JP2016212392A - 温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
λ=2nΛ (1)
Λはブラッググレイティングの周期長、nは光ファイバ有効屈折率である。この帰還ブラッグ波長λBの波長値は温度の変動を受け、光ファイバ有効屈折率nの増減、或いはファイバグレイティングが付勢を受けてΛ間隔が変わることで変化している。温度が不変の際、このFBGを歪み測定器機能に用いると、外力を受けて発生するファイバグレイティングの歪みによって引き起こるΛ間隔の変化量をΔΛとし、数式(1)に代入して以下のような数式が得られる。
ΔλB=2nΔΛ (2)
歪みεの定義に基づき、1を、付勢を受ける物体の長さ、Δ1を、付勢を受けて変化する長さとすると、
ε=Δ1/1=ΔΛ/Λ (3)
となって、以下のように求められる。
Δ1=(ΔΛ/Λ)1=[(ΔλB/2n)/(λB/2n)]1
従って、
ε=Δ1/1=ΔλB/λB (4)
となる。
上記のものは、温度が不変の際のものであって、この屈折率nは、通常、予め設けた波長変化の比例による定数下の仮説であって、即ち、ΔλB/λBでFBGによって歪み値を測定している。しかし、温度変化する際に波長の変化ΔλBに対する所定の帰還ブラッグ波長λBの変化比例を測定すると、通常、以下のような数式で表すことができる。
Δλβ/λβ=(1−Pe)Δε+(αf+ζ)ΔT (5)
そのうち、Peは有効的な光弾性効果値(the effective photo−elastic)、αfは熱膨張係数(the thermal expansion coefficient)、ζはシリカ光ファイバ熱光学係数(the thermal−optic coefficient of fused silica fiber)である。また、Δλβは温度変化によるFBG帰還波長の変化値、Δεはグレイティング長手方向の温度変化による歪み変化値、ΔTは温度変化を表している。実際、温度変化時の光ファイバの導光コアガラスの分子密度変化において、屈折率nはこれに伴い変化するため、たとえFBGが如何なる付勢も受けていないブラッグ帰還波長λでもドリフト変化が発生してしまう。情報漏れの恐れがあるため、光ファイバ通信のような二地点間の固定波長通信の正確性にとって、改善する必要がある。如何なる通信使用環境においても恒温を維持させるためにFBG内の屈折率が不変な回路とする場合、コストが高く、物理的な技術原理で且つコストが低い方法で、温度によって引き起こる固定通信波長λのドリフト変化を補償しなければならないという問題がある。
上述した図3のように、低膨張係数で巻方向が異なる二つ目のスプリングで被覆する温度補償のファイバグレイティングフィルタ装置の構成は、水気や塵埃汚染がない環境で用いているが、水気や塵埃汚染がある環境で用いる場合、図4のような低膨張係数のクラッドで被覆する温度補償のファイバグレイティングフィルタ装置の構成で実施している。図4は、低膨張係数のクラッドで被覆する温度補償のファイバグレイティングフィルタ装置を示す断面図である。本発明に係る実施例は、図3にある低膨張係数で巻方向が異なる二つ目のスプリングの全長構成のみを第二層に被覆する低膨張係数金属クラッド314のインバ或いは石英ガラス管に置き換えている。第二層に被覆する低膨張係数金属クラッド314のインバ或いは石英ガラス管は、低膨張係数の接続リング或いは固定ゲル308、309の両端のセグメント長で、中にある円筒形圧縮螺旋スプリング302と下セグメント長を被覆する円筒形引張螺旋スプリング312とが直列に接続することによる高膨張係数で伸長量が多い総セグメント長を制限するだけでなく、下セグメント長を被覆する円筒形引張螺旋スプリング312は、密着初期張力を有し且つ高膨張係数である円筒形引張螺旋スプリングセグメント長を有し、同じ0.9mm外径の円筒形圧縮螺旋スプリング302のセグメント長に向かうことで、ファイバグレイティングの前置引張応力或いは張力の開放は、構成材料の熱膨張係数の差に対して温度補償作用を発生している。その作用は、水気や塵埃の侵入を防ぐように密閉された外管の内部にある被覆された圧縮スプリング及び同心を組合わせた形式のファイバグレイティングを正常に動作する弾性域内に維持している。