JP3800743B2

JP3800743B2 - 長周期グレーティングを備えた光ファイバ及びその製造方法

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Publication number: JP3800743B2
Application number: JP19595597A
Authority: JP
Inventors: 真二石川; 政一茂原; 正榎本; 正志大西; 徹岩島
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: JPH1138238A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度依存性の少ない長周期グレーティングを備えた光ファイバ及びその製造方法に関するものであり、光増幅器の利得等化用フィルタなどに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
代表的な光ファイバ通信システムは、光信号源と、この光信号源に一端が接続された光ファイバ線路と、この光ファイバ線路の他端に接続された光受信器とを備えている。光ファイバ線路中には、伝送中の信号を増幅するための光増幅器が設置されている。このような光ファイバ通信システムでは、多くの場合、１．５μｍ帯の信号光が用いられ、光増幅器としてエルビウム（Ｅｒ）等の希土類が添加された光ファイバアンプが使用されている。希土類が添加された光ファイバアンプは、所定の励起光を入射させて反転分布を形成しておいてから信号光を入射させると、誘導放出を引き起こして入射光を増幅する作用を有している。
【０００３】
このような光ファイバアンプの利得特性には、温度には殆ど影響されない短波長側の１５３０ｎｍ近傍にピークを示す領域がある。このため、波長分割多重（ＷＤＭ）方式の多重化通信システムでは、チャンネルごとに異なる利得が与えられてしまい、これによっていくつかのチャンネルのビット誤り率が高くなるという問題が生じている。このピーク領域の利得を長波長領域と等しい利得まで抑制することができれば広帯域の光ファイバアンプを実現することができる。
【０００４】
この課題を解決する方法が、論文「温度無依存型長周期ファイバグレーティング」（１９９７年電子情報通信学会総合大会：Ｃ-３-１５０）に記載されている。長周期グレーティングの温度依存性は、屈折率が温度に対して上昇傾向を示す酸化ゲルマニウムと下降傾向を示す酸化ホウ素を所定の割合で添加したコアによって光ファイバを作製することで調整している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の温度無依存型長周期ファイバグレーティングは、酸化ゲルマニウムと酸化ホウ素を所定の割合で添加したコアを用いるため、温度に対してきめ細かい調整は可能であるが光ファイバの製造は複雑となる。また、酸化ゲルマニウムを添加した光ファイバに紫外線励起による長周期グレーティングを形成した場合、時間の経過に伴い酸化ゲルマニウムに関連した酸素欠損型の欠陥が熱緩和を生じ、屈折率が変化するという問題がある。さらに、Ｂ₂Ｏ₃は１．５μｍ帯までＢ-Ｏの振動に起因する赤外吸収が生じているため、損失上問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、温度依存性の少ない長周期グレーティングを備えた光ファイバ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる長周期グレーティングを備えた光ファイバは、石英ガラスを主成分とするコアと、石英ガラスを主成分とすると共にコアより屈折率が低くコアより軟化温度が低いクラッドとを有する光ファイバにおいて、コアは、軸方向に周期的に残留引張応力を有することにより、残留引張応力に対応して変動する屈折率分布を有し、コアを伝搬する信号光に損失が極大となる損失波長を中心として所定の波長範囲の減衰を与えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の光ファイバによれば、軸方向に残留引張応力が存在する部分と、応力が存在しない部分とを周期的に配置した構造であるので、酸化物ドーパントに紫外線を照射して長周期グレーティングを形成する場合のように、酸素欠損型の欠陥が熱によって緩和し、時間の経過に伴い屈折率が変化することがなく、信頼性の高い構成となる。
