(57)【要約】【課題】高精度で低い接続損失を持つ光増幅器を比較的簡単な手法で実現できる光増幅器の製造方法を提供する。【解決手段】光増幅器１０の製造方法は、光増幅材料が混合された光硬化性材料を、光ファイバ２０の端面近傍に配置するステップと、光ファイバ２０にレーザ光を伝搬させ、光ファイバ２０の端面から出射されるレーザ光の照射により光硬化性材料を硬化させるステップなどを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光増幅材料が混合された光硬化性材料を、光導波路の端面近傍に配置するステップと、
光導波路にレーザ光を伝搬させ、光導波路の端面から出射されるレーザ光の照射により光硬化性材料を硬化させるステップと、とを含むことを特徴とする光増幅器の製造方法。
【請求項２】
第１光導波路の第１端面と第２光導波路の第２端面を対向させるステップと、
光増幅材料が混合された光硬化性材料を、第１端面および第２端面の近傍に配置するステップと、
第１光導波路および第２光導波路の一方または両方にレーザ光を入射し、第１端面および第２端面の一方または両方からレーザ光を出射して、光硬化性材料を硬化させるステップと、とを含むことを特徴とする光増幅器の製造方法。
【請求項３】
光硬化性材料は、光重合開始剤を含むアクリル酸化合物からなるモノマーもしくはオリゴマー、またはモノマーとオリゴマーの混合物であることを特徴とする請求項１または２記載の光増幅器の製造方法。
【請求項４】
光増幅材料は、低分子有機色素、発光性高分子および希土類イオン化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または２記載の光増幅器の製造方法。
【請求項５】
光導波路は、光ファイバであることを特徴とする請求項１または２記載の光増幅器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己形成導波路(self-written waveguide)の技術を用いた光増幅器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信の分野において、ガラスに添加したＥｒ（エルビウム）イオンの遷移を利用した光増幅器(ＥＤＦＡ: Erbium Doped Fiber Amplifier)が広く採用されている。
【０００３】
しかしながら、このＥＤＦＡは含有できるＥｒ原子の数（Ｅｒ濃度）が低いことから、実用的な利得を得るためには、ファイバ増幅器の全長は数ｍ以上にする必要がある。そのため、小型な用途、例えば、光集積回路への応用には不向きである。
【０００４】
ＥＤＦＡの代替として、半導体光増幅器も開発されている。半導体光増幅器は、小型化が容易であるが、端面無反射コート処理が困難であり、しかも光増幅器の導波路とファイバとの整合性が悪く、パッケージ化が困難である。
【０００５】
これに対して有機色素を用いた光増幅器は、小型で高い利得が期待できることから、下記特許文献１〜４に示すような光増幅器が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２５６３９３号公報
【特許文献２】特開２００４−２１４５７１号公報
【特許文献３】特開平９−２４４０８２号公報
【特許文献４】特開２００６−２２２４０３号公報
【特許文献５】特開２００４−２４６３３５号公報
【非特許文献１】IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 4, pp.786-788, 2005
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献には、光増幅器として使用可能な有機色素や蛍光体などの材料について言及されているが、実用化の際に問題となる、光ファイバなどの光導波路との実際の接続法について全く言及がない。
【０００８】
将来、有機色素や蛍光体などを用いた光増幅器が実用化された場合、光ファイバなどの光導波路と光増幅器との接続技術が極めて重要になる。
【０００９】
