JP2015505611A - System and method for measuring perturbations using low speed fiber optic Bragg grating sensors - Google Patents
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Abstract
低速光ファイバブラッググレーティングセンサを使用した摂動を測定するシステムおよび方法。 光デバイス、光デバイスを構成する方法、および、ファイバブラッググレーティングを使用する方法が提供される。光デバイスは、ファイバブラッググレーティング、狭帯域光源、および少なくとも1つの光検出器を含む。ファイバブラッググレーティングは、波長の関数として、一または複数の共振ピークを有するパワー透過スペクトルを有し、共振ピークのそれぞれは、局所的な最大値と傾きが0でない2つの領域とを有し、それら2つの領域の間に局所的な最大値がある。狭帯域光源によって発生された光は、共振ピークにて評価される次の量のうちの一または複数が最大値にあるように選択される共振ピークの傾きが0でない領域に波長を有する。すなわち、(a)群遅延スペクトルとパワー透過スペクトルとの積、および、(b)群遅延スペクトルと1からパワー反射スペクトルを引いたものとの積である。System and method for measuring perturbations using low speed fiber optic Bragg grating sensors. An optical device, a method of configuring the optical device, and a method of using a fiber Bragg grating are provided. The optical device includes a fiber Bragg grating, a narrow band light source, and at least one photodetector. A fiber Bragg grating has a power transmission spectrum with one or more resonant peaks as a function of wavelength, each of which has a local maximum and two regions with non-zero slopes, There is a local maximum between the two regions. The light generated by the narrowband light source has a wavelength in a region where the slope of the resonance peak selected so that one or more of the next quantities evaluated at the resonance peak is at a maximum value is not zero. That is, (a) the product of the group delay spectrum and the power transmission spectrum, and (b) the product of the group delay spectrum and 1 minus the power reflection spectrum.
Description
[優先権の主張]
本出願は、2012年1月20日に出願された米国特許仮出願第61/589,248号からの優先権の利益を主張し、その開示内容全体を参照によりここに組み込む。本出願は、2011年9月2日に出願された米国特許出願第13/224,985号の一部継続出願であり、その開示内容全体を参照によりここに組み込む。
[関連出願]
[Priority claim]
This application claims the benefit of priority from US Provisional Application No. 61 / 589,248, filed Jan. 20, 2012, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. This application is a continuation-in-part of US Patent Application No. 13 / 224,985, filed September 2, 2011, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.
[Related applications]
本出願は、2010年6月2日に出願された米国特許出願第12/792,631号に関連し、その開示内容全体を参照によりここに組み込む。 This application is related to US patent application Ser. No. 12 / 792,631, filed Jun. 2, 2010, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.
本出願は、概して、ファイバブラッググレーティングおよび低速光を利用した光デバイスに関し、より具体的には、ファイバブラッググレーティングおよび低速光を利用した光センサに関する。
[先行技術の記載]
The present application relates generally to optical devices utilizing fiber Bragg gratings and slow light, and more specifically to optical sensors utilizing fiber Bragg gratings and slow light.
[Description of prior art]
ファイバブラッググレーティング(FBG)は、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といった多数のフォトニクス用途として研究および産業において広く使用されている。それらは、フィルタ、高反射器または部分反射器、分散補償器、周波数標準器、周波数安定器、スペクトル分析器等として使用されている。ここに記載されるいくつかの実施例に密接な関係のある主要な領域であるファイバセンサの分野では、FBGに対して個別にまたは同時に加えられ、主として歪みおよび温度である多くの摂動に対する変化を感知するためにFBGが使用される。FBGに基づいた光歪みセンサは、構造モニタリング、ロボット工学、および航空宇宙産業を含む多くの領域に実際に適用されてきている。 Fiber Bragg gratings (FBGs) are widely used in research and industry, especially for numerous photonics applications such as communication systems, fiber lasers, and fiber sensors. They are used as filters, high reflectors or partial reflectors, dispersion compensators, frequency standards, frequency stabilizers, spectrum analyzers and the like. In the field of fiber sensors, a key area closely related to some of the embodiments described herein, changes to many perturbations that are applied individually or simultaneously to the FBG, primarily strain and temperature. FBG is used to sense. Optical strain sensors based on FBG have been applied in many areas, including structural monitoring, robotics, and the aerospace industry.
例えば、FBGに対して温度変化が加えられた場合、FBGパラメータのうち3つ、すなわち、その長さ(熱膨張による)およびそれ故にグレーティングの周期、コア中を伝搬するモードの実効屈折率(熱光学効果による)、並びに、ファイバコアの大きさ(やはり熱膨張による)が変化する。これらの3つの効果のうち、FBGの性能に対して最も大きく寄与するものは、通常は熱光学効果である。これら3つの変化は、組み合わされると、ブラッグ波長の変化をもたらし、これを測定して、グレーティングに加えられた温度変化を取り出すことができる。同様な原理が、FBGに加えられた縦歪みを測定するために一般に使用される。ファイバが歪まされると、上述の3つのパラメータも変化し、これによりブラッグ波長にシフトを引き起こす。FBGは、疑いなくファイバセンサの分野において最も広く使用されている光感知部品である。この理由は主に、結局のところ非常に高感度な多波干渉計であることを考慮した上で、その小型で経済的なこと、その製造の容易さ、および、その相対的な安定性によるものである。 For example, if a temperature change is applied to the FBG, three of the FBG parameters, namely its length (due to thermal expansion) and hence the grating period, the effective refractive index of the mode propagating in the core (thermal As well as the size of the fiber core (again due to thermal expansion). Of these three effects, the one that contributes the most to the performance of the FBG is usually the thermo-optic effect. These three changes, when combined, result in a change in Bragg wavelength, which can be measured to extract the temperature change applied to the grating. A similar principle is commonly used to measure longitudinal distortion applied to the FBG. As the fiber is distorted, the above three parameters also change, thereby causing a shift in the Bragg wavelength. The FBG is undoubtedly the most widely used light sensitive component in the field of fiber sensors. The reason for this is mainly due to its small size and economics, its ease of manufacture, and its relative stability, after considering that it is a very sensitive multi-wave interferometer. Is.
いくつか実施例においては、ファイバブラッググレーティング、狭帯域光源、および、少なくとも1つの光検出器を備える光デバイスが提供される。ファイバ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の長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を有する。ファイバブラッググレーティングは、波長の関数としてのパワー反射スペクトル、波長の関数としてのパワー透過スペクトル、および、波長の関数としての群遅延スペクトルを有する。狭帯域光源はファイバブラッググレーティングと光学的に通じており、ファイバブラッググレーティングへと光を透過するように構成されている。これにより、光の透過された部分がファイバブラッググレーティングの長さに沿って透過され、光の反射された部分がファイバブラッググレーティングから反射される。波長の関数としてのパワー透過スペクトルは、一または複数の共振ピークを有し、共振ピークのそれぞれは、局所的な最大値と傾きが0でない2つの領域とを有し、それら2つの領域の間に局所的な最大値がある。少なくとも1つの光検出器は、光の透過された部分の、光の反射された部分の、または、光の透過された部分と光の反射された部分との両方の光パワーを検出するように構成される。光は、一または複数の共振ピークのうちの1つの共振ピークの傾きが0でない領域に波長を有する。共振ピークにおいて評価される以下の量のうちの一または複数が最大値にあるように、共振ピークが選択される。すなわち、(a)群遅延スペクトルとパワー透過スペクトルとの積、および、(b)群遅延スペクトルと1からパワー反射スペクトルを引いたものとの積である。 In some embodiments, an optical device is provided that includes a fiber Bragg grating, a narrowband light source, and at least one photodetector. The fiber Bragg grating has a refractive index modulation that is substantially periodic along the length of the fiber Bragg grating. The fiber Bragg grating has a power reflection spectrum as a function of wavelength, a power transmission spectrum as a function of wavelength, and a group delay spectrum as a function of wavelength. The narrowband light source is in optical communication with the fiber Bragg grating and is configured to transmit light to the fiber Bragg grating. As a result, the light-transmitted portion is transmitted along the length of the fiber Bragg grating, and the light-reflected portion is reflected from the fiber Bragg grating. The power transmission spectrum as a function of wavelength has one or more resonance peaks, each of which has a local maximum and two regions with non-zero slopes between the two regions. Has a local maximum. At least one photodetector is adapted to detect the optical power of the light transmitted portion, the light reflected portion, or both the light transmitted portion and the light reflected portion. Composed. The light has a wavelength in a region where the inclination of one resonance peak among one or a plurality of resonance peaks is not zero. The resonance peak is selected such that one or more of the following quantities evaluated at the resonance peak is at a maximum value. That is, (a) the product of the group delay spectrum and the power transmission spectrum, and (b) the product of the group delay spectrum and 1 minus the power reflection spectrum.
いくつかの実施例においては、ファイバブラッググレーティングを使用する方法が提供される。この方法は、ファイバブラッググレーティングを提供する段階と、狭帯域光源から光を発生する段階と、光の透過された部分の、光の反射された部分の、または、光の透過された部分と光の反射された部分との両方の光パワーを少なくとも1つの光検出器で検出する段階とを備える。ファイバ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の長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を有する。ファイバブラッググレーティングは、波長の関数としてのパワー反射スペクトル、波長の関数としてのパワー透過スペクトル、および波長の関数としての群遅延スペクトルを有する。波長の関数としてのパワー透過スペクトルは、一または複数の共振ピークを有し、共振ピークのそれぞれは、局所的な最大値と傾きが0でない2つの領域とを有し、それら2つの領域の間に局所的な最大値がある。光の透過された部分がファイバブラッググレーティングの長さに沿って透過され、光の反射された部分がファイバブラッググレーティングから反射されるように、狭帯域光源はファイバブラッググレーティングと光学的に通じている。光は、一または複数の共振ピークのうちの1つの共振ピークの傾きが0でない領域に波長を有する。共振ピークは、共振ピークの局所的な最大値において評価される以下の量のうちの一または複数が最大値にあるように選択される。すなわち、(a)群遅延スペクトルとパワー透過スペクトルとの積、および、(b)群遅延スペクトルと1からパワー反射スペクトルを引いたものとの積である。 In some embodiments, a method of using a fiber Bragg grating is provided. The method includes providing a fiber Bragg grating, generating light from a narrow band light source, transmitting light, reflecting light, or transmitting light and light. Detecting with both at least one photodetector the optical power of both of the reflected portions of The fiber Bragg grating has a refractive index modulation that is substantially periodic along the length of the fiber Bragg grating. The fiber Bragg grating has a power reflection spectrum as a function of wavelength, a power transmission spectrum as a function of wavelength, and a group delay spectrum as a function of wavelength. The power transmission spectrum as a function of wavelength has one or more resonance peaks, each of which has a local maximum and two regions with non-zero slopes between the two regions. Has a local maximum. The narrow band light source is in optical communication with the fiber Bragg grating so that the transmitted portion of light is transmitted along the length of the fiber Bragg grating and the reflected portion of light is reflected from the fiber Bragg grating. . The light has a wavelength in a region where the inclination of one resonance peak among one or a plurality of resonance peaks is not zero. The resonance peak is selected such that one or more of the following quantities evaluated at the local maximum value of the resonance peak is at the maximum value. That is, (a) the product of the group delay spectrum and the power transmission spectrum, and (b) the product of the group delay spectrum and 1 minus the power reflection spectrum.
いくつかの実施例においては、光センサとして使用されるべき光デバイスを構成する方法が提供される。光デバイスは、ファイバブラッググレーティング、および、ファイバブラッググレーティングと光学的に通じている狭帯域光源を備える。狭帯域光源は、光の透過された部分がファイバブラッググレーティングの長さに沿って透過され、光の反射された部分がファイバブラッググレーティングから反射されるように、ファイバブラッググレーティングに対して光を透過させるように構成される。ファイバ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の長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を有する。方法は、ファイバブラッググレーティングについての波長の関数としての光のパワー反射スペクトル、および、ファイバブラッググレーティングについての波長の関数としての光のパワー透過スペクトルのうちの少なくとも一方を決定する段階を備える。波長の関数としてのパワー透過スペクトルは、一または複数の共振ピークを有し、共振ピークのそれぞれは、局所的な最大値と傾きが0でない2つの領域とを有し、それら2つの領域の間に局所的な最大値がある。方法は、ファイバブラッググレーティングについて、波長の関数として光の群遅延スペクトルを決定する段階をさらに備える。方法は、一または複数の共振ピークのうちの1つの共振ピークを選択する段階をさらに備える。共振ピークは、選択された共振ピークの局所的な最大値において評価される以下の量のうちの一または複数が最大値にあるように選択される。すなわち、(a)群遅延スペクトルとパワー透過スペクトルとの積、および、(b)群遅延スペクトルと1からパワー反射スペクトルを引いたものとの積である。狭帯域光源からの光が、選択された共振ピークの傾きが0でない2つの領域のうちの傾きが0でない一の領域において波長を有するように、ファイバブラッググレーティングと狭帯域光源とを構成する段階を方法はさらに備える。 In some embodiments, a method for configuring an optical device to be used as an optical sensor is provided. The optical device comprises a fiber Bragg grating and a narrowband light source in optical communication with the fiber Bragg grating. Narrowband light sources transmit light to the fiber Bragg grating so that the transmitted portion of light is transmitted along the length of the fiber Bragg grating and the reflected portion of light is reflected from the fiber Bragg grating. Configured to let The fiber Bragg grating has a refractive index modulation that is substantially periodic along the length of the fiber Bragg grating. The method comprises determining at least one of a power reflection spectrum of light as a function of wavelength for a fiber Bragg grating and a power transmission spectrum of light as a function of wavelength for a fiber Bragg grating. The power transmission spectrum as a function of wavelength has one or more resonance peaks, each of which has a local maximum and two regions with non-zero slopes between the two regions. Has a local maximum. The method further comprises determining a group delay spectrum of light as a function of wavelength for the fiber Bragg grating. The method further comprises selecting one resonance peak of the one or more resonance peaks. The resonance peak is selected such that one or more of the following quantities evaluated at the local maximum value of the selected resonance peak is at the maximum value. That is, (a) the product of the group delay spectrum and the power transmission spectrum, and (b) the product of the group delay spectrum and 1 minus the power reflection spectrum. Configuring the fiber Bragg grating and the narrow band light source so that the light from the narrow band light source has a wavelength in one of the two regions where the slope of the selected resonance peak is not zero. The method further comprises:
ファイバブラッググレーティング(FBG)は、その詳細な点において異なる多くの形態を取ることができるが、FBGは通常、一次元フォトニックバンドギャップ構造であり、また通常、光導波路(例えば光ファイバ)の導波領域とともに製造される周期Λを有する周期的屈折率のグレーティングを含む。FBGの導波領域における周期構造の存在が、フォトニックバンドギャップを誘起する。これは、すなわち、光がグレーティングを通って前方へと伝搬することが許されない、光周波数空間中の有限の帯域幅の帯域である。このバンドギャップの中心波長はブラッグ波長λBとして知られている。λB近傍の波長の光がFBGのコアに入射されると光はFBGから実質的に反射されるのに対し、λBから十分に遠く離れた波長の光は、FBGの長さに沿って実質的に透過される。この反射に対する物理的な説明は、コア領域の屈折率におけるそれぞれのリプルが、入射光の小さくわずかな部分をファイバの逆伝搬基本モードへと反射するということである。この反射は、物理的には、異なる屈折率の2つの誘電性媒体間の界面において生じるフレネル反射によるものである。従って、各リプルにおいて反射される光のわずかな部分(電場の観点から)は、非常に小さな数であるΔnに比例する。しかしながら、FBGは何万もの周期を通常含んでいるので、これら全ての反射が加わりあって、かなり大きな全反射になることができる。ブラッグ波長λB(λB=2neΛ、ここでneは有効屈折率であり、Λはグレーティング周期である)においては、実質的に全ての個々の反射が互いに同位相である。そして全ての反射が強め合うように加わって逆伝搬モードになり、結局は、入射光のパワーの大きな部分を伝えることができる。十分に長い長さと強い屈折率変調Δnを有するFBG中では、入射光の本質的に100%が反射されることができる。摂動(例えば歪み)がFBGに加えられた場合、屈折率とFBGの長さの両方の摂動が、摂動(例えば歪み)に比例するようなλBのシフト、および透過スペクトルと反射スペクトルとにおける等しいシフトを引き起こす Fiber Bragg gratings (FBGs) can take many forms that differ in their details, but FBGs are typically one-dimensional photonic bandgap structures and are typically guided in optical waveguides (eg, optical fibers). It includes a grating with a periodic refractive index having a period Λ manufactured with the wave region. The presence of a periodic structure in the waveguide region of the FBG induces a photonic band gap. This is a finite bandwidth band in the optical frequency space where light is not allowed to propagate forward through the grating. The center wavelength of this band gap is known as the Bragg wavelength λ B. When light having a wavelength in the vicinity of λ B is incident on the core of the FBG, the light is substantially reflected from the FBG, whereas light having a wavelength sufficiently far from λ B is along the length of the FBG. Substantially transparent. The physical explanation for this reflection is that each ripple in the refractive index of the core region reflects a small and small portion of incident light into the back-propagating fundamental mode of the fiber. This reflection is physically due to Fresnel reflection occurring at the interface between two dielectric media of different refractive indices. Thus, a small fraction of the light reflected at each ripple (from the electric field point of view) is proportional to a very small number Δn. However, since FBGs typically contain tens of thousands of periods, all these reflections can be added to make a fairly large total reflection. At the Bragg wavelength λ B (λ B = 2n e Λ, where n e is the effective refractive index and Λ is the grating period), substantially all individual reflections are in phase with each other. Then, all reflections are added so as to strengthen each other, so that a back propagation mode is obtained. Eventually, a large portion of incident light power can be transmitted. In an FBG having a sufficiently long length and a strong refractive index modulation Δn, essentially 100% of the incident light can be reflected. When a perturbation (eg distortion) is applied to the FBG, both the refractive index and FBG length perturbations are shifted in λ B proportional to the perturbation (eg distortion) and equal in the transmission and reflection spectra Cause shift
ファイバセンサの分野においては、今までの大抵のFBGは、ここではブラッグ反射モードとして言及されているものに使用されてきている。この動作モードの概略が図1に示される。光(例えば広帯域光源からの)は、ファイバ結合器を介してFBGへと放たれる。FBGから反射された、λBを中心とする光スペクトルの一部分は、同じ結合器によって分岐され、例えばλBを測定する光スペクトル分析器(OSA)である波長モニタ機器へと向けられる。あるいはその代わりに、FBGによって透過される光スペクトルの一部分は、やはり、例えばOSAのようにλBの測定値を提供する第2の波長モニタ機器によって測定することができる。温度変化がFBGに加えられると、λBが変化し、このλBの変化(またはλBの変化した値)が一方あるいは両方の波長モニタ機器によって測定される。そして、測定されたλBの変化(あるいはλBの変化した値)から、温度変化の絶対値を計算することができる。歪みまたは加速度のように、FBGに加えられ、λBを変更するその他のあらゆる摂動の絶対的な(あるいは相対的な)大きさを測定するために、同じ原理が使用される。センサとしてのFBGの動作におけるこのモードの多くの例が文献に記載されている。その全てが共通してこの点を有している。つまり、測定量を取り出すために、ブラッグ波長λB(あるいは、λBの変化した値)の測定にこれらは依存している。 In the field of fiber sensors, most conventional FBGs have been used for what is referred to herein as the Bragg reflection mode. An outline of this mode of operation is shown in FIG. Light (eg, from a broadband light source) is emitted into the FBG via a fiber coupler. The portion of the optical spectrum centered at λ B that is reflected from the FBG is split by the same coupler and directed to a wavelength monitor device, eg, an optical spectrum analyzer (OSA) that measures λ B. Alternatively, a portion of the light spectrum transmitted by the FBG can also be measured by a second wavelength monitoring instrument that provides a measurement of λ B , such as OSA. When a temperature change is applied to the FBG, λ B changes, and this change in λ B (or the changed value of λ B ) is measured by one or both wavelength monitoring instruments. Then, from the change of the measured lambda B (or changed values of lambda B), it is possible to calculate the absolute value of the temperature change. The same principle is used to measure the absolute (or relative) magnitude of any other perturbation applied to the FBG that changes λ B , such as strain or acceleration. Many examples of this mode of operation of the FBG as a sensor are described in the literature. All of them have this point in common. That is, in order to extract the measurement amount, these depend on the measurement of the Bragg wavelength λ B (or the changed value of λ B ).
そのような感知スキームの感度(例えば、検出可能な最小の歪み)は、OSAの分解能によって制限され、通常は、約0.1−0.5nmとかなり低い。ブラッグ反射モードにおいて使用されるFBGの感度を向上させるためには、波長における極めて微小な変化、例えば10−13メートルよりも小さな変化を測定するように能力を向上させることが必須である。これは、高い分解能を有するOSAを使用することにより成すことができる。十分に高い波長分解能を有する市販のOSAが入手可能である。例えば、日本の東京の横河電機は分解能0.05nmを有するOSAを市販しており、日本の厚木のアンリツは分解能0.07nmのOSAを提供している。 The sensitivity (eg, minimum detectable distortion) of such a sensing scheme is limited by the resolution of OSA and is usually quite low, about 0.1-0.5 nm. In order to improve the sensitivity of FBGs used in the Bragg reflection mode, it is essential to improve the ability to measure very small changes in wavelength, for example, less than 10-13 meters. This can be done by using OSA with high resolution. Commercially available OSAs with sufficiently high wavelength resolution are available. For example, Yokogawa Electric in Tokyo, Japan, sells OSA with a resolution of 0.05 nm, and Anritsu, Atsugi, Japan, provides an OSA with a resolution of 0.07 nm.
例えば分解能10−12mというように、従来のOSAよりも遥かに高い波長分解能を提供する別の解決法は、波長をモニタするためにアンバランスなMZ干渉計を使用することである。例えばA. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey, "High resolution fibre-grating based strain sensor with interferometric wavelength-shift detection," Electronic Letters, Vol. 28, No. 3を参照のこと。この概念の包括的な実施の図が図2に示される。測定されるべき波長λBを有し、FBGから反射される信号は、MZ干渉計の2つのアームを通る。2つのアームは、適切な位相バイアスを有しつつ、例えばL1が50cmおよびL2が51cmのように異なる長さL1およびL2を有するので、MZ干渉計の1つの出力ポートから出てくる信号はsin(Δφ/2)に比例する。ここでΔφ=2πnΔL/λBであり、nはMZファイバ中のモード実効屈折率であり、ΔL=L1−L2である。FBGに加えられた摂動の結果として、もしもFBGのブラッグ波長がδλB変動する場合、MZ干渉計の2つのアームの間の位相差は以下の量変動するであろう。
干渉計は、位相差を、干渉計の出力において測定される量である出力パワーの変化に変換する。MZ干渉計の適切な位相バイアスを用いると、摂動の存在下で検出されるパワーがsin(Δφ/2)に比例するので、sin(πnΔLδλB/λB 2)で変動する。パワーにおけるこの変動を測定することによりδλBを取り出すことができる。小さな摂動に対しては、δλBは小さく、よってδΔφも小さい。そのため、パワーの変化はΔLδλB/λB 2に比例する。従って、原理的にこの技法は、ΔLを非常に高い値に増大させることにより、δλBの非常に高い分解能を与えることができる。これは、光ファイバが通常非常に低い損失を有し(それで信号損失の増大という不利益無しに長い長さが使用可能であり、故に信号対ノイズ比を低減できる)、安価であるため、簡単に実行できる。100mのΔLを有する本原理の1つの実施例においては、A. D. Kersey等により、0.6nε/√Hzの検出可能な最小の歪みが測定された。 The interferometer converts the phase difference into a change in output power, which is a quantity measured at the output of the interferometer. With the appropriate phase bias of the MZ interferometer, the power detected in the presence of perturbations is proportional to sin (Δφ / 2) and therefore varies with sin (πnΔLδλ B / λ B 2 ). By measuring this variation in power, δλ B can be extracted. For small perturbations, δλ B is small and therefore δΔφ is also small. Therefore, the change in power is proportional to ΔLδλ B / λ B 2 . Thus, in principle, this technique can give a very high resolution of δλ B by increasing ΔL to a very high value. This is simple because optical fibers usually have very low loss (so long lengths can be used without the penalty of increased signal loss, thus reducing the signal-to-noise ratio) and are inexpensive Can be executed. In one embodiment of the present principle having a ΔL of 100 m, AD Kersey et al. Measured a minimum detectable strain of 0.6 nε / √Hz.
図2の手法は、2つの主な制限を有する。1つ目は、アンバランスなΔLを無制限に増大させることができないことである。MZ干渉計の基本的な動作は、2つの信号が干渉できるように、高度な時間的コヒーレンスを有してこれらが(例えば、MZ干渉計の第2の結合器において)再結合されることを必要とする。これは、MZ干渉計を通って進む信号のコヒーレンス長Lcをおおよそ越えないように、光学長の不整合ΔLが選択されることを意味する。このコヒーレンス長は、FBGによって反射された信号の周波数線幅Δν(または波長線幅Δλ)と、次のように関連する。
反射信号の線幅が狭い場合は信号コヒーレンス長が長く、MZ干渉計において大きな長さのアンバランスを使用することができ、感度を高くすることができる。しかしながら反射信号の線幅は任意に狭くできるわけではない。線幅は、式(3)を通じて、グレーティングにより、すなわち、周期の数Nおよび相対的屈折率コントラストΔn/nによって束縛される。大きな経路の不整合ΔLを使用することができるようにするために、非常に弱いグレーティング(非常に小さな相対的屈折率コントラスト(または変調)Δn/n、および非常に長いグレーティング)を使用することができる。例えば、1mの経路不整合を波長1.55μmにおいて使用するために、1mのコヒーレンス長が使用される。または、式(3)に従って、例えば、〜10−5の相対的屈折率コントラストおよび16cmよりも大きなグレーティング長が使用される。 When the line width of the reflected signal is narrow, the signal coherence length is long, and a large length imbalance can be used in the MZ interferometer, so that the sensitivity can be increased. However, the line width of the reflected signal cannot be arbitrarily reduced. The line width is constrained by the grating, ie by the number of periods N and the relative refractive index contrast Δn / n, through equation (3). Using very weak gratings (very small relative refractive index contrast (or modulation) Δn / n, and very long gratings) to be able to use large path mismatch ΔL it can. For example, to use a 1 m path mismatch at a wavelength of 1.55 μm, a 1 m coherence length is used. Or, according to equation (3), for example, a relative refractive index contrast of 10 −5 and a grating length greater than 16 cm are used.
図3は、波長1.064ミクロンにおける3つの異なるFBG長に対して、FBGから反射される光のコヒーレンス長を、その屈折率コントラストΔnの関数として示す。無損失のグレーティングを仮定して計算されている。与えられるFBG長に対しては、屈折率コントラストが低下するに連れて、ある最大値までコヒーレンス長は増大する。グレーティング長が増大するに連れてこの最大値は増大する。この最大コヒーレンス長は、グレーティング長にほぼ等しい(図3参照)。この結果は、式(2)および式(3)から予期される。Δn/nが無視できるような極限においては、ΔλはλB/Nに近付き、従って、Lcは下記の式に近付く。
上記に基づくと、図2のブラッグ反射構成の感度は、長さ不整合によって制限される。長さ不整合自体は、それ自体が図3に従いΔnおよびLによって課される、反射信号のコヒーレンス長によって制限される。長さ不整合ΔLに対しては、FBGによって反射される波長δλBの変化によって生じる、MZ干渉計の2つのアーム間の位相差Δφにおける変化が、式(1)により与えられる。第一に、波長におけるこの変化が主として温度に伴うファイバ屈折率の変化によるものであると仮定すると(例えば、FBG長における変化の効果およびファイバの横断寸法を無視すると)、図2のセンサの感度は明示的に次のように書くことができる。
感度は、ΔLの単純な線形関数である。シリカファイバーに対しては、dn/dT≒1.1×10−5℃−1である。図3で使用されている例示的な長さ不整合の最大値10cmに対して、および約1.064μmのブラッグ波長に対しては、温度に対する位相の感度は約6.5rad/℃であることを式(5)は述べている。MZ干渉計の出力において検出可能な最小の位相変化が1μrad(標準的で良好な値)である場合、検出可能な最小の温度変化は10−6/6.5≒1.54×10−7℃である。 Sensitivity is a simple linear function of ΔL. For silica fibers, dn / dT≈1.1 × 10 −5 ° C.− 1 . For the exemplary maximum length mismatch of 10 cm used in FIG. 3 and for a Bragg wavelength of about 1.064 μm, the phase sensitivity to temperature is about 6.5 rad / ° C. Equation (5) states: If the minimum phase change detectable at the output of the MZ interferometer is 1 μrad (standard and good value), the minimum detectable temperature change is 10 −6 /6.5≈1.54×10 −7. ° C.
上記の説明は、10cmという特定のアーム長の不整合を仮定している。(これは、例えば、約10cmのグレーティング長および10−5より小さなコントラストに対して適用可能である。図3参照。)実際のところ、可能な最大のアンバランスは、図3に従うと、FBGの屈折率コントラストおよび長さによって決定され、10cmよりも小さい。図4は、波長1.064ミクロンについて、異なるグレーティング長に対する屈折率コントラストの関数としてプロットされる、温度に対する感度を示す。無損失のグレーティングを仮定して計算されている。与えられるグレーティング長に対しては、屈折率コントラストが低下するに連れて、漸近的最大値まで感度は増大する。この漸近的最大値は、グレーティング長が増大するに連れて増大する。図4は、たとえ装置の長さが増加しても高コントラストが使用された場合には、はるかに小さな感度を結果的に生じることを示す。 The above description assumes a specific arm length mismatch of 10 cm. (This is applicable, for example, for a grating length of about 10 cm and a contrast of less than 10 −5, see FIG. 3.) In fact, the maximum possible imbalance is according to FIG. Determined by refractive index contrast and length, less than 10 cm. FIG. 4 shows temperature sensitivity plotted as a function of refractive index contrast for different grating lengths for a wavelength of 1.064 microns. Calculated assuming a lossless grating. For a given grating length, the sensitivity increases to an asymptotic maximum as the refractive index contrast decreases. This asymptotic maximum value increases as the grating length increases. FIG. 4 shows that much higher sensitivity results if high contrast is used even though the length of the device is increased.
図5は、波長1.064ミクロンについて、異なる屈折率コントラストに対するグレーティング長の関数としてプロットされる、温度に対する感度を示す。無損失のグレーティングを仮定して計算されている。グレーティングの長さが増大するに連れて、漸近的最大値まで位相の感度は増大する。ブラッグ反射モードにおいて高感度を実現するために、FBGの屈折率コントラストは低くなるように選択されることができ、その長さは長くなるように選択されることができる。さらに、最大実用感度は、10rad/℃(図5参照)程度であるか、または検出可能な最小の温度は10−7℃程度である。さらに屈折率コントラストを低減し長さを増大させることによって、より小さな値が得られるが、より長い装置という代償を払うことになる。 FIG. 5 shows temperature sensitivity plotted as a function of grating length for different refractive index contrasts for a wavelength of 1.064 microns. Calculated assuming a lossless grating. As the grating length increases, the phase sensitivity increases to an asymptotic maximum. In order to achieve high sensitivity in the Bragg reflection mode, the refractive index contrast of the FBG can be selected to be low and its length can be selected to be long. Furthermore, the maximum practical sensitivity is about 10 rad / ° C. (see FIG. 5), or the minimum detectable temperature is about 10 −7 ° C. Further, by reducing the refractive index contrast and increasing the length, a smaller value is obtained, but at the cost of a longer device.
図2の手法の2つ目の制限は、アンバランスなMZ干渉計は温度変動に対して非常に敏感であり、アンバランスさが増大するに連れて、さらに敏感になる。各アームを通って信号が伝搬するに連れて、このアームの長さに比例した位相シフト(例えば、アーム1に対してはφ1=2πnL1/λB)を信号が受ける。もしもMZ干渉計全体が何かの事情で温度変化ΔTを受けた場合、アーム1中およびアーム2中の信号の位相は異なる量だけ変動するであろう。そしてその結果、MZ干渉計の位相バイアスが変化するであろう。この位相バイアスは、あまり大きく変動し過ぎないようにすることが望ましい。そうでないと、MZ干渉計の感度が(最適バイアスに対する)最適値とゼロとの間で時間と共に変動するであろう。従って、MZ干渉計の温度を安定化させることが望ましい。より大きな長さ不整合ΔLに対しては、この温度制御がさらに厳重であることが望ましく、これは実際に実行することが困難である。例えば、信号波長1.064μm、およびアーム長の不整合10cmを有するシリカ製のファイバの例を考える。2つのアームの間の位相差を±0.02rad(妥当なバイアス安定性要求)よりも小さく維持するためには、望ましくは約±0.003℃で温度が制御される。これは、相当なエンジニアリング業務であり得、複雑性、パワー消費量、および、最終的なセンサシステムのコストを増大させる。
A second limitation of the approach of FIG. 2 is that an unbalanced MZ interferometer is very sensitive to temperature fluctuations and becomes more sensitive as the unbalance increases. As the signal propagates through each arm, the signal undergoes a phase shift proportional to the length of this arm (eg, φ 1 = 2πnL 1 / λ B for arm 1). If the entire MZ interferometer is subjected to a temperature change ΔT for some reason, the phase of the signals in
FBGに加えられる摂動に対する波長シフトの依存性を増大させるために、K. P. Koo and A. D. Kersey, "Bragg grating-based laser sensors systems with interferometric interrogation and wavelength division multiplexing," J. Lightwave Technol., Vol. 13, Issue 7 (July 1995)に記載されるように、例えば、レーザキャビティ内にFBGを配置することにより、これと同じ手法がその他の方法において使用されてきた。しかし、アンバランスなMZ干渉計の温度を安定化させるという要求から生じる困難は、同じように残る。まとめると、長さ不整合を増大させることによって、λBの変動におけるより大きな差を発動させることができるが、これにより、MZ干渉計におけるより大きな不安定性という代償を払うことになる。 To increase the dependence of wavelength shift on perturbations applied to FBG, KP Koo and AD Kersey, "Bragg grating-based laser sensors systems with interferometric interrogation and wavelength division multiplexing," J. Lightwave Technol., Vol. 13, This same approach has been used in other methods, for example by placing an FBG in the laser cavity, as described in Issue 7 (July 1995). However, the difficulties arising from the need to stabilize the temperature of an unbalanced MZ interferometer remain the same. In summary, increasing the length mismatch can trigger a larger difference in λ B variations, but this comes at the price of greater instability in the MZ interferometer.
