JP2006243400A - ファイバグレーティングの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバに紫外線を照射して、光通信システム中に用いられる主要光部品であるファイバグレーティングを製造する方法に関するものであって、位相マスクからの透過を予期していない、プラスマイナス１次光以外の回折光によって形成される干渉縞の影響によって、ファイバグレーティングの光学特性が劣化することを抑制することにある。
【解決手段】位相マスクを介して光ファイバに紫外線を照射してファイバグレーティングを製造する方法であって、前記紫外線の照射中に、前記位相マスクと前記光ファイバの間隔を所定量変化させる変調動作を加える。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバに紫外線を照射して、光通信システム中に用いられる主要光部品であるファイバグレーティング（ＦＢＧ）を製造する方法及びその製造装置に関する。

近年、高速かつ大容量の光ネットワークの研究及び実用化が進んでいるが、このネットワークの構築には、様々な光部品が必要になってくる。かかる光機能部品の主要な部品のひとつとして、ファイバグレーティングが挙げられる。

このファイバグレーティングは、光ファイバに紫外線を照射することによって、光ファイバのコア層に周期的な屈折率変調を加えた光受動部品である。この屈折率変調によって、光ファイバ中を伝搬する光信号のうち、所望の波長の信号のみを反射させる機能を持たせることができる。
従って、このファイバグレーティングは、波長フィルタや分散補償器などの光フィルタとして機能させることができ、波長多重（ＷＤＭ）通信のキーデバイスとなっている。

このファイバグレーティングの製造方法としては、位相マスクを用いる方法や、ホログラフィック干渉を用いる方法などいくつかの方法が挙げられる。しかし、いずれの方法も、光の干渉を用いて、感光性を有する光ファイバのコア層に、周期的な干渉縞を形成し、屈折率変調を付与するものである。

上述の製造方法のうち、量産を考慮すると、再現性に優れた位相マスクを用いる方法を採用することが一般的である。この位相マスクは、石英ガラスなどの紫外線を透過させる材料の表面に、所定の反射波長に合わせたピッチの周期的な溝を形成したものである。この位相マスクに紫外線を照射すると、紫外線は、この表面に付けられた溝によって、特定の方向に回折される。

ここで、位相マスクを用いてファイバグレーティングを製造する場合には、一般的には、位相マスクからのプラスマイナス１次光の間における２光束間干渉を用いて、屈折率変調を形成させている。
米国特許番号 ５，６１９，６０３ 特開２００１−１８３５３５号公報

しかしながら、実際には、プラスマイナス１次光以外の回折光も位相マスクを通過してくる。図８に示すように、プラスマイナス１次光だけでなく、０次光、プラスマイナス２次光などのプラスマイナス１次光以外のｎ次の回折光が、位相マスクを透過する。

従って、所定のプラスマイナス１次光によるものだけでなく、これらの位相マスクの透過を意図していない回折光による干渉縞も同時に形成されることになる。この意図しない干渉縞によって、ファイバグレーティングの光学特性が劣化し、所望の光学特性が得られない問題が発生する。

本発明の目的は、上述した位相マスクからの透過を予期していない、プラスマイナス１次光以外の回折光によって形成される干渉縞の影響によって、ファイバグレーティングの光学特性が劣化する問題を、解決することにある。

本発明のファイバグレーティングの製造方法の第１の態様は、位相マスクを介して光ファイバに紫外線を照射してファイバグレーティングを製造する方法であって、前記紫外線の照射中に、前記位相マスクと前記光ファイバの間隔を所定量変化させる変調動作を加えるファイバグレーティングの製造方法である。

本発明のファイバグレーティングの製造方法の第２の態様は、前記変調動作が、前記間隔を単調増加又は単調減少させるものであるファイバグレーティングの製造方法である。

本発明のファイバグレーティングの製造方法の第３の態様は、前記変調動作が、前記間隔をステップ状に変化させるものであるファイバグレーティングの製造方法である。

本発明のファイバグレーティングの製造方法の第４の態様は、前記変調動作が、一定の照射時間が経過するごとに前記間隔を変化させるものであるファイバグレーティングの製造方法である。

