Recherche dans les collections de brevets nationales et internationales
Une partie du contenu de cette demande n'est pas disponible pour le moment.
Si cette situation persiste, contactez-nous auObservations et contact
1. (WO1993019505) AMPLIFICATEUR A FIBRE OPTIQUE POLYMERE
Note: Texte fondé sur des processus automatiques de reconnaissance optique de caractères. Seule la version PDF a une valeur juridique
明 細 書

ポリマー光ファイノく一アンブ

技術分野

この発明は、 ポリマー光ファイバ一アンプに関するも のである。 さらに詳しくは、この発明は、高効率で広帯 域な増幅器と して有用な新しい G I 型ポリマー光フアイ バーア ンプに関する ものである。

背景技術

従来よ り、ポリマー光ファイノく一は、その易加工性、 低コス ト、取扱い易さなどの特性から、 ローカルエリア •ネットワーク ( L A ) や光センサ一中の光伝送デバ イスとして期待されている。その性能は、 現在、 G I 型 と S M (s i ng l e mode) 型の作製が可能になったため、十 分に広帯域な ものが得られているが、 伝送損失が石英系 光フ ァイバ一に比べると大きいという欠点がある。 ポリ マーの重水素化ゃフ ッ素化によ りこの伝送損失の低減は 可能と思われるが、 その低減効果には限界がある とも考 え られている。そこで、このような伝送損失を回復する ための手段と して、光ファイバ一システムに適合する、 よ り高性能な増幅器の出現が望まれる と ころである。そ れと言う のも、ポリマー光ファイバ一の伝送距離は 2 0 0 m程度である力 、ポリマー光ファイバ一アンプが 実現すれば、 今後必要と思われる総ての光 L A Nをポリ マ一光フ アイバーで構築する ことができるからである。 このような事情から、 ポリマー光ファイバ一アンプには 極めて大きな期待が寄せられている。

しかしながら、 現状においては、 そのようなフアイノく —アンプについては未だ報告された例がないのが実情で め O 0

この発明は以上の通りの状況に鑑みてなされたもので あ り、従来の光ファイバ一による伝送損失の問題を改善 し、 その優れた増幅作用によってポリ マー光フ ァイバ一 システムの性能を大き く向上させることのできる新しい ポリ マー光ファイバ一アンプを提供することを目的とし ている。

発明の開示

この発明は、 上記課題を解決する ことを目的とし、誘 導放出機能化合物を含有する G I 型プラスチック光ファ ィバーからなる ことを特徵とするポリ マー光ファイバ一 ァンプを提案する ものである。

この光フ アイバーアンプは、いわゆるレーザー発振器 とはその原理が異な り、 これとは明確に区別される機器 であって、 励起光 (ボンビング光)とは別個独立した光 源から別途入力された信号光を増幅する ものである。 信 号光の波長は、 励起光の波長とは異な らせる必要がある が、 この条件以外はその波長、 強度などは任意に別個設 定する ことができる。一方、レーザー発振器は、活性物 質が励起されて発する光のう ち特定波長の光をフ アブリ ペロー干渉計と称される二枚の反射鏡によ り多数回 j乂射 させる ことにより発振させるものであり、特に別個異な る光源からの信号光を入力する ものではない。 共振する 光の波長は、 フアブリペロー干渉計の二枚の反射鏡間隔 によ り規制される。

そして、この発明は、 G I 型ポリマ一光ファイバ一中 に有機色素等の誘導放出機能を有する化合物を ドープす ることにより、可視域で光増幅機能を有する有機色素 ド ープ G I 型ポリマー光ファイバ一を製造することができ、 その増幅機能も実験的に確認されたこ とから、 このよう な知見に基づいて完成された ものである。

この場合の ¾ "機色素ドープ G I 型ポリマー光ファイバ 一は、 多種多様に存在する有機色素の中から、 増幅を行 いたい波長に合わせて有機色素を選択して ドープする こ とによ り可視域の様々な波長で増幅を行う ことができる。

