JP4002135B2 - Fiber grating type optical components - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長周期ファイバグレーティングを備えた光フィルタ等のファイバグレーティング型光部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ファイバグレーティングは、光ファイバのファイバ軸方向に形成された屈折率の周期的変化であり、特に、上記屈折率の変化周期が、ファイバグレーティングを介して伝送される光信号の波長帯域よりも非常に長波長である例えば１００μｍ〜数１００μｍのファイバグレーティングを長周期ファイバグレーティングと呼ぶ。
【０００３】
長周期グレーティングは、光ファイバの導波モードの光信号パワーをクラッドモードの光信号へ結合させることができる。この特性を利用して、上記長周期グレーティングを用いたファイバグレーティング型光部品は、ＥＤＦＡ（Erbium-doped Fiber Amplifier；エルビニウム添加光ファイバ増幅器）等の光ファイバ増幅器のＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission；増幅された自然放出光）抑制・除去や利得波長依存性を補償するためのフィルタデバイスとして、ＷＤＭ（Wavelength Divisional Multiplexing;波長分割多重）システム等の様々や光通信システムに利用されている。
【０００４】
特に、最近では、ＥＤＦＡの利得波長特性の温度変化や経時変化（ダイナミックな波形変動）を補償する利得等化器として、上記ダイナミックな波形変動を補償（キャンセル）できるダイナミックな温度依存性を示す透過損失波長特性を有する利得等化器、いわゆるダイナミックゲインイコライザ｛ダイナミックＧＥＱ（Gain Equalizer）｝が開発されている。
【０００５】
すなわち、長周期ファイバグレーティングの温度係数は、コア層の実効屈折率の温度依存性およびクラッド層の実効屈折率の温度依存性の差とグレーティングの周期ピッチとの積で表すことができるため、通常の多層膜フィルタ等の利得等化器に比べて大きくなる。
【０００６】
したがって、上記温度係数に比例する長周期ファイバグレーティングの透過損失波長特性の温度依存性も通常の利得等化器に比して大きく変動する。
【０００７】
そこで、ＥＤＦＡの利得波長特性の温度／経時変化を、上記温度係数に基づく透過損失波長特性の温度依存性を有する長周期ファイバグレーティングを用いたダイナミックＧＥＱで補償することが考えられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ゲルマニウムがドープされたコア層（ゲルマニウム層）を有する通常のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ；その屈折率プロファイルを図５に示す）を用いて製作された長周期ファイバグレーティングの中心波長の温度依存性（温度依存波長シフト特性）は、図６に示すように、高々０．０５ｎｍ／℃程度である。
【０００９】
すなわち、ダイナミックな波形変動を示すＥＤＦＡの利得波長特性の温度／経時変化を補償するためには、上記０．０５ｎｍ／℃程度の中心波長の温度依存性では不十分であり、長周期ファイバグレーティングの中心波長の温度依存性を増大させる必要が生じていた。
【００１０】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、ＥＤＦＡの利得波長特性の温度／経時変化を補償することができる長周期ファイバグレーティングを備えたファイバグレーティング型光部品を提供することをその目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、ファイバグレーティング部の中心波長の温度依存性（温度依存波長シフト特性）、すなわち、温度変化に基づく波長シフト量を増大させると、その透過損失波長特性の波形変動幅が増大することに着目した。
【００１２】
すなわち、グレーティング部の中心波長の温度変化に基づく波長シフト量を増大させれば、その透過損失波長特性の波形変動幅を増大させることができ、ＥＤＦＡにおける利得波長特性の温度／経時変化のダイナミックな波形変動に対応させることが可能になる。
【００１３】
グレーティング部の中心波長の温度依存性を増大させるためには、グレーティング部の温度係数を増大させればよく、そこで、本発明者等は、温度係数を増大させるための具体的な手段を考案した。
【００１４】
そこで、本発明の第１の態様に係わるファイバグレーティング型光部品は、正の温度依存性を持つ屈折率を有し、且つ基材の屈折率より高い屈折率を有する第１の材料がドープされたコア層と、負の温度依存性を持ち、且つ前記コア層の屈折率より低い屈折率を有する第２の材料がドープされており、前記コア層を被覆するクラッド部とを備えた長周期ファイバグレーティング用光ファイバと、紫外線に感光させることで、前記光ファイバのコア層のファイバ軸方向に沿った所定部位における当該コア層の屈折率の前記ファイバ軸方向に沿った周期的変化として形成されたグレーティング部と、を備え、前記グレーティング部は、コア層及びクラッド部の実効屈折率の温度依存性がそれぞれ正と負を有することにより、前記コア層の実効屈折率の温度依存性および前記クラッド部の実効屈折率の温度依存性間の差と前記グレーティング部の周期ピッチとの積で与えられる前記グレーティング部の温度係数を約０．２５ｎｍ／℃に設定することで、透過損失波長について温度変化に基づく波長シフト量を増大させ、ＥＤＦＡの利得波長特性の温度補償を行うように構成したことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態に係わるファイバグレーティング型光部品１を示す斜視図である。
【００１７】
図１に示すように、ファイバグレーティング型光部品１は、通常のＳＭＦの代わりとして、長周期ファイバグレーティング（以下、これを長周期ファイバグレーティング用光ファイバ２とよぶ）を備えている。
【００１８】
この長周期ファイバグレーティング用光ファイバ２は、図１に示すように、石英ガラス（シリカ（ＳｉＯ2）ガラス）に対して、上記シリカより屈折率が高く且つ紫外線に感光するゲルマニウム（Ｇｅ；ゲルマニア（ＧｅＯ2と同義である））がドープ（添加）されて形成されたコア層３と、上記シリカから成るシリカ層にホウ素｛三酸化二ホウ素（ボロン；Ｂ2Ｏ3）｝がドープされて形成されており、コア層３を被覆する第１のクラッド層４とを備えている。