図4において、102は光ファイバコア、201は125μm外径の光ファイバ裸線、202は250μm外径の樹脂被覆保護層、203はグレイティング区域がある125μm外径の光ファイバコア、204は250μm外径の樹脂再被覆保護層、300は高膨張係数のステンレス円筒形螺旋スプリング、301は高膨張係数材料で上セグメント長を被覆する0.9mm外径の円筒形引張螺旋スプリング、302は高膨張係数材料である0.9mm外径の円筒形圧縮螺旋スプリング、303は高膨張係数材料で下セグメント長を被覆する0.9mm外径の円筒形引張螺旋スプリング、304は上端光ファイバとスプリングとを前置引張するように固定する接続リング或いは固定ゲル、305は下端光ファイバとスプリングとを前置引張するように固定する接続リング或いは固定ゲル、306は下端を被覆する0.9mm外径の円筒形引張螺旋スプリングと光ファイバとを前置引張しないように固定する接続リング或いは固定ゲル、308は0.9mm外径の円筒形引張螺旋スプリングと低膨張係数で巻方向が異なる二つ目のスプリングの上端座台とを前置引張しないように固定する接続リング或いは固定ゲル、309は0.9mm外径の円筒形引張螺旋スプリングと低膨張係数で巻方向が異なる二つ目のスプリングの下端座台とを前置引張しないように固定する接続リング或いは固定ゲル、314は第二層に被覆するインバ(Invar)或いはSiO2管といった低膨張係数の金属クラッド、312は下セグメント長を被覆する0.9mm外径の円筒形引張螺旋スプリングを示し、これ等の部材によって構成されており、また、下セグメント長を被覆する0.9mm外径の円筒形引張螺旋スプリング312は、密着初期張力を有し且つ高膨張係数である温度補償セグメント長部分を有している。
δ=(8nD3/Gd4)P (6)
dはステンレス線材直径
Dは平均螺旋直径
Gは横方向弾性係数
nは有効巻数
そのうち、スプリング指数cを設けることができ、c=D/dであって、数式(6)を以下のように示すことができる。
δ=(8nc3/Gd)P (7)
=(8nc4/GD)P (8)
c=D/dのスプリング指数でスプリングの大きさを選択することができ、様々なスプリングの外径、内径、有効巻数、前置引張力或いは最大許容圧縮応力の要望に符合するスプリングを設計することができる。Gが表す横方向弾性係数は、材料に単位毎の切断に発生する歪みに必要な応力であって、材料の特性によって決まる定数であって、同じ大きさのスプリングの可撓性は材料のG値に反比例している。スプリングの長手方向荷重Pから成るスプリングの可撓性δは、数式(6)によって計算することができる。本実施例では、nを50周、d=0.3mm、D=1mm、P=0.04gとし、Gはステンレス短手方向の弾性係数7.5×103kg/mm2とし、長手方向荷重Pから成るスプリングの可撓性δは数式(6)に代入してδ=0.25mmとなっている。つまり、圧縮螺旋スプリングを0.25mm圧縮することで、二つの引張スプリングを密着させる隣接し合う両端の座台部位と、内設する光ファイバを樹脂で凝固化して形成する接続リング或いは内設する光ファイバを金属圧着して形成する接続リングとを固定した後、圧縮螺旋スプリングを開放している。そうすることで、内設するファイバグレイティングに対して付勢し、0.5nmの波長変位を前置引張する作用を発生させることができ、およそ50℃の温度作動区間がある前置圧縮歪み量を得ることで、今後装置が氷点下25℃の作動温度まで低下した際の最大許容圧縮歪み量に耐えることができる。
13 ブラッググレイティングセグメント長
17 光ファイバが光ファイバフィルタデバイスに入り込む際の光ファイバセグメント長
20 光ファイバフィルタデバイス
21 第一温度補償素子
22 第二温度補償素子
23 第一温度補償素子にある凹部
24 第二温度補償素子にある凸部
25 橋絡素子
26 光ファイバ入力端固定点
27 第二温度補償素子にある凸部固定点
28 第一温度補償素子
29 第二温度補償素子
30 光ファイバ用前置引張素子
31 前置引張力によって帰還可能なスプリング
80 温度補償ブラッググレイティングフィルタデバイス
82 光ファイバフィルタデバイスを出入する光ファイバ
84 光ファイバの軸心であるコア
86 光ファイバカバー
88 ファイバブラッググレイティングセグメント長
90 光ファイバを被覆するプラスチック
92 光ファイバ82と引張し合う光ファイバ素子
94 引張調整素子と、対をなす温度補償素子との粘着固定点
96 引張調節素子の固定点
98 温度補償素子106上で固定点96と引張してギャップを調整する固定点
102 光ファイバコア
104 高膨張係数材料の引張調整素子
106 対をなす温度補償素子
201 125μm外径の光ファイバ裸線
202 250μm外径の樹脂被覆保護層
203 グレイティング区域がある125μm外径の光ファイバコア
