JP2003215380A - 光導波路、光導波路型回折格子および光導波路型回折格子製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 感光性および生産性が優れ所望の光学的特性
を容易に実現することができる光導波路などを提供す
る。 【解決手段】 光ファイバ１０は、光軸を含み屈折率ｎ
₁を有するコア領域１１と、このコア領域１１を取り囲
み屈折率ｎ₂を有する内側クラッド領域１２と、この内
側クラッド領域１２を取り囲み屈折率ｎ₃を有する外側
クラッド領域１３とを備える石英系の光導波路である。
各領域の屈折率の大小関係が ｎ₁＞ｎ₃≧ｎ₂ であり、
コア領域１１および内側クラッド領域１２それぞれに添
加濃度１．０ｗｔ％〜２．５ｗｔ％のＴｉＯ₂が添加さ
れ、内側クラッド領域１３にＦ元素が添加されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路の長手方
向に沿った一定範囲に亘って屈折率変調による回折格子
が形成された光導波路型回折格子、このような光導波路
型回折格子を製造する際に好適に用いられ得る光導波
路、および、このような光導波路型回折格子を製造する
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光導波路型回折格子は、光導波路（光フ
ァイバ、または、基板上に形成された平面光導波路）の
長手方向に沿った一定範囲に亘って屈折率変調による回
折格子が形成されたものであり、屈折率変調周期が１μ
ｍ以下と比較的短いブラッグ回折格子と、屈折率変調周
期が数百μｍ程度と比較的長い長周期回折格子とがあ
る。ブラッグ回折格子は、ブラッグ条件を満たす特定の
波長（ブラッグ波長）の光を選択的に反射させることが
できるので、例えば光通信システムにおいて波長選択フ
ィルタとして用いられる。一方、長周期回折格子は、位
相整合条件を満たす特定波長の光に対して選択的に損失
を与えることができるので、例えば光通信システムにお
いて損失フィルタとして用いられる。

【０００３】このような光導波路型回折格子は一般に以
下のようにして製造される。まず、感光性材料としてＧ
ｅＯ₂がコア領域に添加された石英系の光ファイバが作
成される。そして、この光ファイバの長手方向に沿った
一定範囲に亘って、空間的に強度変調された屈折率変化
誘起光が照射されて屈折率変調による回折格子が形成さ
れ、これにより光導波路型回折格子が製造される。な
お、屈折率変化誘起光とは、ＧｅＯ₂が添加された石英
ガラスの屈折率変化を誘起せしめる波長の光（一般には
紫外光）であって、例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光源
から出力される波長２４８ｎｍの紫外レーザ光が用いら
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、感光性材料
としてＧｅＯ₂のみがコア領域に添加されている場合に
は、そのコア領域の感光性は低い。そこで、感光性を高
める為に、屈折率変化誘起光の照射前に光ファイバの水
素処理が行われる。しかし、光ファイバの水素処理に
は、数日〜数週間もの処理時間を要するだけでなく、処
理コストも要することから、光導波路型回折格子の生産
性は低い。また、屈折率変調形成後に水素抜きの為のア
ニール処理も必要となるが、このアニール処理により光
導波路型回折格子の光学的特性が変化するので、所望の
光学的特性を有する光導波路型回折格子を歩留まりよく
製造することが困難である。

【０００５】また、感光性を高める為に、ＧｅＯ₂に加
えてＢ₂Ｏ₃が共添加された光ファイバが用いられる。こ
の場合、光ファイバの水素処理を行わなくても感光性は
高いので、光ファイバの水素処理を行わなくてもよい。
しかし、Ｂ₂Ｏ₃による赤外光吸収は大きく、光導波路型
回折格子が用いられる光通信システム等における信号光
波長にまで及ぶことから、光導波路型回折格子における
光の伝送損失が大きい。また、光ファイバの主材料であ
る石英ガラス（ＳｉＯ₂）とＢ₂Ｏ₃とでは熱膨張係数の
差が大きいことから、製造途中に割れが生じ易く、製造
歩留まりが低いので、この点で光導波路型回折格子の生
産性は低い。

