JP3879177B2 - 光ファイバグレーティングの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ網内のフィルタ、合分波器および分散補償器等に用いられる光ファイバグレーティングの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバグレーティングは、光ファイバの少なくともコア領域に、その光軸方向に周期的な屈折率変化を与えたものであって、波長に応じて伝搬光を透過または反射させるものであり、フィルタ、合分波器および分散補償器等の種々の応用がなされている。この光ファイバグレーティングは、図１１に示すように、石英系光ファイバの少なくともコア領域に予めＧｅ（ゲルマニウム）元素を添加しておき、これに所定の波長の光を照射させて干渉縞を形成し、その干渉縞による光エネルギ強度分布に応じた屈折率変化を起こさせることにより形成するのが一般的である。ここで、所定の波長の光を照射することにより光ファイバ中のＧｅ欠陥が発生して、このＧｅ欠陥により屈折率変化が生じるものと考えられている。
【０００３】
また、このＧｅ欠陥は経時変化を起こし、光ファイバグレーティングの特性は経時劣化することが知られている。そこで、製造直後に初期劣化を起こさせることにより、市場における作動時には経時劣化を十分に少なくさせる技術が、特開平６−１１８２５７号公報や特開平７−１８７６９５号公報に開示されている。
【０００４】
これらに開示された技術によれば、規格化屈折率差ηが
【数３】
なる関係式で表されると仮定している。ここで、ｔは時間変数であり、Ａおよびαそれぞれは温度の関数である。規格化屈折率差ηは、グレーティング形成直後の屈折率差で規格化した時間ｔ経過後の屈折率差、すなわち、（時間ｔ経過後の屈折率差）／（グレーティング形成直後の屈折率差）を表す。また、屈折率差は、光ファイバグレーティングにおける屈折率の最大値および最小値の差を表す。
【０００５】
そして、温度が高いほど規格化屈折率差ηが大きく変化することを利用して、作動温度に比較して高温の環境下において初期劣化を起こさせることにより、作動時における経時劣化を抑えようとするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、 (3)式で表される規格化屈折率差ηの経時変化の式において、Ａおよびαの２つのパラメータが温度に依存している。したがって、初期劣化に要する温度と時間を決定するのが困難であり、実際、上記文献ではこれら初期劣化条件についての開示が十分にはなされていない。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、初期劣化の条件をより簡易かつ具体的に求めて、作動時における経時劣化を低減することができる光ファイバグレーティング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】
本発明に係る光ファイバグレーティングの製造方法は、石英系光ファイバの少なくともコア領域にＧｅ元素を添加し、所定の強度分布の照射光を石英系光ファイバに照射してその強度分布に応じた屈折率変化を有する光ファイバグレーティングを形成し、作動温度（絶対温度）Ｔ2 および作動時間ｔ3 の条件下において許容される光ファイバグレーティングの規格化屈折率差Ηに対して、 (1)式を満たす値η1 に規格化屈折率差ηが到達するまで光ファイバグレーティングを加熱処理することを特徴とする。
【０００９】
ここで、作動温度Ｔ2 は、光ファイバグレーティングの使用環境下における温度であり、作動時間ｔ3 は、光ファイバグレーティングが使用される時間である。規格化屈折率差とは、所定の基準時刻における屈折率差で規格化した或時間経過後の屈折率差をいい、屈折率差とは、光ファイバグレーティングにおける屈折率の最大値および最小値の差をいう。規格化屈折率差Ηは、作動温度Ｔ2 において作動時間ｔ3 経過した後の屈折率差を作動前の屈折率差で規格化したものであり、規格化屈折率差η1 は、加熱処理後の屈折率差を加熱処理前の屈折率差で規格化したものである。また、定数Ａ1 ，Ｂ1 ，Ａ2 およびＢ2 それぞれは、温度に依存しない一定数である。
【００１０】
