DE69737917T2

DE69737917T2 - Optische Wellenleiter-Gitter-Anordnung und deren Herstellungsmethode

Info

Publication number: DE69737917T2
Application number: DE69737917T
Authority: DE
Inventors: Kensuke Sakura-shi Shima; Michihiro Sakura-shi Nakai; Hiroshi Yotsukaido-shi Hidaka; Kuniharu Sakura-shi Himeno; Satoshi Sakura-shi Okude; Akira Sakura-shi Wada; Masaaki Sakura-shi Sudoh; Tetsuya Sakura-shi Sakai; Takuya Sakura-shi Ienaka; Ryozo Sakura-shi Yamauchi
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1996-04-05
Filing date: 1997-04-02
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2017-04-03
Also published as: DE69737917D1; CA2201193A1; EP0800098B1; EP0800098A2; US5949934A; EP1061386A1; EP1882962A3; EP0800098A3; CA2201193C; EP1882962A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtwellenleitergitter, im Besonderen ein modengekoppeltes Strahlungs-Lichtwellenleitergitter.
Beschreibung des Stands der Technik
Lichtwellenleitergitter sind optische Fasern (Glasfasern) oder planare optische Wellenleiter, die konstante periodische Änderungen in der Längsrichtung aufweisen, wie beispielsweise periodische Änderungen des Brechungsindexes im Kern oder periodische Änderungen des Kerndurchmessers.
Im Allgemeinen können Gitter in modengekoppelte Strahlungs-Arten und modengekoppelte Reflektions-Arten unterteilt werden. Modengekoppelte Strahlungs-Gitter sind imstande, Licht spezifischer Wellenlängen aufgrund von Strahlung von dem Lichtwellenleiter durch Koppeln von Moden, die sich in der Kernrichtung ausbreiten, mit Moden, die sich in der Hülle ausbreiten, abzuschwächen. Modengekoppelte Reflektions-Gitter reflektieren Licht oder spezifische Wellenlängen durch Koppeln von Moden, die sich durch den Kern in einer positiven Richtung ausbreiten, und Moden, die sich durch den Kern in der entgegengesetzten Richtung (negative Richtung) ausbreiten.
Modenkopplung wurde durch Störungen, die in dem Kern auftreten, ermöglicht. Allgemein gilt, wenn Gitter in den optischen Fasern ausgebildet sind, werden diese Störungen oft mittels periodischer Änderungen des Brechungsindexes im Kern erhalten.
Der strukturelle Hauptunterschied zwischen modengekoppelten Strahlungs-Gittern und modengekoppelten Reflektions-Gittern besteht in den Perioden der periodischen Änderungen (im Folgenden als Gitterabstand bezeichnet). Beispielsweise werden, im Fall von Glasfasergittern, die durch Einbringung von periodischen Änderungen des Brechungsindexes des Kerns von optischen Fasern ausgebildet sind, Strahlungs-Gitter durch die Festlegung des Gitterabstands erhalten, der ungefähr einige hundert Mikrons ist, und Reflektions-Gitter werden erhalten durch das Festsetzen des Gitterabstands auf ungefähr 1 Mikron.
Das Dokument WO-A-94/00784 beschreibt ein modengekoppeltes Reflektions-Gitter und ein Verfahren zur Herstellung desselben mit Glas. Die Reflektions-Wellenlänge eines solchen modengekoppelten Reflektions-Gitters ist unabhängig von dem Brechungsindex der Hülle.
Modengekoppelte Strahlungs-Gitter weisen Verlusteigenschaften der Wellenlängenübertragung (Transmissionsspektrum), wie in 2 gezeigt ist, auf, worin der Übertragungsverlust von Licht eines spezifischen Wellenlängenbands selektiv erhöht ist. Die Breite des Wellenlängenbands mit einem erhöhten Übertragungsverlust wird als eine Unterdrückungsbandbreite bezeichnet, wobei die zentrale Wellenlänge davon als zentrale Wellenlänge des Unterdrückungsbands bezeichnet wird, und der Betrag der Änderung des Übertragungsverlusts als Unterdrückung bezeichnet wird.