本発明の目的は、高精度で低い接続損失を持つ光増幅器を比較的簡単な手法で実現できる光増幅器の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る光増幅器の製造方法は、光増幅材料が混合された光硬化性材料を、光導波路の端面近傍に配置するステップと、
光導波路にレーザ光を伝搬させ、光導波路の端面から出射されるレーザ光の照射により光硬化性材料を硬化させるステップと、とを含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光増幅器の製造方法は、第１光導波路の第１端面と第２光導波路の第２端面を対向させるステップと、
光増幅材料が混合された光硬化性材料を、第１端面および第２端面の近傍に配置するステップと、
第１光導波路および第２光導波路の一方または両方にレーザ光を入射し、第１端面および第２端面の一方または両方からレーザ光を出射して、光硬化性材料を硬化させるステップと、とを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明において、光硬化性材料は、光重合開始剤を含むアクリル酸化合物、カチオン重合性のエポキシ化合物やポリイミド化合物、シリコーン化合物などからなるモノマーもしくはオリゴマー、またはモノマーとオリゴマーの混合物であることが好ましい。
【００１３】
本発明において、光増幅材料は、低分子有機色素、発光性高分子および希土類イオン化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。
【００１４】
本発明において、光導波路は、光ファイバであってもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光増幅器の接続対象となる光導波路にレーザ光を伝搬させて、光導波路の端面から出射されるレーザ光の照射により光硬化性材料を硬化させることによって、レーザ光の光軸に沿って光増幅器の本体を自己整合的に形成することができる。従って、光導波路と光増幅器の間の光軸ずれがほぼ皆無であり、高精度で低い接続損失を持つ光増幅器を簡単に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明に係る光増幅器の製造方法の一例を示す斜視図である。光硬化性材料に光増幅材料を混合して、光増幅用組成物２を得た後、ガラス板などの基板１の上に適量を滴下する。
【００１７】
次に、光増幅器の接続対象となる光導波路として光ファイバ２０を用いて、光ファイバ２０の先端を光増幅用組成物２の中に浸漬する。このとき、光ファイバ２０は基板１から浮いた状態で、基板１の主面とほぼ平行に保ち、光ファイバ２０の端面近傍に充分な量の光増幅用組成物２が存在するようにする。
【００１８】
次に、光硬化性材料が硬化する波長のレーザ光Ｌｃを発生するレーザ発振器４０、例えば、波長４８８ｎｍのＡｒレーザをＣＷで動作させ、レンズ等の集光光学系３０を用いて、レーザ光Ｌｃを光ファイバ２０の他端から入射させる。レーザ光Ｌｃが光ファイバ２０の中を伝搬して、光ファイバ２０の端面から出射すると、端面近傍に存在している光硬化性材料を局所的に照射する。光硬化性材料のうちレーザ光Ｌｃが照射された部分では、光重合などの硬化反応が開始し、レーザ光Ｌｃの光軸に沿って線状に硬化する。一方、レーザ光Ｌｃが照射されない部分は、未硬化のままである。
【００１９】
硬化した線状部分が所望の長さに到達した時点で、レーザ光Ｌｃの照射を停止し、光増幅用組成物から取り出して洗浄すると、光増幅器１０が得られる。
【００２０】
図２は、光ファイバ２０の端部における硬化の状態を示す説明図である。まず、図２（ａ）に示すように、コア２０ａとクラッド２０ｂを有する光ファイバ２０の端部近傍に光増幅用組成物を配置する。
【００２１】
次に、図２（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌｃを光ファイバ２０に入射させると、コア２０ａの端面に接する部分で硬化反応が開始する。図２（ｃ）に示すように、レーザ光Ｌｃの照射時間が経過するにつれて、硬化部分が徐々に成長する。
【００２２】
次に、図２（ｄ）に示すように、硬化部分が必要な長さになった時点で、レーザ光Ｌｃの照射を停止する。
