JP4063914B2 - 複数波長阻止型光導波路グレーティングの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数波長阻止型光導波路グレーティングの製造方法に関し、特に小型化を図ることができる複数波長阻止型光導波路グレーティングの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路グレーティンググレーティングは、光ファイバあるいは基盤型光導波路などのコアの長さ方向に一定の周期的な変化、例えばコアの屈折率の周期的な変化やコア径の周期的変化などを形成したものである。
【０００３】
従来より光導波路グレーティングの製造方法の１つとして、ゲルマニウムが添加された石英ガラスに強い紫外光を照射するとその照射量に応じて屈折率が上昇する現象を利用して、コアに周期的な屈折率変化（屈折率変調）を形成する方法が知られている。
例えば、光ファイバグレーティングを作製する場合には、ゲルマニウム添加コア／シリカクラッドの光ファイバ、またはゲルマニウム添加コア／フッ素添加クラッドの光ファイバが使用され、図３に示すように、その外周部を覆う合成樹脂製の被覆層（図示せず）の一部を除去した光ファイバ２を、水素加圧容器中（１００ａｔｍ程度）で水素添加処理した後、一定周期で形成されたスリット３ａを有するホトマスク３を介して、前記光ファイバ２の被覆層を除去した部分に紫外光を照射することによって、光ファイバ２（コア）の長さ方向に一定周期で紫外光を照射する方法が用いられる。他には、光ファイバ２長さ方向に等間隔で順次紫外光を照射する方法などが用いられている。
【０００４】
一般に光導波路グレーティングには、放射モード結合型と反射モード結合型があり、放射モード結合型グレーティングはコアを伝搬するモードとクラッドを伝搬するモードとを結合させることによって、特定波長の光を光導波路外に放射して減衰させる特性が得られるようにしたものである。
また反射モード結合型グレーティングは、コアを正の方向に伝搬するモードと、コアをこれとは反対の方向（負の方向）に伝搬するモードとを結合させることによって、特定波長の光を反射させる特性が得られるようにしたものである。
放射モード結合型グレーティングと反射型グレーティングの構成上の主な違いは、上述した周期（以下、グレーティングピッチということがある）の違いにある。
例えばコアに屈折率の周期的変化を形成してなる光導波路グレーティングの場合、放射型グレーティングはグレーティングピッチを数百μｍにすることによって得られ、反射型グレーティングはグレーティングピッチを１μｍ程度とすることによって得られている。
特に反射型グレーティングにおいてグレーティングピッチを等間隔一定にすると、図４に模式的に示すような透過スペクトルとなり、狭帯域の比較的鋭い透過損失のピーク（以下損失ピークという）が得られることが知られている。この損失ピークの波長帯の幅を阻止帯域幅、その中心の波長を中心波長（図中λcで示す）、透過損失の大きさを阻止率という。
また、他にチャープトグレーティングがある。チャープトグレーティングとは、チャープトピッチの位相マスクを介して紫外光を照射する方法によって製造することができる。チャープトピッチとはグレーティングピッチが特定のピッチを中心にスペクトル状に広がっているものである。
チャープトグレーティングにおいては、ピッチの周期の変化に対応して、損失ピークの波長も変化するので、比較的鋭くない損失ピークの特性が得られる。
【０００５】
そこで、このように狭帯域の損失ピークが得られる反射型グレーティングを用い、その透過スペクトルにおいて２つ以上の損失ピークが得られるようにした複数波長阻止型光導波路グレーティングが提案されている。
図５は光ファイバに反射型グレーティングを形成し、２つの損失ピークが得られるように構成した複数波長阻止型光ファイバグレーティングの一例において、コアに形成された屈折率の変化を模式的に示したグラフである。
【０００６】
この複数波長阻止型光ファイバグレーティングを構成する光ファイバにおいて、コアはクラッドより高屈折率で、少なくともゲルマニウムが添加された石英ガラスからなっている。クラッドはコアよりも低屈折率の石英系ガラスからなり、例えば純石英ガラス、あるいはフッ素添加石英ガラスなどが好ましく用いられる。
