JP2005115192A - Temperature compensation of fiber grating - Google Patents

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Masaki Ejima
正毅 江島
Kiyoshi Nakagawa
清 中川
Yoshifumi Suzaki
嘉文 須崎
Yasuo Mizutani
康男 水谷
Susumu Kimura
進 木村
Makoto Yamauchi
誠 山内
Masanori Kimura
雅則 木村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure of a fiber grating with temperature compensation in which the wavelength fluctuation of the fiber grating caused by change in temperature is suppressed with high accuracy. <P>SOLUTION: A compressive external force imparting structure formed by a combination of materials having a different thermal expansion coefficient is provided in multistages and combined. Compressive external force of a different amount in a different temperature range is applied to a fiber grating, thereby suppressing the wavelength fluctuation of the fiber grating due to change in temperature. To be concrete, a second stage structure is installed in the rear of the compressive external force imparting structure of the first stage that fixes the fiber grating, and the compressive external force is applied by the first stage structure to the fiber grating in a low temperature range while the compressive external force is applied by the second stage structure to the fiber grating through the adjacent first stage structure in a high temperature range by utilizing the elasticity of adhesive resin for fixing the thermal expansion material in the first stage structure. Thus, different temperature compensations are performed in different temperature ranges, thereby suppressing the wavelength fluctuation over the entire desired temperature range. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光ファイバーのコア部に形成されるファイバーグレーティングによって反射される光の反射波長が、環境温度の変化に対して変動する性質を抑制する構成を有するファイバーグレーティングに関するものである。 The present invention relates to a fiber grating having a configuration that suppresses the property that the reflection wavelength of light reflected by a fiber grating formed in a core portion of an optical fiber fluctuates with a change in environmental temperature.

ファイバーグレーティングは、光ファイバーのコアに周期的な屈折率変化を与えたもので、入射した光の特定波長のみを反射し、他の光はすべて通過させるフィルターである。反射光の波長帯域スペクトル幅は、通常、きわめて狭く、従って、この狭帯域特性を有すると言う特長を利用して、波長を高精度に指定して動作させる各種デバイス、装置、システムに、例えば高密度波長多重光通信、ファイバーレーザー共振器、温度・歪み等の各種センサー等々に、広く応用展開されている。
高確度の波長制御が要求されるこれらのデバイス応用においては、当然、使用環境温度の変化に対する安定性がきびしく要求される。温度を一定に制御する能動的装置に組み込んで用いることも一部においてなされてはいるが、受動的制御による温度安定性確保への要望は強い。
The fiber grating is a filter that gives a periodic refractive index change to the core of the optical fiber, reflects only a specific wavelength of incident light, and passes all other light. The wavelength band spectral width of reflected light is usually extremely narrow. Therefore, by utilizing the feature of having this narrow band characteristic, various devices, apparatuses, and systems that operate by specifying the wavelength with high accuracy are, for example, high Widely applied to various sensors such as density wavelength multiplexing optical communication, fiber laser resonator, temperature and strain.
In these device applications that require high-accuracy wavelength control, naturally, stability against changes in the use environment temperature is strictly required. Although some of them have been incorporated into active devices that control the temperature at a constant level, there is a strong demand for ensuring temperature stability by passive control.

ファイバーグレーティングの反射中心波長λは、コア部の実効屈折率neffと屈折率変調の周期Λ(グレーティング周期)によって、λ=2neff×Λとして決まる。この反射中心波長は、主に屈折率neffの正の温度依存性により、通常、−20℃から80℃の間で約1nm、すなわち約10pm/℃シフトする。温度変化による波長変動を抑制するため、屈折率変化に対して外力によりグレーティング周期Λを制御することで、温度補償がなされる。グレーティング周期Λを制御する手段として、(1)熱膨張率が異なる材料を組み合わせてファイバーグレーティングに正の温度変化に対して圧縮の外力を印加する方式(異種熱膨張率材料組合せ方式)、(2)負膨張材料に直接FBGを貼り付けてマイナス膨張を与える方式(負膨張材料方式)、さらに(3)上記(1)および(2)を組合わせたハイブリッド方式等がある。これらの方式によって、ファイバーグレーティングの波長温度変化は、−20℃から80℃の間でおおよそ30〜70pm、すなわち0.3〜0.7pm/℃の波長シフト量に抑制されている(例えば、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3参照。)。この波長シフト量は、温度補償なしの場合の約3〜7%である。
井上亨、「ファイバーグレーティングの作製とデバイス応用」、光学,vol.32,no.5,pp.317-319,May 2003. G.W. Yoffe, P.A. Krug, F. Ouellette, and D.A. Thorncraft, 「Passive temperature-compensating package for optical fiber gratings」、 APPLIED OPTICS, vol.34, no.30, pp.6859-6861, Oct. 1995. 井上亨、岩島徹、酒井和明、伊藤達也、角井素貴、榎本正、金森弘雄、「WDM伝送用ファイバーグレーティングの開発」、SEIテクニカルレビュー、第152号、pp.30-35,Mar. 1998.
The reflection center wavelength λ 0 of the fiber grating is determined as λ 0 = 2n eff × Λ by the effective refractive index n eff of the core portion and the refractive index modulation period Λ (grating period). The reflection center wavelength is usually shifted by about 1 nm, that is, about 10 pm / ° C. between −20 ° C. and 80 ° C. mainly due to the positive temperature dependence of the refractive index n eff . In order to suppress the wavelength fluctuation due to the temperature change, the temperature compensation is performed by controlling the grating period Λ with an external force against the refractive index change. As means for controlling the grating period Λ, (1) a system in which materials having different coefficients of thermal expansion are combined and an external force of compression is applied to the fiber grating in response to a positive temperature change (different thermal expansion coefficient material combination system), (2 ) There are a method in which FBG is directly attached to a negative expansion material to give negative expansion (negative expansion material method), and (3) a hybrid method in which the above (1) and (2) are combined. By these methods, the wavelength temperature change of the fiber grating is suppressed to a wavelength shift amount of approximately 30 to 70 pm, that is, 0.3 to 0.7 pm / ° C. between −20 ° C. and 80 ° C. (for example, non- (See Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Non-Patent Document 3.) This wavelength shift amount is about 3 to 7% in the case without temperature compensation.
Satoshi Inoue, “Fabric grating fabrication and device application”, Optics, vol.32, no.5, pp.317-319, May 2003. GW Yoffe, PA Krug, F. Ouellette, and DA Thorncraft, `` Passive temperature-compensating package for optical fiber gratings '', APPLIED OPTICS, vol.34, no.30, pp.6859-6861, Oct. 1995. Satoshi Inoue, Toru Iwashima, Kazuaki Sakai, Tatsuya Ito, Motoki Tsunoi, Tadashi Enomoto, Hiroo Kanamori, “Development of Fiber Grating for WDM Transmission”, SEI Technical Review, No. 152, pp.30-35, Mar. 1998 .

