JP2006078649A - Property variable fiber grating - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a property variable fiber grating that is small in size, easy to manufacture, and capable of efficiently varying a dispersion quantity, and that also makes the dispersion quantity variable without causing the operating central wavelength to change by temperature. <P>SOLUTION: The property variable fiber grating is equipped with an optical fiber Bragg grating 1 and a fibrous member 2 arranged around the optical fiber Bragg grating 1. The fibrous member 2 has a negative coefficient of thermal expansion, shrinking by rise in temperature to actuate a compressive force in the longitudinal direction of the optical fiber Bragg grating 1, and possessing a shrinkage actuating quantity longitudinally different in the grating part 3. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光通信において外部共振器や分散補償器などとして使用されるグレーティング特性を変化させることができるようになされた特性可変ファイバグレーティングに関する。   The present invention relates to a variable-characteristic fiber grating that can change a grating characteristic used as an external resonator, a dispersion compensator, or the like in optical communication.

光ファイバブラッググレーティング(FBG)は、光ファイバの長さ方向に周期的な屈折率変化を有する部分を作製することで、特定波長の光を反射させる特性を持たせた光学素子品である。従来、このような光ファイバブラッググレーティングは、レーザダイオード光源の波長安定化用の外部共振器や光合分波器(OADM)、光スイッチ、光フィルタ、分散補償器などとして使用され、光通信においては欠かせない光学素子の一つである。   An optical fiber Bragg grating (FBG) is an optical element product having a characteristic of reflecting light of a specific wavelength by producing a portion having a periodic refractive index change in the length direction of the optical fiber. Conventionally, such an optical fiber Bragg grating has been used as an external resonator for stabilizing the wavelength of a laser diode light source, an optical multiplexer / demultiplexer (OADM), an optical switch, an optical filter, a dispersion compensator, etc. It is one of the indispensable optical elements.

このような光ファイバブラッググレーティングは、ゲルマニウム(Ge)が添加された石英からなる光ファイバの石英部に紫外線を照射することにより、照射部分の屈折率を上昇させることによって作製されている。すなわち、この光ファイバブラッググレーティングは、光ファイバの被覆樹脂を除去して石英部を露出させ、この石英部の側面より、周期的な強度分布を有する紫外光を照射することにより作製される。   Such an optical fiber Bragg grating is manufactured by irradiating a quartz part of an optical fiber made of quartz doped with germanium (Ge) with ultraviolet rays to increase the refractive index of the irradiated part. That is, the optical fiber Bragg grating is manufactured by removing the coating resin of the optical fiber to expose the quartz portion, and irradiating ultraviolet light having a periodic intensity distribution from the side surface of the quartz portion.

このようにして作製された光ファイバブラッググレーティングにおいては、屈折率が変化した部分がこの光ファイバの長手方向について周期的に形成されている。このように屈折率が変化した部分が周期的に形成された光ファイバにおいては、入射光のうちの特定の波長の光を反射したり、あるいは、入射光のうちの特定の波長の光を光ファイバの外へ放射するという特性が得られる。したがって、このような特性を有する光ファイバブラッググレーティングは、波長選択フィルタなどとしても用いることができる。   In the optical fiber Bragg grating manufactured as described above, the portion where the refractive index is changed is periodically formed in the longitudinal direction of the optical fiber. In such an optical fiber in which the portion where the refractive index is changed is periodically formed, the light having a specific wavelength of the incident light is reflected or the light having a specific wavelength of the incident light is emitted. The characteristic of radiating out of the fiber is obtained. Therefore, the optical fiber Bragg grating having such characteristics can be used as a wavelength selection filter or the like.

なお、このような光ファイバブラッググレーティングを作製するために用いられる紫外光の光源としては、フッ化クリプトン(KrF)エキシマレーザや、アルゴンイオン(Ar2+)レーザの第2高調波などの波長260nm以下の紫外光レーザが用いられる。また、この紫外光に周期的な強度分布を与えるためには、周期的な溝が形成された位相マスクと呼ばれる石英基板に該紫外光を透過させることが行われている。 In addition, as an ultraviolet light source used for producing such an optical fiber Bragg grating, a wavelength of 260 nm or less such as a second harmonic of a krypton fluoride (KrF) excimer laser or an argon ion (Ar 2+ ) laser is used. Ultraviolet laser is used. In order to give this ultraviolet light a periodic intensity distribution, the ultraviolet light is transmitted through a quartz substrate called a phase mask in which periodic grooves are formed.

ここで、光ファイバブラッググレーティングにおける反射波長λは、グレーティング周期Λと実効屈折率neffを用いて、以下の(式1)のように示すことができる。 Here, the reflection wavelength λ B in the optical fiber Bragg grating can be expressed as (Equation 1) below using the grating period Λ and the effective refractive index neff.

λ=2neffΛ ・・・・・・・・・・・・(式1)
この光ファイバブラッググレーティングは、通常、温度上昇により、中心反射波長が長波側に変動する特性を有している。これは、温度上昇により、正の線膨張を有する光ファイバが膨張し、(式1)における周期Λが大きくなり、結果として反射波長λが大きくなるためである。さらに、温度上昇による実効屈折率の変化も中心波長特性に影響を与える。例えば、光ファイバ材料が石英である場合、屈折率の温度依存性は約1×10−5[1/℃]であり、温度上昇により反射波長λが大きくなる。これらの二つの特性がそれぞれ作用した結果として光ファイバグレーティングの温度特性は決まる。
λ B = 2neffΛ (1)
This optical fiber Bragg grating usually has a characteristic that the center reflection wavelength fluctuates to the long wave side due to temperature rise. This is because the optical fiber having positive linear expansion expands due to the temperature rise, and the period Λ in (Equation 1) increases, and as a result, the reflection wavelength λ B increases. Furthermore, the change in effective refractive index due to temperature rise also affects the center wavelength characteristics. For example, when the optical fiber material is quartz, the temperature dependency of the refractive index is about 1 × 10 −5 [1 / ° C.], and the reflection wavelength λ B increases as the temperature rises. As a result of the action of these two characteristics, the temperature characteristic of the optical fiber grating is determined.

従来、温度変化による反射波長変動を補償した温度補償型のファイバブラッググレーティングが提案されている。例えば、特許文献1及び特許文献2に記載されているように、負の膨張係数を持つ材料を光ファイバブラッググレーティングの周囲に配置したファイバブラッググレーティングが提案されている。このファイバブラッググレーティングにおいては、温度上昇による光ファイバの膨張と、温度上昇による光ファイバブラッググレーティングの周囲に配置された材料の収縮とを釣り合わせることにより、光ファイバブラッググレーティングにおける反射波長変動を抑制し、温度補償を達成することができる。   Conventionally, a temperature-compensated fiber Bragg grating that compensates for variations in reflected wavelength due to temperature changes has been proposed. For example, as described in Patent Document 1 and Patent Document 2, a fiber Bragg grating in which a material having a negative expansion coefficient is arranged around an optical fiber Bragg grating has been proposed. In this fiber Bragg grating, the fluctuation of the reflected wavelength in the optical fiber Bragg grating is suppressed by balancing the expansion of the optical fiber due to the temperature rise and the shrinkage of the material disposed around the optical fiber Bragg grating due to the temperature rise. Temperature compensation can be achieved.

また、特許文献3に記載されているように、負の膨張特性を有する液晶高分子ポリマ(LCP:Liquid Crystal Polymer)を光ファイバブラッググレーティングの周囲に配置して構成したファイバブラッググレーティングが提案されている。このファイバブラッググレーティングにおいては、温度上昇による光ファイバの膨張が、液晶高分子ポリマの収縮によって抑制され、温度補償が達成される。   Further, as described in Patent Document 3, a fiber Bragg grating is proposed in which a liquid crystal polymer (LCP) having negative expansion characteristics is arranged around an optical fiber Bragg grating. Yes. In this fiber Bragg grating, the expansion of the optical fiber due to the temperature rise is suppressed by the contraction of the liquid crystal polymer polymer, and temperature compensation is achieved.

ところで、この光ファイバブラッググレーティングの一つとして、屈折率が変化した部分の周期が光ファイバの長手方向について変化しているチャープファイバグレーティング(CFG)がある。チャープファイバグレーティングは、広帯域フィルタなどに幅広く利用されており、特に、光ファイバの伝送路で蓄積した波長分散を補償する分散補償ファイバグレーティング(DCFG)への応用が注目されている。   By the way, as one of the optical fiber Bragg gratings, there is a chirped fiber grating (CFG) in which the period of the portion where the refractive index is changed changes in the longitudinal direction of the optical fiber. Chirped fiber gratings are widely used for broadband filters and the like, and in particular, attention is focused on application to dispersion-compensating fiber gratings (DCFG) that compensate for chromatic dispersion accumulated in an optical fiber transmission line.

図11は、分散補償ファイバグレーティングの動作原理を示す側面図である。   FIG. 11 is a side view showing the operation principle of the dispersion compensating fiber grating.

図11に示すように、サーキュレータ101を経て分散補償ファイバグレーティング(DCFG)102に入射された光は、グレーティング部103で反射される。分散補償ファイバグレーティング102においては、グレーティング部103において屈折率が変化した部分の周期が光ファイバの長手方向で変化しているので、波長によって反射位置が異ることとなる。そのため、この分散補償ファイバグレーティング102からの反射光は、波長により異なる光路長を経て、分散補償ファイバグレーティング102から出射される。この反射光をサーキュレータ101において取り出すと、この反射光には、波長毎に時間差が生じている。このような波長による時間差を波長分散と呼び、通常、〔ps/nm〕を単位として表される。   As shown in FIG. 11, the light that has entered the dispersion compensating fiber grating (DCFG) 102 via the circulator 101 is reflected by the grating unit 103. In the dispersion compensating fiber grating 102, since the period of the portion where the refractive index is changed in the grating portion 103 changes in the longitudinal direction of the optical fiber, the reflection position differs depending on the wavelength. Therefore, the reflected light from the dispersion compensating fiber grating 102 is emitted from the dispersion compensating fiber grating 102 through an optical path length that varies depending on the wavelength. When this reflected light is taken out by the circulator 101, a time difference occurs for each wavelength in the reflected light. Such a time difference due to wavelength is called chromatic dispersion, and is usually expressed in units of [ps / nm].

一般の光通信に用いられるシングルモードファイバは、波長1550nmにおいて、光ファイバ長1kmあたり、約17ps/nmの波長分散を持つ。このような波長分散が大きくなると、光ファイバ中を伝送される光パルス形状が劣化してしまうため、情報が伝達できなくなってしまう虞れがある。   A single mode fiber used for general optical communication has a wavelength dispersion of about 17 ps / nm per 1 km of optical fiber length at a wavelength of 1550 nm. When such chromatic dispersion increases, the shape of the optical pulse transmitted through the optical fiber deteriorates, and there is a possibility that information cannot be transmitted.

そのため、伝送路の光ファイバによって生じる波長分散のちょうど逆の波長分散を持つ分散補償ファイバグレーティング102を用いることにより、伝送路で蓄積された波長分散を補償することが可能となり、光通信システムの特性の大幅な改善を図ることができる。   Therefore, by using the dispersion compensating fiber grating 102 having a chromatic dispersion that is just opposite to the chromatic dispersion generated by the optical fiber in the transmission line, it becomes possible to compensate the chromatic dispersion accumulated in the transmission line, and the characteristics of the optical communication system. Can be greatly improved.

ところで、伝送路の波長分散は、温度などの環境変化により変化する。そのため、日中と夜間のような時間帯や季節の違いによって、必要となる補償量は異なるものとなる。そのため、従来、分散補償ファイバグレーティングにおいては、伝送路の温度変化などについて、全ての状況下において波長分散を完全に補償することができないという問題があった。   By the way, the chromatic dispersion of the transmission line changes due to environmental changes such as temperature. For this reason, the amount of compensation required differs depending on the time zone and season such as daytime and nighttime. Therefore, conventionally, the dispersion compensating fiber grating has a problem that the chromatic dispersion cannot be completely compensated under all circumstances for the temperature change of the transmission line.