電磁誘導透過(EIT)(L. V. Hau, S. E. Harris, Z. Dutton, およびC. H. Behroozi, "Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas")、および光結晶導波路(Nature 397(6720), 594-598 (1999); T. F. Krauss, "Slow light in photonic crystal waveguides," J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 2666-2670 (2007))を使用した低速光が実験的に実証されてきた。バンドギャップの縁部または複数の縁部に存在する狭い共振ピークにおいても、FBG中に低速光が生じることができる。低速光媒体が、歪みまたは温度変化のような外部摂動を受ける場合、摂動によってデバイス中に誘起される位相シフトが、低い群速度(または、高い群屈折率)を示す光に対して強められる。この位相の感度は、群遅延に対して比例的に増大する(M. Soljacic, S. G. Johnson, S. Fan, M. Ibanescu, E. Ippen, and J. D. Joannopoulos, "Photonic-crystal slow-light enhancement of nonlinear phase sensitivity," JOSA B, Vol. 19, No. 9, 2052-2059 (2002))。 Electromagnetically induced transmission (EIT) (LV Hau, SE Harris, Z. Dutton, and CH Behroozi, "Light speed reduction to 17 meters per second in an ultracold atomic gas"), and photonic crystal waveguide (Nature 397 (6720), 594-598 (1999); TF Krauss, "Slow light in photonic crystal waveguides," J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 2666-2670 (2007)) has been experimentally demonstrated. It was. Slow light can be generated in the FBG even at narrow resonance peaks present at the edge of the band gap or at the edges. When a slow optical medium is subjected to external perturbations such as strain or temperature changes, the phase shift induced in the device by the perturbation is enhanced for light exhibiting a low group velocity (or high group index). The sensitivity of this phase increases proportionally with group delay (M. Soljacic, SG Johnson, S. Fan, M. Ibanescu, E. Ippen, and JD Joannopoulos, "Photonic-crystal slow-light enhancement of nonlinear phase sensitivity, "JOSA B, Vol. 19, No. 9, 2052-2059 (2002)).
ここに記載されるいくつかの実施例は、FBGセンサの動作の新たなモードを有利に利用する。これらの新たなモードは、ブラッグ反射モードでのセンサとしてのFBGのこれまでの利用に対して、いくつかの実質的な利益を提供する。そのうち最大のものは、与えられるFBG長における測定量(例えば歪み)に対する感度の大きな増大、および/または、与えられた感度におけるFBG長の大きな低減である。いくつかの実施例においては、感度の増大および/または長さの低減は、1から数桁の大きさの係数の範囲内にある。 Some embodiments described herein advantageously utilize a new mode of operation of the FBG sensor. These new modes offer several substantial benefits over previous uses of FBG as sensors in the Bragg reflection mode. The largest of these is a large increase in sensitivity to a measured quantity (eg, distortion) at a given FBG length and / or a large reduction in FBG length at a given sensitivity. In some embodiments, the increase in sensitivity and / or the decrease in length is in the range of a factor of 1 to several orders of magnitude.
ここに記載されるいくつかの実施例に従った光デバイス10の2つの例が、図6Aおよび図6Bに概略的に示される。図6Aおよび図6Bのそれぞれにおいて、光デバイス10は、FBG20の長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を有するFBG20を備える。FBG20は、複数の局所的な透過率最小値を有するパワー透過スペクトルを有する。隣接した局所的な透過率最小値のそれぞれの対は、それらの間に局所的な透過率最大値を有する。局所的な透過率最大値は、透過ピーク波長において最大のパワーを有する。光デバイス10は、第1光学経路31および第2光学経路32と光学的に通じている狭帯域光源30を備える。狭帯域光源30は、隣接した2つの局所的な透過率最小値の間に波長を有する光を発生するよう構成される。波長は、局所的な透過率最大値にある、またはその近傍にあるか、もしくは、局所的な透過率最大値と、局所的な透過率最大値に隣接する2つの局所的な透過率最小値のどちらかとの間においてパワー透過スペクトルが最大の傾きを有するような波長にある、またはその近傍にある。
Two examples of an
ここで使用されているように、特定の波長に関して"そこにある、またはその近傍にある"という用語は、その最も広い合理的な解釈を有し、これらに限定されるものではないが、特定の波長において、または、光デバイス10の性能が、特定の波長における光デバイス10の性能と実質的に等価であるような特定の波長に十分近い波長において、という解釈を含む。例えば、特定の波長"にある、またはその近傍にある"波長とは、その波長が、特定のターゲット波長からΔという量内にあることを意味することができる。ここでΔは透過ピークのFWHM線幅の一部分である。この一部分は、用途の要求に応じて、例えば1%、または5%、あるいは10%、もしくは20%であってよい。例えば、Δ=10%に対し、FWHM線幅が2pmである場合、特定のターゲット波長の0.2pm以内にある波長は、このターゲット波長の近傍にあるとみなされ、このターゲット波長から2pm離れた波長は、このターゲット波長の近傍にあるとはみなされない。
As used herein, the term “being there or in the vicinity” for a particular wavelength has its broadest reasonable interpretation and is not limited to a particular Or at a wavelength sufficiently close to a particular wavelength such that the performance of the
いくつかの実施例においては、光デバイス10は光センサであり、FBG20と光学的に通じている少なくとも1つの光検出器40をさらに有する。狭帯域光源30によって発生された光は、第1部分33aおよび第2部分33bに分岐される。第1部分33aは、FBG20の長さに沿って全長にわたり延びる第1光学経路31に沿って透過される。いくつかの実施例においては、少なくとも1つの光検出器40は、第1部分33a、第2部分33b、または第1および第2部分33a、33bの両方を受け取るように構成される。
In some embodiments, the
いくつかの実施例においては、狭帯域光源30からの入射光のかなりの部分をFBG20が透過するように、狭帯域光源30によって発生された光の波長は、局所的な透過率最大値の透過ピーク波長に、またはその近傍にある。そのようないくつかの実施例においては、図6Aに概略的に示されるように、第1部分33aは、狭帯域光源30からFBG20に入射されFBG20に沿って透過される光を含み、第2部分33bは、FBG20と実質的に相互作用しない光を含む。従って、第1部分33aがFBG20に沿って透過される間に、FBG20に加えられた摂動によって第1部分33aは実質的に影響される。これに対して第2部分33bは、FBG20に加えられる摂動によって実質的に影響されない。
In some embodiments, the wavelength of the light generated by the narrowband
他のいくつかの実施例においては、狭帯域光源30によって発生された光の波長は、局所的な透過率最大値と、局所的な透過率最大値のどちらかの側における隣接した2つの局所的な透過率最小値の一方との間にある。これによりFBG20は、狭帯域光源30からの入射光のかなりの部分を透過し、狭帯域光源30からの入射光のかなりの部分を反射するようになる。そのようないくつかの実施例においては、図6Bに概略的に示されるように、第1部分33aは、狭帯域光源30からFBG20に入射されFBG20に沿って透過された光を含み、第2部分33bは、FBG20から反射された光を含む。従っていくつかの実施例においては、第1部分33aは、第1部分33aがFBG20に沿って透過される間に、FBG20に加えられた摂動によって実質的に影響される。第2部分33bは、第2部分33bがFBG20から反射される間に、FBG20に加えられる摂動によって実質的に影響される。
In some other embodiments, the wavelength of the light generated by the narrowband
以下においてより完全に記載されるように、FBG20に沿って透過される光が、FBG20を通って伝搬するその他の大部分の波長における光が有するよりも遅い群速度を有するような波長にあるように、狭帯域光源30によって発生される光が選択される。例えば、いくつかの実施例においては、狭帯域光源30によって発生される光の波長は、FBG20を通って透過される光の群速度に対する真空中の光の速度(約3×105km/s)の比が5よりも大きく、または10よりも大きく、または30よりも大きく、または50よりも大きく、または100よりも大きく、または300よりも大きく、または500よりも大きく、または1,000よりも大きく、または3,000よりも大きく、または5,000よりも大きく、または10,000よりも大きく、または30,000よりも大きく、または50,000よりも大きく、または100,000よりも大きく、または300,000よりも大きく、または500,000よりも大きく、または1,000,000よりも大きくなるように選択することができる。他のいくつかの実施例においては、狭帯域光源30によって発生される光の波長は、FBG20を通って透過される光の群速度に対する真空中の光の速度(約3×105km/s)の比が5と10との間、または5と30との間、または10と50との間、または30と100との間、または50と300との間、または100と500との間、または300と1,000との間、または500と3,000との間、または1,000と5,000との間、または3,000と10,000との間、または5,000と30,000との間、または10,000と50,000との間、または30,000と100,000との間、または50,000と300,000との間、または100,000と500,000との間、または300,000と1,000,000との間、または500,000と3,000,000との間、または1,000,000と5,000,000との間になるように選択することができる。
As described more fully below, the light transmitted along the
いくつかの実施例においては、FBG20における実質的に周期的な屈折率変調は、FBG20の長さに沿って一定の周期を有する。その他のいくつかの実施例において実質的に周期的な屈折率変調は、チャープグレーティングのように、FBG20の長さに沿って変動する周期を有する。いくつかの実施例において屈折率変調の振幅は、アポダイズグレーティングのように、長さに沿って変動することができる。
In some embodiments, the substantially periodic refractive index modulation in the
FBG20は、空間変調されたUVビームに光ファイバのコアをさらすことにより、あるいはその他の多くの手段により製造することができる。屈折率変調は正弦関数であることができる。あるいは、その他の空間分布の任意の数を取ることができる。いくつかの実施例においては、光ファイバは、ニューヨーク州コーニングのCorning, Inc.から市販されているSMF−28(登録商標)光ファイバのような従来のシングルモードファイバである。しかしながら、他の実施例におけるファイバはマルチモードファイバである。他のいくつかの実施例においては、空間的に変動する光にさらすことによって屈折率中に所望の変調を誘起するように、ファイバには特有の元素がドープされて実質的に感光性にされる(例えば、UV光に実質的に反応する)。ファイバはシリカ、水素装填されたシリカ、リン酸塩ガラス、カルコゲナイドガラス、または、その他の材料から成ることができる。
The
FBG20におけるグレーティングの屈折率の摂動または変調は、弱い場合(例えばΔn≒10−5)または非常に高い場合(例えばΔn≒0.015)があり得る。FBG20の屈折率グレーティングは、いくつかの場合において、コアを直接に取り囲むクラッド中に延びることもあるが、普通はコアに制限される。長さが1メートルを越えるもの、あるいは1mmほどの短いFBG20も作成されてきてはいるものの、FBG20の長さは通常数ミリメートルから数センチメートルである。
The perturbation or modulation of the refractive index of the grating in the
いくつかの実施例においては、狭帯域光源30は、例えば、アリゾナ州ツーソンのNP Photonicsによる、1530nm−1565nmの間の波長範囲を有するEr−Ybドープされたファイバレーザである半導体レーザを備える。その他の実施例においては、狭帯域光源30は、1064.2nmの波長を有するNd:YAGレーザを備える。いくつかの実施例においては、狭帯域光源30は、10−13メートルよりも小さいか等しい線幅を有する。その他の波長(例えば1.3ミクロン)およびその他の線幅もまた、ここに記載されるいくつかの実施例に対応する。
In some embodiments, narrowband
いくつかの実施例においては、狭帯域光源30によって発生された光は、第1部分33aおよび第2部分33bに分岐される。第1部分33aは、FBG20の長さに沿って延びる第1光学経路31に沿って透過される。第2部分33bは、FBG20の長さに沿っては延びない第2光学経路32に沿って透過される。いくつかの実施例においては、図6Aに示されるように、第1光学経路31は第2光学経路32とは異なる。例えば、図6Aに示されるように、第1光学経路31は、第2光学経路32とは重複しない。その他のいくつかの実施例に対しては、第1光学経路31および第2光学経路32は、互いに重複してよい。例えば、図6Bに示されるように、第1光学経路31および第2光学経路32は、ともに、狭帯域光源30とFBG20との間に共通の部分を含む。いくつかの実施例においては、第1光学経路31および/または第2光学経路32は、空きスペースを横切ってよく、あるいは、様々な光学素子を横切ってよい。例えば、第1光学経路31および第2光学経路32の一方または両方が、例えば、以下においてより完全に記載されるファイバ結合器である光学素子を横切ることができる。いくつかの実施例においては、第1光学経路31および/または第2光学経路32は、異なる屈折率を有する領域を横切ってよい。例えば、図6Aにおいては、第1光学経路31は、FBG20の長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を有するFBG20を横切る。
In some embodiments, the light generated by the narrowband
いくつかの実施例においては、光デバイス10は、FBG20と光学的に通じている少なくとも1つの光検出器40を備える。少なくとも1つの光検出器40は、光の第1部分33a、光の第2部分33b、または、光の第1および第2部分33a、33bの両方を受け取るように構成される。いくつかの実施例においては、光検出器40は、New Focusの汎用フォトディテクタ、モデル1811低ノイズフォトディテクタである。しかしながら光検出器40は、当該分野においてよく知られている様々な低ノイズフォトディテクタの1つであってよいが、まだ考案されていない検出器も同様に使用されてよい。
In some embodiments, the
いくつかの実施例においては、ここでは低速光透過モードと呼ばれる動作のモードを(例えば、図6Aおよび図7に概略的に示される構造によって)使用することができる。これらの実施例においては、狭帯域スペクトルを有する光がFBG20へと放たれる。光は、FBG20が光をほとんど反射するよりもほとんど透過するような波長に(例えば、その波長に、またはその波長の近辺に)ある波長を有する。例えば、光の波長は、FBG20のパワー透過スペクトルの局所的な透過率最大値に対応する透過ピーク波長に(例えば、その波長に、またはその近辺に)あるように選択される。ここでλ1およびλ'1として参照されるこれら2つの波長の可能な位置は、特に図9A−図9Hに関連して、以下においてより詳細に議論する。これらの波長においては、相当な群遅延を光が受ける。すなわち、FBG20のバンドギャップからはるかに離れた波長における光の群速度よりも、はるかに遅い群速度で光が進む。例えば、低速光群速度は300km/sほどにも低くなり得る。これに対して非低速光群速度は、シリカ中を進む光に対して通常約207,000km/sである。FBG20のバンドギャップの縁部近傍における、このようにより遅い群速度を有する光を、ここでは低速光と呼ぶ。低速光は、他の状況において以前に調査されてきた。具体的には、例えば、光通信システムにおける分散補償に対するFBGの使用可能性を評価するためである。例えば、F. Ouellette, P.A. Krug, T. Stephens, G. Dhosi, and B. Eggleton, "Broadband and WDM dispersion compensation using chirped sample fibre Bragg gratings," Electronic Letters, Vol. 31, No. 11 (May 1995)を参照のこと。
In some embodiments, a mode of operation, referred to herein as a slow light transmission mode, may be used (eg, by the structure schematically shown in FIGS. 6A and 7). In these embodiments, light having a narrow band spectrum is emitted to the
いくつかの実施例においては、動作の低速光透過モードの利点は、例えばλ1またはλ'1である低速光波長の近傍において、パワー透過が局所的な最大値(例えば、それは1に近いまたは等しい)を有することである。その結果、FBG20に沿ってまたはFBG20を通って伝搬するに連れて、信号が受ける損失は小さい。いくつかの実施例においては、別の利点は、低速光波長λ1またはλ'1の一方において、またはこれらの一方の近傍において、FBG20を通って進む光に対してFBG20に加えられる摂動(例えば歪み)が、FBG20を通って進む光の位相は変更するが振幅は変更しないことである。より正確に言うと、いくつかの実施例において摂動は、第一次的に光の位相を、第二次的に光の振幅を変更する。これは、FBGに対する摂動が、最大限に反射される光の周波数を変更するような、FBGのブラッグ反射モードとは対照的である。従って、低速光透過モードを使用するいくつかの実施例(例えば図6Aおよび図7)においては、FBG20は位相センサとして働くことができる。例えば、これは、摂動(測定量)によって誘起される位相変調をパワーの変化(これが、ユーザが測定する量である)へと変換するために、任意の数の干渉計のうちの1つに直接配置されることができる。
In some embodiments, the advantage of the slow light transmission mode of operation is that the power transmission is a local maximum (eg, it is close to 1 or near the slow light wavelength, eg, λ 1 or λ ′ 1). Equal). As a result, the loss experienced by the signal is small as it propagates along or through the
図7は、名目上バランスが取られたMZ干渉計を備える構成の例を概略的に示す。図7の構成は、図6Aに概略的に示される一般的な構成の例である。図7においては、光デバイスまたは光センサ10は、狭帯域光源30、第1光学経路31、および、FBG20に沿って全長にわたっては延びない第2光学経路32と光学的に通じている第1ファイバ結合器51を備える。狭帯域光源30によって発生された光は、例えば3dBのパワー分割比を有する第1ファイバ結合器51によって、第1部分33aおよび第2部分33bに分岐される。この実施例においては、第1部分33aは第1光学経路31に沿って透過され、第2部分33bは第2光学経路32に沿って透過される。第1部分33aはFBG20に沿って伝搬するのに対し、第2部分33bはFBG20とは実質的に相互作用しない。この実施例においては、第1部分33aはFBG20の摂動に関する情報を含む。これに対して第2部分33bは、そのような摂動によって影響を受けないままである。
FIG. 7 schematically shows an example of a configuration comprising a nominally balanced MZ interferometer. The configuration of FIG. 7 is an example of a general configuration schematically shown in FIG. 6A. In FIG. 7, the optical device or
図7においては、光センサ10は、例えば3dBのパワー分割比を有し、第1光学経路31および第2光学経路32と光学的に通じている第2ファイバ結合器52をさらに備える。第1部分33aおよび第2部分33bは、第2ファイバ結合器52によって再結合され、少なくとも1つの光検出器40へと透過される。この再結合により、第1部分33aと第2部分33bとは互いに干渉することが可能となり、第1部分33aと第2部分33bとの間の位相差に関する情報を含んだ結合信号を生成する。いくつかの実施例においては、少なくとも1つの光検出器40は、第2ファイバ結合器52の複数の出力ポートのうちの1つにおいて、単一の光検出器を備える。他のいくつかの実施例においては、図7に概略的に示されるように、少なくとも1つの光検出器40は、第2ファイバ結合器52の一方の出力ポートに第1光検出器40aを、また、第2ファイバ結合器52の他方の出力ポートに第2光検出器40bを備える。これら2つの光検出器40a、40bによって検出される複数の信号は、互いに対して反対の方向に変動する。(例えば、第2ファイバ結合器52の一方の出力ポートにおいて検出されるパワーが増大する場合、第2ファイバ結合器52の他方の出力ポートにおいて検出されるパワーが低下する。)また、2つの光検出器40a、40bからの出力の間の差異は、センサ信号として使用することができる。そのような検出スキームは、コモンモード阻止および、より高い信号を含む、様々な利点を提供することができる。いくつかの実施例において位相差は、FBG20に加えられた歪みの量を示す。他のいくつかの実施例において位相差は、FBG20の温度を示す。
In FIG. 7, the
いくつかの実施例においては、バランスの取られたMZ干渉計構成を低速光とともに使用することで、図7に概略的に示されるように、第1部分33aと第2部分33bとの間の位相差を検出および測定することによって、FBGに加えられる摂動を正確に検出および測定することが可能となる。対照的にブラッグ反射モードにおいては、波長(または周波数)の変化が検出される(例えば図1に示されるように)、あるいはパワーの変化に変換される。これは、アンバランスな干渉計(例えば図2に示されるような)を安定化させることによって高い精度で行うことができる。また、いくつかの実施例においては、低速光透過モードにおいてバランスの取られたMZ干渉計を使用することにより、アンバランスなMZ干渉計の温度に対する高い感度を有利にも避けられる。これは、MZ干渉計の温度安定性、それ故にその位相バイアスの安定性における大きな改善をもたらす。これはまた、使用されるべき温度制御の量を低減することにより、エンジニアリングを大幅に単純化する。 In some embodiments, a balanced MZ interferometer configuration is used with slow light so that between the first portion 33a and the second portion 33b as shown schematically in FIG. By detecting and measuring the phase difference, it is possible to accurately detect and measure perturbations applied to the FBG. In contrast, in the Bragg reflection mode, a change in wavelength (or frequency) is detected (eg, as shown in FIG. 1) or converted into a change in power. This can be done with high accuracy by stabilizing an unbalanced interferometer (eg as shown in FIG. 2). Also, in some embodiments, the use of a balanced MZ interferometer in the slow light transmission mode advantageously avoids the high sensitivity of the unbalanced MZ interferometer to temperature. This provides a significant improvement in the temperature stability of the MZ interferometer and hence its phase bias stability. This also greatly simplifies engineering by reducing the amount of temperature control to be used.
媒体を通って光が進み、且つ、群速度が低い場合、物質−場の相互作用は増大する。光が媒体を通って進むためにより長い時間がかかるので、局所エネルギー密度の圧縮によって、位相シフトを含め、強められた物理的効果が生じる。誘起された位相のdkシフトに対する依存性は、群速度νg=dω/dkが小さい場合に著しく強められる。M. Soljacic, S. G. Johnson, S. Fan, M. Ibanescu, E. Ippen, and J. D. Joannopoulos, "Photonic-crystal slow-light enhancement of nonlinear phase sensitivity," JOSA B, Vol. 19, Issue 9 (September 2002)に示されるように、この効果は、位相シフトを群速度に関係付けることにより、次のように定量化することができる。
この関係は、位相シフトが群速度νg=dω/dkに反比例すること、あるいは、群屈折率ng=c/νgに比例することを述べている。ここでcは真空中での光の速度である。ここに記載されるいくつかの実施例に従って、この低速光透過モードにおいて動作することの主な利点は、実証することなく以前に述べたように、その他の全ては同じでありながら、光が高い群速度を有するようなデバイス中に比べて、光が低い群速度を有するようなデバイス中において、与えられた摂動がはるかに大きな位相の摂動を誘起するであろうことである。数値シミュレーションを用いて以下に実証されるように、ここに記載されるいくつかの実施例に従って低速光透過モードで動作されるFBG20を有する光センサ10は、従って、グレーティング中を進む信号の位相を変える任意の測定量に対してはるかに大きな感度を示すことができる。
This relationship states that the phase shift is inversely proportional to the group velocity ν g = dω / dk or proportional to the group refractive index ng = c / ν g . Here, c is the speed of light in a vacuum. According to some embodiments described herein, the main advantage of operating in this slow light transmission mode is that the light is high while everything else is the same, as stated before without demonstration That is, a given perturbation will induce a much larger phase perturbation in a device where the light has a lower group velocity than in a device having a group velocity. As demonstrated below using numerical simulation, an
図7の構成におけるMZ干渉計は、FBG20に沿って進む光に対する摂動によって誘起される位相シフトを、強度の変化に変換するために使用することができる多くの干渉計の1つに過ぎない。位相の変調を振幅の変調に変換するあらゆる干渉計を、MZ干渉計の代わりに使用することができる。例えば、干渉計はマイケルソン干渉計、ファブリ・ペロー干渉計、または、(摂動が時間依存性である場合)サニャック干渉計であってよい。例えば、いくつかの実施例においては、光センサ10は、非対称に配置されたファイバブラッググレーティングを含むファイバループ(例えば、サニャック干渉計ループ)を備える。第1光学経路はファイバループに沿った第1の方向に延び、第2光学経路はファイバループに沿った第2の方向に延び、第2の方向は第1の方向とは反対である。そのようないくつかの実施例においては、光センサ10は、狭帯域光源およびファイバループに光学的に結合された少なくとも1つのファイバ結合器をさらに備える。ここで、狭帯域光源によって発生された光は、第1部分は第1光学経路に沿って伝搬し、第2部分は第2光学経路に沿って伝搬するように、少なくとも1つのファイバ結合器によって第1部分および第2部分に分岐される。第1部分および第2部分は、ファイバブラッググレーティングの長さに沿って全長にわたり伝搬した後に、少なくとも1つのファイバ結合器によって再結合される。少なくとも1つの光検出器は、再結合された第1および第2部分を受け取り、第1部分と第2部分との間の位相差を検出するように構成される光位相検出器を備える。そのようなサニャック構成は、FBG20に対して時間変動する摂動を検出するために使用することができる。いくつかの実施例においては、少なくとも1つのファイバ結合器は、相互の出力ポートにおいてパワーの検出を可能とするように構成される。
The MZ interferometer in the configuration of FIG. 7 is just one of many interferometers that can be used to convert a phase shift induced by perturbations to light traveling along the
図6Bおよび図8は、ここに開示され低速光反射モードと呼ばれる動作の第2モードを概略的に示す。図8の構成は、図6Bに概略的に示される一般的な構成の1つの例である。光デバイス10はFBG20を備える。FBG20は、FBG20の長さに沿って、実質的に周期的な屈折率変調を有する。FBG20は、複数の局所的な透過率最小値を有するパワー透過スペクトルを有する。隣接した局所的な透過率最小値の各対は、それらの間に局所的な透過率最大値を有する。局所的な透過率最大値は、透過ピーク波長において最大のパワーを有する。光センサ10は、第1光学経路31および第2光学経路32と光学的に通じている狭帯域光源30を備える。狭帯域光源30は、隣接した2つの局所的な透過率最小値の間(例えば、局所的な透過率最大値と局所的な透過率最大値に隣接する局所的な透過率最小値との間)に波長を有する光を発生するように構成される。いくつかの実施例においては、光デバイス10は光センサであり、FBG20と光学的に通じている少なくとも1つの光検出器40a、40bをさらに備える。狭帯域光源30によって発生された光は、FBG20によって第1部分33aおよび第2部分33bに分岐される。第1部分33aは、FBG20の長さに沿って延びる第1光学経路31に沿って透過される。第2部分33bは、第2光学経路32に沿って透過されFBG20から反射される。従って、図8に概略的に示されるように、FBG20の長さに沿っては延びない。いくつかの実施例においては、少なくとも1つの光検出器40a、40bは、第1部分33a、第2部分33b、または、第1および第2部分33a、33bの両方を受け取るように構成される。
6B and 8 schematically illustrate a second mode of operation disclosed herein and referred to as the slow light reflection mode. The configuration of FIG. 8 is one example of the general configuration shown schematically in FIG. 6B. The
図8に示される実施例においては、狭帯域光源30によって発生された光は、ファイバ結合器51を横切る。しかしながら、図7に示される実施例とは異なり、第1光学経路31および第2光学経路32は、互いに重なり合う。図8の第1光学経路31は、狭帯域光源30からファイバ結合器51を通り、FBG20の長さに沿って全長にわたり延びる。図8の第2光学経路32は、狭帯域光源30からファイバ結合器51を通り、FBG20へと延びる。光はFBG20で反射されてファイバ結合器51へと戻される。透過された第1部分33aは、FBG20に対して第1の方向に入射される光によって形成される。FBG20と相互作用すると、この入射光の幾分かが強め合うように前方に向けて(第1の方向に)干渉する。反射された第2部分33bは、FBG20に対して第1の方向に入射される光によって形成される。FBG20と相互作用すると、この入射光の幾分かが強め合うように後方に向けて(第1の方向とは反対の第2の方向に)干渉する。この実施例においては、第2部分33bは、FBG20から反射されるので、FBG20に沿って伝搬しない。光検出器40bは、第1部分33aを受け取るように構成される。これに対して光検出器40aは、第2部分33bがファイバ結合器51を通って横断するように戻された後に第2部分33bを受け取るように構成される。
In the embodiment shown in FIG. 8, the light generated by the narrowband
いくつかの実施例においては、FBG20は狭帯域レーザ30によって調べられ、第1部分33aはFBG20に沿って透過され、第2部分33bはFBG20から反射される。FBG20を調べる光の波長は、パワー透過スペクトルの局所的な透過率最大値(例えば、λ1、λ2、λ3、λ'1、λ'2、λ'3、またはλi、またはλ'iであり、ここでi≧1であり、以下において図9Aおよび図9Eを参照してさらに完全に説明される)と、局所的な透過率最大値に隣接する局所的な透過率最小値との間になるように選択される。そのようないくつかの実施例においては、FBG20に入射される光は、FBG20反射ピーク(例えばλa、λb、λc、λd、λe、λf、λ'a、λ'b、λ'c、λ'd、λ'e、λ'f、または、i≧1である波長λ'iの間の他のそのような波長であり、図9Aおよび図9Eを参照して、以下にさらに完全に説明される)の最も急峻な部分に、またはその近傍に波長λAおよびλ'Aを有する。
In some embodiments, the
例えば、いくつかの実施例においてFBG20は、ブラッグ波長を包含し、第1端波長(例えば、第1の局所的な透過率最大値の透過ピーク波長λ1、以下においてより完全に説明される)から、第2端波長(例えば、第2の局所的な透過率最大値の透過ピーク波長λ'1、以下においてより完全に説明される)までの波長範囲の光を反射する。反射される光は、バンドギャップ(例えば、第1端波長と第2端波長との間)内の反射ピーク波長(例えばブラッグ波長)において強度の最大値を有する。2つの透過ピーク波長λ1およびλ'1の間の領域は、FBG20のパワー透過スペクトルの局所的な透過率最小値であるとみなすことができる。そのようないくつかの実施例においては、共振の縁部、または、パワー透過が、第1または第2の局所的な透過率最大値の透過ピーク波長λ1およびλ'1におけるパワー透過の最大値の選択された一部分(例えば、約半分、または1/5と4/5の間の範囲内)であるような低速光ピークであるように、波長を選択することができる。
For example, in some embodiments, the
FBG20に外部摂動が加えられた場合、反射ピークは波長がシフトする。λBのこのシフトは、FBG20によって透過される第1部分33aおよびFBG20によって反射される第2部分33bに変化を生じさせる。例えば、FBG20に入射される光の波長において反射される光のパワーの変化である。いくつかの実施例においては、少なくとも1つの光検出器40は、第2部分33bの光パワーを受け取り、検出するように構成されたフォトダイオード40aを備える。図8に示されるように、FBG20によって反射されたレーザ信号の第2部分33bは、ファイバ結合器51(例えば、およそ3dBのパワー分割比を有するファイバ結合器)によってFBGの入力ポートから分離される。そして、第2部分33bの光パワーは、フォトディテクタ40aによって測定される。いくつかの実施例においては、少なくとも1つの光検出器40は、第1部分33aの光パワーを受け取り、検出するように構成されたフォトダイオード40bを備える。図8においては、FBG20の出力と光学的に通じているフォトディテクタ40bによって、パワーの変化をFBG20の出力において検出することができる。
When an external perturbation is applied to the
いくつかの実施例においては、検出される光パワーは、FBG20に対して加えられた歪みの量を示す。他のいくつかの実施例においては、検出される光パワーは、FBG20の温度を示す。
In some embodiments, the detected optical power indicates the amount of distortion applied to the
低速光反射モードで動作するいくつかの実施例においては、FBG20を通って進むに連れて信号は遅い群速度を受ける。しかし、図7の低速光透過モードにおけるいくつかの実施例ほどまでは遅くはない。従って、そのようないくつかの実施例も、ブラッグ反射モードで動作されるFBGに対する感度の大きな増大を有利にも提供する。さらに、低速光反射モードは波長シフトを測定することを伴わないので、ブラッグ反射モード(例えば図2)とは異なり、アンバランスなMZ干渉計を利用しない。これにより、MZ干渉計の熱安定性の問題が除かれ、設計が著しく単純化される。動作の低速光反射モードにおいては、ここに記載されるいくつかの実施例に従うと、FBG20のパワー透過は、低速光透過モードにおけるいくつかの実施例ほどには高くない。しかしながら、透過率は依然として高い。(〜70%。損失は除く。設計の詳細に依存する。)従って、FBG20を通って伝搬するに連れて信号が受ける損失は、依然として小さい。従って、いくつかの実施例においては、FBG20によって透過される光パワーは、FBG20に加えられる摂動を測定するために、(例えばフォトダイオード40bによって)検出および測定することができる。
In some embodiments operating in the slow light reflection mode, the signal experiences a slow group velocity as it travels through the
ここに記載される新たな反射および透過モードのうちの一方で動作される光センサ10のいくつかの実施例における感度は、FBG20において光の群速度をどれだけ遅くすることができるかに直接依存している。以下に記載される数多くのコンピュータシミュレーションは、この原理を示し、動作のこれらの新たなモードのいくつかの実施例によってもたらされる感度改善の大きさを定量化する。比較のため、これらのシミュレーションにより、上記において概略説明したブラッグ反射モードにおける特定の測定量、すなわち温度に対するFBGの感度もモデル化した。結果は実質的に、歪みのような別の測定量の効果をモデル化したシミュレーションと同一となったであろう。既知のパラメータ、すなわち、周期Λおよび振幅Δnの正弦波屈折率変調、グレーティング長L、および、均一で小さな温度変化ΔT、を有するグレーティングを通って進む信号の位相に対するよく知られた式を、これらのシミュレーションで利用した(例えばA. Yariv and P. Yeh, Optical waves in crystals: propagation and control of laser radiation, pp. 155-214 (New York: Wiley 1984)を参照のこと)。
The sensitivity in some embodiments of the
図9A−図9Dは、以下のパラメータ値を用いて、正弦波FBGを使用した温度センサに対して計算された特性を示す。Δn=1.5×10−4、L=1cm、およびΛ=0.37μm(これは約1.064μmのブラッグ波長λBを与える)とし、無損失のグレーティングを仮定して計算した。図9E−図9Hは、Δn=2.0×10−4、L=2cm、損失=1m−1、およびΛ=0.53μm(これは約1.55μmのブラッグ波長λBを与える)を用い、無損失のグレーティングを仮定して計算した、正弦波FBGを用いた温度センサの計算された特性を示す。図9Aおよび図9Eは、λBの近傍において、2つの温度、すなわち室温(300K)(図9A−図9Cおよび図9E−図9Gにおいては加熱されていない、と示されている)において計算された、このグレーティングのパワー透過を示す。図9A−図9Cに示される、1.064ミクロンのブラッグ波長に対しては、加熱された方の曲線は、室温にΔT=0.01℃を加えたものに対応する。図9E−図9Gに示される、1.55ミクロンのブラッグ波長に対しては、加熱された方の曲線は、室温にΔT=0.01℃を加えたものに対応する。温度変化は非常に小さいので、図9A−図9Cおよび図9E−図9Gの加熱された方および加熱されていない方の曲線は、互いに非常に近くてグラフ上では見分けがつかないであろう。図9A−図9Cおよび図9E−図9Gは、それぞれ1.064ミクロンおよび1.55ミクロンのブラッグ波長に対するFBGパワー透過、位相、および群屈折率の波長依存性を示す。λBの近傍においては、FBGは反射器として作用し、図9Aおよび図9Eに示されるように、その透過率は期待されるようにゼロに近い。このように低い透過領域は、反射率が高く、おおよそFBGのバンドギャップを構成する。λB=1.064μmに対するこのグレーティングのバンドギャップの半値全幅(FWHM)は、図9Aによって示されるように約126pmであり、λB=1.55μmに対するバンドギャップのFWHMは、図9Eによって示されるように約202pmである。このバンドギャップ領域の外では、透過率は第1共振ピークに到達し、次いで、λBから遠くに離れると振幅が減少するように振動する。λBから十分遠く(これらの図に示される範囲の外)では、漸近的に1へと透過率は近付く。 9A-9D show the calculated characteristics for a temperature sensor using a sinusoidal FBG with the following parameter values. Calculations were made assuming Δn = 1.5 × 10 −4 , L = 1 cm, and Λ = 0.37 μm (which gives a Bragg wavelength λ B of about 1.064 μm) and a lossless grating. 9E-9H uses Δn = 2.0 × 10 −4 , L = 2 cm, loss = 1 m −1 , and Λ = 0.53 μm (which gives a Bragg wavelength λ B of about 1.55 μm). The calculated characteristic of the temperature sensor using the sine wave FBG calculated on the assumption of a lossless grating is shown. 9A and 9E are calculated at two temperatures in the vicinity of λ B , namely room temperature (300K) (shown as not heated in FIGS. 9A-9C and 9E-9G). The power transmission of this grating is also shown. For the 1.064 micron Bragg wavelength shown in FIGS. 9A-9C, the heated curve corresponds to room temperature plus ΔT = 0.01 ° C. For the Bragg wavelength of 1.55 microns shown in FIGS. 9E-9G, the heated curve corresponds to room temperature plus ΔT = 0.01 ° C. Since the temperature change is very small, the heated and unheated curves of FIGS. 9A-9C and 9E-9G will be very close to each other and indistinguishable on the graph. Figures 9A-9C and 9E-9G show the wavelength dependence of FBG power transmission, phase, and group index for Bragg wavelengths of 1.064 microns and 1.55 microns, respectively. In the vicinity of λ B , the FBG acts as a reflector and its transmission is close to zero as expected, as shown in FIGS. 9A and 9E. Such a low transmission region has a high reflectivity and constitutes an FBG band gap. The full width at half maximum (FWHM) of this grating for λ B = 1.064 μm is about 126 pm as shown by FIG. 9A, and the FWHM of the band gap for λ B = 1.55 μm is shown by FIG. 9E. Is about 202 pm. Outside of the band gap region, the transmittance reaches a first resonance peak, then the vibration so that the amplitude decreases leaves away from lambda B. At sufficiently far from λ B (outside the range shown in these figures), the transmission approaches asymptotically to 1.
