JP2006514342A - 非線形的な熱応答の補償を備えた、ファイバブラッググレーティング用のアサーマルパッケージ - Google Patents
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Abstract
ファイバフォトニックデバイス用のアサーマルパッケージは、少なくとも3つの材料の3つの部分を含み、それぞれの材料は他の2つとは異なる熱膨張係数を持つ。対照的に、従来型アサーマルパッケージは典型的には2つの材料しか持たない。典型的な応用においては、フォトニックデバイスを含む光ファイバが、このアサーマルパッケージに取り付けられる。光ファイバの熱応答にパッケージの熱応答を最適化するためにアサーマルパッケージの3つの材料が選択され3つの部分が寸法決めされる。
Description
本発明の実施態様は、全般的にはファイバフォトニックデバイスに関し、より具体的にはファイバフォトニックデバイス用のパッケージに関するが、これだけに限定されるものではない。
光伝送システムは、情報を電磁波スペクトルの可視または近赤外領域に含まれる周波数を持つ搬送波として、ある場所から別の場所に伝送する。このような高周波数を持つ搬送波は、光信号、光搬送波、または光波信号と呼ばれることもある。このような光信号は、一般に光ファイバで伝搬される。
システムによっては、フォトニックデバイスを光ファイバの1つのセグメントに埋め込むこともあれば、フォトニックデバイスにそれぞれ1つの光ファイバセグメントを含めることもある。例えば、ブラッググレーティングを光ファイバの1つのセグメントに実装するには、光信号が伝搬されるそのファイバセグメント内に屈折率が周期的に交互に切り替わる領域を複数形成する。この種のブラッググレーティングは、ファイバブラッググレーティング(FBG)と一般に呼ばれ、通常、波長選択フィルタとして光ファイバ通信システムで使用されている。例えば、このFBGを使用して、特定の波長(ブラッグ波長として公知の波長)を除去することができる。ブラッグ波長は、光ファイバセグメントの平均または有効屈折率と、屈折率が交互に切り替わる複数の領域のグレーティング間の距離(すなわち時間)とに応じて異なる。周知のように、FBGのブラッグ波長は、このFBGを備えるファイバセグメント上の歪と温度とに応じて異なる。
一般に、FBGを備える光ファイバセグメントは、ボード上に搭載可能な、またはユニットまたは組立体に組み込み可能な、パッケージにピンと張って取り付けられる。図1(従来技術)に概略的に図示するように、光ファイバセグメントは、FBG部が2つの取り付け点の間に位置するように、従来型パッケージにこれらの取り付け点において取り付けられる。
ただし、このパッケージの寸法は温度に敏感な場合がある。例えば、温度が変化するとパッケージが膨張することがあり、この結果、FBGを備える光ファイバセグメントに加わる歪が変わることがある。パッケージによって引き起こされるこの温度依存の歪を利用して、FBG固有の温度感受性を増幅または補償することができる。温度の上昇が歪の減少をもたらすパッケージは、ブラッグ波長の温度感受性を低減させることができる。このようなパッケージは、一般にアサーマルパッケージと呼ばれる。
従来型アサーマルパッケージを図1(従来技術)に概略的に図示する。図示のように、FBG領域101を備える光ファイバ100がパッケージに取り付けられる。このパッケージは、1つの材料で作られた複数の部分102および103と、別の材料で作られた部分106とを有す。光ファイバ100は、FBG領域101が接合部104と接合部105との間に位置するように、これらの接合部を用いて部分102および部分103にピンと張って取り付けられる。接合部104および接合部105は、一般に半田、エポキシ、または他の接着剤である。通常、このような従来の解決手段では、温度変化によって部分106が膨張したときに(すなわち、接合部104と接合部105との間にある光ファイバ100のセグメントの歪が増加したときに)、部分102および部分103の膨張によって接合部104と接合部105との間にある光ファイバ100のセグメントの歪が減るように、部分102、部分103、および部分106の材料が選択される。部分102および部分103の膨張によって、FBG固有の温度依存性と部分106の膨張によって引き起こされる歪の増大とが正確に打ち消される事が理想的である。パッケージに求められる温度補償を実現するには、パッケージ寸法および接合部104と接合部105との間の光ファイバ長の厳密な制御が必要である。しかしながら、従来型パッケージの設計はFBGを含むファイバ及びパッケージの線形的な温度依存の仮定に基づいているので、大きい温度変動においては、非線形的な熱依存性がそのような従来型パッケージの性能に悪影響を及ぼす。
