特許 7309142 光導波路デバイス、光モジュール、レーザ装置、及び光導波路デバイスの作製方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-07

(45)【発行日】2023-07-18

(54)【発明の名称】光導波路デバイス、光モジュール、レーザ装置、及び光導波路デバイスの作製方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20230710BHJP

   G02B 6/13 20060101ALI20230710BHJP

   G02B 6/30 20060101ALI20230710BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20230710BHJP

   G02F 1/361 20060101ALI20230710BHJP

   H01S 3/113 20060101ALI20230710BHJP

【ＦＩ】

G02B6/12 371

G02B6/13

G02B6/30

G02B6/42

G02F1/361

H01S3/113

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019023396

(22)【出願日】2019-02-13

(65)【公開番号】P2020134552

(43)【公開日】2020-08-31

【審査請求日】2022-02-02

(73)【特許権者】

【識別番号】598121341

【氏名又は名称】慶應義塾

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】石榑 崇明

(72)【発明者】

【氏名】望月 康平

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 遥彦

(72)【発明者】

【氏名】セット ジイヨン

(72)【発明者】

【氏名】山下 真司

【審査官】堀部 修平

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／０３５８２３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３－０５７４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０９４０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０９７０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０２７１２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００２３６４３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】吉田翔，受動モード同期デバイスへ向けたカーボンナノチューブドープポリマー光導波路，信学技報，ＯＰＥ２０１５－２２０，日本，一般社団法人電気情報通信学会，2016年，第７頁－第１１頁

【文献】UCHIDA, Sho et al.，Carbon Nanotube-doped Polymer Optical Fiber: Fabrication and Application to Passively Mode-Locked Laser，21st Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society, LEOS，IEEE，2008年，WDD4，pp. 665 - 666

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１２ － ６／１４

Ｇ０２Ｂ ６／２６ － ６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０ － ６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２ － ６／４３

Ｇ０２Ｆ １／００ － １／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１ － ７／００

Ｈ０１Ｓ ３／００ － ３／０２

Ｈ０１Ｓ ３／０４ － ３／０９５９

Ｈ０１Ｓ ３／０９８ － ３／１０２

Ｈ０１Ｓ ３／１０５ － ３／１３１

Ｈ０１Ｓ ３／１３６ － ３／２１３

Ｈ０１Ｓ ３／２３ － ４／００

Ｃ０８Ｆ ２／００ － ２／６０

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

Ｓｃｏｐｕｓ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定量のナノカーボン材料と、前記ナノカーボン材料の分散安定剤とを含む第１のモノマーの重合体であるクラッド層と、
前記第１のモノマーと異なる第２のモノマーの重合体である導波路コアと、
を有し、
前記クラッド層は面内方向に広がる所定の厚さの層であり、前記導波路コアは前記クラッド層の内部に延びる断面が円形の円形コアであり、
前記第１のモノマーの重合体の質量に対する前記ナノカーボン材料の濃度は１０ｐｐｍ～１００ｐｐｍ、前記分散安定剤の割合は０．５ｗｔ．％～５．０ｗｔ．％である
光導波路デバイス。

【請求項2】

第１のモノマーの重合体で形成されているクラッド層と、
所定量のナノカーボン材料と前記ナノカーボン材料の分散安定剤とを含む第２のモノマーの重合体で形成されている導波路コアと、
を有し、
前記クラッド層は面内方向に広がる所定の厚さの層であり、前記導波路コアは前記クラッド層の内部に延びる断面が円形のシングルモードの円形コアであり、
前記第２のモノマーの重合体の質量に対する前記ナノカーボン材料の濃度は０．９ｐｐｍ～４．５ｐｐｍである
光導波路デバイス。

【請求項3】

請求項１または２に記載の光導波路デバイスと、
前記光導波路デバイスの一端側で前記導波路コアと光学的に接続される第１の光ファイバを保持する第１保持基板と、
前記光導波路デバイスの他端側で前記導波路コアと光学的に接続される第２の光ファイバを保持する第２保持基板と、
を有し、前記導波路コアと、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバは接着固定されている光モジュール。

【請求項4】

前記第１保持基板と前記第２保持基板の少なくとも一方は前記第１の光ファイバまたは前記第２の光ファイバを保持するＶ溝を有することを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。

【請求項5】

請求項１または２に記載の光導波路デバイスと、
励起光を出力する励起光源と、
前記励起光を前記光導波路デバイスに入力する光ファイバと、
前記光導波路デバイスを透過した光の少なくとも一部を外部に取り出す光カプラと、
を有するレーザ装置。

【請求項6】

第１のモノマーに、所定量のナノカーボン材料と、前記ナノカーボン材料の分散安定剤とを添加してナノカーボン添加クラッドモノマーを生成し、
前記ナノカーボン添加クラッドモノマーで面内方向に広がる所定の厚さのクラッド層を形成し、
前記クラッド層にニードルを挿入し、前記第１のモノマーと異なるコアモノマーを前記ニードルの先端から吐出しながら前記ニードルを走査して円形コアの導波路コアを形成し、
前記第１のモノマーの質量に対する前記ナノカーボン材料の濃度を１０ｐｐｍ～１００ｐｐｍ、前記分散安定剤の割合を０．５ｗｔ．％～５．０ｗｔ．％とする
ナノカーボン添加光導波路デバイスの作製方法。

