JP2003322735A - ファイバグレーティング型光部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複雑な設計・製作工程を行なうことなくクラ
ッドモード結合損失を低減できるファイバグレーティン
グ型光部品を提供する。 【解決手段】 紫外線に感光する第１の材料のゲルマニ
ウムがドープされたコア層３と、ゲルマニウムおよびフ
ッ素の内の少なくとも一方がドープされており、コア層
３を被覆する第１のクラッド層４と、第１のクラッド層
４を被覆する第２のクラッド層５とをそれぞれ含む光フ
ァイバ２と、光ファイバ２のコア層３および第１のクラ
ッド層４の軸方向に沿った所定部位の屈折率の光ファイ
バ２の軸方向に沿った周期的変化として形成されている
ファイバグレーティング部１０とを備え、コア層３を伝
搬する伝搬モードと第１のクラッド層４を介して伝搬す
るクラッドモードとの間の結合係数を略０になるように
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光アンプ用利得等
化器や光フィルタ等として利用されるファイバグレーテ
ィング型光部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】ファイバグレーティング型光部品は、シ
ングルモード光ファイバ（Single Mode optical Fiber
:ＳＭＦ）と、このＳＭＦのコア層に対して紫外レーザ
光を照射することによりファイバ軸方向に形成された屈
折率の周期的変化であるファイバグレーティングとを備
えている。

【０００３】そして、この周期的変化が、その周期的変
化部位を介して伝送される光信号の波長帯域と同一オー
ダである例えば１μｍオーダのファイバグレーティング
を短周期グレーティング｛ファイバブラッググレーティ
ング；Fiber Bragg Grating（ＦＢＧ）ともいう｝と呼
び、また、上記光信号の波長帯域よりも非常に長波長で
ある例えば１００μｍ〜数１００μｍのファイバグレー
ティングを長周期グレーティングと呼ぶ。

【０００４】短周期グレーティングは、上記屈折率変化
の周期に対応する特定の波長（ブラッグ条件を満足する
波長）を反射し、上記光信号の進行方向（前方）とは反
対の方向（後方）に伝搬させて進行方向への伝搬を阻止
するフィルタ機能を有している。

【０００５】この短周期グレーティングを利用した光ア
ンプ用利得等化器は、ＥＤＦＡ（Erbium-doped Fiber A
mplifier；エルビニウム添加光ファイバ増幅器）等の光
ファイバ増幅器のＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emis
sion；増幅された自然放出光）抑制・除去や利得波長依
存性を補償するためのフィルタデバイスとして、ＷＤＭ
（Wavelength Divisional Multiplexing;波長分割多
重）システム等の様々や光通信システムに利用されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た利得等化器等の光機能部品においては、短周期グレー
ティング特有の問題であるクラッドモード結合損失が、
短周期グレーティングにおける波長遮断帯域に対する短
波長側の透過帯域に生じる。

【０００７】上記クラッドモード結合損失とは、波長遮
断帯域以外の波長帯域の光信号におけるコア層を伝搬す
る伝搬モードとファイバグレーティング部により反射さ
れた光信号におけるクラッド層を介して伝搬するクラッ
ドモードとが結合することにより生じる損失である。

【０００８】このクラッドモード結合損失のため、波長
遮断帯域に対する短波長側の透過帯域の利得を低下させ
るという問題が生じていた。

【０００９】したがって、短周期グレーティングを用い
た光機能部品を設計・製作するにあたり、上記クラッド
モード結合損失を考慮した設計・製作が必要になり、そ
の設計・製作工程を複雑化していた。

