JP3458870B2 - 光ファイバ型回折格子の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光誘起屈折率変化を用
いて光ファイバ内に回折格子を形成する技術に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、光ファイバに紫外光の干渉縞
を照射することで光ファイバのコアに光誘起屈折率変化
を生じさせ、光ファイバ型の回折格子を形成する方法が
知られている。例えば、特許出願公表昭和６２−５００
０５２号公報には、二光束干渉計を用いて光ファイバの
コアに一定周期の光ファイバ型回折格子（等格子間隔の
回折格子）を形成する方法が記載されている。

【０００３】この光ファイバ型回折格子は、光ファイバ
のコアの一領域であって実効屈折率が軸方向に沿って周
期的に変化しているものであり、コアの実効屈折率と格
子周期とから定まるブラッグ反射波長を中心とした比較
的狭い波長域の光を反射する。このような光ファイバ型
回折格子は、波長選択性の良い単波長フィルタとして用
いることができる。

【０００４】多チャンネル通信システム等では、波長の
異なる複数の光を反射する多波長反射の光ファイバ型回
折格子が必要となる場合がある。従来では、一本の光フ
ァイバの複数の領域に周期の異なる干渉縞をそれぞれ照
射し、ブラッグ反射波長の異なる複数の回折格子を直列
に形成することで、全体として多波長反射を行う光ファ
イバ型回折格子を形成している。

【０００５】また、帯域フィルタとして好適な光ファイ
バ型回折格子が必要な場合には、上述の方法において、
各干渉縞の周期の差を十分に小さくすれば良い。これに
より、連続的な反射波長域を有する光ファイバ型回折格
子が形成される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法では、周期の異なる回折格子を複数形成する必要が
あり、干渉縞の周期を変更するたびに干渉計を構成する
ビームスプリッタや反射鏡の配置を調整する必要がある
ため、回折格子の形成に手間がかかり、十分な生産性を
得ることが困難であった。また、光学系の微調整を必要
とすることから、所望の光ファイバ型回折格子を再現性
良く形成することも困難であった。

【０００７】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもので、多波長反射の光ファイバ型回折格子や
連続的な反射波長域を有する光ファイバ型回折格子を効
率良く優れた再現性をもって形成する方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明の光ファイバ型回折格子の形成方法は、
互いに実効屈折率の異なるコアを備える第１及び第２の
感光性ファイバを端面同士で接続して連続した光ファイ
バを形成する第１の工程と、この光ファイバのうち第１
感光性ファイバと第２感光性ファイバとの接続部を含む
箇所に干渉縞を照射する第２の工程とを備えている。

【０００９】第１及び第２感光性ファイバのコアは、と
もに酸化ゲルマニウムが添加された石英ガラスから構成
されており、上記の干渉縞は紫外光であっても良い。

【００１０】この場合、第１の工程又は第２の工程に先
立って、第１感光性ファイバを加熱して酸化ゲルマニウ
ムを拡散させる工程をさらに備えていても良い。

【００１１】また、第１感光性ファイバのコア及び、ク
ラッドの少なくとも一方には、このコアの実効屈折率を
変化させる添加物が酸化ゲルマニウムに加えて添加され
ていても良い。この添加物としては、例えば、フッ素を
用いることができる。

【００１２】この場合、第１の工程又は第２の工程に先
立って、第１感光性ファイバを加熱して添加物を拡散さ
せる工程をさらに備えていても良い。

【００１３】

【作用】本発明の光ファイバ型回折格子の形成方法で
は、干渉縞が光ファイバに照射されることで、第１及び
第２の感光性ファイバの内部に干渉縞に対応した屈折率
変化が生じる。このようにして、第１感光性ファイバか
ら第２感光性ファイバにまたがって形成される屈折率変
化領域が、本発明により形成される光ファイバ型回折格
子である。

