JPH1184151A - 光ファイバグレーティングおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高価な装置を必要とせず、製造効率が高い光
ファイバグレーティングとその製造方法を提供する。さ
らには、経時的に安定なグレーティング特性を有する光
ファイバグレーティングとその製造方法を提供する。 【解決手段】 残留応力を有するコア１ｂを備えた光フ
ァイバ４を、長さ方向に間欠的に加熱し、該コア１ｂの
周囲のクラッド１ｃを軟化させ、前記残留応力を解放し
てコア１ｂの屈折率を変化させることにより、前記光フ
ァイバ４の長さ方向に、前記コア１ｂと前記クラッド１
ｃの間の比屈折率差の周期的な変化を形成して光ファイ
バグレーティングを製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバグレーテ
ィングおよびその製造方法に関し、特に安価で経時変化
が小さい光ファイバグレーティングおよびその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光導波路グレーティングは、光ファイバ
または平面光回路（PLC：Planar Lightwave Circuit）
に、その長さ方向に導波構造の周期的な摂動を形成した
ものである。この光導波路グレーティングは、特定モー
ドどうしの結合を発生させることによって、特定波長帯
の光を損失させることができるデバイスであって、この
ような特性により、特定波長帯の光の除去や特定モード
間の結合型のデバイスなどとして用いることができる。
光導波路グレーティングはその結合モード間の関係によ
って、反射型と放射型に分類することができる。

【０００３】ここで、光導波路の光の入射方向を正の方
向、その逆方向を負の方向とする。反射型光導波路グレ
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。放射型光導波路グレーティングは、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。

【０００４】ところで、光導波路グレーティングの導波
構造の周期的な摂動は、コアの屈折率を変化させたり、
コア経を変化させることによって形成することができ
る。最も一般的な光導波路グレーティングの製造方法
は、フォトリフラクティブ効果（フォトセンシティブ効
果という場合もある）によりコアの屈折率を変化させる
方法である。フォトリフラクティブ効果とは、例えばド
ーパントとしてゲルマニウムが添加された石英ガラス
に、波長２４０ｎｍ付近の紫外線を照射すると、前記石
英ガラスの屈折率の上昇が観測される現象のことであ
る。

【０００５】以下光ファイバを例として具体的に説明す
る。図１４は従来の光ファイバグレーティングの製造工
程を説明する概略構成図である。図中符号１１は光ファ
イバであり、この光ファイバ１１は、その中心部のコア
１１ａと、このコア１１ａの外周に設けられたクラッド
１１ｂとからなる。この光ファイバ１１は、例えば光の
波長１．５５μｍにおいて単一モード動作をしている光
ファイバ（シングルモード光ファイバ）である。

【０００６】前記コア１１ａはドーパントとしてゲルマ
ニウムを含む石英ガラスからなる。ゲルマニウムは通常
酸化ゲルマニウムとして石英ガラスに添加される。この
例においては、コア１１ａは５重量％の酸化ゲルマニウ
ムを含む石英ガラスからなり、クラッド１１ｂは不純物
を無視できる程度に実質的に純粋な石英ガラス（以下純
石英ガラスという）からなる。以下純石英ガラス、ある
いはドーパントが添加された石英ガラスを主成分とする
ものを石英系ガラスということがある。符号１２は位相
マスクであり、この位相マスク１２は石英ガラスからな
り、その片面には一定周期で複数の格子１２ａ…が形成
されている。

【０００７】グレーティング部１３を形成するには、光
ファイバ１１の側面に、位相マスク１２を介して紫外線
レーザ発生装置（図示せず）からの波長２４０ｎｍの紫
外線レーザビームを照射する。前記紫外線レーザ発生装
置としては、ＫｒＦエキシマレーザなどが用いられる。
すると、前記紫外線レーザビームの照射により、位相マ
スク１２の格子１２ａによって＋１次回折光と−１次回
折光とが回折して干渉縞が生じ、この干渉縞が生じた部
分のコア１１ａの屈折率が変化し、結果としてコア１１
ａとクラッド１１ｂの間の比屈折率差が変化する。この
ようにして光ファイバ１１の長さ方向にそって前記コア
１１ａの屈折率の周期的な変化が形成され、コア１１ａ
とクラッド１１ｂの間の比屈折率差の周期的な変化が形
成されたグレーティング部１３が得られる。

【０００８】このとき、放射型あるいは反射型の特性を
決定するのは、コア１１ａの屈折率の変化の周期（コア
１１ａとクラッド１１ｂの間の比屈折率差の周期）を表
すグレーティング周期である。

【０００９】いま、光ファイバを伝搬するモードの伝搬
定数をβ１、結合させる相手のモードの伝搬定数をβ２
とすると、これら結合モード間の伝搬定数差Δβは、以
下の式（１） Δβ＝β１−β２ …式（１） で表される。このときグレーティング周期Λは、以下の
式（２） Λ＝２π／Δβ …式（２） で与えられる。

【００１０】ここで、伝搬定数β１、β２は光の入射方
向を正値に、逆方向を負値にとることとする。β１、β
２の大雑把な値は、２πを、光ファイバ中を伝搬する光
の波長で除した程度の値を取り、オーダとしては、真空
中の光の波長を光ファイバの屈折率で割った程度の値と
なる。

【００１１】例えば、目安となる諸数値のオーダは以下
のとおりである。 光の波長（真空中） １．５５μｍ 光ファイバの屈折率 約１．５ 光ファイバ中の光の波長（管内波長） 約１μｍ β１、β２ 約２π rad/μｍ