【００１０】本発明は上述した事情に鑑みてなされたも
ので、複雑な設計・製作工程を行なうことなくクラッド
モード結合損失を低減することが可能なファイバグレー
ティング型光部品を提供することをその目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の態様は、紫外線
に感光する第１の材料がドープ（添加）されたコア層
と、前記第１の材料および当該第１の材料以外の紫外線
に感光する第２の材料の内の少なくとも一方がドープ
（添加）されており、前記コア層を被覆する第１のクラ
ッド層と、当該第１のクラッド層を被覆する第２のクラ
ッド層とをそれぞれ含む光ファイバと、前記光ファイバ
のコア層および前記第１のクラッド層の軸方向に沿った
所定部位の屈折率の前記光ファイバの軸方向に沿った周
期的変化として形成されており、当該屈折率周期に対応
する波長遮断帯域の光信号を反射する機能を有するファ
イバグレーティング部と、を備え、前記コア層を伝搬す
る伝搬モードと前記第１のクラッド層を介して伝搬する
クラッドモードとの間の結合係数を略０になるようにし
ている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１３】図１は、本発明の実施の形態に係わるファ
イバグレーティング型光部品１の概略構成を示す斜視図
である。

【００１４】図１に示すように、ファイバグレーティン
グ型光部品１は、光ファイバ２を備えている。

【００１５】この光ファイバ２は、紫外線に感光するゲ
ルマニウム（Ｇｅ；ゲルマニア（ＧｅＯ₂と同義であ
る））が石英ガラス（シリカ（ＳｉＯ₂）ガラス）にド
ープ（添加）されて形成されており、例えば約１０μｍ
のモードフィールド径ｄ１を有するコア層３を備えてい
る。なお、モードフィールド径とは、ファイバ内（コア
層３内）の光の強度分布の広がりを表している。本実施
形態では、モードフィールド径が約１０μｍのコア層３
を有する光ファイバ２を用いたため、従来のＳＭＦと比
べた損失を、略問題のない約０．０５ｄＢに抑えること
ができる。

【００１６】また、光ファイバ２は、コア層３を被覆す
る第１のクラッド層４と、シリカにより形成されてお
り、第１のクラッド層４を被覆する第２のクラッド層５
とを備えている。

【００１７】第１のクラッド層４は、シリカから成るシ
リカ層に上記ゲルマニウム、および紫外線に感光するフ
ッ素（Ｆ）が共にドープ（コドープ）されて形成されて
いる。

【００１８】また、ファイバグレーティング型光部品１
は、コア層３および第１のクラッド層４のファイバ軸方
向に沿った所定部位（例えば、軸方向に沿った長さが約
２０ｍｍ）に形成されたファイバグレーティング部１０
を備えている。なお、上記ファイバグレーティング部１
０のファイバ軸方向に沿った長さ（本実施形態では、２
０ｍｍ）をグレーティング長と定義する。

【００１９】このファイバグレーティング部１０は、コ
ア層３および第１のクラッド層４の所定部位の屈折率の
ファイバの軸方向に沿った周期的変化、すなわち、高屈
折率層および低屈折率層の周期構造であり、入射された
光信号における上記屈折率周期に対応する波長遮断帯域
の光信号を反射する機能を有している。

【００２０】このファイバグレーティング部１０は次の
ように形成されている。すなわち、上記ゲルマニウムが
ドープされたコア層３、ゲルマニウムおよびフッ素がコ
ドープされた第１のクラッド層４およびシリカ層である
第２のクラッド層５から成る光ファイバ２に対して高圧
水素処理を行う。

【００２１】そして、高圧水素処理後の光ファイバ２に
おけるコア層３および第１のクラッド層４におけるファ
イバ軸方向に沿った所定部位（グレーティング長２０ｍ
ｍ）に対して、ファイバ軸方向に対応する長手方向に沿
って所定の微小変化率毎に変化する周期ピッチ毎に形成
されたフェーズマスク（チャープドマスク）を介してア
ルゴン（Ａｒ）レーザにより紫外線を照射することによ
り形成されている。

【００２２】なお、チャープドマスクは、その中心周期
ピッチが光ファイバ２に入射される光の波長と同一オー
ダの短周期ピッチ１．０６６５μｍ、およびチャープ率
が１３ｎｍ／ｃｍとなっている。

【００２３】図１に示すように、ファイバグレーティン
グ部１０の屈折率変化部位は、上記チャープドマスクに
対応して、ファイバ軸方向に沿って、光ファイバ２に入
射される光の波長と同一オーダの短周期ピッチで形成さ
れている。

