JPH08286039A

JPH08286039A - 光ファイバ型回折格子の作製方法

Info

Publication number: JPH08286039A
Application number: JP7090877A
Authority: JP
Inventors: Maki Inai; 麻紀稲井; Masumi Ito; 真澄伊藤; Tadashi Enomoto; 正榎本; Susumu Inoue; 享井上; Masaichi Mobara; 政一茂原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-04-17
Filing date: 1995-04-17
Publication date: 1996-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】屈折率変化が略軸対称で、特定波長の光成分
に対する反射率を増大させるファイバ型回折格子の作製
方法を提供する。【構成】駆動モータ１１０に連結された回転チャック
１２０に装着し、駆動モータ１１０を動作させることに
より、光ファイバ１０を回転させる。こうして、光ファ
イバ１０を回転させながら、干渉機構４０を用いて干渉
空間５０を生成するように、光源３０から出射された連
続光である紫外光を干渉させて照射して、屈折率変化を
生じさせ、略軸対称の回折格子を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバのコア部の
屈折率を光軸に沿って周期的に変化させて回折格子を形
成する光ファイバ型回折格子の作製方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバ通信技術の進展に伴
い、ネットワークの複雑化や信号波長の多重化などが進
行し、システム構成は高度化しつつある。このような光
通信システムでは、光回路素子の重要性が増大してい
る。

【０００３】光回路素子における一般的構成の一つとし
てファイバ型素子は、小型で挿入損失が小さいことや、
光ファイバとの接続が容易であること等の利点を有して
いる。そして、このようなファイバ型素子として、ファ
イバ型フィルターが知られている。

【０００４】最近では、コア部に酸化ゲルマニウムをド
ープした石英系光ファイバについて、紫外光照射によっ
てコア部の屈折率が変化するという知見が周知であり、
このような光誘起屈折率変化を利用したファイバ型フィ
ルターとして、光ファイバ型回折格子が研究開発されて
いる。

【０００５】この光ファイバ型回折格子は、光ファイバ
内を進行する光のうち特定波長の光成分を反射するもの
であり、一般に、紫外光の照射によって光ファイバのコ
ア部に屈折率が光軸に沿って周期的に変化した領域を形
成することにより作製されている。この作製方法には、
信頼性の高い光ファイバ型回折格子を生産性良く作製す
ることができるという利点がある。

【０００６】このような光ファイバ型回折格子において
は反射率Ｒが重要な特性であり、この反射率Ｒは、グレ
ーティング長（コア部の屈折率が光軸に沿って周期的に
変化した領域の長さ）と光誘起による屈折率の変化量に
依存する。この関係は、次式のように表される。

【０００７】Ｒ＝ｔａｎｈ²（ＬπΔｎ／λ_R）ここで、Ｒは反射率、Ｌはグレーティング長、Δｎは光
誘起による屈折率の変化量、λ_Rは反射波長である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】紫外光照射による屈折
率変化は、コア部のガラス中に存在するゲルマニウム関
連のガラス欠陥に起因することが知られている。しか
し、従来のような濃度で酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）
をコア部にドープしただけの通常の通信用ガラス光ファ
イバではガラス欠陥の数が少ないため、紫外光を照射し
ても屈折率変化量Δｎが小さく、したがって、上記の式
から明らかなように反射率も低い。具体的に言えば、紫
外光照射によるコア部の屈折率変化は１０^-5程度であ
り、反射率は数％と過小である。

【０００９】反射率を高くするためには、上記の式が示
すようにグレーティング長Ｌを大きくする方法もある
が、紫外光レーザビームを照射するにあたって、レーザ
ビームに高い均一性が要求され、そのために紫外光照射
を行う光学系が複雑になるという問題点がある。また、
ガラス欠陥が少ないため、紫外光照射による屈折率変化
の速度が遅く、反射率を高くしようとすると、照射時間
が長くなって生産性が低下するという問題点がある。

【００１０】本発明は、光ファイバについて存在する上
記の問題点に鑑みなされたものであり、反射率の高く、
反射特性の径方向についての依存性を低減した光ファイ
バ型回折格子を容易に、生産性良く作製する方法を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光ファイバ
型回折格子の作製方法は、上記の目的を達成するため
に、光ファイバの所定領域について、紫外光照射手段か
ら出射された紫外光を光ファイバの周方向に関して略均
一に照射し、所定領域のコア部の屈折率を変化させる屈
折率変化工程を備える、ことを特徴とする。

【００１２】ここで、光ファイバの中心軸を回転中心軸
として光ファイバと紫外光照射手段とを相対的に回転さ
せることが実用的である。この場合、紫外光照射手段
から連続光を出射させ、光ファイバの中心軸を回転中心
軸として前記光ファイバと前記紫外光照射手段とを相対
的に回転させたり、紫外光照射手段から第１の周期で
パルス光を出射させるとともに、第１の周期とは同期し
ない第２の回転周期で、前記光ファイバの中心軸を回転
中心軸として前記光ファイバと前記紫外光照射手段とを
相対的に回転させることが可能である。

