专利名称：光纤光栅元件及其制造方法和光纤滤光片的制作方法
技术领域：
本发明涉及作为可以在光通信系统中使用的光学部件，特别是在多模光纤内设置有长周期的光纤光栅元件及其制造方法和含有该元件的光纤滤光片。
在纤芯内设置有长周期光栅(LPG:Long-Period Grating)的光纤光栅元件，是采用借助于该长周期光栅使规定波长的线芯模式光耦合到包层模式光上的办法，使该规定波长的光进行衰减的光学部件。换句话说，光纤光栅元件，是使规定波长的线芯模式的光的功率选择性地转移到包层模式的光上的光学部件(例如，参看A.M.Vengarkar,etal.J.of Lithwave TechVol.14(1966)pp.58-64)。其中，线芯模式光，是封闭在光纤的纤芯区域内进行传送的光。另一方面，包层模式光，是从光纤的纤芯放射到包层内的光。这样的光纤光栅元件，在光学通信等的领域内，可以作为选择性地遮断在光纤中传送的使用波段的线芯模式光之内规定波长(损耗波长)的线芯模式光的光线滤光片加以利用。
包层模式，意味着除去考虑由作为最外层的包层表面或该包层与被覆该包层的被覆层之间的边界规定的光纤整个区域的基底模式之外的高次模式。例如在单模光纤中，如
图1A所示，存在着仅仅考虑纤芯的传送的基底模式和考虑光纤整个区域A传送的高次模式。因此，在单模光纤的情况下，当把包层围起来的部分的折射率(空气层或被覆层的折射率)变化时，在长周期光栅中，产生从线芯模式光向包层模式光耦合的波长，就是说损耗波长将遗憾地进行漂移。此外，损耗波长的线芯模式光的衰减量也会变化。大家知道，特别是在多模光纤的外周面上被覆有具有与玻璃接近的折射率的树脂的情况下，如图1B所示，高次模式(包层模式)将遗憾地消失(例如，参看B.H.Lee,etal.,OECC’98,14p-50或B.H.Lee,et al.,Electronics Letters,Vol.34(1998)pp.1129-1130)。为此在多模光纤中设置有长周期光栅的光纤光栅元件，不能形成目的在于进行该保护的被覆。
在为应对这样的问题的上述B.H.Lee等人的文献中所述的光纤光栅元件，具有以二氧化硅为基础的双状态纤芯(DSC,Dual shape core)构造的折射率分布的单模光纤内形成了长周期光栅。在这里，DSC构造的单模光纤，由从光轴中心开始依次为折射率为n1的第1纤芯区域、折射率为n2的第2纤芯区域和折射率为n3的包层区域构成(但是，n1＞n2＞n3)。此外，采用向单模光纤的第1和第2纤芯区域的双方内掺入GaO2，向这些第1和第2纤芯区域照射已施行了空间强度调制的紫外光的办法，就可以得到跨接这2个区域形成了折射率调制区域，就是说形成了光栅的光纤光栅元件。采用象这样地在单模光纤中设置长周期光栅的办法得到的光纤光栅元件，使在第1纤芯区域内传送的规定波长的线芯模式光耦合到高次模式(包层模式)光上，遮断该规定波长的线芯模式光。
另外，该长周期光栅，如在美国专利第5703987号公报中也明确说明的那样，是一种感应在光纤中传送的线芯模式与包层模式之间的耦合的光栅，是一种与反射以规定波长为中心的光的短周期光栅明确不同的光栅。此外，在长周期光栅中，为了得到从线芯模式向包层模式变换的强的功率变换，把光栅周期(节距)∧设定为使得规定波长(损耗波长)的线芯模式光与包层模式光之间的传送常数差变成为2π/∧。如上所述，由于长周期光栅的作用是使线芯模式耦合到包层模式上，故在以规定波长(损耗波长)为中心的狭窄的区域内线芯模式光将进行衰减。
本发明人等对上边所说的现有技术进行研究的结果，发现了以下那样的课题。首先，在B.H.Lee等人的文献中所述的技术中，设计、制造具有所希望的遮断特性(损耗波长、损耗量)是极其困难的。这是因为在每一个第1和第2区域中的起因于紫外光照射的折射率的变化量，受所照射的紫外光的强度或照射时间等的条件或目的为照射紫外光的光纤前处理条件的影响大的缘故。
除此之外，由于难于预测在每一个第1和第2纤芯区域中的折射率的变化量，故要把光纤光栅元件的制造正确地控制为使得损耗波长(遮断波长)和损耗量(遮断量)这两方都处于所设计的范围内是极其困难的。
本发明就是为解决上边所说的课题而发明的，目的是提供具备使更为精密的设计和制造成为可能的构造的光纤光栅元件及其制造方法和含有该元件的光线滤光片。
本发明的光纤光栅元件，具备在比使用波段还长的长波长一侧具有LP02模式光的截止波长的多模光纤；在该多模光纤内设置、使上述使用波段内的规定波长的基底LP01模式光选择性地耦合到LP0m(m≥2)模式光上的长周期光栅。具体地说，该多模光纤具备沿着第1纤芯区域的外周设置的折射率为n2(＜n1)的第2纤芯区域，和在该第2纤芯区域的外周设置的折射率为n3(＜n2)的包层区域，上述长周期光栅设置在被第2纤芯区域围起来的第1纤芯区域内。另外，这样的多模光纤，既可以是在第1和第2纤芯区域之间设置中间纤芯区域的构成，也可以是在第2纤芯区域与包层区域之间再设置衰减区域的构成，不论是哪一种构成，适用于该光纤光栅元件的单模光纤，如图2所示，都具备把包层区域设置为使得高次模式的传送区域A与该光纤的外周面与被覆材料之间的界面离开一个间隙的构造。