【００１４】第１及び第２の感光性ファイバはコアの実
効屈折率が互いに異なるため、第１感光性ファイバに形
成された屈折率変化領域と第２感光性ファイバに形成さ
れた屈折率変化領域とでは、ブラッグ反射波長が異な
る。このため、本発明で形成される光ファイバ型回折格
子は、多波長反射の回折格子あるいは連続的な反射波長
域を有する回折格子となる。

【００１５】本発明によれば、多波長反射の光ファイバ
型回折格子や連続的な反射波長域を有する光ファイバ型
回折格子が、一回の干渉縞照射により形成されるので効
率が良い。また、干渉縞照射のための光学系を調整する
必要もないので、この点からも効率が良いうえ、同じ光
ファイバ型回折格子を繰り返し形成する際の再現性にも
優れている。

【００１６】本発明において第１感光性ファイバのコア
及びクラッドの少なくとも一方にコアの実効屈折率を変
化させる添加物が添加されていると、例えば第１工程に
おいて第１及び第２感光性ファイバを融着により接続す
る場合等にこの添加物が拡散して第１感光性ファイバの
コアに軸方向に沿って滑らかに変化する実効屈折率分布
が形成される。この後、第２工程で干渉縞を照射すると
連続的な反射波長域を有する回折格子がコアに形成され
る。

【００１７】第１又は第２工程に先立って第１感光性フ
ァイバの加熱により上記添加物を拡散させておく場合
も、同様に第１感光性ファイバのコアに軸方向に沿って
滑らかに変化する実効屈折率分布が形成され、第２工程
で干渉縞が照射されると連続的な反射波長域を有する回
折格子がコアに形成される。

【００１８】

【実施例】以下、添付図面を参照しながら本発明の実施
例を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の
要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
また、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致して
いない。

【００１９】実施例１ 図１は、本実施例の回折格子形成方法を説明するための
図である。この図を参照しながら、本実施例の回折格子
形成方法を説明する。

【００２０】本実施例では、まず、異なる実効屈折率の
コアを有する二つの光ファイバ１０及び２０を用意す
る。本実施例で用意する光ファイバ１０及び２０は、と
もに石英系の光ファイバであり、酸化ゲルマニウム（Ｇ
ｅＯ₂ ）が添加された石英ガラス（ＳｉＯ₂ ）からなる
コアと、ほぼ純粋な石英ガラスからなるクラッドとを備
えている。ＧｅＯ₂ は、ＳｉＯ₂ の屈折率を高める添加
物（ドーパント）であり、これが添加されていることに
よって、コアの屈折率は、純石英からなるクラッドの屈
折率よりも高くなる。

【００２１】光ファイバ１０と２０とではＧｅＯ₂ の添
加量が異なっており、この結果、光ファイバ１０及び２
０のコアは互いに異なる実効屈折率を有することにな
る。図２は、光ファイバ１０及び２０について、ファイ
バ断面内の実効屈折率分布を示す図であり、（ａ）が光
ファイバ１０の実効屈折率分布を、（ｂ）が光ファイバ
２０の実効屈折率分布を示している。光ファイバ１０の
比屈折率差は０．３％であり、光ファイバ２０の比屈折
率差は１．０％である。本実施例では、光ファイバ２０
の方が光ファイバ１０よりもＧｅＯ₂ の添加量が多く、
このため、コアの実効屈折率も光ファイバ２０の方が高
くなっている。

【００２２】次に、本実施例の方法では、この光ファイ
バ１０と２０を公知の放電融着法により融着接続する。
具体的には、図１に示されるように、光ファイバ１０及
び２０の端部の被覆を除去し、露出した裸部分１１及び
２１の端面同士を突き合わせてから、融着接続する。こ
れにより、光ファイバ１０と２０とは接続部３０を介し
て永久的に接続され、連続した一本の光ファイバ１００
となる。