【００１３】また、屈折率変化工程の前に、光ファイバ
のコア部に水素を添加する水素添加工程を更に備えるこ
とを特徴としてもよい。

【００１４】ここで、水素添加工程は、光ファイバを水
素雰囲気で還元処理する工程であることを特徴としても
よい。

【００１５】この水素添加工程における光ファイバの還
元処理は、水素雰囲気で該光ファイバを加熱して行っ
てもよいし、水素雰囲気で該光ファイバを加圧して行
ってもよい。

【００１６】また、水素添加工程により光ファイバに添
加される水素の濃度は、５００ｐｐｍ以上であることを
特徴としてもよい。

【００１７】また、水素添加工程は、水素雰囲気で光フ
ァイバを４．１７ａｔｍ以上の圧力で加圧する工程であ
ることを特徴としてもよい。

【００１８】また、光ファイバのコア部は酸化ゲルマニ
ウムがドープされた石英ガラスからなり、光ファイバの
クラッド部の少なくともコア部の周辺は酸化ゲルマニウ
ムがドープされた石英ガラスからなることを特徴として
もよい。ここで、光ファイバのクラッド部には、フッ素
または酸化ボロンが添加されることとすることができ
る。

【００１９】また、屈折率変化工程は、コヒーレント光
源からの紫外光を干渉させて生じた干渉縞を所定領域の
コア部に照射する工程であることを特徴としてもよい。

【００２０】ここで、紫外光の干渉縞を、紫外光を２
つの分岐光に分岐し、一方の分岐光を前記光ファイバの
光軸方向に対して第１角度で所定領域に照射すると共
に、他方の分岐光を光軸方向に対して第１角度の補角と
なる第２角度で所定領域に照射して形成したり、紫外
光を所定周期で配列された格子を有する位相格子に照射
して、これを透過させることにより生じたさせて形成し
たりすることが可能である。

【００２１】

【作用】本発明の光ファイバの所定領域について、屈折
率変化工程で紫外光照射手段から出射された紫外光を光
ファイバの周方向に関して略均一に照射し、所定領域の
コア部の屈折率を均一に変化させる。この結果、回折格
子の反射特性（反射スペクトル波形、反射率）が向上す
る。

【００２２】こうした光ファイバの周方向に関して略均
一に照射にあたっては、光ファイバの中心軸を回転中心
軸として光ファイバと紫外光照射手段とを相対的に回転
させることが実用的である。具体的には、紫外光照射
手段から連続光を出射させ、光ファイバの中心軸を回転
中心軸として光ファイバと前記紫外光照射手段とを相対
的に回転させたり、紫外光照射手段から第１の周期で
パルス光を出射させるとともに、第１の周期とは同期し
ない第２の回転周期で、光ファイバの中心軸を回転中心
軸として光ファイバと紫外光照射手段とを相対的に回転
させたりすることで、光ファイバの周方向に関して略均
一に照射することを実現できる。

【００２３】また、酸化ゲルマニウムをドープした石英
ガラス系の光ファイバにおいて、紫外光照射による屈折
率変化のメカニズムは、完全に解明されてはいない。し
かしながら、重要な原因として、ゲルマニウムに関連し
た酸素欠損型の欠陥が考えられており、このような欠陥
としてＳｉ−ＧｅまたはＧｅ−Ｇｅなどの中性酸素モノ
空孔が想定されている。このような屈折率変化のメカニ
ズムに関しては、文献「1993年電子情報通信学会春季大
会, C-243,pp.4-279」などに記載されている。

【００２４】本出願の発明者らは、酸化ゲルマニウムを
ドープした石英系の光ファイバに通常わずかしか存在し
ない酸素欠損型の欠陥を増大させることにより、紫外光
照射による屈折率変化が増大するであろうと推定した。
そして、光ファイバ内に存在するゲルマニウムに関連し
た酸素欠損型の欠陥を増大するためには、光ファイバを
水素雰囲気で還元処理することが有効であることを見出
した。

【００２５】紫外光の照射による屈折率変化工程に先立
って、光ファイバを水素雰囲気で還元処理する水素添加
工程を行うことにより、光ファイバには水素が添加され
る。本発明者らの知見によれば、水素が添加された光フ
ァイバに紫外光が照射されると、添加水素が光ファイバ
材料中のゲルマニウム、シリカ、酸素と反応して、Ｇｅ
−Ｈ，Ｇｅ−ＯＨ，Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＯＨという新たな
結合を形成し、これらの結合が屈折率変化を高める。

【００２６】水素添加工程において、光ファイバのコア
部に水素が添加される。このとき、光ファイバを構成す
る石英（ＳｉＯ₂）や、これにドープされている酸化ゲ
ルマニウム（ＧｅＯ₂）が全体的に還元され易くなり、
ＧｅやＳｉと結合している酸素が一部取り除かれる現象
が発生すると推察される。結合酸素が一部取り除かれた
ＧｅやＳｉが結合しあえば、Ｓｉ−ＧｅまたはＧｅ−Ｇ
ｅなどの中性酸素モノ空孔、すなわち酸素欠損型の欠陥
が新たに生じることとなる。これにより、光ファイバの
コア部における酸素欠損型の欠陥が増大し、紫外光照射
による屈折率変化が高まる。