そこで、分散特性を必要に応じて変化させられるようになされた可変構造を有する分散補償ファイバグレーティングが提案されている。分散補償ファイバグレーティングにおける分散特性を変えるためには、反射光の波長の長手方向依存性を制御する必要がある。反射光の波長の長手方向依存性を制御するための構成としては、いわゆる「熱分布方式」及び「歪み分布方式」が提案されている。   In view of this, a dispersion compensating fiber grating having a variable structure in which the dispersion characteristics can be changed as necessary has been proposed. In order to change the dispersion characteristic in the dispersion compensating fiber grating, it is necessary to control the longitudinal dependence of the wavelength of the reflected light. As a configuration for controlling the dependence of the wavelength of reflected light on the longitudinal direction, so-called “heat distribution method” and “strain distribution method” have been proposed.

「熱分布方式」は、グレーティング部の長手方向について熱分布を持たせることにより、反射波長を変化させるようにしたものである。この「熱分布方式」においては、光ファイバの長手方向に沿って、正確な温度分布を生じさせることが要求される。点熱源によっては、温度分布を所望の状態にするのが困難であるため、分布型の熱源を用いることが必要になる。この「熱分布方式」の分散補償ファイバグレーティングとして、分散補償ファイバグレーティングに金薄膜を蒸着し、分散補償ファイバグレーティング全体の温度を調整するようにしたものが提案されている。   In the “heat distribution method”, the reflection wavelength is changed by providing a heat distribution in the longitudinal direction of the grating portion. In this “heat distribution method”, it is required to generate an accurate temperature distribution along the longitudinal direction of the optical fiber. Depending on the point heat source, it is difficult to make the temperature distribution in a desired state, so it is necessary to use a distributed heat source. As this dispersion compensation fiber grating of the “heat distribution system”, a dispersion compensation fiber grating in which a gold thin film is deposited to adjust the temperature of the entire dispersion compensation fiber grating has been proposed.

一方、「歪み分布方式」は、グレーティング部の長手方向に沿って、異なる歪みを生じさせることにより、反射波長を変化させるようにしたものである。
特開平11−160554号公報 特開2000−321442公報 国際公開第097/14983号パンフレット
On the other hand, in the “strain distribution method”, the reflection wavelength is changed by generating different strains along the longitudinal direction of the grating portion.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-160554 JP 2000-32442 A International Publication No. 097/14983 Pamphlet

前述のように分散補償ファイバグレーティングとして使用される従来のファイバブラッググレーティングにおいては、以下に述べるような、いくつかの解決すべき課題がある。   As described above, the conventional fiber Bragg grating used as the dispersion compensating fiber grating has several problems to be solved as described below.

すなわち、伝送路によって生じる波長分散は、使用される光ファイバの種類や長さによって変化する。そのため、波長分散の完全な補償を行うためには、伝送路ごとに個別に分散補償ファイバグレーティングを設計する必要がある。   That is, the chromatic dispersion caused by the transmission path varies depending on the type and length of the optical fiber used. Therefore, in order to perform complete compensation of chromatic dispersion, it is necessary to individually design a dispersion compensating fiber grating for each transmission line.

通常、分散補償ファイバグレーティングは、位相マスクを用いて作製されるが、異なる仕様の分散補償ファイバグレーティングを作製するためには、異なる位相マスクが必要となる。この位相マスクは、作製が困難で高価であるため、分散補償ファイバグレーティングの仕様ごとに異なる位相マスクを用意しなければならないことは、分散補償ファイバグレーティングの価格が高くなってしまう原因の一つであった。   Usually, the dispersion compensating fiber grating is manufactured using a phase mask, but in order to manufacture a dispersion compensating fiber grating having different specifications, a different phase mask is required. Since this phase mask is difficult and expensive to manufacture, the need to prepare a different phase mask for each dispersion-compensating fiber grating specification is one of the reasons for increasing the price of dispersion-compensating fiber gratings. there were.

また、分散特性を必要に応じて変化させる「熱分布方式」の分散補償ファイバグレーティングにおいては、金属膜を蒸着させるための装置が高価であり、製造コストが高いという問題がある。また、この方式の分散補償ファイバグレーティングにおいては、グレーティング部の長手方向について、蒸着膜厚を正確に変化させる必要があるため、蒸着工程において複雑な制御が要求され、作製が困難である。さらに、この方式の分散補償ファイバグレーティングにおいては、蒸着された金属膜に電極を取り付ける必要があるなど、構成が複雑であり、製造工程において緻密な作業が要求される。そのため、この分散補償ファイバグレーティングは、製造工程における歩留まりが悪く、結果として、極めて高価なものになってしまう。   In addition, in the “thermal distribution type” dispersion compensating fiber grating in which the dispersion characteristics are changed as necessary, there is a problem that an apparatus for depositing a metal film is expensive and the manufacturing cost is high. Further, in this type of dispersion compensating fiber grating, it is necessary to accurately change the vapor deposition film thickness in the longitudinal direction of the grating portion, so that complicated control is required in the vapor deposition process, and it is difficult to manufacture. Furthermore, this type of dispersion compensating fiber grating has a complicated structure, such as the need to attach electrodes to the deposited metal film, and requires precise work in the manufacturing process. Therefore, this dispersion compensating fiber grating has a low yield in the manufacturing process, and as a result, becomes extremely expensive.

また、「熱分布方式」の分散補償ファイバグレーティングにおいては、グレーティング部に熱をかけることにより、分散補償ファイバグレーティングの中心波長自体が長波長側にシフトしてしまう。すなわち、この分散補償ファイバグレーティングにおいては、「波長多重通信」で必要とされるような、ある特定の波長に動作波長を固定した状態で分散特性を変化させることが困難である。   In addition, in the “thermal distribution type” dispersion compensating fiber grating, the center wavelength of the dispersion compensating fiber grating itself is shifted to the long wavelength side by applying heat to the grating portion. That is, in this dispersion compensating fiber grating, it is difficult to change the dispersion characteristics in a state where the operating wavelength is fixed to a specific wavelength as required in “wavelength multiplexing communication”.

そして、「歪み分布方式」の分散補償ファイバグレーティングにおいては、長手方向について連続的に歪みを変化させることは困難であり、大きな分散変化量を得ることが困難であった。   In the “distortion distribution type” dispersion compensating fiber grating, it is difficult to continuously change the strain in the longitudinal direction, and it is difficult to obtain a large amount of dispersion change.

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、小型であり、かつ、作製が容易であって、効率よく分散量を変化させることができ、さらに、望ましくは動作中心波長が温度によって変化することなく分散量が可変できる特性可変ファイバグレーティングを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above, and as its purpose, it is small in size, easy to manufacture, can efficiently change the amount of dispersion, and preferably has an operation center wavelength. An object of the present invention is to provide a variable characteristic fiber grating in which the amount of dispersion can be varied without changing with temperature.

請求項1記載の本発明は、周期的に屈折率が変化したグレーティング構造が形成されている光ファイバからなる光ファイバブラッググレーティングと、この光ファイバブラッググレーティングの周囲に配置された繊維状部材とを備え、前記繊維状部材は、温度上昇により繊維長手方向に収縮し、温度下降により繊維長手方向に膨張する負の線膨張特性を有し、この温度上昇による繊維の収縮、温度下降による繊維の膨張により、前記光ファイバブラッググレーティングに対し、この光ファイバブラッググレーティングの長手方向の圧縮力あるいは伸長力を作用させる構造を有し、前記繊維部材の膨張あるいは収縮によって光ファイバへ与える圧縮力あるいは伸長力の作用量がこの光ファイバブラッググレーティングのグレーティング部における長手方向について異なることを特徴とするものである。   According to the first aspect of the present invention, there is provided an optical fiber Bragg grating composed of an optical fiber in which a grating structure having a periodically changing refractive index is formed, and a fibrous member disposed around the optical fiber Bragg grating. The fibrous member has a negative linear expansion characteristic that contracts in the longitudinal direction of the fiber when the temperature rises and expands in the longitudinal direction of the fiber when the temperature decreases, and contracts the fiber when the temperature rises, and expands the fiber when the temperature decreases Thus, the optical fiber Bragg grating has a structure in which a compressive force or an extension force in the longitudinal direction of the optical fiber Bragg grating is applied, and the compression force or the extension force applied to the optical fiber by the expansion or contraction of the fiber member is The amount of action is in the grating part of this optical fiber Bragg grating. It is characterized in different for the longitudinal direction.

請求項2記載の本発明は、請求項1記載の発明において、繊維状部材を構成する繊維の本数が、光ファイバブラッググレーティングのグレーティング部の長手方向について異なることを特徴とするものである。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the number of fibers constituting the fibrous member is different in the longitudinal direction of the grating portion of the optical fiber Bragg grating.

請求項3記載の本発明は、請求項1乃至請求項2のいずれか一に記載の発明において、繊維状部材を構成する繊維の繊維長手方向の線膨張係数が−6.0×10−6乃至−15.0×10−6〔1/°C〕であることを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to second aspects, the fiber constituting the fibrous member has a linear expansion coefficient in the fiber longitudinal direction of −6.0 × 10 −6. Thru | or -15.0 * 10 < -6 > [1 / degreeC], It is characterized by the above-mentioned.

請求項4記載の本発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の発明において、繊維状部材は、高分子量ポリエチレンからなることを特徴とするものである。   According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the fibrous member is made of high molecular weight polyethylene.

請求項5記載の本発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の発明において、繊維状部材は、ポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維であることを特徴とするものである。   The present invention according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the fibrous member is a polyparaphenylene benzobisoxazole fiber. .

請求項6記載の本発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか一に記載の発明において、繊維状部材をなす繊維同士間及びこれら繊維と光ファイバブラッググレーティングとの間の空隙は、樹脂材料により充填されていることを特徴とするものである。   According to a sixth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fifth aspects, the gaps between the fibers forming the fibrous member and between the fibers and the optical fiber Bragg grating are resin. It is characterized by being filled with a material.

請求項7記載の本発明は、請求項6記載の発明において、樹脂材料は、使用温度範囲におけるヤング率が500MPa以下の材料であることを特徴とするものである。   The present invention according to claim 7 is the invention according to claim 6, wherein the resin material is a material having a Young's modulus of 500 MPa or less in the operating temperature range.

請求項8記載の本発明は、請求項1乃至請求項7のいずれか一に記載の発明において、使用温度範囲内における温度変化について、ファイバブラッググレーティングの両端側における反射波長の変化方向が互いに逆方向であることを特徴とするものである。   The present invention according to claim 8 is the invention according to any one of claims 1 to 7, wherein the change directions of the reflected wavelengths at both ends of the fiber Bragg grating are opposite to each other with respect to the temperature change within the operating temperature range. It is characterized by a direction.

請求項9記載の本発明は、請求項1乃至請求項8のいずれか一に記載の発明において、ファイバブラッググレーティングの温度を調整する温度調整機構を備えていることを特徴とするものである。   The present invention according to claim 9 is the invention according to any one of claims 1 to 8, further comprising a temperature adjusting mechanism for adjusting the temperature of the fiber Bragg grating.

請求項1記載の本発明によれば、繊維状部材は、温度上昇により収縮することにより、光ファイバブラッググレーティングに対し、この光ファイバブラッググレーティングの長手方向の圧縮力を作用させるとともに、この光ファイバブラッググレーティングのグレーティング部における長手方向について光ファイバに対して異なる収縮作用量を有しているので、効率よく分散量を変化させることができる。同時に、繊維状部材は、温度下降により膨張することにより、光ファイバブラッググレーティングに対し、この光ファイバブラッググレーティングの長手方向の伸長力を作用させるとともに、この光ファイバブラッググレーティングのグレーティング部における長手方向について光ファイバに対して異なる伸長作用量を有しているので、効率よく分散量を変化させることができる。そして、この特性可変ファイバグレーティングは、作製が容易であり、安価に作製することが可能である。   According to the first aspect of the present invention, the fibrous member contracts due to an increase in temperature, so that the compressive force in the longitudinal direction of the optical fiber Bragg grating acts on the optical fiber Bragg grating, and the optical fiber. Since the amount of contraction acting on the optical fiber in the longitudinal direction of the grating portion of the Bragg grating is different, the amount of dispersion can be changed efficiently. At the same time, the fibrous member expands due to a decrease in temperature, thereby exerting an extension force in the longitudinal direction of the optical fiber Bragg grating on the optical fiber Bragg grating, and in the longitudinal direction of the grating portion of the optical fiber Bragg grating. Since the amount of stretching action is different with respect to the optical fiber, the amount of dispersion can be changed efficiently. The variable characteristic fiber grating is easy to manufacture and can be manufactured at low cost.