特别要提到的是，本发明的光纤光栅元件的特征是，若设基底LP01模式光的有效折射率为Neff01,LP0m(m≥2)模式光的有效折射率为Neff0m，则满足n1＞Neff01＞n2＞Neff0m＞n3的关系式。倘采用具备这样的构造的光纤光栅元件，则使用波段内的规定波长的基底LP01模式光，借助于在多模光纤的第1纤芯区域内形成的长周期光栅耦合到高次LP0m(m≥2)模式光上。高次LP0m(m≥2)模式光，由于被封闭在由多模光纤的第1和第2纤芯区域规定的传送区域内，故从处于多模光纤的外侧的层受到的影响小(参看图2)。另一方面，规定波长以外的波长的基底LP01模式光，则保持原样不变地透过设置在第1纤芯区域内的长周期光栅。此外，虽然基底LP01模式光被封闭在第1纤芯区域内，但高次LP0m(m≥2)模式光被封闭在由第1和第2纤芯区域双方规定的传送区域内，故对于高次LP0m(m≥2)模式光来说多模光纤的模式场直径大。因此，在把单模光纤连接到高光纤光栅元件的后级上的情况下，透过多模光纤的长周期光栅的基底LP01模式光向单模光纤的纤芯入射时的耦合损耗小。对此，在多模光纤的长周期光栅中发生的高次LP0m(m≥2)模式光向单模光纤的纤芯区域入射时的入射损耗大。
此外，在多模光纤具有上边所说的那样的构造的情况下，理想的是仅仅向第1纤芯区域内添加GeO2。这是因为从基底LP01模式光向高次LP0m(m≥2)模式光耦合的耦合效率变大的缘故。此外，采用不向第2纤芯区域内添加GeO2的办法，在光栅形成的前后，第2纤芯区域的折射率就不会变化。为此，对于高次LP0m(m≥2)模式光来说，形成长周期光栅的多模光纤的模式场直径的变化小，该光纤光栅元件可以容易地实现所希望的耦合特性和遮断特性。
在本发明的光纤光栅元件中，上述多模光纤也可以至少把将已形成了长周期光栅的部分围了起来的外周面被覆起来。这是因为由于在长周期光栅中发生的高次LP0m(m≥2)模式光被封闭在第1和第2纤芯区域内，故即便是把光栅形成部分被覆起来，产生从基底LP01模式光向高次LP0m(m≥2)模式光进行耦合的波长和耦合效率的变动也小的缘故。此外在保护光纤光栅元件上也是有效的。
特别是如果被覆上述多模光纤的外周面的层是紫外线透过型树脂，由于就不再需要象现有技术那样先剥掉被覆层，故可以制造该多模光纤不会受外部损伤且短时间的光纤光栅元件。
因此，本发明的光纤光栅元件的制造方法的特征是，如上所述，采用准备至少具备添加进规定量的GeO2的折射率为n1的第1纤芯区域、折射率为n2(＜n1)的第2纤芯区域、折射率为n3(＜n2)的包层区域，同时，该包层区域的外周面被紫外线透过型树脂覆盖起来的多模光纤，向该紫外线透过型树脂照射紫外线的办法，使得在第1纤芯区域内产生周期性的折射率变化。在这种情况下，照射到紫外线透过型树脂上的紫外线，其大部分按照该紫外线透过型树脂、包层区域、第2纤芯区域的顺序通过并到达第1纤芯区域。
上述使用波段理想的是1.2微米以上1.7微米以下。因为如果是这样的波段，则一般的光通信中可以利用的波段内，就可以利用该光纤光栅元件。此外，多模光纤理想的是在上述使用波段内归一化频率在4以上12以下。这是因为从规定波长的基底LP01模式光向高次LP0m(m≥2)模式光耦合的效率良好的耦合成为可能，此外，更为精密地设计和制造具有所希望的特性的光纤光栅元件成为可能的缘故。
另外，众所周知，长周期光栅的损耗波段的中心波长(损耗峰值波长)依赖于设置该光纤光栅元件的环境的温度而进行漂移。为了减少这样的损耗峰值波长的温度依赖性，本发明的光纤光栅元件，在设上述基底LP01模式光的有效折射率Neff01的温度依赖性为dNeff01/dT，上述LP0m(m≥2)模式光的有效折射率Neff0m的温度依赖性为dNeff0m/dT(m≥2)，上述长周期光栅的光栅周期为∧时， 理想的是把该光纤光栅元件设计为使得至少存在一个满足上式的m。上述条件，采用例如向第1纤芯区域内添加进Ge元素、P元素和B元素中的至少一种元素，并正确地调节它们的添加量的办法，是可以实现的。
反之，采用积极地利用这样的损耗峰值波长的温度依赖性的办法，也可以进行损耗峰值波长的可变控制(以下，叫做主动(active)温度控制)。在这种情况下，本发明的光纤光栅元件，在设上述基底LP01模式光的有效折射率Neff01的温度依赖性为dNeff01/dT，上述LP0m(m≥2)模式光的有效折射率Neff0m的温度依赖性为dNeff0m/dT(m≥2)，上述长周期光栅的光栅周期为∧时， 理想的是把该光纤光栅元件设计为使得至少存在一个满足上式的m。上述条件，采用例如向第1纤芯区域内添加进Ge元素、P元素和B元素中的至少一种元素，并正确地调节它们的添加量的办法，是可以实现的。
本发明的光纤滤光片，具备具有上述那样的构造的光纤光栅元件、和在比上述使用波段波长还短的波长一侧具有LP02模式光的截止波长的单模光纤。另外，该单模光纤从上述使用波段内所含有的波长的信号光的行进方向来看，配置在光纤光栅元件的至少是后级上。在这样的光纤滤光片中，使用波段内的规定波长的基底LP01模式光，借助于在多模光纤的第1纤芯区域内形成的长周期光栅耦合到高次LP0m(m≥2)模式光上。高次LP0m(m≥2)模式光，由于被封闭在由多模光纤的第1和第2纤芯区域规定的传送区域内，故从处于多模光纤的外侧的层受到的影响小。另外，在该光纤滤光片中，虽然规定波长的纤芯模式光将耦合到高次LP0m(m≥2)模式光上，但入射到光学性地连接该高次LP0m(m≥2)上时的耦合损耗大。另一方面，规定波长以外的波长的基底LP01模式光，虽然会透过该光纤滤光片的长周期光栅，但是，入射到光学性地连接该线芯模式光的后级的单模光纤的纤芯区域上时的耦合损耗小。就是说，起着这样的作用该光纤滤光片，遮断使用波段内的规定波长的基底LP01模式光(使之选择性地衰减)，透过其它的波长的基底LP01模式光。
