JP3754634B2

JP3754634B2 - 光ファイバーグレーティングの作製方法及び作製装置、光ファイバーグレーティング

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Publication number: JP3754634B2
Application number: JP2001194462A
Authority: JP
Inventors: 真司山下; 悠介那須
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: EP1400819A1; WO2003003084A1; EP1400819A4; DE60232412D1; EP1400819B1; US6973237B2; JP2003004926A; US20040218859A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバーグレーティングの作製方法及び作製装置に係り特に、スーパーストラクチャ光ファイバーブラッググレーティングの作製方法及び作製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９７０年代における低損失光ファイバーの登場と同時期に半導体レーザの常温発振が可能となって以来、光を用いた様々な研究が世界中で活発となった。特に光通信分野は光アンプ（ＥＤＦＡ）の登場により急速に発展し、現在では超長距離伝送（〜１０，０００ｋｍ）、超高速伝送（〜４０Ｇｂ／ｓ）、波長多重伝送（ＷＤＭ，〜２５６波長）等の伝送システムの実現が可能となっている。そのため、光ファイバー情報通信ネットワークは２１世紀初頭の最重要な社会基盤（インフラストラクチャ）であると考えられている。しかしながら、現在のところ、光ファイバー通信システムは、主に１対１の基幹線系にのみ用いられており、ネットワーク部分は従来の同軸ケーブルと半導体集積回路・電子デバイスが主役である。近年のインターネットの爆発的な発展により、今後のネットワークに求められる伝送容量の伸びは１２ヶ月で２倍と予測されている。これは半導体集積回路に関するいわゆるムーアの法則（１８ヶ月で２倍）を上回っているという状況であり、例えば、ネットワーク部分も光を用いるＷＤＭ光ネットワークがやがては必要とされることは間違いないであろう。しかしながら、現状ではＷＤＭ光ネットワークのための光デバイスがまだまだ未熟であり、これらの光デバイスの開発が急務である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＷＤＭ技術においては、例えば、光フィルタが必須のデバイスとなってくる。このＷＤＭ光通信用光フィルタとして、光ファイバーブラッググレーティング(ＦＢＧ)の一種であるスーパーストラクチャー・ファイバー・ブラック・グレーティング(Super Structure ＦＢＧ)が注目されている。ここで、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating 光ファイバー回折格子（グレーティング））とは、光ファイバーのコア部分に波長オーダ(〜1ミクロン)周期の屈折率変化を与えたもので、鋭い波長選択反射特性をもつデバイスである。屈折率変化は、紫外光を光ファイバーの外側から照射することにより非破壊的に得られ、また波長オーダ周期構造は、位相マスクなどを紫外光を照射する際に介在させると、その位相マスクで形成される干渉縞により得られる。ＦＢＧは、他の光フィルターに比べ柔軟な設計が可能であるため、回折格子の工夫により従来にはない機能をもった光フィルターの作成が可能である。屈折率が変化された回折格子を直接光ファイバー中に形成するため、低損失、小型、高信頼性、ファイバーを基本とした光システムとの親和性など、多くの利点がある。ＦＢＧの鋭い波長選択反射特性は、光通信の分野では波長多重(ＷＤＭ)光ファイバー通信技術に欠かせないものとして利用される。また、ＦＢＧの反射波長は歪・温度依存性をもつため、光計測の分野ではこれらの多点型高分解能センサとして利用される。
【０００４】
また、ＳＳＦＢＧ（Super Structure ＦＢＧ）とは、Sampled ＦＢＧとも呼ばれ、同じ周期の短いＦＢＧを等間隔で並べたデバイスである。ＳＳＦＢＧは、ＦＢＧの波長オーダ周期構造の上に数mm程度の周期構造（＝サンプリング構造）が乗畳された構造になっている。ＳＳＦＢＧは、サンプリング構造の周期で決まる等間隔の鋭い波長選択反射特性をもつ、くし（コム）型反射光フィルタである。ＳＳＦＢＧは、ＷＤＭ通信で用いられる多波長の光を一括してフィルタリングできるため、波長多重(ＷＤＭ)光ファイバー通信に適し、ＷＤＭシステムの低価格化や簡易化が期待できる。
【０００５】
しかし、理論上提案されているＦＢＧの内いくつかは、その作製技術の限界のため、容易に作製できないものもある。その作製限界のうちの一つは、長いＦＢＧの作製が困難であるというものである。スーパーストラクチャー・ファイバー・ブラッグ・グレーティング（ＳＳＦＢＧ）はその一例であり、このＳＳＦＢＧを大容量化するＷＤＭ光通信に合わせて広帯域化・高密度化するためには、全長が数センチから数十センチという長いＳＳＦＢＧ長が必要となるが、従来の方法ではＳＳＦＢＧ長は位相マスク長により制限されるため、その作製が困難である。
