JP3601104B2 - 光ファイバ型回折格子 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光ファイバのコア部の屈折率を光軸に沿って周期的に変化させた回折格子を有する光ファイバ型回折格子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバ通信技術の進展に伴い、ネットワークの複雑化や信号波長の多重化などが進行し、システム構成は高度化しつつある。このような光通信システムでは、光回路素子の重要性が増大している。
【０００３】
光回路素子における一般的構成の一つとしてファイバ型素子は、小型で挿入損失が小さいことや、光ファイバとの接続が容易であること等の利点を有している。そして、このようなファイバ型素子として、ファイバ型フィルターが知られている。
【０００４】
最近では、コア部に酸化ゲルマニウムをドープした石英系光ファイバについて、紫外光照射によってコア部の屈折率が変化するという知見が周知であり、このような光誘起屈折率変化を利用したファイバ型フィルターとして、光ファイバ型回折格子が研究開発されている。この光ファイバ型回折格子は、光ファイバ内を進行する光のうち特定波長の光成分を反射するものであり、一般に、紫外光の照射によって光ファイバのコア部に屈折率が光軸に沿って周期的に変化した領域を形成することにより作製されている。
【０００５】
このような回折格子は、例えば二つのコヒーレントな紫外光を光ファイバの軸方向に対する角度θ_１ ，θ_２ （＝１８０°−θ_１ ）で入射して干渉させることで形成される。そして、光ファイバの径方向に対するコヒーレントな紫外光の入射角度θ（＝９０°−θ_１ ）と紫外光の波長λとを用いると、干渉空間における干渉縞の間隔Λは、
Λ＝λ／（２ｓｉｎθ） （２）
となる。したがって、コア部の露光領域には、異なる屈折率を有する領域が干渉縞の間隔Λを周期として光ファイバの軸方向に配列され、これが複数の格子を成すことになる。
【０００６】
周知なブラッグの回折条件に基づいてコア部の屈折率ｎと格子の周期Λとを用い、このファイバ型回折格子の反射波長λ_Ｒ は、

となる。また、格子の長さＬと屈折率差Δｎとを用い、このファイバ型回折格子の反射率Ｒは、
Ｒ＝ｔａｎｈ^２ （ＬπΔｎ／λ_Ｒ ） （４）
となる。したがって、光ファイバ１０のコア部１２では、格子１３が１０^−４〜１０^−３程度の大きい屈折率変化で形成されているので、反射波長λ_Ｒ の反射率が１００％近い値に達する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような光ファイバ型回折格子では、光ファイバ（ガラスファイバ）が軸方向に伸縮すると格子の間隔も変化するので、反射波長が変動するという不都合があった。特に、光ファイバ型回折格子が使用される環境温度が変化すると、熱膨張によって光ファイバが伸び、あるいは縮むことになり、格子間隔の変化に応じて反射波長が変化してしまう。
【０００８】
そこで本発明は、環境の変化によって反射特性が変化することのないようにした光ファイバ型回折格子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】
本発明に係る光ファイバ型回折格子は、軸方向の所定長さにわたって樹脂の被覆層が除去されることによりガラスファイバが露出され、この露出部分のコアに回折格子が形成された光ファイバ心線と、露出部分の両端部の外側の被覆層で支持され、露出部分のガラスファイバを一定の空隙をあけて包囲する長尺の固定部材とを備え、固定部材とガラスファイバは露出部分の両端部で接着剤により固着され、固定部材はガラスファイバの熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する材料からなり、固定部材に固定された光ファイバ心線に形成されている回折格子の反射波長の温度係数の絶対値が、固定部材に固定される前の光ファイバ心線に形成されている回折格子の反射波長の温度係数の絶対値よりも小さいことを特徴とする。
【００１０】
ここで、ガラスファイバのコアは酸化ゲルマニウムを含んで構成され、回折格子は紫外線照射により形成されていることが望ましい。
【００１１】
【作用】
温度上昇によってガラスファイバが熱膨張し、あるいは温度降下によってガラスファイバが熱収縮すると、ガラスファイバは軸方向に伸び、あるいは縮もうとするが、本発明では、回折格子形成部すなわちガラスファイバの露出部分の両側が接着剤により固定部材に固着されている。そして、この固定部材はガラスファイバよりも熱膨張係数の小さい材料で形成されているため、ガラスファイバの伸縮は抑制され、したがって、回折格子の格子間隔の変動は抑制される。
