JP3798304B2

JP3798304B2 - Slant short-period optical fiber grating and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP3798304B2
Application number: JP2001365170A
Authority: JP
Inventors: 明坂元; 聡奥出
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: JP2003167137A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバグレーティングに関し、特に、反射光の多重反射を防止することを目的としたスラント型短周期光ファイバグレーティング及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いて作製される光フィルタの一例として、光ファイバグレーティングがある。この光ファイバグレーティングとは、光ファイバを光が伝搬する領域に所定の周期で屈折率変化を形成したもので、この屈折率変化の周期をグレーティング周期という。
この光ファイバグレーティングは、グレーティング周期によって２つに分類することができる。
その１つは、グレーティング周期が数百μｍ程度の長周期光ファイバグレーティング（以下「ＬＰＧ」と略記する）である。ＬＰＧでは、屈折率が変化しているグレーティング部において、入射光のうち所定の波長帯域の光が、入射光と同じ方向に進行する前進クラッドモードと結合するため、ＬＰＧを用いると、この波長帯域について透過損失を有する透過光が得られる。
【０００３】
もう一つは、グレーティング周期が、使用波長帯の光の波長の１／３程度である短周期光ファイバグレーティング（以下「ＳＰＧ」と略記する）である。ＳＰＧでは、入射光のうち所定の波長帯域の光が、入射光と逆方向に進行する導波モード（以下「反射モード」と略記する）、及び入射光と逆方向に進行する後進クラッドモードと結合するため、ＳＰＧを用いると、この波長帯域について透過損失を有する透過光が得られる。
通常この周期的な屈折率変化は、光ファイバに光感受性を持つ物質を添加し、この光感受性物質に対応した光を光ファイバに照射することにより作製する。ただし、ここでいう光感受性とは、通常波長２４８ｎｍ付近の紫外光照射により物質の屈折率が変化する特性のことである。この周期的な屈折率変化を得る方法としては、二光束干渉法、位相マスク法、ステップバイステップ法などが広く用いられている。
【０００４】
このＳＰＧのなかで、ＳＰＧの利点である設計の自由度を生かし、かつ透過スペクトルのリップルを生じにくくするため、コアの中心軸に対して斜めにグレーティングが形成された光ファイバグレーティングが開発されており、このような短周期光ファイバグレーティングをスラント型短周期光ファイバグレーティング（以下「ＳＳＰＧ」と略記する）と呼ぶ。
通常のＳＰＧでは、光の進行方向に対して垂直にグレーティングが形成されているため、反射モードへの結合に比べて後進クラッドモードへの結合が小さいのに対して、ＳＳＰＧでは、グレーティング部において反射された光の一部はクラッドに放射され、後進クラッドモードと結合する。
この後進クラッドモードと結合した光は損失となるので、ＳＳＰＧは結合に対応した特定の波長の光を減衰させる光フィルタとして用いられる。また、スラント角度を適切な値に設定することにより、反射モードへの結合を抑えることができる利点もある。この反射モードへの結合を抑えることができるスラント角度を反射抑制角という。この反射抑制角は光ファイバの屈折率分布や光感受層の分布形状によって決まる値である。このＳＳＰＧは光増幅器の利得を平坦化する利得等化器等への応用が可能である。
【０００５】
このＳＳＰＧの場合、クラッドにもゲルマニウムを添加することでフィルタ特性が良くなることが知られている。具体的にはクラッドにゲルマニウムを添加すると、反射抑制角においてより帯域が狭く急峻で、かつ透過損失の大きいフィルタ特性を得ることが可能となる。通常は、コアの光感受性はクラッドの光感受性の２割程度であり、場合によっては、コア部には光感受性を持たせずに、クラッド層のみに光感受性を持たせる場合もある。
ただ、クラッドに光感受性を持たせる場合、クラッド全てに光感受性を持たせることはなく、通常コア近傍のクラッド層のみに光感受性を持たせている。これは、クラッド全体に光感受性を持たせることが光ファイバ作製上困難であり、手間がかかることに加え、光ファイバ中を伝搬する光はコア付近に集中しており、クラッド全域に光感受性を持たせても意味がないからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような光ファイバを露光して屈折率を上昇させると、クラッドのうち光感受性がある層のみの屈折率が上昇してしまうため、光ファイバ中の屈折率分布が変化する。ＳＳＰＧの場合は、導波モードとクラッドモードとの結合を用いており、クラッドの屈折率変化に対し敏感であるため、露光による屈折率上昇により反射抑制角が変化してしまう。
逆に、いったん露光して屈折率を上昇させたＳＳＰＧは、その後の工程で屈折率変化量が小さくなるため、ここでも反射抑制角は変化する。ＳＳＰＧの通常の製作工程は、光ファイバの水素処理→露光→脱水素→加熱エージングである。
水素処理とは、光ファイバの光感受性を高めるためにファイバ中に水素を拡散させる工程である。水素処理した光ファイバに露光後、光ファイバから水素を抜くために100℃程度の高温雰囲気中に１日程度放置しておくのが脱水素工程である。さらに、使用条件下においてグレーティングの特性が熱により劣化しないように、高温処理をして予め加速劣化させておくのがエージング工程である。これらの工程を経ると露光時に作りこまれた屈折率変化は最終的には半分程度にまでなる場合もある。
【０００７】
つまり、ＳＳＰＧ作製上は、スラント角が露光時の反射抑制角となるようにＳＳＰＧを作製するのが一番簡単ではあるが、スラント角を露光時の反射抑制角に合わせてＳＳＰＧを作製しても、露光後の脱水素加熱エージングによる屈折率変化の結果、最終的な製品になると反射抑制角が変化してしまい、反射が小さいというＳＳＰＧの利点が満たされなくなる場合があった。
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、ＳＳＰＧにおける露光後の屈折率変化及び露光後の工程での屈折率変化による反射抑制角の影響を予め考慮してグレーティング部を形成することにより、反射率の小さいＳＳＰＧの製造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】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、コアとクラッドとを有する光ファイバに対して紫外光を照射して、周期的な高屈折率部からなるグレーティング部を形成し、該グレーティング部の格子ベクトルと光ファイバ軸とのなす角であるスラント角度を非ゼロの角度に設定するスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法において、該クラッドにも光感受性を持たせ、露光後の屈折率変化及び露光後の脱水素および加熱エージング工程での屈折率変化による反射抑制角の影響を予め考慮し、該スラント角度が露光時における該反射抑制角よりも大きい角度となるようにして該グレーティング部を形成することを特徴とするスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法である。
