JP2007121941A - ファイバ状位相格子素子、ファイバ状位相格子および位相格子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光学的特性に優れ、かつその光学的特性が安定した光学部品を、少ない部品点数で、簡易に製造できるようにする。
【解決手段】円柱状の光ファイバ内に複数の回折格子１２が形成されたファイバ状位相格子素子１において、回折格子１２の光入射面を、光ファイバの軸心Ｌの垂直方向に対して傾斜させた。複数の回折格子１２における光入射面は、たとえば一定の間隔を隔てて、軸心Ｌの垂直方向に対して同一の角度で傾斜している。回折格子における光入射面の傾斜角度αは、４〜８６度の範囲に設定するのが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信用機器あるいは光センシングシステム用機器などに使用するファイバ状位相格子素子、ファイバ状位相格子および位相格子モジュールに関する。

光通信用機器における光回路の小型・集積化に向けて、各種の光通信用部品が使用されており（たとえば特許文献１参照）、このような集積化された光通信用部品のうち、３芯のフィルタモジュールとして図１５に示したものがある。

同図に示したフィルタモジュール９は、屈折率分布型ロッドレンズ９０，９１の間に、フィルタ機能を有する光学素子９２を設けたものである。光学素子９２は、屈折率分布型ロッドレンズ９０の端面９０Ａに膜形成されているとともに、屈折率分布型ロッドレンズ９１の端面９１Ａに対して、接着剤を介して接合され、あるいは隙間を介した対面させられている。

屈折率分布型ロッドレンズ９０の端面９０Ｂには、光ファイバ９３，９４が装着されている一方で、屈折率分布型ロッドレンズ９１の端面９１Ｂには、光ファイバ９５が装着されている。光ファイバ９３〜９５は、ファイバサポート９６，９７を介して屈折率分布型ロッドレンズ９０，９１に装着されている。

フィルタモジュール９では、光ファイバ９３から波長がλ_１，λ_２の光を入射させた場合、それらの波長λ_１，λ_２の光が屈折率分布型ロッドレンズ９０に入射する。この屈折率分布型ロッドレンズ９０の内部では、入射光が広がりながら伝搬し、平行光の状態で光学素子９２に入射する。この光学素子９２においては、波長λ_１の光が反射し、屈折率分布型ロッドレンズ９０において集光されてから光ファイバ９４に分波される。一方、波長λ_２の光は、光学素子９２を透過した後に、屈折率分布型ロッドレンズ９１において集光されてから、光ファイバ９５から分波される。

特開２００３−１３９９６２

しかしながら、フィルタモジュール９では、屈折率分布型ロッドレンズ９０，９１の端面、光学素子９２の端面、および光ファイバ９３〜９５の端面で反射が生じ得るために反射減衰量が大きく、その反射減衰量は通常−３０〜−３５ｄＢ程度である。そのため、増幅器用光回路の近傍等の通信機器において通常求められている−４５ｄＢ以下の低反射減衰量を達成することができず、先の通信機器において採用できない。

また、屈折率分布型ロッドレンズ９１と光学素子９２との間の固定に接着剤を使用する場合には、温湿度変動により接着剤の膨張・収縮が生じやすく、損失等の光学特性の安定性に難がある。一方、屈折率分布型ロッドレンズ９１と光学素子９２との間に隙間を設け、接着剤を用いずにそれを位置固定した場合には、温度変動により隙間の大きさが変化して光学特性が変動するため、光学的特性の安定性に難がある。

さらに、フィルタモジュール９では、屈折率分布型ロッドレンズ９０，９１、光学素子９２、ファイバサポート９６，９７、および光ファイバ９３〜９５を使用しており、フィルタモジュール９において目的とする光学的特性を発揮させるためには、それらの部品の間での精密な位置決めが必要で、製造時における作業性が悪い。また、ロッドレンズ９０，９１は、光ファイバ９３〜９５に比べて外径寸法が大きなものであるため、フィルタモジュール９では、ロッドレンズ９０，９１によって小型化が阻害される。

そこで、本発明は、光学的特性に優れ、かつその光学的特性が安定した小型化された光学部品を、少ない部品点数で、簡易に製造できるようにすることを課題としている。

本発明の第１の側面においては、光ファイバ内に１または複数の回折格子が形成されたファイバ状位相格子素子であって、前記回折格子は、光入射面が前記光ファイバの軸心の垂直方向に対して、傾斜させられていることを特徴としている、位相格子素子が提供される。

複数の回折格子は、たとえば一定の間隔を隔てて、前記軸心の垂直方向に対して、光入射面が同一の角度で傾斜している。この場合、回折格子における光入射面の傾斜角度は、前記軸心の垂直方向に対して、４〜８６度の範囲に設定するのが好ましい。

複数の回折格子は、一定の間隔を隔てて、前記軸心の垂直方向に対して同一の角度で光入射面が傾斜した複数の回折格子からなる第１の回折格子群と、第１の回折格子群の回折格子とは異なる角度で光入射面が傾斜し、かつ前記軸心の垂直方向に対して同一の角度で光入射面が傾斜した複数の回折格子からなる第２の回折格子群と、を含んだものとすることもできる。

第１の回折格子群における回折格子の光入射面と、第２の位相回折群における回折格子の光入射面とは、たとえば互いに反対方向に傾斜させられる。

第１および第２の回折格子群における回折格子の光入射面の傾斜角度は、前記軸心の垂直方向に対して、４〜８６度の範囲に設定するのが好ましい。

本発明の第２の側面においては、本発明の第１の側面に係る１または複数のファイバ状位相格子素子と、前記ファイバ状位相格子素子の端面に融着接続された１または複数の屈折率分布型光ファイバと、を備えていることを特徴とする、ファイバ状位相格子が提供される。

