JP7350714B2 - 光ファイバおよび光ファイバグレーティング - Google Patents

Description

本開示は、光ファイバおよび光ファイバグレーティングに関するものである。

本願は、２０１８年３月１６日に出願された日本特許出願第２０１８－０４９０１８号による優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に、その全体を参照して本明細書に組み込む。

感光性材料が添加されたシリカ系ガラス（silica-based glass）に紫外光を照射すると照射部分の屈折率が上昇する。このことを利用して、光ファイバグレーティング（ＴＦＧ： termination fiber grating）が作製される。具体的には、シリカ系ガラスからなる光ファイバに対してその長手方向に沿って屈折率が周期的に変動する屈折率変調領域が設けられる。光ファイバグレーティングは、例えばＰＯＮ（passive optical network）監視用フィルタとして活用されている。

ＰＯＮシステムにおいて更なる大容量伝送を可能にするための一例として、ＰＯＮ監視用フィルタは、監視用の波長１６５０ｎｍ帯を中心とした±５ｎｍ程度の波長帯域の光を選択的に反射する。一方で、ＰＯＮ監視用フィルタは、この波長帯域とは異なる帯域（例えば、１５３０ｎｍ以上１５６５ｎｍ以下のＣバンド）の信号光だけでなく、更に他の帯域（例えば、１５６５ｎｍ以上１６２５ｎｍ以下のＬバンド）の信号光をも透過させることで、より広い波長帯域において大容量の伝送を可能にする。

なお、光ファイバグレーティングの製造方法は、例えば、特許文献１～３に記載されている。

特開２００３－００４９２６号公報 特開平１１－１１９０４１号公報 特開平１１－３２６６７２号公報 特開２００１－１８３５３５号公報

D. L. Williams, et al., "ENHANCED UV PHOTOSENSITIVITY IN BORON CODOPED GERMANOSILICATE FIBERS", ELECTRONICS LETTERS, 7th January, 1993, Vol.29, No.1, pp.45-47. Junji Nishii, et al., "Ultraviolet-radiation-induced chemical reactions through one- and two-photon absorption process in GeO2-SiO2 glasses", OPTICS LETTERS, Vol.20, No.10, May 15, 1995, pp.1184-1186. 「位相マスク法における回折光のグレーティング特性への影響」、2000年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、C-3-26、P151．

本開示に係る光ファイバは、シリカ系ガラスからなる光ファイバであって、コアと、該コアを取り囲む内クラッドと、該内クラッドを取り囲む外クラッドと、を備える。コアは、単峰型の傾斜屈折率プロファイル（single-peaked and graded refractive index profile）を有する。内クラッドは、コアの最大屈折率より低い屈折率を有する。外クラッドは、コアの最大屈折率より低い屈折率を有する。特に、コアおよび内クラッドにより構成された感光性領域は、感光性材料を含む。また、内クラッドは、波長１３１０ｎｍ帯のＬＰ_０１モードのモードフィールド径（以下、「ＭＦＤ」と記す）の１倍以上２倍以下の外径を有する。

図１Ａは、光ファイバグレーティングの透過損失の緩慢な増加の一例を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａの一部の拡大図である。 図２は、第１比較例に係る光ファイバの径方向に沿った、Ｇｅ添加に由来するＧｅ濃度分布およびＢ添加に由来するＢ濃度分布を示す図である。 図３は、第１比較例に係る光ファイバの径方向に沿った屈折率プロファイルを示す図である。 図４は、第１比較例に係る光ファイバを用いて作製される光ファイバグレーティングの断面構造を示す図である。 図５Ａは、図４に示された光ファイバグレーティングにおいて透過損失の緩慢な増加が生じる理由について説明するための図である（その１）。 図５Ｂは、図４に示された光ファイバグレーティングにおいて透過損失の緩慢な増加が生じる理由について説明するための図である（その２）。 図６は、第２比較例に係る光ファイバを用いて作製される光ファイバグレーティングの屈折率分布を示す図である。 図７は、一実施形態に係る光ファイバを用いて作製される光ファイバグレーティングの断面構造を示す図である。 図８は、一実施形態に係る光ファイバを用いて作製される光ファイバグレーティングの屈折率分布を示す図である。 図９は、一実施形態に係る光ファイバの径方向に沿った、Ｇｅ添加に由来するＧｅ濃度分布およびＢ添加に由来するＢ濃度分布を示す図である。 図１０は、一実施形態に係る光ファイバの径方向に沿った屈折率プロファイルを示す図である。 図１１Ａは、一実施形態に係る光ファイバの屈折率プロファイルの概略形状を示す図である。 図１１Ｂは、図１１Ａの光ファイバにおいてＧｅおよびＢが共添加された共添加領域（感光性領域）を説明するための図である（その１）。 図１１Ｃは、図１１Ａの光ファイバにおいてＧｅおよびＢが共添加された共添加領域（感光性領域）を説明するための図である（その２）。 図１２Ａは、一実施形態に係る光ファイバを用いて製造される光ファイバグレーティングの透過特性の一例を示す図である。 図１２Ｂは、図１２Ａの一部の拡大図である。 図１３Ａは、第１比較例に係る光ファイバ（図３）に位相マスクを利用してグレーティングが形成された光ファイバグレーティングの透過特性として、Ｇａｐ幅を振動させなかった場合の透過特性を示す図である。 図１３Ｂは、図１３Ａの一部の拡大図である。 図１４Ａは、第１比較例に係る光ファイバ（図３）に位相マスクを利用してグレーティングが形成された光ファイバグレーティングの透過特性として、Ｇａｐ幅を振動させなかった場合の透過特性ととともにＧａｐ幅を振動させた場合の透過特性を示す図である。 図１４Ｂは、図１４Ａの一部の拡大図である。 図１５Ａは、一実施形態に係る光ファイバに位相マスクを利用してグレーティングが形成された光ファイバグレーティングの透過特性として、Ｇａｐ幅を振動させなかった場合の透過特性とともにＧａｐ幅を振動させた場合の透過特性を示す図である。 図１５Ｂは、図１５Ａの一部の拡大図である。 図１６Ａは、第１比較例に係る光ファイバを用いた光ファイバグレーティングについて、Ｇａｐ幅と透過損失との関係を示すグラフである。 図１６Ｂは、一実施形態に係る光ファイバを用いた光ファイバグレーティングについて、Ｇａｐ幅と透過損失との関係を示すグラフである。