G I 型ポリマー光ファイバ一は S I 型ポリマー光ファ ィバーに比べ、 信号光、 増幅光、励起光のコヒ一レント 性を十分に保てるため、 G I型ポ リマー光ファイバーァ ンプは高効率で広帯域な増幅器となり得る。 また S I型 ポリ マ一光ファイバ一ではコア とクラッドの界面での反 射損失が大きいが、 G I型ポリマ—光フ ァィバ一では少 な く、このことも高効率な増幅器となることに寄与して レゝる。

G I型ポリ マー光ファイバ一アンプは、ファイバ一径 が S M(SINGLE MODE) 型(コア径 1 0 〃m以下)に比べ て 5 0 ^ m - 1 O mm、好ましくは 5 O / π!〜 l mmと 大き く、半導体レーザ等の素子より多くの光を容易に取 入れ易く 、またこのファイバ径の大きさはファイバの接 鐃を容易にし、 光ファイバ一システム との適合性を改良 し、 更に効率を良くしている。また G I型ポリマー光フ アイバーアンプは、 雑音が少ないなどの優れた特性を持 つている。

すでに石英系光フ アイバーでは E rを ドーブしたファ ィバ一ア ンプが開発されているが、 有機色素は E rに比 ベて本質的に増幅率 (ゲイン)が大きいので、この発明 のポ リマー光ファイバ一アンプの場合には、より高効率 の増幅が期待される。 実際石英系光フ ァイバ一では、 プ リフォームの製造、プリフォームからファイバーへの線 引きの工程で、 高温 ( 1 , 6 0 0〜 2, 0 0 0 °C) に加 熱する ことが必要なため、有機色素を ドープすることは 困難である と考えられる。 ところがポリマー光ファイバ

—では、 その製造工程で有機色素が壊される こ とが無い ため、 ドーピングが可能とな り、有機色素の優れた特性 を利用する ことができる。このため、この発明のポリマ

—光フ ァイバ一アンプは、近い将来実現される光 L A N、 データ リンク、光コンピューティングにおいて、 Key— de V i ceとなることが予想される。

図面の簡単な説明

第 1 図は、この発明の光ファイバ一アンプ製造のため のプリ フォームの屈折率分布を示した屈折率と規格化半 径との相関図である。

また、 第 2 図は、増幅作用の評価のための光学システ ム図であ り、第 3 図は、この発明の実施例としての励起 光強度と増幅率との相関図である。

図面中の符号は以下のものを示している。

1 N d : Y A G レーザー

2 K D * P単結晶

3 ビ一厶スプリ ツター

4 N D フイノレター

5 有機色素 ド一プポリマ一光ファイバ一

6 色素レーザー

7 ビームスプリ ツ夕一

o 分光

フォトマルチプライヤ一

1 0 オシロスコープ

1 1 ボックスカー積分器

1 2 高安定電源

a 励起光

b 信号光

発明を実施するための最良の形態

この発明のフ アイバーアンプについてさ らにその原理 的側面についてまず説明する と、 この発明を構成するた めの多 くの有機色素は蛍光の効率が高く 、しかも可視域 のかなり広い範囲にわたって高効率の蛍光特性を示す。 この特性を利用する こ とによって、かなり広いスぺクト ル領域にわたる光増幅が可能になる。

蛍光の効率の良い有機色素に効率良く 励起光を照射す る と、反転分布状態を作ることができる。反転分布状態 のところに、 蛍光波長に等しい波長のコ ヒ一 レントな光 (信号光) を入射させる と、誘導放出が起こり、光増幅 が行われる。 ただし蛍光スぺク トル、吸収スぺク トルは 広がりを持ち、 また両者が重なる波長帯もあるため、 波 長によ り増幅率 (ゲイン)は異なる。

