JP3776930B2 - 圧縮により波長可変としたファイバグレーティング - Google Patents

Description

引用する関連出願
同時係属中の米国特許出願、（ＵＴＣドケット番号Ｎｏ．Ｒ−３８６４）、名称“圧縮により波長可変としたファイバレーザ”が、本願と同時に出願されており、上記出願についても本願における開示内容に関連する内容を含んでいる。
技術分野
本発明は、ブラッググレーティングに関し、より詳細には、波長可変ブラッググレーティングに関する。
背景技術
オプティカルファイバの分野においては、一つ以上のブラッググレーティングをオプティカルファイバコア中に埋め込むことが知られている。ブラッググレーティングは、そこに入射した光線の所定の波長バンドを反射させ、また、その残りの光線を透過させるようになっていることが知られている。また、ブラッググレーティングは、例えばセンサデバイスやファイバ通信用部品等多くの用途を有していることが知られている。これらは、波長可変反射要素を提供することができ、ファイバセンサ内でのトランスデューサ要素、ファイバのための波長制御デバイス、半導体、固体レーザ等、通信システムにおける波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）部品、波長アナライザ、信号処理システム部品、その他の用途において使用することができる。上記デバイスの多くは、上記ファイバグレーティング要素が大きな波長可変範囲を有していればより一層改善されることになる。
ファイバブラッググレーティングは、上記ファイバグレーティングを伸長させることで波長可変（変化）させることができる。例えば、このための一つの技術としては、上記グレーティングに圧電式伸長機（可変器）を取り付け、印可電圧に依存させつつ伸長させたり、又は、上記グレーティングを電圧が印可されると伸長する円筒状のマンドレルに巻き付ける等の方法があるが、これらについては、モーレイ（Ｍｏｒｅｙ）等に付与された米国特許第５，００７，７０５号に開示のものである。これらとは別の多くの伸長技術が用いられているが、これらについては上述の特許においても論じられている。
しかしながら、上記ファイバが伸長される量（引っ張り歪みが与えられる量）、すなわちその最大波長可変領域は、上記ファイバの引っ張り強度により制限されていた。特にブラッググレーティングが伸長される場合には、上記ブラッググレーティング反射波長範囲は、１．５５μｍ波長領域において約１．２ナノメータ（ｎｍ）／ミリストレイン（ｍｉｌｌｉｓｔｒａｉｎ）で変化することが知られている。典型的な通信用グレードのオプティカルファイバ及び導波路は、石英すなわち二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）によって製造されており、これは、ヤング弾性率が１．０２ｘ１０⁷ＰＳＩである。従って、５０ｋｐｓｉで規格試験される典型的なオプティカルファイバについては、長期間安全に加えられるには最大歪みの約１／２％（（ΔＬ／Ｌ）＊１００；上式中、Ｌは、伸長されるファイバの長さである。）が、上記ファイバを現実に破断させてしまうような上記ファイバ強度の劣化を生じさせずに加えられるにすぎない。これは、上記引っ張り歪みによるブラッググレーティング波長可変最大量を約５ｎｍに制限してしまうこととなる。
これとは別に、ファイバグレーティングは、温度変化によっても波長可変とすることができる。この場合には、ブラッググレーティングを加熱し、これらの要素を膨張させて屈折率の変化を生じさせる。温度に対する上記ブラッグ反射波長の変化は、約０．０１１ｎｍ／℃である。このような温度波長可変は、上記ブラッググレーティングの反射率の大きさが劣化するという悪影響があり、これは、熱アニーリングが生じてしまうことによるものである。この様な劣化は、上記グレーティングの有効性を低減させてしまうことになる。特定のファイバ、製造方法、ファイバへのコーティング及びグレーティングの規格に応じて、約２００℃を超える高い温度で著しいグレーティングの劣化が発生してしまうので、上記ファイバグレーティングの現実的な波長可変幅は、約２ｎｍに制限されてしまう。
しかしながら、多くの用途においては、できるだけ広い波長可変範囲で波長可変なファイバブラッググレーティングを提供することが望まれていた。
発明の開示
本発明の目的は、波長可変幅の広いファイバブラッググレーティングを提供することにある。
本発明に従えば、波長可変反射要素は、反射波長において入射光線を反射させる反射要素と、上記反射要素を圧縮して上記反射波長を変化させるための圧縮手段と、を有している。
さらに本発明によれば、上記波長可変要素は、ブラッググレーティングを有している。
本発明は、従来の波長可変ファイバグレーティングに対して著しい改良が加えられているものであるが、これは、圧縮応力を引っ張り応力（すなわち、上記グレーティングを伸長させるものである）に変えて用いることにより、上記ファイバグレーティングを、例えば４５ナノメータ（ｎｍ）といったより広い範囲で連続的に波長可変とすることを可能とするものである。これは、主として、上記オプティカルファイバが、引っ張りよりも圧縮に対して２３倍も強いことに起因しており、このことによって従来よりもより大きな波長可変範囲が達成されるものである。また、我々は鋭意検討の結果、上記波長可変性は、両方向（すなわち、圧縮方向及び弛緩方向）に繰り返すことができることを見いだしたのである。