Als ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung optischer Lichtwellenleitergitter gibt es ein Verfahren zur Ausbildung periodischer Änderungen des Brechungsindexes in dem Kern durch Ausnutzen der Eigenschaften von mit Germanium-dotiertem Quarzglas, dessen Brechungsindex sich, wenn er starken UV-Strahlen ausgesetzt wird, in Abhängigkeit der Menge der Einwirkung, erhöht.
Beispielsweise wird, wenn ein modengekoppeltes Strahlungs-Lichtwellenleitergitter hergestellt wird, entweder eine optische Faser mit einem Germanium dotierten Kern und einer Quarzhülle oder eine optische Faser mit einem Germaniumdotierten Kern und einer Fluor dotierten Hülle verwendet.
Diese optische Faser wird in einem Wasserstoff-Druckcontainer (ungefähr 100 Atm) hydrogeneriert, und dann entweder einer UV-Strahlung mit entlang der Längsrichtung der optischen Faser konstanten Perioden unter Verwendung einer Fotomaske ausgesetzt, oder einer UV-Strahlung mit entlang der Längsrichtung der optischen Faser regelmäßig beabstandeten Intervallen ausgesetzt.
Allerdings haben herkömmliche modengekoppelte Strahlungs-Lichtwellenleitergitter, gefertigt aus optischen Fasern mit Germanium-dotierten Kernen und Quarzhüllen oder optischen Fasern mit Germanium dotierten Kernen und Fluor-dotierten Hüllen, die unerwünschte Eigenschaft, dass die zentrale Wellenlänge des Unterdrückungsbands eine hohe Temperaturabhängigkeit aufweist.
Im Speziellen weist diese Art von Glasfasergittern eine Temperaturcharakteristik von ungefähr 0,05 nm/°C auf, das heißt, dass, wenn die Temperatur um 10°C steigt (oder fällt), sich die zentrale Wellenlänge des Unterdrückungsbands in Richtung längerer Wellenlängen (oder kürzerer Wellenlängen) um ungefähr 0,5 nm verschieben wird. Daher sind sie als optische Komponenten bezüglich ihrer Stabilität und Zuverlässigkeit nicht verlässlich.
Auf der anderen Seite sind die Gittereigenschaften von Lichtwellenleitergittern dafür bekannt, dass sie sich mit den Parametern des Gitters ändern, d.h., die Änderungsstärke des Kernbrechungsindexes, des Gitterabstands, der Gittergestalt (Profil des Kernbrechungsindexes), der Gitterlänge in Längsrichtung der optischen Faser und des effektiven Brechungsindexes.

Die folgende Tabelle 1 fasst den Einfluss zusammen, den jeder Parameter des Gitters auf die Gittereigenschaften hat. In der Tabelle bezeichnet x keinen Einfluss, O bezeichnet einen beachtlichen Einfluss, und Δ bezeichnet einen kleinen Einfluss. Zusätzlich zeigen die Pfeile ↑ (↓) an, ob sich der Wert der Gittereigenschaft als Antwort auf eine Erhöhung des Parameterwerts erhöht (abfällt). TABELLE 1

PARAMETER	Zentrale Wellenlänge	Unterdrückung	Unterdrückungsbandbreite
Änderung des Brechungsindexes	O↑	O↑	x
Gitterabstand	O↑	Δ	x
Gittergestalt	O	O	x
Gitterlänge	x	O↑	O↓
effektiver Brechungsindex	O↑	x	x

Modengekoppelte Strahlungs-Lichtwellenleitergitter können auf dem Gebiet der optischen Kommunikation verwendet werden und sind im Speziellen zur Verwendung geeignet, um die Wellenlängenabhängigkeit des Zuwachses in Erbium-dotierten Glasfaserverstärkern in optischen Kommunikationssystemen zu reduzieren, die Wellenlängen-geteilte Mehrfachübertragungen (wavelength-division multiplexed transmissions) ausführen. In diesem Fall sollten die modengekoppelten Strahlungs-Lichtwellenleitergitter vorzugsweise so entworfen sein, dass das Unterdrückungsband dasselbe ist wie der zur Übertragung verwendete Wellenlängenbereich.
