JP4741069B2 - 光ファイバグレーティング - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報通信分野で用いられる光アンプの利得等化器などとして利用されている光ファイバグレーティングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバグレーティングは、コアとその外周上に設けられたクラッドとを備えた光ファイバの長さ方向にそって、前記コアまたはクラッドの少なくとも一部に例えば屈折率の周期的な変化などを形成したグレーティング部を備えているものである。例えばゲルマニウム添加石英ガラスに波長２４０ｎｍ付近の紫外線を照射すると、屈折率が上昇するフォトリフラクティブ効果を利用して製造することができる。この製造方法によって製造したグレーティングを紫外線誘起型とよぶ。
そして、利得等化器などに主に用いられている長周期型光ファイバグレーティングは、コアをその入射方向と同方向に伝搬するモード（以下、導波モードという）と、コアの外周上に設けられたクラッドを同方向に伝搬するクラッドモードとを結合させることによって、所定の波長帯の光を損失させる特性を備えている。一般的な長周期型光ファイバグレーティング、すなわち均一なグレーティング間隔を備えた長周期型光ファイバグレーティングひとつで得られる損失の波長依存性（波長と損失との関係）を示したグラフにおいて、得られる損失ピークは単峰型である。
【０００３】
一方、利得等化器などにおいては、複雑な損失特性（損失の波長依存性）、すなわち利得等化特性を要求される場合がある。そのため、以下のようなデバイスが用いられている。
（１）直列接続型デバイス：複数の光ファイバグレーティングを直接、直列接続して、それぞれの損失特性を併せ持つデバイスとしたもの。各光ファイバグレーティングの損失特性の和がこのデバイスの損失特性となる。
図５はこのデバイスの構成の一例を示したもので、このデバイス１は、第１の光ファイバグレーティング２と第２の光ファイバグレーティング３とがピグテイルファイバ５を介して接続され、第２の光ファイバグレーティング３と第３の光ファイバグレーティング４とがピグテイルファイバ６を介して接続され、さらにこれらがケース７に収められて形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記（１）においては、デバイスのサイズが大きくなるという問題があった。
すなわち、図５に示したように第１の光ファイバグレーティング２において、導波モードと結合したクラッドモードがピグテイルファイバ５を伝搬し、光ファイバグレーティング３に入射するまでの間に消失しなければ、このクラッドモードが第２の光ファイバグレーティング３の特性に影響を与え、所望の損失特性が得られない。第２の光ファイバグレーティング３と第３の光ファイバグレーティング４との間においても同様である。
【０００５】
したがって、このデバイス１においては、ピグテイルファイバ５、６を長くして、ピグテイルファイバ５、６を伝搬中にクラッドモードを十分に減衰させる必要があった。その結果、図５に示したように、ケース７においては、第１ないし第３の光ファイバグレーティング２、３、４を収めるスペースのみならず、ピグテイルファイバ５、６を巻き回して収めるスペースが必要であった。これは、高密度化、デバイスやモジュールの小型化などにおいて不利であった。
また、独立した第１ないし第３の光ファイバグレーティング２、３、４をピグテイルファイバ５、６を介して接続する結果、総ファイバ長が長くなる。したがって、特に第１ないし第３の光ファイバグレーティング２、３、４との接続損失が小さな光ファイバを用いるピグテイルファイバ５、６の伝送損失が大きいと、デバイスの過剰損失が増加するという問題があった。
【０００６】
そこで、小型化を図れるものとして、以下のようなものが提案された。
（２）位相シフト型光ファイバグレーティング：単一の光ファイバグレーティングからなる広帯域利得等化器であって、グレーティング部内の一箇所または複数箇所において、例えば屈折率変化の周期などのいわゆるグレーティング周期が変更されており、その結果、位相のシフトを行うものである。そして、そのシフト量や位相シフトを導入する位置、グレーティングの総段数を変化させることによって、単一の光ファイバグレーティングまたは複数の通常の光ファイバグレーティングを組み合わせた場合と比較して、複雑な損失特性を実現することができる。