【００２７】水素添加工程の後、屈折率変化工程におい
て、紫外光が周方向について略均一に所定領域のコア部
に照射されると、添加水素がコア部のゲルマニウム、シ
リカ、酸素と反応して、Ｇｅ−Ｈ，Ｇｅ−ＯＨ，Ｓｉ−
Ｈ，Ｓｉ−ＯＨという結合が略軸対称に形成され、これ
らの結合が光誘起屈折率変化を高める。したがって、酸
素欠損型欠陥の増大による効果と添加水素の反応により
生成された新たな結合（Ｇｅ−Ｈ等）による効果とが相
舞って、紫外光の照射領域では大きな屈折率変化が生じ
る。

【００２８】これにより、コア部に屈折率が局部的に高
まった領域が光軸に沿って配列された格子（グレーティ
ング）が形成され、光ファイバ型回折格子が完成する。
この光ファイバ型回折格子のコア部を進行する光が格子
領域に至ると、屈折率変化の周期に対応した特定波長の
光成分が十分な反射率で反射されるので、本発明の光フ
ァイバ型回折格子は光ファイバ型フィルタとして機能す
る。

【００２９】水素添加工程で水素を添加するにあたって
は、光ファイバを水素雰囲気で還元処理する方法を採る
ことができる。この場合、光ファイバを構成する石英
（ＳｉＯ₂）や、これにドープされている酸化ゲルマニ
ウム（ＧｅＯ₂）が還元され易くなり、ＧｅやＳｉと結
合している酸素が一部取り除かれる現象が発生する。結
合酸素が一部取り除かれたＧｅやＳｉが結合しあえば酸
素欠損型の欠陥が新たに生じることとなり、光ファイバ
のコア部における酸素欠損型の欠陥が増大して、紫外光
の照射による屈折率変化が高まる。

【００３０】これに加えて、紫外光がコア部における複
数の所定領域に照射されると、酸素が取り除かれたＧｅ
やＳｉと光ファイバに添加された水素とが反応して、Ｇ
ｅ−Ｈ，Ｇｅ−ＯＨ，Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＯＨという結合
が形成され、これらが屈折率変化を高める。したがっ
て、酸素欠損型欠陥の増大による効果と添加水素の反応
により生成された新たな結合（Ｇｅ−Ｈ等）による効果
とが相舞って、紫外光の照射領域では大きな屈折率変化
が生じる。

【００３１】また、水素添加工程における光ファイバの
還元処理について、水素雰囲気で光ファイバを加圧して
行うことが効果的である。なお、光ファイバに対する圧
力は、範囲２０〜３００ａｔｍに含まれていることが好
ましい。仮に、この圧力が２０ａｔｍ未満である場合、
光ファイバを構成するガラスと水素との反応が遅いの
で、生産性が向上しない。仮に、この圧力が３００ａｔ
ｍを越える場合、作製設備に高耐圧性が要求されるの
で、設備費が高騰して実用的でなくなる。

【００３２】また、本発明者らの知見によれば、添加さ
れる水素の濃度が５００ｐｐｍ以上であると、紫外光の
照射によって、十分な反射率の光ファイバ型回折格子が
得られる。５００ｐｐｍ以上の添加水素濃度を得るため
には、４．１７気圧以上の水素雰囲気で光ファイバを加
圧すると良い。

【００３３】屈折率変化工程における紫外光の照射につ
いて、紫外光を干渉させて生じた干渉縞をコア部の所定
領域に照射して行うことが容易である。なお、紫外光の
干渉縞は、分岐した紫外光の一方をコア部の軸方向に対
して第１角度で、他方を第１角度の補角となる第２角度
で、共に所定領域に照射して形成されることが適切であ
る。このホログラフィック法によれば、コア部の屈折率
変化は、これら二つの分岐光の入射角度に対応した周期
で生じる。また、紫外光の干渉縞は、所定周期で配列さ
れた格子を有する位相格子に紫外光を位相格子の面方向
に対して所定角度で照射して形成されることが適切であ
る。この位相格子法によれば、コア部の屈折率変化は、
位相格子の格子配列に対応した周期で生じる。

【００３４】

【実施例】以下、本発明に係る実施例の構成及び作用に
ついて、図１〜図５を参照して説明する。なお、図面の
説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する
説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のもの
と必ずしも一致していない。

【００３５】本発明の実施例に係る光ファイバ型回折格
子の作製方法では、まず、光ファイバを用意し、水素雰
囲気で光ファイバを加熱して還元処理する。図１は、水
素還元処理の説明図である。図１に示すように、炉心管
２０内に光ファイバ１０を設置し、バルブ２１側からバ
ルブ２２に向かって水素（Ｈ₂）ガスを気流として通過
させつつ、図示しないヒータで炉心管２０を高温に加熱
する。この際、水素ガスの流量は、バルブ２１及び２２
の開閉によって調節される。

