JP4547460B2 - 光ファイバグレーティング作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、光情報通信分野、光計測分野等において用いられる光ファイバグレーティングの作製に採用して好適な光ファイバグレーティング作製方法に関する。

従来、光ファイバグレーティング作製方法として、石英製の位相マスクを通して紫外光を光ファイバに照射し、光ファイバ中に周期的な屈折率変化を作り込む方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、光ファイバを紫外線透過型樹脂で被覆し、被覆の上から石英製の位相マスクを通して紫外光を照射することによりグレーティングを作製する方法も提案されている（例えば特許文献２、特許文献３参照）。

特許第２９２９５６９号公報 特開２００１−２８１４７２号公報 特開２００２−８２２３４号公報

石英製の位相マスクを通して紫外光を照射することによりグレーティングを作製する位相マスク法においては、露光中に位相マスクと光ファイバの位置がずれてしまうと、周期的な屈折率変化のコントラストが悪くなり、グレーティング特性悪化の原因となる。

例えば、光通信で最も良く用いられる１５５０ｎｍ帯で反射するグレーティングを作製するためには、周期０．５ミクロン程度のグレーティングが必要であり、安定して露光するためには数十ナノメータオーダーでの位置制御が必要となる。

このため、特開２００３−２９０５７号公報に示すように、光ファイバを特別な装置により固定するなどの対策が必要とされていた。また、周囲の振動や温度変化などでも位相マスクと光ファイバの位置関係が変化してしまうため、振動抑制や温度管理などの対策が必要であった。

また、位相マスク法による干渉露光の場合、位相マスクと光ファイバを数十ミクロンから数百ミクロンの至近距離におく必要があり、精度の良い位置調整が必要であった。

さらに、位相マスクと光ファイバの距離が近いため、露光時のレーザ照射により光ファイバ表面の汚れや異物が位相マスクに付着してしまい、位相マスクの特性が劣化するという問題もあった。特に、光ファイバを紫外線透過型樹脂で被覆した場合、露光時の被覆樹脂による位相マスク劣化が量産の妨げとなっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、振動対策や温度管理などがいらない簡便で確実な光ファイバグレーティング作製方法を提供することにある。

本発明の光ファイバグレーティング作製方法は、光ファイバの通常の紫外線硬化樹脂からなる被覆の一部を取り除き、この取り除いた部分を熱可塑性紫外線透過樹脂で被覆する第１工程と、前記部分を被覆した前記熱可塑性紫外線透過樹脂を、該熱可塑性紫外線透過樹脂の軟化温度以上分解温度以下の温度で加熱して軟化させる第２工程と、軟化している前記熱可塑性紫外線透過樹脂上に位相変調パターン型を押し付ける第３工程と、前記位相変調パターン型を押し付けている前記熱可塑性紫外線透過樹脂を冷却して硬化させ、硬化した前記熱可塑性紫外線透過樹脂上から前記位相変調パターン型を取り外す第４工程と、前記位相変調パターン型を取り外すことにより前記熱可塑性紫外線透過樹脂上に転写された位相変調パターンを介して、紫外光レーザを、前記光ファイバを動かしながら該光ファイバ内のコアに照射してグレーティングを形成する第５工程とを有することを特徴とする。

また、本発明の光ファイバグレーティング作製方法は、前記第１工程、前記第２工程、前記第５工程の、いずれかの工程の前工程として、前記光ファイバ中に水素又は重水素を拡散する工程を有することを特徴とする。

本発明の光ファイバグレーティング作製方法によれば、光ファイバの周囲を被覆する熱可塑性紫外線透過樹脂に位相変調パターンを転写し、転写された位相変調パターンを通してレーザを光ファイバに照射するので、振動対策や温度管理なども行わずに、簡便で確実に光ファイバグレーティングを作製することができる。

本発明の光ファイバグレーティング作製方法の実施例１における作製手順を示すフローチャートである。 本発明の光ファイバグレーティング作製方法の実施例１における作製手順を説明する概略図である。 本発明の光ファイバグレーティング作製方法の実施例２における作製手順を示すフローチャートである。 本発明の光ファイバグレーティング作製方法の実施例３における作製手順を示すフローチャートである。 本発明の光ファイバグレーティング作製方法の実施例４における作製手順を示すフローチャートである。 本発明の光ファイバグレーティング作製方法の実施例４で使用した線引き装置の構成を示す概略図である。 本発明の光ファイバグレーティング作製装置の実施例５の構成を示す概略図である。 本発明の光ファイバグレーティング作製装置の実施例６の構成を示す概略図である。 図８に示した光ファイバグレーティング作製装置による光ファイバグレーティング作製手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（実施例１）
本発明の光ファイバグレーティング作製方法の実施例１を図１に示すフローチャート及び図２に基づいて説明する。

