JP3929495B2 - 光感応性屈折率クラッドを備えた光導波路 - Google Patents

Description

発明の分野
この発明は光導波路であって光に対して感応する屈折率を有するものに係り、それに限定されるわけではないがとくに光ファイバに関する。
背景
ゲルマニウムをドープしたシリカファイバが光に対する感度を示し、したがってファイバのコアの屈折率が青−緑光に露光されたときには変化することがよく知られており、このことはHill et al“Photosensitivity in Optical Waveguides;Application to Reflection Filter Fabrication”Applied Physics Letters Vol.32 No.10,647(1978)に示されている。後になってから、コアが波長２４０ｎｍにあるゲルマニア（ゲルマニウム酸化物）が関連する欠陥の吸収ピークに近い紫外光に露光されると、もっと強い効果が発生することが示された。参考文献としてG.Meltz et a1”Fomation of Bragg Gratings in Optical Fibres by Transverse Holographic Method”Opt.Lett.Vol.14,No.15 823(1989)を挙げる。光感応性現象はゲルマニアだけに限定されない。セリウム、ユーロピウム、及びエルビウムもすべてがシリカホストの光ファイバにおいていろいろな程度の感度を示しているが、いずれもゲルマニアの感度に及ばない。ゲルマニウムとほう素（ボロン）の一緒のドープも大きな屈折率変調をもたらすのに極めて成功を示しており、その大きさは１０^-3台であり、参考文献としてY.Duval et al,“Correlation between Ultra-violet-induced Refractive Index Change and Photo-luminance is Ge-doped Fibre”Applied Physics Letters,Vol.61,No.25,2955(1992)を挙げる。
さらに、光感応性は光ファイバの熱い（ホットな）水素処理によって高められることが報告されている。参考文献としてG.Meltz et al,“Bragg Grating Formation and Germanio Silicate Fibre Photosensitivity”International Workshop of Photo Induced Self-Organisation Effects in Optical Fibres SPIE Vol.1516,p185(1991)を挙げる。
通常、光ファイバは、ガラス管を採り、その内部をドーパントガスにさらしてその内部表面にドーパントを堆積させるようにして作られる。その後このガラス管が加熱され、熱処理されてその内部がつぶされて中心を通るコア領域をドーパントが形成するようにする。ドーパントの効果は、中心すなわちコア領域の屈折率をもち上げて、低い方の屈折率をもつ周りのクラッド領域を残すことである。結果として生じた、つぶれたクラッド層領域は次に約１２０μｍと直径を小さくした細い光ファイバを作るために引延ばされて、クラッド層によって囲まれたコアを備えることになる。通常の方法では、クラッド層ｎ₁とコアｎ₂との屈折率間の差Δｎはコアに沿って光が導波されるようにする。
通常の光感応性をもつ光ファイバ、すなわち光感応性のコアをもつファイバでは、そのファイバ内にいわゆる屈折率ブラググレーテングを記録することが可能であり、その一般的なレビューが文献（“Photosensitive Optical Fibres :Devices and Applications”Kashyap et al,Optical Fibre Technology 1,17-34(1994)）に記載されている。ＥＰ-A-0 668 514に記載されている方法では、クラッド層はコアと同様に光感応性を呈し、それにより屈折率グレーテングがコアと、ある程度まではクラッドとの両方に記録されている。また文献（“Optical fibre design for strong gratings photoimprinting with radiation mode suppression”E.Delevaque et al,Conference on Fibre Communication,Technical Digest Series,Vol.8,No.6,pp343-346）に記載されており、ここには光ファイバで光感応性コアとコアとクラッド層との間に光感応性中間領域とを備えたものが開示されている。屈折率グレーテングはコア内とこの中間領域内とに書込まれ、それがクラッド層モードの抑制を生じさせている。ファイバコアの周りの光感応性領域はここではUS.Pat.5,416,863に記載されているように、モードマッチング用に使われている。
こういった先行技術の記録方法に従って光ファイバ内に作られた屈折率グレーテングは狭帯域反射フィルタとして使用できる。この反射フィルタの一使用はファイバグレーテングレーザを使うためであり、それをここで説明する。
シリカ光ファイバのコアがエルビウムやイッテルビウムのようなある種の希土類の元素でドープされる場合には、そのファイバは光能動性を示し増幅器として使用できることとが知られている。このファイバは第１の波長の光放射でポンプされて、第２の異なる波長の光放射がポンプされたファイバを通るときに増幅される。このような希土類ドープのファイバはレーザを作るために使用される。希土類ドープファイバは光空洞内に含まれており、空洞はその一端が上述のようにして作られた屈折率ファイバグレーテングがエルビウムをドープしたファイバにスプライスされて定義されている。
