JP3153083B2 - 光素子の安定化方法 - Google Patents
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- Control Of Temperature (AREA)
- Non-Silver Salt Photosensitive Materials And Non-Silver Salt Photography (AREA)
- Control Of Heat Treatment Processes (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は光素子に関し、特に、
ガラス媒体の屈折率における輻射線誘起屈折率変化を使
用する光素子及びその作製方法に関する。
ガラス媒体の屈折率における輻射線誘起屈折率変化を使
用する光素子及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】照射領域内に屈折率の変化を生じさせる
ために、ゲルマニウム・ドーピング珪酸塩やガンマ線照
射珪酸塩、ユーロピウム・ドーピング・ガラスのような
ガラス媒体に高強度輻射線を照射することが知られてい
る。この現象は様々な光素子への用途を持っている。例
えば、光素子中にブラッグ位相格子を誘起するために、
紫外線ビームの干渉が用いられており、そのような紫外
線誘起格子が光ファイバ・レーザ、光フィルタ、偏光コ
ンバータ、モード・コンバータ及び光ファイバ・センサ
ーに使用されてきている。他の利用可能な用途に光メモ
リの製造がある。
ために、ゲルマニウム・ドーピング珪酸塩やガンマ線照
射珪酸塩、ユーロピウム・ドーピング・ガラスのような
ガラス媒体に高強度輻射線を照射することが知られてい
る。この現象は様々な光素子への用途を持っている。例
えば、光素子中にブラッグ位相格子を誘起するために、
紫外線ビームの干渉が用いられており、そのような紫外
線誘起格子が光ファイバ・レーザ、光フィルタ、偏光コ
ンバータ、モード・コンバータ及び光ファイバ・センサ
ーに使用されてきている。他の利用可能な用途に光メモ
リの製造がある。
【０００３】輻射線誘起屈折率変化を包含する光素子を
配備する際の傷害は、それらの長期信頼性に関しては殆
ど知られていないことである。海底ケーブルのための光
ファイバ・レーザのような幾つかの用途では、長期間に
渡って高い性能裕度が要求される。同様に幾つかの用途
では、高温での動作が必要であり、更に環境ストレスの
恐れを有する。従って、そのような光素子を確実な信頼
性を持つものにする必要がある。
配備する際の傷害は、それらの長期信頼性に関しては殆
ど知られていないことである。海底ケーブルのための光
ファイバ・レーザのような幾つかの用途では、長期間に
渡って高い性能裕度が要求される。同様に幾つかの用途
では、高温での動作が必要であり、更に環境ストレスの
恐れを有する。従って、そのような光素子を確実な信頼
性を持つものにする必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、本発明者ら
による輻射線誘起屈折率変化に対する熱老化を表わして
いる関係及び加速エージングによって安定化を可能にす
るメカニズムの発見に基づいている。実験では、その輻
射線誘起屈折率変化は
による輻射線誘起屈折率変化に対する熱老化を表わして
いる関係及び加速エージングによって安定化を可能にす
るメカニズムの発見に基づいている。実験では、その輻
射線誘起屈折率変化は
【数５】 に比例して老化する。なお、上式でＡ及びαは温度の関
数であり、上記老化を熱処理によって加速することがで
きる。その結果、老化の程度は任意の時間及び温度につ
いて決定することが可能であり、重要な点として、所定
の限度内で安定な光素子を作製するために適切な熱処理
を計画に組み入れることが可能である。
数であり、上記老化を熱処理によって加速することがで
きる。その結果、老化の程度は任意の時間及び温度につ
いて決定することが可能であり、重要な点として、所定
の限度内で安定な光素子を作製するために適切な熱処理
を計画に組み入れることが可能である。
【０００５】
【実施例】Ｉ．本発明の方法（定性的説明） 図１は、紫外線誘起屈折率変化を持つ安定な光素子を作
製するステップを示し工程図である。図１のブロックＡ
に示すように、最初のステップでは、ゲルマニウム・ド
ーピング珪酸塩のような紫外線感光性ガラス媒体を準備
する。このガラス媒体は、その所期の動作に必要な他の
ドーパントを含有することができる利点がある。例え
ば、光ファイバ・レーザを作製する場合、このガラス媒
体には、１４モル％のゲルマニウム及び６００ｐｐｍの
エルビウムが、濃縮消失効果を極少にする為に加えられ
るアルミニウムと共にドーピングされた珪酸塩ガラス・
コアを有する通例のクラッド・ガラス・ファイバを用い
ることができる。被覆クラッディングが付加された後、
このクラッド・ガラス・ファイバは、全て従来技術で周
知な方法で、８８０ｎｍのカットオフ波長に対応する
２．６μｍのコア径に延伸される。
製するステップを示し工程図である。図１のブロックＡ
に示すように、最初のステップでは、ゲルマニウム・ド
ーピング珪酸塩のような紫外線感光性ガラス媒体を準備