まずステップＳ１１０では、図２（ａ）に示すように、例えばフッ素系樹脂などからなる熱可塑性紫外線透過樹脂１１で光ファイバ１の周囲を被覆（コーティング）する。

ここで、コートの方法としては、通常の紫外線硬化樹脂で被覆した光ファイバの一部の被覆を取り除き、その部分に熱可塑性紫外線透過樹脂をコートする方法（リコート法）と、光ファイバを母材から線引きする際にコートする方法とがある。

母材からの線引時にコートする方法は、露光時に被覆を除去する必要が無いため光ファイバの破断強度が劣化しにくい利点がある。また、被覆除去工程およびリコート工程を必要としないため工数削減につながり安価な光ファイバグレーティングの作製が可能となる。

一方、リコート法では一部のみ熱可塑性紫外線透過樹脂を使用するため通常の光ファイバが利用できる利点がある。

次に、ステップＳ１２０では、図２（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、被覆した熱可塑性紫外線透過樹脂１１が軟化する温度まで被覆部分を加熱する。ここで、温度は熱可塑性紫外線透過樹脂１１の軟化温度以上分解温度以下（１００℃〜２００℃程度）にする必要がある。加熱は、光ファイバ１の軟化加熱部分１４を、Ｖ溝を有するヒータ２のＶ溝に載せて行う。なお、軟化状態とは次の工程で位相変調パターンの転写ができる程度に軟らかい状態をいう。

次に、ステップＳ１３０では、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、軟化加熱部分１４に位相変調パターン型３を押し付ける。位相変調パターン型３としては、従来の石英製位相マスクが転用可能であるが、通常の露光と違い石英のようには紫外光を透過する必要がないため石英以外の材料（例えばシリコンなど）を使用してもよい。

次に、ステップＳ１４０、ステップＳ１５０では、図２（ｅ）に示すように、必要に応じて軟化加熱部分１４を硬化温度まで冷却し位相変調パターン型３を外す。高温で熱可塑性紫外線透過樹脂１１があまりにも軟らかい状態で位相変調パターン型３を外すと、位相変調パターン型３の溝に樹脂が残ってしまい位相変調パターンの転写ができないためである。

次に、ステップＳ１６０では、図２（ｇ）に示すように、転写した位相変調パターン部１５を通して紫外光レーザ４を光ファイバ１に照射する。紫外光レーザ４は位相変調パターンが刻まれた側から照射する。レーザとしては、エキシマレーザ、アルゴンレーザの第二高調波、銅蒸気レーザの第二高調波、ＹＡＧレーザの４倍波などが使用できる。

位相変調パターン部１５を通過した紫外光レーザ４は、回折され±１次光５に分離されるが、図２（ｇ）に示すように、その±１次光５が重なりあうところでは干渉縞により紫外光の周期的なパターンが生じる。そして紫外光レーザ４の強度分布に対応して光ファイバ１のコア１２の屈折率が周期的に上昇し、図２（ｈ）に示すように、光ファイバ１のコア１２中にグレーティング１６が完成する。

なお、使用する光ファイバ１は、紫外光に対し光感受性があればよいが、光感受性は高い方が望ましいので、例えばステップＳ１１０の前、ステップＳ１１０とステップＳ１２０の間、ステップＳ１５０とステップＳ１６０の間などの露光前の段階で、光ファイバ１中に水素あるいは重水素を拡散させる水素処理をする工程を入れることにより光ファイバ１の特性の改善が得られる。

露光時に使用する紫外光レーザ４の波長λと、熱可塑性紫外線透過樹脂１１の屈折率ｎを用いると、図２（ｆ）に示す位相変調パターン転写後の溝深さｄが、
ｄ＝λ/（２（ｎ−１）） （数式１）
を満たすような位相変調パターン型３を使用すると、図２（ｇ）に示す０次光６の回折効率を小さくすることができる。０次光６を小さくすると±１次光５が強くなり、効率良くグレーティング１６を作製できるため望ましい。ただし、０次光６が存在しても、±１次光５があればグレーティング１６は作製できるため、この条件は必ずしも満たす必要はない。