特許文献１，２に記載された光ファイバグレーティングの製造方法では、コア及びクラッドの双方またはいずれか一方が感光性材料を含むシリカ系ガラスからなる光ファイバが用意される。この光ファイバに対して屈折率を上昇させ得る特定波長の紫外光（例えばアルゴンイオンレーザ光の２倍波（波長２４４ｎｍ）等）が照射される。これにより、感光性材料を含むシリカ系ガラスの屈折率の増加が可能になる。

長手方向に沿って所定周期の屈折率変調領域を光ファイバ内に形成する方法には、チャープ型グレーティング位相マスクを用いた±１次回折光による露光、レーザ光直接露光、２光束干渉露光がある。その中でも、位相マスクを用いた方法の利点としては、同一特性を有する光ファイバグレーティングを再現性よく作製することができる点、および、他の手法に比べてアライメントが比較的容易である点が挙げられる。

感光性材料としてはＧｅＯ_２が代表的である。コアおよびクラッドの双方にＧｅＯ_２が添加される一方、クラッドにＦが添加されることで、コアとクラッドとの間に屈折率の差を形成することができる。しかしながら、感光性材料としてＧｅＯ_２のみが利用された場合、紫外線照射で生じる屈折率変化量を大きくすることができない。このことは、所定の反射特性を得るために必要な光ファイバグレーティングの長尺化を招き、その結果、紫外光照射コストが高くなるという課題があった。

この課題を解決する手法としては、感光性材料としてＧｅＯ_２に加えてＢ_２Ｏ_３をも利用することが知られている（非特許文献１，２参照）。ＧｅＯ_２のみの添加に比べて、ＧｅＯ_２およびＢ_２Ｏ_３の共添加（co-doping）は、紫外線照射で生じる屈折率変化量を大きくすることができる。したがって、ＧｅＯ_２およびＢ_２Ｏ_３の共添加は、光ファイバグレーティングの短尺化を可能にし、紫外光照射コストの抑制を可能にする。よって、感光性材料としてＧｅＯ_２およびＢ_２Ｏ_３の共添加が好適である。

光ファイバグレーティングを製造する際に用いられる光ファイバの径方向の屈折率プロファイルは、代表的にはステップインデックス型である。コアのみに感光性材料が添加されると、ファイバ長手方向に沿って周期的に屈折率が変動する屈折率変調領域がコアのみに形成される。しかしながら、このファイバ構造を有する光ファイバグレーティングは、監視用の波長帯域において所定の反射を形成することができても、その透過損失帯域の短波長側に透過損失の緩慢な増加を有する（図１Ａおよび図１Ｂ参照）。

図１Ａは、光ファイバグレーティングの透過損失の緩慢な増加の一例を示す図である。図１Ｂは、図１Ａの一部の拡大図である。図１Ａには、Ｌバンドにおいて求められる透過損失下限値と光透過阻止帯域で求められる透過損失上限値とが点線で加えられている。図１Ｂには、Ｌバンドにおいて求められる透過損失下限値が点線で加えられている。これら図１Ａおよび図１Ｂに示された例では、光透過阻止帯域が１６４０ｎｍ以上１６５５ｎｍ以下であり、この光透過阻止帯域において要求される透過損失が－３０.０ｄＢ以上である。なお、この例では、Ｌバンドの長波長端（１６２５ｎｍ）の付近において、光ファイバグレーティングの損失が無視できない程度の大きさとなっている。

このような透過損失の緩慢な増加が生じる理由は、光ファイバの局所領域に紫外光照射による屈折率変調領域が形成されることによりＬＰ_０１モード（基底モード：fundamental mode）と軸対称なＬＰ_０ｍ（ｍ＝２，３，…）の高次モードとの間の直交性が崩れるからである（結果、ＬＰ_０１モードから高次モードへの結合損失が生じる）。

