(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとクラッドとを有する光ファイバに対して紫外光を照射して、周期的な高屈折率部からなるグレーティング部を形成し、該グレーティング部の格子ベクトルと光ファイバ軸とのなす角であるスラント角度を非ゼロの角度に設定するスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法において、
該クラッドにも光感受性を持たせ、露光後の屈折率変化及び露光後の脱水素および加熱エージング工程での屈折率変化による反射抑制角の影響を予め考慮し、該スラント角度が露光時における該反射抑制角よりも大きい角度となるようにして該グレーティング部を形成することを特徴とするスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法。
【請求項２】
前記スラント角度が、露光時における反射抑制角よりも０．０３５度〜０．１５度大きくなるようにして前記グレーティング部を形成することを特徴とする請求項１に記載のスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法。
【請求項３】
前記スラント角度が、露光による屈折率変化量と露光後の脱水素および加熱エージング工程による屈折率変化量とから見積もられる角度だけ、露光時における反射抑制角よりも大きくなるようにして前記グレーティング部を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法。
【請求項４】
前記屈折率変化量が前記光ファイバの長手方向に変化する場合に、該屈折率変化量が最大となる部分において、前記スラント角度が露光時における反射抑制角よりも大きい角度となるようにして該グレーティング部を形成することを特徴とする請求項１、２又は３に記載のスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバグレーティングに関し、特に、反射光の多重反射を防止することを目的としたスラント型短周期光ファイバグレーティング及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いて作製される光フィルタの一例として、光ファイバグレーティングがある。この光ファイバグレーティングとは、光ファイバを光が伝搬する領域に所定の周期で屈折率変化を形成したもので、この屈折率変化の周期をグレーティング周期という。
この光ファイバグレーティングは、グレーティング周期によって２つに分類することができる。
その１つは、グレーティング周期が数百μｍ程度の長周期光ファイバグレーティング（以下「ＬＰＧ」と略記する）である。ＬＰＧでは、屈折率が変化しているグレーティング部において、入射光のうち所定の波長帯域の光が、入射光と同じ方向に進行する前進クラッドモードと結合するため、ＬＰＧを用いると、この波長帯域について透過損失を有する透過光が得られる。
【０００３】
もう一つは、グレーティング周期が、使用波長帯の光の波長の１／３程度である短周期光ファイバグレーティング（以下「ＳＰＧ」と略記する）である。ＳＰＧでは、入射光のうち所定の波長帯域の光が、入射光と逆方向に進行する導波モード（以下「反射モード」と略記する）、及び入射光と逆方向に進行する後進クラッドモードと結合するため、ＳＰＧを用いると、この波長帯域について透過損失を有する透過光が得られる。
通常この周期的な屈折率変化は、光ファイバに光感受性を持つ物質を添加し、この光感受性物質に対応した光を光ファイバに照射することにより作製する。ただし、ここでいう光感受性とは、通常波長２４８ｎｍ付近の紫外光照射により物質の屈折率が変化する特性のことである。この周期的な屈折率変化を得る方法としては、二光束干渉法、位相マスク法、ステップバイステップ法などが広く用いられている。
【０００４】
このＳＰＧのなかで、ＳＰＧの利点である設計の自由度を生かし、かつ透過スペクトルのリップルを生じにくくするため、コアの中心軸に対して斜めにグレーティングが形成された光ファイバグレーティングが開発されており、このような短周期光ファイバグレーティングをスラント型短周期光ファイバグレーティング（以下「ＳＳＰＧ」と略記する）と呼ぶ。
通常のＳＰＧでは、光の進行方向に対して垂直にグレーティングが形成されているため、反射モードへの結合に比べて後進クラッドモードへの結合が小さいのに対して、ＳＳＰＧでは、グレーティング部において反射された光の一部はクラッドに放射され、後進クラッドモードと結合する。
この後進クラッドモードと結合した光は損失となるので、ＳＳＰＧは結合に対応した特定の波長の光を減衰させる光フィルタとして用いられる。また、スラント角度を適切な値に設定することにより、反射モードへの結合を抑えることができる利点もある。この反射モードへの結合を抑えることができるスラント角度を反射抑制角という。この反射抑制角は光ファイバの屈折率分布や光感受層の分布形状によって決まる値である。このＳＳＰＧは光増幅器の利得を平坦化する利得等化器等への応用が可能である。