以前に述べたように透過率が共振ピークに到達する第1波長を、ここではλ1(λBの短波長側の場合)、および、λ'1(λBの長波長側の場合)と呼ぶ。透過率が共振ピークに到達する、より高次の波長をλi(λBの短波長側の場合)およびλ'i(λBの長波長側の場合)と呼ぶ。ここでi≧2である。いくつかの実施例においては、局所的な透過率最大値(例えば、ここではまた共振ピークあるいは低速光ピークと呼ばれ、λ1、λ2、λ3、λ4等、および、λ'1、λ'2、λ'3、λ'4等によって示すことができる)の1つに、またはその近傍に波長を有する光を狭帯域光源が発生する。いくつかの実施例においては、局所的な透過率最大値(例えば、ここではまた共振ピークあるいは低速光ピークと呼ばれ、λ1、λ2、λ3、λ4等、および、λ'1、λ'2、λ'3、λ'4等によって示すことができる)の1つと、隣接した局所的な透過率最小値との間に波長(λa、λb、λc、λd等、および、λ'a、λ'b、λ'c、λ'd等によって示される)を有する光を狭帯域光源が発生する。 As described above, the first wavelength at which the transmittance reaches the resonance peak is defined as λ 1 (in the case of the short wavelength side of λ B ) and λ ′ 1 (in the case of the long wavelength side of λ B ). Call. The higher-order wavelengths at which the transmittance reaches the resonance peak are called λ i (for the shorter wavelength side of λ B ) and λ ′ i (for the longer wavelength side of λ B ). Here, i ≧ 2. In some embodiments, the local transmittance maximum (eg, also referred to herein as the resonant peak or slow light peak, λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 etc., and λ ′ 1 , Narrowband light source generates light having a wavelength at or near one of λ ′ 2 , λ ′ 3 , λ ′ 4, etc.). In some embodiments, the local transmittance maximum (eg, also referred to herein as the resonant peak or slow light peak, λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 etc., and λ ′ 1 , between one of λ ′ 2 , λ ′ 3 , λ ′ 4, etc.) and the adjacent local transmittance minimum (λ a , λ b , λ c , λ d, etc.), And a narrowband light source generates light having λ ′ a , λ ′ b , λ ′ c , λ ′ d, etc.).
例えば、パワー透過スペクトルが、ブラッグ波長を含む第1の局所的な透過率最小値とブラッグ波長の短波長側の第2の局所的な透過率最小値との間に第1の局所的な透過率最大値λ1を有し、且つ、第2の局所的な透過率最小値とブラッグ波長の短波長側の第3の局所的な透過率最小値との間に第2の局所的な透過率最大値λ2を有するようないくつかの実施例においては、狭帯域光源によって発生された光の波長は、第1の局所的な透過率最小値と第2の局所的な透過率最小値との間に、第1の局所的な透過率最大値に、第1の局所的な透過率最大値λ1と第1の局所的な透過率最小値または第2の局所的な透過率最小値のいずれか一方との間に、第2の局所的な透過率最小値と第3の局所的な透過率最小値との間に、第2の局所的な透過率最大値に、または、第2の局所的な透過率最大値と第2の局所的な透過率最小値または第3の局所的な透過率最小値のいずれか一方との間になるように選択することができる。同様に、第3の局所的な透過率最大値、第4の局所的な透過率最大値におけるブラッグ波長の短波長側に、または、第3あるいは第4の局所的な透過率最大値のいずれか一方と隣接した局所的な透過率最小値との間に、波長を選択することができる。 For example, the power transmission spectrum has a first local transmission between a first local transmission minimum including the Bragg wavelength and a second local transmission minimum on the short wavelength side of the Bragg wavelength. It has a rate maximum value lambda 1, and a second local transmission between the third local transmission minimum of the short wavelength side of the second local transmission minimum and the Bragg wavelength In some embodiments, such as having a rate maximum λ 2 , the wavelength of the light generated by the narrowband light source is a first local transmission minimum and a second local transmission minimum Between the first local transmittance maximum value λ 1 and the first local transmittance minimum value or the second local transmittance minimum value. Between the second local transmission minimum and the third local transmission minimum between either one of the values. To a maximum value or between the second local transmittance maximum and either the second local transmittance minimum or the third local transmittance minimum You can choose. Similarly, either the third local transmittance maximum value, the short wavelength side of the Bragg wavelength in the fourth local transmittance maximum value, or the third or fourth local transmittance maximum value A wavelength can be selected between either one and the adjacent local transmission minimum.
別の例としては、パワー透過スペクトルが、ブラッグ波長を含む第1の局所的な透過率最小値とブラッグ波長の長波長側の第2の局所的な透過率最小値との間に第1の局所的な透過率最大値λ'1を有し、且つ、第2の局所的な透過率最小値とブラッグ波長の長波長側の第3の局所的な透過率最小値との間に第2の局所的な透過率最大値λ'2を有するようないくつかの実施例においては、狭帯域光源によって発生された光の波長は、第1の局所的な透過率最小値と第2の局所的な透過率最小値との間に、第1の局所的な透過率最大値に、第1の局所的な透過率最大値と第1の局所的な透過率最小値または第2の局所的な透過率最小値のいずれか一方との間に、第2の局所的な透過率最小値と第3の局所的な透過率最小値との間に、第2の局所的な透過率最大値に、または、第2の局所的な透過率最大値と第2の局所的な透過率最小値または第3の局所的な透過率最小値のいずれか一方との間になるように選択することができる。同様に、第3の局所的な透過率最大値、第4の局所的な透過率最大値におけるブラッグ波長の長波長側に、または、第3あるいは第4の局所的な透過率最大値のいずれか一方と隣接した局所的な透過率最小値との間に、波長を選択することができる。 As another example, if the power transmission spectrum has a first local transmission minimum including the Bragg wavelength and a second local transmission minimum on the long wavelength side of the Bragg wavelength, the first A second local transmission maximum between λ ′ 1 and a second local transmission minimum between a second local transmission minimum and a third local transmission minimum on the longer wavelength side of the Bragg wavelength; In some embodiments, such as having a local maximum transmittance λ ′ 2 , the wavelength of the light generated by the narrowband light source may be the first local minimum transmittance and the second local Between the first local transmittance maximum value and the first local transmittance maximum value and the first local transmittance minimum value or the second local transmittance value. Between the second local transmission minimum value and the third local transmission minimum value, between the second local transmission minimum value and the second local transmission minimum value. A maximum transmission value or between the second local transmission maximum value and either the second local transmission minimum value or the third local transmission minimum value Can be selected. Similarly, either the third local transmittance maximum value, the longer wavelength side of the Bragg wavelength in the fourth local transmittance maximum value, or the third or fourth local transmittance maximum value A wavelength can be selected between either one and the adjacent local transmission minimum.
図9Bおよび図9Fは、狭帯域信号がこのグレーティングを通って進んだ後の計算された位相を波長の関数として示す。図9Aおよび図9Eに対して使用された温度について再びこの計算を行った。特定の波長λ1およびλ'1、並びに、λ2およびλ'2の周囲では、曲線の中心部の周囲(FBGが強く反射するλBの周囲)に比べて、波長によって位相がもっと急激に変動する。端波長における、またはその近くにおける、波長に対する位相のこの依存性の増大は、信号がグレーティングを通って進むに連れて信号の群遅延がより大きくなることの結果である。言い換えると、これら2つの波長の近傍、例えば±5pmにおいては、グレーティングは低速光を持続させる。 9B and 9F show the calculated phase as a function of wavelength after the narrowband signal has traveled through this grating. This calculation was performed again for the temperatures used for FIGS. 9A and 9E. At certain wavelengths λ 1 and λ ′ 1 , and around λ 2 and λ ′ 2 , the phase is more abrupt with wavelength than around the center of the curve (around λ B where the FBG reflects strongly) fluctuate. This increase in phase dependence on wavelength at or near the edge wavelength is a result of the larger group delay of the signal as it travels through the grating. In other words, in the vicinity of these two wavelengths, for example ± 5 pm, the grating sustains slow light.
図9Cおよび図9Gは、図9Bおよび図9Fの波長に対する位相の依存性に対して式(6)を適用することにより、波長の関数として計算された、このFBGを通って進む光の群屈折率をプロットしている。図9Cおよび図9Gは、λ1およびλ'1の近傍においては、群屈折率ngが著しく増大することを示している。図中に示されるλ2およびλ'2のようなその他の透過共振の近傍においても同じことが当てはまるが、図中に示される波長範囲の外の他の共振λiおよびλ'iの近傍においても当てはまる。具体的には、λB=1.064μmを有する例示的なグレーティングの場合、端波長において、またはその近くにおいて約4.2の値にngは到達する。ファイバ中では、および、λBから遠い波長に対するFBG中では、光の群屈折率はおよそc/nであり、あるいは、約207,000km/s(この値は光の波長に弱く依存する)である。対照的に、2つの端波長周辺では、群屈折率は、自由空間中の光の速度よりもわずかに係数約4.2だけ小さいにすぎない、または、約71,400km/sである。λB=1.55μmを有する別のグレーティングの例では、端波長において、またはその近くにおいて、ngは約8.7の値に、あるいは約34,500km/sの群速度に到達する。 FIGS. 9C and 9G show the group refraction of light traveling through this FBG, calculated as a function of wavelength, by applying equation (6) to the phase dependence on the wavelength of FIGS. 9B and 9F. The rate is plotted. 9C and 9G show that the group index ng increases significantly in the vicinity of λ 1 and λ ′ 1 . The same applies in the vicinity of other transmission resonances such as λ 2 and λ ′ 2 shown in the figure, but in the vicinity of other resonances λ i and λ ′ i outside the wavelength range shown in the figure. Is also true. Specifically, for an exemplary grating with λ B = 1.064 μm, ng reaches a value of about 4.2 at or near the edge wavelength. In the fiber and in the FBG for wavelengths far from λ B , the group index of light is approximately c / n, or about 207,000 km / s (this value is weakly dependent on the wavelength of the light). is there. In contrast, around the two edge wavelengths, the group index is only slightly less than the speed of light in free space by a factor of about 4.2, or about 71,400 km / s. In another example of a grating having a lambda B = 1.55 .mu.m, the end wavelength, or in the vicinity thereof, n g reaches the group velocity of a value of about 8.7, or about 34,500km / s.
図9A−図9Cに概略を示される一般的な挙動を示し、正弦関数の屈折率摂動を有するFBGのパワー透過スペクトル、透過された位相、および、群屈折率は、異なる状況において以前に報告されてきた。M. Lee et al, "Improved slow-light delay performance of a broadband stimulated Brillouin scattering system using fiber Bragg gratings," Applied Optics Vol. 47, No. 34, pp. 6404-6415, December 1, 2008を参照のこと。この参照文献において著者達は、数値シミュレーションにより、図9A−図9C中で使用されたものと同様なパラメータを有する、すなわち、長さL=2.67cm、10−4の屈折率コントラストΔn、および、グレーティング周期Λ=533nm(1550nmのブラッグ波長)を有する正弦波屈折率変調を有するFBGをモデル化した。彼らの結論は、ブラッグ波長反射ピーク側の第1透過ピークの近傍に光の周波数の中心がある場合、FBGを通って進む光は通常よりも高い群遅延を示すというものであった。この特性は、この参照文献において、SBS遅延ラインに1つまたは2つのFBGを付加することにより、パワー消費量を増大させることなく、SBSベースの光遅延ラインにおける群遅延を増大させるために使用された。しかしながら、この参照文献は、群遅延が長さに対して非線形に増大することは認識できていない、または教示していない。実際、この参照文献は、1つではなく2つのグレーティングを使用した場合に、ここに記載されるいくつかの実施例の側面とは対照的に、群遅延が2倍になることを開示している。特に、以下においてより完全に記載されるように、グレーティング長の高次の累乗で群遅延は増大する。さらに、これらに限定されるものではないが、(1)群遅延を増大させるために屈折率コントラストを増大することの望ましさ、(2)この波長においてより速く蓄積する位相、(3)他の共振波長(グレーティングの透過率が局所的な最大値を示す)の存在、および、これらの波長における動作の可能性、並びに、(4)低速光モードにおけるセンサとしてのFBGの使用とその利点と、さらに、その性能特性を最適化する手段を含め、ここに記載される様々な側面に関してこの参照文献は何ら言及しないままである。 9A-9C shows the general behavior outlined in FIG. 9C, and the power transmission spectrum, transmitted phase, and group index of FBGs with sinusoidal index perturbations have been previously reported in different situations. I came. See M. Lee et al, "Improved slow-light delay performance of a broadband stimulated Brillouin scattering system using fiber Bragg gratings," Applied Optics Vol. 47, No. 34, pp. 6404-6415, December 1, 2008. . In this reference, the authors have shown by numerical simulation that the refractive index contrast Δn with parameters similar to those used in FIGS. 9A-9C, ie, length L = 2.67 cm, 10 −4 , and FBGs with sinusoidal refractive index modulation with a grating period Λ = 533 nm (1550 nm Bragg wavelength) were modeled. Their conclusion was that light traveling through the FBG would exhibit a higher group delay than usual when the center of the frequency of the light was near the first transmission peak on the Bragg wavelength reflection peak side. This property is used in this reference to increase group delay in SBS-based optical delay lines without increasing power consumption by adding one or two FBGs to the SBS delay line. It was. However, this reference does not recognize or teach that the group delay increases nonlinearly with length. In fact, this reference discloses that group delay is doubled when using two gratings instead of one, as opposed to some example aspects described herein. Yes. In particular, as will be described more fully below, the group delay increases with higher powers of the grating length. Further, but not limited to, (1) the desirability of increasing the index contrast to increase group delay, (2) the phase that accumulates faster at this wavelength, (3) other The presence of resonant wavelengths (grating transmission shows local maximum) and the possibility of operation at these wavelengths, and (4) the use of FBG as a sensor in slow light mode and its advantages, In addition, this reference remains silent on the various aspects described herein, including means for optimizing its performance characteristics.
ここに記載されるいくつかの実施例においてFBGは、極めて大きな群遅延、または同等に、極めて大きな群屈折率を生成するように設計または構成されている。その結果、ここに記載される低速光モードでの動作の1つにおけるセンサとしてこのFBGが使用される場合、極めて高い感度を生じる。それに比較して、FBGに関する以前の研究は、相対的に小さな群屈折率を生成してきた。例えば、以前に引用したM. Lee等においては、その参照文献中の図2(a)から計算された群屈折率の最大値は約3.3である。別の例としてJoe T. Mok等の"Dispersionless slow light using gap solitons," Nature Physics, Vol. 21, pp. 775-780, November 2006においては、屈折率コントラストΔn=1.53×10−4を有する長さ10cmのアポダイズFBGにおいて、約5の群屈折率が報告されている。対照的に、ここに開示されるいくつかの実施例は、以下においてより完全に記載されるように、それよりもはるかに高いとは言わないまでも、数100の範囲内の群屈折率を有するFBGの生成を可能とするような革新的な概念を利用する。 In some embodiments described herein, the FBG is designed or configured to produce a very large group delay, or equivalently, a very large group index. As a result, very high sensitivity results when this FBG is used as a sensor in one of the operations in the slow light mode described herein. In comparison, previous work on FBG has produced a relatively small group index. For example, in the previously cited M. Lee et al., The maximum value of the group refractive index calculated from FIG. 2A in the reference is about 3.3. As another example, in “Dispersionless slow light using gap solitons,” Nature Physics, Vol. 21, pp. 775-780, November 2006 by Joe T. Mok, the refractive index contrast Δn = 1.53 × 10 −4 is set. In a 10 cm long apodized FBG having a group index of about 5 has been reported. In contrast, some embodiments disclosed herein have a group index in the range of a few hundred, if not much higher, as described more fully below. Utilize innovative concepts that allow the creation of FBGs with.
ここに記載されるいくつかの実施例は、10sから100sまで、またはそれ以上の範囲という、かなり大きな群屈折率を有するFBGを有利にも提供する。そのようなグレーティングは、以下に記載されるように、著しく感度が増大され、既存のFBGベースのセンサに比べて、大抵の測定量に関して数10から数100、あるいはそれ以上も改善されたファイバセンサを製造するために使用することができる。これらは、大きな群屈折率または大きな群遅延を利用する、またはその利益を得る任意の用途に使用することもできる。用途としては、これらに限定されるものではないが、孤立波、群遅延ライン、分散補償、および光学フィルタを含む。 Some embodiments described herein advantageously provide FBGs with fairly large group indices, ranging from 10 s to 100 s or more. Such a grating, as described below, has a significantly increased sensitivity and a fiber sensor that has improved tens to hundreds, or more, for most measurements compared to existing FBG-based sensors. Can be used to manufacture. They can also be used in any application that utilizes or benefits from a large group index or large group delay. Applications include, but are not limited to, solitary waves, group delay lines, dispersion compensation, and optical filters.
式(6)に基づくと、また、図9A−図9CのFBGによって達成される約4.2の群屈折率値または図9E−図9GのFBGによって達成される約8.7の群屈折率値の光においては、ここに記載されるいくつかの実施例に従った低速光FBGセンサの温度に対する感度は、この同じFBGがブラッグ透過モードにおいて使用された場合よりも著しく大きい。図9A−図9Cは、それぞれλB=1.064μmに対する2つの曲線を示し、ΔT=0.01℃だけ隔てられた2つの温度においてそれぞれ計算されている。また、図9E−図9Gは、それぞれλB=1.55μmに対する2つの曲線を示し、ΔT=0.01℃だけ隔てられた2つの温度においてそれぞれ計算されている。図9Bの2つの位相曲線の間の差分を取り、ΔTが小さいのでΔTで割ることにより、図9Dに示されるように、λB=1.064μmについて、温度に関する位相の微分係数dφ/dTの近い近似が取得される。同様に、図9Fの2つの位相曲線の間の差分をΔTで割ることにより、図9Hに示されるように、λB=1.55μmについて、温度に関する位相の微分係数dφ/dTの近い近似を取得することができる。感度の最大値はλ1およびλ'1の近傍において生じる。これらの波長のどちらかにおいて、λB=1.064μmについて群屈折率は4.2、および感度dφ/dTは2.9rad/℃であり、また、λB=1.55μmについて群屈折率は8.7、および感度dφ/dTは8.1rad/℃である。従って、これらの低速光波長においては、温度に対する感度は非常に大きい。 Based on equation (6), the group index value of about 4.2 achieved by the FBG of FIGS. 9A-9C or the group index of about 8.7 achieved by the FBG of FIGS. 9E-9G. For light of value, the sensitivity to temperature of the slow light FBG sensor according to some embodiments described herein is significantly greater than if this same FBG was used in Bragg transmission mode. 9A-9C show two curves for λ B = 1.064 μm, respectively, calculated at two temperatures separated by ΔT = 0.01 ° C., respectively. 9E-9G show two curves for λ B = 1.55 μm, respectively, calculated at two temperatures separated by ΔT = 0.01 ° C., respectively. By taking the difference between the two phase curves in FIG. 9B and dividing by ΔT because ΔT is small, the phase derivative dφ / dT with respect to temperature for λ B = 1.064 μm, as shown in FIG. 9D. A close approximation is obtained. Similarly, by dividing the difference between the two phase curves of FIG. 9F by ΔT, for λ B = 1.55 μm, a close approximation of the phase differential coefficient dφ / dT with respect to temperature is obtained, as shown in FIG. 9H. Can be acquired. The maximum value of sensitivity occurs in the vicinity of λ 1 and λ ′ 1 . At either of these wavelengths, the group index is 4.2 for λ B = 1.064 μm and the sensitivity dφ / dT is 2.9 rad / ° C. and the group index for λ B = 1.55 μm is 8.7, and the sensitivity dφ / dT is 8.1 rad / ° C. Therefore, at these slow light wavelengths, the sensitivity to temperature is very high.
図10Aおよび図10Bは、λB=1.064μmおよびλB=1.55μmのそれぞれについて、無損失のグレーティングを仮定して計算した、位相の感度と透過率との間の関係をより詳細に示す。感度は正確にλ1およびλ'1(ここでパワー透過は1に等しい)で最大値とはならず、それらの近傍にて最大値となることが示される。定義によれば、これらの2つの波長において透過率が最大値である(および1に等しい)ので、図10Aおよび図10Bは(少なくともこれらの例において)、透過率の最大化(信号がグレーティングを通って進むに連れて受ける損失を最小化するために望ましい)と、群屈折率の最大化(感度を最大化するために望ましい)との両方を達成する単一の波長が無いことを示す。しかしながら、透過率および群屈折率が最大化される波長は、互いの近傍にあるので、成されるべき妥協は比較的小さい。例えば、λB=1.064μmについては、第1の透過共振ピークにおいて透過率は1であり、群屈折率は4.0であり、また感度dφ/dTは2.6rad/℃である。群屈折率が最大値となる(そして4.2に等しい)波長においては、感度は2.85rad/℃であり、透過率は94%に等しい。別の例として、λB=1.55μmについては、第1の共振ピーク(透過率≒89%)において群屈折率は8.38であり、感度dφ/dTは7.84rad/℃である。群屈折率が最大値となる(そして8.7に等しい)波長においては、感度は8.1rad/℃であり、透過率は85%に等しい。損失を考慮すると、共振ピークは100%のパワー透過率に到達しない。これらの値は、これらに対応する最大値から10%未満異なるだけなので、いくつかの実施例においては、特定の目的とする用途によって課される基準に応じて、透過率または群屈折率のどちらかを最大化するように波長を選択することができる。正確な動作点にかかわりなく、透過率および群屈折率(従って感度)の両方が、かなり広い波長範囲にわたって、それらに対応する最大値の近くにある。これは、いくつかの実施例において、どちらに対しても有益な特徴である。この定性的な結論は、非常に広い範囲のFBGのパラメータ値に対して有効であり、この特定の数値例において使用されるよりもかなり高い群屈折率(例えば105)を生成するような値に対してさえも有効である。 FIGS. 10A and 10B show in more detail the relationship between phase sensitivity and transmission, calculated assuming a lossless grating for λ B = 1.064 μm and λ B = 1.55 μm, respectively. Show. It is shown that the sensitivity does not have a maximum value exactly at λ 1 and λ ′ 1 (where power transmission is equal to 1), but at a maximum in the vicinity thereof. By definition, the transmittance is maximum at these two wavelengths (and is equal to 1), so FIGS. 10A and 10B (at least in these examples) maximize the transmittance (the signal has a grating). It shows that there is no single wavelength that achieves both the maximum loss of the group index (desired to minimize sensitivity) and the maximum group index (desired to maximize sensitivity). However, since the wavelengths at which the transmission and group index are maximized are in the vicinity of each other, the compromise to be made is relatively small. For example, for λ B = 1.064 μm, the transmittance is 1 at the first transmission resonance peak, the group refractive index is 4.0, and the sensitivity dφ / dT is 2.6 rad / ° C. At the wavelength where the group index is maximum (and equal to 4.2), the sensitivity is 2.85 rad / ° C. and the transmission is equal to 94%. As another example, for λ B = 1.55 μm, the group refractive index is 8.38 at the first resonance peak (transmittance≈89%), and the sensitivity dφ / dT is 7.84 rad / ° C. At the wavelength where the group index is maximum (and equal to 8.7), the sensitivity is 8.1 rad / ° C. and the transmission is equal to 85%. Considering the loss, the resonance peak does not reach 100% power transmission. Since these values only differ by less than 10% from their corresponding maximum values, in some embodiments, either transmittance or group index, depending on the criteria imposed by the particular intended application. Wavelengths can be selected to maximize this. Regardless of the exact operating point, both transmission and group index (and hence sensitivity) are close to their corresponding maximum values over a fairly broad wavelength range. This is a useful feature for both in some embodiments. This qualitative conclusion is valid for a very wide range of FBG parameter values, values that produce a much higher group index (eg, 10 5 ) than is used in this particular numerical example. Even effective against.
上記で説明した図は、与えられる屈折率コントラスト(λB=1.064μmについてはΔn=1.5×10−4、λB=1.55μmについてはΔn=2.0×10−4)を有するFBGをモデル化することによって生成された。屈折率コントラストが増大するに連れて群遅延はさらに増大し、式(6)に従うと、測定量に対する感度も増大する。例えば、水素装填されたファイバ中でFBGが製造される場合(例えばΔnは0.015であり、例えばP.J. Lemaire, R.M. Atkins, V. Mizrahi, and W.A. Reed, "High pressure H2 loading as a technique for achieving ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in GeO2 doped optical fibres," Electronic Letters, Vol. 29, No. 13 (June 1993)を参照のこと)には、このモデル化された値よりもFBGのΔnがかなり高くなり得るので、増大するΔnの結果、群遅延および感度の実質的な増大が生じる。この改善を定量化するために、ここに記載されるいくつかの実施例に従った低速光透過の構成において使用されるグレーティングに対し、屈折率コントラストの関数として感度を計算した。屈折率変調および長さのみに対する群屈折率および感度の依存性を示すために、両方の波長において、グレーティングは損失がゼロであると仮定する。図11A(λB=1.064μmの場合)および図11B(λB=1.55μmの場合)は、(i)λ1または同等なλ'1における低速光透過の構成のこの感度とともに、(ii)ここに記載されるいくつかの実施例に従ってλaまたは同等なλ'aにおける低速光反射の構成に使用されるグレーティングに対する感度、および、(iii)ブラッグ反射構成において使用されるグレーティングに対する感度をプロットするものであり、無損失のグレーティングを仮定して計算されている。図11Aおよび図11Bのそれぞれにおける3つの曲線は、全て、例示的なグレーティング長であるL=2cmについて計算された。この比較を実行するために、位相の感度は、以下のようにして低速光透過スキームにおけるパワーの感度に変換された。MZ干渉計が感度の最大値に対して位相にバイアスがかけられている場合、干渉計の複数の出力パワーのうちの1つにおける出力パワーは、P=P0sin(Δφ/2)で与えられる。ここで、P0は全出力パワー(両方のポートを含めて)であり、Δφは2つのアームの間の位相差である。MZ干渉計の2つのアームのうちの一方に配置されたFBGに対して小さな摂動δΔφが加えられた場合、出力パワーはδP≒P0δΔφ/2で変動する。従ってセンサのパワーの感度は、次のように定義される。
低速光透過の構成においては、与えられるグレーティング長に対して、特定の屈折率コントラストよりも低い場合には感度は一定である。屈折率コントラストが十分に大きい場合(典型的には約10−4を越える場合)、Δnのより高次の累乗として感度が増大する。例えば、1.064μmで動作する2cmのグレーティング長に対しては、温度に対するパワーの感度は、Δn1.95と見積もられる。別の例として、1.55μmで動作する2cmのグレーティング長に対しては、温度に対するパワーの感度は、Δn1.99と見積もられる。比較すると、低速光反射の構成においては、屈折率コントラストが増加するに連れて感度は単調に増加する(図11Aおよび図11Bを参照のこと)。この例において約10−4を越える屈折率コントラストに対しては、2つの低速光スキームの感度は互いに極めて近い。 In the low light transmission configuration, the sensitivity is constant when the grating length is lower than a specific refractive index contrast. If the index contrast is sufficiently large (typically above about 10 −4 ), the sensitivity increases as a higher power of Δn. For example, for a 2 cm grating length operating at 1.064 μm, the sensitivity of power to temperature is estimated to be Δn 1.95 . As another example, for a 2 cm grating length operating at 1.55 μm, the sensitivity of power to temperature is estimated to be Δn 1.99 . In comparison, in the low-speed light reflection configuration, the sensitivity increases monotonically as the refractive index contrast increases (see FIGS. 11A and 11B). In this example, for a refractive index contrast greater than about 10-4 , the sensitivity of the two slow light schemes is very close to each other.
対照的に、図11A(1.064μm)および図11B(1.55μm)はまた、ブラッグ反射モードにおいては、特定の屈折率コントラスト(この特定のグレーティング長に対しては約10−5)よりも低いところでは、ちょうど低速光透過スキームの場合と同じように感度は一定であることを示す。この屈折率コントラストを越えると、感度が低下する。この低下の理由は上記にて説明した。これらのシミュレーションにおいては、ブラッグ反射構成の感度は、MZ干渉計の長さのアンバランスΔLを最大化することによって(例えば、長さのアンバランスを、FBGによって反射される光のコヒーレンス長と等しくすることによって)最大化された。このコヒーレンス長はFBGの屈折率コントラストに依存するので(式(2)および式(3)を参照のこと)、シミュレーションにおいて使用されるΔnの値のそれぞれに対してこの値を調整した。屈折率コントラストが増大するに連れて、反射される光のコヒーレンス長は低下し、長さのアンバランスΔLは低下し、従って、感度が低下する(式(5)を参照のこと)。 In contrast, FIG. 11A (1.064 μm) and FIG. 11B (1.55 μm) are also more specific in Bragg reflection mode than a specific index contrast (about 10 −5 for this specific grating length). At low points, the sensitivity is constant, just as in the slow light transmission scheme. Beyond this refractive index contrast, the sensitivity decreases. The reason for this decrease has been described above. In these simulations, the sensitivity of the Bragg reflector configuration is achieved by maximizing the length imbalance ΔL of the MZ interferometer (eg, length imbalance equals the coherence length of the light reflected by the FBG). Maximized) Since this coherence length depends on the refractive index contrast of the FBG (see equations (2) and (3)), this value was adjusted for each value of Δn used in the simulation. As the refractive index contrast increases, the coherence length of the reflected light decreases, the length imbalance ΔL decreases, and therefore the sensitivity decreases (see equation (5)).
図11Aは、やはり実際に達成することのできる1.5×10−2というΔnに対して(例えばLemaire等を参照のこと)、λB=1.064μmに対する低速光透過スキームおよび低速光反射スキームにおけるパワーの感度が、〜6.5×104℃−1(曲線の上端)ほどにも高くなり、位相の感度1.3×105rad/℃に対応することを示す。これは、ブラッグ反射モードにおいて動作されるグレーティング(L=2cm、Δn=10−5)に対して予測される最良の値(1.18rad/℃)よりも110,000倍近く高い。図11Bは、1.5×10−2というΔnに対して、λB=1.55μmに対する低速光透過スキームおよび低速光反射スキームにおけるパワーの感度が、〜1.9×104℃−1ほどにも高くなり、位相の感度3.8×104rad/℃に対応することを示す。これは、ブラッグ反射モードにおいて動作されるグレーティング(L=2cm、Δn=10−5)に対して予測される値の最良の値(0.82rad/℃)よりも〜46,000倍高い。 FIG. 11A shows a slow light reflection scheme and a slow light reflection scheme for λ B = 1.064 μm for Δn of 1.5 × 10 −2 that can also be achieved in practice (see eg Lemaire et al.). The sensitivity of power at is as high as ˜6.5 × 10 4 ° C. −1 (the upper end of the curve), indicating that it corresponds to a phase sensitivity of 1.3 × 10 5 rad / ° C. This is nearly 110,000 times higher than the best expected value (1.18 rad / ° C.) for a grating operated in Bragg reflection mode (L = 2 cm, Δn = 10 −5 ). FIG. 11B shows that the sensitivity of power in the low-speed light transmission scheme and the low-speed light reflection scheme for λ B = 1.55 μm is about 1.9 × 10 4 ° C. −1 for Δn of 1.5 × 10 −2 . It shows that it corresponds to a phase sensitivity of 3.8 × 10 4 rad / ° C. This is ˜46,000 times higher than the best predicted value (0.82 rad / ° C.) for a grating operated in Bragg reflection mode (L = 2 cm, Δn = 10 −5 ).