【００１９】
また、長周期ファイバグレーティング用光ファイバ２は、上記シリカ層に、そのシリカの屈折率よりも低い屈折率を有するフッ素（Ｆ）がドープされて形成されており、第１のクラッド層４を被覆する第２のクラッド層５を備えている。
【００２０】
光ファイバ２は、約８μｍのモードフィールド径（ファイバ内（コア層３内）の光の強度分布の広がりを表す）を有しており、このモードフィールド径（約８μｍ）は、ＤＳＦ（分散シフトファイバ；Dispersion Shifted Fiber）よりも大きな値となっている。また、光ファイバ２は、ＤＳＦよりも小さな分散スロープ（分散特性の波長依存性）を有している。
【００２１】
ここで、光ファイバ２における各層（コア層３、第１・第２のクラッド層）の材料となるシリカ（ＳｉＯ2）、コア層３にドープされたゲルマニウム（ＧｅＯ2）、第１のクラッド層４にドープされたホウ素（Ｂ2Ｏ3）それぞれの屈折率の温度依存性を下表１に示す。
【表１】
【００２２】
すなわち、コア層３にドープされたゲルマニウムの屈折率は、正の温度依存性を持っており、また、第１のクラッド層４にドープされたホウ素の屈折率は、上記正の温度依存性と同一の値（絶対値）であり、上記正の温度依存性をキャンセルする負の温度依存性を持っている。
【００２３】
そして、グレーティング型光部品１は、コア層３のファイバ軸方向に沿った所定部位（例えば、軸方向に沿った長さが約２５ｍｍ）に形成された長周期グレーティング部１０を備えている。なお、上記長周期グレーティング部１０のファイバ軸方向に沿った長さ（本実施形態では、２５ｍｍ）をグレーティング長と定義する。
【００２４】
この長周期グレーティング部１０は次のように形成されている。すなわち、上記ゲルマニウムがドープされたコア層３、ホウ素がドープされた第１のクラッド層４およびフッ素がドープされた第２のクラッド層５から成る光ファイバ２に対して高圧水素処理を行う。そして、高圧水素処理後の光ファイバ２におけるコア層３におけるファイバ軸方向に沿った所定部位（グレーティング長２５ｍｍ）に対して、ファイバ軸方向に対応する長手方向に沿って一定の周期ピッチ毎に形成されたスリットを有するマスクを介してアルゴン（Ａｒ）レーザにより紫外線を照射することにより、グレーティング周期（間隔）が約４００μｍの長周期グレーティング部１０がコア層３に形成される。
【００２５】
図２は、光ファイバ２の寸法および屈折率分布のプロファイル（一点鎖線で示す）を概略的に示す図である。
【００２６】
コア層３は、約１０μｍのコア径ｄ１を有しており、また、第１のクラッド層４は、約６０〜８０μｍのクラッド径ｄ２（コア層３を含む第１のクラッド層４の直径）を有している。
【００２７】
また、第２のクラッド層５は、約１２５μｍのクラッド径ｄ３（コア層３および第１のクラッド層４を含む第２のクラッド層５の直径）を有している。
【００２８】
コア層３の屈折率および第１・第２のクラッド層４・５の屈折率は階段状（ステップ状）に変化している。
【００２９】
すなわち、コア層３には、紫外線に感光してそのコア層３の屈折率（シリカ層の屈折率）を高める作用を有するゲルマニウムがドープされ、第１のクラッド層４および第２のクラッド層５には、紫外線に感光して対応する第１のクラッド層４および第２のクラッド層５の屈折率（シリカ層の屈折率）を低下させる作用を有するホウ素およびフッ素がそれぞれドープされている。
【００３０】
本実施形態では、ゲルマニウムは、図２に示すように、コア層３のシリカ層に対する比屈折率差△１を、コア層３のモードフィールド径を大きくしながら、入射された光信号の波長帯域におけるパルス分散を抑制できる値（例えば０．３５％）にするために必要な量がコア層３にドープされている。
【００３１】
また、ホウ素およびフッ素は、図２に示すように、シリカ層の第１のクラッド層４および第２のクラッド層５に対する比屈折率差△２を、例えば約０．３％とするために必要な量が第１のクラッド層４および第２のクラッド層５にそれぞれドープされている。
【００３２】
次に、本実施形態に係わるファイバグレーティング型光部品１および長周期ファイバグレーティング用光ファイバ２の作用について説明する。
【００３３】
最初に、ファイバグレーティング型光部品１の波長遮断作用（フィルタ作用）について説明する。
【００３４】
図１に示すように、ファイバグレーティング型光部品１の光ファイバ２におけるコア層３に形成された長周期グレーティング部１０により、例えばコア層を図中右から左に向かう光信号における特定の波長帯を有する伝搬モード（基本モード）の光信号は、コア層３から第１のクラッド層４へ放出され、その第１のクラッド層４を介して伝搬されるクラッドモードの光信号Ｓ１、Ｓ２へ結合する。この結果、クラッドモードの光信号Ｓ１、Ｓ２へ結合した所定の波長帯の光信号を損失として、長周期グレーティング部１０の通過をカット（遮断）することができる。
【００３５】
したがって、長周期グレーティング部１０を有するファイバグレーティング型光部品１を所望の波長遮断帯域（波長透過損失帯域）を有するカットオフフィルタや利得等化器として機能させることができる。
【００３６】
次に、本実施形態特有の作用について説明する。
【００３７】
上述したように、長周期グレーティング部１０の中心波長の温度変化に基づく波長シフト量を増大させれば、その透過損失波長特性の波形変動幅を増大させることができ、ＥＤＦＡにおける利得波長特性の温度／経時変化のダイナミックな波形変動に対応させることが可能になる。
【００３８】
長周期グレーティング部１０の中心波長の温度依存性を増大させるためには、長周期グレーティング部１０の温度係数を増大させればよい。
【００３９】
そこで、本実施形態のファイバグレーティング型光部品１における長周期ファイバグレーティング用光ファイバ２のコア層３には、正の温度依存性を持つ屈折率を有するゲルマニウムがドープされており、さらに、第１のクラッド層４には、上記正の温度依存性と同一の値（絶対値）で負の温度依存性を持つ屈折率を有するホウ素がドープされている。
【００４０】
すなわち、コア層３の屈折率の温度依存性が正の値であり、第１のクラッド層４の屈折率の温度依存性が負の値であるため、コア層３および第１のクラッド層４の屈折率の温度依存性の差（絶対値）は増大し、この結果、コア層３および第１のクラッド層４間の温度勾配を増大することができる。