希土類をドープしたファイバそれ自体の中に屈折率グレーテングを書込むことは望ましいことであるが、実際にはそれはむづかしい。ファイバがそのコア内に希土類元素でドープされていると、ファイバは通常はゲルマニアをそこにほとんど含まないか皆無であり、このような高ドープのファイバ内にグレーテングを書込むことはむづかしく、上記のG.Meltzらはそれができたとはしており、参考とすべき点ではある。希土類ドープのファイバ内にグレーテングを書込むためには一般に水素でそれらを処理する必要がある。典型的なのは、ファイバをさらにコアの屈折率を高めるためにアルミニウムか３価のリンでドープする。このようなファイバは１９３ｎｍ領域の波長でコア内で光感度を示すが、この光感度はゲルマニウムもしくはボロンをドープしたコアで、２４４ｎｍで光感度を示すものと比較すると限定が加えられている。
発明の概要
第１の観点からこの発明をとらえると、光放射を導波するためのコアとクラッド層との領域を含んだ光導波路が提供されており、コアには光学的にノンステイティブ（nonstative；あらゆる条件下で光特性が一定であるとはいかないという意味、一義的に記述できないの意）材料が含まれ、またクラッド層領域には光感応性屈折率を有する材料が含まれている。ここで使った“光学的にノンステイティブ材料”というのは、光学的能動材料であり、それが光増幅もしくはレーザ作用を生ずるための状態に励起できるものであるか、あるいは光学的非線形材料であって、それに限定されるわけではないが例えばカー（Kerr）効果のような加えられた光放射もしくは交流か直流の印加電界の関数として非線形に過渡的に変化するものであるか、あるいは極性材料であって印加電界もしくは光放射の関数である電気双極子モーメントをもつものである。
第２の観点からこの発明をとらえると、導波路のコアには与えられた波長範囲内で相対的に光感応性をもたない屈折率をもつ材料を含み、クラッド層領域にはその波長範囲内で相対的に光感応性を示す屈折率をもつ材料を含んでいる。
したがって、この発明によると、屈折率グレーテングはコア領域内にグレーテングが書込めなくとも光導波路のクラッド層領域内には書込めることになる。この導波路を通って行く放射の透過モードはそこに屈折率グレーテングが記録されたクラッド層領域に十分に展開し、この導波路に沿って進行する光放射のエネルギーを適切なブラック波長で反射し、この波長は屈折率グレーテングの空間周期によって決められている。
さらに別の観点からすると、この発明は光放射を導波するためのコアとクラッド層領域と、コア領域内には実質的に存在せずにクラッド層領域内に形成された屈折率グレーテングとを含む光導波路を提供している。
クラッド層材料は、クラッド層ドーパントとして少くとも与えられた波長範囲内でクラッド層材料の屈折率が光感応性をもつようにするものを含むことができ、かつ、コア領域は、コアドーパントとしてこのクラッド層材料よりも大きくなるようなコア材料の屈折率をもつようにするものを含むことができる。こうしてクラッド層の光感度特性がコアの特性とは独立して選べるようになる。
クラッド層ドーパントには第１と第２の異なるドーパント材料としてクラッド層材料を光感応性とするものでありかつドーパント濃度の関数としてその屈折率がそれぞれ減少また増大するものを含み、それによって前記波長範囲内の光にさらされることがなければクラッド層の屈折率はコア材料のそれよりも小さな基底レベルであるとされ、前記波長範囲にある光にさらされると、さらされたクラッド層領域の屈折率が前記基底レベルから変化する。
クラッド層材料用の第１及び第２のドーパント材料はＢｅとＧｅとを含み、クラッド層が２４４ｎｍで光感応性を示すようにし、またクラッド層がコアよりも低い屈折率をもつようにして、導波路の単一モード動作を可能としている。
コア材料には希土類元素のようなドーパントを含んで、それを光能動性として、例えば増幅器かレーザで使用できるようにしてよい。希土類ドーパントはＥｒ，Ｙｂ，Ｎｄのいずれかを含んでよい。
そのコア内に希土類をドープした従来技術のファイバに対しては、ＡｌやＰのような追加のドーパントが一般に含まれて、クラッド層に対して屈折率を高めるようにしている。コア内で作られた屈折率の高い値は通常のシリカ光ファイバと比べるとコア直径が減らせるのであり、併せて単一モード伝送が可能とされる。エルビウムドープのファイバと通常のファイバとのコア直径間の差はしかし、それらを一緒にスプライスしようとするときに困難を生じさせる。この発明によると、ファイバには光感応性屈折率をもつクラッド層領域が備えられていて、クラッド層を光放射にさらせるようにし、それによって屈折率が減って、希土類ドープしたファイバの伝送モードがクラッド層内に拡がるようにしている。その結果、希土類ドープしたファイバ内の伝送モードの構成が横方向に拡げることができるようにし、大きな直径のコアをもつ通常のシリカファイバの伝送モード構成に対応するようになる。このようにして、伝送モード整合が達成される。
この発明による導波路は一緒にスプライスできるし、またこの発明の導波路のコア領域は横方向寸法として、それがスプライスの相手となる導波路のコア領域の対応する横方向寸法よりも小さいものをもつようにでき、それによって第１の導波路のクラッド層材料の屈折率の変化が第１の導波路のモードを拡げて、第２の導波路モードと対応するようにする。
この発明はさらにこの方法で処理された場合のスプライスを含む。
この光導波路はシリカファイバのような光ファイバで構成されてよいが、光感応性クラッド層材料のストリップによって規定される、基板上の光トラックで構成されてもよい。クラッド層材料は光放射に選択的にさらされて、その屈折率を変化させ、それによってトラック間で選択的に光接続を制御するようにしてよい。