【０００５】
このＳＳＰＧの場合、クラッドにもゲルマニウムを添加することでフィルタ特性が良くなることが知られている。具体的にはクラッドにゲルマニウムを添加すると、反射抑制角においてより帯域が狭く急峻で、かつ透過損失の大きいフィルタ特性を得ることが可能となる。通常は、コアの光感受性はクラッドの光感受性の２割程度であり、場合によっては、コア部には光感受性を持たせずに、クラッド層のみに光感受性を持たせる場合もある。
ただ、クラッドに光感受性を持たせる場合、クラッド全てに光感受性を持たせることはなく、通常コア近傍のクラッド層のみに光感受性を持たせている。これは、クラッド全体に光感受性を持たせることが光ファイバ作製上困難であり、手間がかかることに加え、光ファイバ中を伝搬する光はコア付近に集中しており、クラッド全域に光感受性を持たせても意味がないからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような光ファイバを露光して屈折率を上昇させると、クラッドのうち光感受性がある層のみの屈折率が上昇してしまうため、光ファイバ中の屈折率分布が変化する。ＳＳＰＧの場合は、導波モードとクラッドモードとの結合を用いており、クラッドの屈折率変化に対し敏感であるため、露光による屈折率上昇により反射抑制角が変化してしまう。
逆に、いったん露光して屈折率を上昇させたＳＳＰＧは、その後の工程で屈折率変化量が小さくなるため、ここでも反射抑制角は変化する。ＳＳＰＧの通常の製作工程は、光ファイバの水素処理→露光→脱水素→加熱エージングである。
水素処理とは、光ファイバの光感受性を高めるためにファイバ中に水素を拡散させる工程である。水素処理した光ファイバに露光後、光ファイバから水素を抜くために100℃程度の高温雰囲気中に１日程度放置しておくのが脱水素工程である。さらに、使用条件下においてグレーティングの特性が熱により劣化しないように、高温処理をして予め加速劣化させておくのがエージング工程である。これらの工程を経ると露光時に作りこまれた屈折率変化は最終的には半分程度にまでなる場合もある。
【０００７】
つまり、ＳＳＰＧ作製上は、スラント角が露光時の反射抑制角となるようにＳＳＰＧを作製するのが一番簡単ではあるが、スラント角を露光時の反射抑制角に合わせてＳＳＰＧを作製しても、露光後の脱水素加熱エージングによる屈折率変化の結果、最終的な製品になると反射抑制角が変化してしまい、反射が小さいというＳＳＰＧの利点が満たされなくなる場合があった。
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、ＳＳＰＧにおける露光後の屈折率変化及び露光後の工程での屈折率変化による反射抑制角の影響を予め考慮してグレーティング部を形成することにより、反射率の小さいＳＳＰＧの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、コアとクラッドとを有する光ファイバに対して紫外光を照射して、周期的な高屈折率部からなるグレーティング部を形成し、該グレーティング部の格子ベクトルと光ファイバ軸とのなす角であるスラント角度を非ゼロの角度に設定するスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法において、該クラッドにも光感受性を持たせ、露光後の屈折率変化及び露光後の脱水素および加熱エージング工程での屈折率変化による反射抑制角の影響を予め考慮し、該スラント角度が露光時における該反射抑制角よりも大きい角度となるようにして該グレーティング部を形成することを特徴とするスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法である。
これにより、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載のスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法において、前記スラント角度が、露光時における反射抑制角よりも０.０３５度〜０.１５度大きくなるようにして前記グレーティング部を形成することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法において、前記スラント角度が、露光による屈折率変化量と露光後の脱水素および加熱エージング工程による屈折率変化量とから見積もられる角度だけ、露光時における反射抑制角よりも大きくなるようにして前記グレーティング部を形成することを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３に記載のスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法において、前記屈折率変化量が前記光ファイバの長手方向に変化する場合に、該屈折率変化量が最大となる部分において、前記スラント角度が露光時における反射抑制角よりも大きい角度となるようにして該グレーティング部を形成することを特徴とする。