本実施例によれば、光ファイバ１と位相変調パターン部１５が一体となっているため、露光時に位相マスクを使用する必要がなく、周囲の振動や温度変化の影響を受けないため振動対策や温度管理などが必要ない。また、位相マスクと光ファイバの距離を制御する必要もない。

また、露光時に被覆を剥く必要がないので、光ファイバの強度劣化がない。

（実施例２）
次に、本発明の光ファイバグレーティング作製方法の実施例２を図３に示すフローチャートに基づいて説明する。

本実施例ではリコート法を採用した。まずステップＳ３１０では、シングルモード光ファイバ（フジクラ製：商品名Ｆｕｔｕｒｅ Ｇｕｉｄｅ（登録商標）−ＳＭ）の被覆を５ｃｍ除去し、紫外光透過型フッ素樹脂を被覆除去部にコートした。コートの方法は、紫外光透過型フッ素樹脂を溶媒にとかした溶液を用いダイス方式にてコートした。その後、溶媒を完全に揮発させフッ素樹脂を硬化させるために、リコート部を２００℃で１０分間加熱した。リコート部分の外径は１６０μｍであった。

使用した紫外光透過型フッ素樹脂の引張弾性率は１０００ＭＰａで、樹脂分解温度は３９０℃である。

次に、ステップＳ３２０では、ステップＳ３１０でコートした部分を１２０℃に加熱し、紫外光透過型フッ素樹脂を軟化させた。加熱には電熱ヒータを用いた。

次に、ステップＳ３３０では、ステップＳ３２０で加熱し軟化している被覆部分に位相変調パターン型を押し付けた。位相変調パターン型としては石英製の位相マスクを使用した。この位相マスクは、長さ３０ｍｍにわたり、周期１．０６μｍ、溝深さ２７０ｎｍの位相変調パターンが刻まれたマスクである。

その後、ステップＳ３４０では、コート部分が硬化温度まで低下するまで待ち、ステップＳ３５０では位相変調パターン型を取り外した。加熱部分が外径１６０μｍと細く熱容量も小さいため、約５秒程度で室温まで低下した。使用したフッ素樹脂の破壊伸度は１４０％以上であり、破断強度も２０ＭＰａと大きいため、樹脂が破断して位相マスク溝に残ることなく樹脂部に位相パターンが転写された。

その後、ステップＳ３６０では、光ファイバ被覆部分の位相変調パターン転写側からアルゴンイオンレーザの第二高調波（波長２４４ｎｍ）を照射し、被覆表面の位相変調パターンによる回折により光ファイバ中にグレーティングを書き込んだ。使用したレーザの照射部分でのパワー密度は２００ｍＷ／ｍｍ²であり、直径約０．５ｍｍのレーザスポットを位相変調パターン転写部３０ｍｍに渡って移動させ、長さ３０ｍｍのグレーティングとした。これにより、反射率０．１％、中心波長１５４３ｎｍのグレーティングの作製に成功した。

（実施例３）
次に、本発明の光ファイバグレーティング作製方法の実施例３を図４に示すフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ４１０では、シングルモード光ファイバ（フジクラ製：商品名Ｆｕｔｕｒｅ Ｇｕｉｄｅ（登録商標）−ＳＭ）を５５℃、３０ＭＰａの水素雰囲気中に５日間放置し、光ファイバコア部分にまで十分水素を拡散させた。

その後、ステップＳ４２０〜Ｓ４７０では、実施例２のステップＳ３１０〜Ｓ３６０と同様の処理を行い、グレーティングを形成した。

その後、ステップＳ４８０では、被覆部分を含む光ファイバを１２０℃で１２時間加熱し、ステップＳ４１０で光ファイバ中に拡散させた水素を大気中に再拡散させ、光ファイバ中の水素濃度を低減させた。これにより、反射率９９％、中心波長１５４５ｎｍのグレーティングの作製に成功した。

（実施例４）
次に、本発明の光ファイバグレーティング作製方法の実施例４を図５に示すフローチャート及び図６に基づいて説明する。

まず、ステップＳ５１０では、光ファイバの母材を線引きによりファイバ化する際の被覆層として紫外線透過型のフッ素樹脂を光ファイバにコートした。

ここで、線引き方法について、図６に示す線引き装置を参照して線引き方法を説明する。光ファイバ母材７１を徐々に一定速度で炉心管７２内に送り込み、先端を加熱溶融して線引きして得られた光ファイバ７９を冷却部７４で冷却して固化させ、熱可塑性紫外線透過樹脂槽７５で表面にフッ素樹脂をコートし、溶媒を完全に揮発させて硬化させるために、線引き中に加熱部７６で、３００℃で１０秒間加熱した。そして、硬化した光ファイバ７９は引取機７７を経て巻き取りボビン７８で巻き取った。光ファイバ７９のリコート部分の外径は１８０μｍであった。

