JP3187417B2 - 温度補償埋設回折格子光導波路光フィルタ装置 - Google Patents
温度補償埋設回折格子光導波路光フィルタ装置Info
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Description
に代表される光導波路に組込まれたブラッグフィルタを
含む精度フィルタ装置の改良に関する。
いるが、このようなものの中に波長選択フィルタ用のブ
ラッグ効果を利用しているものが挙げられる。1988年2
月16日登録の米国特許第4,725,110号において、このよ
うな光フィルタを光ファイバに組込む方法の一例につい
て開示されている。この方法は、各々が180゜に対する
余角となるようなファイバ軸に関する2つの角度で光フ
ァイバに入射する2本の紫外線光による干渉パターンを
使用し、クラッドを介してコアを露光することで最低1
つの周期的回折格子を光ファイバのコアに生じさせるこ
とを含む。このためファイバ軸に対して回折格子が垂直
に位置する形となり、ファイバ・コア内の誘導伝搬によ
って伝搬方向でコアに入射する光のうち、極めて狭範囲
の波長を有する光のみが、ファイバ軸に沿って光伝搬方
向と逆方向に反射されるので、このような反射光はコア
内においてオリジナル光がファイバ・コアに入射した点
に誘導される。一方、この回折格子は、上述のような狭
帯域に含まれない波長を有する光に対しては実質的に透
過性であるため、このような光の伝搬に影響されること
はない。したがってこの種の組込周期回折格子により、
光ファイバの光伝搬スペクトルにおいて、その長手方向
のいずれか一方向で狭い透過阻止帯域および同等の広が
りを持つ狭い反射頂点が生じる。組込周期回折格子によ
ってこのように影響される光の周波数は、上述した特許
において開示されているように回折格子の周期性に関係
する。
問題の範囲内では実質的に線形の明確に規定された回折
格子領域に影響する歪みや回折格子領域の温度によって
変化するため、上述したような方法で得られた周期回折
格子が組込まれた光ファイバは、これらのパラメータの
いずれかについての歪センサまたは温度センサとしての
使用に極めて適している。また、上述した特許において
開示されているように、ファイバに加わる外力による回
折格子領域の歪みと回折格子領域の温度との両方が、必
ずしも同時に発生するとは限らないが時間とともに変化
するような状況においてこの種のセンサを使用し、回折
格子領域の歪みに起因する反射波長変化を評価する一
方、回折格子温度に起因する反射波長変化も評価するな
ど両者を別々に評価することも可能である。
はこれと類似の用途に使用することには利点があるだけ
でなく、それが温度センサとして作用すること即ちそれ
によって反射する光の波長の温度依存性を可能にすると
いうまさにその理由から、それがなければ上述したフィ
ルタは上述した特許に開示されているような基本的な形
態には適さないというような、このようなフィルタを使
用することによって大きな利益が生じる例が他にもあ
る。このような光ファイバによって反射する光の周波数
は回折格子領域の温度によって変化するので、この基本
フィルタは反射光周波数が温度とは無関係であるような
用途には使用することができない。これにより、基本フ
ィルタを周波数標準化およびこれと類似の用途に使用す
ることができなくなる。明らかに、このようなことから
組込光ファイバフィルタの使用領域が極めて限られてし
まうため、これは非常に不都合なことである。
防止することにある。
フィルタ装置に見られる欠点を持たない波長選択光フィ
ルタを提供することにある。
による影響を実質的に排除したフィルタ装置を開発する
ことにある。
左右されることなく選択した波長において動作を維持す
るか異なる波長にする上述したような装置を考案するこ
とにある。
較的簡単な構成で低費用で製造可能かつ使いやすく動作
面での信頼性が高いように設計することにある。
的を達成するにあたり、本発明は、温度補償埋設式回折
格子光導波路光フィルタ装置であって、長手方向に離間
した2つの端部を有する細長いコアを含む光導波路と、
