JP3950138B2 - ファイバグレーティングおよびファイバグレーティングの作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、ファイバグレーティングおよびファイバグレーティングの作製方法に係わり、特にゲルマニウムなどの感光性不純物を含有しないシリカガラスから成るコアにグレーティングが書き込まれたファイバグレーティングおよびファイバグレーティングの作製方法に関する。

ファイバグレーティングは、光の照射により光ファイバのコア内に周期的屈折率変化を起させて回折格子（以下「グレーティング」という。）を作製したものであり、特定の波長（Ｂｒａｇｇ波長）の光信号のみを反射する機能を備えていることから、光デバイス若しくは光フィルタとして多用されている。

従来、このようなグレーティングの書き込み対象となる光ファイバとしては、所定量のゲルマニウムを含有するシリカガラスから成るコアの外周にシリカガラスから成るクラッドを設けて成るものが知られている。

しかしながら、ゲルマニウムを含有するシリカガラスをコアとする光ファイバにおいては、波長領域が２００ｎｍ以下のいわゆる真空紫外光および波長領域が２００〜３００ｎｍのいわゆる深紫外光を伝播させることが困難であり、また真空紫外光および深紫外光の透過による劣化が著しく、使用に耐え得ることができないという難点があった。

このため、ゲルマニウムを含有しないシリカガラスから成るコアにグレーティングを書き込んで成るファイバグレーティングの開発が望まれている。

ところで、このような構成のファイバグレーティングの作製方法としては、光ファイバ上に格子状の位相マスクを配設し、この位相マスクの上から光を照射することにより、コア内に周期的屈折率変化を起させる、いわゆるフォトマスク法が知られている。

しかしながら、このようなファイバグレーティングの作製方法においては次のような難点があった。

第１に、ファイバグレーティングは、光ファイバの材料であるゲルマニウムを含有するシリカガラスに紫外線を照射することにより屈折率が変化するという材料特性に依存していることから、ゲルマニウムを含有しないシリカガラスから成るコアに紫外線を照射しても屈折率が変化せず、このため、ゲルマニウムを含有しないシリカガラスから成るコアにグレーティングを作製することができないという難点があった。

第２に、書き込みに使用する光源として、光ファイバの保護被覆層を透過しない紫外光（波長：２５０ｎｍ程度）を使用しているため、光ファイバ心線から保護被覆層を除去した状態でグレーティングの書き込みを行なわなければならず、また、グレーティングの書き込み後に保護被覆層を再度被覆（リコート）しなければならないことから、手間がかかる上、リコートした部分の強度が劣化するなどの難点があった。

第３に、グレーティングの周期は、位相マスクのマスクピッチで決定されるため、グレーティングの周期を変えることが困難であるという難点があった。

第４に、上記の第１の理由により、紫外域に高い透過率を有する光ファイバにグレーティングを書き込むことができず、このため、紫外光用のファイバグレーティングを製造することができないという難点があった。

一方、ゲルマニウムを含有しないシリカガラスから成るコアにフェムト秒レーザを照射することによりグレーティングを書き込む方法も案出されているが、単にフェムト秒レーザを照射する方法においては、グレーティングの周期が３０μｍ程度のファイバグレーティングしか製造できず、このため、このままでは紫外・可視・近赤外の領域では実用に供し得ないという難点があった。

本発明は、上述の難点を解決するためになされたもので、ゲルマニウムを含有しないシリカガラスから成るコアに対してグレーティングを書き込むことができ、また、光ファイバ心線の保護被覆層を除去しなくてもグレーティングを書き込むことができるファイバグレーティングおよびファイバグレーティングの作製方法を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明のファイバグレーティングは、フッ素を１００〜１０００ｐｐｍおよびＯＨ基を４〜７ｐｐｍ含有し、かつゲルマニウムを含有しないシリカガラスから成るコアの外周に、フッ素を１０００〜７０００ｐｐｍまたはホウ素を２０００〜１００００ｐｐｍ含有したシリカガラスから成るクラッドを備え、コアには、フェムト秒レーザまたはピコ秒レーザの照射によりグレーティングが書き込まれているものである。

さらに、本発明のファイバグレーティングにおけるクラッドは、光軸に平行な複数の中空孔を備えるものである。

これらの本発明のファイバグレーティングによれば、ゲルマニウムを含有しないシリカガラスから成るコア、例えば純石英ガラス、フッ素ドープシリカガラス、ホウ素ドープシリカガラス、リンドープシリカガラスをコアとする光ファイバに対してグレーティングを書き込むことが可能になり、従来、不可能とされていた、ゲルマニウムを含有しないシリカガラスをコアとするファイバグレーティングを提供することができ、ひいては紫外光用のファイバグレーティングを提供することができる。また、光学系の調整によりグレーティングの周期を容易に変えることができることから、屈折率の周期が１００ｎｍ〜１μｍ程度のいわゆる長周期のファイバグレーティングを提供することができる。

