紫外 LED を用いた Yb 添加ファイバーの photobleaching
電子工学科

植田研究室

深谷 崇文

ぎ、PD 現象が生じにくくすることができるという報告がされている。また、一例として Fig.2 に今日、Yb 添加ファイバー(YDF)は量子欠損が少な示すように反転分布の７乗に比例して PD が生じく、濃度消光がおきづらいため、レーザー効率がよることが報告されている。そして PD の原理だが、く、高出力レーザーなどに多く用いられている。し現在仮説は存在しているが、明確なものは示されかし、YDF に対し強励起を行っていると、発振波長ていない。以下では、仮説について述べる。Yb域(1μm 付近)で損失が生じ、レーザー効率が悪くなイオンの準位は準 3 準位であるが、Fig.3 に示すよるため問題となっている。強励起を行っていると可うに 2 準位とみなすことができる。その 2 準位の視域で大きな損失が生じるが、この肩が発振波長域での損失に影響をしている。
その様子をFig.1 に示す。 うち上準位に電子が励起されている状態を考える。この状態で励起を行うと、下準位にある電子これを photodarkning(PD)と呼び、これに対し生じた損失を回復する photobleaching(PB)という現象がある。 が 7 つ分のエネルギーを得るという協同アップコンバージョンが起き、ファイバーのホスト材料でPB は Nd:YAG レーザーの第三高調波(355 nm)を用いある石英ガラスの伝導帯まで励起される。その自ることで、効果が得られることが 2007 年に報告され
由に動き回ることができる電子が、安定状態になたが、明確な理由は示されなかった。そのため、現るために石英ガラスの欠陥サイトに移動し、Yb
在当研究室では紫外光を出力する半導体レーザーイオンの価数が 3 から 2 になると同時に、ガラス(LD)を用い、クラッド照射により、PB の研究が行わの構造を変えてしまうことにより損失が起きるれている。しかし、クラッド照射を行う場合、励起と考えられている。
光と PB 光を同軸上に重ねる必要があり、実験系が複雑になる。よって、本実験では LD に対し安価で容易に扱える、波長が 385 nm である紫外 LED を側面から照射することで PB が行えるか、実用できるかどうか研究した。

1. 序論

600

Induced attenuation [dB/m]

500
6Induced attenuation [dB/m]

Induced attenuation [dB/m]

YDF, 975 nm, 5.4 W, 50 min.

400

300

200

54

Induced attenuation [dB/m]

32101000

Fig.2 PD の反転分布依存性
1050

1100

1150

1200

石英ガラスの伝導帯

Wavelength [nm]1000500

600

700

800

900

1000

1100

石英ガラスの欠陥サイト

1200

Wavelength [nm]2F

協同アップコンバージョン
5/2

Fig.1 PD 後の YDF の損失スペクトル975 nm2. 原理
PD は Yb イオンの添加濃度によって起こりやすさが異なる。高濃度添加の場合、コアに Yb イオンのクラスタリングができやすく、それにより PD減少が生じやすい。しかしながら、Yb イオンとイオン半径がほぼ同じである Al イオンを Yb イオンと同時に添加することで、クラスタリングを防2F
7/2

電子の7個分のエネ電子の 個分のエネルギーで励起される: 電子
Fig.3 Yb のエネルギー準位図

3. 実験
3.1 実験に用いた YDF
本実験では YDF を用いたが、コーティングを剥いた状態の断面図を Fig.4 に示す。さらに、YDFの詳細を表 1 に示す。

20Absorption coefficient [/cm]

PB は現在我々の研究室で波長 407 nm の LD を用いて研究を行っている。それにより、PB は 1光子過程で生じていること考えられている。

385 nm

15Absorption

103.6 [/cm]50350400450500Wavelength [nm]Fig.5 コーティングの吸収係数
Fig.4 YDF
YDF
コア形成のための添加材料

Ge

コア径 [µm]

5クラッド径 [µm]125

コーティング径 [µm]250

Yb添加濃度 [wt.%]

1.4

表 1 YDF の詳細

3.2 透過率測定
本実験では側面照射により PB を行ったが、その概念図を Fig.4 に示す。図のように PB 光はコアに照射されるまでにコーティング、クラッドを透過する。クラッドはコアと同じ石英ガラスでできているため、本実験で用いた紫外 LED の光は充分に透過されると考えられた。しかし、コーティングはポリマーでできており、どの程度紫外 LEDの光を透過するのかわからなかったので、コーティングの透過率について測定を行った。測定には分光光度計を用いた。また、硬化させることにより、今回用いたファイバーのコーティングと同じポリマーに変化する紫外硬化樹脂を用いた。その測定結果を吸収係数にしたものを Fig.5 に示す。

