JP2005521108A - 長周期キラルファイバーグレーティング装置 - Google Patents

Abstract

多くの異なる用途において容易に利用できる多くの有利な特性を有する長周期キラルファイバーグレーティングＬＰＣＦＧが提供される。本発明のＬＰＣＦＧ（１０）は、これを通過して伝搬している光の波長を越えるピッチを有するファイバーグレーティングである。ＬＰＣＦＧ（１０）は、その透過スペクトルに多くの低下部を有するが、これを通過している信号のいかなる部分も反射させない。ＬＰＣＦＧは、その外部環境の屈折率（又はＬＰＣＦＧのクラッディング（１４）を覆っているコーティング（１６）の屈折率）における変化に対して敏感である。外部の屈折率の変化に応答して、透過低下部が屈折率の変化に比例して移動し、これによりファイバーセンサー素子としてＬＰＣＦＧを使用することができる。更に、ＬＰＣＦＧは偏光に感度があり、一方の旋光性の一つの円偏光の波が他方の偏光旋光性の波より強力にクラッディングモードに結合される。

Description

本発明は、一般にファイバーグレーティングに関し、より特別には長周期（ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄ）グレーティング特性を有する光ファイバーグレーティングに関する。

ファイバーグレーティングは、最近の情報及び通信技術の基幹を形成する構成要素内に組み入れられ、かつ情報処理及び波長分割多重化（ＷＤＭ）を利用した光ファイバー通信システムのような広範囲の用途に適している。多くの種々のファイバーグレーティングの形式及び形態がある。例えば、ファイバーブラッググレーティングは、レーザー発生、濾波、及び感知の用途に有用な事実上、１次元の光停止帯域構造である。種々のブラッググレーティング仕様も、色分散補償器に有用なチャープトファイバーグレーティング及び信号透過スペクトル内のサイドローブ消去に使用されるアポダイズドファイバーグレーティングを含む。

グレーティングの別の形式−長周期ファイバーグレーティング−は、感知及び濾波用、並びに変調が反射ではなくて放射し又は共伝搬してるクラッディングモードへの光の結合により達成されるその他の用途において特に関心のあるものである。長周期ファイバーグレーティングは、ファイバーブラッググレーティングとは異なり、典型的に、ファイバーのコア部のモードをファイバークラッディング内に結合させるために使用され、これは透過されたファイバーモードの減衰をもたらす。長周期ファイバーグレーティングのスペクトルには多数の透過低下部がある。これらの透過低下部は、これを通過している光信号の反射なしに生ずる。スペクトルの範囲に沿ったこれら低下部の位置は、ファイバーのクラッディングの外側媒体の屈折率に大きく依存する。そこで、ファイバー外側の屈折率の変化による透過低下部の移動が生ずる。典型的には、長周期ファイバーグレーティングの周期は、ファイバーを通過している光の波長よりかなり長い。

（長周期ファイバーグレーティングを含んだ）ファイバーグレーティングを作るための通常の方法は、光に起因する屈折率変化に基づく。長周期のファイバーは、これが先行して書かれた周期的変調と同位相にあるように位置を注意深く整列させながら、ファイバーを動かしそしてこれを照明に再び暴露することにより作られる。この処理に使用されるファイバーのコアは、ゲルマニウムをドーピングした石英ガラスのような特製の光屈折性のガラスで作らねばならない。この方法では、得られたグレーティングの長さが限定され、更に作られる屈折率のコントラストも限定される。更に、かかる設備は、レーザーの完全な整列、並びにこれがレーザーへの再露光より前に動かされたときのファイバーの微細な距離の正確な対応を必要とする。

そこで、これまで知られている長周期ファイバーグレーティングに勝る特性を有しかつ製作が容易な有利な長周期ファイバーグレーティングを提供することが望ましい。

図面において、数個の図を通して同様な符号は同様な要素を指す。

本発明は、多くの異なった用途において容易に利用できる多くの有利な特性を有する新規な長周期キラルファイバーグレーティング（以下ＬＰＣＦＧ）に向けられる。本質的に、本発明のＬＰＣＦＧは、これを通過して伝搬している光の波長を越えるピッチを有するファイバーグレーティングである。ＬＰＣＦＧは、ファイバーブラッググレーティングのようにある波長の光を反射する代わりに、その透過スペクトル内に多くの低下部を含むが、これを通過している信号のいかなる部分も反射しない。ＬＰＣＦＧの特徴の一つは、その外部環境の屈折率（又はＬＰＣＦＧクラッディングを覆っているコーティングの屈折率）の変化に敏感なことである。外部屈折率の変化に応じて、透過低下部は屈折率の変化に比例して移動する。