複数のファイバ状位相格子素子は、それらの軸心が互いに平行となる位置関係に固定するのが好ましい。この場合、複数のファイバ状位相格子素子は、透光性材料によって互いに密着させるのが好ましい。

本発明の第３の側面においては、本発明の第２の側面に係るファイバ状位相格子と、前記ファイバ状位相格子の屈折率分布型光ファイバに光を入射させ、あるいは前記屈折率分布型光ファイバからの光を出射させるための１または複数の入出力用光ファイバと、を備えたことを特徴とする、位相格子モジュールが提供される。

入出力用ファイバは、その外径が前記屈折率分布型光ファイバと同一又は前記屈折率分布型光ファイバよりも小さく設定するのが好ましい。この場合、入出力用ファイバは、たとえば屈折率分布型光ファイバに端面に融着される。

本発明の位相格子モジュールは、ファイバ状位相格子を収容するための外套部材をさらに備えたものとされる。

本発明のファイバ状位相格子素子は、回折格子を有するために、その回折格子において、入射光を透過光と回折光とに分離することができる。そして、回折格子における光入射面を傾斜させた場合には、回折格子における回折光（全反射光）は、ファイバの軸心に対して傾斜した方向に向けて進行させられる。そのため、回折格子において全反射した回折光は、戻り光として入力側に導入されることはない。すなわち、回折格子における光入射面を傾斜させることにより、戻り光により生じる不具合を抑制しつつも、適切なフィルタ機能を持たせることができる。

さらに、ファイバ状位相格子素子に対して、光入射面の傾斜角度の異なる回折格子からなる第１および第２回折格子群を形成すれば、それぞれの回折格子群において、異なる方向に光を回折させることができる。そのため、本発明のファイバ状位相格子素子では、１つの素子によって、異なる波長に対するフィルタ機能を持たせることができる。

また、本発明のファイバ位相格子素子では、回折格子における回折光を透過光とは異なる出力ポートに導くことによって、入射光を分波することが可能となる。すなわち、回折格子における光入射面を傾斜させることによって、ファイバ状位相格子素子に分波機能を持たせることも可能となる。たとえば、複数のファイバ状位相格子素子を、それらの軸心が互いに平行となる位置関係に固定すれば、一方のファイバ状位相格子素子での回折光を、他方のファイバ状位相格子素子に入射させることができる。すなわち、複数のファイバ状位相格子素子間において、光の分岐・結合を行なうことができるようになり、単なる波長カットフィルタとして使用できるばかりでなく、光分岐器および光結合器に適用することが可能となる。そして、複数のファイバ状位相格子素子を、透光性材料によって互いに密着させることにより、一方のファイバ状位相格子素子からの回折光を、ファイバ状位相格子素子相互の密着部分および透光性材料部分において、他方のファイバ状位相格子素子に導入することが可能となる。これにより、ファイバ状位相格子素子間において、低損失で分岐・結合することができるようになる。また、複数のファイバ状位相格子素子の軸心が互いに平行となる位置関係は、精密なアライメント調整なしに容易に達成することができる。

また、本発明のファイバ状位相格子素子は、光ファイバから形成されているために、グレーデッドインデックスファイバなどの屈折率分布型光ファイバに対して、融着により直接接続することができる。そして、融着によりファイバ状位相格子素子と屈折率分布型光ファイバとを接続した場合には、屈折率分布型ファイバの端面、およびフィルタ機能を有する素子（ファイバ状位相格子素子）の端面において、反射が生じる可能性が著しく低減する。また、融着による接続の場合には、ファイバ状位相格子素子と屈折率分布型光ファイバとの間に接着剤や空気層が介在することもない。そのため、湿気や熱によりファイバ状位相格子素子と屈折率分布型光ファイバとの間が膨張・収縮することもないため、光学的特性が安定化する。

そして、本発明の位相格子モジュールのように、屈折率分布型光ファイバと入出力用ファイバとのが融着により接続すれば、屈折率分布型ファイバの端面、および入出力用ファイバの端面において、反射が生じる可能性をも低減させることができる。

したがって、本発明のファイバ状位相格子素子を用いたファイバ状位相格子および位相格子モジュールは、光学的特性において優れたものとなり、たとえば増幅器用光回路の近傍等の通信機器において通常求められている−４５ｄＢ以下の低反射減衰量を達成することが可能となる。その結果、本発明のファイバ状位相格子素子を採用したファイバ状位相格子および位相格子モジュールは、反射減衰特性がシビアに要求される通信機器においても採用することができる。

また、ファイバ状位相格子素子と屈折率分布型レンズとを融着接続したファイバ状位相格子、このファイバ状位相格子に入出力用ファイバを融着接続した位相格子モジュールは、１本の光ファイバ体として扱うことができるため、それらを構成する部品どうしを位置決め固定するために、特別な部品を使用する必要なはい。この点において、本発明では部品点数を少なくすることが可能となる。また、先の光ファイバ体をフェルールなどの外套部材に収容させる場合であっても、外套部材に光ファイバ体を収容させる作業は極めて容易であり、また外套部材に光ファイバ体を収容させた構成を採用することにより、さらに取り扱い性が良好なものとなって、光コネクタ接続用部品としても扱うことも可能となる。

さらに、本発明に係るファイバ状位相格子素子に接続させる屈折率分布型光ファイバは、光ファイバから形成されるものであり、従来のフィルタモジュールにおいて屈折率分布型レンズとして使用されていたロッドドレンズに比べて、サイズの小さなものである。そのため、屈折率分布型レンズとして屈折率分布型光ファイバを用いた場合には、ファイバ状位相格子および位相格子モジュールの小型化を達成することが可能となる。