これにより、屈折率変化量が変化する場合であっても、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１に、本発明のスラント型短周期光ファイバグレーティングの例を示す。
図１は、この例のスラント型短周期光ファイバグレーティングの側断面図である。図１中、符号１はコアであり、このコア１の周囲にコア１よりも屈折率の小さいクラッド２が設けられている。コア１とクラッド２とは石英系ガラスからなり、コア１とクラッド２には通常、特定波長の紫外光を照射することによって石英系ガラスの屈折率を上昇させるために、光感受性物質が添加され、この光感受性物質として通常ゲルマニウムが用いられる。
【００１２】
このゲルマニウムを添加した石英系ガラスに、位相マスク等を介してコア１とクラッド２の長手方向にそって、所定の周期で通常波長２４８ｎｍ付近の紫外光を照射して、紫外光が照射された部分のコア１とクラッド２の屈折率を上昇させ、複数の高屈折率部３が配列されたグレーティング部４が形成されている。この高屈折率部３は、コア１とクラッド２とを横切るように、かつコア１の中心軸Ｂに直交せず、斜めに形成され、複数の高屈折率部３は、長手方向にそって互いに平行に配置されている。
この高屈折率部３に直交する線Ａの方向をグレーティングの格子ベクトル方向という。この格子ベクトル方向とコア１の中心軸との角度θをスラント角度といい、このスラント角度によって高屈折率部３の傾きの大きさを表す。
このスラント型短周期光ファイバグレーティングにおいては、入射光５のうち、グレーティング部４で反射された光の一部はクラッド２への放射光６となり、後進クラッドモードと結合する。これにより、コア１を逆行する反射モードとの結合が小さくなり、多重反射が生じにくくなる。
【００１３】
このようなスラント型短周期光ファイバグレーティングについて、屈折率変化による反射抑制角の変化をシミュレーションにより求めた。
図２に、シミュレーションに用いた光ファイバの構造例を示す。
図２中、符号１はコアであり、この例ではコア半径を３μｍ、屈折率を1.45258としているが、これに限定されるものではない。符号２は、コア１の外周に形成されたクラッドであり、その屈折率を1.4443としているが、これに限定されるものではない。
この光ファイバはコア１には光感受性を持たず、クラッド２のうち、半径１２μｍまでが光感受性を持つように形成されている。この光ファイバについて、露光により光感受性を持つ層の屈折率が上昇したときの反射抑制角の変化を図３に示す。
【００１４】
図３において、横軸が光感受性を持つ層の屈折率変化量△ｎで、縦軸が反射抑制角である。屈折率変化量が大きくなるに従い反射抑制角が小さくなっていく様子が確認出来る。この反射抑制角の屈折率変化依存性は−69〔度/△ｎ〕である。
この光ファイバを用いてＳＳＰＧを作製した場合の、反射抑制角からの角度ずれが反射率に与える影響を図４に示す。図４は屈折率変化量が0．001、グレーティング長が2mmの場合の値である。反射抑制角から角度が0．05度でもずれると20dB以上の反射率の差が生じることがわかる。図３と図４の結果から、クラッドの屈折率変化によって、ＳＳＰＧの反射率が大きく影響を受けることが確認できる。
【００１５】
ここまでの光ファイバにおいては、コア部分の光感受性をゼロとして検討したが、コア部分にもクラッドの光感受性の２０％程度まで光感受性を持たせる場合がある。そこで、屈折率プロファイルは図２に示す光ファイバと全く同じで、コア部分の光感受性のみをクラッドの光感受性の１０％にした場合と、２０％にした場合の二種類について、０％のときと同様に反射抑制角度の屈折率変化依存性を求めた。その結果を図５に示す。
コア部の光感受性がクラッド部分の光感受性の１０％である場合（図５においてはｐｓ＝０．１と表示）の反射抑制角の屈折率変化依存性は−１３５（度／Δｎ）であり、同様に２０％である場合（図５においてはｐｓ＝０．２と表示）の反射抑制角の屈折率変化依存性は−１９１（度／Δｎ）であることがわかった。このような反射抑制角の屈折率変化依存性と、露光による屈折率変化と露光後の工程による屈折率変化の差を予め見積もることで、露光時の反射抑制角と最終的な使用状態における反射抑制角の差を求めることができ、最終的な使用状態において最適なスラント角とすることができる。
【００１６】
これらの数値をもとに、実際に必要と考えられるスラント角を見積もる。
ＳＳＰＧを作製する際、露光による屈折率変化は通常０．００１５程度である。これは、これより小さいと必要な透過損失量が得られないためであり、逆にこれより大きいと露光時間が長くなることに加え、安定して光ファイバグレーティングを作製できなくなり、歩留まりが悪化するからである。
ここで、安定して作製できないとは、第１に、露光時間が長くなると、振動やレーザの揺らぎなどの外的要因の影響を受ける時間も長くなり、歩留まり良く目的の透過損失形状を得ることが困難になること、第２に、露光時間が長くなると、屈折率変化量が露光量に対して飽和傾向になり、露光量と屈折率変化量の見積もりが困難になり、歩留まり良く目的の透過損失形状を得ることが困難になることを意味する。