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、位相マスク長により制限されないスーパーストラクチャー・ファイバー・ブラッグ・グレーティング作製方法及び作製装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、
グレーティングが形成された位相マスクと光ファイバーの相対位置を第１の位置に固定する工程と、
第１の位置において、レーザからの紫外光により位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに１箇所又は所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射することにより、ひとつ又は複数の第１の光ファイバーグレーティングを形成する工程と、
位相マスク及び／又は光ファイバーを光ファイバーの長さ方向に移動させて、位相マスクと光ファイバーとの相対位置を第２の位置に固定する工程と、
第２の位置において、レーザからの紫外光により位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに１箇所又は所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射することにより、ひとつ又は複数の第２の光ファイバーグレーティングを形成する工程と、
位相シフトを調整するために、第１の光ファイバーグレーティングと第２の光ファイバーグレーティングとの間において、位相マスクを介さずにレーザからの紫外光を光ファイバーに照射することにより、位相をシフトする領域を形成する工程であって、位相シフトを与えていないスーパーストラクチャ光ファイバーブラックグレーティングと比較して、スーパーストラクチャ光ファイバーグレーティングの全長又はチャネル間隔を１／ｍ（ｍ＝２，３．．．）にする場合、ｋ番目とｋ＋１番目の光ファイバーグレーティングの間に、次式の位相シフトφ _ｋを与えるようにした、前記位相をシフトする領域を形成する工程と
φ _ｋ＝２π（ｋ−１）／ｍ
（ここで、０≦ｋ≦Ｎ _ＦＢＧ、Ｎ _ＦＢＧは光ファイバーグレーティングの数、
ただし、φ _ｋは２πで折り返される）
を含む光ファイバーグレーティングの作製方法
が提供される。
【０００８】
本発明の第２の解決手段によると、
紫外光を照射するレーザと、
前記レーザからの紫外光の幅を調整するスリットと、
グレーティングが形成された位相マスクと、
光ファイバーと前記位相マスクとの相対位置を第１の位置および第２の位置に
それぞれ固定するための可動部と、
前記レーザからの紫外光により前記スリット及び位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに１箇所又は所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射するための照射調整部と、
前記可動部及び前記レーザ及び前記照射調整部を制御する制御部
を備え、
前記制御部は、
前記可動部を制御することにより、前記位相マスクと光ファイバーの相対位置第１の位置に固定するための手段と、
前記レーザ、前記スリット及び前記照射調整部を制御することにより、第１の位置において、前記レーザからの紫外光により前記位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに１箇所又は所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射することにより、ひとつ又は複数の第１の光ファイバーグレーティングを形成するための手段と、
前記可動部を制御することにより、前記位相マスク及び／又は光ファイバーを光ファイバーの長さ方向に移動させて、位相マスクと光ファイバーとの相対位置を第２の位置に固定するための手段と、
前記レーザ、前記スリット及び前記照射調整部を制御することにより、第２の位置において、前記レーザからの紫外光により前記位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに１箇所又は所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射することにより、ひとつ又は複数の第２の光ファイバーグレーティングを形成するための手段と、
前記レーザ、前記スリット、前記照射調整部及び前記可動部を制御することにより、位相シフトを調整するために、第１の光ファイバーグレーティングと第２の光ファイバーグレーティングとの間において、前記位相マスクを介さずに前記レーザからの紫外光を光ファイバーに照射することにより、位相をシフトする領域を形成するための手段であって、位相シフトを与えていないスーパーストラクチャ光ファイバーブラックグレーティングと比較して、スーパーストラクチャ光ファイバーグレーティングの全長又はチャネル間隔を１／ｍ（ｍ＝２，３．．．）にする場合、ｋ番目とｋ＋１番目の光ファイバーグレーティングの間に、次式の位相シフトφ _ｋを与えるようにした、前記位相をシフトする領域を形成するための手段と
φ _ｋ＝２π（ｋ−１）／ｍ
（ここで、０≦ｋ≦Ｎ _ＦＢＧ、Ｎ _ＦＢＧは光ファイバーグレーティングの数、
ただし、φ _ｋは２πで折り返される）
を備えた光ファイバーグレーティングの作製装置
が提供される。
【０００９】
本発明の第３の解決手段によると、
レーザからの紫外光により位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射することにより形成された複数の光ファイバーグレーティング部と、