する。このガラス媒体は、その所期の動作に必要な他の
ドーパントを含有することができる利点がある。例え
ば、光ファイバ・レーザを作製する場合、このガラス媒
体には、１４モル％のゲルマニウム及び６００ｐｐｍの
エルビウムが、濃縮消失効果を極少にする為に加えられ
るアルミニウムと共にドーピングされた珪酸塩ガラス・
コアを有する通例のクラッド・ガラス・ファイバを用い
ることができる。被覆クラッディングが付加された後、
このクラッド・ガラス・ファイバは、全て従来技術で周
知な方法で、８８０ｎｍのカットオフ波長に対応する
２．６μｍのコア径に延伸される。
【０００６】図１のブロックＢに示す次のステップで
は、そのガラス媒体の一部に紫外線露光を行ない、局部
的な屈折率変化を生じさせる。その露光の度合いは、位
相マスクを使用するか或いは干渉ビームを使用して露光
時間を変えることによって空間的に変化させることがで
きる。例えば、紫外線の干渉ビームに露光させることに
よってそのガラス媒体中に１つ以上のブラッグ位相格子
を誘起することができる。高強度の干渉紫外線レーザ・
ビームは局部的ビーム強度に直接関係付けられた局部屈
折率の変化を生じさせる。従って、この干渉ビームは干
渉ピーク間の間隔に対応する間隔を有する屈折率変化パ
ターンを生じさせる。これらの周期的変化はそこへ入射
する光に対しブラッグ格子として作用することができ
る。
は、そのガラス媒体の一部に紫外線露光を行ない、局部
的な屈折率変化を生じさせる。その露光の度合いは、位
相マスクを使用するか或いは干渉ビームを使用して露光
時間を変えることによって空間的に変化させることがで
きる。例えば、紫外線の干渉ビームに露光させることに
よってそのガラス媒体中に１つ以上のブラッグ位相格子
を誘起することができる。高強度の干渉紫外線レーザ・
ビームは局部的ビーム強度に直接関係付けられた局部屈
折率の変化を生じさせる。従って、この干渉ビームは干
渉ピーク間の間隔に対応する間隔を有する屈折率変化パ
ターンを生じさせる。これらの周期的変化はそこへ入射
する光に対しブラッグ格子として作用することができ
る。
【０００７】図２において、試験格子１１，１２が、先
に説明したガラス・ファイバ１０の端面上に２本の紫外
線ビーム（２４２ｎｍ波長）を干渉させることによって
そのガラス・ファイバのコア１３内に形成された。尚、
コア１３の外周にクラッド層１４が形成されている。そ
の紫外線は、１５ｎｓ（ナノ秒）のパルスを３０Ｈｚの
繰り返し速度で生ずるＸｅＦエキシマ・レーザによって
励起される色素レーザを周波数逓倍することによって発
光された。それら干渉ビームは上記ガラス・ファイバ上
にほぼガウス時平均プロフィールを持つ、６ｍｍの長径
と５０μｍの短径を持つ大きさのスポットに集束され
た。その平均電力は１５乃至２０ｍＷとされ、そのガラ
ス・ファイバ１０は上記格子が９０％のピーク反射率に
達するまで露光された（なお、代表的な露光時間は３０
秒から６０秒の間である）。この場合の紫外線誘起屈折
率変化のピーク値は２×１０ー 4であると概算された。
に説明したガラス・ファイバ１０の端面上に２本の紫外
線ビーム（２４２ｎｍ波長）を干渉させることによって
そのガラス・ファイバのコア１３内に形成された。尚、
コア１３の外周にクラッド層１４が形成されている。そ
の紫外線は、１５ｎｓ（ナノ秒）のパルスを３０Ｈｚの
繰り返し速度で生ずるＸｅＦエキシマ・レーザによって
励起される色素レーザを周波数逓倍することによって発
光された。それら干渉ビームは上記ガラス・ファイバ上
にほぼガウス時平均プロフィールを持つ、６ｍｍの長径
と５０μｍの短径を持つ大きさのスポットに集束され
た。その平均電力は１５乃至２０ｍＷとされ、そのガラ
ス・ファイバ１０は上記格子が９０％のピーク反射率に
達するまで露光された（なお、代表的な露光時間は３０
秒から６０秒の間である）。この場合の紫外線誘起屈折
率変化のピーク値は２×１０ー 4であると概算された。
【０００８】図１のブロックＣに示す次のステップで
は、上記光素子が上記誘起屈折率変化中に僅かδｎopの
損失で動作温度Ｔopで時間ｔopの間動作するように、露
光された上記ガラス媒体をアニーリング温度Ｔanでアニ
ーリング時間ｔanの間加熱する。誘起された上記屈折率
Δｎの老化は
は、上記光素子が上記誘起屈折率変化中に僅かδｎopの
損失で動作温度Ｔopで時間ｔopの間動作するように、露
光された上記ガラス媒体をアニーリング温度Ｔanでアニ
ーリング時間ｔanの間加熱する。誘起された上記屈折率
Δｎの老化は
【数５】 に比例し、且つ、上記光素子は加速エージングを受け容
れるので、所定の条件に適合させることが可能な状態に
上記光素子をエージングすることが必ずできる。このこ
とは、［数５］に比例する曲線をプロットした図３を参
照することによって理解することができる。この図３の
実験データは上記誘起屈折率の初期の大きさの９８％か
ら３５％の範囲の誘起屈折率に渡って採取されたもので
ある。図３から分かるように、単位時間当たりの老化の
量は時間の増加と共に減少する。更に、エージングは動
作温度Ｔopより高いアニーリング温度Ｔan（即ち、Ｔan
＞Ｔop）を使用することによって加速させることがで
きるので、必要なエージングが稼働期間ｔopより極めて