【００２４】さらに、ファイバグレーティング部１０
は、図１に示すように、上記チャープドマスクに対応し
て、その屈折率変化部位の短周期ピッチがファイバ軸方
向に沿って所定の微小変化率毎に変化する、いわゆるチ
ャープドグレーティングとして形成されており、最小の
周期ピッチ（Λ_SHORT）〜最大の周期ピッチ（Λ_LARGE）
となっている。

【００２５】図２は、光ファイバ２の寸法および屈折率
分布のプロファイル（一点鎖線で示す）を概略的に示す
図である。

【００２６】コア層３は、上記約１０μｍのモードフィ
ールド径ｄ１を有しており、また、第１のクラッド層４
は、後述するように、コア層３を伝搬する伝搬モードに
おけるコア層３から第１のクラッド層４へ広がる電界分
布がその第１のクラッド層４上で略０になる値として、
コア径の１．５倍以上である約１５〜８０μｍのクラッ
ド径ｄ２（コア層３を含む第１のクラッド層４の直径）
を有している。さらに、第２のクラッド層５は、約１２
５μｍのクラッド径ｄ３（コア層３および第１のクラッ
ド層４を含む第２のクラッド層５の直径）を有してい
る。

【００２７】コア層３の屈折率および第１・第２のクラ
ッド層４・５の屈折率は階段状（ステップ状）に変化し
ており、コア層３および第１のクラッド層４の比屈折率
差△は、コア層３のモードフィールド径を大きくしなが
ら、入射された光信号の波長帯域におけるパルス分散を
抑制するために、例えば約０．３５％〜０．６％に設定
されている。

【００２８】また、第１のクラッド層４にドープされた
ゲルマニウムは、紫外線に対する感光によりドープされ
た層の屈折率を高める作用を有しており、第１のクラッ
ド層４にゲルマニウムとコドープされたフッ素は、ゲル
マニウムの屈折率上昇作用を相殺する屈折率低下作用を
有している。このため、第１のクラッド層４の屈折率レ
ベルは、図２に示すように、第２のクラッド層５の屈折
率レベルと略同一となっている。

【００２９】なお、上記比屈折率差△および屈折率レベ
ルは、コア層３、第１のクラッド層４および第２のクラ
ッド層５にそれぞれドープされるドープ材料の量により
設定されている。

【００３０】次に、本実施形態に係わるファイバグレー
ティング型光部品１の作用について説明する。

【００３１】最初に、ファイバグレーティング型光部品
１の波長遮断作用（フィルタ作用）について説明する。

【００３２】ファイバグレーティング型光部品１におい
て、光信号が図１中向かって左側から光ファイバ２のコ
ア層３に入射すると、コア層３に入射した光信号におけ
るブラッグ反射条件に対応する波長帯域の光信号、すな
わち、波長帯域λ_BS（＝ｎΛ _SHORT／２）〜λ_BL（＝ｎ
Λ_LARGE／２）の光信号は、対応する屈折率が異なる境
界面（低屈折率層→高屈折率層の境界面）で反射する。

【００３３】そして、隣接層からの反射光は干渉して互
いに強め合い、結果として、上記波長帯域（波長遮断帯
域）λ_BS〜λ_BL（＝ｎΛ_LARGE／２）の光信号は、ファ
イバグレーティング部１０を通過することなく、その通
過が阻止されることになる。したがって、上記ファイバ
グレーティング部１０の周期ピッチ（Λ_SHORT）〜周期
ピッチ（Λ_LARGE）を所望の値に設定することにより、
所望の波長遮断帯域（透過損失帯域）を有するファイバ
グレーティング型光部品１として機能することができ
る。

