JPH05504844A - 光導波体および光導波体の製造方法 - 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】 光導波体および光導波体の製造方法 本発明は先導波体、特に１対の基本波長、２次高調波長モードのモード分散によ る位相整合のための内部格子を有する光導波体に関する。さらに、本発明はその ような光導波体の製造方法に関する。

導波体で構成された非直線光学装置はレーザが発明されてから急激に進歩した。

周波混合のために最もめられている位相整合技術は大型メディアで証明され、導 波体に関する改善は複数の異なった構造で開発されている。２次高調波生成にお ける位相整合は基本波長および生成された２次高調波フィールドが材料中を同屈 折率の方向で伝播したときの状態に関係がある。最近、関心が集中しているのは 位相整合の周期的な構造における応用である。導波体の放射モードの位相整合は 材料中で最大の２次的非直線テンソン係数の使用を可能にしているが、周波混合 装置における位相整合された導波体光に対する唯一の実際的な既知の技術は周期 的構造を用いる。

この点では、周期的構造は導波体に使用される最も好適な位相整合の技術を提供 する。かなりの高い強度で長距離を伝播する閉じ込められた光フィールドは光学 的に開発されている。

周期的構造の使用を基礎とする位相整合方法は２０年に渡って非直線光学装置で 知られている。２次的非直線感受性の符号が丁度コヒーレンスの長さ１　即ち、 自由波とバウンド波が逆位相になる点で反対になると、分散の効果は補償され、 材料は人工的に位相整合されることは理論上爪されている。

空間的に周期的な構造における屈折率を変調することによって、非効率ではある が、類似の結果が達成されることも良く知られている。周期的位相整合の原理は 次の方法で理解されよう。基本波長フィールドが非直線材料を通過して伝播され るとき、それは第２高調波偏光フイールドを生成し、この第２高調波偏光フイー ルドは基本波長フィールドと同じ速度で伝播し、バウンド波（基本波長フィール ドへバウンドする）と呼ばれている。第２高調波で放射したフィールドは自由波 と呼ばれ、第２高調波における屈折率よって決定される位相速度で伝播する。自 由波とバウンド波は干渉し、エネルギを周期的にｎπ／２（ｎは整数）の累積さ れた位相差後に交換する。π／２の位相差はコヒーレンス長から距離をおいて累 積される。バウンド波の位相が毎コヒーレンス長でπ／２に変化されると、自由 波は破壊的に干渉するよりむしろ増大する。ファイバの非直線係数の符号におけ る周期的な変化は周波数が２倍のバウンド波の位相を変化し、従って周期的或い は疑似的位相整合になる。

最近、興味深い現象がＢ１１１氏等によって発見された。（参照　Ｈｉｌｌ　Ｋ 、Ｏ，、カワサキ　Ｂ、Ｓ、　Ｊｏｎｓｏｎ　Ｄ、Ｃ，とＭａｃＤｏｎｘｌ　Ｒ ，１１，“ＣＷ　ｔｈｒｅｅ　ｖｘｖｔ　ｍ１ｘｉＢ　ｉｎ　ｓｉｎｇｌｔ　ｍ ｏｄｅｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｒｓｓ”Ｉ　Ａｐｐｌ　Ｐｈ７ｓ、４９（１０） 、５０９８−５１０６．　０ｃｔｏｂｕ　１９７８）　、即ち、光ファイバが高 密度でポンプするとき、中心対称であるにもかかわらず２倍の光周波数になるこ とが報告されている。この効果はＯｓｔｅｒｂｅｒｇとＭａｒｇｕｌｉｓ　’ｉ 、によって調査された。参照文献ａ　：　（Ｄｉｇ！ｓｔ　ｏｆ　ＸＩＶ　１ｎ ｊｅｒｎａｊｉｏｎａｌ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏｎｆ ｅｔｔｎｃｓ　（ＯＳＡ）、Ｐｘｐｔｒ　ＷＢＢ２．　ｐｐ１０２．　Ｗａｓｈ ｉｎｇｔｏｎＤＣ，１９８６；　）　、参照文献ｂ：　（“Ｄｙｅ　１ａｓｅｒ 　ｐｕｍｐｅｄ　ｂ７　Ｎｄ：ＹＡＧ　１ａｓｅｒ　ｐｕｌｓｅｓ　ｆｒｅｑｕ ｓｎｃ７　ｄｏｕｂｌＣｄ　ｉｎ　ｇｌａｓｓ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｒど　 （ｌｐｆｉｃｓ　Ｌｒｆｔ５．　１１．５１６−５１８．　１９８６　）　ｏそ れ等はファイバが周波数を２倍にする能力を備えているだけでなく、２倍周波数 の光が時間と共にポンプ力の２〜３パーセントのレベルになることを示している 。この観察は過程が位相整合されたときのみ起こる。ポンプ光と２倍の周波数の 光との間のモメンタムな不整合に等しい波ベクトルを有する周期的に書込まれた ２次的な感受性Ｘ（２）の格子によって達成されることが後に仮定された。