【００１２】前記グレーティング周期Λが短周期の場合
は反射型として動作し、長周期の場合には放射型として
動作する。このため、反射型光ファイバグレーティング
のことを短周期光ファイバグレーティング、放射型光フ
ァイバグレーティングのことを長周期光ファイバグレー
ティングとよぶ場合もある。

【００１３】例えば、グレーティング周期Λが０．５μ
ｍの場合、この光ファイバグレーティングは反射型とな
る。すなわちこの光ファイバグレーティング（光ファイ
バ１１）の一端から入射する入射光のあるモードは、コ
ア１１ａを前記入射光と逆の方向（負の方向）に進行す
る他のモードと結合して反射光となる。この反射光は出
射光において損失となり、特定の波長域において損失を
与えるようなデバイスとして使用することができる。

【００１４】このときのグレーティング周期Λの値であ
る０．５μｍは、前記目安として示した光ファイバ中に
光の波長（管内波長）の約１／２にあたる。このような
短周期の擾乱を光ファイバ１１の長さ方向に与えること
により、光が逆方向に反射されることを示している。

【００１５】これに対し、放射型の光ファイバグレーテ
ィングは、前記式（２）のグレーティング周期Λが長い
ものである。放射型光ファイバグレーティングの場合、
グレーティング周期Λは、通常数十〜数百μｍとなって
いる。グレーティング周期Λが長いということは、結合
に関与するモード間の伝搬定数差Δβが小さく、同じ方
向に伝搬するふたつのモード間の結合を発生させること
ができることを示している。この光ファイバグレーティ
ングに入射した入射光のあるモードは、クラッドのモー
ドに結合し、放射光としてコアの外部に放射され、減衰
される。このようにして放射されたモードの光は、出射
光において損失となり、特定の波長域において損失を与
えるようなデバイスとして用いることができる。

【００１６】この放射型の光ファイバグレーティングの
例は、特開平７−２８３７８６号公報に開示されてい
る。前記公報においては、ゲルマニウムが添加された石
英ガラスからなるコアを有する光ファイバに対して、振
幅マスクを通してＫｒＦレーザからレーザビームを照射
して、グレーティング周期５０〜１５００μｍの屈折率
変化を光ファイバのコアに形成した光ファイバグレーテ
ィングが開示されている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の光
ファイバグレーティングにおいては、以下の問題点があ
る。すなわち、光ファイバに添加するドーパントと光源
の波長の組み合わせが限定されるため、光源の種類が限
定される。現実的には光ファイバグレーティングを製造
するにおいて、フォトリフラクティブ効果を利用するた
めには、光ファイバはコアにゲルマニウムが添加された
ものに限定され、ゲルマニウムを添加した石英ガラスに
フォトリフラクティブ効果を生じさせることができる波
長は、２４０ｎｍ付近の波長に限られている。

【００１８】このような波長の紫外線レーザビームを照
射することができるレーザ発生装置としては、ＫｒＦエ
キシマレーザや、４８０ｎｍ帯のアルゴンレーザの２倍
高調波などがあるが、いずれも高価であり製造コストの
上昇の一因となる。また、ＫｒＦエキシマレーザなどか
らの１回の紫外線レーザビームの照射によって得られる
ゲルマニウム添加石英ガラスの屈折率変化は、１０^-4〜
１０^-3のオーダであり、それほど大きいものではないの
で、比較的大きな屈折率変化を得るには、一箇所に多数
回紫外線レーザビームの照射を行う必要があり、製造工
程が長くなる。

【００１９】さらに、フォトリフラクティブ効果による
光ファイバの屈折率変化は、石英ガラスの構造欠陥に基
づくものであり安定性が十分ではない。具体的には、ゲ
ルマニウムを添加した石英ガラスに生じさせた屈折率変
化は、２００℃以上の高温環境下においては、数時間で
顕著な変化を示す。また、３００℃をこえる温度では、
屈折率変化がかなり減少することが知られている。