【０００９】
本発明に係わる長周期グレーティングを備えた光ファイバは、コア及びクラッドが、石英ガラスにハロゲン元素及びＯＨの少なくともいずれかが添加されることを特徴とするものである。このように形成されたコア及びクラッドの屈折率の温度に対する変化は、本発明者等の研究結果によると石英ガラスと殆ど同じ値を示す。したがって、温度が変化してもコアとクラッド間の比屈折率差は殆ど変化しないので、この光ファイバに形成された長周期グレーティングは温度に影響されない特性を示す。
【００１０】
本発明に係わる長周期グレーティングを備えた光ファイバは、上記の通り軸方向に残留引張応力が存在する部分と、応力が存在しない部分とを周期的に配置し、かつ、コア及びクラッドには、石英ガラスにハロゲン元素あるいはＯＨが添加されるので、コアとクラッドとの比屈折率差が−４０℃〜８０℃の温度範囲において実質的に変化しない温度度無依存性の長周期グレーティングを形成することができる。
【００１１】
本発明に係わる長周期グレーティングの製造方法は、石英を主成分とするコアガラスの外周に、石英ガラスを主成分とすると共にコアより屈折率が低くコアより軟化温度が低いクラッドを有する光ファイバ母材を形成する第１工程と、第１工程で形成された光ファイバ母材を線引してコアの周りにクラッドを有する光ファイバを作製すると共に、光ファイバに張力をかけながら線引してコアに残留引張応力を生じさせる第２工程と、第２工程で形成された光ファイバを軸方向に周期的に加熱してコアの残留引張応力を周期的に緩和する第３工程とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係わる長周期グレーティングの製造方法において、第１工程はコア及びクラッドの少なくともいずれかに、ハロゲン元素及びＯＨの少なくともいずれかを添加して光ファイバ母材を形成する工程であるので、従来の光ファイバ母材の製造方法（ＶＡＤ法、ＣＶＤ法等）を格別の装置、技術を投入することなく適用することができる。
【００１３】
本発明に係わる第２工程は、光ファイバに張力をかけながら線引してコアに残留引張応力を生じさせる方法である工程であるので、従来の線引方法を適用することができる。
【００１４】
本発明に係わる第３工程は、第２工程で形成された光ファイバを軸方向に周期的に加熱することによって、加熱された部分のコアの残留引張応力を緩和し、加熱されない部分には引張応力を残存せしめる方法である。したがって、応力が緩和された部分は添加されたドーパントに対応する屈折率を示すが、応力の加わった部分は残留引張応力に対応して屈折率が低下するので、周期的に屈折率が変化する長周期ファイバグレーティングを形成することができる。このように形成された長周期ファイバグレーティングは、時間の経過に伴い屈折率が変化することが少なく、信頼性の高い特性が得られる。
【００１５】
本発明の第３工程において、光ファイバの軸方向に加熱する温度は１１００〜１９００℃の範囲であることが好ましい。この範囲の温度で加熱することによってコアの残留引張応力を容易に緩和することができる。
【００１６】
本発明の第３工程において、アーク放電又はＣＯ₂レーザによって加熱することが好ましい。このような加熱手段を採用することによって、局所的なファイバ加熱を行なうことが可能となり、コアの残留引張応力を周期的に緩和することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら長周期グレーティングを備えた光ファイバ及びその製造方法に係わる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。