【００４１】
なお、コア層３に正の温度依存性を持つ屈折率を有するゲルマニウムをドープし、第１のクラッド層４に負の温度依存性を持つ屈折率を有するホウ素をドープした場合でも、図２に示すように、伝搬モードの光信号をコア層３内において伝搬できる屈折率プロファイルを設定することができる。
【００４２】
そして、本実施形態では、上記コア層３の屈折率の温度依存性および第１のクラッド層４の屈折率の温度依存性の差が増大した長周期ファイバグレーティング用光ファイバ２に対して、長周期グレーティング部１０が形成されている。
【００４３】
上述したように、長周期グレーティング部１０の温度係数は、コア層３の実効屈折率の温度依存性および第１のクラッド層４の実効屈折率の温度依存性間の差とグレーティングの周期ピッチとの積で表すことができるため、長周期グレーティング部１０の温度係数を、増大したコア層３および第１のクラッド層４間の温度依存性に基づいて増大させることが可能になる。
【００４４】
ここで、図３は、本実施形態のファイバグレーティング型光部品１における長周期グレーティング部１０の中心波長の温度変化に基づく波長シフト量を実際に測定した結果を示している。図３に示すように、長周期グレーティング１０の中心波長の温度変化に基づく波長シフト量（温度依存性）を約０．２５ｎｍ／℃に設定することができる。
なお、ここで、この「温度変化に基づく波長シフト量（温度依存性）」と前述した「温度係数」との関係について、定性的に説明する。
長周期型光ファイバグレーティング（ LPG ）は、導波している光の中で、
λ ｇ ＝（ｎ ａ −ｎ ｂ ）・Λ ・・・（１）
但し、λ；クラッドモードに結合される光の波長
ｎ ａ ；導波（コア）モードの実効屈折率
ｎ ｂ ；クラッドモードの実効屈折率
Λ；グレーティングの周期ピッチ
で決定される波長λ ｇ の光を、その光と同一方向に進行するクラッドモードに結合させる機能を有する。
つまり、導波路を進行する各種波長の光のうち、クラッドモードに結合された波長λ ｇ の光は、その後、光ファイバの被覆部分に吸収され減衰するので、波長λ ｇ の光をカットする光フィルタを構成する。なお、クラッドモードとは、光ファイバの径全体をコアとみなし、それより外部の空気をクラッドと仮定したときの伝搬モードをいう。
ところで、任意の２種の温度Ｔ ｎ 、Ｔ ｎ−１ （但し、Ｔ ｎ ＞Ｔ ｎ−１ とする）を考えた場合、温度差ΔＴは、
ΔＴ＝Ｔ ｎ −Ｔ ｎ−１ ・・・（２）
また、温度Ｔ ｎ 、Ｔ ｎ−１ のときに、カットされる光（以下、「結合光」とよぶ）の波長を、それぞれ、λ ｎ 、λ ｎ−１ とし、温度差ΔＴに対応する結合光の波長の差、つまり波長シフト量をΔλで定義すると、
Δλ＝λ ｎ −λ ｎ−１ ・・・（３）
である。
従って、温度変化ΔＴに対する波長シフト量Δλは、（１）、（２）、（３）から、次式で与えられる。
Δλ／ΔＴ＝（λ ｎ −λ ｎ−１ ）／ΔＴ
＝［ { （ｎ ａＴｎ −ｎ ａＴｎ−１ ）−（ｎ ｂＴｎ −ｎ ｂＴｎ−１ ） } ・Λ］
／ΔＴ
＝［ { Δｎ ａ −Δｎ ｂ } ・Λ］／（Ｔ ｎ −Ｔ ｎ−１ ） ・・・（４）
ここで、
Δｎ ａ （＝ｎ ａＴｎ −ｎ ａＴｎ−１ ）；温度変化に伴うコアの実効屈折率の変化
Δｎ ｂ （＝ｎ ｂＴｎ −ｎ ｂＴｎ−１ ）；温度変化に伴うクラッドの
実効屈折率の変化
ｎ ａＴｎ ，ｎ ａＴｎ−１ ；温度Ｔ ｎ 、Ｔ ｎ−１ でのコアの実効屈折率
ｎ ｂＴｎ ，ｎ ｂＴｎ−１ ；温度Ｔ ｎ 、Ｔ ｎ−１ でのクラッドの実効屈折率
なお、（４）式において、Δｎ ａ ／ΔＴは、単位温度当りのコアの実効屈折率の変化、つまり「コアの実効屈折率の温度依存性」を意味する。一方、Δｎ ｂ ／ΔＴは、単位温度当りのクラッドの実効屈折率の変化、つまり「コアの実効屈折率の温度依存性」を意味する。
従って、この（４）式から分かるように、温度変化に対する波長シフト量は、
温度変化に対する波長シフト量（＝Δλ／ΔＴ）
＝［コアとクラッドの実効屈折率の温度依存性の差］
× [ グレーティングの周期ピッチ ] ・・・（５）
となる。
ところで、（５）式において、 RHS は前述した本文中（［０００５］参照）で「温度係 数」として定義されているものである。従って、この（５）式によれば、この LHS である「温度変化に対する波長シフト量」は、「温度係数」と同一のものであることが分かる。
【００４５】
この長周期グレーティング部１０の中心波長の温度変化に基づく波長シフト量（約０．２５ｎｍ／℃）は、従来のＳＭＦで製作された長周期グレーティングの波長シフト量（約０．０５ｎｍ／℃）に比べて５倍となっており、大幅に増大していることが分かる。
【００４６】
そして、図４は、本実施形態のファイバグレーティング型光部品１における長周期グレーティング部１０の温度特性（透過損失波長特性の温度依存性；−５℃、５℃、２５℃、４５℃、６５℃の透過損失波長特性）を示す図である。
【００４７】
図４に示すように、長周期グレーティング部１０における中心波長の温度依存性（温度依存波長シフト特性）、すなわち、温度変化に基づく波長シフト量を大きく（−５℃→６５℃で約１８ｎｍ）することができる。
【００４８】
したがって、図４に示すように、長周期グレーティング部１０の透過損失波長特性の温度変化に応じた波形変動幅を、ＥＤＦＡの利得波長特性の温度変化や経時変化に基づくダイナミックな波形変動を補償するのに十分な値に設定することができる。
【００４９】
この結果、本実施形態に係わるファイバグレーティング型光部品１を用いて、ＥＤＦＡの利得波長特性の温度変化や経時変化に基づくダイナミックな波形変動を補償するダイナミックゲインイコライザを製作することができる。
【００５０】
なお、本実施形態においては、コア層３のドープ材料をゲルマニウムとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、コア層３の基材（シリカ層）の屈折率よりも高く且つ正の温度依存性を持つ屈折率を有し、紫外線に感光する材料であればよい。
【００５１】
また、第１のクラッド層４のドープ材料をホウ素としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、クラッド層４の基材であるシリカ層の屈折率よりも低く且つ上記正の温度依存性をキャンセルできる負の温度依存性を持つ屈折率を有する材料であれば、例えばフッ素等でもよい。なお、コア層３のドープ材料の屈折率の正の温度依存性および第１のクラッド層４の屈折率の負の温度依存性の差が大きいことが望ましいが、特にコア層３の屈折率の温度依存性および第１のクラッド層４の屈折率の温度依存性の差を増大できる手段があればさらに好ましい。