本発明の上記目的及びその他の目的、特徴及び効果については、添付の図面を用いて説明する代表的な実施例の説明によってより明確となろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の圧縮による波長可変ファイバグレーティングの実施例を示した概略的なブロック図である。
図２は、本発明の圧縮による波長可変ファイバグレーティングについて、圧縮応力に対して反射波長をグラフとした図である。
図３は、本発明の圧縮ファイバグレーティングを圧縮するための圧縮デバイスの分解斜視図である。
図４は、本発明の圧縮による波長可変ファイバグレーティングを圧縮するための圧縮デバイスの一部分解斜視図である。
図５は、一端がブロックされ、かつ、内部をファイバがスライドできるようにされた本発明の固定フェルールの側面図である。
発明の最良の実施態様
図１には、ポンプ光源１０、例えばレーザダイオード等を示しているが、これは、オプティカルファイバ１４に対して広い波長範囲の光信号１２を与えている。このソース信号１２は、良く知られた２ｘ２波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１８のポート１６に供給される。上記ソース信号１２は、上記入力光線が所定量、例えば５０％だけカップリングされて、上記ＷＤＭ１８の上記出力ポート２０へ送られ、上記ファイバ２４への光学的信号２２となる。上記オプティカルファイバ２４に対し、このファイバ２４（例えば直径が約１２５μｍのＳｉＯ₂製オプティカルファイバ）内に埋め込まれたブラッググレーティング２６へと入射が行われる。上記ファイバグレーティングは、グレン（Ｇｌｅｎｎ）等の米国特許第４，７２５，１１０号、名称“ファイバ光学部品内にグレーティングを埋め込む方法”において開示のものと類似してはいるが、所望によりいかなる波長可変グレーティングを使用することもできる。上記ファイバグレーティング２６は、反射波長λ_bを中心とした所定の波長幅を有する光線２８を反射し、上記入射光線２２のうちの残された波長（所定の光学的範囲の）を通過させるが、これをファイバ３４に沿ったライン３０によって示している。上記ファイバ２４，３４は、上記グレーティングが埋め込まれた同一のファイバである。
上記反射信号２８は、上記ファイバ２４に沿って進行して行き、上記ポート２０において上記カップラ１８に再度入射する。上記カップラ１８は、上記光線２８の所定量（例えば５０％）をライン３７によって示されるようにファイバ３６に沿ってポート３５へとカップルさせる。上記ファイバ３６は、スペクトラムアナライザ３８に導かれており、このスペクトラムアナライザ３８は、上記ソース１０の波長領域にわたった上記グレーティング２６の上記光学的波長反射プロファイルを示した電気的信号をライン４０に与えるようになっている。
上記光線１２の残りの部分例えば５０％は、ライン４６で示されているようにファイバ４４に沿ってポート４２へとカップルされている。上記ファイバ４４は、角度を付けられた面によって端部４８が形成されており、及び／又は上記ポート４２においていかなる光線でも上記カップラ１８へと反射されて戻らないよう、アンチリフレクションコートが施されている。オプティカルアイソレータ５０は、上記ファイバ１４に沿って備えられていても良く、上記信号２８が、上記ポート１６へとカップルして上記ソース１０を損傷又は攪乱させないようにしている。
上記ファイバグレーティング２６は、ファイバ圧縮デバイス９０内に通され（より詳細には後述する）、正確にその長手方向軸に沿って上記ファイバの圧縮が行われるようになっているとともに、上記ファイバがバックリングしないようにされている。通常、上記圧縮デバイス９０は、上記ファイバ２４が通される可動ピストン９２と、上記ファイバ３４が同様に通される固定部分９４と、を有している。上記ピストン９２と上記ピストン９４の間に、上記ファイバグレーティング２６がフェルールを介して通されている（図１には図示せず）。上記ファイバ２４は、上記可動ピストン９２へと固定され（例えば膠又はエポキシ樹脂による）、上記固定部分９４は、また、上記ファイバ３４に取り付けられている。ステッパモータ９８は、機械的リンケージ１００によって上記ピストン９２へと連結されていて、上記ピストン９２を動かし、かつ、上記ファイバグレーティング２６を、長手方向に圧縮して上記反射信号２８の波長を可変としている。上記ステッパモータ９８は、高分解能４００ステップ／回転のステッパモータであり、１０，０００ステップ／回転のマイクロステッピングモードで駆動できる例えば、メルグリオ（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）製のナノムーバ（ＮＡＮＯ−ＭＯＶＥＲ）マイクロポジショナシステムを挙げることができる。このシステムによれば、リニア変位分解能を＋／−５０ｎｍ／ステップ、及び波長分解能を＋／−２ピコメートル、すなわち、１５５０ｎｍにおいて周波数を＋／−２５０ＭＨｚとすることができる。
上記ステッパモータ９８は、ステッパモータ駆動回路１０４からのライン１０２を介した電気的信号によって駆動されている。上記ドライブ回路１０４は、既知の電気機器を有していて、上記ステッパモータ９８、従って、上記ピストン９２をライン１０６の電気信号に対応して、所望するブラッグ波長λ_bに対応した所望の位置へと駆動させるに必要な駆動信号を与えている。