【００３６】光ファイバ１０は、コア部に酸化ゲルマニ
ウム（ＧｅＯ₂）を含み、クラッド部に酸化ゲルマニウ
ムおよび屈折率低下剤（フッ素（Ｆ）または酸化ボロン
（Ｂ₂Ｏ₃））が添加された石英系光ファイバであり、
本実施例では、被覆のされていない裸光ファイバであ
る。裸光ファイバとするのは、加熱により被覆が損傷、
劣化するのを防ぐためである。また、炉心管２０内の圧
力は、ほぼ１ａｔｍである。

【００３７】なお、加熱温度とは、炉心管２０内の水素
雰囲気の温度であり、これは炉心管２０内に配設された
熱電対により測定される。

【００３８】上記のような水素添加工程によれば、光フ
ァイバ１０に添加された水素により光ファイバ１０のコ
ア部やクラッド部にドープされている酸化ゲルマニウム
が還元され易くなり、ＧｅやＳｉと結合している酸素が
一部取り除かれる現象が発生する。結合酸素が一部取り
除かれたＧｅやＳｉが結合しあえば、酸素欠損型の欠陥
が新たに生じることとなり、光ファイバのコア部におい
て通常わずかしか存在しない酸素欠損型の欠陥が増大す
る。

【００３９】また、水素添加工程では、水素雰囲気で光
ファイバを加圧して還元処理することが可能である。

【００４０】具体的には、図１に示すように、炉心管２
０内に光ファイバ１０を設置し、バルブ２１を開放する
と共にバルブ２２を閉塞して水素（Ｈ₂）ガスを流入す
ることにより、炉心管２０内を高圧で加圧する。この
際、水素ガスの注入量は、バルブ２１の開閉によって調
節される。光ファイバ１０は、コア部にゲルマニウム
（Ｇｅ）を含む通常の石英系光ファイバであり、二次被
覆までされた光ファイバ心線である。また、水素雰囲気
は特に加熱されているわけではないので、炉心管２０内
の温度は常温のままである。

【００４１】なお、光ファイバ１０に対する圧力は、２
０ａｔｍ以上であることが好ましいが、範囲２０〜３０
０ａｔｍに含まれていることがより好ましい。仮に、こ
の圧力が２０ａｔｍ未満である場合、光ファイバ１０を
構成するガラスと水素との反応が遅いので、生産性が向
上しない。仮に、この圧力が３００ａｔｍを越える場
合、製造設備に高耐圧性が要求されるので、設備費が高
騰して実用的でなくなる。

【００４２】なお、上記の圧力は炉心管２０内部の圧力
であり、これは炉心管２０に付属の圧力計で測定され
る。

【００４３】上記のような工程によれば、光ファイバ１
０に添加された水素により光ファイバ１０のコア部にド
ープされている酸化ゲルマニウムが還元され易くなりＧ
ｅやＳｉと結合している酸素が一部取り除かれる結果、
光ファイバのコア部やクラッド部において通常わずかし
か存在しない酸素欠損型の欠陥が増大する。

【００４４】次に、光ファイバ１０を回転させながら紫
外光を照射して照射領域のコア部の屈折率を変化させ
る。図２は、この屈折率変化工程の説明図である。図２
に示すように、駆動モータ１１０に連結された回転チャ
ック１２０に装着し、駆動モータ１１０を動作させるこ
とにより、光ファイバ１０を１回転／秒で回転させる。
こうして、光ファイバ１０を回転させながら、干渉機構
４０を用いて干渉空間５０を生成するように、光源３０
から出射された連続光である紫外光を干渉させて照射す
る。光源３０は、ＳＨＧ（高調波発生器）アルゴンレー
ザやＫｒＦエキシマレーザ等であり、所定波長を有する
コヒーレントな紫外光を出射する。干渉機構４０は、ビ
ームスプリッタ４１及びミラー４２，４３で構成されて
いる。ビームスプリッタ４１は、光源３０からの紫外光
を二つの分岐光に二分岐させる。ミラー４２及び４３
は、ビームスプリッタ４１からの分岐光をそれぞれ反射
し、光ファイバ１０の軸方向に対して所定角度θ₁，θ
₂でそれぞれ入射して共面ビームとして相互に干渉させ
る。光ファイバ１０は、クラッド部１１及びコア部１２
で構成されている。クラッド部１１およびコア部１２
は、上述したように酸化ゲルマニウムがドープされてお
り、フッ素（Ｆ）または酸化ボロン（Ｂ₂Ｏ₃）と酸化
ゲルマニウムとが添加されたクラッド部１１と比較して
高屈折率を有する。なお、二つの分岐光の入射角度θ₁
及びθ₂は相互に補角であり、これらの和（θ₁＋
θ₂）は１８０°になる。

