JPH09297233A - 光導波路グレーティングおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光導波路グレーティングにおける阻止帯域ま
たは反射帯域の中心波長を精密に、かつ容易に制御でき
るようにする。 【解決手段】 光ファイバ１にコア１ａの屈折率が周期
的に変化してなるグレーティング部２を形成した後、グ
レーティング部２に張力をかけることによって中心波長
を調整し、張力をかけた状態で光ファイバ１を接着剤４
により基板３に固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光導波路グレーティ
ングに係り、特にグレーティング作製後にグレーティン
グの動作波長域を調整できるようにした光導波路グレー
ティングに関する。

【０００２】

【従来の技術】光導波路グレーティングは、光ファイバ
又は平面型光導波路の長さ方向に、一定の周期的な変
化、例えばコア屈折率の周期的な変化を形成することに
よって得られる。一般にグレーティングには、放射モー
ド結合型と反射モード結合型があり、放射モード結合型
グレーティングは、コアを伝搬するモードとクラッドを
伝搬するモードとを結合させることによって、特定波長
の光を光導波路外に放射して減衰させる特性が得られる
ようにしたものである。また反射モード結合型グレーテ
ィングは、コアを正の方向に伝搬するモードと、コアを
これとは反対の方向（負の方向）に伝搬するモードとを
結合させることによって、特定波長の光を反射させる特
性が得られるようにしたものである。

【０００３】例えば、光ファイバにおいて実現されてい
るグレーティングの場合、放射型グレーティングはコア
の屈折率変化の周期（以下、グレーティングピッチとい
うことがある）を数百μｍにすることによって得られ、
反射型グレーティングは、グレーティングピッチを１μ
ｍ程度とすることによって得られている。

【０００４】放射モード結合型グレーティングにあって
は、例えば図４に示すような波長−透過損失特性（透過
スペクトル）が得られ、特定の波長帯の光の透過損失が
選択的に大きくなっている。この透過損失が増加してい
る波長帯の幅を阻止帯域幅、その中心の波長を阻止帯域
の中心波長、透過損失の変化の大きさを阻止率という。
また反射モード結合型グレーティングにあっても、例え
ば図４と同様な波長−透過損失特性（透過スペクトル）
が得られるが、反射特性に着目すると例えば図５に示す
ような波長−反射光強度特性（反射スペクトル）が得ら
れ、特定の波長帯の光の反射光強度が選択的に大きくな
っている。この反射光強度が選択的に増加している波長
帯の幅を反射帯域幅、その中心の波長を反射帯域の中心
波長、反射光強度の変化の大きさを反射率という。

【０００５】そして、これらのグレーティング特性は、
グレーティングの各パラメータ、すなわちコア屈折率の
変化量、グレーティングピッチ、グレーティング形状
（コア屈折率変化のプロファイル）、光ファイバ長さ方
向におけるグレーティング長、実効屈折率などによって
変化することが知られている。下記表１はグレーティン
グにおける各パラメータがグレーティング特性に及ぼす
影響を表にまとめたものである。表中、×は影響なし、
○は影響あり、△は影響が小さいことをそれぞれ示して
いる。また↑（↓）はパラメータの値が増大すると、そ
れに応じてグレーティング特性の値が増大（減少）する
ことを示している。特に、光導波路グレーティングを光
部品として光通信システム等に用いる場合、その中心波
長の精密な制御は重要である。

【０００６】

【表１】

【０００７】ところで、光導波路にコア屈折率の周期的
変化を生じさせてグレーティングを作製する方法として
は、ゲルマニウムが添加された石英ガラスに強い紫外光
を照射すると、その照射量に応じて屈折率が上昇する現
象を利用する方法が知られている。例えば、コアに酸化
ゲルマニウムが添加された石英系光ファイバを、水素加
圧容器中（１００ａｔｍ程度）で水素添加処理した後、
これに、一定間隔で光を透過するスリットが形成された
ホトマスクを介して紫外光を照射する方法が、比較的効
率の良い方法として知られている。これによれば、光フ
ァイバのうちスリット直下の紫外光が照射された部分の
み、コアの屈折率が上昇するので、コア屈折率が周期的
に変化しているグレーティング部が形成される。そし
て、グレーティング部が形成された光ファイバは、グレ
ーティング部を適当な基板に接着剤を用いて固定した
後、光ファイバグレーティングとして使用に供される。