この複数波長阻止型光ファイバグレーティングは、上述のような構成の光ファイバの一部に、コアの屈折率が光ファイバ（コア）長さ方向に周期的に変化した２種類のグレーティング部１Ａ，１Ｂが、光ファイバ長さ方向にそって別々の位置に形成されたものである。これらグレーティング部１Ａ，１Ｂは異なるグレーティングピッチを有し、グレーティング特性が異なるものである。この結果、この複数波長阻止型光ファイバグレーティングにおいては２つの損失ピークを有する透過スペクトルが得られるようになっている。
【０００７】
しかしながら、このような従来の複数波長阻止型光ファイバグレーティングは、光ファイバ（コア）の長さ方向にそって２種類以上のグレーティング部１Ａ，１Ｂを、それぞれ別々の位置に形成するため、収納スペースが大きくなり、素子の小型化をすすめる上で障害となっていた。また、一般的にはグレーティング部１Ａ，１Ｂの一方を形成した後に他の一方を形成するので、製造時間が長く、製造効率が低いという問題もあった。
この問題は、基盤型の光導波路にグレーティング部を形成した複数波長阻止型光導波路グレーティングにおいても同様である。
また、光ファイバは一般にその外周部が合成樹脂からなる被覆層で覆われた状態で取り扱われている。このため複数波長阻止型光ファイバグレーティングを作製するには、まず光ファイバの被覆層を引き剥す必要がある。このとき、グレーティング部１Ａ，１Ｂの長さが長い程、前記被覆層を引き剥がす範囲が広くなり、この被覆層の引き剥し操作によって光ファイバの引っ張り強度が低下しやすくなることがあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明においては、小型化を図ることができる複数波長阻止型光ファイバグレーティングとその製造方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、
請求項１に係る発明は、コアが紫外光照射によって屈折率が変化する材料からなる光導波路を水素添加処理し、該光導波路に紫外光を照射してグレーティング部を形成するグレーティング部形成工程と、該光導波路を温度１００〜１２０℃、圧力約１００気圧で９０分間程度加熱する水素再拡散工程と、該光導波路の該グレーティング部を含む部分に紫外光を照射して、他のグレーティング部を形成する他のグレーティング部形成工程を有し、該他のグレーティング部形成工程を少なくとも１回以上行って、１種類以上の他のグレーティング部を形成することを特徴とする複数波長阻止型光導波路グレーティングの製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について光ファイバを例として、図３を利用して詳しく説明する。
コアに周期的な屈折率変化（屈折率変調）を形成するには、従来と同様にしてゲルマニウムが添加された石英ガラスに強い紫外光を照射するとその照射量に応じて屈折率が上昇する現象を利用する。
光ファイバ２は、コアはクラッドより高屈折率で、少なくともゲルマニウムが添加された石英ガラスからなっている。クラッドはコアよりも低屈折率の石英系ガラスからなり、例えば純石英ガラス、あるいはフッ素添加石英ガラスなどが好ましく用いられる。
【００１１】
まず、本発明の複数波長阻止型光ファイバグレーティングを作製するには、光ファイバ２の外周部を覆う合成樹脂からなる被覆層（図示せず）の一部を除去し、水素加圧容器中（１００ａｔｍ程度）で水素添加処理した後（水素添加処理工程）、特定の周期で形成されたスリット３ａを有するホトマスク３を介して、前記光ファイバ２の被覆層を除去した部分に第１の紫外光照射を行う。
この結果、図１（ａ）に示すように、コアの屈折率が周期的に変化した第１のグレーティング部１０Ａが形成される（第１のグレーティング部形成工程）。
【００１２】
この後、光ファイバ２を１００〜１２０℃の温度下に所定時間放置して、前記水素添加処理工程において添加された水素を再拡散させる。再拡散条件は、後述するように例えば光ファイバ２のコア径が１０μｍの場合、１１０℃９０分間程度が好適であることが実験的に確認されている（水素再拡散工程）。
ついで、前記第１のグレーティング部１０Ａに、この第１のグレーティング部１０Ａを形成するのに用いたものと異なる周期のスリット３ａを有するホトマスク３を介して、第２の紫外光照射を行う。
この結果、図１（ｂ）に示すように、コアの屈折率が周期的に変化した第２のグレーティング部１０Ｂが形成される。この第２のグレーティング部１０Ｂは、前記第１のグレーティング部１０Ａとはグレーティングピッチが異なるため、グレーティング特性が異なるものである（第２のグレーティング部形成工程）。