請求項2記載の本発明によれば、繊維状部材を構成する繊維の本数が光ファイバブラッググレーティングのグレーティング部の長手方向について異なることにより、この繊維状部材の光ファイバに対する収縮および伸長作用量が、グレーティング部における長手方向について異なることとなる。   According to the second aspect of the present invention, since the number of fibers constituting the fibrous member differs in the longitudinal direction of the grating portion of the optical fiber Bragg grating, the amount of contraction and extension of the fibrous member with respect to the optical fiber is reduced. The longitudinal direction of the grating portion is different.

請求項3記載の本発明によれば、光ファイバ部材が石英であり、繊維状部材の長手方向の線膨張係数が−6.0×10−6乃至−15.0×10−6〔1/°C〕であることにより、光ファイバの長手方向に十分大きな圧縮・収縮作用を及ぼすことが可能となるため、効率よく分散量を変化させることができる。 According to the third aspect of the present invention, the optical fiber member is quartz, and the linear expansion coefficient in the longitudinal direction of the fibrous member is −6.0 × 10 −6 to −15.0 × 10 −6 [1 / [C], it is possible to exert a sufficiently large compression / contraction action in the longitudinal direction of the optical fiber, so that the amount of dispersion can be changed efficiently.

請求項4記載の本発明によれば、繊維状部材が、高分子量ポリエチレンからなるので、効率よく分散量を変化させることができる。   According to the fourth aspect of the present invention, since the fibrous member is made of high molecular weight polyethylene, the amount of dispersion can be changed efficiently.

請求項5記載の本発明によれば、繊維状部材は、ポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維であるので、効率よく分散量を変化させることができる。   According to the present invention described in claim 5, since the fibrous member is a polyparaphenylene benzobisoxazole fiber, the amount of dispersion can be changed efficiently.

請求項6記載の本発明によれば、繊維状部材をなす繊維同士間及びこれら繊維と光ファイバブラッググレーティングとの間の空隙が樹脂材料により充填されているので、繊維状部材が光ファイバブラッググレーティングに対して確実に圧縮力あるいは伸張力を作用させることができ、効率よく分散量を変化させることができる。   According to the sixth aspect of the present invention, since the gaps between the fibers forming the fibrous member and between the fibers and the optical fiber Bragg grating are filled with the resin material, the fibrous member is the optical fiber Bragg grating. On the other hand, it is possible to reliably apply a compressive force or an extension force, and to change the amount of dispersion efficiently.

請求項7記載の本発明によれば、樹脂材料は、使用温度範囲におけるヤング率が500MPa以下の材料であるので、樹脂材料の歪みが光ファイバに応力を生じさせることがなく、光ファイバブラッググレーティングの特性劣化を招来することがない。   According to the seventh aspect of the present invention, since the resin material is a material having a Young's modulus of 500 MPa or less in the operating temperature range, the distortion of the resin material does not cause stress in the optical fiber, and the optical fiber Bragg grating This will not cause deterioration of the characteristics.

請求項8記載の本発明によれば、使用温度範囲内における温度変化について、ファイバブラッググレーティングの両端側における反射波長の変化方向が互いに逆方向であるので、動作中心波長の温度による変化を抑制し、分散量を可変することができる。   According to the eighth aspect of the present invention, the change in the reflected wavelength at both ends of the fiber Bragg grating is opposite to the change in temperature within the operating temperature range, so that the change in the operating center wavelength due to the temperature is suppressed. The amount of dispersion can be varied.

請求項9記載の本発明によれば、ファイバブラッググレーティングの温度を調整する温度調整機構を備えているので、効率よく分散量を変化させることができる。   According to the ninth aspect of the present invention, since the temperature adjusting mechanism for adjusting the temperature of the fiber Bragg grating is provided, the amount of dispersion can be changed efficiently.

すなわち、本発明は、小型であり、かつ、作製が容易であって、効率よく分散量を変化させることができ、さらに、動作中心波長の温度による変化を抑制しつつ、分散量が可変できる特性可変ファイバグレーティングを提供することができるものである。   That is, the present invention is small in size, easy to manufacture, can efficiently change the amount of dispersion, and can further vary the amount of dispersion while suppressing changes in the operating center wavelength due to temperature. A variable fiber grating can be provided.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明は、長手方向に負の熱膨張係数を有する繊維状部材をグレーティング構造を有する光ファイバの周囲に配置することにより、分散量が可変の分散補償ファイバグレーティング(DCFG)として使用できる特性可変ファイバグレーティングを構成するものである。   The present invention provides a variable characteristic fiber that can be used as a dispersion compensating fiber grating (DCFG) having a variable dispersion amount by disposing a fibrous member having a negative thermal expansion coefficient in the longitudinal direction around an optical fiber having a grating structure. It constitutes a grating.

図1は、本発明に係る特性可変ファイバグレーティングの構成を示す縦断面図及び横断面図である。   FIG. 1 is a longitudinal sectional view and a transverse sectional view showing a configuration of a variable characteristic fiber grating according to the present invention.

この特性可変ファイバグレーティングは、図1に示すように、チャープファイバグレーティング(CFG)である光ファイバブラッググレーティング(FBG)1として作製された光ファイバの周囲に、負の熱膨張特性を有する繊維状部材2が配置されて構成されている。チャープファイバグレーティングは、前述したように、屈折率が変化した部分の周期が光ファイバの長手方向について変化している光ファイバブラッググレーティングである。   As shown in FIG. 1, this variable-characteristic fiber grating is a fibrous member having negative thermal expansion characteristics around an optical fiber manufactured as an optical fiber Bragg grating (FBG) 1 which is a chirped fiber grating (CFG). 2 is arranged. As described above, the chirped fiber grating is an optical fiber Bragg grating in which the period of the portion where the refractive index has changed is changed in the longitudinal direction of the optical fiber.

この光ファイバブラッググレーティング1は、ゲルマニウム(Ge)が添加された石英からなる光ファイバの石英部に周期的な強度分布を有する紫外線を照射することにより、光ファイバの長手方向について周期的な所定箇所の屈折率を上昇させることによって作製されている。すなわち、この光ファイバブラッググレーティング1は、光ファイバの被覆樹脂を除去して石英部を露出させた状態で、この石英部の側面より、周期的な強度分布を有する紫外光を照射することにより作製されている。この光ファイバブラッググレーティング1においては、入射光のうちの特定の波長の光を反射したり、あるいは、入射光のうちの特定の波長の光を光ファイバの外へ放射するという特性が得られる。   The optical fiber Bragg grating 1 irradiates a quartz portion of an optical fiber made of quartz to which germanium (Ge) is added with ultraviolet light having a periodic intensity distribution, so that a predetermined position periodically in the longitudinal direction of the optical fiber is obtained. Is produced by increasing the refractive index. That is, the optical fiber Bragg grating 1 is manufactured by irradiating ultraviolet light having a periodic intensity distribution from the side surface of the quartz portion in a state where the coating resin of the optical fiber is removed and the quartz portion is exposed. Has been. The optical fiber Bragg grating 1 has characteristics of reflecting light having a specific wavelength of incident light or emitting light having a specific wavelength of incident light to the outside of the optical fiber.

繊維状部材2は、温度上昇により、この繊維状部材2をなす繊維の長手方向に収縮する負の熱膨張特性を有している。この繊維状部材2は、図1に示すように、少なくとも光ファイバブラッググレーティング1において屈折率が上昇されているグレーティング部3の周囲に配置されている。   The fibrous member 2 has a negative thermal expansion characteristic that contracts in the longitudinal direction of the fiber forming the fibrous member 2 due to a temperature rise. As shown in FIG. 1, the fibrous member 2 is disposed at least around the grating portion 3 where the refractive index is increased in the optical fiber Bragg grating 1.

ここで、分散補償ファイバグレーティング(DCFG)の動作原理を以下に示す。   Here, the operation principle of the dispersion compensating fiber grating (DCFG) is shown below.

光ファイバブラッググレーテイングは、通常、温度上昇により、反射中心波長が長波側に変動する特性を有している。これは、温度上昇により、正の熱膨張係数を有する光ファイバが膨張し、前述の(式1)(λ=2neffΛ)における周期Λが大きくなる作用と、温度上昇により実効屈折率neffが大きくなる作用の、結果として、反射波長λが大きくなるためである。グレーティング周期が光ファイバの長手方向に徐々に変化するチャープファイバグレーティングにおいても、温度上昇により、反射中心波長がシフトする。 The optical fiber Bragg grating usually has a characteristic that the reflection center wavelength fluctuates to the long wave side due to a temperature rise. This is because the optical fiber having a positive thermal expansion coefficient expands due to the temperature rise, and the effect of increasing the period Λ in the above-described (Equation 1) (λ B = 2neffΛ) and the effective refractive index neff increase due to the temperature rise. As a result, the reflection wavelength λ B increases. Even in a chirped fiber grating in which the grating period gradually changes in the longitudinal direction of the optical fiber, the reflection center wavelength shifts due to temperature rise.

図2は、チャープファイバグレーティングにおいて温度上昇により反射中心波長が変化する様子を示すグラフである。   FIG. 2 is a graph showing how the reflection center wavelength changes due to temperature rise in the chirped fiber grating.

この図2においては、実線が温度上昇前、点線が温度上昇後の特性を示しており、(a)は反射特性を示し、(b)は反射帯域内における群遅延時間特性を示している。   In FIG. 2, the solid line shows the characteristics before the temperature rise, the dotted line shows the characteristics after the temperature rise, (a) shows the reflection characteristics, and (b) shows the group delay time characteristics in the reflection band.

チャープファイバグレーティングを分散補償器として使用する場合には、図2中の(b)に示す群遅延時間の波長依存性を利用する。すなわち、図2中の(b)に示した特性の傾きが、分散補償器で補償できる波長分散量となる。この図2からもわかるように、通常のチャープファイバグレーティングにおいては、温度上昇によって反射中心波長全体が長波長側にシフトしてしまい、その結果、分散量は変化せず、可変分散補償器とすることはできない。   When the chirped fiber grating is used as a dispersion compensator, the wavelength dependence of the group delay time shown in (b) of FIG. 2 is used. That is, the slope of the characteristic shown in (b) in FIG. 2 is the chromatic dispersion amount that can be compensated by the dispersion compensator. As can be seen from FIG. 2, in the normal chirped fiber grating, the entire reflection center wavelength is shifted to the long wavelength side due to the temperature rise. As a result, the dispersion amount does not change, and the variable dispersion compensator is obtained. It is not possible.

図3は、チャープファイバグレーティングにおける反射中心波長の変動の温度依存性が長手方向について変化している場合の反射中心波長の変化を示すグラフである。   FIG. 3 is a graph showing the change of the reflection center wavelength when the temperature dependence of the change of the reflection center wavelength in the chirped fiber grating changes in the longitudinal direction.

一方、チャープファイバグレーティングにおける反射中心波長の変動の温度依存性が、チャープファイバグレーティングの長手方向について変化している場合には、図3中の(a)及び(c)に示すように、温度変化により反射帯域幅が変化し、それに伴い、図3中の(b)及び(d)に示すように、群遅延時間の波長依存性(グラフの傾き)、すなわち、波長分散が変化するので、可変分散補償器として使用することができる。   On the other hand, when the temperature dependence of the fluctuation of the reflection center wavelength in the chirped fiber grating changes in the longitudinal direction of the chirped fiber grating, as shown in (a) and (c) of FIG. As shown in FIGS. 3 (b) and 3 (d), the wavelength dependence of the group delay time (inclination of the graph), that is, the chromatic dispersion changes. It can be used as a dispersion compensator.

(c)及び(d)には、CFG反射波長の短波側が短波側へ、長波側が長波側ヘと逆方向に変動する場合を示す。 (C) and (d) show the case where the short wave side of the CFG reflection wavelength varies in the opposite direction to the short wave side and the long wave side varies in the opposite direction to the long wave side.

