JP2006099012A - ファイバーブラッググレーティングの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 紫外線レーザー光を照射してファイバーブラッググレーティングを作製する工程で、従来からなされている被覆除去の工程を別に設けることなく、紫外線レーザー光で被覆樹脂を昇華させて燃やして除去し、連続して照射を続け、ファイバーブラッググレーティングを形成する方法を提供する。
【解決手段】 位相マスク法で被覆樹脂を除去しないでファイバーブラッググレーティングを作製すれば、光ファイバーは位相マスクに近接乃至は接触して配置されているため、その被覆樹脂は昇華し燃えて飛散し位相マスクを汚してしまうため、位相マスクは再度使用することが出来なくなる。２光束干渉法では、光ファイバーは位相マスクや反射ミラーから離れた位置に配置されるため、これらを損傷することはない。ファイバーブラッググレーティングは、紫外線レーザー光照射で被覆樹脂を昇華させ燃やして除去し、さらに照射を継続して形成することが出来るため、ファイバーブラッググレーティング製造工程で被覆樹脂除去の工程を省略することが出来る。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光ファイバーに、特定の波長の光を反射させる回折格子であるファイバーブラッググレーティングを、紫外線レーザー光を照射して形成する方法に関するものである。

ファイバーブラッググレーティングは、光ファイバーのコア部に周期的な屈折率変化を与えたもので、入射した光の特定波長の光のみを反射し、他の光はすべて通過させる光フィルターである。例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、ファイバーブラッググレーティングは伝送損失が少なく、優れた反射特性および透過特性を有しており、光信号を利用する各種デバイス、装置、システムに、例えば、高密度波長多重光通信機器、レーザーダイオード外部共振器、ファイバーレーザー共振器、温度・歪み等の各種センサー等々に、広く応用展開されている。

ファイバーブラッググレーティングの反射波長λ_FBGは、光導波路のコア部の実効屈折率ｎ_effと屈折率変調の周期、すなわちグレーティング周期Λ、によって、λ_FBG＝２ｎ_eff×Λとして決まる。光ファイバーの屈折率をその長手方向に周期的に変化させてグレーティングを形成するには、通常、被覆樹脂を除去した光ファイバーにその長手方向に側面から、グレーティング周期に対応する周期的な強度分布を持たせた紫外線を照射し、光ファイバーのコア部にドープされているゲルマニウム（Ｇｅ）の紫外線に対する光誘起反応に基づく屈折率上昇の現象を利用してなされる。形成される屈折率変調の周期Λは、例えば、光ファイバーの実効屈折率ｎ_effが約１．４４７で、光通信によく用いられる波長の約１５５０ｎｍに対しては、λ_FBG＝２ｎ_eff×Λの関係から、Λ＝０．５３６μｍとなる。良好な光信号の反射特性を得るためにファイバーブラッググレーティングは、通常、この大きさの周期を約５ｍｍから約数１０ｍｍの長さに渡って形成され、１０ｍｍ長のファイバーブラッググレーティングではその周期の個数は、１０ｍｍ／０．５３６μｍとなり、すなわち約１９０００個のグレーティングが形成されている。

このような光導波路ブラッググレーティングを形成する方法としては、例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、大きく分けて、位相マスク法と２光束干渉法が知られている。前者の位相マスク法では、図１に示すように、光ファイバー４を位相マスク１に近接乃至は接触させて配置し、位相マスクを介して光ファイバー４に紫外線レーザー光３を照射し、位相マスクによって回折される＋1次光と−１次を光ファイバー４の位置で干渉させ、周期Λの干渉縞からなる紫外光強度分布を形成し、これによって光ファイバーの長手方向に周期的屈折率変調をそのコア部に形成してファイバーブラッググレーティングを作製する方法である。