短いアニーリング時間ｔanで達成されるようにすること
ができる。即ち、アニーリング時間ｔanを動作時間ｔop
の１０％かそれ以下に相当短くすることができる。適切
なアニーリング時間及びアニーリング温度を計算するた
めのアルゴリズムは後でパートＩＩで述べ、観測された
挙動を説明する物理モデルをパートＩＩＩでのべる。要
約すると、上記光素子は、図３の曲線上の時点ｔ1で
は、時点ｔ1と時点ｔ1 ＋ ｔopとの間の老化が必要な性
能裕度未満となるように、熱処理される。
れるので、所定の条件に適合させることが可能な状態に
上記光素子をエージングすることが必ずできる。このこ
とは、［数５］に比例する曲線をプロットした図３を参
照することによって理解することができる。この図３の
実験データは上記誘起屈折率の初期の大きさの９８％か
ら３５％の範囲の誘起屈折率に渡って採取されたもので
ある。図３から分かるように、単位時間当たりの老化の
量は時間の増加と共に減少する。更に、エージングは動
作温度Ｔopより高いアニーリング温度Ｔan（即ち、Ｔan
＞Ｔop）を使用することによって加速させることがで
きるので、必要なエージングが稼働期間ｔopより極めて
短いアニーリング時間ｔanで達成されるようにすること
ができる。即ち、アニーリング時間ｔanを動作時間ｔop
の１０％かそれ以下に相当短くすることができる。適切
なアニーリング時間及びアニーリング温度を計算するた
めのアルゴリズムは後でパートＩＩで述べ、観測された
挙動を説明する物理モデルをパートＩＩＩでのべる。要
約すると、上記光素子は、図３の曲線上の時点ｔ1で
は、時点ｔ1と時点ｔ1 ＋ ｔopとの間の老化が必要な性
能裕度未満となるように、熱処理される。
【０００９】ＩＩ．本発明の方法（定量的局面） 発明者らは動作温度Ｔopの下に置かれたガラス媒体の紫
外線誘起屈折率変化Δｎiが［数５］に比例して老化す
ることとなることを確かめた。なお、この比例項におい
てＡは動作温度Ｔopの関数である老化前因子であり、同
様にαは動作温度Ｔopの関数である老化定数である。発
明者らは更に、この老化モデルを用いて、今や或る動作
温度Ｔopで所定の稼働期間ｔopの間、上記光素子を所定
の屈折率変化δｎop以内に維持する運用前熱処理の過程
を規定することができることに気付いた。
外線誘起屈折率変化Δｎiが［数５］に比例して老化す
ることとなることを確かめた。なお、この比例項におい
てＡは動作温度Ｔopの関数である老化前因子であり、同
様にαは動作温度Ｔopの関数である老化定数である。発
明者らは更に、この老化モデルを用いて、今や或る動作
温度Ｔopで所定の稼働期間ｔopの間、上記光素子を所定
の屈折率変化δｎop以内に維持する運用前熱処理の過程
を規定することができることに気付いた。
【００１０】そのような熱処理を規定する能力は、正規
化された紫外線誘起屈折率変化ηの動作温度Ｔopでの老
化を時間の関数として簡略に示すグラフである図３を参
照することによって理解することができる。もし、ｔ1
が、光素子の動作が始まる時点であれば、ｔ1 ＋ ｔop
は上記光素子がその事前に評定された動作寿命を終える
時点である。もしΔｎopが時点ｔ1での誘起屈折率変化
であれば、上記屈折率がその動作寿命中δｎop以上には
老化しないためには、Δｎが時点ｔ1 ＋ ｔopでΔｎop
− δｎop以上であることが必要とされる。
化された紫外線誘起屈折率変化ηの動作温度Ｔopでの老
化を時間の関数として簡略に示すグラフである図３を参
照することによって理解することができる。もし、ｔ1
が、光素子の動作が始まる時点であれば、ｔ1 ＋ ｔop
は上記光素子がその事前に評定された動作寿命を終える
時点である。もしΔｎopが時点ｔ1での誘起屈折率変化
であれば、上記屈折率がその動作寿命中δｎop以上には
老化しないためには、Δｎが時点ｔ1 ＋ ｔopでΔｎop
− δｎop以上であることが必要とされる。
【００１１】ｔ1が上記光素子を処理するには非現実的
な長時間であるかも知れないが、発明者らは更に加速エ
ージングが可能であること、即ち、動作温度Ｔopより高
い温度Ｔan（即ち、Ｔan ＞ Ｔop）で、稼働期間ｔopよ
り極めて短い時間ｔan（即ち、ｔan ＜＜ ｔ1）の間上
記光素子を処理することによって光素子の安定性を確実
にするために同等の効果を達成することができることを
発見した。
な長時間であるかも知れないが、発明者らは更に加速エ
ージングが可能であること、即ち、動作温度Ｔopより高
い温度Ｔan（即ち、Ｔan ＞ Ｔop）で、稼働期間ｔopよ
り極めて短い時間ｔan（即ち、ｔan ＜＜ ｔ1）の間上
記光素子を処理することによって光素子の安定性を確実
にするために同等の効果を達成することができることを
発見した。
【００１２】紫外線誘起屈折率変化を使用する光素子の
設計者が直面する問題は、次の如く説明することができ
る。即ち、「動作温度Ｔopで少なくともｔopの稼働期間
の間に渡って光素子を使用することができるためにはそ
の光素子をどのように処理すればよいかの問題」、「上
記光素子は、紫外線誘起屈折率変化がｔopの間に渡りδ
ｎop以上には老化しないことが必要である問題」、「特
に、所望の結果を生み出すアニーリング時間ｔan及びア
ニーリング温度Ｔanの各範囲はどのような範囲であるか