しかしながら、狭帯域特性を有すると言うファイバーグレーティングの特長を充分に発現させるには、環境温度の変化に対する中心波長のシフト量はさらに抑制されるべきであり、各種デバイス、装置、システム等に応用するユーザーからの要求はきわめて強い。我々の目的は、従来達成されている波長シフト量よりもはるかに小さく、出来れば−20℃から80℃の間で30pm以下の波長シフト量に抑制する温度補償付きファイバーグレーティングを提供することである。 However, in order to fully develop the characteristics of the fiber grating that has a narrow band characteristic, the shift amount of the center wavelength with respect to changes in the environmental temperature should be further suppressed, and it can be applied to various devices, apparatuses, systems, etc. User demands are very strong. Our goal is to provide a temperature-compensated fiber grating that is much smaller than the wavelength shift achieved so far, preferably to a wavelength shift of less than 30 pm between -20 ° C and 80 ° C. .

無負荷の状態でのファイバーグレーティングの温度依存性に関し、我々の実験データを図3に示す。反射中心波長は室温20℃で1548.54nmであり、図ではこの値を基準にして変動量を表した。温度に対して、一見、直線的に変化しているように見えるが、温度の中間部分でわずかではあるが直線からはずれて凹んでいる。すなわち、温度の1次関数だけでなく2次関数の依存性を持っている。図3の実測値データ#1を温度の1次関数にフィッティングさせ、実測値データと1次関数フィッティング直線から計算される値の差を図4の曲線#2に示す。 Our experimental data on the temperature dependence of fiber gratings under no load is shown in FIG. The reflection center wavelength is 1548.54 nm at a room temperature of 20 ° C., and the amount of variation is represented in the figure based on this value. At first glance, it appears to change linearly with respect to temperature, but it is slightly off the straight line at the middle part of the temperature. That is, it has not only a linear function of temperature but also a dependency of a quadratic function. The actual value data # 1 in FIG. 3 is fitted to a linear function of temperature, and a difference between values calculated from the actual value data and the linear function fitting line is shown in a curve # 2 in FIG.

従来の方式、例えば上述の(1)異種材料組合せ方式、(2)負膨張材料方式、および(3)ハイブリッド方式に用いられる材料は、例えばアルミニウム、SUS,石英等の熱膨張率は、−20℃〜80℃の温度領域では温度に対して一定である。このことは温度変化の1次関数の補償が可能であることを意味しており、従って、最適化されても図4の#2の曲線が波長シフト量抑制の理論的限界であり、その値は−20℃〜80℃の間で約25pmであって、それ以下に抑制することは原理的に不可能である。図4の曲線#3は、従来の異種材料組合せ方式で温度補償を行った我々の実験結果で、−20℃〜80℃の間で波長シフト量は36pmであった。我々のこの実験に、さらに技巧をこらして改善しても、限界は約25pmで、それ以下に抑制することは不可能である。温度補償を負膨張材料方式で行っても、ハイブリッド方式で行っても、1次関数フィッティングを目標に補償を行う限り、同様である。 The materials used in the conventional methods, for example, the above-mentioned (1) different material combination method, (2) negative expansion material method, and (3) hybrid method, are, for example, aluminum, SUS, quartz, etc. It is constant with respect to the temperature in the temperature range from 80 ° C to 80 ° C. This means that the linear function of the temperature change can be compensated. Therefore, even if optimized, the curve # 2 in FIG. 4 is the theoretical limit of the wavelength shift suppression, and the value Is about 25 pm between −20 ° C. and 80 ° C., and it is impossible in principle to suppress it below that. Curve # 3 in FIG. 4 is a result of our experiment in which temperature compensation was performed by a conventional combination method of different materials, and the wavelength shift amount was −36 pm between −20 ° C. and 80 ° C. Even if we further improve our experiments, the limit is about 25 pm, and it is impossible to suppress it below that limit. Whether temperature compensation is performed using a negative expansion material method or a hybrid method is the same as long as compensation is performed with a goal of linear function fitting.