位相シフトを調整するために、前記複数の光ファイバーグレーティング部との間において、位相マスクを介さずにレーザからの紫外光を光ファイバーに照射することにより形成されたひとつ又は複数の位相をシフトする領域であって、位相シフトを与えていないスーパーストラクチャ光ファイバーブラックグレーティングと比較して、スーパーストラクチャ光ファイバーグレーティングの全長又はチャネル間隔を１／ｍ（ｍ＝２，３．．．）にする場合、ｋ番目とｋ＋１番目の光ファイバーグレーティング部の間に、次式の位相シフトφ _ｋを与えるようにした、前記位相をシフトする領域と
φ _ｋ＝２π（ｋ−１）／ｍ
（ここで、０≦ｋ≦Ｎ _ＦＢＧ、Ｎ _ＦＢＧは光ファイバーグレーティング部の数、ただし、φ _ｋは２πで折り返される）
を備えたスーパーストラクチャー光ファイバーグレーティング
が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
１．ＦＢＧの作成
ＦＢＧ
は、ファイバーのコア中に例えば約500[nm] の周期を持つ摂動を形成する必要がある。これを実現するための、位相マスク法(Phase-Mask Method)とフォトセンシティビティー(photosensitivity)についてを以下に説明する。
図１に、位相マスク法によるＦＢＧの作製についての説明図を示す。レーザからの紫外光１０１、位相マスク１０２、光ファイバー１０３が図示されている。なお、以下の材料及び各データは、一例を示すものであり、これに限定されない。摂動の種類としては、屈折率の変化を用いる。ゲルマニウムドープ（Ge-doped）光ファイバーは紫外線を照射すると屈折率が変化するという非線形な性質を持つ。これは、フォトセンシティビティーと呼ばれ、ＦＢＧはこの非線形現象を用いて作製される。このフォトセンシティビティーを最大限に引き出す為に、光ファイバー１０３を、例えば、１２０［ａｔｍ］の水素雰囲気中に２週間ほど留置する。ここでは、この水素処理を行ったGe-doped 光ファイバーを用いる。
【００１１】
例えば、５００［ｎｍ］の所定周期をもつ紫外線の強度分布は、位相マスク法によって実現できる。位相マスク法では図に示すように、石英基板にピッチｄの凹凸を電子ビーム・リソグラフィーにより形成した位相マスク１０２が用いられる。位相マスク１０２に垂直に入射された紫外光１０１（ＵＶ光）は、位相マスク１０２を通過すると＋１次と−１次の回折光に分離され、それらが干渉縞（間隔ｄ／２）を形成する。溝の深さと形状が適当であれば、０次光（そのまま透過する光）は数％以下になる。
【００１２】
位相マスク法の利点は同一のものを再現性よく製作でき、また時間コヒーレンスの低いレーザでも使用できることである。また、位相マスク法は、他の方法よりアライメイントが比較的容易で、本実施の形態で一例として用いるＫｒＦエキシマレーザに現状では最適な方法であると考えられる。
【００１３】
２．詳細な作製系
図２に、ＳＳＦＢＧの作製系の構成図を示す。
この構成は、レーザ１、スリット２、位相マスク３、可動ステージ４、光スペクトラムアナライザ５、ＥＤＦＡ６、サーキュレータ７を備える。光ファイバー１０は、可動ステージ４上に位相マスク３で覆われて固定される。
【００１４】
レーザ１は、ファイバーの屈折率を変化させる為に用いる紫外光源として、高いパワー密度と高い干渉性が望まれる。ここでは、一例として、紫外光パルスを発生するＫｒＦエキシマレーザを用いる。なお、ＫｒＦエキシマレーザ以外には、ＡｒＦエキシマレーザ、アルゴンレーザのＳＨＧ（２倍高調波）、銅蒸気レーザなどが用いられてもよい。エキシマレーザ、銅蒸気はパルスレーザであるが、アルゴンレーザのＳＨＧは連続発振レーザであり、いずれを用いても良い。本実施の形態で用いたＫｒＦエキシマレーザは、一例として、波長２４８ｎｍ、パルスの繰り返し周波数１００Ｈｚ、１パルスあたりのエネルギー約５５ｍＪ、ビーム径６ｘ１２ｍｍである。
【００１５】
また、スリット２は、一例として、１２ｍｍ幅の紫外光をスリットで０．３ｍｍに狭窄し、位相マスクを通して光ファイバーに照射する。位相マスク３は、たとえば、ガラスに０．５ミクロン程度のピッチで回折格子が描かれている。
ファイバー１０は、次のような光ファイバーを用いることができる。例えば、ファイバー１０は、紫外光誘起屈折率変化が大きなファイバーが好ましい。通常の光ファイバーではこの変化は小さいので、水素処理（高圧水素中に１〜２週間留置して水素をロード）して高めることができる。また、光ファイバーのコア中のＧｅ（ゲルマニウム）ドープ量が大きいほど紫外光誘起屈折率変化が大きいことが知られているので、ＦＢＧ用の高Ｇｅドープ光ファイバーを用いることができる。本実施の形態では、ＦＢＧ用の高Ｇｅドープ光ファイバーを水素処理したものを用いている。その他にファイバー１０として、分散シフトファイバー（ＤＳＦ）、シングルモードファイバー（ＳＭＦ）、マルチモードファイバー等、各種のファイバーを用いることができる。
【００１６】
図３に、位相マスクと光ファイバーとの固定についての説明図を示す。
この例では、位相マスク３と光ファイバー１０は同じプレート８上に固定され、相対的な振動を抑圧する。このプレート８を可動ステージ４上に固定し、可動ステージ４の移動量とパルス数を制御することで、ＦＢＧ、ＳＳＦＢＧなどを作製する。
【００１７】