【００５２】
また、第２のクラッド層５のドープ材料をフッ素としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１のクラッド層４の屈折率以下の屈折率を有する材料であればよい。
【００５３】
特に、第２のクラッド層５のドープ材料を第１のクラッド層４の屈折率よりも低い屈折率を有する材料とした場合には、第１のクラッド層４を伝搬するクラッドモードの光信号Ｓ１、Ｓ２は、上記第１および第２のクラッド層４および５の比屈折率差により、第２のクラッド層５に対する境界面において全反射して当該第１のクラッド層４内を伝搬する。
【００５４】
この結果、第１のクラッド層４の外部環境に依存することなく、第１のクラッド層４を伝搬するクラッドモードの光信号Ｓ１、Ｓ２を、その第１のクラッド層４内に閉じ込めることができ、上記外部環境のクラッドモードの光信号に対する影響を防止することができる。
【００５５】
さらに、本実施形態では、ホウ素およびフッ素を別々にドープして第１のクラッド層４および第２のクラッド層５を形成したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５６】
例えば、シリカ層の屈折率よりも低く且つ上記正の温度依存性をキャンセルできる負の温度依存性を持つ屈折率を有する材料（ホウ素またはフッ素等）を単にドープして１層構造のクラッド層としてもよい。
【００５７】
また、シリカ層の屈折率よりも低く且つ上記正の温度依存性をキャンセルできる負の温度依存性を持つ屈折率を有する２種類の材料（ホウ素およびフッ素等）を共にドープして１層構造のクラッド層にしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係わるファイバグレーティング型光部品によれば、長周期ファイバグレーティングにおいて、コア層に基材の屈折率より高い屈折率を有するだけでなく同時に正の温度依存性を持つ屈折率を有する第１の材料をドープし、このコア層を被覆するクラッド部に、コア層の屈折率より低い屈折率を有するだけでなく同時に負の温度依存性を持つ屈折率を有する第２の材料をドープしており、前記コア層及びクラッド部に、透過損失波長特性の温度に関する依存性がそれぞれ正と負の温度依存性を有することにより、温度係数の増大を図ることで、透過損失波長について温度変化に基づく波長シフト量を増大させるように構成している。
【００５９】
このため、長周期ファイバグレーティングのコア層およびクラッド部間の温度依存性を増大させることができる。したがって、この長周期ファイバグレーティングに形成されたグレーティング部の温度係数を、増大したコア層およびクラッド部間の温度依存性に基づいて増大させることができる。これについては、以下のような理由によるものである。
【００６０】
グレーティング部の「温度係数」は、［従来の技術］で説明したように、コア層の実効屈折率の温度依存性およびクラッド部の実効屈折率の温度依存性間の「差」と、グレーティング部の「周期ピッチ」との「積」で表すことができる。このうち、第１番目の因数である「差」については、以下のような関係から、これを増大させることができる。即ち、コア層及びクラッド部にそれぞれ正と負の温度依存性を持たせてある。ここで、コア層およびクラッド部の実効屈折率の温度依存性間の差は、引かれる方のクラッド部の実効屈折率の温度依存性が負である。従って、第１番目の因数である「差」については、コア層の温度依存性とクラッド部の温度依存性の絶対値のものとを合算させたものと同じになるので、その差を大幅に増大させることができ、温度係数の大幅な増大を図ることができる。これにより、グレーティング部の中心波長の温度依存性を増大させることができるので、温度変化に基づく波長シフト量を大幅に増大させることができるわけである。
【００６１】
この結果、本発明に係わるファイバグレーティング型光部品を用いて、ＥＤＦＡの利得波長特性の温度／経時変化を補償することが可能なダイナミックゲインイコライザ等を製作することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わるファイバグレーティング型光部品を示す斜視図。
【図２】図１に示す光ファイバの寸法および屈折率分布のプロファイルを概略的に示す図。
【図３】図１に示すファイバグレーティング型光部品における長周期グレーティング部の中心波長の温度変化に基づく波長シフト量を実際に測定した結果を示す図。
【図４】図１に示すファイバグレーティング型光部品における長周期グレーティング部の温度特性を示す図。
【図５】ＳＭＦを用いた長周期ファイバグレーティングの中心波長の温度依存性を示す図。
【図６】ＳＭＦを用いた製作された長周期ファイバグレーティングの中心波長の温度依存性を示す図。
【符号の説明】
１：ファイバグレーティング型光部品
２：光ファイバ
３：コア層
４：第１のクラッド層
５：第２のクラッド層
１０：長周期グレーティング部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fiber grating type optical component such as an optical filter having a long period fiber grating.
[0002]
[Prior art]
A fiber grating is a periodic change in the refractive index formed in the fiber axis direction of an optical fiber. In particular, the change period of the refractive index is much greater than the wavelength band of an optical signal transmitted through the fiber grating. A fiber grating having a long wavelength, for example, 100 μm to several 100 μm is called a long-period fiber grating.