ＬＰ_０１モードと高次モードとの間の直交性を維持するには、ファイバ断面において光が感じる領域の全体において屈折率変調領域が形成されることが必要である。ＧｅＯ_２およびＢ_２Ｏ_３の共添加による好適な感光性材料の組み合わせに対して、直交性を維持できる条件を満たす構造は、例えば、コアおよび光学クラッドの双方の全域に感光性材料のＧｅＯ_２およびＢ_２Ｏ_３を共添加するとともに、光学クラッドにはＦを添加することにより、コアと光学クラッドとの間に十分な屈折率の差を形成する方法が考えられる。しかしながら、Ｂ_２Ｏ_３とＦとの化合物は難処理物質の一つであり、この方法は好ましくない。

これに対し、上記特許文献３に開示された発明は、ステップインデックス型ではなくコアが単峰型の傾斜屈折率プロファイルを有する光ファイバを用いて光ファイバグレーティングを製造する。特許文献３の記載によれば、適用される光ファイバがこのような単峰型の傾斜屈折率プロファイルを有することにより、該光ファイバのコアとクラッドとの境界部における長手方向の比屈折率差の変化と伝搬モード変化を小さくすることができ、クラッドモード結合ロスを抑制することができる。また、特許文献３の記載によれば、光ファイバグレーティングによる光透過阻止波長帯が約１６４０ｎｍ以上約１６６０ｎｍ以下のとき、波長約１５２０ｎｍ帯に生じる光透過損失の抑制が可能になり、光ファイバグレーティングの使用波長帯（約１５５０ｎｍ帯）における光透過損失が小さくなり得る。

［本開示が解決しようとする課題］
発明者らは、従来の光ファイバおよび光ファイバグレーティングについて検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、上記特許文献３に開示された発明は、光ファイバグレーティングによる光透過阻止波長帯が約１６４０ｎｍ以上約１６６０ｎｍ以下のとき、波長約１５２０ｎｍ帯に生じる光透過損失の抑制が可能になるが、Ｌバンドの長波長端（１６２５ｎｍ）における透過損失が無視できない程度まで大きくなる（低く見積もっても５ｄＢ程度以上）。これは、ＬＰ_０１モードの光強度分布の広がりがグレーティング領域よりも大きいためと考えられる。すなわち、このような状況では、ＬＰ_０１モードと高次モード（ＬＰ_０ｍモード）との間の直交性が低下し、その結果、ＬＰ_０１モードからＬＰ_０ｍモードへの結合が生じたためと考えられる。したがって、特許文献３に開示された発明による光ファイバグレーティングは、Ｌバンドの信号光を用いた広い波長帯域において大容量の伝送を可能にするＰＯＮシステムのＰＯＮ監視用フィルタには適さない。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、透過損失の緩慢な増加が低減された光ファイバグレーティング、および、このような光ファイバグレーティングを製造するのに好適な光ファイバを提供することを目的としている。

［本開示の効果］
本開示によれば、透過損失の緩慢な増加が低減された光ファイバグレーティング、および、このような光ファイバグレーティングを製造するのに好適な光ファイバを提供することができる。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。

（１）本開示の光ファイバは、シリカ系ガラスならなる光ファイバであって、その一態様として、コアと、該コアを取り囲む内クラッドと、該内クラッドを取り囲む外クラッドと、を備える。コアは、単峰型の傾斜屈折率プロファイルを有する。内クラッドは、コアの最大屈折率より低い屈折率を有する。外クラッドは、コアの最大屈折率より低い屈折率を有する。特に、コアおよび内クラッドにより構成された感光性領域は、感光性材料を含む。また、内クラッドは、波長１３１０ｎｍ帯のＬＰ_０１モードのＭＦＤの１倍以上２倍以下の外径を有する。

なお、本明細書において、「シリカ系ガラス」とは、ＳｉＯ_２を５０％ by mass以上含むガラスである。また、純シリカガラス（屈折率ｎ_{ｓｉｌｉｃａ}）に対する屈折率ｎ_ｉを有する各領域の相対屈折率ｎｒ_ｉは、以下の式：
ｎｒ_ｉ＝ｎ_ｉ／ｎ_{ｓｉｌｉｃａ}
で規定され、屈折率ｎ_１を有する領域と屈折率ｎ_２を有する領域との間の比屈折率差Δは、以下の式：
Δ＝｜ｎｒ_１－ｎｒ_２｜
で規定される。

また、屈折率プロファイルにおける意図しない、または小さな変動の影響を避けるため、屈折率ｎ（ｒ）の測定値そのものにおいてではなく、屈折率ｎ（ｒ）の間隔５μｍ毎の平均値による移動平均における屈折率のピークが一つのみであれば、「単峰型」であると判断する。

（２）本開示の一態様として、感光性領域は、感光性材料としてＧｅおよびＢの双方を含むのが好ましい。

（３）本開示の一態様として、感光性領域におけるＢの最大濃度と最小濃度との差は、Ｂ添加に由来する相対屈折率の変化に換算して０.３％以下であるのが好ましく、この場合、感光性領域の最外殻領域（内クラッドの最外殻領域）におけるＧｅの濃度は、Ｇｅ添加に由来する相対屈折率の変化に換算して０.３５％以上であるのが好ましい。