これにより、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載のスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法において、前記スラント角度が、露光時における反射抑制角よりも０.０３５度〜０.１５度大きくなるようにして前記グレーティング部を形成することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法において、前記スラント角度が、露光による屈折率変化量と露光後の脱水素および加熱エージング工程による屈折率変化量とから見積もられる角度だけ、露光時における反射抑制角よりも大きくなるようにして前記グレーティング部を形成することを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３に記載のスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法において、前記屈折率変化量が前記光ファイバの長手方向に変化する場合に、該屈折率変化量が最大となる部分において、前記スラント角度が露光時における反射抑制角よりも大きい角度となるようにして該グレーティング部を形成することを特徴とする。
これにより、屈折率変化量が変化する場合であっても、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１に、本発明のスラント型短周期光ファイバグレーティングの例を示す。
図１は、この例のスラント型短周期光ファイバグレーティングの側断面図である。図１中、符号１はコアであり、このコア１の周囲にコア１よりも屈折率の小さいクラッド２が設けられている。コア１とクラッド２とは石英系ガラスからなり、コア１とクラッド２には通常、特定波長の紫外光を照射することによって石英系ガラスの屈折率を上昇させるために、光感受性物質が添加され、この光感受性物質として通常ゲルマニウムが用いられる。
【００１２】
このゲルマニウムを添加した石英系ガラスに、位相マスク等を介してコア１とクラッド２の長手方向にそって、所定の周期で通常波長２４８ｎｍ付近の紫外光を照射して、紫外光が照射された部分のコア１とクラッド２の屈折率を上昇させ、複数の高屈折率部３が配列されたグレーティング部４が形成されている。この高屈折率部３は、コア１とクラッド２とを横切るように、かつコア１の中心軸Ｂに直交せず、斜めに形成され、複数の高屈折率部３は、長手方向にそって互いに平行に配置されている。
この高屈折率部３に直交する線Ａの方向をグレーティングの格子ベクトル方向という。この格子ベクトル方向とコア１の中心軸との角度θをスラント角度といい、このスラント角度によって高屈折率部３の傾きの大きさを表す。
このスラント型短周期光ファイバグレーティングにおいては、入射光５のうち、グレーティング部４で反射された光の一部はクラッド２への放射光６となり、後進クラッドモードと結合する。これにより、コア１を逆行する反射モードとの結合が小さくなり、多重反射が生じにくくなる。
【００１３】
このようなスラント型短周期光ファイバグレーティングについて、屈折率変化による反射抑制角の変化をシミュレーションにより求めた。
図２に、シミュレーションに用いた光ファイバの構造例を示す。
図２中、符号１はコアであり、この例ではコア半径を３μｍ、屈折率を1.45258としているが、これに限定されるものではない。符号２は、コア１の外周に形成されたクラッドであり、その屈折率を1.4443としているが、これに限定されるものではない。
この光ファイバはコア１には光感受性を持たず、クラッド２のうち、半径１２μｍまでが光感受性を持つように形成されている。この光ファイバについて、露光により光感受性を持つ層の屈折率が上昇したときの反射抑制角の変化を図３に示す。
【００１４】
図３において、横軸が光感受性を持つ層の屈折率変化量△ｎで、縦軸が反射抑制角である。屈折率変化量が大きくなるに従い反射抑制角が小さくなっていく様子が確認出来る。この反射抑制角の屈折率変化依存性は−69〔度/△ｎ〕である。
この光ファイバを用いてＳＳＰＧを作製した場合の、反射抑制角からの角度ずれが反射率に与える影響を図４に示す。図４は屈折率変化量が0．001、グレーティング長が2mmの場合の値である。反射抑制角から角度が0．05度でもずれると20dB以上の反射率の差が生じることがわかる。図３と図４の結果から、クラッドの屈折率変化によって、ＳＳＰＧの反射率が大きく影響を受けることが確認できる。
【００１５】
ここまでの光ファイバにおいては、コア部分の光感受性をゼロとして検討したが、コア部分にもクラッドの光感受性の２０％程度まで光感受性を持たせる場合がある。そこで、屈折率プロファイルは図２に示す光ファイバと全く同じで、コア部分の光感受性のみをクラッドの光感受性の１０％にした場合と、２０％にした場合の二種類について、０％のときと同様に反射抑制角度の屈折率変化依存性を求めた。その結果を図５に示す。
コア部の光感受性がクラッド部分の光感受性の１０％である場合（図５においてはｐｓ＝０．１と表示）の反射抑制角の屈折率変化依存性は−１３５（度／Δｎ）であり、同様に２０％である場合（図５においてはｐｓ＝０．２と表示）の反射抑制角の屈折率変化依存性は−１９１（度／Δｎ）であることがわかった。このような反射抑制角の屈折率変化依存性と、露光による屈折率変化と露光後の工程による屈折率変化の差を予め見積もることで、露光時の反射抑制角と最終的な使用状態における反射抑制角の差を求めることができ、最終的な使用状態において最適なスラント角とすることができる。
【００１６】
これらの数値をもとに、実際に必要と考えられるスラント角を見積もる。
ＳＳＰＧを作製する際、露光による屈折率変化は通常０．００１５程度である。これは、これより小さいと必要な透過損失量が得られないためであり、逆にこれより大きいと露光時間が長くなることに加え、安定して光ファイバグレーティングを作製できなくなり、歩留まりが悪化するからである。
ここで、安定して作製できないとは、第１に、露光時間が長くなると、振動やレーザの揺らぎなどの外的要因の影響を受ける時間も長くなり、歩留まり良く目的の透過損失形状を得ることが困難になること、第２に、露光時間が長くなると、屈折率変化量が露光量に対して飽和傾向になり、露光量と屈折率変化量の見積もりが困難になり、歩留まり良く目的の透過損失形状を得ることが困難になることを意味する。
【００１７】
露光により上昇させた屈折率変化は、脱水素及びエージング工程で減衰させる。これは、前述の通り完成品の熱的安定性を高めるためである。この脱水素、エージング工程で減衰される屈折率変化量は露光による屈折率変化の３割から５割程度必要であるため、露光による屈折率変化が０．００１５の場合、０．０００５〜０．０００８程度減衰させることとなる。
先に述べたように、反射抑制角の屈折率変化依存性はコア部分の光感受性の量によって変化し、その値は−６９〜−１９１（度／Δｎ）程度である。これらの結果より、露光後と最終的な使用状態における反射抑制角の変化量は小さい場合０．０００５×６９＝０．０３５度、大きい場合は０．０００８×１９１＝０．１５度であると見積もることができる。つまり、予め露光時の反射抑制角よりも０．０３５〜０．１５度だけ大きなスラント角を設定してグレーティング部を作製することで、最終的な使用状態で最適な反射抑制角とすることができ、反射のほとんどないＳＳＰＧを作製することができる。
【００１８】
ここで、脱水素工程、エージング工程で減衰される屈折率変化量は、露光による屈折率変化の３割から５割程度必要であるとする根拠について、以下に説明する。
ここでは、エージング工程における劣化について主に説明する。
まず、光ファイバグレーティングをある温度下におき、そのときの熱劣化（エージング）の様子を透過率の経時変化にて測定する。その透過率を式（１）を用い結合定数（Integrated Coupling Constant :ICC）に変換する。
【００１９】
【数１】