の問題」が有る。
設計者が直面する問題は、次の如く説明することができ
る。即ち、「動作温度Ｔopで少なくともｔopの稼働期間
の間に渡って光素子を使用することができるためにはそ
の光素子をどのように処理すればよいかの問題」、「上
記光素子は、紫外線誘起屈折率変化がｔopの間に渡りδ
ｎop以上には老化しないことが必要である問題」、「特
に、所望の結果を生み出すアニーリング時間ｔan及びア
ニーリング温度Ｔanの各範囲はどのような範囲であるか
の問題」が有る。
【００１３】具体的なガラス媒体についてそれらの値を
得るためには、少なくとも２つの温度、例えばＴ1及び
Ｔ2について実験的な老化曲線をプロットし、それら観
測された曲線を
得るためには、少なくとも２つの温度、例えばＴ1及び
Ｔ2について実験的な老化曲線をプロットし、それら観
測された曲線を
【数６】 の形に当て嵌めるためのα1、α2及びＡ1、Ａ2を通例の
曲線当て嵌め手法によって計算しなければならない。老
化が事前に評定される動作温度Ｔopより高い温度Ｔ1及
びＴ2を選ぶことによってパラメータＡ及びαを迅速に
求めることができる利点がある。動作温度Ｔopに対応す
るそれらパラメータＡ及びαは次の各関係式によって容
易に計算することができる。即ち、
曲線当て嵌め手法によって計算しなければならない。老
化が事前に評定される動作温度Ｔopより高い温度Ｔ1及
びＴ2を選ぶことによってパラメータＡ及びαを迅速に
求めることができる利点がある。動作温度Ｔopに対応す
るそれらパラメータＡ及びαは次の各関係式によって容
易に計算することができる。即ち、
【数７】
【数８】 なお、それらにおいて、
【数９】
【数１０】
【数１１】 である。
【００１４】分析すると、ｔ1はここで次の等式、即ち
【数１２】 を解くことによって求めることができる。
【００１５】一旦、ｔ1が計算されると、加速エージン
グの条件は図３のｔ1においてその光素子の老化と同等
な老化を生じるように規定することができる。具体的に
は、Ｔan及びｔanの任意の組み合わせを使用して次の等
式を解くことができる。
グの条件は図３のｔ1においてその光素子の老化と同等
な老化を生じるように規定することができる。具体的に
は、Ｔan及びｔanの任意の組み合わせを使用して次の等
式を解くことができる。
【数１３】 具体的には、Ｔan以上（即ち、≧ Ｔan）のアニーリン
グ温度を使用してｔan以上（即ち、≧ ｔan）のアニー
リング時間を得ることができる。
グ温度を使用してｔan以上（即ち、≧ ｔan）のアニー
リング時間を得ることができる。
【００１６】以上の教示を紫外線誘起格子を持つエルビ
ウム光ファイバ・レーザの具体例に適用するには、その
ようなレーザが経済性が支配する海底ケーブルでの単一
モード・レーザとして熟慮され、それらが多年に渡って
サービス無しで動作しなければならないことに留意する
必要がある。上記紫外線誘起屈折率変化が僅か７％低下
するだけで、そのようなレーザが単一モード動作からそ
のケーブル・システムに深刻な結果をもたらす多モード
動作へ変わることがある。
ウム光ファイバ・レーザの具体例に適用するには、その
ようなレーザが経済性が支配する海底ケーブルでの単一
モード・レーザとして熟慮され、それらが多年に渡って
サービス無しで動作しなければならないことに留意する
必要がある。上記紫外線誘起屈折率変化が僅か７％低下
するだけで、そのようなレーザが単一モード動作からそ
のケーブル・システムに深刻な結果をもたらす多モード
動作へ変わることがある。
【００１７】図４は、上記の例のレーザのガラス媒体
を、３００Ｋでの１００年の老化と等価な量だけエージ
ングするために種々の温度で必要とされる時間をプロッ
トしたグラフである。そのようなエージング後、３００
Ｋでの次の１００年間の屈折率の低下は１％未満になる
ものと思われる。
を、３００Ｋでの１００年の老化と等価な量だけエージ
ングするために種々の温度で必要とされる時間をプロッ
トしたグラフである。そのようなエージング後、３００
Ｋでの次の１００年間の屈折率の低下は１％未満になる
ものと思われる。
【００１８】上記各断定をテストするために、光ファイ
バ・レーザを１２０℃で４８時間アニーリングし、続い
て１００℃で１８００時間動作させた（これは６５℃で
５０年間の動作に対応する）。その結果、この光ファイ
バ・レーザはその時間中、２重モード動作以上のモード
跳躍の兆候を示さなかった。
バ・レーザを１２０℃で４８時間アニーリングし、続い
て１００℃で１８００時間動作させた（これは６５℃で
５０年間の動作に対応する）。その結果、この光ファイ
バ・レーザはその時間中、２重モード動作以上のモード
跳躍の兆候を示さなかった。
【００１９】ＩＩＩ．紫外線誘起屈折率変化の物理モデ
ル 本発明の必須要件ではないが、発明者らの最新の考えで
は、紫外線感光性ガラス中で電子が感光性欠陥部からの
紫外線によって励起される。続いて、これら励起された
電子が単一のトラップ・レベルと言うより、むしろ連続
的に分布したエネルギー・レベルにトラップされる。そ
の連続的に分布したエネルギー・レベルの中の１つのエ
ネルギー・レベルから熱励起によって電子がトラップか
ら解放される率は、その熱励起の温度及びトラップ状態
の深さに依存している。熱的にそれらトラップから解放