ＬＰＣＦＧの別の利点は、通常の長周期グレーティングとは異なり、偏光に敏感である−一つの円偏光波が、他の偏光波よりもより強力にクラッディングモードに結合される。これにより、ＬＰＣＦＧは、偏光器において、及び（例えば、異なったピッチ及び／又はピッチ分布を有する多数の連続したＬＰＣＦＧ素子を有して構成された構造を介して）これを通過している信号の偏光スペクトルを形成するために容易に利用することができる。本発明のＬＰＣＦＧの偏光感度は、長周期グレーティングにより影響されない偏光を有する光を利用するキラルファイバーセンサーシステムにおけるシステムの完全性を実証するために使うこともできる。

本発明の別の実施例においては、この新規なＬＰＣＦＧは、通過して伝搬している光詩豪の振幅を変調させるため、又はアド／ドロップ（ａｄｄ／ｄｒｏｐ）フィルター用の共振能動構造として使用することができる。

本発明のその他の目的及び特徴は、付属図面に関連して考えられる以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。しかし、図面は、図解の目的のために作られたものであり、本発明の限界を定めるものではない。本発明の限界は特許請求の範囲を参照すべきであることを理解すべきである。

本発明は、長周期グレーティングと同様な特性を有する新規な光キラルファイバーに向けられる。本発明の長周期キラルファイバーグレーティングは、好ましくは、（ファイバーを捩り、巻き、及び／又は機械加工することにより）１個又は２個の同様な同軸の螺旋をファイバーの長さに沿って置くことにより作られる。本発明のキラルファイバー構造のピッチは、その上に長周期グレーティング特性を重ねるに十分な大きさのものであることが好ましい。本発明の目的に対しては、長周期キラルファイバーグレーティングは、これを通って伝搬している光の波長を越えるピッチを有するファイバーグレーティングとして定められることに注意すべきである。

さて、図１を参照すれば、長周期キラルファイバーグレーティング１０（以下ＬＰＣＦＧ１０）の一実施例が示される。ＬＰＣＦＧ１０は、ファイバーのコア１２、及びコア１２を取り巻くクラッディング１４を備える。（例えば、コアの楕円形又は長方形断面のため、又はコアに沿って刻まれた長手方向の溝を有するため、又は長手方向に配置された２次的な誘電体材料を有するため、或いは反対方向両側の１／４部分内に割り込ませた２個の異なる材料のコアを有するために）非円形の１８０゜断面対称のファイバーを捩ることにより同軸の螺旋１８及び２０が形成される。螺旋１８、２０もまた、少なくも１個の螺旋１８、２０を形成するために誘電性材料を有する通常の光ファイバーを巻くことにより、或いは螺旋１８、２０をファイバー面に切り込むことにより形成することができる。選択的に、ただ１個の螺旋１８又は２０のみを使うことができる。螺旋１８、２０の一方又は双方により定められるピッチは、ＬＰＣＦＧ１０が長周期グレーティング特性を有するように十分な大きさのものであることが好ましい。本発明による使用に適した種々の螺旋状のキラルファイバーが、ここに参考文献として全文が取り入れられた同一譲受人の同時係属出願の米国出願「キラルファイバーグレーティング」に明らかにされ詳細に説明される。

本発明のＬＰＣＦＧ１０は、そのピッチＰ及びコア１２とクラッディング１４との屈折率（それぞれｎ_ｃｏｒｅとｎ_ｃｌａｄ）の差により定義することができる。ｎ_ｃｏｒｅとｎ_ｃｌａｄに対する値は、選択された値が次の条件を満たす限り、本発明の精神から離れることなく設計上の選択事項として選ぶことができる。この条件は、得られるピッチが、ＬＰＣＦＧ１０を通って伝搬している光信号の波長λより大きく、反射を生ずることなく透過スペクトルにおける低下部を生ずることである。ＬＰＣＦＧ１０の透過スペクトル３０の例が図２に示される。

ＬＰＣＦＧ１０は、（屈折率ｎ_ｅの）媒体１６により囲まれ、これは外部環境とすることができ、或いはクラッディング１４上に適用されたコーティングとすることができる。外側ｎ_ｅにおける変化に対するＬＰＣＦＧ１０の感度のため、多くの有利な用途におけるその利用が可能である。本発明の一実施例においては、ＬＰＣＦＧ１０は、ｎ_ｅの変化に応答する（図２に示されるような）ＬＰＣＦＧ１０透過低下部の移動を監視することにより、外部屈折率ｎ_ｅにおける変化を検出するためのセンサーにおいて使用することができる。ｎ_ｅの変化に応答する移動から得られる透過低下部の新しい位置の例が、移動した透過スペクトル３２として図２に示される。