以下においては、本発明について、第１から第７の実施の形態として、図面を参照しつつ説明する。

まず、本発明の第１の実施の形態に係るファイバ状位相格子について、図１ないし図６を参照して説明する。

図１および図２に示したファイバ状位相格子Ｘ１は、ファイバ状位相格子素子１の両端面１０，１１にグレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂを融着したものである。

ファイバ状位相格子素子１は、円柱状の光ファイバ内の屈折率を、光ファイバの軸心Ｌに沿った方向に対して周期的に変動させたものである。このファイバ状位相格子素子１は、屈折率の大きな部分が回折格子１２として機能するものである。すなわち、ファイバ状位相素子１は、軸心Ｌに沿った方向の屈折率を周期的に変化させることにより、一定間隔隔てて、複数の回折格子１２が形成されたものである。

複数の回折格子１２は、軸心Ｌの垂直方向に対して光入射面が同一の角度αで傾斜している。各回折格子１２における光入射面の傾斜角度αは、軸心Ｌの垂直方向に対して、４〜８６度の範囲、より好ましくは４〜６０度の範囲に設定されている。これは、回折格子１２における光入射面の傾斜角度αが不当に小さい場合には所期の目的を十分に達成することができない一方で、回折格子１２における光入射面の傾斜角度αが不当に大きい場合にはファイバ状位相格子素子１０の軸心Ｌの方向の長さ寸法が大きくなるからである。

上述のように、ファイバ状位相格子素子１は、軸心Ｌに沿った方向の屈折率を周期的に変動させたものであるが、その屈折率分布は周期Λの正弦波状とされており、その屈折率の変化量は０．０１〜０．００１程度である。ここで、屈折率分布は、下記数式１で示すことができる。

回折格子１２は、光入射面が角度αで軸心Ｌの垂直方向に傾斜しているために、ブラッグ条件を満たす光が、１次回折光として軸心Ｌに対し２αの方向に回折（全反射）される一方で、０次回折光は回折格子１２をそのまま透過する。なお、ファイバ状位相格子素子１における１次回折光の回折効率ηは、一般的に下記数式２で示される。

ここで、図３に、ファイバ状位相格子素子１の回折効率を、光ファイバの屈折率ｎ＝１．４８７、入射光の中心波長１５５５ｎｍ、屈折率変調度δｎ＝２５００ｐｐｍ、α＝１０度、ファイバ状位相格子素子１の長さ２ｍｍの場合について、回折効率特性として示した。図３より、ファイバ状位相格子素子１の回折効率は、矩形状のスペクトラム特性を有し、回折光の波長選択性が高いことがわかる。

本発明のファイバ状位相格子素子１は、成分的には、ガラスに屈折率を増大させるための光熱反応性材料を添加したものである。ガラスとしては、石英ガラスを用いることができ、その場合には、光熱反応性材料としてＧｅＯ_５、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等が使用される。また、ファイバ状位相格子素子１は、ＰＴＲ（Photo-Thermo-Refractive）ガラスにより形成することもできる。このＰＴＲガラスは、Ｃｅ、Ａｇを添加した蛍光性のシリカガラスである。

このようなファイバ状位相格子素子１は、光熱反応性材料を含ませた円柱状ガラスに対して、部分的にＵＶ光を照射（露光）することによって屈折率を変調させることにより形成される。すなわち、ファイバ状位相格子素子１は、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）の製法に準じて、光学干渉法あるいはフェーズドマスク法により形成することができる。ただし、ＦＢＧが光ファイバのコアの光軸に対し垂直に回折格子を形成するのに対し、本発明の位相格子素子１は、軸心Ｌの垂直方向に対して角度αで光入射面を傾斜させた回折格子１２が形成されている点において異なっている。

図４には、光学干渉法によりファイバ状位相格子素子１を形成する場合に概略構成図を示した。

光学干渉法の場合、ファイバ状位相格子素子１は、位相の揃ったコヒーレントなＵＶ光の平行光を合波し、光ファイバ（１３）を露光することにより形成される。光ファイバ（２３）は、水平方向に対して角度αだけ傾斜させた状態で、光ファイバと同程度の屈折率を有する媒体内に配置される。光ファイバ（１３）としては、円柱状ガラスに光熱反応性材料を添加したものが使用され、ＵＶ光としては、中心波長が３２０〜５００ｎｍのものが使用される。

先の光学干渉法においては、光ファイバ（１３）において露光された部分の屈折率が増加させられる結果、光ファイバ（１３）の軸心Ｌの垂直方向に対して角度αで光入射面が傾斜した複数の回折格子１２が、一定間隔隔てて形成される。複数の回折格子１２の間隔Λは、下記数式３に示した通りである。すなわち、光ファイバ（１３）を透過させるＵＶ光の傾斜角度（光ファイバ（１３）に対するＵＶ光の入射角度）を選択することにより、複数の回折格子１２の間隔Λの間隔を選択することができるとともに、回折格子１２において回折させるべき光の波長を選択することができる。

一方、図５には、フェーズドマスク法によるファイバ状位相格子素子１を形成する場合の概略構成図を示した。

フェーズドマスク法の場合、ファイバ状位相格子素子１は、フェーズドマスク１４の平面方向に対して角度αで光ファイバ（１３）を配置した状態で、フェーズドマスク１４の上面にＵＶ光を垂直入射させて、フェーズドマスク１４からの±１次回折光により光ファイバ（１３）を露光することにより形成される。

ここで、フェーズマスク１４は、一定の格子間隔Λ(mask)を有する回折格子である。光ファイバ（１３）としては、円柱状ガラスに光熱反応性材料を添加したものが使用され、ＵＶ光としては、中心波長が３２０〜５００ｎｍのものが使用される。

