JPH10339821A - 光導波路型グレーティングの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 所望の特性の光導波路型グレーティングを精
度良く製造できる方法を提供する。 【解決手段】 本発明は、所定の光の入射により屈折率
変化を生じる感光性光導波路を用意し、この光導波路の
所定箇所に光を入射させて光導波路型グレーティングを
書き込む第１工程と、この所定箇所に加熱処理を施す第
２工程と、光導波路型グレーティングの遮断波長を測定
する第３工程と、第３工程における測定値が所定の目標
値よりも所定量を超えて大きい場合に光導波路の前記所
定箇所に加熱処理を施す第４工程と、を備えている。第
４工程の加熱処理により光導波路型グレーティング中の
光誘起屈折率変化を緩和させてグレーティングの遮断波
長を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路の所定波
長の導波光を遮断する光導波路型グレーティングの製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光導波路型グレーティングは、光ファイ
バや薄膜導波路などの光導波路中に形成された周期的な
屈折率変調領域であり、これには比較的短周期（通常、
約０．１〜１．０μｍ周期）のブラッググレーティング
と、これよりも長い周期（通常、約１００〜１０００μ
ｍ周期）を有する長周期グレーティングとが含まれる。
これらのグレーティングは、いずれも光導波路中を進行
する所定波長帯の光を遮断する機能を有している。具体
的に述べると、ブラッググレーティングは、ブラッグ波
長の光を中心とした波長帯の光を反射して、この波長帯
の光を遮断する。また、長周期グレーティングは、所定
の条件を満たす波長のコアモード光をクラッドモード光
に変換して光損失にすることにより、この波長（いわゆ
る「損失波長」）の光を遮断する。いずれのグレーティ
ングの場合も、グレーティングによって遮断される光の
波長（ブラッグ波長や損失波長のこと。以下、「遮断波
長」と呼ぶ。）は、グレーティングを構成する屈折率変
調の周期やグレーティングの平均実効屈折率に依存して
いる。

【０００３】光導波路型グレーティングの製造方法とし
ては、感光性の光導波路に光を入射させて光誘起屈折率
変化を生じさせる方法が広く知られている。感光性の光
導波路としては、Ｇｅがドープされた石英（ＳｉＯ₂）
ガラスが一般的に用いられ、このガラスへの入射光とし
ては、約２４０〜２５０ｎｍ又は約１８５〜１９５ｎｍ
の波長の紫外光がよく用いられている。

【０００４】この光誘起屈折率変化の主因は、所定波長
の紫外光の入射により石英ガラス中に発生したＧｅ欠陥
であると考えられている。このＧｅ欠陥は時間の経過と
ともに減少することから、光誘起屈折率変化は時間の経
過とともに緩和する。すなわち、グレーティング中の屈
折率差（屈折率の最大値と最小値の差）は、時間の経過
とともに小さくなる。この結果、光導波路型グレーティ
ングの特性が経時変化するので、長期の使用においてグ
レーティングの特性が安定しないという問題が生じてい
た。

【０００５】特開平７−１８７６９５号公報には、光フ
ァイバにファイバグレーティングを書き込んだ直後に加
熱処理を施して故意に屈折率変化を緩和させることによ
り、使用期間中におけるグレーティング特性の経時変化
を抑える技術が開示されている。光誘起屈折率変化の経
時的な緩和はグレーティングの書き込み直後が最も急激
であり、屈折率変化の緩和が進んでグレーティングの屈
折率差がある程度小さくなった後は緩やかになる。従っ
て、書き込み直後の加熱処理によって屈折率変化の緩和
をある程度進めてしまうことにより、グレーティングの
特性を安定させることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、加熱処
理によって屈折率変化を緩和させ屈折率差を低減する
と、光導波路型グレーティングの平均実効屈折率が変化
するので、これに応じてグレーティングの特性も変化し
てしまう。このため、最終的に所望の遮断波長を有する
グレーティングを精度良く製造することは困難である。

