JP3462051B2 - 光ファイバ屈折率グレーティングの製造方法と、光ファイバ屈折率グレーティングを含む光ファイバ通信システムと、光ファイバセンサ - Google Patents

光ファイバ屈折率グレーティングの製造方法と、光ファイバ屈折率グレーティングを含む光ファイバ通信システムと、光ファイバセンサ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ屈折率
グレーティングの製造方法に関し、特にこのようなグレ
ーティングを含む物品あるいはシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ屈折率グレーティング（以
下、グレーティングと称する）は、多くの光ファイバ通
信システムの重要な構成部品の１つである。これらは水
素Ｈ２あるいは重水素Ｄ２ にさらされた光ファイバを
用意し、化学線放射（紫外線放射）にこの光ファイバを
露光するプロセスにより製造される。
【０００３】米国特許第５，１５７，７４７号は、Ｇｅ
Ｏ／ＧｅＯ2 の比率が高いゲルマニウムシリケートガラ
ス製のファイバの製造方法を、またこのような光ファイ
バグレーティングとして用いられるファイバを開示して
いる。
【０００４】米国特許第５，２３５，６５９号は、大き
な屈折率変動を有するグレーティングを製造するため
に、ゲルマニウムシリケート光ファイバを低温でＨ２
あるいはＤ２ にさらし、この光ファイバを化学線に露
光するプロセスを開示している。
【０００５】光ファイバのグレーティングは、裸の光フ
ァイバ即ち、従来のポリマーコーティング層を取り除い
た光ファイバの一部に「書き込まれる」。このプロセス
は光ファイバを再度コーティングする必要がある。そし
てこの再コーティングプロセスは、時間がかかるのみな
らず、光ファイバのコーティング層を除去し、再度コー
ティングすることは光ファイバの強度を劣化させる。
【０００６】コーティングしたままの光ファイバに、屈
折率グレーティングを書き込めることが望ましいことで
ある。同一出願人の米国特許第５６２０４９５号は、コ
ーティング層を介した書き込み技術について開示してい
る。しかし、少なくとも一部の光ファイバコーティング
は、程良い程度の紫外線露光の元では暗くなりすぎ、従
来の光ファイバのコアに大きな屈折率変化を生ぜしめる
ことはできない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、光ファイバのポリマーコーティング層を介してグ
レーティングを書き込むことのできる光ファイバグレー
ティングの製造方法を提供することである。
【０００８】好ましい物理的特性および光学的特性を有
する少なくとも一部のコーティング層（ガラス樹脂コー
ティングを含むポリマーコーティング層）は、従来使用
されてきた強度の紫外線レーザ放射に露光しても極めて
急速に暗化し（約１分以内）、そしてＨ２ あるいはＤ
２ にさらされたゲルマノシリケートファイバでさえ、
使用可能なグレーティングを生成するために、十分な紫
外線放射に対し急速には応答しない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、この種の問題
点を発見したのみならず、またそれに対する解決法、即
ち、コーティング層の受け入れ難い程の暗化を回避する
のに十分短い時間でもって、光ファイバコーティングを
通して紫外線露光することにより、ゲルマニウムシリケ
ートファイバのコア内に比較的大きな屈折率（１０-4以
上）を与えることのできる光ファイバグレーティングの
製造方法を提供するものである。
【００１０】本発明の方法は、特許請求の範囲に記載さ
れた通りである。 具体的に説明すると、本発明は、還
元雰囲気中でコラップスして形成したプリフォームから
形成された（Ｇｅをドープしたコアを有する）ＳｉＯ２
ベースの光ファイバを用意し、この光ファイバをコア
内にグレーティングが形成されるように化学線(actinic
radiation)に露光する光ファイバグレーティングを含
