JP3596079B2 - 光ファイバ型回折格子作製用光ファイバ母材の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、所定部位の屈折率を周期的に変化させて回折格子を作り込むための光ファイバの母材製造技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学部品の一種である回折格子には種々の態様のものがあるが、光通信システム等に利用する場合には、特に、他の光ファイバとの接続が容易で、かつ挿入損失の低い光ファイバ型回折格子が好適である。この光ファイバ型回折格子は、光ファイバ内の所定部位に形成された一領域であって、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る。
【０００３】
光ファイバ型回折格子の作製方法、すなわち光ファイバ内に回折格子を形成する方法としては、例えば特開昭６２−５０００５２号公報に記載のものが知られている。これは、酸化ゲルマニウムを添加してコアを形成した石英系光ファイバに紫外光を照射することより、コアに周期的な屈折率変化を生じさせ、回折格子を形成する方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法では、得られる回折格子の反射率は必ずしも十分でない。すなわち、回折格子が作り込まれた光導波路では、その反射率が重要な特性であるが、この反射率は以下の式（１）のように、回折格子長（コア内において、屈折率が周期的に変化している領域の長さ）と光誘起屈折率変化に依存する。
【０００５】
Ｒ＝ｔａｎｈ２（Ｌ・π・ΔｎＵＶ／λ） …（１）
ここで、Ｒは反射率、Ｌはコア内に作り込まれた回折格子長、ΔｎＵＶは紫外光に対する屈折率変化（光誘起屈折率変化）、λは反射波長である。
【０００６】
紫外光照射による屈折率変化はガラス中のゲルマニウムに関連したガラス欠陥に起因することが知られているが、通常の通信用光ファイバを用いたのではクラッド部分でのガラス欠陥が少ないために、この部分における紫外光による屈折率変化ΔｎＵＶはコアでの屈折率変化ΔｎＵＶに比べて小さい。したがって、光ファイバ全体として十分な反射率が得られないという課題があった。
【０００７】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、回折格子を作り込むことで所定波長の光を高い反射率で反射する光ファイバの母材を製造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母材製造方法は、酸化ゲルマニウムが添加された石英ガラスからなるコアロッドを用意し、このコアロッドの外周面上に酸化ゲルマニウムが添加された第１の石英ガラス微粒子を堆積させる第１の工程と、第１の石英ガラス微粒子を焼結して、前記コアロッドより低屈折率の第１のクラッドを形成する第２の工程と、第１のクラッドの外周面上に第２の石英ガラス微粒子を堆積させる第３の工程と、この第２石英ガラス微粒子を焼結して、第２のクラッドを形成する第４の工程とを備えている。
【０００９】
上記の第１工程は、第１石英ガラス微粒子を第１バーナの火炎中で生成し、コアロッドをその軸を回転軸として回転させながら第１石英ガラス微粒子を吹き付けて、この第１石英ガラス微粒子をコアロッドの軸方向に成長させる工程である良い。
【００１０】
また、上記の第１工程は、第１石英ガラス微粒子を第１バーナの火炎中で生成し、コアロッドをその軸を回転軸として回転させながら、第１バーナをコアロッドの軸とほぼ平行に相対的に移動させて第１石英ガラス微粒子を吹き付ける工程であっても良い。
【００１１】
上記の第２工程は、フッ素を含む雰囲気中で焼結を行う工程であると良い。
【００１２】
上記の第３工程は、第２石英ガラス微粒子を第２バーナの火炎中で生成し、コアロッドと第１クラッドの複合体をその軸を回転軸として回転させながら第２石英ガラス微粒子を吹き付けて、この第２石英ガラス微粒子を上記複合体の軸方向に成長させる工程であると良い。
【００１３】
また、上記の第３工程は、第２石英ガラス微粒子を第２バーナの火炎中で生成し、コアロッドと第１クラッドの複合体をその軸を回転軸として回転させながら、第２バーナを複合体の軸とほぼ平行に相対的に移動させて第２石英ガラス微粒子を吹き付ける工程であっても良い。
【００１４】
【作用】
本発明では、第１の工程で酸化ゲルマニウムが添加された第１石英ガラス微粒子がコアロッド上に堆積され、これが第２の工程で焼結されることで第１クラッドが形成される。さらに、この第１クラッドの上に第２クラッドが形成されることで光ファイバ母材が製造される。
【００１５】
この光ファイバ母材のうちコアロッドを密着して覆う第１クラッドは、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いる。また、この光ファイバ母材には、コアロッドにも酸化ゲルマニウムが添加されている。このため、この光ファイバ母材を線引すると、コア及びクラッドのそれぞれに酸化ゲルマニウムが添加された石英系光ファイバが得られる。
【００１６】
この光ファイバの所定部位に対して紫外光を照射すると、この所定部位に含まれるコア及びクラッドの双方において紫外光が入射した部分の屈折率が変化する。このため、例えば、この光ファイバに紫外光の干渉縞を照射することで、コア及びクラッドの双方に回折格子を形成することができる。
【００１７】
こうして所定部位のコア及びクラッドの双方に回折格子が作り込まれた光ファイバでは、コアを伝搬する導波光のみならず、導波光のうち導波中にクラッドへ放射される光も上記部位において反射され、モードフィールド全域にわたって導波光が反射される構造を有している。それゆえ、この光ファイバは高い反射率を有する。
【００１８】
なお、上記導波光のうちクラッドへ放射される光は、コアからわずかにクラッド側へ漏出しているだけなので、クラッドにおける回折格子がコアとクラッドとの境界面付近のみに存在する場合でも、十分に高い反射率を有する。
【００１９】
