JP3596080B2

JP3596080B2 - 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

Info

Publication number: JP3596080B2
Application number: JP9088395A
Authority: JP
Inventors: 麻紀稲井; 真澄伊藤; 正榎本
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-04-17
Filing date: 1995-04-17
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: JPH08290930A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光ファイバ型回折格子の作製に好適な光ファイバ製作用の光ファイバ母材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学素子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、通信用光ファイバとの接続が容易で、挿入損失の低い光ファイバ型回折格子が好適である。
【０００３】
従来の光ファイバ型回折格子の作製方法としては、特許出願公表昭６２−５０００５２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高屈折率のコアを形成した石英系ファイバに強力な紫外光を照射することより、コアに屈折率変化部を光軸に沿って等間隔に配列して、回折格子を形成する方法である。そして、紫外光を照射する光ファイバの製作は、酸化ゲルマニウムが添加された高屈折率のコアと成るべき部分と、酸化ゲルマニウムが添加されず、コアとなるべき部分よりも低屈折率のクラッドとなるべき部分とを備える光ファイバ母材を加熱線引することによりなされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の製造方法では、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・Δｎ_ＵＶ／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、Δｎ_ＵＶ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関連のガラス欠陥に起因することが知られているが、従来のように通信用光ファイバを用いたのではクラッド部においてはＧｅ関連のガラス欠陥がないため、屈折率変化はしないので、この部分における紫外光による屈折率変化Δｎ_ＵＶは実質的にない。したがって、導波路全体として十分な反射率が得られない。
【０００７】
さらに、紫外光が照射されると、その部位のコア（回折格子が作り込まれた部位）の屈折率は高くなるため、この部位のモードフィールド径は他の紫外光が照射されていないコアのモードフィールド径より小さくなる。このモードフィールド径の変化がコア内に生じると、モードミスマッチによりコア内を伝搬している光がクラッド側へ放射され、伝送損失が増加するという。
【０００８】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、高い反射率を有する光ファイバ型回折格子の作製に好適な光ファイバ製作用の光ファイバ母材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明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は、（ａ）酸化ゲルマニウムが添加された石英ガラスから成り、第１の径を有する第１の柱状ガラス部材を用意する第１の工程と、（ｂ）酸化ゲルマニウムおよびフッ素が添加された石英ガラスから成り、内径が第１の径と略同一であり、外径が第２の径である第１の筒状ガラス部材を用意し、第１の柱状ガラス部材を第１の筒状ガラス部材の中空部に挿入する第２の工程と、（ｃ）第１の柱状ガラス部材が挿入された第１の筒状ガラス部材を加熱して一体化して第２の柱状ガラス部材とする第３の工程とを備えることを特徴とする。
【００１０】
ここで、第２の径は、前記第１の径の６倍以内とすることができる。
【００１１】
また、第３の工程に引き続いて、（ｄ）内径が第２の径と略同一である第２の筒状ガラス部材を用意し、第２の柱状ガラス部材を第２の筒状ガラス部材の中空部に挿入する第４の工程と、（ｅ）第２の柱状ガラス部材が挿入された第２の筒状ガラス部材を加熱して一体化して第３の柱状ガラス部材とする第５の工程とを更に備えることが可能である。
【００１２】
ここで、第２の筒状部材は、実質的に不純物が添加されていない石英ガラスとすることができる。
【００１３】
【作用】
本発明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では、まず、酸化ゲルマニウムが添加された石英ガラスから成り、第１の径を有する第１の柱状ガラス部材を用意する（第１の工程）。この第１の柱状ガラス部材が、加熱線引されて光ファイバのコアとなった場合に、紫外光が照射されると屈折率が効率的に変化するコアとなるべき部分である。
【００１４】
次に、酸化ゲルマニウムおよびフッ素が添加された石英ガラスから成り、内径が第１の径と略同一であり、外径が第２の径である第１の筒状ガラス部材を用意し、第１の柱状ガラス部材を第１の筒状ガラス部材の中空部に挿入する（第２の工程）。この第１の柱状ガラス部材が、加熱線引されて光ファイバの内層クラッドとなった場合に、紫外光が照射されると屈折率が効率的に変化する、クラッド（少なくとも、最内層クラッド）となるべき部分である。
【００１５】
次いで、第１の柱状ガラス部材が挿入された第１の筒状ガラス部材を加熱して一体化して第２の柱状ガラス部材とする（第３の工程）。
【００１６】