【請求項7】

所定量のナノカーボン材料と前記ナノカーボン材料の分散安定剤とを含むナノカーボン添加コアモノマーを生成し、
前記ナノカーボン添加コアモノマーと異なるクラッドモノマーで面内方向に広がる所定の厚さのクラッド層を形成し、
前記クラッド層にニードルを挿入し、前記ナノカーボン添加コアモノマーを前記ニードルの先端から吐出しながら前記ニードルを走査してシングルモードの円形コアの導波路コアを形成し、
前記ナノカーボン添加コアモノマーの質量に対する前記ナノカーボン材料の濃度を０．９ｐｐｍ～４．５ｐｐｍとする
ナノカーボン添加光導波路デバイスの作製方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ナノカーボン材料が添加された光導波路デバイス、光モジュール、レーザ装置、及び光導波路デバイスの作製方法に関する。

【背景技術】

【0002】

モード同期超短パルスレーザは、物質内部の超高速現象の観察、スーパーコンティニウム光の発生など、幅広い分野に適用されている。超短パルスレーザは、次世代の超高速光通信への応用も期待されている。特に昨今、情報通信量の急激な増大にともなって、電気処理回路での消費電力が増大し続けているうえ、光通信では光と電気の間の変換が必要不可欠となるため、光ネットワークでの波長変換、光クロックの生成等に用いられるレーザにも、低消費電力化が求められている。

【0003】

変調器を用いた能動モード同期デバイスは、外部電源を必要としコストが高いので、非線形光学効果を利用した受動モード同期が主流になっている。近年では、非線形性に優れるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ：carbon nanotube）が、受動モード同期フェムト秒レーザにおける可飽和吸収体として期待されている。

【0004】

フォトニクスデバイスへのＣＮＴの応用として、Ｄシェイプ光ファイバの研磨面に、スプレー法でＣＮＴ薄膜を形成する技術が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。また、石英シングルモードファイバに張力をかけて延伸し、くびれたウエスト部またはテーパ部にカーボンナノチューブを含むポリマーをコーティングする方法が提案されている（たとえば、非特許文献２参照）。さらに、超音波攪拌によりクラッドモノマー中にＣＮＴを分散させたクラッド層にニードルを突き刺して、コアモノマーを吐出しながらニードルを走査して導波路パターンを形成する手法も提案されている（たとえば、非特許文献３参照）。この方法はニードル走査法、またはモスキート法と呼ばれている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】「カーボンナノチューブを用いた超短パルスファイバレーザー」，レーザ研究，２０１０年１１月，pp.882-888

【文献】「カーボンナノチューブポリマーコンポジットを用いた非線形光学デバイス」、信学技報，OME2011-6 OPE2011-135(2011-11)

【文献】「受動モード同期デバイスへ向けたカーボンナノチューブドープポリマー光導波路」、信学技報，OCS2015-101, OFT2015-60, OPE2015-220(2016-02)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

Ｄシェイプ光ファイバへのＣＮＴ塗布は、機械的強度が不十分である。石英ファイバの延伸部分にＣＮＴコートする方法は、延伸部の径、長さ、ＣＮＴ膜厚等を正確に制御することが難しく、再現性が低い。ＣＮＴを分散させたクラッドモノマーにニードルでコア材料を注入して導波路を形成する方法は、機械的強度に優れている。しかし、本願の発明者らは、コアの分散状態によっては再現性が低下することを見出した。

【0007】

図１に示すように、クラッドモノマー中にＣＮＴ凝集体が存在すると、コアが蛇行し、チャネルによっては出力が低下する。コアの形成は、ニードル走査のプログラムで制御されるが、ニードル周りの圧力、粘度等の影響を受ける。特に、ニードルの軌跡上にＣＮＴ凝集体が存在する場合、図１のように、ＣＮＴ凝集体を避けるようにニードルが走査されるため、コアが蛇行する。蛇行したチャネルでは過剰損失が生じ、モード同期しにくくなる。

【0008】

本発明は、再現性良くモード同期して安定かつ高効率にパルス光を発生させる技術を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の目的を実現するため、光導波路デバイスの材料となるモノマーへのナノカーボン材料の分散を改善する。

【0010】

本発明の第１の態様では、光導波路デバイスは、
所定量のナノカーボン材料と、前記ナノカーボン材料の分散安定剤とを含む第１のモノマーで形成されるクラッド層と、
前記第１のモノマーと異なる第２のモノマーで形成される導波路コアと、
を有する。

【0011】

第２の態様では、光導波路デバイスは、
第１のモノマーで形成されるクラッド層と、
所定量のナノカーボン材料と前記ナノカーボン材料の分散安定剤とを含む第２のモノマーで形成される導波路コアと、
を有する。

【発明の効果】

【0012】

上記の構成を用いることで、再現性良くモード同期して安定かつ高効率にパルス光を発生することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】ＣＮＴ凝集によるコアの蛇行を示す図である。