【００４５】このような工程によれば、光ファイバ１０
を回転させながら、光ファイバ１０に所定波長の紫外光
を照射するので、酸化ゲルマニウムをドープしたクラッ
ド部１１やコア部１２における露光領域の屈折率が周方
向に略均一に変化する。現在、このような紫外光照射に
よる屈折率変化のメカニズムは、完全に解明されてはい
ない。しかしながら、これを説明するものとして、クラ
マース・クローニッヒ機構、双極子モデル及び圧縮モデ
ルなどが一般に提案されている。ここでは、クラマース
・クローニッヒ機構に基づいて説明を行う。

【００４６】光ファイバ１０内のクラッド部１１やコア
部１２には、Ｇｅに関連した酸素欠損型の欠陥が通常わ
ずかに存在している。ここで、欠陥をＧｅ−Ｓｉの中性
酸素モノ空孔で代表すると、その欠陥は紫外光照射によ
ってＧｅ−Ｓｉ → Ｇｅ・＋Ｓｉ⁺＋ｅ^- （１）で示すように転化する。この反応で放出された電子は転
化した欠陥の周辺に位置するＧｅにトラップされるの
で、クラッド部１１やコア部１２の光吸収特性が変化す
る。このような欠陥における吸収スペクトルによると、
紫外光照射前には波長２４０〜２５０ｎｍ付近にピーク
が現れるが、紫外線照射後には波長２１０ｎｍ付近及び
２８０ｎｍ付近にピークが遷移することが確認されてい
る。この遷移によりコア部の屈折率が変化すると考えら
れている。なお、周知なクラマース・クローニッヒの関
係式に基づき、欠陥の吸収スペクトル変化から見積った
コア部１２における屈折率変化の値は、反射率の測定値
から算出した屈折率変化の値に良く一致している。

【００４７】還元処理された光ファイバ１０のクラッド
部１１やコア部１２では、上述したように通常わずかし
か存在しない酸素欠損型の欠陥が増大しているので、紫
外光の露光領域における屈折率変化が大きくなる。これ
に加えて、紫外光がコア部に照射されると、酸素が取り
除かれたＧｅやＳｉ、あるいは通常のＧｅ−Ｏ−Ｓｉの
ような結合と、光ファイバに添加された水素とが反応し
て、Ｇｅ−Ｈ，Ｇｅ−ＯＨ，Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＯＨとい
う結合が形成される。本出願の発明者らは、これらの結
合が新たな光吸収帯を形成することにより、紫外光照射
による屈折率変化が高まると推察する。したがって、本
発明の方法によれば、酸素欠損型欠陥の増大による効果
と添加水素の反応により生成された新たな結合（Ｇｅ−
Ｈ等）による効果とが相舞って、紫外光の露光領域にお
ける屈折率変化が１０^-4〜１０^-3程度に大きくなる。

【００４８】本実施例では、二つのコヒーレントな紫外
光を光ファイバ１０の軸方向に対する角度θ₁，θ
₂（＝１８０°−θ₁）で入射して干渉させている。そ
のため、光ファイバ１０の径方向に対するコヒーレント
な紫外光の入射角度θ（＝９０°−θ₁）と紫外光の波
長λとを用い、干渉空間５０における干渉縞の間隔Λ
は、 Λ＝λ／（２ｓｉｎθ）（２）となる。したがって、クラッド部１１やコア部１２の露
光領域には、異なる屈折率を有する領域が干渉縞の間隔
Λを周期として光ファイバ１０の軸方向に配列されるの
で、コア部には格子１３が、クラッド部には格子１５が
形成されることになる。

【００４９】周知なブラッグの回折条件に基づいてコア
部１２の屈折率ｎと格子１３の周期Λとを用い、このフ
ァイバ型回折格子の反射波長λ_Rは、 λ_R＝２ｎΛ ＝λｎ／ｓｉｎθ （３）となる。また、格子１３、１５の長さＬと屈折率差Δｎ
とを用い、このファイバ型回折格子の反射率Ｒは、Ｒ＝ｔａｎｈ²（ＬπΔｎ／λ_R）（４）となる。したがって、光ファイバ１０のコア部１２で
は、格子１３が１０^-4〜１０^-3程度の大きい屈折率変化
で形成されているので、反射波長λ_Rの反射率が１００
％近い値に達する。

【００５０】なお、このようなホログラフィック法で
は、光源３０としては干渉性の良好なレーザが必要であ
る。また、高精度の位置調整や安定性が必要となる。

【００５１】上記のホログラフィック法に替えて、紫外
光を位相格子を介して干渉させつつ照射し、屈折率が光
軸に沿って所定周期で変化した領域を形成する位相格子
法を使用することが可能である。