另外，本发明的各个实施例，借助于以下的详细的说明和附图可以理解得更为充分。这些实施例仅仅是为了进行例示。不应当认为是对本发明的的限定。
此外，本发明的更进一步的应用范围，可以从以下的发明的详述中弄明白。但是，详细的说明和特定的事例虽然示出了本发明的优选实施例，但是仅仅是用来进行例示的例子，显然，对于本专业的那些技术人员来说，在本发明的思想和范围内的种种的变形和改良，是不言自明的。
图1A是用来说明单模光纤内的传送种类的概念图，图1B是用来说明用树脂层覆盖图1A所示的单模光纤的外周面时的问题的概念图。
图2是用来说明本发明的光纤光栅元件的构造上的特征的概念图。
图3的局部剖断图示出了本发明的光纤光栅和光纤滤光片的实施例1的构造。
图4A的剖面图示出了本发明的光纤光栅元件的基本构造，图4B是图4A所示的光纤光栅元件的折射率分布图。
图5是用来说明实施例1的光纤光栅元件的另一构造的折射率分布图。
图6的剖面图示出了本发明的光纤光栅和光纤滤光片的实施例2的构造。
图7是用来说明本发明的光纤光栅元件的制造方法的概念图。
图8的曲线图示出了由图7所示的制造方法得到的光纤光栅的遮断特性的测定结果。
图9A～9C的曲线图示出了长周期光栅中的折射率调制的周期(光栅周期)为405微米的实施例1的光纤滤光片的遮断特性，图9A的曲线图示出了制造时，图9B的曲线图示出了退火后，图9C的曲线图示出了重新涂敷后的光纤光栅元件的遮断特性。
图10A～10C的曲线图示出了长周期光栅中的折射率调制的周期(光栅周期)为380微米的实施例1的光纤滤光片的遮断特性，图10A的曲线图示出了制造时，图10B的曲线图示出了退火后，图10C的曲线图示出了重新涂敷后的光纤光栅元件的遮断特性。
图11的曲线图示出了本发明的光纤光栅和光纤滤光片的实施例2的遮断特性。
图12的表示出了为了评价本发明的光纤光栅元件的损耗峰值波长的可控制性而制造的各个样品的组成和温度特性。
以下，用图3、图4A、图4B、图5～图8、图9A～图10C、图11、图12说明本发明的光纤光栅和光纤滤光片等的各个实施例。另外，在附图的说明中，对于同一要素赋予同一标号而省略重复说明。
(实施例1)图3的局部剖断图示出了实施例1的光纤光栅元件和光纤滤光片的构造。实施例1的光纤滤光片1依次串行连接单模光纤20、光纤光栅元件10和单模光纤30，这些各个要素10、20、30一体性地被被覆层16覆盖起来。
光纤光栅元件10，具备选择性地把在比使用波段还往长波长一侧具有LP02模式光的截止波长的基底LP01模式光和上述使用波段之内的规定波长的基底LP01模式光，耦合到本身就是高次模式的LP0m(m≥2)模式光上的长周期光栅15。多模光纤具备沿着规定轴延伸的第1纤芯区域12、在该第1纤芯区域12的外周设置的第2纤芯区域13、在该第2纤芯区域13的外周设置的包层区域11，上述长周期光栅15，在把设置在被第2纤芯区域13围起来的第1纤芯区域12内形成。此外，单模光纤20由沿着规定轴延伸的纤芯22、在该纤芯22的外周设置且具有比该纤芯22还低的折射率的包层21构成，单模光纤30也具备沿着规定轴延伸的纤芯23和在该纤芯32的外周设置且具有比该纤芯32还低的折射率的包层。
在本实施例中，在设置有长周期光栅15的多模光纤和单模光纤20、30中，与基底LP01模式光有关的模式场直径彼此大致上相等。采用象这样地进行设计的办法，基底LP01模式光，就可以以低损耗透过各个光纤间的连接点。
光纤光栅元件10，例如，如图4A所示，具备由沿着规定轴延伸且具有外径为2a的折射率为n1的第1纤芯区域12、设置在该第1纤芯区域12的外周且具有外径2b的折射率为n2(＜n1)的第2纤芯区域13、和设置在该第2纤芯区域13的外周的折射率为n3(＜n2)的包层区域11构成的多模光纤、和覆盖该多模光纤的外周面(包层区域11的外周面)的被覆层16。第1纤芯区域12中已添加进GeO2，采用向该第1纤芯区域12照射已进行了空间调制的紫外线的办法，在该第1纤芯区域12内形成长周期光栅15。
另外，在图4A是图4B所示的光纤光栅元件10之内沿着多模光纤的线L的折射率的分布150。在该折射率分布150中，区域151、区域152、区域153分别示出了上述第1纤芯区域12的线L上边的各个部位的折射率、上述第2纤芯区域13的线L上边的各个部位的折射率、和上述包层区域11的线L上边的各个部位的折射率。
在具有以上那样的构造的光纤光栅元件10中，在使用波段中基底LP01模式光和高次LP0m(m≥2)模式光，都在封闭在由上述第1和第2纤芯区域12、13规定的传送区域内的状态下进行传送(参看图2)。此外，一直在单模光纤20的纤芯区域22中传送，在使用波段的光之内，满足基底LP01模式光与LP0m(m≥2)模式光之间的相位匹配条件的波长的基底LP01模式光，借助于在第1纤芯区域12内形成的长周期光栅15进行耦合(模式耦合)。由于与满足该相位匹配条件的波长，就是说损耗波长的高次LP0m(m≥2)模式光有关的多模光纤的模式场直径大，故在向单模光纤30的纤芯32入射时，高次LP0m(m≥2)模式光大大地衰减。换句话说，对于高次LP0m(m≥2)模式光来说，设置有长周期光栅15的多模光纤与单模光纤30之间的耦合损耗大。另一方面，对于损耗波长以外的基底LP01模式光(通过了长周期光栅15后的线芯模式光)来说，在向单模光纤30的纤芯32入射时的耦合损耗小。因此本实施例的光纤滤光片1起着这样的作用在单模光纤20的纤芯区域22中进行传送并遮断使用波段的光之内，被长周期光栅15的光栅周期∧规定的损耗波长的基底LP01模式光，并把该损耗波长以外的基底LP01模式光低损耗地导入单模光纤30的纤芯32。