【０００８】しかしながら、このように、ゲルマニウム
添加コアにマスクを介して紫外光を照射してグレーティ
ング部を形成する場合、中心波長の制御はマスクの形状
と紫外光の照射条件によって行わなければならないが、
紫外光強度のゆらぎやマスクの劣化といった製造条件の
不安定要素によって中心波長が変化してしまうという問
題があった。特に放射モード結合型グレーティングは、
コアの屈折率の変化に対して非常に敏感な特性を有して
おり、製造条件のちょっとした変化によって中心波長が
簡単に（波長にして数ｎｍ程度は）変わってしまう。し
たがって、同じ製造条件でグレーティング部を作製して
も、同じ特性が得られるとは限られず、グレーティング
部を形成する際には、個々のグレーティング部につい
て、光ファイバの透過特性をモニターしながら紫外光照
射を行う必要があり、中心波長の精密な制御は容易では
なかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】よって、この発明にお
ける課題は、光導波路グレーティングの阻止帯域または
反射帯域の中心波長を精密に、かつ容易に制御できるよ
うにすることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に請求項１記載の発明は、コアの屈折率が周期的に変化
してなるグレーティング部が形成された光導波路が、該
グレーティング部に張力をかけた状態で固定されている
ことを特徴とする光導波路グレーティングである。また
請求項２記載の発明は、光導波路にコアの屈折率が周期
的に変化してなるグレーティング部を形成した後、該グ
レーティング部に対して光導波路長さ方向に張力を加え
ることにより、阻止帯域または反射帯域の中心波長を制
御することを特徴とする光導波路グレーティングの製造
方法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の光導波路グレーティングの一実施例を
示した平面図である。ここでは光導波路の例として光フ
ァイバを用いた放射モード結合型光ファイバグレーティ
ングを例に挙げて説明する。図中符号１は光ファイバ、
２はグレーティング部、３は基板、４は接着剤をそれぞ
れ示している。

【００１２】光ファイバ１は、コア１ａと、コアよりも
低屈折率のクラッド１ｂとからなっている。コア１ａお
よびクラッド１ｂはいずれも石英系ガラスからなってお
り、コア１ａおよびクラッド１ｂの少なくとも一方に酸
化ゲルマニウムが添加されている。また光ファイバ１の
コア１ａは、紫外光が照射されたときに、その紫外光強
度および照射時間に応じて屈折率が変化する材料で構成
され、好ましくは、少なくとも酸化ゲルマニウムが添加
された石英ガラスからなっている。光ファイバ１のコア
には酸化ゲルマニウム以外にアルミニウム、エルビウ
ム、チタン等が適宜添加されていてもよい。そして光フ
ァイバ１のクラッド１ｂとしては、例えば純石英ガラス
が好ましく用いられる。本実施例では、光ファイバ１と
しては、光ファイバ心線の被覆層５を一部除去したもの
が好ましく用いられている。

【００１３】光ファイバ１は少なくともその一部に、コ
ア１ａの屈折率が光ファイバ１長さ方向に周期的に変化
しているグレーティング部２が形成されている。本実施
例では放射モード結合型としての特性を得るために、グ
レーティング部２におけるグレーティングピッチは数十
〜数百μｍ程度の範囲内で好ましく設定され、グレーテ
ィング長は５〜２０ｍｍ程度に好ましく形成されてい
る。

【００１４】また光ファイバ１は基板３上に、グレーテ
ィング部２に対して光ファイバ１長さ方向に張力をかけ
た状態で固定されている。基板３の材料としては、光フ
ァイバ１との熱膨張係数の差が小さいものが好ましく、
石英基板が好適に用いられる。基板３の形状は任意とす
ることができる。光ファイバ１の基板３への固定には、
接着剤４が好ましく用いられ、接着剤４はグレーティン
グ部２以外の部分に塗布される。この接着剤４として
は、紫外線硬化型樹脂やエポキシ系接着剤等が好ましく
用いられる。

