JP2013543112A - スローライトファイバブラッググレーティングセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、本明細書にその全体を引用により援用する2010年9月8日に出願された米国仮特許出願第61/381,032号の優先権の利益を主張する。
この出願は、本明細書にその全体を引用により援用する2010年6月2日に出願された米国特許出願第12/792,631号に関連する。
発明の分野
この出願は、概してファイバブラッググレーティングとスローライトとを利用する光デバイスに関し、より具体的にはファイバブラッググレーティングとスローライトとを利用する光センサに関する。
ファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating)(FBG)は、光通信学の多数の応用に関する研究および産業において、特に、通信システム、ファイバレーザ、およびファイバセンサにおいて、幅広く用いられている。FBGは、フィルタ、全または部分反射器、分散補償器、周波数標準、周波数安定器、スペクトル解析器等として、用いられる。ファイバセンサの分野は、本明細書に記載の特定の実施の形態に関連する主な分野であるが、この分野において、FBGは、FBGに個別にまたは同時に与えられた多数の摂動の変化、多くの場合は歪みおよび温度の変化を検知するのに使用される。たとえば、温度変化をFBGに与えると、FBGパラメータのうち3つが変化する。すなわち、(熱膨張によって)長さがしたがってグレーティングの周期が変化し、(熱光学効果によって)コアにおいて伝搬するモードの有効屈折率が変化し、(これも熱膨張によって)ファイバコアの寸法が変化する。これら3つの効果のうち、FBGの性能に最も寄与するのは、一般的に熱光学効果である。これら3つの変化が組合さることにより、ブラッグ波長が変化し、これを測定することにより、グレーティングに与えられた温度変化を再確認することができる。一般的には同様の原理を用いてFBGに与えられた縦歪みを測定する。すなわち、ファイバが歪むと、上記3つのパラメータも変化し、これにより、ブラッグ波長がシフトする。FBGが結局のところは非常に感度が高い多波長干渉計であることを考えると、ファイバセンサの分野で最も幅広く使用されている光検知部品がFBGであることは確かである。その主な理由は、FBGがコンパクトであること、製造が容易であること、および、比較的安定していることにある。
ある実施の形態において、光デバイスはファイバブラッググレーティングを備え、ファイバブラッググレーティングは、その長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を含む。ファイバブラッググレーティングは、複数の透過極大値を含むパワー透過スペクトルを、波長の関数として有する。透過極大値は各々、透過ピーク波長で最大パワーを有する。ファイバブラッググレーティングは、群屈折率スペクトルを波長の関数として有する。光デバイスはさらに、第1の光路および第2の光路と光通信する狭帯域光源を備える。狭帯域光源は光を発生するように構成される。光デバイスは、光を第1の部分と第2の部分とに分割するように構成され、第1の部分は、ファイバブラッググレーティングの長さに沿いその中を通って延びる第1の光路に沿って、群速度で透過される。この光は、以下の量すなわち(a)群屈折率スペクトルとパワー透過スペクトルの平方根との積、(b)群屈折率スペクトルと、1−パワー透過スペクトルとの積の傾斜、および(c)群屈折率スペクトルとパワー透過スペクトルとの積の傾斜のうち1つ以上が最大値となる波長またはその近傍の波長を有する。
ファイバブラッググレーティング(FBG)は詳細が異なる多くの形態を取ることができるが、FBGは一般的に、光ファイバの導波領域に沿って作られた周期Λの周期的な屈折率のグレーティングを含む。FBGの導波領域に周期的な構造が存在することによって、光バンドギャップ、すなわち、光がグレーティングを通って前に伝播できない光周波数空間内の有限帯域幅のバンドが生じる。このバンドギャップの中心波長はブラッグ(Bragg)波長λBraggとして知られている。λBraggの近傍の波長の光がFBGのコアの中に入ると、この光はFBGから実質的に反射されるが、λBraggから十分に離れている波長の光はFBGの長さに沿って実質的に透過される。この反射を物理的に説明すると、コア領域の屈折率の各リップルが、入射光のごくわずかな部分を、ファイバの後方伝搬基本モードの中に反射するということになる。この反射の物理的な原因は、屈折率が異なる2つの誘電体媒質間の界面で生じるフレネル反射である。したがって、各リップルで反射する(電界という観点からの)光のこの部分は、非常に小さい数であるΔnに比例する。しかしながら、FBGは一般的に、何万もの周期を有するので、これらの反射をすべて合わせると、全反射は相当に大きなものになる。ブラッグ波長でのグレーティング周期Λは、個々の反射が実質的にすべて同相となる周期である。そこで、推定的にすべての反射を合わせて後方伝搬モードにすると、結果として、入射した光のパワーの大部分を運ぶことになり得る。長さが十分に長く屈折率変調Δnが強いFBGでは、入射光の実際100%を反射し得る。
