JP2004184835A

JP2004184835A - ファイバーグレーティングの熱処理方法

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Publication number: JP2004184835A
Application number: JP2002353776A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Mizutani; 水谷康男; Susumu Kimura; 進木村; Makoto Yamauchi; 誠山内; Masaki Ejima; 江島正毅; Kiyoshi Nakagawa; 清中川; Yoshifumi Suzaki; 須崎嘉文
Original assignee: SHINKO DENSEN KK
Current assignee: SHINKO DENSEN KK
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】水素充填を施した光ファイバーに紫外線レーザー光を照射し、光ファイバーのコア部に屈折率の高低を周期的に誘起してファイバーグレーティングを形成し、その後、長期間安定化のために行なう熱処理工程において、確実にかつ最短の時間で、安定した熱処理を施し、ファイバーグレーティングの製造効率を高める方法を、しかも短周期ファイバーグレーティングと長周期ファイバーグレーティングのいずれに対しても適用できる熱処理方法を提供する。
【解決手段】所望する熱処理温度に対し、ｔ_Ａ＝３．４５×１０^−５×ｅｘｐ（＋４８３４／Ｔ）で規定される時間の１倍乃至２倍の間の時間をかけて熱処理を行なう。ここで時間ｔおよび温度Ｔの単位は、それぞれＨｏｕｒｓおよび絶対温度Ｋである。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線レーザー光を光ファイバーに照射し、光ファイバーのコア部に縞状の屈折率高低を誘起して回折格子すなわちグレーティングを書き込み、その後に行なうファイバーグレーティングの長期間安定化のために施す熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ファイバーグレーティングを作製するには、光ファイバーのコアにドープされたゲルマニウム（Ｇｅ）が紫外光に反応して屈折率が高くなることを利用して、光ファイバーに紫外光レーザーを照射することによって回折格子、すなわちグレーティングが形成する方法が採られている。ＬＰ_０２基本波モードだけを伝送させるファイバーを用いて、このようにして形成されるファイバーグレーティングには、その周期Λの大きさによって２種類のファイバーグレーティングがある。
【０００３】
周期Λが小さい短周期ファイバーグレーティングの場合、光ファイバーに入射した光のうち、特定の波長λ_{ＳＰ−ＦＢＧ}の光はファイバーグレーティングで反射され、他の波長の光はこのファイバーグレーティングに影響されずに透過する。反射される光の波長は、下記の（２）式で表される。
λ_{ＳＰ−ＦＢＧ}＝２×ｎ_ｅｆｆ×Λ_{ＳＰ−ＦＢＧ} ・・・・（２）
ここでｎ_ｅｆｆは基本波ＬＰ_０２基本波モードに対する光ファイバーの実効屈折率で、Λ_{ＳＰ−ＦＢＧ}は光ファイバー内に形成された回折格子の間隔である。
【０００４】
周期Λが長い長周期ファイバーグレーティングの場合、光ファイバーに入射したＬＰ_０１基本波モードの光のうち、特定の波長λ_{ＬＰ−ＦＢＧ}の光はこのファイバーグレーティングで高次モード、例えばＬＰ_０２、ＬＰ_０３、ＬＰ_０４、ＬＰ_０５等に変換され、これらの高次モードは伝送されずクラッド部を経て光ファイバーの外へ運ばれ損失となり、結果的に、その特定の波長λ_{ＬＰ−ＦＢＧ}の光は減衰されることになり、他の波長の光はこの長周期ファイバーグレーティングに関係なく透過する。減衰される光の波長は、下記の（３）式で表される。
λ_{ＬＰ−ＦＢＧ}＝Λ_{ＬＰ−ＦＢＧ}×（ｎ_０１−ｎ_ｍｎ）・・・・（３）
