DE69908091T2

DE69908091T2 - Optisches wellenleiter-gitter und verfahren zur seiner herstellung

Info

Publication number: DE69908091T2
Application number: DE69908091T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Yokohama-shi ENOMOTO; Shinji Yokohama-shi ISHIKAWA; Masakazu Yokohama-shi SHIGEHARA; Michiko Yokohama-shi HARUMOTO
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-01-19
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2019-01-09
Also published as: EP1054274B1; CN1287623A; KR20010034234A; CN1172202C; AU1785199A; TW434432B; CA2318119A1; EP1054274A4; WO1999036815A1; US6580854B1; EP1054274A1; DE69908091D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Wellenleitergitter, das in einem optischen Wellenleiter, z. B. einer optischen Faser ausgebildet ist, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
STAND DER TECHNIK
Verschiedene Anwendungen von optischen Wellenleitergittern mit einem Bereich, in dem sich der Brechungsindex in Richtung der optischen Achse periodisch verändert (Gitterbereich), auf optische Filter und dgl. in optischen Kommunikationssystemen wurden herkömmlicherweise untersucht. Unter anderem sind solche, die eine relativ lange Gitterperiode von mehreren hundert Mikrometern haben, als langperiodisches Gitter (siehe z. B. A. M. Vengsarkar, et al., J. Lightwave Techn. Bd. 14, Nr. 1, S. 58–65, 1996) bekannt und es wird ihre Verwendung in Verstärkungsequalizern, Bandsperrfiltern und dgl. erwartet. Da erkannt wurde, daß sich die Charakteristika eines solchen langperiodischen optischen Wellenleitergitters mit Änderungen bei der Temperatur verändern, wurden die Temperaturcharakteristika von optischen Wellenleitergittern analysiert (siehe z. B. J. B. Judkins et al., OFC '96, PD-1, 1996).
D. h., in einem optischen Wellenleitergitter wird SiO₂ als Hauptingredienz des optischen Wellenleiter verwendet und GeO₂ wird im allgemeinen zur Ausbildung eines Kernbereichs zugesetzt, der ein Licht-propagierender Bereich des optischen Wellenleiters ist und periodisch eine Brechungsindex-Modulation innerhalb des Kernbereichs erzeugt, so daß ein Gitterbereich gebildet wird. Optische Wellenleiter dieses Typs sind in JP-A-8286055 beschrieben. Da die Änderung des Brechungsindexes mit der Temperatur, d. h. die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex, in GeO₂ größer als in SiO₂ ist, unterscheidet sich die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes im Kernbereich von der im umgebenden Hüllenbereich. Das Ergebnis ist, daß sich in einem langperiodischen optischen wellenleitergitter, das in einem solchen optischen Wellenleiter ausgebildet ist, die Temperaturabhängigkeit des effektiven Brechungsindex für Kern-propagierendes Licht und für Licht des Hüllenmodus unterscheiden, wodurch die Peak-Wellenlängen variieren würden, wenn sich die Temperatur ändert.
Um die Temperaturempfindlichkeit von langperiodischen Gittern zu reduzieren, schlägt die EP 0767391 A die Verwendung von Kernmaterialien und Hüllenmaterialien vor, die jeweils eine ähnliche Temperaturabhängigkeit ihrer Brechungsindizes haben. Das oben genannte Dokument schlägt spezifischerweise eine langperiodische Gittervorrichtung vor, die aus einer Verbundhülle, welche einen ersten Teil benachbart zum Kern mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als der des Kerns, und einen zweiten Hüllenteil benachbart zum ersten Hüllenteil mit einem Brechungsindex, der größer ist als der des ersten Teils umfaßt, besteht. Als konkrete Beispiele werden ein Kern, der aus Germanium-dotiertem Siliciumdioxid besteht, ein erster Hüllenbereich aus Fluor-dotiertem Siliciumdioxid und eine zweiter Hüllenbereich aus Siliciumdioxid angeführt.
Die Temperaturabhängigkeit jedes der entsprechenden Brechungsindizes von SiO₂-Glas, GeO₂-Glas und B₂O₃-Glas waren bekannt (O. V. Mazurin, et al., "Handbook of Glass Data, "Elsevier, 1985); und es war eine darauf basierende Technik bekannt, bei der, wenn ein optischer Wellenleiter eine optische Faser des Siliciumdioxid-Typs ist, sein Kernbereich mit dem Element Ge und dem Element B co-dotiert ist, um so die Temperaturabhängigkeit von Charakteristika des optischen Wellenleitergitters zu verringern (K. Shima, et al., OFC '97, FB2, 1997).
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Da die in der oben genannten Publikation von Shima et al. offenbarte Technik auf dem Resultat von Untersuchungen über die Temperaturabhängigkeit der Brechungsindizes bei den drei Oxidarten (SiO₂, GeO₂ und B₂O₃), welche in der oben genannten Publikation von O. V. Mazurin et al. offenbart sind, basiert, kann das optimale Dotierungsverhältnis nur durch Kombinationen dieser Oxide eingestellt werden, wodurch die Freiheit bei der Entwicklung begrenzt wird. Da die Infrarotabsorptionskante von B₂O₃ an der kürzeren Wellenlängenseite, von den entsprechenden Infrarotabsorptionskanten von SiO₂ und GeO₂ gesehen, lokalisiert ist, wird die Lichtabsorption im Wellenlängenband von 1,55 μm sich um eine Stelle oder mehr erhöhen, wenn eine optimale Menge an B₂O₃ dem optischen Wellenleiter zugesetzt wird. Beispielsweise erfährt eine optische Faser mit einer relativen Brechungsindexdifferenz von etwa 1%, bei der das Dotierungsverhältnis des Elements Ge und des Elements B optimiert wurden, einen Absorptionsverlust von 24 dB/km, wodurch sie in der Praxis nicht anwendbar wäre. Es gab keine Entwicklung optischer Wellenleitergitter mit einer niedrigen Temperaturabhängigkeit und einem geringen Absorptionsverlust im Wellenlängenband von 1,55 μm, das für optische Übertragungen verwendet wird.