本発明のガラス母材製造方法のうち、第１石英ガラス微粒子を第１バーナを用いてコアロッドの軸方向に成長させる上記の方法によれば、第１石英ガラス微粒子がコアロッドの外周面上にほぼ均一に堆積され、均一な厚さの第１クラッドが形成される。
【００２０】
第１バーナをコアロッドの軸とほぼ平行に相対的に移動させる上記の方法の場合も同様であり、第１石英ガラス微粒子がコアロッドの外周面上にほぼ均一に堆積され、均一な厚さの第１クラッドが形成される。
【００２１】
本発明のガラス母材製造方法のうち、フッ素を含む雰囲気中で第１石英ガラス微粒子の焼結を行う方法では、第１クラッドにフッ素が添加される。フッ素は、酸化ゲルマニウムとは逆に石英ガラスの屈折率を低下させる添加物であるから、酸化ゲルマニウムとともにフッ素を第１クラッドに添加することで、コアロッドと第１クラッドとの比屈折率差の制御が容易になる。
【００２２】
本発明のガラス母材製造方法のうち、第２石英ガラス微粒子を第２バーナを用いてコアロッドと第１クラッドの複合体の軸方向に成長させる上記の方法によれば、第２石英ガラス微粒子が複合体の外周面上にほぼ均一に堆積され、均一な厚さの第２クラッドが形成される。
【００２３】
第２バーナをコアロッドと第１クラッドの複合体の軸とほぼ平行に相対的に移動させる上記の方法の場合も同様であり、第２石英ガラス微粒子が複合体の外周面上にほぼ均一に堆積され、均一な厚さの第２クラッドが形成される。
【００２４】
【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。
【００２５】
図１は、本実施例の光ファイバ母材製造方法を説明するための図である。この図を参照しながら、本実施例の母材製造方法を説明する。なお、本実施例では、シングルモード光ファイバ用の母材を製造する。
【００２６】
まず、図１（ａ）のように、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２ ）が添加された石英ガラス（ＳｉＯ２ ）からなるコアロッド２０を用意する。このコアロッド２０は、回転している円柱状の出発材１０をターゲットとし、その外周面上に火炎中で生成したＳｉＯ２ とＧｅＯ２ のガラス微粒子を堆積させ、その後、このガラス微粒子を焼結して透明ガラス化することにより作製することができる。
【００２７】
具体的に説明すると、コア用のバーナーに原料となる四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４ ）及び四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４ ）、並びに燃料となる水素及び酸素 （以上は、すべて気体である。）を同時に送り込みながら、水素の燃焼によるバーナー火炎を出発材１０にあてる。このとき、出発材１０は、自らの軸を回転軸として回転させておく。これにより、バーナ火炎中の火炎加水分解反応により生じたＳｉＯ２ とＧｅＯ２ のガラス微粒子が出発材１０に吹き付けられ、出発材１０の外周面上に均一に堆積する。
【００２８】
堆積が進むにつれてガラス微粒子は成長し、軸方向に伸びてくるが、これに応じてガラス微粒子の複合体を少しずつ引き上げてゆくことで、常にガラス微粒子の先端にバーナ火炎があたるように制御する。このようにして、必要な長さのガラス微粒子堆積体が得られたら、これを焼結炉中で加熱し、焼結する。これによりガラス微粒子は透明ガラス化し、ＧｅＯ２ が添加された石英ガラスの棒状体が得られる。これが、図１（ａ）のコアロッド２０である。ＧｅＯ２ は、石英ガラスの屈折率を上昇させる添加物であり、本実施例のコアロッド２０への添加量は６．５ｗｔ％である。
【００２９】
次に、図１（ｂ）に示されるように、コアロッド２０の外周面上に内層クラッドとなるべきガラス微粒子（ＳｉＯ２ −ＧｅＯ２ ）を堆積させる。このガラス微粒子は、クラッド用のバーナにＳｉＣｌ４ 、ＧｅＣｌ４ 、水素及び酸素を同時に送り込むことにより火炎中で生成したものである。
【００３０】
具体的には、コアロッド２０を自らの軸を回転軸として回転させながらバーナ５０の火炎をコアロッド２０の上端部にあててＳｉＯ２ とＧｅＯ２ のガラス微粒子を堆積させる。コアロッド２０を少しずつ引き上げながらバーナ５０の火炎をあて続けることで、ガラス微粒子はコアロッド２０の表面上においてコアロッド２０の軸方向に成長していく。これにより、ＳｉＯ２ とＧｅＯ２ のガラス微粒子は、コアロッド２０の外周面上に均一に堆積する。このようにして、内層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体３０が形成される。
【００３１】
なお、上記の方法の代わりに、次の方法を採ることもできる。すなわち、コアロッド２０を自らの軸を回転軸として回転させながらバーナ５０の火炎をあて、コアロッド２０の軸方向に沿ってバーナ５０をコアロッド２０に対し相対的に繰り返し移動させていくことで、ＳｉＯ２ とＧｅＯ２ のガラス微粒子をコアロッド２０の外周面上に均一に堆積する。このような方法によっても、内層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体３０を形成することができる。
【００３２】
次いで、コアロッド２０とガラス微粒子堆積体３０の複合体を焼結炉中で加熱し、ガラス微粒子を焼結する。本実施例では、内層クラッドにＦを添加すべく、ＳｉＦ４ を焼結炉中に導入して形成したＦ雰囲気中で焼結を行う。これにより、上記のガラス微粒子は透明ガラス化し、内層クラッド３１となる（図１（ｃ））。
【００３３】
このようにして形成された内層クラッド３１は、石英ガラスにＧｅＯ２ とＦが添加されたものである。ＧｅＯ２ の添加量は、２ｗｔ％である。Ｆは石英ガラスの屈折率を低下させる添加物であり、内層クラッド３１の屈折率を調節し、コア２０と内層クラッド３１との間の比屈折率差を制御するために添加したものである。Ｆを添加しなくても比屈折率差の制御は可能であり、本発明の目的とする光ファイバ母材を製造することは十分に可能であるが、比屈折率差の制御が容易になるという利点を考慮して、本実施例ではＦを添加することにした。なお、本実施例では、コア２０と内層クラッド３１との間の比屈折率差を、０．３５％とした。