従来からもっともよく採用されている方式は、図2に示す異種材料組合せ方式である。材料3が低熱膨張率材料(例えば、石英ガラス)で、材料4が高熱膨張率材料(例えば、アルミニウム)で、両者は樹脂6で接着固定されている。この接着固定は両側面において対をなしてなされており、以下すべて同様である。ファイバー1に形成されたファイバーグレーティング2の部分は、樹脂5で高熱膨張率材料4に2箇所で接着固定されている。環境温度が上がると、材料3の左右外方向への熱膨張よりも、材料4による左右内方向への熱膨張が大きいため、ファイバーグレーティング2は圧縮の外力を受けることになり、これによってその反射波長の温度依存性がキャンセルされる。2つの材料の熱膨張係数と、その長さと、樹脂5および6の位置および間隔を適切に設計することで最適の温度補償が得られる。負膨張材料方式(図示しない)においては、ファイバーグレーティングが形成されたファイバーを2箇所で樹脂を用いて、負膨張材料からなる台に接着して圧縮の外力をファイバーグレーティングに作用させて、同様の温度補償が得られる。この場合は、最適の負膨張率を有する負膨張材料の選択が必要であるが、持ち合わせの負膨張材料の熱膨張率が最適値からはずれている場合は、負膨張材料の台の上に図2に示す異種材料組合せ方式を適用したハイブリッド方式で最適の温度補償を行うことが可能である。しかしながら、上述するように、これらの従来方式による補償は1次関数補償であって、中心波長変動量を図4の#2の曲線以下に抑制することは不可能である。事実、図2の異種材料組合せ方式を適用した我々の実験では、図4の曲線#3が得られており、作製に技巧をこらしても曲線#2が原理的限界である。 The method that has been most often employed in the past is the dissimilar material combination method shown in FIG. The material 3 is a low coefficient of thermal expansion (for example, quartz glass), the material 4 is a high coefficient of thermal expansion (for example, aluminum), and both are bonded and fixed with a resin 6. This adhesive fixing is made in pairs on both sides, and so on. The part of the fiber grating 2 formed on the fiber 1 is bonded and fixed to the high thermal expansion coefficient material 4 with resin 5 at two places. When the environmental temperature rises, the thermal expansion of the material 4 in the left-right inward direction is larger than the thermal expansion of the material 3 in the left-right outward direction, so that the fiber grating 2 receives an external force of compression. The temperature dependence of the wavelength is cancelled. Optimal temperature compensation can be obtained by appropriately designing the coefficients of thermal expansion of the two materials, their lengths, and the positions and spacings of the resins 5 and 6. In the negative expansion material method (not shown), the fiber formed with the fiber grating is bonded to a base made of a negative expansion material by using resin at two locations, and an external force of compression is applied to the fiber grating. Temperature compensation is obtained. In this case, it is necessary to select a negative expansion material having an optimum negative expansion coefficient. However, if the thermal expansion coefficient of the prepared negative expansion material deviates from the optimum value, the figure is placed on the base of the negative expansion material. It is possible to perform optimum temperature compensation by a hybrid method to which the different material combination method shown in FIG. 2 is applied. However, as described above, the compensation by these conventional methods is a linear function compensation, and it is impossible to suppress the center wavelength fluctuation amount below the curve # 2 in FIG. In fact, in our experiment using the different material combination method of FIG. 2, the curve # 3 of FIG. 4 is obtained, and the curve # 2 is the fundamental limit even if it is skillfully produced.

従来方式におけるこの原理的限界は、対象とする温度領域全体にわたって、温度に対して1次関数として依存しない波長シフトを、温度に対して1次関数として熱膨張する材料を組合せてキャンセルさせようとすることに起因している。温度に対して2次関数依存の現象を、1次関数依存の現象でキャンセルさせて補償することは不可能であり、逆符号の2次関数依存の補償を行ってはじめて可能となる。対象とする温度領域を、たとえば2つに低温度領域と高温度領域に分割して、別々に温度補償を施せば2次関数としての補償が、すなわち2次関数に近似される補償が可能となり、上述の従来方式における限界を超えることが出来る。ただし、ここで一方の温度領域における温度補償が、他方の温度領域における温度補償を乱さないことが必要である。これが本発明の発想の原点である。 This principle limit in the conventional method is to cancel the wavelength shift that does not depend on the temperature as a linear function over the entire temperature range to be combined with a material that thermally expands as a linear function with respect to the temperature. Is due to It is impossible to cancel a quadratic function-dependent phenomenon with respect to the temperature by canceling it with a linear function-dependent phenomenon, and it is possible only after performing a quadratic function-dependent compensation of the opposite sign. If the target temperature region is divided into two, for example, a low temperature region and a high temperature region, and temperature compensation is performed separately, compensation as a quadratic function, that is, compensation approximating a quadratic function becomes possible. The limit in the above-described conventional method can be exceeded. However, it is necessary here that the temperature compensation in one temperature region does not disturb the temperature compensation in the other temperature region. This is the origin of the idea of the present invention.