【００１２】
さらに、光ファイバ型回折格子して重要な格子形成部分（ガラスファイバの露出部分）は、固定部材に空隙をあけて包囲されているので、接触することによって傷つけられたりすることがなく、また外界の影響により特性が劣化することもない。したがって、例えばコアに酸化ゲルマニウムを含んで紫外線照射により格子が形成された光ファイバ型回折格子を、好適に保護することが可能になる。
【００１３】
なお固定部材の構成材料がガラスファイバの構成材料よりも小さい熱膨張係数を有するとは、次のような場合も含む。すなわち、ガラスファイバは温度上昇に対して正の熱膨脹係数を有しており、したがって固定部材の熱膨張係数がゼロである場合はもちろん、温度上昇に対して固定部材の熱膨張係数が負であるときも、同様に固定部材の構成材料がガラスファイバの構成材料よりも小さい熱膨張係数を有することになる。
【００１４】
【実施例】
以下、添付図面により本発明の実施例を説明する。
【００１５】
図１は第１実施例に係る光ファイバ型回折格子を組み立てる前の分解斜視図、図２は組み立てた後の斜視図（一部を断面で示す）である。図示の通り光ファイバ心線１０は石英系ガラスファイバ１１に樹脂の被覆層１２をコーティングして形成され、所定長さ（例えば２０〜２５ｍｍ）にわたって被覆層１２が除去されている。そして、被覆層１２が除去されたガラスファイバ１１の露出部分の略中央には、複数の格子を所定間隔で配列した回折格子が形成されている。
【００１６】
固定部材としてのケース２０は上側半体２１と下側半体２２により構成され、これらはガラスファイバ１１よりも熱膨張係数の小さい材料、例えばガラスセラミックスにより成型されている。上側半体２１と下側半体２２は同一形状をなし、ガラスファイバ１１の露出部分の長さよりも長尺（例えば２５〜３０ｍｍ）であり、長手方向に断面半円形状の溝２３が形成されている。この溝２３は上側半体２１，下側半体２２の両端では狭くて浅い浅溝部２３ａをなし、中央部では広くて深い深溝部２３ｂをなしている。
【００１７】
光ファイバ心線１０は、ガラスファイバ１１の露出部分の両端部の外側部分の被覆層１２が上側半体２１および下側半体２２の浅溝部２３ａに嵌まり込み、挟持される。そして、接着剤３０により光ファイバ心線１０の被覆層１２は上側半体２１および下側半体２２に固定されるが、露出部分の両端部のガラスファイバ１１についても接着剤３０により上側半体２１および下側半体２２に強固に固定される。さらに、上側半体２１と下側半体２２の接合面の全面も接着剤３０で固着され、ガラスファイバ１１の露出部分はケース２０の内部に空間的に保持されて気密に封止されている。
【００１８】
図１および図２に示す実施例によれば、ケース２０はガラスファイバ１１よりも熱膨張係数の小さいガラスセラミックスで成型され、このケース２０にガラスファイバ１１の露出部分の両端部が接着剤３０で固定されているので、温度上昇によってガラスファイバ１１が伸びようとするときには、伸びの少ないケース２０によってガラスファイバ１１の伸びが抑制される。逆に、温度降下によりガラスファイバ１１が縮もうとするときには、縮みの少ないケース２０によってガラスファイバ１１の縮みが抑制される。したがって、環境温度が変化した場合でも回折格子部分の格子間隔の変動が抑制され、回折格子の反射波長が長波長側あるいは短波長側にシフトするのを防止できる。
【００１９】
また、ガラスファイバ１１の露出部分はケース２０の内部に空間的に、つまりケース２０の内面との間に空隙をあけて保持されるので、ガラスファイバ１１の露出部分がケース２０の内面に接することはない。特に、ガラスファイバ１１が熱膨張係数により伸びて僅かに屈曲したときでも、ケース２０の内面に接することが少ないので、光学的特性の劣化を生じない。
【００２０】
また、ガラスファイバ１１の露出部分はケース２０の内部に気密に封止されるので、ガラスファイバ１１に不純物が侵入して特性が劣化してしまうこともない。特に、アルゴン、窒素などの不活性ガス等を封入したときには、水蒸気や有機物の汚染防止の効果は大きく、ガラスファイバ１１の露出部分を樹脂で再被覆する場合に比べても顕著である。
【００２１】
さらに、ガラスファイバ１１の露出部分の両外側の被覆層１２において、光ファイバ心線１０はケース２０に挟持され、しかも接着剤３０で固定されているので、機械的な強度も高い。すなわち、ガラスファイバ１１の露出部分は被覆層１２が除去されているため、他の部分に比べて機械的に弱いが、被覆層１２に支持されかつ接着されたケース２０によって補強される。
【００２２】