図3中の(a)及び(b)には、チャープファイバグレーティングにおける反射波長の短波長側及び長波長側がともに温度上昇によって長波長側に変動するが、その変動量が異なる場合を示している。図3中の(c)及び(d)には、チャープファイバグレーティングにおける反射波長の短波長側が温度上昇によって短波長側に変動し、長波長側が温度上昇によって長波長側に変動する場合を示している。これらいずれの場合においても、温度変化により、分散量が変化する。しかし、反射波長の短波長側が温度上昇によって短波長側に変動し長波長側が温度上昇によって長波長側に変動する場合のほうが、温度変化による反射中心波長の変動が抑えられる点で、反射波長の短波長側及び長波長側がともに温度上昇によって長波長側に変動する場合よりも好ましい。   3A and 3B show a case where both the short wavelength side and the long wavelength side of the reflected wavelength in the chirped fiber grating change to the long wavelength side due to temperature rise, but the amount of change is different. . (C) and (d) in FIG. 3 show the case where the short wavelength side of the reflected wavelength in the chirped fiber grating changes to the short wavelength side due to temperature rise, and the long wavelength side changes to the long wavelength side due to temperature rise. Yes. In any of these cases, the amount of dispersion changes due to temperature changes. However, when the short wavelength side of the reflected wavelength is changed to the short wavelength side due to the temperature rise and the long wavelength side is changed to the long wavelength side due to the temperature rise, the fluctuation of the reflection center wavelength due to the temperature change can be suppressed. It is more preferable than the case where both the short wavelength side and the long wavelength side change to the long wavelength side due to temperature rise.

このようなチャープファイバグレーティングを分散量可変の分散補償器として動作させる場合に必要な特性を踏まえつつ、以下、負の熱膨張係数を有する繊維状部材を備えた分散量可変の分散補償器について述べる。   In consideration of the characteristics required when operating such a chirped fiber grating as a dispersion compensator with variable dispersion, a dispersion compensator with variable dispersion comprising a fibrous member having a negative thermal expansion coefficient will be described below. .

グレーティング部の反射中心波長λは、前述したように、温度上昇により、長波長側に変動する。この光ファイバブラッググレーティングにおける反射中心波長の変動の温度依存性を変化させるには、光ファイバの線膨張係数を光ファイバの長手方向に沿って変化させればよい。 As described above, the reflection center wavelength λ B of the grating portion changes to the longer wavelength side due to the temperature rise. In order to change the temperature dependence of the fluctuation of the reflection center wavelength in the optical fiber Bragg grating, the linear expansion coefficient of the optical fiber may be changed along the longitudinal direction of the optical fiber.

本発明に係る特性可変ファイバグレーティングにおいては、図1に示すように、グレーティング構造を有する光ファイバブラッググレーティング1の周囲に配置された長手方向に負の熱膨張係数を有する繊維状部材2の膨張及び収縮にしたがって、光ファイバブラッググレーティング1が膨張及び収縮される。   In the variable characteristic fiber grating according to the present invention, as shown in FIG. 1, the expansion and the expansion of the fibrous member 2 having a negative thermal expansion coefficient in the longitudinal direction disposed around the optical fiber Bragg grating 1 having a grating structure. According to the contraction, the optical fiber Bragg grating 1 is expanded and contracted.

この特性可変ファイバグレーティングにおいては、温度上昇による繊維状部材2の収縮が、光ファイバブラッググレーティング1に対する圧縮応力として作用し、正の熱膨張係数を有する光ファイバブラッググレーティング1の熱膨張を抑制する。このように、光ファイバブラッググレーティング1の熱膨張が抑制されることによって、この光ファイバブラッググレーティング1の温度特性を変化させることができる。   In this variable characteristic fiber grating, the contraction of the fibrous member 2 due to a temperature rise acts as a compressive stress on the optical fiber Bragg grating 1 and suppresses the thermal expansion of the optical fiber Bragg grating 1 having a positive thermal expansion coefficient. In this way, by suppressing the thermal expansion of the optical fiber Bragg grating 1, the temperature characteristics of the optical fiber Bragg grating 1 can be changed.

そして、この特性可変ファイバグレーティングにおいては、光ファイバブラッググレーティング1の膨張及び収縮率は、グレーティング部3の長手方向に沿って変化している。これは、繊維状部材2が光ファイバブラッググレーティング1に与える圧縮応力がグレーティング部3の長手方向に沿って変化することによるもので、この作用により特性可変ファイバグレーティングは、可変分散補償器として使用することができる。   In this variable characteristic fiber grating, the expansion and contraction rate of the optical fiber Bragg grating 1 changes along the longitudinal direction of the grating portion 3. This is due to the fact that the compressive stress applied to the optical fiber Bragg grating 1 by the fibrous member 2 changes along the longitudinal direction of the grating portion 3, and this characteristic variable fiber grating is used as a variable dispersion compensator. be able to.

ここで、図1に示すように、光ファイバブラッググレーティング1の周囲に負の熱膨張係数を有する繊維状部材2が配置され、この繊維状部材2の収縮による圧縮応力が全て光ファイバブラッググレーティング1に伝わる構造であると仮定する。光ファイバブラッググレーティング1の断面積をSf、ヤング率をEf、繊維状部材2をなす繊維の断面積の合計をSn、ヤング率をEnと定義すると、力の釣り合いについて、下記の(式2)が成立する。   Here, as shown in FIG. 1, a fibrous member 2 having a negative thermal expansion coefficient is disposed around the optical fiber Bragg grating 1, and all the compressive stress due to the contraction of the fibrous member 2 is the optical fiber Bragg grating 1. It is assumed that the structure is transmitted to When the cross-sectional area of the optical fiber Bragg grating 1 is defined as Sf, the Young's modulus is defined as Ef, the total of the cross-sectional areas of the fibers forming the fibrous member 2 is defined as Sn, and the Young's modulus is defined as En, Is established.

SfEfuf+SnEnun=0 ・・・・・・・・・・・・(式2)
この(式2)において、uf及びunは、それぞれ光ファイバブラッググレーティング1及び繊維状部材2の平衡点からの変位量である。すなわち、光ファイバブラッググレーティング1の変位量ufがグレーティング部3において光ファイバブラッググレーティング1の長手方向に沿って変化しているように設計することにより、分散量可変の分散補償ファイバグレーティングが構成される。ここで、材料のヤング率Ef、Enを光ファイバブラッググレーティング1の長手方向に沿って変化させることは困難であるため、光ファイバブラッググレーティング1の断面積Sf、または、繊維の断面積の合計Snを光ファイバブラッググレーティング1の長手方向に沿って変化させておくことにより、所望の特性が実現できる。
SfEfuf + SnEun = 0 (Equation 2)
In (Equation 2), uf and un are displacement amounts from the equilibrium point of the optical fiber Bragg grating 1 and the fibrous member 2, respectively. That is, by designing the displacement amount uf of the optical fiber Bragg grating 1 to change along the longitudinal direction of the optical fiber Bragg grating 1 in the grating portion 3, a dispersion compensation fiber grating with a variable dispersion amount is configured. . Here, since it is difficult to change the Young's moduli Ef and En of the material along the longitudinal direction of the optical fiber Bragg grating 1, the cross-sectional area Sf of the optical fiber Bragg grating 1 or the total Sn of the fiber cross-sectional areas Sn. By changing the length along the longitudinal direction of the optical fiber Bragg grating 1, desired characteristics can be realized.

また、図3中の(c)及び(d)に示したように、反射波長の短波長側が温度上昇によって短波長側に変動するために、繊維状部材2に必要な負の熱膨張係数は、使用する光ファイバブラッググレーティング1の材質にもよるが、通信用として広く用いられている石英系光ファイバを用いる場合には、−6.0〜−15.0×10−6〔1/°C〕程度となる。すなわち、繊維状部材2の熱膨張係数は、−6.0〜−15.0×10−6〔1/°C〕の範囲であることが望ましい。 Further, as shown in (c) and (d) in FIG. 3, since the short wavelength side of the reflected wavelength fluctuates to the short wavelength side due to the temperature rise, the negative thermal expansion coefficient necessary for the fibrous member 2 is Depending on the material of the optical fiber Bragg grating 1 to be used, when using a silica-based optical fiber widely used for communication, −6.0 to −15.0 × 10 −6 [1 / ° C] grade. That is, the thermal expansion coefficient of the fibrous member 2 is desirably in the range of −6.0 to −15.0 × 10 −6 [1 / ° C].

この特性可変ファイバグレーティングにおいては、光ファイバブラッググレーティング1の周囲に直接繊維状部材2を配置し、この繊維状部材2の収縮を利用しているため、この繊維状部材2を含めた外径は、1mm以下とすることが可能であり、小型化が可能である。   In this variable characteristic fiber grating, since the fibrous member 2 is arranged directly around the optical fiber Bragg grating 1 and the contraction of the fibrous member 2 is utilized, the outer diameter including the fibrous member 2 is 1 mm or less, and downsizing is possible.

図4は、繊維状部材2をなす繊維の本数がグレーティング部3の長手方向に沿って変化している構成を示す縦断面図及び横断面図である。   FIG. 4 is a longitudinal sectional view and a transverse sectional view showing a configuration in which the number of fibers constituting the fibrous member 2 is changed along the longitudinal direction of the grating portion 3.

本発明に係る特性可変ファイバグレーティングは、図4に示すように、光ファイバブラッググレーティング1の周囲に配置した負の熱膨張係数を有する繊維状部材2をなす繊維の本数(断面積の合計)がグレーティング部3の長手方向に沿って変化しているようにすることが望ましい。   As shown in FIG. 4, the variable-characteristic fiber grating according to the present invention has a number of fibers (total sum of cross-sectional areas) constituting the fibrous member 2 having a negative thermal expansion coefficient arranged around the optical fiber Bragg grating 1. It is desirable to change along the longitudinal direction of the grating part 3.

この特性可変ファイバグレーティングにおいては、グレーティング部3の周囲における繊維状部材2の断面積を、光ファイバブラッググレーティング1の長手方向に沿って容易に変化させることが可能であり、温度変化による分散量可変の分散補償ファイバグレーティングを容易に作製することができる。   In this variable characteristic fiber grating, the cross-sectional area of the fibrous member 2 around the grating portion 3 can be easily changed along the longitudinal direction of the optical fiber Bragg grating 1, and the amount of dispersion can be varied by changing the temperature. The dispersion compensating fiber grating can be easily manufactured.

すなわち、繊維状部材2を所望の特性となるように円錐状に切断することにより、数百本から数千本の繊維からなるものとして光ファイバブラッググレーティング1の周囲に配置するようにすれば、光ファイバブラッググレーティング1の長手方向に沿って連続的に繊維の断面積の合計を変化させることができる。   That is, if the fibrous member 2 is cut into a conical shape so as to have desired characteristics, it is arranged around the optical fiber Bragg grating 1 as being composed of hundreds to thousands of fibers. The total cross-sectional area of the fibers can be continuously changed along the longitudinal direction of the optical fiber Bragg grating 1.

このような繊維状部材2の切断は、光ファイバブラッググレーティング1の断面積を連続的に変化させることに比較して容易であり、また、再現性良く行うことができるので、製造費用を安くすることができ、しかも、特性の安定化を図り不良率を低減させることができる。   Such cutting of the fibrous member 2 is easier than continuously changing the cross-sectional area of the optical fiber Bragg grating 1 and can be performed with good reproducibility, thus reducing the manufacturing cost. In addition, the characteristics can be stabilized and the defect rate can be reduced.

