自己光結合用ホログラフィック光学素子の諸特性の検討

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(1)自己光結合用ホログラフイツク光学素子の諸特性の検討大島茂*. I n v e s t i g a t i o no fC h a r a c t e r i s t i c so faH o l o g r a p h i cO p t i c a lElementf o rO p t i c a l S e l f c o u p l i n g S h i g e r uOhshima. Ah o l o g r a p h i co p t i c a le l e m e n t(HOE)f o rf i b e rc o u p l i n gt oal a s e rd i o d e(LD)h a sb e e ni n v e s t i g a t e d. 百四 HOEi s f o r m e dd u r i n gi r r a d i a t i o nl i g h t企oma no p t i c a lf i b e randa nLD. Ano p t i c a lc o u p l i n gs y s t e m仕oma nLDt oas i n g l e modef i b e ri scomposedw i t h o u ta l i g n i n gt h ef i b e r . Thec o s to ft h eLDmodulewhichi se q u i p p e dw i t ht h eo p t i c a l r ei snof i b e ra l i g n m e n tp r o c e s s . However ，t h eo p t i c a lc o u p l i n g c o u p l i n gs y s t e mw i l lb ed r a s t i c a l l yr e d u c e db e c a u s e血e e f f i c i e n c y企omt h eLDt ot h ef i b e ru s i n gt h eHOEwasv e r yl o w . Weh a v eshowni m p r o v e m e n tm e t h o d sf o ro p t i c a l th a sb e e nshown也a tt h eo p t i c a lc o u p l i n ge f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e dbymeanso f c o u p l i n ge f f i c i e n c yi nt h i sp a p e r . I. n f l u e n c e so ft h eLDw a v e l e n g t hf l u c t u a t i o nh a v eb e e na l s o t h r e s h o l dc h a r a c t e r i s t i co ft h ee x p o s u r e. F u r t h e r m o r e，i s h o w n . Asf o rt h em a n u f a c t u r eo ft h eHOE，1h a v ef o u n dp r o m i s i n go r g a n i cd y e sf o rt h eHOE. Th eo r g a n i cd y e s 仕ai nt h ew a v e l e n g t ho f1.55μm. I th a sa l s oshownt h a tt h eo r g a n i cd y e sc o u l db ep r o c e s s e di n h a v ea b s o r p t i o ns p e c t h es h a p eo faf i l mbyu s i n gh i g hp o l y m e rr e s i n .. 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 ologram ，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 cφl e ， o p t i c a lc o u p l i n g ，LD ，o p t i c a la m p l i f i e r. 1.はじめに. 世の中では実現されていない。提案した方式では、有機色. 光ファイバ通信技術は光ファイバが有する低損失性、広. 素膜を強い光で焼き付けることにより、現像の工程なしに. 帯域性、省スペース性などの特徴により、幹線系、海底系. ホログラムを作成する点がポイントである O 現像が不要で. はもとよりアクセス系にも適用されてきた。しかし、光が. あるため、 LD、ホログラム、光ファイバの位置を変える. 通る光ファイパコアの直径は 10μmと小さく、このため、. ことなく、そのままの状態で光結合が行われる O すなわち、. 光接続には 1μm程度の位置精度が必要で、ある D したがっ. 自己光結合が実現されることになる O. て、半導体レーザ(LD)と光ファイパの光結合部を有する. しかし、上述のようにして焼き付けたホログラムの光結. LDモジュールは高コストになる O そこで、 LDと光ファイ. 合効率はそれほど高くなく、改善が必要であることが判明. パの光結合を自動的に行う自己光結合を実現し、低コスト. した 3).4)。また、露光した波長と光結合時の波長が変化. な LDモジ、ユールの実現が望まれている O 筆者は有機色素. した場合の影響なども分かつておらず、種々のパラメータ. 、シミ膜のホログラムを用いた光結合方法を提案し 1)、2). の影響が理解されていなかった。さらに、光通信に適した. ュレーションにより自己光結合が実現可能であることを. 露光可能な有機色素も見出されていな波長 1.55μmで、. 示した。ホログラフィによる光学素子を HOE( H o l o g r a p h i c. いため、有機色素膜を製作することが出来なかった。. O p t i c a lE l e m e n t )と呼ぶが、 HOEによる自己光結合は、まだ、. 近年の研究により、上記の問題点が解決されつつあり、本稿でご紹介する D. *近畿大学工業高等専門学校総合システム工学科電気電子系. d斗 A. 1i.