このよ うな有機色素をポリマー光ファイバ一中にドー プする と、有機色素や励起光、 信号光を狭い領域に長距 離にわたって閉 じ込める ことが可能になる。つまり、ェ ネルギー密度を高 く、相互作用長を長くすることができ るため、 非常に効率の良い光増幅が行える。

有機色素を代表とする本発明の誘導放出機能化合物は、 誘導放出機能を有する有機または無機化合物である。 フ アイバー中に含まれる該化合物の濃度は、 該化合物の有 する誘導放出機能の程度や光吸収性の程度などによ り適 宜に決定され特に限定されない。 通常は、 0 . 0 0 0 1 p p m以上の濃度で含有されていれば良い。 一方、 該化 合物の濃度が余り に高濃度である と、増幅効率が急激に 低下する現象がみられ、 また増幅された光を該化合物が 吸収するこ と(こよる劣化(増幅光強度の低下) も生じる こ とがある。かかる観点から誘導放出機能化合物の含有 濃度の上限値と しては、 通常 1 重量%以下、好ましくは 0 . 0 1 重量%以下、さらに好ましくは 0 . 0 0 1 重量 %未満である こ とが適当である。

ドープするための有機色素の種類について特に限定さ れないこ とは言うまでもない。増幅したい光の波長に対 応して各種の有機色素を選択すればよい。 たとえば、 こ の発明の光フ ァイバ一ア ンプに使用可能な有機色素と し ては、 表 1 のものが例示される。

1

l . Rhodamine 6G 31. tarbostyril 124

2. Knoaamine 6 letrailuoroborate 32, rUPUr

o Rhodamine 6G Perchlorate COo UDT

. HPl

4 . Rhodamine B 34. Fluorescein

5 . Rhodamine 19 Perchlorate oo. 2', 7 -Dichlorofluorescein b, Knoaamine lui inner salt CcO, ouiiornoaainine D

Knoaamine llu 61. Sulforhodamine 101 o 8, Cresyl Violet Perchlorate 3 oo8. 腳し iodide

9,し oumarin 120 3 on9, Oxazine 4 Perchlorate

10. Co瞧 r in 2 40.

11. し ouman π 339 41. Oxazine I /O Perchlorate

12. Coumarin 1 42· Nile Blue A Perchlorate 丄 Q し ouinarin loo uxazine 丄 rercniorate 丄4. し oumariii iuo 44. ryriQine l

ID. し oumarin luz 4 , oiyryi /

1 o0. Pしn 0n11ΠmΕΓ* i1 nΠ ύ Q1丄 4 ΛΎ1 ― 4り, i Uし 10C11Q6

17 し OlJin Γ1Π ooo 4/ . し iodide

丄 δ o,し oumann loi し rypt ocyanine

1 Ω9. Coumarin 4 49. l UL I T Λodide

20. Coumarin 314 50. HITC Perchlorate

21. Coumarin 30 「 51. HITC Iodide

22. loufflarin 500 52. DTTC Iodide

3. Coumarin 307 53. DTTC Perchlorate

Coumarin 334 c 04. l -144

5. Coumarin 7 55. HDITC Perchlorate

6. Coumarin 343 56. IR-140

7. Coumarin 337 57. IR-132

8. Coumarin 6 58. IR-125

9. Coumarin 152

0. Coumarin 153

これらの有機色素を ド一プしてポ リマーに含有させた この発明の光フ ァイバ一アンプは、 これまでにこの発明 の発明者が提案してきた G I 型ポリマー光ファイバ一の 製造法をはじめと して各種の方法によって製造する こと ができる。 なかでも、 あらかじめモノマー中に有機色素 を混合し、 重合させる ことにより G I 型ポリマー光ファ ィバ一を製造する こ とができる。