【００２０】
ここで、Ｔ_minは透過率の最小値を示す。このICCを、熱劣化させる前のICCで規格化し、規格化結合定数（Normalized Coupling Constant :Ncc）を求める。この作業をいくつかの温度で行った結果を、図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６（ａ）、（ｂ）においては、用いた光ファイバの種類が異なっているため、同じ温度で同じ時間だけ熱劣化させても、Ｎ_CCの値が異なっている。
図６（ａ）、（ｂ）の結果を、式（２）
【００２１】
【数２】

【００２２】
において、横軸の時間を境界エネルギー（Demaracation Energy :Ed）に変換してプロットしなおす。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは熱劣化時の絶対温度、ｔは経過時間、ν₀は定数である。この定数ν₀を変化させることにより、色々な温度で測定したＮ_CCの曲線が変化するので、すべてのプロットが同じ曲線上に載るように定数ν₀を決定する。その結果を図７（ａ）、（ｂ）に示す。いずれの場合も良く曲線上に載っていることが確認できる。
次に、この結果を式（３）
【００２３】
【数３】

【００２４】
でフィッティングする。式（３）において、ａ、ｂ、ｃはフィッティングパラメータである。
また、式（２）より、Ｎ_CCは熱劣化時の絶対温度Ｔと経過時間ｔとの関数であるので、式（３）は式（４）
【００２５】
【数４】

【００２６】
と表すことができる。
ここで、エージング前の透過損失をＴ₀とし、エージング後の透過損失をＴ_ageとすると、Ｎ_CCの定義式より式（５）となり、
【００２７】
【数５】

【００２８】
これをＴ_ageについて解くと、式（６）となり、
【００２９】
【数６】

【００３０】
Ｔ_ageは初期の透過損失とエージング温度、エージング時間の関数となる。
ここで、仮に光ファイバグレーティングの仕様が２７年間４５℃の使用条件において、透過損失のｄＢ比での変動量が０．１％以内であるとすると、式（７）
【００３１】
【数７】