【００３４】
内層クラッド３１は、コア２０を密着して覆いつつ、コア２０との屈折率差によって導波光を閉じこめ、光ファイバによる光伝送に寄与するものである。したがって、内層クラッド３１は、光ファイバによる光伝送において導波光エネルギーがしみ出しうる程度の厚さにすれば良い。通常は、コアの約４倍以上の厚さがあれば良い。
【００３５】
次に、内層クラッド３１の外周面上に、さらにクラッド層を形成する。このクラッド層は、内層クラッド３１を密着して覆っており、外層クラッドと呼ばれる。この外層クラッドは、内層クラッドと組み合って一つのクラッドを構成するもので、標準的なコア／クラッドの外径比を有する光ファイバ母材を得るために形成される。
【００３６】
外層クラッドは、図１（ｄ）に示されるように、内層クラッド３１の外周面上にＳｉＯ２ のみからなるガラス微粒子を堆積させ、これを透明ガラス化することにより形成する。
【００３７】
具体的には、コア２０及び内層クラッド３１の複合体を自らの軸を回転軸として回転させながら、外層クラッド用のバーナ５１にＳｉＣｌ４ 、水素及び酸素を同時に送り込み、生成されたバーナ火炎を内層クラッド３１の上端部にあててＳｉＯ２ のガラス微粒子を堆積させる。上記複合体を少しずつ引き上げながらバーナ５１の火炎をあて続けることで、ガラス微粒子は内層クラッド３１の表面上において複合体の軸方向に成長していく。これにより、ＳｉＯ２ のガラス微粒子は、内層クラッド３１の外周面上に均一に堆積する。このようにして、外層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体４０が形成される。
【００３８】
なお、上記の方法の代わりに、次の方法を採ることもできる。すなわち、コア２０及び内層クラッド３１の複合体を自らの軸を回転軸として回転させながら、外層クラッド用のバーナ５１にＳｉＣｌ４ 、水素及び酸素を同時に送り込み、生成されたバーナ火炎を内層クラッド３１にあて、軸方向に沿ってバーナ５１を上記の複合体に対し相対的に繰り返し移動させる。これにより、ＳｉＯ２ のガラス微粒子が内層クラッド３１の外周面上に均一に堆積する。このような方法によっても、外層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体４０を形成することができる。
【００３９】
次いで、コアロッド２０、内層クラッド３１及びガラス微粒子の堆積体４０からなる複合体を焼結炉中で加熱し、ガラス微粒子を焼結する。これにより、ガラス微粒子の堆積体４０は透明ガラス化し、外層クラッド４１となる。以上のようにして、本実施例の光ファイバ母材製造方法は完了し、本実施例の目的とする光ファイバ母材１００が得られる（図１（ｅ））。
【００４０】
図２は、光ファイバ母材１００の構造を示す図である。コアはＧｅＯ２ が添加された石英ガラス、内層クラッドはＧｅＯ２ とＦが添加された石英ガラス、外層クラッドは実質的に純粋な石英ガラスから構成されている。
【００４１】
本実施例の方法により製造された光ファイバ母材を通常の線引装置を用いて線引することで光ファイバが得られる。この光ファイバは、コアのみならずクラッドにもＧｅＯ２ が添加された石英系の光ファイバである。
【００４２】
本実施例の方法により製造された光ファイバ母材から線引される光ファイバは、高反射率の回折格子を作り込むことで所定波長の光を高い反射率で反射するようになり、光フィルタとして好適な使用が可能である。本発明者らは、この点を確認すべく、実際にこの光ファイバ内に回折格子を形成した。以下、この回折格子形成方法について説明する。
【００４３】
一般に、ＧｅＯ２ が添加された石英ガラスに紫外光を照射すると屈折率が上昇する。紫外光の波長は、通常、１５０ｎｍ〜３００ｎｍから選択されるが、特に、２４０ｎｍ〜２５０ｎｍの紫外光を照射する場合が多い。本実施例の製造方法による光ファイバ母材から得られる光ファイバは、コア及びクラッドが、ともにＧｅＯ２ が添加された石英ガラスから構成されているため、この光ファイバの所定部位に紫外光を照射することで、所定部位に含まれるコア及びクラッドの双方に回折格子を形成することができる。紫外光の照射は、上記光ファイバを所望の長さに切り取った後に行ってもよいし、線引された上記光ファイバを巻き取る途中に行うなど、上記光ファイバの製造工程に組み込んで行ってもよい。
【００４４】
本実施例では、一定周期（等ピッチ）の回折格子を光ファイバ内に形成することとし、このために、一定周期（等間隔）の紫外光干渉縞を光ファイバに照射した。以下では、紫外光干渉縞の照射方法について詳しく説明する。
【００４５】
図３は、紫外光干渉縞の照射方法を説明するための図である。本実施例では、ホログラフィック干渉法（二光束干渉法）により２本のコヒーレントな紫外光を干渉させ、これによって生成された干渉縞を本実施例の光ファイバ母材１００から得られた光ファイバ８０に照射する。
【００４６】
図３を参照しながら具体的に説明すると、まず、紫外光光源６０から出力された紫外光は、干渉手段７０に入射する。紫外光光源６０としては、アルゴンレーザ光源を用いる。アルゴンレーザ光源は、２４４ｎｍのコヒーレントな紫外光を連続発振する。また、干渉手段７０は、ビームスプリッタ７１ａ、並びに反射鏡７１ｂ及び７１ｃから構成されている。
【００４７】
アルゴンレーザ光源６０からの紫外光は、ビームスプリッタ２１ａにより透過光と反射光の２光束に分岐される。分岐された各光束は、それぞれ反射鏡２１ｂ及び２１ｃによって反射され、光ファイバ８０の軸方向に対し互いに補角の関係にある角度をもって光ファイバ８０に照射される。
【００４８】
分岐された各光束は干渉領域９０にて干渉し、所定周期の干渉縞を形成しつつ、光ファイバ８０に照射される。照射された紫外光は、コア８１及びクラッド８２に入射して、伝搬モードに対する実効屈折率を変化させる。これにより、コア８１及びクラッド８２の干渉縞照射領域には、干渉縞の光強度分布に応じた屈折率分布がそれぞれ形成される。これが、回折格子８３及び８４である。