【００２３】
このとき、光ファイバ２０がステップインデックス型のマルチモードファイバである場合、レーザ光は、光ファイバ２０の端面から複数スポットのビーム形状で出射する。そのため、光増幅用組成物の硬化部分は、複雑な形状になる可能性がある。一方、光ファイバ２０が、グレーデッドインデックス型のマルチモードファイバ、あるいはレーザ光Ｌｃにとってシングルモード伝搬可能なシングルモードファイバである場合、レーザ光は、光ファイバ２０の端面から単一スポットのビーム形状で出射する。そのため、光増幅用組成物の硬化部分は、単一ロッド形状になる。従って、挿入損失の低減化のため、使用する光ファイバ２０は、グレーデッドインデックス型のマルチモードファイバ、あるいはレーザ光Ｌｃにとってシングルモード伝搬可能なシングルモードファイバであることが好ましい。
【００２４】
図３は、本発明に係る光増幅器の製造方法の他の例を示す説明図である。ここでは、２本の光ファイバの間に光増幅器を形成する例を説明する。
【００２５】
まず、図３（ａ）に示すように、光増幅器の接続対象となる光導波路として、コア２１ａ，２２ａとクラッド２１ｂ，２２ｂをそれぞれ有する光ファイバ２１，２２を用いて、これらの端面が所定の間隙を隔てて対向するように位置決めする。位置決めの際、Ｖ字溝治具や他のアライメント器具を使用して、コア２１ａ，２２ａの中心を正確に一致させる。この状態で、上述した光増幅用組成物を両者の間隙に適量滴下して、光ファイバ２１，２２の各端面近傍に配置する。
【００２６】
次に、図３（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌｃを光ファイバ２１に入射させると、コア２１ａの端面に接する部分で硬化反応が開始し、レーザ光Ｌｃの照射時間が経過するにつれて、硬化部分が徐々に成長する。そして、硬化部分の先端が他方の光ファイバ２２の端面に到達する寸前でレーザ光Ｌｃの照射を停止し、硬化反応を止める。
【００２７】
次に、図３（ｃ）に示すように、今度はレーザ光Ｌｃを光ファイバ２２に入射させ、コア２２ａの端面に接する部分で硬化反応を開始させる。そして、硬化部分の全体形状がほぼ左右対称となった時点で、レーザ光Ｌｃの照射を停止し、硬化反応を止める。こうして単一ロッド形状の光増幅器１０が得られる。
【００２８】
次に、図３（ｄ）に示すように、光増幅器１０および光ファイバ２１，２２の表面に付着した光増幅用組成物を洗浄した後、クラッド用硬化性材料を光増幅器１０の周囲に配置する。そして、クラッド用硬化性材料を硬化させることによって、光ファイバ２１，２２と一体化した光増幅器１０が得られる。
【００２９】
クラッド用硬化性材料は、光増幅用組成物と同じ光硬化性材料でもよく、異なる光硬化性材料でもよく、あるいは別種の硬化反応を利用した材料、例えば、熱硬化性材料であっても構わない。一般には、コアとクラッドの密着性の点で、クラッド用硬化性材料として、光増幅用組成物と同じ光硬化性材料を使用することが好ましい。
【００３０】
また、光増幅用組成物を硬化させる際、光ファイバ２１からのレーザ照射と光ファイバ２２からのレーザ照射とを別々のタイミングで行う場合を説明したが、両方のレーザ照射を同時に行ってもよく、あるいはいずれか一方のレーザ照射だけを行っても構わない。
【００３１】
図４ａは、図２に示した方法で得られた光増幅器の一例を示す側面図である。光ファイバの端面から同軸でロッド状の光増幅器が延出している様子が判る。
【００３２】
図４ｂは、図３に示した方法で得られた光増幅器の一例を示す側面図である。図４ｃは、図３（ｃ）に対応した拡大図である。図４ｄは、図３（ｄ）に対応した拡大図である。２本の光ファイバの間に同軸で形成された光増幅器が、光ファイバの各端面を連結している様子が判る。また、光ファイバ同士の間隙に応じて、光増幅器の長さも変化するため、光増幅器の設計長さに正確に一致させることも容易である。
【００３３】
