JP2008164773A - グレーティング光ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高い優れたファイバグレーティング用光ファイバを提供する。
【解決手段】本発明の光ファイバは、感光性のコアあるいは感光性のコアとクラッドを有する光ファイバの外周に、ミクロ多孔体を内在するガラス膜を形成することにより構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバに関し、より詳細には、紫外光等を照射することによって所定領域に屈折率の変化を生じさせてグレーティングを形成した光ファイバ、及びこれらの光ファイバを製造する方法に関するものである。

光ファイバグレーティングは、光ファイバのガラス部分の所定領域に側方から所定波長の光を照射して、コア、あるいはコアとクラッドの所定領域の屈折率を変化させた素子であり、光ファイバ内を進行する光のうち特定波長の光部分を反射するものである。近年の光ファイバ通信技術の進展に伴い、ネットワークの複雑化や信号波長の多重化などが進行し、システム構成は高度化しつつある。こうした状況の中で、光回路素子の重要性が増大している。光回路素子の一般的構成の一つとしてファイバ型素子がある。ファイバ型素子は、小型で挿入損失が小さいことや、光ファイバとの接続が容易であること等の利点を有している。中でも、光ファイバグレーティングは大変重要でありかつ有効なファイバ型素子として需要が伸びている。光ファイバへのグレーティングの書き込みに使用される所定波長は、一般に２４０〜２７０μｍの紫外線領域の波長である。通常、エキシマレーザー、アルゴンレーザや炭酸ガスレーザの照射により書き込みがなされている。

一般に、ガラス光ファイバは、製造時、光ファイバの強度劣化を防ぐために紡糸後すぐに被覆を施される。一般的には、シリコン／ナイロンで被覆した０．９ｍｍ径の素線と、紫外線硬化型のウレタンアクリレート系樹脂で被覆された０．２５ｍｍ径の素線がある。最近では製造性や高密度化しやすいことから、紫外線硬化型樹脂で被覆した０．２５ｍｍ径素線が主流となっている。

ところで、光ファイバグレーティングの作成時には、図2に示すように、光ファイバ素線の中間部の被覆層（一次被覆層4及び二次被覆層5）の一部を除去しガラス部分（光ファイバ裸線2）を露出させる方法が一般的に行われている。これは、被覆した状態でレーザを照射して書き込みを行おうとした場合、所定波長領域における樹脂の光透過率が非常に低く書き込みができないことがあるためであり、加えて、樹脂が焼けて劣化してしまうという問題があるためである。

中間部を被覆除去する方法としては、カミソリ刃等により、ガラス部分に刃を直接当てないようにして被覆の一部を除去し、続けて有機溶剤を浸漬して膨潤・剥離させて被覆を除去する方法が行われている。

しかし、被覆層を中間部のみ除去することは困難であり、このような方法によると、被覆除去時に光ファイバの表面を傷つけてしまうことがある。これにより、機械的強度の低下を招き、信頼性を低下させるという問題がある。

こうした問題を解決すべく、近年、被覆上からレーザ光を照射することによって光ファイバへのグレーティングの書き込みが可能となるような被覆用樹脂の開発がなされている（特許文献１参照）。
特開２００２−２２７５７２号公報

しかし、特許文献１に開示されているような被覆を使用する場合には、レーザ自体の出力レベルを低くして、その代わりに長時間照射するような製造条件しか採用することができない。長時間の照射はグレーティング書込み部分の精度の低下につながり、その結果、反射波長や反射率のばらつきが大きくなる場合があるので、高度な通信システムに要求される製品レベルを実現する上で好ましくない。また、エキシマレーザ等のパルスレーザを用いるとピークパワーが強いため被覆が損傷し、破断強度が劣化するという問題もある。

したがって、図2に示すように、一度コーティングされた紫外線硬化型樹脂被覆層の一部を除去して、グレーティングを書き込む方法が最も効率的な方法となっているのが現状である。