先のフェーズドマスク法においては、光ファイバ（１３）において露光された部分の屈折率が増加させられる結果、光ファイバ（１３）の軸心Ｌの垂直方向に対して光入射面が角度αで傾斜した複数の回折格子１２が、一定間隔隔てて形成される。複数の回折格子１２の間隔Λは、下記数式４に示したように、フェーズマスク１４の格子間隔Λ(mask)の半分となる。すなわち、フェーズマスク１４の格子間隔Λ(mask)を選択することにより、複数の回折格子１２の間隔Λの間隔を選択することができるとともに、回折格子１２において回折させるべき光の波長を選択することができる。

図１および図２に示したように、一対のグレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂは、レンズとしての役割を果たすものであり、ファイバ状位相格子素子１の端面１０，１１に対して融着されている。各グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂは、軸対称かつ略２乗の屈折率分布をもつ光ファイバであり、それを必要な長さで切断して用いることにより、屈折率分布型レンズとされている。

グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂとしては、ファイバ状位相格子素子１と同程度の外径を有するもの、すなわちファイバ外径１２５〜５００μｍ、コア径１００〜４５０μｍ程度のものを使用することができる。ロッドレンズなどの従来の屈折率分布型レンズは、小径でも外径が１ｍｍ程度あり、光ファイバとの融着接続は困難であるが、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂを用いた場合、接続対象となる光ファイバとの外径差を小さくできるため、高周波放電によるファイバ接続面での加熱融着が可能である。

ここで、図６として、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂ内の光線追跡の例を示した。グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂでは、コア２０Ａ，２０Ｂ中の光線は、ほぼサインカーブを描くように進行する。ここで、図６の横軸Ｐは、１周期を１としたときのピッチを表し、縦軸はグレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂでの光線の位置を、最も光線の広がった位置を１として相対的に表したものである。

図６から分かるように、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂに点状光を入射させた場合、それを平行光に変換するには、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２ＢとしてＰ＝０．２５の長さのものを使用すればよく、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂの出射端面に焦点を結ばせるためにはＰ＝０．５の長さのものを使用すればよい。換言すれば、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂをレンズとして機能させるには、０．２５≦Ｐ＜０．５の間の長さのものを使用すればよいことが分かる。

ここで、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂの焦点距離は、屈折率分布、すなわち比屈折率（コア２０Ａ，２０Ｂ（図６参照）の中心軸上の屈折率とコア２０Ａ，２０Ｂの外表面の屈折率との比）に依存するものであり、比屈折率が大きいほど小さくなり、開口数ＮＡが大きくなって焦点でのスポット径をより小さく絞ることができる。そのため、グレーデッドインデックスファイバ２０Ａ，２０Ｂをコア径の小さいシングルモードファイバに接続する場合には、それらのファイバでの挿入損失を小さくするためにも、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂとしては、コアの比屈折率が大きなものを使用するのが好ましい。

次に、本発明の第２の実施の形態に係るファイバ状位相格子を、図７および図８を参照して説明する。ただし、図７および図８においては、図１ないし図６を参照して先に説明したファイバ状位相格子Ｘ１と同様な要素および部材については同一の符号を付してあり、重複説明は省略する。

図７および図８に示したファイバ状位相格子Ｘ２は、ファイバ状位相格子素子３の端面３０，３１にグレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂを融着接続したものである点において先に説明したファイバ状位相格子Ｘ１（図１および図２参照）と同様であるが、ファイバ状位相格子素子３の構成が、先に説明したファイバ状位相格子Ｘ１（図１および図２参照）とは異なっている。

ファイバ状位相格子素子３は、先に説明したファイバ状位相格子素子１と同様な複数の回折格子３２（図１および図２の符号１２参照）からなる第１の回折格子群に加えて、複数の回折格子３２における光入射面とは傾斜方向が異なる光入射面を有する複数の回折格子３３からなる第２の回折格子群が設けられたものである。

第２の回折格子群における複数の回折格子３３は、第１の回折格子群における複数の回折格子と同一の間隔Λだけ隔てて設けられているとともに、それぞれが第１の回折格子群の回折格子３２と軸心Ｌにおいて交差している。そして、回折格子３３は、回折格子３２とは反対方向に、かつ同一角度αだけ光入射面が傾斜させられている。

このようなファイバ状位相格子素子Ｘ２は、先に説明したファイバ状位相格子素子１（図１および図２参照）と同様に水平方向に角度αだけ傾斜させて光ファイバを露光した後（図４および図５参照）、先とは反対の方向に角度αだけ傾斜させて光ファイバを再び露光することにより形成することができる。

このようなファイバ状位相格子素子３（ファイバ状位相格子Ｘ２）では、回折光を軸心Ｌに対して２つの方向（角度±２α方向）に偏向させることができる。

なお、図７および図８においては、第１の回折格子群の複数の回折格子３２と、第２の回折格子群の複数の回折格子３３とが、互いに同一間隔Λだけ隔てて設けられていたが、それぞれ回折格子群における回折格子の間隔を異ならせることにより、各々の回折格子群において、異なる波長の光を回折させるようにしてもよい。また、第１および第２の回折格子群の回折格子３２，３３における光入射面の傾斜角度は、絶対値において同一とされていたが、それらの回折格子３２，３３における光入射面の傾斜角度は絶対値において異なっていてもよい。さらに、第１および第２の回折格子群に加えて、１以上の回折格子群を追加して設けてもよい。

次に、本発明の第３の実施の形態に係る位相格子モジュールを、図９および図１０を参照して説明する。ただし、図９および図１０においては、図１ないし図６を参照して先に説明したファイバ状位相格子Ｘ１と同様な要素および部材については同一の符号を付してあり、重複説明は省略する。

