JP3574018B2

JP3574018B2 - グレーティング付き光ファイバの作製方法

Info

Publication number: JP3574018B2
Application number: JP29981099A
Authority: JP
Inventors: 健太郎野内; 裕己近藤; 一之平尾
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: JP2001116934A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、集光照射により屈折率変調のグレーティングを付けた光ファイバを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバのグレーティングは、光ファイバの導波路中に形成された周期的な屈折率変調領域であり、周期が約０．１〜１．０μｍと比較的短周期のブラッググレーティングと、周期が約１００〜１０００μｍの長周期グレーティングが含まれる。
これらのグレーティングは、何れも光導波路中を進行する所定波長帯の光を遮断する機能をもっている。すなわち、ブラッググレーティングは、ブラッグ波長の光を中心とした波長帯の光を反射して、当該波長帯の光を遮断する。長周期グレーティングは、所定の条件を満足する導波モード光をクラッドモード光に結合させて光損失にすることにより、当該波長帯の光を遮断する。何れの場合も、グレーティングによって遮断する光の波長は、グレーティングを構成する屈折率変調の周期やグレーティングの平均実効屈折率に依存している。
【０００３】
グレーティングの付与に際しては、グレーティング作製光の波長が光ファイバ被覆樹脂の吸収帯と重なるため、光ファイバの被覆樹脂を剥離した後、マスクパターンに光を照射して得た透過光パターンを光ファイバに入射させることにより、光誘起屈折率変化を生じさせている。感光性の光ファイバにはＧｅをドープした石英ガラスが一般的に使用されており、このガラスへの入射光には約２４０〜２５０ｎｍの紫外光が汎用されている。紫外光照射による光誘起屈折率の変化は、紫外光の入射によって石英ガラス中に発生したＧｅ欠陥に起因する吸収の変化が主たる原因と考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
紫外光照射に先立って光ファイバの被覆樹脂層が剥離されるため、大気雰囲気に曝されたガラス部分に酸化劣化が生じる。酸化劣化により光ファイバの表面に微小な傷がつき、光ファイバの強度が劣化する。しかし、被覆樹脂層を設けたままでグレーティングを作製しようとすると、照射光の波長帯と被覆樹脂の吸収帯が重なってしまうため、効率よくグレーティングをつけられない。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、長波長領域に波長を設定したパルスレーザ光を集光照射することにより、樹脂被覆層の剥離を必要とせず、所定パターンのグレーティングがコア内部に書き込まれた光ファイバを得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の製造方法は、その目的を達成するため、波長：３７０〜６００ｎｍ，パワー密度：１×１０⁸〜１×１０¹²Ｗ／ｃｍ²のパルスレーザ光を位相マスクに透過させてマスクパターン光とし、コアがＧｅドープ石英系ガラス，クラッドが石英系ガラスで紫外線硬化型の樹脂被覆層で被覆された光ファイバのコアに集光点を設定し、樹脂被覆層を介してマスクパターン光をコアに集光照射し、回折光の強度に応じた屈折率変化部位をコア内部に形成することを特徴とする。
光ファイバとしては、水素又は重水素処理により感光性を高めた光ファイバや、２０モル％以下の濃度でＧｅドープしたコアをもつ光ファイバが使用される。