このようにして光ファイバ２の１箇所にグレーティング特性が異なる２種類の第１のグレーティング部１０Ａ，第２のグレーティング部１０Ｂを形成することによって、その透過スペクトルにおいて、ふたつの損失ピークを有する２波長阻止型光ファイバグレーティングが得られる。
【００１３】
上述の水素再拡散工程を行う理由は、単に光ファイバ２の一部に紫外光を照射して第１のグレーティング部１０Ａを形成した後、水素再拡散工程を行わずに、さらにこの第１のグレーティング部１０Ａに紫外光を照射して第２のグレーティング部１０Ｂを形成すると、屈折率の変化量が十分に得られず、従来のように第１のグレーティング部と第２のグレーティング部を別々の位置に形成した場合と比較して透過スペクトルにおける損失ピークの阻止率が小さくなるという問題が発生するためである。
ところで、水素添加処理は紫外光照射にあたって光ファイバのコアの屈折率の変化量を大きくするために行われる。本発明者らは、第１の紫外光照射後、紫外光にさらされた位置（すなわちスリット３ａに対応した位置）においては、２重の紫外光照射に対して十分な屈折率変化を生じさせるには水素濃度が不足していることが前記阻止率低下の原因であることをつきとめた。
そしてこれを解決するには、光ファイバ２をある程度高温下に放置することによって、水素を再拡散させ、光ファイバ２のコアにおける水素濃度のばらつきをなくした後に第２の紫外光照射を行うことが有効であることを見いだし、本発明を完成させた。
以下検討の経緯を実施例を示して説明する。
【００１４】
（実施例）
水素の再拡散を十分に行うための条件を検討するために、以下のような実験を行った。
コア径２０μｍのゲルマニウム添加コア／シリカクラッドの光ファイバを用いた。
光ファイバを水素加圧容器中（１００ａｔｍ程度）で水素添加処理した後、この光ファイバの一部に、特定の周期のチャープトピッチの位相マスクを介して紫外光を照射して、図２（ａ）に示すようなコアの屈折率の周期的な変化を有する第１のグレーティング部２０Ａを形成した。このときグレーティングのチャープトピッチは０．５６〜０．５８μｍ、グレーティング長は１０ｍｍとした。
この後、下記に示した条件で光ファイバの水素再拡散処理を行った後、再度光ファイバに特定の周期のチャープトピッチの位相マスクを介して紫外光を照射して、図２（ａ）に示すようなコアの屈折率の周期的な変化を有する第２のグレーティング部２０Ｂを形成した。この第２のグレーティング部２０Ｂは、第１のグレーティング部２０Ａを含む位置に、かつ第１のグレーティング部２０Ａよりもグレーティング長が長くなるように形成した。グレーティングのチャープトピッチは０．５２５〜０．５４５μｍ、グレーティング長は１５ｍｍとした。
水素再拡散工程の条件は、（１）１１０℃，２０分；（２）１１０℃，４０分；（３）１１０℃，９０分とした。
また、上述の第１のグレーティング部２０Ａと第２のグレーティング部２０Ｂを形成する際の紫外光の光源としてはＫｒＦレーザを用い、２４８ｎｍの紫外光を照射した。照射条件の詳細を表１に示す。
【００１５】
【表１】

【００１６】
このようにして作製した２波長阻止型光ファイバグレーティングの透過スペクトルにおいては、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように第１のグレーティング部２０Ａのチャープトピッチの周期特性に対応した波長特性を有する損失ピークＡと、第２のグレーティング部２０Ｂのチャープトピッチの周波数特性に対応した波長特性を有する損失ピークＢが得られた。
水素再拡散工程の条件が（１）１１０℃，２０分の場合は、図２（ｂ）に示すような透過スペクトルとなった。
すなわち、第２のグレーティング部２０Ｂにおいては、第２の紫外光照射においてのみ紫外光が照射された部分Ｄ，Ｄ′と、第１の紫外光照射と第２の紫外光照射において紫外光照射が重複した部分Ｃとが存在する。このため第２のグレーティング部２０Ｂに対応する損失ピークＢにおいては、紫外光照射が重複した部分Ｃのグレーティング周期に対応する波長域ＣBと、紫外光照射が重複していない部分Ｄ，Ｄ′のグレーティング周期に対応する波長域ＤB，ＤB′が存在する。
前記波長域ＤB，ＤB′の透過率はほぼ同程度であったが、この場合は水素再拡散工程が不十分であったため、前記波長域ＣBの透過率が波長域ＤB，ＤB′の透過率よりも上昇した。すなわち、阻止率が低下した損失ピークＢの透過スペクトル特性が得られた。