この光ファイバグレーティングの製造方法によれば、石英系光ファイバに形成された光ファイバグレーティングは、作動温度Ｔ2 および作動時間ｔ3 の条件下において許容される規格化屈折率差Ηに対して (1)式を満たす値η1 に規格化屈折率差ηが到達するまで加熱処理されて初期劣化を受ける。このように加熱処理された光ファイバグレーティングの作動温度Ｔ2 および作動時間ｔ3 の条件下における劣化は、規格化屈折率差が値Ηまでに留まり、これにより、所望の信頼性が得られることになる。
【００１１】
また、値η1 に基づいて (2)式を満たすよう求められた初期劣化温度（絶対温度）Ｔ1 および初期劣化時間ｔ1 の条件下に光ファイバグレーティングを加熱処理することを特徴とする。この場合には、求められた初期劣化温度Ｔ1 および初期劣化時間ｔ1 の条件下に光ファイバグレーティングを加熱処理することにより、所望の信頼性が得られることになる。
【００１２】
また、初期劣化温度Ｔ1 は作動温度Ｔ2 よりも４０℃以上高いことを特徴とする。この場合には、初期劣化時間ｔ1 が４８時間以下で済み好適である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、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。
【００１４】
本発明に係る光ファイバグレーティングの製造方法は、石英系光ファイバの少なくともコア領域に予めＧｅ元素を添加しておき、所定の波長（例えば波長２６０ｎｍ未満）の光を照射して干渉縞を形成し、その干渉縞による光エネルギ強度分布に応じた屈折率変化を起こさせることで光ファイバグレーティングを形成した後に、規格化屈折率差ηに関して初期劣化を起こさせるものである。
【００１５】
まず、本発明に係る光ファイバグレーティングの製造方法における規格化屈折率差ηの経時変化を表す式について説明する。ここでは、ｎ次の化学反応を考慮した速度論に基づいて解析を行い、その解析に基づいて規格化屈折率差ηの経時変化を表す式を導く。
【００１６】
一般に、ｎ次の化学反応における反応速度Ｒa は、
【数４】
で表される。ここで、Ｋは反応速度定数であり、ｎは反応次数であり、Ｃは反応物濃度であり、ｔは時間変数である。反応物濃度Ｃは、光ファイバ中のＧｅ欠陥の濃度に相当する。この (4)式より、
【数５】
が得られ、これを積分すると、
【数６】
が得られる。ここで、Ｃ0 は、反応物濃度Ｃの初期値、すなわち、時刻ｔ＝０における反応物濃度Ｃの値である。
【００１７】
また、反応物濃度Ｃを初期値Ｃ0 で規格化し、規格化反応物濃度Ｃi を、
【数７】
で表すと、 (6)式は、
【数８】
と表される。
【００１８】
以下では、以上のｎ次の化学反応の速度論的解析に基づいて、光ファイバグレーティングの規格化屈折率差ηの経時変化を、
【数９】
で表すものとする。このとき、反応速度Ｒa は、規格化屈折率差ηの時間微分に相当し、また、上記 (4)式は、
【数１０】
と表すこともできる。以下に述べるように、この (9)式および(10)式により十分に正確に規格化屈折率差ηの経時劣化を表すことができる。
【００１９】
図１は、各温度（１２０℃，１７０℃，２２０℃，２８０℃）における光ファイバグレーティングの規格化屈折率差ηの経時変化の実測値を示すとともに、その実測値を(10)式でフィッティングした線を示すグラフである。ここで用いた光ファイバグレーティングは、石英系光ファイバにＧｅ元素を添加して紫外光照射により作製したものである。この図において、横軸は、規格化屈折率差ηの対数値であり、縦軸は、反応速度Ｒa すなわち規格化屈折率差ηの劣化速度（時間微分）の対数値である。また、図中の各点は、実測値を示し、実線は、その実測値を(10)式でフィッティングした線である。これらの図に示すように、実測値とフィッティング線とは良く一致している。以上のように、規格化屈折率差ηの時間依存は、 (9)式および(10)式により良く表されることが判る。
【００２０】
図２は、図１に示したフィッティング線における反応速度定数Ｋおよび反応次数ｎそれぞれを各温度につき示した図表である。この図表の各列それぞれは、順に、摂氏温度、絶対温度、絶対温度の逆数、反応速度定数Ｋの対数値、反応次数ｎおよび反応速度定数Ｋが記されている。この図表から判るように、反応速度定数Ｋおよび反応次数ｎそれぞれは、温度に依存しており、温度が低いほど、反応速度定数Ｋは小さくなる傾向が見られ、また、反応次数ｎは大きくなる傾向が見られる。