さて、図３を参照すれば、ＬＰＣＦＧセンサー５０の実施例が示される。センサー５０は、コア５４及びコア５４を囲んでいるクラッディング５６を有するＬＰＣＦＧセンサー素子５２を備える。コア５４とクラッディング５６との両者は、設計上の選択の問題として選定された種々の光学材料（例えばガラス）から作ることができる。ＬＰＣＦＧセンサー素子５２の長さＬも、センサー５０の希望の用途に従った設計上の問題として選定される。

センサー素子５２の一方の端部及び放射源６０に光ファイバーコネクター５８が接続される。ファイバーコネクター５８の長さは設計上の選択の問題として選ぶことができる。例えば、ＬＰＣＦＧセンサー５０が、遠くで使用され、或いは閉鎖された空間又は接近不可能な空間内で使用するために構成される場合は、ファイバーコネクター５８は非常に長いものとすることができる。放射源６０は電磁放射を放出し得る適宜のソースとすることができる。センサー素子５２の他方の端部は、センサー素子５２の電磁的透過スペクトルにおける低下部の移動を検出するための信号解析器６２に連結される。ｎ_ｅ（即ち、センサー素子５を取り巻いている環境の屈折率）における変化が透過低下部の移動を生じ、これが信号解析器６２により検出可能であることが有利である。放射源６０及び信号解析器６２は、本発明の精神から離れることなく設計上の選択の問題として３種の異なったモードの一つで作動するように構成することができる点に注意すべきである。第１のモードにおいては、放射源６０は同調可能な電磁放射源として構成され、信号解析器６２は光検出器として構成される。第２のモードにおいては、放射源６０は広帯域電磁放射源として構成され、信号解析器６２は分光計として構成される。そして第３のモードにおいては、放射源６０は期待される透過低下部の一つの区域の近く又はその区域の周波数で放射するように選ばれた一定周波数の放射源として構成され、信号解析器６２は光検出器として構成される。

本発明の別の実施例においては、センサー素子５２上に屈折率ｎ_ｅを有するコーティング６６が適用される。本発明により、コーティング６６は、その屈折率ｎ_ｅがセンサー素子５２の周囲の外部環境におけるある特定の変化、例えば、物理的ストレス、温度、圧力、電流、電磁場などの一つ又はそれ以上の変化に応じて変化するように選定される。前述のように、信号解析器６２は、透過低下部の移動を検出することによりｎ_ｅにおける変化を感知することができる。

放射源６０及び信号解析器６２の両者は、選択的なセンサー制御ユニット６４に接続することができる。制御ユニット６４は、放射源６０を選択的に制御し、かつ信号解析器６２により検出された透過低下部の移動を解釈する。例えば、信号解析器６２が（ＬＰＣＦＧセンサー５０の構成に従って）圧力又は温度の変化を示す移動が生じたことを感知できると同時に、制御ユニット６４は透過低下部の移動の大きさ、従って圧力又は温度の変化の大きさを判定できることが有利である。ＬＰＣＦＧセンサー素子５２が同一譲受人の同時係属出願の米国出願「キラルファイバーセンサー装置及び方法」に明らかにされた新規なキラルファイバーセンサーの種々の実施例と共に使用するように容易に適合させることができることにも注意すべきである。

本発明の別の実施例においては、ＬＰＣＦＧセンサー５０は、電流、電場、磁場、温度、及び圧力の一つ又はそれ以上への暴露を変えることにより制御可能な屈折率ｎ_ｅを有する材料から作られるコーティング６６を選ぶことにより、光振幅変調器として再構成することができる。放射源６０は、期待される透過スペクトルの低下部の一つの区域の近く又はその区域の放射周波数を有する一定周波数の放射源として構成されることが好ましい。この構成に対しては、信号解析器６２及び制御ユニット６４は不必要である。