PB光吸収係数の測定結果より、波長 385 nm の光に対し、コーティングは 3.6 [/cm]の吸収があることがわかった。また、本実験で用いたファイバーのコーティングは厚さが 62.5 μm であったので、98 %以上の PB 光を透過することがわかった。
3.3 photodarkening と photobleachingFig.6(a),(b)に PD,PB の実験図を示す。Fig6(a)に示す実験系を用い、未使用の試料ファイバーの透過スペクトルを、白色光源と Optical Spectral Analyzer を用いて測定した。測定後、波長 975 nm の LD で 50分間励起し PD を起こした。その際 He-Ne レーザーを試料ファイバーに入射し、透過する光強度の時間変化をシリコンフォトディテクター(S.PD)で計測した。その後、PD の起きた試料ファイバーの様々な波長域での透過率を測定するために、白色光を入射し OSA を用いて透過スペクトルを測定した。続いて、充分に PD の起こったファイバーを Fig.6(b)に示す実験系を用い PB する。試料ファイバーの上にLED を設置し側面照射を行いながら、He-Ne レーザ
ーと S.PD を用い透過強度の時間変化を測定した。
50 分経った後白色光と OSA で透過スペクトルを計測した。
L D 9 7 5 nm

MMF
H I-1 0 6 0

O S A o r S .P D

In d e x m a tc h in g ge l
SM F

DCF

D ic h ro ic M irro r

コーティング

H I-1 0 6 0

H e -N eor
W h ite ligh tFig.6(a) PD 時の実験図
UV LEDH I-1 0 6 0
O S A o r S .P D

D ic h ro ic M irro rFig.4 側面照射の概念図

YDF・ ・ ・ sp lic e

クラッド
コアF C /A P C c o n n e cto r

C o m b in e r W a te r B a thSM FIn d e x m a tc h in g ge l
F C /A P C c o n n e cto r

C o m b in e r
DCF

YDF・ ・ ・ sp lic e

Fig.6 (b) PB 時の実験図

H I-1 06 0

H e -N eorW h ite ligh t

4. 実験結果
5.4 W で PD 後および、照射強度 1.38 W/cm2 でPB した後のスペクトルの測定結果を Fig8 に示す。
右側は発振波長域を抜き出したものであるが、これより PB 後のスペクトルは透過率が回復しているため、PB は行われたものと考えられる。

1光源

YDF-LED間距離[cm]間距離

出力[mW]

照射強度[W/cm 2]

紫外LED
紫外

1

1200

1.1

1800

1.8

1200

4.6

1800

7.0

1800

28.23600

56.3

17.5

16130.0

2
30.5

40.25

5-56-55

6-56.5-60

7LDTransmitted power [dBm]

Transmitted power [dBm]-57-65
10 dB m-70

Ybの吸収
900~1000 nm

6 dBm

-75

8-57.5-58

表 2 PB 中の吸収係数の時間変化対応表-58.5-80

DefaltDarkened
Bleached

633 nm-85

DefaltDarkened
Bleached-59-59.5-60-90
400

600

800

1000

1200

1400

1000

1600

1050

1100

11501200

Wavelength [nm]Wavelength [nm]Fig.7 透過スペクトル

続いて PB を行っている最中の吸収係数の時間変化を Fig.8 に示す。これによると、照射強度が大きくなると吸収係数の減少も早く大きくなることがわかった。また、側面照射とクラッド照射どちらの場合においても照射強度がほぼ同じ大きさであれば、同様の PB 効果を得ることがわかった。
0.80

Absorption coefficient [/cm]

