Ar+レーザーを用いたファイバーブラッググレーティングの作製
量子・物質工学科
植田研究室
檜皮 健二
１．背景・目的
ファイバーブラッググレーティング(FBG)とは、ファイバー中に紫外光を用いて周期的な屈折率変化を生じさせ、反射機能を持たせたものである。この反射機能を利用すると、ファイバーのみでの共振器を組むことが可能であり、共振器の低損失化、小型化につながる。
今日では、光通信(1.5μm 帯)で FBG 技術が使用されているため、1.5μm 帯での FBG需要は多く、量産化されている。しかし、その他の波長域では需要が少ないため量産化されていない。
我々の研究室では、様々な波長のファイバーレーザーを研究しており、自ら FBG を作製することは研究の幅を広げることにつながる。よって、1~2μm 帯の FBG 作製を目標とする。
２．原理
２．１FBG
反射光の波長は、図１のようにブラッグ
波長をλBragg、屈折率をneff、グレーティング周期をΛgとすると
λBragg = 2 neff Λg(1)で表される。
屈折率変化の周期を作り出す方法として
Phase mask を用いる場合と、二光束干渉法を用いる場合がある。今回は Phase mask を使って実験を行った。
また、一般的に FBG を作製するときに用いる紫外光は 250nm 以下のものを使用するが、今回は 257.25nm の紫外光を用いて実験を行った。

図１FBG
２．２Phase mask
次に、図２のような Phase mask の特徴を示す。

図２ Phase mask
Phase maskの周期をΛpmとすると、このPhase mask で作製した FBG の反射波長は

λBragg = NneffΛpm(2)で表される。
Phase mask のメリットとしては、比較的簡単に FBG を作製でき、安定した特性を得られ、量産性に優れている。一方、デメリットとしては、反射波長を表す式からもわかるように、反射波長はΛpmに依存するため、Phase mask の設計で決まってしまう。
そのため、ほしい反射波長を得るには、それぞれの Phase mask を用意しなくてはならないため、コストがかかってしまう。さらに、設計外の紫外光を用いると、零次光が出てきてしまうのが問題である。
２．３二光束干渉法
二光束干渉法を図３に示す。

図４

図３

二光束干渉法

二光束干渉法で作られた FBG の反射
波長はn λλBragg = eff uv(3)θnuv sin( )2

共振器内第二次高調波発生装置

Ar+レーザーは、元々514.5nmで 15W程度の出力があるものを使用した。これは、共振器内では、514.5nm の Power は百数十 Wと見込まれる。よって、製品の共振器を故意に崩し、凹面ミラーを新たに 2 枚用いることによって自前の共振器を作り、共振器内に非線形光学結晶(BBO)を設置可能にしたものである。これより、共振器内の Powerを利用する事によって、514.5nm の第二次高調波である 257.25nm の紫外光を高出力で得られる。

４．第二次高調波出力結果
共振器内第二次高調波発生装置(図４)を作製し、その第二次高調波の出力を図５に示す。

で表される。
この方法では、反射波長が入射角θ/2 に依存するため、任意の反射波長を得ることは可能だが、干渉の制御が難しく不安定なものとなってしまうのが問題である。
３．共振器内第二次高調波発生装置
FBG 作製に使う紫外光を得るために図４のような共振器内第二次高調波発生装置を作成した。

図５

第二次高調波出力

紫外光は凹面ミラー２枚の両方から出てくるので、その合計を Total Output とする。
今回の装置では、最大で 400mW の紫外光(257.25nm)が得られた。ただし、実際に使用できる Power は、その半分であり、最大で200mW となる。この結果は FBG を作製する上で十分な紫外光の出力が得られた。
５．FBG 作製装置第二次高調波発生装置(図４)から出てきた光は 514.5nm の緑光と 257.25nm の紫外光が混じった状態で出てくる。514.5nm の光はFBG 作製にはまったく関与しないため放置してもかまわないのだが、ここでは、紫外光を扱いやすくするために、緑光と紫外光をDichroic mirror(M4,M5,M6)を用いて緑光を省き(図６)、分けた紫外光を用いて FBG作製を行った。このとき使用したファイバーは 30-weight%Ge-doped fiber を使用し、Phase maskはΛpmが 1069.6nmで 266nmの紫外光用に設計されたものを使用した。
Phase mask の大きさは 1cm×1cm であり、このときビーム径は 1mm×35mm 程度であったので、phase mask を最大限使用して FBG を作製できたと仮定する。

この装置で FBG を作製した場合予想される反射波長は式(2)よりN=1、neff=1.444、Λpm=1069.6nmとするとλBragg=1554.5nmと予想される。
６．FBG 透過・反射率測定
図６の様にして作製した FBG がどれだけの反射率を持つかを測定した。測定方法は
図７に示す。

図７

波長可変 LD とサーキュレーターを用いることによって透過光と反射光を同時に測定することが可能となる。測定結果より出された、透過・反射率を図８に示す。

図８

図６

FBG 作製装置

透過・反射光測定

透過・反射率結果

図８より、半値全幅(FWHM)が 0.18nm で反射率が 50%程度の FBG が作製できたいうことがわかった。また、予想より 2nm ほどずれたが、ほぼ予想通りの反射波長が得られた。
７．屈折率変化
反射率測定の結果より、紫外光をファイバーに照射することによって生じた屈折率変化を見積もることができる。作製できた
FBG のグレーティングの長さを L、反射波長をλBragg、反射率をηとすると
Δn =2λBragg tanh −1 ( η)πL(4)と表される。
今、グレーティングの長さ L=1cm、反射波長を図８よりλBragg=1556.85nm、反射率η=0.5 として式(4)に代入して計算すると
Δn=8.7×10-5となった。但し、このときファイバーに照射した紫外光(257.25nm)のエネルギーは480J/cm2であった。この結果は予想のオーダーとほぼ一致する。
８．まとめ
今回の実験で、凹面ミラーを用いた共振器内第二次高調波発生装置を完成させ、最大 400mW の紫外光(257.25nm)を得られた。
それに伴い、FBG 作製に必要な紫外光(257.25nm)を得られた。さらに、その紫外光を用いて反射率 50%程度の FBG 作製に成功した。
９．展望
今後は、30-weight%Ge-doped fiber に対して、どれだけ紫外光のエネルギーを与えると、どれだけ屈折率変化が起こるかを解明する必要がある。
また、円筒凹面ミラーを用いた共振器内第二次高調波発生装置の作製を目指す。現
在の共振器内第二次高調波発生装置では非線形光学結晶(BBO)の破壊が著しいと思われるので、１枚の凹面ミラーと２枚の円筒凹面ミラーを用いることによって、非線形光学結晶(BBO)でビームを楕円型に集光させる。
これは、非線形光学結晶(BBO)の破壊を押さえるだけでなく、低強度の 514.5nm 光で高出力の 257.25nm 光が期待できる。
次に、二光束干渉法を用いることによって 1~2μm 帯の FBG 作製を目指す。

参考文献
1) 霜田光一,「レーザー物理入門」,岩波書店
2) Amnon Yariv,「光エレクトロニクス基礎編」,丸善
3) Raman Kashyap,”FIBER BRAGGGRATINGS”,ACADEMIC PRESS 1999
4) D.S. Starodubov,et.al,Opt.Let.,22,(1997),pp1086
5) Turan Erdogan,J.Lightwave Tech.
15,(1997),1277
6) Yoichi Taira,Proc. of CLEO’93,pp634