【０００６】本発明は、上記問題点を解消する為になさ
れたものであり、感光性および生産性が優れ所望の光学
的特性を容易に実現することができる光導波路および光
導波路型回折格子、ならびに、このような光導波路型回
折格子を製造する方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光導波路
は、光軸を含み屈折率ｎ₁を有するコア領域と、このコ
ア領域を取り囲み屈折率ｎ₂を有する内側クラッド領域
と、この内側クラッド領域を取り囲み屈折率ｎ₃を有す
る外側クラッド領域とを備える石英系の光導波路であっ
て、各領域の屈折率の大小関係が ｎ₁＞ｎ₃≧ｎ₂ であ
り、コア領域および内側クラッド領域それぞれに添加濃
度１．０ｗｔ％〜２．５ｗｔ％のＴｉＯ₂が添加され、
内側クラッド領域にＦ元素が添加されていることを特徴
とする。本発明に係る光導波路型回折格子は、上記の本
発明に係る光導波路の長手方向に沿った一定範囲に亘っ
てコア領域および内側クラッドの双方に屈折率変調によ
る回折格子が形成されていることを特徴とする。また、
本発明に係る光導波路型回折格子製造方法は、上記の本
発明に係る光導波路を作成し、次に、この光導波路の長
手方向に沿った一定範囲に亘って、空間的に強度変調さ
れた屈折率変化誘起光を照射して、屈折率変調による回
折格子を形成することを特徴とする。これにより、本発
明に係る光導波路または本発明に係る光導波路型回折格
子は、感光性および生産性が優れ、所望の光学的特性を
容易に実現することができる。また、本発明に係る光導
波路型回折格子製造方法は、製造歩留まりが高く、生産
性が高い。

【０００８】また、本発明に係る光導波路または本発明
に係る光導波路型回折格子は、内側クラッド領域のＦ元
素添加濃度が０．８ｗｔ％〜２．７ｗｔ％であるのが好
適である。この場合には、１．０ｗｔ％〜２．５ｗｔ％
のＴｉＯ₂が添加された内側クラッド領域に、内側クラ
ッド領域の屈折率ｎ₂がコア領域の屈折率ｎ₁より充分に
小さくなるよう、また、屈折率ｎ₂が外側クラッド領域
の屈折率ｎ₃以下となるように、０．８ｗｔ％〜２．７
ｗｔ％のＦ元素も添加されている。

【０００９】また、本発明に係る光導波路または本発明
に係る光導波路型回折格子は、コア領域のＴｉＯ₂添加
濃度Ｎ₁と内側クラッド領域のＴｉＯ₂添加濃度Ｎ₂との
比（Ｎ ₂／Ｎ₁）が０．７〜１．３であり、コア領域の外
径２ａと内側クラッド領域の外径２ｂとの比（ｂ／ａ）
が２以上であるのが好適である。この場合には、この光
導波路型回折格子は、短波長ロスの発生が抑制され、光
学的特性が優れたものとなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明にお
いて同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を
省略する。

【００１１】先ず、本発明に係る光ファイバの実施形態
について図１および図２を用いて説明する。図１は本実
施形態に係る光ファイバ１０の構成図である。同図
（ａ）は光軸に垂直な面で切断したときの光ファイバ１
０の断面を示し、同図（ｂ）は光軸を含む面で切断した
ときの光ファイバ１０の断面を示す。また、図２は本実
施形態に係る光ファイバ１０の説明図である。同図
（ａ）はＴｉＯ２添加濃度分布を示し、同図（ｂ）はＦ
元素添加濃度分布を示し、同図（ｃ）は屈折率分布を示
し、同図（ｄ）は感光性分布を示す。これらの分布は光
ファイバ１０の光軸と直交する方向におけるものであ
る。