【０００７】本発明は、上記に鑑みなされたもので、所
望の特性の光導波路型グレーティングを精度良く製造で
きる方法を提供することを課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光導波路型グレ
ーティング製造方法は、所定の光の入射により屈折率変
化を生じる感光性光導波路を用意し、この光導波路の所
定箇所に前記光を入射させて光導波路型グレーティング
を書き込む第１工程と、この所定箇所に加熱処理を施す
第２工程と、光導波路型グレーティングの遮断波長を測
定する第３工程と、第３工程における測定値が所定の目
標値よりも所定量を超えて大きい場合に光導波路の前記
所定箇所に加熱処理を施す第４工程と、を備えている。
ここで、光導波路型グレーティングの遮断波長とは、光
導波路型グレーティングによって遮断される光の波長を
いい、ブラッググレーティングのブラッグ波長や長周期
グレーティングの損失波長が該当する。

【０００９】本発明では、第４工程の加熱処理により光
導波路型グレーティング中の光誘起屈折率変化を緩和さ
せて光導波路型グレーティングの遮断波長を補正するの
で、所望の遮断波長を有する光導波路型グレーティング
を精度良く製造することができる。

【００１０】上記第４工程における加熱処理は、第２工
程における加熱処理よりも高い温度で行うと良い。こう
することで光導波路型グレーティングの遮断波長を迅速
に補正することができる。

【００１１】本発明は、第１工程の前に、光導波路の前
記所定箇所に水素及び重水素の少なくとも一方を添加す
る工程を更に含んでいても良く、このとき、第１工程に
おけるグレーティングの書き込み開始時において光導波
路の前記所定箇所における水素及び重水素の総濃度が５
００ｐｐｍ以上であると良い。水素や重水素は光誘起屈
折率変化の感光性向上材としての機能を有しており、こ
れらが光導波路中に５００ｐｐｍ以上添加されていると
十分に感光性を高めることができる。また、第２工程に
おける加熱処理の終了時において光導波路の前記所定箇
所における水素及び重水素の総濃度が１００ｐｐｍ以下
であると良い。水素や重水素は光導波路の屈折率変化材
としての機能も有しており、これらが外気中に自然拡散
して光導波路から離脱すると屈折率が変化して光導波路
型グレーティングの特性に影響を与える可能性がある。
第２工程の加熱処理により水素や重水素は強制的に外気
中に拡散されるが、これにより水素及び重水素の総濃度
が１００ｐｐｍ以下になると、光導波路型グレーティン
グの特性に与える影響が十分に小さくなる。

【００１２】上記第４工程における加熱処理は、光導波
路型グレーティングの遮断波長をモニタリングしながら
行うと良い。こうすることで光導波路型グレーティング
の遮断波長を精度良く補正することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明に
おいて同一の要素には同一の符号を付し、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。

【００１４】本実施形態では、光導波路型のブラッググ
レーティングを製造することを目的とし、ブラッググレ
ーティングを書き込む光導波路としては光ファイバを用
いる。この光ファイバは、石英（ＳｉＯ₂）ガラスを主
成分とする一般的なシングルモード光ファイバであり、
コアにのみ屈折率上昇材であるゲルマニウム（Ｇｅ）が
添加されている。周知の通り、ゲルマニウムは、約２４
０〜２５０ｎｍ又は約１８５〜１９５ｎｍの波長の紫外
光に対して光誘起屈折率変化を促す感光材としての機能
を有している。すなわち、ゲルマニウムが添加された石
英ガラスは、上記のような波長の紫外光が入射すると、
その入射部分の屈折率が入射光量に応じた大きさだけ上
昇するという性質を持つようになる。本実施形態で用い
る光ファイバの場合、コアにのみゲルマニウムが添加さ
れているので、コアにグレーティングを書き込むことが
可能になっている。

【００１５】図１は、本実施形態のグレーティング製造
方法を説明するためのフローチャートである。本実施形
態では、まず、光誘起屈折率変化の感光性を高めるた
め、上記の光ファイバ中に感光性向上材である水素を添
加する（ステップ１０１）。具体的には、光ファイバ素
線のグレーティングを書き込む部分の被覆を除去してク
ラッドを露出させた後、露出した部分を水素雰囲気中に
一定時間さらす。これにより水素分子がクラッド表面か
ら光ファイバの内部に拡散するので、コアに水素分子を
添加することができる。周知のように、ゲルマニウムが
添加された石英ガラスに水素分子が更に添加されると、
石英ガラスの光誘起屈折率変化の感光性が向上する。な
お、感光性向上の効果を十分に得るためには、水素濃度
が５００ｐｐｍ以上になるようにすると良い。