【００４９】
この回折格子８３及び８４は、コア８１又はクラッド８２の一領域であって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ものである。なお、最小屈折率は、コア８１又はクラッド８２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。これらの回折格子８３、８４は、ブラッグ反射波長λＢ を中心とした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。ここで、
λＢ ＝２・ｎ・Λ
ｎ：最小屈折率
Λ：回折格子の周期（屈折率変化の周期）
である。なお、回折格子の周期Λは、照射した干渉縞の周期にほぼ等しい。
【００５０】
クラッド８２とコア８１の屈折率は異なるので、上式によれば、クラッド８２に形成された回折格子８４の反射波長は、コア８１に形成された回折格子８３の反射波長からずれることになる。しかし、一般に、光ファイバのクラッドとコアの屈折率差は小さいので、反射波長のずれ量も大きくない。そして、回折格子の反射スペクトルは反射波長を中心に拡がりを持つので、回折格子８４は回折格子８３の反射波長の光を十分に反射することになる。
【００５１】
回折格子８３及び８４が形成された光ファイバ８０は、コア８１を伝搬する導波光のみならず、クラッドへ放射される光をも反射し、モードフィールド全域にわたって導波光を反射するため、コアのみに回折格子の形成された光ファイバに比べて、高い反射率を有する。実際に、光ファイバ８０の一端から回折格子８３の反射波長の光を入射させて、反射率を測定したところ、反射率は約７５％であり、良好な結果を得た。
【００５２】
このように、本実施例の方法によれば、回折格子を作り込むことで所定波長の光を高い反射率で反射する光ファイバの母材を製造することができ、極めて有用である。
【００５３】
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、実施例では、シングルモード光ファイバ用の母材を製造したが、コアロッド、内層クラッド及び外層クラッドの外径比を調節して形成することで、マルチモード光ファイバ用の母材を製造することも可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の光ファイバ母材製造方法によれば、酸化ゲルマニウムが添加された第１クラッドが形成されるため、回折格子を作り込むことで所定波長の光を高い反射率で反射する光ファイバの母材を製造することができ、極めて有用である。
【００５５】
本発明のガラス母材製造方法のうち、第１石英ガラス微粒子を第１バーナを用いてコアロッドの軸方向に成長させる方法によれば、均一な厚さの第１クラッドが形成されるので、質の良い光ファイバ母材を製造することができる。
【００５６】
また、本発明のガラス母材製造方法のうち、第１バーナをコアロッドの軸とほぼ平行に相対的に移動させる方法によっても、均一な厚さの第１クラッドが形成されるので、質の良い光ファイバ母材を製造することができる。
【００５７】
本発明のガラス母材製造方法のうち、フッ素を含む雰囲気中で第１石英ガラス微粒子の焼結を行う方法では、酸化ゲルマニウムとともにフッ素を第１クラッドに添加するので、コアロッドと第１クラッドとの比屈折率差の制御が容易になり、一層好適である。
【００５８】
本発明のガラス母材製造方法のうち、第２石英ガラス微粒子を第２バーナを用いてコアロッドと第１クラッドの複合体の軸方向に成長させる方法によれば、均一な厚さの第２クラッドが形成されるので、質の良い光ファイバ母材を製造することができる。
【００５９】
また、本発明のガラス母材製造方法のうち、第２バーナをコアロッドと第１クラッドの複合体の軸とほぼ平行に相対的に移動させる方法によっても、均一な厚さの第２クラッドが形成されるので、質の良い光ファイバ母材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のガラス母材製造方法を説明するための図である。
【図２】実施例で製造されたガラス母材の構造を示す図である。
【図３】紫外光干渉縞の照射方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…出発材、２０…コアロッド、３０…内層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体、３１…内層クラッド、４０…外層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体、４１…外層クラッド、５０…内層クラッド用のバーナ、５１…外層クラッド用のバーナ、１００…ガラス母材。
代理人弁理士 長谷川 芳樹
【産業上の利用分野】
本発明は、所定部位の屈折率を周期的に変化させて回折格子を作り込むための光ファイバの母材製造技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学部品の一種である回折格子には種々の態様のものがあるが、光通信システム等に利用する場合には、特に、他の光ファイバとの接続が容易で、かつ挿入損失の低い光ファイバ型回折格子が好適である。この光ファイバ型回折格子は、光ファイバ内の所定部位に形成された一領域であって、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る。
【０００３】
光ファイバ型回折格子の作製方法、すなわち光ファイバ内に回折格子を形成する方法としては、例えば特開昭６２−５０００５２号公報に記載のものが知られている。これは、酸化ゲルマニウムを添加してコアを形成した石英系光ファイバに紫外光を照射することより、コアに周期的な屈折率変化を生じさせ、回折格子を形成する方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法では、得られる回折格子の反射率は必ずしも十分でない。すなわち、回折格子が作り込まれた光導波路では、その反射率が重要な特性であるが、この反射率は以下の式（１）のように、回折格子長（コア内において、屈折率が周期的に変化している領域の長さ）と光誘起屈折率変化に依存する。