これを実現するためには、まず2つの温度領域に、低温度領域と高温度領域に分けて別々に温度補償を行うことが必要である。図3のデータに対して、−20℃〜20℃の低温度領域と、20℃〜80℃の高温度領域に分けてこれを適用すると、図5のようになる。曲線#4が−20℃〜20℃の低温度領域に対するもので、曲線#5が20℃〜80℃の高温度領域に対するものであり、本発明の多段型圧縮外力付与構成を2段にして適用し、それぞれの温度領域で温度補償を別々に行えば、−20℃〜80℃の全温度領域における波長シフト量は、それぞれの温度領域での波長シフト量の大きい方で決まる値が原理的限界となる。それぞれの波長シフト量は、−20℃〜20℃では曲線#4から4pm、20℃〜80℃では曲線#5から6pmとなり、この場合は6pmが全温度領域での波長シフト量が原理的限界となる。全温度領域を1次関数で補償する従来方式における波長シフト量は、図4の曲線#2について上述したように原理的限界は25pmであったから、本発明の方法ではこれが6pmとなり、大幅に抑制が改善される。
対象とする温度領域を2個ではなく、さらに多くに分割し、多段型圧縮外力付与構成とすれば、波長シフト量の限界値はさらに小さく抑制することが可能となる。
In order to realize this, first, it is necessary to perform temperature compensation separately in two temperature regions, divided into a low temperature region and a high temperature region. If this is applied to the data in FIG. 3 divided into a low temperature region of −20 ° C. to 20 ° C. and a high temperature region of 20 ° C. to 80 ° C., the result is as shown in FIG. Curve # 4 is for the low temperature region of −20 ° C. to 20 ° C., curve # 5 is for the high temperature region of 20 ° C. to 80 ° C., and the multistage compression external force imparting configuration of the present invention is made in two stages. If applied and temperature compensation is performed separately in each temperature region, the wavelength shift amount in the entire temperature region of −20 ° C. to 80 ° C. is theoretically determined by the larger wavelength shift amount in each temperature region. It becomes a limit. The respective wavelength shift amounts are from curve # 4 to 4 pm at −20 ° C. to 20 ° C., and from curve # 5 to 6 pm at 20 ° C. to 80 ° C. In this case, 6 pm is the theoretical limit of the wavelength shift amount in the entire temperature range. It becomes. The wavelength shift amount in the conventional method that compensates the entire temperature range with a linear function is 25 pm as described above with respect to curve # 2 in FIG. Is improved.
If the target temperature region is divided into more than two, and the multistage compression external force application configuration is adopted, the limit value of the wavelength shift amount can be further reduced.

後述する実施例および比較例の実験結果から、本発明の方式による温度補償は、きわめて大きな効果を有していることが証明できた。 From the experimental results of Examples and Comparative Examples described later, it has been proved that the temperature compensation by the method of the present invention has a very large effect.

請求項1の発明によれば、熱膨張率の異なる材料の組合せからなる圧縮外力付与構成を用い、これに固定されたファイバーグレーティングにその両端または一端から圧縮外力を印加して環境温度変化によるその波長変動を抑制する温度補償付きファイバーグレーティングにおいて、圧縮外力付与構成を複数段設ければ、従来方式による温度補償を上回る温度補償を得ることが可能となる。異なる温度領域において、異なる量の圧縮外力がファイバーグレーティングに印加されるからである。上述実施例においては、2段の圧縮外力付与構成からなる組合せによる温度補償で本発明の効果を証明したが、さらに3段、4段と段数を増やせば、組み上げ作業において複雑さは多くなるが、上述実施例の実験結果よりさらに小さく波長シフト量を抑制できることが、当然、予想される。 According to the first aspect of the present invention, a compression external force applying structure composed of a combination of materials having different coefficients of thermal expansion is used, and a compression external force is applied to the fiber grating fixed thereto from both ends or one end thereof by changing the environmental temperature. In a fiber grating with temperature compensation that suppresses wavelength fluctuation, if a plurality of compression external force applying structures are provided, it is possible to obtain temperature compensation that exceeds the temperature compensation according to the conventional method. This is because different amounts of compression external force are applied to the fiber grating in different temperature regions. In the above-described embodiment, the effect of the present invention was proved by temperature compensation by a combination of two-stage compression external force imparting configurations. However, if the number of stages is increased to three stages and four stages, the assembly work increases in complexity. Naturally, it is expected that the wavelength shift amount can be further reduced than the experimental result of the above-described embodiment.

請求項2の発明によれば、請求項1記載の圧縮外力付与構成において、熱膨張率の異なる材料を圧縮外力付与構成の中に固定する材料が1箇所または複数箇所において弾性を有する樹脂であれば、異なる温度領域において異なる量の圧縮外力が樹脂の弾性によって連続してファイバーグレーティングに印加されるため、従来方式による温度補償を上回る温度補償を得ることが可能となる。もちろん、温度の上げ下げの繰り返しによって、樹脂の弾性の復元力が変化しないことが必要である。
次に本発明の実施の形態について述べる。
According to the invention of claim 2, in the compression external force application structure according to claim 1, the material for fixing the materials having different thermal expansion coefficients in the compression external force application structure may be a resin having elasticity at one place or a plurality of places. For example, since different amounts of compression external force are continuously applied to the fiber grating due to the elasticity of the resin in different temperature regions, it is possible to obtain temperature compensation that exceeds the temperature compensation according to the conventional method. Of course, it is necessary that the resilience of the elasticity of the resin does not change due to repeated increases and decreases in temperature.
Next, embodiments of the present invention will be described.