【００１６】次に、光ファイバ素線の被覆除去部分に含
まれるコアに紫外光を一定時間にわたって入射させ、所
定のブラッグ波長を有するブラッググレーティングをコ
アに書き込む（ステップ１０２）。グレーティングの書
き込み方法としては、２光束干渉露光法や位相格子法な
ど一般的な方法を任意に用いることができる。

【００１７】グレーティングの書き込みが完了したら、
グレーティングを書き込んだ光ファイバ素線に加熱処理
（アニール処理）を施す（ステップ１０３）。具体的に
は、光ファイバ素線のグレーティング書き込み部分を加
熱炉に入れ、１００℃の空気中に２４時間さらす。この
加熱処理は、書き込んだブラッググレーティングの光誘
起屈折率変化の緩和を促進するとともに、コア中の水素
分子を除去することによりグレーティングの特性を安定
させる。以下、この点について具体的に説明する。

【００１８】屈折率変化の緩和はグレーティングの書き
込み直後が最も急激であり、時間の経過とともに徐々に
緩やかになる。屈折率変化の緩和が進んでグレーティン
グの屈折率差（グレーティング中の屈折率の最大値と最
小値の差）がある程度小さくなると、その後の屈折率差
の変化は十分に小さくなるので、本実施形態では、この
ような状態になるまで加熱処理により屈折率変化の緩和
を促進し、グレーティングの特性を安定化している。ま
た、コアに添加された水素は石英ガラスの屈折率上昇材
としての機能を有しているので、水素が時間の経過とと
もに外気中に拡散していくとグレーティングの屈折率が
全体的に低下し、これに応じてグレーティングの特性も
変化してしまう。本実施形態では、加熱処理を行うこと
によって水素を迅速に外気中に拡散して除去し、グレー
ティングの経時的な特性変化を抑えている。

【００１９】光ファイバ中の水素は加熱処理によりでき
るだけ除去してしまうのが好ましい。上述のように水素
が光ファイバ中に残留していると、水素の自然拡散によ
るグレーティング特性の変化が生じて後の工程に影響を
与えかねない。このようなグレーティング特性の変化を
十分に抑えるためには、加熱処理によって水素濃度を１
００ｐｐｍ以下にするのが好ましい。

【００２０】なお、加熱温度が高いほど屈折率変化の緩
和や水素拡散は迅速になるが、ファイバ被覆材の耐熱性
などを考慮すると、好ましくは１４０℃以下、より好ま
しくは１２０℃以下で加熱を行う。また、屈折率変化の
緩和や水素拡散の速度を十分に大きくするためには、約
６０℃以上の温度で加熱処理を行うのが好ましい。

【００２１】上記の加熱処理が終了したら、光ファイバ
素線を加熱炉から取り出し、ファイバグレーティングの
ブラッグ波長を測定する（ステップ１０４）。具体的に
は、光ファイバ素線の一端から検査光を入射させ、他端
に光スペクトラムアナライザを接続しておき、グレーテ
ィングを透過した検査光のスペクトラムを測定する。検
査光のうちブラッグ波長付近の光はブラッググレーティ
ングにより反射されるため、測定される光スペクトラム
にはグレーティングによる光遮断を表す谷が現れる。こ
の谷の中心波長（半値幅の中心に位置する波長）がグレ
ーティングのブラッグ波長を表している。なお、谷の最
低点の波長をブラッグ波長とする考え方もある。

【００２２】続いて、上記のようにして求めたブラッグ
波長の測定値と最終的に得たいブラッグ波長の値（以
下、ブラッグ波長の「目標値」と呼ぶ）とを比較し、測
定値と目標値の差が所定の許容誤差以内であるかどうか
を判定する（ステップ１０５）。すなわち、ステップ１
０５では、 ｜λ(測定)−λ(目標)｜≦Δλ(許容) …（１） ここで、λ(測定)：ブラッグ波長の測定値 λ(目標)：ブラッグ波長の所定の目標値 Δλ(許容)：ブラック波長の所定の許容誤差（＞０） をλ(測定)が満足するかどうかを判定する。

