(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裸光ファイバの外周側に被覆を設けて形成される光ファイバ心線の前記被覆を部分的に除去した直後に、該被覆を除去した領域の前記裸光ファイバをポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂又はポリウレタン樹脂からなるワニスに短時間浸けた後引き上げることでファイバグレーティング形成に支障がない紫外光透過性が得られる厚み１０μｍ以下の薄さの樹脂膜で覆った後、位相マスクを該樹脂膜の表面に接触させた状態で紫外光を照射することにより裸光ファイバの光導波路の屈折率が光軸方向に周期的に変化するファイバグレーティングを形成することを特徴とするファイバグレーティングの形成方法。
【請求項２】
樹脂膜は紫外光照射熱によって溶融しない耐熱性を有する有機材料のポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂によって形成するときには、その樹脂膜の厚みは８μｍ以下とし、前記樹脂膜をポリウレタン樹脂によって形成するときにはその樹脂膜の厚みは６μｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載のファイバグレーティングの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば各種センサや光通信用の部品等として用いられるファイバグレーティングの形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、例えば光通信用として、裸光ファイバの外周側に被覆を設けて形成される光ファイバ心線が用いられており、裸光ファイバは、光導波路であるコアの周りをクラッドで覆って形成されている。ファイバグレーティングは、例えば、光ファイバのコアをゲルマニウム(Ｇｅ)ドープ石英(ＳｉＯ2)ガラスにより形成し、このコアに強い紫外光を照射することによって屈折率を高め、それにより、コア内に、光ファイバ光軸方向に沿った周期的な屈折率変化を起こさせ、回折格子を形成したものである。
【０００３】
ファイバグレーティングは、予め定められた特定波長の光のみを選択的に反射する反射フィルタとして機能し、例えば、波長多重伝送される光から前記特定波長の光を反射することによって分波する分波素子や、可変波長フィルタ、波長分散補償素子、センサ素子等として用いられている。
【０００４】
ファイバグレーティングの形成方法としては、例えば、フェイズマスク法やホログラフィック法が知られている。フェイズマスク法は、フェイズマスクの上から光ファイバに紫外光を照射し、ファイバグレーティングを形成する方法であり、例えば、文献Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６２，１０３５．１９３３等に示されている。
【０００５】
フェイズマスク法を用いてファイバグレーティングを形成する場合は、例えば、光ファイバ心線に、光誘起特性の向上を目的とした加圧水素処理を行ない、図２に示すように、光ファイバ心線３の被覆２を部分的に除去して予め定められた長さの裸光ファイバ１を露出させる。次に、同図に示すように、例えば、光ファイバ心線３の側面側に設けた紫外光照射用のレーザ等から発信される紫外コヒーレント光（紫外光）を、スリット１５を通した後にミラー８により反射させ、円筒レンズ１６によって集光させた後、位相マスク（フェイズマスク）９を通して裸光ファイバ１のグレーティング形成領域（ファイバグレーティングの形成領域）６に照射する。
【０００６】
なお、前記レーザの配設位置等は特に限定されるものではなく、例えば図４に示すように、露出した裸光ファイバ１の光軸に対して直交する方向にエキシマレーザ１１を設け、図２に設けたミラー８を設けずに、エキシマレーザ１１から発信される紫外コヒーレント光をレンズ１０によって集光させた後、裸光ファイバ１のグレーティング形成領域６に照射する場合もある。
【０００７】