何故2つの低速光の構成が大きなΔnに対してほとんど同じ感度を示す(図11Aおよび図11Bを参照のこと)かという理由は、低速光透過の構成において波長λ1(またはλ'1)にて使用される光の群屈折率、および、低速光反射の構成においてλ2(またはλ'2)にて使用される光の群屈折率がほとんど同じだからである。これは図12A(1.064μm)および図12B(1.55μm)に見られる。これらは、長さL=2cmのFBGに対してΔnの関数として計算された群屈折率をプロットしたものである。無損失のグレーティングを仮定して計算されている。これらのプロットはやはり、透過モードに対してはλ1(または同等なλ'1)にて、反射モードに対してはλa(または同等なλ'a)にて計算された。低速光反射の構成および低速光透過の構成はほとんど同じ群屈折率を生成し、後者の方がほんのわずかに反射の構成より小さい。どちらのスキームにおいても、群屈折率はΔnに対して約Δn1.95で増大する。低速光反射スキームにおいては、低速光透過スキームにおける場合よりも、最も遅い光を生成する波長から、信号波長がもっと強くはずれる。図12Aはまた、λB=1.064μmを有する光ファイバグレーティングにおける極度の低速光を実現することが可能なことを証明している。この例におていは、0.015のΔnを有するFBG(水素装填されたFBG)に対して生じる実際のngの最大値は、約105である。これは、ほんの3,000m/sの群速度に対応する。これは、実験的にまたはシミュレーションによってFBGにおいて以前に証明されたものよりも約20,000倍遅い。FBG長を2cm(このシミュレーションにおいて使用された値)から10cmへと増大させることにより、この群屈折率の数字は、約51.99≒25から250万−120m/sの群速度、まで増大する。図12Bに示されるλB=1.55μmに対する例においては、やはり、両方のスキームに対して、約Δn1.99のΔnで群屈折率が増大する。0.015のΔnを有するFBG(水素装填されたFBG)に対して生じる実際のngの最大値は、約4.2×104である。これは、ほんの7,100m/sの群速度に対応する。これは、実験的にまたはシミュレーションによってFBGにおいて以前に証明されたものよりも約8,000倍遅い。FBG長を2cmから10cmへと増大させることにより、この数字は、約100万−300m/sの群速度まで増大する。この特性は、上述の用途の全て(例えば、これらに限定されるものではないが、光データ格納、光バッファ、光データまたはパルスの遅延を含む)を含めた多数の用途に対する大変な含蓄を有する。従って、いくつかの実施例においては、光デバイス10は光データ格納デバイス、光バッファ、または光遅延デバイスである。
The reason why the two slow light configurations show almost the same sensitivity for large Δn (see FIGS. 11A and 11B) is that the wavelength λ 1 (or λ ′ 1 ) in the slow light transmission configuration. This is because the group refractive index of light used at the same time and the group refractive index of light used at λ 2 (or λ ′ 2 ) in the low-speed light reflection configuration are almost the same. This can be seen in FIG. 12A (1.064 μm) and FIG. 12B (1.55 μm). These plot the group index calculated as a function of Δn against an FBG of length L = 2 cm. Calculated assuming a lossless grating. These plots were again calculated at λ 1 (or equivalent λ ′ 1 ) for the transmission mode and at λ a (or equivalent λ ′ a ) for the reflection mode. The slow light reflection configuration and the slow light transmission configuration produce almost the same group index, the latter being slightly less than the reflection configuration. In both schemes, the group index increases by about Δn 1.95 relative to Δn. In the slow light reflection scheme, the signal wavelength deviates more strongly from the wavelength producing the slowest light than in the slow light transmission scheme. FIG. 12A also demonstrates that it is possible to achieve extreme low speed light in an optical fiber grating with λ B = 1.064 μm. In this example, the actual maximum value of ng for an FBG having a Δn of 0.015 (hydrogen loaded FBG) is about 10 5 . This corresponds to a group velocity of only 3,000 m / s. This is about 20,000 times slower than previously proven in FBG either experimentally or by simulation. By increasing the FBG length from 2 cm (the value used in this simulation) to 10 cm, the numbers of the group index increases from about 5 1.99 ≒ 25 group velocity of 2.5 million -120m / s, until To do. In the example for λ B = 1.55 μm shown in FIG. 12B, the group index increases again with Δn of about Δn 1.99 for both schemes. The actual maximum value of ng that occurs for an FBG having a Δn of 0.015 (hydrogen loaded FBG) is about 4.2 × 10 4 . This corresponds to a group velocity of only 7,100 m / s. This is about 8,000 times slower than previously proven in FBG either experimentally or by simulation. By increasing the FBG length from 2 cm to 10 cm, this number increases to a group velocity of about 1 million-300 m / s. This property has tremendous implications for many applications, including all of the above applications (eg, including but not limited to optical data storage, optical buffers, optical data or pulse delays). . Thus, in some embodiments,
感度に対するFBGの長さの効果を決定するために、図13A(1.064μm)および図13B(1.55μm)は、ここに記載されるいくつかの実施例に従い、1.5×10−4という固定されたΔnに対してパワーの感度対グレーティング長を示すように生成された。無損失のグレーティングを仮定して計算した。低速光透過スキーム(ここではまた、λ1あるいは同等なλ'1において評価されている)については、1.064μmでの動作に対する位相の感度は、おおよそL2.75と見積もられる。この依存性は、正確に普遍的ではないが、それに近い。例えば、(例えば、YarivおよびYehの計算スキームを使用した)同一のシミュレーションをΔn=7.5×10−4で実行すると、L2.98で変動する感度が得られた。Δnをさらに1.5×10−3まで増大させると、感度はL2.97で増加する。これらの数字はまた、屈折率変調の正確な空間プロファイル(正弦関数、平方、等)にも依存する。それにもかかわらず、結論としては、感度は長さに対して急激に依存する。1.55μmにおける低速光透過スキームの動作については、位相の感度はおおよそL2.89と見積もられる。1.064μmにおける低速光反射スキーム(ここではまた、λaまたは同等なλ'aにて評価されている)については、感度はまたL2.91で増加する。これは、低速光透過スキームにおいて見られた関係と類似している。1.55μmにおける低速光反射スキームについては、感度はまたL2.85で増加する。 To determine the effect of FBG length on sensitivity, FIG. 13A (1.064 μm) and FIG. 13B (1.55 μm) are 1.5 × 10 −4 according to some examples described herein. Was generated to show power sensitivity versus grating length for a fixed Δn. Calculation was performed assuming a lossless grating. For slow light transmission schemes (also evaluated here at λ 1 or equivalent λ ′ 1 ), the phase sensitivity to operation at 1.064 μm is estimated to be approximately L 2.75 . This dependency is not exactly universal, but close to it. For example, running the same simulation (eg, using the Yariv and Yeh calculation schemes) with Δn = 7.5 × 10 −4 resulted in a sensitivity varying at L 2.98 . As Δn is further increased to 1.5 × 10 −3 , the sensitivity increases at L 2.97 . These numbers also depend on the exact spatial profile of the refractive index modulation (sine function, square, etc.). Nevertheless, the conclusion is that sensitivity is abruptly dependent on length. For operation of the slow light transmission scheme at 1.55 μm, the phase sensitivity is estimated to be approximately L 2.89 . For slow light reflection schemes at 1.064 μm (also evaluated here at λ a or equivalent λ ′ a ), the sensitivity also increases at L 2.91 . This is similar to the relationship seen in the slow light transmission scheme. For a slow light reflection scheme at 1.55 μm, the sensitivity also increases at L 2.85 .
λB=1.064μm、1.5×10−4のΔn、および2cmの長さを有するFBGの上記の例においては、低速光透過モードにおけるパワーの感度は〜8℃−1であった。図13Aは、このグレーティングの長さを2cmから10cm(反射グレーティングにおいて使用するのに合理的と考えられる例示的な高い値、図4を参照のこと)へと増大させた場合、このパワーの感度は877℃−1まで増大することを示す。これらの図は、ここに記載されるいくつかの実施例に従って低速光透過モードにて動作されるFBGの長さおよび/または屈折率コントラストを増大させることによって取得することができる感度の劇的な改善を示す。図13Bに示され、1.5×10−4のΔnおよび2cmの長さを有するFBGに関する1.550μmでのその他の例に対しては、低速光透過モードにおけるパワーの感度は〜2.7℃−1であった。図13Bは、このグレーティングの長さを2cmから10cmへと増大させると、このパワーの感度が243℃−1まで増大することを示している。 In the above example of an FBG having λ B = 1.064 μm, Δn of 1.5 × 10 −4 , and a length of 2 cm, the power sensitivity in the slow light transmission mode was ˜8 ° C. −1 . FIG. 13A shows the sensitivity of this power when the length of this grating is increased from 2 cm to 10 cm (an exemplary high value that is considered reasonable for use in a reflective grating, see FIG. 4). Indicates an increase to 877 ° C -1 . These figures are dramatic of the sensitivity that can be obtained by increasing the length and / or refractive index contrast of an FBG operated in slow light transmission mode according to some embodiments described herein. Showing improvement. For the other example at 1.550 μm for FBG shown in FIG. 13B and having a Δn of 1.5 × 10 −4 and a length of 2 cm, the sensitivity of power in slow light transmission mode is ˜2.7. ° C -1 . FIG. 13B shows that increasing the length of the grating from 2 cm to 10 cm increases the sensitivity of this power to 243 ° C. −1 .
いくつかの実施例においては、長さLおよび屈折率コントラストΔnは、10よりも大きな、20よりも大きな、30よりも大きな、40よりも大きな、50よりも大きな、100よりも大きな、500よりも大きな、1,000よりも大きな、5,000よりも大きな、あるいは10,000よりも大きな群屈折率ngを提供するように選択することができる。 In some embodiments, the length L and the refractive index contrast Δn are greater than 10, greater than 20, greater than 30, greater than 40, greater than 50, greater than 100, greater than 500. Can be selected to provide a group index of refraction ng that is greater than 1,000, greater than 5,000, or greater than 10,000.
1つの実施例においては、図7に示されるように、例えば光ファイバから成るMZ干渉計の1つのアーム中にFBGが配置される。いくつかの実施例のMZ干渉計は、2つのアームにバイアスをかけて(例えばπ/2)、小さな位相変化に対する感度を最大化する目的を除いては、実質的にバランスされている。FBGに対して小さな温度変化が加えられた場合、FBGを通って進む信号の位相が変化する一方で、参照アームを通って進む信号の位相は変化しない。MZ干渉計の第2結合器においてこれら2つの信号が再結合された場合、π/2+δφであるこれらの相対的な位相シフトに依存する態様で、これらの信号が干渉する。ここでδφ=(dφ/dT)ΔTであり、dφ/dTは、以前に(例えば、図10Aおよび図10Bにおいて)説明および計算された感度である。この相対的な位相シフトの結果、MZ干渉計のどちらかのポートにおける信号の出力パワーは、δφに比例する量で変化する。 In one embodiment, as shown in FIG. 7, the FBG is placed in one arm of an MZ interferometer made of, for example, an optical fiber. Some example MZ interferometers are substantially balanced except for biasing the two arms (eg, π / 2) to maximize sensitivity to small phase changes. When a small temperature change is applied to the FBG, the phase of the signal traveling through the FBG changes while the phase of the signal traveling through the reference arm does not change. When these two signals are recombined in the second combiner of the MZ interferometer, they interfere in a manner that depends on their relative phase shift being π / 2 + δφ. Where δφ = (dφ / dT) ΔT, where dφ / dT is the sensitivity previously described and calculated (eg, in FIGS. 10A and 10B). As a result of this relative phase shift, the output power of the signal at either port of the MZ interferometer changes by an amount proportional to δφ.
ファイバMZ干渉計は、通常、0.1から1μrad程度の検出可能な位相最小値(MDP)を有する。例としては、1μradのMDP、0.015の屈折率コントラスト、および10cmのグレーティング長を有し、1.55ミクロンで動作するMZ干渉計については、位相の感度は4.8×106rad/℃である。MDPが1μradであるので、このMZ低速光センサの構成は、2.1×10−13℃ほども小さな温度変化を検出することができる。今度もまた、同じ長さで最適化された反射FBGのものに比べて、これは500万倍近くも大きい。 Fiber MZ interferometers typically have a detectable minimum phase value (MDP) on the order of 0.1 to 1 μrad. As an example, for an MZ interferometer operating at 1.55 microns with an MDP of 1 μrad, a refractive index contrast of 0.015, and a grating length of 10 cm, the phase sensitivity is 4.8 × 10 6 rad / ° C. Since the MDP is 1 μrad, this MZ low-speed optical sensor configuration can detect a temperature change as small as 2.1 × 10 −13 ° C. Again, this is nearly 5 million times larger than that of the reflective FBG optimized for the same length.
この原理のさらなる例が図14Aおよび図14Bに示されている。ここでは、λB=1.064μmおよびλB=1.55μmのぞれぞれについて、ブラッグ反射モードにおいて使用されるFBGに対するFBG屈折率コントラストの関数として、計算された検出可能な最小の温度をプロットしたものであり、無損失のグレーティングを仮定して計算している。このシミュレーションにおけるグレーティング長は、λB=1.064μmに対しては1cmであり、λB=1.55μmに対しては2cmであり、MZ干渉計は1μradのMDPを有するものとした。特に図11Aおよび図11Bからの以前のシミュレーションにおいて予測されたように、屈折率コントラストが増大するに連れて感度は落ち、従って、検出可能な最小の温度は上がる。図15Aおよび図15Bには、ここに記載されるいくつかの実施例に従って低速光透過モードで動作される同じ長さ(およびMDP)のFBGに対する同じ依存性が示されている。無損失のグレーティングを仮定して計算されている。ブラッグ反射モードとは著しく対照的に、屈折率コントラストが増大するに連れて、検出可能な最小の温度は単調に低下し、やがては非常に小さな値に到達する。 A further example of this principle is shown in FIGS. 14A and 14B. Here, for each of λ B = 1.064 μm and λ B = 1.55 μm, the calculated minimum detectable temperature as a function of FBG refractive index contrast for the FBG used in the Bragg reflection mode. It is plotted and calculated assuming a lossless grating. The grating length in this simulation was 1 cm for λ B = 1.064 μm, 2 cm for λ B = 1.55 μm, and the MZ interferometer had an MDP of 1 μrad. As predicted in previous simulations, particularly from FIGS. 11A and 11B, the sensitivity decreases as the refractive index contrast increases, and thus the minimum detectable temperature increases. FIGS. 15A and 15B illustrate the same dependency on the same length (and MDP) FBGs operated in slow light transmission mode in accordance with some embodiments described herein. Calculated assuming a lossless grating. In marked contrast to the Bragg reflection mode, as the refractive index contrast increases, the minimum detectable temperature decreases monotonically and eventually reaches a very small value.
この例は、ここに記載されるいくつかの実施例によってもたらされる、従来のブラッグ反射モードの動作に対する利点を明らかに示している。第1に、ここに記載されるいくつかの実施例に従った低速光の構成の両方について、感度はかなり大きい。第2に、ここに記載されるいくつかの実施例に従った低速光透過の構成について、MZ干渉計がアンバランスにされるべき必要が無い。そのため、そのアームの両方が非常に短い長さを持つことが可能であり、従って、温度変化に対して非常に安定したものにできる。第3に、ここに記載されるいくつかの実施例に従った低速光の構成の両方について、光源として市販のレーザをセンサは利用することができる。これは、ある1つの場合においては広帯域光源を要し(例えばKersey等を参照のこと)、また、第2の場合においては独自のレーザを要する(例えばKooおよびKerseyを参照のこと)従来の反射モードの構成とは異なる。いくつかの実施例においては、極めて狭い線幅と、ショットノイズによって制限される低ノイズとを有する市販のレーザを選択することができる。対照的に、ブラッグ反射構成における第1の場合には(例えば図1)、広帯域光源ははるかにノイズがひどく、検出される出力信号に対して位相および強度ノイズを加えるであろう。そして、MDP(および、故に、検出可能な最小の温度)をさらに上げるであろう。ブラッグ反射構成の第2の場合においては(例えば図2)、光源は本質的にFBGを含んだ特別なレーザである。これは、レーザ線幅の広がりを低減し、ノイズを低く保つために、正確な波長安定化を必要とするであろう。これを実行することは可能であるが、やはり、かなりな量のエンジニアリングを必要とする。これは、大量に製造され販売されており、スケールメリットの恩恵を受ける市販の狭線幅レーザよりもコストが高い。 This example clearly demonstrates the advantages over conventional Bragg reflection mode of operation provided by some embodiments described herein. First, the sensitivity is quite large for both slow light configurations according to some embodiments described herein. Second, for a low light transmission configuration according to some embodiments described herein, the MZ interferometer need not be unbalanced. Therefore, both of its arms can have a very short length and can therefore be very stable against temperature changes. Third, for both slow light configurations according to some embodiments described herein, the sensor can utilize a commercially available laser as the light source. This requires a broadband light source in one case (see, for example, Kersey et al.), And in the second case a unique laser (see, for example, Koo and Kersey). Different from mode configuration. In some embodiments, a commercially available laser can be selected that has a very narrow linewidth and low noise limited by shot noise. In contrast, in the first case in a Bragg reflection configuration (eg, FIG. 1), the broadband light source is much more noisy and will add phase and intensity noise to the detected output signal. It will then further increase MDP (and hence the minimum detectable temperature). In the second case of the Bragg reflection configuration (eg FIG. 2), the light source is essentially a special laser containing FBG. This will require precise wavelength stabilization to reduce laser linewidth broadening and keep noise low. While this can be done, it still requires a significant amount of engineering. It is manufactured and sold in large quantities and is more costly than a commercially available narrow linewidth laser that benefits from scale merit.
極めて小さな温度を検出するこの能力は、大抵の用途にとっては過剰である。しかしながら実際の用途においては、この高感度と交換で、より短い長さを提供することができる。λB=1.064μmについて上記にて引用された低速光透過モードの例においては、センサは、長さ10cmに対して2.2×107rad/℃の感度を有する。このFBG長を800μmまで、あるいは、L2.88依存性に従って係数を〜125まで低減することにより、係数〜1.77×106で12.4rad/℃まで感度が落ちるであろう。1.55μmで動作する第2の低速光透過モードの例については、長さ10cmに対して4.8×106rad/℃の位相の感度をセンサは有する。このFBG長を800μmまで減らすことにより、係数約1×106で4.8rad/℃まで感度が落ちるであろう。これらのセンサは依然としてブラッグ反射モード(図4を参照のこと)において使用される最適化されたFBGとほぼ同じ感度を有する。しかし、長さは10cmではなくわずかに800μmであり、従って、かなり小型である。 This ability to detect very small temperatures is excessive for most applications. However, in practical applications, this high sensitivity and exchange can provide a shorter length. In the example of slow light transmission mode quoted above for λ B = 1.064 μm, the sensor has a sensitivity of 2.2 × 10 7 rad / ° C. for a length of 10 cm. The FBG length to 800 [mu] m, or by reducing the coefficient to 125 according L 2.88 dependent and will be less sensitive by a factor of ~1.77 × 10 6 to 12.4rad / ℃. For the second slow light transmission mode example operating at 1.55 μm, the sensor has a phase sensitivity of 4.8 × 10 6 rad / ° C. for a length of 10 cm. By reducing this FBG length to 800 μm, the sensitivity will drop to 4.8 rad / ° C. with a factor of about 1 × 10 6 . These sensors still have about the same sensitivity as the optimized FBG used in the Bragg reflection mode (see FIG. 4). However, the length is only 800 μm, not 10 cm, and is therefore quite small.
上記の解析は、温度が測定量である場合について実行した。FBGに直接加えられた縦歪みのように、測定量が別の量である場合にも同じ結論が当てはまる。 The above analysis was performed for the case where the temperature was a measured quantity. The same conclusion applies when the measured quantity is another quantity, such as longitudinal distortion applied directly to the FBG.
低速光を使用することにより、歪みの感度および温度の感度の両者が増大する。従って、ここに記載されるいくつかの実施例に従った低速光センサの1つの効果は、より感度が良い歪みセンサでありながら、温度変動に対してもまた、より感度が良いことである。いくつかの実施例においては、温度変動に対してセンサを安定化させることができるが、そのような安定化が望まれない場合がある。しかしながら、感度と長さとは、常にお互いに対して交換することができる。従って、ここに記載されるいくつかの実施例の低速光センサにおいて、歪みの感度および温度の感度は、おおよそ同じ比率で強められる。そのため、グレーティングの物理的な長さLを低減して、ブラッグ反射FBGの最高の場合と同じレベルまで歪みの感度および温度の感度を持って行くことができる。低速光の構成の差異、および利点は、等しい感度に対して、低速光FBGはかなり短いことである。これは、小型で経済的なことが重大であるような多くの用途に対して重要であり得る。長さと感度との任意の妥協もまた可能であり、これによって、通常の反射グレーティングよりも幾分短くしつつ、より高感度でなくてはならないように低速光センサが設計される。さらに、グレーティングに対して加えられる歪みの変化と温度の変化との間を区別するために適用されてきた、多くのエンジニアリング的解決法が、低速光センサの本構成においても適用可能である。具体的には、例えば、歪みと温度とが変化する領域中に、2つのグレーティングを平行に配置することができる。グレーティングの一方は歪みを受けるが他方は歪みは受けず、その一方で、(同じ)温度変化を両者が受ける。2つのセンサの読み値の間の比較により、共通の温度変化と、一方のグレーティングに加えられた歪み変化との両者を提供することができる。 By using slow light, both strain sensitivity and temperature sensitivity are increased. Thus, one advantage of the slow light sensor according to some embodiments described herein is that it is more sensitive to temperature fluctuations while being a more sensitive strain sensor. In some embodiments, the sensor can be stabilized against temperature fluctuations, but such stabilization may not be desired. However, sensitivity and length can always be exchanged for each other. Thus, in some example low speed light sensors described herein, the sensitivity of strain and the sensitivity of temperature are enhanced at approximately the same ratio. Therefore, the physical length L of the grating can be reduced to bring the strain sensitivity and the temperature sensitivity to the same level as the best case of the Bragg reflection FBG. The difference and advantage of the slow light configuration is that for the same sensitivity, the slow light FBG is much shorter. This can be important for many applications where small size and economics are critical. Any compromise between length and sensitivity is also possible, which will design the slow light sensor so that it must be more sensitive while being somewhat shorter than a normal reflection grating. In addition, many engineering solutions that have been applied to distinguish between changes in strain applied to the grating and changes in temperature are also applicable in this configuration of slow light sensors. Specifically, for example, two gratings can be arranged in parallel in a region where strain and temperature change. One of the gratings is distorted while the other is not distorted, while both are subject to (same) temperature changes. Comparison between the readings of the two sensors can provide both a common temperature change and a strain change applied to one grating.
シミュレーションはまた、ここに記載されるいくつかの実施例において、どちらかの低速光モードで動作されるFBGを調べるために使用される光源の線幅が全く妥当であることを示している。図16は、長さL=2cmおよびΔn=1.5×10−4を有し、λB=1.064ミクロンで動作されるグレーティングについて、レーザの線幅に対するパワー感度の依存性のプロットによってこの点を示すものである。無損失のグレーティングを仮定して計算している。レーザ線幅が増大するに連れて、約10−13mの線幅まで感度は一定である。この値を越えると、群屈折率スペクトルにおけるピークのみならず、それ以上に及ぶより広いスペクトル領域をレーザ信号が探査しているため、感度が低下し始める。言い換えると、いくらかの光子は高い群屈折率とみなされ(群屈折率スペクトルのピークおよびその周りの周波数における光子)、その他は、より低い群屈折率とみなされる(このピークからはずれた周波数における光子)。この曲線は、感度の最大値を取得するためには、レーザ線幅が約10−13m、あるいは、26MHzの周波数線幅より大きくないように選択されることが有利なことを示している。これは、例えば、アリゾナ州ツーソンのNP PhotonicsのEr−Ybドープされたファイバレーザのように、数多くの市販される半導体レーザから容易に入手可能な線幅である。長さが同じだが、大きな屈折率コントラスト(Δn=1.5×10−3)のFBGに対して実行された同様なシミュレーションは、約2×10−15m(530kHz)のレーザ線幅に対して最大値を与える。そのようなレーザ線幅もまた、商業的に容易に入手可能である。従って、グレーティングの屈折率コントラストが増大するに連れて、あるいはその長さが増大するに連れて、レーザ線幅を低減することができる。 The simulation also shows that in some embodiments described herein, the line width of the light source used to examine an FBG operated in either slow light mode is quite reasonable. FIG. 16 shows a plot of power sensitivity dependence on laser linewidth for a grating having length L = 2 cm and Δn = 1.5 × 10 −4 and operating at λ B = 1.064 microns. This point is shown. Calculated assuming a lossless grating. As the laser linewidth increases, the sensitivity remains constant up to a linewidth of about 10 −13 m. Beyond this value, the sensitivity begins to decline because the laser signal is exploring a wider spectral region that extends beyond the peak in the group index spectrum. In other words, some photons are considered high group index (photons at the peak of the group index spectrum and frequencies around it), others are considered lower group index (photons at frequencies off this peak). ). This curve shows that in order to obtain the maximum value of sensitivity, it is advantageous that the laser line width is selected to be no greater than about 10 −13 m or a frequency line width of 26 MHz. This is a linewidth readily available from a number of commercially available semiconductor lasers, such as, for example, an Er-Yb doped fiber laser from NP Photonics, Tucson, Arizona. A similar simulation performed on an FBG of the same length but with a large refractive index contrast (Δn = 1.5 × 10 −3 ) for a laser linewidth of about 2 × 10 −15 m (530 kHz) Give the maximum value. Such laser line widths are also readily available commercially. Therefore, the laser line width can be reduced as the refractive index contrast of the grating increases or as its length increases.
全てのシミュレーションは、1064nm(Nd:YAGレーザの主要な波長)または1.55μmのどちらかのブラッグ波長を有するFBGに対して実行された。これらの波長を選択したのは、一般に使用されているものだからである。しかしながら、波長は、ここに記載されたいくつかの実施例において概要を説明された一般的な傾向には何の関係も無い。例えば1.3μm周辺のように、別の波長に中心を置く同様なFBGの特性も、ここに提示される特性と実質的に差は無く、ここに提示され、引用されているものと同じ式を用いてモデル化することができる。ここに記載されるいくつかの実施例に従った低速光スキームが、ここに記載されるブラッグ反射に対して有する相対的な利点は、実質的に変わらないままである。
最適化プロセス
All simulations were performed on FBGs with a Bragg wavelength of either 1064 nm (the main wavelength of the Nd: YAG laser) or 1.55 μm. These wavelengths were selected because they are commonly used. However, wavelength has nothing to do with the general trend outlined in some of the embodiments described herein. The characteristics of similar FBGs centered at another wavelength, such as around 1.3 μm, are not substantially different from those presented here, and are the same as those presented and cited here. Can be used to model. The relative advantages that slow light schemes according to some embodiments described herein have over the Bragg reflection described herein remain substantially unchanged.
Optimization process
均一なグレーティングの透過率および群屈折率スペクトルの特性は、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決定される。上記において説明した場合である無損失のグレーティングにおいては、屈折率コントラストおよび長さを無限に増大することにより、群屈折率を高めることができる。実際には、グレーティングを通って光が進む場合、放射モードへの結合を誘起する散乱による損失に直面する。損失の存在下では、グレーティングの長さが増大するに連れて、グレーティング中のより長い距離を光が進み、それに応じてより高い損失に直面する。FBGの群屈折率が大きい場合に、この効果は強められる。これは、グレーティングを通って行ったり来たり何度も光が進むに連れて、より多くの損失に光が直面するためである。従って、与えられた損失に対しては、グレーティング長が増加するに連れて、上記の通り、群屈折率がまず増大する。群屈折率がさらに増大するに連れて、ファブリ・ペロー干渉計における場合と同じように、損失によって往復回数の最大値が制限され始め、長さがいくらかでもさらに増大すると群屈折率は低下し始める。その結果、与えられる損失係数に対し、共振において群屈折率を最大化するグレーティング長が存在する。同様に長さが増大するに連れて、これらの共振におけるグレーティングの透過率も損失によって制限される。低速光用途に対してFBGを設計する場合、そのプロファイルタイプ、屈折率変調、および損失が与えられたものとしてグレーティングの最適な長さを決定するために、例えば上記のモデルを使用して、最適化の調査を実行することが望ましい。当業者に知られているいくつもの標準的な技法を用いて、FBGの損失係数を測定することができる。FBGの測定されるパワー損失係数は、Geドープされたグレーティングにおける1m−1(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)から、水素装填されたグレーティングにおける2m−1を越える範囲(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 ThD1, pp. 50-52)まで及ぶ。 The properties of uniform grating transmission and group index spectrum are uniquely determined by three parameters: refractive index modulation, length, and loss. In the lossless grating as described above, the group refractive index can be increased by infinitely increasing the refractive index contrast and length. In practice, when light travels through the grating, it encounters losses due to scattering that induce coupling into the radiation mode. In the presence of loss, as the length of the grating increases, the light travels a longer distance in the grating and faces higher losses accordingly. This effect is intensified when the group refractive index of the FBG is large. This is because the light faces more losses as the light travels back and forth through the grating. Therefore, for a given loss, as the grating length increases, the group index first increases as described above. As the group index increases further, as in the Fabry-Perot interferometer, losses begin to limit the maximum number of round trips, and the group index begins to decrease with some further increase in length. . As a result, there is a grating length that maximizes the group index at resonance for a given loss factor. Similarly, as the length increases, the transmittance of the grating at these resonances is also limited by the loss. When designing an FBG for slow light applications, use the above model, for example, to determine the optimum length of the grating given its profile type, refractive index modulation, and loss It is advisable to carry out a survey of conversion. A number of standard techniques known to those skilled in the art can be used to measure the loss factor of the FBG. The measured power loss factor of FBG is 1 m −1 (Y. Liu, L. Wei, and J. Lit, “Transmission loss of phase-shifted fiber Bragg gratings in lossy materials: a theoretical and From experimental investigation, "Applied Optics, 2007", over 2m -1 in hydrogen loaded gratings (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, DC, 1999), paper ThD1, pp. 50 -52).
1.55μmにて動作される均一なグレーティングの例に対するこの挙動が図17に示される。1m−1と2m−1との間で変動する損失係数αに対し、強くGeドープされたグレーティング、例えば、大きな屈折率コントラスト(この例ではΔn=1.0×10−3)を有するグレーティングにおいて、長さに対する第1共振(λ1)での群屈折率および透過率の依存性をこの図は示す。与えられる損失係数に対しては、グレーティングの長さが短い場合、グレーティングは十分な周期を持たず、群屈折率は低い。長さが長い場合、光がグレーティングを通って進むに連れて、より大きな損失に光が直面し、群屈折率は低下する。これら2つの極限の間のどこかで、群屈折率は最大値となる。図17の例で示されるように、グレーティングの損失が1m−1である場合、2.25cmのグレーティング長において最も高い群屈折率が84であり、透過率が約10%である。損失が2m−1まで増大すると、より短い最適な長さ1.8cmにおいて最も高い群屈折率は53まで低下し、この長さにおける透過率は大体同じ(11%)である。また、上記にて説明されるように、長さが増大するに連れて透過率は着実に低下する。最も高い群屈折率が望ましく、透過率はあまり懸念とならないような用途においては、最適な長さにおける、あるいはその近傍における動作が好ましい。透過率がより大きな懸念であるような用途においては、過度に透過率を減少させることなく、可能な限り最も高い群屈折率を実現するために、妥協をすることができる。低速光FBGの設計者は、この例においてモデル化された第1共振波長に加えて、その他の共振波長を選択することもできる。 This behavior is shown in FIG. 17 for the example of a uniform grating operating at 1.55 μm. For loss factors α that vary between 1 m −1 and 2 m −1 , in a strongly Ge-doped grating, for example a grating with a large refractive index contrast (in this example Δn = 1.0 × 10 −3 ) The figure shows the dependence of the group index and transmittance at the first resonance (λ 1 ) on the length. For a given loss factor, when the grating length is short, the grating does not have a sufficient period and the group index is low. If the length is long, as the light travels through the grating, the light encounters greater loss and the group index decreases. Somewhere between these two limits, the group index is at its maximum. As shown in the example of FIG. 17, when the loss of the grating is 1 m −1 , the highest group refractive index is 84 and the transmittance is about 10% at the grating length of 2.25 cm. As the loss increases to 2 m −1 , the highest group index decreases to 53 at the shorter optimal length of 1.8 cm, and the transmission at this length is roughly the same (11%). Also, as explained above, the transmittance decreases steadily as the length increases. In applications where the highest group index is desirable and transmission is not a concern, operation at or near the optimum length is preferred. In applications where transmission is a greater concern, a compromise can be made to achieve the highest possible group index without excessively reducing the transmission. In addition to the first resonance wavelength modeled in this example, the designer of the slow light FBG can select other resonance wavelengths.
図18は、水素装填されたファイバ中で製造された、さらに強いFBGの例に対して計算された同じ依存性を示す。このシミュレーションにおいて使用されたΔnの値は、水素装填されたファイバ中において書かれたグレーティングに対して報告された値である0.01であり、損失係数は2m−1である。P. J. Lemaire, R. M. Atkins, V. Mizrahi, and W. A. Reed, "High-pressure H2-loading as a technique for achieving ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in GeO2-doped optical fibers," Electron. Lett., 1993を参照のこと。この計算に対しては、FBGは均一であると仮定した。この例に対して最も高い群屈折率は、長さ0.37に対して生じ、243に等しい。この群屈折率におけるグレーティングの透過率は12%である。 FIG. 18 shows the same dependency calculated for the example of a stronger FBG produced in a hydrogen loaded fiber. The value of Δn used in this simulation is 0.01, the value reported for a grating written in a hydrogen loaded fiber, and the loss factor is 2m −1 . See PJ Lemaire, RM Atkins, V. Mizrahi, and WA Reed, "High-pressure H 2 -loading as a technique for achieving ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in GeO 2 -doped optical fibers," Electron. Lett., 1993. That. For this calculation, the FBG was assumed to be uniform. The highest group index for this example occurs for a length of 0.37 and is equal to 243. The transmittance of the grating at this group refractive index is 12%.
アポディゼーションも群屈折率、透過率、および長さの間の関係に影響を及ぼす。ここでは、タイプAとしてゼロdc屈折率変化を有するレイズドガウシアンアポダイズ(raised-Gaussian-apodized with zero-dc index change)、および、タイプBとしてガウシアンアポダイズ(Gaussian-apodized)と呼ぶ2つのタイプのアポディゼーションの例が図19Aに示される。T. Erdogan, "Fiber grating spectra," J. of Lightwave Technology, Vol. 15, pp. 1277-1294, 1997を参照のこと。図19Aに示されるように、タイプAにおいては、屈折率プロファイルが、ある平均の屈折率値の上下で変調される。タイプBにおいては、屈折率プロファイルは、ある平均値を完全に越えたところで変調される。どちらのタイプにおいても、屈折率変調の包絡線は、例えば余弦関数またはガウシアンといった任意のプロファイルを有することができる。以下のシミュレーションにおいては、タイプAおよびタイプBのFBG両者に対して、包絡線は、Wで表示される半値全幅(FWHM)を有するガウシアンであると仮定されている。図19Bは、Δn=1.0×10−3、L=2cm、損失係数1.3m−1、およびW=2Lを有するタイプAのアポダイズFBGに対して計算された群屈折率スペクトルを示す。最も高い群屈折率のピークは第2共振において生じるが、その値は、同じ屈折率変調、長さ、および損失を有する均一なグレーティングのものより小さい。そのようなアポダイズグレーティングの低速光の挙動を制御している関連パラメータは4つあり、屈折率変調の最大値、長さ、損失係数、および、屈折率プロファイルの包絡線の半値全幅(FWHM)Wである。Δn=1.0×10−3、L=2cm、損失=1.3m−1、およびW=2Lについて図19Cおよび図19Dに示されるように、タイプBのグレーティングは、非対称な透過率および群屈折率スペクトルを生成する。最も高い群屈折率は、短波長側の第1共振ピークにおいて生じる。適切なアポディゼーションにより、同じ屈折率変調および長さを有する均一なグレーティングのものよりも、その値を大きくすることができる。以下に記載される最適化プロセスによって、いくつかの実施例においてこれを達成できる。 Apodization also affects the relationship between group refractive index, transmittance, and length. Here, there are two types of types, called raised-Gaussian-apodized with zero dc refractive index change as type A and Gaussian-apodized as type B. An example of apodization is shown in FIG. 19A. See T. Erdogan, "Fiber grating spectra," J. of Lightwave Technology, Vol. 15, pp. 1277-1294, 1997. As shown in FIG. 19A, in Type A, the refractive index profile is modulated above and below some average refractive index value. In type B, the refractive index profile is modulated completely beyond some average value. In either type, the refractive index modulation envelope can have any profile, for example a cosine function or Gaussian. In the following simulations, for both Type A and Type B FBGs, the envelope is assumed to be Gaussian with a full width at half maximum (FWHM) denoted W. FIG. 19B shows the group index spectra calculated for a type A apodized FBG with Δn = 1.0 × 10 −3 , L = 2 cm, loss factor 1.3 m −1 , and W = 2L. The highest group index peak occurs at the second resonance, but its value is smaller than that of a uniform grating with the same index modulation, length, and loss. There are four relevant parameters controlling the slow light behavior of such apodized gratings: refractive index modulation maximum, length, loss factor, and full width at half maximum (FWHM) of the envelope of the refractive index profile. W. As shown in FIGS. 19C and 19D for Δn = 1.0 × 10 −3 , L = 2 cm, loss = 1.3 m −1 , and W = 2L, type B gratings have asymmetric transmittance and group A refractive index spectrum is generated. The highest group refractive index occurs at the first resonance peak on the short wavelength side. With proper apodization, the value can be made larger than that of a uniform grating with the same refractive index modulation and length. This can be achieved in some embodiments by the optimization process described below.