本発明の非限定的および非網羅的な複数の実施形態について以下の複数の図を参照しながら説明するが、特に断りのない限り、各種の図中、同様の参照番号は同様の構成要素を指す。
本発明の複数の実施形態は、それぞれが異なる熱的膨張の係数(本願明細書では熱膨張係数とも呼ぶ)を持つ3つ(又はそれ以上の)材料から形成された、アサーマルパッケージを対象とする。本願明細書では、非常に非線形的な熱応答を示す材料に対しても、熱的に引き起こされた材料の全体的な寸法の変化を、熱膨張係数と呼ぶことに留意すること。この光ファイバセグメントはフォトニックデバイス、例えばFBG等を包含または収容することができる。
一実施形態においては、パッケージは、それぞれが異なる材料から形成された、基部及び2つのファイバー取付部を含む。例えば、一実施例において、その材料は、ニッケル鉄合金(例えば、Invar36(登録商標))、銅合金(例えば、937青銅)、及びステンレス鋼(例えば、303ステンレス鋼)である。
以下の詳細説明は、光ファイバセグメントの各端に2つの接合部位を有するFBGの一実施形態を対象としているが、他の実施形態では、他の種類のフォトニックデバイス及び/又は2を超える接合部位を含むこともできる。
図2は、本発明の一実施形態による1つのFBG領域201を備える光ファイバ200用の1つのアサーマルパッケージを概略的に示す。この実施形態において、アサーマルパッケージは、従来のアサーマルパッケージの部分102、103、及び部分106(図1)に類似した、ファイバ取付部202、203、及び基部206を備える。本実施形態では、部分202、203、及び206は、それぞれ他の2つの部分とは異なる材料で作られる。部分202及び203は、光ファイバ200がそれらの部分で接合部(以下に示す)を用いてアサーマルパッケージに取り付けられるので、本願明細書では取付部と呼ぶ。
本アサーマルパッケージのこの実施形態の各構成要素は、次のように相互接続される。取付部202は、基部206の一方の端(すなわち、光ファイバ200の伝搬軸に沿った基部206の一端)に、またはその近くに取り付けられる一端を有す。同様に、取付部203は、基部206の他方の端に取り付けられる一端を有す。図2に示すように、取付部202及び203が基部206に取り付けられる複数の点の間の距離はLBで示される。本実施形態においては、光ファイバ200は、接合部204によって取付部202に取り付けられ、接合部205によって取付部203に取り付けられる。接合部204及び205は、以下に詳細に説明される。
一実施形態においては、基部206は、1つの溝または深溝を備え、取付部202及び203は、この深溝の各端の内部側壁において基部206に取り付けられる。例えば、取付部202及び203は、それぞれこの深溝の両端の内部側壁に形成された穴に嵌まるピンとしてもよい。さらなる改善においては、取付部202及び203を基部206に形成された深溝の各端の内部側壁にねじ込むことができるように、これらのピンの端をねじ切りする。他の実施形態においては、基部206は、各端が閉じた管または円柱として形成される。取付部202及び203は、前の例のように「管形状の」基部206に取り付ける中空管とすることもでき、この場合は光ファイバ200を取付部202及び203の中空部分の内部に配置する。他の複数の実施形態においては、部分202、部分203、および部分206を他の形状とすることもできる。
接合部204は、取付部202の上部または内部に形成され、光ファイバ200の1つの点を取付部202に取り付けるために用いられる。一実施形態においては、接合部204をエポキシ、半田、ガラスソルダ、または業界で公知の適切な他の接合材料などの接着剤で形成し、光ファイバ200をこの接着材に埋め込むか、または貫通させる。他の実施形態においては、接合部204を形成するために、他の適切な接着剤および機械的接合技法を複数使用することもできる。さらなる改善においては、取付部202は、接着剤を収容するための窪みまたは穴をさらに含んでもよい。接合部205は、接合部204を取付部202上に形成する上記の方法と同様の方法で、取付部203の上部または内部に形成される。
