光通信用ホログラフィック光学素子

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(1)光通信用ホログラフィック光学素子大島茂*. AH o l o g r a p h i cO p t i c a lE l e m e n tf o rO p t i c a lF i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s S h i g e r uOhshima. Anewh o l o g r a p h i co p t i c a le l e m e n t(H OE)f o ro p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a sb e e np r o p o s e d . TheHOEi s 制 r d i o d e( L D ) . Ano p t i c a lc o u p l i n gs y s t e mfroma nLDω f o r m e dd u r i n gi r r a d i a t i o nl i g h tfroma no p t i c a lf i b e ra n da1. as i n g l emodef i b e ri scomposedw i t h o u ta l i g n i n gt h ef i b e r . The∞s to ft h eLDmodulewi 1 lbed r a s t i c a l 1yr e d u c e d b e c a u s et h e r ei snof i b e ra l i g n m e n tp r o c e s s . I th a sb e e nshownt h a tt h es p o ts i z eoft h eLDc a nb ec o n v e r t e di n t ot h a t o ft h ef i b e rbyt h eHOE. Thei n f l u e n c eofmovementi naf i b e rf i x i n gp r o c e s sc a nb ea l s on e g l e c t e db e c a u s et h eo p t i c a l c a lf i b e ra m p l i f i e r sa n dt h e c o u p l i n gs y s t e mi sf o r m e da f t e rt h ef i b e rf i x i n gp r o c e s s . Owingt oh i g h o u t p u t0戸i d e v e l o p m e n to fo r g a n i cd y ef o ro p t i c a ld i s k ss u c hCD ・ Ra n dDVD， R ap o s s i b i l i t yf o rs u c hanewHOEcomesou t . Them a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ft h eHOEh a sb e e na l s od e s c r i b e di nt h i sp a p e r .. Keyword:h o l o g r a p h i co p t i c a le l e m e n t ，h%gram ，o p t i c a l f i b e ，r c o m m u n i c a t i o n ，o r g a n i cφ' e . フ l i n ， g W.o p t i ωla m p l i f i e r o p t i c a lc o u l ，. 1.はじめに. 光源とファイパからの両方の光を干渉させ、焼き付けたホ. 光ファイパ通信技術は光ファイパが有する低損失性、広. ログラムによって光結合を実現するものである。近年では、. 帯域性、省スペース性などの特徴により幹線系、海底系は. このようなホログラフィによる光学素子を HOE. もとよりアクセス系にも適用されてきた。通常の単一モー. ( H o l o g r a p h i cO p t i c a lE l e m e n t )と呼ぶ。ところが、光通信に. ド光ファイパの素線価格は 1 m当たり 2円程度まで下が. 適した波長は光ファイパの損失が最小となる 1 . 55μm. り、銅のベア線以下になっている。しかし、光が通る光フ. であり、この波長は長すぎるためにホログラムの焼付けに. ァイパコアの直径は 10 μ mと小さく、このため、光接続. 適さない。長波長の光は光子のエネノレギー hvが小さいた. は μ mの精度が必要である。光源となる半導体レ)ザの発. め、強い光を照射しても感光しないのである。露光を可視. 光径はさらに小さく、 1 μ m程度である。従って、レーザ. 光で行うことによりホログラムの製作は可能になるが、通. の位置精度はサプミクロンの精度が要求される。半導体レ. 常の光学レンズと同様に高精度の位置合わせを行う必要. ーザと光ファイパの光結合部を有するレーザモジュール. 性が生じる。これでは自己光結合の利点が出ないので、光. の組立では高精度の軸合わせの必要とし、高価な微動台を. 通信用の HOEは実用化されることなく、現在に至ってい. 長時間占有する。このため、軸合わせのコストが高価なも. る。. のになっている。. 自己光結合の別の方法として光源に向かつて光導波路. 光源と光ファイパの光結合を自動的に行うための研. を成長させる方法が提案・実験されているへしかし、こ. 究・提案は古くからある。ホログラフィを用いた光結合は. の方法は光導波路の成長に時間が掛かるため、安価に大量. 1975年に大阪大学の小山次郎教授らが提案した 1) 。. 生産することが困難であると思われる。以上のような背景から、筆者は有機色素を用いた光通信. *近畿大学工業高等専門学校. 用の HOEを提案する。有機色素膜を光通信の波長で露光. 総合システム工学科. し、そのまま自己光結合が可能なホログラムの実現を目指. 電気情報系. す。本論文は有機色素を用いた光通信用の HOEを提案し、. 司1よ. ， n μ.