【００２３】続いて、図１に示されるように、光ファイ
バ１００に公知の二光束干渉露光法を用いて一定周期の
紫外光干渉縞を照射する。紫外光の光源としては、Ｋｒ
Ｆエキシマレーザ光源を用いている。この光源は、約２
４０ｎｍのコヒーレントな紫外光を、２．２Ｊ／ｃｍ²
の強さで発振するものである。この紫外光は、図示しな
いビームスプリッタにより透過光と反射光の２光束に分
岐された後、図示しない反射鏡によってそれぞれ反射さ
れ、図示の光束４０及び４１として裸部分１１及び２１
の所定箇所に照射される。なお、上記の二光束干渉露光
法は、特許出願公表昭和６２−５０００５２号公報に記
載されている。

【００２４】光束４０と４１は、相互に干渉して干渉空
間４５を生成する。この干渉空間では、縞間隔の一定な
干渉縞、すなわち一定周期の干渉縞が生成される。この
干渉縞は、裸部分１１及び２１のうち接続部３０を含む
箇所に照射される。

【００２５】公知の通り、ＧｅＯ₂ が添加された石英ガ
ラスに紫外光を照射すると実効屈折率が上昇する。この
場合、照射する紫外光の波長は、通常、約１５０ｎｍ〜
約３００ｎｍの波長域から選択される。

【００２６】上述のとおり、光ファイバ１０及び２０の
コアはＧｅＯ₂ が添加された石英ガラスから構成されて
いるので、裸部分１１及び１２のコアの双方に上記干渉
縞に応じた屈折率変化が生じる。図１において、裸部分
１１に生じた屈折率変化領域は符号５１で、裸部分２１
に生じた屈折率変化領域は符号５２で、それぞれ図示さ
れている。これらの屈折率変化領域は、各伝搬モードに
対する実効屈折率が光ファイバ１０、２０の軸方向に沿
って変化する領域である。これらは、一つの干渉縞を照
射することにより同時に形成されたものであるから、屈
折率変化の周期は互いに等しくなっている。

【００２７】屈折率変化領域５１及び５２から構成さ
れ、光ファイバ１０のコアから光ファイバ２０のコアに
またがる屈折率変化領域５０が、本実施例で形成された
光ファイバ型回折格子である。この回折格子５０は、光
ファイバ１００のコアの一領域であって、伝搬モードに
対する実効屈折率が軸方向に沿って最小屈折率と最大屈
折率の間で周期的に変化している領域である。なお、最
小屈折率は、コアの当初の実効屈折率（紫外光照射前の
実効屈折率）にほぼ等しい。

【００２８】回折格子５０を構成する屈折率変化領域５
１及び５２も、伝搬モードに対する実効屈折率が軸方向
に沿って最小屈折率と最大屈折率の間で周期的に変化し
ており、それぞれが一つの回折格子である。すなわち、
回折格子５０は、回折格子５１及び５２が光ファイバ１
００内に直列に配列されたものであり、回折格子５１及
び５２は回折格子５０の一部をなしている。したがっ
て、以下では、屈折率変化領域５１及び５２を、回折格
子５０を構成する部分格子と呼ぶことする。

【００２９】部分格子５１及び５２は、それぞれブラッ
グ波長λ_B を中心とする比較的狭い波長域にわたって所
定の反射率で光を反射する単波長フィルタとして機能す
る。ここで、部分格子の最小屈折率ｎ_MIN ＝ｎ₀ 、最大
屈折率ｎ_MAX ＝ｎ₀ ＋Δｎとし、回折格子の屈折率変化
の周期（以下、単に、回折格子の周期と呼ぶ。）をΛと
表すと、部分格子のブラッグ波長λ_B は、 λ_B ＝２・ｎ₀ ・Λ のように表される。

【００３０】図３は、本実施例の方法により形成された
光ファイバ型回折格子５０の反射スペクトルを示す図で
ある。この反射スペクトルには、部分格子５１及び５２
の反射スペクトルがそれぞれ独立して現れている。部分
格子５１及び５２は、それぞれコアの実効屈折率の異な
る光ファイバ１０及び２０に形成されたものであるた
め、ブラッグ反射波長λ_B も互いに異なっている。具体
的には、部分格子５１のブラッグ反射波長は約１５５０
ｎｍであり、部分格子５２のブラッグ反射波長は約１５
６０ｎｍである。このため、本実施例で形成された光フ
ァイバ型回折格子５０は、１５５０ｎｍ及び１５６０ｎ
ｍの波長の光を反射する多波長反射の回折格子となって
いる。