また、第１のグレーティング部２０Ａは第１の紫外光照射と第２の紫外光照射において紫外光照射が重複した部分Ｃからなり、つまり全域において紫外光照射が重複している。そしてこの第１のグレーティング部２０Ａに対応する損失ピークＡの波長域は、前記紫外線照射が重複した部分Ｃのグレーティング周期に対応する波長域ＣAとなっている。
このとき上述のように水素再拡散工程が不十分であったため、損失ピークＡにおいては、波長域ＣAの透過率が、損失ピークＢにおいて照射が重複していない部分Ｄ，Ｄ′のグレーティング周期に対応する波長域ＤB，ＤB′の透過率と比較して、阻止率が低下した透過スペクトル特性が得られた。
この結果、損失ピークＡ，Ｂの阻止率は、それぞれ本来得られるべきの阻止率ａ，ｂよりも低い阻止率ａ′，ｂ′となった。
水素再拡散工程の条件が（２）１１０℃，４０分の場合は、やや図２（ｂ）に示すよりも、波長域ＣA，ＣBの透過率が、波長域ＤB，ＤB′の透過率に近づいた透過スペクトル特性が得られた。
【００１７】
水素再拡散工程の条件を（３）１１０℃，９０分とした場合には、図２（ｃ）に示すように、波長域ＣA，ＣBの透過率が、波長域ＤB，ＤB′の透過率と同程度である透過スペクトル特性が得られた。
この結果、損失ピークＡ，Ｂの阻止率として、本来得られるべき阻止率ａ，ｂが得られた。損失ピークＡの中心波長λAは１６５０ｎｍで、阻止率は１０ｄＢであった。また、損失ピークＢの中心波長λBは１５５０ｎｍで、阻止率は１０ｄＢであった。
したがって、水素再拡散工程において、十分に水素の再拡散を行うことにより阻止率が低下するという問題を解決できることが確認できた。
【００１８】
ところで、計算では１１０℃，３０分の条件下で光ファイバを放置すれば水素の再拡散が十分行われるはずであったが、実際には理論値よりも長い時間がかかる結果となった。
したがって、２波長阻止型光ファイバグレーティングを作製するにおいては、水素再拡散工程の条件を予め実験的に求めておくと好ましい。この条件は、光ファイバのコア径や、第１の照射を行った際の紫外光照射条件によっても変化する。
また、光ファイバを１００〜１２０℃程度の温度条件下で放置すると光ファイバから水素の一部が脱離する傾向がある。このため、水素再拡散工程の時間が長すぎると、光ファイバのコア中の水素濃度が低くなり、紫外光を照射したときのコアの屈折率変化量が小さくなって、結果として阻止率が低下することがあるので注意が必要である。
上述のコア径１０μｍの光ファイバにおいては、再拡散工程の条件を１１０℃，９０分とすると、水素再拡散工程における水素の脱離に起因する阻止率の低下は小さく、実用的な２波長阻止型光ファイバグレーティングとして使用できる。
【００１９】
上述の実施例においては、紫外光照射の重複の有無と透過率の波長領域との対応を明確にするために、特定の周期スペクトルのチャープトピッチの位相マスクを介して紫外光を照射する方法によって第１のグレーティング部２０Ａと第２のグレーティング部２０Ｂを形成したが、この他一定周期で設けられたスリットを有するホトマスクを介して紫外光を照射する方法や、光ファイバの長さ方向に等間隔で順次紫外光を照射する方法などを用いてグレーティング部２０Ａと２０Ｂを形成することもできる。
また、本発明で用いる紫外光の波長は２００〜３００ｎｍ程度が好ましく、光源としてはＫｒＦレーザ（波長２４８ｎｍ）などが好適に用いられる。
【００２０】
２波長阻止型光ファイバグレーティングにおいて得られる透過スペクトルにおいて、２つの損失ピークのそれぞれの中心波長、阻止率、阻止帯域幅は、グレーティング部の屈折率変化量、グレーティングピッチ、グレーティング長、実効屈折率などによって変化する。
２波長阻止型光ファイバグレーティングの設計においては、所望の中心波長、阻止率、阻止帯域幅が得られるように、また２つの損失ピークが分離するようにこれらを調整する。屈折率変化量は紫外光のエネルギー密度、照射時間によって調節することができる。
また、図１に示したように第１のグレーティング部と第２のグレーティング部は、同じグレーティング長で全く重なるように設けることもできるし、図２に示したように、異なるグレーティング長で設けることも可能である。また、図２に示した例においては、第２のグレーティング部２０Ｂのグレーティング長が長くなっているが、逆に第１のグレーティング部２０Ａのグレーティング長を長く設計してもよい。
【００２１】
なお、この２波長阻止型光ファイバグレーティングには、放射型グレーティングを適用することもできるが、複数の損失ピークを十分分離するためには狭帯域における損失ピークが得られる反射型グレーティングとするのが好適である。この場合グレーティングピッチはチャープドピッチでも等間隔一定ピッチでもよいが、その範囲は０．５３〜０．５８μｍ程度とされる。