また、光ファイバ200は、アサーマルパッケージ200への取り付け時に装荷される。典型的な一実施形態においては、光ファイバ200は、温度が期待動作温度または指定動作温度の最低値であるときに、約800〜1000マイクロストレインの歪を受けるように装荷される。
図2に示すように、接合部204と接合部205との間の光ファイバ200のセグメント(FBG領域201を含む)の長さは、LFBGとして示される。本実施形態ではそれぞれの取付部は1つの接合部しか有しないが、他の実施形態においては1つを超える接合部を用いてよい。基部206は、動作長LBを持つ。取付部202は、動作長(基部206への接触点から接合部204までの、光ファイバ200の伝搬軸に沿った距離として定義される)LAを持つ。同様に、取付部203は、動作長(基部206への接触点から接合部205までの、光ファイバ200の伝搬軸に沿った距離として定義される)LCを持つ。伝搬軸という用語は、この文脈において、アサーマルパッケージに取り付けられた場合の光ファイバ200の縦軸を指す。
動作時は、温度の変化につれ、部分202、部分203、および部分206のそれぞれの材料の熱膨張係数に応じて、LB、LA、およびLCの値が変化する。FBGの温度依存の性能変化を補償または是正するために望ましい1つの熱応答が得られるように、部分202、部分203、および部分206のそれぞれの材料と、光ファイバ200の初装荷と、LFBG、LB、LA、およびLCのそれぞれの初期値とが選択されている。一実施形態においては、基部206はInvar36(登録商標)から形成され、取付部202は937青銅から形成され、取付部203は303ステンレス鋼から形成される。他の実施形態においては、異なる材料及び異なる大きさ/サイズが、部分202、203、及び206を構築するのに用いられる。
部分202、203、及び206に用いられる3つの選択された材料(及び選択された大きさ/サイズ)は、1つ又は2つの材料を用いた従来型アサーマルパッケージと比較して、対象となる温度範囲にわたって、よりバランスの取れた温度応答をもたらす。例えば、一実施形態の3つの材料(すなわち、Invar/青銅/ステンレス鋼)を有するアサーマルパッケージの熱応答を、比較のためそれら2つの従来型アサーマルパッケージと共に示す図4を参照すること。
図3は、本発明の第2実施形態による1つのFBG領域301を備える光ファイバ300用のアサーマルパッケージを概略的に示す。本実施形態において、アサーマルパッケージは、部分202、203、及び206(図2)に類似した、ファイバ取付部302、303、及び基部306を有する。
本実施形態では、取付部302及び基部306は、他の部分とは異なる材料で作られる。そして、取付部303は2つの材料で形成されおり、そのうち少なくとも1つの材料は、部分302及び306の材料とは異なっている。より正確には、この実施形態では、取付部303は、2つの部位、すなわち部位307及び部位308から形成される。この実施形態においては、部位308は取付部302と同じ材料で形成されるのに対して、部位307は、部位308及び基部306の双方の材料と異なる材料から形成される。一実施形態においては、基部306がInvar36(登録商標)から形成されている場合、取付部302はステンレス鋼(例えば、303ステンレス鋼)から形成され、部位307は937青銅から形成され、部位308はステンレス鋼から形成される。取付部303の部位307及び308は、適切な技術を用いて互いに取り付けられる。例えば、一実施形態において、それらの部位は、互いにろう付け/半田付け/溶接される。他の実施形態において、一方の部位は、他の部位内のねじ切りされた穴にねじ込むことができる、ねじ切りされた支柱を含むことができる。さらに他の実施形態においては、それらの部位を互いに取り付けるのに適切な接着剤を用いてよい。