第１実施例については、次のような変形が可能である。
【００２３】
図３は、図１および図２の実施例の縦断面図であり、図４および図５は、この変形例の縦断面図である。いずれの例も、回折格子としての屈折率変化領域を含むガラスファイバ１１の露出部分が、上側半体２１および下側半体２２からなるケース２０に気密封止されている。そして、接着剤３０によりガラスファイバ１１の露出部分の端部はケース２０に固定されている。
【００２４】
異なる点は、図３では上側半体２１および下側半体２２の両端の浅溝部２３ａが光ファイバ心線１０の被覆層１２と一致している（深溝部２３ｂの長さがガラスファイバ１１の露出部分の長さと一致している）のに対し、図４では浅溝部２３ａが内側にせり出し、図５では溝２３に浅、深の区分が無いことである。図４の構成によれば、浅溝部２３ａと深溝部２３ｂの段差によって接着剤３０が注入時に中央部分へ流れ出していくのを防止でき、図５の構成によれば上側半体２１および下側半体２２の成型が容易である。このような形状の変形は、要求される仕様等に応じて適宜に設定される。
【００２５】
次に、第２実施例を説明する。この実施例では、図６に示されるように、ケース２０はパイプ状の部材により構成されている。このパイプ状ケース２０の長さは、光ファイバ心線１０のガラスファイバの露出部分よりも長く、かつ、両端には軸方向に切り欠き２４が形成されている。ケース２０とガラスファイバ１１の露出部分の両端部とを固定するための接着剤は、この切り欠き２４から注入される。
【００２６】
なお、この実施例においても、パイプ状ケース２０はガラスファイバ１１よりも熱膨張係数の小さい材料で成型される。すなわち、ガラスファイバ１１の主体分である石英ガラスの熱膨張係数は５．５×１０^−７／℃であるから、これ未満の正の熱膨張係数の材料、熱膨張係数がゼロ及び負の材料である。好適なものとしては、β−石英固溶体系のゼロ膨張ガラスセラミックスがあり、具体的にはＳｉＯ_２ 、ＡｌＯ_３ 、Ｌｉ_２ Ｏ、ＴｉＯ_２ などを主成分とする日本電気硝子（株）製のネオセラム（Ｎｅｏｃｅｒａｍ）Ｎ−Ｏがある。また、ＴｉＯ_２ を含む低膨張ガラスも好ましい。
【００２７】
次に、第１実施例の光ファイバ型回折格子の製造プロセスを説明する。
【００２８】
まず、光ファイバ心線を用意し、一部の被覆を２０〜３０ｍｍにわたって除去し、水素雰囲気で加圧して還元処理する。具体的には、炉心管内に光ファイバを設置し、水素（Ｈ_２ ）ガスを流入することにより、炉心管内を高圧で加圧する。
【００２９】
光ファイバは、コア部にゲルマニウム （Ｇｅ）を含む通常の石英系光ファイバであり、二次被覆までされた光ファイバ心線である。上記のような工程によれば、ガラスファイバに添加された水素によりコア部にドープされている酸化ゲルマニウムが還元され易くなり、ＧｅやＳｉと結合している酸素が一部取り除かれる結果、コア部において通常わずかしか存在しない酸素欠損型の欠陥が増大する。
【００３０】
次に、通常のホログラフィック法に基づき、光ファイバ内のコア部に二つの紫外光を干渉させつつ照射し、屈折率が所定周期で変化した領域を形成する。具体的には、ＳＨＧ（高調波発生器）アルゴンレーザやＫｒＦエキシマレーザ等からの、所定波長を有するコヒーレントな紫外光を光ファイバの軸方向に対して所定角度θ_１ ，θ_２ でそれぞれ入射し、共面ビームとして相互に干渉させる。このような工程によれば、光ファイバに所定波長の紫外光を照射するので、酸化ゲルマニウムをドープしたコア部における露光領域の屈折率が変化する。
【００３１】
現在、このような紫外光照射による屈折率変化のメカニズムを説明するものとして、クラマース・クローニッヒ機構、双極子モデル及び圧縮モデルなどが一般に提案されている。
【００３２】
これによると、光ファイバ１０内のコア部１２には、Ｇｅに関連した酸素欠損型の欠陥が通常わずかに存在している。ここで、欠陥をＧｅ−Ｓｉの中性酸素モノ空孔で代表すると、その欠陥は紫外光照射によって
Ｇｅ−Ｓｉ → Ｇｅ・＋Ｓｉ^＋ ＋ｅ⁻ （１）
で示すように転化する。この反応で放出された電子は転化した欠陥の周辺に位置するＧｅにトラップされるので、コア部１２の光吸収特性が変化する。このような欠陥における吸収スペクトルによると、紫外光照射前には波長２４０〜２５０ｎｍ付近にピークが現れるが、紫外線照射後には波長２１０ｎｍ付近及び２８０ｎｍ付近にピークが遷移することが確認されている。この遷移によりコア部の屈折率が変化すると考えられている。
【００３３】