【００２１】
図３は、反応速度定数Ｋの温度依存を示すグラフであり、図４は、反応次数ｎの温度依存を示すグラフである。これらの図それぞれにおいて、縦軸は、反応速度定数Ｋおよび反応次数ｎそれぞれを指数表記したものであり、横軸は、絶対温度Ｔの逆数（１／Ｔ）である。これらの図から判るように、反応速度定数Ｋおよび反応次数ｎの何れも、絶対温度Ｔに対してアレニウス則によく従っていることが判る。
【００２２】
すなわち、反応速度定数Ｋは、
【数１１】
なる式で表され、また、反応次数ｎは、
【数１２】
なる式で表される。以下では、(11)式を
【数１３】
で表し、また、(12)式を
【数１４】
で表す。ここで、Ａ1(＝8.39×106)，Ｂ1(＝−8.14×103)，Ａ2(＝4.2573) およびＢ2(＝951.59) それぞれは、温度に依存しない定数である。したがって、規格化屈折率差ηは、これら(13)式および(14)式を用いて (9)式で表されることになる。
【００２３】
以上の結果に基づいて、規格化屈折率差ηの経時劣化を各温度について予想したものが図５および図６である。図５は、初期劣化を行わない場合の規格化屈折率差ηの予測経時劣化を示すグラフであり、図６は、温度８０℃で４８時間に亘り初期劣化を行った場合のその後の規格化屈折率差ηの予測経時劣化を示すグラフである。それぞれ、温度２０℃，４０℃，６０℃および８０℃それぞれの場合について記している。
【００２４】
ここで、図６に示すグラフは、以下のようにして求めた。図７は、初期劣化を行う場合の規格化屈折率差ηの経時劣化の算出方法の説明図である。この図において、初期劣化を行う際の温度をＴ1 とし、光ファイバグレーティングの使用時の作動温度をＴ2 とし、上記 (9)式、(13)式および(14)式に基づいて温度Ｔ1 およびＴ2 それぞれにおける光ファイバグレーティングの規格化屈折率差ηの経時変化を示している。
【００２５】
先ず、初期劣化（温度Ｔ1 ＝８０℃，時間ｔ1 ＝４８時間）の後の規格化屈折率差η1 を、
【数１５】
で求め、η1＝0.92 を得る。続いて、光ファイバグレーティングの使用環境下における作動温度Ｔ2 において規格化屈折率差がη1 となるのに要する時間ｔ2 を、
【数１６】
なる式から求める。そして、この規格化屈折率差η1 を新たな規格化の基準として、作動温度Ｔ2 において更に時間ｔ3 経過後における規格化屈折率差Ηを、
【数１７】
で求める。図６は、各作動温度Ｔ2 （＝２０℃，４０℃，６０℃，８０℃それぞれ）において、この(17)式で表される時間ｔ3 と規格化屈折率差Ηとの関係を示すものである。
【００２６】
初期劣化を行わない場合の規格化屈折率差ηは、図５に示すように、作動温度２０℃であっても僅か１年経過すれば、４％以上の劣化が起こると予想され、作動温度が更に高ければ経時劣化は更に大きい。一方、初期劣化を行った後の規格化屈折率差ηは、図６に示すように、作動温度２０℃で２５年経過しても僅か０．８％程度の劣化に留まることが予想され、十分な信頼性が保証されることが判る。しかし、初期劣化（８０℃，４８時間）を行ったとしても、作動温度４０℃で２５年経過しても約４％劣化することが予想され、作動温度６０℃で２５年経過すれば８％以上劣化することが予想され、また、作動温度８０℃で２５年経過すれば１２％以上劣化することが予想される。このように、実際に光ファイバグレーティングが作動する温度および時間を考慮することなく一律に初期劣化条件を定めるのは妥当ではない。
【００２７】
そこで、本発明に係る光ファイバグレーティングの製造方法では、上記 (9)式に基づいて、実際に光ファイバグレーティングが用いられる作動温度と作動時間とを考慮した上で、初期劣化条件（初期劣化後の規格化屈折率差η1 、初期劣化温度Ｔ1 、初期劣化時間ｔ1 ）を適切に調整する。以下、図７を参照しながら、初期劣化条件の求め方を説明する。
【００２８】
先ず、光ファイバグレーティングの用途や使用環境などを考慮して、作動温度Ｔ2 および作動時間ｔ3 を定め、また、作動時間ｔ3 経過後において許容される規格化屈折率差Ηを定める。そして、これらの条件の下に、初期劣化後の規格化屈折率差η1 を、
【数１８】
なる２つの関係式が共に満たされるよう求める。
【００２９】