Zur Überwindung der oben beschriebenen Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines langperiodischen optischen Wellenleitergitters mit einer geringen Temperaturabhängigkeit und der Erreichung eines geringen Absorptionsverlusts im Wellenlängenband von 1,55 μm und in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung desselben.
In diesem Zusammenhang wird die Temperaturabhängigkeit der Peak-Wellenlänge λ_m der Modenkopplung in einem optischen Wellenleitergitter, das eine Gitterperiode Λ hat, durch den folgenden Ausdruck dargestellt:
Hierin ist n₀₁ der effektive Brechungsindex von Kern-propagierendem Licht, ist n_m der effektive Brechungsindex des Hüllenmodenlichts m. Ordnung und ist T die absolute Temperatur. Denn
ist die Temperaturabhängigkeit des Kern-propagierenden Lichts, wohingegen
die Temperaturabhängigkeit des Hüllenmodenlichts m. Ordnung ist. Wie aus dem oben angegebenen Ausdruck zu erkennen ist, kann, wenn die Temperaturabhängigkeit des effektiven Brechungsindex für das Kern-propagierende Licht und die für Hüllenmodenlicht in Übereinstimmung miteinander gebracht werden können, die Temperaturabhängigkeit der Peak-Wellenlänge λ_m im optischen Wellenleitergitter verringert werden.
Unter diese Gesichtspunkt haben die Erfinder die Temperaturabhängigkeit von Brechungsindizes verschiedener glasbildender Oxide untersucht. Die glasbildenden Oxide, die hier untersucht wurden, bestehen aus vier Arten, d.h, reines SiO₂, mit 10% GeO₂ dotiertes SiO₂, mit 10% B₂O₃ dotiertes SiO₂ und mit 10% P₂O₅ dotiertes SiO₂. Für jedes der glasbildenden Oxide wurde die Brechungsindexdifferenz Δn unter Bezug auf reines SiO₂ und die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex dn/dT untersucht. Die Resultate sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.
TABELLE 1: Brechungsindizes von glasbildenden Oxiden und ihre Temperaturabhängigkeit
Wie aus Tabelle 1 zu ersehen ist, ist wie mit B₂O₃ die Differenz bei der Temperaturabhängigkeit dn/dT von P₂O₅, bezogen auf reines SiO₂, negativ. Das P₂O₅ eine Infrarotabsorptionskante hat, die an der Seite der längeren Wellenlänge, betrachtet von der von B₂O₃, liegt, würde ferner der Absorptionsverlust im Wellenlängenband von 1,55 μm sich nicht verschlechtern, wenn es Siliciumdioxidglas zugesetzt wird. Folglich haben die Erfinder gefunden, daß es möglich ist, den Absorptionsverlust im wellenlängeband von 1,55 μm zu senken, wenn eine Temperaturabhängigkeit dn/dT erhalten wird, die im wesentlichen mit der von reinem SiO₂ übereinstimmt, wenn P₂O₅ anstelle von B₂O₃ zusammen mit GeO₂ zu SiO₂ gegeben wird.
Das erfindungsgemäße langperiodische optische Wellenleitergitter basiert auf dieser Feststellung und wird in einem optischen Wellenleiter ausgebildet, der hauptsächlich aus SiO₂ aufgebaut ist und einen Kernbereich und einen Hüllenbereich um den Kernbereich aufweist, wobei es einen Bereich hat, in dem sich der Brechungsindex in Richtung der optischen Achse periodisch verändert und wobei der Kernbereich mit GeO₂ und P₂O₅ co-dotiert ist.
Als Konsequenz einer solchen Konfiguration kann die Temperaturabhängigkeit dn/dT des optischen Wellenleitergitters im wesentlichen mit der von reinem SiO₂ übereinstimmen, ohne daß B₂O₃, das den Absorptionsverlust verstärken kann, zugesetzt wird oder während die Zusatzmenge desselben reduziert wird. Während der Absorptionsverlust im Wellenlängeband von 1,55 μm unterdrückt wird, ist die Temperaturabhängigkeit der Charakteristika des optischen Wellenleitergitters verringert.
Die molare Dotierungsmenge an P₂O₅ im Kernbereich ist vorzugsweise das 1/15- bis 1-fache, bevorzugter das 0,6- bis 1-fache derjenigen an GeO₂. Nach den Feststellungen der Erfinder können die Temperaturabhängigkeit und der Absorptionsverlust günstigerweise gesenkt werden, wenn das molare Dotierungsverhältnis so eingestellt wird. Da die Dotierungsmenge aus einem derartigen Bereich ausgewählt werden kann, nimmt auch die Konzeptflexibilität zu und die Herstellung wird einfacher.
Alternativ kann der Kernbereich außerdem mit B₂O₃ dotiert sein, so daß die Summe der entsprechenden molaren Dotierungsmengen an P₂O₅ und B₂O₃ das 1/15- bis 1-fache der molaren Dotierungsmenge an GeO₂ ist, wohingegen die molare Dotierungsmenge an B₂O₃ kleiner als die an P₂O₅ ist. Nach den Feststellungen der Erfinder kann die Zunahme beim Absorptionsverlust im Wellenlängenband von 1,55 μm, die zu erkennen ist, wenn B₂O₃ und GeO₂ ohne P₂O₅ dotiert sind, unterdrückt werden, wenn die molaren Dotierungsmengen derart eingestellt werden, wodurch die Temperaturabhängigkeit in günstiger Weise gesenkt werden kann. Da die Dotierungsmenge aus einem solchen Bereich ausgewählt werden kann, nimmt auch die Konzeptflexibilität zu und seine Herstellung wird einfach.