いずれの場合も位相マスク９を通して紫外光を裸光ファイバ１に照射すると、裸光ファイバ１に紫外光照射強度の高い部分と低い部分が形成され、紫外光照射強度の高い部分は、コアのＧｅ-Ｓｉ結合の切断が多く行われて屈折率の上昇割合が大きく、紫外光照射強度の低い部分は、前記結合の切断があまり行われない、または全く行われないために、屈折率の上昇割合が小さい、または屈折率変化がない状態となり、光ファイバ長手方向で屈折率が異なる（コアの屈折率が光ファイバ光軸方向に周期的に変化する）多層構造が形成される。
【０００８】
紫外光照射中は、例えば図４に示したように、光ファイバ把持部１３によって光ファイバ心線３を把持することにより、裸光ファイバ１に張力をかけた状態で把持し、それにより、ファイバグレーティングの前記屈折率変化周期がずれないようにしている。
【０００９】
なお、図４に示す装置は、エキシマレーザ１１によって裸光ファイバ１の一部にファイバグレーティングを形成した後、ステッピングモータ１４によって稼動ステージ１２を稼動させ、裸光ファイバ１の別の部分にファイバグレーティングを形成するといった動作を繰り返すことにより、裸光ファイバ１の広い範囲にファイバグレーティングを形成するものである。
【００１０】
紫外光照射が終了した後には、グレーティング形成領域６に部分的に熱を加え、熱的に不安定なガラス中の欠陥を除去することが多い。なお、この熱処理は、例えば、約２００℃で数１０分間裸光ファイバ１を加熱することにより行われる。さらに、光ファイバの強度面での長期信頼性を確保するために、グレーティング形成領域６を例えばステンレスパイプなどの保護スリーブ内に収容したり、もしくは、グレーティング形成領域６の表面に前記被覆２を再生したりする。また、グレーティング形成領域６を光ファイバ心線３の端面に形成する場合は、例えばコネクタ内にグレーティング形成領域６を収容することも行われる。
【００１１】
なお、前記ホログラフィック法を用いてファイバグレーティングを形成する場合は、位相マスク９を設けて紫外光照射強度の高い部分と低い部分を形成する代わりに、コヒーレントな２つの紫外光を干渉させて生じた干渉光を光ファイバに照射することによって紫外光照射強度の高い部分と低い部分を形成し、ファイバグレーティングを形成する。
【００１２】
前記のようなフェイズマスク法を用いる場合も、ホログラフィック法を用いる場合も、基本的には、光ファイバ心線３の被覆除去→紫外光照射によるグレーティング形成→熱処理→グレーティング形成領域６の保護処置といった一連の工程を踏んでファイバグレーティングが形成される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記一連の工程を踏んでファイバグレーティングを形成する過程で、露出した裸光ファイバ１が他の部品などに接触したり、裸光ファイバ１に埃がついたりして、裸光ファイバ１のガラス表面に傷がついてしまうことは避けられない。
【００１４】
また、裸光ファイバ１に例えば空気中の水分などが付着することもあり、前記の如く、紫外光照射時には、裸光ファイバ１に予め定められた張力をかけて光ファイバ心線３を把持しているため、紫外光照射時に、前記水分によって応力腐食が生じることもある。さらに、ファイバグレーティング形成部品において、温度によるファイバグレーティングの伸縮により前記屈折率変化周期がずれないようにするために、紫外光照射以降も裸光ファイバ１に張力をかけた状態で、金属などによってファイバグレーティング形成領域の両端を保持する光部品もあり、このような光部品においては、紫外光照射以降も前記水分による応力腐食が生じる。
【００１５】
そのため、従来は、前記裸光ファイバ１の表面の傷や応力腐食が生じた部分の強度が低下し、ファイバグレーティングを形成した光ファイバ型光部品の長期信頼性が低下してしまうといった問題があった。
【００１６】
ちなみに、部品の長期信頼性を確保するために、光ファイバには、信頼性設計に必要な荷重をかけることにより、この荷重に絶えられない低強度部を除くスクリーニング試験が施されるが、従来のファイバグレーティングの形成方法を用いてファイバグレーティングを形成すると、比較的低いレベルのスクリーニングテストに用いられる１．０ＧＰａ程度の荷重を加えただけでもグレーティング形成領域６が破損してしまうことが多く、結果として、ファイバグレーティングを形成した光ファイバ型光部品の製品歩留まりが極端に悪かった。
【００１７】