Beispielsweise zeigt 3 die Wellenlängenabhängigkeit des Zuwachses eines Erbium-dotierten Glasfaserverstärkers, und dieser Glasfaserverstärker kann in einem optischen Kommunikationssystem verwendet werden, um Wellenlängengeteilte Mehrfachübertragungen zwischen Wellenlängen A und Wellenlängen B auszuführen.
Das Glasfasergitter, das in diesem optischen Kommunikationssystem verwendet wird, sollte so entworfen sein, dass es ein Unterdrückungsband aufweist, welches den Wellenlängenbereich zwischen Wellenlänge A und Wellenlänge B überlappt, und so, dass die Verlusteigenschaften bezüglich der Wellenlängenübertragung in diesem Wellenlängenbereich eine Kurve, ähnlich der Wellenlängenabhängigkeit des Zuwachses in demselben Wellenlängenbereich (die Kurve in dem Graphen), ausbilden. Diese Art des Entwurfs gleicht effizient den Zuwachs in diesem Wellenlängenbereich aus.
Herkömmlicherweise ist das einzig bekannte Verfahren zur Steuerung der Unterdrückungsbandbreite eines modengekoppelten Strahlungs-Gitters, die Gitterlänge, wie in obiger Tabelle 1 angedeutet ist, anzupassen.
Allerdings ist der Wellenlängenbereich, der in einer Wellenlängen-geteilten Mehrfachübertragung verwendet wird, gewöhnlicherweise durch das Zuwachsband des Erbium-dotierten Glasfaserverstärkers bestimmt, und dies ist der Wellenlängenbereich zwischen Wellenlänge A und Wellenlänge B in 3. Während die Bandbreite ungefähr 15–20 nm ist, wenn ein modengekoppeltes Strahlungs-Gitter, das eine relativ schmale Unterdrückungsbandbreite entsprechend davon aufweist, gefertigt werden soll, wird die Gitterlänge extrem lang.
Beispielsweise werden herkömmlicherweise optische Fasern, die mit den optischen Fasern, die für Kommunikation verwendet werden, identisch sind, verwendet, um Glasfasergitter herzustellen, aber um die Unterdrückungsbandbreite mit dieser Art von optischen Fasern kleiner als 15 nm zu machen, muss die Gitterlänge wenigstens 50 mm sein.
Wenn die Gitterlänge eines Glasfasergitters zu lang ist, wird sie für kompakte optische Komponenten ungeeignet und ist nicht imstande in existierenden Repeatern eingebunden zu werden.
Ferner, während Glasfasergitter normalerweise verwendet werden, wobei beide Seiten des Hüllenabschnitts an ein Substrat oder dergleichen mittels eines Klebstoffs befestigt werden, ist die Resonanzfrequenz des Gitterabschnitts reduziert, wenn die Gitterlänge vergrößert wird, so dass ein Risiko besteht, dass der Gitterabschnitt während eines Schwingungstests oder während der Installation von Repeatern in Resonanz gerät.
Ein Lichtwellenleiter kann auf ähnliche Weise in modengekoppelte Strahlungs-Gitter oder modengekoppelte Reflektions-Gitter mittels Störungen in dem Kern ausgebildet werden.
Diese Störungen können relativ einfach mittels periodischer Änderungen des Kerndurchmessers (Kernbreite) des Wellenleiters in dem Fall von modengekoppelten Strahlungs-Gittern, erreicht werden und kann erreicht werden mittels Veränderungen des Kernbrechungsindexes des Wellenleiters, in dem Fall von modengekoppelten Reflektions-Gittern, aufgrund der Kürze des Gitterabstands.
Allerdings weisen modengekoppelte Strahlungs-Gitter, die in planaren Lichtwellenleiter ausgebildet sind, ein solches Problem auf, dass ihre Unterdrückung nicht ausreichend groß, verglichen mit modengekoppelten Strahlungs-Gittern in optischen Fasern, gemacht werden kann.
Das heißt, während sich die Unterdrückung periodisch ändert, wenn die Gitterlänge in einem modengekoppelten Strahlungs-Gitter in dem Fall eines Glasfasergitters erhöht wird, ist die Änderungsperiode in der Unterdrückung vergleichsweise lang und die Änderungsstärke ist groß, so dass die Unterdrückung gleich bleibend vergrößert werden kann, wenn die Gitterlänge innerhalb des normal verwendeten Bereichs vergrößert ist.