【図面の簡単な説明】
この発明をもっと完全に理解できるようにするために、その実施態様を添付の図面を参照して例としてここで説明して行く。
図１は通常の光ファイバのある長さの斜視図である。
図２ａは図１に示したファイバの横方向断面図である。
図２ｂはこの発明による光ファイバの横断面図である。
図３は図２ａに示した断面について通常のファイバを横切った屈折率プロフィルのグラフである。
図４は図２ｂに示したこの発明による光ファイバを横切った屈折率プロフィルのグラフである。
図５は図４に対応するグラフであり、この発明による光ファイバの光感応性クラッド層内の屈折率の変動を示しており、伝送された光に対するモード構成を示している。
図６は屈折率記録方法の模式的例示である。
図７はこの発明により光フファイバ内にこの方法により記録したグレーテングの例示である。
図８はこの発明により光ファイバのコアとクラッド層の両方に記録された、ブレーズド屈折率グレーテングの模式的例示である。
図９はファイバの横断面でとった、図８に示したファイバの屈折率プロフィルのグラフである。
図１０は光ファイバを一緒にスプライスした模式的例示であり、コア直径が異なり、伝送モード構成整合がとられている。
図１１ａ，ｂ，ｃは図１０に示したスプライスしたファイバ構成のＡ−Ａ′，Ｂ−Ｂ′，及びＣ−Ｃ′横断面に沿ってとられた屈折率プロフィルと対応する伝送モードのグラフである。
図１２は共通基板上にマトリックスとして配置された、この発明による平面状の導波路を示す。
図１３は図１２に示したＤ−Ｄ′に沿ってとられた断面図である。
図１４はこの発明による光ファイバの別な例の横方向屈折率プロフィルの例示である。
図１５ａはこの発明にしたがう光ファイバを含む光ファイバレーザの例示である。
図１５ｂ，ｃは図１５ａに示したファイバ内に形成された屈折率グレーテングを示す。
図１６ａは図１５ａに示した光空洞の波長応答のグラフであり、これは図１５ｃに示したブレーズドグレーテングがない場合である。
図１６ｂは図１５ｃに示したブレーズドグレーテングの波長応答のグラフである。
図１６ｃは図１５ａに示したレーザの出力での波長応答を示す。
図１７はこの発明による他の実施例の模式的な斜視図である。
図１８は図８に示したブレーズドグレーテングを通って透過（伝送）される光については波長の関数として透過（伝送）損失を示すグラフである。
詳細な説明
図１を参照すると、これは従来形の単一モード光ファイバ１でシリカで作られたものを示し、その構成はコア領域２が相対的に大きな屈折率をもつようにドープされ、それがクラッド層領域３で囲まれていて、クラッド層領域３は相対的小さな屈折率をもつ。典型的な例では、コア領域２は直径８−１０μｍであり、クラッド層領域３は外径が１２５μｍである。ファイバを横切る断面は図２ａに示されており、対応する屈折率ｎのファイバの直径を横切る方向ａについての変化が図３に示されている。図３のグラフは若干理想化してあり、クラッド層領域内の屈折率ｎ₁とコアの領域内の屈折率ｎ₂をもつものが示されている。値 Δｎ＝ｎ₂−ｎ₁は上述の通り知られているやり方でコアに沿って光放射が導波されるように選ばれている。便利なのは、コア領域２は上述の通り既知のやり方でＡｌもしくはＰでドープされていてよく、それによってｎ₂の値を周辺のシリカクラッド層領域３の屈折率ｎ₁よりも高くしている。先行技術の典型的な例はｎ₁＝１．４５４でありｎ₂＝１．５８５である。
ファイバ内に屈折率グレーテングを書込みたいと思うときは、ＡｌかＰをドープしたコアは１９３ｎｍの紫外光に対して比較的小さな光感応性を示すだけという問題が生じ、また所望レベルの光感応性を得るためには水素処理が必要とされる。コアは代ってＧｅかＢあるいはその両方でドープして２４４ｎｍにおいて光感応性を得ることができる。Ｇｅドーパントの効果はコアの屈折率を増大するためであるが、Ｂの効果はドーパントの密度の関数として屈折率を減少させるためである。したがって、両方一緒のドーピングをして、全体の屈折率のいちじるしい増大を生じさせる必要なしに光感応性を増すようにすることが可能である。
図３を参照すると、導波路に沿って進行する光に対する伝搬モード構成が示されており、コア領域の中心に振幅ピークが示され、尾（裾）４ｂはクラッド層領域３内に延在できる。
コアはＹｂとかＥｒのような希土類元素でドープされて光能動性を得るようにするときは、問題が生じ、ＧｅやＢのようなドーパントが光感応性を得るためにコア内に希土類ドーパントを置く組合せでは満足な使用ができないことになる。ＧｅかＢが希土類ドープのファイバ内に不安定性をもたらすことが発見されている。ＡｌやＰのようなドーパントはコアの屈折率を高めるが、前述のようにこれらの物質で満足な光感応性を得ることはむづかしい。
この発明は代りのやり方を提供する。この発明によると、ファイバのクラッド材料は光感応性を呈する。図４を見ると、図３に対応するグラフであり、この発明によるシリカファイバ内のドーパントの濃度を示す。図４に示すように、コア２は比較的光感応性のないＡｓかＰのようなドーパントでドープされていて、コアを光能動的とするために例えばＥｒやＹｂといった希土類元素を適宜含めることができる。その結果、コアにはクラッド層の屈折率ｎ₁と比較して相対的に大きな値の屈折率ｎ₂があることになる。