[0003]
The long-period grating can couple the optical signal power of the waveguide mode of the optical fiber to the optical signal of the clad mode. Using this characteristic, the fiber grating type optical component using the long-period grating was amplified by an ASE (Amplified Spontaneous Emission) of an optical fiber amplifier such as an EDFA (Erbium-doped Fiber Amplifier). As a filter device for suppressing / removing spontaneous emission) and compensating for wavelength dependence, it is used in various optical communication systems such as a WDM (Wavelength Divisional Multiplexing) system.
[0004]
In particular, recently, as a gain equalizer that compensates for temperature changes and aging changes (dynamic waveform fluctuations) of the gain wavelength characteristics of the EDFA, transmission that exhibits dynamic temperature dependence that can compensate (cancel) the dynamic waveform fluctuations. A gain equalizer having a loss wavelength characteristic, a so-called dynamic gain equalizer {dynamic GEQ (Gain Equalizer)} has been developed.
[0005]
In other words, the temperature coefficient of a long-period fiber grating can be expressed by the product of the temperature dependence of the effective refractive index of the core layer and the temperature dependence of the effective refractive index of the cladding layer and the periodic pitch of the grating. This is larger than a gain equalizer such as a multilayer filter.
[0006]
Therefore, the temperature dependence of the transmission loss wavelength characteristic of the long-period fiber grating proportional to the temperature coefficient also varies greatly as compared with a normal gain equalizer.
[0007]
Therefore, it is considered to compensate for the temperature / time-dependent change of the gain wavelength characteristic of the EDFA by dynamic GEQ using a long-period fiber grating having the temperature dependence of the transmission loss wavelength characteristic based on the temperature coefficient.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the temperature dependence of the center wavelength of a long-period fiber grating fabricated using a conventional single mode optical fiber (SMF; its refractive index profile is shown in FIG. 5) having a germanium-doped core layer (germanium layer). As shown in FIG. 6, the property (temperature-dependent wavelength shift characteristic) is at most about 0.05 nm / ° C.
[0009]
That is, the temperature dependence of the center wavelength of about 0.05 nm / ° C. is insufficient to compensate for the temperature / time-dependent change of the gain wavelength characteristic of the EDFA exhibiting dynamic waveform fluctuations. There has been a need to increase the temperature dependence of the center wavelength.
[0010]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and its object is to provide a fiber grating type optical component including a long-period fiber grating capable of compensating for temperature / time-dependent changes in gain wavelength characteristics of an EDFA. To do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
When the inventors increase the temperature dependence (temperature dependent wavelength shift characteristic) of the center wavelength of the fiber grating portion, that is, the amount of wavelength shift based on the temperature change, the waveform fluctuation width of the transmission loss wavelength characteristic increases. I focused on that.
[0012]
That is, if the amount of wavelength shift based on the temperature change of the center wavelength of the grating portion is increased, the waveform fluctuation width of the transmission loss wavelength characteristic can be increased, and the dynamic / temporal change of the gain wavelength characteristic in the EDFA can be increased. It is possible to deal with waveform fluctuations.
[0013]
In order to increase the temperature dependence of the central wavelength of the grating part, the temperature coefficient of the grating part may be increased. Therefore, the present inventors have devised specific means for increasing the temperature coefficient. .
[0014]
Therefore, the fiber grating type optical component according to the first aspect of the present invention is doped with the first material having a refractive index having a positive temperature dependency and a refractive index higher than that of the substrate. A long period comprising: a core layer; and a cladding having a negative temperature dependence and doped with a second material having a refractive index lower than that of the core layer and covering the core layer It is formed as a periodic change along the fiber axis direction of the refractive index of the core layer at a predetermined position along the fiber axis direction of the core layer of the optical fiber by exposing the optical fiber for fiber grating and ultraviolet rays. A grating portion, and the grating portion has positive and negative temperature dependence of the effective refractive index of the core layer and the cladding portion, respectively. By setting the temperature coefficient of the grating portion given by the difference between the temperature dependency of the temperature dependency and the effective refractive index of the cladding portion of the product of the period pitch of the grating portion approximately 0.25 nm / ° C. The transmission loss wavelength is characterized in that the wavelength shift amount based on the temperature change is increased and the temperature compensation of the gain wavelength characteristic of the EDFA is performed.
[00 15 ]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[00 16 ]
FIG. 1 is a perspective view showing a fiber grating type optical component 1 according to an embodiment of the present invention.
[00 17 ]
As shown in FIG. 1, the fiber grating type optical component 1 includes a long-period fiber grating (hereinafter referred to as an optical fiber 2 for long-period fiber grating) instead of a normal SMF.
[00 18 ]
As shown in FIG. 1, the optical fiber 2 for long-period fiber grating has a higher refractive index than silica and is sensitive to ultraviolet rays (Ge; germania) with respect to quartz glass (silica (SiO 2 ) glass). (Same as GeO 2 ))) formed by doping (adding), and the silica layer made of silica is doped with boron {diboron trioxide (boron; B 2 O 3 )}. And a first cladding layer 4 that covers the core layer 3.
[00 19 ]
The long-period fiber grating optical fiber 2 is formed by doping the silica layer with fluorine (F) having a refractive index lower than that of the silica, and covering the first cladding layer 4. The second cladding layer 5 is provided.
[00 20 ]
The optical fiber 2 has a mode field diameter of about 8 μm (representing the spread of light intensity distribution in the fiber (in the core layer 3)), and this mode field diameter (about 8 μm) is DSF (dispersion shift). The value is larger than the fiber (Dispersion Shifted Fiber). The optical fiber 2 has a dispersion slope (wavelength dependence of dispersion characteristics) smaller than that of the DSF.
[00 21 ]
Here, silica (SiO 2 ) as a material of each layer (core layer 3, first and second cladding layers) in the optical fiber 2, germanium (GeO 2 ) doped in the core layer 3, and the first cladding layer Table 1 shows the temperature dependence of the refractive index of boron doped with 4 (B 2 O 3 ).