【００１５】光ファイバ１にかけられる張力の大きさ
は、これによって光ファイバグレーティングの阻止帯域
の中心波長が変化するので、必要に応じて設定される。
ただし、本実施例においてはこの張力が大きすぎると光
ファイバ１の寿命を縮める恐れがあるので、２００ｇｆ
以下に抑えることが好ましい。また放射モード結合型光
ファイバグレーティングは、グレーティング部２の光フ
ァイバ１に曲がりが生じていると正常に動作しないの
で、少なくとも光ファイバ１を直線状に保つだけの張力
は必要である。光ファイバ１を直線状に保つためには、
張力は３ｇｆ程度あれば充分である。

【００１６】本実施例の光ファイバグレーティングにあ
っては、光ファイバ１に形成されているグレーティング
部２に張力をかけることによって、阻止帯域の中心波長
を調整することができる。これは、石英系ガラスに張力
を加えると、光弾性効果によりガラスの屈折率が変化す
ることに起因していると考えられる。この屈折率の変化
の仕方はガラスの組成（添加材の種類等）によって異な
る。すなわち、光ファイバグレーティングにおいて、コ
ア１ａの屈折率が周期的に変化しているグレーティング
部２に張力を加えると、グレーティング部２におけるコ
ア１ａとクラッド１ｂとの比屈折率差が変化し、それに
対応して実効屈折率が変化するので、上記表１に示すよ
うにグレーティング部２で放射される光の波長（阻止帯
域の中心波長）が変化するものと考えられる。そして張
力をかけることによる中心波長の変化の方向（長波長側
へ変化するか、あるいは短波長側へ変化するか）や変化
の大きさは、光ファイバ１を構成するガラスの組成や、
光ファイバ１の構造（コアの屈折率分布形状等）によっ
て異なる。

【００１７】以下本発明の光ファイバグレーティングの
製造方法について説明する。まず、光ファイバ１を用意
し、その一部でコア屈折率を周期的に変化させてグレー
ティング部２を形成する。グレーティング部２の形成方
法は特に限定されず、例えば、コア１ａが酸化ゲルマニ
ウム添加石英系ガラスからなる光ファイバ１の所定の部
位に、紫外光を光ファイバ１長さ方向に周期的に照射す
ることによって、グレーティング部２を形成することが
できる。光ファイバ１に照射される紫外光の波長は２０
０〜３００ｎｍ程度が好ましく、光源としては、例えば
ＫｒＦレーザ（波長２４８ｎｍ）が好適に用いられる。
そして、数十〜数百μｍの一定間隔のスリットが切って
あるホトマスクを介して、比較的スポット幅が大きい紫
外光を光ファイバ１に照射する方法や、スポット幅を小
さくした紫外光を光ファイバ１に一定時間照射した後、
照射を止め、照射位置を光ファイバ１長さ方向に移動さ
せて再び照射するという動作を繰り返すことにより、光
ファイバ１に対して一定間隔で紫外光を照射する方法な
ど、周知の手法を適宜用いてグレーティング部２を形成
することができる。このとき、光ファイバ１の種類によ
って、張力をかけると阻止帯域の中心波長が短波長側に
変化する性質のものについては、グレーティング部２形
成時の中心波長が所望の波長より長波長側となるように
するのが好ましく、反対に張力をかけると阻止帯域の中
心波長が長波長側に変化する性質のものについては、グ
レーティング部２形成時の中心波長が所望の波長より短
波長側となるようにするのが好ましい。

【００１８】また、紫外光の照射に先立って光ファイバ
１の水素添加処理を行ってもよい。コア１ａ中のゲルマ
ニウム濃度がせいぜい数％以下である光ファイバにあっ
ては、紫外光照射によるコア屈折率変化を十分に得るた
めには予め水素添加処理を行うことが好ましい。この水
素添加処理は、例えば光ファイバ１を、１００ａｔｍ、
５０℃程度に調整された水素加圧容器中に４８時間程度
保持することによって達成される。ただしこの水素添加
処理は必須ではなく、コア１ａ中のゲルマニウム濃度が
３０％程度で、光ファイバグレーティングの阻止率が比
較的低くてもよい場合等には、これを行わない構成とす
ることもできる。そして、紫外光照射前にこのような水
素添加処理を行った場合は、グレーティング部２を形成
した後に、光ファイバ１中の水素を脱離させることが好
ましい。この脱水素工程は、例えば光ファイバ１を常温
〜１００℃の温度条件下に数日間放置することによって
行われる。この脱水素工程は、紫外光照射に先立って光
ファイバ１に添加された水素自体に起因して屈折率変化
が生じ、グレーティング部２作製後にグレーティング特
性が経時的に変化するのを防止するのに有効である。