Der Hüllenbereich kann auch mit Fluor dotiert werden und sein Brechungsindex kann so eingestellt werden, daß er niedriger wird als der von reinem Siliciumdioxidglas. Als Folge davon wird die Viskositätsdifferenz in Kern/Hülle verringert, so daß die Einheitlichkeit bei der Verarbeitung zum Zeitpunkt der Verarbeitung einer Vorform und des Ziehens verbessert wird, wodurch die Elliptizität des Kerns verringert wird und ein optisches Wellenleitergitter mit einem niedrigen polarisationsabhängigen Verlust erhalten wird.
Wenn Δn^– das Verhältnis der Abnahme des Brechungsindexes des Hüllenbereichs bezüglich reinem Siliciumdioxidglas ist, so wird in diesem Fall die molare Dotierungsmenge an P₂O₅ im Kernbereich vorzugsweise innerhalb des Bereichs des (0,8–0,7 Δn^–) ± 0,2-fachen von derjenigen von GeO₂ eingestellt. Nach den Feststellungen der Erfinder ist es, wenn ein F-dotierter Hüllenbereich verwendet wird, bevorzugt, die Dotierungsmenge so einzustellen, um die Temperaturabhängigkeit der Charakteristika und den Absorptionsverlust zu senken, wobei die Temperaturabhängigkeit des Kerns und die an der Hüllenseite übereinstimmen. Da die Dotierungsmenge aus einem solchen Bereich ausgewählt werden kann, nimmt auch die Konzeptflexibilität zu und die Herstellung wird einfach.
Andererseits ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines langperiodischen optischen Wellenleitergitters ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleitergitters aus Glas auf der Basis von SiO₂-GeO₂-P₂O₅, in dem ohne Beladung des optischen Wellenleiters mit Wasserstoff oder nach Beladen des optischen Wellenleiters mit Wasserstoff bei einem Druck von 20 atm oder weniger der optische Wellenleiter mit UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 150 bis 200 nm bestrahlt wird, wodurch das Gitter ausgebildet wird.
Beim herkömmlichen optischen Wellenleitergitter aus Glas auf der Basis von SiO₂-GeO₂ (das außerdem B₂O₃ enthält) war es notwendig, vor Herstellung des Gitters den optischen Wellenleiter mit einer großen Wasserstoffmenge zu beladen; und wenn im Gitter eingeschlossener Wasserstoff nach der Herstellung, so wie er ist, gelassen wird, dann kann der so eingeschlossene Wasserstoff allmählich an die Außenseite des optischen Wellenleiters freigesetzt werden, wodurch sich die Charakteristika des Gitters verändern können. Daher ist ein Verfahren zur Wasserstoffentfernung notwendig, durch den sich die Gitterwellenlänge verändern kann. Obgleich das langperiodische optische Wellenleitergitter gemäß der vorliegenden Erfindung ein Glas auf der Basis von SiO₂-GeO₂-P₂O₅ umfaßt, wie es oben beschrieben wurde, haben die Erfinder festgestellt, daß auch ein Glas, das mit GeO₂ und P₂O₅ co-dotiert ist, gegenüber ultravioletten Strahlen mit einer Wellenlänge von mindestens 150 nm, aber nicht größer als 200 nm, photoempfindlich ist, und daß der Prozeß der Beladung mit Wasserstoff vollständig oder im wesentlichen unnötig ist, wenn die ultravioletten Strahlen, die eine Wellenlänge im Bereich von 150 bis 200 nm haben, verwendet werden. Daher kann das langperiodische optische Wellenleitergitter in günstiger Weise nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt werden, ohne daß es durch eingeschlossenen Wasserstoff beeinflußt wird.
Alternativ kann das Verfahren so sein, daß der optische Wellenleiter periodisch in Richtung der optischen Achse punkterhitzt wird, um so das Gitter zu bilden. In dem Glas, das mit GeO₂ und P₂O₅ co-dotiert ist, wird infolge der Unterschiede in der Viskosität und im Koeffizienten der thermischen Ausdehnung in Kern/Hülle eine Spannung auf die Kern/Hüllengrenzfläche ausgeübt. Die Erfinder haben festgestellt, daß ein Gitter mit wünschenswerten Charakteristika in günstiger weise hergestellt werden kann, wenn diese Spannung periodisch durch thermische Wirkungen gelindert wird, oder wenn eine thermische Diffusion eine Additivs ausgenützt wird. Da in diesem Fall der Wasserstoffbeladungsprozeß vollkommen unnötig ist, gibt es keine Effekte durch eingeschlossenen Wasserstoff.
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgend gegebenen detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur zur Erläuterung angeführt werden und die nicht als Beschränkung der vorliegenden Erfindung anzusehen sind, besser verständlich.
Der weitere Rahmen der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlicher. Allerdings sollte klar sein, daß die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, indem sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschreiben, nur zur Erläuterung angeführt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine erläuternde Ansicht der Basisstruktur des optischen Wellenleitergitters gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen dem Verhältnis der molaren Dotierungsmenge P₂O₅/GeO₂ in optischen Wellenleitergittern gemäß einer ersten Ausführungsform und der Temperaturverschiebung dλ/dT ihrer Verlustpeaks zeigt;
3 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen dem Verhältnis der molaren Dotierungsmenge P₂O₅/GeO₂ in optischen Wellenleitergittern gemäß einer zweiten Ausführungsform und der Temperaturverschiebung dλ/dT ihrer Verlustpeaks zeigt;
4 ist eine erläuternde Darstellung, die eine erste Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optischen Wellenleitergitters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein Diagramm, das Änderungen in der Peak-Wellenlänge der Gitter über die Zeit im optischen Wellenleitergitter, hergestellt durch das Verfahren der ersten Ausführungsform, und eines optischen Wellenleitergitters, hergestellt nach einem herkömmlichen Verfahren, nach ihrer Herstellung vergleicht;
die 6 bis 8 sind Diagramme, die die Transmissionsspektren von drei Arten langperiodischer Gitter, jeweils hergestellt durch das Verfahren der ersten Ausführungsform, zeigen;
9 ist einer erläuternde Darstellung, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung eines optischen Wellenleitergitters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und
10 ist ein Diagramm, das das Transmissionsspektrum des langperiodischen Gitters, hergestellt nach dem Verfahren der zweiten Ausführungsform, zeigt.