すなわち所定の屈折率分布を形成する ことができるよ うに考慮された中空管状の重合体內に、 所要の屈折率分 布を形成するためのモノ マーと有機色素とを重合開始剤 等とともに入れ、 これを重合固化し、 次いで得られたプ リフオームを熱延伸 して所要の径のフアイバーに加工す る方法等が有益なものと-して例示される。

そして、 この発明の光フ ァイバ一は、たとえば高屈折 率ポ リマーを与えるモノマーとしてのベンジルメタクリ レー ト、エチレングリコールジメタクリレート、ビニル ベンゾエー 卜、ビニルフヱニルアセテー ト、等と、低屈 折率ポリ マーを与えるモノ マーとしてのメ チルメタクリ レー ト等の選択的拡散を利用する界面ゲル共重合法(Y. KO IKE POLYMER 3 2 , 1 7 3 7 ( 1 9 9 1 ) ) を利用す ることにより作製される。

あるいは、 アクリル系モノマーに溶解するアクリル重 合体からなる透明な中空重合管中、 ア クリル系モノマー を入れて該中空管壁のポリ マーがモノ マーに溶解しなが らラジカル重合させる界面ゲル化法、 さらに、フタル酸 ベンジル n —ブチルな どのポリマーに溶解し得る低分子 量化合物をメ タクリ酸メチルなどのモノマーに適宜の量 混合し、 この混合物を同じモノマーから製造された透明 な中空管に入れてラ ジカル重合させる界面ゲル化法な ど も採用する ことができる。

製造時に ドープする場合は、 モノマーに有機色素な ど の前記誘導放出機能化合物を適宜の量混合し、 これを重 合するのが便利である。

そのほか、 製造された G I 型ポリマー光ファイバ一を、 適宜の溶剤に色素が溶解してなる有機色素溶液に含浸さ せ、 これを乾燥する ことにより有機色素をド一プするこ とができ る。 S I 型光ファイバ一や S M型光ファイバ一 ではコアに ドーブする必要があるが、 G I 型では誘導放 出機能化合物が実質的にフ ァイバー全体に均一に ドープ されている ことが必要である。

もちろん、 この発明の光フ ァイバ一アンプについては、 様々 な態様が可能である ことは多言を要しない。たとえ ば、 この発明の誘導放出機能を有する化合物については、 上記の通りの ドープしてボリ マーに含有させる手段と と もに、 これらの化合物をポ リマーにペンダントして付加 する ようにしてもよい。

また、 これらの化合物はモノ マ一もしくはオリゴマー に付加して重合させる ことで含有させてもよい。 そして 有機色素化合物に限られる ことなく、有機錯体、あるい は無機物であっても よい。 その使用態様と してのシステ ムについても同様に様々 な態様が可能である。

この発明のポリ マー光フ ァイバ一アンプによると、第 2 図にその構成が示される ように、誘導放出機能化合物 を含む G I 型ポリマー光ファイバ一( 5 ) の端面に、励 起光 a と信号光 bを入射すれば、 励起光により誘導放出 機能化合物が励起され、 該励起状態に信号光が入射され る と、誘導放出により該信号光が増幅される。 従って、 適宜の分光器 ( 8 ) により一方の端面からの出射光を分 光すれば増幅された信号光を容易に取り 出すこ とができ る。 たとえば、 l m W〜 l 0 Wの強さの信号光の増幅が 可能である。

また、 ポリマー光ファイバ一アンプを励起する励起光 は、 第 2 図の例のように端面から入射する必要は必ずし もな く、ポリマ一光ファイバ一アンプの側面から照射し てもよい。 なお、信号光は通常微弱であるからフ ァイバ 一端面から入射する必要がある。

以下、 製造例および実施例を示し、 さ らに詳しくこの 発明について説明する。

製造例 1

(フ ァイバ一の製造)

① メタクリル酸メチル(MMA) ; 2 7 g、過酸化 ベンゾィル ; 0. 5 w t %、 n —ブチルメルカブタン; 0. 2 w t % (それぞれモノ マー比)の混合溶液を窒素 置換後、 外径 1 2 mm、 内径 1 0 mm、長さ 4 0 c m前 後のパイ レックス製で円筒型の重合管に入れた。