本発明のファイバグレーティングの作製方法は、フッ素を１００〜１０００ｐｐｍおよびＯＨ基を４〜７ｐｐｍ含有し、かつゲルマニウムを含有しないシリカガラスから成るコアの外周に、フッ素を１０００〜７０００ｐｐｍまたはホウ素を２０００〜１００００ｐｐｍ含有したシリカガラスから成るクラッドを備えるとともに、前記クラッドの外周に保護被覆層を備える光ファイバに対し、コヒーレントな２つのフェムト秒レーザまたはピコ秒レーザを干渉させて生じた干渉光を前記保護被覆層の外側から照射することにより、コアにグレーティングを書き込むように構成されている。

また、本発明のファイバグレーティングの作製方法における光ファイバのクラッドの外表面には平坦部が設けられ、この平坦部に干渉光が照射されるように構成されている。

これらの本発明のファイバグレーティングの作製方法によれば、１パルスのフェムト秒レーザまたはピコ秒レーザの照射によりグレーティングの書き込みができることから、光ファイバの紡糸中にオンラインでグレーティングの書き込みを行なうことができ、また、書き込みに使用する光源として、保護被覆層に対して透過率の高いフェムト秒レーザまたはピコ秒レーザを使用していることから、光ファイバ心線の保護被覆層を除去することなくグレーティングの書き込みを行なうことができ、ひいてはリコートが不要で、強度劣化を生じないファイバグレーティングを提供することができる。

以下、本発明のファイバグレーティングおよびファイバグレーティングの作製方法の好ましい実施の形態例について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明のファイバグレーティングの横断面図、図２および図３は、本発明のファイバグレーティングの他の実施例に係る横断面図を示している。なお、図２および図３において、図１と共通する部分には同一の符号が付されている。

図１において、本発明のファイバグレーティングは、後述の方法によりグレーティングが書き込まれたコア１の外周にクラッド２が設けられた光ファイバ３と、光ファイバ３の外周に設けられた保護層４と、必要により保護層４の外周に設けられた外部保護層５とを備えている。

コア１は、１００〜１０００ｐｐｍのフッ素が含有されたシリカガラスから構成されている。かかるフッ素は、従来、屈折率を低減させるものとしてクラッドにドープされていたものであるが、本発明においては、コア１を形成するシリカガラスに所定量のフッ素を含有させることにより、光ファイバ中を伝送する紫外光の透過率を高くすることができる。ここで、フッ素のシリガガラスに対する含有量を１００ｐｐｍ以上としたのは、１００ｐｐｍ未満では、光ファイバ中を伝送する紫外光の透過率が低減し、また、１０００ｐｐｍ以下としたのは、後述するクラッドに含有するフッ素の含有量を考慮したものである。また、フッ素の含有量が１００〜１０００ｐｐｍであるシリカガラスとしては、紫外光照射に起因する光ファイバの劣化を防止する観点から、ＯＨ基を４〜７ｐｐｍの範囲で含有させることが好ましい。ここで、ＯＨ基の範囲を４〜７ｐｐｍとしたのは、４ｐｐｍ未満であると、光ファイバ中を伝送する紫外光の透過率の低減を防止することができず、また、７ｐｐｍを超えると、透過率の低減が生じることになるからである。

クラッド２は、１０００〜７０００ｐｐｍのフッ素が含有されているシリカガラス、または２０００〜１００００ｐｐｍのホウ素が含有されているシリカガラスから構成されている。このように所定量のフッ素またはホウ素をシリカガラスに含有させることにより、光ファイバ中を伝送する光の透過率の低下を防止することができる。ここで、フッ素のシリガガラスに対する含有量を１０００ｐｐｍ以上としたのは、コア１に含有するフッ素の含有量を考慮したものであり、また７０００ｐｐｍ以下としたのは、フッ素のシリカガラスに対する飽和量を考慮したものである。また、ホウ素のシリカガラスに対する含有量を２０００〜１００００ｐｐｍとしたのは、２０００ｐｐｍ未満であると、コア１の屈折率との関係から、光ファイバ中を伝送する光の透過率の低下を防止することが困難となり、また１００００ｐｐｍ以下としたのは、ホウ素のシリカガラスに対する飽和量を考慮したものである。