【００３２】
の条件を満たす時間ｔ₀を求めて式（４）によりＮ_CCに変換する。ここで、Ｔ_age＝−４ｄＢとすると、必要なＮ_CCの劣化量は光ファイバ１の場合は０．８７であり、光ファイバ２の場合は０．７８となる。
このように、予め必要なＮ_CCの劣化量が求まると、式（３）より、エージングに必要な温度と時間を計算することができる。光ファイバ１の場合は２６０℃で４分、２２０℃で４１分、光ファイバ２の場合は２６０℃で９分、２２０℃で８３分となる。また、このときのｄＢ比で見た場合のエージング前後での劣化量Ｔ_age／Ｔ₀はそれぞれ０．６、０．４となり、仕様を満たすためには、エージングにより透過損失を半分以上落とすことが必要となる。
ここまでは、エージング工程について詳しく説明したが、脱水素工程においてもＮ_CCは０．７５程度劣化するので、トータルの劣化量は、０．７５×０．８７〜０．７５×０．７８となり、露光後の屈折率変化の３割から５割程度小さな値となる。
【００３３】
このように、２２０℃から３００℃の間で４点程度温度を定め、その温度下に光ファイバグレーティングを置いたときの劣化量の経時変化を測定し、その値をもとに、使用温度下（ここでは４５℃）で使用期間（２７年）置いたときに、規格から外れない劣化量（ｄＢ比で１％以内）に抑えるために必要なエージング条件を求める。このエージング条件と脱水素工程における劣化量を考慮した値が、脱水素工程、エージング工程で減衰される屈折率変化量を、露光による屈折率変化の３割から５割程度とする根拠となる。３割から５割というように数値に開きがあるのは、光ファイバの種類や使用条件によって劣化の様子が異なるためである。
【００３４】
光ファイバの長手方向に屈折率変化量が変化するようなＳＳＰＧの場合、屈折率変化量が一番大きい場所で上記の特性を満たすようにスラント角度を設定するのが好ましい。なぜなら、屈折率変化量が小さい領域ではもともと反射が小さく、屈折率変化量が一番大きい場所での反射を抑制することが最も重要であるからである。
図８と図９に、図２に示した屈折率プロファイルを有する光ファイバを露光して作製したＳＳＰＧの透過損失スペクトルと反射スペクトルを示す。
図８が露光時においてスラント角度を反射抑制角に設定した場合であり、図９が露光時においてスラント角を露光時の反射抑制角よりも0．05度だけ大きく設定した場合である。どちらのＳＳＰＧも、透過損失はほぼ同じであるのに対し、反射スペクトルでは図９に示すＳＳＰＧの方が反射光強度が小さく、露光時に予め反射抑制角よりも大きなスラント角度を設定してグレーティング部を形成した効果がはっきりと確認できた。
【００３５】
この例のスラント型短周期光ファイバグレーティングの製造方法によると、スラント角度が露光時における反射抑制角よりも大きい角度となるようにしてグレーティング部を形成し、好ましくは、スラント角度を、露光による屈折率変化量と露光後の工程による屈折率変化量から見積もられる角度だけ、露光時における反射抑制角よりも大きくなるようにしてグレーティング部を形成することにより、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
また、屈折率変化量が光ファイバの長手方向に変化する場合には、屈折率変化量が最大となる部分において、スラント角度が露光時における反射抑制角よりも大きい角度となるようにしてグレーティング部を形成することにより、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、スラント角度が露光時における反射抑制角よりも大きい角度となるようにしてグレーティング部を形成し、好ましくは、スラント角度が、露光による屈折率変化量と露光後の工程による屈折率変化量から見積もられる角度だけ、露光時における反射抑制角よりも大きくなるようにしてグレーティング部を形成することにより、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
また、屈折率変化量が光ファイバの長手方向に変化する場合には、屈折率変化量が最大となる部分において、スラント角度が露光時における反射抑制角よりも大きい角度となるようにしてグレーティング部を形成することにより、屈折率変化量が変化する場合であっても、製造後の最終的な使用状態において最適なスラント角度を有することが可能となり、反射光強度を小さく抑えることが可能なスラント型短周期光ファイバグレーティングを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスラント型短周期光ファイバグレーティングの例を示す図である。
【図２】本発明のスラント型短周期光ファイバグレーティングに用いられる光ファイバの屈折率プロファイルの一例を示す図である。
【図３】屈折率変化量と反射抑制角度との関係を示す図である。
【図４】反射抑制角からのずれによる反射率の変化を示す図である。
【図５】図２に示す光ファイバと全く同じ屈折率プロファイルで、コア部分の光感受性のみをクラッドの光感受性の１０％にした場合と、２０％にした場合の二種類について、反射抑制角度の屈折率変化依存性を示す図である。
【図６】規格化結合定数をいくつかの温度について求めた結果を示す図である。
【図７】境界エネルギーに対して規格化結合定数をプロットした結果を示す図である。
【図８】露光時においてスラント角度を反射抑制角に設定した場合の透過損失スペクトルと反射スペクトルとを示す図である。
【図９】露光時においてスラント角を露光時の反射抑制角よりも0．05度だけ大きく設定した場合の透過損失スペクトルと反射スペクトルとを示す図である。
【符号の説明】
１…コア、２…クラッド、３…高屈折率部、４…グレーティング部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber grating, and more particularly, to a slant-type short-period optical fiber grating for the purpose of preventing multiple reflection of reflected light and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
An example of an optical filter manufactured using an optical fiber is an optical fiber grating. This optical fiber grating is a refractive index change formed in a predetermined period in a region where light propagates through the optical fiber. The period of the refractive index change is called a grating period.
This optical fiber grating can be classified into two types according to the grating period.
One of them is a long-period optical fiber grating (hereinafter abbreviated as “LPG”) having a grating period of about several hundred μm. In LPG, light in a predetermined wavelength band of incident light is coupled with a forward cladding mode that travels in the same direction as the incident light in the grating section where the refractive index is changed. Transmitted light having a transmission loss is obtained.
[0003]
The other is a short-period optical fiber grating (hereinafter abbreviated as “SPG”) whose grating period is about 1/3 of the wavelength of light in the wavelength band used. In SPG, light in a predetermined wavelength band of incident light travels in a direction opposite to the incident light (hereinafter abbreviated as “reflection mode”), and reverse cladding mode travels in the direction opposite to the incident light. When SPG is used for coupling, transmitted light having transmission loss in this wavelength band is obtained.
Usually, this periodic refractive index change is produced by adding a material having photosensitivity to the optical fiber and irradiating the optical fiber with light corresponding to the photosensitivity material. However, the photosensitivity referred to here is a characteristic in which the refractive index of a substance is changed by irradiation with ultraviolet light having a wavelength of about 248 nm. As a method for obtaining this periodic refractive index change, a two-beam interference method, a phase mask method, a step-by-step method, and the like are widely used.
[0004]
Among these SPGs, an optical fiber grating in which a grating is formed obliquely with respect to the central axis of the core has been developed in order to make use of the degree of freedom of design, which is an advantage of SPG, and to prevent ripples in the transmission spectrum. Such a short period optical fiber grating is called a slant type short period optical fiber grating (hereinafter abbreviated as “SSPG”).
In normal SPG, since the grating is formed perpendicular to the light traveling direction, the coupling to the backward cladding mode is small compared to the coupling to the reflection mode, whereas in SSPG, the reflection is performed at the grating portion. Part of the emitted light is emitted to the cladding and couples with the backward cladding mode.
Since the light coupled with the backward cladding mode is lost, the SSPG is used as an optical filter that attenuates light of a specific wavelength corresponding to the coupling. Moreover, there is an advantage that the coupling to the reflection mode can be suppressed by setting the slant angle to an appropriate value. The slant angle that can suppress the coupling to the reflection mode is called a reflection suppression angle. This reflection suppression angle is a value determined by the refractive index distribution of the optical fiber and the distribution shape of the photosensitive layer. This SSPG can be applied to a gain equalizer for flattening the gain of an optical amplifier.
[0005]
In the case of this SSPG, it is known that the filter characteristics are improved by adding germanium to the cladding. Specifically, when germanium is added to the cladding, it is possible to obtain a filter characteristic with a narrower band and a steeper reflection suppression angle and a large transmission loss. Usually, the photosensitivity of the core is about 20% of the photosensitivity of the clad, and in some cases, the core portion is not photosensitized and only the clad layer may be photosensitized.