【００５２】図３は、位相格子法の説明図である。図３
に示すように、図２の場合と同様に、駆動モータ１１０
に連結された回転チャック１２０に装着し、駆動モータ
１１０を動作させることにより、光ファイバ１０を１回
転／秒で回転させる。こうして、光ファイバ１０を回転
させながら、位相格子６０を光ファイバ１０に隣接して
設置し、光源３０から出射された連続光である紫外光を
位相格子６０表面の法線方向に対して所定角度θで入射
させる。光源３０は、ＳＨＧアルゴンレーザやＫｒＦエ
キシマレーザ等であり、これらは所定波長を有するコヒ
ーレントな紫外光を出射する。位相格子６０は、所定周
期で格子を配列して形成されている。光ファイバ１０
は、シリカガラスからなるクラッド部１１及びコア部１
２で構成されている。コア部１２は、上述したように酸
化ゲルマニウムがドープされており、クラッド部１１と
比較して高屈折率を有する。

【００５３】このような工程によれば、光ファイバ１０
を回転させながら、光ファイバ１０に所定波長の紫外光
を照射するので、酸化ゲルマニウムをドープしたコア部
１２における露光領域の屈折率が変化する。現在、この
ような紫外光照射による屈折率変化のメカニズムは、完
全に解明されてはいない。しかしながら、この屈折率変
化には、ファイバ１０のコア部１２に通常わずかに存在
しているＧｅに関連した酸素欠損型の欠陥が関与してい
ると、一般に推定されている。

【００５４】ここで、還元処理された光ファイバ１０の
コア部１２では、通常わずかしか存在しない酸素欠損型
の欠陥が増大しているので、紫外光の露光領域における
屈折率変化が大きくなる。

【００５５】また、格子が所定間隔Λ´で配列された位
相格子６０表面の法線方向に対して紫外光を角度θで照
射して干渉させている。そのため、コア部１２の露光領
域における干渉縞の間隔Λは、 Λ＝Λ´ （５）となる。したがって、コア部１２の露光領域には、異な
る屈折率を有する領域が干渉縞の間隔Λを周期として光
ファイバ１０の軸方向に配列されるので、格子１３が形
成されることになる。

【００５６】周知なブラッグの回折条件に基づいてコア
部１２の屈折率ｎと格子１３の周期Λとを用い、このフ
ァイバ型回折格子の反射波長λ_Rは、 λ_R＝２ｎΛ ＝２ｎΛ´ （６）となる。また、格子１３の長さＬと屈折率差Δｎとを用
い、このファイバ型回折格子の反射率Ｒは、上述した式
（４）に示すようになる。したがって、光ファイバ１０
のコア部１２では、格子１３が１０^-4〜１０^-3程度の大
きい屈折率変化で形成されているので、反射波長λ_Rの
反射率が１００％近い値に達する。

【００５７】なお、このような位相格子法によれば、上
述したホログラフィック法に要求される位置調整や安定
性の条件が緩和される。また、通常のリソグラフィ技術
や化学エッチングにより、格子の周期を自由に選択する
ことができるので、複雑な形状も実現可能である。

【００５８】上記のホログラフィック法および位相格子
法では、光源から連続光を発生することとしたが、光源
からパルス光を発生することとすることが可能である。
但し、この場合には、光ファイバの回転周期とパルス光
の発生周期とが同期しない設定とする必要がある。

【００５９】こうして得た回折格子が形成された光ファ
イバをＲＮＦＰ法による３次元解析で、屈折率分布を測
定した結果、屈折率の分布が軸対称であることが確認さ
れた。

【００６０】次に、ファイバ型回折格子の反射率測定を
行った。図４は、反射率測定のシステム構成図である。
図４に示すように、このシステムは、光源７０、光ファ
イバ１０及び光スペクトルアナライザ９０を光カプラ８
０で光結合して構成されている。光ファイバ１０は、上
記の実施例で形成した格子（グレーティング）１３を有
するファイバ型回折格子である。光源７０は通常の発光
ダイオード等であり、光ファイバ１０における反射波長
λ_Rを有する光成分を含む光を出射する。光カプラ８０
は通常の溶融延伸型ファイバカプラであり、光源７０か
らの入射光を光ファイバ１０に出力すると共に光ファイ
バ１０からの反射光を光スペクトルアナライザ９０に出
力する。光スペクトルアナライザ９０は、光ファイバ１
０からの反射光における波長と光強度との関係を検出す
る。なお、光ファイバ１０の開放端は、マッチングオイ
ル１００中に浸されている。このマッチングオイル１０
０は、通常の屈折率整合液であり、不要な反射光成分を
除去している。

【００６１】このような構成によれば、光源７０から出
射された光は、光カプラ８０を介して光ファイバ１０に
入射する。光ファイバ１０では、コア部１２に形成され
ている格子１３が特定波長の光成分を反射する。光ファ
イバ１０から出射された光は、光カプラ８０を介して光
スペクトルアナライザ９０で受光される。光スペクトル
アナライザ９０では、波長と光強度とからなる光ファイ
バ１０の反射スペクトルが検出される。測定の結果、反
射率は９０％と良好であった。