さらに、ファイバグレーティングなどの光部品に用いられる光ファイバ素線には、近年高い信頼性が要求されるようになってきた。即ち、スクリーニング特性の高いファイバが要求されるようになってきている。スクリーニングとは、ファイバの信頼性を維持するため、ファイバの所定伸びに相当する張力をかけて巻き返しを行い、ファイバの破断強度の弱い部分を予め切断させる作業である。この所定伸びをスクリーニングレベルと呼ぶ。従ってその値が高いほど、大きい張力をかけていることになり、信頼性も高くなる。光ファイバケーブル等に使用される光ファイバ素線のスクリーニングレベルは０．５〜１％であり、そのレベルでも長期間の敷設環境に十分耐えられるレベルである。光部品用のファイバに関しても、同等のスクリーニングレベルのものが用いられている。しかし近年、スクリーニングレベル２％以上のより高い信頼性が求められるようになってきた。

スクリーニングレベルを高く保つという観点からは、光ファイバ被覆の一部を除去するという工程は望ましくない。しかし、紡糸時に被覆を施さない光ファイバ裸線では脆すぎてすぐに折れてしまうため、巻き取りや加工時の保持が非常に困難であり、光ファイバ裸線のままグレーティング書込みを行うことは事実上、不可能である。

上記課題を解決するために、本発明は、ファイバグレーティング用光ファイバとして、ミクロ多孔体を無数に内在するガラス膜で被覆された、感光性のコア及び非感光性のクラッド又は感光性のコア及び感光性のクラッドからなる光ファイバを提供する。ミクロ多孔体を内在するガラス膜を光ファイバ裸線の外周に被覆する方法としては、ミクロ多孔体を含むゾルゲル溶液に光ファイバプリフォームからの紡糸直後の光ファイバ裸線を通し、その後、ファイバ上に形成した溶液塗布膜を乾燥する。乾燥されたゾルゲル溶液はガラス化し、ファイバ上にガラス膜として定着する。

この発明によれば、従来技術と比較して、ミクロ多孔体を無数に内在するガラス膜がレーザー光に対してほぼ透明であり、グレーティングを書き込む時間も被覆除去した場合と同等になる。さらにエキシマレーザの様なピークパワーの高いパルスレーザを用いてグレーティングを形成しても被覆の損傷はない。さらに、被覆除去工程を経ずにファイバグレーティングをすることによって、ガラス表面の傷や劣化を生じさせることは無く、光ファイバ本来の強度が保持され、従って、高い破断強度を実現できる。

さらに本発明にかかるファイバグレーティングは、グレーティング書込み後の取り扱い性向上やファイバグレーティング表面の保護を目的として樹脂被覆層を設けることができ、これによりその後の光部品への実装やその他の性能評価が容易になるだけでなく、より小型の部品に対する実装や高密度実装が可能となる。

光ファイバ裸線表面の保護を目的とした樹脂被覆層の材料としては、ウレタンアクリレート系の紫外線硬化型樹脂が、硬化速度が速く、比較的容易に光ファイバ線引き速度の高速化が可能であることから、大量かつ安価にファイバグレーティングを供給するという目的に対しては好適である。但し、本発明はウレタンアクリレート系紫外線硬化型樹脂に限るものではなく、その他に、適当な柔軟性と機械特性を有し、本発明の目的を損なわない樹脂材質であれば何を使用しても良い。例えば、耐熱性を考慮してシリコーン系樹脂やポリイミド樹脂といった熱硬化性樹脂を適用しても良い。また、同じく耐熱性やその後の加工性を考慮してナイロン等のポリアミド系樹脂を押し出し被覆しても良い。

これらは、ミクロ多孔体を内在するガラス膜を形成した光ファイバにも適用できる。

本発明のグレーティングファイバは、スクリーニングレベルが高いため信頼性に優れ、かつ、光ファイバにグレーティングを書き込むために行う中間部被覆除去を必要としない。従って、本発明によれば、信頼性が高い優れたグレーティング形成光ファイバを得ることができる。

本発明の好ましい一実施態様を図面を参照して説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。

図１は、本発明におけるグレーティングの構成の一例を示す断面図である。図中、光ファイバ素線１は、光ファイバ裸線２と、光ファイバ裸線２の外周に被覆されたミクロ多孔体を内在するガラス膜３とから構成されている。光ファイバ素線１は、一次被覆層４と二次被覆層５をさらに含んでもよい。