【００１８】
図１は、本実施形態の長周期グレーティングを備えた光ファイバの構成を示す図である。図１において、光ファイバ５は、石英ガラスを主成分とするコア３と、コア３の外周にコアより屈折率の低い石英ガラスを主成分とするクラッド４とによって形成され、コア３の屈折率に軸方向に数百μｍ程度のピッチΛで周期的に変化する屈折率縞１を付与することによって長周期グレーティング２が形成される。
【００１９】
長周期グレーティング２は、光ファイバ５を伝搬するコアモードとクラッドモードとの間の結合を誘起するグレーティングであり、グレーティングの空間周波数がコアモードの伝搬定数とクラッドモードの伝搬定数との差となるように設定されていて、コアモードとクラッドモードとの強い結合をもたらすようになっている。この結果、長周期グレーティング２は、コアモードをクラッドモードに放射させる作用を有することになり、コアモードの強度を所定波長（以下、「損失波長」と呼ぶ。）を中心とした狭い帯域にわたって減衰させる。図２は、損失波長λである長周期グレーティングの損失波長特性の一例を示すグラフである。
【００２０】
本実施形態の光ファイバ５において、コア３及びクラッド４の少なくともいずれかに、弗素あるいは塩素等のハロゲン元素及びＯＨの少なくともいずれかを添加することによってコア３とクラッド４との間に所定の屈折率差を形成する。ここで、光ファイバに添加されるドーパントが酸化ゲルマニウム等の酸化物である場合は、酸化ゲルマニウムを添加した光ファイバに紫外線励起による長周期グレーティングを形成した場合、時間の経過に伴い酸化ゲルマニウムに関連した酸素欠損型の欠陥が熱緩和を起こして、屈折率が変化することになり、経時的に安定な特性を得ることができない。
【００２１】
これに対して、本実施形態の光ファイバの周期的に変動する屈折率分布は、光ファイバを線引する時にコアに発生させた残留応力を周期的に加熱し、加熱した部分の残留応力を緩和することによって形成されるので、酸素欠損型の欠陥が熱緩和を起こして屈折率が変化することがなく、経時的に安定な特性が得られる。また、光ファイバは石英ガラスのコア及びクラッドに添加されるドーパントがハロゲン元素およびＯＨに限定されるので、コア及びクラッドの屈折率の温度特性は略等しいため、コアとクラッドとの相対的比屈折率差が温度によって変化することは極めて小さくなる。表１は、−４０℃〜８０℃の範囲で光ファイバを構成する代表的な物質の温度に対する屈折率の変化率を示すものである。
【００２２】
即ち、光ファイバを形成する石英ガラスと弗素等のハロゲン元素並びにＯＨの添加された石英ガラスとの屈折率の温度に対する変化は、表１に示すように殆ど等しい値である。これに対して従来の酸化ゲルマニウム等の酸化物ドーパントは、表１に示すように屈折率の温度に対する変化が石英ガラスに比べて相違するもの、あるいは温度に対して反対の傾向を示すものもある。
【００２３】
【表１】

【００２４】
したがって、ハロゲン元素あるいはＯＨ等が添加された石英ガラスの光ファイバは、温度の影響を受けにくく、温度変化に対して安定な長周期グレーティングを形成することができる。
【００２５】
本実施形態における長周期グレーティング２は、コア３の屈折率が軸方向にピッチΛで周期的に変化する残留応力によって形成される。残留応力は、光ファイバ５を線引する時にコアに発生させた残留引張応力を周期的に加熱し、加熱した部分の残留応力を緩和することによって形成したものである。
【００２６】
このように、光ファイバのコアに引張応力が加われば屈折率が低下し、引張応力が緩和されると復元することは、例えば、論文「残留応力緩和型モードフィールド径変換ファイバの検討」（１９９３年電子情報通信学会春季大会：Ｃ−２４２）に記載されているように知られている。
【００２７】