【図2】第１実施形態の光導波路デバイスの導波路状態を従来構成と比較して示す図である。

【図3】第１実施形態のナノカーボン添加導波路を従来構成と比較して示す図である。

【図4】第１実施形態のナノカーボン添加導波路を従来構成と比較して示す図である。

【図5】図４のナノカーボン添加導波路の挿入損失を比較する図である。

【図6】クラッドへのナノカーボン材料と分散安定剤の添加量を変えて作製した導波路の断面図である。

【図7A】第１実施形態の光導波路デバイスの作製工程図である。

【図7B】第１実施形態の光導波路デバイスの作製工程図である。

【図7C】第１実施形態の光導波路デバイスの作製工程図である。

【図7D】第１実施形態の光導波路デバイスの作製工程図である。

【図7E】第１実施形態の光導波路デバイスの作製工程図である。

【図8】第１実施形態の光導波路デバイスを用いたレーザ装置の模式図である。

【図9】図８のレーザ装置で用いられる光導波路デバイスのチャネル断面図である。

【図10】第１実施形態のレーザ装置の出力波形である。

【図11】第１実施形態のレーザ装置の出力スペクトルである。

【図12】第２実施形態の光導波路デバイスの作製工程図である。

【図13】ＣＮＴ添加コアのデバイスとＣＮＴ添加クラッドのデバイスの相互作用の相違を説明する図である。

【図14】第２実施形態の光導波路デバイスを用いたレーザ装置の模式図である。

【図15】第２実施形態の光導波路デバイスのチャネル状態を示す光学顕微画像である。

【図16】第２実施形態のレーザ装置の出力波形である。

【図17】第３実施形態のレーザ装置の出力スペクトルである。

【図18A】入力光強度を変えたときの損失スペクトルである。

【図18B】入力光強度を変えたときの損失スペクトルである。

【図18C】入力光強度を変えたときの損失スペクトルである。

【図19】ＣＮＴ濃度とパルス幅の関係を示す図である。

【図20】非線形光学効果によるパルス圧縮を説明する図である。

【図21】レーザ装置のピークパワー特性を示す図である。

【図22】ＣＮＴ濃度の閾値電流の関係を示す図である。

【図23】励起光と出力の関係を説明する図である。

【図24】励起光と出力の関係を説明する図である。

【図25】光導波路デバイスと光ファイバのモジュール化を示す図である。

【図26】図２５のモジュールを用いたレーザ装置の模式図である。

【図27】図２６のレーザ装置の出力波形である。

【図28】図２６のレーザ装置の出力スペクトルである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

実施形態では、ポリマー光導波路を形成する際に、コア材料とクラッド材料の少なくとも一方に、ＣＮＴ、グラフェン等のナノカーボン材料とともに、適量の分散安定剤を加える。これにより均一な分散を実現して、再現性良く、安定かつ高効率のパルス光の発生を可能にする。

【0015】

光導波路デバイスを構成するクラッドモノマーにナノカーボン材料とともに分散安定剤を加えることで、クラッドでのナノカーボンの凝集を抑制し、導波路コアを安定して形成することができる。コアモノマーにナノカーボン材料と分散安定剤を加えることで、凝集抑制効果に加えて、所望のパルス設計を行うことができる。「光導波路デバイス」とは光導波路が形成されている光学部品であるが、本発明では光導波路デバイスを可飽和吸収体または非線形光学部品として有効に用いることができる。以下で、具体的な実施形態を説明する。

【0016】

＜第１実施形態＞
第１実施形態では、クラッドモノマーにナノカーボン材料と分散安定剤を添加する。ナノカーボン材料の分散安定剤としては、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）、ベンジルベンゾエード（ＢＥＮ）等を用いることができる。

【0017】

図２は、第１実施形態の光導波路デバイスの導波路状態を従来構成と比較して示す光学顕微画像である。図２（Ａ）は、クラッドモノマーにナノカーボン材料であるＣＮＴのみを添加した導波路、図２（Ｂ）はクラッドモノマーにＣＮＴとともに、分散安定剤であるＤＭＦを添加した導波路である。

【0018】

図２（Ａ）では、クラッドモノマーとして、日産化学（株）製の有機・無機ハイブリッド樹脂ＮＰ－２１０（屈折率１．５５９）を用い、クラッドモノマーの質量に対して５０ｐｐｍのＣＮＴを添加している。図２（Ｂ）では、図２（Ａ）と同量のＣＮＴを添加し、かつ、２．０ｗｔ．％のＤＭＦを添加している。

【0019】

図２（Ａ）、図２（Ｂ）ともに、コアのモノマー材料は、日産化学（株）製の有機・無機ハイブリッド樹脂ＮＰ－００５（屈折率１．５７６）である。コアは、公知のニードル走査法またはモスキート法により、コア径が１０μｍ程度になるように設計された走査速度と吐出圧力で形成されている。

【0020】

図２（Ａ）のＤＭＦを添加していない導波路では、上面図で５０μｍ程度のＣＮＴ凝集体が点在しているのに対し、図２（Ｂ）のＤＭＦを添加した導波路では、凝集体の存在が抑制され、凝集体のサイズも１０μｍ以下に低減されている。

【0021】

断面図をみると、図２（Ａ）のＤＭＦを添加していない導波路ではコアがぼやけて見える。これはＣＮＴ凝集体での光の散乱やコアの蛇行により、コアから出射する光強度が下がってコントラストが減少したためと考えられる。一方、図２（Ｂ）でＤＭＦを添加した導波路では、直径１０μｍ程度の円形コアが維持されている。ＤＭＦを添加したことによるコア形状への影響はみられず、ＣＮＴ凝集体の抑制効果が得られている。