コアを囲んでいる内部領域３ａ内にＧｅとＢをドープした結果としてクラッド層３は光感応性を呈する。Ｇｅドーパントの効果はドーパントの濃度の関数として内部クラッド層領域３ａについての屈折率を高めることであり、それに対してＢドーパントの効果は内部クラッド層領域の屈折率を対応して減らすことである。ＧｅとＢのそれぞれのドーパントの密度は結果の屈折率が、ＧｅまたはＢでドープされていないクラッド層の他の外側領域３ｂに対応するｎ₁値となるように選ばれる。この内側と外側のクラッド層領域３ａの構成は模式的に図２ｂに示したファイバの断面で模式的に示されている。図４に示したファイバに対するΔｎの値は従来形の光ファイバのそれと同じか、実質的に類似したものとすることができ、例えば図３で示したのと同じであるｎ₁とｎ₂の値とできる。所望であれば、クラッド層領域の光感応性は低温加圧水素処理によって高めることができ、そのことについての記述は文献（P.Lemaire,R.M.Atkins,V.Mizrahi and W.A.Reed,“High pressure H₂ loading as a technique for achieving ultrahigh UVphotosensitivity and thermal sensitivity in GeO₂ doped optical fibres”Electron.Lett.,vol 29,no.13,1191(1993)and P.J.Lemaire,A.M.Vengsarkar,W.A.Reed,Mizrahi and K.S.Kranz,“Refractive index changes in optical fibressensitised with molecular hydrogen”in Proc.Conference on Optical Fiber Communications,OFC' 94,Technical Digest,p 47,paper TuL1,1994）に記載されている。
図４に示した構成は、この発明によるファイバがまだ紫外線にさらされていない状態を示している。図５は内側の光感応性クラッド層領域３ａに対する入射紫外線の効果を示す。波長２４４ｎｍの放射はクラッド層領域３ａの屈折率を図示のように高めて、前の値はｎ₁から破線で示した値ｎ₁′としている。屈折率ｎ₂とｎ₁との間の差Δｎ′はＵ．Ｖ．照射後に生ずるもので、なお導波路に沿って光を導くことができる。透過（伝搬）モードでＵ．Ｖ．光の照射前の構成は線４で示してあり、図３に示した先行技術のモード構成と対応している。Ｕ．Ｖ．照射によるｎ₁の増加の効果はクラッド層内部へのモード構成の拡がりを生じ、それによってモード構成５に尾（裾）５ａ，５ｂとして光感応性クラッド層領域３ａ内に拡がっているものを伴うようになる。この発明の例では、コア２は外径１０μｍであり、領域３ａは外径２０μｍであり、クラッド層の領域３ｂは外径１２５μｍである。コアの屈折率ｎ₂は１．４７５であり、クラッド層の屈折率ｎ₁はＵ．Ｖ．照射前は１．４５４であった。照射後は内部クラッド層領域３ａの屈折率値はｎ₁′＝１．４６４に変化した。
クラッド層３の光感応性は多数の異なる効果を得るために使用できる。屈折率グレーテングはクラッド層内に記録でき、クラッド層の長さに沿って空間周期Λをもってｎ₁とｎ₁′との値で変化する屈折率をもつことになる。透過モード構成の尾（裾）４ｂ，５ｂがクラッド層内に延びているので、このモードはブラグ反射を作るために空間屈折変化を十分に干渉することが見付けられた。ブラグ反射の波長はλ_Brogg＝２Λｎ_eff／Ｎによって与えられ、ここでΛは干渉パターンの周期であり、ｎ_effは導波モードの実効屈折率である。Ｎは整数で、干渉の次数を示す。ここではｎ_eff〜（ｎ₂＋ｎ₁）／２である。
屈折率グレーテングは多数の従来技術によってファイバ内に書込みができ、これについての一般的な考察は前記Kashyapによりされていて、参照とされる。一例は図６と７とを参照して記述して行く。波長２４４ｎｍのレーザ６からの紫外光はビームスプリッタ７を通って第１と第２のコヒーレントビーム８，９を作り、それがミラー１０，１１によって反射されて、互に干渉し、図４と５とを参照して記述したように光感応性クラッド層をもつ光ファイバ１３の長さに沿って長手方向に延びる領域１２内に干渉パターンを形成する。図７にもっと詳細に示したように、干渉パターンはファイバ１３の光感応性クラッド層３内に記録されるようになり、空間周期Λでクラッド層内に空間的に周期的な屈折率変化が作られた結果として記録される。この変化の大きさはパターンの中央領域１４でのピークから、その端１５，１６に向けて減少して行く。このパターンはファイバのコア２内には大きな程度で記録されることはなく、その原因はコアが一般にはＡｌかＰで、また適宜ＹｂかＥｒのような希土類元素でドープされていて、波長２４４ｎｍの入射光に対しては実質的に光感応性をもたないことによる。
光感応性内部クラッド層領域をもつ光ファイバは多数の通常の組立て技術の１つで製造できる。一般に、プレフォームが所望の屈折率プロフィルで作られて、それが次に引き延ばされて細いファイバを作る。プレフォーム組立てのためにいくつかの方法が使用できる。３つの普通に使われる方法は修正した化学的気相堆積（Modified Chemical Vapour Deposition）、外側蒸気堆積（Outside Vapour Deposition）、及び気相軸方向堆積（Vapour-phase Axial Deposition）である。この三つの中では、ＭＣＶＤが最も広く採用されており、その詳細な検討として、次の文献を参照する。Fundamentals of Fibre Optics in Telecommunications and Sensor Systema,ed.P.B.Pal,Wiley Eastern Limited-Fabrication Techniques of Optical Fibres,H.Karstensen Ch.9,pp223-248.