図３は、石英ガラスをコアとし、コアの外周に弗素を添加した石英ガラスを有する光ファイバ用母材をコア径９μｍ、クラッド径１２５μｍの光ファイバに線引した時の張力Ｆと比屈折率差（コアとクラッド間）との関係を示すグラフである。図３のグラフが示すように光ファイバ５は、線引時の張力Ｆが大きく、コア３に残留引張応力を多く残存するほどコアとクラッド間の比屈折率差が小さくなることが分かる。
【００２８】
一般に、石英ガラスにドーパントを添加するとガラスの軟化点温度は低下する傾向を示す。例えば、石英ガラスをコアとし、弗素を添加した石英ガラスをクラッドとする光ファイバのように、コアに添加するハロゲン元素あるいはＯＨの割合をクラッドに添加するハロゲン元素あるいはＯＨの割合より少なくすることによって、コアの軟化温度Ｔ₁とクラッドの軟化温度Ｔ₂との間にＴ₁＞Ｔ₂なる関係を得ることができ、コアに残留引張応力を発生させることができる。クラッドが軟化温度Ｔ₂の状態に到達しても、コアは軟化温度Ｔ₁に到達していないために線引きによる引張応力が内蔵される。このような光ファイバは、コアのひずみを除去できる温度以上に加熱することによって残留応力を緩和することができる。
【００２９】
図４は、コア３の軸方向に残留引張応力が周期的に残存した場合の比屈折率差の分布を示すグラフである。図４において、ｎ₀はコア３に加わった引張応力が緩和された位置の比屈折率差を示し、ｎ_Fはコア３に未だ引張応力が残存している位置の比屈折率差を示し、ｎ₀よりΔｎ_F（＝ｎ₀−ｎ_F）だけ小さい値を示す。このように、光ファイバ５を軸方向に周期的に加熱することにより、コア３は加熱により引張応力が緩和された部分と加熱されないで引張応力が残存している部分とが周期的に形成され、加熱する周期に対応して比屈折率差が変化する長周期グレーティングが形成される。
【００３０】
次に、本実施形態に係わる長周期グレーティングの製造方法について説明する。本実施形態に使用される光ファイバ母材は、限定的ではないがＶＡＤ法、ＣＶＤ法等によって形成され、石英ガラスを主成分とするコアの外周に、コアより屈折率の低い石英ガラスを主成分とするガラスを有する。コア及びクラッドの少なくともいずれかに、ハロゲン元素（例えば、弗素、塩素等）及びＯＨの少なくともいずれかが添加され、クラッドに添加されるハロゲン元素あるいはＯＨの割合はコアに添加される割合より多い。
【００３１】
図５は、本実施形態に使用される光ファイバの線引装置の構成を示す図である。図５において、加熱装置１１によって光ファイバ母材１０を加熱すると同時に、巻取装置１６によって一定張力Ｆが加わるようにガラスファイバ１２が線引される。ガラスファイバ１２は加熱装置１１の直下に設けられたダイ１３を通過する間に紫外線硬化樹脂が塗布され、引続き、ダイ１３の直下に設けられた紫外線照射装置１４を通過する間に紫外線が照射され被覆ファイバ１５が作製される。ガラスファイバ１２の線引張力Ｆは、加熱装置１１の加熱温度と線引速度によって決定される。すなわち、光ファイバ母材１０は、加熱装置１１によって線引可能な温度に加熱される。次いで、ガラスファイバ１２が線引きされ、引き取る速度が速くなると、光ファイバ母材１０の先端部の粘度が十分低下する前に線引きされることになる。そのため、ガラスファイバ１２のコア部に引張応力が発生することになる。
【００３２】
この時、クラッドはコアに比べて弗素等のハロゲン元素が相対的に多く添加されているので、コアより軟化点温度が低くなっている。したがって、光ファイバの引取り力Ｆは、コアに集中して加わる。このような状態で硬化すると、コア部に残留引張応力を内蔵するガラスファイバ１２が形成される。
【００３３】
次に、残留応力を内蔵するガラスファイバ１２を軸方向に周期的に加熱して、周期的に残留応力を緩和する方法について説明する。図６は、コア部に残留応力を内蔵しているガラスファイバ１２を軸方向に周期的に加熱する装置を示す図である。被覆が除去されたガラスファイバ１２は、光ファイバの軸方向がｘ方向に保持機構２２によって保持され、保持機構２２はｘ方向及びｘ方向と直角方向のｙ及びｚ方向に移動可能のステージ２３に設けられ、ステージ２３の動作は制御装置２４によって制御される。
【００３４】
