エアクラッドフォトニック結晶ファイバーのエンドシーリング加工
植田研究室

山城 知晃

1. 序論
近年フォトニック結晶ファイバーと呼ばれる周期的に空孔を配置したファイバーが研究されている。石
英ガラスと空気の大きな屈折率差より通常のファイバーでは実現できなかったコアとクラッドの屈折率差や非線形光学効果の抑制など従来のファイバーとは異なり優れた特性が得られている。しかしファイバーの端面よりごみや液体が空孔内に侵入すると屈折率が変化し特性が失われるという短所がある。またファイバーの端面は研磨が必要不可欠であり、研磨時に水を使用する為フォトニック結晶ファイバーでは研磨が不可能である。この問題を解決する方法としてファイバー端面近くの空孔をふさぐことによって水の浸入を防ぐエンドシール加工がある。本研究ではこのエンドシール加工技術の構築とその評価を目的とした。

2. 原理と作成方法
Geロッド
エアクラッド
コア
クラッド径

バッファ径
バッファ

本研究では図 2.1 のようなフォトニックバンドギャップ型のフォトニック結晶ファイバー(PBGF)を用いた。中心のコアの周りに六角形のバンドギャップ構造があり、その外側を隣接した空孔からなるエアクラッドが取り囲んでいる。今回はこのエアクラッドをファイバーの側面より加熱し、ガラスの表面張力を利用してつぶす方法を取ったので、空孔における表面張力と気圧のつりあい式を導出した。空孔の直径 d [m] 、気圧P[ pa] 、表面張力 γ [ N / m] とすると

図 2.1 PBGF の端面

P=4γdと表される。空孔がつぶれるには右辺の表面張力の方が大きい状態になればよい。今回用いた PBGF の空孔の直径 10μm であったので、大気圧下での空孔がつぶれる表面張力の条件を求めると

γ > 253[dyn / cm]となる。ガラスの表面張力対温度特性が図 2.2 であり、800℃付近より上であれば空孔がつぶれるということが分かる。しかしこの温度では図 2.3 の粘度対温度特性をみると分かるように極端に粘性が高く変形しない。変形を始めるのは軟化点の 1600℃付近である。よって本研究では 1600℃にファイバーを加熱した。

図 2.2 表面張力対温度特性

図 2.3 粘度対温度特性

1次にエンドシール加工部の端面と空孔の距離であるエンドシール長について示す。空孔がつぶれなくなると図 2.4 のように逆側からきた光は広がる。この距離が長いと光は側面に達してしまい、側面より漏れていく。よってこのエンドシール長を適切にする必要がある。いま図 2.4 のように角度 θ で広がり、端面でのビーム径とバッファ径が一致するときのエンドシール長 x とする。石英ガラスの屈折率 n silica とすると NAdbufer−dclad

ybufferθdbuffer

はNA = n silica sin θ2x

図 2.4 の y はdclad air-cladd buffer − d clady=buffer

2NAn silica

図 2.4 エンドシール長
よってエンドシール長 x は− d clad ⎞⎛ d buffer − d clad ⎞⎛d1⎟⎟ = ⎜⎜ buffer⎟⎟y − ⎜⎜−1222⎝⎠⎝⎠ ⎛ NA ⎞⎜⎜⎟⎟⎝ n silica ⎠
2x=2

エンドシール長がこの x の値より低いとき、側面から漏れずに端面から光が出て行く。今回の PBGF のバッファ径 600μm、クラッド径 300μm であったので最適エンドシール長は 365μm であった。

3. エンドシール加工の作成
ファイバーの加熱にはファイバーカップラー製造機のセラミックヒーターを用いた。図 3.1 のようにセラミックヒーターで PBGF の中央を 1600℃に加熱し、空孔がつぶれた部分で切断した。切断した端面を研磨剤と水を用いて手で研磨し空孔と端面までの距離であるエンドシール長を制御した。
②加熱部で切断①ヒーターでPBGFを加熱③端面を研磨ceramicheater

