(57)【要約】【課題】光ファイバにリムーブ処理を施すことなくファイバブラッググレーティングを形成することにより、製造コストの低減及びリードタイムの短縮化を図るとともに、精度のよいファイバブラッググレーティングの形成方法及びその製造装置を提供する。【解決手段】光ファイバに波長３００〜３６０ｎｍの固体レーザ光を干渉させながら照射してファイバブラッググレーティングを形成する。特に、光ファイバには、固体レーザ光に対して吸収作用を有するゲルマニウム、スズ、アルミニウム、ビスマスなどの元素をコアに１０ｍｏｌ％以上添加し、固体レーザ光を５０Ｗ／ｃｍ２以上のパワーで照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバに波長３００〜３６０ｎｍの固体レーザ光を干渉させながら照射してファイバブラッググレーティングを形成するファイバブラッググレーティングの形成方法。
【請求項２】
前記光ファイバは、前記固体レーザ光に対して吸収作用を生じさせる元素をコアにドーピングしていることを特徴とする請求項１に記載のファイバブラッググレーティングの形成方法。
【請求項３】
前記コアには、前記元素を１０ｍｏｌ％以上添加していることを特徴とする請求項２に記載のファイバブラッググレーティングの形成方法。
【請求項４】
前記元素は、ゲルマニウム、スズ、アルミニウム、ビスマスの少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のファイバブラッググレーティングの形成方法。
【請求項５】
前記固体レーザ光を５０Ｗ／ｃｍ２以上のパワーで照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のファイバブラッググレーティングの形成方法。
【請求項６】
光源から照射されたレーザ光を干渉させながら光ファイバに照射してファイバブラッググレーティングを形成するファイバブラッググレーティングの製造装置において、
前記光源を、波長３００〜３６０ｎｍの固体レーザ光を照射する光源としたことを特徴とするファイバブラッググレーティングの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバブラッググレーティングの製造方法及びその製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、ひずみセンサの一種として、ファイバブラッググレーティング（以下、単に「ＦＢＧ」と呼ぶ。）が形成された光ファイバで構成された光部品が用いられている。
【０００３】
ＦＢＧとは、光ファイバのコアの一部に屈折率の高い部分と、屈折率の低い部分とを長手方向に一定間隔で交互に配置して回折格子（グレーティング）を形成したものであって、ＦＢＧが形成された光ファイバに光を入射させると、回折格子における回折条件に基づく反射光が生じることとなっている。
【０００４】
ここで、ＦＢＧにおける交互に連続する屈折率の高い部分と屈折率の低い部分のピッチをΛ、ＦＢＧ部分の実効屈折率をｎeffとした場合では、ＦＢＧはλＢ＝２×ｎeff×Λの波長の反射光を生じさせるものであり、このようなＦＢＧが形成された光ファイバからなる光部品をひずみセンサとして用いた場合には、ＦＢＧ部分に生じたひずみによって屈折率の高い部分と屈折率の低い部分のピッチが変動して反射光の波長が変動し、この波長の変動量からひずみ量を計測している。
【０００５】
光ファイバにＦＢＧを形成する場合には、通常、光ファイバに沿ってフェーズマスクを配置して、フェーズマスク越しに光ファイバに対して紫外線レーザ光を照射することにより光ファイバのコアに屈折率を異ならせた領域を所定間隔で形成している。
【０００６】
フェーズマスクは、光ファイバに対向させた面に、ＦＢＧに形成する屈折率の高い部分と屈折率の低い部分のピッチΛの２倍のピッチで光ファイバの長手方向に複数のスリットを設けたフィルタであって、紫外線レーザ光が入射されると、この紫外線レーザ光を回折させて光ファイバに照射し、光ファイバにピッチをΛとする干渉縞を生じさせてＦＢＧを形成している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
光ファイバに紫外線レーザ光を照射する場合には、一般的に波長２４８ｎｍの深紫外線レーザ光が用いられることが多い。
【特許文献１】特開２００５−１２７７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、波長２４８ｎｍの深紫外線レーザ光を出力する光源は、出力安定性に乏しく、かつ頻繁なメンテナンスが必要であるために生産性の向上が困難であり、しかも、光源が安定していないことにより、光ファイバに対する照射位置のズレや、コアにおける屈折率の変化の不均一性などによって、形成したＦＢＧに大きな個体差が生じやすくなっていた。
