JP3608691B2 - グレーティング素子及びグレーティング素子を利用した波長スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光非線形を有するグレーティング素子、及び波長スイッチ、特にガラス製ファイバーを用いたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のコンピュータ等を利用した電子通信技術の進歩に伴い、大容量の情報伝送の必要性はますます高まっている。そして、大容量の情報伝送を行う手段として、最も重要なものとして光ファイバ伝送がある。この光ファイバ伝送は、光ファイバ中に光信号伝送するものであり、この光ファイバには、ガラス材料が利用されている。これは、ガラス材料が、広い透過波長領域、高い透明度を有し、また長尺化の加工が容易であり、さらにはコストが低いなどの利点を有しているからである。
【０００３】
一方、光ファイバ伝送システムを構築する場合には、光源、受光器、光信号発生器、光スイッチ／カプラ、伝送光ファイバとの接続を行うための光コネクタなど各種の素子が必要になる。特に、光信号発生器や光スイッチなどの光スイッチング素子には、電気光学効果（光非線形性）が利用される。この光非線形性は、光（電磁波）によって物質中に生じる非線形分極が起因となって生じる現象であり、光非線形材料に印加する電界強度などを制御することによって、光非線形材料を透過する光の強度や方向等を変え、光スイッチ素子などを形成している。
【０００４】
そして、このような光非線形材料としては、ＬｉＮｂＯ_３ やＢａＴｉＯ_３ などの結晶材料が用いられる。これは、現在のところ十分な光非線形性が得られる材料としては、これら結晶材料しかないからである。
【０００５】
一方、ガラス製の光ファイバとの安定な接続、透過光に対する低い損失、低コスト化、広い透過波長域等の観点からは、ガラス材料で光スイッチなどの光機能素子を構成することが好ましい。しかし、ガラス材料は、基本的に光非線形性を有さず、通常これを利用することはできない。
【０００６】
ここで、ガラス材料に光非線形性を付与しようとする試みもなされている。例えば、ガラス材料に、１０^６ Ｖ／ｃｍ程度という高電界を印加した状態で、紫外線光を照射し、紫外線励起ポーリングを行うことが、「ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ３０ｔｈ Ｍａｒｃｈ １９９５ Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．７ ｐｐ．５７３−５７４」に示されている。
【０００７】
この紫外線励起ポーリングによれば、ガラス材料であっても、結晶材料と同等の光非線形性が得られ、光機能素子に好適に利用できると考えられる。
【０００８】
また、光ファイバを利用した素子として、コアに屈折率の異なる部分を周期的に形成したグレーティング（格子）素子が知られている。このグレーティング素子は、透過光、反射光の波長がグレーティングの間隔によって変化する。そこで、このグレーティング素子は、温度センサなどとして利用されている。
【０００９】
そして、コアにＧｅ（ゲルマニウム）をドープしたガラス製の光ファイバーに、所定の強弱パターンで、紫外線を照射することでグレーティング素子を形成することが提案されている。すなわち、所定の紫外線の照射で、照射部分の屈折率を変化させることができ、光ファイバ中に屈折率格子を形成することができる。このようなグレーティング素子の形成は、例えば特表昭６２−５０００５２号公報などに提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、上記従来提案の紫外線励起ポーリングによって、ガラス材料に非線形性を付与できる。しかし、光ファイバのコアの一定の範囲に光非線形性を付与するだけである。従って、光機能素子としての利用の可能性を示すだけであった。
【００１１】
また、上記従来例のグレーティング素子は、屈折率変化によるグレーティングを有するものであった。このため、このグレーティング素子は、光非線形性を有するものではなく、電気光学効果を利用する各種素子を構成することはできなかった。
【００１２】