【0022】

図３は、添加するＣＮＴの濃度とＤＭＦの分量を変えて作製されたクラッド層の光学顕微画像である。図２と同じクラッドモノマーを用い、この例ではクラッドモノマーの質量に対して４０ｐｐｍのＣＮＴを添加している。図３（Ｂ）では、図３（Ａ）と同量のＣＮＴを添加し、かつ、３．２ｗｔ．％のＤＭＦを添加している。

【0023】

図３（Ａ）では、大きさが５０μｍを超えるＣＮＴ凝集体が点在するのに対し、図３（Ｂ）では、ＣＮＴ凝集体の形成自体が抑制され、局所的に凝集が発生しても、１０μｍ以下のサイズに低減されている。

【0024】

図４は、添加するＣＮＴの濃度とＤＭＦの分量を変えて作製されたさらに別の光導波路の光学顕微画像である。図４（Ａ）では、図２及び図３と同じクラッドモノマーを用い、クラッドモノマーの質量に対して２５ｐｐｍのＣＮＴを添加し、０．７ｗｔ．％のＤＭＦを添加している。図４（Ｂ）では、ＤＭＦの添加なしに、２５ｐｐｍのＣＮＴを添加している。

【0025】

図４（Ａ）では、１０μｍの径を有するコアの断面が明確に観察されるのに対し、図４（Ｂ）では、コントラストが低下してコアがぼやけて見える。

【0026】

図５は、図４で作製した２つの光導波路の挿入損失を比較する図である。横軸は露光待機時間（秒）、縦軸は挿入損失（ｄＢ）である。露光待機時間が長いものほど、ニードル走査による導波路コアの形成の順序が早く、露光待機時間が短いほどコアの形成順序が後である。横軸に沿った各データ点を、隣接するチャネル番号に読み替えてもよい。

【0027】

図４で作製した８チャネルの光導波路コアの一端側から、シングルモードファイバでレーザ光を入射し、コアの他端からの出力光をパワーメータで測定する。各チャネルの導波路長は１．５ｃｍである。

【0028】

ＤＭＦ添加ありの光導波路では、露光待機時間が経過しても挿入損失はそれほど大きくならず、隣接するチャネル間での損失ばらつきが小さい。これに対し、ＤＭＦ添加なしの光導波路では、露光待機時間の経過とともに挿入損失が増大するだけではなく、隣接チャネル間での損失ばらつきが大きい。

【0029】

これは、ＣＮＴ凝集体の影響で、チャネルによってコアの蛇行状態や、光吸収および光散乱の程度が異なるためと考えられる。０．７ｗｔ．％のＤＭＦを添加することで、ＣＮＴの凝集が効果的に抑制されていることがわかる。

【0030】

図６は、添加するＣＮＴの濃度とＤＭＦの分量を変えて作製されたさらに別の光導波路の光学顕微画像である。図２～図４と同じクラッドモノマーを用い、クラッドモノマーの質量に対して１０ｐｐｍのＣＮＴを添加し、０．７ｗｔ．％のＤＭＦを添加している。ニードルの走査条件は、図４と同じである。

【0031】

ＣＮＴの添加量を１０ｐｐｍにしたときも、各チャネルでコア径が１０μｍ程度に維持されている。導波路長１．８ｃｍでこれら３つのチャネルの挿入損失を測定したところ、それぞれ５．４４ｄＢ、５．９４ｄＢ、６．６６ｄＢであり、導波路長が若干長くなっても、図４と同等の効果が得られている。なお、これらのチャネルを導波路長が１．２ｃｍになるまでカットして挿入損失を測定すると、５ｄＢ以下になる。

【0032】

図２～図６から、クラッドモノマーに適量のＣＮＴと分散安定剤を添加することでＣＮＴの凝集が抑制され、コアの配置形状が良好に維持されて光学損失が抑制されることがわかる。

【0033】

添加されるナノカーボン材料の量は、たとえば、クラッドモノマーの質量に対して１０ｐｐｍ～１００ｐｐｍである。ナノカーボン材料の量が多すぎると、分散安定剤を添加してもナノカーボン材料が半固体化して、分散されにくくなる。カーボンナノ材料の量が少なすぎると、所望の可飽和吸収特性または非線形性が得られない。十分な可飽和吸収特性または非線形性が得られ、かつモノマー中に分散され得る量として、クラッドモノマーへの１０ｐｐｍ～１００ｐｐｍのナノカーボン材料の添加が望ましい。

【0034】

添加される分散安定剤の量は、たとえば、０．５ｗｔ．％～５．０ｗｔ．％である。分散安定剤はクラッドモノマーにとって不純物であり、添加量が多すぎると過剰損失になり得るので、ナノカーボン材料を分散させるのに必要最低限の量であることが望ましい。また、分散安定剤の添加量が多すぎるとクラッドの粘度が低下し、コアとクラッドの親和性に影響する。分散安定剤の量が少なすぎると、ＣＮＴを十分に分散させることができず、凝集抑制効果を期待できない。ＣＮＴの凝集を抑制し、かつ過剰損失やコアへの影響を与えない範囲として、０．５ｗｔ．％～５．０ｗｔ．％の分散安定剤を添加するのが望ましい。