② これを重合管の中心軸を水平に し、その軸が回転 軸となる ように、約 2 0 0 0 r p mで回転させながら、 乾燥器中 7 0でで約 2 0時間加熱した。

③ 重合固化し、 中空状のポ リメタクリル酸メチル ( P MMA) を製造した。 重合管を割り、 これを取り出 した。

④ 中空管の中空部分にメ タクリル酸メチル(MMA ) ; 1 0 g、パーへキサ 3 M ; 0. 5 w t % . n —プチ ルメ ルカブタン; 0. 1 5 w t %。フタル酸べンジル n ーブチル ; 2 0 w t %、有機色素(ローダミン 6 Gなど ) ; 0. 0 0 4 w t % (それぞれモノ マー比)の混合溶 液を窒素置換後に入れた。

⑤ ポリ マー管の中心軸を水平に し、その軸が回転軸 となる ようにゆつくり( 5 0 r p m程度)回転させなが ら、 乾燥器中 9 5 °Cで約 2 0時間加熱、重合した。

⑥ 回転を止め、 1 1 0での乾燥器中に移し、 約 2 0 時間熱処理をした。

⑦ 1 1 0 °C、約 I mmH g下で、約 3 0時間熱処理 した。 得られたプリフォームの屈折率分布を示したもの が第 1 図である。屈折率分布は Carl Zeiss aus Jena社 製の干渉位相差顕微鏡 Interphakoを用い、縦方向干渉位 相差法によ り測定した。 測定用のサンプルは、 プリフォ ームの中央部分を厚さ約 1 mmの円盤状に切り 出し、 両 面を研磨して作製した。 第 1 図の横軸はプリ フォームの 規格化半径を表しており、 R pがプリ フォームの半径、 rがプリ フォームの中心からの距離である。 縦軸はプリ フ オームの中心の屈折率を基準と した屈折率差を表して いる。

⑧ 以上の手順で得られたプリ フ ォームを T g以上に 加熱し、 熱延伸 (線引き)を行い、有機色素をドープポ リマー光フ ァイバ一を作製した。 熱延伸装置のプリ フォ ーム供給速度と光フ ァイバ一巻き取り速度を調節する こ とによ り、数種類の太さ(ファイバ一直径: 5 0〜 5 0 0 / m) の光ファイバ一を作製した。

製造例 2

(フ ァイバーの製造)

① メタクリル酸メチル(MMA) ; 2 7 g、過酸化 ベンゾィ ル; 0 . 5 w t %、 n —ブチルメルカプタン; 0. 2 t % (それぞれモノマ一比)の混合溶液を窒素 置換後、 外径 1 2 mm、 内径 1 O mm、長さ 4 0 c m前 後のパイ レックス製で円筒型の重合管に入れた。

② これを重合管の中心軸を水平に し、その軸が回転 軸となる ように、約 2 0 0 0 r p mで回転させなら、 乾燥器中 7 0 °Cで約 2 0時間加熱した。

③ 重合固化し、 中空状のポリ メタクリル酸メチル( P MMA) を製造した。 重合管を割り、 これを取り出 し た。

④ 中空管の中空部分にメ タクリル酸メチル(MMA ) ; 1 0 g、パーへキサ 3 M ; 0. 5 w t % . n —ブチ ルメ ルカプタン; 0. 1 5 w t %。フ夕ル酸べンジル n ーブチル ; 2 0 w t %、有機色素(ローダミン 6 Gなど ) ; 0. O l p p m (それぞれモノ マー比)の混合溶液 を窒素置換後に入れた。

⑤ ポ リマー管の中心軸を水平に し、その軸が回転軸 となる ようにゆつくり( 5 0 r p m程度)回転させなが ら、乾燥器中 9 5 °Cで約 2 0時間加熱、重合した。