上述した光増幅器の製造方法において、母材として用いる光硬化性材料は、光重合開始剤を含むアクリル酸化合物、カチオン重合性のエポキシ化合物やポリイミド化合物、シリコーン化合物などからなるモノマーもしくはオリゴマー、またはモノマーとオリゴマーの混合物であり、その中でもアクリル酸化合物が好ましい。例えば、アクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル、エポキシアクリル酸、エポキシアクリル酸エステル、ウレタンアクリル酸、ウレタンアクリル酸エステルなどが使用でき、具体的な製品として、例えば、ＰＡＫ−０１（東洋合成工業）、ＤＦ−８０３Ｎ（日本化薬）などが挙げられる。
【００３４】
光硬化性材料に添加する光重合開始剤として、例えば、ベンゾイン及びベンゾインアルキルエーテル類、アセトフェノン類、アミノアセトフェノン類、アントラキノン類、チオキサントン類、ケタール類、ベンゾフェノン類又はキサントン類などが使用できる。
【００３５】
光硬化性材料に混合する光増幅材料は、低分子有機色素、発光性高分子および希土類イオン化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。
【００３６】
低分子有機色素として、例えば、ローダミン６Ｇ、ローダミンＢ、クマリン１５３、クマリン３０７などが使用でき、その他に、過塩素酸塩系色素（例えば、ＮＫ−２８０７（林原生物化学研究所））やヨウ化物系色素（例えば、ＮＫ−１２５（林原生物化学研究所））などが使用できる。
【００３７】
発光性高分子として、ポリフェニレンビニレンまたはその誘導体（例えば、ＣＮ−ＰＰＶ）などが使用できる。
【００３８】
希土類イオン化合物として、有機希土類錯体や希土類金属複合アルコキシドなどの有機母材に可溶なものが使用できる。
【００３９】
母材材料と光増幅材料の組合せに関して、可溶性の観点から、ＤＦ−８０３ＮとＮＫ−１２５の組合せ、ＰＡＫ−０１とローダミン６Ｇ、ローダミンＢ、クマリン１５３、クマリン３０７またはＣＮ−ＰＰＶの組合せ、メチルメタクリレートとＮＫ−２８０７の組合せ、メチルメタクリレートと有機希土類錯体または希土類金属複合アルコキシドの組合せ等が好ましい。
【００４０】
図５は、光増幅器の発光スペクトルの測定方法の一例を示す構成図である。光増幅器１０は、エタノールを用いた溶媒置換により光硬化性モノマー（製品名：ＤＦ−８０３Ｎ）と発光色素ＮＫ−１２５を混合した光増幅用組成物を用いて、上述のような自己形成法によって製作した。光増幅器１０の導波路長は、０．８３ｍｍ，０．９６ｍｍ，１．１８ｍｍ，１．２０ｍｍ，１．３２ｍｍのものを準備した。
【００４１】
光ファイバ２０の端面に形成された光増幅器１０をステージ５０の上に固定し、光ファイバ２０の他端を分光計５１に光学接続し、光増幅器１０の発光スペクトルをＰＣ（パーソナルコンピュータ）５２で解析した。
【００４２】
励起光として、波長７２３ｎｍの色素レーザ６０をパルス発振させ、ＮＤフィルタ６１、シリンドリカルレンズ６２を通して、光増幅器１０を側方から照射した。
【００４３】
図６（ａ）は、光増幅器１０の発光スペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は、光強度（任意単位）であり、横軸は、波長（ｎｍ）である。使用した光増幅器１０の導波路長は１．３２ｍｍである。
【００４４】
励起光の強度を、１６２，２７０，３２４，３７８，４３２，４８６，５４０（μＪ／ｃｍ２）に変化させたところ、光増幅器１０の発光強度が徐々に増加し、特に、４８６（μＪ／ｃｍ２）から５４０（μＪ／ｃｍ２）に変化すると、波長７７０ｎｍ付近の発光強度が急激に増加し、増幅された自然放出光（ＡＳＥ）が発生していることが判る。
【００４５】
図６（ｂ）は、光増幅器１０における発光強度と励起光強度との関係を示すグラフである。縦軸は、規格化した発光強度であり、横軸は、励起光強度（μＪ／ｃｍ２）である。カーブは、光増幅器１０の導波路長０．８３ｍｍ，０．９６ｍｍ，１．１８ｍｍ，１．２０ｍｍ，１．３２ｍｍにそれぞれ対応している。
【００４６】
このグラフを見ると、短い導波路長の光増幅器１０では、発光強度が励起光強度に対して単調に増加しているが、導波路長１．２０ｍｍ，１．３２ｍｍの光増幅器１０では、励起光強度が４８６（μＪ／ｃｍ２）を超えると発光強度が急激に増加して、増幅された自然放出光（ＡＳＥ）が観測されていることが判る。