む物品の製造方法を提供するものである。
【００１１】本発明によれば光ファイバは、光ファイバ
のコーティング層を介して（即ち、コーティング層の上
から）化学線に露光され、そしてこの光ファイバは酸化
ゲルマニウム欠陥中心（germanium-oxygen deficiency
centers） の十分な濃度を有し、そしてこの濃度は他の
同一性能の光ファイバの感光性の少なくとも２倍（好ま
しくは１０倍以上）の感光性を有する光ファイバであ
る。ここで「感光性」とは、Δｎ／（化学線のドーズ
量）で定義され、ここでΔｎは所定量の化学線に光ファ
イバを露光したことによる屈折率変化を表す。
【００１２】上記の酸化ゲルマニウム欠陥中心はＧＯＤ
Ｃ(Germanium-oxygen deficiency center)と称し、Ｇｅ
ドープのシリカの光屈折性の原因となる欠陥種である。
この欠陥種は、ＧｅＯあるいはＧｅ2+とも称し、これに
関しては前掲の米国特許第５，１５７，７４７号および
R. M. Atkins, Optics Letters, Vol. 17(7), p. 469
(1992)を参照のこと。
【００１３】グレーティングとは、従来のブラググレー
ティング（チャープおよびアンチャープあるいはブレイ
ズドおよびアンブレイズドの両方を含む）および長周期
グレーティング（チャープおよび／またはブレイズドさ
れた）を意味する。後者の長周期グレーティングは、関
連放射波長λ（例、９８０ｎｍ）以上のΛのグレーティ
ング周期を有するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明は、還元雰囲気に曝したコ
ア内に高濃度のＧＯＤＣを有するゲルマノシリケートフ
ァイバは、小量のドーズ量の化学線（通常紫外線）の露
光でも大きな屈折率変化Δｎを達成できるという発見に
基づいている。
【００１５】本発明による光ファイバは、従来の製造方
法により用意された比較用の光ファイバより比較してよ
り大きな（２倍以上の）感光性を有する。本発明による
光ファイバは、比較的高い感光性を有するため、コーテ
ィング層が暗化（darkening）される前にコーティング
された光ファイバに、比較的高いグレーティング（１０
％ピーク屈折率）を書き込むことが可能となる。本明細
書における暗化等は、化学線の波長（通常、紫外線で例
えば２４２ｎｍ、２４８ｎｍ、２５７ｎｍ）における透
過率の減少を意味する。
【００１６】「従来の製造方法により用意された」光フ
ァイバとは、ゲルマノシリケートプリフォーム材料が、
プリフォーム材料内でＧｅ４＋からＧｅ２＋へ還元され
るような雰囲気、即ちＧＯＤＣの形成が行われ易い雰囲
気と接触する高温熱処理ステップを含まないような方法
により用意されたプリフォームから引き抜かれた光ファ
イバを意味する。
【００１７】本発明を実行する際に用いられる光ファイ
バは、ゲルマノシリケートプリフォーム材料がＧｅ4+か
らＧｅ2+へ還元されるような雰囲気と接触して、その結
果光ファイバコア中のＧＯＤＣレベルが高くなるような
高温熱処理用ステップを含む方法により用意されたプリ
フォームから引き抜かれ、感光剤にさらされたファイバ
である。さらに詳細な説明については、米国特許第５，
１５７，７４７号を参照のこと。本発明の実験によれ
ば、この高温熱処理ステップは、以下に詳述するような
雰囲気中でプリフォームチューブをコラップスする（潰
す）か、あるいは高温（例、１０００−１５００℃）の
プリフォームロッドをＨ2（またはＤ2）に長時間（例、
１〜２４時間）さらすことを含む。
【００１８】ゲルマノシリケートファイバのコア中のＧ
ＯＤＣの高レベルの存在は、前掲のOptics Letters の
論文中に開示されている方法により容易に決定できる。
現在好ましい方法は、２４０ｎｍの波長の化学線の吸収
性の決定であり、これはコア中のＧＯＤＣの濃度に正比
例するものである。
【００１９】従来の製造方法により用意された比較用の
光ファイバは、２４０ｎｍ波長で約１０ｄＢ／ｍｍ・モ