この(18)式の解は、予め計算により求めておけばよい。図８は、作動時間ｔ3 ＝２５年とした場合における初期劣化後の規格化屈折率差η1 と作動時間ｔ3 経過後の規格化屈折率差Ηとの関係を各作動温度Ｔ2 （２０℃，４０℃，６０℃，８０℃）毎に示したグラフである。また、図９は、作動時間ｔ3 が２５年で規格化屈折率差の変化量（１−Η）が１％以下を達成するために要求される初期劣化後の規格化屈折率差η1 を各作動温度Ｔ2 に対して示したグラフである。
【００３０】
これらの図から判るように、例えば、一般に要求される信頼性基準（作動時間ｔ3 が２５年で規格化屈折率差の変化量（１−Η）が１％以下）を達成するためには、作動温度２０℃の場合には初期劣化後の規格化屈折率差η1 が約92.5％以下になるように、作動温度４０℃の場合には初期劣化後の規格化屈折率差η1 が約89.0％以下になるように、作動温度６０℃の場合には初期劣化後の規格化屈折率差η1 が約85.0％以下になるように、また、作動温度８０℃の場合には初期劣化後の規格化屈折率差η1 が約80.8％以下になるように、それぞれ初期劣化を行う必要がある。
【００３１】
以上のようにして、初期劣化後の規格化屈折率差η1 は、光ファイバグレーティングの使用環境下における作動温度Ｔ2 、作動時間ｔ3 および許容される規格化屈折率差Ηに基づいて決定される。そして、このようにして求められた規格化屈折率差η1 に到達するまで、規格化屈折率差ηをモニタしながら光ファイバグレーティングの初期劣化すなわち加熱処理を行えばよい。
【００３２】
あるいは、この初期劣化後の規格化屈折率差η1 を達成し得る初期劣化温度Ｔ1 および初期劣化時間ｔ1 を(15)式に基づいて決定し、この条件の下に初期劣化を行ってもよい。この場合、初期劣化温度Ｔ1 および初期劣化時間ｔ1 は一意的には定まらない。図１０は、初期劣化温度Ｔ1 と初期劣化時間ｔ1 との関係を(15)式に基づいて求めた結果を示すグラフである。この図は、作動時間ｔ3 を２５年とし、作動温度Ｔ2 を２０℃とし、許容される規格化屈折率差Ηの変化量を１％とした場合の図であり、横軸は、初期劣化温度Ｔ1 と作動温度Ｔ2 との差を示す。この図に示すように、初期劣化温度Ｔ1 が高いほど、初期劣化時間ｔ1 が短くて済む。例えば、初期劣化温度Ｔ1 が作動温度Ｔ2 より４０℃以上高い場合には、初期劣化時間ｔ1 が４８時間以下で済むので好適である。また、初期劣化温度Ｔ1 が作動温度Ｔ2 より５０℃以上高い場合には、初期劣化時間ｔ1 が１９時間以下で済むので更に好適である。
【００３３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、石英系光ファイバに形成された光ファイバグレーティングは、作動温度Ｔ2 および作動時間ｔ3 の条件下において許容される規格化屈折率差Ηに対して (1)式を満たす値η1 に規格化屈折率差ηが到達するまで加熱処理されて初期劣化を受ける。このように加熱処理された光ファイバグレーティングの作動温度Ｔ2 および作動時間ｔ3 の条件下における劣化は、規格化屈折率差が値Ηまでに留まり、これにより、所望の信頼性が得られることになる。
【００３４】
また、値η1 に基づいて (2)式を満たすよう求められた初期劣化温度Ｔ1 および初期劣化時間ｔ1 の条件下に光ファイバグレーティングを加熱処理する場合には、加熱処理時に規格化屈折率差ηの値をモニタすることなく、所望の信頼性が得られることになる。また、初期劣化温度Ｔ1 は作動温度Ｔ2 よりも４０℃以上高い場合には、初期劣化時間ｔ1 が４８時間以下で済み好適である。
【００３５】
以上のように (1)式および (2)式に基づいて初期劣化条件を求めることにしたので、光ファイバグレーティングを初期劣化条件を、より簡易かつ具体的に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各温度それぞれにおける光ファイバグレーティングの規格化屈折率差ηの経時劣化の実験値およびフィッティング線を示すグラフである。
【図２】図１中のフィッティング線における反応速度定数Ｋおよび反応次数ｎを各温度について示した図表である。
【図３】反応速度定数Ｋの温度依存を示すグラフである。
【図４】反応次数ｎの温度依存を示すグラフである。
【図５】初期劣化を行わない場合の規格化屈折率差ηの予測経時劣化を示すグラフである。