図９に示した位相格子モジュールＹ１は、光学フィルタ、光分岐・結合器あるいは光合分波器として使用可能なものであり、一対の光ファイバ体４Ａ，４Ｂを備えている。

各光ファイバ体４Ａ，４Ｂは、図１および図２を参照して説明したファイバ状位相格子Ｘ１の両端部に、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂと同様な外径寸法を有する入出力用ファイバ４０，４１，４２，４３を接続したものである。入出力用ファイバ４０，４１，４２，４３としては、たとえばシングルモードファイバが使用される。

一対の光ファイバ体４Ａ，４Ｂは、それらの軸心Ｌの垂直方向に並んで設けられている。より具体的には、一対の光ファイバ体４Ａ，４Ｂは、図９および図１０に示したように、各光ファイバ体４Ａ，４Ｂのファイバ状位相格子素子１を位置合わせした状態で、それらの光ファイバ体４Ａ，４Ｂの表面が相互に接するように、透光性材料４４によって固定させられている。

ファイバ状位相格子素子１相互の位置合わせは、一対の光ファイバ体４Ａ，４Ｂを軸心Ｌの垂直方向に並べた状態で、一方の光ファイバ体４Ａの位置を固定した上で、他方の光ファイバ体４Ｂを、軸心Ｌの方向に調整するとともに周方向に回転させることにより容易に行なうことができる。すなわち、ファイバ状位相格子素子１（光ファイバ体４Ａ，４Ｂ）相互での高精度なアライメント調整は不要である。

透光性材料４４は、たとえばファイバ状回折格子素子１と同一または略同一な屈折率を有するものであり、一対の光ファイバ体４Ａ，４Ｂを相互に固定するとともに、一方の光ファイバ体４Ａ（４Ｂ）のファイバ状位相格子素子１からの回折光を、他方の光ファイバ体４Ｂ（４Ａ）のファイバ状位相格子素子１に導く役割をも果たすものである。すなわち、透光性材料４４は、ファイバ状位相格子素子１の回折格子１２における回折光が、ファイバ状位相格子素子１の外表面において端面反射するのを防止する役割をも果たすものである。透光性材料４４としては、たとえばＵＶ接着剤あるいはエポキシ樹脂系等有機系接着剤、透光性の低融点ガラスを使用することができる。

図９に示したように、位相格子モジュールＹ１を光分岐器あるいは光学フィルタとして使用する場合には、入出力用ファイバ４０から複数の波長の光を含む光が入射される。この入射光は、光ファイバ体４Ａのグレーデッドインデックスファイバ２Ａを介して、光ファイバ体４Ａのファイバ状位相格子素子１に入力される。このファイバ状位相格子素子１では、回折格子１２において、ブラッグ条件を満たす波長の光が回折（全反射）される一方、それ以外の波長の光は回折格子１２を透過する。

光ファイバ体４Ａの回折格子１２において回折した光は、光ファイバ体４Ａのファイバ状位相格子素子１から出射して光ファイバ体４Ｂのファイバ状位相格子素子１（回折格子１２）に入射する（図１０参照）。この入射光は、光ファイバ体４Ｂの回折格子１２において回折させられた後にファイバ状位相格子素子１から出射され、光ファイバ体４Ｂのグレーデッドインデックスファイバ２Ｂを介して入出力用ファイバ４２に導かれる。

一方、光ファイバ体４Ａにおけるファイバ状位相格子素子１の回折格子１２を透過した光は、光ファイバ体４Ａのグレーデッドインデックスファイバ２Ｂを介して入出力用ファイバ４１に導かれる。

このように、位相格子モジュールＹ１では、入出力用ファイバ４０から入射させた光を、光ファイバ体４Ａの回折格子１２において回折する光、回折格子１２を透過する光に分岐することができる。そのため、位相格子モジュールＹ１は、光分岐器あるいは分波機能を有する光学フィルタとして使用することができる。

また、位相格子モジュールＹ１は、光の入力方向と出力方向を変えることにより、光結合器、あるいは合波器として使用することもできる。

ここで、ファイバ状位相格子素子１における回折格子１２の光入射面の傾斜角度αは、第１の実施の形態に係るファイバ状位相格子素子１と同様な理由からは、４〜８６度の範囲、好ましくは４〜６０度の範囲に設定される。ただし、２つのファイバ状位相格子素子１を軸心Ｌの方向の垂直方向並べて配置する場合には、以下に説明するように、回折格子１２における光入射面の傾斜角度αは、４５度もしくはそれに近い角度に設定するのが好ましい。

上述のように、位相格子モジュールＹ１では、たとえば入出力用ファイバ４０からの入射光は、光ファイバ体４Ａにおけるファイバ状位相格子素子１の回折格子１２を透過する光と、回折格子１２において回折して光ファイバ体４Ｂにおけるファイバ状位相格子素子１に入射する光に分けられる。すなわち、光ファイバ体４Ａにおける回折格子１２を透過して入出力用ファイバ４１に入力され光と、それぞれ光ファイバ体４Ａ，４Ｂにおける回折格子１２，１２において回折して入出力用ファイバ４２に入力される光の間には光路差が生じる。この行路差は、各入出力ファイバ４１，４２に光が入力されるまで間における損失差を生じさせる。この損失差はさらに、結合効率に差を生じさせ、結果として、光学特性上において悪影響を及ぼす。