そして、繊維状部材2をなす材料としては、結晶化度が85%以上の超高分子量ポリエチレンが好ましい。この超高分子量ポリエチレンは、負の熱膨張特性を有する繊維状部材の中でも、負の熱膨張係数が大きい。高分子量ポリエチレンは結晶化度を大きくすることで負膨張特性を大きくでき、高分子量ポリエチレンの結晶化度を85%以上にすることで、繊維方向の膨張係数は約−10×10−6〔1/°C〕程度と特に大きな負膨張特性を有する。この様に、高分子量ポリエチレンは石英系光ファイバからなる光ファイバブラッググレーティング1について温度補償を行うのに十分な特性を有している。 And as a material which makes the fibrous member 2, ultra high molecular weight polyethylene with a crystallinity degree of 85% or more is preferable. This ultra high molecular weight polyethylene has a large negative thermal expansion coefficient among the fibrous members having negative thermal expansion characteristics. High molecular weight polyethylene can increase the negative expansion characteristic by increasing the crystallinity, and by increasing the crystallinity of the high molecular weight polyethylene to 85% or more, the expansion coefficient in the fiber direction is about −10 × 10 −6 [1 / ° C] and a particularly large negative expansion characteristic. Thus, the high molecular weight polyethylene has sufficient characteristics to perform temperature compensation for the optical fiber Bragg grating 1 made of a silica-based optical fiber.

繊維状部材2をこのような高分子量ポリエチレンにより作製した場合、負の熱膨張係数が大きいため、少ない繊維量で十分な温度補償を行うことが可能となり、この繊維状部材2を含めた特性可変ファイバグレーティングの外径を1mm以下にすることができる。また、高分子量ポリエチレンは、耐衝撃性や耐光性、耐薬品性にも優れることから、繊維状部材2が光ファイバブラッググレーティング1を保護する役割を果たすこともでき、光学素子用途に好適な特性可変ファイバグレーティングを構成することができる。   When the fibrous member 2 is made of such a high molecular weight polyethylene, since the negative thermal expansion coefficient is large, it becomes possible to perform sufficient temperature compensation with a small amount of fiber, and the characteristics including the fibrous member 2 can be varied. The outer diameter of the fiber grating can be 1 mm or less. Further, since the high molecular weight polyethylene is excellent in impact resistance, light resistance, and chemical resistance, the fibrous member 2 can also play a role of protecting the optical fiber Bragg grating 1, and is suitable for optical element use. A variable fiber grating can be constructed.

ここで、高分子量ポリエチレンとしては、例えば、東洋紡績株式会社製の「ダイニーマ」(商標名)を使用することができる。   Here, as the high molecular weight polyethylene, for example, “Dyneema” (trade name) manufactured by Toyobo Co., Ltd. can be used.

さらに、繊維状部材2をなす材料としては、ポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維を使用することが望ましい。このポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維も、負の熱膨張係数が−6.0×10−6〔1/°C〕程度と大きく、光ファイバブラッググレーティング1について温度補償を行うに十分な特性を有している。 Furthermore, it is desirable to use polyparaphenylene benzobisoxazole fiber as the material forming the fibrous member 2. This polyparaphenylene benzobisoxazole fiber also has a large negative thermal expansion coefficient of about −6.0 × 10 −6 [1 / ° C], and has characteristics sufficient for temperature compensation of the optical fiber Bragg grating 1. have.

このポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維は、分解温度が650°C程度と高温であるため、特に高温下で使用する特性可変ファイバグレーティングにおいて使用すると好適である。   Since this polyparaphenylene benzobisoxazole fiber has a decomposition temperature as high as about 650 ° C., it is particularly suitable for use in a variable characteristic fiber grating used under high temperature.

ポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維としては、東洋紡績株式会社製の「ザイロン」(商標名)を使用することができる。   As the polyparaphenylene benzobisoxazole fiber, “Zylon” (trade name) manufactured by Toyobo Co., Ltd. can be used.

図5は、本発明に係る特性可変ファイバグレーティングであって、繊維状部材2をなす繊維同士及びこれら繊維と光ファイバブラッググレーティング1との間の空隙を樹脂材料5で充填した構成を示す縦断面図である。   FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a variable property fiber grating according to the present invention, in which the fibers constituting the fibrous member 2 and the gap between these fibers and the optical fiber Bragg grating 1 are filled with the resin material 5. FIG.

この特性可変ファイバグレーティングにおいては、図5中の(a)及び(b)に示すように、負の熱膨張特性を有する繊維状部材2をなす各繊維4同士及びこれら繊維4と光ファイバブラッググレーティング1との間の空隙を、樹脂材料5によって充填している。   In this variable characteristic fiber grating, as shown in FIGS. 5A and 5B, the fibers 4 constituting the fibrous member 2 having negative thermal expansion characteristics and the fibers 4 and the optical fiber Bragg grating are provided. 1 is filled with the resin material 5.

このように、各繊維4同士及び繊維4と光ファイバブラッググレーティング1との間の空隙を樹脂材料5により充填することにより、温度上昇時における繊維状部材2の収縮を、光ファイバブラッググレーティング1に対して圧縮応力として確実に伝達することが可能となる。   In this way, by filling the gaps between the fibers 4 and between the fibers 4 and the optical fiber Bragg grating 1 with the resin material 5, the contraction of the fibrous member 2 when the temperature rises is applied to the optical fiber Bragg grating 1. On the other hand, it can be reliably transmitted as a compressive stress.

すなわち、樹脂材料5による充填がない場合においては、繊維状部材2が温度上昇によって収縮すると、この繊維状部材2と光ファイバブラッググレーティング1との間の静止摩擦力により、光ファイバブラッググレーティング1に対する応力が生ずる。ここで、繊維状部材2と光ファイバブラッググレーティング1との間の静止摩擦力が十分でない場合には、繊維状部材2が収縮しても、これら繊維状部材2及び光ファイバブラッググレーティング1間の界面において滑りが生じ、光ファイバブラッググレーティング1に対する圧縮応力が十分に得られない場合がある。そして、各繊維4同士及び繊維4と光ファイバブラッググレーティング1との間の空隙を樹脂材料5により充填した場合には、樹脂材料5と繊維4との間及び樹脂材料5と光ファイバブラッググレーティング1との間の静止摩擦力が増大し、圧縮応力が光ファイバブラッググレーティング1に確実に伝えられる。   That is, in the case where there is no filling with the resin material 5, when the fibrous member 2 contracts due to a temperature rise, the static frictional force between the fibrous member 2 and the optical fiber Bragg grating 1 causes a force against the optical fiber Bragg grating 1. Stress is generated. Here, when the static frictional force between the fibrous member 2 and the optical fiber Bragg grating 1 is not sufficient, even if the fibrous member 2 contracts, between the fibrous member 2 and the optical fiber Bragg grating 1. In some cases, slippage occurs at the interface, and sufficient compressive stress on the optical fiber Bragg grating 1 cannot be obtained. When the gaps between the fibers 4 and between the fibers 4 and the optical fiber Bragg grating 1 are filled with the resin material 5, between the resin material 5 and the fibers 4 and between the resin material 5 and the optical fiber Bragg grating 1. Thus, the compressive stress is reliably transmitted to the optical fiber Bragg grating 1.

したがって、樹脂材料5として、繊維4及び光ファイバブラッググレーティング1との間の密着力の高い材料を選ぶことにより、繊維状部材2の収縮、あるいは、膨張によって、繊維状部材2及び光ファイバブラッググレーティング1間の滑りを生じさせることなく、確実に、光ファイバブラッググレーティング1に対する圧縮応力、あるいは、伸長応力を生じさせることができる。   Therefore, by selecting a material having high adhesion between the fiber 4 and the optical fiber Bragg grating 1 as the resin material 5, the fibrous member 2 and the optical fiber Bragg grating are contracted or expanded by the contraction or expansion of the fibrous member 2. It is possible to reliably generate a compressive stress or an extension stress on the optical fiber Bragg grating 1 without causing slippage between the optical fibers.

なお、図5中の(a)には、繊維状部材2をなす繊維の本数が連続的に変化する領域にのみ樹脂材料5を使用した場合を示し、(b)には、繊維状部材2をなす繊維の量に関係なく、樹脂材料5を均一に光ファイバブラッググレーティング1の周囲に配置した場合を示している。どちらの場合においても、温度変化時において光ファイバブラッググレーティング1に生じる応力は、連続的に変化するため、分散量可変の分散補償ファイバグレーティングとして使用することができる。   5A shows a case where the resin material 5 is used only in a region where the number of fibers constituting the fibrous member 2 continuously changes, and FIG. 5B shows the fibrous member 2. The case where the resin material 5 is uniformly arranged around the optical fiber Bragg grating 1 is shown regardless of the amount of the fibers forming. In either case, since the stress generated in the optical fiber Bragg grating 1 at the time of temperature change continuously changes, it can be used as a dispersion compensating fiber grating with a variable dispersion amount.

この樹脂材料5としては、熱硬化型樹脂材料、紫外線硬化型樹脂材料、湿度硬化型樹脂材料など、ほとんどの樹脂材料を使用することができる。この樹脂材料5としては、硬化収縮率が小さいものが、硬化時に光ファイバブラッググレーティング1に対して余分な応力が生じさせないために望ましい。この樹脂材料5の硬化収縮率としては、例えば、5%以下であることが望ましい。   As this resin material 5, most resin materials, such as a thermosetting resin material, an ultraviolet curable resin material, and a humidity curable resin material, can be used. As the resin material 5, a material having a small curing shrinkage rate is desirable because it does not cause excessive stress to the optical fiber Bragg grating 1 during curing. The curing shrinkage rate of the resin material 5 is preferably 5% or less, for example.

そして、この樹脂材料5としては、地中、海底、空中などにおける使用温度範囲(例えば、−20°C乃至80°C)でのヤング率が、500MPa以下である材料が望ましい。樹脂材料5のヤング率が500MPa以下であることにより、温度上昇時における繊維状部材2の収縮と樹脂材料5の膨張とによって生じる歪み応力を緩和することができ、光ファイバブラッググレーティング1の特性を安定させることができる。   And as this resin material 5, the material whose Young's modulus in the use temperature range (for example, -20 degreeC thru | or 80 degreeC) in the ground, the seabed, the air etc. is 500 Mpa or less is desirable. When the Young's modulus of the resin material 5 is 500 MPa or less, the strain stress caused by the shrinkage of the fibrous member 2 and the expansion of the resin material 5 when the temperature rises can be reduced, and the characteristics of the optical fiber Bragg grating 1 can be reduced. It can be stabilized.

すなわち、この特性可変ファイバグレーティングにおいては、温度変化により光ファイバブラッググレーティング1、繊維状部材2及び樹脂材料5が変位して応力が発生した場合について、光ファイバブラッググレーティング1の断面積をSf、ヤング率をEf、繊維状部材2をなす繊維の断面積の合計をSn、ヤング率をEn、樹脂材料5の断面積合計をSr、ヤング率をErと定義すると、力の釣り合いについて、下記の(式3)が成立する。   That is, in this characteristic variable fiber grating, when the optical fiber Bragg grating 1, the fibrous member 2 and the resin material 5 are displaced due to temperature changes and stress is generated, the cross-sectional area of the optical fiber Bragg grating 1 is Sf, Young When the rate is defined as Ef, the total cross-sectional area of the fibers constituting the fibrous member 2 is defined as Sn, the Young's modulus is defined as En, the total cross-sectional area of the resin material 5 is defined as Sr, and the Young's modulus is defined as Er. Equation 3) holds.

SfEfuf+SnEnun+SrErur=0 ・・・・・・・・・・・・(式3)
この(式3)において、uf、un、urは、それぞれ光ファイバブラッググレーティング1、繊維状部材2及び樹脂材料5の平衡点からの変位量である。すなわち、光ファイバブラッググレーティング1の変位量ufが、光ファイバブラッググレーティング1の熱膨張による変位を打ち消すように、Sf、Ef、Sn、En、Sr、Erを設計することで、温度補償構造が実現される。
SfEfuf + SnEun + SrErur = 0 (Equation 3)
In (Expression 3), uf, un, and ur are displacement amounts from the equilibrium point of the optical fiber Bragg grating 1, the fibrous member 2, and the resin material 5, respectively. That is, the temperature compensation structure is realized by designing Sf, Ef, Sn, En, Sr, Er so that the displacement amount uf of the optical fiber Bragg grating 1 cancels the displacement due to the thermal expansion of the optical fiber Bragg grating 1. Is done.