Demgegenüber ist die Periode für die Unterdrückungsänderung in modengekoppelten planaren Strahlungs-Lichtwellenleitergittern vergleichsweise kurz und die Änderungsstärke ist klein, so dass die Unterdrückung nicht größer als ein entsprechender Wert gemacht werden kann, da sich die Unterdrückung einfach periodisch ändern wird, selbst dann, wenn die Gitterlänge vergrößert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein modengekoppeltes Strahlungs-Lichtwellenleitergitter mit außergewöhnlichen Temperatureigenschaften zu erhalten, bei dem die zentrale Wellenlänge des Unterdrückungsbands eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt ein modengekoppeltes Strahlungs-Lichtwellenleitergitter entsprechend Anspruch 1 bereit.
Danach können die folgenden Wirkungen erhalten werden.
Demzufolge reduziert das modengekoppelte optische Strahlungs-Wellenleitergitter entsprechend der vorliegenden Erfindung die Temperaturabhängigkeit der zentralen Wellenlänge des Unterdrückungsbands aufgrund der Verwendung von Quarzglas, das einen mit Germanium- und Bor-dotierten Kern aufweist. Demzufolge ist es möglich, ein modengekoppeltes Strahlungs- Lichtwellenleitergitter zu erhalten, das außergewöhnliche Temperatureigenschaften aufweist und als eine optische Komponente stabil und zuverlässig ist.
Ferner ist dieses modengekoppelte optische Strahlungs-Lichtwellenleitergitter imstande, die Temperatureigenschaften von Lichtwellenleitergittern durch einfaches Dotieren mit Bor zusätzlich zu Germanium zu verbessern, wobei es herkömmlichen Gitterherstellungsverfahren erlaubt, ohne Modifikation angewendet zu werden, wobei dabei die Herstellung einfach gemacht wird und ein ökonomischer Vorteil ermöglicht wird, indem die Installation von neuer Ausstattung nicht benötigt wird.
Vorzugsweise sollte Germanium und Bor jeweils in der Form von GeO₂ und B₂O₃ hinzugefügt werden, und die Konzentration von B₂O₃ in dem Kern sollte vorzugsweise kleiner oder gleich das 2,0-fache der Konzentration von GeO₂ in dem Kern sein. Als eine Folge davon ist es möglich, ein modengekoppeltes optisches Strahlungs-Lichtwellenleitergitter mit ausgezeichneten Temperatureigenschaften zu erhalten, so dass die Temperaturabhängigkeit der zentralen Wellenlänge des Unterdrückungsbands klein ist, wobei es außerdem möglich ist, ein modengekoppeltes Strahlungs-Gitter zu erhalten, das die umgekehrten Eigenschaften von herkömmlichen Gittern aufweist, welche Kerne aufweisen, die ausschließlich mit Germanium dotiert sind.
Ferner weisen modengekoppelte Strahlungs-Lichtwellenleitergitter, die optische Fasern (Glasfasern) als Lichtwellenleiter verwenden, gute Verbindungen zu optischen Komponenten und dergleichen auf, die andere optische Fasern verwenden, wobei damit eine effektive Verwendung auf dem Gebiet der optischen Kommunikation, das optische Fasern verwendet, erlaubt wird, und wobei es möglich wird, die Temperatureigenschaften, Stabilität und Zuverlässigkeit von optischen Kommunikationssystemen zu verbessern.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel eines modengekoppelten Strahlungs-Lichtwellenleitergitters entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine grafische Darstellung, welche die Eigenschaften eines modengekoppelten Strahlungs-Lichtwellenleitergitters zeigt.
3 ist eine grafische Darstellung, welche die Wellenlängeneigenschaften des Zuwachses in einem Glasfaserverstärker zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 ist eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel eines modengekoppelten Strahlungs-Glasfasergitters, im Folgenden manchmal einfach als Glasfasergitter bezeichnet), als ein Beispiel eines Lichtwellenleitergitters entsprechend der vorliegenden Erfindung, veranschaulicht. In der Darstellung bezeichnet das Bezugszeichen 41 eine optische Faser, Bezugszeichen 42 einen Kern, Bezugszeichen 43 eine Hülle und Bezugszeichen 44 eine Mantelschicht.