その一方で、光路差は、一方の光ファイバ体４Ａの回折格子１２から他方の光ファイバ体４Ｂの回折格子１２との間の光路Δ１と軸心Ｌ方向のずれ量Δ２との和として表される。回折格子１２の回折光の全反射角度は２αであり、軸心Ｌ間の距離は、光ファイバ体４Ａ，４Ｂの外径寸法Ｄと同一であるから、Δ１＝（Ｄ^２＋Δ２^２）^１／２となる。そのため、全体の光路差は、Δ１＋Δ２＝（Ｄ^２＋Δ２^２）^１／２＋Δ２となる。この式から分かるように、光路差は軸心Ｌの方向のずれ量Δ２に依存するものであり、Δ２が大きいほど大きくなる。また、Δ２は、Ｄ／ｔａｎ２αであり、Δ２はα＝４５度のときに最小となる。したがって、透過光側と出射光側の光路差を小さくして結合効率を高め、光学的特性を良好なものとするためには、回折格子１２における光入射面の傾斜角度αを４５度もしくはそれに近い角度に設定するのが好ましい。

次に、本発明の第４の実施の形態に係る位相格子モジュールを、図１１を参照して説明する。ただし、図１１においては、図７および図８を参照して先に説明したファイバ状位相格子Ｘ２と同様な要素および部材については同一の符号を付してあり、重複説明は省略する。

図１１に示した位相格子モジュールＹ２は、光学フィルタ、光分岐器あるいは光結合器として使用可能なものであり、ファイバ状位相格子Ｘ２におけるグレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂの端面２１Ａ，２１Ｂに、４本の入出力用ファイバ４５，４６，４７，を接続したものである。

各入出力用ファイバ４５〜４８は、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂよりも外径寸法が小さなものであり、たとえばシングルモードファイバが使用される。

入出力用ファイバ４５〜４７はグレーデッドインデックスファイバ２Ａの端面２１Ａに対して、軸心Ｌの垂直方向に並んだ状態で接続されており、入出力用ファイバ４４は軸心Ｌ上に配置している一方で、入出力用ファイバ４６，４７は軸心Ｌから変位した位置に配置されている。

一方、入出力用ファイバ４８は、グレーデッドインデックスファイバ２Ｂの端面２１Ｂに対して、軸心Ｌ上に位置するように入出力用ファイバ４５に対向して接続されている。

位相格子モジュールＹ２を光分岐器あるいは光学フィルタとして使用する場合には、入出力用ファイバ４５から複数の波長の光を含む光が入射される。この入射光は、グレーデッドインデックスファイバ２Ａを介して、ファイバ状位相格子素子３に入力される。ファイバ状位相格子素子３では、回折格子３２，３３において、ブラッグ条件を満たす波長の光が回折（全反射）される一方、それ以外の波長の光は回折格子３２，３３を透過する。

ファイバ状位相格子素子３では、光入射面の傾斜方向の異なる２種類の回折格子３２，３３が設けられており、それぞれの回折格子３２，３３において異なる２方向に回折分離され、グレーデッドインデックスファイバ２Ａによって、それらの回折光が入出力用ファイバ４６，４７に導入される。

一方、ファイバ状位相格子素子３の回折格子３２，３３を透過した光は、グレーデッドインデックスファイバ２Ｂを介して入出力用ファイバ４８に導かれる。

このように、位相格子モジュールＹ２では、入出力用ファイバ４５から入射させた光を、回折格子３２，３３において回折する光、回折格子３２，３３を透過する光に分岐することができるとともに、回折した光をさらに２つの光に分岐させることができる。そのため、位相格子モジュールＹ２は、光分岐器あるいは分波機能を有する光学フィルタとして使用することができる。

また、位相格子モジュールＹ２は、光の入力方向と出力方向を変えることにより、光結器または合波器として使用することもできる。

次に、本発明の第５の実施の形態に係る位相格子モジュールを、図１２を参照して説明する。

図１２に示した位相格子モジュールＹ３は、光学フィルタとして使用可能なものであり、たとえば半導体レーザなどの光源からの光をフィルタリングするために使用される。この位相格子モジュールＹ３は、図１ないし図６を参照して説明したファイバ状位相格子Ｘ１を、円筒形状のフェルール５の内部に収容した構成を有している。

フェルール５としては、たとえばジルコニア、結晶化ガラス、ステンレスにより形成されたもの使用することができる。

この位相格子モジュールＹ３では、入射端面５０を研磨しておくのが好ましく、また入射端面５０にＡＲコートを施してもよい。また、入射端面を傾斜面、半球状面、又は屈曲面（楔状）に加工し、あるいは入射端面５０に半球状部材や楔状部材を接合してもよい。この場合、半導体レーザ等の光源との結合を高効率に行うことができる。さらに、一方の端面にのみに接続用光ファイバを融着してもよい。

位相格子モジュールＹ３では、入射端面５０から光が入射された場合、ブラッグ条件を満たす波長の光がファイバ状位相格子Ｘ１の回折格子１２において回折され、それ以外の波長の光が回折格子１２を透過する。そのため、位相格子モジュールＹ１では、回折成分を除去し、回折成分以外の光を選択的に透過させる光学フィルタとして使用することができる。

次に、本発明の第６の実施の形態に係る位相格子モジュールを、図１３を参照して説明する。

図１３に示した位相格子モジュールＹ４は、図１２を参照して説明した位相格子モジュールＹ３に対して、入出力用ファイバ６０，６１，６２，６３を接続したものである。入出力用ファイバ６０〜６３は、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂに融着されているとともに、硬化性樹脂５１によって、フェルール５の端面５２にも固定されている。

この位相格子モジュールＹ４は、光分岐・結合器又は光合分波器として使用可能なものである。たとえば、位相格子モジュールＹ４を光分岐器として使用する場合には、入出力用ファイバ６０から入力した光を回折格子１２において回折または透過させ、回折光を入出力用ファイバ６１から出射させる一方で、透過光を入出力用ファイバ６２から出射させるように構成される。また、位相格子モジュールＹ４を光結合器として使用する場合には、光分岐器として使用する場合と、入力および出力が反対とされる。