本来、ミクロ多孔体を無数に内在するガラス膜は、曲げ応力が加わった光ファイバ裸線表面のマイクロメーターサイズの傷の進展をミクロ多孔体が食い止めることによって、光ファイバ裸線を折れにくくしたものであり、ドラムやボビン、リール等の円筒状担持物に巻き取って保管できるようにしている。しかし、ガラス膜単体は光ファイバ裸線表面と同様のガラス素材であり、非常に硬く、ヤング率は数十GPa以上であり、外部からの刺激や圧縮応力を光ファイバ本体に直接伝えてしまう。そのことにより、光信号の伝送ロスを引き起こし得る。さらに衝撃に対しては脆いため、特定の部位に衝撃を受けた場合は比較的簡単に破断してしまう。

以上のように、ミクロ多孔体を無数に内在するガラス膜単体では、外部からの刺激や衝撃に対して光ファイバ裸線を有効に保護し得るとは言い切れない。そこで、ガラス膜を光ファイバ裸線表面に形成し、それを巻き取った後にグレーティング加工を施し、さらにその上から、より柔らかく靭性の高い樹脂材質で保護層を設けることが望ましい。

さらに樹脂被覆層には光ファイバ裸線の外周に一層目としてヤング率が数十MPa以下、望ましくは10MPa未満の軟質保護層と、さらにその外周に二層目としてヤング率が数GPa以下、望ましくは1GPa以下の硬質保護層を設けることが望ましい。軟質保護層は外部からの圧縮応力や刺激を吸収し、光ファイバ裸線に負担がかからない役割を果たす一方、自身は引き裂きや引っ張り等の機械的応力によって容易に変形または破壊してしまうため、さらにこの軟質保護層を保護する目的で硬質保護層を設けることで、より長期的に光ファイバの性能を保持することができる。即ち、最外層の硬質保護層によって外部からの機械的な刺激や傷に対する耐性を付与して、内部の軟質保護層を保護し、これらの応力を一層目の軟質保護層が吸収することで、更に内部の光ファイバ裸線に届くことを防ぎ、光ファイバの伝送特性及び長期信頼性をより確実なものとすることができる。

本発明における光ファイバ裸線とはコアとクラッドからなるガラスファイバをいい、例えば石英系のガラスファイバが挙げられる。本発明における光ファイバ裸線は、前述のように、感光性のコア及び非感光性のクラッド又は感光性のコア及び感光性のクラッドを有する。本発明においては、通常のＳＭ（シングルモード）ファイバが使用可能であり、特にガラスファイバに水素を溶解させた光ファイバ裸線は、グレーティングの書き込みに有利であるため好ましく用いられる。

本来光ファイバ裸線は極めて折れやすい。これは、光ファイバ裸線表面にあるミクロの傷が割れとなって拡大成長するためである。一方、本発明においては、ミクロ多孔体を内在するガラス膜を外周に被覆することによって、このミクロ多孔体が割れの進行を止め、割れ拡大の防止効果を発揮しているものと考えられる。即ち、光ファイバ裸線より折れにくい。

本発明におけるグレーティング光ファイバは、ミクロ多孔体を含むゾルゲル溶液に光ファイバプリフォームからの紡糸直後の当該光ファイバ裸線を通し、その後、ファイバ上に形成した溶液塗布膜を乾燥させることにより形成される。乾燥されたゾルゲル溶液はガラス化し、ファイバ上にガラス膜として定着する。ゾルゲル・ガラス成分は光ファイバ裸線の石英ガラスと同じ成分であり、両者は極めてなじみやすく、形成したガラス膜は光ファイバ裸線と事実上、一体である。従って、ミクロ多孔体を内在するガラス膜を形成した光ファイバへのグレーティングの書込みはガラス膜を除去することなく、直接行うことができる。

以上より、本発明のファイバグレーティング用光ファイバは、適度な曲げ強さを有し、光ファイバ裸線より折れにくいため、樹脂被覆ファイバと同様に扱うことができ、かつガラス膜を除去する必要は無く、直接グレーティングを書込むことができる。