ル％Ｇｅの減衰を有するが（例、コア中に３モル％Ｇｅ
を含むファイバは、２４０ｎｍ波長で３０ｄＢ／ｍｍの
減衰量を示す）、これに対し本発明の光ファイバは、２
４０ｎｍでこの値の少なくとも２倍以上、好ましくは１
０倍以上の減衰量を示す。即ち本発明による光ファイバ
は、２０ｄＢ／ｍｍ・モル％Ｇｅの減衰量を、好ましく
は１００ｄＢ／ｍｍ・モル％Ｇｅの減衰量を有する。
【００２０】ファイバのコア中の高濃度のＧＯＤＣの存
在は、この光ファイバの感光性の増加に直接結び付く。
このことは２回の感光モード間の従来の合成動作により
示唆されない驚くべき点である。本発明によれば、最大
の屈折率変化は、ある種の光ファイバにおいては、ＧＯ
ＤＣレベルとは無関係であり、還元雰囲気に曝した量と
Ｇｅのドーピングレベルのみに依存する、そして高レベ
ルのＧＯＤＣによってのみ得られる最大屈折率変化は比
較的小さい（Ｈ２ の還元雰囲気に曝して達成できたも
のに比較して）、通常１０−４以下である。
【００２１】米国特許第５，１５７，７４７号は、光フ
ァイバコア中のＧＯＤＣが高レベルとなるような技術を
開示し、コア中にＧＯＤＣのレベルが増加した光ファイ
バは、従来の製造方法により用意された光ファイバに比
較して高いＧＯＤＣレベルとなるような技術を開示して
いる。
【００２２】ＧＯＤＣレベルを高める技術は、プリフォ
ームを還元雰囲気、例えばＯ2 のない雰囲気（例、１０
０％Ｈｅ、あるいは５−１０体積％のＣｌを有するＨ
ｅ）中でコラップスすることである。コラップス時の高
温（例、２３００℃）は、ＧＯＤＣの形成を促進し、こ
れは酸素遊離を伴い通常拡散してしまう。さらに本発明
の方法は、例えばコラップスするときに用いられたとの
同一の還元雰囲気中でコラップスされたプリフォームを
少なくとも初期冷却することを含む。
【００２３】このコラップスする雰囲気は、必ずしも無
酸素状態である必要はなく、Ｏ2 の量が十分低く（例、
１０体積％以下）、還元状態を提供できるならば、少々
のＯ2 を含んでいてもよい。
【００２４】本発明による高い光屈折性を有する光ファ
イバの製造方法は次の通りである。プリフォームチュー
ブを従来法により形成する、これは Lucent Technologi
es社の標準の５Ｄ（登録商標）シングルモードファイバ
と同一方法により製造され、そして９層のフッ素ーリン
ーシリカ製（fluoro-phospho-silicate）クラッド層と
１層のゲルマノシリケートコア層とを有し、Δ+ ＝０．
４３％となるようドーピングされている。このプリフォ
ームチューブを９１体積％のＨｅ，５体積％のＣｌ，４
体積％のＯ2 からなる雰囲気中でコラップスした。無酸
素雰囲気を用いると幾分高いＧＯＤＣの濃度を生成でき
る。コア中のＧＯＤＣレベルを減らさないために、コラ
ップスの過程の途中で従来行われていた標準のコアのエ
ッチングを行わなかった。
【００２５】このようにしてコラップスされたプリフォ
ームの蛍光プロファイルによれば、標準の５Ｄファイバ
の約１０倍のＧＯＤＣレベルを示した。このことはこの
高いＧＯＤＣを有するファイバは、２４０ｎｍで４００
ｄＢ／ｍｍの減衰量を有し、これにより約３．２ｄＢの
コア透過の（trans-core）減衰（８μｍのコアに対し）
を与えることになる。標準の５Ｄファイバは、２４０ｎ
ｍフォトンの入射の約７％を吸収し、一方高いＧＯＤＣ
を有する光ファイバは約５２％のコア透過の（all tran
s-core）を吸収する。２５７ｎｍでの吸収量は、２４０
ｎｍでの吸収量の１／３である。
【００２６】シングルモード光ファイバは、この高ＧＯ
ＤＣプリフォームから従来法により引き抜かれた。この
ようにして引き抜かれた光ファイバは標準の５Ｄファイ
バと類似するが、しかしＧＯＤＣの密度は異なる。高Ｇ
ＯＤＣファイバと標準の５Ｄファイバをその後同一の感
光剤にさらす（Ｄ2 の雰囲気中で５０℃で４日間）。
【００２７】５Ｄファイバと高ＧＯＤＣファイバの各々
からポリマーコーティング層を除去した後、ブラググレ
ーティングを同一の書き込み条件（４０ｍＷ，５分，２