ここでΛ_{ＬＰ−ＦＢＧ}は長周期ＦＢＧの回折格子間隔で、ｎ_０１はＬＰ_０１基本波モードに対する、ｎ_ｍｎはｍｎ次のＬＰ_ｍｎ高次モードに対する光ファイバーの実効屈折率である。
【０００５】
光通信に用いられる１５５０ｎｍ帯域の光に対するこれらの数値は、短周期ファイバーグレーティングではλ_{ＳＰ−ＦＢＧ}〜１５５０ｎｍに対して回折格子間隔Λ_{ＳＰ−ＦＢＧ}は約０．５μｍであり、長周期ファイバーグレーティングではλ_{ＬＰ−ＦＢＧ}〜１５５０ｎｍに対して回折格子間隔Λ_{ＬＰ−ＦＢＧ}は約５５０μｍである。
【０００６】
短周期ファイバーグレーティングを形成する方法としては、従来より、フェーズマスク法（例えば、Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏ．５，３６７，５８８）および２光束干渉法（例えば、Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏ．４，７２５，１１０、Ｕ．Ｓ．ＰａｔｅｎｔＮｏ．４，８０７，９５０）が知られている。いずれの方法も紫外線レーザー光の干渉を利用したものである。
【０００７】
長周期ファイバーグレーティングを形成する方法としては、回折格子間隔が約０．５５ｍｍと広いため、紫外線レーザー光を凸レンズ等で絞り、紫外線レーザー光または光ファイバーを駆動系を用いて回折格子間隔の距離だけ送って光ファイバーへ局所的に照射し、これを数ｃｍにわたって繰り返す方法、あるいは回折格子間隔に合わせて開口部を多数設けたスリットをマスクとして用い、紫外線レーザー光を照射して作製する方法等がある。
【０００８】
回折格子を光ファイバーに形成する前に水素充填を施しておくことで屈折率の変化を誘起する効率を大きく高めることができるため、短周期ファイバーグレーティングの作製においても、また長周期ファイバーグレーティングの作製においても、その前工程として、例えば、光ファイバーを１０ＭＰａの水素ガス中に１０日間保持して光ファイバーに水素原子を吸収させておく手法がよく用いられている。
【０００９】
紫外線レーザー光を照射して作製したファイバーグレーティングは、その反射特性、透過特性等が経時的に変化して行くため、通常、高温の雰囲気に一昼夜乃至数日間保持する熱処理が施されている。この熱処理については、短周期ファイバーグレーティングに対しては、文献（例えば、Ｔ．Ｅｒｄｏｇａｎ，ｅｔ．ａｌ．，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．７６，（１９９４），ｐｐ．７３〜８４）に詳細が、とくに光反射強度、光透過強度について、説明されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
長期間にわたって安定し特性変動のないファイバーグレーティングを作製するためには、この熱処理の後工程は不可欠である。その熱処理条件は、通常、被覆樹脂がダメージを受けないようにするため１００〜２００℃の温度の雰囲気に、一昼夜〜数日間保持する方法が採られている。
しかしながら、従来なされているこのような熱処理は、必要以上の温度で、必要以上の時間をかけてなされており、これらの方法ではファイバーグレーティング製品の製造効率が悪い。
本発明は、ファイバーグレーティングのこの熱処理工程における温度および保持時間を、実験および理論から、その下限値を明確にさせ、必要最低限の熱処理条件を確立し、製造効率を高めたファイバーグレーティングの熱処理方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
紫外線レーザー光を用いて上述の製造方法で作製した短周期ファイバーグレーティングに熱処理を施した場合の、光透過特性を図１（ａ）に示す。図で、点線で示したｂは熱処理前の特性で、実線で示したａが熱処理後の特性である。熱処理によって、ファイバーグレーティングの反射特性が劣下し、透過光強度は図の２から１へ浅くなる。同時にファイバーグレーティング反射中心波長は４から３へ短い波長へ移動する。この移動量は、我々の実験結果では０．７〜０．８ｎｍ位の大きさである。長周期ファイバーグレーティングに熱処理を施した場合の光透過特性を図１（ｂ）に示す。図で、点線で示したｄは熱処理前の特性で、実線で示したｃが熱処理後の特性である。熱処理によるファイバーグレーティングの特性劣下は微弱であり、透過光の減衰中心波長は６から５へ移動する。この移動量は、我々の実験結果では約８０ｎｍ位の大きさである。
