(57)【要約】【課題】所望の傾斜角と周期のグレーティング面を持つ傾斜型ファイバーグレーティングを容易に製造することができる傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法を提供する。【解決手段】本傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法は、光ファイバーの垂直断面と干渉縞面のなすある設定角度を決め、Ｓｎｅｌｌの法則に従う屈折光線のｘｚ平面と交わるスポット点の軌跡から傾斜角を算出し、設定角度を変えて同様のステップに従って傾斜角を算出し、これらの結果から、所望のグレーティングの傾斜角γを実現するための設定傾斜角α０を求め、Ｂｒａｇｇの式λ＝２ｎｅｆｆ・Ｄ・ｃｏｓγ０、Ｄ＝（ｄ／ｃｏｓα０）ｃｏｓγ０に従って（ただし、ｎｅｆｆは素材シングルモードファイバーの信号光の波長における等価屈折率）、所望の波長λのＢｒａｇｇ反射を実現するのに必要な干渉縞周期ｄを求める。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の傾斜角を有する傾斜型ファイバーグレーティングが書き込まれるコアと、コアを囲むクラッドとを備えた光ファイバーを用意し、この光ファイバーにコアの屈折率変化を誘起させる波長の光をコアに対して照射することによってコアに傾斜型ファイバーグレーティングを書き込む傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法において、
最初に光ファイバーの垂直断面と干渉縞面のなすある設定角度を決め、
しかる後、干渉縞光のファバ入射光線方向とファイバー外表面上の入射点での法線方向とが作る入射面内で、使用材質の屈折率には干渉縞光の波長における値を用いてＳｎｅｌｌの法則に従う屈折光線がｘｚ平面と交わるスポット点を求めるステップと、ファイバー外表面上の他の入射点についても、屈折光線がｘｚ平面と交わるスポット点を求め、入射干渉縞が屈折によりｘｚ平面と交わるスポット点の軌跡を求めるステップと、原点（ｘ，ｚ）＝（０，０）における軌跡の傾斜角を求め、これをグレーティング面の傾斜角とするステップにより傾斜角を算出し、
さらに、前記設定角度を変えて同様のステップに従って傾斜角を算出し、
しかる後、これらの結果から、所望のグレーティングの傾斜角γ０を実現するための設定傾斜角α０を求め、
さらに、Ｂｒａｇｇの式λ＝２ｎｅｆｆ・Ｄ・ｃｏｓγ０、Ｄ＝（ｄ／ｃｏｓα０）ｃｏｓγ０に従って（ただし、ｎｅｆｆは素材シングルモードファイバーの信号光の波長における等価屈折率）、所望の波長λのＢｒａｇｇ反射を実現するのに必要な干渉縞周期ｄを求めることを特徴とする傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法において、前記光は紫外線光であり、前記使用材質は石英ガラスであるとき、前記設定傾斜角は前記所望のグレーティングの傾斜角より小さな値に設定することを特徴とする傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法において、前記紫外線光は波長が０．２４μｍであり、前記所望のグレーティングの傾斜角を４５°の近似値とするとき、前記設定傾斜角をおよそ３３．５°に設定することを特徴とする傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法に係り、特にコアの屈折率変化を誘起させる波長の光をコアに角度をもって照射する傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光源である近赤外域の半導体レーザー光と、光の導波路である石英ガラス製の光ファイバーを用いた通信（光通信）が、世界の情報通信を担っている。光ファイバーを用いた通信は、搬送周波数が従来のマイクロ波通信に比べて数桁高いので、広帯域、大量伝送に適している。また、石英ガラスファイバーを用いた伝送では、光の損失が非常に低損失であり、１００ｋｍ無中継を実現している。
【０００３】
このような光ファイバー通信で、より多くの情報を送る場合、一本の光ファイバーに複数の波長のレーザー光を通す波長多重通信（Wavelength Division Multiplexing，ＷＤＭ）がある。この方法は、従来のファイバーネットワークを活用できるので、新たに光ファイバーを敷設する必要がなく、新たな設備投資が少ない特徴があり、現在、幹線系を中心に実用化されている。
