JP2005037944A - 温度補償ファイバ・グレーティング組み立て構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 相当程度に小さくて、かつ組み立てが容易な温度補償ファイバ・グレーティング・システム、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 受動的に温度補償される光グレーティング（回折格子）の装置は、第１の固定側壁と、ＣＴＥが小さい材料からなるレバー・アームの間の筐体を横切って引伸ばされている光グレーティングを具備したＣＴＥが小さい材料の筐体を含む。ＣＴＥが大きい材料からなる伸張要素は筐体に取り付けられ、かつレバー・アームと接触するように配置されて、温度変化によって伸張要素の寸法が変化するとレバー・アームを回転させる。レバー・アームと伸張要素の寸法を適切に定めて、レバー・アームの動きにつれて引っ張り、あるいは圧縮されてグレーティングに加えられる歪を調節することにより、温度の関数であるグレーティング波長の変化の補正が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は温度補償ファイバ・グレーティング（回折格子）に関するものであり、より詳しくは、ファイバ・グレーティングに取り付けられたＣＴＥ（熱膨張係数）が小さい材料のレバー・アームを含む、ＣＴＥが小さい材料の筐体に収納されたファイバ・グレーティングに関する。レバー・アームと結合されているＣＴＥの大きい伸張部材は、グレーティングの中心波長における温度変化の補償のためにグレーティングの長さを調整するものである。

光グレーティングは、光システムにおいて特定波長の光を選択的に制御するための重要な要素である。そのようなグレーティングは、ブラッグ・グレーティング、長周期グレーティング、回折グレーティングを含み、一般的には材料本体と、たとえば屈折率ゆらぎ、スリット、溝などの複数のほぼ等間隔で配された光学的グレーティング（格子）要素とからなる。

一般的なブラッグ・グレーティングは、導波路の長さ方向に沿ってほぼ等間隔で配された複数の屈折率ゆらぎを含む、光ファイバのようなある長さの光導波路からなる。ゆらぎは連続するゆらぎ間の間隔Λに実効屈折率をかけた値の２倍、つまりλ＝２ｎ_ｅｆｆΛに等しい波長λの光を選択的に反射する。ここで、λは真空中での波長、ｎ_ｅｆｆは伝播するモードの実効屈折率である。残りの波長は基本的に妨げられることなく通過する。そのようなブラッグ・グレーティングは、たとえば、フィルタリング、信号チャネルの合分波、レーザの安定化、ファイバ・アンプ・増幅エネルギーの反射、導波路分散の補償を含む種々の用途に利用できることがわかっている。

長周期グレーティングは、一般的に、複数の屈折率ゆらぎが伝送する光の波長λと比較して長い幅Λ'で導波路に沿って繰り返し配されているある長さの光導波路を含む。回折グレーティングは、一般的に、ほぼ等間隔の多数の平行なエッチングされた線を含む反射面を含む。ある所定の角度でグレーティングから反射してきた光は、その間隔に依存した異なるスペクトル成分を持つ。従来の回折グレーティングの間隔、したがってスペクトル成分は、一般に固定である。

これらのグレーティング装置に共通する難しさは、温度に敏感なことである。たとえば、ブラッグ・グレーティングの場合、ｎ_ｅｆｆとΛはいずれも温度依存性があり、石英ベース・ファイバのグレーティングの正味温度依存性は波長λ＝１５５０ｎｍでおおよそ＋０．０１１５ｎｍ／℃である。温度が変化したときの反射波長のずれは、主として温度によるｎ_ｅｆｆの変化による。そのような温度変化による波長のずれは、一定温度の環境でグレーティング装置を動作させることで回避できるが、このような方法は、一定温度を保持するために高価でかなり大きな装置を使うことを必要とする。

Ｓ．Ｊｉｎほかの２０００年１１月１４日登録の米国特許第６，１４８，１２８は、受動的に温度補償されたチューニング可能な光ファイバ・グレーティングを開示しており、それによると、グレーティングはしっかりした枠に固定され、装置の共振波長を変えるように、ファイバを自由に曲げる可動体がファイバを“曲げ”て引っ張り歪みを与えるためにファイバの上部に配置されている。特に可動体は、所定の歪を与えるために、ファイバ・グレーティングに圧力を加えるよう磁気で（あるいは機械的に）動かすようになっている。