由于与损耗波长的高次LP0m(m≥2)模式光有关的多模光纤的模式场直径越大，在该高次LP0m模式光向单模光纤30入射时的损耗量就越大，所以是理想的。于是，在本实施例1的光纤光栅元件10中，如图4A和图4B所示，是一种由第1纤芯区域12、第2纤芯区域13和包层区域14构成的具有双状态纤芯(DSC)构造的折射率分布的多模光纤，在设基底LP01模式光的有效折射率为Neff01，设高次LP0m(m≥2)模式光的有效折射率为Neff0m(m≥2)时，满足以下的关系式(参看图4B)。
N1＞Neff01＞n2＞Neff0m＞n3…(1)另外，为了通过长周期光栅15使基底LP01模式光与高次LP0m(m≥2)模式光进行耦合，在设波长为λ，长周期光栅15的光栅周期为∧时，必须满足由下式规定的相位匹配条件。
λ=∧(Neff01-Neff0m) …(2)此外，已形成了长周期光栅15的多模光纤，例如，也可以具有图5所示的那样的折射率分布250。该多模光纤是这样的构造在图4A所示的多模光纤中，在第1纤芯区域12与第2纤芯区域13之间设置外径为2c、折射率为n4(＜n1,n2)的中间纤芯区域，同时，在第2纤芯区域13与包层区域14之间重新设置外径为2d、折射率为n5(＜n2,n3)的衰减区域。即便是在具有该图5所示的那样的折射率分布250的多模光纤中，由于高次LP0m(m≥2)模式光进行传送的区域借助于本身就是最外层的包层区域覆盖该多模光纤的外周面的被覆层离开一个间隙，故使基底LP01模式光与高次LP0m模式光之间的耦合成为可能。
另外，在图5所示的折射率分布250中，区域251示出了相当于图4A中的第1纤芯区域12的区域的折射率，区域252示出了上述中间区域的折射率，区域253示出了相当于图4A中的第2纤芯区域13的区域的折射率，区域254示出了上述衰减区域的折射率，区域255示出了相当于图4A中的第1包层区域14的区域的折射率。
具有在这些图4B和图5中的任何一个图所示的折射率分布150、250的多模光纤中，基底LP01模式光，也都在实质上封闭在多模光纤的第1纤芯区域12(外径为2a)内的状态下进行转送，并高效率地向后级的单模光纤30的纤芯32入射。此外，高次LP0m模式光实质上封闭在被多模光纤的第1和第2纤芯区域12、13的双方规定的传送区域(外径为2b)内进行传送，在向后级的单模光纤30的纤芯32入射之际，大大地衰减。由于与高次LP0m模式光有关的多模光纤系的模式场直径将变成为第2纤芯区域13的外径2b那种程度，故第2纤芯区域13的外径2b的值越大，损耗波长中的损耗量(遮断量)就会变得越大。
此外，在具有在这些图4B和图5中的任何一个图所示的折射率分布的多模光纤中，理想的是仅仅向第1纤芯区域12中添加进GeO2。这是因为，采用把第1纤芯区域12的折射率n1作成为比其它的区域比较相对地大，同时，借助于紫外线照射，使晶体缺陷的反应周期性地在第1纤芯区域12内产生的办法，就可以容易地形成长周期光栅15的缘故。此外，当第1纤芯区域12的折射率n1变大时，从基底LP01模式光向高次LP0m(m≥2)模式光进行耦合的耦合效率变大，这一点也是理想的。再有，采用不向第2纤芯区域13内添加GeO2的办法，由于在第1纤芯区域12内形成长周期光栅15的前后，不会发生第2纤芯区域13的折射率变化，故可以压低与高次LP0m(m≥2)模式光有关的多模光纤的模式场直径的变化，同时，光纤光栅元件10和光纤滤光片1还都可以得到所希望的耦合特性和遮断特性。
另外，设置长周期光栅15的多模光纤的构成也可以是下述构成中的任何一种第2纤芯区域13是添加进P2O5的二氧化硅，包层区域14是纯二氧化硅的构成；第2纤芯区域13是添加进P2O5的二氧化硅，包层区域14是添加进F的二氧化硅的构成；第2纤芯区域13是纯二氧化硅，包层区域14是添加进F的二氧化硅的构成。此外，还可以是这样的构成第2纤芯区域13是添加进Cl的二氧化硅，包层区域14是添加进比第2纤芯区域13还少的量的Cl的二氧化硅或纯二氧化硅。
象上述那样地构成的光纤光栅元件10，把形成了长周期光栅15的部分围起来的多模光纤表面，也可以用树脂等的被覆层覆盖起来。在图3所示的光纤滤光片1中，采用先除去多模光纤的被覆照射紫外线的部分，在第1纤芯区域12内形成长周期光栅15。接着，已形成了长周期光栅15的多模光纤的一端，与单模光纤20的一端焊接连接，该多模光纤的另一端与多模光纤30的一端焊接连接。然后，与多模光纤一起，一直到与这些单模光纤20、30之间的焊接连接部分为止都用被覆层16被覆起来。采用象这样地一体性地把构件10、20、30被覆起来的办法，就可以对光纤光栅元件10和单模光纤20、30的每一者进行保护，光纤光栅元件10与光纤滤光片1各自的加工处理也将变得容易起来。
此外，在本实施例的光纤光栅元件10中，损耗波长的基底LP01模式光，由于将耦合到被封闭在由第1和第2纤芯区域12、13规定的传送区域内的高次LP0m(m≥2)模式光上，而不是耦合到向包层区域14放射的包层模式光上，所以即便是作成为用被覆层16把多模光纤被覆起来，此外，即便是不管该被覆层16的折射率是多大，损耗波长和损耗量(遮断量)各自的变动也小。