ここで、光ファイバブラッググレーティング1の構造パラメータであるSf、Efは、使用する光ファイバによって一意に決まる。例えば、石英ガラスからなる直径125μmの光ファイバを用いる場合においては、Sf=1.23×10−2〔mm〕、Ef=73〔GPa〕である。 Here, the structural parameters Sf and Ef of the optical fiber Bragg grating 1 are uniquely determined by the optical fiber to be used. For example, when an optical fiber made of quartz glass having a diameter of 125 μm is used, Sf = 1.23 × 10 −2 [mm 2 ] and Ef = 73 [GPa].

また、繊維状部材2についての定数であるSn、Enも、使用する繊維状部材2の材料と光ファイバブラッググレーティング1の周囲に配置する繊維の本数によって正確に決めることができる。例えば、「ダイニーマ」(商標名)のヤング率は、そのグレードにもよるが、En≒100〔GPa〕程度であり、面積Snも、繊維の本数を、例えば、2000本と決めることにより、一意に決定することができるので、製造上のばらつきはほとんどない。   The constants Sn and En for the fibrous member 2 can also be accurately determined by the material of the fibrous member 2 to be used and the number of fibers disposed around the optical fiber Bragg grating 1. For example, the Young's modulus of “Dyneema” (trade name) is about En≈100 [GPa] depending on the grade, and the area Sn is also unique by determining the number of fibers, for example, 2000. Therefore, there is almost no manufacturing variation.

一方、樹脂材料5の断面積Srは、光ファイバブラッググレーティング1の周囲に充填する樹脂材料の量によって変化してしまうため、製造工程において正確に制御することが困難である。そのため、製造工程における樹脂材料5の断面積Srのばらつきが温度補償特性に与える影響を極力少なくする必要がある。ここで(式3)より、樹脂材料5の断面積Srとヤング率Erとは互いに乗算される関係にあるため、断面積Srのばらつきが変位量urに与える影響を小さくするには、樹脂材料5のヤング率Erを小さくすれば良い。   On the other hand, since the cross-sectional area Sr of the resin material 5 changes depending on the amount of the resin material filled around the optical fiber Bragg grating 1, it is difficult to accurately control in the manufacturing process. For this reason, it is necessary to minimize the influence of the variation in the cross-sectional area Sr of the resin material 5 in the manufacturing process on the temperature compensation characteristics. Here, from (Equation 3), since the cross-sectional area Sr and Young's modulus Er of the resin material 5 are multiplied by each other, in order to reduce the influence of the variation of the cross-sectional area Sr on the displacement amount ur, the resin material The Young's modulus Er of 5 may be reduced.

すなわち、樹脂材料5として、ヤング率Erが極力小さい材料を使用することにより、製造工程上におけるばらつきを抑制することができる。樹脂材料5の断面積Srのばらつきによる温度補償特性ヘの影響がほぼ無視できるようになるヤング率Erのレベルとしては、繊維状部材2及び光ファイバブラッググレーティング1のヤング率の高々1%以下にしておくことが望ましい。   That is, by using a material having a Young's modulus Er as small as possible as the resin material 5, variations in the manufacturing process can be suppressed. The level of the Young's modulus Er at which the influence on the temperature compensation characteristic due to the variation in the cross-sectional area Sr of the resin material 5 becomes almost negligible is at most 1% of the Young's modulus of the fibrous member 2 and the optical fiber Bragg grating 1. It is desirable to keep it.

ここで、光ファイバの主材料である石英ガラスのヤング率は73〔GPa〕であるので、その1%は730〔MPa〕となる。したがって、樹脂材料5としては、通常使用する温度範囲(例えば、−20°C乃至80°C)において、約500〔MPa〕以下のヤング率を有する材料(例えば、−20°Cにおいて500〔MPa〕、80°Cにおいて10〔MPa〕)を用いることにより、安定した特性が得られる。   Here, since the Young's modulus of quartz glass which is the main material of the optical fiber is 73 [GPa], 1% thereof is 730 [MPa]. Accordingly, the resin material 5 is a material having a Young's modulus of about 500 [MPa] or less in a normally used temperature range (for example, −20 ° C. to 80 ° C.) (for example, 500 [MPa at −20 ° C.). Stable characteristics can be obtained by using 10 [MPa] at 80 ° C.

さらに、樹脂材料5として、ヤング率が500〔MPa〕以下の材料を使用することによって、樹脂材料の硬化時の歪みが光ファイバブラッググレーティング1に与える影響を小さくできる。この場合には、液晶高分子を用いた従来の特性可変ファイバグレーティングにおいて必要であった緩衝層が不要となるので、構造が簡単で安価に作製することができる特性可変ファイバグレーティングを構成することができる。   Furthermore, by using a material having a Young's modulus of 500 [MPa] or less as the resin material 5, it is possible to reduce the influence of strain upon curing of the resin material on the optical fiber Bragg grating 1. In this case, since the buffer layer required in the conventional variable characteristic fiber grating using liquid crystal polymer is not required, it is possible to construct a variable characteristic fiber grating that has a simple structure and can be manufactured at low cost. it can.

また、樹脂材料5のヤング率を500〔MPa〕以下とすることにより、この樹脂材料5を繊維状部材2及び光ファイバブラッググレーティング1の周囲に配置した後において、この光ファイバブラッググレーティング1を曲げることが可能となり、モジュールに組み込む場合などにおいて有利となり、モジュールの小型化も可能となる。すなわち、樹脂材料5が柔らかい材料からなることにより、特性可変ファイバグレーティング全体を曲げても光ファイバブラッググレーティング1に大きな応力が掛かることがなく、特性悪化を招来することがない。   Further, by setting the Young's modulus of the resin material 5 to 500 [MPa] or less, the optical fiber Bragg grating 1 is bent after the resin material 5 is disposed around the fibrous member 2 and the optical fiber Bragg grating 1. This is advantageous when it is incorporated into a module, and the module can be downsized. That is, since the resin material 5 is made of a soft material, even if the entire characteristic variable fiber grating is bent, a large stress is not applied to the optical fiber Bragg grating 1, and the characteristic is not deteriorated.

また、本発明に係る特性可変ファイバグレーティングは、使用温度範囲内において温度が変化したときに、光ファイバブラッググレーティング1の両端における反射波長の変化方向が、互いに逆になっているようにすることが望ましい。   In the variable characteristic fiber grating according to the present invention, when the temperature changes within the operating temperature range, the reflected wavelength changing directions at both ends of the optical fiber Bragg grating 1 are opposite to each other. desirable.

光ファイバブラッググレーティング1の両端における反射波長の変化方向が互いに逆になっていることにより、この特性可変ファイバグレーティングに温度変化を与えて分散量を変化させたとき、図3中の(c)及び(d)に示したように、反射波長の短波長側が温度上昇によって短波長側に変動し、長波長側が温度上昇によって長波長側に変動するという挙動を示し、反射中心波長の変動を抑制することが可能となる。   When the direction of change in the reflected wavelength at both ends of the optical fiber Bragg grating 1 is opposite to each other, when the temperature change is applied to the variable characteristic fiber grating and the amount of dispersion is changed, (c) in FIG. As shown in (d), the behavior is such that the short wavelength side of the reflected wavelength changes to the short wavelength side due to the temperature rise, and the long wavelength side changes to the long wavelength side due to the temperature rise, thereby suppressing the fluctuation of the reflection center wavelength. It becomes possible.

そして、反射中心波長の変動が抑えられることにより、波長多重通信方式などにおける使用に際して、隣の通信波長へ影響を与えることを抑制でき、分散量可変の分散補償ファイバグレーティングとして望ましい特性を実現することができる。   In addition, by suppressing fluctuations in the reflection center wavelength, it is possible to suppress the influence on the adjacent communication wavelength when used in a wavelength division multiplexing communication system, etc., and to realize desirable characteristics as a dispersion compensation fiber grating with variable dispersion amount Can do.

このような特性を実現するには、繊維状部材2が大きな負の熱膨張係数を有している必要があり、例えば、光ファイバとして石英を用いる場合には、繊維状部材2が長手方向に−8.0×10−6〔1/°C〕程度の負の熱膨張係数を有している必要がある。このような繊維状部材2としては、前述したように、高分子量ポリエチレン(例えば、東洋紡績株式会社製「ダイニーマ」(商標名))等が挙げられる。 In order to realize such characteristics, the fibrous member 2 needs to have a large negative thermal expansion coefficient. For example, when quartz is used as the optical fiber, the fibrous member 2 is in the longitudinal direction. It must have a negative thermal expansion coefficient of about −8.0 × 10 −6 [1 / ° C]. Examples of such a fibrous member 2 include high molecular weight polyethylene (for example, “Dyneema” (trade name) manufactured by Toyobo Co., Ltd.) as described above.

〔実施例1〕
この実施例1においては、グレーティング部3の周囲に配置する繊維状部材2をなす繊維の本数を変化させたときの、光ファイバブラッググレーティング1の反射中心波長の温度依存性の変化を確認した。
[Example 1]
In Example 1, a change in the temperature dependence of the reflection center wavelength of the optical fiber Bragg grating 1 when the number of fibers constituting the fibrous member 2 arranged around the grating portion 3 was changed was confirmed.

光ファイバブラッググレーティング1は、一般の光通信において広く用いられている直径125μmの石英製光ファイバに位相マスク法でグレーティング部3を作製したものを使用した。   As the optical fiber Bragg grating 1, a quartz optical fiber having a diameter of 125 μm, which is widely used in general optical communications, in which the grating portion 3 is produced by the phase mask method is used.

また、長手方向に負の熱膨張係数を有する繊維状部材2としては、ポリエチレン(東洋紡績株式会社製「ダイニーマ」(商標名))を使用した。使用したポリエチレン繊維は、フィラメント1本が1.2dtexである。   Further, as the fibrous member 2 having a negative thermal expansion coefficient in the longitudinal direction, polyethylene (“Dyneema” (trade name) manufactured by Toyobo Co., Ltd.) was used. The polyethylene fiber used is 1.2 dtex per filament.

この繊維状部材2を光ファイバブラッググレーティング1の周囲に配置した後、樹脂材料5として紫外線硬化型樹脂を繊維状部材2に浸透させ、この繊維状部材2をなす繊維間及びこれら繊維と光ファイバブラッググレーティング1との間の空隙を紫外線硬化型樹脂で充填し、さらに、紫外線を照射してこの紫外線硬化型樹脂を硬化させた。使用した紫外線硬化型樹脂の室温でのヤング率は、50〔MPa〕であった。   After disposing the fibrous member 2 around the optical fiber Bragg grating 1, an ultraviolet curable resin is infiltrated into the fibrous member 2 as the resin material 5, and between the fibers forming the fibrous member 2 and between these fibers and the optical fiber. The space between the Bragg grating 1 was filled with an ultraviolet curable resin, and the ultraviolet curable resin was further cured by irradiation with ultraviolet rays. The ultraviolet curable resin used had a Young's modulus at room temperature of 50 [MPa].

その後、光ファイバブラッググレーティング1の温度を、0°Cから60°Cまで変化させ、中心反射波長の変動特性を線形近似することにより、1°Cあたりの波長変化量を求めた。   Thereafter, the temperature of the optical fiber Bragg grating 1 was changed from 0 ° C. to 60 ° C., and the wavelength variation per 1 ° C. was obtained by linearly approximating the fluctuation characteristics of the center reflection wavelength.

図6は、実施例1において、横軸を繊維本数として温度特性変化を示すグラフである。   FIG. 6 is a graph showing changes in temperature characteristics with the horizontal axis as the number of fibers in Example 1.

図6に示すように、繊維状部材2をなす繊維の本数が増えるにしたがって、光ファイバブラッググレーティング1の温度特性が変化し、2000本程度、つまり2400dtexにおいて、ほぼ温度無依存にできることがわかった。すなわち、このような温度特性の変化を利用することにより、光ファイバブラッググレーティング1の温度依存性を長手方向について変化させることができることが確認できた。   As shown in FIG. 6, the temperature characteristics of the optical fiber Bragg grating 1 changed as the number of fibers constituting the fibrous member 2 increased, and it was found that the temperature characteristic can be made almost independent of about 2000, that is, 2400 dtex. . That is, it has been confirmed that the temperature dependence of the optical fiber Bragg grating 1 can be changed in the longitudinal direction by utilizing such a change in temperature characteristics.