なお、紫外線励起ポーリングにより、グレーティング素子を製造することについては、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ； ＯＦＣ’９５ Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ Ｐａｐｅｒ ＰＤ６ １９９５年発行」に提案がある。しかし、この文献は、紫外線励起ポーリング処理によって、グレーティング素子を形成することについて、概略的な提案をしているだけであって、その内容を具体的に示すものではなかった。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、光スイッチなどに好適に利用できるガラス材料を利用したグレーティング素子の製造方法、グレーティング素子及び波長スイッチを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るグレーティング素子は、所定の電界を印加した状態で、ガラス製の光導波路に対し、紫外線を所定の間隔をおいて複数領域に照射してポーリング処理し、紫外線を照射した領域の屈折率を変更すると共にここに光非線形性を付与することによって、光導波路に周期的に光非線形性を有する領域を形成して製造される。
【００１５】
このように、紫外線を照射して電界を印加することで、紫外線励起ポーリング処理が行え、ガラス製材料の屈折率を変更すると共に、この領域に対し光非線形性を付与することができる。そして、紫外線の照射を間隔をおいて、複数領域に対し行うことで、光導波路に光非線形領域を繰り返し形成できる。そこで、得られた光導波路に光を透過させた場合、非線形性領域と、その他の領域とで、屈折率が異なることから、ブラッグ反射が起こり、ブラッグ波長の光の透過が妨げられる。さらに、光非線形性を有するため電圧の印加により、ブラッグ波長がシフトすることになる。そこで、得られたグレーティング素子を波長スイッチなどとして好適に利用することができる。
【００１６】
また、本発明では、上記ガラス製光導波路は、ガラス製の光ファイバのクラッド部に取り囲まれたコア部であり、上記ポーリング処理は、このコア部にその光導通方向に対し直交する方向に、周期的に強弱を付けて紫外線を照射することによって行う。
【００１７】
このようにして、ブラッグ反射が起こるグレーティングをコア部に形成することができる。
【００１８】
そして、本発明に係るグレーティング素子は、ガラス製の光ファイバのコア部に、所定間隔をおいて、光非線形性が周期的に付与されている。
【００１９】
さらに、本発明に係るグレーティング素子は、上記光ファイバのコア部を挟んで一対の電極が形成されている。
【００２０】
また、本発明に係る波長スイッチは、グレーティング素子の一対の電極間に所定の電圧を印加可能とし、この電極間への電圧印加を制御して、前記コア部を導通する光をオンオフする。
【００２１】
このようなグレーティング素子は、電圧の印加によって、光非線形性が付与されている領域の屈折率が変化する。また、光非線形性が付与されている領域は、交互に形成されているため、コア部を透過する光に対し、ブラッグ反射が起こる。このため、透過光におけるブラッグ波長が電圧の印加によって、変化することになる。特に、本発明では、電気光学係数が１ｐｍ／Ｖとかなり大きくなっている。そこで、現実的な電圧の印加で、かなりのブラッグ波長のシフトが達成される。このため、このグレーティング素子は、電圧の印加によって、透過光を制御することができ、波長スイッチとして利用することができる。
【００２２】
特に、本発明のグレーティング素子及び波長スイッチは、ガラス製の光ファイバに光非線形性を付与したものである。そこで、光ファイバとの接続が容易である、広範囲の波長の光をよく透過させる、安価である等の効果が得られる。
【００２３】
そして、本発明は、光が導通する光ファイバ内コア部と、この光ファイバ内コア部を挟んで形成された一対の電極と、を含むとともに、所定の電界を印加した状態で、前記光ファイバ内コア部に対し紫外線を所定の間隔をおいて複数領域に照射してポーリング処理し、紫外線を照射した領域の屈折率を変更するとともにここに光非線形性を付与することによって、前記光ファイバ内コア部に周期的に光非線形性を有する領域を形成したガラス製の光ファイバと、この光ファイバの端部に接続され、前記光ファイバ内コア部を導通する光を導通するコネクタ部内コア部と、一端が前記一対の電極にそれぞれ接続され、他端が半径方向外側に向けて伸びる接続用電極部と、を含むコネクタ部と、を有することを特徴とする。
【００２４】
このようなコネクタ部を利用することによって、電極を内蔵したグレーティング素子において、電極間への電圧印加を容易に行うことができる。また、コア部の光の導通は維持できるため、波長スイッチと、光ファイバとの接続が容易に行える。なお、このコネクタ部は、ガラス製とすることが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に好適な実施の形態（以下、実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１、２は、本発明に係るグレーティング素子の構造を示す概略構成図である。光ファイバ１０は、シリカガラス（ＳｉＯ_２ ）を円柱状に延伸した構成をしており、Ｇｅ（ゲルマニウム）等がドープされ、屈折率が調整された中心部が光導通用のコア部１０ａ、周辺部がクラッド部１０ｂとして形成されている。