短周期ファイバーグレーティングにおいても、長周期ファイバーグレーティングにおいても、波長スペクトルにおける中心波長は、対数表示の時間に対して、図２に示すように、初期の中心波長から安定した中心波長へ移行して行き、高い熱処理温度では早く移行し、低い熱処理温度ではゆっくり移行して行く。図２は、高い熱処理温度に対する振る舞いをｅで、中位の温度に対する振る舞いをｆで、低い温度に対する振る舞いをｇで模式的に示したものである。中心波長が安定した値へ移行した後は、さらに熱処理を続けても安定した値にとどまり、それ以上変化することはない。また、透過光強度の深さは、短周期ファイバーグレーティングにおいては、中心波長が安定した値に到達した後もさらに、若干、減少を続けるが、上述文献（Ｅｒｄｏｇａｎ，ｅｔ．ａｌ．）に従えば、数十年間は充分に安定した光強度を保証できる状態にある。従って、熱処理に必要な熱処理温度および保持時間は、中心波長が安定した値に到達すれば充分であり、それ以上の熱処理は不要である。
【００１２】
光ファイバーに紫外線レーザー光を用いてファイバーグレーティングを形成する工程では、光ファイバーの光感応性を高めるために、通常、水素充填が施される。紫外線レーザー光を照射して作製したファイバーグレーティングに熱処理を施せば、充填されている水素原子は、光ファイバー内部から外部へ拡散現象によって無くなっていく。熱処理温度が高ければ、この拡散現象は早いレートで、低ければゆっくりしたレートで拡散して行く。拡散現象は、一般論として、拡散する距離Ｌと拡散にかかる時間ｔの間に拡散定数Ｄを介して下記の（４）式で記載される。
Ｄｔ／Ｌ^２≒１・・・・（４）
光ファイバーを構成する石英ガラスに対する水素原子の拡散定数は、文献（Ｒ．Ｋｅｓｈｙａｐ， ”ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇｓ”，ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ，（１９９９），ｐ．３２）に記載されており、
Ｄ＝２．８３×１０^−４ｅｘｐ（−（４０．１９ｋＪ／ｍｏｌ）／（ＲＴ））・・・・（５）
である。ここでＲ＝８．３１１Ｊ／（Ｋ・ｍｏｌ）で、温度Ｔの単位は絶対温度Ｋで、Ｄの単位はｃｍ^２／ｓである。（５）式を（４）式に代入し、拡散距離Ｌに光ファイバーの中心からクラッド半径１２５μｍ／２を用い、水素原子の拡散にかかる時間を求めると、（１）式が得られる。
ｔ_Ａ＝３．４５×１０^−５×ｅｘｐ（＋４８３４／Ｔ）・・・・（１）
ここで時間ｔ_Ａの単位はＨｏｕｒｓである。この時間ｔ_Ａが、温度Ｔ（Ｋ）雰囲気での熱処理にかかる必要最短の時間である。ファイバーグレーティングを作製する上で、若干のバラツキは避けられないので、この時間の１倍〜２倍の時間をかけて行なえば充分である。
つぎに本発明の実施の形態について、図３〜図５を用いて説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
【実施例１】
本実施例では短周期ファイバーグレーティングに対する我々の実験結果をもとに説明する。ファイバーグレーティングを形成する光ファイバーには、光通信等にもっともよく用いられているシングルモードファイバーＳＭＦ２８を用いた。この光ファイバーを、室温で、ガス圧力１０ＭＰａの水素ガス雰囲気に１０日間保持して、水素原子を光ファイバー内へ充分に充填した。短周期ファイバーグレーティングを作製するため、この光ファイバーの被覆樹脂を除去して、紫外線エキシマレーザー光をフェーズマスクを介して照射した。紫外線エキシマレーザー光の条件は、エネルギーは約１２０ｍＪ／ｃｍ^２／パルスで、繰り返しは２０Ｈｚ、照射時間は２分間とした。ファイバーグレーティングの全長は１５ｍｍで、その形成状況は、光スペクトラムアナライザーでモニターした。中心波長は１５４６．