BESTE MODI ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Zur Erleichterung des Verständnisses der Erläuterung bezeichnen dieselben Bezugszeichen, wenn dies möglich ist, in den gesamten Zeichnungen dieselben Teile und eine wiederholte Erläuterung wird weggelassen.
1 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Grundstruktur des langperiodischen optischen Wellenleitergitters gemäß der Erfindung. Diese Zeichnung ist eine vertikale Schnittdarstellung, die erhalten wird, wenn eine optische Faser 10, die ein optischer Wellenleiter ist, entlang einer Ebene, die ihre optische Achse einschließt, geschnitten wird. Diese Ausführungsform ist so aufgebaut, daß in der optischen Faser 10, die einen Hüllenbereich 12 um einen Kernbereich 11 angeordnet hat, in einem vorher bestimmten Bereich 13 des Kernbereichs 11 entlang der optischen Achse eine periodische Brechungsindexänderung erzeugt wird. Der Kernbereich 11 besteht aus Glas des GeO₂-P₂O₅-SiO₂-Typs, wohingegen der Hüllenbereich 12 aus SiO₂ hergestellt ist. Das Co-Dotierungsverhältnis von GeO₂ zu P₂O₅ im Kernbereich 11 ist eingestellt, wodurch die Temperaturabhängigkeit der Charakteristika verringert ist.
Wenn die Dotierungsmenge an P₂O₅ bezüglich der von GeO₂ geringer ist, dann wird die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex des Kernbereichs 11 größer als die des Brechungsindex des Hüllenbereichs 12, wodurch die Peak-Wellenlänge des optischen Wellenleitergitters zur Seite der längeren Wellenlänge verschoben wird, wenn die Temperatur ansteigt. Wenn dagegen die Dotierungsmenge an P₂O₅ überschüssig ist, dann wir die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex des Kernbereichs 11 niedriger als die des Brechungsindex des Hüllenbereichs 11, wodurch die Peak-Wellenlänge des optischen Wellenleitergitters zur Seite der kürzeren Wellenlänge verschoben wird, wenn die Temperatur ansteigt.
Auch wenn die Zusammensetzung dieselbe ist, kann der Durchmesser 2a des Kernbereichs 11 kleiner gemacht werden, so daß sich die Beschränkungsmenge des Kern-propagierenden Lichts in den Kernbereich 11 verringert, oder umgekehrt kann der Durchmesser des Kernbereichs 11 größer gemacht werden, um so die Beschränkungsmenge für Kern-propagierendes Licht in den Kernbereich 11 größer zu machen. Wenn sich die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex des Kernbereichs 11 und des Brechungsindex des Hüllenbereichs 12 voneinander unterscheiden, selbst wenn sie dieselbe Zusammensetzung haben, da der Durchmesser 2a des Kernbereichs 11 kleiner ist, ist die Temperaturabhängigkeit des effektiven Brechungsindex von Kern-propagierenden Licht enger an der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex des Hüllenbereichs 12, wodurch sich die Betriebswellenlänge mit der Temperatur weniger ändert. Denn bei derselben Zusammensetzung ist es unter dem Gesichtspunkt, daß die Temperaturabhängigkeit geringer ist, bevorzugt, daß der Durchmesser 2a des Kernbereichs 11 kleiner ist und die Beschränkungsmenge für Kern-propagierenden Licht in den Kernbereich 11 kleiner ist.
Wie oben angegeben wurde, variiert die Temperaturabhängigkeit der Peak-Wellenlänge in einem langperiodischen optischen Wellenleitergitter in Abhängigkeit von seiner optischen Wellenleiterkonfiguration, selbst wenn die Zusammensetzung dieselbe ist. Im optischen Wellenleitergitter dieser Ausführungsform ist die Dotierungsmenge an P₂O₅ im Kern im Bereich 11 vorzugsweise das 1/15- bis 1-fache der von GeO₂, da in diesem Bereich die Temperaturabhängigkeit niedriger als die eines P₂O₅-undotierten optischen Wellenleitergitters wird.
Um die Effekte der Verringerung der Temperaturabhängigkeit der Charakteristika von optischen Wellenleitergittern durch Co-Dotierung ihres Kernbereichs mit P₂O₅ und GeO₂ zu verifizieren, führten die Erfinder Vergleichsexperimente durch, bei denen verschiedene Arten des optischen Wellenleitergitters gemäß der ersten Ausführungsform hergestellt wurden, wobei ihr Dotierungsverhältnis von P₂O₅ zu GeO₂ hauptsächlich verändert wurde; ihre Charakteristika wurden miteinander verglichen. Die Resultate sind im folgenden angegeben.
(BEISPIEL 1)
In einer optischen Faser, die einen Außendurchmesser von 125 μm und einen Kernbereich mit einem Durchmesser von 3,3 μm hatte, wurde im Kernbereich ein Gitter ausgebildet. Im Kernbereich waren die GeO₂-Dotierungsmenge und die P₂O₅-Dotierungsmenge 9,0 mol-% bzw. 1,5 mol-%. Das Verhältnis der Dotierungsmenge an P₂O₅ zu der an GeO₂ war 1/6. Eine Beurteilung der verschiedenen Charakteristika dieser optischen Faser zeigte, daß die Grenzwellenlänge λ_c 880 nm war, die relative Brechungsindexdifferenz Δn des Kernbereichs, bezogen auf den Hüllenbereich, 0,98% war und der Absorptionsverlust im Wellenlängenband von 1,55 μm 1,1 dB/km war.