与えられる屈折率コントラストΔnの最大値および与えられる損失係数に対して、群屈折率を最大化するために最適化が可能な2つのパラメータは、長さとFWHM Wである。最適化プロセスにおいてよく知られている最も一般的な手法において、簡単な二次元のパラメータの調査を実行することができる。例として、図20は、FWHMが長さの2倍に等しく、Δnが1.0×10−3であり、損失係数が1m−1であるタイプBのアポダイズFBGに対する群屈折率、透過率、および長さの間の関係を示す。群屈折率の最大値に対する最適な長さは1.43cmである。この長さにおいては、群屈折率は178に達するほど高い。この時透過率は1.4%である。損失を1.5m−1まで増大させると、群屈折率が低下し、予期されるように最適な長さを低減させる。しかしながら、透過率は約1.7%までわずかに増大する。同じ屈折率コントラストを有する均一なFBGをモデル化した図17と比較すると、同じ長さおよび屈折率変調に対して、均一なグレーティングと同じ長さおよび屈折率変調を有するタイプBのアポダイズグレーティングは、均一なグレーティングよりも高い群屈折率および低い透過率を生成することが示される。従って、FBGの屈折率プロファイルを調整することは、低速光デバイスとして使用されるFBGのここに記載されるいくつかの実施例の設計に、相当な影響を及ぼすことができる。 Two parameters that can be optimized to maximize the group index for a given index contrast Δn maximum and a given loss factor are length and FWHM W. In the most common approach well known in the optimization process, a simple two-dimensional parameter search can be performed. As an example, FIG. 20 shows the group refractive index, transmittance for a type A apodized FBG with FWHM equal to twice the length, Δn of 1.0 × 10 −3 , and a loss factor of 1 m −1 , And shows the relationship between lengths. The optimum length for the maximum value of the group index is 1.43 cm. At this length, the group index is so high that it reaches 178. At this time, the transmittance is 1.4%. Increasing the loss to 1.5 m −1 decreases the group index and reduces the optimum length as expected. However, the transmission increases slightly to about 1.7%. Compared to FIG. 17, which models a uniform FBG with the same refractive index contrast, for a given length and refractive index modulation, a Type B apodized grating with the same length and refractive index modulation as a uniform grating is It is shown to produce a higher group index and lower transmission than a uniform grating. Thus, adjusting the refractive index profile of the FBG can have a significant impact on the design of some embodiments described herein of FBGs used as low speed light devices.
アポディゼーション包絡線の幅もまた、群屈折率および透過率において重要な役割を果たすことができる。FWHMが小さい場合、グレーティングの実効的な長さが小さくなり、より低い群屈折率をもたらす。FWHMが大きい場合、グレーティングのプロファイルは均一なグレーティングに類似したものとなる。従って、この極限においては、群屈折率および透過率の長さに対する依存性は、対応する均一なグレーティングにおけるそれぞれの依存性に収束する。図21においては、損失係数1m−1、屈折率コントラストの最大値Δn=1.0×10−3、および長さ1.43cmの場合の例において、包絡線のFWHM Wに対する群屈折率および透過率がプロットされている。群屈折率の最大値に対する最適なFWHMは1.4cmである。このFWHMにおいては、群屈折率は200である。これは図20におけるものよりもさらに高いが、パワー透過は非常に低い。やはり、用途の要求に応じて、どちらの最適な長さを選ぶかを決定するために妥協することができる。しかし、図20および図21のような曲線は、この選択を行うことを可能とする情報を明らかに提供するものである。 The width of the apodization envelope can also play an important role in group index and transmission. If the FWHM is small, the effective length of the grating is small, resulting in a lower group index. When the FWHM is large, the grating profile is similar to a uniform grating. Therefore, in this limit, the dependence on the group refractive index and the transmission length converges to the respective dependence in the corresponding uniform grating. In FIG. 21, in the example in the case of a loss factor of 1 m −1 , the maximum value of refractive index contrast Δn = 1.0 × 10 −3 , and a length of 1.43 cm, the group refractive index and transmission of the envelope with respect to FWHM W The rate is plotted. The optimum FWHM for the maximum value of the group index is 1.4 cm. In this FWHM, the group refractive index is 200. This is even higher than in FIG. 20, but the power transmission is very low. Again, depending on the application requirements, a compromise can be made to determine which optimal length to choose. However, curves such as FIGS. 20 and 21 clearly provide information that allows this selection to be made.
図22に示されるように、タイプBの水素装填されたアポダイズFBGに対して、同じ最適化プロセスを適用することができる。ガウシアン包絡線のFWHMが長さの2倍に等しい場合、1.0×10−2のΔnおよび2m−1の損失係数に対して最適な長さは0.17cmである。この例に対する群屈折率は744に達し、この群屈折率におけるパワー透過率は5%である。 As shown in FIG. 22, the same optimization process can be applied to a Type B hydrogen loaded apodized FBG. If the FWHM of the Gaussian envelope is equal to twice the length, the optimal length for a Δn of 1.0 × 10 −2 and a loss factor of 2m −1 is 0.17 cm. The group index for this example reaches 744, and the power transmission at this group index is 5%.
図22においてモデル化された水素装填されたFBGについて、その長さとして0.17cmを選択したものと仮定すると、最適なFWHMが0.17cmであることを図23は示す。このFWHMにおいては、群屈折率は868に達するが、この点におけるパワー透過は非常に低い。最も高い群屈折率を生成するFWHMは、この場合、グレーティングの長さにほぼ等しい。この特定のFWHMの利点は、非常に高い群屈折率であり、欠点は低いパワー透過率である。ここで、以前に引用したその他の全ての例と同様に、パワー透過率と群屈折率との間のトレードオフは、それぞれの用途に対して特有のものである。 FIG. 23 shows that the optimal FWHM is 0.17 cm, assuming that the length of the hydrogen loaded FBG modeled in FIG. 22 is chosen to be 0.17 cm. In this FWHM, the group index reaches 868, but the power transmission at this point is very low. The FWHM that produces the highest group index is in this case approximately equal to the length of the grating. The advantage of this particular FWHM is a very high group index and the disadvantage is a low power transmission. Here, as with all other examples cited previously, the trade-off between power transmission and group index is unique for each application.
均一なグレーティングおよびアポダイズグレーティングに加えて、πシフトされたグレーティングは、低速光を生成することのできる一般的なグレーティングのプロファイルの別のタイプである。πシフトされたグレーティングは、グレーティングのプロファイルの中心部に配置された位相シフトπを有する。このタイプのグレーティングは、ブラッグ波長において狭い透過共振を広げ、また、透過スペクトルを広げる。このタイプのグレーティングに対する最も低い群速度は、もはやバンドギャップ端には位置せず、むしろバンドギャップλπの中心部に位置する。これは、Δn=2.0×10−4、L=2cm、および、ゼロ損失を有する均一なπシフトされたグレーティングに対して計算された透過率および群屈折率スペクトルを示した図29Aおよび図29Bに示されている。 In addition to uniform and apodized gratings, π-shifted gratings are another type of general grating profile that can produce slow light. The π-shifted grating has a phase shift π located at the center of the grating profile. This type of grating broadens the narrow transmission resonance at the Bragg wavelength and broadens the transmission spectrum. The lowest group velocity for this type of grating is not located on the longer band gap edge, located in the center of the band gap lambda [pi rather. This shows the transmittance and group index spectra calculated for a uniform π-shifted grating with Δn = 2.0 × 10 −4 , L = 2 cm, and zero loss. 29B.
1550nm付近のブラッグ波長を有する様々なFBGを通って進む光の群遅延を測定することにより、これらの予測が実験的に証明された。大きな群屈折率が生じる波長において進む光は、群屈折率に比例した大きな群遅延を受ける。どちらも同じ波長可変レーザによって提供される、異なる波長の2つの信号の到着時間の間の時間差を測定することにより、群遅延が決定された。通常の群速度でFBGを通って光が進むように、第1の波長はFBGのバンドギャップ端からはるか遠くに(〜2nm)位置された。この第1の波長においては、群屈折率は位相屈折率に非常に近く、位相屈折率自体は、材料の屈折率n0、例えば約1.45に非常に近い。第2の波長は、バンドギャップ端の近く(200pm内)にあるよう調整された。ここでは群屈折率、従って群遅延はより大きい。第1の波長および第2の波長における信号は、FBGに入る前に、同じ周波数でともに振幅を変調された。2つの波長において測定された群遅延の間の差異は、FBGによって誘起された群屈折率の増大の基準を提供した。 These predictions have been experimentally verified by measuring the group delay of light traveling through various FBGs having a Bragg wavelength near 1550 nm. Light traveling at a wavelength where a large group index occurs produces a large group delay proportional to the group index. Group delay was determined by measuring the time difference between the arrival times of two signals of different wavelengths, both provided by the same tunable laser. The first wavelength was located far (˜2 nm) from the band gap edge of the FBG so that light traveled through the FBG at normal group velocity. At this first wavelength, the group index is very close to the phase index, and the phase index itself is very close to the refractive index n 0 of the material, eg about 1.45. The second wavelength was adjusted to be near the band gap edge (within 200 pm). Here the group refractive index and hence the group delay is larger. The signals at the first and second wavelengths were both amplitude modulated at the same frequency before entering the FBG. The difference between the group delays measured at the two wavelengths provided a basis for the group index increase induced by FBG.
この測定に使用した実験の設定を図24に示す。波長可変レーザ(Hewlett-Packard HP 81689A)からのビームが、光アイソレータおよび偏光制御器、次いで振幅変調器を通って送られた。偏光制御器は、変調器に入る光の偏光の状態(SOP)を調節し、故に変調器(その動作はたまたま偏光に依存した)によって透過されるパワーを最大化するために使用した。25MHzから100MHzまでの間の周波数fmを有する、関数発生器からの正弦関数信号が、レーザ信号のパワーを変調する変調器へと送り込まれた。正弦曲線状に変調されたレーザ光が、試験用のFBGを通して送られた。FBGを出た信号は、50/50のファイバ結合器を用いて2つに分岐された。出力信号の1つは、そのパワーを測定するために、そしてそれ故に(レーザ波長を変動させた場合に)FBGの透過スペクトルを測定するために、パワーメーターへと送られた。他方のビームは、その位相を測定するロックイン増幅器へと続くフォトディテクタに送られた。第1の測定は、低速光を受けない、バンドギャップ端から十分遠く(2nm)に離れている波長1548.000nmで行われ、従って参照信号として使用された。次いでバンドギャップ端に近い低速光波長へとレーザを調整し、位相の測定を繰り返した。これら2つの波長の間で測定された位相変化Δφから、下記の式を用いて、第1の波長と第2の波長との間の群遅延の差異を計算した。
表1は試験された市販のファイバブラッググレーティングを一覧にしたものである。これらは全てカナダのOE-Landによって製造された。表中には、製造業者の提供による、その長さ、非熱的グレーティングであったかどうか、および、グレーティングの屈折率プロファイルが均一であったかどうかが一覧にされている。また、それぞれのグレーティングの屈折率コントラストΔn(不均一なFBGの場合にはピーク値)も一覧されている。
図25Aは、例として、長さ3cmおよびベンダーにより特定された値である約1×10−4の名目上均一な屈折率コントラストを有するグレーティング#1の測定された透過スペクトルを示す。透過スペクトルは、均一なグレーティングに対して予期される形状を示す。すなわち、ブラッグ波長(この場合はλB≒1549.948nm)に狭い反射ピークの中心が位置し、このピークから遠くに離れるに連れて振幅が減衰する振動によって両側が取り囲まれている形状を示す。図25A中の実線の曲線は、均一なFBGに対して理論から計算された透過スペクトルである。理論曲線を実験に一致させるために調整された唯一のパラメータが屈折率コントラストである。製造業者によって特定された屈折率コントラストの値が十分に正確ではなかったので、このフィッティングを用いた。図25Aを生成するために使用されたフィッティングされた値は、Δn=1.10×10−4であり、ベンダー値と近い。これらのシミュレーションでは損失ゼロを仮定した。透過率が100%に非常に近い透過ピークがブラッグ反射ピークの両側に存在することをこれらの曲線が示している。
FIG. 25A shows, by way of example, the measured transmission spectrum of grating # 1 having a nominally uniform refractive index contrast of about 1 × 10 −4 in
図25Bは、同じグレーティング(#1)に対して測定された群屈折率スペクトルを、図25A中の実線の曲線の場合と同じΔnおよび長さに対して計算された理論スペクトルとともに示す。光は波長λ1≒1549.881nmおよびλ'1≒1550.012nmにおいて最も遅くなる。これらはλBに対して対照的に位置されており、また、FBGのバンドギャップのどちらかの側における第1の高透過ピークとも一致する。これら2つの波長における群屈折率の最も高い測定値は〜3.7であり、予測される値と非常に良く一致している。図25Aの場合と同様に、理論と実験との間に良好な一致を見る。 FIG. 25B shows the group index spectra measured for the same grating (# 1), along with the theoretical spectra calculated for the same Δn and length as for the solid curve in FIG. 25A. The light is slowest at wavelengths λ 1 ≈15499.881 nm and λ ′ 1 ≈1550.012 nm. They are located in contrast to λ B and also coincide with the first high transmission peak on either side of the band gap of the FBG. The highest measured group refractive index at these two wavelengths is ˜3.7, which is in good agreement with the expected value. As in FIG. 25A, we see good agreement between theory and experiment.
より高い屈折率コントラストを有するFBGを試験したところ、予期されるように、これらは、より高い群屈折率の最大値を与えた。例として、図26A−図26Cは、長さ2cmおよび〜1.0×10−3のΔnを有するグレーティング#3に対する対応する曲線を示す。図26Aは、測定された透過スペクトルの全体はブラッグ波長の周りに対称的ではないことを示しており、これは、上記で説明したように、アポダイズグレーティングであることを示している。図26Bは、便宜のため、同じ測定された透過スペクトルのうち短波長部分を拡大して示している。この測定されたスペクトルに重ねられているのは、測定されたスペクトルに対して名目上最も良好なフィッティングを得るために、4つのパラメータ、すなわち、屈折率コントラスト(Δn=1.042×10−3)、長さ(L=20mm)、ガウシアンアポディゼーションのFWHM(W=42mm)、および、損失係数(γ=1.6m−1)をフィッティングしたモデルによって予測される、フィッティングされた透過スペクトルである。測定結果と理論との間の一致は、やはり非常に良好である。フィッティングされた群屈折率Δnは、製造業者によって特定された値と近く、損失係数はFBGに対して報告された値の範囲内にある。図26Cは、このグレーティングに対して測定された群屈折率スペクトル、並びに、図26B中にて使用したものと同じフィッティングされたパラメータ値に対して計算された予測されるスペクトルを示す。測定された群屈折率の最大値は第2の低速光ピーク(波長λ2)にて生じ、69である。これは、ファイバブラッググレーティングにおいて今までに報告された最も高い値であり(以前の記録は〜5であり、これはJ. T. Mok, C. Martijn de Sterke, I. C. M. Littler and B. J. Eggleton, "Dispersionless slow-light using gap solitons," Nature Physics 2, 775 - 780 (2006)において報告されている)、また、光ファイバにおいて報告された最も高い値である(以前の記録は〜10であり、これはC. J. Misas, P. Petropoulos, and D. J. Richardson, "Slowing of Pulses to c/10 With Subwatt Power Levels and Low Latency Using Brillouin Amplification in a Bismuth-Oxide Optical Fiber", J. of Lightwave Technology, Vol. 25, No. 1, January 2007に報告されている)。これは群速度〜4,350km/sに対応し、光ファイバにおいて今までに報告されている中でもはるかに低い値である。実験スペクトルと理論スペクトルとの間の一致は非常に良い。ng=69というこの値は、ブラッグ波長から第2の低速光ピーク(波長λ2)において観測された。第1の低速光ピークは測定できなかった。これは、図26B中に示されるように、第1のピーク(波長λ1=1549.692nmの周辺)が弱すぎて測定できないためであった。第2のピークにおけるFBGの透過率は〜0.5%であった。第3のピーク(波長λ3)において測定された群屈折率は、ほんのわずかに低い(〜68)だけであったが、FBGの透過率は約8%と著しく高かった。第4のピーク(波長λ4)についての対応する値はng≒43であり、透過率は32%であった。図26Cは、低速光ピークの次数iが増大するに連れて、低速光ピークの帯域幅が増大することも示す。これはまた、与えられるFBGが広い範囲の群屈折率/群屈折率帯域幅/透過率の組み合わせを与えることが可能なことを示しており、意図される用途に対して所望される性能に基づいてユーザがこれを選択することができる。
When FBGs with higher refractive index contrast were tested, they gave higher maximum group refractive index values, as expected. As an example, FIGS. 26A-26C show corresponding curves for grating # 3 having a length of 2 cm and a Δn of ˜1.0 × 10 −3 . FIG. 26A shows that the entire measured transmission spectrum is not symmetric around the Bragg wavelength, indicating that it is an apodized grating, as explained above. FIG. 26B shows an enlarged view of the short wavelength portion of the same measured transmission spectrum for convenience. Superimposed on this measured spectrum is four parameters: refractive index contrast (Δn = 1.402 × 10 −3) in order to obtain the nominally best fit to the measured spectrum. ), A fitted transmission spectrum predicted by a model fitted with length (L = 20 mm), Gaussian apodization FWHM (W = 42 mm), and loss factor (γ = 1.6 m −1 ). is there. The agreement between the measurement results and the theory is still very good. The fitted group index Δn is close to the value specified by the manufacturer and the loss factor is within the value reported for the FBG. FIG. 26C shows the group index spectra measured for this grating, as well as the predicted spectra calculated for the same fitted parameter values used in FIG. 26B. The maximum value of the measured group refractive index occurs at the second slow light peak (wavelength λ 2 ) and is 69. This is the highest value ever reported in a fiber Bragg grating (previous record is ~ 5, which is JT Mok, C. Martijn de Sterke, ICM Littler and BJ Eggleton, "Dispersionless slow-light. using gap solitons, "reported in
表1の最後の列は、試験した5つのグレーティングにおいて測定されたng値の最大値をまとめたものである。グレーティング#4を除く全ての場合において、予測値と測定値との間の一致は非常に良好であった。グレーティング#4の場合、長さが非常に長いので、計算が収束せず、信頼性のある値を提供できなかった。
The last column in Table 1 summarizes the maximum ng value measured in the five gratings tested. In all cases except for grating # 4, the agreement between the predicted and measured values was very good. In the case of
群屈折率が増大するに連れて、例えば、グレーティングの屈折率コントラストまたは長さが増大するに連れて、低速光ピークの線幅は減少する傾向にある。低速光FBGセンサから、または他の目的に使用される低速光FBGから最大の恩恵を得るために、使用されている低速光ピークの線幅より小さな線幅を有するレーザを選択することができる。もしもレーザの線幅が低速光ピークの線幅よりも大きい場合、ピーク最大値におけるレーザ光子は感度の最大値を受けるが、ピークからずれた光子は、より低い感度を受けることになる。従って、平均の感度は低減するであろう。これは、測定において使用されるレーザ線幅によって示すことができる。適度な群屈折率の最大値を有するグレーティング#1については、この低速光ピーク(λ1)の群屈折率の線幅は比較的広く、その透過率および群屈折率スペクトル(図25Aおよび図25B)は、〜1pmに等しい線幅のレーザを用いて探査され得るであろう。はるかに高い群屈折率の最大値を有するグレーティング#3については、低速光ピーク(λ2、λ3、およびλ4)の群屈折率の線幅がはるかに狭く、その透過率および群屈折率スペクトル(図26Bおよび図26C)は、〜0.8fm(周波数では100kHz)に等しい線幅のレーザを用いて探査された。低速光ピークの線幅は、図25A−Bおよび図26A−Cによって示してきたように、上記した理論モデルを用いて容易に計算することができる。この線幅の予測から、レーザ線幅の関数としてセンサの感度を計算することは容易である。これに代わって、より広い線幅を用いてセンサを動作させることもできる。不利な点は(図16のように)より低い感度であるが、温度変化に対するより大きな安定性が利点である。 As the group index increases, for example, as the refractive index contrast or length of the grating increases, the line width of the slow light peak tends to decrease. In order to obtain the maximum benefit from the slow light FBG sensor or from the slow light FBG used for other purposes, a laser having a line width smaller than the line width of the slow light peak being used can be selected. If the line width of the laser is greater than the line width of the slow light peak, the laser photons at the peak maximum will receive the maximum sensitivity, but photons that deviate from the peak will receive lower sensitivity. Therefore, the average sensitivity will be reduced. This can be indicated by the laser line width used in the measurement. For grating # 1 having a moderate group refractive index maximum, the line width of the group refractive index of this slow light peak (λ 1 ) is relatively wide, and its transmittance and group refractive index spectrum (FIGS. 25A and 25B). ) Could be probed using a laser with a line width equal to ˜1 pm. For grating # 3, which has a much higher group index maximum, the line width of the group index of the slow light peaks (λ 2 , λ 3 , and λ 4 ) is much narrower, its transmittance and group index. The spectra (FIGS. 26B and 26C) were probed using a laser with a line width equal to ˜0.8 fm (100 kHz in frequency). The line width of the slow light peak can be easily calculated using the above theoretical model, as shown by FIGS. 25A-B and FIGS. 26A-C. From this line width prediction, it is easy to calculate the sensitivity of the sensor as a function of the laser line width. Alternatively, the sensor can be operated using a wider line width. The disadvantage is lower sensitivity (as in FIG. 16), but greater stability against temperature changes is an advantage.
温度は低速光スペクトルに影響を及ぼす。熱膨張および/またはファイバ材料の屈折率依存性の温度依存性の組み合わせのために、FBGの温度が変化するに連れて、その周期Λ、実効的モード屈折率、および、長さの全てが変動する。これらの効果はよく知られており、よく確立された数学的モデルを用いて容易に予測することができる。例として、L=2cm、Δn≒1.5×10−4、およびλB=1.55μmを有するFBGに対してこれらの基本的な効果を適用すると、第1の透過ピーク波長(λ1およびλ'1)の相対的な温度の感度は、1℃当たりおおよそΔλ1/λ1=10pmと予測される。例えばFBGが歪みセンサとして使用される場合、グレーティングの温度が変化するに連れて、歪みに対する感度が一般的に変動するであろう。これは、透過ピーク波長が温度によって変動するためである。実際上は、FBGの温度を制御することによって、動作波長における群屈折率に依存した程度にこれを避けることができる(群屈折率がより高くなると、一般に温度制御はより厳しくなる)。あるいは、グレーティングを適切に梱包することによってFBGスペクトルの固有温度依存性が部分的に補償されてきた、市販のデバイスである非熱的なFBGを使用することができる。そのようなデバイスは、例えばカナダのOE LandまたはTeraxionから商業的に市販されている。 Temperature affects the slow light spectrum. Due to the combination of thermal expansion and / or temperature dependence of the refractive index dependence of the fiber material, its period Λ, effective mode refractive index, and length all vary as the temperature of the FBG changes. To do. These effects are well known and can be easily predicted using well-established mathematical models. As an example, applying these basic effects to an FBG having L = 2 cm, Δn≈1.5 × 10 −4 , and λ B = 1.55 μm, the first transmission peak wavelength (λ 1 and The relative temperature sensitivity of λ ′ 1 ) is expected to be approximately Δλ 1 / λ 1 = 10 pm per 1 ° C. For example, if an FBG is used as a strain sensor, the sensitivity to strain will generally vary as the grating temperature changes. This is because the transmission peak wavelength varies with temperature. In practice, this can be avoided by controlling the temperature of the FBG to the extent that it depends on the group index of refraction at the operating wavelength (generally, the higher the group index, the more severe the temperature control). Alternatively, a non-thermal FBG, a commercially available device, that has been partially compensated for the inherent temperature dependence of the FBG spectrum by properly packaging the grating can be used. Such devices are commercially available from, for example, OE Land or Teraxion, Canada.
ファイバブラッググレーティングは位相または振幅の無秩序性、すなわち、グレーティングの周期またはグレーティングの屈折率コントラストのどちらかにおけるグレーティングの縦軸zに沿ったランダムな変動による影響を受ける。そのような無秩序性の存在がFBGの特性を変化させることはよく知られている。特に、一般的にそのような無秩序性は、結果的に反射ピークの広がり、および、そのパワー反射係数の減少をもたらす。同様に、位相または振幅の無秩序性は、特に、一般には低速光ピークの透過率および群屈折率を低減する方向で、FBGの低速光スペクトルの変更をもたらすであろう。考慮している用途に対してもしもこれらの効果が有害と見なされる場合には、低速光FBGの製造の間に位相または振幅の無秩序性を最小化するための手段を講じてよい。 Fiber Bragg gratings are affected by phase or amplitude disorder, ie, random variations along the longitudinal axis z of the grating, either in the period of the grating or in the refractive index contrast of the grating. It is well known that the presence of such disorder changes the properties of FBG. In particular, such disorder generally results in a broadening of the reflection peak and a reduction in its power reflection coefficient. Similarly, phase or amplitude disorder will result in a change in the slow light spectrum of the FBG, particularly in the direction that generally reduces the slow light peak transmission and group index. If these effects are considered detrimental for the application under consideration, steps may be taken to minimize phase or amplitude disorder during the manufacture of slow light FBGs.
図27は、ここに記載されるいくつかの実施例に従った、ファイバブラッググレーティングの使用に対する例示的な方法1000のフローチャートである。方法1000は、動作ブロック1010に示されるように、FBG20の長さに沿って実質的に周期的な屈折率摂動を有するFBG20を提供する段階を備える。FBG20は、複数の局所的な透過率最小値を有するパワー透過スペクトルを有する。隣接した局所的な透過率最小値の各対は、それらの間に局所的な透過率最大値を持つ。局所的な透過率最大値は、透過ピーク波長において最大のパワーを持つ。方法1000はまた、図28の動作ブロック1020に示されるように、狭帯域光源から、隣接した2つの局所的な透過率最小値の間に波長を有する光を発生する段階も備える。いくつかの実施例においては、発生された光は、透過ピークの線幅よりも狭い線幅を有する。方法1000は、動作ブロック1030において、FBG20の長さに沿って全長にわたり延びる第1光学経路31に沿って光の第1部分33aを透過させる段階、および、動作ブロック1040において、第2光学経路32に沿って光の第2部分33bを透過させる段階をさらに備える。光センサ中にFBGが使用されるいくつかの実施例においては、方法1000は動作ブロック1050において、第1部分33a、第2部分33b、または、第1および第2部分33a、33bの両方を、光検出器40を用いて検出する段階をさらに備える。
FIG. 27 is a flowchart of an
方法1000のいくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動はFBG20の長さに沿って一定の周期を有する。他のいくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動は、FBG20がチャープグレーティングであるように、FBG20の長さに沿って変動する周期を有する。いくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動は、FBG20がアポダイズグレーティングであるように、FBG20の長さに沿って変動する振幅を有する。
In some embodiments of
方法1000のいくつかの実施例においては、第1および第2部分33a、33bを再結合し、これらを光検出器40へと透過する段階を方法1000はさらに備える。例えば、いくつかの実施例において方法1000は、狭帯域光源30、第1光学経路31、および第2光学経路32と光学的に通じている第1ファイバ結合器51を提供する段階と、第1光学経路31および第2光学経路32と光学的に通じている第2ファイバ結合器52を提供する段階とを備える。これらの実施例において方法1000は、狭帯域光源30によって発生された光を、第1ファイバ結合器51によって第1部分33aおよび第2部分33bに分岐する段階を含む。よって、これらの実施例においては、再結合し透過する段階は、第2ファイバ結合器52によって成される。また、これらの実施例において検出する段階1050は、第1部分33aと第2部分33bとの間の位相差を検出する段階を備える。いくつかの実施例においては、第1光学経路31と第2光学経路32とが、名目上バランスされたマッハツェンダー干渉計を形成する。
In some embodiments of the
いくつかの実施例においては、位相差はFBG20に加えられる歪みの量を示す。いくつかの実施例においては、位相差はFBG20の温度を示す。
In some embodiments, the phase difference indicates the amount of distortion applied to the
方法1000のいくつかの実施例においては、第2光学経路32に沿って光の第2部分33bを透過する段階1040は、FBG20から第2部分33bを反射する段階を備える。これらの実施例において検出する段階1050は、第1部分33a、第2部分33b、または、第1および第2部分33a、33bの両方の光パワーを検出する段階を備えることができる。いくつかの実施例においては、検出される光パワーはFBG20に加えられる歪みの量を示す。いくつかの実施例においては、検出される光パワーはFBG20の温度を示す。方法1000のいくつかの実施例においては、FBG20に沿って透過される第1部分33aが第1群速度を有する。第1群速度は、FBG20に沿って透過される波長の反射される範囲の外側に波長を有する光の第2群速度よりも小さい。これらの実施例のいくつかにおいては、第2群速度に対する第1群速度の比は1/3に等しいか、またはそれよりも小さい。いくつかの実施例においては、第2群速度に対する第1群速度の比は1/10に等しいか、またはそれよりも小さい。
In some embodiments of the
図28は、ここに記載されるいくつかの実施例に従った、ファイバブラッググレーティングを使用する方法2000の別の実施例のフローチャートである。方法2000は、動作ブロック2010に示されるように、FBG20の長さに沿って実質的に周期的な屈折率摂動を有するFBG20を提供する段階を備える。方法2000のいくつかの実施例においては、動作ブロック2020に示されるように、方法2000は、狭帯域光源30から、ある波長を有する光を発生する段階を備える。いくつかの実施例において波長は、FBG20の低速光ピークの近傍にある。方法2000は、動作ブロック2030において、群速度に対する真空中の光の速度の比が5よりも大きくなるような群速度を有するFBG20の長さに沿って全長にわたり延びる第1光学経路31に沿って光の第1部分33aを透過させる段階、および、動作ブロック2040において、第2光学経路32に沿って光の第2部分33bを透過させる段階をさらに備える。光感知にFBG20が使用されるいくつかの実施例においては、方法2000は動作ブロック2050において、第1部分33a、第2部分33b、または、第1および第2部分33a、33bの両方を、光検出器40を用いて検出する段階をさらに備える。
性能指数を用いた最適化
FIG. 28 is a flowchart of another embodiment of a
Optimization using figure of merit
ファイバブラッググレーティング(FBG)を感知素子として利用する新規なタイプのファイバセンサのいくつかの実施例における動作がここに記載され、また、2010年6月2日に出願された米国特許出願第12/792,631号に記載されており、その開示内容全体を参照によりここに組み込む。今までに文献中に報告されている他のFBGセンサとの差異は、ここに記載されるいくつかの実施例が低速光を用いて感知することである。低速光は、特定の波長の光をFBGに入射させることにより、FBG中で励起されることができる。この概念を実行するいくつかの実施例においては、特定のFBGについてFBGのバンドギャップの縁部に存在する複数の高透過ピークの1つの近傍に、この波長を選択することができる。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おいては、これらの波長はλjと表示される。ここでjは1に等しいかまたはそれより大きな整数であり、j=1のピークは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おいては、これらの波長はλ'jと表示される。ここでjは1に等しいかまたはそれより大きな整数であり、j=1のピークはバンドギャップに最も近いピークである。これらの波長においてFBGは、光ファイバ中を標準的に進む光の群速度よりも実質的に低くなることのできる群速度によって特徴付けられる低速光を持続させることができる。この低い群速度νgは高い群屈折率ng=c/νgによって特徴付けられる。ここでcは真空中の光の速度である。 Operation in some embodiments of a novel type of fiber sensor utilizing a fiber Bragg grating (FBG) as a sensing element is described herein and is also described in US patent application Ser. 792,631, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. The difference from other FBG sensors that have been reported in the literature so far is that some embodiments described herein sense using slow light. Slow light can be excited in the FBG by allowing light of a specific wavelength to enter the FBG. In some embodiments implementing this concept, this wavelength can be selected in the vicinity of one of a plurality of high transmission peaks present at the edge of the band gap of the FBG for a particular FBG. On the short wavelength side of the band gap shown in FIGS. 9A and 9E, these wavelengths are denoted as λ j . Here, j is an integer equal to or greater than 1, and the peak at j = 1 is the peak closest to the band gap. On the long wavelength side of the band gap, these wavelengths are denoted as λ ′ j . Here, j is an integer equal to or greater than 1, and the peak at j = 1 is the peak closest to the band gap. At these wavelengths, FBGs can sustain slow light characterized by group velocities that can be substantially lower than the group velocities of light that normally travel through optical fibers. This low group velocity ν g is characterized by a high group index n g = c / ν g . Here, c is the speed of light in vacuum.
いくつかの実施例に従った位相センサに対して感知されるべき摂動(例えば歪み)が加えられた場合、その結果生じる、センサを通って進む光の位相の摂動は、群速度の逆数に比例する。従って、これらの実施例においては、こうした複数の透過ピークのうちの1つの近傍においてFBGを動作することにより、測定量に対する感度の増大をもたらすことができる。特にこれは、以下のものに限定されるわけではないが、温度、歪み、変位、および相対的な回転について当てはまる。従って、低速光を利用するFBGセンサのいくつかの実施例においては、群屈折率のように、測定量に対する感度が上がることができる。よって、いくつかの実施例においては、他の全てが同じであれば、群屈折率が高くなればなるほど、あるいは、群速度が遅くなればなるほど、より感度が高くなる。 When a perturbation to be sensed (eg, distortion) is applied to a phase sensor according to some embodiments, the resulting phase perturbation of the light traveling through the sensor is proportional to the inverse of the group velocity To do. Thus, in these embodiments, operating the FBG in the vicinity of one of these multiple transmission peaks can result in increased sensitivity to the measurand. In particular, this is not limited to the following, but is true for temperature, strain, displacement, and relative rotation. Thus, in some embodiments of FBG sensors that use slow light, the sensitivity to the measured quantity can be increased, such as the group index. Thus, in some embodiments, if all else is the same, the higher the group index or the slower the group velocity, the higher the sensitivity.
ここに記載されるいくつかの実施例において、および、米国特許出願第12/792,631号において開示されるように、光は一般的に第1の(j=1)ピークにおいて最も低い群速度を持つことができる。例えば、均一なFBGのいくつかの実施例は、バンドギャップの両側において、すなわちλ1とλ'1の両方において最も低い群速度を持つことができる。別の例として、ここに記載される、および、米国特許出願第12/792,631号に記載されるアポダイズFBGのいくつかの実施例は、バンドギャップの短波長側、すなわちλ1において最も低い群速度を持つことができる。こらら特定のアポダイズグレーティングのスペクトル応答における非対称性のおかげで、いくつかの実施例は、バンドギャップの長波長側において、目立った高い透過ピークをほとんどから実質的に全く示さない場合がある。 In some of the embodiments described herein, and as disclosed in US patent application Ser. No. 12 / 792,631, light is generally the lowest group velocity at the first (j = 1) peak. Can have. For example, some embodiments of uniform FBGs can have the lowest group velocities on either side of the bandgap, ie, both λ 1 and λ ′ 1 . As another example, some examples of apodized FBGs described herein and described in US patent application Ser. No. 12 / 792,631 are lowest on the short wavelength side of the bandgap, ie, λ 1 Can have group velocities. Thanks to the asymmetry in the spectral response of these particular apodized gratings, some embodiments may show very little to no noticeable high transmission peaks on the long wavelength side of the bandgap.