されると、電子は紫外線励起の前に塞がれていた元の深
いエネルギー・レベルに再び分布する。
ル 本発明の必須要件ではないが、発明者らの最新の考えで
は、紫外線感光性ガラス中で電子が感光性欠陥部からの
紫外線によって励起される。続いて、これら励起された
電子が単一のトラップ・レベルと言うより、むしろ連続
的に分布したエネルギー・レベルにトラップされる。そ
の連続的に分布したエネルギー・レベルの中の１つのエ
ネルギー・レベルから熱励起によって電子がトラップか
ら解放される率は、その熱励起の温度及びトラップ状態
の深さに依存している。熱的にそれらトラップから解放
されると、電子は紫外線励起の前に塞がれていた元の深
いエネルギー・レベルに再び分布する。
【００２０】トラップに捕捉された後の時点ｔで、エネ
ルギー・レベル分布は分界点エネルギーＥdによって分
割された２つのグループに分離される。Ｅ ＜ Ｅdであ
る第１のグループは、Ｅ ＝ ０より高い伝導状態を持つ
熱平衡になっている。Ｅ ＞ Ｅdである第２のグループ
は、時点ｔまで非常に深く熱的に励起されていたもので
ある。
ルギー・レベル分布は分界点エネルギーＥdによって分
割された２つのグループに分離される。Ｅ ＜ Ｅdであ
る第１のグループは、Ｅ ＝ ０より高い伝導状態を持つ
熱平衡になっている。Ｅ ＞ Ｅdである第２のグループ
は、時点ｔまで非常に深く熱的に励起されていたもので
ある。
【００２１】上記誘起屈折率変化の各値に関連する特異
な分界点エネルギーＥdが存在する。僅かな誘起屈折率
変化を除去することは、Ｅdより高いエネルギーを持つ
トラップを非変化状態に残したままで、Ｅdより低いエ
ネルギーを持つトラップを熱処理で空にすることに相当
する。
な分界点エネルギーＥdが存在する。僅かな誘起屈折率
変化を除去することは、Ｅdより高いエネルギーを持つ
トラップを非変化状態に残したままで、Ｅdより低いエ
ネルギーを持つトラップを熱処理で空にすることに相当
する。
【００２２】その温度を調整することによって、屈折率
変化が老化する速度を制御することができる。同様に、
或る所定の温度での老化の進行は、時間が進行するとと
もに遅くなっていく。従って、加速エージングには温度
を高くすることによって急速な老化を誘起し、続いて、
その老化の過程がそれ以上の老化が十分遅くなっている
時点に進行すると、温度を低くする。従って、アニーリ
ングし、その光素子の動作寿命に渡って相当な量の老化
を引き起こすこととなる不安定なトラップ状態を一掃
し、更にその光素子の所定の寿命に渡って誘起屈折率変
化の老化を単に遅くさせる上記安定なトラップ状態のみ
を保持することによって、光素子を安定化させることが
できる。
変化が老化する速度を制御することができる。同様に、
或る所定の温度での老化の進行は、時間が進行するとと
もに遅くなっていく。従って、加速エージングには温度
を高くすることによって急速な老化を誘起し、続いて、
その老化の過程がそれ以上の老化が十分遅くなっている
時点に進行すると、温度を低くする。従って、アニーリ
ングし、その光素子の動作寿命に渡って相当な量の老化
を引き起こすこととなる不安定なトラップ状態を一掃
し、更にその光素子の所定の寿命に渡って誘起屈折率変
化の老化を単に遅くさせる上記安定なトラップ状態のみ
を保持することによって、光素子を安定化させることが
できる。
【００２３】ＩＶ．光素子安定化のための物理モデルの
掛かり合い この物理モデルは光素子安定化のための一般的な手順を
規定し、老化が独立した活性化エネルギーの分布によっ
て支配される場合は何時でも適用することができる。定
義によって、活性化エネルギーＥを持つ活性プロセスが
νoｅｘｐ（−Ｅ／ｋＴ）の率で起きる。ここで、Ｔは
温度であり、ｋはボルツマン定数である。その結果、そ
の試みの頻度νoは代表的には極めて速く、原子プロセ
スに対して１０10乃至１０16ｓｅｃ-1の範囲である。従
って、上記速度が１／ｔに等しいときの分界点エネルギ
ーＥdは、単にＥd ＝ ｋＴＬｎ（νoｔ）で与えられ
る。この手順は、塞がれたトラップの残留原子数が初期
にＥ ＞ Ｅdのグループでもたらされた数であり、従っ
てＥdにのみ依存し、そのＥdを生じさせる温度Ｔ及び時
間ｔの特定の組み合わせには依存しないことに根拠を置
いている。
掛かり合い この物理モデルは光素子安定化のための一般的な手順を
規定し、老化が独立した活性化エネルギーの分布によっ
て支配される場合は何時でも適用することができる。定
義によって、活性化エネルギーＥを持つ活性プロセスが
νoｅｘｐ（−Ｅ／ｋＴ）の率で起きる。ここで、Ｔは
温度であり、ｋはボルツマン定数である。その結果、そ
の試みの頻度νoは代表的には極めて速く、原子プロセ
スに対して１０10乃至１０16ｓｅｃ-1の範囲である。従
って、上記速度が１／ｔに等しいときの分界点エネルギ
ーＥdは、単にＥd ＝ ｋＴＬｎ（νoｔ）で与えられ
る。この手順は、塞がれたトラップの残留原子数が初期
にＥ ＞ Ｅdのグループでもたらされた数であり、従っ
てＥdにのみ依存し、そのＥdを生じさせる温度Ｔ及び時
間ｔの特定の組み合わせには依存しないことに根拠を置
いている。
【００２４】この手順は以下のとおりである。
【００２５】（１）その光素子の代表的な標本につい