【００１９】次に、形成されたグレーティング部２に対
して光ファイバ１長さ方向に張力をかけることによっ
て、光ファイバグレーティングの阻止帯域の中心波長を
調整する。図２はグレーティング部２が形成された光フ
ァイバ１に張力をかける際に好適に用いられる装置の例
を示した概略構成図である。図中符号１１，１１は光フ
ァイバクランプであり、これによって光ファイバ１の両
外側の被覆層５部分がそれぞれ把持されている。また２
つの光ファイバクランプ１１，１１の一方または両方が
光ファイバ１長さ方向に移動可能となっており、２つの
光ファイバクランプ１１，１１間の距離を制御できるよ
うに構成されている。本実施例では、一方の光ファイバ
クランプ１１が光ファイバ１長さ方向に移動可能な移動
ステージ（図示せず）上に取り付けらて移動できるよう
に構成されるとともに、この移動可能な光ファイバクラ
ンプ１１は張力計１３に接続されており、これによって
光ファイバクランプ１１，１１に把持されている光ファ
イバ１にかかる張力をモニターできるようになってい
る。また光ファイバ１の両端（入射端および出射端）は
光学測定器１２に接続されており、これによって光ファ
イバ１における波長−透過損失特性をモニターできるよ
うになっている。

【００２０】このような構成の装置を用いて、光ファイ
バグレーティングの阻止帯域の中心波長を調整するに
は、まず光学測定器１２で光ファイバ１の波長−透過損
失特性をモニターしながら、光ファイバクランプ１１
を、２つの光ファイバクランプ１１，１１が互いに遠ざ
かる方向へ移動させてグレーティング部２に張力をかけ
る。このとき、阻止帯域の中心波長が所望の値となるよ
うに張力を加減し、所望の中心波長が得られた時点で光
ファイバクランプ１１の移動を止める。そして、この状
態を保ちつつ光ファイバ１を基板３上に接着固定するこ
とにより、所望の中心波長を有する光ファイバグレーテ
ィングが得られる。

【００２１】このようにして得られた放射モード結合型
の光ファイバグレーティングは、例えば光通信分野に利
用され、特にエルビウム添加光ファイバアンプを用いた
光通信システム中で、エルビウム添加光ファイバからの
自然放出光の抑制や、エルビウム添加光ファイバアンプ
の利得の波長依存性低減などに好適に用いられる。

【００２２】本実施例の光ファイバグレーティングは、
グレーティング部形成後に、グレーティング部に張力を
かけることにより阻止帯域の中心波長が精密に制御さ
れ、その状態で固定されているので、高精度の透過特性
を有している。また本実施例の光ファイバグレーティン
グの製造方法によれば、グレーティング部を形成した後
に、張力をかけるという比較的簡単な手法で阻止帯域の
中心波長を微調整することができる。したがって、製造
条件の不安定要素にかかわらず、中心波長の精密な制御
を容易に行うことができる。

【００２３】

【実施例】

（実施例１）コアが酸化ゲルマニウムが添加された石英
ガラスからなり、クラッドが純石英ガラスからなる光フ
ァイバに、周期的なスリットを有するマスクを介して波
長２４８ｎｍの紫外光を照射してグレーティング部を形
成した。用いた光ファイバのコア−クラッド比屈折率差
は１．３０％、モードフィールド径は５．５μｍで、カ
ットオフ波長は０．９μｍであった。またグレーティン
グ部のグレーティングピッチは３００μｍで、グレーテ
ィング長は１１ｍｍとした。後の工程で張力が印加され
る前の阻止帯域の中心波長は１５５７．０ｎｍ、阻止率
は１．１ｄＢ、阻止帯域幅は３０ｎｍであった。次にグ
レーティング部が形成された光ファイバを図２に示す構
成の張力印加装置にセットし、光ファイバの波長−透過
損失特性をモニターしながら、グレーティング部に対し
て徐々に張力をかけた。このときの張力の大きさと阻止
帯域の中心波長との関係を図３に示す。このグラフから
明らかなように、張力が大きくなるにしたがって中心波
長は短波長側へ直線的に変化しており、中心波長の張力
依存性は−１．０×１０^-2ｎｍ／ｇｆであった。この結
果より、グレーティング部に張力をかけることによって
阻止帯域の中心波長を微調整できることが認められる。
そして張力を１００ｇｆに保った状態で、光ファイバを
石英基板上に紫外線硬化型樹脂で固定して光ファイバグ
レーティングを得た。得られた光ファイバグレーティン
グの最終的なグレーティング特性は、阻止帯域の中心波
長１５５６ｎｍ、阻止率１．１ｄＢ、阻止帯域幅３０ｎ
ｍであり、阻止率と阻止帯域幅は張力印加前後で殆ど変
化しなかった。

