JPH11505040A - モードフィールド直径変換ファイバ、光ウェーブガイドの屈折率を局所的に変更するための方法、および光ウェーブガイドのプリフォームを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ファイバオプティクスに関し、ファイバ放射コリメータ、光ウェーブガイドカプラー、スペクトルフィルタ、光学絶縁装置、長周期格子、分散補償器、シミュレーションされたラマン効果に基づく、カスケードモードフィールド直径交換ファイバ、物理値センサ、予め定められた波長についての放射抑制ユニットにおいて、およびエルビウムファイバ増幅器内で利得スペクトルを平滑化するために利用することができる。本発明は、光ウェーブガイドおよびそれらに基づく機器の製造を容易にする。プラズマ化学蒸気蒸着方法により光ウェーブガイド（１）のためのプリフォームを製造するため、基板管（24）に補給される分子状気体作用物質は、各々全てのケイ素原子上に５個朱満の酸素原子が落ち、1000個の酸素原子毎に１つより多い窒素原子が落ちるような形で混合される。屈折率は、ある長さの光ウェーブガイド（１）を加熱することによって局所的に変更される。こうしてコア（３）内に含まれた元素のクラッディング（２）内への、またはその逆方向への局所的熱拡散がひき起こされる。ある長さの光ウェーブガイド（１）はアーク（10）の電流によって、または赤外線レーザ（15）の放射（16）によって加熱される。コア（３）は、0.01 at.％から５ at.％の濃度で窒素でドーピングされる。モードフィールド直径変換ファイバ内では、コア（３）の直径は、ある長さの光ウェーブガイドに沿って変化し、その端部（４）に向かって増大する。

Description

【発明の詳細な説明】 モードフィールド直径変換ファイバ、光ウェーブガイドの屈折率を局所的に変更 するための方法、および光ウェーブガイドのプリフォームを製造するための方法 発明の分野 本発明はファイバオプティックスに関する。 発明の背景 石英ガラスクラッディングおよびゲルマニウムでドーピングした石英ガラスコ アを含むある長さの光ウェーブガイド（waveguide）を備え、光ウェーブガイド に沿ってコア直径がその端部に向かって増大するように変動する従来のモードフ ィールド直径変換ファイバ（mode field diameter conversion fiber）は、例え ば、IEEE，Journal of Lightwave Technology，1990，Vol．8，No．8，p.1151-1 161内の「“Beam Expanding Fiber Using Thermal Diffusion of Dopant”」と いう題の参考文献の中でK.Shiraishi，Y.Aizawa，S.Kawakamiにより開示されて いる。上記参考文献のモードフィールド直径変換ファイバにおいては、長手方向 でのコア直径変動は、ゲルマニウムの熱拡散プロセスにおいて光ウェーブガイド の屈折率構造を形成する半径方向のドーピングの断面の再分布のために生じる。 モードフィールド直径変換ファイバに付随する問題点は、石英ガラスに対する ゲルマニウム拡散係数が小さいため技術が複雑であり、モードフィールド直径変 換ファイバを製造するのに必要とされる光ウェーブガイドの熱処理が長くなると いうことにある。これ以外にも、拡散は、融点に近い温度である1600℃〜1800℃ の温度でのみ 効率良く発生し、従って光ウェーブガイドの変形の原因となる。 請求されている発明にきわめて近いのは、石英ガラスクラッディングおよびド ーピングされた石英ガラスコアを含む１定長の光ウェーブガイドを備え、コア直 径が光ウェーブガイドに沿って変動しその端部に向かって増大しているモードフ ィールド直径変換ファイバである（例えば米国特許第 5381503号、国際特許分類 G62B 6/10を参照のこと）。従来技術のファイバにおいては、コアは、最初ゲル マニウムおよびフッ素でドーピングされている。ゲルマニウムとは異なり、フッ 素は、石英ガラスの屈折率を低減させ、さらに1600℃〜1800℃の温度ではより大 きい熱拡散係数を示す。その結果、２重ドープ型コアを伴う光ウェーブガイドが 加熱された時点で、フッ素はクラッディングの中により急速に浸透し、ガラスコ ア屈折率の効率の良い増大ひいてはモードフィールド直径の減少を提供する。 上述の従来技術がもつ欠点は、モードフィールド直径変換ファイバの製造が複 雑であること、およびゲルマニウムと共にコア内に導入され得るフッ素の濃度に 制限があることに起因してモードフィールド直径の変動範囲が狭いことにある。 その上、フッ素拡散は、不可避的に、このような光ウェーブガイドの中に、屈折 率の低くなった領域を出現させることになり、このことが、従来の光ウェーブガ イドに対する結合を妨げる。 「“Photosensitivity in Optical Fiber Waveguides：Application to Refle ction Filter Fabrication”．」という題の参考文献、Appl．Phys．Lett．1978 ，Vol．32，No．10，p.647-649、の中でO.Hill，Y.Fujii，D.C.JohnsonおよびB. S.Kawasakiによって記述されているのは、光ウェーブガイドを外部露光(externa l exposure）させることを伴う、光ウェーブガイドの屈折率を局所的に変化させ るための方法である。屈折率の変化は、光屈折効果によって発生 し、光ウェーブガイドコアの吸収スペクトル内に特定のバンドの出現をひき起こ す欠陥の存在に起因する。この場合、２光子相互作用が起こる。