【０００９】
特に、ＦＢＧを用いたセンシングシステムでは、一般的に複数のＦＢＧを組み合わせて構成しているため、ＦＢＧごとの個体差が大きい場合には、ＦＢＧ自体は高精度であるにもかかわらず、センシングシステムの精度の向上が図れないという問題があった。
【００１０】
また、波長２４８ｎｍの深紫外線レーザ光を用いてＦＢＧを形成する場合には、光ファイバのコアを被覆した被覆材が深紫外線レーザ光を吸収するために、被覆材を一旦除去するリムーブ処理を行った後でしかＦＢＧを形成することができず、しかも、ＦＢＧの形成後には、露出したコアを再被覆するリコート処理が必要であって、製造コストが増大するとともに、リードタイムの短縮化を阻害することとなり、製造効率の向上が図れないという問題もあった。
【００１１】
本発明者らは、このような現状に鑑み、ＦＢＧの個体差を抑制するとともに、効率よくＦＢＧを形成できる製造技術の研究開発を行って本発明を成すに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち、本発明のファイバブラッググレーティングの形成方法では、光ファイバに波長３００〜３６０ｎｍの固体レーザ光を干渉させながら照射してファイバブラッググレーティングを形成することとした。
【００１３】
さらに、本発明のファイバブラッググレーティングの形成方法では、以下の点にも特徴を有するものである。すなわち、
（１）光ファイバは、固体レーザ光に対して吸収作用を生じさせる元素をコアにドーピングしていること。
（２）コアには、前記元素を１０ｍｏｌ％以上添加していること。
（３）前記元素は、ゲルマニウム、スズ、アルミニウム、ビスマスの少なくともいずれか１つであること。
（４）固体レーザ光は５０Ｗ／ｃｍ２以上のパワーで照射すること。
【００１４】
また、本発明のファイバブラッググレーティングの製造装置では、光源から照射されたレーザ光を干渉させながら光ファイバに照射してファイバブラッググレーティングを形成するファイバブラッググレーティングの製造装置において、光源を、波長３００〜３６０ｎｍの固体レーザ光を照射する光源とした。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、光ファイバに波長３００〜３６０ｎｍの固体レーザ光を照射してファイバブラッググレーティングを形成することによって、波長３００〜３６０ｎｍの固体レーザ光を出力する光源が極めて安定的に動作することにより安定なレーザ光を用いることができ、バラツキの少ないファイバブラッググレーティングを形成できる。
【００１６】
しかも、波長３００〜３６０ｎｍの固体レーザ光は、光ファイバの被覆材に吸収されにくいことによって、リムーブ処理を行うことなくファイバブラッググレーティングを形成でき、製造効率を向上させることができる。なお、リムーブ処理を行ってファイバブラッググレーティングを形成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のＦＢＧの製造方法及びその製造装置では、光ファイバに波長３００〜３６０ｎｍの固体レーザ光を干渉させながら照射してファイバブラッググレーティング（以下、単に「ＦＢＧ」と呼ぶ。）を形成するものである。
【００１８】
本来、光ファイバのコアを構成している石英は、波長２４０〜２５０ｎｍの深紫外線レーザ光を吸収することはないが、コアにゲルマニウムなどを添加した光ファイバでは、ゲルマニウムとケイ素の間に結合するはずの酸素が結合していないため、ゲルマニウムとケイ素とが直接的に結合したＧＯＤＣ（Germanium Oxygen Deficient Center）欠陥が存在しており、この欠陥において波長２４０〜２５０ｎｍの深紫外線レーザ光の吸収が生じ、ゲルマニウムとケイ素とが直接的に結合が切断されることにより、波長１．５μｍの光に対して屈折率変化を生じている。
【００１９】
ＧＯＤＣ欠陥は、波長３００〜３６０ｎｍの光に対しても弱い吸収を生じるため、本発明では、波長３００〜３６０ｎｍの近紫外線レーザ光をコアに照射してＧＯＤＣ欠陥におけるゲルマニウムとケイ素との結合を切断し、屈折率変化を生じさせてＦＢＧを形成しているものである。
【００２０】
特に、波長３００〜３６０ｎｍの近紫外線レーザ光の光源として固体レーザを用いることにより、出力が極めて安定しているのでバラツキの少ないＦＢＧが形成できるとともに、光源がメンテナンスフリーであって、維持管理を容易とすることができる。
【００２１】
しかも、波長３００〜３６０ｎｍの固体レーザ光は、光ファイバのコアを被覆した被覆材にほとんど吸収されないことにより、リムーブ処理によって被覆材を除去することなくＦＢＧを形成でき、リムーブ処理及びリコート処理を不要としてリードタイムの短縮化を図ることができるとともに、製造コストの削減を図ることができ、製造効率を大きく向上させることができる。
【００２２】