ＭＣＶＤを用いる、プレフォームの組立ての例を記述して行く。使用した装置の詳細な記述に対しては、前述のKarstensen pp233-239を参照する。先ず、ドーパントとしてのＳｉＣｌ₄蒸気の制御された量を酸素と一緒に回転している溶融シリカ基材管内に供給される。左右に移動する酸素−水素バーナが約１６００℃の温度まで管の短かい領域を加熱する。この高温領域内では、化学物質がガラス形成物質と反応し、それが後に管の内壁上の下流に堆積される。ゆっくりと左右に動くバーナからの熱は透明なガラス層を形成するために堆積されたすすを焼結させる。バーナは次に管の他端まで素早く戻されて、このプロセスが繰返されて物質層を作り上げ、結局はこの発明に従って前述した外部クラッド層領域３ｂを形成することになる。
その後、ドーパントガスがこのプロセスに導入されて、ＰとＦとの混合がドーーパントとして継続する層内に導入される。ＰとＦとの効果はそれぞれ屈折率を増すことと、減らすことであり、全体としては堆積されたガラスの融点を下げることである。
次に、気体のＢＣｌ₃とＧｅＣｌ₄の混合物が基材管内にＳｉＣｌ₄と一緒に供給されて、ＢとＧｅとでドープされているガラスを堆積するようにする。最終的に作られるガラスは内側のクラッド層３ａを形成し、屈折率として外側のクラッド層と同じでしかもＵ．Ｖ．光に対して光感応性を備えている。
その後、ファイバコアに対する材料を作るために、ＧｅＣｌ₄の流量がＢＣｌ₃に対して増やされて、ＳｉＣｌ₄の流量は同じに維持された。これがクラッド層よりも大きな屈折率をもつガラス材料を堆積させた。望むのであれば、Ｅｒドーパントもしくは同じような希土類材料が導入されて終局的なファイバコアが光学的に能動となるようにする。
出来上った構造はそこで焼結されて、管をつぶしてプレフォームを作り、そこからファイバを通常の技術で引き延ばすことができる。
この発明の他の応用は放射モードタップ、すなわちサイドタップフィルタとしても知られているものに関する。これはファイバのコアの中にスランテッド（斜めの）、もしくはいわゆるブレーズド（エシェレット（echelette）ともいう）グレーテングを書込むことによって形成できる。グレーテングはファイバに沿って進行する光を放射モードに結合させ、このモードでは光がコアの中を導波できない。参考文献としてG.Meltz et al“In-Fibre Bragg GratingTap”Proc.Conference on Optical FibreCommunicatios,OFC '90,Technical Digest p 24,paper TUG1,1990.がある。この参考文献に記述によると、ファイバ中に書込まれたブレーズドグレーテングは可視波長で光を外と結合（アウトカップリング）することになる。局部的にコアの直径を大きくして弱い導波性ファイバを作るようにすると、ぐんと狭い帯域幅について、ファイバ導波が原因するモード閉じ込めを容易に克服できて、ファイバからの光について所望の外部との結合を作り出せる。しかし、作りだせる帯域の狭さに関しての制限がある。この発明はコアの直径を局部的に増大することにたいして代りの解決を与える。
ここで図８を参照すると、シリカで作られ、コア１７とそれを囲んだクラッド層１８とを備えた光ファイバ１６が示されている。このコアは非光感応性であり、かつ光学的に能動であり、またクラッド層は光感応性であり、このファイバは図４を参照して記述したように作られたものである。ブレーズド屈折率グレーテング１９はファイバ１６の光感応性クラッド層１８内に書込まれていて、そのやり方は本質的に既知であり、前記Meltz et alに記載されている。このコアはＡｌかＰでドープされていてよく、またクラッド層はＧｅとＢが一緒にドープされて、前述のように光感応性をもつようにできる。ａの方向にファイバの直径をとって屈折率ｎをプロットしたものが図９に示されている。屈折率グレーテング１９はしたがって、実質的にはクラッド層１８内だけに記録されている。ファイバ１６に沿って透過される光のモードはコアを超えてクラッド層内にまで拡大され、これがフィルタ特性の帯域幅を狭くすることになっていることを示すことができる。特定の例では、とファイバはコア直径が１２μｍで、外側クラッド層直径が１２５μｍでサイドタップ帯域幅が１５５０ｎｍで約１５ｎｍであった。通常のタイプＢファイバはコア直径が８μｍ程度であるからこのサイドタップフィルタは著しいモード損失なしに通常のファイバとすぐにスプライスできる。図８では全部のクラッド層が光感応性であるけれど、クラッド層は別の構成で作られていてもよく、内側クラッド層がＧｅ：Ｂを一緒にドープした光感応性であって、しかも図２ｂを参照して前述したように外側クラッド層が光感応性でなく、その屈折率との整合がとれているように形成することができる。図８に示したようなグレーテングをもつファイバの長さに沿って得られた透過（伝搬）損失を波長の関数として図１７に示した。