【００３４】次に、本実施形態のファイバグレーティン
グ型光部品１のクラッドモード結合損失低減作用につい
て説明する。

【００３５】図３は、従来の短周期ファイバグレーティ
ング部が形成されたＳＭＦを用いたファイバグレーティ
ング部品の比屈折率差（コア層とクラッド層との屈折率
の差）のプロファイルを示す図である。また、図４
（ａ）は、従来のＳＭＦ３０のコア層３１に形成された
チャープド短周期ファイバグレーティング部３２、この
チャープド短周期ファイバグレーティング部３２におけ
るコア層伝搬モード（基本モードＬＰ₀₁）の電界強度
（ビーム）プロファイルＢＰ１およびクラッドモードフ
ィールド分布ＢＰ２を示す図である。

【００３６】ここで、基本モードＬＰ₀₁とクラッドモー
ドとの結合を表す結合係数κは、コア層３１に広がる基
本モードＬＰ₀₁の電界分布をＥ_LP01、コア層３１からク
ラッド層３３に広がる電界分布をＥ_cladおよび径方向に
沿った屈折率変化率をΔｎ（ｒ）を用いて、下式（１）

【式１】 で表される。但し、（θ、ｒ）は、ＳＭＦ３０のファイ
バグレーティング部３２における点を表す極座標であ
り、ｒは、コア中心軸からの距離、θは、積分方向の角
度を表している。

【００３７】すなわち、図４（ａ）に示す従来のＳＭＦ
３０を用いたファイバグレーティング部品においては、
ＳＭＦファイバ中を伝搬する光の電界分布はコア層３１
（Ｅ _LP01）だけでなくクラッド層３３（Ｅ_clad）まで広
がっているため、コア層３１／クラッド層３３の界面に
おいて上記結合係数κに基づく回折が生じる。この回折
により光（クラッドモード）の回折光のBragg条件を満
足する波長帯域は、短周期グレーティング部３２におけ
る反射波長帯域（波長遮断帯域；例えば、１５２５ｎｍ
〜１５６５ｎｍ）よりも短波長側にあるため、ファイバ
グレーティング特有の短波長側放射損失（クラッドモー
ド結合損失）が現れる。

【００３８】したがって、上記クラッドモード結合損失
が短周期グレーティング部３２における反射波長帯域
（波長遮断帯域；例えば、１５２５ｎｍ〜１５６５ｎ
ｍ）に対する短波長側の透過帯域に生じる（図５の２点
鎖線で囲んだ領域参照）。

【００３９】これに対して、本実施形態における光ファ
イバ２のコア層３および第１のクラッド層４に形成され
たファイバグレーティング部１０、このファイバグレー
ティング部１０におけるコア層伝搬モード（基本モード
ＬＰ₀₁）の電界強度（ビーム）プロファイルＢＰ１０お
よびクラッドモードフィールド分布ＢＰ１１を図４
（ｂ）に示す。

【００４０】本実施形態では、コア層３に加えて、その
コア層３を被覆する第１のクラッド層４に対してゲルマ
ニウムをドープし、さらに、その第１のクラッド層４の
クラッド径ｄ２を、コア層３のコア径ｄ１の１．５倍以
上に設定した状態で、コア層３および第１のクラッド層
４に対してファイバグレーティング部１０を形成してい
る。

【００４１】すなわち、第１のクラッド層４のクラッド
径ｄ２がコア層３のコア径ｄ１の１．５倍以上に設定さ
れているため、図４（ｂ）に示すように、ファイバグレ
ーティング部１０の基本モードＬＰ₀₁におけるコア層３
から第１のクラッド層４へ広がる電界分布がその第１の
クラッド層４上で略０になる。

【００４２】したがって、第２のクラッド層５に対する
界面において上記電界分布は消滅し、上記（１）式に基
づく結合係数κが０になる。

【００４３】この結果、ファイバグレーティング型光部
品１のクラッドモード結合損失を大幅に抑制することが
でき、図６に示すように、反射波長帯域（波長遮断帯
域；例えば、１５２５ｎｍ〜１５６５ｎｍ）の短波長側
において、従来生じていた透過損失を大幅に低減するこ
とができる。

【００４４】図７は、上記ファイバグレーティング型光
部品１を用いた光機能部品である利得等化器の波長損失
特性を示す図であり、設計上限値〜設計下限値内におい
て良好な特性が得られた。