However, when making the clad light sensitive, not all of the clad is light sensitive, and usually only the clad layer near the core is light sensitive. This is because it is difficult to fabricate the optical fiber in the entire cladding, and it takes time and effort. In addition, the light propagating in the optical fiber is concentrated near the core. This is because it does not make sense to have it.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when such an optical fiber is exposed to increase the refractive index, the refractive index of only the light-sensitive layer of the cladding increases, and the refractive index distribution in the optical fiber changes. In the case of SSPG, since the coupling between the waveguide mode and the clad mode is used and it is sensitive to the refractive index change of the clad, the reflection suppression angle changes due to the increase in the refractive index due to exposure.
Conversely, SSPG that has been exposed once to increase the refractive index has a smaller amount of change in the refractive index in the subsequent process, so the reflection suppression angle also changes here. The usual manufacturing process of SSPG is optical fiber hydrogen treatment → exposure → dehydrogenation → heat aging.
Hydrogen treatment is a process of diffusing hydrogen into a fiber in order to increase the optical sensitivity of the optical fiber. In the dehydrogenation step, the hydrogen-treated optical fiber is left to stand in a high-temperature atmosphere at about 100 ° C. for about one day in order to remove hydrogen from the optical fiber. Furthermore, the aging process is performed by high-temperature treatment and accelerated deterioration in advance so that the characteristics of the grating do not deteriorate due to heat under use conditions. Through these steps, the refractive index change created during exposure may eventually be reduced to about half.
[0007]
In other words, in making SSPG, it is easiest to make SSPG so that the slant angle becomes the reflection suppression angle at the time of exposure, but the SSPG is made by matching the slant angle with the reflection suppression angle at the time of exposure. However, as a result of the refractive index change due to dehydrogenation and heating aging after exposure, the reflection suppression angle changes in the final product, and the advantage of SSPG that reflection is small may not be satisfied.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and by forming the grating portion in consideration of the influence of the reflection suppression angle due to the refractive index change after exposure in SSPG and the refractive index change in the post-exposure process, An object of the present invention is to provide a method for manufacturing SSPG having a low reflectance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 irradiates an optical fiber having a core and a clad with ultraviolet light to form a grating portion composed of a periodic high refractive index portion, In a method of manufacturing a slant-type short-period optical fiber grating in which a slant angle, which is an angle formed by a grating vector of the grating portion and an optical fiber axis, is set to a non-zero angle, the cladding is also made light sensitive, and after exposure In consideration of the influence of the reflection suppression angle due to the refractive index change and the dehydrogenation after exposure and the refractive index change in the heat aging process, the slant angle is set to be larger than the reflection suppression angle at the time of exposure. A method for producing a slanted short-period optical fiber grating, wherein the grating portion is formed.
Thereby, it becomes possible to have an optimal slant angle in the final use state after manufacture, and it is possible to manufacture a slant-type short-period optical fiber grating capable of suppressing the reflected light intensity small.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing the slant-type short-period optical fiber grating according to the first aspect, the slant angle is 0.035 degrees to 0.15 degrees larger than the reflection suppression angle at the time of exposure. Thus, the grating portion is formed.
A third aspect of the present invention is the method of manufacturing a slant-type short-period optical fiber grating according to the first or second aspect, wherein the slant angle depends on a refractive index change amount by exposure, a dehydrogenation after exposure, and a heat aging process. The grating portion is formed such that the angle estimated from the amount of change in refractive index is larger than the reflection suppression angle during exposure.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the manufacturing method of the slanted short-period optical fiber grating according to the first, second, or third aspect, the refractive index change amount changes in the longitudinal direction of the optical fiber. The grating portion is formed so that the slant angle is larger than the reflection suppression angle at the time of exposure in a portion where the rate change amount is maximum.
This makes it possible to have an optimum slant angle in the final use state after manufacturing even when the amount of change in refractive index changes, and a slant-type short cycle that can keep the reflected light intensity small. An optical fiber grating can be manufactured .
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
FIG. 1 shows an example of a slanted short-period optical fiber grating of the present invention.
FIG. 1 is a side sectional view of a slant short-period optical fiber grating of this example. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a core, and a cladding 2 having a refractive index smaller than that of the core 1 is provided around the core 1. The core 1 and the clad 2 are made of silica-based glass, and a photosensitizer is usually added to the core 1 and the clad 2 in order to increase the refractive index of the silica-based glass by irradiating ultraviolet light of a specific wavelength. In general, germanium is used as the photosensitive substance.
[0012]
The quartz glass to which this germanium was added was irradiated with ultraviolet light having a normal wavelength of about 248 nm along a longitudinal direction of the core 1 and the cladding 2 through a phase mask or the like and irradiated with ultraviolet light. A grating portion 4 in which a plurality of high-refractive-index portions 3 are arranged is formed by increasing the refractive indexes of the core 1 and the cladding 2 of the portion. The high refractive index portion 3 is formed obliquely so as to cross the core 1 and the clad 2 and not perpendicular to the central axis B of the core 1, and the plurality of high refractive index portions 3 are arranged along the longitudinal direction. They are arranged parallel to each other.