（４）本開示の一態様として、内クラッドの屈折率は、Ｇｅ添加に由来する屈折率増加量とＢ添加に由来する屈折率減少量とが相殺されることにより、純シリカガラスの屈折率に略等しいのが好ましい。なお、本明細書において「略等しい」とは、比較すべき２つの領域間の比屈折率が０．０２％以下の状態を意味する。

（５）本開示の一態様として、内クラッドにおいて、Ｇｅ添加に由来する屈折率増加量は、Ｂ添加に由来する屈折率減少量より大きく、また、外クラッドは塩素を含むのが好ましい。なお、この構成においても、内クラッドの屈折率と外クラッドの屈折率とは、互いに略等しいのが好ましい。

（６）本開示の一態様として、単峰型の傾斜屈折率プロファイルは、α乗分布であって、α値は、０.５より大きく、５.０より小さいのが好ましい。また、本開示の一態様として、コアと内クラッドとの間の比屈折率差は、０.４％以上１．０％以下であるのが好ましい。α乗分布において、コアの最大屈折率をｎ_１、コアの最小屈折率をｎ_２、コアの半径をａとするとき、コア中心から半径方向に沿って距離ｒ（＜ａ）の位置における屈折率ｎ（ｒ）は、以下の式：
ｎ（ｒ）＝ｎ１［１－２Δ（ｒ／ａ）^α］^１／２
で規定される。上記式中のα値を調節することにより、屈折率プロファイルの形状が任意に設定可能になる。

その他、上述のような構造を備えた、本開示の光ファイバにおいて、適切なカットオフ波長の範囲は、０．９μｍ以上１．３μｍ以下である。また、直径３０ｍｍのマンドレルに１０回巻いた状態での波長１．５５μｍ帯における曲げ損失は、５ｄＢ以下であるのが好ましい。

（７）本開示の光ファイバグレーティングは、その一態様として、上述のような構造を備えた光ファイバを備え、該光ファイバの長手方向に沿って設けられた屈折率変調領域を含む。屈折率変調領域は、当該光ファイバの長手方向に沿って屈折率が周期的に変動する領域であって、感光性領域内に設けられる。ただし、屈折率の変動周期は長手方向に沿って連続的に変化していてもよい。

以上、この[本開示の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の光ファイバおよび光ファイバグレーティングの具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

以下では、光透過阻止波長帯が約１６４０ｎｍ以上約１６６０ｎｍ以下であってＬバンドの長波長端の１６２５ｎｍで低損失である光ファイバグレーティングを作製するのに好適な光ファイバの構造について説明する。大きな屈折率変化を高速に形成するために感光性材料としてＧｅＯ_２およびＢ_２Ｏ_３が共添加される場合について説明する。また、以下では、先ず比較例について説明し、その後に実施形態について説明する。

図２は、第１比較例に係る光ファイバの径方向に沿った、Ｇｅ添加に由来する濃度分布およびＢ添加に由来する濃度分布を示す図である。図３は、第１比較例に係る光ファイバの径方向の屈折率プロファイルを示す図である。第１比較例に係る光ファイバは、ステップインデックス型の屈折率プロファイルを有し、コアおよびクラッドのうちコアのみに感光性材料が添加されている。図２に示された例では、中央領域を除くコアの周辺領域に略一様に感光性材料が添加されており、コアにおけるＧｅ添加量は、Ｇｅ添加に由来する相対屈折率の変化に換算して１.１％である。また、コアにおけるＢ添加量は、Ｂ添加に由来する相対屈折率の変化に換算して－０.４％である。なお、図２および図３の縦軸に示された相対屈折率ｎｒが正の領域は、純シリカガラスの屈折率（基準）よりも高い屈折率の範囲を示し、負の領域は、純シリカガラスの屈折率（基準）よりも低い屈折率の範囲を示している。

図４は、第１比較例に係る光ファイバを用いて作製される光ファイバグレーティング１００の断面構造を示す図である。なお、図４には、後述する第２比較例に係る光ファイバの構造も示されている。図５Ａおよび図５Ｂは、図４に示された光ファイバグレーティング１００において透過損失の緩慢な増加が生じる理由について説明するための図である。第１比較例に係る光ファイバは、コア１１０と、クラッド１２０を備え、当該光ファイバの長手方向に沿って周期的に屈折率が変動するグレーティング領域（屈折率変調領域）がコア１１０内に形成されている。監視光のＬＰ_０１モードが軸対称の高次モードであるＬＰ_０ｍモードに結合することにより透過損失の緩慢な増加が発生する。紫外光照射前の光ファイバのコア１１０とクラッド１２０との間の比屈折率差をΔｎ_Cとする。紫外光照射によってコア１１０において相対屈折率がｎｒ_UV変化した場合のコア１１０とクラッド１２０との間の比屈折率差をΔｎ_C-UVとする。