本発明の特徴を最も明確に発現させるため、我々は、従来方式で採られている1段型の圧縮外力付与構成に、別の第2段の圧縮外力付与構成を第1段目構成の後方に隣接して配置し、使用した樹脂の弾性によって、低温度領域と高温度領域で異なる温度補償を得ることができた。ここで後方とは、ファイバーグレーティングを直接固定する圧縮外力付与構成が第1段目構成で、その外側に位置することを言う。圧縮外力付与構成を2段とした場合の実験結果を実施例で、従来方式との比較を比較例で説明する。   In order to express the characteristics of the present invention most clearly, we have added a second-stage compression external force application configuration to the one-stage compression external force application configuration employed in the conventional method, and the rear of the first-stage configuration. Due to the elasticity of the resin used, it was possible to obtain different temperature compensation in the low and high temperature regions. Here, the term “rear” means that the compression external force imparting configuration for directly fixing the fiber grating is the first-stage configuration and is located on the outer side. The experimental results in the case where the compression external force imparting configuration is two stages will be described in Examples, and the comparison with the conventional method will be described in Comparative Examples.

本発明の方法で作製した本発明の温度補償付きファイバーグレーティングを、図1、図3、図4、図5、図6を用いて説明する。光ファイバーの樹脂被覆部を17mmにわたって除去し、紫外線レーザー光を用いて位相マスク法で、10mm長のファイバーグレーティングを作製した。図1のように固定する前に、無負荷の状態で20℃の室温でスペクトラムアナライザーを用いて測定したときの中心波長は1548.54nmであった。これを恒温槽にセットして、−20℃から80℃まで温度を20℃間隔で変えてこの波長を測定した結果を図3に示す。それぞれの温度での中心波長のデータは30分間その温度に維持してからスペクトラムアナライザーで読み取った。図では室温20℃での波長からのズレとしてプロットした。この図の曲線#3に対して1次関数フィッティングを施した場合の、各温度における波長データのフィッティングからのズレ量を20℃を基準にしてプロットしたデータが図4の曲線#2である。従来方式の温度補償を適用した場合、波長シフト量の抑制極限値は、この曲線#2から−20℃〜80℃の範囲での最大値と最小値の差で、この曲線の場合は25pmとなる。これに対して、本発明の手法により、図3のデータを−20℃〜20℃の低温度領域および20℃〜80℃の高温度領域の2つの温度領域に分割して、それぞれ別々に1次関数フィッティングを行った結果が、図5の曲線#4および曲線#5である。図は、2つの温度領域の境界である20℃を基準にして、各温度における波長データのフィッティングからのズレ量をプロットしたものである。本発明の温度補償を適用した場合、波長シフト量の抑制極限値は、−20℃〜20℃の低温度領域での曲線#4の最大値と最小値の差(この場合は4pm)と、20℃〜80℃の高温度領域での曲線#5の最大値と最小値の差(この場合は6pm)との大きい方で決まる。すなわち、この場合は6pmが波長シフト量の抑制限界値であり、従来方式における限界値25pmに対して、大きく改善できることが明らかである。 The temperature-compensated fiber grating of the present invention produced by the method of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 3, FIG. 4, FIG. The resin coating portion of the optical fiber was removed over 17 mm, and a fiber grating having a length of 10 mm was produced by a phase mask method using ultraviolet laser light. Before fixing as shown in FIG. 1, the center wavelength when measured with a spectrum analyzer at room temperature of 20 ° C. under no load was 15548.54 nm. FIG. 3 shows the result of measuring this wavelength by setting this in a thermostat and changing the temperature from −20 ° C. to 80 ° C. at intervals of 20 ° C. The center wavelength data at each temperature was read for 30 minutes after being maintained at that temperature. In the figure, the deviation from the wavelength at room temperature of 20 ° C. is plotted. The curve # 2 in FIG. 4 is data obtained by plotting the shift amount from the fitting of the wavelength data at each temperature on the basis of 20 ° C. when the linear function fitting is performed on the curve # 3 in this figure. When the temperature compensation of the conventional method is applied, the limit value for suppressing the wavelength shift amount is the difference between the maximum value and the minimum value in the range of −20 ° C. to 80 ° C. from the curve # 2, and 25 pm in this curve. Become. In contrast, according to the method of the present invention, the data in FIG. 3 is divided into two temperature regions, a low temperature region of −20 ° C. to 20 ° C. and a high temperature region of 20 ° C. to 80 ° C. The result of the next function fitting is curve # 4 and curve # 5 in FIG. The figure plots the amount of deviation from the fitting of wavelength data at each temperature, with 20 ° C. being the boundary between the two temperature regions as a reference. When the temperature compensation of the present invention is applied, the wavelength shift amount suppression limit value is the difference between the maximum value and the minimum value of curve # 4 in the low temperature region of −20 ° C. to 20 ° C. (in this case, 4 pm), It is determined by the larger of the difference between the maximum value and the minimum value of curve # 5 (in this case, 6 pm) in the high temperature range of 20 ° C. to 80 ° C. That is, in this case, 6 pm is the limit value for suppressing the wavelength shift amount, and it is clear that this can be greatly improved with respect to the limit value of 25 pm in the conventional method.