光ウェーブガイ ドの中では、入射ビームと端面から反射されたビームとが干渉し、屈折率の周期 的変化をひき起こす。 前述の従来技術の方法がもつ欠点としては、プロセスが複雑であること、屈折 率の変化が小さいこと（Δ〜10^-6）、作り出される格子の周期を変動させること が不可能であること、コストが高いことおよび方法を実現させる装置の操作が複 雑であること、が挙げられる。 光ウェーブガイドを外部露光させることを伴う光ウェーブガイドの屈折率を局 所的に変化させるためのもう１つの方法は「“Formation of Bragg Gratings in Optical Fibers by a Transverse Holographic Method”」という題の参考文献 、Opt．Lett.，1989，vol．14，No．15，p.823-825の中でG.Meltz，W.W.Morey， W.H.Glenにより開示されている。この方法によると、光ウェーブガイドは、240n mに近い波長でレーザ放射に露光される。２本のビームをθという角度で光ウェ ーブガイド表面に導くことによって、干渉効果を用いて光ウェーブガイドの中に 格子が形成される。形成される格子の周期は角度θを変えることによって変更で きる。 しかしながら前述の従来技術は、光ウェーブガイドの屈折率を局所的に変更さ せる精巧な技術に悩まされている。 K.O.Hill，F.Bilodean，B.Malo，D.C.Malo，D.C.Johnson，I.S.Kinner、の「 “Efficient Mode Conversion in Telecommunication Fiber Using Externally Writing Gratings”」Electron．Lett.，1990，vol．26，p.1270-1272は、光ウ ェーブガイドを外部露光させることを伴う、光ウェーブガイドの屈折率を局所的 に変化させるための方法を開示している。この方法においては、感光性光ウェー ブガイドは、側面で、狭いスリットを通過した紫外線レーザ放射に露光されてい る。露光領域内では、格子の単一溝の書込みに対応する光誘発された屈折率の局 所的増加が起こる。この露光は次に中断され、光ウェーブガイドは格子周期に等 しい距離のところでレーザビームに対して軸方向に移動させられ、その後次の格 子溝が書込まれる。光ウェーブガイドの露光と軸方向移動の手順とを周期的にく り返すことにより、異なる屈折率をもつコア領域の周期的な列が形成され、これ が１つの格子を表わす。 しかしながら屈折率を局所的に変化させるプロセスは、紫外線レーザ放射を利 用すること、そして感光タイプの光ウェーブガイドの数が制限されているという 事実により、むしろ複雑なものである。その上、利用される紫外線レーザは比較 的高価で、運転は複雑であり、信頼性が不充分であり、又その放射線は人間の眼 に有害である。 本発明に極めて近いのは、クラッディングとコアとを含み、その各々が石英ガ ラスをベースとしそのうちの少なくとも１つがドーピングされており、コア内に 含まれている元素のクラッディングへの局所的熱拡散を提供し、および／または クラッディング内に含まれている元素のコアへの局所的熱拡散を提供する、ある 長さの光ウェーブガイドを加熱することを伴う、光ウェーブガイドの反射率を局 所的に変化させるための方法である。例えば米国特許第 5381503号国際特許分類 G02B 6/10を参照のこと。この方法では、ある長さの光ウェーブガイドが抵抗加 熱炉の中で加熱される。 ゲルマニウムおよびフッ素での２重ドーピングは、モードフィールド直径変換 ファイバの光ウェーブガイドの製造を著しく複雑にする。この方法のさらなる欠 点は、加熱機器内の温度分布により規定されプロセス進行中は修正できない温度 分布によって規定される、 光ファイバ軸に沿ってのコア屈折率の変化の法則を制御することが不可能である という点にある。さらなる問題点は、光ウェーブガイドが、加熱された時点で、 固定する際に現われる側方応力が緩和されるために変形を起こすことにある。 酵素およびケイ素の原子を含む分子状気体作用物質（molecular gaseous agen ts）の混合物を補給し、基板管の内面上に混合物の中で発生する反応の生成物を 被着させることを有する、石英ガラスベースの光ウェーブガイドのためのプリフ ォーム（preform）を製造する方法は、例えばS.V.SvechnikovおよびL.M.Andrush koが編集したL.M.Andrushko，V.A.Voznesenskii，V.B.Katok et al．著のthe Re ference Book of Fiber Optic Communication Links(Kiev，Tekhnika，1988，p. 69)の中で説明している。 しかしながら、窒素ドーピングされた石英ガラスからのプリフォームの製造は 、この方法に典型的な熱力学平衡条件下では実施できない。 請求されている発明に最も近い窒素ドーピングされた石英ガラスに基づく光ウ ェーブガイドのためのプリフォームの製造方法には、基板管の中に窒素、酸素お よびケイ素原子を含む分子状気体作用物質の混合物を補給するステップ、混合物 内でマイクロ波放電を励起するステップおよび基板管の内部表面上に混合物内で 発生する反応の生成物を被着させるステップが含まれている。例えば、E.M.Dian ov，K.M.Golant，R.R.Kharpko，A.S.Kurkov，A.L.Tomashuk、の「Low-Hydrogen Silicon Oxynitride Optical Fibers Prepared by SPCVD」、IEEE Journal of L ightwave Technology，1995，vol．