【００２０】よって本発明の課題は、高価な装置を必要
とせず、製造効率が高い光ファイバグレーティングとそ
の製造方法を提供することである。さらには、経時的に
安定なグレーティング特性を有する光ファイバグレーテ
ィングとその製造方法を提供することを課題とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては以下のような解決手段を提案す
る。第１の発明は、残留応力を有するコアを備えた光フ
ァイバを、長さ方向に所定の周期で間欠的に加熱し、該
コアの周囲のクラッドを軟化させ、前記残留応力を解放
してコアの屈折率を変化させることにより、前記光ファ
イバの長さ方向に、前記コアと前記クラッドの間の比屈
折率差の周期的な変化を形成することを特徴とする光フ
ァイバグレーティングの製造方法である。第２の発明
は、コアの軟化温度がクラッドの軟化温度よりも高いプ
リフォームを加熱し、線引きして前記光ファイバを製造
することを特徴とする前記第１の発明に記載の光ファイ
バグレーティングの製造方法。第３の発明は、残留応力
を有するコアを備えた光ファイバの長さ方向に、周期的
に前記残留応力が解放された応力解放部が形成されてな
ることを特徴とする光ファイバグレーティングである。
第４の発明は、第３の発明に記載の光ファイバグレーテ
ィングを用いたことを特徴とする光ファイバ通信システ
ムである。このような光通信システムは、光源と、これ
に接続された光ファイバ伝送路と、この光ファイバ伝送
路中に挿入された光増幅器と、前記光ファイバ伝送路か
らの出射光を検出する光検出器とからなる基本構成とさ
れる。そしてこの基本構成からなる光通信システム系を
構成する光デバイス（光源、光検出器、光増幅器、光フ
ァイバ）の有する波長特性（波長依存性）を所望の波長
特性とするために光ファイバグレーティングが光ファイ
バ伝送路に挿入されて用いられる。本発明において、光
ファイバグレーティングを構成する光ファイバ（プリフ
ォーム）は、中心のコアと、このコアの外周に設けら
れ、このコアよりも低屈折率のクラッドからなり、前記
コアは純石英ガラスからなり、前記クラッドはフッ素が
添加された石英ガラスから構成されていると好ましい。
また、前記第１または第２の発明においては、光ファイ
バを加熱する加熱手段として、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧ
（ヤグ：イットリウムアルミニウムガーネット）レーザ
などの比較的を安価なものを用いることができる。ま
た、前記光ファイバは、シングルモード光ファイバが好
適である。その理由は、シングルモード光ファイバは、
コアの断面積に対してクラッドの断面積が十分に大き
く、このコアに選択的に応力を残留させるのに適してい
るためである。また、本発明の光ファイバグレーティン
グのグレーティング周期は、２００〜２０００μｍとさ
れる。このため本発明は、放射型光ファイバグレーティ
ングに好適に適用される。本発明において、グレーティ
ング周期はその周期が正確に一定であってもよいし、お
およそ一定であってもよい。おおよそ一定である場合に
は、この周期のばらつきが±１５％程度であるものとす
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光ファイバグレー
ティングについて、その製造手順をおって詳細に説明す
る。本発明の光ファイバグレーティングは、残留応力を
有するコアを備えた光ファイバを得る光ファイバ線引き
工程と、この光ファイバにグレーティング部を形成する
グレーティング部形成工程とからなる。 ［１］光ファイバ線引き工程 最初に本発明の光ファイバグレーティングに用いる光フ
ァイバを作成する。この光ファイバは、主にコアの内部
に応力が選択的に残留しており、かつ加熱によりこの応
力が緩和され、解放される特性を有するものである。こ
のような光ファイバは、例えばプリフォーム（ファイバ
母材）を加熱して線引きして光ファイバとするにおい
て、そのコアの軟化温度とクラッドの軟化温度との温度
差を利用して、溶融状態のコアをクラッドよりも先に固
化させ、前記線引きによる引張応力を前記コア内部に選
択的に残留させることにより製造することができる。

【００２３】以下具体的に説明する。まずプリフォーム
を準備する。このプリフォームは、その中心の円柱状の
コアと、このコアの外周に設けられたクラッドからなる
ものである。そして前記コアを構成する材料は、前記ク
ラッドを構成する材料よりも高屈折率で、かつ軟化温度
が高いものである。さらには、このプリフォームのコア
径とクラッド外径との比率は、線引き後の光ファイバが
シングルモード光ファイバとなるように設定されている
と好ましい。つまり、本発明の光ファイバグレーティン
グに用いる光ファイバはシングルモード光ファイバであ
ると望ましい。実際は、マルチモード光ファイバであっ
ても本発明の光ファイバグレーティングを形成すること
はできる。しかしながら、シングルモード光ファイバ
は、コアの断面積に対してクラッドの断面積が十分に大
きく、後述するようにコアに応力を選択的に残留させる
には好適である。

【００２４】前記屈折率に関する条件は、コアを導波路
とする光ファイバとして動作するため条件である。前記
軟化温度に関する条件は、このプリフォームを加熱、線
引きして光ファイバとする際に、溶融状態のコアをクラ
ッドよりも先に固化させるための条件である。詳細は後
述するが、このコアとクラッドの固化の目安となるのが
ガラス転移点であって、コアとクラッドにおけるガラス
転移点の関係は、冷却状態（測定条件）が一定であれば
前記軟化温度の関係に準ずる。すなわち、クラッドの軟
化温度はコアの軟化温度よりも低いので、線引き工程に
おいてクラッドのガラス転移点は、コアのガラス転移点
よりも低い温度となっている。また、この軟化温度の条
件は、後述するグレーティング部形成工程において必要
な条件でもある。

【００２５】ところで石英ガラスの軟化温度は、ドーパ
ントを添加することによって低下することが知られてい
る。したがって、必要な軟化温度の温度差（ガラス転移
点の温度差）を得るためには、コアのドーパントの添加
量がゼロ、あるいは少量であり、クラッドのドーパント
の添加量が比較的多量である必要がある。また上述のよ
うに、コアの屈折率は、クラッドの屈折率よりも高く設
計する必要がある。このためコアに添加するドーパント
としては、ゲルマニウムなどが一般的である。ゲルマニ
ウムは石英ガラスの屈折率を上昇させる作用を有するも
のである。クラッドに添加されるドーパントは、石英ガ
ラスの屈折率を低下させる特性を有するものでなくては
ならない。このようなドーパントは、フッ素もしくは硼
素（ボロン）に限られる。

【００２６】本発明において、上述のようにコアに対す
るドーパントの添加は必須ではなく、添加したとして
も、例えばゲルマニウムの場合１重量％以下の少量であ
る。むしろクラッドのガラス転移点との関係から、コア
はドーパントを添加しない石英ガラス（以下純石英ガラ
スと記す）から形成するのが通常である。クラッドのド
ーパントの添加量は、例えばフッ素の場合１〜３モル％
（０．３〜１重量％）程度である。