【図６】温度８０℃で４８時間に亘り初期劣化を行った後の規格化屈折率差ηの予測経時劣化を示すグラフである。
【図７】初期劣化を行う場合の規格化屈折率差ηの経時劣化の算出方法の説明図である。
【図８】初期劣化後の規格化屈折率差η1 と作動時間ｔ3 経過後の規格化屈折率差Ηとの関係を各作動温度毎に示したグラフである。
【図９】作動時間ｔ3 が２５年で規格化屈折率差の変化量（１−Η）が１％以下となるために要求される初期劣化後の規格化屈折率差η1 を各作動温度Ｔ2 に対して示したグラフである。
【図１０】初期劣化温度Ｔ1 と初期劣化時間ｔ1 との関係を示すグラフである。
【図１１】光ファイバグレーティングの形成方法の説明図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ網内のフィルタ、合分波器および分散補償器等に用いられる光ファイバグレーティングの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバグレーティングは、光ファイバの少なくともコア領域に、その光軸方向に周期的な屈折率変化を与えたものであって、波長に応じて伝搬光を透過または反射させるものであり、フィルタ、合分波器および分散補償器等の種々の応用がなされている。この光ファイバグレーティングは、図１１に示すように、石英系光ファイバの少なくともコア領域に予めＧｅ（ゲルマニウム）元素を添加しておき、これに所定の波長の光を照射させて干渉縞を形成し、その干渉縞による光エネルギ強度分布に応じた屈折率変化を起こさせることにより形成するのが一般的である。ここで、所定の波長の光を照射することにより光ファイバ中のＧｅ欠陥が発生して、このＧｅ欠陥により屈折率変化が生じるものと考えられている。
【０００３】
また、このＧｅ欠陥は経時変化を起こし、光ファイバグレーティングの特性は経時劣化することが知られている。そこで、製造直後に初期劣化を起こさせることにより、市場における作動時には経時劣化を十分に少なくさせる技術が、特開平６−１１８２５７号公報や特開平７−１８７６９５号公報に開示されている。
【０００４】
これらに開示された技術によれば、規格化屈折率差ηが
【数３】
【０００５】
そして、温度が高いほど規格化屈折率差ηが大きく変化することを利用して、作動温度に比較して高温の環境下において初期劣化を起こさせることにより、作動時における経時劣化を抑えようとするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、 (3)式で表される規格化屈折率差ηの経時変化の式において、Ａおよびαの２つのパラメータが温度に依存している。したがって、初期劣化に要する温度と時間を決定するのが困難であり、実際、上記文献ではこれら初期劣化条件についての開示が十分にはなされていない。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、初期劣化の条件をより簡易かつ具体的に求めて、作動時における経時劣化を低減することができる光ファイバグレーティング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】
本発明に係る光ファイバグレーティングの製造方法は、石英系光ファイバの少なくともコア領域にＧｅ元素を添加し、所定の強度分布の照射光を石英系光ファイバに照射してその強度分布に応じた屈折率変化を有する光ファイバグレーティングを形成し、作動温度（絶対温度）Ｔ2 および作動時間ｔ3 の条件下において許容される光ファイバグレーティングの規格化屈折率差Ηに対して、 (1)式を満たす値η1 に規格化屈折率差ηが到達するまで光ファイバグレーティングを加熱処理することを特徴とする。
【０００９】
ここで、作動温度Ｔ2 は、光ファイバグレーティングの使用環境下における温度であり、作動時間ｔ3 は、光ファイバグレーティングが使用される時間である。規格化屈折率差とは、所定の基準時刻における屈折率差で規格化した或時間経過後の屈折率差をいい、屈折率差とは、光ファイバグレーティングにおける屈折率の最大値および最小値の差をいう。規格化屈折率差Ηは、作動温度Ｔ2 において作動時間ｔ3 経過した後の屈折率差を作動前の屈折率差で規格化したものであり、規格化屈折率差η1 は、加熱処理後の屈折率差を加熱処理前の屈折率差で規格化したものである。また、定数Ａ1 ，Ｂ1 ，Ａ2 およびＢ2 それぞれは、温度に依存しない一定数である。