⑥ 回転を止め、 1 1 0 °Cの乾燥器中に移し、約 2 0 時間熱処理をした。 、

⑦ 1 1 0で、約 I mmH g下で、 約 3 0時間熱処理 した。 得られたプリフォームの屈折率分布は製造例 I と 同様にして Carl Zeiss aus Jena社製の干渉位相差顕微 鏡 Interphakoを用い、縦方向干渉位相差法によ り測定し た。 - ⑧ 以上の手順で得られたプリ フ ォームを T g以上に 加熱し、 熱延伸 (線引き)を行い、有機色素ド―ブポリ マ一光フ ァイバ一を作製した。 熱延伸装置のプリ フォー ム供耠速度と光フ ァイバ一巻き取り速度を調節する こと によ り、数種類の太さ(ファイバー直径: 5 0〜 5 0 0 m) の光フ ァイバ一を作製した。

実施例 1

(光フ ァイバ一アンプ)

① 製造例 1 および 2の方法によ り得られた有機色素 ドープポリ マー光ファイバ一の端面を研磨し、 第 2図の よう な測定系でァンプ性能を評価した。

② すなわち、 N d : YA Gレーザ一 ( 1 ) から 1 0 n sパルス光 (波長 1 0 6 4 n m) を KD + P単結晶

( 2 ) に照射し、 S H波第 2次高調波 (波長 5 3 2 n m ) を発生させ、 これをビームスプリ ツター( 3 ) により 2つに分けた。一方を励起光 ( a ) とし、有機色素ドー プポリ マー光ファイバ一( 5 ) に入射させ、他方は色素 レーザ一 ( 6 ) の励起光とした。色素レーザ一( 6 ) か らの光 (波長 5 9 2 n m ) をビームスプリツター( 7 ) で反射させて、 励起光 ( a ) と合わせて端面入射させた ③ 有機色素 ド一プポ リマー光ファイバ一( 5 ) から の出射光を分光器 ( 8 ) を使って 6 0 O n mのみ(ロー ダ ミン 6 G ド一プポリマー光ファイバ一の場合)取りだ し、 高安定電源 ( 1 2 ) に連結したフォトマルチブライ ヤー ( 9 ) で検出した。フォトマルチプライヤー( 9 ) からの信号を、 オシロスコープ ( 1 0 ) とボックスカー 積分器 ( 1 1 ) を使って処理した。

④ 以上のプロセスにおいて、 まず初めに励起光のみ を入射させ、 出射光強度がゼロである こ とを確認した。 このこ とにより A S E (増幅された自然放出光) の発生 が信号光レベルに比べて十分に小さいこ とを確かめた。

⑤ N Dフ ィルタ一( 4 ) により励起光強度を変化さ せ、 その度にパワーメーターで Aの位置の光強度を測定 し、増幅率 (ゲイン)を求めた。その結果を示したもの が第 3図である。 増幅率は励起光強度ゼロの時の信号光 強度を基準と した。

この結果よ り、この発明に光フ ァイバ一アンプによる 増幅効果の大きいこ とがよ くわかる。

なお、 第 3 図では S H波を二つに分けて利用 している おり、 その一方はこの発明のア ンプの励起光と して利用 され、 もう一方は色素レーザーの励起光に利用されてい る。色素レーザーの励起光に利用されている方は、 S H 波とは別異の レーザー光が発生しこれをアンプの信号光 b としている。すなわち S H波の一方は、単なる色素レ 一ザ一の励起光に使用されている ©みであるから、 従つ て、 アンプに直接入射される励起光と信号光とはそれぞ れ別個独立の光源からのものである といえる。

産業上の利用可能性

この発明によ り、以上詳しく説明した通り、 ファイバ 一プラスチ ックとしてはじめての、増幅作用を有する光 ファイバ一アンプが実現される。