【００２７】実際には線引き工程の温度、線引き張力
（線引き速度）などの条件によって、必要なガラス転移
点（軟化温度）の温度差が得られ、コアに選択的に応力
が残存し、所望のコア−クラッド間の比屈折率差が得ら
れるように、適宜これらのプリフォームのコアとクラッ
ドの材料組成や製造条件を調整する。

【００２８】この例においては、例えば前記コアを、不
純物はほとんど無視できる実質的に純粋な純石英ガラス
から形成し、前記クラッドをドーパントとして１モル％
のフッ素を添加した石英ガラス（以下フッ素添加石英ガ
ラスと記すことがある）から形成したプリフォームを用
いる。

【００２９】上述のようにフッ素添加石英ガラスは、純
石英ガラスよりも屈折率が低く、かつその軟化温度は純
石英ガラスよりも低くなる。例えば、その屈折率が純石
英ガラスよりも０．３％程低くなるように、フッ素を添
加したフッ素添加石英ガラスでは、およそ１００℃程度
軟化温度が低下する。そして、上述のようにガラス転移
点の関係は軟化温度の関係に準ずるので、フッ素添加石
英ガラスのガラス転移点は、純石英ガラスのガラス転移
点よりも低い温度となっている。

【００３０】この例において、プリフォームのコア−ク
ラッド間の比屈折率差は約０．３５％である。また、コ
アの軟化温度は約１６００℃、クラッドの軟化温度は約
１４００℃である。また、このプリフォームからシング
ルモード光ファイバが得られるように、プリフォームの
コア径は３．５ｍｍ、クラッド外径（プリフォームの外
径）は５０ｍｍで、コア径に対してクラッド外径は約１
４倍であり、十分大きくなっている。

【００３１】図１は光ファイバの線引き工程を示す概略
図であって、図中符号１はプリフォーム、２は加熱炉発
熱体である。このプリフォーム１を上方から加熱炉発熱
体２内に挿通させて、例えば約１９５０℃に加熱しつ
つ、１００ｇ前後の線引き張力Ｓにて線引きすると、下
方にむかってプリフォーム１が縮径されて円錐状のネッ
クダウン部分１ａが形成され、これに続いて線引きされ
た光ファイバ部分３が形成され、光ファイバ４となる。

【００３２】図２は、図１の加熱炉発熱体２の内部にお
ける光ファイバ部分３の状態を拡大して示す図である。
加熱炉発熱体２の内部においては十分に温度が高いた
め、コア１ｂとクラッド１ｃは、ともに十分低い粘度で
溶融しており、これらコア１ｂとクラッド１ｃは、とも
に下方への線引張力Ｓにより徐々に径が細められてい
く。

【００３３】ついで図３に示すように、加熱炉発熱体２
の外部に引き出された光ファイバ部分３は、さらに径が
細くなるとともに、急激にその温度が低下する。このと
きコア１ｂのガラス転移点はクラッド１ｃのガラス転移
点よりも高いので、クラッド１ｃよりも先にコア１ｂが
固化してその粘度が上昇し、このコア１ｂはいわゆる粘
性体ではなく、弾性体として振る舞うような粘度に到達
する。

【００３４】ガラスが溶融状態か固体（弾性体）として
振る舞うかの境の温度がガラス転移点（Ｔｇ）であり、
通常ガラスの粘度が１０^13.5ポアズとなるような温度と
される。図５は温度と粘度の関係を示すグラフである。
破線ｇはガラス転移点の基準である粘度１０^13.5ポアズ
のレベルを示すもので、直線Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ純石
英ガラス、３重量％のフッ素を添加した石英ガラス、酸
化ゲルマニウムを示している。このグラフからわかるよ
うに、純石英ガラスと比較して、フッ素添加石英ガラス
はガラス転移点が低くなっている。そして代表的なドー
パントのひとつである酸化ゲルマニウムは、ガラス転移
点が純石英ガラスよりも大幅に低く、ドーパントを添加
することによって石英ガラスのガラス転移点を低下させ
ることができることがわかる。以下、コア１ｂのガラス
転移点をＴｇcore、クラッド１ｃのガラス転移点をＴｇ
cladと記す。すなわち、光ファイバ部分３の温度がＴｇ
coreよりも低く、かつＴｇcladよりも高いとき、コア１
ｂは固化し、弾性体として振る舞うようになる。一方、
クラッド１ｃは未だ溶融状態で、前記コア１ｂよりも粘
度の低い状態にある。

【００３５】つまり、図３に示すように、クラッド１ｃ
が溶融状態で延伸される一方、コア１ｂに印加された線
引張力Ｓは、コア１ｂを弾性体として引っ張るため、コ
ア１ｂは弾性的に伸ばされ、コア１ｂ内に矢印で示され
る引張応力（弾性歪）が加えられた状態にある。このよ
うに、クラッド１ｃが固化するまで、線引張力Ｓが主と
して弾性体として振る舞うコア１ｂに印加されたまま、
しばらく光ファイバ部分３は下方に進むことになる。

【００３６】さらに光ファイバ部分３が下方に進むにつ
れて、その温度はＴｇclad以下となり、コア１ｂに引張
応力が加えられたままクラッド１ｃが固化し、所定の外
径に調整された光ファイバ４が得られる。換言すれば、
コア１ｂに加えられた引張応力は、クラッド１ｃの固化
によって引き留められた状態となる。そしてこの引張応
力は、クラッド１ｃの断面積がコア１ｂの断面積と比較
して圧倒的に大きいため、クラッド１ｃにはほとんど影
響することなくコア１ｂに選択的に残留する。厳密には
図４に示すように、クラッド１ｃは、コア１ｂ内に矢印
で示す引張応力の反作用として、クラッド１ｃ内に矢印
で示す圧縮応力をうける。しかし、コア１ｂの断面積と
比較してクラッド１ｃの断面積は十分に大きいため、前
記圧縮応力の値は小さく、その影響は無視できる程度で
ある。