The direction of the line A perpendicular to the high refractive index portion 3 is referred to as a grating lattice vector direction. An angle θ between the lattice vector direction and the central axis of the core 1 is referred to as a slant angle, and the slant angle represents the magnitude of the inclination of the high refractive index portion 3.
In this slant-type short-period optical fiber grating, a part of the incident light 5 reflected by the grating portion 4 becomes radiation 6 to the cladding 2 and is coupled to the backward cladding mode. As a result, the coupling with the reflection mode that travels backward through the core 1 is reduced, and multiple reflection is less likely to occur.
[0013]
With respect to such a slanted short-period optical fiber grating, a change in reflection suppression angle due to a change in refractive index was obtained by simulation.
FIG. 2 shows an example of the structure of the optical fiber used for the simulation.
In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a core. In this example, the core radius is 3 μm and the refractive index is 1.45258. However, the present invention is not limited to this. Reference numeral 2 denotes a clad formed on the outer periphery of the core 1 and has a refractive index of 1.4443, but is not limited thereto.
This optical fiber is formed so that the core 1 does not have light sensitivity, and the cladding 2 has a radius of up to 12 μm. With respect to this optical fiber, the change in the reflection suppression angle when the refractive index of the light-sensitive layer is increased by exposure is shown in FIG.
[0014]
In FIG. 3, the horizontal axis represents the refractive index change amount Δn of the layer having photosensitivity, and the vertical axis represents the reflection suppression angle. It can be confirmed that the reflection suppression angle decreases as the refractive index change increases. The dependency of the reflection suppression angle on the change in the refractive index is -69 [degree / Δn].
FIG. 4 shows the influence of the angle deviation from the reflection suppression angle on the reflectance when an SSPG is manufactured using this optical fiber. FIG. 4 shows values when the refractive index variation is 0.001 and the grating length is 2 mm. It can be seen that when the angle deviates from the reflection suppression angle even by 0.05 degrees, a difference in reflectance of 20 dB or more occurs. From the results of FIGS. 3 and 4, it can be confirmed that the reflectance of the SSPG is greatly influenced by the change in the refractive index of the cladding.
[0015]
In the optical fiber so far, the light sensitivity of the core portion has been considered as zero, but the core portion may have light sensitivity up to about 20% of the light sensitivity of the cladding. Therefore, the refractive index profile is exactly the same as that of the optical fiber shown in FIG. 2, and the two types of cases where only the photosensitivity of the core portion is 10% of the photosensitivity of the clad and 20% are 0%. Similarly, the dependence of the reflection suppression angle on the refractive index change was obtained. The result is shown in FIG.
When the light sensitivity of the core portion is 10% of the light sensitivity of the clad portion (indicated as ps = 0.1 in FIG. 5), the dependence of the reflection suppression angle on the refractive index change is −135 (degrees / Δn). Similarly, it was found that the dependence of the reflection suppression angle on the change in the refractive index in the case of 20% (indicated as ps = 0.2 in FIG. 5) is −191 (degrees / Δn). The reflection suppression angle depends on the refractive index change, and the difference between the refractive index change due to exposure and the refractive index change due to the post-exposure process is estimated in advance. The difference in the suppression angle can be obtained, and the optimum slant angle can be obtained in the final use state.
[0016]
Based on these numbers, we estimate the slant angle that is actually considered necessary.
When producing SSPG, the refractive index change due to exposure is usually about 0.0015. This is because if it is smaller than this, the required amount of transmission loss cannot be obtained. Conversely, if it is larger than this, the exposure time becomes longer and, in addition, the optical fiber grating cannot be stably produced, and the yield deteriorates. Because.
Here, the fact that stable fabrication is not possible means that, firstly, as the exposure time becomes longer, the time affected by external factors such as vibration and laser fluctuation also becomes longer, and the desired transmission loss shape can be obtained with good yield. Second, if the exposure time becomes longer, the refractive index change tends to saturate with respect to the exposure, making it difficult to estimate the exposure and refractive index change, and to achieve the desired transmission with good yield. This means that it is difficult to obtain a loss shape.
[0017]
The refractive index change increased by exposure is attenuated by the dehydrogenation and aging processes. This is to increase the thermal stability of the finished product as described above. The amount of change in the refractive index attenuated in this dehydrogenation and aging process is required to be about 30% to 50% of the change in refractive index due to exposure. It will be attenuated by about 0008.
As described above, the dependency of the reflection suppression angle on the refractive index change varies depending on the amount of light sensitivity of the core portion, and the value is about −69 to −191 (degrees / Δn). From these results, the amount of change in the reflection suppression angle after exposure and in the final use state is 0.0005 × 69 = 0.035 degrees when small, and 0.0008 × 191 = 0.15 degrees when large. Can be estimated. That is, by setting a slant angle that is 0.035 to 0.15 degrees larger than the reflection suppression angle at the time of exposure in advance to produce a grating portion, it is possible to obtain an optimal reflection suppression angle in the final use state. And an SSPG with little reflection can be produced.
[0018]
Here, the reason why the refractive index change amount attenuated in the dehydrogenation process and the aging process is required to be about 30 to 50% of the refractive index change due to exposure will be described below.
Here, the deterioration in the aging process will be mainly described.
First, the optical fiber grating is placed under a certain temperature, and the state of thermal degradation (aging) at that time is measured by the change in transmittance over time. The transmittance is converted into an integrated coupling constant (ICC) using equation (1).
[0019]
[Expression 1]