【００６２】本出願の発明者らは、光ファイバ内に添加
される水素の濃度に着目した。すなわち、水素が添加さ
れた光ファイバに紫外光が照射されると、添加水素が光
ファイバ材料中のゲルマニウム、シリカ、酸素と反応し
て、Ｇｅ−Ｈ，Ｇｅ−ＯＨ，Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＯＨとい
う新たな結合を形成する。ここで、本出願の発明者ら
は、これらの結合が新たな光吸収帯を形成することに起
因して、光ファイバのコア部に水素を添加することによ
り、紫外光照射による屈折率変化が高まることを見出だ
した。

【００６３】水素の添加による屈折率変化は、光ファイ
バのコア部に添加される水素の量が多い程、大きくなる
と推察される。そこで、本発明者らは、様々な濃度の水
素を光ファイバのコア部に添加してから、紫外光を照射
し、得られたファイバ型回折格子の反射率を調べて、水
素の添加濃度とその効果との関係を調査した。

【００６４】図５は、調査結果を示すグラフである。こ
のグラフに示されるように、水素（Ｈ₂）無添加の光フ
ァイバでは反射率は２０％であるが、コア部に添加され
た水素濃度が増加するにつれて反射率が上昇し、５００
ｐｐｍで反射率３０％、１０００ｐｐｍで反射率５０
％、３０００ｐｐｍ以上では反射率９９％に達すること
が分かった。なお、１ｐｐｍは、１モルのＳｉＯ₂に１
０^-6モルの水素が含まれていることを表す。

【００６５】次に、紫外光を照射して反射率が飽和する
までの照射時間の水素濃度依存性を調べた。図６は、こ
の結果を示すグラフである。このグラフに示されるよう
に、水素濃度の増加とともに必要な照射時間は減少し、
２００００ｐｐｍにおいて１０分まで短縮される。これ
は、水素無添加の光ファイバに要する時間のほぼ２０分
の１に相当する。さらに高濃度では、照射時間が短くな
り、４８０００ｐｐｍで１分となったところで照射時間
の短縮化傾向が飽和した。

【００６６】以上の結果によれば、コア部の水素濃度が
５００ｐｐｍ以上であると、反射率上昇の効果が著し
い。さらに、５０％以上の反射率を得るためには、水素
濃度が１０００ｐｐｍ以上であることが、また、９０％
以上の極めて高い反射率を得るためには、水素濃度が２
０００ｐｐｍ以上であることが必要である。さらに高い
反射率９９％を得るためには、水素濃度が３０００ｐｐ
ｍ以上であることが必要である。一方、水素濃度が４８
０００ｐｐｍ以上では紫外光照射時間の短縮効果が飽和
しており、反射率上昇の効果も既に飽和しているので、
これ以上水素添加濃度を増やしても意義は少ないと思わ
れる。したがって、光ファイバのコア部に含まれる水素
の濃度は、約５００ｐｐｍ以上であることが好ましく、
特に、約５００〜約４８０００ｐｐｍの範囲にあること
が適当である。

【００６７】なお、上記の水素濃度は以下の方法により
推定されたものである。次の表１は、この水素濃度推定
に当たって用いるもので、ロッド径１ｍｍの石英ガラス
への水素の溶解度を示すものである。

【００６８】

【表１】

【００６９】水素濃度推定に当たっては、まず、表１の
データに基づき、温度と拡散度との関係を比例関係と見
なし、最小二乗法を用いて、ほぼ常温の２０℃（２９３
Ｋ）における石英ガラスに対する水素の溶解度を算出す
る。これをｐｐｍ単位に換算すると、２０℃における飽
和水素濃度が約１２１ｐｐｍと求まる。

【００７０】ゲルマニウムがドープされたコアを有する
２０℃の光ファイバに関して、波長１．２４μｍ光の水
素分子による吸収損失は約６ｄＢ／ｋｍであることが分
かっている。このことから、２０℃の光ファイバにおい
て、吸収損失１ｄＢ／ｋｍ当たりの水素濃度は、１２１／６＝約２０ｐｐｍ／（ｄＢ／ｋｍ）と求まる。

【００７１】続いて、水素が添加された光ファイバ（温
度２０℃）の損失スペクトルを測定し、水素分子に起因
する波長１．２４μｍの吸収ピークが示す損失値［ｄＢ
／ｋｍ］を求める。この損失値に吸収損失１ｄＢ／ｋｍ
当たりの水素濃度２０ｐｐｍ／（ｄＢ／ｋｍ）を掛ける
ことにより、添加水素濃度［ｐｐｍ］が求まる。すなわ
ち、１．２４μｍ光の損失値を２０倍したものが上記し
た添加水素濃度の推定値である。

【００７２】図７は、水素雰囲気の圧力、すなわち光フ
ァイバに対する加圧圧力と、添加される水素濃度との関
係を示すグラフである。このグラフに示されるように、
加圧圧力と添加水素濃度とは、ほぼ比例関係にある。グ
ラフの通り、５００ｐｐｍを添加するには約４．１７ａ
ｔｍの圧力が必要であり、４８０００ｐｐｍを添加する
には約４００ａｔｍの圧力が必要である。したがって、
加圧圧力は、約４．１７ａｔｍ以上であることが好まし
く、特に、約４．１７〜約４００ａｔｍの範囲にあるこ
とが適当である。