【００４５】以上述べたように、本実施形態において
は、例えば第１のクラッド層４のクラッド径ｄ２をコア
層３のコア径ｄ１の１．５倍以上に設定することによ
り、コア層３の基本モードＬＰ₀₁とクラッドモードとの
間の結合係数を略０にしている。

【００４６】このため、短周期ファイバグレーティング
型光部品特有のクラッドモード結合損失を大幅に抑制さ
せることができ、上記クラッドモード結合損失に起因し
た反射波長帯域の短波長側の透過帯域における透過損失
を大幅に低減することができる。

【００４７】また、本実施形態では、第１のクラッド層
４に対して、屈折率上昇用のドーパントであるゲルマニ
ウムに加えて、ゲルマニウムの屈折率上昇作用を相殺す
る屈折率低下作用を有するドーパントであるフッ素をコ
ドープしているため、第１のクラッド層４の屈折率レベ
ルを、第２のクラッド層５の屈折率レベルと略同一に設
定することができる。

【００４８】したがって、第１および第２のクラッド層
４および５間の結合損失発生を防止することができる。

【００４９】なお、本実施形態においては、第１のクラ
ッド層４に、紫外線感光性を有し、かつ屈折率上昇作用
を有するドーパントであるゲルマニウムに加えて、紫外
線感光性を有し、かつゲルマニウムの屈折率上昇作用を
相殺する屈折率低下作用を有するドーパントであるフッ
素をコドープしたが、本発明はこれに限定されるもので
はない。

【００５０】例えば、第１のクラッド層４に、紫外線感
光性を有し、かつ屈折率上昇作用を有するドーパントと
して、ゲルマニウム以外の材料（例えば、ボロンＢ等）
を単独でドープしてもよく、あるいは紫外線感光性を有
し、かつゲルマニウムの屈折率上昇作用を相殺する屈折
率低下作用を有するドーパント（フッ素や他の材料）を
共にコドープしてもよい。

【００５１】また、本実施形態では、ファイバグレーテ
ィング部をチャープドファイバグレーティング部とした
が、一定周期のグレーティング部であってもよい。

【００５２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係わるファ
イバグレーティング型光部品によれば、例えば、第１の
クラッド層のクラッド径をコア層のコア径の１．５倍以
上に設定することにより、コア層の伝搬モードとクラッ
ドモードとの間の結合係数を略０にすることができる。

【００５３】したがって、ファイバグレーティング型光
部品特有のクラッドモード結合損失を大幅に抑制させる
ことができ、クラッドモード結合損失に起因した反射波
長帯域の短波長側の透過帯域における透過損失を大幅に
低減することができる。

【００５４】また、グレーティング型光部品を設計・製
作するにあたり、クラッドモード結合損失を考慮した設
計・製作が不用になり、グレーティング型光部品の設計
・製作工程を簡略化して、その製造歩留まりを向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係わるファイバグレーテ
ィング型光部品の概略構成を示す斜視図。

【図２】図１に示す光ファイバの寸法および屈折率分布
のプロファイルを概略的に示す図。

【図３】従来の短周期ファイバグレーティング部が形成
されたシングルモード光ファイバを用いたファイバグレ
ーティング部品の比屈折率差のプロファイルを示す図。

【図４】（ａ）は、従来のシングルモード光ファイバの
コア層に形成されたチャープド短周期ファイバグレーテ
ィング部、このチャープド短周期ファイバグレーティン
グ部におけるコア層伝搬モードの電界強度プロファイル
等を示す図であり、（ｂ）は、本実施形態における光フ
ァイバのコア層および第１のクラッド層に形成されたフ
ァイバグレーティング部、このファイバグレーティング
部におけるコア層伝搬モードの電界強度プロファイル等
を示す図。