図3におけるアサーマルパッケージのこの実施形態の各構成要素は、以下のように相互接続される。取付部302は、取付部202について上述した方法(図2)と同様に、基部306の一方の端に、またはその近くに取り付けられる一端を有す。同様に、取付部303は、基部306の他方の端に取り付けられる一端を有す。この実施形態においては、取付部303の部位307は、基部306に取り付けられる。この実施形態では、光ファイバ300は、接合部304によって取付部302に取り付けられ、接合部305(取付部303の部位308に設けられる)によって取付部303に取り付けられる。他の実施形態においては、材料、部分及び部位の、異なる組み合わせ、配置、サイズが使用される。
この実施形態においては、取付部302の動作長は、図3のLA,1で示される。取付部303の部位307の動作長はLCで示され、取付部303の部位308の動作長はLA,2で示される。基部306の動作長及びFBG部分301は図3のLB及びLFBGで示される。一実施形態において、LFBGは約45mmであり、LB(Invar36(登録商標))は約73mm、LA,1及びLA,2(ステンレス鋼)は約25.75mmであり、LC(青銅)は約2.25mmである。前述したように、他の実施形態は、特定の用途に適した又は最適化された、異なる大きさの動作長を有してよい。例えば、従来のシミュレーション/モデリングツール又は技術が、動作長の大きさを材料及び/又は複数の部分の配置の特定の組み合わせに最適化するために使用される。
図4に、図3のInvar(登録商標)/青銅/ステンレス鋼のアサーマルパッケージの熱応答が曲線403で表される。特に、曲線403は、−20℃から100℃の温度範囲にわたる、Invar(登録商標)/青銅/ステンレス鋼のアサーマルパッケージに取り付けられたFBGの中央の波長からのピコメートル(pm)単位での波長シフトを表す。線形的に最適化されたInvar(登録商標)の基部及び青銅の複数の取付部を使用した従来型アサーマルパッケージの熱応答は曲線401で表される。非線形的に最適化されたInvar(登録商標)の基部及び青銅の複数の取付部を使用した従来型アサーマルパッケージの熱応答は曲線402で表される。
曲線403から分かるように、Invar(登録商標)/青銅/ステンレス鋼のアサーマルパッケージにおけるずれは約12pm(言い換えると、約5pmから約−7pmまで変動している)である。対照的に、Invar(登録商標)及び青銅だけを有する従来のアサーマルパッケージは約37pm(曲線401)である。このように、図3のアサーマルパッケージは、従来のアサーマルパッケージと比較して、対象とする温度変化にわたって著しくより安定している。
図5は、本発明の一実施形態によるアサーマルパッケージを使用できる典型的な光システム500を示すために含まれている。この実施形態においては、光システム500は、光信号源502と、光ファイバ504と、光ファイバ504の一端に結合されたフォトニックデバイス506と、このフォトニックデバイス506に取り付けられたアサーマルパッケージ508とを備える。フォトニックデバイス506は、光システム500の他の1つまたは複数の構成要素(図示せず)に結合することもできる。
この実施形態における光システム500は、波長分割多重(WDM)システムであり、またフォトニックデバイス506はファイバブラッググレーティングである。一実施形態においては、フォトニックデバイス506は、光ファイバ504の1つの区間に実装される。他の複数の実施形態においては、フォトニックデバイス506を光ファイバ504の一端にスプライス接続することができる。2つの実施形態において、アサーマルパッケージ508は、図2及び3と関連付けて上で説明した複数の実施形態とほぼ同様である。
動作においては、光信号源502は、光信号を光ファイバ504経由でフォトニックデバイス506に供給することができる。フォトニックデバイス506はこの光信号を処理し(例えば、光信号の1つの波長成分を除去し)、公知の複数のWDMシステムと同じように、処理後の信号をシステム500の他の1つまたは複数の構成要素に供給する。上記のように、アサーマルパッケージ508は、従来の複数のアサーマルパッケージに比べ、より容易/精密に製造することができ、所望の温度補償および高信頼性を実現できる。