（３）クラッドモード変更型デバイス（特開平１１−３２６６６８号公報に開示）：単一デバイス上に複数のグレーティング部が形成され、それぞれのグレーティング部において、導波モードと結合させるクラッドモード（クラッドモードの次数）が異なるデバイスである。クラッドモードの次数を異なるものにすることによって、グレーティング部間のクラッドモードの干渉を低減し、各グレーティング部の損失特性の和に近い損失特性が得られる。
【０００７】
しかしながら、前記（２）の位相シフト型は、損失特性が位相シフト量に対して非常に敏感であるという欠点があった。
特に、紫外線誘起型のものを製造するにおいては、光学特性の長期安定性を確保するために加熱エージング工程が必須である。そして、この工程中に屈折率が変化し、この変化に伴って位相シフト量が変化してしまう可能性がある。その結果、損失特性が大きく変動し、安定な製造が困難であるという問題があった。
また、グレーティング部内において、位相シフトはその位置が離散的にしか選択することができないため、設計の自由度が低いという欠点があった。
【０００８】
前記（３）のクラッドモード変更型においては、前記（１）と比較すると小型化を図ることができ、前記（２）と比較すると安定な製造が可能である。しかしながら、実際には、グレーティング部は、相互にわずかずつ光学特性に影響を及ぼし、全体として無視できないほどの干渉の影響が生じる場合がある。したがって、設計どおりの損失特性が得られず、実験的に補正する処置が必要となる場合があり、製造効率が低下するという問題があった。
また、グレーティング部毎に導波モードと結合させるクラッドモードを変更して設計するため、クラッドモードの選択の幅が限定され、その結果、設計条件が限定されるという問題があった。すなわち、例えば、特に損失させる波長帯域が広い場合、モード結合によって生じる損失ピークの近傍に、別のクラッドモードとの結合による損失ピークを生じ、不都合となる場合があった。
【０００９】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、複雑な損失特性を容易に実現できるデバイスを提供することを課題とする。
そして、この特性を備えた上で、以下に示す少なくともひとつの課題を解決するデバイスを提供することを課題とする。
小型化を図ることができるデバイスを提供する。
過剰損失の小さいデバイスを提供する。
安定に製造することができるデバイスを提供する。
設計が容易なデバイスを提供する。
製造後に実験的に特性を補正する必要が生じないデバイスを提供する。
設計の自由度が高いデバイスを提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の光ファイバグレーティングは、コアとその外周上に設けられたクラッドとを備え、該コアを入射方向と同方向に伝搬する導波モードと、該導波モードと同方向に伝搬するクラッドモードとを結合させて損失させる特性を備えた同じ外径と屈折率分布を備えた複数の材料ファイバに形成された、それぞれ損失特性が異なる複数のグレーティング部が、コアとその外周上に設けられたクラッドとを備え、該クラッドにクラッドモードを吸収するドーパントが添加されたそれぞれ前記材料ファイバと同じ外径と屈折率を備えた複数のクラッドモード吸収部を介して接続されており、前記クラッドモード吸収部の長さは２〜１０ｍｍであり、該クラッドモード吸収部において、クラッドモードが３０ｄＢ以上減衰するものであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の光ファイバグレーティングの一例を示したもので、この光ファイバグレーティング１１は、第１のグレーティング部１２と第２のグレーティング部１３と第３のグレーティング部１４とが、その長さ方向と平行に一列に配列され、かつ、この第１のグレーティング部１２と第２のグレーティング部１３とがクラッドモード吸収部１５を介して接続され、この第２のグレーティング部１３と前記第３のグレーティング部１４とがクラッドモード吸収部１６を介して接続されている。そして、これらがひとつのケース１７に収められて構成されている。
【００１２】