【００７３】また、反射率５０％以上を得るためには約
８．３４ａｔｍ以上の圧力が、反射率９０％以上を得る
ためには約１６．７ａｔｍ以上の圧力が適当であり、反
射率９９％以上を得るためには約２５．０ａｔｍ以上の
圧力が適当である。

【００７４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
光ファイバ型回折格子の作製方法によれば、光ファイバ
の所定領域について、紫外光照射手段から出射された紫
外光を光ファイバの周方向に関して略均一に照射し、所
定領域のコア部の屈折率を変化させる屈折率変化工程を
備えるので、光ファイバの中心軸について略軸対称の態
様で屈折率が変化し、光ファイバが導波する光の経路に
依存しない機能特性を有する光ファイバ型回折格子を先
性することができる。

【００７５】更に、本出願の発明者らは、酸化ゲルマニ
ウムをドープした光ファイバに水素を添加することによ
り、紫外光照射による屈折率変化が増大することを見出
だした。また、酸化ゲルマニウムをドープした石英系光
ファイバに通常わずかしか存在しない酸素欠損型の欠陥
を増大させることにより、紫外光照射による屈折率変化
が増大するであろうと推定した。

【００７６】本発明の光ファイバ型回折格子の作製方法
によれば、第１の工程において、光ファイバのコア部に
水素が添加され、続いて、第２の工程において、紫外光
がコア部における複数の所定領域に照射されるので、酸
素欠損型の欠陥が増大するとともに水素の反応による新
しい結合が生じる。これらによって、前記所定領域では
極めて大きな屈折率変化が生じる。

【００７７】これにより、光ファイバのコア部に屈折率
が局部的に大きく変化した領域を光軸に沿って配列して
格子（グレーティング）を形成することができるので、
この光ファイバを進行する光のうち、屈折率変化の周期
に対応した特定波長の光成分が極めて高反射率で反射さ
れる。したがって、本発明の方法によれば、屈折率分布
が略軸対称で、極めて高い反射率を有する光ファイバ型
回折格子を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るファイバ型回折格子の作製方法に
おける第１の工程を示す構成図である。

【図２】本発明に係るファイバ型回折格子の作製方法に
おける第２の工程を示す構成図である。

【図３】本発明に係るファイバ型回折格子の作製方法に
おける第２の工程を示す構成図である。

【図４】本発明に係る作製方法で形成されたファイバ型
回折格子における反射率測定を行うシステムを示す構成
図である。

【図５】光ファイバに添加する水素の濃度と得られるフ
ァイバ型回折格子の反射率との関係を示すグラフであ
る。

【図６】光ファイバに添加する水素の濃度と反射率が飽
和するまでの紫外光照射時間との関係を示すグラフであ
る。

【図７】水素雰囲気の圧力と光ファイバに添加される水
素の濃度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…光ファイバ、１１…クラッド部、１２…コア部、
１３，１５…格子、２０…炉心管、２１，２２…バル
ブ、３０，７０…光源、４０…干渉機構、４１…ビーム
スプリッタ、４２，４３…ミラー、５０…干渉空間、６
０…位相格子、８０…光カプラ、９０…光スペクトルア
ナライザ、１００…マッチングオイル、１１０…駆動モ
ータ、１２０…回転チャック。

フロントページの続き (72)発明者井上享神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者茂原政一神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバの所定領域について、紫外光
照射手段から出射された紫外光を前記光ファイバの周方
向に関して略均一に照射し、前記所定領域のコア部の屈
折率を変化させる屈折率変化工程を備える、ことを特徴
とする光ファイバ型回折格子の作製方法。
【請求項２】前記光ファイバの中心軸を回転中心軸と
して前記光ファイバと前記紫外光照射手段とを相対的に
回転させる、ことを特徴とする請求項１記載の光ファイ
バ型回折格子の作製方法。
【請求項３】前記紫外光照射手段から連続光を出射さ
せる、ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ型回
折格子の作製方法。
【請求項４】前記紫外光照射手段から第１の周期でパ
ルス光を出射させるとともに、前記第１の周期とは同期
しない第２の回転周期で、前記光ファイバの中心軸を回
転中心軸として前記光ファイバと前記紫外光照射手段と
を相対的に回転させる、ことを特徴とする請求項２記載
の光ファイバ型回折格子の作製方法。
【請求項５】前記光ファイバの前記コア部は酸化ゲル
マニウムがドープされた石英ガラスからなり、前記光フ
ァイバのクラッド部の少なくとも前記コア部の周辺は酸
化ゲルマニウムがドープされた石英ガラスからなること
を特徴とする請求項１記載の光ファイバ型回折格子の作
製方法。
【請求項６】前記光ファイバの前記クラッド部には、
フッ素または酸化ボロンが添加されることを特徴とする
請求項５記載の光ファイバ型回折格子の作製方法。