率差を実現できる。コア部はほぼ均一な
組成を持ち、クラッド部もコア部との界面領域を除きほ
ぼ均一な組成を有するため、コア部とクラッド部の界面
においてかなり急峻な屈折率勾配を持つ。そのため微小
コア径を持つ結晶性ファイバが得られる。

【００３０】また本発明の結晶性ファイバの製造方法に
よれば、添加物を付着した母材においてクラッド形成予
定域のみを溶融し、コア部形成領域は固相のまま残すこ
とにより、固相に比べて拡散速度の非常に大きい液相状
態を利用して添加物を一様に分布したクラッド部を形成
するため、コア部とクラッド部の界面にかなり急峻な添
加物の濃度差を実現できる。そのためコア部とクラッド
部の界面に急峻な屈折率勾配を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いる母材を示す側面図。

【図２】本発明で用いる母材を示す断面図。

【図３】本発明の製造方法により加熱される母材を示す
側面図。

【図４】図３のIV−IV断面図。

【図５】加熱処理部の母材を示す正面図。

【図６】本発明のファイバのマグネシウム濃度分布と比
屈折率差を示す特性図。

【図７】本発明の結晶性ファイバを示す斜視図。

【図８】アニーリング処理した本発明の結晶性ファイバ
を示す断面図。

【図９】アニーリング処理した結晶性ファイバのマグネ
シウム濃度分布と比屈折率差を示す特性図。

【図１０】本発明の製造方法により加熱される母材を示
す側面図。

【図１１】本発明の製造方法により加熱される母材を示
す断面図。

【図１２】従来の結晶性ファイバを示す斜視図。

【図１３】従来の結晶性ファイバを示す断面図。

【図１４】従来の結晶性ファイバのマグネシウム濃度分
布と比屈折率差を示す特性図。

【符号の説明】

１０母材１１ニオブ酸リチウムファイバ１２酸化マグネシウム１３，１３ａ炭酸ガスレーザ光２１，２１ａ溶融部２２非溶融部３０，３０ａ結晶性ファイバ３１，３１ａクラッド３２，３２ａコア４０マグネシウム添加ニオブ酸リチウム結晶性ファイ
バ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コア部と、該コア部の周囲に配され該コ
ア部に比し屈折率の低いクラッド部とを有する結晶性フ
ァイバにおいて、該コア部はほぼ均一組成で構成され、
該クラッド部は前記コア部と基本組成が同じで添加物濃
度が異なり、かつ前記コア部との境界領域を除いてほぼ
均一な組成で構成されていることを特徴とする結晶性フ
ァイバ。
【請求項２】前記添加物は屈折率を低下する添加物で
あることを特徴とする請求項１記載の結晶性ファイバ。
【請求項３】コア部を構成する組成の結晶からなるフ
ァイバ状結晶の側面に、クラッド部に添加する添加物を
含有する物質を付着し、母材となす第１の工程と、該母
材の側面をレーザ又はランプ等の放射光源により、母材
の長手方向の少なくとも１部分を加熱する事により母材
断面内のコア部予定域以外の領域を一時的に溶融せし
め、その後該溶融部分を冷却し再結晶化する第２の工程
を含み、該第２の工程を母材の長手方向の所定の長さに
わたり一回又は複数回行うことを特徴とする結晶性ファ
イバの製造方法。
【請求項４】前記第２の工程において、該溶融部分を
順次母材長手方向に移動せしめることにより、該溶融部
分を冷却し再結晶化することを特徴とする請求項３記載
の結晶性ファイバの製造方法。
【請求項５】前記第２の工程後に、母材全体を融点以
下の所定温度で加熱し、所定時間維持し、その後所定の
時間をかけて徐々に冷却する第３の工程を行うことを特
徴とする請求項３又は請求項４記載の結晶性ファイバの
製造方法。