図２に示すように、我々は、上記オプティカルファイバの主要成分となっている石英（ＳｉＯ₂）が、約２３倍引っ張りに対するよりも圧縮に対して強いことを見いだした。これによって圧縮により、より広い波長可変領域が得られることがわかる。特にわれわれは、０から４２５ｋｐｓｉの印加応力範囲、すなわち４．２％の圧縮歪み（（ΔＬ／Ｌ）＊１００；上式中Ｌは、圧縮するファイバ長さである）にわたって、波長可変領域が４５ｎｍであることを見いだした。これは、上記ファイバに約３．６ｋｇの力（負荷）を加えることによって得られたものである。これは、従来のファイバグレーティング波長可変技術によって報告されてきた波長可変範囲よりもかなり大きなものとなっている。さらにこの圧縮は、上記ファイバを伸長させる従来技術において発生する、ファイバ損傷のリスクがない。また、所望により別の波長及び／又は大きな圧縮領域を使用することもできる。また、より高い圧縮値において、ある種のノンリニア特性が発生した場合でも、上記したようなノンリニア性を考慮に入れて、上記ステッパモータ等、力を加えるデバイスを補償することで、従来よりもかなり大きな波長領域において予測可能な波長可変性を与えることができる。
ここで、図３及び図４には、図１で前述した上記ファイバ圧縮デバイス９０の一つの実施例を示すが、これは、約３．７５インチ、すなわち、９．５３ｃｍの長さを有し、かつ、上記デバイス９０を支持するためのベース２００を備えている。上記ファイバ２４は、金属チューブ（又はスリーブ）２０２を通して供給され、この金属チューブは上記ピストン９２に取り付けられている。上記ピストン９２は、約３．５ｃｍの長さを有しており、上記ベース２００内の半円形のガイド２０４に沿ってスライドするようになっている。上記ファイバ２４は、上記チューブ２０２の長さに沿って上記チューブ２０２に取り付けられており、上記ファイバグレーティングの圧縮中に上記ファイバ２４がスライドしてしまうのを防止している。上記ファイバ２４は、上記ガイド２０２を出て、上記ファイバグレーティング２６（図示せず）は、連なった３つのフェルール２０６を介して通されている。上記フェルールは、それぞれが約１．３ｃｍの長さを有し、所定の均等な約１ｍｍの離間（ギャップ）２０８をそれぞれの間に有している。この様にすることによって、固定されていない部分のファイバ部分を上記圧縮領域外へと突き出させることができ、ファイバのバックリングの可能性を最低限とすることができる。
上記複数のフェルールは、上記ベース２００内の半円形トラック２０９に沿って自在にスライドするようにされている。上記ファイバグレーティング２６の出力としての上記ファイバ３４は、上記ベース２００に取り付けられている別の金属チューブ２１０に送られる。また、上記ファイバ３４は、上記チューブ２１０の長さにわたって上記チューブ２１０に固定されており、上記ファイバ３４が、上記ファイバ３４の圧縮中にスライドしてしまわないようにしている。溝２２１を備えたカバー２２０は、上記フェルール２０６の頂部に設けられていて、それらを安定化させているとともに、それらを“クラムシェル”型の配置で整列させている。圧縮が行われる全ギャップは、約３ｃｍである。これと別の圧縮長さであっても所望により用いることができる。また、上記フェルール、上記ピストン９２、ベース２００及び上記圧縮デバイス９０のこれらとは別の部品すべてについて、別のサイズ及び離間を所望により用いることができる。また、上記離間２０８は、所望により圧縮される上記全ファイバのほとんどにわたって形成されるように設定することもできる。さらに、上記圧縮ファイバが開放された場合に、上記フェルールの離間２０８にスプリング（図示せず）を使用して、上記フェルール２０６をそれらの本来の位置に戻してやることもできる。
上記チューブ２０２は、さらに、上記ピストンにカバー２２６によって固定されており、上記ピストン９２は、上側に覆いかぶさっているアーム２２２，２２４によって上記ガイド２０４に保持されている。また、上記チューブ２１０は、カバー２２８によってさらに上記ベース２００に取り付けられている。上記チューブ入り口２０２及び上記チューブの出口２１０における上記ファイバの破断を可能な限り低減させるため、上記ファイバは、上記チューブの上記端部までは接着すべきではなく、それぞれのチューブ端に至る以前に上記接着が終わっているようにするべきである。この様にすることによって、上記チューブが、上記圧縮デバイス９０の上記入り口点及び上記出口点において上記ファイバに加えられる歪みの量を規制するシースとして機能することになる。
図３、図４に示すような３つのフェルールを使用するかわりに、所望により、より多く、又は、より少ないフェルールを使用することもできる。また、上記複数のフェルールをスライドさせるかわりに、それらの一つ又はそれ以上を上記ベース２００に固定して、上記ファイバがそれらの内部をスライドするようにしても良い。さらに、上記グレーティング２６は、例えば、プラスチックコーティング等いかなるコーティングも引き剥がされていても良く、又、適切に上記コーティングが圧縮できるようにされていれば上記コーティングが所望により上記ファイバ上に残されていても良い。
さらにまた、上記グレーティング２６の双方の出力を使用するかわりに、上記グレーティングとして、所望に応より反射モードで使用することもできる。この場合には、上記ファイバ３４は、上記圧縮デバイス９０には必要ではない。