Nachdem die optische Faser einem Wasserstoffbeladungsprozeß unter einem Druck von 5 Atmosphären bei 50°C über eine Woche unterzogen worden war, wurde die optische Faser mit Ar⁺-Laserlicht (mit einer Wellenlänge von 242 nm) bestrahlt, so daß ein langperiodisches optisches Wellengitter mit einer Periode von 402,5 μm in seinem Kernbereich gebildet wurde.
Als die Charakteristika des so erhaltenen optischen Wellenleitergitters bei einer Temperatur von 25°C untersucht wurden, war die Peak-Wellenlänge 1537,2 nm und der Transmissionsverlust bei der Peak-Wellenlänge war 4,8 dB. Die Temperaturabhängigkeit der Peak-Wellenlänge war +0,012 nm/°C.
(BEISPIEL 2)
In einer optischen Faser, die einen Außendurchmesser von 125 μm und einen Kernbereich mit einem Durchmesser von 3,1 μm hatte, wurde im Kernbereich ein Gitter ausgebildet. Im Kernbereich waren die GeO₂-Dotierungsmenge und die P₂O₅-Dotierungsmenge 8,3 mol-% bzw. 3,2 mol-%. Mit anderen Worten, das Verhältnis das Dotierungsmenge an P₂O₅ zu der an GeO₂ war 0,386. Die Beurteilung verschiedener Charakteristika dieser optischen Faser zeigte, daß die Grenzwellenlänge λ_c 845 nm war, die relative Brechungsindexdifferenz Δn des Kernbereichs, bezogen auf den Hüllenbereich, 1,04% war und der Absorptionsverlust im Wellenlängenband von 1,55 μm 1,2 dB/km war.
Nach einer Wasserstoffbeladung unter einem Druck 5 Atmosphären bei 50°C über den Zeitraum von einer Woche wurde die optische Faser mit Ar⁺-Laserlicht (mit einer Wellenlänge von 242 nm) bestrahlt, so daß ein langperiodisches optisches Wellenleitergitter mit einer Periode von 405 μm in seinem Kernbereich gebildet wurde.
Als die Charakteristika des so erhaltenen optischen Wellenleitergitters bei einer Temperatur von 25°C untersucht wurden, war die Peak-Wellenlänge 1536,8 nm und der Transmissionsverlust bei der Peak-Wellenlänge war 4,0 dB. Die Temperaturabhängigkeit der Peak-Wellenlänge war –0,032 nm/°C.
(BEISPIELE 3 BIS 9)
In jeder von sieben optischen Fasern, die einen Außendurchmesser von 125 μm und einen Kernbereich mit einem Durchmesser von etwa 3 μm hatten, wurde im Kernbereich ein Gitter ausgebildet. Tabelle 2 listet das Verhältnis der molaren Dotierungsmenge an P₂O₅ zu der an GeO₂, die Grenzwellenlänge λc, den Dispersionswert des Polarisationsmodus (PMD) und die Elliptizität des Kerns in jeder Faser auf.
TABELLE 2: Charakteristika optischer Fasern zur Herstellung von Gittern in den Beispielen
Nachdem eine Wasserstoffbeladung unter einem Druck von 5 Atmosphären bei 50°C über eine Woche durchgeführt worden war, wurden diese optischen Fasern mit Ar⁺-Laserlicht (mit einer Wellenlänge von 242 nm) bestrahlt, so daß ein langperiodisches optisches Wellenleitergitter mit einer Periode von 405 μm in seinem Kernbereich gebildet wurde.
Tabelle 3 und 2 zeigen zusammen die Resultate von Untersuchungen, die die Charakteristika einzelner optischer Wellenleitergitter, die so erhalten wurden, betreffen. 2 ist ein Diagramm, in dem die Veränderungen beim Verlustpeak der optischen Wellenleitergitter, die so erhalten wurden, im Wellenlängenband von 155 μm (1,50 μm bis 1,60 μm) mit der Temperatur innerhalb des Temperaturbereichs von 0 bis 45°C untersucht wurden; die Resultate wurden unter Verwendung der Abszisse als Verhältnis der molaren Dotierungsmengen P₂O₅/GeO₂ und der Ordinate als die so bestimmte Temperaturverschiebung dλ/dT des Verlustpeaks aufgetragen.
TABELLE 3: Charakteristika der erhaltenen optischen Wellenleitergitter
Wie aus 2 zu ersehen ist, wurden festgestellt, daß eine Korrelation zwischen dem Verhältnis der molaren Dotierungsmengen von P₂O₅/GeO₂ und der Temperaturverschiebung der dλ/dT des Verlustpeaks gefunden wurde. Dabei wurde festgestellt, daß es besonders vorteilhaft ist, wenn die Temperaturverschiebung innerhalb des Bereichs von ± 0,006 nm/°C liegt und daß zur Herstellung eines optischen Wellenleitergitters, dessen Temperatur innerhalb dieses Bereichs liegt, der Temperaturbereich für das Verhältnis der molaren Dotierungsmengen P₂O₅/GeO₂ 0,8 ± 0,2, d. h. 0,6 bis 1,0 ist. Daher wird das Verhältnis der molaren Dotierungsmengen von P₂O₅/GeO₂ am günstigsten in diesem Bereich eingestellt.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform des optischen Wellenleitergitters gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Diese Ausführungsform ist der ersten Ausführungsform strukturell ähnlich und hat die in 1 gezeigte Struktur, außer daß der Hüllenbereich 12 aus F-dotiertem SiO₂ hergestellt ist.
Da der Hüllenbereich 12 mit dem Element F dotiert ist, ist dn/dT der Hülle verringert. Da die Dotierungskonzentration des Elements F im Hüllenbereich höher ist, ist es erforderlich, daß die P₂O₅-Dotierungsmenge für den Kernbereich im Vergleich zur ersten Ausführungsform höher ist.