石英からなる断面が2mm×1mmの矩形で長さが55mmの基板3に、アルミニウムからなる断面が1.5mm×1mmの矩形で長さが10mmの熱膨張材料4および7をそれぞれ2個ずつ準備して、紫外線硬化型エポキシ樹脂で6、8、および5で図1のように接着固定した。樹脂が占める範囲は直径で約2mmである。ファイバーグレーティングの両側2個のアルミニウム熱膨張材料4の間隔は15mmで、光ファイバーの被覆除去端部は、両端ともに紫外線硬化型エポキシ樹脂5の中に埋まっている。基板3に紫外線硬化型エポキシ樹脂6で熱膨張材料4を接着固定した部分が第1段目の圧縮外力付与構成であり、基板3に紫外線硬化型エポキシ樹脂8で熱膨張材料7を接着固定した部分が第2段目の圧縮外力付与構成である。第1段目の圧縮外力付与構成によって、紫外線硬化型エポキシ樹脂6で石英からなる基板3に接着固定されたアルミニウム熱膨張材料4は左右ともに、環境温度上昇とともに熱膨張し、紫外線硬化型エポキシ樹脂5で左右を固定されたファイバーグレーティングには圧縮の外力が収縮方向に作用し温度補償が可能となる。さらに、第2段目の圧縮外力付与構成においては、紫外線硬化型エポキシ樹脂8で基板3に固定された左右のアルミニウム熱膨張材料7は、温度上昇によって紫外線硬化型エポキシ樹脂8を基準にして熱膨張し、隣り合わせて接するアルミニウム熱膨張材料4をファイバーグレーティングの側へ推す外力が発生する。この外力によって、第1段目の圧縮外力付与構成の中の紫外線硬化型エポキシ樹脂6が弾性を有する場合、アルミニウム熱膨張材料4はファイバーグレーティングの側へ推されて、ファイバーグレーティングは左右から、第1段目の圧縮外力付与構成による外力に加えて、さらにこの第2段目の圧縮外力付与構成による外力を受けて圧縮され、第1段目の圧縮外力付与構成の外力とは異なった大きな外力が作用し、異なる量の温度補償が可能となる。ここで、この紫外線硬化型エポキシ樹脂8で基板3に固定された第2段目の圧縮外力付与構成のアルミニウム熱膨張材料7の熱膨張量は、低温度領域では小さくて働かず、高温度領域のみで働き、その結果、2つの温度領域で別々の温度補償が可能となる。−20℃〜80℃の全温度領域での温度補償の最適化は、紫外線硬化型エポキシ樹脂8および6の接着固定位置を左右に調整することで出来る。この最適化を行った実験結果を図6に曲線#6で示す。−20℃〜80℃の全温度領域での波長シフトの最大値と最小値の差は8pmとなり、上述した本発明の理論的抑制限界値の6pmの近くまで達成することができ、本発明の効果が充分に証明できた。 Prepare two pieces of thermal expansion materials 4 and 7 each having a rectangular section of 2 mm × 1 mm and a length of 55 mm made of quartz and a rectangular section of 1.5 mm × 1 mm and a length of 10 mm made of aluminum. Then, it was bonded and fixed as shown in FIG. 1 with 6, 8, and 5 using an ultraviolet curable epoxy resin. The range occupied by the resin is about 2 mm in diameter. The distance between the two aluminum thermal expansion materials 4 on both sides of the fiber grating is 15 mm, and both ends of the optical fiber coating removal are embedded in the ultraviolet curable epoxy resin 5. The portion where the thermal expansion material 4 is bonded and fixed to the substrate 3 with the ultraviolet curable epoxy resin 6 is the first-stage compression external force imparting configuration, and the thermal expansion material 7 is bonded and fixed to the substrate 3 with the ultraviolet curable epoxy resin 8. The portion is the second stage compression external force application structure. The aluminum thermal expansion material 4 bonded and fixed to the quartz substrate 3 with the ultraviolet curable epoxy resin 6 by the first stage compression external force imparting configuration thermally expands with increasing environmental temperature on both sides, and the ultraviolet curable epoxy resin. The fiber grating whose left and right sides are fixed at 5 is subjected to compression external force in the contraction direction, and temperature compensation is possible. Further, in the second-stage compression external force imparting configuration, the left and right aluminum thermal expansion materials 7 fixed to the substrate 3 with the ultraviolet curable epoxy resin 8 are heated with reference to the ultraviolet curable epoxy resin 8 as the temperature rises. The external force which expands and pushes the aluminum thermal expansion material 4 which adjoins and adjoins to the fiber grating side generate | occur | produces. When the ultraviolet curable epoxy resin 6 in the first stage compression external force application structure has elasticity due to this external force, the aluminum thermal expansion material 4 is pushed toward the fiber grating, and the fiber grating is In addition to the external force provided by the first-stage compression external force application structure, the external force is further compressed by the external force provided by the second-stage compression external force application structure, and the external force is different from the external force of the first-stage compression external force application structure. Acts to allow for different amounts of temperature compensation. Here, the thermal expansion amount of the aluminum thermal expansion material 7 having the second-stage compression external force application structure fixed to the substrate 3 by the ultraviolet curable epoxy resin 8 is small in the low temperature region and does not work. As a result, separate temperature compensation is possible in the two temperature regions. Optimization of temperature compensation in the entire temperature range of −20 ° C. to 80 ° C. can be performed by adjusting the adhesive fixing position of the ultraviolet curable epoxy resins 8 and 6 to the left and right. The result of this optimization is shown by curve # 6 in FIG. The difference between the maximum value and the minimum value of the wavelength shift in the entire temperature range of −20 ° C. to 80 ° C. is 8 pm, which can be achieved up to 6 pm, which is the theoretical suppression limit value of the present invention described above. The effect was fully proved.