【０００６】
【作用】
Ｇｅをドープした光ファイバコアにパルスレーザ光を集光照射すると、コアの内部にＧｅ欠陥が生成して、吸収、ひいては屈折率が変化する。光ファイバの被覆樹脂に汎用されている紫外線硬化型樹脂の吸収がない長波長側にレーザ光の波長を設定すると、樹脂被覆層を剥離する必要なくマスクパターンに従って感光性光ファイバのコア内部に周期的な屈折率変調構造を作り込むことができる。しかも、通常の光ファイバを用いて，グレーティングをつけることができる。これに対し、紫外光を用いた従来のグレーティングでは、照射光が樹脂被覆層に吸収されるため、紫外光照射に先立って樹脂被覆層を剥離する必要がある。
【０００７】
パルスレーザ光としては、Ｇｅ欠陥を生じさせるエネルギー量をもち、波長３７０〜６００ｎｍのパルスレーザ光が使用される。レーザ光のエネルギー量は、１パルス当りの出力エネルギー（Ｊ）をパルス幅（秒）で割ったピークパワー（Ｗ）の単位面積当りの密度（Ｗ／ｃｍ^２）で表される。ピークパワー密度が１０^８〜１０^１２Ｗ／ｃｍ^２の範囲にあるパルスレーザ光を集光照射すると、グレーティングに必要なＧｅ欠陥がコアの内部に生成する。１０^８Ｗ／ｃｍ^２に満たないピークパワー密度では十分なＧｅ欠陥が生成せず、逆に１０^１２Ｗ／ｃｍ^２を超えるピークパワー密度では過剰量のエネルギー投入により樹脂被覆層にダメージが導入される虞れがある。
【０００８】
パルスレーザ光は、レンズ等の集光装置によって集光され、位相マスクを透過させることによって所定のマスクパターンとして感光性光ファイバ上に投影され、周期的な屈折率変調構造を光ファイバのコア内部に書き込む。
具体的には、図１に示すように、シリンドリカルレンズ等の集光装置１にパルスレーザ光Ｌ_１を透過させ、集光する。パルスレーザ光Ｌ_１は、集光点の手前に配置されている位相マスク２によって所定のマスクパターン光Ｌ_２となって感光性光ファイバＦ上に投影される。位相マスク２を集光点の手前に配置することにより、集光による位相マスク２の破損が防止される。
【０００９】
位相マスク２には、たとえば透明な石英ガラス平板２ａの表面に複数の帯状クロム層２ｂを等間隔に蒸着したものが使用される。パルスレーザ光Ｌ_１を遮断する作用のある帯状クロム層２ｂが所定間隔で石英ガラス平板２ａの表面に配置されているので、光遮断部（帯状クロム層２ｂ）及び光透過部（帯状クロム層２ｂの間に位置する石英ガラス平板２ａの表面）が交互に格子状に配列されたマスクパターンとなる。位相マスク２の種類に応じて、短周期から長周期、またチャープをかけたグレーティング等、種々のグレーティングをつけることができる。
感光性光ファイバＦとしては、石英ガラス，Ｇｅ添加石英ガラス等の光学ガラスを樹脂被覆したファイバが使用され、ＶＡＤ法，ＭＣＶＤ法等で作られた母材を線引き装置で紡糸することにより製造される。
【００１０】
光ファイバＦは、高圧水素又は高圧重水素雰囲気に曝して水素又は重水素を拡散させることによって感光性を向上させることができる。拡散処理による感光性向上効果は、光ファイバＦに含まれる水素及び重水素の合計濃度が５００ｐｐｍ以上で顕著になる。感光性は，光ファイバＦ中のＧｅ濃度を高めることによっても向上する。Ｇｅ増量による感光性向上効果は、２０モル％以下（好ましくは、１１〜２０モル％）のＧｅ濃度で顕著になる。Ｇｅ増量で感光性を向上させた光ファイバＦでは、水素又は重水素処理を必要としない。
パルスレーザ光Ｌ_１の集光照射によりコアガラスの構造、ひいては屈折率が変化する。この屈折率変化により、紫外線照射に比較して大きな屈折率変化量が得られる。コアガラスの固有吸収は紫外領域にあるので、固有吸収のない長波長側にパルスレーザ光Ｌ_１の波長を設定するとき、屈折率変化が集光点のみで生じ、集光点以外の屈折率変化が抑えられる。