【００３７】このようにしてコア１ｂの粘度がクラッド
１ｃの粘度よりも高い状態で線引きすることによって、
残留応力（引張応力）を有するコア１ｂを備えた光ファ
イバ４を得ることができる。この例において得られる光
ファイバ４の特性の一例を表１に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１に示すように、前記残留応力の影響に
より、コア１ｂとクラッド１ｃの間の比屈折率差は、プ
リフォーム１の値よりも低下する。この例では、プリフ
ォーム１の比屈折率差が０．３５％であったのに対し、
これから得られた光ファイバ４の比屈折率差は０．２５
％となっている。

【００４０】［２］グレーティング部形成工程 ［１］で得られた光ファイバ４にグレーティング部を形
成して、光ファイバグレーティングを作成する。図６
（ａ）はグレーティング部形成装置６を示す概略構成図
である。この加熱装置６は、レーザ発生装置６ａと、可
動ミラー６ｂと、レンズ６ｃと、レーザビーム掃引装置
６ｄとから構成されている。すなわち、レーザ発生装置
６ａから発生したレーザビーム７は、反射ミラー、レン
ズなどの可動ミラー６ｂによってその方向がコントロー
ルされ、さらにレンズ６ｃにて数十〜数百μｍのレーザ
ビーム径に絞りこまれ、レーザビーム掃引装置６ｄによ
って掃引（ｓｃａｎ）されるようになっている。光ファ
イバ４は、図示しないファイバクランプにて固定され、
このファイバクランプとともにパルスモーター駆動によ
る微動台上に配置され、この微動台によってその長さ方
向にそって移動させることができるようになっている。

【００４１】具体的には、最初に光ファイバ４をファイ
バクランプ（図示せず）に固定し、このファイバクラン
プとともにこれに固定された光ファイバ４を、パルスモ
ータ駆動の微動台（図示せず）上に設置する。ついで図
６（ｂ）に破線矢印で示すように、レーザビーム掃引装
置６ｄにてレーザビーム７を、光ファイバ４の外部側面
から前記直交方向にこの光ファイバ４を横切るように掃
引させる。このとき前記光ファイバ４を、少なくともク
ラッド１ｃの軟化温度以上に加熱する。具体的にはクラ
ッド１ｃのガラス転移点（Ｔｇclad）をこえて十分な軟
らかさになるまで加熱すると好ましい。ただしコア１ｂ
が軟化しすぎない温度とする。通常この加熱温度は１１
００〜１７００℃とされる。

【００４２】この加熱温度はレーザビーム７の掃引速度
を変化させることによって調整することができる。実際
の製造においては、好ましくは種々の掃引速度で予備実
験を行って、予めクラッド１ｃを軟化させることができ
る好適な掃引速度を求めておく。掃引回数（光ファイバ
４を横切る回数）は通常１〜１０回とされるが、１〜２
回でクラッド１ｃを軟化させることができるように掃引
速度を調整するのが好ましい。

【００４３】クラッド１ｃに引き留められてコア１ｂに
残留していた応力は、この加熱によって主にクラッド１
ｃが軟化し、引き留め力がなくなって解放され、応力解
放部１ｄが形成される。このようにして光ファイバ４を
加熱すれば、軟化温度がクラッド１ｃよりも高いコア１
ｂは、その形状を十分に保った状態でその残留応力が解
放される。すると、この応力解放部１ｄにおいてコア１
ｂの屈折率が上昇する。そしてレーザビーム７の掃引を
終了すると、光ファイバ４の温度が低下し、応力解放部
１ｄのクラッド１ｃが再び固化する。コア１ｂとクラッ
ド１ｃはともに石英系ガラスからなり、これらの熱膨張
係数は同程度の値なので、光ファイバ４の温度が低下
し、クラッド１ｃが固化した場合、光ファイバ４の外部
から応力が加えられることがなければコア１ｂとクラッ
ド１ｃは、ともに応力による歪みはほとんどない状態と
なっている。

【００４４】ついで図６（ａ）に示すように、微動台を
移動させることにより、光ファイバ４をその長さ方向に
所定のグレーティングの１周期に対応する距離だけ移動
させ、再び図６（ｂ）に示すようにレーザビーム７を掃
引させて、ふたつめの応力解放部１ｄを形成する。上述
の操作を所定の周期で周期的に繰り返すことにより、複
数の応力解放部１ｄが所定のグレーティング周期で間欠
的に形成される。

【００４５】前記コア１ｂに所定間隔で設けられた応力
解放部１ｄ，１ｄ…においては、周期的にコア１ｂの屈
折率が変化しており、光ファイバ４の長さ方向に、周期
的なコア１ｂとクラッド１ｃの間の比屈折率差の変動を
生じさせたグレーティング部５が構成される。この光フ
ァイバグレーティングのグレーティング周期は、局所的
な加熱によって応力解放部１ｄを形成するため、通常２
００〜２０００μｍとされる。したがって、本発明の光
ファイバグレーティングは放射型に好適に適用すること
ができるものである。また、本発明において、グレーテ
ィング周期は、その周期が正確に一定であってもよい
し、おおよそ一定であってもよい。おおよそ一定である
場合には、この周期のばらつきが±１５％程度であるも
のとする。また、この例においては、レーザビーム７の
照射位置をレーザビーム掃引装置６ｄにて光ファイバ４
を横切るように移動させることにより、レーザビーム７
を掃引したが、この他レーザビーム７の照射位置を固定
し、微動台にて光ファイバ４をその長さ方向に対して直
交方向に移動させることによって、レーザビーム７の掃
引を行うこともできる。また、この例においてはひとつ
の応力解放部１ｄを形成した後、隣接するつぎの応力解
放部１ｄを形成するにおいて、光ファイバ４を微動台ご
とその長さ方向に移動させたが、レーザビーム７の照射
位置を光ファイバ４の長さ方向に移動させてもよい。あ
るいは、可動ミラー６ｂの角度を変更することによっ
て、レーザビーム７の掃引や、レーザビーム７の照射位
置を光ファイバ４の長さ方向に移動させることも可能で
ある。