コアの長手方向の軸に沿って細長い通路に光を誘導する
手段とを備える。コアは、端部から離れた位置に備えら
れ、実質的に長手方向の軸に対して垂直かつ回折格子を
正確に構成する実質的に等しい長手方向の間隔で延在す
る多数の回折格子要素を内部に埋設する予め定められた
限られた長さの部分を含み、回折格子は通路内を伝搬す
る光を反射して回折格子要素に導入し、回折格子要素間
の間隔と、回折格子の温度および回折格子に加わる長手
方向のひずみに影響されるコアの材料の屈折係数とによ
って定められる中心波長付近の狭範囲内における光の波
長を通路に戻して通路内で本来の伝搬方向とは逆の長手
方向に伝搬する。本発明によれば、装置はさらに、長手
方向のひずみの変化に起因する中心波長の変化によって
回折格子の温度変化に起因する変化を実質的に補償する
ように、温度によって変わる量の長手方向のひずみをフ
ァイバに加える手段を備える。
例を用いて詳細に説明する。
有する光ファイバの軸方向の断面図である。
温度条件および歪み条件における回折格子領域の透過率
依存性を示すグラフ図である。
係なく回折格子領域が実質的に反射するような波長がフ
ァイバに加わる引張応力によって生じるように互いに協
働し、かつファイバとも協働する2つの補償部材を有す
る本発明による温度補償フィルタ装置の側面の部分断面
拡大図である。
響を受けるような装置の構造を改良した場合を示す第3
図と同様の図である。
と、参照符号10によって光導波路が示されている。導波
路10は、比較的短い長手方向の部分のみについての光フ
ァイバの形で示されており、ファイバ・コア11と、ファ
イバ・コア11を囲んでいるファイバ・クラッド12とを有
している。ファイバ・コア11には、各々が実質的にコア
11の長手方向の軸に対して垂直に延在する多数の13回折
格子要素14を含む回折格子が組み込まれており、以下、
この領域を回折格子領域として説明する。回折格子要素
14は、光ファイバ10の長手方向に沿って互いに等間隔に
離間している。
に記載されているような方法によって、コア11内におい
て都合良く形成されており、ここではこの記載を、本発
明による光導波路の回折格子要素14をどのようにしてコ
ア11内で作るかを理解するために必要となる程度に参照
する。このようにして回折格子領域13を作る際、回折格
子要素14の各々の両端が長手方向に隣接するファイバ・
コア11の領域にではなく、回折格子領域13全体に連続し
た2つの回折格子要素14を同じ周期間隔で存在させる。
回折格子要素14が存在するために屈折率が変化した結
果、原点に反射されるのはファイバ・コア11を貫通する
わずかな光伝搬部分のみとなる。その一方、回折格子要
素14の累積効果は、それ以外の殆どの光の反射により得
られる。この光の波長は、第1図において矢印Rλで示
すような回折格子要素14に対する予め定められた比率で
の中心波長λ付近の極めて狭範囲にある。
件のもとで特定の回折格子要素周期性を有する組込回折
格子光ファイバ10のファイバ透過率と波長との関係をプ
ロットしたものを第2図に示す。透過率曲線15には、お
よそλ=576.2ナノメータの時に狭阻止帯域すなわちス
トップバンド16が顕著に現れている。このような型のフ
ァイバを用いた経験から、透過率スペクトルからそのよ
うに除去される光は実際に反射して原点に戻っていると
いうことが示されている。
ファイバの歪によって変化する。したがって、例えば温
度依存性についてみる限りは、約580nmの動作波長の時
にストップバンド16を有するように回折格子要素14間の
間隔を選択した光ファイバに組込まれた回折格子領域13
を用いた場合、約5.37GHz/℃の周波数偏移が計測され
る。一方、ブラッグフィルタの周波数は、回折格子領域
13が引張または圧縮の影響を受ける場合には長さの変化
および関連した歪光学効果に左右される。したがって、
例えば引張に影響されるブラッグ格子における測定値
は、約40.1GHz/psiすなわち.418GHz/ミクロン歪の周波
数偏移となっている。
変化すなわち周波数偏移を利用し、光回折格子温度の変
化に起因する周波数偏移を相互に作用させるおよび/ま
たは除去することを基本としている。このような目的を