図５には、上記ファイバの両端を固定するかわりに、固定された一つの端部を有するファイバグレーティングを用いた場合に、上記ファイバ３００の未使用端部が、固定された（動かない）フェルール３０２を介して通され、上記フェルール３０４の一端においてホールが、硬い面（又はプレート）３０６によってブロックされているのが示されている。上記プレート３０６が石英製であれば、上記ファイバ３００の端部からの反射は、最低化することができる。
上記ファイバグレーティング２６のオプティカルファイバは（図１）、いかなるガラス（例えばＳｉＯ₂、燐酸ガラス、又は、これらとは別のガラス）又は、ガラス及びプラスチック、又は、単なるプラスチックで製造されていても良い。また、オプティカルファイバのかわりに、光を収容し、増幅可能なものであれば、例えば平面導波路といったいかなる別の光導波路を使用していても良い。また、ブラッググレーティングのかわりに、反射波長が圧縮力を加えることで可変とされるいかなる反射型光学要素であっても所望に応じて使用することができる。さらに、知られているように、ファイバブラッググレーティングは、反射または透過型のいずれも使用することができる。本願の開示は、反射波長のシフトを考慮して行ってきたが、本発明は、透過を用いても等しく使用することができる。
また、本発明は、圧縮デバイス９０（図１）についてのいくつかの特定の実施例をもって説明してきたが、上記ファイバを長手方向軸に圧縮できるいかなるデバイスであっても、上記ファイバをバックリングさせることなく圧縮させられるようなものであれば使用できる。さらに、上記ステッパモータ９８を使用するかわりに、上記ファイバグレーティングの上記長手方向軸に沿って長手方向の圧縮力を加え、反射波長を変化させることができるいかなる装置であっても所望により使用することができる。

Claims (17)

1. 入射光線を規制し、かつ、伝搬させるための光導波路と、
   前記入射光線を反射波長において反射させるための前記光導波路に埋め込まれた反射要素と、
   所定範囲より大きな波長可変範囲に亘って前記反射要素の前記反射波長を変化させるように前記反射要素を圧縮するための圧縮手段と、
   を備え、
   前記所定範囲が少なくとも５ｎｍであることを特徴とする波長可変反射要素。
2. 前記所定範囲が１０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変反射要素。
3. 前記所定範囲が１５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変反射要素。
4. 前記所定範囲が２０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変反射要素。
5. 前記所定範囲が３０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変反射要素。
6. 前記反射要素は、ブラッググレーティングを有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長可変反射要素。
7. 前記光導波路は、オプティカルファイバであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長可変反射要素。
8. 前記光導波路は、石英を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長可変反射要素。
9. 内部に反射要素が埋め込まれた光導波路を圧縮して、前記反射要素の反射波長を変化させ、かつ、前記反射波長を所定範囲を越えて可変とする圧縮ステップを有し、前記所定範囲が少なくとも５ｎｍであることを特徴とする反射要素の反射波長可変方法。
10. 前記所定範囲が１０ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記所定範囲が１５ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記所定範囲が２０ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 前記所定範囲が３０ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. 前記圧縮ステップは、さらにブラッググレーティングを圧縮するステップを有することを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記反射要素は、埋め込まれたブラッググレーティングを有することを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の方法。
16. 前記光導波路は、石英を有していることを特徴とすることを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の方法。
17. 前記光導波路は、オプティカルファイバであることを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の波長可変反射要素。

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