代りとして、ブレーズしていない長周期のグレーテングをこの技術によって形成できた。このグレーテングはA.N.Vengsarkar et al,“Long Period Fibre Grating as Band Rejection Filters”OFC 95 paper PD4 San Diego Californial 1995に記述されている。
この発明はまたモード・マッチング・スプライス・ファイバへの応用もある。エルビウムをドープしたコアをもつファイバに対しては、コアはさらにＡｌでドープして高屈折率を得ることができ、この場合にはコアの直径は実質的に小さくできてしかも単一モードでの伝送が維持できる。したがって、コア直径を４μｍというような値にまで小さくきる。これはコア内の高ドーパント濃度から生ずるコアとクラッド層との間のΔｎの増加に原因がある。このよな構成は光学的には効率がよいけれども、このような小さな直径のコアをもつファイバを通常のファイバや、図８を参照して記述したブレーズドブレーテングを含んでいるファイバとスプライスするときに困難が生ずるし、あるいはまた前述のように拡大したコア直径をもつ比較的弱い導波性ファイバ内でグレーズドグレーテングを含む通常のサイドタップフィルタへのスプライスについても困難が生ずる。
図１０はこの問題を克服する構成を示す。第１のシリカファイバ２０は非光感応性Ｅｒドープファイバコア２１でクラッド層材料２２で囲まれているものを有し、そこには内側の光感応性クラッド層領域２２ａがあって、非光感応性領域２２ｂによって囲まれている。コア２１はさらにその屈折率を増すためにＡｌでドープされていてもよい。その結果、このファイバは強い導波性をもち、コア直径ｗ₁は例えば４μｍといった比較的小さな値のものとなってよい。囲んでいる光感応性クラッド層領域２２ａは図４と５とを参照して前述したようにＧｅとＢｅとでドープされていてよく外径ａ_cは１６μｍとなる。
ファイバ２０はＳでシリカ基調のファイバ２３とスプライスし、ファイバ２３はコア２４がクラッド層２５により囲まれている。ファイバ２３は通常の標準ファイバであって光遠隔通信システムで使用されているようなものでよく、コア直径ｗ₂は８μｍであり、すなわち、ファイバ２０のコア直径よりもかなり大きい。クラッド層２５の外径ａ₂はファイバ２２のそれと同じ寸法でよく、１２０μｍ程度である。しかしながら、代りとして、ファイバ２３はもっと大きなコアを有し、ブレーズドグレーテングを含んでいるか、図８に示すようなものでよい。
図１１ａ，ｂ，及びｃに示したグラフを今度は参照すると、ファイバの横断面にわたる屈折率分布が図１０におけるＡ−Ａ′，Ｂ−Ｂ′，及びＣ−Ｃ′断面に対応してそれぞれ示されている。図１１ａを考察すると、コアｎ₂の屈折率の値はＥｒ：Ａｌドープコア領域２１内で比較的大きい値をもつが、光感応性Ｇｅ：Ｂクラッド層領域２２ａではＵ．Ｖ．光に照射されていないときには比較的小さな屈折率ｎ₁を有し、周囲のクラッド層領域２２ｂの屈折率と対応している。
図１１ｃを参照すると、標準ファイバ２３のコアはファイバ２０のコアよりも小さな屈折率ｎ₂″を有し、ファイバ２３のコアはファイバ２０のコアの直径ｗ₁よりも大きな直径ｗ₂を有している。
また図１１ａを見ると、透過（伝搬）モード構成が２６で示されていて、このモードは（図１１ｃと比較して）比較的狭い構成をもち、比較的鋭いピーク２６ａと比較的小さな尾２６ｂでクラッド層内に展開したものとを備えている。これに対して、図１１ｃでは２７に示す透過モードはファイバ２０内の対応するピーク２６ａよりも概して広幅で小さなピーク２７ａを有している。これら２つのモード構成間の差は２つのファイバ間のスプライスＳで著しい損失を生じさせ得る。
この発明によると、スプライスはＵ．Ｖ．光に照射されて、ファイバ２０の光感応性クラッド層領域２２ａの屈折率を変化させるようにしている。１つの特定例では、このスプライスはレーザ光源（図示せず）からの２４４ｎｍの光に照射されて光感応性Ｇｅ：Ｂで一緒にドープした領域２２ａの屈折率を変えるようにする。これが図１１ｂにもっと詳細に示されており、この図からクラッド層２２の屈折率が値ｎ₁（図１１ａ）からｎ₁′へ変ったことが分る。モード構成２８は広幅となりクラッド層２２の領域内へ拡がって行くが、これは図１１ａの構成と比べると値Δｎ＝ｎ₂−ｎ₁′だけ減少することが原因でファイバがもっと弱い導波モードへなることの結果である。したがって、スプライスの領域では、モードは図１１ｂに示したように、ファイバ２０内で、外へ拡がることがてできて、図１１ｃに示したようにファイバ２３のモード構成の幅に対応するようになる。このようにして、スプライスＳでの損失は回避される。モードの次第に進んで行く拡がりは図１０内のライン２９によって示されている。代りとして、Δｎという値は増えるように構成できることが理解されよう。これはファイバ２３に対するモード構成の幅を減らす効果がある。これはある種すなわちモードの直径を減らす必要がある整合状態では有用にことである。