【0035】

ナノカーボン材料と分散安定剤が添加されたクラッド材料で形成される光導波路デバイスは、可飽和吸収体、またはモード同期デバイスとして用いることができる。

【0036】

図７Ａ～図７Ｅは、第１実施形態の光導波路デバイスの作製工程図である。まず、図７Ａで、ナノカーボン添加クラッドモノマー２０を準備して、クラッド層を形成する。ナノカーボン添加クラッドモノマー２０は、所定の屈折率を有するモノマーにナノカーボン材料と分散安定剤を添加した混合物を、２～３時間、超音波攪拌して生成される。

【0037】

生成されたナノカーボン添加クラッドモノマー２０を、基板１０１上に形成された枠１０２内に流し込み、必要に応じてガラスプレート等を用いて表面を平坦化する。枠１０２は、たとえば厚さ５００μｍのシリコーンシートで形成され、１ｃｍ×１０ｃｍの領域を形成する。枠１０２内に流し込まれたクラッドモノマーを平坦な場所で約１時間、静置する。

【0038】

図７Ｂで、シリンジ４１にコアモノマー３０を充填し、枠１０２内のクラッド層２１にニードル４２を挿入する。コアモノマー３０は、硬化後の屈折率がクラッド層２１よりも高いモノマーで形成される。第１実施形態では、コアモノマー３０にナノカーボン材料は添加されていない。

【0039】

図７Ｃで、ニードル４２の先端からコアモノマー３０を吐出しながらニードル４２を水平方向に走査して導波路コア３１を形成する。導波路コア３１はチャネル数に応じて複数本形成されてもよい。導波路コア３１の径は、ニードル４２の内径、走査速度、吐出圧力等によって制御することができる。

【0040】

図７Ｄで、紫外線露光を行って、コアモノマーとクラッドモノマーを重合硬化させる。

【0041】

図７Ｅで、基板１０１上の枠１０２を取り除き、ブレード等でポリマー導波路を基板１０１から剥離する。１５０°の空気浴内で２０分間ポストベイクを行い、応力を均一にしつつ完全に硬化させる。これによりナノカーボン添加クラッド２５に導波路コア３１が形成された光導波路デバイス１０が得られる。必要に応じて、光軸方向でクラッドの両端を切り落として、導波路コア３１の端面を露出させてもよい。

【0042】

光導波路デバイス１０では、ナノカーボン添加クラッド２５における凝集が抑制されており、コアの配置形状が良好に維持されている。コア蛇行による過剰損失が抑制され、高い再現性でモード同期することができる。

【0043】

図８は、第１実施形態の光導波路デバイス１０を適用したレーザ装置１Ａの模式図である。レーザ装置１Ａは、リング共振器型受動モード同期ファイバレーザである。受動モード同期デバイスまたは可飽和吸収体として、光導波路デバイス１０を用いている。

【0044】

励起光源２として、たとえば９８０ｎｍ帯のレーザ光源を用い、石英系のエルビウムドープ光ファイバ（ＥＤＦ）７を利得媒質として用いる。光導波路デバイス１０は、シングルモードファイバ６とともにリング共振器内に直接挿入される。共振器長は、たとえば２０ｍである。共振器内の偏波を調整して直線偏向を維持するために偏波コントローラ５が挿入されている。

【0045】

励起光源２から出力された光は、カプラ３を通ってＥＤＦ７で増幅され、光アイソレータ８ｂ及び８ｂによってリング内を一方向に周回する。１０／９０カプラ４を用いて９０％の光を共振器内にフィードバックし、残りの１０％を、光アイソレータ８ｃを介して出力として取り出す。

【0046】

共振器内で、増幅された高強度の励起光は、光導波路デバイス１０を透過し、強度の低い光成分は吸収される。実施形態の光導波路デバイス１０は、後述するように、緩和時間（飽和回復時間）が高速であり、広い出力スペクトルレンジを有する。

【0047】

図９は、レーザ装置１Ａで用いた光導波路デバイス１０のチャネル断面図である。クラッドモノマーは日産化学（株）製のＮＰ－２１１、ＣＮＴの濃度は２５ｐｐｍ、ＤＭＦの添加割合は１．５ｗｔ．％である。導波路長は１．４ｃｍである。いずれも１０μｍ径の円形断面を有している。

【0048】

図１０は、図９の２つのチャネルの出力波形を示す図である。いずれのチャネルでも、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ（周期１００ナノ秒）のシングルパルスが観測される。パルスの時間幅を見積もるために、オートコリレータで自己相関関数を計算すると、チャネル＃１のパルス幅は１．４７ｐｓ、チャネル＃２のパルス幅は１．３４ｐｓである。

【0049】

光導波路デバイス１０を用いることで、複数のチャネル間でモード同期が得られ、狭パルス幅のパルス発振が得られる。

【0050】

図１１は、レーザ装置１Ａの出力スペクトルである。いずれのチャネルでも広い出力スペクトルが得られている。チャネル＃１のＦＷＨＭ（Fill Width Half Maximum：半値全幅）は２．０ｎｍ、チャネル＃２のＦＷＨＭは１．９ｎｍである。このような広い波長スペクトルは、モード同期時に特有のスペクトルである。

【0051】

以上から、第１実施形態の光導波路デバイス１０は、受動モード同期デバイスとして機能し、狭パルス幅のレーザ装置１Ａを実現できる。

【0052】

＜第２実施形態＞
第１実施形態の光導波路デバイス１０は、クラッド中のナノカーボン材料の凝集を抑制し、良好なパルス発振を促進することができる。しかしニードルの走査軌跡によっては、軌跡上に存在する比較的小さな凝集の影響を受ける場合もあり得る。