次に、本発明の第７の実施の形態に係る位相格子モジュールを、図１４を参照して説明する。

図１４に示した位相格子モジュールＹ５は、フェルール５の内部に、図９および図１０を参照して説明した位相格子モジュールＹ１を収容させたものであり、この位相格子モジュールＹ１と、その機能において同様である。また、入出力用ファイバ６４,６５,６６,６７は、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂに融着されているとともに、硬化性樹脂５１によって、フェルール５の端面５２にも固定されている。

なお、本発明の第５ないし第７の実施の形態において説明した位相格子モジュールＹ３,Ｙ４,Ｙ５のフェルール５に代えて、スリーブ状などの他の形態の外套部材を使用してもよい。

本実施例では、図１４に示した位相格子モジュールＹ５を複数個製造し、それらの特性について評価した。

先ず、図１および図２に示したファイバ状位相格子Ｘ１を、図４を参照して説明した光学干渉法を利用して複数個形成した。

この光学干渉法においては、外径Ｄ＝１２５μｍ、屈折率ｎ＝１．４８７であるＰＴＲガラス製の光ファイバを長さ５ｃｍに切断してファイバ片を複数個準備した。それらのファイバ片は、治具上に並置固定した状態で、ファイバ片とほぼ同様な屈折率（ｎ_０＝１．４９）を有するマッチングオイルの中に浸け、水平面に対し角度α＝１０度で傾斜させて設置固定した。

露光用光源としては、波長３２５ｎｍのコヒーレント長３０ｃｍ、出力５０ｍＷのＨｅ−Ｃｄレーザを用いた。露光光学系は、ピンホール付き集光レンズを用いたものであり、レーザ出射光をコリメータレンズで出力強度１／ｅ２で径２０ｍｍの平行光に拡大し、光源からの各光路長がほぼ同じとなる分離平行光学系として構成した。

ファイバ状位相格子Ｘ１は、波長１５５５±５ｎｍの光を、光軸に対して角度２０度で反射するものとして形成した。この場合の回折格子１２における光入射面の傾斜角度αは１０度であり、先の波長の光を回折させるために必要な回折格子１２の間隔Λは、下記数式５から計算できるように、３（μｍ）である。

一方、露光するレーザ光波長λは、３２５ｎｍであるから、ファイバ片（屈折率ｎ＝１．４８７）での波長λm’は、２１８．６（ｎｍ）である（λm’＝ λ／ｎ＝３２５／１．４８７）。

また、ファイバ片での水平方向に対するレーザ光の傾斜角度Θ_０は、スネルの法則から、下記数式６の通り、Θ_０＝２．１度として演算される。

すなわち、レーザ光は、マッチングオイル媒体内で屈折角度Θ_０＝２．１度で入射する。一方、空気中でのレーザ光の水平方向に対する傾斜角度Θ’は下記数式７の通り、３．１度として演算される。

すなわち、空気中では入射角約３度でマッチングオイルに入射させる。

上記条件の下に、ファイバ片を、光学系を用いてマッチングオイル内で１０〜２０分間露光する。その後、治具を取り出し電気炉で４５０〜５００℃で３時間程度加熱することで、周期的な正弦波状の屈折率変動を有するファイバ状位相格子素子１となる。ファイバ状位相格子素子１の長さは、ブラッグ回折効率に影響するが、２ｍｍ程度あればほぼ１００％近い回折効率を得ることができ、１次回折光の回折効率特性は、中心波長１５５５ｎｍで、図３に示した通りである。

次いで、２ｍｍ長のファイバ状位相格子素子１の両端とグレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ａを高周波放電の融着接続器による融着接続し、図１および図２に示したファイバ状位相格子Ｘ１とした。

ここで、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂは、図６に示した外径１２５μｍ、コア径１０５μｍ、Δ＝０．００２７、ピッチ長Ｐ＝０．２５である。ここで、ピッチ長Ｐ＝０．２５は、グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂの長さとして１．１２ｍｍに相当する。

次いで、各グレーデッドインデックスファイバ２Ａ，２Ｂの端面に入出射用光ファイバ４０，４１（４２，４３）を融着接続して１通の光ファイバ体４Ａ（４Ｂ）（図９参照）とし、そうした光ファイバ体４Ａ（４Ｂ）を複数本準備した。

続いて、２本の光ファイバ体４Ａ，４Ｂを並列治具上において、それらの光ファイバ体４Ａ，４Ｂのファイバ状位相格子素子１どうしが密着するように設置する。このとき、ファイバ状位相格子Ｘ１の間に形成される溝に対して、ファイバ状位相格子素子１に対応する部分にＵＶ接着剤を塗布し、波長が１．５５μm光を光ファイバ体４Ａの入出射用光ファイバ４０から入射し、光ファイバ体４Ｂからの出力をモニターしながら、光ファイバ体４Ｂの光軸方向と回転調整により最適な位置を設定した。その後、ＵＶ光の照射によりＵＶ接着剤を硬化させ、二つの光ファイバ体４Ａ，４Ｂを、ファイバ状位相格子素子１の部分で一体に固定して図９および図１０に示した位相格子モジュールＹ１を形成した。

位相格子モジュールＹ１は、外径１．２５ｍｍ、断面の内径が１２６×２５２μｍである長円形穴を有する長さ５ｍｍのジルコニア製フェルール５に挿通し、フェルール５の内面と両端面５２を熱硬化型接着剤にて封止固定し、図１４に示した構成の位相格子モジュールＹ５を形成した。この位相格子モジュールＹ５は、フェルール５の両端のそれぞれから入出力用ファイバ６４,６５,６６，６７が２本出ている２×２ポートものであり、長さ５ｍｍ、外径１．２５ｍｍのものである。このような位相格子モジュールＹ５は、合計５個製作した。