紫外光の照射の仕方は次のように成る。位相マスク３に一様な紫外光を垂直に当てると、位相マスク３よる＋１次と−１次の回折光どうしが光ファイバー上に１ミクロン程度の干渉縞を作る。紫外光誘起屈折率変化により、干渉縞の強いところでは大きな屈折率変化が、干渉縞の弱いところでは小さな屈折率変化が起こり、１ミクロン程度の屈折率の周期構造（屈折率回折格子）ができる。
【００１８】
以上のように、位相マスク３にレーザ１からの平行光を入射することにより、より鮮明な干渉縞が得られる。紫外光又は紫外線パルスを照射するにしたがって、光ファイバー１０中のコアにグレーティングが形成される。作製中、広帯域光源であるＥＤＦＡ６のＡＳＥを光ファイバー１０に入射し、その反射光をサーキュレータ７を経て光スペクトラルアナライザー５に入射することより、反射スペクトルを監視する。これにより、レーザ光の照射を調整させることができる。
【００１９】
３．位相マスク走査法
まず、ＳＳＦＢＧの基本原理を説明する。図４に、ＳＳＦＢＧの概念図を示す。図に示すように、ＳＳＦＢＧは、離散的にＦＢＧが形成されることで、作製される。
図４（ａ）には、位相マスク３を介して紫外光が光ファイバー１０に複数箇所で照射される様子を示す。ここで、矢印は紫外光ビームを表す。複数の紫外光ビームが矢印で表されているが、本実験では一度に複数のビームで照射するのではなく、１本の紫外光ビーム（もしくは位相マスク３と光ファイバー１０）を移動させて必要な部分だけにＦＢＧを描く。なお、複数箇所に一度に紫外光ビームを照射する光学系配置としてもよい。レーザ光は、スリットにより必要な部分だけ（例えば、約１ｍｍ）切り出してから位相マスク３に照射される。
【００２０】
図４（ｂ）は、光ファイバ１０の位置Ｚにおける屈折率ｎを示される。ここで、ＬｇはＦＢＧ幅、ＬｓはＦＢＧ間隔である。また、図中屈折率ｎがギザギザで表示されている箇所は、光ファイバー１０中にＦＢＧが刻まれているところである。
【００２１】
図５に、ＳＳＦＢＧの特性図を示す。図には、屈折率ｎと、波長λの関係を示す。ここで、ν_Ｂは１／Ｌｇに比例する包絡線幅、ν_Ｃは１／Ｌｓに比例するチャネル間隔である。
こうして、図に示すようにくし（コム）型の反射フィルタが形成される。このくし状反射スペクトルの包絡線幅ν_Ｂは離散的に作製されたＦＢＧの長さに反比例し、また、チャネル間隔ν_Ｃは作製されたＦＢＧの間隔Ｌｓに反比例する。そのため、より狭いチャネル間隔を得るためにはより大きな間隔でＦＢＧを離散的に作製する必要がある。なお、ＦＢＧの個数はひとつでもよく、また、個数が多いほど反射率が高くなる。反射率が１に達すると、包絡線幅が広がる。ここで、このくし状の反射スペクトルの一本をチャネルと呼ぶ。
【００２２】
たとえば、全長５０ｍｍで、反射率１００％、チャネル間隔１００ＧＨｚのスーパーストラクチャが得られるとする。このときチャネル間隔５０ＧＨｚを得ようとすると、グレーティング間隔を２倍にする必要があり、全長を１００ｍｍにしなければならない。同様、チャネル間隔を３３．３ＧＨｚにすると、全長が１５０ｍｍとなってしまう。
【００２３】
このように、ＳＳＦＢＧは離散的にＦＢＧを刻むものである。これらのＦＢＧはその屈折率変調に一定の位相関係を持たなければならないため、１つの固定した位相マスクに紫外光を離散的に照射することで実現する。したがって、ＳＳＦＢＧの全長は位相マスクの長さにより制限される。つぎに、位相マスクの長さに制限されないＳＳＦＢＧ作製法として、位相マスク走査法を説明する。
【００２４】
図６に、位相マスクの走査によるＳＳＦＢＧ作製法の説明図を示す。また、図７に、ＳＳＦＢＧの特性図を示す。
以下に、マスク走査の具体的工程を説明する。
上述ではマスクと光ファイバーの相対位置を固定して、ビームを走査しているので、マスクの長さ以上のＳＳＦＢＧは描けない。そこで、まず図４と同様に、マスクと光ファイバーの相対位置を固定してビームを走査する（ステップ１）。この場合のＳＳＦＢＧの特性図を図７（ａ）に示す。その次に、マスクと光ファイバーの相対位置を光ファイバーの長さ方向に対して動かす（ステップ２）。そして、ステップ１と同じようにマスクと光ファイバーの相対位置を固定してビームを走査する。走査するための構成は、例えば、マスクと光ファイバーをそれぞれ別の稼働ステージに固定して、ＰＣ制御で別々に動かすことで実現できる。次に、位相ずれを補正・整合するために、マスクをはずし、光ファイバーに一様な紫外光ビームを当てることにより、一様に屈折率を変えることができ、その部分の光学長を変化させ位相シフトを与える（ステップ３）。位相シフトを与える位置は、第１のＳＳＦＢＧと第２のＳＳＦＢＧの間の適当な場所でよい。位相シフト量は紫外光ビーム照射時間（あるいは光パルス数）で決まり、必要な位相シフト量が達成できたかどうかは反射スペクトラムを観察しながら決める。以上のステップを繰り返すことにより、自由な長さのＳＳＦＢＧが作成できる。図７（ｂ）に示すように、もともとのＳＳＦＢＧの反射率が１に近い場合、ステップ３の工程後は、包絡線幅が広がる。
【００２５】
この位相マスク走査法について検証を行った。ＵＶ光源としてＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）を用い、位相マスクのピッチは１０７４ｎｍでＬｇ＝０．３ｍｍ、Ｌｓ＝３．０ｍｍのＳＳＦＢＧを作製した。