(2) ァイパは半導体レーザ光のごく一部を受光し、光増幅器に. 製造方法を含めた構想を示す。. よって増幅した後、元の光ファイパに戻す。光増幅器は必. 2. 有樺色素のホログラフィック光学素子. 要に応じて 2段あるいは 3段構成とし、光増幅器から発生. 有機色素は種々あるが、筆者が注目している有機色素は. する自然放出光を除くために狭帯域光フィノレタなども挿. C D - Rや D V D - Rの記録媒体として使われている種. 入する。光ファイパの光電力はレーザの光電力の数十倍強. 類である。強い光を照射することにより有機色素が熱によ. くするが、電界強度は光電力の平方根に比例するので、電. って分解し、屈折率や光学長が変化する。このような作用. 界強度は数倍しか違わない。 2つの光の干渉現象は 2つの. により光ディスク上に信号を記録し、弱い光を照射するこ. 光の電界強度の和および差で表されるので、干渉縞の明暗. とにより信号を読み出すことが出来る。これらの光ディス. ( v i s i b i l i t y )は十分得られる。このようにして焼き付けた. クには波長 o . 8 μ m以下の短波長の光が使われている。. ホログラムはそのまま光ファイパへの光結合を行うこと. 光ディスクでは記録密度を高めるために、光源の波長を短. が可能になる。同図 (b) にその様子を示す。光増幅する. くする方向で進展している。したがって、 O.8 μ mより. ための入力ファイパがそのままホログラムを露光するた. 長い波長の色素に関してはほとんど研究されておらず、デ. めに用いられ、同じファイバがそのままレーザモジューノレ. . 55 μ mのータが極めて乏しい状況である。もしも、 1. の出力ファイパになる点がみそである。このように、光フ. 光を吸収し、熱分解を起こす有機色素を見出せれば、光通. ァイパの位置調整をすること無く、 10 μ mコア径のファ. 信用の光源で露光し、そのまま自己光結合が可能なホログ. イパに光結合を行うことを可能とする画期的な方法であ. ラフィが実現できる。ポイントは光による熱分解であり、. る。通常、光ファイパのフェーノレール(光ファイバを保持し. 光化学反応では無い点、すなわち、光子のエネルギー hv. s u sのホノレダー)の固定には YAGレーザによるス. の効果では無く、光電力のみが有効になる点である。光電. ている. 力の問題であれば、近年、急速に発展してきた光ファイパ. ポット溶接が用いられる。 YAG レーザにより溶融した金. 増幅器を用いることができる。訟をドープした光ファイ. 属が凝固する時に収縮し、軸ずれが生じる。通常のレーザ. パに励起光を注入し、単一モードファイパ出力でワットク. モジューノレでは精密な軸合わせを行った後に YAGレーザ. . 55 μ m帯で得ることが可能であラスの光電力を波長 1. による固定を行うため、固定時の軸ずれは光結合効率の劣. る。. 化を引き起こす。しかし、本研究の HOEによる光結合では、光ファイパフェーノレールを固定する時は光結合系が完. 有機色素膜. 成していないため、固定時の軸ずれの影響はほとんど生じない。固定時に軸ずれが生じても、そのずれた位置に対して光結合を行うので、光結合効率の劣化は生じない。本研究の HOEは高精度軸あわせによる高コストと固定時軸ずれによる光結合効率劣化の 2 つの問題を解決する有効な手法である。ガウシャンビームウエストのスポット径が 2 μ mであ. ( a )有機色素膜の露光. る半導体レーザとビームウエストスポット径が 10 μ m の光ファイパから同一波長の光ビームが出射し、この 2つの光が干渉することによって生じる干渉縞の計算例を図. 2 (a) に示す。中心部分では縞の間隔が大きいが、周辺一+出力光. 部になるほど間隔が細かくなる。この干渉縞の光強度に比例して光学長が微少量変化するため、レーザの透過光の位相が空間的に変調され、透過光が光ファイパに集光される。集光面(光ファイパ端面)における光強度分布の計算例を. (b)ホログラムによる光結合. 図 (b) に示す。光ファイパのスポットサイズとほぼ同等図 1 ホログラフィ光学素子. のスポットサイズが得られており、光ファイパに効率良く光結合できる。半導体レーザのスポットサイズは 2 μ mで. 図 1に光通信用のホログラフィ光学素子の概念を模式. あったので、スポットサイズが拡大されている。従って、. 的に示す。同図(a) では半導体レーザと光ファイノくから. 本方式による光結合は位置合わせが自動的に行われ、かつ、. 強い光を照射することにより、露光する様子を示す。光フ. スポットサイズの変換も行われるので、高効率の光結合が. ηJU. 白つ.