この発明を光ファイバに関連して記述してきたが、他の導波路にも応用があり、この導波路は第１の屈折率のコア領域と、第２の異なる屈折率の取り囲んだクラッド層領域とを有して、光放射を導波するような構成をとるものである。図１２と１３とは代りの構成を示し、導波路は基板上のトラックで構成されている。シリカの光学的に透明な基板３０はその上面がＧｅ：Ｂでマスク（図示せず）を介してドープされて、光を導通するトラック３１の方形のマトリックスパターンを作っており、行と列Ｃ_n，Ｒ_nとに配列されている。トラック３１、下にあるガラス基板３０及び上にある空気の間の屈折率差Δｎが行と列とに沿って光を導波するようにしている。交差する行と列との間の接続と接続解除とは基板を選択的に紫外光に照射することによって達成することができる。例えば、行Ｒ₁と列Ｃ₁との間の接続を解除したときは、２４４ｎｍのＵ．Ｖ．光は領域３２を選択的に照射するために例えばレーザ源から横方向に基板上に向けられる。このようにして、行と列との交差する領域内で光感応性層３２の屈折率が十分なレベルにまで高められてクラッド層材料３１がこれ以上導波路として作用しないようにし、また光が行Ｒ₁と列Ｃ₁とに沿って進行するときに領域３２内で消費されるようにする。図１２に示した装置はこうして光信号に対するプログラマブル論理アレイとして使用される。
図１４をここで参照すると、この発明によると光ファイバの別な例が示されており、図４に示した構成の変形として考えることができ、同じような領域は同じ参照番号としてある。シリカファイバはコア２とクラッド層３とで成り、クラッド層３には内側のクラッド層領域３ａがあり、前述のようなやり方でＢ：Ｇｅを一緒にドープした結果、光感応性となっている。領域３ａはＵ．Ｖ．光への照射がないと外側クラッド層領域３ｂ（ここは光感応性となるようドープされていない）の屈折率と対応する屈折率をもっている。前述のファイバでは、コアはその屈折率を高めるためにＡｌかＰかをドープできる。コアは代ってＧｅかＢもしくはその両方でドープして光感応性を得ることができる。しかし、もしコアをＹｂかＥｒでドープして光能動性を得たいとすると、これはできず、、その理由は前述のようにコア内で光感応性を得るために希土類ドーパントと組合わせてＧｅかＢを用いることは不可能なことである。図１４の構成はこの問題に対する解決を与えている。
図１４では、コア２の構成が外側コア領域２ｂによって内側コア領域２ａを囲むようにしている。内側コア領域２ａはＥｒかＹｂのような希土類でトープされていてよく、またさらに屈折率を高めるためにＡ１を含んでもよい。外側コア領域２ｂはＧｅかＢあるいはその両方でドープして光感応性としている。したがって、この構成では、屈折率グレーテングはクラッド層の内側領域３ａとコアの外側領域２ｂの両方の中に書込まれることになる。
図１５，１６を参照すると、光ファイバレーザが示されており、ここでは共振空洞が光ファイバ３５内に形成された第１と第２の屈折率グレーテング３３，３４の間に形成される。このファイバは図２ｂに示したファイバ１に対応し、コア２があって光感応性内側クラッド層領域３ａと、非光感応性外側クラッド層領域３ｂによって囲まれている。グレーテング３３，３４は図１５ｂ，１５ｄにそれぞれ詳細に示されている。グレーテングパターンｇ１とｇ２が内側クラッド層領域３ａ内に記録され、そのやり方は図７を参照して前述したものか、あるいは例えば前記Kashyapで記述した他のよく知られた方法のいずれかによる。ファイバ３５のコアはＹｂかＥｒのような希土類でドープされて光学的に能動性をもつようにしている。コア２は非光感応性である。
ファイバ３５はまたブレーズドグレーテングを含んでおり、それが損失性の波長特性を有し、図１６ｂにその詳細を示した。ブレーズドグレーテング３６は図１５ｃに詳細を示し、グレーズド屈折率パターンｇ３を含み、ファイバの内側クラッド層領域３ａに記録され、実質的にはコアまたは外側クラッド層領域内ではない。
このファイバはポンプレーザ３８からの１４８０ｎｍ（または９８０ｎｍ）でレーザ光によりポンプされ、このレーザはファイバ３５へ通常の溶融ファイバカップラ３９を介して接続がとられている。
グレーテング３３，３４は空間周期としてレーザ４０からファイバへ送られた信号に対して共振するように選ばれたものを有している。レーザ４０の正規の動作波長はこの例では１５３０ｎｍである。空洞の波長特性はブレーズドグレーテング３６がない場合には図１６ａに示されており、この特性はレーザ４０の中心波長、すなわち１５３０ｎｍで好ましくないピークを含んでいる。ブレーズドグレーテング３６の特性はそこで損失ピークが１５３０ｎｍにあるように選ばれて、フィルタの効果が図１６ａに示すように利得ピークを抑制するようにした。結果としてファイバの端４１での出力は図１６ｃに示すようになり、これからブレーズドグレーテング３６がそれがないと１５３０ｎｍで生ずることになるピークを抑制していることを見ることができる。