グレーティングの書き込みに際しては、所定領域に側方から所定波長の光を所定のパターンで照射する。これにより、例えば図2に示すように、光ファイバ裸線2に、ファイバグレーティングとして、屈折率が互いに異なる領域7を描画してなる縞状の屈折率分布を形成する。

なお、このグレーティングを形成するのに利用可能な光としては、例えば、エキシマレーザー、アルゴンレーザや炭酸ガスレーザから出力される波長２４０ｎｍ乃至２７０ｎｍの紫外線を挙げることができる。また、グレーティングを形成するためのパターン露光には、二光束干渉法やフェーズマスク法を利用することができる。さらに、このグレーティングは、領域7を一定の周期で配列させたユニフォームグレーティングであってもよく、或いは、領域7の周期を光ファイバ素線1の長手方向に変化させたチャープトグレーティングであってもよい。

以下に、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。

本発明の実施例を構成するファイバグレーティング用光ファイバとしては超耐熱シリカコートファイバ（東京特殊電線株式会社製）を使用した。表１に示すような光学特性、寸法を有し、前述の工程によりミクロ多孔体を内在したガラス膜を形成した光ファイバにグレーティングの書き込みを行ったグレーティングファイバを実施例１として例示している。さらにこのグレーティングファイバにウレタンアクリレート型紫外線硬化型樹脂からなる被覆層を設けて、外径0.25mmのグレーティングファイバを製造し、実施例２として例示している。

比較例としては、SMファイバ（製品名；AllWave Fiber、古河電気工業株式会社製）及びポリイミドコートSMファイバ（製品名；ClearLite Poly 1310-21、米国OFS社製）を用いた。それぞれの光学特性、寸法も併せて表１に示す。

実施例、比較例に例示したファイバサンプルの試験方法は以下の通りである。

（１）グレーティング書込み加工後の光ファイバ性能の評価
Kr-Fエキシマレーザーを光源とした２４８ｎｍの紫外光レーザーを用い、フェーズマスク法を利用してグレーティングの書込みを行う。反射率4％のグレーティング加工に必要なエキシマレーザーパワー（W）と照射時間（分）を、表１に示す被覆の異なる各光ファイバについて測定し、結果を表２に示した。また、グレーティング書込み工程によって得られた光ファイバ素線の加工精度として、波長９８０ｎｍの光についての反射率の平均値に対する標準偏差及び反射波長精度（ｎｍ）についても測定し、結果を表２に示した。さらに、グレーティング書込み部分（約1mm）の外観を目視で確認し、変化が無く良好な場合を○、表面に焦げや変色が認められる場合を×として表２に示した。尚、実施例及び比較例の光ファイバへのグレーティング書込みは各５０本ずつ行い、その平均値や標準偏差を表２に示している。

（２）スクリーニング特性評価
（１）のグレーティング書込み加工を行った後、各実施例及び比較例の光ファイバ１０本について２％スクリーニングを行った。スクリーニングはグレーティング書込み加工後の各光ファイバに対して５回まで繰り返し、スクリーニング評価中に破断した本数を比較した。結果を表２に示す。

（３）破断強度の評価
各実施例及び比較例につき、引張速度５０ｍｍ／ｍｉｎの条件で、光ファイバ破断強度測定をグレーティング書込み加工後の光ファイバ３０本に対して行った。さらに比較例１、３に対しては、中間部皮剥き後の破断強度を評価するため、中間部の皮剥きを行った光ファイバサンプルを作成し、グレーティング書込み後の光ファイバ破断強度測定を行った（比較例２，４）。測定結果の平均値と標準偏差を表２に示す。