【００２３】λ(測定)が上記（１）式を満足する場合、
許容できるブラッグ波長のグレーティングが得られたも
のとして光導波路型グレーティングの製造を終了する
（ステップ１０６）。一方、λ(測定)が上記（１）式を
満足しない場合、すなわち｜λ(測定)−λ(目標)｜＞Δ
λ(許容)の場合は、ブラッグ波長の測定値が目標値より
も大きい（λ(測定)＞λ(目標)）かどうかを更に判定す
る（ステップ１０７）。λ(測定)＞λ(目標)でない場
合、すなわち測定値が目標値よりも小さい場合は、この
光導波路型グレーティングを出荷停止にする（ステップ
１０８）。しかし、測定値の方が目標値よりも大きい場
合は、ブラッグ波長を補正するため再度の加熱処理を行
う（ステップ１０９）。この加熱処理は、ステップ１０
３と同様に、光ファイバ素線のグレーティング書き込み
部分を加熱炉に入れ、所定温度の空気中に一定時間さら
すことによって行う。

【００２４】加熱処理を行えば、ステップ１０３と同様
に、グレーティングを構成する光誘起屈折率変化が緩和
し、グレーティングの屈折率差が低下する。これにより
グレーティングの平均実効屈折率も小さくなるので、グ
レーティングのブラッグ波長は短波長側に変化する。従
って、所定の加熱温度のもとで適切な時間にわたって加
熱処理を行うことにより所望の量だけブラッグ波長を短
くすることができ、ブラッグ波長を目標値に近づけるこ
とができる。なお、光誘起屈折率変化の緩和による屈折
率差の低下が余りに大きいとグレーティングの光遮断機
能が失われる可能性もあるが、本発明者の実験によれ
ば、屈折率変化の緩和によるブラッグ波長の変化量が
０．２ｎｍ程度までなら光遮断機能を十分に維持するこ
とができる。

【００２５】本実施形態では、この２回目の加熱処理に
おける加熱温度を１回目の加熱処理（ステップ１０３）
における加熱温度よりも高い１２０℃に設定する。こう
することで、ブラッグ波長の補正を迅速に行うことがで
きる。以下、この点について説明する。

【００２６】図２は、様々な温度で加熱処理を施した場
合における石英系ファイバグレーティングの屈折率差の
経時変化を示している。図２の横軸は、加熱処理時間、
すなわちファイバグレーティングを高温雰囲気にさらし
た時間、を示し、縦軸は、ファイバグレーティングの屈
折率差、すなわちグレーティング中の屈折率の最大値と
最小値の差、を示している。ここで、縦軸に示される屈
折率差の値は、加熱処理開始時における屈折率差を１に
規格化した値である。図２に示されるように、加熱処理
を高温で行うほど屈折率変化の緩和が迅速に進行し、屈
折率差が素早く低下する。

【００２７】図３は、様々な温度の加熱処理開始時にお
ける石英系ファイバグレーティングの屈折率差とその屈
折率差を０．０３だけ低下させるのに必要な加熱処理時
間との関係を示している。ここで、図３の横軸は、加熱
処理を１回も施していない状態での屈折率差を１に規格
化した値を示している。例えば、横軸の０．９７に対応
する縦軸の値は、事前に行われた加熱処理により１から
０．９７まで屈折率差が低下した状態にあるファイバグ
レーティングに更に加熱処理を施して屈折率差を０．９
４まで低下させるのに必要な加熱処理時間を示してい
る。

【００２８】各加熱温度について屈折率差を１から０．
９７まで変化させるのに必要な加熱処理時間、及び１回
目の加熱処理により０．９７まで低下した屈折率差を２
回目の加熱処理によって更に０．９４まで低下させるの
に必要な加熱処理時間を以下の表に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】図３及び表１から明らかなように、同じ量
だけ屈折率差を変化させるのであれば１回目と同じ温度
で２回目の加熱処理を行うよりも１回目より高い温度で
２回目の加熱処理を行った方が加熱時間が短くて済み、
ブラッグ波長を迅速に補正することができる。