本発明のファイバグレーティングの製造方法の第５の態様は、前記変調動作が、前記間隔を連続的に変化させるものであるファイバグレーティングの製造方法である。

本発明のファイバグレーティングの製造方法の第６の態様は、前記変調動作が、前記紫外線照射中の前記光ファイバの光学特性の測定値に基づいて行われるファイバグレーティングの製造方法である。

本発明のファイバグレーティングの製造方法の第７の態様は、前記変調動作が、前記光ファイバの屈折率の増加に応じて行われるファイバグレーティングの製造方法である。

本発明のファイバグレーティングの製造方法の第８の態様は、前記光ファイバの代わりに平面導波路を使用するファイバグレーティングの製造方法である。

本発明のファイバグレーティングの製造方法の第９の態様は、位相マスクと光ファイバを所定の間隔に設置する初期化工程と、
紫外線を前記位相マスクを介して前記光ファイバに照射する照射工程と、
前記紫外線の照射中における前記光ファイバの光学特性を検出する検出工程と、
前記位相マスクと前記光ファイバの間隔を所定の時間間隔で所定の値だけ変化させる変調工程と、
前記光学特性の検出値が所定値に達したときに前記紫外線の照射を終了させる終了工程と、
を備えるファイバグレーティングの製造方法である。

本発明のファイバグレーティングの製造装置の第１の態様は、ファイバグレーティングが形成される光ファイバと、前記光ファイバに照射される紫外線を発生させる紫外線レーザ発生装置と、前記光ファイバと前記紫外線レーザ発生装置の間に設置された位相マスクと、前記位相マスクと前記光ファイバの間隔を変化させる移動装置と、を備える照射手段と、
前記光ファイバの一端から光信号を送る光源と、前記光ファイバのもう一端に設置されたスペクトラムアナライザと、を備える検出手段と、
を備えるファイバグレーティングの製造装置である。

本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく、鋭意研究を重ねた。その結果、位相マスクから透過することを意図していない、プラスマイナス１次光以外の回折光によって形成される干渉縞を打ち消して、光学特性の劣化のないファイバグレーティングを製造する方法及びその装置を知見した。

本発明は、プラスマイナス１次光間による干渉縞には影響を与えずに、位相マスクから透過することを意図していないプラスマイナス１次光以外の回折光に起因する干渉縞を、消去することのできるファイバグレーティングの製造方法である。

つまり、紫外線を位相マスクを介して光ファイバへ照射してファイバグレーティングを製造する場合において、この位相マスクと光ファイバの間隔を変化させる、つまり変調させることによって、プラスマイナス１次光間による干渉縞には影響を与えずに、意図していない回折光による干渉縞を消去することができる。

この製造方法によっては、プラスマイナス１次光以外の回折光による屈折率変化がないので、光学特性に優れ、反射クロストークの高いファイバグレーティングを製造することが可能である。

まず始めに、本発明の、プラスマイナス１次光間の干渉縞の書き込みには影響を与えずに、照射を意図していないその他の回折光に起因する干渉縞を消去する本発明のファイバグレーティングの製造方法の基本的な原理を、図面を使用しながら説明する。

図１（ａ）は、プラスマイナス１次光間の２光束間干渉によって、干渉縞が形成されたファイバグレーティングを示す。一方、図１（ｂ）は、その他の紫外線照射を意図していなかった０次光、プラスマイナス２次光などのｎ次回折光の２光束間干渉によって干渉縞が形成されたファイバグレーティングを示す。
図面はファイバグレーティングを模式的に表しているが、黒い線の部分が屈折率の高いところを表し、白い部分が屈折率の低いところを表している。また、光ファイバの光軸方向をＸ軸に、それと直交する方向をＹ軸に取っている。