【００１７】
露光により上昇させた屈折率変化は、脱水素及びエージング工程で減衰させる。これは、前述の通り完成品の熱的安定性を高めるためである。この脱水素、エージング工程で減衰される屈折率変化量は露光による屈折率変化の３割から５割程度必要であるため、露光による屈折率変化が０．００１５の場合、０．０００５〜０．０００８程度減衰させることとなる。
先に述べたように、反射抑制角の屈折率変化依存性はコア部分の光感受性の量によって変化し、その値は−６９〜−１９１（度／Δｎ）程度である。これらの結果より、露光後と最終的な使用状態における反射抑制角の変化量は小さい場合０．０００５×６９＝０．０３５度、大きい場合は０．０００８×１９１＝０．１５度であると見積もることができる。つまり、予め露光時の反射抑制角よりも０．０３５〜０．１５度だけ大きなスラント角を設定してグレーティング部を作製することで、最終的な使用状態で最適な反射抑制角とすることができ、反射のほとんどないＳＳＰＧを作製することができる。
【００１８】
ここで、脱水素工程、エージング工程で減衰される屈折率変化量は、露光による屈折率変化の３割から５割程度必要であるとする根拠について、以下に説明する。
ここでは、エージング工程における劣化について主に説明する。
まず、光ファイバグレーティングをある温度下におき、そのときの熱劣化（エージング）の様子を透過率の経時変化にて測定する。その透過率を式（１）を用い結合定数（Integrated Coupling Constant :ICC）に変換する。
【００１９】
【数１】
0003798304.tif 000002
【００２０】
ここで、Ｔminは透過率の最小値を示す。このICCを、熱劣化させる前のICCで規格化し、規格化結合定数（Normalized Coupling Constant :Ncc）を求める。この作業をいくつかの温度で行った結果を、図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６（ａ）、（ｂ）においては、用いた光ファイバの種類が異なっているため、同じ温度で同じ時間だけ熱劣化させても、ＮCCの値が異なっている。
図６（ａ）、（ｂ）の結果を、式（２）
【００２１】
【数２】
0003798304.tif 000003
【００２２】
において、横軸の時間を境界エネルギー（Demaracation Energy :Ed）に変換してプロットしなおす。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは熱劣化時の絶対温度、ｔは経過時間、ν0は定数である。この定数ν0を変化させることにより、色々な温度で測定したＮCCの曲線が変化するので、すべてのプロットが同じ曲線上に載るように定数ν0を決定する。その結果を図７（ａ）、（ｂ）に示す。いずれの場合も良く曲線上に載っていることが確認できる。
次に、この結果を式（３）
【００２３】
【数３】
0003798304.tif 000004
【００２４】
でフィッティングする。式（３）において、ａ、ｂ、ｃはフィッティングパラメータである。
また、式（２）より、ＮCCは熱劣化時の絶対温度Ｔと経過時間ｔとの関数であるので、式（３）は式（４）
【００２５】
【数４】
0003798304.tif 000005
【００２６】
と表すことができる。
ここで、エージング前の透過損失をＴ0とし、エージング後の透過損失をＴageとすると、ＮCCの定義式より式（５）となり、
【００２７】
【数５】
0003798304.tif 000006
【００２８】
これをＴageについて解くと、式（６）となり、
【００２９】
【数６】
0003798304.tif 000007
【００３０】
Ｔageは初期の透過損失とエージング温度、エージング時間の関数となる。
ここで、仮に光ファイバグレーティングの仕様が２７年間４５℃の使用条件において、透過損失のｄＢ比での変動量が０．１％以内であるとすると、式（７）
【００３１】
【数７】
0003798304.tif 000008
【００３２】
の条件を満たす時間ｔ0を求めて式（４）によりＮCCに変換する。ここで、Ｔage＝−４ｄＢとすると、必要なＮCCの劣化量は光ファイバ１の場合は０．８７であり、光ファイバ２の場合は０．７８となる。
このように、予め必要なＮCCの劣化量が求まると、式（３）より、エージングに必要な温度と時間を計算することができる。光ファイバ１の場合は２６０℃で４分、２２０℃で４１分、光ファイバ２の場合は２６０℃で９分、２２０℃で８３分となる。また、このときのｄＢ比で見た場合のエージング前後での劣化量Ｔage／Ｔ0はそれぞれ０．６、０．４となり、仕様を満たすためには、エージングにより透過損失を半分以上落とすことが必要となる。
ここまでは、エージング工程について詳しく説明したが、脱水素工程においてもＮCCは０．７５程度劣化するので、トータルの劣化量は、０．７５×０．８７〜０．７５×０．７８となり、露光後の屈折率変化の３割から５割程度小さな値となる。
【００３３】