また、裸光ファイバ１を形成する石英は温度によって長さが変化するため、それに伴って、ファイバグレーティングの反射波長帯がシフトするといった問題を回避するため、最近では、裸光ファイバ１に常時張力を加えておき、温度が上がって裸光ファイバ１の長さが伸びたときには、その張力を小さくし、逆に、温度が下がって裸光ファイバ１の長さが縮んだときには、その張力を大きくし、このような張力調整によって、ファイバグレーティングの反射波長帯が常に一定となるようにする方法が実用化されつつある。
【００１８】
この方法を光ファイバ型光部品に適用するためには、前記スクリーニングテストにおいて、１．５〜２．０ＧＰａ程度の荷重をグレーティング形成領域６にかける必要があるが、そうなると、従来のファイバグレーティングの形成方法を用いてファイバグレーティングを形成した光ファイバ型光部品で、このレベルのスクリーニングテストを通過するものは皆無といってよかった。
【００１９】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、強度が高く、信頼性の高いファイバグレーティングを形成することができ、それにより、ファイバグレーティングを形成した光部品を歩留まり良く製造することができるファイバグレーティングの形成方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、本発明は、裸光ファイバの外周側に被覆を設けて形成される光ファイバ心線の前記被覆を部分的に除去した直後に、該被覆を除去した領域の前記裸光ファイバをポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂又はポリウレタン樹脂からなるワニスに短時間浸けた後引き上げることでファイバグレーティング形成に支障がない紫外光透過性が得られる厚み１０μｍ以下の薄さの樹脂膜で覆った後、位相マスクを該樹脂膜の表面に接触させた状態で紫外光を照射することにより裸光ファイバの光導波路の屈折率が光軸方向に周期的に変化するファイバグレーティングを形成する構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２１】
また、前記樹脂膜は紫外光照射熱によって溶融しない耐熱性を有する有機材料のポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂によって形成するときには、その樹脂膜の厚みは８μｍ以下とし、前記樹脂膜をポリウレタン樹脂によって形成するときにはその樹脂膜の厚みは６μｍ以下とすることも本発明の特徴的な構成とされている。
【００２２】
上記構成の本発明において、光ファイバ心線の被覆を部分的に除去した領域に、光ファイバ心線の裸光ファイバの表面側をファイバグレーティング形成に支障がない紫外光透過性が得られる薄さの樹脂膜で覆った後、該樹脂膜の表面側から紫外光を照射することにより、裸光ファイバが他の部品と直接接触することが抑制され、また、裸光ファイバ表面に埃などがつくことも抑制されるため、これらの接触や埃などによって裸光ファイバ表面に傷がつくことが回避されるし、裸光ファイバ表面に水分が付着して、紫外光照射時に応力腐食が生じることも回避される。
【００２３】
そのため、裸光ファイバの表面の傷や応力腐食が生じた部分の強度が低下し、ファイバグレーティングを形成した光ファイバ型光部品の長期信頼性が低下してしまうといったことを防ぐことが可能となり、上記課題が解決される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。
【００２５】
図１には、本発明に係るファイバグレーティングの形成方法の実施形態例において最も特徴的な工程の説明図が示されている。同図に示すように、本実施形態例の最も特徴的なことは、光ファイバ心線３の被覆２を部分的に除去した後、被覆２を除去した領域の裸光ファイバ１の表面側をファイバグレーティング形成に支障がない紫外光透過性が得られる薄さの樹脂膜７で覆った後、樹脂膜７の表面側から紫外光を照射することにより、裸光ファイバ１のコア４の屈折率が光軸方向に周期的に変化するファイバグレーティングを形成するようにしたことである。
【００２６】