【００２４】尚、上記の実施例では、放射モード結合型
の光ファイバグレーティングを例に挙げて説明したが、
放射モード結合型のグレーティングに限らず、反射モー
ド結合型のグレーティングを製造する場合にも、本発明
は同様に適用可能である。すなわち、光ファイバにコア
屈折率が周期的に変化してなる反射モード結合型のグレ
ーティング部を形成した後、例えば図２に示す構成の装
置を用い、波長−反射光強度特性をモニターしながら、
上記実施例と同様にしてグレーティング部に対して光フ
ァイバ長さ方向の張力をかけることによって、反射帯域
の中心波長を調整することができる。反射モード結合型
光ファイバグレーティングにあっては、コア屈折率が周
期的に変化しているグレーティング部に張力を加えるこ
とによって、グレーティング部におけるコア−クラッド
比屈折率差が変化するので、上記表１に示すようにグレ
ーティング部で反射される光の波長（反射帯域の中心波
長）が変化するものと考えられる。

【００２５】ただし、放射型グレーティングにおいて
は、コアの屈折率変化に対する中心波長の変化の度合い
が大きいので、従来の方法におけるグレーティング作製
時の中心波長制御の困難さは反射モード結合型グレーテ
ィングより大きく、したがって本発明によってこれを解
決することによる効果も大きい。また光ファイバグレー
ティングに限らず、光導波路として平面型光導波路を用
いる場合でも、本発明を同様に適用することが可能であ
る。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の光導波路グ
レーティングは、コアの屈折率が周期的に変化してなる
グレーティング部が形成された光導波路が、該グレーテ
ィング部に張力をかけた状態で固定されていることを特
徴とするものである。したがって、グレーティング部形
成後に、グレーティング部に張力をかけることにより阻
止帯域の中心波長が精密に制御され、その状態で固定さ
れているので、精度に優れている。

【００２７】また本発明の光導波路グレーティングの製
造方法は、コアの屈折率が周期的に変化してなる光導波
路にグレーティング部を形成した後、該グレーティング
部に対して光導波路長さ方向に張力を加えることによ
り、阻止帯域または反射帯域の中心波長を制御すること
を特徴とするものである。したがって、光導波路グレー
ティングを製造する際に、阻止帯域の中心波長の精密な
制御を容易に行うことができ、高精度のグレーティング
特性を有する光導波路グレーティングが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の光導波路グレーティングの一実施例
を示す平面図である。

【図２】 本発明の光導波路グレーティングの製造方法
に好適に用いられる張力印加装置の例を示す概略構成図
である。

【図３】 本発明に係る実施例で得られた中心波長の張
力依存性を示すグラフである。

【図４】 放射モード結合型光導波路グレーティングの
特性を示すグラフである。

【図５】 反射モード結合型光導波路グレーティングの
特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１…光ファイバ、２…グレーティング部、１１…光ファ
イバクランプ、１３…張力計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥出 聡 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉工場内 (72)発明者 須藤 正明 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉工場内 (72)発明者 酒井 哲弥 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉工場内 (72)発明者 和田 朗 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉工場内 (72)発明者 山内 良三 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コアの屈折率が周期的に変化してなるグ
   レーティング部が形成された光導波路が、該グレーティ
   ング部に張力をかけた状態で固定されていることを特徴
   とする光導波路グレーティング。
2. 【請求項２】 光導波路にコアの屈折率が周期的に変化
   してなるグレーティング部を形成した後、該グレーティ
   ング部に対して光導波路長さ方向に張力を加えることに
   より、阻止帯域または反射帯域の中心波長を制御するこ
   とを特徴とする光導波路グレーティングの製造方法。