【0053】

第２実施形態では、パルス発振の再現性をさらに高めるために、コア材料にナノカーボン材料を添加する。第１実施形態と同様に、ナノカーボン材料の凝集を抑制するため、適量の分散安定剤を添加する。

【0054】

図１２は第２実施形態の光導波路デバイス６０の作製工程図である。図１２（Ａ）において、基板１０１上に形成された枠１０２内にクラッドモノマーを流し込んで、クラッド層６１を形成する。この例では、クラッドモノマーにナノカーボン材料は添加されていない。クラッドモノマーとしては硬化後の屈折率がコアの屈折率よりも低い適切なモノマーを用いることができ、たとえば、日産化学（株）社製のＮＰ－２１１を用いることができる。

【0055】

一方で、コアモノマーに所定量のナノカーボン材料と分散安定剤を添加して、ナノカーボン添加コアモノマー５０を生成する。生成されたナノカーボン添加コアモノマー５０をシリンジ４１に充填し、枠１０２内のクラッド層６１にニードル４２を挿入する。ニードル４２の先端からナノカーボン添加コアモノマー５０を吐出しながらニードル４２を水平方向に走査して、ナノカーボン添加導波路コア５１を形成する。ナノカーボン添加導波路コア５１はチャネル数に応じて複数本形成されてもよい。ナノカーボン添加導波路コア５１の径は、ニードル４２の内径、走査速度、吐出圧力等によって制御することができる。

【0056】

図１２（Ｂ）で、紫外線露光を行って、コアモノマーとクラッドモノマーを重合硬化させた後、基板１０１上の枠１０２を取り除いて、ポリマー導波路を基板１０１から剥離する。１５０°の空気浴内で２０分間ポストベイクを行い、応力を均一にしつつ完全に硬化させる。これによりクラッド６５にナノカーボン添加導波路コア５１が形成された光導波路デバイス６０が得られる。必要に応じて、光軸方向でクラッドの両端を切り落として、端面にナノカーボン添加導波路コア５１を露出させてもよい。

【0057】

光導波路デバイス６０は、ナノカーボン添加導波路コア５１を有することで、高い再現性でモード同期することができる。コアにナノカーボン材料を添加することで、クラッドへのナノカーボン材料の添加よりも紫外線露光が容易になる。コア径は微細なのでナノカーボン材料を添加しても紫外線吸収の影響が少なく、露光強度や露光時間を増大させる必要がない。また、ナノカーボン材料の添加濃度の幅を変えやすく設計の自由度が高い。

【0058】

図１３は、第２実施形態のナノカーボン添加コアの光導波路デバイスと、第１実施形態のナノカーボン添加クラッドの光導波路デバイスの相互作用の相違を説明する図である。図１３（Ａ）において、ナノカーボン材料、たとえばＣＮＴが添加されたコアでは、伝搬光とＣＮＴが直接相互作用する。ＣＮＴが可飽和吸収体として働き、コアを伝搬する高強度の光のみを透過させ、低強度の光を吸収する。これにより、パルス発振が促進される。

【0059】

図１３（Ｂ）のナノカーボン材料、たとえばＣＮＴが添加クラッドでは、クラッド中に分散されたＣＮＴのうち、特にコア周辺に存在するＣＮＴと、コアからのエバネッセント光が相互作用する。コア周りで可飽和吸収が起きて、パルス発振が促進されるが、図１３（Ａ）の方がより直接的な相互作用であり、パルス発振効果が改善される。

【0060】

図１４は、第２実施形態の光導波路デバイス６０を用いたレーザ装置１Ｂの模式図である。挿入されるモード同期デバイスがナノカーボン添加コアを有する光導波路デバイス６０に替わっただけで、その他の構成と動作は、第１実施形態のレーザ装置１Ａと同じである。同じ構成要素には同じ符号が付けられており、重複する説明を省略する。

【0061】

図１５は、第２実施形態の光導波路デバイス６０のチャネル状態を示す光学顕微画像である。ここでは、コアモノマーの質量に対して１．９ｐｐｍのＣＮＴを添加し、４ｗｔ．％のＤＭＦを添加している。クラッドに添加物が含まれず、隣接するチャネル間（Ｃｈ．＃１とＣｈ．＃２）でコア形状及びサイズが揃っている。

【0062】

図１６は、図１５の光導波路デバイスを用いたレーザ装置１Ｂの出力波形である。チャネル１とチャネル２の双方でモード同期によるパルス波が観察され、複数のチャネルで再現性よくモード同期が得られる。

【0063】

図１７は、レーザ装置１Ｂの出力スペクトルである。チャネル１とチャネル２の双方で波長スペクトルが広がり、ＦＷＨＭが数ｎｍになっている。これはモード同期時に特有の波長スペクトルである。

【0064】

図１８Ａ～図１８Ｃは、光導波路デバイス６０への入力光の強度を変えて測定した損失スペクトルと入力光スペクトルを示す。図１８Ａの入力光強度は１２．６ｄＢｍ、図１８Ｂの入力光強度は１３．０ｄＢｍ、図１８Ｃの入力光強度は１３．４ｄＢｍである。