PBGF

図 3.1 作成手順
エンドシール加工による PBGF の端面の変化を図 3.2 に、側面の変化を図 3.3 に示す。端面では通常の PBGF
ではバンドギャップ構造のまわりのエアクラッドがあるが、今回作成したものはエアクラッドがつぶれエンドシール加工できていることが分かる。側面を見ると通常の PBGF は空孔で散乱し白く映っているが、エンドシール加工したものの境界部は右側では空孔がのこっているが左側は空孔が消え黒く映っている。

2

通常のPBGF

エンドシール加工したPBGF

図 3.2 端面の変化
通常のPBGF

エンドシール加工の境界部付近

図 3.3 側面の変化
次にエンドシール部の逆側の端面より白色光を入射しエンドシール部の端面の近視野像を CCD で撮影したものを図 3.4 に示す。空孔がつぶれた所からビームは広がる。エンドシール長が長いと側面に達して側面から漏れてしまい左側のようになる。研磨していきエンドシール長が短くなると側面に達する前に端面より全て出射するので右側のようになる。このとき空孔のつぶれの開始位置が各空孔によって違う不均一な場合図 3.5 の左側のようになる。右上付近は空孔が残っているため全反射しビームの輪郭がはっきりしているが左下付近は空孔がつぶれている為外にビームがバッファ部へと漏れ輪郭がはっきりしていない。実際
フォーカスを奥に移すと右側のようになり右上付近に空孔が残っているのが分かる。
エンドシール長が長い場合

図 3.4

エンドシール長が短い場合

CCD での近視野像

空孔のつぶれが不均一な場合

フォーカスを奥に

図 3.5 空孔のつぶれが不均一な場合

3

4. エンドシール加工の評価実験
波長 975nm の光を用いてエンドシール加工の評価実験を行なった。図 4.1 のようにエンドシール加工の端面より入射し透過パワーを測定した。エンドシール加工がない場合のクリーブ時に対しての結合効率を測定した。各エンドシール長での実験結果を図 4.2 に示した。
power
f = 14.93mm f = 8mm PBGF
meter

975nm fiber
coupled LDend-seal
図 4.1 実験系
エンドシール長が長い時は結合効率は低く、研磨し短くなるにつれてクリーブ時に近づいた。最終的にはエンドシール長 58μm のとき最大結合効率 85%であった。58μm と最適エンドシール長より十分短いにもかかわらずクリーブ時の 15%低下してしまった。この原因として空孔のなだらかなつぶれが考えられる。
空孔が寸断されるようにつぶれていればすべてエンドシール部より入射するはずだが、今回の作成方法ではヒーターを用いたためヒーター内の温度分布によってなだらかにつぶれてしまっている。そのためエアクラッドの実効屈折率が徐々に小さくなり、NA もそれに従い小さくなっていく。この領域で損失が起きてしまっていると考えられる。損失をなくす為にはこの領域を小さくすればよいことが分かる。
遷移領域

transmission power [W]

12cleave
1015um
725um
551um
377um
58um

108NA 小n eff cladn silica

6420051015LD output power [W]

図 4.2 実験結果

図 4.3 遷移領域

5. 今後の展望
負圧を用いたエンドシール加工による品質向上が挙げられる。ファイバーの片側の端面をエンドシールしておき、もう片方の端面よりシリンジ等で空気を抜く。そうすると気圧の力が表面張力に対して小さくなり、現在２分間過熱している加工時間の短縮が期待できる。これにより長時間加熱による粘性低下による曲がりやそれに伴う空孔のつぶれの不均一などを予防できる。

参考文献
1. Jakob juul Larsen, Guillaume Vienne, Side pumping of double-clad photonic crystalfibers, OPTICS LETTER,
vol.29, No.5, March 1, 2004
2. Jianjun Ma, Wojtek J. Bock, Modeling of photonic crystal fiber with air holes sealed at the fiber end and its
application to fluorescent light collection efficiency enhancement, OPTICS EXPRESS, Vol.13, No.7, 4, April,
2005
3. W. D. KINGERY Surface tension of some liquid oxides and their tenperature coefficients Jounal og the American
Ceramic Society Vol.42, No,14