Ｊ．Ｗ．Ｅｎｇｅｌｂｅｒｔｈの２００１年９月２５日登録の米国特許第６，２９５，３９９は、ファイバ、および熱膨張係数が異なる第２の伸張部材とを使う、ファイバ・グレーティングのための異なる形式の温度補償装置を開示している。伸張部材はファイバ・グレーティングに平行な方向に伸びており、該伸張部材の両端にはレバー・アームが固定されている。それぞれのレバー・アームは、第１の伸張部材のそれぞれの端部に自由に動くように固定された第１の端部と、第２の伸張部材のそれぞれの端部に自由に動くように固定された中央部とを有している。それぞれのレバー・アームの他の端部は、それぞれ石英ブロックを通してファイバ・グレーティングのそれぞれの端部に固定されている。伸張部材と石英ブロックの寸法は、伸張部材の材料の選択と同じように、ファイバ・グレーティングが非線形の温度応答をするように決められる。

米国特許第６，１４８，１２８ 米国特許第６，２９５，３９９

開示された前記装置はいずれも、ファイバ・グレーティングの温度補償に有効なものであるが、一般に、装置がかなり大きく、しばしば操作が煩雑、厄介である。よって本発明は、相当程度に小さくて、かつ組み立てが容易なファイバ・グレーティングの温度補償システム、およびその製造方法を提供することにより、従来技術の不都合を克服することを目的とするものである。

前記目的を達成すべく、本発明は、温度補償ファイバ・グレーティングに関するものであり、より具体的には、ファイバ・グレーティングに取り付けられた熱膨張係数が小さい材料で作られたレバー・アームを含む、熱膨張係数が小さい材料で作られた筐体に収納されたファイバ・グレーティングに関するものであって、前記レバー・アームに組み付けられたＣＴＥが大きい伸張部材が、温度変化による波長の変化を本質的にゼロとする歪量となるよう、グレーティングの長さを調整するというものである。
本発明は、特定の寸法の、ＣＴＥの小さなレバー・アームとＣＴＥの大きな伸張部材が、温度変化に伴う波長変化を本質的にゼロとするために、ファイバ・グレーティングに対して所望の変化量の歪を与えるように制御される。

本発明によれば、温度変化による波長の変化が本質的にゼロとなるように温度補償され、かつ構成要素の組み合わせが比較的コンパクトで、操作が安定で容易な頑丈な構造の受動的温度補償ファイバ・グレーティング装置が得られる。

本発明の一実施形態例においては、伸張部材は筐体側壁とレバー・アームの間に配設された伸張アームを含み、筐体床面に対するレバー・アーム角度が温度上昇に伴って増加するようになっている（したがって、ファイバ・グレーティングに沿った歪が緩和し、一定の波長を維持する）。本発明の他の実施形態例においては、ＣＴＥが大きい要素は、レバー・アームと物理的に接触し所望の温度補償を与えるために必要な角度変化を起こすように、筐体内に埋め込まれる。
本発明のよりよい理解のために、添付の図、および添付の請求の範囲とにより以下に説明する。なお、これらの図面は必ずしも寸法通りではない。また、同様の部位を示す場合は同じ数字を用いている。

本発明の受動的温度補償ファイバ・グレーティング装置は、ファイバ・グレーティングは温度Ｔ、および歪εの両方に対してその変化に敏感であるということに基づいている。温度上昇はグレーティングの中心波長を長波長方向にずらし、歪の減少はグレーティングの中心波長を短波長方向にずらす。したがって、所望の中心波長を維持するために、温度による変化は対応する歪による変化によって補償される。本発明の受動的温度補償ファイバ・グレーティングの動作をより理解するために、以下に示す温度、および歪の条件に関する基本となる数学的な概念を理解することが有用である。