位相格子モジュールＹ５としての機能は、波長１．４８〜１．５０μｍと１，５５〜１．５６μｍが合波した入射光に対し、１．５５μｍ帯の光を反射分離（入出力用ファイバ６４→入出力用ファイバ６７）、１．４８μｍ帯の光を透過出射（入出力用ファイバ６４→入出力用ファイバ６６）するものである。製作した５個の位相格子モジュールＹ５の５個の光学特性は、下記表１に示したものであった。

一方、図１５を参照して説明した従来のフィルタモジュール９の代表的な特性は、下記表２に記した通りである。この表２に示した特性を有するフィルタジュール９のサイズは、外径３．２ｍｍ 長さ３０ｍｍのものである。

表１および表２から分かるように、本発明の位相格子モジュールＹ５は、表２に記した従来のフィルタモジュール９に比較して、より小型、低挿入損失、低反射減衰な光フィルタモジュールを実現することができた。

さらに、先の５個の位相格子モジュールＹ５を用いて、＋７５℃、９０％ＲＨで１０００時間の高温高湿サイクル試験サイクル行った。その結果、光学特性の変動は、損失±０．１ｄＢ以内 アイソレーション±１ｄＢ以内 反射減衰量±２ｄＢ以内であり、安定した特性を有する、高信頼な構造の小型光モジュールであることが示せた。

本発明の第１の実施の形態に係るファイバ状位相格子を示す断面図である 図１に示したファイバ状位相格子素子における、一点鎖線で囲んだ部分を拡大して示した断面図である。 本発明に係る位相格子素子を、フェイズドマスクを使用して製造する方法を説明するための模式図である。 本発明に係る位相格子素子を、光学干渉法より製法する方法を説明するための模式図である。 本発明に係る位相格子素子の回折光の回折効率特性を示したグラフである。 図１に示したファイバ状位相格子におけるグレーデッドインデックスファイバ内の光線追跡例を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係るファイバ状位相格子を示す断面図である 図７に示したファイバ状位相格子素子を、要部を拡大して示した断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る位相格子モジュールを示す断面図およびその要部を拡大して示した断面図である。 図９に示した位相格子モジュールにおけるＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る位相格子モジュールを示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る位相格子モジュールを示す断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る位相格子モジュールを示す断面図である。 本発明の第７の実施の形態に係る位相格子モジュールを示す断面図である。 従来の光モジュールの一例を示す断面図である。

符号の説明

Ｘ１，Ｘ２ ファイバ状位相格子
Ｙ１〜Ｙ５ 位相格子モジュール
１，３ ファイバ状位相格子素子
１２，３２，３３ 回折格子
２Ａ，２Ｂ グレーデッドインデックスファイバ（屈折率分布型光ファイバ）
４０〜４３，４５〜４８，６０〜６７ 入出力用ファイバ
４４ 透光性材料
５ フェルール（外套部材）
Ｌ 軸心

Claims (12)

1. 光ファイバ内に１または複数の回折格子が形成されたファイバ状位相格子素子であって、
   前記回折格子は、光入射面が前記光ファイバの軸心の垂直方向に対して、傾斜していることを特徴とする、ファイバ状位相格子素子。
2. 前記複数の回折格子は、一定の間隔を隔てて、前記軸心の垂直方向に対して同一の角度で、光入射面が傾斜している、請求項１に記載のファイバ状位相格子素子。
3. 前記回折格子における光入射面の傾斜角度は、前記軸心の垂直方向に対して、４〜８６度の範囲に設定されている、請求項１または２に記載のファイバ状位相格子素子。
4. 前記複数の回折格子は、一定の間隔を隔てて、前記軸心の垂直方向に対して同一の角度で光入射面が傾斜した複数の回折格子からなる第１の回折格子群と、前記第１の回折格子群の回折格子とは異なる角度で光入射面が傾斜し、かつ前記軸心の垂直方向に対して同一の角度で光入射面が傾斜した複数の回折格子からなる第２の回折格子群と、を含んでいる、請求項１に記載のファイバ状位相格子素子。
5. 前記第１の回折格子群における回折格子の光入射面と、前記第２の回折格子群における回折格子の光入射面とは、互いに反対方向に傾斜させられている、請求項４に記載のファイバ状位相格子素子。
6. 前記第１および第２の回折格子群における回折格子の光入射面の傾斜角度は、前記軸心の垂直方向に対して、４〜８６度の範囲に設定されている、請求項４または５に記載のファイバ状位相格子素子。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の１または複数のファイバ状位相格子素子と、
   前記ファイバ状位相格子素子の端面に融着接続された１または複数の屈折率分布型光ファイバと、
   を備えていることを特徴とする、ファイバ状位相格子。
8. 前記複数のファイバ状位相格子素子は、それらの軸心が互いに平行となる位置関係に固定されている、請求項７に記載のファイバ状位相格子。
9. 前記複数のファイバ状位相格子素子は、透光性材料によって互いに密着させられている、請求項８に記載のファイバ状位相格子。
10. 請求項８ないし１０のいずれかに記載のファイバ状位相格子と、
    前記ファイバ状位相格子の屈折率分布型光ファイバに光を入射させ、あるいは前記屈折率分布型光ファイバからの光を出射させるための１または複数の入出力用光ファイバと、
    を備えたことを特徴とする、位相格子モジュール。
11. 前記入出力用ファイバは、その外径が前記屈折率分布型光ファイバと同一又は前記屈折率分布型光ファイバよりも小さく設定されており、かつ前記屈折率分布型光ファイバに端面に融着されている、請求項１０に記載の位相格子モジュール。
12. 前記ファイバ状位相格子を収容するための外套部材をさらに備えている、請求項１０ないし１３のいずれかに記載の位相格子モジュール。
    
    

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