(3) 機色素を探索している。. 実現される。現在、数学ソフトを用いて HOEの特性解析を行ってお. 試料. り、露光時と運用時の波長ずれの影響やホログラムの膨張率の影響などを定量的に解析している。. 四. 州問題詞. 。. 0 . 6 r( m m ). 0 . 2. 0 . 4. 0 . 8. 1 . 0. ( a )有機色素膜上での光干渉による光強度分布. 。. 5. 1 0 r( μ m ). 光スヘ。クトラムアナライザ図1 3 吸収スベクトル測定装置. 1 5. (b)光ファイパ端面上に集光された光強度分布. 図 2 光強度分布の計算例. 3. 有蟻色素の探索ホログラフィック光学素子に適した有機色素は波長 1. 図 4 光スペクトラムアナライザの外観. 55 μ mにおいて、ある程度の光吸収を有し、 1OOoC以上 2OOoC 未満で分解する性質が求められる。まず、波長. 4. おわりに. 1 . 55 μ mで、の光吸収を有する色素を探索するために、. Hyp 釘c u b e社の H y p e rChem 7 . 5 を用いて振動解析を行. 有機色素を用いた光通信用の HOEを提案した。有機色. い、吸収スベクトノレを求めている。現在、候補となる物質. 素により光通信の波長で露光し、そのまま自己光結合を可. を選択し、シミュレーションを行っている。. 能とする。本方式は光ファイパフェーノレー/レの固定時に生じる軸ずれの影響を無視できる特徴も合わせ持つなど複. 可能性のある有機色素は実際に入手し、吸収スベクトルを測定する。そのための実験装置の構成を図 3に示す。光. 数の利点を有する。現在、 HOEの特性解析や有機色素の探索を行っており、. ファイバアンプの自然放出光や LEDを光源とし、これら. 実用性が高い HOEの実現を目指している。. の光を単一モードファイパに入射させる。ファイバの途中のファイパコリメータ部に有機色素膜のサンプルを置き、. す。この装置内には分光器が内蔵されているが、光学系を. 参考文献 1 ) H. N i s h i h a r a ，" H o l o c o u p l e r: AN o v e lC o u p l e rf o rOp t i c a l 臼， "I E E EJ o u m a lo f Qu組t u mE l e c 位'OnICS， 1 9 7 5， C i r c u i p p . 7 9 4 ・ 7 9 6. 意識することなく、電気のスペクトラムアナライザのよう. . Yam 鎚 h i t a ，組dH.ω 1，" L i g h t ・ i n d u c e d 2 )M .K a g a m i，T. に取り扱うことができる。吸収スペクトルを評価するため. 旺: ' w r i t t e nt h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a lw a v e g u i d e， " A p p l i e d s e P h y s i c sL e t t e r s ，ぬL7 9， n o. 8 ， 2 0 0 1，p p. 1 0 7 9 ・1 0 8 1. 光を透過させる。有機色素膜によって光吸収が行われた後の光スペクトノレ成分を光スペクトラムアナライザによって観測する。図 4に光スペクトラムアナライザの外観を示. のサンプノレは有機色素を溶剤に溶かし、スピンコータによって基板に塗布することにより製作する。スピンコータは簡易型ではあるが、回転数はフィードパック制御されており、実験の再現性は確保できるものである。現在、光吸収スベクトノレの特'性と薄膜化の 2つの面で可能性がある有. 円ベU. ワ山.

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