７５ｎｍ）で、従来の位相グレーティングをもってファ
イバ中に書き込んだ。図１は、１０ｍｍグレーティング
長さに対する例を示し、図１の曲線１１は、従来法によ
り生成された５Ｄファイバのグレーティングを表し、曲
線１２は、還元雰囲気に曝した高ＧＯＤＣファイバ内の
グレーティングを表す。
【００２８】同図から分かるようにこの２つの曲線の差
は歴然としている。例えば、１２０秒露光すると、前者
（曲線１１）は１０％反射率のグレーティングを生成
し、後者（曲線１２）は８０％反射率のグレーティング
を生成する。曲線１２のファイバは、前者（曲線１１）
よりも遥かに高い（２倍以上）の感光性を有する。ピー
クのグレーティング反射率の値は、屈折率変調および感
光性に容易に変換できる。これに関しては、H. Patrick
et al.著の Optics Letters, Vol. 18(18), p.1884 (1
993)を参照のこと。
【００２９】ある紫外線波長において、十分低い吸収率
を有するいかなる種類のコーティング材料（通常、ポリ
マー材料）も本発明を実行する際に用いることができ、
高ＧＯＤＣのファイバを使用することにより高い感光性
を得ることができる。
【００３０】コーティング層を介して（コーティング層
の上から）書き込むために、高ＧＯＤＣファイバの適応
性を評価するために、高ＧＯＤＣの５Ｄタイプのファイ
バをプリフォームから引き抜き、紫外線を透過する２５
μｍ厚さのポリマーコーティング層でもってコーティン
グした。
【００３１】その後、このファイバを還元雰囲気に曝し
た（約１．５原子％）。ブラググレーティングをこのポ
リマーコーティング層を介して、位相マスクを用い１５
ｃｍのシリンダ状レンズで、周波数二重化Ａｒイオンレ
ーザからの４０ｍＷの２５７ｎｍＣＷレーザ光を用いて
書き込んだ。
【００３２】図２は２５μｍ厚のコーティング層を介し
て書き込まれた３ｄＢブラググレーティングの伝送スペ
クトラムを表す図である。レンズの位置は、レーザ光が
光ファイバのコアを１ｍｍ越えた場所に焦点が合うよう
に調整された。露光時間は、コーティング層の材料の暗
化のために約６０秒に制限した。
【００３３】図２のスペクトラムは、サイドローブを有
する。これは、コーティング層の不完全さに起因するも
のと思われる。このことは、図３のスペクトラムは、同
一のコーティングしていない光ファイバにおいて同一条
件でもって書き込まれたグレーティングから得られたも
のと比較することにより分かる。同図から分かるよう
に、図３のスペクトラムには、サイドローブは存在しな
い。
【００３４】本発明によるグレーティングは、光ファイ
バ通信システムの様々な応用例えば９８０ｎｍポンプス
タビライザーでも用いることができる。しかし、本発明
のグレーティングは、通信システムに限られるものでは
ない。グレーティングは、例えばファイバセンサ，歪セ
ンサ，温度センサ等にも用いることができる。
【００３５】グレーティングを形成する新規な方法は、
準連続的プロセスでもってグレーティングを容易に形成
できるようになる。例えばこの方法の一実施例を図４に
示す。同図において、高ＧＯＤＣファイバ５５は、光フ
ァイバスプール５６から巻き上げスプール５７に位相グ
レーティング５４の下を通過して送られる。所定のイン
ターバルで（２ｍ間隔で）、送りが適当な時間（６０
秒）停止し、グレーティングが光ファイバのコアに書き
込まれる。
【００３６】この書き込む方法は、コーティングされた
光ファイバをレーザ５１からの化学線５２に露光し（適
宜ビーム調整装置５３により調整され）、そして位相グ
レーティング５４を通過する。その後ある長さのピグテ
ールを有する個々のグレーティングに分割されて接続さ
れる。このような連続的なプロセスによってコーティン
グ層を除去し、再度塗装することを回避することにより
コストの削減につながる。
【００３７】図５は、本発明による代表的な光ファイバ
通信システム６０を示している。この光ファイバ通信シ
ステム６０は、従来の送信器６１と従来の受信機６２