樹脂膜７は、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等の、紫外光照射熱によって溶融しない耐熱性を有する有機材料や、ポリウレタン樹脂などの有機材料により形成されており、樹脂膜７の厚みは１０μｍ以下で、紫外光が十分透過し、かつ、干渉光の集束性が低下しないようになっている。なお、図１の図中１７は、紫外光照射によって屈折率が高くなる部位を示している。
【００２７】
本実施形態例でも、従来と同様に、光ファイバ心線３に、光誘起特性の向上を目的とした加圧水素処理を行なった後に、被覆２を部分的に除去し、図１に示すように、樹脂膜７を形成した後、紫外光照射用のレーザ等から発信される紫外コヒーレント光（紫外光）をレンズ（図示せず）等によって集光させ、位相マスク９を通して裸光ファイバ１のグレーティング形成領域６に照射することにより、ファイバグレーティングを形成している。
【００２８】
ところで、本発明者は、本実施形態例のファイバグレーティングの形成方法に用いる樹脂膜７の材質や厚みを特定するために、樹脂膜７を形成する樹脂および樹脂膜７の膜厚をパラメータとして様々に変えて、ファイバグレーティングを形成し、グレーティング形成領域６による波長１５５０ｎｍ帯の光の反射率と、グレーティング形成領域６の引張り強度（引張強度）を検討した。その結果が表１に示されており、表１には、比較例として、樹脂膜７を設けずにファイバグレーティングを形成した場合の、ファイバグレーティングの反射率および裸光ファイバ１の引張り強度の値も示されている。なお、引張り強度の測定は、サンプル数ｎ＝２５として行なった。
【００２９】
【表１】
0003869121.tif 000002
【００３０】
上記検討に際し、具体的には、以下のようにしてファイバグレーティングを有する光ファイバ型光部品を形成した。まず、ファイバグレーティングを形成する光ファイバ（光ファイバ心線３）は、一般に用いられている分散シフト光ファイバで、センタコアの周りをセンタコアよりも屈折率が小さいサイドコアで覆ってコア４を形成し、サイドコアの周りをクラッド５で覆って成る階段型のプロファイルを有し、センタコアの平均ＧｅＯ2濃度が６ｗｔ％の光ファイバ心線３とした。また、この光ファイバ心線３の被覆２は、紫外線硬化型のアクリル系樹脂とし、光ファイバ心線３の外径は２５０μｍφとした。
【００３１】
また、前記光誘起特性の向上を目的とした加圧水素処理は、光ファイバ心線３を水素１８０気圧の雰囲気に２週間保持して行なった。そして、この加圧水素処理後の光ファイバ心線３の被覆２に小さな傷をつけ、傷をつけた部分に有機溶剤を染み込ませて光ファイバ心線３の表面から被覆２を剥離させ、グレーティング形成領域６となる約３０ｍｍの長さ分だけ被覆２を除去した。
【００３２】
そして、被覆２を除去した部分を、直ちに樹脂膜７を形成する樹脂のワニスに短時間浸けた後、引き上げて温風乾燥し、樹脂膜７を形成した。ここで、樹脂膜７の厚みが所望の厚みに成るように、樹脂と溶剤との比率を変えて樹脂のワニスの粘度を調整し、樹脂膜７の厚みを調整した。なお、樹脂膜７をポリウレタン樹脂膜にするときには、ポリウレタン樹脂ワニス（東塗料社製の商品名ＦＬ３−６０−５２）を用い、ポリイミド樹脂膜にするときには、ポリイミド樹脂ワニス（東レ社製の商品名トレニース＃３０００）を用い、ポリアミドイミド樹脂膜にするときには、ポリアミドイミド樹脂ワニス（日立化成社製の商品名ＨＩ−４０５）を用いた。
【００３３】
さらに、照射する紫外コヒーレント光は、波長２４４ｎｍとし、図２に示したように、空間スリット１５を通すことで紫外コヒーレント光のビームの中心のみを切り取り、ミラー８を動かすことにより、紫外コヒーレント光を裸光ファイバ１の長手方向に走査しながら裸光ファイバ１のグレーティング形成領域６に照射し、ファイバグレーティングを形成した。なお、紫外光照射中は、裸光ファイバ１に曲がりが出ないように、１００ｇｒｆの張力をかけた状態で裸光ファイバ１を把持した。また、位相マスク９は、樹脂膜７の表面（比較例では裸光ファイバ１の表面）に接触させた状態で紫外光照射を行なった。
【００３４】
以上のようにして得られたファイバグレーティングの形成部に、赤外線ランプを照射して、不活性雰囲気で裸光ファイバ１の温度が１８０℃となるようにして２０分間保持し、その後、樹脂膜７の表面側に被覆２と同じアクリル系樹脂をほぼ同径に再被覆し、弱い紫外光でアクリル系樹脂を硬化させた。