達成するための一つの方法を図面の第3図に示し、上述
した部分と対応する部分には前に使用した参照符号と同
一の参照符号を付す。本発明によるファイバ光フィルタ
装置20は、主な構成要素として、回折格子が埋設された
回折格子領域13を含む光ファイバ10である部分17の他
に、第1の補償部材21および第2の補償部材22を有して
いる。第1の補償部材21は、中央逃げ部23を備えてお
り、第2の補償部材22は、逃げ部23の底部から僅かには
なれた所までその中で延在する中央突起部24を備えてい
る。光ファイバ10は、ファイバ部分17の各々の端部にお
いて、それぞれの連結部材26および27を用いて補償部材
21のブリッジ部分25と補償部材22の突起部24とにそれぞ
れ連結されている。連結部材26および27は、クランプの
ような機械的なものでもよいし、それぞれの本体、層ま
たは接着パッド、はんだなどによって構成されてもよ
い。このような形状において、ファイバを適宜金属また
はセラミックの保護緩衝材で被覆するかまたは例えばシ
リカ製の小管内に接着するなどの処理をしておく。いず
れにしても、連結部材26および27は、光ファイバ10の補
償部材21および22に対する取付部分にわたるファイバ部
分17の長さ(L3)を規定し、ファイバ部分17を補償部材
21および22にしっかりと連結する。
および突起部26に各々しっかり連結すなわち一体化さ
れ、装置20を組み立てた状態では互いに並列になる協働
部分28および29を有している。補償部材21および22は、
例えば図において示すように、部分29の捩じ切りしてい
ない各々の穴を貫通し、部分28における対応の捩じ切り
した穴に捩じ込まれる捩子山が細かいねじのような各々
の予荷重部材30によって互いに連結されており、図にお
いて示す装置20の構成において、補償部材21の部分28の
うちの1つは、補償部材22の対応する部分29に隣接する
領域において、装置20が動作状態にあるときに部分29と
接触する一体ばね接触部31を備えている。予荷重部材30
は固定されているため、ばね接触部31によって、一方で
は予荷重部材30および光ファイバ10、他方ではばね接触
部31によって補償部材22に加わる力は弾性的に平衡状態
となり、補償部材21に鑑みた動作範囲の選択された部分
のいずれかに補償部材22が保持される。連結部材26およ
び27によって構成されるファイバの取付点が補償部材21
と22との間の接触面から各々距離L1およびL2だけ離れて
おり、距離L3が距離L1とL2との差になっているため、予
荷重部材30を固定したり緩めたりするだけで距離L3を変
化させることができる。これは、まず補償部材22が補償
部材21に対する所望の動作領域の端の位置に達するのに
必要な程度に予荷重部材30を固定し、連結部材26および
27によって、光ファイバ10を実質的に張りつめた状態で
上述した補償部材21および22に対する取付点の間に連結
し、さらに回折格子領域13が所望の波長λ付近の狭範囲
において光を反射するのに必要な程度に予荷重部材30を
緩めるだけで、光ファイバ10のセクション17に引張予荷
重応力を影響させることが可能だということを意味す
る。
むファイバ部分17に予荷重を加えた直後に装置20を使用
している間、補償部材21および22の材料における示差熱
膨張効果を利用し、温度上昇(およびこれとは逆の温度
低下)に伴ってファイバ部分17に加わる張力を部分的に
緩和して、温度変化に伴って回折格子領域13のブラッグ
フィルタとしての周波数の変化のバランスをとり補償す
る。補償部材21および22として熱膨張係数が適当な材料
を選択し、回折格子領域13のブラッグフィルタとしての
周波数を一定に保持するように形状を調節することで、
張力緩和率を変えることができる。図面の第3図におい
て示される装置20において、補償部材22の材料には、補
償部材21の材料よりも膨張温度係数が大きいものを用い
ている。この結果、フィルタすなわち回折格子領域13を
含むファイバ部分17の引張応力は、温度が上昇すると緩
和され、温度が下がると大きくなる。この場合、取付け
