JPH08286054A

JPH08286054A - 光導波路型回折格子の作製方法

Info

Publication number: JPH08286054A
Application number: JP7088331A
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: 1995-04-13
Filing date: 1995-04-13
Publication date: 1996-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】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】炉心管２０内に光ファイバ１０を設置し、光
源１２０から出力された波長＝１．２４μｍの光の光フ
ァイバ１０での伝送損失を光検出器１３０での光強度測
定に基づいて測定し、添加水素濃度を測定しながら、バ
ルブ２１側からバルブ２２に向かって水素（Ｈ₂）ガス
を流入すると共に、炉心管２０内を高温または高圧な状
態にする。こうして、所望の量だけ水素が添加された光
導波路に、紫外光を照射することにより照射領域で所望
の屈折率変化を生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光導波路のコア部の屈
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
する光導波路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、従来のような酸化ゲルマニウムをコア部にドープし
ただけのガラス光ファイバたとえば、通常の通信用光フ
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】上記のような問題点は、光ファイバのみな
らず薄膜導波路のような光導波路に回折格子領域を形成
して光導波路型素子を作製する場合にも同様に存在す
る。

【００１１】本発明は、光ファイバや薄膜導波路のよう
な光導波路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、反射率の高い光導波路型回折格子を容易
に、生産性良く作製する方法、及びこの方法に用いる回
折格子作製用の光導波路を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光導波路型
回折格子の作製方法は、上記の目的を達成するために、
（ａ）添加水素濃度を監視しながら、光導波路のコア部
に水素を添加する第１の工程と、（ｂ）添加水素濃度の
監視の結果、添加水素濃度が所定濃度に達した後、水素
添加を中止し、光導波路の所定領域のコア部に紫外光を
照射して、所定領域のコア部の屈折率を変化させる第２
の工程と、を備えることを特徴とする。

【００１３】ここで、光導波路とは、コアとクラッドと
の屈折率差を利用して光を一定領域に閉じ込めて伝送す
る回路または線路をいい、これには光ファイバや薄膜導
波路等が含まれる。

【００１４】上記第１の工程における添加水素濃度の監
視は、光導波路を伝搬する波長が１．２４μｍの光の吸
収量を測定することにより行うことを特徴としてもよ
い。

【００１５】上記第１の工程は、光導波路を水素雰囲気
で還元処理する工程とすることができる。

【００１６】また、光導波路の還元処理は、水素雰囲気
で光導波路を加圧して行うことができる。そのときの光
導波路の加圧圧力は、２０〜３００ａｔｍであることが
望ましい。

【００１７】上記第１の工程により光導波路に添加され
る水素の濃度は、５００ｐｐｍ以上であると良い。この
とき、第１の工程は、水素雰囲気で光導波路を４．１７
ａｔｍ以上の圧力で加圧する工程とすると良い。

【００１８】また、上記光導波路のコア部は、石英ガラ
スに酸化ゲルマニウムをドープして形成されていること
が望ましい。

【００１９】上記第２の工程における紫外光の照射は、
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できる。なお、紫外光の干渉縞は、
紫外光を２つの分岐光に分岐し、一方の分岐光をコア部
の軸方向に対して第１角度で所定領域に照射すると共
に、他方の分岐光をコア部の軸方向に対して第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される。
また、紫外光の干渉縞は、所定周期で配列された格子を
有する位相格子を光ファイバに隣接して設置し、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
れるものでも良い。

【００２０】

【作用】酸化ゲルマニウムをドープした石英ガラス系の
光導波路において、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,p
p.4-279」などに記載されている。

【００２１】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導波路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、光導波路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、光導波路を水素雰
囲気で還元処理することが有効であることを見出した。

【００２２】光導波路を水素雰囲気で還元処理すること
により、光導波路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導波路に紫外光が照
射されると、添加水素が光導波路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。

【００２３】また、本出願の発明者らは、水素の添加濃
度に応じて同一時間、同一光量の紫外光の照射によって
屈折率変化量が異なることを見出した。

【００２４】本発明に係る光導波路型回折格子の作製方
法によれば、第１の工程において、添加水素濃度を監視
しながら、光導波路のコア部に水素が添加される。この
とき、光導波路を構成する石英（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、Ｓ
ｉ−ＧｅまたはＧｅ−Ｇｅ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、光導波路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。

【００２５】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、Ｇ
ｅ−Ｈ，Ｇｅ−ＯＨ，Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＯＨという結合
が形成され、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。

【００２６】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、光導波路型回折格子が完成する。こ
の光導波路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、本発明の光導波路
型回折格子は光導波路型フィルタとして機能する。

【００２７】第１の工程で水素を添加するにあたって
は、光導波路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、光導波路を構成する石英（Ｓｉ
Ｏ₂）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、光導波路のコア
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。

【００２８】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と光導波路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、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。

【００２９】また、第１の工程における光導波路の還元
処理について、水素雰囲気で光導波路を加圧して行うこ
とが効果的である。なお、光導波路に対する圧力は、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３００ａｔｍ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。

【００３０】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、十分な反射率の光導波路型回折格子が得
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導波路を加圧す
ると良い。

【００３１】第２の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。

【００３２】また、本発明に係る光導波路型回折格子の
作製用光導波路は、光導波路のコア部に水素が添加され
ているので、コア部における酸素欠損型の欠陥が増大し
ており、また、これに紫外光が照射されると、Ｇｅ−
Ｈ，Ｇｅ−ＯＨ，Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＯＨという結合が形
成される。したがって、紫外光の照射領域の屈折率が大
きく変化する。このため、この光導波路は、ホログラッ
フィック法や位相格子法などによって紫外光を照射する
ことにより高反射率の光導波路型回折格子となる。