【００１２】本実施形態に係る光ファイバ１０は、石英
ガラスを主材料とする光導波路であり、光軸を含み屈折
率ｎ₁を有する外径２ａのコア領域１１と、このコア領
域１１を取り囲み屈折率ｎ₂を有する外径２ｂの内側ク
ラッド領域１２と、この内側クラッド領域１２を取り囲
み屈折率ｎ₃を有する外径２ｃの外側クラッド領域１３
とを備えている。コア領域１１にはＴｉＯ₂が添加され
ている。内側クラッド領域１２にはＴｉＯ₂およびＦ元
素が添加されている。また、各領域の屈折率の大小関係
は ｎ₁＞ｎ₃≧ｎ₂ である。なお、ＴｉＯ₂は屈折率上昇
剤であり感光性材料でもある。また、Ｆ元素は屈折率低
下剤である。このようにＴｉＯ₂およびＦ元素それぞれ
が添加されていることにより（図２（ａ），（ｂ））、
各領域の屈折率の大小関係が上記のようになり（図２
（ｃ））、コア領域１１および内側クラッド領域１２の
双方が感光性を有している（図２（ｄ））。

【００１３】コア領域１１のＴｉＯ₂添加濃度は１．０
ｗｔ％〜２．５ｗｔ％であるのが好適である。また、内
側クラッド領域１２のＴｉＯ₂添加濃度も１．０ｗｔ％
〜２．５ｗｔ％であるのが好適である。ＴｉＯ₂添加濃
度が少なすぎると、外側クラッド領域１３に対するコア
領域１１の比屈折率差が小さいことから、モードフィー
ルド径が小さいので、曲げ損失が大きい。一方、ＴｉＯ
₂添加濃度が多すぎると、ＴｉＯ₂による屈折率変化誘起
光の吸収により、屈折率変化誘起光がコア領域１１まで
届かず、屈折率変調が光軸周りに不均一となって、この
光ファイバ１０を基に製造される光導波路型回折格子の
光学的特性が劣ったものとなってしまう。特に、ブラッ
グ波長より短波長側で損失（以下では「短波長ロス」と
いう。）が生じてしまう。しかし、ＴｉＯ₂添加濃度が
上記の１．０ｗｔ％〜２．５ｗｔ％の範囲内であれば、
曲げ損失が小さく、光学的特性が優れた光導波路型回折
格子を実現することができ、また、他の光ファイバと同
程度のモードフィールド径を有することができるので、
当該他の光ファイバと誘着接続したときの接続損失が小
さい。

【００１４】また、内側クラッド領域１２のＦ元素添加
濃度は０．８ｗｔ％〜２．７ｗｔ％であるのが好適であ
る。１．０ｗｔ％〜２．５ｗｔ％のＴｉＯ₂が添加され
た内側クラッド領域１２に、ＴｉＯ₂添加量に応じて
０．８ｗｔ％〜２．７ｗｔ％のＦ元素が添加されている
ことにより、内側クラッド領域１２の屈折率ｎ₂は、コ
ア領域１１の屈折率ｎ₁より充分に小さくなり、また、
外側クラッド領域１３の屈折率ｎ₃以下となる。

【００１５】また、コア領域１１のＴｉＯ₂添加濃度Ｎ₁
と内側クラッド領域１２のＴｉＯ₂添加濃度Ｎ₂との比
（Ｎ₂／Ｎ₁）は０．７〜１．３であるのが好適である。
コア領域１１の外径２ａと内側クラッド領域１２の外径
２ｂとの比（ｂ／ａ）は２以上であるのが好適である。
このような範囲であれば、この光ファイバ１０を基に製
造される光導波路型回折格子は、短波長ロスの発生が抑
制され、光学的特性が優れたものとなる。