【０００５】
Ｒ＝ｔａｎｈ２（Ｌ・π・ΔｎＵＶ／λ） …（１）
ここで、Ｒは反射率、Ｌはコア内に作り込まれた回折格子長、ΔｎＵＶは紫外光に対する屈折率変化（光誘起屈折率変化）、λは反射波長である。
【０００６】
紫外光照射による屈折率変化はガラス中のゲルマニウムに関連したガラス欠陥に起因することが知られているが、通常の通信用光ファイバを用いたのではクラッド部分でのガラス欠陥が少ないために、この部分における紫外光による屈折率変化ΔｎＵＶはコアでの屈折率変化ΔｎＵＶに比べて小さい。したがって、光ファイバ全体として十分な反射率が得られないという課題があった。
【０００７】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、回折格子を作り込むことで所定波長の光を高い反射率で反射する光ファイバの母材を製造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母材製造方法は、酸化ゲルマニウムが添加された石英ガラスからなるコアロッドを用意し、このコアロッドの外周面上に酸化ゲルマニウムが添加された第１の石英ガラス微粒子を堆積させる第１の工程と、第１の石英ガラス微粒子を焼結して、前記コアロッドより低屈折率の第１のクラッドを形成する第２の工程と、第１のクラッドの外周面上に第２の石英ガラス微粒子を堆積させる第３の工程と、この第２石英ガラス微粒子を焼結して、第２のクラッドを形成する第４の工程とを備えている。
【０００９】
上記の第１工程は、第１石英ガラス微粒子を第１バーナの火炎中で生成し、コアロッドをその軸を回転軸として回転させながら第１石英ガラス微粒子を吹き付けて、この第１石英ガラス微粒子をコアロッドの軸方向に成長させる工程である良い。
【００１０】
また、上記の第１工程は、第１石英ガラス微粒子を第１バーナの火炎中で生成し、コアロッドをその軸を回転軸として回転させながら、第１バーナをコアロッドの軸とほぼ平行に相対的に移動させて第１石英ガラス微粒子を吹き付ける工程であっても良い。
【００１１】
上記の第２工程は、フッ素を含む雰囲気中で焼結を行う工程であると良い。
【００１２】
上記の第３工程は、第２石英ガラス微粒子を第２バーナの火炎中で生成し、コアロッドと第１クラッドの複合体をその軸を回転軸として回転させながら第２石英ガラス微粒子を吹き付けて、この第２石英ガラス微粒子を上記複合体の軸方向に成長させる工程であると良い。
【００１３】
また、上記の第３工程は、第２石英ガラス微粒子を第２バーナの火炎中で生成し、コアロッドと第１クラッドの複合体をその軸を回転軸として回転させながら、第２バーナを複合体の軸とほぼ平行に相対的に移動させて第２石英ガラス微粒子を吹き付ける工程であっても良い。
【００１４】
【作用】
本発明では、第１の工程で酸化ゲルマニウムが添加された第１石英ガラス微粒子がコアロッド上に堆積され、これが第２の工程で焼結されることで第１クラッドが形成される。さらに、この第１クラッドの上に第２クラッドが形成されることで光ファイバ母材が製造される。
【００１５】
この光ファイバ母材のうちコアロッドを密着して覆う第１クラッドは、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いる。また、この光ファイバ母材には、コアロッドにも酸化ゲルマニウムが添加されている。このため、この光ファイバ母材を線引すると、コア及びクラッドのそれぞれに酸化ゲルマニウムが添加された石英系光ファイバが得られる。
【００１６】
この光ファイバの所定部位に対して紫外光を照射すると、この所定部位に含まれるコア及びクラッドの双方において紫外光が入射した部分の屈折率が変化する。このため、例えば、この光ファイバに紫外光の干渉縞を照射することで、コア及びクラッドの双方に回折格子を形成することができる。
【００１７】
こうして所定部位のコア及びクラッドの双方に回折格子が作り込まれた光ファイバでは、コアを伝搬する導波光のみならず、導波光のうち導波中にクラッドへ放射される光も上記部位において反射され、モードフィールド全域にわたって導波光が反射される構造を有している。それゆえ、この光ファイバは高い反射率を有する。
【００１８】
なお、上記導波光のうちクラッドへ放射される光は、コアからわずかにクラッド側へ漏出しているだけなので、クラッドにおける回折格子がコアとクラッドとの境界面付近のみに存在する場合でも、十分に高い反射率を有する。
【００１９】
本発明のガラス母材製造方法のうち、第１石英ガラス微粒子を第１バーナを用いてコアロッドの軸方向に成長させる上記の方法によれば、第１石英ガラス微粒子がコアロッドの外周面上にほぼ均一に堆積され、均一な厚さの第１クラッドが形成される。
【００２０】
第１バーナをコアロッドの軸とほぼ平行に相対的に移動させる上記の方法の場合も同様であり、第１石英ガラス微粒子がコアロッドの外周面上にほぼ均一に堆積され、均一な厚さの第１クラッドが形成される。
【００２１】
本発明のガラス母材製造方法のうち、フッ素を含む雰囲気中で第１石英ガラス微粒子の焼結を行う方法では、第１クラッドにフッ素が添加される。フッ素は、酸化ゲルマニウムとは逆に石英ガラスの屈折率を低下させる添加物であるから、酸化ゲルマニウムとともにフッ素を第１クラッドに添加することで、コアロッドと第１クラッドとの比屈折率差の制御が容易になる。
【００２２】
本発明のガラス母材製造方法のうち、第２石英ガラス微粒子を第２バーナを用いてコアロッドと第１クラッドの複合体の軸方向に成長させる上記の方法によれば、第２石英ガラス微粒子が複合体の外周面上にほぼ均一に堆積され、均一な厚さの第２クラッドが形成される。
【００２３】
第２バーナをコアロッドと第１クラッドの複合体の軸とほぼ平行に相対的に移動させる上記の方法の場合も同様であり、第２石英ガラス微粒子が複合体の外周面上にほぼ均一に堆積され、均一な厚さの第２クラッドが形成される。