13，No．7，p.1471-1474を参照されたい。こ の方法の基礎は、SPCVDプロセスによる石英ガラス基板管の内部壁上の窒素ドー ピングされた石英ガラス層のプラズマ増強形合成による光ウェーブガイドのプ リフォームの製造にある。 しかしながら、この方法は、光ウェーブガイドのコアとクラッディングとの間 の所望の屈折率差Δｎを得るのに必要とされる石英ガラス内の窒素濃度の再現可 能な制御を可能にするようなプロセスパラメータをプリフォームの合成において 利用しないことから、技術的に複雑なものである。 本発明の概要 本発明の目的は、光ウェーブガイドおよびそれに基づく機器の製造を容易にす ることにある。 上記の目的は、石英ガラスクラッディングおよびドーピングを受けた石英ガラ スコアを有するある長さの光ウェーブガイドを備え、コアの直径が一方の端部に 向かって増大するように光ウェーブガイドに沿って変動し、本発明に従うと、光 ウェーブガイドのコアが窒素といったドープ剤でドーピングされ、ドープ剤濃度 が0.01 at.％から５ at.％であるような従来のモードフィールド直径変換ファイ バによって達成される。 本発明の目的はまた、クラッディングとコアとを含み、各々が石英ガラスをベ ースとしそのうちの少なくとも一方がドーピングされているある長さの光ウェー ブガイドを加熱する段階を含むような従来の方法によっても達成され、本発明に 従うと局所的熱拡散は、0.01 at.％から５ at.％の濃度で窒素でドーピングされ たコアをもつある長さの光ウェーブガイドを加熱することによって提供されこの 加熱は、アーク電流または赤外線レーザの放射により行なわれる。 特に、その長さの光ウェーブガイドの加熱は、周期的に中断され、この周期的 中断の間、加熱領域は、屈折率変動の空間的間隔により分割可能な距離にて光ウ ェーブガイドの軸に沿って相対的に移動 させられる。 特に、リン、アルミニウム、ナトリウム、カリウム、リチウム、セシウム、ゲ ルマニウム、フッ素、ホウ素および／または少なくとも１つの希土類元素といっ たようなドープ剤の、局所的熱拡散が提供される。 その長さの光ウェーブガイドは、0.1秒から600分の時間、５mAから500mAのア ーク電流により加熱され、アークは、光ウェーブガイドの軸に沿って１mmから15 mmほどの大きい領域の中に設定され、鋭い端部をもつ電極によって生成され、そ の加熱の後、その長さの光ウェーブガイドは、所定のモードサイズに対応する領 域内でその軸に直角に切断される。 アークを、可変的速度で光ウェーブガイドの軸に沿って移動させることができ 、および／またはアークの電流を変動させることが可能である。 特に、光ウェーブガイドが２ヵ所で固定されている場合に機械的応力によりひ き起こされる変形を避けるため、熱拡散の前に光ウェーブガイドと補助光ウェー ブガイドを継ぎ合せする。 加熱はCOレーザ、CO₂レーザ、エルビウムレーザまたはホルミウムレーザの放 射を用いて提供できる。 特に、オキシ窒化ケイ素（silicon oxynitride）（Si₃N₄：SiO₂）ベースのコ アを伴うある長さの光ウェーブガイドと加熱することができる。 フッ素および／またはホウ素でドーピングされたクラッディングを伴うある長 さの光ウェーブガイドを加熱することが可能である。 本発明の目的は同様に窒素ドーピングされた石英ガラスをベースとする光ウェ ーブガイドのためのプリフォームを製造し、基板管の中に窒素、酸素およびケイ 素の原子を含む分子状気体作用物質の混 合物を補給し、混合物内でマイクロ波放電を励起し、および基板管の内部表面上 に混合物内で発生する反応の生成物を被着させるための従来の方法によっても達 成され、本発明に従うと、基板管に補給される分子状気体作用物質は、各々全て のケイ素原子上に５個未満の酸素原子が落ち、酸素原子1000個毎に１より多い窒 素原子が落ちるような形で混合される。 特に、分子状気体作用物質の混合物は、SiCl₄＋O₂＋N₃， SiCl₄＋O₂＋NO₂，Si Cl₄＋O₂＋N₂O₃， SiCl₄＋O₂＋N₂O₄， SiCl₄＋O₂＋N₂O，SiCl₄＋O₂＋NOおよび／ またはSiCl₄＋O₂＋NH₃、といった混合物のうちの少なくとも１つである。 特に、基板管の温度は、900℃〜1300℃である。 特に、基板管内のマイクロ波放電を励起するのに必要とされる電力は、0.1kw から10kwである。 特に、基板管内の気体作用物質は、0.05mmHgから50mmHgの圧力下にある。 本発明によりモードフィールド直径変換ファイバを生成するのに利用される、 光ウェーブガイドモードフィールド直径変換ファイバ、光ウェーブガイドの屈折 率を局所的に変化させるための方法および、光ウェーブガイドのためのプリフォ ームを製造するための方法は、単一の独想的な概念により統一され、一体となっ て前述の技術的結果を達成する。 図面の簡単な説明 本発明は、添付図面と合わせて、その実施例についての以下の説明から明らか になることだろう。なお図面中、 図１は、モードフィールド直径変換ファイバの構造、コア直径を横切る電界分 布Ｅ（ｒ）、光ウェーブガイド軸に沿った距離ｚの関 数としてのコア直径ｄおよび屈折率ｎを例示する。 図２は、アークを使用して、モードフィールド直径変換ファイバを製造するた めの機器のブロック図である。 図３は、CO−レーザを用いた、モードフィールド直径変換ファイバを製造する ための機器のブロック図である。 図４は、熱拡散の前の光ウェーブガイド放射の方向の図である。 図５は、熱拡散の後の光ウェーブガイド放射の方向の図である。 図６は、アークを用いて屈折率を変調させるための機器のブロック図である。 図７は、レーザを用いて屈折率を変調させるための機器のブロック図である。 