図８に、位相整合のための紫外光照射前と後の反射スペクトル図を示す。図８（ａ）のように、整合を取る前、つまり単純に位相マスクを走査することにより２つのＳＳＦＢＧを結合した場合、２つのＳＳＦＢＧが干渉しあうため反射ピークが分裂する。そこで、その後位相整合をとると、図８（ｂ）のように理想的なくし型フィルタが実現できることがわかる。また、位相調整をする前は反射帯域外の余分なサイドローブが大きく生じていたものが、位相調整により抑圧できている。したがって、位相マスクを走査することにより、２倍の長さの位相マスクにより作製したＳＳＦＢＧと同じ特性を持つＳＳＦＢＧが作製できる。
【００２６】
つぎに、図９に、ＳＳＦＢＧの反射スペクトル図を示す。図９（ａ）は、従来法により作製した長さ３０ｍｍのＳＳＦＢＧ、図９（ｂ）は、走査位相マスク法により図９（ａ）のＳＳＦＢＧを３つ結合して長さ９０ｍｍにしたＳＳＦＢＧの反射スペクトル図である。図示のように、結合後もきれいなくし型フィルタになっていることがわかる。このように、もともとのＳＳＦＢＧの反射率が小さい場合、包絡線幅は変わらず反射率が高くなる。
【００２７】
４．チャープト−ＳＳＦＢＧ（Chirped-SSFBG）
上述の実施の形態では、屈折率の変調周期が同じＦＢＧを離散的に作製した通常のＳＳＦＢＧを作製したが、この位相マスク走査法を用いれば様々なＳＳＦＢＧが作製できる。たとえば、Chirped-SSFBGなどは特に容易に作製できる。Chirped-SSFBGとは、屈折率の変調周波数を少しずつ変化させたＦＢＧを離散的に作製したものである。この変化させる周波数自体に周期性を持たせ、広帯域なくし型反射光フィルタを実現することができる。また、このChirped-SSFBGは、光ファイバーの分散補償器に応用することができる。
【００２８】
つぎに、従来の位相マスク固定法によるChirped-SSFBGの作製手順と、今回提案する位相マスク走査法による作製手順を比較する。図１０に、Chirped-SSFBGの作製方法の説明図を示す。図１０（ａ）は、従来の位相マスク固定法によるChirped-SSFBG作製方法、図１０（ｂ）は、本実施の形態の走査位相マスク法によるChirped-SSFBG作製方法である。複数の矢印は、紫外光ビームを出力し、一度に複数のビームで照射するのではなく、１本の紫外光ビームを移動させて必要な部分だけにＦＢＧを描くようにしている。なお、同時に複数ビームを照射してもよい。位相マスクは、グレーティング周期の変化するものを用いる。
【００２９】
従来の位相マスク固定法では、作製するChirped-ＳＳＦＢＧと同じ長さの位相マスクが必要であり、図１０(a)のように回折格子の周期が周期的に変化した位相マスクを作製する必要がある。これに対して本実施の形態によれば、短い（例えば、全長の数分の１）長さの位相マスクがあればよく、単純なChirped-FBG用の位相マスク1つで十分である。そして、短い位相マスクで複数の紫外光を照射した後、それを横にずらして再び照射する。この実施の形態は、上述の実施の形態と同様であるが、描いているＳＳＦＢＧが異なる。また、上述と同様に、位相マスクの複数位置における位相整合のための一様な紫外光の照射が必要である。
【００３０】
通常のＳＳＦＢＧや、Chirped-SSFBGなどを作製するために必要な長い位相マスクは、その作製段階において溝（回折格子）の周期性に多少なりとも誤差が生じる。これは、現時点での位相マスクの作製技術の限界(スティッチング・エラー)によるものである。この誤差によりＳＳＦＢＧの設計性は悪化する。しかし、本実施の形態は短い位相マスクを用いるため、ほとんど溝（回折格子）の周期性に誤差のない位相マスクでＳＳＦＢＧの作製が可能である。この点においても、位相マスク走査法は、有効なＳＳＦＢＧ作製方法である。
【００３１】
５. 多点位相シフト法
次に、多点型位相シフト(ＭＰＳ-ＳＳＦＢＧ = Multiple phase shift SSFBG)法によるＳＳＦＢＧ(ＭＰＳ-ＳＳＦＢＧ)について説明する。ＭＰＳ-ＳＳＦＢＧは、通常のＳＳＦＢＧと同じく反射くし型フィルタであるが、従来型のＳＳＦＢＧに比べてより短い長さで同じ特性を実現できるという画期的な方法である。ＳＳＦＢＧは離散的にＦＢＧを作製して作られるため、チャネル間隔の狭い高密度なＳＳＦＢＧでは各々のＦＢＧの間隔が長くなり、この部分が無駄になる。そこで、本実施の形態のＭＰＳ法ではＦＢＧ間に適切な位相シフトを与えることで、ＦＢＧ間隔を短く保ったままでチャネル間隔を高密度化できる方法であり、効率よく光ファイバーを用いることができる。
【００３２】
上述のように、くし状反射スペクトルの包絡線幅は離散的に作製されたＦＢＧの長さに反比例し、チャネル間隔は作製したＦＢＧの間隔に反比例する。より狭いチャネル間隔を得るためにはより大きな間隔でＦＢＧを離散的に作製する必要がある。たとえば、全長５０ｍｍで、反射率１００％、チャネル間隔１００ＧＨｚのスーパーストラクチャが得られるとする。このときチャネル間隔５０ＧＨｚを得ようとすると、グレーティング間隔、即ちＦＢＧ間隔を２倍にする必要があり、全長を１００ｍｍにしなければならない。同様に、チャネル間隔を３３．３ＧＨｚにすると、全長が１５０ｍｍとなってしまう。
【００３３】
それに比べて、本実施の形態のＭＰＳ-ＳＳＦＢＧは、通常のＳＳＦＢＧの適切な場所に位相シフトを与えたもので、これは全体の反射率をあまり下げることなく、またＳＳＦＢＧの全長も維持したままチャネル間隔を狭く高密度化できる方法である。つまり、チャネル間隔を１００ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、３３．３ＧＨｚと狭めても、全長は変わらない。
【００３４】