尚、比較例２及び４を用意する際に行った中間部の皮むき方法の好ましい一例を以下に示す。

市販のファイバストリッパ（Ｍｉｃｒｏ−Ｓｔｒｉｐ、ＫＬＥＮＴＯＯＬＳ， ｉｎｃ．：刃の内径は１５２μｍ）を用いて、光ファイバ素線の被覆除去区間の両端に、ファイバ円周方向に切り込みを入れる。つぎに、光ファイバ素線をファイバ長手方向に対して５０度の傾きをつけ、さらに上下に１５５μｍの間隔をおいて設置した二つの刃の間を走らせる。この際ファイバが、２つの刃の間隔の中心にくるようにして、ガラス部分に直接刃を当てないように、被覆除去区間において長手方向に被覆を上下に除去し光ファイバ裸線（ガラス部分）を露出させる。その後、被覆除去区間を、超音波をかけたアセトン中に浸す。最後に、除去端で切れていない被覆樹脂をピンセットで引き取る。

この方法において、１５５μｍの間隔を保つのは、刃を直接ガラスに当てないようにするためである。また、ファイバ中間部被覆層に対して上下の刃の傾きを５０度とすることにより、刃の先端の当たる部分では、ただ単に樹脂を切断するのではなく、刃で樹脂を引っかけ引っ張る作用が発生し、同時に樹脂が切断される。この際、ガラス／一次被覆層界面の密着力が小さいと、樹脂を引っ張る作用が働くことにより、被覆層が界面から引きはがされ、ガラスが露出した状態となって樹脂が切断され除去される。ガラスが露出すると、アセトンがガラス／一次被覆層界面に浸透しやすくなり、簡単に完全に中間部の被覆層を除去できるようになる。

用意した光ファイバサンプルの寸法、伝送特性を表１に、試験結果を表２に示す。

上記のように、実施例１、２に関しては、いずれの特性についても良好な結果が得られている。一方、比較例１、３では外観で不具合が見つかっており、破断強度も若干下がっている。これはエキシマレーザーに長時間曝されたために被覆の機械的強度が低下したためである。さらに比較例２、４では、中間部の皮剥きの影響により、破断強度が顕著に低下している。これは皮剥き工程によってガラス部分に傷が付いている光ファイバが存在するためである。

以上より、本発明によれば、信頼性が高い優れたグレーティングファイバを実現可能である。

光ファイバ素線の構成の一例を示す断面図である。 光ファイバグレーティング用光ファイバ素線の被覆層中間部の皮むき状態の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 光ファイバ素線
２ 光ファイバ裸線
３ ミクロ多孔体ガラス膜
４ 一次被覆層
５ 二次被覆層
６ 中間部被覆除去部
７ グレーティング領域
８ フェーズマスク
９ レーザー光

Claims (5)

1. 感光性のコアと、
   クラッドと、
   前記クラッドの外周に形成された、ミクロ多孔体を含むガラス膜とからなり、
   前記コア又は前記コア及びクラッドにグレーティングが形成されていることを特徴とするグレーティング光ファイバ。
2. 前記グレーティングは、前記光ファイバの側方から所定波長の光を照射して前記コアあるいは前記コア及び前記クラッドの所定領域の屈折率を変化させることにより形成されたことを特徴とする請求項１に記載のグレーティング光ファイバ。
3. 前記ガラス膜の外周に形成された、前記ガラス膜とは機械特性が異なる少なくとも一層の樹脂被覆層をさらに有することを特徴とする請求項１又は２項に記載のグレーティング光ファイバ。
4. 感光性のコアと、クラッドとからなる光ファイバ裸線をプリフォームから紡糸するステップと、
   ミクロ多孔体を含むゾルゲル溶液に前記紡糸後の光ファイバ裸線を通すステップと、
   前記光ファイバ裸線に塗布された前記ゾルゲル溶液の膜を乾燥させることにより、前記光ファイバ裸線の外周に、ミクロ多孔体を含むガラス膜を形成するステップと、
   前記ガラス膜の形成された光ファイバ裸線の側方から所定波長の光を照射して前記コアあるいは前記コア及び前記クラッドの所定領域の屈折率を変化させることにより、グレーティングを形成するステップと
   からなるグレーティング光ファイバの製造方法。
5. 前記ガラス膜の外周に、前記ガラス膜とは機械特性が異なる少なくとも一層の樹脂被覆層を形成するステップをさらに含む請求項４に記載のグレーティング光ファイバの製造方法。
   

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