[Table 1]
[00 22 ]
That is, the refractive index of germanium doped in the core layer 3 has a positive temperature dependency, and the refractive index of boron doped in the first cladding layer 4 has the positive temperature dependency. They are the same value (absolute value) and have a negative temperature dependency that cancels the positive temperature dependency.
[00 23 ]
The grating-type optical component 1 includes a long-period grating portion 10 formed in a predetermined portion along the fiber axis direction of the core layer 3 (for example, the length along the axial direction is about 25 mm). In addition, the length (25 mm in this embodiment) along the fiber axis direction of the long period grating portion 10 is defined as a grating length.
[00 24 ]
The long period grating portion 10 is formed as follows. That is, high-pressure hydrogen treatment is performed on the optical fiber 2 including the core layer 3 doped with germanium, the first cladding layer 4 doped with boron, and the second cladding layer 5 doped with fluorine. Then, with respect to a predetermined portion (grating length 25 mm) along the fiber axis direction in the core layer 3 of the optical fiber 2 after the high-pressure hydrogen treatment, it is formed at a constant periodic pitch along the longitudinal direction corresponding to the fiber axis direction. By irradiating ultraviolet rays with an argon (Ar) laser through the mask having the slit, a long period grating portion 10 having a grating period (interval) of about 400 μm is formed in the core layer 3.
[00 25 ]
FIG. 2 is a diagram schematically showing the dimension of the optical fiber 2 and the profile of the refractive index distribution (indicated by a one-dot chain line).
[00 26 ]
The core layer 3 has a core diameter d1 of about 10 μm, and the first cladding layer 4 has a cladding diameter d2 of about 60 to 80 μm (the diameter of the first cladding layer 4 including the core layer 3). have.
[00 27 ]
The second cladding layer 5 has a cladding diameter d3 of about 125 μm (the diameter of the second cladding layer 5 including the core layer 3 and the first cladding layer 4).
[00 28 ]
The refractive index of the core layer 3 and the refractive indexes of the first and second cladding layers 4 and 5 are changed stepwise.
[00 29 ]
That is, the core layer 3 is doped with germanium having a function of increasing the refractive index of the core layer 3 (the refractive index of the silica layer) by being exposed to ultraviolet rays, and the first cladding layer 4 and the second cladding layer 5. Is doped with boron and fluorine, respectively, which act to reduce the refractive index of the first cladding layer 4 and the second cladding layer 5 (the refractive index of the silica layer) corresponding to the ultraviolet light.
[00 30 ]
In this embodiment, germanium has a relative refractive index difference Δ1 with respect to the silica layer of the core layer 3 and a wavelength band of the incident optical signal while increasing the mode field diameter of the core layer 3 as shown in FIG. The core layer 3 is doped with an amount necessary to obtain a value (for example, 0.35%) that can suppress the pulse dispersion at.
[00 31 ]
Further, as shown in FIG. 2, boron and fluorine are necessary to make the relative refractive index difference Δ2 of the silica layer with respect to the first cladding layer 4 and the second cladding layer 5 approximately 0.3%, for example. A small amount is doped in each of the first cladding layer 4 and the second cladding layer 5.
[00 32 ]
Next, the operation of the fiber grating type optical component 1 and the long-period fiber grating optical fiber 2 according to this embodiment will be described.
[00 33 ]
First, the wavelength blocking action (filter action) of the fiber grating type optical component 1 will be described.
[00 34 ]
As shown in FIG. 1, for example, a long wavelength grating section 10 formed in the core layer 3 of the optical fiber 2 of the fiber grating type optical component 1 causes a specific wavelength band in an optical signal from moving from the right to the left in the figure. Is transmitted to the first cladding layer 4 from the core layer 3 and is coupled to the optical signals S1 and S2 of the cladding mode propagated through the first cladding layer 4. To do. As a result, it is possible to cut (shut off) the passage of the long-period grating section 10 by losing the optical signal in a predetermined wavelength band coupled to the clad mode optical signals S1 and S2.
[00 35 ]
Therefore, the fiber grating type optical component 1 having the long-period grating unit 10 can function as a cutoff filter or a gain equalizer having a desired wavelength cutoff band (wavelength transmission loss band).
[00 36 ]
Next, operations unique to the present embodiment will be described.
[00 37 ]
As described above, if the wavelength shift amount based on the temperature change of the center wavelength of the long period grating unit 10 is increased, the waveform fluctuation width of the transmission loss wavelength characteristic can be increased, and the temperature of the gain wavelength characteristic in the EDFA can be increased. / It becomes possible to cope with dynamic waveform fluctuations over time.
[00 38 ]
In order to increase the temperature dependence of the center wavelength of the long-period grating unit 10, the temperature coefficient of the long-period grating unit 10 may be increased.
[00 39 ]
Therefore, the core layer 3 of the optical fiber 2 for long-period fiber grating in the fiber grating type optical component 1 of the present embodiment is doped with germanium having a refractive index having a positive temperature dependency, and the first The cladding layer 4 is doped with boron having a refractive index having the same value (absolute value) as the positive temperature dependency and a negative temperature dependency.
[00 40 ]
That is, since the temperature dependency of the refractive index of the core layer 3 is a positive value and the temperature dependency of the refractive index of the first cladding layer 4 is a negative value, the core layer 3 and the first cladding layer 4 The difference (absolute value) in the temperature dependence of the refractive index increases, and as a result, the temperature gradient between the core layer 3 and the first cladding layer 4 can be increased.
[00 41 ]
Even when the core layer 3 is doped with germanium having a refractive index having a positive temperature dependence and the first cladding layer 4 is doped with boron having a refractive index having a negative temperature dependence, FIG. As shown, a refractive index profile capable of propagating a propagation mode optical signal in the core layer 3 can be set.
[00 42 ]
In the present embodiment, the long-period fiber grating optical fiber 2 in which the difference between the temperature dependency of the refractive index of the core layer 3 and the temperature dependency of the refractive index of the first cladding layer 4 is increased is long. A periodic grating portion 10 is formed.