【００３１】上述のように本実施例の方法によれば、一
回の干渉縞照射により多波長反射の光ファイバ型回折格
子を形成することができるので、効率が良い。また、各
部分格子のブラッグ反射波長に応じて干渉光学系を構成
するビームスプリッタや反射鏡野の配置調整を行う必要
がないことからも、極めて効率が良く、再現性に優れた
回折格子形成が可能である。

【００３２】実施例２ 本実施例も、実施例１と同様に、異なる実効屈折率のコ
アを有する光ファイバ１０と２０を融着接続して一本の
連続した光ファイバ１００を形成した後、その接続部３
０を含む領域に紫外光干渉縞を照射して回折格子を形成
する。但し、光ファイバ１０のコアの組成は、実施例１
と異なっている。

【００３３】図４は、本実施例の光ファイバ１０及び２
０についてファイバ断面内の実効屈折率分布を示す図で
あり、（ａ）が光ファイバ１０の実効屈折率分布を、
（ｂ）が光ファイバ２０の実効屈折率分布を示してい
る。屈折率分布自体は実施例１と同様であるが、光ファ
イバ１０のコアにはＧｅＯ₂ のほかにＦ（フッ素）が添
加されており、この点で実施例１と異なっている。

【００３４】Ｆは、ＧｅＯ₂ とは逆に、ＳｉＯ₂ の屈折
率を低くする添加物である。本実施例の光ファイバ１０
のコアには、１．０％の比屈折率差を生じさせる量のＧ
ｅＯ₂ と、−０．７％の比屈折率差を生じさせる量のＦ
が添加されている。一方、光ファイバ２０のコアの組成
は実施例１と同様であり、１．０％の比屈折率差を生じ
させる量のＧｅＯ₂ のみが添加されている。このよう
に、本実施例では、光ファイバ１０と２０とで、コアに
添加されるＧｅＯ₂ の量を同一としている。

【００３５】光ファイバ１０のコアに添加されたＦは、
融着時の加熱により、主として光ファイバの径方向に拡
散する。これによって、コアの実効屈折率分布が変化す
る。Ｆは屈折率を低くする添加物であるから、拡散度が
大きいほどコアの実効屈折率は上昇する。ＧｅＯ₂ はＦ
に比べて拡散が非常に遅いため、本実施例における屈折
率分布変化には殆ど寄与しない。

【００３６】図５は、接続部３０周辺における光ファイ
バ１０の一箇所について、融着後におけるファイバ断面
内での実効屈折率分布を示した図である。径方向へのＦ
の拡散により、融着前の実効屈折率分布（図４（ａ））
とは異なっている。

【００３７】融着時における光ファイバ１０及び２０の
温度は、軸方向に沿って接続部３０に近い部分ほど高
く、遠い部分ほど低くなる。Ｆの拡散度は温度が高いほ
ど大きいので、Ｆ添加の光ファイバ１０のうち接続部に
近い部分ほど拡散度は大きく、コアの実効屈折率も大き
くなる。このようなＦの拡散度の軸方向に沿った変化に
応じて、光ファイバ１０の軸方向に沿った実効屈折率の
滑らかな変化が生じる。

【００３８】図６は、光ファイバ１０及び２０のコアに
ついて軸方向の実効屈折率分布を示す図である。接続部
３０のごく近傍では殆どのＦが拡散してしまうので、こ
の部分において光ファイバ１０は、ＧｅＯ₂ のみに基づ
く１．０％の比屈折率差を有することになる。このた
め、光ファイバ１０及び２０の各コアの実効屈折率は接
続部３０にてほぼ等しくなる。また、接続部３０から軸
方向に沿って遠ざかるにつれてＦの拡散度は低下し、こ
れに応じて光ファイバ１０のコアの実効屈折率は高くな
る。