図８は、熱拡散を用いて生成された長さ20mmの長周期格子の特徴的な透過スペ クトルを例示する。 図９は、本発明によるプリフォームを製造するための方法を実現する機器のブ ロック図ある。 実施例の詳細な説明 ここで図１を参照すると、モードフィールド直径変換ファイバは、クラッディ ング２とコア３とを有するある長さの光ウェーブガイド１を備え、コア３の直径 ｄはある長さの光ウェーブガイドの端部４に向かって増加し、一方でその有効屈 折率ｎは減少する。 アークを用いてモードフィールド直径変換ファイバを製造するための機器（図 ２）の中には、鋭い端部を有する電極５が、ある長さの光ウェーブガイド１の軸 に対し直角に配置されている。光ウェーブガイド１は、クランプ６によって固定 されている。補助光ウェーブガイド７が、クランプ９によって、３座標マイクロ メータ位置決め装置（positioner）８の中にしっかりと固定されている。 ステップモータ12を有する並進機構（translator）11により光ウェーブガイド の軸に沿ってアーク10が移動させられる。電極は、アーク電流を設定する電源13 に接続されている。アークの移動および電流はコンピュータによって制御される 。 COレーザ15を用いてモードフィールド直径変換ファイバを製造するための機器 （図３）の中では、放射ビーム16は、レンズ17により光ウェーブガイド１に集束 される。出力調整器18がレーザ放射16の強度を変更する。ステップモータ12を有 する並進機構19は、光ウェーブガイド１を放射ビーム16に対してその軸に沿って 移動させる。出力調整器18および並進機構19の動作は、コンピュータ14によって 制御される。 モードサイズを決定するため、モードフィールド直径変換ファイバの出力端で 放射パターンが測定される（図４および５）。 本発明による方法を実現するための機器（図２）は、以下のように動作する。 マイクロメータ位置決め装置８により予め調整された補助光ウェーブガイド７ と光ウェーブガイド１とをアーク10により継ぎ合せする。このとき、アーク10は 、熱拡散が行なわれるある長さの光ウェーブガイド１に設置され、すなわち、光 ウェーブガイドに沿って移動させられる。静止電極５の場合、加熱領域のサイズ は、各電極５間の距離とアーク10電流とに応じて0.1mmから５mmの大きさである 。アーク10に対する光ウェーブガイド１の局所的領域の露光時間は、光ウェーブ ガイド１に沿った電極５の移動速度に依存する。アーク10の移動速度を調整する ことにより、光ウェーブガイド１に沿ってその端部４が近づくにつれてコア３の 直径を変化させる法則を調整することができる。ひとたび熱拡散が終わると、光 ウェーブガイド１は、それが補助光ウェーブガイド７と継ぎ合されている部域の 近くで、所要モードサイズに対応する領域内で直角に切断される。 本発明による方法を実施するための代替的な機器（図３）は、以下のように動 作する。 光ウェーブガイド１が、マイクロメータ位置決め装置８により予め調整された 補助光ウェーブガイド７に対しレーザ放射ビーム16によって継ぎ合される。光ウ ェーブガイド１および補助光ウェーブガイド７はこのとき、レーザ放射ビーム16 に対するその軸に沿って並進機構19により一緒に移動させられる。COレーザ放射 に対する光ウェーブガイド１の局所的領域の露光時間は、レーザビーム16に対す る光ウェーブガイド１の移動速度によって異なる。光ウェーブガイド１の移動速 度を調整することにより、光ウェーブガイド１に沿ってその端部４が近づくにつ れてコア３の直径を変化させる法則を調整することができる。光ウェーブガイド １の軸に沿ってコア３の直径を変化させる法則は同様に、レーザビーム16に対す る光ウェーブガイド１の均等な移動にて出力調整器18を用いてレーザ放射の強度 を制御することによっても設定できる。静止した光ウェーブガイドでは、加熱領 域のサイズは、レンズ17の焦点距離とその位置に応じて0.01mmから15mmの大きさ であり得る。熱拡散がひとたび終了すると、光ウェーブガイド１は、補助光ウェ ーブガイド７との継ぎ合した領域近くで、所要モードサイズに対応する領域内で 軸に対し直角に切断される。 コア対クラッディングのモード変換を避けるためには、モード直径が変動させ られている光ウェーブガイドの長さＬおよびコア直径ｄは、Ｌ≫ｄとして関係づ けされなくてはならない。実際には、これは、Ｌ＞１mmである場合に提供される 。このようなコア直径のスムーズな変化は、電極の鋭い端部の間の距離とアーク 10電流とが両方共変動させられ、静止アークが光ウェーブガイド軸に沿って１mm から５mmという大きい区域内にあるとき、又は１mmから15mmの長さの光ウェーブ ガイドを加熱するべくアークが光ウェーブガイドの軸に沿って移動させられると きに達成される。光ウェーブガイド１の長さを加熱できる最高温度もまた、各電 極間の距離とアーク電流とに依存する。我々の経験上、ドープ剤のタイプに応じ て、アーク電流は５mAから500mAまでであるべきであるということが提案されて いる。 必要とされる熱拡散を得るためには、アーク10に対する光ウェーブガイド１の 露光時間は、0.1秒から600分であるべきであり、光ウェーブガイド軸に沿ったア ークの移動速度は１μｍ／秒から１cm／秒の間で変動させることができる。 モードフィールド直径変換ファイバをその他のファイバ要素に結合することは 、モードフィールド直径変換ファイバの屈折率の断面が、ドープ剤の１つがフッ 素である場合に不可避的である屈折率の低下を伴う領域を有していないという事 実によって、はるかに容易なものとなっている。我々の経験から、窒素濃度は0. 01 at.％から５ at.％であるべきであるとの結論が下された。 