【図５】従来のシングルモード光ファイバを用いたグレ
ーティング型光部品における波長損失特性およびクラッ
ドモード結合損失を示すグラフ。

【図６】本実施形態のファイバグレーティング型光部品
における波長損失特性を示すグラフ。

【図７】本実施形態のファイバグレーティング型光部品
を用いた光機能部品である利得等化器の波長損失特性を
示す図。

【符号の説明】

１：グレーティング型光部品 ２：光ファイバ ３：コア層 ４：第１のクラッド層 ５：第２のクラッド層 １０：ファイバグレーティング部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 植村 康生 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2H050 AB05X AB09Y AB10Y AC09 AC36 AC82 AC84

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 紫外線に感光する第１の材料がドープ
   （添加）されたコア層と、前記第１の材料および当該第
   １の材料以外の紫外線に感光する第２の材料の内の少な
   くとも一方がドープ（添加）されており、前記コア層を
   被覆する第１のクラッド層と、当該第１のクラッド層を
   被覆する第２のクラッド層とをそれぞれ含む光ファイバ
   と、 前記光ファイバのコア層および前記第１のクラッド層の
   軸方向に沿った所定部位の屈折率の前記光ファイバの軸
   方向に沿った周期的変化として形成されているファイバ
   グレーティング部と、を備え、 前記コア層を伝搬する伝搬モードと前記第１のクラッド
   層を介して伝搬するクラッドモードとの間の結合係数を
   略０になるようにしたことを特徴とするファイバグレー
   ティング型光部品。
2. 【請求項２】 前記第１のクラッド層のクラッド径を、
   前記コア層を伝搬する伝搬モードにおける前記コア層か
   ら前記第１のクラッド層へ広がる電界分布が当該第１の
   クラッド層上で略０になる値に設定したことを特徴とす
   る請求項１記載のファイバグレーティング型光部品。
3. 【請求項３】 前記第１のクラッド層のクラッド径を、
   当該コア層のコア径の１．５倍以上に設定したことを特
   徴とする請求項１又は２記載のファイバグレーティング
   型光部品。
4. 【請求項４】 前記ファイバグレーティング部は、前記
   ファイバ軸方向に対応する長手方向に沿って周期ピッチ
   毎に形成されたフェーズマスクを介して、前記光ファイ
   バのコア層および前記第１のクラッド層におけるファイ
   バ軸方向に沿った所定部位に紫外線を照射することによ
   り形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の内
   の何れか１項記載のファイバグレーティング型光部品。
5. 【請求項５】 前記ファイバグレーティング部の屈折率
   変化部位は前記ファイバ軸方向に沿って所定の周期ピッ
   チで形成されており、この周期ピッチは、当該ファイバ
   軸方向に沿って所定の微小変化率毎に変化していること
   を特徴とする請求項４記載のファイバグレーティング型
   光部品。
6. 【請求項６】 前記第１の材料を、前記紫外線に対する
   感光によりドープされた層の屈折率を高める作用を有す
   るゲルマニウム（Ｇｅ）とし、前記第１のクラッド層に
   は、前記第２の材料として、前記紫外線に対する感光に
   より前記コア層の屈折率を上昇させる作用を有するボロ
   ン（Ｂ）がドープされていることを特徴とする請求項１
   乃至５の内の何れか１項記載のファイバグレーティング
   型光部品。
7. 【請求項７】 前記第１の材料を、前記紫外線に対する
   感光によりドープされた層の屈折率を上昇させる作用を
   有するゲルマニウム（Ｇｅ）とし、前記第１のクラッド
   層には、前記第１の材料であるゲルマニウムの屈折率上
   昇作用を相殺する屈折率低下作用を有する材料と共にド
   ープされていることを特徴とする請求項１乃至５の内の
   何れか１項記載のファイバグレーティング型光部品。
8. 【請求項８】 前記第１および第２のクラッド層は、シ
   リカ（ＳｉＯ₂）から成るシリカ層であり、前記屈折率
   低下作用を有する材料はフッ素（Ｆ）であり、前記第１
   のクラッド層の屈折率レベルは、前記第２のクラッド層
   の屈折率レベルと略同一に設定されていることを特徴と
   する請求項７記載のファイバグレーティング型光部品。