【００３９】本実施例においても、実施例１と同様にし
て、接続部３０を含む箇所に紫外光の干渉縞を照射す
る。本実施例では、図６のような屈折率分布を有する箇
所に干渉縞が照射され、裸部分１１及び２１のそれぞれ
に部分格子５１及び５２が形成される。

【００４０】光ファイバ２０に形成された部分格子５２
は実施例１と同様であるが、光ファイバ１０に形成され
た部分格子５１は、上述の最小屈折率が図６のように軸
方向に沿って変化している結果、ブラッグ反射波長が軸
方向に沿って変化するものとなる。具体的には、光ファ
イバ１０の比屈折率差が０．３％から１．０％まで変化
しており、最小屈折率がこれに応じた変化をしている結
果、光ファイバ１０に形成された部分格子５１は、ブラ
ッグ反射波長が約１５５０ｎｍから約１５６０ｎｍまで
連続的に変化する。

【００４１】図７は、本実施例で形成された光ファイバ
型回折格子５０の反射スペクトルを示す図である。部分
格子５１のブラッグ反射波長が軸方向に沿って変化して
いるため、回折格子５０は連続的で広い反射波長域を有
している。

【００４２】上述のように、本実施例の方法によれば、
一回の干渉縞照射で連続的な反射波長域を有する光ファ
イバ型回折格子を容易に形成でき、従来のように、反射
波長の異なる回折格子を複数形成する必要がないので、
極めて効率が良い。また、干渉光学系を構成するビーム
スプリッタ等の配置を調整する必要もないため、この点
からも効率が良く、再現性に優れた格子形成が可能であ
る。

【００４３】以上、本発明の実施例を詳細に説明した
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、様
々な変形が可能である。例えば、上記の方法により、光
ファイバのコアのみならずクラッドにも回折格子を形成
することができる。

【００４４】また、実施例２では、光ファイバ１０に添
加されたＦの拡散により軸方向に沿って滑らかに変化す
る実効屈折率分布を生じさせたが、ＧｅＯ₂ のみが添加
された光ファイバ１０を用いても同様の実効屈折率分布
を生じさせることができる。この場合、ＧｅＯ₂ の拡散
速度は小さいので、融着時の加熱のみでは適切な実効屈
折率分布を生じさせることは難しい。このため、例え
ば、融着前に光ファイバ１０にバーナなどを用いて加熱
処理を施すことでＧｅＯ₂ を拡散させ、図６のような実
効屈折率分布を生じさせてから、光ファイバ２０との融
着接続を行うと良い。この後、本実施例と同様にして干
渉縞の照射を行えば、本実施例と同様の光ファイバ型回
折格子５０を形成することができる。なお、上記の加熱
処理は、例えば、光ファイバ１０の軸方向に沿って加熱
温度に勾配をつけて行うと良い。加熱温度が高い程、Ｇ
ｅＯ₂ の拡散も大きいので、温度勾配に応じて軸方向に
滑らかに変化するような実効屈折率変化を生じさせるこ
とができる。また、光ファイバ１０の加熱処理は、融着
接続の後に行っても良い。さらに、この加熱処理は実施
例２のＦ添加の光ファイバ１０に対して行っても良い。
こうすることで、所望の実効屈折率変化を生じさせるこ
とが容易になり、得られる光ファイバ型回折格子５０の
反射波長域の調節も容易となる。この加熱処理は、融着
接続前であっても良いし、融着接続後であっても良い。
光ファイバに加熱処理を行うことで、所望の実効屈折率
分布を確実に得ることができ、結果として所望の反射波
長域を有する光ファイバ型回折格子を確実に得ることが
できる。