後者の２光束干渉法は、紫外線レーザー光を２つのビームに分岐し、その後、２つのビームを光導波路の位置で交差させて干渉させ、周期Λの干渉縞からなる紫外光強度分布を形成し、これによって光導波路の長手方向に周期的屈折率変調をそのコア部に形成する方法である。この方法の実現方法は、例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）にリビューされている。２光束干渉法は、光ファイバーの位置で２つのビームが交差する角度を変えることで、干渉縞の周期Λを変えることができ、これに比例して反射波長λ_FBGが変わるため、作製されるファイバーブラッググレーティングの反射波長を制御することが容易に可能であると言う特徴を有している。ビームの分岐の方法および交差させる方法において種々の方法が考案されている。図２は、位相マスク１を用いその回折現象を利用して入射紫外線レーザー光３を２つに分岐して、対称に配置された２つのミラー２でそれぞれのビームを反射させ、光ファイバー４の位置で交差させて干渉させ、ファイバーブラッググレーティングを形成する２光束干渉法である。非特許文献（３）では、図２のような構成で、ミラーの角度を変えるだけでファイバーブラッググレーティングの反射波長を約２５０ｎｍにわたって変えることが可能であることを、透過阻止量が−２８ｄＢに達する強いファイバーブラッググレーティングを実験で作製して示している。

光ファイバーは直径１２５μｍの石英ガラスから出来て、その上に保護のための樹脂が直径２５０μｍにコートされており、通常、紫外線レーザー光を照射してファイバーブラッググレーティングを形成するには被覆樹脂を除去しなければならない。樹脂の除去は、通常、機械的にはがす方法や薬品を用いて溶かしてはがす方法が採られている。被覆樹脂には、アクリル樹脂やウレタン樹脂がよく用いられ、用途によっては、薄いポリイミド樹脂やカーボンの層がコートされている。被覆層のアクリル樹脂を除去する方法として、このような方法のほか、紫外線レーザー光やＣＯ_２レーザー光を照射して、アブレーションさせて除去する方法も開示されている。例えば、非特許文献（４）では、ＣＯ_２レーザー光（発振波長１０μｍ）を照射して被覆樹脂をアブレーションして除去し、その後ＫｒＦエキシマレーザー（発振波長２４８ｎｍ）を照射して位相マスク法を用いてファイバーブラッググレーティングを形成し、さらにＣＯ_２レーザー光を照射してアニーリングまで行う方法が開示されている。非特許文献（５）では、被覆剤のアクリル樹脂に対して、ＣＯ_２レーザー光、ＡｒＦエキシマレーザー光（発振波長１９３ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザー光を照射し、アブレーションの効率、とくに照射紫外線レーザー光のアブレーション閾値を明示している。非特許文献（６）では銅蒸気レーザー光（発振波長２５５ｎｍ、２８９ｎｍ）を照射して被覆を除去し、その後、同じ紫外線レーザー光を用いて位相マスク法でファイバーブラッググレーティングを作製している。
被覆樹脂を除去するこれらの方法とは逆に、光ファイバーの被覆樹脂をはがさないで、被覆樹脂の上から紫外線レーザー光を照射しファイバーブラッググレーティングを形成する方法も、例えば、非特許文献（７）や特許文献（８）に開示されている。この場合、紫外線レーザー光が樹脂に吸収されず良好に透過することが必要で、そのためには樹脂材料としてはシリコーン樹脂が適しており、しかも薄い方が適していることが述べられている。

（１）Raman Kashyap: ”Fiber Bragg Gratings”， Academic Press, (1999).
（２）Andreas Othonos, Kyriacos Kalli; ”Fiber Bragg Gratings”， Artech House, Inc., (1999).
（３）R. Kashyap; ”Assesment of tuning the wavelength of chirped and unchirped fibre Bragg grating with single phase mask，” Electronic Letters, Vol. 34, No. 21, pp. 2025-2026 (1998).
（４）D. A. Barber, P. Elbourn, J. Greuters, N. H. Rizvi; ”A completely laser-based production method for fibre Bragg grating devices”, Optics & Laser Technology, vol. 35, pp. 25-29 (2003).
（５）F. Barnier, P. E. Dyer, P. Monk, H. V. Snelling, H. Rourke; J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 33, pp. 757-759 (2000).
（６）B. F. Johnston, A. J. Lee, M. J. Withford, J. A. Piper; ”Laser assisted jacket removal and writing of fiber Bragg gratings using a single laser source”, Optics Express vol. 10, No. 16, pp. 818-823 (2002).
（７）茂原政一、榎本正、春本道子、石川真二；“被覆上照射ファイバグレーティング“、電子情報通信学会、信学技報、OFT2000-9 (2000-5).
（８）今村一雄、近藤克昭；“光ファイバ心線とその製造方法”、特開２００２−８２２３４ (２００２).