図30はアポダイズグレーティングの例に対して計算された透過スペクトルの例を示す。透過スペクトルの例は、長さL=1.2cm、損失1m−1、および、ピーク屈折率変調Δn=1.04×10−3と半値全幅(FWHM)W=0.98cmとを有するガウシアン屈折率プロファイルの包絡線を有するアポダイズグレーティングに対して計算されたものである。そのピーク屈折率変調は、0.6cmにおけるグレーティングの中心位置から0.06cm遠くに離れている。アポディゼーションシフトがあると、図30中のピーク番号1におけるngは218.6であり、ピーク番号2においては126.8である。シフトが無いと、ピーク番号1におけるngは225.2であり、ピーク2においては148.4である。グレーティングの中心位置からピーク屈折率変調をシフトさせることはngを低減させるであろうが、この場合、群屈折率の変化は重要ではない。何故ならば、グレーティングの長さと比較してシフトが小さいからである。明確性のために、スペクトルの短波長側のみが示されている。いくつかの実施例に対して上記したように、透過スペクトルはバンドギャップの縁部に鋭いピークを示す。図30においてλBはFBGのブラッグ波長の位置を指しており、この例においては図の外である波長1550.176nmに位置する。この例においては、透過ピークは、ピーク番号jとともに増大するピーク透過率値を有する。この例においては、透過ピークはまた、ピーク番号が増大するにつれて広がる。
FIG. 30 shows an example of a transmission spectrum calculated for an example of an apodized grating. An example of a transmission spectrum is Gaussian refraction with length L = 1.2 cm,
図30はまたアポダイズグレーティングの例に関する計算された群屈折率スペクトルも示す。やはり明確性のため、短波長側のみが示されている。ここに、および、米国特許出願第12/792,631号に記載されるいくつかの実施例に対して説明されるように、このスペクトルはまた、透過ピークの波長λjおよびλ'jの非常に近くに来る波長に中心が位置される鋭い共振を示すことができる。いくつかの実施例においては、第1ピーク(j=1)は最も高いng、例えば最も遅い群速度を示す。これらの実施例においては、後続の低速光ピークの群屈折率の最大値が、ピークの番号(j)が増大するに連れて低下する。 FIG. 30 also shows the calculated group index spectrum for the apodized grating example. Again, for clarity, only the short wavelength side is shown. As explained here and for some of the examples described in US patent application Ser. No. 12 / 792,631, this spectrum can also be used for the transmission peak wavelengths λ j and λ ′ j A sharp resonance centered at a wavelength approaching the can be shown. In some embodiments, the first peak (j = 1) indicates the highest n g , eg, the slowest group velocity. In these embodiments, the maximum group index of subsequent slow light peaks decreases as the peak number (j) increases.
これらの概念に基づいて、いくつかの実施例に従った2つの一般的な種類のセンサが、ここに、および、米国特許出願第12/792,631号に開示される。透過モードと呼ばれる、この第1の種類のいくつかの実施例においては、名目上バランスが取られたMZ干渉計のアームの一方にFBGが配置され、FBGの低速光ピーク近傍の波長において干渉計を探査することができる。この手法の例示的な図が上記され、また図7に示されている。センサの第2の種類のいくつかの実施例においては、群屈折率スペクトルの傾きが最大値となるような波長において、あるいはその近傍において、低速光ピークのどちらかの側に来るように波長を選択することができる。従ってこれらのセンサは、上記されまた図8に示されるように反射モードにおいて使用することができる。 Based on these concepts, two general types of sensors according to some embodiments are disclosed here and in US patent application Ser. No. 12 / 792,631. In some embodiments of this first type, referred to as transmission mode, an FBG is placed on one of the nominally balanced arms of the MZ interferometer and the interferometer at wavelengths near the slow light peak of the FBG. Can be explored. An exemplary diagram of this approach is described above and is shown in FIG. In some embodiments of the second type of sensor, the wavelength is adjusted to be on either side of the slow light peak at or near the wavelength where the slope of the group index spectrum is at its maximum. You can choose. Thus, these sensors can be used in the reflective mode as described above and shown in FIG.
感度が群屈折率にのみ比例することに基づくと、最も高い可能な感度を実現するためには、第1低速光ピークの最大値近傍の波長においてセンサを探査するように結論付けたくなるかもしれない。しかしながら、いくつかの実施例については、以下に記載するように、これは必ずしもそうとは限らない。
a.透過の構成
Based on the fact that the sensitivity is proportional only to the group index, it may be tempting to conclude to probe the sensor at wavelengths near the maximum of the first slow light peak to achieve the highest possible sensitivity. Absent. However, for some embodiments, this is not necessarily so, as described below.
a. Transparent configuration
図31は、ここに記載されるいくつかの実施例に従って低速光透過モードで使用されるFBGを利用した装置の実施例の図を示す。図31に示されるように光デバイス110は、FBG120の長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を有するFBG120を備えることができる。FBG120は、複数の局所的な透過率最大値を有するパワー透過スペクトルを持つことができる。局所的な透過率最大値のそれぞれは、透過ピーク波長において最大のパワーを有する。FBG120は、波長の関数としての群屈折率スペクトルを有する。光デバイス110は、第1光学経路131および第2光学経路132と光学的に通じている狭帯域光源130を備えることができる。狭帯域光源130は、第1部分133aおよび第2部分133bに分岐されるように構成されることのできる光を発生するように構成することができる。第1部分133aは、FBG120の長さに沿って全長にわたって延びる第1光学経路131に沿い、ある群速度で透過されてよい。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にある(例えば、FBG120のバンドギャップの縁部近傍におけるあらゆる他の波長に対するものよりも高くなる)波長に、あるいはその近傍に波長を有することができる。
FIG. 31 shows a diagram of an embodiment of an apparatus utilizing FBG used in slow light transmission mode in accordance with some embodiments described herein. As shown in FIG. 31, the
いくつかの実施例においてFBG120は、ここに記載されるFBG20と同様なものであってよい。例えばFBG120は、空間変調されたUVビームに光ファイバのコアをさらすことによって製造することができる。屈折率変調は、任意の数の空間分布を取ることができる。光ファイバは、従来のシングルモードファイバまたはマルチモードファイバであってよい。空間的に変動する光にさらすことによって屈折率における所望の変調を誘起することができるように、光ファイバは特有の元素がドープされてよい。FBG120における空間的に周期的な屈折率変調は、均一なグレーティングとしては、FBG120の長さに沿って一定の周期を有することができ、チャープグレーティングとしては、FBG120の長さに沿って変動する周期を有することができ、あるいは、アポダイズグレーティングとしては、FBG120の長さに沿った屈折率変調の振幅変動を有することができる。図9Aおよび図9Eに示されるように、FBG120は、複数の局所的な透過率最大値を有するパワー透過スペクトルを持つことができる。局所的な透過率最大値のそれぞれは、透過ピーク波長において最大のパワーを有する。
In some embodiments, the
いくつかの実施例においては、狭帯域光源130は、ここに記載される狭帯域光源30と同様なものであってよい。例えば狭帯域光源130は、半導体レーザまたはファイバレーザ、例えば、約1530nmと1565nmとの間の波長範囲を有するErドープされたファイバレーザを備えることができる。別の例としては、狭帯域光源130は、波長1064.2nmを有するNd:YAGレーザを備えることができる。いくつかの実施例において狭帯域光源130は、例えば10−13よりも小さいかまたはこれに等しい狭い線幅を持つことができる。
In some embodiments, the narrowband
狭帯域光源130は、第1光学経路131および第2光学経路132と光学的に通じることができる。狭帯域光源130によって発生された光は、第1部分133aおよび第2部分133bに分岐されることができる。いくつかの実施例においては、第1部分133aは、FBG120の長さに沿って全長にわたって延びる第1光学経路131に沿い、ある群速度で透過されることができる。いくつかの実施例において第2部分133bは、FBG120の長さに沿っては延びない第2光学経路132に沿って透過されることができる。いくつかの実施例においては、図31に示されるように、第1光学経路131は第2光学経路132とは異なるものであってよい。他の実施例においては、第1光学経路131と第2光学経路132とは、少なくとも部分的に互いに重なっていてよい。第1光学経路131および第2光学経路132は、空きスペースを横切ってよく、あるいは複数の光学素子を横切ってよい。例えば、第1光学経路131および/または第2光学経路132は、例えば以下に記載されるようなファイバ結合器である光学素子を横切ってよい。いくつかの実施例においては、狭帯域光源130によって発生された光は、群屈折率とパワー透過の平方根との積が最も高くなるような波長において、またはその近傍において波長を有することができる。これもまた以下において完全に説明する。
The narrow band
いくつかの実施例において光デバイス110は、少なくとも1つの光検出器140を備えることができる。光検出器140は、FBG120と光学的に通じるように構成することができる。光検出器140は、光の第1部分133a、光の第2部分133b、または、光の第1部分133aおよび第2部分133bの両者の光パワーを受け取り、検出するように構成することができる。図31において光検出器140は、光の第1部分133aおよび第2部分133bの両者を受け取り、検出することができる。いくつかの実施例において光検出器140は、ここに記載される光検出器40と同様なものであってよい。例えば光検出器140は、汎用の低ノイズフォトディテクタであってよい。
In some embodiments, the
いくつかの実施例において光デバイス110は、狭帯域光源130、第1光学経路131、および第2光学経路132と光学的に通じている第1ファイバ結合器151を備えることができる。図31に示されるように、狭帯域光源130によって発生された光を、例えば3dBのファイバ結合器である第1ファイバ結合器151によって、第1部分133aと第2部分133bとに分岐することができる。第1部分133aは第1光学経路131に沿って透過されてよい。第2部分133bは第2光学経路132に沿って透過されてよい。第1部分133aはFBG120に沿って伝搬することができるのに対し、第2部分133bはFBG120とは実質的に相互作用しなくてよい。この実施例における第1部分133aは、FBG120の摂動に関する情報を含んでよい。これに対してこの実施例における第2部分133bは、摂動によって影響を受けないままであってよい。
In some embodiments, the
光センサ 110は、例えば3dBのファイバ結合器であって第1光学経路131および第2光学経路132と光学的に通じている第2ファイバ結合器152をさらに備えることができる。第1部分133aおよび第2部分133bは、第2ファイバ結合器152によって再結合され、少なくとも1つの光検出器140へと透過されることができる。ここで説明されるように、この再結合により、第1部分133aおよび第2部分133bは互いに干渉することができ、第1部分133aと第2部分133bとの間の位相差に関する情報を含むことのできる結合信号を生成する。図31に示されるように、光検出器140は、第2ファイバ結合器152の複数の出力ポートのうちの1つにおいて単一の光検出器を備えることができる。他のいくつかの実施例においては、図7に概略的に示されるように、光検出器140は、第2ファイバ結合器52の一方の出力ポートにおける第1光検出器40a、および、第2ファイバ結合器52の他方の出力ポートにおける第2光検出器40bを備えることができる。いくつかの実施例において位相差は、FBG120に加えられた歪みの量を示すことができる。他のいくつかの実施例において位相差は、FBG120の温度を示すことができる。
The
上記のように、狭帯域光源130によって発生された光は、群屈折率とパワー透過の平方根との積が最も高くなるような波長に、またはその近傍に波長を有することができる。例えば、図31に示されるように、光デバイス110は透過モードで動作する光センサであってよく、例えばここに記載されるMZ干渉計である。例えばMZ干渉計である光デバイスの出力における信号は、第1光学経路131によってポート152aへと透過される場E1と、第2光学経路132によってポート152bへと透過される場E2とのコヒーレント和であってよい。これらの場は次のように書くことができる。
式(12)の右側中の第1項は、位相およびFBG120に加えられる位相の摂動とは独立なDC項である。第2項は2つの波の間の干渉項を含み、従って、重要な位相情報を含むことができるものである。
The first term in the right side of equation (12) is a DC term that is independent of the phase and perturbation of the phase applied to the
いくつかの実施例に従うと、図31の光デバイス110中のFBG120に摂動δψが加えられると、この摂動はFBG120を通って伝搬する信号の位相に変化を誘起することができる。この位相の摂動は、(十分に小さな摂動に対する)摂動に対し、そして上記に見られるように、FBG120中の光の群屈折率に対して比例することができる。従って次のように書くことができる。
式(12)中の位相差Δφは、2つの光学経路131、132の間に固有な位相差である定数項と、この位相の摂動δφとの間の和である。この固有な位相差をπ/2(πをモジュロとした)に選択した場合、出力パワーPoutは小さな摂動δψに最大限依存する。従って、出力パワーの位相に依存する部分(式(12)の右側の第2項)は次のように書くことができる。
いくつかの実施例においては、(FBG120に加えられた極めて小さい摂動を測定する試みの場合のように)位相の摂動が小さい場合、sin(δφ)≒δφであり、式(14)は次のようになる。
従っていくつかの実施例においては、例えばMZ干渉計である光デバイス110によって提供される信号である出力パワーは、FBG120に加えられる摂動の結果、η(1−η)t1t2ngに比例する。この信号を最大化するために、そして、これ故に、ここに記載されるいくつかの実施例に従った光デバイス110の感度を最大化するために、まず第一に積η(1−η)を最大化することができる。これは、η=0.5の場合に達成できる。第1ファイバ結合器151および第2ファイバ結合器152が50%のパワー結合係数を有する場合に、例えばMZ干渉計である光デバイス110の感度が最大値となる。出力パワーを最大化するために最大化されることのできる第2の項目は、積t1t2ngである。これは、まず第一に、例えばMZ干渉計の参照アームである第2光学経路132の透過率t2を最大化することによって達成することができる。第2のステップは、積t1ngを最大化することである。第1光学経路131の場の透過率t1は、√T1としてより簡便に表現することができる。ここでT1は第1光学経路131のパワー透過率である。従って、いくつかの実施例に従った図31の光デバイスの感度は、単にngが最も高い場合のみでなく、積ng√T1が最も高い場合にも最大化され得る。従って、この光デバイス110の感度を最大化するために最大化される関連した性能指数はFt=ng√T1である。
Thus, in some embodiments, the output power, which is a signal provided by the
図32は、図30の透過スペクトルの平方根に図30の群屈折率スペクトルをかけた積である性能指数の例を示す。以前に説明したように、(図30にプロットされている)T1と(図30にプロットされている)ngとの両者は、波長に強く依存する。従って性能指数Ftはまた、図32に示されるように、波長に強く依存する。図32は、この特定のアポダイズFBGの例においては、性能指数(または感度)が第1低速光ピークの波長において最大値となっていないことを示す。図30に示されるように、第1低速光ピークにおいてngは最も高いが、この例の場合T1は非常に弱い。一方、第2ピークにおいてngはほんのわずかに小さいが、T1は著しく高い。従ってこの例の場合、第1ピークにおいてよりも、第2ピークにおいての方がFtが高い。この例の場合、続く低速光ピークに対しては、T1が増大する以上にngが低下する。そのため、これらの他のピークにおける性能指数は、第2ピークにおけるものよりも低い。最終結果としては、第2ピーク(波長λ2)で動作することにより、この特定の例においては最も高い性能指数が得られる。それ故に、最も高感度の光デバイス110が得られる。図30および図32のような図をプロットすることは、特定のFBG120について感度の最大値で動作する最適な波長を見つけ出すのに有益となり得る。
FIG. 32 shows an example of a figure of merit that is the product of the square root of the transmission spectrum of FIG. 30 and the group refractive index spectrum of FIG. As explained previously, both T 1 (plotted in FIG. 30) and ng (plotted in FIG. 30) are strongly wavelength dependent. Therefore, the figure of merit F t is also strongly dependent on the wavelength, as shown in FIG. FIG. 32 shows that in this particular apodized FBG example, the figure of merit (or sensitivity) is not maximum at the wavelength of the first slow light peak. As shown in FIG. 30, ng is the highest at the first slow light peak, but T 1 is very weak in this example. On the other hand, at the second peak, ng is only slightly smaller, but T 1 is significantly higher. Therefore, in this example, Ft is higher at the second peak than at the first peak. In this example, for the subsequent slow light peak, ng decreases more than T 1 increases. Therefore, the figure of merit at these other peaks is lower than that at the second peak. The net result is that operating at the second peak (wavelength λ 2 ) gives the highest figure of merit in this particular example. Therefore, the most sensitive
図30および図32のような図をプロットすることは、いくつかの実施例においては必要無いかもしれない。例えば、均一なグレーティングを用いたいくつかの実施例においては、透過スペクトル中のピークは、全て最大値1を有する。感度の最大値の波長は群屈折率スペクトルによって決定され、それらはおおよそ波長λjおよびλ'jと一致する。従って、これらの実施例において最も高い感度を与える波長は、群屈折率を最大化する波長であり、これはλ1およびλ'1である。しかしながら、低速光センサのいくつかの実施例における帯域幅を決定するために、あるいは、検出することのできる同等な摂動の最大値を決定するためには、性能指数Fのスペクトルをプロットすることが、検出される信号のスペクトル、それ故に帯域幅情報をそれが含んでいるので有利となり得る。
b.反射の構成
Plotting diagrams such as FIGS. 30 and 32 may not be necessary in some embodiments. For example, in some embodiments using a uniform grating, the peaks in the transmission spectrum all have a maximum value of 1. The wavelength of maximum sensitivity is determined by the group index spectrum, which roughly corresponds to the wavelengths λ j and λ ′ j . Therefore, the wavelength that gives the highest sensitivity in these examples is the wavelength that maximizes the group index, which is λ 1 and λ ′ 1 . However, to determine the bandwidth in some embodiments of the slow light sensor, or to determine the maximum perturbation equivalent that can be detected, the spectrum of the figure of merit F can be plotted. Can be advantageous because it contains the spectrum of the detected signal and hence bandwidth information.
b. Reflection configuration
ここに記載されるいくつかの実施例は、例えば図8に示されるように、低速光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光学経路31および第2光学経路32と光学的に通じている狭帯域光源30を備えることができる。狭帯域光源30は、FBG20によって第1部分33aと第2部分33bとに分岐されるように構成される光を発生するように構成することができる。波長の関数とした場合に、群屈折率スペクトルと1からパワー透過スペクトルを引いたものとの積の傾きが最大値となる(例えば、FBG20のバンドギャップの縁部近傍におけるあらゆる他の波長に対するものよりも高くなる)ような波長に、あるいはその近傍に、光は波長を有することができる。いくつかの実施例において光は、波長の関数とした場合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きが最大値となる(例えば、FBG20のバンドギャップの縁部近傍におけるあらゆる他の波長に対するものよりも高くなる)ような波長に、あるいはその近傍に、波長を有することができる。
Some embodiments described herein utilize FBGs used in slow light reflection mode, for example as shown in FIG. The
さらに上記にて説明したように、図8に示される光デバイス10のいくつかの実施例は、少なくとも1つの光検出器40aおよび/または40bをさらに備えることができる。図8の光デバイス10はまた、少なくとも1つのファイバ結合器51を含むことができる。
As further described above, some embodiments of the
いくつかの実施例においては、狭帯域光源30によって発生された光は、FBG20によって、第1部分33aおよび第2部分33bに分岐することができる。いくつかの実施例においては、少なくとも1つの光検出器40aおよび/または40bは、光の第1部分33a、第2部分33b、または第1および第2部分33a、33bの両方を受け取るように構成することができる。
In some embodiments, the light generated by the narrowband
いくつかの実施例においては、FBG20は狭帯域光源30によって調べられ、狭帯域光源30によって発生された光は、FBG20によって第1部分33aと第2部分33bとに分岐されてよい。FBG20を調べる光の波長を、波長の関数とした場合の群屈折率と1からパワー透過を引いたものとの積の傾きが最大値となるような波長に、もしくはその近傍にすることができる。以下においてより完全に説明する。いくつかの実施例においては、FBG20を調べる光の波長を、波長の関数とした場合の群屈折率とパワー透過との積の傾きが最大値となるような波長に、もしくはその近傍にすることができる。以下においてより完全に説明する。
In some embodiments, the
上記にて説明したように、FBG20に外部摂動が加えられた場合、反射ピークは波長をシフトすることができる。λBのこのシフトは、FBG20によって透過される光の第1部分33aおよびFBG20によって反射される光の第2部分33bにおける変化、例えば、FBG20に入射される光の波長において反射される光のパワーの変化をもたらし得る。
As explained above, the reflection peak can shift the wavelength when an external perturbation is applied to the
反射モード動作の場合(例えば図8)、いくつかの実施例に従った光デバイス10の出力パワーは、例えば図31の透過モードのように、ngをFBG20のパワー反射係数倍したものに比例する。出力パワーがFBG20によって反射されたパワーである場合には、パワー反射係数はR1=1−T1である。よって、関連する性能指数はFr=(1−T1)ngである。出力パワーがFBG20によって透過されたパワーである場合には、関連する性能指数はF'r=T1ngである。光デバイス10の出力としてどちらの出力が測定されるかに応じて、FrまたはF'rのどちらかのスペクトルを取得するために、図32に類似したプロットをプロットすることができる。従って、感度を最大化する動作波長は、性能指数の傾きが最大値となるような波長によって与えられる。
c.追加の例
For reflection mode operation (e.g., FIG. 8), the output power of the
c. Additional examples
図33Aは、ここに記載されるいくつかの実施例に従った、ファイバブラッググレーティングを使用する例示的な方法3000のフローチャートである。方法3000は、動作ブロック3010に示されるように、FBG20の長さに沿って実質的に周期的な屈折率摂動を有するFBG20を提供する段階を備える。FBG20は、複数の局所的な透過率最大値を有するパワー透過スペクトルを持つことができる。局所的な透過率最大値は、それぞれ透過ピーク波長において最大のパワーを有する。方法3000はまた、図33Aの動作ブロック3020に示されるように、光を発生する段階を備える。光は狭帯域光源30によって発生することができる。いくつかの実施例においては、狭帯域光源30は第1光学経路31および第2光学経路32と光学的に通じている。光はまた、光の第1部分33aと光の第2部分33bとに分岐される。方法3000は、動作ブロック3030において、FBG20の長さに沿って全長にわたって延びる第1光学経路31に沿って、ある群速度で光の第1部分33aを透過させる段階をさらに備えることができる。いくつかの実施例において光は、群屈折率とパワー透過の平方根との積が最大値にある(例えば、FBG20のバンドギャップの縁部近傍におけるあらゆる他の波長に対するものよりも高くなる)ような波長に、またはその近傍に波長を有することができる。
FIG. 33A is a flowchart of an
方法3000のいくつかの実施例は、光の第1部分33a、第2部分33b、または、第1部分33aと第2部分33bとの両方を、光検出器40を用いて受け取る段階と、光の第1部分33a、第2部分33b、または、第1部分33aと第2部分33bとの両方の光パワーを検出する段階とをさらに備えることができる。方法3000は、第2光学経路32に沿って光の第2部分33bを透過させる段階をさらに備えることができる。第2光学経路32は、FBG20に沿って全長にわたって延びていなくてもよい。様々な実施例において方法3000は、狭帯域光源30、第1光学経路31、および第2光学経路32と光学的に通じている第1ファイバ結合器51を提供する段階をさらに備えることができる。さらに方法3000は、光検出器40、第1光学経路31、および第2光学経路32と光学的に通じている第2ファイバ結合器52を提供する段階を備えることができる。
Some embodiments of
方法3000のいくつかの実施例においては、方法3000は、光の第1および第2部分33a、33bを再結合し、これらを光検出器40へと透過する段階をさらに備えることができる。これらの実施例において方法3000は、狭帯域光源30によって発生された光を、第1ファイバ結合器51によって第1部分33aと第2部分33bとに分岐する段階を含むことができる。従って、これらの実施例においては、再結合し透過する段階は、第2ファイバ結合器52によって成すことができる。また、これらの実施例において検出する段階は、第1部分33aと第2部分33bとの間の位相差を検出する段階を有することができる。いくつかの実施例においては、第1光学経路31および第2光学経路32は、名目上バランスされたマッハツェンダー干渉計を形成することができる。いくつかの実施例においては、位相差はFBG20に加えられる歪みの量を示すことができる。その他の実施例においては、位相差はFBG20の温度を示すことができる。
In some embodiments of the
方法3000のいくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動は、FBG20の長さに沿って一定の周期を有することができる。その他のいくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動は、FBG20がチャープグレーティングであるように、FBG20の長さに沿って変動する周期を有することができる。いくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動は、FBG20がアポダイズグレーティングであるように、FBG20の長さに沿って変動する振幅を有することができる。
In some embodiments of the
図33Bは、ここに開示されるいくつかの実施例に従ったファイバブラッググレーティングを使用する方法4000の別の実施例のフローチャートである。方法4000は、動作ブロック4010に示されるように、FBG20の長さに沿って実質的に周期的な屈折率摂動を有するFBG20を提供する段階を備えることができる。方法4000のいくつかの実施例においては、動作ブロック4020に示されるように、ある波長を有する光を発生する段階を方法4000は備えることができる。光は狭帯域光源30から発生することができる。いくつかの実施例において狭帯域光源30は、第1光学経路31および第2光学経路32と光学的に通じることができる。光は、光の第1部分33aと光の第2部分33bとに分岐することができる。方法4000は、動作ブロック4030において、FBG20の長さに沿って全長にわたって延びる第1光学経路31に沿って、ある群速度で光の第1部分33aを透過させる段階をさらに含むことができる。いくつかの実施例において光は、波長の関数としての、群屈折率と1からパワー透過を引いたものとの積の傾きが最大値となる(例えば、FBG20のバンドギャップの縁部近傍におけるあらゆる他の波長に対するこの量の値と比較して最大値となる)ような波長に、またはその近傍に波長を有する。
FIG. 33B is a flowchart of another embodiment of a
方法4000のいくつかの実施例は、光の第1部分33a、第2部分33b、または、第1部分33aと第2部分33bとの両方を、光検出器40を用いて受け取る段階と、光の第1部分33a、第2部分33b、または第1部分33aと第2部分33bとの両方の光パワーを検出する段階とをさらに備えることができる。方法4000は、第2光学経路32に沿って光の第2部分33bを反射する段階をさらに備えることができる。
Some embodiments of the
方法4000のいくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動は、FBG20の長さに沿って一定の周期を有する。その他のいくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動は、FBG20がチャープグレーティングであるように、FBG20の長さに沿って変動する周期を有する。いくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動は、FBG20がアポダイズグレーティングであるように、FBG20の長さに沿って変動する振幅を有する。
In some embodiments of the
図33Cは、ここに記載されるいくつかの実施例に従ってファイバブラッググレーティングを使用する方法5000の別の実施例のフローチャートである。方法5000は、動作ブロック5010に示されるように、FBG20の長さに沿って実質的に周期的な屈折率摂動を有するFBG20を提供する段階を備えることができる。方法5000のいくつかの実施例においては、動作ブロック5020に示されるように、ある波長を有する光を発生する段階を方法5000は備えることができる。光は狭帯域光源30から発生することができる。いくつかの実施例においては、狭帯域光源30は、第1光学経路31および第2光学経路32と光学的に通じることができる。光は、光の第1部分33aと光の第2部分33bとに分岐することができる。方法5000は、動作ブロック5030において、FBG20の長さに沿って全長にわたって延びる第1光学経路31に沿って、ある群速度で光の第1部分33aを透過させる段階をさらに含むことができる。いくつかの実施例において光は、波長の関数としての、群屈折率とパワー透過との積の傾きが最大値となる(例えば、FBG20のバンドギャップの縁部近傍におけるあらゆる他の波長に対するこの量の値と比較して最大値となる)ような波長に、またはその近傍に波長を有する。
FIG. 33C is a flowchart of another embodiment of a method 5000 using a fiber Bragg grating in accordance with certain embodiments described herein. The method 5000 may comprise providing the
方法5000のいくつかの実施例は、光の第1部分33a、第2部分33b、または、第1部分33aと第2部分33bとの両方を、光検出器40を用いて受け取る段階と、光の第1部分33a、第2部分33b、または第1部分33aと第2部分33bとの両方の光パワーを検出する段階とをさらに備えることができる。方法5000は、第2光学経路32に沿って光の第2部分33bを反射する段階をさらに備えることができる。
Some embodiments of the method 5000 include receiving the first portion 33a, the second portion 33b, or both the first portion 33a and the second portion 33b using the
方法5000のいくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動は、FBG20の長さに沿って一定の周期を有する。その他のいくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動は、FBG20がチャープグレーティングであるように、FBG20の長さに沿って変動する周期を有する。いくつかの実施例においては、実質的に周期的な屈折率摂動は、FBG20がアポダイズグレーティングであるように、FBG20の長さに沿って変動する振幅を有する。
例
In some embodiments of the method 5000, the substantially periodic refractive index perturbation has a constant period along the length of the
Example
図24は、FBGの透過率および群屈折率スペクトルを測定するために使用される例示的な実験の設定を示す。性能指数を使用したこの最適化は、名目上のΔnが1.035×10−3、長さL=1.2cm、推定される損失係数が1.16m−1、およびFWHM W=0.9cmを有するガウシアン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って実行された。図24および式(8)および式(9)に関連して上記したように、群遅延および群屈折率を測定した。 FIG. 24 shows an exemplary experimental setup used to measure FBG transmission and group index spectra. This optimization using a figure of merit results in a nominal Δn of 1.035 × 10 −3 , a length L = 1.2 cm, an estimated loss factor of 1.16 m −1 , and FWHM W = 0.9 cm This was performed by testing FBGs having a Gaussian apodized refractive index profile with Group delay and group refractive index were measured as described above in connection with FIG. 24 and equations (8) and (9).
図34Aは測定された透過スペクトルを示し、図34BはFBGによって透過された信号の測定された群屈折率スペクトルを示す。対応する実線の曲線は、それらが実験的なスペクトルに最も良くフィッティングされるようにΔn、W、およびαを調節した後に、モデルを用いて計算された理論予測である。フィッティングされた値はΔn=1.035×10−3、W=0.9cm、および、α=1.16m−1である。前者は、製造業者による推定値とよく一致する。測定されたスペクトルの両方とも、理論とよく一致する多重リプルを示す。測定された群屈折率の最大値は第2透過ピーク(λ≒1549.6976nm)の近傍において生じ、127に等しい。この波長における透過率は0.8%である。これは、今までに、FBGまたは光ファイバのどちらかにおいて報告された最も遅い群速度(2,362km/s)の1つである。バンド端に最も近いピーク(λ≒1.54974μm)は、さらにもっと高い群屈折率(〜217)を持つべきであるが、この例では、このピークにおいて透過されるパワーが小さすぎて検出できないために、測定できなかった。 FIG. 34A shows the measured transmission spectrum, and FIG. 34B shows the measured group index spectrum of the signal transmitted by the FBG. The corresponding solid curve is the theoretical prediction calculated using the model after adjusting Δn, W, and α so that they are best fitted to the experimental spectrum. The fitted values are Δn = 1.35 × 10 −3 , W = 0.9 cm, and α = 1.16 m −1 . The former agrees well with the manufacturer's estimate. Both measured spectra show multiple ripples that are in good agreement with theory. The maximum value of the measured group refractive index occurs in the vicinity of the second transmission peak (λ≈15499.6976 nm) and is equal to 127. The transmittance at this wavelength is 0.8%. This is one of the slowest group velocities (2,362 km / s) reported so far in either FBG or optical fiber. The peak closest to the band edge (λ≈1.54974 μm) should have an even higher group index (˜217), but in this example the transmitted power at this peak is too small to be detected. It was not possible to measure.
このFBGに対して制御および較正された歪みを加えるために、FBGを圧電性(PZT)リング上に取り付けた。リングにはAC電圧が加えられ、これにより正弦関数の伸びがFBGに加えられた。次いで図35に示されるように、低速光センサとしてのその性能を試験するために、FBGがMZ干渉計に配置された。MZ干渉計によって、レーザの位相ノイズが、検出可能な最小の歪みを増加させてしまうであろう強度ノイズに転換されることを最小限にするために、MZ干渉計の2つのアームが同じ長さを有することを確実にするように注意を払った。独立な干渉測定からの推定によると、アーム長の差は1−3mmであった。関数発生器により、周波数ω=25kHzにおいて既知の振幅の電圧をPZTに加えた。出力検出器によってMZ干渉計の出力を測定した。この出力は、温度変動のために2つのアーム間でゆっくりと変動する位相差により誘起される、ゆっくり変動する成分を含む。この変動する信号は、比例積分微分(PID)コントローラへと送られた。このゆっくりとしたドリフトを相殺するために、後者によって、下方のアームに配置された第2PZTに対してちょうど適切な電圧を加えた。この閉ループの目的は、干渉計を安定化することであり、また、以前に説明したように、感度を最大にするために、その位相バイアス(FBG/感知アームに対して加えられる変調が無い場合の2つのアームの間の位相差)をπ/2に等しく保つことであった。検出器出力の別の部分は、ωで変調された出力成分をこの部分から抽出するロックイン増幅器へと送られた。この出力成分はセンサ信号であった。波長可変レーザの波長を変動させることにより、この例のように、波長の関数としてFBGに加えられた同一の摂動(歪み)の振幅および周波数に対するセンサの応答を測定することができる。 The FBG was mounted on a piezoelectric (PZT) ring to apply controlled and calibrated strain to the FBG. An AC voltage was applied to the ring, which applied a sinusoidal stretch to the FBG. Then, as shown in FIG. 35, an FBG was placed in the MZ interferometer to test its performance as a slow light sensor. To minimize the laser phase noise being converted by the MZ interferometer into intensity noise that would increase the minimum detectable distortion, the two arms of the MZ interferometer are of the same length. Care was taken to ensure that it has According to estimation from independent interferometry, the difference in arm length was 1-3 mm. A voltage of known amplitude was applied to the PZT at a frequency ω = 25 kHz by a function generator. The output of the MZ interferometer was measured with an output detector. This output includes a slowly varying component that is induced by a slowly varying phase difference between the two arms due to temperature variations. This fluctuating signal was sent to a proportional integral derivative (PID) controller. In order to offset this slow drift, the latter applied just the right voltage to the second PZT located in the lower arm. The purpose of this closed loop is to stabilize the interferometer and, as previously explained, its phase bias (if there is no modulation applied to the FBG / sensing arm to maximize sensitivity) The phase difference between the two arms of) was kept equal to π / 2. Another portion of the detector output was sent to a lock-in amplifier that extracted the output component modulated by ω from this portion. This output component was a sensor signal. By varying the wavelength of the tunable laser, the sensor's response to the same perturbation (distortion) amplitude and frequency applied to the FBG as a function of wavelength can be measured, as in this example.
FBGが取り付けられるPZTは、通常の技法を用いて事前に較正されている。既知の長さのファイバをその周りに巻きつけた。このファイバをMZ干渉計の内部に配置した。そして、この干渉計を用いて、このファイバ中に生じる位相シフトの量をPZTに加えられる電圧の関数として測定した。 The PZT to which the FBG is attached is pre-calibrated using conventional techniques. A known length of fiber was wrapped around it. This fiber was placed inside the MZ interferometer. The interferometer was then used to measure the amount of phase shift that occurred in the fiber as a function of the voltage applied to the PZT.