【００２７】
また、クラッド部１０ｂには、一対のサイドホール１２ａ、１２ｂが形成されており、ここにアルミニウム線材からなる電極１４ａ、１４ｂが挿入配置されている。図から明らかなように、電極１４ａ、１４ｂは、コア部１０ａを挟んで対向して設けられている。
【００２８】
そして、図１に示すように、コア部１０ａには、所定間隔で、屈折率が異なり、かつ２次の光非線形性を有する非線形領域１６ａが、長手方向と直交する方向に一定間隔、かつ一定幅で形成され、通常領域１６ｂとでグレーティング部１６が形成されている。従って、コア部１０ａをその長手方向に向けて透過する光は、グレーティング部１６によって反射干渉される。
【００２９】
特に、本実施形態によれば、電極１４ａ、１４ｂが設けられており、ここに任意の電圧が印加可能である。そして、上述のように、グレーティング部１６の非線形領域１６ａが光非線形性を有している。そこで、電極１４ａ、１４ｂ間に印加される電圧に従って、屈折率が変化する。
【００３０】
従って、本実施形態のグレーティング素子によれば、電極１４ａ、１４ｂ間に印加する電圧を制御することによって、グレーティング部１６の特性を変更することができる。
【００３１】
「製造方法」
このようなグレーティング素子は、次にようにして製造する。まず、サイドホール１２ａ、１２ｂ内に電極１４ａ、１４ｂが挿入された光ファイバを用意する。光ファイバの直径は２００μｍ、サイドホール１２ａ、１２ｂ及び電極１４ａ、１４ｂの直径はほぼ４０μｍ、電極１４ａ、１４ｂの長さは４ｃｍ程度、電極１４ａ、１４ｂの間隔は８〜１０μｍ、光ファイバの長さは１０ｃｍ程度とする。ここで、電極１４ａ、１４ｂは、図１に示すように、異なる端からサイドホール１２ａ、１２ｂに挿入されており、その端部が異なる方向にのみ突出している。これは、電極１４ａ、１４ｂ間での放電を防止するためである。空気の絶縁破壊電圧は、約１０^４ Ｖ／ｃｍであり、それより大きな電界をコア部１０ａに印加するためには、空気が介在する経路をできるだけ長くとる必要がある。図１のような電極１４ａ、１４ｂの構成によって、コア部１０ａに約１０^６ Ｖ／ｃｍの高い電界印加が達成できる。
【００３２】
そして、電極１４ａ、１４ｂ間に電圧を印加する。この電圧は、約８００Ｖとする。これによって、コア部１０ａに、約１０^６ Ｖ／ｃｍの電界が印加される。この状態で、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）をパルスとして照射し、コア部１０ａに紫外線を照射する。このレーザのエネルギー密度は、３６ｍＪ／ｃｍ^２ 程度、パルスの繰り返し間隔は１０ｐｐｓ（パルス／秒）程度、照射時間は１０〜３０分程度とする。
【００３３】
ここで、このレーザは、位相マスクを介し光ファイバに照射する。この位相マスクの構成例を図３に示す。このように、板状の基板２０の一面側に多数の溝２２が形成されている。この溝２２は、一定間隔で平行して形成されている。従って、ここに平行光線を透過させることによって、所定の回折現象が生起され、所定間隔において光の強弱が繰り返される。すなわち、光の照射領域と非照射領域が周期的に繰り返す縞模様（ゼブラパターン）が形成される。この例では、レーザは、１．０５μｍの間隔で、光ファイバに照射される。なお、位相マスクの基板２０は、紫外線を透過させるシリカガラス等で形成する。
【００３４】
また、このレーザ光照射の間、上述の電界印加は継続されている。そして、光ファイバは、そのコア部１０ａのみが所定元素のドープなどにより紫外線を吸収するように形成されている。このため、コア部１０ａが１．０５μｍ間隔で、紫外線励起ポーリングされる。
【００３５】
なお、このような位相マスクを用いた紫外線励起ポーリング処理により生じる周期的な屈折率の増大は、屈折率変化に対応する波長における透過光の減少（反射光の増大）を招く。そこで、コア部１０ａに光を入射させ、反対側において透過光強度を実時間で観測しながら、この紫外線励起ポーリングを所望の時間継続した（この例では３０分間）。
【００３６】
このようにして得られたグレーティング素子に、光を導光し、射出光強度の波長依存性（透過光のスペクトル）を測定した結果を図４に示す。ここで、本実施形態のグレーティング素子は、紫外線励起ポーリングのためにコア部１０ａを挟んで電極１４ａ、１４ｂが設けられている。そこで、この電極１４ａ、１４ｂ間に電圧を印加することにより、コア部１０ａに所望の電界を印加できる。