0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
0500

1000

1500

2000

2500

PB を行った際の、PB の吸収係数の時定数、および吸収係数の最終到達値限界を求めるため、Fig.8に示したグラフをフィッティングした。その際、一般的に用いられるエクスポネンシャルの式や、ダブルエクスポネンシャルの式ではフィッティングが行えなかったため、以下に示すストレッチエクスポネンシャルの式を用いてフィッティングを行った。

  t β α (t ) = A(∞ ) + [A(0) − A(∞ )]exp −     τ  (1)式において、A(∞)は吸収係数の最終到達値限界、A(0)は初期値、τは時定数、βはストレッチ
パラメータで 0≦β≦1 である。ストレッチエク
スポネンシャルによりフィッティングした結果を表にまとめたものを表 3 に示す。表 3 の値をグラフにしたものを Fig.9 に示す。プロットした点をさらにストレッチエクスポネンシャルでフィッティングを行った結果、最終到達値の限界値が0.011 /cm であることがわかった。このため、どれだけ照射強度を上げても PB により完全に未使用の状態の YDF と同等に回復させることは不可能である可能性がわかった。しかしながら、まだデータ点がそれほど多くないため、確実なことではない。

3000

照射強度[W/cm 2]

最終到達値
A(∞) [/cm]時定数τ [sec.]β11.10.29

1107.1

0.90

2

1.8

0.21

896.6

0.70

3

4.6

0.17

798.8

0.68

4

7.0

0.15

417.9

0.54

5

28.2

0.11

398.8

0.50

6

56.3

0.059

311.4

0.45

7

7.5

0.14

542.4

0.54

8

130.0

0.027

16.1

0.30

Time [sec.]

Fig.8 PB 中の吸収係数の時間変化

L (1)

表 3 フィッティング結果

1.2 103

1.0 103

0.20

8.0 1020.15

6.0 1020.10

4.0 102

0.05

2.0 10

2

0.30
0.25

A(infinity) LED

0.00
05101520225

τ [sec.]A (∞ ) [/cm]tau [sec.] LED0.030

Intensity [W/cm ]Fig.9 強度と時定数τ、最終到達値 A(∞∞)

フィッティングを行った結果のτについて評価を行う。今回用いたストレッチエクスポネンシャ
ルの式は、2 つのパラメータを持っていた。そのため、τについてのみ結果を得たかったのでβを固定してフィッティングを行った結果を用い、考察を行う。フィッティングにより得られたτの逆数を対数にしたものを縦軸、照射強度を対数にしたものを横軸にとってグラフにしたものを Fig.10に示す。
0.00ln(1/ττ [/sec.])-2.00

傾き n=1.1-4.00-6.00-8.00

傾き n=1.2LDLED
LD-10.00

LD,LED : β=0.4で固定-12.00-2024

6810ln(intensity [W/cm2])
Fig.10 両対数表示による傾き n の評価

この結果において緑のプロット点は、我々の研究室で行われている LD をクラッド照射することによる PB の研究で得られた結果である。

結果を見ると、側面照射の場合も、クラッド照射の場合も傾きはほぼ 1 であったので、どちらの場合も PB は 1 光子過程で生じているのではないかと考えられる。よって、側面照射の場合も、クラッド照射の場合も同様のメカニズムにより PB現象が起きており、側面照射による PB は有用であると考えられる。

5. 結論
紫外 LED を用いた側面照射による PB を行ったが、これにより照射強度が弱くても側面照射による PB が可能であることがわかった。また、側面照射による PB は照射強度に依存するということもわかった。
そして、吸収係数の変化についてフィッティン
グを行い考察したことによって、吸収係数の最終到達値には限界値が存在し、どれほど照射強度を上げて PB を行っても、未使用の状態の YDF には完全に回復することができない可能性があることもわかった。今回行った実験によると、最終到達値の限界値は 0.011 /cm であることがわかった。
LD を用いたクラッド照射による PB と紫外LED を用いて側面照射による PB の結果を比較したところ、どちらの場合も PB は 1 光子過程で生じていると考えられ、同じメカニズムで PB が行われているものであるとわかった。
今回の側面照射では光を閉じ込めることなくPB を行ったため、光源からの出力に対しファイバーに照射されている光が非常に小さかったた
め、効率がとても悪かったため、今後の展望としては、照射方法を改善すると同時に照射強度のファイバーに対する均一生を向上させる必要がある。そのために高散乱体を用い、ファイバーを格納し、その中に LED の光を閉じ込めることを考えている。また、今回用いたファイバーは 3.32 cmと非常に短かったので、より長いファイバーに対して同様の結果が得られるのか検証を行う必要がある。さらに、励起を行っている状態の YDFに対し、側面から紫外 LED を同時照射することによって、PD が起こりづらくなるのかを検証する必要がある。