【００３１】次に、本実施形態では、２回目の加熱処理
（ステップ１０９）の間、ステップ１０４で用いた方法
によりグレーティングのブラッグ波長を継続的に測定
し、加熱処理によるブラッグ波長の変化をモニタリング
する。これにより、適切な時間だけ加熱処理を行うこと
ができ、グレーティングのブラッグ波長を必要な量だけ
精度良く変化させることができる。

【００３２】このようにして２回目の加熱処理を行った
後、光ファイバ素線を加熱炉から取り出し、確認のため
再度ブラッグ波長を測定する（ステップ１０４）。以
下、ステップ１０５でブラッグ波長が許容できるかどう
かを判断し、その判断結果に基づいて上記の工程を繰り
返す。

【００３３】本実施形態では、グレーティング書き込み
直後の１回目の加熱処理の後、ファイバグレーティング
のブラッグ波長を測定し、その測定結果に応じて追加の
加熱処理を行ってブラッグ波長を補正するうえ、この追
加加熱処理をブラッグ波長をモニタリングしながら行う
ので、所望のブラッグ波長を有するファイバブラッググ
レーティングを極めて精度良く製造することができる。

【００３４】本発明は、上記実施形態に限られるもので
はなく、様々な変形が可能である。

【００３５】例えば、上記実施形態ではブラッググレー
ティングを製造したが、上記実施形態の方法により長周
期グレーティングを製造することも可能である。また、
上記実施形態では、グレーティングを書き込む光導波路
として光ファイバを用いたが、他の種類の光導波路（薄
膜導波路など）を用いることも可能である。

【００３６】次に、上記実施形態では感光性向上材とし
て水素を光ファイバに添加したが、水素以外の感光性向
上材を添加しても良い。水素以外の感光性向上材として
は重水素が良く知られている。また、これらの感光性向
上材を複数種類添加しても良い。

【００３７】

【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明で
は、１回目の加熱処理の後、光導波路型グレーティング
の遮断波長を測定し、その測定結果に応じて追加の加熱
処理を行い遮断波長を補正するので、所望の特性の光導
波路型グレーティングを精度良く製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態のグレーティング製造方法を示すフロ
ーチャートである。

【図２】様々な温度で加熱処理を施した場合のグレーテ
ィングの屈折率差の経時変化を示す図である。

【図３】様々な温度の加熱処理開始時におけるグレーテ
ィングの屈折率差とその屈折率差を所定量だけ低下させ
るのに必要な加熱処理時間との関係を示す図である。

【符号の説明】

１０１〜１０９…実施形態のグレーティング製造方法の
各ステップ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大西 正志 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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の光の入射により屈折率変化を生じ
   る感光性光導波路を用意し、この光導波路の所定箇所に
   前記光を入射させて光導波路型グレーティングを書き込
   む第１工程と、 前記光導波路の前記所定箇所に加熱処理を施す第２工程
   と、 前記光導波路型グレーティングの遮断波長を測定する第
   ３工程と、 前記第３工程における測定値が所定の目標値よりも所定
   量を超えて大きい場合に前記光導波路の前記所定箇所に
   加熱処理を施す第４工程と、 を備える光導波路型グレーティングの製造方法。
2. 【請求項２】 前記第４工程における加熱処理は、前記
   第２工程における加熱処理よりも高い温度で行うことを
   特徴とする請求項１記載の光導波路型グレーティング製
   造方法。
3. 【請求項３】 前記第１工程の前に、前記光導波路の前
   記所定箇所に水素及び重水素の少なくとも一方を添加す
   る工程を更に含み、 前記第１工程における光導波路型グレーティングの書き
   込み開始時において、前記光導波路の前記所定箇所にお
   ける前記水素及び重水素の総濃度は５００ｐｐｍ以上で
   あり、 前記第２工程における加熱処理の終了時において、前記
   光導波路の前記所定箇所における前記水素及び重水素の
   総濃度は１００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求
   項１記載の光導波路型グレーティング製造方法。
4. 【請求項４】 前記第４工程における加熱処理は、前記
   光導波路型グレーティングの遮断波長をモニタリングし
   ながら行うことを特徴とする請求項１記載の光導波路型
   グレーティング製造方法。