以下に、ＭＰＳ−ＳＳＦＢＧの設計手順を説明する。はじめに、得たいチャネル間隔や帯域などから、上述のような実施の形態のＳＳＦＢＧ設計を行う。このとき、各々のＦＢＧ間隔Ｌ_ｓ、ＦＢＧ長Ｌ_ｇ、ＦＢＧの個数Ｎ_ＦＢＧ個、ＳＳＦＢＧの全長Ｌ_{ＳＳＦＢＧ}（≒Ｌ_ｓ×Ｎ_ＦＢＧ）のＳＳＦＢＧが作製されたとする。通常のＳＳＦＢＧは各々のＦＢＧの間が有効に利用されていないため、必然的に全長が長くなってしまう。したがって、このようなＦＢＧの間に新たにＦＢＧを集積してＭＰＳ−ＳＳＦＢＧを実現し全長を１／ｍ（ｍ＝２，３，．．．）にするために必要な手順を以下に述べる。
【００３５】
まず、先の設計で得たＦＢＧ間隔Ｌ_ｓを１／ｍに短縮し、Ｎ_ＦＢＧ個のＦＢＧを離散的に作製することで全長を１／ｍにする。このままでは、チャネル間隔はｍ倍に拡大する。そこで、ｋ番目のＦＢＧとｋ＋１番目のＦＢＧの間に、次式の位相シフトφ_ｋを与える。
φ_ｋ＝２π（ｋ−１）／ｍ
（０≦ｋ≦Ｎ_ＦＢＧ）
【００３６】
一様な紫外光ビームを光ファイバーの一部に照射すると、その部分の屈折率が一様に変わるので、その部分の光学長ｎＬが変化し、位相シフトが起こる。ここで、位相シフトとは、その部分での光の位相回転が変化（シフト）することをいう。０、２π／３、４π／３等のそれぞれ必要な位相シフト量が達成できたかどうかは、光スペクトラムアナライザを用いて反射スペクトラムを観察しながら決める。
【００３７】
ここで、図１１に、ＭＰＳ−ＳＳＦＢＧにおける光ファイバー軸方向の屈折率と位相シフトの説明図を示す。
上式により、図示のような鋸状の位相シフト量が与えられる。与えられる位相シフト量が２πを越えると折り返すことができる。これにより、チャネル間隔を設計通りに保ち、反射率もほぼ保ったまま、全長を１／ｍにできる。
【００３８】
つぎに、図１２に、ＳＳＦＢＧとＭＰＳ−ＳＳＦＢＧとの比較に関する説明図を示す。この図は、ｍ＝２，３としたときのＭＰＳ−ＳＳＦＢＧとＳＳＦＢＧを比較したものである。図１２中、左図は波長に対する反射率、中図は、通常又は上述の実施の形態により作製されたＳＳＦＢＧ、右図は、多点型位相シフト技術によるＳＳＦＢＧをそれぞれ示す。
【００３９】
図１２（ａ）は、ＳＳＦＢＧの元の長さで、位相シフトを与えていない場合を示す。図１２（ｂ）は、ＦＢＧ間隔を２倍（ｍ＝２）をした場合を示す。このとき、チャネル間隔は１／２（１／ｍ）になる。通常又は上述のＳＳＦＢＧ作製法によると、全長が２倍となるが、ＭＰＳ−ＳＳＦＢＧでは、各ＦＢＧ間に０、π．．．の位相シフトを与えることで、同じ全長のままチャネル間隔を１／２（１／ｍ）とすることができる。同様に、図１２（ｃ）は、ＦＢＧ間隔を３倍（ｍ＝３）とした場合を示す。このとき、チャネル間隔は１／３（１／ｍ）になる。各ＦＢＧ間に０、２π／３、４π／３、．．．の位相シフトを与えることで、同じ全長のままチャネル間隔を１／３（１／ｍ）とすることができる。
【００４０】
このＭＰＳ−ＳＳＦＢＧの検証を行った。ＵＶ光源としてＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）を用い、位相マスク固定法によりＭＰＳ−ＳＳＦＢＧの作製を行った。今回作製したＭＰＳ−ＳＳＦＢＧはｍ＝２、Ｌ_ｇ＝０．３［ｍｍ］、Ｌ_ｓ＝３．０［ｍｍ］、Ｎ_ＦＢＧ＝１５であり、位相マスクのピッチは１０７４［ｎｍ］である。
【００４１】
図１３に、ＭＰＳ−ＳＳＦＢＧの作製（ｍ＝２）の説明図を示す。これは、図１２（ｂ）に対応する場合である。まず、通常のＳＳＦＢＧの作製方法に従って作製した、位相シフトを与える前のＳＳＦＢＧの反射スペクトルを図１３（ａ−１，２）に示す。図１３（ａ，ｂ，ｃ−２）は、図１３（ａ，ｂ，ｃ−１）の拡大図である。この例ではｍ＝２のＭＰＳ−ＳＳＦＢＧを作製したため、グレーティングの間に与える位相シフト量はφ_ｋ＝０，π，０，π，０，π，０，π，．．．．となる。
πの位相シフトを完全に与える前、つまり途中過程であり、φ_ｋ≒０，π／２，０，π／２，０，π／２，０，π／２，．．．．の位相シフトを与えた状態の反射スペクトルを図１３（ｂ−１，２）に示す。元々のチャネルの間に新しいチャネルが成長していく様子がわかる。最終的に設計した位相シフトを完全に与えた際の反射スペクトルを図１３（ｃ−１，２）に示す。図１３（ａ−１，２）と比較すると、チャネル間隔が半分になり、設計どおりの反射スペクトルが得られていることがわかる。
【００４２】
図１４に、ＭＰＳ−ＳＳＦＢＧの作製（ｍ＝３）の説明図を示す。これは、図１２（ｃ）に対応する場合である。まず、通常のＳＳＦＢＧの作製方法に従って作製した、位相シフトを与える前のＳＳＦＢＧの反射スペクトルを図１４（ａ）に示す。この例ではｍ＝３のＭＰＳ−ＳＳＦＢＧを作製したため、グレーティングの間に与える位相シフト量はφ_ｋ＝０，２π／３，４π／３，０，２π／３，４π／３，０，．．．．となる。最終的に設計した位相シフトを完全に与えた際の反射スペクトルを図１４（ｂ）に示す。図１４（ａ）と比較すると、チャネル間隔が１／３になり、設計どおりの反射スペクトルが得られていることがわかる。
【００４３】
このＭＰＳ−ＳＳＦＢＧを用いると、チャネル数を数倍に増やして高密度化することができる。しかも、光ファイバーと位相マスクを有効に使用できため、作製のコストダウンにもつながる。最近の微細加工技術の向上により位相マスクに位相シフトを精密に与えることが可能となっている。したがって、ＭＰＳ−ＳＳＦＢＧを作る際に与える位相シフトを位相マスク自体に与えることで、短い位相マスクでも高密度化な光ファイバーくし型反射フィルタを作製することもできる。
【００４４】