この配列により、透過低下部付近の波長でＬＰＣＦＧ素子５２を通して透過される光の制御可能な振幅変調が可能となる。

本発明のＬＰＣＦＧ１０は、通常の長周期グレーティングとは異なり、偏光に対して感度があり、一つの円形偏光の波が、他の円形偏光の波より強くクラッディングモードに結合される。この特徴は、ここに参考文献として全文が取り入れられた同一譲受人の同時係属出願の米国出願「キラルイン−ファイバーの調整可能な偏光装置及び方法」に明らかにされたように、円偏光を作るために有利に利用することができる。設計上の選択の問題として、チャープされ又はアポダイズされたＬＰＣＦＧ、或いは異なったピッチ又は不規則化されたピッチを有する一連のＬＰＣＦＧを使用して、希望の形状の偏光スペクトルを容易に得ることができる。さて、図４を参照すれば、先に取り入れられた特許文献３「イン−ファイバー偏光器」において使用し得るようなＬＰＣＦＧ偏光器素子８０が示される。偏光器素子８０は、３個のＬＰＣＦＧ素子８２、８４、８６を備える。これら素子８２、８４、８６の各は、標準ＬＰＣＦＧ（例えば、各が異なったピッチを有する数個の標準ＬＰＣＦＧ）、チャープされたＬＰＣＦＧ、アポダイズされたＬＰＣＦＧ、又は不規則に作られるかさもなければ非一様なピッチ分布を有するＬＰＣＦＧのグループから選定される。設計上の選択の問題として、希望の偏光スペクトルに依存して特定のＬＰＣＦＧピッチ仕様が選定される。３個の素子２、８４、８６が示されるが、本発明の精神から離れることなく、設計上の選択の問題として適宜の数のＬＰＣＦＧを使用することができる。

ＬＰＣＦＧ１０又はＬＰＣＦＧ偏光器素子８０の有利な偏光感度特性は、ファイバー検知システムの完全性の試験に利用することもできる。ファイバーセンサー使用の欠点の一つは、その信頼性の脆弱さである。更に、ファイバーセンサーは、典型的に手の届きにくい場所又は危険個所に設置されるため、センサー信号の欠如が、感知している状態に変化のないことによるか或いはセンサー素子、放射源、又はセンサー素子に至る光ファイバーラインに伴う問題のためかを決定することが困難である。従って、感知される状態がない場合でもファイバーセンサーが機能していることを判定するための何かの手段を提供することが極めて望ましい。ＬＰＣＦＧ１０、８０を通って伝搬しているただ一つの円形偏光波だけが外部環境の変化に感度があるため、その他の旋光性の偏光波は、環境変化のない場合でもシステムの完全性を保証するために連続的に監視されることが有利である。例えば、図３のＬＰＣＦＧセンサー５０においては、この監視は、信号解析器６２及び／又は制御ユニット６４により実行することができる。

さて図１に戻ると、ＬＰＣＦＧ１０が共振する光学的能動装置として構成されたときは、これは、アド／ドロップフィルターのような用途に非常に有利である。例えば、ＬＰＣＦＧ１０は、同一譲受人の同時係属出願の米国出願「キラル素子を利用したアド−ドロップフィルター」及び同一譲受人の同時係属出願の米国出願「キラルファイバーグレーティングを利用した構成可能なアド−ドロップフィルター」において明らかにされた装置に有利に利用することができる。

ＬＰＣＦＧ１０の製作に有利に適用し得る種々の装置及び方法が、同一譲受人の同時係属出願の米国出願「周期的グレーティング光ファイバーを製造するための装置及び方法」、米国出願「キラルファイバーブラッググレーティングを製造するための装置及び方法」、及び米国出願「螺旋状ファイバーブラッググレーティングを製造するための装置及び方法」に明らかにされる。上の取り入れられた製造特許の種々の技術は、ＬＰＣＦＧ１０の周期を、製造中、その周期がＬＰＣＦＧ１０に長周期グレーティング特性を提供するに十分であるように制御するために容易に使用することができる。

従って、本発明の好ましい実施例に応用するとして本発明の基本的な新規の特徴が示され、説明され、更に指摘されたが、本技術の熟練者により、本発明の精神から離れることなく図解された装置及び方法の形式及び詳細、並びにこれらの作動における種々の省略、置換及び変更をなし得ることが理解されるであろう。例えば、同一の結果を達成するために実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を実行するこれら素子及び／又は方法段階の全ての組合せが本発明の範囲内にあることが明白に意図される。従って、本発明は、特許請求の範囲により示されたもののみに限定される。

本発明の長周期キラルファイバーグレーティング構造の第１の実施例の側面の略図である。 図１の本発明の長周期キラルファイバーグレーティング構造を囲んでいる材料の屈折率が変化したときに生ずる透過ギャップの移動のグラフである。 図１の長周期キラルファイバーグレーティングを有利に使用しているキラルファイバーセンサーの実施例の略図である。 図１の長周期キラルファイバーグレーティングを使用している偏光スペクトル形成用素子の実施例の略図である。

Claims (16)