て、２つの温度、即ち、Ｔ1及びＴ2で実験的な老化が求
められる。これら求められた老化は十分な継続期間を持
ち、且つ、それらが共に或る値のΔｎ（ｔ）を持つ温度
に十分に近いものでなければならない。
て、２つの温度、即ち、Ｔ1及びＴ2で実験的な老化が求
められる。これら求められた老化は十分な継続期間を持
ち、且つ、それらが共に或る値のΔｎ（ｔ）を持つ温度
に十分に近いものでなければならない。
【００２６】（２）上記２つの老化間に共通なΔｎref
の値が選ばれている老化はＥdにのみ依存するので、温
度Ｔ1での老化がΔｎrefに達する時点ｔ1、及び、温度
Ｔ2での老化に対する対応する時点ｔ2が、ｋＴ1Ｌｎ
（νoｔ1） ＝ ｋＴ2Ｌｎ（νoｔ2）の関係を持つ。従
ってνoの値は［数３］で求められる。
の値が選ばれている老化はＥdにのみ依存するので、温
度Ｔ1での老化がΔｎrefに達する時点ｔ1、及び、温度
Ｔ2での老化に対する対応する時点ｔ2が、ｋＴ1Ｌｎ
（νoｔ1） ＝ ｋＴ2Ｌｎ（νoｔ2）の関係を持つ。従
ってνoの値は［数３］で求められる。
【００２７】（３）このνoの値によって、全老化デー
タは、同一の関数従属性；Δｎ ＝ｆ（Ｅd）に従うであ
ろう。なお、ここで、Ｅd ＝ ｋＴＬｎ（νoｔ）であ
る。この断定の精度は、Δｎの他の値或いは他の温度で
のデータを比較することによって確かめることができ
る。
タは、同一の関数従属性；Δｎ ＝ｆ（Ｅd）に従うであ
ろう。なお、ここで、Ｅd ＝ ｋＴＬｎ（νoｔ）であ
る。この断定の精度は、Δｎの他の値或いは他の温度で
のデータを比較することによって確かめることができ
る。
【００２８】（４）アニーリングされていない光素子の
その寿命中における老化は、Ｅop＝ ｋＴopＬｎ（νoｔ
op）であるエネルギーＥopにおいて、Δｎ ＝ ｆ
（Ｅop）から決定することができる。所望の寿命は代表
的には実験によってアクセスすることができるものより
遥かに長いので、この断定に関するデータは、通常、よ
り短い時間、但しそれに対応して高い温度でのデータか
ら得られることとなる。
その寿命中における老化は、Ｅop＝ ｋＴopＬｎ（νoｔ
op）であるエネルギーＥopにおいて、Δｎ ＝ ｆ
（Ｅop）から決定することができる。所望の寿命は代表
的には実験によってアクセスすることができるものより
遥かに長いので、この断定に関するデータは、通常、よ
り短い時間、但しそれに対応して高い温度でのデータか
ら得られることとなる。
【００２９】（５）温度Ｔanでの時間ｔanに渡る加速エ
ージングは、温度Ｔopでの等価アニーリング時間ｔeqで
表わすことができる。なお、等価アニーリング時間ｔeq
は、ｋＴanＬｎ（νoｔan） ＝ ｋＴopＬｎ（νoｔeq）
の関係を満たし、従って、
ージングは、温度Ｔopでの等価アニーリング時間ｔeqで
表わすことができる。なお、等価アニーリング時間ｔeq
は、ｋＴanＬｎ（νoｔan） ＝ ｋＴopＬｎ（νoｔeq）
の関係を満たし、従って、
【数１４】 で与えられる。Ｔan ＞＞ νo -1であるので、動作温度
Ｔopを超えるアニーリング温度Ｔanが僅か上昇するだけ
でも極めて長い等価アニーリング時間ｔeqが得られる。
従って、このアニーリング条件は次の関係、即ち、
Ｔopを超えるアニーリング温度Ｔanが僅か上昇するだけ
でも極めて長い等価アニーリング時間ｔeqが得られる。
従って、このアニーリング条件は次の関係、即ち、
【数１５】 となるように選ばれなければならない。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は次の効果
が有る。即ち、ガラス媒体中でのの紫外線誘起屈折率変
化を使用する光素子は、（１）事前に評定された動作温
度で事前に評定されたアニーリング時間の間に更に為さ
れるエージングによって誘起屈折率変化の特定のレベル
を超える老化が生じなくなる条件にその光素子を合わせ
るために必要なエージングの量を決定し、且つ、（２）
その光素子を動作の前にその光素子をその求められた条
件に合わせるのに十分な時間の間上記動作温度より高い
温度で前以てアニーリングすることにより、特定のレベ
ルを超える老化に抗して安定化させることができる。
が有る。即ち、ガラス媒体中でのの紫外線誘起屈折率変
化を使用する光素子は、（１）事前に評定された動作温
度で事前に評定されたアニーリング時間の間に更に為さ
れるエージングによって誘起屈折率変化の特定のレベル
を超える老化が生じなくなる条件にその光素子を合わせ
るために必要なエージングの量を決定し、且つ、（２）
その光素子を動作の前にその光素子をその求められた条
件に合わせるのに十分な時間の間上記動作温度より高い
温度で前以てアニーリングすることにより、特定のレベ
ルを超える老化に抗して安定化させることができる。
【００３１】より具体的には、もしその光素子が稼働期
間ｔopの間に渡ってδｎop未満の誘起屈折率変化の老化
を持ってその稼働期間ｔopの間最高動作温度Ｔopで動作
するように設計される場合、その光素子を、（１）ガラ
ス媒体を準備し、（２）そのガラス媒体を紫外線に露光
させて屈折率変化を誘起させ、（３）動作温度Ｔopでの
そのガラス媒体中の誘起屈折率変化の老化特性曲線を決
定し、（４）その老化特性曲線上の、稼働期間ｔopの経