図５Ｂに示されたように、コア１１０のみに長手方向に沿って相対屈折率の変化分ｎｒ_UVの周期的な変動がある場合、光伝搬方向に対して、Δｎ_C-UV（＝ｎｒ_UV＋Δｎ_C）とΔｎ_Cとの間で周期的に変化する比屈折率差が現れる。ＬＰ_０１モードのＭＦＤは、その周期的に変動する比屈折率差に依存して変化する。すなわち、比屈折率差Δｎ_Cの場合（図中のβ面）の光強度分布はＰ_１、比屈折率差Δｎ_C-UVの場合（図中のα面）の光強度分布はＰ_２となり、その関係はＰ_１≠Ｐ_２となる。その結果、光伝搬方向に沿った光強度分布の変動により散乱が生じ、その散乱が高次モードと結合して、図１Ａおよび図１Ｂに示されたような透過損失の緩慢な増加が生じると考えられる。なお、β面では、図５Ａに示されたような周期的な屈折率の変動が発生しない領域Ａの光強度分布と同じになる。

次に、第２比較例に係る光ファイバの構造について説明する。第２比較例に係る光ファイバは、シリカ系ガラスからなるステップインデックス型の屈折率プロファイルを有する光ファイバであって、図４に示されたように、コア１１０と、コア１１０を取り囲み該コア１１０の屈折率より低い屈折率を有する内クラッドおよび外クラッドと、を備える。なお、図４には、クラッド１２０の一部（コア１１０と破線で挟まれた領域）として、内クラッド（光学クラッド）１２１が示されている。したがって、この第２比較例に係る光ファイバにおいて、外クラッドは、図４に示されたクラッド１２０のうち内クラッド１２１の外側に設けられた領域に相当する。内クラッド１２１は、コア１１０に隣接してコア１１０を取り囲む。外クラッドは、内クラッド１２１に隣接して該内クラッド１２１を取り囲む。第２比較例に係る光ファイバでは、コア１１０および内クラッド１２１により構成される感光性領域が感光性材料を含む。具体的に、感光性領域は、感光性材料としてＧｅおよびＢの双方を含む。

第２比較例に係る光ファイバでは、ＬＰ_０１モードと高次モードのＬＰ_０ｍモードとの間の直交性の低下を抑制するため、紫外光照射により周期的に相対屈折率の変化分ｎｒ_UVが生じても、長手方向に沿ったＬＰ_０１モードの光強度分布の変化量が抑制されている。すなわち、内クラッド１２１は、波長１３１０ｎｍのＬＰ_０１モードのＭＦＤと同等またはそれ以上の外径を有する。具体的な内クラッド１２１の外径は、８μｍ以上１４μｍ以下が好ましく、９μｍ以上１３μｍ以下がより好ましい。また、第２比較例に係る光ファイバでは、好適には、感光性領域（コア１１０および内クラッド１２１）において、感光性材料の添加量が略均一であることが望ましい。ＭＦＤは７.５μｍ以上９.０μｍ以下であるのが好適である。コア１１０は、内クラッド１２１の相対屈折率の平均値より＋０.０１％以上高い相対屈折率である領域である。

図６は、第２比較例に係る光ファイバを用いて作製される光ファイバグレーティングの屈折率分布を示す図である。第２比較例に係る光ファイバを用いて作製される光ファイバグレーティングでは、長手方向に沿って周期的に変動する相対屈折率の変化分ｎｒ_UV（＝Δｎ_{Ｃ－ＵＶ’}－Δｎ_Ｃ）は、コア１１０に形成されるだけでなく、内クラッド１２１にも形成される。その場合の理想の構造としては、コア１１０と内クラッド１２１との間の比屈折率差Δｎ_C-UV’をΔｎ_Cと同等とすることができ、ＬＰ_０１モードの光伝搬方向に対する揺らぎを抑制することができる。すなわち、光伝搬領域の全体で、長手方向に沿って周期的に相対屈折率の変化分ｎｒ_UVが形成され、かつ、ＬＰ_０１モードと高次モードとの間の直交性が維持される構造を有する。この構造を実現するため、ＧｅおよびＢが共添加された内クラッド１２１のみにＦが添加されることで内クラッドの屈折率を下げる手法が考えられる。しかしながら、この手法では、ＢとＦとの化合物は難処理物質であり、製造上、得策ではない。

次に、本開示の一実施形態に係る光ファイバの構造について説明する。なお、図７は、一実施形態に係る光ファイバを用いて作製される光ファイバグレーティング２００の断面構造を示す図である。一実施形態に係る光ファイバは、コア２１０と、コア２１０を取り囲み該コア２１０の屈折率より低い屈折率を有する内クラッド（光学クラッド）２２０と、内クラッド２２０を取り囲む外クラッド２３０と、を備える。また、コア２１０および内クラッド２２０により構成される感光性領域３００は感光性材料としてＧｅおよびＢの双方を含む。図７の例では、一実施形態に係る光ファイバと所定距離（Ｇａｐ幅）だけ離間した状態で配置された位相マスク４００を介してレーザ光が照射されることにより、感光性領域３００内にグレーティング領域が形成される。

前述の第２比較例に係る光ファイバがステップインデックス型の屈折率プロファイルを有するのに対して、一実施形態に係る光ファイバのコア２１０は、単峰型の傾斜屈折率プロファイルを有する。内クラッド２２０は、波長１３１０ｎｍ帯におけるＬＰ_０１モードのＭＦＤの１倍以上２倍以下の外径を有する。