アークを用いた屈折率の周期的変調のための機器においては（図６）、電極５ が、クラッディング２およびコア３を有する光ウェーブガイド１の軸に対し直角 に配置されている。光ウェーブガイドはクランプ６および９によって固定される 。電極は、アーク10の電流を設定する電源13に接続されている。光ウェーブガイ ドの軸に沿って電極５を移動させるように適合されたステップモータ12を有する 並進機構11は、光ウェーブガイドの軸に沿った座標ｚの関数としてコアの屈折率 ｎを示す図６のプロット内に示されている通り、熱拡散に起因してこの熱拡散を 受けなかった区域におけるものに比べコア屈折率が異なっている周期的局所区域 20を形成する。屈折率変調 を監視するために、機器（図６）には、白色光源21と光学スペクトル分析器22と を備える。コンピュータ14が並進機構11のステップモータ12を制御し、電源13を 制御することによりアーク10の条件を規定する。 レーザ15を用いて屈折率を変調するための機器（図７）の中では、レーザ放射 16は、光ウェーブガイド１のコア３においてレンズ17によって集束させられる。 露光時間はシャッタ23によって設定され、レーザビーム16に対する光ウェーブガ イドの移動は、コンピュータ14の制御下でステップモータ12を有する並進機構19 によってもたらされる。 本発明の基礎となっているのは、光ウェーブガイド１のコア３の屈折率を変調 させる新しい機構である。最も近い従来技術では、紫外線放射に対する露呈下で の光屈折効果により屈折率が変化するのに対して、本発明によると、これは、光 ウェーブガイド１の局所的領域がアーク放電10（図６）又は赤外線レーザ15の放 射16により加熱された時点でのコア３および／またはクラッディング２内に含ま れた元素の熱拡散によって達成される。拡散の結果、コア３の屈折率の局所的変 化すなわち格子の１つの溝の書込みがもたらされる。格子全体は、格子の周期に より分割可能な距離で光ウェーブガイド１の軸に沿って加熱領域が移動させられ るにつれて個々の溝を連続的に書込むことによって形成される。格子の溝は、例 えば格子の１周期にて、又は光ウェーブガイド１の同じ領域を２重に通過させる ことによって２周期にて、加熱源10（図６）又は16（図７）に対して光ウェーブ ガイド１を連続的に移動させることによって書込むことができる。 格子溝の書込みの温度および時間は、光ウェーブガイド１のコア３およびクラ ッディング２の化学的組成によって左右され、従来の 実験を通して容易に決定できる。GeO₂でドーピングしたコア３を有する石英ウェ ーブガイド１においては、Geの拡散は、約1400℃の温度で効率良く発生する。緩 慢な拡散では書込み時間が長くなり、SiO₂の融点に近い高温は、光ウェーブガイ ド１内の変形をひき起こす可能性がある。 この欠点をこうむっていないのが、特に、オキシ窒化ケイ素Si₃N₄：SiO₂をベ ースとするコア３を有する石英光ウェーブガイド１、または石英のコア３とフッ 素でドーピングしたクラッディング２を有する光ウェーブガイド１であるが、こ れは、SiO₂に対するＮおよびＦの拡散係数がGeのものよりも実質的に高いからで ある。その結果、その拡散は著しく低い温度で効率良く発生し、１本の溝が著し く短かい時間で書込まれる。 光ウェーブガイド１は、光ウェーブガイドを継ぎ合せするための機器の中で利 用されるものと類似のものであるアーク放電10により局所的に加熱される。加熱 区域の長さおよび温度は、電極５間の距離とアーク10の電流とを選択することに よって変動させることができる。特に、電極５間の距離は、光ウェーブガイド１ の外径をＤとしてＤから100Ｄおよびそれより大きいまでの範囲内であってよく 、電流は、５mAから50mAおよびそれを超える範囲内であってよい。 局所的加熱は、約0.1cm^-1から10cm^-1というオーダーの著しい吸収を光ウェー ブガイド１の材料が示すような放射波長16を有するレーザ15によってもまた実現 可能である。この目的で、約５μｍの波長を有するCOレーザ、2.76μｍの波長を 有するエルビウムレーザおよび2.94μｍの波長を有するホルミウムレーザといっ たような赤外線レーザを利用することができる。エルビウムレーザ放射波長での 純粋石英ガラスの吸収は５×10^-2cm^-1未満であるものの、水を含む石英ウェーブ ガイド内のOH結合振動吸収線（波長2.75μｍ）によっ て数ケタ分これを高めることが可能である。 アーク10の場合、達成できる最小の被加熱領域は、一般に12.5μｍといった光 ウェーブガイド１の外径にほぼ等しい。赤外線レーザ放射に対する露光により10 μｍ未満の最小被加熱領域を提供することが可能である。 長い周期の格子においては、コア３とクラッディング２とのモード間の共振結 合のため、エネルギはコア３のモードからクラッディング２のモードへ選択的に 結合され、クラッディング２上に塗布された外部重合体コーティング（external polymer coating）内で急速に散逸する。これらの共振波長は、一般に200μｍ から400μｍまでで、格子の周期と範囲により規定される。光ウェーブガイド１ の屈折率の変調の存在を証明するのは、まさにこの効果である。 最も近い従来技術と比べて、本発明は、以下のような利点を提供する。 熱拡散により、弱い光屈折効果を示す光ウェーブガイド１においてさえ、屈折 率を変調させることができる。 本発明は、製造および動作の両面で単純であり従って比較的費用効果性の高い 加熱源として、アーク放電10又は赤外線レーザ15を利用する。 赤外線レーザ15およびアーク10の放射16は、紫外線レーザの放射よりも人体に とって安全である。 アーク10（図６）の場合、本発明による方法は、以下のように実現される。 