なお、使用した樹脂接着剤の弾性復元力を確認するために、図1の構成で基板3、左側のアルミニウム熱膨張材料4、および左側の紫外線硬化型樹脂6の3点からなる構成(図示しない)を別に組み上げ、側圧機を用いて左側のアルミニウム熱膨張材料4に左側から荷重を繰り返して印加する実験を行った。側圧機による荷重を800gfまで印加して、これを何度繰り返しても印加荷重の劣化はまったく見られず、紫外線硬化型樹脂の復元力は充分に取れることが確認できた。 In order to confirm the elastic restoring force of the resin adhesive used, the configuration shown in FIG. 1 is composed of the substrate 3, the left aluminum thermal expansion material 4, and the left ultraviolet curable resin 6 (not shown). ) Was separately assembled, and an experiment was performed in which a load was repeatedly applied from the left side to the left aluminum thermal expansion material 4 using a side pressure machine. Even when the load by the side pressure machine was applied up to 800 gf and this was repeated many times, no deterioration of the applied load was observed, and it was confirmed that the restoring force of the ultraviolet curable resin could be taken sufficiently.

本実施例では、図1に示すように、左右対称に第2のアルミニウム熱膨張材料7を配置したが、これは片方だけにしても良い。 In this embodiment, as shown in FIG. 1, the second aluminum thermal expansion material 7 is arranged symmetrically in the left-right direction.

比較例Comparative example

従来から最もよく採られているファイバーグレーティングの温度補償方法と本発明による温度補償方法を比較した例を述べる。従来方式の構成を図2に示す。ファイバーグレーティングは、上記実施例と同じように、光ファイバーの樹脂被覆部を17mmにわたって除去し、紫外線レーザー光を用いて位相マスク法で、10mm長のファイバーグレーティングを作製した。図2のように固定する前に、無負荷の状態で測定した室温20℃での中心波長は上述実施例に酷似しており、またその温度依存性も上述実施例の図3の曲線#1と酷似してほぼ同一であり、ファイバーグレーティングは高い再現性で作製されたので、その結果の図は省略する。−20℃〜80℃の全温度範囲での波長シフト量の理論抑制限界値は、図4の曲線#2でその温度範囲での最大値と最小値の差、すなわち25pmである。 An example will be described in which the temperature compensation method of the fiber grating, which has been most often employed in the past, is compared with the temperature compensation method according to the present invention. The configuration of the conventional method is shown in FIG. In the fiber grating, as in the above example, the resin coating portion of the optical fiber was removed over 17 mm, and a fiber grating having a length of 10 mm was produced by a phase mask method using an ultraviolet laser beam. Before fixing as shown in FIG. 2, the center wavelength at room temperature of 20 ° C. measured in a no-load state is very similar to that of the above-described embodiment, and its temperature dependency is also curve # 1 of FIG. 3 of the above-described embodiment. Since the fiber grating was fabricated with high reproducibility, the resulting figure is omitted. The theoretical suppression limit value of the wavelength shift amount in the entire temperature range of −20 ° C. to 80 ° C. is the difference between the maximum value and the minimum value in the temperature range on curve # 2 in FIG. 4, that is, 25 pm.

図2に示すように、石英からなる断面が2mm×1mmの矩形で長さが35mmの基板3に、アルミニウムからなる断面が1.5mm×1mmの矩形で長さが10mmの熱膨張材料4および7をそれぞれ2個ずつ準備して、紫外線硬化型エポキシ樹脂で6および5で接着固定した。樹脂が占める範囲は直径で約2mmである。この組合せによって、圧縮外力付与構成を形成した。ファイバーグレーティングの両側のアルミニウム熱膨張材料4の間隔は15mmで、光ファイバーの被覆除去端部は、両端ともに紫外線硬化型エポキシ樹脂5の中に埋まっている。このようにして組み上げた温度補償付きファイバーグレーティングの波長シフト量の温度依存性を図4の曲線#3に示す。−20℃〜80℃の全温度領域での波長シフト抑制量は36pmであった。この従来方式における温度補償の波長シフト量抑制限界値は、上述のように25pmであり、紫外線硬化型エポキシ樹脂6の固定位置を調整すればさらに改善することは可能ではあるが、高度の熟練技巧を必要とし、また、改善できても25pmが限界値である。これに対して、本発明の2段の圧縮外力付与構成で組み上げた温度補償においては、対象温度範囲を−20℃〜20℃と20℃〜80℃と2つに分割した場合、実施例で述べたように、理論的限界値は6pmで、実験結果では8pmであった。従来方式の温度補償と本発明の方式による温度補償での波長シフト量の実験結果を図6に比較する。図6の曲線#3が従来方式による温度補償の実験結果で、曲線#6が本発明の方式による温度補償の実験結果である。従来方式で得られた波長シフト量は36pmで、本発明の方式で得られた波長シフト量は8pmであり、本発明の方式による温度補償で波長シフト量は格段に小さく抑制できることが証明された。 As shown in FIG. 2, the substrate 3 having a rectangular section of 2 mm × 1 mm and a length of 35 mm made of quartz, the thermal expansion material 4 having a rectangular section of 1.5 mm × 1 mm and a length of 10 mm made of aluminum, and Two pieces of 7 were prepared and bonded and fixed at 6 and 5 with an ultraviolet curable epoxy resin. The range occupied by the resin is about 2 mm in diameter. By this combination, a compression external force application structure was formed. The distance between the aluminum thermal expansion materials 4 on both sides of the fiber grating is 15 mm, and both ends of the optical fiber coating removal are buried in the ultraviolet curable epoxy resin 5. The temperature dependence of the wavelength shift amount of the temperature-compensated fiber grating assembled in this way is shown by curve # 3 in FIG. The amount of wavelength shift suppression in the entire temperature range of −20 ° C. to 80 ° C. was 36 pm. The wavelength compensation amount limit value for temperature compensation in this conventional method is 25 pm as described above, and it can be further improved by adjusting the fixing position of the ultraviolet curable epoxy resin 6, but it is highly skilled. Even if it can be improved, 25 pm is the limit value. On the other hand, in the temperature compensation assembled with the two-stage compression external force imparting configuration of the present invention, when the target temperature range is divided into -20 ° C to 20 ° C and 20 ° C to 80 ° C, it is As stated, the theoretical limit was 6 pm and the experimental result was 8 pm. FIG. 6 compares the experimental results of the wavelength shift amount between the conventional temperature compensation and the temperature compensation according to the method of the present invention. Curve # 3 in FIG. 6 is an experimental result of temperature compensation by the conventional method, and curve # 6 is an experimental result of temperature compensation by the method of the present invention. The wavelength shift amount obtained by the conventional method is 36 pm, the wavelength shift amount obtained by the method of the present invention is 8 pm, and it was proved that the wavelength shift amount can be remarkably suppressed by the temperature compensation by the method of the present invention. .