Um die Effekte einer Verringerung der Temperaturabhängigkeit der Charakteristika von optischen Wellenleitergittern, die eine Hülle aus F-dotierten SiO₂ und einen Kernbereich, der mit P₂O₅ und GeO₂ co-dotiert ist, haben, zu bestätigen, führten die Erfinder Vergleichsexperimente durch, in denen verschiedene Arten der optischen Wellenleitergitter gemäß der zweiten Ausführungsform hergestellt wurden, wobei ihr Dotierungsverhältnis an F im Hüllenbereich und das Dotierungsverhältnis von P₂O₅ zu GeO₂ im Kernbereich verändert wurde; dann wurden ihre Charakteristika miteinander verglichen. Die Resultate werden nachfolgend angeführt.
(BEISPIELE 10 BIS 13)
Unter Verwendung eines F-dotierten Siliciumdioxid-Glasrohrs als Ausgangsrohr wurden verschiedene Arten von optischen Faservorformen, die jeweils einen Kern aus GeO₂-P₂O₅-SiO₂-codotiertem Glas und eine Hülle aus SiO₂-F-Glas hatten, durch das MCVD-Verfahren hergestellt; diese Vorformen wurden zur Herstellung von vier Arten optischer Fasern eingesetzt. Bei jeder optischen Faser war der Außendurchmesser 125 μm und der Durchmesser ihres Kernbereichs war etwa 3 μm. Tabelle 4 gibt das Ausmaß der Abnahme des Brechungsindex Δn^– des Hüllenbereichs, bezogen auf reines Siliciumdioxid-Glas, das Verhältnis der molaren Dotierungsmenge an P₂O₅ zu der an GeO₂, die Grenzwellenlänge λc, den Dispersionswert des Polarisationsmodus (PMD), die relative Brechungsindexdifferenz Δn des Kernbereichs bezogen auf den Hüllenbereich, und die Elliptizität des Kerns in jeder Faser an.
TABELLE 4: Charakteristika von optischen Fasern zur Herstellung von Gittern in den Beispielen
Als diese optischen Fasern hergestellt wurden, betrug die Glastemperatur zur Zeit des Zusammenfallens der optischen Faservorform 1390°C und 1220°C, wenn der Δn^– 0,35% bzw. 0,70% war, was viel niedriger lag als der Durchschnitt von 1580°C für den Fall, in dem reines SiO₂ als Hüllenbereich verwendet wird. Die Elliptizität der Faser jedes Beispiels ist ein besserer Wert als die Werte der optischen Fasern, die reine SiO₂-Hüllen haben, wie es in Tabelle 2 angegeben ist, da die Verflüssigung des Kernbereichs infolge des Temperaturabfalls beim Zusammenfallen unterdrückt wird.
Nachdem ein Wasserstoffbeladungsprozeß unter einem Druck von 5 Atmosphären bei 50°C für eine Woche durchgeführt wurde, wurden diese optischen Fasern mit Ar⁺-Laserlicht (mit einer Wellenlänge von 242 nm) bestrahlt, um so ein langperiodisches optisches Wellenleitergitter mit einer Periode von 405 μm in ihrem Kernbereich zu bilden.
Tabelle 5 und 3 geben zusammen die Resultate von Untersuchungen an, die die Charakteristika so erhaltener einzelner optischer Wellenleitergitter angeben. 3 ist ein Diagramm, in dem Veränderungen beim Verlustpeak der so erhaltenen optischen Wellenleitergitter im Wellenlängenband von 1,55 μm (1,50 μm bis 1,60 μm) mit der Temperatur innerhalb des Temperaturbereichs von 0 bis 45°C untersucht wurden; die Resultate wurden aufgetragen, wobei die Abszisse als Verhältnis der molaren Dotierungsmengen von P₂O₅/GeO₂ und die Ordinate als die so bestimmte Temperaturverschiebung dλ/dT des Verlustpeaks verwendet wurden.
TABELLE 5: Charakteristika der erhaltenen optischen Wellenleitergitter
Wie in 3 dargestellt ist, wurde eine Korrelation zwischen dem Verhältnis der molaren Dotierungsmengen von P₂O₅/GeO₂ und der Temperaturverschiebung dλ/dT des Verlustpeaks gefunden. Dabei wurde festgestellt, daß es für die Temperaturverschiebung besonders günstig ist, wenn sie im Bereich von ± 0,006 nm/°C liegt und daß der Bereich des Verhältnisses der molaren Dotierungsmenge von P₂O₅/GeO₂ zur Herstellung eines optischen Wellenleitergitters, dessen Temperaturverschiebung in diesen Bereich liegt, auf 0,85 bis 1,25 eingestellt werden kann, wenn Δn^– 0,35% ist, und auf 1,1 bis 1,5 eingestellt werden kann, wenn Δn^– 0,70 ist. Als Konsequenz wurde festgestellt, daß, wenn ein vorteilhafter Bereich für das Molverhältnis P₂O₅/GeO₂ als Funktion von Δn^– ausgedrückt wird, das Verhältnis durch "(0,8–0,7 Δn^–) ± 0,2" ausgedrückt werden kann. Es wurde auch bestätigt, daß durch Verwendung von F-dotiertem SiO₂ im Hüllenbereich die Elliptizität des Kerns reduziert werden kann, wodurch es möglich wird, ein langperiodisches optisches Wellenleitergitter mit einem geringen polarisationsabhängigen Verlust (PDL) zu verwirklichen.
Im folgenden wird eine dritte Ausführungsform des optischen Wellenleitergitters gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Diese Ausführungsform hat auch die in 1 dargestellte Struktur, wie sie auch die erste und zweite Ausführungsform hat. Sie unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, daß der Kernbereich 11 aus Glas auf der Basis von GeO₂-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂ besteht.
Argumente entsprechend denen, die oben für das optische Wellenleitergitter gemäß der ersten Ausführungsform genannt wurden, gelten auch für das optische Wellenleitergitter gemäß dieser Ausführungsform. In dieser Ausführungsform sind die B₂O₃-Dotierung und die P₂O₅-Dotierung bezüglich der Wirkung der Auslöschung des Anstiegs beim Brechungsindex-Temperaturkoeffizienten, der durch die GeO₂-Dotierung verursacht wird, miteinander vergleichbar. Da allerdings der Infrarot-Absorptionsverlust ansteigt, wenn die B₂O₃-Dotierungsmenge im Überschuß ist, ist es wünschenswert, daß die B₂O₃-Dotierungsmenge niedriger als die P₂O₅-Dotierungsmenge ist. Es ist nämlich bevorzugt, daß im Kernbereich 11 die Summe der P₂O₅-Dotierungsmenge und der B₂O₃-Dotierungsmenge das 1/15- bis 1-fache der GeO₂-Dotierungsmenge ist, währen die B₂O₃-Dotierungsmenge kleiner als die P₂O₅-Dotierungsmenge ist.
Einige Ausführungsformen eines Verfahrens zur vorteilhaften Herstellung eines optischen Wellenleitergitters gemäß der vorliegenden Erfindung, d. h. bevorzugte Verfahren des Verfahrens zur Herstellung eines optischen Wellenleitergitters gemäß der vorliegenden Erfindung, werden nachstehend erläutert.
4 zeigt eine erste Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines optischen Wellenleitergitters gemäß der vorliegenden Erfindung. Auf einer optischen Faser 20, die einen nicht mit Wasserstoff beladenen Kernbereich hat, wird eine kammförmige Maske 21, hergestellt in Übereinstimmung mit der Gitterform des herzustellenden optischen Wellenleitergitters, angeordnet und dieser optischer Wellenleiter wird mit ArF-Exzimerlaser (mit einer Wellenlänge von 193 nm) in Richtung des Pfeils A bestrahlt, wodurch der Brechungsindex des mit ultravioletten Strahlen bestrahlten Bereichs im Kernbereich der optischen Faser 20 bei Belichtung mit ultravioletten Strahlen so verändert wird, daß ein Gitter mit einer vorher festgesetzten Teilung gebildet wird.
Beim herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleitergitters wird der Kernbereich durch Wasserstoffbeladung bearbeitet, so daß die Photoempfindlichkeit des Kernbereichs durch so aufgeladenen Wasserstoff erhöht wird, wodurch ein den Brechungsindex ändernder Bereich ausgebildet wird. Die Erfinder haben festgestellt, daß die optische Faser des GeO₂-P₂O₅-SiO₂-Typs, die ein Material für das optische Wellenleitergitter gemäß der Erfindung wird, in einem Ultraviolett-Wellenlängebereich von 150 bis 200 nm selbst ohne Beladung mit Wasserstoff eine ausreichende Photoempfindlichkeit hat. Das Herstellungsverfahren für diese Ausführungsform basiert auf dieser Feststellung.
5 zeigt das Resultat eines Vergleichs betreffend das Ausmaß der Änderung bei der Peak-Wellenlänge in entsprechenden optischen Wellenleitergittern, die nach diesem Verfahren und dem herkömmlichen Verfahren hergestellt wurden, wobei ein Gitter durch Bestrahlung mit KrF-Laser (mit einer Wellenlänge von 248 nm) nach dem Hydrierungsprozeß nach ihrer Herstellung durchgeführt wurde. Hier zeigen schwarze Kreise das optische Wellenleitergitter an, das nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellt wurde, während weiße Kreise das optische Wellenleitergitter kennzeichnen, das durch das Verfahren dieser Ausführungsform hergestellt wurde. Wie aus diesem Diagramm zu ersehen ist, verschiebt sich nach dem herkömmlichen Verfahren die Peak-Wellenlänge nach der kürzeren Wellenlängenseite, wenn die Zeit vergeht. Dies wird durch die Tatsache verursacht, daß eingeschlossener Wasserstoff durch seine Effusion abnimmt. Da in dieser Ausführungsform kein Wasserstoff zugesetzt wird, gibt es keinen eingeschlossenen Wasserstoff, wodurch die Peak-Wellenlänge infolge einer solchen Wasserstoff-Effusion nicht Wellenlängenseite verschoben wird. zur kürzeren Obgleich im herkömmlichen Verfahren die Peak-Wellenlänge unter der Annahme einer solchen Verschiebung nach der kürzeren Wellenlänge eingestellt wird, ist eine solche Annahme in dieser Ausführungsform unnötig, wodurch die Peak-Wellenlänge genauer eingestellt werden kann.