【００４７】
図７は、光増幅器の利得スペクトルの測定方法の一例を示す構成図である。光増幅器１０は、図５で用いたものと同じ構成である。光増幅器１０は、光ファイバ２１と光ファイバ２２の間に介在させた。信号光として、ＬＤ（半導体レーザ）７０から波長７７０ｎｍのＣＷ光を発生して、レンズ７１を介して光ファイバ２１の前側端面に入射した。光ファイバ２２の後側端面は、分光計５１に光学接続し、光増幅器１０の利得スペクトルをＰＣ（パーソナルコンピュータ）５２で解析した。
【００４８】
励起光として、波長７２３ｎｍの色素レーザ６０をパルス幅１ｎｓでパルス発振させ、シリンドリカルレンズ６２を通して、光増幅器１０を側方から照射した。
【００４９】
図８は、光増幅器１０の光増幅作用の一例を示すグラフである。縦軸は、光強度（任意単位）であり、横軸は、波長（ｎｍ）である。カーブａは、励起光の照射を停止した状態で、０．１秒間時間積算した信号光の透過スペクトルを示す。カーブｂは、０．１秒間の時間積算の間に、１ｎｓの励起光をワンパルス照射した状態で、ＡＳＥと信号光の合計からＡＳＥを引き算したスペクトルを示す。
【００５０】
カーブａとカーブｂを比較すると、波長７７０ｎｍ付近で約１．２倍の利得が得られていることが判る。これは、１ｎｓの間のパルス照射時での利得に換算すると、１．７×１０７（７２．３ｄＢ）に相当する。
【００５１】
以上の説明では、光増幅器の接続対象として光ファイバを用いた例を示したが、本発明は、基板上に形成された導波路同士を接続するように光増幅器を設けてもよく、光集積回路などへ応用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、高精度で低い接続損失を持つ光増幅器を比較的簡単な手法で実現できる点で、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る光増幅器の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図２】光ファイバの端部における硬化の状態を示す説明図である。
【図３】本発明に係る光増幅器の製造方法の他の例を示す説明図である。
【図４ａ】図２に示した方法で得られた光増幅器の一例を示す側面図である。
【図４ｂ】図３に示した方法で得られた光増幅器の一例を示す側面図である。
【図４ｃ】図３（ｃ）に対応した拡大図である。
【図４ｄ】図３（ｄ）に対応した拡大図である。
【図５】光増幅器の発光スペクトルの測定方法の一例を示す構成図である。
【図６】図６（ａ）は、光増幅器の発光スペクトルの一例を示すグラフであり、図６（ｂ）は、発光強度と励起光強度との関係を示すグラフである。
【図７】光増幅器の利得スペクトルの測定方法の一例を示す構成図である。
【図８】光増幅器の利得スペクトルの一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１  基板
２  光増幅用組成物
１０  光増幅器
２０，２１，２２  光ファイバ
２０ａ，２１ａ，２２ａ  コア
２０ｂ，２１ｂ，２２ｂ  クラッド
３０  集光光学系
４０  レーザ発振器
５０  ステージ
５１  分光計
５２  ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
６０  色素レーザ
６１  ＮＤフィルタ
６２  シリンドリカルレンズ
【図１】
2008277547.tif 000003
【図２】
2008277547.tif 000004
【図３】
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【図６】
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【図８】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５】
2008277547.tif 000012
【図７】
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