ファイバグレーティングは、位相マスクを透過した紫外線の干渉縞によって形成される光ファイバのコア層の屈折率変化である。そして、干渉縞は、光の強度分布が、そのまま屈折率変化になるので、屈折率変化は周期関数（ｓｉｎ波）となる。

ここで、図１（ａ）に示すプラスマイナス１次光により形成されたファイバグレーティングは、Ｘ軸方向にはｓｉｎ状の屈折率プロファイルを持っているが、Ｙ軸方向には常に一定である。
一方、照射を意図していなかった０次光、プラスマイナス２次光等のｎ次回折光により形成されたファイバグレーティングは、Ｙ軸方向にある角度を持って形成されることになるので、Ｙ軸方向では一定にならない。（図１（ｂ）のθ(mn)参照。）

これを更に詳しく、関数的に表すと、下記のようになる。
本来、プラスマイナス１次光の透過率が高いので、このプラスマイナス１次光と不要な光との間の干渉縞の強度は、この意図していない回折光による干渉縞の中でも相対的に強くなる。

ここで、位相マスクから光ファイバへ達する１次の回折光の角度は次式で表される。
（式１）
Λ(ph)*(θi) = I*λuv

一方、位相マスクからの透過を意図していない回折光をｍ次とｎ次の回折光とすると、ｍ次の回折光とｎ次の回折光との間の２拘束干渉は、図１（ｂ）に示すとおり、光ファイバ中の光の伝搬方向に対して、θ(mn)の角度をなしている。
（式２）
θ(mn) = (θ(m) +θ (n))/2
つまり、意図していない干渉縞の主要なものの等位相面は、位相マスクと光ファイバとを結ぶ方向、つまり、Ｙ軸方向と、θ(mn)の角度をなしていることになる。

従って、図２に示すように、紫外線を照射してファイバグレーティングを形成している間に、位相マスクと光ファイバの間隔に変調を施す（紫外線照射中に、位相マスクと光ファイバの間隔を変化させる）と、グレーティングがＹ軸とθ(mn)の角度をなしているｍ次ｎ次の回折光による干渉縞の位相はずれることになる。

一方、プラスマイナス１次光の場合は、等位相面がＹ軸に対して平行なので、この位相マスクと光ファイバの間隔を変化させても、プラスマイナス１次光による干渉縞の位相はまったく影響を受けない。

本発明では、以上の原理を用いて、プラスマイナス１次光によって形成された干渉縞には、なんら影響を与えずに、他のプラスマイナス１次光以外の回折光によって形成された干渉縞の位相を変えることによって、屈折率変化を消去せることができる。

つまり、図２に示すように、紫外線を照射中に、位相マスクと光ファイバの間隔に変調を施す、つまり時間の経過とともにその間隔を変化せせることによって、プラスマイナス１次光以外の回折光による干渉縞の位相を変化させる。そして、その位相の異なる干渉縞が、ちょうど互いに打ち消し合うように、位相を変化させれば、実質上、プラスマイナス１次光以外の回折光による屈折率変化を消去することが可能である。
一方、上述のように、プラスマイナス１次光は、Ｙ軸に平行に入射するので、この位相マスクと光ファイバの間隔に変調を施しても、位相は変化しない。

本発明の製造方法によれば、プラスマイナス１次光以外の回折光による屈折率変化の影響が無いので、反射減衰量を劣化させることがなく、すぐれた反射クロストークを有するファイバグレーティングを製造することができる。

ここで、本発明である位相マスクと光ファイバの間隔に変調を加える製造方法の、具体的な実施例を以下に説明する。

図３に、その製造装置を示す。この製造装置は、紫外線レーザ発生装置２と、（ファイバグレーティングが形成される）光ファイバ１とこの紫外線レーザ発生装置２の間に設置された位相マスク３と、この位相マスク３と光ファイバ１の間隔を変更させる移動装置４と、を備える照射手段と、光ファイバ１の一端から光信号を送る光源５と、光ファイバ１のもう一方の端に設置されたスペクトラムアナライザ６を備える検出装置と、を備える。