[0020]
Here, T _min indicates the minimum value of transmittance. This ICC is normalized with the ICC before thermal deterioration, and a normalized coupling constant (Ncc) is obtained. The results of performing this operation at several temperatures are shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). 6 (a) and 6 (b), since the types of optical fibers used are different, the values of N _CC are different even when they are thermally deteriorated for the same time at the same temperature.
The results of FIGS. 6 (a) and (b) are expressed by equation (2).
[0021]
[Expression 2]

[0022]
, The time on the horizontal axis is converted to boundary energy (Ed) and plotted again. Here, k is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature during thermal degradation, t is an elapsed time, and ν ₀ is a constant. By changing this constant ν ₀ , the curve of N _CC measured at various temperatures changes, so the constant ν ₀ is determined so that all plots are on the same curve. The results are shown in FIGS. 7 (a) and (b). In any case, it can be confirmed that it is on the curve well.
Next, this result is expressed by equation (3).
[0023]
[Equation 3]

[0024]
Fit with. In Expression (3), a, b, and c are fitting parameters.
Further, from the equation (2), N _CC is a function of the absolute temperature T at the time of thermal degradation and the elapsed time t. Therefore, the equation (3) is the equation (4).
[0025]
[Expression 4]

[0026]
It can be expressed as.
Here, when the transmission loss before aging is T ₀ and the transmission loss after aging is T _age , Equation (5) is obtained from the definition formula of N _CC ,
[0027]
[Equation 5]

[0028]
Solving this for T _age gives equation (6)
[0029]
[Formula 6]

[0030]
T _age is a function of initial transmission loss, aging temperature, and aging time.
Here, assuming that the variation of the transmission loss in the dB ratio is within 0.1% under the use condition where the specification of the optical fiber grating is 45 ° C. for 27 years, the equation (7)
[0031]
[Expression 7]