[00 43 ]
As described above, the temperature coefficient of the long-period grating unit 10 depends on the difference between the temperature dependence of the effective refractive index of the core layer 3 and the temperature dependence of the effective refractive index of the first cladding layer 4 and the periodic pitch of the grating. Therefore, it is possible to increase the temperature coefficient of the long-period grating portion 10 based on the increased temperature dependence between the core layer 3 and the first cladding layer 4.
[0044]
Here, FIG. 3 shows the result of actually measuring the wavelength shift amount based on the temperature change of the center wavelength of the long period grating section 10 in the fiber grating type optical component 1 of the present embodiment. As shown in FIG. 3, the wavelength shift amount ( temperature dependency ) based on the temperature change of the center wavelength of the long-period grating 10 can be set to about 0.25 nm / ° C.
Here, the relationship between the “wavelength shift amount based on temperature change (temperature dependence)” and the “temperature coefficient” described above will be qualitatively described.
Long period optical fiber grating ( LPG )
λ g = (n a −n b ) · Λ (1)
Where λ is the wavelength of light coupled to the cladding mode
n a ; Effective refractive index of waveguide (core) mode
n b ; Effective refractive index of cladding mode
Λ: Periodic pitch of grating
The light of the wavelength lambda g THAT determined, with the light and a function for coupling to the cladding modes traveling in the same direction.
That is, in the light of various wavelengths traveling through the waveguide, light coupling wavelength lambda g cladding mode, then since absorbed into the coating portion of the optical fiber attenuates and cuts light of the wavelength lambda g Light Configure the filter. The clad mode is a propagation mode when the entire diameter of the optical fiber is regarded as a core and air outside is assumed to be a clad.
By the way, when considering any two types of temperatures T n and T n−1 (where T n > T n−1 ), the temperature difference ΔT is:
ΔT = T n −T n−1 (2)
In addition, the wavelengths of light to be cut (hereinafter referred to as “coupled light”) at temperatures T n and T n−1 are λ n and λ n−1 , respectively, and coupling corresponding to the temperature difference ΔT. When the difference in wavelength of light, that is, the wavelength shift amount is defined by Δλ,
Δλ = λ n −λ n−1 (3)
It is.
Therefore, the wavelength shift amount Δλ with respect to the temperature change ΔT is given by the following equation from (1), (2), and (3).
Δλ / ΔT = (λ n −λ n−1 ) / ΔT
= [{(N aTn -n aTn -1) - (n bTn -n bTn-1)} · Λ]
/ ΔT
= [ { Δn a −Δn b } · Λ] / (T n −T n−1 ) (4)
here,
Change in the effective refractive index of the core due to temperature changes; Δn a (= n aTn -n aTn-1)
Δn b (= n bTn −n bTn−1 );
Change in effective refractive index
n aTn, n aTn-1; the effective refractive index of the core at a temperature T n, T n-1
n bTn , n bTn−1 ; effective refractive index of the clad at temperatures T n and T n−1
In the equation (4), Δn a / ΔT means a change in the effective refractive index of the core per unit temperature, that is, “temperature dependency of the effective refractive index of the core”. On the other hand, Δn b / ΔT means a change in the effective refractive index of the clad per unit temperature, that is, “temperature dependency of the effective refractive index of the core”.
Therefore, as can be seen from this equation (4), the wavelength shift amount with respect to the temperature change is
Wavelength shift amount with respect to temperature change (= Δλ / ΔT)
= [Difference in temperature dependence of effective refractive index of core and clad]
× [ Grating periodic pitch ] (5)
It becomes.
Incidentally, (5) In the equation, RHS are those that are defined as "temperature coefficient" in the text mentioned above ([0005] by reference). Therefore, according to the equation (5) , it is understood that the “wavelength shift amount with respect to temperature change” which is the LHS is the same as the “temperature coefficient”.
[00 45 ]
The wavelength shift amount (about 0.25 nm / ° C.) based on the temperature change of the center wavelength of the long period grating section 10 is equal to the wavelength shift amount (about 0.05 nm / ° C.) of the long period grating manufactured by the conventional SMF. Compared to 5 times, it can be seen that the number is significantly increased.
[00 46 ]
4 shows the temperature characteristics of the long-period grating section 10 in the fiber grating type optical component 1 of the present embodiment (temperature dependence of transmission loss wavelength characteristics; −5 ° C., 5 ° C., 25 ° C., 45 ° C., 65 ° C.). It is a figure which shows (transmission loss wavelength characteristic).
[00 47 ]
As shown in FIG. 4, the temperature dependence (temperature-dependent wavelength shift characteristic) of the center wavelength in the long-period grating section 10, that is, the wavelength shift amount based on the temperature change is increased (about 18 nm at −5 ° C. → 65 ° C.). be able to.
[00 48 ]
Therefore, as shown in FIG. 4, the waveform fluctuation width corresponding to the temperature change of the transmission loss wavelength characteristic of the long-period grating unit 10 is compensated for the dynamic waveform fluctuation based on the temperature change and time-dependent change of the gain wavelength characteristic of the EDFA. Can be set to a sufficient value.
[00 49 ]
As a result, using the fiber grating type optical component 1 according to the present embodiment, it is possible to manufacture a dynamic gain equalizer that compensates for dynamic waveform fluctuations based on changes in temperature and aging of the gain wavelength characteristics of the EDFA.
[00 50 ]
In this embodiment, the doping material of the core layer 3 is germanium. However, the present invention is not limited to this, and is higher than the refractive index of the base material (silica layer) of the core layer 3 and positive. Any material can be used as long as it has a refractive index having a temperature dependence of the above and is sensitive to ultraviolet rays.
[00 51 ]
Further, the doping material of the first cladding layer 4 is boron, but the present invention is not limited to this, and the positive temperature is lower than the refractive index of the silica layer that is the base material of the cladding layer 4. For example, fluorine or the like may be used as long as the material has a refractive index having a negative temperature dependency that can cancel the dependency. Although it is desirable that the difference between the positive temperature dependence of the refractive index of the doped material of the core layer 3 and the negative temperature dependence of the refractive index of the first cladding layer 4 is large, the refractive index of the core layer 3 is particularly large. It is more preferable if there is a means capable of increasing the difference between the temperature dependency and the temperature dependency of the refractive index of the first cladding layer 4.