【００４６】（製造実施例）このグレーティング部形成
工程における具体的な製造実施例を以下に記す。光ファ
イバ４としては、表１に示す特性を有するものを用い
た。レーザ発生装置６ａは炭酸ガスレーザを用いた。

【００４７】レーザ発生装置６ａ（炭酸ガスレーザ）か
らのレーザビーム７の出力は最大約３Ｗであった。この
レーザビーム７を可動ミラー６ｂを介して方向をコント
ロールし、レンズ６ｃにて約２００μｍ程度のビーム径
に絞り込み、さらにレーザビーム掃引装置６ｄにて光フ
ァイバ４の長さ方向と直交方向に５回掃引し、応力解放
部１ｄを形成した。

【００４８】このとき光ファイバ４の加熱温度は、予め
試験的にレーザビーム掃引装置６ｄの掃引速度を変化さ
せて本実施例と同様の光ファイバ４にレーザビーム７を
掃引させ、光ファイバ４のクラッド１ｃの軟化状態を観
察し、クラッド１ｃを十分に軟化させることができる掃
引速度条件を求めておくことによって調整した。

【００４９】また、ひとつの応力解放部１ｄの光ファイ
バ４の長さ方向にそう長さは、前記レーザビーム７のレ
ンズ６ｃにて絞り込まれたビーム径と同様で、約２００
μｍである。ついでレーザビーム７の照射位置を光ファ
イバ４の長さ方向にグレーティング周期の１周期分の長
さ（約４００μｍ）だけ移動させ、前記応力解放部１ｄ
に隣接するつぎの応力解放部１ｄの形成を行う操作を繰
り返してグレーティング部５を形成した。この実施例に
おいては、この応力解放部１ｄの形成操作を、光ファイ
バ４の長さ方向において約４００μｍのグレーティング
周期で周期的に繰り返して行った。そして、光ファイバ
４の長さ方向において１０ｍｍの範囲にグレーティング
部５を形成した。このグレーティング部５の長さ（１０
ｍｍ）をグレーティング長という。

【００５０】前記応力解放部１ｄにおいては、局所的に
コア１ｂの屈折率が上昇し、コア１ｂとクラッド１ｃの
間の比屈折率差は約０．３５％程度となった。図７は、
このグレーティング部５の光ファイバ４の長さ方向にお
ける比屈折率差の変化を模式的に示すグラフである。こ
のグラフに示すように、コアガラス１ｂの屈折率が周期
的に変化することにより、前記比屈折率差が０．２５％
から０．３５％に交互に周期的に変化するグレーティン
グ部５を形成することができた。

【００５１】図８は、この光ファイバグレーティングの
動作を模式的に示す説明図である。この光ファイバグレ
ーティングのグレーティング周期は約４００μｍであっ
て、長周期なので、放射型の光ファイバグレーティング
として動作する。すなわち、グレーティング部５におい
ては、入射光の特定のモードがクラッド１ｃを伝搬する
放射光（クラッドモード）と結合して速やかに減衰す
る。この結果、前記クラッドモードに結合した波長帯の
光が損失した出射光が得られる。

【００５２】図９は、この光ファイバグレーティングの
波長−透過損失特性を示すグラフである。このグラフに
示すように、特定波長帯における光の透過損失が選択的
に大きくなっている。透過損失が増加している波長帯の
幅を阻止帯域幅、その中心の波長を中心波長、透過損失
の変化の大きさを阻止率という。この実施例において
は、中心波長１５５５ｎｍ、阻止帯域幅約１４ｎｍ、阻
止率ピーク値約３ｄＢのものを得ることができた。

【００５３】この実施例においては、レーザ発生装置６
ａとして炭酸ガスレーザを用いた。レーザ発生装置６ａ
は、少なくとも光ファイバ４を、クラッド１ｃの軟化温
度以上に加熱することができるものであればよく、特に
限定することはないが、小型の炭酸ガスレーザを好適に
使用することができる。その他使用することができる加
熱手段（レーザ発生装置６ａ）としてはＹＡＧレーザ、
アーク放電を利用したものなどの局所加熱を行うことが
できる手段などをあげることができる。アーク放電は光
ファイバの融着接続器に用いられている手段であり、こ
れを転用することができる。アーク放電を用いる場合の
具体的な条件としては、例えば放電電極間の距離は２ｍ
ｍ、印加する高周波周波数は１４０ｋＨｚ、放電電極間
の電圧は、放電開始時は約１万ボルト、放電中は約１０
万ボルト程度である。前記炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレー
ザ、アーク放電を利用した加熱手段は低出力のものであ
れば比較的安価であり、このように安価な加熱手段を用
いることができることも本発明の利点のひとつである。