【００４５】また、回折格子書き込み用の感光性光ファ
イバは、ＧｅＯ₂ が添加された石英ガラスを含むもので
なくても良い。例えば、強度の大きい光をガラス体に照
射するとその照射部分においてガラスが溶融するが、こ
の溶融部分が固化すると照射前よりガラス密度が上昇
し、屈折率も上昇する。これを利用して、十分な強度の
光を干渉させて形成した干渉縞をガラス光ファイバに照
射することにより、光ファイバ内に回折格子を形成する
ことも可能である。本発明の方法においても、光強度の
大きい干渉縞を接続部を含む箇所に照射することで、多
波長反射の回折格子や連続的な反射波長域を有する回折
格子を形成することができ、この場合、照射する干渉縞
は紫外光でなくても良い。なお、光照射によるガラス溶
融を良好に達成するには、光導波路を構成するガラスに
所定波長域の光を吸収する光吸収剤を添加し、その吸収
波長域に含まれる光で形成した干渉縞を照射すると良
い。

【００４６】

【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明によ
れば、一回の干渉縞照射により多波長反射の光ファイバ
型回折格子や連続的な反射波長域を有する光ファイバ型
回折格子を形成することができ、干渉縞照射のための光
学系を調整する必要もないので、極めて効率が良く、再
現性にも優れた回折格子形成を実現することができる。

【００４７】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の光ファイバ型回折格子形成方法を説明
するための図である。

【図２】（ａ）は、実施例１の光ファイバ１０について
ファイバ断面内における実効屈折率分布を示す図であ
り、（ｂ）は、ファイバ断面内における実施例１の光フ
ァイバ２０についてファイバ断面内における実効屈折率
分布を示す図である。

【図３】実施例１の方法により形成された光ファイバ型
回折格子５０の反射スペクトルを示す図である。

【図４】（ａ）は、実施例２の光ファイバ１０について
ファイバ断面内における実効屈折率分布を示す図であ
り、（ｂ）は、ファイバ断面内における実施例２の光フ
ァイバ２０についてファイバ断面内における実効屈折率
分布を示す図である。

【図５】実施例２に関して、融着後における光ファイバ
１０のファイバ断面内での実効屈折率分布を示す図であ
る。

【図６】実施例２に関して、融着後における光ファイバ
１０及び２０のコアにおいて軸方向の実効屈折率分布を
示す図である。

【図７】実施例２で形成された光ファイバ型回折格子５
０の反射スペクトルを示す図である。

【符号の説明】

１０及び２０…光ファイバ、１１及び２１…裸部分、３
０…接続部、４０及び４１…紫外光光束、４５…干渉
縞、５０…光ファイバ型回折格子、５１及び５２…部分
格子、１００…光ファイバ１０と２０とが融着接続され
てなる光ファイバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/10 G02B 6/00 G02B 6/255 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに実効屈折率の異なるコアを備える
   第１及び第２の感光性ファイバを端面同士で接続して連
   続した光ファイバを形成する第１の工程と、 前記光ファイバのうち前記第１感光性ファイバと前記第
   ２感光性ファイバとの接続部を含む箇所に干渉縞を照射
   する第２の工程と、 を備える光ファイバ型回折格子の形成方法。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２感光性ファイバのコア
   は、ともに酸化ゲルマニウムが添加された石英ガラスか
   ら構成されており、 前記干渉縞は紫外光であることを特徴とする請求項１記
   載の光ファイバ型回折格子の形成方法。
3. 【請求項３】 前記第１の工程又は前記第２の工程に先
   立って、前記第１感光性ファイバを加熱して前記酸化ゲ
   ルマニウムを拡散させる工程をさらに備えることを特徴
   とする請求項２記載の光ファイバ型回折格子の形成方
   法。
4. 【請求項４】 前記第１感光性ファイバのコア及びクラ
   ッドの少なくとも一方には、このコアの実効屈折率を変
   化させる添加物がさらに添加されていることを特徴とす
   る請求項２記載の光ファイバ型回折格子の形成方法。
5. 【請求項５】 前記添加物は、フッ素であることを特徴
   とする請求項４記載の光ファイバ型回折格子の形成方
   法。
6. 【請求項６】 前記第１の工程又は前記第２の工程に先
   立って、前記第１の感光性ファイバを加熱して前記添加
   物を拡散させる工程をさらに備えることを特徴とする請
   求項４記載の光ファイバ型回折格子の形成方法。