【００３３】ここで、コア部に添加されている水素の濃
度は、５００ｐｐｍ以上であるのが適当である。添加水
素の濃度が５００ｐｐｍ以上であると、本発明に係る作
製用光導波路は、紫外光の照射により十分な反射率の光
導波路型回折格子となる。

【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４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導波路型回折格子
の製造方法では、まず、光導波路として光ファイバを用
意し、水素添加濃度を監視しながら、水素雰囲気で光フ
ァイバを加熱して、水素を添加して還元処理する。

【００３６】具体的には、図１に示すように、炉心管２
０内に水素濃度監視用光ファイバケーブル１１１、１１
２が両端に接続された光ファイバ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。この水素添加
工程において、波長＝１．２４μｍの所定の光強度の監
視光を発生する光源１２０から光ファイバケーブル１１
１を介して、光ファイバ１０に監視光が入力される。監
視光は光ファイバ１０を伝搬中に、添加された水素濃度
に応じて吸収される。この伝送損失は、具体的には、水
素濃度が約２０ｐｐｍで１ｄＢ／ｋｍである。光ファイ
バ１０を伝搬した監視光は、光ファイバケーブル１１２
を介して、光検出器１３０に入力してその光強度が検出
される。そして、光源１２０からの出力光強度と光検出
器１３０での検出光強度との差から、光ファイバ１０へ
の添加水素量を求める。

【００３７】光ファイバ１０は、コア部に酸化ゲルマニ
ウム（ＧｅＯ₂）を含む通常の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。

【００３８】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。

【００３９】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、
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、光導波路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。

【００４０】また、上記の水素添加工程では、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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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、
光導波路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。

【００４５】監視光の伝送損失が５００ｄＢ／ｋｍ、す
なわち、光ファイバ１０への添加水素濃度が１００００
ｐｐｍに達した後、光ファイバ１０を炉心管２０から取
り出し、紫外光の照射を行う。

【００４６】具体的には、図２に示すように、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
から出射された紫外光を干渉させ、この干渉空間５０に
光ファイバ１０を設置する。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，θ₂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、シリカ
ガラスからなるクラッド部１１及びコア部１２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。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。

【００４７】このような工程によれば、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。

【００４８】光ファイバ１０内のコア部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、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。

【００４９】上記第１または第２実施例で還元処理され
た光ファイバ１０のコア部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、光導波路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。

【００５０】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、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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】図３は、位相格子法の説明図である。図３
に示すように、光ファイバ１０を位相格子６０に隣接し
て設置し、光源３０から出射された紫外光を位相格子６
０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１２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。

【００５５】このような工程によれば、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。これ
を説明するクラマース・クローニッヒ機構については、
上記第３実施例において説明している。

【００５６】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。

【００５７】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´／２（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。

【００５８】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 ＝ｎΛ´ （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。

【００５９】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。

【００６０】こうして得た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８０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）１
３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９
０に出力する。光スペクトルアナライザ９０は、光ファ
イバ１０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１００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９９％と良好であった。

【００６２】本出願の発明者らは、光導波路内に添加さ
れる水素の濃度に着目した。すなわち、水素が添加され
た光導波路に紫外光が照射されると、添加水素が光導波
路材料中のゲルマニウム、シリカ、酸素と反応して、Ｇ
ｅ−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、
光導波路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、光導波路
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、光導波路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
光導波路型回折格子の作製方法によれば、添加水素濃度
を監視しながら光導波路のコア部に水素を添加し、続い
て、水素添加濃度が所定の濃度に達した後、紫外光が光
ファイバの所定領域のコア部に照射されるので、酸素欠
損型の欠陥の量や水素との反応により生成される新しい
結合が制御される。これらによって、前記所定領域では
所望の屈折率変化が生じる。

【００７５】これにより、光導波路のコア部に屈折率が
所望の量だけ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
光導波路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所望の反射率で反射される。

【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…格子、２０…炉心管、２１，２２…バルブ、３
０，７０…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、６０…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、１１１，１１２…光フ
ァイバケーブル、１２０…光源、１３０…光検出器。

───────────────────────────────────────────────────── 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】添加水素濃度を監視しながら、光導波路
のコア部に水素を添加する第１の工程と、前記添加水素濃度の監視の結果、前記添加水素濃度が所
定濃度に達した後、水素添加を中止し、光導波路の所定
領域の前記コア部に紫外光を照射して、前記所定領域の
コア部の屈折率を変化させる第２の工程と、を備えることを特徴とする光導波路型回折格子の作製方
法。
【請求項２】前記第１の工程における前記添加水素濃
度の監視は、前記光導波路を伝搬する波長が１．２４μ
ｍの光の吸収量を測定することにより行うことを特徴と
する請求項１記載の光導波路型回折格子の作製方法。
【請求項３】前記第１の工程は、前記光導波路を水素
雰囲気で還元処理する工程であることを特徴とする請求
項１記載の光導波路型回折格子の作製方法。
【請求項４】前記第１の工程における前記光導波路の
還元処理は、前記水素雰囲気で該光導波路を加熱して行
うことを特徴とする請求項３記載の光導波路型回折格子
の作製方法。
【請求項５】前記第１の工程における前記光導波路の
還元処理は、前記水素雰囲気で該光導波路を加圧して行
うことを特徴とする請求項３記載の光導波路型回折格子
の作製方法。