過によってδｎ未満の老化が生じるようになる点Ｐを調
べ、（５）動作温度Ｔopより高いアニーリング温度Ｔan
（即ち、Ｔan＞ Ｔop）で上記老化特性曲線上の点Ｐに
対応する稼働期間ｔopより短いアニーリング時間ｔ
an（即ち、ｔan ＜ ｔop）の間、そのガラス媒体を加熱
することによって、作製することができる。
間ｔopの間に渡ってδｎop未満の誘起屈折率変化の老化
を持ってその稼働期間ｔopの間最高動作温度Ｔopで動作
するように設計される場合、その光素子を、（１）ガラ
ス媒体を準備し、（２）そのガラス媒体を紫外線に露光
させて屈折率変化を誘起させ、（３）動作温度Ｔopでの
そのガラス媒体中の誘起屈折率変化の老化特性曲線を決
定し、（４）その老化特性曲線上の、稼働期間ｔopの経
過によってδｎ未満の老化が生じるようになる点Ｐを調
べ、（５）動作温度Ｔopより高いアニーリング温度Ｔan
（即ち、Ｔan＞ Ｔop）で上記老化特性曲線上の点Ｐに
対応する稼働期間ｔopより短いアニーリング時間ｔ
an（即ち、ｔan ＜ ｔop）の間、そのガラス媒体を加熱
することによって、作製することができる。
【００３２】発明者らは、これら光素子の老化特性曲線
は点Ｐを正の値を持つδｎop（即ち、δｎop ＞ ０）に
対して見いだすことができる老化特性曲線であり、それ
ら光素子中での老化メカニズムがエージングをより高い
温度を使用することによって加速させることができるメ
カニズムであることを見いだした。
は点Ｐを正の値を持つδｎop（即ち、δｎop ＞ ０）に
対して見いだすことができる老化特性曲線であり、それ
ら光素子中での老化メカニズムがエージングをより高い
温度を使用することによって加速させることができるメ
カニズムであることを見いだした。
【００３３】更により具体的には、動作温度Ｔopについ
ての老化特性曲線はその動作温度Ｔopより高い２つの温
度Ｔ1（Ｔ1 ＞ Ｔop）及びＴ2（Ｔ2 ＞ Ｔop）での老化
特性曲線から迅速に求めることができる。具体的には、
動作温度Ｔopに関して、Δｎiは
ての老化特性曲線はその動作温度Ｔopより高い２つの温
度Ｔ1（Ｔ1 ＞ Ｔop）及びＴ2（Ｔ2 ＞ Ｔop）での老化
特性曲線から迅速に求めることができる。具体的には、
動作温度Ｔopに関して、Δｎiは
【数１６】 に比例する。なお、この比例項において
【数１７】
【数１８】
【数９】
【数１０】
【数１１】 である。
【００３４】更に一般的には、与えられた物理モデルに
よれば、老化が独立した活性化エネルギーの分布によっ
て支配される媒体中での誘起屈折率変化を使用する光素
子は動作温度Ｔopでの稼働期間ｔopの間の動作を、その
光素子を次の関係、即ち、
よれば、老化が独立した活性化エネルギーの分布によっ
て支配される媒体中での誘起屈折率変化を使用する光素
子は動作温度Ｔopでの稼働期間ｔopの間の動作を、その
光素子を次の関係、即ち、
【数１５】 を満たす温度Ｔan及び時間ｔanでアニーリングすること
により、特定レベルδｎopを超える老化に抗して安定化
することができる。
により、特定レベルδｎopを超える老化に抗して安定化
することができる。
【００３５】本方法は、光ファイバ・レーザのような紫
外線誘起ブラッグ格子を包含する光素子に対して特に有
益である。
外線誘起ブラッグ格子を包含する光素子に対して特に有
益である。
【図１】安定な紫外線誘起屈折率変化を有する光素子を
作製するステップを示すブロック図である。
作製するステップを示すブロック図である。
【図２】光ファイバ・レーザを包含する、紫外線誘起屈
折率変化を使用する光素子の一例を示す概略図である。
折率変化を使用する光素子の一例を示す概略図である。
【図３】紫外線誘起屈折率変化の老化を時間の関数とし
て示すグラフである。
て示すグラフである。
【図４】ガラス媒体をエージングするために必要な種々
の温度に対する時間をプロットして示すグラフである。
の温度に対する時間をプロットして示すグラフである。
１０ ガラス・ファイバ １１，１２ 試験格子 １３ コア １４ クラッド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポール ジョセフ ルメイル アメリカ合衆国、07940 ニュー ジャ ージー、マディソン、ファーンデイル ロード 18 (72)発明者 ビクター ミズラヒ アメリカ合衆国、07921 ニュー ジャ ージー、ベッドミンスター、カーディナ ル レーン 412 (72)発明者 ドナルド ポール モンロー アメリカ合衆国、07901 ニュー ジャ ージー、サミット、ウィンチップ ロー ド 35 (56)参考文献 特開 平６−118257（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−77574（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開569182（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/00 - 6/54 G02B 5/18
Claims (5)
- 【請求項１】動作温度Ｔopにおいて稼働期間ｔopにわた
る輻射線誘起屈折率変化の老化がδｎop未満となるよう