[00 52 ]
In addition, although the doping material of the second cladding layer 5 is fluorine, the present invention is not limited to this, and any material having a refractive index equal to or lower than the refractive index of the first cladding layer 4 may be used.
[00 53 ]
In particular, when the doped material of the second cladding layer 5 is a material having a refractive index lower than that of the first cladding layer 4, the cladding mode optical signal S 1 propagating through the first cladding layer 4 is used. , S2 is totally reflected at the interface with respect to the second cladding layer 5 and propagates in the first cladding layer 4 due to the relative refractive index difference between the first and second cladding layers 4 and 5.
[00 54 ]
As a result, the clad mode optical signals S1 and S2 propagating through the first cladding layer 4 can be confined in the first cladding layer 4 without depending on the external environment of the first cladding layer 4. The influence of the external environment on the optical signal in the cladding mode can be prevented.
[00 55 ]
Furthermore, in this embodiment, boron and fluorine are separately doped to form the first cladding layer 4 and the second cladding layer 5, but the present invention is not limited to this.
[00 56 ]
For example, by simply doping a material having a refractive index lower than the refractive index of the silica layer and having a negative temperature dependency that can cancel the positive temperature dependency (such as boron or fluorine), a clad layer having a single layer structure is obtained. Also good.
[00 57 ]
In addition, two kinds of materials (boron, fluorine, etc.) having a negative temperature dependency lower than the refractive index of the silica layer and capable of canceling the positive temperature dependency are doped together to form a one-layer structure. A clad layer may be used.
[00 58 ]
【The invention's effect】
As described above, according to the fiber grating type optical component according to the present invention, in the long-period fiber grating, the core layer has not only a refractive index higher than the refractive index of the base material but also a positive temperature dependency at the same time. A first material having a refractive index is doped, and a cladding portion covering the core layer has a refractive index lower than the refractive index of the core layer as well as a second refractive index having a negative temperature dependency at the same time . The core layer and the cladding part have a positive and negative temperature dependency of the transmission loss wavelength characteristics, respectively, thereby increasing the temperature coefficient, thereby increasing the transmission loss. The wavelength shift amount based on the temperature change is increased for the wavelength.
[00 59 ]
For this reason, the temperature dependence between the core layer and clad part of a long-period fiber grating can be increased. Therefore, the temperature coefficient of the grating portion formed in the long-period fiber grating can be increased based on the increased temperature dependence between the core layer and the cladding portion. This is due to the following reasons.
[00 60 ]
As described in [Prior Art], the “temperature coefficient” of the grating part is the difference between the temperature dependence of the effective refractive index of the core layer and the temperature dependence of the effective refractive index of the cladding part, and the grating part. It can be expressed by “product” with “periodic pitch”. Among these, the “difference” as the first factor can be increased from the following relationship. That is, the core layer and the cladding part have positive and negative temperature dependencies, respectively. Here, the difference between the temperature dependence of the effective refractive index of the core layer and the clad part is negative in the temperature dependence of the effective refractive index of the drawn clad part. Therefore, the first factor “difference” is the same as the sum of the temperature dependency of the core layer and the absolute value of the temperature dependency of the cladding, so the difference is greatly increased. The temperature coefficient can be increased, and the temperature coefficient can be greatly increased. As a result, the temperature dependence of the center wavelength of the grating portion can be increased, so that the amount of wavelength shift based on the temperature change can be greatly increased.
[0061]
As a result, it becomes possible to manufacture a dynamic gain equalizer or the like capable of compensating for the temperature / time-dependent change of the gain wavelength characteristic of the EDFA using the fiber grating type optical component according to the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a fiber grating type optical component according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view schematically showing a profile of a dimension and a refractive index distribution of the optical fiber shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing a result of actually measuring a wavelength shift amount based on a temperature change of a center wavelength of a long period grating portion in the fiber grating type optical component shown in FIG. 1;
4 is a view showing temperature characteristics of a long-period grating section in the fiber grating type optical component shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing the temperature dependence of the center wavelength of a long-period fiber grating using SMF.
FIG. 6 is a diagram showing the temperature dependence of the center wavelength of a long-period fiber grating fabricated using SMF.
[Explanation of symbols]
1: Fiber grating type optical component 2: Optical fiber 3: Core layer 4: First cladding layer 5: Second cladding layer 10: Long period grating part
Claims (4)
紫外線に感光させることで、前記光ファイバのコア層のファイバ軸方向に沿った所定部位における当該コア層の屈折率の前記ファイバ軸方向に沿った周期的変化として形成されたグレーティング部と、
を備え、
前記グレーティング部は、コア層及びクラッド部の実効屈折率の温度依存性がそれぞれ正と負を有することにより、前記コア層の実効屈折率の温度依存性および前記クラッド部の実効屈折率の温度依存性間の差と前記グレーティング部の周期ピッチとの積で与えられる前記グレーティング部の温度係数を約０．２５ｎｍ／℃に設定することで、透過損失波長について温度変化に基づく波長シフト量を増大させ、ＥＤＦＡの利得波長特性の温度補償を行うように構成したことを特徴とするファイバグレーティング型光部品。A core layer doped with a first material having a refractive index having a positive temperature dependence and a refractive index higher than that of the substrate; and having a negative temperature dependence and having a refractive index higher than that of the core layer. An optical fiber for a long-period fiber grating, which is doped with a second material having a refractive index lower than the refractive index, and includes a cladding portion that covers the core layer;
A grating portion formed as a periodic change along the fiber axis direction of the refractive index of the core layer at a predetermined site along the fiber axis direction of the core layer of the optical fiber by being exposed to ultraviolet rays,
With
The grating portion has a temperature dependency of the effective refractive index of the core layer and a temperature dependency of the effective refractive index of the clad portion because the temperature dependency of the effective refractive index of the core layer and the cladding portion has positive and negative, respectively. By setting the temperature coefficient of the grating portion, which is given by the product of the difference between the characteristics and the periodic pitch of the grating portion, to about 0.25 nm / ° C., the wavelength shift amount based on the temperature change is increased for the transmission loss wavelength. A fiber grating type optical component configured to perform temperature compensation of gain wavelength characteristics of an EDFA.
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