【００３５】
前記表１から明らかなように、従来のファイバグレーティング形成方法と同様に、樹脂膜７を形成せずに紫外光照射を行なってファイバグレーティングを形成した比較例では、グレーティング形成領域６の引張り強度は非常に弱く、サンプル２５本全てが、張力１．５ＧＰａ以下で破断してしまった。
【００３６】
それに対し、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂のいずれの樹脂膜７を形成して紫外光照射を行なった場合も、比較例に比べて格段に引張り強度が向上しており、サンプル全体のうちの９０％が引張り強度０．８ＧＰａを越え、さらに、５０％以上が引張り強度１．５ＧＰａを越えており、高強度スクリーニングをクリアできることが分かる。すなわち、樹脂膜７を形成した後に紫外光を照射するようにすると、裸光ファイバ１が他の部品と直接接触することが抑制され、また、裸光ファイバ１の表面に埃などがつくことも抑制されるため、これらの接触や埃などによって裸光ファイバ１の表面に傷がつくことが回避されるし、裸光ファイバ１の表面に水分が付着して、紫外光照射時や紫外光照射以降に応力腐食が生じることも回避され、強度の高いファイバグレーティングを有するファイバグレーティングが形成される。
【００３７】
特に、ポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂の樹脂膜７を形成して紫外光照射を行なった場合には、ポリウレタン樹脂の樹脂膜７を形成して紫外光照射を行なった場合よりも、さらに、約２０％引張り強度が高くなっている。このように、樹脂膜７をポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂などの耐熱性を有する樹脂によって形成すると、これらの樹脂は、短時間なら５００℃にも絶えられるために、紫外光照射熱による熱劣化や、ファイバグレーティング形成後の熱処理による熱劣化がないために、より一層強度の高いグレーティング型光部品の形成が可能であると考えられ、このような耐熱有機材料を樹脂膜７として用いてファイバグレーティングを形成することが好ましいことが分かった。
【００３８】
なお、ポリウレタン樹脂により樹脂膜７を形成してファイバグレーティングの形成を行なった場合には、本発明者の顕微鏡による観察によると、樹脂膜７の表面に、紫外光照射および熱処理による劣化が多少見られたが、ポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂により樹脂膜７を形成してファイバグレーティングの形成を行なった場合には、前記劣化が見られなかった。
【００３９】
また、樹脂膜７の膜厚が１０μｍ以上となると、前記反射率がかなり低下してしまうので、この反射率を考慮して、本実施形態例では、樹脂膜７の膜厚を１０μｍ以下とした。なお、樹脂膜７の膜厚が大きいと、紫外光が樹脂膜７を通過する間に屈折がおこり、コア４への集束性が低下することにより、十分にファイバグレーティングを形成することができなかったためと考えられる。また、樹脂膜７の膜厚が大きいと、均一な厚さの樹脂膜７を形成することが難しくなり、位相マスク９を樹脂膜７に接触させてセットしたときに、樹脂膜７の凹凸で位相マスク９がコア４に対して斜めに配置される確率が高くなることも考えられる。
【００４０】
仮に、図３に示すように、前記反射率が８０％以上となるようにするためには、ポリウレタン樹脂膜７の厚みは６μｍ以下とし、ポリイミド樹脂膜７やポリアミドイミド樹脂膜７の厚みは８μｍ以下とすることが好ましい。
【００４１】
本実施形態例によれば、上記検討結果に基づき、前記の如く、光ファイバ心線３の被覆２を部分的に除去した後、被覆２を除去した領域に裸光ファイバ１の表面側をファイバグレーティング形成に支障がない紫外光透過性を得られる１０μｍ以下の薄さのポリウレタン樹脂やポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂の樹脂膜７で覆った後、樹脂膜７の表面側から紫外光を照射してファイバグレーティングを形成するようにしたために、グレーティング形成領域６の反射率が高く、しかも、グレーティング形成領域６の裸光ファイバ１の表面に生じる傷や応力腐食によってファイバグレーティングの強度劣化がおこることは殆どない、高強度で長期信頼性の高い光ファイバ型光部品を歩留まりよく製造することができる。