また、上述の２波長阻止型光ファイバグレーティングにおいては、グレーティング部を２種類形成し、透過スペクトルにおいて２つの損失ピークが得られるようにしたが、水素再拡散工程における水素の脱離が無視できる程度であれば、上述の水素再拡散工程から第２のグレーティング部形成工程を繰り返して、３種類以上のグレーティング部を形成し、透過スペクトルにおいて３種類以上の損失ピークが得られるようにすることもできる。
また、この実施例においては、光導波路として光ファイバを例にとって説明したが、基盤型の光導波路に対して適用できることは言うまでもない。
【００２２】
このように本発明においては、紫外光を照射してグレーティング部を形成した後に、水素再拡散工程を行って、さらに前記グレーティング部を含む部分に紫外光を照射して他のグレーティング部を形成する。このことによって、光ファイバの一箇所に２種類以上のグレーティング部を形成することができ、複数波長阻止型光ファイバグレーティングが得られるため、小型化を図ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、水素添加し処理した光導波路に紫外光を照射してグレーティング部を形成した後水素再拡散工程を行って、さらに前記グレーティング部を含む部分に紫外光を照射して他のグレーティング部を形成する。
すなわち、前記水素再拡散工程によって、紫外光にさらされた部分とされされていない部分の水素濃度を同程度とすることにより、再び紫外光を照射したときに十分なコアの屈折率の変化量が得られ、この結果阻止率の低下を低減することができるものである。
このことによって、光ファイバの一箇所に２種類以上のグレーティング部を形成することができ、複数波長阻止型光ファイバグレーティングが得られるため、小型化を図ることができる。
また、従来よりもグレーティング部の長さを短くすることができるので、光ファイバグレーティングを作製する場合に、光ファイバの被覆層の引き剥し操作に伴う光ファイバの引っ張り強度の低下がおこり難いという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の複数波長阻止型光ファイバ（光導波路）グレーティングの形成工程をコアの屈折率の変化で示したもので、図１（ａ）は、第１のグレーティング部形成後のコアの長さ方向におけるコアの屈折率の変化を示し、図１（ｂ）は第２のグレーティング部形成後のコアの長さ方向におけるコアの屈折率の変化を示したグラフである。
【図２】 実施例の２波長阻止型光ファイバグレーティングの水素再拡散工程の条件による透過スペクトルの変化を示したもので、図２（ａ）は２波長阻止型光ファイバグレーティングのコアの長さ方向におけるコアの屈折率分布を示したグラフであり、図２（ｂ）は、水素再拡散工程が不十分である場合の透過スペクトルを示したグラフであり、図２（ｃ）は、水素再拡散工程が十分に行われた場合の透過スペクトルを示したグラフである。
【図３】 光ファイバグレーティングの製造方法を示した説明図である。
【図４】 反射型グレーティングにおいて得られる狭帯域の損失ピークを有する透過スペクトルを模式的に示したグラフである。
【図５】 通常の光ファイバの２箇所にグレーティング部を作成した２波長阻止型光ファイバグレーティングの一例におけるコアの長さ方向のコアの屈折率の変化を示したグラフである。
【符号の説明】
２…光ファイバ、３…ホトマスク、３ａ…スリット、１０Ａ，２０Ａ…第１のグレーティング部、１０Ｂ，２０Ｂ…第２のグレーティング部

Claims (1)

1. コアが紫外光照射によって屈折率が変化する材料からなる光導波路を水素添加処理し、該光導波路に紫外光を照射してグレーティング部を形成するグレーティング部形成工程と、
   該光導波路を温度１００〜１２０℃、圧力約１００気圧で９０分間程度加熱する水素再拡散工程と、
   該光導波路の該グレーティング部を含む部分に紫外光を照射して、他のグレーティング部を形成する他のグレーティング部形成工程を有し、
   該他のグレーティング部形成工程を少なくとも１回以上行って、１種類以上の他のグレーティング部を形成することを特徴とする複数波長阻止型光導波路グレーティングの製造方法。

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