また、１対の放電電極２６が保持機構２２に保持されたガラスファイバ１２の軸と直角方向（Ｙ方向）に、かつ、ガラスファイバ１２を挟んで所定の間隔を設けて配置される。電極２６の間にはアーク放電が発生し、ガラスファイバ１２を加熱する。アーク放電のスポットサイズは電極２６の間隔を接近させると小さくなり、また、電極２６に供給するパワーを小さくすると、小さくなる。アーク放電による周期的な加熱は、制御装置２４によってステージ２３を移動して行なわれる。
図６において、放電電極２６の代わりにＣＯ₂レーザを用いてガラスファイバ１２の軸方向に周期的に加熱することができる。レーザ光のスポットサイズはＣＯ₂レーザの前面に配置したレンズによって調整される。その他の構成は、アーク放電の場合と同じである。
【００３５】
コアの残留引張応力を緩和するための加熱温度は、コアの軟化温度Ｔ₁近傍であることが好ましい。コアの軟化温度Ｔ₁を越えると光ファイバが溶断する恐れがあり、低すぎると加熱時間が長くなる。図７は、図３の単一モード光ファイバを用いてグレーティングを形成するために必要な加熱温度と加熱時間との関係を示すグラフである。このグラフから、加熱温度は１１００〜１９００℃の範囲でコアの残留引張応力を緩和することはできるが、製造効率の観点から１６００〜１９００℃が好ましい範囲である。
【００３６】
（実施例）
コアとなるべき石英ガラスの外周に、クラッドとなるべき弗素を添加した石英ガラスを堆積した光ファイバ母材をＶＡＤ法によって形成した。コアと弗素を添加したクラッドとの屈折率差は０．３６％である。この光ファイバ母材を図５に示した線引装置によって１２５ｇの張力を加えながら線引して、石英ガラスからなる直径９μｍのコアと、弗素を添加した石英ガラスからなる外径１２５μｍのクラッドを有する光ファイバを作製した。線引きされた光ファイバのコアとクラッドとの屈折率差は、０．２１％である。
【００３７】
このように作製された光ファイバを図６に示した加熱装置によって周期的に加熱し、光ファイバの残留引張応力を周期的に緩和した。アーク放電のスポットサイズが１００μｍ、１箇所の加熱時間は２秒、加熱ピッチは４２０μｍである。このように加熱処理した光ファイバを位相差顕微鏡によって軸方向の屈折率分布を測定した。図８は、屈折率分布の測定結果を示すグラフである。加熱処理された部分の比屈折率差ｎ₀は略０．３６％と光ファイバ母材の比屈折率差を示しているが、残留引張応力が存在している部分の比屈折率差ｎ_Fは略０．２％であり、比屈折率差の変動幅Δｎ_Fが０．１５％、変動周期が４２０μｍの長周期グレーティングが得られた。
【００３８】
このようにして得られた長周期グレーティングの透過損失を測定した。図９は、透過損失の波長特性を示す測定結果のグラフであり、明確な帯域阻止フィルタの特性が測定された。図９において、１５１２ｎｍと１５４２ｎｍに透過損失の極大値が現われているが、これはコアモードと結合する２種類のクラッドモードによるものである。
【００３９】
このように作製した長周期グレーティングを備えた光ファイバについて、温度に対する損失波長特性を測定した。変化させた温度範囲は−４０℃〜８０℃である。その結果、上記の温度範囲に対する損失ピーク波長の変化は１５１２ｎｍ〜１５１３ｎｍであり、実質的に変化がみられず、温度無依存性の長周期グレーティングを得ることができた。
【００４０】
因みに、クラッドが石英ガラス、コアが酸化ゲルマニウムを添加した石英ガラスによって単一モード光ファイバを形成し、この単一モード光ファイバのコア軸方向に周期的に紫外線を照射して変動周期が４２０μｍの長周期グレーティングを形成した。この光ファイバについて−４０℃〜８０℃の温度範囲で損失波長を測定したところ、損失波長は１５１２ｎｍ〜１５２３ｎｍの範囲で変化し、本実施形態のものに比べて十倍以上変化することが確認された。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の長周期グレーティングを備えた光ファイバは、軸方向に残留引張応力を周期的に配置した構造であるので、時間の経過に伴い屈折率が変化することが少なく、信頼性の高い構成である。