204 250μm外径の樹脂再被覆保護層
300 高膨張係数のステンレス円筒形螺旋スプリング
301 上セグメント長を被覆する円筒形引張螺旋スプリング
302 円筒形圧縮螺旋スプリング
303 下セグメント長を被覆する円筒形引張螺旋スプリング
304 上端光ファイバとスプリングとを前置引張するように固定する接続リング或いは固定ゲル
305 下端光ファイバとスプリングとを前置引張するように固定する接続リング或いは固定ゲル
306 下端を被覆する円筒形引張螺旋スプリングと光ファイバとを前置引張しないように固定する接続リング或いは固定ゲル
308 接続リング或いは固定ゲル
309 接続リング或いは固定ゲル
311 低膨張係数で巻方向が異なって外部表面に均一に隙間を開けながら長手方向に摩擦力が発生しないように被覆する二つ目のスプリング
312 下セグメント長を被覆する円筒形引張螺旋スプリング
314 第二層に被覆する低膨張係数の金属クラッド
Claims (10)
- 一セグメント長さのファイバグレイティングを有するシングルモード光ファイバと、
温度補償を行う総セグメント長は、前置引張したファイバグレイティングの両端にある円筒形圧縮螺旋スプリングのセグメント長を、密着初期張力を有し且つ高膨張係数である円筒形引張螺旋スプリングに直列に接続するように組合せたセグメント長から成る、内設するシングルモード光ファイバを一定の長さにおいて被覆する円筒形螺旋スプリングと、
スプリングに外接し且つ光ファイバに内接し、先端において光ファイバとその外部にある高膨張係数のスプリングとを前置引張するように固定する接続リングと、
スプリングに外接し且つ光ファイバに内接し、末端において光ファイバとその外部にある高膨張係数のスプリングとを前置引張するように固定する接続リングと、
両端を前置引張しないように固定する二つの接続リング或いは固定ゲルによって、内設する高膨張係数の円筒形螺旋スプリングの総セグメント長、及び、全ての素子が光ファイバの軸心を同心で組み合わせる方法で構成するファイバグレイティングフィルタ装置を固定する、内部にある温度補償の総セグメント長スプリングの外層を一定の長さで被覆する低膨張係数の金属クラッドと、
から構成する、温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置であって、
外層にある低膨張係数の金属クラッドの全長が温度に対して変化する長さと、内部に内設する高膨張係数の円筒形螺旋スプリングの総セグメント長が温度に対して変化する長さとの差は、内部に内設して前置引張する高膨張係数の円筒形螺旋スプリングの総セグメント長に対して緩和張力或いは伸長張力の作用を引き起こすことで、屈折率を増減して温度変化によって引き起こるファイバグレイティングフィルタ装置の波長変位を補償することを特徴とする温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置。 - 内部に内設して温度補償する高膨張係数の円筒形螺旋スプリングの総セグメント長は、前置引張したファイバグレイティングの両端にある円筒形圧縮螺旋スプリングのセグメント長と、密着初期張力を有し且つ高膨張係数である円筒形引張螺旋スプリングのセグメント長とを直列に接続して形成することを特徴とする請求項1に記載の温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置。
- 内部に内設して温度補償する高膨張係数の円筒形螺旋スプリングの総セグメント長は、密着初期張力を有し且つ高膨張係数である円筒形引張螺旋スプリングのセグメント長と、前置引張したファイバグレイティングの両端にある円筒形圧縮螺旋スプリングのセグメント長とを直列に接続し、密着初期張力を有し且つ高膨張係数であるもう一つの円筒形引張螺旋スプリングのセグメント長をさらに直列に接続して形成することを特徴とする請求項1に記載の温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置。
- 内部で温度補償する総セグメント長スプリングの外層を一定の長さで被覆する低膨張係数の金属クラッドは、一定の長さで内部にある光ファイバの同心と構成する円柱形を有する低膨張係数の金属クラッドであることを特徴とする請求項1に記載の温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置。