この光ファイバにおける自己シード（および等価な外部シード方法）は波長感知 性で、ゲルマニウムでドープしたシリカファイバでは、２倍の周波数の感度性は １０６４μｍより長い波長で急激に減少する。

本発明によると、基本波長モードと第２高調波モードとの屈折率の間の差の逆数 の波長による変化率が第１波長でゼロという形で与えられ、第１波長の波長領域 で位相整合を与える内部の周期的な格子が存在する光導波体が提供される。

周期的格子は第２、第３波長で位相整合を与えるピ・ソチを有しており、その一 方は第１波長より長く、他方は第１波長より短い。

周期的格子のとくに有益な選択は、位相整合が可能である場合、第１波長で位相 整合を与える格子であり、その結果、波長混合が超短パルス、例えばフェムト秒 パルスで可能で、この超短パルスは広周波スペクトルや他の広帯域ソースを具備 している。

本発明は周期的構造が位相整合に使用できる光導波体に適用可能である。本発明 は光フアイバ導波体、特に位相整合される格子の形成に対する増強した感度性を 与えるためにドープ処理した物質、例えばゲルマニアをドープしたシリカ光ファ イバは特別な応用が発見されることが期待されており、このゲルマニアは自己組 成できる感光性物質であり、内部および外部のシード構造のメカニズムを与える 。光ファイバは遠距離通信システムのファイバと両立性であり、パワーを長距離 にわたって容易に閉じ込める点で関心がもたれている。

明らかに、第１波長の所望の選択は導波体の光学的窓、例えばシリカをベースと する光ファイバの赤外線窓に入る波長である。

本発明のもう１つの観点によると、このような格子を製造する方法は、光信号を ポンプ波長およびシード波長の導波体に結合することによって周期的格子を形成 する手段を含んでおり、このポンプ波長およびシード波長は導波体がこのような 格子の形成における感知波長である。

しかし、前述したように光ファイバの第２高調波生成過程は一般的に基本波長を １ミクロン以下に限定している。高い変換能率（１０％程度）は、ＧｅＯ２ドー プされたシリカファイバでは１１０６４ｎと報告されている。しかし、１３１９ 目ｍのようなそれより長波長での周波数の２倍化処理は不所望な結果をもたらす ことが示されている。これはフォト励起過程に関連すると考えられる。

この制限は先導波体がフォト感知性でないもっと長い波長においてピッチが２倍 の周波数に対する位相整合を与えるように先導波体がフォト感知性である波長で 書込みによって内部の周期的格子を形成することによって解決できる。