３ｎｍで、光反射率が−２５ｄＢのファイバーグレーティングが作製できた。作製終了後、ただちに所定温度に準備した熱処理炉に入れ、熱処理を開始し、透過光強度および中心波長の振る舞いを同じスペクトラムアナライザーでモニタリングを継続した。熱処理温度を２００℃、１４０℃、１２０℃、１００℃、５０℃と変えてそれぞれの温度に対する中心波長の変動を観察した結果を図３に示す。温度を変えた場合、中心波長は約１０ｐｍ／℃変化することはすでに分かっており、本発明の要点は、熱処理による影響を抽出することであるため、図３のデータでは、熱処理アニーリングを充分に施したｔ＝１００時間を基準にとって中心波長の変化を解析した。図の横軸時間ｔは紫外線エキシマレーザー光照射完了時点をゼロとした。ｔ＜１０分間では、熱処理炉に入れて所定温度に安定化するまでファイバーグレーティングの温度が変化しているので、データはそれ以降を、１００時間まで追跡した。このようにして取得したデータは、明確に図２と同じ振る舞いを持っている。熱処理によって中心波長が変化する量は、熱処理温度に関係なく、この実験ではすべて０．７〜０．７５ｎｍであった。図の横軸の上に、中心波長が安定する熱処理時間をそれぞれの熱処理温度に対して矢印で示す。
図３の横軸上に矢印で示した時間を、熱処理温度Ｔ（Ｋ）の逆数に対して片対数グラフにプロットした結果を図５に△マークのデータで示す。図５のＬｉｎｅ−Ａは、光ファイバー中の水素原子拡散に対して（１）式を用いて計算したものであり、上述の理論と良好な一致が得られた。ファイバーグレーティング作製工程で若干のバラツキがあっても、（１）式で規定される時間の１倍（図５のＬｉｎｅ−Ａ）と２倍（図５のＬｉｎｅ−Ｂ）の間にあれば、中心波長を充分に安定させたファイバーグレーティングが得られることが分かった。
【００１４】
【実施例２】
次に、長周期ファイバーグレーティングにおける実施例について説明する。短周期ファイバーグレーティングに対する実施例１で用いた光ファイバーと同じシングルモードファイバーＳＭＦ２８に、同じように室温で、ガス圧力１０ＭＰａの水素ガス雰囲気に１０日間保持して水素充填を施し、被覆樹脂を除去して、２７０μｍ×４０ｍｍの矩形状開口部のスリットを周期５４０μｍで全長３７．８ｍｍにわたって７４個配置したマスクを介して紫外線エキシマレーザー光を照射し、長周期ファイバーグレーティングを作製した。なお、紫外線エキシマレーザー光は凸レンズを用いて絞り、光ファイバーの位置で光ファイバー長手方向へ約１５ｍｍ、その直角方向へ約０．３ｍｍの大きさのビームに絞って照射し、光ファイバーとスリットは一体構成として、これを固定した紫外線エキシマレーザー光に対して相対的に駆動し０．５ｍｍ／秒の速度で走査させ、全長３７．８ｍｍの長周期ファイバーグレーティングを作製した。紫外線エキシマレーザー光の条件は、エネルギーは約１２０ｍＪ／ｃｍ^２／パルスで、繰り返しは２０Ｈｚ、照射時間約２．５分間の間に、スリットの一端から多端までを走査させた。ファイバーグレーティングの形成状況は、光スペクトラムアナライザーでモニターした。１６１０ｎｍにＬＰ_０５モードの中心波長が出現し、透過信号光の減衰量は約−３ｄＢであった。作製終了後、ただちに所定温度に準備した熱処理炉に入れ、熱処理アニーリングを開始し、透過光強度および中心波長の振る舞いを同じスペクトラムアナライザーでモニタリングを継続した。熱処理温度を２００℃、１４０℃、１００℃、６０℃と変えてそれぞれの温度に対する中心波長の変動を観察した結果を図４に示す。実施例１におけるデータ解析と同様に、図４のデータでは熱処理を充分に施したｔ＝１００時間を基準にとって中心波長の変化を解析した。図４の時間ｔは、図３と同様に、紫外線エキシマ照射完了時点をゼロとし、ｔ＞１０分間のデータを追跡した。このようにして取得したデータは、短周期ファイバーグレーティングに対する図３と同様に、明確に図２と同じ振る舞いが観察された。この長周期ファイバーグレーティングにおいても短周期ファイバーグレーティングの場合と同じように、中心波長の変化量は熱処理の温度に関係なく、いずれの熱処理温度に対しても８０ｎｍという値が得られた。ただし、短周期ファイバーグレーティングでは、中心波長の熱処理による変化量は０．