【００２４】
【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。
【００２５】
図１は、本実施例の光ファイバ母材製造方法を説明するための図である。この図を参照しながら、本実施例の母材製造方法を説明する。なお、本実施例では、シングルモード光ファイバ用の母材を製造する。
【００２６】
まず、図１（ａ）のように、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２ ）が添加された石英ガラス（ＳｉＯ２ ）からなるコアロッド２０を用意する。このコアロッド２０は、回転している円柱状の出発材１０をターゲットとし、その外周面上に火炎中で生成したＳｉＯ２ とＧｅＯ２ のガラス微粒子を堆積させ、その後、このガラス微粒子を焼結して透明ガラス化することにより作製することができる。
【００２７】
具体的に説明すると、コア用のバーナーに原料となる四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４ ）及び四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４ ）、並びに燃料となる水素及び酸素 （以上は、すべて気体である。）を同時に送り込みながら、水素の燃焼によるバーナー火炎を出発材１０にあてる。このとき、出発材１０は、自らの軸を回転軸として回転させておく。これにより、バーナ火炎中の火炎加水分解反応により生じたＳｉＯ２ とＧｅＯ２ のガラス微粒子が出発材１０に吹き付けられ、出発材１０の外周面上に均一に堆積する。
【００２８】
堆積が進むにつれてガラス微粒子は成長し、軸方向に伸びてくるが、これに応じてガラス微粒子の複合体を少しずつ引き上げてゆくことで、常にガラス微粒子の先端にバーナ火炎があたるように制御する。このようにして、必要な長さのガラス微粒子堆積体が得られたら、これを焼結炉中で加熱し、焼結する。これによりガラス微粒子は透明ガラス化し、ＧｅＯ２ が添加された石英ガラスの棒状体が得られる。これが、図１（ａ）のコアロッド２０である。ＧｅＯ２ は、石英ガラスの屈折率を上昇させる添加物であり、本実施例のコアロッド２０への添加量は６．５ｗｔ％である。
【００２９】
次に、図１（ｂ）に示されるように、コアロッド２０の外周面上に内層クラッドとなるべきガラス微粒子（ＳｉＯ２ −ＧｅＯ２ ）を堆積させる。このガラス微粒子は、クラッド用のバーナにＳｉＣｌ４ 、ＧｅＣｌ４ 、水素及び酸素を同時に送り込むことにより火炎中で生成したものである。
【００３０】
具体的には、コアロッド２０を自らの軸を回転軸として回転させながらバーナ５０の火炎をコアロッド２０の上端部にあててＳｉＯ２ とＧｅＯ２ のガラス微粒子を堆積させる。コアロッド２０を少しずつ引き上げながらバーナ５０の火炎をあて続けることで、ガラス微粒子はコアロッド２０の表面上においてコアロッド２０の軸方向に成長していく。これにより、ＳｉＯ２ とＧｅＯ２ のガラス微粒子は、コアロッド２０の外周面上に均一に堆積する。このようにして、内層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体３０が形成される。
【００３１】
なお、上記の方法の代わりに、次の方法を採ることもできる。すなわち、コアロッド２０を自らの軸を回転軸として回転させながらバーナ５０の火炎をあて、コアロッド２０の軸方向に沿ってバーナ５０をコアロッド２０に対し相対的に繰り返し移動させていくことで、ＳｉＯ２ とＧｅＯ２ のガラス微粒子をコアロッド２０の外周面上に均一に堆積する。このような方法によっても、内層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体３０を形成することができる。
【００３２】
次いで、コアロッド２０とガラス微粒子堆積体３０の複合体を焼結炉中で加熱し、ガラス微粒子を焼結する。本実施例では、内層クラッドにＦを添加すべく、ＳｉＦ４ を焼結炉中に導入して形成したＦ雰囲気中で焼結を行う。これにより、上記のガラス微粒子は透明ガラス化し、内層クラッド３１となる（図１（ｃ））。
【００３３】
このようにして形成された内層クラッド３１は、石英ガラスにＧｅＯ２ とＦが添加されたものである。ＧｅＯ２ の添加量は、２ｗｔ％である。Ｆは石英ガラスの屈折率を低下させる添加物であり、内層クラッド３１の屈折率を調節し、コア２０と内層クラッド３１との間の比屈折率差を制御するために添加したものである。Ｆを添加しなくても比屈折率差の制御は可能であり、本発明の目的とする光ファイバ母材を製造することは十分に可能であるが、比屈折率差の制御が容易になるという利点を考慮して、本実施例ではＦを添加することにした。なお、本実施例では、コア２０と内層クラッド３１との間の比屈折率差を、０．３５％とした。
【００３４】
内層クラッド３１は、コア２０を密着して覆いつつ、コア２０との屈折率差によって導波光を閉じこめ、光ファイバによる光伝送に寄与するものである。したがって、内層クラッド３１は、光ファイバによる光伝送において導波光エネルギーがしみ出しうる程度の厚さにすれば良い。通常は、コアの約４倍以上の厚さがあれば良い。
【００３５】
次に、内層クラッド３１の外周面上に、さらにクラッド層を形成する。このクラッド層は、内層クラッド３１を密着して覆っており、外層クラッドと呼ばれる。この外層クラッドは、内層クラッドと組み合って一つのクラッドを構成するもので、標準的なコア／クラッドの外径比を有する光ファイバ母材を得るために形成される。
【００３６】
外層クラッドは、図１（ｄ）に示されるように、内層クラッド３１の外周面上にＳｉＯ２ のみからなるガラス微粒子を堆積させ、これを透明ガラス化することにより形成する。
【００３７】