本発明の様々な形態を図表を参照する方法で以下、記載する。

図１は波長の関数としての位相整合期間の分散を示すグラフである。

図２は本発明による先導波体を形成する装置の概略図である。

図３はモードの相互作用のための基本波長の関数としての位相整合期間の分散を 示すグラフである。

図４は３つの異なったコア半径の光ファイバのための位相整合された波長のグラ フである。

図５は図３の３つの光ファイバの処理波長の関数としての格子期間を示すグラフ である。

第２高調波を誘導する位相整合された周期的電界は実験的に証明され、モードの 相互作用のコヒーレンス長はファイバの中で小さなコアクラッドの屈折率差Δｎ で直接、測定された。Ｒ１にａｓｈ７ｘｐは論文（Ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｂｓｄ 　ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｅｌｅｃｔｏｒｉｃ−ｆｉｓｌｄ−ｉＤｄｕｃｅｄ　ｓｅ ｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｇｅｎ２ｒｘｌｉｏｎ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌｆ ｉｂｒｓｓ　’　Ｖｏｌ　６　Ｎｏ、３．　Ｍａｒｃｈ　１９８９．　Ｊ、Ｏｐ ｌ、Ｓｏｃ、Ａｍ　Ｂ　ｐｐ　３１３〜３２８．　表４）中で、特定の光ファイ バ、即ち、Ｌ　０１”→Ｌ　Ｐ　０１２−とＬＰＩＩ″−’ＬＰ２＋”’に対す る２つの相互作用はほぼ同波長において同期間を有することを報告している。こ れらのファイバでは位相整合はΔｎくδｎ（色分散）であるため、モード分散を 通しては不可能である。測定されたコヒーレンス長は自己または外部シードの周 波数２倍現象における光ファイバで中に自己書込みされた格子の同じ半周期を有 している。異なったモード相互作用は異なった基本波長で同一のコヒーレンス長 を備えていることが示されている。この観察をさらに示すと位相整合周期（２× コヒーレンス長ｌ　）は波長の関数として図１中でコアクラッド屈折率差がΔｎ ＝−０、００４５でファイバのコアの半径が５．５μｍに対して示されている。

記号５（モード相互作用、ＬＰｏｌ“−ＬＰ３．’“）で示されている相互作用 は１１０６４ｎで同一のコヒーレンス長を有し、基本波長λが１０９８．５目ｍ ではモードはＬ　Ｐ　０１”　”＝　Ｌ　Ｐ　０２”’となり、１１２９、６１ １０１では、Ｌ　Ｐ　ａｓ”　−Ｌ　Ｐ　２１”、１１５９．３ΩｍではＬＰｏ ＋“−Ｌ　Ｐ　、　、　２ｍ、１２０９．３目ｍではＬ　Ｐ　ｏｒ”　−Ｌ　Ｐ 　ｏｌ”１．１２０９．３目ｍではＬ　Ｐ　１＋”　−Ｌ　Ｐ　０２’−１１２ ３５，２目ｍではＬＰ、、“−ＬＰ２．’−で、１３３１．５目ｍではＬＰ、、 ”　→ＬＰ１．’−１１４６４．８目ｍではＬＰ、、ｍ　−Ｌ　Ｐ　。１２Ｍ、 １５００目ｍではＬＰ１１”　４ＬＰＯ１”’である。このことはＬＰ、、“＝ Ｌ　Ｐ　３＋２”の相互作用を１１０６４ｎで位相整合できる周期的構造はまた 異なった波長で全ての他のモード相互作用を自動的に位相整合することを示して いる。特定のモード相互作用の観察は、勿論、モードと非直線性の対称の重複し た一体化に支配される。

図２を参照すると、ゲルマニアをドープしたシリカはフォト感知性でない長い波 長、例えば１ｆ１６４ｎｍでモード相互作用がＬＰ。、−Ｌ　Ｐ　０２’″であ る位相整合されると考えられる。ファイバ２は波長１３１４．８目ｍでＬＰ　１ １”　＝Ｌ　Ｐ　ｏｌ　”の位相整合も同様に可能な内部に書込まれた格子を備 えている。　ファイバ２を処理する方法は以下の通りである。