上記に基づくと、図35の例示的なセンサの感度は、Ft(λ)=ng(λ)√T1(λ)に比例するスペクトルを有する。ここでng(λ)は測定された群屈折率スペクトル(例えば図34B)であり、T1(λ)はFBGの透過スペクトル(例えば図34A)である。これら2つの測定されたスペクトルから計算されたスペクトルFt(λ)を、例えば図36に示されるようにプロットすることができる。図32に関連して以前に実証したように、感度はピークj=3の近傍において最大値となることが予測される(第1ピークj=1は、以前に指摘したように、弱過ぎて測定されなかったので示されていない)。歪みに対するセンサの感度は次のように定義される。
(例えばH. Wen, M. Terrel, S. Fan, and M. Digonnet, "Sensing with slow light in fiber Bragg gratings," Sensor Journal, IEEE Vol. 12, Issue 1, 156-163 (2012)に記載されるように)式(15)にδφの完全な式を挿入すると、シリカファイバに対する感度についての以下の式が得られる。
式(18)は、様々なMZベースのFBGセンサの絶対的および相対的性能を特徴付ける性能指数を与えるために使用することができる。式(18)に従うと、感度はη=0.5の場合に最大値となる。与えられる波長範囲(例えば1.5μmの周辺)で動作されるこのMZスキームを利用するいくつかの実施例に対しては、複数のMZベースの低速光FBGセンサを比較する場合、あるいは、FBGセンサを設計する場合(例えば、
実際のところ、一般に参照(例えば下側の)アームの透過率を最大値に維持しようと努力し、且つ、この最大値は実際上、他方(上側)のアームに含まれるFBGの特性とは独立に1の近くであり得るので、特定の波長範囲で動作されるMZベースのスキームに対する実際的な性能指数は、
このMZスキームを利用するいくつかの実施例に対し、与えられた波長範囲で与えられたセンサに使用されるべきFBGについては、MZベースのセンサ中で使用されるべき複数のFBGを比較する場合、あるいは、感度の最大値を有するように使用されるべきFBGを設計する場合(例えば、
2つのパラメータτgとT1(例えばH. Wen等によって記載されており、参照によってここにその開示内容全体が組み込まれている)を計算または測定し、次いでこれらの値を式(18)に代入して感度の最大値を予測することにより、特定のパラメータの組を有する特定のFBGの小さな歪みに対する感度の最大値を計算するまたは予測するために、式(18)をまた使用することができる。 Two parameters τ g and T 1 (described for example by H. Wen et al., The entire disclosure of which is hereby incorporated by reference) are calculated or measured, and these values are then expressed in equation (18) Equation (18) may also be used to calculate or predict the maximum sensitivity for small distortions of a specific FBG with a specific set of parameters by substituting and predicting the maximum sensitivity. it can.
図35の設定を利用した歪み感知実験の結果も、4つの観測された低速光ピークにおいて測定された感度の形で図36にプロットされている。測定された感度は、スペクトルによって示される値と適度によく一致する。これもやはり、グレーティングの測定された群屈折率および透過スペクトルから予測された。従って、いくつかの実施例においては、透過モードにおけるいくつかの実施例に従った低速光センサの感度は、理論によって予測されるように、性能指数Ft(λ)=ng(λ)√T1(λ)で見積もられる。さらに低速光は、いくつかの実施例において、歪みに対するセンサの感度を増大することにおいて顕著な役割を果たすことができる。図36に示される測定値の最大値は約3.14×105歪み−1であり、おそらく歪みセンサについてこれまでに報告された最も大きいものである。続く研究(H. Wen等)においては、このMZベースの手法が、880fε√Hzの検出可能な最小の歪みを有する歪みセンサを提供することが示された。MZベースのスキームにおいては、感度を最大化するためにMZ干渉計が方形に保たれている。これは、MZ干渉計を安定化することを意味する。歪みの感度を長時間にわたって安定させるため、探査用レーザ波長はまた、FBGの低速光ピークにロックされる。対照的にいくつかの実施例においては、ここにまた記載される透過および反射の手法は、付加的な干渉計を利用しない。従ってそれらは温度においてより安定である。しかしそれらはまた、高められた感度も実現することができる。 The results of the strain sensing experiment using the settings of FIG. 35 are also plotted in FIG. 36 in the form of sensitivity measured at the four observed slow light peaks. The measured sensitivity agrees reasonably well with the value shown by the spectrum. Again, this was predicted from the measured group index and transmission spectrum of the grating. Thus, in some embodiments, the sensitivity of the slow light sensor according to some embodiments in transmissive mode, as predicted by theory, is a figure of merit F t (λ) = n g (λ) √ Estimated by T 1 (λ). Furthermore, slow light can play a significant role in increasing the sensitivity of the sensor to strain in some embodiments. The maximum value of the measurement shown in FIG. 36 is about 3.14 × 10 5 strain −1 , probably the largest reported so far for a strain sensor. Subsequent work (H. Wen et al.) Showed that this MZ-based approach provides a strain sensor with a minimum detectable strain of 880 fε√Hz. In MZ-based schemes, the MZ interferometer is kept square to maximize sensitivity. This means stabilizing the MZ interferometer. The probe laser wavelength is also locked to the slow light peak of the FBG to stabilize the strain sensitivity over time. In contrast, in some embodiments, the transmission and reflection techniques described herein do not utilize additional interferometers. They are therefore more stable in temperature. However, they can also achieve increased sensitivity.
いくつかの実施例に従った図35のセンサによって測定することのできる最小の歪みは、感度から計算することができる。われわれの測定において使用されたパワー(平均の検出されるパワーはP0=36μW)においては、センサの出力における全ノイズ(それに加えられる歪みが無い場合に測定される)は、3kHzにおける約1.0μV/√Hzから、30kHzにおける約0.45μV/√Hzの範囲、あるいは、較正後では、ノイズパワーPnoise≒25pW〜11pWの範囲である。この出力パワーレベルにおいては、このノイズは、レーザ相対強度ノイズ(RIN)およびより高い周波数におけるフォトディテクタノイズ、並びに、より低い周波数において支配的なロックイン増幅器ノイズから成っていた。以前に述べたようにMZ干渉計がほとんどバランスされているので、レーザの位相ノイズは無視できる成分であり、その結果、位相ノイズは重要な強度ノイズには変換されなかった。検出可能な最小の歪みは、ちょうどノイズに等しい変動を出力パワーPout中に生成するような歪みである。感度の定義(式(16))から、検出可能な最小の歪み(MDS)は次のように書くことができる。
測定されたノイズパワー(25pW)、入力パワー(36μW)、および最も高感度なピーク(j=3、図36を参照のこと)において測定された感度の最大値3.14×105歪み−1から、MDSは、3kHzにおいては〜2.2ピコ歪み(picostrain)(pε)であり、30kHzにおいては〜1ピコ歪みである。比較として、100kHzより大きな周波数において5pεのMDSが、反射で動作されるπシフトされたFBGにおいて報告されている(D. Gatti, G. Galzerano, D. Janner, S. Longhi, and P. Laporta, "Fiber strain sensor based on a π-phase-shifted Bragg grating and the Pound-Drever-Hall technique," Optics Express, Vol. 16, No. 3, 1945-50 (Feb. 4, 2008))。これらのデバイスはどちらも受動型である。これら2つの参照文献は、FBGに基づいた受動センサについて本出願よりも前に報告されたうち検出可能な最小の歪みであろう。Gatti等の参照文献は"低速光"については全く言及しておらず、低速光を利用したかどうかが単に推測されるだけである。K. P. KooおよびA. D. Kerseyの"Bragg grating-based laser sensors systems with interferometric interrogation and wavelength division multiplexing," J. Lightwave Technol., Vol. 13, No. 7, 1243-49 (July 1995)においては、56フェムト歪み(femtostrain)(または0.056pε)のMDSが、反射器としてFBGを用いたファイバレーザにおいて報告されている。そのセンサは、ポンプパワー(〜70mW)および強くアンバランスなMZ干渉計(〜100mのアーム長の差)を要するアクティブデバイスであり、これは、読み出しに使用されるMZ干渉計を外部の温度変動に対して安定化させることが非常に困難であった。対照的に、ここに記載されるいくつかの実施例に従ったデバイスは、かなり低いパワー(わずか36μW)を使用し、そのMZ干渉計は名目上バランスされている。これは熱的にはるかに安定したものであることを暗示している。 Maximum sensitivity measured at the measured noise power (25 pW), input power (36 μW), and most sensitive peak (j = 3, see FIG. 36) 3.14 × 10 5 strain −1 Thus, the MDS is ˜2.2 picostrain (pε) at 3 kHz and ˜1 picodistortion at 30 kHz. As a comparison, 5 pε MDS at frequencies greater than 100 kHz has been reported in π-shifted FBGs operated by reflection (D. Gatti, G. Galzerano, D. Janner, S. Longhi, and P. Laporta, "Fiber strain sensor based on a π-phase-shifted Bragg grating and the Pound-Drever-Hall technique," Optics Express, Vol. 16, No. 3, 1945-50 (Feb. 4, 2008)). Both of these devices are passive. These two references would be the smallest detectable distortion reported prior to this application for passive sensors based on FBG. References such as Gatti et al. Do not mention "slow light" at all, they just speculate whether they used slow light. In KP Koo and AD Kersey's "Bragg grating-based laser sensors systems with interferometric interrogation and wavelength division multiplexing," J. Lightwave Technol., Vol. 13, No. 7, 1243-49 (July 1995), 56 femto distortion (Femtostrain) (or 0.056 pε) MDS has been reported in fiber lasers using FBG as a reflector. The sensor is an active device that requires pump power (~ 70mW) and a strong unbalanced MZ interferometer (~ 100m difference in arm length), which makes the MZ interferometer used for readout external temperature fluctuations It was very difficult to stabilize. In contrast, devices according to some embodiments described herein use much lower power (only 36 μW) and their MZ interferometer is nominally balanced. This implies that it is much more thermally stable.
図37は、長さL=2cmで実質的に損失の無い均一なグレーティングにおける、モデルから予測される第1低速光ピークの帯域幅の半値全幅を屈折率コントラストの関数として示す。この図は、この例における帯域幅が、弱いグレーティング(屈折率コントラストが10−4)に対する約20pmから、強いグレーティング(屈折率コントラストが1.5×10−2)に対する約1fmまでの範囲に及ぶことを示す。いくつかの実施例について、このFBGの例のブラッグ波長である1.55μmにおいては、センサを探査するために使用されるレーザの線幅は、この帯域幅の値よりも小さくあるべきであり、グレーティングの屈折率コントラストに応じて、1fm(またはそれよりも低い)から10pm(またはそれよりも大きい)程度であるべきである。そのようなレーザは、ともにカリフォルニア州Santa Claraに本社を置くRedfern Integrated Optics Inc.(RIO)およびAgilent Technologiesのような、多数の製造業者から容易に入手可能である。この帯域幅は多数のパラメータに依存し、センサのいくつかの実施例において使用されるべきレーザの線幅を決定するために、有利にも、この帯域幅を計算するか、あるいは実験的に測定するかができる。図37はこの線幅を決定するために使用することのできるであろうプロセスの説明を示す。 FIG. 37 shows the full width at half maximum of the bandwidth of the first slow light peak predicted from the model as a function of refractive index contrast in a uniform grating with length L = 2 cm and substantially no loss. This figure shows that the bandwidth in this example ranges from about 20 pm for a weak grating (refractive index contrast 10 −4 ) to about 1 fm for a strong grating (refractive index contrast 1.5 × 10 −2 ). It shows that. For some embodiments, at the FBG example's Bragg wavelength of 1.55 μm, the line width of the laser used to probe the sensor should be less than this bandwidth value; Depending on the refractive index contrast of the grating, it should be on the order of 1 fm (or lower) to 10 pm (or higher). Such lasers are readily available from a number of manufacturers, such as Redfern Integrated Optics Inc. (RIO) and Agilent Technologies, both headquartered in Santa Clara, California. This bandwidth depends on a number of parameters, and is advantageously calculated or experimentally measured to determine the line width of the laser to be used in some embodiments of the sensor. I can do it. FIG. 37 shows a description of a process that could be used to determine this line width.
図38は、ここに記載されるいくつかの実施例に従った、低速光透過モードにて使用される長さL=2cmおよび損失の無いFBGに対する屈折率コントラストの関数としての歪みに対する感度(上側の実線)と、MZプロセスによる従来の反射モード(下側の実線)との間の関係を示す。図38に示されるように、従来のFBGセンサに対しては、屈折率コントラストが増大するに連れて、反射ピークは広がり分解能が悪くなる。一方、どちらの低速光センサにおいても、屈折率コントラスト(および群屈折率)が増大するに連れて、感度は、例えば30,000倍高感度まで増大することができる。例えば数センチメートルの適度なL、および適度な屈折率コントラスト(例えば10−3)に対してさえも、この向上は数桁の大きさとなり得る。図38は、図11Bとは異なる数値例を示し、図11Bの温度の感度とは反対の歪みの感度をモデル化する。 FIG. 38 shows the sensitivity to strain as a function of refractive index contrast for length L = 2 cm and lossless FBG used in slow light transmission mode (upper side), according to some embodiments described herein. ) And the conventional reflection mode (lower solid line) by the MZ process. As shown in FIG. 38, for the conventional FBG sensor, as the refractive index contrast increases, the reflection peak spreads and the resolution becomes worse. On the other hand, in either low-speed light sensor, as the refractive index contrast (and group refractive index) increases, the sensitivity can increase to, for example, 30,000 times higher sensitivity. This improvement can be orders of magnitude, even for a moderate L, for example a few centimeters, and a moderate refractive index contrast (eg 10 −3 ). FIG. 38 shows a numerical example different from FIG. 11B, and models the sensitivity of strain opposite to the temperature sensitivity of FIG. 11B.
図38は、ここに記載されるいくつかの実施例に従った、低速光透過モードにて使用される長さL=2cmおよび損失を有するFBGに対する(点線および破線)、屈折率コントラストの関数としての歪みに対する感度との間の関係も示す。図38に示されるように、たとえ、例えば0.02m−1から2m−1の範囲の損失のような損失を有しているとしても、ここに記載されるセンサのいくつかの実施例は、14−1000の感度の改善を期待することができる。 FIG. 38 is a function of refractive index contrast for a length L = 2 cm and lossy FBG used in slow light transmission mode (dotted and dashed), according to some embodiments described herein. The relationship between the sensitivity to distortion is also shown. As shown in FIG. 38, if, for example, even has a loss such as loss of range of 2m -1 from 0.02 m -1, some embodiments of the sensor described herein, An improvement in sensitivity of 14-1000 can be expected.
いくつかの実施例は、FBGにおいて非常に低速な光が持続されることを実証してきた。群屈折率は、例えばL2.9のようにFBGの長さLによって、また例えばΔn1.8のように屈折率コントラストによって劇的に増大することができる。特定のアポダイズFBGは、より低速な光を提供することができる。さらに、10,000およびそれよりも大きな値が、低損失FBGにおいて予測されてきた。例えばシリカファイバーにおける約5およびブラッグファイバにおける約10に比較して、ここに記載されるように、光ファイバにおいて報告される、例えば1.2cmのFBGにおいて127という最大の群屈折率が示されてきた。群屈折率のこの値は、2,360km/sほども低い群速度に対応する。従って、低速光を利用したここに記載されるFBGセンサのいくつかの実施例は、検出可能な最小の歪みが例えば受動FBGセンサ中での約1pεのように、感度を高めてきた。
透過スキームおよび反射スキームのさらなる議論
Some examples have demonstrated that very slow light is sustained in the FBG. The group index can be increased dramatically by the length L of the FBG, for example L 2.9 , and by the index contrast, for example Δn 1.8 . Certain apodized FBGs can provide slower light. In addition, values of 10,000 and higher have been predicted for low loss FBGs. For example, compared to about 5 in silica fiber and about 10 in Bragg fiber, the maximum group index of 127 reported in an optical fiber, eg, 1.2 cm FBG has been shown as described herein. It was. This value of group index corresponds to a group velocity as low as 2,360 km / s. Thus, some embodiments of the FBG sensor described herein that utilize slow light have increased sensitivity, such that the minimum detectable distortion is, for example, about 1 pε in a passive FBG sensor.
Further discussion of transmission and reflection schemes
図39は、長さ5mm、屈折率コントラスト5×10−3、および、1.55μmにおいて0.02m−1の伝搬損失を有する代表的な均一なFBGの計算された透過率および群屈折率スペクトルを示す。これは、FBGのフォトニックバンドギャップ(中心はブラッグ波長λBに位置する)の縁部において、群遅延τgのスペクトルおよび透過率(または反射)スペクトルの両者に共振ピークが存在することを示す。図39に示されるように、パワー透過スペクトルは複数の共振ピークを有し、それぞれのピークは、局所的な最大値と、それぞれが局所的な最大値のどちらかの側にある、傾きが0でない2つの領域とを有する(すなわち、局所的な最大値は、傾きが0でない2つの領域の間にある)。傾きが0でない領域の一方における少なくとも一部分は、波長(または周波数)の関数として、大きな正の傾きを持った急峻な縁部を有する。他方の領域の少なくとも一部分は、波長(または周波数)の関数として、大きな負の傾きを持った急峻な縁部を有する。パワー透過スペクトルのピーク、および、群屈折率スペクトルのピークは、ほとんど同じ周波数(または波長)に生じる。従って、共振波長は、そのピーク透過率係数Toおよびそのピーク群遅延τg(または同等に群速度、あるいは同等に群屈折率)によって特徴付けられる。どちらのピーク(透過または反射と群遅延)も本質的に同じ周波数線幅Δωを有する。一般に、τgは干渉計の品質係数Q=ωres/Δωに関連している(T. Sunner, M. Gellner, A. Loffler, M. Kamp, and A. Forchel, "Group delay measurements on photonic crystal resonators," Appl. Phys. Lett. 90, 151117 (2007)を参照のこと)。
動作波長または探査波長において、加えられた摂動の結果生じるパワー透過またはパワー反射スペクトルのどちらかでのシフトは、出力におけるパワーの変化として測定することができる。図40および図41は、図6A−図6Bおよび図8に関連して上記にて説明したように、それぞれ、透過スキームおよび反射スキームにおける構成例を概略的に示す。透過スキーム(例えば図6A−図6Bおよび図40)では、動作波長の光がFBGへと放たれ、透過されるパワーが測定される。例えば歪みである摂動がFBGに加えられた場合、透過されるパワーが変化する。摂動の大きさは、測定量から取り出すことができる。反射スキーム(例えば図8および図41)では、光がファイバ結合器またはファイバ循環器を通ってFBGへと放たれる。FBGから戻ってくる反射信号は、結合器の第2入力ポートまたはアイソレータの第3ポートにおいて測定される。透過スキームのように、摂動がFBGに加えられた場合、反射されるパワーが変化する。
感度のモデル化
A shift in either the power transmission or power reflection spectrum resulting from the applied perturbation at the operating or exploration wavelength can be measured as a change in power at the output. 40 and 41 schematically illustrate example configurations in a transmission scheme and a reflection scheme, respectively, as described above in connection with FIGS. 6A-6B and FIG. In transmission schemes (eg, FIGS. 6A-6B and 40), light at the operating wavelength is emitted into the FBG and the transmitted power is measured. For example, when a perturbation that is a distortion is applied to the FBG, the transmitted power changes. The magnitude of the perturbation can be taken from the measured quantity. In reflection schemes (eg, FIGS. 8 and 41), light is emitted to the FBG through a fiber coupler or fiber circulator. The reflected signal returning from the FBG is measured at the second input port of the coupler or the third port of the isolator. As in the transmission scheme, when a perturbation is applied to the FBG, the reflected power changes.
Sensitivity modeling
光デバイスは、光デバイスの特定の構成中のFBGに対する適切な性能指数を用いて、達成可能な最大の感度を有するように設計することができる。以下においてより詳細に記載されるように、そして図40および図41を参照すると、いくつかの実施例においては、光デバイス210はFBG220および狭帯域光源230(例えば波長可変狭帯域光源)を備える。FBG220は、FBG220の長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を有する。FBG220は、波長の関数としてのパワー反射スペクトル、波長の関数としてのパワー透過スペクトル、および、波長の関数としての群遅延スペクトルを有する。波長の関数としてのパワー透過スペクトルは、一または複数の共振ピークを有し、共振ピークのそれぞれは、局所的な最大値と傾きが0でない2つの領域とを有し、それら2つの領域の間に局所的な最大値がある。狭帯域光源230はFBG220と光学的に通じており、光の一部分がFBG220の長さに沿って透過され、光の一部分がFBG220から反射されるように、FBG220へと光を透過するように構成される。光デバイスは、光の透過された部分、光の反射された部分、または光の透過された部分と光の反射された部分の両者の光パワーを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。狭帯域光源230からの光は、一または複数の共振ピークのうちの1つの共振ピークにおける傾きが0でない領域に波長を有する。共振ピークは、共振ピークにおいて評価される次の量のうちの一または複数が最大値にあるように選択される。すなわち(a)群遅延スペクトルとパワー透過スペクトルとの積、および、(b)群遅延スペクトルと1からパワー反射スペクトルを引いたものとの積である。例えば波長は、波長に対するパワー透過スペクトルの微分係数が、選択された共振ピークについて局所的な最大値となるような波長である。
The optical device can be designed to have the maximum achievable sensitivity with an appropriate figure of merit for the FBG in a particular configuration of the optical device. As described in more detail below and with reference to FIGS. 40 and 41, in some embodiments, the
図40に概略的に示されている透過スキームにおいては、FBG220の長さに沿って透過される光の一部分が、少なくとも1つの光検出器240(例えば、一または複数のフォトディテクタ)によって検出される。図41に概略的に示される反射スキームにおいては、FBG220から反射される光の一部分が、少なくとも1つの光検出器240(例えば、一または複数のフォトディテクタ)によって検出される。
In the transmission scheme schematically illustrated in FIG. 40, a portion of the light transmitted along the length of the
透過スキーム(例えば、図40によって概略的に示され、FBG220を通って透過される光の一部分の光パワーを検出するように構成された少なくとも1つのフォトディテクタ240を有する構成)の歪みの感度(入力パワーに対して正規化されている)は、次のように定義される。
この解析の第1の結論は、与えられるFBGの感度スペクトルは、測定されたまたは計算された透過率T(λ)の波長に対する微分係数を単純に取ることによって、簡単に計算することができることである。 The first conclusion of this analysis is that the sensitivity spectrum of a given FBG can be easily calculated by simply taking the derivative with respect to the wavelength of the measured or calculated transmittance T (λ). is there.
透過率の微分係数を群屈折率に関連付けるために、そして、群遅延(または群屈折率)に対する感度の依存性を明白に示すために、透過共振ピークのスペクトルを、λoの共振波長およびΔλのFWHMを有するローレンツ線形としてモデル化することができる。
微分係数dT/dλは、
式(20)からτgの関数として表されるΔλをこの最後の式に代入し、結果として生じる微分係数dT/dλの式を式(23)に代入することにより、歪みの感度の最大値に対する単純な式を取得できる。
透過スキームにおいて達成可能な最大の感度に対するFBGの性能指数は、従って、特定の動作波長範囲における、FBGの群遅延スペクトルτgとFBGのパワー透過スペクトルToとの積(τgTo)である。同等に、τg=ngL/cであるので、等価な性能指数は、群屈折率スペクトル、パワー透過スペクトル、および長さの積(ngLTo)である。ここで、ngは動作波長におけるFBG中の光の群屈折率であり、LはFBGの長さである。透過スキームにおいて小さな歪みに対するFBGの感度を最大化するために、動作波長が位置している低速光共振のピーク波長において評価される積τgToを最大化することができるということを式(25)は述べている。同等に、動作波長が位置している低速光共振のピーク波長において評価される積ngLToを最大化することができる。 Performance index of the FBG for maximum sensitivity attainable in transmission scheme, therefore, at a particular wavelength range of operation, the product of the power transmission spectrum T o of the group delay spectrum tau g and FBG of FBG (τ g T o) is there. Equivalently, since τ g = ng L / c, the equivalent figure of merit is the product of the group index spectrum, power transmission spectrum, and length ( ng LT o ). Here, ng is the group index of light in the FBG at the operating wavelength, and L is the length of the FBG. To maximize the sensitivity of the FBG to small distortions in transmission scheme, that a product tau g T o to be evaluated at the peak wavelength of the low-speed optical resonance wavelength of operation is located can be maximized formula ( 25) states. Equivalently, the product n g LT o evaluated at the peak wavelength of the slow optical resonance where the operating wavelength is located can be maximized.
反射スキーム(例えば、FBG220によって反射される光の反射された部分の光パワーを検出するように構成された少なくとも1つのフォトディテクタ240を有し、図41に概略的に示される構成)における歪みの感度に対する対応する微分は、透過スキームにおけるものと同様である。正規化された感度は次のように定義される。
損失が存在する場合、これに代わって感度スペクトルは、式(26)に示されるように、測定された反射スペクトルの微分係数dR(λ)/dλを取ることによって簡単に計算することができる。 If there is a loss, the sensitivity spectrum can be simply calculated instead by taking the derivative dR (λ) / dλ of the measured reflection spectrum, as shown in equation (26).
従って、反射スキームにおいて達成可能な最大の感度に対する性能指数は、考慮している低速光共振のピークで評価される、FBGの群遅延スペクトルτgと1からFBGのパワー反射スペクトルを引いた(1−Ro)との積(τg(1−Ro))である。同等に、τg=ngL/cであるので、等価な性能指数は、考慮している低速光共振のピークでどちらも評価される群屈折率スペクトルと1からパワー反射スペクトルを引いたもの、並びにFBG長の積(ngL(1−R0))である。反射スキームにおいて小さな歪みに対するFBGの感度を最大化するために、考慮している低速光共振のピークにおいて評価される積τg(1−Ro)を最大化することができることを式(28)は述べている。同等に、考慮している低速光共振のピークにおいて評価される積ngL(1−Ro)を最大化することができる。低損失極限においては、パワー透過スペクトルは1からパワー反射スペクトルを引いたものに等しく、反射スキームは、上記で説明した透過スキームが有するものと同じ性能指数を有する。 Therefore, the figure of merit for the maximum sensitivity achievable in the reflection scheme subtracted the FBG power reflection spectrum from the FBG group delay spectrum τ g and 1 evaluated at the peak of the slow optical resonance considered (1 -R o ) (τ g (1-R o )). Equivalently, since τ g = n g L / c, the equivalent figure of merit is the group refractive index spectrum that is evaluated both at the peak of the low-speed optical resonance considered, and 1 minus the power reflection spectrum , As well as the product of the FBG length ( ng L (1-R 0 )). In order to maximize the sensitivity of the FBG to small distortions in the reflection scheme, it is possible to maximize the product τ g (1-R o ) evaluated at the peak of the slow optical resonance considered (Equation 28) Says. Equivalently, the product n g L (1-R o ) evaluated at the peak of the slow optical resonance considered can be maximized. In the low loss limit, the power transmission spectrum is equal to 1 minus the power reflection spectrum, and the reflection scheme has the same figure of merit as the transmission scheme described above has.
式(25)または式(28)は、それぞれ透過スキームまたは反射スキームに対して、特定のFBGにおけるどのピークおよびどの動作波長が感度の最大値(または、特定の目標値を有する感度)を与えるかを選択するために使用することができる。透過スキームにおいてτgToまたはngLToに対して最大値を有するピークをFBGが持つように設計すること、あるいは、反射スキームにおいてτg(1−Ro)またはngL(1−Ro)に対して最大値を有するピークをFBGが持つように設計することによって、感度の最大値を有するFBGを設計するために式(25)または式(28)を使用することもできる。さらに式(25)または式(28)は、それぞれ透過スキームまたは反射スキームに対して、特定のFBGにおけるどのピークが感度の最大値(または、特定の目標値を有する感度)を与えるかを選択するために使用することができる。FBG長Lが固定されているいくつかの透過スキームの適用においては、性能指数はτgToまたはngToであってよく、そのどちらかが、任意の共振ピークにおける達成可能な最大の感度に関する迅速だが信頼できる測定基準を与える。FBG長Lが固定されているいくつかの反射スキームの適用においては、性能指数はng(1−Ro)またはτg(1−Ro)であってよく、そのどちらかが、任意の共振ピークにおける達成可能な最大の感度に関する迅速だが信頼できる測定基準を与える。 Equation (25) or Equation (28) gives which peak and which operating wavelength in a particular FBG gives the maximum sensitivity (or sensitivity with a particular target value) for a transmission or reflection scheme, respectively. Can be used to select. It designed a peak with a maximum value for the transmission scheme tau g T o or n g LT o to have the FBG, or in reflection scheme τ g (1-R o) or n g L (1- Equation (25) or equation (28) can also be used to design an FBG with a maximum sensitivity value by designing the FBG to have a peak with a maximum value for R o ). Furthermore, equation (25) or equation (28) selects which peak in a particular FBG gives the maximum sensitivity (or sensitivity with a particular target value) for a transmission scheme or a reflection scheme, respectively. Can be used for. In some transmission scheme applications where the FBG length L is fixed, the figure of merit may be τ g T o or ng T o , either of which is the maximum achievable at any resonance peak Provides a quick but reliable metric for sensitivity. In some reflection scheme applications where the FBG length L is fixed, the figure of merit may be ng (1-R o ) or τ g (1-R o ), either of which is arbitrary Provides a quick but reliable metric for the maximum achievable sensitivity at the resonance peak.
例えば、透過スキームに対して式(25)の2つのパラメータ(τgおよびTo)を計算することまたは測定することにより、あるいは、反射スキームに対して式(28)の2つのパラメータ(τgおよびRo)を計算することまたは測定することにより、小さな歪みに対する、特定のパラメータの組を有する特定のFBGの感度の最大値を計算するためまたは予測するために、式(25)または式(28)をまた使用することもできる。どちらのスキームについても、感度の最大値は、対応する2つのパラメータの積が最大値となるピークに対応する。(例えばH. Wen等によって記載され、参照によりその開示内容全体をここに組み込まれているように)これらのパラメータを計算または測定することができ、次いで必要に応じて、感度の最大値を予測するために式(25)または式(28)へと代入することができる。 For example, by calculating or measuring the two parameters (τ g and T o ) of equation (25) for the transmission scheme, or for the reflection scheme, two parameters (τ g of equation (28). And R o ) to calculate or predict the maximum value of the sensitivity of a particular FBG with a particular set of parameters, for small distortions, by calculating or measuring (25) or ( 28) can also be used. For both schemes, the maximum value of sensitivity corresponds to the peak where the product of the two corresponding parameters is the maximum value. These parameters can be calculated or measured (eg, as described by H. Wen et al., The entire disclosure of which is incorporated herein by reference), and then the maximum sensitivity is predicted if necessary In order to do so, it can be substituted into equation (25) or equation (28).
上記したように、式(25)および式(28)を、それぞれ透過モードまたは反射モードにて動作する低速光FBGセンサに対する性能指数として適用することは、MZベースの低速光FBGスキームに対して性能指数を与えることにおいて式(18)を適用することと類似している。いくつかの実施例に対しては、式(25)または式(28)は、異なるFBGセンサ、FBG、または特定のFBGに対する複数のピークの相対的な性能を特徴付けるための性能指数を提供するために使用することができる。例えば、与えられる波長範囲で動作される透過スキームまたは反射スキームのどちらかを利用するセンサに対して、複数のFBGセンサを比較する場合、あるいはFBGセンサを設計する場合(例えば、性能指数の最大の値を有するFBGセンサを選択する場合、大きな性能指数値を有するピークを持つようにFBGセンサを設計する場合、あるいは、特定のFBGにおいて感度の最大値(または特定の目標値を有する感度)のためにどのピークを使用するべきかを選択する場合)に、この性能指数を使用することができる。 As noted above, applying Equation (25) and Equation (28) as a figure of merit for a slow light FBG sensor operating in transmissive or reflective mode, respectively, is a performance for an MZ-based slow light FBG scheme. Similar to applying equation (18) in giving an index. For some embodiments, equation (25) or equation (28) provides a figure of merit to characterize the relative performance of multiple peaks for different FBG sensors, FBGs, or a particular FBG. Can be used for For example, when comparing multiple FBG sensors to a sensor that utilizes either a transmission scheme or a reflection scheme operated in a given wavelength range, or when designing an FBG sensor (eg, the highest figure of merit) When selecting an FBG sensor with a value, when designing an FBG sensor to have a peak with a large figure of merit value, or for a maximum sensitivity (or sensitivity with a specific target value) at a specific FBG This figure of merit can be used to select which peak should be used for).
上記の微分は、低速光ピークがローレンツ線形を有することを仮定して行っている。これは、簡便でかなり正確な近似であり、感度の最大値に関する単純な閉形式の式をもたらす。この仮定は、式(25)中の定数係数の値(3.22)にのみ影響を及ぼす。実際には、FBGの屈折率プロファイルに応じて、線形は正確にはローレンツ型ではないであろう。その場合、この仮定は修正されてよく、より忠実に低速光ピーク線形を表すような線形を使用することができる。しかしながら、一般に最終結果、すなわちこの定数係数において大きな差異は予測されない。例として、特定のFBGの感度の最大値の数値計算に対して、測定された透過スペクトルの波長に対する微分係数を数値的に計算し、この微分係数スペクトルを感度の基本的な定義(式(21))中に挿入した(この式に入れられる微分係数dλ/dεは、上記にて述べたように0.79λBに等しい単純なスケール係数であり、容易に評価される)。次いで感度の最大値Smaxは、スペクトルS(λ)中の感度が最も高い波長を探すことによって取得された。このようにして、すなわち、ローレンツ線形を有すると仮定する代わりに透過スペクトルの実際の線形を使用することによって見つけられたSmaxの値は、ローレンツ線形を仮定した式(25)から見出される値に非常に近かった。例えば、以下に説明するFBGの場合、より正確な数値シミュレーション値SmaxをτgTo/λに対して正規化することにより取得された比Smax/(τgTo/λ)の値は、式(25)によって予測された3.22と比較して、定数係数3.09を与えた。群遅延が高い場合、低速光ピークはローレンツ線形に類似しており、従って、係数の値は理論値3.22に近付く。 The above differentiation is performed assuming that the slow light peak has a Lorentzian shape. This is a convenient and fairly accurate approximation, resulting in a simple closed form equation for the maximum sensitivity. This assumption only affects the value of the constant coefficient (3.22) in equation (25). In practice, depending on the refractive index profile of the FBG, the linearity will not be exactly Lorentzian. In that case, this assumption may be modified and a line that more faithfully represents the slow light peak line can be used. However, in general, a large difference in the final result, ie this constant factor, is not expected. As an example, for a numerical calculation of the maximum value of the sensitivity of a specific FBG, a differential coefficient with respect to the wavelength of the measured transmission spectrum is calculated numerically, and this differential coefficient spectrum is calculated as a basic definition of sensitivity (formula (21 )) (The differential coefficient dλ / dε included in this equation is a simple scale factor equal to 0.79λ B as described above and is easily evaluated). The maximum sensitivity value S max was then obtained by looking for the wavelength with the highest sensitivity in the spectrum S (λ). The value of S max found in this way, ie by using the actual linearity of the transmission spectrum instead of assuming it has a Lorentzian line, is It was very close. For example, if the FBG described below, more accurate numerical simulations value S max to τ g T o / a ratio obtained by normalizing relative to λ S max / (τ g T o / λ) value Gave a constant coefficient of 3.09 compared to 3.22 predicted by equation (25). When the group delay is high, the slow light peak is similar to the Lorentzian shape, so the coefficient value approaches the theoretical value of 3.22.