1. 通過する予め定められた波長の光信号の透過を制御するために構成された長周期キラルファイバーグレーティングであって、
   少なくも一つのコアモード、及び少なくも一つのクラッディングモードと少なくも一つの放射モードとの少なくも一方を有する変更された光ファイバー
   を備え、
   前記変更された光ファイバーが、更に
   予め定められたピッチを有する光キラルファイバーのコア、及び
   前記コアを取り巻いているクラッディング
   を備え、
   前記予め定められたピッチが予め定められた波長より大きいように構成される
   長周期キラルファイバーグレーティング。
2. 前記予め定められたピッチが、前記少なくも一つのコアモードを前記少なくも一つの放射モードに結合させるに十分な値のものである請求項１の長周期キラルファイバーグレーティング。
3. 光信号が第１及び第２の円偏光成分を備え、更に、前記予め定められたピッチが、前記少なくも一つのコアモードを、前記第１及び第２の偏光成分の一方のみのための少なくも一つの放射モードに選択的に結合させるに十分な値のものであるように更に構成される請求項２の長周期キラルファイバーグレーティング。
4. 前記変更された光ファイバーがある屈折率を有する外部媒体内に配置され、そして、前記予め定められたピッチが、前記屈折率における変化に応答して光信号の透過を変更させるに十分な値のものであるように更に構成される請求項１の長周期キラルファイバーグレーティング。
5. 前記予め定められたピッチが、前記少なくも一つのコアモードを前記少なくも一つのクラッディングモードに結合させるに十分な値のものであるように更に構成される請求項１の長周期キラルファイバーグレーティング。
6. 光信号が第１及び第２の円偏光成分を備え、更に、前記予め定められたピッチが、前記少なくも一つのコアモードを、前記第１及び第２の偏光成分の一方のみのための少なくも一つの放射モードに選択的に結合させるに十分な値のものであるように更に構成される請求項５の長周期キラルファイバーグレーティング。
7. 前記予め定められたピッチが、透過される光信号のスペクトル特性における一つの偏光旋光性の波に対して少なくも一つの透過低下部を作るに十分な値のものであるように構成され、前記少なくも一つの透過低下部が、前記クラッディングへの外部媒体の予め定められた屈折率における少なくも一つの変化に応答して移動する請求項５の長周期キラルファイバーグレーティング。
8. 前記媒体が、前記予め定められた屈折率の少なくも一つのコーティング層であってかつ前記クラッディングの周りに配置された前記コーティング層を備える請求項７の長周期キラルファイバーグレーティング。
9. 温度、圧力、電流、磁場、電場、及び光よりなるグループから選定されかつ前記少なくも一つのコーティング層に課せられる少なくも一つの状況を変えることにより、前記予め定められた屈折率を選択的に変化させ、これにより光信号の振幅を変調するするための手段を更に備える請求項８の長周期キラルファイバーグレーティング。
10. 前記複数の透過低下部の少なくも一つの移動を監視することにより前記予め定められた屈折率における少なくも一つの変化を感知するための手段を更に備える請求項８の長周期キラルファイバーグレーティング。
11. 前記少なくも一つの変化が、温度、圧力、電流、磁場、電場及び光からなるグループから選定される請求項１０の長周期キラルファイバーグレーティング。
12. 前記少なくも一つの移動の第１の大きさが前記少なくも一つの変化の第２の大きさに比例し、更に前記第１の大きさから前記第２の大きさを決定するように作動し得る制御システムを備える請求項１０の長周期キラルファイバーグレーティング。
13. 前記予め定められたピッチが、希望の透過スペクトルを作るように変更される請求項１の長周期キラルファイバーグレーティング。
14. 前記変更が、チャーピング、アポダイゼーション、不規則ピッチ、及び少なくも一つの変動するピッチの大きさのグループから選定される請求項１３の長周期キラルファイバーグレーティング。
15. 追加コアを有し更に前記ピッチとは異なる追加ピッチを有する少なくも一つの逐次追加式の長周期キラルファイバーグレーティングを備え、長周期キラルファイバーグレーティングと前記少なくも一つの追加の長周期キラルファイバーグレーティングとが、これらを通って通過している光信号についての希望の透過スペクトルを一緒に作る請求項１３の長周期キラルファイバーグレーティング。
16. 連結された少なくも一つの別の光学系素子、及び
    透過された光信号の前記スペクトル特性における別の偏光旋光性の第２の波を監視することにより、長周期キラルファイバーグレーティング及び前記少なくも一つの他の光学系素子の完全性を感知するための手段
    を備え、
    前記第２の波の存在がシステムの完全性の指標である
    請求項７の長周期キラルファイバーグレーティング。

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