Unter Verwendung von drei Arten optischer Fasern in den Beispielen 5 bis 7, die in Tabelle 2 als entsprechende Materialien dargestellt sind, wurden langperiodische Gitter hergestellt, wobei eine kammförmige Maske mit einer Periode von 423 μm und ein Takt von 0,5 gemäß dieser Ausführungsform verwendet wurde. Die Intensitäten der Bestrahlung mit ultravioletter Strahlung wurde auf 37, 12 und 7 mJ/cm²/Impuls eingestellt und die Laser-Oszillationsfrequenz wurde auf 20 Hz eingestellt. Die 6 bis 8 zeigen die entsprechenden Transmissionsspektren von so hergestellten langperiodischen Gittern. Bei jedem von ihnen wurden günstige Transmissionscharakteristika erhalten. Ihre Temperaturabhängigkeitswerte für die Peakwellenlänge waren 0,0062, 0,0102 bzw. –0,0190 nm/°C, wodurch bestätigt wurde, daß günstige Eigenschaften erhalten wurden, die mit denen der langperiodischen Gitter, die in Tabelle 4 angegeben sind, vergleichbar waren. Obgleich hier der Fall erläutert wird, bei dem keine Wasserstoffbeladung erfolgt, kann auch mit einer geringen Wasserstoffmenge beladen werden. Wenn mit einer geringen Wasserstoffmenge beladen wird, ist es bevorzugt, daß der Wasserstoffbeladungsprozeß unter einem niedrigem Druck von 20 Atmosphären oder weniger durchgeführt wird. Auf diese Weise kann die Verschiebung nach kürzerer Wellenlänge unterdrückt werden.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf 9 eine zweite Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines langperiodischen optischen Wellenleitergitters gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Eine optische Faser 30 wird zwischen den Entladungselektroden 31, 32 eines Faserschmelz-Splicers des Bogenentladungstyps angeordnet und axiale Bewegungen der optischen Faser 30 und Punkterwärmen winziger Teile der optischen Faser 30 zwischen den Entladungselektroden 31, 32 werden wiederholt durchgeführt, während die optische Faser 30 stillsteht; dadurch wird die Spannung in der Kern/Hüllen-Grenzfläche, die durch die Differenzen in der Viskosität und dem thermischen Expansionskoeffizienten von Kern/Hülle verursacht wird, periodisch gelindert. Auf diese Weise wird ein Gitter gebildet. Thermische Diffusionen von Ge und P tragen ebenfalls zur Bildung dieses Gitters bei.
Unter Verwendung der optischen Faser von Beispiel 5 in Tabelle 2 wurde ein Gitter mit einem Entladungsintervall von 400 μm und einer Entladungsanwendungslänge von 10 mm hergestellt. 10 zeigt das Resultat einer Messung des Transmissionsspektrums im so erhaltenen langperiodischen Gitter. Wie aus diesem Diagramm zu ersehen ist, wurden günstige Transmissionscharakteristika erhalten. Der Temperaturabhängigkeitswert der Peak-Wellenlänge war in diesem langperiodischen Gitter 0,0065 nm, wodurch bestätigt wurde, daß günstige Charakteristika, die mit denen der langperiodischen Gitter, die in der ersten Ausführungsform hergestellt wurden, vergleichbar waren, erhalten wurden. Da kein Wasserstoffbeladungsprozeß erforderlich ist, würde in dieser Ausführungsform auch keine spontane Freisetzung von eingeschlossenen Wasserstoff auftreten, wodurch seine resultierende Verschiebung der Peak-Wellenlänge nach der kürzeren Wellenlänge nicht erfolgen würde.
Ohne daß eine Beschränkung auf die oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen wird, kann die Erfindung auf verschiedenen Wegen durchgeführt werden. Obgleich sich die oben beschriebenen Ausführungsformen auf optische Wellenleitergitter beziehen, die in optischen Fasern als optische Wellenleiter ausgebildet wurden, sind sie gleichermaßen auf optische Wellenleitergitter anwendbar, die in einem planaren optischen Wellenleiter auf einem Substrat gebildet wurden.
Industrielle Anwendbarkeit
Das langperiodische optische Wellenleitergitter und das Verfahren zur Herstellung desselben gemäß der vorliegenden Erfindung sind günstigerweise auf optische Filter und dgl. in optischen Kommunikationssystemen anwendbar.

Claims

Langperiodisches optisches Wellenleitergitter, das in einem optischen Wellenleiter (10) ausgebildet ist, der hauptsächlich aus SiO₂ aufgebaut ist und einen Kernbereich (11) und einen Hüllenbereich (12) um den Kernbereich aufweist, das Gitter wird ausgebildet durch Ausstattung des Kernbereichs mit einem Bereich (13), in dem sich der Brechungsindex in Richtung der optischen Achse periodisch verändert, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich mit GeO2 und P₂O₅ co-dotiert ist.
Optisches Wellenleitergitter gemäss Anspruch 1, worin die molare Dotierungsmenge an P₂O₅ im Kernbereich dem 1/15- bis 1-fachen derjenigen von GeO₂ entspricht.
Optisches Wellenleitergitter gemäss Anspruch 2, worin die molare Dotierungsmenge an P₂O₅ im Kernbereich dem 0,6- bis 1-fachen derjenigen von GeO₂ entspricht.
Optisches Wellenleitergitter gemäss Anspruch 1, worin der Kernbereich ferner mit B₂O₃ dotiert ist, die Summe der jeweiligen molaren Dotierungsmengen an P₂O₅ und B₂O₃ betragen das 1/15- bis 1-fache der molaren Dotierungsmenge an GeO₂, und die molare Dotierungsmenge an B₂O3 ist kleiner als diejenige von P₂O₅.
Optisches Wellenleitergitter gemäss Anspruch 1, worin der Umhüllungsbereich mit Fluor dotiert ist und einen Brechungsindex aufweist, der so eingestellt ist, dass er kleiner ist als der von reinem Quarzglas.
Optisches Wellenleitergitter gemäss Anspruch 5, worin, wenn Δn^– das Verhältnis der Abnahme des Brechungsindexes des Hüllenbereichs in bezug auf reines Quarzglas darstellt, die molare Dotierungsmenge an P₂O₅ im Kernbereich innerhalb des Bereichs des (0,8–0,7 Δ n^–) ± 0,2-fachen von derjenigen von GeO₂ eingestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines langperiodischen optischen Wellenleitergitters gemäss Anspruch 1, worin ohne Beladung des optischen Wellenleiters mit Wasserstoff oder nach Beladen des optischen Wellenleiters mit Wasserstoff bei einem Druck von 20 Atm oder weniger, der optische Wellenleiter mit UV-Licht im Wellenlängenbereich von 150–200 nm bestrahlt wird, wodurch das Gitter ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines langperiodischen optischen Wellenleitergitters gemäss Anspruch 1, worin der optische Wellenleiter zur Ausbildung des Gitters entlang der Richtung der optischen Achse periodisch punkterwärmt wird.