【００１１】
屈折率変調のグレーティングを形成している際に、グレーティングの透過特性又は反射特性を同時観察することにより所望のグレーティングを作製できる。同時観察には、グレーティング作成中の光ファイバＦの一端からたとえば波長１．５５６μｍにピークをもつレーザダイオード光を入射させ、他端に接続した光スペクトラムアナライザで光の透過スペクトルを測定する方法が採用される。或いは、後述の実施例２で説明しているように、反射光強度の波長依存性をモニタリングすることによっても同時観察できる。
光スペクトラムアナライザで測定されている特性は、形成されたグレーティング、すなわち屈折率変化部位Ｆ_４と透過してきた光強度の波長依存性を表している。そして、パルスレーザ光Ｌ_１の照射によりグレーティングを形成していく過程で透過光強度の波長依存性をモニタリングすると、ある波長を中心とした透過光強度が減衰し始める。したがって、透過光強度が閾値に達した時点でパルスレーザ光Ｌ_１の照射を中止することにより、目標とするフィルタ特性をもつグレーティングが付けられる。
【００１２】
【実施例１】
ＶＡＤ法で作製された石英系の光ファイバＦに、位相マスク２を用いてグレーティングをつけた。
光ファイバＦとしては、径８μｍのコアＦ_１及び径１２５μｍのクラッドＦ_２を径２５０μｍの樹脂被覆層Ｆ_３で被覆した構造をもつ光ファイバを使用した。コアＦ_１は、ＳｉＯ_２：９６．５モル％，ＧｅＯ_２：３．５モル％のガラス組成をもち、クラッドＦ_２の屈折率ｎ_２に対する比屈折率差Δ〔＝（ｎ_１−ｎ_２）／ｎ_１〕が約０．３０％，波長１．５５μｍでシングルモードファイバであった。このガラスファイバにウレタンアクリレート系の紫外線硬化型樹脂を塗布して紫外線照射で固化し、樹脂被覆層Ｆ_３を形成した。更に、作製した光ファイバＦの感光性を向上させるため、圧力約１５０ｋｇ／ｃｍ^２の水素雰囲気に光ファイバＦを２週間曝して水素処理した。
【００１３】
書込み領域に当たる樹脂被覆層Ｆ_３の表面を洗浄した後、樹脂被覆層Ｆ_３の吸収波長帯でない波長領域をもつパルスレーザ光Ｌ_１（波長４８０ｎｍ，パルス幅１．５×１０^−１３秒，繰返し周期１ｋＨｚ）をチタンサファイアレーザから出射し、集光装置１で集光し、帯状クロム層２ｂと反対側にある位相マスク２の面に照射した。
位相マスク２を透過したパルスレーザ光Ｌ_１は、等間隔の格子状マスクパターン光Ｌ_２として光ファイバＦに投影された。感光剤としてＧｅを含む光ファイバＦのコアＦ_１は、マスクパターン光Ｌ_２の入射により屈折率変化が誘起され、屈折率が局部的に上昇した複数の屈折率変化部位Ｆ_４を形成した。屈折率変化部位Ｆ_４は、マスクパターン光Ｌ_２を倣ってコアＦ_１の軸線に沿って格子状に配列されていた。これにより、光ファイバＦに所定のグレーティングが付けられた。
【００１４】
作製したグレーティングについて、透過光強度の波長依存性を調査したところ、図２に示すように約０．４ｎｍの帯域幅にわたって透過率が減衰していた。透過率の減衰ピーク波長では、約１６ｄＢの損失であった。樹脂被覆層を剥離した後でグレーティングを付ける従来の紫外線照射法と比較すると、紫外線硬化型樹脂の吸収のない波長帯のパルスレーザ光Ｌ_１を集光照射することにより、樹脂被覆層Ｆ_３の上からでもコアＦ_１にグレーティングが付けられることが確認された。
【００１５】
【実施例２】
ＭＣＶＤ法で作製された石英系の光ファイバＦに、位相マスク２を用いてグレーティングをつけた。
光ファイバＦとしては、径６２．５μｍのコアＦ_１及び径１２５μｍのクラッドＦ_２を径２５０μｍの樹脂被覆層Ｆ_３で被覆した構造をもつ光ファイバを使用した。コアＦ_１は、ＳｉＯ_２：８９．６モル％，ＧｅＯ_２：１１．０モル％のガラス組成をもち、クラッドＦ_２の屈折率ｎ_２に対する比屈折率差Δ〔＝（ｎ_１−ｎ_２）／ｎ_１〕が約１．０％のマルチモードファイバであった。このガラスファイバにウレタンアクリレート系の紫外線硬化型樹脂を塗布して紫外線照射で固化し、樹脂被覆層Ｆ_３を形成した。