この例において、第１のグレーティング部１２、第２のグレーティング部１３、第３のグレーティング部１４は、同じ外径と屈折率分布を備えた３本の材料ファイバに、それぞれ損失特性が異なるグレーティング部を形成したものである。
例えば、第１のグレーティング部１２は、コア１２ａがゲルマニウム添加石英ガラスからなり、その外周上に設けられたクラッド１２ａが純粋石英ガラスからなる材料ファイバに、その長さ方向にそって、所定の周期で波長２４０ｎｍ付近の紫外線を照射することによって形成したものである。
第２のグレーティング部１３、第３のグレーティング部１４においても同様である。
【００１３】
なお、ゲルマニウムは上述のようにフォトリフラクティブ効果を生じる他、添加するのみで屈折率を上昇させる作用を備えているため、コア１２ａの屈折率の調整のために通常添加されているものである。
第１ないし第３のグレーティング部１２、１３、１４の損失特性は、グレーティング周期、グレーティング数（段数）、屈折率変化量などによって変更することができる。
なお、この例においてはコアの屈折率を変化させているが、設計条件によっては、少なくともコアの一部またはクラッドの一部の一方または両方の屈折率を変化させたグレーティング部を形成することもできる。
【００１４】
この例において、クラッドモード吸収部１５、１６は、第１ないし第３のグレーティング部１２、１３、１４と等しい外径を備え、かつモードフィールド径が等しくなるように屈折率分布が調整されたものである。なお、シングルモード光ファイバはコアと光が伝搬する領域とが同一ではなく、この光が伝搬する領域をモードフィールド径という。シングルモード光ファイバの接続は光の強度分布のパターンによって決定されるため、接続損失の観点において、モードフィールド径は重要なパラメータである。
よって、第１ないし第３のグレーティング部１２、１３、１４と同じ外径と屈折率分布の光ファイバを用いることにより、接続損失を低下させることができる。
クラッドモード吸収部１５はコア１５ａとその外周上に設けられたクラッド１５ｂとからなり、クラッド１５ｂにクラッドモードを吸収するドーパントが添加されている。なお、コア１５ａは例えばゲルマニウム添加石英ガラスから構成されている。
クラッドモード吸収部１６も同様であって、コア１６ａとクラッド１６ｂとからなり、クラッド１６ｂにクラッドモードを吸収するドーパントが添加されている。
【００１５】
クラッドモードを吸収するドーパントとしては、例えばＣｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、Ｃｕなどの遷移金属などを例示することができる。これら例示したドーパントは波長９００〜１６００ｎｍ付近にかけてなだらかな吸収特性を示す。したがって、この波長帯内で通信を行う用途に用いることができ、一般的な光通信システムであれば十分に適用できる。また、１．５５μｍ帯において通信を行う用途に用いる場合には、１．５４μｍ付近に吸収帯を備えた希土類元素であるＥｒなどを用いることもできる。
【００１６】
図２はクラッドモード吸収部１５、１６のクラッド１５ｂ、１６ｂに添加するドーパントの１．５５μｍ帯における透過特性を示したグラフである。Ｃｏの濃度は３００００ｐｐｍ、１５０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍである。
このグラフより、Ｃｏ濃度が高くなる程、またクラッドモード吸収部１５、１６の長さが長くなる程、透過損失が増加している。
クラッドモード吸収部１５、１６においては、それぞれクラッドモードが３０ｄＢ以上、好ましくは４０ｄＢ以上、実質的には５０ｄＢ程度減衰するように、そのドーパントの添加量と長さを調整すると好ましい。３０ｄＢ未満の場合は十分にクラッドモードを減衰させることができず、第１のグレーティング部１２の特性が第２のグレーティング部１３の特性に影響し、また第２のグレーティング部１３の特性が第３のグレーティング部１４の特性に影響するため不都合である。
【００１７】
なお、クラッドモード吸収部１５、１６の長さは好ましくは２〜１０ｍｍ、さらに好ましくは４〜７ｍｍとされる。２ｍｍ未満ではクラッドモードを十分に抑制することができない場合があり、また１０ｍｍをこえると十分に小型化できなくなったり、過剰損失が大きくなるため、不都合となる場合がある。