上記にて説明したように、バンドギャップに最も近い低速光ピークは、最も高い群屈折率を有することが多い。しかしながら、FBGの伝搬損失が十分に大きい場合、この第1ピーク(バンドギャップに最も近いという意味で第1)は、低い透過率および相対的に低いngLT0積を有するであろう。よって、第2ピークまたは第3ピーク、あるいはより高次のピークが、より高いngLT0積を持ち、従ってより高い感度の最大値を有するであろう可能性が十分にある。MZベースの低速光スキームに関連する同等な方法が、2011年9月2日に出願された米国特許出願第13/224,985号により詳細に説明されており、その開示内容全体を参照によりここに組み込む。 As explained above, the slow light peak closest to the band gap often has the highest group index. However, if the propagation loss of the FBG is large enough, this first peak (first in the sense of being closest to the band gap) will have a low transmission and a relatively low ng LT 0 product. Thus, it is quite possible that the second or third peak, or higher order peak, will have a higher n g LT 0 product and therefore have a higher sensitivity maximum. An equivalent method associated with an MZ-based slow light scheme is described in more detail in US patent application Ser. No. 13 / 224,985 filed on Sep. 2, 2011, the entire disclosure of which is hereby incorporated herein by reference. Incorporate into.
図42は、ここに記載されるいくつかの実施例に従ったFBGを使用する方法300の例のフローチャートである。方法300は図40および図41の光デバイス210およびFBG220と関連して記載されているが、光デバイスおよびFBGのその他の構成もまた、方法300のいくつかの実施例に対応する。動作ブロック310において方法300は、FBG220の長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を有するFBG220を提供する段階を備える。FBG220は、波長の関数としてのパワー反射スペクトル、波長の関数としてのパワー透過スペクトル、および、波長の関数としての群遅延スペクトルを有する。波長の関数としてのパワー透過スペクトルは、一または複数の共振ピークを有し、共振ピークのそれぞれは、局所的な最大値と傾きが0でない2つの領域とを有し、それら2つの領域の間に局所的な最大値がある。動作ブロック320におてい方法300は、光の透過された部分がFBG220の長さに沿って透過され、光の反射された部分がFBG220から反射されるように、FBG220と光学的に通じている狭帯域光源230から光を発生する段階をさらに備える。光は、一または複数の共振ピークのうちの1つの共振ピークにおける傾きが0でない領域に波長を有する。ここで共振ピークは、共振ピークの局所的な最大値において評価される以下の量のうちの一または複数が最大値にあるように選択される。すなわち、(a)群遅延スペクトルとパワー透過スペクトルとの積、および、(b)群遅延スペクトルと1からパワー反射スペクトルを引いたものとの積である。いくつかの実施例において方法300は、光の透過された部分、光の反射された部分、または、光の透過された部分と光の反射された部分との両者の光パワーを、少なくとも1つの光検出器(例えば一または複数のフォトディテクタ)を用いて検出する段階をさらに備える。
FIG. 42 is a flowchart of an
いくつかの実施例における波長は、波長に対するパワー透過スペクトルの微分係数が、選択された共振ピークに対して局所的な最大値となるような波長である。いくつかの実施例においては、光を発生する段階は、共振ピークの傾きが0でない2つの領域のうちの一方の傾きが0でない領域に波長を有する光を発生するように、狭帯域光源230を調整する段階を備えることができる。 The wavelength in some embodiments is such that the derivative of the power transmission spectrum with respect to wavelength is a local maximum for the selected resonance peak. In some embodiments, the step of generating light includes generating a light having a wavelength in a region where one of the two regions where the slope of the resonance peak is not zero is not zero. The step of adjusting can be provided.
図43は、ここに記載されるいくつかの実施例に従った光センサとして使用されるべき光デバイスを構成する方法400の例のフローチャートである。図40および図41の光デバイス210およびFBG220と関連して方法400を記載しているが、光デバイスおよびFBGのその他の構成も、方法400のいくつかの実施例に対応する。動作ブロック410において方法400は、FBG220に対する波長の関数としての光のパワー透過スペクトル、および、FBG220に対する波長の関数としての光のパワー反射スペクトルのうち、少なくとも一方を決定する段階を備える。いくつかの実施例においては、パワー透過スペクトルおよびパワー反射スペクトルのうちの少なくとも一方を決定する段階は、スペクトルの測定を実行する段階を備えることができる。これに対していくつかの他の実施例においては、パワー透過スペクトルおよびパワー反射スペクトルのうちの少なくとも一方を決定する段階は、別個のソースからのそのようなデータを入手する段階または利用する段階(例えば、FBG220の製造業者からのデータシートを使用する段階)を備えることができる。波長の関数としてのパワー透過スペクトルは、一または複数の共振ピークを有し、共振ピークのそれぞれは、局所的な最大値と傾きが0でない2つの領域とを有し、それら2つの領域の間に局所的な最大値がある。
FIG. 43 is a flowchart of an
動作ブロック420において方法400は、FBG220に対し、波長の関数として光の群遅延スペクトルを決定する段階をさらに備える。いくつかの実施例において群遅延スペクトルを決定する段階は、スペクトルの測定を実行する段階を備えることができる。これに対していくつかの他の実施例において群遅延スペクトルを決定する段階は、別個のソースからのそのようなデータを入手する段階または利用する段階(例えば、FBG220の製造業者からのデータシートを使用する段階)を備えることができる。
In
動作ブロック430において方法400は、一または複数の共振ピークのうちの1つの共振ピークを選択する段階をさらに備える。共振ピークは、選択された共振ピークの局所的な最大値において評価される次の量のうちの一または複数が最大値にあるように選択される。すなわち、(a)群遅延スペクトルとパワー透過スペクトルとの積、および、(b)群遅延スペクトルと1からパワー反射スペクトルを引いたものとの積である。動作ブロック440において方法400は、狭帯域光源230からの光が、選択された共振ピークの傾きが0でない2つの領域のうちの一方の傾きが0でない領域において波長を有するように、FBG220および狭帯域光源230を構成する段階をさらに備える。例えば波長は、選択された共振ピークに対して、波長に対するパワー透過スペクトルの微分係数が局所的な最大値となるような波長である。いくつかの実施例においては、選択された共振ピークの傾きが0でない2つの領域のうちの一方の傾きが0でない領域に波長を有する光を発生するように、狭帯域光源230を調整することができる。あるいは、選択された共振ピークの傾きが0でない2つの領域のうちの一方の傾きが0でない領域に光が波長を有するという条件を満たすようなFBG220を、複数のFBGから選択することができる。
In
いくつかの実施例において方法300および方法400は、上記にて説明したように、一般性を損なうことなく、群遅延スペクトルを群屈折率スペクトルで置き換えて実行することができる。
透過率および群遅延の測定
In some embodiments,
Transmittance and group delay measurements
低速光歪みセンサの感度を向上させるために、FBGの伝搬損失を最小限にすることができる。これは、群屈折率および透過率の両者を増大させる。また、グレーティングの屈折率変調を増大させることもできる(例えばH. Wen等を参照のこと)。これも同様に、群屈折率を増大させる。様々な損失、屈折率変調、アポディゼーションプロファイル、および長さを有する任意のFBGを、ここに記載されるいくつかの実施例からの恩恵を得るために使用することができる。ここに記載される構成において使用されるFBGは、カナダのケベック州のO/E Landより購入した。FBGは、測定された透過率および群屈折率スペクトルを数値モデルに対してフィッティングすることにより推定されるように、1.0×10−3の屈折率コントラストΔnを有し、長さは1.2cmであった。図44は、(a)パワー透過スペクトル、および、(b)FBGを通って透過された信号の群遅延スペクトルであり、どちらもH. Wen等によって記載される方法を用いて測定された。 In order to improve the sensitivity of the low-speed optical strain sensor, the propagation loss of the FBG can be minimized. This increases both the group index and the transmittance. It is also possible to increase the refractive index modulation of the grating (see eg H. Wen et al.). This also increases the group index. Any FBG having various losses, refractive index modulations, apodization profiles, and lengths can be used to benefit from some of the embodiments described herein. The FBG used in the configuration described here was purchased from O / E Land, Quebec, Canada. The FBG has a refractive index contrast Δn of 1.0 × 10 −3 and a length of 1. × 10 −3 as estimated by fitting the measured transmittance and group index spectra to a numerical model. It was 2 cm. FIG. 44 is (a) the power transmission spectrum and (b) the group delay spectrum of the signal transmitted through the FBG, both measured using the method described by H. Wen et al.
図44の透過率および群遅延スペクトルの両者は、バンドギャップの短波長側にいくつかの低速光ピークを示す(バンドギャップは最も右にあるピークの右側から始まっている)。測定された群遅延の最大値はピーク#1(λ≒1549.7112nm)で生じ、4.20nsに等しく、群屈折率ng=cτg/L=105に対応する。この波長において測定された透過率は1.3%であった。このピークに対して予測される感度の最大値は、これらの値を式(25)に代入して得られ、3.4×104歪み−1である。ピーク#2(λ≒1549.6435nm)は、1.48nsというより低い群遅延を有するが、はるかに高い透過率12.55%を有する。この第2ピークの最も急峻な傾きにおいて計算される感度は1.16×105歪み−1である。これによってこのピークは、図44の全てのピークの中で最も高い感度を与えるものである。
歪みの感度の測定
Both the transmittance and group delay spectrum of FIG. 44 show several slow light peaks on the short wavelength side of the band gap (the band gap starts from the right side of the rightmost peak). The maximum value of the measured group delay occurs at peak # 1 (λ≈1549.7112 nm) and is equal to 4.20 ns, corresponding to the group index n g = cτ g / L = 105. The transmittance measured at this wavelength was 1.3%. The maximum sensitivity predicted for this peak is obtained by substituting these values into equation (25), and is 3.4 × 10 4 distortion− 1 . Peak # 2 (λ≈1549.6435 nm) has a lower group delay of 1.48 ns, but a much higher transmission of 12.55%. The sensitivity calculated at the steepest slope of this second peak is 1.16 × 10 5 strain− 1 . Thus, this peak gives the highest sensitivity among all the peaks in FIG.
Measuring strain sensitivity
このFBGの歪み感度スペクトルの測定を、図45の構成を用いて実行した。波長可変レーザ光源からの光が偏光制御器(PC)を通るように送られ、次いでFBG中に結合された。FBGを正弦関数的に伸ばし、FBGに正弦関数の歪みを加える圧電性(PZT)リングにFBGを取り付けた。FBGを出る光信号は、3dBのファイバ結合器によって2つの出力ポートへと分岐され、一方の出力ポートから来る光はそのパワーを測定するパワーメーターによって検出され、他方のポートから来る光は、ロックイン増幅器へと続く検出器へ送られて、歪み信号が取り出された。25kHzにおいて10mVのAC電圧をPZTリングに加えた。これはFBGに10nεの歪みを誘起した(この値は、良く知られた較正手順によって取得された)。感度スペクトルは、測定されたスペクトルを、加えられる既知の歪みおよび入力された光パワーで割ることによって取得した。これらの測定に使用される部品は市販されているものである。例えば、カリフォルニア州Santa ClaraのAgilent Technologiesの波長可変レーザ光源(モデル81682A)、英国SurreyのProtoDelの偏光制御器、カリフォルニア州ChinoのGeneral Photonicsのファイバ結合器(モデルNoTail結合器)、および、カリフォルニア州Santa ClaraのNew Focusのフォトディテクタ(モデル1811)とカリフォルニア州IrvineのNewport Corporationのフォトディテクタ(モデル818IR)である。 The measurement of the strain sensitivity spectrum of the FBG was performed using the configuration shown in FIG. Light from the tunable laser source was sent through a polarization controller (PC) and then coupled into the FBG. The FBG was attached to a piezoelectric (PZT) ring that stretched the FBG sinusoidally and added sinusoidal strain to the FBG. The optical signal exiting the FBG is split into two output ports by a 3 dB fiber coupler, the light coming from one output port is detected by a power meter that measures its power, and the light coming from the other port is locked The distortion signal was extracted after being sent to a detector that followed the in-amplifier. An AC voltage of 10 mV at 25 kHz was applied to the PZT ring. This induced a strain of 10 nε in the FBG (this value was obtained by a well-known calibration procedure). The sensitivity spectrum was obtained by dividing the measured spectrum by the known distortion applied and the input optical power. The parts used for these measurements are commercially available. For example, a tunable laser source from Agilent Technologies, Santa Clara, California (model 81682A), a polarization controller from ProtoDel, Surrey, UK, a fiber coupler (model NoTail coupler) from General Photonics, Chino, California, and Santa, CA Clara's New Focus photodetector (model 1811) and Irport, California Newport Corporation photodetector (model 818IR).
図45に概略的に示される構成は、安定化スキームを使用している。ここでは、FBGを出る透過された光パワーが、2つの成分、つまり第1のゆっくりと変動する成分と、第2のより速く変動する成分とを有すると考えられている。第1の成分は、その温度の変動、または、FBGに加えられる時間依存性の外部からの歪みの変動のような、FBGに対する環境の効果によって引き起こされる。FBGの温度がずれていくに連れて、そのスペクトルもずれる。もしもレーザ波長が一定の場合には、透過率が変動し、よって透過されるパワーも変動する。この第1の成分は、通常は、低周波数(典型的にはおよそdcから数100Hzまたは数kHzまでの範囲内)でのパワー変動として現れるような時定数を有する。第2の成分は、例えば数100Hzを越える、より高い周波数において典型的である(必ずしもではないが)、FBGに加えられる動的な歪みによって引き起こされる。 The configuration schematically shown in FIG. 45 uses a stabilization scheme. Here, it is believed that the transmitted optical power exiting the FBG has two components: a first slowly varying component and a second faster varying component. The first component is caused by environmental effects on the FBG, such as variations in its temperature or time-dependent external strain applied to the FBG. As the temperature of the FBG shifts, the spectrum shifts. If the laser wavelength is constant, the transmittance varies, and the transmitted power also varies. This first component usually has a time constant that appears as a power variation at low frequencies (typically in the range from about dc to several hundred Hz or several kHz). The second component is caused by dynamic distortion applied to the FBG, which is typical (but not necessarily) at higher frequencies, eg, over a few hundred Hz.
図45に示されるように光出力を2つの部分に分岐することができる。一部分は、ロックイン増幅器へと続く検出器へ送られる。これはフィルタとして作用し、狭い周波数帯域幅(例えば1Hz)中の、動的な歪みの周波数f0における速い成分を検出する。もしも動的な歪みが複数の周波数成分を持つ場合、あるいは、複雑且つ概して未知のスペクトルを持つ場合、この電子機器がロックイン増幅器の周波数をスキャンするように設計することができる。それにより、どこに信号があるかを探すことができ、これらの信号の振幅および周波数を測定する。名目上単一の周波数f0に歪みがあるようなより単純な場合、f0における検出器信号の振幅をロックイン増幅器が測定する。この分岐中の検出器は、特別秀でた性能でなくても、時としてより高い周波数のこともあるが、通常は数10kHzまたはそれよりも小さいf0を検出するのに十分速いものを選択することができる。光信号の他方の部分は、例えば数100Hzより遅いような、ゆっくりとした変化のにみ応答するパワーメータへと送られてよい。 The light output can be split into two parts as shown in FIG. A portion is sent to a detector that leads to a lock-in amplifier. This acts as a filter and detects fast components at the frequency f 0 of dynamic distortion in a narrow frequency bandwidth (eg 1 Hz). If the dynamic distortion has multiple frequency components, or has a complex and generally unknown spectrum, the electronics can be designed to scan the frequency of the lock-in amplifier. Thereby it is possible to look for where the signals are and measure the amplitude and frequency of these signals. In simpler cases where there is a distortion at a nominally single frequency f 0 , the lock-in amplifier measures the amplitude of the detector signal at f 0 . The detector in this branch is not fast enough, but sometimes has a higher frequency, but is usually fast enough to detect f 0 of tens of kHz or less can do. The other part of the optical signal may be sent to a power meter that responds only to slow changes, for example slower than a few hundred Hz.
FBGが温度変化を受ける場合、その透過スペクトルがシフトする。パワーメータからの電圧の平均値(dcの付近という意味での平均)が変化するであろう。パワーメータはゆっくりした変化にのみ応答するので、f0におけるac信号とは独立なこの変化をパワーメータが検出できる。フィードバックループの一部である比較器は、次いで、この測定された電圧と安定な参照電圧との間の差分に等しい誤差電圧を生成することができる。次いでフィードバックループは、レーザ周波数に対してこの誤差電圧に比例した信号を加えることができる。誤差電圧は、新たな(温度がシフトされた)動作周波数に戻すためにちょうど適切な量だけレーザ周波数を変更する。 When the FBG undergoes a temperature change, its transmission spectrum shifts. The average value of the voltage from the power meter (average in the vicinity of dc) will change. Since the power meter responds only to changes slowly, the independent This changes the ac signal at f 0 power meter can be detected. A comparator that is part of the feedback loop can then generate an error voltage equal to the difference between this measured voltage and a stable reference voltage. The feedback loop can then apply a signal proportional to this error voltage to the laser frequency. The error voltage changes the laser frequency by just the right amount to return to the new (temperature shifted) operating frequency.
図45に対するこの安定化スキームは、環境がもたらす、より高い周波数で歪みが加えられる場合に最も良く作用する。より低い周波数の歪みを検出する場合は、異なるフィードバックループを使用することができる。 This stabilization scheme for FIG. 45 works best when distortion is applied at higher frequencies as the environment provides. Different feedback loops can be used when detecting lower frequency distortions.
図40および図41は単一の検出器を使用するスキームを概略的に示している。この場合、検出器から来る電気信号は、フィードバック制御分岐中の低域通過フィルターによってフィルタリングされる。図40および図41のフィードバック制御システム250は、フィードバック回路の当業者には既知の様式で、f0成分を除去するためのそのような低域通過フィルターを備えることができる。
40 and 41 schematically show a scheme using a single detector. In this case, the electrical signal coming from the detector is filtered by a low pass filter in the feedback control branch. The
歪み感知測定の結果を、図46中に実線の曲線としてプロットする。図46にはまた、(例えば、図44の測定された透過スペクトルの微分係数を取り、式(23)に従って0.79λBをこのスペクトルに掛けることによって)式(23)から計算された理論的な感度スペクトルが破線の曲線によって示されている。図44に関連して予測された感度の最大値に関する上記の説明から予測されるように、測定された感度の最大値は、図44のパワー透過スペクトル中に示されるピーク#2の最も急峻な傾きに生じる。感度の最大値のこの波長(λ≒1549.6435nm)においては、測定される感度は1.2×105歪み−1である。この値は上記で導出された予測される値1.16×105歪み−1と非常に良く一致している。この低速光ピークの近傍にレーザが調整されているので、dT/dλが増大するので感度も増大する。ピークの頂点を過ぎると、T(λ)が最大値に到達し、故に、その微分係数dT/dλが落ちるので、感度が低下し始める。最後に、透過ピークの他方の側において、透過ピークの他方の急峻な傾きの領域に到達するので、感度が再び増大する。従って各ピークは、感度が最も高くなる2つの波長を有する。この特定のFBGにおいては、バンド端により近い側の方が、わずかに高い感度を有する。予測された感度スペクトルと測定された感度スペクトルとの間には非常に良い一致が見られる。
The result of the strain sensing measurement is plotted as a solid curve in FIG. FIG. 46 also shows the theoretical calculated from equation (23) (eg, by taking the derivative of the measured transmission spectrum of FIG. 44 and multiplying this spectrum by 0.79λ B according to equation (23)). The sensitivity spectrum is shown by the dashed curve. As predicted from the above discussion regarding the predicted maximum sensitivity in relation to FIG. 44, the measured maximum sensitivity is the
低速光センサの性能をその他のFBGベースのセンサと比較するために、もっとも頻繁に使用される測定基準は検出可能な最小の歪みであり、その定義は式(19)によって与えられる。感度の最大値においては、検出される信号において測定されるノイズは57μV/√Hzであった。ノイズとしては、検出器の光学的および電気的ショットノイズが支配的であった。等価な0.41Vの光入力電圧に対して正規化され、次いで感度1.2×105歪み−1で割った、57nV/√Hzのノイズレベルを使用することにより、検出可能な最小の歪みが見出される。従って、この低速光歪みセンサの検出可能な最小の歪みは、最も高い感度の波長において1.2pε/√Hzである。
熱的安定性
To compare the performance of slow light sensors with other FBG-based sensors, the most frequently used metric is the minimum detectable distortion, the definition of which is given by equation (19). At the maximum sensitivity, the noise measured in the detected signal was 57 μV / √Hz. The noise was dominated by optical and electrical shot noise of the detector. Minimum detectable distortion by using a noise level of 57 nV / √Hz, normalized to an equivalent optical input voltage of 0.41 V and then divided by a sensitivity of 1.2 × 10 5 distortion- 1 Is found. Therefore, the minimum detectable strain of this slow light strain sensor is 1.2 pε / √Hz at the highest sensitivity wavelength.
Thermal stability
FBGが温度摂動ΔTを受ける場合、モードの実効屈折率およびFBGの長さの両者が変化する。これら2つの変化は、次式で与えられる、透過スペクトルと反射スペクトルにおけるシフトを誘起する。
透過スキームおよび反射スキームの両者における熱的感度は、群遅延が増大するに連れて増大する。低速光モードで動作している場合、熱変動に対してセンサを安定化させるために、フィードバック制御を使用することが有利となり得る。例えば、図40および図41に示されるように、(例えば、サーボループまたは比例積分微分コントローラを有する)フィードバック制御システム250を、透過スキームまたは反射スキームにおいて使用することができる。動作波長において測定されたDC出力電圧が、比例積分微分(PID)コントローラの設定点として使用される。FBGの温度の変化の結果、センサのDC出力が設定点からはずれて行く場合、新たな動作波長(例えば、新たな温度におけるFBGの動作波長)に戻すようにレーザ波長を調整する誤差電圧を、PIDコントローラが生成する。最も高い感度で動作させるためには、透過スキームまたは反射スキームのどちらか用に1つのフィードバックループがあれば十分である。 Thermal sensitivity in both transmission and reflection schemes increases as the group delay increases. When operating in the slow light mode, it may be advantageous to use feedback control to stabilize the sensor against thermal fluctuations. For example, as shown in FIGS. 40 and 41, a feedback control system 250 (eg, having a servo loop or proportional integral derivative controller) can be used in a transmission or reflection scheme. The DC output voltage measured at the operating wavelength is used as the set point for the proportional integral derivative (PID) controller. If the sensor's DC output deviates from the set point as a result of the FBG temperature change, an error voltage that adjusts the laser wavelength to return to a new operating wavelength (eg, the FBG operating wavelength at the new temperature), Generated by the PID controller. In order to operate at the highest sensitivity, it is sufficient to have one feedback loop for either the transmission scheme or the reflection scheme.
透過スキームおよび反射スキームとは対照的に、MZベースのスキームは、温度変化に対して安定化するために2つのフィードバックループを利用する。図47に示されるように、第1フィードバックループは、温度に依存する動作波長にレーザが同調したままとなることを確実にする。これに対して第2フィードバックループは、干渉計の2つのアームの間の位相差が方形に保たれる(±π/2、±3π/2、等)ことを確実にする。従って、いくつかの実施例においては、透過スキームおよび反射スキームの実施は、2つのフィードバックループではなく1つのフィードバックループを利用するので、MZベースのスキームの実施よりも名目上、より単純となることができる。
その他のパラメータの感知
In contrast to transmission and reflection schemes, MZ-based schemes utilize two feedback loops to stabilize against temperature changes. As shown in FIG. 47, the first feedback loop ensures that the laser remains tuned to a temperature dependent operating wavelength. In contrast, the second feedback loop ensures that the phase difference between the two arms of the interferometer is kept square (± π / 2, ± 3π / 2, etc.). Thus, in some embodiments, the implementation of the transmission and reflection schemes is nominally simpler than the implementation of MZ-based schemes because it utilizes a single feedback loop rather than two feedback loops. Can do.
Sensing other parameters
上記の低速光センサは、歪みの他にも多くの摂動を測定することができる。温度、磁場および電場等のようなその他の摂動も、FBGの透過スペクトルおよび反射スペクトルをシフトさせることができる。温度センサにおいては、FBGに熱的摂動が加えられる場合、熱光学効果によって材料の屈折率が変化し、熱膨張効果によってFBGが引き延ばされる。両方の効果の組み合わせによって上記のスペクトルにシフトが誘起される。これは、透過、反射、またはMZベースのスキームにおける低速光センサを使用することによって測定することができる。磁場センサにおいては、磁気光学ガラスのような強磁性材料にFBGを結合することができる。DCまたはAC磁場が磁気光学ガラスに加えられる場合、材料の磁化中に生じる変化が磁気歪み性の歪みを誘起し、これが材料の長さ、故にFBGの長さを変化させ、その結果スペクトル中にシフトを生成する。電歪材料に対してFBGによって電場を測定することについても、同じ概念を適用することができる。DCまたはAC電場の影響下では材料の寸法が変化し、FBGの長さを変化させ、やはりスペクトル中にシフトを生成させるであろう。ここにリストされた以外のその他のパラメータも、この技法および類似の技法を使用して測定することができる。 The slow light sensor can measure many perturbations in addition to distortion. Other perturbations such as temperature, magnetic field and electric field can also shift the transmission and reflection spectra of the FBG. In a temperature sensor, when thermal perturbation is applied to the FBG, the refractive index of the material changes due to the thermo-optic effect, and the FBG is stretched due to the thermal expansion effect. The combination of both effects induces a shift in the above spectrum. This can be measured by using slow light sensors in transmission, reflection, or MZ based schemes. In a magnetic field sensor, FBG can be coupled to a ferromagnetic material such as magneto-optic glass. When a DC or AC magnetic field is applied to the magneto-optic glass, changes that occur during the magnetization of the material induce magnetostrictive strain, which changes the length of the material, and hence the length of the FBG, and thus in the spectrum Generate a shift. The same concept can be applied to measuring the electric field by FBG on the electrostrictive material. Under the influence of a DC or AC electric field, the dimensions of the material will change, changing the length of the FBG and also creating a shift in the spectrum. Other parameters other than those listed here can also be measured using this and similar techniques.
本発明の様々な実施例を上記の通り記載してきた。本発明をこれらの特定の実施例を参照して記載してきたが、その記載は、発明の説明を意図したものであり、限定するべきことを意図したものではない。様々な変更および用途が、ここに定義される発明の本来の精神および範囲から逸脱することなく、当業者に思い浮かぶであろう。 Various embodiments of the invention have been described above. Although the invention has been described with reference to these specific embodiments, the description is intended to be illustrative of the invention and is not intended to be limiting. Various changes and uses will occur to those skilled in the art without departing from the true spirit and scope of the invention as defined herein.
Claims (20)
ファイバブラッググレーティングであって、前記ファイバブラッググレーティングの長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を有し、波長の関数としてのパワー反射スペクトル、波長の関数としてのパワー透過スペクトル、および、波長の関数としての群遅延スペクトルを有するファイバブラッググレーティングと、
前記ファイバブラッググレーティングと光学的に通じており、光の透過された部分が前記ファイバブラッググレーティングの前記長さに沿って透過され、前記光の反射された部分が前記ファイバブラッググレーティングから反射されるように前記ファイバブラッググレーティングへと前記光を透過させる狭帯域光源であって、波長の関数としての前記パワー透過スペクトルは、一または複数の共振ピークを有し、共振ピークのそれぞれは、局所的な最大値と傾きが0でない2つの領域とを有し、前記局所的な最大値は前記2つの領域の間にある狭帯域光源と、
前記光の前記透過された部分、前記光の前記反射された部分、または前記光の前記透過された部分および前記光の前記反射された部分の両方の光パワーを検出する少なくとも1つの光検出器と、
を備え、
前記光は、前記一または複数の共振ピークのうちの一の共振ピークの傾きが0でない領域に波長を有し、
前記一の共振ピークは、前記一の共振ピークにおいて評価される量である(a)前記群遅延スペクトルと前記パワー透過スペクトルとの積、および、(b)前記群遅延スペクトルと1から前記パワー反射スペクトルを引いたものとの積のうちの一または複数が最大値にあるように選択される光デバイス。 An optical device,
A fiber Bragg grating, having a substantially periodic refractive index modulation along the length of the fiber Bragg grating, a power reflection spectrum as a function of wavelength, a power transmission spectrum as a function of wavelength, and A fiber Bragg grating having a group delay spectrum as a function of wavelength;
Optically communicating with the fiber Bragg grating, such that a portion through which light is transmitted is transmitted along the length of the fiber Bragg grating, and a portion through which light is reflected is reflected from the fiber Bragg grating. A narrowband light source that transmits the light into the fiber Bragg grating, wherein the power transmission spectrum as a function of wavelength has one or more resonance peaks, each of which has a local maximum A narrowband light source having a value and two regions whose slope is non-zero, wherein the local maximum is between the two regions;
At least one photodetector for detecting the optical power of the transmitted portion of the light, the reflected portion of the light, or both the transmitted portion of the light and the reflected portion of the light When,
With
The light has a wavelength in a region where the slope of one resonance peak of the one or more resonance peaks is not 0,
The one resonance peak is an amount evaluated at the one resonance peak (a) a product of the group delay spectrum and the power transmission spectrum, and (b) the power reflection from the group delay spectrum and 1 An optical device that is selected such that one or more of its products with the subtracted spectrum is at its maximum value.
前記ファイバブラッググレーティングの長さに沿って実質的に周期的な屈折率変調を有し、波長の関数としてのパワー反射スペクトル、波長の関数としてのパワー透過スペクトル、および、波長の関数としての群遅延スペクトルを有し、波長の関数としての前記パワー透過スペクトルは、一または複数の共振ピークを有し、共振ピークのそれぞれは、局所的な最大値と傾きが0でない2つの領域とを有し、前記局所的な最大値は前記2つの領域の間にあるファイバブラッググレーティングを提供する段階と、
狭帯域光源から光を発生する段階であって、前記光の透過された部分が前記ファイバブラッググレーティングの前記長さに沿って透過され、前記光の反射された部分が前記ファイバブラッググレーティングから反射されるように、前記狭帯域光源は前記ファイバブラッググレーティングと光学的に通じている段階と、
前記光の前記透過された部分、前記光の前記反射された部分、または前記光の前記透過された部分および前記光の前記反射された部分の両方の光パワーを、少なくとも1つの光検出器により検出する段階と、
を備え、
前記光は、前記一または複数の共振ピークのうちの一の共振ピークの傾きが0でない領域に波長を有し、
前記一の共振ピークは、前記一の共振ピークの前記局所的な最大値において評価される量である(a)前記群遅延スペクトルと前記パワー透過スペクトルとの積、および、(b)前記群遅延スペクトルと1から前記パワー反射スペクトルを引いたものとの積のうちの一または複数が最大値にあるように選択される方法。 A method using a fiber Bragg grating,
Power reflection spectrum as a function of wavelength, power transmission spectrum as a function of wavelength, and group delay as a function of wavelength, with substantially periodic refractive index modulation along the length of the fiber Bragg grating The power transmission spectrum as a function of wavelength has one or more resonance peaks, each of the resonance peaks having a local maximum and two regions with non-zero slopes; Providing a fiber Bragg grating in which the local maximum is between the two regions;
Generating light from a narrowband light source, wherein the transmitted portion of the light is transmitted along the length of the fiber Bragg grating and the reflected portion of the light is reflected from the fiber Bragg grating. The narrowband light source is in optical communication with the fiber Bragg grating;
The optical power of the transmitted portion of the light, the reflected portion of the light, or both the transmitted portion of the light and the reflected portion of the light is by at least one photodetector. Detecting, and
With
The light has a wavelength in a region where the slope of one resonance peak of the one or more resonance peaks is not 0,
The one resonance peak is an amount evaluated at the local maximum value of the one resonance peak (a) a product of the group delay spectrum and the power transmission spectrum, and (b) the group delay. A method selected such that one or more of the product of the spectrum and 1 minus the power reflection spectrum is at a maximum.
前記ファイバブラッググレーティングに対する波長の関数としての前記光のパワー反射スペクトル、および、前記ファイバブラッググレーティングに対する波長の関数としての前記光のパワー透過スペクトルの少なくとも一方を決定する段階であって、波長の関数としての前記パワー透過スペクトルは、一または複数の共振ピークを有し、共振ピークのそれぞれは、局所的な最大値と傾きが0でない2つの領域とを有し、前記局所的な最大値は前記2つの領域の間にある段階と、
波長の関数として、前記ファイバブラッググレーティングに対する前記光の群遅延スペクトルを決定する段階と、
前記一または複数の共振ピークのうちの一の共振ピークを選択する段階であって、前記一の共振ピークを、前記選択された一の共振ピークの前記局所的な最大値において評価される量である(a)前記群遅延スペクトルと前記パワー透過スペクトルとの積、および、(b)前記群遅延スペクトルと1から前記パワー反射スペクトルを引いたものとの積の一または複数が最大値にあるように選択する段階と、
前記狭帯域光源からの前記光が、前記選択された一の共振ピークの前記傾きが0でない2つの領域のうちの傾きが0でない一の領域に波長を有するように前記ファイバブラッググレーティングおよび前記狭帯域光源を構成する段階と、
を備える方法。 A method of configuring an optical device used as an optical sensor, wherein the optical device comprises a fiber Bragg grating, and a narrowband light source in optical communication with the fiber Bragg grating, the narrowband light source comprising: Transmitting the light to the fiber Bragg grating such that a transmitted portion of light is transmitted along the length of the fiber Bragg grating, and a reflected portion of the light is reflected from the fiber Bragg grating; The fiber Bragg grating is a method having a substantially periodic refractive index modulation along the length of the fiber Bragg grating,
Determining at least one of a power reflection spectrum of the light as a function of wavelength for the fiber Bragg grating and a power transmission spectrum of the light as a function of wavelength for the fiber Bragg grating, wherein The power transmission spectrum has one or a plurality of resonance peaks, each of the resonance peaks having a local maximum value and two regions whose slopes are not 0, and the local maximum value is 2 A stage between two territories,
Determining a group delay spectrum of the light for the fiber Bragg grating as a function of wavelength;
Selecting one resonance peak of the one or more resonance peaks, wherein the one resonance peak is an amount evaluated at the local maximum of the selected one resonance peak. One or more of (a) a product of the group delay spectrum and the power transmission spectrum, and (b) a product of the group delay spectrum and 1 minus the power reflection spectrum is at a maximum value. The stage to choose
The fiber Bragg grating and the narrow band light source so that the light from the narrow-band light source has a wavelength in one region of which the slope of the selected resonance peak is not zero. Configuring a band light source; and
A method comprising:
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