ブラッグ・グレーティングに対して、ブラッグ波長は温度（Ｔ）、および歪（ε）の関数として式（１）で表わされる。

ここで、ｎは反射係数、Λはグレーティングの周期である。

これらを偏微分した結果が式（２）、式（３）である。

ブラッグ波長で表現するとき、その偏微分は式（４）、式（５）のようになる。

したがって、歪、および温度の両方の変化に対するブラッグ波長の変化は、両方の効果の重ね合わせであるから、ブラッグ波長の全変化は式（６）で表わされる。

光弾性歪定数Ｐεは式（７）で定義される。

熱光学係数ξは式（８）で定義される。

ファイバの熱膨張係数（ＣＴＥ）は式（９）、および式（１０）で定義される。

前記を変換すると、式（１１）になる。

理想的な補償、即ちΔλ＝０の場合、前記の式は式（１２）のようになる。

結果として、温度の変化に対する歪の変化の関係は式（１３）で表わされる。

このように理解することで、本発明の受動的温度補償ファイバ・グレーティングの有用性を詳細に説明することが出来る。図１は、熱膨張係数（ＣＴＥ）が小さい材料（たとえばコバール（Ｋｏｖａｒ）、あるいはインバー（Ｉｎｖａｒ）など）で作られた筐体１２を含む本発明の構造１０の例を示している。レバー・アーム１４は、図示するように、第１の端部１６が点Ｐで筐体１２の底面１８に固定されている。本発明によれば、レバー・アーム１４もＣＴＥが小さい材料を含む。ファイバ・グレーティング２０は、筐体１２の上端面２２とレバー・アーム１４の反対側の端部２４の間に取り付けられているように図示されている。

本発明によれば、かなりＣＴＥが大きい材料（たとえば、真鍮、あるいはアルミ合金など）からなる伸張アーム２６が、筐体１２の側壁２８とレバー・アーム１４の間に位置している。これによって、周囲温度の変化にともない、伸張アーム２６が伸びる、あるいは縮むと、筐体１２に対するレバー・アーム１４の角度が変化し、その結果、ファイバ・グレーティング２０に応力、あるいは歪が加えられて、ファイバ・グレーティングは同様に引伸ばされ、あるいは圧縮される。事実、温度が高ければ高いほど、レバー・アーム１４のチューニング角度Θは大きくなる。

したがって、材料、伸張アームの長さなどを注意深く選択することにより、ファイバ・グレーティングに周囲温度の変化を補償する歪変化を与えることが可能になる。即ち、本発明によれば、温度変化に起因する波長のずれを補正するように、それに対応するファイバ・グレーティングの直線的な移動を発生するために、レバー・アーム角度が選択される。本発明による構造のキーとなることは、温度による波長のずれを補償する歪変化を与えるＣＴＥが小さいレバー・アーム１４を変位させるために、歪変化が変位として表わされるようにＣＴＥが大きい伸張要素２６を使用することである。

図１は、周囲温度が比較的低く、伸張アーム２６が比較的短く第１の長さｌ_ｌｏｗを含むように定められた、本発明による補償装置１０を示す。したがって、この構造においては、レバー・アーム１４の角度変位は比較的大きく、グレーティング２０の長さがＦ_ｌとなるようにある歪がグレーティング２０に与えられる。

この構造を図２の実施例と比較すると、図２も同じく補償装置１０を示すが、この場合、温度が上昇し、伸張アーム２６が、図示するように長さｌ_ｈｉｇｈを示すまで長くなる。アーム２６が伸び、角度Θ_ｈｉｇｈまでレバー・アーム１４を回転させた結果、ファイバ・グレーティング２０の歪を低減させ、グレーティングの長さが短くなってＦ_２となる。比較のために、図３は、伸張アーム２６の伸び／縮みとその結果であるレバー・アーム１４の移動によって制御されるような「低温」（図１）、および「高温」（図２）のレバー・アーム１４の位置を一緒に示している。

図３において、温度の上昇が伸張アーム２６を長くし、レバー・アーム１４の角度変位が回転角をΘ_ｌｏｗＴからΘ_{ｈｉｇｔＴ}まで増加させる。レバー・アーム１４の変位は以下の式（１４）で表わされる。

Ｌ_ｌｏｗＴ＝ＬｃｏｓΘ_ｌｏｗＴであり、Ｌ_{ｈｉｇｈＴ}＝ＬｃｏｓΘ_{ｈｉｇｈＴ}であるから、

前記の議論から、変位は式（１６）で表わされる。

ここでＬはレバー・アーム１４の長さであって、簡単にすると、

具体例として、中心波長１５５０ｎｍである長さ１５ｍｍのファイバ（１０ｍｍのグレーティング、プラス各２．５ｍｍの両端の緩衝部）の１００℃における波長変化は、１．１ｎｍである。本発明の受動的構造を用いてこの波長のずれを補償するために必要な歪は、式（１８）で決められる。