另外，在该光纤光栅和光纤滤光片中的使用波段，理想的是在1.2微米以上1.7微米以下。因为一般地说可以在光通信中使用的信号光波段为1.3微米波段、1.55微米波段和1.65微米波段等。此外。可以在本发明的光纤光栅元件中使用的多模光纤，理想的是在使用由下式V=2πa(n12-n32)1/2/λ…(3)规定的归一化频率V，在使用波段中为4以上12以下。
就是说，由于基底LP01模式光的电磁场分布是偶函数，故为了与之进行耦合，高次模式光的电磁场分布也必须是偶函数。从这样的观点来看，归一化频率V在使用波段内必须是4以上12以下。
此外，高次LP0m(m≥2)模式的次数越大，该模式的光从纤芯区域或第2纤芯区域向外漏出的成分(消失的成分)的比率就越大，此外，漏出的距离也越长。为此，长周期光栅，易于受多模光纤的外部环境的影响，损耗波长和损耗量(遮断量)也都易于变动。此外，与基底LP01模式光进行耦合的高次LP0m模式光，理想的是尽可能是LP01、LP03、LP04等的与基底LP01模式比较接近的光。另一方面，在可以存在多个高次LP0m模式光的情况下，由于这些光彼此靠近，故变得难于实现所希望的特性。从这样的观点来看，使归一化频率V在使用波段中在12以下，在容易地设计和制造具有所希望的损耗波长和损耗量(遮断量)的光纤光栅元件10和光纤滤光片1中的每一者方面，是理想的。
另外，归因于形成长周期光栅15的多模光纤的第2纤芯区域13的折射率，有时候高次LP0m模式光的封闭不强，损耗波长或损耗量(遮断量)随着包层区域14的外部环境而变动，在这种情况下，就不能在多模光纤表面上设置被覆层16。因此，第2纤芯区域13必须把高次LP0m模式光充分地预先封闭起来。该封闭的程度依赖于第1纤芯区域12、第2纤芯区域13和包层区域14每一者的折射率，此外，还依赖于高次LP0m模式光的次数m。
例如，在包层区域14的外径为125微米、以第2纤芯区域13的折射率为基准的包层区域14的比折射率差为-0.1％((n3-n2)/n2)左右的情况下，如果第2纤芯区域13的外周与包层区域14的外周之间的间隔为3微米以上，则可以充分地把高次LP0m模式光封闭起来。此外，在以第2纤芯区域13的折射率为基准的包层区域14的比折射率差为-0.04％左右的情况下，若第2纤芯区域13的外周与包层区域14的外周之间的间隔为10微米以上，就可以充分地把LP0m模式光封闭起来。但是，在以第2纤芯区域13的折射率为基准的包层区域14的比折射率差为-0.04％以上的情况下，由于高次LP0m模式光的封闭程度会受到多模光纤的弯曲的很大的影响，故是不现实的。
(实施例2)其次，对本发明的的光纤光栅元件和光纤滤光片的实施例2进行说明。图6示出了实施例2的光纤光栅元件和光纤滤光片的剖面构造。实施例2的光纤滤光片2虽然与实施例1的光纤滤光片1的构造类似，但在已形成了长周期光栅的多模光纤具有弯曲部分17这一点上不同。
该弯曲部分17，设置在多模光纤和单模光纤30的焊接连接部分与在多模光纤中已形成了光栅15的区域之间。
在本实施例的光纤滤光片2中，在单模光纤20的纤芯区域22内传送过来且在光之内满足与高次LP0m(m≥2)模式光之间的相位匹配条件的波长(损耗波长)的基底LP01模式光，借助于长周期光栅15耦合到高次LP0m模式光上。满足该相位匹配条件的损耗波长的高次LP0m模式光，在弯曲部分17处，因向包层区域14放射而衰减。此外，由于与损耗波长的高次LP0m模式光有关的多模光纤的模式场直径大，故该损耗波长的高次LP0m模式光向单模光纤30的纤芯区域32入射时的损耗增大。另一方面，损耗波长以外的基底LP01模式光在弯曲部分处的放射少，此外向单模光纤30的纤芯区域32入射时的损耗也小。因此，该光纤滤光片32，将比在上述实施例1的情况下更为有效地遮断在单模光纤20的纤芯区域22内传送过来且在光之内损耗波长的基底LP01模式光(损耗量比实施例1的情况下还大)，另一方面，把损耗波长以外的基底LP01模式光低损耗地导入单模光纤30的纤芯区域32。
(制造方法)在已在多模光纤中形成了长周期光栅的光纤光栅元件的制造中，用现有技术剥离被覆层露出一部分多模光纤，对该露出部分照射空间调制的紫外线，通常会在添加了GeO2的纤芯区域中产生周期性变化的折射率。
形成有长周期光栅的多模光纤，如上所述，由于不能用被覆层覆盖表面，故在露了出来的多模光纤的表面上易于产生划伤等的外部损伤，其加工处理非常难。为解决这样的课题，本发明的光纤光栅元件和光纤滤光片，具备可以借助于被覆层保护已形成了长周期光栅的多模光纤表面的构造。然而，即便是这样的可以用被覆层进行保护的构造，在制造光栅时要是先剥掉被覆层的话，在剥掉被覆层时也有可能发生外部损伤。此外，该剥离工序必须慎重地进行，以便不会伤及多模光纤表面。
在本发明的光纤光栅元件的制造方法中，目的是提供一种在多模光纤内形成长周期光栅而不进行上述那样的花费时间且可能会伤及多模光纤表面的剥离工序的制造方法。
具体地说，如图7所示，准备用紫外线透过型树脂16把具有图4B或图5所示的那种折射率分布150、250的单模光纤表面覆盖起来的光纤材料。另外，作为对于被覆层16合适的紫外线透过型树脂，例如有热硬化型树脂、乙烯树脂等。还有，只要是紫外线透过率超过50％的树脂，即便是通用树脂也可以使用。此外，为了提高纤芯区域内所含有的玻璃缺陷的反应性以便使光栅的形成变得容易起来，理想的是在预定压力下的氢气氛中预先保管一定期间。