以上の説明では、所望の位相シフトを光ファイバーに与えるために、光スペクトラムアナライザを観察しながら、レーザ出力を調整するようにしていた。これを自動的にコンピュータにより実行させることも可能である。
【００４５】
図１５に、作製装置の他の構成図を示す。これは、上述の実施の形態の作製装置の構成に、さらに、制御部３０と照射調整部４０とを備え、可動ステージ４を位相マスク用可動ステージ４−１及び光ファイバー用可動ステージ４−２に置換えたたものである。
【００４６】
制御部３０は、光スペクトラムアナライザ５の測定結果を内部のインタフェースを介して入力する。入力された波長に対する反射率に基づき、レーザ１の出力時間、パルスエネルギー、繰返し周波数、ビームサイズ等のいずれか又は複数を調整する。さらに、制御部３０は、所定の位置にレーザ１の紫外光を照射するように照射調整部４０を制御することができる。さらに、制御部３０は、可動ステージ４−１及び４−２を移動制御することで、位相マスク３と光ファイバー１０の相対位置を制御することが可能である。また、光ファイバー１０を固定する制御を行なうことも可能である。このような構成により、所定の位置への位相マスクの移動、位相シフト量調整、レーザ照射の調整等が制御される。
【００４７】
つぎに、本発明の応用について、以下に例示する。例えば、本発明は、光多重通信における、多波長フィルター、分波・合波、ＷＤＭ通信用のＡＤＭ(add/drop multiplexer)光増幅器の利得均一化、分散補償フィルター、利得等化器などに応用可能である。また、本発明は、光通信用光源としては、多波長光源用フィルター、半導体レーザ、ファイバーレーザなどのレーザの波長選択、波長安定化、波長一括分散保証に応用できる。さらに、本発明は、ファイバーセンサとしては、ひずみ等を測定する
など、多くの応用が考えられている。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によると、以上のように、位相マスク長により制限されないスーパーストラクチャー・ファイバー・ブラッグ・グレーティング作製方法及び作製装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】位相マスク法によるＦＢＧの作製についての説明図。
【図２】ＳＳＦＢＧの作製系の構成図。
【図３】位相マスクと光ファイバーとの固定についての説明図。
【図４】ＳＳＦＢＧの概念図。
【図５】ＳＳＦＢＧの特性図。
【図６】位相マスクの走査によるＳＳＦＢＧ作製法の説明図。
【図７】ＳＳＦＢＧに特性図。
【図８】位相整合のための紫外光照射前と後の反射スペクトル図。
【図９】ＳＳＦＢＧの反射スペクトル図。
【図１０】 Chirped-SSFBGの作製方法の説明図。
【図１１】ＭＰＳ-ＳＳＦＢＧにおける光ファイバー軸方向の屈折率と位相シフトの説明図。
【図１２】ＳＳＦＢＧとＭＰＳ-ＳＳＦＢＧとの比較に関する説明図。
【図１３】ＭＰＳ-ＳＳＦＢＧの作製（ｍ＝２）の説明図。
【図１４】ＭＰＳ-ＳＳＦＢＧの作製（ｍ＝３）の説明図。
【図１５】作製装置の他の構成図。
【符号の説明】
１レーザ
２スリット
３位相マスク
４可動ステージ
５光スペクトラムアナライザ
６ＥＤＦＡ
７サーキュレータ
１０光ファイバー

Claims

グレーティングが形成された位相マスクと光ファイバーの相対位置を第１の位置に固定する工程と、
第１の位置において、レーザからの紫外光により位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに１箇所又は所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射することにより、ひとつ又は複数の第１の光ファイバーグレーティングを形成する工程と、
位相マスク及び／又は光ファイバーを光ファイバーの長さ方向に移動させて、位相マスクと光ファイバーとの相対位置を第２の位置に固定する工程と、
第２の位置において、レーザからの紫外光により位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに１箇所又は所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射することにより、ひとつ又は複数の第２の光ファイバーグレーティングを形成する工程と、
位相シフトを調整するために、第１の光ファイバーグレーティングと第２の光ファイバーグレーティングとの間において、位相マスクを介さずにレーザからの紫外光を光ファイバーに照射することにより、位相をシフトする領域を形成する工程であって、位相シフトを与えていないスーパーストラクチャ光ファイバーブラックグレーティングと比較して、スーパーストラクチャ光ファイバーグレーティングの全長又はチャネル間隔を１／ｍ（ｍ＝２，３．．．）にする場合、ｋ番目とｋ＋１番目の光ファイバーグレーティングの間に、次式の位相シフトφ_ｋを与えるようにした、前記位相をシフトする領域を形成する工程と
φ_ｋ＝２π（ｋ−１）／ｍ
（ここで、０≦ｋ≦Ｎ_ＦＢＧ、Ｎ_ＦＢＧは光ファイバーグレーティングの数、
ただし、φ_ｋは２πで折り返される）
を含む光ファイバーグレーティングの作製方法。
第１及び第２の光ファイバーグレーティングは、光ファイバーブラッググレーティングであり、反射特性の包絡線幅は、光ファイバーブラックグレーティングの幅に反比例し、チャネル間隔は、光ファイバーブラックグレーティングの間隔に反比例することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーグレーティングの作製方法。