保護重合体コーティングを剥がした光ウェーブガイド１を静止クランプ６およ び９の中に固定させ、次に、屈折率を変更する第１の領域に対応する位置にて光 ウェーブガイド１の軸ｚに沿ってマイクロメータ位置決め装置８およびステップ モータ12により電極５をセ ットし、この時点で、アーク10の電源13をオンに切換え、光ウェーブガイド１を 予め定められた時間加熱し、その後、アーク10の電源13をオフに切換える。次に 、光ウェーブガイド１の軸ｚに沿ってステップモータ12を有する並進機構11によ り、屈折率変調周期で第１の領域から離隔させられた、屈折率を変更する次の領 域まで、電極５を移動させ、その後、アーク10の電源13を再びオン切換えし、光 ウェーブガイド１を予め定められた時間加熱し、この時点でアーク10の電源13を オフに切換える。上述の作業を、反復回数が光ウェーブガイド１のコア３内の屈 折率変調周期所要数に一致するような形で、周期的にくり返す。並進機構11のス テップモータ12およびアーク10の電源12は、適切なルーチンに従ったとき所望の 作業順序および周期性を提供するべくコンピュータ14によって制御されている。 屈折率格子を形成するプロセスを監視するため、加熱中の光ウェーブガイド１の 透過スペクトル(transmission spectrum)が、光学スペクトル分析器22および白 色光源21により測定される。コア３とクラッディング２とのモードの間の共振相 互作用に対応する吸収ピークの所要深さにひとたび達した時点で、プロセスを終 結させることができる。 図６の機器とは異なり、赤外線レーザ15を用いた屈折率の周期的変調のための 機器においては（図７）、光ウェーブガイド１は、その局所的加熱を行なう赤外 線レーザ15の放射ビーム16に対する光ウェーブガイド１の移動を提供する並進機 構19の可動部分上にしっかりと固定されたクランプ６および９内に固定される。 このビームは、レンズ17により集束され、シャッタ15により周期的に中断される 。図７の機器は、図６の機器について上述されコンピュータ14により実施される ものと類似したルーチンに従って動作する。 本発明による光ウェーブガイドのためのプリフォームを製造する ための方法を実現するための機器を例示するために、図９は、基板石英管24、分 子状気体作用物質の混合物25、被着区域26、ウェーブガイド28を通して環状空隙 29に印加されるマイクロ波出力27、表面プラズマ波30、ピストン32を有する整合 ユニット（matching unit）31およびプラズマカラム（plasma column）33を示し ている。 組成SiCl₄＋O₂＋N₂の分子状気体作用物質25の混合物は、数mmHgの圧力下で石 英ガラス基板管24に供給される。反対側から、マイクロ波出力27が管24に印加さ れ、これが混合物内の静止放電を維持し、プラズマカラム33を生成する。作用物 質25は、四塩化ケイ素（silicon tetrachloride）を伴う乾燥酸素と窒素である 。プラズマカラム33の領域に入ると、作用物質25は、プラズマ「ホットエレクト ロン(hot electrons)」と相互作用した時に未励起分子から混合物中で「生成さ れる（generated）」活性ラジカル（active radicals）が混合物中に出現するた めに、化学的変換を受ける。その結果、四塩化ケイ素は、酸化ケイ素に変換され 、この酸化ケイ素は、石英管24の壁により吸着され、最終的に、窒素含有ラジカ ル（nitrogen-containing radicals）を伴う不均質反応のため二酸化ケイ素まで 酸化され、かくしてドーピングされた石英ガラス被着区域26が形成されることに なる。印加されたマイクロ波出力27を変化させることでプラズマカラム33の長さ を変動させることにより、基板石英管24に沿って被着区域26を走査することがで き、そのようにしながら、ガラスをその内部表面上に層毎に被着させることが可 能である。 石英ガラスに対する窒素の熱拡散係数は、ゲルマニウムのものよりもはるかに 大きい。かくして、最も近い従来技術とは異なり、拡大するコア３（図１）を生 成するのに高い熱拡散係数をもつ付加的なドープ剤を添加する必要が全くなくそ の上熱拡散の時間が低減することから、モードフィールド直径変換ファイバの製 造が容易にな る。 被着プロセスがひとたび終了したならば、内部表面上に被着された窒素ドーピ ングを受けたガラスの層を有する基板石英管24は、バーナの炎の中での加熱を通 してロッド（rod）の形に圧壊させられる。このように生成されたプリフォーム は次に、単一モード光ウェーブガイド１へと引抜き加工される。 窒素ドーピングを受けたコア３を有する石英光ウェーブガイド１を用いて、モ ード直径をおよそ１ケタ分増大させるモードフィールド直径変換ファイバを製造 するのに使われた。コア３内の窒素濃度は１％であった。初期光ウェーブガイド １のコア３の直径は4.5μｍであり、コア３とクラッディング２との間の屈折率 の差はΔｎ＝0.012であった。静止アークにより加熱された領域は0.3mmほどの広 さであり、アーク電流は14mA、光ウェーブガイドの被加熱区域の長さは５mmであ った。アーク移動速度は、光ウェーブガイド１と補助ファイバ７との間の継ぎ合 せ点に近づくにつれて500μｍ／秒から10μｍ／秒まで次第に変動させられた。 露光時間は１分であった。熱拡散中、光ウェーブガイド１は１ヵ所のみでクラン プ６により固定されもう１方の側ではマイクロメータ位置決め位置８（図２）に より予備的に調整された補助ファイバ７と継ぎ合されていたため、光ウェーブガ イド内の変形は全く明らかにされなかった。 