【００１０】
この光ファイバグレーティングの製造方法によれば、石英系光ファイバに形成された光ファイバグレーティングは、作動温度Ｔ2 および作動時間ｔ3 の条件下において許容される規格化屈折率差Ηに対して (1)式を満たす値η1 に規格化屈折率差ηが到達するまで加熱処理されて初期劣化を受ける。このように加熱処理された光ファイバグレーティングの作動温度Ｔ2 および作動時間ｔ3 の条件下における劣化は、規格化屈折率差が値Ηまでに留まり、これにより、所望の信頼性が得られることになる。
【００１１】
また、値η1 に基づいて (2)式を満たすよう求められた初期劣化温度（絶対温度）Ｔ1 および初期劣化時間ｔ1 の条件下に光ファイバグレーティングを加熱処理することを特徴とする。この場合には、求められた初期劣化温度Ｔ1 および初期劣化時間ｔ1 の条件下に光ファイバグレーティングを加熱処理することにより、所望の信頼性が得られることになる。
【００１２】
また、初期劣化温度Ｔ1 は作動温度Ｔ2 よりも４０℃以上高いことを特徴とする。この場合には、初期劣化時間ｔ1 が４８時間以下で済み好適である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、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。
【００１４】
本発明に係る光ファイバグレーティングの製造方法は、石英系光ファイバの少なくともコア領域に予めＧｅ元素を添加しておき、所定の波長（例えば波長２６０ｎｍ未満）の光を照射して干渉縞を形成し、その干渉縞による光エネルギ強度分布に応じた屈折率変化を起こさせることで光ファイバグレーティングを形成した後に、規格化屈折率差ηに関して初期劣化を起こさせるものである。
【００１５】
まず、本発明に係る光ファイバグレーティングの製造方法における規格化屈折率差ηの経時変化を表す式について説明する。ここでは、ｎ次の化学反応を考慮した速度論に基づいて解析を行い、その解析に基づいて規格化屈折率差ηの経時変化を表す式を導く。
【００１６】
一般に、ｎ次の化学反応における反応速度Ｒa は、
【数４】
【数５】
【数６】
【００１７】
また、反応物濃度Ｃを初期値Ｃ0 で規格化し、規格化反応物濃度Ｃi を、
【数７】
【数８】
【００１８】
以下では、以上のｎ次の化学反応の速度論的解析に基づいて、光ファイバグレーティングの規格化屈折率差ηの経時変化を、
【数９】
【数１０】
【００１９】
図１は、各温度（１２０℃，１７０℃，２２０℃，２８０℃）における光ファイバグレーティングの規格化屈折率差ηの経時変化の実測値を示すとともに、その実測値を(10)式でフィッティングした線を示すグラフである。ここで用いた光ファイバグレーティングは、石英系光ファイバにＧｅ元素を添加して紫外光照射により作製したものである。この図において、横軸は、規格化屈折率差ηの対数値であり、縦軸は、反応速度Ｒa すなわち規格化屈折率差ηの劣化速度（時間微分）の対数値である。また、図中の各点は、実測値を示し、実線は、その実測値を(10)式でフィッティングした線である。これらの図に示すように、実測値とフィッティング線とは良く一致している。以上のように、規格化屈折率差ηの時間依存は、 (9)式および(10)式により良く表されることが判る。
【００２０】
図２は、図１に示したフィッティング線における反応速度定数Ｋおよび反応次数ｎそれぞれを各温度につき示した図表である。この図表の各列それぞれは、順に、摂氏温度、絶対温度、絶対温度の逆数、反応速度定数Ｋの対数値、反応次数ｎおよび反応速度定数Ｋが記されている。この図表から判るように、反応速度定数Ｋおよび反応次数ｎそれぞれは、温度に依存しており、温度が低いほど、反応速度定数Ｋは小さくなる傾向が見られ、また、反応次数ｎは大きくなる傾向が見られる。
【００２１】
図３は、反応速度定数Ｋの温度依存を示すグラフであり、図４は、反応次数ｎの温度依存を示すグラフである。これらの図それぞれにおいて、縦軸は、反応速度定数Ｋおよび反応次数ｎそれぞれを指数表記したものであり、横軸は、絶対温度Ｔの逆数（１／Ｔ）である。これらの図から判るように、反応速度定数Ｋおよび反応次数ｎの何れも、絶対温度Ｔに対してアレニウス則によく従っていることが判る。