図１５ａに示したグレーテングはすべて光学的に能動なファイバ内に記録されている。グレーテングは内部のクラッド層領域３ａ内に記録することができ、スプライスがないことになる。これに対して、先行技術では、光学的に能動なファイバが通常のゲルマノシリケートファイバとスプライスしなければならず、その理由は光学的に能動なファイバ自身内にグレーテングを記録することが簡単にはできなかったことがあげられる。
この発明によるファイバのコア領域の光学的な能動性はドーパントによって必ずしも作られなくてよい。例えば図１７に示したようにファイバはＧｅ：Ｂをドープしたシリカガラスで作られた管状部材４２で構成されてもよく、これによると光感応性クラッド層領域が作られ、光学的に（あらゆる条件下で一定の状態を呈しない）ノンステーティブな液体またはコロイド４３で充填されていて、それがコア領域を作っている。屈折率グレーテングはクラッド層領域４２内に、図６を参照した記述したやり方で記録できる。この中空ファイバのもっと詳細な構造は我々のＰＣＴ／ＧＢ９５／０２３２２に記載されている。ノンステーティブな（nonstative）材料でコア４３を形成するために使用できるものは印加電界の関数として可変屈折率を示す液晶か、カー効果を示す液体か、量子ドットのコロイド懸濁かである。ガラス管４２内にＧｅをドープすることは破線４４で示した半径方向に内側の領域だけであり、図２と４とを参照して記述したのと同じようになる。
この発明の範疇に入る数多くの他の修正と変形とがある。例えばコア領域は双極子モーメントを示し、印加電界に応答する特別な状態を呈しない有極性材料を含んでもよい。参照文献として次がある。L.Li & D.N.Payne“Permanently-Induced Linear Electro-Optic Effect in Silica Optical Fibres”,Dig.Conf.Integrated and Guided Wave Optics,1989 OSA,Paper TuAA2-1(1989),及びT.Fujiwara,D.Wong,Y.Zhao,S.Fleming,V.Grishina & S.Poole,”UV-Excited Poling and Electrically Tunable Bragg Gratings in Germonosilicate Fibre”.Postdeadline Paper OFC '95(Feb '95).このファイバはコア領域内の有極性材料に電界を加えるために電極構成があって光特性を制御している。参考文献としてＥＰ９６ ３００６３８．２がある。
他の変形では、クラッド層領域に光感応性材料の同心の領域があり、比較的小さな光感応性をもつ同心の領域で距てられている。
ここで使ってきたように光放射には可視と非可視との放射が含まれ、赤外光と紫外光とが含まれている。

Claims (6)

1. コア領域とクラッド領域とを含む光導波路であって、前記コア領域の屈折率は前記クラッド領域の屈折率よりも大きく、前記クラッド領域は前記クラッド領域の屈折率に少なくとも所与の波長範囲内で光感応性を与える光感応性材料を含み、前記光導波路は前記クラッド領域にのみ実質的に配置された屈折率回折グレーティングをさらに含み、
   前記クラッド領域は第１と第２の異なるドーパント材料を含み、該ドーパント材料は前記クラッド領域に含まれる材料に光感応性を与え、かつその屈折率をそれぞれ増減させ、それによって前記波長範囲内の光に対する露光がないときには前記クラッド領域の屈折率が前記コア領域に含まれる材料のそれよりも小さなレベルであるとするとき、前記波長範囲での光に対する露光により前記クラッド領域の露光された材料の屈折率は前記レベルから変化することを特徴とする光導波路。
2. 請求項１に記載の光導波路において、前記クラッド領域は第１の相対的に光感応性の領域と第２の相対的に非感応性の領域とを含むことを特徴とする光導波路。
3. 請求項２に記載の光導波路において、前記第１及び第２の領域は光感応性をもつ光に第１の領域を露光する前は同じ屈折率をもつことを特徴とする光導波路。
4. 請求項１乃至３のいずれか一に記載の光導波路において、前記コア領域は、１）光増幅又はレーザ作用を生じるための状態に励起できる光学的能動材料か、２）交流か直流の印加電界又は光放射の関数として非線形に過渡的に変化する屈折率を有する光学的非線形材料、のいずれかを含むことを特徴とする光導波路。
5. 請求項４に記載の光導波路において、前記コア領域における光学的能動は希土類ドーパントを含むドーパントによって生成されることを特徴とする光導波路。
6. 請求項５に記載の光導波路において、該希土類ドーパントはＹｂかＥｒを含むことを特徴とする光導波路。

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