Dieses Glasfasergitter weist einen Gitterabschnitt 45 auf, worin sich der Brechungsindex des Kerns 42 periodisch in Längsrichtung der optischen Faser 41, die in einem Abschnitt der optischen Faser 41 ausgebildet ist, ändert.
Der Kern 42 der optischen Faser 41 ist aus Quarzglas (SiO₂), das mit wenigstens Germanium (Ge) und Bor (B) dotiert ist, zusammengesetzt. Zusätzlich kann der Kern 42 auch mit Aluminium, Erbium, Titan oder dergleichen geeigneter weise dotiert sein. Die Hülle 43 ist aus Quarzglas, das einen geringeren Brechungsindex als der Kern aufweist, beispielsweise purem Quarzglas oder Fluor-dotiertem Quarzglas oder dergleichen, zusammengesetzt.
Wenn die optische Faser 41 mittels einer Gasphasenreaktion gefertigt ist, ist Germanium eigentlich in der Form von GeO₂ (Germaniumoxid) hinzugefügt, und Bor ist dem Kern 42 in der Form von B₂O₃ (Boroxid) hinzugefügt. Die Konzentration von GeO₂ in dem Kern 42 ist so festgelegt, dass ein bevorzugter relativer Kern-Hülle Brechungsindex-Unterschied in der optischen Faser 41 erhalten wird und erlaubt wird, eine gewünschte Brechungsindex-Änderung in dem Kern 42 durch Aussetzen der optischen Faser 41 eine UV-Strahlung zu erhalten.
Wie weiter unten beschrieben wird, verbessert die Dotierung des Kerns 42 mit B₂O₃ die Temperatureigenschaften des Glasfasergitters, durch Kompensieren für die Brechungsindex-Änderungen bezüglich Temperaturänderungen in GeO₂-dotiertem Quarzglas.
Ferner reduziert B₂O₃ dotiertes Quarzglas den Brechungsindex von Quarzglas. Daher ist die Konzentration von B₂O₃ in dem Kern 42 so festgelegt, dass die Temperatureigenschaften des Glasfasergitters, die von der GeO₂-Konzentration in dem Kern 42 abhängt, verbessert werden und ein wünschenswerter relativer Kern-Hülle Brechungsindex-Unterschied für die optische Faser 41 erhalten wird.
Wenn allerdings die B₂O₃-Konzentration in dem Kern 42 zu groß ist, werden die Temperatureigenschaften des Glasfasergitters herabgesetzt, so dass es die umgekehrten (inversen) Eigenschaften aufweist, so dass die B₂O₃-Konzentration in dem Kern 42 vorzugsweise bestimmt ist, um kleiner oder gleich dem 2,0-fachen der GeO₂-Konzentration in dem Kern 42 zu sein.
Ferner wird die Dotierung mit selbst einer kleinen Menge von B₂O₃, allerdings wenig, die Temperatureigenschaften von Glasfasergittern verbessern. Daher braucht die untere Grenze für die B₂O₃-Konzentration in dem Kern 42 lediglich größer als 0 zu sein, und die Konzentration sollte vorzugsweise wenigstens das 0,5-fache der Konzentration von GeO₂ in dem Kern 42 betragen.
Die Eigenschaften des Glasfasergitters, wie beispielsweise die zentrale Wellenlänge des Unterdrückungsbands, die Unterdrückungsbandbreite und die Unterdrückungsänderung hängen von Parametern, wie beispielsweise der Änderungsstärke des Kernbrechungsindexes des Hüllenabschnitts 45, des Gitterabstands, der Gittergestalt (Profil der Kernbrechungsindexänderung) und Länge des Gitterabschnitts 45 in Längsrichtung der optischen Faser 41 ab, und diese können wie benötigt entsprechend den gewünschten Glasfasergittereigenschaften festgelegt werden. Ferner ist der Gitterabstand innerhalb eines Bereichs von zehn bis hunderten Mikrons in Reihenfolge festgelegt, um modengekoppelte Strahlungs-Eigenschaften zu erhalten.