【００２２】
すなわち、反応速度定数Ｋは、
【数１１】
【数１２】
【数１３】
【数１４】
【００２３】
以上の結果に基づいて、規格化屈折率差ηの経時劣化を各温度について予想したものが図５および図６である。図５は、初期劣化を行わない場合の規格化屈折率差ηの予測経時劣化を示すグラフであり、図６は、温度８０℃で４８時間に亘り初期劣化を行った場合のその後の規格化屈折率差ηの予測経時劣化を示すグラフである。それぞれ、温度２０℃，４０℃，６０℃および８０℃それぞれの場合について記している。
【００２４】
ここで、図６に示すグラフは、以下のようにして求めた。図７は、初期劣化を行う場合の規格化屈折率差ηの経時劣化の算出方法の説明図である。この図において、初期劣化を行う際の温度をＴ1 とし、光ファイバグレーティングの使用時の作動温度をＴ2 とし、上記 (9)式、(13)式および(14)式に基づいて温度Ｔ1 およびＴ2 それぞれにおける光ファイバグレーティングの規格化屈折率差ηの経時変化を示している。
【００２５】
先ず、初期劣化（温度Ｔ1 ＝８０℃，時間ｔ1 ＝４８時間）の後の規格化屈折率差η1 を、
【数１５】
【数１６】
【数１７】
【００２６】
初期劣化を行わない場合の規格化屈折率差ηは、図５に示すように、作動温度２０℃であっても僅か１年経過すれば、４％以上の劣化が起こると予想され、作動温度が更に高ければ経時劣化は更に大きい。一方、初期劣化を行った後の規格化屈折率差ηは、図６に示すように、作動温度２０℃で２５年経過しても僅か０．８％程度の劣化に留まることが予想され、十分な信頼性が保証されることが判る。しかし、初期劣化（８０℃，４８時間）を行ったとしても、作動温度４０℃で２５年経過しても約４％劣化することが予想され、作動温度６０℃で２５年経過すれば８％以上劣化することが予想され、また、作動温度８０℃で２５年経過すれば１２％以上劣化することが予想される。このように、実際に光ファイバグレーティングが作動する温度および時間を考慮することなく一律に初期劣化条件を定めるのは妥当ではない。
【００２７】
そこで、本発明に係る光ファイバグレーティングの製造方法では、上記 (9)式に基づいて、実際に光ファイバグレーティングが用いられる作動温度と作動時間とを考慮した上で、初期劣化条件（初期劣化後の規格化屈折率差η1 、初期劣化温度Ｔ1 、初期劣化時間ｔ1 ）を適切に調整する。以下、図７を参照しながら、初期劣化条件の求め方を説明する。
【００２８】
先ず、光ファイバグレーティングの用途や使用環境などを考慮して、作動温度Ｔ2 および作動時間ｔ3 を定め、また、作動時間ｔ3 経過後において許容される規格化屈折率差Ηを定める。そして、これらの条件の下に、初期劣化後の規格化屈折率差η1 を、
【数１８】
【００２９】
この(18)式の解は、予め計算により求めておけばよい。図８は、作動時間ｔ3 ＝２５年とした場合における初期劣化後の規格化屈折率差η1 と作動時間ｔ3 経過後の規格化屈折率差Ηとの関係を各作動温度Ｔ2 （２０℃，４０℃，６０℃，８０℃）毎に示したグラフである。また、図９は、作動時間ｔ3 が２５年で規格化屈折率差の変化量（１−Η）が１％以下を達成するために要求される初期劣化後の規格化屈折率差η1 を各作動温度Ｔ2 に対して示したグラフである。
【００３０】
これらの図から判るように、例えば、一般に要求される信頼性基準（作動時間ｔ3 が２５年で規格化屈折率差の変化量（１−Η）が１％以下）を達成するためには、作動温度２０℃の場合には初期劣化後の規格化屈折率差η1 が約92.5％以下になるように、作動温度４０℃の場合には初期劣化後の規格化屈折率差η1 が約89.0％以下になるように、作動温度６０℃の場合には初期劣化後の規格化屈折率差η1 が約85.0％以下になるように、また、作動温度８０℃の場合には初期劣化後の規格化屈折率差η1 が約80.8％以下になるように、それぞれ初期劣化を行う必要がある。
【００３１】
以上のようにして、初期劣化後の規格化屈折率差η1 は、光ファイバグレーティングの使用環境下における作動温度Ｔ2 、作動時間ｔ3 および許容される規格化屈折率差Ηに基づいて決定される。そして、このようにして求められた規格化屈折率差η1 に到達するまで、規格化屈折率差ηをモニタしながら光ファイバグレーティングの初期劣化すなわち加熱処理を行えばよい。