本発明方式のファイバーグレーティングの温度補償の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the temperature compensation of the fiber grating of this invention system. 従来方式によるファイバーグレーティングの温度補償の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the temperature compensation of the fiber grating by a conventional system. ファイバーグレーティングの無負荷状態での環境温度に対する中心波長変動量を示す図である。It is a figure which shows the amount of center wavelength fluctuations with respect to environmental temperature in the no-load state of a fiber grating. 波長シフト量の環境温度依存性を示す図である。曲線#2は、図3の曲線#1を温度の1次関数にフィッティングさせたときの、各温度におけるフィッティング値と実測値の差の温度依存性である。曲線#3は、従来方式に基づいて作製した温度補償付きファイバーグレーティングの波長シフト量の温度依存性である。It is a figure which shows the environmental temperature dependence of the amount of wavelength shifts. Curve # 2 is the temperature dependence of the difference between the fitting value and the actual measurement value at each temperature when curve # 1 in FIG. 3 is fitted to a linear function of temperature. Curve # 3 is the temperature dependency of the wavelength shift amount of the temperature-compensated fiber grating manufactured based on the conventional method. 波長シフト量の環境温度依存性を示す図である。図3の曲線#1を、−20℃〜20℃の低温度領域と20℃〜80℃の高温度領域に分けて温度の1次関数にフィッティングさせたときの、各温度におけるフィッティング値と実測値の差の温度依存性である。曲線#4は低温度領域に対するもので、曲線#5は高温度領域に対するものである。It is a figure which shows the environmental temperature dependence of the amount of wavelength shifts. When the curve # 1 in FIG. 3 is divided into a low temperature region of −20 ° C. to 20 ° C. and a high temperature region of 20 ° C. to 80 ° C. and fitted to a linear function of temperature, the fitting value at each temperature and the actual measurement It is the temperature dependence of the difference in values. Curve # 4 is for the low temperature region and curve # 5 is for the high temperature region. 従来方式に基づいて作製した温度補償付きファイバーグレーティングの波長シフト量の温度依存性(曲線#3)と本発明の方式に基づいて作製した温度補償付きファイバーグレーティングの波長シフト量の温度依存性(曲線#6)を示す図である。Temperature dependency of the wavelength shift amount of the fiber grating with temperature compensation manufactured based on the conventional method (curve # 3) and temperature dependency of the wavelength shift amount of the fiber grating with temperature compensation manufactured based on the method of the present invention (curve) FIG. 6 is a diagram showing # 6).

符号の説明Explanation of symbols

1 光ファイバー
2 ファイバーグレーティング
3 基板
4,7 熱膨張材料
5,6,8 紫外線硬化型樹脂
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber 2 Fiber grating 3 Substrate 4,7 Thermal expansion material 5,6,8 UV curable resin

Claims (2)

熱膨張率の異なる材料の組合せからなる圧縮外力付与構成を用い、該圧縮外力付与構成に固定されたファイバーグレーティングにその両端または一端から圧縮外力を印加して環境温度変化による該ファイバーグレーティングの波長変動を抑制する温度補償付きファイバーグレーティングおよびその製造方法において、該圧縮外力付与構成を該ファイバーグレーティングの両端または一端に2段以上複数段設けることを特徴とする温度補償付きファイバーグレーティングおよびその製造方法。 Wavelength variation of the fiber grating due to environmental temperature change by applying compression external force from both ends or one end to a fiber grating fixed to the compression external force application structure using a compression external force application structure composed of a combination of materials having different coefficients of thermal expansion A temperature-compensated fiber grating and a method for manufacturing the same, wherein two or more stages of the compression external force applying structure are provided at both ends or one end of the fiber grating. 請求項1記載の圧縮外力付与構成において、熱膨張率の異なる材料を該圧縮外力付与構成の中に固定する材料が1箇所または複数箇所において弾性を有する樹脂からなることを特徴とする温度補償付きファイバーグレーティングおよびその製造方法。 2. The compression external force applying structure according to claim 1, wherein the material for fixing materials having different coefficients of thermal expansion in the compression external force applying structure is made of a resin having elasticity at one or a plurality of positions. Fiber grating and manufacturing method thereof.
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