また、クラッド１５ｂ、１６ｂに添加するクラッドモードを吸収するドーパントの濃度は特に限定せず、ドーパントの種類やクラッドモード吸収部１５、１６の長さなどによって適宜調整すると好ましい。Ｃｏの場合は例えば５０００〜５００００ｐｐｍ、好ましくは１００００〜３００００ｐｐｍとされる。５０００ｐｐｍ未満では十分にクラッドモードを吸収することができない場合があり、５００００ｐｐｍをこえると材料ファイバ自体を安定に製造することが困難となる。
なお、図２に示したグラフより、例えばＣｏの濃度が１５０００ｐｐｍで、長さ５ｍｍのクラッドモード吸収部１５、１６を用いれば、クラッドモードを３０ｄＢ以上減衰させることができる。このように短い長さであっても効果が得られるため、デバイスを小型化することができ、かつピグテイルファイバ１８、１８の伝送損失に起因する過剰損失も小さくなる。
【００１８】
なお、第１ないし第３のグレーティング部１２、１３、１４とクラッドモード吸収部１５、１６との接続においては、単にこれらの端面を研磨し、突き合わせて接続することもできるし、融着接続などの他の公知の方法によって接続することもできる。
また、第１のグレーティング部１２の片端と、第３のグレーティング部１４の片端に接続され、ケース１７から外部に延びるピグテイルファイバ１８、１８の外周上には、通常プラスチックからなる保護被覆層（図示せず）が設けられている。また、ケース１７は、例えば金属、ガラス、またはセラミックスなどからなる公知のものを用いることができる。
【００１９】
この光ファイバグレーティング１１においては、第１のグレーティング部１２に入射した導波モードのうち、所定の波長帯の導波モードがクラッドモードに結合し、損失する。そして、このクラッドモードはクラッドモード吸収部１５において、クラッド１５ｂに吸収されることによって減衰する。そして、他の導波モードはクラッドモード吸収部１５を経て第２のグレーティング部１３に至り、ここで、さらに所定の波長帯の導波モードがクラッドモードに結合し、このクラッドモードがクラッドモード吸収部１６のクラッド１６ｂに吸収されることによって減衰する。そして、クラッドモードと結合しなかった導波モードはさらに第３のグレーティング部１４に至り、所定の波長帯の導波モードがクラッドモードに結合し、他の導波モードが第３のグレーティング部１４の出射端から出射する。
そして、第１ないし第３のグレーティング部１２、１３、１４の損失特性の和にほぼ等しい損失特性を備えた出射光が得られる。
【００２０】
このように本発明の光ファイバグレーティングにおいては、損失特性の異なる第１ないし第３のグレーティング部１２、１３、１４の組み合わせにより、複雑な損失特性を実現することができる。
そして、これら第１ないし第３のグレーティング部１２、１３、１４の間にクラッドモード吸収部１５、１６を設けることにより、第１のグレーティング部１２において、導波モードと結合したクラッドモードを、クラッドモード吸収部１５において十分に減衰させることができる。したがって、必要な導波モードのみを第２のグレーティング部１３に導くことができ、前記クラッドモードの影響を抑制することができる。そして、同様に、クラッドモード吸収部１６において、第２のグレーティング部１３において、導波モードと結合したクラッドモードを十分に減衰させることができる。したがって、必要な導波モードのみを第３のグレーティング部１４に導くことができ、前記クラッドモードの影響を抑制することができる
【００２１】
また、第１ないし第３のグレーティング部１２、１３、１４の相互間の影響が少ないため、この光ファイバグレーティングの損失特性は、これら第１ないし第３のグレーティング部１２、１３、１４の損失特性の和と近いものとなり、設計が容易となり、また、製造後に実験的に特性を補正する必要が生じにくい。
また、第１ないし第３のグレーティング部１２、１３、１４の損失特性が製造時に大きく変化することがないため、安定に製造することができる。
また、従来技術で示したようなクラッドモードの次数などの制限がないため、比較的設計の自由度が高くなる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例を示して詳しく説明する。
材料ファィバである３本の株式会社フジクラ製１.３μｍ単一モードファィバに、ＵＶレーザ光源にＫｒＦエキシマレーザを使用して、損失特性の異なる紫外線誘起型の第１ないし第３のグレーティング部をそれぞれ形成した。なお、この材料ファイバはコアがゲルマニウム添加石英ガラスからなり、クラッドが純粋石英ガラスからなるステップ型の屈折率分布を備えたもので、その外径は１２５μｍであった。