これらの従来技術においては、光ファイバーの被覆樹脂を除去する工程をファイバーブラッググレーティング作製のための紫外線レーザー光照射工程の前に設けることが必要である。被覆上照射（例えば、非特許文献（７）や特許文献（８）に開示されている）の技術では、被覆樹脂の除去工程は不要ではあるが、しかし被覆樹脂剤に制限があり、もっともよく一般的に光ファイバーに用いられているアクリル樹脂に対しては困難で、しかも塗布樹脂層の厚さが薄くなければならない。
被覆樹脂の除去は、従来技術では、通常、機械的になされるが、上述したようにレーザーアブレーションによっても可能である。しかしながら、レーザーアブレーションでは樹脂が昇華したり、燃えたりして、飛散するため、位相マスク法によるファイバーブラッググレーティング作製では、図１に示すように、光ファイバーを位相マスクに近接乃至は接触させて配置するため、高価な位相マスクを汚してしまって再度使用することが出来なくなる。従って、この場合、被覆樹脂除去工程とファイバーブラッググレーティング形成のための紫外線レーザー光照射の工程は別々に行わなければならない。
本発明の課題は、このような従来技術に替わって、被覆樹脂除去工程とファイバーブラッググレーティング形成のための紫外線レーザー光照射の工程を同時に連続して行い、工程の単純化を図ることである。これによって、ファイバーブラッググレーティングの製造工程がシンプルになり、製造コストの節減も可能となる。

本発明の特徴は、２光束干渉法を用いて、紫外線レーザー光を光ファイバーに照射し、ファイバーブラッググレーティングを製造する方法において、光ファイバーの被覆樹脂を除去せずに、ファイバーブラッググレーティング書き込み位置にセットし、被覆樹脂の上から紫外線レーザー光を照射し、紫外線レーザー光の照射で被覆樹脂を除去し、これと同時にあるいは並行して、続けてファイバーブラッググレーティングを形成することを特徴とするものである。
２光束干渉法は、例えば図２の配置でファイバーブラッググレーティング形成がなされる。紫外線レーザー光を位相マスクに入射させ、その回折現象を利用して２つのビームに分岐し、左右に置かれた２つのミラーでそれぞれのビームを反射させ、反射したビームを光ファイバーの位置で重ね合わせて干渉させ、その干渉で光ファイバーに周期的なグレーティングを形成し、ファイバーブラッググレーティングを作製する方法である。２光束干渉法の光学部品および光ファイバーの配置には、非特許文献（１）に述べられているように、ビームスプリッターを用いる方法等々他にもいろいろ考案されているが、図２に示すように位相マスクの回折現象を利用して２つのビームに分岐する方法では左右の対称性によって光学部品および光ファイバーの配置の調整が容易になり確実で高精度に出来る。図１に示す位相マスク法で光ファイバーの被覆樹脂を除去せずに、紫外線レーザー光を照射すれば、被覆樹脂はアブレーションによって昇華したり、燃えたりして、飛散し、光ファイバーに近接あるいは接触している高価な位相マスクを汚してしまう。しかし、図２のような２光束法では位相マスクもミラーも光ファイバーから離れた位置にあるため、汚したり損傷したりすることはない。紫外線レーザー光の照射をさらに続けて行えば、ファイバーブラッググレーティングが形成されて行く。このようにして、従来技術で別工程としてなされていた被覆樹脂除去工程は省略することが出来る。