均一的なグレーティングの透過および群屈折率スペクトルの特徴は、3つのパラメータすなわち屈折率変調、長さ、および損失によって、一意的に求めることができる。上述のケースである無損失グレーティングでは、群屈折率を、屈折率コントラストおよび長さを無限に増すことによって、高めることができる。実際、光がグレーティングを通って進むとき、光には、散乱によって損失が生じ、このために、放射モードへの結合が生じる。損失があると、グレーティングの長さの増大に伴って、光はグレーティングの中でより長い距離を進むことになるのでこれに応じてより大きな損失が生じる。この効果は、FBGの群屈折率が大きいときに大きくなる。その理由は、光がグレーティングの中で前後に移動する回数が多いほど光の損失は大きくなるからである。このため、所与の損失について、グレーティングの長さを長くすると、上述のようにまず群屈折率が増す。群屈折率がさらに増すと、損失は、ファブリペロー干渉計とまさに同じように、最大往復回数を制限し始め、長さがさらに増すと、群屈折率は低下し始める。所与の損失係数について、結果として共鳴で群屈折率を最大化するグレーティング長がある。同様に、長さが増すと、損失もこれら共鳴におけるグレーティングの透過を制限する。スローライト用途のためにFBGを設計するときは、たとえば上記モデルを使用して最適化の研究を行なうことにより、ある種類のプロファイル、屈折率変調および損失を有するグレーティングの最適な長さを決定することが望ましいであろう。FBGの損失係数を、当業者には周知の任意の数の標準的な技術を用いて測定できる。測定されたFBGのパワー損失係数の範囲は、Geドープのグレーティング(Y. Liu, L. Wei, and J. Lit, "Transmission loss of phase-shifted fiber Bragg gratings in lossy materials: a theoretical and experimental investigation," Applied Optics, 2007)の、1m−1から、水素充填グレーティング(D. Johlen, F. Knappe, H. Renner, and E. Brinkmeyer, "UV-induced absorption, scattering and transition losses in UV side-written fibers," in Optical Fiber Communication Conference and the International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication, 1999 OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, D.C., 1999), paper ThDl, pp. 50-52)の、2m−1よりも大きい値までである。
検知素子としてファイバブラッググレーティング(FBG)を利用する新種のファイバセンサの特定の実施の形態の動作が、本明細書に、および、本明細書にその全体を引用により援用する2010年6月2日に出願された米国特許出願第12/792,631号に記載されている。今までに文献で報告されている他のFBGセンサとの違いは、本明細書に記載の特定の実施の形態ではスローライトを用いて検知する点にある。スローライトは、特定の波長の光をFBGの中に送ることによって、FBGの中で励起させることができる。この概念を実現する特定の実施の形態において、この波長として、FBGのバンドギャップのエッジにある特定のFBGのために存在する高い透過ピークのうち1つの近傍にあるものを、選択できる。図9Aおよび図9Eに示されるバンドギャップの短波長側にあるこれらの波長をλjで示すことができる。jは1以上の整数であり、ピークj=1がバンドギャップに最も近いピークである。バンドギャップの長波長側にあるこれらの波長をλ´jで示すことができる。jは1以上の整数であり、ピークj=1がバンドギャップに最も近いピークである。これらの波長で、FBGはスローライトをサポートできる。スローライトを特徴付ける群速度は、通常光ファイバの中を進む光の群速度より実質的に低くてよい。この低い群速度νgは、高い群屈折率ng=c/νgによって特徴付けることができ、cは真空での光の速度である。
図31は、本明細書に記載の特定の実施の形態に従うスローライト透過モードで使用されるFBGを利用する装置の実現例の図を示す。図31に示されるように、光デバイス110はFBG120を含み得る。FBG120は、FBG120の長さに沿い実質的に周期的な屈折率変調を含む。FBG120は、複数の透過極大値を含むパワー透過スペクトルを有し得る。この透過極大値は各々、透過ピーク波長で最大パワーを有する。FBG120は、群屈折率スペクトルを波長の関数として有する。光デバイス110は、第1の光路131および第2の光路132と光通信する狭帯域光源130を含み得る。狭帯域光源130は、第1の部分133aと第2の部分133bとに分割されるように構成できる光を発生するように構成することができる。第1の部分133aは、FBG120の長さに沿いその中を通って延びる第1の光路131に沿って、群速度で透過させることができる。この光は、群屈折率スペクトルと、パワー透過スペクトルの平方根との積が最大値(たとえばFBG120のバンドギャップのエッジの近傍にある他の波長よりも高い)になる波長またはその近傍の波長を有し得る。