【０００４】
このようなＷＤＭ光通信において、ファイバーグレーティングは入射光に対して非常に鋭い波長選択性を持つ光部品であり、波長選択フィルターに用いられている。また、選択波長の鋭敏な温度依存性等を活用した温度等のセンサにも用いられている。
【０００５】
このファイバーグレーティングは、紫外光（例えば、波長０．２４μｍ）の干渉縞の中に素材石英ガラス光ファイバーを置き、フォトリフラクティブ（photorefractive）効果によりファイバー軸方向にそって石英ガラス製光ファイバー内のコアに屈折率の周期的な変動を書き込んで製造する。通常使われる垂直型ファイバーグレーティングの製造では、干渉縞の面が光ファイバーの軸方向に垂直な断面に平行になるように光ファイバー（多くの場合シングルモードファイバー）を設置する。
【０００６】
現在、メトロ系やアクセス系では波長多重は未実施であるが、将来は波長多重化されると言われている。その場合、通信に使う波長の信号光を光通信ネットワークから取り出すドロップフィルター（drop filter）が必要になる。
【０００７】
傾斜型ファイバーグレーティングは、グレーティング面が（光ファイバーの断面から）ある角度（傾斜角）γだけ傾いており、Ｂｒａｇｇの式λ＝２ｎｅｆｆ・Ｄ・ｃｏｓγ（ここで、ｎｅｆｆは素材シングルモードファイバーの信号光の波長における等価屈折率、Ｄはグレーティングの周期）に従って特定の波長λの入射光をコア外に反射し、その結果、特定の波長λの信号光のみを光ファイバー外に取り出すことができる。このため、傾斜型ファイバーグレーティングはドロップフィルターの機能を持つ。
【数１】
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【０００８】
従って、フォトリフラクティブ効果による屈折率変化は当初考えた干渉縞の面ＧＰＦ０内では起きず、屈折率変化により実際に出来たグレーティング面は、当初の干渉縞の面とは一致しない。すなわち、できたグレーティング面の傾斜角γは、設定した傾斜角αとは一致しないと予想される。
【０００９】
また、図２および図３から分かるように、（ｘＤ，ｚＤ）＝（０，０）を中心にして、干渉縞の方向から、生成するグレーティング面の傾斜角がずれるので、図７のように、グレーティング周期Ｄは干渉縞周期ｄからずれ、次式で与えられる。
【００１０】
［数２］
Ｄ＝（ｄ／ｃｏｓα）ｃｏｓγ
このため、Ｂｒａｇｇ反射波長λは、λ＝２ｎｅｆｆ・Ｄ・ｃｏｓγで与えられる。ただし、αとγは、それぞれ光ファイバーの垂直断面と干渉縞面のなす角（設定傾斜角）、グレーティング面の傾斜角である。
【００１１】
従って、従来は、所望の傾斜角に対する設定傾斜角を決定することおよび、所望のグレーティング面の周期に対する干渉縞の周期をもつ位相マスクを選ぶのが困難であった。
【００１２】
なお、ドロップフィルター（drop filter）については、従来、例えば光磁気効果を用いた光サーキュレータとファイバーグレーティングを組み合わせてドロップフィルターの機能を作っていたが、この場合光サーキュレーターが高価なことが問題であった。
【非特許文献１】水波  徹、応用物理、第６７巻、Ｐ．１０２９（１９９８）
【非特許文献２】Raman Kashyap, Fiber Bragg Grating（1999, Academic Press)
【非特許文献３】A. Othonos and K.Kalli,Fiber Bragg Gratings:Fundamentals and Applications in Telecommunications and sensing（1999, Artech House)
【非特許文献４】金森  弘雄、電子情報通信学会誌、第８２巻、Ｐ７３１（1999）
【非特許文献５】奥出  聡、和田  朗、電子情報通信学会誌C、vol,J83-C,P.1060（2000）
【非特許文献６】西原  浩、春名  正光、栖原  敏明、光集積回路P.72、P.103（1993、オーム社）
【非特許文献７】T. Erdogan, Journal of Lightwave Technology Vol.15 , p.1277（1996）