ここで、前述の実施例においては、コア１の外周に、所定量のフッ素またはホウ素を含有するシリカガラスから成るクラッド２を設けているが、このクラッド２に代えて、図２に示すように、コア１の外周に紫外線透過樹脂から成るクラッド２ａを形成してもよい。かかる紫外線透過樹脂としては、フッ素系樹脂が好ましく、また光透過性の観点からは、非結晶性フッ素樹脂が好ましい。結晶性を有するフッ素樹脂は、光散乱により透過率が低下するため、クラッド２ａとして用いる場合には、フッ素系樹脂の結晶化度は３０％以下であることが好ましい。なお、非結晶性フッ素樹脂の場合は、結晶化度を２０％以下にすることが好ましい。このようなフッ素樹脂としては、特に主鎖に脂肪族環構造を有するフッ素ポリマー、例えば、アモルファスパーフロロ樹脂（商品名：サイトップ（旭硝子（株）社製））が好適に使用される。

また、図３に示すように、クラッド２に代えて、コア１の外周に、多数の中空孔Ｈを有するクラッド２ｂを形成してもよい。かかる中空孔Ｈは、光ファイバの光軸と平行に形成されおり、その全断面積は光ファイバの断面積に対して１０〜６０％程度となるように設けられている。なお、多数の中空孔Ｈはコア１に対して均一に配置されるように設けられている。

この実施例においては、中空孔Ｈ内の空気の存在により、コア１の屈折率に対して、光の伝送を最適となるように屈折率を低くすることができる。

保護層４は、コア１およびクラッド２、２ａ、２ｂを機械的に保護すると共に環境から保護するために設けられる。保護層４としては、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタン系樹脂およびアクリレート系樹脂等が使用される。なお、保護層４の外周には、必要により光ファイバの強度を高めるために、さらに外部保護層５を設けてもよい。外部保護層５は、ナイロン樹脂等を溶融し、ダイスから光ファイバの外周に押し出し、冷却して形成することができる。

このような構成の光ファイバとしては、その口径は、１５０μｍのコア１に対して２００μｍのクラッド２、２ａ、２ｂを有し、また、８００μｍのコア１に対して１０００μｍのクラッド２、２ａ、２ｂを有している。一方、保護層４は、１００〜２５０μｍの厚さで設けられ、外部保護層５は、４００〜６００μｍの厚さで設けられる。ここで、保護層４の厚さが１００μｍ未満となると、コア１およびクラッド２、２ａ、２ｂを十分に保護することができず、また、外部保護層５の厚さが４００μｍ未満となると、十分な強度が得られないからである。

コア１としてフッ素含有量が１００〜２００ｐｐｍ、ＯＨ基含有量が４〜７ｐｐｍのフッ素ドープシリカガラス（商品名：ＡＱＸ、旭硝子社製）を用い、フッ素含有量が２０００ｐｐｍのシリカガラスのクラッド２を形成した。コア径は６００μｍ、クラッド径は７５０μｍに形成した。水素処理を行った後、ＡｒＦエキシマレーザーを用いて、紫外光を照射した前後における、紫外光伝送用光ファイバ１ｍを透過する各波長の紫外光の透過率を測定した。

図４はその測定結果を示している。同図より、紫外光照射前の透過率Ｔ１と紫外光照射後の透過率Ｔ２は、殆ど同等であり、光ファイバの透過率は、紫外光を照射しても殆ど劣化していないことが理解できる。

また、水素処理を行わず、ＡｒＦエキシマレーザーを用いて、紫外光を照射した前後における、紫外光伝送用光ファイバ１ｍを透過する各波長の紫外光の透過率を測定した。図５はその測定結果を示している。同図より、紫外光照射前の透過率Ｔ３が、紫外光照射後の透過率Ｔ４のように低下していることから、水素処理を施すことにより、紫外線照射による劣化を防止し得ることが理解できる。

なお、上記のＡｒＦエキシマレーザーによる照射条件は、光密度２０ｍＪ/ｃｍ ² /ｐｕｌｓｅ、繰り返し周波数２０Ｈｚ、パルス数６０００ｐｕｌｓｅであり、透過率は反復照射した前後の、紫外光伝送用光ファイバ１ｍを透過する各波長の紫外光の透過率を測定した。

以上の結果より、本発明の光ファイバは、紫外光の透過率を高めることができ、また、紫外光照射による透過率の低減を改善することができ、劣化の影響を減少させることができる。特に、水素処理を行ったものは、紫外光照射による透過率の低減が見られず、その特性が著しく改善されていることがわかった。

従って、このような構成のファイバグレーティングを使用すれば、深紫外光および真空紫外光を高透過率で伝播させることができ、また、深紫外光および真空紫外光の照射による劣化を防止することができ、ひいては長期にわたって安定したファイバグレーティングを提供することができる。