接着，把强度调制掩模500设置在所准备的光纤材料的光栅形成区域附近。然后，通过反射镜400向强度调制掩模500照射从氩气激光器300照射过来的紫外光。这时，采用使反射镜400向图中用箭头S1表示的方向移动的办法，结果就变成为所设置的光纤材料的紫外线照射区域进行相对移动。
通过强度调制掩模500进行了空间调制的光，在按照顺序通过了被覆层16、包层区域14、第2纤芯区域13之后，到达添加进GeO2的第1纤芯区域12。借助于此，在该第1纤芯区域12内产生周期性的折射率变化，得到所希望的长周期光栅。
图8的曲线图示出了对用以上那样的制造方法得到的光纤光栅元件的遮断特性进行测定的测定的测定结果。
为进行测定而准备的光纤材料，是具备图4A所示的构造的多模光纤，该多模光纤的表面，在拉线时已用热硬化性硅酮树脂覆盖起来。
在把象这样地用热硬化型树脂覆盖起来的多模光纤(光纤材料)，在5个气压的氢气气氛中保管一定期间之后，如图7所示，利用氩气激光器300进行紫外线照射(利用SHG)。另外，所形成的长周期光栅的光栅周期为370微米，该紫外线照射通过在拉线时被覆上的热硬化型硅酮树脂进行。
采用以上具体地说明的制造方法，已经确认(参看图8的曲线)可以得到在波长1540nm附近发生2.2dB左右的损耗的长周期光栅。
此外，发明人等还对所得到的光纤光栅元件测定了其拉伸特性。其结果是断裂强度(n=10)平均6.1kg、标准偏差为0.2kg。为进行比较，还测定了用现有的制造方法制造的光纤光栅元件(在除去被覆层形成了长周期光栅后，再次用树脂被覆起来的元件)的断裂强度(n=10)，平均为1.5kg，标准偏差为0.8kg。由此可知，与用现有的制造方法得到的光纤光栅元件比较起来，用本发明的制造方法得到的光纤光栅元件的断裂强度提高，这一点已得到确认。
(实施例1的测定结果)其次，对于实施例1的光纤光栅元件和光纤滤光片，对具体地制造的多个样品进行说明。
首先，所准备的样品1、2的多模光纤，不论哪一个都是具有DSC构造的折射率分布的石英系光纤。第1纤芯区域12是同时添加有Ge元素和B元素的二氧化硅，外径为2.78微米。此外，以第2纤芯区域13的折射率为基准的第1纤芯区域12的比折射率差为+1.3％(=(n1-n2)/n2)。第2纤芯区域13是Cl2脱水后的纯二氧化硅(故意地不添加杂质的二氧化硅)，外径为28微米。包层区域14是添加进F元素的二氧化硅，外径为125微米。此外，以第2纤芯区域13的折射率为基准的包层区域的比折射率差为-0.35％(=(n3-n2)/N2)。在这些样品1、2中，不论哪一个，在1.55微米波段中，除去基底LP01模式之外，都存在着7个高次模式(LP02、LP11、LP21、LP31、LP12、LP03、LP41)。
样品1、2的单模光纤，在5个气压下在50℃的100％氢气气氛中进行3天前处理，然后，形成长周期光栅15。在形成长周期光栅15之际，采用通过强度调制掩模直接向样品1、2的各个多模光纤照射从氩气激光器输出的紫外光的办法，产生折射率变化。形成了长周期光栅15的区域的长度是30毫米。另外，在样品1中，长周期光栅15中的折射率变化的周期(光栅周期)为405微米，在样品2中为380微米。在形成了长周期光栅15之后，样品1、2中的不论哪一个，都采用在140℃下进行10个小时退火的办法除去氢，并用被覆层16重新覆盖起来。
图9A的曲线图示出了长周期光栅的光栅周期为405微米的样品1的遮断特性，图9A示出了制造时的遮断特性，图9B示出了退火后的遮断特性，图9C示出了重新覆盖后的遮断特性。此外，图10A～图10C的曲线图示出了长周期光栅的光栅周期为380微米的样品2的遮断特性，图10A示出了制造时的遮断特性，图10B示出了退火后的遮断特性，图10C示出了重新覆盖后的遮断特性。
这些曲线，不论哪一个示出的都是从样品1、2向单模光纤30入射并从单模光纤30的另一端出射的光的功率对从单模光纤20入射到各个样品1、2上的光的功率的比。
由这些图可知，样品1(长周期光栅中的光栅周期为405微米)的损耗峰值波长为1690nm附近，样品2(长周期光栅中的光栅周期为380微米)的损耗峰值波长为1650nm附近。这些样品1、2的损耗峰值波长中的透过损耗起因于从基底模式LP01向LP02模式的耦合。此外，样品1、2不论哪一个，即便是在重新覆盖后损耗波长也不会消失(损耗峰值波长不变化，透过损耗的变动也很小)。
(实施例2的测定结果)其次，对于实施例2的光纤光栅元件和光纤滤光片，对具体地制造的多个样品进行说明。
首先，所准备的样品3的多模光纤，不论哪一个都是具有DSC构造的折射率分布的石英系光纤。第1纤芯区域12是同时添加有Ge元素和B元素的二氧化硅，外径为3.4微米。此外，以第2纤芯区域13的折射率为基准的第1纤芯区域12的比折射率差为+0.995％。第2纤芯区域13是Cl2脱水后的纯二氧化硅，外径为100微米。包层区域14是添加进F元素的二氧化硅，外径为125微米。此外，以第2纤芯区域13的折射率为基准的包层区域14的比折射率差为-0.749％。在该样品3中，在1.55微米波段中，除去基底LP01模式之外，也存在若干个高次模式。
对于该样品3的多模光纤，不进行前处理地形成长周期光栅15。在形成长周期光栅15之际，采用通过强度调制掩模向样品3的多模光纤照射从准分子激光源射出的紫外光的办法，产生折射率变化。形成了长周期光栅15的区域的长度是40毫米。该长周期光栅15中的折射率变化的周期(光栅周期)为403微米。在形成了光栅之后，样品3在140℃下进行10个小时退火除去氢，并用被覆层16重新覆盖起来。该被覆层16，具有与本身为最外层的包层区域14的折射率大致上相等的折射率。