【非特許文献８】T. Erdogan and J. E. Sipe, Journal of the Optical Society of America Vol.13, p.296（1996）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、所望の傾斜角と周期のグレーティング面を持つ傾斜型ファイバーグレーティングを容易に製造することができる傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した目的を達成するため、本発明に係る傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法は、所望の傾斜角を有する傾斜型ファイバーグレーティングが書き込まれるコアと、コアを囲むクラッドとを備えた光ファイバーを用意し、この光ファイバーにコアの屈折率変化を誘起させる波長の光をコアに対して照射することによってコアに傾斜型ファイバーグレーティングを書き込む傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法において、最初に光ファイバーの垂直断面と干渉縞面のなすある設定角度を決め、しかる後、干渉縞光のファイバー入射光線方向とファイバー外表面上のある入射点での法線方向とが作る入射面内で、使用材質の屈折率には干渉縞光の波長における値を用いてＳｎｅｌｌの法則に従う屈折光線がｘｚ平面と交わるスポット点を求めるステップと、ファイバー外表面上の他の入射点についても、屈折光線がｘｚ平面と交わるスポット点を求め、入射干渉縞が屈折によりｘｚ平面と交わるスポット点の軌跡を求めるステップと、原点（ｘ，ｚ）＝（０，０）における軌跡の傾斜角を求め、これをグレーティング面の傾斜角とするステップにより傾斜角とし、さらに、前記設定角度を変えて同様のステップに従って傾斜角を算出し、しかる後、これらの結果から、所望のグレーティングの傾斜角γ０を実現するための設定傾斜角α０を求め、さらに、Ｂｒａｇｇの式λ＝２ｎｅｆｆ・Ｄ・ｃｏｓγ０、Ｄ＝（ｄ／ｃｏｓα０）ｃｏｓγ０に従って（ただし、ｎｅｆｆは素材シングルモードファイバーの信号光の波長における等価屈折率）、所望の波長λのＢｒａｇｇ反射を実現するのに必要な干渉縞周期ｄを求めることを特徴とする（図６，図７参照）。
【００１５】
好適には、前記光は紫外線光であり、前記使用材質は石英ガラスであるとき、前記設定傾斜角は前記所望のグレーティングの傾斜角より小さな値に設定する。
【００１６】
また、好適には、前記紫外線光は波長が０．２４μｍであり、前記所望のグレーティングの傾斜角を４５°の近似値とするとき、前記設定傾斜角をおよそ３３．５°に設定する。ここでおよそとは、±１°の範囲を意味する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法によれば、所望の傾斜角と周期のグレーティング面を持つ傾斜型ファイバーグレーティングを容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法の一実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明に係る傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法の概念図であり、（ａ）は光ファイバーの正面視を示し、（ｂ）は平面視を示す。
【００２０】
図１に示すように、ゲルマニウム添加石英ガラスからなるコア１ａと、このコア１ａを囲うように設けられた石英ガラスからなるクラッド１ｂを備えた光ファイバー１を用意し、干渉縞の方向とファイバーとの（ＸＺ平面内での）傾斜角をαとして、位相マスク１１を光ファイバー１のコア１ａのグレーティング２の書き込み予定領域に対しセットし、紫外線照射系から紫外レーザー光が位相マスク１１のファイバー軸方向の一端側から他端側までの範囲にわたり透過し、位相マスク１１を介して光ファイバー１に対し紫外干渉縞光が照射され、その結果、コア２ａに対し位相マスク１１の格子ピッチに対応した所望のグレーティング面周期Ｄ、傾斜角γの傾斜型グレーティング２が書き込まれる（図７参照）。
【００２１】
上記製造工程において、図１および図６に示すように、最初に光ファイバーの垂直断面と干渉縞面のなすある設定角度を決める。
【数３】
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【００２２】