対応する変位は式（１９）である。

したがって、レバー・アームの長さＬを５ｍｍ、レバー・アームの初期角度Θ_ｌｏｗＴを９０°、伸張アーム２６を１．２５ｍｍに設定すると、ＣＴＥが大きい伸張アーム２６は、受動的温度補償のためにΔＬ＝１３．６４７６μｍの変位を与えるよう、最大３．４１２μｍ伸びる必要があることがわかる。

図４は、他の受動的温度補償光ファイバ・グレーティングの構造５０を示す。前記議論の構造と同様に、構造５０はＣＴＥが小さい材料で構成される筐体５２を含む。レバー・アーム５４も同じくＣＴＥが小さい材料で構成され、底部５６に沿って筐体５２に固定される。筐体５２の固定側壁５８も同じくＣＴＥが小さい材料で構成される。図示するように、ファイバ・グレーティング６０は固定側壁５８とレバー・アーム５４の間に取り付けられる。

本発明によるこの具体例において、ＣＴＥが大きい材料で作られた伸張円盤６２は、好ましくはレバー・アーム５４が底部５６に取り付けられている付近に、レバー・アーム５４と物理的に密着するように筐体５２の中に設けられる。図５の側面図から明らかなように、伸張円盤６２が温度が変化する間に伸び／縮みするにしたがい、レバー・アーム５４も同様に動く。図５の矢印は円盤６２の寸法変化に応じたレバー・アーム５４の動きを示す。このように本発明によって、温度変化に対する補償のためにファイバ・グレーティング６０に沿って適切な歪を与えるように円盤６２の寸法を選ぶことが出来る。

ＣＴＥが大きい構成要素として伸張アームを使用した、本発明により構成した温度補償ファイバ・グレーティングの配置を側面から見た例であって、「温度が低い」状態のアーム１４の位置を示す。 図１の温度補償ファイバ・グレーティングを簡単にしたもので、「温度が高い」状態のアーム１４の位置を示す。 比較のために、図１の「温度が低い」状態の温度補償ファイバ・グレーティング位置と、図２の「温度が高い」状態の温度補償ファイバ・グレーティング位置の両方の例を示す。 本発明の他の実施例の等角投影図であって、小さなＣＴＥのレバー・アームの位置を調節するために大きなＣＴＥを持つ材料の伸張円盤を使用している。 図４の他の実施例の側面図であって、レバー・アームに対する大きなＣＴＥの伸張円盤の配置を示す。

符号の説明

１０ 温度補償グレーティング組み立て構造
１２ 筐体
１４ レバー・アーム
１６ 第１の端部
１８ 底面
２０ ファイバ・グレーティング
２２ 上端面
２４ レバー・アームの反対側端部
２６ 伸張アーム
２８ 筐体側壁
５０ 温度補償グレーティング組み立て構造の他の例
５２ レバー・アーム
５６ 底部
５８ 固定側壁
６０ ファイバ・グレーティング
６２ 伸張円盤

Claims (7)

1. 底部、第１の固定された側壁、および第２の可動側壁であるレバー・アームとを有する比較的熱膨張係数（ＣＴＥ）が小さい材料で形成された支持筐体と、
   前記第１の固定された側壁と前記レバー・アームとの間に取り付けられた光ファイバ・グレーティングと、
   比較的熱膨張係数（ＣＴＥ）が大きい材料で形成され、前記支持筐体に取り付けられ、かつ前記レバー・アームと物理的に接触するように配設された伸張要素とを含む、受動的に温度補償される光学グレーティング装置において、
   温度変化の関数として前記ＣＴＥが大きい伸張要素の寸法が変化することにより、歪が温度変化による波長の変化をゼロにするように、前記光ファイバ・グレーティングに加えられる歪を調整するために所定の角度まで前記レバー・アームが回転させられることを特徴とする受動的に温度補償される光学グレーティング装置。
2. 前記ＣＴＥが小さい筐体と前記固定された側壁とはコバールから構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ＣＴＥが小さい筐体と前記固定された側壁とはインバーから構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記ＣＴＥが大きい伸張要素はアルミニウム合金から構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記ＣＴＥが大きい伸張要素は真鍮から構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記ＣＴＥが大きい伸張要素は、第２の固定側壁とレバー・アームとの間に設けられた伸張アームを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記ＣＴＥが大きい伸張要素は、前記筐体の内部に前記レバー・アームと物理的に密着して設けられている前記ＣＴＥが大きい材料の円盤を含むことを特徴とする装置。
   

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