光ファイバの屈折率分布および添加物はシングルモード光ファイバ（フジクラ製：商品名Ｆｕｔｕｒｅ Ｇｕｉｄｅ（登録商標）−ＳＭ）と同等であり、使用したフッ素樹脂の引張弾性率は１０００ＭＰａ、樹脂分解温度は３９０℃である。

次に、ステップＳ５２０では、ステップＳ５１０で作製した光ファイバを５５℃、３０ＭＰａの水素雰囲気中に５日間放置し、光ファイバコア部分にまで十分水素を拡散させた。

その後、ステップＳ５３０〜Ｓ５８０では、実施例３のステップＳ４３０〜Ｓ４８０と同様の処理を行った。これにより、反射率９９％、中心波長１５４５ｎｍのグレーティングの作製に成功した。

（実施例５）
次に、本発明の光ファイバグレーティング作製装置の実施例５を図７に基づいて説明する。

図７は本発明の光ファイバグレーティング作製装置の実施例５の構成を示すもので、熱可塑性紫外線透過樹脂で被覆された光ファイバ８１をドラムを回転させて送り出す光ファイバ送り出し部８２と、Ｖ溝を有するヒータ８３と、光ファイバ８１に書き込むグレーティングの周期に対応した周期的な溝が刻まれた位相変調パターン型８４と、レーザを発生するレーザ発生部８５と、このレーザ発生部８５から出射されたレーザを直角方向に反射するミラー８６と、レーザの照射を受けてグレーティングが書き込まれた光ファイバ８１をドラムを回転させて巻き取る光ファイバ巻き取り部８８とを備えている。

ここで、本実施例の光ファイバグレーティング作製装置の基本動作を説明する。光ファイバ送り出し部８２は熱可塑性紫外線透過樹脂で被覆された光ファイバ８１をドラムから送り出す。ヒータ８３は光ファイバ８１をＶ溝に載せ、光ファイバ８１を被覆する熱可塑性紫外線透過樹脂が軟化する温度まで被覆部分を加熱する。

また、位相変調パターン型８４は軟化した加熱部分に押し付けられ、熱可塑性紫外線透過樹脂に位相変調パターンを転写する。

一方、レーザ発生部８５はミラー８６に向けてレーザを発生する。ミラー８６はレーザを直角方向に反射し、光ファイバ８１のグレーティングを書き込む部分にレーザを照射する。

光ファイバ巻き取り部８８は、レーザの照射を受けてグレーティングが書き込まれた光ファイバ８１をドラムに巻き取る。

本実施例によると、光ファイバ８１の周囲を被覆する熱可塑性紫外線透過樹脂に位相変調パターンが転写されるので、露光中に光ファイバ８１が動いたり振動したりしても光ファイバ中の干渉パターンがずれることがなく、振動対策や温度管理なども行わずに、簡便で確実に光ファイバグレーティングを作製することができる。

また、光ファイバ８１を動かしながらでも露光することができるため連続流れ露光が可能となり、光ファイバグレーティング作製作業の効率化を図ることができる。

（実施例６）
次に、本発明の光ファイバグレーティング作製装置及び作製方法の実施例６を図８及び図９に基づいて説明する。

図８は本発明の光ファイバグレーティング作製装置の実施例６の構成を示すもので、光ファイバ母材９１を溶融して線引きし光ファイバ９２を送り出す炉心管９３と、炉心管９３を加熱する炉心管加熱部９４と、線引きされた光ファイバ９２を冷却する冷却部９５と、光ファイバ９２の周囲に熱可塑性紫外線透過樹脂の被覆を施す熱可塑性紫外線透過樹脂槽９６と、光ファイバ９２の周囲を被覆する前記熱可塑性紫外線透過樹脂を加熱して硬化させる第１の加熱部９７と、硬化した前記熱可塑性紫外線透過樹脂を加熱して軟化させる第２の加熱部９８と、光ファイバ９２に書き込むグレーティングの周期に対応した周期的な溝からなる位相変調パターンが周面に刻まれた円筒形のパターンローラー９９と、パターンローラー９９の周面と平行に対向する周面を有し、前記軟化した熱可塑性紫外線透過樹脂に位相変調パターンを転写するように加圧する円筒形の加圧ローラー１００と、レーザを発生するレーザ発生部１０１と、レーザ発生部１０１から出射されたレーザを直角方向に反射するミラー１０２と、光ファイバ９２を引取る引取機１０４と、ドラムを回転させて光ファイバ９２を巻き取る光ファイバ巻き取り部１０５とを備える。