【0065】

入力光の強度が強いほど損失が小さくなり、可飽和吸収が効率的に起きていることがわかる。図１８Ｃでは、特に損失が小さくなる領域の幅が広くなって可能和吸収が強く働いている。

【0066】

図１９は、ＣＮＴ濃度とパルス幅の関係を示す図である。ＣＮＴ濃度を、０．９５ｐｐｍ、１．９ｐｐｍ、３．２ｐｐｍ、４．３ｐｐｍと変えて、複数の導波路長でパルス幅（ｐｓ）を測定する。

【0067】

ＣＮＴ濃度が０．９ｐｐｍ～４．５ｐｐｍの範囲で、狭パルス幅が達成され、特にＣＮＴ濃度が２±０．２ｐｐｍのときに狭いパルス発振が実現する。

【0068】

パルス幅はコア長の影響も受ける。コア中のＣＮＴと光の相互作用を得るために、コア長はある程度の長さが必要であるが、長すぎると伝搬損失が蓄積するので、２．５ｃｍ～７ｃｍが望ましい。

【0069】

可飽和吸収に関与するパラメータとしてＣＮＴ濃度とコア長がある。ＣＮＴ濃度の方がより直接的にパルス幅に影響するが、コア長を調整することによってもパルス幅を最適化することができる。

【0070】

図２０は、非線形光学効果によるパルス圧縮を説明する図である。図２０（Ｂ）に示すように、２次以上の高次の光パルスでは、基本パルス間の非線形干渉により、パルス圧縮とピーク増大が生じる。光ファイバによる分散（またはパルス広がり）と非線形光学効果によるパルス圧縮がバランスすると、図２０（Ａ）に示すように、安定な孤立波が波形を保ったままファイバ中を伝搬する。このような高ピークパワーかつ超短パルスのレーザ光は、高速光通信ネットワークでの光増幅や光クロック生成だけではなく、超微細加工にも適している。

【0071】

図２１は、レーザ装置１Ｂのピークパワー特性を示す図である。図２１（Ａ）はパルス幅とピークパワーの関係を示し、図２１（Ｂ）は励起電流とピークパワーの関係を示す。

【0072】

図２１（Ａ）では、ＣＮＴ添加量と導波路長によって決まるパルス幅と、ピークパワーとの関係には、明確な傾向はみられない。図２１（Ｂ）からは、励起電流が大きいほどピークパワーが大きくなることがわかる。そうすると、図１９で説明したように、ＣＮＴ濃度と導波路長を最適化して狭パルス幅を実現し、一方で励起電流を制御することで所望の出力パワーが得られるように、レーザ光を設計することができる。

【0073】

図２２は、ＣＮＴ濃度とモード同期に必要な閾値電流（励起光源２への注入電流）の関係を示す図である。光導波路デバイス６０のコアに添加するＣＮＴ濃度を、０．９５ｐｐｍ、１．９ｐｐｍ、３．２ｐｐｍ、４．３ｐｐｍと変えて、レーザ装置１Ｂの閾値電流を測定する。すべてのサンプルでクラッド材料はＮＰ－２１１、コア材料はＮＰ－００５、導波路長は４ｃｍである。

【0074】

いずれのサンプルでも１００ｍＡ未満の低電流でモード同期してパルス発振することができ、レーザ装置１Ｂの消費電力を低減することができる。特に、ＣＮＴ濃度が０．９５ｐｐｍと１．９ｐｐｍのサンプルでは、７５ｍＡ以下の低い閾値電流が実現されている。

【0075】

ここから、コアにナノカーボン材料と分散安定剤を添加することで、光とＣＮＴの直接的な相互作用を生じさせて、低電力でパルス発振を促進できることがわかる。

【0076】

図２３と図２４は、励起光と出力の関係を説明する図である。図２３において、励起光源２からＥＤＦ７（図１４参照）に供給される励起光の強度が閾値電流Ｉthよりも小さいと、レーザ発振せずに連続波が出力される。励起光の強度が強すぎると、マルチモード発振して、出力が不安定になる。また、コヒーレンスが低下する。

【0077】

発明が目的とするところは、図２４に示すように、閾値電流Ｉthをできるだけ低くし、かつシングルパルス発振できる範囲をできるだけ広くすることである。閾値電流Ｉthを下げることで、レーザ装置の消費電力を全体的に低減することができる。閾値電流Ｉthの低減は、上述のようにＣＮＴの濃度と導波路長を最適化することで実現される。

【0078】

閾値電流Ｉthを引き下げることで、シングルパルス発振モードの領域を拡張することができる。この領域が広くなると、シングルパルス発振モードを維持しつつ、励起電流を制御してピークパワーを増大できる。これにより高効率で安定したパルス発振が実現する。また、コアにナノカーボン材料が添加されているので、ナノカーボン材料と光の直接的な相互作用を生じさせることができる。また、チャネル間でモード同期の再現性が高い。

【0079】

＜光導波路デバイスのモジュール化＞
図２５は、光導波路デバイスと光ファイバのモジュール構成を示す図である。第１実施形態の光導波路デバイス１０と、第２実施形態の光導波路デバイス６０の双方が、モジュール構成に適している。