本発明に係わる長周期グレーティングを備えた光ファイバは、温度が変化してもコアとクラッド間の比屈折率差は殆ど変化しないので安定した長周期グレーティングが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の長周期グレーティングを備えた光ファイバの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係わる長周期グレーティングの損失波長特性を示すグラフである。
【図３】本実施形態に係わる光ファイバの線引時の張力Ｆと比屈折率差との関係を示すグラフである。
【図４】本実施形態に係わる長周期グレーティングの長手方向の位置に対する比屈折率差の分布を示すグラフである。
【図５】本実施形態に使用される光ファイバを線引する装置の構成を示す図である。
【図６】ガラスファイバの軸に沿って周期的に加熱する装置を示す図である。
【図７】ガラスファイバの残留引張応力を緩和するために必要な加熱温度と加熱時間との関係を示すグラフである。
【図８】実施例１に係わる長周期グレーティングの長手方向の位置に対する比屈折率差の分布を示すグラフである。
【図９】実施例１に係わる長周期グレーティングの透過損失特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・屈折率縞、２・・・長周期グレーティング、３・・・コア、４・・・クラッド、５・・・長周期グレーティングを備えた光ファイバ、１０・・・光ファイバ母材、１１・・・加熱装置、１２・・・ガラスファイバ、１３・・・ダイ、１４・・・紫外線照射装置、１５・・・被覆ファイバ、１６・・・巻取装置、２２・・・保持機構、２３・・・ステージ、２４・・・コントローラ、２６・・・電極、Ｆ・・・張力、ｎ・・・屈折率、Ｔ・・・温度、Λ・・・間隔（ピッチ）、λ・・・波長

Claims

石英ガラスを主成分とするコアと、石英ガラスを主成分とすると共に前記コアより屈折率が低く前記コアより軟化温度が低いクラッドとを有する光ファイバにおいて、
前記コアは、軸方向に周期的に残留引張応力を有することにより、前記残留引張応力に対応して変動する屈折率分布を有し、
前記コアを伝搬する信号光に損失が極大となる損失波長を中心として所定の波長範囲の減衰を与えること、
を特徴とする長周期グレーティングを備えた光ファイバ。
前記コア及び前記クラッドは、石英ガラスにハロゲン元素及びＯＨの少なくともいずれかが添加されることを特徴とする請求項１に記載する長周期グレーティングを備えた光ファイバ。
前記光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差が、−４０℃〜８０℃の温度範囲において実質的に変化しないことを特徴とする請求項１に記載する長周期グレーティングを備えた光ファイバ。
石英ガラスを主成分とするコアの外周に、石英ガラスを主成分とすると共に前記コアより屈折率が低く前記コアより軟化温度が低いクラッドを有する光ファイバ母材を形成する第１工程と、
前記第１工程で形成された光ファイバ母材を線引してコアの周りにクラッドを有する光ファイバを作製すると共に、前記光ファイバに張力をかけながら線引して前記コアに残留引張応力を生じさせる第２工程と、
前記第２工程で形成された光ファイバを軸方向に周期的に加熱して前記コアの残留引張応力を周期的に緩和する第３工程と、
を備えることを特徴とする長周期グレーティングの製造方法。
前記第３工程は、光ファイバの軸方向に周期的に１１００〜１９００℃に加熱する工程であることを特徴とする請求項４に記載の長周期グレーティングの製造方法。
前記第３工程は、アーク放電によって加熱する工程であることを特徴とする請求項４又は５に記載の長周期グレーティングの製造方法。
前記第３工程は、ＣＯ₂レーザによって加熱する工程であることを特徴とする請求項４又は５に記載の長周期グレーティングの製造方法。