と、この光ファイバ通信システム６０と受信機６２とを
接続する光ファイバ伝送パスとを有する。この伝送パス
は、光ファイバ増幅器６３と伝送用ファイバ６４とを有
する。伝送パスの「ｘ」は、従来のスプライス点を表
す。この増幅器はポンプレーザ６６を有する。
【００３８】このレーザ６６は、約９８０ｎｍ波長のポ
ンプ放射を行うよう選択されたものである。このポンプ
放射は、ファイバ６５に結合され、さらに従来の波長選
択性カプラ６８（ＷＤＭと称する）により光ファイバ増
幅器に結合される。ポンプレーザからＷＤＭ６８への光
ファイバパスは、本発明によるグレーティング６７を有
し、このグレーティング６７はポンプレーザ６６の出力
を安定化させるものである。
【００３９】図６は、本発明による温度または歪検出シ
ステム７０を表す。この温度または歪検出システム７０
は、従来の光ソース７１と従来の光検出器７２とこれら
を検出用ファイバ７５に接続する従来の光ファイバ７３
と、ディテクタへの放射ソースとを有する。７４は、測
定すべき対象物である。７６は、本発明のグレーティン
グである。被測定部材７４の温度あるいは応力状態の変
化は、グレーティングのスペースを変化させ、その結果
所定波長がグレーティングを伝送する量を変化させる。
【００４０】
【発明の効果】以上述べたように本発明は、還元雰囲気
に曝したＧｅをドープしたコアを有するＳｉＯ２ ベー
スの光ファイバを用意し、この光ファイバをコア内にグ
レーティングが形成されるように化学線に露光する光フ
ァイバグレーティングを含む物品の製造方法を提供する
ものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に係る光ファイバ（低ＧＯＤＣ濃度）
と本発明に係る光ファイバの化学線に対する、露光時間
と、ピークグレーティング反射率との関係を表すグラ
フ。ここでピークグレーティング反射率は、屈折率変化
Δｎの測定に基づき、このΔｎの値は、あるグレーティ
ングのピークグレーティングの反射率の測定値から決定
されたものである。
【図２】コーティングされた高ＧＯＤＣ光ファイバに書
き込まれたグレーティングの伝送効率と波長との関係を
表すグラフ
【図３】コーティングしていない高ＧＯＤＣ光ファイバ
に書き込まれたグレーティングの伝送効率と波長との関
係を表すグラフ
【図４】本発明によるグレーティングの連続的製造方法
を表す図
【図５】本発明によるグレーティングを有する光ファイ
バ通信システムを表す図
【図６】本発明によるグレーティングを有する温度又は
歪監視システムを表す図
【符号の説明】
５１ レーザ ５２ 化学線 ５３ ビーム調整装置 ５４ 位相グレーティング ５５ 感光剤含有高ＧＯＤＣファイバ ５６ 光ファイバスプール ５７ 巻き上げスプール ６０ 光ファイバ通信システム ６１ 送信器 ６２ 受信機 ６３ 光ファイバ増幅器 ６４ 伝送用ファイバ ６５ ファイバ ６６ ポンプレーザ ６７ グレーティング ６８ 波長選択性カプラ ７０ 温度または歪検出システム ７１ 光ソース ７２ 光検出器 ７３ 光ファイバ ７４ 被測定部材 ７５ 検出用ファイバ ７６ グレーティング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポランド パトリシオ エスピンドラ アメリカ合衆国、07902 ニュージャー ジー、ウェスト オレンジ、リッジ ア ベニュー 29 (72)発明者 デブラ アン シモフ アメリカ合衆国、07080 ニュージャー ジー、サウス プレインフィールド、シ ャーマン アベニュー 1046 (56)参考文献 特開 平９−113741（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−82919（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−322205（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−244210（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−253506（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−240451（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥ ＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖ ｏｌ．６，Ｎｏ．８（1994），ｐｐ. 907−909 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 5/18,6/00,6/10 G02B 6/16 - 6/22,6/44

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ） 還元雰囲気中でコラップスして形
    成したプリフォームから、Ｇｅドープのコアを有するシ
    リカベースの光ファイバ（５５）を形成するステップ
    と、 （ｂ） 屈折率グレーティングが前記コア内に形成でき
    るよう、前記光ファイバのコーティング層の上から化学
    線（５２）に露光するステップと、 を有すし、 ことを特徴とする光ファイバ屈折率グレーティングの製
    造方法。
  2. 【請求項２】 前記光ファイバは、波長が２４０ｎｍの
    光に対し、コア内に含まれるＧｅのモル％当たり２０ｄ
    Ｂ／ｍｍ以上の減衰率を有することを特徴とする請求項
    １の方法。
  3. 【請求項３】 前記光ファイバのコーティング層は、ポ
    リマーコーティングとガラス樹脂コーティングかなる群
    から選択されたコーティングであることを特徴とする請
    求項１の方法。
  4. 【請求項４】 前記（ａ）ステップにおいて、前記光フ
    ァイバ（５５）は、Ｇｅ４＋からＧｅ２＋への還元雰囲
    気中で加熱された光ファイバプリフォームロッドから引
    き抜かれて形成されることを特徴とする請求項１の方
    法。
  5. 【請求項５】 前記還元雰囲気は、１０体積％以下のＯ
    ２ しか含有しないことを特徴とする請求項１に記載の
    方法。
  6. 【請求項６】 前記還元雰囲気は、４体積％以下のＯ２
    しか含有しないことを特徴とする請求項５の方法。
  7. 【請求項７】 前記光ファイバ屈折率グレーティング
    は、ブラググレーティング及び長周期グレーティングか
    らなる群から選択されたグレーティングであることを特
    徴とする請求項１の方法。
  8. 【請求項８】 送信器（６１）と受信機（６２）と前記
    送信器と受信機とを信号伝達が可能に接続する光ファイ
    バ伝送パス（６４）とを有する光ファイバ通信システム
    （６０）において、 前記伝送パス（６４）は、約９８０ｎｍ波長のポンプ放
    射を行うポンプレーザ（６６）を含むエルビウムドープ
    の光ファイバ増幅器（６３）を有し、 前記ポンプ放射は、前記伝送パス（６４）に光学的に接
    続されたコーティングされた光ファイバ（６５）に結合
    され、 前記光ファイバ（６５）は、請求項１に記載された方法
    で製造された光ファイバ屈折率グレーティング（６７）
    を有し、 前記グレーティング（６７）は、ポンプレーザ（６６）
    出力を安定化させることを特徴とする光ファイバ通信シ
    ステム。
  9. 【請求項９】 光ソース（７１）と、光検出器（７２）
    と、前記光ソースと光検出器とを接続する光ファイバ
    （７３）とからなる光ファイバセンサ（７０）におい
    て、前記光ファイバ（７３）は、請求項１に記載された
    方法で製造された光ファイバ屈折率グレーティング（６
    ７）を含むことを特徴とする光ファイバセンサ。
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