本発明の方法でファイバーブラッググレーティングの作製を行えば、光ファイバーの被覆樹脂を除去する工程を省略することが可能となり、製造するファイバーブラッググレーティングのコストダウンも可能となる。
位相マスク法で被覆樹脂を除去しない光ファイバーに紫外線レーザー光を照射してファイバーブラッググレーティング作製すれば、被覆樹脂は紫外線レーザー光で昇華し、燃えて飛散して光ファイバーに近接または接触して配置された高価な位相マスクを汚して再使用が困難となるが、２光束干渉法で行えば位相マスクもミラーも光ファイバーから離れた位置にあるため、これらを汚したり損傷したりすることなくファイバーブラッググレーティングの作製が可能である。後述する本発明の実施例によれば、被覆樹脂を除去しないで形成したファイバーブラッググレーティングが被覆樹脂を除去して形成した場合よりも深い透過阻止量、すなわち高い反射率を得ることができ、高性能のファイバーブラッググレーティングが作製できる。
本発明の説明では、光学部品および光ファイバーの配置が高精度で行える図２の配置の２光束干渉法を用いたが、紫外線レーザー光を２つのビームに分岐するための位相マスクは必須ではなく、ビームスプリッタ−を用いて２つに分岐してもよい。本発明で必須なことは、ファイバーブラッググレーティングを形成する光ファイバーが他の光学部品から位置的に離れていることである。

本発明の有効性を確認するために行った実施例実験について、次に説明する。

本発明の実施実験は、図２のように、位相マスク１、２つのミラー２、光ファイバー４を配置した構成の２光束干渉法で行った。紫外線レーザーはＫｒＦエキシマレーザー光（発振波長λ_Ｅ＝２４８ｎｍ、ラムダフィジックス社製Ｃｏｍｐｅｘ−１０２ＭＪ、不安定共振器付き）で、位相マスク１に入射する前に７．５ｍｍ×７．５ｍｍのスリットを用いて矩形状ビームに整形した。エキシマレーザーの１パルスあたりのエネルギーは３０ｍＪ／（７．５ｍｍ×７．５ｍｍ）で、パルスくり返し周波数２０Ｈｚで、３分間照射とした。位相マスクへの入射の手前で、焦点距離４５１．９ｍｍのシリンドリカルレンズで、位相マスクで２つに分岐されたビームの面および入射エキシマレーザー光の光軸と垂直方向に絞り、単位面積あたりのエネルギーを光ファイバーの位置で約１２倍に高めた。位相マスクから回折される０次光は、２つのミラーの中間に遮蔽物を置くことでその影響を除去した。位相マスクの回折格子の周期間隔は１０７２．３４ｎｍである。図２の２つのミラーの間隔は７０．３ｍｍで、位相マスクと光ファイバーの垂直方向距離は２９５．８ｍｍとし、２つのミラーは略平行とした。光ファイバーに照射される幅は、スリットの開口幅７．５ｍｍで、この長さが作製されるファイバーブラッググレーティングの長さである。使用した光ファイバーは最も標準的なシングルモードファイバーＳＭＦ２８で、紫外線レーザーに対する感光度を高めるために、実験に先立って１００気圧の水素ガス雰囲気に１０日間保持して水素ローディングを施した。光ファイバーの被覆樹脂はアクリル樹脂である。ファイバーブラッググレーティングの反射および透過スペクトルは、光ファイバーにＡＳＥ光源（ファイバーラボ社製ＡＳＥ−ＦＬ７００４光源）の光を入れ、２台のスペクトラムアナライザー（アドバンテスト社製Ｑ８３８４）でそれぞれ測定した。
この実験条件で、光ファイバーの樹脂被覆をはがさないでセットし、エキシマレーザー光を３分間照射した。照射直後、光ファイバーは青い色で強く発光し、これは約１５〜２０秒間で徐々に弱くなって、その後は、発光は見られなかった。被覆樹脂は始めの１５〜２０秒で昇華し、燃えて飛散して除去された。スペクトラムアナライザーでのその場観察では、ファイバーブラッググレーティングの反射スペクトルの成長は約７秒後に始まり、３分後に図３（ａ）のスペクトルとなり、その中心はほぼ０ｄＢ、すなわち反射はほぼ１００％となった。このときの透過スペクトルは図３（ｂ）のようになり、その中心は−５５ｄＢ（透過光量／入射光量＝３．２×１０^−６）となった。
実験では比較のために、被覆樹脂を機械的にはがし、その後、残留物をアルコールでふき取り、被覆樹脂なしでエキシマレーザー光を同様に照射してファイバーブラッググレーティングを作製した。この場合、光ファイバーの発光等はもちろん見られず、反射スペクトルは照射開始直後から成長した。同じ条件でエキシマレーザー光を、同じ３分間照射した後の、反射および透過のスペクトルを図３（ｃ）および図３（ｄ）に示す。透過スペクトルの深さは−４３ｄＢ（透過光量／入射光量＝５．０×１０^−５）で、被覆樹脂をはがさないで照射した場合よりも浅くなった。本発明の方法を実験で確認する前は、照射エキシマレーザー光が被覆樹脂に吸収され、ファイバーブラッググレーティング形成効率が低下することを懸念したが、実験結果ではむしろ逆に透過阻止量の大きい強いファイバーブラッググレーティングが得られた。スペクトルの幅は、図から分るように、被覆樹脂をはがさないで照射した場合が、はがした場合よりも広くなった。
次に、被覆樹脂の除去を行わずエキシマレーザー光を照射して作製したファイバーブラッググレーティングの被覆が、どのように除去されているかを見るために、顕微鏡観察を行った。そのときの様子を図４（ｂ）に断面図で示す。顕微鏡写真は、印刷物としてのコピーが不明瞭であったため定性的にスケッチした図で示す。比較のため、もとの光ファイバーの断面を図４（ａ）に示す。５および７が光ファイバーの石英ガラスの部分で、６が被覆樹脂である。エキシマレーザー光３は一方から照射されているため、照射裏面側で樹脂の一部が８に示すように残留していることが分った。ファイバーブラッググレーティング作製後、通常、同じ樹脂を再コートするリコートがなされる。被覆樹脂をはがさないで作製したファイバーブラッググレーティングと、はがして作製したファイバーブラッググレーティングに、同じようにアクリル紫外線硬化樹脂のリコートを施したところ、両者の外観に特別の差異は見られなかった。ファイバーブラッググレーティングの長手方向の引っ張り強度は、被覆樹脂をはがさないで作製した場合がはがして作製した場合よりも劣っていたが、これはファイバーブラッググレーティングの用途に合わせて、保護管に入れて使用したりすればよい。
なお、本実施例ではＫｒＦエキシマレーザー光を用いた実験結果を示したが、他の紫外線レーザー光、例えば、ＡｒＦエキシマレーザー（発振波長１９３ｎｍ）やアルゴンイオンレーザー（発振波長２４４ｎｍ）等を用いてもよい。
以上の本実施例実験から、光ファイバーの被覆樹脂を除去する工程を省略して、被覆樹脂の上から２光束干渉法で紫外線レーザー光を照射して、被覆樹脂を紫外線レーザーで除去し、連続してファイバーブラッググレーティングを形成できることが実証できた。