表１にそれぞれのグレーティング周期およびグレーティング数（段数）を示した。なお、これら第１ないし第３のグレーティング部においては導波モード（ＬＰ０１モード）を、クラッドモード（ＬＰ０８モード）と結合させるように設計した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
図３は、これら第１ないし第３のグレーティング部の損失特性の測定値を示したグラフである。このグラフには、さらに第１ないし第３のグレーティング部の損失特性の測定値の和の計算値が示されている。一方、目標特性値とはこれら第１ないし第３のグレーティング部を備えた光ファイバグレーティングについての目標特性値であって、前記測定値の和とほぼ一致している。
【００２５】
これらの第１ないし第３のグレーティング部を用いて、図１に示したものと同様の光ファイバグレーティングを製造した。
ふたつのクラッドモード吸収部には、それぞれ、前記材料ファイバと同じ外径と屈折率分布を備え、かつクラッドにＣｏを３００００ｐｐｍ添加した長さ４ｍｍのものを用いた。
【００２６】
図４は、この光ファイバグレーティングの損失特性を示したグラフである。このグラフには、図３のグラフにも示した第１ないし第３のグレーティング部の損失特性の測定値の和の計算値を示した。光ファイバグレーティングの損失特性は、前記測定値の和によく一致している。
したがって、この光ファイバグレーティングにおいては、製造時などに第１ないし第３のグレーティング部の損失特性が変化せず、それぞれの損失特性の和が得られることが明らかとなった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、損失特性の異なる複数のグレーティング部の組み合わせにより、複雑な損失特性を実現することができる。
そして、これらのグレーティング部の間にクラッドモード吸収部を設けることにより、このグレーティング吸収部において、グレーティング部において導波モードと結合したクラッドモードを十分に減衰させることができ、他のグレーティング部に対する前記クラッドモードの影響を抑制することができる。
このように、複数のグレーティング部の相互間の影響が少ないため、本発明の光ファイバグレーティングの損失特性は、これらのグレーティング部の損失特性の和と近いものとなり、設計が容易となり、また、製造後に実験的に特性を補正する必要がない。
また、グレーティング部の損失特性が製造時に大きく変化することがないため、安定に製造することができる。
また、クラッドモードの次数などの制限がないため、比較的設計の自由度が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の光ファイバグレーティングの一例を示した側断面図である。
【図２】 クラッドモード吸収部の特性の一例を示したグラフである。
【図３】 実施例に用いた第１ないし第３のグレーティング部の損失特性の測定値を示したグラフである。
【図４】 実施例の光ファイバグレーティングの損失特性を示したグラフである。
【図５】 従来のデバイスの構成の一例を示した一部断面図である。
【符号の説明】
１１…光ファイバグレーティング、
１２…第１のグレーティング部、１３…第２のグレーティング部、
１４…第３のグレーティング部、１５、１６…クラッドモード吸収部。

Claims (1)

1. コアとその外周上に設けられたクラッドとを備え、該コアを入射方向と同方向に伝搬する導波モードと、該導波モードと同方向に伝搬するクラッドモードとを結合させて損失させる特性を備えた同じ外径と屈折率分布を備えた複数の材料ファイバに形成された、それぞれ損失特性が異なる複数のグレーティング部が、コアとその外周上に設けられたクラッドとを備え、該クラッドにクラッドモードを吸収するドーパントが添加されたそれぞれ前記材料ファイバと同じ外径と屈折率を備えた複数のクラッドモード吸収部を介して接続されており、
   前記クラッドモード吸収部の長さは２〜１０ｍｍであり、該クラッドモード吸収部において、クラッドモードが３０ｄＢ以上減衰するものであることを特徴とする光ファイバグレーティング。

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