７〜０．７５ｎｍであったが、この長周期ファイバーグレーティングにおいては２桁以上大きい値であった。この差は、短周期ファイバーグレーティングの中心波長は（２）式で、長周期ファイバーグレーティングの中心波長は（３）式で決定されるためである。図の横軸の上に、中心波長が安定する熱処理時間をそれぞれの熱処理温度に対して矢印で示す。これらの時間を、熱処理温度Ｔ（Ｋ）の逆数に対して片対数グラフにプロットした結果を図５に●マークのデータで示す。図５のＬｉｎｅ−Ａは、光ファイバー中の水素原子拡散に対して（１）式を用いて計算したものであり、上述の理論は短周期ファイバーグレーティングだけでなく、長周期ファイバーグレーティングに対してもきわめて良好に適用できることが確認できた。ファイバーグレーティング作製工程で若干のバラツキがあっても、（１）式で規定される時間の１倍（図５のＬｉｎｅ−Ａ）と２倍（図５のＬｉｎｅ−Ｂ）の間にあれば、中心波長を充分に安定させたファイバーグレーティングが得られることが分かった。
【００１５】
２つの上記実施例の実験では、１０ＭＰａの水素ガス圧のもとで、室温で、水素充填を行なった光ファイバーを用いて行なった。その結果、中心波長の変化量は、短周期ファイバーグレーティングで０．７〜０．７５ｎｍが、長周期ファイバーグレーティングで約８０ｎｍが得られた。これらの中心波長変化量は光ファイバーに充填された水素原子の量に依存するため、さらに高い水素ガス圧力で水素原子を充填すれば、これらの変化量よりも大きい変化量が得られる。しかしながら、水素原子が熱拡散によって減少して行く割合は熱処理の温度だけに依存するため、（１）式で規定する本発明の結果は、水素充填工程における水素ガス圧力には無関係であり、従って、異なる水素ガス圧力で水素充填した光ファイバーにも適用される。
【００１６】
【発明の効果】
従来、ファイバーグレーティングの熱処理は、短周期ファイバーグレーティングにおいても、また長周期ファイバーグレーティングにおいても、一昼夜または数日間にわたって熱処理炉に保持する方法が採られていたが、本発明の方法によれば、（１）式で規定される時間の１倍乃至２倍の時間をかけて行なえば充分であり、これによってファイバーグレーティング作製の時間を大きく短縮することができ、その製造効率を大きく高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理の前後におけるファイバーグレーティングの波長スペクトルを示す図である。（ａ）図は短周期ファイバーグレーティングに対するもので、（ｂ）図は長周期ファイバーグレーティングに対するものである。
【図２】熱処理におけるファイバーグレーティングの中心波長の変化を模式的に示した図である。ｅは高い熱処理温度に、ｆは中位の熱処理温度に、ｇは低い熱処理温度に対する中心波長の振る舞いである。
【図３】短周期ファイバーグレーティングの熱処理アニーリングにおける中心波長の変化を異なる熱処理温度に対して実測した結果を示す図である。
【図４】長周期ファイバーグレーティングの熱処理アニーリングにおける中心波長の変化を異なる熱処理温度に対して実測した結果を示す図である。
【図５】ファイバーグレーティングの中心波長の安定化時間を、温度Ｔ（Ｋ）の逆数に対して示した図である。図の△データは短周期ファイバーグレーティングに対する実測値であり、●データは長周期ファイバーグレーティングに対する実測値である。Ｌｉｎｅ−Ａは（１）式に対応する直線で、Ｌｉｎｅ−Ｂは（１）式の２倍に対応する直線である。

Claims

水素ガスを充填した光ファイバーに、紫外線レーザー光を照射し、短周期ファイバーグレーティングまたは長周期ファイバーグレーティングを形成し、その後工程として熱処理を行なうファイバーグレーティングの製造方法において、熱処理を施す雰囲気温度Ｔに対して、下記（１）式で規定される時間ｔ_Ａの１倍乃至２倍の間の時間保持して熱処理を行なうことを特徴とするファイバーグレーティングの熱処理方法。
ｔ_Ａ＝３．４５×１０^−５×ｅｘｐ（＋４８３４／Ｔ）・・・・（１）
この式の時間ｔおよび温度Ｔの単位は、それぞれＨｏｕｒｓおよび絶対温度Ｋである。