(2) 2 . 有機色素のホログラフィック光学素子. 干渉縞が生じ、この干渉縞の光強度に比例して光学長が変. 有機色素は種々あるが、筆者が探索している有機色素は. 化(光の位相変化に比例)するホログラムを比例型と呼ぶ. . 55μmの強い光を照射することにより、熱によ波長 1. ことにする o 比例型ホログラムでは、周辺部の光強度が弱. って分解し、屈折率や光学長が変化するものである O した. いことから、周辺部は位相変化量が不足する O 数学ソフト. . 55μmの波長で、ある程度の光吸収を有し、がって、 1. M a t h c a dを用いて光結合効率を計算したところ、 4 . 2%. 20OoC前後の温度で熱分解する色素が望まれる O しかし、. と小さいことが判明した。そこで、光強度が増すと光学長. 1 . 55μmの波長で非常に大きな光吸収を有すると、レ. 変化 δが飽和し、中心部の光学長変化 8が抑圧され、相対. ーザ光が吸収され、光ファイパに結合できなくなる O した. 的に周辺部の光学長変化 3が増大する飽和型ホログラム. がって、. を提案した 3、) 4)。光強度に比例して光学長が際限なく変. 10~50% 程度の光吸収率が望ましい。. 化することは現実的で、なく、ある限界で飽和すると考える方が妥当である O 光強度 Iに対して光学長変化 8は S∞. t a n hIとし、飽和型を数式化した。飽和型によって、光結半導体. 合効率は 7.4%に改善された。. レーザ. 更に光結合効率を改善するために、しきい型ホログラムを定義した。以上の 3種類のホログラムの露光量と位相変化量の関係を図 2に示す。飽和型は周辺部の位相変化量を増大させることができるが、中心部では位相変化が大きい. ( a )有機色素膜の露光. 部分が広くなり、バランスが崩れる O 少しでもバランスを整える方式がしきい型である O 通常の写真フィルムの露光特性などでも、しきい値と飽和特性を合わせ持っており、. 半導体. 図 2のしきい型の特性は現実的と考えられる D しきい型に. レーザ. 一+出力光. . 5%の結合効率が得られる O 図 3にしきい型のすると 8 光学長変化の様子を示す。光学長変化が小さい領域が、まだ、狭く、バランスの改善が不十分であることが分かる O. (b)ホログラムによる光結合. 更に結合効率を改善するためには位相変化量が飽和せず. 図 1 ホログラフィ光学素子. に緩やかに変化し、かっ、周辺部の位相変化が不足しない特性が適していると考えられる O. 図 1に自己光結合ホログラムを模式的に示す。同図(a) では LD と光ファイパから強い光を照射することにより、し、光増幅器によって増幅した後、元の光ファイパに戻す。光増幅器としては、近年、急速に発達した Er ドープト光ファイパ増幅器を用いることが可能である O 単一モードフ. 位相変化量φ. 露光する様子を示す。光ファイパは LDのごく一部を受光. 2. a . u .. ァイパ出力でワットクラスの光電力を波長1. 55μm帯で得られる o LDの直接光と光増幅器からの放射光は有機. 0 . 5. 1 .5. 色素膜上で干渉し、干渉縞の光強度が強い部分では有機色素を熱分解する D このようにして有機色素膜はホログラム. 露光量 E 図2. a . u .. 2. 各種ホログラムの露光量に対する位相変化量. となり、光ファイパへの自己光結合が可能になる D 同図がそのままホログラムを露光するために用いられ、同じファイパがそのまま LDモジュールの出力ファイパになる O. 位相変化量. (b) にその様子を示す。光増幅するための入力ファイパ. 3.光結合効率の改善 LDのピームウエストのスポット径は 2μmのガウシャ. ンピームとし、光ファイバのピームウエストのスポット径は 10μ mとした。この 2つの光が干渉することによって. -42-. 0 . 2. R. 0 . 8. (mm). 図 3 しきい形ホログラムの位相変化特性. 1 .0.