【００５４】特に炭酸ガスレーザの標準的な発振波長１
０．６μｍのレーザビームは、石英系ガラスにおいて非
常に吸収率が高く、この石英系ガラスは前記レーザビー
ムの照射によって不透明体となる。したがって、炭酸ガ
スレーザは光ファイバ４の局所的加熱にむいている。

【００５５】また通常クラッド１ｃが十分に軟化する温
度は、例えば１３５０℃〜１７００℃程度なので、炭酸
ガスレーザを用いた場合、必要なパワーはごくわずかで
ある。例えば、この炭酸ガスレーザから出射したレーザ
ビームを、直径１２５μｍの標準的な石英系ガラスから
なる光ファイバに直接照射した場合、この光ファイバを
長さ２００μｍ程度にわたって、室温から１５００℃に
加熱するのに必要なレーザパワーは数１００ｍＷ程度以
下である。しかしながら図６（ａ）に示す加熱装置６の
ように、可動ミラー６ｂ、レンズ６ｃを介することによ
りレーザパワーが幾分低下する。また、レーザビーム７
を掃引することによりして、光ファイバ４の単位表面積
あたりの実効的な照射時間が短くなる。このため、炭酸
ガスレーザを用いた場合のレーザパワーを数Ｗ〜１０Ｗ
程度に設定すると、比較的余裕をもって光ファイバ４を
加熱し、応力解放部１ｄを形成することができる。

【００５６】また、高価ではあるが、従来のフォトリフ
ラクティブ効果を利用した光ファイバグレーティングの
製造に用いられるＫｒＦエキシマレーザなどのエキシマ
レーザなどを用いることも可能である。従来の光ファイ
バグレーティングの製造においては、そのコアがゲルマ
ニウム添加石英ガラスからなる光ファイバを用い、これ
にＫｒＦエキシマレーザなどからの波長２４０ｎｍ付近
の紫外線レーザビームを照射することにより、コアの屈
折率を上昇させる。

【００５７】しかし、本発明のレーザ発生装置６ａとし
て用いる場合にはＫｒＦエキシマレーザは、コア１ｂの
屈折率を上昇させるものではなく、単なる加熱手段とし
て用いられる。つまりこの例においては、コア１ｂには
ドーマントとしてゲルマニウムが添加されていないか、
添加されていたとしても少量なので、エキシマレーザに
よって紫外線レーザビームを照射しても際だってコア１
ｂの屈折率の上昇が発生することはない。このようにレ
ーザビーム７の波長依存性がないので、ＫｒＦエキシマ
レーザ以外のエキシマレーザなどを用いることも可能で
ある。

【００５８】このように、上述の光ファイバグレーティ
ングの製造においては、加熱手段として用いられるレー
ザ発生装置６ａは、そのレーザの波長が限定されないの
で、エキシマレーザなどの高価な装置を用いずに、比較
的安価な炭酸ガスレーザなどを用いることができる。ま
た、クラッド１ｃを軟化させるために必要とされるレー
ザパワーは比較的小さいので、レーザビーム７の掃引速
度を調整すればひとつの応力解放部１ｄを形成するの
に、光ファイバ４を横切るようにレーザビーム７を比較
的少ない回数掃引すればよい。したがって装置が低価格
で、製造時間が短く、操作が簡便で、製造効率がよい。
このため、低コスト化を図ることができる。また、応力
解放部１ｄにおけるコア１ｂの屈折率変化は構造的なも
のなので、経時変化が少なく、安定な光ファイバグレー
ティングが得られる。

【００５９】本発明の光ファイバグレーティングは、光
ファイバ通信システムにおいて、光源、光検出器、光増
幅器、光ファイバなどの光デバイスが有する波長依存性
を平坦化するのに用いることができる。これらの光デバ
イスを通過した光の利得−波長特性が波長依存性を有す
る場合、特に利得が大きい波長の光を光ファイバグレー
ティングを用いて損失させることによって平坦化し、前
記波長依存性を小さくすることができる。

【００６０】例えばこのような利得−波長特性の平坦化
は、光増幅器を有する光ファイバ通信システムにおい
て、波長多重伝送を行う場合に有効である。このような
光通信システムは、光源と、これに接続された光ファイ
バ伝送路と、この光ファイバ伝送路中に挿入された光増
幅器と、前記光ファイバ伝送路からの出射光を検出する
光検出器とからなる基本構成とされる。そしてこの基本
構成からなる光通信システム系を構成する光デバイス
（光源、光検出器、光増幅器、光ファイバ）の有する波
長特性（波長依存性）を所望の波長特性とするために光
ファイバグレーティングが光ファイバ伝送路に挿入され
て用いられる。図１０は、本発明の光ファイバグレーテ
ィングを利用した光ファイバ通信システムの一例を示す
概略構成図であって、図中符号８は光増幅器、符号９は
本発明の光ファイバグレーティングであり、これらはそ
の入射側に光源（図示せず）が接続され、その出射側に
光検出器（図示せず）が接続された光ファイバ伝送路に
挿入されて、この光ファイバ通信システムが構成されて
いる。

【００６１】現在光増幅器８としては、エルビウム添加
光ファイバ増幅器がよく用いられる。 図１１は、エル
ビウム添加光ファイバ増幅器の利得−波長特性の一例を
示すグラフである。図１２は、光ファイバグレーティン
グ９の利得−波長特性の一例を示すグラフである。図１
３はこれら光増幅器８と光ファイバグレーティング９と
を組み合わせたときに得られる利得−波長特性の一例を
示すグラフである。