Um ein Glasfasergitter dieses Typs herzustellen, wird eine optische Faser zunächst durch die Verwendung eines herkömmlich bekannten Verfahrens, wie beispielsweise eines VAD-Verfahrens oder eines MCVD-Verfahrens, gefertigt. Der Kern ist zu diesem Zeitpunkt mit GeO₂ und B₂O₃ dotiert. Als nächstes wird die Mantelschicht 44 der optischen Faser 41 teilweise entfernt, und ein Gitterabschnitt 45 wird an dem von der Mantelschicht befreiten Abschnitt durch periodisches Aussetzen einer UV-Strahlung entlang der Längsrichtung der optischen Faser 41 ausgebildet.
Die Wellenlänge der UV-Strahlung zur Bestrahlung der optischen Faser 41 sollte vorzugsweise ungefähr 240–250 nm betragen.
Als das Verfahren zur Ausbildung des Gitterabschnitts 45 kann ein herkömmlich bekanntes Verfahren verwendet werden, wie beispielsweise ein Verfahren, in dem ein UV-Strahl, der einen vergleichsweise großen Punktquerschnitt aufweist, durch eine Fotomaske auf die optische Faser 41 strahlt, welche Schlitze aufweist, die mit regelmäßigen Intervallen von zehn bis hunderten Mikrons beabstandet sind, oder ein Verfahren, in dem UV-Strahlen auf die optische Faser 41 in regelmäßigen Intervallen gestrahlt werden, indem die Prozedur des Strahlens eines UV-Strahls mit einem kleinen Punktquerschnitt auf die optische Faser 41 für eine konstante Zeitperiode wiederholt wird, wobei der Strahl abgeschaltet (unterbrochen) wird, die Position des Strahls entlang der Längsrichtung der optischen Faser 41 verschoben wird und der Strahl wieder eingeschaltet wird.
Weiter unten werden die Funktionen eines Glasfasergitters entsprechend der Erfindung beschrieben.
Obwohl modengekoppelte Strahlungs-Glasfasergitter eine Vielzahl von Unterdrückungsbändern aufweisen, ist die Bedingung, die durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt ist, für die zentrale Wellenlänge λ_c in einem einzelnen Unterdrückungsband gültig.
Hier bezeichnet β_co die Fortpflanzungskonstante für den Wellenleitermodus (des Kerns), β_cl bezeichnet die Fortpflanzungskonstante für den Hüllenmodus, und Λ bezeichnet den Gitterabstand.
Die obige Gleichung (1) kann in folgende Gleichung (2) umgeschrieben werden. λc = Λ·(neco – necl) (2)
Hier bezeichnet n_eco und n_ecl jeweils die effektiven Brechungsindizes des Wellenleitermodus und des Hüllenmodus (2π/Λ·effektiver Brechungsindex = Fortpflanzungskonstante).
Die folgende Gleichung (3) wird durch Ableiten der Gleichung (2) nach der Temperatur erhalten.
Sodann, kann die zentrale Wellenlänge λ_c bezüglich der Temperaturänderungen konstant gemacht werden, indem beide Seiten der obigen Gleichung (3) gleich Null gesetzt werden. Da der Temperaturausdehnungs-Koeffizient von Quarzglas, in dem die Hauptkomponente Quarz ist, extrem klein ist, kann der Differentialquodient ∂Λ/∂T (gleich dem Temperaturausdehnungs-Koeffizienten von Glas) als Null angenähert werden. Daher ist es ausreichend (∂Λ/∂T) (n_eco – n_ecl) gleich Null zu machen.
Quarzglas, wie dem, das in Hüllen von herkömmlichen modengekoppelten Strahlungs-Glasfasergittern verwendet wird und das Germanium dotierte Quarzglas, das in deren Kernen verwendet wird, weisen beide die Eigenschaft auf, dass ihre Brechungsindizes mit wachsender Temperatur größer werden. Ferner vergrößert sich in optischen Fasern generell der effektive Brechungsindex für den Wellenleitermodus, wenn sich der Brechungsindex des Materials erhöht.
Da die Temperaturabhängigkeit der Brechungsindexänderung in Germanium-dotiertem Quarzglas größer ist als die Temperaturabhängigkeit der Brechungsindexänderung in Quarzglas, ist die Bedingung ∂n_eco/∂T > ∂n_ecl/∂T in herkömmlichen modengekoppelten Strahlungs-Glasfasergittern gültig, so dass die rechte Seite der obigen Gleichung (3) nicht gleich Null gesetzt werden kann.