【００１６】このような光ファイバ１０は例えば以下の
ようにして製造される。初めに光ファイバ母材が作成さ
れる。光ファイバ母材の作成に際しては、ＭＣＶＤ法、
ＶＡＤ法、ＯＶＤ法およびロッドインチューブ法等の任
意の方法が用いられ得る。例えば、ＭＣＶＤ法による光
ファイバ母材の作成では、外側クラッド領域となるべき
石英ガラスパイプを用意する。この石英ガラスパイプの
内側に原料ガス（ＳｉＣｌ₄，ＴｉＣｌ₄およびＳｉＦ₄
を含む混合ガス）を流すとともに石英パイプの外側より
バーナで加熱することで、内側クラッド領域となるべき
ガラス層を石英パイプの内壁面に堆積させる。更に内側
に原料ガス（ＳｉＣｌ₄およびＴｉＣｌ₄を含む混合ガ
ス）を流すとともに石英パイプの外側よりバーナで加熱
することで、コア領域となるべきガラス層を内壁面に堆
積させる。そして、コア領域および内側クラッド領域そ
れぞれとなるべきガラス層が内壁面に堆積した石英ガラ
スパイプを中実化することで、光ファイバ母材を作成す
る。その後、この光ファイバ母材を線引きして光ファイ
バ１０を製造する。或いは、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法および
ロッドインチューブ法等により、この光ファイバ母材の
外壁面に外側クラッド領域となるべきガラス層を堆積し
て、これを線引きして光ファイバ１０を製造する。

【００１７】次に、本発明に係る光導波路型回折格子の
実施形態について説明する。図３は、本実施形態に係る
光導波路型回折格子１の構成図である。この図は光軸を
含む面で切断したときの光導波路型回折格子１の断面を
示す。この光導波路型回折格子１は、上述した光ファイ
バ１０の長手方向に沿った一定範囲Ｗに亘って屈折率変
調による回折格子１４が形成されたものである。この図
で、黒く塗りつぶされた領域は、屈折率が上昇している
領域である。このような屈折率変調は、位相マスク法ま
たは二光束干渉法により形成される。光ファイバ１０の
コア領域１１および内側クラッド領域１２の双方がＴｉ
Ｏ₂を添加されて感光性を有しているので、屈折率変調
による回折格子１４は、一定範囲Ｗに亘ってコア領域１
１および内側クラッド１２の双方に形成されている。

【００１８】位相マスク法では、光ファイバ１０の側方
に位相格子マスクが配置され、この位相格子マスクを介
して光ファイバ１０に屈折率変化誘起光が照射される
と、位相格子マスクにより生じた屈折率変化誘起光の＋
１次回折光と−１次回折光との干渉縞が光ファイバ１０
内に形成されて、その干渉縞における光エネルギの空間
的分布に応じて屈折率が上昇することで屈折率変調が形
成される。一方、二光束干渉法では、屈折率変化誘起光
がビームスプリッタにより２分岐され、この分岐により
生じた２つの光束が光ファイバ１０に照射されると、こ
れら２つの光束が交差する範囲において干渉縞が光ファ
イバ１０内に形成されて、その干渉縞における光エネル
ギの空間的分布に応じて屈折率が上昇することで屈折率
変調が形成される。なお、屈折率変化誘起光の照射とと
もに、製造途中の光導波路型回折格子１の光学的特性
（透過スペクトル、反射スペクトル、等）をモニタし
て、このモニタにより得られた光学的特性が所望値とな
った時点で屈折率変化誘起光の照射を終了するのが好適
である。