【００３７】
そして、電極１４ａ、１４ｂ間に電圧０、−１５０、−３００Ｖ印加した場合の結果を図４（Ａ）に、また０Ｖ、１５０Ｖ、３００Ｖ印加した場合の結果を図４（Ｂ）に示す。なお、電圧の正負は、ポーリング電界と反対の向きの電界を正としている。
【００３８】
このように、このグレーティング素子において、特定波長の光の透過強度が減少する。これは、１．０５μｍ間隔のグレーティングにより、ブラッグ反射が起こり、ブラッグ波長（この場合１．５３μｍ）の光が反射されるからである。
【００３９】
そして、電圧の印加によって、ブラッグ波長がシフトする。さらに、ブラッグ反射も電圧に印加に従って増減することが分かる。これは、紫外線励起ポーリングによって、紫外線照射領域のコア部１０ａが、非線形性を有するようになり、一次の電気光学効果が発生しており、導波光の実効屈折率が変化するためであると考えられる。
【００４０】
特に、負の電圧を印加した場合には、電圧の印加によって、ブラッグ周波数における減衰が大きくなり、好適な反射特性を有していることが分かる。
【００４１】
ここで、電気光学効果による屈折率の変化Δｎ_ＥＯは、
Δｎ_ＥＯ＝−ｎ^３ ｒＥ／２
で表される。この式で、ｎはファイバのコア領域の屈折率、ｒは一次の電気光学効果係数、Ｅが電界強度である。
【００４２】
また、ブラッグ波長λ_Ｂ は、
λ_Ｂ ＝２Λｎ_ｅｆｆ
で表され、Λはグレーティングのピッチである。また、グレーティングによる前進及び後進（反射）導波光の結合（カップリング）に基づく考え方において、ピーク反射率Ｒは、
Ｒ＝ｔａｎｈ^２ （κＬ）
で表され、３ｄＢバンド幅Δλは、
Δλ＝λ_Ｂ ｛π^２ ＋（κＬ）^２ ｝^０．５ ／２ｎ_ｅｆｆ Ｌ
で表される。
【００４３】
ここで、κは前進及び後進（反射）導波光のカップリング係数であり、
κ＝πｎ_ｃ δｎη／λ_Ｂ ｎ_ｅｆｆ
で表される。ここで、Ｌはグレーティング素子長である。
【００４４】
なお、ｎ_ｅｆｆ はグレーティング部における導波光の実効的な屈折率、ｎ_ｃ はクラッド部の屈折率、δｎは周期構造を形成する屈折率変化の大きさ、ηは前後伝搬モードにおけるオーバーラップインテグラル（重なり積分）である。
【００４５】
そして、ｎ_ｅｆｆ 、δｎ及びηは、Δｎ_ＥＯに応じて変化する。そこで、図４に示した電圧印加とブラッグ波長の変化の関係から、実効屈折率変化Δｎ_ＥＯと印加電圧の関係を調べた結果を図５に示す。このように、実効屈折率ｎ_ｅｆｆ は、印加電圧の変化に対し−５．７×１０^−７／Ｖの傾きを有し、直線的に変化する。そこで、電圧の印加によって、実効屈折率が低下し、ブラッグ波長が短波長側にシフトすることが分かる。なお、電界１Ｖ／μｍに対するブラッグ波長の変化Δλ_Ｂ は、ほぼ０．０１ｎｍである。
【００４６】
このように、印加電圧と実効屈折率には、線形な関係があり、２次の光非線形性に基づく、ポッケルス効果（１次の電気光学効果）が得られていることが分かる。
【００４７】
さらに、図６には、印加電圧とδｎη関係を示してある。このように、δｎηは、印加電圧の変化に対し、−３．６×１０^-8の傾きを有しており、これからも１次の電気光学効果が得られていることが分かる。
【００４８】
このように、本実施形態のグレーティング素子は、図４に示すように、ブラッグ波長における反射が狭い帯域幅で起こる。特に、図４（Ａ）に示すように、印加電圧を負の方向としたときに、その帯域幅は非常に狭くなり、その幅は、最小０．０４ｎｍ程度となる。そして、上述のように、ブラッグ波長は、電圧の印加に応じて、大きく変化する。すなわち、図４（Ａ）によれば、印加電圧を０Ｖから−３００Ｖに変化させることによって、中心波長１．５２９９μｍに対して、約１０ｄＢのＯＮ／ＯＦＦ消光比が得られる。このため、本実施形態のグレーティング素子は、波長スイッチとして利用することができる。
【００４９】
すなわち、ブラッグ波長を電圧の印加により、シフトさせ、レーザ光の透過・非透過を制御して、所定波長の光をスイッチングすることができる。特に、本実施形態のグレーティング素子は、ガラス製の光ファイバで構成されている。そこで、通常の光ファイバとの接続も容易に行える。また、素子における光の透過率も十分なものに維持できる。
【００５０】
また、印加電圧を複数変更することで、ブラッグ波長を複数段階、シフトすることもできる。これによって、透過する波長を制御して、波長選択素子として利用することもできる。
【００５１】