られたファイバ部分17には、2つの補償部材21および22
の間の接合部分において張力を機械的に調節した予荷重
が加わっている。事実、機械的な張力調節により、回折
格子13をブラッグフィルタとして所望の周波数または標
準的な周波数のいずれにもセットすなわち同調させるこ
とが可能となる。
および長さは以下のように算出することができる。
折率、Λはブラッグ回折格子領域フィルタ要素14間の間
隔である。外気温からの温度変化ΔTについてのブラッ
グ波長の変化は、 Δλ/λ=(αf+ζ)ΔT+(1−pe)Δε によって与えられ、ここで、αfはファイバ10の熱膨張
係数、ΔεはΔTに伴う歪みの変化、ζはファイバ材料
の熱光係数、peは光弾性定数である。これらの後者2つ
の量は、 によって示される指数の変化に関連している。
化は、 ΔεL3=(α1L1−α2L2−αfL3)ΔT によって与えられ、ここで、α1L1およびα2L2は凹型に
設計したキャビティにおける材料の長さ変化に対応して
いる。1ユニットの温度変化あたりの標準波長変化は、
長さ変化の項において、式 Δλ/λΔT=αf+ζ+(1−pe){α1L1/L3 −α2L2/L3−αf} によって与えられる。
ように材料定数および長さα1L1、α2L2を選択するの
で、 αfPe+ζ+(1−pe)(α1L1−α2L2)/L3=0 または、 (α2L2−α1L1)/L3=(αfPe+ζ)/(1−pe)とな
る。
ζ=8.31×10-6/℃である場合には、 (α2L2−α1L1)/L3=10.8×10-6 が得られる。
21の材料にステンレス鋼を選択した場合、 24L2/L3−16L1/L3=10.8 のような結果が得られる。
3となるので、長さL2=3.7cm、L1=4.7cmで外気温変化
とともに波長変化をゼロにすることができる。
21と22との間に挿入され、互いに離れた別個のばねによ
ってばね接触部31を構成することも可能である。さら
に、電気的に駆動される圧電装置や磁気ひずみ装置のよ
うな他の予荷重または調節アレンジメントを補償部材21
と22との間に備えたものを、上述したばね荷重機械調節
ねじアレンジメント30および31の代りに使用し、ファイ
バ部分17に加わる予荷重張力を調節してフィルタ周波数
を最終的に調節することもできる。機械的または電気的
な周波数調節を利用して、外気温によって結果に影響が
及ぶという問題を生じずに小さな周波数範囲のフィルタ
周波数の走査または一掃を行うこともできる。さらに、
補償部材21および22を円筒形にし、この場合は内部に光
ファイバ10を通すための通路として内部通路を備えるよ
うにすることもできる。
シュを付したものは対応する要素を示すものとし、補償
予荷重装置20′には、圧縮下にある回折格子領域13′を
含むファイバ部分17′が備えられている。ここで、ブラ
ッグフィルタ部分17′は例えばシリカなどで作られた小
さな管32′の中に収められ、長さ方向に沿って管の内側
に適宜接着されている。管32′は異なる材料から作られ
た補償部材21′と22′との間に配置されているため、圧
縮応力は回折格子領域13′に印加され、このような応力
は温度の上昇に伴って大きくなり、温度が下がると緩和
される。上述した構成と同じように、回折格子領域13′
には、この場合は圧縮である予荷重を適宜加えて外気温
の上昇および下降の両方の変化に対応する。第1の実施
例において説明した方法と同じように達成される予荷重
は、回折格子領域13′のブラッグフィルタとして周波数
を同調したり、走査、調節するために使用することも可
能である。温度補償率は、補償部材21′および22′に適
当な膨張係数を有する材料を選択し、さらにファイバ部
分17′を接着するシリカ管32′の内径および外径を選択
することによって設定することができる。
材21と22、または21′と22′は円筒形にすることもでき
る。さらに、第4図に示す予荷重装置20′において、接
着されたファイバ部分17′を有するシリカ管32′は装置
20′の中心線に沿って配置されていることが好ましい。
どちらの場合でも、回折格子領域13または13′が備えら
れたファイバ10または10′をそれぞれの穴を貫通して挿