ＦＢＧは、具体的には、図１の概略模式図で示す製造装置によって製造することができる。ここで、光ファイバＦは、コアにゲルマニウムを添加したφ１５０μｍの光ファイバとしている。
【００２３】
製造装置は、波長３３５．５ｎｍの固体レーザ光を照射する第１光源11（株式会社メガオプト製）と、青紫色レーザ光を照射する第２光源12と、この第１光源11と第２光源12とから照射されたレーザ光をビームスプリッタ21で第１レーザ光L1と第２レーザ光L2に分けるとともに、第１レーザ光L1と第２レーザ光L2の照射方向をそれぞれ調整する調整部20と、この照射部20から射出された第１レーザ光L1と第２レーザ光L2を光ファイバＦに照射する照射部30を備えている。
【００２４】
第１光源11から照射された固体レーザ光は、第１ミラーM1と、第２光源12から射出された青紫色レーザ光の光路上に設けた第２ミラーM2とに反射されて青紫色レーザ光と同じ光路を進むようにしている。図１中、A1は第１アパーチャである。
【００２５】
固体レーザ光と青紫色レーザ光は、メカニカルシャッタＳ及び第２アパーチャA2を通過して第３ミラーM3で反射され、調整部20に入射している。図１中、A3は第３アパーチャである。
【００２６】
調整部20では、入射してきた固体レーザ光と青紫色レーザ光を第４ミラーM4で反射させてビームスプリッタ21に入射させ、第１レーザ光L1と第２レーザ光L2に分けている。図１中、A4は第４アパーチャである。
【００２７】
第１レーザ光L1は、ビームスプリッタ21を通過し、第５ミラーM5と第６ミラーM6に順次反射して照射部30に入射している。一方、第２レーザ光L2は、ビームスプリッタ21で反射し、第７ミラーM7に反射して照射部30に入射している。
【００２８】
第５ミラーM5と、第６ミラーM6と、第７ミラーM7はそれぞれ角度を調整自在としており、それぞれの角度を調整することにより第１レーザ光L1及び第２レーザ光L2の照射方向を調整している。さらに、第５ミラーM5は、平行移動もさせている。
【００２９】
調整部20から入射された第１レーザ光L1と第２レーザ光L2は、円筒状レンズ31を通過して光ファイバＦに照射され、互いに干渉して干渉光を生成し、この干渉光によって光ファイバＦにＦＢＧを形成している。
【００３０】
図２は、Nd:YVO4の１３４２ｎｍの発光の４次高調波を光源に用いてＦＢＧを形成した場合の反射率を示している。このＦＢＧでは、波長１５６７．１４ｎｍ付近を中心とする半値幅約１２０ｐｍの鋭い反射ピークが得られ、波長３３５ｎｍの近紫外光の照射でＦＢＧが形成できることが確認された。なお、光源には、Nd:YVO4の１３４２ｎｍの発光の４次高調波に限定するものではなく、Nd:YAGなどの固体材料の９００〜１０８０ｎｍの発光の３次高調波、あるいは１２００〜１４４０ｎｍの発光の４次高調波を用いることができる。
【００３１】
また、図３に示すように、書き込みに用いる光源の出力を調整することにより、書き込み速度を調整できることが確認された。
【００３２】
すなわち、書き込みに用いる光源の出力を５０Ｗ／ｃｍ２以上のパワーとすることにより書き込み速度を増加させることができるため、書き込みに用いる光源の出力は、少なくとも５０Ｗ／ｃｍ２以上であることが望ましい。
【００３３】
また、図４に示すように、通常、３ｍｏｌ％程度である光ファイバのコアにおけるゲルマニウムの添加量を増大させた場合には、ＦＢＧの書き込み速度を向上させることができ、特に、１０ｍｏｌ％以上とすることにより、通常、書き込み速度を向上させるために光ファイバのコアにあらかじめ水素を添加しておく水素ロードを施すことなく同程度以上の書き込み速度とすることができる。したがって、光ファイバへの水素ロード、及びＦＢＧ形成後の水素の除去を不要として、リードタイムのさらなる短縮化を図ることができる。
【００３４】
なお、光ファイバのコアに添加する元素は、ゲルマニウムに限定するものではなく、スズ、アルミニウム、ビスマスなどを用いることができ、あるいはこれらを組み合わせて用いてもよく、石英質の光ファイバのコアにドープすることによって、このコアに３００〜３６０ｎｍの波長に対する吸収を生じさせることができる元素であれば何であってもよい。
【００３５】
前述した製造装置は、いわゆる二光束干渉法を用いてＦＢＧを形成しているが、図５の概略模式図に示すように、フェーズマスク40を用いて光ファイバＦにＦＢＧを形成してもよい。
【００３６】
この製造装置では、レーザ光を照射する光源部50と、この光源部50から照射されたレーザ光に干渉を生じさせるフェーズマスク40と、このフェーズマスク40によって生成された干渉光が照射される光ファイバＦの繰り出しを制御する繰出制御部60とを備えている。
【００３７】
光源部50は、波長３３５．５ｎｍのレーザ光を出力する固体レーザ装置（株式会社メガオプト製）51と、アパーチャ52と、照射レンズ53を備えている。