上記の工程を備えた本発明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によれば、光ファイバ化後に紫外光を照射した場合に、コアに加えてクラッド（少なくとも、最内層クラッド）で屈折率変化が効率的に発生するので、反射率の高い光ファイバ型回折格子の出発材として好適な光ファイバ母材を得ることができる。
【００１７】
本発明者らの知見によれば、高い反射率を得るには、コア径の小さなシングルモードファイバであってもコア径に対して６倍の外径の領域に回折格子を形成すればよい。
【００１８】
また、第３の工程に引き続いて、内径が第２の径と略同一である第２の筒状ガラス部材を用意し、第２の柱状ガラス部材を第２の筒状ガラス部材の中空部に挿入し（第４の工程）、第２の柱状ガラス部材が挿入された第２の筒状ガラス部材を加熱して一体化して第３の柱状ガラス部材とする（第５の工程）とを更に備えることが可能である。
【００１９】
本発明者らの知見によれば、クラッド全体を紫外光の照射による屈折率変化が発生する酸化ゲルマニウムの添加状態にすると光導波路の強度が低減する。したがって、外層クラッドとなるべき第２の筒状ガラス部材は、ゲルマニウムが添加されていない材料、例えば実質的な純石英からなることが好適である。
【００２０】
以上のようにして得られた、光ファイバ母材を加熱線引して光ファイバを製作し、この光ファイバに紫外光を照射すると、コアと内層クラッドとで効率的な屈折率変化が発生する。
【００２１】
すなわち、酸化ゲルマニウムがドープされたコアと内層クラッドを備えるガラス光ファイバに紫外光を照射すると、コアと内層クラッドに紫外光が入射し、紫外光が入射した部分の屈折率が変化（上昇）する。
【００２２】
紫外光の入射によりガラスの屈折率が変化するメカニズムは、完全には解明されてはいない。しかしながら、屈折率変化の重要な要因として、ガラス中のゲルマニウムに関連した酸素欠損型の欠陥が考えられており、Ｓｉ−ＧｅまたはＧｅ−Ｇｅなどの中性酸素モノ空孔が想定されている。
【００２３】
屈折率変化のメカニズムとして提案されているクラマース・クローニッヒ機構によれば、屈折率変化は以下のように説明される。すなわち、上記の欠陥は波長２４０〜２５０ｎｍの紫外光を吸収し、この吸収によりＳｉ−ＧｅまたはＧｅ−Ｇｅ結合が切れて、新たな欠陥が生じる。この新たな欠陥は、波長２１０ｎｍおよび２８０ｎｍ付近を中心に吸収帯を形成する。その結果、クラマース・クローニッヒの関係に従いガラスの屈折率が変化する。
【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。
【００２５】
図１は、本実施例の光ファイバ型回折格子作製用光ファイバ母材の製造工程図である。図１に示すように、本実施例では、まず、周知のＶＡＤ法により、酸化ゲルマニウムが６ｗｔ％添加された、外径＝３ｍｍのコアロッド１０１を用意する（図１（ａ）参照）。このコアロッド１０１の純石英ガラスに対する比屈折率差は０．３５３％である。
【００２６】
次に、周知のＶＡＤ法により、酸化ゲルマニウムが５ｗｔ％、フッ素が０．８５％添加された、内径＝３ｍｍ、外径＝１５ｍｍの内層クラッドパイプ１０２を用意し、内層クラッドパイプ１０２の中空部にコアロッド１０１を挿入する（図１（ｂ）参照）。この内層クラッドパイプ１０２の屈折率は、純石英ガラスの屈折率と略同一である。引き続き、コアロッド１０１が挿入された内層クラッドパイプ１０２を加熱し、一体化してガラスロッド１０３とする（図１（ｃ）参照）。
【００２７】
次いで、添加物を添加していない石英ガラスから成る、内径＝１５ｍｍ、外径＝４５ｍｍの外層クラッドパイプ１０４を用意し、ガラスロッド１０３を挿入する（図１（ｄ）参照）。引き続き、ガラスロッド１０３が挿入された外層クラッドパイプ１０４を加熱し、一体化して光ファイバ母材１００とする（図１（ｅ）参照）。
【００２８】
こうして得られた光ファイバ母材を電気炉で２０００℃程度に加熱して溶融状態にした後、線引きする。これにより、光ファイバが得られる。この光ファイバでは、（コア径）：（内層クラッド外径）：（外層クラッド外径）が、光ファイバ母材における（コアとなるべき部分の径）：（内層クラッドとなるべき部分の外径）：（外層クラッドとなるべき部分の外径）と略一致するので、コア径≒８μｍ、内層クラッド外径≒４０μｍ、外層クラッド外径≒１２５μｍとなる。
【００２９】
図２は、光ファイバ型回折格子の作製方法の一例の説明図である。図２に示す方法では、ホログラフィック干渉法により紫外光を干渉させて光ファイバに照射する。この方法では、干渉手段２０は、ビームスプリッタ２１ａと反射鏡２１ｂ、２１ｃとから構成される。また、紫外光光源１０には、アルゴンレーザ光源１１を用いた。
【００３０】
アルゴンレーザ光源１１は、２４４ｎｍのコヒーレントな紫外光を連続発振する。この紫外光は、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、コア４１の軸方向に対し互いに補角の関係にある７４゜（図２におけるα）、１０６゜（図２における１８０゜−α）の角度をもって光ファイバ４０に照射される。
【００３１】
分岐された各光束は干渉領域３０にて干渉し、所定間隔の干渉縞を形成しつつ、光ファイバ４０に照射される。そして、照射された紫外光は、外層クラッド４５を透過し、内層クラッド４２およびコア４１に入射して、入射した部分の屈折率を変化させる。
【００３２】
図２に示すように、光ファイバ４０の径方向に対する紫外光の入射角度θ（＝９０°−α）と紫外光の波長λとを用いると、干渉縞の間隔Λは、
Λ＝λ／（２ｓｉｎθ） …（２）
のように表される。したがって、コア４１及び内層クラッド４２の紫外光が入射した領域には、屈折率の変化した部分が干渉縞の間隔Λを周期として光ファイバ４０の光軸方向に沿って配列されるので、ピッチΛの回折格子４３，４４が、それぞれコア４１、内層クラッド４２に形成されることになる。こうして、コア４１及び内層クラッド４２に回折格子を有する光導波路としての光ファイバが得られた。
【００３３】
コア４１の屈折率ｎ_１と回折格子４３のピッチΛを用いると、周知なブラッグの回折条件により、この回折格子の反射波長λ_Ｒは、