に、光素子のガラス媒体において時間とともに老化する
輻射線誘起屈折率変化を安定化させる光素子の安定化方
法であって、前記ガラス媒体は前記動作温度Ｔopにおい
て時間の関数としての前記誘起屈折率変化の老化特性曲
線を有し、 前記稼働期間ｔopの間の前記輻射線誘起屈折率変化の老
化がδｎop未満となるように、１／（１＋Ａiｔα）に
比例する輻射線誘起屈折率変化の前記老化特性曲線上に
おける輻射線誘起屈折率変化の値Δｎop を決定するス
テップと、 前記動作温度Ｔopを超えるアニーリング温度Ｔanで、前
記稼働期間ｔop未満のアニーリング時間ｔanの間、前記
ガラス媒体を加熱することにより、この加熱ステップの
終了時における前記ガラス媒体の前記誘起屈折率変化が
Δｎop となるようにするステップと、 を備えたことを特徴とする光素子の安定化方法。 - 【請求項２】Ｔ1＞Ｔopなる第１の温度Ｔ1とＴ2＞Ｔop
なる第２の温度Ｔ2とを含む少なくとも２つの温度につ
いて前記ガラス媒体の前記老化特性曲線を決定し、Ｔ1
とＴ2のそれぞれにおける前記老化特性曲線からＴopに
おける前記輻射線誘起屈折率変化の老化特性曲線を推定
することによって、動作温度Ｔopにおける前記輻射線誘
起屈折率変化の老化特性曲線を実験的に決定することを
特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項３】前記ガラス媒体における前記輻射線誘起屈
折率変化は、前記ガラス媒体を紫外線に露光することに
より誘起されることを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項４】前記光素子は、光ファイバ・レーザを含む
ことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項５】前記光素子は、光フィルタを含むことを特
徴とする請求項１記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US15212093A | 1993-11-12 | 1993-11-12 | |
| US152120 | 1993-11-12 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07187695A JPH07187695A (ja) | 1995-07-25 |
| JP3153083B2 true JP3153083B2 (ja) | 2001-04-03 |
Family
ID=22541596
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30159694A Expired - Fee Related JP3153083B2 (ja) | 1993-11-12 | 1994-11-11 | 光素子の安定化方法 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5620496A (ja) |
| EP (1) | EP0653652B1 (ja) |
| JP (1) | JP3153083B2 (ja) |
| KR (1) | KR100351218B1 (ja) |
| AU (1) | AU683305B2 (ja) |
| CA (1) | CA2133849C (ja) |
| DE (1) | DE69417687T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019044331A1 (ja) | 2017-08-31 | 2019-03-07 | 株式会社フジクラ | 加熱条件の設定方法、ファイバブラッググレーティングの製造方法、及びファイバレーザシステムの製造方法 |
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| US6111681A (en) | 1996-02-23 | 2000-08-29 | Ciena Corporation | WDM optical communication systems with wavelength-stabilized optical selectors |
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- 1994-11-02 DE DE69417687T patent/DE69417687T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1994-11-03 AU AU77639/94A patent/AU683305B2/en not_active Ceased
- 1994-11-03 KR KR1019940028716A patent/KR100351218B1/ko not_active IP Right Cessation
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| AU7763994A (en) | 1995-05-18 |
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