- 内部で温度補償する総セグメント長スプリングの外層を一定の長さで被覆する低膨張係数の金属クラッドは、一定の長さで内部にある光ファイバの同心と構成する丸孔円筒形を有する低膨張係数の金属クラッドであることを特徴とする請求項1に記載の温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置。
- 一セグメント長さのファイバグレイティングを有するシングルモード光ファイバと、
温度補償を行う総セグメント長は、前置引張したファイバグレイティングの両端にある円筒形圧縮螺旋スプリングのセグメント長を、密着初期張力を有し且つ高膨張係数である円筒形引張螺旋スプリングに直列に接続するように組合せたセグメント長から成る、内設するシングルモード光ファイバを一定の長さにおいて被覆する高膨張係数の一つ目の円筒形螺旋スプリングと、
スプリングに外接し且つ光ファイバに内接し、先端において光ファイバとその外部にある高膨張係数のスプリングとを前置引張するように固定する接続リングと、
スプリングに外接し且つ光ファイバに内接し、末端において光ファイバとその外部にある高膨張係数のスプリングとを前置引張するように固定する接続リングと、
両端を前置引張しないように固定する二つの接続リング或いは固定ゲルによって、内設する高膨張係数の円筒形螺旋スプリングの総セグメント長、及び、全ての素子が光ファイバの軸心を同心で組み合わせる方法で構成するファイバグレイティングフィルタ装置を固定する、内部にある温度補償の総セグメント長スプリングの外部表面に均一に隙間を開けながら長手方向に摩擦力が発生しないように一定の長さにおいて異なる巻方向で被覆する低膨張係数の二つ目のスプリングと、
から構成する、温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置であって、
外部表面に均一に隙間を開けながら長手方向に摩擦力が発生しないように異なる巻方向で被覆する低膨張係数の二つ目のスプリングの全長が温度に対して変化する長さと、内部に内設する高膨張係数の円筒形螺旋スプリングの総セグメント長が温度に対して変化する長さとの差は、内部に内設して前置引張する高膨張係数の円筒形螺旋スプリングの総セグメント長に対して緩和張力或いは伸長張力の作用を引き起こすことで、屈折率を増減して温度変化によって引き起こるファイバグレイティングフィルタ装置の波長変位を補償することを特徴とする温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置。 - 内部に内設して温度補償する高膨張係数の円筒形螺旋スプリングの総セグメント長は、前置引張したファイバグレイティングの両端にある円筒形圧縮螺旋スプリングのセグメント長と、密着初期張力を有し且つ高膨張係数である円筒形引張螺旋スプリングのセグメント長とを直列に接続して形成することを特徴とする請求項6に記載の温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置。
- 内部に内設して温度補償する高膨張係数の円筒形螺旋スプリングの総セグメント長は、密着初期張力を有し且つ高膨張係数である円筒形引張螺旋スプリングのセグメント長と、前置引張したファイバグレイティングの両端にある円筒形圧縮螺旋スプリングのセグメント長とを直列に接続し、密着初期張力を有し且つ高膨張係数であるもう一つの円筒形引張螺旋スプリングのセグメント長をさらに直列に接続して形成することを特徴とする請求項6に記載の温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置。
- 内部にある温度補償の総セグメント長スプリングの外部表面に均一に隙間を開けながら長手方向に摩擦力が発生しないように一定の長さにおいて異なる巻方向で被覆する低膨張係数の二つ目のスプリングは、一定の長さで内部にある光ファイバの同心と構成する円筒形を有する引張螺旋スプリングであることを特徴とする請求項6に記載の温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置。
- 内部にある温度補償の総セグメント長スプリングの外部表面に均一に隙間を開けながら長手方向に摩擦力が発生しないように一定の長さにおいて異なる巻方向で被覆する低膨張係数の二つ目のスプリングは、一定の長さで内部にある光ファイバの同心と構成する円筒形を有する圧縮螺旋スプリングであることを特徴とする請求項6に記載の温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置。
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