图11的曲线图示出了重新覆盖后的样品3的遮断特性。由该图可知，样品3的损耗峰值波长为1530nm附近，该损耗峰值波长中的透过损耗起因于从基底模式LP01向LP02模式的耦合。此外，该样品3，尽管用具有与本身为最外层的包层区域14的折射率大致上相等的折射率的被覆层16进行重新覆盖，损耗波长也不会消失(最大损耗为6.0dB左右)。
(温度依赖性)其次，大家知道长周期光栅的损耗峰值波长，起因于温度变化而变动，在通用光纤中形成的长周期光栅中的损耗峰值波长的温度依赖性大约为4～10nm/100℃(=0.04～0.1nm/℃)左右。例如，在美国专利第5703978号或特愿平9-274115号公报中，公开了减小这样的长周期光栅的温度依赖性的技术。
但是，在上述美国专利第5703978号或特愿平9-274115号公报中所公开的技术，由于要求极其精密的温度调节，故不能提高生产性。
长周期光栅中的损耗峰值波长的温度依赖性，由纤芯区域中的折射率的温度依赖性占支配性的线芯模式光、包层区域中的折射率的温度依赖性占支配性的包层模式光的各个有效折射率的温度系数之差决定。因此，为了有效性地减小长周期光栅的损耗峰值波长的温度依赖性，必须使纤芯与包层的有效折射率的温度系数精密地一致。反之，对于积极地利用长周期光栅中的损耗峰值波长的温度依赖性的主动温度控制来说，若是上述温度依赖性也是不充分的。这是因为如图8所示，由于长周期光栅的损耗特性(遮断特性)，作为损耗峰值波长具有某种程度宽度，故希望在积极地使损耗峰值波长漂移的情况下能够实现比上述的0.1nm/C还大的温度依赖性。此外，当考虑与通常的单模光纤之间的连接时，理想的是形成长周期光栅的光纤中的光的传送也是单模。在这种情况下，由于添加到纤芯中的GeO2的添加量受到限制，故可以实现的温度依赖性，遗憾地限定于0.04～0.1nm/℃左右。
在本发明的光纤光栅元件中，由于含于包层模式光中的纤芯组分相对地多，故即便是在纤芯、包层间实际的折射率的温度依赖性(dn/dt)多少有些不同，也可以压低有效折射率的温度依赖性。此外，该光纤光栅，采用使用具有图4B或图5所示的那种折射率分布150、250的多模光纤，并对向应当形成长周期光栅的第1纤芯区域内添加的杂质的种类和浓度进行调节的办法，使长周期光栅的温度依赖性的进一步的减小或长周期光栅的主动温度控制成为可能。
具体地说，本发明是企图向第1纤芯区域内预先添加进规定量的Ge元素、P元素和B元素中的任何一种元素，在该第2纤芯区域内形成长周期光栅来实现所希望的温度依赖性的发明。
发明人等，准备具有与图1A同样的折射率分布的光纤(样品4)和具有与图4b同样的折射率分布的光纤(样品5～7)，测定各个样品的温度依赖性。图12是对所准备的样品5～7各自的组成和温度依赖性进行归纳整理的表。
首先，所准备的样品4，是由外径2.5微米的纤芯与外径125微米的纯二氧化硅包层构成的石英系光纤。另外，向该样品4的纤芯内同时添加进GeO2和B2O3，它们的摩尔比是3.5∶1。此外在纤芯内形成的长周期光栅的光栅周期(节距)为410nm，损耗峰值波长(损耗的中心波长)为1528nm。该样品4中的长周期光栅的温度依赖性为+0.021nm/℃(参看图12)。
样品5，是由外径2.8微米的第1纤芯区域、外径28微米的第2纤芯区域、外径125微米的包层区域构成的石英系光纤。另外，向该样品5的纤芯内同时添加进GeO2和B2O3，它们的摩尔比是3.5∶1。此外，第2纤芯区域是纯二氧化硅，向包层区域内已添加进氟。在第1纤芯区域内形成的长周期光栅的光栅周期(节距)为370nm，损耗峰值波长(损耗的中心波长)为1540nm。该样品5中的长周期光栅的温度依赖性为+0.010nm/℃(参看图12)。
样品6，也是由外径2.8微米的第1纤芯区域、外径28微米的第2纤芯区域、外径125微米的包层区域构成的石英系光纤。另外，向该样品6的纤芯内同时添加进GeO2和B2O3，它们的摩尔比是3∶1。此外，第2纤芯区域是纯二氧化硅，向包层区域内已添加进氟。在第1纤芯区域内形成的长周期光栅的光栅周期(节距)为370nm，损耗峰值波长(损耗的中心波长)为1537nm。该样品6中的长周期光栅的温度依赖性为+0.002nm/℃(参看图12)。
样品7与上述样品5、6一样，也是由外径2.8微米的第1纤芯区域、外径28微米的第2纤芯区域、外径125微米的包层区域构成的石英系光纤。另外，向该样品7的纤芯内同时添加进GeO2和B2O3，它们的摩尔比是1∶2。此外，第2纤芯区域是纯二氧化硅，向包层区域内已添加进氟。在第1纤芯区域内形成的长周期光栅的光栅周期(节距)为370nm，损耗峰值波长(损耗的中心波长)为1541nm。该样品7中的长周期光栅的温度依赖性为-0.132nm/℃(参看图12)。
对样品4和样品5进行比较得知，即便是在向纤芯中同一程度地添加进同一杂质的情况下，具备实现本发明的光纤光栅元件那样的折射率分布150、250的构造的光纤，可以更大地降低长周期光栅的温度依赖性。除此之外，采用相对象样品6那样地添加进GeO2加大B2O3的摩尔比的办法，还可以进一步地减小长周期光栅的温度依赖性。