図８は、本開示の一実施形態に係る光ファイバを用いて作製される光ファイバグレーティング２００の屈折率プロファイルを示す図である。図９は、本開示の一実施形態に係る光ファイバの径方向のＧｅ濃度分布（Ｇｅ添加に由来する濃度分布）およびＢ濃度分布（Ｂ添加に由来する濃度分布）を示す図である。図１０は、本開示の一実施形態に係る光ファイバの径方向に沿った屈折率プロファイルを示す図である。製造プロセス上の理由によりコア２１０の中央領域には添加量が低いディップが生じるが、光ファイバ母材を線引して光ファイバを製造する際に添加物が拡散する。そのため、図１０に示されたような単峰型の傾斜屈折率プロファイルを有する光ファイバが得られる。

まず、図９に示されたように、感光性領域３００（コア２１０および内クラッド２２０により構成される共添加領域）において、中央領域（ディップ）を除く領域に略一様にＢが添加されている。Ｂ添加量は、Ｂ添加に由来する相対屈折率の変化に換算した値が－０.１％から－０.６％の範囲であるのが好適である。ファイバ断面内での屈折率の不均一性を小さくするため、中央のディップを除く領域において、Ｂ添加量（Ｂ濃度）の最大値と最小値との差は、Ｂ添加に由来する相対屈折率の変化に換算した値で０.３％以下であるのが好適である。

Ｇｅは、Ｂと同じくコア２１０および内クラッド２２０に添加される。内クラッド２２０の最外殻領域のＧｅ添加量（Ｇｅ濃度）は、Ｇｅ添加に由来する相対屈折率の変化に換算した値で０.３５％以上であるのが好適である。Ｇｅ濃度がＧｅ添加に由来する相対屈折率の変化に換算した値で０.３５％未満である場合は、相対屈折率の変化分ｎｒ_UVが極端に小さくなり、有効でない。他方、Ｂ濃度分布をα乗分布形状にするよりも、Ｇｅ濃度がＧｅ添加に由来する相対屈折率の変化に換算した値で０.３５％以上となる範囲をα乗分布に調整した方が、紫外線による相対屈折率の変化分ｎｒ_UVをファイバ断面内でより均一にできる。このことから、α乗分布を形成する上で、Ｂ濃度をコントロールするよりもＧｅ濃度をコントロールする方が有効である。コア２１０と内クラッド２２０との間の比屈折率差は０.４％以上が好適である。

図８に示されたように、感光性領域３００の中心における相対屈折率の変化分ｎｒ_UV１と感光性領域３００の裾における相対屈折率の変化分ｎｒ_UV２とは、添加されたＧｅの濃度が異なることから厳密には異なる。ただし、実質的に、ｎｒ_UV1≒ｎｒ_UV２と見做すことができる。その結果、比屈折率差Δｎ_U-UV’は、Δｎ_U-UV'≒Δｎ_Uが成り立ち、波長１３１０ｎｍのＬＰ_０１モードの伝搬方向に対して、光強度分布Ｐ３の変動量は無視できるほど小さくなる。なお、比屈折率差Δｎ_U-UV’は、非紫外線照射領域（グレーティング領域外）の外クラッド２３０と感光性領域３００の中心との比屈折率差Δｎ_Uに感光性領域３００の中心における相対屈折率の変化分ｎｒ_UV１を加えた値と、外クラッド２３０の比屈折率差に感光性領域３００の裾における相対屈折率の変化分ｎｒ_UV２を加えた値との差である。Ｐ３の変動量を抑制するための屈折率プロファイルの指数αは、０.５＜α＜５が好適である。

図１１Ａは、本開示の一実施形態に係る光ファイバの屈折率プロファイルを示し、図１１Ｂおよび図１１Ｃは、光ファイバにおいてＧｅおよびＢが共添加される共添加領域（感光性領域３００に相当）を説明するための図である。共添加領域は、コア２１０と同一の領域（図１１Ｃ）、または、コア２１０を含みコア２１０より広い領域（図１１Ｂ）とすることが考えられる。重要な点は、共添加領域の径は、波長１３１０ｎｍのＬＰ_０１モードのＭＦＤに対して１倍以上であることである。共添加領域の径は該ＭＦＤの２倍以上であってもよいが、共添加領域が大きすぎると、グレーティングを書き込むための紫外光の吸収が大きくなり、ファイバ断面内における相対屈折率の変化分ｎｒ_UVの変動が増大するので、有効ではない。よって、共添加領域の径は、波長１３１０ｎｍのＬＰ_０１モードのＭＦＤに対して１倍以上２倍以下であるのが好適である。

なお、感光性材料としてＧｅのみが添加される場合と比較して、ＧｅおよびＢが共添加される場合には、相対屈折率の変化分ｎｒ_UVが大きくなるので、光ファイバグレーティング２００の短尺化が可能になる。具体的には、光ファイバグレーティング２００は、長さ１０ｍｍ以下に小型化され得る。