具体的には、コア２０及び内層クラッド３１の複合体を自らの軸を回転軸として回転させながら、外層クラッド用のバーナ５１にＳｉＣｌ４ 、水素及び酸素を同時に送り込み、生成されたバーナ火炎を内層クラッド３１の上端部にあててＳｉＯ２ のガラス微粒子を堆積させる。上記複合体を少しずつ引き上げながらバーナ５１の火炎をあて続けることで、ガラス微粒子は内層クラッド３１の表面上において複合体の軸方向に成長していく。これにより、ＳｉＯ２ のガラス微粒子は、内層クラッド３１の外周面上に均一に堆積する。このようにして、外層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体４０が形成される。
【００３８】
なお、上記の方法の代わりに、次の方法を採ることもできる。すなわち、コア２０及び内層クラッド３１の複合体を自らの軸を回転軸として回転させながら、外層クラッド用のバーナ５１にＳｉＣｌ４ 、水素及び酸素を同時に送り込み、生成されたバーナ火炎を内層クラッド３１にあて、軸方向に沿ってバーナ５１を上記の複合体に対し相対的に繰り返し移動させる。これにより、ＳｉＯ２ のガラス微粒子が内層クラッド３１の外周面上に均一に堆積する。このような方法によっても、外層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体４０を形成することができる。
【００３９】
次いで、コアロッド２０、内層クラッド３１及びガラス微粒子の堆積体４０からなる複合体を焼結炉中で加熱し、ガラス微粒子を焼結する。これにより、ガラス微粒子の堆積体４０は透明ガラス化し、外層クラッド４１となる。以上のようにして、本実施例の光ファイバ母材製造方法は完了し、本実施例の目的とする光ファイバ母材１００が得られる（図１（ｅ））。
【００４０】
図２は、光ファイバ母材１００の構造を示す図である。コアはＧｅＯ２ が添加された石英ガラス、内層クラッドはＧｅＯ２ とＦが添加された石英ガラス、外層クラッドは実質的に純粋な石英ガラスから構成されている。
【００４１】
本実施例の方法により製造された光ファイバ母材を通常の線引装置を用いて線引することで光ファイバが得られる。この光ファイバは、コアのみならずクラッドにもＧｅＯ２ が添加された石英系の光ファイバである。
【００４２】
本実施例の方法により製造された光ファイバ母材から線引される光ファイバは、高反射率の回折格子を作り込むことで所定波長の光を高い反射率で反射するようになり、光フィルタとして好適な使用が可能である。本発明者らは、この点を確認すべく、実際にこの光ファイバ内に回折格子を形成した。以下、この回折格子形成方法について説明する。
【００４３】
一般に、ＧｅＯ２ が添加された石英ガラスに紫外光を照射すると屈折率が上昇する。紫外光の波長は、通常、１５０ｎｍ〜３００ｎｍから選択されるが、特に、２４０ｎｍ〜２５０ｎｍの紫外光を照射する場合が多い。本実施例の製造方法による光ファイバ母材から得られる光ファイバは、コア及びクラッドが、ともにＧｅＯ２ が添加された石英ガラスから構成されているため、この光ファイバの所定部位に紫外光を照射することで、所定部位に含まれるコア及びクラッドの双方に回折格子を形成することができる。紫外光の照射は、上記光ファイバを所望の長さに切り取った後に行ってもよいし、線引された上記光ファイバを巻き取る途中に行うなど、上記光ファイバの製造工程に組み込んで行ってもよい。
【００４４】
本実施例では、一定周期（等ピッチ）の回折格子を光ファイバ内に形成することとし、このために、一定周期（等間隔）の紫外光干渉縞を光ファイバに照射した。以下では、紫外光干渉縞の照射方法について詳しく説明する。
【００４５】
図３は、紫外光干渉縞の照射方法を説明するための図である。本実施例では、ホログラフィック干渉法（二光束干渉法）により２本のコヒーレントな紫外光を干渉させ、これによって生成された干渉縞を本実施例の光ファイバ母材１００から得られた光ファイバ８０に照射する。
【００４６】
図３を参照しながら具体的に説明すると、まず、紫外光光源６０から出力された紫外光は、干渉手段７０に入射する。紫外光光源６０としては、アルゴンレーザ光源を用いる。アルゴンレーザ光源は、２４４ｎｍのコヒーレントな紫外光を連続発振する。また、干渉手段７０は、ビームスプリッタ７１ａ、並びに反射鏡７１ｂ及び７１ｃから構成されている。
【００４７】
アルゴンレーザ光源６０からの紫外光は、ビームスプリッタ２１ａにより透過光と反射光の２光束に分岐される。分岐された各光束は、それぞれ反射鏡２１ｂ及び２１ｃによって反射され、光ファイバ８０の軸方向に対し互いに補角の関係にある角度をもって光ファイバ８０に照射される。
【００４８】
分岐された各光束は干渉領域９０にて干渉し、所定周期の干渉縞を形成しつつ、光ファイバ８０に照射される。照射された紫外光は、コア８１及びクラッド８２に入射して、伝搬モードに対する実効屈折率を変化させる。これにより、コア８１及びクラッド８２の干渉縞照射領域には、干渉縞の光強度分布に応じた屈折率分布がそれぞれ形成される。これが、回折格子８３及び８４である。
【００４９】
この回折格子８３及び８４は、コア８１又はクラッド８２の一領域であって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ものである。なお、最小屈折率は、コア８１又はクラッド８２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。これらの回折格子８３、８４は、ブラッグ反射波長λＢ を中心とした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。ここで、
λＢ ＝２・ｎ・Λ
ｎ：最小屈折率
Λ：回折格子の周期（屈折率変化の周期）
である。なお、回折格子の周期Λは、照射した干渉縞の周期にほぼ等しい。
【００５０】
クラッド８２とコア８１の屈折率は異なるので、上式によれば、クラッド８２に形成された回折格子８４の反射波長は、コア８１に形成された回折格子８３の反射波長からずれることになる。しかし、一般に、光ファイバのクラッドとコアの屈折率差は小さいので、反射波長のずれ量も大きくない。そして、回折格子の反射スペクトルは反射波長を中心に拡がりを持つので、回折格子８４は回折格子８３の反射波長の光を十分に反射することになる。
【００５１】