なお、このような構成のファイバグレーティングは、深紫外光および真空紫外光を使用するエキシマレーザーを用いた露光装置、エキシマランプを用いた表面洗浄装置にも好適に適用することができる。

次に、本発明のファイバグレーティングの作製方法について説明する。

図６は、本発明のファイバグレーティングの作製系の構成図を示している。

同図において、符号６はフェムト秒レーザから成る光源を示しており、このフェムト秒レーザの進行方向には光路に沿って、それぞれ４５度に傾斜したビームスプリッタ７と第１の反射ミラー８が離間して配置され、また、ビームスプリッタ７および第１の反射ミラー８によるフェムト秒レーザの反射方向には、それぞれ４５度に傾斜した第２、第３の反射ミラー９、１０が対向して配置され、さらに、第２の反射ミラー９によるフェムト秒レーザの反射方向には、４５度に傾斜した第４の反射ミラー１１が対向して配置されている。また、第３、第４の反射ミラー１０、１１によるフェムト秒レーザの反射方向の交点部分、すなわち干渉光の照射領域には書き込みの対象となる光ファイバ心線１３が４５度に傾斜して配置され、この光ファイバ心線１３と第３、第４の反射ミラー１０、１１の光路間にはそれぞれ第１、第２のレンズ１４、１５が配置されている。なお、符号１６は、すなわち、第１、第３の反射ミラー８、１０が離間して配置される部分は、光遅延領域を示している。

ここで、書き込み用の光源６として、波長が８００ｎｍ、パルス幅が１００フェムト秒のモードロックチタンサファイアーフェムト秒レーザが用いられ、また、フェムト秒レーザの集光照射領域には、書き込みの対象となる光ファイバ心線１３が保護層４（図１参照）および（または）外部保護層５（図１参照）（以下「保護被覆層９」という。）を除去せずに配置される。

このようなファイバグレーティングの作製系においては、光源６から出力するフェムト秒レーザは、ビームスプリッタ７により９０度に反射される第１のビームと、ビームスプリッタ７により切り出されて直進する第２のビームに分けられる。そして、第１のビームは、第２の反射ミラー９により９０度に反射され、さらに、第４の反射ミラー１１により９０度に反射され、第２のレンズ１５により集光されて書き込み対象である光ファイバ心線１３に照射される。また、第２のビームは、第１の反射ミラー８により９０度に反射され、さらに、第２の反射ミラー１０により９０度に反射され、第１のレンズ１４により集光されて書き込み対象である光ファイバ心線１３に照射される。

以上のように、光源６から出力するフェムト秒レーザは、ビームスプリッタ７により２分割され、光ファイバ心線１３のコア付近で干渉し、このときにおける干渉縞の光強度分布によりガラス屈折率に変化が生じ、これにより、コア１（図１参照）にグレーティングが書き込まれる。

ここで、第１〜第４の反射ミラー８〜１１として、角度を調整することができる可動型の反射ミラーを使用することが望ましい。可動型の反射ミラーを使用した場合においては、第１〜第４の反射ミラー８〜１１の角度を調整することにより、光ファイバ心線１３に対する第１、第２のビームの照射角度を変えることができ、ひいては、グレーティングの周期をかえることができる。

図７は、本発明におけるフェムト秒レーザの集光照射により作製したファイバグレーティングの透過特性を示している。

同図から、１６４０ｎｍ付近にもつ損失ピークを確認することができる。

図８は、光ファイバの他の実施例を示している。この実施例においては、コア２０の外周に、その上下部に平坦部２２ａ、２２ｂを有するクラッド２１が設けられており、このクラッド２１の上部の平坦部２２ａに第１、第２のビームが照射されるように構成されている。