【００４２】
なお、本発明は上記実施形態例に限定されることはなく様々な実施の態様を採り得る。
【００４４】
例えば、上記実施形態例では、ファイバグレーティングを形成する光ファイバ心線３は、階段型のプロファイルを有する分散シフト光ファイバとしたが、光ファイバ心線３の種類などは特に限定されるものではなく、適宜設定されるものであり、ゲルマニウムやアルミニウム、リンなどの、紫外光照射によって屈折率が高められるドーパントをコア４またはコア４とクラッド５の両方にドープした光ファイバとすればよい。なお、前記ドーパントをコア４とクラッド５の両方にドープすると、ファイバグレーティングはコア４とクラッド５の両方に形成される。
【００４５】
さらに、ファイバグレーティング形成に用いられる紫外光照射用のレーザの種類や、紫外光強度、紫外光照射方向、ファイバグレーティング形成後の熱処理の方法などは特に限定されるものではなく、適宜設定されるものである。
【００４６】
さらに、上記実施形態例では、フェイズマスク法を用いてファイバグレーティングを形成する例を述べたが、本発明は、ホログラフィック法やその他の方法を用いてファイバグレーティングを形成する方法としても適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、光ファイバ心線の被覆を部分的に除去した領域に、裸光ファイバの表面側をファイバグレーティング形成に支障がない紫外光透過性を得られる厚み１０μｍ以下の薄さのポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂又はポリウレタン樹脂の樹脂膜で覆った後、該樹脂膜の表面側から紫外光を照射するようにしたものであるから、裸光ファイバが他の部品と直接接触することを抑制することができるし、裸光ファイバ表面に埃などがつくことも抑制することができるため、これらの接触や埃などによって裸光ファイバ表面に傷がつくことを回避できるし、裸光ファイバ表面に水分が付着して、紫外光照射時に応力腐食が生じることも回避することができる。
【００４８】
そのため、本発明によれば、裸光ファイバの表面の傷や応力腐食が生じた部分の強度が低下し、ファイバグレーティングを形成した光ファイバ型光部品の長期信頼性が低下してしまうといったことを防ぐことが可能となり、高強度で長期信頼性に優れた光部品を歩留まりよく製造することができる。
【００４９】
特に、樹脂膜は紫外光照射熱によって溶融しない耐熱性を有する有機材料のポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂によって形成する本発明によれば、紫外光照射時に樹脂膜に加えられる熱やファイバグレーティング形成後に樹脂膜に加えられる熱によって樹脂膜が劣化することを防ぐことができるために、より一層強度の高い、長期信頼性に優れたファイバグレーティングを有する光部品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るファイバグレーティングの形成方法の一実施形態例において特徴的な樹脂膜７形成後の紫外光照射工程を示す要部説明図である。
【図２】ファイバグレーティングの形成方法における紫外光照射工程を示す説明図である。
【図３】上記実施形態例のファイバグレーティングの形成方法を用いて形成したファイバグレーティングの反射スペクトルの一例を示すグラフである。
【図４】従来のファイバグレーティングの形成方法において用いられる装置の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  裸光ファイバ
２  被覆
３  光ファイバ心線
４  コア
６  グレーティング形成領域
７  樹脂膜
９  位相マスク
【図１】
0003869121.tif 000003
【図２】
0003869121.tif 000004
【図３】
0003869121.tif 000005
【図４】
0003869121.tif 000006