反対側の端面でレーザダイオードから照明を受けた光ウェーブガイドを離れる 放射のパターンから、モード直径が計算された。図４は、熱拡散の前の光ウェー ブガイド１の放射パターンを示す。２分の１強度レベルを横断しての放射パター ンの幅は7.1°であり、これは4.9μｍのファイバモード直径に対応することがわ かる。図５は、熱拡散の後の光ウェーブガイドの放射パターンを例示している。 ２分の１強度レベルを横断しての放射パターンの幅は、43μｍの モード直径に対応する0.80まで減少していることがわかる。 従って、本発明を使用すると、モード直径を4.9μｍから43μｍまで増大させ ることができた。最も近い従来技術とは対照的に、モードフィールド直径変換フ ァイバは、必要とされるプロセス段階数が減少することから、より容易に製造す ることができる。熱拡散を受ける光ウェーブガイド１と継ぎ合された補助光ウェ ーブガイド７のおかけで、応力緩和により最も近い従来技術において発生してい た光ウェーブガイドの変形は、熱拡散において完全に回避される。最も近い従来 技術とは異なり、本発明により製造されたモードフィールド直径変換ファイバの 屈折率の断面は、屈折率が減少した領域を含んでおらず、このため従来のものと 完全に互換性のあるものとなっている。 同様に、直径4.5μｍのSi₃N₄のコア３、および直径120μｍのSiO₂のクラッデ ィング２を伴い、コアとクラッディングとの間の屈折率の差がΔｎ＝0.012で、 窒素濃度が１％である石英光ウェーブガイド１の中で、長周期格子が書込まれた 。 第１の実施例においては、加熱源は、アーク放電10（図６）であった。アーク 10は、10μｍの精度で制御された250μｍの距離で、並進機構６により光ウェー ブガイド１に沿って軸方向に移動させられた。電極５間距離およびアーク10の電 流はそれぞれ150μｍと５mAであり、かくして屈折率が変化した領域20のサイズ はほぼ光ウェーブガイド１の直径と同じになっていた。約120μｍのコア３の発 光領域の特徴的な寸法によりこのサイズを監視するために、顕微鏡が用いられた 。各々全ての溝が書込まれるのに必要となった時間は１秒であった。格子周期は 250μｍで、溝の合計数は80であった。 光学スペクトル分析器22により透過スペクトル（図８）が監視された。スペク トルは、異なる側方屈折率を有するクラッディング２ の軸対称モードに対するコア３のモードの共振結合に対応する７つの吸収ピーク を示している。これは、光ウェーブガイド１のコア３の屈折率の周期的変調およ びコア３の屈折率の長周期格子の生成を明確に表わすものである。 ドーピングを受けていない石英ガラスクラッディング２、窒素ドーピングを受 けたガラス製コア３およびΔｎ＝0.02を有する光ウェーブガイド１のプリフォー ムを製造するには、直径20mmで壁厚２mmの基板石英管24を1300℃の温度まで加熱 する。組成SiCl₄＋O₂＋N₂の混合物25を１mmHgの合計圧力下で基板管24に供給す る。マイクロ波出力27は１kwと５kwとの間の範囲内で変動させる。必要とされる ガラスの窒素ドーピングレベルは、質量流量比〔SiCl₄〕：〔O₂〕＝0.92および 〔O₂〕：〔N₂〕＝0.5で得られる。単位時間内に反応装置に入る酸素およびケイ 素原子の量は、2.2の比であり、一方窒素対酸素原子の比は２である。 ドーピングを受けていない石英ガラスのクラッディング２、窒素ドーピングを 受けたガラス製コア３およびΔｎ＝0.01を有する光ウェーブガイド１のためのプ リフォームを製造するためには、直径20mm、壁厚２mmの基板管24を1300℃の温度 まで加熱する。１mmHgの合計圧力の下で基板管24に対し、組成SiCl₄＋O₂＋N₂の 混合物25を供給する。マイクロ波出力27は１kwと５kwとの範囲内で変動させる、 必要とされるガラスの窒素ドーピングレベルは、質量流量比〔SiCl₄〕：〔O₂〕 ＝0.92および〔O₂〕：〔N₂〕＝0.5で得られる。単位時間で反応装置に入る酸素 およびケイ素原子の量は2.6の比であり、一方窒素対酸素原子の比は２である。 産業上の利用分野 本発明は、ファイバオプティクスに関するものであり、ファイバ 放射コリメータ（collimators）、光ウェーブガイドカプラー、スペクトルフィ ルタ、光学絶縁装置、長周期格子、分散補償器、シミュレーションされたラマン 効果に基づくカスケードモードフィールド直径交換ファイバ、物理値センサ（屈 折率、温度、応力など）、例えばエルビウムファイバ増幅器内で1.53μｍの波長 での強化された自然輝度ピーク(spontaneous luminescence peak)、ネオジム増 幅器における1.06μｍの領域全体にわたる自然輝度といった予め定められた波長 についての放射抑制ユニット、およびその他のスペクトル範囲内で動作するレー ザの中、そして特に波長分割多元化を有するシステム内で利用されるエルビウム ファイバ増幅器内で利得スペクトルを平滑化するため、に利用することができる 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９７１０９６０１ (32)優先日 1997年６月５日 (33)優先権主張国 ロシア（ＲＵ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＣＮ，Ｊ Ｐ，ＫＲ，ＵＡ，ＵＳ (72)発明者 ゴーラント，コンスタンティン ミハイロ ビチ ロシア連邦，119634，モスコー，ウリツァ ルキンスカヤ，デー．７，クバルチーラ 177 (72)発明者 カーポフ，フラディミール イワノビチ ロシア連邦，123182，モスコー，ウリツァ アカデミカ ボチバラ，デー．