更に、光ファイバ１は、光ファイバ１の長手方向において、照射装置の両側に設置された２個のリニアガイド７で長手の垂直方向以外には動かないようにガイドされ、このリニアガイド７に接続されたアクチュエータ８によって、光ファイバ１は、その長手の垂直方向に搬送される構造になっている。

まず、ファイバグレーティングを形成する部分が照射手段の前にくるように、アクチュエータ８を用いて、光ファイバ１を搬送する。次に、位相マスク３と光ファイバ１の間隔があらかじめ定められた値になるように、移動装置４を用いて調整をするか、又はアクチュエータ８で光ファイバ１を動かす。ここで位相マスク３には、光ファイバ１に所定の干渉縞が形成されるような溝が形成されている。

その後、紫外線レーザ発生装置２によって、紫外線の照射を開始し、あらかじめ定められたプログラムに従って、移動装置４を稼動させて、光ファイバ１と位相マスク３の間隔に変調を加える。変調のやり方の関しては、下記の実施例で詳細の説明する。

また、常時、スペクトラムアナライザ６によって、光ファイバの透過損失を測定しており、この測定値に基づいて変調を行うことも可能である。更に、あらかじめ定められた所定の波長帯域における所定の損失値に達した時点で、紫外線の照射を終了させることもできる。
以上の方法によって、本発明のプラスマイナス１次光以外の回折光による屈折率変化を消去したファイバグレーティングが製造できる。

次に、実際に紫外線を照射して、ファイバグレーティングを製造した実施例を示す。本実施例では、波長１６５０ｎｍ帯にブラッグ波長を設定し、１５５０ｎｍ帯を通信帯域として使用するために、反射減衰量を抑える必要がある。
以下に、製造の諸条件を示す。

（実施例１）
ファイバグレーティング製造条件
１．レーザ仕様 及び 照射条件
使用レーザ ：エキシマレーザ（ＫｒＦ ２４８ｎｍ）
出力 ：９０ｍＪ
繰り返し周波数 ：１００Ｈｚ

２．位相マスク仕様
位相マスク中心ピッチ ：１１４１ｎｍ
チャープ率 ：１４ｎｍ／ｃｍ
０次光 ：＜３％

３．変調条件
初期間隔 ：３００μｍ
シフト量 ：＋１０μｍ
変調インタバル ：３０秒

４．その他の条件
ファイバグレーティング長 ：１１．５ｍｍ
使用光ファイバ ：シングルモードファイバ
通常の照射時間 ：５〜１０分

５．照射の終了条件
１６５０ｎｍ波長帯域の透過損失（アイソレーション）が、３１ｄＢを越えた時点。 （図４参照）

本実施例では、シングルモードファイバに、紫外線ビームを位相マスクを介して、５〜１０分照射して、ファイバグレーティングを製造した。本実施例の変調の態様は、所定時間ごとに、ステップ状に位相マスクとシングルモードファイバの間隔を増加させていくものである。

具体的には、位相マスクとシングルモードファイバの間隔を当初３００μｍに設定し、紫外線の照射開始から３０秒経過ごとに、この間隔を１０μｍずつ増やしていった。
そして、１６５０ｎｍ帯における透過損失が３１ｄＢを越えた時点で、紫外線の照射を終了させた。図４に紫外線照射終了時の透過損失−波長のプロファイルが示す。グラフの縦軸は透過損失を表し、単位はｄＢである。横軸は波長を表し、単位はｎｍである。

次に、実施例１の製造方法によって製造されたファイバグレーティングと、従来の変調をかけない製造方法によるファイバグレーティングの性能の比較を行った。図５に、その比較を示す。図５のグラフは、反射減衰量−波長特性を示す。グラフの縦軸は反射減衰量を表し、単位はｄＢである。横軸は波長を表し、単位はｎｍである。