図１２Ａは、本開示の一実施形態に係る光ファイバを用いて製造される光ファイバグレーティング２００の透過特性の一例を示す図である。図１２Ｂは、図１２Ａの一部の拡大図である。図１Ａおよび図１Ｂの例と対比すると、図１２Ａおよび図１２Ｂに示された透過特性では、１６１０ｎｍ乃至１６２５ｎｍにおける透過損失の緩慢な増加が低減されて、１６２５ｎｍの透過損失が－０.８ｄＢ程度まで抑制されている。

本開示の一実施形態に係る光ファイバグレーティング２００は、光透過阻止帯域の透過損失については－３０ｄＢを満足し、Ｌバンドの大容量伝送を可能とする１６２５ｎｍ帯までの使用を可能にする。

また、本開示の一実施形態において、内クラッド２２０は、Ｇｅ添加に由来する屈折率増加量とＢ添加に由来する屈折率減少量とが相殺されることにより、純シリカガラスの屈折率に略等しい屈折率を有してもよい。また、内クラッド２２０は、外クラッド２３０の屈折率とが互いに略等しくなる構成であってもよい。例えば、内クラッド２２０においてＧｅ添加に由来する屈折率増加量がＢ添加に由来する屈折率減少量により調整される一方、外クラッド２３０が塩素（Ｃｌ）を含む構成において、内クラッド２２０の屈折率と外クラッド２３０の屈折率とが互いに略等しくなる構成であってもよい。

以上の説明では、本開示のα乗分布（図１０）が図３に示された従来の屈折率プロファイルに対して、１６２５ｎｍの透過損失を抑制できる点で優位である点が指摘されたが、その他の優位な点について以下説明する。

図７に示されたような位相マスク４００を介したグレーティング書込みでは、±１次の回折光の干渉縞が利用される。ただし、この場合、異なる高次回折光との干渉縞も同時に書き込まれるため、例えば、図１３Ａおよび図１３Ｂに示されたように、１５３９ｎｍ近傍で不要な透過損失が発生する。なお、図１３Ａは、第１比較例に係る光ファイバ（図３のステップインデックス型の屈折率プロファイル）に位相マスクを介してグレーティングが形成された光ファイバグレーティング１００の透過特性として、Ｇａｐ幅（位相マスクと光ファイバとの距離）を振動させなかった場合の透過特性を示す図である。図１３Ｂは、図１３Ａの一部の拡大図である。この対策方法として、Ｇａｐ幅（位相マスクとファイバの距離）を変動させながらグレーティング書込みを行う製法が提案されている（上記特許文献４および上記非特許文献３参照）。

Ｇａｐ幅を変動させながらグレーティング書込みが行われる場合のスペクトルが図１４Ａ～図１５Ｂに示されている。なお、図１４Ａは、第１比較例に係る光ファイバ（図３のステップインデックス型屈折率プロファイル）に位相マスクを利用してグレーティングが形成された光ファイバグレーティング１００の透過特性を示す。図１４Ｂは、図１４Ａの一部の拡大図である。図１４Ａおよび図１４Ｂにおいて、グラフＧ１４１は、Ｇａｐ幅を振動させなかった場合の透過特性を示し、グラフＧ１４２は、Ｇａｐ幅を振動させた場合の透過特性を示す。また、図１５Ａは、本開示の一実施形態に係る光ファイバ（図１０のα乗分布）に、図７に示されたように、位相マスク４００を利用してグレーティングが形成された光ファイバグレーティング２００の透過特性を示す。図１５Ｂは、図１５Ａの一部の拡大図である。図１５Ａおよび図１５Ｂにおいて、グラフＧ１５１は、Ｇａｐ幅を振動させなかった場合の透過特性を示し、グラフＧ１５２は、Ｇａｐ幅を振動させた場合の透過特性を示す。

上記波長１５３９ｎｍ近傍における不要な透過損失の形成要因は、＋１次と＋３次の回折光との干渉であることが計算より確認された。Ｇａｐ幅の変動がある場合の波長１５３９ｎｍにおける透過損失は、ステップインデックス型の屈折率プロファイルを有するサンプルのみならずα乗分布を有するサンプルにおいても、Ｇａｐ幅の変動がない場合と比べ抑制されていることが判明した。なお、今回のＧａｐの変動幅は、何れも１μｍであった。

この透過損失の抑制には、Ｇａｐ幅の変動の他に、位相マスクの性能を向上させる方法（位相マスク設計や製造方法で向上可能）もある。なお、位相マスクの性能に関して「性能がよい」とは、±３次の回折光の発生効率が±１次の発生効率に比べて十分に小さいことを意味する。しかしながら、ここで強調したいのは、性能のよい位相マスクを用意して、高次の回折光効率は抑制できたとしても零にすることはできず、±１次の回折光と±３次の回折光との干渉により、所定Ｂｒａｇｇ波長とは異なるＢｒａｇｇ波長が形成される。すなわち、Ｃバンド帯域に不要な透過損失が生じる。本実施形態において使用された位相マスクでは、１５３９ｎｍを含む波長帯での透過損失が、グレーティング書込み時のＧａｐ幅に変動を加えることにより、－０．５５ｄＢから－０．３５ｄＢにまで抑制された。ただし、性能のよい位相マスクを用意すれば、更なる抑制が期待できるが、位相マスクのみの改善では限界がある。