書込み領域に当たる樹脂被覆層Ｆ_３の表面を洗浄した後、実施例１と同じ条件下でパルスレーザ光Ｌ_１を照射した。
【００１６】
パルスレーザ光Ｌ_１の照射中に、１×２カプラ３を用いてグレーティングの反射特性を同時観察した。同時観察では、図３に示すように１×２カプラ３の一端Ｐに光ファイバＦを接続し、波長１．５５６μｍにピークをもつレーザダイオード４及び光スペクトルアナライザ５を１×２カプラ３の他端に接続し、反射光のスペクトルを測定した。光スペクトルアナライザ５で測定される特性は、形成されたグレーティング、すなわち屈折率変化部位Ｆ_４を透過してきた光強度の波長依存性である。反射光強度の波長依存性をモニタリングすると、ある波長を中心として反射光強度が増加し始めた。反射光強度が閾値に達したときパルスレーザ光Ｌ_１の照射を中止すると、目標とするフィルタ特性をもつグレーティングを光ファイバＦに付けることができた。
作製されたグレーティングについて反射光強度の波長依存性を調査したところ、図４に示すように約２．０ｎｍの帯域幅にわたって反射率が増加していた。反射率増加のピーク波長では、約５ｄＢの反射であった。
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、光ファイバの被覆樹脂として通常使用されている紫外線硬化型樹脂の吸収波長帯ではない波長領域のパルスレーザ光を集光して、位相マスクを透過したマスクパターン光とし、樹脂被覆層を介して光ファイバに投影している。投影されたパルスレーザ光は、光誘起屈折率変化を生じさせ、位相マスクのマスクパターンに対応した配列で複数の屈折率変化部位を光ファイバの軸方向に沿って形成する。この方法によるとき、従来法のように樹脂被覆層を剥離する必要がないためガラスの強度劣化がなく、屈折率変調のグレーティングが所定パターンで形成される。しかも、グレーティングパターンは、位相マスクの種類に応じて自由に変えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って光ファイバにレーティングをつける方法の説明図
【図２】実施例１で作製されたグレーティングの透過強度の波長依存性を示したグラフ
【図３】作成中のグレーティングの反射スペクトルを測定する方法の説明図
【図４】実施例２で作製されたグレーティングの反射強度の波長依存性を示したグラフ
【符号の説明】
１：集光装置２：位相マスク２ａ：石英ガラス平板２ｂ：帯状クロム層３：１×２カプラ４：レーザダイオード５：光スペクトルアナライザ
Ｌ_１：パルスレーザ光Ｌ_２：マスクパターン光
Ｆ：光ファイバＦ_１：コアＦ_２：クラッドＦ_３：樹脂被覆層Ｆ_４：屈折率変化部位Ｐ：光ファイバと１×２カプラとの接続点

Claims

波長：３７０〜６００ｎｍ，パワー密度：１×１０ ⁸ 〜１×１０ ¹² Ｗ／ｃｍ ² のパルスレーザ光を位相マスクに透過させてマスクパターン光とし、
コアがＧｅドープ石英系ガラス，クラッドが石英系ガラスで、紫外線硬化型の樹脂被覆層で被覆された光ファイバのコアに集光点を設定し、樹脂被覆層を介してマスクパターン光を集光照射し、
集光点の透過特性又は反射特性を観察しながら、回折光の強度に応じた屈折率変化部位をコア内部に形成することを特徴とするグレーティング付き光ファイバの作製方法。
水素又は重水素処理した光ファイバを使用する請求項１記載のグレーティング付き光ファイバの作製方法。
２０モル％以下の濃度でＧｅドープしたコアをもつ光ファイバを使用する請求項１記載のグレーティング付き光ファイバの作製方法。