【００３８】
フェーズマスク40は、光ファイバＦに対向させた面に、光ファイバＦの長手方向に沿って複数のスリットを設けたガラス板であって、スリットの形成ピッチは、光ファイバＦに形成するＦＢＧにおける屈折率の高い部分と屈折率の低い部分のピッチΛの２倍としている。
【００３９】
繰出制御部60は、光ファイバＦが巻かれたリール62と、このリール62から引き出された光ファイバ61を挟んで繰り出させる２個一対の繰出ローラ63,63と、この繰出ローラ63,63によって繰り出された光ファイバＦを巻き取る巻取リール64を備えている。繰出ローラ63,63の何れか一方、及び巻取リール64にはそれぞれ図示しない駆動モータを遠藤連結させており、これらの駆動モータを駆動させることにより繰出ローラ63及び巻取リール64を回転駆動させている。
【００４０】
本実施形態では、リール62、繰出ローラ63,33、巻取リール64は、それぞれ適宜の支持体を介して基台65上の所定位置に配置している。リール62と繰出ローラ63,63との間には、繰出ローラ63,63と同形状とした２個一対の補助ローラ66,66を設け、補助ローラ66,66と繰出ローラ63,63との間の領域をＦＢＧ形成領域67としている。図５中、68は、ＦＢＧ形成領域67における光ファイバＦに弛みが生じないように所定のテンションを加えるためのテンションローラであり、69は、このテンションローラ68によって光ファイバＦに効果的にテンションを加えるための２個一対のテンション用補助ローラである。テンションローラ68は、図示しない制御装置によって上下に移動させながら光ファイバＦに所定のテンションを加えている。
【００４１】
フェーズマスク40は、ＦＢＧ形成領域67の所定位置に、光ファイバＦから所定の距離だけ離隔させて配置しいている。
【００４２】
このように構成した製造装置でＦＢＧを製造する場合には、光ファイバＦを巻き取ったリール62を所定位置に配置し、光ファイバＦを、テンション用補助ローラ69→テンションローラ68→補助ローラ66→繰出ローラ63の順に掛架させながら繰り出し、光ファイバＦの一端を巻取リール64に装着している。
【００４３】
製造装置では、繰出ローラ63によってリール62から光ファイバＦを所定量だけ繰り出させるとともに、テンションローラ68で光ファイバＦに所定のテンションを加えて十分に光ファイバＦを緊張させ、固体レーザ装置51からのレーザ光の照射を開始する。
【００４４】
固体レーザ装置51は、所定時間のレーザ光の照射によって光ファイバＦの所定位置にＦＢＧを形成する。このとき、ＦＢＧは、コアを被覆材で被覆したままであり、固体レーザ装置51から波長３３５．５ｎｍのレーザ光を出力することにより、このレーザ光をコアに効果的に作用させて相変化を生じさせ、コアの屈折率を変化させてＦＢＧを形成している。
【００４５】
レーザ光は固体レーザ装置51から出力されていることによって出力が安定しており、極めて均一なＦＢＧを形成できる。
【００４６】
所定時間のレーザ光の照射後、固体レーザ装置51はレーザ光の照射を停止し、繰出ローラ63はリール62から光ファイバ61を所定量だけ繰り出させ、巻取リール64はＦＢＧが形成された光ファイバＦを巻き取っている。
【００４７】
この動作を繰返すことにより、製造装置ではＦＢＧを連続的に形成できる。特に、レーザ光の照射に固体レーザ装置51を用いていることによって比較的少ない電力でレーザ光を出力でき、しかも固体レーザ装置51はメンテナンスフリーであるために保守作業を削減しながらも、個体差の極めて少ないＦＢＧを安定的に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態にかかるＦＢＧの製造装置の概略模式図である。
【図２】Nd:YVO4の１３４２ｎｍの発光の４次高調波を光源に用いてＦＢＧを形成した場合の反射率のグラフである。
【図３】書き込みに用いる光源の出力の依存性を示すグラフである。
【図４】光ファイバのコアにおけるゲルマニウムの添加の依存性を示すグラフである。
【図５】他の実施形態にかかるＦＢＧの製造装置の概略模式図である。
【符号の説明】
【００４９】
Ｆ  光ファイバ
11  第１光源
12  第２光源
20  調整部
21  ビームスプリッタ
30  照射部
31  円筒状レンズ
Ｓ  メカニカルシャッタ
L1  第１レーザ光
L2  第２レーザ光
M1  第１ミラー
M2  第２ミラー
M3  第３ミラー
M4  第４ミラー
M5  第５ミラー
M6  第６ミラー
M7  第７ミラー
A1  第１アパーチャ
A2  第２アパーチャ
A3  第３アパーチャ
A4  第４アパーチャ
【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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