しかる後、干渉縞光のファイバー入射光線方向とファイバー外表面上の入射点での法線方向とが作る入射面内で、使用材質の屈折率には干渉縞光の波長における値を用いてＳｎｅｌｌの法則に従う屈折光線がｘｚ平面と交わるスポット点を求めるステップと、ファイバー外表面上の他の入射点についても、屈折光線がｘｚ平面と交わるスポット点を求め、入射干渉縞が屈折によりｘｚ平面と交わるスポット点の軌跡を求めるステップと、原点（ｘ，ｚ）＝（０，０）における軌跡の傾斜角を求め、これをグレーティング面の傾斜角とするステップにより傾斜角とし、さらに、上記設定角度を変えて同様のステップに従って傾斜角を算出し、しかる後、これらの結果から、所望のグレーティングの傾斜角γ０を実現するための設定傾斜角α０を求め、さらに、Ｂｒａｇｇの式λ＝２ｎｅｆｆ・Ｄ・ｃｏｓγ０、Ｄ＝（ｄ／ｃｏｓα０）ｃｏｓγ０に従って、所望の波長λのＢｒａｇｇ反射を実現するのに必要な干渉縞周期ｄを求める。
【００２３】
本発明者の知見によれば、上述したようにシングルモードファイバーの垂直断面の方向と干渉縞の方向のなす角を所定傾斜角に設定しても、グレーティング面の傾斜角はその角度にはならない。
【００２４】
そこで、本発明のように、所望の角度γ０の傾斜型ファイバーグレーティングを製造するには、設定角を振り、Ｓｎｅｌｌの屈折の法則を用いて、計算シミュレーションにより所望のグレーティング角度になる設定角α０を算出する。傾斜角の設定値が決まったら、次に、所望の波長λのＢｒａｇｇ反射を得るためには、λ＝２ｎｅｆｆ・Ｄ・ｃｏｓγ０、Ｄ＝（ｄ／ｃｏｓα０）ｃｏｓγ０に従って必要な干渉縞周期ｄを求め、位相マスクを選ぶ。
【００２５】
光ファイバーの材質として最も多く使用される材質は、石英ガラスであり所望のグレーティングの傾斜角が設定傾斜角より大きな値であるので、設定傾斜角の設定時、ある（仮の）設定傾斜角を予め所望のグレーティングの傾斜角より小さな値に設定すると迅速な設定傾斜角の決定が行え、所望の周期の干渉縞を書き込める位相マスクを決定することができる。
【００２６】
実用上、最もドロップフィルターとして良い傾斜角は４５°である。この角度では光ファイバーの軸方向に垂直な方向にＢｒａｇｇ反射が起き、回折光を非常に扱い易い。傾斜角４５°のグレーティング面を作るには、実施例１に示すように、波長が０．２４μｍの紫外線光を用いる場合、設定傾斜角を３３．５°に設定する必要がある。
【００２７】
ただし、石英ガラスの屈折率は１．５１３３（波長０．２４μｍ）とする。グーティング面が完全平面ではないことによる影響もあり得るが、その影響は小さいと考えている（実施例参照のこと）。
【００２８】
上記のように本実施形態の傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法によれば、所望の傾斜角と周期のグレーティング面を持つ傾斜型ファイバーグレーティングを容易に製造することができる。
【実施例】
【００２９】
実施例１
図１において、Ｓｎｅｌｌの屈折の法則をベースにして、石英ガラス製（シングルモード）光ファイバー内のグレーティング面のできる位置の予測をパソコンでシミュレートする。計算上の仮定を次に示す。
【００３０】
１）干渉縞面と光ファイバーの垂直断面のなす角（設定傾斜角）α＝３３．５°。  
２）クラッドと外界の屈折率はそれぞれ約１．５１（波長０．２４μｍ）と１であるのに対し、コアとクラッドの屈折率は、約１．５１（波長０．２４μｍ）であって、その差はわずかである（コアの方がわずかに大きい）。このことから、本実施例はコアとクラッドの界面での屈折ではなくクラッドと外界の界面での屈折について考察し、コアとクラッドの屈折率は１．５１３３（波長０．２４μｍ）とした。（屈折率値１．５１３３（波長０．２４μｍ）は、E.K.Palik編、Handbook of Optical Constants of Solids（1985, Academic Press）p.759に基づく）。  
３）光ファイバーの外径は通常の１２５μｍとした。
【００３１】
傾斜型ファイバーグレーティングの製造時（設定傾斜角３３．５°）における光ファイバーに入射した紫外干渉縞光線の追跡計算シミュレーション（長さの単位μｍ）は以下の通り行う。
【００３２】
図６に示すように、干渉縞光がｙ軸に平行に弧ＧＰＦ上に入射する（干渉縞光のファイバーへの入射断面は楕円になり、弧ＧＰＦはその半分。）。