[0032]
A time t ₀ satisfying the above condition is obtained and converted to N _{CC according} to equation (4). Here, when T _age = −4 dB, the required amount of N _CC degradation is 0.87 for the optical fiber 1 and 0.78 for the optical fiber 2.
Thus, when the required amount of N _CC degradation is obtained in advance, the temperature and time required for aging can be calculated from Equation (3). In the case of the optical fiber 1, 260 ° C. for 4 minutes, 220 ° C. for 41 minutes, and in the case of the optical fiber 2, 260 ° C. for 9 minutes and 220 ° C. for 83 minutes. Moreover, the deterioration amounts T _age / T ₀ before and after aging when viewed in terms of the dB ratio at this time are 0.6 and 0.4, respectively, and in order to satisfy the specifications, the transmission loss is reduced by more than half by aging. Is required.
So far, the aging process has been described in detail, but since N _CC deteriorates by about 0.75 even in the dehydrogenation process, the total deterioration amount becomes 0.75 × 0.87 to 0.75 × 0.78. The refractive index change after exposure is about 30 to 50% smaller.
[0033]
As described above, the temperature is set at about four points between 220 ° C. and 300 ° C., and the change with time of the deterioration amount when the optical fiber grating is placed under the temperature is measured. The aging conditions necessary to suppress the deterioration amount (within 1% in the dB ratio) that does not deviate from the standard when the use period (27 years) is set at (here, 45 ° C.) are obtained. The value in consideration of the aging conditions and the amount of deterioration in the dehydrogenation process is the basis for setting the amount of change in the refractive index attenuated in the dehydrogenation process and the aging process to about 30% to 50% of the refractive index change due to exposure. The reason why the numerical value varies from 30% to 50% is because the state of deterioration differs depending on the type and use conditions of the optical fiber.
[0034]
In the case of SSPG in which the refractive index change amount changes in the longitudinal direction of the optical fiber, it is preferable to set the slant angle so as to satisfy the above characteristics at a place where the refractive index change amount is the largest. This is because it is most important to suppress reflection in a region where the amount of change in refractive index is small and to suppress reflection in a place where the amount of change in refractive index is the largest.
8 and 9 show the transmission loss spectrum and reflection spectrum of SSPG produced by exposing the optical fiber having the refractive index profile shown in FIG.
FIG. 8 shows the case where the slant angle is set to the reflection suppression angle during exposure, and FIG. 9 shows the case where the slant angle is set larger than the reflection suppression angle during exposure by 0.05 degrees during exposure. In both SSPGs, the transmission loss is substantially the same, but in the reflection spectrum, the SSPG shown in FIG. 9 has a smaller reflected light intensity, and a slant angle larger than the reflection suppression angle is set in advance at the time of exposure. The effect of forming was clearly confirmed.
[0035]
According to the manufacturing method of the slant type short-period optical fiber grating of this example, the grating portion is formed so that the slant angle is larger than the reflection suppression angle at the time of exposure, and preferably the slant angle is refracted by exposure. Optimum in the final use state after manufacturing by forming the grating part so that it is larger than the reflection suppression angle at the time of exposure by the angle estimated from the amount of change in refractive index and the amount of change in refractive index due to the post-exposure process Thus, it is possible to manufacture a slant-type short-period optical fiber grating capable of having a small slant angle and suppressing the reflected light intensity to be small.
Also, when the refractive index change amount changes in the longitudinal direction of the optical fiber, the grating portion is set so that the slant angle is larger than the reflection suppression angle at the time of exposure at the portion where the refractive index change amount is maximum. By forming the slant, it is possible to have an optimum slant angle in the final use state after production, and it is possible to produce a slant-type short-period optical fiber grating capable of suppressing the reflected light intensity small.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the grating portion is formed so that the slant angle is larger than the reflection suppression angle at the time of exposure, and preferably the slant angle is the amount of change in the refractive index due to exposure and the exposure. By forming the grating portion so as to be larger than the reflection suppression angle at the time of exposure by an angle estimated from the refractive index change amount in the subsequent process, it has an optimum slant angle in the final use state after manufacture. This makes it possible to manufacture a slant-type short-period optical fiber grating that can keep the reflected light intensity small.
Also, when the refractive index change amount changes in the longitudinal direction of the optical fiber, the grating portion is set so that the slant angle is larger than the reflection suppression angle at the time of exposure at the portion where the refractive index change amount is maximum. Even if the amount of change in the refractive index changes, it is possible to have an optimum slant angle in the final use state after manufacturing, and to reduce the reflected light intensity. Type short-period optical fiber grating can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a slanted short-period optical fiber grating according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a refractive index profile of an optical fiber used in the slant short-period optical fiber grating of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a refractive index change amount and a reflection suppression angle.
FIG. 4 is a diagram showing a change in reflectance due to a deviation from a reflection suppression angle.
FIGS. 5A and 5B are the same refractive index profile as that of the optical fiber shown in FIG. 2, and the reflection suppression angles for two types of cases where only the light sensitivity of the core portion is 10% of the light sensitivity of the cladding and 20%. It is a figure which shows the refractive index change dependence.
FIG. 6 is a diagram showing the results of obtaining normalized coupling constants for several temperatures.
FIG. 7 is a diagram showing a result of plotting normalized coupling constants against boundary energy.
FIG. 8 is a diagram showing a transmission loss spectrum and a reflection spectrum when a slant angle is set to a reflection suppression angle during exposure.
FIG. 9 is a diagram showing a transmission loss spectrum and a reflection spectrum when the slant angle is set larger by 0.05 degree than the reflection suppression angle at the time of exposure.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Core, 2 ... Cladding, 3 ... High refractive index part, 4 ... Grating part

Claims

An optical fiber having a core and a clad is irradiated with ultraviolet light to form a grating portion consisting of a periodic high refractive index portion, and a slant that is an angle formed by a grating vector of the grating portion and an optical fiber axis. In the method of manufacturing a slant short-period optical fiber grating in which the angle is set to a non-zero angle,
The clad is also light sensitive, considering in advance the effect of the reflection suppression angle due to the refractive index change after exposure and the refractive index change in the post-exposure dehydrogenation and heat aging processes, and the slant angle is determined at the time of exposure. A method for producing a slanted short-period optical fiber grating, wherein the grating portion is formed to have an angle larger than a reflection suppression angle.

2. The slant short-period optical fiber according to claim 1, wherein the grating portion is formed so that the slant angle is 0.035 degrees to 0.15 degrees larger than a reflection suppression angle at the time of exposure. A method for manufacturing a grating.

The grating portion is adjusted so that the slant angle is larger than the reflection suppression angle at the time of exposure by an angle estimated from the refractive index change amount by exposure and the refractive index change amount by the dehydrogenation and heat aging process after exposure. The method of manufacturing a slant short-period optical fiber grating according to claim 1 or 2, wherein the method is formed.

When the refractive index change amount changes in the longitudinal direction of the optical fiber, the slant angle is larger than the reflection suppression angle at the time of exposure at the portion where the refractive index change amount is maximum. The method for producing a slanted short-period optical fiber grating according to claim 1, 2 or 3, wherein a grating portion is formed.