【００１９】次に、光ファイバ１０および光導波路型回
折格子１それぞれの実施例について説明する。実施例の
光ファイバ１０のコア領域１１は、１．５０ｗｔ％のＴ
ｉＯ ₂が添加されていて、Ｆ元素が無添加の石英ガラス
であった。内側クラッド領域１２は、１．５０ｗｔ％の
ＴｉＯ₂が添加され、１．３４ｗｔ％のＦ元素が添加さ
れた石英ガラスであった。外側クラッド領域１３は、Ｔ
ｉＯ₂およびＦ元素の何れも無添加の純石英ガラスであ
った。コア領域１１の外径２ａは９μｍであり、内側ク
ラッド領域１２の外径２ｂは３０μｍであり、外側クラ
ッド領域１３の外径２ｃは１２５μｍであった。また、
純石英ガラスの屈折率を基準として、コア領域１１の比
屈折率差は０．３５％であり、内側クラッド領域１２の
比屈折率差は０．００％であり、外側クラッド領域１３
の比屈折率差は０．００％であった。実施例の光導波路
型回折格子１は、上記の実施例の光ファイバ１０におい
てブラッグ型の回折格子１４が形成されたものであっ
た。

【００２０】この実施例の光導波路型回折格子１の諸特
性を比較例の光導波路型回折格子と比較した。ここで、
第１比較例の光導波路型回折格子は、上記実施例の光導
波路型回折格子１と同様の屈折率分布を有しており、コ
ア領域および内側クラッド領域の双方にＧｅＯ₂が添加
され、内側クラッド領域にＦ元素が添加されたものであ
った。また、第２比較例の光導波路型回折格子は、上記
実施例の光導波路型回折格子１と同様の屈折率分布を有
しており、コア領域および内側クラッド領域の双方にＧ
ｅＯ₂およびＢ₂Ｏ₃が添加されたものであった。これら
実施例、第１比較例および第２比較例それぞれの光導波
路型回折格子は、互いに同程度の屈折率変調（周期、振
幅、形成長）が形成されたものであった。これら３つの
光導波路型回折格子それぞれについて、感光性、生産
性、伝送損失および短波長ロスを評価した。

【００２１】その結果、感光性については、第１比較例
の光導波路型回折格子の感光性を基準とすると、第２比
較例の光導波路型回折格子の感光性は４倍であり、実施
例の光導波路型回折格子１の感光性は８倍であった。こ
のように、実施例の光導波路型回折格子１は、水素処理
を行わなくても所望の屈折率変調が短時間に形成される
ので、生産性が高い。また、実施例の光導波路型回折格
子１は、アニール処理をも行わなくてもよいので、所望
の光学的特性を有するものが容易に製造され得る。

【００２２】更に生産性については、第２比較例の光導
波路型回折格子を製造するための光ファイバ母材を作成
する際に、その光ファイバ母材の割れが確率５０％程度
で生じた。一方、第１比較例および実施例それぞれの光
導波路型回折格子を製造するための光ファイバ母材を作
成する際には、その光ファイバ母材の割れは発生しなか
った。このように、実施例の光導波路型回折格子は、製
造歩留まりが高いので、この点でも生産性が高い。

【００２３】伝送損失については、第１比較例の光導波
路型回折格子の伝送損失は１ｄＢ／ｋｍであり、第２比
較例の光導波路型回折格子の伝送損失は５０〜１００ｄ
Ｂ／ｋｍであり、実施例の光導波路型回折格子１の伝送
損失は５〜１０ｄＢ／ｋｍであった。実施例の光導波路
型回折格子１の伝送損失は、第１比較例のものより大き
いものの、第２比較例のものより１桁小さく、実用上の
問題が無い程度に小さい。

【００２４】短波長ロスについては、比較例２の光導波
路型回折格子は、ＧｅＯ₂だけでなくＢ₂Ｏ₃も感光性を
有するので、コア領域および内側クラッド領域それぞれ
の屈折率変調の振幅が互いに異なり、それ故、短波長ロ
スが無視し得ないほど大きかった。これに対して、実施
例の光導波路型回折格子１は、コア領域１１および内側
クラッド領域１２それぞれのＴｉＯ₂添加濃度が１．５
０ｗｔ％であって、外径比（２ｂ／２ａ）が２以上であ
り、ＴｉＯ₂の他には感光性材料が添加されていないの
で、短波長ロスが充分に抑制された。