【数４】
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【数５】
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【００３３】
計算には科学技術計算ソフトＭａｔｈｃａｄ（登録商標）１１を用いた。
【００３４】
図２および図３は、弧ＧＰＦ上に入射した干渉縞光の、ｘｚ面（ｙ＝０平面）、ｙ＝４．５（μｍ）平面、ｙ＝−４．５（μｍ）平面における干渉縞光の屈折光線のスポットの軌跡を示す。最も中心的なｘｚ面上では、ｘＤ＝０において傾斜角は４５．０４６７°、ｘＤ＝４．５μｍ、−４．５μｍにおいて傾斜角は４４．９８７°である。これらの結果から、コア部（直径約９μｍ）ではグレーティング面はわずかに歪みはあるが平面に近く傾斜角はほぼ４５°に傾いていることが分かる。この計算シミュレーションの結果から、設定傾斜角を３３．５°にすれば、実際には傾斜角約４５．０４６７°のグレーティングが形成されると推定できる。（コア内のグレーティング面の傾き角はｘｚ面での傾斜角をもって、実際上グレーティング面の傾斜角と考える。）前述したように、傾斜角４５°はドロップフィルターとして最もよい傾斜角であるが、このシミュレーションから、４５°近傍の傾斜角を実際に得るには、設定傾斜角を約３３．５°にすればよいことがわかる。
【００３５】
Ｂｒａｇｇ反射波長λはλ＝２ｎｅｆｆ・Ｄ・ｃｏｓγ、Ｄ＝（ｄ／ｃｏｓα）ｃｏｓγで与えられるので、傾斜角の設定後、所望の波長のＢｒａｇｇ反射を得るためには、この式から干渉縞周期ｄを求め、位相マスクを変えるなどして周期ｄの干渉縞を実現すればよい。例えば、代表的な光通信波長であるλ＝１．５５μｍにするためには、ｎｅｆｆ＝１．４４４、α＝３３．５°、γ＝４５．０４６７°とすると、必要な干渉縞周期はｄ＝０．８９６５６０μｍとなる。
【００３６】
実施例２
傾斜型ファイバーグレーティングの製造時（設定傾斜角４５°）における石英ガラス製シングルモード光ファイバーに入射した紫外干渉縞光線の追跡計算シミュレーション（長さの単位μｍ）は以下の通り行う。設定傾斜角を４５°とした以外は、実施例１と同じ設定である。
【００３７】
図１に示すように、干渉縞光がｙ軸に平行に弧ＧＰＦ上に入射する。
【００３８】
【数６】
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【数７】
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【００３９】
図４および図５は、弧ＧＰＦ上に入射した干渉縞光の、ｘｚ面（ｙ＝０平面）、ｙ＝４．５（μｍ）平面、ｙ＝−４．５（μｍ）平面における干渉縞光の屈折光線のスポットの軌跡を示す。最も中心的なｘｚ面上では、ｘＤ＝０において傾斜角は５６．５４２９７°、ｘＤ＝４．５μｍ、−４．５μｍにおいて傾斜角は５６．４８８２７°である。これらの結果から、コア部（直径約９μｍ）ではグレーティング面はわずかに歪みはあるが平面に近く傾斜角はほぼ５６．５°に傾いていることが分かる。この計算シミュレーションの結果から、設定傾斜角αを４５°にすれば、実際には傾斜角γが約５６．５°のグレーティングが形成されると推定できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係る傾斜型ファイバーグレーティングの製造方法の概念図であり、（ａ）は光ファイバーの正面視、（ｂ）はその平面視を示す。
【図２】本発明における干渉縞光の各平面におけるスポット線図（設定角３３．５°）。
【図３】図２のスポット線図を拡大して示すスポット線図。
【図４】本発明における干渉縞光の各平面におけるスポット線図（設定角４５°）。
【図５】図４のスポット線図を拡大して示すスポット線図。
【図６】一般的な干渉縞と光ファイバーとの位置関係を示す説明図。
【図７】一般的な干渉縞面の間隔とグレーティング面の間隔の関係を示す説明図。
【符号の説明】
【００４１】
１  光ファイバー
１ａ  コア
１ｂ  クラッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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