入し、円筒形の予荷重部材21と22、または21′と22′の
中心に位置させる。包装時には、円筒形の補償器20′
(または20)の両端にファイバ光コネクタ33′および3
4′を取付け、光学系の他の構成要素と組み立てること
ができる独立した装置にすることも可能である。
学分野において広く応用することができる。したがっ
て、例えば、干渉通信や多重データリンクなどの局部発
振器や光源として利用されるレーザダイオードの発光周
波数の安定化や波長の標準化などにも利用できる。この
ようなフィルタ配列は、センサ信号の変化を測定するフ
ァイバ光センサシステムや、センサ安定発光光源にも利
用できる。
成における実施例について図示し述べてきたが、本発明
はこの特定の例に限られるものではなく、本発明を保護
する範囲は、添付の請求の範囲によってのみ決定される
ことは理解できよう。
Claims (3)
- 【請求項1】長手方向に離間した2つの端部を有する細
長いコアを含む光導波路と、前記コアの長手方向の軸に
沿って細長い通路に光を誘導する手段と、を備え、前記
コアは、前記長手方向の軸に対して垂直であるととも
に、長手方向に等間隔に延在して集合的に回折格子を構
成している複数の回折格子要素が内部に埋設されている
予め定められた限られた長さの部分を前記端部から離れ
た位置に含み、前記回折格子は、前記回折格子要素間の
前記間隔と、前記回折格子の温度および該回折格子に加
わる長手方向のひずみに影響される前記コアの材料の屈
折係数と、によって定められる中心波長付近の狭範囲内
における波長を有するとともに前記通路内を伝搬して前
記回折格子要素に導入される光を反射して、前記通路内
を本来の伝搬方向とは逆の長手方向に伝搬させ、さら
に、 回折格子の温度変化に起因する回折格子の前記中心波長
の変化が補償されるように、温度とともに変化する量の
長手方向歪みを前記コアに加える複数の補償部材が前記
光導波路に取り付けられていることを特徴とする温度補
償埋設回折格子光導波路光フィルタ装置。 - 【請求項2】2つの補償部材が、前記コア部分を間に有
するそれぞれ異なる長手方向位置で前記光導波路に取り
付けられているとともに、前記長手方向位置から少なく
とも軸方向に離間された連結領域で互いに連結されてお
り、前記の2つの補償部材の材料の熱膨張係数の差は、
前記の2つの補償部材における前記連結領域と長手方向
位置との間に存在する部分の軸方向の熱膨張差に起因し
て前記コア部分に加わる熱に起因した長手方向歪みが前
記の量となるような大きさであることを特徴とする請求
項1記載の温度補償埋設回折格子光導波路光フィルタ装
置。 - 【請求項3】前記の複数の補償部材は、前記長手方向位
置の間の長手方向距離、ひいては前記コア部分に加わる
長手方向歪みを、前記の熱に起因した長手方向歪みとは
別個に、選択的に変化させ得る方法で前記連結領域で前
記補償部材を互いに調節可能に連結する手段を、備えて
いることを特徴とする請求項2記載の温度補償埋設回折
格子光導波路光フィルタ装置。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US07/456,440 US5042898A (en) | 1989-12-26 | 1989-12-26 | Incorporated Bragg filter temperature compensated optical waveguide device |
US456,440 | 1989-12-26 | ||
PCT/US1990/007640 WO1991010151A1 (en) | 1989-12-26 | 1990-12-21 | Incorporated bragg filter temperature compensated optical waveguide device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05503170A JPH05503170A (ja) | 1993-05-27 |
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