のように表される。なお、本実施例では、この反射波長λ_Ｒを１３００ｎｍに設定した。
【００３４】
なお、紫外光の照射中は、ＬＥＤ光源からの光を光ファイバ４０の一端から入射させ、他端に接続されたスペクトルアナライザでこの光の透過スペクトルを測定して、回折格子４３、４４の形成をリアルタイムでモニターした。ここで、スペクトルアナライザは、回折格子４３、４４を透過した光について波長と透過率との関係を測定する。
【００３５】
紫外光の照射が開始されると回折格子４３、４４の形成が進むので、透過スペクトルにおいて透過光の強度が反射波長を中心に減少する。透過スペクトルに変化がなくなれば、回折格子４３、４４の形成が飽和したと考えられるので、この時点で紫外光の照射を停止する。なお、本実施例では、飽和時間は約４０〜５０分であった。
【００３６】
反射率は、１００％から透過率を差し引いて求まるので、回折格子４３、４４の形成が飽和した時点の透過スペクトルから、波長と反射率との関係を示した反射スペクトルを求めることができる。その結果、本実施例で作製された光ファイバ型回折格子の反射率は９０％以上であり、良好な結果を得た。
【００３７】
なお、ホログラフィック干渉法を用いて紫外光を光ファイバ４０に照射したが、代わりに位相格子法を用いることもできる。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の製造方法で製造された光ファイバ型回折格子作製用光ファイバ母材はクラッドの内層部となるべき部分にもＧｅＯ_２が添加されているので、この光ファイバ化後に紫外光を照射すると、コア及び内層クラッドの双方に回折格子が形成されるので、この回折格子が形成された領域ではコアを伝搬する導波光のみならず、導波光のうちクラッド側へ放射される光も反射され、モードフィールド全域にわたって導波光が反射されるとともに光導波路の強度が維持される。したがって、高い反射率を有する光ファイバ型回折格子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の光ファイバ型回折格子作製用光ファイバ母材の製造工程図である。
【図２】光ファイバへの紫外光の照射による回折格子の形成の説明図である。
【符号の説明】
１０…紫外光光源、２０…干渉手段、２１ａ…ビームスプリッタ、２１ｂ，２１ｃ…反射鏡、３０…干渉領域、４０…光ファイバ型回折格子、４１…コア、４２…内層クラッド、４３，４４…回折格子、４５…外層クラッド、１００…天然石英管、１００…光ファイバ母材、１０１…コアロッド、１０２…内層クラッドパイプ、１０３…ガラスロッド，１０４…外層クラッドパイプ。
代理人弁理士長谷川芳樹

Claims

酸化ゲルマニウムが添加された石英ガラスから成り、第１の径を有する第１の柱状ガラス部材を用意する第１の工程と、
酸化ゲルマニウムおよびフッ素が添加された石英ガラスから成り、内径が前記第１の径と略同一であり、外径が第２の径である第１の筒状ガラス部材を用意し、前記第１の柱状ガラス部材を前記第１の筒状ガラス部材の中空部に挿入する第２の工程と、
前記第１の柱状ガラス部材が挿入された前記第１の筒状ガラス部材を加熱して一体化して第２の柱状ガラス部材とする第３の工程と、
を備えることを特徴とす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２の径は、前記第１の径の６倍以内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の工程に引き続いて、
内径が前記第２の径と略同一である第２の筒状ガラス部材を用意し、前記第２の柱状ガラス部材を前記第２の筒状ガラス部材の中空部に挿入する第４の工程と、
前記第２の柱状ガラス部材が挿入された前記第２の筒状ガラス部材を加熱して一体化して第３の柱状ガラス部材とする第５の工程と、
を更に備え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の筒状部材は、実質的に不純物が添加されていない石英ガラスからなることを特徴とする請求項３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。