上述の図１４Ａ～図１５ＢのＧａｐの変動幅は、１μｍ程度で一定であったが、ファイバ長手方向の構造バラツキに依存した適切なＧａｐ変動幅が存在することが推測される。この場合、１μｍのＧａｐ幅は、適切な範囲では無い可能性も考えられる。そこで、Ｇａｐ幅をパラメータとして、α乗分布とステップインデックス型それぞれの屈折率プロファイルを有する光ファイバに対してグレーティング書込み特性を調査した（図１６Ａおよび図１６Ｂ）。なお、図１６Ａは、第１比較例に係る光ファイバを用いた光ファイバグレーティング１００について、Ｇａｐ幅と透過損失との関係を示すグラフである。図１６Ｂは、本開示の一実施形態に係る光ファイバを用いた光ファイバグレーティング２００について、Ｇａｐ幅と透過損失との関係を示すグラフである。図１６Ａおよび図１６Ｂのいずれにおいても、横軸は波長λ（ｎｍ）であり、縦軸は、Ｃバンド帯域を含む１５００ｎｍ以上１５８０ｎｍ以下の波長帯域における最大透過損失である。なお、測定サンプルの光ファイバグレーティングの作製では、図１４Ａ～図１５Ｂの透過特性を示す光ファイバグレーティングの作製で使用された位相マスクが使用された。その際のＵＶ照射条件は、１６５０ｎｍ波長帯において、同程度の透過損失となる条件とした。

ステップインデックス型の屈折率プロファイルの場合（図１６Ａ）、Ｇａｐ幅の変動を導入することで、透過損失の最大抑制幅は、０．３ｄＢであることが分かる。Ｇａｐ幅の変動により透過損失が抑制され、その透過損失がある値で収束しているＧａｐ幅１μｍ以上の透過損失の最大値と最小値の差異を調査したところ、Δ０．１５ｄＢであった。他方、α乗分布の場合（図１６Ｂ）、透過損失の最大抑制幅は０．４ｄＢであり、Ｇａｐ幅１μｍ以上の透過損失の最大値と最小値の差異はΔ０．０５ｄＢであった。

α乗分布を有する光ファイバグレーティング２００の透過損失の抑制幅は、ステップインデックス型の屈折率プロファイルを有する光ファイバグレーティング１００に比べ０．１ｄＢ改善されていることが判明し、優位であることが示された。特筆すべきは、α乗分布の場合における透過損失のＧａｐ幅依存性は、ステップインデックス型の屈折率プロファイルの場合に比べ小さいことである。すなわち、ファイバ長手方向の構造のバラツキ、アライメントのバラツキ等に起因した予期せぬＧａｐ幅変動量（設定Ｇａｐ幅とのズレ量）が大きくても、α乗分布の場合は、ステップインデックス型の屈折率プロファイルの場合に比べ製造トレランスが大きく、その結果、製造上有効であることが判明した。

２００…光ファイバグレーティング、２１０…コア、２２０…内クラッド、２３０…外クラッド、３００…感光性領域、４００…位相マスク。

Claims (6)

1. シリカ系ガラスからなる光ファイバであって、
   単峰型の傾斜屈折率プロファイルを有するコアと、
   前記コアを取り囲むとともに前記コアの最大屈折率より低い屈折率を有する内クラッドと、
   前記内クラッドを取り囲むとともに前記コアの最大屈折率より低い屈折率を有する外クラッドと、
   を備え、
   前記コアおよび前記内クラッドにより構成された感光性領域が感光性材料を含み、
   前記感光性領域が、波長１３１０ｎｍ帯におけるＬＰ_０１モードのモードフィールド径の１倍以上２倍以下の外径を有し、
   前記感光性領域が、前記感光性材料としてＧｅおよびＢの双方を含み、
   前記感光性領域における前記Ｂの最大濃度と最小濃度との差が、前記最大濃度のＢ添加に由来する相対屈折率の変化と前記最小濃度のＢ添加に由来する相対屈折率の変化との差に換算して０.３％以下であり、
   前記感光性領域の最外殻領域における前記Ｇｅの濃度が、Ｇｅ添加に由来する相対屈折率の変化に換算して０.３５％以上である、
   光ファイバ。
2. 前記内クラッドの屈折率は、前記Ｇｅ添加に由来する屈折率増加量と前記Ｂ添加に由来する屈折率減少量とが相殺されることにより、純シリカガラスの屈折率に略等しい、
   請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記内クラッドにおいて、前記Ｇｅ添加に由来する屈折率増加量が前記Ｂ添加に由来する屈折率減少量より大きく、
   前記外クラッドが塩素を含み、
   前記内クラッドの屈折率と前記外クラッドの屈折率とが互いに略等しい、
   請求項１に記載の光ファイバ。
4. 前記単峰型の傾斜屈折率プロファイルは、α乗分布であって、α値が、０.５より大きく、５.０より小さい、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光ファイバ。
5. 前記コアと前記内クラッドとの間の比屈折率差が０.４％以上である、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光ファイバ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ファイバを備え、
   前記光ファイバにおける前記感光性領域は、前記光ファイバの長手方向に沿って屈折率が周期的に変動する屈折率変調領域を含む光ファイバグレーティング。

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