本願明細書では、複数のフォトニックデバイス用のアサーマルパッケージのための方法および装置の複数の実施形態について説明している。上記説明においては、本発明の複数の実施形態が完全に理解されるように、具体的な詳細が多数示されている(アサーマルパッケージのさまざまな部分の複数の寸法、複数の形状、および複数の材料など)。ただし、これらの具体的な詳細の1つまたは複数を使用せずに、あるいは他の複数の方法、複数の構成品、複数の材料などを用いて、本発明の複数の実施形態を実践できることは当業者にはわかるであろう。他の複数の事例では、説明が不明瞭になるのを避けるために、周知の複数の構造、複数の材料、または複数の動作が図示または記載されていない。
本願明細書の全体にわたって、「1つの実施形態」または「一実施形態」への言及は、その実施形態に関連して記載されている特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれていることを意味する。したがって、本願明細書のさまざまな箇所に現れる「1つの実施形態において」または「一実施形態において」という表現は、必ずしも同一の実施形態に言及しているとは限らない。さらに、1つまたは複数の実施形態において、特定の複数の特徴、複数の構造、または複数の特性を適切な任意の方法で組み合わせてもよい。
本発明の複数の実施形態を示した上記説明は、要約書に記載された内容も含め、開示された複数の形態だけに限定しようとするものでも、網羅的であろうとするものでもない。本願明細書においては、例示のために本発明の具体的な実施形態および例を複数説明しているが、さまざまな等価な修正が可能であることは当業者にはわかるであろう。
上記の詳細説明に照らして、このような複数の修正を本発明の複数の実施形態に行うことができる。添付の特許請求の範囲で使用されている用語は、本発明の範囲を添付の特許請求の範囲および本願明細書に開示されている具体的な複数の実施形態だけに限定するものと解釈されるべきではない。むしろ、本発明の範囲は、確立された請求項解釈原則に従って解釈されるべきである添付の特許請求の範囲によってすべて決定されるべきである。
Claims (27)
- 装置であって、
信号伝搬媒体に取り付け可能なパッケージで、前記信号伝搬媒体は前記信号伝搬媒体中を伝搬する信号の特性に影響を及ぼすデバイスを含み、前記デバイスは前記信号伝搬媒体上の第1及び第2の点の間に配置されたパッケージを備え、前記パッケージは、
第1の材料から形成された第1部分と、
前記第1の部分に結合され、第2の材料から形成された第2の部分と、
前記第2の部分に結合され、第3の材料から形成された第3の部分と
を有し、
前記第1、第2、及び第3のそれぞれの材料は他の2つの材料と異なる熱応答係数を持つ、装置。 - 前記信号伝搬媒体は光ファイバである、請求項1に記載の装置。
- 前記デバイスはファイバブラッググレーティング(FBG)を有する、請求項2に記載の装置。
- 前記第1、第2、及び第3の材料はさらに、ニッケル鉄合金、銅合金、及びステンレス鋼から成る一群から選択される、請求項2に記載の装置。
- 装置であって、
信号伝搬媒体に取り付け可能なパッケージで、前記信号伝搬媒体は前記信号伝搬媒体を伝搬する信号の特性に影響を及ぼすデバイスを含み、前記デバイスは前記信号伝搬媒体上の第1及び第2の点の間に配置されたパッケージを備え、前記パッケージは、
第1の材料から形成された第1部分と、
前記第1の部分に結合され、第2の材料から形成された第2の部分と、
前記第2の部分に結合され、第3の材料から形成された第1の部位と、第4の材料から形成された第2の部位とを有する第3の部分と
第3の部分と
を有し、
前記第1、第2、及び第3の材料のそれぞれは他の2つの材料と異なる熱応答係数を持つ装置。 - 前記信号伝搬媒体は光ファイバである、請求項5に記載の装置。
- 前記第4の材料は、前記第1及び前記第2の材料から成る一群から選択される、請求項6に記載の装置。
- 前記デバイスはファイバブラッググレーティング(FBG)を有する、請求項6に記載の装置。
- 前記第1、第2、及び第3の材料はさらに、ニッケル鉄合金、銅合金、及びステンレス鋼から成る一群から選択される、請求項6に記載の装置。
- システムであって、
光信号源と、
前記光信号源に結合される光ファイバと、
前記光ファイバに結合されるフォトニックデバイスと
を備え、
前記フォトニックデバイスは光ファイバセグメントの第1と第2の点との間に配置され、前記フォトニックデバイスは、前記第1及び第2の点の間の前記光ファイバセグメントに取り付けられるパッケージを含み、
前記パッケージは、