回折格子８３及び８４が形成された光ファイバ８０は、コア８１を伝搬する導波光のみならず、クラッドへ放射される光をも反射し、モードフィールド全域にわたって導波光を反射するため、コアのみに回折格子の形成された光ファイバに比べて、高い反射率を有する。実際に、光ファイバ８０の一端から回折格子８３の反射波長の光を入射させて、反射率を測定したところ、反射率は約７５％であり、良好な結果を得た。
【００５２】
このように、本実施例の方法によれば、回折格子を作り込むことで所定波長の光を高い反射率で反射する光ファイバの母材を製造することができ、極めて有用である。
【００５３】
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、実施例では、シングルモード光ファイバ用の母材を製造したが、コアロッド、内層クラッド及び外層クラッドの外径比を調節して形成することで、マルチモード光ファイバ用の母材を製造することも可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の光ファイバ母材製造方法によれば、酸化ゲルマニウムが添加された第１クラッドが形成されるため、回折格子を作り込むことで所定波長の光を高い反射率で反射する光ファイバの母材を製造することができ、極めて有用である。
【００５５】
本発明のガラス母材製造方法のうち、第１石英ガラス微粒子を第１バーナを用いてコアロッドの軸方向に成長させる方法によれば、均一な厚さの第１クラッドが形成されるので、質の良い光ファイバ母材を製造することができる。
【００５６】
また、本発明のガラス母材製造方法のうち、第１バーナをコアロッドの軸とほぼ平行に相対的に移動させる方法によっても、均一な厚さの第１クラッドが形成されるので、質の良い光ファイバ母材を製造することができる。
【００５７】
本発明のガラス母材製造方法のうち、フッ素を含む雰囲気中で第１石英ガラス微粒子の焼結を行う方法では、酸化ゲルマニウムとともにフッ素を第１クラッドに添加するので、コアロッドと第１クラッドとの比屈折率差の制御が容易になり、一層好適である。
【００５８】
本発明のガラス母材製造方法のうち、第２石英ガラス微粒子を第２バーナを用いてコアロッドと第１クラッドの複合体の軸方向に成長させる方法によれば、均一な厚さの第２クラッドが形成されるので、質の良い光ファイバ母材を製造することができる。
【００５９】
また、本発明のガラス母材製造方法のうち、第２バーナをコアロッドと第１クラッドの複合体の軸とほぼ平行に相対的に移動させる方法によっても、均一な厚さの第２クラッドが形成されるので、質の良い光ファイバ母材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のガラス母材製造方法を説明するための図である。
【図２】実施例で製造されたガラス母材の構造を示す図である。
【図３】紫外光干渉縞の照射方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…出発材、２０…コアロッド、３０…内層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体、３１…内層クラッド、４０…外層クラッドとなるべきガラス微粒子の堆積体、４１…外層クラッド、５０…内層クラッド用のバーナ、５１…外層クラッド用のバーナ、１００…ガラス母材。
代理人弁理士 長谷川 芳樹
Claims (6)
- 酸化ゲルマニウムが添加された石英ガラスからなるコアロッドを用意し、このコアロッドの外周面上に酸化ゲルマニウムが添加された第１の石英ガラス微粒子を堆積させる第１の工程と、
前記第１の石英ガラス微粒子を焼結して、前記コアロッドより低屈折率の第１のクラッドを形成する第２の工程と、
前記第１のクラッドの外周面上に第２の石英ガラス微粒子を堆積させる第３の工程と、
この第２石英ガラス微粒子を焼結して、第２のクラッドを形成する第４の工程と、
を備える光ファイバ型回折格子作製用光ファイバ母材の製造方法。 - 前記第１の工程は、前記第１石英ガラス微粒子を第１バーナの火炎中で生成し、前記コアロッドをその軸を回転軸として回転させながら前記第１石英ガラス微粒子を吹き付けて、この第１石英ガラス微粒子を前記コアロッドの軸方向に成長させる工程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作製用光ファイバ母材の製造方法。
- 前記第１の工程は、前記第１石英ガラス微粒子を第１バーナの火炎中で生成し、前記コアロッドをその軸を回転軸として回転させながら、前記第１バーナを前記コアロッドの軸とほぼ平行に相対的に移動させて前記第１石英ガラス微粒子を吹き付ける工程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作製用光ファイバ母材の製造方法。
- 前記第２の工程は、フッ素を含む雰囲気中で前記焼結を行う工程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作製用光ファイバ母材の製造方法。
- 前記第３の工程は、前記第２石英ガラス微粒子を第２バーナの火炎中で生成し、前記コアロッドと前記第１クラッドの複合体をその軸を回転軸として回転させながら前記第２石英ガラス微粒子を吹き付けて、この第２石英ガラス微粒子を前記複合体の軸方向に成長させる工程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作製用光ファイバ母材の製造方法。
- 前記第３の工程は、前記第２石英ガラス微粒子を第２バーナの火炎中で生成し、前記コアロッドと前記第１クラッドの複合体をその軸を回転軸として回転させながら、前記第２バーナを前記複合体の軸とほぼ平行に相対的に移動させて前記第２石英ガラス微粒子を吹き付ける工程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作製用光ファイバ母材の製造方法。
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