このように、２２０℃から３００℃の間で４点程度温度を定め、その温度下に光ファイバグレーティングを置いたときの劣化量の経時変化を測定し、その値をもとに、使用温度下（ここでは４５℃）で使用期間（２７年）置いたときに、規格から外れない劣化量（ｄＢ比で１％以内）に抑えるために必要なエージング条件を求める。このエージング条件と脱水素工程における劣化量を考慮した値が、脱水素工程、エージング工程で減衰される屈折率変化量を、露光による屈折率変化の３割から５割程度とする根拠となる。３割から５割というように数値に開きがあるのは、光ファイバの種類や使用条件によって劣化の様子が異なるためである。
【００３４】
光ファイバの長手方向に屈折率変化量が変化するようなＳＳＰＧの場合、屈折率変化量が一番大きい場所で上記の特性を満たすようにスラント角度を設定するのが好ましい。なぜなら、屈折率変化量が小さい領域ではもともと反射が小さく、屈折率変化量が一番大きい場所での反射を抑制することが最も重要であるからである。
図８と図９に、図２に示した屈折率プロファイルを有する光ファイバを露光して作製したＳＳＰＧの透過損失スペクトルと反射スペクトルを示す。
図８が露光時においてスラント角度を反射抑制角に設定した場合であり、図９が露光時においてスラント角を露光時の反射抑制角よりも0．05度だけ大きく設定した場合である。どちらのＳＳＰＧも、透過損失はほぼ同じであるのに対し、反射スペクトルでは図９に示すＳＳＰＧの方が反射光強度が小さく、露光時に予め反射抑制角よりも大きなスラント角度を設定してグレーティング部を形成した効果がはっきりと確認できた。
【００３５】
この例のスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法によると、スラント角度が露光時における反射抑制角よりも大きい角度となるようにしてグレーティング部を形成し、好ましくは、スラント角度を、露光による屈折率変化量と露光後の工程による屈折率変化量から見積もられる角度だけ、露光時における反射抑制角よりも大きくなるようにしてグレーティング部を形成することにより、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
また、屈折率変化量が光ファイバの長手方向に変化する場合には、屈折率変化量が最大となる部分において、スラント角度が露光時における反射抑制角よりも大きい角度となるようにしてグレーティング部を形成することにより、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、スラント角度が露光時における反射抑制角よりも大きい角度となるようにしてグレーティング部を形成し、好ましくは、スラント角度が、露光による屈折率変化量と露光後の工程による屈折率変化量から見積もられる角度だけ、露光時における反射抑制角よりも大きくなるようにしてグレーティング部を形成することにより、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
また、屈折率変化量が光ファイバの長手方向に変化する場合には、屈折率変化量が最大となる部分において、スラント角度が露光時における反射抑制角よりも大きい角度となるようにしてグレーティング部を形成することにより、屈折率変化量が変化する場合であっても、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスラント型短周期光ファイバグレーティングの例を示す図である。
【図２】本発明のスラント型短周期光ファイバグレーティングに用いられる光ファイバの屈折率プロファイルの一例を示す図である。
【図３】屈折率変化量と反射抑制角度との関係を示す図である。
【図４】反射抑制角からのずれによる反射率の変化を示す図である。
【図５】図２に示す光ファイバと全く同じ屈折率プロファイルで、コア部分の光感受性のみをクラッドの光感受性の１０％にした場合と、２０％にした場合の二種類について、反射抑制角度の屈折率変化依存性を示す図である。
【図６】規格化結合定数をいくつかの温度について求めた結果を示す図である。
【図７】境界エネルギーに対して規格化結合定数をプロットした結果を示す図である。
【図８】露光時においてスラント角度を反射抑制角に設定した場合の透過損失スペクトルと反射スペクトルとを示す図である。
【図９】露光時においてスラント角を露光時の反射抑制角よりも0．05度だけ大きく設定した場合の透過損失スペクトルと反射スペクトルとを示す図である。
【符号の説明】
１…コア、２…クラッド、３…高屈折率部、４…グレーティング部
【図１】
0003798304.tif 000009
【図２】
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【図３】
0003798304.tif 000011
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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