第1の材料から形成された第1部分と、
前記第1の部分に結合され、第2の材料から形成された第2の部分と、
前記第2の部分に結合され、第3の材料から形成された第3の部分と
を有し、
それぞれの前記第1、第2、及び第3の材料は他の2つの材料と異なる熱応答係数を持つ、システム。 - 前記フォトニックデバイスは前記光ファイバの中に形成されたファイバブラッググレーティング(FBG)を有する、請求項10に記載のシステム。
- 前記第1、第2、及び第3の材料は、ニッケル鉄合金、銅合金、及びステンレス鋼から成る一群から選択される、請求項10に記載のシステム。
- システムであって、
光信号源と、
前記光信号源に結合される光ファイバと、
前記光ファイバに結合されるフォトニックデバイスと
を備え、
前記フォトニックデバイスは光ファイバセグメントの第1と第2の点との間に配置され、前記フォトニックデバイスは前記第1及び第2の点の間の光ファイバセグメントに取り付けられるパッケージを有し、
前記パッケージは、
第1の材料から形成された第1部分と、
前記第1の部分に結合され、第2の材料から形成された第2の部分と、
前記第2の部分に結合され、第3の材料から形成された第1の部位と、第4の材料から形成された第2の部位とを有する第3の部分と
を有し、
前記第1、第2、及び第3の材料のそれぞれは他の2つの材料と異なる熱応答係数を持つ、システム。 - 前記第4の材料は、前記第1及び第2の材料から成る一群から選択される、請求項13に記載のシステム。
- 前記フォトニックデバイスは前記光ファイバの中に形成されたファイバブラッググレーティング(FBG)を有する、請求項13に記載のシステム。
- 前記第1、第2、及び第3の材料は、ニッケル鉄合金、銅合金、及びステンレス鋼から成る一群から選択される、請求項13に記載のシステム。
- 方法であって、
第1の熱膨張係数を有する第1の材料からアサーマルパッケージの第1の部分を形成する段階と、
第2の熱膨張係数を有する第2の材料から前記パッケージの第2の部分を形成する段階と、
第3の熱膨張係数を有する第3の材料から前記パッケージの第3の部分を形成する段階と、
を備え、
前記第1及び第2の部分は前記第3の部分に結合され、前記第1、第2、及び第3の熱膨張係数は互いに異なる、方法。 - 前記第1、第2、及び第3の材料は、ニッケル鉄合金、銅合金、及びステンレス鋼から成る一群から選択される、請求項17に記載の方法。
- 信号伝搬媒体上の第1の点を前記第1の部分に取り付ける段階と、
前記信号伝搬媒体上の第2の点を前記第2の部分に取り付ける段階と、
をさらに備え、
前記信号伝搬媒体は、前記信号伝搬媒体の中を伝搬する信号の特性に影響を与えるデバイスを含む、請求項17に記載の方法。 - 前記信号伝搬媒体は光ファイバである、請求項19に記載の方法。
- 前記デバイスはファイバブラッググレーティング(FBG)を有する、請求項20に記載の方法。
- 方法であって、
第1の熱膨張係数を有する第1の材料からアサーマルパッケージの第1の部分を形成する段階と、
第2の熱膨張係数を有する第2の材料から前記パッケージの第2の部分を形成する段階と、
第1の部位及び第2の部位を持つ、前記パッケージの第3の部分を形成する段階と
を備え、
前記第3の部分の前記第1の部位は、第3の熱膨張係数を持つ第3の材料から形成され、前記第1及び第2の部分は前記第3の部分に結合され、前記第1、第2、及び第3の熱膨張係数は互いに異なる、方法。 - 前記第3の部分の前記第2の部位の前記材料は、前記第1及び第2の材料から成る一群から選択される、請求項22に記載の方法。
- 前記第1、第2、及び第3の材料は、ニッケル鉄合金、銅合金、及びステンレス鋼から成る一群から選択される、請求項22に記載の方法。
- 信号伝搬媒体上の第1の点を前記第1の部分に取り付ける手段と、
前記信号伝搬媒体上の第2の点を前記第2の部分に取り付ける手段と、
をさらに備え、
前記信号伝搬媒体は、前記信号伝搬媒体の中を伝搬する信号の特性に影響を与えるデバイスを含む、請求項22に記載の方法。 - 前記信号伝搬媒体は光ファイバである、請求項25に記載の方法。
- 前記デバイスはファイバブラッググレーティング(FBG)を有する、請求項26に記載の方法。
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