さらに、本実施形態では、グレーティングの間隔は、位相マスクによって、容易に調整できる。そこで、所望のブラッグ波長を持つグレーティング素子を容易に得ることができる。
【００５２】
ここで、本実施形態のグレーティング素子では、図１に示すように、電極１４ａ、１４ｂが突出している。そこで、このままでは通常の光ファイバとの接続が、困難である。そこで、この電極１４ａ、１４ｂを受け入れ、かつコア部１０ａとの接続を好適に行えるような特別のコネクタを設けることが好適である。例えば、図７に示すように、電極１４ａ、１４ｂを受け入れる凹部３０ａ、３０ｂを形成したコネクタが考えられる。この場合、このコネクタには、外方からこの凹部３０ａ、３０ｂに至る半径方向の穴３２ａ、３２ｂを開けておき、この穴３２ａ、３２ｂを介し、電極１４ａ、１４ｂと外部電源との電気的接続を行うとよい。なお、コネクタにも光導波路としてのコア部３４を設けておく。また、図１のように、電極１４ａ、１４ｂは、グレーティング素子から異なる方向に向けて突出しているが、電極１４ａ、１４ｂは、サイドホール１２ａ、１２ｂ内を移動可能であるため、ポーリング処理後に移動しておけばよい。
【００５３】
上述の波長スイッチ等の動作の際の電圧印加はそれ程大きな電圧は必要なく、容易に引出線を接続することができる。すなわち、紫外線励起ポーリングの際には、突出する電極１４ａ、１４ｂを用いて直接電気的接続を行い、この処理後電極１４ａ、１４ｂを移動すると共に所定形状に整形し、コネクタを取り付けるとよい。
【００５４】
さらに、グレーティング素子の電極１４ａ、１４ｂが突出している面を平坦な面に研磨し、同じく平坦な面を持つコネクタと接続してもよい。この場合、図８に示すように、コネクタの研磨面には、コア部４０及び電極４２ａ、４２ｂを形成しておく。また、コネクタ内の電極４２ａ、４２ｂは、外方に向けて伸びる端子部４４ａ、４４ｂを有しており、この端子部４４ａ、４４ｂを利用して外部電源との電気的接続が行われる。
【００５５】
なお、コネクタは、グレーティング素子を受け入れる側の対向する側においても光ファイバを接続できる構成になっている。従って、このコネクタを介し、グレーティング素子を他の光ファイバに接続することができる。また、電極１４ａ、１４ｂとの電気的接続も、穴３２ａ、３２ｂや端子部４４ａ、４４ｂを利用して容易に行うことができる。
【００５６】
さらに、グレーティング素子に電極１４ａ、１４ｂとの電気的接続を直接行う穴５０ａ、５０ｂを設けることもできる。この場合、上述の図８の場合と同様に、グレーティング素子の端面は、研磨し、他の光ファイバと直接接続できるようにする。
【００５７】
以上のような構成により、電極１４ａ、１４ｂと外部電源との接続を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のグレーティング素子の構成を示す正面断面図である。
【図２】同実施形態のグレーティング素子の構成を示す側面図である。
【図３】位相マスクの構成を示す図である。
【図４】印加電圧変化に対する透過光周波数特性の変化を示す図である。
【図５】印加電圧変化に対するブラッグ波長の変化を示す図である。
【図６】印加電圧に対するオーバーラップインテグレーションの変化を示す図である。
【図７】コネクタの一例を示す図である。
【図８】コネクタの他の一例を示す図である。
【図９】コネクタの他の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 光ファイバ、１２ａ，１２ｂ サイドホール、１４ａ，１４ｂ 電極、１６ グレーティング部、１６ａ 非線形領域、１６ｂ 通常領域。

Claims (2)

1. 光が導通する光ファイバ内コア部と、この光ファイバ内コア部を挟んで形成された一対の電極と、を含むとともに、所定の電界を印加した状態で、前記光ファイバ内コア部に対し紫外線を所定の間隔をおいて複数領域に照射してポーリング処理し、紫外線を照射した領域の屈折率を変更するとともにここに光非線形性を付与することによって、前記光ファイバ内コア部に周期的に光非線形性を有する領域を形成したガラス製の光ファイバと、
   この光ファイバの端部に接続され、前記光ファイバ内コア部を導通する光を導通するコネクタ部内コア部と、一端が前記一対の電極にそれぞれ接続され、他端が半径方向外側に向けて伸びる接続用電極部と、を含むコネクタ部と、
   を有することを特徴とするグレーティング素子。
2. 請求項１に記載のグレーティング素子の一対の電極間に所定の電圧を印加可能とし、この電極間への電圧印加を制御して、前記コア部を導通する光をオンオフする波長スイッチ。

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