【００２５】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明に
係る光導波路は、上記実施形態で説明した光ファイバに
限られず、基板上に形成された平面光導波路であっても
よい。また、本発明に係る光導波路型回折格子は、平面
光導波路に形成されたものであってもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり、本発明に
係る光導波路は、光軸を含み屈折率ｎ ₁を有するコア領
域と、このコア領域を取り囲み屈折率ｎ₂を有する内側
クラッド領域と、この内側クラッド領域を取り囲み屈折
率ｎ₃を有する外側クラッド領域とを備える石英系の光
導波路であって、各領域の屈折率の大小関係が ｎ₁＞ｎ
₃≧ｎ₂ であり、コア領域および内側クラッド領域それ
ぞれに添加濃度１．０ｗｔ％〜２．５ｗｔ％のＴｉＯ₂
が添加され、内側クラッド領域にＦ元素が添加されてい
る。また、本発明に係る光導波路型回折格子は、上記の
本発明に係る光導波路の長手方向に沿った一定範囲に亘
ってコア領域および内側クラッドの双方に屈折率変調に
よる回折格子が形成されている。したがって、本発明に
係る光導波路または本発明に係る光導波路型回折格子
は、感光性および生産性が優れ、所望の光学的特性を容
易に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る光ファイバ１０の構成図であ
る。

【図２】本実施形態に係る光ファイバ１０の説明図であ
る。

【図３】本実施形態に係る光導波路型回折格子１の構成
図である。

【符号の説明】

１…光導波路型回折格子、１０…光ファイバ、１１…コ
ア領域、１２…内側クラッド領域、１３…外側クラッド
領域、１４…回折格子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H049 AA34 AA45 AA59 AA62 2H050 AB03Z AB06Z AB10Y AC09 AC14 AC84

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光軸を含み屈折率ｎ₁を有するコア領域
   と、このコア領域を取り囲み屈折率ｎ₂を有する内側ク
   ラッド領域と、この内側クラッド領域を取り囲み屈折率
   ｎ₃を有する外側クラッド領域とを備える石英系の光導
   波路であって、 各領域の屈折率の大小関係が ｎ₁＞ｎ₃≧ｎ₂ であり、
   前記コア領域および前記内側クラッド領域それぞれに添
   加濃度１．０ｗｔ％〜２．５ｗｔ％のＴｉＯ₂が添加さ
   れ、前記内側クラッド領域にＦ元素が添加されている、 ことを特徴とする光導波路。
2. 【請求項２】 前記内側クラッド領域のＦ元素添加濃度
   が０．８ｗｔ％〜２．７ｗｔ％であることを特徴とする
   請求項１記載の光導波路。
3. 【請求項３】 前記コア領域のＴｉＯ₂添加濃度Ｎ₁と前
   記内側クラッド領域のＴｉＯ₂添加濃度Ｎ₂との比（Ｎ₂
   ／Ｎ₁）が０．７〜１．３であり、 前記コア領域の外径２ａと前記内側クラッド領域の外径
   ２ｂとの比（ｂ／ａ）が２以上である、 ことを特徴とする請求項１記載の光導波路。
4. 【請求項４】 請求項１〜３の何れか１項に記載の光導
   波路の長手方向に沿った一定範囲に亘って前記コア領域
   および前記内側クラッドの双方に屈折率変調による回折
   格子が形成されていることを特徴とする光導波路型回折
   格子。
5. 【請求項５】 請求項１〜３の何れか１項に記載の光導
   波路を作成し、 前記光導波路の長手方向に沿った一定範囲に亘って、空
   間的に強度変調された屈折率変化誘起光を照射して、屈
   折率変調による回折格子を形成する、 ことを特徴とする光導波路型回折格子製造方法。