ここで、本実施例の光ファイバグレーティング作製装置による光ファイバグレーティング作製方法を図８に示す構成図及び図９に示すフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ９１０では、炉心管加熱部９４によって加熱された炉心管９３は光ファイバ母材９１を溶融して線引きし光ファイバ９２を送り出す。冷却部９５は線引きされた光ファイバ９２を冷却して固化する。

次に、ステップＳ９２０では、熱可塑性紫外線透過樹脂槽９６は光ファイバ９２の周囲に熱可塑性紫外線透過樹脂の被覆を施し、第１の加熱部９７は熱可塑性紫外線透過樹脂を加熱して溶媒を完全に揮発させて硬化させる。その後、ステップＳ９３０では、第２の加熱部９８はさらに熱可塑性紫外線透過樹脂を加熱して軟化させる。

その後、ステップＳ９４０では、光ファイバ９２はパターンローラー９９の周面と加圧ローラー１００の周面との隙間を通過し、パターンローラー９９の周面に刻まれた位相変調パターンに光ファイバ９２が押し付けられることにより、軟化した前記熱可塑性紫外線透過樹脂に位相変調パターンが転写される。

そして、ステップＳ９５０では、レーザ発生部１０１はレーザを発生し、ミラー１０２はレーザを直角方向に反射して光ファイバ９２のグレーティングを書き込む部分に照射する。

そして、レーザの照射を受けてグレーティングが書き込まれた光ファイバ９２は引取機１０４を経て光ファイバ巻き取り部１０５のドラムに巻き取られる。

本実施例によると、光ファイバ９２の線引きとグレーティング形成とを一つの装置で行えるので、光ファイバグレーティング作製作業の効率化を図ることができる。

１，７９，８１，９２ 光ファイバ
１１ 熱可塑性紫外線透過樹脂
１２ コア
１３ クラッド
１４ 軟化加熱部分
１５ 位相変調パターン部
１６ グレーティング
２，８３ ヒータ
３，８４ 位相変調パターン型
４ 紫外光レーザ
５ ±１次光
６ ０次光
７１，９１ 光ファイバ母材
７２，９３ 炉心管
７３，９４ 炉心管加熱部
７４，９５ 冷却部
７５，９６ 熱可塑性紫外線透過樹脂槽
７６ 加熱部
７７，１０４ 引取機
７８ 巻き取りボビン
８２ 光ファイバ送り出し部
８５，１０１ レーザ発生部
８６，１０２ ミラー
８８，１０５ 光ファイバ巻き取り部
９７ 第１の加熱部
９８ 第２の加熱部
９９ パターンローラー
１００ 加圧ローラー

Claims (2)

1. 光ファイバの通常の紫外線硬化樹脂からなる被覆の一部を取り除き、この取り除いた部分を熱可塑性紫外線透過樹脂で被覆する第１工程と、
   前記部分を被覆した前記熱可塑性紫外線透過樹脂を、該熱可塑性紫外線透過樹脂の軟化温度以上分解温度以下の温度で加熱して軟化させる第２工程と、
   軟化している前記熱可塑性紫外線透過樹脂上に位相変調パターン型を押し付ける第３工程と、
   前記位相変調パターン型を押し付けている前記熱可塑性紫外線透過樹脂を冷却して硬化させ、硬化した前記熱可塑性紫外線透過樹脂上から前記位相変調パターン型を取り外す第４工程と、
   前記位相変調パターン型を取り外すことにより前記熱可塑性紫外線透過樹脂上に転写された位相変調パターンを介して、紫外光レーザを、前記光ファイバを動かしながら該光ファイバ内のコアに照射してグレーティングを形成する第５工程と、
   を有することを特徴とする光ファイバグレーティング作製方法。
2. 前記第１工程、前記第２工程、前記第５工程の、いずれかの工程の前工程として、前記光ファイバ中に水素又は重水素を拡散する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバグレーティング作製方法。

Images