光ファイバーは、高ゲルマニウムドープ及び／又は水素処理した光ファイバーであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーグレーティングの作製方法。
グレーティング周期の変化するグレーティングを有する位相マスクを用いることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーグレーティングの作製方法。
紫外光を照射するレーザと、
前記レーザからの紫外光の幅を調整するスリットと、
グレーティングが形成された位相マスクと、
光ファイバーと前記位相マスクとの相対位置を第１の位置および第２の位置に
それぞれ固定するための可動部と、
前記レーザからの紫外光により前記スリット及び位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに１箇所又は所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射するための照射調整部と、
前記可動部及び前記レーザ及び前記照射調整部を制御する制御部
を備え、
前記制御部は、
前記可動部を制御することにより、前記位相マスクと光ファイバーの相対位置第１の位置に固定するための手段と、
前記レーザ、前記スリット及び前記照射調整部を制御することにより、第１の位置において、前記レーザからの紫外光により前記位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに１箇所又は所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射することにより、ひとつ又は複数の第１の光ファイバーグレーティングを形成するための手段と、
前記可動部を制御することにより、前記位相マスク及び／又は光ファイバーを光ファイバーの長さ方向に移動させて、位相マスクと光ファイバーとの相対位置を第２の位置に固定するための手段と、
前記レーザ、前記スリット及び前記照射調整部を制御することにより、第２の位置において、前記レーザからの紫外光により前記位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに１箇所又は所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射することにより、ひとつ又は複数の第２の光ファイバーグレーティングを形成するための手段と、
前記レーザ、前記スリット、前記照射調整部及び前記可動部を制御することにより、位相シフトを調整するために、第１の光ファイバーグレーティングと第２の光ファイバーグレーティングとの間において、前記位相マスクを介さずに前記レーザからの紫外光を光ファイバーに照射することにより、位相をシフトする領域を形成するための手段であって、位相シフトを与えていないスーパーストラクチャ光ファイバーブラックグレーティングと比較して、スーパーストラクチャ光ファイバーグレーティングの全長又はチャネル間隔を１／ｍ（ｍ＝２，３．．．）にする場合、ｋ番目とｋ＋１番目の光ファイバーグレーティングの間に、次式の位相シフトφ_ｋを与えるようにした、前記位相をシフトする領域を形成するための手段と
φ_ｋ＝２π（ｋ−１）／ｍ
（ここで、０≦ｋ≦Ｎ_ＦＢＧ、Ｎ_ＦＢＧは光ファイバーグレーティングの数、
ただし、φ_ｋは２πで折り返される）
を備えた光ファイバーグレーティングの作製装置。
光ファイバーの光スペクトルを測定するアナライザをさらに備え、
前記制御部は、前記アナライザからの測定出力に基づいて、所望の位相シフト量が達成されるように前記レーザによる照射出力を制御することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバーグレーティングの作製装置。
前記可動部は、光ファイバーを固定してその位置を移動するための第１可動ステージと、前記位相マスクを固定してその位置を移動するための第２可動ステージとを備えた請求項５に記載の光ファイバーグレーティングの作製装置。
前記位相マスクはグレーティング周期の変化するグレーティングを有することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバーグレーティングの作製装置。
レーザからの紫外光により位相マスクを介して所定のグレーティング幅の干渉光を形成し、その干渉光を光ファイバーに所定のグレーティング間隔で複数箇所に照射することにより形成された複数の光ファイバーグレーティング部と、
位相シフトを調整するために、前記複数の光ファイバーグレーティング部との間において、位相マスクを介さずにレーザからの紫外光を光ファイバーに照射することにより形成されたひとつ又は複数の位相をシフトする領域であって、位相シフトを与えていないスーパーストラクチャ光ファイバーブラックグレーティングと比較して、スーパーストラクチャ光ファイバーグレーティングの全長又はチャネル間隔を１／ｍ（ｍ＝２，３．．．）にする場合、ｋ番目とｋ＋１番目の光ファイバーグレーティング部の間に、次式の位相シフトφ_ｋを与えるようにした、前記位相をシフトする領域と
φ_ｋ＝２π（ｋ−１）／ｍ
（ここで、０≦ｋ≦Ｎ_ＦＢＧ、Ｎ_ＦＢＧは光ファイバーグレーティング部の数、ただし、φ_ｋは２πで折り返される）
を備えたスーパーストラクチャー光ファイバーグレーティング。