【００３２】
あるいは、この初期劣化後の規格化屈折率差η1 を達成し得る初期劣化温度Ｔ1 および初期劣化時間ｔ1 を(15)式に基づいて決定し、この条件の下に初期劣化を行ってもよい。この場合、初期劣化温度Ｔ1 および初期劣化時間ｔ1 は一意的には定まらない。図１０は、初期劣化温度Ｔ1 と初期劣化時間ｔ1 との関係を(15)式に基づいて求めた結果を示すグラフである。この図は、作動時間ｔ3 を２５年とし、作動温度Ｔ2 を２０℃とし、許容される規格化屈折率差Ηの変化量を１％とした場合の図であり、横軸は、初期劣化温度Ｔ1 と作動温度Ｔ2 との差を示す。この図に示すように、初期劣化温度Ｔ1 が高いほど、初期劣化時間ｔ1 が短くて済む。例えば、初期劣化温度Ｔ1 が作動温度Ｔ2 より４０℃以上高い場合には、初期劣化時間ｔ1 が４８時間以下で済むので好適である。また、初期劣化温度Ｔ1 が作動温度Ｔ2 より５０℃以上高い場合には、初期劣化時間ｔ1 が１９時間以下で済むので更に好適である。
【００３３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、石英系光ファイバに形成された光ファイバグレーティングは、作動温度Ｔ2 および作動時間ｔ3 の条件下において許容される規格化屈折率差Ηに対して (1)式を満たす値η1 に規格化屈折率差ηが到達するまで加熱処理されて初期劣化を受ける。このように加熱処理された光ファイバグレーティングの作動温度Ｔ2 および作動時間ｔ3 の条件下における劣化は、規格化屈折率差が値Ηまでに留まり、これにより、所望の信頼性が得られることになる。
【００３４】
また、値η1 に基づいて (2)式を満たすよう求められた初期劣化温度Ｔ1 および初期劣化時間ｔ1 の条件下に光ファイバグレーティングを加熱処理する場合には、加熱処理時に規格化屈折率差ηの値をモニタすることなく、所望の信頼性が得られることになる。また、初期劣化温度Ｔ1 は作動温度Ｔ2 よりも４０℃以上高い場合には、初期劣化時間ｔ1 が４８時間以下で済み好適である。
【００３５】
以上のように (1)式および (2)式に基づいて初期劣化条件を求めることにしたので、光ファイバグレーティングを初期劣化条件を、より簡易かつ具体的に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各温度それぞれにおける光ファイバグレーティングの規格化屈折率差ηの経時劣化の実験値およびフィッティング線を示すグラフである。
【図２】図１中のフィッティング線における反応速度定数Ｋおよび反応次数ｎを各温度について示した図表である。
【図３】反応速度定数Ｋの温度依存を示すグラフである。
【図４】反応次数ｎの温度依存を示すグラフである。
【図５】初期劣化を行わない場合の規格化屈折率差ηの予測経時劣化を示すグラフである。
【図６】温度８０℃で４８時間に亘り初期劣化を行った後の規格化屈折率差ηの予測経時劣化を示すグラフである。
【図７】初期劣化を行う場合の規格化屈折率差ηの経時劣化の算出方法の説明図である。
【図８】初期劣化後の規格化屈折率差η1 と作動時間ｔ3 経過後の規格化屈折率差Ηとの関係を各作動温度毎に示したグラフである。
【図９】作動時間ｔ3 が２５年で規格化屈折率差の変化量（１−Η）が１％以下となるために要求される初期劣化後の規格化屈折率差η1 を各作動温度Ｔ2 に対して示したグラフである。
【図１０】初期劣化温度Ｔ1 と初期劣化時間ｔ1 との関係を示すグラフである。
【図１１】光ファイバグレーティングの形成方法の説明図である。
Claims (3)
- 石英系光ファイバの少なくともコア領域にＧｅ元素を添加し、所定の強度分布の照射光を前記石英系光ファイバに照射して前記強度分布に応じた屈折率変化を有する光ファイバグレーティングを形成し、作動温度（絶対温度）Ｔ2 および作動時間ｔ3 の条件下において許容される前記光ファイバグレーティングの規格化屈折率差Ηに対して、
- 前記値η1 に基づいて
- 前記初期劣化温度Ｔ1 は前記作動温度Ｔ2 よりも４０℃以上高いことを特徴とする請求項２記載の光ファイバグレーティングの製造方法。
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