図５から明らかなとおり、通信帯域である１５５０ｎｍ帯では、本発明の製造方法によるファイバグレーティングの方が、反射減衰量において優れた性能を有している。定量的にいって、５０ｄＢ対４０ｄＢと、約１０ｄＢほどもの大きな差がついている。
従って、本発明の変調を加えた製造方法によるファイバグレーティングは、従来型に比べてきわめてすぐれた反射クロストークを有することが証明された。

次に、実施例１以外の仕様による変調を加えた製造方法の実施例を示す。
（実施例２）
ファイバグレーティング製造条件
１．レーザ仕様 及び 照射条件
使用レーザ ：エキシマレーザ（ＫｒＦ ２４８ｎｍ）
出力 ：９０ｍＪ
繰り返し周波数 ：１００Ｈｚ

２．位相マスク仕様
位相マスク中心ピッチ ：１１４１ｎｍ
チャープ率 ：１４ｎｍ／ｃｍ
０次光 ：＜３％

３．変調条件
初期間隔 ：０μｍ
シフト量 ：連続
変調インタバル ：連続

４．その他の条件
ファイバグレーティング長 ：１１．５ｍｍ
使用光ファイバ ：シングルモードファイバ
通常の照射時間 ：５〜１０分

５．照射の終了条件
１６５０ｎｍ波長帯域の透過損失（アイソレーション）が、３１ｄＢを越えた時点。

本実施例では、３．変調以外の仕様は、実施例１と同様である。
本実施例では、紫外線の照射開始時においては、位相シフトとシングルモードファイバの間隔はゼロとしている。そして、紫外線照射が開始されると同時に、所定量ずつ連続的に、この間隔を広げていく変調を行うものである。
この連続変調によって＋／−１次光以外のｎ次光の回折による干渉縞が同じ状態を保たないので、そのｎ次光の回折によるＦＢＧ形成への影響が少ない。

更に、別の仕様による変調を加えた製造方法の実施例を以下に示す。
（実施例３）
ファイバグレーティング製造条件
１．レーザ仕様 及び 照射条件
使用レーザ ：エキシマレーザ（ＫｒＦ ２４８ｎｍ）
出力 ：９０ｍＪ
繰り返し周波数 ：１００Ｈｚ

２．位相マスク仕様
位相マスク中心ピッチ ：１１４１ｎｍ
チャープ率 ：１４ｎｍ／ｃｍ
０次光 ：＜３％

３．変調条件
初期間隔 ：５００μｍ
シフト量 ：＋２０μｍ
変調インタバル ：９０秒

４．その他の条件
ファイバグレーティング長 ：１１．５ｍｍ
使用光ファイバ ：シングルモードファイバ
通常の照射時間 ：５〜１０分

５．照射の終了条件
１６５０ｎｍ波長帯域の透過損失（アイソレーション）が、３１ｄＢを越えた時点。

本実施例でも、３．変調以外の仕様は、実施例１と同様である。
本実施例では、紫外線の照射時においては、位相シフトとシングルモードファイバの間隔を当初５００μｍとっている。そして、紫外線照射が開始後、９０秒ごとに、この間隔を２０μｍごと広げていく変調を加えるものである。
なお、変調インタバルの時間は９０秒であるが、＋／−１次光以外のｎ次光の回折による干渉縞の影響をできるだけ少なくしたい場合にはその時間を短くすることが好ましい。

（その他の実施例）
上述の実施例では、位相マスクと光ファイバの間隔を、増加させていく変調を施したが、逆に初期の間隔から、間隔を減少させていく変調を施しても、同様の結果を得ることができる。
更に、この間隔を減少させる態様としては、増加させる場合と同様に、ある一定時間ごとにステップ状に減少させていく方法も可能であるし、また、連続的に減少させていく方法を採ることも可能である。

また、図３に示すように、紫外線照射中、常にスペクトラムアナライザで光ファイバの光学特性を検出しているので、この光学特性の測定値に基づいて、変調を行なうこともできる。