１０６４ｎＩＩｌでＩＲ光パワー約１キロワットを与えるＮｄ：ＹＡＧレーザ４ の光がＫＴＰ周波数２倍器６を通過し、結果として、５３２目ｍと１１０６４ｎ を混合した光信号はレンズ８によりファイバ２に結合される。格子の形成には約 ５〜ＩＯ分を要する。

能率は入射する５３２目ｍ信号を阻止するためにフィルタ１０をファイバ２へ設 置し、ＳＨＧによって生成された５３２目ｍ信号を受信するために検出器１２を 設置することによって監視できる。

同調可能なレーザソースはシードに柔軟性を与えるために使用される。外部シー ド方法も内部格子を形成するために用いられる。

モード分散は適当なコア半径とΔｎを備えたファイバを設計することによって、 特定のモード間で位相整合を可能にすることが知られている。Δｎ≧δｎのファ イバの場合を考察する。その結果、モード分散を通じての位相整合は内部格子が 能率的に書込まれる波長（例えば、１０１０６４ｎより大きな波長において、少 なくとも１対の基本波長および第２高調波に対して可能である。この方法は格子 が一方の波長で書込まれ、他方で読み取られることを可能にする。モード相互作 用に対する基本波長の関数としての位相整合期間の分散は図３でΔｎ　＝０．０ ４、コア半径１．６μｍのファイバで示されている。位相整合はこのファイバで は波長的１１７２ｎｍで可能である。図３では（１）（目）（１目）と記されて いる３つの興味深い領域がある。

（１）では１０６４ミクロンでのコヒーレンス長は約１３５０ｎｍの基本的波長 におけるものと同様である。（目）で示された線では約］０５０ｎｍの処理波長 と同じコヒーレンス長を備えた２つの基本的な長波長（１４２５ｎａ＋と１７５ （ｌａａｄ）が存在することが示されている。さらに、（ｉｉｉ）ではファイバ が約１１０１０ｎで処理されるとき、広帯域位相整合はほぼ１６Ｈｎｍであるこ とを示している。

１１０５０ｎ或いは１（ｌＩＯ＋＋ｍで位相整合を与える格子は２６（１０ｕ＋ 領域でも位相整合を与え、この領域では基本波長モードと第２高調波モードの実 効的屈折率の間の差の逆数における波長による変化率が第１波長でゼロであり、 第１波長の波長領域で位相整合を与える内部の周期的格子が存在する。前者の場 合、位相整合は約１６０ｈｍで生じ、第２、第３波長（１４２５目ｍと２７５０ 目ｍ）における後者の場合、一方の最小値が約１６０００ｎｍで生じる。

図４は３つの異なったコア半径の位相整合波長を示しているが処理波長の関数と しては同じΔｎである。最大波長１２００ｎｍでファイバの処理が可能なとき、 第２高調波の生成は通信波長領域のあらゆる所で可能である。コア半径の増加が 処理波長と位相整合波長の両者をより長い波長に変更することば注目すべきこと である。さらに興味深いことはｌ１７２ｎｍの処理波長における点であり、この 点ではファイバはその分散を通して位相整合される。読取り波長と書込み波長は この点で同値に集中する。書込みおよび読取りモードコンビネーションはこの方 法では同一にとどまることも注目すべきことである。

位相整合のためのこの方法では最も低い２つの次数モードの使用は不可能である 。それは、導波体が事実上、複屈折でないかぎり、これらのモードがモード分散 を用いることによって位相整合されないからである。最も好適な組合わせは、モ ードの重なりの一体化が適切であるため、ＬＰｏ＋°−ＬＰ０２２−である。Δ ｎが０．０４でコア半径が約１．６８μｍのファイバを用いることによって約１ ６００ｎｍで広帯域位相整合波長付近で位相整合し、最初にファイバを１１０６ ４ｎで処理することが可能である。