【0080】

図２５（Ａ）は、光モジュール７０の斜視図である。光導波路デバイス１０または６０（以下、「光導波路デバイス１０」と略称する）の導波路コア３１またはナノカーボン添加導波路コア５１（以下、「導波路コア３１」と略称する）の両側に、ファイバ保持基板７３とファイバ保持基板７４を固定して、光モジュール７０を構成する。

【0081】

ファイバ保持基板７３は光ファイバ７５を保持し、光学接着剤７１により、光導波路デバイス１０の光軸方向の一方の端面に固定されている。ファイバ保持基板７４は光ファイバ７６を保持し、光学接着剤７２により、光導波路デバイス１０の光軸方向の他方の端面に固定されている。光ファイバ７５、７６は、レーザ装置１Ａまたは１Ｂでリングファイバ共振器を構成するシングルモードファイバである。

【0082】

図２５（Ｂ）の断面図に示すように、ファイバ保持基板７３は、基板７３１に形成されたＶ溝７３２と、Ｖ溝７３２内の光ファイバ７５を抑えるカバー７３３を有する。ファイバ保持基板７４も同じ構成を有する。基板７３１は、加工しやすい適切な基板を用いることができ、一例としてシリコーンの基板を用いる。

【0083】

光ファイバ７５の端面と導波路コア３１の一方端面を、たとえばアクティブアライメントにより位置合わせし、光ファイバ７６の端面と導波路コア３１の他方の端面を位置合わせする。導波路コア３１とのアライメントのために、光ファイバ７５、７６として、ベアファイバを用いてもよい。

【0084】

図２５（Ｃ）は、実際に作製された光モジュール７０の画像である。光ファイバ７５及び７６の光学接着側と反対側の端部はＡＰＣ（angled physical contact：斜めＰＣ）研磨されてファイバフェルールまたはコネクタに保持されていてもよい。ファイバ保持基板７３及び７４を光学接着剤７１及び７２で光導波路デバイス１０に固定してモジュールとすることで、取扱いと組み立てが容易になる。なお、光導波路デバイス６０を用いて光モジュール７０を形成してもよいことは上述したとおりである。

【0085】

図２６は、図２５の光モジュール７０を用いたレーザ装置１Ｃの模式図である。レーザ装置１Ｃでは、光アイソレータ８ａと８ｂの間に光モジュール７０が挿入されている。光モジュール７０に固定された光ファイバ７５が光アイソレータ８ａに接続され、光ファイバ７６が光アイソレータ８ｂに接続されている。

【0086】

この構成では、アライメントずれによる接続損失が防止され、ナノカーボン材料添加にによる光導波路デバイス６０の可飽和吸収効果を十分に働かせることができる。

【0087】

レーザ装置１Ｃのその他の構成は、レーザ装置１Ａ及び１Ｂと同じであり、重複する説明を省略する。

【0088】

図２７は、図２６のレーザ装置の出力波形を示す図である。アライメントずれが抑制され、安定したパルス発振が得られている。

【0089】

図２８は、図２６のレーザ装置の出力スペクトルである。モード同期に特有の広い波長スペクトルが得られている。

【0090】

以上述べたように、ポリマー光導波路のクラッドまたはコアに適切な量のナノカーボン材料と分散安定剤を添加することで、再現性良くモード同期を実現し、安定して超短パルスを発生することができる。

【0091】

本発明は上記の特定の実施形態に限定されない。たとえば、ナノカーボン材料としてＣＮＴに替えて、グラフェンを用いてもよい。グラフェンの取得は、グラファイトからグラフェンを分散させるトップダウン法を用いてもよいし、基板上にグラフェンを成長するボトムアップ法を用いてもよい。本発明では、グラフェンをクラッドまたはコアに分散させるため、トップダウン法の中でも、グラファイトをＤＭＦ、ＮＭＰ、ＢＥＮ等の有機溶媒に添加して超音波攪拌する溶液分散法を用いてもよい。有機溶媒中の超音波攪拌により、グラファイトの層間に働くファンデルワールス力が絶たれて、溶媒中にグラファイトとグラフェンが分散する。遠心分離によりグラファイトとグラフェンを分離して、グラフェンの分散液を取り出してもよい。

【0092】

導波路コアのコア径は１０μｍに限定されず、ニードルの内径、吐出圧力、走査速度を適切に制御することで、所望のサイズの導波路コアを形成することができる。シングルモードファイバとの光学接続の観点からは導波路コアの径は１０μｍ前後であることが望ましいが、接続端に向かうほどコア径がテーパ状に拡がる形状であってもよい。なお、コア径というときは、モードフィールド径をいうものとする。

【0093】

コアとクラッドの双方にナノカーボン材料を添加してもよい。この場合、コアでのナノカーボン材料と伝搬光との直接的な相互作用と、コア近傍のクラッドでのエバネッセント光とナノカーボン材料との相互作用の双方により、モード同期によるパルス発振がさらに促進され得る。

【符号の説明】

【0094】

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ レーザ装置
２ 励起光源
７ ＥＤＦ（利得媒質）
１０、６０ 光導波路デバイス
２０ ナノカーボン添加クラッドモノマー
２１ クラッド層
２５ ナノカーボン添加クラッド
３１ 導波路コア
５０ ナノカーボン添加コアモノマー
５１ ナノカーボン添加導波路コア
６５ クラッド
７０ 光モジュール
７３、７４ ファイバ保持基板
７５、７６ 光ファイバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18A】

【図18B】

【図18C】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】