(3) 4.結合波長の依存性. 算から判明している D 波長と位置の両方のずれを利用して、. LDは 1o cで O. 1n mの波長変動が生じ、 1m Aの注入電流変化で O.Olnmの波長変動が生じる O 従って、露. 最適な波長で光結合を行うことが可能と考えている D 有機色素膜はガラスのように熱膨張率が小さい材料の. 光時と結合時では数 n m波長が異なることが予想される O. 上に成膜すれば熱膨張の影響は低減可能である o 10-5. そこで、露光時の波長を1. 55μmとし、結合時の波長. 程度の通常のガラスでも大きな問題は生じないので、熱膨. 変動の影響を計算した。比例型ホログラムの結果を図 4に. 張についての詳述は割愛させていただくが、基本的には結. 示す。LDとホログラム間の距離 ZLは当初、 2mmにして. 合波長の変化と同様の振る舞いをすることを申し上げて. いたが、図 4を見て分かるように波長依存性がかなり大き. おく. O. い。そこで、波長依存性を低減させる方法として、光学系. 5.有機色素の探索. 全体を小さくし、波長変化による位相変化量を低減する方法を考えた。図 4に示されているように、 ZLを小さくす. ホログラフイツク光学素子に適した有機色素は波長 1.. ると波長依存性も低減することが分かる O ここでは、光学. 55μmにおいて、ある程度の光吸収を有し、 20Oo C前. 系の像倍率は常に 5倍とし、ホログラムと光ファイバの距. 後で分解する性質が求められる O この様な性質がジイモニ. 離 ZF=5ZLとした。図 4では、露光波長より結合時の波. ウム系色素で得られる可能性がある O アミニウム系色素は. 長が短いと、結合効率が改善されている O この理由は明確. . 55μm帯で、大きすぎる光吸収を有しており、本波長 1. ではないが、比例型は周辺部が位相変化不足になっており、. 研究には適さないことが判明した。ジイモニウム系色素は. 短波長化することにより位相変化不足が多少、改善され、. 図 6に示すように、波長1. 55μm帯での光吸収が小さ. 結合効率の向上に繋がっていると考えている O. く、濃度や厚さを加減すれば使える可能性がある O ジイモニウム系色素はアセトンに溶解するので、溶剤に. [日]. 溶かした後、スピンコータによって基板に塗布したところ、. w堤凶町摂 h. 色素が粉末状に析出した。このため、機械的に弱く、均一性も乏しく、ホログラムには適さない。そこで、高分子モノマーである MMA中に溶かしたが、色素が MMAの重合を妨げ、ポリマー化しなかった。MMAを半重合状態にし. 2. た後、色素を加えると成膜が可能であったが、光吸収が予. 。. 想以上に大きく、ガラス基板から剥離するなどの問題があ. 1 . 5 3 5. 1 . 5 4 0. 1 . 5 4 5 結合波長 Ac (μm). 1 . 5 5 0. 1 . 5 5 5. ような試行錯誤を繰り返しており、ホログラムに適した成. 図 4 比例型の結合波長特性. ワ. った。現在、高分子樹脂と色素の取り扱いに関して以上の. 膜条件を探索中である O 1 . 0. ，7以イ忌2 : T 1 ￨ゆ型. 10l. 露81 ZL=.~拘mEぷ叩明書ミ γ y.r/ z ， =1.0mm 4 [ 1 61. 擢~. 0 . 8. コ偲 . . . . .0. 6. . "/'. . r. 4l. 0. 4 ヨ L. .~. 2. . x . ，. x. 0 . 2. .‘賀~ . ー ! t. 0. 1 .5 4. 事. 1 . 5 4 5. 1 . 5 5 結合波長 Ac ( J 1m). 1 . 5 5 5. O. 1 . 5 6. 5 0 0. 1 0 0 0. 1 5 0 0. 2 0 0 0. 波長 (nm). 図 5 飽和型としきい型の結合波長特性. 図 6 ジイモニウム系色素の光吸収スペクトル. 図 5に飽和型、しきい型の特性を示す。ZLは小さいほ. 6.おわりに. うがよいので、 lmm以下の場合について計算した。飽和型はしきい型より波長依存性が大きいが、最適な結合波長. 有機色素による自己光結合用の HOEの検討を深め、 LD. ではしきい型を超え、光結合効率は 10%に達する O 結合. 一光ファイノ Tの光結合効率の改善方法について述べた。理. 波長をずらす代わりに、光ファイパの Z軸方向の位置をず. 想的な位相変化特性の条件が分かり、今後、実現性を検討. らしても同様の効果が得られることが位置ずれ特性の計. する o また、結合波長の影響が求まり、光学系を小型にす. -43-.

(4) ることにより波長依存性が低減できることが判明した。光学系を小さく組むことは、露光時の光電力を低減でき、ホログラムの製作が容易になる O 更に、飽和型では結合波長を露光波長より短くすることにより結合効率が 20%程度改善されることが分かつた。また、ジイモニウム系色素を高分子樹脂中に導入する手法について試行錯誤を行っており、今後、ホログラムに適した有機色素膜を製作する予定である。. 参考文献 1 ) 大島. 茂:光通信用ホログラフイツク光学素子、近畿. 大学工業高等専門学校研究紀要、 1号、 pp. 2 1・2 3、2007 2 ) 大島. 茂:光通信用ホログラフイツク光学素子による. 自己光結合、電子情報通信学会 2008年度総合大会、光エレクトロニクス、 C-3-34 3 ) 大島. 茂:光通信用ホログラフイツク光学素子の特性. 改善方法の検討、近畿大学工業高等専門学校研究紀要、 2号、 pp. 27・29、2008 4 ) 大島. 茂、高田信一:光通信用ホログラフイツク光学. 素子による自己光結合 E、電子情報通信学会 2009年度総合大会、光エレクトロニクス、 C-3・52. -44-.

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