因此，本发明的光纤光栅元件，由于与现有技术比较可以进一步减小长周期光栅的温度依赖性，故在设上述基底LP01模式光的有效折射率Neff01的温度依赖性为dNeff01/dT，上述LP0m(m≥2)模式光的有效折射率Neff0m的温度依赖性为dNeff0m/dT(m≥2)，上述长周期光栅的光栅周期为∧时， 理想的是把该光纤光栅元件设计为使得至少存在一个满足上式的m。
反之，在样品7中，比其样品5、6来还可以把B2O3对GeO2的摩尔比设定得更大。采用象这样地过剩地添加B元素的办法，就可以使dλ/dT负得更大(长周期光栅的温度依赖性可以极其大)，可以得到适合于长周期光栅中的损耗峰值波长的主动温度控制的光纤光栅元件。另外，为了如上所述那样积极地利用损耗峰值波长的温度依赖性，在设上述基底LP01模式光的有效折射率Neff01的温度依赖性为dNeff01/dT，上述LP0m(m≥2)模式光的有效折射率Neff0m的温度依赖性为dNeff0m/dT(m≥2)，上述长周期光栅的光栅周期为∧时， 理想的是把该光纤光栅元件设计为使得至少存在一个满足上式的m。
另外，在本实施例中，即便是添加进P元素或含有P元素的化合物也可以得到同样的效果。
如上所述，倘采用本发明，由于将要设置长周期光栅的多模光纤，在高次LP0m模式光进行传送的区域的外周还具备设置有折射率低的区域的构造，故即便是用树脂层等把该多模光纤被覆起来的情况下，也可以得到具有良好的耦合特性和遮断特性的光纤光栅元件等。
权利要求
1．一种光纤光栅元件，具备具有在比使用波段还长的长波长一侧具有LP02模式光的截止波长且沿着规定轴延伸的折射率为n1的第1纤芯区域、在第1纤芯区域的外周设置且具有比第1纤芯区域还低的折射率n2的第2纤芯区域和在该第2纤芯区域的外周设置且具有比该第2纤芯区域还低的折射率n3的包层区域的多模光纤；在上述第1纤芯区域的规定区域内设置且使上述使用波段内的规定波长的基底LP01模式光选择性地耦合到LP0m(m≥2)模式光上的光栅，在设基底LP01模式光的有效折射率为Neff01,LP0m(m≥2)模式光的有效折射率为Neff0m时，满足n1＞Neff01＞n2＞Neff0m＞n3的关系式。
2．权利要求1所述的光纤光栅元件，其特征是上述多模光纤仅仅向第1纤芯区域内添加GeO2。
3．权利要求1所述的光纤光栅元件，其特征是上述多模光纤至少把已形成了上述光栅的上述第1纤芯区域的规定部分用树脂被覆起来。
4．权利要求1所述的光纤光栅元件，其特征是上述使用波段处于1.2微米以上1.7微米以下的范围内。
5．权利要求1所述的光纤光栅元件，其特征是上述多模光纤在上述使用波段内归一化频率为4以上12以下。
6．权利要求1所述的光纤光栅元件，其特征是在设上述基底LP01模式光的有效折射率Neff01的温度依赖性为dNeff01/dT，上述LP0m(m≥2)模式光的有效折射率Neff0m的温度依赖性为dNeff0m/dT(m≥2)，上述光栅的光栅周期为∧时，至少存在一个满足下式的m0.01Λ≥|ddT(Neff01)-ddT(Neff0m)|•]]>
7．权利要求6所述的光纤光栅元件，其特征是上述第1纤芯区域至少含有Ge元素、P元素和B元素中的任何一种元素。
8．权利要求1所述的光纤光栅元件，其特征是在设上述基底LP01模式光的有效折射率Neff01的温度依赖性为dNeff01/dT，上述LP0m(m≥2)模式光的有效折射率Neff0m的温度依赖性为dNeff0m/dT(m≥2)，上述长周期光栅的光栅周期为∧时，至少存在一个满足下式的m0.08Λ≤|ddT(Neff01)-ddT(Neff0m)|]]>。
9．权利要求8所述的光纤光栅元件，其特征是上述第1纤芯区域至少含有Ge元素、P元素和B元素中的任何一种元素。
10．一种光纤滤光片，具备权利要求1所述的光纤光栅元件；一端光学性地连接到上述光纤光栅元件的至少一端上且在比使用波段波长还短的波长一侧具有LP02模式光的截止波长的单模光纤。
11．权利要求3所述的光纤光栅元件的制造方法，准备具有在比使用波段还长的长波长一侧具有LP02模式光的截止波长且沿着规定轴延伸并已添加进规定量的GeO2的第1纤芯区域、在第1纤芯区域的外周设置且具有比第1纤芯区域还低的折射率的第2纤芯区域和在该第2纤芯区域的外周设置且具有比该第2纤芯区域还低的折射率的包层区域的多模光纤；用紫外线透过型树脂把上述多模光纤的外周面被覆起来；采用向把上述多模光纤被覆起来的上述紫外线透过型树脂照射紫外线的办法，在上述第1纤芯区域内产生沿着上述规定轴周期性变化的折射率。
全文摘要
一种光纤光栅元件及其制造方法和含有该元件的光纤滤光片。该光纤光栅元件具备折射率为n1的第1纤芯区域、在第1纤芯区域的外周设置的折射率为n2的第2纤芯,和在该第2纤芯区域的外周设置的折射率为n3的包层区域的同时,还具备在比使用波段还长的长波长一侧具有LP02模式光的截止波长的多模光纤。在第1纤芯区域的规定区域内设置使上述使用波段内的规定波长的基底LP01模式光选择性地耦合到LP0m(m≥2)模式光上的光栅。特别要说明的是,在设基底LP01模式光的有效折射率为Neff01,LP0m(m≥2)模式光的有效折射率为Neff0m时,满足n1>Neff01>n2>Neff0m>n3的关系式。
文档编号G02B6/14GK1316062SQ00801284
公开日2001年10月3日 申请日期2000年1月13日 优先权日1999年1月13日
发明者榎本正, 石川真二, 茂原政一, 春本道子 申请人:住友电气工业株式会社