位相マスク法でファイバーブラッググレーティングを作製するときの位相マスクと光ファイバーの配置を示す図である。 ２光束干渉法でファイバーブラッググレーティングを作製するときの位相マスク、２つのミラーおよび光ファイバーの配置を示す図であり、本発明の実施例で配置して構成した図である。 ２光束干渉法で、本発明の被覆樹脂除去工程なしで作製したファイバーブラッググレーティングの反射スペクトル（ａ）および透過スペクトル（ｂ）と、比較のために被覆樹脂を除去して作製したファイバーブラッググレーティングの反射スペクトル（ｃ）および透過スペクトル（ｄ）を示す図である。 本発明の被覆樹脂除去工程なしで作製したファイバーブラッググレーティングの残留樹脂を顕微鏡観察したときの様子を示す図であり（ｂ）、光ファイバーのもとの様子を（ａ）に示す。

符号の説明

１ 位相マスク
２ ミラー
３ 紫外線レーザー光
４ 光ファイバー
５、７ 光ファイバーの石英ガラス部分
６ 光ファイバーの被覆樹脂
８ 被覆樹脂の残留物

Claims (1)

1. ２光束干渉法を用いて、紫外線レーザー光を光ファイバーに照射し、ファイバーブラッググレーティングを製造する方法において、
   光ファイバーの被覆樹脂を除去せずにファイバーブラッググレーティング書き込み位置にセットし、被覆樹脂の上から紫外線レーザー光を照射し、該紫外線レーザー光の照射で被覆樹脂を除去し、その除去工程に連続してファイバーブラッググレーティングを形成する
   ことを特徴とするファイバーブラッググレーティングの製造方法。

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