【００６２】図１１より、波長１５３５ｎｍ付近と、１
５５８ｎｍ付近に利得のピークがあり、波長依存性を有
することがわかる。このような光増幅器８を用い、複数
波長の光を同時に伝送する波長多重伝送を行う場合、例
えば１〜２ｎｍ間隔の十波〜数十波の波長の光を、並行
に同時伝送する。このため、通常同時に伝送される波長
領域は１０ｎｍをこえ、この波長領域において、平坦な
増幅波長特性を有する必要がある。

【００６３】そこで、図１２に示すように、波長１５５
８ｎｍ付近に実質的損失を有する光ファイバグレーティ
ング９を組み合わせれば、図１３に示すように、利得を
平坦化することができ、非常に波長平坦度の高い光増幅
器からなる光通信システムを構成することが出来る。実
施例で得た光ファイバグレーティングをこのような光通
信システムに挿入して利得−波長特性の関係を測定した
ところ、図１３に示すような波長平坦領域が得られるこ
とが確認された。本発明の光ファイバグレーティング
は、ここで例示した光増幅器に限らず、光源、光検出
器、光増幅器、光ファイバなどの光デバイスが有する波
長依存性を平坦化するなどの目的で、各種の光通信シス
テムに用いることができる。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光ファイ
バグレーティングおよびその製造方法においては以下の
ような効果を得ることができる。すなわち、グレーティ
ング部を形成するための加熱手段は、そのレーザビーム
の波長が限定されないので、エキシマレーザなどの高価
な装置を用いずに、比較的安価な炭酸ガスレーザなどを
用いることができる。また、クラッドを軟化させるため
に必要とされるレーザパワーは比較的小さいので、光フ
ァイバを横切る掃引回数が少なくてもコアの応力を解放
して屈折率を上昇させることができる。したがって製造
装置が低価格で、製造時間が短く、操作が簡便で、製造
効率がよい。このため低コスト化を図ることができる。
また、この光ファイバグレーティングのコアの屈折率の
周期的な変化（コア−クラッド間の比屈折率差の周期的
な変化）は構造的なものなので、経時変化が少なく、長
期的に安定な光ファイバグレーティングが得られる。ま
た、本発明の光ファイバグレーティングは、例えば利得
−波長特性において波長依存性をもつ光源、光検出器、
光増幅器、光ファイバなどの光デバイスが有する波長依
存性を平坦化することができ、各種光通信システムに用
いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の光ファイバの線引工程を示す斜視図
である。

【図２】 図１に示す加熱炉発熱体の内部における光フ
ァイバ部分の状態を拡大して示す説明図である。

【図３】 図１に示す加熱炉発熱体の外部における光フ
ァイバ部分の状態を拡大して示す説明図である。

【図４】 光ファイバ部分のコア内の引張応力と、クラ
ッド内の圧縮応力の説明図である。

【図５】 純石英ガラス、３重量％のフッ素を添加した
石英ガラス、酸化ゲルマニウムの温度と粘度の関係を示
すグラフである。

【図６】 図６（ａ）はグレーティング部形成装置の構
成を示す概略構成図である。図６（ｂ）はレーザビーム
の掃引動作を示す説明図である。

【図７】 本発明の製造実施例で得られた光ファイバグ
レーティングのグレーティング部の光ファイバの長さ方
向におけるコア−クラッド間の比屈折率差の変化を模式
的に示すグラフである。

【図８】 本発明の製造実施例で得られた光ファイバグ
レーティングの動作を模式的に示す説明図である。

【図９】 本発明の製造実施例で得られた光ファイバグ
レーティングの波長−透過損失特性を示すグラフであ
る。

【図１０】 本発明の光ファイバグレーティングを利用
した光増幅器を用いた光ファイバ通信システムの一例を
示す概略構成図である。

【図１１】 エルビウム添加光ファイバ増幅器の利得−
波長特性を示すグラフである。

【図１２】 光ファイバグレーティングの利得−波長特
性を示すグラフである。

【図１３】 光増幅器と光ファイバグレーティングとを
組み合わせたときに得られる光通信システムの利得−波
長特性を示すグラフである。

【図１４】 従来の光ファイバグレーティングの製造工
程を説明する概略構成図である。

【符号の説明】

１…プリフォーム、１ｂ…コア、１ｃ…クラッド、１ｄ
…応力解放部、３…光ファイバ部分、４…光ファイバ、
５…グレーティング部、６ａ…レーザ発生装置（加熱手
段）、６…グレーティング形成装置、７…レーザビーム
（加熱手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 信幸 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 島 研介 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 西出 研二 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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 残留応力を有するコアを備えた光ファイ
   バを、長さ方向に所定の周期で間欠的に加熱し、該コア
   の周囲のクラッドを軟化させ、前記残留応力を解放して
   コアの屈折率を変化させることにより、 前記光ファイバの長さ方向に、前記コアと前記クラッド
   の間の比屈折率差の周期的な変化を形成することを特徴
   とする光ファイバグレーティングの製造方法。
2. 【請求項２】 コアの軟化温度がクラッドの軟化温度よ
   りも高いプリフォームを加熱し、線引きして前記光ファ
   イバを製造することを特徴とする請求項１記載の光ファ
   イバグレーティングの製造方法。
3. 【請求項３】 残留応力を有するコアを備えた光ファイ
   バの長さ方向に、周期的に前記残留応力が解放された応
   力解放部が形成されてなることを特徴とする光ファイバ
   グレーティング。
4. 【請求項４】 請求項３記載の光ファイバグレーティン
   グを用いたことを特徴とする光ファイバ通信システム。