この実施例においては、クラッド２１に平坦部２２ａ、２２ｂを備えていることから、通常の丸型の光ファイバよりもフェムト秒レーザの干渉の効果を高めることができる。

図９は、それぞれグレーティングを書き込んで成る平坦部を備える光ファイバと通常の光ファイバ（丸型）の透過特性を示している。

同図より、波長が１５７０ｎｍ付近における透過率が、平坦部を備える光ファイバの方が通常の光ファイバよりも５ｄＢ程度遮断特性が向上していることが分かる。

以上のように、本発明のファイバグレーティングの作製方法によれば、フェムト秒レーザのいわゆる２光波干渉を利用することにより、光ファイバのコアにグレーティングを書き込むことができる。また、１パルスのフェムト秒レーザの照射により、１００フェムト秒程度でグレーティングの書き込みができることから、従来のグレーティングの書き込みに要する時間（３０分程度）を大幅に短縮することができる。また、２光波の干渉角度を変えることによりグレーティングの周期を変えることができることから、長周期のファイバグレーティングを提供することができ、さらに、書き込みに使用する光源として、保護被覆層に対して透過率の高いフェムト秒レーザを使用していることから、光ファイバ心線の保護被覆層を除去することなくグレーティングの書き込みを行なうことができ、ひいてはリコートが不要で、強度劣化を生じないファイバグレーティングを提供することができる。また、グレーティングの書き込みに要する時間が短く、また保護被覆層の外側からフェムト秒レーザを照射することができることから、光ファイバの紡糸中にオンラインでグレーティングの書き込みを行なうことができる。

なお、前述の実施例においては、フェムト秒レーザの照射によりコアにグレーティングを書き込む場合について説明しているが、ピコ秒レーザの照射により、若しくはフェムト秒レーザのチャーピングによるピコ秒レーザの照射によりコアにグレーティングを書き込んでも本発明と同様の効果を奏する。また、保護被覆層を除去せずに干渉光を照射しているが、保護被覆層を除去して干渉光を照射してもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明のファイバグレーティングによれば、ゲルマニウムを含有しないシリカガラスから成るコア、例えば純石英ガラス、フッ素ドープシリカガラス、ホウ素ドープシリカガラス、リンドープシリカガラスをコアとする光ファイバに対してグレーティングを書き込むことが可能になり、従来、不可能とされていた、ゲルマニウムを含有しないシリカガラスをコアとするファイバグレーティングを提供することができ、ひいては紫外光用のファイバグレーティングを提供することができる。また、光学系の調整によりグレーティングの周期を容易に変えることができることから、屈折率の周期が１００ｎｍ〜１μｍ程度のいわゆる長周期のファイバグレーティングを提供することができる。さらに、本発明のファイバグレーティングの作製方法によれば、１パルスのフェムト秒レーザの照射によりグレーティングの書き込みができることから、光ファイバの紡糸中にオンラインでグレーティングの書き込みを行なうことができ、また、書き込みに使用する光源として、保護被覆層に対して透過率の高いフェムト秒レーザを使用していることから、光ファイバ心線の保護被覆層を除去することなくグレーティングの書き込みを行なうことができ、ひいてはリコートが不要で、強度劣化を生じないファイバグレーティングを提供することができる。

図１は、本発明のファイバグレーティングの横断面図である。 図２は、本発明のファイバグレーティングの他の実施例を示す横断面図である。 図３は、本発明のファイバグレーティングの他の実施例を示す横断面図である。 図４は、本発明におけるファイバグレーティングの特性を示す説明図である。 図５は、本発明におけるファイバグレーティングの特性を示す説明図である。 図６は、本発明のファイバグレーティングの作製系の構成図である。 図７は、本発明のファイバグレーティングの作製方法により作製したファイバグレーティングの透過特性図である。 図８は、本発明における光ファイバの他の実施例を示す斜視図である。 図９は、平坦部を備える光ファイバと通常の光ファイバの透過特性図である。

Claims (4)

1. フッ素を１００〜１０００ｐｐｍおよびＯＨ基を４〜７ｐｐｍ含有し、かつゲルマニウムを含有しないシリカガラスから成るコアの外周に、フッ素を１０００〜７０００ｐｐｍまたはホウ素を２０００〜１００００ｐｐｍ含有したシリカガラスから成るクラッドを備え、前記コアには、フェムト秒レーザまたはピコ秒レーザの照射によりグレーティングが書き込まれていることを特徴とするファイバグレーティング。
2. 前記クラッドは、光軸に平行な複数の中空孔を備えることを特徴とする請求項１記載のファイバグレーティング。
3. フッ素を１００〜１０００ｐｐｍおよびＯＨ基を４〜７ｐｐｍ含有し、かつゲルマニウムを含有しないシリカガラスから成るコアの外周に、フッ素を１０００〜７０００ｐｐｍまたはホウ素を２０００〜１００００ｐｐｍ含有したシリカガラスから成るクラッドを備えるとともに、前記クラッドの外周に保護被覆層を備える光ファイバに対し、コヒーレントな２つのフェムト秒レーザまたはピコ秒レーザを干渉させて生じた干渉光を前記保護被覆層の外側から照射することにより、前記コアにグレーティングを書き込むことを特徴とするファイバグレーティングの作製方法。
4. 前記クラッドの外表面に平坦部が設けられ、前記平坦部に前記干渉光が照射されることを特徴とする請求項３記載のファイバグレーティングの作製方法。

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