本明細書に記載の特定の実施の形態は、たとえば図8に示されるように、スローライト反射モードで使用されるFBGを利用する。光デバイス10は、第1の光路31および第2の光路32と光通信する狭帯域光源30を含み得る。狭帯域光源30は、FBG20によって第1の部分33aと第2の部分33bとに分割されるように構成される光を発生するように構成できる。光は、波長の関数としての群屈折率スペクトルと1−パワー透過スペクトルとの積の傾斜が最大値になる(たとえばFBG20のバンドギャップのエッジの近傍の他の任意の波長よりも高い)波長またはその近傍の波長を有し得る。特定の実施の形態において、光は、波長の関数としての群屈折率スペクトルとパワー透過スペクトルとの積の傾斜が最大値になる(たとえばFBG20のバンドギャップのエッジの近傍の他の任意の波長よりも高い)波長またはその近傍の波長を有し得る。
図33Aは、本明細書に記載の特定の実施の形態に従うファイバブラッググレーティングを用いる方法例3000のフローチャートである。この方法3000は、動作ブロック3010に示されるように、FBG20を準備するステップを含み、このFBGは、実質的に周期的な屈折率摂動をFBG20の長さに沿って含む。FBG20は、複数の透過極大値を含むパワー透過スペクトルを有し得る。透過極大値は各々、透過ピーク波長で最大パワーを有する。方法3000はまた、図33Aの動作ブロック3020に示されるように、光を発生するステップを含む。この光は狭帯域光源30によって発生することができる。特定の実施の形態において、狭帯域光源30は、第1の光路31および第2の光路32と光通信する。また、光は、光の第1の部分33aと光の第2の部分33bとに分割される。方法3000はさらに、動作ブロック3030で、FBG20の長さに沿いその中を通って延びる第1の光路31に沿って光の第1の部分33aを群速度で透過させるステップを含む。特定の実施の形態において、この光は、群屈折率とパワー透過の平方根との積が最大値になる(たとえばFBG20のバンドギャップのエッジの近傍の他の波長よりも高い)波長またはその近傍の波長を有し得る。
図24は、FBGの透過および群屈折率スペクトルの測定に使用される実験構成例を示す。性能指数を用いるこの最適化は、公称Δnとして1.035×10−3、長さとしてL=1.2cm、推測される損失係数として1.16m−1、およびFWHMがW=0.9cmのガウスアポダイズ屈折率プロファイルを有する、FBGを試験することにより、実行された。群遅延および群屈折率は、図24ならびに式8および式9との関連で先に説明したように測定された。
Claims (28)
- 光デバイスであって、
ファイバブラッググレーティングを備え、前記ファイバブラッググレーティングは、その長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を含み、前記ファイバブラッググレーティングは、複数の透過極大値を含むパワー透過スペクトルを、波長の関数として有し、前記透過極大値は各々、透過ピーク波長で最大パワーを有し、前記ファイバブラッググレーティングは、群屈折率スペクトルを波長の関数として有し、
第1の光路および第2の光路と光通信する狭帯域光源を備え、前記狭帯域光源は光を発生するように構成され、前記デバイスは光を第1の部分と第2の部分とに分割するように構成され、前記第1の部分は、前記ファイバブラッググレーティングの長さに沿いその中を通って延びる前記第1の光路に沿って、群速度で透過され、
光は、以下の量すなわち(a)前記群屈折率スペクトルと前記パワー透過スペクトルの平方根との積、(b)前記群屈折率スペクトルと、1−前記パワー透過スペクトルとの積の傾斜、および(c)前記群屈折率スペクトルと前記パワー透過スペクトルとの積の傾斜のうち1つ以上が最大値となる波長またはその近傍の波長を有する、光デバイス。 - 前記第1の部分、前記第2の部分、または前記第1および第2の部分双方の光パワーを受けて検出するように構成された少なくとも1つの光検出器をさらに備える、請求項1に記載の光デバイス。
- 前記第2の部分は前記第2の光路に沿って透過され、前記第2の光路は前記ファイバブラッググレーティングの長さに沿いその中を通って延びているものではない、請求項2に記載の光デバイス。
- 前記狭帯域光源、前記第1の光路、および前記第2の光路と光通信する第1のファイバカプラと、
前記少なくとも1つの光検出器、前記第1の光路、および前記第2の光路と光通信する第2のファイバカプラとをさらに備え、前記少なくとも1つの光検出器は、前記第1の部分と前記第2の部分との間の位相差の変化により生じたパワーの変化を検出するように構成される、請求項3に記載の光デバイス。 - 前記位相差は、前記ファイバブラッググレーティングに与えられた歪みの量を示す、請求項4に記載の光デバイス。