〔実施例2〕
この実施例2においては、位相マスク法を用いて、長さ90mm、チャープ率0.07nm/cmのチャープファイバグレーティングを作製し、このチャープファイバグレーティングの周囲に、負の熱膨張係数を有する繊維状部材2を、前記図4に示すように、連続的に構成繊維の本数を変化させて配置した。
[Example 2]
In Example 2, a chirped fiber grating having a length of 90 mm and a chirp rate of 0.07 nm / cm was prepared using a phase mask method, and a fiber-like fiber having a negative thermal expansion coefficient around the chirped fiber grating. The member 2 was arranged by continuously changing the number of constituent fibers as shown in FIG.

繊維状部材2としては、ポリエチレン(東洋紡績株式会社製「ダイニーマ」(商標名))を使用した。   As the fibrous member 2, polyethylene (“Dyneema” (trade name) manufactured by Toyobo Co., Ltd.) was used.

グレーティング部3の一端側においては、繊維本数を2300本、つまり2760dtexとし、他端側に向けて徐々に減らしていき、最終的には0本となるようにした。この実施例においては、繊維本数が2300本の側をチャープ周期の短波長側とした。また、繊維本数の変化は、前記実施例1の結果に基づいて、ファイバブラッググレーティング1の長手方向について、温度特性変化が線形となるように設計した。   On one end side of the grating part 3, the number of fibers was 2300, that is, 2760 dtex, and gradually decreased toward the other end side so that the number finally became zero. In this example, the side with 2300 fibers was defined as the short wavelength side of the chirp period. The change in the number of fibers was designed based on the result of Example 1 so that the temperature characteristic change was linear in the longitudinal direction of the fiber Bragg grating 1.

そして、樹脂材料5として紫外線硬化型樹脂を繊維状部材2に浸透させ、この繊維状部材2をなす繊維間及びこれら繊維と光ファイバブラッググレーティング1との間の空隙を紫外線硬化型樹脂で充填し、さらに、紫外線を照射してこの紫外線硬化型樹脂を硬化させた。使用した紫外線硬化型樹脂の室温でのヤング率は、50〔MPa〕であった。   Then, an ultraviolet curable resin is infiltrated into the fibrous member 2 as the resin material 5, and the gaps between the fibers forming the fibrous member 2 and between the fibers and the optical fiber Bragg grating 1 are filled with the ultraviolet curable resin. Further, the ultraviolet curable resin was cured by irradiating ultraviolet rays. The ultraviolet curable resin used had a Young's modulus at room temperature of 50 [MPa].

その後、光ファイバブラッググレーティング1の温度を、0°Cから60°Cまで変化させ、グレーティング部3における反射強度スペクトル及び群遅延特性を測定した。   Thereafter, the temperature of the optical fiber Bragg grating 1 was changed from 0 ° C. to 60 ° C., and the reflection intensity spectrum and group delay characteristics in the grating portion 3 were measured.

図7は、実施例2において、横軸を反射波長として反射強度スペクトル及び群遅延特性の変化を示すグラフである。   FIG. 7 is a graph showing changes in the reflection intensity spectrum and the group delay characteristic with the horizontal axis as the reflection wavelength in Example 2.

図7中の(a)に示す反射スペクトル及び図7中の(b)に示す群遅延特性からわかるように、グレーティング部3の周囲の繊維本数が2300本である短波長側においては、温度が変化しても波長変動がほとんどないのに対し、繊維本数が0本である長波長側においては、温度上昇により波長が長波側に変化し、結果として、反射帯域と群遅延時間の傾き、すなわち、波長分散が変化している。   As can be seen from the reflection spectrum shown in (a) in FIG. 7 and the group delay characteristic shown in (b) in FIG. 7, on the short wavelength side where the number of fibers around the grating portion 3 is 2300, the temperature is Although there is almost no wavelength fluctuation even if it changes, on the long wavelength side where the number of fibers is 0, the wavelength changes to the long wave side due to temperature rise, and as a result, the slope of the reflection band and the group delay time, that is, The chromatic dispersion is changing.

この実施例により、波長分散は600nm/ps乃至1000nm/psの範囲で変化し、400nm/psの変化量が得られ、実用上十分な波長分散の可変範囲が得られることが確認された。   According to this example, it was confirmed that the chromatic dispersion changes in the range of 600 nm / ps to 1000 nm / ps, and a change amount of 400 nm / ps is obtained, and a practically sufficient variable range of chromatic dispersion is obtained.

また、この実施例においては、短波長側の反射波長の変化がほとんどないため、反射中心波長の変動も小さく抑えられている。例えば、この実施例においては、使用波長を1550.4nmに設定することにより、全ての温度範囲で使用することが可能となる。   In this embodiment, since there is almost no change in the reflection wavelength on the short wavelength side, the change in the reflection center wavelength is suppressed to a small value. For example, in this embodiment, it is possible to use in the entire temperature range by setting the use wavelength to 1550.4 nm.

なお、ここで、使用波長を1550.4nmに設定することの根拠は、以下の通りである。すなわち、図7中の(a)及び(b)に示すように、温度を0°Cから60°Cまで変化させた場合には、光ファイバブラッググレーティング1の帯域が変化してしまい、0°Cにおいて最も帯域が狭くなる。ここで、仮に、使用波長が1551nmであった場合には、60°C及び30°Cにおいては光ファイバブラッググレーティング1の帯域内に入るが、0°Cにおいては帯域外となってしまう。そして、1550.4nmの波長の光を光ファイバブラッググレーティング1に入射させた場合には、0°Cから60°Cの温度範囲において、すべて光ファイバブラッググレーティング1の帯域内に入る。したがって、この実施例においては、使用波長を1550.4nmに設定することが望ましい。ただし、光ファイバブラッググレーティング1の特性が異なれば、使用波長も異なるものとなる。   Here, the grounds for setting the used wavelength to 1550.4 nm are as follows. That is, as shown in FIGS. 7A and 7B, when the temperature is changed from 0 ° C. to 60 ° C., the band of the optical fiber Bragg grating 1 is changed to 0 ° In C, the band becomes the narrowest. Here, if the wavelength used is 1551 nm, it falls within the band of the optical fiber Bragg grating 1 at 60 ° C. and 30 ° C., but becomes out of band at 0 ° C. When light having a wavelength of 1550.4 nm is incident on the optical fiber Bragg grating 1, all light falls within the band of the optical fiber Bragg grating 1 in the temperature range of 0 ° C to 60 ° C. Therefore, in this embodiment, it is desirable to set the operating wavelength to 1550.4 nm. However, if the characteristics of the optical fiber Bragg grating 1 are different, the wavelength used is also different.

〔実施例3〕
この実施例3においては、位相マスク法を用いて、長さ90mm、チャープ率0.07nm/cmのチャープファイバグレーティングを作製し、このチャープファイバグレーティングの周囲に、負の熱膨張係数を有する繊維状部材2を、前記図4に示すように、連続的に構成繊維の本数を変化させて配置した。
Example 3
In Example 3, a chirped fiber grating having a length of 90 mm and a chirp rate of 0.07 nm / cm was prepared by using a phase mask method, and a fibrous fiber having a negative thermal expansion coefficient around the chirped fiber grating. The member 2 was arranged by continuously changing the number of constituent fibers as shown in FIG.

繊維状部材2としては、ポリエチレン(東洋紡績株式会社製「ダイニーマ」(商標名))を使用した。   As the fibrous member 2, polyethylene (“Dyneema” (trade name) manufactured by Toyobo Co., Ltd.) was used.

グレーティング部3の一端側においては、繊維本数を2300本、つまり2760dtexとし、他端側に向けて徐々に減らしていき、最終的には0本となるようにした。この実施例においては、繊維本数が2300本の側をチャープ周期の長波長側とした。また、繊維本数の変化は、前記実施例1の結果に基づいて、ファイバブラッググレーティング1の長手方向について、温度特性変化が線形となるように設計した。   On one end side of the grating part 3, the number of fibers was 2300, that is, 2760 dtex, and gradually decreased toward the other end side so that the number finally became zero. In this example, the side with 2300 fibers was defined as the long wavelength side of the chirp period. The change in the number of fibers was designed based on the result of Example 1 so that the temperature characteristic change was linear in the longitudinal direction of the fiber Bragg grating 1.

そして、樹脂材料5として紫外線硬化型樹脂を繊維状部材2に浸透させ、この繊維状部材2をなす繊維間及びこれら繊維と光ファイバブラッググレーティング1との間の空隙を紫外線硬化型樹脂で充填し、さらに、紫外線を照射してこの紫外線硬化型樹脂を硬化させた。使用した紫外線硬化型樹脂の室温でのヤング率は、800〔MPa〕であった。   Then, an ultraviolet curable resin is infiltrated into the fibrous member 2 as the resin material 5, and the gaps between the fibers forming the fibrous member 2 and between the fibers and the optical fiber Bragg grating 1 are filled with the ultraviolet curable resin. Further, the ultraviolet curable resin was cured by irradiating ultraviolet rays. The Young's modulus at room temperature of the used ultraviolet curable resin was 800 [MPa].

その後、光ファイバブラッググレーティング1の温度を、0°Cから60°Cまで変化させ、グレーティング部3における反射強度スペクトル及び群遅延特性を測定した。   Thereafter, the temperature of the optical fiber Bragg grating 1 was changed from 0 ° C. to 60 ° C., and the reflection intensity spectrum and group delay characteristics in the grating portion 3 were measured.

図8は、実施例3において、横軸を反射波長として反射強度スペクトル及び群遅延特性の変化を示すグラフである。   FIG. 8 is a graph showing changes in reflection intensity spectrum and group delay characteristics with the horizontal axis as the reflection wavelength in Example 3.

図8中の(a)に示す反射スペクトル及び図8中の(b)に示す群遅延特性からわかるように、グレーティング部3の周囲の繊維本数が2300本である長波長側においては、温度が変化しても波長変動がほとんどないのに対し、繊維本数が0本である短波長側においては、温度上昇により波長が長波側に変化し、結果として、反射帯域と群遅延時間の傾き、すなわち、波長分散が変化している。   As can be seen from the reflection spectrum shown in FIG. 8 (a) and the group delay characteristic shown in FIG. 8 (b), on the long wavelength side where the number of fibers around the grating portion 3 is 2300, the temperature is Although there is almost no wavelength fluctuation even if it changes, on the short wavelength side where the number of fibers is zero, the wavelength changes to the long wave side due to temperature rise, and as a result, the slope of the reflection band and group delay time, that is, The chromatic dispersion is changing.

この実施例においては、前記実施例2に比較して、反射スペクトルの乱れが大きくなっている。これは、使用した紫外線硬化型樹脂のヤング率が800〔MPa〕であり、この紫外線硬化型樹脂が硬化するとき、及び、温度変化時に紫外線硬化型樹脂に生じた歪みが光ファイバブラッググレーティング1に応力を生じさせたためであると考えられる。   In this embodiment, the disturbance of the reflection spectrum is larger than that in the second embodiment. This is because the used ultraviolet curable resin has a Young's modulus of 800 [MPa], and the distortion generated in the ultraviolet curable resin when the ultraviolet curable resin is cured and when the temperature changes is applied to the optical fiber Bragg grating 1. This is thought to be due to the stress.

この実施例により、十分な波長分散の変化量が得られ、実用上十分な波長分散の可変範囲が得られることが確認された。しかし、紫外線硬化型樹脂のヤング率が高いと歪みが大きくなるため、紫外線硬化型樹脂のヤング率は、800〔MPa〕以下、望ましくは、500〔MPa〕以下とすべきことが確認された。   According to this example, it was confirmed that a sufficient amount of change in chromatic dispersion was obtained, and a practically sufficient variable range of chromatic dispersion was obtained. However, since the distortion increases when the Young's modulus of the ultraviolet curable resin is high, it has been confirmed that the Young's modulus of the ultraviolet curable resin should be 800 [MPa] or less, preferably 500 [MPa] or less.

〔温度調整機構を有する構成〕
そして、本発明に係る特性可変ファイバグレーティングは、温度を調整するための温度調整機構と組合わせて使用することとしてもよい。
[Configuration with temperature adjustment mechanism]
The variable characteristic fiber grating according to the present invention may be used in combination with a temperature adjustment mechanism for adjusting the temperature.