図５は図４の３つのファイバにおける処理波長の関数としての格子の周期を示し ている。

格子周期は広範囲にわたって変化しているが、位相整合構造は影響されていない 。

表１ 書込みモード組合わせ　読取りモード組合わせ　観察長λモード　短λモード　 長λモード　短λモード　可能性１ｐ０１　１ｐ０１　１ｐ０１　１ｐ０１　イ エス１ｐ１１　ノー １ｐ０１　１ｐＨ１ｐＯ１１ｐＯ１イエス１ｐＯ１１ｐ２１　１ｐ０１　１ｐＯ １ノー１ｐ０１　１ｐ０２　１ｐ０１　１ｐ０１　イエス１ｐ０１　１ｐ３１　 １ｐ０１　１ｐ０１　ノー１ｐ１１　ノー ｐ２１ 　ｐ０２ 位相整合は別として、相互のモードと非直線対称の重なりの積分は周波数を２倍 にする過程の効率を決定する。ＬＰ、。

“はＬ　Ｐ　Ｏ，”’と結合するので他の波長におけるこのような全ての相互作 用はｍとｎの組合わせにかかわらず可能となる。

例えば、ファイバがモードの組合わせＬＰｏｓ“＝Ｌ　Ｐ　Ｇ２’″で処理され るとき、位相整合した長波長におけるＬＰ、、“−ＬＰＯＬ’“の重なりの積分 は制限される。モード選択の規則は例えば、モードフィールド区域や誘導された 非直線区域を含む多数のパラメータに依存する。モード選択規則の試験的な考案 は表１に要約され、この表ではモードの重なりの積分をもとにして書込みおよび 読取りモード組合わせの選択を示している。

本発明によると、先導波体は２倍の波長で広帯域信号を生成するために、短波長 でのポンプによる広帯域パラメトリック生成にも使用される。

瞥 要約考 基本波長モードおよび第２高調波モードの実効屈折率間の差の逆数の波長による 変化率が第１の波長においてゼロであり、第１の波長の波長領域に整合する位相 を与える内部の周期的格子を有する光導波体。

国際調査報告 １−ｍｍａｌＡｍａ”−−”　ＰＣＴ／ＧＢ　９０１０１９１７

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）基本波長モードと第２高周波モードの実効屈折率間の差の逆数の波長によ る変化率が第１の波長でゼロであり、第１の波長の波長領域において位相整合を 与える内部周期的格子を備えている光導波体。
2. （２）周期的格子が第２、第３の波長で位相整合を与え、一方が第１の波長より 短く、他方が第１の波長より長い請求項１記載の導波体。
3. （３）周期的格子が第１の波長で位相整合を与える請求項１記載の導波体。
4. （４）導波体が第１の波長で周期的格子の光学的シードに事実上不感知である請 求項１乃至３のいずれか１項記載の光導波体。
5. （５）光導波体が光ファイバを備えている請求項１乃至４のいずれか１項記載の 導波体。
6. （６）第１の波長が導波体の光学的窓内にある請求項４記載の導波体。
7. （７）導波体がゲルマニアでドープされ、シリカベースの光ファイバであり、光 学的窓は赤外線内にある請求項６記載の導波体。
8. （８）光ファイバが約０．０４のΔｎと約１．６μｍのコア半径を備えており、 周期的格子が約１６００ｎｍで位相整合を与える請求項７記載の導波体。
9. （９）光信号をポンプ波長およびシード波長の導波体に結合することによって周 期的格子を生成する段階を含み、このシード波長では、導波体がこのような格子 の形成に感応する波長である請求項４記載の光導波体の製造方法。
10. （１０）周期的格子が約１０１０ｎｍで、光信号を導波体へ結合することによっ て形成される請求項８記載の光導波体の製造方法。