例えば、屈折率が一定量増加するごとに、位相マスクと光ファイバの距離を変更する製造方法も採ることができる。特に、屈折率増加量がある値に達した時点で、ステップ状に位相マスクと光ファイバの間隔を増加させる態様も考えられる。また、屈折率の連続的な増加に合わせて、連続的にこの間隔を増加させていく方法も考えられる。
その他、紫外線照射中の、光ファイバの光学特性の測定値に応じて、様々態様の変調を加えた製造方法を採ることができる。

更に、本発明を適用するのは、光ファイバに限られず平面導波路等にも適用可能である。平面導波路は、例えば、板状の基板上にクラッド層が形成され、さらにクラッド層にコア層が形成された構造を有するものである。
本発明を適用すれば、光ファイバに適用した場合と同様の効果を得ることができることは、明白である。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、更に様々な実施態様が考えられる。

（ａ）は、プラスマイナス１次光によって形成されたファイバグレーティングを示す模式図、（ｂ）は、プラスマイナス１次光以外のｎ次の回折光によって形成されたファイバグレーティングを示す模式図である。 位相マスクと光ファイバ間の間隔を変化させる紫外線照射方法を示す図である。 本発明の位相マスクと光ファイバ間の間隔を変調させてファイバグレーティングを製造する製造装置を示す概要図である。 照射直後の１６５０ｎｍ帯の透過損失スペクトルを示す図である。 従来のファイバグレーティングと本発明の製造方法によるファイバグレーティングの反射スペクトルを示す図である。 ｎ次回折光が位相マスクから透過することを示した図である。

符号の説明

１ 光ファイバ
２ 紫外線ビーム発生装置
３ 位相マスク
４ 移動装置
５ 光源
６ スペクトラム アナライザ
７ リニアガイド
８ アクチュエータ

Claims (10)

1. 位相マスクを介して光ファイバに紫外線を照射してファイバグレーティングを製造する方法であって、前記紫外線の照射中に、前記位相マスクと前記光ファイバの間隔を所定量変化させる変調動作を加えるファイバグレーティングの製造方法。
2. 前記変調動作が、前記間隔を単調増加又は単調減少させるものである請求項１に記載のファイバグレーティングの製造方法。
3. 前記変調動作が、前記間隔をステップ状に変化させるものである請求項１又は２に記載のファイバグレーティングの製造方法。
4. 前記変調動作が、一定の照射時間が経過するごとに前記間隔を変化させるものである請求項１から３の何れか１項に記載のファイバグレーティングの製造方法。
5. 前記変調動作が、前記間隔を連続的に変化させるものである請求項１又は２に記載のファイバグレーティングの製造方法。
6. 前記変調動作が、前記紫外線照射中の前記光ファイバの光学特性の測定値に基づいて行われる請求項請求項１から５の何れか１項に記載のファイバグレーティングの製造方法。
7. 前記変調動作が、前記光ファイバの屈折率の増加に応じて行われる請求項６に記載のファイバグレーティングの製造方法。
8. 前記光ファイバの代わりに平面導波路を使用する請求項１から７の何れか１項に記載のファイバグレーティングの製造方法。
9. 位相マスクと光ファイバを所定の間隔に設置する初期化工程と、
   紫外線を前記位相マスクを介して前記光ファイバに照射する照射工程と、
   前記紫外線の照射中における前記光ファイバの光学特性を検出する検出工程と、
   前記位相マスクと前記光ファイバの間隔を所定の時間間隔で所定の値だけ変化させる変調工程と、
   前記光学特性の検出値が所定値に達したときに前記紫外線の照射を終了させる終了工程と、
   を備えるファイバグレーティングの製造方法。
10. ファイバグレーティングが形成される光ファイバと、前記光ファイバに照射される紫外線を発生させる紫外線レーザ発生装置と、前記光ファイバと前記紫外線レーザ発生装置の間に設置された位相マスクと、前記位相マスクと前記光ファイバの間隔を変化させる移動装置と、を備える照射手段と、
    前記光ファイバの一端から光信号を送る光源と、前記光ファイバのもう一端に設置されたスペクトラムアナライザと、を備える検出手段と、
    を備えるファイバグレーティングの製造装置。
    

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