温度調整機構と組合わせて使用することにより、分散量可変の分散補償ファイバグレーティングにおける分散量を所望の値に変化させ、また、その所望の値で固定することが可能となる。   When used in combination with the temperature adjustment mechanism, the dispersion amount in the dispersion compensation fiber grating with variable dispersion amount can be changed to a desired value and can be fixed at the desired value.

温度調整機構は、分散量可変の分散補償ファイバグレーティングの温度を測定する機能を有し、その測定温度と設定温度との差を縮めるようにフィードバックをかける機能を有するか、または、最適な分散量からの乖離を測定する機能を有し、この乖離量を縮めるようにフィードバックをかける機能を有している。   The temperature adjustment mechanism has a function of measuring the temperature of the dispersion compensating fiber grating with a variable dispersion amount, and has a function of giving feedback so as to reduce the difference between the measured temperature and the set temperature, or an optimum dispersion amount. It has a function to measure the deviation from the above, and a function to apply feedback so as to reduce the deviation.

図9は、温度調整機構と組合わせた特性可変ファイバグレーティングの第1の構成を示す側面図である。   FIG. 9 is a side view showing a first configuration of the variable characteristic fiber grating combined with the temperature adjusting mechanism.

この実施例においては、伝送路で波長分散が蓄積された信号光は、サーキュレータ6を経て、温度調整部7に設置された分散補償ファイバグレーティングとなる光ファイバブラッググレーティング1に入射される。この光ファイバブラッググレーティング1で反射された光は、サーキュレータ6において分離され、受光部8に受光され、電気信号に変換される。   In this embodiment, the signal light in which the chromatic dispersion is accumulated in the transmission path is incident on the optical fiber Bragg grating 1 which becomes a dispersion compensating fiber grating installed in the temperature adjusting unit 7 through the circulator 6. The light reflected by the optical fiber Bragg grating 1 is separated by the circulator 6, received by the light receiving unit 8, and converted into an electrical signal.

受光部8からの出力は、分散量解析部9に送られ、残留分散量が解析される。分散量解析部9は、解析した残留分散量の値に基づいて、温度制御部10に信号を送る。温度制御部10は、残留分散量が小さくなるように、温度調整部7により光ファイバブラッググレーティング1の温度を変化させ、分散量を調整する。   The output from the light receiving unit 8 is sent to the dispersion amount analyzing unit 9, and the residual dispersion amount is analyzed. The dispersion amount analysis unit 9 sends a signal to the temperature control unit 10 based on the analyzed value of the residual dispersion amount. The temperature control unit 10 adjusts the dispersion amount by changing the temperature of the optical fiber Bragg grating 1 by the temperature adjustment unit 7 so that the residual dispersion amount becomes small.

なお、この実施例においては、受光部8及び分散量解析部9は、光信号の受信部の機能も兼ねている。   In this embodiment, the light receiving unit 8 and the dispersion amount analyzing unit 9 also function as an optical signal receiving unit.

図10は、温度調整機構と組合わせた特性可変ファイバグレーティングの第2の構成を示す側面図である。   FIG. 10 is a side view showing a second configuration of the variable characteristic fiber grating combined with the temperature adjustment mechanism.

この実施例においては、伝送路で波長分散が蓄積された信号光は、サーキュレータ6を経て、温度調整部7に設置された分散補償ファイバグレーティングとなる光ファイバブラッググレーティング1に入射される。この光ファイバブラッググレーティング1で反射された光は、サーキュレータ6において分離され、さらに、光カプラ11において分岐され、受光部8に受光され、電気信号に変換される。   In this embodiment, the signal light in which the chromatic dispersion is accumulated in the transmission path is incident on the optical fiber Bragg grating 1 which becomes a dispersion compensating fiber grating installed in the temperature adjusting unit 7 through the circulator 6. The light reflected by the optical fiber Bragg grating 1 is separated by the circulator 6, further branched by the optical coupler 11, received by the light receiving unit 8, and converted into an electric signal.

受光部8からの出力は、分散量解析部9に送られ、残留分散量が解析される。分散量解析部9は、解析した残留分散量の値に基づいて、温度制御部10に信号を送る。温度制御部10は、残留分散量が小さくなるように、温度調整部7により光ファイバブラッググレーティング1の温度を変化させ、分散量を調整する。   The output from the light receiving unit 8 is sent to the dispersion amount analyzing unit 9, and the residual dispersion amount is analyzed. The dispersion amount analysis unit 9 sends a signal to the temperature control unit 10 based on the analyzed value of the residual dispersion amount. The temperature control unit 10 adjusts the dispersion amount by changing the temperature of the optical fiber Bragg grating 1 by the temperature adjustment unit 7 so that the residual dispersion amount becomes small.

この実施例においては、受光部8及び分散量解析部9が光信号の受信部の機能を兼ねておらず、図示しない光信号の受信部は、光カプラ11において分岐されなかった光成分を受光して、光信号を受信する。   In this embodiment, the light receiving unit 8 and the dispersion amount analyzing unit 9 do not function as an optical signal receiving unit, and the optical signal receiving unit (not shown) receives an optical component that is not branched by the optical coupler 11. Then, an optical signal is received.

本発明に係る特性可変ファイバグレーティングの構成を示す縦断面図及び横断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view and cross-sectional view which show the structure of the variable characteristic fiber grating which concerns on this invention. チャープファイバグレーティングにおいて温度上昇により反射中心波長が変化する様子を示すグラフである。It is a graph which shows a mode that a reflection center wavelength changes with a temperature rise in a chirped fiber grating. チャープファイバグレーティングにおける反射中心波長の変動の温度依存性が長手方向について変化している場合の反射中心波長の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the reflection center wavelength when the temperature dependence of the fluctuation | variation of the reflection center wavelength in a chirped fiber grating is changing about the longitudinal direction. 上記特性可変ファイバグレーティングにおいて、繊維状部材をなす繊維の本数がグレーティング部の長手方向に沿って変化している構成を示す縦断面図及び横断面図である。In the characteristic variable fiber grating, there are a longitudinal sectional view and a transverse sectional view showing a configuration in which the number of fibers constituting the fibrous member is changed along the longitudinal direction of the grating portion. 上記特性可変ファイバグレーティングにおいて、繊維状部材をなす繊維同士及びこれら繊維と光ファイバブラッググレーティングとの間の空隙を樹脂材料で充填した構成を示す縦断面図である。In the characteristic variable fiber grating, it is a longitudinal sectional view showing a configuration in which fibers forming a fibrous member and gaps between the fibers and the optical fiber Bragg grating are filled with a resin material. 実施例1において、横軸を繊維本数として温度特性変化を示すグラフである。In Example 1, it is a graph which shows a temperature characteristic change by making a horizontal axis into a fiber number. 実施例2において、横軸を反射波長として反射強度スペクトル及び群遅延特性の変化を示すグラフである。In Example 2, it is a graph which shows the change of a reflection intensity spectrum and a group delay characteristic by making a horizontal axis into a reflective wavelength. 実施例3において、横軸を反射波長として反射強度スペクトル及び群遅延特性の変化を示すグラフである。In Example 3, it is a graph which shows the change of a reflection intensity spectrum and a group delay characteristic by making a horizontal axis into a reflective wavelength. 温度調整機構と組合わせた特性可変ファイバグレーティングの第1の構成を示す側面図である。It is a side view showing the 1st composition of a characteristic variable fiber grating combined with a temperature control mechanism. 温度調整機構と組合わせた特性可変ファイバグレーティングの第2の構成を示す側面図である。It is a side view showing the 2nd composition of a characteristic variable fiber grating combined with a temperature control mechanism. 分散補償ファイバグレーティングの動作原理を示す側面図である。It is a side view which shows the principle of operation of a dispersion compensation fiber grating.

符号の説明Explanation of symbols

1 光ファイバブラッググレーティング
2 繊維状部材
3 グレーティング部
4 繊維
5 樹脂材料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber Bragg grating 2 Fibrous member 3 Grating part 4 Fiber 5 Resin material

Claims (9)

周期的に屈折率が変化したグレーティング構造が形成されている光ファイバからなる光ファイバブラッググレーティングと、
前記光ファイバブラッググレーティングの周囲に配置された繊維状部材とを備え、
前記繊維状部材は、温度上昇により繊維長手方向に収縮し、温度下降により繊維長手方向に膨張する負の線膨張特性を有し、この温度上昇による繊維の収縮、温度下降による繊維の膨張により、前記光ファイバブラッググレーティングに対し、この光ファイバブラッググレーティングの長手方向の圧縮力あるいは伸長力を作用させる構造を有し、この光ファイバブラッググレーティングのグレーティング部における前記繊維部材の膨張あるいは収縮によって光ファイバへ与える圧縮力あるいは伸長力の作用量が光ファイバの長手方向について異なることを特徴とする特性可変ファイバグレーティング。
An optical fiber Bragg grating composed of an optical fiber in which a grating structure with a periodically changing refractive index is formed;
A fibrous member disposed around the optical fiber Bragg grating,
The fibrous member has a negative linear expansion characteristic that contracts in the fiber longitudinal direction when the temperature rises and expands in the fiber longitudinal direction when the temperature falls. The optical fiber Bragg grating has a structure in which a compressive force or an extension force in the longitudinal direction of the optical fiber Bragg grating is applied, and the fiber member expands or contracts in the grating portion of the optical fiber Bragg grating. A variable-characteristic fiber grating characterized in that the amount of compressive force or tensile force applied differs in the longitudinal direction of the optical fiber.
前記繊維状部材を構成する繊維の本数が、光ファイバブラッググレーティングのグレーティング部の長手方向について異なることを特徴とする請求項1記載の特性可変ファイバグレーティング。   2. The variable characteristic fiber grating according to claim 1, wherein the number of fibers constituting the fibrous member is different in the longitudinal direction of the grating portion of the optical fiber Bragg grating. 前記光ファイバブラッググレーティングが形成されている光ファイバ部材が石英であり、前記繊維状部材の繊維長手方向の線膨張係数が−6.0×10−6乃至−15.0×10−6〔1/°C〕であることを特徴とする請求項1あるいは2いずれか一に記載の特性可変ファイバグレーティング。 The optical fiber member in which the optical fiber Bragg grating is formed is quartz, and the linear expansion coefficient in the fiber longitudinal direction of the fibrous member is −6.0 × 10 −6 to −15.0 × 10 −6 [1 / ° C.] The variable characteristic fiber grating according to claim 1 or 2, wherein 前記繊維状部材は、高分子量ポリエチレンからなることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の特性可変ファイバグレーティング。   The variable fiber grating according to any one of claims 1 to 3, wherein the fibrous member is made of high molecular weight polyethylene. 前記繊維状部材は、ポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の特性可変ファイバグレーティング。   The variable fiber grating according to any one of claims 1 to 3, wherein the fibrous member is a polyparaphenylene benzobisoxazole fiber. 前記繊維状部材をなす繊維同士間及びこれら繊維と前記光ファイバブラッググレーティングとの間の空隙は、樹脂材料により充填されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一に記載の特性可変ファイバグレーティング。   6. The gap between the fibers forming the fibrous member and between the fibers and the optical fiber Bragg grating is filled with a resin material. 6. Characteristic variable fiber grating. 前記樹脂材料は、使用温度範囲におけるヤング率が500MPa以下の材料であることを特徴とする請求項6記載の特性可変ファイバグレーティング。   The variable-characteristic fiber grating according to claim 6, wherein the resin material is a material having a Young's modulus of 500 MPa or less in an operating temperature range. 使用温度範囲内における温度変化について、前記ファイバブラッググレーティングの両端側における反射波長の変化方向が互いに逆方向であることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか一に記載の特性可変ファイバグレーティング。   The variable characteristic fiber according to any one of claims 1 to 7, wherein a change direction of a reflection wavelength at both ends of the fiber Bragg grating is opposite to each other with respect to a temperature change within a use temperature range. Grating. 前記ファイバブラッググレーティングの温度を調整する温度調整機構を備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一に記載の特性可変ファイバグレーティング。   The characteristic variable fiber grating according to any one of claims 1 to 8, further comprising a temperature adjusting mechanism that adjusts a temperature of the fiber Bragg grating.
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