15，クバ ルチーラ 17 (72)発明者 プロトポポフ，フラディミール ニコラビ チ ロシア連邦，113452，モスコー，シンフェ ロポルスキー ブルバー，デー．29，コル プス ６，クバルチーラ 462 (72)発明者 グレコフ，ミハイル フラディミロビチ ロシア連邦，117463，モスコー，ウリツァ ヤスノゴールスカヤ，デー．21，コルプ ス １，クバルチーラ 173 (72)発明者 ハーラプコ，ロスティスラフ ラディエビ チ ロシア連邦，121615，モスコー，ルブレフ スコエ ショスセ，デー．89，コルプス ３，クバルチーラ 66 【要約の続き】 ーク（10）の電流によって、または赤外線レーザ（15） の放射（16）によって加熱される。コア（３）は、0.01 at.％から５ at.％の濃度で窒素でドーピングされる。 モードフィールド直径変換ファイバ内では、コア（３） の直径は、ある長さの光ウェーブガイドに沿って変化 し、その端部（４）に向かって増大する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．石英ガラスクラッディング（２）およびドーピングした石英ガラスコア（ ３）を有するある長さの光ウェーブガイド（１）を備えるモードフィールド直径 変換ファイバにおいて、コア（３）の直径は１方の端部（４）に向かって増大す るように前記ある長さの光ウェーブガイド（１）に沿って変動し、前記光ウェー ブガイド（１）のコア（３）は窒素といったドープ剤でドーピングされ、ドープ 剤濃度は0.01 at.％から５ at.％であることを特徴とするモードフィールド直径 変換ファイバ。 ２．クラッディング（２）とコア（３）とを備え、各々が石英ガラスをベース としそのうちの少なくとも一つがドーピングされているある長さの光ウェーブガ イド（１）を加熱するステップ、 前記クラッディング（２）に対し前記コア（３）の中に含まれた元素の局所的 熱拡散を提供し、および／または前記コア（３）に対し前記クラッディング（２ ）の中に含まれた元素の局所的熱拡散を提供するステップ、 を有する光ウェーブガイド（１）の屈折率を局所的に変更する方法であって、 前記局所的熱拡散は、0.01 at.％から５ at.％の濃度で窒素でドーピングされ た前記コア（３）を有する前記ある長さの光ウェーブガイド（１）を加熱するこ とによって行なわれ、前記加熱は、アーク（10）の電流または赤外線レーザ（15 ）の放射により提供されていることを特徴とする方法。 ３．前記ある長さの光ウェーブガイド（１）の加熱が周期的に中断され、前記 周期的中断の間、屈折率変動の空間的間隔により分割可能な距離にて前記光ウェ ーブガイド（１）の軸に沿って加熱区域 が相対的に移動させられる請求項２に記載の方法。 ４．前記局所的熱拡散が、リン、アルミニウム、ナトリウム、カリウム、リチ ウム、セリウム、ゲルマニウム、フッ素、ホウ素および／または少なくとも１つ の希土類元素といったようなドープ剤の局所的熱拡散である請求項２に記載の方 法。 ５．前記ある長さの光ウェーブガイド（１）は、0.1秒から600分の時間、５mA 〜500mAの前記アーク（10）の電流により加熱され、前記アーク（10）は、前記 光ウェーブガイド（１）の軸に沿って１mmから15mmほどの大きい領域の中に位置 され、鋭い端部を有する電極（５）によって生成され、前記加熱の後、前記ある 長さの光ウェーブガイド（１）は予め定められたモードサイズに対応する領域内 でその軸に直角に切断される請求項２に記載の方法。 ６．前記アーク（10）は、可変的速度で前記光ウェーブガイド（１）の軸に沿 って移動させられ、および／または前記アークの電流が変動させられる請求項２ に記載の方法。 ７．前記熱拡散の前に前記光ウェーブガイド（１）と補助光ウェーブガイドが 継ぎ合される請求項２に記載の方法。 ８．前記加熱がCOレーザ、CO₂レーザ、エルビウムレーザまたはホルミウムレ ーザの放射（16）を用い実行される請求項２に記載の方法。 ９．オキシ窒化ケイ素（Si₃N₄：SiO₂）ベースのコアを有する前記ある長さの 光ウェーブガイド（１）が加熱される請求項２に記載の方法。 10．フッ素および／またはホウ素でドーピングされたクラッディング（２）を 有する前記ある長さの光ウェーブガイド（１）が加熱される請求項７に記載の方 法。 11．基板管（24）の中に窒素、酸素およびケイ素の原子を含む分 子状気体作用物質の混合物（25）を補給するステップ、 混合物内でマイクロ波放電（27）を励起するステップ、および 前記基板管（24）の内部表面（26）上に、混合物内で発生する反応の生成物を 被着させるステップ、 を有する、窒素ドーピングされた石英ガラスをベースとする光ウェーブガイドの ためのプリフォームの製造方法において、 前記基板管（24）に補給される前記分子状気体作用物質は、各々全てのケイ素 原子上に５個未満の酸素原子が落ち、酸素原子1000個毎に１つより多い窒素原子 が落ちるような形で混合されることを特徴とする製造方法。 12．分子状気体作用物質の前記混合物（25）は、SiCl₄＋O₂＋N₃， SiCl₄＋O₂ ＋NO₂，SiCl₄＋O₂＋N₂O₃， SiCl₄＋O₂＋N₂O₄， SiCl₄＋O₂＋N₂O，SiCl₄＋O₂＋NO および／またはSiCl₄＋O₂＋NH₃、といった混合物のうちの少なくとも１つである 請求項11に記載の製造方法。 13．前記基板管（24）の温度が900℃から1300℃である請求項11に記載の方法 。 14．前記基板管（24）内の前記マイクロ波放電（32）を励起するのに必要とさ れる電力（27）が0.1kwから10kwである請求項11に記載の方法。 15．前記基板管（24）内の分子状気体作用物質が0.05mmHgから50mmHgの圧力下 にある請求項11に記載の方法。