Im Unterschied dazu weist Bor-dotiertes Quarzglas die Eigenschaft auf, dass der Brechungsindex mit wachsender Temperatur abnimmt. Daher kann die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes des Kerns 42 ungefähr gleich der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes der Hülle 43, durch Dotierung des Kerns 42 nicht nur mit Germanium, sondern außerdem mit einer angemessenen Menge von Bor, gesetzt werden. Demzufolge ist es möglich, ∂n_eco/∂T – ∂n_ecl/∂T = 0 zu setzen, wobei dabei erlaubt wird, ein modengekoppeltes Strahlungs-Glasfasergitter, in dem die zentrale Wellenlänge des Unterdrückungsbands eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweist, zu erhalten.
Wenn auf der anderen Seite die Konzentration von Bor in dem Kern zu hoch ist, verschieben sich die Temperatureigenschaften des modengekoppelten Strahlungs-Glasfasergitters zu, den herkömmlichen Eigenschaften, inversen Eigenschaften, derart, dass die zentrale Wellenlänge des Unterdrückungsbands zu kleineren Wellenlängen hin verschoben wird (größeren Wellenlängen), wenn die Temperatur fällt (steigt). Wenn die Konzentration von Bor in dem Kern 42 das Zweifache der Konzentration von Germanium übersteigt, verschieben sich die Temperatureigenschaften zu weit in Richtung der inversen Eigenschaften, und daher sollte diese Situation vermieden werden.
Die Verfahren zur Verbesserung der Temperatureigenschaften von Glasfasergittern durch Dotierung des Kerns 42 mit Bor sind nicht auf die Verwendung des Glasfasergitters des vorliegenden Beispiels beschränkt. Dieses Verfahren ist für jedes Glasfasergitter wirkungsvoll, das modengekoppelte Strahlungs-Eigenschaften aufweist, wobei der Kern und die Hülle aus Quarzglasmaterialien zusammengesetzt sind, wobei der Kern mit Germanium und Bor dotiert ist und die Temperaturabhängigkeit der Brechungsindexänderung des Hüllen-Materials und des Kernmaterials die Beziehung, die in Anspruch 1 festgelegt ist, erfüllt. Daher kann das Verfahren auf optische Fasern mit beliebigen Strukturen angewendet werden.
Im Folgenden werden Beispiele 1 und 2 entsprechend der vorliegenden Erfindung und ein vergleichendes Beispiel 1 beschrieben.
(Beispiel 1)
Zunächst wurde eine optische Faser, die einen Kern, der aus Quarzglas, dotiert mit 12% Mol GeO₂ und 8% Mol B₂O₃, zusammengesetzt ist, und eine Hülle, die aus (purem) Quarzglas zusammengesetzt ist, umfasst, vorbereitet. Als Nächstes wurde, nachdem ein Abschnitt der Mantelschicht der Glasfaser entfernt wurde, die optische Faser durch eine Fotomaske, die darin ausgebildete Schlitze aufweist, mit UV-Licht der Wellenlänge von 248 nm an dem Abschnitt, der von der Mantelschicht befreit wurde, bestrahlt, um einen Gitterabschnitt auszubilden. Der Gitterabstand Λ war 400 μm und die generelle Länge des Gitterabstands war 20 mm.
Das auf diese Weise erhaltene Glasfasergitter wies die Eigenschaften eines modengekoppelten Strahlungs-Gitters auf, und die zentrale Wellenlänge des Unterdrückungsbands war 1560,0 nm bei Raumtemperatur.
Nach Analysierung der Temperaturabhängigkeit der zentralen Wellenlänge in einem Temperaturbereich von –20 bis 80°C wurde gefunden, dass sie 0,01 nm/°C für dieses Glasfasergitter beträgt.
(Beispiel 2)
Ein Glasfasergitter wurde auf dieselbe Art und Weise wie das, des beschriebenen Beispiels 1, hergestellt, mit der Ausnahme, dass eine optische Faser, die einen Kern umfasst, der aus mit 8% Mol GeO₂ und 16% Mol B₂O₃ dotiertem Quarzglas zusammengesetzt ist, und eine aus (purer) Quarzglas zusammengesetzte Hülle, als die optische Faser verwendet wurde.