上記のように還元処理された光ファイバのコア部では通常わずかしか存在しない酸素欠損型の欠陥が増大しているので、紫外光の露光領域における屈折率変化が大きくなる。これに加えて、紫外光がコア部に照射されると、酸素が取り除かれたＧｅやＳｉ、あるいは通常のＧｅ−Ｏ−Ｓｉのような結合と、光導波路に添加された水素とが反応して、Ｇｅ−Ｈ，Ｇｅ−ＯＨ，Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＯＨという結合が形成される。したがって、酸素欠損型欠陥の増大による効果と添加水素の反応により生成された新たな結合（Ｇｅ−Ｈ等）による効果とが相舞って、紫外光の露光領域における屈折率変化が１０^−４〜１０^−３程度に大きくなる。
【００３４】
次に、図１に示すガラスセラミックスからなる上側半体２１、下側半体２２を用意し、これに上記の処理を終えた光ファイバをセットし、接着剤で固着する。なお、接着剤としては紫外線硬化型のものが好ましいが、熱硬化型等のものでもよい。これにより、実施例に係る光ファイバ型回折格子が完成する。
【００３５】
次に、本発明者による具体的な実施例を説明する。
【００３６】
実施例
グレーティング（回折格子）が形成された石英系光ファイバを、日本電気硝子（株）製のガラスセラミックス「ネオセラムＮ−Ｏ」からなるケース（長さ３０ｍｍ）に固定し、６０℃に加熱した。その結果、グレーティングの特性の変化は、
反射率変化：△Ｒ＝０．１〜０．５％
反射波長変化：△λ_Ｂ ＝０．２ｎｍ
となり、良好であった。
【００３７】
比較例
グレーティング（回折格子）が形成された石英系光ファイバを、石英ガラス製のケース（長さ３０ｍｍ）に固定し、６０℃に加熱した。その結果、グレーティングの特性の変化は、
反射率変化：△Ｒ＝０．１〜０．５％
反射波長変化：△λ_Ｂ ＝０．６ｎｍ
となり、反射特性に変動が生じた。
【００３８】
【発明の効果】
以下の通り、温度変化によってガラスファイバが熱膨張し、あるいは熱収縮すると、ガラスファイバは軸方向に伸び、あるいは縮もうとするが、本発明では、回折格子形成部の両側が接着剤により固定部材に固着されている。そして、この固定部材はガラスファイバよりも熱膨張係数の小さい材料で形成されているため、ガラスファイバの伸縮は抑制され、したがって、回折格子の格子間隔の変動は抑制され、結果として反射波長の変動を抑制することができる。
【００３９】
さらに、光ファイバ型回折格子として重要な格子形成部分（ガラスファイバの露出部分）は、固定部材に空隙をあけて包囲されているので、接触することによって傷つけられたりすることがなく、また外界の影響により特性が劣化することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るファイバ型回折格子の組立前の分解斜視図である。
【図２】本発明の第１実施例に係るファイバ型回折格子の組立後の斜視図である。
【図３】本発明の第１実施例に係るファイバ型回折格子の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施例に係るファイバ型回折格子の別の例を示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施例に係るファイバ型回折格子の別の例を示す断面図である。
【図６】本発明の第２実施例に係る光ファイバ型回折格子の組立前の斜視図である。
【符号の説明】
１０…光ファイバ心線、１１…ガラスファイバ、１２…被覆層、２０…ケース、２１…上側半体、２２…下側半体、３０…接着材。

Claims (2)

1. 軸方向の所定長さにわたって樹脂の被覆層が除去されることによりガラスファイバが露出され、この露出部分のコアに回折格子が形成された光ファイバ心線と、
   前記露出部分の両端部の外側の前記被覆層で支持され、前記露出部分のガラスファイバを一定の空隙をあけて包囲する長尺の固定部材とを備え、
   前記固定部材と前記ガラスファイバは前記露出部分の両端部で接着剤により固着され、
   前記固定部材は前記ガラスファイバの熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する材料からなり、
   前記固定部材に固定された前記光ファイバ心線に形成されている前記回折格子の反射波長の温度係数の絶対値が、前記固定部材に固定される前の前記光ファイバ心線に形成されている前記回折格子の反射波長の温度係数の絶対値よりも小さいことを特徴とする光ファイバ型回折格子。
2. 前記ガラスファイバのコアは酸化ゲルマニウムを含んで構成され、前記回折格子は紫外線照射により形成されている請求項１に記載の光ファイバ型回折格子。

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