- 前記位相差は、前記ファイバブラッググレーティングの温度を示す、請求項4に記載の光デバイス。
- 前記第1のファイバカプラ、第2のファイバカプラ、第1の光路、および第2の光路は、名目上平衡がとれたマッハツェンダー干渉計を形成する、請求項4に記載の光デバイス。
- 前記検出された光パワーは、前記ファイバブラッググレーティングに与えられた歪みの量を示す、請求項2に記載の光デバイス。
- 前記検出された光パワーは、前記ファイバブラッググレーティングの温度を示す、請求項2に記載の光デバイス。
- 前記第2の部分は前記ファイバブラッググレーティングから反射される、請求項2に記載の光デバイス。
- 前記検出された光パワーは、前記ファイバブラッググレーティングに与えられた歪みの量を示す、請求項10に記載の光デバイス。
- 前記検出された光パワーは、前記ファイバブラッググレーティングの温度を示す、請求項10に記載の光デバイス。
- 前記実質的に周期的な屈折率変調は、前記ファイバブラッググレーティングの長さに沿い一定の周期を有する、請求項1に記載の光デバイス。
- ファイバブラッググレーティングの使用方法であって、
ファイバブラッググレーティングを準備するステップを含み、前記ファイバブラッググレーティングは、その長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を含み、前記ファイバブラッググレーティングは、複数の透過極大値を含むパワー透過スペクトルを、波長の関数として有し、前記透過極大値は各々、透過ピーク波長で最大パワーを有し、前記ファイバブラッググレーティングは、群屈折率スペクトルを波長の関数として有し、
狭帯域光源から光を発生するステップを含み、前記狭帯域光源は、第1の光路および第2の光路と光通信し、光は第1の部分と第2の部分とに分割され、
光の前記第1の部分を、前記ファイバブラッググレーティングの長さに沿いその中を通って延びる前記第1の光路に沿って、群速度で透過させるステップを含み、
光は、以下の量すなわち(a)前記群屈折率スペクトルと前記パワー透過スペクトルの平方根との積、(b)前記群屈折率スペクトルと、1−前記パワー透過スペクトルとの積の傾斜、および(c)前記群屈折率スペクトルと前記パワー透過スペクトルとの積の傾斜のうち1つ以上が最大値となる波長またはその近傍の波長を有する、方法。 - 前記第1の部分、前記第2の部分、または前記第1および第2の部分双方を受けるステップと、
前記第1の部分、前記第2の部分、または前記第1および第2の部分双方の光パワーを検出するステップとをさらに含む、請求項14に記載の方法。 - 前記第2の部分を前記第2の光路に沿って透過させるステップをさらに含み、前記第2の光路は前記ファイバブラッググレーティングの長さに沿いその中を通って延びているものではない、請求項15に記載の方法。
- 前記狭帯域光源、前記第1の光路、および前記第2の光路と光通信する第1のファイバカプラを準備するステップと、
前記光検出器、前記第1の光路、および前記第2の光路と光通信する第2のファイバカプラを準備するステップとをさらに含み、
前記検出するステップは、前記第1の部分と前記第2の部分との間の位相差を検出するステップを含む、請求項16に記載の方法。 - 前記位相差は、前記ファイバブラッググレーティングに与えられた歪みの量を示す、請求項17に記載の方法。
- 前記位相差は、前記ファイバブラッググレーティングの温度を示す、請求項17に記載の方法。
- 前記第1のファイバカプラ、第2のファイバカプラ、第1の光路、および第2の光路は、名目上平衡がとれたマッハツェンダー干渉計を形成する、請求項17に記載の方法。
- 前記検出された光パワーは、前記ファイバブラッググレーティングに与えられた歪みの量を示す、請求項15に記載の方法。
- 前記検出された光パワーは、前記ファイバブラッググレーティングの温度を示す、請求項15に記載の方法。
- 前記第2の部分を前記ファイバブラッググレーティングから反射させるステップをさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記検出された光パワーは、前記ファイバブラッググレーティングに与えられた歪みの量を示す、請求項23に記載の方法。
- 前記検出された光パワーは、前記ファイバブラッググレーティングの温度を示す、請求項23に記載の方法。
- 前記実質的に周期的な屈折率変調は、前記ファイバブラッググレーティングの長さに沿い一定の周期を有する、請求項14に記載の方法。
- 前記実質的に周期的な屈折率変調の周期は、前記ファイバブラッググレーティングの長さに沿って変化し、したがって、前記ファイバブラッググレーティングはチャープグレーティングである、請求項14に記載の方法。
- 前記実質的に周期的な屈折率変調の振幅は、前記ファイバブラッググレーティングの長さに沿って変化し、したがって、前記ファイバブラッググレーティングはアポダイズされたグレーティングである、請求項14に記載の方法。
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