Das resultierende Glasfasergitter wies die Eigenschaften eines modengekoppelten Strahlungs-Gitters auf, und die zentrale Wellenlänge des Unterdrückungsbands war 1538 nm bei Raumtemperatur. Nach Analyse der Temperaturabhängigkeit der zentralen Wellenlänge in einem Temperaturbereich von –20 bis 80°C, wurde gefunden, dass sie –0,045 nm/°C für dieses Glasfasergitter beträgt, und damit die inversen Eigenschaften bezüglich des Beispiels 1 aufwies.
(Vergleichendes Beispiel 1)
Als ein vergleichendes Beispiel wurde ein Glasfasergitter hergestellt, das eine optische Faser mit einem Kern, der nicht mit B₂O₃ dotiert ist, verwendet.
Ein Glasfasergitter wurde auf dieselbe Art und Weise wie das, des oben beschriebenen Beispiels 1, hergestellt, mit der Ausnahme, dass eine optische Faser, die einen Kern umfasst, der aus Quarzglas, dotiert mit 4,0% Mol GeO₂, und eine aus (purem) Quarzglas zusammengesetzte Hülle, als die optische Faser verwendet wurde.
Das resultierende Glasfasergitter wies die Eigenschaften eines modengekoppelten Strahlungs-Gitters auf, und die zentrale Wellenlänge des Unterdrückungsbands war 1490 nm bei Raumtemperatur. Nach Analyse der Temperaturabhängigkeit der zentralen Wellenlänge in einem Temperaturbereich von –20 bis 80°C wurde gefunden, dass sie 0,052 nm/°C für dieses Glasfasergitter beträgt.
Die Resultate der Beispiele 1 und 2 und des vergleichenden Beispiels 1 zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit der zentralen Wellenlänge des Unterdrückungsbands für das Glasfasergitter bezüglich des Falls verbessert werden kann, in dem der Kern nicht mit B₂O₃ dotiert ist gegenüber einer Verwendung einer Quarzglas-optischen Faser, bei welcher der Kern mit B₂O₃ zusätzlich zu GeO₂ dotiert ist.
Ferner, wie in Beispiel 2 gezeigt ist, ist es möglich, ein Glasfasergitter zu realisieren, bei dem die Temperaturabhängigkeit der zentralen Wellenlänge des Unterdrückungsbands Eigenschaften aufweist, die zu den herkömmlichen Eigenschaften invers sind, in Abhängigkeit der Konzentration, mit der der Kern mit B₂O₃ dotiert ist.
Während die oben beschriebenen Beispiele Strahlungsmodengekoppelte Lichtwellenleitergitter sind, die optische Fasern als Lichtwellenleiter verwenden, kann die Temperaturabhängigkeit der zentralen Wellenlänge des Unterdrückungsbands entsprechend derselben Prinzipien in dem Fall erhöht werden, in dem ein planarer Lichtwellenleiter als Lichtwellenleiter verwendet wird.

Claims

Modengekoppeltes Strahlungs-Lichtwellenleitergitter, das einen aus einem Quarzglasmaterial zusammengesetzten Lichtwellenleiter verwendet, umfassend einen Kern (42), der mit Germanium und Bor so dotiert ist, dass eine Änderung in einem effektiven Brechungsindex des Kerns (42), n_eco, und eine Änderung in einem effektiven Brechungsindex einer Hülle (43), n_ecl, die eine Änderung der Temperatur T begleiten, der Beziehung
genügen, wobei dabei die zentrale Wellenlänge des Sperrbandes des Gitters eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweist.
Modengekoppeltes Strahlungs-Lichtwellenleitergitter nach Anspruch 1, bei dem das Germanium in der Form von GeO₂ hinzugefügt ist, das Bor in der Form von B₂O₃ hinzugefügt ist, und die Konzentration von B₂O₂ in dem Kern (42) größer als Null und kleiner als oder gleich 2.0 mal der Konzentration von GeO₂ in dem Kern (42) ist.
Modengekoppeltes Strahlungs-Lichtwellenleitergitter nach Anspruch 1, bei dem der Lichtwellenleiter eine optische Faser (41) ist.